JP5272112B1 - 風力発電システム、その制御装置、及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

出力低減運転を行う場合に、電力量としての要求が系統側から出された場合に、この要求に速やかに対応することを目的とする。風力発電システムの制御装置は、将来の風況を予測した風況予測情報から将来の出力予測曲線を推定する出力予測部と、該出力予測曲線を所定の時間区分に分割し、各時間区分における予備電力量が系統側から要求された要求予備電力量となるような第１目標電力値を時間区分毎に設定する第１設定部とを備え、第１目標電力値に基づいて各風車の出力を制御する。

Description

本発明は、風力発電システム、その制御装置、及びその制御方法に関するものである。

近年、複数の風車が設置されたウィンドファームにおいては、各風車の出力を意図的に低減させる運転を行い、出力の予備力を確保することが行われている。
例えば、米国特許公開第２０１０／０２８６８３５号公報には、出力低減運転に対応した風速−出力特性を予め設定しておき、この風速−出力曲線を用いて、その時々の風速に応じた目標出力を取得し、この目標出力となるように各風車の制御を行うことが開示されている。

米国特許公開第２０１０／０２８６８３５号公報

上述した米国特許公開第２０１０／０２８６８３５号公報に開示された方法は、各時刻における電力値を基準として電力低減を行うものであるが、今後の運用として、電力（ｋＷ）としてではなく、所定期間における電力量（ｋＷ・ｈ）として出力低減の要求が出されることが予想される。

本発明は、出力低減運転を行う場合に、電力量としての要求が系統側から出された場合に、この要求に速やかに対応することのできる風力発電システム、風力発電システムの制御装置、及びその制御方法を提供することを目的とする。

本発明の第１態様は、複数の風車の出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に適用される制御装置であって、将来の風況を予測した風況予測情報から将来の出力予測曲線を推定する出力予測手段と、前記出力予測手段によって推定された出力予測曲線を所定の時間区分に分割し、各時間区分における予備電力量が系統側から要求された要求予備電力量となるような第１目標電力値を前記時間区分毎に設定する第１設定手段とを備え、前記第１目標電力値に基づいて各前記風車の出力を制御する風力発電システムの制御装置である。

本発明の第２態様は、複数の風車の出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に適用される風力発電システムの制御方法であって、将来の風況を予測した風況予測情報から将来の出力予測曲線を推定する出力推定過程と、推定された前記出力予測曲線を所定の時間区分に分割し、各時間区分における予備電力量が系統側から要求された要求予備電力量となるような第１目標電力値を前記時間区分毎に設定する第１設定過程とを含み、前記第１目標電力値に基づいて各前記風車の出力を制御する風力発電システムの制御方法である。

本発明の第３態様は、複数の風車と、上記の風力発電システムの制御装置とを具備する風力発電システムである。

本発明によれば、出力低減運転を行う場合に、電力量としての要求が系統側から出された場合でも、その要求に速やかに対応す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す図である。 図１に示した風車の外観図である。 図１に示した風車の電気的構成を概略的に示した模式図である。 図１に示した中央制御装置のハードウェア構成の一例を示した図である。 図１に示した中央制御装置が備える機能のうち、出力低減制御に関する機能を主に示した機能ブロック図である。 変換情報の一例を示した図である。 出力予測曲線の一例を示した図である。 第１電力目標値について説明するための図である。 図８に示した第１電力目標値に基づいて設定された有効電力指令の一例を示した図である。 第２電力目標値について説明するための図である。

以下、本発明の一実施形態に係る風力発電システム、その制御装置、及びその制御方法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す図である。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１０−１，・・・，１０−ｎ（以下、全ての風車を示すときは単に符号「１０」を付し、各風車を示すときは符号「１０−１」、「１０−ｎ」等を付す。）と、各風車１０に対して出力指令を与える中央制御装置２とを備えている。

本実施形態において、全ての風車１０は、風速に応じて回転速度を制御可能な可変速風車とされている。図２は、風車１０の外観図、図３は風車１０の電気的構成を示した模式図である。
図２に示すように、風車１０は、基礎５上に立設されるタワー６と、タワー６の上端に設置されるナセル７と、略水平な軸線周りに回転可能にしてナセル７に設けられるロータヘッド８とを有している。

ロータヘッド８には、その回転軸線周りに複数のブレード９が放射状に取り付けられている。ブレード９は、運転条件に応じてロータヘッド８に対して回動可能なように連結されており、ピッチ角が変化可能とされている。

図３に示すように、ロータヘッド８の回転軸２１には、増速機２２および発電機２３が機械的に連結されている。発電機２３は、同期発電機であってもよいし、誘導発電機であってもよい。増速機２３が設けられていない構成とすることも可能である。

ロータヘッド８の回転軸線方向からブレード９に当たった風の力によってロータヘッド８が回転軸周りに回転させられ、その回転力が増速機２２により増速されて、発電機２３に伝達され、電力に変換される。発電機２３の発電電力は、電力変換部２４により電力系統３に応じた電力に変換され、変圧器１９を介して電力系統１へ供給される。
上記電力変換部２４の制御、ブレード９のピッチ角制御等は、各風車に対応してそれぞれ設けられた風車制御装置２０によって行われる。

中央制御装置２及び風車制御装置２０は、コンピュータを有しており、例えば、図４に示すように、ＣＰＵ１１と、ＣＰＵ１１が実行するプログラム等を記憶するためのＲＯＭ（Read Only Memory）１２と、各プログラム実行時のワーク領域として機能するＲＡＭ（Random Access Memory）１３と、大容量記憶装置としてのハードディスクドライブ（HDD）１４と、ネットワークに接続するための通信インターフェース１５とを主な構成として備えている。これら各部は、バス１８を介して接続されている。また、中央制御装置２は、外部記憶装置が装着されるアクセス部、キーボードやマウス等からなる入力部、およびデータを表示する液晶表示装置等からなる表示部などを備えていてもよい。

上記ＣＰＵ１１が実行するプログラム等を記憶するための記憶媒体は、ＲＯＭ１２に限られない。例えば、磁気ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリ等の他の補助記憶装置であってもよい。

図５は、中央制御装置２及び風車制御装置２０の機能ブロック図を示した図である。図５に示した中央制御装置２、風車制御装置２０が備える各部によって実現される処理は、上述したＣＰＵ１１がＲＯＭ１２に格納されているプログラムをＲＡＭ１３に読み出して実行することにより実現される。

図５に示すように、中央制御装置２は、出力予測部３１を備えている。出力予測部３１は、例えば、将来の風況を予測した風況予測情報を外部のデータベース等からネットワークを介して取得し、風況予測情報から将来の出力予測曲線を予測する。
風況予測情報は、例えば、気象庁から提供されるメソスケールモデルの風況予測情報である。また、気象庁から提供される気象データと、各風車の設置エリアにおける地形データとに基づいて、地形を考慮したより精度の高い風況予測を行い、この風況予測情報を採用することとしてもよい。

また、外部から風況予測情報を取得する態様に代えて、出力予測部３１が風況予測機能を有しており、自身が取得した風況予測情報に基づいて出力予測を行うこととしてもよい。風況予測機能の一例としては、ライダーシステムなどが挙げられる。このように、風況予測情報の取得方法については特に限定されない。

出力予測部３１は、例えば、上述した風況予測情報を用いて、現在から一定時間後（例えば、１２時間後）までの各風車における出力予測を所定の時間間隔で繰り返し行う。具体的には、出力予測部３１は、例えば、図６に示すような風速と風車出力とが関連付けられた変換情報を有しており、この変換情報を用いて将来における各風車の出力予測曲線を作成する。図７に、出力予測曲線Ｐ_expの一例を示す。図７において、横軸は時間、縦軸は風車出力である。

出力予測曲線は、各風車が設置されている場所における風速に基づいて風車毎に個別に作成してもよいし、複数台の風車群が設置されているエリアにおける風速を一様とみなして、風車群毎に作成することとしてもよい。このように作成された出力予測曲線は、各風車の風車制御装置２０に対して送信される。

各風車制御装置２０は、第１設定部３２、第２設定部３３、選択部３４、及び有効電力指令生成部３５をそれぞれ備えている。
第１設定部３２は、図８に示すように、出力予測部３１によって推定された出力予測曲線Ｐ_expを所定の時間区分Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３に分割し、各時間区分Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３における予備電力量Ｗ_potが系統側から要求された要求予備電力量Ｗ_refとなるような第１目標電力値Ｐd1を時間区分Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３毎に設定する。時間区分Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３は、例えば、１５分に設定される。

具体的には、第１設定部３２は、以下の（１）式を満たす第１目標電力値Ｐd1を設定する。

上記（１）式において、積分期間は、各時間区分Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３の期間である。つまり、（１）式におけるＷ_potは、図７に示した各時間区分におけるハッチング部分に相当する。第１設定部３２により設定された第１目標電力値Ｐd1は時間区分と関連付けられて選択部３４に出力される。

第２設定部３３は、対応する風車のロータ回転数と発電機出力とを用いて所定の演算を行うことにより現在の風車出力Ｐ_potを推定し、推定した風車出力を予め設定されている所定量ΔＰ低減した第２目標電力値Ｐｄ２を設定する。すなわち、第２目標電力値Ｐd2は以下の（２）式で表わされる。

Ｐd2＝Ｐ_pot−ΔＰ （２）

上記所定量ΔＰは、例えば、予備電力値として系統側から通知される値を採用する。
選択部３４は、系統側の要求に応じて第１目標電力値Ｐd1または第２目標電力値Ｐd2を選択し、選択した目標電力値を有効電力指令生成部３５に出力する。具体的には、選択部３４は、出力低減運転中において、系統側から電力量（ｋＷ・ｈ）の要求を受信した場合に、第１目標電力値Ｐd1を選択して出力する。また、出力低減運転中において、電力（ｋＷ）の要求を受信した場合に、第２目標電力値Ｐd2を選択して出力する。系統からの要求は、系統側から各風車制御装置２０に対して直接的に入力されてもよいし、中央制御装置２を介して入力されてもよい。

選択部３４によって第１電力目標値Ｐd1が選択された場合には、有効電力指令生成部３５によって、第１目標電力値Ｐd1に基づく有効電力指令Ｐdem1が生成される。また、選択部３４によって第２目標電力値Ｐd2が選択された場合には、有効電力指令生成部３５によって、第２目標電力値Ｐd2に基づく有効電力指令Pdem2が生成される。図９に有効電力指令Ｐdem1の一例を、図１０に有効電力指令Ｐdem２の一例を示す。

以上説明したように、本実施形態に係る風力発電システム１、その制御装置、及びその制御方法によれば、風況予測情報から風車の出力予測曲線を作成し、この出力予測曲線において各時間区分における予備電力量Ｗ_potが系統側から要求された要求予備電力量Ｗ_refとなるような第１目標電力値Ｐd1を設定する。そして、系統側から電力量としての出力低減制御が要求された場合に、この第１目標電力値Ｐd1に基づいて有効電力指令値を生成する。

このように、各時間区分における予備電力量が要求予備電力量に等しくなるような制御機能を有するので、系統側から電力量での出力低減要求が出された場合でも速やかにこの要求に応答することが可能となる。

本実施形態においては、出力予測部３１を中央制御装置２に設けることとしたが、各風車制御装置２０に出力予測部３１を設けることとしてもよい。また、風車制御装置２０が備える機能を中央制御装置２に設け、中央制御装置２から各風車制御装置２０に対して有効電力指令を送信するような構成としてもよい。

本実施形態の他の態様としては、第１設定部３２及び第２設定部３３を有していたが、例えば、第１設定部３２のみとし、常に、第１設定部３２によって設定される第１目標電力値Ｐd1を用いて有効電力指令を生成することとしてもよい。

１ 風力発電システム
１０−１、１０−ｎ 風車
２ 中央制御装置
３ 電力系統
２０ 風車制御装置
３１ 出力予測部
３２ 第１設定部
３３ 第２設定部
３４ 選択部
３５ 有効電力指令生成部
Ａ 連系点

Claims (6)

1. 複数の風車の出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に適用される制御装置であって、
   将来の風況を予測した風況予測情報から将来の出力予測曲線を推定する出力予測手段と、
   前記出力予測手段によって推定された出力予測曲線を所定の時間区分に分割し、各時間区分における予備電力量が系統側から要求された要求予備電力量となるような第１目標電力値を前記時間区分毎に設定する第１設定手段と
   を備え、
   前記第１目標電力値に基づいて各前記風車の出力を制御する風力発電システムの制御装置。
2. 前記第１設定手段は、各前記時間区分における各時刻の出力予測値から前記第１目標電力値を減算した電力の積分値が、前記要求予備電力量に一致するような前記第１目標電力値を設定する請求項１に記載の風力発電システムの制御装置。
3. ロータ回転数及び発電機出力に基づいて決定される推定出力を予め設定されている所定量低減した第２目標電力値を設定する第２設定手段と、
   系統側の要求に応じて、前記第１目標電力値または前記第２目標電力値を選択する選択手段と
   を備え、
   前記選択手段によって選択された目標電力値に基づいて各前記風車の出力を制御する請求項１または請求項２に記載の風力発電システムの制御装置。
4. 複数の風車の出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に適用される風力発電システムの制御方法であって、
   将来の風況を予測した風況予測情報から将来の出力予測曲線を推定する出力推定過程と、
   推定された前記出力予測曲線を所定の時間区分に分割し、各時間区分における予備電力量が系統側から要求された要求予備電力量となるような第１目標電力値を前記時間区分毎に設定する第１設定過程と
   を含み、
   前記第１目標電力値に基づいて各前記風車の出力を制御する風力発電システムの制御方法。
5. 複数の風車と、
   請求項１から請求項３のいずれかに記載の風力発電システムの制御装置と
   を具備する風力発電システム。
6. 前記風力発電システムの制御装置は、
   各前記風車に対応してそれぞれ設けられた風車制御装置と、
   前記風車を統合して制御する中央制御装置と
   を備え、
   前記中央制御装置は、前記出力予測手段を備え、
   各前記風車制御装置は、前記第１設定手段を備える請求項５に記載の風力発電システム。

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