JP5039793B2 - 風力発電システム及びその運転制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、風力発電システム及びその運転制御方法に関するものである。
従来、ウィンドファームの連系点における力率制御では、例えば、進み力率0.95〜遅れ力率0.95の範囲を満たすような所定の力率指令値が系統運用者との協議等によって決定され、決定された所定の力率指令を維持するように各風車の発電システムが力率制御を行う。また、このような制御を行っていても連系点における力率が上記範囲を逸脱するような場合には、変電所のコンデンサバンクやリアクトルの開閉によって連系点における力率の調整が行われる。
また、特許文献1には、連系点における電力等を制御する中央制御装置から各風車に対して一様な無効電力指令を送信し、この無効電力指令に基づいて各風車が制御を行うことが開示されている。
米国特許第7166928号明細書
ところで、電力系統の電圧の安定性を高めるためには、連系点における力率調整精度を向上させる必要がある。しかしながら、上述した従来の技術では、各風車に一様な無効電力指令値が与えられるために、力率調整精度の更なる向上を望めないという不都合があった。
本発明は、力率調整精度を向上させることのできる風力発電システム及びその運転制御方法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、本発明は以下の手段を採用する。
本発明の第1の態様は、複数の風車と、各前記風車に対して制御指令を与える中央制御装置とを備え、各前記風車の出力電力が共通の連系点を通じて電力系統に供給される風力発電システムの運転制御方法であって、前記連系点における所定の力率指令値を、各前記風車に対してそれぞれ設定され、予めメモリに格納されている力率補正量を用いて補正することで、各前記風車に対応する力率指令値をそれぞれ決定する過程を含み、各前記力率補正量は、各前記風車と前記連系点との間に存在するリアクタンス成分に基づいてそれぞれ決定され、前記メモリに格納されている各前記力率補正量は、所定の時間間隔で更新される風力発電システムの運転制御方法である。
本発明によれば、風車と連系点との間に存在するリアクタンス成分に基づいて決定された力率補正量を用いて、各風車の力率指令値がそれぞれ決定されるので、連系点における力率を効率的に所定の力率指令値に一致させることが可能となる。
例えば、各風車と連系点との間に存在するリアクタンス成分を考慮せずに、連系点における実際の力率を力率指令値に一致させる単なるフィードバック制御を行った場合、各風車が備える発電システムの出力端における力率を、各風車に与えられた力率指令値に一致せることはできても、連系点における力率を所定の力率指令値に一致させることは難しい。これは、風車の出力端から連系点を繋ぐ電力線のリアクタンス等により、力率が変動するからである。この点、本発明では、各風車と連系点との間に存在するリアクタンス成分に基づいて決定された力率指令値に基づいて各風車の制御が行われるので、連系点における力率を効率的に、且つ、高精度で制御することが可能となる。
上記風力発電システムの運転制御方法は、前記連系点における無効電力及び有効電力を検出し、検出した無効電力及び有効電力から前記連系点における力率を算出する過程と、算出した前記力率と前記連系点における所定の力率指令値との差分を算出する過程とを更に含み、算出した前記差分と各前記風車の前記力率補正量とを用いて、前記連系点における所定の前記力率指令値を補正することで、各前記風車に対応する力率指令値をそれぞれ決定することとしてもよい。
本発明の第2の態様は、少なくとも1台の可変速風車と、少なくとも1台の固定速風車と、各前記風車に対して制御指令を与える中央制御装置とを備え、各風車の出力が共通の連系点を通じて電力系統に供給される風力発電システムの運転制御方法であって、記固定速風車全体としての前記連系点における力率を算出する過程と、算出した前記力率と前記連系点における所定の力率指令値との差分を算出する過程と、算出した前記差分を用いて前記所定の力率指令値を補正する過程と、補正後の前記所定の力率指令値を、各前記可変速風車に対してそれぞれ設定され、メモリに予め格納されている力率補正量を用いて補正することで、各前記可変速風車に対応する力率指令値を決定する過程とを含み、各前記力率補正量は、各前記可変速風車と前記連系点との間に存在するリアクタンス成分に基づいてそれぞれ決定され、前記メモリに格納されている各前記力率補正量は、所定の時間間隔で更新される風力発電システムの運転制御方法である。
上記方法によれば、固定速風車による力率変動を考慮して可変速風車の力率指令値が決定されるので、固定速風車による力率変動を可変速風車の力率制御によって吸収することが可能となる。これにより、固定速風車と可変速風車とが混在する場合であっても、連系点における力率制御の精度向上を図ることができる。
また、上記方法によれば、固定速風車の力率変動を考慮して補正された連系点における所定の力率指令値が、各可変速風車に対応してそれぞれ設定されている力率補正量を用いて補正される。ここで、力率補正量は、各風車と連系点との間に存在するリアクタンス成分に基づいて決定されているので、連系点における力率制御の精度向上を図ることが可能となる。
本発明の第3の態様は、複数の風車と、各前記風車に対して制御指令を与える中央制御装置とを備え、各前記風車の出力電力が共通の連系点を通じて電力系統に供給される風力発電システムであって、前記連系点における所定の力率指令値を、各前記風車に対してそれぞれ設定され、予めメモリに格納されている力率補正量を用いて補正することで、各前記風車に対応する力率指令値をそれぞれ決定する手段を有し、各前記力率補正量は、各前記風車と前記連系点との間に存在するリアクタンス成分に基づいてそれぞれ決定され、前記メモリに格納されている各前記力率補正量は、所定の時間間隔で更新される風力発電システムである。
上記風力発電システムは、前記連系点における無効電力及び有効電力を検出し、検出した無効電力及び有効電力から前記連系点における力率を算出する手段と、算出した前記力率と前記連系点における所定の力率指令値との差分を算出する手段とを有し、算出した前記差分と各前記風車の前記力率補正量とを用いて、前記連系点における所定の前記力率指令値を補正することで、各前記風車に対応する力率指令値をそれぞれ決定することとしてもよい。
本発明の第4の態様は、少なくとも1台の可変速風車と、少なくとも1台の固定速風車と、各前記風車に対して制御指令を与える中央制御装置とを備え、各風車の出力が共通の連系点を通じて電力系統に供給される風力発電システムであって前記中央制御装置が、前記固定速風車全体としての前記連系点における力率を算出する手段と、算出した前記力率と前記連系点における所定の力率指令値との差分を算出する手段と、算出した前記差分を用いて前記所定の力率指令値を補正する手段と、補正後の前記所定の力率指令値を、各前記可変速風車に対してそれぞれ設定され、メモリに予め格納されている力率補正量を用いて補正することで、各前記可変速風車に対応する力率指令値を決定する手段とを備え、各前記力率補正量は、各前記可変速風車と前記連系点との間に存在するリアクタンス成分に基づいてそれぞれ決定され、前記メモリに格納されている各前記力率補正量は、所定の時間間隔で更新される風力発電システムである。
本発明によれば、力率調整精度を向上させることができるという効果を奏する。
本発明の第1の実施形態に係る風力発電システムの全体構成を示した図である。 本発明の第1の実施形態に係る力率補正量について説明するための図である。 本発明の第1の実施形態に係る風力発電システムの運転制御方法の手順を示したフローチャートである。 本発明の第2の実施形態に係る風力発電システムの運転制御方法について説明するための図である。
符号の説明
1 風力発電システム
10 中央制御装置
20 発電システム
30 電力線
WTG1,WTG,WTGn 風車
以下に、本発明に係る風力発電システム及びその運転制御方法の各実施形態について、図面を参照して説明する。
〔第1の実施形態〕
図1は、本実施形態に係る風力発電システムの全体構成を示したブロック図である。図1に示されるように、風力発電システム1は、複数の風車WTG1,WTG2,・・・,WTGn(以下、全ての風車を示すときは単に符号「WTG」を付し、各風車を示すときは符号「WTG1」、「WTG2」等を付す。)と、各風車WTGに対して制御指令を与える中央制御装置10とを備えている。本実施形態において、全ての風車WTGは、可変速風車である。
各風車WTGは、発電システム20を備えている。発電システム20は、例えば、発電機と、発電機の有効電力および無効電力を制御可能な可変周波数コンバータ励磁システムと、該可変周波数コンバータ励磁システムに電力指令値を与える風車制御装置とを主な構成として備えている。
各風車が備える発電システム20から出力される電力は、各電力線30により共通の連系点Aを経由して電力系統(utility grid)に供給される。
中央制御装置10は、系統電力を管理する電力管理室(例えば、電力会社等)から通知される連系点Aにおける要求力率指令に基づいて、連系点Aにおける力率指令値を設定する。そして、この力率指令値を各風車WTG1,WTG2,・・・,WTGnに対応してそれぞれ設定されている力率補正量を用いて補正し、補正後の力率指令値を各風車に対してそれぞれ送信する。ここで、各風車に対応して設定されている力率補正量の詳細については後述する。
各風車WTG1,WTG2,・・・,WTGnが備える発電システム20は、中央制御装置10から与えられた力率指令値を満足するような有効電力の指令値と無効電力の指令値とを設定する。具体的には、発電システム20の風車制御装置は、発電機の回転数をモニタし、その回転数に応じた有効電力の指令値を設定する。また、この有効電力の指令値と以下の(1)式に示した関係式とから該力率指令値を満足する無効電力の指令値を求める。なお、このとき、風車制御装置は、熱的制約、電圧制限で決まる動作範囲内で無効電力の指令値を設定する。また、力率指令を優先する場合には、有効電力を減らして必要な無効電力を供給するよう設定することとしてもよい。
Figure 0005039793
上記(1)式において、Pは有効電力、Qは無効電力である。
風車制御装置は、設定した有効電力の指令値と無効電力の指令値とを可変周波数コンバータ励磁システムに与える。可変周波数コンバータ励磁システムは、風車制御装置から与えられる有効電力の指令値および無効電力の指令値に基づいて、発電機を制御する。
上記力率制御が行われることにより、各風車WTGから各風車に与えられた力率指令値を満足する有効電力と無効電力とが出力され、電力線30を介して共通の連系点Aに供給されることとなる。
次に、上述した各風車WTG1,WTG2,・・・,WTGnに対応してそれぞれ設定される力率補正量について詳細に説明する。
上記力率補正量は、各風車WTG1,WTG2,・・・,WTGnと連系点Aとの間に存在するリアクタンス成分に基づいて決定される。例えば、多くの風車を有するウィンドファームなどでは、各風車WTG1,WTG2,・・・,WTGnと連系点Aとを結ぶ電力線30の長さがかなり異なることとなる。このため、風車から出力された電力は、連系点Aに到達するまでにそれぞれの電力線30の距離に応じたリアクタンスの影響を受けることとなる。
これにより、例えば、各風車に対して一様な力率指令値を与えた場合には、連系点Aにおける無効電力にバラツキが生じ、力率精度が低下する可能性がある。この点、本実施形態では、上述したような電力線30のリアクタンス成分による電力変動を考慮し、各風車に与える力率指令値を各風車、より詳しくは、各風車と連系点Aとを繋ぐ電力線30のリアクタンス成分に応じた力率補正量を用いて補正することとしている。
まず、図2に示すように、各風車WTG1,WTG2,・・・,WTGi,・・・,WTGnの出力端における電力をそれぞれP1+jQ1,P2+jQ2,・・・,Pi+jQi,・・・,Pn+jQnとする。また、各風車WTG1,WTG2,・・・,WTGnと連系点Aとの間の電力線のリアクタンスをそれぞれjx1,jx2,・・・jxi,・・・jxnとし、また、連系点Aにおける各風車の電力をP1´+jQ1´,P2´+jQ2´,・・・,Pi´+jQi´,・・・,Pn´+jQn´と定義する。
次に、各風車において潮流計算を行う。ここでは、i番目の風車を例に挙げて説明する。便宜上、連系点電圧Vgrid=1pu,位相角δgrid=0とする。また、有効電力P、無効電力Qともに、各風車から連系点Aへ向かう方向を正の符号とする。また、力率の符号もこれに合わせ、例えば、P>0,Q>0ならば力率pf>0であり、P>0,Q<0ならば、力率pf<0となる。
このような条件において、風車WTGiの出力端における有効電力Pi、無効電力Qi、並びに連系点Aにおける有効電力Pi´、無効電力Qi´はそれぞれ以下のように表される。
Figure 0005039793
この潮流計算では、電力線30のリアクタンス成分しか考慮していないため、有効電力はPi=Pi´で同じ値となる。ここで、Pi,Qiを既知とすると、上記(2)からPi´,Qi´を解くことができる。
i,Qiは、例えば、風車の出力端における有効電力Pi,無効電力Qiを、過去所定期間(例えば、1ヶ月、或いは3ヶ月、或いは1年等)において取得し、取得したこれらデータを解析することにより、適切な値(例えば、平均値等)を設定する。
風車の出力端の力率pfiは、以下の(3)式により、連系点Aにおける力率pfi´は以下の(4)式により表される。
Figure 0005039793
この結果、i番目の風車の力率補正量Δpfiは、以下の(5)式で求めることができる。
Δpfi=pfgrid−pfi´ (5)
上記(5)式において、pfgridは連系点Aにおける力率指令値である。
上述の方法によって求められた各風車の力率補正量Δpfiは、各風車と対応付けられて中央制御装置10が備えるメモリに格納され、風車の運転時における力率指令値の補正に用いられる。
なお、メモリに格納される上記力率補正量は、例えば、所定の時間間隔(例えば、1年または3ヶ月等)で更新されるものとしてもよい。更新時には、風車の有効電力Pi及び無効電力Qiを適切な値に設定し(例えば、上述したように過去所定期間におけるデータの解析結果等を用いて設定し)、この値を上記式に代入することにより各風車の力率補正量を更新すればよい。
次に、上記構成を備える風力発電システムの運転制御方法について説明する。
まず、中央制御装置10は、連系点の力率指令値pfgridを取得すると(図3のステップSA1)、各風車WTG1,WTG2,・・・,WTGnに対応する力率補正量Δpfiをメモリから読み出し、この力率補正量Δpfiを用いて力率補正値pfgridを補正する(ステップSA2)。そして、補正後の力率指令値pfi(=pfgrid+Δpfi)を各風車WTG1,WTG2,・・・,WTGnにそれぞれ送信する(ステップSA3)。
各風車WTG1,WTG2,・・・,WTGnの風車制御装置は、中央制御装置10から受信した各力率指令値Δpf1,Δpf2,・・・,Δpfi,・・・,Δpfnを満足するような有効電力指令値と無効電力指令値とを設定し、設定した有効電力指令値と無効電力指令値とを可変周波数コンバータ励磁システムに与える。可変周波数コンバータ励磁システムは、与えられた有効電力指令値および無効電力指令値に基づいて、発電機を制御する。これにより、各風車に対応する力率指令値を満足する有効電力と無効電力とが各風車から出力され、電力線30を介して共通の連系点Aに供給されることとなる。
中央制御装置10は、連系点Aにおける無効電力及び有効電力を検出し、これら検出値から実際の力率pfgrid´を算出する。そして、算出した実際の力率pfgrid´と力率指令値pfgridとの差分を算出し、この差分を解消するような力率指令値を新たに算出し、これを次の力率指令値として各風車に与える(ステップSA4)。
新たな力率指令値は、以下に示す(6)式のように、実際の力率pfgrid´と力率指令値pfgridとの差分、及び力率補正量Δpfiを、力率指令値pfgridに更に加算することで求められる。
pfi=pfgrid+Δpfi+(pfgrid−pfgrid´) (6)
そして、以降においては、所定の時間間隔で連系点Aにおける実際の力率を検出し、この検出結果から求められる力率差分Δpfgrid=pfgrid−pfgrid´と力率補正値Δpfiとを上記(6)式に代入することにより、各風車に対応する力率指令値を算出すればよい。
このようにして、フィードバック制御が行われることにより、連系点Aにおける力率を安定させることが可能となる。
以上説明してきたように、本実施形態に係る風力発電システム1及びその運転制御方法によれば、連系点Aにおける力率指令値を、各風車と連系点Aとの間に存在するリアクタンスに応じた力率補正量を用いて補正することにより、各風車に適した力率指令値を求めるので、電力線30に係るリアクタンスを考慮した力率制御を各風車において行わせることが可能となる。これにより、連系点Aにおける力率制御の精度向上を図ることが可能となる。
〔第2の実施形態〕
次に、本発明の第2の実施形態について、図4を用いて説明する。
上述した第1の実施形態においては、全ての風車が可変速風車である場合について述べたが、本実施形態では、一部の風車が固定速風車である場合について説明する。
本実施形態に係る風力発電システムは、少なくとも1台の固定速風車と少なくとも1台の可変速風車を備えている。例えば、図4に示すように、1番目からi番目までの風車を可変速風車、i+1番目からn番目までの風車を固定速風車とする。この場合、まず、上述した第1の実施形態と同様の手順に基づく潮流計算により、連系点Aにおける有効電力Pi´及び無効電力Qi´を求める。
続いて、連系点Aにおける固定速風車のみの有効電力及び無効電力の合計を以下の(7)式、(8)式に示されるように求める。
Figure 0005039793
続いて、上記有効電力及び無効電力の合計を用いて、固定速風車全体としての力率pffix´を算出する。
Figure 0005039793
次に、連系点Aにおける力率指令値と上記固定速風車全体としての力率pffix´との差分を算出する。
Δpf=pfgrid−pffix´ (9)
そして、この差を可変速風車で吸収するため、このΔpfを指令値補正量として設定し、上記力率指令値pfgridに指令値補正量Δpfを加算した値を新たな力率指令値とする。そして、この力率指令値に基づいて、上述した第1の実施形態と同様、各可変速風車WTG1,WTG2,・・・WTGiに対応する力率補正量Δpf1,Δpf2,・・・・Δpfiを用いて、風車毎の力率指令値を求め、補正後の力率指令値を各風車に対して送信する。
以上説明してきたように、本実施形態に係る風力発電システム及びその運転制御方法によれば、固定速風車と可変速風車とが混在する場合には、固定速風車における力率の変動分を考慮して可変速風車の力率指令値が決定されるので、固定速風車による力率変動を可変速風車により吸収することが可能となる。これにより、固定速風車が含まれる場合においても力率制御の精度向上を図ることが可能となる。
なお、本実施形態においては、固定速風車全体の力率を求め、この力率を用いて連系点Aにおける力率指令値を補正し、更に、補正後の力率指令値を各可変速風車に対応してそれぞれ設定される力率補正量Δpfを用いて補正することとしたが、これに代えて、例えば、固定速風車全体の力率を用いて補正された力率指令値を、各可変速風車の力率指令値として与えることとしてもよい。この場合、各可変速風車と連系点Aとの間に存在するリアクトルによる力率変動については解消されないが、固定速風車による力率変動を解消することが可能となる点で、相当の効果を得ることができる。
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。
例えば、上述した各実施形態においては、中央制御装置10において力率指令値の補正を行っていたが、この態様に代えて、例えば、各風車において力率指令値の補正を行うこととしてもよい。この場合には、中央制御装置10から各風車に対して一様の力率指令値が送信され、各風車において、各風車が保有する個々の力率補正量を用いて、中央制御装置10から受信した力率指令値の補正が行われる。
また、本実施形態においては、中央制御装置10から通信によって補正後の力率指令値等が送信されることとしたが、例えば、オペレータが手動により各風車に対して力率指令値を入力設定するような構成としてもよい。

Claims (6)

  1. 複数の風車と、各前記風車に対して制御指令を与える中央制御装置とを備え、各前記風車の出力電力が共通の連系点を通じて電力系統に供給される風力発電システムの運転制御方法であって、
    前記連系点における所定の力率指令値を、各前記風車に対してそれぞれ設定され、予めメモリに格納されている力率補正量を用いて補正することで、各前記風車に対応する力率指令値をそれぞれ決定する過程を含み、
    各前記力率補正量は、各前記風車と前記連系点との間に存在するリアクタンス成分に基づいてそれぞれ決定され、
    前記メモリに格納されている各前記力率補正量は、所定の時間間隔で更新される風力発電システムの運転制御方法。
  2. 前記連系点における無効電力及び有効電力を検出し、検出した無効電力及び有効電力から前記連系点における力率を算出する過程と
    算出した前記力率と前記連系点における所定の力率指令値との差分を算出する過程と
    を含み
    算出した前記差分と各前記風車の前記力率補正量とを用いて、前記連系点における所定の前記力率指令値を補正することで、各前記風車に対応する力率指令値をそれぞれ決定する請求項1に記載の風力発電システムの運転制御方法。
  3. 少なくとも1台の可変速風車と、少なくとも1台の固定速風車と、各前記風車に対して制御指令を与える中央制御装置とを備え、各風車の出力が共通の連系点を通じて電力系統に供給される風力発電システムの運転制御方法であって、
    記固定速風車全体としての前記連系点における力率を算出する過程と
    算出した前記力率と前記連系点における所定の力率指令値との差分を算出する過程と
    算出した前記差分を用いて前記所定の力率指令値を補正する過程と
    補正後の前記所定の力率指令値を、各前記可変速風車に対してそれぞれ設定され、メモリに予め格納されている力率補正量を用いて補正することで、各前記可変速風車に対応する力率指令値を決定する過程と
    を含み、
    各前記力率補正量は、各前記可変速風車と前記連系点との間に存在するリアクタンス成分に基づいてそれぞれ決定され、
    前記メモリに格納されている各前記力率補正量は、所定の時間間隔で更新される風力発電システムの運転制御方法。
  4. 複数の風車と、各前記風車に対して制御指令を与える中央制御装置とを備え、各前記風車の出力電力が共通の連系点を通じて電力系統に供給される風力発電システムであって、
    前記連系点における所定の力率指令値を、各前記風車に対してそれぞれ設定され、予めメモリに格納されている力率補正量を用いて補正することで、各前記風車に対応する力率指令値をそれぞれ決定する手段を有し、
    各前記力率補正量は、各前記風車と前記連系点との間に存在するリアクタンス成分に基づいてそれぞれ決定され、
    前記メモリに格納されている各前記力率補正量は、所定の時間間隔で更新される風力発電システム。
  5. 前記連系点における無効電力及び有効電力を検出し、検出した無効電力及び有効電力から前記連系点における力率を算出する手段と
    算出した前記力率と前記連系点における所定の力率指令値との差分を算出する手段と
    を有し
    算出した前記差分と各前記風車の前記力率補正量とを用いて、前記連系点における所定の前記力率指令値を補正することで、各前記風車に対応する力率指令値をそれぞれ決定する請求項に記載の風力発電システム。
  6. 少なくとも1台の可変速風車と、少なくとも1台の固定速風車と、各前記風車に対して制御指令を与える中央制御装置とを備え、各風車の出力が共通の連系点を通じて電力系統に供給される風力発電システムであって
    前記中央制御装置が、
    前記固定速風車全体としての前記連系点における力率を算出する手段と
    算出した前記力率と前記連系点における所定の力率指令値との差分を算出する手段と
    算出した前記差分を用いて前記所定の力率指令値を補正する手段と
    補正後の前記所定の力率指令値を、各前記可変速風車に対してそれぞれ設定され、メモリに予め格納されている力率補正量を用いて補正することで、各前記可変速風車に対応する力率指令値を決定する手段と
    を備え、
    各前記力率補正量は、各前記可変速風車と前記連系点との間に存在するリアクタンス成分に基づいてそれぞれ決定され、
    前記メモリに格納されている各前記力率補正量は、所定の時間間隔で更新される風力発電システム。
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