JP2021139306A - 風力発電装置制御部、風力発電装置、風力発電装置制御方法および制御プログラム - Google Patents
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Abstract
Description
風速が定格風速よりも高い場合において、定格出力制御では、定格出力を超える状態では、ピッチ制御によって、風車のロータ回転数が定格ロータ回転数を超過しないような制御を行い、定格出力を下回る状態では、ピッチ制御およびトルク制御によって、風車のロータ回転数が定格ロータ回転数を下回らないような制御を行っており、さらに効率的な制御が望まれている。
一方、発電機およびその他の機器には装置保護上、ロータ回転数とトルクに制限があるため、すべてのロータ回転数で、最適トルクカーブを維持することは困難である。したがって、発電機等の機器要求により、定格ロータ回転数、定格トルクが設定され、このときの発電出力を定格出力という。また、定格出力を達成する風速を定格風速という。定格ロータ回転数と最適トルクカーブを維持できる最大ロータ回転数は一般に乖離するため、トルクが急激に増加する領域が発生する。
ここで、従来の制御装置においては、最適トルクカーブに沿って発電できるロータ回転数領域を広くすることで、発電出力を増加させるように制御している。しかし、一般に装置のロータ回転数には装置保護のための上限がある。さらに、従来の制御においては、特に風速が時間的に増加する場合について示されており、風速が低下する場合の設定について記載がなく、この場合、通常のトルク制御(図3中の実線に対応)に従うものと考えられ、定格ロータ回転数から最適トルクカーブを維持できる最大ロータ回転数の間で運転される場合、発電効率の低下は避けられない。
風車と、風車ロータの回転によって発電を行う発電機と、を備える風力発電装置の発電出力を制御する制御部であって、
前記制御部は、前記発電機による発電出力が定格値を目指すように制御する定格出力モードを有し、
前記定格出力モードにおける風車のロータ回転数が、所定のロータ回転数低下の状態となった場合、発電機にかかるトルクを低下させて風車のロータ回転数の低下を抑制する第1の制御と、次いで、風車のロータ回転数の低下が抑制された状態で発電機にかかるトルクを増加させて発電出力を一時的に増加させる第2の制御とを有する一時発電出力増加処理を行うことを特徴とする。
前記制御部は、前記風車の制御部のブレードの取り付け角度を変更するピッチ制御を行うことを特徴とする。
前記制御部は、前記一時発電出力増加処理中に、前記ピッチ制御を通常時と異なるものに設定可能とする。
前記した所定のロータ回転数低下の状態は、前記定格出力モード時の風車のロータ回転数に対し、所定のロータ回転数または所定の比率でロータ回転数が低下した状態をいう。
風車のロータ回転数の低下の抑制が、風車のロータ回転数の低下量の減少、ロータ回転数の維持または増加である。
前記第1の制御におけるトルクの低下が、発電出力目標低減に応じてなされることを特徴とする。
前記第2の制御におけるトルクの増加が、定格出力モード以下の発電出力目標に応じてなされることを特徴とする。
前記制御部は、前記第2の制御において風車のロータ回転数が増加する際に、増加した風車のロータ回転数が、定格出力モードにおける定格ロータ回転数以下となるように、前記第1の制御における前記トルクの低下量および第2の制御におけるトルクの増加量を定めることを特徴とする。
発電機による発電出力が定格値を目指すように制御する定格出力モードを有し、
前記定格出力モードにおける風車のロータ回転数が、所定のロータ回転数低下の状態となった場合、発電機にかかるトルクを低下させて風車のロータ回転数の低下を抑制し、次いで、風車のロータ回転数の低下が抑制された状態で発電機にかかるトルクを増加させて発電出力を一時的に増加させる一時発電出力増加処理を行うことを特徴とする。
前記形態のいずれか一つに記載の制御および一時発電出力増加処理を前記制御部に実行させることを特徴とする。
(1)本発明を適用することで、一定期間内に得られる発電量を増加できる。
(2)本発明において、目標ロータ回転数や実際のロータ回転数を増加させず、むしろ一時的に発電機にかかるトルクを低下させることで、得られる発電量を増加させる手法とすることで、目標ロータ回転数や実際のロータ回転数を増加させることで発生する風車荷重の増加や、過回転状態に陥ることで発生しやすくなる風車停止を招くおそれがない。
(3)本発明を適用することで、発電出力低減時の電力の低下を抑制することが可能であり、結果的に期間内の発電電力の変動を緩和することで風力発電設備の電力品質を改善できる特徴を有する。
本発明の一実施形態である風力発電装置1は、図1に示すように、タワー2にナセル3が地面に垂直な縦軸によって回転可能に取り付けられ、ナセル3に、ハブ4が取り付けられている。ハブにはブレード5が取り付けられており、ハブ4とブレード5からなるロータは、水平軸によって回転可能となっている。ロータは、ナセル3内に設置した発電機6に図示しない増速機などによって連結されている。
また、制御部10は、ナセル3外に設置する他に、ナセル3内に設置されるものでもよく、また、タワー2内や、ネットワークを介してナセル3内の機器と接続されるものであってもよい。制御部10は、本発明の風力発電装置制御部に相当する。この実施形態では、風車発電装置は、水平軸風車発電装置となっているが、本発明としては水平軸の装置に限定されない。
記憶部12には、定格動作モード時のピッチ制御、トルク制御、トルク−風車ロータ回転数の調整カーブ、などのパラメータや、一時発電出力増加処理における第1の制御に移行するためのロータ回転数低下状態の基準や、第1の制御におけるトルクの低下量、第1の制御を行う時間、第2の制御におけるトルクの増加量、第2の制御を行う時間、一時発電出力増加処理を行う際の発電出力目標低減量、発電出力目標低減後の待機時間などのデータが格納される。これらのデータはオペレータによって変更可能としてもよい。
定格出力モードの開始に伴って、現況の風車ロータ回転数を取得し、主として前記ロータ回転数に基づいて定格出力(ロータ回転数)制御を行う。発電出力制御では、ブレード5の取り付け角度を変更するピッチ制御やナセルの向きを調整するヨー制御、発電機6のトルク制御などによって、風力発電装置1の発電出力が定格値を目標とするように制御する。定格出力を維持できない場合には、図3に示すトルク−ロータ回転数の調整カーブに従って制御を行うことができる。
定格風速近傍(ただし、定格風速以上)で運転されている場合、ロータ回転数、負荷トルクはそれぞれ、定格ロータ回転数、定格トルクに対応する運転点で運転される。ここから風速が時間的に低下する場合、風から得られる空力トルクが減少するため、運転点は図3のトルク曲線に従って負荷トルクが低下していく。このとき、ロータ回転数に対して負荷トルクが大きく減少することから、おおきな発電出力低下が発生する。
ロータ回転数の低下状態は予め基準を定めておき、その基準に従って制御を行うことができる。
一般的な可変ピッチシステムを有する可変速大型風車においては、目標発電出力を変更できる機能を有する。この機能は、通常、目標ロータ回転数と設定トルクを低下させることで実現され、風車制御製作者(製作メーカ)だけでなく、所有者が変更できることが多い。本実施形態では、動作中にこの機能を使用できるようにすることで、製作メーカ以外が容易に実施できる特徴を有する。また既存の制御システムを変更することなく適用できる特徴を有する。
発電出力目標低減機能について、図4を用いて説明する。発電出力目標低減機能は一般のピッチ制御、可変速大型風車に一般的に用いられている機能であり、通常、目標発電出力は定格出力に設定される。目標発電出力は系統要求や運転制御、運転状態により任意に低減する方向に変更が可能であり、目標発電出力を低下させた場合、ロータ回転数とトルクを同時に低下させる方向に制御(動作)する(図4のA図、B図)。
なお、図3、図4に示すグラフが一例であって、本願発明におけるロータ回転数とトルクの関係が図示したものに限定されるものではない。
風速が低下していく場合、ロータの回転数が下がってしまうと、ロータは運動エネルギーを失うため、次に風速が増加した場合に、得られる空力トルクは、ロータの加速と発電の両方に使用される。一方で風速の低下が僅かな場合は、ロータ回転数を高く保っておくことで、ロータの運動エネルギーを高く維持することができるため、次に風速が増加した場合に直ちに発電エネルギーを得ることが可能であるためと推定される。風速の変動が激しい場合、風速が低下した後すぐに風速が増加する状態が頻発する。
一般に特定サイトにおける風速は、気圧配置や温度等により決定されるため、それらが同一程度とみなせる時間内(10分から1時間程度)では概ね一定と考えられる。一方、山岳地等、地形形状が複雑な場所に風力発電装置が設置される場合、地形形状に起因して風の乱れ(乱流)が高くなる。これにより、平坦地形に設置される場合に比較して一定時間の平均の風速(平均風速)が同程度であっても、風速の変動(乱流強度)が大きくなることが知られている。このような風速変動は、上流に位置する地形(山岳)の剥離流れが起因しており、剥離に伴ない発生する大規模剥離渦や、地形せん断による細かい渦系が混合して連続的に対象地点に流入して変動する(数秒程度の間隔)。この風速変動は減少、増加を繰り返すことになるため、風速が低下した場合は、数秒から数十秒の間に復帰することが多い。
制御開始に伴い、風車が定格風速近傍で運転されていることを判断するためにピッチ角度を取得し、その値が閾値以下(例えば最大開き角度+3deg以下)である場合、制御対象領域であると判断する(ステップs1)。有効ピッチ角度範囲である閾値は予め設定されて、記憶部12などに格納されており、必要に応じて読み出される。
ピッチ角度が閾値以下であれば(ステップs1、Yes)、ロータの回転数が低下傾向であることを判断する(ステップs2)。ロータ回転数低下判断条件は予め設定されて、記憶部12などに格納されており、必要に応じて読み出される。ロータ回転数低下の状態は例えば所定の時間継続した場合に低下状態であると判断することができる。
抑制時間が規定値以上である場合(ステップs5、Yes)、発電出力制限を解除する。さらに連続して制御が動作することが無いように、一定の規定時間(この例において10秒)経過(ステップs6)した後、再度監視状態に戻る。発電出力制限後、監視状態に戻る過程は本発明の第2の制御に相当する。すなわち、第2の制御は、定格状態に戻るようにトルクを戻すことによって行うことができる。ただし、第2の制御では、定格トルクとは異なるトルクに増加させるものであってもよい。
ただし、発電出力目標低減においてピッチ制御を行うことで、風速の低下時にピッチをフェザー方向(発電出力を低下させる方向)にあらかじめ制御されることで、風速が後に急上昇した際に、ロータ回転数が急増しにくくなるために、過回転による風車運転停止リスクを低減できる。
シミュレーションでは、図8に示す条件で行った。解析ソフトには、Bladed Ver4.7(商標)を用いた。
シミュレーションでは同一の流入風(3次元乱流風)に対する風車挙動を解析しており、従来制御と当該制御状態について挙動の違いを示す。時間20秒頃の挙動において、当該制御ではロータ回転数の低下を検知して発電出力目標低減を行うため、発電出力が減少するとともに、ロータ回転数が僅かに増加する。この制御動作により、その後の発電出力は当該制御で増加することが確認できる。
2 タワー
3 ナセル
4 ハブ
5 ブレード
6 発電機
10 制御部
11 CPU
12 記憶部
Claims (15)
- 風車と、風車ロータの回転によって発電を行う発電機と、を備える風力発電装置の発電出力を制御する制御部であって、
前記制御部は、前記発電機による発電出力が定格値を目指すように制御する定格出力モードを有し、
前記定格出力モードにおける風車のロータ回転数が、所定のロータ回転数低下の状態となった場合、発電機にかかるトルクを低下させて風車のロータ回転数の低下を抑制する第1の制御と、次いで、風車のロータ回転数の低下が抑制された状態で発電機にかかるトルクを増加させて発電出力を一時的に増加させる第2の制御とを有する一時発電出力増加処理を行うことを特徴とする風力発電装置制御部。 - 前記制御部は、前記風車の制御部のブレードの取り付け角度を変更するピッチ制御を行うことを特徴とする請求項1記載の風力発電装置制御部。
- 前記制御部は、前記一時発電出力増加処理中に、前記ピッチ制御を通常時と異なるものに設定可能とする請求項2記載の風力発電装置制御部。
- 前記した所定のロータ回転数低下の状態は、前記定格出力モード時の風車のロータ回転数に対し、所定のロータ回転数または所定の比率でロータ回転数が低下した状態をいう請求項1〜3のいずれか1項に記載の風力発電装置制御部。
- 前記した所定のロータ回転数低下の状態は、ピッチ角度によって判断することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の風力発電装置制御部。
- 前記した所定のロータ回転数低下の状態は、前記定格出力が低下してから所定時間経過した状態である請求項1〜5のいずれか1項に記載の風力発電装置制御部。
- 前記第1の制御の時間が予め定められている請求項1〜6のいずれか1項に記載の風力発電装置制御部。
- 前記制御部は、一時発電出力増加処理後、所定の待機時間を経て通常の制御に戻すことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の風力発電装置制御部。
- 風車のロータ回転数の低下の抑制が、風車のロータ回転数の低下量の減少、ロータ回転数の維持または増加である請求項1〜8のいずれか1項に記載の風力発電装置制御部。
- 前記第1の制御におけるトルクの低下が、発電出力目標低減に応じてなされることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の風力発電装置制御部。
- 前記第2の制御におけるトルクの増加が、定格出力モード以下の発電出力目標に応じてなされることを特徴とする請求項10に記載の風力発電装置制御部。
- 前記制御部は、前記第2の制御において風車のロータ回転数が増加する際に、増加した風車のロータ回転数が、定格出力モードにおける定格ロータ回転数以下となるように、前記第1の制御における前記トルクの低下量および第2の制御におけるトルクの増加量を定めることを特徴とする請求項1〜11のいずれか1項に記載の風力発電装置制御部。
- 風車と、風車ロータの回転によって発電を行う発電機と、請求項1〜12のいずれか1項に記載の風力発電装置制御部と、を備える風力発電装置。
- 風車と、風車ロータの回転によって発電を行う発電機と、を備える風力発電装置の発電出力を制御する風力発電装置制御方法であって
発電機による発電出力が定格値を目指すように制御する定格出力モードを有し、
前記定格出力モードにおける風車のロータ回転数が、所定のロータ回転数低下の状態となった場合、発電機にかかるトルクを低下させて風車のロータ回転数の低下を抑制し、次いで、風車のロータ回転数の低下が抑制された状態で発電機にかかるトルクを増加させて発電出力を一時的に増加させる一時発電出力増加処理を行うことを特徴とする風力発電装置制御方法。 - 風車と、風車ロータの回転によって発電を行う発電機と、を備える風力発電装置の発電出力を制御する制御部で実行される制御プログラムであって、
請求項1〜12のいずれか1項に記載の制御および一時発電出力増加処理を前記制御部に実行させることを特徴とする制御プログラム。
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