JP4885280B2 - 発電装置及びその制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、発電装置及びその制御方法に関するものである。
従来、例えば、風力発電装置を系統連系させる風力発電システムにおいて、系統事故等が発生した場合には電力系統の電圧が変動する。この変動分の電圧を基準電圧に回復させるために、発電機側から電力系統側に対し無効電流を供給させたり、或いは電力系統側から発電機側に無効電流を吸収させたりしている。
米国特許第２００７／０２７３１５５号公報明細書
ところで、電力系統の電圧の変化量と、それに対して供給（吸収）させる無効電流の量との関係は、テーブル等によって一意に与えられており、このテーブルは風力発電装置を据え付ける段階で行われるシミュレーション等に基づいて決定される。
しかしながら、シミュレーションによって得られたテーブルに基づいて無効電流を供給した場合に、電力系統の電圧がテーブルに従って少しずつ回復に向かっても、電力系統の電圧が基準電圧に回復するよりも手前の電圧になった段階で飽和して安定してしまうことがある。
このような場合、電力系統の電圧を基準電圧に回復させるために電力供給側がさらに無効電流の供給が必要であっても、電圧が安定してしまった段階においては電力系統側に無効電流をそれ以上に供給（吸収）できないという問題があった。つまり、シミュレート等で決定されたテーブルに基づいて電力系統の電圧を回復させるべく制御したとしても、実環境においてはシミュレート通りの結果とならず、系統事故時等において、電力系統の電圧を確実に回復させることができないという問題があった。
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、系統事故等により低下した電力系統の電圧を、確実に且つ速やかに基準電圧に回復させることができる発電装置及びその制御方法装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は以下の部を採用する。
本発明の第１の態様は、電力系統に接続された発電機と、電力系統の電圧を検出する電圧検出部と、前記電力系統の電圧と前記電力系統に供給する無効電流とを対応づける電圧電流関連情報に基づいて、前記電圧検出部から取得した電圧に応じた無効電流を決定し、前記電力系統に供給または前記電力系統から吸収する無効電流を調整させるように前記電力変換部を制御する制御部とを備える発電装置であって、前記電力系統の電圧が所定量以上変動したときから所定の時間経過したときに、前記電力系統の電圧が予め設定されている所定の範囲内になかった場合に、前記電圧電流関連情報の前記電圧の変化量に対する前記無効電流の量が大きくなるように前記電圧電流関連情報を変更する情報変更部とを具備することを特徴とする発電装置である。
このような構成により、電力系統の電圧が電圧検出部によって検出され、検出された電圧を制御部が取得すると、制御部は、電力系統の電圧と電力系統に供給する無効電流とを対応付ける電圧電流関連情報に基づいて、取得した電圧に対応する無効電流を決定し、決定した無効電流を電力系統に供給、または電力系統から吸収するように電力変換部を制御する。また、電力系統の電圧が、所定量以上変動した時から所定の時間経過した時に、電力系統の電圧が予め設定されている所定の範囲内になかった場合に、情報変更部は、電圧電流関連情報における電圧の変化量に対する無効電流の量が大きくなるように電圧電流関連情報を変更する。
このように、電力系統の電圧が所定量以上変動した場合には、電圧の変化量に対する無効電流の量を大きくなるように変更した電圧電流関連情報に基づいて電力変換部を制御するので、変更前の電圧電流関連情報に基づく無効電流の制御では無効電流の供給または吸収が追いつかなかった場合に、無効電流の供給または吸収を更に加速させることができ、電力系統の電圧を速やかに予め設定されている所定の範囲内に近づけることができる。これにより、速やかに系統電圧を安定化させることができる。
上記発電装置において、前記情報変更部は、前記電力系統が所定量以上変動したときから所定時間経過したときにおける該電力系統の電圧値と基準電圧との差分に基づいて、前記電圧電流関連情報における前記電圧の変化量に対する前記無効電流の量の大きさが変更可能であることとしてもよい。
このように、電力系統の電圧値と基準電圧との差分に基づいて、電圧の変化量に対する無効電流の量の大きさを変更するので、適宜必要となる無効電流を供給・吸収することができる。
本発明の第２の態様は、電力系統に接続された発電機と、電力系統の電圧を検出する電圧検出部と、前記電力系統の電圧と前記電力系統に供給する無効電流とを対応づける電圧電流関連情報に基づいて、前記電圧検出部から取得した電圧に応じた無効電流を決定し、前記電力系統に供給または前記電力系統から吸収する無効電流を調整させるように前記電力変換部を制御する制御部とを備える発電装置の制御方法であって、前記電力系統の電圧が所定量以上変動したときから所定の時間経過したときに、前記電力系統の電圧が予め設定されている所定の範囲内になかった場合に、前記電圧電流関連情報の前記電圧の変化量に対する前記無効電流の量が大きくなるように前記電圧電流関連情報を変更する過程を有する発電装置の制御方法である。
本発明によれば、系統事故等により低下した電力系統の電圧を、確実に且つ速やかに基準電圧に回復させることができるという効果を奏する。
本発明の一実施形態に係る風力発電装置の一例を示したブロック図である。 電力系統の電圧と無効電流との関係を示す変更前の電圧電流関連情報の一例を示した図である。 電力系統の電圧と無効電流との関係を示す変更後の電圧電流関連情報の一例を示した図である。 本発明の風力発電装置の制御方法の動作フローを示した図である。 電力系統の電圧の変化を時系列に示した図の一例である。
１ 風力発電装置
２ 電力系統
１４ コンバータ
１５ ＤＣバス
１６ インバータ
２０ 電力変換部
２１ 制御部
２２ 情報変更部
２７ 電圧検出部
以下に、本発明に係る発電装置及びその制御方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、風力発電装置に備えられた発電機６及びその周辺の構成の一例を示すブロック図である。
図１に示されるように、風力発電装置１は、風車ブレード４、ギア５、発電機６、電力変換部２０、制御部２１、情報変更部２２、電圧検出部２７、ブレード制御部２３、および主制御部２４を備えている。なお、発電機６は電力系統２と接続されている。また、発電機６のロータは、ギア５を介して風車ロータ（図示略）に接合されている。
本実施形態において、発電機（誘導機）６は、発電機６が発生する電力がステータ巻線及びロータ巻線の両方から電力系統２に出力できるように構成されている。具体的には、発電機６は、そのステータ巻線が電力系統２に接続され、ロータ巻線が電力変換部２０を介して電力系統２に接続されている。
電圧検出部２７は、発電機６を電力系統２に接続する電力線上に設けられており、電力系統２の電圧を検出する。電圧検出部２７から計測された電圧は、制御部２１に与えられる。
電力変換部２０は、コンバータ１４、ＤＣバス１５、及びインバータ１６を備えて構成されており、ロータ巻線から受け取った交流電力を電力系統２の周波数に適合した交流電力に変換する。コンバータ１４は、ロータ巻線に発生した交流電力を直流電力に変換し、その直流電力をＤＣバス１５に出力する。インバータ１６は、ＤＣバス１５から受け取った直流電力を電力系統２と同一の周波数の交流電力に変換し、その交流電力を出力する。
電力変換部２０は、電力系統２から受け取った交流電力をロータ巻線の周波数に適合した交流電力に変換する機能も有している。この場合、インバータ１６は、交流電力を直流電力に変換し、その直流電力をＤＣバス１５に出力する。コンバータ１４は、ＤＣバス１５から受け取った直流電力をロータ巻線の周波数に適合した交流電力に変換し、その交流電力を発電機６のロータ巻線に供給する。
制御部２１は、電力系統２の電圧と、電力系統２に供給するまたは電力系統２から吸収する無効電流とを対応づける電圧電流関連情報を有し、この電圧電流関連情報に基づいて、電圧検出部２７から取得した電圧に応じた無効電流量を決定し、決定した無効電流を電力系統２に供給、または電力系統２から吸収させるべく電力変換部２０を制御する。具体的には、制御部２１は、電圧検出部２７によって計測された出力電圧Ｖに対応した無効電流を電力系統２に供給、又は電力系統２から吸収する無効電流を決定する。さらに、制御部２１は、コンバータ１４、又はインバータ１６に対するＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）信号を制御し、無効電流の調整を制御する。
図２に制御部２１が備える電力系統の電圧と無効電流とが対応付けられた情報の一例を示す。図２において、横軸は電力系統の電圧を基準電圧に対する比で示しており（単位はＰｕ：パーユニット）、縦軸との交点は基準電圧であることを示す１．０Ｐｕとしている。横軸における１．０Ｐｕから紙面左側は、基準電圧に対して系統電圧が低いことを示し、１．０Ｐｕから紙面右側は、基準電圧に対して系統電圧が高いことを示す。
一方、図２において、縦軸は、無効電流の調整が行われないことを基準とし（換言すると、縦軸における横軸との交点は０Ｐｕ）、この基準に対して調整する無効電流の量を示している（単位はＰｕ）。例えば、縦軸における０Ｐｕから紙面下側は、発電機側から電力系統側に供給する無効電流量を示し、０Ｐｕから紙面上側は、発電機側が電力系統から吸収する無効電流量を示す。
制御部２１は、図２に示される情報に基づいて、計測された系統電圧が基準電圧よりも小さい場合、発電機６側から電力系統２側に無効電流を供給させ、系統電圧が基準電圧に近づくにつれて電力系統２側に供給させる無効電流を少なくする。また、計測された系統電圧が基準電圧よりも大きい場合、制御部２１は、発電機６側に電力系統２側からの無効電流を吸収させ、系統電圧が基準電圧に近づくにつれて電力系統２から吸収させる無効電流を少なくする。
情報変更部２２は、電力系統２の電圧が所定量以上変動したときから所定の時間経過したときに、電力系統２の電圧が予め設定されている所定の範囲内になかった場合に、電圧電流関連情報の電圧の変化量に対する無効電流の量が大きくなるように電圧電流関連情報を変更する。なお、例えば、所定の時間経過したことを検出してから、電圧電流関連情報を変更するまでにかかる時間は数ミリ秒から数百ミリ秒である。また、電力系統２の電圧の所定の範囲とは、例えば、基準電圧に対する±１０パーセントである。
また、情報変更部２２は、電力系統２の電圧が所定量以上変動したときから所定時間経過したときにおける電力系統２の電圧値と基準電圧との差分に基づいて、電圧電流関連情報における電圧の変化量に対する無効電流の量の大きさを変更することとしてもよい。
例えば、昼間、夕方、および深夜など時間帯によって電力需要が異なる場合において、深夜など電力需要が小さいときには、基準電圧まで回復する力が弱いため、グラフの傾きは大きく（傾きを急に）するとよい。また、昼間や夕方などの電力需要が大きいときには、基準電圧まで回復する力が強いため、深夜の場合よりグラフの傾きを小さく（傾きを緩やかに）するとよい。
ブレード制御部２３は、主制御部２４からのピッチ指令β＊に応答して、風車ブレード４のピッチ角βを制御する。具体的には、ブレード制御部２３は、ピッチ指令β＊に風車ブレード４のピッチ角βを一致させるように制御を行う。
ブレード制御部２３は、コンバータ１４及びインバータ１６の制御に伴い、風車ブレード４のピッチ角制御を行う。即ち、ブレード制御部２３は、電力変換部２０の要求出力に基づいて決定されるピッチ角に一致するように、風車ブレード４のピッチ角を制御する。
次に、系統電圧が低下した場合における本実施形態に係る風力発電装置１の作用について、図２から図４を参照して説明する。
まず、電圧検出部２７によって電圧検出部２７によって電力系統２の電圧が検出され、制御部２１に出力される。（図４のステップＳＡ１）、制御部２１は、電圧検出部２７によって検出された電圧値が既定の基準電圧に対して所定量以上変化したか否かを判断する。この結果、例えば、系統側に事故等が発生し、系統電圧が急激に低下して、基準電圧に対して所定量以上の電圧変動が生じた場合には、制御部２１は、図２に示されるような電力系統の電圧と無効電流とを対応付けた電圧電流関連情報に基づいて無効電流を制御する。具体的には、制御部２１は、電圧検出部２７によって検出された電圧に対応する無効電流を電圧電流関連情報に基づいて決定し、決定した無効電流を電力系統２に出力させるように、電力変換部２０を制御し、コンバータ１４またはインバータ１６を作動させる（図４のステップＳＡ２）。
制御部２１は、電圧検出部２７によって検出された電力系統２の電圧に基づいて、基準としている１．０Ｐｕに対して現時点における電圧値がどの程度の割合であるかを計算する。例えば、制御部２１は、電圧検出部２７によって検出された電圧値が基準電圧の半分であった場合には、図２に示される電圧電流関連情報において０．５Ｐｕに対応する無効電流の値を読み取る。この結果、無効電流は、例えば−１．０Ｐｕという値が読み取られる。
制御部２１は、−１．０Ｐｕという値を読み取ると、電力系統２側に１．０の無効電流を供給させるべく、電力変換部２０を制御する。これにより、電力変換部２０のインバータ１６によって、電圧に対し９０度位相の進んだ電流が生成され、この無効電流が電力系統２に供給される。このように、無効電流を電力系統２に供給することによって電力系統２の電圧を徐々に上昇させる。
その後、制御部２１は、電力系統の電圧が基準電圧に対して所定量以上変動したことを検知したときから所定の時間経過したときに、新たに電圧検出部２７から検出される電圧値が、基準電圧から所定の範囲内にあるか否かを判定する。判定の結果、所定の範囲内にない場合には（図４のステップＳＡ３）、情報変更部２２は現在制御部２１が用いている電圧電流関連情報を変更する。具体的には、情報変更部２２は、図３に示すように、変更前の電圧電流関連情報（破線）と比較して電力系統２の電圧の変化量に対する無効電流の量を大きくなるように、電圧電流関連情報を変更する。図３において、変更後の電圧電流関連情報は実線で示されている。
電圧電流関連情報が変更されると、制御部２１は、変更された電圧電流関連情報に基づいて、現時点における電力系統２の電圧（例えば、０．８ｐｕ）に対応する無効電流（例えば、−１．０ｐｕ）を取得し、この無効電流に基づいて電力変換部２０を制御する。これにより、電圧に対して９０度位相の進んだ電流が生成され、電力系統２に供給される。無効電流が電力系統２に供給され、系統電圧が基準電圧に近づき、所定の電圧範囲（例えば、基準電圧１．０Ｐｕに対する±１０パーセント（０．９から１．１Ｐｕ）の電圧範囲）に収まった（収束した）場合には、系統電圧が安定したとみなされる。このようにして、電力変換部２０は、変更後の電圧電流関連情報に基づいて制御され、系統電圧が安定すると（図４のステップＳＡ６）、制御部２１は変更前の電圧電流関連情報に戻し、変更前の電圧電流関連情報に基づいて無効電流の制御を行う。
一方、上記の如く無効電流を制御しても系統電圧が安定しなかった場合には、運転を停止させる（図４のステップＳＡ７）。
以上説明してきたように、本実施形態に係る風力発電装置１及びその制御方法によれば、系統電圧が所定値以上変動した場合に、その変動のときから所定の時間経過したときに、電力系統２の電圧が予め設定されている所定の範囲内（例えば、基準電圧に対する±１０パーセント以内）になかった場合に、電圧の変化量に対する無効電流の量が大きくなるように電圧電流関連情報を変更し、変更した電圧電流関連情報に基づいて電力系統２に供給する無効電流を制御する。このように、変更前の電圧電流関連情報に基づいて制御したのでは、所望の速さで系統電圧を回復できなかった場合に、電圧電流関連情報を変更して無効電流の供給量・吸収量を急峻に変化させるので、速やかに電力系統２の電圧を基準電圧に遷移させることができる。
図５は、電力系統２の電圧の回復の様子を時系列で示した図の一例である。
図５に示されるように、系統電圧が低下してから予め設定されている所定の電圧範囲内に近づけるまでの理想的なグラフは第１ラインであり、電力系統２の電圧が基準値である１．０ＰｕとなるまでにはＡ秒の時間がかかる。しかし、図２の１ｂに示されるような電圧電流関連情報に基づいて無効電流を供給した場合に、系統電圧が所定の範囲内（系統電圧が安定したと判断される範囲内）に近づく途中で、無効電流の量が、減少していくため、それに応じて電圧回復力が減少し、系統電圧が所定の範囲内に到達（収束）できなくなる。（図５の第２ライン）。
ここで、電圧が低下してから所定の時間（図５のＢ秒）経過したときに、本実施形態に係る情報変更部２２によって電圧電流関連情報を変更することによって、図２の２ｂに示されるように、無効電流の量を多くし、電圧回復力を増大させて、電力系統２の電圧を基準電圧に近づける。この結果、図５の第３ラインのように電力系統２の電圧を基準電圧に速やかに近づけることができ、電力系統２の電圧が基準値である１．０Ｐｕとなるまでには第１ラインの場合よりも速く所定の範囲に近づけることができる。
これにより、停電などによって電力系統２の電圧が低下したときに、電力系統２の電圧を所定の範囲に近づける場合、ある電圧値で電圧が飽和してしまうことによって無効電流を供給できずに電力系統２の電圧が所定の範囲に回復するのが遅れてしまうことを防ぎ、確実に基準電圧に近づけることが可能となり、かつ、速やかな回復が可能となる。
また、上記電圧電流関連情報の変更に要する時間は、数ミリ秒から数百ミリ秒であるので、電圧電流関連情報を変更するのに要する時間を考慮したとしても、電圧電流関連情報を変更させずに無効電流を供給して電力系統を回復させる場合に比べて、電力系統を早期に回復させることが可能となる。
なお、本実施形態に係る風力発電装置１においては、情報変更部２２が電圧電流関連情報を変更するのは１度だけとして説明していたが、電圧電流関連情報の変更回数は特に限定されない。例えば、電圧電流関連情報変換後に系統電圧が安定しなければ、再度電圧電流関連情報を変更し、系統電圧が安定するまで電圧電流関連情報を繰り返し変更することとしてもよい。
また、情報変更部２２が有する電圧電流関連情報はグラフで与えられることとしていたが、これに限定されない。例えば、演算式、テーブル等で与えられることとしてもよい。
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

Claims (3)

  1. 電力系統に接続された発電機と、電力系統の電圧を検出する電圧検出部と、前記電力系統の電圧と前記電力系統に供給する無効電流とを対応づける電圧電流関連情報に基づいて、前記電圧検出部から取得した電圧に応じた無効電流を決定し、前記電力系統に供給または前記電力系統から吸収する無効電流を調整させるように前記電力変換部を制御する制御部とを備える発電装置であって、
    前記電力系統の電圧が所定量以上変動したときから所定の時間経過したときに、前記電力系統の電圧が予め設定されている所定の範囲内になかった場合に、前記電圧電流関連情報の前記電圧の変化量に対する前記無効電流の量が大きくなるように前記電圧電流関連情報を変更する情報変更部と
    を具備することを特徴とする発電装置。
  2. 前記情報変更部は、前記電力系統が所定量以上変動したときから所定時間経過したときにおける該電力系統の電圧値と基準電圧との差分に基づいて、前記電圧電流関連情報における前記電圧の変化量に対する前記無効電流の量の大きさが変更可能であることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
  3. 電力系統に接続された発電機と、電力系統の電圧を検出する電圧検出部と、前記電力系統の電圧と前記電力系統に供給する無効電流とを対応づける電圧電流関連情報に基づいて、前記電圧検出部から取得した電圧に応じた無効電流を決定し、前記電力系統に供給または前記電力系統から吸収する無効電流を調整させるように前記電力変換部を制御する制御部とを備える発電装置の制御方法であって、
    前記電力系統の電圧が所定量以上変動したときから所定の時間経過したときに、前記電力系統の電圧が予め設定されている所定の範囲内になかった場合に、前記電圧電流関連情報の前記電圧の変化量に対する前記無効電流の量が大きくなるように前記電圧電流関連情報を変更する過程を有する発電装置の制御方法。
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