JP2014110658A - 風車及びその制御方法並びに風力発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】解列後における系統併入を容易にかつ速やかに行うことのできる風車及びその制御方法並びに風力発電システムを提供することを目的とする。
【解決手段】風車１０−１は、風力により発電する発電機２３と、発電機２３に接続された補機２５と、風車制御部２０−１とを備える。発電機２３が電力系統３から解列された場合に、風車制御部２０−１は、発電機２３の発電電力を補機２５の必要電力に等しくなるよう制御する。これにより、例えば、電力系統３に停電等が発生することにより、風車１０−１が解列した場合であっても、風車１０−１の発電が継続して行われ、補機２５への電力供給が維持される。補機２５への電力供給を継続して行うことにより、電力系統３が復旧した場合には、速やかに系統併入させることが可能となり、風車１０−１の系統併入の際の作業員による点検等を不要とすることができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、風車及びその制御方法並びに風力発電システムに関するものである。

従来、風力発電の分野では、風速の変動に伴う風車の出力変動を抑制するために、風車と電力系統とを接続する電力線に二次電池を接続し、二次電池によって風車の発電電力の変動を吸収することが行われている（例えば、特許文献１参照）。
従来の風車では、電力系統の停電などにより解列されると、発電を停止させ、無負荷運転が行われる。風車の発電が一旦停止されると、風車の監視制御や補機の運転における健全性が確保できなくなる。したがって、従来においては、系統に併入させる前に、作業員が風車の点検を直接行い、健全性が確認された後に系統併入を行っている。

特開２００４−１８７４３１号公報

上述した従来の方法では、解列後の系統併入時に、作業員が現場までわざわざ赴く必要があり、多大な労力が必要とされていた。特に、洋上風車などでは、現場まで移動するのが困難である上、洋上での点検作業なども容易ではなかった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、解列後における系統併入を容易にかつ速やかに行うことのできる風車及びその制御方法並びに風力発電システムを提供することを目的とする。

本発明の第１態様は、風力により発電する発電機と、前記発電機に接続された補機と、風車制御手段と、を備え、前記発電機が電力系統から解列された場合に、前記風車制御手段は、前記発電機の発電電力を前記補機の必要電力に等しくなるよう制御する風車である。

このような構成によれば、電力系統に停電等が発生することにより、風車が解列した場合であっても、風車の発電が継続して行われ、補機への電力供給が維持される。このように、風車の運転を継続して行うことにより、電力系統が復旧した場合には、速やかに系統併入させることが可能となる。これにより、風車の系統併入の際の作業員による点検等を不要とすることができ、作業者の労力を低減させることができる。更に、風車の稼働率を向上させることができる。また、ブレードピッチ角を制御するための油圧ポンプや、回転軸系に潤滑油を循環させるための機構などの補機を停止させることなく、補機運転を継続し羽根をターニングし続けることで、補機の健全性を保つことができる。

上記風車は、前記発電機と前記補機とを接続する電力線に接続可能とされた二次電池と、前記二次電池の充放電を制御する二次電池制御手段とを備え、前記二次電池制御手段は、前記補機の必要電力と前記発電機の発電電力との差分に応じて前記二次電池の充放電を制御することとしてもよい。

このように、二次電池を設けることにより、発電機の発電電力と補機の必要電力とのアンバランスを二次電池による充放電により吸収することが可能となる。これにより、周波数変動などにより、補機が停止してしまう頻度を低下させることができる。

本発明の第２態様は、他の風車との間で互いの前記補機への電力供給が可能とされた上記風車であって、前記発電機による発電が停止された場合に、他の前記風車から前記補機に電力供給される風車である。

このような構成によれば、自身の風車の発電が停止してしまった場合でも、他の風車からの電力供給によって補機を駆動させることが可能となる。

上記風車において、他の前記風車からの前記補機への電力供給が遮断された場合に、前記二次電池から前記補機に対して電力が供給されることとしてもよい。

このような構成によれば、他の風車からの電力供給も停止してしまった場合には、二次電池からの電力供給により補機を運転させる。このように、二重、三重に補機への電力供給の手段を設けておくことで、補機の運転を高い確率で維持させることが可能となる。

本発明の第３態様は、複数の上記いずれかの風車を備え、複数の前記風車の出力が共通の連系点を通じて電力系統に供給される風力発電システムである。

本発明の第４態様は、風力により発電する発電機と、前記発電機に接続された補機とを備える風車の制御方法であって、前記発電機が解列された場合に、前記発電機の発電電力を前記補機の必要電力に等しくなるよう制御する風車の制御方法である。

本発明によれば、解列後の系統併入時における作業員の労力を軽減することができるとともに、風車の稼働率を向上させることができるという効果を奏する。更に、本発明によれば、系統停電時の非常用電源設備の容量を低減させることができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る風力発電システムの全体構成を示す図である。 図１に示した風車の外観図である。 図１に示した風車の電気的構成を概略的に示した模式図である。 図１に示した風車の電気的構成を概略的に示した模式図である。 風車単独運転モードにおける風車制御部の制御を説明するための図である。 風車単独運転モードにおける二次電池制御部の制御を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る風車の制御方法を説明するためのフローチャートである。 電力系統が正常である場合の遮断機の開閉状態と電力供給の様子を示した図である。 風車単独運転モードの場合の遮断機の開閉状態と電力供給の様子を示した図である。 他の風車給電モードの場合の遮断機の開閉状態と電力供給の様子を示した図である。 二次電池給電モードの場合の遮断機の開閉状態と電力供給の様子を示した図である。

以下に、本発明に係る風車及びその制御方法並びに風力発電システムの一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る風力発電システム１の全体構成を示す図である。図１に示されるように、風力発電システム１は、複数の風車１０−１、１０−２を備えている。図１では、２台の風車１０−１、１０−２を備える場合を例示しているが、風車の設置台数については任意に決定でき、上記例に限定されるものではない。本実施形態において、風車１０−１、１０−２は、風速に応じて回転速度を制御可能な可変速風車である。
風車１０−１、１０−２において発電された発電電力は、変圧器１９ａ、１９ｂをそれぞれ介して共通の連系点Ａに供給され、変圧器１９ｃを介して電力系統３に供給される。また、各風車１０−１、１０−２はそれぞれ風車制御部２０−１、２０−２を有しており、この風車制御部２０−１、２０−２により発電電力などが制御される。また、符号３５は、遮断機であり、詳細については後述する。

図２は、風車１０−１の外観図である。風車１０−２は、風車１０−１と同様の構成を有することから、以下の説明においては、主に風車１０−１の構成や機能について説明する。図２に示すように、風車１０−１は、基礎５上に立設されるタワー６と、タワー６の上端に設置されるナセル７と、略水平な軸線周りに回転可能にしてナセル７に設けられるロータヘッド８とを有している。

ロータヘッド８には、その回転軸線周りに複数のブレード９が放射状に取り付けられている。ブレード９は、運転条件に応じてロータヘッド８に対して回動可能なように連結されており、ピッチ角が変化可能とされている。ロータヘッド８には、ブレード９を駆動する油圧シリンダ（図示略）と、油圧シリンダに油圧を供給する油圧ポンプ（図示略）とが収容されている。

図３、図４は、本実施形態に係る風車の電気的構成を概略的に示した模式図である。図３に示すように、ロータヘッド８の回転軸２１には、増速機２２および発電機２３が機械的に連結されている。発電機２３は、同期発電機であってもよいし、誘導発電機であってもよい。また、増速機２２が設けられていない構成とすることも可能である。

ロータヘッド８の回転軸線方向からブレード９に当たった風の力によってロータヘッド８が回転軸周りに回転させられ、その回転力が増速機２２により増速されて、発電機２３に伝達され、電力に変換される。発電機２３の発電電力は、電力変換装置２４により電力系統３に応じた電力に変換され、変圧器１９ａ等を介して電力系統３へ供給される。

図４に示すように、発電機２３と電力系統３とを接続する電力線３０には、発電機２３を解列／併入するための遮断機３１が設けられている。また、発電機２３は、電力線３３を介して風車１０−１内に設置された補機２５と接続されている。主な補機２５として、上述したブレードピッチ角を制御するための油圧ポンプ、回転軸系に潤滑油を循環させるための機構（図示略）などが挙げられる。発電機２３と補機２５とを接続する電力線３３には、遮断機（スイッチング手段）３２、３６を介して二次電池２６が接続されている。これにより、遮断機３２、３６により二次電池２６と補機２５及び発電機２３との接続／非接続が切り替えられる構成とされている。

更に、図１、図４から参照されるように、風車１０−１、１０−２は、互いの補機２５への電力供給が可能な構成とされている。例えば、風車１０−１の補機２５に対して、風車１０−２から出力された発電電力が供給可能な構成とされている。風車１０−２の電力線と風車１０−１の補機２５とを接続する電力線３４には、遮断機３５が設けられており、この遮断機３５により風車１０−２と補機２５との接続／非接続が切り替えられる。
また、図４に示すように、風車１０−２と風車１０−１の二次電池２６とは、遮断機３５、３６を介して接続されている。これにより、遮断機３５、３６が共に閉状態とされることにより、風車１０−２の出力電力の余剰分を二次電池２６に蓄電することも可能となる。また、二次電池２６と遮断機３６との間には、変圧器２８が設けられている。

上記遮断機３１、３２、３５、３６の開閉切替は、風車制御部２０−１によって行われる。また、風車制御部２０−１は、上記電力変換装置２４の制御やブレード９のピッチ角制御等を行う。
二次電池２６の充放電は、風車制御部２０−１からの指令に基づいて、二次電池制御部２７により制御される。

次に、風車制御部２０−１について詳しく説明する。風車制御部２０−１は、電力系統３が正常である場合には、遮断機３１を閉状態、遮断機３２、３５、３６を開状態とする。これにより、発電機２３の発電電力が電力系統３に供給されるとともに、その一部が補機２５に供給される（図８参照）。

一方、風車制御部２０−１は、電力系統３が停電等により異常な状態に陥ると、遮断機３１を開状態として、風車１０−１を解列するとともに、発電機２３の発電電力を補機２５の必要電力と等しくなるよう制御する。図５に、風車１０−１が解列した場合における風車制御部２０−１の制御ブロックの一例を示す。図５に示すように、風車１０−１が解列された場合には、風車制御部２０−１は、発電機出力から補機２５の必要電力を減算し、更に、この減算結果に対して発電機出力を加算することにより、発電電力指令を生成する。この発電電力指令に基づいてブレードピッチ角や電力変換装置２４が制御されることにより、発電機２３の発電電力が補機２５の必要電力に等しくなるように制御される。

また、二次電池制御部２７は、図６に示すように、風車制御部２０−１において生成された発電電力指令から補機２５の必要電力を減算することにより、二次電池２６の充放電指令を生成する。これにより、例えば、補機２５の必要電力が急激に変化し、その変化に風車制御部２０−１の制御が追従できなかった場合に、二次電池２６による充放電により、その変化分を吸収することが可能となる。また、補機にとっては、大きな周波数変動は好ましくないため、二次電池による平滑化は更に好ましい状況になる。

次に、本実施形態に係る風車の制御方法について図７から図１１を参照して説明する。
まず、風車制御部２０−１は、電力系統３が正常である旨の情報を受信している期間においては、遮断機３１を閉状態とするとともに、遮断機３２、３５、３６を開状態とする（ステップＳＡ１）。これにより、図８に示すように、発電機２３の発電電力が電力系統３に供給されるとともに、その一部が補機２５に供給される。

次に、風車制御部２０−１は電力系統３の停電情報を受信すると（ステップＳＡ２）、系統電圧が風車のＬＶＲＴ（Low Voltage Ride Through）能力外であるか否かを判定する（ステップＳＡ３）。この結果、ＬＶＲＴ能力内である場合には、電力系統３が正常である場合と同様の制御を行う（ステップＳＡ１）。

これに対し、ＬＶＲＴ能力外である場合には、ある程度長期の停電であると判断して、遮断機３１を開状態とし、風車１０−１を解列する（ステップＳＡ４）。このようにして風車１０−１が解列されると、風車制御部１０−１は、続いて遮断機３２、３６を閉状態に切り替える（ステップＳＡ５）。これにより、図９に示すように、二次電池２６と補機２５及び発電機２３とが接続される。更に、風車制御部１０−１は、発電電力が補機２５の必要電力に一致するような発電電力指令を生成する（図５参照）。そして、この発電電力指令に基づいてブレードピッチ角や電力変換装置２４などが制御されることにより、発電電力が補機２５の必要電力に応じて制御される。

更に、二次電池制御部２７は、図６に示すように、風車制御部２０−１により生成された発電電力指令から補機２５の必要電力を差し引くことにより、二次電池２６の充放電指令を生成する。この充放電指令に基づいて二次電池２６が制御されることにより、例えば、発電電力が補機の必要電力に比べて大きかったときには、その余剰分が二次電池２６に充電され、また、発電電力が補機の必要電力に比べて小さかったときには、その不足分が二次電池２６の電力供給により補われる（ステップＳＡ６：風車単独運転モード）。

次に、風車制御部２０−１は、風車１０−１の運転が停止されたか否かを判定する（ステップＳＡ７）。この結果、風車１０−１が停止していなければ、発電電力が得られる状態であるため、上述のステップＳＡ６の制御が継続して行われる。

一方、風車１０−１が停止した場合には、遮断機３５が閉状態に切り替えられ、風車１０−２からの電力供給が開始される（他の風車給電モード：ステップＳＡ８）。これにより、図１０に示すように、風車１０−１の発電が停止してしまった場合でも他の風車１０−２からの電力供給により補機２５の運転を継続して行わせることが可能となる。この場合、余剰分の発電電力は二次電池２６に充電されることとなる。

続いて、他の風車１０−２の運転が停止されたか否かを判定する（ステップＳＡ９）。この結果、他の風車１０−２の運転が継続してなされていた場合には、他の風車１０−２からの補機２５に電力が供給される（ステップＳＡ８）。これに対し、他の風車１０−２の運転も停止された場合には、遮断機３５を開状態に切り替えて、他の風車１０−２との接続を遮断する。これにより、図１１に示すように、二次電池２６から補機２５に対して電力が供給されることとなる（二次電池給電モード：ステップＳＡ１０）。

また、上記いずれかの電力供給ルートで補機２５への電力供給がなされている間において、電力系統３が復旧した場合には、風車制御部１０−１によって、電力系統３に応じた発電電力指令が生成され、この発電電力指令に基づいて発電機２３の発電電力が制御される。そして、発電機２３の発電電力が安定すると、遮断機３１が閉状態に切り替えられ、風車１０−１の系統併入が行われる。風車１０−１と電力系統３とが接続された後においては、閉状態とされている各遮断機（例えば、３２、３５、３６）が順次開状態に切り替えられ、通常運転の状態に戻されることとなる。

以上、説明したように、本実施形態に係る風車１０−１及びその制御方法並びに風力発電システム１によれば、電力系統３に停電等が発生することにより、風車１０−１が解列した場合であっても風車１０−１の発電を継続して行わせ、補機２５への電力供給を維持する。このように、風車１０−１の運転を継続して行うことにより、電力系統３が復旧した場合に、速やかに系統併入させることが可能となる。これにより、風車１０−１の系統併入の際の作業員による点検等を不要とすることができ、作業者の労力を低減させることができる。更に、風車１０−１の稼働率を向上させることができる。
また、二次電池２６を設けることにより、発電電力と補機２５の必要電力とのアンバランスを二次電池２６による充放電により吸収することが可能となる。これにより、周波数変動などにより、補機２５が停止してしまう頻度を低下させることができる。

更に、自身の風車１０−１の発電が停止してしまった場合でも、他の風車１０−２からの電力供給によって補機２５を駆動させ、その上、他の風車１０−２からの電力供給も停止してしまった場合には、二次電池２６からの電力供給により補機２５を運転させる。このように、二重、三重に補機２５への電力供給の手段を設けておくことで、補機２５の運転を高い確率で維持させることが可能となる。

なお、本発明は、以上述べた実施形態のみに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲において上述した各実施形態を部分的または全体的に組み合わせる等して、種々変形実施が可能である。

１ 風力発電システム
３ 電力系統
１０−１、１０−２ 風車
２０−１、２０−２ 風車制御部
２３ 発電機
２５ 補機
２６ 二次電池
２７ 二次電池制御部

Claims (6)

1. 風力により発電する発電機と、
   前記発電機に接続された補機と、
   風車制御手段と、
   を備え、
   前記発電機が電力系統から解列された場合に、前記風車制御手段は、前記発電機の発電電力を前記補機の必要電力に等しくなるよう制御する風車。
2. 前記発電機と前記補機とを接続する電力線に接続可能とされた二次電池と、
   前記二次電池の充放電を制御する二次電池制御手段と
   を備え、
   前記二次電池制御手段は、前記補機の必要電力と前記発電機の発電電力との差分に応じて前記二次電池の充放電を制御する請求項１に記載の風車。
3. 他の風車との間で互いの前記補機への電力供給が可能とされた請求項２に記載の風車であって、
   前記発電機による発電が停止された場合に、他の前記風車から前記補機に電力供給される風車。
4. 他の前記風車からの前記補機への電力供給が遮断された場合に、前記二次電池から前記補機に対して電力が供給される請求項３に記載の風車。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の複数の風車を備え、
   複数の前記風車の出力が共通の連系点を通じて電力系統に供給される風力発電システム。
6. 風力により発電する発電機と、前記発電機に接続された補機とを備える風車の制御方法であって、
   前記発電機が電力系統から解列された場合に、前記発電機の発電電力を前記補機の必要電力に等しくなるよう制御する風車の制御方法。

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