JP5190050B2 - 風力発電システム、風力発電制御装置、及び風力発電制御方法 - Google Patents
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Description
一般的に、風力発電装置は、羽根のピッチ角を変えて、回転周波数を一定に保ったり、発電機の励磁電流を変えたりして、発電出力を一定に制御するようになっている。これにより、風力発電装置は、風速が定格風速に達するまでは風速の増大と共に出力が増加し、さらに風速が増大すると、そのカットオフ値までは定格出力で運転するように構成されている。このカットオフ値は、一般的に、風力発電装置の羽根に作用する機械的負荷により、機械的構成要素が疲労限界値に達する風速に設定されている。
風力発電装置は、多くの場合、カットオフ風速よりも速い風速において、機器保護のために停止させる安全機能が設けられている。この停止の時、風力発電装置は、出力が定格出力から出力ゼロへと急激に変動する。ウィンドファームにおいて複数の風力発電装置が一斉にカットアウト風速に達して停止した場合には、ウィンドファーム全体の出力変動はきわめて大きくなる。
これまで、強風時のウィンドファームの出力変動の緩和方法として,種々の提案がなされている。例えば、特許文献1には、それぞれの風力発電設備の風速をモニタし、風速の平均値が閾値を超えた場合に、ウィンドファーム全体の出力をある傾き(ランプ率)で低下させることにより、急激な出力変動を防止する技術が開示されている。
この場合でも特許文献1に記載される方法では、ランプ率にしたがって風力発電システムを停止させてしまうため、不要な停止処理となって発電電力が低下する問題がある。
図1は、本発明の一実施形態である風力発電システムの構成図である。
風力発電システム200は、複数の風力発電装置11,12,13、及び風力発電設備14を含んで構成されるウィンドファーム100と、ウィンドファーム100を制御する集中制御装置41と、記憶装置42と、ウィンドファーム100に接続されている電力系統7と、需要家8とを有している。
風力発電設備14は、風力発電装置11,12,13の風車a,b,cと同様の風車d,e,f,g,…を複数有している。各風力発電装置の風車a,b,c,d,e,f,g,…は、翼のピッチ角を可変することができ、回転周波数制御することができる。
個別制御装置31,32,33、及び風力発電設備14の個別制御装置は、通信ネットワーク5を介して相互に接続されるとともに、集中制御装置41に接続される。記憶装置42は、集中制御装置41に接続され、各風力発電装置11,12,13、及び風力発電設備14の出力特性データ等の運転情報を逐次記憶する。
風の運動エネルギ=(1/2)×「風の質量[kg]」×「風速の2乗」
単位時間あたりの風の質量[kg/s]=断面積[m2]×空気密度[kg/m3]×風速[m/s]
であるので、
風のパワー[W]=(1/2)×「断面積[m2]×「空気密度[kg/m3]」×「風速[m/s]の3乗」
となる。したがって、風力発電装置11,12,13等は、風速が風力発電装置の定格風速に達するまでは風速の3乗に比例するように出力が増加する。
ウィンドファーム内の各風力発電装置についてこの特性を保存しておき、後記する風速の閾値は、定格風速より大きく、停止風速(カットアウト風速)よりも低いある値に設定される。
図4において、個別制御装置31,32,33は、入力手段34と通信手段35とピッチ角制御回路36と電力変換回路37を少なくとも備えている。入力手段34は、気象計21,22,23の風速・風向のデータを逐次入力し、各々の風力発電装置に設けられている電力センサ25を用いて、風力発電装置の出力の値を入力する。通信手段35は、入力手段34が出力する、風速・風向データや出力データを通信ネットワークに出力する。
また、ピッチ角制御回路36は、風車の羽根のピッチ角を可変して、羽根の回転周波数を一定(定格回転周波数)に制御する回路である。電力変換回路37は、風力発電装置が備える図示しない発電機の任意周波数の交流出力を電力変換して、商用電圧・商用周波数の交流出力に変換する。
このフローは、相関係数演算手段53が相互係数を演算した後に起動される。停止判定手段54は、相関係数演算手段53で求めた、閾値を超えた風力発電装置の風速、風向双方の相関係数の演算結果を読み込む(S1)。図7の例では、複数の風力発電装置a,b,c,…,q,r,sの中で、風力発電装置a,c,g,k,n,rの6機が風速閾値を超えたとしている。
次に、停止判定手段54は、ウィンドファーム100の出力変動幅の許容値及び評価時間の設定値を読み込む(S3)。次に、読み込んだ相関係数の中から、停止判定手段54は、相関係数が所定の値より高い風力発電装置を抽出する(S5)。図7の例では、網掛けがされているc−kの2機と、g−n−rの3機の相関係数が高いと判定された。すなわち、c−kの相関係数が0.9であり、g−nの相関係数が0.8であり、n―rの相関係数が0.8であり、g−rの相関係数が0.9であり、これらの相関係数が最も高い。
また、別の変形例では、能動的な停止を行うと決定した風力発電装置に対し、所定の時間をかけてスロープ状に出力を低下させることも可能である。さらに別の実施形態では、前記能動的な停止を行うと決定した風力発電装置に対し、出力を所定の値まで低下させることも可能である。
本実施形態の制御を行わない場合は、風車gは、破線「制御なし」の動きとなり、風車n,rとほぼ同時にカットアウト風速に達して停止する。その結果、ウィンドファームの合計出力は、最下段の破線「制御なし」の動作となり、3機分が同時に停止することによって、図中に示したウィンドファーム出力の変動許容値(両矢印)を上回る変動が発生することになる。
また、停止させる複数の風力発電装置が複数ある場合には、全体の出力変動幅が許容値を上回るか否かを判定する評価時間を予め設定し、この設定された評価時間だけ停止の指令タイミングをずらすことが好ましい。
本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下のような種々の変形が可能である。
(1)前記実施形態は、風速の情報に基づいて、停止させる風力発電装置を決定したが、風向の情報も利用することができる。すなわち、運転情報は、風速だけでなく風向の情報を含み、相関係数演算手段53は、風速、及び風向の相関係数を演算し、停止判定手段54は、風速の相関係数が第1所定値よりも高い複数の風力発電装置が選定されたときに、風向の相関係数が第2所定値よりも高い風力発電装置を選定し、この選定された風力発電装置の出力変動幅が、許容値を上回るか否かを判定する。
(2)前記実施形態は、風速閾値判定手段52が風速が閾値以上であるか判定し、相関係数演算手段53が風速が速いと判定した風力発電装置の間で相関係数を演算したが、すべての風力発電装置相互間で相関係数を演算してから、風速が速い風力発電装置を選択することもできる。すなわち、停止判定手段54は、風速閾値判定手段52が閾値よりも風速が速いと判定し、相関係数演算手段53が演算した演算結果が所定値よりも高いと判定する風力発電装置を選定すると、停止指令手段55は、選定された風力発電装置に対し停止指令を送信する。
(3)前記実施形態は、ピッチ角制御回路36及び電力変換回路37を備えた個別制御装置31,32,33を風力発電装置11,12,13の近傍に設置し、通信ネットワーク5を介して、集中制御装置41に接続したが、ピッチ角制御回路36及び電力変換回路37を有さない個別制御装置と集中制御装置とを同一のハードウェア内に設け、この制御装置をピッチ角制御回路36及び電力変換回路37を備えた風力発電装置に接続することもできる。
7 電力系統
8 需要家
9 送電線
11,12,13 風力発電装置
14 風力発電設備
21,22,23 気象計
25 電力センサ
31,32,33 個別制御装置
34 入力手段
35 通信手段
36 ピッチ角制御回路
37 電力変換回路
41 集中制御装置(制御装置)
42 記憶装置
50 制御部
51 送受信部
52 風速閾値判定手段
53 相関係数演算手段
54 停止判定手段
55 停止指令手段
100 ウィンドファーム
200 風力発電システム
a,b,c,d,g,k,n,r 風車
Claims (9)
- 電力系統に接続され、出力電力制御が可能な複数の風力発電装置を備える風力発電システムであって、
各風力発電装置が受ける風速の情報を含む運転情報を通信ネットワークを介して送信する複数の個別制御装置と、
前記通信ネットワークを介して前記個別制御装置からの前記運転情報を受信して、前記複数の風力発電装置の全体の出力変動を演算処理する集中制御装置とを備え、
前記集中制御装置は、
各風力発電装置から送付される運転情報を受信する送受信部と、前記風速が所定の閾値よりも速いか否かの判定を行う風速閾値判定手段と、風力発電装置の相互間で風速の相関係数を演算する相関係数演算手段と、前記風速閾値判定手段が前記閾値よりも風速が速いと判定し、前記相関係数演算手段が演算した演算結果が所定値よりも高いと判定する風力発電装置を選定する停止判定手段と、前記停止判定手段が選定した風力発電装置に対し停止指令を送信する停止指令手段とを備え、
前記個別制御装置は、前記集中制御装置から送信される停止指令に応じて前記風力発電装置の運転を停止させることを特徴とする風力発電システム。 - 前記停止判定手段は、前記相関係数演算手段の演算結果が前記所定値よりも高いと判定した複数の風力発電装置が同時に停止した場合の前記複数の風力発電装置の全体の出力変動幅が、許容値を上回るか否かをさらに判定し、前記許容値を上回った風力発電装置を前記選定することを特徴とする請求項1に記載の風力発電システム。
- 前記停止判定手段は、前記複数の風力発電装置の全体の出力変動幅が、許容値を上回るか否かを判定する評価時間を予め設定し、この設定された評価時間だけ前記停止指令手段への指令タイミングをずらすことを特徴とする請求項2に記載の風力発電システム。
- 前記運転情報は、風向の情報を含み、
前記相関係数演算手段は、前記風向の相関係数をさらに演算し、
前記停止判定手段は、前記風速の相関係数が前記所定値よりも高い複数の風力発電装置が選定されたときに、前記風向の相関係数が他の所定値よりも高い風力発電装置を選定し、この選定された風力発電装置の出力変動幅が、前記許容値を上回るか否かを判定することを特徴とする請求項3に記載の風力発電システム。 - 前記出力電力制御は、各々の風力発電装置の定格風速から停止風速まで定格出力で制御するものであり、
前記所定の閾値は、前記定格風速から前記停止風速までの中間値に設定されることを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れか一項に記載の風力発電システム。 - 前記出力電力制御は、前記風力発電装置の羽根のピッチ角を可変して制御することを特徴とする請求項1乃至請求項5の何れか一項に記載の風力発電システム。
- 前記集中制御装置と前記個別制御装置とは同一のハードウェア内に設けられることを特徴とする請求項1乃至請求項6の何れか一項に記載の風力発電システム。
- 出力電力制御可能な複数の風力発電装置を制御する風力発電制御装置であって、
各々の前記風力発電装置が受ける風速の情報を含む運転情報を受信する送受信部と、前記風速が所定の閾値よりも速いか否かの判定を行う風速閾値判定手段と、風力発電装置の相互間で風速の相関係数を演算する相関係数演算手段と、前記風速閾値判定手段が前記閾値よりも風速が速いと判定し、前記相関係数演算手段が演算した演算結果が所定値よりも高いと判定する風力発電装置を選定する停止判定手段と、前記停止判定手段が選定した風力発電装置に対し停止指令を送信する停止指令手段とを備えることを特徴とする風力発電制御装置。 - 出力電力制御可能な複数の風力発電装置を制御する風力発電制御装置が実行する風力発電制御方法であって、
各風力発電装置が受ける風速の情報を含む運転情報を受信する送受信ステップと、
前記風速が所定の閾値よりも速いか否かの判定を行う風速閾値判定ステップと、
風力発電装置の相互間で風速の相関係数を演算する相関係数演算ステップと、
前記風速閾値判定ステップが前記閾値よりも風速が速いと判定し、前記相関係数演算ステップが演算した演算結果が所定値よりも高いと判定する風力発電装置を選定する停止判定ステップと、
前記停止判定ステップが選定した風力発電装置に対し停止指令を送信する停止指令ステップと
を備えることを特徴とする風力発電制御方法。
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