KR20120134052A

KR20120134052A - 풍력 발전 시스템 및 풍력 발전 시스템에 있어서의 풍력 발전기 증설 방법

Info

Publication number: KR20120134052A
Application number: KR1020120056955A
Authority: KR
Inventors: 마사야 다까하시; 나오끼 호시노; 사또시 세또구찌
Original assignee: 가부시키가이샤 히다치 엔지니어링 서비스
Priority date: 2011-05-30
Filing date: 2012-05-29
Publication date: 2012-12-11
Also published as: EP2530308A2; JP5526079B2; EP2530308A3; JP2012249447A; US20120306202A1; KR101403063B1

Abstract

본 발명의 과제는, 많은 축전지 용량을 필요로 하지 않고 풍력 발전기 증설에 수반되는 출력 변동 증가를 억제하는 것이 가능한 풍력 발전 시스템을 제공하는 것이다.
기설 풍력 발전소에 있어서의 기설 풍력 발전기군(200)의 소정 주기에 있어서의 출력 변동(률)을 구하고, 이 기설 풍력 발전소에 있어서의 기설 풍력 발전기군(200)의 출력 변동(률)을, 증설 풍력 발전기군(100)을 증설한 풍력 발전 시스템의 출력 변동(률)이 초과하지 않도록, 예를 들어 축전지 장치군(300)의 충방전 제어를 행하여 기설 풍력 발전기군(200)의 시스템 출력 PS(1)의 출력 변동을 완화한다.

Description

풍력 발전 시스템 및 풍력 발전 시스템에 있어서의 풍력 발전기 증설 방법{WIND POWER GENERATION SYSTEM, AND WIND POWER GENERATOR EXTENSION METHOD FOR WIND POWER GENERATION SYSTEM}

본 발명은, 풍력 발전 시스템 및 풍력 발전 시스템에 있어서의 풍력 발전기 증설 방법에 관한 것이다.

고갈 가능성이 있는 화석 에너지를 이용하지 않고, 자연계에 존재하는 재생 가능 에너지를 전력 에너지로 변환하는 방법 중 하나로, 풍력 발전기가 있다. 이 발전 방법은 CO₂를 거의 발생시키지 않는 깨끗한 에너지원이므로, 지구 규모의 환경문제를 해결하는 프로세스로서, 전세계에서 급속히 도입이 진행되고 있다. 풍력 발전으로 발전된 전력은 전력 계통으로 연계되어, 전력 회사로 송전되어 간다. 전력 계통에서는 전력 수요의 크기에 따라서, 전력 계통 내에 있는 화력 발전소 등의 대형 발전기의 발전 출력을 조정함으로써, 전력 수급의 밸런스를 유지하고 있다.

현재, 일본국내에는 많은 풍력 발전 사업자가, 많은 풍력 발전기를 이미 도입하고 있고, 금후 그 수는 더욱 증가 경향에 있다.

풍력 발전기의 발전 출력은, 바람을 받는 면적과 공기의 밀도와 풍속의 3제곱에 비례한다. 이 에너지원이 되는 바람은 시간 변동이 크기 때문에, 발전 출력의 출력 변동도 커진다. 따라서, 풍력 발전기의 도입수를 증가시켜 가는 것은, 출력 변동을 전력 계통으로 증가시켜 가는 것이 되어, 결과적으로 전력 계통 내의 조정력 부족이나 주파수 변동의 확대가 우려된다. 특히, 중주기 영역이라 불리는 수분~20분 정도의 변동은, 상기 우려 재료에 대해 영향이 크다고 일컬어지고 있다. 그 때문에 현재는, 전력 회사가 풍력 발전의 계통 연계 허용량을 산출하여, 그 양에 따라서 전력 회사가 모집을 하고, 풍력 발전 사업자가 응모하고, 당선 후, 사업자가 풍력 발전기를 건설한다고 하는 흐름으로 되어 있다. 따라서, 종래는, 전력 회사의 모집이 없으면, 풍력 발전소(주파수 변동 대책을 실시하지 않는 풍력 발전소)를 신설할 수 없는 상황에 있다.

한편, 전력 회사의 모집과는 별도로, 전력 회사에의 수시 접수라고 하는 방식이 있다. 이 방식이면, 전력 회사의 모집 시기, 모집량에 영향을 받는 일 없이, 풍력 발전 사업자의 발전소 건설 계획에 따라서 풍력 발전소의 건설이 가능하므로, 금후 풍력 발전기의 증가에는 매우 유효한 방식이 된다.

현재, 전력 회사에의 수시 접수를 가능하게 하고 있는 방식은, 축전지가 구비된 풍력 발전기뿐이며, 특히 출력 일정 제어형 풍력 발전 설비만이 가능하다. 출력 일정 제어형 풍력 발전 설비는, 금후의 풍속을 예측하면서, 24시간 후의 발전소 출력을 사전에 결정하고, 심야 해열(解列) 시간대의 발전 출력을 축전지에 저장하여, 예고 운전하는 방식이다. 따라서, 풍력 발전에 의한 주파수 변동의 영향을 제로로 하므로, 전력 회사에의 수시 접수가 가능하게 되어 있다. 이 방식의 전력 회사가 의무화한 기술 요건은, 예를 들어 비특허문헌 1에 기재되고, 발전 출력의 출력 변동이 거의 0인 것, 발전 출력과 발전 계획시의 예상 출력의 차가 최대 발전 출력의 2％ 이하로 하는 것이다.

그러나 이것을 실현하기 위해서는, 풍력 발전기의 총 발전 출력에 대해, 많은 축전지 용량이 필요하다. 예를 들어, 특허문헌 1에는 풍력 발전 시스템에 병설되는 축전지의 용량은, 풍력 발전소의 정격 용량에 대해 25~60％ 정도로 선정되는 것이 기재되어 있다. 실제로는, 예를 들어 비특허문헌 2에 기재된 바와 같이, 51MW의 풍력 발전기에 대해, 34MW의 축전지 설비를 갖고 있다. 또한, 풍력 발전기의 정격 출력과 동일 용량의 축전 설비가 필요한 경우도 있다. 따라서, 현상의 수시 접수의 실현, 즉, 출력 일정 제어형 풍력 발전 설비를 실현하기 위해서는, 풍력 발전기의 총 발전 출력의 적어도 약 60％를 갖는 축전지 설비가 필요하고, 그 결과, 전력 회사가 주파수 변동 대책의 조건을 부여하지 않고 모집하는 풍력 발전소와 비교하여 1.6배~1.7배 정도의 대폭의 비용 증가로 될 것이라고 예상된다.

또한, 축전 시스템 병설형 풍력 발전 시스템에 있어서, 출력 변동을 억제하고, 또한 축전지의 충방전에 수반되는 전력 손실을 저감하는 것이 특허문헌 2에 기재되어 있다.

일본 특허 출원 공개 제2010-51117호, 단락 0030 일본 특허 제4551921호 일본 특허 출원 공개 제2007-124780호

"출력 일정 제어형 풍력 발전 설비의 주파수 변동 대책에 관한 기술 요건", [online], 평성 23년, 도호꾸 전력 주식회사, [평성 23년 5월 10일 검색], 인터넷 <URL:http://www.tohoku-epco.co.jp/oshirase/newene/04/pdf/h21_01.pdf> 엔도 아키라, 「일본 풍력 개발:JWD의 궤적, 제1 스테이지로부터 제4 스테이지로」, 풍력 에너지, 일본 풍력 에너지 협회, 평성 21년 5월, 제33권, 제1호, 15?21페이지

기설의 풍력 발전소의 발전 출력을 증가시키는 방법으로서, 풍력 발전기만을 증설하는 것이 생각된다. 그러나 풍력 발전기만을 증설하면, 당연히 증설한 풍력 발전기분의 출력 변동이 증가되므로, 그 증가분에 따라서, 전력 회사의 조정 빈도나 부담이 필연적으로 증가한다. 따라서, 종래, 기설의 풍력 발전소에 풍력 발전기만을 증설한다고 하는 생각은 없고, 또한 전력 회사는 풍력 발전기만을 증설하는 것을 접수하고 있지 않다.

기설의 풍력 발전소에 풍력 발전기를 증설하고, 또한 증설한 풍력 발전기분의 출력 변동을 증가시키지 않으면, 전력 회사는 풍력 발전기의 증설을 접수(수시 접수)할 가능성이 있다. 증설한 풍력 발전기분의 출력 변동을 증가시키지 않도록 하기 위해, 증설한 풍력 발전기의 발전 출력에 대응한 축전지 용량의 축전 설비를 준비한 것에서는, 풍력 발전소를 신설하는 경우와 마찬가지로, 고비용으로 되어 버린다.

본 발명은, 종래, 검토되고 있지 않은 기설의 풍력 발전소에 풍력 발전기를 증설한다고 하는 신개념하에서, 풍력 발전기 증설에 수반되는 출력 변동 증가를 억제하여 전력 회사의 부담을 증가시키지 않는 것, 그리고 많은 축전지 용량을 필요로 하지 않고(즉, 저비용으로) 풍력 발전기 증설에 수반되는 출력 변동 증가를 억제하여 풍력 발전 사업자의 부담을 증가시키지 않는 것이 가능한 풍력 발전 시스템 및 풍력 발전 시스템에 있어서의 풍력 발전기 증설 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적은, 기설 풍력 발전소의 소정 주기(출력 변동을 완화하는 주기)에 있어서의 출력 변동(률)을 구하고, 이 기설 풍력 발전소의 출력 변동(률)을 기초로 하여, 증설 풍력 발전소의 출력 변동(률)이, 기설 풍력 발전소의 출력 변동(률)을 초과하지 않도록, 축전지 장치의 충방전 제어를 행하도록 함으로써 달성된다.

구체적으로는, 증설 후의 풍력 발전소의 출력 변동(률)이 기설 풍력 발전소에 대해 구한 출력 변동(률) 이하로 되도록, 기설의 풍력 발전기분의 출력 변동을, 축전지 장치를 이용하여 억제하는 제어를 행하거나, 또는 증설 후의 풍력 발전소의 출력 변동(률)이 기설 풍력 발전소의 출력 변동(률) 이하로 되도록, 기설 풍력 발전기와 증설 풍력 발전기의 합의 출력 변동을, 축전지 장치를 이용하여 억제하는 제어를 행함으로써 본 발명의 목적이 달성된다.

보다 구체적으로는, 특허청구범위에 기재된 구성에 의해 본 발명의 목적이 달성된다.

본 발명에 따르면, 풍력 발전기 증설에 수반되는 출력 변동 증가를 억제하여 전력 회사의 부담을 증가시키지 않는 것, 그리고 많은 축전지 용량을 필요로 하지 않고(즉, 저비용으로) 풍력 발전기 증설에 수반되는 출력 변동 증가를 억제하여 풍력 발전 사업자의 부담을 증가시키지 않는 것이 가능해진다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 있어서의 풍력 발전 시스템 구성을 도시하는 도면.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 있어서의 출력 가능 폭의 상하한의 산출 방법을 설명하는 도면.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 있어서의 충방전 제어 및 풍력 발전기의 발전 전력 제한 방법을 설명하는 도면.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 있어서의 출력 변동률에 대한 출현도의 누적 빈도의 비교 검토 결과를 설명하는 도면.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 있어서의 시뮬레이션 결과를 설명하는 도면.
도 6은 본 발명의 실시예 2에 있어서의 풍력 발전 시스템 구성을 도시하는 도면.
도 7은 본 발명의 실시예 2에 있어서의 출력 변동률에 대한 출현도의 누적 빈도의 비교 검토 결과를 설명하는 도면.

이하, 도면을 이용하여 본 발명의 실시예를 설명한다.

우선, 본 발명의 기본적인 개념을, 출력 변동 제어를 행하고 있지 않은 기설 풍력 발전소에, 풍력 발전기를 증설하는 경우를 예로 들어 설명한다.

이미 서술한 바와 같이, 풍력 발전기의 도입수를 증가시켜 가는 것은, 출력 변동을 전력 계통으로 증가시켜 가는 것이 된다. 특히, 중주기 영역이라 불리는 수분?20분 정도의 주기에 있어서의 출력 변동의 증가는, 전력 계통 내의 조정력 부족이나 주파수 변동의 확대를 초래할 우려가 있다. 조정력(부하 주파수 제어)의 한계는 연계 가능량을 산정하는 큰 요인이 된다.

따라서, 풍력 발전기를 증설할 때에, 중주기 영역에 있어서의 출력 변동을 억제, 즉, 풍력 발전기 증설 후의 풍력 발전소의 중주기 영역에 있어서의 출력 변동이 기설의 풍력 발전소의 중주기 영역에 있어서의 출력 변동보다도 커지지 않으면, 전력 회사에 특별히 부담을 주게 되지 않으므로, 풍력 발전기의 증설을 수시 접수와 마찬가지로 전력 회사에 접수할 수 있을 가능성이 높아진다.

본 발명에서는 이러한 관점으로부터, 기설 풍력 발전소에 있어서의 중주기(예를 들어, 20분간)의 출력 변동을 실측하여, 이 출력 변동보다도 풍력 발전기 증설 후의 풍력 발전소의 중주기(예를 들어, 20분간)의 출력 변동이 커지지 않도록 풍력 발전소의 출력을 제어하는 것이다. 전력 계통으로의 연계 가능량을 산정하는 요인이 중주기 영역 이외의 출력 변동이면, 그 주기 영역에서의 출력 변동을 실측하여, 출력 변동을 억제하는 것도 가능하다. 이하에서는, 현재, 전력 계통으로의 영향이 큰 중주기 영역의 출력 변동을 억제하는 것을 예로 들어 설명을 행한다.

또한, 풍력 발전 사업자로부터 본 경우, 풍력 발전기 증설에 수반되는 출력 변동 증가의 억제를 효율적으로(저비용으로) 달성하는 것이 중요해진다. 본 발명자들은, 우선 풍력 발전기 증설 후의 풍력 발전소의 출력 변동을 어떻게 하면 기설의 풍력 발전소의 출력 변동을 상회하지 않을지, 즉, 풍력 발전기를 어떤 계획으로 증설하면 좋을지 검토하였다.

풍력 발전기 증설 후의 풍력 발전소의 출력 변동이 기설의 풍력 발전소의 출력 변동을 상회하지 않도록 하기 위한 방법으로서는, 기설의 풍력 발전기는 그대로 두고, 증설하는 풍력 발전기분에 대해 출력 변동이 발생하지 않도록 하는 것이 생각된다. 이것을 위해서는, 증설하는 풍력 발전기분의 출력 변동(률)이 대략 제로로 되도록 제어할 필요가 있다. 이것으로는, 출력 일정 제어형 풍력 발전 설비를 신설하는 경우와 마찬가지로 되어, 증설하는 풍력 발전기의 정격 출력에 상응한 축전 설비를 준비할 필요가 있어, 현재 저비용으로 풍력 발전기를 증설한다고 하는 것은 곤란하다고 생각된다. 이것이 실현되는 것은, 기설 풍력 발전기의 총 발전 출력에 대해, 증설 풍력 발전기의 총 발전 출력이 1％ 이하 등의, 소형 풍력 발전기를 증설하는 경우 등이다.

본 발명자들은, 기설의 풍력 발전소가 어느 정도의 출력 변동이 허용되어 있는 것에 주목하여, 이 기설의 풍력 발전소에서 허용되어 있는 출력 변동을 베이스로 증설 후의 풍력 발전소의 출력을 제어하면, 저비용으로 풍력 발전기를 증설하는 것이 가능한 것을 발견한 것이다. 다음으로, 이 생각을 바탕으로, 풍력 발전기의 증설 계획의 기본 개념을 설명한다.

(1) 우선, 기설의 풍력 발전기(기설의 풍력 발전소)의 출력 변동(률)을 구한다. 출력 변동은 중주기(예를 들어, 20분간)의 출력의 최대값과 최소값의 출력 폭을 1분간마다 구한다. 예를 들어, 7시 00분으로부터 7시 20분 사이의 출력의 최대값과 최소값의 출력 폭을 구하고, 다음으로 7시 01분으로부터 7시 21분 사이의 출력의 최대값과 최소값의 출력 폭을 구하고, 순차적으로, 1분마다 20분간의 출력의 최대값과 최소값의 출력 폭을 구한다. 기설의 풍력 발전소의 출력 변동과 증설 후의 풍력 발전소의 출력 변동을 비교하는 경우, 이 출력 변동의 폭으로 비교하거나, 증설 후의 풍력 발전소의 총 발전 출력을 분모로 한 출력 변동률로 비교한다(기설의 풍력 발전기의 정격 출력을 분모로 한 출력 변동률로 비교하는 것도 가능하지만, 이하의 설명에서는 증설 후의 풍력 발전소의 총 발전 출력을 분모로 한 출력 변동률, 즉, 기설의 풍력 발전기의 정격 출력과 증설하는 풍력 발전기의 정격 출력의 합을 분모로 하여 산정한 출력 변동률로 설명함). 이 출력 변동률의 정의에 기초하여, 기설의 풍력 발전소의 출력 변동률보다도 증설 후의 풍력 발전소의 출력 변동률이 커지지 않도록 하면 되게 된다. 그리고 이 중주기의 출력 변동(률)의 데이터를 어느 기간 축적하여, 출력 변동(률)에 대한 출현도의 누적 빈도를 구한다. 도 4는 이 출력 변동률에 대한 출현도의 누적 빈도를 나타내는 것이다. 도 4에서는, 출현도의 누적 빈도가 99.7％(통계학상 거의 100％로 되는 3σ의 수치)로 되는 것은, 출력 변동률이 40％이므로, 이 기설의 풍력 발전기(기설의 풍력 발전소)의 출력 변동률이 40％인 것을 알 수 있다.

(2) 다음으로, 증설하는 풍력 발전기에 대해 변동을 억제하는 제어를 행하지 않는 경우의 출력 변동(률)을 추측한다. 풍력 발전기의 입지점이 기설도, 증설도 동일한 지역이므로, 증설하는 풍력 발전기의 출력은 기설의 풍력 발전기와 마찬가지의 비율로 변동될 것이라 추측할 수 있다. 기설의 풍력 발전기의 실측 데이터에 기초하여 출력 변동을 추측할 수 있으므로, 새로운 지점에 풍력 발전소를 신설하는 경우와 비교하여, 보다 정밀도가 높은 계산이 가능해진다. 증설 풍력 발전기의 출력 변동을 정밀도 높게 추측 가능하므로, 증설 후의 풍력 발전소에 필요해지는 축전 설비의 축전 용량을 정밀도 높게 구할 수 있어, 과잉 용량의 축전 설비로 되는 것을 피할 수 있고, 그 결과 저비용이 가능해진다.

(3) 그리고 풍력 발전기 증설 후의 풍력 발전소의 출력 변동(률)을 기설의 풍력 발전소의 출력 변동(률)을 초과하지 않도록 출력을 제어한다. 즉, 기설의 풍력 발전기의 출력 변동(률)과 증설하는 풍력 발전기의 출력 변동(률)을 기초로 하여, 증설 후의 풍력 발전소의 출력 제어에 있어서의 출력 변동(률)의 목표값의 산출을 행한다. 이 출력 제어에 있어서는, 축전 설비를 병설하여 제어를 행한다. 출력 변동(률), 목표값 등을 고려하여 축전 설비의 용량을 정하게 된다. 출력 제어의 방법에 대해서는, 다음 2가지의 제어가 생각된다.

하나의 제어는, 증설 후의 풍력 발전소의 출력 변동(률)이 기설의 풍력 발전기(기설의 풍력 발전소)에 대해 구한 출력 변동(률) 이하로 되도록, 기설의 풍력 발전기분의 출력 변동을, 축전 설비를 이용하여 억제하는 제어를 행한다. 이 경우, 증설의 풍력 발전기분의 출력 변동을 억제하는 제어는 행하지 않는다. 이 제어는, 바꾸어 말하면, 증설 후의 풍력 발전소에 있어서의 기설의 풍력 발전기분의 출력 변동(률)이, 기설의 풍력 발전기(기설의 풍력 발전소)에 대해 구한 출력 변동(률)과 증설 후의 풍력 발전소에 있어서의 증설하는 풍력 발전기분의 출력 변동(률)의 차 이하로 되도록, 기설의 풍력 발전기분의 출력 변동을, 축전 설비를 이용하여 억제 제어하는 것이다. 예를 들어, 기설의 풍력 발전기의 정격 출력을 10MW라 하고, 증설의 풍력 발전기의 정격 출력을 5MW라 가정한 경우, 기설의 풍력 발전기(기설의 풍력 발전소)의 출력 변동이 6MW(출력 변동률은 6/15으로 40％)라 구해진 경우, 증설하는 풍력 발전기분의 출력 변동은 3MW(출력 변동률은 3/15로 20％)로 추정할 수 있으므로, 증설 후의 풍력 발전소에 있어서의 기설의 풍력 발전기분의 출력 변동을 그 차분의 3MW 이하의 출력 변동(3/15로 20％ 이하의 출력 변동률)으로 되도록 축전 설비를 이용하여 억제 제어한다. 따라서, 이 방식에 있어서는, 기설의 풍력 발전소에서 확인되어 있는 출력 변동을 이용하여 출력 제어하게 되므로, 출력 일정 제어형 풍력 발전소(상술한 예에서는 5MW의 풍력 발전소)를 신설하는 경우와 비교하여, 축전 설비의 용량을 작게 하는 것이 가능해진다. 또한, 상술한 (2)에서 설명한 바와 같이, 기설의 풍력 발전소에 있어서 구해진 정밀도가 높은 출력 변동에 기초하여 축전 설비를 준비할 수 있으므로, 과잉 용량의 축전 설비로 되는 것을 피할 수 있다.

또한, 다른 출력 제어로서, 증설 후의 풍력 발전소의 출력 변동(률)이 기설의 풍력 발전기(기설의 풍력 발전소)의 출력 변동(률) 이하로 되도록, 증설 후의 풍력 발전소의 출력, 즉, 기설의 풍력 발전기와 증설의 풍력 발전기의 합의 출력 변동을, 축전 설비를 이용하여 억제하는 제어를 행한다. 예를 들어, 기설의 풍력 발전기의 정격 출력을 10MW라 하고, 증설의 풍력 발전기의 정격 출력을 5MW라 가정한 경우, 기설의 풍력 발전기(기설의 풍력 발전소)의 출력 변동이 6MW(출력 변동률은 6/15으로 40％)로 구해진 경우, 증설하는 풍력 발전기분의 출력 변동은 3MW(출력 변동률은 3/15로 20％)로 추정할 수 있고, 따라서, 증설 후의 풍력 발전소에서는, 예상되는 9MW의 출력 변동(60％의 출력 변동률)을, 6MW의 출력 변동(40％의 출력 변동률)에 들어가도록 축전 설비를 이용하여 억제 제어한다. 이 경우에 있어도, 기설의 풍력 발전소에서 확인되어 있는 출력 변동을 이용하여 출력 제어하게 되므로, 출력 일정 제어형 풍력 발전소를 신설하는 경우와 비교하여, 축전 설비의 용량을 작게 하는 것이 가능해진다. 또한, 전술한 (2)에서 설명한 바와 같이, 기설의 풍력 발전소에 있어서 구해진 정밀도가 높은 출력 변동에 기초하여 축전 설비를 준비할 수 있으므로, 과잉 용량의 축전 설비로 되는 것을 피할 수 있다.

다음으로, 출력 제어의 구체적인 방법에 대해 설명한다.

축전지(축전 시스템)를 병설한 풍력 발전소로서는, 예를 들어 일본 특허 출원 공개 제2007-124780(특허문헌 3)에 기재된 것이 있고, 이 특허문헌 3에서는, 풍력 발전 장치의 발전 전력의 평균값에 대하여 소정의 범위를 설정하여, 이 범위를 일탈할 때에만 축전 시스템의 충방전을 실시하는 방법이 개시되어 있다. 전술한 바와 같이, 중주기 영역이라 불리는 수분?20분 정도의 주기에 있어서의 출력 변동의 증가는, 전력 계통 내의 조정력 부족이나 주파수 변동의 확대를 초래할 우려가 있다. 본 실시예에서는, 이것으로부터 중주기에 있어서의 출력 변동을 억제하기 위해, 중주기의 출력 변동을 구하여, 이 변동을 억제하도록 하는 것이다. 특허문헌 3의 방법에서는, 출력 변동을 완화하기 위해, 발전 출력의 평균값이라고 하는 간이한 출력 목표값을 이용하므로, 중주기 영역의 변동 억제를 확실하게 행하기 위해서는, 평균값에 대한 소정의 범위를 작게 설정할 필요가 있는 것이라고 생각된다. 그러나 이 경우, 실제로는 중주기 영역의 변동 완화에는 기여하지 않는 불필요한 충방전이 발생하여, 전력 손실을 증가시키는 결과로 된다. 또한, 불필요한 충방전에 의해, 축전지 수명이 저하되어, 풍력 발전소의 운용 기간 내에 축전지를 교환할 가능성도 발생한다.

본 출원인은, 특허문헌 2에, 중주기 영역의 출력 변동을 효과적으로 억제하는 방법을 제안하고 있다. 본 실시예에서는, 이 특허문헌 2에 기재된 방법을 이용함으로써 전술한 (3)의 제어를 행하도록 하고 있다. 이 특허문헌 2에 기재된 방법을 이용함으로써, 중주기 영역의 출력 변동을 확실하게 억제할 수 있고, 또한 축전지의 충방전에 수반되는 손실을 저감하여, 축전지 수명을 연장시키는 운용이 가능해진다.

특허문헌 2에 기재된 풍력 발전 시스템 방식의 포인트는, 이하의 A)?C)이다.

A) 현재로부터 과거의 어느 일정 기간에 있어서의 출력 변동 억제의 대상이 되는 풍력 발전 장치군과 축전 장치군의 출력의 합(시스템 출력)의 최대값과 최소값으로부터, 다음 미래의 어느 일정 기간 후에 있어서의 출력 가능 폭을 결정한다.

B) 다음의 미래의 어느 일정 기간 후에, 출력 변동 완화의 대상이 되는 풍력 발전기군의 발전 출력이 출력 가능 폭의 상한값보다 클 때에는 축전지 장치군에 충전 명령을, 출력 가능 폭의 하한값보다 작을 때에는 축전지 장치군에 방전 명령을, 또한 출력 가능 폭 내일 때에는 축전지 장치군에 충방전 프리 명령을 각각 내림으로써, 충방전 제어를 행한다.

C) 풍력 발전기군에 풍차 출력 제한 기능을 갖는 경우는, 다음 미래의 어느 일정 기간 후에, 출력 변동 완화의 대상이 되는 풍력 발전기군의 발전 출력이 축전 장치에 충전되어도 여전히 출력 가능 폭의 상한값보다 클 때에 풍차 출력 제한 명령을 내린다.

이 특허문헌 2의 제어 방법은, 예를 들어 도호꾸 전력 주식회사가 풍력 발전을 모집하는 것에 있어서, 풍력 발전 사업자에게 요망되는「풍력 발전 설비의 기술 요건」인, 임의의 시각으로부터 시작하는 20분간에 있어서, 변동 대책 후의 시스템 출력(1분간 평균값)의 「최대값-최소값」, 즉, 출력 변동(률)의 목표값이 풍력 발전기의 정격 출력의 10％ 이하를 실현하는 것이 가능하다. 이러한 중주기 영역의 출력 변동 억제 제어 방법을, 전술한 (3)의 제어에 이용함으로써, 풍력 발전기 증설 후의 풍력 발전소의 출력 변동(률)을 기설의 풍력 발전소의 출력 변동(률)을 초과하지 않도록 확실하게 제어할 수 있고, 또한 축전지의 충방전에 수반되는 손실을 저감하여, 축전지 수명을 연장시키는 운용이 가능해진다.

다음으로, 특허문헌 2에 기재된 제어 방법을 적용한 풍력 발전 시스템의 실시예에 대해 설명한다.

[실시예 1]

본 실시예에서는, 전술한 (3)에 있어서의 제어로서, 증설 후의 풍력 발전소의 출력 변동(률)이 기설의 풍력 발전기(기설의 풍력 발전소)에 대해 구한 출력 변동(률) 이하로 되도록, 기설의 풍력 발전기분의 출력 변동을, 축전 설비를 이용하여 억제 제어하는 것이다.

본 실시예의 풍력 발전 시스템의 구성을 도 1에 나타낸다. 본 실시예의 풍력 발전 시스템은, 증설 풍력 발전기군(100), 기설 풍력 발전기군(200), 축전지 장치군(300), 풍력 발전기용 SCADA(4), 컨트롤러(5)로 구성된다. 풍력 발전기용 SCADA(4)는 풍력 발전기의 운전 상황이나 발전 전력 등의 운전 정보를 수집하는 역할을 담당하고, 또한 풍력 발전기에 전력 제한 명령을 부여하는 기능을 갖는다. 이 풍력 발전 시스템은, 전력 계통(10)에 연계되어, 증설 후 풍력 발전소(11)의 발전 전력을 전력 계통(10)으로 송전한다. 증설 풍력 발전기군(100), 기설 풍력 발전기군(200)의 연계점에는, 각각 발전 전력 PW(증), PW(기)를 계측하는 전력계(6, 7)가 각각 설치되어 있다. 또한, 축전지 장치군(300)의 연계점에는, 축전지 장치군(300)의 충방전 전력 PB를 계측하는 전력계(8)가 설치되어 있다.

본 실시예에 있어서, 출력 변동 완화의 대상이 되는 것은 기설 풍력 발전기군(200)이다. 기설 풍력 발전기군(200)의 시스템 출력 PS(1)과, PW(기), PB에는, 이하의 관계식이 성립된다.

또한, 전력 계통(10)으로 송전하는 풍력 발전 시스템의 발전소 시스템 출력 PS에는, 이하의 관계식이 성립된다.

따라서, 본 발명의 목적을 달성하기 위해서는, 기설 풍력 발전기군(200)인 PW(기)가 종래 갖고 있었던(허용되어 있었던) 출력 변동률(또는 출력 변동)에 대해, PS의 출력 변동률(또는 출력 변동)을 비교하였을 때, 이하의 수학식 3의 관계식이 성립되는 것이 필요하다. 또한, 여기서, 출력 변동률은, 증설 풍력 발전기군(100)의 정격 출력과 기설 풍력 발전기군(200)의 정격 출력의 합을 분모로 하여 나타낸 것이다. 따라서, 출력 변동률로 나타내어도, 출력 변동(출력 변동 폭)으로 나타내어도 동일하다. 이하의 설명에서는 출력 변동률로 설명한다.

따라서, 수학식 3은 이하의 수학식 3'로 된다.

[수학식 3']

이상의 점으로부터, 출력 변동 완화의 대상이 되는 풍력 발전기군을 기설 풍력 발전기군(200)으로 하는 이 풍력 발전 시스템에서는, 증설 후의 풍력 발전소에 있어서의 기설 풍력 발전기군(200)의 출력 변동을 축전지 장치군(300)의 충방전 제어로 완화시킴으로써, 원래 기설 풍력 발전기군(200)이 가진 출력 변동률과 증설 풍력 발전기군(100)의 출력 변동률의 차 이하로 출력 변동률(PS(1))을 억제하는 것이 필요해진다.

다음으로, 이 억제 제어를 행하는 컨트롤러(5)에 대해 설명한다. 주된 기능은, 전술한 A)?C)에 기재한 것이다. 컨트롤러(5)의 기능?동작으로서는, 효율적인 충방전 제어를 가능하게 하기 위해, 출력 가능 폭을 설정하고, 또한 출력 가능 폭을 일탈하였을 때에 언제라도 충방전할 수 있도록 축전지의 SOC(충전율)를 파악하면서, 각 축전지에 충방전 명령을 내린다. 본 컨트롤러(5)를 적용함으로써, 변동 완화에 기여하지 않는 불필요한 충방전을 가능한 한 적게 하여, 축전지 수명의 저하나, 충방전에 수반되는 전력 변환기 손실, 축전지 내부 손실을 회피할 수 있다. 여기서는, 전력 계통에의 영향이 큰 중주기 영역을 고려하여, 출력 변동 제어를 20분 주기로 하여 행하는 경우에 대해 설명한다.

A) 출력 가능 폭(상하한)의 산출

우선, 목표의 출력 변동률을 산정한다. 특허문헌 2에서는 풍력 발전 장치군의 정격 출력의 10％ 이하를 출력 변동의 목표로 하고 있지만, 본 실시예에서는, 기설 풍력 발전기군(200)에 증설 풍력 발전기군(100)을 증설할 때에, 출력 변동률을 바꾸지 않은 상태에서 정격 출력만을 향상시키는 것이므로, 목표의 출력 변동률은 특허문헌 2와는 다른 것이 된다.

기설 풍력 발전기군(기설의 풍력 발전소)의 20분간의 출력 변동률을 전술한 (1)에서 설명한 바와 같이 구하여 X％로 나타낸다(＝기설의 풍력 발전소의 출력 변동÷(증설 후의 풍력 발전소의 정격 출력＝기설 풍력 발전기군의 정격 출력＋증설 풍력 발전기군의 정격 출력)). 또한, 증설 풍력 발전기군의 증설 풍력 발전기의 20분간의 출력 변동률을 전술한 (2)에서 설명한 바와 같이 구하여 Y％로 나타낸다(＝증설 풍력 발전기군의 출력 변동÷(증설 후의 풍력 발전소의 정격 출력＝기설 풍력 발전기군의 정격 출력＋증설 풍력 발전기군의 정격 출력)).

따라서, 증설 후의 풍력 발전소에 있어서의 기설 풍력 발전기군의 시스템 출력(PS(1))의 목표의 출력 변동률은, (X－Y)％ 이하로 된다. 바꾸어 말하면, 기설의 풍력 발전기군(200)이 종래 갖고 있었던(허용되어 있었던) 출력 변동률 X％를, 출력 변동률 (X－Y)％ 이하를 목표로 제어하게 된다.

다음으로, 도 2에 나타낸 바와 같이, 시스템 출력 PS(1)의 현재의 시각으로부터 과거 19분간(출력 변동 완화의 대상 주기(20분 주기)에 대응하여 정해지는)의 최소값 PS(1)min에 (X-Y)％를 가산한 수치를 출력 가능 폭 R의 상한으로 설정하고, 시스템 출력 PS(1)의 현재의 시각으로부터 과거 19분간의 최대값 PS(1)max로부터 (X-Y)％를 감산한 수치를, 출력 가능 폭 R의 하한으로 설정함으로써, 출력 가능 폭을 설정한다. 이와 같이 출력 가능 폭 R을 설정함으로써, 대상으로 하는 주기의 출력 변동을 확실하게 억제할 수 있다.

B) 축전지 장치군의 충방전 제어

현재의 시각으로부터 1분 후(출력 변동 완화의 대상 주기의 종기)의 시스템 출력 PS(1)가 출력 가능 폭 R 내로 되도록, 축전지 장치군(300)의 충방전 전력 PB를 조정한다. 출력 변동 완화의 대상이 되는 기설 풍력 발전기군(200)의 발전 전력이, 출력 가능 폭 R의 상한값을 초과할 때에는 충전 제어를 축전지 장치군(300)에 명령을 내리고, 출력 가능 폭 R의 하한값을 하회할 때에는 방전 제어를 축전지 장치군(300)에 명령을 내린다. 또한, 출력 가능 폭 R 내일 때에는 대기 명령을 축전지 장치군(300)에 명령한다. 이와 같이 축전지 장치군(300)을 충방전 제어함으로써, 출력 변동 제어의 대상이 되는 기설의 풍력 발전기군(200)의 시스템 출력 PS(1)의 20분간에 있어서의 출력 변동률을, 상시 (X－Y)％ 이하로 억제하면서, 또한 축전지의 충방전 전력량을 적게 하는 것이 가능해진다. 또한, 충방전 제어를 원활하게 행하기 위해, 특허문헌 2에 기재된 바와 같이 축전지의 충전율 조정 기능도 부여하고 있다. 축전지 장치군(300)은, 각 축전지에 충방전 전력 PB를 PB C1?PB Cn으로서 분산하면서 명령을 내릴 필요가 있다. 이 명령은, 특허문헌 2에 기재된 바와 같이, 각 축전지의 충전율(SOC:State of Charge)을 기준으로 내려지고, SOC가 높은 축전지로부터 방전 제어, SOC가 낮은 축전지로부터 충전 제어를 행하도록 설정되어 있다. 명령을 내리기 위해, 현재의 축전지의 충전율 SOC1?SOCn을 파악하는 기능이 부여되어 있다.

C) 풍력 발전기의 발전 전력 제한 명령

풍력 발전기군에 풍차 출력 제한 기능을 갖는 경우는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 다음의 미래의 어느 일정 기간 후에, 출력 변동 완화의 대상이 되는 풍력 발전기군의 발전 출력이 축전지 장치군에 충전되어도, 즉, 축전지 장치에 충전 명령을 내리는 충전 전력을 빼도 출력 가능 폭 R의 상한값보다 클 때에 발전 전력 제한 명령을 내린다. 특히 풍속의 급격 상승에 수반되는 풍력 발전기의 발전 출력의 급격 증가 억제에 효과적이다. 본 기능은 풍력 발전기의 블레이드의 피치각을 조정하여, 바람의 에너지를 방출함으로써 실현할 수 있다. 따라서, 자연 에너지의 유효 이용에는 가능한 한 사용하지 않는 것이 바람직하다.

다음으로, 출력 변동 제어의 대상이 되는 기설 풍력 발전기군(200)에 대해 설명한다. 출력 변동 제어의 대상이 되는 기설 풍력 발전기군(200)은 복수의 풍력 발전기와, 풍력 발전기용 SCADA(4)에 의해 구성된다. 풍력 발전기용 SCADA(4)는, 기설 풍력 발전기군(200)의 운전 상황이나, 발전 출력 등의 운전 정보를 수집하는 역할을 담당하는 동시에, 풍력 발전기용 SCADA(4)는, 컨트롤러(5)로부터, 기설 풍력 발전기군(200)의 발전 전력의 제한 명령 PLC를 수신하여, 개개의 풍력 발전기의 발전 전력의 합이, PLC 이하로 되도록, 개개의 풍력 발전기에, 각각 전력 제한 명령 PLC1, PLC2 … PLCm을 부여하는 기능을 갖는다. 또한, 기본적으로 증설 풍력 발전기군(100)도 마찬가지의 구성으로 되지만, 출력 변동 제어를 필요로 하지 않으므로, 풍력 발전기용 SCADA(4) 및 컨트롤러(5)를 가질 필요는 없다. 또한, 발전 전력 제한 기능이 없는 경우는, 컨트롤러(5)로부터 기설 풍력 발전기군(200)의 발전 전력이 PLC 이하로 될 것 같은 명령을 풍력 발전기용 SCADA(4)는 받지 않는다. 이 발전 전력 제한 기능이 있는 경우는, 출력 변동 제어를 확실하게 행할 수 있다.

다음으로, 증설 풍력 발전기군(100), 기설 풍력 발전기군(200)을 구성하는 풍력 발전기에 대해 설명한다. 증설 풍력 발전기군(100), 기설 풍력 발전기군(200)에 이용하는 풍력 발전기는, 특허문헌 2에 기재된 바와 같이, 풍력 발전기 내부의 동기 발전기가 교류 직류 변환기, 변환기를 거쳐서 전력 계통에 연계되어 있다. 적용하는 풍력 발전기는, 모두 전력 변환기와 블레이드의 피치각을 조정함으로써 가변속 운전을 가능하게 하고 있다. 또한 이들 풍력 발전기는, 피치각의 제어와, 전력 변환기의 제어를 조합함으로써, 그 발전 전력을 소정값 이하로 제한하는 것이 가능하다. 이 기능이 상술한 발전 전력 제한 명령을 가능하게 하고 있다. 또한, 풍력 발전기의 종류에 대해서는, 직류 여자형 동기 발전기, 교류 여자형 동기 발전기, 영구 자석형 동기 발전기가 있지만, 어느 경우에 있어서도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다. 또한, 기설 풍력 발전기 또는 증설 풍력 발전기에 대해, 발전기군으로서 복수대로 구성하는 경우를 예로 설명하였지만, 각각이 1대인 경우라도 본 발명을 적용할 수 있다.

다음으로 축전지 장치군(300)에 대해서 설명한다. 축전지 장치군(300)의 각 축전지는, 특허문헌 2에 기재된 바와 같이, 복수의 이차 전지, 변환기, 연계 변압기, 차단기 등으로 구성되고, 전력 계통에 연계되어 있다. 적용하는 이차 전지는, 납축 전지, 나트륨 유황 전지, 레독스플로우 전지, 리튬 이온 전지, 니켈 수소 전지, 리튬 이온 캐패시터 중 어느 1종류, 혹은 이들의 조합으로 구성된다. 또한, 축전지로서, 이차 전지 대신에 캐패시터로서, 전기 이중층 캐패시터나, 컨덴서를 이용하는 형태, 혹은 이차 전지와 캐패시터의 조합, 혹은 다른 축전 요소의 조합으로 구성해도, 마찬가지의 효과가 얻어진다. 또한, 축전 장치로서, 플라이 휠, SMES 등의 전기 에너지를 운동 에너지로서 축적 가능한 시스템을 이용해도, 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다. 또한, 축전지는, 각각 SOC를 계측하고 있고, 그 값을 컨트롤러(5)에 전달한다. 또한, 축전지에 대해, 복수의 축전지로 이루어지는 축전지 장치군에 대해 설명하였지만, 1대의 축전지인 경우라도 본 발명을 적용할 수 있다.

다음으로, 본 실시예의 풍력 발전 시스템의 동작예에 대해 설명한다. 도 4, 도 5는, 본 실시예 1의 조건에 있어서, 컨트롤러(5), 축전지 장치군(300), 풍력 발전기의 발전 전력 제한을 이용한 출력 변동 제어의 상황을 시뮬레이션에 의해 산출한 결과를 나타내는 것이다. 또한, 이 시뮬레이션의 계산을 하는 데 있어서, 기설 풍력 발전기군(200)의 발전 전력을 9.95MW, 증설 풍력 발전기군(100)의 발전 전력을 4.60MW, 축전지 장치군(300)의 용량을 증설 후 풍력 발전소(14.55MW)의 정격 출력의 약 8％로 하고 있다. 기설 풍력 발전기는 실제의 풍력 발전소의 데이터를 이용하고 있다.

도 4에는, 출력 변동률에 대한 출현도의 누적 빈도의 비교를 나타낸다. 도 4의 평가 포인트는, 기설의 풍력 발전소에 있어서의 기설 풍력 발전기군(200)의 출력 변동률 40％의 출현도와 비교하는 것이며, 이것보다 큰 누적 빈도의 조건이 유효해진다. 도 4에 있어서의 기설 풍력 발전기의 출력 변동률과 출현도의 누적 빈도의 관계는, 실제의 풍력 발전소의 데이터를 이용하여 산출하고 있다. 도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 출현도의 누적 빈도가 99.7％(통계학상 거의 100％로 되는 3σ의 수치)로 되는 것은, 출력 변동률이 40％이므로, 이 기설의 풍력 발전소에 있어서의 기설 풍력 발전기군(200)의 출력 변동률이 40％인 것을 알 수 있다. 다음으로, 증설 풍력 발전기군(100)을 도입 후의 출력 변동률(기설 풍력 발전기(제어 없음)＋증설 풍력 발전기(제어 없음)의 출력 변동률)과 누적 빈도의 관계를 계산한 바, 출현도의 누적 빈도가 99.7％인 출력 변동률이 56％로, 따라서 이 상태에서는(출력 제어를 행하지 않은 상태에서는), 풍력 발전기의 증설에 수반하여, 정격 출력뿐만 아니라 출력 변동률도 증가하는 것을 알 수 있다. 따라서, 기설 풍력 발전기군(200)의 시스템 출력 PS(1)이 출력 변동률 20％, 30％에 들어가도록 운전한 경우의 출력 변동률과 누적 빈도의 관계를 계산하여, 출현도의 누적 빈도가 99.7％인 출력 변동률을 구한다. 그 결과, 기설 풍력 발전기의 시스템 출력 PS(1)을 출력 변동률 20％에 들어가도록 운전한 경우에 있어서, 기설의 풍력 발전소에 있어서의 기설 풍력 발전기군(200)의 출력 변동률 이하로 되는 것을 알 수 있다.

도 5에는, 증설 풍력 발전기군(100)과 기설 풍력 발전기군(200)의 발전 전력의 합(PS(기)＋PW(증)), 발전소 시스템 출력 PS, 축전지 장치군(3)의 충방전 전력 PB 및 발전소 전체의 출력 변동률을 나타내고 있다. 또한, 도 5는, 도 4의 결과에 기초하여, 기설 풍력 발전기군(200)을 출력 변동률 20％로 되도록 출력 변동 제한 운전한 시뮬레이션 결과이다. 도 5로부터, 컨트롤러(5), 축전지 장치군(300), 풍력 발전기의 발전 전력 제한을 이용한 출력 변동 제어에 의해, 기설 풍력 발전기군(200)을 출력 변동률 20％에 들어가도록 운전함으로써, 증설 후 풍력 발전소(11)의 발전소 시스템 출력의 출력 변동률이 40％ 이하로 되는 것을 알 수 있다. 또한, 본 시뮬레이션 결과로부터, 축전지 장치군(300)의 수명도, 충방전 사이클수를 기준으로 하여 산출한 바, 축전지 장치군(300)은 적용 예정 연수인 17년 이상의 수명을 기대 가능하고, 게다가 충방전 제어에 수반되는 전력 손실량이 1.7％로 대폭 작아진다고 하는 결과가 얻어져 있다.

이상의 점으로부터, 컨트롤러(5), 증설 후의 정격 출력의 약 8％라고 하는 매우 적은 축전지 장치군(300), 풍력 발전기의 발전 전력 제한을 이용한 출력 변동 제어에 의해, 기설 풍력 발전기군(200)을 출력 변동률 20％에 들어가도록 운전함으로써, 본 발명의 목적인 증설형 풍력 발전소(11)의 출력 변동률을 기설의 풍력 발전소에 있어서의 기설 풍력 발전기군(200)의 출력 변동률 이하, 또는 동일 레벨로 하고, 또한 총 발전 출력만을 효율적으로 증가시키는 것이 가능해진다.

또한, 전술한 실시예에서는, 기설?증설에 상관없이 출력 제한 기능을 갖게 함으로써 평가한 예를 나타내고 있지만, 개개의 풍력 발전기 전부가 출력 제한 기능을 가질 필요는 없고, 어느 하나의 풍력 발전기에 출력 제한 기능을 갖게 하는 경우라도 좋고, 또한 출력 제한 기능 대신에, 개개의 풍력 발전기의 운전 정지 상태를 절환함으로써, 풍력 발전기군 전체적으로, 발전 전력을 소정값 이하로 제한하는 기능이 있는 구성을 취하면, 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 실시예에서는, 변동 완화 대상의 전력 변동을, 중주기 영역의 출력 변동(본 실시예에서는 20분 정도의 주파수대의 출력 변동)을 예로 들어 설명하였지만, 변동 완화해야 할 주파수대는 전력 계통마다 다르기 때문에, 전력 계통에 따라서 제어 상수를 바꿈으로써, 본 발명의 효과는 마찬가지로 실현 가능하다.

[실시예 2]

다음으로, 전술한 (3)의 출력 제어로서, 증설 후의 풍력 발전소의 출력 변동(률)이 기설의 풍력 발전기(기설의 풍력 발전소)의 출력 변동(률) 이하로 되도록, 증설 후의 풍력 발전소의 출력, 즉, 기설의 풍력 발전기와 증설의 풍력 발전기의 합의 출력 변동을, 축전 설비를 이용하여 억제하는 제어를 행하는 풍력 발전 시스템에 대해 설명한다.

본 실시예의 대상이 되는 풍력 발전 시스템의 구성을 도 6에 나타낸다. 본 실시예의 풍력 발전 시스템으로서는, 기본적으로는 도 1과 대략 마찬가지이지만, 차이점으로서는 출력 변동 제어 운전하는 풍력 발전기가 증설 풍력 발전기군(100), 기설 풍력 발전기군(200)의 양쪽이며, 그 양쪽의 합계의 발전 전력을 계측하는 전력계(12)가 설치된다. 본 실시예에서는, 전력계(7, 8, 12)를 설치하고 있지만, 전력계(12)가 설치되는 경우, 전력계(7)와 전력계(8)를 생략하는 것은 가능하다. 또한, 전력계(7)와 전력계(8)를 설치하는 경우, 전력계(12)를 생략하는 것도 가능하다.

본 실시예에 있어서, 출력 변동 완화의 대상이 되는 것은 증설 풍력 발전기군(100) 및 기설 풍력 발전기군(200)의 합계 발전 출력 PW(합)이다. 합계 발전 출력 PW(합), PW(기), PW(증)에는, 이하의 관계식이 성립된다.

전력 계통(10)에 송전하는 풍력 발전 시스템의 발전소 시스템 출력 PS에는, 이하의 관계식이 성립된다.

따라서, 본 발명의 목적을 달성하기 위해서는, 기설 풍력 발전기군(200)인 PW(기)가 종래 가진 출력 변동률(기설 풍력 발전소의 출력 변동률)에 대해, 발전소 시스템 출력 PS의 출력 변동률을 비교하였을 때, 이하의 관계식이 성립되는 것이 필요하다.

따라서, 수학식 6은, 이하의 수학식 6'가 된다.

[수학식 6']

이상의 점으로부터, 출력 변동 완화의 대상이 되는 풍력 발전기군을 기설 풍력 발전기군(200)과 증설 풍력 발전기군(100)으로 하는 이 풍력 발전 시스템에서는, 기설 풍력 발전기군(200)과 증설 풍력 발전기군(100)의 합계 발전 출력 PW(합)의 출력 변동을 축전지 장치군(300)의 충방전 제어로 완화시킴으로써, 원래, 기설 풍력 발전기군(200)이 가진 출력 변동률 이하의 출력 변동률(PS)로 하는 것이 필요해진다.

컨트롤러(5)의 기능, 기설 풍력 발전기군(200), 증설 풍력 발전기군(100), 개개의 풍력 발전기, 축전지 장치군(300)의 각각의 내용에 대해서는, 기본적으로는 실시예 1과 대략 마찬가지이다.

다음으로, 본 실시예의 풍력 발전 시스템의 동작예에 대해 기재한다. 도 7은 실시예 2의 조건에 있어서, 컨트롤러(5), 축전지 장치군(3), 풍력 발전기의 발전 전력 제한을 이용한 출력 변동 제어의 상황을 시뮬레이션에 의해 산출한 결과이다. 또한, 이 시뮬레이션에 있어서도, 실시예 1과 마찬가지로, 기설 풍력 발전기군(200)의 발전 전력을 9.95MW, 증설 풍력 발전기군(100)의 발전 전력을 4.60MW, 축전지 장치군(300)의 용량을 증설 후 풍력 발전소(14.55MW)의 정격 출력의 약 8％로 하고 있다.

도 7에는, 출력 변동률에 대한 출현도의 누적 빈도의 비교를 나타낸다. 도 7의 평가 포인트도, 도 4와 마찬가지로, 기설 풍력 발전소에 있어서의 기설 풍력 발전기군(200)의 출력 변동률 40％의 출현도와 비교하는 것이며, 이것보다 큰 누적 빈도의 조건이 유효해진다. 증설 풍력 발전기군(100)과 기설 풍력 발전기군(200)의 합계 발전 출력의 출력 변동을, 축전지 장치군(300)의 충방전으로 완화시키고, 발전소 시스템 출력 PS의 출력 변동률이 20％, 30％, 40％에 들어가도록 운전한 경우의 출력 변동률과 누적 빈도의 관계를 계산하여, 출현도의 누적 빈도가 99.7％로 되는 출력 변동률을 구한다. 그 결과, 합계 발전 출력을 출력 변동률 20％와 30％로 운전한 경우에, 기설의 풍력 발전소에 있어서의 기설 풍력 발전기군(200)의 출력 변동률 이하로 되는 것을 알 수 있다. 또한, 본 시뮬레이션 결과로부터, 축전지 장치군(300)의 수명도, 충방전 사이클수를 기준으로 하여 산출한 바, 축전지 장치군(300)은 적용 예정 연수인 17년 이상의 수명을 기대할 수 있다. 충방전 제어에 수반되는 전력 손실량에 대해서는, 실시예 1보다 다소 많지만, 출력 변동률 30％로 운전한 경우에는 2.1％, 출력 변동률 20％로 운전한 경우에는 4.3％로, 대폭 작아진다고 하는 결과가 얻어져 있다.

이상의 점으로부터, 컨트롤러(5), 증설 후의 풍력 발전소에 있어서의 정격 출력의 약 8％라고 하는 매우 적은 축전지 장치군(300), 풍력 발전기의 발전 전력 제한을 이용한 출력 변동 제어에 의해, 증설 풍력 발전기군(100)과 기설 풍력 발전기군(200)의 합계를 출력 변동률 20％에 들어가도록 운전함으로써, 본 발명의 목적인, 증설형 풍력 발전소(11)의 출력 변동률을 기설의 풍력 발전소에 있어서의 기설 풍력 발전기군(200)의 출력 변동률 이하, 또는 동일 레벨로 하고, 또한 총 발전 출력만을 효율적으로 증가시키는 것이 가능해진다.

또한, 실시예 1 및 2에 상관없이, 축전지 장치군(300)에 대해서는, 정격 출력의 약 8％라고 하는 매우 적은 용량으로 되어 있지만, 그 용량을 증가시키면 증가시킬수록 풍력 발전기 증설에 수반되는 출력 변동 증가를 억제하기 쉬워지는 한편, 축전지의 비용이 증가하므로, 비용면에서는 효과적이지 않다. 일반적으로는 축전지 장치군(300)을 정격 출력의 5?25％ 정도로 하는 것이 바람직하다.

4 : 풍력 발전기용SCADA
5 : 컨트롤러
6, 7, 8, 12 : 전력계
9 : 연계 트랜스포머
10 : 전력 계통
11 : 증설 후 풍력 발전소
100 : 증설 풍력 발전기군
200 : 기설 풍력 발전기군
300 : 축전지 장치군

Claims

1대 이상의 기설 풍력 발전기를 갖는 풍력 발전소에 1대 이상의 증설 풍력 발전기를 설치한 풍력 발전 시스템으로서,
1대 이상의 축전지 장치와, 상기 기설 풍력 발전기의 발전 출력을 검출하는 발전 전력 검출 장치와, 상기 축전지 장치의 충방전 전력을 검출하는 충방전 전력 검출 장치와, 상기 축전지 장치의 충방전을 제어하는 제어 장치를 구비하고,
상기 제어 장치는, 상기 풍력 발전 시스템에 있어서의 변동 완화해야 할 소정 주기의 출력 변동 또는 출력 변동률이, 미리 구한 상기 증설 풍력 발전기를 설치하기 전의 상기 풍력 발전소의 상기 기설 풍력 발전기의 출력 변동 또는 출력 변동률 이하로 되도록, 상기 축전지 장치의 충방전을 제어하여 상기 기설 풍력 발전기의 발전 전력과 상기 축전지 장치의 충방전 전력의 합인 상기 기설 풍력 발전기의 시스템 출력을 제어하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템.

제1항에 있어서,
상기 제어 장치는, 상기 기설 풍력 발전기의 시스템 출력의 출력 변동 또는 출력 변동률이, 상기 미리 구한 기설 풍력 발전기의 출력 변동 또는 출력 변동률과 미리 구한 상기 증설 풍력 발전기의 출력 변동 또는 출력 변동률의 차 이하로 되도록, 상기 축전지 장치의 충방전을 제어하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템.

제2항에 있어서,
상기 제어 장치는, 상기 발전 전력 검출 장치와 상기 충방전 전력 검출 장치로부터의 신호에 기초하여 상기 기설 풍력 발전기의 시스템 출력을 산출하고, 상기 소정 주기에 대응하는 현재로부터 과거의 어느 일정 기간에 있어서의 상기 기설 풍력 발전기의 시스템 출력의 최대값과 최소값을 구하고, 상기 최소값에 상기 출력 변동 또는 출력 변동률의 차에 대응하는 전력을 가산하여 현재로부터 일정 기간 후인 상기 소정 주기의 종기에 있어서의 상기 시스템 출력의 출력 가능 폭의 상한을 구하고, 상기 최대값으로부터 상기 출력 변동 또는 출력 변동률의 차에 대응하는 전력을 감산하여 상기 출력 가능 폭의 하한을 구하고, 상기 기설 풍력 발전기의 발전 전력을 상기 출력 가능 폭의 상한 및 하한과 비교하여, 상기 기설 풍력 발전기의 발전 전력이 상기 출력 가능 폭을 일탈하는 경우에 상기 축전지 장치에 충방전 명령을 내리는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템.

제3항에 있어서,
상기 제어 장치는, 상기 기설 풍력 발전기의 발전 전력이 상기 출력 가능 폭에 있는 경우, 상기 축전지 장치에 대기 명령을 내리고, 상기 기설 풍력 발전기의 발전 전력이 상기 출력 가능 폭의 상한을 초과하는 경우, 상기 축전지 장치에 충전 명령을 내리고, 상기 기설 풍력 발전기의 발전 전력이 상기 출력 가능 폭의 하한을 하회하는 경우, 상기 축전지 장치에 방전 명령을 내리는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템.

제4항에 있어서,
상기 기설 풍력 발전기 중 적어도 하나는 출력 제한 기능을 구비하고, 상기 제어 장치는, 상기 소정 주기의 종기에 있어서의 상기 기설 풍력 발전기의 발전 출력이, 상기 축전지 장치에 충전 명령을 내리는 충전 전력을 빼도 상기 출력 가능 폭의 상한을 초과할 때에 상기 출력 제한 기능을 구비한 상기 기설 풍력 발전기에 출력 제한 명령을 내리는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템.

1대 이상의 기설 풍력 발전기를 갖는 풍력 발전소에 1대 이상의 증설 풍력 발전기를 설치한 풍력 발전 시스템으로서,
1대 이상의 축전지 장치와, 상기 기설 풍력 발전기의 발전 출력과 상기 증설 풍력 발전기의 발전 전력을 검출하는 발전 전력 검출 장치와, 상기 축전지 장치의 충방전 전력을 검출하는 충방전 전력 검출 장치와, 상기 축전지 장치의 충방전을 제어하는 제어 장치를 구비하고,
상기 제어 장치는, 상기 풍력 발전 시스템에 있어서의 변동 완화해야 할 소정 주기의 출력 변동 또는 출력 변동률이, 미리 구한 상기 증설 풍력 발전기를 설치하기 전의 상기 풍력 발전소의 상기 기설 풍력 발전기의 출력 변동 또는 출력 변동률 이하로 되도록, 상기 축전지 장치의 충방전을 제어하여 상기 기설 풍력 발전기의 발전 전력과 상기 증설 풍력 발전기의 발전 전력과 상기 축전지 장치의 충방전 전력의 합인 상기 풍력 발전 시스템의 시스템 출력을 제어하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템.

제6항에 있어서,
상기 제어 장치는, 상기 발전 전력 검출 장치와 상기 충방전 전력 검출 장치로부터의 신호에 기초하여 상기 시스템 출력을 산출하고, 상기 소정 주기에 대응하는 현재로부터 과거의 어느 일정 기간에 있어서의 상기 시스템 출력의 최대값과 최소값을 구하고, 상기 최소값에 미리 구한 상기 출력 변동 또는 출력 변동률에 대응하는 전력을 가산하여 현재로부터 일정 기간 후인 상기 소정 주기의 종기에 있어서의 상기 시스템 출력의 출력 가능 폭의 상한을 구하고, 상기 최대값으로부터 상기 출력 변동 또는 출력 변동률의 차에 대응하는 전력을 감산하여 상기 출력 가능 폭의 하한을 구하고, 상기 기설 풍력 발전기와 상기 증설 풍력 발전기의 합계 발전 전력을 상기 출력 가능 폭의 상한 및 하한과 비교하여, 상기 합계 발전 전력이 상기 출력 가능 폭을 일탈하는 경우에 상기 축전지 장치에 충방전 명령을 내리는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템.

제7항에 있어서,
상기 제어 장치는, 상기 합계 발전 전력이 상기 출력 가능 폭에 있는 경우, 상기 축전지 장치에 대기 명령을 내리고, 상기 합계 발전 전력이 상기 출력 가능 폭의 상한을 초과하는 경우, 상기 축전지 장치에 충전 명령을 내리고, 상기 합계 발전 전력이 상기 출력 가능 폭의 하한을 하회하는 경우, 상기 축전지 장치에 방전 명령을 내리는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템.

제7항에 있어서,
상기 기설 풍력 발전기 및 상기 증설 풍력 발전기 중 적어도 하나의 풍력 발전기는 출력 제한 기능을 구비하고, 상기 제어 장치는, 상기 소정 주기의 종기에 있어서의 상기 합계 발전 출력이, 상기 축전지 장치에 충전 명령을 내리는 충전 전력을 빼도 상기 출력 가능 폭의 상한을 초과할 때에 상기 출력 제한 기능을 구비한 상기 풍력 발전기에 출력 제한 명령을 내리는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템.

기설 풍력 발전기를 갖는 풍력 발전소에 새로운 풍력 발전기를 증설하여 총 발전 전력을 증가시키는 풍력 발전 시스템에 있어서의 풍력 발전기 증설 방법으로서,
기설 풍력 발전소의 중주기 영역에 있어서의 출력 변동 또는 출력 변동률을 구하고,
상기 기설 풍력 발전소의 상기 출력 변동 또는 출력 변동률에 기초하여, 증설 풍력 발전기의 출력 변동 또는 출력 변동률을 추측하고,
새로운 풍력 발전기를 증설한 후의 풍력 발전소의 출력 변동 또는 출력 변동률이, 상기 기설 풍력 발전소의 출력 변동 또는 출력 변동률을 초과하지 않도록, 축전지 장치와 그 축전지 장치의 충방전 제어 장치를 계획하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템에 있어서의 풍력 발전기 증설 방법.