JP2014128158A - 風力発電施設及びその運転方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】無停電電源装置を用いることなく、非常時に風力発電装置を構成する機器へ電力を供給することができる風力発電施設及びその運転方法を提供する。
【解決手段】風力発電施設は、少なくとも一つの風力発電装置と、前記少なくとも一つの風力発電装置からグリッドに電力を供給するための直流送電路と、前記少なくとも一つの風力発電装置からの交流電力を直流電力に変換して前記直流送電路に供給するための送り出し変換器と、前記直流送電路からの前記直流電力を交流電力に変換して前記グリッドに供給するための受け取り変換器と、前記少なくとも一つの風力発電装置に接続された充放電ケーブルとを備える。前記充放電ケーブルは、前記少なくとも一つの風力発電装置からの電力によって充電され、前記グリッドの異常事象発生時に前記少なくとも一つの風力発電装置に対して放電するように構成される。
【選択図】 図1

Description

本開示は、風力発電装置で生成した交流電力を直流電力に変換してグリッド側へ直流送電する風力発電施設及びその運転方法に関する。
近年、地球環境の保全の観点から、大規模な風力発電施設の普及が進んでいる。風力発電施設は、一般に、複数の風力発電装置からなるウィンドファームから出力した電力をグリッド(系統)に供給するようになっている。
このような風力発電装置は、停電等の系統異常事象の発生によって系統電圧が低下した場合には、電圧低下の程度や、電圧低下の継続時間が所定の範囲内であれば、運転を継続してグリッドへの連系を維持することが求められる場合がある。すなわち、グリッドに連系される風力発電装置はLVRT(Low Voltage Ride−Through)機能の具備を求められる。
系統異常事象の発生時、通常はグリッド側から供給される電力によって制御される制御装置や各種の補機(例えば、ピッチ駆動機構)は、グリッド側からの電力供給が断たれ、その動作を維持できない。そのため、LVRT機能を実現するためには、運転を継続してグリッドへの連系を維持するのに必要な制御装置や各種補機への電力供給源が必要となる。
LVRT時にこういった機器の動作を維持する方法の一つとして、例えば特許文献1には、無停電電源装置(UPS)を使用する構成が開示されている。これは、系統電圧の低下が検出された時、必要な機器(例えば、電力変換器、タービンコントローラ、ブレードピッチ制御システム、クローバー回路(crowbar circuit)などに無停電電源装置から電力が供給されるようになっている。
米国特許第6921985号明細書
しかしながら、特許文献1に記載される無停電電源装置はメンテナンスを多く必要とし、また、無停電電源装置に用いられるバッテリーは経年変化によって劣化しやすいため、無停電電源装置の機能を維持するためには定期的にバッテリーを交換する必要がある。これは、風力発電システムのメンテナンスに必要な労力とコストを増大させることとなる。
本発明の少なくとも一実施形態の目的は、無停電電源装置を用いることなく、非常時に風力発電装置を構成する機器へ電力を供給することができる風力発電施設及びその運転方法を提供することである。
本発明の少なくとも一実施形態に係る風力発電施設は、少なくとも一つの風力発電装置と、前記少なくとも一つの風力発電装置からグリッドに電力を供給するための直流送電路と、前記少なくとも一つの風力発電装置からの交流電力を直流電力に変換して前記直流送電路に供給するための送り出し変換器と、前記直流送電路からの前記直流電力を交流電力に変換して前記グリッドに供給するための受け取り変換器と、前記少なくとも一つの風力発電装置に接続された充放電ケーブルとを備え、前記充放電ケーブルは、前記少なくとも一つの風力発電装置又は前記グリッドからの電力によって充電され、前記グリッドの異常事象発生時に前記少なくとも一つの風力発電装置に対して放電するように構成されたことを特徴とする。
上記風力発電施設では、グリッド(系統)の正常時に風力発電装置から直流送電路を充電しておき、非常時(例えばLVRT時)に、直流送電路に充電された電力を少なくとも一つの風力発電装置に対して放電する。これにより、無停電電源装置を用いることなく、非常時に風力発電装置を構成する機器へ電力を供給することができ、非常時においても風力発電装置の動作を維持できる。
幾つかの実施形態では、前記充放電ケーブルは、前記直流送電路の予備回線である。
このように、直流送電路に冗長性(Redundancy)を持たせるために設けられた直流送電路の予備回線を充放電ケーブルとして利用することで、別途充放電ケーブルを敷設する必要がない。よって、設備コストの削減を図ることができる。
幾つかの実施形態では、前記予備回線としての前記充放電ケーブルと前記送り出し変換器との間に設けられ、前記直流送電路の正常時において開かれ、前記直流送電路の異常時において閉じられるように構成された第1遮断器と、前記予備回線としての前記充放電ケーブルと前記受け取り変換器との間に設けられ、前記直流送電路の正常時において開かれ、前記直流送電路の異常時において閉じられるように構成された第2遮断器とを備える。
上記実施形態において、直流送電路の正常時には、第1遮断器及び第2遮断器を開いて、充放電ケーブルを送り出し変換器及び受け取り変換器とを切り離して風力発電装置から充放電ケーブルが充電されるようになっている。また、直流送電路の異常時には第1遮断器及び第2遮断器を閉じて、予備回線が直流送電路に代替可能になっている。
これにより、第1遮断器及び第2遮断器の操作のみで、直流送電路の予備回線を充放電ケーブルとして利用したり、直流送電路に代替させたりできる。
本発明の少なくとも一実施形態に係る風力発電施設の運転方法は、少なくとも一つの風力発電装置と、前記少なくとも一つの風力発電装置からグリッドに電力を供給するための直流送電路と、前記少なくとも一つの風力発電装置からの交流電力を直流電力に変換して前記直流送電路に供給するための送り出し変換器と、前記直流送電路からの前記直流電力を交流電力に変換して前記グリッドに供給するための受け取り変換器と、前記少なくとも一つの風力発電装置に接続された充放電ケーブルとを備える風力発電施設の運転方法であって、前記少なくとも一つの風力発電装置又は前記グリッドからの電力によって前記充放電ケーブルを充電する充電ステップと、前記グリッドの異常事象発生時に前記少なくとも一つの風力発電装置に対して電力が供給されるように前記充放電ケーブルから放電する放電ステップとを備えることを特徴とする。
上記風力発電施設の運転方法によれば、グリッドの正常時に風力発電装置から直流送電路を充電しておき、非常時(例えばLVRT時)に、直流送電路に充電された電力を少なくとも一つの風力発電装置に対して放電する。これにより、無停電電源装置を用いることなく、非常時に風力発電装置を構成する機器へ電力を供給することができ、非常時においても風力発電装置の動作を維持できる。
本発明の少なくとも一実施形態によれば、無停電電源装置を用いることなく、非常時に風力発電装置を構成する機器へ電力を供給することができ、非常時においても風力発電装置の動作を維持できる。
本発明の一実施形態に係る風力発電施設の全体構成を示す図である。 本発明の他の実施形態に係る風力発電施設の全体構成を示す図である。 本発明の他の実施形態に係る風力発電施設の運転方法を示すフローチャートである。 本発明の変形例に係る風力発電施設の全体構成を示す図である。
以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、実施形態として以下に記載され、あるいは、実施形態として図面で示された構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
図1は、一実施形態に係る風力発電施設の全体構成を示す図である。
同図に示すように、幾つかの実施形態において、風力発電施設1は、少なくとも一つの風力発電装置10を備え、風力発電装置10から出力した電力をローカルグリッド2を介してグリッド50へ送電するようになっている。
風力発電装置10は、主要機器として、風車ロータと、該風車ロータの回転エネルギーを電力エネルギーに変換する発電機とを備える。風力発電装置10の発電機は、例えば同期発電機や誘導発電機が用いられる。さらに、風力発電装置10は、ブレードのピッチ角を調節するピッチ駆動機構等の各種の補機やこれらの機器を制御する制御装置を備えている。この風力発電装置10で出力された電力は、交流電力としてローカルグリッド2に出力される。なお、図1には一つの風力発電装置10を示しているが、複数の風力発電装置を含むウィンドファームで構成されてもよい。
ローカルグリッド2は、風力発電装置10とグリッド50との間に設けられる主要送電路として、風力発電装置10側から順に、交流送電路11、直流送電路12、交流送電路13を含むとともに、風力発電装置10に接続される充放電ケーブル20を含んでいる。
主要送電路には、交直変換器によって構成される送り出し変換器(SEC;Sending End Converter)3、直交変換器によって構成される受け取り変換器(REC;Receiving End Converter)4、変圧器5が設けられている。
送り出し変換器3は、風力発電装置10からの交流電力を直流電力に変換して直流送電路12に供給する。受け取り変換器4は、直流送電路12からの直流電力を交流電力に変換してグリッド50に供給する。変圧器5は、受け取り変換器4で変換された交流電力を変圧する。
また、一実施形態において、直流送電路12には、第1遮断器7及び第2遮断器8が設けられている。第1遮断器7及び第2遮断器8は、主として、直流送電路12において短絡事故や地絡事故が生じた場合に直流送電路12から送り出し変換器3及び受け取り変換器4を切り離し、これらを過電圧又は過電流から保護する役割を担う。グリッド50及びローカルグリッド2に異常がない場合、第1遮断器7及び第2遮断器8は全て閉になっており、風力発電装置10で生成された電力は直流送電路12をグリッド50に向かって送電される。
一実施形態において、充放電ケーブル20は、交直変換器26を介して風力発電装置10に接続されている。充放電ケーブル20は、風力発電装置10又はグリッド50からの電力によって充電され、グリッド50の異常事象発生時に風力発電装置10に対して放電するように構成される。すなわち、風力発電装置10の発生電力が交直変換器26によって直流電力に変換されて、該直流電力によって充放電ケーブル20が充電される。そして、グリッド50の異常事象発生時、充放電ケーブル20からの直流電力が交直変換器26によって交流電力に変換されて、該交流電力が風力発電装置10に供給される。
この充放電ケーブル20は複数設けられてもよい。また、充放電ケーブル20と風力発電装置10との間には、変圧器21と、開閉器22が設けられている。開閉器22は、後述する充放電制御部40によって開閉制御される。
なお、風力発電施設1において、少なくとも一つの風力発電装置10及び送り出し変換器3は洋上に設置され、受け取り変換器4及び変圧器5、グリッド50は陸上に設置されてもよい。この場合、直流送電路12及び充放電ケーブル20の大部分は海底に設置される海底ケーブルである。
幾つかの実施形態において、風力発電施設1は、充放電ケーブル20と風力発電装置10との間に設けられた開閉器22及び交直変換器26を制御することによって、充放電ケーブル20の充電と放電とを切り替える充放電制御部40をさらに備える。
グリッド50の異常事象発生前、充放電制御部40は開閉器22及び交直変換器26を制御して、開閉器22を閉じた状態で、風力発電装置10又はグリッド50からの電力を交直変換器26によって直流電力に変換し、該直流電力を充放電ケーブル20に供給する。これにより、充放電ケーブル20は充電される。充放電ケーブル20が充電されたら、開閉器22を開き、交直変換器26の制御を停止する。
一方、グリッド50の異常事象発生時、開閉器22及び交直変換器26を制御して、開閉器22を閉じた状態で、充放電ケーブル20からの直流電力を交直変換器26で交流電力に変換し、該交流電力を風力発電装置10に供給する。
ここで、検出部42によって風力発電装置10の発電機の端子電圧を検出し、発電機の端子電圧に基づいてグリッド50で異常事象が発生したか否かを判定するようにしてもよい。
このように、グリッド50の正常時に風力発電装置10から充放電ケーブル20を充電しておき、グリッド50に異常事象が発生した時に、充放電ケーブル20から風力発電装置10に対して給電することによって、無停電電源装置を用いることなく、LVRT時に風力発電装置10を構成する機器へ電力を供給することができ、LVRT時においても風力発電装置10の動作を維持できる。
図2は本発明の他の実施形態に係る風力発電施設の全体構成を示す図である。
図2に示すように、本回線としての直流送電路12に並行して設けられる予備回線12’を充放電ケーブル20として用いてもよい。このように、直流送電路(本回線)12に冗長性を持たせるために設けられた予備回線12’を充放電ケーブル20として利用することで、別途充放電ケーブル20を敷設する必要がない。よって、設備コストの削減を図ることができる。
図2に示す例示的な実施形態では、直流送電路(本回線)12と送り出し変換器3との間、および、直流送電路12と受け取り変換器4との間には、それぞれ、送り出し変換器3側の第1遮断器(SEC側遮断器)7aと受け取り変換器4側の第2遮断器(REC側遮断器)8aが設けられる。同様に、予備回線12’と送り出し変換器3との間、および、予備回線12’と受け取り変換器4との間には、それぞれ、第1遮断器7bと第2遮断器8bが設けられる。
これら第1遮断器7a,7bと第2遮断器8a,8bは、直流遮断器制御部60によって開閉制御され、直流送電路(本回線)12の異常時に直流送電路12を送り出し変換器3及び受け取り変換器4から切り離し、予備回線12’で代替するようになっていてもよい。
すなわち、直流送電路(本回線)12の正常時、直流遮断器制御部60によって、直流送電路(本回線)12の第1遮断器7a及び第2遮断器8aはいずれも閉じられ、且つ、予備回線12’の第1遮断器7b及び第2遮断器8bはいずれも開かれた状態になっている。これに対し、直流送電路(本回線)12の異常時、直流遮断器制御部60によって、直流送電路(本回線)12の第1遮断器7a及び第2遮断器8aが開かれるとともに、予備回線12’の第1遮断器7b及び第2遮断器8bは閉じられる。こうして、異常が発生した直流送電路(本回線)12は予備回線12’によって代替される。
また、予備回線12’は、充放電ケーブル20としての役割も兼ねるため、交直変換器36を介して風力発電装置10に接続される。一実施形態では、図2に示すように、交直変換器36の両側に位置する交流ライン31及び直流ライン32によって構成される接続ライン30が、充放電ケーブル20としての予備回線12’における第1遮断器7bの近傍の接続点33に接続される。なお、交流ライン31には変圧器35が設けられていてもよい。
充放電制御部40は、グリッド50の異常事象発生前、開閉器37及び交直変換器36を制御して、開閉器37を閉じた状態で、風力発電装置10又はグリッド50からの電力を交直変換器36によって直流電力に変換し、該直流電力を充放電ケーブル20(予備回線12’)に供給する。これにより、充放電ケーブル20は充電される。充放電ケーブル20が充電されたら、開閉器37を開き、交直変換器36の制御を停止する。
一方、グリッド50の異常事象発生時、開閉器37及び交直変換器36を制御して、開閉器37を閉じた状態で、充放電ケーブル20からの直流電力を交直変換器36で交流電力に変換し、該交流電力を風力発電装置10に供給する。
なお、充放電ケーブル20(予備回線12’)の充放電時、直流遮断器制御部60によって、充放電ケーブル20(予備回線12’)の両側の第1遮断器7b及び第2遮断器8bは開かれている。
ここで、図3を参照して、一実施形態に係る風力発電施設1の運転方法について説明する。
風力発電施設1の通常運転時(S1)、開閉器22、37を閉じた状態で交直変換器26,36を制御し、風力発電装置10又はグリッド50からの電力によって充放電ケーブル20,12’(20)の充電を行う(S2)。なお、充放電ケーブル20,12’(20)が充電されたら、開閉器22,37を開き、交直変換器26,36の制御を停止する。
この後、検出部42によって風力発電装置10の端子電圧を検出し、端子電圧に基づいてグリッド50における異常事象の発生の有無を判定する(S3)。グリッド50にて異常事象が発生したと判定されたら、開閉器22,37を閉じ、交直変換器26,36を制御して充放電ケーブル20,12’(20)から風力発電装置10に給電(放電)する(S4)。
これにより、グリッド50から電力供給を受けることができない場合であっても、風力発電装置10の動作を維持することができる。
以上説明したように、上述の実施形態によれば、グリッド50の正常時において充放電ケーブル20,12’(20)を充電しておき、グリッド50の異常事象発生時に、充放電ケーブル20,12’(20)に充電された電力を少なくとも一つの風力発電装置10に対して放電する。これにより、無停電電源装置を用いることなく、LVRT時に風力発電装置10を構成する機器へ電力を供給することができる。
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。
例えば、上述の実施形態では、グリッド50における異常事象の発生を、風力発電装置10の端子電圧に基づいて判定したが、グリッド50における異常事象は、グリッド50側の電圧情報や、グリッド50側の変電所や給電指令所から取得可能なグリッド50各所における遮断器の開閉状態を含む事故情報に基づいて判定してもよい。
図4は、本発明の変形例に係る風力発電施設1の全体構成を示す図である。図4に示すように、グリッド50に設けられた系統監視部52からの信号に基づいて異常事象の発生を検出してもよい。また、系統監視部52は、グリッド50を構成している各種設備の状態や各所に設置されるセンサの情報等を監視し、風力発電施設1の充放電制御部40に監視結果を報告するようになっている。この場合、充放電制御部40は、系統監視部52からの報告結果に基づいて、グリッド50における異常事象の発生の有無を判定してもよい。
1 風力発電施設
2 ローカルグリッド
3 送り出し変換器
4 受け取り変換器
5,21,35 変圧器
7,7a,7b 第1遮断器
8,8a,8b 第2遮断器
10 風力発電装置
11,13 交流送電路
12 直流送電路
12’ 予備回線(充放電ケーブル)
20 充放電ケーブル
22,37 開閉器
30 接続ライン
40 充放電制御部
42 検出部
50 グリッド
52 系統監視部

Claims (4)

  1. 少なくとも一つの風力発電装置と、
    前記少なくとも一つの風力発電装置からグリッドに電力を供給するための直流送電路と、
    前記少なくとも一つの風力発電装置からの交流電力を直流電力に変換して前記直流送電路に供給するための送り出し変換器と、
    前記直流送電路からの前記直流電力を交流電力に変換して前記グリッドに供給するための受け取り変換器と、
    前記少なくとも一つの風力発電装置に接続された充放電ケーブルとを備え、
    前記充放電ケーブルは、前記少なくとも一つの風力発電装置又は前記グリッドからの電力によって充電され、前記グリッドの異常事象発生時に前記少なくとも一つの風力発電装置に対して放電するように構成されたことを特徴とする風力発電施設。
  2. 前記充放電ケーブルは、前記直流送電路の予備回線であることを特徴とする請求項1に記載の風力発電施設。
  3. 前記予備回線としての前記充放電ケーブルと前記送り出し変換器との間に設けられ、前記直流送電路の正常時において開かれ、前記直流送電路の異常時において閉じられるように構成された第1遮断器と、
    前記予備回線としての前記充放電ケーブルと前記受け取り変換器との間に設けられ、前記直流送電路の正常時において開かれ、前記直流送電路の異常時において閉じられるように構成された第2遮断器とを備えることを特徴とする請求項2に記載の風力発電施設。
  4. 少なくとも一つの風力発電装置と、前記少なくとも一つの風力発電装置からグリッドに電力を供給するための直流送電路と、前記少なくとも一つの風力発電装置からの交流電力を直流電力に変換して前記直流送電路に供給するための送り出し変換器と、前記直流送電路からの前記直流電力を交流電力に変換して前記グリッドに供給するための受け取り変換器と、前記少なくとも一つの風力発電装置に接続された充放電ケーブルとを備える風力発電施設の運転方法であって、
    前記少なくとも一つの風力発電装置又は前記グリッドからの電力によって前記充放電ケーブルを充電する充電ステップと、
    前記グリッドの異常事象発生時に前記少なくとも一つの風力発電装置に対して電力が供給されるように前記充放電ケーブルから放電する放電ステップとを備えることを特徴とする風力発電施設の運転方法。
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