JP6081133B2 - ウィンドファームの出力制御装置、方法、及びプログラム - Google Patents
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Description
(1)ウィンドファームに対する一定の制御周期ごとに、各風力発電装置における出力可能な最大電力量を推定するポテンシャル推定部を備える。
(2)各風力発電装置の発電量の余力に基づいて、前記ウィンドファーム内の各風力発電装置の有効電力の制御量を決定する制御量決定部を備える。
(3)前記制御量決定部は、前記ポテンシャル推定部で推定した最大電力量から有効電力の検出値と予め設定されたウィンドファーム瞬動予備力を差し引いた発電量の余力を算出し、この発電量の余力に基づいて、前記制御量を各風力発電装置に分配するための分配ゲインを決定する制御量分配部を備える。
(4)前記制御量分配部は、前記制御量を前記制御周期ごとに、前記発電量の余力の大きな風力発電装置の分配ゲインを大きく、且つ、分配ゲインの合計が風力発電装置の合計台数nと等しくする分配ゲイン決定部を有する。
(5)前記分配ゲイン決定部は、前記制御周期ごとに、
前記瞬動予備力を風力発電装置の台数nで配分した前記風力発電装置ごとの瞬動予備力を算出し、
前記各風力発電装置のゲインの積分値の平均値である平均ゲインを算出し、
前記各風力発電装置について、各風力発電装置の発電量の余力から前記平均ゲインを引いて積分し、
この積分値に基づいて、前記各風力発電装置の分配ゲインを生成する。
(構成)
第1実施形態に係るウィンドファームの出力制御装置について、図1を参照しつつ、詳細に説明する。図1は、本実施形態に係るウィンドファームの出力制御装置を示すブロック図である。
(1)ピッチ角が可変であるブレード部101
(2)ブレード部101が受けた風により回転するタービン部102
(3)タービン部102の回転を交流電力に変換する発電部103
(4)発電部103で変換した交流電力を直流電力に変換するコンバータ部104
(5)コンバータ部104で変換した直流電力を交流電力に変換するインバータ部105
(6)ブレード部101のピッチ角を制御するピッチ角制御部106
(7)コンバータ部104及びインバータ部105での電力の変換を制御する直交変換制御部107
(8)風力発電装置100における有効電力出力Pw1…n、無効電力出力Qw1…n、ピッチ角βw1…n,角速度偏差Δω1…nを検出する発電装置データ検出部108
(9)風力発電装置100と電力配線4との連系点に設けられた昇圧変圧器109
(1)ウィンドファーム全体のポテンシャルを算出するポテンシャル推定部11
(2)ポテンシャル推定部11で推定したウィンドファームの最大電力量に基づいて、ウィンドファーム出力の有効電力、ウィンドファーム出力の瞬動予備力保持、ウィンドファーム出力の変化速度保持、及び/またはウィンドファーム出力の無効電力の制御量を決定する制御量決定部12
(3)前記制御量決定部12で決定した制御量を、各風力発電装置100の発電量の余力に基づいて分配する制御量分配部13
(4)前記制御量決定部に対して、ユーザが有効電力目標値Pwf_refを入力するための入力部14
(5)前記制御量決定部における有効電力目標値Pwf_refの設定を行う系統運用システム15
図3〜図11を用いて、制御量決定部12における有効電力制御部121、瞬動予備力保持制御部122、出力変化速度保持制御部123及び無効電力制御部124、及び電圧制御部125の動作について詳述する。
図3及び図4を用いて、有効電力制御部121の動作を説明する。有効電力制御部121には、入力部14や系統運用システム15からの有効電力の目標値が入力する。有効電力制御部121は、この目標値をウィンドファーム出力の目標値である有効電力目標値Pwf_refと設定する。有効電力目標値Pwf_refは、予め設定された値や、入力部14や系統運用システム15からの目標値により設定される(STEP101)。
さらに、ウィンドファームの有効電力Pwfと有効電力目標値Pwf_refとの偏差に対して、ウィンドファーム出力の有効電力目標値Pwf_refに追従するような有効電力制御量Pwf_rを演算する。有効電力目標値Pwf_refに追従する有効電力制御量Pwf_rは、古典制御理論に基づいて求めることができる。この際、予め設定されたウィンドファーム有効電力出力の最小最大の範囲内に入るようリミッタを備えている。有効電力出力最大は、例えばポテンシャル推定部で得たポテンシャルを設定する(STEP103)。
図5及び図6を用いて瞬動予備力保持制御部122の動作を説明する。瞬動予備力保持制御122は、ウィンドファーム内の各風力発電装置100のポテンシャルを算出し、そのポテンシャルの和を算出することでウィンドファーム全体のポテンシャルPwf_poを算出する(STEP201,202)。
図7及び図8を用いて出力変化速度保持制御部123の動作を説明する。出力変化速度保持制御部123は、有効電力目標値Pwf_refの設定を行う(STEP301)。有効電力目標値Pwf_refは、予め設定された値や、入力部14や系統運用システム15からの目標値により設定される。
有効電力目標値Pwf_refの時間Tdの刻みの出力変化速度が、予め設定した範囲±DPT_refを超過しないよう制御を行う。出力変化速度を保持した有効電力目標値Pwf_refを有効電力制御の目標値として制御量を演算する(STEP303)。
図10を用いて無効電力制御部125の動作を説明する。無効電力制御部125は、無効電力制御の制御として、定無効電力制御、定皮相電力制御及び定力率制御を切り替えて制御を行う。いずれの無効電力の制御においても、予め設定されたウィンドファーム無効電力出力の最小最大±Qwf_limitの範囲内に入るようリミッタが設けられる。この無効電力出力の最小最大±Qwf_limitは、風力発電装置の定格Swf_VAと有効電力目標値Pwf_refから算出される。この有効電力目標値Pwf_refは、ポテンシャルの値より小さい値である。
[式1]
Qwf_limit = √(Swf_VA2−Pwf_ref2)・・・(1)
[式2]
Qwf_ref= −√(SwfVA_ref2−Pwf_ref2)・・・(2)
[式3]
図11を用いて電圧制御部125の動作を説明する。ここでは、無効電力による電圧制御方法を説明する。電圧制御部125は、連系点におけるウィンドファーム電圧目標値Vwf_refと検出値Vwfとの偏差を小さくするようPI制御を行う。
図12を用いて本実施形態における制御量分配部13の動作を説明する。制御量分配部13は、制御量決定部12で決定した有効電力の制御量を、各風力発電装置100に分配するための分配ゲインを決定する。分配ゲインは、各風力発電装置100の発電量の余力に基づいて決定する。制御量決定部12では、決定した分配ゲインに基づいて、風力発電装置100毎の制御量目標値を調整し、その制御量目標値を制御配線2を介して各風力発電装置100に対して出力する。各風力発電装置100では、制御目標値に基づいて発電を行う。
各風力発電装置100における発電装置データ検出部108の検出値(Pinv1,…,Pinvn,β1,…,βn,Δω1,…,Δωn)から推定して得た各風力発電装置100のポテンシャルと各風力発電装置100の有効電力検出値(Pw1,…,Pwn)との差を求める。本実施形態は、瞬動予備力についても考慮した場合であり、ピッチ角制御によって風のエネルギーを逃がしているため、さらに瞬動予備力を差し引いている。
(1)風力発電装置100の最大可能出力から各風力発電装置100の出力を差し引き、さらに瞬動予備力を差し引き、各風力発電装置100の出力余力を求める。
(2)制御周期ごとに各風力発電装置100の余力の積分を全て合計し、ウィンドファーム内の風力発電装置100の台数nで除した結果を、各風力発電装置100の余力から差し引くことで、余力の大きな風力発電装置100の分配ゲインを大きくする。
(3)この結果を(1)に加えて分配ゲインとする。このとき、分配ゲインの合計は、風力発電装置100の全台数nとなる。
(4)なお、ΔGdp_maxとΔGdp_minに制約されたとき、分配ゲインがnとなるようにするために、1を加えるステップ(3)の前にステップ(2)の結果を差し引いておく。
以上のような構成及び作用を有する本実施形態によれば、以下のような効果を奏する。
(1)本実施形態によれば、各風力発電装置100の出力可能な電力を超えない範囲で、ウィンドファームの出力量を、その時の風の状態に応じて各風力発電装置100が出力可能な範囲で制御量を分配し、ウィンドファーム全体として効率の良い運転が可能となる。
(2)ウィンドファーム有効電力出力を目標値に追従させることによって、風の変動抑制すること、計画運転を行うこと、系統運用システムからの指令を受けて系統周波数調整に寄与することなどの効果がある。
(3)ウィンドファームの周波数制御によって、水力・火力発電機と同等に系統周波数調整に寄与することができる。
(4)ウィンドファームは出力変化速度が決められた値よりも大きくならないように受電点の有効電力を制御することが可能となり、風力発電機の回転数が上限を超過させない、商用系統への連系時に速い変動を流出させない、という効果がある。
(5)ウィンドファームは瞬動予備力を保持し、かつ出力変化速度が決められた値よりも大きくならないように受電点の有効電力を制御することが可能となるため、連系する商用系統で事故等の擾乱が発生した場合に、系統への供給電力データ検出部を増加できるため、ウィンドファームを系統安定化へ貢献させることができる。
(6)ウィンドファーム無効電力出力を目標値に追従させることによって、定皮相電力制御はトランス等の機器寿命確保、定無効電力制御は電圧上昇を抑制し電力品質の維持、定力率制御は系統側の力率改善、といった効果がある。
(7)可能最大無効電力出力の範囲内で,ウィンドファーム連系点の電圧を一定範囲内に維持することにより、ウィンドファームが連系する商用系統側へ、風の変動による電圧変動の影響を及ぼさないように電力供給を行うことができるという効果がある。
第2実施形態にかかるウィンドファームの出力制御装置について、図13を参照しつつ、詳細に説明する。第2実施形態は、第1実施形態の制御量分配部13での制御量の分配の方法を変更したものである。なお、第1実施形態と同一の構成には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
(1)風力発電装置100の定格と有効電力検出値から出力可能な無効電力を求める。各風力発電装置100毎の無効電力を差し引く。
(2)制御周期ごとに各風力発電装置100の無効電力の積分を全て合計し、風力発電装置100の台数で除した結果を各風力発電装置100の無効電力から差し引くことで、無効電力の小さな風力発電装置100の分配ゲインを大きくする。
(3)この結果を(1)に加えて分配ゲインとする。このとき、分配ゲインの合計は、風力発電装置100の全台数nとなる。
(4)ΔGdq_maxとΔGdq_minに制約されたとき、分配ゲインがnとなるようにするために、1を加えるステップ(3)の前にステップ(2)の結果を差し引いておく。
次に、本発明に係るウィンドファームの出力制御装置の第3実施形態を、図14を用いて説明する。本実施形態は、第1実施形態のポテンシャル推定部での推定方法を変更したものである。なお、第1、第2実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
[式4]
Pex=Pv(1−Ppitch(β))ηex・・・(4)
ここで、(1−Ppitch(β))ηexをηex’(β)とすると、式5で表される。
[式5]
Pex=Pv・ηex’(β)・・・(5)
Pg=Pex(1−Pt(Δω))ηg・・・(6)
ここで、(1−Pt(Δω))ηgをηg’(Δω)とすると、
Pg=Pex・η’(Δω)・・・(7)
[式8]
Pinv=Pg・ηinv ・・・(8)
となる。
[式9]
Pex/Pv × Pg/Pex× Pinv/Pg=ηex’(β)×ηg’(Δω)× ηinv・・・(9)
[式10]
Pv =Pinv/(ηex’(β)×ηg’(Δω)×ηcn)・・・(10)
本実施形態によれば、各風力発電装置100における風速を精度よく計測することは困難であるため、風力発電装置100の出力とピッチ角、角速度偏差の検出値からポテンシャルを精度よく推定することができる。これによって、ウィンドファームの出力を損失よく配分することが可能となる。なお、ポテンシャルの推定に当たっては、交直変換器の出力Pinvと損失ηinvは用いずに、発電機出力を検出して推定を行うことも可能である。
なお、本明細書においては、本発明に係る複数の実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図していない。具体的には、制御量分配部において、有効電力の分配量の制御量と無効電力の制御量を同時に行うことも本発明に包含される。この場合は、ポテンシャル=有効電力の制御量+無効電力の制御量として制御を行う。また、ポテンシャル=有効電力の制御量+無効電力+瞬動予備力の制御量としても良い。このような実施形態では、第1,2の実施形態の作用効果を併せ持つことができる。
11…ポテンシャル推定部
12…制御量決定部
13…制御量分配部
100…風力発電装置
101…ブレード部
102…タービン部
103…発電部
104…コンバータ部
105…インバータ部
106…ピッチ角制御部
107…直交流変換制御部
108…風力発電装置のデータ検出部
12…制御量決定部
121…有効電力制御部
122…瞬動予備力保持制御部
123…出力変化速度保持制御部
124…無効電力制御部
125…電圧制御部
2…制御配線
3…系統
4…電力配線
5…供給電力データ検出部
Claims (7)
- 複数の風力発電装置からなるウィンドファームの出力制御装置であって、
前記ウィンドファームに対する一定の制御周期ごとに、各風力発電装置における出力可能な最大電力量を推定するポテンシャル推定部を備え、
各風力発電装置の発電量の余力に基づいて、前記ウィンドファーム内の各風力発電装置の有効電力の制御量を決定する制御量決定部を備え、
前記制御量決定部は、前記ポテンシャル推定部で推定した最大電力量から有効電力の検出値と予め設定されたウィンドファームの瞬動予備力を差し引いた発電量の余力を算出し、この発電量の余力に基づいて、前記制御量を各風力発電装置に分配するための分配ゲインを決定する制御量分配部を備え、
前記制御量分配部は、前記制御量を前記制御周期ごとに、前記発電量の余力の大きな風力発電装置の分配ゲインを大きく、且つ、分配ゲインの合計が風力発電装置の合計台数nと等しくする分配ゲイン決定部を有し、
前記分配ゲイン決定部は、前記制御周期ごとに、
前記瞬動予備力を風力発電装置の台数nで配分した前記風力発電装置ごとの瞬動予備力を算出し、
前記各風力発電装置のゲインの積分値の平均値である平均ゲインを算出し、
前記各風力発電装置について、各風力発電装置の発電量の余力から前記平均ゲインを引いて積分し、
この積分値に基づいて、前記各風力発電装置の分配ゲインを生成するウィンドファームの出力制御装置。 - 前記風力発電装置は、
ピッチ角が可変であるブレード部と、
このブレードが受けた風により回転するタービン部と、
タービンの回転を交流電力に変換する発電部と、を備え、
前記ポテンシャル推定部では、ブレードのピッチ角と、発電部の角速度偏差と、風力発電装置の変換損失とに基づいて、各風力発電装置が出力可能な最大電力量を推定することを特徴とする請求項1に記載のウィンドファームの出力制御装置。 - 前記風力発電装置は、
前記発電部で発電した交流電力を直流電力に変換するコンバータ部と、を備え、
前記変換損失は、ピッチ角制御により逃がすパワーに基づくタービン損失と、発電部の角度偏差Δωに基づく発電機損失と、コンバータ部での変換損失とであることを特徴とする請求項2に記載のウィンドファームの出力制御装置。 - 前記ポテンシャル推定部で推定した最大電力量に基づいて、有効電力量を算出することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のウィンドファームの出力制御装置。
- 複数の風力発電装置からなるウィンドファームの出力制御方法であって、
前記ウィンドファームに対する一定の制御周期ごとに、各風力発電装置における出力可能な最大電力量を推定し、
前記各風力発電装置の発電量の余力に基づいて、前記ウィンドファーム内の各風力発電装置の有効電力の制御量を決定するにあたって、
各風力発電装置おいて推定した前記最大電力量から有効電力の検出値と予め設定されたウィンドファームの瞬動予備力を差し引いた発電量の余力を算出し、この発電量の余力に基づいて、前記制御量を各風力発電装置に分配するための分配ゲインを決定し、
前記制御量を前記制御周期ごとに、前記発電量の余力の大きな風力発電装置の分配ゲインを大きく、且つ、分配ゲインの合計が風力発電装置の合計台数nと等しくし、
前記制御周期ごとに、
前記瞬動予備力を風力発電装置の台数nで配分した前記風力発電装置ごとの瞬動予備力を算出し、
前記各風力発電装置のゲインの積分値の平均値である平均ゲインを算出し、
前記各風力発電装置について、各風力発電装置の発電量の余力から前記平均ゲインを引いて積分し、
この積分値に基づいて、前記各風力発電装置の分配ゲインを生成することを特徴とするウィンドファームの出力制御方法。 - 前記風力発電装置は、
ピッチ角が可変であるブレード部と、
このブレード部が受けた風により回転するタービン部と、
タービン部の回転を交流電力に変換する発電部と、を備え、
ブレードのピッチ角と、発電部の角速度偏差と、風力発電装置の変換損失とに基づいて、各風力発電装置が出力可能な最大電力量を推定することを特徴とする請求項5に記載のウィンドファームの出力制御方法。 - 複数の風力発電装置の出力を制御する出力制御装置を備えるウィンドファームの出力制御プログラムであって、
前記ウィンドファームに対する一定の制御周期ごとに、各風力発電装置における出力可能な最大電力量を推定するステップと、
各風力発電装置の発電量の余力に基づいて、前記ウィンドファーム内の各風力発電装置の有効電力の制御量を決定するステップを備え、
前記制御量を決定するステップは、
各風力発電装置おいて推定した前記最大電力量から有効電力の検出値と予め設定されたウィンドファームの瞬動予備力を差し引いた発電量の余力を算出し、この発電量の余力に基づいて、前記制御量を各風力発電装置に分配するための分配ゲインを決定するステップと、
前記制御量を前記制御周期ごとに、前記発電量の余力の大きな風力発電装置の分配ゲインを大きく、且つ、分配ゲインの合計が風力発電装置の合計台数nと等しくするステップと、
前記制御周期ごとに、
前記瞬動予備力を風力発電装置の台数nで配分した前記風力発電装置ごとの瞬動予備力を算出するステップと、
前記各風力発電装置のゲインの積分値の平均値である平均ゲインを算出するステップと、
前記各風力発電装置について、各風力発電装置の発電量の余力から前記平均ゲインを引いて積分するステップと、
この積分値に基づいて、前記各風力発電装置の分配ゲインを生成するステップと、
を有することを特徴とするウィンドファームの出力制御プログラム。
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