JP5342496B2 - 風力発電装置群の制御装置及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、風力エネルギを利用して発電した電力を電力系統に供給する複数の風力発電装置から構成される風力発電装置群の制御装置及びその制御方法に関する。

近年、地球温暖化対策の一つとして、ＣＯ^２を排出させないクリーンな風力発電の導入が世界的に盛んになってきている。風力発電の大量導入にあたっては、費用対効果の観点から一定の地域に複数台の風力発電装置を設け、それらの風力発電装置群を統括して制御し運用するウィンドファームとして設置されることが多くなっている。
従来、ウィンドファームおよび個々の風力発電装置に関して、次の特許文献１〜４の種々の提案がなされている。

特許文献１には、複数台の風力発電装置で構成されるウィンドファームにおいて目標発電量が設定され、ウィンドファームを構成する各風力発電装置の合計出力の電力を目標発電量に近づけるために、風力発電装置の間で保守履歴データや運転特性データなどの運転情報を交換し、風力発電装置の運転パターンを決定する方法が開示されている。

特許文献２には、出力変動の大きい風力発電装置のパワーカーブの最大値をピッチ制御などで変更することにより出力変動を抑制する制御方法が記載されている。
特許文献３には、風力発電装置に蓄電器を接続し、設定した基準発電電力からの不足電力または過剰電力のずれを、蓄電器を充放電制御することによって基準発電電力になるように調整し、発電電力の変動を抑制する制御方法が記載されている。

特許文献４には、風力発電装置にドップラー効果を利用したレーザ式風向風速計を設置し、風力発電装置の位置と離隔した地点の風向風速を計測することにより当該風力発電装置での近未来の風速を予測し、予測値に応じて制御を行うことにより発電出力を一定にする制御方法が記載されている。

特開２００２−３４９４１３号公報 特開２００１−２３４８４５号公報 特開２００２−２７６７９号公報 特開２００４−３０１１１６号公報

ところで、気象状況により発電出力が変動する風力発電装置の電力系統への導入が多くなるにつれて、その導入が将来さらに増えた場合、電力系統の電圧や周波数の維持に対する発電出力の変動の影響が懸念されている。
周波数の維持について言えば、これまでも各地域の電力会社が、主として電力需要の変動に対して種々の電源を組み合わせて需要と供給をバランスさせてきた。風力発電が電力系統に大量に連系された場合、発電出力の変動により従来の需要にいわばマイナスの負荷が重畳されることになる。電力需要の変動と風力発電出力の組み合わせによっては、両者の変動が重畳し、これまで以上に高い需給調整能力が必要になることも予想される。

電力需要の変動は、変化幅の小さい種々の振幅と周期を持った脈動成分や不規則な変動が重畳したものと考えられ、その成分は周期が数分までの微小変動、数分から１０数分程度までの短周期変動、１０数分以上の長周期変動の主要な３成分に分けられる。風力発電の発電出力においても同様に上述の３成分が含まれる。

周期が数分程度までの微小の需要変動に対しては、発電所において、変動を自律的に調整する調速機を利用したガバナーフリー運転により調整が可能である。周期が数分から１０数分程度までの短周期変動に対しては、周波数調整発電所で周波数偏差等を検出して発電機の周波数を変化させることでその出力を変化させている。これを負荷周波数制御（ＬＦＣ：Load Frequency Control）と呼んでいる。周期がそれ以上長い長周期変動に対しては、経済性を考慮して各発電所に発電指令を送ることにより調整を行っており、これを経済負荷配分制御（ＥＬＤ：Economic Load Dispatch）と呼んでいる。

風力発電を電力系統に大量に導入した場合、特に問題になるのは第２の負荷周波数制御（ＬＦＣ）である。風力発電の出力変動が需要（負荷）変動に重畳された場合、周波数調整発電所の設備容量が不足することが考えられる。しかし、単純に周波数調整発電所の設備容量を大きくすることは経済的負担が大きく、何らかの代替手段が必要である。
これまで、特許文献１および特許文献２に記載されているように、ウィンドファーム内の運転台数を調整したり、パワーカーブの最大値を小さく制限して出力変動を緩和することが検討されてきた。パワーカーブの最大値を制限する手法で、変動はある程度緩和できるが、風速が急に低下した際には発電出力を低下させることになるため変動が発生し、当該電力系統に接続された例えば、火力発電所や原子力発電所などの電源や負荷（消費者）に、電圧変動や周波数変動等の悪影響が生じる恐れがある。

また、特許文献３のように蓄電器（蓄電池）を設置する手法では、蓄電器の充放電制御を適切に行うことにより変動を緩和できるが、蓄電器を設置することによる風力発電事業者のコスト負担が大きくなるという問題がある。
新たな高価な設備を設けることなく、近未来の風速を予測し予測値に基づく制御を行うことで、風力発電の出力変動を低減あるいは抑制することはある程度可能である。

特許文献４のようにドップラーレーザ式風向風速計を利用すれば、通常風向風速の計測を行っている風力発電装置の設置位置のみでなく、離隔した周辺位置での風向風速が計測できる利点がある。しかし、ドップラーレーザ式風速計では計測に必要な強度のレーザ光が届く範囲は限られており、特にウィンドファームの面積が広い場合、レーザ式風向風速計を設置する風力発電事業者のコスト負担が大きくなる問題がある。

本発明の目的は、ウィンドファームから電力系統へ出力される電力の変動を抑制し、一定の出力を維持することにある。特に、電力系統制御の観点から有効な、数分から１０数分程度の短周期変動をほぼ一定にできる風力発電装置群の制御装置方式及びその制御方法を提供することにある。

上記目的を達成すべく、第１の本発明に関わる風力発電装置群の制御装置は、各風力発電装置に設けられる風向風速計と、前記各風力発電装置に設けられるとともに通信ネットワークを介して前記各風力発電装置における風向、風力を含む運転情報を送受信する個別制御装置とを備え、電力系統に対して送電線を介して接続された可変回転数および可変ピッチ制御可能な複数台の前記風力発電装置を有する風力発電装置群を制御する風力発電装置群の制御装置であって、前記各風力発電装置から送られる運転情報を受信するとともに前記各風力発電装置の運転を制御する出力指令情報を送信する送受信手段と、前記送受信手段を介して前記各個別制御装置からの前記運転情報を受信して出力変動を演算処理するとともに、前記各風力発電装置に前記送受信手段を介して送信される前記出力指令情報に応じて前記風力発電装置群の運転を制御する集中運転制御手段と、前記運転情報に基づき前記風力発電装置群に対する近未来の風速変動を予測し、前記風速変動の予測に基づき前記風力発電装置群の近未来の出力変動を予測する出力予測手段と、前記風力発電装置群の合計出力が所定の目標出力より大きくなる場合に風力エネルギを前記風力発電装置群の回転エネルギとして蓄積させるように前記出力指令情報によって制御するエネルギ蓄積放出指令手段とを備え、前記風力発電装置群の合計出力が、定格出力よりも低い値に制限され、前記エネルギ蓄積放出指令手段が、前記風力発電装置群の合計出力が前記所定の目標出力より小さい場合、前記風力発電装置群に蓄積させた回転エネルギを、前記近未来の合計出力の最低値付近で放出するように前記出力指令情報によって制御することにより、前記風力発電装置群の合計出力の変動を抑制している。

第２の本発明に関わる風力発電装置群の制御装置は、各風力発電装置に設けられる風向風速計と、前記各風力発電装置に設けられるとともに通信ネットワークを介して前記各風力発電装置における風向、風力を含む運転情報を送受信する個別制御装置とを備え、電力系統に対して送電線を介して接続された可変回転数および可変ピッチ制御可能な複数台の前記風力発電装置を有する風力発電装置群を制御する風力発電装置群の制御装置であって、前記各風力発電装置から送られる運転情報を受信するとともに前記各風力発電装置の運転を制御する出力指令情報を送信する送受信手段と、前記送受信手段を介して前記各個別制御装置からの前記運転情報を受信して出力変動を演算処理するとともに、各前記風力発電装置に前記送受信手段を介して送信される前記出力指令情報に応じて前記風力発電装置群の運転を制御する集中運転制御手段と、前記運転情報に基づき前記風力発電装置群に対する近未来の風速変動を予測し、前記風速変動の予測に基づき前記風力発電装置群の近未来の出力変動を予測する出力予測手段と、前記風力発電装置群の合計出力が所定の目標出力より大きくなる場合に風力エネルギを前記風力発電装置群の回転エネルギとして蓄積させるように前記出力指令情報によって制御するエネルギ蓄積放出指令手段とを備え、前記風力発電装置群の合計出力が、定格出力よりも低い値に制限され、前記エネルギ蓄積放出指令手段が、前記風力発電装置群に蓄積させた回転エネルギを、前記回転エネルギが所定量以上蓄積される毎に放出するように前記出力指令情報によって制御することにより、前記風力発電装置群の発電電力量の低下を抑制している。

第３の本発明に関わる風力発電装置群の制御装置の制御方法は、第１の本発明に関わる風力発電装置群の制御装置の制御方法である。

第４の本発明に関わる風力発電装置群の制御装置の制御方法は、第２の本発明に関わる風力発電装置群の制御装置の制御方法である。

本発明によれば、ウィンドファームから電力系統へ出力される電力の変動を抑制し、一定の出力を維持できる風力発電装置群の制御装置方式及びその制御方法を実現できる。

本発明の一実施形態のウィンドファームの装置構成を示すブロック図である。 （ａ）は風力発電装置の配置と風向風力の関係を示す図であり、（ｂ）は風力発電装置の風力変動の各風力発電装置への到達時間遅れを示す図である。 図１に示す集中制御装置の構成を示すブロック図である。 （ａ）は、現在時点における風力発電装置の風速変動の実測値を表すグラフを示す図であり、（ｂ）は、時間Ｔ２経過後に風力発電装置が風上の場合に（式１）の手法により予測された各風力発電装置に到達する風速変動予測結果を表すグラフを示す図であり、（ｃ）は、時間Ｔ３経過後における風力発電装置の風速変動の予測値を表すグラフを示す図である。 風力発電装置の予測風速と出力電力の特性を表す特性図である。 （ａ）は、各風力発電装置の出力予測を示す各々線種の異なるグラフ上の点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３が各時点における各風力発電装置の出力予測結果を示す図であり、（ｂ）は、ウィンドファームの予測合計出力を示し、点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を合計したものがウィンドファーム予測合計出力Ｐｓｕｍである各風力発電装置の出力とウィンドファーム合計出力の予測結果を示す図である。 風力発電装置のパワーカーブを出力制限により変更する方式を表す模式図である。 （ａ）は出力変動評価時間Ｔｅにおける各風力発電装置の出力Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３と、その合計であるウィンドファームの出力Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３＝Ｐｓｕｍを示す図であり、（ｂ）は、図６（ｂ）に示す最小値Ｐｓｕｍ’で制御を行った場合の出力制限制御結果を示す図である。 （ａ）は出力変動評価時間Ｔｅにおける各風力発電装置の発電出力Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３と、その合計であるウィンドファームの発電出力Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３を示す図であり、（ｂ）は合計出力平均値Ｐｓｕｍ’’で制御を行った場合の出力制限制御結果を示す図である。 風力発電装置の回転数−発電出力特性を示す特性図である。 (ａ)は風力エネルギを風力発電装置の風車(図１参照)の回転エネルギとして蓄積・放出する第１の制御方式について、回転エネルギの蓄積と放出のタイミングの一例を具体的に示した模式図であり、(ｂ)は、このときの経過時間に対する回転エネルギの変化を示した図である。 (ａ)は風力エネルギを風力発電装置の回転エネルギとして蓄積・放出する第２の制御方式について、回転エネルギの蓄積と放出のタイミングの別の例を具体的に示した模式図であり、(ｂ)は、このときの経過時間に対する回転エネルギの変化を示した図である。 複数の風力発電装置に補助的に少なくとも１台の蓄電装置を併設したウィンドファームに本発明を適用した場合のブロック図である。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態のウィンドファーム１００の装置構成を示すブロック図である。
＜実施形態のウィンドファーム１００＞
ウィンドファーム１００は、電力を需要家８に供給するための電力系統７に、送電線９を介して、接続されている。そして、電力系統７とウィンドファーム１００から需要家８に対して電力を供給している。
ウィンドファーム１００は、可変回転数制御及び可変ピッチ制御可能な複数の風力発電装置１１、１２、１３で構成される。

風力発電装置１１、１２、１３は、それぞれ、風を受ける回転翼(ブレード)１１ｈ、１２ｈ、１３ｈを複数有する風車(ロータ)１１ｆ、１２ｆ、１３ｆと、各風車１１ｆ、１２ｆ、１３ｆの回転により電力を発生させる発電機(図示せず)と、発電機で発生させた電力を所望の電力に変圧する変圧器(図示せず)とを有している。風車１１ｆの各回転翼１１ｈ、風車１２ｆの各回転翼１２ｈ、および風車１３ｆの各回転翼１３ｈは、それぞれ遠心方向の軸廻りに回転可能とされ、遠心方向の軸廻りに回転翼１１ｈ、１２ｈ、１３ｈが回転するピッチ制御可能に構成されている。

各風力発電装置１１、１２、１３は、送電線９を介して、電力系統７および需要家８に接続されている。
風力発電装置１１、１２、１３には、それぞれの場所での風向き、風速を計測する風向風速計２１、２２、２３と、各風力発電装置１１、１２、１３をそれぞれ制御し風向風速計２１、２２、２３の情報、回転翼１１ｈ、１２ｈ、１３ｈの回転数、各発電出力等の情報(運転情報)をそれぞれ収集する個別制御装置３１、３２、３３とが接続されている。
個別制御装置３１、３２、３３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各風力発電装置１１、１２、１３を統括して制御する集中制御装置４１に接続されている。

集中制御装置４１は、出力指令情報を用いて、各個別制御装置３１、３２、３３を介して、各風力発電装置１１、１２、１３の運転を制御する。
集中制御装置４１には、各風力発電装置１１、１２、１３の出力特性データ等を記憶する記憶装置４２が接続されている。
個別制御装置３１、３２、３３、集中制御装置４１は、コンピュータ、回路などで構成されている。

＜ウィンドファーム１００における風向、風速の情報の収集＞
ウィンドファーム１００における風向、風速の情報の収集は以下のように行われる。
風力発電装置１１に付属する個別制御装置３１は、風向風速計２１で計測した風力発電装置１１での風向、風速を、通信ネットワーク５を介して、集中制御装置４１に送信する。同様に、他の風力発電装置３２、３３の風向き、風速データもそれぞれ集中制御装置４１に送信される。

例えば、図１の矢印６で表される風向きの風が吹いているとき、ウィンドファーム１００の中で風速の変動が最初に到達するのは風力発電装置１１である。集中制御装置４１は、受信した各風力発電装置１１、１２、１３での風向データからウィンドファーム１００内で風力発電装置１１が最も風上にいることを判断する。そして、以下の手法を用いて、各風力発電装置１１、１２、１３での風速データから、風力発電装置１１の風速変動が、他の風力発電装置１２、１３に到達する風速変動の時間変化を予測する。

＜風速変動の時間変化の予測＞
風力発電装置１１が最も風上にある場合を例に挙げて、風力発電装置１１、１２、１３の配置とそれらの風向風力の関係を説明する。
図２は各風力発電装置１１、１２、１３に到達する風速の変動を予測する手法を示した模式図であり、図２（ａ）は風力発電装置の配置と風向風力の関係を示し、図２（ｂ）は風力発電装置１１の風力変動の各風力発電装置１２、１３への到達時間遅れＴ２、Ｔ３を示す。

風速変動が最初に到達した風力発電装置１１を基点として、他の風力発電装置１２、１３までの距離Ｌと現在の風向きに対する方角θは、記憶装置４２にあらかじめ入力された既知の風力発電装置１１、１２、１３の配置のデータから求められる。例えば、風力発電装置１１、１２、１３の配置のデータがあれば、その時点の風向きから方角θは容易に求められる。
風力発電装置１１で計測された風速から、風速変動が風力発電装置１２に時刻Ｔ１２に到達するまでの時間遅れＴ２は、風力発電装置１１から風力発電装置１２までの風向き方向の距離Ｌcosθを、風速Ｖで除算することで、次の（式１）で表される。

同様に、（式１）を用いて、風力発電装置１１での風速変動が、他の風力発電装置１３へ時刻Ｔ１３に到達する風速変動の到達時間遅れＴ３が求められる。

＜集中制御装置４１＞
図３は、図１に示す集中制御装置４１の構成を示すブロック図である。
集中制御装置４１は、情報の送受信を行う送受信手段５１と、各風力発電装置１１、１２、１３での風速の変動を予測する風速変動予測手段５２と、各風力発電装置１１、１２、１３での発電による出力(電力)を予測する出力予測手段５３と、余剰の風力エネルギを回転エネルギとして蓄積するとともに電力の補充のために蓄積した回転エネルギを放出する動的エネルギ蓄積放出指令手段５４とを具えている。なお、動的エネルギ蓄積放出指令手段５４は、各風力発電装置１１、１２、１３に対して回転数を高めて回転エネルギを蓄積する回転数上昇指令手段５５と、蓄積した回転エネルギを放出する回転数下降指令手段５６を有する。

＜集中制御装置４１の制御＞
集中制御装置４１の制御は以下のように行われる。
通信ネットワーク５を介して得られた各風力発電装置１１、１２、１３の風向、風速データ、発電の出力データは、送受信手段５１を経由して風速変動予測手段５２に入力される。そして、風速変動予測手段５２において、（式１）等を用いて、ウィンドファーム１００全体の近未来の風速が予測される。

ここで、風速変動予測手段５２における風速、風向変動予測において、例えば、風力発電装置１１が最も風上に位置する場合の風力発電装置１１の風速、風向の予測法について説明する。風力発電装置１１の風速の予測の一例としては、例えば、過去の気象状況、風速、風向等を基に、風速、風向きの予測データを記憶装置４２に予め記憶しておき、現気象状況、風速、風向等から記憶した予測データを用いて、現在の風速、風向変動の予測を行うことができる。そして、本予測は、風力発電装置１１の実際の現在の風速、風向等から予測を逐次更新し、ウィンドファーム１００の予測とする。
なお、説明した風上の風力発電装置１１の風速、風向の予測は一例であり、他のやり方も適用できるのは勿論である。

風速変動予測手段５２で予測された風速予測データはさらに出力予測手段５３に入力され、同じくウィンドファーム１００全体の近未来の発電による出力が予測される。続いて、出力の予測データは動的エネルギ蓄積放出指令手段５４に入力され、動的エネルギ蓄積放出指令手段５４で、あらかじめ設定された予定出力と比較される。そして、出力の予測データが予定出力より高い場合は、回転数上昇指令手段５５により風力発電装置１１、１２、１３の回転数を高めて風力エネルギを風力発電装置の機械的エネルギの回転エネルギとして蓄積する。一方、発電による出力の予測データが予定出力より低い場合は、回転数下降指令手段５６により風力発電装置の回転数を低下させて蓄積された回転エネルギ(機械的エネルギ)を放出して出力を補充し、出力の平均化を図る。

記憶装置４２に保存された各風力発電装置１１、１２、１３の出力特性データは、出力予測手段５３、動的エネルギ蓄積放出指令手段５４等に与えられ、出力予測その他に用いられる。
集中制御装置４１および個別制御装置３１、３２、３３は、コンピュータシステム上で作動する制御ソフトウェアから構成することができ、その場合は同一のコンピュータシステムに設けられた異なる制御ソフトウェアから構成することができる。

例えば、集中制御装置４１に各風力発電装置１１、１２、１３を統括的に制御するための図３に示す機能をもたせ、個別制御装置３１、３２、３３は、それぞれ各風力発電装置１１、１２、１３の風車(ロータ)１１ｆ、１２ｆ、１３ｆの回転数制御、回転翼１１ｈ、１２ｈ、１３ｈを遠心方向軸廻りに回転させるピッチ制御等を行わせる。

或いは、個別制御装置３１、３２、３３は通信ネットワーク５を介して接続されているので、集中制御装置４１の機能を個別制御装置３１、３２、３３の何れかにもたせることも可能であり、または個別制御装置３１、３２、３３に分割してもたせることも可能である。この場合、集中制御装置４１の機能をもつ個別制御装置３１、３２、３３に記憶装置４２が接続され、集中制御装置４１は不要となる。
このように、集中制御装置４１および個別制御装置３１、３２、３３の実現形態は、実施形態で説明する所定の制御が行えれば、適宜選択可能である。

図４は、風力発電装置１１が風上の場合に（式１）の手法により予測された各風力発電装置１２、１３に到達する風速変動予測結果を示したグラフであり、横軸に経過時間［秒］を示し、縦軸に風速［ｍ／ｓ］を示す。
図４（ａ）は、現在時点における風力発電装置１１の風速変動の実測値を示し、図４（ｂ）は、時間Ｔ２の経過後における風力発電装置１２の風速変動の予測値を示す。図４（ｃ）は、時間Ｔ３の経過後における風力発電装置１３の風速変動の予測値を示す。

図４（ａ）の現在の風力発電装置１１の風速変動が、図４（ｂ）に示すように、風力発電装置１２に時間Ｔ２経過後の時刻Ｔ１２に到達し、同様に、図４（ａ）の現在の風力発電装置１１の風速変動が、図４（ｃ）に示すように、風力発電装置１３に時間Ｔ３経過後の時刻Ｔ１３に到達する。

図５は、予測風速と風力発電装置１１、１２、１３の出力の関係（パワーカーブ）を表した特性図である。
図５に示す風力発電装置１１、１２、１３の特性データは予め集中制御装置４１に接続された記憶装置４２に保存してあり、出力予測手段５３におけるウィンドファーム１００の出力予測演算時に集中制御装置４１に呼び出される。

ここで、ウィンドファーム１００内に同じ特性の風力発電装置が設置してある場合には、一つの風力発電装置の特性データが予め集中制御装置４１に接続された記憶装置４２に保存される。一方、ウィンドファーム１００内に異なる特性の風力発電装置が設置してある場合には、ウィンドファーム１００内に存在するすべての各風力発電装置の特性データを保存して、出力予測手段５３での予測演算に用いる。

図６は、図４の各風力発電装置１１、１２、１３の風速変動予測結果と、図５のパワーカーブとを用いて、ウィンドファーム１００内の各風力発電装置１１、１２、１３の出力変動(図６（ａ）参照)と、ウィンドファーム１００の合計出力変動(図６（ｂ）参照)の予測結果を示した模式図である。図６の横軸は、経過時間(分)を示し、縦軸は発電出力を示すｐｕ(Per Unit)である。

図６（ａ）は、各風力発電装置１１、１２、１３の出力予測を示し、各々線種の異なるグラフ上の点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３が各時点における各風力発電装置１１、１２、１３の出力予測結果を示す。図６（ｂ）は、ウィンドファーム１００の予測合計出力を示し、点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を合計したものがウィンドファーム予測合計出力Ｐｓｕｍである。
ウィンドファーム予測合計出力Ｐｓｕｍの変動範囲に基づいて、動的エネルギ蓄積放出指令手段５４で、一定出力値での安定制御が可能な出力を算出する。

＜ウィンドファーム１００の出力を最小値Ｐｓｕｍ’とする制御＞
次に、ウィンドファーム１００の出力を最小値Ｐｓｕｍ’とする制御について説明する。
図６（ｂ）のＰｓｕｍ’は一定出力値制御の対象となる時間範囲（例えば、図６では２０分）内での予測合計出力の最小値であり、Ｐｓｕｍ’をウィンドファーム１００の一定出力値制御の出力値として設定する場合は、各風力発電装置１１、１２、１３への制御指令は図６のＰｓｕｍ’を満たす出力制限が指示される。

この場合、各風力発電装置１１、１２、１３への制御指令は、図７に示すように、出力制限を設けたパワーカーブの制御指令となる。
図８は、各風力発電装置１１、１２、１３への制御指令による発電出力を示す模式図である。図８の横軸は経過時間を示し、縦軸は発電出力を示す。Ｔｃは出力制限指令周期である。図８（ａ）は出力変動評価時間Ｔｅにおける各風力発電装置１１、１２、１３の出力Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３と、その合計であるウィンドファーム１００の出力Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３＝Ｐｓｕｍを示す。図８（ｂ）は、各風力発電装置１１、１２、１３への出力制限制御によりウィンドファーム１００の出力を図６（ｂ）に示す最小値Ｐｓｕｍ’で制御を行った場合の出力制限制御結果を示す。

図８において、各風力発電装置１１、１２、１３の制御指令の設定方法を、図８（ａ）の(１)、(２)、(３)の各制御時間について説明する。
制御指令の設定方法は、次の２点を基準に決定する。第１に、一番発電がある風力発電装置１１、１２、１３の何れかに出力を負担させる。すなわち、一番風が強い風力発電装置１１、１２、１３を優先して廻す(用いる)。第２に、各風力発電装置１１、１２、１３の稼働を平準化する。
図８（ａ）の(１)は、Ｐ１(風力発電装置１１の発電出力)＋Ｐ２(風力発電装置１２の発電出力)＋Ｐ３(風力発電装置１３の発電出力)＞Ｐｓｕｍ’かつ、Ｐ１＋Ｐ２＜Ｐｓｕｍ’の場合である。

この場合、ほぼＰ１’＝Ｐ２’＝Ｐ３’かつ、Ｐ１’＋Ｐ２’＋Ｐ３’＝Ｐｓｕｍ’となるように決定する。Ｐ１’＜Ｐ１、Ｐ２’＜Ｐ２、Ｐ３’＜Ｐ３となる場合は、余力のある風力発電装置１１、１２、１３の何れかが不足分の出力を負担するようにする。
図８（ａ）の(２)は、Ｐ１＋Ｐ２＞Ｐｓｕｍ’の場合である。
この場合、余力のあるＰ１、Ｐ２の出力を低下させてほぼＰ１’＝Ｐ２’＝Ｐ３’かつ、Ｐ１’＋Ｐ２’＋Ｐ３’＝Ｐｓｕｍ’となるように決定する。エネルギ的にはＰ３’＝０としても構わないが、１台だけ停止せずに運転した方がウィンドファーム１００内の運転を均一化でき、風力発電装置１１、１２、１３の劣化を均一化できる。これにより、風力発電装置１１、１２、１３が劣化した際、まとめてメンテナンスできるので、メンテナンスコストの点でメリットがある。

図８（ａ）の(３)は、Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３＝Ｐｓｕｍ’の場合である。
この場合、元の出力のままＰ１’＝Ｐ１、Ｐ２’＝Ｐ２、Ｐ３’＝Ｐ３とする。
説明した図８の制御方式では、出力の変動は抑制できるがＰｓｕｍ’以上の出力が出せないため、余剰のエネルギが大きくなり、エネルギロスが大きくなる。
そこで、風力エネルギを風力発電装置１１、１２、１３の風車(ロータ)１１ｆ、１２ｆ、１３ｆの回転エネルギとして蓄積することによってエネルギロスを小さくし、一定出力値制御の出力を図６（ｂ）の合計出力の平均値Ｐｓｕｍ’’(以下、合計出力平均値Ｐｓｕｍ’’と称す)まで上昇させる制御方式について説明する。

＜ウィンドファーム１００の出力を平均値Ｐｓｕｍ’’とする制御＞
図９は各風力発電装置１１、１２、１３への制御指令による(発電)出力を示す模式図である。図９（ａ）は出力変動評価時間Ｔｅにおける各風力発電装置１１、１２、１３の(発電)出力Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３と、その合計であるウィンドファーム１００の(発電)出力(Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３)を示す。図９（ｂ）は合計出力平均値Ｐｓｕｍ’’で制御を行った場合の出力制限制御結果を示す。

図９において、出力変動評価時間Ｔｅの予測発電量Ｐｓｕｍの平均値を合計出力平均値Ｐｓｕｍ’’と決める。
図１０は風力発電装置１１、１２、１３の回転数−出力特性を示す特性図であり、横軸に回転数指令値をとり、縦軸に(発電)出力をとっている。従来、図１０の点線で示すように、各風速域において最大の出力を上げるように可変速制御を行っている。
本構成では、合計出力平均値Ｐｓｕｍ’’よりも予測発電量の大きい時間帯(１)(図９(ａ)参照)においては、図１０に示す特性図に基づき、各風力発電装置１１、１２、１３への回転数指令値を最大出力回転数(図１０のｍ１、ｍ２、ｍ３)よりも上げて発電出力を下げるように制御し、風力エネルギを風力発電装置１１、１２、１３の風車１１ｆ、１２ｆ、１３ｆの回転エネルギとして蓄積する。

一方、合計出力平均値Ｐｓｕｍ’’よりも予測発電量の小さい時間帯(２)においては、風力発電装置１１、１２、１３の回転数を徐々に下げることによって図９(ａ)の(１)の時間帯に蓄えた回転エネルギを放出して、合計出力平均値Ｐｓｕｍ’’の出力を維持するように制御する。
実際の風力発電装置では、図９(ａ)で示したように、風力発電装置の回転エネルギだけではウィンドファーム１００の出力を一定に維持するには不足する可能性がある。そのような場合に、ウィンドファーム１００の出力を定格出力よりも低いある値で制限することによって、ウィンドファーム１００の出力変動を抑制する。

次に、ウィンドファーム１００における回転エネルギの蓄積と放出に用いられる２つの第１・第２の制御方式について説明する。
＜ウィンドファーム１００における回転エネルギの蓄積と放出の第１の制御方式＞
図１１(ａ)は風力エネルギを風力発電装置１１、１２、１３の風車１１ｆ、１２ｆ、１３ｆ(図１参照)の回転エネルギとして蓄積・放出する第１の制御方式について回転エネルギの蓄積と放出のタイミングの一例を具体的に示した模式図であり、図１１(ｂ)は、このときの経過時間に対する回転エネルギの変化を示した図である。

図１１において、ウィンドファーム１００の出力を目標値(所定の目標出力)Ｐtで制御する場合、出力変動を最も小さくするためには、出力の最低点Ｐminで、回転エネルギを溜めておいた風力発電装置１１、１２、１３の何れかの回転エネルギを放出する方式が有効である。
Ｐminとなる時刻は、出力予測手段５３で求めたウィンドファーム１００の合計出力の予測値から事前に求めておく。そして、ウィンドファーム１００内の風力発電装置１１、１２、１の仕様から決まる蓄積可能な回転エネルギの最大値と、回転エネルギの放出可能速度とから、発電出力の最低点Ｐminを平準化するように、回転エネルギの放出を開始するタイミングｔｄを決定する。

図１１(ｂ)の時刻ｔｄから回転エネルギの放出を開始されるので、放出が終了する時刻ｔｄ１まで回転エネルギが減少する。図１１(ｂ)の時刻ｔｄ１から時刻ｔｄ２の間は、図１１(ａ)に示すように、出力が目標値Ｐt以下であるから、回転エネルギは増加しない。図１１(ｂ)の時刻ｔｄ２になると、出力が目標値Ｐtに達するので、余剰の風力エネルギを、回転エネルギとして蓄える。そのため、時刻ｔｄ２から回転エネルギが増加し、図１１(ｂ)の時刻ｔｄ３になると回転エネルギが蓄積可能な最大値に達するので、回転エネルギは蓄積されることなく横ばいとなる。

これにより、図１１(ａ)の斜線部のように、Ｐminとなる時刻の出力を回転エネルギの放出により向上させることが可能となる。また、回転エネルギの放出速度を変化させることによって、大きな出力を短時間で放出するか、小さな出力を長時間で放出するかを選択できるので、出力低下の値とその時間に応じて、回転エネルギの放出を開始するタイミングｔｄを決めることも可能である。

＜ウィンドファーム１００における回転エネルギの蓄積と放出の第２の制御方式＞
図１２(ａ)は風力エネルギを風力発電装置の回転エネルギとして蓄積・放出する第２の制御方式について、回転エネルギの蓄積と放出のタイミングの別の例を具体的に示した模式図であり、図１２(ｂ)は、このときの経過時間に対する回転エネルギの変化を示した図である。
図１１の第１の制御方式では出力の最低点Ｐmin付近で回転エネルギを放出したのに対して、図１２の第２の制御方式では回転エネルギを連続して蓄積・放出する。これによって、ウィンドファーム１００の出力制限をして、出力変動が予め定められた範囲に収まる場合に，低下する発電電力量を向上させることを目的とした方式である。
なお、図１２(ａ)では、目標値Ｐtに出力が制限されている場合を仮定して本方式を図示している。

ウィンドファーム１００の出力の目標値Ｐtに対して、制御なしの出力が目標値Ｐtを上回ると、回転エネルギを蓄積して(図１２(ｂ)の時刻ｔ０、ｔ２、ｔ５)、回転エネルギが蓄積可能な最大値に到達した時点(図１２(ｂ)の時刻ｔ１、ｔ３、ｔ６)で、回転エネルギの放出を開始する。回転エネルギの放出が終わるまでは、出力を向上させる効果がある。以降、この制御を連続的に繰り返すことによって、出力制限により低下した発電電力量を向上させる効果がある。

詳細には、図１２(ｂ)の時刻ｔ０から蓄積可能な最大値の回転エネルギになる時刻ｔ１までは、回転エネルギを蓄積するので、回転エネルギが増加する。図１２(ｂ)の時刻ｔ１から時刻ｔ２までは回転エネルギを放出する。時刻ｔ２では、ウィンドファーム１００の出力が目標値Ｐtより高いので、蓄積可能な最大値の回転エネルギになる時刻ｔ３まで回転エネルギを蓄積する。時刻ｔ３から時刻ｔ４までは回転エネルギを放出する。

時刻ｔ４から時刻ｔ５までは発電出力が、図１２(ａ)に示すように、目標値Ｐt未満なので、回転エネルギは蓄積されない。時刻ｔ５から時刻ｔ６までは、図１２(ａ)に示すウィンドファーム１００の発電出力が目標値Ｐt以上となるので、蓄積可能な最大値の回転エネルギになる時刻ｔ６まで回転エネルギを蓄積する。時刻ｔ６で蓄積可能な最大値の回転エネルギになるので、以後回転エネルギが放出される。
図１１の第１の制御方式と図１２の第２の制御方式は、ウィンドファーム１００の出力の目標値Ｐtの値や、出力変動の大きさに応じて動的に切り替えることも可能である。

＜ウィンドファーム１００に対して蓄電装置５０を併設する場合＞
次に、ウィンドファーム１００に対して蓄電装置５０を併設する場合について、説明する。
図１３は、複数の風力発電装置１１、１２、１３に補助的に少なくとも１台の蓄電装置５０を併設したウィンドファーム１００に本発明を適用した場合のブロック図である。
従来、ウィンドファームの出力変動を抑制する目的で蓄電装置を設置する場合には、ウィンドファームで発生するすべての出力変動を蓄電装置の充放電により吸収する必要がある。そのため、蓄電装置の容量が大きくなりコストが高くなる問題があった。

本実施形態では、前記したように、蓄電装置を用いることなくウィンドファーム１００の出力を一定に制御できるが、各風力発電装置１１、１２、１３の近未来の風速の予測に誤差が生じる可能性があり、ウィンドファーム１００の出力が一定値に対して僅かにずれる怖れがある。
図１３に示す少なくとも１台の蓄電装置５０は、この出力のずれの分を充放電により補償する。これにより、従来に比べて蓄電装置５０の容量を小さくでき、蓄電装置５０の設置コストを削減できる。

＜効果＞
上記構成によれば、各風力発電装置１１、１２、１３に設けられる個別制御装置３１、３２、３３と、個別制御装置３１、３２、３３の情報により出力予測演算を行う集中制御装置４１とを備え、簡潔な構成でウィンドファーム１００内の各風力発電装置１１、１２、１３で計測した風向・風速の計測値から近未来のウィンドファーム１００の出力変動を予測することができる。

また、ウィンドファーム１００の出力変動を各風力発電装置１１、１２、１３の回転数増減によって回転エネルギとして蓄積・放出することによって出力変動を抑制し、ウィンドファーム１００の出力を一定に保つことを可能とできる。そのため、ウィンドファーム１００の出力変動の電力系統への影響を軽減することができる。従って、ウィンドファーム１００から電力系統８へ出力される電力の変動を抑制し、一定の出力を維持できる。特に、電力系統制御の観点から有効な、数分から１０数分程度の短周期変動をほぼ一定にできるウィンドファーム１００を得られる。
また、ウィンドファーム１００の出力変動抑制の目的で付加的に設置される蓄電装置５０の容量を低減することが可能となり、コスト低減が可能である。

５ 通信ネットワーク、
７ 電力系統、
９ 送電線、
１１、１２、１３ 風力発電装置、
２１、２２、２３ 風向風速計、
３１、３２、３３ 個別制御装置、
４１ 集中制御装置(集中運転制御手段)、
５０ 蓄電装置、
５１ 送受信手段、
５２ 風速変動予測手段、
５３ 出力予測手段、
５４ 動的エネルギ蓄積放出指令手段(エネルギ蓄積放出指令手段)、
５５ 回転数上昇指令手段、
５６ 回転数下降指令手段、
１００ ウィンドファーム(風力発電装置群)、

Claims (8)

1. 各風力発電装置に設けられる風向風速計と、前記各風力発電装置に設けられるとともに通信ネットワークを介して前記各風力発電装置における風向、風力を含む運転情報を送受信する個別制御装置とを備え、
   電力系統に対して送電線を介して接続された可変回転数および可変ピッチ制御可能な複数台の前記風力発電装置を有する風力発電装置群を制御する風力発電装置群の制御装置であって、
   前記各風力発電装置から送られる運転情報を受信するとともに前記各風力発電装置の運転を制御する出力指令情報を送信する送受信手段と、
   前記送受信手段を介して前記各個別制御装置からの前記運転情報を受信して出力変動を演算処理するとともに、前記各風力発電装置に前記送受信手段を介して送信される前記出力指令情報に応じて前記風力発電装置群の運転を制御する集中運転制御手段と、
   前記運転情報に基づき前記風力発電装置群に対する近未来の風速変動を予測し、前記風速変動の予測に基づき前記風力発電装置群の近未来の出力変動を予測する出力予測手段と、
   前記風力発電装置群の合計出力が所定の目標出力より大きくなる場合に風力エネルギを前記風力発電装置群の回転エネルギとして蓄積させるように前記出力指令情報によって制御するエネルギ蓄積放出指令手段とを備え、
   前記風力発電装置群の合計出力は、定格出力よりも低い値に制限され、
   前記エネルギ蓄積放出指令手段は、
   前記風力発電装置群の合計出力が前記所定の目標出力より小さい場合、前記風力発電装置群に蓄積させた回転エネルギを、前記近未来の合計出力の最低値付近で放出するように前記出力指令情報によって制御することにより、前記風力発電装置群の合計出力の変動を抑制する
   ことを特徴とする風力発電装置群の制御装置。
2. 各風力発電装置に設けられる風向風速計と、前記各風力発電装置に設けられるとともに通信ネットワークを介して前記各風力発電装置における風向、風力を含む運転情報を送受信する個別制御装置とを備え、
   電力系統に対して送電線を介して接続された可変回転数および可変ピッチ制御可能な複数台の前記風力発電装置を有する風力発電装置群を制御する風力発電装置群の制御装置であって、
   前記各風力発電装置から送られる運転情報を受信するとともに前記各風力発電装置の運転を制御する出力指令情報を送信する送受信手段と、
   前記送受信手段を介して前記各個別制御装置からの前記運転情報を受信して出力変動を演算処理するとともに、各前記風力発電装置に前記送受信手段を介して送信される前記出力指令情報に応じて前記風力発電装置群の運転を制御する集中運転制御手段と、
   前記運転情報に基づき前記風力発電装置群に対する近未来の風速変動を予測し、前記風速変動の予測に基づき前記風力発電装置群の近未来の出力変動を予測する出力予測手段と、
   前記風力発電装置群の合計出力が所定の目標出力より大きくなる場合に風力エネルギを前記風力発電装置群の回転エネルギとして蓄積させるように前記出力指令情報によって制御するエネルギ蓄積放出指令手段とを備え、
   前記風力発電装置群の合計出力は、定格出力よりも低い値に制限され、
   前記エネルギ蓄積放出指令手段は、
   前記風力発電装置群に蓄積させた回転エネルギを、前記回転エネルギが所定量以上蓄積される毎に放出するように前記出力指令情報によって制御することにより、前記風力発電装置群の発電電力量の低下を抑制する
   ことを特徴とする風力発電装置群の制御装置。
3. 請求項１または請求項２記載の風力発電装置群の制御装置において、
   前記出力予測手段により予測された前記風力発電装置群の合計出力が前記所定の目標出力より大きくなる時間帯に風力エネルギを前記各風力発電装置の回転エネルギとして蓄積させる回転数上昇指令手段と、
   前記各風力発電装置の回転エネルギとして蓄積された風力エネルギを放出させる回転数下降指令手段とを
   備えたことを特徴とする風力発電装置群の制御装置。
4. 請求項１から請求項３の何れか一項記載の風力発電装置群の制御装置において、
   前記送電線に少なくとも１台の蓄電装置が接続され、
   前記集中運転制御手段からの前記出力指令情報により前記風力発電装置群の出力を所定の目標出力になるように制御したとき、前記風速の予測誤差から前記所定の目標出力からの逸脱があった場合、前記風力発電装置群は前記蓄電装置の充放電電力によって前記逸脱が補償される
   ことを特徴とする風力発電装置群の制御装置。
5. 各風力発電装置に設けられる風向風速計と、前記各風力発電装置に設けられるとともに通信ネットワークを介して前記各風力発電装置における風向、風力を含む運転情報を送受信する個別制御装置とを備え、
   電力系統に対して送電線を介して接続された可変回転数および可変ピッチ制御可能な複数台の前記風力発電装置を有する風力発電装置群を制御する風力発電装置群の制御装置の制御方法であって、
   前記制御装置は、送受信手段と、集中運転制御手段と、出力予測手段と、エネルギ蓄積放出指令手段とを備え、
   前記送受信手段は、前記各風力発電装置から送られる運転情報を受信するとともに前記各風力発電装置の運転を制御する出力指令情報を送信し、
   前記集中運転制御手段は、前記送受信手段を介して前記各個別制御装置からの前記運転情報を受信して出力変動を演算処理するとともに、前記各風力発電装置に前記送受信手段を介して送信される前記出力指令情報に応じて前記風力発電装置群の運転を制御し、
   前記出力予測手段は、前記運転情報に基づき前記風力発電装置群に対する近未来の風速変動を予測し、前記風速変動の予測に基づき前記風力発電装置群の近未来の出力変動を予測し、
   前記エネルギ蓄積放出指令手段は、前記風力発電装置群の合計出力が所定の目標出力より大きくなる場合に風力エネルギを風力発電装置群の回転エネルギとして蓄積させるように前記出力指令情報によって制御し、
   前記風力発電装置群の合計出力は、定格出力よりも低い値に制限され、
   前記エネルギ蓄積放出指令手段は、前記風力発電装置群の合計出力が前記所定の目標出力より小さい場合、前記風力発電装置群に蓄積させた回転エネルギを、前記近未来の合計出力の最低値付近で放出するように前記出力指令情報によって制御することにより、前記風力発電装置群の合計出力の変動を抑制する
   ことを特徴とする風力発電装置群の制御装置の制御方法。
6. 各風力発電装置に設けられる風向風速計と、前記各風力発電装置に設けられるとともに通信ネットワークを介して前記各風力発電装置における風向、風力を含む運転情報を送受信する個別制御装置とを備え、
   電力系統に対して送電線を介して接続された可変回転数および可変ピッチ制御可能な複数台の前記風力発電装置を有する風力発電装置群を制御する風力発電装置群の制御装置の制御方法であって、
   前記制御装置は、送受信手段と、集中運転制御手段と、出力予測手段と、エネルギ蓄積放出指令手段とを備え、
   送受信手段は、前記各風力発電装置から送られる運転情報を受信するとともに前記各風力発電装置の運転を制御する出力指令情報を送信し、
   前記集中運転制御手段は、前記通信ネットワークを介して前記各個別制御装置からの前記運転情報を受信して出力変動を演算処理し、各前記風力発電装置に送信される前記出力指令情報に応じて前記風力発電装置群の運転を制御し、
   前記出力予測手段は、前記運転情報に基づき前記風力発電装置群に対する近未来の風速変動を予測し、前記風速変動の予測に基づき前記風力発電装置群の近未来の出力変動を予測し、
   前記エネルギ蓄積放出指令手段は、前記風力発電装置群の合計出力が所定の発電出力より大きくなる場合に風力エネルギを前記風力発電装置群の回転エネルギとして蓄積させるように前記出力指令情報によって制御し、
   前記風力発電装置群の合計出力は、定格出力よりも低い値に制限され、
   前記エネルギ蓄積放出指令手段は、前記風力発電装置群に蓄積させた回転エネルギを、前記回転エネルギが所定量以上蓄積される毎に放出するように前記出力指令情報によって制御することにより、前記風力発電装置群の発電電力量の低下を抑制する
   ことを特徴とする風力発電装置群の制御装置の制御方法。
7. 請求項５または請求項６記載の風力発電装置群の制御装置の制御方法において、
   回転数上昇指令手段は、前記出力予測手段により予測された前記風力発電装置群の合計出力が前記所定の目標出力より大きくなる時間帯に風力エネルギを前記各風力発電装置の回転エネルギとして蓄積させ、
   回転数下降指令手段は、前記各風力発電装置の回転エネルギとして蓄積された風力エネルギを放出させる
   ことを特徴とする風力発電装置群の制御装置の制御方法。
8. 請求項５から請求項７の何れか一項記載の風力発電装置群の制御装置の制御方法において、
   前記送電線に少なくとも１台の蓄電装置が接続され、
   前記集中運転制御手段からの前記出力指令情報により前記風力発電装置群の出力を所定の目標出力になるように制御したとき、前記風速の予測誤差から前記所定の目標出力からの逸脱があった場合、前記風力発電装置群は前記蓄電装置の充放電電力によって前記逸脱が補償される
   ことを特徴とする風力発電装置群の制御装置の制御方法。

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