JP2013053592A - Wind farm - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a wind farm effectively using rotary energy of all of the wind power generation apparatuses and supplying equalized power of high output to a power system by appropriately controlling generator side torque of the wind power generation apparatuses in the wind farm.SOLUTION: The wind farm is provided with: a plurality of wind power generation apparatuses mounted with controllable power conversion devices; a plurality of anemometers provided to the plurality of wind power generation apparatuses in a combined manner respectively and measuring wind velocity; a plurality of individual control devices which control the plurality of wind power generation apparatuses respectively and acquire and store operation information of the wind power generation apparatuses; and a wind farm control device which controls the whole wind farm and creates command values for controlling the power generator side torque of the wind power generation apparatus after performing treatment by using the operation information of the respective wind power generation apparatuses from the plurality of individual control devices and virtual energy pieces, and transmits the created command values to the individual control devices of the wind power generation apparatuses.

Description

本発明は、風力発電技術に関し、特に、可変速発電機と制御可能な電力変換装置を搭載し、風力エネルギーを利用して電力を発電する、風力発電装置(風力発電風車)が複数(2基以上に)設置されているウィンドファーム(風力発電システム)に関する。   The present invention relates to wind power generation technology, and in particular, a plurality of wind power generation devices (wind power generation wind turbines) that are equipped with a variable speed generator and a controllable power conversion device and generate wind power using wind energy. The above relates to the installed wind farm (wind power generation system).

近年、地球温暖化対策の一つとして、風力や太陽光などの自然エネルギー(再生可能エネルギー)を利用する発電方式が注目を浴びている。その中でも、世界的に最も導入が進んでいるのは、風力エネルギーを利用する風力発電である。   In recent years, a power generation method using natural energy (renewable energy) such as wind power or sunlight has been attracting attention as one of the measures against global warming. Among them, wind power generation that uses wind energy is the most advanced in the world.

図1に示すように、風力発電装置について、風のパワーをどれだけ風車のパワーとして変換できるか表す指標として、出力係数Cpが用いられる。出力係数Cpは、風力エネルギーに対する風車出力の比で定義される。また、周速比λは、風速Vwに対する風車翼の周速(先端速度)(風車翼の半径R×風車翼のロータ回転数ω)の比で定義される。   As shown in FIG. 1, an output coefficient Cp is used as an index representing how much wind power can be converted into windmill power for a wind turbine generator. The output coefficient Cp is defined by the ratio of the windmill output to the wind energy. The peripheral speed ratio λ is defined by the ratio of the peripheral speed (tip speed) of the wind turbine blades to the wind speed Vw (radius R of the wind turbine blades × rotor rotational speed ω of the wind turbine blades).

出力係数Cpは周速比λと風車翼のピッチ角θの関数として知られ、その関数の形は風車翼の断面形状に依存する。風洞実験の結果などから様々な解析的な関数の形が提案されている。図2に示されたように、一つの極大点(即ち、最大電力点)を有する曲線になる。つまり、図2から分かるように、ある風速に対して、最適な風車翼のロータ回転数が存在する。   The output coefficient Cp is known as a function of the peripheral speed ratio λ and the pitch angle θ of the wind turbine blade, and the shape of the function depends on the cross-sectional shape of the wind turbine blade. Various analytical function forms have been proposed from the results of wind tunnel experiments. As shown in FIG. 2, the curve has one maximum point (ie, maximum power point). That is, as can be seen from FIG. 2, there is an optimum rotor speed of the wind turbine blade for a certain wind speed.

風力発電装置の風車翼が一定速度で回転している場合、即ち、風力発電装置が定速回転風力発電方式を採用した場合に、風速が変化する度に周速比も変化するため、風車の出力がこの最大電力点からずれることになり、よって、定速回転風力発電方式では、風力エネルギーから最大の電気エネルギー(風車が取り出せる最大の電気エネルギー)を得ることができない。   When the wind turbine blades of the wind power generator are rotating at a constant speed, that is, when the wind power generator adopts a constant speed rotating wind power generation system, the circumferential speed ratio changes whenever the wind speed changes. The output will deviate from this maximum power point. Therefore, in the constant speed rotating wind power generation method, the maximum electrical energy (maximum electrical energy that can be taken out by the windmill) cannot be obtained from the wind energy.

日本の気象条件や地形の複雑さゆえに風力に脈動が多いことから、海外と比べ、日本では風力発電装置の定格風速以上で安定した風資源を得られる地域が少ない。   Because there are many pulsations in wind power due to the complexity of weather conditions and topography in Japan, there are few areas in Japan where stable wind resources can be obtained above the rated wind speed of wind power generators compared to overseas.

地形の起伏がある地域においては、風は常時一定の速度ではなく、脈動しながら進む。このような風力に脈動が多い地域に設置されている、風力発電装置をより効率的に制御(運転)するためには、現在の主流となっている定速回転風力発電方式(定速回転運転)よりも、動的な制御方法を用いることが有効である。   In areas with topographic relief, the wind is not always at a constant speed but travels pulsating. In order to more efficiently control (operate) a wind power generator installed in an area where there is a lot of pulsation in such wind power, the constant-speed rotating wind power generation method (constant-speed rotating operation), which is currently the mainstream, is used. It is more effective to use a dynamic control method than

動的な制御方法の中に、風力発電装置の定格風速以下の脈動する風況のもとで、風力エネルギーから最大の電気エネルギーを得る制御方法として、最大電力点追従運転(MPPT:Maximum Power Point Track)が挙げられる。   As a control method for obtaining the maximum electric energy from wind energy under a pulsating wind condition below the rated wind speed of the wind power generator, a dynamic power control method is a maximum power point following operation (MPPT: Maximum Power Point). Track).

最大電力点追従運転とは、風の変動に合わせて、風力発電装置の風車翼のロータ回転数を変化させ、その風力発電装置の風車特性における出力係数Cpの最大値(図2に示されたような最大電力点に対応する出力係数Cpの値)を維持するように、周速比λを一定(図2に示されたような最大電力点に対応する周速比λの値)に保つ運転することで、風力エネルギーを最大限に電力エネルギーに変換できる制御方法である。   The maximum power point following operation is a method in which the rotor rotational speed of the wind turbine blade of the wind turbine generator is changed in accordance with the fluctuation of the wind, and the maximum value of the output coefficient Cp in the wind turbine characteristics of the wind turbine generator (shown in FIG. 2). The peripheral speed ratio λ is kept constant (the peripheral speed ratio λ value corresponding to the maximum power point as shown in FIG. 2) so that the output coefficient Cp value corresponding to the maximum power point is maintained. It is a control method that can convert wind energy to electric power energy to the maximum by operating.

このように、最大電力点追従運転を行うことにより、風力発電装置の発電電力量を増加させることができる。最大電力点追従運転を行うことにより、風力エネルギーを電力エネルギーに変換したときの変換効率は、定速回転風力発電方式を採用した場合より高くなる。   Thus, by performing the maximum power point tracking operation, the amount of power generated by the wind turbine generator can be increased. By performing the maximum power point following operation, the conversion efficiency when the wind energy is converted into the power energy becomes higher than when the constant speed rotating wind power generation method is adopted.

しかしながら、最大電力点追従運転という制御を行う場合に、次の二つの問題点がある。   However, there are the following two problems when performing control of maximum power point following operation.

一つの問題点として、風車翼の慣性により、風車翼のロータ回転数を素早く変化させることが出来ない。通常、風速は1秒から数秒の周期で変動している。そのため、最大電力点追従運転を行うには、その風速の変動に合わせて風車翼のロータ回転数を変化させなければならない。しかし、大型の風力発電装置では、その風車翼の慣性が非常に大きく、その時定数は数十秒あり、常に風速の変動に合わせて得られた最適なロータ回転数を保つことが困難であり、つまり、風が脈動する場合には、最大電力点追従運転の追従性が遅くなる問題点がある。   One problem is that the rotor speed of the wind turbine blade cannot be changed quickly due to the inertia of the wind turbine blade. Usually, the wind speed fluctuates with a period of 1 second to several seconds. Therefore, in order to perform the maximum power point following operation, it is necessary to change the rotor rotational speed of the wind turbine blade in accordance with the fluctuation of the wind speed. However, in a large wind power generator, the inertia of the wind turbine blade is very large, its time constant is several tens of seconds, and it is difficult to always maintain the optimum rotor speed obtained according to the fluctuation of the wind speed, That is, when the wind pulsates, there is a problem that the followability of the maximum power point follow-up operation becomes slow.

もう一つの問題点として、最大電力点追従運転という制御を行う場合に、風力発電装置から出力された出力電力の変動が、定速回転風力発電方式よりも大きくなる。風力発電装置の風車翼が一定回転数で回転している場合では、風速が急激に変化しても、出力係数Cpが低下するため、風力発電装置から出力された出力電力はそれほど変動しない。しかし、最大電力点追従運転の場合では、出力係数Cpが常に最大値になるため、風速の3乗に比例した風力発電装置の出力電力が電力系統に出力される。   As another problem, when the control of maximum power point following operation is performed, the fluctuation of the output power output from the wind power generator becomes larger than that in the constant speed rotating wind power generation method. In the case where the wind turbine blades of the wind turbine generator are rotating at a constant rotational speed, even if the wind speed changes suddenly, the output coefficient Cp decreases, so that the output power output from the wind turbine generator does not vary so much. However, in the case of the maximum power point following operation, the output coefficient Cp is always the maximum value, so that the output power of the wind turbine generator proportional to the cube of the wind speed is output to the power system.

このように、最大電力点追従運転を行う風力発電装置から、電力系統へ大きく変動する電力が出力されると、当該電力系統に接続された電源(例えば、火力発電所)や負荷(工場や家庭などの電力消費者)に電圧変動や周波数変動等の悪影響が生じる問題が発生してしまう。   In this way, when the power that greatly fluctuates is output from the wind turbine generator that performs the maximum power point tracking operation to the power grid, a power source (for example, a thermal power plant) or a load (factory or household) connected to the power grid is output. Problems such as voltage fluctuations and frequency fluctuations occur.

上述した二つの問題点を解決できる制御法として、例えば、特許文献1に記載されたような、風力発電装置とフライホイール発電機を搭載した風力発電設備がある。   As a control method that can solve the above-described two problems, for example, there is a wind power generation facility equipped with a wind power generator and a flywheel generator as described in Patent Document 1.

特許文献1に記載された風力発電設備では、エネルギーの高速充放電を可能にした上で、フライホイールのエネルギーを積極的に活用して、風力発電装置の風車翼の回転スピードの追従制御を行い、効率よく風力エネルギーを電気エネルギーに変換するという「ポンプアップ運転」を提案した。   The wind power generation facility described in Patent Document 1 enables high-speed charge / discharge of energy, and actively uses the energy of the flywheel to perform follow-up control of the rotational speed of the wind turbine blades of the wind power generator. And proposed “pump-up operation” to efficiently convert wind energy into electrical energy.

つまり、特許文献1に開示された風力発電設備では、フライホイール発電機から風力発電装置に対して電力を供給することにより、風力発電装置を電動機として動作させることが可能になり、最大電力点追従運転の追従性を向上させ、高効率な制御を実現した。   That is, in the wind power generation facility disclosed in Patent Document 1, it is possible to operate the wind power generator as an electric motor by supplying power from the flywheel generator to the wind power generator, and follow the maximum power point. Improves driving tracking and realizes highly efficient control.

特許第4056713号Japanese Patent No. 4056713

しかしながら、特許文献1に開示された風力発電設備では、風力発電装置の外部からの電力が必要であるため、フライホイール発電機のような電力貯蔵装置を設置する必要がある。フライホイール発電機のような電力貯蔵装置の設置は、風力発電設備のコストアップの一因にもなる。   However, since the wind power generation facility disclosed in Patent Document 1 requires electric power from the outside of the wind power generator, it is necessary to install a power storage device such as a flywheel generator. Installation of a power storage device such as a flywheel generator also contributes to an increase in the cost of wind power generation facilities.

また、特許文献1に開示された風力発電設備では、単体の風力発電装置で構成されているので、フライホイールのエネルギーの活用で改善された最大電力点追従運転の追従性により、高エネルギー変換効率を実現したが、その風力発電装置から出力される電力の変動も、定速回転風力発電方式より激しくなり、風力発電装置から出力され、激しい変動を有する電力は、フライホイール発電機のような電力貯蔵装置を介してある程度平滑化されてから、出力電力として電力系統に出力される。   In addition, since the wind power generation facility disclosed in Patent Document 1 is composed of a single wind power generation device, the high power conversion efficiency is achieved by the followability of the maximum power point following operation improved by utilizing the energy of the flywheel. However, the fluctuation of the power output from the wind power generator is also more severe than that of the constant-speed rotating wind power generation system. After being smoothed to some extent via the storage device, it is output to the power system as output power.

本発明は、上述のような事情よりなされたものであり、本発明の目的は、電力貯蔵装置を使用することなく、複数の風力発電装置で構成されるウィンドファーム内の風力発電装置の発電機側トルクを適切に制御することにより、ウィンドファーム内の全ての風力発電装置が有している回転エネルギーを有効に活用し、高出力で平準化した電力を電力系統に供給するようにしたウィンドファームを提供することにある。   The present invention has been made under the circumstances as described above, and an object of the present invention is to provide a generator for a wind power generator in a wind farm that includes a plurality of wind power generators without using a power storage device. Wind farm that effectively uses the rotational energy of all wind power generators in the wind farm, and supplies high power leveled power to the power system by appropriately controlling the side torque Is to provide.

本発明は、風力エネルギーを利用して電力を発電するウィンドファームに関し、本発明の上記目的は、風車翼を有するとともに、可変速発電機と制御可能な電力変換装置を搭載する複数の風力発電装置と、前記複数の風力発電装置にそれぞれ併設され、風速を測定する複数の風速計と、前記複数の風力発電装置をそれぞれ制御するとともに、これら風力発電装置の運転状態を表す運転情報をそれぞれ取得して記憶する複数の個別制御装置と、前記ウィンドファーム全体を制御するとともに、前記複数の個別制御装置からの各風力発電装置の運転情報、及び仮想的エネルギー片を用いて、処理を行った上で、風力発電装置の発電機側トルクを制御するための指令値を生成し、生成した指令値を該当風力発電装置の個別制御装置に伝送するウィンドファーム制御装置とを備えることによって効果的に達成される。   The present invention relates to a wind farm that generates electric power using wind energy, and the object of the present invention is to provide a plurality of wind power generators having wind turbine blades and mounted with a variable speed generator and a controllable power converter. And a plurality of anemometers that are respectively attached to the plurality of wind turbine generators and control the plurality of wind turbine generators, respectively, and obtain operating information representing the operating state of the wind turbine generators, respectively. A plurality of individual control devices to be stored and the entire wind farm, and after performing processing using the operation information of each wind turbine generator from the plurality of individual control devices and a virtual energy piece Generate a command value for controlling the generator-side torque of the wind turbine generator, and transmit the generated command value to the individual controller of the wind turbine generator Effectively achieved by providing a farm control system.

また、本発明の上記目的は、前記ウィンドファーム制御装置では、前記処理により、正の仮想エネルギー片が与えられた場合の最大の出力増加分を有する風力発電装置と、負の仮想エネルギー片が与えられた場合の最大の出力増加分を有する風力発電装置を選び出し、選び出した2基の風力発電装置の出力増加分の合計値が、所定のエネルギーリミットより大きい場合に、発電機側トルク制御処理を行うことにより、或いは、前記発電機側トルク制御処理は、前記ウィンドファーム制御装置により生成された指令値に応じて、前記電力変換装置の制御を介して行われることによってより効果的に達成される。   In addition, the object of the present invention is to provide the wind farm control device with the wind power generator having the largest output increase when the positive virtual energy piece is given by the processing and the negative virtual energy piece. If the total value of the increased output of the two selected wind power generators is larger than the predetermined energy limit, the generator side torque control process is performed. Or the generator-side torque control processing is more effectively achieved by being performed through the control of the power converter according to the command value generated by the wind farm control device. .

本発明によれば、ウィンドファームに設置された全ての風力発電装置が有している回転エネルギーを有効に活用することで、高出力で平準化した電力を電力系統に供給することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the electric power equalized by the high output can be supplied to an electric power grid | system by utilizing effectively the rotational energy which all the wind power generators installed in the wind farm have.

また、本発明を更に発展させることで、ウィンドファームから脈動の無い一定出力の電力が供給されることも可能である。これによって、風力発電システムの不利点である、出力電力の脈動が大きいという問題点も改善される。   Further, by further developing the present invention, it is possible to supply a constant output power without pulsation from the wind farm. This also solves the problem of large output power pulsation, which is a disadvantage of the wind power generation system.

風力発電装置(風力発電風車)の発電原理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the power generation principle of a wind power generator (wind power generator windmill). 風力発電装置の風車特性の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the windmill characteristic of a wind power generator. フライホイール発電機と風力発電装置を備える風力発電設備を説明するための概念図である。It is a conceptual diagram for demonstrating a wind power generator installation provided with a flywheel generator and a wind power generator. 図3に示された風力発電設備に行われるポンプアップ運転について、風速が急激に上昇した場合の制御を説明するための概念図である。It is a conceptual diagram for demonstrating control when a wind speed rises rapidly about the pump-up driving | running performed by the wind power generation equipment shown by FIG. 図3に示された風力発電設備に行われるポンプアップ運転について、風速が急激に減速した場合の制御を説明するための概念図である。It is a conceptual diagram for demonstrating control when the wind speed decelerates rapidly about the pump-up driving | running performed by the wind power generation equipment shown by FIG. 本発明に係るウィンドファームの実施形態を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows embodiment of the wind farm which concerns on this invention. 本発明に係るウィンドファームを説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the wind farm which concerns on this invention. 本発明に係るウィンドファームのウィンドファーム制御装置にて行われる処理を説明するための流れ図である。It is a flowchart for demonstrating the process performed with the wind farm control apparatus of the wind farm which concerns on this invention. 本発明に係るウィンドファームにおいて、i基目の風力発電装置とj基目の風力発電装置に対して行われる処理を説明するための模式図である。In the wind farm which concerns on this invention, it is a schematic diagram for demonstrating the process performed with respect to the i-th wind power generator and the j-th wind power generator.

本発明は、可変速発電機と制御可能な電力変換装置を搭載する、複数(2基以上)の風力発電装置で構成されるウィンドファーム内の風力発電装置の発電機側トルクを適切に制御することにより、ウィンドファーム内の全ての風力発電装置が有している回転エネルギーを有効に活用し、高出力で平準化した電力を電力系統に供給するようにしたウィンドファームに関する。   The present invention appropriately controls the generator-side torque of a wind power generator in a wind farm including a plurality of (two or more) wind power generators equipped with a variable speed generator and a controllable power converter. Thus, the present invention relates to a wind farm that effectively uses the rotational energy of all wind power generators in the wind farm and supplies the power system with high power and leveled power.

本発明の詳細説明に入る前に、まず、特許文献1に記載された風力発電設備に開示された「ポンプアップ運転」の原理について、図3、図4及び図5を用いて説明する。なお、図3、図4及び図5は、ポンプアップ運転(ポンプアップ制御)を説明するための図であるため、特許文献1の風力発電設備に備えられている電力制御装置を図示しないことにした。   Before going into the detailed description of the present invention, first, the principle of “pump-up operation” disclosed in the wind power generation facility described in Patent Document 1 will be described with reference to FIGS. 3, 4 and 5. 3, 4, and 5 are diagrams for explaining the pump-up operation (pump-up control), the power control device provided in the wind power generation facility of Patent Document 1 is not illustrated. did.

図3は、特許文献1に記載された風力発電設備を説明するための概念図である。図3に示すように、風力発電装置の出力と電力系統の間に、フライホイール発電機を電気的に並列接続した構成となっている。このフライホイール発電機により、電力系統への電力の変動を平滑化するとともに、風力発電装置に対しては風車翼のロータ回転数を素早く変化させるポンプアップ運転を行う。   FIG. 3 is a conceptual diagram for explaining the wind power generation facility described in Patent Document 1. As shown in FIG. 3, a flywheel generator is electrically connected in parallel between the output of the wind turbine generator and the power system. The flywheel generator smoothes fluctuations in power to the power system and performs a pump-up operation for quickly changing the rotor rotational speed of the wind turbine blades for the wind power generator.

最大電力点追従運転を行うには、風速の変動に合わせて風車翼のロータ回転数を変化させる必要がある。風力エネルギーで風車翼のロータ回転数を変えることも可能であるが、風車翼の慣性が大きいため、風力エネルギーだけでは、十分な追従速度が得られない。特許文献1の風力発電設備では、フライホイールに蓄積された回転エネルギーも利用して、風車翼のロータ回転数を素早く変化させる制御を行うことで、より多くの発電電力(電力エネルギー)を得ることができる。   In order to perform the maximum power point following operation, it is necessary to change the rotor rotational speed of the wind turbine blade in accordance with the fluctuation of the wind speed. Although it is possible to change the rotor rotation speed of the wind turbine blade by wind energy, since the inertia of the wind turbine blade is large, a sufficient follow-up speed cannot be obtained only by the wind energy. In the wind power generation facility of Patent Document 1, more generated power (power energy) is obtained by performing control to quickly change the rotor rotational speed of the wind turbine blades using the rotational energy accumulated in the flywheel. Can do.

図4は、図3に示された風力発電設備に行われるポンプアップ運転について、風速が急激に上昇した場合の制御を説明するための概念図である。   FIG. 4 is a conceptual diagram for explaining the control in the case where the wind speed suddenly increases in the pump-up operation performed in the wind power generation facility shown in FIG.

図4に示すように、風速が急激に上昇した場合には、風力発電装置の風車翼のロータ回転数を急速に上げる必要がある。この場合には、フライホイール発電機を発電機として動作させ、電力系統には一定電力を送りつつ、風力発電装置にも電力を供給する。風力発電装置を電動機として動作させ、風車翼のロータ回転数を素早く上昇させる。つまり、フライホイールに蓄積された回転エネルギーを、電気エネルギーを介して、再び風車翼の回転エネルギーに変換する。   As shown in FIG. 4, when the wind speed increases rapidly, it is necessary to rapidly increase the rotor rotational speed of the wind turbine blade of the wind turbine generator. In this case, the flywheel generator is operated as a generator, and power is supplied to the wind power generator while sending constant power to the power system. The wind turbine generator is operated as an electric motor, and the rotor rotational speed of the wind turbine blade is quickly increased. That is, the rotational energy accumulated in the flywheel is converted again into the rotational energy of the wind turbine blades through the electrical energy.

図5は、図3に示された風力発電設備に行われるポンプアップ運転について、風速が急激に減速した場合の制御を説明するための概念図である。   FIG. 5 is a conceptual diagram for explaining control when the wind speed is suddenly reduced in the pump-up operation performed in the wind power generation facility shown in FIG. 3.

図5に示すように、風速が急激に減速した場合には、風力発電装置の風車翼のロータ回転数を急速に下げる必要がある。その場合には、フライホイール発電機を電動機として駆動し、風力発電装置から入力風力以上の電力を取り出す。電力系統には一定電力を送りつつ、余った電力をフライホイールに蓄える。これにより、風力発電装置の負荷を増加させ、ロータ回転数を急激に減速させることが可能となる。つまり、風車翼の回転エネルギーを強制的に電気エネルギーに変換させ、フライホイールの回転エネルギーとして蓄えることにより、風車翼の回転数を下げる制御を行う。   As shown in FIG. 5, when the wind speed is suddenly decelerated, it is necessary to rapidly reduce the rotor rotational speed of the wind turbine blade of the wind turbine generator. In that case, a flywheel generator is driven as an electric motor, and electric power more than input wind force is taken out from a wind power generator. While sending constant power to the power system, the surplus power is stored in the flywheel. As a result, it is possible to increase the load of the wind turbine generator and rapidly reduce the rotor speed. In other words, the rotational energy of the windmill blades is forcibly converted into electric energy and stored as the rotational energy of the flywheel, thereby controlling the rotational speed of the windmill blades.

このように、ポンプアップ運転は、フライホイールと風車翼の間でエネルギーをやりとりしているだけであるが、風力発電装置の出力係数Cpの最大値を常に維持できるようになっているので、風力発電装置からのトータルでの発電電力は、定速回転風力発電方式よりも増加する。   Thus, in the pump-up operation, energy is exchanged only between the flywheel and the wind turbine blade, but since the maximum value of the output coefficient Cp of the wind turbine generator can always be maintained, The total generated power from the power generation device is increased as compared with the constant-speed rotating wind power generation method.

つまり、図3に示された風力発電設備に行われるポンプアップ運転は、電気エネルギーを介して、機械的な制約である風車翼の慣性を見かけ上小さくすることができる制御と言える。   That is, the pump-up operation performed in the wind power generation facility shown in FIG. 3 can be said to be control that can apparently reduce the inertia of the wind turbine blade, which is a mechanical restriction, through electric energy.

以下、本発明を実施するための形態について、図6、図7、図8及び図9を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 6, 7, 8 and 9.

図6は本発明に係るウィンドファームの実施形態(ウィンドファーム10)の構成を簡単に示した概念図である。また、図7はウィンドファーム10に設置されたk基目の風力発電装置を説明するための模式図である。そして、図8はウィンドファーム10に設置されたウィンドファーム制御装置20にて行われる処理を説明するための流れ図である。また、図9はウィンドファーム10において、i基目の風力発電装置とj基目の風力発電装置に対して行われる処理を説明するための模式図である。   FIG. 6 is a conceptual diagram simply showing the configuration of the embodiment (wind farm 10) of the wind farm according to the present invention. FIG. 7 is a schematic diagram for explaining the k-th wind power generator installed in the wind farm 10. FIG. 8 is a flowchart for explaining processing performed in the wind farm control device 20 installed in the wind farm 10. FIG. 9 is a schematic diagram for explaining processing performed on the i-th wind power generator and the j-th wind power generator in the wind farm 10.

図6及び図9に示すように、ウィンドファーム10は、
風車翼101を有するとともに、可変速発電機102と制御可能な電力変換装置103を搭載する複数の風力発電装置100と、
複数の風力発電装置100にそれぞれ併設され、風速を測定する複数の風速計110と、
複数の風力発電装置100をそれぞれ制御するとともに、これら風力発電装置100の運転状態を表す運転情報をそれぞれ取得して記憶する複数の個別制御装置120と、
ウィンドファーム10全体を制御するとともに、複数の個別制御装置120に記憶されている各風力発電装置100の運転情報を入力し、入力した各風力発電装置100の運転情報に基づいて処理を行った上で、風力発電装置100の発電機側トルクを制御するための指令値を生成し、生成した指令値を該当風力発電装置100の個別制御装置120に伝送するウィンドファーム制御装置20と、
を備えている。
As shown in FIGS. 6 and 9, the wind farm 10
A plurality of wind turbine generators 100 each having a wind turbine blade 101 and mounted with a variable speed generator 102 and a controllable power converter 103;
A plurality of anemometers 110 that are respectively attached to the plurality of wind turbine generators 100 and measure the wind speed;
A plurality of individual control devices 120 that respectively control the plurality of wind turbine generators 100 and obtain and store operation information representing the operation state of the wind turbine generators 100;
While controlling the whole wind farm 10, the operation information of each wind power generator 100 memorize | stored in the some individual control apparatus 120 is input, and it processes based on the input operation information of each wind power generator 100 And generating a command value for controlling the generator-side torque of the wind turbine generator 100, and transmitting the generated command value to the individual controller 120 of the wind turbine generator 100,
It has.

また、個別制御装置120は、ウィンドファーム制御装置20から伝送された指令値に応じて、風力発電装置100の発電機側トルクを制御する。   Further, the individual control device 120 controls the generator-side torque of the wind turbine generator 100 according to the command value transmitted from the wind farm control device 20.

なお、図6は概念図であるため、5基の風力発電装置100を概念的に示しているが、本発明のウィンドファームを構成する複数の風力発電装置は、5基の風力発電装置に限られることがなく、任意の複数の風力発電装置(例えば、N基の風力発電装置)でも良い。   Since FIG. 6 is a conceptual diagram, five wind power generators 100 are conceptually shown. However, the plurality of wind power generators constituting the wind farm of the present invention is limited to five wind power generators. Any of a plurality of wind power generators (for example, N wind power generators) may be used.

また、図6に示すように、ウィンドファーム10では、各風力発電装置100は送電線30で電気的に接続され、送電線30を介して(図中、電圧レベル変換用のトランスなどは省略している。)、電力系統50に接続され、各風力発電装置100が発電した電力は、ウィンドファーム10の出力電力として電力系統50に供給される。   As shown in FIG. 6, in the wind farm 10, each wind power generator 100 is electrically connected by a power transmission line 30, and the voltage level conversion transformer and the like are omitted via the power transmission line 30. The electric power connected to the electric power system 50 and generated by each wind power generator 100 is supplied to the electric power system 50 as the output power of the wind farm 10.

更に、図6に示すように、ウィンドファーム10では、ウィンドファーム制御装置20と各個別制御装置120とは、通信線40で接続され、互いに通信可能となっている。なお、通信線40は有線でも無線でも良い。   Further, as shown in FIG. 6, in the wind farm 10, the wind farm control device 20 and each individual control device 120 are connected by a communication line 40 and can communicate with each other. The communication line 40 may be wired or wireless.

ここで、本発明の要旨について説明する。   Here, the gist of the present invention will be described.

前述したように、特許文献1の風力発電設備では、フライホイール発電機のフライホイールと、風力発電装置の風車翼の間で、エネルギーをやりとりするポンプアップ運転が行われる。   As described above, in the wind power generation facility of Patent Document 1, the pump-up operation for exchanging energy is performed between the flywheel of the flywheel generator and the wind turbine blades of the wind power generator.

本発明では、上述したポンプアップ運転の概念を、電力貯蔵装置(例えば、フライホイール発電機)を使用することなく、複数の風力発電装置で構成されたウィンドファームに応用している。   In the present invention, the concept of the pump-up operation described above is applied to a wind farm constituted by a plurality of wind power generators without using a power storage device (for example, a flywheel generator).

つまり、本発明では、複数の風力発電装置で構成されたウィンドファームにおいて、風力発電装置の運転情報に基づいて行われた処理により選択された、風力発電装置の風車翼間で、エネルギーをやりとりするポンプアップ運転が行われる。   In other words, in the present invention, energy is exchanged between the wind turbine blades of the wind turbine generator selected by the processing performed based on the operation information of the wind turbine generator in the wind farm constituted by a plurality of wind turbine generators. Pump-up operation is performed.

本発明では、風力発電装置の運転情報に基づいて行われた処理により選択された、風力発電装置の発電機側トルクを適切に制御することにより、ウィンドファーム内の全ての風力発電装置が有している回転エネルギーを有効に活用し、ウィンドファーム全体から高出力で平準化した電力を電力系統に供給するようにしている。   In the present invention, all the wind power generators in the wind farm have the proper control of the generator-side torque of the wind power generator selected by the process performed based on the operation information of the wind power generator. The rotating energy is effectively utilized, and high power and leveled power is supplied to the power system from the entire wind farm.

本発明では、まず、絶対値の等しい正と負の仮想的エネルギー片を設定する。   In the present invention, first, positive and negative virtual energy pieces having the same absolute value are set.

次に、正の仮想エネルギー片(+ΔE)を、ウィンドファームに設置された全ての風力発電装置に与えたときに、風力発電装置の出力が最も増加する(ただし、増加量は負でもよい。)風力発電装置i(i基目の風力発電装置)を選び出す。   Next, when a positive virtual energy piece (+ ΔE) is given to all the wind turbine generators installed in the wind farm, the output of the wind turbine generator increases most (however, the increase amount may be negative). Wind power generator i (i-th wind power generator) is selected.

つまり、正の仮想エネルギー片(+ΔE)が与えられた場合の最大の出力増加分を有する風力発電装置は、i基目の風力発電装置である。   That is, the wind power generator having the largest output increase when the positive virtual energy piece (+ ΔE) is given is the i-th wind power generator.

ここで、正の仮想エネルギー片(+ΔE)を風力発電装置に与えることは、正の仮想エネルギー片(+ΔE)を風力発電装置の出力から+ΔEだけくわえることよって、その風力発電装置のトルクが上昇し、発電機の出力は上がり、風車翼のロータ回転数が減少する。   Here, giving the positive virtual energy piece (+ ΔE) to the wind turbine generator means that the positive virtual energy piece (+ ΔE) is added by + ΔE from the output of the wind turbine generator, thereby increasing the torque of the wind turbine generator. The output of the generator will increase and the rotor speed of the wind turbine blade will decrease.

また、負の仮想エネルギー片(−ΔE)を、ウィンドファームに設置された全ての風力発電装置に与えたときに、風力発電装置の出力が最も増加する(ただし、増加量は負でもよい。)風力発電装置j(j基目の風力発電装置)を選び出す。   In addition, when a negative virtual energy piece (−ΔE) is given to all wind power generators installed in the wind farm, the output of the wind power generator increases the most (however, the increase amount may be negative). A wind power generator j (j-th wind power generator) is selected.

つまり、負の仮想エネルギー片(−ΔE)が与えられた場合の最大の出力増加分を有する風力発電装置は、j基目の風力発電装置である。   That is, the wind power generator having the largest output increase when the negative virtual energy piece (−ΔE) is given is the j-th wind power generator.

ここで、負の仮想エネルギー片(−ΔE)を風力発電装置に与えることは、その風力発電装置のトルクを減少させることを意味する。負の仮想エネルギー片(−ΔE)を風力発電装置に与えることによって、発電機のトルクを減少させ、出力を下げ、その風力発電装置の風車翼のロータ回転数を上昇させることができる。   Here, giving a negative virtual energy piece (−ΔE) to the wind turbine generator means reducing the torque of the wind turbine generator. By applying a negative virtual energy piece (−ΔE) to the wind turbine generator, the torque of the generator can be reduced, the output can be lowered, and the rotor speed of the wind turbine blade of the wind turbine generator can be increased.

正の仮想エネルギー片を与えた場合のi基目の風力発電装置の出力増加分(ΔP +max)と、負の仮想エネルギー片を与えた場合のj基目の風力発電装置の出力増加分(ΔP −max)の合計値が、所定のエネルギーリミットPlim(ただし、Plim>0)より大きい場合に、i基目の風力発電装置の発電機側トルクが、正の仮想エネルギー片(+ΔE)が与えられた後の発電機側トルク(Tg*)になるように、i基目の風力発電装置を制御するとともに、j基目の風力発電装置の発電機側トルクが、負の仮想エネルギー片(−ΔE)が与えられた後の発電機側トルク(Tg*)になるように、j基目の風力発電装置を制御する。 The increase in output of the i-th wind power generator when a positive virtual energy fragment is given (ΔP i + max ), and the increase in output of the j-th wind power generator when a negative virtual energy fragment is given ( When the total value of ΔP j −max ) is larger than a predetermined energy limit P lim (where P lim > 0), the generator-side torque of the i-th wind power generator has a positive virtual energy piece (+ ΔE). ) Is controlled to the generator-side torque (Tg * ), and the generator-side torque of the j-th wind generator is negative virtual energy. The j-th wind power generator is controlled so that the generator side torque (Tg * ) after the piece (−ΔE) is given.

このような処理を、ウィンドファームに設置された全ての風力発電装置に対し、i基目の風力発電装置とj基目の風力発電装置のペア(i,j)が無くなるまで、繰り返す。   Such a process is repeated for all wind power generators installed in the wind farm until there is no longer the pair (i, j) of the i-th wind power generator and the j-th wind power generator.

これによって、電力貯蔵装置を使用することなく、複数の風力発電装置で構成されるウィンドファーム内の風力発電装置の発電機側トルクを適切に制御することで、全ての風力発電装置が有している回転エネルギーを有効に活用し、よって、ウィンドファーム内の全ての風力発電装置を動的に制御することが可能になる。   As a result, all the wind turbine generators have a proper control of the generator-side torque of the wind turbine generator in the wind farm composed of a plurality of wind turbine generators without using the power storage device. It is possible to effectively use the rotational energy that is present, and thus to dynamically control all wind power generators in the wind farm.

ここで、本発明に係るウィンドファーム10がN基の風力発電装置100で構成されるウィンドファームである場合のk基目の風力発電装置について、図7を参照しながら説明する。また、N基の風力発電装置100で構成される本発明のウィンドファーム10のウィンドファーム制御装置20で行われる処理について、図8及び図9を参照しながら説明する。   Here, the k-th wind power generator in the case where the wind farm 10 according to the present invention is a wind farm composed of N wind power generators 100 will be described with reference to FIG. Further, processing performed by the wind farm control device 20 of the wind farm 10 of the present invention constituted by the N wind power generators 100 will be described with reference to FIGS. 8 and 9.

まず、後述する説明に使用される記号について、説明する。   First, symbols used in the description to be described later will be described.

k,i,jは、本発明のウィンドファーム10を構成する複数の風力発電装置100のインデックスである。kはk基目の風力発電装置を意味し、iはi基目の風力発電装置を意味し、そして、jはj基目の風力発電装置を意味する。   k, i, j are indexes of a plurality of wind power generators 100 constituting the wind farm 10 of the present invention. k means the k-th wind power generator, i means the i-th wind power generator, and j means the j-th wind power generator.

Vwは、風速計110で測定した風速である。Vwは、k基目の風力発電装置に併設された風速計110で測定した風速である。θは、風力発電装置100の回転翼のピッチ角である。θは、k基目の風力発電装置の回転翼のピッチ角である。 Vw is the wind speed measured by the anemometer 110. Vw k is the wind speed measured by the anemometer 110 provided in the k-th wind power generator. θ is the pitch angle of the rotor blades of the wind turbine generator 100. θ k is the pitch angle of the rotor blades of the k-th wind power generator.

ΔEは仮想エネルギー片である。+ΔEは正の仮想エネルギー片であり、−ΔEは負の仮想エネルギー片である。また、ρは空気密度である。Aはk基目の風力発電装置の風車翼の受風面積である。 ΔE is a piece of virtual energy. + ΔE is a positive virtual energy piece, and −ΔE is a negative virtual energy piece. Ρ is the air density. A k is the swept area of the wind turbine blades of a wind power generator k groups th.

ωは、風力発電装置100の回転翼のロータ回転数である。ωは、k基目の風力発電装置の回転翼のロータ回転数である。ω*は、仮想エネルギー片が与えられた後の風力発電装置100の回転翼のロータ回転数である。ω *は、仮想エネルギー片が与えられた後のk基目の風力発電装置の回転翼のロータ回転数である。 ω is the rotor rotational speed of the rotor blades of the wind power generator 100. ω k is the rotor rotational speed of the rotor blade of the k-th wind power generator. ω * is the rotor rotational speed of the rotor blades of the wind turbine generator 100 after the virtual energy fragment is given. ω k * is the rotor rotational speed of the rotor blade of the k-th wind power generator after the virtual energy piece is given.

Tgは、風力発電装置100の発電機側トルクである。Tgは、k基目の風力発電装置の発電機側トルクである。また、Tg*は、仮想エネルギー片が与えられた後の風力発電装置100の発電機側トルクである。Tg *は、仮想エネルギー片が与えられた後のk基目の風力発電装置の発電機側トルクである。 Tg is the generator-side torque of the wind turbine generator 100. Tg k is the generator-side torque of the k-th wind power generator. Tg * is the generator-side torque of the wind turbine generator 100 after the virtual energy fragment is given. Tg k * is the generator-side torque of the k-th wind power generator after the virtual energy fragment is given.

Trは、風力発電装置100のロータ側トルクである。Trは、k基目の風力発電装置のロータ側トルクである。また、Δtは、所定の時間を表すタイムステップである。そして、Jは、風力発電装置100の慣性モーメントである。Jは、k基目の風力発電装置の慣性モーメントである。 Tr is the rotor side torque of the wind turbine generator 100. Tr k is a rotor-side torque k groups th wind turbine generator. Δt is a time step representing a predetermined time. J is the moment of inertia of the wind turbine generator 100. J k is the moment of inertia of the k-th wind power generator.

λは、風力発電装置100の周速比である。λは、k基目の風力発電装置の周速比である。λ*は、仮想エネルギー片が与えられた後の風力発電装置100の周速比である。
λ *は、仮想エネルギー片が与えられた後のk基目の風力発電装置の周速比である。
λ is a peripheral speed ratio of the wind turbine generator 100. λ k is a peripheral speed ratio of the k-th wind power generator. λ * is the peripheral speed ratio of the wind turbine generator 100 after the virtual energy fragment is given.
λ k * is a peripheral speed ratio of the k-th wind power generator after the virtual energy piece is given.

Cpは、風力発電装置100の出力係数(パワー係数)である。風力発電装置の出力係数は、風力発電装置の風車翼の形状で決定される。Cpは、k基目の風力発電装置の出力係数である。Cp*は、仮想エネルギー片が与えられた後の風力発電装置100の出力係数である。Cp *は、仮想エネルギー片が与えられた後のk基目の風力発電装置の出力係数である。 Cp is an output coefficient (power coefficient) of the wind turbine generator 100. The output coefficient of the wind turbine generator is determined by the shape of the wind turbine blades of the wind turbine generator. Cp k is the output coefficient of the wind turbine generator of k groups th. Cp * is an output coefficient of the wind turbine generator 100 after the virtual energy fragment is given. Cp k * is an output coefficient of the k-th wind power generator after the virtual energy fragment is given.

ΔP は正の仮想エネルギー片を与えた場合のk基目の風力発電装置の出力増加分である。また、ΔP は負の仮想エネルギー片を与えた場合のk基目の風力発電装置の出力増加分である。Plimは、所定のエネルギーリミットである。ただし、Plim>0。 ΔP k + is an increase in output of the k-th wind power generator when a positive virtual energy piece is given. ΔP k is an increase in output of the k-th wind power generator when a negative virtual energy piece is given. P lim is a predetermined energy limit. However, P lim > 0.

ΔP +maxは、ウィンドファーム10に設置された全ての風力発電装置100に正の仮想エネルギー片を与えた場合に、風力発電装置の出力の増加が最大になる、i基目の風力発電装置の出力増加分である。 ΔP i + max is the value of the i-th wind power generation device in which the increase in the output of the wind power generation device is maximized when a positive virtual energy piece is given to all the wind power generation devices 100 installed in the wind farm 10. This is the output increase.

ΔP −maxは、ウィンドファーム10に設置された全ての風力発電装置100に負の仮想エネルギー片を与えた場合に、風力発電装置の出力の増加が最大になる、j基目の風力発電装置の出力増加分である。ただし、i≠j。 ΔP j −max is the j-th wind power generator that maximizes the output of the wind power generator when negative virtual energy pieces are given to all the wind power generators 100 installed in the wind farm 10. Is the increase in output. However, i ≠ j.

図7に示すように、N基の風力発電装置100で構成される本発明のウィンドファーム10において、k基目の風力発電装置に正の仮想エネルギー片(+ΔE)を与えた場合に、Tg *ωΔt−TgωΔt=+ΔEという関係が成立する。一方、k基目の風力発電装置に負の仮想エネルギー片(−ΔE)を与えた場合に、Tg *ωΔt−TgωΔt=−ΔEという関係が成立する。ただし、k=1〜N。 As shown in FIG. 7, when a positive virtual energy piece (+ ΔE) is given to the k-th wind power generator in the wind farm 10 of the present invention configured by the N wind power generators 100, Tg k * The relationship of ω k Δt−Tg k ω k Δt = + ΔE is established. On the other hand, when a negative virtual energy piece (−ΔE) is given to the k-th wind power generator, the relationship Tg k * ω k Δt−Tg k ω k Δt = −ΔE is established. However, k = 1 to N.

ここで、N基の風力発電装置100の運転情報に基づいて、ウィンドファーム制御装置20が行う処理について、説明する。ただし、k=1〜N。   Here, processing performed by the wind farm control device 20 based on the operation information of the N wind power generation devices 100 will be described. However, k = 1 to N.

前述したように、ウィンドファーム制御装置20では、各個別制御装置120に記憶されている各風力発電装置100の運転情報を入力し、入力した各風力発電装置100の運転情報に基づいて処理を行った上で、風力発電装置100の発電機側トルクを制御するための指令値を生成し、生成した指令値を該当風力発電装置100の個別制御装置120に伝送する。   As described above, the wind farm control device 20 inputs the operation information of each wind power generation device 100 stored in each individual control device 120, and performs processing based on the input operation information of each wind power generation device 100. After that, a command value for controlling the generator-side torque of the wind turbine generator 100 is generated, and the generated command value is transmitted to the individual control device 120 of the corresponding wind turbine generator 100.

ウィンドファーム制御装置20には、各風力発電装置の風速Vw、各風力発電装置の回転翼のロータ回転数ω、周速比λとピッチ角θの関数としての各風力発電装置の出力係数Cp(λ)、及び各風力発電装置の慣性モーメントJといった運転情報が必要である。 The wind farm controller 20 includes the wind speed Vw k of each wind power generator, the rotor rotational speed ω k of the rotor blades of each wind power generator, the circumferential speed ratio λ k and the pitch angle θ k as a function of each wind power generator. Operation information such as the output coefficient Cp kk , θ k ) and the inertia moment J k of each wind turbine generator is required.

各風力発電装置100に関するこれらの運転情報は、各風力発電装置100を制御する各個別制御装置120により取得され、各個別制御装置120にそれぞれ記憶されている。   The operation information regarding each wind power generator 100 is acquired by each individual control device 120 that controls each wind power generator 100 and is stored in each individual control device 120.

そして、ウィンドファーム制御装置20は、各個別制御装置120にそれぞれ記憶されている各風力発電装置100の運転情報を入力した上で、処理を行う。   Then, the wind farm control device 20 performs processing after inputting the operation information of each wind power generation device 100 stored in each individual control device 120.

k基目の風力発電装置の周速比λは、下記数1のように得られる。ただし、Rはk基目の風力発電装置の風車翼の半径である。 The peripheral speed ratio λ k of the k-th wind power generator is obtained as shown in Equation 1 below. Here, R k is the radius of the wind turbine blade of the k-th wind power generator.

Figure 2013053592
また、風力発電装置100の出力係数(パワー係数)とは、風力発電装置100の回転面に流入する風の単位時間あたりのエネルギーPwと、風力発電装置100が風から収得できるエネルギーの比であり、風力発電装置100の風車翼の先端速度と風速の比(周速比)とピッチ角の関数であり、ある周速比の値で最大値をとることが知られている。
Figure 2013053592
The output coefficient (power coefficient) of the wind power generator 100 is the ratio of the energy Pw per unit time of the wind flowing into the rotating surface of the wind power generator 100 and the energy that the wind power generator 100 can obtain from the wind. It is a function of the tip speed / wind speed ratio (peripheral speed ratio) and pitch angle of the wind turbine blades of the wind power generator 100, and it is known that the maximum value is obtained at a certain peripheral speed ratio value.

ただし、Pwは下記数2のように得られる。   However, Pw is obtained as shown in Equation 2 below.

Figure 2013053592
各風力発電装置の運動方程式は、風から受けるトルク(即ち、ロータ側トルクTr)と発電機側トルクTgの差が、慣性モーメントJと各運動量の時間微分の値に等しいことから与えられる。ロータ側トルクTrは、風力発電装置の回転面に流入する風のエネルギーに出力係数(パワー係数)を乗じ、回転速度で除算することによって得られる。
Figure 2013053592
The equation of motion of each wind power generator is given by the fact that the difference between the torque received from the wind (ie, the rotor side torque Tr) and the generator side torque Tg is equal to the moment of inertia J and the value of the time derivative of each momentum. The rotor-side torque Tr is obtained by multiplying the energy of wind flowing into the rotating surface of the wind power generator by an output coefficient (power coefficient) and dividing by the rotation speed.

発電機側トルクTgは、電気出力を回転角速度で除算することによって得られる。また、発電機側トルクTgは、制御可能な電力変換装置103の制御によって自由に制御できるとする。   The generator side torque Tg is obtained by dividing the electrical output by the rotational angular velocity. Further, it is assumed that the generator side torque Tg can be freely controlled by the control of the controllable power converter 103.

ここで、ウィンドファーム制御装置20は、各個別制御装置120にそれぞれ記憶されている各風力発電装置100の運転情報(風速Vw、ロータ回転数ω、周速比λ、ピッチ角θ、出力係数Cp、及び慣性モーメントJ)を入力した上で、処理を行う。 Here, the wind farm control device 20 operates information (wind speed Vw k , rotor rotational speed ω k , circumferential speed ratio λ k , pitch angle θ k) stored in each individual control device 120. , The output coefficient Cp k and the moment of inertia J k ) are input, and processing is performed.

まず、微小な仮想エネルギー片ΔEが設定される。なお、仮想エネルギー片ΔEの絶対値の大きさは、ウィンドファーム制御装置20が有する演算機能の能力と、ウィンドファーム10に設置された風力発電装置の台数(N)に基づき、設定される。   First, a small virtual energy piece ΔE is set. Note that the magnitude of the absolute value of the virtual energy piece ΔE is set based on the calculation function capability of the wind farm control device 20 and the number (N) of wind power generators installed in the wind farm 10.

所定の時間Δtおきに、ウィンドファーム制御装置20が、正の仮想エネルギー片(+ΔE)をN基の風力発電装置にそれぞれ与える。ループkでの処理は、k基目の風力発電装置に対して行われる処理である。N基の風力発電装置に対する処理は、ループkでの処理と同じである。   At predetermined time intervals Δt, the wind farm control device 20 gives positive virtual energy pieces (+ ΔE) to the N wind turbine generators, respectively. The process in the loop k is a process performed on the k-th wind power generator. The processing for the N wind power generators is the same as the processing in loop k.

正の仮想エネルギー片(+ΔE)をk基目の風力発電装置に与えると、図8のステップS100に示す数式の関係が成立し、k基目の風力発電装置に+ΔEの電力を供給することになり、k基目の風力発電装置を電動機として動作させることになる。   When a positive virtual energy piece (+ ΔE) is given to the k-th wind power generator, the mathematical relationship shown in step S100 in FIG. 8 is established, and + ΔE power is supplied to the k-th wind power generator. Thus, the k-th wind power generator is operated as an electric motor.

k基目の風力発電装置を電動機として動作させることにより、図8のステップS110に示す数式のように、ロータ回転数が上昇する。ロータ回転数の上昇により、周速比の値が変化し、出力係数(パワー係数)の値が変化することで(図8のステップS120に示す数式を参照)、風力エネルギーから得られるエネルギーが変化する。   By operating the k-th wind power generator as an electric motor, the rotor rotational speed is increased as shown in the equation shown in Step S110 of FIG. As the rotor speed increases, the value of the peripheral speed ratio changes, and the value of the output coefficient (power coefficient) changes (see the formula shown in step S120 in FIG. 8), so that the energy obtained from the wind energy changes. To do.

図8のステップS130に示す数式のように、k基目の風力発電装置が得られるエネルギーの変化分(即ち、k基目の風力発電装置の出力増加分ΔP )は、ウィンドファーム制御装置20により算出することができる。 As shown in the equation shown in step S130 of FIG. 8, the change in energy obtained by the k-th wind power generator (that is, the output increase ΔP k + of the k-th wind power generator) is the wind farm control device. 20 can be calculated.

N基の風力発電装置に対し、ステップS100からステップS130までのループkを行うと、N基の風力発電装置のなかで、得られるエネルギーの変化分が最大(この変化分は負の値でもよい。)の風力発電装置をi基目の風力発電装置とし、その変化分をΔP +maxとする。つまり、ΔP +maxは正の仮想エネルギー片を与えた場合のi基目の風力発電装置の出力増加分である。 When the loop k from step S100 to step S130 is performed on the N wind power generators, the amount of change in energy obtained is the largest among the N wind power generators (this change may be a negative value). .) Is the i-th wind power generator, and the change is ΔP i + max . That is, ΔP i + max is an output increase of the i-th wind power generator when a positive virtual energy piece is given.

同様に、所定の時間Δtおきに、ウィンドファーム制御装置20が、負の仮想エネルギー片(−ΔE)をN基の風力発電装置にそれぞれ与える。ループkでの処理は、k基目の風力発電装置に対して行われる処理である。N基の風力発電装置に対する処理は、ループkでの処理と同じである。   Similarly, the wind farm control device 20 applies a negative virtual energy piece (−ΔE) to each of the N wind power generators at predetermined time intervals Δt. The process in the loop k is a process performed on the k-th wind power generator. The processing for the N wind power generators is the same as the processing in loop k.

負の仮想エネルギー片(−ΔE)をk基目の風力発電装置に与えると、図8のステップS200に示す数式の関係が成立し、k基目の風力発電装置に−ΔEの電力を供給することになり、k基目の風力発電装置の負荷を増加させることになる。   When a negative virtual energy piece (−ΔE) is applied to the k-th wind power generator, the mathematical relationship shown in step S200 of FIG. 8 is established, and power of −ΔE is supplied to the k-th wind power generator. As a result, the load on the k-th wind power generator is increased.

k基目の風力発電装置の負荷を増加させることにより、図8のステップS210に示す数式のように、ロータ回転数が減少する。ロータ回転数の減少により、周速比の値が変化し、出力係数(パワー係数)の値が変化することで(図8のステップS220に示す数式を参照)、風力エネルギーから得られるエネルギーが変化する。   By increasing the load of the k-th wind power generator, the rotational speed of the rotor decreases as in the equation shown in step S210 of FIG. As the rotor speed decreases, the peripheral speed ratio value changes, and the output coefficient (power coefficient) value changes (see the equation shown in step S220 in FIG. 8), so that the energy obtained from the wind energy changes. To do.

図8のステップS230に示す数式のように、k基目の風力発電装置が得られるエネルギーの変化分(即ち、k基目の風力発電装置の出力増加分ΔP )は、ウィンドファーム制御装置20により算出することができる。 As shown in the equation shown in step S230 of FIG. 8, the change in energy obtained by the k-th wind power generator (that is, the output increase ΔP k − of the k-th wind power generator) is the wind farm control device. 20 can be calculated.

N基の風力発電装置に対し、ステップS200からステップS230までのループkを行うと、N基の風力発電装置のなかで、得られるエネルギーの変化分が最大(この変化分は負の値でもよい。)の風力発電装置をj基目の風力発電装置とし、その変化分をΔP −maxとする。つまり、ΔP −maxは、負の仮想エネルギー片を与えた場合のj基目の風力発電装置の出力増加分である。 When the loop k from step S200 to step S230 is performed on the N wind power generators, the amount of change in energy obtained is the largest among the N wind power generators (this change may be a negative value). .) Is the j-th wind power generator, and the change is ΔP j -max . That is, ΔP j −max is an output increase of the j-th wind power generator when a negative virtual energy piece is given.

このように、ウィンドファーム制御装置20での処理により、ΔP +maxとΔP −maxが得られた。 As described above, ΔP i + max and ΔP j -max were obtained by the processing in the wind farm control apparatus 20.

次に、図8のステップS300に示すように、両者の合計値(ΔP +max+ΔP −max)が、所定のエネルギーリミットPlim(ただし、Plim>0)より大きい場合に、ウィンドファーム制御装置20では、発電機側トルク制御処理を行う。 Next, as shown in step S300 of FIG. 8, when the total value (ΔP i + max + ΔP j −max ) of both is larger than a predetermined energy limit P lim (where P lim > 0), wind farm control is performed. In the apparatus 20, a generator side torque control process is performed.

この発電機側トルク制御処理とは、i基目の風力発電装置の発電機側トルクが、正の仮想エネルギー片が与えられた後の発電機側トルク(Tg*)になるように、i基目の風力発電装置を制御するとともに、j基目の風力発電装置の発電機側トルクが、負の仮想エネルギー片が与えられた後の発電機側トルク(Tg*)になるように、j基目の風力発電装置を制御する処理である。 The generator-side torque control process is performed so that the generator-side torque of the i-th wind power generator is the generator-side torque (Tg * ) after the positive virtual energy fragment is applied. The j-th wind power generator is controlled so that the generator-side torque of the j-th wind power generator becomes the generator-side torque (Tg * ) after the negative virtual energy fragment is applied. It is the process which controls the wind power generator of an eye.

具体的に、図9に示すように、ウィンドファーム制御装置20が、正の仮想エネルギー片が与えられた後の発電機側トルク(Tg*)を算出して指令値として、i基目の風力発電装置100iの個別制御装置120iに伝送し、i基目の風力発電装置100iの個別制御装置120iは、伝送された指令値に応じて、電力変換装置103iの制御を介して、i基目の風力発電装置100iの発電機側トルクを制御する。 Specifically, as shown in FIG. 9, the wind farm control device 20 calculates the generator-side torque (Tg * ) after the positive virtual energy piece is given, and uses the i-th wind power as a command value. The individual control device 120i of the i-th wind power generation device 100i is transmitted to the individual control device 120i of the power generation device 100i, and the i-th wind power generation device 100i is controlled by the power conversion device 103i according to the transmitted command value. The generator side torque of the wind power generator 100i is controlled.

また、図9に示すように、ウィンドファーム制御装置20が、負の仮想エネルギー片が与えられた後の発電機側トルク(Tg*)を算出して指令値として、j基目の風力発電装置100jの個別制御装置120jに伝送し、j基目の風力発電装置100jの個別制御装置120jは、伝送された指令値に応じて、電力変換装置103jの制御を介して、j基目の風力発電装置100jの発電機側トルクを制御する。 In addition, as shown in FIG. 9, the wind farm control device 20 calculates the generator-side torque (Tg * ) after the negative virtual energy piece is given and uses it as a command value to obtain the j-th wind power generation device. The j-th wind power generator 100j transmits the j-th wind power generator 100j to the j-th wind power generator 100j through the control of the power converter 103j according to the transmitted command value. The generator side torque of the device 100j is controlled.

一方、図8のステップS300に示すように、両者の合計値(ΔP +max+ΔP −max)が、所定のエネルギーリミットPlim以下の場合に、ウィンドファーム制御装置20では、次の所定の時間Δtに入って、処理を行う。 On the other hand, as shown in step S300 of FIG. 8, when the total value (ΔP i + max + ΔP j −max ) of both is equal to or less than a predetermined energy limit P lim , the wind farm control device 20 performs the next predetermined time. Enter Δt and process.

このように、i基目の風力発電装置とj基目の風力発電装置を制御することにより、ウィンドファーム10全体の出力電力が向上する。なお、Plimの値は、ウィンドファーム制御装置20が有する演算機能の速度と、ウィンドファーム10に設置された風力発電装置の台数(N)に基づき、調整される。 Thus, the output power of the entire wind farm 10 is improved by controlling the i-th wind power generator and the j-th wind power generator. Note that the value of P lim is adjusted based on the speed of the calculation function of the wind farm control device 20 and the number (N) of wind power generators installed in the wind farm 10.

上記のような処理を、ウィンドファーム10に設置された全ての風力発電装置100に対し、i基目の風力発電装置とj基目の風力発電装置のペア(i,j)が無くなるまで繰り返すことにより、ウィンドファーム10に設置された全ての風力発電装置100が有している回転エネルギーを最大限に活用し、ウィンドファーム10からの出力電力が最大になる。   The above processing is repeated for all wind power generators 100 installed in the wind farm 10 until there is no longer the pair (i, j) of the i-th wind power generator and the j-th wind power generator. Thus, the rotational energy of all the wind power generators 100 installed in the wind farm 10 is utilized to the maximum, and the output power from the wind farm 10 is maximized.

なお、上記処理を繰り返すことによって、発電機側トルクの値が負になる場合がある。この場合は、特許文献1で提案されている風力発電装置の電動機動作(風力ポンプアップ運転)の場合であり、この場合も許容する。ただし、電力変換装置の構成によっては電力の逆流が不可の場合がある(例えば、ダイオードブリッヂなどを用いている場合)。この場合は、上記処理において、発電機側トルクの値が負にならない条件を付加することにより、本発明を適用することができる。   In addition, the value of the generator side torque may become negative by repeating the above process. This is the case of the motor operation (wind pump up operation) of the wind turbine generator proposed in Patent Document 1, and this case is also allowed. However, depending on the configuration of the power converter, there is a case where the reverse flow of power is not possible (for example, when a diode bridge or the like is used). In this case, the present invention can be applied by adding a condition in which the value of the generator-side torque does not become negative in the above processing.

10 ウィンドファーム
20 ウィンドファーム制御装置
30 送電線
40 通信線
50 電力系統
100 風力発電装置
101 風車翼
102 可変速発電機
103 電力変換装置
110 風速計
120 個別制御装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Wind farm 20 Wind farm control apparatus 30 Power transmission line 40 Communication line 50 Electric power system 100 Wind power generator 101 Windmill blade 102 Variable speed generator 103 Power converter 110 Anemometer 120 Individual control apparatus

Claims (3)

風力エネルギーを利用して電力を発電するウィンドファームであって、
風車翼を有するとともに、可変速発電機と制御可能な電力変換装置を搭載する複数の風力発電装置と、
前記複数の風力発電装置にそれぞれ併設され、風速を測定する複数の風速計と、
前記複数の風力発電装置をそれぞれ制御するとともに、これら風力発電装置の運転状態を表す運転情報をそれぞれ取得して記憶する複数の個別制御装置と、
前記ウィンドファーム全体を制御するとともに、前記複数の個別制御装置からの各風力発電装置の運転情報、及び仮想的エネルギー片を用いて、処理を行った上で、風力発電装置の発電機側トルクを制御するための指令値を生成し、生成した指令値を該当風力発電装置の個別制御装置に伝送するウィンドファーム制御装置とを備えることを特徴とするウィンドファーム。
A wind farm that uses wind energy to generate electricity,
A plurality of wind turbine generators having wind turbine blades and mounted with a variable speed generator and a controllable power converter;
A plurality of anemometers that are respectively attached to the plurality of wind turbine generators and measure wind speed;
A plurality of individual control devices that respectively control the plurality of wind power generators and acquire and store operation information representing the operation state of these wind power generators, and
After controlling the whole wind farm and using the operation information of each wind power generator from the plurality of individual control devices and the virtual energy piece, the generator side torque of the wind power generator is adjusted. A wind farm comprising: a wind farm control device that generates a command value for control and transmits the generated command value to an individual control device of the corresponding wind turbine generator.
前記ウィンドファーム制御装置では、前記処理により、正の仮想エネルギー片が与えられた場合の最大の出力増加分を有する風力発電装置と、負の仮想エネルギー片が与えられた場合の最大の出力増加分を有する風力発電装置を選び出し、選び出した2基の風力発電装置の出力増加分の合計値が、所定のエネルギーリミットより大きい場合に、発電機側トルク制御処理を行う請求項1に記載のウィンドファーム。   In the wind farm control device, a wind power generator having a maximum output increase when a positive virtual energy piece is given and a maximum output increase when a negative virtual energy piece is given by the processing. The wind farm according to claim 1, wherein a generator-side torque control process is performed when a total value of output increases of the two selected wind power generators is larger than a predetermined energy limit. . 前記発電機側トルク制御処理は、前記ウィンドファーム制御装置により生成された指令値に応じて、前記電力変換装置の制御を介して行われる請求項2に記載のウィンドファーム。   The wind farm according to claim 2, wherein the generator side torque control processing is performed through control of the power converter according to a command value generated by the wind farm controller.
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