JP6925123B2 - 自然エネルギー発電システム、無効電力コントローラまたは自然エネルギー発電システムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、風や太陽光等の自然エネルギーを利用して発電した電力を電力系統に供給する自然エネルギー発電システム、無効電力コントローラまたは自然エネルギー発電システムの制御方法に関する。

地球温暖化の原因と考えられている二酸化炭素の排出量削減が大きな課題になっている。二酸化炭素排出量削減の手段の一つとして、太陽光発電や風力発電などの自然エネルギー発電の導入が盛んになっている。これらの自然エネルギー発電は電力系統に連系されて用いられることが多いが、日射量や風速の変動により、発電出力が変動し、連系している系統の電圧に悪影響を及ぼすことが懸念されている。

電圧変動の抑制方法については、無効電力を利用する提案がなされている。風力発電機が電力変換器を介して電力系統に連系された場合の連系点での電圧変動を抑制する方法として、特許文献１〜３がある。

特許文献１では、電力変換器の出力を検出し、この電力変換器の有効電力出力に起因する連系点の電圧変動分を補償するように、電力変換器を制御する方法が開示されている。具体的には、電力変換器の有効電力出力Ｐ_ＣＯＮと、それにより生じた電力変換器の連系点の電圧変動ΔＶ_ＰＣＣから系統パラメータα＝Ｒ_Ｌ／Ｘ_Ｌを推定し、電力変換器にＱ_ＣＯＮ＝−αＰ_ＣＯＮで求まる無効電力Ｑ_ＣＯＮを出力させる。ここで、Ｒ_ＬとＸ_Ｌは、それぞれ連系線のインピーダンスの抵抗分とリアクタンス分を表している。

特許文献２では、連系点における所定の力率指令値ＰＦ＝Ｐ／√（Ｐ^２＋Ｑ^２）を各風力発電システムに対してそれぞれ設定されている力率補正量を用いて補正することで、各風力発電システムの力率指令値を決定する方法が開示されている。ここで、ＰとＱは、それぞれ風力発電システムの有効電力出力と無効電力出力を表している。さらに、力率補正量は、各風力発電システムと連系点との間に存在するリアクタンス成分に基づいて決定する。

特許文献３では、連系点における無効電力計測値、電圧計測値、または力率計測値に基づいて、電圧目標値もしくは力率目標値が求められ、これら目標値を達成するために必要な無効電力を風力発電システムから出力させる方法が開示されている。

特開２００７−１２４７７９ ＷＯ２００９／０７８０７６ ＷＯ２０１３／１２８９８６

特許文献１の技術に関しては、電力変換器の有効電力出力に起因する連系点の電圧変動の抑制を対象としているため、電力変換器と連系線をつなぐ連系変圧器で消費される無効電損失に起因する連系点の電圧変動を抑制できない。

特許文献２の技術に関しては、力率指令によって無効電力出力を制御するため、無効電力出力は有効電力出力に比例して変化する。特許文献１の課題でもある連系変圧器の無効電損失を補償するためには、有効電力出力（または、電流出力）の２乗に比例するように無効電力出力を制御する必要がある。そのため、力率指令では、連系変圧器の無効電損失に起因する連系点の電圧変動を抑制できない。

特許文献３の技術に関しては、連系変圧器で消費される無効電力損失を考慮して、各風力発電システムの無効電力指令を決定していないため、連系点の無効電力を目標値に一致させることができない。

本発明では、連系変圧器の無効電力損失に起因する連系点の電圧変動を抑制する自然エネルギー発電システム、無効電力コントローラまたは自然エネルギー発電システムの制御方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明の自然エネルギー発電システムは、自然エネルギーを受けて発電する発電装置と、前記発電装置及び電力系統に電気的に接続される電力変換器と、前記電力変換器と前記電力系統の間に配置される連系変圧器と、前記電力変換器が出力する無効電力指令を生成する無効電力コントローラを備え、前記無効電力コントローラは、前記電力変換器と前記電力系統の間に配置される前記連系変圧器のリアクタンスと、前記電力変換器が出力する電流および有効電力を用いて、前記電力変換器と前記電力系統との連系点電圧における有効電力による変動成分及び前記連系点電圧における無効電力による変動成分の和が略一定になる様に、前記無効電力指令を決定する無効電力指令決定部を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る無効電力コントローラは、自然エネルギーを受けて発電する発電装置及び電力系統に電気的に接続される電力変換器と前記電力系統との連系点電圧における有効電力による変動成分及び前記連系点電圧における無効電力による変動成分の和が略一定になる様に、前記電力変換器が出力する無効電力指令を生成する演算装置と、前記電力変換器と前記電力系統の間に配置される連系変圧器のリアクタンスと、前記電力変換器が出力する電流および有効電力を用いて、前記無効電力指令を決定する無効電力指令決定部と、を備えることを特徴とする。

さらに、本発明に係る自然エネルギー発電システムの制御方法は、自然エネルギーを受けて発電する発電装置と、前記発電装置及び電力系統に電気的に接続される電力変換器と、前記電力変換器と前記電力系統の間に配置される連系変圧器と、前記電力変換器が出力する無効電力指令を生成する無効電力コントローラを備える自然エネルギー発電システムの制御方法であって、前記電力変換器と前記電力系統の間に配置される前記連系変圧器のリアクタンスと、前記電力変換器が出力する電流および有効電力を用いて、前記電力変換器と前記電力系統との連系点電圧における有効電力による変動成分及び前記連系点電圧における無効電力による変動成分の和が略一定になる様に、前記無効電力指令を決定することを特徴とする。

本発明によれば、連系変圧器の無効電力損失に起因する連系点の電圧変動を抑制する自然エネルギー発電システム、無効電力コントローラまたは自然エネルギー発電システムの制御方法を提供することができる。

実施例１における風力発電システムの全体構成を示す図である。 実施例１における無効電力コントローラの構成を示す図である。 実施例１における連系点の電圧変動を説明するためのグラフであり、（Ａ）は連系点の有効電力の時間変化、（Ｂ）は連系点の電流の時間変化、（Ｃ）は電力変換器の無効電力出力の時間変化、（Ｄ）は連系点の電圧変動の時間変化である。 実施例１における無効電力指令値の決定方法を説明するためのグラフであり、（Ａ）は電力変換器の有効電力出力の時間変化、（Ｂ）は電力変換器の電流出力の時間変化、（Ｃ）は電力変換器の無効電力指令である。 実施例１における連系点の電圧変動抑制効果を説明するためのグラフであり、（Ａ）は電力変換器の無効電力出力の時間変化、（Ｂ）は連系点の電力制御量の時間変化、（Ｃ）は連系点の電圧変動の時間変化である。 実施例１の変形例２における無効電力コントローラの構成を示す図である。 実施例１の変形例２における無効電力指令値テーブル記憶部に保存されるテーブルの一例を示す図である。 実施例２におけるウィンドファームの全体構成を示す図である。 実施例２における無効電力センターコントローラの構成を示す図である。 実施例２における集電構成記憶部に保存されるテーブルの一例を示す図である。 実施例３における発電出力予測手段を備えたウィンドファームの全体構成を示す図である。 実施例３における無効電力指令の課題を説明するためのグラフであり、（Ａ）は電力変換器の有効電力出力時間変化、（Ｂ）は電力変換器の電流出力時間変化、（Ｃ）は電力変換器の無効電力指令値の時間変化である。 実施例３における無効電力指令値の決定方法を説明するためのグラフであり、（Ａ）は電力変換器の有効電力出力時間変化、（Ｂ）は電力変換器の電流出力時間変化、（Ｃ）は電力変換器の無効電力指令値の時間変化である。 実施例３における無効電力指令を説明するためのテーブルである。 実施例４における太陽光発電システムの全体構成を示す図である。 実施例４におけるソーラファームの全体構成を示す図である。 実施例４における発電出力予測手段を備えたソーラファームの全体構成を示す図である。

発明を実施するための形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。

図1は、第１実施例における自然エネルギー発電システムである風力発電システムの全体構成を示す図である。風力発電システム１は、連系変圧器２および連系線３を介して電力系統４に連系される。連系線３のインピーダンスの抵抗分をＲ_Ｌ、リアクタンス分をＸ_Ｌとする。連系変圧器２と連系線３が接続される地点を連系点５とする。

風力発電システム１を構成する各部について説明する。風力発電システム１は、風力タービン１１、風力タービン１１と主軸（更には必要に応じて増速機等）を介して接続される発電機１２、発電機１２における風力タービン１１側とは反対側と電気的に接続されて発電機１１の発電電力を調整する電力変換器１３、電力変換器１３と連系変圧器２の間に設置されるセンサ１４、有効電力コントローラ１５、および無効電力コントローラ１６で構成される。風力タービン１１で受けた風力エネルギーは、発電機１２によって電気エネルギーに変換され、電力変換器１３へ送られる。有効電力コントローラ１５は、風力タービン１１のピッチ角や風速などから発電機１２が発電可能な有効電力指令値Ｐ_ＲＥＦを決定し、有効電力指令値Ｐ_ＲＥＦを電力変換器１３へ送信する。無効電力コントローラ１６は、センサ１４で計測される電力変換器１３の有効電力出力Ｐ_ＣＯＮおよび電流出力I_ＣＯＮから連系点５の電圧変動を抑制する無効電力指令値Ｑ_ＲＥＦを決定し、無効電力指令値Ｑ_ＲＥＦを電力変換器１３へ送信する。電力変換器１３は、有効電力指令値Ｐ_ＲＥＦおよび無効電力指令値Ｑ_ＲＥＦに追従するように、有効電力出力Ｐ_ＣＯＮおよび無効電力出力Ｑ_ＣＯＮを制御する。

図２は、無効電力コントローラ１６の構成図である。無効電力コントローラ１６は、センサ１４で計測される電力変換器１３の有効電力出力Ｐ_ＣＯＮおよび電流出力I_ＣＯＮを受信部１６１によって取得する。無効電力指令決定部１６２は、有効電力出力Ｐ_ＣＯＮ、電流出力I_ＣＯＮ、連系線パラメータ記憶部１６３に保存された連系線３のインピーダンスの抵抗Ｒ_ＬとリアクタンスＸ_Ｌ、連系変圧器パラメータ記憶部１６４に保存されたリアクタンスの１次側Ｘ_ＴＲ１および２次側Ｘ_ＴＲ２と巻数比α_ＴＲから、無効電力指令Ｑ_ＲＥＦを求める。無効電力指令Ｑ_ＲＥＦは、送信部１６５を介して、電力変換器１３へ出力される。

無効電力指令Ｑ_ＲＥＦは、図１に示す連系点５における電圧Ｖ_ＰＣＣの変動（ΔＶ_ＰＣＣとする）を抑制するように決定する。無効電力指令Ｑ_ＲＥＦの演算は後述する式（８）によって行う。無効電力指令Ｑ_ＲＥＦの具体的な演算方法を説明する前に、電圧変動ΔＶ_ＰＣＣの発生原理について説明する。

電圧変動ΔＶ_ＰＣＣの発生原理を数式で表す。図１に示すように連系変圧器２から連系点５に有効電力Ｐ_ＰＣＣと無効電力Ｑ_ＰＣＣが流れた場合、連系点５の電圧Ｖ_ＰＣＣにおける有効電力Ｐ_ＰＣＣによる変動成分ΔＶ_ＰＣＣ１と、無効電力Ｑ_ＰＣＣによる変動成分ΔＶ_ＰＣＣ２は、それぞれ（１）（２）式のように表せる。なお、無効電力の正負については、電力変換器１３から連系変圧器２へ進みの無効電力が流れる場合を正とする。

ここで、Ｒ_ＬとＸ_Ｌは、それぞれ連系線５のインピーダンスの抵抗成分とリアクタンス成分である。

連系点５の有効電力Ｐ_ＰＣＣおよび無効電力Ｑ_ＰＣＣは、それぞれ電力変換器１３の有効電力出力Ｐ_ＣＯＮおよび無効電力出力Ｑ_ＣＯＮから、連系変圧器２で消費される有効電力損失Ｐ_ＬＯＳＳおよび無効電力損失Ｑ_ＬＯＳＳを引いた値となり、（３）（４）式のように表せる。なお、有効電力出力Ｐ_ＣＯＮに対して有効電力損失Ｐ_ＬＯＳＳが十分に小さい場合、有効電力損失Ｐ_ＬＯＳＳを省略しても良い。

ここで、I_ＣＯＮは電力変換器１３の電流出力、Ｒ_ＴＲ１およびＲ_ＴＲ２はそれぞれ連系変圧器２の１次側（風力発電システム１に近い方）および２次側（連系点５に近い方）のインピーダンスの抵抗成分、Ｘ_ＴＲ１およびＸ_ＴＲ２はそれぞれ連系変圧器２の１次側および２次側のインピーダンスのリアクタンス成分、α_ＴＲは連系変圧器２の巻数比である。

（１）式に（３）式を、（２）式に（４）式をそれぞれ代入することで（５）（６）式が得られる。

そして、（５）（６）式から、連系点５の電圧変動ΔＶ_ＰＣＣは（７）式で表される。

（７）式の電圧変動ΔＶ_ＰＣＣの時系列波形の一例を図３に示す。（７）式において、自然エネルギーの風速の変動に応じて変動する変数は、電力変換器１３の有効電力出力Ｐ_ＣＯＮおよび電流出力I_ＣＯＮである。そこで、図３には、有効電力出力Ｐ_ＣＯＮと電流出力I_ＣＯＮが変動したときの例を示した。また、無効電力Ｑ_ＣＯＮは０Ｖaｒで一定とした。

ここで、Ｒ_Ｌは温度変化で多少変化するものの連系線の線種と長さで決まる抵抗値であり、略一定であり、またＶ_ＰＣＣも電圧変動を数％の範囲内に変動を抑える必要があるのが通常であり、やはり略一定と考えられる。従って、図３（Ａ）（Ｄ）および（５）式から、電圧変動成分ΔＶ_ＰＣＣ１は、有効電力出力Ｐ_ＣＯＮに略比例した波形となる。

また、巻数比α_ＴＲは連系変圧器２によって定まっている正の定数であり、連系線５のインピーダンスの抵抗成分Ｒ_Ｌは正の定数であり，リアクタンス成分Ｘ_Ｌはインダクタンスが支配的なため正の定数である。連系変圧器２のインピーダンスのリアクタンス成分Ｘ_ＴＲ１とＸ_ＴＲ２についても，インダクタンス成分が支配的なため正の定数である。そして、（６）式のＱ_ＣＯＮ＝０とし、I_ＰＣＣは図３（Ｂ）の波形で表されることから、図３（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）および（６）式により、電圧変動成分ΔＶ_ＰＣＣ２は、電流出力I_ＣＯＮを２乗して位相を反転した（波形の上下を逆にした）波形となる。

そして、電圧変動に関する図３（Ｄ）および（７）式から、電圧変動ΔＶ_ＰＣＣは電圧変動成分ΔＶ_ＰＣＣ１とΔＶ_ＰＣＣ２を合成した波形となる。

次に、演算装置として働く無効電力指令決定部１６２が無効電力指令値Ｑ_ＲＥＦを決定する具体的な方法について説明する。次の関係式が成り立つような無効電力指令値Ｑ_ＲＥＦを求めることで、図３（Ｄ）および（７）式に示す連系点５の電圧変動ΔＶ_ＰＣＣを抑制できる。尚、本実施例では特に好適な例として連系点５の電圧変動ΔＶ_ＰＣＣがおよそゼロになる場合を説明しているが、変動抑制と言う観点からはΔＶ_ＰＣＣが略一定となれば良い。
ΔＶ_ＰＣＣ＝ΔＶ_ＰＣＣ１＋ΔＶ_ＰＣＣ２＝（５）式＋（６）式＝０
具体的には、（８）式で求められる無効電力指令値Ｑ_ＲＥＦに電力変換器１３の無効電力出力Ｑ_ＣＯＮを制御すれば良い。つまり、図２に示す無効電力指令決定部１６２は、（８）式を用いて無効電力指令値Ｑ_ＲＥＦを求めれば良い。なお、（８）式において、連系線３のインピーダンス比（Ｒ_Ｌ/Ｘ_Ｌ）が小さいことで、第１項が第２項および第３項に対して十分小さい場合には、第１項を省略しても良い。

（８）式の無効電力指令値Ｑ_ＲＥＦの時系列波形の一例を図４に示す。図４の（Ａ）（Ｂ）に示す有効電力出力Ｐ_ＣＯＮおよび電流出力I_ＣＯＮは、図３と同じ条件とした。図４（Ａ）に示す有効電力出力Ｐ_ＣＯＮと（８）式の第１項によって求められる無効電力指令の一部は、図４（Ｃ）に示すように有効電力出力Ｐ_ＣＯＮの位相を反転した（波形の上限を逆にした）波形となる。また、図４（Ｂ）に示す電流出力I_ＣＯＮと（８）式の第２項および第３項によって求められる無効電力指令の一部は、電流出力I_ＣＯＮの２乗に比例した波形となる。そして、それらの波形を合成した波形が最終的な無効電力指令である。

最後に、図５および数式を用いて、本実施例１の無効電力コントローラ１６による連系点５の電圧変動ΔＶ_ＰＣＣの抑制効果を説明する。図５（Ａ）〜（Ｃ）には、次の（I）〜（III）および（９）〜（１１）式に示す、それぞれの条件での、電力変換器１３の無効電力出力Ｑ_ＣＯＮ、連系点５の電圧制御量Ｙおよび電圧変動ΔＶ_ＰＣＣの波形を示した。

（I）無効電力Ｑ_ＣＯＮを０Ｖaｒで一定とした条件である。

（II）特許文献１の無効電力制御手法を適用した条件である。

（II）本実施例１による無効電力制御手法を適用した条件である。

連系点５の電圧制御量Ｙは、（７）式の第２項（（Ｘ_Ｌ/Ｖ_ＰＣＣ）Ｑ_ＣＯＮ）に、（９）〜（１１）式を代入することで求められる。（I）〜（III）の条件での、電圧制御量Ｙを（１２）〜（１３）式および図５（Ｂ）に示す。

電圧制御量Ｙによって抑制された電圧変動ΔＶ_ＰＣＣは、（７）式の第２項（（Ｘ_Ｌ/Ｖ_ＰＣＣ）Ｑ_ＣＯＮ）を（１２）〜（１４）式に置き換えることで求められる。（I）〜（III）の条件での、電圧変動ΔＶ_ＰＣＣを（１５）〜（１７）式および図５（Ｃ）に示す。

（１５）〜（１７）式および図５（Ｃ）を用いて、（I）〜（III）の無効電力制御手法による電圧変動ΔＶ_ＰＣＣの抑制効果を比較する。（I）および（II）では無効電力の制御後も電圧変動ΔＶ_ＰＣＣが残るのに対し、（III）では電圧変動ΔＶ_ＰＣＣを０Ｖに抑制できることがわかる。

そこで本実施例１によれば、連系点５の電圧変動を抑制するために、電力変換器１３の有効電力出力と電流出力、連系線３のインピーダンス比、連系変圧器２のリアクタンスおよび巻数比を用いることで、電力変換器１３の無効電力出力を適正値に制御できる。これにより、連系点５の電圧変動を抑制するための無効電力補償装置またはタップ切替付き変圧器などの特別な機器が不要になる。尚、上述の如く、連系線３のインピーダンス比については、値が小さく、結果として（８）式の第１項が第２項および第３項に対して十分小さい場合には、第１項を省略しても良いため、考慮しないことも可能である。

なお、本実施例１の無効電力指令値Ｑ_ＲＥＦを次のように求めても良い。

＜実施例１の変形例１＞
電流出力I_ＣＯＮを（１８）式に示すように有効電力出力Ｐ_ＣＯＮとセンサ１４の設置点の基準線間電圧Ｖ_ＢＡＳＥで近似する。

（８）式に（１８）式を代入すると（１９）式となる。（１９）式を用いて無効電力指令値Ｑ_ＲＥＦを求めることで、（８）式に対して電流出力I_ＣＯＮを省略できる。

＜実施例１の変形例２＞
有効電力出力Ｐ_ＣＯＮと無効電力指令値Ｑ_ＲＥＦを対応づけたテーブルを事前に作成し、そのテーブルを参照して無効電力指令値Ｑ_ＲＥＦを決定する。具体的には、図６に示すように無効電力コントローラ１６ａは、無効電力コントローラ１６に対して、無効電力指令値テーブル作成部１６６と無効電力指令値テーブル記憶部１６７が追加された構成となる。無効電力指令値テーブル作成部１６６は、（１９）式を用いて、有効電力出力Ｐ_ＣＯＮを０ｋＷから最大出力まで所定の刻みで変化させたときの無効電力指令Ｑ_ＲＥＦを計算する。そして、図７に示すような有効電力出力Ｐ_ＣＯＮと無効電力指令Ｑ_ＲＥＦを対応づけたテーブルを無効電力指令値テーブル記憶部１６７に保存する。無効電力指令値決定部１６２は、有効電力出力Ｐ_ＣＯＮが更新される度に、無効電力指令値テーブル記憶部１６７のテーブルを参照して無効電力指令値Ｑ_ＲＥＦを決定する。

図８は、本発明の実施例２による風力発電システム１における無効電力コントローラ１６ｂの構成図である。この実施例２が、実施例１と異なる点は、風力発電システム１（１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ）および連系変圧器２（２I、２J、２K）が複数台となった点である。さらに、それぞれの風力発電システム１の無効電力指令Ｑ_ＲＥＦ（Ｑ_{ＲＥＦ＿Ａ}、Ｑ_{ＲＥＦ＿Ｂ}、Ｑ_{ＲＥＦ＿Ｃ}、Ｑ_{ＲＥＦ＿Ｄ}）を、無効電力コントローラ１６ｂが決定するようにした点が実施例１と異なる。なお、以降では、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは個々の風力発電システム１を区別する記号とし、I、Ｊ、Ｋは個々の連系変圧器２を区別する記号とする。

本実施例では、風力発電システム１Ａ及び風力発電システム１Ｂの各電力変換器の電力系統側が連系され、連系後（当該２つの風力発電システムの連系点よりも電力系統側）に連系変圧器２Iが設けられている。また、風力発電システム１Ｃ及び風力発電システム１Ｄの各電力変換器の電力系統側が連系され、連系後（当該２つの風力発電システムの連系点よりも電力系統側）に連系変圧器２Ｊが設けられている。そして、両連系変圧器２I、２Ｊの電力系統側に更に連系変圧器２Ｋが設けられている。また、無効電力コントローラ１６ｂは、各風力発電システム１Ａ〜1Ｄを一括に制御する。

無効電力コントローラ１６ｂの構成は、実施例１の無効電力コントローラ１６と異なり、図９の構成となる。無効電力コントローラ１６ｂでは、連系変圧器２と風力発電システム１の集電構成を表すテーブルを保存する集電構成記憶部１６８と、電力変換器１３の定格出力を保存する電力変換器定格出力記憶部１７０と、風力発電システム１に無効電力出力指令Ｑ_ＲＥＦを配分する無効電力配分決定部１６９が追加される。

風力発電システム１の無効電力出力指令Ｑ_ＲＥＦを求める方法について説明する。

まず、無効電力コントローラ１６ｂの無効電力指令決定部１６２ｂが合計無効電力出力指令Ｑ_{ＲＥＦ＿ＴＯＴＡＬ}を求める方法について説明する。合計無効電力出力指令Ｑ_{ＲＥＦ＿ＴＯＴＡＬ}の決定には、実施例１での（８）式を、（２０）式に示すように複数台の風力発電システム１と複数台の連系変圧器２に対応するように変形した関数を用いる。

ここで、（２０）式の第１項は、連系線３のインピーダンス（Ｒ_Ｌ、Ｘ_Ｌ）と、連系線３に流れる有効電力（Ｐ_{ＣＯＮ＿Ａ}＋Ｐ_{ＣＯＮ＿Ｂ}＋Ｐ_{ＣＯＮ＿Ｃ}＋Ｐ_{ＣＯＮ＿Ｄ}）から求まる無効電力指令である。また、第２項および第３項は、連系変圧器２Iの一次側と２次側のリアクタンス（Ｘ_{ＴＲ１＿I}、Ｘ_{ＴＲ２＿I}）と、連系変圧器２Iの一次側と２次側に流れる電流から（I_{ＣＯＮ＿Ａ}＋I_{ＣＯＮ＿Ｂ}、（I_{ＣＯＮ＿Ａ}＋I_{ＣＯＮ＿Ｂ}）／α_I）から求まる無効電力指令である。第２項および第３項と同様に、第４項〜第７項は、連系変圧器２Ｊおよび連系変圧器２Ｋに対応する無効電力指令値である。そして、第１項〜第７項で求まる無効電力指令を合算した値が合計無効電力出力指令Ｑ_{ＲＥＦ＿ＴＯＴＡＬ}となる。

（２０）式のように、複数台の風力発電システム１と複数台の連系変圧器２がある場合に、各連系変圧器２にどの風力発電システム１の電流出力I_ＣＯＮが流れているかを決める必要がある。そこで、無効電力コントローラ１６ａの無効電力指令決定部１６２ｂは、集電構成記憶部１６８から、連系変圧器２と風力発電システム１の集電構成を表す集電構成テーブルを読み込む。集電構成テーブルの一例を図１０に示す。図１０では、個々の風力発電システム１と個々の連系変圧器２が交差する欄に●で示されているとき、その連系変圧器２に風力発電システム１の電流出力I_ＣＯＮが流れることを意味している。本実施例では、図８に示す様な連系の態様を取っているが、異なる連系の仕方を採用しても良い。その場合でも、集電構成テーブルを参照することで、各連系変圧器２にどの風力発電システム１の電流出力I_ＣＯＮが流れているかを決定することができる。

次に、図９に示す無効電力コントローラ１６ｂの無効電力配分決定部１６９が、合計無効電力出力指令Ｑ_{ＲＥＦ＿ＴＯＴＡＬ}から個々の風力発電システム１に無効電力指令Ｑ_ＲＥＦ（Ｑ_{ＲＥＦ＿Ａ}、Ｑ_{ＲＥＦ＿Ｂ}、Ｑ_{ＲＥＦ＿Ｃ}、Ｑ_{ＲＥＦ＿Ｄ}）を配分する方法について説明する。

無効電力配分決定部１６９は、電力変換器定格出力記憶部１７０に保存された個々の風力発電システム１（１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ）の電力変換器１３の定格皮相電力Ｓ_ＲＡＴ（Ｓ_{ＲＡＴ_Ａ}、Ｓ_{ＲＡＴ_Ｂ}、Ｓ_{ＲＡＴ_Ｃ}、Ｓ_{ＲＡＴ_Ｄ}）と有効電力出力Ｐ_ＣＯＮ（Ｐ_{ＣＯＮ＿Ａ}、Ｐ_{ＣＯＮ＿Ｂ}、Ｐ_{ＣＯＮ＿Ｃ}、Ｐ_{ＣＯＮ＿Ｄ}）から、（２１）式を用いて風力発電システム１の電力変換器１３の無効電力出力可能量Ｑ_ＵＬ（Ｑ_{ＵＬ_Ａ}、Ｑ_{ＵＬ_Ｂ}、Ｑ_{ＵＬ_Ｃ}、Ｑ_{ＵＬ_Ｄ}）を求める。

そして、各風力発電システム１の無効電力指令Ｑ_ＲＥＦ≦Ｑ_ＵＬとなるように、合計無効電力出力指令Ｑ_{ＲＥＦ＿ＴＯＴＡＬ}を各風力発電システムに配分する。

本実施例２によれば、複数台の風力発電システム１および複数台の連系変圧器２で構成されるウィンドファームにおいて、個々の風力発電システムの有効電力出力および電流出力を検出し、連系線３のインピーダンスと、個々の連系変圧器のリアクタンスと、連系変圧器２と風力発電システム１の集電構成を示すテーブルとを用いて風力発電システムの合計無効電力出力指令Ｑ_{ＲＥＦ＿ＴＯＴＡＬ}を決定することで、連系点５の電圧変動を抑制することができる。さらに、個々の風力発電システム１の無効電力指令Ｑ_ＲＥＦが無効電力出力可能量Ｑ_ＵＬ以下となるように、合計無効電力出力指令Ｑ_{ＲＥＦ＿ＴＯＴＡＬ}を個々の風力発電システム１に配分することで、風力発電システム１の電力変換器１３の容量不足によって連系点５に電圧変動が生じることを回避できる。

図１１は、本発明の実施例３によるウィンドファームにおける無効電力コントローラ１６ｃの構成図である。実施例３が実施例２と異なる点は、無効電力コントローラ１６ｃに、発電出力予測手段６から出力される各風力発電システム１の有効電力出力予測Ｐ_ＰＲＥ（Ｐ_{ＰＲＥ＿Ａ}、Ｐ_{ＰＲＥ＿Ｂ}、Ｐ_{ＰＲＥ＿Ｃ}、Ｐ_{ＰＲＥ＿Ｄ}）および電流出力予測I_ＰＲＥ（I_{ＰＲＥ＿Ａ}、I_{ＰＲＥ＿Ｂ}、I_{ＰＲＥ＿Ｃ}、I_{ＰＲＥ＿Ｄ}）を入力する点である。

無効電力コントローラ１６ｃは、図１２に示すように、所定の更新時刻（Ｔ１およびＴ２）に達すると風力発電システム１の有効電力出力Ｐ_ＣＯＮおよび電流出力I_ＣＯＮを検出し（図１２（Ａ）（Ｂ））、有効電力出力Ｐ_ＣＯＮおよび電流出力I_ＣＯＮから無効電力指令Ｑ_ＲＥＦを決定する（図１２（Ｃ））。

図１２（Ｃ）を参照して、更新時刻Ｔ１に決定した無効電力指令Ｑ_ＲＥＦを、次の更新時刻Ｔ２まで持続させた場合について説明する。時々刻々と変化する風速に応じて、風力発電システム１の有効電力出力Ｐ_ＣＯＮおよび電流出力I_ＣＯＮは変化する。それらの変化によって、理想的な無効電力指令Ｑ_{ＲＥＦ＿IＤＥＡＬ}も変化する。理想的な無効電力指令Ｑ_{ＲＥＦ＿IＤＥＡＬ}とは、有効電力出力Ｐ_ＣＯＮおよび電流出力I_ＣＯＮの変化に合わせて無効電力指令を逐次更新したものである。そのため、更新時刻Ｔ１より後では、理想的な無効電力指令Ｑ_{ＲＥＦ＿IＤＥＡＬ}と時刻Ｔ１から持続させた無効電力指令Ｑ_ＲＥＦに乖離が生じる。その乖離によって電圧変動の抑制効果は低下する。

そこで本実施例３では、図１３に示すように、更新時刻Ｔ１において、発電出力予測手段６から、次の更新時刻Ｔ２までの将来の有効電力出力予測値Ｐ_ＰＲＥおよび電流出力予測値I_ＰＲＥを取得する。そして、有効電力出力および電流出力の検出値（Ｐ_ＣＯＮ、I_ＣＯＮ）と予測値（Ｐ_ＰＲＥ、I_ＰＲＥ）のそれぞれに対して無効電力指令値Ｑ_ＲＥＦを求める。このように更新時刻Ｔ１において、将来を含めた複数時間断面の無効電力指令値Ｑ_ＲＥＦを決定することで、理想的な無効電力指令Ｑ_{ＲＥＦ＿IＤＥＡＬ}との乖離を小さくできる。なお、発電出力予測手段６は、有効電力出力Ｐ_ＣＯＮおよび電流出力I_ＣＯＮの過去の検出値から線形外挿することで、有効電力出力予測値Ｐ_ＰＲＥおよび電流出力予測値I_ＰＲＥを予測する。しかし、予測方法は線形外挿に限らなくて良い。

時刻Ｔ１に、無効電力コントローラ１６ｃから、個々の風力発電システム１（１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ）へ送られる無効電力指令値Ｑ_ＲＥＦの一例を図１４に示す。図１４で、時刻Ｔ１（０時００分００秒）に対する無効電力指令値Ｑ_ＲＥＦ（３０ｋＶａｒ）は、時刻Ｔ１に検出した有効電力出力Ｐ_ＣＯＮおよび電流出力I_ＣＯＮから求めた値である。時刻Ｔ１.２５（０時０２分３０秒）、時刻Ｔ１.５（０時０５分００秒）、時刻Ｔ１.７５（０時０７分３０秒）のそれぞれに対する無効電力指令値Ｑ_ＲＥＦ（３５ｋＶａｒ、４０ｋＶａｒ、４５ｋＶａｒ）は、時刻Ｔ１に取得した有効電力出力予測値Ｐ_ＰＲＥおよび電流出力予測値I_ＰＲＥから求めた値である。

そして、風力発電システム１は、図１４に示す時刻毎の無効電力指令値Ｑ_ＲＥＦと無効電力出力Ｑ_ＣＯＮが一致するように動作する。例えば、時刻Ｔ１の直後（０時００分０１秒）から時刻Ｔ１.２５の直前（０時０２分２９秒）までの期間の無効電力指令値Ｑ_ＲＥＦは、時刻Ｔ１（０時００分００秒）の無効電力指令値Ｑ_ＲＥＦ（３０Ｖａｒ）を持続させても良い。また、時刻Ｔ１（０時００分００秒）と時刻Ｔ１.２５（０時０２分３０秒）の無効電力指令値Ｑ_ＲＥＦ（３０Ｖａｒ、３５Ｖａｒ）を線形補完して求めても良い。

なお、本実施例３の特徴は、風力発電システム１の有効電力出力および電流出力の検出値に加え将来の予測値を用いて複数時間断面の無効電力指令Ｑ_ＲＥＦを求める点にあり、時間断面毎の無効電力指令値Ｑ_ＲＥＦを求める方法は実施例１、２と同様である。

本実施例３によれば、無効電力指令値を更新してから次の更新まで持続させる方法と比べ、将来の風力発電システムの出力予測値を用いて、将来の複数時間断面の無効電力指令値を求めるようにしたことで、電圧変動抑制制御の性能を向上させることができる。

第１〜３の実施例として、自然エネルギー発電システムの風力発電システム１について説明したが、これに限定されるわけではない。図１５〜１７を用いて、実施例４として、自然エネルギー発電システムを太陽光発電システム７とする場合について説明する。尚、自然エネルギー発電システムとしては、風力発電システム、太陽光発電システムが代表的なものである為、実施例を示しているが、それらに限定されるものでない。

図１５は、第４実施例における太陽光発電システム７の全体構成を示す図である。図１６は、図１５の太陽光発電システムを複数台配置し、各太陽光発電システムの無効電力指令を決定する無効電力センターコントローラを備えたソーラーファームの全体構成を示す図である。図１７は、図１６に発電出力予測手段を追加した全体構成を示す図である。

図１５は、図１（実施例１）に対応する太陽光発電システムの構成を示す。図１６は、図８（実施例２）に対応するソーラーファームの構成を示す。図１７は、図１１（実施例３）に対応するソーラーファームの構成を示す。

図１と図１５の差異は、自然エネルギー発電システム内に設置される発電システムが、風力発電システム１であるか太陽光発電システム７であるかの違いである。図１の風力タービン１１および発電機１２は、図１５の太陽電池７１に相当する。図１の風力発電機用電力変換器１２は、図１５の太陽光発電装置用電力変換器７２に相当する。図１の風力発電用有効電力コントローラ１５は、図１５の太陽光発電用有効電力コントローラ７４に相当する。図１の風力発電用有効電力コントローラ１５が風力タービン１１から得ていたピッチ角や風速などは、図１５の太陽電池７１から発生する電圧および電流に相当する。図１の風力発電用無効電力コントローラ１６は、図１５の太陽光発電用無効電力コントローラ７５に相当する。図１の風力発電用センサ１４は、図１５の太陽光発電用センサ７３に相当する。同様に、図８と図１６の差異および図１１と図１７の差異も、風力発電システム１であるか太陽光発電システム７であるかの違いである。その他、同一の符号を付与しているものについては、同様のものであり、ここでの説明は行わない。

図１５〜図１７の各図の構成およびそれらの作用効果は、第１〜３実施例において述べた内容と重複するため、詳細な説明は省略するが、第１〜３実施例において説明した風力発電システムの作用効果は、本実施例の太陽光発電システムにおいても同様である。

なお、本発明は上記した実施例１〜４に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現しても良い。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現しても良い。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（SolId-State-DrIve）等の記録装置、又は、IＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。

１ 風力発電システム
２ 連系変圧器
３ 連系線
４ 電力系統
５ 連系点
６ 発電出力予測手段
７ 太陽光発電システム
１１ 風力タービン
１２ 発電機
１３ 電力変換器
１４ センサ
１５ 有効電力コントローラ
１６ 無効電力コントローラ
７１ 太陽電池
７２ 太陽項発電装置用電力変換器
７３ 太陽項発電装置用センサ
７４ 太陽光発電用有効電力コントローラ
７５ 太陽光発電用無効電力コントローラ
１６１ 受信部
１６２ 無効電力指令決定部
１６３ 連系線パラメータ記憶部
１６４ 連系変圧器パラメータ記憶部
１６５ 送信部
１６６ 無効電力指令値テーブル作成部
１６７ 無効電力指令値テーブル記憶部
１６８ 集電構成記憶部
１６９ 無効電力配分決定部
１７０ 電力変換器定格出力記憶部

Claims (10)

1. 自然エネルギーを受けて発電する発電装置と、
   前記発電装置及び電力系統に電気的に接続される電力変換器と、
   前記電力変換器と前記電力系統の間に配置される連系変圧器と、
   前記電力変換器が出力する無効電力指令を生成する無効電力コントローラを備え、
   前記無効電力コントローラは、
   前記電力変換器と前記電力系統の間に配置される前記連系変圧器のリアクタンスと、前記電力変換器が出力する電流および有効電力を用いて、前記電力変換器と前記電力系統との連系点電圧における有効電力による変動成分及び前記連系点電圧における無効電力による変動成分の和が略一定になる様に、前記無効電力指令を決定する無効電力指令決定部を備えることを特徴とする自然エネルギー発電システム
2. 請求項１に記載の自然エネルギー発電システムであって、
   前記無効電力コントローラは、
   更に前記電力変換器と前記電力系統の連系線のインピーダンス比を用いて、前記無効電力指令を決定することを特徴とする自然エネルギー発電システム
3. 請求項２に記載の自然エネルギー発電システムであって、
   前記有効電力と前記リアクタンスと前記インピーダンス比から、前記電流および前記有効電力と無効電力指令値を対応づけた制御テーブルを作成する制御テーブル作成部と、
   前記制御テーブルを記憶する制御テーブル記憶部を備え、
   前記無効電力指令決定部は、前記制御テーブルと前記電流および前記有効電力を用いて無効電力指令値を決定することを特徴とする自然エネルギー発電システム
4. 請求項２または３に記載の自然エネルギー発電システムであって、
   複数の前記発電装置と、複数の前記電力変換器と、複数台の前記連系変圧器を備え、
   前記無効電力コントローラは、
   前記連系変圧器と前記電力変換器の集電構成を示すテーブルを記憶する集電構成テーブル記憶部を備え、
   前記無効電力指令決定部は、前記電流および前記有効電力と、前記連系変圧器のリアクタンスと、前記連系線のインピーダンス比と、前記集電構成テーブルを用いて無効電力指令値を決定することを特徴とする自然エネルギー発電システム
5. 請求項４に記載の自然エネルギー発電システムであって、
   前記無効電力コントローラは、
   前記電力変換器の最大皮相電力と前記有効電力から、前記電力変換器の無効電力出力可能量を算出し、前記無効電力指令値が前記無効電力出力可能量以下となるように複数台の前記電力変換器に無効電力指令値の配分を決定する無効電力出力配分決定部を備えることを特徴とする自然エネルギー発電システム
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の自然エネルギー発電システムであって、
   前記無効電力コントローラは、
   前記電力変換器の電流予測値および有効電力予測値を取得する手段を備え、
   前記無効電力指令決定部は、前記電流予測値および前記有効電力予測値から、複数時間断面の無効電力指令値を決定する、
   ことを特徴とする自然エネルギー発電システム
7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載の自然エネルギー発電システムであって、
   前記発電装置は、風力発電装置であることを特徴とする自然エネルギー発電システム
8. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載の自然エネルギー発電システムであって、
   前記発電装置は、太陽光発電装置であることを特徴とする自然エネルギー発電システム
9. 自然エネルギーを受けて発電する発電装置及び電力系統に電気的に接続される電力変換器と前記電力系統との連系点電圧における有効電力による変動成分及び前記連系点電圧における無効電力による変動成分の和が略一定になる様に、前記電力変換器が出力する無効電力指令を生成する演算装置と、前記電力変換器と前記電力系統の間に配置される連系変圧器のリアクタンスと、前記電力変換器が出力する電流および有効電力を用いて、前記無効電力指令を決定する無効電力指令決定部と、
   を備えることを特徴とする無効電力コントローラ
10. 自然エネルギーを受けて発電する発電装置と、
    前記発電装置及び電力系統に電気的に接続される電力変換器と、
    前記電力変換器と前記電力系統の間に配置される連系変圧器と、
    前記電力変換器が出力する無効電力指令を生成する無効電力コントローラを備える自然エネルギー発電システムの制御方法であって、
    前記電力変換器と前記電力系統の間に配置される前記連系変圧器のリアクタンスと、前記電力変換器が出力する電流および有効電力を用いて、前記電力変換器と前記電力系統との連系点電圧における有効電力による変動成分及び前記連系点電圧における無効電力による変動成分の和が略一定になる様に、前記無効電力指令を決定することを特徴とする自然エネルギー発電システムの制御方法

Images