JP2008278725A - 風力発電システム及びその制御方法及びこれを用いた風力発電所 - Google Patents

Abstract

【課題】風力発電機の速度変化による慣性エネルギーと発電効率の良い回転速度範囲で風力発電機の速度を調節する負荷や発電機を強調させて運転することにより、風のエネルギーを有効に活用して発電電力の変動を抑制する。
【解決手段】風車１と、風力発電機２と、風力発電機の交流出力を直流出力に変換する発電機側変換器３１と該直流出力を交流変換して風力発電機を制御する系統側３２とを有する風力発電機駆動装置３と、風力発電機２に接続した負荷６（または発電機）を備える。風力発電機２の回転速度を検出して、負荷６の負荷入力（または発電機の発電機出力）を段階的に調整する負荷制御装置８と、風力発電機２と負荷６（または発電機）との総合出力を検出して、風力発電機２の交流出力が一定となるように制御する発電機側制御装置４を設けたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は風力発電機に負荷または発電機を接続する風力発電システム及びその制御方法、及びこれを用いた風力発電所に関する。

近年、地球温暖化や化石燃料枯渇化問題から、風力発電が重要視されている。風力発電は風速が時々刻々と変化するので、風車の出力変動による電力変動が問題になる。特許文献１は風車軸に回転子が接続された同期発電機と二次電池を備えた風力発電装置を開示している。ここでは、同期発電機の可変周波数の発電電力は順変換器で直流電力に変換し、この直流電力を逆変換器で固定周波数の交流電力に変換する。また、順変換器と逆変換器の間に充放電可能な二次電池を直結し、系統へ出力する有効電力の変動を抑制するように二次電池を常時、充放電制御する。

特開２００３−３３３７５２号公報

上記従来技術においては、負荷に二次電池を用いているので、大容量の風力発電機の出力変動を抑制する場合には非常に大きな二次電池を必要とし、大きな設置スペースや非常に重量の大きな二次電池を設置する建築物を必要とする可能性がある。また、発電機の速度調節は発電機の発電電力の制御、蓄電池の充放電量の調節は所望の系統出力となるように制御しているので、必ずしも協調が取れるとは限らず、蓄電池の充放電を頻繁に行うことで損失が増大する可能性がある。

本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑み、風力発電機の速度変化による慣性エネルギーと発電効率の良い回転速度範囲で風力発電機の速度を調節する負荷や発電機を強調させて運転することにより、風のエネルギーを有効に活用して発電電力の変動を抑制する風力発電システムとその制御方法、及びそれらを用いた風力発電所を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明は、風車と、風力発電機と、風力発電機の交流出力を直流出力に変換する発電機側変換器と該直流出力を交流変換して風力発電機を制御する系統側変換器とを有する風力発電機駆動装置と、前記風力発電機に接続した負荷または発電機を備える風力発電システムにおいて、前記風力発電機の回転速度を検出して、前記負荷の負荷入力または前記発電機の発電機出力を調整する負荷制御装置と、前記風力発電機と前記負荷または発電機との総合出力を検出して前記風力発電機と負荷を合わせたシステムの交流出力が一定となるように制御する発電機側制御装置と、を設けたことを特徴とする。

前記負荷制御装置は前記負荷をオンまたは発電機をオフする発電機回転速度レベルＨと、前記負荷をオフまたは発電機をオンする前記レベルＨより低い発電機回転速度レベルＬを有し、前記風力発電機の回転速度がレベルＨより高い場合に負荷をオンまたは発電機をオフさせ、回転速度がレベルＬより低い場合に負荷をオフまたは発電機をオンする制御手段を設けたことを特徴とする。

また前記負荷制御装置は前記負荷の容量を増加または発電機の容量を減少する発電機回転速度レベルＨと、前記負荷の容量を減少または発電機の容量を増加する前記レベルＨより低い発電機回転速度レベルＬを有し、前記風力発電機の回転速度がレベルＨより高い場合に負荷を増加または発電機の出力を低下させ、回転速度がレベルＬより低い場合に負荷を減少または発電機出力を増加させる制御手段を設けたことを特徴とする。

前記負荷または発電機は複数の負荷または発電機を組み合わせて、その一部の負荷または発電機は風車の風速を検出して推定される発電電力に見合うように長い周期でオン／オフされ、他の一部の負荷または発電機は風力発電機の回転速度を検出して短い周期でオン／オフされることを特徴とする。

本発明は、風車と、風力発電機と、風力発電機を制御する風力発電機駆動装置と、前記風力発電機に接続した負荷または発電機を備える風力発電システムの制御方法において、前記風力発電機の回転速度を検出して、前記負荷の負荷入力または前記発電機の発電機出力を調整することを特徴とする。

本発明は、複数の風力発電機に負荷または発電機を設け、複数の風力発電機の総合出力を負荷とする負荷装置を併設する風力発電所において、各風力発電機はその回転速度を検出してその負荷量または発電量を調節する制御手段と、各風力発電機の出力電力の和が所望の一定値になるように前記負荷装置の負荷を段階的に調整する制御装置を設け、前記一定値の出力電力を連系電力として電力系統に託送することを特徴とする。あるいは、前記風力発電機の回転速度を検出して負荷量または発電量を調節する一部の負荷または発電機を当該回転速度を検出する風力発電機の近傍に配置し、上記以外の負荷または発電機を一括して設置して電力系統への託送電力の変動を抑制することを特徴とする。

本発明によれば、時々刻々と変化する風速の中で、発電機回転速度が最大効率点付近を縫うように運転するので風力発電機の効率を向上できる効果がある。

以下、本発明の具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は実施例１による風力発電システムの全体構成を示すブロック図である。二次励磁の場合の風力発電機制御で、１は風車、２は風車の軸に回転子２２が接続された風力発電機（巻線型誘導発電機）、３は発電機駆動装置、３１は系統側変換器、３２は発電機側変換器、３３は直流連結部（コンデンサ）、４は風力発電機制御装置、４１は発電機側制御部、４２は系統側制御部、５は電力系統、６は負荷（または発電機）である。７は発電機回転速度を検出する回転速度検出器、８は負荷のオンオフまたは出力段階制御を行う制御装置（負荷制御装置）、９はピッチ角制御装置である。

本実施例の風力発電機２は巻線型誘導発電機で、固定子巻線は電力系統に接続され一定周波数の電圧が印加される。風力発電機２により発電される交流電力の一部Ｐ１は、固定子巻線を介して直接電力系統に出力される。一方、回転子巻線に接続した発電機側変換器３２は可変周波数の交流を出力し、固定子側に印加される固定周波数と回転子側に印加される可変周波数の差に発電機の電機周波数が一致する回転速度で発電機２が回転する。従って、発電機側変換器３２から出力する励磁周波数を調整することで発電機２の回転速度を調節することができる。

発電機２の回転速度が変化すると固定子側の電力Ｐ１と回転子側の電力Ｐ２の比率が変化し、同期速度より低回転速度では発電機側変換器３２は直流直結部３３から回転子巻線に固定子側から出力した電力の一部をＰ２として供給する。同期速度より高回転速度では発電機側変換器３２は回転子巻線から得られる発電電力Ｐ２を直流連結部３３に供給する。系統側変換器３１は直流連結部３３の直流電圧一定制御を行うことで、回転子側巻線に供給する電力変化により変化する直流連結部３３の通過電力を調節してコンデンサ電圧をほぼ一定に保つ。

風力発電制御装置４は、前述の系統側変換器３１を制御する系統側制御部４２と発電機側変換器３２を制御する発電機側制御部４１から構成している。

系統側制御部４２は前述の直流連結部の直流電圧を一定に制御するために、直流連結部の電圧（Ｅｄ）と変換器出力電流（Ｉ０）を検出し、直流連結部の電圧を予め定められた一定値となるように制御量を決定し系統側変換器３１に駆動信号を出力する。系統側変換器３１はＩＧＢＴなどの半導体素子をブリッジ構成した交流直流変換器で構成することができ、この場合は駆動信号としてＩＧＢＴをオン／オフするパルス信号を出力する。系統側変換器の直流電圧を一定に制御する方式としては、３相の交流電流を系統電圧の位相に一致した位相の電流成分である有効電流成分とこれに直交する位相の電流成分である無効電流成分に変換して、直流電圧が所定値となるように有効電流成分を制御する方式などが知られている。公知の技術（特許文献１など）であり、詳細説明は省略する。

発電機側制御部４１はシステム出力ＰＳと回転子電流（Ｉ２）を検出し、風力発電機２の発電電力（Ｐ1＋Ｐ２）と負荷６の電力（ＰＬ）を合わせたシステム出力（ＰＳ）が所定の値になるように制御量を決定し、発電機側変換器３２に駆動信号を出力する。系統側変換器３２はＩＧＢＴなどの半導体素子をブリッジ構成した交流直流変換器で構成することができ、この場合は駆動信号としてＩＧＢＴをオン／オフするパルス信号を出力する。発電機側変換器４１で風力発電システムの電力を制御する方式は回転子電流を有効電流成分と無効電流成分の２軸の電流成分に変換し、回転子電流の有効電流成分を制御することでシステム有効電力を調整し、回転子電流の無効電流成分を制御することでシステム無効電力もしくは発電機端子電圧を調整する。この技術は公知であり例えば特開２００５−１９８４２９号公報などに開示されているので詳細は省略する。

本実施例においては、風力発電機だけではなく風力発電機の速度調節を行う負荷（または発電機）６の電力を合わせたトータルの電力を検出値として用いることで、システム電力ＰＳの制御が可能である。

負荷制御装置８は回転速度に基づいて負荷のオン／オフ制御または出力段階制御を行う。負荷制御装置８の制御信号によって負荷６が接続／切り離しされるので、風力発電機２は常に高効率の運転を維持する。本実施例のように構成したシステムでは風力発電機２の発電出力は発電機側変換器３２により、システム出力ＰＳと長い周期でオン／オフされる負荷の消費電力または発電機の発電電力の和がその時の風速における最大発電電力より少し小さな大きさになるようにシステム出力の目標値を定め、発電機側制御部４１はシステム出力を制御する。風による風車への軸入力トルクがＰＳ＋ＰＬで決まる電気出力より大きければ、風力発電機２が加速して回転速度が上昇する。風による風車への軸入力トルクがＰＳ＋ＰＬで決まる電気出力より小さければ、風力発電機２が減速して回転速度が低下するので（損失は無視）、負荷量（または発電機投入量）の調節により風力発電機の回転速度を調整することができる。

負荷としては、水素製造装置、製氷機、ヒータ、貯水槽循環ポンプ、発電機（小水力発電機、揚水発電）などを用いることができる。

図２は風力発電機の動作特性図である。（ａ）は、風車入力Ｐが風速と回転速度に応じて変化し、各速度の最大値を通る曲線（破線）が最大入力Ｐ_ｍａｘを示している。発電機出力は図２の最大効率点（破線）の近傍を通るように制御されるのが望ましい。図示のように、最大効率点近傍では回転速度が多少変化しても軸入力はほとんど低下しないことから、速度調節範囲を最大電力点近傍に設定することで発電効率をほぼ最大化できる。（ｂ）は本発明の速度制御の概念を示す模試図で、（ａ）の曲線の一部を切り取り、縦軸を発電機の軸入力相当の発電出力に換算したものである。本発明では風車（発電機）の運転範囲を最大効率点近傍としている。すなわち、回転速度が上限値に至ると、負荷をオン（負荷が発電機の場合はオフ）して、ＰＬ＋ＰＳが風力発電機の入力より大きくなるようにして発電機２の回転速度を下げる。一方、回転速度が下限値に至ると、負荷をオフ（発電機の場合はオン）してＰＬ＋ＰＳが風力発電機の入力より小さくなるようにして発電機２の回転速度を上げ、発電機（風車）２の運転範囲が常に発電機最大効率点の近傍を縫うように制御する。

図示したように、負荷の調節で速度を制御する場合には、システム出力ＰＳは風力発電システムから得られる出力より小さい点ＰＳ1に設定し、発電機の調節で速度を制御する場合は風力発電システムから得られる出力よりも大きな点ＰＳ２に設定すればよい。このように、風力発電機の効率が良い回転速度で運転し、かつ常時のピッチ制御は行わないので無駄にエネルギーを逃すことがない。このように制御した場合はシステム出力は入力に一致しないが、差分は加速中に発電機の回転速度変化として慣性エネルギーに蓄えられ、減速中に慣性エネルギーを電気出力として取り出しているので、発電電力が損失しているわけではない。前述の軸入力と発電出力の関係を満たすためにはＰＳ＋ＰＬを運転する回転速度範囲で得られる入力トルクより低い値に設定しておけば、負荷（発電機）のオン／オフにより風力発電機回転速度を最大効率点近傍で変化させることができる。

図３は負荷とその制御ブロックを示す。ここでの負荷６は水素製造装置で、５つの電解槽６２−１〜６２−５を有している。整流回路６３は風力発電機２の交流出力を整流し、チョッパ６４に与える。チョッパ６４は昇降圧チョッパで、電圧ＶＣを一定にすることで全ての電解槽６２の電圧が一定になる。電解槽６２は入力直流電圧が一定の場合、一定の速さで水素を発生させ、入力電力が一定で動作するものである。制御装置８は風速ｕと回転速度ωを検出して、図２に基づいて発電出力を推定する出力推定装置から推定される出力推定値Ｐｍａｘ＊と回転速度ωに基づいてスイッチ６１をオン／オフし、電解槽６２の使用個数を変え、負荷の消費電力を制御する。

図４は電解槽切り替えのための制御ブロックの構成例である。制御装置８は、発電機出力Ｐに応じてスイッチ６１を制御するブロック（Ａ）と、回転速度に応じて電解槽６２をオン／オフするブロック（Ｂ）を有している。

図中６００は積分器で例えば最小値０と最大値０．２でリミットされたものである。６０１は比較器で上側の入力が下側の入力より等しいか大きい場合に１を出力し、そうでない場合に０を出力する。６１−１信号〜６１−５信号はスイッチ６１−１〜６１−５をオン／オフするためのスイッチで１のときスイッチがオン、０のときスイッチがオフとなる。６１−１１〜６１−１５は６２−１〜６２−５の各電解槽をオンするための推定発電量レベルで、本実施例では一例として図示の数値（０．２、０．４、０．６、０．８、１．０）を用いている。６１−２１〜６１−２５は推定出力レベルが所定値を越えたあとの継続時間（エネルギー量）を決めるパラメータで、本実施例では一例として図示のように０．１を用いている。６１−１６は風力発電機の回転速度レベルを決めるパラメータで本実施例では一例として１．０を用いており、６１−２６は回転速度による電解槽のオン／オフを行うためのヒステリシス幅を決めるパラメータで、本実施例では一例として０．１としている。

ブロック（Ａ）で、スイッチ６１−１をオン／オフする６１−１信号は発電機出力Ｐが０．２ｐｕを超えているときＯＮする。スイッチ６１−２をオン／オフする６１−２信号は発電機出力Ｐが０．４ｐｕを超えているときＯＮする。スイッチ６１−３をオン／オフする６１−３信号は発電機出力Ｐが０．６ｐｕを超えているときＯＮする。スイッチ６１−４をオン／オフする６１−４信号は発電機出力Ｐが０．８ｐｕを超えているときＯＮする。スイッチ６１−５をオン／オフする６１−５信号は発電機出力Ｐが１．０ｐｕ（定格）を超えているときＯＮする。

これらのスイッチオン／オフ信号を作成する場合に、算出した出力Ｐmax＊がある基準を超えて、例えば０．１ｐｕ×１秒分のエネルギーが出力されたら、電解槽をＯＮする。電解槽ＯＮまでのエネルギー量を変化させることで、切り替え過多を防止できる。

一方、ブロック（Ｂ）は発電機出力Ｐは適切な出力であるが、回転速度が１puより上昇したような場合に、５つ目の電解槽６２−５をオンするための６１−５信号を出力する。これによって、回転エネルギーとなって余ったエネルギーを負荷で消費させ、発電効率のよい運転を行うと共に、発電機の過回転を防止できる。ブロック（ｂ）では回転速度ωを入力し、６１−１６に設定された１．０puを超える回転速度を所定時間積分し、所定値（６１−２６）との差分が制限範囲を超えたら１を出力しブロック（Ａ）の出力が０の場合でも６１−５信号を１として電解槽６２−５をオンする。これにより、余ったエネルギーが追加の負荷（電解槽６２−５）で消費される。なお、ブロック（Ｂ）の出力にリミッタをかけることで、ブロック（Ａ）とブロック（Ｂ）双方から出力がある場合も６１−５信号を１とすることができる。

図２（ａ）に示すように、風速により最大効率が得られる回転速度が変化するが、ブロック（Ｂ）において６１−１６の値を風速に応じて可変にすることで、風速に応じた最適速度を選ぶことができる。

図５は、図４ブロックＢの他の実施例である。電解槽６２−１〜６２−５の少なくとも１つがオンしている状態で、回転速度が０．８ｐｕ〜１．２ｐｕとなるように負荷を制御する。回転速度の検出値ω（pu）が比較回路（１）で１．２以上か、あるいは比較回路（２）で０．８以下か判定される。１．２以上であれば比較回路の出力（１）と図４のブロックＡの６１−５信号（０／１）をＡＮＤし、両者が１であればＡＮＤ出力が電解槽６２−５をオンする。ＯＲ回路はＡＮＤ出力が０でも、ブロックＡによって６１−５信号がオンであれば電解槽６２−５をオンする。また、回転速度が１．２以上でも、６１−５信号がオフであれば、ブロックＡの６１−４信号がオンであるかを確認し、オンであれば電解槽６２−４をオンする。以下、同様にして他のスイッチについても行う。このように、回転速度が１．２ｐｕ以上であればオフ状態の電解槽をオンして負荷の消費電力を増加する。

一方、回転速度が０．８ｐｕ以下であれば、比較回路（２）の出力とブロックＡによる６１−５信号（１／０）をＡＮＤする。両者が１であればＮＯＴを経て電解槽６２−５をオフする。また、６１−５信号がオフ、電解槽６２−５がオフであれば、比較回路（２）の出力と６１−４信号をＡＮＤし、その出力が１であればＮＯＴを経て電解槽６２−４をオフする。以下、他のスイッチについても同様に行う。このように、回転速度が０．８ｐｕ以下であればオン状態の電解槽をオフして負荷の消費電力を減少する。

これによれば、回転速度が上限値に至ると、負荷をオン（発電機の場合はオフ）して風力発電機２の回転速度を下げ、一方、回転速度が下限値に至ると、負荷をオフ（発電機の場合はオン）して風力発電機２の回転速度を上げ、風力発電機（風車）２の運転範囲が常に発電機最大効率点の近傍を縫うようにして制御される。

本実施例では回転速度が０．８ｐｕと１．２ｐｕで負荷を切り替えて速度を調節する例について説明したが、図２に示すように風速が変化すると最大効率となる回転速度が変化するので、これらの数値を可変として、風速に応じて変化させることで、より効率的な運転とすることができる。

ところで、風車がオーバースピードのときはピッチ角を変えて、過回転を防止する必要がある。図６は過回転防止のためのピッチ制御装置のブロック図を示す。ピッチ制御装置９は風車の角度を変えて、風のエネルギーを回転エネルギーに蓄積するか、風のエネルギーを逃がすものである。電解槽が５つ（全て）ＯＮしているにもかかわらず、発電機１の回転速度が１．０ｐｕを超えて上昇するようであれば、ピッチ角を増やして風からのエネルギーを逃がし、過回転になることを防止する。また、回転速度が１．０ｐｕを超えている状態でも回転速度が下降しているときには、徐々にピッチをセロに戻して、風のエネルギーを徐々に捉え直すようにする。ホールド回路９２は変化する勾配値をみる組み込み素子である。風車角コントローラ９３はピッチ角制御装置９の出力によりピッチ角制御指令θ^＊を出力する。係数Ｋ１はピッチ角度を大きくする時の速さを決める係数，Ｋ２はピッチ角度を小さくする時の速さを決める係数である。９００はピッチ動作開始回転速度を決める係数で本実施例では１．０としている。

図７は本実施例のシミュレーションの結果を示すグラフである。図７は低風速の場合のシミュレーションで、（ａ）は本システムと従来システムの負荷消費電力の比較図で、本システムは従来に比べて頻繁に負荷がオン／オフされていることが分かる。（ｂ）は発電機回転速度の比較図で、本システムでは回転速度がほぼ運転範囲内で運転しているが（ｃ）に示すピッチ角度はほとんど動作しておらず、発電機発電効率が向上する。これらのグラフから、従来は余剰電力時に逃していた風のエネルギーが有効利用されていることが分かる。

実施例１では負荷に水素製造装置を用いたがこれに限られるものではない。例えば、製氷機やヒータ、貯水槽循環ポンプなどでもよい。また、負荷とは反対動作になる発電機を接続しても良い。発電機の場合の負荷制御装置によるオン／オフ制御は、風力発電機２の回転速度が上限値に至ると、発電機をオフして供給電力を下げて発電機２の回転速度を下げ、一方、回転速度が下限値に至ると、発電機をオンして供給電力を増加して発電機２の回転速度を上げ、風力発電機（風車）２の運転範囲が常に発電機最大効率点の近傍を縫うように制御する。このように、風力発電機が常に効率の良い回転速度で運転される。

ここまでに説明した実施例では電力系統に接続したシステムを例として説明したが、システム出力ＰＳ＝０と制御することで、風力発電機の発電電力を全て負荷で消費させることにより、電力系統５に接続しない自立型のシステムとして構成することもできる。

また負荷量の調節に風力発電機の回転速度の変わりに同等な電気量として発電機側変換器が出力している可変周波数の交流の周波数即ちすべり周波数を用いることもできる。

図８は実施例２による風力発電システムの全体構成を示すブロック図である。本実施例では負荷を風力発電システムの直流部に直接接続しており、実施例１に示した水素製造装置などの直流負荷であれば、直流部の電圧を一定にすることで、一台あたりの負荷の消費電力を一定に保つことができる。図１と同等の要素には同一の符号を付してある。

風力発電機制御装置４は、風力発電機から得られる交流電力を直流電力に変換する発電機側変換器３２と直流を交流系統の周波数に変換する系統側変換器３１から構成した風力発電機の制御装置であり、発電機側変換器３２を制御する発電機側制御部４２'と系統側変換器３１を制御する系統側制御部４１'から構成される。

発電機側制御部４１'は発電機の出力電流Ｉと直流電圧Ｅｄを検出して直流電圧Ｅｄが一定になるように発電機側変換器３２の駆動信号を出力する。系統側制御部４２'は電力系統５に出力するシステム電力を検出し、これが所望の値になるように系統側変換器３１の駆動信号を出力する。発電機側変換器３２は可変周波数の交流電力を出力することで風力発電機を可変速度で運転することができる。

電力系統と風力発電機の間に直流を接続した電力変換器を接続して運転する風力発電システムの制御方法は三相交流電流を有効成分と無効成分の２軸の電流成分に変換して有効分で有効電力や直流電圧を制御し、無効分で無効電力や交流電圧を制御する技術及び発電機を可変速駆動する技術は公知であり、例えば特許文献１などに開示されているので詳細は省略する。

系統側変換器３１では前述のように電力系統に出力する有効電力を所定の値になるように制御することで本実施例を実現することもできるし、電力系統の交流電圧がほとんど変動しない場合には出力電流の有効成分を所定の値に制御する電流制御のみで構成することもできる。３相交流の場合は所定の出力電力Ｐo、交流線間電圧実効値Ｖｓ、出力電流Ｉｏをもちいて（１）式の関係で所望の有効電流値に変換すればよい。
Ｐ_０＝√３×Ｖｓ×Ｉ_０ …（１）
このように構成した風力発電システムの制御装置では、系統側変換器３１により電力系統に出力する電力が一定に制御され、発電機側変換器３２により直流部の電圧が一定に制御される。直流回路から持ち出される電力は損失分を無視すると電力系統に出力される電力ＰＳと負荷で消費される電力ＰＥの和であるが、直流電圧Ｅｄを一定に制御することで、１台あたりの負荷で消費される電力は一定値となる。このため、ＰＥは接続した負荷の数に比例した値となる。これに対して発電機側制御部４１'では直流電圧を一定に制御しているため、直流部から持ち出される電力を補う電力を常に発電機から取り出すように発電機側変換器は動作する。従って風力発電機２の軸入力より直流部から持ち出される電力が大きければ風力発電機は減速し、風力発電機の軸入力より直流部から持ち出される電力が小さければ風力発電機は加速することになり、実施例１と同様に負荷の投入量を変化させることで風力発電機の回転速度を調節することが可能になる。

ここまでに説明した実施例１、２では、電力系統に接続したシステムを例として説明したが、システム出力ＰＳ＝０と制御することで、風力発電機の発電電力を全て負荷で消費させることになり、電力系統５に接続しない自立型のシステムとして構成することもできる。

負荷６はたとえば水素製造装置で、複数の電解槽を有している。負荷６に直結部３３から直流電力Ｐ_Ｅを供給し、その電力（または電圧）に応じてオン／オフする電解槽を決定する。負荷制御装置８は回転速度検出器８からの回転速度に基づいて、実施例１で説明したように、負荷のオン／オフ制御を行う。これにより、発電機２の回転速度が最大効率点を過ぎた上限値（例えば１．２ｐｕ）に達したなら、負荷を増やす（回転速度を下げる）ように制御し、一方、下限値（例えば、０．８ｐｕ）に達したなら、負荷を減らす（回転速度を上げる）ように制御する。

実施例２によっても、回転速度に応じて負荷をオン／オフ制御するので、風力発電機は最大効率点の近傍を縫うように制御できる。

また負荷量の調節に風力発電機の回転速度の変わりに同等な電気量として発電機側変換器が出力している可変周波数の交流の周波数を用いることもできる。

図９は実施例３による風力発電システムの構成を示すブロック図である。風力発電機１００の制御装置WCntr-1は、風力発電機1と負荷装置（１）１１、負荷装置（２）２０の各々の電流の和と、それらの接続点Ｇの電圧を検出し、これからシステム電力Psysを求める。風力発電機１００は制御装置WCntr-1により連系電力Pが一定になるように制御される。

負荷装置（１）１１の制御装置Cntr-11aは、風力発電機1の回転速度ωを検出し、これが所定の回転速度Hより高い場合に負荷１１ａをオンし、所定の回転速度Lより低い場合に負荷１１ａをオフする。負荷１１ａはヒータやポンプ、製氷機、水素製造装置などのオンオフ可能な負荷を用いることもできるし、ヒートポンプや可変速度のポンプなど多段階に負荷電力を調整できる負荷を用いても良い。多段階に負荷電力を調節可能な負荷の場合は、オンの代わりに負荷増加、オフの変わりに負荷減少させればよい。

また、オン／オフ可能なディーゼル発電機、小水力発電機、発電出力レベルを変更可能な燃料電池や揚水発電機などの発電機を用いることもできる。発電機を用いる場合は、風力発電機１００の回転速度が所定の回転速度Hより高い場合に発電機をオフ（または出力低下）し、所定の回転速度Lより低い場合に発電機をオン（または出力増加）する。

負荷装置２０は負荷２１ａ、２２ａの制御として、風速計で検出した平均風速が所定の値Ｈ１より強い場合に負荷２１ａをオンし、風速検出値が所定の値Ｌ１より弱い場合には負荷２１ａをオフする。ここで用いるＨ１はＬ１より大きく、風力発電機の風速と回転速度、発電出力の特性から得られる発電効率が高い風速領域を用いるように設定する。

負荷装置２０の負荷２１ｂの制御として、風速計で検出した平均風速が所定値Ｈ２より強い場合に負荷２１ａをオンし、風速検出値が所定の値Ｌ２より弱い場合に負荷２１ａをオフする。ここで用いるＨ２はＬ２より大きく、風力発電機１の風速と回転速度、発電出力の特性から得られる発電効率が高い風速領域を用いるように設定する。

さらに、所定値をＨ１＞Ｌ１＞Ｈ２＞Ｌ２の関係に設定すれば、風速がＬ２より低い場合には全ての負荷２２ａ、２１ａが停止し、風速がＨ１より高い場合には全ての負荷２２ａ、２１ａが運転する。また、風速が次第に強くなっていく場合には、Ｈ２より風速が強くなれば負荷２２ａが運転し、さらにＨ１より強くなれば負荷２２ａ、２１ａともに運転する。逆に風速が次第に弱くなっていく場合には、Ｌ１より風速が弱くなれば負荷２１ａが停止して負荷２２ａのみが運転し、さらにＬ２より弱くなれば負荷２２ａが停止し、全ての負荷が停止する。このように風速の強さに応じて運転する負荷の台数、即ち負荷の大きさを切り替えることができる。

このように運転される風力発電システムは、比較的長い時間の風速平均値（例えば5分から15分程度）で負荷装置２０の運転台数を切り替える。これとともに、比較的短い時間で変化する風力発電機の回転速度に応じて負荷装置１１の運転／停止を切り替える。従って、運転停止回数が寿命に影響するような負荷や発電機（例えば、水素製造装置や燃料電池など）で負荷２０を構成し、運転停止や出力変化の寿命への影響が少ない負荷や発電機（例えばポンプや小水力発電機など）で負荷１０を構成すれば、システムとしてのメンテナンスの削減と、システム寿命を長くするなどの効果がある。

実施例３では負荷２０の構成要素として負荷２１ａ及び負荷２２ａの２つで構成したが、負荷の台数を増やし、切替レベルを増加することで負荷調整のレベルを増加することができる。

図１０は実施例３の風力発電システムの制御手順を示すフロー図である。ステップ１０１〜１０４は負荷１１ａの制御手順を示す。ステップ１０１では風力発電機の回転速度が所定値Ｈより高いか判定し、高ければ負荷１１ａをオンする（ステップ１０２）。ステップ１０３では風力発電機の回転速度が所定値Ｌより低いか判定し、低ければ負荷１１ａをオフする。ステップ１０５〜１０８は負荷２１ａの手順を示し、ステップ１０５では風速測定値の時間平均が所定値Ｈ１より強いか判定し、強ければ負荷２１ａをオンする（ステップ１０６）。ステップ１０７では、風速測定値の時間平均が所定値Ｌ１より弱いか判定し、弱ければ負荷２１ａをオフする（ステップ１０８）。

負荷２２ａの制御も、所定値Ｈ２、Ｌ２を用いて同様に行われる。さらに、Ｈ１＞Ｌ１＞Ｈ２＞Ｌ２の関係に応じて、風速が次第に強くなっていく場合には、Ｈ２より風速が強くなれば負荷２２ａが運転し、さらにＨ１より強くなれば負荷２２ａ、２１ａともに運転する。逆に風速が次第に弱くなっていく場合には、Ｌ１より風速が弱くなれば負荷２１ａが停止して負荷２２ａのみが運転し、さらにＬ２より弱くなれば負荷２２ａが停止するように制御する。

図１１は実施例４によるウインドファームの構成を示すブロック図である。負荷装置１１を接続する風力発電機１００と、負荷装置１２を接続する風力発電機２００と、負荷装置２０が電線５に接続され、遮断器を介して電力系統に連系電力Ｐを託送している。

風力発電機１００の制御装置（WCntr-11a）は発電機の出力電圧と電流から発電電力Ｐ１を検出し、これが予め設定された複数の値のひとつに一致するように風力発電機１の発電電力を制御する。これとともに、風力発電機１００の回転速度ω１を負荷装置１１に、発電出力Ｐ１を負荷装置２０に出力する。

風力発電機２００の制御装置（WCntr-12a）は、発電機の出力電圧と電流から発電電力を検出し、これが予め設定された複数の値のひとつに一致するように風力発電機２００の発電電力を制御する。これとともに風力発電機２の回転速度ω２を負荷装置１２、発電出力Ｐ２を負荷装置２０に出力する。

負荷装置１１の制御装置（Cntr-11a）は、回転速度ω１が予め設定された所定の回転速度レベルHを超えた場合に負荷１１ａをオンに、回転速度ω１が予め設定された所定の回転速度レベルLを下回った場合に負荷１１ａをオフにする。

負荷装置１２の制御装置（Cntr-12a）は、回転速度ω２が予め設定された所定の回転速度レベルHを超えた場合に負荷１２ａをオンに、回転速度ω２が予め設定された所定の回転速度レベルLを下回った場合に負荷１２ａをオフにする。

負荷装置２０は複数の負荷20a、20b、20cを有し、その総和が発電出力Ｐ１及び発電出力Ｐ２の合計より小さく、電力系統に出力される連系電力Pが所望の値になるように負荷の運転台数を切り替える。

制御装置（WCntr-11a）及び制御装置（WCntr-12a）は、あらかじめ設定した複数の発電電力のうち、風力発電機の特性と計測した風速において発電できる最大発電電力より小さい値を選定することで、負荷装置２０が取りうる負荷の総和に見合った発電出力レベルを選定することができる。制御装置（WCntr-11a）及び制御装置（WCntr-12a）は、計測した風速に基づいて決定した回転速度レベルH、及び回転速度レベルLをCntr-11a及びCntr-12aに送ることで、風速に見合って発電効率の良い回転速度範囲で風力発電機１及び風力発電機２を制御するように負荷装置１１及び負荷装置１２を調節する。これによれば風力発電機で発電する発電電力をより多く得ることができる。

このように、平均風速や風力発電機の発電出力に応じてオン／オフする負荷をまとめて負荷装置２０として設置することで、複数の風力発電機の発電電力の総和が変化した場合にのみ、負荷の投入量を切り替えればよい。このため、負荷のオン／オフ回数を低減することができる。また風力発電機の近傍には、風力発電機の回転速度を検出してオン／オフする最小限の負荷のみ設置すれば良いので、風力発電機のタワーの内部などに設置が可能になり風力発電機近傍に大きな設置スペースを必要とせず、負荷装置２０のための設置スペースを準備すれば足りる。

通信により負荷装置２０と制御装置（WCntr-11a）（１）及び制御装置（WCntr-12a）（２）の間のデータの授受を行えば、両者は必ずしも近傍に設置する必要は無い。風力発電に適した風況の良い場所に風力発電機とこの回転速度を調節する小さな負荷または発電機を設置し、こことは離れた地点にある需要地近傍などの負荷や発電機を負荷装置２０として用いることができる。

実施例４では負荷装置１１、負荷装置１２、負荷装置２０としたが、これらはオン／オフあるいは発電出力レベルを変更可能な発電機を用いることもできる。この場合、制御装置（Cntr-11a）は回転速度ω１が予め設定された所定の回転速度レベルHを超えた場合に発電機をオフに（出力低下させ）する。また、回転速度ω１が予め設定された所定の回転速度レベルLを下回った場合に発電機をオンにする（出力増加させる）ことで同様の効果が得られる。

実施例１による風力発電システムの全体構成を示すブロック図。 発電機の動作特性を示す特性図。 負荷とその制御ブロックを示すブロック図。 電解槽切替制御を示すブロック図。 回転速度に応じて電解槽をオン／オフするためのブロック図。 ピッチ制御のための制御ブロック図。 実施例１の低風速におけるシミュレーション結果を示すグラフ。 実施例２による風力発電システムの全体構成を示すブロック図。 実施例３による風力発電システムの全体構成を示すブロック図。 実施例３による風力発電システムの制御手順を示すフロー図。 実施例４によるウインドファームを示すブロック図。

符号の説明

１…風車、２…風力発電機、３…発電機駆動装置、３１…系統側変換器、３２…発電機側変換器、３３…直流連結部（コンデンサ）、４…風力発電機制御装置、４１、４１’…発電機側制御部、４２、４２’…系統側制御部、５…電力系統、６…負荷（発電機）、７…回転速度検出器、８…負荷制御装置、９…ピッチ制御装置、１１、１２…負荷装置、２０…負荷装置、６１…スイッチ、６２…電解槽、６４…チョッパ、インバータ、５…昇降圧チョッパ、６…切替スイッチ、７…水素製造装置、９…電解槽切替制御回路、１０…ピッチ制御回路、１００、２００…風力発電機。

Claims (16)

1. 風車と、風力発電機と、風力発電機の交流出力を直流出力に変換する発電機側変換器と該直流出力を交流変換して風力発電機を制御する系統側変換器とを有する風力発電機駆動装置と、前記風力発電機に接続した負荷または発電機を備える風力発電システムにおいて、
   前記風力発電機の回転速度を検出して、前記負荷の負荷入力または前記発電機の発電機出力を調整する負荷制御装置と、
   前記風力発電機と前記負荷または発電機との総合出力を検出して前記風力発電機と負荷を合わせたシステムの交流出力が一定となるように制御する発電機側制御装置と、
   を設けたことを特徴とする風力発電システム。
2. 請求項１において、前記風力発電機駆動装置の少なくとも一方は直流出力の直流電圧が一定となるように制御する制御装置を設けたことを特徴とする風力発電システム。
3. 請求項１において、前記負荷制御装置は前記負荷をオンまたは発電機をオフする発電機回転速度レベルＨと、前記負荷をオフまたは発電機をオンする前記レベルＨより低い発電機回転速度レベルＬを有し、前記風力発電機の回転速度がレベルＨより高い場合に負荷をオンまたは発電機をオフさせ、回転速度がレベルＬより低い場合に負荷をオフまたは発電機をオンする制御手段を設けたことを特徴とする風力発電システム。
4. 請求項１において、前記負荷制御装置は前記負荷の容量を増加または発電機の容量を減少する発電機回転速度レベルＨと、前記負荷の容量を減少または発電機の容量を増加する前記レベルＨより低い発電機回転速度レベルＬを有し、前記風力発電機の回転速度がレベルＨより高い場合に負荷を増加または発電機の出力を低下させ、回転速度がレベルＬより低い場合に負荷を減少または発電機出力を増加させる制御手段を設けたことを特徴とする風力発電システム。
5. 請求項１において、前記負荷または発電機は複数の負荷または発電機を組み合わせて、その一部の負荷または発電機は風速を検出して推定される発電電力に見合うように長い周期でオン／オフされ、他の一部の負荷または発電機は風力発電機の回転速度を検出して短い周期でオン／オフされることを特徴とする風力発電システム。
6. 請求項５において、前記長い周期でオン／オフされる負荷または発電機は水素製造装置または燃料電池、前記短い周期でオン／オフされる負荷または発電機は製氷機、ヒートポンプ、ヒータまたはディーゼル発電機であることを特徴とする風力発電システム。
7. 請求項１において、前記風力発電機の交流出力が定格値を超えないように前記風車の入力トルクを制御するピッチ角制御装置を設けたことを特徴とする風力発電システム。
8. 風車と、風力発電機と、風力発電機を制御する風力発電機駆動装置と、前記風力発電機に接続した負荷または発電機を備える風力発電システムの制御方法において、
   前記風力発電機の回転速度を検出して、前記負荷の負荷入力または前記発電機の発電機出力を調整することを特徴とする風力発電システムの制御方法。
9. 請求項８において、前記負荷をオンまたは発電機をオフする発電機回転速度レベルＨと、前記負荷をオフまたは発電機をオンする前記レベルＨより低い発電機回転速度レベルＬを設定し、前記風力発電機の回転速度をレベルＨとレベルＬの間に制御することを特徴とする風力発電システムの制御方法。
10. 請求項８において、前記負荷の容量を増加または発電機の容量を減少する発電機回転速度レベルＨと、前記負荷の容量を減少または発電機の容量を増加する前記レベルＨより低い発電機回転速度レベルＬを設定し、前記風力発電機の回転速度がレベルＨより高い場合に負荷をオンまたは発電機をオフさせ、回転速度がレベルＬより低い場合に負荷をオフまたは発電機をオンすることを特徴とする風力発電システムの制御方法。
11. 請求項８において、前記負荷または発電機は複数の負荷または発電機が組み合わされていて、
    風速から求められるレベルＨ１と、レベルＨ１より低い風速から求められるレベルＬ１を設定し、
    前記風力発電機の回転速度がレベルＨを超えると一部の負荷をオンまたは一部の発電機をオフし、回転速度がレベルＬを下回ると当該負荷をオフまたは当該発電機をオンし、
    前記一部を除く他の負荷または発電機は風速から求められる値が所定値Ｈ１より強い場合に当該負荷をオンまた当該発電機をオフし、風速から求められる値が所定値Ｌ１より弱い場合に当該負荷をオフまたは当該発電機をオンすることを特徴とする風力発電システムの制御方法。
12. 請求項１１において、
    前記他の一部の負荷は前記Ｈ１より低い所定値Ｈ２と、前記Ｌ１より低い所定値Ｌ２を設定すると共に所定値をＨ１＞Ｌ１＞Ｈ２＞Ｌ２の関係に設定し、
    前記平均風速がＬ２より低い場合には前記他の負荷の全てを停止し、前記平均風速がＨ１より高い場合には前記他の負荷の全てを運転し、また、風速が次第に強くなっていく場合に、Ｈ２より風速が強くなればある負荷のみ運転し、Ｈ１より風速が強くなれば前記他の負荷の全てを運転し、逆に風速が次第に弱くなっていく場合に、Ｌ１より風速が弱くなれば前記ある負荷を除く負荷を運転し、Ｌ２より風速が弱くなれば前記他の負荷の全てを停止することを特徴とする風力発電システムの制御方法。
13. 請求項８において、前記負荷または発電機は複数の負荷または発電機が組み合わされ、一部の負荷または発電機は長い周期でオン／オフされ、他の一部の負荷または発電機は短い周期でオン／オフされることを特徴とする風力発電システムの制御方法。
14. 請求項１３において、前記長い周期のオン／オフ条件は５〜１５分の平均風速により決定することを特徴とする風力発電システムの制御方法。
15. 複数の風力発電機に負荷または発電機を設け、複数の風力発電機の総合出力を負荷とする負荷装置を併設する風力発電所において、
    各風力発電機はその回転速度を検出してその負荷量または発電量を調節する制御手段と、各風力発電機の出力電力の和が所望の一定値になるように前記負荷装置の負荷を段階的に調整する制御装置を設け、前記一定値の出力電力を連系電力として電力系統に託送することを特徴とする風力発電所。
16. 複数の風力発電機に負荷または発電機を設け、複数の風力発電機の総合出力を負荷とする負荷装置を併設する風力発電所において、
    前記風力発電機の回転速度を検出して負荷量または発電量を調節する一部の負荷または発電機を当該回転速度を検出する風力発電機の近傍に配置し、
    上記以外の負荷または発電機を一括して設置して電力系統への託送電力の変動を抑制することを特徴とする風力発電所。

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