JP5237454B2 - 風力発電装置およびその制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、風力発電装置およびその制御方法に関するものである。
近年、系統連系されている風力発電装置に対して、電力系統の擾乱発生から予め定められた時間内（例えば３０秒以内）に電力系統の周波数変動の回復に寄与すること（Primary Frequency Response、以下、「ＰＦＲ」という。）が求められている。
特許文献１には、ＰＦＲにおいて、ロータの回転数や出力に基づいて、出力する有効電力に制限を設けることが記載されている。
米国特許第７３４５３７３号明細書
ＰＦＲは、一般的に、設定周波数と実際の周波数（計測値）との偏差（周波数変化量）に応じて、風力発電装置の有効出力を増減させるが、一定しない自然エネルギーを動力源とする風力発電装置では、ガスの燃焼や蒸気等の制御可能な安定したエネルギーを動力源とするタービン発電機に比べて、風車の回転軸の回転数が大きく変動する場合がある。
そのため、例えば、回転軸の回転数が小さい場合に、ＰＦＲを行うために出力の増加が求められ、系統へ供給する出力がそのときの回転軸の回転数により決まる出力可能な最大出力を上回ると、回転軸の回転数が解列回転数を下回ってしまい、風車の能力を超えた運転となり、トリップ（出力の遮断）する可能性があった。また、例えば、回転軸の回転数が大きい場合に、さらに出力の増加が求められると、回転軸の回転数が過速度上限を超過し、風力発電装置がトリップする可能性があった。なお、トリップは、ロータの過回転の他、過出力、過電流でも起こる場合もある。
このような、ＰＦＲ実行中の風力発電装置のトリップは、電力系統に対して擾乱として作用し、ＰＦＲを行わない場合よりも電力系統の周波数を更に不安定にするおそれがある。また、一旦トリップすると再起動までに時間を要するため、風力発電装置は、電力系統の周波数を回復させるという目的を達成できない。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、電力系統に所定の周波数変動が発生した場合に、電力系統の周波数回復に確実に寄与することのできる風力発電装置およびその制御方法を提供することを目的とする。
本発明の第１の態様は、電力系統に周波数低下が生じた場合に、前記電力系統に出力する有効電力を増加させる風力発電装置であって、所定の周波数変動を検知する検知部と、所定の周波数変動が検知された場合に、解列回転数に所定の余裕を持たせた既定の回転数下限値と軸回転数の計測値との差分に基づいて限界有効電力を算出し、該限界有効電力に基づいて有効電力指令値を生成する第１制御部とを具備する風力発電装置である。
上記態様によれば、電力系統に所定の周波数変動が生じたことが検知部により検知された場合には、そのときの回転エネルギーにより出力可能な最大の電力量（限界有効電力）を算出し、この限界有効電力に基づいて有効電力指令値が生成される。一般的に、ＰＦＲが要求されるような周波数変動が生じた場合、電力系統の周波数に基づいて有効電力の増加量が決定されるが、実際に風力発電装置から電力系統に供給される有効電力量は、電力系統の周波数に基づいて決定された増加量よりも明らかに小さい値であることを新たな知見として得た。そこで、従来のように系統周波数の変動量に応じて有効電力量を決めるのではなく、風力発電装置が出力可能な最大の有効電力を電力系統に供給することで、風力発電装置のトリップを回避しながら、電力系統の周波数復帰に最大限に寄与することとした。
回転数下限値は解列が実行される解列回転数に対して所定のマージンを持たせた値である。マージンは設計に応じて任意に決定される値であり、たとえば、１０％程度が一例として挙げられる。
上記有効電力は、負荷で実際に消費される電力であり、以下の式で表わされる。
有効電力Ｐ＝ＶＩｃｏｓθ[Ｗ]
上記式において、Ｖは電圧、Ｉは電流であり、θは電圧と電流の位相差である。
上記風力発電装置において、前記検知部は、前記系統周波数の値が予め設定されている所定の第１閾値未満となり、かつ、単位時間に対する前記系統周波数の変化量が予め設定されている所定の第２閾値を超えた場合に、前記所定の周波数変動を検知することとしてもよい。
系統周波数の計測値と単位時間に対する変化量という２つの指標が所定の条件が充足されたときに所定の周波数変動が生じていることを検知するので、ＰＦＲが必要とされるような系統周波数の変動を確実に検知することができる。
上記風力発電装置において、前記第１制御部は、単位時間における前記系統周波数の変化量に応じて前記電力系統に供給する有効電力の波形の周期を決定することとしてもよい。
単位時間における系統周波数の変化量に応じて、有効電力に係る電力指令値の波形の周期を決定するので、電力系統の状態に応じて適切な有効電力量を行うことが可能となる。例えば、単位時間における系統周波数の変化量が大きいほど周期を短くする。これにより、急峻な周波数変動に対しては、早急に電力系統へ有効電力を供給することにより、迅速にその変動を抑制することが期待できる。また、緩慢な周波数変動に対しては緩やかな有効電力の上昇とすることで、過剰な出力補償を回避することが可能となる。
上記風力発電装置において、前記第１制御部は、前記軸回転数の計測値がパラメータとして含まれている有効電力指令値の演算式を有し、該演算式を用いて前記有効電力指令値を生成することとしてもよい。
演算式を用いて有効電力指令値を決定することにより、軸回転数に応じた適切な有効電力指令値を得ることができ、細やかな有効電力の制御が可能となる。
上記風力発電装置において、前記第１制御部は、前記軸回転数の計測値と前記有効電力指令値とが関連付けられたテーブルを有しており、該テーブルを用いて軸回転数の計測値に応じた有効電力指令値を取得することとしてもよい。
テーブルとして情報を保有していることで、複雑な演算処理が不要となり、容易に有効電力指令値を決めることができる。
本発明の第２の態様は、電力系統に周波数低下が生じた場合に、前記電力系統に出力する有効電力を増加させる風力発電装置の制御方法であって、所定の周波数変動を検知する工程と、所定の周波数変動が検知された場合に、解列回転数に所定の余裕を持たせた既定の回転数下限値と軸回転数の計測値との差分に基づいて限界有効電力を算出し、該限界有効電力に基づいて前記電力系統に供給する有効電力指令値を生成する工程とを有する風力発電装置の制御方法である。
本発明によれば、電力系統に所定の周波数変動が発生した場合に、風力発電装置のトリップを回避し、電力系統の周波数回復に確実に寄与す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外観図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電所の全体構成および風力発電装置の電気的構成を示した模式図である。 本発明の一実施形態に係る電力指令値生成部の概略構成を示すブロック図である。 系統周波数の変動が急峻な場合と緩慢な場合における電力指令値の波形を比較して示した図である。
以下に、本発明の一実施形態に係る風力発電装置およびその制御方法について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る風力発電装置１０の外観図である。図１に示す風力発電装置１０は、いわゆる可変速風車であり、基礎１２上に立設される支柱１４と、支柱１４の上端に設置されるナセル１６と、略水平な軸線周りに回転可能にしてナセル１６に設けられるロータヘッド１８とを有している。
ロータヘッド１８には、その回転軸線周りに複数（本実施形態では、一例として３つ）のブレード２０が放射状に取り付けられている。ブレード２０は、運転条件に応じて回動可能なようにロータヘッド１８に連結されており、ピッチ角が変化可能とされている。
図２は、本実施形態に係る風力発電所３０の全体構成および風力発電装置１０の電気的構成を示した模式図である。風力発電所３０は、サブステーション３１と複数の風力発電装置１０とを備えている。
サブステーション３１には、風力発電所３０全体の制御を司るマスタコントローラ３２（例えば、ＳＣＡＤＡ（Supervisory Control And Data Acquisition））が設けられている。
マスタコントローラ３２は、電力系統３８から要求される有効電力を示す系統要求出力値を受信し、各風力発電装置１０へ送信する。
各風力発電装置１０は、変圧器３４を介してサブステーション３１に接続されると共に、サブステーション３１が有する変圧器３５及び送電線３６を介して系統連系されている。
各風力発電装置１０は、ロータヘッド１８の回転軸に、機械的に連結される増速機２１および発電機２２を備えている。また、風力発電装置１０は、ブレードピッチ角や発電機２２の出力制御を行う制御装置２３、制御装置２３により駆動制御されるコンバータ２４を備えている。増速機２１、発電機２２、制御装置２３、およびコンバータ２４は、例えば、ナセル１６（図１参照）内に収容されている。
制御装置２３は、例えば、タービンコントローラ４０及びコンバータコントローラ４２を備えている。
タービンコントローラ４０は、例えば、系統要求出力値に応じた有効電力指令値を生成し、この有効電力指令値をコンバータコントローラ４２に出力するとともに、ＰＦＲが必要な周波数変動が電力系統に発生した場合には、速やかに出力を増加させる有効電力指令値を生成する。また、タービンコントローラ４０は、系統要求出力値に基づいてブレード２０のピッチ角を制御するためのピッチ角指令値を生成し、このピッチ角指令値をピッチアクチュエータ（図示略）へ出力する。また、タービンコントローラ４０は、風力発電装置１０の有効電力や風力発電装置１０の制御状態を示すデータ等をマスタコントローラ３２へ送信する。
コンバータコントローラ４２は、タービンコントローラ４０から入力された有効電力指令値に基づいて、コンバータ２４を制御する。
コンバータ２４は、コンバータコントローラ４２からの制御信号に基づいて、発電機２２から電力系統３８へ供給される有効電力を制御する。
このような風力発電装置１０においては、ロータヘッド１８の回転軸線方向からブレード２０に当たった風の力によってロータヘッド１８が回転軸周りに回転させられ、その回転力が増速機２１により増速されて、発電機２２に伝達されて発電機２２が発電する。発電機２２による発電電力は、制御装置２３からの指示に基づいてコンバータ２４により制御され、変圧器３４を介してサブステーション３１に送られる。サブステーション３１では、各風力発電装置１０からの有効電力が合成され、サブステーション３１内に設けられた変圧器３５などを経由して電力系統３８に供給される。
次に、本発明の主な特徴の一つである有効電力指令値の生成に係る一実施形態について、図を参照して説明する。有効電力指令値の生成は、制御装置２３のタービンコントローラ４０が備える有効電力指令値生成部５０により実行される。図３は、有効電力指令値生成部５０の概略構成を示したブロック図である。
有効電力指令値生成部５０は、系統周波数に基づいてＰＦＲが必要とされる周波数変動が発生したことを検知する検知部５１と、ＰＦＲモード用の有効電力指令値を生成する第１制御部５２と、通常モード用の有効電力指令値を生成する第２制御部５３と、検知部５１による検知結果に応じて第１制御部５２と第２制御部５３のいずれかを選択する選択部５４とを主な構成として備えている。
検知部５１は、例えば、系統周波数の値が予め設定されている所定の第１閾値未満（例えば、６０Ｈzが定格である場合、５９．９０Ｈz）となり、かつ、単位時間に対する系統周波数の変化量が予め設定されている所定の第２閾値（例えば、６０Ｈzが定格である場合、０．０４Ｈz／秒）を超えた場合に、ＰＦＲが要求される周波数変動が発生したことを検知し、ＰＦＲモードの信号を選択部５４に出力する。
選択部５４は、検知部５１からＰＦＲモードの信号が入力されると、該信号を受信してから予め設定されている所定の期間（例えば、１０秒）において第１制御部５２を選択し、該所定の期間経過後に第２制御部５３に切り替える。
第１制御部５２は、有効電力指令値決定部６１と、リミッタ６２とを備えている。有効電力指令値決定部６１は、ＰＦＲが検知されたときの回転エネルギーにより出力可能な最大の有効電力とみなせる限界有効電力を算出し、この限界有効電力に基づいて電力指令値を生成する。具体的には、ロータの回転数（回転軸の回転数であり、図２では増速機２１による増速前の回転数を用いているが、増速後の回転数、すなわち発電機２２のロータ回転数を用いることとしてもよい。）と予め設定されている回転数下限値との差分に基づいて、電力系統に供給する有効電力量を決定する。
回転数下限値とは、風力発電装置１０を系列する解列回転数に所定のマージンを持たせた回転数をいう。マージンは、設計に応じて任意に決定される値であり、本実施形態では、１０％程度のマージンが加えられている。
限界出力量ｐは、例えば、ロータの回転数を用いて以下の（１）式で算出される。
Figure 0005237454
ここで、ｐは風力発電装置の限界有効電力、Ｊは系のイナーシャ、ωｍはＰＦＲが必要とされる周波数変動が発生する前のロータの計測回転数、ω０は規定の回転数下限値である。
例えば、限界有効電力ｐを正弦波として電力系統３８側に供給する場合、各時刻における有効電力指令値は以下の（２）式で与えられる。
Figure 0005237454
（２）式において、Δｐは各時刻における有効電力指令値、ΔＰ・Ｓｂａｓｅは正弦波の振幅であり（このうち、Ｓｂａｓｅは定格出力である）、ωpfr・ｔは正弦波の周期、ａは所定の定数である。また、ωpfrは（３）式に示されるように、単位時間における系統周波数の変化量の関数とされており、単位時間における系統周波数の変化量ｆgradが大きいほど小さい値となる。
したがって、図４に比較して示されるように、単位時間における系統周波数の変化量が比較的大きい場合、すなわち、図４において実線で示されているように、系統周波数の傾きが急峻な場合にはＰＦＲモードにおける電力指令値の周期が短くなる。一方、単位時間における系統周波数の変化量が比較的小さい場合、すなわち、図４において破線で示されているように、系統周波数の傾きが緩やかな場合にはＰＦＲモードにおける有効電力指令値の周期が長くなる。なお、どちらも波形の面積、すなわち、供給される有効電力については、上記（１）式で示したように等しい。
このように、系統周波数の低下の傾きに応じて有効電力指令値の正弦波の周期を変えることにより、急峻な周波数変動に対しては早急に電力系統へ有効電力を供給することで、適切にその変動を抑制することが期待でき、緩慢な周波数変動に対しては緩やかな有効電力上昇とすることで、過剰な出力補償を回避することが可能となる。
第１制御部５２におけるリミッタ６２は、上記（２）式により求められた各時刻における有効電力指令値ΔＰ・Ｓｂａｓｅが風力発電装置の機械構成上の制約（例えば、電気設備の耐熱量や機械設備の荷重など）から決められる出力上限値を超えないように抑制する。これにより、風力発電装置１０のトリップを回避することができ、発電電力を確実に電力系統３８に供給することができる。
第２制御部５３は、通常モードにおける有効電力指令値を生成する。例えば、ロータの計測回転数に応じた有効電力指令値を生成する。
このような構成を備える風力発電装置１０においては、系統周波数が安定している場合には、選択部５４により第２制御部５３が選択され、第２制御部５３によって生成された有効電力指令値がコンバータコントローラ４２（図２参照）に出力される。コンバータコントローラ４２は、入力された有効電力指令値に基づいてコンバータ２４を制御することにより、第２制御部５３によって生成された有効電力指令値に応じた有効電力が電力系統３８に供給される。このような状態において、電力系統３８に擾乱が発生し、系統周波数が低下することにより、検知部５１によってＰＦＲが必要とされる周波数変動が発生したことが検知されると、ＰＦＲモードの信号が選択部５４に出力される。
選択部５４は、ＰＦＲモードの信号を受信すると、第２制御部５３から第１制御部５２に切り替える。
これにより、第１制御部５２の有効電力指令値決定部６１に、ロータの計測回転数と、単位時間における系統周波数の変動量が入力情報として入力され、これらの情報に基づいて上記（２）式を用いて、正弦波の有効電力指令値が生成される。この有効電力指令値は、リミッタ６２を経由することで、風力発電装置１０の機械構成における熱的、または、強度上の制約から決定される上限値を超えないように抑制され、コンバータコントローラ４２に出力される。コンバータコントローラ４２は、入力された有効電力指令値に基づいてコンバータ２４を制御する。これにより、電力系統３８には、各風量発電装置１０の回転エネルギーを最大限に利用した有効電力が供給され、周波数変動の早期回復に寄与される。
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およびその制御方法によれば、電力系統に供給される有効電力は、風力発電装置１０がトリップしない範囲で出力可能な最大の有効電力に設定されているので、電力系統３８の周波数変動を回復させる場合に、有効電力の増減が過剰となり、風力発電装置１０が電力系統へ有効電力を供給できなくなることを回避することができる。
更に、発電出力の周期は、単位時間における系統周波数の変化量、換言すると、系統周波数の低下の傾きに基づいて決められるので、急峻な周波数変動に対しては早急に電力系統へ有効電力を供給して、適切にその変動を抑制することが可能となり、また、緩慢な周波数変動に対しては緩やかな有効電力の上昇とすることで、過剰な出力補償を回避す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およびその制御方法においては、ロータの回転数および単位時間における系統周波数の変化量をパラメータとした演算式を第１制御部５２が保有しており、この演算式を用いて有効電力指令値を生成する場合について述べたが、これに代えて、例えば、ロータの回転数を複数の回転数レベルに区分し、各回転数レベルと有効電力指令値とを関連付けたテーブルを予め記憶しておくこととしてもよい。ここで、各回転数レベルに関連付けられる有効電力指令値は、例えば、ある回転数レベルがα以上β未満であれば、その回転数レベルの中間値である（α＋β）／２を上記（２）式に代入したときの電力指令値とされる。また、有効電力指令値の波形の周期は、単位時間における系統周波数の変化量によって決められるため、単位時間における系統周波数の変化量と回転数レベルとを変数とした２次元的なテーブルを用意してもよい。このように、有効電力指令値をテーブルとして保有していることで、煩雑な演算処理を行わずに、有効電力指令値を容易に生成することが可能となる。
また、本実施形態においては、有効電力指令値を正弦波として生成したが、波形についてはこの例に限定されない。
また、本実施形態においては、風力発電所３０を例示して説明したが、１台の風力発電装置により発電を行う場合にも適用することが可能である。
また、本実施形態においては、ロータの回転数を用いて有効電力指令値を決定することとしたが、これに代えて、発電機の回転数を用いることとしてもよい。
また、本実施形態においては、同期発電機を用いた風力発電装置について例示したが、発電機の構成についてはこの例に限定されない。
また、本実施形態に係る風力発電装置１０においては、上記タービンコントローラ４０が備える有効電力指令値作成部５０は、専用の制御回路が組み合わせられて構成されていてもよいし、ソフトウェアにより実現される構成とされていてもよい。ソフトウェアにより上記各部の処理を実現する場合には、有効電力指令値作成部５０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ等の主記憶装置、及び上記処理の全て或いは一部を実現させるためのプログラムが記録されたコンピュータ読み取り可能な記録媒体を備えており、ＣＰＵが上記記憶媒体に記録されているプログラムを読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、上述した各部の処理を実現させる。
ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。
１０ 風力発電装置
１６ ナセル
１８ ロータヘッド
２０ ブレード
２１ 増速機
２２ 発電機
２３ 制御装置
２４ コンバータ
３０ 風力発電所
３１ サブステーション
３８ 電力系統
４０ タービンコントローラ
４２ コンバータコントローラ
５０ 有効電力指令値生成部
５１ 検知部
５２ 第１制御部
５３ 第２制御部
５４ 選択部
６１ 有効電力指令値決定部
６２ リミッタ

Claims (6)

  1. 電力系統に周波数低下が生じた場合に、前記電力系統に出力する有効電力を増加させる風力発電装置であって、
    所定の周波数変動を検知する検知部と、
    所定の周波数変動が検知された場合に、解列回転数に所定の余裕を持たせた既定の回転数下限値と軸回転数の計測値との差分に基づいて限界有効電力を算出し、該限界有効電力に基づいて前記電力系統に供給する有効電力指令値を生成する第１制御部と
    を具備する風力発電装置。
  2. 前記検知部は、前記系統周波数の値が予め設定されている所定の第１閾値未満となり、かつ、単位時間に対する前記系統周波数の変化量が予め設定されている所定の第２閾値を超えた場合に、前記所定の周波数変動を検知する請求項１に記載の風力発電装置。
  3. 前記第１制御部は、単位時間における前記系統周波数の変化量に応じて前記電力系統に供給する有効電力の波形の周期を決定する請求項１に記載の風力発電装置。
  4. 前記第１制御部は、前記軸回転数の計測値がパラメータとして含まれている有効電力指令値の演算式を有し、該演算式を用いて前記有効電力指令値を生成する請求項１に記載の風力発電装置。
  5. 前記第１制御部は、前記軸回転数の計測値と前記有効電力指令値とが関連付けられたテーブルを有しており、該テーブルを用いて軸回転数の計測値に応じた電力指令値を取得する請求項１に記載の風力発電装置。
  6. 電力系統に周波数低下が生じた場合に、前記電力系統に出力する有効電力を増加させる風力発電装置の制御方法であって、
    所定の周波数変動を検知する工程と、
    所定の周波数変動が検知された場合に、解列回転数に所定の余裕を持たせた既定の回転数下限値と軸回転数の計測値との差分に基づいて限界有効電力を算出し、該限界有効電力に基づいて前記電力系統に供給する有効電力指令値を生成する工程と
    を有する風力発電装置の制御方法。
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