JP2020174418A

JP2020174418A - ウィンドファーム、ウィンドファームコントローラおよびウィンドファーム制御方法

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Publication number: JP2020174418A
Application number: JP2019073465A
Authority: JP
Inventors: 正親中谷; Masachika Nakatani; 順弘楠野; Yoshihiro Kusuno; 智道伊藤; Tomomichi Ito
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2019-04-08
Filing date: 2019-04-08
Publication date: 2020-10-22
Anticipated expiration: 2039-04-08
Also published as: JP7181145B2; TW202037809A; WO2020208957A1; TWI765242B

Abstract

【課題】出力制御可能量を推定する必要がなく、ウィンドファームの出力を所定の出力制御目標量に速やかに近接させることのできるウィンドファーム、ウィンドファームコントローラおよびウィンドファーム制御方法を提供する。【解決手段】ウィンドファーム７は、複数の風力発電システム（９ａ、９ｂ、９ｃ）と、風力発電システムの出力を制御する風車コントローラ９８と、複数の風力発電システムの合計出力を制御するウィンドファームコントローラ７を備え、ウィンドファームコントローラ７は風力発電システム出力Ｐｇｅｎ＿ａ、ｂ、ｃ、及び、複数の風力発電システムの合計出力の上限の指令値であるウィンドファーム出力上限指令値ＰＷＴ＿ｒｅｆから各々の風力発電システムの出力の上限の指令値である出力上限指令値Ｐｌｉｍ＿ａ、ｂ、ｃを決定し、風車コントローラ９８へ出力上限指令値Ｐｌｉｍ＿ａ、ｂ、ｃを送信する。【選択図】図３

Description

本発明は、風のエネルギーを利用して発電する風力発電システムが複数接続されるウィンドファーム、ウィンドファームコントローラおよびウィンドファーム制御方法に関する。

地球温暖化の原因と考えられている二酸化炭素の排出量削減は全世界的な課題である。二酸化炭素の排出量削減の手段の一つとして、ウィンドファーム（集合型風力発電所）の導入が盛んになっている。ウィンドファームは電力系統に連系されて用いられることが多いが、風速の変動により、発電出力が変動し、連系先の電力系統の周波数に悪影響を及ぼすことが懸念される。その対策の一つとして、ウィンドファームの発電出力に上限値または抑制量を設定し、電力系統の周波数変動を抑制する提案がなされている。

例えば、特許文献１には、再生可能エネルギー発電施設（例えば、ウィンドファーム）の出力制御可能量が、出力制御目標量を下回った場合、出力制御可能量の上限に達していない再生可能エネルギー発電設備（例えば、風車）の出力制御量を増加させる方法が開示されている。

特開２０１６−１９３７３号公報

しかしながら、特許文献１の技術に関して、出力制御可能量を推定する必要があるため、その推定精度が低いと、実出力が出力制御目標量に到達できない可能性がある。

本発明の目的は、出力制御可能量を推定する必要がなく、ウィンドファームの出力を所定の出力制御目標量に速やかに近接させることのできるウィンドファーム、ウィンドファームコントローラおよびウィンドファーム制御方法を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、特許請求の範囲の構成を用いるものである。例えば、本発明のウィンドファームは、風のエネルギーを受けて発電する複数の風力発電システムと、複数の風力発電システムのそれぞれの出力である風力発電システム出力をそれぞれ制御する複数の風車コントローラと、風力発電システム出力、及び、複数の風力発電システムの合計出力の上限の指令値であるウィンドファーム出力上限指令値から各々の風力発電システム出力の上限の指令値である出力上限指令値をそれぞれ決定し、複数の風車コントローラの各々へ出力上限指令値を送信するウィンドファームコントローラと、を備える。

本発明によれば、出力制御可能値を推定する必要がなく、ウィンドファームの発電出力を出力制御目標量に速やかに近接させることができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施例１のウィンドファームコントローラを含むウィンドファーム全体構成図である。本発明の実施例１の制御対象とする風力発電システム構成図を示す。本発明の実施例１のウィンドファームコントローラ概略図を示す。本発明の実施例１の出力上限決定部の制御ロジック図を示す。風車で計測する風速から出力可能量を求め、該出力可能量を用いて各風車出力上限指令値を分配する場合のウィンドファーム動作例を示す。本発明の実施例１のウィンドファームコントロ―ラを用いた場合のウィンドファーム動作例を示す。本発明の実施例１のレートリミッタのロジック図を示す。本発明の実施例２のウィンドファームコントローラ概略図を示す。本発明の実施例２の出力上限決定部のロジック図を示す。風力発電システムの運転可能領域の一例を示す。風力発電システム運転テーブルの一例を示す。

発明を実施するための形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。

＜実施例１＞
本発明の実施例１のウィンドファームコントローラを含むウィンドファーム全体像を、図１を用いて説明する。
ウィンドファームは連系点２を介して交流系統（電力系統）１に連系する。ウィンドファームは主変圧器４、埋設ケーブル６、７ａ、７ｂ、風力発電システム９ａ、９ｂ、９ｃにより主回路要素が構成される。本実施例では主変圧器と各風力発電システムをつなぐ送電線を埋設ケーブルとしているが、架空送電線であっても良い。

なお、ウィンドファームを構成する風力発電システムの数は３に限定するものではなく、複数の任意の数でもよい。以下の説明においても同様である。

また、ファーム内送電路には電力検出器３、８ａ、８ｂ、８ｃが備えられ、ウィンドファームコントローラ７、風力発電システム９ａ、９ｂ、９ｃが電力検出器８ａ、８ｂ、８ｃの出力を入力する。ウィンドファームコントローラ７と風力発電システム９ａ、９ｂ、９ｃは通信線５を介して接続され、ウィンドファームコントローラと風力発電システム間の通信を成立させる。ウィンドファームコントローラ７は中央給電指令所１０から送信されるウィンドファーム出力上限指令値ＰＷＴ＿ｒｅｆを受信し、連系点２から交流系統１に出力される有効電力がウィンドファーム出力上限指令値ＰＷＴ＿ｒｅｆ以下となるように、通信線５を介して各風力発電システムへ出力上限指令値Ｐｌｉｍ＿ａ、ｂ、ｃを分配する。ウィンドファーム出力上限指令値ＰＷＴ＿ｒｅｆはウィンドファーム内の風力発電システムの合計出力上限指令値であり、ウィンドファームの出力制御目標量である。

風力発電システム９ａの構成例を図２に示す。風力発電システム９ｂ、９ｃも同様な構成を有する。本実施例の風力発電システム９ａは発電機の発生する電力を全て電力変換器で周波数変換するフルコンバータ方式である。本発明の適用はフルコンバータ方式の風力発電システムに限定されず、たとえば二次励磁式風力発電システムでも適用可能である。

風力発電システム９ａはピッチ角を調整するピッチ制御装置９７ａ、ｂ、ｃを備えるブレードと、上部に備えられて風車近傍の風速を検出する風速センサ９６を備え、ブレードは回転軸９１を介して機械的に発電機９２に接続される。ブレードで得た回転トルクにより発電機９２内の回転子が駆動トルクを得る。発電機９２の固定子には電圧・電流センサ９３を介して電力変換器９４が接続される。

電力変換器９４は、風車コントローラ９８の指令に基づき発電機９２から受け取る電力を制御し、該受電した電力を交流系統１と同じ周波数に変換して変圧器９５を介して系統側に出力する。

風車コントローラ９８は電力検出器８ａ、電圧・電流センサ９３、風速センサ９６、そしてウィンドファームコントロ―ラ７から送信される出力上限指令値Ｐｌｉｍ＿ａをもとに、電力変換器９４の出力電力指令値およびピッチ制御装置９７ａ、ｂ、ｃのピッチ角指令値を算出する。
また、風車コントローラ９８は、風速センサ検出値、発電機９２の端電圧・電流、および系統に出力する電力検出値をもとに、出力上限をＰｌｉｍ＿ａ以下としたＭＰＰＴ制御演算（最大電力点追従制御演算）を実施し、電力変換器９４の出力電力指令値およびピッチ制御装置９７ａ、ｂ、ｃのピッチ角指令値を算出する。出力電力指令値は電力変換器９４へ、ピッチ角指令値はピッチ制御装置９７ａ、ｂ、ｃへ出力される。
電力変換器９４は、与えられた出力電力指令値に追従するよう、発電機９２が出力する交流電圧を制御し、また発電機９２から受け取った電力を交流系統１に同期した交流電力に変換して変圧器９５を介して交流系統１に出力する。
上記制御は、当該分野で多用される技術であるため、本実施例では詳細説明を省略する。

風車コントローラ９８は変圧器９５を介して系統に出力される有効電力Ｐｇｅｎ＿ａ、風速検出値Ｗｓｐ＿ａを、通信線５を介してウィンドファームコントローラ７に送信する。

ウィンドファームコントローラ７の、各風力発電システム出力上限指令値算出ロジックを、図３を用いて説明する。
ウィンドファームコントローラ７は、外部からの信号を受け取る受信部７１、受け取った信号をもとに各風車の出力上限指令値を算出する出力上限決定部７２、そして算出した出力上限を各風力発電システムに通信線５を介して出力する送信部７３を備える。

各風力発電システムの風速情報や運転ステータスは記録媒体７４に保存される。記録媒体７４に蓄えられる情報は、通信線７５を介してヒューマンインターフェース１００に出力可能な構成を備える。

本実施例の新規な点である、ウィンドファームコントローラ７の出力上限決定部７２のロジック図を、図４を用いて説明する。
出力上限決定部７２は、ウィンドファーム出力上限指令値ＰＷＦ＿ｒｅｆ、そして各風力発電システムの出力であるＰｇｅｎ＿ａ、ｂ、ｃを入力とし、各風力発電システムの出力上限指令値Ｐｌｉｍ＿ａ、ｂ、ｃを算出する。

Ｐｇｅｎ＿ａ、ｂ、ｃは加算器７２１に入力され、加算器７２１で３つの風力発電システムの出力値の和を算出する。加算器７２１の出力は除算器７２２ａ、ｂ、ｃに出力される。

除算器７２２ａ、７２２ｂ、７２２ｃは各風力発電システムの出力検出値を加算器７２１の出力で除算することで、風力発電システムの合計出力値で規格化された各風力発電システムの出力割合を算出する。

除算器７２２ａ、７２２ｂ、７２２ｃの出力およびウィンドファーム出力上限指令値ＰＷＦ＿ｒｅｆが乗算器７２３ａ、７２３ｂ、７２３ｃに入力され、乗算器７２３ａ、７２３ｂ、７２３ｃは、現在の各風車出力で重みづけられた出力上限指令値をリミッタ７２４ａ、７２４ｂ、７２４ｃに出力する。

リミッタ７２４ａ、ｂ、ｃは入力値を０以上風力発電システム定格値以下に制限し、レートリミッタ７２５ａ、ｂ、ｃに出力する。

レートリミッタ７２５ａ、ｂ、ｃは、リミッタ７２４ａ、ｂ、ｃから出力された各風車の出力上限指令値の変化率を、各風力発電システムの許容する出力変化率Ｒ[kW/s]以下に抑制した値を算出し、その出力を各風力発電システムの出力上限指令値Ｐｌｉｍ＿ａ、Ｐｌｉｍ＿ｂ、Ｐｌｉｍ＿ｃとして送信部７３に出力する。各風力発電システムの許容する出力変化率は各風車の固有の出力調整速度に対応するものであり、各風車の出力調整可能量である。出力調整可能量はレートリミッタ７２５ａ、ｂ、ｃに設定される。風車毎に出力調整可能量をレートリミッタ７２５ａ、ｂ、ｃに設定しておくことにより、出力調整可能量が大きい風車に対して大きな出力上限指令値が分配されることになるので、各風車に一律の許容出力変化率を設定しておく場合に比して、ウィンドファーム出力値を速やかに増加させることができる。言い換えれば、ウィンドファームの出力をウィンドファームの出力上限指令値に整定するための制御速度をより向上できる
本実施例では、レートリミッタ７２５ａ、ｂ、ｃをウィンドファームコントローラ７に実装する構成を示したが、上記レートリミッタは各風力発電システムの風車コントローラが実装しても良い。

本構成により、ウィンドファームは複数風車相互の出力比率に基づいて、各風車の出力上限指令値を決定することになる。これによりウィンドファーム出力上限指令値は、出力の大きい風車に対し大きな出力上限指令値が分配されることになる。これにより、風速から風力発電システムの出力可能値を算出し、当該出力可能値を用いて出力上限指令値を分配する従来手法に比べ、ウィンドファーム出力上限指令値とウィンドファーム出力値の偏差を抑制することができる。

本発明の実施例１の効果について、図５及び図６を用いて説明する。
図５には、風速センサの値をもとに風力発電システムの出力可能量を算出し、該値をもとに出力上限指令値を分配した場合のウィンドファーム出力動作例を示す。

グラフは、上から順に、風速に基づき算出される各風車出力可能値Ｐｇｅｎ＿ｍａｘ＿ｅｓｔ_ａ、ｂ、ｃ、各風力発電システム近傍の風向、各風力発電システムの実出力可能値Ｐｇｅｎ＿ｍａｘ＿ａ、ｂ、ｃ、各風力発電システムの出力上限指令値Ｐｌｉｍ＿ａ、ｂ、ｃ、各風力発電システムの出力Ｐｇｅｎ＿ａ、ｂ、ｃ、ウィンドファーム出力上限指令値ＰＷＦ＿ｒｅｆとウィンドファーム出力値ＰＷＦ＿ｇｅｎを示す。

初期条件として、各風車が定格電力１ｐｕに対し、０．９ｐｕの出力が可能であり、各風車は風向９０度に対して発電量を最大化するヨー角に制御されている状態とする。ファーム出力上限指令値は０．７ｐｕに設定されており、各風車は出力を０．７ｐｕに制限している。

時刻ｔ１において、風力発電システム９ｃ近傍の風向が９０度から４５度に急変している。この時点で、風力発電システム９ｃは、発電量を最大化できるヨー角から大きく逸脱したヨー角となる。そのため、風力発電システム９ｃの実出力可能量Ｐｇｅｎ＿ｍａｘ＿ｃは急減し、それに合わせて出力Ｐｇｅｎ＿ｃも急減する。結果、ウィンドファーム出力ＰＷＦ＿ｇｅｎも急減する。

ＰＷＦ＿ｒｅｆとＰＷＦ＿ｇｅｎには大きな偏差が生じる。風力発電システム９ａ、９ｂは実出力可能量０．９ｐｕに対して、出力を０．７ｐｕに抑制しているため、出力上限指令値Ｐｌｉｍ＿ａ、ｂを高め補正することでＰＷＦ＿ｒｅｆとＰＷＦ＿ｇｅｎの偏差を抑制できる。しかし、風力発電システム９ｃの風速センサ出力に変化がなければ出力上限指令値の分配が変わらない。

風力発電システム９ｃのヨー角制御により風力発電システム９ｃの出力は漸増するが、ヨー角制御応答は機械的ストレス低減のため、一般にピッチ制御に比べて遅く設計される。このため、ＰＷＦ＿ｒｅｆとＰＷＦ＿ｇｅｎの偏差が大きい状態が長く続くことになる。

本実施例のウィンドファームコントローラ７を搭載した場合のウィンドファームの応答について図６を用いて説明する。グラフに示す波形は図５と等しいため、重複説明を省く。
図５と同様に、時刻ｔ１において風向が急変する。風力発電システム９ｃの出力低下により、出力上限決定部７２では除算器７２２ａ、７２２ｂの出力が増加、７２２ｃの出力が減少する。

これにより、風力発電システム９ａ、ｂの出力上限指令値は高め補正される。風力発電システム９ｃの出力上限指令値は低下するものの、発電可能な電力自体が低下しているため風力発電システム９ｃのさらなる出力低下は起きにくく、また、出力低下が起きてもその量は少ない。

レートリミッタ７２５ａ、ｂ、ｃにより出力上限指令値Ｐｌｉｍ＿ａ、ｂ、ｃは変化率が抑制される。

結果として、風力発電システムの機械的ストレスを抑制しながら、風向急変時のＰＷＦ＿ｒｅｆとＰＷＦ＿ｇｅｎの偏差を従来手法に比して速やかに抑制できる。

ウィンドファームコントローラはプログラマブルロジックコントローラ（PLC）などのマイクロコントローラにより実現される場合が多く、その場合は内部演算が決まった周期（指令更新周期）でコールされる離散時間制御となる。離散時間制御においては、上記レートリミッタは図７に示されるようなロジックにより実現可能である。レートリミッタ７２５ａを例にロジックを説明する。

レートリミッタ７２５ａへの入力は、減算器７２５１に入力される。減算器７２５１では現在の入力と前回値演算器７２５４で遅延させたレートリミッタ出力値の差を算出し、リミッタ７２５２に出力する。

リミッタ７２５２では、風力発電システムの許容する出力変化率Ｒ[kW/s]と、演算周期ΔT[s]に対し、入力を-ΔTxR〜ΔTxR[kW]に制限した値を出力する。該制限値と前回値演算器７２５４の出力は加算器７２５３で加算され、和がレートリミッタ７２５ａの出力となる。演算周期（指令更新周期）ΔT[s]はグリッドコードや通信コストを考慮して決められる。演算周期ΔT[s]を設定変更することで、各風力発電システムの許容する出力変化率Ｒ[kW/s]を適切な値に補正することができる。

以上から、本実施例によれば出力可能量（推定値）を用いた出力上限指令値分配に比べ、ウィンドファーム出力上限指令値とウィンドファーム出力の偏差を速やかに抑制できる。これにより、再生可能エネルギーの利用率を向上できる。

また、以上の説明から、本実施例の新たな技術的思想は、次のように纏めることもできる。
すなわち、本実施例では、各風力発電システム（各風車）の実出力をベースに、ウィンドファームの出力上限指令値の範囲内で、実出力が大きい風力発電システム（風車）に対してより大きな出力上限指令値を割り振り、実出力が小さい風力発電システム（風車）に対しては、実出力が大きい風力発電システム（風車）に割り振られた出力上限指令値よりも小さな出力上限指令値を割り振るようにしている。

そして、実出力が大きい風力発電システム（風車）は、風を効率的に捉えられる状態にあるとも言えるので、ピッチ角を出力が増大する方向に制御することにより容易に、また、速やかに風車の出力を増大させることができる。一方、実出力が小さい風力発電システム（風車）は、風を効率的に捉えられる状態にない、すなわち、風向に正対した位置からずれているとも言えるので、ピッチ角を出力が増大する方向に制御するだけでは発電量を充分に増大させることはできない。このため、ヨー角も制御する必要があるが、上述したように、ヨー角制御はピッチ角制御よりも時間がかかるため速やかに風車の出力を増大させることができない。

これらのことから、実出力が大きい風力発電システム（風車）に対してより大きな出力上限指令値を割り振るようにすれば、ピッチ角制御により容易に、また、速やかに風車の出力を増大させることができ、ウィンドファームの出力を速やかにウィンドファームの出力上限指令値に近付けることができる。また、本実施例では、ウィンドファームの出力上限指令値の範囲内で、各風力発電システム（各風車）の実出力をベースに、各風力発電システム（各風車）に対して上限指令値を割り振るようにしているので、ウィンドファームの出力上限指令値を効率的に最大限に活用しているとも言える。これは、例えば、各風車の出力のばらつきが大きいウィンドファームの出力上限指令値の制御に特に有効である。

なお、上述の実施例では、各風車への風向の相違により風車の実出力が異なる場合について説明しているが、各風車の実出力が異なる要因はそれに限らない。例えば、風車のウィンドファーム内での配置で風向により出力分布が変わる場合がある。すなわち、風向次第では他の風車の下流に位置することになってしまう場合もあり、その場合にはヨー角を制御しても出力を大きくすることができない。また、環境要因（シャドウフリッカや騒音など）でウィンドファーム内のある風車について出力を抑制または風車を停止しなければならない場合もあり得る。これらのような場合にも、各風車の実出力の大きさをベースに各風車の出力上限指令値を決定することによりウィンドファームの出力を速やかにウィンドファームの出力上限指令値に近付けることができ、また、ウィンドファームの出力上限指令値を効率的に最大限に活用することができる。なお、環境要因（シャドウフリッカや騒音など）で各風車の実出力の大きさが異なることになる場合は、各風車の出力の配分比率として把握することもでき、そして、各風車の出力の配分比率に基づき各風車の出力上限指令値を決定していると把握することもできる。

また、上述の実施例では、何らかの要因でウィンドファーム内のある風車の実出力が低下した場合を想定して説明しているが、中央給電指令所１０から送信されるウィンドファーム出力上限指令値が低下した場合、言い換えれば、出力抑制指令があった場合にも有効である。

＜実施例２＞
本発明の実施例２を、図８を用いて説明する。

本実施例と実施例１との差は、大きく２点ある。１点目はウィンドファーム出力抑制にフィードバック制御系を加えることで、ウィンドファーム出力とウィンドファーム出力上限指令値の差を低減する点である。２点目は、ウィンドファームの出力する無効電力を制御する無効電力制御器を備えた点にある。なお、フィードバック制御系と無効電力制御器の双方を備える場合の他、何れか一方を備えるようにしても良い。

以下、図を用いて詳細を説明する。
なお、本発明の実施例１で説明した構成要素については同じ符号をつけ、重複説明を省く。

本実施例のファームコントローラ７＿２は、実施例１のファームコントロ―ラ７に加え、電力検出器３で検出する無効電力ＱＷＦ＿ｇｅｎを入力する。出力上限決定部７５において、各風力発電システムの出力上限指令値Ｐｌｉｍ＿ａ、ｂ、ｃに加えて、無効電力検出値を用いて無効電力指令値Ｑｒｅｆ＿ａ、ｂ、ｃを算出し、送信部７３と通信線５を介して各風力発電システムに出力する。

出力上限決定部７５の構成を、図９を用いて説明する。
出力上限算出部７５は、大きく有効電力上限値算出部７２０と無効電力指令値算出部７５０により構成される。

有効電力上限値算出部７２０は実施例１の出力上限決定部７２に対応する。有効電力上限値算出部７２０と実施例１の出力上限決定部７２の差は、ＰＷＦ＿ｒｅｆとＰＷＦ＿ｇｅｎとの偏差を低減するよう補正される、新たなウィンドファーム出力上限指令値ＰＷＦ＿ｒｅｆ２（第二の合計出力上限指令値）を算出するＰＩ制御器７２０２を備える点にある。ＰＷＦ＿ｒｅｆとＰＷＦ＿ｇｅｎの差は減算器７２０１により算出され、ＰＩ制御器７２０２に出力される。ＰＩ制御器７２０２は入力された出力偏差に対し、比例・積分補償演算を施し、新たなウィンドファーム出力上限指令値ＰＷＦ＿ｒｅｆ２を算出する。すなわち、ＰＷＦ＿ｒｅｆ２に対し、ＰＷＦ＿ｇｅｎが小さければ、ＰＷＦ＿ｒｅｆ２は高め補正され続ける。

ＰＷＦ＿ｒｅｆ２は、実施例１と同様に各風力発電システムの出力比で重みづけされ、各風力発電システムの出力上限指令値Ｐｌｉｍ＿ａ、ｂ、ｃが算出される。

本構成により、各風車の実出力可能量の総和がＰＷＦ＿ｒｅｆを上回る場合はＰＷＦ＿ｒｅｆにＰＷＦ＿ｇｅｎを一致させることができ、中央給電指令所から許可された発電量まで発電電力を増やすことができる。

また、実施例１で説明したように、本発明の出力上限指令値分配方法により、出力上限指令値を、誤差を含む出力可能推定値で分配した場合に比べてウィンドファーム出力上限指令値とウィンドファーム出力の偏差を速やかに小さくすることができる。そのため、フィードバック制御の応答を早くすることができる。

本実施例と実施例１との差の２点目である、無効電力制御機能について、以下説明する。

中央給電指令所１０から入力された無効電力指令ＱＷＦ＿ｒｅｆと、電力検出器３により検出された無効電力ＱＷＦ＿ｇｅｎの偏差は減算器７５１に入力され、その差はＰＩ制御器７５２に出力される。ＰＩ制御器７５２の出力は、新たな無効電力指令値ＱＷＦ＿ｒｅｆ２として乗算器７５６ａ、ｂ、ｃに出力される。

一方、風力発電システム９ａ、ｂ、ｃの有効電力出力値であるＰｇｅｎ＿ａ、ｂ、ｃは風力発電システム運転テーブル７５３ａ、ｂ、ｃに出力される。

風力発電システムは一般に、ある有効電力を出力する場合、同時に出力可能な無効電力が該有効電力の関数となる。有効電力により出力可能な無効電力の特性例を図１０に示す。図１０に示す図は、横軸が出力可能な無効電力、縦軸は出力する有効電力である。

有効電力が０の場合、無効電力は−Ｑｍａｘ[pu]〜Ｑｍａｘ[pu]の間で出力が可能である。一方、有効電力がP1[pu]を超えると、出力する有効電力の増加に伴い出力する皮相電力が１．０[pu]以下となるように出力可能な無効電力範囲が狭くなる。

風力発電システム運転テーブル７５３ａ、ｂ、ｃは図１１に示すように入力する有効電力検出値Ｐｇｅｎ＿ａ、ｂ、ｃ[kW]に対し、出力可能な無効電力を出力する。以上より、風力発電システムの出力状態に応じた無効電力出力範囲を算出する。

風力発電システム運転テーブル７５３ａ、ｂ、ｃの出力は除算器７５５ａ、ｂ、ｃおよび加算器７５４に出力される。加算器７５４は、７５３ａ、ｂ、ｃの出力の和を算出し、その和を除算器７５５ａ、ｂ、ｃに出力する。

除算器７５５ａは風力発電システム運転テーブル７５３ａの出力値を加算器７５４の出力で除算する。除算器７５５ｂ、ｃも同様に、テーブル７５３ｂ、ｃの出力を加算器７５４の出力で除算する。以上のロジックにより、除算器７５５ａ、ｂ、ｃは規格化された出力可能無効電力を乗算器７５６ａ、ｂ、ｃに出力する。

乗算器７５６ａ、ｂ、ｃにより、無効電力出力指令値ＱＷＦ＿ｒｅｆ２と除算器７５５ａ、ｂ、ｃの出力はそれぞれ乗算され、その積がリミッタ７５７ａ、ｂ、ｃに出力される。

リミッタ７５７ａはテーブル７５３ａの出力をＱｌｉｍ＿ａとすると、入力値を−Ｑｌｉｍ＿ａからＱｌｉｍ＿ａに入力値を制限し、新たな無効電力指令値Ｑｒｅｆ＿ａを算出する。リミッタ７５７ｂ、ｃも同様に、テーブル７５３ｂ、ｃの出力Ｑｌｉｍ＿ｂ、ｃをもとに入力値を制限し、Ｑｒｅｆ＿ｂ、ｃを出力する。

本構成により、風力発電システムに分配される無効電力は一律の無効電力出力比率での指令値分配を実施した場合に比べて、出力可能な無効電力の大きい風力発電システムに大きな無効電力指令を分配できるため、無効電力制御の応答性が改善される。

以上より、本実施例のウィンドファームでは各風力発電システムの出力可能な有効電力の和がウィンドファーム出力上限指令値より大きい場合、ウィンドファームの出力上限指令値に一致する有効電力出力が可能となる。また、出力上限指令値を各風車の出力する有効電力の比率で分配することで、有効電力制御を高応答化することができる。

さらに、本実施例のウィンドファームコントローラ７＿２はＰＩ制御器と各風力発電システムの出力可能な無効電力を分配する構成を備えることにより、各風力発電システムの出力可能な無効電力の和が上記無効電力指令値の絶対値より大きい場合は、無効電力指令値に追従した無効電力を交流系統に出力することが可能である。さらに、出力可能な無効電力をもとに無効電力指令の比率を変える構成を備えることにより、無効電力制御を高応答化できる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加，削除，置換をすることが可能である。

また、特許請求の範囲の記載は、引用関係を簡潔化するために、単項引用としているが、本発明は、多項引用するもの、さらには、多項引用する請求項を多項引用するものを除外するものではない。

１・・・交流系統、２・・・連系点、３、８ａ、８ｂ、８ｃ・・・電力検出器、４・・・主変圧器、５、７６・・・通信線、６、７ａ、７ｂ・・・埋設ケーブル、７、７＿２・・・ウィンドファームコントローラ、７１・・・受信部、７２、７５・・・出力上限決定部、７２０・・・有効電力上限値算出部、７２１、７５４・・・加算器、７２２ａ、７２２ｂ、７２２ｃ・・・除算器、７２３ａ、７２３ｂ、７２３ｃ・・・乗算器、７５５ａ、７５５ｂ、７５５ｃ・・・除算器、７２４ａ、７２４ｂ、７２４ｃ、７５７ａ、７５７ｂ、７５７ｃ・・・リミッタ、７２５ａ、７２５ｂ、７２５ｃ・・・レートリミッタ、７３・・・送信部、７４・・・記録媒体、７５０・・・無効電力指令値算出部、７５３ａ、ｂ、ｃ・・・風力発電システム運転テーブル、９ａ、９ｂ、９ｃ・・・風力発電システム、１０・・・中央給電指令所、９１・・・回転軸、９３・・・電圧・電流センサ、９４・・・電力変換器、９５・・・変圧器、９６・・・風速センサ、９７ａ、９７ｂ、９７ｃ・・・ピッチ制御装置、９８・・・風車コントローラ、１００・・・ヒューマンインターフェース、Ｐｇｅｎ＿ｍａｘ＿ｅｓｔ＿ａＰｇｅｎ＿ｍａｘ＿ｅｓｔ＿ｂ、Ｐｇｅｎ＿ｍａｘ＿ｅｓｔ＿ｃ・・・出力可能推定値、Ｗ＿ｄｉｒｅｃ＿ａ、Ｗ＿ｄｉｒｅｃ＿ｂ、Ｗ＿ｄｉｒｅｃ＿ｃ・・・風向、Ｐｇｅｎ＿ｍａｘ＿ａ、Ｐｇｅｎ＿ｍａｘ＿ｂ、Ｐｇｅｎ＿ｍａｘ＿ｃ・・・実風車出力可能値、Ｐｌｉｍ＿ａ、Ｐｌｉｍ＿ｂ、Ｐｌｉｍ＿ｃ・・・風車出力上限指令、Ｐｇｅｎ＿ａ、Ｐｇｅｎ＿ｂ、Ｐｇｅｎ＿ｃ・・・風車出力、ＰＷＦ＿ｒｅｆ・・・ウィンドファーム出力上限指令値、ＰＷＦ＿ｇｅｎ・・・ウィンドファーム出力値、Ｗｓｐ＿ａ、Ｗｓｐ＿ｂ、Ｗｓｐ＿ｃ・・・風速検出値、Ｑｒｅｆ＿ａ、Ｑｒｅｆ＿ｂ、Ｑｒｅｆ＿ｃ・・・無効電力指令値

Claims

複数の風力発電システムと、前記複数の風力発電システムのそれぞれに設けられ前記複数の風力発電システムのそれぞれの風力発電システム出力を制御する風車コントローラを備えるウィンドファームを制御するウィンドファームコントローラであって、
前記複数の風力発電システムのそれぞれの風力発電システム出力、及び、前記複数の風力発電システムの合計出力の上限指令値であるウィンドファーム出力上限指令値を受信する受信部と、
受信した前記風力発電システム出力に基づき前記複数の風力発電システム相互の風力発電システム出力の比率を求めて、前記比率に基づき前記ウィンドファーム出力上限指令値の範囲内において、前記複数の風力発電システムに対するそれぞれの出力上限指令値を決定する出力上限決定部と、
決定した前記出力上限指令値を前記複数の風力発電システムのそれぞれの風車コントローラへ送信する送信部を備えることを特徴とするウィンドファームコントローラ。
複数の風力発電システムと、前記複数の風力発電システムのそれぞれに設けられ前記複数の風力発電システムのそれぞれの風力発電システム出力を制御する風車コントローラを備えるウィンドファームを制御するウィンドファームコントローラであって、
前記複数の風力発電システムのそれぞれの風力発電システム出力、及び、前記複数の風力発電システムの合計出力の上限指令値であるウィンドファーム出力上限指令値を受信する受信部と、
受信した前記風力発電システム出力及び前記ウィンドファーム出力上限指令値に基づき前記風力発電システム出力の大きい風力発電システムに対する出力上限指令値が前記風力発電システム出力の小さい風力発電システムに対する出力上限指令値よりも大きくなるように前記複数の風力発電システムに対するそれぞれの出力上限指令値を決定する出力上限決定部と、
決定した前記出力上限指令値を前記複数の風力発電システムのそれぞれの風車コントローラへ送信する送信部を備えることを特徴とするウィンドファームコントローラ。
請求項１または２に記載のウィンドファームコントローラにおいて、
前記出力上限決定部は、前記複数の風力発電システムのそれぞれの出力調整速度に基づき設定された前記複数の風力発電システムのそれぞれの出力調整可能量にも基づき前記複数の風力発電システムに対するそれぞれの出力上限指令値を決定することを特徴とするウィンドファームコントローラ。
請求項３に記載のウィンドファームコントローラにおいて、
前記出力調整可能量は、前記出力調整速度と前記ウィンドファームコントローラの指令更新周期から決定されていることを特徴とするウィンドファームコントローラ。
請求項１乃至４のいずれか一項に記載のウィンドファームコントローラにおいて、
前記出力上限決定部は、連系点の有効電力が前記ウィンドファーム出力上限指令値より不足する場合に、前記ウィンドファーム出力上限指令値を増加させた第二のウィンドファーム出力上限指令値を演算することを特徴とするウィンドファームコントローラ。
複数の風力発電システムと、前記複数の風力発電システムのそれぞれに設けられ前記複数の風力発電システムのそれぞれの風力発電システム出力を制御する風車コントローラと、前記複数の風力発電システムのそれぞれの前記風車コントローラに制御指令を送信するウィンドファームコントローラを備えるウィンドファームであって、前記ウィンドファームコントローラとして請求項１乃至５の何れか一項に記載のウィンドファームコントローラを用いることを特徴とするウィンドファーム。
複数の風力発電システムと、前記複数の風力発電システムのそれぞれに設けられ前記複数の風力発電システムのそれぞれの風力発電システム出力を制御する風車コントローラを備えるウィンドファームを制御するウィンドファーム制御方法であって、
前記複数の風力発電システムのそれぞれの風力発電システム出力の大きさと前記複数の風力発電システムの合計出力の上限指令値であるウィンドファーム出力上限指令値に基づき、前記複数の風力発電システムに対するそれぞれの出力上限指令値を割り振り、前記風車コントローラにおいて前記出力上限指令値に基づき前記複数の風力発電システムのそれぞれの風力発電システム出力を制御して前記ウィンドファームの出力を前記ウィンドファーム出力上限指令値に近接させることを特徴とするウィンドファーム制御方法。