JPWO2009078076A1 - 風力発電システム及びその運転制御方法 - Google Patents

風力発電システム及びその運転制御方法 Download PDF

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Abstract

力率調整精度を向上させることを目的とする。連系点Ａにおける所定の力率指令値を、各風車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、各風車に対応する力率指令値を決定する。

Description

本発明は、風力発電システム及びその運転制御方法に関するものである。
従来、ウィンドファームの連系点における力率制御では、例えば、進み力率０．９５〜遅れ力率０．９５の範囲を満たすような所定の力率指令値が系統運用者との協議等によって決定され、決定された所定の力率指令を維持するように各風車の発電システムが力率制御を行う。また、このような制御を行っていても連系点における力率が上記範囲を逸脱するような場合には、変電所のコンデンサバンクやリアクトルの開閉によって連系点における力率の調整が行われる。
また、特許文献１には、連系点における電力等を制御する中央制御装置から各風車に対して一様な無効電力指令を送信し、この無効電力指令に基づいて各風車が制御を行うことが開示されている。
米国特許第７１６６９２８号明細書
ところで、電力系統の電圧の安定性を高めるためには、連系点における力率調整精度を向上させる必要がある。しかしながら、上述した従来の技術では、各風車に一様な無効電力指令値が与えられるために、力率調整精度の更なる向上を望めないという不都合があった。
本発明は、力率調整精度を向上させることのできる風力発電システム及びその運転制御方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明の第１の態様は、複数の風車と、各前記風車に対して制御指令を与える中央制御装置とを備え、各前記風車の出力電力が共通の連系点を通じて電力系統に供給される風力発電システムの運転制御方法であって、前記連系点における所定の力率指令値を、各前記風車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、各前記風車に対応する力率指令値をそれぞれ決定する風力発電システムの運転制御方法である。
本発明によれば、連系点における所定の力率指令値を各風車に応じた力率補正量を用いて補正するので、各風車に対して他の風車とは異なる力率指令値を設定することが可能となる。これにより、各風車に関する特性等が考慮された適切な力率指令値に基づいて各風車が力率制御を行うこととなるので、系統点における力率制御の精度向上を図ることが可能となる。
上記風力発電システムの運転制御方法において、前記力率補正量は、各前記風車と前記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されることとしてもよい。
このように、風車と連系点との間に存在するリアクタンス成分を加味した力率補正量を用いて、各風車の力率指令値が決定されるので、連系点における実際の力率を効率的に所定の力率指令値に一致させることが可能となる。
例えば、各風車と連系点との間に存在するリアクタンス成分を考慮せずに、連系点における実際の力率を力率指令値に一致させる単なるフィードバック制御を行った場合、各風車が備える発電システムの出力端における力率を、各風車に与えられた力率指令値に一致せることはできても、連系点における力率を所定の力率指令値に一致させることは難しい。これは、風車の出力端から連系点を繋ぐ電力線のリアクタンス等により、力率が変動するからである。この点、本発明では、各風車と連系点との間に存在するリアクタンス成分を加味した力率指令値に基づいて各風車の制御が行われるので、連系点における力率を効率的に、且つ、高精度で制御することが可能となる。
本発明の第２の態様は、複数の風車と、各前記風車に対して制御指令を与える中央制御装置とを備え、各風車の出力が共通の連系点を通じて電力系統に供給される風力発電システムの運転制御方法であって、複数の前記風車として、可変速風車と固定速風車の両方を備える場合に、前記固定速風車全体としての前記連系点における力率を算出し、算出した前記力率と前記連系点における所定の力率指令値との差分を算出し、算出した前記差分を用いて前記所定の力率指令値を補正し、補正後の前記所定の力率指令値に基づいて、各前記可変速風車の力率指令値を決定する風力発電システムの運転制御方法である。
上記方法によれば、固定速風車による力率変動を考慮して可変速風車の力率指令値が決定されるので、固定速風車による力率変動を可変速風車の力率制御によって吸収することが可能となる。これにより、固定速風車と可変速風車とが混在する場合であっても、連系点における力率制御の精度向上を図ることができる。
上記風力発電システムの運転制御方法において、補正後の前記所定の力率指令値を、各前記可変速風車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、各前記可変速風車に対応する力率指令値を決定することとしてもよい。
このように、固定速風車の力率変動を考慮して補正された連系点における所定の力率指令値を、各可変速風車に対応してそれぞれ設定されている力率補正量を用いて更に補正することで、各可変速風車の力率指令値を決定するので、各可変速風車に対して他の可変速風車とは異なる力率指令値を設定することが可能となる。これにより、各可変速風車に関する特性等が考慮された適切な力率指令値に基づいて各可変速風車が力率制御を行うこととなるので、連系点における力率制御の更なる精度向上を図ることが可能となる。
上記風力発電システムの運転制御方法において、各前記可変速風車に応じた力率補正量は、各前記可変速風車と前記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されることとしてもよい。
このように、風車と連系点との間に存在するリアクタンス成分を加味して、各可変速風車の力率指令値が決定されるので、連系点における実際の力率を効率的に力率指令値と一致させることが可能となる。
本発明の第３の態様は、複数の風車と、各前記風車に対して制御指令を与える中央制御装置とを備え、各前記風車の出力電力が共通の連系点を通じて電力系統に供給される風力発電システムであって、前記連系点における所定の力率指令値を、各前記風車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、各前記風車に対応する力率指令値をそれぞれ決定する風力発電システムである。
本発明の第４の態様は、複数の風車と、各前記風車に対して制御指令を与える中央制御装置とを備え、各風車の出力が共通の連系点を通じて電力系統に供給される風力発電システムであって、複数の前記風車として、可変速風車と固定速風車の両方を備える場合に、前記中央制御装置が、前記固定速風車全体としての前記連系点における力率を算出し、算出した前記力率と前記連系点における所定の力率指令値との差分を算出し、算出した前記差分を用いて前記所定の力率指令値を補正し、補正後の前記所定の力率指令値に基づいて、各前記可変速風車の力率指令値を決定する風力発電システムである。
本発明によれば、力率調整精度を向上させることができるという効果を奏する。
本発明の第１の実施形態に係る風力発電システムの全体構成を示した図である。 本発明の第１の実施形態に係る力率補正量について説明するための図である。 本発明の第１の実施形態に係る風力発電システムの運転制御方法の手順を示したフローチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る風力発電システムの運転制御方法について説明するための図である。
符号の説明
１ 風力発電システム
１０ 中央制御装置
２０ 発電システム
３０ 電力線
ＷＴＧ１，ＷＴＧ１，ＷＴＧｎ 風車
以下に、本発明に係る風力発電システム及びその運転制御方法の各実施形態について、図面を参照して説明する。
〔第１の実施形態〕
図１は、本実施形態に係る風力発電システムの全体構成を示したブロック図である。図１に示されるように、風力発電システム１は、複数の風車ＷＴＧ１，ＷＴＧ２，・・・，ＷＴＧｎ（以下、全ての風車を示すときは単に符号「ＷＴＧ」を付し、各風車を示すときは符号「ＷＴＧ１」、「ＷＴＧ２」等を付す。）と、各風車ＷＴＧに対して制御指令を与える中央制御装置１０とを備えている。本実施形態において、全ての風力発電装置ＷＴＧは、可変速風車である。
各風車ＷＴＧは、発電システム２０を備えている。発電システム２０は、例えば、発電機と、発電機の有効電力および無効電力を制御可能な可変周波数コンバータ励磁システムと、該可変周波数コンバータ励磁システムに電力指令値を与える風車制御装置とを主な構成として備えている。
各風車が備える発電システム２０から出力される電力は、各電力線３０により共通の連系点Ａを経由して電力系統（utility grid）に供給される。
中央制御装置１０は、系統電力を管理する電力管理室（例えば、電力会社等）から通知される連系点Ａにおける要求力率指令に基づいて、連系点Ａにおける力率指令値を設定する。そして、この力率指令値を各風車ＷＴＧ１，ＷＴＧ２，・・・，ＷＴＧｎに対応してそれぞれ設定されている力率補正量を用いて補正し、補正後の力率指令値を各風車に対してそれぞれ送信する。ここで、各風車に対応して設定されている力率補正量の詳細については後述する。
各風車ＷＴＧ１，ＷＴＧ２，・・・，ＷＴＧｎが備える発電システム２０は、中央制御装置１０から与えられた力率指令値を満足するような有効電力の指令値と無効電力の指令値とを設定する。具体的には、発電システム２０の風車制御装置は、発電機の回転数をモニタし、その回転数に応じた有効電力の指令値を設定する。また、この有効電力の指令値と以下の（１）式に示した関係式とから該力率指令値を満足する無効電力の指令値を求める。なお、このとき、風車制御装置は、熱的制約、電圧制限で決まる動作範囲内で無効電力の指令値を設定する。また、力率指令を優先する場合には、有効電力を減らして必要な無効電力を供給するよう設定することとしてもよい。
Figure 2009078076
上記（１）式において、Ｐは有効電力、Ｑは無効電力である。
風車制御装置は、設定した有効電力の指令値と無効電力の指令値とを可変周波数コンバータ励磁システムに与える。可変周波数コンバータ励磁システムは、風車制御装置から与えられる有効電力の指令値および無効電力の指令値に基づいて、発電機を制御する。
上記力率制御が行われることにより、各風車ＷＴＧから各風車に与えられた力率指令値を満足する有効電力と無効電力とが出力され、電力線３０を介して共通の連系点Ａに供給されることとなる。
次に、上述した各風車ＷＴＧ１，ＷＴＧ２，・・・，ＷＴＧｎに対応してそれぞれ設定される力率補正量について詳細に説明する。
上記力率補正量は、各風車ＷＴＧ１，ＷＴＧ２，・・・，ＷＴＧｎと連系点Ａとの間に存在するリアクタンス成分に基づいて決定される。例えば、多くの風車を有するウィンドファームなどでは、各風車ＷＴＧ１，ＷＴＧ２，・・・，ＷＴＧｎと連系点Ａとを結ぶ電力線３０の長さがかなり異なることとなる。このため、風車から出力された電力は、連系点Ａに到達するまでにそれぞれの電力線３０の距離に応じたリアクタンスの影響を受けることとなる。
これにより、例えば、各風車に対して一様な力率指令値を与えた場合には、連系点Ａにおける無効電力にバラツキが生じ、力率精度が低下する可能性がある。この点、本実施形態では、上述したような電力線３０のリアクタンス成分による電力変動を考慮し、各風車に与える力率指令値を各風車、より詳しくは、各風車と連系点Ａとを繋ぐ電力線３０のリアクタンス成分に応じた力率補正量を用いて補正することとしている。
まず、図２に示すように、各風車ＷＴＧ１，ＷＴＧ２，・・・，ＷＴＧｉ，・・・，ＷＴＧｎの出力端における電力をそれぞれＰ1＋ｊＱ1，Ｐ2＋ｊＱ2，・・・，Ｐi＋ｊＱi，・・・，Ｐn＋ｊＱnとする。また、各風車ＷＴＧ１，ＷＴＧ２，・・・，ＷＴＧｎと連系点Ａとの間の電力線のリアクタンスをそれぞれｊｘ1，ｊｘ2，・・・ｊｘi，・・・ｊｘnとし、また、連系点Ａにおける各風車の電力をＰ1´＋ｊＱ1´，Ｐ2´＋ｊＱ2´，・・・，Ｐi´＋ｊＱi´，・・・，Ｐn´＋ｊＱn´と定義する。
次に、各風車において潮流計算を行う。ここでは、ｉ番目の風車を例に挙げて説明する。便宜上、連系点電圧Ｖgrid＝１ｐｕ，位相角δgrid＝０とする。また、有効電力Ｐ、無効電力Ｑともに、各風車から連系点Ａへ向かう方向を正の符号とする。また、力率の符号もこれに合わせ、例えば、Ｐ＞０，Ｑ＞０ならば力率ｐｆ＞０であり、Ｐ＞０，Ｑ＜０ならば、力率ｐｆ＜０となる。
このような条件において、風車ＧＴＷｉの出力端における有効電力Ｐi、無効電力Ｑi、並びに連系点Ａにおける有効電力Ｐi´、無効電力Ｑi´はそれぞれ以下のように表される。
Figure 2009078076
この潮流計算では、電力線３０のリアクタンス成分しか考慮していないため、有効電力はＰi＝Ｐi´で同じ値となる。ここで、Ｐi，Ｑiを既知とすると、上記（２）からＰi´，Ｑi´を解くことができる。
Ｐi，Ｑiは、例えば、風車の出力端における有効電力Ｐi，無効電力Ｑiを、過去所定期間（例えば、１ヶ月、或いは３ヶ月、或いは１年等）において取得し、取得したこれらデータを解析することにより、適切な値（例えば、平均値等）を設定する。
風車の出力端の力率ｐｆiは、以下の（３）式により、連系点Ａにおける力率ｐｆi´は以下の（４）式により表される。
Figure 2009078076
この結果、ｉ番目の風車の力率補正量Δｐｆiは、以下の（５）式で求めることができる。
Δｐｆi＝ｐｆgrid−ｐｆi´ （５）
上記（５）式において、ｐｆgridは連系点Ａにおける力率指令値である。
上述の方法によって求められた各風車の力率補正量Δｐｆiは、各風車と対応付けられて中央制御装置１０が備えるメモリに格納され、風車の運転時における力率指令値の補正に用いられる。
なお、メモリに格納される上記力率補正量は、例えば、所定の時間間隔（例えば、１年または３ヶ月等）で更新されるものとしてもよい。更新時には、風車の有効電力Ｐi及び無効電力Ｑiを適切な値に設定し（例えば、上述したように過去所定期間におけるデータの解析結果等を用いて設定し）、この値を上記式に代入することにより各風車の力率補正量を更新すればよい。
次に、上記構成を備える風力発電システムの運転制御方法について説明する。
まず、中央制御装置１０は、連系点の力率指令値ｐｆgridを取得すると（図３のステップＳＡ１）、各風車ＷＴＧ１，ＷＴＧ２，・・・，ＷＴＧｎに対応する力率補正量Δｐｆiをメモリから読み出し、この力率補正量Δｐｆiを用いて力率補正値ｐｆgridを補正する（ステップＳＡ２）。そして、補正後の力率指令値ｐｆi（＝ｐｆgrid＋Δｐｆi）を各風車ＷＴＧ１，ＷＴＧ２，・・・，ＷＴＧｎにそれぞれ送信する（ステップＳＡ３）。
各風車ＷＴＧ１，ＷＴＧ２，・・・，ＷＴＧｎの風車制御装置は、中央制御装置１０から受信した各力率指令値Δｐｆ1,Δｐｆ2，・・・，Δｐｆi，・・・，Δｐｆnを満足するような有効電力指令値と無効電力指令値とを設定し、設定した有効電力指令値と無効電力指令値とを可変周波数コンバータ励磁システムに与える。可変周波数コンバータ励磁システムは、与えられた有効電力指令値および無効電力指令値に基づいて、発電機を制御する。これにより、各風車に対応する力率指令値を満足する有効電力と無効電力とが各風車から出力され、電力線３０を介して共通の連系点Ａに供給されることとなる。
中央制御装置１０は、連系点Ａにおける無効電力及び有効電力を検出し、これら検出値から実際の力率ｐｆgrid´を算出する。そして、算出した実際の力率ｐｆgrid´と力率指令値ｐｆgridとの差分を算出し、この差分を解消するような力率指令値を新たに算出し、これを次の力率指令値として各風車に与える（ステップＳＡ４）。
新たな力率指令値は、以下に示す（６）式のように、実際の力率ｐｆgrid´と力率指令値ｐｆgridとの差分、及び力率補正量Δｐｆiを、力率指令値ｐｆgridに更に加算することで求められる。
ｐｆi＝ｐｆgrid＋Δｐｆi＋（ｐｆgrid−ｐｆgrid´） （６）
そして、以降においては、所定の時間間隔で連系点Ａにおける実際の力率を検出し、この検出結果から求められる力率差分Δｐｆgrid＝ｐｆgrid−ｐｆgrid´と力率補正値Δｐｆiとを上記（６）式に代入することにより、各風車に対応する力率指令値を算出すればよい。
このようにして、フィードバック制御が行われることにより、連系点Ａにおける力率を安定させることが可能となる。
以上説明してきたように、本実施形態に係る風力発電システム１及びその運転制御方法によれば、連系点Ａにおける力率指令値を、各風車と連系点Ａとの間に存在するリアクタンスに応じた力率補正量を用いて補正することにより、各風車に適した力率指令値を求めるので、電力線３０に係るリアクタンスを考慮した力率制御を各風車において行わせることが可能となる。これにより、連系点Ａにおける力率制御の精度向上を図ることが可能となる。
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について、図４を用いて説明する。
上述した第１の実施形態においては、全ての風車が可変速風車である場合について述べたが、本実施形態では、一部の風車が固定速風車である場合について説明する。
本実施形態に係る風力発電システムは、少なくとも１台の固定速風車と少なくとも１台の可変速風車を備えている。例えば、図４に示すように、１番目からｉ番目までの風車を可変速風車、ｉ＋１番目からｎ番目までの風車を固定速風車とする。この場合、まず、上述した第１の実施形態と同様の手順に基づく潮流計算により、連系点Ａにおける有効電力Ｐi´及び無効電力Ｑi´を求める。
続いて、連系点Ａにおける固定速風車のみの有効電力及び無効電力の合計を以下の（７）式、（８）式に示されるように求める。
Figure 2009078076
続いて、上記有効電力及び無効電力の合計を用いて、固定速風車全体としての力率ｐｆfix´を算出する。
Figure 2009078076
次に、連系点Ａにおける力率指令値と上記固定速風車全体としての力率ｐｆfix´との差分を算出する。
Δｐｆ＝ｐｆgrid−ｐｆfix´ （９）
そして、この差を可変速風車で吸収するため、このΔｐｆを指令値補正量として設定し、上記力率指令値ｐｆgridに指令値補正量Δｐｆを加算した値を新たな力率指令値とする。そして、この力率指令値に基づいて、上述した第１の実施形態と同様、各可変速風車ＷＴＧ１，ＷＴＧ２，・・・ＷＴＧｉに対応する力率補正量Δｐｆ1，Δｐｆ2，・・・・Δｐｆiを用いて、風車毎の力率指令値を求め、補正後の力率指令値を各風車に対して送信する。
以上説明してきたように、本実施形態に係る風力発電システム及びその運転制御方法によれば、固定速風車と可変速風車とが混在する場合には、固定速風車における力率の変動分を考慮して可変速風車の力率指令値が決定されるので、固定速風車による力率変動を可変速風車により吸収することが可能となる。これにより、固定速風車が含まれる場合においても力率制御の精度向上を図ることが可能となる。
なお、本実施形態においては、固定速風車全体の力率を求め、この力率を用いて連系点Ａにおける力率指令値を補正し、更に、補正後の力率指令値を各可変速風車に対応してそれぞれ設定される力率補正量Δｐｆｉを用いて補正することとしたが、これに代えて、例えば、固定速風車全体の力率を用いて補正された力率指令値を、各可変速風車の力率指令値として与えることとしてもよい。この場合、各可変速風車と連系点Ａとの間に存在するリアクトルによる力率変動については解消されないが、固定速風車による力率変動を解消することが可能となる点で、相当の効果を得ることができる。
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、上述した各実施形態においては、中央制御装置１０において力率指令値の補正を行っていたが、この態様に代えて、例えば、各風車において力率指令値の補正を行うこととしてもよい。この場合には、中央制御装置１０から各風車に対して一様の力率指令値が送信され、各風車において、各風車が保有する個々の力率補正量を用いて、中央制御装置１０から受信した力率指令値の補正が行われる。
また、本実施形態においては、中央制御装置１０から通信によって補正後の力率指令値等が送信されることとしたが、例えば、オペレータが手動により各風車に対して力率指令値を入力設定するような構成としてもよい。
１ 風力発電システム
１０ 中央制御装置
２０ 発電システム
３０ 電力線
ＷＴＧ１，ＷＴＧ２，ＷＴＧｎ 風車
〔第１の実施形態〕
図１は、本実施形態に係る風力発電システムの全体構成を示したブロック図である。図１に示されるように、風力発電システム１は、複数の風車ＷＴＧ１，ＷＴＧ２，・・・，ＷＴＧｎ（以下、全ての風車を示すときは単に符号「ＷＴＧ」を付し、各風車を示すときは符号「ＷＴＧ１」、「ＷＴＧ２」等を付す。）と、各風車ＷＴＧに対して制御指令を与える中央制御装置１０とを備えている。本実施形態において、全ての風車ＷＴＧは、可変速風車である。
次に、各風車において潮流計算を行う。ここでは、ｉ番目の風車を例に挙げて説明する。便宜上、連系点電圧Ｖgrid＝１ｐｕ，位相角δgrid＝０とする。また、有効電力Ｐ、無効電力Ｑともに、各風車から連系点Ａへ向かう方向を正の符号とする。また、力率の符号もこれに合わせ、例えば、Ｐ＞０，Ｑ＞０ならば力率ｐｆ＞０であり、Ｐ＞０，Ｑ＜０ならば、力率ｐｆ＜０となる。
このような条件において、風車ＷＴＧｉの出力端における有効電力Ｐi、無効電力Ｑi、並びに連系点Ａにおける有効電力Ｐi´、無効電力Ｑi´はそれぞれ以下のように表される。

Claims (7)

  1. 複数の風車と、各前記風車に対して制御指令を与える中央制御装置とを備え、各前記風車の出力電力が共通の連系点を通じて電力系統に供給される風力発電システムの運転制御方法であって、
    前記連系点における所定の力率指令値を、各前記風車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、各前記風車に対応する力率指令値をそれぞれ決定する風力発電システムの運転制御方法。
  2. 前記力率補正量は、各前記風車と前記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される請求項１に記載の風力発電システムの運転制御方法。
  3. 複数の風車と、各前記風車に対して制御指令を与える中央制御装置とを備え、各風車の出力が共通の連系点を通じて電力系統に供給される風力発電システムの運転制御方法であって、
    複数の前記風車として、可変速風車と固定速風車の両方を備える場合に、前記固定速風車全体としての前記連系点における力率を算出し、
    算出した前記力率と前記連系点における所定の力率指令値との差分を算出し、
    算出した前記差分を用いて前記所定の力率指令値を補正し、
    補正後の前記所定の力率指令値に基づいて、各前記可変速風車の力率指令値を決定する風力発電システムの運転制御方法。
  4. 補正後の前記所定の力率指令値を、各前記可変速風車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、各前記可変速風車に対応する力率指令値を決定する請求項３に記載の風力発電システムの運転制御方法。
  5. 各前記可変速風車に応じた力率補正量は、各前記可変速風車と前記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される請求項４に記載の風力発電システムの運転制御方法。
  6. 複数の風車と、各前記風車に対して制御指令を与える中央制御装置とを備え、各前記風車の出力電力が共通の連系点を通じて電力系統に供給される風力発電システムであって、
    前記連系点における所定の力率指令値を、各前記風車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、各前記風車に対応する力率指令値をそれぞれ決定する風力発電システム。
  7. 複数の風車と、各前記風車に対して制御指令を与える中央制御装置とを備え、各風車の出力が共通の連系点を通じて電力系統に供給される風力発電システムであって、
    複数の前記風車として、可変速風車と固定速風車の両方を備える場合に、
    前記中央制御装置が、
    前記固定速風車全体としての前記連系点における力率を算出し、
    算出した前記力率と前記連系点における所定の力率指令値との差分を算出し、
    算出した前記差分を用いて前記所定の力率指令値を補正し、
    補正後の前記所定の力率指令値に基づいて、各前記可変速風車の力率指令値を決定する風力発電システム。
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