JP2013162683A - 風車発電設備の制御装置及び制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】風車発電設備において、電力貯蔵要素の小容量化による低コスト化を図る。
【解決手段】容量率測定器は、電力貯蔵要素の目標電力蓄積量に対する容量率を検出する。系統出力率演算部は、容量率測定器で検出された容量率に比例した系統出力率を演算する。風車出力算出部は、系統出力率演算部で演算された系統出力率から目標となる風車出力を算出する。インバータ制御部は、風車の発電機の出力が風車出力を越えないようにインバータを制御する。ピッチ制御部は、系統出力率演算部で演算された系統出力率から定まる目標回転数を維持するように風車のピッチを制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は風車発電設備の制御装置及び制御方法に関する。

非特許文献１には、二次電池とキャパシタを電力貯蔵要素として備える風車発電設備の制御装置が開示されている。

浅沼圭司、外３名、「風力発電向け電力安定化装置」、富士時報、富士電気株式会社、２００８年５月１０日、第８１巻、第３号、ｐ２０３−２０６

非特許文献１に記載の制御装置は主に大型風車用であり、比較的長周期（１〜２４時間程度）の出力変動の平準化のために、電力貯蔵要素としての二次電池とキャパシタは大容量のものを採用する必要がある。電力貯蔵要素が大型であると、製造等がコスト高となる。また、非特許文献１を含め風車発電に関する従来の技術では、比較的短周期（例えば数１０秒以下程度）の出力変動の効率的な平準化は困難であった。以上の点で、従来の風車発電に関する技術は、例えば１００ｋＷクラスの規模の風車発電設備の制御には適していなかった。

風速によって平準化目標出力を算出し、この平準化目標出力に合わせて系統出力制御を行うことが考えられる。しかし、この方法では、風が無い状況が継続すると、電力貯蔵要素の充電量（容量）が少なくなり、容量切れになることがある。電力貯蔵要素の容量が少ない状態が継続すると、風車出力が減少したときに、電力貯蔵要素から放電できなくなり、平準化が十分に発揮できない。

本発明は、風車発電設備において、電力貯蔵要素の小容量化による低コスト化と、容量切れを防止することを目的とする。また、本発明は、風車発電設備において、比較的短周期（例えば数１０秒以下程度）の出力変動の効率的な平準化を課題とする。

本発明の第１の態様は、
ピッチを制御可能であって発電機に連結された風車と、前記発電機と系統の間に介在するインバータと、前記発電機により充電可能かつ前記系統へ放電可能な電力貯蔵要素とを備える風車発電設備の制御装置であって、
前記電力貯蔵要素の目標電力蓄積量に対する容量率を検出する容量率測定器と、
前記容量率測定器で検出された容量率に比例した系統出力率を演算する系統出力率演算部と、
前記系統出力率演算部で演算された系統出力率から目標となる風車出力を算出する風車出力算出部と、
前記風車の発電機の出力が前記風車出力を越えないように前記インバータを制御するインバータ制御部と、
前記系統出力率演算部で演算された系統出力率から定まる目標回転数を維持するように、前記風車のピッチを制御するピッチ制御部と
を備える。

前記系統出力率演算部は、容量率が高いほど系統出力率を大きく演算することが好ましい。

前記系統出力率演算部は、容量率が高い範囲では、容量率０における系統出力率の値である切片を徐々に上昇させ、容量率が低い範囲では切片を徐々に減少させることが好ましい。

前記系統出力率演算部は、容量率が高い範囲では、切片を徐々に上昇させるとともに、傾きを大きくし、容量率が低い範囲では切片を徐々に減少させるとともに、傾きを小さくすることが好ましい。

前記系統出力率演算部は、前記容量率が低い範囲内の容量率の所定の閾値を下回ると、切片を０、傾きを前記閾値より大きい場合の傾きに比べて大きくすることが好ましい。

本発明の第２の態様は、
ピッチを制御可能であって発電機に連結された風車と、前記発電機と系統の間に介在するインバータと、前記発電機により充電可能かつ前記系統へ放電可能な電力貯蔵要素とを備える風車発電設備の制御方法であって、
前記電力貯蔵要素の目標電力蓄積量に対する容量率を検出し、
前記容量率に比例した系統出力率を演算し、
前記系統出力率から目標となる風車出力を算出し、
前記風車の発電機の出力が前記風車出力を越えないように前記インバータを制御し、
系統出力率から定まる目標回転数を維持するように、前記風車のピッチを制御する。

本発明の風車発電設備の制御装置及び制御方法によれば、電力貯蔵要素の容量率に比例した系統出力を行うことで、電力貯蔵要素として比較的小容量のもの（例えば小容量のキャパシタ）を採用でき、それによって製造等のコストを低減できる。また、比較的短周期（例えば数１０秒以下程度）の出力変動を効果的に抑制できる。

本発明の実施形態に係る制御装置を備える風車発電設備の模式図。 本発明の実施形態に係る風車発電設備の制御装置のブロック図。 蓄電池容量率に基づく系統出力率の系統制御１を示す図。 蓄電池容量率に基づく系統出力率の系統制御２を示す図。 系統制御２による風速に対する出力変化量を示す図。 蓄電池容量率に基づく系統出力率の系統制御３を示す図。 蓄電池容量率に基づく系統出力率の系統制御４を示す図。

次に、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

図１及び図２を参照すると、風車発電設備１の風車２は、ピッチ調整機構３によってピッチ角θを調整可能なロータ２ａを有する。また、風車２は発電機４に連結され、発電機４と系統５の間にはインバータ６が介在している。インバータ６は風車２の回転により発電機４が発生する交流電力を直流電力に一旦変換した後に、系統５と同周波数の交流電力に変換する。また、インバータ６には、系統５への出力（系統出力Ｐｇ）の平準化に使用されるキャパシタ７（電力貯蔵要素）が充放電制御回路８を介して接続されている。キャパシタ７は充放電制御回路８により、発電機４の発生する電力によって充電される状態、蓄積した電力をインバータ６を介して系統５へ放電する状態、及び充放電のいずれも行わない保持状態のいずれかの状態とされる。

風車２の回転数Ｎｄを検出する回転数検出器１２が設けられている。さらに、キャパシタ７が実際に充電されている容量の充電目標（例えばキャパシタ７の定格容量）に対する割合（容量率Ｃcap（％））を検出する容量率測定回路１３が設けられている。

制御部１５は、回転数検出器１２から入力される回転数Ｎｄ、及び容量率測定回路１３から入力される容量率Ｃcapを用いて、インバータ６、キャパシタ７の充放電制御回路８、及びピッチ調整機構３を制御する。後述するように、インバータ６の制御とピッチ調整機構３を介したロータ２ａのピッチ角θの制御により風車２の発電機４の出力が制御される。また、インバータ６の制御によって系統出力Ｐｇが制御される。

図２に示すように、制御部１５は、系統出力率算出部２２、風車出力算出部２３、発電トルク算出部２４、優先系統出力率算出部２５、及び目標回転数算出部２６を備える。また、制御部１５はインバータ６を制御するインバータ制御部２７、充放電制御回路８を制御する充放電制御部２８、及びピッチ調整機構３を制御するピッチ制御部２９を備える。

次に、制御部１５により実行されるインバータ６、キャパシタ７の充放電制御回路８、及びピッチ調整機構３の制御を詳細に説明する。

まず、風車２の発電機４の出力の制御について説明する。なお、図２においてＰｗは制御しなかった場合の風車２の発電機４の出力（風車出力）を示す。

系統出力率算出部２２は、容量率測定回路１３から入力される容量率Ｃcapに基づいて、下記式（１）により、容量率Ｃcapに比例した系統出力率Ｃpgを算出する。

系統出力率算出部２２で算出された系統出力率Ｃpgは風車出力算出部２３及び充放電制御部２８に出力される。

目標回転数算出部２６は、後述する風車出力Ｐｃを使用して風車２ａの目標回転数Ｎｔを算出する。この目標回転数Ｎｔはロータ２ａのピッチ角θを制御する際の目標となる。本実施形態における目標回転数算出部２６は、以下の式（２）に基づいて目標回転数Ｎｔを算出する。

目標回転数算出部２６で算出された目標回転数Ｎｔは、ピッチ制御部２９に出力される。

風車出力算出部２３には、系統出力率算出部２２から入力される系統出力率Ｃpgに基づいて風車出力Ｐｃを算出する。具体的には、本実施形態における風車出力算出部２３は、以下の式（３）に基づいて風車出力Ｐｃを算出する。

風車出力算出部２３で算出された風車出力Ｐｃは、発電トルク算出部２４及び目標回転数算出部２６に出力される。

発電トルク算出部２４は、風車出力Ｐｃを発電トルクＴｇに換算する。発電トルクＴｇは、風車２が発電機４を回転させようとするのに対してインバータ６が発生する抵抗トルクである。本実施形態における発電トルク算出部２４は、以下の式（４）に基づいて発電トルクＴｇを算出する。

発電トルク算出部２４で算出された発電トルクＴｇは、インバータ制御部２７に出力される。

インバータ制御部２７は、発電トルクＴｇを発電トルク算出部２４で算出された値となるようにインバータ６を制御する。つまり、インバータ制御部７は、風車２の発電機４の出力が、風車出力Ｐｃ以上とならないように、インバータ６を制御する。

ピッチ制御部２９には、目標回転数算出部２６で算出された目標回転数Ｎｔが入力されると共に、回転数検出器１２が検出した風車２の回転数Ｎｄが入力される。前述のようにインバータ制御部２７は、発電トルクＴｇが風車出力Ｐｃ以下に相当する値となるようにインバータ６を制御する。もし仮に、このインバータ制御部２７によるインバータ６の制御に対して、ロータ２ａのピッチ角θを調整しないとすると、風車２に入力される風のエネルギーが過大となる。そこでピッチ制御部２９はピッチ角θを調整することで風車２に入力される風のエネルギーを抑制する。具体的には、ピッチ調整部２９は、回転数検出器１２で回転数Ｎｄが目標回転数Ｎｔで維持されるようにピッチ調整機構３によってロータ２ａのピッチ角θを制御する。

以上のように、インバータ制御部２７のインバータ６の制御（インバータ制御）と、ピッチ調整機構３を介してピッチ調整部２９によるロータ２ａのピッチ角θの制御（ピッチ制御）とにより、風車２の発電機４の出力が風車出力Ｐｃ以下となるように制御される。

以上のように、風車出力算出部２３による風車出力Ｐｃの算出は、容量率測定回路１３で検出されるキャパシタ７の容量率Ｃcap（キャパシタ７がどの程度充電されているか）に基づいて算出される系統出力率Ｃpgから実行される。また、風車出力Ｐｃに基づいてインバータ制御部２７によりインバータ６が制御され、併せてピッチ制御部２９によりロータ２ａのピッチ角θが制御される。つまり、キャパシタ７の容量率Ｃcapを反映した風車出力Ｐｃに基づいて、風車出力制御（インバータ６の制御、ロータ２ａのピッチ角θの制御）がなされる。このように容量率Ｃcapを監視しつつ制御を行うことで、比較的小容量のキャパシタ７を採用でき、製造等のコストを低減できる。

次に、キャパシタ７の充放電の制御について説明する。

充放電制御部２８は、系統出力率算出部２２から入力される系統出力率Ｃpgになるように、充放電制御回路８によりキャパシタ７を充放電させる。

以上の制御の結果、キャパシタ７が少容量であっても、比較的短周期（例えば数１０秒以下程度）の系統出力Ｐｇの変動を効果的に抑制できる。

本実施形態では、インバータ制御部２７によるインバータ６の制御において、風車出力算出部２３により算出される風車出力Ｐｃと比較すると、系統出力制限算出部により算出される系統出力制限Ｐｇ’が影響しにくいので、系統出力Ｐｇが平準化目標Ｐｔから外れるのを抑制できる。

以下、系統出力率算出部２２で算出する系統出力率による系統出力制御について説明する。

系統出力制御１
系統出力率Ｃpgは、図３に示すように、蓄電池容量率（％）に比例して算出される。すなわち、蓄電池容量率が大きい場合は、系統出力率も大きくし、蓄電池容量率が小さい場合は、系統出力を小さくする。インバータ制御部２７は系統出力Ｐｇが系統出力率Ｃpgになるように、インバータ６を制御する。これにより、系統出力Ｐｇが蓄電池容量率Ｃpgに比例するので、蓄電池容量率が小さくなっても、系統出力が小さくなり、蓄電池の容量切れを防止することができる。風車出力が高出力の時には、蓄電池容量も高容量を維持する。急激に風車出力が低下しても、蓄電池から電力を供給し、系統出力を維持することができる。

系統出力制御２
通常、風の乱れによる風車出力の変動幅は５０％程度と大きい。風車出力の変動により充電容量が変動するので、系統出力制御１のように蓄電池容量率に単純に比例させて系統出力率を算出すると、系統出力が大きく変動する。これでは、蓄電池の使用範囲が狭くなり、蓄電池としての能力を十分に発揮できない。

そこで、系統出力率Ｃpgの算式を数（５）のように設定する。

系統出力率Ｃpgの算式（５）において、傾きαは、小さくする。例えば、蓄電池容量率１００％に対して系統出力率が１０〜９０％になるようにαを０．１〜０．９とする。また、容量率０における系統出力率の値である切片βは上下にスライドさせる。例えば、蓄電池容量が高い範囲Ａ（５０〜９０％）では、切片βを徐々に上昇させ、蓄電池容量が低い範囲Ｂ（１０〜５０％）では、切片βを徐々に減少させる。具体的には、例えば蓄電池容量率が範囲Ｂの外側のａ点から上昇して範囲Ａの外側の点までは、切片βを０とし、範囲Ａに入るとｂ点から切片βをβ１、β２・・と上昇させる。蓄電池容量率が範囲Ａ内のｃ点から減少する場合は、範囲Ｂに入るまでそのときの切片βを維持し、範囲Ｂに入るとｄ点から切片βをβｎ、βｎ−１・・と減少させる。蓄電池容量率が範囲Ｂ内のｅ点から上昇する場合は、範囲Ａに入るまでそのときの切片βを維持する。

このように、蓄電池容量率の変動に対して系統出力率の変動の範囲を狭くすることで、風車出力が変動したときの系統出力の変動を小さくすることができる。また、蓄電池容量の使用範囲が広くなり、平準化の効果が大きくなる。

図５は、系統出力制御２を行った場合の、風速に対する発電機出力（風車出力）とインバータ出力（系統出力）の出力変化量を示す。この図５から、風車出力の出力変化量は最大１３．８ｋＷ／ｓｅｃであるのに対し、系統出力の出力変化量は２．０ｋＷ／ｓｅｃとなり、出力変化量が約１／７に減少していることが分かった。

系統出力制御３
風速が大きく、高出力の場合は、既に述べたように、風車出力の変動幅は５０％程度と大きい。しかし、風速が小さく、低出力の場合は、風車出力の変動幅は小さいので、系統出力制御２のように一律に傾きαが小さいと、蓄電池の能力を十分に発揮できない。

そこで、系統出力率Ｃpgの算式（３）において、切片をスライドさせるとともに傾きを変化させる。すなわち、高出力で蓄電池容量率が大きいときは、切片βを上昇させるとともに傾きαを大きくし、低出力で蓄電池容量率が小さいときは、切片βを減少させるとともに傾きαを小さくする。具体的には、図６に示すように、蓄電池容量率が範囲Ｂの外側のａ点から上昇して範囲Ａまでは、傾きをα、切片βを０とし、範囲Ａに入ると、点ｂから切片βをβ１、β２・・と上昇させるとともに、傾きαをα１，α２・・と増加させる。蓄電池容量率が範囲Ａ内のｃ点から減少する場合は、範囲Ｂに入るまでそのときの切片βを維持し、範囲Ｂに入ると点ｄから切片βをβｎ、βｎ−１・・と減少させるとともに、傾きαをαｎ，αｎ−１・・と減少させる。蓄電池容量率が範囲Ｂ内のｅ点から上昇する場合は、範囲Ａに入るまでそのときの切片βを維持する。

このように、低出力で蓄電池容量率が小さいときは、切片βを減少させるとともに傾きαを小さくすることで、低出力のときに、蓄電池容量の使用範囲が広くなり、平準化の効果が大きくなる。

系統出力制御４
系統制御３，４では、風車出力が急激に減少した場合、蓄電池容量率が０％になっているにも拘わらず、切片βを徐々に減少させる制御を行うと、少なからず系統出力を行い、過放電状態になり、システムとして整合性がとれない。

そこで、蓄電池容量率が少ないときには、系統出力を急激に下げる制御を行う。このために、図１に示すように、優先系統出力率算出部２５を設け、ここで容量率Ｃｃａｐを監視し、容量率Ｃｃａｐが急激に所定の容量率まで低下したときには、系統出力率算出部２２で算出した系統出力率Ｃpgに優先させて、所定の数式で求めた優先系統出力率Ｃpg^’を使用する。具体的には、図７に示すように、範囲Ｂ内の点ｄ^’から蓄電池容量率が５〜２０％の範囲内に急激に減少した場合、切片が０で、傾きαが５〜２０の数式で表せる直線に沿って系統出力率を低下させる。

このように、急激に容量率が小さくなった場合には、系統出力も急激に低下させるので、容量率が０％になれば系統出力も０％になり、過放電状態になることを事前に防止できる。

１ 風車発電設備
２ 風車
２ａ ロータ
３ ピッチ調整機構
４ 発電機
５ 系統
６ インバータ
７ キャパシタ
８ 充放電制御回路
１２ 回転数検出器
１３ 容量率測定回路
１４
１５ 制御部
２２ 系統出力率算出部
２３ 風車出力算出部
２４ 発電トルク算出部
２５ 優先系統出力率算出部
２６ 目標回転数算出部
２７ インバータ制御部
２８ 充放電制御部
２９ ピッチ制御部

Claims (6)

1. ピッチを制御可能であって発電機に連結された風車と、前記発電機と系統の間に介在するインバータと、前記発電機により充電可能かつ前記系統へ放電可能な電力貯蔵要素とを備える風車発電設備の制御装置であって、
   前記電力貯蔵要素の目標電力蓄積量に対する容量率を検出する容量率測定器と、
   前記容量率測定器で検出された容量率に比例した系統出力率を演算する系統出力率演算部と、
   前記系統出力率演算部で演算された系統出力率から目標となる風車出力を算出する風車出力算出部と、
   前記風車の発電機の出力が前記風車出力を越えないように前記インバータを制御するインバータ制御部と、
   前記系統出力率演算部で演算された系統出力率から定まる目標回転数を維持するように、前記風車のピッチを制御するピッチ制御部と
   を備えることを特徴とする、風車発電設備の制御装置。
2. 前記系統出力率演算部は、容量率が高いほど系統出力率を大きく演算することを特徴とする、請求項１に記載の風車発電設備の制御装置。
3. 前記系統出力率演算部は、容量率が高い範囲では、容量率０における系統出力率の値である切片を徐々に上昇させ、容量率が低い範囲では切片を徐々に減少させることを特徴とする、請求項１に記載の風車発電設備の制御装置。
4. 前記系統出力率演算部は、容量率が高い範囲では、切片を徐々に上昇させるとともに、傾きを大きくし、容量率が低い範囲では切片を徐々に減少させるとともに、傾きを小さくすることを特徴とする、請求項１に記載の風車発電設備の制御装置。
5. 前記系統出力率演算部は、前記容量率が低い範囲内の容量率の所定の閾値を下回ると、切片を０、傾きを前記閾値より大きい場合の傾きに比べて大きくすることを特徴とする、請求項３又は４に記載の風車発電設備の制御装置。
6. ピッチを制御可能であって発電機に連結された風車と、前記発電機と系統の間に介在するインバータと、前記発電機により充電可能かつ前記系統へ放電可能な電力貯蔵要素とを備える風車発電設備の制御方法であって、
   前記電力貯蔵要素の目標電力蓄積量に対する容量率を検出し、
   前記容量率に比例した系統出力率を演算し、
   前記系統出力率から目標となる風車出力を算出し、
   前記風車の発電機の出力が前記風車出力を越えないように前記インバータを制御し、
   系統出力率から定まる目標回転数を維持するように、前記風車のピッチを制御する
   ことを特徴とする、風車発電設備の制御方法。