JP2015201900A - ウィンドファームの出力制御装置、方法、及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】風から得られるエネルギーを推定し各風力発電装置が出力可能な範囲で、風の状態に応じて効率の良い制御量配分を行うことのできる、ウィンドファームの出力制御装置、方法及びプログラムを提供する。【解決手段】出力制御装置１により複数の風力発電装置１００（１〜ｎ）からなるウィンドファームの出力の制御を行う。出力の制御には、（１）ポテンシャル推定部１１により各風力発電装置１００（１〜ｎ）における出力可能な最大電力量を推定する。（２）制御量演算部１２により、ポテンシャル推定部１１で推定した最大電力量に基づいて、ウィンドファームの全体の制御量を演算する。（３）制御タイミング調整部は、ウィンドファーム全体の制御量の制御タイミングの調整を行う。（４）制御量分配部１３は、制御タイミングの調整を行った制御量を各風力発電装置１００（１〜ｎ）の発電量の余力に基づいて分配する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、ウィンドファームの出力制御装置、方法、及びプログラムに係る。

化石燃料枯渇の懸念、地球温暖化防止の観点から、自然エネルギー（風力、太陽光など）を利用した発電システムの導入が国内外で進められている。風力発電装置は、風の持つエネルギーを風車により回転エネルギーに変換し、それを直接、あるいは増速機により回転速度を上げて、発電機に伝達することで電気エネルギーを作り出す発電装置である。この風力発電装置を広大な陸上や洋上に数十〜百基以上設置し、大電力を発電するシステムがウィンドファームである。

ウィンドファームは規模が大きくなると電力系統の安定運用に大きな影響を与えるため、火力発電所と同等レベルの出力制御能力、系統連系運用が求められる。ウィンドファームを商用系統へ連系するための系統連系要件は、各電力会社や国際標準規格において定められている。

電力系統に接続する火力発電機または水力発電機は、発電機から出力される電力の周波数を一定範囲内に制御している。このような電力系統に対して、風力の強弱により発電機から出力される電力の周波数が変動する特性を持つウィンドファームが連系されると、電力系統における周波数制御の負担が増える。電力系統の火力・水力発電機が停止する夜間には、周波数維持能力が低くなり、ウィンドファームを解列しなければならない場合もある。

さらに、ウィンドファームの変動は連系点では電圧変動も生じるため、電力品質を低下させる。そのため、ウィンドファームの発電機の出力に、連系する電力系統で事故等の擾乱が発生した場合に、保持すべき瞬動予備力、すなわち系統への供給電力を増加できる能力を確保する制御を行う対策も取られている。この瞬動予備力を保持することにより、ウィンドファームを系統安定化へ貢献できる発電プラントとして運用できる。

このように、ウィンドファームを保有する発電事業者にとっては、系統連系要件を満たすようにウィンドファームの出力を制御することによって、不要解列を回避して稼働率を高めることができ、さらには電力系統の事故時の系統安定化へ貢献することも可能となる。

「風力発電設備の系統連系技術要件［特別高圧版］」平成23年12月，東北電力株式会社 規格番号IEC61400-25-2（Wind turbines - Part 25-2: Communications for monitoring and control of wind power plants - Information models） Annex C，2006-12-14

特開２００９−２３９９９０号公報 特開２００７−３２４８８号公報 特開２００７−３７２２６号公報 特許第４８８１３４９号公報

ウィンドファームを運転するためには、ウィンドファーム内の各風力発電装置の制御量を設定することが望ましい。そのために、ウィンドファームの出力値とウィンドファームの出力目標値とに基づいて、ウィンドファーム全体の制御量を演算しておき、この全体の制御量に基づいてウィンドファーム内の各風力発電装置の制御量を求める方法が知られているが、ウィンドファーム全体の制御量の演算結果には、各種の遅延成分が含まれる。

例えば、ウィンドファームの出力値は、ウィンドファームと電力系統との連系点で計測され、演算を行う制御装置に対して伝送される。そのため、制御装置での演算に使用するウィンドファームの出力値には、伝送時の遅延成分が含まれることとなる。この伝送による遅延成分が含まれる出力値を基に演算を行ったウィンドファーム全体の制御量にも遅延成分が含まれる。

また、ウィンドファーム全体の制御量の演算においては、演算を行うことで、遅延が生じる。つまり、演算結果であるウィンドファーム全体の制御量は演算による遅延成分が含まれることとなる。

本発明の実施形態は、上述した課題を解決するためになされたものであり、ウィンドファームの制御量の演算において、演算結果に含まれる遅延成分の補償を行い、この遅延成分の補償を行ったウィンドファーム全体の制御量に基づき、その時の風の状態に応じて風力発電装置が出力可能な範囲で分配するウィンドファームの出力制御装置、方法、及びプログラムを提供することを目的とする。

本発明の実施形態であるウィンドファームの出力制御装置は、以下の特徴を備える。
（１）各風力発電装置における出力可能な最大電力量を推定するポテンシャル推定部を備える。
（２）前記ポテンシャル推定部で推定した最大電力量に基づいて、前記ウィンドファームの制御量を決定する制御量演算部を備える。
（３）前記ウィンドファームの制御量の制御タイミングの調整を行う制御タイミング調整部を備える。
（４）制御タイミングの調整を行った制御量を各風力発電装置の発電量の余力に基づいて分配する制御量の制御量分配部を備える。

前記のウィンドファームの出力制御装置を実現する出力制御方法及び出力制御装置の制御プログラムも本発明の一実施形態である。

第１実施形態に係るウィンドファームの出力制御装置の構成を示すブロック図。 第１実施形態の出力制御装置の構成を示すブロック図。 風力発電装置における風速と出力の関係を示すグラフ。 第１実施形態の制御タイミング調整部の構成を示すブロック図。 第１実施形態の有効電力の制御量を分配する制御分配部の構成を示すブロック図。 第１実施形態の無効電力の制御量を分配する制御分配部の構成を示すブロック図。 第１実施形態における有効電力の制御量の演算工程を示すフローチャート。 第１実施形態の有効電力制御量演算の概略を示す概略図。 第１実施形態における無効電力の制御量の演算工程を示すフローチャート。 第１実施形態の無効電力制御量演算の概略を示す概略図。 第１実施形態における制御タイミング調整の工程を示すフローチャート。 第１実施形態における有効電力の制御量の分配の概略を示す概略図。 第１実施形態における無効電力の制御量の分配の概略を示す概略図。 第２実施形態の有効電力制御量演算部と無効電力制御量演算部の構成を示すブロック図。 第２実施形態における有効電力の制御量の演算の概略を示す概略図。 第２実施形態における無効電力の制御量の演算の概略を示す概略図。

［１．第１実施形態］
［１−１．構成］
第１実施形態に係るウィンドファームの出力制御装置について、図１を参照しつつ、詳細に説明する。図１は、本実施形態に係るウィンドファームの出力制御装置を示すブロック図である。

本実施形態のウィンドファームは、ｎ台の風力発電装置１００（１〜ｎ）、風力発電装置１００の出力制御装置１、及び各風力発電装置１００の出力を受電する系統３を備える。

風力発電装置１００は、風のエネルギーにより発電を行う発電装置である。出力制御装置１は、風力発電装置１００の発電量の制御を行う制御装置である。風力発電装置１００と出力制御装置１とは制御配線２とで接続されており、風力発電装置１００は、出力制御装置１の制御量の指示に基づき発電量を制御する。

各風力発電装置１００は、電力配線４を介して系統３と接続される。風力発電装置１００で発電した電力は、電力配線４を介して系統３に対して出力される。電力配線４と系統３とが接続する連系点には、供給電力データ検出部５が設けられる。供給電力データ検出部５では、電力配線４から系統３に供給される各種電気量の供給電力データを検出する。

１．風力発電装置１００の構成
風力発電装置１００は、以下の構成を備えている。
（１）ピッチ角が可変であるブレード部１０１
（２）ブレード部１０１が受けた風により回転する回転軸を有するタービン部１０２
（３）タービン部１０２の回転軸の回転を交流電力に変換する発電部１０３
（４）発電部１０３で変換した交流電力を直流電力に変換するコンバータ部１０４
（５）コンバータ部１０４で変換した直流電力を交流電力に変換するインバータ部１０５
（６）ブレード部１０１のピッチ角を制御するピッチ角制御部１０６
（７）コンバータ部１０４及びインバータ部１０５での電力の変換を制御する直交変換制御部１０７
（８）風力発電装置１００における有効電力出力Pw1…ｎ、無効電力出力Qw1…ｎ、ピッチ角βw1…ｎ，角速度偏差Δω1…ｎを検出する発電装置データの検出部１０８
（９）風力発電装置１００と電力配線４との連系点に設けられた昇圧変圧器１０９

ブレード部１０１は、風のエネルギーを受けるブレード、ブレードの中心部に設けられたハブからなる。ブレードは、風の運動エネルギーを機械エネルギーに変換するために、所謂テーパー型の形状をしている。ブレードの根本部分は、ハブに取り付けられる。ハブには、ブレードの取り付け角度であるピッチ角βw1…ｎを、変調可能な構造を有する。

ハブはタービン部１０２の回転軸と接続され、ブレードで変換した機械エネルギーにより、回転軸と回転させる。タービン部１０２は、回転軸の回転エネルギーを発電部１０３に対して伝達する。

発電部１０３では、伝達された回転エネルギーにより交流電流を発電する。発電された交流電流は、コンバータ部１０４に出力される。コンバータ部１０４では、入力した交流電力を直流電力に変換する。この直流電力は、インバータ部１０５に出力される。インバータ部１０５では、入力した直流電流を商用系統と同じ周波数の交流電流に変換する。

各風力発電装置１００（１〜ｎ）には、その風力発電装置１００における有効電力出力Pw1…ｎ、無効電力出力Qw1…ｎ、ピッチ角βw1…ｎ，角速度偏差Δω1…ｎを検出する発電装置データ検出部１０８が設けられる。この発電装置データ検出部１０８は、ブレード部１０１のピッチ角及び発電装置を制御するピッチ角制御部１０６、コンバータ部１０４及びインバータ部１０５での電力変換の制御を行う交直変換器制御部１０７と接続され、ピッチ角制御部１０６よりピッチ角βw1…ｎ、角速度偏差Δω1…ｎを、交直変換器制御部１０７より有効電力出力Pw1…ｎ、無効電力出力Qw1…ｎを検出するように構成される。

インバータ部１０５の出力側には、昇圧変圧器１０９が設けられる。昇圧変圧器１０９は、風力発電装置１００と電力配線４との連系点に設けられ、風力発電装置１００（１〜ｎ）の電圧を電力配線４側の電圧になるよう昇圧する。ウィンドファーム内の電力配線４は集約される。同様の変圧器は、集約した電力配線４と系統３との連系点にも設けられる。各連系点には、開閉器が設けられ、開閉器の開閉動作により風力発電装置１００（１〜ｎ）を電力配線４から、または、電力配線４を系統３から電気的に離接可能とする。

各種電気量を検出する供給電力データ検出部５は、電力配線４と系統３との連系点に設けられる。供給電力データ検出部５では、連系点の有効電力Pwf、無効電力Qwf、電圧Vwf、周波数ｆを検出する。供給電力データ検出部５は、出力制御装置１と接続され、検出した有効電力Pwf、無効電力Qwf、電圧Vwf、周波数ｆをウィンドファームの出力制御装置１へ送信する。

２．出力制御装置１の構成
出力制御装置１は、以下の構成を備える。
（１）ウィンドファーム全体の最大電力（以下、ポテンシャルとする）を算出するポテンシャル推定部１１
（２）ポテンシャル推定部１１で推定したウィンドファームの最大電力量であるポテンシャルPwf_poに基づいて、ウィンドファームにおける有効電力の制御量Pwf_r、及びウィンドファームにおける無効電力の制御量Qwf_rの制御量を演算する制御量演算部１２
（３）前記制御量演算部１２で演算した有効電力の制御量Pwf_r、及び無効電力の制御量Qwf_rを、各風力発電装置１００の発電量の余力に基づいて分配する制御量分配部１３
（４）前記制御量演算部１２に対して、ユーザが有効電力目標値Pwf_ref、及び無効電力目標値Qwf_refを入力するための入力部１４からのインターフェース
（５）前記制御量演算部１２における有効電力目標値Pwf_ref、及び無効電力目標値Qwf_refの設定を行う系統運用システム１５からのインターフェース

（ポテンシャル推定部１１について）
図２示す様に、ポテンシャル推定部１１は、風力発電装置１００（１〜ｎ）の有効電力出力Pw1…ｎとピッチ角βw1…ｎから、ウィンドファームが出力可能な最大電力（以降、ポテンシャルと称す）Pwf_poを推定する。

ポテンシャル推定部１１は、各風力発電装置１００の検出部１０８に接続され、各風力発電装置１００（１〜ｎ）の有効電力出力Pw1…ｎとピッチ角βw1…ｎとが入力される。ポテンシャルPw1*〜Pwn*は、風速と出力の特性関数として推定することができる。風力発電装置１００の出力は、図３に示す様に、定格風速未満では風速の３乗で上昇する。風速が定格風速以上となるとピッチ各βw1…ｎを制御し、余分な風速を逃がして出力一定運転を行う。さらに、風速がカットアウト風速以上では、強風対策として安全停止する。

ポテンシャル推定部１１では、推定した各風力発電装置１００（１〜ｎ）のポテンシャルPw1*〜Pwn*の和を算出することでウィンドファーム全体のポテンシャルPwf_poを推定する。

（制御量演算部１２について）
制御量演算部１２では、各風力発電装置１００（１〜ｎ）の出力可能なポテンシャルPw1*〜Pwn*の合計であるウィンドファーム全体のポテンシャルPwf_poを超えないようなウィンドファーム出力の制御量を演算する。ウィンドファーム出力の制御量は、有効電力の制御量Pwf_r、及び無効電力の制御量Qwf_rとして演算される。

制御量演算部１２は、検出部１０８（１〜ｎ）、供給電力データ検出部５、及びポテンシャル推定部１１に接続されている。制御量演算部１２には、検出部１０８から各風力発電装置１００（１〜ｎ）における有効電力出力Pw1…ｎ、無効電力出力Qw1…ｎ、ピッチ角βw1…ｎ，角速度偏差Δω1…ｎ、供給電力データ検出部５から連系点の有効電力Pwf、無効電力Qwf、電圧Vwf、周波数ｆ、及び、ポテンシャル推定部１１からポテンシャルPwf_poが入力される。

制御量演算部１２は、有効電力の制御量Pwf_rの演算を行う有効電力制御量演算部１２１と、無効電力の制御量Qwf_rの演算を行う無効電力の制御演算部１２２とを備える。有効電力制御量演算部１２１と、無効電力制御量演算部１２２は、制御タイミングの調整を行う制御タイミング調整部１２３，１２４、制御量の演算を行う制御量演算部１２５，１２６とをそれぞれ備える。

有効電力制御量演算部１２１では、ウィンドファームの有効電力目標値Pwf_refと、ウィンドファームの有効電力Pwfと、ウィンドファームのポテンシャルPwf_poとに基づいて、ウィンドファームにおける有効電力の制御量Pwf_rの演算を行う。有効電力目標値Pwf_refは、予め設定された値に限らず、種々の条件に基づいて算出しても良い。また、制御量演算部１２に接続する入力部１４や系統運用システム１５からの目標値であってもよい。ウィンドファームの有効電力Pwfは、供給電力データ検出部５で検出された値である。

有効電力制御量演算部１２１は、制御タイミング調整部１２３と、制御量演算部１２５とを備える。

制御タイミング調整部１２３は、有効電力の制御量Pwf_rの制御タイミングの調整を行う。制御タイミング調整部１２３は、ウィンドファームの有効電力目標値Pwf_refと、ウィンドファームの有効電力Pwfとの差分である偏差ΔPwf1に対してゲインの補償、遅れ位相補償、一次遅れ処理、アンチハント処理を行い、遅延成分の補償を行った偏差ΔPwf2を求める。

制御タイミング調整部１２３は、偏差ΔPwf1の遅延成分の補償を行い制御タイミングを調整するために図４に示す様な以下の構成を備える。
（１）ゲインの補償を行うゲイン調整部１２７ａ
（２）遅れ位相の補償を行う第１の遅れ位相補償部１２７ｂ１
（３）遅れ位相の補償を行う第２の遅れ位相補償部１２７ｂ２
（４）一次遅れ処理を行う第１の一次遅れ処理部１２７ｃ１
（５）一次遅れ処理を行う第２の一次遅れ処理部１２７ｃ２
（６）アンチハント部１２７ｄ
制御タイミング調整部１２３は、ゲイン調整部１２７ａ、第１の遅れ位相補償部１２７ｂ１、第２の遅れ位相補償部１２７ｂ２、第１の一次遅れ処理部１２７ｃ１、第２の一次遅れ処理部１２７ｃ２を直列に用いている。

ゲイン調整部１２７ａは、入力する各制御部で演算した制御量のゲインを増減させ、安定度を上げ定常特性を向上させる。偏差ΔPwf1の遅延成分の補償を行う場合には補償ゲインＫ１ｐにより、補償を行う。

第１の遅れ位相補償部１２７ｂ１は、ゲイン調整部１２７ａでゲインの補償を行った制御量の位相の補償を行う。偏差ΔPwf1に対する位相の遅れ補償は、以下の式（１）で表される伝達関数Ｇｐ１（ｓ）により補償を行う。Ｔ１ｐ及びＴ２ｐは、第１の遅れ位相の時定数である。
［式１］

第２の遅れ位相補償部１２７ｂ２は、第１の遅れ位相補償部１２７ｂ１で遅れ位相の補償を行った偏差ΔPwf1に対して、さらに位相の補償を行う。偏差ΔPwf1に対する位相の遅れ補償は、以下の式（２）で表される伝達関数Ｇｐ２（ｓ）により補償を行う。Ｔ３ｐ及びＴ４ｐは、第２の遅れ位相の時定数である。

［式２］

第１の一次遅れ処理部１２７ｃ１は、第２の遅れ位相補償部で遅れ位相の補償を行った偏差ΔPwf1に対して、偏差ΔPwf1における一次遅れの処理を行う。偏差ΔPwf1に対する一次遅れ処理は、以下の式（３）で表される伝達関数Ｇｐ３（ｓ）により補償を行う。Ｔ５ｐは、第１の一次遅れ部の時定数である。
［式３］

第２の一次遅れ処理部１２７ｃ２は、第１の一次遅れ処理部１２７ｃ１で一次遅れ処理を行った偏差ΔPwf1に対して、再び偏差ΔPwf1における一次遅れの処理を行う。偏差ΔPwf1に対する一次遅れ処理は、以下の式（４）で表される伝達関数Ｇｐ４（ｓ）により補償を行う。Ｔ６ｐは、第２の一次遅れ部の時定数である。
［式４］

系統間には、複数の風力発電装置１００が接続されており、風力発電装置１００の出力が他の風力発電装置１００の出力装置の出力に影響を与える。この影響を受けたデータに基づき制御量の演算を行うと、演算結果である制御量及び制御タイミングに系統間の相互作用による振動の影響が現れる。アンチハント部では、第２の一次遅れ処理を行った偏差ΔPwf1に対して、偏差ΔPwf1に含まれる振動の影響による要素の抑制を行う。偏差ΔPwf1に含まれる振動の影響による要素の抑制は、以下の式（５）で表される伝達関数Ｇｐ５（ｓ）により行われる。Ｋ２ｐはアンチハントのゲインであり、Ｔ７ｐはアンチハントの時定数である。
［式５］

制御量演算部１２５は、遅延成分の補償を行ったΔPwf2を基に、ウィンドファーム出力の有効電力目標値Pwf_refに追従するような有効電力制御量Pwf_rを演算する。有効電力目標値Pwf_refに追従する有効電力制御量Pwf_rは、比例ゲインKPp1と積分ゲインKlp1とするPI制御により求めることができる。これにより、ウィンドファーム出力の有効電力Pwfが、目標値Pwf_refに近づいたら、制御量Pwf_rを小さくすることができ、制御量Pwf_rの変化を抑えることができる。また、定常偏差をなくすことができ有効電力Pwfを目標値Pwf_refに近づけることができる。

また、制御量演算部１２５は、有効電力制御量Pwf_rが予め設定されたウィンドファーム有効電力出力の最小最大の範囲内に入るようリミッタを備えている。無効電力出力最大は、ポテンシャル推定部１１で得たポテンシャルPwf_poを設定する。このため、有効電力制御量Pwf_rは、ポテンシャルPwf_po未満の値となる。

無効電力制御量演算部１２２は、制御タイミング調整部１２４と、制御量演算部１２６とを備える。

制御タイミング調整部１２４は、無効電力の制御量Qwf_rのタイミングの調整を行う。制御タイミング調整部１２４には、ウィンドファームの無効電力目標値Qwf_refと、ウィンドファームの無効電力Qwfとの差分であるΔQwfが入力する。制御タイミング調整部１２４は、ΔQwf1に対してゲインの調整、遅れ位相補償、一次遅れ処理、アンチハント処理を行い、遅延成分の補償を行ったΔPwf2を求める。

図４に示す様に制御タイミング調整部１２４は、制御タイミング調整部１２３と同様の構成を有する。制御タイミング調整部１２３とは、ゲイン調整部１２９ａ、第１の遅れ位相補償部１２９ｂ１、第２の遅れ位相補償部１２９ｂ２、第１の一次遅れ処理部１２９ｃ１、第２の一次遅れ処理部１２９ｃ２、アンチハント部１２９ｄにおけるゲイン及び時定数が異なる。

ゲイン調整部１２９ａのゲインはK1qである。また、第１の遅れ位相補償部１２９ｂ１の伝達関数は以下の式（６）で表され、また、第２の遅れ位相補償部１２９ｂ２の伝達関数は以下の式（７）で表される。Ｔ１ｑ及びＴ２ｑは、第１の遅れ位相の時定数、ならびに、Ｔ３ｑ及びＴ４ｑは第２の遅れ位相の時定数である。
［式６］

［式７］

第１の一次遅れ処理部１２９ｃ１、第２の一次遅れ処理部１２９ｃ２、及びアンチハント部１２９ｄの伝達関数は、以下の式（８）（９）（１０）で表される。Ｔ５ｑは、第１の一次遅れの時定数、Ｔ６は第２の一次遅れの時定数、ならびに、Ｋ２ｑはアンチハントのゲインであり、Ｔ７ｑはアンチハントの時定数である。
［式８］

［式９］

［式１０］

制御量演算部１２６は、遅延成分の補償を行った偏差ΔQwf2を基に、ウィンドファーム出力の無効電力目標値Qwf_refに追従するような無効電力制御量Qwf_rを演算する。無効電力目標値Qwf_refに追従する無効電力制御量Qwf_rは、比例ゲインKPq1と積分ゲインKlq1とするPI制御により求めることができる。この際、無効電力制御量Qwf_rが予め設定されたウィンドファーム無効電力の最小最大±Qwf_limitの範囲内に入るようリミッタを備えている。無効電力の最小最大値±Qwf_limitは、風力発電装置１００（１〜ｎ）の定格の合計値Swf_VAと有効電力目標値Pwf_refから以下の式（１１）で算出される。
［式１１］

以上のような構成の有効電力制御量演算部１２１で算出した有効電力の制御量Pwf_r、及び無効電力制御量演算部１２２で算出した無効電力の制御量Qwf_rは、制御量分配部１３に対して出力される。

（制御量分配部１３について）
制御量分配部１３は、有効電力の制御量Pwf_r及び無効電力の制御量Qwf_rを制御量毎に異なる分配ゲインに基づき分配する。分配した制御量は、各風力発電装置１００（１〜ｎ）に対して伝送される。

制御量分配部１３は、有効電力の制御量Pwf_rをウィンドファームの風力発電装置１００（１〜ｎ）の内、制御量の分配が行える風力発電装置１００（１〜Ｎ）に対してのみ制御量の分配を行う。Ｎは、ウィンドファーム内の風力発電装置１００の数から、制御量の分配を行えない風力発電装置１００の数を引いた値である。図５に示す様に、制御量分配部１３には、有効電力の制御量Pwf_r、分配可能な風力発電装置の台数Ｎ、各風力発電装置のポテンシャルPw1〜n*、各風力発電装置の有効電力出力Pw1〜n、各風力発電装置１００（１〜ｎ）への分配可否信号が入力する。

制御量分配部１３では、有効電力の制御量Pwf_rを分配するための分配ゲインGdp1〜nを設定する。分配ゲインGdp1〜nは、各風力発電装置のポテンシャルPw1〜n*と、各風力発電装置の有効電力出力Pw1〜nとの差分を考慮して算出され、分配ゲインGdp1〜nは、余裕のある風力発電装置への分配ゲインを上げ、一方、余裕のない風力発電装置の分配ゲインを下げる。分配ゲインGdp1〜nの合計は、分配可能な風力発電装置の数Ｎとなる。分配対象外の風力発電装置の、有効電力の制御量は０とする。

また、図６に示す様に、制御量分配部１３は、無効電力の制御量Qwf_rの分配する分配ゲインGdq1〜nを設定するために、有効電力の制御量Qwf_r、分配可能な風力発電装置の台数Ｎ、各風力発電装置の定格容量Sw_r1〜n、各風力発電装置の無効電力出力Qw1〜n、各風力発電装置の有効電力出力Pw1〜n、各風力発電装置１００（１〜ｎ）への分配可否信号が入力する。

分配ゲインGdq1〜nは、各風力発電装置の定格容量Swr1〜nと、皮相電力Swr1〜nとの差分を考慮して算出される。分配ゲインGdq1〜nは、無効電力出力に余裕がある風力発電装置への分配ゲインを上げ、一方、余裕のない風力発電装置の分配ゲインを下げる。各風力発電装置の皮相電力Swr1〜nは、各風力発電装置の有効電力の出力Pw1〜nと、無効電力の出力Qw1〜nとから算出する。分配ゲインGdq1〜nの合計は、分配可能な風力発電装置の数Ｎとなるように制御する。分配対象外の風力発電装置の、無効電力の制御量は０とする。

［１−２．作用］
以上のような構成を有する本実施形態のウィンドファームの出力制御装置では、ウィンドファームの出力点で検出した検出データと、制御目標値とに基づいてウィンドファームの全体の制御量を決定する。そして、ウィンドファームの全体の制御量に基づいて、各風力発電装置１００（１〜ｎ）の制御量の演算を行う。ウィンドファームの全体の制御量の演算の際には、制御タイミングの調整を行う。以下では、ウィンドファームの全体の制御量の演算、制御タイミングの調整、制御量の分配に分けて説明する。

（ウィンドファームの全体の制御量の演算について）
ウィンドファームの出力制御装置では、各風力発電装置１００（１〜ｎ）の出力の制御を、ウィンドファーム全体の制御量に基づいて行う。

（１）ウィンドファームの有効電力Pwf_rの制御量の演算
ウィンドファームの有効電力の制御量Pwf_rの演算は、ウィンドファームの有効電力目標値Pwf_refと、ウィンドファームの有効電力Pwfと、ポテンシャルPwf_poとにより行う。図７は、有効電力の制御量Pwf_rの演算の工程を示したフローチャートであり、図８は、有効電力の制御量Pwf_rの演算を行う有効電力制御量演算部１２１の概略図である。

ウィンドファームの全体の有効電力の制御量Pwfの演算においては、初めに有効電力目標値Pwf_refの設定を行う。有効電力目標値Pwf_refは、予め設定された値や、入力部１４や系統運用システム１５からの目標値により設定される(ＳＴＥＰ１０１)。

次に、ウィンドファーム全体の有効電力Pwfを検出する。有効電力Pwfは、供給電力データ検出部５が検出した連系点の有効電力Pwfを使用する（ＳＴＥＰ１０２）。

さらに、ウィンドファームの有効電力Pwfと有効電力目標値Pwf_refとの偏差ΔPwf1に対して、ゲイン調整、遅れ位相補償、一次遅れ処理、アンチハントを行い偏差ΔPwf1に含まれる遅延成分の補償を行う（ＳＴＥＰ１０３）。

遅延成分の補償を行った偏差ΔPwf2に基づいて、ウィンドファーム出力の有効電力目標値Pwf_refに追従するような有効電力制御量Pwf_rを演算する。有効電力目標値Pwf_refに追従する有効電力制御量Pwf_rは、比例ゲインKPp1と積分ゲインKlp1とするPI制御により求めることができる。この際、有効電力制御量Pwf_rが予め設定されたウィンドファーム有効電力出力の最小最大の範囲内に入るようリミッタを備えている。無効電力出力最大は、例えばポテンシャル推定部１１で得たポテンシャルPwf_poを設定する。（ＳＴＥＰ１０４）。

以上の図７の手順に示すように、ウィンドファームの有効電力Pwfと有効電力目標値Pwf_refとから有効電力制御量Pwf_rが演算される。

（２）ウィンドファームの無効電力の制御量Qwf_rの演算
ウィンドファームの無効電力の制御量Qwf_rの演算は、ウィンドファームの無効電力目標値Qwf_refと、ウィンドファームの無効電力Qwfと、無効電力の最小最大値±Qwf_limitとにより行う。図９は、有効電力制御におけるフローチャートであり、図１０は、無効電力の制御量Qwf_rの演算を行う無効電力制御量演算部１２２の概略図である。

ウィンドファームの全体の無効電力の制御量Qwf_rの演算においては、初めに無効電力目標値Qwf_refの設定を行う。無効電力目標値Qwf_refは、予め設定された値や、入力部１４や系統運用システム１５からの目標値により設定される(ＳＴＥＰ１１１)。

次に、ウィンドファーム全体の無効電力Qwfを検出する。無効電力Qwfは、供給電力データ検出部５が検出した連系点の無効電力Qwfを使用する（ＳＴＥＰ１１２）。

さらに、ウィンドファームの無効電力Qwfと無効電力目標値Qwf_refとの偏差ΔQwf1に対して、ゲイン調整、遅れ位相補償、一次遅れ処理、アンチハントを行い偏差Qwf1に含まれる遅延成分の補償を行う（ＳＴＥＰ１１３）。

遅延成分の補償を行った偏差ΔQwf2に基づいて、ウィンドファーム出力の無効電力目標値Qwf_refに追従するような無効電力制御量Qwf_rを演算する。無効電力目標値Qwf_refに追従する無効電力制御量Qwf_rは、比例ゲインKPq1と積分ゲインKlq1とするPI制御により求めることができる。この際、無効電力制御量Qwf_rが予め設定されたウィンドファーム有効電力出力の最小最大の範囲内に入るようリミッタを備えている。無効電力出力最大値±Qwf_limitは、ポテンシャルPwf_poを超えない有効電力目標値Pwf_refとに基づいて算出される。（ＳＴＥＰ１１４）。

以上の図９の手順に示すように、ウィンドファームの無効電力Qwfと無効電力目標値Qwf_refとから無効電力制御量Qwf_rが演算される。

（制御タイミングの調整について）
ウィンドファームの制御量における制御タイミングの調整は、有効電力制御量及び無効電力制御量の演算に合わせて行う。偏差ΔPwf1に含まれる遅延成分及び偏差ΔQwf1に含まれる遅延成分を補償することで、有効電力の制御量Pwf_r、及び無効電力の制御量Qwf_rにおける制御のタイミングの調整を行う。

制御量演算部１２の各制御部は、風により時々刻々と変動する各風力発電装置１００（１〜１００）の出力可能なポテンシャルの合計を超えないようウィンドファームの制御量の演算している。制御量演算部１２での制御量の演算に必要なデータは、連結点に設けられた供給電力データ検出部５から制御量演算部１２に伝送されている。これらのデータを伝送する際には、伝送遅れが生じる。また、制御量演算部１２での制御量を演算することで発生する遅延も含まれる。

制御タイミング調整部１２３，１２４では、制御量の演算結果に含まれる伝送遅れや、演算の際に生じた遅延の分の補償を行い、制御タイミングの調整を行う。これにより、制御量に基づく制御を、演算時に想定したタイミングで行う。

図１１は、有効電力の制御量を演算する場合の制御タイミング調整の工程を示すフローチャートである。遅延成分の補償は、初めに、ウィンドファームの有効電力Pwfと有効電力目標値Pwf_refとの偏差ΔPwfを算出する（ＳＴＥＰ１２１）。そして、算出した偏差ΔPwfのゲインの調整を行う（ＳＴＥＰ１２２）。

ゲインを行った偏差ΔPwf1の遅れ位相の補償を行う。この位相遅れ補償は、位相遅れの原因が２つ考えられる場合には、それぞれの要因による位相遅れを補償する時定数を有する伝達関数を用いて補償を行う（ＳＴＥＰ１２３）。

次に、位相の補償を行った偏差ΔPwf1の一次遅れ処理を行う（ＳＴＥＰ１２４）。一次遅れ処理も、一次遅れ要素が２つ考えられる場合には、それぞれの一次遅れ要素に対応する時定数を有する伝達関数を用いて補償を行う（ＳＴＥＰ１２５，１２６）。そして、一次遅れ処理を行った偏差ΔPwfにおける系統間の相互作用による振動を行う（ＳＴＥＰ１２７）。そして、アンチハントを行った偏差ΔPwfにおける振動の影響が一定範囲内か判定する（ＳＴＥＰ１２７）。一定範囲内であれば、偏差ΔPwf1の遅延成分の補償を終了する。一定範囲外であれば、ゲイン調整、遅れ位相補償、一次遅れ処理、アンチハントの伝達関数を調整し、再度、偏差ΔPwf1の遅延成分の補償を行う。

以上の図１１の手順に示すように、ウィンドファームの有効電力Pwfと有効電力目標値Pwf_refとの偏差ΔPwf1における遅延成分を除去することで、制御量Pwf_rの制御タイミングの調整を行う。

以上では、有効電力の制御量Pwf_rの制御タイミングの調整について説明したが、無効電力の制御量Qwf_rの制御タイミングの調整も、偏差ΔQwf1における遅延成分を補償するゲインや伝達関数を使用することで、同様の手順で行うことができる。

（制御量の分配について）
本実施形態のウィンドファームの出力制御装置では、制御タイミングの調整を行った電力制御量Pwf_r、及びQwf_rを、各風力発電装置１００（１〜ｎ）に分配することで、各風力発電装置１００（１〜ｎ）における制御量Pref_1〜n及びQref_1〜nを決定する。制御量の分配は、電力制御量Pwf_r、及びQwf_rに対して、それぞれ異なる分配ゲインを算出し、その分配ゲインに基づいて決定する。

（１）ウィンドファームの有効電力の制御量Pwf_rの分配について
図１２を用いて本実施形態における制御量分配部１３の動作を説明する。制御量分配部１３は、制御量演算部１２で決定した有効電力の制御量Pwf_rを、各風力発電装置１００（１〜ｎ）に分配するための分配ゲインGdp1〜nを決定する。分配ゲインGdp1〜nは、各風力発電装置１００（１〜ｎ）の発電量の余力に基づいて決定する。制御量分配部１３では、決定した分配ゲインGdp1〜nに基づいて、風力発電装置１００（１〜ｎ）毎の制御量Pref_1〜nを調整し、その制御量Pref_1〜nを制御配線２を介して各風力発電装置１００に対して出力する。各風力発電装置１００では、制御量Pref_1〜nに基づいて発電を行う。

制御量分配部１３での分配の手順は、次の通りである。
各風力発電装置１００（１〜ｎ）における発電装置データ検出部１０８の検出値（Pinv1,…,Pinvn，β1,…,βn，Δω1,…,Δωn）から推定して得た各風力発電装置１００のポテンシャルPw1*〜Pw n*と各風力発電装置１００（１〜ｎ）の有効電力値（Pw１,…,Pwn）との差を求める。瞬動予備力についても考慮する場合は、さらに瞬動予備力を差し引く。

風力発電装置１００のなかで、差分が大きな風力発電装置１００（１〜ｎ）について、制御量分配部１３は、有効電力出力を増やす指令を送信する。この出力は、予め設定された加速ゲインKdpに基づく。分配ゲインの合計（Gdp1+Gdp2+・・・+Gdpn）はnになるように制御する。ｎは、風力発電装置の数である。Tdpは制御周期、ΔGdp_minとΔGdp_maxは、分配ゲインの上下限制約である。ここで、Kdpは分配する大きさを調整する係数である。ΔGdp_maxは最大分配ゲインとΔGdp_minは最小分配ゲインは、各風力発電装置１００へ与える分配ゲインがある一定以上大きくなったり、小さくなったりしすぎないように設定する。

具体的には、次のような処理を行う。
(1)風力発電装置１００のポテンシャルPw1*〜Pw n*から各風力発電装置１００の出力の有効電力値（Pw１,…,Pwn）を差し引き、さらに瞬動予備力を差し引き、各風力発電装置１００の出力余力を求める。
(2)制御周期ごとに各風力発電装置１００の余力の積分を全て合計し、ウィンドファーム内の風力発電装置１００の台数ｎで除した結果を、各風力発電装置１００の余力から差し引くことで、余力の大きな風力発電装置１００へ多くの制御量を負担させるゲインを決定する。
(3)この結果を(1)に加えて分配ゲインGdp1〜nとする。このとき、分配ゲインGdp1〜nの合計は、風力発電装置１００の全台数ｎとなる。
(4)なお、ΔGdp_maxとΔGdp_minに制約されたとき、分配ゲインがｎとなるようにするために、１を加えるステップ(3)の前にステップ(2)の結果を差し引いておく。

制御量分配部１３では、決定した分配ゲインGdp1〜nと、制御量演算部１２で決定した制御量Pwf_rに基づいて、各風力発電装置１００（１〜ｎ）の制御量Pref_1〜nを決定する。各風力発電装置１００（１〜ｎ）は、分配された制御量Pref_1〜nに基づき、ピッチ角制御部１０６と交直変換器制御部１０７によって出力を制御する。ピッチ角制御部１０６では、風力発電装置１００のブレード部１０１のピッチ角を変化させることによって風のエネルギーを逃がし、有効電力出力を変化させる。交直変換器制御部１０７では発電装置の出力をコンバータ部１０４でいったん直流へ変換し、インバータ部１０５で有効電力出力と無効電力出力を制御する。

（２）ウィンドファームの無効電力の制御量Qwf_rの分配について
図１３を用いて本実施形態における制御量分配部１３の動作を説明する。制御量分配部１３は、制御量演算部１２で決定した無効電力の制御量Qwf_rを、各風力発電装置１００（１〜ｎ）に分配するための分配ゲインGdq1〜nを決定する。分配ゲインGdq1〜nは、各風力発電装置１００（１〜ｎ）の発電量の余力に基づいて決定する。制御量分配部１３では、決定した分配ゲインGdq1〜nに基づいて、風力発電装置１００（１〜ｎ）毎の制御量Qref_1〜nを調整し、その制御量Qref_1〜nを制御配線２を介して各風力発電装置１００に対して出力する。各風力発電装置１００では、制御量Qref_1〜nに基づいて発電を行う。

制御量分配部１３での分配の手順は、次の通りである。
各風力発電装置１００（１〜ｎ）の有効電力検出値（Pw１,…,Pwn）と、無効電力検出値（Qw１,…,Qwn）から出力可能な無効電力を求める。出力可能な無効電力と風力発電装置１００の定格容量（Swr1〜n）との差が大きな風力発電装置１００の無効電力出力指令を予め設定された加速ゲインKdqで増やす。分配ゲインの合計（Gdq1+Gdq2+・・・+Gdqn）はnになるように制御する。Tdqは制御周期、ΔGdq_minとΔGdq_maxは、分配ゲインの上下限制約である。ここで、Kdqは、Kdpと同様に分配する大きさを調整する係数である。ΔGdq_maxは分配ゲインの最大値であり、ΔGdq_minは分配ゲインの最小値である。このΔGdq_maxとΔGdq_minとの間に分配ゲインが収まるように、各風力発電装置１００（１〜ｎ）へ与える分配ゲインGdq1〜nを設定する。

具体的には、
(1)風力発電装置１００（１〜ｎ）の有効電力検出値（Pw１,…,Pwn）と、無効電力検出値（Qw１,…,Qwn）から出力可能な無効電力を求め、風力発電装置１００の定格容量（Swr1〜n）を差し引く。
(2)制御周期ごとに各風力発電装置１００の無効電力の積分を全て合計し、風力発電装置１００の台数で除した結果を各風力発電装置１００の無効電力から差し引くことで、無効電力の小さな風力発電装置１００の無効電力制御量を負担させるゲインを決定する。
(3)この結果を(1)に加えて分配ゲインGdq1〜nとする。このとき、分配ゲインの合計Gdq1〜nは、風力発電装置１００の全台数ｎとなる。
(4)ΔGdq_maxとΔGdq_minに制約されたとき、分配ゲインがｎとなるようにするために、１を加えるステップ(3)の前にステップ(2)の結果を差し引いておく。

以上により、その時の風の状態に応じて各風力発電装置１００が出力可能な範囲で効率よく、ウィンドファーム無効電力出力を目標値に追従させることが可能となる。

［１−３．効果］
以上のような構成及び作用を有する本実施形態によれば、以下のような効果を奏する。
（１）有効電力及び無効電力の制御量の演算結果に含まれるデータの伝送遅れや、演算による遅延成分を補償し、制御タイミングの調整を行うことができる。遅延成分について考慮がされていない制御量に基づいて制御を行うと、伝送遅れで生じた遅延や演算の際に生じた遅延の分、制御タイミングがずれることとなる。その場合、時刻Ｔ１における制御量を制御量Ａ１と算出し、その制御量Ａ１に基づいて時刻Ｔ１に制御を行おうとした場合、実際には時刻Ｔ１で制御を行うことができず、遅延の分遅れた時刻Ｔ２に制御量Ａ１で制御を行うこととなる。

そのため、時刻Ｔ１と時刻Ｔ２で風の条件が異なっている場合は、制御量Ａで制御を行ったとしても適正な制御を行うことができず、制御過多や制御不足が起る。特に、制御量が不足する場合には、制御後の出力値が一定とならずハンチングしたり、許容値を超えるオーバーシュートを起こす可能性もある。

本実施形態によれば、制御量の演算結果に含まれる伝送遅れで生じた遅延や演算の際に生じた遅延の分の補償を行い、制御タイミングの調整を行う。これにより、演算した制御量に基づく制御を、演算時に想定したタイミングで行うことが可能となる。

（２）本実施形態によれば、演算した制御量に基づく制御を、演算時に想定したタイミングで行うことができ、各風力発電装置１００の出力可能な電力を超えない範囲で、ウィンドファームの出力量を、その時の風の状態に応じて各風力発電装置１００が出力可能な範囲で制御量を分配し、ウィンドファーム全体として効率の良い運転が可能となる。

（３）ウィンドファーム有効電力出力を目標値に追従させることによって、風の変動抑制すること、計画運転を行うこと、系統運用システムからの指令を受けて系統周波数調整に寄与することなどの効果がある。

（４）本実施形態では、制御タイミング調整部１２３，１２４において、偏差ΔPwf1及びΔQwf1に対して、ゲイン調整、遅れ位相補償、一次遅れ処理、アンチハントを行うことで遅延成分の補償を行ったが、いずれかの処理のみで遅延成分の補償を行うこともできる。また、ゲイン調整、遅れ位相補償、一次遅れ処理、アンチハントを行う回数についても自由に設定することができる。すなわち、位相の遅れの原因となる要素が複数ある場合には、その数に合わせて遅れ位相補償を行っても良い。これにより、位相遅れの原因となる要素に合わせた遅延成分の補償を行うことが可能となる。

（５）制御タイミング調整部１２３，１２４において、偏差ΔPwf1及びΔQwf1に対して、遅延成分の補償を行ったが、ウィンドファームの有効電力Pwf、及びウィンドファームの有効電力目標値Pwf_refごとに遅延成分の補償をしても良い。これにより、遅延を発生させる要因を限定しやすくさせることができるため、ゲイン調整、遅れ位相補償、一次遅れ処理における伝達関数を設定しやすくすることができる。

（６）本実施形態は、出力制御装置１を制御するコンピュータをプログラムで制御することでも実現できる。この場合のハードウェアやプログラムの実現態様は各種変更可能である。例えば、出力制御装置１には、プログラムを記憶するための記憶部を備え、その記憶部にアプリケーションプログラム（以下、単に、アプリと呼ぶ）をインストールすることを可能とする。このアプリにより、有効電力の制御量Pwf_r、無効電力の制御量Qwf_rの演算、及び、各制御量に含まれる遅延成分の補償を行う。これらの処理に必要な設定、演算式、パラメータ等は、アプリに含まれ、これらをあらかじめ記憶部に記憶しておく。この記憶部としては、内蔵の若しくはリムーバブルなメモリを使用することができる。また、本実施形態は、上記のようなプログラム、そのようなプログラムを記録したコンピュータ読取可能な記憶媒体としても把握できる。

［２．第２実施形態］
［２−１．構成］
ウィンドファームの出力制御装置の第２実施形態について説明する。第２実施形態は、第１実施形態における有効電力目標値Pwf_ref、及び無効電力目標値Qwf_refの設定方法を変更したものである。本実施形態では、有効電力目標値Pwf_refや有効電力目標値Qwf_refを、風力発電装置１００（１〜ｎ）で検出したデータや、ウィンドファームの連結点で検出したデータに基づいて算出する。図１４は、本実施形態に係るウィンドファームの出力制御装置を示すブロック図である。なお、第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図１４に示す様に、本実施形態の有効電力制御量演算部１２１は、周波数制御部１３０、瞬動予備力保持制御部１３１、出力変化速度保持制御部１３２とを更に備える。

周波数制御部１３０では、ウィンドファーム出力の連結点における周波数の目標値f_refと、ウィンドファーム出力の連結点における周波数fとの周波数の偏差Δｆに基づいて、周波数変動が一定範囲内に収まるようなウィンドファーム出力の有効電力目標値Pwf_ref1を演算する。

瞬動予備力保持制御部１３１は、ウィンドファームの出力の有効電力の目標値Pwf_refに、目標値Psr_refの瞬動予備力を保持させるために必要なウィンドファーム出力の有効電力目標値Pwf_ref2を演算する。

瞬動予備力保持制御部１３２は、周波数制御部１３０で演算した有効電力Pwf_ref1と、瞬動予備力保持制御部１３１で演算した有効電力Pwf_ref2とを加算した有効電力Pwf_ref3における時間Tdの刻みの出力変化速度が、予め設定した範囲±DPT_refを超過しないよう制御を行う。瞬動予備力保持制御部１３２は、出力変化速度を保持した有効電力目標値Pwf_ref3を有効電力制御の目標値Pwf_refとする。

図１３に示す様に、本実施形態の無効電力制御量演算部１２２は、定無効電力制御部１３３、定皮相電力制御部１３４、定力率制御部１３５及び定電圧制御部１３６とを更に備える。無効電力制御量演算部１２２は、無効電力目標値制御量Qwf_refを、定無効電力制御部１３３、定皮相電力制御部１３４及び定力率制御部１３５でのいずれかの演算結果に基づき決定する。

定無効電力制御部１３３は、予め設定された目標値Qwf_ref0を入力し、無効電力の目標値目標値Qwf_ref0とする。

定皮相電力制御部１３４は、有効電力目標値Pwf_refと皮相電力目標値SwfVA_refから、式（１２）によって無効電力目標値Qwf_ref1の算出を行う。
［式１２］

定力率制御部１３５は、有効電力目標値Pwf_refと力率目標値Pf_refとから式（１３）により無効電力目標値Qwf_ref2の算出を行う。
［式１３］

無効電力制御量演算部１２２は、無効電力目標値Qwf_ref0〜2のいずれかを選択し、無効電力目標値Qwf_refとする。

また、定電圧制御部１３６は、連系点におけるウィンドファーム電圧目標値Vwf_refと検出値Vwfとの偏差ΔVwfに基づいて、ウィンドファーム出力の無効電力Qwfが一定範囲に収まるような無効電力目標値Qwf_r1を演算する。

［２−２．作用］
以上のような構成を有する本実施形態のウィンドファームの出力制御装置では、ウィンドファームの出力点で検出した検出データと、風力発電装置１００（１〜ｎ）で検出したデータとに基づいてウィンドファームの全体の制御量を演算する。このウィンドファームの全体の制御量の演算の際には、前記実施形態と同様に、遅延成分の補償を行うことで制御タイミングの調整を行う。以下では、ウィンドファームの全体の制御量の演算について説明する。

（ウィンドファームの全体の制御量の演算について）
（１）ウィンドファームの有効電力の目標値Pwf_refの設定
ウィンドファームの全体の有効電力の目標値Pwf_refは、周波数制御部１３０、瞬動予備力保持制御部１３１、出力変化速度保持制御部１３２での演算結果により設定する。

周波数制御部１３０の動作を説明する。図１５に示す様に、周波数制御部１３０は、ウィンドファーム出力の連結点における周波数の目標値f_refと、ウィンドファーム出力の連結点における周波数fとの周波数の偏差Δｆを算出する。この偏差Δｆに対して、Ａを上限、Ｂを下限とする不感帯を設定する。偏差Δｆが不感帯を超える大きさの場合には、その偏差Δｆと、調定率Kgに基づき、偏差Δｆを解消するのに必要なウィンドファーム出力の有効電力Pwf_ref1を演算する。この調定率Kgは、予め設定された定数である。

偏差Δｆを解消するために必要な有効電力Pwf_ref1の演算には、比例ゲインKfと、積分ゲインKf1を用いたPI制御を用いることができる。また、有効電力Pwf_ref1が、周波数制御の制御上限FC_maxと、周波数制御の制御下限FC_minの間となるように演算する。

瞬動予備力保持制御部１３１の動作を説明する。瞬動予備力保持制御１３１は、ウィンドファーム内の各風力発電装置１００（１〜ｎ）のポテンシャルPw1〜n*を算出し、そのポテンシャルPw1〜n*の和を算出することでウィンドファーム全体のポテンシャルPwf_poを算出する。次に、ウィンドファーム全体のポテンシャルPwf_poから予め設定されたウィンドファームの瞬動予備力Psr_refを差し引き、有効電力目標値Pwf_refを算出する。さらに、有効電力目標値Pwf_refが、予め設定されたウィンドファームの最小最大Pwf_limit_minとPwf_limit_maxとなるように演算する。

出力変化速度保持制御部１３２の動作を説明する。出力変化速度保持制御部１３２は、有効電力Pwf_ref1と、有効電力Pwf_ref2とを加算した有効電力Pwf_ref3より有効電力の目標値Pwf_refの設定を行う。

出力変化速度保持制御部１３２は、有効電力目標値Pwf_ref3の時間Td毎の変化速度を検出する。有効電力目標値Pwf_ref3の時間Tdの刻みの出力変化速度が、予め設定した範囲±DPT_refを超過しないよう制御を行う。出力変化速度保持制御部１３２は、出力変化速度を保持した有効電力目標値Pwf_ref3を有効電力制御の目標値Pwf_refとする。

（２）ウィンドファームの無効電力の目標値Qwf_refの設定
ウィンドファームの全体の無効電力の目標値制御量Qwf_refは、定無効電力制御部１３３、定皮相電力制御部１３４、定力率制御部１３５での演算結果により設定する。

定無効電力制御部１３３の動作を説明する。図１６に示すように、無効電力を一定の値の範囲に制御する場合は、予め設定された目標値Qwf_ref0を無効電力の目標値Qwf_refと設定する。定無効電力制御部１３３における定無効電力制御では、電圧上昇を抑制し電力品質を維持するため、変換器容量制約の範囲内で無効電力一定制御を行う。

定皮相電力制御部１３４において、皮相電力を一定の範囲内に制御する場合は、有効電力目標値Pwf_refと皮相電力目標値SwfVA_refから無効電力目標値Qwf_ref1を算出し、これを無効電力制御の目標値Qwf_refと設定する。定皮相電力制御部１３４における定皮相電力制御では、トランス等の機器寿命確保のため、皮相電力が一定となるように有効電力の変化に応じて無効電力を調整する。

定力率制御部１３５において、定力率制御として力率を一定の範囲内に制御する場合は、有効電力目標値Pwf_refと力率目標値Pf_refから無効電力目標値Qwf_ref2を設定する。定力率制御部１３５における定力率制御では、系統側の力率を改善するため、有効電力の変化に応じて、力率一定となるように無効電力を調整する。

（３）定電圧制御による無効電力制御量Qwf_r1の設定
また、本実施形態では、定電圧制御部１３６により、無効電力制御量Qwf_r1を求め、
目標値制御量Qwf_refとウィンドファームの無効電力のQwfとの差分より求めた無効電力制御量Qwf_rと選択させることもできる。

定電圧制御部１３６では、連系点におけるウィンドファーム電圧目標値Vwf_refと検出値Vwfとの偏差を小さくする制御量の演算を行う。電圧制御部１３６は、ウィンドファーム出力の連結点における電圧目標値Vwf_refと、ウィンドファーム出力の連結点における電圧の検出値Vwfとの偏差ΔVwfを算出する。この偏差偏差ΔVwfに対して、Ａを上限、Ｂを下限とする不感帯を設定する。偏差ΔVwfが不感帯を超える大きさの場合には、その偏差ΔVwfを解消するために必要な必要なウィンドファーム出力の無効電力Qwf_rを演算する。この調定率Kgは、予め設定された定数である。

偏差ΔVwfを解消するために必要な無効電力Qwf_r1の演算には、比例ゲインKPvと、積分ゲインKlv/sを用いたPI制御を用いることができる。また、無効電力Qwf_rが、予め設定されたウィンドファームの出力可能な無効電力の最大値Qwf_limit_maxと、ウィンドファームの出力可能な無効電力の最小値Qwf_limit_minの間となるように演算する。

［２−３．効果］
以上のような構成及び作用を有する本実施形態によれば、第１の実施形態の効果に加えで、以下の様な効果を奏することができる。

（１）ウィンドファームの周波数制御によって、水力・火力発電機と同等に系統周波数調整に寄与することができる。
（２）ウィンドファームは出力変化速度が決められた値よりも大きくならないように受電点の有効電力を制御することが可能となり、各風力発電装置１００の回転数が上限を超過させない、商用系統への連系時に速い変動を流出させない、という効果がある。
（３）ウィンドファームは瞬動予備力を保持し、かつ出力変化速度が決められた値よりも大きくならないように受電点の有効電力を制御することが可能となるため、連系する商用系統で事故等の擾乱が発生した場合に、系統への供給電力を増加できるため、ウィンドファームを系統安定化へ貢献させることができる。
（４）ウィンドファーム無効電力出力を目標値に追従させることによって、定皮相電力制御はトランス等の機器寿命確保、定無効電力制御は電圧上昇を抑制し電力品質の維持、定力率制御は系統側の力率改善、といった効果がある。
（５）可能最大無効電力出力の範囲内で，ウィンドファーム連系点の電圧を一定範囲内に維持することにより、ウィンドファームが連系する商用系統側へ、風の変動による電圧変動の影響を及ぼさないように電力供給を行うことができるという効果がある。

また、本実施形態では、ウィンドファームの有効電力の目標値Pwf_refを設定するために、周波数制御部１３０、瞬動予備力保持制御部１３１、出力変化速度保持制御部１３２を組み合わせて演算を行ったが、この組み合わせはこれに限らない。また、無効電力の目標値Qwf_refを、定無効電力制御部１３３、定皮相電力制御部１３４、定力率制御部１３５での演算結果より選択したが、選択の方法はこれに限らない。すなわち、定無効電力制御部１３３、定皮相電力制御部１３４の演算結果から選択する構成でも、定皮相電力制御部１３４のみの選択結果を無効電力の目標値Qwf_refとする構成でもよい。これにより、ユーザのニーズに合わせた制御を行うことが可能となる。

［３．他の実施形態］
なお、本明細書においては、本発明に係る複数の実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図していない。具体的には、制御量分配部において、有効電力の分配量の制御量と無効電力の制御量を同時に行うことも本発明に包含される。この場合は、ポテンシャル＝有効電力の制御量＋無効電力の制御量として制御を行う。また、ポテンシャル＝有効電力の制御量＋無効電力＋瞬動予備力の制御量としても良い。このような実施形態では、第１，２の実施形態の作用効果を併せ持つことができる。

また、第２実施形態において、周波数制御部１３０、瞬動予備力保持制御部１３１、出力変化速度保持制御部１３２、定無効電力制御部１３３、定皮相電力制御部１３４、定力率制御部１３５、及び電圧制御部１３６においての制御方法について記載したが、他の方法により、有効電力、瞬動予備力、無効電力、電圧の制御を行うことも本発明に包含される。また、出力変化速度の保持方法についても同様である。

以上のような実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…出力制御装置、２…制御配線、３…系統、４…電力配線、５…供給電力データ検出部、１１…ポテンシャル推定部、１２…制御量演算部、１３…制御量分配部、１４…入力部、１５…系統運用システム、１００…風力発電装置、１０１…ブレード部、１０２…タービン部、１０３…発電部、１０５…インバータ部、１０６…ピッチ角制御部、１０８…発電装置データ検出部、１０９…昇圧変圧器、１２１…有効電力制御量演算部、１２２…無効電力制御量演算部、１２３…制御タイミング調整部、１２４…制御タイミング調整部、１２５…制御量演算部、１２６…制御量演算部、１２７ａ…ゲイン調整部、１２７ｂ１…第１の遅れ位相補償部、１２７ｂ２…第２の遅れ位相補償部、１２７ｃ１…第１の一次遅れ処理部、１２７ｃ２…第２の一次遅れ処理部、１２７ｄ…アンチハント部、１２９ａ…ゲイン調整部、１２９ｂ１…第１の遅れ位相補償部、１２９ｂ２…第２の遅れ位相補償部、１２９ｃ１…第１の一次遅れ処理部、１２９ｃ２…第２の一次遅れ処理部、１２９ｄ…アンチハント部、１３０…周波数制御部、１３１…瞬動予備力保持制御部、１３２…出力変化速度保持制御部、１３２…瞬動予備力保持制御部、１３３…定無効電力制御部、１３４…定皮相電力制御部、１３５…定力率制御部、１３６…定電圧制御部

Claims (10)

1. 複数の風力発電装置からなるウィンドファームの出力制御装置であって、
   各風力発電装置における出力可能な最大電力量を推定するポテンシャル推定部と、
   前記ポテンシャル推定部で推定した最大電力量に基づいて、前記ウィンドファームの制御量を演算する制御量演算部と、
   前記ウィンドファームの制御量の制御タイミングの調整を行う制御タイミング調整部と、
   制御タイミングの調整を行った制御量を各風力発電装置の発電量の余力に基づいて分配する制御量の制御量分配部と、
   を備えることを特徴とするウィンドファームの出力制御装置。
2. 前記制御量演算部は、電力目標値と前記ウィンドファームから出力される電力量との偏差と、前記最大電力量とを基に前記制御量を演算し、
   前記制御タイミング調整部は、前記偏差に含まれる遅延成分の補償を行うことを特徴とする請求項１に記載のウィンドファームの出力制御装置。
3. 前記制御タイミング調整部は、遅れ位相補償部を備えることを特徴とする請求項２に記載のウィンドファームの出力制御装置。
4. 前記制御タイミング調整部は、ゲイン調整部を備えることを特徴とする請求項２に記載のウィンドファームの出力制御装置。
5. 前記制御タイミング調整部は、一次遅れ処理部を備えることを特徴とする請求項２に記載のウィンドファームの出力制御装置。
6. 前記制御タイミング調整部は、アンチハント部を備えることを特徴とする請求項２に記載のウィンドファームの出力制御装置。
7. 前記制御量演算部は、
   あらかじめ設定された周波数目標値と、前記ウィンドファームから出力における周波数との偏差に基づき制御量を演算する周波数制御部と、
   あらかじめ設定された瞬動保持力の目標値と、ウィンドファームの出力可能発電力との偏差に基づき制御量を演算する瞬動保持力制御部と、
   前記周波数制御部で演算した制御量と、前記瞬動保持力制御部で演算した制御量を合算した制御量における変化速度が一定以内となるように制御を行う出力変化速度保持制御部とを備え、
   前記出力変化速度保持制御部により制御を行った制御量を、前記有効電力の目標値とすることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載のウィンドファームの出力制御装置。
8. 前記制御量演算部は、
   あらかじめ設定された無効電力の目標値を前記電力目標値とする定無効電力制御部と、
   前記ウィンドファームにおける有効電力の目標値と、前記各風力発電装置の定格とから前記電力目標値を演算する皮相電力制御部と、
   あらかじめ設定された力率目標値と、前記ウィンドファームにおける有効電力の目標値とから前記電力目標値を演算する定力率制御部と、
   のいずれか１つを備えることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載のウィンドファームの出力制御装置。
9. 複数の風力発電装置からなるウィンドファームの出力制御方法であって、
   各風力発電装置における出力可能な最大電力量を推定するポテンシャル推定処理と、
   前記ポテンシャル推定処理で推定した最大電力量に基づいて、前記ウィンドファームの制御量を演算する制御量演算処理と、
   前記ウィンドファームの制御量の制御タイミングの調整を行う制御タイミング調整処理と、
   制御タイミングの調整を行った制御量を各風力発電装置の発電量の余力に基づいて分配する制御量の制御量分配処理と、
   を含むことを特徴とするウィンドファームの出力制御方法。
10. 複数の風力発電装置からなるウィンドファームの出力制御装置をコンピュータにより制御する制御プログラムであって、
    前記コンピュータに、
    各風力発電装置における出力可能な最大電力量を推定するポテンシャル推定処理と、
    前記ポテンシャル推定処理で推定した最大電力量に基づいて、前記ウィンドファームの制御量を演算する制御量演算処理と、
    前記ウィンドファームの制御量の制御タイミングの調整を行う制御タイミング調整処理と、
    制御タイミングの調整を行った制御量を各風力発電装置の発電量の余力に基づいて分配する制御量の制御量分配処理と、
    を実行させることを特徴とする制御プログラム。
    
    

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