JP4698718B2 - 風力発電装置群の制御装置及び制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、風力エネルギーを利用して発電した電力を電力系統に供給する複数の風力発電装置から構成される風力発電装置群（ウィンドファーム）に関する。

近年、地球温暖化対策の一つとして、風力発電の導入が世界的に盛んになってきている。風力発電の大量導入にあたっては、費用対効果の観点から一定の地域に複数台の風力発電装置を設け、それらの風力発電装置群を統括して制御し運用するウィンドファームとして設置されることが多くなっている。

これまで、ウィンドファームおよび個々の風力発電装置に関して種々の提案がなされている。特許文献１では、複数台の風力発電装置で構成されるウィンドファームにおいて目標発電量が設定され、ウィンドファームを構成する各風力発電装置の合計出力電力を目標発電量に近づけるために、風力発電装置の間で保守履歴データや運転特性データなどの運転情報を交換し、風力発電装置の運転パターンを決定する方法が開示されている。

特許文献２には、出力変動の大きい風力発電装置のパワーカーブの最大値をピッチ制御などで変更することにより出力変動を抑制する制御方法が記載されている。

特許文献３には、風力発電装置に蓄電器を接続し、設定した基準発電電力からのずれを蓄電器を充放電制御することによって調整し、発電電力の変動を抑制する制御方法が記載されている。

特許文献４には、風力発電装置にドップラー効果を利用したレーザ式風向風速計を設置し、風力発電装置の位置と離隔した地点の風向風速を計測することにより風力発電装置での近未来の風速を予測し、予測値に応じて制御を行うことにより発電出力を一定にする制御方法が記載されている。

特開２００２−３４９４１３号公報 特開２００１−２３４８４５号公報 特開２００２−２７６７９号公報 特開２００４−３０１１１６号公報

気象状況により発電出力が変動する風力発電装置の電力系統への導入が多くなるにつれて、その導入が将来さらに増えた場合の電力系統の電圧や周波数の維持に関する影響が懸念されている。

周波数の維持について言えば、これまでも各地域の電力会社が、主として需要の変動に対して種々の電源を組み合わせて需要と供給をバランスさせてきた。風力発電が電力系統に大量に連系された場合、従来の需要にいわばマイナスの負荷が重畳されることになる。需要の変動と風力発電出力の組み合わせによっては、これまで以上に高い需給調整能力が必要になることも予想される。

需要変動は、変化幅の小さい種々の振幅と周期を持った脈動成分や不規則な変動が重畳したものと考えられ、その成分は周期が数分までの微小変動、数分から１０数分程度までの短周期変動、１０数分以上の長周期変動の主要な３成分に分けられる。風力発電の発電出力においても同様に上述の３成分が含まれる。

上記の需要変動に対して、周期数分程度までの微小変動は発電所の調速機を利用したガバナーフリー運転により調整が可能である。周期が数分から１０数分程度までの短周期変動に対しては、周波数偏差等を検出して周波数調整発電所の発電機出力を変化させており、これを負荷周波数制御（ＬＦＣ）と呼んでいる。周期がそれ以上長い長周期変動に対しては、経済性を考慮して各発電所に発電指令を送ることにより調整を行っており、これを経済負荷配分制御（ＥＬＤ）と呼んでいる。

風力発電を大量に導入した場合、特に問題になるのは上記第２の負荷周波数制御（ＬＦＣ）である。風力発電出力の変動が需要（負荷）変動に重畳された場合、周波数調整発電所の設備容量が不足することが考えられる。しかし、単純に周波数調整発電所の設備容量を大きくすることは経済的負担が大きく、何らかの代替手段が必要である。

これまで、特許文献１および特許文献２に記載されているように、ウィンドファーム内の運転台数を調整したり、パワーカーブの最大値を小さく制限して出力変動を緩和することが検討されてきた。パワーカーブの最大値を制限する手法では変動はある程度緩和できるが、風速が急に低下した際には発電出力を低下させることになるため変動が発生し、当該電力系統に接続された例えば、火力発電所や原子力発電所などの電源や負荷（消費者）に電圧変動や周波数変動等の悪影響が生じる恐れがある。

また、特許文献３のように蓄電器（蓄電池）を設置する手法では、蓄電器の充放電制御を適切に行うことにより変動を緩和できるが、蓄電器を設置することによる風力発電事業者のコスト負担が大きくなる問題がある。

新たな高価な設備を設けることなく、近未来の風速を予測し予測値に基づく制御を行うことで、風力発電出力変動を低減あるいは抑制することはある程度可能である。特許文献４のようにドップラーレーザ式風向風速計を利用すれば、通常風向風速の計測を行っている風力発電装置の設置位置のみでなく、離隔した周辺位置での風向風速が計測できる利点がある。しかしドップラーレーザ式風向風速計では計測に必要な強度のレーザ光が届く範囲は限られており、特にウィンドファームの面積が広い場合にレーザ式風向風速計を設置する風力発電事業者のコスト負担が大きくなる問題がある。

本発明の目的は、ウィンドファームから電力系統へ出力される電力の変動を抑制し、一定の出力を維持することにある。特に、電力系統制御の観点から有効な、数分から１０数分程度の短周期変動をほぼ一定にできる、風力発電装置群の制御装置方式及び制御方法を提供することである。

上記の目的を達成するため本発明は、電力系統に対して送電線を介して接続された可変回転数および可変ピッチ制御可能な複数台の風力発電装置から構成される風力発電装置群において、前記風力発電装置群は、各風力発電装置に設けられる風向風速計と、各風力発電装置に設けられるとともに通信ネットワークを介して各風力発電装置の風向、風力を含む運転情報を送受信する個別制御装置と、前記通信ネットワークを介して前記個別制御装置からの情報を受信して出力変動を演算処理する集中制御装置を備え、前記集中制御装置から各風力発電装置に送信される出力指令値に応じて前記風力発電装置群の運転を制御することを特徴とする。

また、前記集中制御装置は、各風力発電装置から送付される運転情報を受信する送受信手段と、前記運転情報に基づき前記風力発電装置群に対する近未来の風速変動を予測する風速変動予測手段と、前記風速変動の予測に基づき前記風力発電装置群の近未来の出力変動を予測する出力予測手段と、前記風力発電装置群の合計出力が大きくなるときに風力エネルギーを風力発電装置群の回転エネルギーとして蓄積させ、前記風力発電装置群の合計出力が小さくなるときに回転エネルギーとして蓄積させた風力エネルギーを放出させる動的エネルギー蓄積指令手段とを備え、前記風力発電装置群の出力を一定に維持することを特徴とする。

また、前記動的エネルギー蓄積指令手段は、前記出力予測手段により予測された前記風力発電装置群の合計出力が大きくなる時間帯に風力エネルギーを各風力発電装置の回転エネルギーとして蓄積させる回転数上昇指令手段と、予測された前記風力発電装置群の合計出力が小さくなる時間帯に各風力発電装置の回転エネルギーとして蓄積された風力エネルギーを放出させる回転数下降指令手段とを備えたことを特徴とする。

また、前記送電線に接続された少なくとも１台の蓄電装置を備え、前記集中制御装置からの出力指令により前記風力発電装置群の出力を一定に制御したとき、前記風速の予測誤差から前記一定出力からの逸脱があった場合に、前記蓄電装置の充放電電力によって前記逸脱を補償することを特徴とする。

また、前記集中制御装置と前記個別制御装置は同一のハードウェアに設けられた各々異なる制御ソフトウェアを有することを特徴とする。

さらに、電力系統に対して送電線を介して接続された可変回転数および可変ピッチ制御可能な複数台の風力発電装置から構成される風力発電装置群の制御方法において、前記風力発電装置群は、各風力発電装置に設けられた個別制御装置と、通信ネットワークを介して各風力発電装置の風向、風力を含む運転情報を送受信し出力変動を演算処理する集中制御装置を備え、該集中制御装置からの出力指令値に応じて前記風力発電装置群の運転を制御することを特徴とする。

さらに、各風力発電装置から送付される運転情報を受信し、前記運転情報に基づき前記風力発電装置群に対する近未来の風速変動を予測し、前記風速変動の予測に基づき前記風力発電装置群の近未来の出力変動を予測し、前記風力発電装置群の合計出力が大きくなるときに風力エネルギーを風力発電装置群の回転エネルギーとして蓄積させ、前記風力発電装置群の合計出力が小さくなるときに回転エネルギーとして蓄積させた風力エネルギーを放出させ、前記風力発電装置群の出力を一定に維持することを特徴とする。

本発明は、各風力発電装置に設けられる個別制御装置と、個別制御装置の情報により出力予測演算を行う集中制御装置を備え、簡潔な構成でウィンドファーム内の各風力発電装置で計測した風向・風速の計測値から近未来のウィンドファームの出力変動を予測することができる。また、ウィンドファームの出力変動を各風力発電装置の回転数増減によって回転エネルギーとして蓄積・放出することによって出力変動を抑制し、ウィンドファームの出力を一定に保つことを可能とし電力系統への影響を軽減することができる。

また、ウィンドファームの出力変動抑制の目的で付加的に設置される蓄電装置の容量を低減することが可能となりコスト低減ができる。

以下に本発明の実施例を図面について説明する。図１は、本発明の一実施例の装置構成を示すブロック図である。ウィンドファーム１００は電力系統７に一箇所で接続されており、電力系統７とウィンドファーム１００から需要家８に対して電力を供給している。

ウィンドファーム１００は可変回転数及び可変ピッチ制御可能な複数の風力発電装置１１、１２、１３で構成される。各風力発電装置は送電線９を介して電力系統７に接続される。風力発電装置１１、１２、１３には風向風速計２１、２２、２３と、個別制御装置３１、３２、３３が接続されており、個別制御装置３１、３２、３３は通信ネットワーク５を介して相互に接続されるとともに、集中制御装置４１に接続される。４２は各風力発電装置の出力特性データ等を記憶する記憶装置である。

矢印６で表される風向の風が吹いているとき、ウィンドファーム１００の中で風速の変動が最初に到達するのは風力発電装置１１である。風力発電装置１１に付属する個別制御装置３１は風向風速計２１で計測した風向、風速を通信ネットワーク５を介して集中制御装置４１に送信する。同様に他の風力発電装置の風向、風速データも集中制御装置４１に送信される。集中制御装置４１は、受信した風向データからウィンドファーム１００内で風力発電装置１１が最も風上にいることを判断し、風速データから他の風力発電装置１２、１３に到達する風速変動の時間変化を予測する。

図２は各風力発電装置に到達する風速の変動を予測する手法を示した模式図である。図２（ａ）は風力発電装置の配置と風向風力の関係を示す。図２（ｂ）は風力変動の各風力発電装置への到達時間遅れを示す。風力発電装置の配置と風向風力の関係を示す。風速変動が最初に到達した風力発電装置１１を基点として、他の風力発電装置までの距離Ｌと方角θは既知のデータとして記憶装置４２にあらかじめ入力されているものとする。風力発電装置１１で計測された風速から、風速変動が時刻Ｔ１２に風力発電装置１２に到達するまでの時間遅れＴ２は（数１）で表される。同様にウィンドファーム１００内の他の風力発電装置１３へ時刻Ｔ１３に到達する風速変動の到達時間遅れＴ３が求められる。

図３は集中制御装置４１の構成を示すブロック図である。図において、通信ネットワーク５から得られた各風力発電装置の風向、風速データ、出力データは送受信手段５１を経由して風速変動予測手段５２に入力されてウィンドファーム１００全体の近未来の風速が予測される。風速予測データはさらに出力予測手段５３に入力され、同じくウィンドファーム１００全体の近未来の出力が予測される。出力予測データは次に動的エネルギー蓄積指令手段５４に入力され、あらかじめ設定された予定出力と比較される。動的エネルギー蓄積指令手段５４はさらに回転数上昇指令手段５５と回転数下降指令手段５６を有する。出力予測データが予定出力より高い場合は、回転数上昇指令手段５５により風力発電装置の回転を高めて風力エネルギーを風力発電装置の回転エネルギーとして蓄積する。一方、出力予測データが予定出力より低い場合は、回転数下降指令手段５６により風力発電装置の回転を低下させて蓄積された回転エネルギーを放出して出力の平均化を図る。記憶装置４２に保存された各風力発電装置の出力特性データは、出力予測手段５３、動的エネルギー蓄積指令手段５４に与えられ、出力予測に用いられる。前記集中制御装置および個別制御装置は、コンピュータシステム上で作動する制御ソフトウェアから構成することができ、その場合は同一のコンピュータシステムに設けられた異なる制御ソフトウェアから構成することができる。

図４は上記手法により予測された各風力発電装置に到達する風速変動予測結果を示したグラフである。図４（ａ）は、現在時点における風力発電装置１１の風速変動の実測値を示す。また、図４（ｂ）は、時刻Ｔ２経過後における風力発電装置１２の風速変動の予測値を示す。同様に図４（ｃ）は、時刻Ｔ３経過後における風力発電装置１３の風速変動の予測値を示す。

図５は風速と風力発電装置出力の関係（パワーカーブ）を表した特性図である。この特性データは予め集中制御装置４１に接続された記憶装置４２に保存してあり、ウィンドファーム出力予測演算時に集中制御装置４１に呼び出される。またウィンドファーム１００内に異なる特性の風力発電装置が設置してある場合には、ウィンドファーム１００内に存在するすべての風力発電装置の特性データを保存して予測演算に用いる。

図６は図４の風速変動予測結果と、図５のパワーカーブから、ウィンドファーム１００内の各風力発電装置の出力変動と、ウィンドファーム１００の合計出力変動の予測結果を示した模式図である。図６（ａ）は各風力発電装置の出力予測を示し、各々濃度の異なるグラフ上の点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３が各時点における各風力発電装置の出力予測結果を示す。図６（ｂ）はウィンドファーム１００の予測合計出力を示し、上記Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を合計したものがウィンドファーム予測合計出力Ｐｓｕｍである。Ｐｓｕｍの変動範囲に基づいて一定値での安定制御が可能な出力を算出する。Ｐｓｕｍ’は一定制御の対象となる時間範囲（図６では２０分）内での予測合計出力の最小値であり、これを一定制御の出力として設定する場合は、各風力発電装置への制御指令は図６のような出力制限が指示される。この場合に各風力発電装置への制御指令は図７のようになる。

図８は各風力発電装置への制御指令を示す模式図である。図８（ａ）は出力変動評価時間Ｔｅにおける各風力発電装置１１、１２、１３の出力Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３と、その合計であるウィンドファーム１００の出力Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３＝Ｐｓｕｍを示す。図８（ｂ）は最小値Ｐｓｕｍで制御を行った場合の出力制限制御結果を示す。Ｔｃは出力制限指令周期である。

図８において、各風力発電装置の制御指令の設定方法を（１）、（２）、（３）の各制御時刻について説明する。

（１）はＰ１＋Ｐ２＋Ｐ３＞Ｐｓｕｍ’かつ、Ｐ１＋Ｐ２＜Ｐｓｕｍ’の場合であり、このときはほぼＰ１’＝Ｐ２’＝Ｐ３’かつ、Ｐ１’＋Ｐ２’＋Ｐ３’＝Ｐｓｕｍ’となるように決定する。Ｐ１’＜Ｐ１、Ｐ２’＜Ｐ２、Ｐ３’＜Ｐ３となる場合は、余力のある風力発電装置が不足分を負担するようにする。

（２）はＰ１＋Ｐ２＞Ｐｓｕｍ’の場合であり、余力のあるＰ１、ｐ２の出力を低下させてほぼＰ１’＝Ｐ２’＝Ｐ３’かつ、Ｐ１’＋Ｐ２’＋Ｐ３’＝Ｐｓｕｍ’となるように決定する。エネルギー的にはＰ３’＝０としても構わないが、１台だけ停止せずに運転した方がウィンドファーム内の運転を均一化でき、風力発電装置の劣化を均一化できるのでメンテナンスコストの点でメリットがある。

（３）はＰ１＋Ｐ２＋Ｐ３＝Ｐｓｕｍ’の場合であり、このときは元の出力のままＰ１’＝Ｐ１、Ｐ２’＝Ｐ２、Ｐ３’＝Ｐ３とする。

上述した図８の制御方式では、出力変動は抑制できるがＰｓｕｍ’以上の出力が出せないためエネルギーロスが大きくなる。そこで次に風力エネルギーを風力発電装置の回転エネルギーとして蓄えることによってエネルギーロスを小さくし、一定制御の出力を図６（ｂ）の合計出力の平均値Ｐｓｕｍ’’まで上昇させる制御方式について説明する。図９は各風力発電装置への制御指令を示す模式図である。図９（ａ）は出力変動評価時間Ｔｅにおける各風力発電装置１１、１２、１３の出力Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３と、その合計であるウィンドファーム１００の出力Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３を示す。図９（ｂ）はＰｓｕｍ’’で制御を行った場合の出力制限制御結果を示す。図１０は風力発電装置の回転数−出力特性を示す特性図である。図１０において、従来は点線で示すように各風速域において最大の出力を上げるように可変速制御を行っている。

図９において、出力変動評価時間Ｔｅの予測発電量Ｐｓｕｍの平均値をＰｓｕｍ’’と決める。そしてＰｓｕｍ’’よりも予測発電量の大きい時間帯（１）においては、図１０に示す特性図に基づき、各風力発電装置への回転数指令値を最大出力回転数よりも上げて出力を下げるように制御し、風力エネルギーを風力発電装置の回転エネルギーとして蓄積する。一方Ｐｓｕｍ’’よりも予測発電量の小さい時間帯（２）においては、風力発電装置の回転数を徐々に下げることによって（１）の時間帯に蓄えた回転エネルギーを放出して、Ｐｓｕｍ’’の出力を維持するように制御する。

図１１は複数の風力発電装置１１、１２、１３に補助的に蓄電装置５０を併設したウィンドファーム１００に本発明を適用した場合のブロック図である。

従来、ウィンドファームの出力変動を抑制する目的で蓄電装置を設置する場合には、ウィンドファームで発生するすべての出力変動を蓄電装置の充放電により吸収する必要があるため、蓄電装置の容量が大きくなりコストが高くなる問題があった。本発明では蓄電装置を用いることなくウィンドファームの出力を一定制御できるが、各風力発電装置の近未来の風速の予測に誤差が生じる可能性がありウィンドファーム出力が一定値に対して僅かにずれる。蓄電装置５０はこのずれの分を充放電により補償すれば良く、従来に比べて蓄電装置の容量を小さくでき蓄電装置の設置コストを削減できる。

本発明の実施例の概念を示すウィンドファームのブロック図である。 各風力発電装置への風速変動の到達時間の予測方法を表す模式図である。 本発明実施例の集中制御装置の構成を示すブロック図である。 各風力発電装置の風速変動の予測結果を表すグラフである。 風力発電装置の予測風速と出力電力の特性を表す特性図である。 各風力発電装置の出力とウィンドファーム合計出力の予測結果を表すグラフである。 風力発電装置のパワーカーブを出力制限により変更する方式を表す模式図である。 各風力発電装置への出力制限制御によりウィンドファーム出力を一定に保つ方式を表す模式図である。 各風力発電装置への回転数指令により、風力エネルギーを回転エネルギーとして蓄積・放出してウィンドファーム出力を一定に保つ方式を表した模式図である。 風力発電装置の回転数と出力の関係を表す特性図である。 本発明の蓄電装置を併設したウィンドファームを示すブロック図である。

符号の説明

５…通信ネットワーク、６…風向、７…電力系統、８…需要家、９…送電線、
１１、１２、１３…風力発電装置、２１、２２、２３…風向風速計、３１、３２、３３…個別制御装置、４１…集中制御装置、４２…記憶装置、５０…蓄電装置、５１…送受信手段、５２…風速変動予測手段、５３…出力予測手段、５４…動的エネルギー蓄積指令手段、５５…回転数上昇指令手段、５６…回転数下降指令手段、１００…ウィンドファーム

Claims (7)

1. 電力系統に対して送電線を介して接続された可変回転数および可変ピッチ制御可能な複数台の風力発電装置から構成される風力発電装置群の制御装置において、
   前記風力発電装置群は、各風力発電装置に設けられる風向風速計と、出力変動を演算処理する集中制御装置と、各風力発電装置に設けられるとともに通信ネットワークを介して各風力発電装置の風向、風力を含む運転情報を前記集中制御装置との間で送受信する個別制御装置とを備え、
   前記集中制御装置は前記通信ネットワークを介して前記個別制御装置からの情報を受信して出力変動を演算処理すると共に、
   該集中制御装置は、各風力発電装置から送付される運転情報を受信する送受信手段と、前記運転情報に基づき前記風力発電装置群に対する近未来の風速変動を予測する風速変動予測手段と、前記風速変動の予測に基づき前記風力発電装置群の近未来の出力変動を予測する出力予測手段と、前記風力発電装置群の合計出力が大きくなるときに風カエネルギーを風力発電装置群の回転エネルギーとして蓄積させ、前記風力発電装置群の合計出力が小さくなるときに回転エネルギーとして蓄積させた風カエネルギーを放出させる動的エネルギー蓄積指令手段とを備え、前記風力発電装置群の出力を一定に維持し、
   前記風力発電装置群の制御装置は、前記集中制御装置から各風力発電装置に送信される出力指令値に応じて前記風力発電装置群の運転を制御することを特徴とする風力発電装置群の制御装置。
2. 請求項１に記載の風力発電装置群の制御装置において、
   前記動的エネルギー蓄積指令手段は、前記出力予測手段により予測された前記風力発電装置群の合計出力が大きくなる時間帯に風力エネルギーを各風力発電装置の回転エネルギーとして蓄積させる回転数上昇指令手段と、予測された前記風力発電装置群の合計出力が小さくなる時間帯に各風力発電装置の回転エネルギーとして蓄積された風力エネルギーを放出させる回転数下降指令手段とを備えたことを特徴とする風力発電装置群の制御装置。
3. 請求項１又は２に記載の風力発電装置群において、
   前記送電線に接続された少なくとも１台の蓄電装置を備え、前記集中制御装置からの出力指令により前記風力発電装置群の出力を一定に制御したとき、前記風速の予測誤差から前記一定出力からの逸脱があった場合に、前記蓄電装置の充放電電力によって前記逸脱を補償することを特徴とする風力発電装置群の制御装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の風力発電装置群において、
   前記集中制御装置と前記個別制御装置は同一のハードウェアに設けられた各々異なる制御ソフトウェアを有することを特徴とする風力発電装置群の制御装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の風力発電装置群の制御装置において、
   前記風速変動予測手段は、風速の変動が最初に到達する風力発電装置の風速データから他の風力発電装置に到達する風速変動の時間変化を予測することを特徴とする風力発電装置群の制御装置。
6. 電力系統に対して送電線を介して接続された可変回転数および可変ピッチ制御可能な複数台の風力発電装置から構成される風力発電装置群の制御方法において、
   前記風力発電装置群は、各風力発電装置に設けられた個別制御装置と、通信ネットワークを介して各風力発電装置の風向、風力を含む運転情報を送受信し出力変動を演算処理する集中制御装置を備え、
   各風力発電装置から送付される運転情報を受信し、前記運転情報に基づき前記風力発電装置群に対する近未来の風速変動を予測し、前記風速変動の予測に基づき前記風力発電装置群の近未来の出力変動を予測し、前記風力発電装置群の合計出力が大きくなるときに風カエネルギーを風力発電装置群の回転エネルギーとして蓄積させ、前記風力発電装置群の合計出力が小さくなるときに回転エネルギーとして蓄積させた風カエネルギ―を放出させ、前記風力発電装置群の出力を一定に維持し、
   前記集中制御装置からの出力指令値に応じて前記風力発電装置群の運転を制御することを特徴とする風力発電装置群の制御方法。
7. 請求項６に記載の風力発電装置群の制御方法において、前記近未来の風速変動の予測は、風速の変動が最初に到達する風力発電装置の風速データから他の風力発電装置に到達する風速変動の時間変化を予測することで行うことを特徴とする発電装置群の制御方法。

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