JP5276718B2 - 風力発電システムおよび風力発電装置 - Google Patents

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Description

本発明は、風力発電システムおよび風力発電装置に関するものである。
可変速風車は、通常、定格風速域において、風車端の出力が一定となるように制御されている。この場合、発電機出力Ｐg、風車端の出力Ｐn、補機損失Ｐlossの間には、以下の関係が成立する。
Ｐｎ＝Ｐｇ−Ｐloss＝定格出力で一定 （１）
特開２００８−１８２８５９
上記（１）式に示した関係において、例えば、定格出力が２４００ｋＷであり、補機損失Ｐｌｏｓsが３０ｋＷの場合、たとえ、発電機の発電可能な出力が２５２０ｋＷであったとしても、定格出力を２４００ｋＷで一定とするために、発電機出力Ｐｇは２４３０ｋＷ（＝Ｐｎ＋Ｐｌｏｓｓ＝２４００ｋＷ＋３０ｋＷ）に抑制されてしまう。この場合、９０ｋＷ（＝２５２０ｋＷ−２４３０ｋＷ）に相当する風力エネルギーが無駄に捨てられることとなる。
本発明は、風力エネルギーを可能な限り有効に活用し、電力系統に供給する発電量を増加させることのできる風力発電システムおよび風力発電装置を提供することを目的とする。
本発明の第１の態様は、電力系統に接続された風力発電装置と、前記風力発電装置で生成された電力又は前記電力系統から供給された電力を充電可能な蓄電装置と、前記風力発電装置と双方向通信が可能とされ、前記蓄電装置の充放電を制御する充放電制御装置とを備え、前記風力発電装置は、発電機が出力可能な最大有効電力から補機で消費される補機損失が差し引かれた有効電力を出力し、前記充放電制御装置は、前記風力発電装置から出力される有効電力が、送電端に設けられた定格出力よりも大きな値である制限電力値を超える場合に、前記風力発電装置から出力される有効電力の一部を前記蓄電装置に充電させる風力発電システムである。
このような風力発電システムによれば、風力発電装置において、発電機は出力可能な最大有効電力が出力されるよう、すなわち、発電機出力が最大限に引き上げる制御が行われ、発電機出力から補機消費分である補機損失が差し引かれた出力が風車端の出力として電力系統側へ出力される。これにより、定格出力によって発電機出力が抑制されることなく、風力エネルギーを可能な限り利用した最大の発電機出力を得ることが可能となる。また、このようにして風力発電装置から出力された電力が送電端に設けられた制限電力値を超えていた場合には、その一部が蓄電装置に充電される。これにより、送電端に設けられた制限電力値を超える有効電力が風力発電装置から出力された場合であっても、その余剰分を捨てることなく有効に利用することが可能となる。
上記風力発電システムにおいて、前記風力発電装置は、前記蓄電装置が充電可能な状態にあり、かつ、定格風速以上であり、かつ、前記蓄電装置が放電中でない場合に、前記発電機が出力可能な最大有効電力から前記補機損失を減算した有効電力を出力することとしてもよい。
蓄電装置が充電可能な状態にない場合や放電中である場合には、蓄電装置に充電を行うことができず、また、定格風速未満である場合には、発電機出力は低下してしまい、出力可能な最大有効電力を得ることができない。したがって、このような状況においては、発電機出力を最大限に引き上げる制御を行わないこととしている。
上記風力発電システムにおいて、前記充放電制御装置は、前記風力発電装置から出力さ れる有効電力が前記制限電力値を超える場合に、該有効電力から前記風力発電装置の定格出力を減算した有効電力を前記蓄電装置に充電させることとしてもよい。
これにより、風力発電装置の定格出力を電力系統に出力できるとともに、定格出力に対する過剰分を蓄電装置に充電させることができる。また、電力系統に出力する有効電力を安定させることができるとともに、過剰分を有効に利用することが可能となる。
上記風力発電システムにおいて、前記充放電制御装置は、前記風力発電装置から出力さ れる有効電力が前記制限電力値を超える場合に、該有効電力から該制限電力値に１以下の所定の係数を乗じた電力を減算した有効電力を前記蓄電装置に充電させることとしてもよい。
これにより、送電端に設けられた制限電力値以上の有効電力が電力系統に出力されることを防止することができるとともに、定格出力を超える過剰分の電力を有効に利用することができる。
上記風力発電システムにおいて、前記風力発電装置は、発電機と、風車制御装置とを有 し、前記風車制御装置は、前記発電機が出力可能な最大有効電力を有効電力指令値として 設定する第１制御部と、前記発電機のロータ回転数に基づく有効電力指令値を設定する第 ２制御部と、前記蓄電装置が充電可能な状態にあり、かつ、定格風速以上であり、かつ、 前記蓄電装置が放電中でない第１条件を満たす場合に、前記第１制御部を選択し、該第１ 条件を満たさない場合に第２制御部を選択する選択部とを有し、前記選択部が選択した制 御部によって設定された有効電力指令値に基づいて前記発電機が制御されることとしても よい。
上記風力発電システムにおいて、前記第１制御部は、前記有効電力指令値から補機損失 を減算した電力が前記制限電力値以下であった場合に、充電電力指令値をゼロに設定する 第２指令生成部を有し、該充電電力指令値が前記充放電制御装置に出力されることとして もよい。
本発明の第２態様は、上記の風力発電システムに適用される風力発電装置であって、発 電機と、風車制御装置とを有し、前記風車制御装置は、前記発電機が出力可能な最大有効 電力を有効電力指令値として設定する第１制御部と、前記発電機のロータ回転数に基づく 有効電力指令値を設定する第２制御部と、前記蓄電装置が充電可能な状態にあり、かつ、 定格風速以上であり、かつ、前記蓄電装置が放電中でない第１条件を満たす場合に、前記 第１制御部を選択し、該第１条件を満たさない場合に第２制御部を選択する選択部とを有 し、前記選択部が選択した制御部によって設定された有効電力指令値に基づいて前記発電 機を制御する風力発電装置である。
このような風力発電装置によれば、発電機は、定格出力にかかわらず、出力可能な最大有効電力が出力されるよう、換言すると、発電機出力が最大限に引き上げる制御が行われるので、風力エネルギーを可能な限り利用した最大の発電機出力を得ることが可能となる。
本発明によれば、風力エネルギーを可能な限り有効に活用し、電力系統に供給する発電量を増加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外観図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電装置の概略構成を示した図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電システムの概略構成を示した図である。 本発明の一実施形態に係る風車制御装置が備える各種機能のうち、発電機出力の制御に関する主な機能を展開して示した機能ブロック図である。 本発明の効果を説明するための図である。
以下、本発明の一実施形態に係る風力発電システムおよび風力発電装置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、図２は風力発電装置１０の概略構成を示した図である。
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１１上に立設される支柱１２と、支柱１２の上端に設置されるナセル１３と、略水平な軸線周りに回転可能にしてナセル１３に設けられるロータヘッド１４とを有している。
ロータヘッド１４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１５が放射状に取り付けられている。ブレード１５は、運転条件に応じてロータヘッド１４に対して回動可能なように連結されており、ピッチ角が変化可能とされている。
図２に示すように、ロータヘッド１４の回転軸には、増速機１７および発電機１８が機械的に連結されている。発電機１８は、同期発電機であってもよいし、誘導発電機であってもよい。
ロータヘッド１４の回転軸線方向からブレード１５に当たった風の力によってロータヘッド１４が回転軸周りに回転させられ、その回転力が増速機１７により増速されて、発電機１８に伝達されて発電機１８が発電する。
発電機出力は、風車制御装置１６から出力される有効電力指令値に基づいて、コンバータコントローラ２０がコンバータ１９を制御することにより制御される。発電機出力は、その一部が、風力発電装置１０が備える制御油ポンプや油冷却ファンなどの種々の補機によって消費された後、風車端の出力として電力系統側に出力されることとなる。ここで、補機により消費される電力を「補機損失」と定義する。また、「風車端の出力」は、以下の式で表わされる。
風車端の出力＝発電機出力−補機損失
また、上記増速機１７、発電機１８、風車制御装置１６、コンバータコントローラ２０、およびコンバータ１９は、例えば、ナセル１３内に収容されている。
図３は、本実施形態に係る風力発電システム１の概略構成を示した図である。本実施形態に係る風力発電システム１は、複数台の風力発電装置１０を備えている。各風力発電装置１０から出力された有効電力は電力系統４０に供給されるようになっている。風力発電装置１０と電力系統４０との間には、風力発電装置１０から出力された有効電力の一部を充電するとともに、充電した電力を電力系統４０へ放電可能な蓄電システム３を備えている。
蓄電システム３は、蓄電装置３０と、充放電制御装置３１と、電力変換装置３２とを備えている。蓄電装置３０は、風力発電装置１０と電力系統４０との間に電気的に接続されている。充放電制御装置３１は、各風力発電装置１０が備える風車制御装置１６と双方向通信が可能とされ、各風力発電装置１０の風車制御装置１６から受信した充電電力指令値に基づいて蓄電装置３０の充放電を制御するとともに、各風力発電装置１０の風車制御装置１６に対してバッテリ情報を送信する。バッテリ情報としては、例えば、蓄電装置３０が放電中、充電中、停止中などの蓄電装置の運転状態に関する情報や、蓄電装置３０の充電率に関する情報などが挙げられる。
また、充放電制御装置３１は、系統電力側に設けられた送電設備から送電端に設けられた制限電力値を受信する。充放電制御装置３１は、この送電端に設けられた制限電力値を各風力発電装置１０の風車制御装置１６に送信する。
電力変換装置３２は、充放電制御装置３１からの充放電制御信号に基づいて、風力発電装置１０から出力された交流電力を直流電力に変換して蓄電装置３０に蓄電するとともに、蓄電装置３０に蓄電されていた直流電力を交流電力に変換して電力系統４０へ供給する。
ここで、図３においては、風力発電システム１が１台の蓄電システム３を備える場合について例示したが、蓄電システム３は各風力発電装置１０に対応してそれぞれ設けられてもよく、また、複数台の風力発電装置１０に対して１台ずつ設けられることとしてもよい。
図４は、風力発電装置１０の風車制御装置１６が備える各種機能のうち、発電機出力の制御に関する主な機能を展開して示した機能ブロック図である。
図４に示すように、風車制御装置１６は、発電機１８（図２参照）のロータ回転数に基づいて出力指令値を生成する出力指令生成部５１と、出力指令生成部５１によって生成された出力指令値を参照して、発電機出力を最大限に引き上げる制御を行い、風力エネルギーを可能な限り利用するような制御を行う第１制御部５２と、後述する所定の切替条件に基づいて第１制御部５２と第２制御部５３とのいずれかを選択する選択部５４とを備えている。
出力指令生成部５１は、発電機１８のロータ回転数と出力指令値とが対応付けられたテーブルを有しており、入力された発電機１８のロータ回転数に対応する出力指令値を該テーブルから取得し、この出力指令値を選択部５４に出力する。ここで、本実施形態では、出力指令生成部５１がロータ回転数を用いて出力指令値を生成することとしたが、ブレードの回転数などを用いて出力指令値を生成することとしてもよい。
第１制御部５２は、コンバータコントローラ２０（図２参照）に出力する有効電力指令値を生成する第１指令生成部６１と、充放電制御装置３１（図３参照）に対して出力する充電電力指令値を生成する第２指令生成部６２とを備えている。
第１指令生成部６１は、例えば、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、機械設備の荷重など）から決定される発電機の出力可能な最大有効電力Ｐｍａｘを保有しており、これを有効電力指令値として出力する。
第２指令生成部６２は、第１指令生成部６１によって設定された有効電力指令値から補機損失を減算した電力、すなわち、風車端の出力が、送電端に設けられた制限電力値以下であるか否かを判定し、送電端に設けられた制限電力値以下である場合には、ゼロである充電電力指令値を生成する。
すなわち、風車端の出力が送電端に設けられた制限電力値以下であれば、風車端の出力が定格出力を超えていたとしても電力系統４０（図３参照）に供給が可能となるため、この場合には蓄電装置３０における充電を行わずに、風車端の出力を電力系統４０に出力する。
一方、風車端の出力が送電端に設けられた制限電力値を超えていた場合には、その超過分、すなわち、（２）式で表わすように、風車端の出力から定格出力を減算した値を充電電力指令値として生成する。
充電電力指令値＝風車端の出力−定格出力
＝有効電力指令値−補機損失−定格出力 （２）
すなわち、風車端の出力が送電端に設けられた制限電力値を超えていた場合は、当該風力発電装置から出力された有効電力は電力系統４０（図３参照）に全て供給することができないため、その一部を蓄電装置３０に充電させ、送電端に設けられた制限電力値以下となった電力を電力系統４０に供給する。
なお、ここでは、上記（２）式で示したように、風車端の出力から定格出力を差し引いた値を充電電力指令値、すなわち、蓄電装置３０（図３参照）に充電させる電力としたが、蓄電装置３０に充電させる電力については、これに限られない。
つまり、蓄電装置３０に充電させる電力は、風車端の出力が送電端に設けられた制限電力値以下となるような電力であればよく、例えば、以下の（３）式に示すように、風車端の出力から送電端に設けられた制限電力値を減算した値を充電電力指令値としてもよい。
充電電力指令値＝風車端の出力−送電端に設けられた制限電力値
・・・（３）
また、（４）式に示すように、送電端に設けられた制限電力値に１以下の所定の係数を乗じた値を風車端の出力から減算した値を充電電力指令値としてもよい。
充電電力指令値＝風車端の出力−（送電端に設けられた制限電力値＊α） ・・・（４）
上記（４）式において、αは１以下の所定の係数であり、例えば、０．９５、０．９０、０．８５、０．８０等が採用される。
第１指令生成部６１によって生成された有効電力指令値は、図２に示したコンバータコントローラ２０に出力され、第２指令生成部６２によって生成された充電電力指令値は、図３に示した蓄電システム３の充放電制御装置３１に送信される。
選択部５４は、図３に示した蓄電システム３の蓄電装置３０が充電可能な状態にあり、かつ、定格風速以上であり、かつ、蓄電装置３０が放電中でない場合に、第１制御部５２を選択する。また、上記切替条件のいずれか一つでも満たさない場合には、第２制御部５３を選択する。
上記定格風速以上であるか否かの情報については、例えば、風力発電装置１０に取り付けられた風速計（不図示）により計測された値が入力されて用いられる。また、蓄電装置３０に関する情報については、充放電制御装置３１から受信したバッテリ情報に基づいて判断される。蓄電装置３０が充電可能な状態であるか否かについては、例えば、蓄電装置３０の充電率が予め設定されている所定の充電率（例えば、６０％）以下であるか否かにより判断される。
次に、上述した構成を備える本実施形態に係る風力発電システム１の動作について図２から図４を参照して説明する。
まず、図３に示した蓄電システム３の充放電制御装置３１において、バッテリ情報が生成され、このバッテリ情報が各風力発電装置１０の風車制御装置１６に送信される。また、送電端に設けられた制限電力値についても送信される。
また、各風力発電装置１０においては、発電機１８のロータ回転数や風速などがセンサ（図示略）により計測され、この計測値が風車制御装置１６に入力される。
風車制御装置１６においては、入力された発電機のロータ回転数に基づく出力指令値が出力指令生成部５１により生成されて、選択部５４に出力される。選択部５４においては、充放電制御装置３１から送信されてきたバッテリ情報および風力発電装置１０に設置された風速センサ（図示略）によって計測された風速に基づいて、第１制御部５２または第２制御部５３が選択される。
すなわち、蓄電装置３０が充電可能な状態であり、かつ、定格風速以上であり、かつ、蓄電装置３０が放電中でない場合には、第１制御部５２が選択され、それ以外の場合には第２制御部５３が選択される。また、選択された制御部には、出力指令生成部５１により生成された出力指令値が出力される。
第２制御部５３が選択された場合には、第２制御部５３において、発電機のロータ回転数に基づく有効電力指令値が生成されて、コンバータコントローラ２０に出力され、コンバータ１９が制御される。これにより、例えば、風車端の出力を定格出力一定とする制御が行われ、定格出力の電力が電力系統４０に供給されることとなる。
一方、第１選択部５２が選択された場合には、第１指令生成部６１において発電機が出力可能な最大有効電力が有効電力指令値とされて、コンバータコントローラ２０に出力される。そして、コンバータコントローラ２０がこの有効電力指令値に基づいてコンバータ１９を制御することにより、有効電力指令値に基づく発電機出力が得られる。これにより、発電機１８が出力可能な最大有効電力が発電機出力として得られる。
この発電機出力は、補機により一部の電力が消費され、残りの電力が風車端の出力として、風車発電装置１０から電力系統側に出力される。例えば、定格出力が２４００ｋＷ、補機損失が５０ｋＷ、有効電力指令値が２５２０ｋＷであった場合、有効電力指令値−補機損失＝２５２０ｋＷ−５０ｋＷ＝２４７０ｋＷとなり、定格出力の２４００ｋＷを７０ｋＷ上回る出力が風力発電装置１０から電力系統側へ出力されることとなる。
また、風車制御装置１６の第２指令生成部６２では、第１指令生成部６１によって生成された有効電力指令値から補機損失を減算した有効電力、すなわち、風車端の出力が、送電端に設けられた制限電力値以下であるか否かが判定される。この結果、風車端の出力が送電端に設けられた制限電力値以下である場合にはゼロの充電電力指令値が生成され、風車端の出力が送電端に設けられた制限電力値を超えていた場合には、風車端の出力から定格出力が減算された値が充電電力指令値として生成され、生成された充電電力指令値が充放電制御装置３１へ送信される。
これにより、選択部５４によって第１制御部５２が選択された風力発電装置１０においては、定格出力以上の電力が電力系統４０に出力されるとともに、充電電力指令値が充放電制御装置３１に送信されることとなる。
充放電制御装置３１は、各風力発電装置１０から受信した充電電力指令値を加算し、加算した充電電力指令値に基づいて電力変換装置３２を制御する。これにより、各風力発電装置１０における過剰分の電力が蓄電装置３０に充電されることとなる。
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及び風力発電装置１０によれば、風力発電装置１０において、発電機出力が最大限に引き上げる制御が行われ、発電機出力から補機消費分の補機損失が差し引かれた出力が風車端の出力として電力系統側へ出力されるので、定格出力によって発電機出力が抑制されることなく、風力エネルギーを可能な限り利用した最大の発電機出力を得ることが可能となる。
更に、このようにして風力発電装置１０から出力された電力が送電端に設けられた制限電力値を超えていた場合には、その余剰分あるいはそれ以上の電力を蓄電装置３０に充電するように制御する。これにより、送電端に設けられた制限電力値を超える電力が風力発電装置１０から出力された場合であっても、その余剰分を蓄電装置３０に蓄えることにより、有効に利用することができる。
そして、上述のような制御を行うことにより、以下に述べるように、電力系統４０に供給する発電量を増加させることができる。
例えば、図５に示すように、ＩＥＣ Ｃｌａｓｓ ＩＩ（疲労荷重）の風況において、風速の頻出分布がレイリー分布に順ずるとした場合、上記の風車制御装置１６において第１制御部５２が選択され、定格出力に対して７０ｋＷの過剰分が得られるような運転状態となる時間は、風力発電装置１０の年間稼働率を１００％とした場合、２０７０時間となる。
この間、過剰分である７０ｋＷを蓄電装置３０に全て充電した場合を想定すると、その電力量は年間１４４．９ＭＷｈとなり、たった一台の風車から定格出力を超える過剰分として１４４．９ＭＷｈの電力が得られることがわかった。この電力量は、例えば、一般的な風力発電システムによって得られる総出力の１％から２％に当たり、年間の発電量を１％から２％向上させることが可能となる。
また、本実施形態に係る風力発電システム１および風力発電装置１０によれば、風車端の出力が送電端に設けられた制限電力値以下であれば、電力系統４０に出力することとしている。この場合、電力系統４０に出力される有効電力は、定格出力以上となるが、複数の風力発電装置１０を備える風力発電システム１においては、このような有効電力の変動は全体出力に比べればわずかなものであり、問題はない。
また、風車端の出力が送電端に設けられた制限電力値以下であれば、定格出力を超えている場合であっても電力系統４０に出力することで、蓄電装置３０に充電する頻度を低減させることができる。蓄電装置３０に充電する際には、少なからずエネルギーロスが発生するため、このように蓄電装置３０に充電しないで、電力系統４０に出力する頻度を高めることで、充電によるエネルギー損失を低減させることができる。
１ 風力発電システム
３ 蓄電システム
１０ 風力発電装置
１６ 風車制御装置
１８ 発電機
３０ 蓄電装置
３１ 充放電制御装置
４０ 電力系統
５２ 第１制御部
５４ 選択部
６１ 第１指令生成部
６２ 第２指令生成部

Claims (7)

  1. 電力系統に接続された風力発電装置と、
    前記風力発電装置で生成された電力又は前記電力系統から供給された電力を充電可能な蓄電装置と、
    前記風力発電装置と双方向通信が可能とされ、前記蓄電装置の充放電を制御する充放電制御装置と
    を備え、
    前記風力発電装置は、発電機が出力可能な最大有効電力から補機で消費される補機損失が差し引かれた有効電力を出力し、
    前記充放電制御装置は、前記風力発電装置から出力される有効電力が、送電端に設けられた定格出力よりも大きな値である制限電力値を超える場合に、前記風力発電装置から出力される有効電力の一部を前記蓄電装置に充電させる風力発電システム。
  2. 前記充放電制御装置は、前記風力発電装置から出力される有効電力が前記制限電力値を 超える場合に、該有効電力から前記風力発電装置の定格出力を減算した有効電力を前記蓄電装置に充電させる請求項１に記載の風力発電システム。
  3. 前記充放電制御装置は、前記風力発電装置から出力される有効電力が前記制限電力値を 超える場合に、該有効電力から該制限電力値に１以下の所定の係数を乗じた電力を減算した有効電力を前記蓄電装置に充電させる請求項１に記載の風力発電システム。
  4. 前記風力発電装置は、前記蓄電装置が充電可能な状態にあり、かつ、定格風速以上であり、かつ、前記蓄電装置が放電中でない場合に、前記発電機が出力可能な最大有効電力から前記補機損失を減算した有効電力を出力する請求項１から請求項３のいずれかに記載の風力発電システム。
  5. 前記風力発電装置は、発電機と、風車制御装置とを有し、
    前記風車制御装置は、
    前記発電機が出力可能な最大有効電力を有効電力指令値として設定する第１制御部と、 前記発電機のロータ回転数に基づく有効電力指令値を設定する第２制御部と、
    前記蓄電装置が充電可能な状態にあり、かつ、定格風速以上であり、かつ、前記蓄電装 置が放電中でない第１条件を満たす場合に、前記第１制御部を選択し、該第１条件を満た さない場合に第２制御部を選択する選択部と
    を有し、
    前記選択部が選択した制御部によって設定された有効電力指令値に基づいて前記発電機 が制御される請求項１から請求項４のいずれかに記載の風力発電システム。
  6. 前記第１制御部は、前記有効電力指令値から補機損失を減算した電力が前記制限電力値 以下であった場合に、充電電力指令値をゼロに設定する第２指令生成部を有し、該充電電 力指令値が前記充放電制御装置に出力される請求項５に記載の風力発電システム。
  7. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の風力発電システムに適用される風力発電装置 であって、
    発電機と、
    風車制御装置と
    を有し、
    前記風車制御装置は、
    前記発電機が出力可能な最大有効電力を有効電力指令値として設定する第１制御部と、 前記発電機のロータ回転数に基づく有効電力指令値を設定する第２制御部と、
    前記蓄電装置が充電可能な状態にあり、かつ、定格風速以上であり、かつ、前記蓄電装 置が放電中でない第１条件を満たす場合に、前記第１制御部を選択し、該第１条件を満た さない場合に第２制御部を選択する選択部と
    を有し、
    前記選択部が選択した制御部によって設定された有効電力指令値に基づいて前記発電機 を制御する風力発電装置。
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