JP2002285949A - 電力貯蔵装置を用いて効率改善した風力発電設備 - Google Patents
電力貯蔵装置を用いて効率改善した風力発電設備Info
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- Supply And Distribution Of Alternating Current (AREA)
- Control Of Eletrric Generators (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 変動する風速に合わせて風力発電回転翼の出
力係数の大きな回転スピードに維持して風力変換効率を
上げるが、電力変動は別に設置した電力貯蔵装置で平滑
化して、外部へ動揺を出さない。 【構成】風力発電機からの発電出力を高速に制御して風
車翼の回転スピードを変化できる電力制御装置と、その
電力変動を平滑化して外部に擾乱を与えないようにする
ための電力貯蔵装置を備え、風車翼の回転スピードは脈
動する風速から電力への高い変換効率を追従するように
制御される風力発電設備。 【効果】平均風速６．２ｍの場合、従来の一定回転数で
は平均１６ｋＷであるが、風力変換効率最大スピード追
従運転の場合、フライホイールの損失を入れても４６ｋ
Ｗの一定電力が得られる。
力係数の大きな回転スピードに維持して風力変換効率を
上げるが、電力変動は別に設置した電力貯蔵装置で平滑
化して、外部へ動揺を出さない。 【構成】風力発電機からの発電出力を高速に制御して風
車翼の回転スピードを変化できる電力制御装置と、その
電力変動を平滑化して外部に擾乱を与えないようにする
ための電力貯蔵装置を備え、風車翼の回転スピードは脈
動する風速から電力への高い変換効率を追従するように
制御される風力発電設備。 【効果】平均風速６．２ｍの場合、従来の一定回転数で
は平均１６ｋＷであるが、風力変換効率最大スピード追
従運転の場合、フライホイールの損失を入れても４６ｋ
Ｗの一定電力が得られる。
Description
【０００１】
【発明が解決しようとする課題】時間的に変動する発電
電力は結合された電力系統にとって周波数の変動や電圧
変動をもたらし、電力の品質を低下させる。本発明は、
周波数や電力が変動する発電設備と電力系統との結合に
電力制御装置とエネルギー貯蔵装置と組み合わせて用い
て出力を制御すれば、電力変動を低減するばかりではな
く、あわせて風力発電効率も高めて、送電することを可
能にする構成を提供しようとするものである。
電力は結合された電力系統にとって周波数の変動や電圧
変動をもたらし、電力の品質を低下させる。本発明は、
周波数や電力が変動する発電設備と電力系統との結合に
電力制御装置とエネルギー貯蔵装置と組み合わせて用い
て出力を制御すれば、電力変動を低減するばかりではな
く、あわせて風力発電効率も高めて、送電することを可
能にする構成を提供しようとするものである。
【０００２】
【産業上の利用分野】太陽、風力など自然エネルギーを
利用して発電を行う場合、自然エネルギーは出力が変動
するため、変動電力は、系統連系点での電圧変動が系統
接続条件を越える問題をもたらす。さらに規模が大きく
なって発電電力が大きくなると系統全体の周波数変動の
問題も起こってくる。
利用して発電を行う場合、自然エネルギーは出力が変動
するため、変動電力は、系統連系点での電圧変動が系統
接続条件を越える問題をもたらす。さらに規模が大きく
なって発電電力が大きくなると系統全体の周波数変動の
問題も起こってくる。
【０００３】風力発電に関して先進国であるオランダ、
アメリカの技術開発と１万台を越える量産効果からコス
トが下がり、５００ｋＷ機では３０万円／ｋＷと年平均
６ｍの風で発電コストが１６円／ｋＷｈ程度になって、
条件しだいで十分な電力源となる状況になってきた。我
が国でも近年の自然エネルギーブーム、グリーン電力の
導入に代表される高まりから、地方自治体、民間、第３
セクターが参入し、全国に風力発電設備を数千機建設す
る計画がある。しかし、我が国は地形が複雑、気象が安
定しないなど風力発電は変動の大きな電力として、結合
される電力事業者は買い取りを制限しようとしている。
アメリカの技術開発と１万台を越える量産効果からコス
トが下がり、５００ｋＷ機では３０万円／ｋＷと年平均
６ｍの風で発電コストが１６円／ｋＷｈ程度になって、
条件しだいで十分な電力源となる状況になってきた。我
が国でも近年の自然エネルギーブーム、グリーン電力の
導入に代表される高まりから、地方自治体、民間、第３
セクターが参入し、全国に風力発電設備を数千機建設す
る計画がある。しかし、我が国は地形が複雑、気象が安
定しないなど風力発電は変動の大きな電力として、結合
される電力事業者は買い取りを制限しようとしている。
【０００４】
【従来の技術】しかし、風況の良い立地から開発されて
きており、しだいに、風の脈動の多い場所や弱い風の場
所に風車を建設する傾向がある。近年、風力発電では、
系統への結合を行う際、インバータ・コンバータシステ
ムを介して系統に結合して電力変動を極力低減する運転
ができるシステムが開発されている。
きており、しだいに、風の脈動の多い場所や弱い風の場
所に風車を建設する傾向がある。近年、風力発電では、
系統への結合を行う際、インバータ・コンバータシステ
ムを介して系統に結合して電力変動を極力低減する運転
ができるシステムが開発されている。
【０００５】また、貯蔵装置として二次電池を置き、電
力を蓄積・放出することにより、風力の欠点である不安
定な出力を平滑化する試みがなされているが急速な充放
電は電池の寿命などの問題が生じている。
力を蓄積・放出することにより、風力の欠点である不安
定な出力を平滑化する試みがなされているが急速な充放
電は電池の寿命などの問題が生じている。
【０００６】風車翼と発電機の持つフライホイール効果
を積極的に利用すれば風力脈動の数秒から十秒程度の短
時間の平滑には効果あり、発電電力を半導体電力変換器
であるインバータ・コンバータシステムで送出電力一定
に制御するシステムはすでにある（特許公開２０００−
６９７９７、特許公開平１１−８２２８２）。これは系
統接続時のショック緩和とタワーシャドウー効果や地上
効果と言われる風車回転数の２ないし３倍の変動の平滑
には効果がある。また、電力変換装置として回転型誘導
移相機を用いて平滑化を図る考えは（特許「風力発電設
備の出力制御法」特願２０００−１９７３３１）にもあ
り、従来の風力発電が回転型誘導移相機を付加すること
で改善されるが指摘されている。これらは、発電電力の
平滑化に目標を置いたもので、風速の脈動に合わせて風
車翼の回転スピードを積極的に変化させて発電効率を上
げられる可能性については、電力変動が増えることが欠
点であるとして試みられていない。
を積極的に利用すれば風力脈動の数秒から十秒程度の短
時間の平滑には効果あり、発電電力を半導体電力変換器
であるインバータ・コンバータシステムで送出電力一定
に制御するシステムはすでにある（特許公開２０００−
６９７９７、特許公開平１１−８２２８２）。これは系
統接続時のショック緩和とタワーシャドウー効果や地上
効果と言われる風車回転数の２ないし３倍の変動の平滑
には効果がある。また、電力変換装置として回転型誘導
移相機を用いて平滑化を図る考えは（特許「風力発電設
備の出力制御法」特願２０００−１９７３３１）にもあ
り、従来の風力発電が回転型誘導移相機を付加すること
で改善されるが指摘されている。これらは、発電電力の
平滑化に目標を置いたもので、風速の脈動に合わせて風
車翼の回転スピードを積極的に変化させて発電効率を上
げられる可能性については、電力変動が増えることが欠
点であるとして試みられていない。
【０００７】また、電力の平滑化に関しては、２次電池
の利用が検討され、実証試験もなされた。例えば、東京
電力（株）が富津の風力発電実験設備においてナトリウ
ム硫黄電池で実証試験を行っているが、急速な充放電の
繰り返しによる効率や寿命等の問題解決が課題であると
されている。
の利用が検討され、実証試験もなされた。例えば、東京
電力（株）が富津の風力発電実験設備においてナトリウ
ム硫黄電池で実証試験を行っているが、急速な充放電の
繰り返しによる効率や寿命等の問題解決が課題であると
されている。
【０００８】
【本発明の目指すもの】風の風速変動スペクトルは、例
えば１９６４年のＶａｎ ｄｅｒ Ｈｏｖｅｎ氏の実測
によれば図９に示すように数秒から３分程度までに、さ
らに１２から１５時間、長周期では数日の周期、の３つ
の大きなエネルギー分布が存在する。３分以内の周期変
動を吸収できるエネルギー貯蔵装置を付加すれば、高品
位な電力が系統に送ることができることがわかる。
えば１９６４年のＶａｎ ｄｅｒ Ｈｏｖｅｎ氏の実測
によれば図９に示すように数秒から３分程度までに、さ
らに１２から１５時間、長周期では数日の周期、の３つ
の大きなエネルギー分布が存在する。３分以内の周期変
動を吸収できるエネルギー貯蔵装置を付加すれば、高品
位な電力が系統に送ることができることがわかる。
【０００９】このことから、３分程度の風速の変動によ
る発電電力の変動を平滑化する高効率で、高繰り返し充
放電に耐える電力貯蔵装置を付加し、系統に許容できる
程度に電力を平滑化し、安定化された電力を供給できる
風力発電装置を提供するものである。
る発電電力の変動を平滑化する高効率で、高繰り返し充
放電に耐える電力貯蔵装置を付加し、系統に許容できる
程度に電力を平滑化し、安定化された電力を供給できる
風力発電装置を提供するものである。
【００１０】
【発明が解決しようとする手段】このためにフライホイ
ール式電力貯蔵装置は、短周期の充放電運転に対して高
い効率を示す貯蔵装置であるが、これを付加することに
より風車の電力変動は系統または負荷に許容レベルまで
緩和できるので、常に風車は風のエネルギーを最大の効
率で変換する運転が可能になる。すなわち風速の変動に
合わせて風車の最大効率の回転スピードになるように発
電機の出力を電力制御装置で高速にプラス・マイナスに
調節することにより、最大効率速度追従運転が可能にな
る。
ール式電力貯蔵装置は、短周期の充放電運転に対して高
い効率を示す貯蔵装置であるが、これを付加することに
より風車の電力変動は系統または負荷に許容レベルまで
緩和できるので、常に風車は風のエネルギーを最大の効
率で変換する運転が可能になる。すなわち風速の変動に
合わせて風車の最大効率の回転スピードになるように発
電機の出力を電力制御装置で高速にプラス・マイナスに
調節することにより、最大効率速度追従運転が可能にな
る。
【００１１】基本的システム構成の例を図１に示すが、
風車発電機と系統の間に誘導型回転移相機を介して連系
接続し、移相機の制御により発電出力を平滑化できるこ
とはすでに特許（特願２０００−１９７３３１）として
出願されている。これは前述のように従来の一定回転ス
ピードで直接結合される場合よりも発電効率がよくなる
ことはわかっている。
風車発電機と系統の間に誘導型回転移相機を介して連系
接続し、移相機の制御により発電出力を平滑化できるこ
とはすでに特許（特願２０００−１９７３３１）として
出願されている。これは前述のように従来の一定回転ス
ピードで直接結合される場合よりも発電効率がよくなる
ことはわかっている。
【００１２】本発明では風車翼の回転スピードを変える
ために電力出力を急速にプラスまたはマイナスに増減す
ることにより制御する。風速が急変した場合、回転の追
従のために発電機が電動機となることも有り得る電力制
御を行う。これは電力貯蔵装置があるため可能になる運
転で風力エネルギーを汲み上げるポンプの役目、呼び水
に当たるエネルギーをフライホイールが供給する概念は
これまでに無く、これを風力ポンプアップ運転と呼ぶ。
ために電力出力を急速にプラスまたはマイナスに増減す
ることにより制御する。風速が急変した場合、回転の追
従のために発電機が電動機となることも有り得る電力制
御を行う。これは電力貯蔵装置があるため可能になる運
転で風力エネルギーを汲み上げるポンプの役目、呼び水
に当たるエネルギーをフライホイールが供給する概念は
これまでに無く、これを風力ポンプアップ運転と呼ぶ。
【００１３】風車翼の回転スピードは風力変換効率を考
慮した、最適なスピードを常に追従する。図３は、風力
発電の出力係数を示すが、一般に風車翼は、風力からの
以下の式で回転力Ｐｔに変換する。 ここで、Ｃｐは出力係数、Ａｖは翼の回転面積、ρは空
気の密度、Ｖｗは風速である。横軸に周速比（風車翼の
周速に対する風速の比）をとると、どの風車でも出力係
数は図３のようにピークがある形である。風速に会わせ
て、回転スピードを変えることが効率を上昇させるため
に必要である。従来の発電機−系統直結型では、回転ス
ピードが一定のため、風速の低速と高速時に理論的最大
出力に対して減少せざるをえない。
慮した、最適なスピードを常に追従する。図３は、風力
発電の出力係数を示すが、一般に風車翼は、風力からの
以下の式で回転力Ｐｔに変換する。 ここで、Ｃｐは出力係数、Ａｖは翼の回転面積、ρは空
気の密度、Ｖｗは風速である。横軸に周速比（風車翼の
周速に対する風速の比）をとると、どの風車でも出力係
数は図３のようにピークがある形である。風速に会わせ
て、回転スピードを変えることが効率を上昇させるため
に必要である。従来の発電機−系統直結型では、回転ス
ピードが一定のため、風速の低速と高速時に理論的最大
出力に対して減少せざるをえない。
【００１４】短時間繰り返し充放電にはフライホイール
付き可変速発電機電力貯蔵装置を接続して出力を平滑化
するのが良い。図７の平均風速６．２ｍ／ｓの風でのシ
ミュレーションで想定した充放電エネルギー１ＭＪのフ
ライホイールの場合、従来技術の軸受、風損の少ないヘ
リウム５０％空気５０％混合大気圧ガス（特許公開２０
００−３５８３４４）中で運転されるフライホイールで
は銅損、変換機損、フライホイール風損を考慮してフラ
イホイール装置の効率は９２％としてよいことがわかっ
ている。短周期の繰り返し充放電で効率が上昇すること
がフライホイール電力貯蔵装置の特徴であるがまた風況
に応じてフライホイール運転回転スピードを変化するこ
とも風力発電のシステム効率の上昇に寄与するなど、フ
ライホイール電力貯蔵装置は風力発電には最適である特
性を多く持っていると言える。
付き可変速発電機電力貯蔵装置を接続して出力を平滑化
するのが良い。図７の平均風速６．２ｍ／ｓの風でのシ
ミュレーションで想定した充放電エネルギー１ＭＪのフ
ライホイールの場合、従来技術の軸受、風損の少ないヘ
リウム５０％空気５０％混合大気圧ガス（特許公開２０
００−３５８３４４）中で運転されるフライホイールで
は銅損、変換機損、フライホイール風損を考慮してフラ
イホイール装置の効率は９２％としてよいことがわかっ
ている。短周期の繰り返し充放電で効率が上昇すること
がフライホイール電力貯蔵装置の特徴であるがまた風況
に応じてフライホイール運転回転スピードを変化するこ
とも風力発電のシステム効率の上昇に寄与するなど、フ
ライホイール電力貯蔵装置は風力発電には最適である特
性を多く持っていると言える。
【００１５】図２は、本発明の一実施例であるが、回転
型誘導移相機はインバータ・コンバータ装置で周波数の
変換と電力制御をおこなっても効果は同じであるが、従
来の同期機を交流可変速機に変えることができる構成で
ある。もちろん。この同期機と回転型誘導移相機は巻き
線型誘導機による交流励磁可変速発電機にしてもよい。
しかし、風の変化速度は数秒の周期とおそいので、効率
がよく高調波の無い機械式誘導移相機でも十分追従す
る。図２は主回路には高調波を出さない機器で構成され
ているのが特徴でもある。
型誘導移相機はインバータ・コンバータ装置で周波数の
変換と電力制御をおこなっても効果は同じであるが、従
来の同期機を交流可変速機に変えることができる構成で
ある。もちろん。この同期機と回転型誘導移相機は巻き
線型誘導機による交流励磁可変速発電機にしてもよい。
しかし、風の変化速度は数秒の周期とおそいので、効率
がよく高調波の無い機械式誘導移相機でも十分追従す
る。図２は主回路には高調波を出さない機器で構成され
ているのが特徴でもある。
【００１６】
【作用】回転型誘導移相機は系統の周波数ω０と風車発
電機の周波数ω１の差を補完する回転数で回転させ、そ
のトルクで電力を制御する。風力パワーＰｉｎに合わせ
て発電機の発生電力Ｐｏｕｔを式２に示されるように、
もしω１を下げるにはＰｉｎより大きなＰｏｕｔにすれ
ばよく、もしω１を上げるにはＰｉｎより小さなＰｏｕ
ｔにすればよく、短時間に追従させるには、Ｐｏｕｔを
マイナスすなわち電動機になって回転翼のスピードを上
げる制御をする。このように電力を調整しながら、結局
は風車の回転数を風速に合わせた周速比（Ｔｉｐ Ｓｐ
ｅｅｄ Ｒａｔｉｏ）になるように制御する。式で表す
と以下の様である。ここでＩは風車と発電機の回転モー
メントの和である。 ここでは発電機の効率は十分に高いと仮定している。Ｐ
ｏｕｔは電力蓄積装置へと導かれて、余剰電力を吸収貯
蔵または放出され、負荷または電力系統には平滑した電
力が送られる。また、電力貯蔵装置は負荷または電力系
統に送る電力を平滑化するばかりではなく、系統接続点
の電圧制御、力率制御のためにも運転される。
電機の周波数ω１の差を補完する回転数で回転させ、そ
のトルクで電力を制御する。風力パワーＰｉｎに合わせ
て発電機の発生電力Ｐｏｕｔを式２に示されるように、
もしω１を下げるにはＰｉｎより大きなＰｏｕｔにすれ
ばよく、もしω１を上げるにはＰｉｎより小さなＰｏｕ
ｔにすればよく、短時間に追従させるには、Ｐｏｕｔを
マイナスすなわち電動機になって回転翼のスピードを上
げる制御をする。このように電力を調整しながら、結局
は風車の回転数を風速に合わせた周速比（Ｔｉｐ Ｓｐ
ｅｅｄ Ｒａｔｉｏ）になるように制御する。式で表す
と以下の様である。ここでＩは風車と発電機の回転モー
メントの和である。 ここでは発電機の効率は十分に高いと仮定している。Ｐ
ｏｕｔは電力蓄積装置へと導かれて、余剰電力を吸収貯
蔵または放出され、負荷または電力系統には平滑した電
力が送られる。また、電力貯蔵装置は負荷または電力系
統に送る電力を平滑化するばかりではなく、系統接続点
の電圧制御、力率制御のためにも運転される。
【００１７】図４は、竜飛崎５００ｋＷ風力発電の電気
出力をある時間記録したものである。図９に示すが風の
脈動は実測されたスペクトルから３分程度の周期以内が
多いことがわかっている。これを平滑化するに必要なエ
ネルギー貯蔵量は、風力の乱れ度により決まる。乱れ度
は風力の瞬時ピークと平均との比から１を引いたもので
ある。これを実測データから例えば０．１から０．２と
すると必要なエネルギー貯蔵量が計算される。計算によ
ると風力発電機の容量ベースで０．０１から０．０２
ＭＪ／ｋＷである。
出力をある時間記録したものである。図９に示すが風の
脈動は実測されたスペクトルから３分程度の周期以内が
多いことがわかっている。これを平滑化するに必要なエ
ネルギー貯蔵量は、風力の乱れ度により決まる。乱れ度
は風力の瞬時ピークと平均との比から１を引いたもので
ある。これを実測データから例えば０．１から０．２と
すると必要なエネルギー貯蔵量が計算される。計算によ
ると風力発電機の容量ベースで０．０１から０．０２
ＭＪ／ｋＷである。
【００１８】エネルギー貯蔵装置は、蓄積エネルギーを
Ｅｓｔｏｒａｇｅとするとそれを維持するパワーＰ
ｌｏｓｓとの間にはエネルギー蓄積時定数τの関係があ
る。 例えば日本原子力研究所で核融合装置ＪＴ−６０用に１
９８５年に建設された大気圧中で回転する世界最大のフ
ライホイールは充放電エネルギー４ＧＪ発電電力１８０
ＭＶＡローター総重量１０００トン、毎分６００ｒｐｍ
時の蓄積エネルギー８ＧＪで、そのときの回転維持電力
は約５ＭＷであったがエネルギー蓄積時定数τは１６０
０秒であった。この時定数よりも、短い周期の平滑化は
効率が得られる。
Ｅｓｔｏｒａｇｅとするとそれを維持するパワーＰ
ｌｏｓｓとの間にはエネルギー蓄積時定数τの関係があ
る。 例えば日本原子力研究所で核融合装置ＪＴ−６０用に１
９８５年に建設された大気圧中で回転する世界最大のフ
ライホイールは充放電エネルギー４ＧＪ発電電力１８０
ＭＶＡローター総重量１０００トン、毎分６００ｒｐｍ
時の蓄積エネルギー８ＧＪで、そのときの回転維持電力
は約５ＭＷであったがエネルギー蓄積時定数τは１６０
０秒であった。この時定数よりも、短い周期の平滑化は
効率が得られる。
【００１９】エネルギー貯蔵装置の運転効率ηｅは以下
の式で表される。ηｉｎ、ηｏｕｔ、は電気から機械エ
ネルギーへの変換効率でＴは運転周期、Ｅｏｕｔは取り
出すエネルギーで、全蓄積エネルギーの０．５程度であ
る。 この式より、入出力の効率ηｉｎ、ηｏｕｔ、が０．９
５以上と高いフライホイールは変動周期２０秒として、
エネルギー蓄積時定数をＪＴ−６０のフライホイールと
おなじ１６００秒とすれば、Ｔ／τ＝２０／１６００＝
０．０１２５となるから、これより効率ηｅは０．８８
となる。
の式で表される。ηｉｎ、ηｏｕｔ、は電気から機械エ
ネルギーへの変換効率でＴは運転周期、Ｅｏｕｔは取り
出すエネルギーで、全蓄積エネルギーの０．５程度であ
る。 この式より、入出力の効率ηｉｎ、ηｏｕｔ、が０．９
５以上と高いフライホイールは変動周期２０秒として、
エネルギー蓄積時定数をＪＴ−６０のフライホイールと
おなじ１６００秒とすれば、Ｔ／τ＝２０／１６００＝
０．０１２５となるから、これより効率ηｅは０．８８
となる。
【００２０】二次電池は充放電効率が悪いため、運転周
期に関係なく効率ηｅが０．７６程度であるから、フラ
イホイールの方がこの場合有利である。フライホイール
やＳＭＥＳさらにコンデンサは充電放電効率が良いので
今回の高繰り返しの電力貯蔵に利用できる。しかし、時
定数は小型装置では短くなるが、エネルギー貯蔵量が大
きくなると、損失も大きくなる。これより必要貯蔵量に
合わせて用意するのが、蓄積に関わる損失を最小にす
る。すなわち、風速と脈動に応じて貯蔵量を制御するの
が良い。
期に関係なく効率ηｅが０．７６程度であるから、フラ
イホイールの方がこの場合有利である。フライホイール
やＳＭＥＳさらにコンデンサは充電放電効率が良いので
今回の高繰り返しの電力貯蔵に利用できる。しかし、時
定数は小型装置では短くなるが、エネルギー貯蔵量が大
きくなると、損失も大きくなる。これより必要貯蔵量に
合わせて用意するのが、蓄積に関わる損失を最小にす
る。すなわち、風速と脈動に応じて貯蔵量を制御するの
が良い。
【００２１】
【発明の実施の形態】年間風況測定から風力脈動のどの
周期までを貯蔵装置で平滑化するかは初期コストと損失
を考慮に入れて設計するべきであるが、先に示した乱れ
度を用いて計算すれば、風力発電ｋＷあたりの容量は
０．０１〜０．０２ ＭＪ／ｋＷを目安すればよいこと
がわかった。 貯蔵装置エネルギー量＝０．０１〜０．０２ ＭＪ／ｋ
Ｗ これから、平均出力に応じてフライホイールの貯蔵エネ
ルギーを変える、すなわちフライホイールの回転数範囲
を変える運転が効率を良くすることがわかる。
周期までを貯蔵装置で平滑化するかは初期コストと損失
を考慮に入れて設計するべきであるが、先に示した乱れ
度を用いて計算すれば、風力発電ｋＷあたりの容量は
０．０１〜０．０２ ＭＪ／ｋＷを目安すればよいこと
がわかった。 貯蔵装置エネルギー量＝０．０１〜０．０２ ＭＪ／ｋ
Ｗ これから、平均出力に応じてフライホイールの貯蔵エネ
ルギーを変える、すなわちフライホイールの回転数範囲
を変える運転が効率を良くすることがわかる。
【００２２】
【発明の効果】風力翼の最も効率のよい回転数を追従す
る制御（マキシマム・パワー・ポイント・トラッキング
ＭＰＴ）をフライホイール電力貯蔵装置のエネルギーを
使って行うことで効率を上げることができる。この導入
の意義は大きく、特に脈動する低風速時に効果が大きい
と言える。図５に従来の回転スピードが一定である風力
発電における出力特性を実線で示す。低風速側約６ｍ以
下に出力がカットされてゼロになる領域がある。本発明
を用いて風速に応じて回転数を変化できるようにした場
合を点線で示すが、低速域では回転速度下げて、出力が
得られることを示している。
る制御（マキシマム・パワー・ポイント・トラッキング
ＭＰＴ）をフライホイール電力貯蔵装置のエネルギーを
使って行うことで効率を上げることができる。この導入
の意義は大きく、特に脈動する低風速時に効果が大きい
と言える。図５に従来の回転スピードが一定である風力
発電における出力特性を実線で示す。低風速側約６ｍ以
下に出力がカットされてゼロになる領域がある。本発明
を用いて風速に応じて回転数を変化できるようにした場
合を点線で示すが、低速域では回転速度下げて、出力が
得られることを示している。
【００２３】
【実施のための実験と計算機シミュレーション例】図２
の構成図に基づき、誘導移相機による風力脈動の平滑化
のモデル実験結果を図６に示す。（ｂ）の結果は回転型
誘導移相機を一定トルク制御することにより、簡単に定
電力運転が可能で風車発電機の周波数が変化している
が、電力は変動が少なくなっている。これは誘導移相機
を用いれば発電する電力を制御できる。発電機の周波
数、すなわち回転スピードを制御できることを示した実
験である。このように移相機でなくても、発電電力を制
御すれば式２で示したごとく発電機の回転数は制御でき
る。
の構成図に基づき、誘導移相機による風力脈動の平滑化
のモデル実験結果を図６に示す。（ｂ）の結果は回転型
誘導移相機を一定トルク制御することにより、簡単に定
電力運転が可能で風車発電機の周波数が変化している
が、電力は変動が少なくなっている。これは誘導移相機
を用いれば発電する電力を制御できる。発電機の周波
数、すなわち回転スピードを制御できることを示した実
験である。このように移相機でなくても、発電電力を制
御すれば式２で示したごとく発電機の回転数は制御でき
る。
【００２４】図７に計算機シミュレーション結果を示
す。平均風速６．２ｍ／ｓｅｃの風速実測データをもと
に、（ａ）は従来の風力発電の場合を示す。（ｂ）が電
力一定運転である。（ｃ）の図が最高効率回転数追従運
転を行い、１８０秒間の平均電力が求められた。
す。平均風速６．２ｍ／ｓｅｃの風速実測データをもと
に、（ａ）は従来の風力発電の場合を示す。（ｂ）が電
力一定運転である。（ｃ）の図が最高効率回転数追従運
転を行い、１８０秒間の平均電力が求められた。
【００２５】従来方式である一定回転運転では、平均電
力は１６ｋＷである。風速低速時は、出力がマイナスに
なるため切断される。
力は１６ｋＷである。風速低速時は、出力がマイナスに
なるため切断される。
【００２６】電力一定電力運転では、平均電力は２９ｋ
Ｗになる。これは、回転翼のフライホイール効果が働い
て電力も安定にかつ効率も上昇した。この効果はすでに
特許出願していると前に述べた。
Ｗになる。これは、回転翼のフライホイール効果が働い
て電力も安定にかつ効率も上昇した。この効果はすでに
特許出願していると前に述べた。
【００２７】（ｃ）の最大効率運転では、平均電力は５
０ｋＷにもなる。風の弱いときも、回転翼がその最大効
率で風力を変換するためである。しかし、電力の変動は
これまでで最大になっている。
０ｋＷにもなる。風の弱いときも、回転翼がその最大効
率で風力を変換するためである。しかし、電力の変動は
これまでで最大になっている。
【００２８】このように、このシミュレーションでは、
風力が弱くかつ脈動する場合であるが、従来にくらべ３
倍の電力が発電できることになる。しかし、電力の脈動
は返って大きくなっているから、フライホイール式電力
貯蔵装置などの短周期用で効率の良い、高繰り返し充放
電可能な電力貯蔵装置が必要である。
風力が弱くかつ脈動する場合であるが、従来にくらべ３
倍の電力が発電できることになる。しかし、電力の脈動
は返って大きくなっているから、フライホイール式電力
貯蔵装置などの短周期用で効率の良い、高繰り返し充放
電可能な電力貯蔵装置が必要である。
【００２９】複数の風力発電機群に対して本発明を採用
すれば、乱れ度が下がることから、電力貯蔵設備が合理
化できることは当然である。しかし、風向きなどにより
一概には言えないから十分な調査が必要である。
すれば、乱れ度が下がることから、電力貯蔵設備が合理
化できることは当然である。しかし、風向きなどにより
一概には言えないから十分な調査が必要である。
【００３０】
【効果のシミュレーション結果】以上の説明のように本
発明は、風力の脈動を最大効率で受けることを可能に
し、かつ変動電力を平滑化する高効率な電力貯蔵装置を
併設しているので、従来、逃がしていた風力エネルギー
を電力として受けることが可能になり、全体システムと
して効率改善になる。一例として図７の場合、平均風速
６．２ｍの例で、定回転運転では、平均１６ｋＷ、定電
力運転では平均２９ｋＷ、最大効率運転の場合、平均５
０ｋＷである。
発明は、風力の脈動を最大効率で受けることを可能に
し、かつ変動電力を平滑化する高効率な電力貯蔵装置を
併設しているので、従来、逃がしていた風力エネルギー
を電力として受けることが可能になり、全体システムと
して効率改善になる。一例として図７の場合、平均風速
６．２ｍの例で、定回転運転では、平均１６ｋＷ、定電
力運転では平均２９ｋＷ、最大効率運転の場合、平均５
０ｋＷである。
【００３１】図８には図７の（ｃ）最大効率運転の場
合、風力発電機の出力が平均５０ｋＷであるが、可変速
フライホイール付き発電機の損失を入れて４６ｋＷであ
ること、そのときのフライホイール発電機の出力、フラ
イホイールの回転数について示す。
合、風力発電機の出力が平均５０ｋＷであるが、可変速
フライホイール付き発電機の損失を入れて４６ｋＷであ
ること、そのときのフライホイール発電機の出力、フラ
イホイールの回転数について示す。
【図１】この図は風力発電装置に電力調整装置を介して
電力系統に接続され、また並列に電力貯蔵装置が接続さ
れる発明の基本構成が示される。 符号の説明 １：風力発電装置 ２：電力制御装置 ３：電力貯蔵装置 ４：電力系統 ５：電力の流れ ６：最大電力追従制御装置
電力系統に接続され、また並列に電力貯蔵装置が接続さ
れる発明の基本構成が示される。 符号の説明 １：風力発電装置 ２：電力制御装置 ３：電力貯蔵装置 ４：電力系統 ５：電力の流れ ６：最大電力追従制御装置
【図２】電力制御装置に回転型誘導移相器、電力貯蔵装
置に可変速フライホイールを用いた実施例の概念図を示
す。
置に可変速フライホイールを用いた実施例の概念図を示
す。
【図３】この図は風車翼の風力−機械エネルギーへ変換
する出力係数を縦軸に風速と回転翼の周速との比を横軸
に示した図である。３種の回転翼の係数が示されるが、
中の線は竜飛崎に設置された風車である。これは最高効
率を示す周速比はひとつのピークをもち、風車固有のも
のであること、最大０．４程度であることから、風力を
最大に回転力に変える風速に合った最適回転スピードが
あることを示している。
する出力係数を縦軸に風速と回転翼の周速との比を横軸
に示した図である。３種の回転翼の係数が示されるが、
中の線は竜飛崎に設置された風車である。これは最高効
率を示す周速比はひとつのピークをもち、風車固有のも
のであること、最大０．４程度であることから、風力を
最大に回転力に変える風速に合った最適回転スピードが
あることを示している。
【図４】竜飛崎５００ｋＷ風力発電の３分間の実測値
【図５】従来型風力発電の風速に対する出力特性。風速
が約１２ｍ／Ｓ以上、早くなると羽のピッチ角制御によ
り出力をさげる運転をする。また、一定回転スピードの
場合の出力係数も示すが、風が低速になると出力が低下
し出力係数が零になることから電力が出ない。最大電力
運転を採用した場合の予想が点線で書いてあるが弱い風
で効率改善の効果が大きい。
が約１２ｍ／Ｓ以上、早くなると羽のピッチ角制御によ
り出力をさげる運転をする。また、一定回転スピードの
場合の出力係数も示すが、風が低速になると出力が低下
し出力係数が零になることから電力が出ない。最大電力
運転を採用した場合の予想が点線で書いてあるが弱い風
で効率改善の効果が大きい。
【図６】回転型誘導移相機で発電機回転数の制御が可能
なことを示す実験の結果を示す。
なことを示す実験の結果を示す。
【図７】実際に観測された風速変化に基づいた３種類の
運転方法比較の計算機シミュレーション結果。
運転方法比較の計算機シミュレーション結果。
【図８】最大効率運転時のフライホイール発電機の出力
および回転数
および回転数
【図９】１９６４年のＶａｎ ｄｅｒ Ｈｏｖｅｎ氏の
実測による風力変動の１年間のスペクトル
実測による風力変動の１年間のスペクトル
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０２Ｐ 9/00 Ｈ０２Ｐ 9/00 Ｆ (72)発明者 松川 達哉 同上 (72)発明者 鈴木 康慎 同上 Ｆターム(参考） 3H078 AA02 AA26 BB04 BB11 CC02 CC12 CC22 CC32 CC54 CC56 CC57 CC73 5G066 HA30 HB02 JA05 JA07 JB02 5H590 AA02 AA13 CA14 CC05 CC10 CC11 CD10 CE01 DD43 EB11 FA05 FA08 GA06 GA10 GB05 HA06 HA11 JA02
Claims (9)
- 【請求項１】 風力発電機風車翼の回転スピードを風速
に合わせた最適スピードに制御するために発電機電気出
力を制御する電力制御装置と、変動する電力を蓄積また
は供給するための電力貯蔵装置を備えた風力発電設備。 - 【請求項２】 風速が時間的に脈動する風力発電設備に
おいて、風車翼の風力変換係数の大きな条件で発電でき
るように風速を測定しそれに合わせた最適回転スピード
に制御するため発電機出力を増加または減少し、もしく
は逆潮流（発電機が電動機）になることも含めて回転数
の制御を行うことを特徴とした請求項１に記載の風力発
電設備 - 【請求項３】 風速が時間的に脈動する風力発電設備に
おいて、風車翼の風力変換効率の良い条件で風車翼を回
転させるため回転型誘導移相機を介在させて、系統との
周波数の差を補償しながら電力出力が制御されるが、そ
の結果生じる電力変動を平滑化の目的で高繰り返し充放
電可能なフライホイール付き可変速発電機を設置して、
系統または負荷に送る電力は平滑化が図れることを特徴
とした請求項１に記載の風力発電設備。 - 【請求項４】 風速の変化に応じて、最終的に風車発電
機群の発電電力が最大となるように回転スピードを変化
できるように電気出力を制御したシステムに於いて、外
部連係電力の変化を許容値まで平滑化できるように、脈
動周期と変動振幅の変化をスペクトル分布と乱れ度か
ら、勘案して最小限の電力貯蔵容量を決定できるフライ
ホイール付き可変速発電機を設置した請求項１に記載の
風力発電設備。 - 【請求項５】 風力発電機が直流発電機もしくは巻き線
型誘導機による可変速発電機である場合、風力発電の風
力−電力変換効率最大の点を常の追従するように、発電
電力を制御することによって回転スピードが制御される
ことを特徴とした請求項１に記載の風力発電設備。 - 【請求項６】 風力発電に付加する電力貯蔵装置におい
て、風力発電の脈動周期、乱れ度を勘案して、高繰り返
し充放電に対して高効率で、長寿命であることから可変
速フライホイール式電力貯蔵装置を採用し、フライホイ
ールの回転スピード変化範囲を平均風速と乱れ度で選択
できることを特徴とした請求項１に記載の風力発電設
備。 - 【請求項７】 請求項１に記載の電力制御装置として回
転型誘導移相機を用いて系統連系している風力発電設備
において、回転型誘導移相機により発電電力の脈動を平
滑化せず、むしろ風車翼の最大効率運転を追従するため
積極的に風車翼の回転スピードを変化させるが、過大な
トルクによって発電機が脱調しないよう制限した範囲で
行う請求項１に記載の風力発電設備。 - 【請求項８】 請求項１に記載の電力制御装置として半
導体電力変換器を用いて系統連系している風力発電設備
において、半導体電力変換器の発電機側から制御するこ
とで風車翼の回転スピードを風速に合わせて変化させる
場合、付随して起こる電力変動はフライホイール付き可
変速発電機で平滑化を図ることを特徴とする請求項１に
記載の風力発電設備。 - 【請求項９】 請求項１に記載の電力貯蔵装置として超
電導磁気エネルギー電力貯蔵（ＳＭＥＳ）もしくは電気
二重層コンデンサなど、高繰り返しの充放電に対して長
寿命で充放電効率が良い電力貯蔵装置を用いて風力から
電力への変換最大効率追従運転を行う請求項１に記載の
風力発電設備
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001133416A JP4056713B2 (ja) | 2001-03-26 | 2001-03-26 | 風力発電設備 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001133416A JP4056713B2 (ja) | 2001-03-26 | 2001-03-26 | 風力発電設備 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002285949A true JP2002285949A (ja) | 2002-10-03 |
| JP4056713B2 JP4056713B2 (ja) | 2008-03-05 |
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|---|---|---|---|---|
| JP2003035248A (ja) * | 2001-07-26 | 2003-02-07 | Fuji Heavy Ind Ltd | 風力発電機の運転制御方法 |
| JP2007023811A (ja) * | 2005-07-13 | 2007-02-01 | Shinko Electric Co Ltd | 風力発電設備 |
| KR100870231B1 (ko) * | 2003-07-30 | 2008-11-24 | 김상년 | 풍력을 이용한 발전기 |
| CN100464493C (zh) * | 2007-03-13 | 2009-02-25 | 西安理工大学 | 基于数控飞轮混合驱动的风力发电变速恒频方法及其装置 |
| JP2011038406A (ja) * | 2009-08-06 | 2011-02-24 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 風力発電装置、風力発電装置の制御方法、風力発電システム及び風力発電システムの制御方法 |
| KR101048961B1 (ko) * | 2009-04-17 | 2011-07-12 | 창원대학교 산학협력단 | 주파수 안정화용 전도냉각형 에스엠이에스 시스템 |
| KR101170697B1 (ko) | 2010-05-31 | 2012-08-07 | 가부시키가이샤 비루멘 가고시마 | 풍력 발전 장치 |
| JP2013070603A (ja) * | 2011-09-20 | 2013-04-18 | Siemens Ag | ウインドファームの作動方法、ウインドファームコントローラおよびウインドファーム |
| CN103219736A (zh) * | 2013-03-12 | 2013-07-24 | 重庆大学 | 一种飞轮储能单元抑制永磁直驱风力发电系统直流侧2倍频波动的控制方法 |
| CN104022521A (zh) * | 2014-05-30 | 2014-09-03 | 辽宁中联能源科技有限公司 | 可再生能源发电输出功率自动稳定控制方法及装置 |
| CN107178468A (zh) * | 2016-03-10 | 2017-09-19 | 通用电气公司 | 控制风力涡轮机运行的方法、控制系统和风力涡轮机 |
| TWI688846B (zh) * | 2017-12-12 | 2020-03-21 | 日商日立製作所股份有限公司 | 維護計畫生成系統 |
| CN113036788A (zh) * | 2021-05-27 | 2021-06-25 | 中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司 | 一种支撑电力系统新能源消纳的储能配置及成本分析方法 |
| TWI818780B (zh) * | 2021-10-29 | 2023-10-11 | 大陸商中國石油化工科技開發有限公司 | 一種風力發電裝置及方法 |
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- 2001-03-26 JP JP2001133416A patent/JP4056713B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JP2007023811A (ja) * | 2005-07-13 | 2007-02-01 | Shinko Electric Co Ltd | 風力発電設備 |
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| KR101048961B1 (ko) * | 2009-04-17 | 2011-07-12 | 창원대학교 산학협력단 | 주파수 안정화용 전도냉각형 에스엠이에스 시스템 |
| JP2011038406A (ja) * | 2009-08-06 | 2011-02-24 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 風力発電装置、風力発電装置の制御方法、風力発電システム及び風力発電システムの制御方法 |
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| JP2013070603A (ja) * | 2011-09-20 | 2013-04-18 | Siemens Ag | ウインドファームの作動方法、ウインドファームコントローラおよびウインドファーム |
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