JP2017057787A - 風力発電システム及び風力発電制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ピッチ制御の追従遅れに起因する発電機の速度制御遅れを低減する。【解決手段】風車に連結された発電機に発生させるトルクを制御し、電力系統に電力を供給する電力変換装置６と、風車が有するブレードのピッチを制御するブレードピッチ制御器７と、風車コントローラ８と、を有する風力発電システムである。風車コントローラ８は、発電機の制御トルクを発生させる発電機トルク指令Ｔ*を演算する発電機出力トルク演算器９と、ブレードのピッチを制御するためのピッチ角度指令β*を演算するピッチ角度演算器１０と、ピッチ角度指令β*と風車で検出されたピッチ角度検出値βdetに基づいて補償トルクＴｃを演算するトルク補償演算器１１と、を有する。風車コントローラ８は、発電機トルク指令Ｔ*に補償トルクＴｃが加算された補償後トルク指令（Ｔ*＋Ｔｃ）を電力変換装置６に出力する。【選択図】図２

Description

本発明は、風力発電システムに関する。特に、風力発電システムにおける発電制御技術に関する。

図３に示すように、一般的に、風力発電システム１３は、風車２の回転エネルギーを電力エネルギーに変換する発電機３と、風のエネルギーを回転エネルギーに変換する複数のブレード４と、発電機３に発生させるトルクを制御するとともに、電力系統５に電力を供給する電力変換装置６と、ブレード４のピッチを制御するブレードピッチ制御器７と、風車２の制御を統括して行う風車コントローラ１４と、を備える。

図４に示すように、風車コントローラ１４は、発電機出力トルク演算器９と、ピッチ角度演算器１０と、を備える。そして、発電機出力トルク演算器９により算出された発電機トルク指令Ｔ^*に基づいて電力変換装置６が制御される。また、ピッチ角度演算器１０により算出されたピッチ角度指令β^*に基づいてブレードピッチ制御器７がブレード４のピッチを制御し、風車２の回転速度が制御される。

発電機出力トルク演算器９は、例えば、風速と風車回転速度（すなわち、発電機回転速度）から発電機トルク指令Ｔ^*を演算し、発電機トルク指令Ｔ^*を電力変換装置６に出力する。発電機トルク指令Ｔ^*の演算に関しては様々な手法が提案されている。例えば、発電機出力トルク演算器９にはデータテーブルとして風速及び風車回転速度と発電機トルク指令Ｔ^*との関係が記憶されており、このデータテーブルに基づいて風速及び風車回転速度から一様に発電機トルク指令Ｔ^*が決定される（例えば、特許文献１，２）。具体的には、図５に示すような、入力（風速に相当）毎に発電機３の回転数と発電機トルクとの関係を示したグラフを発電機出力トルク演算器９内で予めデータテーブル化しておき、このデータテーブルに基づいて発電機トルク指令Ｔ^*が演算される。

ピッチ角度演算器１０は、風車回転速度指令と風車回転速度からピッチ角度指令β^*を演算し、ピッチ角度指令β^*をブレードピッチ制御器７に出力する。ピッチ角度指令β^*の演算に関しては様々な手法が提案されている。例えば、ピッチ角度演算器１０では、風車回転速度指令と風車回転速度（実績）の差分の偏差を０にするようなＰＩ制御（比例−積分制御）またはＰＩＤ制御（比例−積分−微分制御）を用いてピッチ角度指令β^*が演算される（例えば、特許文献３）。

特開２００６−０１４３９６号公報 特開２００５−０４２６０３号公報 特開２００５−１５５５０９号公報

しかしながら、いかに高度な方法で発電機トルク指令やピッチ角度指令を演算しても、発電機のトルク応答やピッチ角度応答が悪ければ、風力発電システムの性能向上に寄与しない。

発電機のトルク応答は、風速の変化に対して十分早いため問題となることは少ないが、ピッチ角度応答は、風速に対して応答速度が十分でないため、急激な風速の変化があった場合に、ピッチ制御が間に合わないおそれがある。つまり、ピッチ制御の遅れにより、風車の速度が所望の値に制御できず、不安定な運転状態となるおそれがある。

そこで、本発明は、風力発電システムにおけるピッチ制御の追従遅れに起因する発電機の速度制御遅れを低減することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の風力発電システムは、風車と、前記風車に連結された発電機と、前記発電機に発生させるトルクを制御し、電力系統に電力を供給する電力変換装置と、前記風車が有するブレードのピッチを制御するブレードピッチ制御部と、前記電力変換装置及び前記ブレードピッチ制御部を制御する風車制御部と、を有し、前記風車制御部は、前記風車の回転速度と風速に基づいて、前記発電機に制御トルクを発生させるトルク指令を演算する発電機出力トルク演算部と、前記風車の回転速度と前記風車に予め定められた風車回転速度指令に基づいて、前記ブレードのピッチを制御するためのピッチ角度指令を演算するピッチ角度演算部と、前記ピッチ角度指令と前記風車で検出されたピッチ角度に基づいて補償トルクを演算するトルク補償演算部と、前記トルク指令に前記補償トルクを加算し、当該補償トルクが加算された補償後トルク指令を前記電力変換装置に出力する加算部と、を有することを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の風力発電制御方法は、風車に連結された発電機と、前記発電機に発生させるトルクを制御し、電力系統に電力を供給する電力変換装置と、前記風車が有するブレードのピッチを制御するブレードピッチ制御部と、を有する風力発電システムにおける風力発電制御方法であって、前記風車の回転速度と風速に基づいて、前記発電機に制御トルクを発生させるトルク指令を演算する工程と、前記風車の回転速度と前記風車に予め定められた風車回転速度指令に基づいて、前記ブレードのピッチを制御するためのピッチ角度指令を演算する工程と、前記ピッチ角度指令と前記風車で検出されたピッチ角度に基づいて補償トルクを演算する工程と、前記トルク指令に前記補償トルクを加算した補償後トルク指令を前記電力変換装置に出力する工程と、を有することを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の風力発電制御装置は、風車に連結された発電機に発生させるトルクを制御し、電力系統に電力を供給する電力変換装置と、前記風車が有するブレードのピッチを制御するブレードピッチ制御部と、前記電力変換装置及び前記ブレードピッチ制御部を制御する風車制御部と、を有する風力発電制御装置であって、前記風車制御部は、前記風車の回転速度と風速に基づいて、前記発電機に制御トルクを発生させるトルク指令を演算する発電機出力トルク演算部と、前記風車の回転速度と前記風車に予め定められた風車回転速度指令に基づいて、前記ブレードのピッチを制御するためのピッチ角度指令を演算するピッチ角度演算部と、前記ピッチ角度指令と前記風車で検出されたピッチ角度に基づいて補償トルクを演算するトルク補償演算部と、前記トルク指令に前記補償トルクを加算し、当該補償トルクが加算された補償後トルク指令を前記電力変換装置に出力する加算部と、を有することを特徴としている。

以上の発明によれば、ピッチ制御の追従遅れに起因する発電機の速度制御遅れを低減することができる。

本発明の実施形態に係る風力発電システムの構成を示す概略図である。 本発明の実施形態に係る風車コントローラのブロック図である。 従来技術に係る風力発電システムの構成を示す概略図である。 従来技術に係る風車コントローラのブロック図である。 発電機の回転数−トルク特性の関係を示す特性図である。

本発明の実施形態に係る風力発電システム及び風力発電制御方法並びに風力発電制御装置について、図面を参照して詳細に説明する。なお、実施形態の説明では、本発明の好ましい態様を示して説明するが、本発明は実施形態に限定されるものではなく、発明の特徴を損なわない範囲において適宜設計変更が可能である。また、実施形態の説明では、図３，４に示した従来技術に係る風力発電システム１３と同様の構成については、同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る風力発電システム１は、風車２の回転エネルギーを電力エネルギーに変換する発電機３と、風のエネルギーを回転エネルギーに変換する複数のブレード４と、発電機３に発生させるトルクを制御するとともに、電力系統５に電力を供給する電力変換装置６と、ブレード４のピッチを制御するブレードピッチ制御器７と、風車２の制御を統括して行う風車コントローラ８と、を備える。

電力変換装置６は、例えば、図示省略の発電機側コンバータ及び電力系統側コンバータを備える。風車２の回転に応じて発電機３から出力される交流電力は、発電機側コンバータで直流電力に変換された後、電力系統側コンバータにより商用周波数の交流電力に変換されて電力系統５に供給される。

ブレードピッチ制御器７は、後に詳細に説明するピッチ角度指令β^*にしたがって、ブレード４毎に設けられるピッチ操作手段（図示せず）を介して、ブレード４のピッチ角度を制御する。

図２に示すように、風車コントローラ８は、発電機出力トルク演算器９と、ピッチ角度演算器１０と、トルク補償演算器１１と、を備える。

発電機出力トルク演算器９は、例えば、風速と風車回転速度（すなわち、発電機３の回転速度）から発電機トルク指令Ｔ^*を演算する。発電機トルク指令Ｔ^*は、加算器１２に出力される。加算器１２では、発電機トルク指令Ｔ^*に後に詳細に説明する補償トルクＴｃが加算され、補償トルクＴｃが加算された補償後トルク指令（Ｔ^*＋Ｔｃ）が、電力変換装置６に出力される。電力変換装置６の発電機側コンバータは、発電機トルク指令（Ｔ^*＋Ｔｃ）に基づいて発電機３に発生するトルクを制御する。

ピッチ角度演算器１０は、風車回転速度指令と風車回転速度（すなわち、発電機３の回転速度）からピッチ角度指令β^*を演算する。風車回転速度指令は、一定の定格出力が得られるように予め定められた風車２の目標回転数である。ピッチ角度指令β^*は、ブレードピッチ制御器７に出力される。ブレードピッチ制御器７は、ピッチ角度指令β^*にしたがってブレード４のピッチを制御する。

トルク補償演算器１１は、ピッチ角度演算器１０で演算されたピッチ角度指令β^*と、風車２で検出されたブレード４のピッチ角度検出値β_detと、風速からピッチ制御の追従遅れに起因して発生する補償トルクＴｃを演算する。補償トルクＴｃは、加算器１２に出力される。

補償トルクＴｃは、ピッチ角度指令β^*のピッチ角度で風車２に発生するトルクと、風車２で検出されたピッチ角度検出値β_detで風車２に発生するトルクとの偏差に基づいて演算される。

例えば、風車２に発生するトルクは、（１）式により求めることができる。
風車２に発生するトルク＝Ｃｔ（λ，β）ρＶ²πＲ³／２ …（１）
Ｃｔ（λ，β）：風車２のトルク係数
Ｒ：風車２のロータ中心からブレード４先端までの距離
λ：周速比
β：ブレード４のピッチ角度
ρ：空気密度
Ｖ：風速
したがって、補償トルクＴｃは、ピッチ角度指令β^*とピッチ角度検出値β_detを用いて、（２）式により演算される。
補償トルクＴｃ＝Ｃｔ（λ，β^*）ρＶ²πＲ³／２−Ｃｔ（λ，β_det）ρＶ²πＲ³／２ …（２）
風車２の特性に基づいて定められるＣｔ（λ，β）は、データテーブルとしてトルク補償演算器１１内に予め記憶させておき、展開されたデータテーブルに基づいて補償トルクＴｃが算出される。

［風力発電制御方法］
本発明の実施形態に係る風力発電システム（及び風力発電制御装置）の風力発電制御方法について、詳細に説明する。なお、本発明の実施形態に係る風力発電制御装置は、発電機３を制御する装置であって、少なくとも、電力変換装置６、ブレードピッチ制御器７、風車コントローラ８、を含むものである。

まず、発電機出力トルク演算器９に風速及び風車回転速度（若しくは、発電機３の回転速度）が入力され、発電機トルク指令Ｔ^*が演算される。また、ピッチ角度演算器１０に、風車回転速度指令と風車回転速度（若しくは、発電機３の回転速度）が入力され、ピッチ角度指令β^*が演算される。

ピッチ角度指令β^*はブレードピッチ制御器７に出力される。そして、ブレードピッチ制御器７は、ピッチ角度指令β^*に基づいてブレード４のピッチを制御する。

トルク補償演算器１１には、ピッチ角度指令β^*とピッチ角度検出値β_detが入力され、ピッチ制御の遅れを補償する補償トルクＴｃが演算される。補償トルクＴｃは、加算器１２に出力される。

加算器１２では、発電機出力トルク演算器９から出力された発電機トルク指令Ｔ^*に補償トルクＴｃが加算される。発電機トルク指令Ｔ^*に補償トルクＴｃが加算された補償後トルク指令（Ｔ^*＋Ｔｃ）は、電力変換装置６に出力される。電力変換装置６は、ピッチ角度の追従遅れが補償されたトルクを制御することで、所望のトルクを発電機３に出力させる。

以上のような本発明の実施形態に係る風力発電システム１及び風力発電制御方法によれば、ピッチ制御の遅れにより発生する風車２の負荷トルク偏差を、発電機３の出力トルクに補償量として加えることにより、ピッチ制御の遅れに関する影響を、風力発電システム１の速度制御系から排除することができる。その結果、ピッチ制御の追従遅れに起因する発電機３の速度制御遅れをなくすことが可能となり、風力発電システム１の速度制御の精度が向上し、風力発電システム１をより安定運転させることができる。

つまり、ピッチ角度に偏差が発生することによる風車２の速度応答低下は、風車２にかかる負荷トルクと発電機トルク指令Ｔ^*との間に偏差が発生することにより引き起こされる。そこで、ピッチ制御の遅れにより発生する風車２の負荷トルク偏差を演算し、この偏差を発電機トルク指令Ｔ^*に加算することで、ピッチ制御の応答遅れによる影響を排除することができる。

１…風力発電システム
２…風車
３…発電機
４…ブレード
５…電力系統
６…電力変換装置
７…ブレードピッチ制御器
８…風車コントローラ（風車制御部）
９…発電機出力トルク演算器
１０…ピッチ角度演算器
１１…トルク補償演算器
１２…加算器
Ｔ^*…発電機トルク指令
Ｔｃ…補償トルク
β^*…ピッチ角度指令
β_det…ピッチ角度検出値

Claims (5)

1. 風車と、
   前記風車に連結された発電機と、
   前記発電機に発生させるトルクを制御し、電力系統に電力を供給する電力変換装置と、
   前記風車が有するブレードのピッチを制御するブレードピッチ制御部と、
   前記電力変換装置及び前記ブレードピッチ制御部を制御する風車制御部と、を有し、
   前記風車制御部は、
   前記風車の回転速度と風速に基づいて、前記発電機に制御トルクを発生させるトルク指令を演算する発電機出力トルク演算部と、
   前記風車の回転速度と前記風車に予め定められた風車回転速度指令に基づいて、前記ブレードのピッチを制御するためのピッチ角度指令を演算するピッチ角度演算部と、
   前記ピッチ角度指令と前記風車で検出されたピッチ角度に基づいて補償トルクを演算するトルク補償演算部と、
   前記トルク指令に前記補償トルクを加算し、当該補償トルクが加算された補償後トルク指令を前記電力変換装置に出力する加算部と、を有する
   ことを特徴とする風力発電システム。
2. 前記補償トルクは、前記風車のトルク係数Ｃｔ（λ，β）、空気密度ρ、風速Ｖ、前記風車のロータ中心からブレード先端までの距離Ｒ、周速比λ、前記ピッチ角度演算部で演算されたピッチ角度β^*、前記風車で検出されたピッチ角度検出値β_det、を用いて表される下記の関係式
   補償トルク＝Ｃｔ（λ，β^*）ρＶ²πＲ³／２−Ｃｔ（λ，β_det）ρＶ²πＲ³／２
   に基づいて演算される
   ことを特徴とする請求項１に記載の風力発電システム。
3. 前記トルク補償演算部は、前記関係式におけるＣｔ（λ，β）の関係を展開したデータテーブルを有する
   ことを特徴とする請求項２に記載の風力発電システム。
4. 風車に連結された発電機と、前記発電機に発生させるトルクを制御し、電力系統に電力を供給する電力変換装置と、前記風車が有するブレードのピッチを制御するブレードピッチ制御部と、を有する風力発電システムにおける風力発電制御方法であって、
   前記風車の回転速度と風速に基づいて、前記発電機に制御トルクを発生させるトルク指令を演算する工程と、
   前記風車の回転速度と前記風車に予め定められた風車回転速度指令に基づいて、前記ブレードのピッチを制御するためのピッチ角度指令を演算する工程と、
   前記ピッチ角度指令と前記風車で検出されたピッチ角度に基づいて補償トルクを演算する工程と、
   前記トルク指令に前記補償トルクを加算した補償後トルク指令を前記電力変換装置に出力する工程と、を有する
   ことを特徴とする風力発電制御方法。
5. 風車に連結された発電機に発生させるトルクを制御し、電力系統に電力を供給する電力変換装置と、前記風車が有するブレードのピッチを制御するブレードピッチ制御部と、前記電力変換装置及び前記ブレードピッチ制御部を制御する風車制御部と、を有する風力発電制御装置であって、
   前記風車制御部は、
   前記風車の回転速度と風速に基づいて、前記発電機に制御トルクを発生させるトルク指令を演算する発電機出力トルク演算部と、
   前記風車の回転速度と前記風車に予め定められた風車回転速度指令に基づいて、前記ブレードのピッチを制御するためのピッチ角度指令を演算するピッチ角度演算部と、
   前記ピッチ角度指令と前記風車で検出されたピッチ角度に基づいて補償トルクを演算するトルク補償演算部と、
   前記トルク指令に前記補償トルクを加算し、当該補償トルクが加算された補償後トルク指令を前記電力変換装置に出力する加算部と、を有する
   ことを特徴とする風力発電制御装置。

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