JP2018007458A - 風力発電設備とその運転方法およびウィンドファーム - Google Patents

風力発電設備とその運転方法およびウィンドファーム Download PDF

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Abstract

【課題】系統異常時の瞬時電圧低下時において、電力変換装置とその上位システムである風車制御盤とのデータ通信による制御遅れを低減し、風力発電システムの運転を安定的に継続可能とした風力発電設備とその運転方法およびウィンドファームを提供する。
【解決手段】風を受けて回転するブレードにより駆動される発電機と、発電機の電気出力を変換して電力系統に連系する電力変換器と、電力変換器を制御する電力変換器制御器と、電力変換器制御器へ電力変換器が与える電気出力の指令値となる有効電力指令値を与える風車制御盤を備えた風力発電設備であって、電力変換器制御器は、風力発電設備が連系する系統電圧が瞬時低下した時、系統電圧の低下量に応じた有効電力指令値に従って電力変換器の電気出力を制御することを特徴とする。
【選択図】図1

Description

本発明は風力発電設備と、その運転方法およびウィンドファームに係り、特に連系系統の電圧低下および復電時の対応に好適な風力発電設備とその運転方法およびウィンドファームに関する。

風力発電設備は、二酸化炭素を発生させない環境に優しい発電方式として近年導入が進んでいる。しかし、落雷等により系統電圧が瞬時低下した時に、風力発電設備が一斉に系統から脱落する事象が過去に起きている。そのため、風力発電設備には、系統異常時の瞬時電圧低下時も運転を継続するFRT(Fault Ride Through)機能をもつことが義務付けられている。

特許文献1には、系統電圧低下時の制御方法として、発電機の出力電力と回転速度、FRTの頻度と、電力変換装置の上位システムである発電機制御システムの出力であるトルク指令値を用いて、電力変換装置内のチョッパおよび抵抗にて消費する電力と発電機のトルクを制御する風力発電用電力変換装置が開示されている。

特開2015−023616号公報

しかし、特許文献1に記載の技術では、電力変換装置は、系統電圧の瞬時低下時も、上位システムの発電機制御システムからトルク指令値を受信することで動作するため、データ通信の遅れが発生し、瞬時電圧低下といった急峻な過渡現象への対応が遅くなるという問題がある。系統異常時の瞬時電圧低下は数ミリ秒オーダでの現象となるため、制御遅れが大きくなり迅速な対応がされない場合は、電力変換装置内部の直流電圧上昇により平滑コンデンサの破損や、風力発電機の回転速度が過大となる事象が発生し、風力発電設備は運転を停止してしまう。

そこで、本発明の目的は、系統異常時の瞬時電圧低下時において、電力変換装置とその上位システムである風車制御盤とのデータ通信による制御遅れを低減し、風力発電システムの運転を安定的に継続可能とした風力発電設備とその運転方法およびウィンドファームを提供することである。

以上のことから本発明においては、風を受けて回転するブレードにより駆動される発電機と、発電機の電気出力を変換して電力系統に連系する電力変換器と、電力変換器を制御する電力変換器制御器と、電力変換器制御器へ電力変換器が与える電気出力の指令値となる有効電力指令値を与える風車制御盤を備えた風力発電設備であって、電力変換器制御器は、風力発電設備が連系する系統電圧が瞬時低下した時、系統電圧の低下量に応じた有効電力指令値に従って電力変換器の電気出力を制御することを特徴とする。

また本発明は、風を受けて回転するブレードにより駆動される発電機と、発電機の電気出力を変換して電力系統に連系する電力変換器とを備えた風力発電設備の運転方法であって、風力発電設備が連系する系統電圧が瞬時低下した時、系統電圧の低下量に応じた有効電力指令値に従って電力変換器の電気出力を制御することを特徴とする風力発電設備の運転方法である。

また本発明は、風を受けて回転するブレードにより駆動される発電機と、発電機の電気出力を変換して電力系統に連系する電力変換器とを備えた風力発電設備の運転方法であって、通常時は、発電機の機械入力に相当する電力変換器の電気出力を与える有効電力指令値により電力変換器を制御するとともに、このときの有効電力指令値は発電機の回転速度の変動を抑制する変動抑制成分を含んでおり、風力発電設備が連系する系統電圧が瞬時低下した時、系統電圧の低下量に応じた有効電力指令値に従って電力変換器の電気出力を制御し、風力発電設備が連系する系統電圧が瞬時低下した後に系統電圧が復旧した時に、時間経過とともに増加する有効電力指令値を電力変換器制御器に与えるとともに、このときの有効電力指令値は、発電機の回転速度の変動を抑制する変動抑制成分を含んでいることを特徴とする風力発電設備の運転方法である。

また本発明は、風力発電設備を複数備えて形成されたウィンドファームであって、ウィンドファームは、風を受けて回転するブレードにより駆動される複数の発電機と、発電機の電気出力を変換して電力系統に連系する1つまたは複数の電力変換器を備えていることを特徴とするウィンドファームである。

本発明によれば、系統異常時の瞬時電圧低下時においても、風力発電設備の電力を高応答で制御でき、風力発電システムの運転を安定的に継続することができる。

本発明の実施例1に係る風力発電設備の構成を示す図。 系統電圧低下発生前後における風力発電設備の有効電力指令値の水位を示す図。 風車制御盤15の回路構成を示す図。 本発明の実施例2に係る風力発電設備の構成を示す図。

以下、本発明の実施例について図面を参照して詳細に説明する。

本発明の実施例1に係る風力発電設備の構成例を図1に示す。図1において、風力発電設備の本体は、ブレード1と発電機2と電力変換装置13により構成されている。また発電機2の出力は、電力変換装置13から昇圧変圧器14を介して電力系統30に連系されている。

電力変換装置13は、電力変換器5と電力変換器制御器6により構成されており、電力変換器5は、発電機側電力変換器3と系統側電力変換器4の間に直流コンデンサ31を配置して構成されている。発電機側電力変換器3では、同期機である発電機2の交流電力を直流電力に変換し、系統側電力変換器4では、発電機側電力変換器3の直流電力を交流電力に変換する。

発電機側電力変換器3および系統側電力変換器4は、電力変換器制御器6が与えるゲートパルス信号により点弧制御される。また電力変換器制御器6には、その上位装置である風車制御盤15から有効電力指令値Prefが与えられており、電力変換器制御器6は有効電力指令値Prefに従ってゲートパルス信号を決定している。なお図1において、12は電力変換器5内の系統電圧検出器、16は発電機の回転速度検出器、25は高速軸ブレーキである。

上記のように構成された風力発電設備において、風車制御盤15は発電機2の回転速度検出器16から回転速度NFBを得て、有効電力指令値Prefを作成し、電力変換器制御器6に与えている。ここで有効電力指令値Prefは、回転速度NFBに応じて可変に変動する値であるが、本発明では電力系統30に事故が発生して電圧が低下し、その後遮断器の開放により電圧が復旧するまでの短時間における挙動を問題としているので、この期間内の有効電力指令値Prefは、回転速度NFBとの関係では一定と考えてよい。本発明では、後述するように、電力変換器制御器6内で生成した信号FFRT、PFBを用いて、電圧低下時の有効電力指令値Prefを強制的に変更して電力変換器制御器6を制御するものである。

次に、電力変換器制御器6の動作について説明する。まず電力変換器制御器6は、系統電圧検出器12により電力変換装置13内の系統電圧VFBを検出して入力する。系統電圧VFBは、電力変換器制御器6内の検出電圧正規化部7にて、昇圧変圧器14の一次側電圧を基準に正規化した値Vpuとして出力される。次いで電圧低下状態判定部8では、この正規化値Vpuが所定の閾値以下であるかを確認し、閾値以下であるときに系統電圧低下状態を示す信号Ffrtを出力する。これにより通常時に系統電圧低下状態信号Ffrtは「0」となり、系統電圧低下時に系統電圧低下状態信号Ffrtは「1」となる。

電力変換器制御器6は、風車制御盤15から送信される有効電力指令値Prefを受信し、有効電力算出部10へ通常発電時の電力指令値として与える。同時に、有効電力指令値Prefは有効電力指令値保存部9へも入力され、有効電力指令値保存部9は今回の有効電力指令値Prefを記憶、保存するとともに、1サンプリング前の有効電力指令値Pref_dを出力する。有効電力指令値保存部9では、系統電圧低下状態信号Ffrtが「0:系統電圧通常時」の場合はこの動作を繰り返し、有効電力指令値Prefを更新するが、系統電圧低下状態信号Ffrtが「1:電圧低下状態」になると有効電力指令値Prefの更新を停止し、系統電圧低下状態信号Ffrtが「0:系統電圧通常時」の場合での最終値を保持する。

乗算器17では、正規化値Vpuと1サンプリング前の有効電力指令値Pref_dの積として、系統電圧の低下量に応じた値Pref_frt(=Pref_d×Vpu)が、系統電圧低下時の有効電力指令値として求められ、出力される。例えば系統電圧低下前のサンプリング時点における電圧に対し、系統電圧低下直後のサンプリング時点における電圧が0.3である場合、Vpuは0.3であり、系統電圧の低下量に応じた値Pref_frtは、Pref_dに対して0.3倍の値となる。

有効電力指令値算出部10では、系統電圧低下状態信号Ffrtの値に応じて、有効電力指令値Pref1を決定する。系統電圧低下状態信号Ffrtが「0:系統電圧通常時」の場合は、Prefを出力する。また、系統電圧低下状態信号Ffrtが「1:電圧低下状態」の場合は、Pref_frtを出力する。

電力、電流制御部11では、有効電力指令値算出部10より出力された有効電力指令値、および図示していない発電機側電力変換器3と系統側電力変換器4にてそれぞれ検出する検出電流値IFBと検出電圧値VFBを用いてゲートパルス信号を算出し、発電機側電力変換器3と系統側電力変換器4の各電力変換器を駆動する。同時に、電力、電流制御部11は検出電流値IFBと検出電圧値VFBを用いて有効電力検出値PFBを算出し、風車制御盤15へ送信する。

図2は、電力変換器制御器6が定める電圧低下前後における有効電力指令値の時間的変動を示している。図2には、上から順に系統電圧V、系統電圧低下状態信号Ffrt、電力変換装器制御器6の有効電力指令値Pref1、電力変換器制御器6の与える有効電力指令値Prefを表している。

この事例では、系統電圧Vは通常時に100%であったものが、時刻t1における系統異常により系統電圧が瞬時低下し、電圧低下期間T1後の時刻t2において遮断器開放などによる事故除去が行われた結果として再度100%電圧に復帰したものとする。このとき、図1内の電圧低下状態判定部8から与えられる系統電圧低下状態信号Ffrtは、時刻t1とt2の間の電圧低下期間T1において「1」となり、その前後の時間帯では「0」となる。電圧低下状態判定部8からの系統電圧低下状態信号FfrtがON(Ffrt=1)となる状態は電圧低下中モードであり、この期間がT1である。

この電圧低下状態では、有効電力指令値算出部10が与える有効電力指令値Pref1は、乗算器17で作成したPref_frtとなっている。つまり、電圧低下の状態を反映した大きさの有効電力指令値とされている。例えば、電圧が通常時の30%に低下したとすると、乗算器17が与える30%相当のPref_frtが、有効電力指令値算出部10が与える有効電力指令値Pref1として、電力、電流制御部11を介して電力変換器5に与えられる。かくして、電力変換器制御器6は、風車制御盤15からの有効電力指令値Prefを使用せずに、電力変換器制御器6内部にて独自に演算した有効電力指令値Pref_frtにより、電力を制御する。そして、上記の有効電力指令値Pref_frtにより制御された有効電力値PFBを風車制御盤15に送信し、風車制御盤15は有効電力指令値Prefに示すようにPFBを有効電力指令値とする。

以上の構成により、系統異常による系統電圧低下時に、電力変換装置13は上位システムの風車制御盤15からの有効電力指令値を使用せずに、電力変換装置内の電力変換器制御器6で独自に系統電圧の低下量に応じた有効電力指令値を演算し、演算した有効電力指令値に従って電力を制御することで風力発電設備の電力を高応答で制御でき、系統異常時も風力発電システムの運転を安定的に継続することが可能となる。

一方、時刻t2における系統電圧Vの復帰後は、図2に示すように系統電圧低下状態信号FfrtがOFF(Ffrt=0)となり、電力変換装置5は風車制御盤15から与えられる有効電力指令値Prefの値に従って電力を制御することになる。

しかし、系統電圧復帰直後は、風力発電機2の有効電力は電圧低下量に応じた値へ低下しているため、有効電力を回復させる状態(復帰モード)が発生する。電力変換装置が制御する電力指令値Prefを出力する風車制御盤15の詳細構成を示した図3を用いて、本復帰モードの動作を説明する。図2では、復帰モードの期間が時刻t2からt3までの期間T2として表示されている。

図3は、風車制御盤15の回路構成を示す図である。図3に示した風車制御盤15の機能は、大別すると通常時に有効電力指令値Prefを定める機能F1と、復帰モードにおける有効電力指令値Prefを定める機能F2とを備えている。

まず、通常時に有効電力指令値Prefを定める機能F1について説明する。風車制御盤15では、回転速度検出器16により検出した発電機2の回転速度NFBを取り込み、回転速度指令演算器18から出力されるNrefとの偏差Nerrorを算出する。算出した偏差Nerrorを用いてPI制御器19にて基準トルク指令値Trefを演算する。また、発電機2の回転速度NFBから振動成分を抽出し、その振動成分を低減するトルク指令値を算出するドライブトレイン振動抑制制御器20にてドライブトレイン振動抑制トルク指令値を演算し、加算部AD1においてPI制御器19にて求めた基準トルク指令値Trefに加算して、通常運転時のトルク指令値Tref_nを算出する。そして乗算器21にて通常運転時のトルク指令値Tref_nとNFBを乗算し、通常運転時の有効電力指令値Pref_nを算出する。

通常時に有効電力指令値Prefを定める機能F1は、これを極簡便に説明すると、風車に対する機械入力に相当する電気出力の目標値を定めたものであり、そのときにドライブトレインの振動抑制成分を電気出力の目標値に加味した信号としたものであるということができる。

これに対し、復帰モードにおける有効電力指令値Prefを定める機能F2は、風車制御盤15の機能の中から通常時に有効電力指令値Prefを定める機能F1を除いた残余の部分である。

復帰モードにおける有効電力指令値Prefを定める機能F2では、復帰モードの有効電力指令値演算部22は、系統電圧低下(Ffrt=1)時に電力変換器制御器6から入手した有効電力指令値PFBを保存する。次に復帰モードの有効電力指令値演算部22は、系統電圧復帰後(Ffrt=0)にPFBを初期値として任意のレートでランプ状に増加させる有効電力指令値Prampを出力する。

他方、ドライブトレイン振動抑制制御器20にて演算されたドライブトレイン振動抑制トルク指令値と発電機回転速度NFBを乗算器23にて乗算している。ランプ状に増加させる有効電力指令値Prampと、乗算器23からの乗算値は加算器AD2において加算され、復帰モード時の有効電力指令値Pref_frtを算出する。

また、有効電力指令算出部24では、系統電圧低下状態信号Ffrt信号の値の変化および、Pref_nとPref_frtの大小比較を行い、有効電力指令値Prefを算出し、通常モード時はPref_nを、復帰モード時は、Pref_frtを、有効電力指令値Prefとして出力する。Pref_frtはドライブトレイン振動抑制トルク指令値と発電機回転速度NFBを乗算器23にて乗算した値が加算された有効電力指令値となるため、復帰モード時も通常モード時と同様に発電機回転速度の変動を抑制することが可能となる。

本発明によれば以上の構成により、電圧低下状態からの復帰後は、ドライブトレイン振動抑制制御を組込んだ有効電力指令値に従って電力を制御することで発電機回転速度の変動を低減することができ、系統復帰後も風力発電システムの運転を安定的に継続することが可能となる。

また本発明によれば、系統異常時の電圧低下中モード、および復帰モードのいずれの場合においても、図1に示す高速軸ブレーキ25は動作せずに、電力変換器制御器6での電力制御および風車制御盤15でのドライブトレイン振動抑制制御により発電機回転速度の変動を低減することが可能となる。

なお高速軸ブレーキ25は、風車制御盤15からの動作指令信号を受信後動作するため、機械的な時定数遅れ(数百ms)が発生する。系統異常時の瞬時電圧低下といった最小100ms程度の事象時に動作すると、発電機回転速度の変動が電力制御により低減された状態では、発電機回転速度が所定の値よりも小さくなり、不安定な回転速度変動を発生させる。

そのため、系統電圧低下時および復帰後は高速軸ブレーキを動作しない本実施例の構成により、系統電圧低下時および復帰後は、発電機回転速度の変動を低減することができ、系統復帰後も風力発電システムの運転を安定的に継続することが可能となる。

次に、本発明の実施例2について、実施例1と異なる点を主体に説明する。実施例1においては、発電機2は同期発電機、電力変換装置5はフルコンバータの構成としたが、実施例2では図4に示すように、発電機2は二次励磁巻線型誘導発電機、電力変換装置5は二次励磁型電力変換装置としている。

実施例2では、二次励磁巻線型誘導発電機26の回転子に与える励磁電流の周波数と大きさを制御するために、電力変換装置5は二次励磁型電力変換装置29に置換されており、回転子の交流電力を直流電力に変換する回転子側電力変換器27と、回転子側電力変換器の直流電力を交流電力に変換する系統側電力変換器28で構成されている。実施例2でも、実施例1と同様に電力変換器5に対して、電力変換器制御器6からゲートパルス信号が出力され、回転子側電力変換器27、系統側電力変換器28は駆動される。

このように、実施例1では、発電機は同期発電機、電力変換装置はフルコンバータの構成にて本発明の効果を示していたが、実施例2のように、発電機は二次励磁巻線型誘導発電機、電力変換装置は二次励磁型電力変換装置の構成においても、実施例1と同様の効果を得ることが可能である。

以上、実施例1、実施例2で説明した風力発電設備は、多くの場合に同一地区に複数台が設置されていわゆるウィンドファームを形成する。この場合に、電力変換装置を個別の発電機ごとに設置する形態と、電力変換装置を複数の発電機に対して共通に設置する形態とが考えられるが、本発明はいずれの場合であっても適用が可能である。

1:ブレード
2:発電機
3:発電機側電力変換器
4:系統側電力変換器
5:電力変換器
6:電力変換器制御器
7:検出電圧正規化部
8:電圧低下状態判定部
9:有効電力指令値保存部
10:有効電力指令値算出部
11:電力、電流制御部
12:系統電圧検出器
13:電力変換装置
14:昇圧変圧器
15:風車制御盤
16:回転速度検出器
17:乗算器
18:回転速度指令演算器
19:PI制御器
20:ドライブトレイン振動抑制制御器
21:乗算器
22:系統電圧復帰モードの有効電力指令値演算部
23:乗算器
24:有効電力指令算出部
25:高速軸ブレーキ
26:発電機
27:回転子側電力変換器
28:系統側電力変換器
29:二次励磁型電力変換装置

Claims (11)

  1. 風を受けて回転するブレードにより駆動される発電機と、該発電機の電気出力を変換して電力系統に連系する電力変換器と、該電力変換器を制御する電力変換器制御器と、該電力変換器制御器へ前記電力変換器が与える電気出力の指令値となる有効電力指令値を与える風車制御盤を備えた風力発電設備であって、
    前記電力変換器制御器は、風力発電設備が連系する系統電圧が瞬時低下した時、前記系統電圧の低下量に応じた有効電力指令値に従って前記電力変換器の電気出力を制御することを特徴とする風力発電設備。
  2. 請求項1に記載の風力発電設備であって、
    前記電力変換器制御器は、前記系統電圧の低下量に応じた有効電力指令値を得るために、前記系統電圧の瞬時低下前に前記風車制御盤が与える有効電力指令値を保存し、前記系統電圧の低下時に、前記系統電圧の低下量と前記有効電力指令値の保存値を用いて演算することを特徴とする風力発電設備。
  3. 請求項1または請求項2に記載の風力発電設備であって、
    前記風車制御盤は、通常時に前記発電機の機械入力に相当する前記有効電力指令値を前記電力変換器制御器に与え、前記電力変換器制御器を介して前記電力変換器の電気出力を制御しているとともに、このときの前記有効電力指令値は、前記発電機の回転速度の変動を抑制する変動抑制成分を含んでいることを特徴とする風力発電設備。
  4. 請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の風力発電設備であって、
    前記風車制御盤は、風力発電設備が連系する系統電圧が瞬時低下した後に系統電圧が復旧した時に、時間経過とともに増加する前記有効電力指令値を前記電力変換器制御器に与え、前記電力変換器制御器を介して前記電力変換器の電気出力を制御するとともに、このときの前記有効電力指令値は、前記発電機の回転速度の変動を抑制する変動抑制成分を含んでいることを特徴とする風力発電設備。
  5. 風を受けて回転するブレードにより駆動される発電機と、該発電機の電気出力を変換して電力系統に連系する電力変換器とを備えた風力発電設備の運転方法であって、
    風力発電設備が連系する系統電圧が瞬時低下した時、前記系統電圧の低下量に応じた有効電力指令値に従って前記電力変換器の電気出力を制御することを特徴とする風力発電設備の運転方法。
  6. 請求項5に記載の風力発電設備の運転方法であって、
    風力発電設備が連系する系統が通常時に、前記発電機の機械入力に相当する前記有効電力指令値により前記電力変換器の電気出力を制御するとともに、このときの前記有効電力指令値は、前記発電機の回転速度の変動を抑制する変動抑制成分を含んでいることを特徴とする風力発電設備の運転方法。
  7. 請求項5または請求項6に記載の風力発電設備の運転方法であって、
    風力発電設備が連系する系統電圧が瞬時低下した後に系統電圧が復旧した時に、時間経過とともに増加する前記有効電力指令値を前記電力変換器制御器に与えるとともに、このときの前記有効電力指令値は、前記発電機の回転速度の変動を抑制する変動抑制成分を含んでいることを特徴とする風力発電設備の運転方法。
  8. 風を受けて回転するブレードにより駆動される発電機と、該発電機の電気出力を変換して電力系統に連系する電力変換器とを備えた風力発電設備の運転方法であって、
    通常時は、前記発電機の機械入力に相当する前記電力変換器の電気出力を与える有効電力指令値により前記電力変換器を制御するとともに、このときの前記有効電力指令値は前記発電機の回転速度の変動を抑制する変動抑制成分を含んでおり、
    風力発電設備が連系する系統電圧が瞬時低下した時、前記系統電圧の低下量に応じた有効電力指令値に従って前記電力変換器の電気出力を制御し、
    風力発電設備が連系する系統電圧が瞬時低下した後に系統電圧が復旧した時に、時間経過とともに増加する前記有効電力指令値を前記電力変換器制御器に与えるとともに、このときの前記有効電力指令値は、前記発電機の回転速度の変動を抑制する変動抑制成分を含んでいることを特徴とする風力発電設備の運転方法。
  9. 請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の風力発電設備を複数備えて形成されたウィンドファームであって、
    ウィンドファームは、風を受けて回転するブレードにより駆動される複数の発電機と、該発電機の電気出力を変換して電力系統に連系する1つまたは複数の電力変換器を備えていることを特徴とするウィンドファーム。
  10. 請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の風力発電設備であって、
    前記電力変換器は、同期機である前記発電機の交流電力を直流電力に変換する発電機側電力変換器と、直流コンデンサと、前記発電機側電力変換器の直流電力を交流電力に変換する系統側電力変換器により構成されていることを特徴とする風力発電設備。
  11. 請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の風力発電設備であって、
    前記電力変換器は、二次励磁巻線型誘導発電機である前記発電機の回転子の交流電力を直流電力に変換する回転子側電力変換器と、直流コンデンサと、前記回転子側電力変換器の直流電力を交流電力に変換する系統側電力変換器で構成されていることを特徴とする風力発電設備。
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