JP5272113B1 - 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

出力低減運転中に出力増加要求が出された場合に、風速低下による出力低減量を抑制することを目的とする。複数の風車を定格風速条件を満たさない第１風車群と満たす第２風車群とに区分する風車区分部（３１）と、第１風車群の各風車に対して、出力低減運転を解除して、風況に応じた出力を行わせる第１制御部（３３）と、第１風車群の合計出力と目標出力との差分である第１偏差を第２風車群の風車からの出力により補完させる第２制御部（３４）とを具備する風力発電システムの制御装置を提供する。

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出力低減運転（Delta Power Control）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２０１１／０１４４８１６号公報には、連系点における出力が目標出力以下である場合に、少なくとも１台の風車の出力を増加させて、連系点における出力を目標出力に一致させることが開示されている。

米国特許公開第２０１０／０２８６８３５号公報 米国特許公開第２０１１／０１４４８１６号公報

従来、出力低減運転中に、系統側から出力を増加させる出力増加要求が出されることがある。このような場合、系統側から要求された要求出力まで出力を増加させることが好ましいが、そのときの風況によっては所望の出力を得ることができない場合がある。

本発明は、出力低減運転中に出力増加要求が出された場合に、風速低下による出力低減量を抑制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、出力低減運転中に、系統側から出力増加要求が通知された場合に、複数の前記風車を定格風速条件を満たさない第１風車群と前記定格風速条件を満たす第２風車群とに区分する風車区分手段と、前記出力増加要求が受信された後の目標出力を設定する目標設定手段と、前記第１風車群の各風車に対して、前記出力低減運転を解除して、風況に応じた出力を行わせる第１制御手段と、前記第１風車群の合計出力と前記目標出力との差分である第１偏差を前記第２風車群の風車からの出力により補完させる第２制御手段とを具備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制御方法であって、出力低減運転中に、系統側から出力増加要求が通知された場合に、複数の前記風車を定格風速条件を満たさない第１風車群と前記定格風速条件を満たす第２風車群とに区分する風車区分過程と、前記出力増加要求が受信された後の目標出力を設定する目標設定過程と、前記第１風車群の各風車に対して、前記出力低減運転を解除して、風速に応じた出力を行わせる第１制御過程と、前記第１風車群の合計出力と前記目標出力との差分である第１偏差を前記第２風車群の風車からの出力により補完させる第２制御過程とを含む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、出力低減運転中に出力増加要求が出された場合に、風速低下による出力低減量を抑制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各種機能のうち、出力低減運転中に出力増加要求が通知された場合に作動する出力増加制御機能の機能ブロック図を示した図である。 図５に示した第２制御部の一構成例を示した図である。 第１風車群の風車の出力低下と第２風車群の風車の出力増加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。また、増幅機２２は設けられていなくてもよい。

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が備える各種機能のうち、出力低減運転中に出力増加要求が通知された場合に作動する出力増加制御機能の機能ブロック図を示した図である。図５に示した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、風車区分部３１と、目標設定部３２と、第１制御部３３と、第２制御部３４とを備えている。
風車区分部３１は、出力低減運転中に、系統側から出力増加要求が通知された場合、複数の風車１０−１、・・・、１０−ｎを、定格風速条件を満たさない第１風車群と、定格風速条件を満たす第２風車群とに区分する。

例えば、中央制御装置２には、各風車１０の風車制御装置２０から各風車のロータ回転数、風車出力、及びピッチ角が随時通知される。
風車区分部３１は、各風車からのこれらの情報を用いて、定格風速条件を満たすか否かを風車毎に判断し、各風車を第１風車群と第２風車群とに区分する。定格風速条件を満たすか否かは、例えば、風速が１１．５ｍ／ｓｅｃ以上２５ｍ／ｓｅｃ以下の範囲を満たすか否かによって判定される。風車区分部３１は、例えば、ロータ回転数と風車出力から入力トルクを得、この入力トルクから入力風速を推定する。そして、推定した入力風速が定格風速条件を満たすか否かを判定する。その際、ピッチ角はロータ回転数と出力の関係が妥当であるかといった、入力信号の異常の有無を確認するために使用される。

ここで、定格風速条件を満たさない第１風車群の風車は、風車出力の増加を望んでも風速が足りずに所望の出力を得ることが難しい。これに対し、定格風速条件を満たしている第２風車群の風車は、一般的に、出力が一定となるようなピッチ角制御が行われているため、ピッチ角制御により、風車出力を更に増加させることが可能である。
以上から、定格風速条件を満たすか否かの判定が行われることにより、出力増加が可能な風車とそうでない風車とを区別することができる。

目標設定部３２は、出力低減運転中に、系統側から出力増加要求が通知されると、出力増加要求を受信したときに、意図的に低減させている出力低減量を連系点Ａの出力に加算した値を目標出力として設定する。この設定値は、出力増加要求以降における目標出力として用いられる。

また、上記態様に代えて、例えば、系統周波数の変動量から必要な追加出力要求値を算出し、これを目標出力として設定することとしてもよい。この場合、目標設定部３２は、周波数変動量と追加出力要求値とが関連付けられた変換情報を予め有しており、この変換情報を用いてその時々の周波数変動量に対応する追加出力要求値を取得し、この追加出力要求値を目標出力として設定する。

第１制御部３３は、第１風車群の各風車に対して、出力低減運転を解除して、風況に応じた通常の運転を行わせる。例えば、第１制御部３３は、その時々の風況に応じた出力指令を第１風車群の各風車に対して設定し、設定した出力指令を各風車に対して出力する。

第２制御部３４は、第１風車群の出力の合計と目標設定部３２によって設定された目標出力との第１偏差を算出し、この第１偏差を補完するような第２風車群の各風車の出力指令を設定する。なお、第２制御部３４は、風車の出力指令の上限値を予め保有しており、各風車の出力指令を上限値以下の範囲で設定する。

第２制御部３４は、例えば、図６に示すように、優先度設定部４１と、出力指令設定部４２とを備えている。
優先度設定部４１は、風況に基づいて、第２風車群の各風車に優先度を設定する。より具体的には、風速が大きく、より多くの出力増加が期待できる風車ほど高い優先度を設定する。

出力指令設定部４２は、優先度の高い風車の出力が、優先度の低い風車の出力よりも高くなるように、第２風車群の各風車に対して出力指令を設定する。出力指令設定部４２は、例えば、要求出力変更部４３と、偏差算出部４４と、配分部４５とを備えている。

要求出力変更部４３は、出力増加要求を受信する以前に設定されていた要求出力（例えば、出力低減運転時において系統側から通知された要求出力）を増加させる方向に変更する。例えば、出力増加要求を受信する以前に設定されていた要求出力が定格出力の６０％であった場合には、定格出力の８０％に変更する。このとき、変更後の要求出力は、定格出力以下に設定される。

偏差算出部４４は、変更後の要求出力に第１風車群の風車台数を乗算した第１風車群の合計出力と第１偏差との差分である第２偏差を算出する。すなわち、偏差算出部４４は、以下の（１）式を用いて、第２偏差を算出する。

ΔＰ２＝ΔＰ１−（Ｐｄｅｍ×ｍ） （１）

（１）式において、ΔＰ２は第２偏差、ΔＰ１は第１偏差、すなわち、目標出力と第１風車群の合計出力との偏差、Ｐｄｅｍは変更後の要求出力、ｍは第２風車群の風車台数である。

配分部４５は、第２偏差ΔＰ２を優先度の高い風車から順番に所定量毎割り当てる。この配分方法については、特に限定されない。例えば、各風車に割り当て可能な最大配分量を予め設定しておき、優先度の高い風車から順に最大配分量を割り当てていく方法などが考えられる。
このように、優先度の高い風車から第２偏差ΔＰ２を配分していくことにより、優先度の高い風車の出力指令を優先度の低い風車の出力指令よりも大きな値に設定することが可能となる。

このようにして、第１制御部３３によって生成された出力指令は第１風車群の各風車に送信され、第２制御部３４によって生成された出力指令は、第２風車群の各風車に送信される。送信された出力指令は、各風車の風車制御装置２０により受信され、受信された出力指令に基づいてブレード９のピッチ角制御や電力変換部２４の制御が行われる。これにより、各風車の出力は出力指令に従ったものとなり、連系点Ａにおける出力が目標出力に近づくように制御される。

そして、上記風車区分部３１による風車の区分、第１制御部３３による出力指令の生成、第２制御部３４による出力指令の生成が所定の時間間隔で繰り返し行われることにより、風況が変化した場合でも、その風況に応じた風車の区分が実現でき、風速が低下した風車（すなわち、第１風車群に属する風車）の出力低下分を、定格風速条件を満たす風車（すなわち、第２風車群に属する風車）の出力を増加させることにより、可能な限り補完することが可能となる。これにより、風速低下に起因する連系点Ａの出力変動を抑制することが可能となる。

図７に、出力増加要求が通知された後の目標出力（図７（ａ）参照）、第１風車群の合計出力（図７（ｂ）参照）、第２風車群の合計出力（図７（ｃ）参照）の一例を示す。図７に示すように、第１風車群の合計出力が風況に応じて低減した場合に、その低減分が第２風車群の合計出力の増加によって可能な限り補完されるので、連系点Ａにおける出力を目標出力に一致させることが可能となる。

なお、第１風車群の合計出力の低下量が大きい場合には、第２風車群の合計出力を増加させてもその出力低下分を補完しきれない場合も考えられる。この場合でも可能な限り第２風車群の合計出力を増加させることで、風速低下に起因する出力の低減を可能な限り抑制することができる。

本実施形態では、第２制御部３４が風速に応じて第２風車群の各風車に優先度を設定し、優先度の高い風車の出力指令を優先度の低い風車の出力指令よりも高く設定していたが、本発明は、この態様に限られない。例えば、目標出力と第１風車群の合計出力との差分である第１偏差ΔＰ１を第２風車群の風車に対して均等に割り当てることとしてもよい。この場合、第１偏差ΔＰ１を第２風車群の風車台数ｍで除算した値が各風車の出力指令として設定される。また、各風車に対して重み付け係数を決めておき、この重み付け係数に基づいて第１偏差ΔＰ１を第２風車群の風車に対して配分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 風車区分部
３２ 目標設定部
３３ 第１制御部
３４ 第２制御部
４１ 優先度設定部
４２ 出力指令設定部
４３ 要求出力変更部
４４ 偏差算出部
４５ 配分部
Ａ 連系点

Claims (7)

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、
   出力低減運転中に、系統側から出力増加要求が通知された場合に、複数の前記風車を定格風速条件を満たさない第１風車群と前記定格風速条件を満たす第２風車群とに区分する風車区分手段と、
   前記出力増加要求が受信された後の目標出力を設定する目標設定手段と、
   前記第１風車群の各風車に対して、前記出力低減運転を解除して、風況に応じた出力を行わせる第１制御手段と、
   前記第１風車群の合計出力と前記目標出力との差分である第１偏差を前記第２風車群の風車からの出力により補完させる第２制御手段と
   を具備する風力発電システムの制御装置。
2. 前記第２制御手段は、
   風況に基づいて、前記第２風車群の各風車に優先度を設定する優先度設定手段と、
   優先度の高い前記風車の出力が優先度の低い前記風車の出力よりも高くなるように、前記第２風車群の各前記風車に対して出力指令を設定する出力指令設定手段と
   を具備する請求項１に記載の風力発電システムの制御装置。
3. 前記出力指令設定手段は、
   前記出力増加要求を受信する以前に設定されていた要求出力を増加させる方向に変更する要求出力変更手段と、
   変更後の前記要求出力に前記第１風車群の風車台数を乗算した前記第１風車群の合計出力と前記第１偏差との差分である第２偏差を算出する偏差算出手段と、
   前記第２偏差を前記優先度の高い各前記風車から順番に割り当てる配分手段と
   を具備する請求項２に記載の風力発電システムの制御装置。
4. 前記第２制御手段は、前記第１偏差を前記第２風車群の各前記風車に均等に又は予め前記風車毎に設定されている重み付け係数に基づいて配分して、各前記風車の出力指令を生成する請求項１に記載の風力発電システムの制御装置。
5. 前記風車区分手段は、各前記風車からロータ回転数、風車出力、及びピッチ角を受信し、受信したロータ回転数、風車出力、及びピッチ角を用いて前記定格風速条件を満たすか否かを前記風車毎に判断する請求項１から請求項４のいずれかに記載の風力発電システムの制御装置。
6. 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方法であって、
   出力低減運転中に出力増加要求が通知された場合に、複数の前記風車を定格風速条件を満たさない第１風車群と前記定格風速条件を満たす第２風車群とに区分する風車区分過程と、
   前記出力増加要求が受信された後の目標出力を設定する目標設定過程と、
   前記第１風車群の各風車に対して、前記出力低減運転を解除して、風速に応じた出力を行わせる第１制御過程と、
   前記第１風車群の合計出力と前記目標出力との差分である第１偏差を前記第２風車群の風車からの出力により補完させる第２制御過程と
   を含む風力発電システムの制御方法。
7. 複数の風車と、
   請求項１から請求項５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。

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