JP6090792B2 - 風力発電装置、風力発電装置の変動抑制方法および風力発電装置の変動抑制プログラム - Google Patents
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Description
そこで、特許文献1では、平均化出力に対する風力発電機出力の逸脱分を、電力貯蔵装置からの充放電によって補償し、出力変動を抑制する手法を提案している。
また、特許文献2では、風力発電機の出力が電力貯蔵装置の補償できる範囲を超えた場合、出力制限をかける方法を提案している。これにより、特許文献1よりもインバーターや電力貯蔵装置の規模を抑えられ、経済的に成立しやすくなるとしている。
一方、特許文献2の手法では、風力発電機出力変動が蓄電池でカバーできなくなった途端、風力発電機に対し急制動をかけることになり、ブレード等の疲労寿命低下の懸念が残る。これに対し、疲労荷重を減らすべく、風車の出力制御の勾配を緩くすると、出力変動に追従できなくなり、オーバーシュートやアンダーシュートをもたらす。
風車に対する風力によって発電を行う風力発電部と、
前記風力発電部による出力に対し出力補償を行う電力貯蔵装置と、
前記風力発電部および電力貯蔵装置を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、相対的に小さい周期時間において前記風力発電部の過去の履歴から現在に至る発電出力を第一の時定数で平滑化を行った目標出力Aと、前記第一の時定数よりも相対的に大きい周期時間において前記風力発電部の過去の履歴から現在に至る発電出力を第二の時定数で平滑化を行った目標出力Bとをそれぞれ計算し、前記目標出力Aが前記目標出力Bよりも大きい場合に前記風力発電部の出力を抑制する指令を出し、かつ前記風力発電部の出力と前記目標出力Bとの差分に応じて前記電力貯蔵装置による出力補償を行うことを特徴とする。
本発明の風力発電装置では、前記制御部は、前記風車のローター回転数に応じて前記出力制御を行うことができる。
本発明の風力発電装置では、前記制御部は、前記風力発電部での出力を抑制する指令として、前記目標出力Aと前記目標出力Bの偏差および現在のローター回転数に応じて修正ローター回転数を算出し、該修正ローター回転数を前記ローター回転数として前記出力制御を行うことができる。
本発明の風力発電装置では、前記制御部は、前記修正ローター回転数を予め定めた関数あるいは変換表によって算出することができる。
上記修正ローター回転数によれば、風力発電部の電力抑制を比較的速やかに行うことができ、前記出力制御を利用して効果的な制御を行うことができる。
上記第1の時定数によれば、比較的短い周期で風力発電部の出力変化の状態を知ることができ、上記第2の時定数によれば、中期で風力発電部の出力変化の状態を知ることができる。
上記第1の時定数の時間は、10秒未満では、出力変動に鋭敏に反応しすぎてしまうため、結果として風車の機械的負荷を増大させてしまう。300秒超では、出力変動への追従が遅れ、電力貯蔵設備による出力補償の負担が増大する。同様の理由で下限を30秒、上限を120秒とするのが一層望ましい。
上記第2の時定数の時間は、600秒未満では、合成出力に変動成分が残り、電力系統側の負荷が増えてしまう。3600秒超では、合成出力の変動は少なくなるが、出力抑制による売電損失が多くなるとともに、電力貯蔵設備の規模も大きくなってしまう。同様の理由で下限を1200秒、上限を2400秒とするのが一層望ましい。
風車に対する風力によって発電を行う風力発電部と、前記風力発電部による出力に対し出力補償を行う電力貯蔵装置とを備える風力発電装置の変動抑制方法であって、
相対的に小さい周期時間において前記風力発電部の過去の履歴から現在に至る発電出力を第一の時定数で平滑化を行った目標出力Aと、前記第一の時定数よりも相対的に大きい周期時間において前記風力発電部の過去の履歴から現在に至る発電出力を第二の時定数で平滑化を行った目標出力Bとをそれぞれ計算し、前記目標出力Aが前記目標出力Bよりも大きい場合に前記風力発電の出力を抑制し、かつ前記風力発電部の出力と前記目標出力Bとの差分に応じて前記電力貯蔵装置による出力補償を行うことを特徴とする。
本発明の風力発電装置の変動抑制方法では、前記風車のローター回転数に応じて出力調整を行うのが望ましい。
本発明の風力発電装置の変動抑制方法では、前記風力発電部での出力抑制として、前記目標出力Aと前記目標出力Bの偏差および現在のローター回転数に応じて修正ローター回転数を算出し、該修正ローター回転数を前記ローター回転数として前記出力調整を行うことができる。
本発明の風力発電装置の変動抑制方法では、前記修正ローター回転数を、予め定めた関数あるいは変換表によって算出することができる。
本発明の風力発電装置の変動抑制方法では、前記第一の時定数における周期が10秒〜300秒、より望ましくは30秒〜120秒であり、前記第二の時定数における周期が600秒〜3600秒、より望ましくは1200〜2400秒であり、前記第二の時定数における周期が前記第一の時定数における周期よりも大きいのが望ましい。
相対的に小さい周期時間において前記風力発電部の過去の履歴から現在に至る発電出力を第一の時定数で平滑化を行った目標出力Aを算出するステップと、
前記第一の時定数よりも相対的に大きい周期時間において前記風力発電部の過去の履歴から現在に至る発電出力を第二の時定数で平滑化を行った目標出力Bを算出するステップと、
前記目標出力Aが前記目標出力Bよりも大きい場合に前記風力発電部の出力を抑制する指令を出すステップと、
前記風力発電部の出力と前記目標出力Bとの差分に応じて前記電力貯蔵装置による出力補償を行うステップと、を有することを特徴とする。
本発明の風力発電装置の変動抑制プログラムでは、前記出力制御では、前記風車のローター回転数に応じて出力制御を行うことができる。
本発明の風力発電装置の変動抑制プログラムでは、前記風力発電部での出力を抑制する指令として、前記目標出力Aと前記目標出力Bの偏差および現在のローター回転数に応じて修正ローター回転数を算出し、該修正ローター回転数を前記ローター回転数として前記出力制御を行うことができる。
風力発電装置10は、地上に垂直に設置されたタワー11と、タワー11の上端部に水平回転可能に設置されたナセル12と、ナセル12に回転可能に軸支されたローター回転軸13とローター回転軸13に取り付けられたローター14と、ローター14の外周に放射状に取り付けられ、ピッチ角調整が可能な複数本(例えば3本)のブレード15とを有している。風力発電用ブレード15は略垂直な面に沿って回転方向に等間隔に取り付けられている。
また、ナセル12には、ブレード15に流入する流入風の風向および風速を測定する風向・風速計(図示しない)を設置して、データーの記録や風力発電装置の制御に用いることができる。
また、ナセル内12には、風力発電部1全体を制御する発電部コントローラ17を有している。発電部コントローラ17は、CPUやこれを動作させるプログラム、作業領域となるRAM、不揮発の記憶部などで構成することができる。発電部コントローラ17は、ナセル12の方向制御、ブレード15のピッチ角制御、発電機16の励磁調整によるトルク制御などを行うことができる。
電力貯蔵装置20としては、蓄電池やキャパシタなどを用いることができるが、本発明としては特定の装置に限定をされるものではなく、電力の吸収、放出を任意に行うことができるものであればよい。
演算制御部18は、異なる周期での平滑化の算出や、ローターの修正回転数の算出、風力発電部1に対する制御指令などを行うことができる。平滑化における周期やローターの修正回転数に使用する関数や換算表などは不揮発の記憶部に記録しておき、必要に応じて読み出して利用することができる。
上記した発電部コントローラ17と演算制御部18とは、本願発明の制御部を構成している。なお、制御部は、複数の各部で構成されるものではなく、一体で構成されているものであってもよい。
風力発電部1は、発電部コントローラ17の制御によってピッチ角制御や発電機制御が行われる。発電部コントローラ17では、定格出力の設定が可能になっており、該定格出力が得られる制御方向となるように、ブレード15のピッチ角制御や発電機制御が行われる。
なお、定格出力は、一定値であってもよく、また、時間帯や季節などの要因に応じて数値が変化するものであってもよい。通常は、ローター回転数に応じたフィードバック制御によってピッチ角調整や発電機のトルク調整を行って所望の定格回転数が得られるように制御を行う。ローター回転数は、ローター14や発電機16での回転数の検出などによって取得することができ、また発電機16の出力に基づいてローター回転数を取得することも可能である。本発明としてはローター回転数の取得方法を特に限定されるものではなく、少なくとも、現在のローター回転数が得られるものであればよい。
修正回転数換算ブロック5、第1平滑化ブロック3、第2平滑化ブロック4、伝達回路8B、伝達回路8Cは、演算制御部18の一部によって構成することができる。
第2平滑化ブロック4では、第1の時定数T1よりも大きい第二の時定数T2が設定されており、望ましくは600秒〜3600秒、より望ましくは1200秒〜2400秒の範囲の周期で、平滑化出力PBを算出する。
平滑化出力PAは、本発明の目標出力Aに相当し、平滑化出力PBは、本発明の目標出力Bに相当する。なお、本発明としては、平滑化の手法は特に限定されるものではない。
平滑化手法としては、一次遅れや移動平均などの手法を用いることができ、本発明としては特定の手法に限定されるものではない。
修正回転数換算ブロック5では、上記関数または換算表に基づいて、定格出力Prateに対するPcの比が0より大きいとき、ωmodがωよりも大きくなるように設定される。一方、Pc/Prateが0以下のときはωmodはωと等しいものとする。修正ローター回転数ωmodは、発電部コントローラ17にフィードバックされる。
充放電出力Pbatは、最終的に、風力発電部出力PwgからPbatを引いた値(放電または充電)がシステムの合成出力Poutとなる。
風力発電の開始に伴って、発電部コントローラ17によって、出力制御および出力調整として、定格回転数未満であれば最大効率運転をし、定格回転数以上であれば回転数制御運転を実施する(ステップs1;規定出力制御)。次いで、ローター回転数ωと風力発電部出力Pwgを取得する(ステップs2)。風力発電部出力Pwgについて、所定期間の履歴から現在に至る出力を2つの時定数で平滑化処理を行って、平滑化出力PA、PBを取得する(ステップs3)。なお、履歴の期間は、少なくとも時定数となる期間を有していればよいが、その長さは特に限定されるものではない。
ステップs5、6の後、平滑化出力PA>平滑化出力PBの場合、本来のローター回転数ωよりも大きな修正ロータ―回転数ωmodをフィードバックすることで、前記出力制御に基づいて風力発電機のトルクが増大し、結果として風力発電部1の出力が抑制される。
上記実施形態で示した変動抑制方法を利用して、1日間の風速データと定格出力2700kWの風力発電機モデルを用いてシミュレーションを実施した。
従来の蓄電池制御のみの比較例の各種出力を図6に示し、風力発電機と電力貯蔵装置である蓄電池との協調制御による本発明の実施例の各種出力を図7に示した。
比較例と比べて、実施例では風力発電部出力Pwgが効果的に抑制され、合成出力Poutのオーバーシュート頻度、程度が低減されていることが分かる。
実施例は比較例よりも全域で頻度が低減しており、出力変動抑制が効果的に実現されていることが確認できる。
3 第1平滑化ブロック
4 第2平滑化ブロック
5 修正回転数換算ブロック
6 充放電出力算出用飽和ブロック
7 積分器
10 風力発電装置
11 タワー
12 ナセル
13 ローター回転軸
14 ローター
15 ブレード
16 発電機
17 発電部コントローラ
18 演算制御部
20 電力貯蔵装置
Claims (16)
- 風車に対する風力によって発電を行う風力発電部と、
前記風力発電部による出力に対し出力補償を行う電力貯蔵装置と、
前記風力発電部および電力貯蔵装置を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、相対的に小さい周期時間において前記風力発電部の過去の履歴から現在に至る発電出力を第一の時定数で平滑化を行った目標出力Aと、前記第一の時定数よりも相対的に大きい周期時間において前記風力発電部の過去の履歴から現在に至る発電出力を第二の時定数で平滑化を行った目標出力Bとをそれぞれ計算し、前記目標出力Aが前記目標出力Bよりも大きい場合に前記風力発電部の出力を抑制する指令を出し、かつ前記風力発電部の出力と前記目標出力Bとの差分に応じて前記電力貯蔵装置による出力補償を行うことを特徴とする風力発電装置。 - 前記制御部は、前記風力発電部に対し、前記風車におけるブレードのピッチ角制御または/および風力発電部の発電機トルクの調整によって、出力制御を行うことを特徴とする請求項1記載の風力発電装置。
- 前記制御部は、前記風車のローター回転数に応じて前記出力制御を行うことを特徴とする請求項2記載の風力発電装置。
- 前記制御部は、前記風力発電部での出力を抑制する指令として、前記目標出力Aと前記目標出力Bの偏差および現在のローター回転数に応じて修正ローター回転数を算出し、該修正ローター回転数を前記ローター回転数として前記出力制御を行うことを特徴とする請求項3記載の風力発電装置。
- 前記制御部は、前記修正ローター回転数を予め定めた関数あるいは変換表によって算出することを特徴とする請求項4記載の風力発電装置。
- 前記第一の時定数における周期が10秒〜300秒であり、前記第二の時定数における周期が600秒〜3600秒であり、前記第二の時定数における周期が前記第一の時定数における周期よりも大きいことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の風力発電装置。
- 風車に対する風力によって発電を行う風力発電部と、前記風力発電部による出力に対し出力補償を行う電力貯蔵装置とを備える風力発電装置の変動抑制方法であって、
相対的に小さい周期時間において前記風力発電部の過去の履歴から現在に至る発電出力を第一の時定数で平滑化を行った目標出力Aと、前記第一の時定数よりも相対的に大きい周期時間において前記風力発電部の過去の履歴から現在に至る発電出力を第二の時定数で平滑化を行った目標出力Bとをそれぞれ計算し、前記目標出力Aが前記目標出力Bよりも大きい場合に前記風力発電の出力を抑制し、かつ前記風力発電部の出力と前記目標出力Bとの差分に応じて前記電力貯蔵装置による出力補償を行うことを特徴とする風力発電装置の変動抑制方法。 - 前記風力発電部に対し、前記風車におけるブレードのピッチ角制御または/および風力発電部の発電機トルクの調整によって、出力調整を行うことを特徴とする請求項7記載の風力発電装置の変動抑制方法。
- 前記風車のローター回転数に応じて前記出力調整を行うことを特徴とする請求項8記載の風力発電装置の変動抑制方法。
- 前記風力発電部での出力抑制として、前記目標出力Aと前記目標出力Bの偏差および現在のローター回転数に応じて修正ローター回転数を算出し、該修正ローター回転数を前記ローター回転数として前記出力調整を行うことを特徴とする請求項9記載の風力発電装置の変動抑制方法。
- 前記修正ローター回転数を予め定めた関数あるいは変換表によって算出することを特徴とする請求項10記載の風力発電装置の変動抑制方法。
- 前記第一の時定数における周期が10秒〜300秒であり、前記第二の時定数における周期が600秒〜3600秒であり、前記第二の時定数における周期が前記第一の時定数における周期よりも大きいことを特徴とする請求項7〜11のいずれか1項に記載の風力発電装置の変動抑制方法。
- 風車に対する風力によって発電を行う風力発電部と前記風力発電部による出力に対し出力補償電力貯蔵装置とを制御する、風力発電装置の制御部を動作させる変動抑制プログラムであって、
相対的に小さい周期時間において前記風力発電部の過去の履歴から現在に至る発電出力を第一の時定数で平滑化を行った目標出力Aを算出するステップと、
前記第一の時定数よりも相対的に大きい周期時間において前記風力発電部の過去の履歴から現在に至る発電出力を第二の時定数で平滑化を行った目標出力Bを算出するステップと、
前記目標出力Aが前記目標出力Bよりも大きい場合に前記風力発電部の出力を抑制する指令を出すステップと、
前記風力発電部の出力と前記目標出力Bとの差分に応じて前記電力貯蔵装置による出力補償を行うステップと、を有することを特徴とする風力発電装置の変動抑制プログラム。 - 前記風力発電部に対し、前記風車におけるブレードのピッチ角制御または/および風力発電部の発電機トルクの調整によって、出力制御を行うステップをさらに有することを特徴とする請求項13記載の風力発電装置の変動抑制プログラム。
- 前記出力制御では、前記風車のローター回転数に応じて出力制御を行うことを特徴とする請求項14記載の風力発電装置の変動抑制プログラム。
- 前記風力発電部での出力を抑制する指令として、前記目標出力Aと前記目標出力Bの偏差および現在のローター回転数に応じて修正ローター回転数を算出し、該修正ローター回転数を前記ローター回転数として前記出力制御を行うことを特徴とする請求項15記載の風力発電装置の変動抑制プログラム。
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