JP5244923B2 - 風力発電装置及び出力制御方法 - Google Patents
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Description
この問題を解決するための技術として、特許文献1には、風車の軸に接続された発電機の可変周波数の発電電力を順変換器で直流電力に変換し、該直流電力を逆変換器で交流電力に変換し、順変換器と逆変換器の間に充放電可能な二次電池を直結し、電力系統への出力変動を抑制するように二次電池を常時充放電制御する風力発電装置が記載されている。より詳細には、特許文献1に記載されている風力発電装置は、発電機の出力の検出値から変動分を除去する高周波除去フィルタの出力値を、逆変換機の出力値とし、発電機の出力と逆変換機の出力との差分を、上記二次電池が充放電して吸収することにより、電力系統への出力の変動を抑制する。
本発明の第1の態様に係る風力発電装置は、複数枚のブレードを有する風車ロータが風を受けて回転し、該風車ロータの回転により発電機を駆動させると共に、該発電機によって発電した電力を電力系統に送電する風力発電装置であって、前記発電機の出力の変化の傾きを導出し、導出した該傾きに基づいて、前記発電機の出力の増減を判定する判定手段と、充放電可能な二次電池と、前記電力系統の周波数が低下した場合であって、前記判定手段によって前記発電機の出力が減少していると判定された場合に、前記発電機の出力と前記電力系統が要求する電力との差を、前記風車ロータに蓄えられている慣性力及び前記二次電池に充電されている電力で補うように制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記風車ロータの回転数が多いほど、前記風車ロータに蓄えられている慣性力による出力を大きくし、前記二次電池からの出力が小さくなるように制御する、を備える。
なお、出力の変化の傾きは、例えば、発電機の出力を所定時間間隔で複数回検出し、検出値を結ぶ直線の傾きから導出される。例えば、判定手段は、変化の傾きが、0°<θ<90°の場合に発電機の出力が増加していると判定し、270°<θ<360°の場合に、発電機の出力が減少していると判定する。なお、出力が増加している場合とは、風速が上昇している場合であり、出力が減少している場合とは、風速が下降している場合である。
そして、制御手段によって、電力系統の周波数が低下した場合、判定手段の判定結果に基づいて電力制御が行われる。
以上のことから、本発明は、発電機の出力変動を簡易な構成で正確に検知することで、より効果的に電力系統の電力供給量の低下を補うことができる。
そこで、本発明によれば、電力系統の周波数が低下した場合であって、判定手段で発電機の出力が減少していると判定された場合、制御手段によって、発電機の出力と電力系統が要求する電力との差が、風車ロータに蓄えられている慣性力及び二次電池に充電されている電力で補われるように制御される。
このため、本発明は、電力系統の電力供給量が低下し、かつ風速が下降している場合であっても、電力系統が要求する出力を供給することができる。
また、制御手段は、風車ロータの回転数が多いほど、風車ロータに蓄えられている慣性力による出力を大きくし、二次電池からの出力が小さくなるように制御する。
さらに、本発明の風力発電装置は、電力系統が要求する電力が前記風力発電装置の出力に対して予め定められた比率未満の場合、前記風車ロータの回転数にかかわりなく、前記二次電池のみを放電させる。
前記電力系統の周波数が低下した場合に、発電機の出力が増加していると、電力系統が要求する電力を超える電力を発電機が出力する可能性がある。
そこで、本発明によれば、記憶手段によって、電力系統の周波数が低下したときの発電機の出力が記憶され、制御手段によって、発電機の出力が記憶手段に記憶された出力となるように制限される。
また、制御手段によって、発電機の出力と電力系統が要求する電力との差が、風車ロータに蓄えられている慣性力及び二次電池に充電されている電力で補われるように制御される。
このため、本発明は、電力系統の電力供給量が低下し、かつ風速が上昇している場合であっても、電力系統が要求する出力を供給することができる。
本発明によれば、制御手段によって、前記発電機の出力が記憶手段に記憶されている出力となるようにブレードのピッチ角が制御される。
このため、本発明は、簡易に発電機の出力を減少させることができる。
本発明によれば、制御手段によって、発電機の出力が記憶手段に記憶された出力となるように、発電機で発電された電力が放電に寄与しない二次電池に充電される。
このため、本発明は、簡易に発電機の出力を減少させることができる。
本発明によれば、発電機の出力の変化の傾きを導出し、導出した変化の傾きに基づいて、発電機の出力の増減を判定すると共に、電力系統の周波数が低下した場合、判定結果に基づいて電力制御を行う。
このため、本発明は、発電機の出力変動を簡易な構成で正確に検知することで、より効果的に電力系統の電力供給量の低下を補うことができる。
また、本発明の第4の態様に係る出力制御方法は、複数枚のブレードを有する風車ロータが風を受けて回転し、該風車ロータの回転により発電機を駆動させると共に、該発電機によって発電した電力を電力系統に送電する風力発電装置の出力制御方法であって、前記発電機の出力の変化の傾きを導出し、導出した該傾きに基づいて、前記発電機の出力の増減を判定する第1工程と、前記電力系統の周波数が低下した場合であって、前記判定手段によって前記発電機の出力が増加していると判定された場合に、前記電力系統の周波数が低下したときの前記発電機の出力を記憶手段に記憶する第2工程と、前記発電機の出力を前記記憶手段に記憶されている出力となるように制御すると共に、前記発電機の出力と前記電力系統が要求する電力との差を、前記風車ロータに蓄えられている慣性力及び前記二次電池に充電されている電力で補うように制御する第3工程と、を有する。
風力発電装置10は、タワー12、タワー12の上部に設けられたナセル14、及び風車ロータ16を備えている。
風車ロータ16は、複数枚のブレード22及びハブ24を備えている。複数枚のブレード22は、各々そのピッチ角が可変制御可能とされ、ハブ24に放射状に設けられている。
発電機20には交流−直流変換部30Aが接続されており、交流−直流変換部30Aは、発電機20から出力される交流の電力を直流に変換する。
直流−直流変換部32には、ナセル14内に配置され充放電可能な二次電池(例えば、リチウム電池)である風車二次電池装置36が接続されており、交流−直流変換部30Aで直流に変換された電圧を風車二次電池装置36に充電可能な大きさの電圧に変換する。
図3は、出力変化判定処理を行う場合に、制御部48によって実行される出力変化判定プログラムの処理の流れを示すフローチャートであり、該出力変化判定プログラムは記憶部50の所定領域に予め記憶されている。なお、本プログラムは、例えば、風力発電装置10が発電を開始すると共に開始する。
ここで、図4を参照して、出力の変化の傾きの導出方法について説明する。図4は、電力検出部46で検出された電力(出力)の変化を示すグラフである。
図4に示す検出値nは、最新の検出値であり、検出値n−1は、検出値nよりも一つ前に検出された検出値である。
そして、本実施形態では、検出値nと検出値n−1を結ぶ直線Lの傾きθを出力の変化の傾きとして導出する。
具体的には、傾きθが、例えば0°<θ<90°の場合は、風速が上昇中であり、発電機20の出力が増加していると判定する。一方、傾きθが、例えば270°<θ<360°の場合は、風速が下降中であり、発電機20の出力が減少していると判定する。なお、傾きθが0°<θ<90°及び270°<θ<360°の何れでもない場合は、発電機20の出力に増減がないと判定する。
すなわち、判定結果は、出力の増加、出力の減少、及び出力の増減無しの3種類の何れかとなる。
電力系統42に異常が発生すると、例えば、図5に示すように電力系統42の周波数が一時的に大きく低下(0〜5secの範囲における周波数の低下)する場合がある。そして、この周波数の低下は、周波数の微小な変動(5sec以降の周期が2secの周波数の変動)を繰り返しながら平衡状態に戻る。
要求出力算出部60は、入力された電力系統42の周波数から、上記(1)式を用いて風力発電装置10の出力に対して増加させるべき要求出力を算出し、算出した値を出力上昇指令値として制御指令生成部64に出力する。
出力変化判定処理部62は、上述した出力変化判定処理を行い、発電機20による出力の増減を判定し、判定結果を制御指令生成部64に出力する。
制御指令生成部64は、風車ロータ16の回転数、要求出力算出部60から出力された出力上昇指令値、及び出力変化判定処理部62による判定結果に基づいて、風車ロータ16を制御するための風車ロータ制御指令値、風車二次電池装置36及びファーム二次電池装置44の少なくとも一方の充放電を制御するための充放電制御指令値を生成する。
なお、風車ロータ制御指令値は、風車ロータコントローラ66に送信され、充放電制御指令値は、風車充放電コントローラ68及びファーム充放電コントローラ70に送信される。
風車充放電コントローラ68は、充放電制御指令値に基づいて風車二次電池装置36が充放電するように直流−直流変換部32制御する。
ファーム充放電コントローラ70は、充放電制御指令値に基づいてファーム二次電池装置44が充放電するように交流−直流変換部30B制御する。
そのため、電力系統42の周波数の大きな低下に対しては、風車ロータ16に制動力を加えることで、風車ロータ16に蓄えられている慣性力(慣性エネルギー)を用いること補填する。
そして、図8(B)に示すように、風車ロータ16に蓄えられている慣性力による補填によって、風力発電装置10の出力が一時的に要求出力に近くなる。しかし、その後発電機20の出力は、風車ロータ16に制動力が加えられたため減少する。そのため、風力発電装置10は、要求出力を出力することができなくなる。
図9(A)は、要求出力を示す出力上昇指令値が風力発電装置10の出力に対して予め定められた比率(例えば、3%)以上の場合における、風車二次電池装置36及び風車ロータ16に蓄えられている慣性力との比を示す。なお、以下の説明において、上記比率を単に閾値という。
出力上昇指令値が予め定められた閾値以上の場合、制御指令生成部64は、図9(A)に示すように風車ロータ16の回転数が多いほど、風車ロータ16に蓄えられている慣性力による出力が大きくなり、風車二次電池装置36からの出力が小さくなるように、風車ロータ制御指令値及び充放電制御指令値を生成する。
なお、図10に示す例では、風車二次電池装置36による放電だけでは要求出力を満たすことができていない。このような場合には、ファーム二次電池装置44も放電させ、ファーム二次電池装置44も用いた補填を行う充放電制御指令値を生成する。
なお、発電機20の出力と要求出力との差を、風車ロータ16に蓄えられている慣性力のみで補ってもよいし、風車二次電池装置36又はファーム二次電池装置44に充電されている電力のみで補ってもよい。
また、風力発電装置10は、要求出力に応じた出力を行っている間も、出力変化判定処理部62による発電機20の出力の増減を判定し、判定結果に応じて制御指令生成部64によって風車ロータ制御指令値及び充放電制御指令値を新たに生成し、出力する。
そして、図11(B)には、電力系統42の周波数の低下に伴い、風車ロータ16に蓄えられている慣性力による補填を行った場合の例が示されている。
図11(B)に示すように、風車ロータ16に蓄えられている慣性力による補填を行うと、風力発電装置10の出力が一時的に要求出力に相当する。しかし、発電機20の出力が増加しているため、その後、風力発電装置10の出力が要求出力を超えてしまう可能性がある。
つまり、制御指令生成部64が、まず、電力系統42の異常発生直後に大きく低下する周波数に対応した、風車ロータ16に制動力を与えるための風車ロータ制御指令値、及び風車二次電池装置36を放電させるための充放電制御指令値を生成する。これによって、風力発電装置10は、風車ロータ16に蓄えられている慣性力及び風車二次電池装置36から放電される電力の補填によって、要求出力を満たした電力を出力する。
なお、図12の一点鎖線が、発電機20の出力を記憶出力に減少させた場合を示している。これにより、風力発電装置10の出力が要求有効出力を超えることを抑制できる。しかし、これだけでは、電力系統42の微小な周波数の変動には対応できないため、風力発電装置10の出力が要求有効出力に達しない。
そのため、本実施形態に係る制御指令生成部64は、ブレード22のピッチ角を制御するための風車ロータ制御指令値を生成すると共に、出力上昇指令値に基づいて、風車二次電池装置36を放電させるための充放電制御指令値を生成する。これによって、図12の破線に示すように、風力発電装置10は、出力を要求出力に相当させることができる。
このため、風力発電装置10は、電力系統42に生じた異常によって電力系統の周波数が低下し、かつ風速が上昇している場合であっても、電力系統42が要求する電力を出力することができる。
具体的には、例えば、風車二次電池装置36が複数の二次電池を備え、複数の該二次電池のうち放電に寄与しない二次電池に、発電機20の発電した電力を充電させる。なお、放電に寄与している二次電池とは、風力発電装置10の出力を要求出力とするために放電している二次電池である。
この形態の場合、風力発電装置10は、他の風力発電装置から出力される出力の計測値を受信し、該他の風力発電装置に要求されている要求出力と受信した計測値との差に相当する電力を風車二次電池装置36から放電する。
16 風車ロータ
20 発電機
22 ブレード
36 風車二次電池装置
42 電力系統
44 ファーム二次電池装置
48 制御部
50 記憶部
Claims (7)
- 複数枚のブレードを有する風車ロータが風を受けて回転し、該風車ロータの回転により発電機を駆動させると共に、該発電機によって発電した電力を電力系統に送電する風力発電装置であって、
前記発電機の出力の変化の傾きを導出し、導出した該傾きに基づいて、前記発電機の出力の増減を判定する判定手段と、
充放電可能な二次電池と、
前記電力系統の周波数が低下した場合であって、前記判定手段によって前記発電機の出力が減少していると判定された場合に、前記発電機の出力と前記電力系統が要求する電力との差を、前記風車ロータに蓄えられている慣性力及び前記二次電池に充電されている電力で補うように制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記風車ロータの回転数が多いほど、前記風車ロータに蓄えられている慣性力による出力を大きくし、前記二次電池からの出力が小さくなるように制御する風力発電装置。 - 前記電力系統が要求する電力が前記風力発電装置の出力に対して予め定められた比率未満の場合、前記風車ロータの回転数にかかわりなく、前記二次電池のみを放電させる請求項1記載の風力発電装置。
- 複数枚のブレードを有する風車ロータが風を受けて回転し、該風車ロータの回転により発電機を駆動させると共に、該発電機によって発電した電力を電力系統に送電する風力発電装置であって、
前記発電機の出力の変化の傾きを導出し、導出した該傾きに基づいて、前記発電機の出力の増減を判定する判定手段と、
電力系統の周波数が低下した場合、前記判定手段の判定結果に基づいて電力制御を行う制御手段と、
充放電可能な二次電池と、
前記電力系統の周波数が低下した場合であって、前記判定手段によって前記発電機の出力が増加していると判定された場合に、前記電力系統の周波数が低下したときの前記発電機の出力を記憶する記憶手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記発電機の出力を前記記憶手段に記憶されている出力となるように制御すると共に、前記発電機の出力と前記電力系統が要求する電力との差を、前記風車ロータに蓄えられている慣性力及び前記二次電池に充電されている電力で補うように制御する風力発電装置。 - 前記制御手段は、前記発電機の出力が前記記憶手段に記憶されている出力となるように、前記ブレードのピッチ角を制御する請求項3記載の風力発電装置。
- 前記二次電池は、複数設けられ、
前記制御手段は、前記発電機の出力が前記記憶手段に記憶された出力となるように、前記発電機の発電した電力を、複数の前記二次電池のうち放電に寄与しない前記二次電池に充電するように制御する請求項3記載の風力発電装置。 - 複数枚のブレードを有する風車ロータが風を受けて回転し、該風車ロータの回転により発電機を駆動させると共に、該発電機によって発電した電力を電力系統に送電する風力発電装置の出力制御方法であって、
前記発電機の出力の変化の傾きを導出し、導出した該傾きに基づいて、前記発電機の出力の増減を判定する第1工程と、
前記電力系統の周波数が低下した場合であって、前記第1工程の判定結果によって前記発電機の出力が減少していると判定された場合に、前記発電機の出力と前記電力系統が要求する電力との差を、前記風車ロータに蓄えられている慣性力及び前記風力発電装置に備えられた前記二次電池に充電されている電力の少なくとも一方で補うように制御する第2工程と、
を有し、
前記第2工程は、前記風車ロータの回転数が多いほど、前記風車ロータに蓄えられている慣性力による出力を大きくし、前記二次電池からの出力が小さくなるように制御する出力制御方法。 - 複数枚のブレードを有する風車ロータが風を受けて回転し、該風車ロータの回転により発電機を駆動させると共に、該発電機によって発電した電力を電力系統に送電する風力発電装置の出力制御方法であって、
前記発電機の出力の変化の傾きを導出し、導出した該傾きに基づいて、前記発電機の出力の増減を判定する第1工程と、
前記電力系統の周波数が低下した場合であって、前記判定手段によって前記発電機の出力が増加していると判定された場合に、前記電力系統の周波数が低下したときの前記発電機の出力を記憶手段に記憶する第2工程と、
前記発電機の出力を前記記憶手段に記憶されている出力となるように制御すると共に、前記発電機の出力と前記電力系統が要求する電力との差を、前記風車ロータに蓄えられている慣性力及び前記二次電池に充電されている電力で補うように制御する第3工程と、
を有する出力制御方法。
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