JP2013126319A - 風力発電装置及び風力発電制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】効率の良い発電を実現する。
【解決手段】風車ローター３と、該風車ローター３の回転軸に軸結合される発電機２と、該発電機２から出力される電力を調整する電力調整部７とを具備する風力発電装置であって、電力調整部７は、現在の風速瞬時値ｖ_０、平均風速値ｖ_１及び第１の重み係数αを含む下記演算式（１）に基づいて最新の風速瞬時値との乖離が小さい風速補正値ｖ_αを算出し、風車ローター３のトルクと発電機２のトルクとが等しくなり、風車ローターの周速比をパワー係数が最大パワー係数Ｃｐｍａｘとなる設計周速比の近傍かつ該設計周速比よりも高い値で安定させるように風速補正値ｖ_αに基づいて前記電力を調整する。
［数１］

【選択図】図２

Description

本発明は、風力発電装置及び風力発電制御方法に関する。

現在、温室効果ガスの排出量の増加や化石燃料の枯渇などの問題から、自然エネルギーである風力を利用した風力発電装置が注目されている。風力発電装置は、一般的な構造として、支柱の先端部に取り付けられた風車のローターが回転することで生じる動力（回転力）によって発電機を駆動する。風力発電装置は、動力の発生に燃料を使用しないので、化石燃料の使用量を削減、すなわち、二酸化炭素の排出量を低減することが可能であり、さらに構造が比較的簡単なので据付が容易であるという特徴を有している。このような風力発電装置は、風速が変動しても効率良く発電するために、例えば、下記特許文献１に示すように、風車のローターの回転速度が上限値を超える場合には発電機の出力を増加させて風車のローターの回転速度を上限値以下とし、風車の回転速度が下限値を下回る場合には発電機の出力を減少させて風車の回転速度を下限値以上としている。

特許第４６８３０１２号公報

しかしながら、上記従来技術では、風力から効率良く発電するために、風車のローターの回転速度が所定の範囲に収まるように発電機の出力を調整しているが、パワー係数を調整することによる発電効率の向上について考慮されていない。つまり、一般的に、風力発電装置は、風車のローターの周速比が予め決められた周速比（設計周速比）になるとパワー係数が最大値になるように設計されているので、風車のローターの周速比が設計周速比に近づくように制御されることでパワー係数が最大値に近づいて発電効率を向上させるが、上記従来技術では、風車のローターのパワー係数を調整して発電効率を向上させることについて全く考慮されていないので、効率の良い発電を実現できているとは言いがたい。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、効率の良い発電を実現することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、風力発電装置に係る解決手段として、風車ローターと、該風車ローターの回転軸に軸結合される発電機と、該発電機から出力される電力を調整する電力調整部とを具備する風力発電装置であって、前記電力調整部は、現在の風速瞬時値ｖ_０、平均風速値ｖ_１及び第１の重み係数αを含む下記演算式（１）に基づいて最新の風速瞬時値との乖離が小さい風速補正値ｖ_αを算出し、前記風車ローターのトルクと前記発電機のトルクとが等しくなり、前記風車ローターの周速比をパワー係数が最大パワー係数Ｃｐｍａｘとなる設計周速比の近傍かつ該設計周速比よりも高い値で安定させるように前記風速補正値ｖ_αに基づいて前記電力を調整するという手段を採用する。

本発明では、風力発電制御方法に係る解決手段として、風車ローターと、該風車ローターの回転軸に軸結合される発電機と、該発電機から出力される電力を調整する電力調整部とを具備する風力発電装置を制御する風力発電制御方法であって、現在の風速瞬時値ｖ_０、平均風速値ｖ_１及び第１の重み係数αを含む下記演算式（１）に基づいて最新の風速瞬時値との乖離が小さい風速補正値ｖ_αを算出する第１の工程と、前記風車ローターのトルクと前記発電機のトルクとが等しくなり、前記風車ローターの周速比をパワー係数が最大パワー係数Ｃｐｍａｘとなる設計周速比の近傍かつ該設計周速比よりも高い値で安定させるように前記風速補正値ｖ_αに基づいて前記電力調整部に前記電力を調整させる第２の工程とを具備するという手段を採用する。

本発明によれば、風速の変動によって生じる最新の風速瞬時値との乖離が小さい風速補正値ｖ_αに基づいて風車ローターのトルクと発電機のトルクとが等しくなるように電力を調整するので、効率良く発電することができる。また、本発明によれば、風車ローターの周速比をパワー係数が最大パワー係数Ｃｐｍａｘとなる設計周速比の近傍かつ該設計周速比よりも高い値で安定させるように制御しているので、発電効率を向上させると共にこの発電効率を向上させた状態を安定的に持続させることができる。

本発明の一実施形態に係る風力発電装置の概略構成図である。 本発明の一実施形態における風車ローター及び電力調整部の機能ブロック図である。 従来における風速値ｖ_Ａ、ｖ_Ｂ、ｖ_Ｃを示す図（ａ）と、風速値ｖ_Ａ、ｖ_Ｂ、ｖ_Ｃに応じた最新の電流指令値Ｉ_Ａ、Ｉ_Ｂ、Ｉ_Ｃと直流電流調整部が現在取得している電流指令値（現在値）Ｉ_Ａ＊、Ｉ_Ｂ＊、Ｉ_Ｃ＊とを示す図（ｂ）である。 本発明の一実施形態における各第１の重み係数α（α＝０、０．４、０．５、０．６）における風速変動量Δｖを示す図である。 本発明の一実施形態における各第１の重み係数α（α＝０．７、０．８、０．９、１．０）における風速変動量Δｖを示す図である。 本発明の一実施形態における第１の重み係数αに対する風速変動量Δｖの標準偏差を示す図である。 本発明の一実施形態における風車ローター３の周速比λに対するパワー係数を示す図である。 本発明の一実施形態における風車ローター３の周速比λに対する電流指令値を示す図である。 本発明の一実施形態における風速に対する発電機２の出力電力を示す図である。 本発明の一実施形態における時刻に対する１次補正時の風車ローター３の周速比を示す図である。 本発明の一実施形態における時刻に対する２次補正時の風車ローター３の周速比を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
本実施形態に係る風力発電装置Ａは、風力により風車ローター３に発生する動力（回転力）を利用して発電する装置であり、図１に示すように、タワー１、発電機２、風車ローター３、ナセル４、回転センサー５、風向風速計６、電力調整部７及びバッテリー８を備える。

タワー１は、例えば地面に立設されており、地表からの高さが数十メートル程度の円柱状の固定構造物である。このようなタワー１は、中空構造であり、その内部に電力調整部７及びバッテリー８を収容する。
発電機２は、ステーター及びローターを備え、ローターが回転することにより三相交流電力を発電するものであり、ローターに設けられた駆動軸が水平姿勢になるようにナセル４に収容され、風車ローター３が駆動軸に軸結合されている。また、発電機２は、電力ケーブルを介して電力調整部７と電気的に接続され、発電した電力を電力調整部７に出力する。

風車ローター３は、図示するようにロータヘッドに３枚のブレードが設けられたプロペラ型であり、ロータヘッドの回転中心に設けられた回転軸が水平姿勢になるように配置され、この回転軸に発電機２の駆動軸が連結されている。つまり、風車ローター３は、鉛直面を回転面として回転することにより動力を発生し、該動力により発電機１ｂを駆動する。
ナセル４は、発電機２を収容するケーシングであり、タワー１上部にヨー軸（垂直軸）を中心に回転可能に取り付けられている。このナセル４は、風車ローター３が風力を効率良く受ける方向を向くように、制御装置（図示略）から入力される制御指令に基づいてヨー軸を中心に回転する。

回転センサー５は、風車ローター３の回転を検出し、風車ローター３の回転数を示す回転数検出信号を電力調整部７に出力する。
風向風速計６は、ナセル４の上部に取付けられ、設置場所における風向及び風速を検出し、風向及び風速を示す風検出信号を電力調整部７に出力する。

電力調整部７は、発電機２から出力される電力を調整し、調整された電力をバッテリー８に供給するものであり、図２に示すように、整流ユニット７１、直流電流調整部７２、電流計７３、電圧計７４、電磁接触器７５、負荷抵抗７６及びＰＬＣ（Programmable Logic Controller）７７を備えている。
整流ユニット７１は、発電機２から出力される３相交流電力を直流電力に変換し、該直流電力を直流電流調整部７２に出力するものであり、例えばブリッジ整流回路である。

直流電流調整部７２は、ＰＬＣ７７から入力される制御信号に基づいて整流ユニット７１から入力される直流電力の電流を調整してバッテリー８に供給するＤＣ/ＤＣコンバータであり、ＦＥＴ（Field effect transistor）またはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のスイッチング素子を用いて電流を調整する。
電流計７３は、直流電流調整部７２から出力された電力の電流を検出するセンサーであり、電流を示す電流信号をＰＬＣ７７に出力する。
電圧計７４は、直流電流調整部７２から出力された電力の電圧を検出するセンサーであり、電圧を示す電圧信号をＰＬＣ７７に出力する。

電磁接触器７５は、ＰＬＣ７７から入力される制御信号に基づいて直流電流調整部７２と負荷抵抗７６との電路を電磁石を用いて開閉するものである。
負荷抵抗７６は、バッテリー８への過電圧を防止するために設置されたものであり、電磁接触器７５を介してバッテリー８に対して並列接続され、所定の電気抵抗値を有する抵抗器である。なお、ＰＬＣ７７は、電圧計７４から入力される電圧信号に基づいて電磁接触器７５を開閉して、バッテリー８への過電圧を防止する。

ＰＬＣ７７は、マイクロプロセッサ及びメモリなどから構成され、メモリに記憶されているプログラム、回転センサー５から入力される回転数検出信号、風向風速計６から入力される風検出信号、電流計７３から入力される電流信号及び電圧計７４から入力される電圧信号に基づいて直流電流調整部７２及び電磁接触器７５の動作を制御する。なお、ＰＬＣ７７が実行する処理の詳細については、以下に風力発電装置Ａの動作として説明する。
バッテリー８は、リチウムイオン二次電池、鉛蓄電池またはＮＡＳ電池（ナトリウム硫黄二次電池）などであり、タワー１の内部に収容され、電力調整部７から供給された電力を蓄電する。

次に、このように構成された風力発電装置Ａの動作について説明する。
本風力発電装置Ａにおいては、風力によって風車ローター３が回転することにより発電機２を駆動し、この結果により発電される電力を電力調整部７が調整してバッテリー８に供給する。この際、電力調整部７において、ＰＬＣ７７は、変動する風力に応じて発電機２が効率良く発電するように、直流電流調整部７２から出力される電力を調整する。つまり、ＰＬＣ７７は、風車ローター３のトルクＴ_Ｗと、発電機２のトルクＴ_Ｇとが等しくなるように直流電流調整部７２に対する電流指令値Ｉ_Ｌ（直流電流調整部７２から出力される電流の指令値）を算出し、該電流指令値Ｉ_Ｌを直流電流調整部７２に出力する。

ここで、ＰＬＣ７７は、電流指令値Ｉ_Ｌを算出するに際して、以下の特徴的な処理を行う。つまり、ＰＬＣ７７は、最新の風速瞬時値との乖離が小さい風速補正値ｖ_αを算出し、当該風速補正値ｖ_αに基づいて電流指令値Ｉ_Ｌを算出する。従来において、ＰＬＣは、図３（ａ）に示すように、風検出信号に基づいて所定時間毎に風速瞬時値ｖ_Ａ、ｖ_Ｂ、ｖ_Ｃを取得し、各風速瞬時値ｖ_Ａ、ｖ_Ｂ、ｖ_Ｃに応じた最新の電流指令値Ｉ_Ａ、Ｉ_Ｂ、Ｉ_Ｃを算出し、直流電流調整部に出力する。しかしながら、最新の電流指令値Ｉ_Ａ、Ｉ_Ｂ、Ｉ_Ｃと、直流電流調整部が現在取得している電流指令値（現在値）Ｉ_Ａ＊、Ｉ_Ｂ＊、Ｉ_Ｃ＊とには、図３（ｂ）のように必ず遅れが生じる。このため、風速の変動によって電流指令値Ｉ_Ａ、Ｉ_Ｂ、Ｉ_Ｃと現在値Ｉ_Ａ＊、Ｉ_Ｂ＊、Ｉ_Ｃ＊とに乖離が生じる。ＰＬＣ７７は、この問題を解消するために、最新の風速瞬時値との乖離が小さい風速補正値ｖ_αを下記演算式（１）に基づいて算出し（例えば、１秒毎に算出する）、風速補正値ｖ_αに基づいて電流指令値Ｉ_Ｌを算出する。つまり、ＰＬＣ７７は、現在の風速瞬時値（現在取得している風速瞬時値）ｖ_０、平均風速値ｖ_１及び第１の重み係数αを含む下記演算式（１）に基づいて最新の風速瞬時値との乖離が小さい風速補正値ｖ_αを算出する。

これにより、風速の変動によって生じる最新の風速瞬時値との乖離が小さい風速補正値ｖ_αに基づいて風車ローター３のトルクと発電機２のトルクとが等しくなるように電力を調整するので、効率良く発電することができる。
図４、５は、本発明の一実施例である各第１の重み係数αにおける風速変動量Δｖを示す図である。なお、風速変動量Δｖは、下記演算式（２）に基づいて算出されている。

図４、５に示す風速変動量Δｖを見ると、重み係数αが０．５〜０．６の時に負の風速変動量Δｖが最小になっていることがわかる。風速変動量Δｖが負になる状態とは、風車ローター３が失速した状態であり、風車ローター３の回転の回復が難しく、風車ローター３にとって望ましくない状態である。つまり、重み係数αが０．５〜０．６の時には、負の風速変動量Δｖが最小になっているので、風車ローター３にとって望ましい状態になっている。

また、図６は、第１の重み係数αに対する風速変動量Δｖの標準偏差を示す。図６に示すように、風速変動量Δｖの標準偏差は、第１の重み係数αが０．８〜０．９の時に最小になる。つまり、第１の重み係数αが０．８〜０．９の時には、正及び負の風速変動量Δｖが最小になる。上記結果から、第１の重み係数αを、０．５〜０．９に設定することが望ましい。このように、第１の重み係数αを、０．５〜０．９に設定することで、風速変動量の標準偏差を最小にすることができる。

さらに、ＰＬＣ７７は、電流指令値Ｉ_Ｌを算出するに際して、上述の処理に加えて以下の特徴的な処理を行う。すなわち、ＰＬＣ７７は、風車ローター３の周速比をパワー係数Ｃｐが最大パワー係数Ｃｐｍａｘ（図７参照）となる設計周速比λ_Ｄの近傍かつ該設計周速比λ_Ｄよりも高い値で安定させるようにする。設計周速比λ_Ｄとは、風車ローター３の周速比がその値（設計周速比λ_Ｄ）になった場合にパワー係数Ｃｐが最大パワー係数Ｃｐｍａｘとなるように、風車ローター３を設計する際に設定された設計値である。つまり、風力発電装置Ａは、風車ローター３の周速比が設計周速比λ_Ｄになるように運転することにより効率良く発電することができる。

また、風車ローター３が設計周速比λ_Ｄより大きい周速比で制御されている場合、制御がうまくいかず失速制御（発電機出力＞風車出力）になった際にパワー係数Ｃｐが上昇する方向に遷移するので、失速しにくいのに対し、設計周速比λ_Ｄより小さい周速比で制御されている場合には失速制御になった際にパワー係数Ｃｐが減少する方向に遷移するので、失速しやすくなる。よって、ＰＬＣ７７は、風車ローター３の周速比をパワー係数Ｃｐが最大パワー係数Ｃｐｍａｘとなる設計周速比λ_Ｄの近傍かつ該設計周速比λ_Ｄよりも高い値で安定させるように制御する。

ＰＬＣ７７は、上記制御を実現するために、以下の処理を実行する。つまり、ＰＬＣ７７は、風車ローター３の最大パワー係数Ｃｐｍａｘ及び係数βを含む下記演算式（３）に基づいてパワー係数補正値Ｃｐ_βを算出し、風速補正値ｖ_α及びパワー係数補正値Ｃｐ_βに基づいて算出された電流指令値Ｉ_Ｌ、風車ローター３の周速比λ、設計周速比λ_Ｄ並びに指数ｋを含む下記演算式（４）に基づいて電流指令補正値Ｉ_Ｌ＊を算出し、当該電流指令補正値Ｉ_Ｌ＊を直流電流調整部７２に出力する。

例えば、電流指令補正値Ｉ_Ｌ＊は、ｋが１である場合と、ｋが２である場合には、図８に示すグラフとなる。そして、図９に示すように、ｋが２である場合には、ｋが１である場合よりも、理論値に近づく。また、図１０と図１１とを比較した結果、ｋが２である場合の方が、ｋが１である場合よりも、風車ローター３の周速比が設計周速比λ_Ｄの近傍かつ該設計周速比λ_Ｄよりも高い値で安定する。

以上のように、本実施形態では、風速の変動によって生じる最新の風速瞬時値との乖離が小さい風速補正値ｖ_αに基づいて風車トルクＴ_Ｗと発電機トルクＴ_Ｇとが等しくなるように電力を調整するので、効率良く発電することができる。また、本実施形態によれば、風車ローター３の周速比をパワー係数Ｃｐが最大パワー係数Ｃｐｍａｘとなる設計周速比λ_Ｄの近傍かつ該設計周速比よりも高い値で安定させるように制御しているので、発電効率を向上させると共にこの発電効率を向上させた状態を安定的に持続させることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、例えば以下のような変形が考えられる。
（１）上記実施形態において、ＰＬＣ７７は、電流指令値Ｉ_Ｌを算出し、該電流指令値Ｉ_Ｌに基づいて直流電流調整部７２から出力される電流を制御したが、本発明はこれに限定されない。上記実施形態では、負荷がバッテリー８であるので、直流電流調整部７２から出力される電圧が一定であるが、負荷が変動する場合には、直流電流調整部７２から出力される電圧を制御することにより、直流電流調整部７２から出力される電力を調整するようにしてもよい。

（２）上記実施形態において、ＰＬＣ７７は、１秒毎に風速補正値ｖ_αを算出したが、本発明はこれに限定されない。風速補正値ｖ_αを算出する間隔は、１秒以上であってもよいし、また１秒未満であってもよい。また、平均風速値ｖ_１として、１０分間の風速の平平均値を用いたが、本発明は１０分の平均値に限定されない。平均風速値ｖ_１は、１０分間以上の平均値であってもよいし、１０分間未満の平均値であってもよい。

Ａ…風力発電装置、１…タワー、２…発電機、３…風車ローター、４…ナセル、５…回転センサー、６…風向風速計、７…電力調整部、８…バッテリー、７１…整流ユニット、７２…直流電流調整部、７３…電流計、７４…電圧計、７５…電磁接触器、７６…負荷抵抗、７７…ＰＬＣ

Claims (4)

1. 風車ローターと、該風車ローターの回転軸に軸結合される発電機と、該発電機から出力される電力を調整する電力調整部とを具備する風力発電装置であって、
   前記電力調整部は、現在の風速瞬時値ｖ_０、平均風速値ｖ_１及び第１の重み係数αを含む下記演算式（１）に基づいて最新の風速瞬時値との乖離が小さい風速補正値ｖ_αを算出し、前記風車ローターのトルクと前記発電機のトルクとが等しくなり、前記風車ローターの周速比をパワー係数が最大パワー係数Ｃｐｍａｘとなる設計周速比の近傍かつ該設計周速比よりも高い値で安定させるように前記風速補正値ｖ_αに基づいて前記電力を調整することを特徴とする風力発電装置。
   
2. 前記電力調整部は、前記風車ローターの周速比λ、前記設計周速比λ_Ｄ並びに指数ｋを含む下記演算式（２）に基づいて電流指令補正値Ｉ_Ｌ＊を算出し、当該電流指令補正値に基づいて電力を調整することにより前記風車ローターの周速比を設計周速比の近傍かつ該設計周速比よりも高い値で安定させることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
   
3. 前記電力調整部は、０．５〜０．９である前記第１の重み係数αを使用することにより現在の風速瞬時値ｖ_０の風速変動量の標準偏差が最小になる前記風速補正値ｖ_αを算出することを特徴とする請求項１〜２のいずれか一項に記載の風力発電装置。
4. 風車ローターと、該風車ローターの回転軸に軸結合される発電機と、該発電機から出力される電力を調整する電力調整部とを具備する風力発電装置を制御する風力発電制御方法であって、
   現在の風速瞬時値ｖ_０、平均風速値ｖ_１及び第１の重み係数αを含む下記演算式（１）に基づいて最新の風速瞬時値との乖離が小さい風速補正値ｖ_αを算出する第１の工程と、
   前記風車ローターのトルクと前記発電機のトルクとが等しくなり、前記風車ローターの周速比をパワー係数が最大パワー係数Ｃｐｍａｘとなる設計周速比の近傍かつ該設計周速比よりも高い値で安定させるように前記風速補正値ｖ_αに基づいて前記電力調整部に前記電力を調整させる第２の工程とを具備することを特徴とする風力発電制御方法。