JP4865869B2

JP4865869B2 - 風力発電システム及びその運転制御方法

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Publication number: JP4865869B2
Application number: JP2009546086A
Authority: JP
Inventors: 真司有永; 崇俊松下; 強志若狭; 昌明柴田; 明八杉
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2007-12-14
Filing date: 2007-12-14
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2027-12-14
Also published as: US20110204630A1; KR20100049101A; CA2697431A1; CN101802395B; JPWO2009078072A1; AU2007362448B2; WO2009078072A1; CN101802395A; EP2218910A4; KR101158702B1; EP2218910A1; US8364323B2; CA2697431C; EP2218910B1; AU2007362448A1; BRPI0722022A2

Description

本発明は、風力発電システム及びその運転制御方法に関するものである。

ウィンドファームの出力変動は、平滑化されることが知られている。一台の風車の出力変動の標準偏差をσとすると、Ｍ台の風車を備えるウィンドファームの出力変動の標準偏差σ_totalは各風車の出力変動が無相関（ランダム）ならば、以下の（１）式で表される。

米国特許第６７２４０９７号明細書米国特許第６９４６７５１号明細書

しかしながら、ウィンドファームの各風車の出力変動の相関が高い場合には、ウィンドファームの出力変動が平準化されずに、大きな出力変動として現れてしまうおそれがある。

本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、連系点における出力変動を低減することのできる風力発電システム及びその運転制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明の第１の態様は、複数の風車を備え、各前記風車の出力電力が共通の連系点を通じて電力系統に供給される風力発電システムの運転制御方法であって、各前記風車の出力データを取得する過程と、前記出力データを用いて、隣り合う風車の出力変動の相関を求める過程と、周期的な強い相関が示された場合に、その強い相関が現れる周期で前記隣り合う風車のいずれか一方の出力変動の位相を変化させる過程とを含む風力発電システムの運転制御方法である。

このような運転制御方法によれば、隣接して設置された風車の出力変動の相関を求め、その相関が強かった場合には、その強い相関が現れる周期で隣り合う風車のいずれか一方の出力変動の位相を変化させるので、隣接する風車間での出力変動の相関を弱めさせることが可能となる。
この結果、各風車の出力電力が供給される連系点の出力変動を緩和することが可能となり、より安定した電力を電力系統に供給することが可能となる。
「強い相関が示された場合」とは、例えば、相関の平均レベルに対して２倍以上の相関値が示された場合をいう。例えば、図５に示されるグラフでは、相関の平均レベルに対して２倍以上の相関値を示すピークが現れている。このような場合を強い相関として判断する。

上記風力発電システムの運転制御方法において、前記隣り合う風車のうち、いずれか一方のブレードピッチ角を変化させることにより、出力変動の位相を変化させることとしてもよい。

このように、いずれか一方のブレードピッチ角を変化させることにより、発電機の回転数が変化し、この結果、出力変動の位相をずらすことが可能となる。これにより、隣接する風車間での出力変動の相関を弱めさせることが可能となる。

また、上記風力発電システムの運転制御方法において、前記隣り合う風車のうち、いずれか一方の発電機の回転数を変化させることにより、出力変動の位相を変化させることとしてもよい。

このように、いずれか一方の発電機の回転数を変化させるので、出力変動の位相をずらすことが可能となる。これにより、隣接する風車間での出力変動の相関を弱めさせることが可能となる。

本発明の第２の態様は、複数の風車を備え、各前記風車の出力電力が共通の連系点を通じて電力系統に供給される風力発電システムであって、各前記風車の出力データを取得し、前記出力データを用いて、隣り合う風車の出力変動の相関を求め、周期的な強い相関が示された場合に、その強い相関が現れる周期で前記隣り合う風車のいずれか一方の出力の位相を変化させる風力発電システムである。

本発明によれば、連系点における出力変動を低減させることができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る風力発電システムの全体構成を示した図である。本発明の一実施形態に係る風車の構成を示した図である。図２に示した風車の構成をより詳細に示した図である。発電機およびその周辺の構成の一例を示すブロック図である。風車の出力変動の相関値の一例を示したグラフである。

符号の説明

１風力発電システム
１００中央制御装置
３０電力線
Ａ連系点
ＷＴＧ１，ＷＴＧ２，ＷＴＧｎ風車

以下に、本発明に係る風力発電システム及びその運転制御方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る風力発電システムの全体構成を示したブロック図である。図１に示されるように、風力発電システム１は、複数の風車ＷＴＧ１，ＷＴＧ２，・・・，ＷＴＧｎ（以下、全ての風車を示すときは単に符号「ＷＴＧ」を付し、各風車を示すときは符号「ＷＴＧ１」、「ＷＴＧ２」等を付す。）と、各風車ＷＴＧに対して制御指令を与える中央制御装置１００とを備えている。本実施形態において、各風力発電装置ＷＴＧは、可変速風車であってもよいし、固定速風車であってもよい。
各風車ＷＴＧ１，ＷＴＧ２，・・・，ＷＴＧｎの出力電力は、電力線３０により共通の連系点Ａを経由して電力系統に供給される。

各風車ＷＴＧは、図２に示されるように、タワー２と、タワー２の上端に設けられたナセル３とを備えている。ナセル３は、ヨー方向に旋回可能であり、ナセル旋回機構４によって所望の方向に向けられる。ナセル３には、発電機５とギア６とが搭載されている。発電機５のロータは、ギア６を介して風車ロータ７に接合されている。

風車ロータ７は、ブレード８と、ブレード８を支持するハブ９とを備えている。ブレード８は、そのピッチ角が可変であるように設けられている。詳細には、図３に示されているように、ハブ９には、ブレード８を駆動する油圧シリンダ１１と、油圧シリンダ１１に油圧を供給するサーボバルブ１２とが収容されている。サーボバルブ１２の開度によって油圧シリンダ１１に供給される油圧が制御され、これにより、ブレード８が、所望のピッチ角に制御される。

図２に戻り、ナセル３には、更に、風速風向計１０が設けられている。風速風向計１０は、風速と風向とを測定する。ナセル３は、風速風向計１０によって測定された風速と風向に応答して旋回される。

図４は、発電機５およびその周辺の構成の一例を示すブロック図である。本実施形態の発電機５は、発電機５が発生する電力がステータ巻線及びロータ巻線の両方から電力系統に出力可能であるように構成されている。具体的には、発電機５は、そのステータ巻線が電力系統に直接に接続され、ロータ巻線がＡＣ−ＤＣ−ＡＣコンバータ１７を介して電力系統に接続されている。

ＡＣ−ＤＣ−ＡＣコンバータ１７は、能動整流器１４、ＤＣバス１５、及びインバータ１６から構成されており、ロータ巻線から受け取った交流電力を電力系統の周波数に適合した交流電力に変換する。能動整流器１４は、ロータ巻線に発生された交流電力を直流電力に変換し、その直流電力をＤＣバス１５に出力する。インバータ１６は、ＤＣバス１５から受け取った直流電力を電力系統と同一の周波数の交流電力に変換し、その交流電力を出力する。

ＡＣ−ＤＣ−ＡＣコンバータ１７は、電力系統から受け取った交流電力をロータ巻線の周波数に適合した交流電力に変換する機能も有しており、風車ＷＴＧの運転の状況によってはロータ巻線を励起するためにも使用される。この場合、インバータ１６は、交流電力を直流電力に変換し、その直流電力をＤＣバス１５に出力する。能動整流器１４は、ＤＣバス１５から受け取った直流電力をロータ巻線の周波数に適合した交流電力に変換し、その交流電力を発電機５のロータ巻線に供給する。

風車ＷＴＧの制御系は、ＰＬＧ（pulse logic generator）１８と、主制御装置１９と、電圧／電流センサ２０と、コンバータ駆動制御装置２１と、ピッチ制御装置２２と、ヨー制御装置２３とで構成されている。

ＰＬＧ１８は、発電機５の回転数ω（以下、「発電機回転数ω」という。）を測定する。
主制御装置１９は、ＰＬＧ１８によって測定された発電機回転数ωに応答して有効電力指令Ｐ^＊、無効電力指令Ｑ^＊、及びピッチ指令β^＊を生成し、更に、風速風向計１０によって測定された風速及び風向に応答してヨー指令を生成する。また、主制御装置１９は、中央制御装置１００（図１参照）から同期解除指令を受信した場合に、ピッチ角指令β^＊を所定時間、０．５°フェザー側へ補正する。この補正制御についての詳細は後述する。

電圧／電流センサ２０は、発電機５を電力系統に接続する電力線３０に設けられており、発電機５の出力電圧Ｖ及び出力電流Ｉを測定する。

コンバータ駆動制御装置２１は、有効電力指令Ｐ^＊、無効電力指令Ｑ^＊に応答して出力する有効電力Ｐと無効電力Ｑを制御するべく、能動整流器１４及びインバータ１６のパワートランジスタのオンオフを制御する。具体的には、コンバータ駆動制御装置２１は、電圧／電流センサ２０によって測定される出力電圧Ｖ及び出力電流Ｉから、有効電力Ｐと無効電力Ｑを算出する。更にコンバータ駆動制御装置２１は、有効電力Ｐと有効電力指令Ｐ^＊との差、及び無効電力Ｑと無効電力指令Ｑ^＊との差に応答してＰＷＭ制御を行ってＰＷＭ信号を生成し、生成されたＰＷＭ信号を能動整流器１４及びインバータ１６に供給する。これにより、有効電力Ｐと無効電力Ｑが制御される。

ピッチ制御装置２２は、主制御装置１９から送られるピッチ指令β^＊に応答して、ブレード８のピッチ角βを制御する。ブレード８のピッチ角βは、ピッチ指令β^＊に一致するように制御される。
ヨー制御装置２３は、主制御装置１９から送られるヨー指令に応答して、ナセル旋回機構４を制御し、ナセル３を指示された方向に向ける。

風車ＷＴＧ内に配線される電力線３０には、ＡＣ／ＤＣコンバータ２４が接続されている。このＡＣ／ＤＣコンバータ２４は、電力線３０を介して電力系統から受け取った交流電力から直流電力を生成し、その直流電力を風車ＷＴＧの制御系、特に、ブレード８のピッチ角βを制御するために使用されるサーボバルブ１２、主制御装置１９、及びピッチ制御装置２２に供給する。

更に、サーボバルブ１２、主制御装置１９、及びピッチ制御装置２２に安定的に直流電力を供給するために、風車ＷＴＧには、充電装置２７と非常用バッテリ２８とを備えた無停電電源システム２６が設けられている。ＬＶＲＴ（ＬｏｗＶｏｌｔａｇｅＲｉｄｅＴｈｒｏｕｇｈ）のような風力発電システムに対する要求により、たとえ系統電圧Ｖｇｒｉｄが低下した場合でも、発電機５が電力系統に接続された状態が維持される必要がある。このためには、電力系統の電圧が低下した場合でもブレード８のピッチ角が適切に制御され、これにより発電機５の回転数が所望値に維持される必要がある。このような要求を満足するために、系統電圧Ｖｇｒｉｄが所定の電圧まで低下した場合、無停電電源システム２６がスイッチ２５によってサーボバルブ１２、主制御装置１９、及びピッチ制御装置２２に接続され、非常用バッテリ２８からサーボバルブ１２、主制御装置１９、及びピッチ制御装置２２に電力が供給される。これにより、ブレード８のピッチ角の制御が維持される。非常用バッテリ２８は、充電装置２７に接続されている。充電装置２７は、ＡＣ／ＤＣコンバータ２４から供給される直流電力によって非常用バッテリ２８を充電する。

次に、上述した風力発電システム１の運転制御方法について説明する。
まず、図１に示される中央処理装置１００は、風力発電システム１を構成する各風車ＷＴＧ１，ＷＴＧ２，・・・ＷＴＧｎの出力電力（具体的には、有効電力）の時系列データＰｉ（ｔ）を収集する。
ここで、Ｐｉ（ｔ）＝Ｐ（ｋΔｔ）であり、「ｋ」はサンプリング数であり、ｋ＝０，１，２・・・，Ｎ、「Δｔ」はサンプリング周期、「ｉ」はｉ番目の風車ＷＴＧの有効電力を示している。
上記時系列データＰ（ｉ）の収集については、例えば、各風車ＷＴＧが備えるコンバータ駆動制御装置２１において算出された有効電力、無効電力の時系列データを取得することで実現される。

中央処理装置１００は、各風車ＷＴＧの出力の時系列データを収集すると、風力発電システム１内（ウィンドファーム内）において、隣り合う風車の出力変動の相関を計算する。このため、中央処理装置１００には、予め各風車の配置に関する情報が登録されている。
上記相関の計算については、以下に示す（２）式を用いて行ってもよいし、或いは、高速フーリエ計算（ＦＦＴ）等を利用することとしてもよい。また、その他の公知の方法を用いることも可能である。

中央制御装置１００は、相関関係の計算をｉ＝１〜Ｍ−１のそれぞれについて行い、隣り合う風車において相関が高いものがあるか否かを判断する。相関がある場合には、例えば、図５に示されるような相関のピークが現れることとなる。図５において、横軸は時間、縦軸は相関値を示しており、時刻ｍ_ｐΔｔはサンプリング期間の基準となる時刻０からの経過時間を示しており、この時刻にｉ番目とｉ＋１番目の風車において出力変動の強い相関が現れたことを示している。

中央制御装置１００は、出力変動の強い相関を示した風車の組が存在した場合には、そのうちのいずれかの風車に対して、ピッチ角を所定量調整する旨の同期解除指令と、その相関が現れる周期（時刻）に関する情報を送信する。
ここで、固定速風車であれば、発電機５の回転数が一定であるために、上記相関は周期的に現れることとなる。したがって、将来においていつ相関が現れるかが推定できる。また、発電機５の回転数が可変である可変速風車であっても、風車の出力の時系列データのサンプリング期間を、回転数が変化する期間に比べて短い時間、例えば、一分〜数十分の間とすることで、将来において相関が現れる時刻を推定することが可能となる。

中央制御装置１００から同期解除指令を受信した風車ＷＴＧにおいては、図４に示した主制御装置１９が、相関が現れる時刻ｍ_ｐΔｔの近傍において、隣接する風車との間で出力変動の相関がなくなる程度に、上記ピッチ角指令β^＊を補正し、補正後のピッチ角指令β^＊´をピッチ制御装置２２に与える。具体的には、主制御装置１９は、相関が現れる時刻ｍ_ｐΔｔを基準として、１／２ｍ_ｐΔｔ〜１／３ｍ_ｐΔｔの期間にわたり、上記ピッチ角指令β^＊をフェザー側に所定量（例えば、０．５°）補正したピッチ角指令β^＊´をピッチ制御装置２２に与える。

これにより、時刻ｍ_ｐΔｔにおける発電機５の回転数が変化し、出力変動の位相がずれることとなる。この結果、隣接する風車との間で、出力変動の相関を低減させることが可能となる。よって、連系点Ａにおける出力変動の位相をずらすことができ、ウィンドファーム全体としての連系点Ａにおける出力変動を低減させることが可能となる。

中央制御装置１００は、上記処理を所定の時間間隔で繰り返し行うことにより、隣り合う風車の出力変動の相関を低減させる。

以上説明してきたように、本実施形態に係る風力発電システム及びその運転制御方法によれば、隣接して設置された風車の出力変動の相関を求め、その相関が強かった場合には、その強い相関が現れる周期で隣り合う風車のいずれか一方の出力変動の位相を変化させるので、隣接する風車間での出力変動の相関を弱めさせることが可能となる。
この結果、各風車の出力電力が供給される連系点の出力変動を緩和することが可能となり、より安定した電力を電力系統に供給することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

例えば、上述した実施形態においては、ピッチ角指令を補正することで出力変動の相関を低減させたが、他のパラメータを変化させることにより、出力変動の相関を低減させることとしてもよい。例えば、アジマス角を調整することとしてもよいし、可変速風車であれば、モータの回転数を調整することとしてもよい。

また、上述した実施形態においては、各風車の出力をモニタし、このモニタ結果から相関があるか否かを判断したが、これに代えて、各風車のアジマス角をモニタし、このアジマス角が同期している場合に、相関が高いと判断することとしてもよい。この場合には、アジマス角が同期しないように、ピッチ制御、回転数制御、及びアジマス角制御のいずれかを調整することとしてもよい。

Claims

複数の風車を備え、各前記風車の出力電力が共通の連系点を通じて電力系統に供給される風力発電システムの運転制御方法であって、
各前記風車の出力データを取得する過程と、
前記出力データを用いて、隣り合う風車の出力変動の相関を求める過程と、
周期的な強い相関が示された場合に、その強い相関が現れる周期で前記隣り合う風車のいずれか一方の出力変動の位相を変化させる過程と
を含む風力発電システムの運転制御方法。
前記隣り合う風車のうち、いずれか一方のブレードピッチ角を変化させることにより、出力変動の位相を変化させる請求項１に記載の風力発電システムの運転制御方法。
前記隣り合う風車のうち、いずれか一方の発電機の回転数を変化させることにより、出力変動の位相を変化させる請求項１に記載の風力発電システムの運転制御方法。
複数の風車を備え、各前記風車の出力電力が共通の連系点を通じて電力系統に供給される風力発電システムであって、
各前記風車の出力データを取得し、
前記出力データを用いて、隣り合う風車の出力変動の相関を求め、
周期的な強い相関が示された場合に、その強い相関が現れる周期で前記隣り合う風車のいずれか一方の出力の位相を変化させる風力発電システム。