JP2006226189A - 発電システム - Google Patents

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Abstract

【課題】 電力貯蔵装置などの高価な装置を用いることなく、発電装置の出力平準化を実現することのできる発電システムを提供することを目的とする。
【解決手段】 風力エネルギーを利用して発電する複数の風力発電装置を備える発電装置１０と、発電装置１０と電力系統１２との間に接続される可変速型風力発電装置２０ａ、２０ｂとを備え、可変速型風力発電装置２０ａ、２０ｂは、発電装置１０の出力低下を補完する出力を行うことにより、発電システム全体の出力を平準化する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、自然エネルギーを利用して発電する発電装置と、可変速型風力発電装置とを組み合わせた発電システムに係り、特に、可変速型風力発電装置が発電装置の出力の低下を補完する出力を行うことにより、平準化された電力を出力する発電システムに関するものである。
風力発電装置や太陽光発電装置などの自然エネルギーを利用した発電装置は、出力が気象条件に大きく左右されるため、需要に応じた発電が難しく、また、出力変動によって系統電圧や周波数が変動するため、系統運用上の制約から導入量に限界がある。
このような問題を解決するために、近年では、特許第３３５２６６２号公報（特許文献１）などに示されるように、上述したような自然エネルギーを利用した発電装置と二次電池などの電力貯蔵装置とを組み合わせることにより、発電装置の出力変動を電力貯蔵装置により抑制し、質のよい安定した電力供給を実現させるハイブリッド型分散電源システムの開発が進められている。
特許第３３５２６６２号公報（第２−７頁、第１図）
しかしながら、上述したような電力貯蔵装置は、高価であるため、費用対効果の面で実現性に乏しく、導入促進の阻害要因となっていた。
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、電力貯蔵装置などの高価な装置を用いることなく、質の良い安定した電力供給を実現させることが可能な発電システムを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明によれば、自然エネルギーを利用して発電する少なくとも１つの発電装置と、前記発電装置の出力低下を補完する出力を行う少なくとも１つの可変速型風力発電装置とを具備する発電システムを提供する。
上記構成によれば、可変速型風力発電装置を少なくとも１つ備え、この可変速型風力発電装置が、発電装置の出力低下を補完する出力を行うので、発電システムの出力を平準化することが可能となる。
上記発電装置としては、例えば、風力発電装置、太陽光発電装置などがあげられる。発電装置としての風力発電装置は、例えば、固定速型風力発電装置であっても良いし、可変速型風力発電装置であっても良く、また、これらの組み合わせであっても良い。
可変速型風力発電装置は、従来の電力貯蔵装置に比べて安価であるため、発電システムの出力、例えば、出力電力の平準化を低コストで実現することが可能となる。
本発明の発電システムにおいて、前記可変速型風力発電装置には、優先順位が予め登録されており、優先順位が高い前記可変速型風力発電装置から順に、前記発電装置の出力低下を補完する出力を行うようにしても良い。
上記構成によれば、可変速型風力発電装置には、優先順位が予め登録されており、優先順位の高い可変速型風力発電装置から順に、発電装置の出力低下を補完するための出力制御が実施される。これにより、例えば、優先順位が最も高い可変速型風力発電装置により、発電装置の出力低下が十分に補完された場合には、それよりも優先順位が低い可変速型風力発電装置については、通常の発電が行われることとなる。この結果、出力低下の補完を目的とした出力制御を行う可変速型風力発電装置を少なくすることができるので、発電システムの出力の平準化を効率よく実施することが可能となる。
本発明の発電システムにおいて、風況が安定している場所に設置されている前記可変速型風力発電装置ほど、前記優先順位が高く設定されていても良い。
上記構成によれば、風況が安定している場所に設置されている可変速型風力発電装置、換言すると、出力が安定している可変速型風力発電装置ほど、優先順位が高く設定されるので、少ない台数の可変速型風力発電装置により発電装置の出力低下の補完制御を効率よく実施することが可能となる。
本発明の発電システムにおいて、前記優先順位は、気象条件に応じて変更可能であっても良い。
可変速型風力発電装置の出力の安定度は、季節や風向などの各種気象条件に応じて、変わってくるので、これらの気象条件に応じて、優先順位を変更することにより、常に、出力が安定している可変速型風力発電装置から順に、発電装置の出力低下の補完を目的とした出力制御が実施されることとなる。これにより、少ない台数の可変速型風力発電装置により、発電システムの出力の平準化を効率よく行うことが可能となる。
本発明の発電システムにおいて、前記可変速型風力発電装置の台数は、前記発電装置の出力変動の推定最大値により決定されても良い。
可変速型風力発電装置は、発電装置の出力低下を補完できる出力を行えることが必要となるため、可変速型風力発電装置の合算出力が、出力変動の推定最大値を平準化するために必要となる出力以上となるように、可変速型風力発電装置の台数を決定することが必要となる。換言すれば、この台数は、可変速型風力発電装置の推定平均出力によっても決定されるものとなる。
本発明は、自然エネルギーを利用して発電する発電装置と、前記発電装置の電力が供給される電力系統との間に接続され、前記発電装置の出力低下を補完するように、前記電力系統へ電力を供給する可変速型風力発電装置を提供する。
本発明の発電システムによれば、電力貯蔵装置などの高価な装置を用いることなく、質の良い安定した電力供給を実現させることができるという効果を奏する。
以下に、本発明にかかる発電システムの実施形態について、〔第１の実施形態〕、〔第２の実施形態〕の順に図面を参照して説明する。
〔第１の実施形態〕
図１は、本発明の第１の実施形態に係る発電システムの概略構成を示したブロック図である。
図１に示すように、本実施形態に係る発電システムは、自然エネルギーを利用して発電する複数の風力発電装置を備える発電装置１０を備えている。ここで、発電装置１０が備える各風力発電装置は、固定速型風力発電装置であっても良く、可変速型風力発電装置であっても良く、又は、これらの組み合わせであっても良い。
上記発電装置１０は、電力変換機１１を介して電力系統１２と接続されている。上記発電装置１０と電力変換機１１との間には、複数の可変速型風力発電装置２０ａ及び２０ｂが接続されている。この可変速型風力発電装置２０ａ、２０ｂは、発電装置１０の出力低下（例えば、出力電力の低下）を補完する出力を行うものであり、その台数は、例えば、発電装置１０の出力変動の推定最大値に応じて決定される。
具体的には、発電装置１０の出力変動の推定最大値が大きいほど、その台数が増加する。これは、出力変動が大きければ、その出力の低下を補完するための電力も多く必要となり、その多くの電力をまかなうための可変速型風力発電装置が必要となるからである。また、逆を返せば、この可変速型風力発電装置の平均発電量に応じて、その台数が決定される。なお、本実施形態では、２台の場合を例に挙げて示している。
本実施形態において、可変速型風力発電装置２０ａは、発電装置１０と電力変換機１１との間に接続され、可変速型風力発電装置２０ｂは、可変速型風力発電装置２０ａと電力変換機１１との間に接続されている。このように、可変速型風力発電装置２０ａは、可変速型風力発電装置２０ｂからみて、電流の上流側に設置されている。
本実施形態においては、可変速型風力発電装置２０ａは、発電装置１０の出力Ｐ０の低下を補完するような出力を行うためにもうけられている。また、可変速型風力発電装置２０ｂは、発電装置１０の出力Ｐ０と可変速型風力発電装置２０ａの出力Ｐ１との合算出力Ｐ２の低下を更に補完するために設けられている。
可変速型風力発電装置２０ａ及び２０ｂは、例えば、ＡＣ−ＤＣ−ＡＣリンク方式の可変速型風力発電装置であり、風車のロータに接続された発電機２１と、発電機２１から出力される３相交流電力を直流電力に変換して出力するアクティブ整流器２２と、アクティブ整流器２２から出力される直流電力を平滑化する直流リンク２３と、直流リンク２３から出力される直流電力を３相交流電力に変換して出力するインバータ２４と、インバータ２４の出力を電力系統１２へ供給するための電力変換機２５とをそれぞれ備えている。
更に、可変速型風力発電装置２０ａは、発電装置１０の出力電力Ｐ０に基づく出力制御を行う制御装置２６ａを備えている。
また、可変速型風力発電装置２０ｂは、発電装置１０と可変速型風力発電装置２０ａとの合算出力電力Ｐ２に基づく出力制御を行う制御装置２６ｂを備えている。
上記発電装置１０と電力系統１２とを接続する電力線５０において、発電装置１０と可変速型風力発電装置２０ａとの間には、発電装置１０の出力電力Ｐ０を検出する電力検出器４１が設けられている。また、上記発電装置１０と電力系統１２とを接続する電力線５０において、可変速型風力発電装置２０ａと可変速型風力発電装置２０ｂとの間には、発電装置１０の出力電力Ｐ０と可変速型風力発電装置２０ａの出力電力Ｐ１との合算出力電力Ｐ２を検出する電力検出器４２が設けられている。
上記電力検出器４１により検出された出力電力Ｐ０は、可変速型風力発電装置２０ａの制御装置２６ａに入力される。電力検出器４２により検出された出力電力Ｐ２は、可変速型風力発電装置２０ｂの制御装置２６ｂに入力される。
次に、上述した構成を備える発電システムの作用について説明する。
まず、発電装置１０が備える各風力発電装置が風を受けることにより発電し、この発電電力が発電装置１０から出力される。発電装置１０からの出力電力Ｐ０は、電力線５０に設けられている電力検出器４１により検出され、この検出結果が可変速型風力発電装置２０ａの制御装置２６ａに入力される。
制御装置２６ａは、出力電力Ｐ０が、この出力電力Ｐ０を平滑化した目標出力電力Ｐ２に近づくような目標補正出力電力Ｐ１´（有効電力、無効電力の双方を含む）を算出し、この目標補正出力電力Ｐ１´に可変速型風力発電装置２０ａの出力電力Ｐ１が追従するように、アクティブ整流器２２及びインバータ２４の制御を行う。ここで、上記目標出力電力Ｐ０´は、任意に設定することが可能であるが、例えば、出力電力Ｐ０を一次遅れ補償回路などに入力させることにより得られる出力値、或いは、発電装置１０の最大発電電力に所定の割合（例えば、９５％）を乗じた値などを採用することが可能である。
また、制御装置２６ａは、例えば、アクティブ整流器２２及びインバータ２４が、複数のスイッチング素子により構成されている場合には、これらのスイッチング素子をＰＷＭ制御することにより、可変速型風力発電装置２０ａの出力電力Ｐ１を目標補正出力電力Ｐ１´に追従させる。
具体的には、制御装置２６ａは、図２の時刻ｔ１に示すように、目標補正出力電力Ｐ１´がαであり、可変速型風力発電装置２０ａの発電機２１の出力電力がβ（α＜β）であった場合には、発電機２１の出力電力βをαまで降圧して出力する。一方、図２の時刻ｔ２に示すように、目標補正出力電力Ｐ１´がγ、可変速型風力発電装置２０ａの発電機２１の出力電力がβ（γ＞β）であった場合には、発電機２１の出力電力βをそのまま出力する。
上述したように、可変速型風力発電装置２０ａの出力電力が制御されることにより、可変速型風力発電装置２０ａの発電機２１の発電の範囲内において、発電装置１０の出力電力Ｐ０の電力低下が補完されることとなる。
そして、このようにして出力低下が補完された出力電力、換言すると、発電装置１０の出力電力Ｐ０及び可変速型風力発電装置２０ａの出力電力Ｐ１の合算出力電力Ｐ２は、電力検出器４２により検出され、この検出結果が可変速風力発電装置２０ｂの制御装置２６ｂに入力される。
制御装置２６ｂは、出力電力Ｐ２が、この出力電力Ｐ２の出力低下を補完した目標出力電力Ｐｏｕｔに近づくような目標補正出力電力Ｐ３´を算出し、この目標補正出力電力Ｐ３´に可変速型風力発電装置２０ｂの出力電力Ｐ３が追従するように、アクティブ整流器２２及びインバータ２４の制御を行う。例えば、アクティブ整流器２２及びインバータ２４が、複数のスイッチング素子により構成されている場合には、これらのスイッチング素子をＰＷＭ制御することにより、可変速型風力発電装置２０ｂの出力電力を目標補正出力電力Ｐ３´に追従させる。
この結果、図２において、可変速型風力発電装置２０ａにより出力低下の補完が十分に行われなかったときには（例えば、図２における時刻ｔ２など）、不足電力分（例えば、γ−β）が可変速型風力発電装置２０ｂにより補充されることとなる。
これにより、発電装置の出力電力Ｐ０は、可変速型風力発電装置２０ａ及び２０ｂによりその出力低下分が補完され、平準化された出力電力Ｐｏｕｔが電力変換機１１を介して電力系統１２に供給されることとなる。
以上説明してきたように、本実施形態に係る発電システムによれば、高価である電力貯蔵装置などを用いることなく、比較的安価な可変速型風力発電装置２０ａ及び２０ｂにより発電装置１０の出力電力の低下を補完するので、低コストで質の良い安定した電力を電力系統１２に供給することが可能となる。
なお、上述した発電システムにおいて、図２に示すように、可変速型風力発電装置２０ａにより発電装置２０ａの出力低下をほぼ補完することができるような場合には、以下のように出力補完を実施するようにしても良い。
まず、出力低下の補完を目的に設けられた複数の可変速型風力発電装置２０ａ及び２０ｂのうち、主に出力低下を補完する可変速型風力発電装置２０ａと、その可変速型風力発電装置２０ａの補助をする補助の可変速型風力発電装置２０ｂとに分ける。
そして、補助の可変速型風力発電装置２０ｂについては、基本的には、出力を抑えた通常の運転を行わせる。つまり、可変速型風力発電装置２０ｂの発電機２１により発電された出力をそのまま電力変換して供給するような通常の運転ではなく、発電機２１により発電された出力をある程度（例えば、７０％）部分負荷運転し、部分負荷運転した出力を電力線５０に出力するようにする。
例えば、図３に示すように、Ｐｍａｘが発電機２１の出力を部分負荷運転することなく出力する場合の電力値とすると、この出力Ｐｍａｘを所定の割合で部分負荷運転したＰｒｅｆを通常時における出力電力Ｐ３とする。そして、図２の時刻ｔ２などに示されるように、可変速型風力発電装置２０ａの出力が不足することにより、発電装置２０の平準化を十分に行えないような場合には、通常時の出力電力Ｐ３に、更に、その出力不足分を加算した電力を出力するように制御する。これにより、発電装置の出力電力の低下分を補完するために設けられた可変速型風力発電装置においても発電を行わせることができるので、より多くの安定した電力を発電システムの出力として電力系統１２に供給することが可能となる。
なお、上述した実施形態において、発電装置１０の発電電力Ｐ０が、目標出力電力Ｐ０´を大きく上回っている場合には、その上回った出力に相当する電力量分、可変速型風力発電装置２０ａを部分負荷出力させることにより、発電装置１０と可変速型風力発電装置２０ａの合計出力Ｐ２を目標出力電力Ｐ０に近づけることが可能となる。
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について、図４を用いて説明する。
本実施形態の発電システムが上述した第１の実施形態に係る発電システムと異なる点は、各可変速型風力発電装置２０ａ、２０ｂを一元的に制御する中央管理装置６０を設け、この中央管理装置６０からの指令に基づいて、各可変速型風力発電装置２０ａ及び２０ｂが出力を制御する点である。
以下、本実施形態の発電システムについて、第１の実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
中央管理装置６０には、電力検出器４１から発電装置１０の出力電力Ｐ０が入力されるとともに、各可変速型風力発電装置２０ａ、２０ｂがそれぞれ備える発電機２１の出力電力Ｐ４及びＰ５が入力される。
中央管理装置６０は、発電装置１０の出力電力Ｐ０の出力低下を補完するための目標出力電力を算出し、この目標出力電力と各可変速型風力発電装置２０ａ及び２０ｂの発電機２１の出力電力Ｐ４及びＰ５とに基づいて、各可変速型風力発電装置２０ａ、２０ｂの個別目標出力電力Ｐ４´、Ｐ５´をそれぞれ決定する。
具体的には、中央管理装置６０には、可変速型風力発電装置２０ａ、２０ｂのうち、優先順位が予め設定されており、優先順位の高い方から順に、個別目標出力を決定する。このとき、優先順位の最も高い可変速型風力発電装置により、目標出力電力を出力することが可能である場合には、優先順位の最も高い可変速型風力発電装置に対して目標出力電力を個別目標出力電力として出力し、それよりも優先順位の低い可変速型風力発電装置には、通常の運転を行う指令を行う。
このようにして、中央管理装置６０から各可変速型風力発電装置２０ａ、２０ｂの制御装置２６ａ、２６ｂに個別目標出力電力Ｐ４´、Ｐ５´が入力されると、制御装置２６ａ、２６ｂはこの個別目標出力電力Ｐ４´、Ｐ５´に自己の出力電力が追従するように、アクティブ整流器２２及びインバータ２４を制御する。これにより、可変速型風力発電装置２０ａ、２０ｂの合算出力電力として、目標出力電力が出力されることとなる。
この結果、発電装置１０の出力低下は補完され、平準化された安定した出力電力が発電システムの出力として、電力変換機１１を介して電力系統１２へ供給されることとなる。
なお、上述した第２の実施形態に係る発電システムにおいて、風況が安定している場所に設置されている可変速型風力発電装置から順に、換言すると、出力が安定している順に、優先順位を高く設定することが好ましい。このように優先順位を設定することにより、少ない台数の可変速型風力発電装置によって、発電システムの出力の平準化を効率よく実施することが可能となる。
また、上記優先順位は、気象条件に応じて、変更できるものとする。
可変速型風力発電装置２０ａ、２０ｂの出力の安定度は、季節や風向などの各種気象条件に応じて変わってくる。従って、これらの気象条件に応じて、優先順位を変更することにより、常に、出力が安定している可変速型風力発電装置から順に、発電装置の出力の平準化を目的とした出力が実施されることとなる。これにより、少ない台数の可変速型風力発電装置により、発電装置の出力低下の補完を行うことが可能となり、出力の平準化を効率よく行うことが可能となる。
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
第１に、上述した実施形態では、発電装置１０を風力発電装置により構成したが、これは一例であり、例えば、太陽光発電装置などの自然エネルギーを利用して発電する発電装置により構成されていても良い。
第２に、上記制御装置２６ａ、２６ｂ、並びに中央管理装置６０は、上記制御内容を実現させるための機能を備えたアナログ回路により構成されていても良く、あるいは、以下に述べるようなコンピュータシステムを備えていても良い。
制御装置２６ａなどは、例えば、図示しないＣＰＵ（中央演算装置）、ＲＯＭ（Read
Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等を備えるコンピュータシステムにより構成されており、上述の各種制御内容を実現するための一連の処理の過程は、プログラムの形式でＲＯＭ等に記録されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、上述した出力制御などを実現する。
本発明の第１の実施形態にかかる発電システムの概略構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態にかかる可変速型風力発電装置の作用を説明するための波形図である。 本発明の第１の実施形態にかかる可変速型風力発電装置の作用を説明するための波形図である。 本発明の第２の実施形態にかかる発電システムの概略構成を示す図である。
符号の説明
１０ 発電装置
１２ 電力系統
２０ａ、２０ｂ 可変速型風力発電装置
２６ａ，２６ｂ 制御装置
６０ 中央監視装置

Claims (6)

  1. 自然エネルギーを利用して発電する少なくとも１つの発電装置と、
    前記発電装置の出力低下を補完する出力を行う少なくとも１つの可変速型風力発電装置と
    を具備する発電システム。
  2. 前記可変速型風力発電装置には、優先順位が予め登録されており、優先順位が高い前記可変速型風力発電装置から順に、前記発電装置の出力低下を補完する出力を行う請求項１に記載の発電システム。
  3. 風況が安定している場所に設置されている前記可変速型風力発電装置ほど、前記優先順位が高く設定される請求項２に記載の発電システム。
  4. 前記優先順位は、気象条件に応じて変更可能である請求項２又は請求項３に記載の発電システム。
  5. 前記可変速型風力発電装置の台数は、前記発電装置の出力変動の推定最大値により決定される請求項１から請求項４のいずれかの項に記載の発電システム。
  6. 自然エネルギーを利用して発電する発電装置と、前記発電装置の電力が供給される電力系統との間に接続され、前記発電装置の出力低下を補完するように、前記電力系統へ電力を供給する可変速型風力発電装置。
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