JP5386086B2

JP5386086B2 - 風力発電システム

Info

Publication number: JP5386086B2
Application number: JP2008005169A
Authority: JP
Inventors: 伸也大原; 雅哉一瀬; 基生二見; 勉長谷川; 修磯
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Hitachi Ltd
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Hitachi Ltd
Priority date: 2008-01-15
Filing date: 2008-01-15
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2028-01-15
Also published as: JP2009171691A

Description

本発明は、風力発電システムに関し、特にフリッカを低減させる運転方式をもつ風力発電システムに関する。

風力発電システムのエネルギー源は、時間的に変動する風のエネルギーであるため、風力発電システムの発電電力も時間的に変動する。この風力発電システムの発電電力の変動は、電力系統の周波数の変動や、系統電圧の変動を引き起こすという問題がある。特に、風力発電システムが、山岳地や海岸部など、主幹系統より遠く離れた場所に設置された場合、送電線のインピーダンスが大きくなるため、系統電圧の変動が問題となる。

このような発電電力の変動による電力系統への悪影響を防止するための方法が、例えば特許文献１に記されている。特許文献１には、風車の回転速度の一次遅れ信号からトルク指令を生成し、このトルク指令に応じてコンバータを制御することにより、風力発電システムの出力を平準化する技術が開示されている。

特開２００４−６４９２９号公報

上述のような系統電圧が発生すると、フリッカ（人の目で感じる照明器具のちらつき）が発生する恐れがある。フリッカが生じると人に不快感を与えるため、系統の電力変動の中でも、特に、フリッカの要因となる周波数の電力変動を抑制することが求められる。特許文献１に記載の出力平準化方法によると、風車の回転速度の検出値を平滑化し、この平滑化した信号に基づきコンバータを制御するため、風力発電システムを発電効率の最も高い回転速度で運転できず、発電効率が低下するという問題があった。

本発明は、上記課題を解決するもので、フリッカを低減することを目的とする。

本発明に係る風力発電システムは、上記課題を解決するために、フリッカを測定するフリッカ測定手段と、フリッカ測定手段により測定したフリッカ値が予め定めた所定値より大きいときに、風力発電システムが前記電力変換器に伝達する発電電力指令に平滑化フィルタを作用させる手段と、を有し、前記フリッカ値が予め定めた前記所定値より小さいときに、前記電力変換器に伝達する指令に前記平滑化フィルタを作用させないことを特徴とする。

本発明の風力発電システムによると、フリッカを低減することが可能となる。

本発明の風力発電システムの詳細な形態を以下に説明する。上述の特許文献１に記載の風力発電システムは、風車の回転速度の検出値を平滑化して、この平滑化した回転速度検出値に応じてトルク指令を作成し、トルク指令に応じて電力変換器を制御している。よって、急激に回転速度が変動した直後には、電力変換器へのトルク指令は変化しないため、回転速度が風力発電システムの運転範囲を逸脱してしまう可能性が大きい。これに対し、本願の風力発電システムは、フリッカ測定手段により測定したフリッカ値が予め定めた所定値より大きいときに、前記電力変換器に伝達する電力指令に平滑化フィルタを作用させるため、フリッカを発生しない場合には、平滑化フィルタを作用させないために、常に平滑化フィルタを作用させる場合と比較して回転速度が運転範囲を逸脱する可能性が減少するという効果も有する。

本発明の風力発電システムについて、図１を用いて説明する。図１に示した風力発電システムは、ブレード１１により風を受け、風のエネルギーを回転エネルギーに変換する。回転エネルギーはブレード１１が接続しているハブ１２を回転させる。なお、ブレード１１とハブ１２を含む回転部分を、ローター１と呼ぶ。ローター１の回転はシャフト２１を介して増速ギヤ２２に伝達される。増速ギヤ２２はローター１の回転速度を二次励磁発電機２３に適した回転速度に変換する。二次励磁発電機２３では固定子巻線に電力系統が、回転子巻線に電力変換器２８が、スリップリングを介して接続される。電力変換器２８は、二次励磁発電機２３の回転子側に、可変周波数の交流の励磁電流を供給する。励磁電流の周波数と、振幅，位相を制御することにより、風力発電システムが出力する発電電力を制御する。発電電力は、連系トランス４，遮断器５を介して、電力系統６へ供給される。

風力発電システムの、制御系全体の構成について、図２を用いて説明する。上位風車コントローラ２５は、風力発電システムの運転モードの選択、ローター１の回転速度制御などを行う。風速計２４は、瞬時風速値ｖ［ｍ／sec ］を上位風車コントローラ２５に伝達する。電力変換器２８は、風力発電システムの発電電力を制御する役割を担う。電力変換器２８は、電力変換器コントローラ２８１，発電機側電力変換器２８２，系統側電力変換器２８４，平滑化コンデンサ２８３などで構成される。電力変換器コントローラ２８１は、電力制御の際、二次励磁発電機２３に取り付けたエンコーダ２７のパルス信号や、電圧検出器２９１からの電圧信号，電流検出器２９２からの電流信号を用いて制御演算する。

次に、図３を用いて、制御系全体の動作について説明する。上位風車コントローラ２５は、風速計２４で測定した瞬時風速値ｖ［ｍ／sec ］、電力変換器２８からの回転速度値ω［rad／sec ］、風力発電システムの発電電力Ｐ［Ｗ］などから、ピッチ角指令φ^*［度］、および発電電力指令Ｐ^* を作成する。本発明における特徴的な点は、上位風車コントローラ２５が、フリッカ抑制信号を受信した場合、ピッチ角制御方式、および発電電力指令の作成方式を、切り替える手段を持つことである。具体的には、上位風車コントローラ２５は、通常時指令演算部２５２において、ピッチ角指令φ₁ ^*と発電電力指令Ｐ₁ ^*を演算している。同時に、フリッカ抑制時指令演算部２５３において、ピッチ角指令φ₂ ^*と発電電力指令Ｐ₂ ^*を演算している。通常発電運転時は、ピッチ角指令φ^*＝φ₁ ^* 、発電電力指令Ｐ^*＝Ｐ₁ ^* を選択し、フリッカ抑制信号を検出している間は、φ^*＝φ₂ ^*，Ｐ^*＝Ｐ₂ ^*に切り替える。

図３中のピッチ角制御器１１１は、電動モーター、あるいは油圧系によって駆動され、ブレード１１のピッチ角φを、ピッチ角指令φ^* に一致させる。一方、電力変換器２８は、上位風車コントローラ２５から発電電力指令Ｐ^* を受ける。電力変換器２８の構成要素である電力変換器コントローラ２８１は、エンコーダ２７からのエンコーダパルス信号、電圧検出器２９１からの電圧信号Ｖ_U，Ｖ_V，Ｖ_W［Ｖ］、電流検出器２９２からの電流信号Ｉ_U，Ｉ_V，Ｉ_W［Ａ］を、それぞれ受信し、制御演算に利用する。電力変換器コントローラ２８１は、これら受信信号に応じて、系統側電力変換器２８４と発電機側電力変換器２８２に送るゲートパルス信号を調整し、風力発電システムの発電電力Ｐが、発電電力指令Ｐ^*に一致するよう制御する。以下で、電力変換器２８と上位風車コントローラ２５の動作について、詳細に説明する。

まず図４を用いて、電力変換器２８の動作について説明する。電力変換器２８の制御演算は、電力変換器コントローラ２８１で行われる。電力変換器コントローラ２８１は、ローター１の回転速度ω［rad／sec ］を演算している。具体的には、エンコーダ２７のパルス信号から、回転速度演算部２８１１により発電機の回転速度を演算するともに、発電機回転速度をギヤ比換算することにより、ローター１の回転速度ωを演算する。また、電圧検出器２９１からの電圧信号Ｖ_U，Ｖ_V，Ｖ_W［Ｖ］と電流検出器２９２からの電流信号Ｉ_U，Ｉ_V，Ｉ_W［Ａ］から、電力演算部２８１２にて、発電電力Ｐ［Ｗ］を演算する。さらに電力変換器コントローラ２８１は、演算したＰと、電力指令Ｐ^* から、電力制御演算部２８１３，電流制御演算部２８１４，ＰＷＭ演算部２８１５を介して、ゲートパルス信号を作成する。ゲートパルス信号は、発電機側電力変換器２８２，系統側電力変換器２８４に伝達され、発電電力を制御する。同時に、演算された発電電力Ｐは、上位風車コントローラ２５に伝達され、回転速度制御にも用いられる。また、電力変換器コントローラ２８１は、内部にフリッカを測定するフリッカ測定演算部２８１６を持つ。

図５を用いて、フリッカ測定演算部２８１６について説明する。フリッカ測定演算部２８１６は、電圧振幅演算部２８１６１において、３相の系統電圧信号Ｖ_U，Ｖ_V，Ｖ_W から、系統電圧の振幅値Ｖ_abs を演算する。その後、フリッカ値ΔＶ１０演算部２８１６２において、フリッカの大きさを示す値であるΔＶ１０を求める。ΔＶ１０は、電圧の瞬時変動の指標である。ΔＶ１０が大きいと、照明がちらつき、人間に不快感を与える。このため、電力系統には、許容できるΔＶ１０の上限値が規定されており、規定を超過している系統においては、フリッカが発生していると考えられるためフリッカを抑制する手段が必要となる。

図６を用いて、フリッカ値ΔＶ１０の特徴について説明する。図６はΔＶ１０を求める際に使用する、視感度係数を表したものである。フリッカ値ΔＶ１０は、その計算過程において、電圧変動の周波数スペクトルの振幅成分に、視感度係数を積算する。視感度係数は、０.１［Ｈｚ］〜３０［Ｈｚ］に比較的大きな値を持つ。このため、電圧変動の周波数スペクトルが、この０.１［Ｈｚ］〜３０［Ｈｚ］の帯域に大きな振幅成分を持つと、フリッカ値ΔＶ１０が大きな値をもつことになる。つまり、０.１［Ｈｚ］〜３０［Ｈｚ］の帯域の電圧変動を減少することができれば、フリッカの抑制効果が大きくなる。

風力発電システムは、発電電力が風速に応じて変動する電源であり、発電電力の変動により電圧変動が発生する。風力発電システムが多く連系した系統や、系統インピーダンスが大きい系統では、風力発電システムの引き起こす系統電圧変動が大きくなり、フリッカが問題となる場合がある。図５に示したように、電力変換器コントローラ２８１は、内部パラメータとして、フリッカ検出レベルΔＶ１０_Cをもち、演算したΔＶ１０とΔＶ１０_Cを、比較演算部２８１６３において、運転中常時比較している。ΔＶ１０がΔＶ１０_Cを上回った場合、フリッカ抑制信号を、上位風車コントローラ２５に伝達する。

なお、本実施例においては、フリッカ測定機能を電力変換器コントローラ２８１が担ったが、フリッカ測定機能を上位風車コントローラ２５が担う機器構成、あるいはフリッカ測定器を風力発電システムとは別に設置し、フリッカ値を上位風車コントローラに伝達する機器構成であっても、本発明の効果は同じである。

次に、上位風車コントローラ２５の動作について説明する。図３に示したように、上位風車コントローラ２５は、風速計２４で測定した瞬時風速値ｖ［ｍ／sec ］を、平均化演算部２５１で平均化することにより、平均風速値ｖ_ave を作成する。さらに上位風車コントローラは、平均風速値ｖ_ave ，電力変換器コントローラ２８１からの発電電力値Ｐ，回転速度値ωから、ピッチ角指令φ₁ ^*またはφ₂ ^*と、発電電力指令Ｐ₁ ^*またはＰ₂ ^*を作成する。ピッチ角指令φ₁ ^*またはφ₂ ^*は、ピッチ角制御器１１１に送られる。

上位風車コントローラ２５は、ローター１の回転速度ωを制御する演算を行う。ローター１の回転速度ωは、数１に示すように、ローター１へのエネルギー入力，出力エネルギーのつりあいによって決まる。

数１式中の記号の意味は、それぞれＩ［kg・ｍ²］：回転体の完成モーメント、ω［rad／sec ］：ローター１の回転速度、Ｐ_in［Ｗ］：風からの入力パワー、Ｐ［Ｗ］：風力発電システムの発電電力、Ｐ_Loss［Ｗ］：損失、ｔ［sec ］：時間、ｄ／ｄｔ：微分演算子である。風力発電システムは回転速度ω［rad／sec］を制御するために、ピッチ角φ［度］を制御することにより、Ｐ_in［Ｗ］を調整し、また電力変換器２８を制御することで発電電力Ｐ［Ｗ］を調整する。本実施例に特徴的な制御構成として、図３に示すように、通常発電時とフリッカ抑制時において、回転速度指令ω^*、発電電力指令Ｐ^*および、ピッチ角指令φ^* の作成方法をそれぞれ切り替える。以下で、通常発電時とフリッカ抑制時における、指令値の作成方法について説明する。

まず図７を用いて、通常発電運転時における、回転速度指令ω^*，発電電力指令Ｐ^*および、ピッチ角指令φ^* の作成方法について説明する。上位風車コントローラ２５は、通常時指令演算部２５２において、ピッチ角指令φ₁ ^*，電力指令Ｐ₁ ^*を作成する。上位風車コントローラ２５は、平均風速ｖ_aveから、通常時回転速度指令演算部２５２１において、回転速度指令ω₁ ^*を作成する。ピッチ角指令演算部２５２３は、回転速度指令値ω₁ ^*と、回転速度測定値ωの差分ω_errを、比例・積分器に通すことで、ピッチ角指令の中間値φ₁ ^*″を作成する。同時に、電力指令演算部２５２５は、回転速度指令ω₁ ^*，回転速度測定値ω，発電電力の測定値Ｐから、発電電力指令値Ｐ₁ ^*を作成する。同時にピッチ角指令演算部２５２６は、発電電力指令値Ｐ₁ ^*から、ピッチ角指令の中間値φ₁ ^*′を作成する。ピッチ角指令作成部２５２４は、φ₁ ^*″にφ₁ ^*′を加えることで、ピッチ角指令φ₁ ^*を作成する。

次に図８を用いて、フリッカ抑制時における、回転速度指令ω₂ ^*，発電電力指令Ｐ₂ ^*および、ピッチ角指令φ₂ ^*の作成方法について説明する。本発明における最も特徴的な部分は、フリッカ抑制時において、電力変換器への電力指令Ｐ₂ ^*が、一次遅れフィルタ２５３７を通過することである。

以下で、一次遅れフィルタ２５３７の役割と、その効果について説明する。まず図９を用いて、風速の特性について説明する。図９は、風速の乱流スペクトルをプロットしたもので、横軸が周波数を、縦軸が乱流風速の振幅（スペクトル成分）を表している。なお、図９の乱流スペクトルは、ＪＩＳＣ１４００−１記載の「Kaimalのスペクトルモデル」から作成したものであり、乱流の周波数スペクトルとして、一般的に適用できるものである。図９のように、風速の乱流成分は、周波数が０.０１［Ｈｚ］程度で最大の振幅をもつ。このため、通常時における発電電力の変動成分も、０.０１［Ｈｚ］付近に、最も大きな振幅成分を持つことになり、電力変動の引き起こす系統の電圧変動も、０.０１［Ｈｚ］付近に大きな振幅を持つことになる。一方、図６に示すように、フリッカの対象となる電圧変動の周波数帯は、０.１［Ｈｚ］〜３０［Ｈｚ］の周波数帯である。風力発電システムの引き起こすフリッカを抑制するためには、発電電力の変動成分のうち、フリッカの対象となる周波数帯であり、かつ乱流風速に特有な周波数帯である０.１［Ｈｚ］前後の周波数帯の、発電電力変動成分を減少させることが効果的である。図８中の一次遅れフィルタ２５３７は、この周波数帯の発電電力変動成分を減少させる目的で、導入したものである。

図１０を用いて、一次遅れフィルタ２５３７の特性について説明する。図１０は、一次遅れフィルタのゲイン特性をプロットしたものであり、一次遅れフィルタの時定数Ｔ＝１［sec］および、Ｔ＝１０［sec］の場合を示している。一次遅れフィルタは、高い周波数成分ほど、ゲインが小さくなる性質を持つ。例えば、時定数Ｔ＝１０［sec］の場合、周波数０.１［Ｈｚ］（＝１／Ｔ［Ｈｚ］）で、ゲインは約−３［ｄＢ］＝約０.７となり、それ以上の周波数帯では、さらに減衰効果が大きくなる。前述したように、フリッカ抑制のためには、０.１［Ｈｚ］前後の周波数帯の、発電電力変動成分を減少させる必要がある、図１０に示したように、時定数Ｔ＝１［sec］では０.１［Ｈｚ］でのゲインの低下はほとんど無く、フリッカ抑制への効果はほとんどない。フリッカ抑制のためには、一次遅れフィルタ２５３７の時定数Ｔは、１０［sec］より大きいことが望ましい。

図１１は、風速ｖと、風力発電システムの発電電力Ｐの関係を、シミュレーションにて求めた結果である。シミュレーションにおいて、平均風速は８［ｍ／sec］であり、また風速の乱流成分は、Kaimalの乱流風速モデルから求めたものである。図１１の下段には、乱流風速による、風力発電システムの発電電力を示している。図１１には、通常発電運転時、およびフリッカ抑制時（時定数Ｔ＝３０［sec］）、それぞれの場合の発電電力を示す。図１１に示すように、フリッカ抑制時は発電電力の変動成分が減衰する。しかしながら、フリッカ抑制時は平均的な発電電力も減衰する。このため、一次遅れフィルタ２５３７フィルタの時定数Ｔを、必要以上に大きくすることは、発電電力量の低下が大きくなるため、望ましくない。また、フリッカが発生していないときにフィルタを作用させることも、発電電力が低下してしまうので、望ましくない。

図１２は、図１１と同じシミュレーション条件において、風力発電システムが引き起こす電圧変動による、フリッカを示したものである。図１２は、横軸が一次遅れフィルタ２５３７の時定数Ｔを、縦軸がフリッカ値ΔＶ１０を表しており、通常発電時（Ｔ＝０［sec］）のフリッカ値を、１として規格化している。図１２は、Ｔが１０［sec］以上でフリッカ抑制の効果が増大することを示している。またＴが１００［sec］以上では、フリッカ抑制効果が十分に大きい。このため、発電電力量の低下を防止するため、Ｔは１００［sec］以下で十分である。

なお、本実施例においては、電力指令Ｐ^*に作用する平滑化フィルタとして、一次遅れフィルタ２５３７を用いて説明を行ったが、本発明の効果は一次遅れフィルタに限定されるものではなく、短周期の変動成分を減衰させるフィルタであれば効果は同じである。例えば平滑化フィルタとして、移動平均や一次遅れフィルタを複数回作用させる多段フィルタなどが挙げられる。

以上で説明してきたように、風力発電システムにおいて、電力変換器への電力指令に一次遅れフィルタを通すことで、風力発電システムが引き起こすフリッカを減衰させることが可能である。また一次遅れフィルタの時定数は、Ｔ＝１０［sec］〜１００［sec］の範囲内であることが望ましい。この値に設定することにより、フリッカ抑制の効果を保ちつつ、かつ発電電力量の必要以上の低下を、回避することができる。さらに、フリッカの発生を検出し、フリッカが発生しているときにフィルタを作用させることで、発電電力の必要以上の低下を防ぐことが可能となる。

発電電力が変動する発電システムであり、かつ発電電力量が電力変換器によって制御される発電システムにおいて、発電電力の変動により生じるフリッカを低減させることができる。

本発明の風力発電システムの構成を示した図。本発明の風力発電システムの制御系の構成を示した図。本発明の制御系の動作について示した図。本発明の電力変換器の動作について示した図。フリッカ測定演算部について示した図。フリッカ値ΔＶ１０演算の際の、視感度係数について示した図。通常発電運転時の、指令値演算方法について示した図。フリッカ抑制運転時の、指令値演算方法について示した図。乱流風速のスペクトル図。一次遅れフィルタのゲイン特性図。シミュレーションによる、風速と発電電力の関係を示した図。一次遅れフィルタの時定数と、フリッカ値ΔＶ１０の関係を示した図。

符号の説明

１ローター
１１ブレード
１１１ピッチ角制御器
１２ハブ
２ナセル
２１シャフト
２２ギヤ
２３二次励磁発電機
２４風速計
２５上位風車コントローラ
２５１平均化演算部
２５２通常時指令演算部
２５２１通常時回転速度指令演算部
２５２２，２５３２加算器
２５２３，２５２６，２５３３，２５３６ピッチ角指令演算部
２５２４，２５３４ピッチ角指令作成部
２５２５，２５３５電力指令演算部
２５３フリッカ抑制時指令演算部
２５３１フリッカ抑制時回転速度指令演算部
２５３７一次遅れフィルタ
２５４ピッチ角指令・電力指令切り替え演算部
２７エンコーダ
２８電力変換器
２８１電力変換器コントローラ
２８１１回転速度演算部
２８１２電力演算部
２８１３電力制御演算部
２８１４電流制御演算部
２８１５ＰＷＭ演算部
２８１６フリッカ測定演算部
２８１６１電圧振幅演算部
２８１６２ ΔＶ１０演算部
２８１６３比較演算部
２８２発電機側電力変換器
２８３平滑化コンデンサ
２８４系統側電力変換器
２９１電圧検出器
２９２電流検出器
３タワー
３１，５遮断器
４連系トランス
６電力系統

Claims

風を受けて回転する風車と、該風車の軸と接続される発電機と、該発電機の発電電力を変換する電力変換器と、を備える風力発電システムにおいて、前記風力発電システムは、フリッカを測定するフリッカ測定手段と、前記フリッカ測定手段により測定したフリッカ値が予め定めた値より大きいときに、前記電力変換器に伝達する発電電力指令に平滑化フィルタを作用させる手段と、を有し、
前記フリッカ値が予め定めた前記所定値より小さいときに、前記電力変換器に伝達する指令に前記平滑化フィルタを作用させないことを特徴とする風力発電システム。
請求項１に記載の風力発電システムにおいて、前記フリッカ測定手段は、電圧変動の周波数スペクトルの振幅成分に視感係数を積算した値をフリッカ値として算出することを特徴とする風力発電システム。
請求項１に記載の風力発電システムにおいて、前記平滑化フィルタは一次遅れフィルタであり、前記一次遅れフィルタの時定数は１０秒以上かつ１００秒以下の範囲内の値に設定されることを特徴とする風力発電システム。
風車の軸と機械的に接続した発電機と電気的に接続される電力変換器を制御する制御装置であって、
前記制御装置は、フリッカの発生を検出するフリッカ計測手段と、前記フリッカ計測手段がフリッカの発生を検出したときに、前記電力変換器への発電電力指令値を平滑化する手段と、
を備えることを特徴とする制御装置。
請求項４に記載の制御装置において、前記フリッカ計測手段は電圧変動の周波数スペクトルの振幅成分に視感係数を積算した値が所定の値よりも大きい場合にフリッカが発生したものとみなすことを特徴とする制御装置。