JP2009197587A - 風力発電設備 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電池側の制約で風力発電が制約を受けることなく発電出来ることにより、風力発電の利用率を向上させることができるとともに蓄電池容量を低減した風力発電設備を提供することである。
【解決手段】風車発電機１２で発電された電力をコンバータ１３で直流に変換すし、コンバータ１３で変換された直流電力を２台の蓄電池１４ａ、１４ｂに蓄電する。インバータ１６は、蓄電池１４ａ、１４ｂに蓄電された直流電力を交互に交流に変換して系統１７に電力を供給する。そして、切替器１５は、２台の蓄電池１４ａ、１４ｂをコンバータ１３とインバータ１４とに交互に接続切り替えを行い、２台の蓄電池１４ａ、１４ｂの充放電を交互に行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は風車発電機で発電された電力を電力系統に供給する風力発電設備に関する。

風力発電設備は、風エネルギーを風車で回転エネルギーに変換し発電機を駆動して発電するものであり、風車発電機で発電した電力を電力系統に供給し、電力系統に接続される家庭や工場などの負荷に電力を供給している。

一般に、電力系統は、負荷需要の大きさに応じて発電量を調整している。一方、風力発電設備では、風速の変動に伴って時々刻々その発電量が変化するので発電量の調整が難しい。このことから、風力発電設備が連系された電力系統では、風力発電設備の系統連系による周波数変動や電圧変動が生じることがある。そこで、風力発電設備の系統連系による周波数変動や電圧変動を抑制するために蓄電池が活用され始めている。

風力発電設備の変動をＵＰＳ方式により平滑化して電力系統に供給するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

また、風力発電装置の発電出力が所定の出力範囲であるときは蓄電システムを停止し、風力発電装置の発電出力が所定の出力範囲を上回ることに応じて蓄電システムに充電動作を行わせるとともに、所定の出力範囲を下回ることに応じて蓄電システムに放電動作を行わせ、蓄電池内部で発生する損失を抑制し、自然エネルギーを有効に利用できるようにしたものがある（例えば、特許文献２参照）。

また、低風速時の低レベルの発電電圧を昇圧して蓄電池に蓄積できるレベルにし、電気二重層コンデンサを用いて低レベルの鋸刃状電力を一旦集積し、電気二重層コンデンサの蓄電状況が一定の高さに達した後に、より容量の大きい従来型蓄電池に電力を移し、従来は廃棄されていた電力を活用可能とし、風力発電装置全体の効率を高めたものがある（例えば、特許文献３参照）。
特開２００７−１５４７２０号公報 特開２００７−１２４７８０号公報 特開２００５−２４５０４６号公報

しかし、特許文献１のものでは、風力発電設備の大きな出力変動を長時間補償するためには大容量の蓄電池を設置する必要がある。また、特許文献２のものでは、蓄電池容量をある程度抑制することはできるが、電力系統側への発電出力変動は大きめとなり、発電出力の出力範囲や蓄電池容量の適切な設計・設定が難しいため、これらの設計・設定が適切でない場合には風力発電設備での発電量変動の調整ができなくなることがある。

また、特許文献３のものでは、電気二重層コンデンサと従来型蓄電池とを用意し、従来は廃棄されていた電力を活用可能としているが、電気二重層コンデンサや従来型蓄電池の容量の設計・設定が難しく、蓄電池容量の過分はコスト高になり、蓄電池容量の不足は発電量の低下（廃棄電力の増加）につながる。

このように、風力発電は風況や天候により発電出力や発電量が左右されるため、風力発電の変動を蓄電池で平滑化するシステムにおいては、風力発電設備の設計時の最適な蓄電池容量の選定と運転時の制御点（出力定格）設定の決定が重要となる。

すなわち、蓄電池容量の過分はコスト高になり、蓄電池容量の不足は発電量の低下につながる。また、制御点の設定は、風力発電の発電量予測などにより行われるが、設定が適切でないと蓄電池容量の過不足により、風力発電の変動を調整することができなくなる。風力発電の変動を調整できなくなると、風力発電設備の発電量をピッチ角制御等で制限したり、電力系統からの解列といった事態となりかねない。このように、蓄電池側の制約で風力発電設備での発電（送電）ができない事態が発生することがある。

本発明の目的は、蓄電池側の制約で風力発電が制約を受けることなく発電出来ることにより、風力発電の利用率を向上させることができるとともに蓄電池容量を低減した風力発電設備を提供することである。

請求項１の発明に係わる風力発電設備は、風車発電機で発電された電力を直流に変換するコンバータと、前記コンバータで変換された直流電力を蓄電する２台の蓄電池と、前記蓄電池に蓄電された直流電力を交流に変換して電力系統に電力を供給するインバータと、２台の蓄電池を前記コンバータと前記インバータとに交互に接続切り替えを行い２台の蓄電池の充放電を交互に行うための切替器とを備えたことを特徴とする。

請求項２の発明に係わる風力発電設備は、請求項１の発明において、前記蓄電池はリチウムイオン電池であることを特徴とする。

請求項３の発明に係わる風力発電設備は、請求項１または２の発明において、前記蓄電池の容量は、前記風車発電機の定格出力に見合った容量より小さい容量であることを特徴とする。

請求項４の発明に係わる風力発電設備は、請求項１ないし３のいずれか１項の発明において、２台の蓄電池に代えて３台以上の蓄電池とし、３台以上の蓄電池のうちから順番に２台の蓄電池を選択し、選択した２台の蓄電池を前記コンバータと前記インバータとに順番に接続切り替えを行い３台以上の蓄電池の充放電を順番に行うことを特徴とする。

本発明によれば、２台の蓄電池を用意し、風車発電機で発電された電力を直流電力に変換するコンバータと電力系統に交流電力を供給するインバータとを交互に切り替えて、２台の蓄電池の充放電を交互に行うので、風力発電出力を抑制する必要がないため発電量が増加し風力発電の利用率が向上する。この場合、蓄電池からの放電は定電力放電であり変動がないため、発電量の変動による影響を電力系統側に及ぼすことがない。また、風況に併せた制御点を設定する必要がないので制御や運用が容易であり、設定値不良に伴う稼働率低下もない。

また、蓄電池はサイクル運転の充放電効率が９０％超と高効率で、待機ロスが１０％／月以下であるリチウムイオン電池を採用するので、蓄電部におけるエネルギー損失は極めて少なくできる。そして、蓄電池は風車発電機の定格出力に見合った容量より小さい容量の２台の蓄電池を使用するので、単機の蓄電池容量が少なく設備のコンパクト化や低コスト化が可能である。さらに、蓄電池容量による風車発電機の運転制約がないため蓄電池容量の運用マージン等が不用となり、総蓄電池容量の低減によるコンパクト化・低コスト化も可能となる。

図１は本発明の実施の形態に係わる風力発電設備の一例を示す構成図である。風車１１は風エネルギーを回転エネルギーに変換して発電機１２を駆動する。発電機１２で発電された電力は、コンバータ１３で直流電力に変換される。風力発電設備には、２台の蓄電池１４ａ、１４ｂが設けられている。蓄電池１４ａ、１４ｂとしては、例えばリチウムイオン電池が使用される。これは、リチウムイオン電池は、自己放電が非常に少なくて電池定格（１時間値）の数倍の電流・電力を充放電でき、エネルギー密度が高いため小型化可能であるという特質を有するからである。

切替器１５は、２台の蓄電池１４ａ、１４ｂの接続を切り替えるものであり、
発電機側１２のコンバータ１３への接続と、電力系統１７側のインバータ１６への接続を切り替えるものである。インバータ１６は蓄電池１４ａ、１４ｂに蓄電された直流電力を交流に変換して電力系統１７に一定の電力を供給する。

切替器１５は、図１に示すように、一方の蓄電池１４ａを充電するときは接点１８ｂをＡ側にすることによりコンバータ１３と蓄電池１４ａとを接続するとともに、接点１８ａをＢ側にすることによりインバータ１６と他方の蓄電池１４ｂとを接続し、蓄電池１４ｂからインバータ１６を介して電力系統１７に一定の電力を供給する。同様に、他方の蓄電池１４ｂを充電するときは接点１８ｂをＢ側にすることによりコンバータ１３と蓄電池１４ｂとを接続するとともに、接点１８ａをＡ側にすることによりインバータ１６と一方の蓄電池１４ａとを接続し、蓄電池１４ａからインバータ１６を介して電力系統１７に一定の電力を供給する。このように、２台の蓄電池１４ａ、１４ｂをコンバータ１３とインバータ１６とに交互に接続切り替えを行い、２台の蓄電池１４ａ、１４ｂの充放電を交互に行う。

ここで、蓄電池１４ａ、１４ｂの容量Ｅは、風車発電機１２の定格出力Ｐｒに見合った容量Ｅｒより小さい容量とする。例えば、風車発電機１２の定格出力Ｐｒが５００ｋＷであると、蓄電池１４ａ、１４ｂの容量Ｅは、風車発電機１２の定格出力Ｐｒ（５００ｋＷ）に見合った容量Ｅｒ｛５００ｋＷｈ（１時間値）×２（充電側、放電側）＝１０００ｋＷｈ｝より小さい容量、例えば、その１／２の容量のＥ（５００ｋＷｈ）とする。これは、風車発電機は出力変動が大きいため最大出力は定格の５００ｋＷであっても１時間に発電出来る電力量は年稼働率換算で推定すると１００ｋWｈ／１ｈ程度となるからであり、電池定格の数倍の充放電が可能なリチウムイオン電池を採用すれば電池容量の低減が可能になるからである。

なお、ここで風車発電機の定格出力に見合った容量のという言葉の意味は以下の通りである。周波数変動抑制等の系統連系対策として風車発電機に蓄電池を設置する際、蓄電池に求められる放電あるいは充電の定格継続時間は１時間程度であり、充放電あわせて２時間とすることが多い。よって、風車発電機の定格出力のＰｒと同じ放電あるいは充電を蓄電池が２時間継続できるだけの容量、これを風車発電機の定格出力に見合った容量という。また風力発電所は風況や発電機あるいは電力系統側からの要求により、前記１時間値が変化する場合がある。例えばこれを３０分とした場合、蓄電池は３０分継続して風車発電機の定格出力相当を入力或いは出力可能な容量（３０分＋３０分）となり、この容量を風力発電機の定格出力にもあった容量とする。

次に、動作を説明する。風車１１は風況に応じて風車発電機１２を駆動する。このことから、風車発電機１２の出力は風況に応じた出力となり、定格出力Ｐｒ通りの出力とは限らないが、風車発電機１２で発電された電力は、コンバータ１３で直流電力に変換されて一方の蓄電池１４ａに蓄電される。一方、この状態において、他方の蓄電池１４ｂに蓄電された電力はインバータ１６を介して交流電力に変換され、一定の交流電力が電力系統１７に供給されている。

このように、風車発電機１２の出力が変動しても、その電力をコンバータで直流電力に変換して充電中の蓄電池１４ａに蓄電するだけであるので、風車発電機１２の出力を抑制する必要がない。そのため、風車発電機１２で発電可能な発電量が増加し風力発電の利用率が向上する。また、２台の蓄電池１４ａ、１４ｂの充放電を交互に切り替えて行うことから、蓄電器１４ａ、１４ｂの容量は、風車発電機１２の定格出力Ｐｒ（５００ｋＷ）に見合った容量Ｅｒ（１０００ｋＷｈ）以下にすることが可能となり、低コストな小容量電池でのシステム構築が可能となる。さらに、風況に併せた制御点を設定する必要がないため制御や運用が容易となる。

また、他方の蓄電池１４ｂに蓄電された電力はインバータ１６を介して交流電力に変換され、一定の交流電力として電力系統１７に供給されるので、蓄電池１４ａ、１４ｂからの放電により電力系統１７の系統周波数や系統電圧に影響を与えることがなくなる。

図２は本発明の実施の形態に係わる風力発電設備の他の一例を示す構成図である。図２に示した一例は、図１に示した一例に対し、２台の蓄電池１４ａ、１４ｂに代えて、３台の蓄電池１４ａ、１４ｂ、１４ｃを設け、３台の蓄電池１４ａ、１４ｂ、１４ｃのうちから順番に２台の蓄電池を選択し、選択した２台の蓄電池をコンバータとインバータとに交互に接続切り替えを行い、２台の蓄電池の充放電を交互に行うようにしたものである。図１と同一要素には同一符号を付し重複する。

図２（ａ）は、３台の蓄電池１４ａ、１４ｂ、１４ｃのうち２台の蓄電池１４ａ、１４ｃを選択し、切替器１５は接点１９ａ１〜１９ｃ２のうち、接点１９ａ１を閉じて、選択した一方の蓄電池１４ａをコンバータ１３に接続して充電中とし、接点１９ｃ２を閉じて、他方の蓄電池１４ｃをインバータ１６に接続して放電中とした状態を示している。この状態では、蓄電池１４ｂは既に充電されており待機状態にある。

図２（ｂ）は、図２（ａ）の状態から、待機状態であった蓄電池１４ｂをインバータ１６に接続して放電中とし、放電中であった蓄電池１４ｃをコンバータ１３に接続して充電中とし、充電中であった蓄電池１４ａを待機状態としたものである。すなわち、３台の蓄電池１４ａ、１４ｂ、１４ｃのうち、２台の蓄電池１４ｂ、１４ｃを選択し、切替器１５は接点１９ａ１〜１９ｃ２のうち、接点１９ｃ１を閉じて、選択した一方の蓄電池１４ｃをコンバータ１３に接続して充電中とし、接点１９ｂ２を閉じて、他方の蓄電池１４ｂをインバータ１６に接続して放電中とし、蓄電池１４ａは既に充電され待機状態にある場合を示している。

図２（ｃ）は、図２（ｂ）の状態から、待機状態であった蓄電池１４ａをインバータ１６に接続して放電中とし、放電中であった蓄電池１４ｂをコンバータ１３に接続して充電中とし、充電中であった蓄電池１４ｃを待機状態としたものである。すなわち、３台の蓄電池１４ａ、１４ｂ、１４ｃのうち、２台の蓄電池１４ａ、１４ｂを選択し、切替器１５は接点１９ａ１〜１９ｃ２のうち、接点１９ｂ１を閉じて、選択した一方の蓄電池１４ｂをコンバータ１３に接続して充電中とし、接点１９ａ２を閉じて、他方の蓄電池１４ａをインバータ１６に接続して放電中とし、蓄電池１４ｃは既に充電され待機状態にある場合を示している。

このように、選択した２台の蓄電池をコンバータ１３とインバータ１６とに順番に接続切り替えを行い、３台の蓄電池１４ａ、１４ｂ、１４ｃの充放電を順番に行う。

以上の説明では、３台の蓄電池１４ａ、１４ｂ、１４ｃを設けた場合について説明したが、４台以上の蓄電池を用意し、４台以上の蓄電池のうちから順番に２台の蓄電池を選択し、選択した２台の蓄電池をコンバータ１３とインバータ１４とに順番に接続切り替えを行い、４台以上の蓄電池の充放電を順番に行うようにしてもよい。

本発明の実施の形態によれば、２台の蓄電池１４ａ、１４ｂを交互に切り替えて、風車発電機１２の発電電力を２台の蓄電池１４ａ、１４ｂに交互に蓄電し、充電中でない蓄電池から電力系統に一定の電力を供給するので、風車発電機１２の発電電力の出力を蓄電池側（系統側）の制約で絞ることがなくなり、風力で発電した電力はすべて蓄電できる。また、電力系統へは出力変動のない電力を供給できる。

そして、蓄電池１４ａ、１４ｂとしては、好ましくは高入出力可能で高効率なリチウムイオン電池を用いるので、入力特性が良く充放電効率を高くすることができる。すなわち、一方の蓄電池に蓄電した電力を他方の蓄電池が満充電になる前に放電することにより、交互に蓄電池を充放電するので、風力発電設備全体の設備稼働率を向上させ、蓄電池容量の削減を図ることができる。

本発明の実施の形態に係わる風力発電設備の一例を示す構成図。 本発明の実施の形態に係わる風力発電設備の他の一例を示す構成図。

符号の説明

１１…風車、１２…発電機、１３…コンバータ、１４…蓄電池、１５…切替器、１６…インバータ、１７…電力系統、１８…接点、１９…接点

Claims (4)

1. 風車発電機で発電された電力を直流に変換するコンバータと、
   前記コンバータで変換された直流電力を蓄電する２台の蓄電池と、
   前記蓄電池に蓄電された直流電力を交流に変換して電力系統に電力を供給するインバータと、
   ２台の蓄電池を前記コンバータと前記インバータとに交互に接続切り替えを行い２台の蓄電池の充放電を交互に行うための切替器と、
   を備えたことを特徴とする風力発電設備。
2. 前記蓄電池はリチウムイオン電池であることを特徴とする請求項１記載の風力発電設備。
3. 前記蓄電池の容量は、前記風車発電機の定格出力に見合った容量より小さい容量であることを特徴とする請求項１または２記載の風力発電設備。
4. ２台の蓄電池に代えて３台以上の蓄電池とし、３台以上の蓄電池のうちから順番に２台の蓄電池を選択し、選択した２台の蓄電池を前記コンバータと前記インバータとに順番に接続切り替えを行い３台以上の蓄電池の充放電を順番に行うことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の風力発電設備。

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