JP5752529B2 - 風車発電設備の制御装置及び制御方法 - Google Patents

Description

本発明は風車発電設備の制御装置及び制御方法に関する。

非特許文献１には、二次電池とキャパシタを電力貯蔵要素として備える風車発電設備の制御装置が開示されている。

浅沼圭司、外３名、「風力発電向け電力安定化装置」、富士時報、富士電気株式会社、２００８年５月１０日、第８１巻、第３号、ｐ２０３−２０６

非特許文献１に記載の制御装置は主に大型風車用であり、比較的長周期（１〜２４時間程度）の出力変動の平準化のために、電力貯蔵要素としての二次電池とキャパシタは大容量のものを採用する必要がある。電力貯蔵要素が大型であると、製造等がコスト高となる。また、非特許文献１を含め風車発電に関する従来の技術では、比較的短周期（例えば数１０秒以下程度）の出力変動の効率的な平準化は困難であった。以上の点で、従来の風車発電に関する技術は、例えば１００ｋＷクラスの規模の風車発電設備の制御には適していなかった。

本発明は、風車発電設備において、電力貯蔵要素の小容量化による低コスト化を目的とする。また、本発明は、風車発電設備において、比較的短周期（例えば数１０秒以下程度）の出力変動の効率的な平準化を課題とする。

本発明の第１の態様は、ピッチを制御可能であって発電機に連結された風車と、前記発電機と系統の間に介在するインバータと、前記発電機により充電可能かつ前記系統へ放電可能な電力貯蔵要素とを備える風車発電設備の制御装置であって、前記電力貯蔵要素の目標電力蓄積量に対する容量率を検出する容量率測定器と、風速によって定まる平準化目標を前記容量率に基づいて補正して、前記風車の発電機の出力の制限値である風車出力制限を算出する風車出力制限算出部と、前記平準化目標を前記容量率に基づいて補正し、前記系統への出力の制限値である系統出力制限を算出する系統出力制限算出部と、前記風車の発電機の出力が前記風車出力制限を越えないように、かつ前記系統への出力が前記系統出力制限を越えないように前記インバータを制御するインバータ制御部と、風速によって定まる目標回転数を維持するように、前記風車のピッチを制御するピッチ制御部とを備えることを特徴とする、風車発電設備の制御装置を提供する。

風車出力制限算出部による風車出力制限の算出と、系統出力制限算出部による系統出力制限の算出とはいずれも、容量率測定器で検出される電力貯蔵要素の容量率（電力貯蔵要素がどの程度充電されているか）に基づいて実行される。また、風車出力制限と系統出力制限に基づいてインバータ制御部によりインバータを制御され、併せてピッチ制御部で風車のピッチが制御される。つまり、電力貯蔵要素の容量率を反映した風車出力制限と系統出力制限に基づいて、風車出力制御（インバータの制御、ピッチの制御）と系統出力制御がなれる。このように容量率を監視しつつ制御を行うことで、電力貯蔵要素として比較的小容量のもの（例えば小容量のキャパシタ）を採用でき、製造等のコストを低減できる。

また、前記電力貯蔵要素の充放電を制御する充放電制御部をさらに備え、前記系統出力制限算出部は、前記容量率が予め設定された閾値を上回る場合には前記平準化目標を前記系統出力制限に設定し、前記容量率が前記閾値以下の場合には、前記容量率が低いほど前記系統出力制限の値を小さく設定し、前記充放電制御部は、前記容量率が前記閾値を上回る場合には前記系統への出力が前記平準化目標となるように前記電力貯蔵要素を充放電させ、前記容量率が前記閾値以下の場合には前記系統への出力にかかわらず前記電力貯蔵要素を充電させることが好ましい。

第１に、この構成により、電力貯蔵要素の容量率が閾値を上回る状態、つまり電力貯蔵要素が十分に充電されている状態のときには、電力貯蔵要素は系統への出力が平準化目標となるように充放電する。この場合、風車の発電機の出力の短時間減少時に電力貯蔵要素が放電し平準化目標に対する不足分を補う。また、電力貯蔵要素の容量率が閾値以下の状態、つまり電力貯蔵要素が十分に充電されていない状態では、系統出力制限の値を小さく設定することで系統への出力を制限して電力貯蔵要素への充電を優先する。その結果、比較的短周期（例えば数１０秒以下程度）の出力変動を効果的に抑制できる。

第２に、この構成により、インバータ制御部によるインバータの制御において、風車出力制限算出部により算出される風車出力制限と比較すると、系統出力制限算出部により算出される系統出力制限が影響しにくくなり、系統への出力が平準化目標から外れるのを抑制できる。

本発明の第２の態様は、ピッチを制御可能であって発電機に連結された風車と、前記発電機と系統の間に介在するインバータと、前記発電機により充電可能かつ前記系統へ放電可能な電力貯蔵要素とを備える風車発電設備の制御方法であって、前記電力貯蔵要素の目標電力蓄積量に対する容量率を検出し、風速によって定まる平準化目標を前記容量率に基づいて補正して、前記風車の発電機の出力の制限値である風車出力制限を算出し、前記平準化目標を前記容量率に基づいて補正し、前記系統への出力の制限値である系統出力制限を算出し、前記風車の発電機の出力が前記風車出力制限を越えないように、かつ前記系統への出力が前記系統出力制限を越えないように前記インバータを制御し、風速によって定まる目標回転数を維持するように、前記風車のピッチを制御することを特徴とする、風車発電設備の制御方法を提供する。

本発明の風車発電設備の制御装置及び制御方法によれば、電力貯蔵要素の容量率を監視しつつ制御を行うことで、電力貯蔵要素として比較的小容量のもの（例えば小容量のキャパシタ）を採用でき、それによって製造等のコストを低減できる。また、比較的短周期（例えば数１０秒以下程度）の出力変動を効果的に抑制できる。

本発明の実施形態に係る制御装置を備える風車発電設備の模式図。 本発明の実施形態に係る風車発電設備の制御装置のブロック図。 本発明の実施形態に係る風車発電設備の制御装置の動作の一例を示す線図。 本発明の実施形態に係る風車発電設備の制御装置の動作の一例を示す線図。

次に、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

図１及び図２を参照すると、風車発電設備１の風車２は、ピッチ調整機構３によってピッチ角θを調整可能なロータ２ａを有する。また、風車２は発電機４に連結され、発電機４と系統５の間にはインバータ６が介在している。インバータ６は風車２の回転により発電機４が発生する交流電力を直流電力にいったん変換した後に、系統５と同周波数の交流電力に変換する。また、インバータ６には、系統５への出力（系統出力Ｐｇ）の平準化に使用されるキャパシタ７（電力貯蔵要素）が充放電制御回路８を介して接続されている。キャパシタ７は充放電制御回路８により、発電機４の発生する電力によって充電される状態、蓄積した電力をインバータ６を介して系統５へ放電する状態、及び充放電のいずれも行わない保持状態のいずれかの状態とされる。

風車２のロータ２ａへの風速Ｖｄを測定する風速計１１が設けられている。また、風車２の回転数Ｎｄを検出する回転数検出器１２が設けられている。さらに、キャパシタ７が実際に充電されている容量の充電目標（例えばキャパシタ７の定格容量）に対する割合（容量率Ｃcap（％））を検出する容量率測定回路１３が設けられている。

制御部１５は、風速計１１から入力される風速Ｖｄ、回転数検出器１２から入力される回転数Ｎｄ、及び容量率測定回路１３から入力される容量率Ｃcapを用いて、インバータ６、キャパシタ７の充放電制御回路８、及びピッチ調整機構３を制御する。後述するように、インバータ６の制御とピッチ調整機構３を介したロータ２ａのピッチ角θの制御により風車２の発電機４の出力が制御される。また、インバータ６の制御によって系統出力Ｐｇが制御される。

図２に示すように、制御部１５は、平均化風速算出部２１、平準化目標算出部２２、風車出力制限算出部２３、発電トルク算出部２４、系統出力制限算出部２５、及び目標回転数算出部２６を備える。また、制御部１５はインバータ６を制御するインバータ制御部２７、充放電制御回路８を制御する充放電制御部２８、及びピッチ調整機構３を制御するピッチ制御部２９を備える。

次に、制御部１５により実行されるインバータ６、キャパシタ７の充放電制御回路８、及びピッチ調整機構３の制御を詳細を説明する。

まず、風車２の発電機４の出力の制御について説明する。なお、図２においてＰｗは制御しなかった場合の風車２の発電機４の出力（風車出力）を示す。

平均化風速算出部２１が、風速計１１から入力される測定された風速Ｖｄを平均化処理して平均化風速Ｖａを算出する。平均化処理は、例えば時定数１５秒程度の１次ローパスフィルターで行う。平均化速度算出部２１で算出された平均化風速Ｖａは平準化目標算出部２２と目標回転数算出部２６に出力される。

平準化目標算出部２２は、平均化風速Ｖａを使用して平準化目標Ｐｔを算出する。この平準化目標Ｐｔは風車２が受ける風の平均的なエネルギーを表すものであり、インバータ６を制御する際の目標（目標出力）である。本実施形態では、平準化目標算出部２２は、以下の式（３）に基づいて平準化目標Ｐｔを算出する。

平準化目標算出部２２で算出された平準化目標Ｐｔは風車出力制限算出部２３、系統出力制限算出部２５、及び充放電制御部２８に出力される。

目標回転数算出部２６は、平均化風速Ｖａを使用して風車２ａの目標回転数Ｎｔを算出する。この目標回転数目標Ｎｔはロータ２ａのピッチ角θを制御する際の目標となる。本実施形態における目標回転数算出部２６は、以下の式（４）に基づいて目標回転数Ｎｔを算出する。

目標回転数算出部２６で算出された目標回転数Ｎｔは、ピッチ制御部２９に出力される。

風車出力制限算出部２３には、平準化目標算出部２２から平準化目標Ｐｔが入力され、容量率測定回路１３から容量率Ｃcapが入力される。風車出力制限算出部２３は、平準化目標Ｐｔを容量率Ｃcapに基づいて補正することで、風車２の発電機４の出力の制限値である風車出力制限Ｐｃを算出する。風車出力制限Ｐｃ、つまり容量率Ｃcapに基づいて補正された平準化目標Ｐｔが実際にインバータ６を制御する際の目標となる。風車出力算出部２３は容量率Ｃcapが高いほど、すなわちキャパシタ６の充電量が目標に近いほど、風車出力制限Ｐｃの値を大きく設定する。具体的には、本実施形態における風車出力算出部２３は、以下の式（５）に基づいて風車出力制限Ｐｃを算出する。

風車出力制限算出部２３で算出された風車出力制限Ｐｃは、発電トルク算出部２４に出力される。

発電トルク算出部２４は、風車出力制限Ｐｃを発電トルクＴｇに換算する。発電トルクＴｇは、風車２が発電機４を回転させようとするのに対してインバータ６が発生する抵抗トルクである。本実施形態における発電トルク算出部２４は、以下の式（６）に基づいて発電トルクＴｇを算出する。

発電トルク算出部２４で算出された発電トルクＴｇは、インバータ制御部２７に出力される。

インバータ制御部２７は、発電トルクＴｇを発電トルク算出部２４で算出された値となるようにインバータ６を制御する。つまり、インバータ制御部７は、風車２の発電機４の出力が、風車出力制限Ｐｃ以上、つまりキャパシタ７の容量率Ｃcapで補正された平準化目標Ｐｔ以上とならないように、インバータ６を制御する。

ピッチ制御部２９には、目標回転数算出部２６で算出された目標回転数Ｎｔが入力されると共に、回転数検出器１２が検出した風車２の回転数Ｎｄが入力される。前述のようにインバータ制御部２７は、発電トルクＴｇが風車出力制限Ｐｃ以下に相当する値となるよにインバータ６を制御する。もし仮に、このインバータ制御部２７によるインバータ６の制御に対して、ロータ２ａのピッチ角θを調整しないとすると、風車２に入力される風のエネルギーが過大となる。そこでピッチ制御部２９はピッチ角θを調整することで風車２に入力される風のエネルギーを抑制する。具体的には、ピッチ調整部２９は、回転数検出器１２で回転数Ｎｄが目標回転数Ｎｔで維持されるようにピッチ調整機構３によってロータ２ａのピッチ角θを制御する。

以上のように、インバータ制御部２７のインバータ６の制御（インバータ制御）と、ピッチ調整機構３を介してピッチ調整部２９によるロータ２ａのピッチ角θの制御（ピッチ制御）とにより、風車２の発電機４の出力が風車出力制限Ｐｃ以下となるように制御される。

次に、系統出力Ｐｇの制御について説明する。

系統出力制限算出部２５には、平準化目標算出部２２から平準化目標Ｐｔが入力され、容量率測定回路１３から容量率Ｃcapが入力される。系統出力制限算出部２５は、系統出力Ｐｇの制限値である系統出力制限Ｐｇ’を算出する。系統出力制限Ｐｇ’はインバータ制御部２７に出力される。インバータ制御部２７は系統出力Ｐｇが系統出力制限Ｐｇ’を越えないように、インバータ６を制御する。

系統出力制限算出部２５では、容量率測定回路１３から入力される容量率Ｃcapが予め定められた閾値Ｃcapthを上回るか否かにより、異なる方法で系統出力制限Ｐｇ’を算出する。閾値Ｃcapthは、キャパシタ７の充電されている容量が充電目標に近い値であることを示す。つまり、閾値Ｃcapthはキャパシタ７の充電が充電であるか不足しているかを示す。

まず、容量率Ｃcapが閾値Ｃcapthを上回る場合、すなちわキャパシタ７が充電に充電されている場合、系統出力制限算出部２５は平準化目標算出部２２が算出した平準化目標Ｐｔを系統出力制限Ｐｇ’に設定する。一方、容量率Ｃcapが閾値Ｃcapth以下の場合、すなちわキャパシタ７が充電に充電されていない場合、系統出力制限算出部２５は、容量率Ｃcapが小さいほど、すなわちキャパシタ７の充電が不足しているほど、系統出力制限Ｐｇ’の値を小さく設定する。具体的には、本実施形態における系統出力制限算出部２５では、容量率Ｃcapが閾値Ｃcapth以下の場合、以下の式（７）に基づいて系統出力制限Ｐｇ’を算出する。

以上のように、風車出力制限算出部２３による風車出力制限Ｐｃの算出と、系統出力制限算出部２５による系統出力制限Ｐｇ’の算出とはいずれも、容量率測定回路１３で検出されるキャパシタ７の容量率Ｃcap（キャパシタ７がどの程度充電されているか）に基づいて実行される。また、風車出力制限Ｐｃと系統出力制限Ｐｇ’に基づいてインバータ制御部２７によりインバータ６が制御され、併せてピッチ制御部２９によりロータ２ａのピッチ角θが制御される。つまり、キャパシタ７の容量率Ｃcapを反映した風車出力制限Ｐｃと系統出力制限Ｐｇ’に基づいて、風車出力制御（インバータ６の制御、ロータ２ａのピッチ角θの制御）と系統出力Ｐｇの制御がなれる。このように容量率Ｃcapを監視しつつ制御を行うことで、比較的小容量のキャパシタ７を採用でき、製造等のコストを低減できる。

次に、とキャパシタ７の充放電の制御について説明する。

充放電制御部２８には、平準化目標算出部２２から平準化目標Ｐｔが入力され、容量率測定回路１３から容量率Ｃcapが入力される。

容量率Ｃcapが閾値Ｃcapthを上回る場合（キャパシタ７が十分に充電されている場合）には、充放電制御部２８は、系統出力Ｐｇが平準化目標Ｐｔとなるように、充放電制御回路８によりキャパシタ７を充放電させる。この場合、風車２の発電機４の出力の短時間減少時にキャパシタ７が放電し平準化目標Ｐｔに対する系統出力Ｐｇの不足分を補う。

一方、容量率Ｃcapが閾値Ｃcapth以下の場合（キャパシタ７が十分に充電されていない場合）、充放電制御部２８は、系統出力Ｐｇにかかわらず、つまり系統出力Ｐｇが平準化目標Ｐｔを下回っていているか否かにかかわらず、充放電制御回路８によりキャパシタ７を充電させる。前述のように、容量率Ｃcapが閾値Ｃcapth以下の場合には、系統出力制限算出部２５は式（７）に基づいて系統出力制限Ｐｇ’の値を小さく設定することで系統出力Ｐｇを制限するので、キャパシタ７への充電が優先される。

以上の制御の結果、キャパシタ７が少容量であっても、比較的短周期（例えば数１０秒以下程度）の系統出力Ｐｇの変動を効果的に抑制できる。

本実施形態では、インバータ制御部２７によるインバータ６の制御において、風車出力制限算出部２３により算出される風車出力制限Ｐｃと比較すると、系統出力制限算出部により算出される系統出力制限Ｐｇ’が影響しにくいので、系統出力Ｐｇが平準化目標Ｐｔから外れるのを抑制できる。

図３及び図４は本実施形態の風車発電設備１の制御の模式的な例を示している。この例では、約３５秒から約４０秒の期間と、約５５秒から約６０秒の期間において、ピッチθを制御することで、風車出力ＰＷが風車出力制限Ｐｃの値に制限されている。

１ 風車発電設備
２ 風車
２ａ ロータ
３ ピッチ調整機構
４ 発電機
５ 系統
６ インバータ
７ キャパシタ
８ 充放電制御回路
１１ 風速計
１２ 回転数検出器
１３ 容量率測定回路
１４
１５ 制御部
２１ 平均化風速算出部
２２ 平準化目標算出部
２３ 風車出力制限算出部
２４ 発電トルク算出部
２５ 系統出力制限算出部
２６ 目標回転数算出部
２７ インバータ制御部
２８ 充放電制御部
２９ ピッチ制御部

Claims (3)

1. ピッチを制御可能であって発電機に連結された風車と、前記発電機と系統の間に介在するインバータと、前記発電機により充電可能かつ前記系統へ放電可能な電力貯蔵要素とを備える風車発電設備の制御装置であって、
   前記電力貯蔵要素の目標電力蓄積量に対する容量率を検出する容量率測定器と、
   風速によって定まる平準化目標を前記容量率に基づいて補正して、前記風車の発電機の出力の制限値である風車出力制限を算出する風車出力制限算出部と、
   前記平準化目標を前記容量率に基づいて補正し、前記系統への出力の制限値である系統出力制限を算出する系統出力制限算出部と、
   前記風車の発電機の出力が前記風車出力制限を越えないように、かつ前記系統への出力が前記系統出力制限を越えないように前記インバータを制御するインバータ制御部と、
   風速によって定まる目標回転数を維持するように、前記風車のピッチを制御するピッチ制御部と
   を備えることを特徴とする、風車発電設備の制御装置。
2. 前記電力貯蔵要素の充放電を制御する充放電制御部をさらに備え、
   前記系統出力制限算出部は、前記容量率が予め設定された閾値を上回る場合には前記平準化目標を前記系統出力制限に設定し、前記容量率が前記閾値以下の場合には、前記容量率が低いほど前記系統出力制限の値を小さく設定し、
   前記充放電制御部は、前記容量率が前記閾値を上回る場合には前記系統への出力が前記平準化目標となるように前記電力貯蔵要素を充放電させ、前記容量率が前記閾値以下の場合には前記系統への出力にかかわらず前記電力貯蔵要素を充電させることを特徴とする、請求項１に記載の風車発電設備の制御装置。
3. ピッチを制御可能であって発電機に連結された風車と、前記発電機と系統の間に介在するインバータと、前記発電機により充電可能かつ前記系統へ放電可能な電力貯蔵要素とを備える風車発電設備の制御方法であって、
   前記電力貯蔵要素の目標電力蓄積量に対する容量率を検出し
   風速によって定まる平準化目標を前記容量率に基づいて補正して、前記風車の発電機の出力の制限値である風車出力制限を算出し、
   前記平準化目標を前記容量率に基づいて補正し、前記系統への出力の制限値である系統出力制限を算出し、
   前記風車の発電機の出力が前記風車出力制限を越えないように、かつ前記系統への出力が前記系統出力制限を越えないように前記インバータを制御し、
   風速によって定まる目標回転数を維持するように、前記風車のピッチを制御する
   ことを特徴とする、風車発電設備の制御方法。

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