JP5443014B2 - 風力発電装置および風力発電装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、系統安定化機能を備える風力発電装置およびその制御方法に関する。

風力発電装置は、その出力が時々刻々と変動する風によって決まるため、電力系統に連系すると、連系点において電圧変動を引き起こす場合がある。このため、風力発電装置自身の発電出力に起因する電圧変動を風力発電装置自身で補償する手段が、特許文献１に開示されている。

特開平８−２８０１３６号公報

系統を構成する同期発電機は、系統事故等の影響によりその回転速度が大きく変動する場合がある。これを短時間で収束させるため、同期機の励磁電流を制御することで、同期発電機の速度変動（電力動揺）を防止する系統安定化機能がある。一般に、系統安定化機能は、同期発電機自身の励磁調整、または同期発電機の直近に設置されたＳＶＣ（Static Var Compensator）などの無効電力補償装置によるものが知られている。

本発明の目的は、風力発電装置の無効電力制御により、前記同期発電機の電力動揺を抑制し、系統を安定化させることである。

前記課題を解決するため、本発明の望ましい実施態様による風力発電装置は、風車と、この風車の回転により発電する多相交流発電機と、この発電機の発電電力を制御して電力系統に有効電力と無効電力を供給する電力変換器と、前記有効電力と前記無効電力の指令値および前記風車の翼の角度指令値を決定する風車制御装置と、前記翼の角度指令値に基づいて前記翼の角度を変更する翼角度変更手段とを備え、少なくとも１つの同期発電機を含む電力系統と電気的に接続されており、前記電力系統の電力動揺を検出する手段と、この電力動揺を検出したことに応じて、この電力動揺を抑制する系統安定化手段とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、電力系統の同期発電機とは離れた場所にある風力発電装置により、前記同期発電機の電力動揺を抑制することで系統を安定化し、また、利用されるＳＶＣ等の設備容量を削減できる。

本発明によるその他の目的と特徴は、以下に述べる実施例の中で明らかにする。

本発明の実施例１による風力発電装置と電力系統とを示した全体構成図である。 本発明の実施例１による風力発電装置の第２の形態と電力系統とを示した全体構成図である。 本発明の実施例１による風力発電装置の電力動揺検出装置の動作を表すフローチャートである。 本発明の実施例１による風力発電装置の系統安定化機能の動作を表すフローチャートである。 本発明の実施例１による風力発電装置の周波数の時間変化Δｆから軸速度の時間変化Δωを求めるためのブロック図である。 本発明の実施例１による風力発電装置の無効電力制御系において、軸速度の時間変化Δωから無効電力指令Ｑｒｅｆを求めるブロック図である。 本発明の実施例２による風力発電装置と電力系統とを示した全体構成図である。 本発明の実施例３および４による風力発電装置と電力系統とを示した全体構成図である。 本発明の実施例３において、発電機の内部相差角θから軸速度ωの時間変化Δωを求めるためのブロック図である。 本発明の実施例４において、発電機の有効電力Ｐの時間変化ΔＰから軸速度の時間変化Δωを求めるためのブロック図である。

以下に、図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。

まず、図１を用いて、本発明の実施例１の風力発電装置構成（単線結線図）を説明する。

風力発電装置１００は、系統連系用変圧器１０２−０２を介して電力系統１０４に接続される。電力系統１０４は、発電設備１０４−０２と、送電線等のインピーダンス１０４−０４から構成されている。前記発電設備１０４−０２は、風力発電設備よりも容量が大きい場合は、単に電源と考えることができる。風力発電装置１００は主に、発電機１０６、翼１０８、風車制御装置１１０、コンバータ（励磁装置）１１２、コンバータ制御装置１１４，電力動揺検出装置１１６，翼角度変更装置１２２から構成される。電力系統の接続点１１８には、水力発電所などの同期発電機１２０が系統連系用変圧器１０２−０４を介して接続される。同期発電機１２０は、系統での地絡事故等の影響によって、ある固有周波数（固有振動数）で動揺する。

翼１０８で受けた風のエネルギーは発電機１０６を回転させ、発電機１０６は三相交流の電圧を発生する。コンバータ（励磁装置）１１２は、コンバータの出力電圧を調整することで、発電機１０６から電気エネルギーを取り出す。コンバータ１１２は、取り出した発電電力を系統連系用変圧器１０２−０２を介して電力系統１０４に出力する。コンバータ制御装置１１４は、系統連系用変圧器１０２−０２を通過する有効電力と無効電力を、電圧センサＰＴｓ，電流センサＣＴによりそれぞれ検出した電圧Ｖｓ，電流Ｉｓから演算し、有効電力と無効電力を独立に制御する機能をもつ。本実施例では、発電機１０６に永久磁石発電機、コンバータ１１２にはＡＣ／ＤＣ／ＡＣのフルコンバータを想定している。しかし、この実施例１における発電機の第２の形態として、図２に示すように、発電機として巻線型誘導発電機１０６ａ、コンバータは二次励磁型としても、同様の機能を実現することができる。

風車制御装置１１０は、風速の入力に従い有効電力指令値Ｐｒｅｆを計算し、Ｐｒｅｆに相当する翼角度指令値Ｐｉｔｃｈ＊を演算する。また、風車制御装置１１０は、電力動揺検出装置１１６から伝送される電力動揺判定信号Ａと周波数変動検出値ｆを受信する。風車制御装置１１０は、電力動揺を検出したという信号を受信した際にＰＳＳ（Power System Stabilizer）機能がオンとなり、有効電力指令値Ｐｒｅｆを絞る演算を実行する。同時に、周波数変動検出値ｆを基に電力動揺を抑制するための無効電力指令値Ｑｒｅｆを演算する。有効電力指令値Ｐｒｅｆを絞るときに、有効電力指令値Ｐｒｅｆに相当する翼角度指令値Ｐｉｔｃｈ＊が翼角度変更装置１２２へ、有効電力指令値Ｐｒｅｆと無効電力指令値Ｑｒｅｆはコンバータ制御装置１１４へ、それぞれ伝送される。

電力動揺検出装置１１６は、電圧センサＰＴｓにより検出された交流電圧信号Ｖｓを入力し、入力信号Ｖｓから電圧の周波数変動を検出することで、同期発電機１２０の電力動揺（回転数変動）を検知する。電力動揺検出装置１１６は、検出した該周波数変動ｆ、および電力動揺判定信号Ａを、風車制御装置１１０へ伝送する機能を備える。

コンバータ制御装置１１４は、風車制御装置１１０からの各種運転信号に従い、コンバータ１１２の出力電圧（発電機側および系統側）を調整し、発電機１０６と系統との間の電力（発電電力、無効電力）制御用のパルス信号Ｇ＊をコンバータ１１２に伝送する。

翼角度変更装置１２２は、風車制御装置１１０から伝送される翼角度指令値Ｐｉｔｃｈ＊に従って、翼１０８の角度を制御する。

コンバータ１１２は、コンバータ制御装置１１４から伝送されるパルス信号Ｇ＊に従いスイッチングを行う。

次に、電力動揺検出装置１１６を、図３のフローチャートを用いて詳しく説明する。

図３は、本発明の実施例１による風力発電装置の電力動揺検出装置の動作を表すフローチャートである。ここでは、系統連系用変圧器１０２−０２の二次側電圧Ｖｓを入力し、ゼロクロス検出を用いて電力動揺を検出する場合について説明する。

電力動揺検出装置１１６は、系統電圧Ｖｓがある時刻でゼロクロスした場合、その時刻をメモリする（処理２００、２０２、２０４、２０６）。ただし、ゼロクロスの時刻をメモリするのは、系統電圧Ｖｓが正から負に変わる場合、または、負から正に変わる場合のどちらかに限定する。ここで、ｔ_ｎおよびｔ_ｎ＋１は、メモリした連続する時刻データである。メモリした時刻ｔ_ｎおよびｔ_ｎ＋１から、系統電圧Ｖｓの周波数ｆを（１）式にて計算する（処理２０８）。

処理２１０で示すｆｍａｘおよびｆｍｉｎは、電力動揺の有無を判定する周波数の上下限値である。電力動揺検出装置１１６は、処理２１０の判定に従い、電力動揺の有無を判定し、電力動揺判定信号Ａおよび電圧Ｖｓの周波数ｆを、風車制御装置１１０へ出力する（処理２１２、２１４、２１６）。電力動揺検出装置１１６は、周波数ｆがｆｍａｘより低く、かつｆｍｉｎよりも高いときは電力動揺なし（Ａ＝０）と判定し、周波数ｆが上下限値（ｆｍａｘおよびｆｍｉｎ）を外れた場合は電力動揺あり（Ａ＝１）と判定する。

次に、風車制御装置１１０がもつ、系統安定化機能（ＰＳＳ機能）の詳細な制御を図４のフローチャートおよび図５，図６を用いて説明する。

図１における風力発電装置１００は、電力動揺を検出しなければ、電力系統に出力する無効電力を所定の力率（例えば、力率＝１）に制御し、風速の入力に従い有効電力を出力する（通常モード）。電力動揺を検出した際（電力動揺判定信号Ａ＝１）は、電力動揺を抑制するＰＳＳモードに切り替わる（処理３０２、３０４）。

ＰＳＳモードに切り替わると、風力発電装置自身の出力が系統に悪影響を与えないようにするために、有効電力指令値および／または翼角度指令値の絞り演算を開始する（処理３０６）。同時に、電力動揺を抑制するための無効電力指令値演算を開始する（処理３０８）。ここで、有効電力指令値および／または翼角度指令値の絞り演算は、ある一定のレートで絞るなどして、系統への影響を小さくするように動作すると良い。

以上の処理で電力動揺が収まれば（電力動揺判定信号Ａ＝０）、ＰＳＳモードから再び通常モードへ移行する（処理３１０）。もし、収まらない場合には、有効電力指令値をゼロと比較し、ゼロになるまで有効電力指令値絞り演算を継続する（処理３１２、３０６）。ここでは、有効電力指令値と比較する値をゼロと比較する例を示しているが、例えば、システム容量の半分など、ゼロでなくともよい。この間、無効電力指令値演算（処理３０８）は継続され、電力動揺が収束するまで続く。

次に、無効電力指令値を計算する無効電力制御系について、図５と図６を用いて説明する。

まず、図５の定数器４０６を用いた回転数変化Δωの求め方について説明する。周波数ｆの時間変化Δｆから（２）式に従い軸速度ωの時間変化Δωを求める。

ここで、図１に示したように、Ｘ_１は電力系統１０４のインピーダンス、Ｘ_２は同期発電機１２０から電力系統の接続点までのインピーダンスをそれぞれ示している。定数Ｋ_１は、同期発電機１２０の容量などにより決まる。

次に、図６を用いて、回転数時間変化Δωから無効電力指令値Ｑｒｅｆを求める方法について説明する。図６に示すように、動揺抑制のための無効電力指令値Ｑｒｅｆは、軸速度ωの時間変化Δωから求めることができる。このとき、定数Ｔ_１の逆数はハイパスフィルタ４００のカットオフ周波数、Ｋ_１は定数器４０２のゲイン、定数Ｔ_２およびＴ_３は位相補償器４０４の時定数である。

系統安定化機能（ＰＳＳ）は、一般に、回転数にバンドパスフィルタと位相補償を用いて励磁電圧指令を変更する方法などが知られており、ここでは、励磁電圧指令の代わりに、図中の無効電力指令Ｑｒｅｆを用いる。風力発電装置１００の無効電力を調整することで、同期発電機１２０の端子電圧を調整できるため、電力動揺を抑制できる。

本実施例の構成により、風力発電装置１００が同期発電機１２０の動揺を検出でき、さらに風力発電装置１００の出力する無効電力を調整することで、同期発電機１２０の安定化に寄与できる。

実施例１では、系統連系用変圧器１０２−０２の二次側電圧から電力動揺を検出する場合について説明したが、図７に示すように、同期発電機１２０の軸速度ωを検出することによっても、系統安定化機能を実現することができる。

まず、電力動揺検出装置１１６は、同期発電機１２０の軸速度ωを入力し、電力動揺を軸速度の変動に基づいて検知することで、この軸速度の変動に応じて同期発電機１２０の電力動揺の有無を判定する。そして、電力動揺を検知すれば、この軸速度の変動に応じて無効電力の制御を実行する。

図６を用いて、同期発電機１２０の軸速度ωを用いた場合の無効電力制御系について説明する。実施例１と同様に、無効電力指令値Ｑｒｅｆは、軸速度ωの時間変化Δωを入力として、ハイパスフィルタ４００，定数器４０２，位相調整器４０４を通すことにより求めることができる。

実施例１では、系統連系用変圧器１０２−０２の二次側電圧から電力動揺を検出する場合について説明したが、図８に示すように、同期発電機１２０の内部相差角θを検出することによっても、系統安定化機能を実現することができる。

内部相差角θは、例えば、発電機インピーダンス、発電機電流、発電機端子電圧から内部誘起電圧を推定し、内部誘起電圧と発電機端子電圧との位相差から求めることができる。

まず、電力動揺検出装置１１６は、同期発電機１２０の発電機インピーダンス、発電機電流、発電機端子電圧から内部誘起電圧を推定し、内部誘起電圧と発電機端子電圧との位相差から内部相差角θを求める。そして、この内部相差角θの変動に応じて同期発電機１２０の電力動揺の有無を判定し、電力動揺を検知すれば、この内部相差角θの変動に応じて無効電力の制御を実行する。

図９を用いて、発電機１２０の内部相差角θを用いた場合の無効電力制御系について説明する。無効電力指令値Ｑｒｅｆは、まず内部相差角θの時間変化Δθを入力として、微分演算子４０８を通すことにより軸速度ωの時間変化Δωを求め、さらに前記Δωから、図６に示されるブロック図を用いることで求めることができる。

実施例１では、系統連系用変圧器１０２−０２の二次側電圧から電力動揺を検出する場合について説明したが、図８に示すように、同期発電機１２０の有効電力Ｐを検出することによっても、系統安定化機能を実現することができる。

まず、電力動揺検出装置１１６は、同期発電機１２０の有効電力Ｐを入力し、電力動揺を有効電力Ｐの変動に基づいて検知することで、この有効電力Ｐの変動に応じて同期発電機１２０の電力動揺の有無を判定する。そして、電力動揺を検知すれば、この有効電力Ｐの変動に応じて無効電力の制御を実行する。

図１０を用いて、同期発電機１２０の有効電力Ｐを用いた場合の無効電力制御系の例について説明する。図１０は（３）式をブロック図で表現したものである。（３）式に示すように、同期発電機１２０の有効電力Ｐを入力として、軸速度の時間変化Δωを求める。さらに前記Δωから、図６に示したブロック図を用いることで無効電力指令値Ｑｒｅｆを求めることができる。

ここで、Ｖｓは系統電圧、Ｖｓｇは同期発電機１２０の端子電圧である。（３）式は、系統電圧Ｖｓと同期発電機１２０の端子電圧Ｖｓｇがそれぞれあまり変動しない、また、θ（ｔ）≒０であるという仮定の下に成り立つ式である。

１００…風力発電装置、１０２−０２，１０２−０４…系統連系用変圧器、１０４…電力系統、１０４−０２…発電設備、１０４−０４…送電線等のインピーダンス、１０６…発電機、１０６ａ…巻線型誘導発電機、１０８…翼、１１０…風車制御装置、１１２…コンバータ、１１４…コンバータ制御装置、１１６…電力動揺検出装置、１１８…電力系統の接続点、１２０…同期発電機、１２２…翼角度変更装置、ＰＴｓ…電圧センサ、ＣＴ…電流センサ、Ｐｉｔｃｈ＊…翼角度指令値、Ｐｒｅｆ…有効電力指令値、Ｑｒｅｆ…無効電力指令値、ｔ_ｎ…あるサンプリングｎにおける時刻、ｔ_ｎ＋１…あるサンプリングｎ＋１における時刻、ｆ…発電機動揺周波数、ｆｍａｘ…電力動揺判定上限値、ｆｍｉｎ…電力動揺判定下限値、Ｖｓ…風力発電装置端子電圧、Ｖｓｇ…同期発電機端子電圧、Ｉｓ…系統電流、ω…軸速度、θ…内部相差角、Ａ…電力動揺判定信号、Ｋ_１，Ｋ_２…ゲイン、Ｔ_１，Ｔ_２，Ｔ_３…時定数。

Claims (13)

1. 風車と、この風車の回転により発電する多相交流発電機と、この発電機の発電電力を制御して電力系統に有効電力と無効電力を供給する電力変換器と、前記有効電力と前記無効電力の指令値および前記風車の翼の角度指令値を決定する風車制御装置と、前記翼の角度指令値に基づいて前記翼の角度を変更する翼角度変更手段とを備える風力発電装置において、
   前記風力発電装置は、少なくとも１つの同期発電機を含む電力系統と電気的に接続されており、前記電力系統の電力動揺を検出する手段と、この電力動揺を検出したことに応じて、この電力動揺を抑制する系統安定化手段と、前記同期発電機の軸速度ωの時間変化Δωに基づいて前記無効電力指令値を作成する手段を備えたことを特徴とする風力発電装置。
2. 請求項１において、前記電力動揺検出手段は、前記風力発電装置が電力系統に接続される連系点の電圧を入力し、前記電力動揺を交流電圧の周波数変動によって検知する手段を備え、この周波数変動から前記同期発電機の電力動揺の有無を判定する手段を備えたことを特徴とする風力発電装置。
3. 請求項１において、前記電力動揺検出手段は、前記同期発電機の有効電力を入力し、前記電力動揺を電力の変動周波数によって検知する手段を備え、この変動周波数から前記同期発電機の電力動揺の有無を判定する手段を備えたことを特徴とする風力発電装置。
4. 請求項１において、前記電力動揺検出手段は、前記同期発電機と前記電力系統との内部相差角を、発電機インピーダンス、発電機電流、発電機端子電圧から計算する手段を備え、前記内部相差角を入力し、前記電力動揺を内部相差角の変動に基づいて検出する手段を備え、この内部相差角の変動から前記同期発電機の電力動揺の有無を判定する手段を備えたことを特徴とする風力発電装置。
5. 請求項１において、前記電力動揺検出手段は、前記同期発電機の軸速度を入力し、前記電力動揺を軸速度の時間変化に基づいて検知する手段を備え、この軸速度の時間変化に応じて前記同期発電機の電力動揺の有無を判定する手段を備えたことを特徴とする風力発電装置。
6. 請求項１〜５のいずれかにおいて、前記系統安定化手段は、前記電力動揺検出手段により電力動揺を検出した際に、前記電力変換器の無効電力指令値を変更する手段を備えたことを特徴とする風力発電装置。
7. 請求項１〜５のいずれかにおいて、前記系統安定化手段は、前記風力発電装置が電力系統に接続される連系点電圧の変動周波数に基づいて無効電力指令値を作成する手段を備えたことを特徴とする風力発電装置。
8. 請求項１〜５のいずれかにおいて、前記系統安定化手段は、前記同期発電機の有効電力の周波数変動に基づいて無効電力指令値を作成する手段を備えたことを特徴とする風力発電装置。
9. 請求項１〜５のいずれかにおいて、前記系統安定化手段は、前記同期発電機の内部相差角の位相変動に基づいて無効電力指令値を作成する手段を備えたことを特徴とする風力発電装置。
10. 請求項１〜５のいずれかにおいて、前記同期発電機の軸速度変化に基づいて無効電力指令値を作成する前記手段は、前記系統安定化手段に備えられたことを特徴とする風力発電装置。
11. 請求項１〜１０のいずれかにおいて、前記風車制御装置は、前記電力動揺検出手段が電力動揺を検出したとき、発電電力を絞るように有効電力指令値および／または翼角度指令値を決定する手段を備えたことを特徴とする風力発電装置。
12. 請求項１１において、前記風車制御装置は、前記有効電力指令値および／または翼角度指令値を所定のレートで絞り込む手段を備えたことを特徴とする風力発電装置。
13. 風車の回転に基づいて多相交流発電機に発電させ、電力系統に有効電力と無効電力を供給するように電力変換器を制御し、前記有効電力と前記無効電力の指令値および前記風車の翼の角度指令値を決定し、この角度指令値に基づいて前記翼の角度を変更する風力発電装置の制御方法において、
    前記風力発電装置を、少なくとも１つの同期発電機を含む電力系統に電気的に接続し、前記電力系統の電力動揺を検出し、前記同期発電機の軸速度ωの時間変化Δωに基づいて無効電力指令値を作成し、無効電力を調整することで、前記電力動揺を抑制するように安定化制御することを特徴とする風力発電装置の制御方法。

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