JP2022076809A - 風力発電システム調整装置、風力発電システム調整方法および風力発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】風力発電装置および送電経路に配置された機器に対する相反する制御を軽減し、電圧の制御を安定して行うことができる風力発電システム調整装置、風力発電システム調整方法および風力発電システムを提供する。【解決手段】風力発電システムにおいて、風力発電システム調整装置１は、変圧器３のタップ位置に関する情報、調相設備４の無効電力にかかる状態量、送電経路の複数個所において測定された電圧計測値、電流計測値を受信する受信部１１と、予め設定された、送電経路の前記複数個所における目標電圧値、送電ケーブルの線路インピーダンス、変圧器の変圧器インピーダンスと、受信部により受信した電圧計測値、電流計測値に基づき、変圧器のタップ位置に関する制御量、調相設備の無効電力にかかる制御量、風力発電装置から出力される無効電力の制御量のうちの少なくとも一つを操作量として算出する演算部１４と、を有する。【選択図】図２

Description

本実施形態は、風力発電装置を電力供給源とする風力発電システムの制御を行う風力発電システム調整装置、風力発電システム調整方法および風力発電システムに関する。

地球温暖化防止の観点から、再生可能エネルギー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。再生可能エネルギーを利用した発電システムとして、風力により発電を行う風力発電装置を電力供給源とする風力発電システムが用いられる。風力発電装置の制御を行う風力発電システム調整装置が知られている。

特表２０１４－５２６２３５号公報

ウィンドファームと呼ばれる風力発電システムは、広大な陸上や洋上に設置された風力発電装置により、電力の発電を行うシステムである。広大な土地が必要とされるため、風力発電装置は、山間部等に設置される場合が多い。また、効率よく発電を行うために、風力発電装置は、強い風力を得ることができる洋上に設置される場合が多い。

このため、風力発電装置は、電力の消費地から長距離離間した地域に設置され、風力発電装置と電力系統を接続する送電ケーブルは、長距離になる場合が多い。特に、洋上に風力発電装置が設置された場合、発電された電力は、連系点まで海底と陸上に設置された送電ケーブルで長距離送電される場合が多い。このため、送電ケーブルの静電容量は大きくなり、大きな充電電流が流れ、電圧変動率が大きくなる。

一般に風力発電装置から連系点までの風力発電所構内の電圧は、風力発電装置から出力される電力の力率、送電経路に配置された変圧器のタップ位置、調相設備等が制御され調整される。これにより、風力発電システムにより送電される電力は、連系点、中間変電所のケーブル、風車端等の電圧管理地点の電圧が適正範囲となるように維持される。

しかしながら、風力発電装置、変圧器のタップ位置、調相設備等に関する制御は、それぞれ独立して行われており、独立して行われた制御が相反する制御となる場合もあった。風力発電装置、変圧器のタップ位置、調相設備等の制御に対する応答速度や調整の精度は、それぞれ異なり、独立して制御された場合、精度よく制御することができない場合があるとの問題点があった。

本実施形態は、上記問題点に鑑み、風力発電装置および送電経路に配置された機器に対する相反する制御を軽減し、電圧の制御を安定して行うことができる風力発電システム調整装置、風力発電システム調整方法および風力発電システムを提供することを目的とする。

本実施形態の風力発電システム調整装置は、次のような特徴を有する。
（１）風力発電システム調整装置は、風力により電力を発電する風力発電装置と、前記風力発電装置により発電された電力を送電する送電経路に配置された送電ケーブルと、前記送電経路に配置され、前記風力発電装置により発電された電力の電圧を変圧する変圧器と、前記送電経路と並列に配置され、前記送電経路に流れる無効電力の調整を行う調相設備と、を備えた風力発電システムの、少なくとも風力発電システムと電力系統との連系点の電圧の制御を行う。
（２）風力発電システム調整装置は以下の構成を有する。
（２－１）前記変圧器のタップ位置に関する情報、前記調相設備の無効電力にかかる状態量、前記送電経路の複数個所において測定された電圧計測値、電流計測値を受信する受信部。
（２－２）予め設定された、前記送電経路の前記複数個所における目標電圧値、前記送電ケーブルの線路インピーダンス、前記変圧器の変圧器インピーダンスと、前記受信部により受信した前記電圧計測値、前記電流計測値に基づき、前記変圧器のタップ位置に関する制御量、前記調相設備の無効電力にかかる制御量、前記風力発電装置から出力される無効電力の制御量のうちの少なくとも一つを操作量として算出する演算部。
（２－３）前記演算部により算出された前記操作量により、少なくとも風力発電システムと電力系統との連系点の電圧の制御を行う。

第１実施形態にかかる風力発電システムの構成を示す図 第１実施形態にかかる風力発電システム調整装置のブロックを示す図 第１実施形態にかかる風力発電システム調整装置の動作フローを示す図 第１実施形態の変形例にかかる風力発電システム調整装置の動作フローを示す図 第２実施形態にかかる風力発電システムの構成を示す図 第２実施形態にかかる風力発電システム調整装置の動作フローを示す図

［１．第１実施形態］
［１－１．構成］
図１、図２を参照して本実施形態の一例として、風力発電システム１００および風力発電システム調整装置１について説明する。なお、本実施形態において、同一構成の装置や部材が複数ある場合にはそれらについて同一の番号を付して説明を行い、また、同一構成の個々の装置や部材についてそれぞれを説明する場合に、共通する番号にアルファベットの添え字を付けることで区別する。

風力発電システム１００は、風力発電装置６により発電された電力を電力系統９に供給するシステムである。

風力発電システム１００は、風力発電装置６、変圧器３、送電ケーブル７、調相設備４、監視制御装置２、風力発電システム調整装置１により構成される。風力発電システム１００における送電経路８は、変圧器３、送電ケーブル７、調相設備４により構成される。

風力発電装置６は、再生可能エネルギーである風力を受け電力を発電する電源装置である。風力発電装置６は、風車を有する複数の発電機により構成される。風力発電装置６は、山間部、洋上に設置される場合が多い。風力発電装置６は、送電経路８の変圧器３ａに電気的に接続される。風力発電装置６により発電された電力は、送電経路８を介し電力系統９に供給される。

風力発電装置６の出力電力は、風力発電システム調整装置１により制御される。風力発電装置６から出力される出力電力の電圧および無効電力が、風力発電システム調整装置１により制御される。

変圧器３ａは、供給された電力の電圧を変換して出力する電気機器である。変圧器３ａは、風力発電装置６から出力された電力の電圧を変圧し、送電ケーブル７に供給する。変圧器３ａは、風力発電装置６、送電ケーブル７に電気的に接続される。変圧器３ａは、中間変電所等に設置される。変圧器３ａは、タップ（図中不示）を有し、タップ位置が切換えられることにより、段階的に出力電圧が制御される。変圧器３ａのタップ位置は、風力発電システム調整装置１により切替えられ、出力電圧が制御される。

送電ケーブル７は、変圧器３ａにより変圧された電力を、変圧器３ｂに送電する。送電ケーブル７は、変圧器３ａ、変圧器３ｂに電気的に接続される。風力発電装置６が電力の消費地から長距離離間した地域に設置されるため、送電ケーブル７は、長距離になる場合が多い。洋上に風力発電装置６が設置された場合、長距離の送電ケーブル７が、海底に設置される場合が多い。このため、送電ケーブル７の静電容量は大きくなる。

変圧器３ｂは、供給された電力の電圧を変換して出力する電気機器である。変圧器３ｂは、送電ケーブル７から供給された電力の電圧を変圧し、電力系統９に供給する。変圧器３ｂは、送電ケーブル７、電力系統９に電気的に接続される。変圧器３ｂは、連系変電所等に設置される。変圧器３ｂは、タップ（図中不示）を有し、タップ位置が切換えられることにより、段階的に出力電圧が制御される。変圧器３ｂのタップ位置は、風力発電システム調整装置１により切替えられ、出力電圧が制御される。変圧器３ｂと電力系統９との接続点が、風力発電システム１００と電力系統９との連系点となる。

調相設備４ａは、送電ケーブル７に流れる無効電力を調整する装置である。調相設備４ａは、変圧器３ｂの送電ケーブル７側に電気的に接続される。調相設備４ａは、分路リアクトル４１ａおよび無効電力補償装置４２を備える。調相設備４ａの構成は、一例でありこれに限られない。調相設備４ａは、送電ケーブル７から供給された無効電力を調整する。分路リアクトル４１ａは、投入、非投入により無効電力の調整を行う。分路リアクトル４１ａの投入、非投入は、風力発電システム調整装置１により制御される。

無効電力補償装置４２は、ＳＶＣ（Static Var Compensator）または、ＳＴＡＴＣＯＭ（Static Synchronous Compensator）と呼ばれる装置により構成される。無効電力補償装置４２は、送電ケーブル７から供給された電力にかかる無効電力を連続的に補償する。無効電力補償装置４２は、風力発電システム調整装置１により制御される。連系変電所と中間変電所とを接続する送電ケーブル７が長距離となる場合、送電ケーブル７の両側に調相設備４を設置してもよい。さらに長距離となる場合、送電ケーブル７の中間に中間開閉所を設けて調相設備４を設置してもよい。

調相設備４ｂは、風力発電装置６が接続されるケーブル（図中不示）を流れる無効電力を調整する装置である。調相設備４ｂは、変圧器３ａの風力発電装置６側に電気的に接続される。調相設備４ｂは、分路リアクトル４１ｂを備える。調相設備４ｂの構成は、一例でありこれに限られない。調相設備４ｂは、風力発電装置６が接続されるケーブル（図中不示）を流れる無効電力を調整する。分路リアクトル４１ｂは、投入、非投入により無効電力の調整を行う。分路リアクトル４１ｂの投入、非投入は、風力発電システム調整装置１により制御される。

監視制御装置２は、風力発電システム１００の監視を行う装置である。監視制御装置２は、例えばＳＣＡＤＡと呼ばれるコンピュータ装置により構成される。

監視制御装置２は、測定点として選択された送電経路８における複数個所の電圧計測値、電流計測値を、通信インフラを介して収集する。監視制御装置２は、風力発電装置６の出力電力にかかる無効電力、変圧器３ａ、変圧器３ｂのタップ位置に関する情報、調相設備４ａの分路リアクトル４１ａの投入、非投入、無効電力補償装置４２の無効電力出力、調相設備４ｂの分路リアクトル４１ｂの投入、非投入を状態量として、通信インフラを介して検出する。調相設備４の分路リアクトル４１の投入、非投入、無効電力補償装置４２の無効電力出力が、状態量に相当する。

監視制御装置２は、収集した送電経路８の複数個所の電圧計測値、電流計測値、また風力発電装置６、変圧器３ａ、変圧器３ｂ、調相設備４ａ、調相設備４ｂの状態量を、風力発電システム調整装置１に送信する。

風力発電システム調整装置１は、風力発電装置６、変圧器３、調相設備４の制御を行う制御装置である。風力発電システム調整装置１は、コンピュータ等により構成される。風力発電システム調整装置１は、風力発電システム１００の監視制御を行う風力発電所サイトや発電事業者の事務所等に設置される。

風力発電システム調整装置１は、受信部１１、送信部１２、記憶部１３、演算部１４を有する。

受信部１１は、通信回路により構成される。受信部１１は、通信インフラを介し監視制御装置２に接続される。通信インフラは、有線または無線により通信を行うインターネット回線、電話回線、専用線等であってよい。また、受信部１１は、演算部１４に接続される。受信部１１は、演算部１４により通信動作を制御される。

受信部１１は、測定点として選択された送電経路８における複数個所の電圧計測値、電流計測値を、通信インフラを介して監視制御装置２から受信する。また、受信部１１は、風力発電装置６の出力電力にかかる無効電力、変圧器３ａ、変圧器３ｂのタップ位置に関する情報、調相設備４ａの分路リアクトル４１ａの投入、非投入、無効電力補償装置４２の無効電力出力、調相設備４ｂの分路リアクトル４１ｂの投入、非投入を状態量として、通信インフラを介して監視制御装置２から受信する。

記憶部１３は、半導体メモリやハードディスクのような記憶媒体にて構成される。記憶部１３は、演算部１４に接続される。記憶部１３は、演算部１４によりデータの書き込み、読出しが制御される。記憶部１３は、予め設定され、送電経路８の複数個所の測定点における目標電圧値、送電ケーブル７の線路インピーダンス、変圧器３ａ、変圧器３ｂの変圧器インピーダンス、調相設備４の定数を記憶する。

送信部１２は、通信回路により構成される。送信部１２は、通信インフラを介し風力発電装置６、変圧器３ａ、変圧器３ｂ、調相設備４ａ、調相設備４ｂに接続される。通信インフラは、有線または無線により通信を行うインターネット回線、電話回線、専用線等であってよい。また、送信部１２は、演算部１４に接続される。送信部１２は、演算部１４により通信動作を制御される。

送信部１２は、演算部１４により算出された操作量を、風力発電装置６、変圧器３ａ、変圧器３ｂ、調相設備４ａ、調相設備４ｂに送信する。

演算部１４は、マイクロコンピュータ等により構成される。演算部１４は、受信部１１、送信部１２、記憶部１３に接続される。演算部１４は、受信部１１、送信部１２、記憶部１３の動作を制御する。

演算部１４は、予め設定され記憶部１３に記憶された、送電経路８の複数個所の測定点における目標電圧値、送電ケーブル７の線路インピーダンス、変圧器３ａ、変圧器３ｂの変圧器インピーダンス、調相設備４の定数と、受信部１１により受信した電圧計測値、電流計測値に基づき、風力発電装置６から出力される無効電力、変圧器３ａ、変圧器３ｂのタップ位置、調相設備４にかかる無効電力の操作量を算出する。

演算部１４は、送信部１２を介し、算出した操作量を、風力発電装置６、変圧器３ａ、変圧器３ｂ、調相設備４ａ、調相設備４ｂに送信する。

以上が、風力発電システム１００および風力発電システム調整装置１の構成である。

［１－２．作用］
次に、図１～３に基づき本実施形態の風力発電システム１００および風力発電システム調整装置１の動作の概要を説明する。風力発電システム調整装置１は、風力発電システム調整装置１の記憶部１３に予め設定され記憶された、送電経路８の複数個所の測定点における目標電圧値、送電ケーブル７の線路インピーダンス、変圧器３ａ、変圧器３ｂの変圧器インピーダンス、調相設備４の定数と、受信部１１により受信した電圧計測値、電流計測値に基づき、風力発電装置６から出力される無効電力、変圧器３ａ、変圧器３ｂのタップ位置、調相設備４にかかる無効電力の操作量を算出する。

風力発電システム調整装置１の演算部１４は、送信部１２を介し、算出した操作量を、風力発電装置６、変圧器３ａ、変圧器３ｂ、調相設備４ａ、調相設備４ｂに送信する。風力発電装置６、変圧器３ａ、変圧器３ｂ、調相設備４ａ、調相設備４ｂは、送信された操作量に基づき、電圧および無効電力の調整を行う。

図３は風力発電システム調整装置１に内蔵されたプログラムのフローを示す図である。図３に示すプログラムは、風力発電システム調整装置１の演算部１４に内蔵される。図３に示すプログラムは、例えば１分、５分ごとの一定周期にて繰り返し実行される。風力発電システム調整装置１の演算部１４は、以下の手順にて動作を行う。

（ステップＳ０１：監視制御装置２からデータを受信する）
風力発電システム調整装置１の演算部１４は、受信部１１を介し、監視制御装置２からデータを受信する。演算部１４は、測定点として選択された送電経路８における複数個所の電圧計測値、電流計測値を監視制御装置２から受信する。また、演算部１４は、風力発電装置６の出力電力にかかる無効電力、変圧器３ａ、変圧器３ｂのタップ位置に関する情報、調相設備４ａの分路リアクトル４１ａの投入、非投入、無効電力補償装置４２の無効電力出力、調相設備４ｂの分路リアクトル４１ｂの投入、非投入を状態量として監視制御装置２から受信する。

監視制御装置２は、測定点として選択された送電経路８における複数個所の電圧計測値、電流計測値を、通信インフラを介して常時収集している。一例として測定点は、風力発電装置６の出力端、中間変電所に設置された変圧器３ａの出力端、連系変電所に設置された変圧器３ｂの出力端である。変圧器３ｂと電力系統９との接続点が、風力発電システム１００と電力系統９との連系点となる。

また、監視制御装置２は、風力発電装置６の出力電力にかかる無効電力、変圧器３ａ、変圧器３ｂのタップ位置に関する情報、調相設備４ａの分路リアクトル４１ａの投入、非投入、無効電力補償装置４２の無効電力出力、調相設備４ｂの分路リアクトル４１ｂの投入、非投入を状態量として、通信インフラを介して常時検出している。

監視制御装置２は、収集した送電経路８の複数個所の電圧計測値、電流計測値、また風力発電装置６、変圧器３ａ、変圧器３ｂ、調相設備４ａ、調相設備４ｂにかかる状態量を、送信要求に応じ風力発電システム調整装置１に送信する。

（ステップＳ０２：操作量を算出する）
次に、風力発電システム調整装置１の演算部１４は、風力発電装置６から出力される無効電力、変圧器３ａ、変圧器３ｂのタップ位置、調相設備４にかかる無効電力の操作量を算出する。

演算部１４は、受信部１１を介して受信した、測定点として選択された送電経路８における複数個所の電圧計測値、電流計測値、風力発電装置６の出力電力にかかる無効電力、変圧器３ａ、変圧器３ｂのタップ位置に関する情報、調相設備４ａの分路リアクトル４１ａの投入、非投入、無効電力補償装置４２の無効電力出力、調相設備４ｂの分路リアクトル４１ｂの投入、非投入を示す状態量、および予め設定され記憶部１３に記憶された、送電経路８の複数個所の測定点における目標電圧値、送電ケーブル７の線路インピーダンス、変圧器３ａ、変圧器３ｂの変圧器インピーダンス、調相設備４のインピーダンスに基づき、操作量を算出する。

操作量は、以下の手順により算出される。操作量ｘは、（式１）に示す目的関数ｆ（ｘ）が最小化されるように選択される。操作量ｘは、風力発電装置６から出力される無効電力、変圧器３ａ、変圧器３ｂのタップ位置、調相設備４ａの分路リアクトル４１ａの投入、非投入、無効電力補償装置４２の無効電力出力、調相設備４ｂの分路リアクトル４１ｂの投入、非投入を示す状態量である。送電ケーブル７の有効電力損失、無効電力損失は、予め記憶部１３に記憶された、送電ケーブル７の線路インピーダンスと電流計測値から算出される。

・・・・・ （式１）
（式１）において各パラメータは、以下の通りである。
Ｐｌｏｓｓ：風力発電システム１００の送電損失
ＶＭｉ：各測定点の電圧計測値
ＶＯｉ：各測定点の電圧目標値
ｎ：測定点数
ｗ１、ｗ２：重み係数

一例として測定点が、風力発電装置６の出力端、中間変電所に設置された変圧器３ａの出力端、連系変電所に設置された変圧器３ｂの出力端の３か所である場合、測定点数ｎは、ｎ＝３となる。ＶＭ１は、風力発電装置６の出力端の電圧計測値、ＶＯ１は、風力発電装置６の出力端の電圧目標値である。ＶＭ２は、変圧器３ａの出力端の電圧計測値、ＶＯ２は、変圧器３ａの出力端の電圧目標値である。ＶＭ３は、変圧器３ｂの出力端の電圧計測値、ＶＯ３は、変圧器３ｂの出力端の電圧目標値である。

｜ＶＭ１－ＶＯ１｜＋｜ＶＭ２－ＶＯ２｜＋｜ＶＭ３－ＶＯ３｜が最小となる、風力発電装置６から出力される無効電力、変圧器３ａ、変圧器３ｂのタップ位置、調相設備４ａの分路リアクトル４１ａの投入、非投入、無効電力補償装置４２の無効電力出力、調相設備４ｂの分路リアクトル４１ｂの投入、非投入を示す状態量は、潮流方程式を解いて操作量ｘとして算出される。

また、上記の（式１）による操作量ｘの算出において、以下の条件が与えられるようにしてもよい。
（ａ）各測定点における電圧は、予め設定された上限値、下限値の範囲内にあること
（ｂ）無効電力補償装置４２の無効電力出力は、予め設定された上限値、下限値の範囲内にあること
（ｃ）風力発電装置６の無効電力出力は、予め設定された上限値、下限値の範囲内にあること

（ステップＳ０３：操作量を送信する）
次に、風力発電システム調整装置１の演算部１４は、ステップＳ０２で算出した操作量を、送信部１２を介し送信する。算出された風力発電装置６から出力される無効電力にかかる操作量は、風力発電装置６に送信される。算出された変圧器３ａのタップ位置にかかる操作量は変圧器３ａに、変圧器３ｂのタップ位置にかかる操作量は変圧器３ｂに送信される。分路リアクトル４１ａの投入、非投入にかかる操作量、無効電力補償装置４２の無効電力出力にかかる操作量は、調相設備４ａに送信される。分路リアクトル４１ｂの投入、非投入にかかる操作量は、調相設備４ｂに送信される。

以上が、本実施形態にかかる風力発電システム１００および風力発電システム調整装置１の動作の概要である。

［１－３．効果］
（１）本実施形態によれば、風力発電システム調整装置１は、変圧器３のタップ位置に関する情報、調相設備４の無効電力にかかる状態量、送電経路８の複数個所において測定された電圧計測値、電流計測値を受信する受信部１１と、予め設定された、送電経路８の複数個所における目標電圧値、送電ケーブル７の線路インピーダンス、変圧器３の変圧器インピーダンスと、受信部１１により受信した電圧計測値、電流計測値に基づき、変圧器３のタップ位置に関する制御量、調相設備４の無効電力にかかる制御量、風力発電装置６から出力される無効電力の制御量のうちの少なくとも一つを操作量として算出する演算部１４と、を有し、演算部１４により算出された操作量により、少なくとも風力発電システム１００と電力系統９との連系点の電圧の制御を行うので、風力発電装置６および送電経路８に配置された機器に対する相反する制御を軽減し、電圧の制御を安定して行うことができる風力発電システム調整装置１、風力発電システム調整方法および風力発電システム１００を提供することができる。

本実施形態によれば、風力発電システム１００と電力系統９との連系点の電圧および風力発電システム１００内の各測定点を監視し、風力発電装置６の出力や電力系統９の状態に応じて風力発電システム１００における電圧を適正範囲内に維持することができ、送電損失を低減することができる。また、風力発電装置６の力率制御、変圧器３のタップ位置に関する制御、調相設備４の無効電力にかかる制御は相反することなく行われ、風力発電装置６、変圧器３、調相設備４に適切な操作量を配分することができる。

（２）風力発電システム調整装置１は、予め設定された周期により繰り返し、演算部１４により操作量を算出するので、きめ細かな風力発電装置６の力率制御、変圧器３のタップ位置に関する制御、調相設備４の無効電力にかかる制御を行うことができる。また、適切に操作量の算出にかかる周期が設定されることにより、操作量の算出にかかる不要な演算動作を軽減することができる。適切に操作量の算出にかかる周期が設定されることにより、さらに、風力発電装置６の力率制御、変圧器３のタップ位置に関する制御、調相設備４の無効電力にかかる制御が、相反することを避けることができる。

［１－４．変形例］
上記実施形態において、風力発電システム調整装置１は、図３に示すプログラムにより予め設定された周期により繰り返し操作量を算出し、風力発電システム１００の制御を行うものとしたが、送電経路８の複数個所において測定された電圧計測値が、予め設定された範囲内にない場合に、演算部１４により前記操作量を算出し、風力発電システム１００の制御を行うようにしてもよい。

風力発電システム調整装置１は、図４に示すプログラムにより動作を行う。図４は風力発電システム調整装置１に内蔵されたプログラムのフローを示す図である。図４に示すプログラムは、風力発電システム調整装置１の演算部１４に内蔵される。

風力発電システム１００の構成は、図１に示す構成と同様である。風力発電システム調整装置１の構成は、図２に示す構成と同様である。

図４に示すプログラムは、例えば１分、５分ごとの一定周期にて繰り返し実行される。風力発電システム調整装置１の演算部１４は、以下の手順にて動作を行う。前述のステップＳ０１に代替し、ステップＳ０１１、Ｓ０１２、Ｓ０１３が実行される。

（ステップＳ０１１：電圧計測値、電流計測値を検出する）
風力発電システム調整装置１の演算部１４は、測定点として選択された送電経路８における複数個所の電圧計測値、電流計測値を、受信部１１を介し監視制御装置２から受信することにより検出する。

（ステップＳ０１２：電圧計測値は、予め設定された範囲内にあるか判断する）
次に、風力発電システム調整装置１の演算部１４は、ステップＳ０１１で検出した送電経路８における複数個所の電圧計測値が予め設定された上限閾値および下限閾値の範囲内にあるかの判断を行う。電圧計測値が予め設定された範囲内にあるかの判断は、測定点として選択された送電経路８における複数個所の全てについて行われてもよいし、測定点として選択された送電経路８における複数個所の一部について行われたのでもよい。

電圧計測値が予め設定された上限閾値および下限閾値の範囲内にないと判断された場合、プログラムは、ステップＳ０１３に移行する。電圧計測値が予め設定された上限閾値および下限閾値の範囲内にあると判断された場合、プログラムは、ステップＳ０１３、Ｓ０２、Ｓ０３をスキップし、終了する。図４に示すプログラムは、一定周期にて繰り返し実行されるため、実行周期にかかる例えば１分、５分後に再度、ステップＳ０１１が実行される。

（ステップＳ０１３：監視制御装置２からデータを受信する）
電圧計測値が予め設定された上限閾値および下限閾値の範囲内にないと判断された場合、風力発電システム調整装置１の演算部１４は、受信部１１を介し、監視制御装置２からデータを受信する。演算部１４は、風力発電装置６の出力電力にかかる無効電力、変圧器３ａ、変圧器３ｂのタップ位置に関する情報、調相設備４ａの分路リアクトル４１ａの投入、非投入、無効電力補償装置４２の無効電力出力、調相設備４ｂの分路リアクトル４１ｂの投入、非投入を状態量として監視制御装置２から受信する。

上記においてステップＳ０１１による電圧計測値、電流計測値の検出、ステップＳ０１２による電圧計測値が予め設定された範囲内にあるかの判断は、風力発電システム調整装置１により実行されるものとしたが、監視制御装置２により実行されるようにしてもよい。監視制御装置２により電圧計測値が予め設定された上限閾値および下限閾値の範囲内にないと判断された場合、監視制御装置２は、風力発電装置６の出力電力にかかる無効電力、変圧器３ａ、変圧器３ｂのタップ位置に関する情報、調相設備４ａの分路リアクトル４１ａの投入、非投入、無効電力補償装置４２の無効電力出力、調相設備４ｂの分路リアクトル４１ｂの投入、非投入を状態量として、風力発電システム調整装置１に送信する。

（ステップＳ０２：操作量を算出する）
次に、風力発電システム調整装置１の演算部１４は、風力発電装置６から出力される無効電力、変圧器３ａ、変圧器３ｂのタップ位置、調相設備４にかかる無効電力の操作量を算出する。

演算部１４は、受信部１１を介して受信した、測定点として選択された送電経路８における複数個所の電圧計測値、電流計測値、風力発電装置６の出力電力にかかる無効電力、変圧器３ａ、変圧器３ｂのタップ位置に関する情報、調相設備４ａの分路リアクトル４１ａの投入、非投入、無効電力補償装置４２の無効電力出力、調相設備４ｂの分路リアクトル４１ｂの投入、非投入を示す状態量、および予め設定され記憶部１３に記憶された、送電経路８の複数個所の測定点における目標電圧値、送電ケーブル７の線路インピーダンス、変圧器３ａ、変圧器３ｂの変圧器インピーダンス、調相設備４の定数に基づき、操作量を算出する。

操作量ｘは、（式１）に示す目的関数ｆ（ｘ）が最小化されるように選択される。操作量ｘは、風力発電装置６から出力される無効電力、変圧器３ａ、変圧器３ｂのタップ位置、調相設備４ａの分路リアクトル４１ａの投入、非投入、無効電力補償装置４２の無効電力出力、調相設備４ｂの分路リアクトル４１ｂの投入、非投入を示す状態量である。

（ステップＳ０３：操作量を送信する）
次に、風力発電システム調整装置１の演算部１４は、ステップＳ０２で算出した操作量を、送信部１２を介し送信する。算出された風力発電装置６から出力される無効電力にかかる操作量は、風力発電装置６に送信される。算出された変圧器３ａのタップ位置にかかる操作量は変圧器３ａに、変圧器３ｂのタップ位置にかかる操作量は変圧器３ｂに送信される。分路リアクトル４１ａの投入、非投入にかかる操作量、無効電力補償装置４２の無効電力出力にかかる操作量は、調相設備４ａに送信される。分路リアクトル４１ｂの投入、非投入にかかる操作量は、調相設備４ｂに送信される。

このように構成することにより、送電経路８の複数個所において測定された電圧計測値が、予め設定された範囲内にない場合に、演算部１４により操作量を算出するので、負荷や発電量が急変した場合であっても、風力発電装置６の力率制御、変圧器３のタップ位置に関する制御、調相設備４の無効電力にかかる制御において、適切な操作量を配分することができる。

また、このように構成することにより、風力発電装置６の出力や電力系統９の状態に対して適切な電圧分布であれば、頻繁な機器動作を軽減することができる。また、さらに、風力発電装置６の力率制御、変圧器３のタップ位置に関する制御、調相設備４の無効電力にかかる制御が、相反することを避けることができる。

［２．第２実施形態］
［２－１．構成および作用］
第２実施形態にかかる風力発電システム１００および風力発電システム調整装置１の一例について図５を参照して説明する。第２実施形態にかかる風力発電システム１００は、第１実施形態にかかる風力発電システム１００に加え、蓄電設備５を有する。また、第２実施形態にかかる風力発電システム調整装置１は、風力発電装置６、変圧器３、調相設備４の制御を行う。その他の構成は、第１実施形態にかかる風力発電システム１００および風力発電システム調整装置１と同じである。

蓄電設備５は、複数のリチウムイオン電池等およびインバータ等の変換装置が組合わされて構成された蓄電装置である。蓄電設備５は、風力発電装置６により発電された電力を蓄電する。蓄電設備５に蓄電された電力は、送電経路８に供給される。

蓄電設備５は、監視制御装置２により出力電力および充電電力が制御される。蓄電設備５は風力発電装置６から出力される電力を平滑化する。蓄電設備５は、風力発電システム調整装置１に制御され、風力発電システム調整装置１から送信された操作量に対応した無効電力を出力する。

次に、図５に基づき本実施形態の風力発電システム１００および風力発電システム調整装置１の動作の概要を説明する。風力発電システム調整装置１は、風力発電システム調整装置１の記憶部１３に予め設定され記憶された、送電経路８の複数個所の測定点における目標電圧値、送電ケーブル７の線路インピーダンス、変圧器３ａ、変圧器３ｂの変圧器インピーダンス、調相設備４のインピーダンス、蓄電設備５の定数と、受信部１１により受信した電圧計測値、電流計測値に基づき、風力発電装置６から出力される無効電力、変圧器３ａ、変圧器３ｂのタップ位置、調相設備４にかかる無効電力、蓄電設備５から出力される無効電力の操作量を算出する。

風力発電システム調整装置１の演算部１４は、送信部１２を介し、算出した操作量を、風力発電装置６、変圧器３ａ、変圧器３ｂ、調相設備４ａ、調相設備４ｂ、蓄電設備５に送信する。風力発電装置６、変圧器３ａ、変圧器３ｂ、調相設備４ａ、調相設備４ｂ、蓄電設備５は、送信された操作量に基づき、電圧および無効電力の調整を行う。

風力発電システム調整装置１は、図６に示すプログラムにより動作を行う。図６に示すプログラムは、風力発電システム調整装置１の演算部１４に内蔵される。図６に示すプログラムは、例えば１分、５分ごとの一定周期にて繰り返し実行される。風力発電システム調整装置１の演算部１４は、以下の手順にて動作を行う。

（ステップＳ２１：監視制御装置２からデータを受信する）
風力発電システム調整装置１の演算部１４は、受信部１１を介し、監視制御装置２からデータを受信する。演算部１４は、測定点として選択された送電経路８における複数個所の電圧計測値、電流計測値を監視制御装置２から受信する。また、演算部１４は、風力発電装置６の出力電力にかかる無効電力、変圧器３ａ、変圧器３ｂのタップ位置に関する情報、調相設備４ａの分路リアクトル４１ａの投入、非投入、無効電力補償装置４２の無効電力出力、調相設備４ｂの分路リアクトル４１ｂの投入、非投入、蓄電設備５から出力される無効電力を状態量として監視制御装置２から受信する。

監視制御装置２は、測定点として選択された送電経路８における複数個所の電圧計測値、電流計測値を、通信インフラを介して常時収集している。一例として測定点は、風力発電装置６の出力端、中間変電所に設置された変圧器３ａの出力端、連系変電所に設置された変圧器３ｂの出力端である。変圧器３ｂと電力系統９との接続点が、風力発電システム１００と電力系統９との連系点となる。

また、監視制御装置２は、風力発電装置６の出力電力にかかる無効電力、変圧器３ａ、変圧器３ｂのタップ位置に関する情報、調相設備４ａの分路リアクトル４１ａの投入、非投入、無効電力補償装置４２の無効電力出力、調相設備４ｂの分路リアクトル４１ｂの投入、非投入、蓄電設備５から出力される無効電力を状態量として、通信インフラを介して常時検出している。

監視制御装置２は、収集した送電経路８の複数個所の電圧計測値、電流計測値、また風力発電装置６、変圧器３ａ、変圧器３ｂ、調相設備４ａ、調相設備４ｂ、蓄電設備５にかかる状態量を、送信要求に応じ風力発電システム調整装置１に送信する。

（ステップＳ２２：操作量を算出する）
次に、風力発電システム調整装置１の演算部１４は、風力発電装置６から出力される無効電力、変圧器３ａ、変圧器３ｂのタップ位置、調相設備４にかかる無効電力、蓄電設備５から出力される無効電力の操作量を算出する。

演算部１４は、受信部１１を介して受信した、測定点として選択された送電経路８における複数個所の電圧計測値、電流計測値、風力発電装置６の出力電力にかかる無効電力、変圧器３ａ、変圧器３ｂのタップ位置に関する情報、調相設備４ａの分路リアクトル４１ａの投入、非投入、無効電力補償装置４２の無効電力出力、調相設備４ｂの分路リアクトル４１ｂの投入、非投入、蓄電設備５から出力される無効電力を示す状態量、および予め設定され記憶部１３に記憶された、送電経路８の複数個所の測定点における目標電圧値、送電ケーブル７の線路インピーダンス、変圧器３ａ、変圧器３ｂの変圧器インピーダンス、調相設備４のインピーダンス、蓄電設備５の定数に基づき、操作量を算出する。

操作量ｘは、（式１）に示す目的関数ｆ（ｘ）が最小化されるように選択される。以下に（式１）を再掲する。操作量ｘは、風力発電装置６から出力される無効電力、変圧器３ａ、変圧器３ｂのタップ位置、調相設備４ａの分路リアクトル４１ａの投入、非投入、無効電力補償装置４２の無効電力出力、調相設備４ｂの分路リアクトル４１ｂの投入、非投入、蓄電設備５から出力される無効電力にかかる状態量である。送電ケーブル７の有効電力損失、無効電力損失は、予め記憶部１３に記憶された、送電ケーブル７の線路インピーダンスと電流計測値から算出される。

・・・・・ （式１）
（式１）において各パラメータは、以下の通りである。
Ｐｌｏｓｓ：風力発電システム１００の送電損失
ＶＭｉ：各測定点の電圧計測値
ＶＯｉ：各測定点の電圧目標値
ｎ：測定点数
ｗ１、ｗ２：重み係数

一例として測定点が、風力発電装置６の出力端、中間変電所に設置された変圧器３ａの出力端、連系変電所に設置された変圧器３ｂの出力端の３か所である場合、測定点数ｎは、ｎ＝３となる。ＶＭ１は、風力発電装置６の出力端の電圧計測値、ＶＯ１は、風力発電装置６の出力端の電圧目標値である。ＶＭ２は、変圧器３ａの出力端の電圧計測値、ＶＯ２は、変圧器３ａの出力端の電圧目標値である。ＶＭ３は、変圧器３ｂの出力端の電圧計測値、ＶＯ３は、変圧器３ｂの出力端の電圧目標値である。

｜ＶＭ１－ＶＯ１｜＋｜ＶＭ２－ＶＯ２｜＋｜ＶＭ３－ＶＯ３｜が最小となる、風力発電装置６から出力される無効電力、変圧器３ａ、変圧器３ｂのタップ位置、調相設備４ａの分路リアクトル４１ａの投入、非投入、無効電力補償装置４２の無効電力出力、調相設備４ｂの分路リアクトル４１ｂの投入、非投入、蓄電設備５から出力される無効電力にかかる状態量は、潮流方程式を解いて操作量ｘとして算出される。

また、上記の（式１）による操作量ｘの算出において、以下の条件が与えられるようにしてもよい。
（ａ）各測定点における電圧は、予め設定された上限値、下限値の範囲内にあること
（ｂ）無効電力補償装置４２の無効電力出力は、予め設定された上限値、下限値の範囲内にあること
（ｃ）風力発電装置６の無効電力出力は、予め設定された上限値、下限値の範囲内にあること
（ｄ）蓄電設備５の無効電力出力は、予め設定された上限値、下限値の範囲内にあること

（ステップＳ２３：操作量を送信する）
次に、風力発電システム調整装置１の演算部１４は、ステップＳ０２で算出した操作量を、送信部１２を介し送信する。算出された風力発電装置６から出力される無効電力にかかる操作量は、風力発電装置６に送信される。算出された変圧器３ａのタップ位置にかかる操作量は変圧器３ａに、変圧器３ｂのタップ位置にかかる操作量は変圧器３ｂに送信される。分路リアクトル４１ａの投入、非投入にかかる操作量、無効電力補償装置４２の無効電力出力にかかる操作量は、調相設備４ａに送信される。分路リアクトル４１ｂの投入、非投入にかかる操作量は、調相設備４ｂに送信される。蓄電設備５の無効電力出力にかかる操作量は、蓄電設備５に送信される。

以上が、本実施形態にかかる風力発電システム１００および風力発電システム調整装置１の動作の概要である。

［２－２．効果］
本実施形態によれば、風力発電システム１００は、風力発電装置６の出力電力を蓄電し、送電経路８に電力を供給する蓄電設備５を備え、風力発電システム調整装置１の演算部１４は、予め設定された、送電経路８の複数個所における目標電圧値、送電ケーブル７の線路インピーダンス、変圧器３の変圧器インピーダンスと、受信部１１により受信した電圧計測値、電流計測値に基づき、蓄電設備５の無効電力にかかる制御量を操作量に含めて算出し、演算部１４により算出された操作量により、少なくとも風力発電システム１００と電力系統９との連系点の電圧の制御を行うので風力発電装置６および送電経路８に配置された蓄電設備５を含む機器に対する相反する制御を軽減し、電圧の制御を安定して行うことができる風力発電システム調整装置１、風力発電システム調整方法および風力発電システム１００を提供することができる。

本実施形態によれば、風力発電システム１００と電力系統９との連系点の電圧および風力発電システム１００内の各測定点を監視し、風力発電システム１００における電圧を適正範囲内に維持することができ、送電損失を低減することができる。また、風力発電装置６の力率制御、変圧器３のタップ位置に関する制御、調相設備４の無効電力にかかる制御、蓄電設備５の無効電力にかかる制御は相反することなく行われ、風力発電装置６、変圧器３、調相設備４、蓄電設備５に適切な操作量を配分することができる。

［２－３．変形例］
上記実施形態において、風力発電システム調整装置１は、図６に示すプログラムにより予め設定された周期により繰り返し操作量を算出し、風力発電システム１００の制御を行うものとしたが、図４に示す第１実施形態のプログラムと同様に、送電経路８の複数個所において測定された電圧計測値が、予め設定された範囲内にない場合に、演算部１４により前記操作量を算出し、風力発電システム１００の制御を行うようにしてもよい。

［３．他の実施形態］
変形例を含めた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。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨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。以下は、その一例である。

（１）上記実施形態では、測定点は、風力発電装置６の出力端、中間変電所に設置された変圧器３ａの出力端、連系変電所に設置された変圧器３ｂの出力端であるものとしたが、測定点はこれに限られない。上記に加え、例えば送電ケーブル７における任意の複数の箇所が測定点とされてもよい。また測定点は、上記より少なくてもよい。送電経路８における任意の個所が、測定点として選択されてよい。

（２）上記実施形態では、風力発電システム調整装置１の受信部１１は、測定点として選択された送電経路８における複数個所の電圧計測値、電流計測値を、通信インフラを介して監視制御装置２から受信するものとした。しかしながら、風力発電システム調整装置１の受信部１１は、測定点として選択された送電経路８における複数個所の電圧計測値、電流計測値を、通信インフラを介して測定点に設置された計測装置から直接受信するようにしてもよい。

１・・・風力発電システム調整装置
２・・・監視制御装置
３，３ａ，３ｂ・・・変圧器
４，４ａ，４ｂ・・・調相設備
５・・・蓄電設備
６・・・風力発電装置
７・・・送電ケーブル
８・・・送電経路
９・・・電力系統
１１・・・受信部
１２・・・送信部
１３・・・記憶部
１４・・・演算部
４１，４１ａ，４１ｂ・・・分路リアクトル
４２・・・無効電力補償装置
１００・・・風力発電システム

Claims (6)

1. 風力により電力を発電する風力発電装置と、
   前記風力発電装置により発電された電力を送電する送電経路に配置された送電ケーブルと、
   前記送電経路に配置され、前記風力発電装置により発電された電力の電圧を変圧する変圧器と、
   前記送電経路に配置され、前記送電経路に流れる無効電力の調整を行う調相設備と、を備えた風力発電システムの、少なくとも風力発電システムと電力系統との連系点の電圧の制御を行う風力発電システム調整装置であって、
   前記変圧器のタップ位置に関する情報、前記調相設備の無効電力にかかる状態量、前記送電経路の複数個所において測定された電圧計測値、電流計測値を受信する受信部と、
   予め設定された、前記送電経路の前記複数個所における目標電圧値、前記送電ケーブルの線路インピーダンス、前記変圧器の変圧器インピーダンスと、前記受信部により受信した前記電圧計測値、前記電流計測値に基づき、
   前記変圧器のタップ位置に関する制御量、前記調相設備の無効電力にかかる制御量、前記風力発電装置から出力される無効電力の制御量のうちの少なくとも一つを操作量として算出する演算部と、を有し、
   前記演算部により算出された前記操作量により、少なくとも風力発電システムと電力系統との連系点の電圧の制御を行う、
   風力発電システム調整装置。
2. 予め設定された周期により繰り返し、前記演算部により前記操作量を算出する、
   請求項１に記載の風力発電システム調整装置。
3. 前記送電経路の複数個所において測定された電圧計測値が、予め設定された範囲内にない場合に、前記演算部により前記操作量を算出する、
   請求項１または２に記載の風力発電システム調整装置。
4. 前記風力発電システムは、前記風力発電装置の出力電力を蓄電し、前記送電経路に電力を供給する蓄電設備を備え、
   前記演算部は、
   予め設定された、前記送電経路の前記複数個所における目標電圧値、前記送電ケーブルの線路インピーダンス、前記変圧器の変圧器インピーダンスと、前記受信部により受信した前記電圧計測値、前記電流計測値に基づき、
   前記蓄電設備の無効電力にかかる制御量を操作量に含めて算出し、前記演算部により算出された前記操作量により、少なくとも風力発電システムと電力系統との連系点の電圧の制御を行う、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の風力発電システム調整装置。
5. 風力により電力を発電する風力発電装置と、
   前記風力発電装置により発電された電力を送電する送電経路に配置された送電ケーブルと、
   前記送電経路に配置され、前記風力発電装置により発電された電力の電圧を変圧する変圧器と、
   前記送電経路に配置され、前記送電経路に流れる無効電力の調整を行う調相設備と、を備えた風力発電システムの、少なくとも風力発電システムと電力系統との連系点の電圧の制御を行う風力発電システム調整方法であって、
   前記変圧器のタップ位置に関する情報、前記調相設備の無効電力にかかる状態量、前記送電経路の複数個所において測定された電圧計測値、電流計測値を受信する受信手順と、
   予め設定された、前記送電経路の前記複数個所における目標電圧値、前記送電ケーブルの線路インピーダンス、前記変圧器の変圧器インピーダンスと、前記受信部により受信した前記電圧計測値、前記電流計測値に基づき、
   前記変圧器のタップ位置に関する制御量、前記調相設備の無効電力にかかる制御量、前記風力発電装置から出力される無効電力の制御量のうちの少なくとも一つを操作量として算出する演算手順と、を有し、
   前記演算手順により算出された前記操作量により、少なくとも風力発電システムと電力系統との連系点の電圧の制御を行う、
   風力発電システム調整方法。
6. 風力により電力を発電する風力発電装置と、
   前記風力発電装置により発電された電力を送電する送電経路に配置された送電ケーブルと、
   前記送電経路に配置され、前記風力発電装置により発電された電力の電圧を変圧する変圧器と、
   前記送電経路に配置され、前記送電経路に流れる無効電力の調整を行う調相設備と、
   少なくとも風力発電システムと電力系統との連系点の電圧の制御を行う風力発電システム調整装置と、を有し、
   前記風力発電システム調整装置は、
   前記変圧器のタップ位置に関する情報、前記調相設備の無効電力にかかる状態量、前記送電経路の複数個所において測定された電圧計測値、電流計測値を受信する受信部と、
   予め設定された、前記送電経路の前記複数個所における目標電圧値、前記送電ケーブルの線路インピーダンス、前記変圧器の変圧器インピーダンスと、前記受信部により受信した前記電圧計測値、前記電流計測値に基づき、
   前記変圧器のタップ位置に関する制御量、前記調相設備の無効電力にかかる制御量、前記風力発電装置から出力される無効電力の制御量のうちの少なくとも一つを操作量として算出する演算部と、を有し、
   前記演算部により算出された前記操作量により、少なくとも風力発電システムと電力系統との連系点の電圧の制御を行う、
   風力発電システム。
   
   

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