JP6795973B2 - ウィンドファーム並びにその運転方法、制御装置及び運転制御プログラム - Google Patents
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Description
また、非特許文献1に記載の技術は、風速一定の条件下で最適化される仮想的な様子を示しているが、実際の運用においては風がランダムに変化する。このため、非特許文献1の技術を実際のウィンドファームに適用するには、制御モードを、風や発電出力に応じて低解像度モード又は高解像度モードに最適なタイミングで切替える必要がある。しかし、風向や風速は時々刻々と変化するため、切替えタイミングを最適化することは容易でないという問題がある。
複数の風車を含むウィンドファームの運転方法であって、
最適化対象の前記風車の各々の制御設定に摂動を与えるステップと、
前記摂動を与えた後、前記最適化対象の前記風車の総出力を少なくとも含む評価値を求めるステップと、
前記評価値の勾配に基づいて、最適化対象の前記風車の各々について制御設定を更新するステップと、を備え、
前記摂動を与えるステップでは、
低解像度モードに対応するM個のグループのそれぞれについて各グループに属する前記風車の制御設定に対して与えるべき第1摂動成分Δk1を設定し、
高解像度モードに対応するN個(但し、N>M)のグループのそれぞれについて各グループに属する前記風車の制御設定に対して与えるべき第2摂動成分Δk2を設定し、
少なくとも前記第1摂動成分Δk1および前記第2摂動成分Δk2を含む前記摂動を各々の前記風車に与える。
前記ウィンドファームにおける風向に基づいて、前記低解像度モードに対応する前記M個のグループを設定するステップをさらに備える。
上記(2)の構成では、低解像度モードの制御対象とすべきM個のグループが、風向きに基づいて設定される。したがって、実際の運用において、風向きの変化に対して、短時間に最適な制御設定にするべく応答することができるため、ウィンドファーム全体の総発電出力を短時間に改善することができる。
前記M個のグループは、
2以上の前記風車が属する上流側グループと、
前記ウィンドファームにおける風向において前記上流側グループよりも下流側に位置する2以上の前記風車が属する下流側グループと、
を含む。
前記高解像度モードに対応する前記N個のグループの各々に1個の前記風車が属する。
前記複数の風車のうち1以上の除外風車を除く最適化対象の前記風車について、前記摂動を与えるステップおよび前記制御設定を更新するステップを行う。
前記除外風車は、前記ウィンドファームにおける風向において最下流側に位置する1以上の前記風車である。
前記摂動を与えるステップでは、全ての最適化対象の前記風車に対して同時に前記摂動を与える。
前記制御設定を更新するステップでは、新たな前記制御設定を探索範囲内に制限する。
前記制御設定を更新するステップにより得られた最適な制御設定を風況パラメータと関連付けてデータベースに保存するステップと、
前記風況パラメータに基づいて、前記制御設定の最適化処理の初期値を前記データベースから読み出すステップと、
をさらに備えることを特徴とする。
前記制御設定は、各々の前記風車の発電出力指令、ピッチ角指令又は方位指令の少なくとも一つを含む。
複数の風車を含むウィンドファームの制御装置であって、
最適化対象の前記風車の各々の制御設定に摂動を与えるための摂動付与部と、
前記摂動を与えた後、前記最適化対象の前記風車の総出力を少なくとも含む評価値を求めるための評価値算出部と、
前記評価値の勾配に基づいて、最適化対象の前記風車の各々について制御設定を更新するための更新部と、を備え、
前記摂動付与部は、
低解像度モードに対応するM個のグループのそれぞれについて各グループに属する前記風車の制御設定に対して与えるべき第1摂動成分Δk1を設定し、
高解像度モードに対応するN個(但し、N>M)のグループのそれぞれについて各グループに属する前記風車の制御設定に対して与えるべき第2摂動成分Δk2を設定し、
少なくとも前記第1摂動成分Δk1および前記第2摂動成分Δk2を含む前記摂動を各々の前記風車に与えるように構成される。
前記更新部により得られた最適な制御設定を風況パラメータと関連付けて保存するためのデータベースと、
前記風況パラメータに基づいて、前記制御設定の最適化処理の初期値を前記データベースから読み出すための初期値設定部と、
をさらに備える。
複数の風車と、
前記複数の風車の運転制御を行うように構成された上記(11)又は(12)に記載の制御装置と、を備える。
複数の風車を含むウィンドファームの運転制御プログラムであって、
最適化対象の前記風車の各々の制御設定に摂動を与える手順と、
前記摂動を与えた後、前記最適化対象の前記風車の総出力を少なくとも含む評価値を求める手順と、
前記評価値の勾配に基づいて、最適化対象の前記風車の各々について制御設定を更新する手順と、をコンピュータに実行させるとともに、
前記摂動を与える手順を前記コンピュータに実行させる際、前記コンピュータにより、
低解像度モードに対応するM個のグループのそれぞれについて各グループに属する前記風車の制御設定に対して与えるべき第1摂動成分Δk1を設定し、
高解像度モードに対応するN個(但し、N>M)のグループのそれぞれについて各グループに属する前記風車の制御設定に対して与えるべき第2摂動成分Δk2を設定し、
少なくとも前記第1摂動成分Δk1および前記第2摂動成分Δk2を含む前記摂動を各々の前記風車に与える。
各風車T1〜T3の各種部品の状態値の具体例として、ブレード102の損傷状態又は劣化状態を示すものとしてブレード102の重量、各ブレード102間の重量アンバランス、ブレード102の振動等を挙げることができ、タワー116の損傷状態又は劣化状態を示すものとしてタワー116基部又はタワー116上部の疲労荷重やタワー116の振動等を挙げることができ、増速機や油圧トランスミッション等のドライブトレイン108の損傷状態又は劣化状態を示すものとして主軸軸受107や油圧ポンプの軸受の振動、主軸106の振動や振れ回り、油圧ポンプのピストン振動や振幅、油圧トランスミッションの効率等を挙げることができ、ナセル台板114やハブ104等の鋳物からなる部材の損傷状態又は劣化状態を示すものとして応力集中による疲労を挙げることができる。
図3は、幾つかの実施形態に係るウィンドファーム・コントローラ10(ウィンドファームの制御装置)における制御系の構成を示すブロック図である。
図3に示すように、幾つかの実施形態において、ウィンドファーム・コントローラ10は、例えば、コンピュータであり、CPU11、該CPU11が実行する各種プログラムやテーブル等のデータを記憶するための記憶部としてのROM(Read Only Memory)13、各プログラムを実行する際の展開領域や演算領域としてのワーク領域として機能するRAM(Random Access Memory)12の他、図示しない大容量記憶装置としてのハードディスクドライブ(HDD)、通信ネットワークに接続するための通信インターフェース、及び外部記憶装置が装着されるアクセス部などを備えていてもよい。幾つかの実施形態では、ウィンドファーム・コントローラ10は、後述する制御設定を更新する工程で得られた最適な制御設定を風況パラメータと関連付けて保存するデータベース17を含んでもよく、データベース17には後述する発電出力分配テーブル18等が格納されていてもよい。これらは全て、バス14を介して接続されており、バス14は信号線2(図1参照)を介してウィンドファーム1の各風車T1〜T3と電気的に接続されている。更に、ウィンドファーム・コントローラ10は、例えば、キーボードやマウス等からなる入力部(図示省略)及びデータを表示する液晶表示装置等からなる表示部(図示省略)等と接続されていてもよい。
図4(a)及び図4(b)は、幾つかの実施形態におけるウィンドファーム1の制御方法を示す模式図であり、図4(a)は低解像度モードの一例を示し、図4(b)は高解像度モードの一例を示す。低解像度モードは、制御対象とすべき、ウィンドファーム内に属する全風車(例えば、N個)を、その総数未満(例えば、M個。但し、N>M)となる幾つかのグループに分け、同一グループ内の風車に対して同一のパラメータ設定値を用いて制御を行う制御モードである。これに対し、高解像度モードは、ウィンドファーム1に含まれる個々の風車の全てを夫々独立の制御対象とし、それぞれに独立のパラメータ設定値を用いて制御する制御モードである。
この場合、風上側すなわち風向の上流側に配置される前方の風車T(例えば、図4(a)中に破線で示す左下から3行3列の風車T5〜T7,T9〜T11及びT13〜T15をグループG1とする)に対して、風下側すなわち風向の下流側に配置される後方の風車T(例えば、図4(a)中に破線で示す最上段及び最右列の風車T1〜T4,T8,T12及びT16をグループG2とする)は通常、前方風車Tの後流すなわちウェイクの影響により、グループG1に含まれる風車Tと比較して各々の発電出力が小さくなる。そこで、図4(a)に示す低解像度モードでは、風上側に位置するグループG1内の各風車Tについては同グループG1内で同一の制御パラメータ(例えば、θk1)を用いて制御し、風下側に位置するグループG2内の各風車TについてもそれぞれグループG2内で同一の制御パラメータ(例えば、θk2)を用いて制御するように構成されてもよい。
なお、グループ化は上述したグループG1、G2に限られず、種々のパターンが有り得る。例えば、図4(a)中、左から吹く風に対しては、最左列の風車T1,T5,T9及びT13を少なくとも含むグループを上流側グループG1とし、最右列の風車T4,T8,T12及びT16を少なくとも含むグループを下流側グループG2としてもよい。さらに、その他のパターンでグループ化されていてもよい。
図5は、幾つかの実施形態における基本的な制御法である同時摂動確率近似法(SPSA)の処理概念を示す模式図である。
幾つかの実施形態において、図5に示すプラント41は、例えば、複数の風車T1〜Tnを含むウィンドファーム1であってもよい。
一般に、ウィンドファーム1等の風力発電プラントは、再生可能エネルギーを利用した発電プラントであり、例えば、風向、風速、温度、湿度、空気密度…、等の風況が刻々と変化するため、制御対象を明確に特定することが困難とされる。
このため、幾つかの実施形態では、例えば、図5に示すように、プラント41(Plant)を伝達関数が不明な制御対象として、該プラント41に対するコントローラ40からの入力値(Measured input)と、該入力値を入力した際におけるプラント41からの出力値(Measured output)とを測定し、出力値がコントロール目標42(Control objective)に近づいたか否かに応じて次の入力値を決定するフィードバック制御が行われる。プラント41からの出力値はまた、コントローラ40への参照入力値と比較され、その差(Measured error)がコントローラ40及びコントロール目標42に入力される。
そして、繰り返し行われるループ制御の各ループ(以下、イタレーションとする)における制御結果(Control performance)がコントロール目標42から最適化ツール(Optimization tool)43に入力される。最適化ツール43は、第1イタレーションにおける制御結果の入力を受けて、次の第2イタレーションでのプラント41に対する入力値に関し、複数の制御パラメータに対して摂動を印加する。摂動は、最初の制御設定(例えば、θk)に対して、例えば、ランダム変数である+Δk又は‐Δkが与えられる。幾つかの実施形態では、摂動を与える際に、全ての最適化対象の風車に対して同時に摂動を与えてもよい。このようにすれば、最適化対象とされた風車Tの全てに対して同時に摂動が与えられるため、ウィンドファーム1全体として最適な制御設定に、より短時間で迅速に到達することができ、ウィンドファーム1全体の総発電出力を短時間に改善することができる。
続いて、上記の摂動と、該摂動が与えられた第2イタレーションの制御結果とから、最適化ツール43において評価値(評価関数L)の勾配が求められ、次の制御パラメータが決定され、次のイタレーションにおけるコントローラ40へのチューニングコマンドとしてコントローラ40に送られる。これを繰り返すことにより、最適解すなわち最適化された制御設定が探索される。
幾つかの実施形態において、低解像度モードにおけるランダム変動をΔk1とし、高解像度モードにおけるランダム変動をΔk2とする。幾つかの実施形態において、Δk2は各要素が独立したランダム変数である。一方、低解像度モードにおけるΔk1の要素は、例えば、Δk11とΔk12の2つのみとなる。これは、各グループ(図4(a)に破線で示す)内の風車Tでは同一の制御設定を用いて制御されるからである。図4(a)の各風車T1〜T16における摂動Δk1は順に以下の式(1)のようになる。
Δk1 =[Δk11 , Δk11 ,Δk11 ,Δk11 ,Δk12 ,Δk12 ,Δk12 ,Δk11 ,Δk12 ,Δk12 ,Δk12 ,Δk11 ,Δk12 ,Δk12 ,Δk12 ,Δk11]T ・・・(1)
ここで、ak1、ak2、ck1、ck2はそれぞれゲインであり、Δk1、Δk2はそれぞれ無次元のランダム変数からなる摂動である。
つまり、幾つかの実施形態では、SPSAにおけるΔkに代えてΔk1又はΔk2を用いる従来のMR−SPSAと異なり、SPSAにおけるΔkに代えてΔk1及びΔk2を同時に用いて最適化制御が行われる。
なお、風の変化が少なく定常状態が長時間確保される場合の高解像度モードでは、ある一定の風況条件において制御ループを繰り返し実行して最適な制御設定となるまで収束させることが望ましいが、実際のウィンドファーム1では、風が時々刻々と変化するため、必ずしも高解像度モードで最適な制御設定まで収束させる必要がない。むしろ、刻々と変化する風に常に追従しながら、可能な限り最適な制御設定に近い設定状態において常に運用することで、ウィンドファーム1全体として発電の総出力を最適化することができる。
そして、風向及び/又は風速が変化した際に、ウィンドファーム・コントローラ10は、データベース17から過去の最適値を3次元の情報として読み出し、これを初期条件として設定することでウィンドファーム1の運転を行う。より詳細には、風向及び/又は風速が変化した際に、ウィンドファーム・コントローラ10は、データベース17内の発電出力分配テーブル18を読み出し、該発電出力分配テーブル18に従って各風車Tに発電出力指令を送信するように構成されてもよい。
具体的には、荷重センサ33からの入力に基づき、ウィンドファーム1の運転中に計測される風車T各部の荷重波形から疲労損傷率(スカラ値)を求める。評価値Lには、上述したウィンドファーム1に属する全風車Tの発電出力に加えて、上記の疲労損傷率を用いてもよい。具体的には、最適化対象とする風車Tでの一定の評価期間における疲労損傷率の大きさに応じて、疲労損傷率が大きいほど評価値Lが低く評価されるようにペナルティーを与える構成としてもよい。疲労損傷率が、例えば、次のメンテナンス時期まで、等の疲労劣化スケジュール(例えば、図13参照)よりも低く推移している風車Tに対しては疲労損傷率によるペナルティーをゼロとしてもよい。
2 信号線
10 ウィンドファーム・コントローラ(ウィンドファームの制御装置)
11 CPU
12 RAM
13 ROM
14 バス
15 出力算出プログラム
16 出力最適化プログラム(運転制御プログラム/摂動付与部/評価値算出部/更新部)
17 データベース
18 発電出力分配テーブル(分配テーブル)
21 ヨーモータ
22 ヨーブレーキ駆動アクチュエータ
23 ピッチ駆動アクチュエータ
24 ピッチブレーキ駆動アクチュエータ
31 風向センサ
32 風速センサ
33 荷重センサ
40 コントローラ
41 プラント(制御対象)
42 コントロール目標
43 最適化ツール
102 ブレード
104 ハブ
105 ロータ(回転翼)
106 主軸
107 主軸軸受
108 ドライブトレイン
109 出力軸
110 発電機
112 ナセル
114 ナセル台板
116 タワー
118 ヨー旋回軸受
119 ヨー旋回機構
T,T1〜Tn 風車
Claims (14)
- 複数の風車を含むウィンドファームの運転方法であって、
最適化対象の前記風車の各々の制御設定に摂動を与えるステップと、
前記摂動を与えた後、前記最適化対象の前記風車の総出力を少なくとも含む評価値を求めるステップと、
前記評価値の勾配に基づいて、最適化対象の前記風車の各々について制御設定を更新するステップと、を備え、
前記摂動を与えるステップでは、
低解像度モードに対応するM個のグループのそれぞれについて各グループに属する前記風車の制御設定に対して与えるべき第1摂動成分Δk1を設定し、
高解像度モードに対応するN個(但し、N>M)のグループのそれぞれについて各グループに属する前記風車の制御設定に対して与えるべき第2摂動成分Δk2を設定し、
少なくとも前記第1摂動成分Δk1および前記第2摂動成分Δk2を含む前記摂動を各々の前記風車に与える
ことを特徴とするウィンドファームの運転方法。 - 前記ウィンドファームにおける風向に基づいて、前記低解像度モードに対応する前記M個のグループを設定するステップをさらに備え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運転方法。
- 前記M個のグループは、
2以上の前記風車が属する上流側グループと、
前記ウィンドファームにおける風向において前記上流側グループよりも下流側に位置する2以上の前記風車が属する下流側グループと、
を含むことを特徴とする請求項1又は2に記載のウィンドファームの運転方法。 - 前記高解像度モードに対応する前記N個のグループの各々に1個の前記風車が属することを特徴とする請求項1乃至3の何れか一項に記載のウィンドファームの運転方法。
- 前記複数の風車のうち1以上の除外風車を除く最適化対象の前記風車について、前記摂動を与えるステップおよび前記制御設定を更新するステップを行うことを特徴とする請求項1乃至4の何れか一項に記載のウィンドファームの運転方法。
- 前記除外風車は、前記ウィンドファームにおける風向において最下流側に位置する1以上の前記風車であ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運転方法。
- 前記摂動を与えるステップでは、全ての最適化対象の前記風車に対して同時に前記摂動を与えることを特徴とする請求項1乃至6の何れか一項に記載のウィンドファームの運転方法。
- 前記制御設定を更新するステップでは、新たな前記制御設定を探索範囲内に制限することを特徴とする請求項1乃至7の何れか一項に記載のウィンドファームの運転方法。
- 前記制御設定を更新するステップにより得られた最適な制御設定を風況パラメータと関連付けてデータベースに保存するステップと、
前記風況パラメータに基づいて、前記制御設定の最適化処理の初期値を前記データベースから読み出すステップと、
をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至8の何れか一項に記載のウィンドファームの運転方法。 - 前記制御設定は、各々の前記風車の発電出力指令、ピッチ角指令又は方位指令の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項1乃至9の何れか一項に記載のウィンドファームの運転方法。
- 複数の風車を含むウィンドファームの制御装置であって、
最適化対象の前記風車の各々の制御設定に摂動を与えるための摂動付与部と、
前記摂動を与えた後、前記最適化対象の前記風車の総出力を少なくとも含む評価値を求めるための評価値算出部と、
前記評価値の勾配に基づいて、最適化対象の前記風車の各々について制御設定を更新するための更新部と、を備え、
前記摂動付与部は、
低解像度モードに対応するM個のグループのそれぞれについて各グループに属する前記風車の制御設定に対して与えるべき第1摂動成分Δk1を設定し、
高解像度モードに対応するN個(但し、N>M)のグループのそれぞれについて各グループに属する前記風車の制御設定に対して与えるべき第2摂動成分Δk2を設定し、
少なくとも前記第1摂動成分Δk1および前記第2摂動成分Δk2を含む前記摂動を各々の前記風車に与える
ように構成されたことを特徴とするウィンドファームの制御装置。 - 前記更新部により得られた最適な制御設定を風況パラメータと関連付けて保存するためのデータベースと、
前記風況パラメータに基づいて、前記制御設定の最適化処理の初期値を前記データベースから読み出すための初期値設定部と、
をさらに備えることを特徴とする請求項11に記載のウィンドファームの制御装置。 - 複数の風車と、
前記複数の風車の運転制御を行うように構成された請求項11又は12に記載の制御装置と、
を備えることを特徴とするウィンドファーム。 - 複数の風車を含むウィンドファームの運転制御プログラムであって、
最適化対象の前記風車の各々の制御設定に摂動を与える手順と、
前記摂動を与えた後、前記最適化対象の前記風車の総出力を少なくとも含む評価値を求める手順と、
前記評価値の勾配に基づいて、最適化対象の前記風車の各々について制御設定を更新する手順と、をコンピュータに実行させるとともに、
前記摂動を与える手順を前記コンピュータに実行させる際、前記コンピュータにより、
低解像度モードに対応するM個のグループのそれぞれについて各グループに属する前記風車の制御設定に対して与えるべき第1摂動成分Δk1を設定し、
高解像度モードに対応するN個(但し、N>M)のグループのそれぞれについて各グループに属する前記風車の制御設定に対して与えるべき第2摂動成分Δk2を設定し、
少なくとも前記第1摂動成分Δk1および前記第2摂動成分Δk2を含む前記摂動を各々の前記風車に与える
ことを特徴とするウィンドファームの運転制御プログラム。
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