JP2004289896A

JP2004289896A - 風力発電システム

Info

Publication number: JP2004289896A
Application number: JP2003076297A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Jinbo; 紘史神保; Hitoshi Nakayama; 仁中山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-03-19
Filing date: 2003-03-19
Publication date: 2004-10-14

Abstract

【課題】出力電力の平滑化が可能な風力発電システムを得る。
【解決手段】風力発電機と電力系統９９との間に電力変換装置４００およびコンデンサ５００を接続する。レーザ式風向風速計によって得られるデータに基づいて、風況解析制御信号送信部３００で風力発電機前方の風況を解析し、さらに、近未来に風力発電機が受ける風の風況を予測して、風力発電機の発電電力量の変動を予測する。この予測した発電電力量の変動に応じて、制御信号を電力変換装置４００に送り、風力発電機とコンデンサ５００をあわせた出力量が平滑化するように、コンデンサ５００の電力入出力を予測制御する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、風力発電機前方の風況を予測して風力発電機の出力変動を抑制、または平滑化する風力発電システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の、風況を予測する風力発電システムは、電波を利用したドップラーレーダを用いて風力発電機前方の風ベクトルを測定し、その風ベクトルから風力発電機の出力値を予測し、予測出力値に基づいて、電力系統側発電機の出力制御を行うものである（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
また、別の風力発電システムとして、風力発電を含む分散電源を他電源系統に連係させた電力系統に、コンバータを介して電力貯蔵用バッテリーを接続し、そのバッテリーに貯蔵した電力を負荷に供給することにより電力の平準化を行う電力貯蔵システムが示されている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１５２９７５号公報
【特許文献２】
特開２０００−１７５３６０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の、特許文献１の風力発電システムでは、風況予測情報を他発電機の出力抑制制御で吸収するのみであり、風力発電機自体の性能向上やシステム全体の効率向上をはかることができないという問題があった。
【０００６】
また、特許文献２の風力発電システムでは、バッテリーを用いているため風力発電機の出力変動を制御するためには、その繰り返し放電時の寿命に問題があった。さらに、電力貯蔵システムでは、バッテリーは化学反応を用いた充放電速度の遅い蓄電システムであるため、大電力を取り出す必要がある場合は不必要に大容量のものを用いなければならないという問題があった。
【０００７】
風力は環境に最もやさしい自然エネルギーの一つであり、その高効率利用は社会的に非常に望まれている。しかし、風力発電機の構造が単純なために、機械的な技術革新が非常に困難であるという問題があった。
【０００８】
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、風況を予測して風力発電機出力を予測することにより、風力発電システムの出力変動抑制、または出力量の平滑化を行い、電力供給を安定化させることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わる風力発電システムは、風力発電機、上記風力発電機に取り付けられるか、またはその近傍に配置されるレーザ式風向風速計、上記風力発電機に設けられた風況解析部を備え、上記風況解析部は、上記レーザ式風向風速計から得られたデータに基づいて、上記風力発電システムの発電電力量の変動を予測し、上記風力発電機を含む風力発電システムの出力変動抑制制御を行うものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図１ないし図５を用いて説明する。
図１は風力発電機（風車）を側方から観察した断面図である。図１に示すように、台座１上にタワー部２が築かれ、タワー部２の上部にはヨー角制御駆動装置５０が設けられている。さらにその上部には、ヨー角制御駆動装置５０の駆動によって水平面内で回転制御されるナセル２０が配置される。風車の制御においては、風の向きが変わった場合、風車のプロペラ回転面が常に風を真正面に受けるように制御することが望ましく、この時に変化させるのがヨー角であり、ヨー角の制御をヨー制御という。
【００１１】
プロペラ型風車の羽根部分であるブレード１０が、ハブ（ブレード１０の取り付け部分。）１１を介して回転軸１２に取り付けられ、ブレード１０の角度がピッチ角制御駆動装置６０の駆動によって制御される。風のエネルギーを有効に活用するためには、風を受けるブレードの角度を最適な状態にする必要があり、この時のブレード１０の角度をピッチ角（ブレードアングル。）という。また、回転軸１２に繋がれる発電機３０、増幅器（図示せず。）などがナセル２０内に格納されている。プロペラ回転面は、ブレード１０が配置された、回転軸１２に対して垂直な面である。
【００１２】
ナセル２０上部には、レーザ光２１０を射出して、風力発電機前方（任意距離だけ離れた位置。）のエアロゾル１５０に照射し、その反射光２１５を検出する風速検出用光学系部（以下、光学系部とする。）２００が配置される。エアロゾル１５０とは、風に乗って風と同速度同方向に動く空気中の塵であり、このエアロゾル１５０の移動状態を把握することで、同位置における風向風速を観測できる。反射光２１５から得られた情報（エアロゾル１５０の風向風速データ。）は、光ファイバー１３０を介して風向風速計本体部（以下、本体部とする。）１００に送られる。本体部１００において、反射光２１５から、エアロゾル１５０の風向風速を算出するためのデータを取り出して加工する。主に本体部１００と光学系部２００とによってレーザ式風向風速計が構成される。
【００１３】
本体部１００で得られた風向風速データは、通信系部７１を介して風況解析制御信号送信部（風況解析部に相当する。）３００に送られる。風況解析部３００において、エアロゾル１５０の風向風速データに基づいて、風力発電機が受ける風、すなわち近未来（数秒から数十秒後。）に発電に利用する風の風況（風向風速および風の到達時間など。）を予測する。さらに、その風況予測から、風力発電機における近未来の出力を算出し、つまり、風力発電機の発電電力量の変動を予測し、予測出力に基づく制御信号を、電力変換装置４００に通信系部７２を介して送る。
【００１４】
電力変換装置４００は、この実施の形態１では電力ケーブル９１を介して風力発電機出力電力を受電しており、風況解析部３００からの制御信号を基に、予測した風力発電電力量の変動に応じてコンデンサ５００の電力入出力量を制御し、電力ケーブル９２を介して電力系統９９に電力を供給し、風力発電機とコンデンサ５００を含む風力発電システムの発電電力量を平滑化する。
【００１５】
なお、レーザ式風向風速計の光学系部は、ヨー角を可変とすれば、風力発電機のタワー部２とやや離れた地上に配置してもよく、風力発電機付近にポール状のものを立て、その上に設置してもよい。また、タワー部２の側面に設置してもよい。
また、ブレード１０は風を受け風力エネルギを回転力に変換するもので、このブレード１０の回転エネルギーを電力に変換するのが発電機３０である。
さらに、風況解析部３００若しくは他の制御機構によって、ヨー角、風車回転数や現在の風向風速等の風力発電機制御に必要な諸量を取り込んで解析し、風力発電機の各制御駆動装置（例えば、ブレーキ設備など。）にも制御指令を出している。
【００１６】
次に、本発明にかかるレーザ式風向風速計の構成および原理の一例について、図２を用いて説明する。レーザ式風向風速計は、上述したように、主に、本体部１００と、光学系部２００から構成されている。本体部１００のレーザ光源１０１（例えば半導体レーザ。）から出たレーザ光は、その一部が光ファイバ１０２によって光受信機１０５に送られ、その他の光はサーキュレータ１０４を通って光スイッチ１０３に送られる。光スイッチ１０３は、入力した光の一部をトリガ１０６としてＡＤ変換器３１０に送り、それ以外の光を光学系部２００に送る。光学系部２００は、例えば、水平風速検出用光学系部２００ａおよび垂直風速検出用光学系部２００ｂの二つによって構成され、送られた光は、水平、垂直風速検出用光学系部２００ａ、２００ｂにそれぞれ分割して送られる。
【００１７】
光スイッチ１０３から、水平風速検出用光学系部２００ａに送られてきた光は、１／２波長板２０１を通って望遠鏡２０２に送られる。望遠鏡２０２を出た光は偏向ビームスプリッタ２０３を通過するＰ偏光２０５と、これに反射されるＳ偏光２０６に分けられ、Ｐ偏光２０５はそのまま外部に射出され、Ｓ偏光２０６は全反射鏡２０４に反射され、外部に射出される。垂直風速検出用光学系部２００ｂについても、水平風速検出用光学系部２００ａと同様の構成であり、Ｐ偏光２０７、Ｓ偏光２０８が外部に射出される構成となっている。
【００１８】
なお、水平風速検出用光学系部２００ａから射出されるＰ偏光２０５、Ｓ偏光２０６は、水平面内の異なる２方向にそれぞれ射出され、垂直風速検出用光学系部２００ｂから射出されるＰ偏光２０７、Ｓ偏光２０８は、垂直面内の異なる２方向にそれぞれ射出される。
Ｐ偏光２０５、２０７、Ｓ偏光２０６、２０８は、図１に示すレーザ光２１０に相当している。
【００１９】
光学系部２００から射出されたレーザ光であるＰ偏光２０５は、エアロゾル１５０に当たって反射し、反射光（例えば図１で示す反射光２１５に相当する。）となって光学系部２００に戻ってくる。この様子は後述する。この反射光２１５は射出経路と逆の経路を辿って、光学系部２００から本体部１００に送られる。反射光２１５（必要となるデータ以外に、ノイズを含んでいる。）は、光スイッチ１０３を経てサーキュレータ１０４に送られ、サーキュレータ１０４は必要となる反射光２１５のみを選択して光受信機１０５に送る。光受信機１０５は、レーザ光源１０１より直接送られてきた光と反射光２１５を検出信号１０７とし、ＡＤ変換器３１０に送る。ＡＤ変換器３１０はアナログの光信号であるトリガ１０６と検出信号１０７をデジタル信号に変換し、受信信号３１１として風況解析部３００に通信系部７１を介して送る。受信信号３１１を受け、風況解析部３００は、後述する所定の計算を行い、レーザ光２１０の焦点（焦点の位置はエアロゾル１５０の位置に相当する。）での風向風速を算出する。さらに、その風向風速データに基づいて、風況を予測し、必要な制御情報を電力変換装置４００に通信系部７２を介して送る。
【００２０】
なお、レーザ光２１０は、連続波のものを用い、特に波長１５００ｎｍ程度のものを用いると、最もエアロゾル１５０からの反射光が強く、風況の検出精度が良い。同時に、１５００ｎｍ程度の波長のレーザ光は人間の目にも最もやさしいという性質があり、安全性に優れている。
また、レーザ光２１０は、本例のような連続波を利用するものの他に、パルス波を利用する方式のものもあり、いずれを用いても良い。さらに、場合によっては、ナセル２０上部に機械式風向風速計を併せて配置することにより、風向風速測定精度を向上させても良い。
ドップラー効果を利用した風向風速の検出の場合、用いるレーザ光、音波などの波長に反比例して、検出精度が良くなることが知られており、例えば音波とレーザ光では、より波長の短いレーザ光を用いる場合の方が、風況を精度良く検出することができる。
【００２１】
次に、水平風速検出用光学系部２００ａから射出されたＰ偏光２０５、Ｓ偏光２０６ついて、図３をもとに説明する。光学系部２００からＰ偏光２０５とＳ偏光２０６が、それぞれ水平面内に、任意の方向を基準として、角度＋θと−θ方向に射出され、望遠鏡２０２のレンズによって焦点距離Ｒ（任意距離に相当する。）だけ離れた位置で集光する。集光点近くにあるエアロゾル１５０で光が反射され、反射光（Ｐ偏光反射光。）２１５と反射光（Ｓ偏光反射光。）２１６がそれぞれ発生する。エアロゾル１５０は空気中に相当数含まれているため、集光点以外からもこのような反射波が発生するが、集光点付近からの反射エネルギーが最も大きくなる。この反射波（反射光２１５、２１６。）は速度を持つエアロゾル１５０から反射されたものであるため、ドップラー効果により周波数がＦ_Ｄだけシフトする（ドップラーシフト）。この周波数のずれを測定し、エアロゾル１５０の速度を算出する。
【００２２】
また、垂直風速検出用光学系部２００ｂから射出されるＰ偏光２０７、Ｓ偏光２０８は、それぞれ垂直面内で、任意の方向を基準として、角度＋θと−θ方向に射出される。このように、レーザ光２１０を、少なくとも３方向若しくは４方向に射出し、それぞれのデータを得ることで、風力発電機の前方におけるエアロゾル１５０の３次元での風速ベクトルを検出することができる。また、２方向のみにレーザ光を射出した場合では、２次元での風速ベクトルを検出可能である。なお、レーザ光２１０の射出角度は、観測対象となるエアロゾル１５０までの距離等の条件によっても変化するが、およそθ＝５°程度とすると良い。
【００２３】
次に、風況解析部３００において風速を算出する手法例について説明する。反射光２１５、２１６の情報は、レーザ光源１０１から直接得た情報とあわせて検出信号１０７とし、トリガ１０６と共に受信信号３１１として受信し、レーザ光源１０１の周波数と反射光２１５、２１６とのドップラーシフトＦ_Ｄを算出する。Ｆ_Ｄとレーザの波長λ、エアロゾルの速度Ｖｍの間には、次に数式１のような関係がある。
【数１】

これにより、±θ方向の風速Ｖｍ（＋θ）とＶｍ（−θ）が算出される。また、風速Ｖｒ（ｒ方向とは、水平面内でのθ＝０に沿う方向。）とＶｘ（ｘ方向とは、水平面内での、θ＝０に対して垂直な方向。）が、次に示す数式２、数式３を用いて算出できる。
【数２】

【数３】

このような計算を、垂直風速検出用光学系部２００ｂで得られるデータに対しても行い、水平風速検出用光学系部２００ａで得られるデータとあわせて、３次元での風速ベクトルが算出でき、高精度でエアロゾル１５０の風向風速を測定できる。
【００２４】
本発明にかかる電力変換装置４００の制御ロジック例を、図４をもとに説明する。レーザ式風向風速計により現在時刻τでのＸ［ｍ］先の風向風速が測定できる（ステップ４０１。）。この風速をもとにｔ秒後に風車が受ける風の風速ベクトルが算出される。例えば、４００ｍ先の風向風速を測定した場合、風力発電機に向って風速１０ｍの風が吹いていれば、４０秒後の風向風速変化を高精度で予測することができる。この予測した風況をもとに、風況解析部３００が風力発電機の予測出力Ｐ_ＷＴを計算する（ステップ４０２。）。
【００２５】
次に、ｔ秒間の電力入出力最適化（ステップ４０３。）の手法について述べる。今、電力変換装置への制御信号の送信間隔を△ｔ（例えば０．００１秒。）とすると、時刻τ現在に予測できている風力発電機出力は、次の数式４のようになる。
【数４】

風力発電機出力は、電力変換装置４００により、電力系統９９への出力Ｐ_{ＯＵＴＰＵＴ}およびコンデンサ５００への電力入出力Ｐ_ＣＡＰに変換できる。すなわち、次の数式５が成り立つ。
【数５】

よって、Ｐ_{ＯＵＴＰＵＴ}を制御するためにはＰ_ＣＡＰを制御すればよい。現在予測制御可能なコンデンサ５００の電力入出力値は、次の数式６で示される。
【数６】

そして、Ｐ_ＣＡＰを制御することにより、電力系統９９への出力Ｐ_{ＯＵＴＰＵＴ}の時間変動を最低限に抑える。つまり、次の数式７の値が最小となるように、準ニュートン法等の非線形最適化法を用いて、予測制御可能な各時刻のＰ_ＣＡＰを決定する。
【数７】

非線形最適化法は、先述した準ニュートン法以外にも様々な手法があり、最適化が可能であれば、どのような最適化法を用いてもよい。また、これらの最適化法については様々な教科書等が刊行されているため、その説明は省略する。
【００２６】
続いて、この最適化計算に必要な制約条件について述べる。コンデンサ５００には貯蔵可能な電力量の限界値があるため、最大貯蔵電力量Ｑ_ＭＡＸを設定する必要がある。また理論上はコンデンサ５００内の電荷がゼロになるまで電力を出力することが可能であるが、コンデンサ５００内の電荷が少なくなることはコンデンサ５００の電圧が降下することと等しく、低電圧下で大電力を取り出すには大電流を取り出さねばならないため、熱による損失が大きくなってしまう。よって、最低限貯蔵していなければならない電力量Ｑ_ＭＩＮを設定することが望ましい。また、電力変換装置４００が利用できる最低電圧を確保するためにも、最低限貯蔵していなければならない電力量Ｑ_ＭＩＮを設定することが望ましい。さらに、電力変換装置４００には、入出力可能な電力の最大値Ｐ_ＭＡＸがあり、今、コンデンサ５００に充電できる電力は風力発電機の発電電力以下であるので、次に示す、数式８、数式９、数式１０のような制約条件が必要となる。
【数８】

【数９】

【数１０】

なお、Ｑは現在時刻τでのコンデンサ５００の貯蔵電力量である。
以上の計算により最適化された、Ｐ_{ＯＵＴＰＵＴ}およびＰ_ＣＡＰとなるように、風況解析部３００が電力変換装置４００に制御信号を送信し（ステップ４０４。）、電力変換装置４００がコンデンサ５００の電力入出力および電力系統９９への電力供給を行う（ステップ４０５。）。
【００２７】
この制御を行った場合に、出力変動が抑制される様子を図示したものが図５である。風力発電機の発電量は図５（ａ）の符号８００で示すように大きく変動する。しかし、図５（ｂ）に示すように、近未来の発電量８００´（細実線。）が予測できるため、符号８０１ａから８０１ｇで示す部分の電力量をコンデンサ５００に充電し、符号８１１ａから８１１ｅで示す部分の電力量をコンデンサ５００からの放電で補うことにより、図５（ｃ）の符号９００´（太破線。）で示すように出力変動を抑制することができる。よって電力系統９９への出力は、符号９００で示すように、急激な電力変動がなくなるため、電力系統９９に及ぼす影響を大幅に低減できる。
【００２８】
従来の化学反応を用いて充放電を行う蓄電池では、蓄電量を正確に測定することが困難であった。しかし、コンデンサ５００は、貯蔵電力量Ｑと電圧の関係が、コンデンサ５００の静電容量をＣとすると、次の数式１１のように表される。
【数式１１】

従って、電圧を測定することによって正確な蓄電量が容易に計測でき、より正確な電力制御が可能となる。また、従来の化学反応を用いて充放電を行う蓄電池は、化学反応の速度が遅いため、大電力を取り出すためには大容量の蓄電池が必要であったが、コンデンサ５００は電荷の移動により充放電を行うため、小容量でも大電力の入出力が可能であり、このような電力変動抑制を容易に行うことが可能となる。
【００２９】
また、コンデンサ５００の容量が十分に大きい場合は、図６に示すように、風力発電システムの出力電力を完全に平滑化することができる。予測風力発電量が８１０で示されるとき、電力系統９９への供給電力Ｐ_{ＯＵＴＰＵＴ}をＰ_０（９１０で示す。）で一定とする場合、予測風力発電量がＰ_０を上回る、符号８２１ａから８２１ｄで示す部分の電力量をコンデンサ５００に蓄電し、予測風力発電量がＰ_０を下回る、符号８３１ａから８３１ｅで示す部分の電力量をコンデンサ５００からの放電で補う。このように制御することにより、電力系統９９にまったく影響を及ぼさずに風力発電システムを連系させることができる。
【００３０】
本発明を用いると、風力発電機の出力が予測されており、また電荷の移動によって充放電を行い、入出力量を制御するコンデンサを利用しているために、従来の手法では平滑化できなかったごく微小な電力変動をも平滑化することが可能となる。
【００３１】
実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について、図７を用いて説明する。先述の実施の形態１では、風力発電機側から電力系統９９に繋がれる電力ケーブル９２を介して、風力発電機による発電電力とコンデンサ５００による電力入出力量の合計の出力が送られていた。この実施の形態２では、風力発電機の発電機３０は電力ケーブル９１を介して電力系統９９に接続され、さらに、この電力系統９９に、電力ケーブル９２を介して電力変換装置４００とコンデンサ５００が接続されている。すなわち、コンデンサ５００は、風力発電機の発電電力量により充電されるのではなく、電力系統９９の電力を利用して充電できる状態となっている。電力系統９９は安定した十分な電力を供給できるため、コンデンサ５００の充電時間に対する自由度が大きい接続状態となっている。諸機器については、実施の形態１と同じであるので説明は省略する。
【００３２】
続いて、この実施の形態２における電力変動抑制動作について説明する。動作フローについては、実施の形態１で図４を用いて説明したフローと同じである。この一連の動作の中で、時刻τ現在に予測できている風力発電機出力Ｐ_ＷＴは、既に説明した数式４の通りである。
図７に示したように、風力発電機出力Ｐ_ＷＴは、そのまま電力系統９９に供給されるため、電力系統９９の電力が風力発電電力により変動してしまう。この変動を最小とするために、電力変換装置４００がコンデンサ５００の電力入出力を行う。このコンデンサ５００の電力入出力値をＰ_ＣＡＰとし、電力系統９９の出力値をＰ_ＧＲＩＤとし、このＰ_ＧＲＩＤが電力変動の極めて少ない発電方法で発電されている（たとえばディーゼル発電機や電力会社の発電所が発電していると考える。）とし、その出力値が既知であるとする（例えば、昼間はＰ_ＧＲＩＤ１、夜間はＰ_ＧＲＩＤ２等。）。既知でない場合は、電力系統９９の出力値を予想しておく。実際に電力系統９９に供給されている電力値をＰ_{ＯＵＴＰＵＴ}とすると、諸値間の関係は次の数式１２で表される。
【数１２】

従って、Ｐ_{ＯＵＴＰＵＴ}を制御するためにはＰ_ＣＡＰを制御すればよい。現在予測制御可能なコンデンサ５００の電力入出力値は、既に説明した数式６の通りである。実際の電力系統９９の電力値であるＰ_{ＯＵＴＰＵＴ}の時間変動を最低限に抑える、つまり、次の数式１３を最小の値とするように、非線形計画法等の最適化法を用いて、予測制御可能な各時刻のＰ_ＣＡＰを決定する。最適化法は、実施の形態１と同様の手法を用いる。
【数１３】

【００３３】
次に最適化計算に必要な制約条件について述べる。数式８、数式９については、実施の形態１の場合と同じである。コンデンサ５００に充電できる電力は風力発電機の発電電力Ｐ_ＷＴ＋系統電力Ｐ_ＧＲＩＤ以下であるので、その制約条件は次の数式１４のようになる。
【数１４】

以上の計算により最適化された、Ｐ_ＣＡＰとなるように風況解析部３００が電力変換装置４００に制御信号を送信し、電力変換装置４００がコンデンサ５００の電力入出力を行う。電力系統９９による電力も利用してコンデンサ５００の電力入出力を行うことができるため、かなり自由な電力の入出力が可能となり、風力発電機の出力電力変動を容易に抑制することができるようになる。
【００３４】
また、実施の形態１の場合と同様、コンデンサ５００の容量が十分に大きい場合は、実際の電力系統９９の出力値を完全に平滑化することができる。
【００３５】
実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３について、図８を用いて説明する。この実施の形態３では、ウィンドファームの中心付近にレーザ式風向風速計を構成する光学系部２００を設置し、そのウィンドファームにある風力発電機６１０ａ〜６１０ｃの発電電力変動を抑制するために、電力変換装置４００とコンデンサ５００を設置したものである。複数台の風力発電機６１０ａ〜６１０ｃの中心付近にタワー部（ポール）６０１を設け、この上に光学系部用ヨー角制御駆動装置（以下、駆動装置とする。）６０２を介して光学系部２００を載せる。駆動装置６０２と風況解析部３００を通信系部６０２ａで繋ぎ、光学系部２００と本体部１００を光ファイバー１３０ａで繋ぎ、本体部１００と風況解析部３００を通信系部７１ａで繋ぎ、風況解析部３００とそれぞれの風力発電機のコントローラ４０ａ〜４０ｃを通信系部７２ａ〜７２ｃで繋いでいる。風力発電機６１０ａ〜６１０ｃと、コントローラ４０ａ〜４０ｃは通信系部７０ａ〜７０ｃによって繋げられ、各発電機６１０ａ〜６１０ｃと電力系統９９とは電力ケーブル９１ａ〜９１ｃを介して繋げられるている。また、風況解析部３００とコンデンサ４００は通信系部７３を介して繋げられている。
【００３６】
なお、駆動装置６０２は、風況解析部３００からの出力信号を基に、光学系部２００の向きを変化させ、常に風の真正面に向くようにするか、または一定速度で回転することにより全周方向にわたっての風向風速計測を可能とする。周りに遮るものが殆どない場合、光学系部２００およびその駆動装置６０２を地上に設置しても良い。
【００３７】
レーザ式風向風速計は、集光点をタワー部６０１から最も遠い風力発電機（図８ならば６１０ａ。）の前方Ｘ［ｍ］（例えば４００ｍ。）として、この点の風向風速を計測可能なものとするか、またはパルス型のレーザを用いてこの距離の風向風速を検出できるものにする。また制御の正確性向上のため、コントローラ４０ａ〜４０ｃを介して、各風力発電機６１０ａ〜６１０ｃの現在の発電電力量を風況解析部３００が把握していることが望ましい。
【００３８】
次に、本発明の実施の形態３にかかる運転フローを、図９を用いて説明する。レーザ式風向風速計によって得たデータから風況解析部３００は、現在時刻τにおけるＸ［ｍ］先の風向風速を計測する（ステップ７０１に相当。）。この風況解析部３００には、実施の形態１で述べた風向風速計算以外に、光学系部用ヨー角制御のための計算機能、各風力発電機の発電電力量を計算するための計算機能を持たせている。
【００３９】
まず、動作１として、光学系部２００がｔ秒後に最適なヨー角となるように、風況解析部３００において最適ヨー角を計算し（ステップ７１１、７１２。）、制御信号を駆動装置６０２に送信し（ステップ７１３。）、その信号を基に駆動装置６０２はヨー角を変化させる（ステップ７１４。）。ただし、先述のように一定速度で回転することにより全周方向にわたっての風向風速計測を可能とする駆動装置を使用して全周の風況を計測する場合はこの動作を行う必要はない。
【００４０】
次に動作２ａとして、風力発電機６１０ａの動作である図９中のステップ７２１ａから７２３ａまでを行う。風況解析部３００は、レーザ式風向風速計から各風力発電機６１０ａ〜６１０ｃまでの位置をベクトルで記憶しており、レーザ式風向風速計の計測結果、およびこの位置データを基に、風力発電機６１０ａがｔａ秒後に受けるであろう風向風速を計算する（ステップ７２１ａ。）。風況解析部３００は、この各風力発電機６１０ａ〜６１０ｃが近未来に受ける風の風向風速により、近未来ｔａ秒間の風力発電機発電量を計算し、これを用いてｔａ秒間のコンデンサ５００の電力入出力量を最適化する（ステップ７２２ａ。）。その最適化手法は、実施の形態２の場合と同じものを用いる。このときの風力発電機の出力は、全風力発電機６１０ａ〜６１０ｃの発電電力の合計値である。実際のコンデンサの電力入出力がこの計算された最適値となるよう、風況解析部３００は電力変換装置４００に制御信号を送る（ステップ７２３ａ。）。
【００４１】
風力発電機６１０ａの制御フロー（動作２ａ。）同様の動作を、風力発電機６１０ｂ及び６１０ｃに対しても同時に行う。動作１と各風力発電機の動作２ａ〜２ｃを同時に行い、これらの制御信号に基づいて、電力変換装置４００がコンデンサ５００の電力入出力を行い、風力発電機の発電電力による系統電力９９の変動を抑制する（７２４に相当。）。動作１および動作２ａ〜２ｃを同時に行い、これを繰り返すことにより、図８のような風力発電システムの出力変動抑制が可能となる。
【００４２】
図８では、実施の形態２のように、電力系統９９側に電力変換装置４００およびコンデンサ５００を配置した例を示したが、実施の形態１のように電力系統９９と各風力発電機６１０ａ〜６１０ｃを繋ぐ電力ケーブル９１ａ〜９１ｃのそれぞれに、コンデンサを割り込ませるように設置し、これを風況解析部３００と通信系部で繋ぐようにしても良い。また、電力ケーブル９１ａ〜９１ｃのうち、いずれかのケーブルにコンデンサを割り込ませる形で設置した上で、電力系統９９に繋げられるコンデンサ５００を設置し、これらが通信系部を介して風況解析部３００と繋がるようにしても良い。この場合、風況解析部３００は、各風力発電機６１０ａ〜６１０ｃと、電力系統９９の間にあるコンデンサ５００のすべての電力入出力を最適化計算し、その最適値をそれぞれの電力変換装置４００に送信する。
【００４３】
また、電力変換装置４００およびコンデンサ５００は、風況解析部３００と接続されていれば、このような風力発電システム内に、容量の大きなものを１組設置してもよく、複数組設置してもよい。複数組の電力変換装置４００およびコンデンサ５００を用いる場合、風況解析部３００は、どのコンデンサ５００でどれだけの電力を入出力するのかを最適化し、その制御信号を各電力変換装置４００に送信し、各電力変換装置４００が制御可能なコンデンサ５００の電力入出力を行う。
【００４４】
以上のような動作１と動作２ａ〜２ｃを同時に行うことによって、１台のレーザ式風向風向風速のみを用いて、風況が最適な状態で計測しながら、複数の風力発電機を含む風力発電システム全体の出力変動を最小に抑えることができる。
【００４５】
また、風力発電機が多数ある場合や、かなり広範囲に広がって設置されている場合は、レーザ式風向風速計を複数台設置してそれぞれに制御する風力発電機および電力変換装置を割り当てればよい。
【００４６】
今回は、この風況解析部３００に、風速検出用光学系部用ヨー角制御に必要な計算機能および各風力発電機の発電量計算や制御に必要な計算機能を持たせた例を示したが、この計算機能を持つ計算機を、光学系部２００に別に接続したり、各風力発電機側に計算機部を設置したり、また、風力発電機のコントローラにこの計算機能を持たせたりしても良い。
【００４７】
また、コンデンサ５００の容量（複数設置されていれば、その合計容量。）が十分に大きければ、風力発電システムの出力を完全に平滑化できることは言うまでもない。
【００４８】
実施の形態４．
次に、本発明の実施の形態４について、図１０を用いて説明する。これは、先述した実施の形態１〜３のような風力発電システムに、発電量をある程度任意に変化させることができる他発電機、例えばディーゼル発電機６５０を加えたものである。実施の形態１〜３と同様の手法で風力発電システムの発電電力量変動による電力系統９９の電力変動を、ディーゼル発電機６５０の発電電力量制御が追従可能な周期の変動にまで抑制し、このディーゼル発電機６５０の発電電力量を制御することによって、風力発電機とコンデンサ５００とディーゼル発電機６５０を含むシステム（ハイブリッドシステム。）全体の、すなわち電力系統９９の電力変動の抑制、および完全な平滑化を行うものである。このディーゼル発電機６５０は、電力系統９９と電力ケーブル９３を介して繋がっており、風況解析部３００と通信系部７４を介して繋がっている。
【００４９】
図１０は、複数台の風力発電機６１０ａ、６１０ｂ、電力変換装置４００およびコンデンサ５００が、実施の形態２で示したように電力系統９９に繋がっている場合を示しているが、風力発電機は１機でもよく、また電力変換装置４００およびコンデンサ５００が、実施の形態１のように、風力発電機と電力系統９９との間に繋がれていてもよい。
【００５０】
次に、その制御手法について、図１１をもとに説明する。風力発電システムの出力変動抑制手法は先述の通り、実施の形態１〜３のいずれかの手法と同様でよいが、その出力変動を発電機６５０の出力制御が追従できる限界の変動速度（Ｐ´_ＭＡＸ）以下となるように、次の数式１５に示すような制約条件を設定する。
【数１５】

このような一連の動作により、図１１（ａ）に示す風力発電機出力８２０は、変動を抑制され、図１１（ｂ）に示す風力発電システムの出力電力９２０のようになる。
【００５１】
この出力変動は、ディーゼル発電機６５０の出力制御が追従できる変動速度以下に抑えられているので、風況解析部３００がディーゼル発電機６５０内にある制御コントローラに予測制御信号を送り、この制御コントローラが発電電力量を上下させる（図１１中の符号６５５で示す部分に相当。）。従って、図１１中の符号９１１で示すようにシステムの出力電力を完全に平滑化できるようになる。
【００５２】
本発明を用いると、従来のシステムでは平滑化できなかったわずかな出力変動を、風力発電機の発電電力量を高精度で予測して出入力応答性が非常に良好であるコンデンサ５００を用い、風力発電機が発電できない電力を他発電機（６５０に相当。）で補うことにより、完全に平滑化することが可能となる。
【００５３】
また、従来では風力発電システム出力電力の平滑化には、非常に容量の大きな、また充放電特性に優れた、長寿命な蓄電池を用いなければならなかったが、本発明を用いることにより、小容量の蓄電システム（電力変換装置４００およびコンデンサ５００を含む蓄電システム。）を用い、風況予測制御により容易にかつ精密にシステム全体の出力平滑化を行うことが可能となる。
【００５４】
【発明の効果】
以上のように、この発明の風力発電システムによれば、風力発電機、上記風力発電機に取り付けられるか、またはその近傍に配置されるレーザ式風向風速計、上記風力発電機に設けられた風況解析部を備え、上記風況解析部は、上記レーザ式風向風速計から得られたデータに基づいて、上記風力発電機の発電電力量の変動を予測し、上記風力発電機を含む風力発電システムの出力変動抑制制御を行うため、風力発電システムの出力変動抑制、または出力量の平滑化を容易かつ精密に行い、電力供給を安定化させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による風力発電機を示す断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１によるレーザ式風向風速計を示す構成図である。
【図３】この発明の実施の形態１によるＳ偏光、Ｐ偏光を示す模式図である。
【図４】この発明の実施の形態１による電力変換装置の制御ロジックを示すフロー図である。
【図５】この発明の実施の形態１による、出力変動抑制制御の様子を示した図である。
【図６】この発明の実施の形態１による、コンデンサの容量が十分大きい場合の出力電力量平滑化を示した図である。
【図７】この発明の実施の形態２による風力発電機を示す断面図である。
【図８】この発明の実施の形態３によるウインドファームの構成図である。
【図９】この発明の実施の形態３による電力変換装置の制御ロジックを示すフロー図である。
【図１０】この発明の実施の形態４によるウィンドファームの構成図である。
【図１１】この発明の実施の形態４による、他発電機を用いた場合の出力電力量平滑化を示した図である。
【符号の説明】
１台座２、６０１タワー部
１０ブレード１１ハブ
１２回転軸２０ナセル
３０発電機４０ａ〜４０ｃコントローラ
５０ヨー角制御駆動装置６０ピッチ角制御駆動装置
７０、７０ａ〜７０ｃ、７１、７１ａ、７２、７２ａ〜７２ｃ、７３、７４、６０２ａ通信系部
９１、９１ａ〜９１ｃ、９２、９３電力ケーブル
１００風向風速計本体部１０１レーザ光源
１０２、１３０、１３０ａ光ファイバー
１０３光スイッチ１０４サーキュレータ
１０５光受信機１０６トリガ
１０７検出信号１５０エアロゾル
２００風速検出用光学系部２００ａ水平風速検出用光学系部
２００ｂ垂直風速検出用光学系部
２０１１／２波長板２０２望遠鏡
２０３偏光ビームスプリッタ２０４全反射鏡
２０５、２０７Ｐ偏光２０６、２０８Ｓ偏光
２１０レーザ光２１５、２１６反射光
３００風況解析制御信号送信部３１０ＡＤ変換機
３１１受信信号４００電力変換装置
５００コンデンサ６０２光学系部用ヨー角制御駆動装置
６１０ａ〜６１０ｃ風力発電機６５０ディーゼル発電機。

Claims

風力発電機、上記風力発電機に取り付けられるか、またはその近傍に配置されるレーザ式風向風速計、上記風力発電機に設けられた風況解析部を備え、上記風況解析部は、上記レーザ式風向風速計から得られたデータに基づいて、上記風力発電機の発電電力量の変動を予測し、上記風力発電機を含む風力発電システムの出力変動抑制制御を行うことを特徴とする風力発電システム。
上記風力発電機、または上記風力発電機が接続される電力系統に繋がれるコンデンサを備えたことを特徴とする請求項１記載の風力発電システム。
上記レーザ式風向風速計は、レーザ光を用いて、上記風力発電機の位置から任意距離だけ離れた位置における風向風速データを検出し、上記風況解析部は、上記風向風速データに基づいて、上記風力発電機の発電電力量の変動を予測し、予測した発電電力量の変動に応じて、上記コンデンサの入出力量を制御し、上記風力発電機と上記コンデンサを含む風力発電システムの発電電力量を平滑化することを特徴とする請求項２記載の風力発電システム。
上記風力発電機は、複数台配置され、１機または数機の上記レーザ式風向風速計から得られたデータに基づいて、上記風力発電システムの出力変動抑制制御を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の風力発電システム。
上記電力系統に繋がれる他発電機を備え、上記レーザ式風向風速計は、レーザ光を用いて、上記風力発電機の位置から任意距離だけ離れた位置における風向風速データを検出し、上記風況解析部は、上記風向風速データに基づいて、１台または複数台の上記風力発電機の発電電力量の変動を予測し、予測した発電電力量の変動に応じて上記コンデンサの入出力量を制御し、上記他発電機の発電電力量制御が追従できるまで上記風力発電システムの出力変動を制御し、上記風力発電機と上記コンデンサと上記他発電機を含むシステム全体の発電電力量を平滑化することを特徴とする請求項２記載の風力発電システム。