JP5511953B2 - 周波数に応じた風力タービンの出力制御 - Google Patents

Description

本発明は、概して、風力タービンに関し、より詳細には、風力のランダムな変化にもかかわらず、系統周波数レギュレーション要件を満たすための風力タービンコントローラおよび／または制御技術に関する。

交流（ＡＣ）電力システムにおいて、周波数は発電と電力消費とのバランスを維持することにより調整される。たとえば発電が消費を上回ると、余剰エネルギーは、接続されている同期タービン発電機のシャフトの運動エネルギーに変換され、その回転速度を増加させ、すなわち、システムの周波数を増加させる。同様に、消費が発電を上回ると、シャフトの運動エネルギーはシステムのタービン発電機から取り出され、電力に変換され、これにより、シャフトの速度および周波数は低下する。消費は一般的に制御できないため、需要とのバランスをとるよう発電の出力を調節することにより周波数が制御される。世界の様々な地域には、バランスの取り方を指示する種々の異なった規則が存在する。北米のほとんどではたとえば、公共電力の周波数レギュレーションは米国電気信頼性評議会（ＮＥＲＣ）により定められた制御実施標準に従って行われる。このような周波数レギュレーション標準は現在、制御実施指標１および２（ＣＰＳ１および２）などのパラメタを用いて測定される。

たとえば、ＣＰＳ１は地域制御誤差（ＡＣＥ）とその周波数誤差との関係の統計的指標である。ＡＣＥは、周波数訂正により調節される、実電力の融通と予定融通との間の差を表している。概して、ＡＣＥは実発電と外部購入との和と、予期される需要に基づく予定発電との差を表している。許容されるＣＰＳ１のスコアは、発電が周波数をサポートするように動作する限り保持され、すなわち、周波数が基準値（北米では６０．００００Ｈｚ）を超えたときに発電出力を減少させ、周波数が低いときに発電を減少させる。風力タービンは通常このようには動作しない。周波数に応答する代わりに、風力タービンは風の特性に応じて出力する。いかなる時間においても、風力の変化が周波数の変化に悪影響をもたらすように作用する確率はおよそ５０％である。このため、風力発電の拡大によってＮＥＲＣのＣＰＳ１に関するパフォーマンスが低下することが観察されており、たとえばＥＲＣＯＴ（テキサス電気信頼性評議会）によれば、風力発電の市場浸透レベルが増加するにつれＣＰＳ１に関するパフォーマンスが低下することが観察されている。もう１つのパフォーマンス指標はＣＰＳ２であり、これは発電力全体の許容されない増減の統計的指標である。いくつかの地域（たとえばモンタナ州）では、風力発電の市場浸透レベルおよび予定発電に対する実電力発電の変化の大きさから、ＣＰＳ２パフォーマンスの低下が生じることが観察されている。風力の変化が電気システムの周波数と全く相関しないことから、これらの結果は予想されるものである。利用可能な電力とシステム周波数とは独立である。

したがって、一般にシステム周波数および／または負荷需要に応答する化石燃料による発電と異なり、風力のランダム性により、平均してその半分の時間がペナルティの対象とされるスコアが出やすくなる。適用される周波数レギュレーション標準を満たさないことに関連するいかなる金銭的ペナルティも大きなものとなりえ、周波数レギュレーションへの不適合が風力タービンからの出力電力を適切に制御できないことに起因することが示されれば、ウインドファームのオーナーにこのようなペナルティが転嫁される可能性がある。いずれにしても、現状では、風力タービンが常にシステムの周波数をサポートするように動作しないことは明らかである。

上述の問題は北米の周波数レギュレーション標準を例としたものであるが、風のランダム性は地政学的な境界に何ら影響されるものではなく、また、世界の他の地域で用いられている周波数制御方法は米国やカナダで用いられているものと類似しているものであり、根底にある問題は世界中の全ての風力タービンに当てはまるものである。したがって、上述の問題を解決し、風力発電システムについての周波数レギュレーションに関連して改善するための装置および制御方法を提供することについてのニーズが存在する。

本発明の態様を有利に使用可能な発電システム（たとえばウインドファーム）の例示的実施形態の概略を示す。 風力タービンからの利用可能出力電力および実出力電力の一期間にわたるプロットを示し、これは、本発明の態様に従う、適用されうる周波数レギュレーション要件を満たすことを簡単にする制御方法の一例に従って動的に制御される。 図２と同一の期間にわたる周波数偏差の一例のプロットである。 別の例の制御方法に従って制御される利用可能出力電力（Ｐａｖａｉｌ）および実出力電力（Ｐａｃｔ）の一期間にわたるプロットを示す。 図４と同一の期間にわたる周波数偏差の一例のプロットである。

本発明の１つまたは複数の実施形態に従って、風力発電システムの周波数調整に関連する改善のための構成および／または技術が本明細書中に記載される。以下の詳細な説明において、種々の具体的な詳細は、これらの実施形態の完全な理解のために記載されたものである。しかし、本発明の実施形態がこれらの具体的な詳細によらず実施可能であり、本発明は開示の実施形態に限定されるものではなく、本発明は種々の他の実施形態において実施可能であることを、当業者は理解するであろう。他の例では、当業者に十分理解されているであろう方法、ステップおよび要素は、不必要で煩わしい説明を避けるため、詳細な説明をしていない。

さらに、種々の動作が本発明の実施形態の理解に有用であるように複数の具体的なステップとして記載されていることがある。しかし、記載の順序がこれらの動作が存在している順序で実行される必要があることを意味するものとして理解されるべきではなく、またさらに、順序に依存しているものとも理解されるべきではない。また、繰り返して用いられている「一実施形態では」との記載は、必ずしも同一の実施形態を意味するものではない。最後に、「含む」、「有する」、「備える」等の記載は、本願において用いられる場合、特に言及しない限り、同義であることが意図される。

図１は、本発明の態様を有利に使用可能な発電システム、たとえばウインドファーム１０の例示的実施形態の概略図である。この例示的実施形態では、ウインドファーム１０は、３基の風力タービンシステム（以下、風力タービンという）１２、１４、１６を有し、これらは、相互接続された例では、各発電機および付随の電力変換機器に接続されている。風力タービンの数は決して３基の風力タービンに限定されないことは理解されるであろう。さらに、本発明の態様は図１に示される風力タービン構成の具体例に限定されず、風力タービンに関する他の種類の構成も可能である。たとえば、ＤＦＩＧ（二重給電誘導発電機）およびＤＤ（直接駆動）の風力タービン構成も、図１に示されるギア付きフルコンバータの構成に加えて、本発明の態様を有利に使用可能である。さらに、本発明の態様は、ある特定の地域に配置される風力タービンに限定されるものではなく、世界中のものに適用可能である。

各風力タービン１２、１４、１６は、ロータシャフト２６、２８、３０を備える各ロータ２０、２２、２４を有し、ロータシャフト２６、２８、３０は回転するロータ２０、２２、２４のトルクを各ギアボックス（ＧＢ）３１、３３、３５に送る。ギアボックス（ＧＢ）３１、３３、３５はロータ２０、２２、２４から回転を、所定ギア比のシャフト３７、３８、３９に送るよう配置されている。

各シャフト３７、３８、３９はＡＣ（交流）発電機（Ｇ）４０、４１、４２の各ロータに機械接続されており、発電機（Ｇ）はそれぞれ、出力シャフト３７、３８、３９の回転により得られる機械的な力を電力に変換する。一例として、ＡＣ発電機はたとえば同期発電機である。同期発電機において、ロータは、発電機のステータにより生成される回転磁界と同じ周波数、または、ロータに存在する極の数に依存して、回転磁界の周波数と整数関係で回転する。発電機４０、４１、４２は可変速発電機であり、すなわち各ロータの回転速度はたとえば風の状態に依存して変化する。

各風力タービンはノード４３に接続され、各電力コンバータ機器４５、４６、４７を介して出力電力を供給する。電力コンバータ機器４５、４６、４７は、発電機４０、４１、４２から送られる電力の可変周波数を固定された系統周波数（たとえば北米では６０Ｈｚ、欧州では５０Ｈｚ）に適合する出力電力に変換する。同期発電機４０、４１、４２から送られる電力の各周波数は、風力タービンロータ２０、２２、２４の各回転周波数（たとえば毎分回転数（ＲＰＭ））に依存して変化する。しかし、発電機４０、４１、４２から送られるＡＣ電力を（各整流回路４８により）最初にＤＣ電力に整流し、次いでこのＤＣ電力を（各変換回路４９により）変換してＡＣ電力に戻すことにより、各発電機の可変周波数は系統周波数に変換可能である。

ウインドファーム１０はさらに中央コントローラ５０を備える。中央コントローラ５０は、各風力タービン１２、１４、１６に通信可能に接続され、本発明の態様に従って風力タービンからの各出力電力を制御する。中央コントローラ５０の位置は、ウインドファーム内にあっても、ウインドファームから離れていてもよいことは理解されるであろう。さらに、中央コントローラ５０と風力タービン１２、１４、１６との間の接続は任意の適切な接続リンク、たとえば、有線または無線通信リンクによりなされていても良い。風力タービン１２、１４、１６は比較的大きいウインドファームエリアにわたって広く配置されていてよく、したがって、各風力タービンが所定の期間にわたって曝される風の状況は、各タービンについて同一である必要がないことは理解されるであろう。したがって、各風力タービンは、所定の風力タービンが受けうるそれぞれの状況に基づいて個別に制御される。

本発明の発明者は革新的な制御技術を提案し、この制御技術によれば、周波数レギュレーション要件を満たさない場合を生じさせうる（風力変化による）出力電力の変化を、かかる出力電力変化の周波数レギュレーションへの生じうる負の影響を低減または避けるため、適切に調節する（たとえば遅延させるまたは次第に変化させる）ことができるように可変速風力タービンを制御する。たとえば、（たとえば風力の増大による）出力電力変化の増加を、過周波数（＋Δｆ）の期間、遅延させるかまたは緩慢に上昇させる。同様に、（たとえば風力の減少による）出力電力変化の減少を、不足周波数（−Δｆ）の期間、遅延させるかまたは緩慢に低下させる。

逆に、周波数レギュレーション要件を満たすための出力電力の変化を、遅延させまたは徐々に行うのではなく、即時に（または適用されうるローカル規則毎に）行ってもよい。たとえば、（たとえば風力の増加による）出力電力の増加を、不足周波数（−Δｆ）の期間、急速に増加させてもよい。同様に、（たとえば風力の減少による）出力電力の減少を、過周波数（＋Δｆ）の期間、急速に減少させてもよい。

以下により詳細に記載するように、コントローラ５０は風力タービン１２、１４、１６からの出力電力を調節することができる。一実施形態では、コントローラ５０は系統周波数からの偏差と風力変化との間の相関を監視するモニタ５２を備える。たとえば、フルコンバータタービンにおける出力変化はシャフト速度のモニタにより検出可能である。シャフト速度の増加はエネルギー生産の増加に対応し、シャフト速度の減少はエネルギー生産の減少に対応する。コントローラは監視される相関に基づいて出力電力の応答を調節する。調節された出力電力応答は、風力のランダムな変化にもかかわらず、系統周波数レギュレーションを満たす。

図２は、ウインドファームの一例における利用可能出力電力（Ｐａｖａｉｌ）および実出力電力（Ｐａｃｔ）の期間プロットを示し、ウインドファームは、本発明の態様に従って、任意の適用されうる周波数レギュレーション要件を容易に満たすよう動的に制御される。例示を目的とするものであるが、ウインドファームは、たとえば、毎分の定格電力の１０％の増加速度を有する１２０ＭＷのウインドファームである。この例では、利用可能出力電力は支配的な動作状況たとえば風の状況などに基づく利用可能出力電力を表し、実出力電力は本発明の態様を実施するコントローラによって制御されるとき、実出力電力を表す。

図３は図２に示すものと同一の期間にわたる周波数変化のプロットである。この例では、周波数値が予め定められた不感帯値（Ｄｅａｄ＋またはＤｅａｄ−）の外側にあるときに本発明の態様を実施する制御動作が実行されるものと仮定される。

第１の実施例のシナリオは、ｔ＝１秒からｔ＝１４秒までのように、周波数値は不感帯値Ｄｅａｄ＋またはＤｅａｄ−の内側にあり、したがって制御動作は行われず、Ｐａｃｔ＝Ｐａｖａｉｌである。

第２のシナリオでは、ｔ＝１５秒からｔ＝２９秒までのように、周波数値は不感帯値Ｄｅａｄ＋を超えており（過生成状態）、したがって利用可能出力電力が増加する間（たとえばｔ＝１５秒からｔ＝２２秒まで）、実電力は比較的緩慢な速度（たとえば、毎秒１０％または０．２ＭＷ／秒）で増加するよう制御される。これにより、過生成状態におけるこのように増加する利用可能出力電力の周波数レギュレーションに生じうる負の影響は、低減または回避可能である。逆に、利用可能出力電力が減少する期間（たとえばｔ＝２３秒からｔ＝２９秒）、実電力は制限なく減少する。すなわち、周波数レギュレーション要件を満たすための利用可能出力電力における変化は、実質的に即時に（または適用されうるローカル規則毎に）行われる。

第３の実施例のシナリオでは、ｔ＝３０秒からｔ＝４５秒までのように、周波数値は再び不感帯値の内側にあり、したがって、Ｐａｃｔ＝Ｐａｖａｉｌである。

第４の実施例のシナリオでは、ｔ＝４６秒からｔ＝６０秒までのように、周波数値は不感帯値Ｄｅａｄ−を下回り（生成不足状態）、したがって、利用可能出力電力が減少する期間（たとえばｔ＝４６秒からｔ＝５４秒）、実電力は比較的緩慢な速度（たとえば０．２ＭＷ／秒）で減少するよう制御される。これにより、生成不足状態におけるこのような減少する利用可能出力電力の周波数レギュレーションに生じうる負の影響は低減または回避可能である。逆に、利用可能出力電力が増加する期間（たとえば、ｔ＝５４秒からｔ＝６０秒）、実電力は制限なく増加するよう制御される。すなわち、周波数レギュレーション要件に適合するための利用可能出力電力における変化は、基本的に即時に（または適用されうるローカル規則毎に）行われる。当業者には理解されるように、風力タービンは基本的に即時の出力応答を提供可能であり、したがって、実際の実施においては、周波数レギュレーション要件を満たすための高速な移動の間、一定の速度制限、たとえば出力電力を風力タービンの定格出力電力に対して毎秒平均速度の１％以上の平均速度で変化させるなどが望ましい場合がある。

上述の出力電力制御方法は、周波数偏差と周波数調整に影響しうる風力変化との間の２つのタイプの相関に基づくものである。たとえば、Δｆと風力との正の相関（Δｆおよび風力レベルは同一方向に動く、すなわち、Δｆは正であって風力変化も正であるか、または、Δｆは負であり風力変化も負である）は、利用可能風力電力が周波数レギュレーション要件との適合に悪い影響を与え、このため、この種の正の相関となった場合には比較的緩慢な速度変化（または遅延）が望ましいことを意味する。逆に、Δｆと風力との間の負の相関（Δｆおよび風力レベルは逆の方向に動く、すなわち、Δｆは正であって風力変化が負であるか、または、Δｆは負であり風力変化が正である）は、利用可能風力が周波数レギュレーション要件との適合を容易とし、このため、この主の負の相関となった場合には、比較的高速の速度変化が望ましいことを意味する。

したがって、利用可能風力が周波数レギュレーション要件との適合に悪い影響を与えるときには、風力タービンの出力電力は、たとえば、第１の変化速度で変化される（たとえば、比較的緩慢に増加（または減少）される）。一実施形態では、この第１の変化速度は、たとえば、風力タービンの定格出力電力に対して毎分５０％以下の速度である。逆に、利用可能風力が周波数レギュレーション要件との適合に適したものであるとき、風力タービンの電力出力は第１の変化速度よりも大きい第２の変化速度で変化される。一実施形態では、第２の変化速度はたとえば風力タービンの定格出力電力に対して毎秒１％以上の平均速度である。

別の制御方法では、出力電力を比較的緩慢に増加（または減少）させる代わりに、出力電力の増加（または減少）をたとえば所定時間、典型的には３秒から数秒以上、遅延させても良い。図４は、この別の制御方法に従う、一実施例のウインドファームにおける利用可能出力電力（Ｐａｖａｉｌ）および実出力電力の期間プロットを示す。図５は、図４に示すものと同一の期間における周波数変化のプロットである。図５に示す周波数変化は図３に示される周波数変化を模したものであり、図５は、例示のサンプル周波数変化に対して図４に示されている制御動作の観察を見やすいものとするため、図４と並置されている。

図５に示される例において、出力電力の増加（または減少）は、５秒という例示的時間分、遅延される。たとえば、過発電状態の間、Ｐａｖａｉｌの増加に即時に応答可能とする代わりに、過発電状態の間のこのような利用可能出力電力の増加による周波数レギュレーションへの負の影響を低減するため、Ｐａｃｔは５秒（たとえばｔ＝１７秒からｔ＝２０秒まで）遅延される。同様に、発電不足状態の間、ＰａｃｔをＰａｖａｉｌの減少に即時に応答可能とする代わりに、発電不足状態の間のこのような利用可能出力電力の減少による周波数調整への負の影響を低減するため、Ｐａｃｔは５秒（たとえばｔ＝４８秒からｔ＝５３秒まで）遅延される。上記の例の制御方法は組み合わせ可能であることは理解されるべきである。すなわち、時間遅延または緩慢な増減の制御方法のいずれかのみに基づく代わりに、周波数レギュレーションへの負の影響を低減および回避するために、時間遅延と緩慢な増減とを用いる組み合わせアプローチも用いてもよい。一実施例では、制御方法は、第１の変化速度で出力電力が変化する第１の部分を少なくとも含み、出力電力が予め定められた時間分、遅延される第２の部分を少なくとも更に含む。

本発明の態様においては、図１に記載されている可変速風力タービンが、フライホイール効果として知られる、シャフト速度の調節によるエネルギーの保存または放出による風力の変化を滑らかにする能力を有することが認識される。たとえば、風力タービンが定格電力未満で動作し、風力が増加する場合、システムの周波数が高ければシャフトは出力電力を増加させることなく付加的なエネルギーを吸収しうる。あるいはまた、タービンは電力出力を更に高いレベルまで緩慢に変化させることができる。ＰａｃｔがＰａｖａｉｌよりも緩慢な速度で減少するといった一定の動作条件では、風力タービンのシャフトは最低速度まで駆動される。したがって、このような動作条件では、少なくとも一定の期間、相対的により速い速度に減少速度を調節することが望ましい場合がある。

同様に理解されるように、上述の技術は、これらのプロセスを実施するために、コンピュータまたはプロセッサにより具体化されたプロセスおよび装置の形態をとりうる。本技術の態様は、具体的な媒体（たとえばＣＤ−ＲＯＭ、ハードドライブまたは任意の他のコンピュータ読み取り可能な媒体）に具体化された命令を含むコンピュータプログラムコードの形態で実施されていても良く、このコンピュータプログラムコードがコンピュータまたはプロセッサにロードされこれらによって実行される場合、このコンピュータは本発明を実施するための装置となる。記載された技術は、たとえば記録媒体に記録されるか、コンピュータまたはプロセッサにロードおよび／または実行されるか、なんらかの伝送媒体を介して（たとえば電気配線またはケーブルを介して、光ファイバを介して、または、電磁放射を介して）送られるかされた、コンピュータプログラムコードまたは信号の形態で実施されても良く、ここで、コンピュータプログラムコードがコンピュータにロードされ、コンピュータにより実行される場合、このコンピュータは本発明を実施するための装置となる。汎用マイクロプロセッサにおいて実現された場合、コンピュータプログラムコード部分は特定の論理回路を形成するためのマイクロプロセッサを構成する。

本発明の種々の実施形態が本明細書中において示され記載されるが、かかる実施形態は例示を目的とするのみであることは明らかであろう。多くの変更、修正および置換が本明細書における本発明から逸脱することなくなし得る。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲の主旨によってのみ限定されるものと意図される。

１０ ウインドファーム、 １２、１４、１６ 風力タービン、 ４０、４１、４２ 発電機、 ４５、４６、４７ 電力コンバータ機器、 ５０ 中央コントローラ、 ５２ モニタ

Claims (10)

1. 可変速風力タービンであって、
   前記風力タービンは該風力タービンからの出力電力を調節するコントローラを備え、
   前記コントローラは系統周波数からの偏差と風力変化との間の相関を監視するモニタを備え、
   前記コントローラは監視される相関に基づいて当該風力タービンについての出力電力応答を調節し、
   前記出力電力応答は、風力のランダムな変化にもかかわらず、系統周波数レギュレーションを満たし、
   前記コントローラは、
   監視される相関が系統周波数からの偏差と風力変化との間の正の相関を示すとき、前記出力電力応答は第１の制御方法に従って調節され、かつ、
   監視される相関が系統周波数からの偏差と風力変化との間の負の相関を示すとき、前記出力電力応答は、第２の制御方法に従って調節される
   ようにさらに構成されており、
   前記第１の制御方法は第１の変化速度での出力電力の変化を含み、前記第２の制御方法は第２の変化速度での出力電力の変化を含み、前記第２の変化速度は前記第１の変化速度よりも大きく、または、
   前記第１の制御方法は出力電力の遅延された変化を含む
   ことを特徴とする可変速風力タービン。
2. 前記第１の変化速度での変化は、風力タービンの定格出力電力に対して毎分５０％以下の速度での出力電力の増減を含む、請求項１記載の風力タービン。
3. 前記第２の変化速度での変化は、風力タービンの定格出力電力に対して毎秒１％以上の平均速度での出力電力の変化を含む、請求項１または２記載の風力タービン。
4. 二重給電型発電機、直接駆動型発電機および可変速フルコンバータ発電機からなる群から選択される風力タービン構成を含む、請求項１から３のいずれか１項記載の風力タービン。
5. 前記第１の制御方法は出力電力を第１の変化速度で変化させる変化部分を少なくとも含み、かつ、出力電力を所定の時間分遅延させる遅延部分を少なくとも含む、請求項１から４のいずれか１項記載の風力タービン。
6. 可変速風力タービンの制御方法であって、
   風力タービンからの出力電力を調節するステップと、
   系統周波数からの偏差と風力変化との間の相関を監視するステップと、
   監視される相関に基づいて出力電力応答を調節するステップと、を有し、
   前記出力電力応答は、風力のランダムな変化にもかかわらず、系統周波数規制を満たすものであり、
   ただし、
   監視される相関が系統周波数からの偏差と風力変化との間の正の相関を示すとき、第１の制御方法に従って該出力電力応答を調節し、かつ、
   監視される相関が系統周波数からの偏差と風力変化との間の負の相関を示すとき、第２の制御方法に従って該出力電力応答を調節し、
   ただし、
   前記第１の制御方法は第１の変化速度での出力電力の変化を含み、前記第２の制御方法は第２の変化速度での出力電力の変化を含み、前記第２の変化速度は前記第１の変化速度よりも大きく、または、
   前記第１の制御方法は、出力電力の変化を遅延させることを含む、
   ことを特徴とする方法。
7. 前記第１の変化速度での変化は、風力タービンの定格出力電力に対して毎分５０％以下の速度で出力電力を増減させることを含む、請求項６記載の方法。
8. 前記第２の変化速度での変化は、風力タービンの定格出力電力に対して１％以上の平均速度で出力電力を変化させることを含む、請求項６または７記載の方法。
9. 前記第１の制御方法は、変化部分において出力電力を第１の変化速度で変化させるステップと、遅延部分において出力電力を所定の時間分遅延させるステップとを含む、請求項６から８のいずれか１項記載の方法。
10. 複数の可変速風力タービンと、
    請求項６から９のいずれか１項記載の方法を実行することにより、各前記風力タービンからのそれぞれの出力電力を選択的に調節する中央コントローラと、
    を備えたウインドファーム。

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