JP2013108462A - 風力発電量予測システム、そのプログラム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】気象予報入力機能部11は、外部から一般的な気象予報情報としての風向・風速予報値を取得する。補正テーブル記憶部16には予め風速予報値を補正するための補正用データが記憶される。パワーカーブ記憶部13には予め風力発電設備に係わる風速と発電量との関係を示すパワーカーブが記憶される。発電量計算機能部14は、上記風向・風速予報値と補正用データとパワーカーブとを用いて、加重平均またはファジィ推論によって、風力発電量予測対象の任意の風力発電設備が受ける風に応じた風力発電量予測値を求める。
【選択図】図1
Description
特許文献1には、風速計および風向計によって風速や風向を観測する装置である観測ポールと、3次元風速計と、予測用コンピュータ等を有する風予測システムが開示されている。特許文献1では、3次元風速計によって参照点の風速および風向を測定するのは、各季節毎に1週間ずつの計4週間で済むようにする手法を提案しており、これによって高価な3次元風速計の利用効率を高め、コストを削減できる。
特許文献3では、風速予報値を風車高さ相当に補正し、これをパワーカーブを用いて発電量に変換している。
特許文献2の発明は、詳細な物理モデルを使用するため、上述理由1、理由2による問題の解決を期待できる有望な方法であるが、詳細な地形情報が必要であり、かつ膨大な計算を必要する欠点がある。
特許文献4の発明は、風向ごとにデータベースを持つため、上述理由1、理由2による問題の解決を期待できる方法である。しかし、特殊なレーダによる風速観測が必要である点や、詳細な予測を行う場合には細かな風向ごとにデータベースを持つ必要があり、膨大な観測が必要になる等の欠点がある。つまり、エンジニアリング・コストが膨大になる欠点がある。
図1は、本例の風力発電量予測システムの構成図である。
図示の例の風力発電量予測システム10は、気象予報入力機能部11、風力発電設備運転情報取得部12、パワーカーブ記憶部13、発電量計算機能部14、予測値格納部15、補正テーブル記憶部16の各種機能部を有する。
発電量計算機能部14によって算出・出力される上記「m時間先までの風力発電設備の発電量の予測値」は、当該予測値を格納するデータベースである予測値格納部15に格納される。
上記風力発電設備の運転スケジュール情報は、発電所において複数の風車(風力発電設備)がある場合に、特に必要になるものである。詳しくは後述する。
気象予報入力機能部11からは、例えば1時間先〜m時間先までの1時間毎の、発電所のある代表地点、もしくは近辺の風向・風速予報値が得られる。換言すれば、上記風力発電設備が設置されているエリアの風向・風速予報値が得られるものである。
尚、上記風上側風力発電設備(風上側風車)は、予測対象の風力発電設備(対象風車)の風上側にある他の風力発電設備であるが、風上側や風上側風車や風上側風力発電設備とは、ある特定の風向きのときに対象風車の風上となることを意味し、風向きに関係なく常に風上側となるようなことを意味するものではない(換言すれば、風上側風車とは、風上側となったときに影響を及ぼす(対象風車が受ける風を弱める)可能性がある、他の風車を意味するものであり、例えば対象風車の近傍に設けられる他の風車等である)。
風速補正テーブルは、一般的な気象情報としての風速予報値を、その風車が受ける風速へと補正するためのテーブルである。尚、以下、風速補正テーブルを簡略化して単に「補正テーブル」と記す場合もあるものとする。
以上の作業を何度も繰り返すことで補正テーブルを作成できる情報が収集できたら、これに基づいて補正テーブルを作成する。尚、風向きは制御できないので、本例では少なくとも東西南北の4方向の風向きについてデータ収集できるまで、上記データ収集を続けることになる。そして、例えば、東西南北の各方向毎に、上記差分の平均値を求める。例えば、東を例にすると、上記収集したデータから風向が東であるデータを全て抽出して、これらを更に上記風速予報値毎(または風速の現在値毎)に分類して、各風速予報値毎(または風速の現在値毎)に、上記差分値を合計してデータ数で除算することで、東に関する各風速毎の上記差分の平均値が求められる(これが後述する図3(a)等に示す“東(補正値)”として風速補正テーブルに格納されることになる)。
図3(c)は風上側風車が停止(OFF)している場合に対応する風速補正テーブルである。
尚、風向予報が東西南北の4方向以外(例えば北東、北北東等)である場合には、後述する加重平均によって上記発電量予測を行う。逆に言えば、加重平均を用いた演算を行うようにすることで、風速補正テーブルには東西南北の4方向のみ登録すれば済み、データベースのデータ量を削減できる。詳しくは後述する。
発電量計算機能部14の処理機能について、以下、具体例を用いて説明する。
(a)風上側風車が運転している場合
上記具体例の場合、上記図3(b)の風速補正テーブルを用いて得られる風速補正値、この風速補正値に応じて図3(a)のパワーテーブルから得られる発電量は、所定の風向(本例では東西南北)それぞれについては、下記の通りなる。
東の場合: 風速補正値10m , 発電量100kW
南の場合: 風速補正値10m , 発電量100kW
西の場合: 風速補正値8m , 発電量80kW
但し、これらは参考の為に示しており、実際には風向予報に応じたもの(上記2方向)だけを取得すればよい。すなわち、本例では風向予報は北東であるので、北の発電量(=90kW)、東の発電量(=100kW)を取得すればよい。そして、これらを用いて後述する加重平均によって風力発電量予測値を求める。但し、風向予報が東西南北の4方向の何れかである場合には、その方向に応じた発電量をそのまま風力発電量予測値とすればよい。
尚、上記(1)式は、東西南北のうち風向予報に係る2方向に関する発電量を用いて、この2つの発電量を加重平均して求める処理の一例である。
発電量予測値;(100kW×50+90kW×50)/100
=(100kW+90kW)/2
となって、上記(1)式となる。
発電量予測値;(100kW×25+90kW×75)/100
=(100kW+90kW×3)/4=92.5kW・・・(1)’式
となる。
上述したように、例えば図3(b)等に示す風速補正テーブルには、予め任意に決められた複数の所定の風向毎に(本例では東西南北毎に)、各風速毎に対応する補正データが格納されている。この風速補正テーブルを参照して、予報された風向に係わる1または複数の風速補正値を求める。つまり、上記所定の風向(東西南北)のうち予報された風向に係わる全ての所定の風向(“関係する所定風向”と呼ぶものとする)について、風速予報値に応じた風速補正値を求める。これは、例えば図3(b)等に示すように上記“差分”である補正値が格納されている例では、上記“関係する所定風向”それぞれについて風速予報値に応じた補正値を取得し更に風速予報値を補正値によって補正することで上記風速補正値を求める。尚、上記の通り、風速補正値そのものが格納されている場合には、これをそのまま取得すればよく、算出する処理は必要ない。
この場合も、補正テーブルを図3(b)の代わりに図3(c)を用いる点以外は、上記(a)風上側風車が運転している場合と同様であり、以下、簡略化して説明する。
北の場合: 風速補正値10m , 発電量 100kW
東の場合: 風速補正値10m , 発電量100kW
南の場合: 風速補正値10m , 発電量100kW
西の場合: 風速補正値8m , 発電量80kW
従って、この例では、予報される風向が北東である場合には、発電量予測値は下記の(2)式の通りとなる。
となる。
風上側風車の運転状態を、ON/OFFで扱う場合には、例えば予報される風向が北東である場合には、上記(1)式、(2)式の何れかによって、風力発電量予測値を求めることになる。
この様な場合、(1)式、(2)式の両方の式による算出を行い、これら2つの算出結果に基づいて、風上側風車の稼働率に応じた加重比で平均化することで、風力発電量予測値を求めることになる。
また、更に、予測対象の風車の稼働率を用いて修正を施して、最終的な予測値とするようにしてもよい。
実施例2では、ファジィ推論を用いて発電量を求める。
実施例2に関しても、図1に示す構成図を用いて説明する。
図4(a)は風上側風車が運転(ON)している場合に対応する風速補正テーブルである。
実施例2においても、実施例1と同様に、風力発電設備運転情報取得部12が取得する風上側風車の運転スケジュール情報(ON/OFF等)に従って、図4(a)、(b)の2つの風速補正テーブルの何れか一方または両方を用いることになる。
発電量計算機能部14は、気象予報入力機能部11を介して得られる上記風向予報値に基づいて、図5(a)に示すメンバシップ関数を参照することで、この風向予報値に対応する加重比pc1、加重比pc2を求める。例えば、風向きが212°であった場合には、加重比pc1=‘0.0’、加重比pc2=‘1.0’となる。
その後は、例えば図3(a)等に示すパワーカーブを用いて、上記(3)式で求めた風速補正値PCに応じた発電量を求める。
{ここで、
発電量1:風上側風車が稼働しているときの発電量(式(3)と図4(a)の補正テーブルから計算した風速補正値を、図3(a)のパワーカーブで発電量に変換して求めたもの)。
また、図4(a),(b)の例では、簡単のため、風速補正に係る風向区分を上記“212°±10°”と“それ以外”の2種類だけとしたが、勿論、この様な例に限らず、3種類以上であっても構わない。例えば図3では西方向に何らかの障害物があるものとしており、この例に準じて、“270°±10°”等もあってもよい。この様な他の例を図4(c)、(d)に示す。
図4(d)は風上側風車が停止(OFF)している場合に対応する風速補正テーブルである。
また、この場合には、当然、メンバシップ関数も、3種類の風向区分(風向範囲)に応じたものとなる。図5(b)に、上記図4(c)、(d)の例に応じたメンバシップ関数の一例を示す。図5(b)に示すメンバシップ関数は、上記“212°±10°”に応じた“風速補正の加重比pc2”と、上記“270°±10°”に応じた“風速補正の加重比pc3”と、上記“それ以外”に応じた“風速補正の加重比pc1”とから成る。
本実施例では、わずか数種類の風向区分に応じた補正テーブルやメンバシップ関数を予め作成しておくだけで、風向ごとに異なる風速の変化状態を連続的に表現することができる。
上記実施例1、2では、風上側風車の存在とその稼働状況を考慮した実施例を示したが、本発明は、この様な例に限らない。例えば、本実施例3のようにしてもよい。
図6(b)は、実施例3における風速補正テーブルの一例である。実施例1では、風上側風車の運転/停止に応じた2種類の風速補正テーブルが設けられていたが、実施例3では図示の通り1種類のみである。尚、図示の例では、北方向に風車以外の何らかの障害物があるものとしている。
この場合、風力発電量予測値は、図6(a)のパワーテーブルより、風速9mに対応する95kWとなる。
例えば、風向予報が北北東で風速予報が10mの場合には、図6(a)、(b)に示すパワーテーブルと風速補正テーブルを参照することで、風速補正テーブルに登録されている東西南北の4方向のうち上記風向予報(北北東)に関連する方向である北と東に関して、以下の風速補正値及び発電量が得られる。
東: 風速補正値10m , 発電量100kW
そして、これら2つの発電量を、風向予報に応じた加重比で平均化することで、風向・風速予報と風速補正テーブルに基づく発電量予測値が算出される。本例では、風向予報が北北東であることから、25:75の加重比で平均化することになり、従って、
発電量予測値;(100kW×25+90kW×75)/100
=(100kW+90kW×3)/4 = 92.5kW ・・・(1)’’式
となる。
上述した実施例1,2,3に係る図1の風力発電量予測システム10の各機能部の処理機能は、例えば、以下の様になると言える。
補正テーブル記憶部16には、予め、上記風速予報値を補正するための補正用データが記憶される。パワーカーブ記憶部13には、予め、各風力発電設備毎に、その風力発電設備に係わる風速と発電量との関係を示すパワーカーブが記憶される。
まず、実施例4について説明する。
上述した実施例1,3では、パワーカーブと風速補正テーブルを予め作成・記憶しておき、発電量予測処理の際には、まず風速補正テーブルを参照して該当する風速補正値を求めて、次に、パワーカーブを参照することでこの風速補正値に応じた発電量を求めた。
実施例4に関する図1の各処理機能部は、まず、気象予報入力機能部11及び風力発電設備運転情報取得部12は、実施例1と略同様であり、ここでは特に説明しない。また、予測値格納部15も、発電量計算機能部14によって求められた発電量予測値が格納されるという点では、実施例1と略同様である。
図7(a)は風上側風車が運転(ON)している場合に対応するパワーカーブ補正テーブルである。
パワーカーブ補正テーブルは、例えば、予め、上記「発電所のある代表地点、もしくは近辺の風速・風向の予報値または現在値」を取得すると共に、各風力発電設備の設置場所で風速等を実測する等し、更にパワーカーブを風車メーカから取得する(あるいは工場等において、風速に応じた発電量を実測する)等して、これらに基づいて人間が作成するものである。
東の場合:100kW
南の場合:100kW
西の場合:100kW
尚、これらは、図7(a)、(b)のパワーカーブ補正テーブルに予め登録されている設計値と補正値とに基づいて算出するものである。但し、この例に限らず、例えば、パワーカーブ補正テーブルには、設計値も補正値も登録されず、代わりに上記発電量補正値(kw)そのものが予め登録されていてもよい。
風向予報が東西南北以外であれば、上記東西南北の発電量補正値(kw)のうち風向予報に関係する方向の2つの発電量補正値(kw)を用いて、これら2つの発電量補正値を風向予報に応じた加重比を用いて加重平均することで、風力発電量予測値を求める。例えば、風向予報が北北東であれば、上記北の場合の発電量補正値(=90kW)と上記東の場合の発電量補正値(=100kW)の2つの発電量補正値を用いることになる。
例えば風向予報が北東である場合には、北東は北と東の丁度中間であることから、50:50の加重比で平均化することになり、下記の(6)式で風力発電量予測値を求めることになる。
=(100kW+90kW)/2=95kW ・・・(6)式
となる。
風力発電量予測値=(100kW×25+90kW×75)/100
=(100kW+90kW×3)/4=92.5kW
となる。
また、例えば、風上側の風車の稼働率を考慮する場合には、図7(a)、(b)のパワーカーブ補正テーブルそれぞれを用いて、上記のように風力発電量予測値を求めて、これら求めた2つの風力発電量予測値を、風上側風車の稼働率に応じた加重比で平均化することで、最終的な風力発電量予測値を求めることになる。仮に、風上側風車の稼働率が90%とした場合には、上記2つの風力発電量予測値を、90:10の加重比で平均化することで、最終的な風力発電量予測値を求めることになる。
本実施例5は、上記実施例2と同様にファジィ推論にて発電量を求めるものであるが、実施例2における図4に示すような風速補正テーブルの代わりに、不図示のパワーカーブ補正テーブルが予め記憶されている。
ここで、実施例5に関しても、図1に示す構成図を用いて説明する。
実施例5に関する図1の各処理機能部は、まず、気象予報入力機能部11及び風力発電設備運転情報取得部12は、実施例1と略同様であり、ここでは特に説明しない。また、予測値格納部15も、発電量計算機能部14によって求められた発電量予測値が格納されるという点では、実施例1と略同様である。
通常時(風向212°以外の場合)(PC1): 発電量PC1=fPC1(風速)
風向212°の場合(PC2): 発電量PC2=fPC2(風速)
※fPC1、fPC2は、特に具体例は示さないが、任意の風速値に応じた発電量を算出するための関数等である。
尚、ここでは、212°の方向に、風上側風車が存在する場合を想定している。
発電量計算機能部14は、まず、上記2つの発電量PC1、PC2を求める。これは、気象予報入力機能部11を介して得られた風速予報値を上記(風速)に代入することで算出される。
つまり、図5(a)の例のメンバシップ関数を参照する場合には、予報される風向が212°の場合は、上記発電量PC2に対する加重比pc2を1.0とし、上記発電量PC1に対する加重比pc1を0.0とする。一方、予報される風向が190°以下や、234°以上の場合は、上記発電量PC1に対する加重比pc1を1.0とし、上記発電量PC2に対する加重比pc2を0.0とする。風向が190°から234°の範囲内の任意の値である場合は、図5(a)のメンバシップ関数から読み取った加重比pc1、pc2を用いる
最終的な発電量予測値PCは次式で求める
発電量予測値PC=(発電量PC1×加重比pc1+発電量PC2×加重比pc2)/(加重比pc1+加重比pc2)
図8は、本実施例5の効果を示す為の実験結果である。
風力発電予測に関して、風速の予測と、発電量への換算の2段階で行われる。たとえ風速の予測が正確であっても発電量の換算が正確でないと適切な発電量予測値が得られない。その逆に、発電量の換算が正確であっても風速の予測が正確でないと適切な発電量予測値が得られない。
これに対して、これまでの風力発電量予測では、特殊な計測装置により実測する必要があったり、風向毎に細かな補正を行うためには多くのテーブルを用意する必要があり、エンジニアリング・コストが掛かった。また、従来の物理モデルを用いる方法は、高精度であるが、膨大な地形情報や計算コストが必要であり、やはり高コストであった。
更に、特にウィンドファームなどの複数の風車がある場合は、風上側風車の運転状態によって風下側風車が受ける風速が変化するため、風下側風車に関して適切な発電量予測が難しかった。
11 気象予報入力機能部
12 風力発電設備運転情報取得部
13 パワーカーブ記憶部
14 発電量計算機能部
15 予測値格納部
16 補正テーブル記憶部
Claims (9)
- 任意の風力発電設備の発電量を予測する風力発電量予測システムであって、
外部から風向・風速予報値を取得する風向・風速予報値取得手段と、
予め前記風速予報値を補正するための補正用データが記憶される補正用データ記憶手段と、
予め前記風力発電設備に係わる風速と発電量との関係を示すパワーカーブが記憶されるパワーカーブ記憶手段と、
前記風向・風速予報値と前記補正用データと前記パワーカーブとを用いて、加重平均またはファジィ推論によって、前記任意の風力発電設備が受ける風に応じた風力発電量予測値を求める風力発電量算出手段と、
を有することを特徴とする風力発電量予測システム。 - 前記補正用データは、複数の所定の風向毎に、各風速に対応する補正データが格納された風速補正テーブルであり、
前記風力発電量算出手段は、
前記風速補正テーブルを参照して、前記風向予報が示す風向に係わる1以上の前記所定の風向毎に、前記風速予報値に対応する前記補正データを用いて風速補正値を求めると共に、前記パワーカーブを用いて、前記求めた1以上の風速補正値毎に対応する発電量を求め、
複数の発電量が求められた場合には、該複数の発電量を前記風向予報に応じた加重比で平均化することで、前記風力発電設備が受ける風に応じた風力発電量予測値を求めることを特徴とする請求項1記載の風力発電量予測システム。 - 前記風速補正テーブルには、前記補正データの代わりに前記風速補正値が格納されており、
前記風力発電量算出手段は、前記風速予報値に対応する前記補正データを用いて風速補正値を求める代わりに、前記風速予報値に対応する前記風速補正値を前記風速補正テーブルから取得することを特徴とする請求項2記載の風力発電量予測システム。 - 前記補正用データは、所定の各風向範囲毎に、各風速に対応する補正データが格納された風速補正テーブルと、前記各風向範囲毎に、各風向に対応する加重比が規定されたメンバシップ関数であり、
前記風力発電量算出手段は、
前記風速補正テーブルを参照して、前記各風向範囲毎に、前記風速予報値に応じた前記補正データを用いて風向範囲毎風速補正値を求めると共に、前記メンバシップ関数を参照して、前記各風向範囲毎に、前記風向予報値に応じた前記加重比を求め、
前記求めた複数の風向範囲毎風速補正値および複数の加重比を用いて、前記風速予報値を補正した風速補正値を算出し、
該算出した風速補正値と前記パワーカーブとによって、前記風力発電設備が受ける風に応じた風力発電量予測値を求めることを特徴とする請求項1記載の風力発電量予測システム。 - 前記風速補正テーブルには、前記補正データの代わりに前記風向範囲毎風速補正値が格納されており、
前記風力発電量算出手段は、前記風速予報値に応じた前記補正データを用いて風向範囲毎風速補正値を求める代わりに、前記風速予報値に対応する前記風向範囲毎風速補正値を前記風速補正テーブルから取得することを特徴とする請求項4記載の風力発電量予測システム。 - 前記風向は、360°で表されることを特徴とする請求項4または5記載の風力発電量予測システム。
- 前記任意の風力発電設備が受ける風に影響を及ぼし得る他の風力発電設備が存在する場合、前記補正用データ記憶手段に記憶される前記風速補正テーブルは、当該他の風力発電設備の運転時、停止時それぞれに応じた2つの風速補正テーブルであり、
前記風力発電量算出手段は、前記他の風力発電設備の運転予定情報に基づいて、該2つの風速補正テーブルの何れか一方を用いて、前記風速補正値または前記風向範囲毎風速補正値を求めることを特徴とする請求項2または4記載の風力発電量予測システム。 - 前記任意の風力発電設備が受ける風に影響を及ぼし得る他の風力発電設備が存在する場合、前記補正用データ記憶手段に記憶される前記風速補正テーブルは、当該他の風力発電設備の運転時、停止時それぞれに応じた2つの風速補正テーブルであり、
前記風力発電量算出手段は、該2つの風速補正テーブルそれぞれを用いることで、前記風力発電量予測値を2つ求め、該求めた2つの風力発電量予測値を、前記他の風力発電設備の稼働率に応じた加重比で平均化することで、前記風力発電設備が受ける風に応じた風力発電量予測値を求めることを特徴とする請求項2または4記載の風力発電量予測システム。 - 任意の風力発電設備の発電量を予測する風力発電量予測システムのコンピュータを、
外部から風向・風速予報値を取得する風向・風速予報値取得手段と、
予め前記風速予報値を補正するための補正用データが記憶される補正用データ記憶手段と、
予め前記風力発電設備に係わる風速と発電量との関係を示すパワーカーブが記憶されるパワーカーブ記憶手段と、
前記風向・風速予報値と前記補正用データと前記パワーカーブとを用いて、加重平均またはファジィ推論によって、前記任意の風力発電設備が受ける風に応じた風力発電量予測値を求める風力発電量算出手段、
として機能させるためのプログラム。
Priority Applications (1)
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