JPWO2010140247A1 - 系統安定化装置、方法、及び風力発電システム - Google Patents

系統安定化装置、方法、及び風力発電システム Download PDF

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Abstract

大規模な土木工事が不要であり、かつ、安定した無効電力を供給できることを目的とする。かご型誘導発電機１３を有し、自然エネルギーを利用して発電する発電装置と、発電装置と電力系統１５との間に設けられ、発電装置と電力系統１５との接続及び非接続を切り替える接続切替部１４とを備える発電システムに適用される系統安定化装置２であって、電力系統１５の電圧が予め設定されている変動条件を満たし、発電装置と電力系統１５とが非接続状態とされた場合に、電力系統１５に無効電力を供給する、または電力系統１５から無効電力を吸収する無効電力調整部２１を具備する系統安定化装置を提供する。

Description

本発明は、系統安定化装置、方法、及び風力発電システムに関するものである。
従来、系統連系させる風力発電装置には、かご型誘導発電機が用いられているものがあるが、電力系統に故障等が発生し、電力系統側の電圧に変動が生じた場合には、誘導発電機側が余剰な無効電力を系統側から吸収してしまい、系統連系規定に合致させることができない。このため、かご型誘導発電機が用いられる風力発電装置によって系統連系を行う場合には、ウィンドファーム内において、別途、無効電力を補償する装置等を設置し、系統連系規定に合致させることが知られている。
特開２０００−１７５３６０号公報
しかしながら、上記のようにウィンドファーム内に別途無効電力補償装置を設置するには、土木工事等の大規模な工事が必要であるため、既存のかご型誘導発電機を有する風力発電システムの環境に対して無効電力補償装置を設置するのは困難であるという問題があった。
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、大規模な工事が不要であり、かつ、安定した無効電力を供給できる系統安定化装置、方法、及び風力発電システム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、本発明は以下の部を採用する。
本発明の第１の態様は、かご型誘導発電機を有し、自然エネルギーを利用して発電する発電装置と、前記発電装置と電力系統との間に設けられ、該発電装置と電力系統との接続及び非接続を切り替える接続切替部とを備える発電システムに適用される系統安定化装置であって、前記電力系統の電圧が予め設定されている変動条件を満たし、前記発電装置と前記電力系統とが非接続状態とされた場合に、前記電力系統に無効電力を供給する、または前記電力系統から無効電力を吸収する無効電力調整部を具備する系統安定化装置である。
このような構成によれば、落雷等によって地絡や短絡による短時間（数秒以下）の電圧低下が起こることによって電力系統の電圧が予め設定されている変動条件を満たし、接続切替部により発電装置が電力系統から非接続状態とされた場合に、無効電力調整部から無効電力が電力系統に供給される。
このように、無効電力を調整するための専用の装置（無効電力調整部）を備えるので、電力系統において予め設定されている電圧の変動条件を満たした場合に、安定した無効電力を電力系統に供給する、または無効電流を電力系統から吸収することが可能となる。
上記系統安定化装置において、前記発電装置と前記電力系統とが非接続状態とされた場合に、前記接続切替部を介して前記発電装置と接続される負荷を具備することとしてもよい。
このように、発電装置と電力系統とが非接続状態とされた場合に、接続切替部によって発電装置と負荷とが接続されるので、発電装置の出力を負荷に供給させることができ、発電装置が過回転することを防止できる。負荷とは、例えば、放電抵抗である。
上記系統安定化装置において、前記無効電力調整部は、蓄電装置と電力変換器とを具備することとしてもよい。
このように、無効電力の補償を行う場合において、蓄電装置は小さい容量でよいため、無効電力調整部を小型化できる。これにより、既存の発電システムに容易に取り付けることが可能となる。また、蓄電装置は、例えば、バッテリ、キャパシタ等である。
上記系統安定化装置において、前記無効電力調整部は、前記電力系統に取り付けるための取り付け部を有していてもよいこととする。
これにより、既存の発電システムに対し、容易に設置可能となる。
本発明の第２の態様は、かご型誘導発電機を有し、風力エネルギを利用して発電する発電装置と、前記発電装置と電力系統との間に設けられ、該発電装置と前記電力系統との接続及び非接続を切り替える接続切替部と、前記電力系統の電圧が予め設定されている変動条件を満たし、前記発電装置と前記電力系統とが非接続状態とされた場合に、前記電力系統に無効電力を供給する、または前記電力系統から無効電力を吸収する無効電力調整部とを具備する風力発電システムである。
上記風力発電システムにおいて、前記発電装置と前記電力系統とが非接続状態とされた場合に、前記接続切替部を介して前記発電装置と接続される負荷を具備することとしてもよい。
上記風力発電システムにおいて、前記接続切替部は、前記発電装置と前記負荷とを接続している状態において、前記発電装置側の出力電圧が既定の所定値よりも小さくなった場合に、前記発電装置の出力端を接地することとしてもよい。
本発明の第３の態様は、かご型誘導発電機を有し、自然エネルギーを利用して発電する発電装置と、前記発電装置と電力系統との間に設けられ、該発電装置と電力系統との接続及び非接続を切り替える接続切替部とを備える発電システムに適用される系統安定化方法であって、前記電力系統の電圧が予め設定されている変動条件を満たし、前記発電装置と前記電力系統とが非接続状態とされた場合に、前記電力系統に無効電力を供給する、または前記電力系統から無効電力を吸収する無効電力調整部を前記発電装置とは別個に設ける系統安定化方法である。
本発明によれば、大規模な土木工事が不要であり、かつ、安定した無効電力を供給できるという効果を奏する。
本発明の一実施形態に係る系統安定化装置を適用した風力発電システムの一例を示したブロック図である。 本発明の系統安定化装置の通常運転時の動作フローを示した図である。 本発明の系統安定化装置の系統電圧が低下した場合の動作フローを示した図である。
１ 風力発電システム
２ 系統安定化装置
１３ 発電機
１４ 接続切替部
１５ 電力系統
１６ 発電機側電圧センサ
１７ 系統側電圧センサ
１８ 制御部
２０ 負荷
２１ 無効電力調整部
２１１ 蓄電装置
２１２ 交流直流変換器
２１３ 電力調整制御部
以下に、本発明に係る系統安定化装置、方法、及び風力発電システムの一実施形態について、図面を参照して説明する。
本実施形態においては、本発明に係る系統安定化装置を適用した風力発電システムについて説明する。なお、本実施形態における発電機は、例えば、かご型誘導発電機である。
図１は、本実施形態に係る系統安定化装置を適用した風力発電システム１の概略構成を示したブロック図である。
図１に示されるように、本実施形態に係る風力発電システム１は、風車ブレード１０、風車ロータ１１、ギア１２、発電機（発電装置）１３、接続切替部１４、発電機側電圧センサ１６、系統側電圧センサ１７、発電機側電流センサ１９、制御部１８、及び系統安定化装置２を備えている。
図１において、複数枚の風車ブレード１０は、風車ロータ１１に取り付けられている。風車ロータ１１の主軸には、所定の変速比を持ったギア１２を介して発電機１３が接続されている。発電機１３は、例えば、３相の電力線により、接続切替部１４と接続されており、電力系統１５への接続と非接続とが接続切替部１４により切り替えられる。なお、接続切替部１４の接続の切り替えは、制御部１８により行われる。
発電機側電圧センサ１６は、接続切替部１４よりも発電機１３側の電圧を計測し、計測結果を制御部１８に出力する。系統側電圧センサ１７は、接続切替部１４よりも電力系統１５側の電圧を計測し、計測結果を制御部１８に出力する。
また、発電機側電流センサ１９は、接続切替部１４よりも発電機１３側の電流を計測し、計測結果を無効電力調整部２１に出力する。
制御部１８は、発電機側電圧センサ１６、および系統側電圧センサ１７等により検出される電圧値に基づいて、接続切替部１４の接続の切り替え、および系統安定化装置２（詳細は後述する）の制御を行う。
接続切替部１４は、系統故障等が発生することにより電力系統１５の電力が予め設定されている変動条件を満たした場合に、制御部１８からの信号によって作動し、発電機１３と電力系統１５とを接続状態から非接続状態に切り替える。具体的には、系統側電圧センサ１７により検出される電圧が予め設定されている変動条件を満たした場合には、接続切替部１４は、発電機１３と電力系統１５とを非接続状態にし、発電機１３と負荷２０とを接続する。また、発電機１３と負荷２０とを接続している状態において、発電機側電圧センサ１６から検出される発電機１３側の電圧が所定値以下となった場合に、接続切替部１４は発電機１３と負荷２０とを非接続状態とし、発電機１３の出力端子を接地する。さらに、この状態で、発電機１３側の風速条件が整い、電力系統１５側と連系できる状態になった場合に、接続切替部１４は、発電機１３と電力系統１５とを接続状態とする。
系統安定化装置２は、負荷２０と無効電力調整部２１とを備えている。
負荷２０は、発電機１３と電力系統１５とが非接続状態とされた場合に、接続切替部１４を介して発電機１３と接続される。具体的には、負荷２０は、放電抵抗であり、発電機１３からの出力電力を消費する。
また、負荷２０と発電機１３とが接続切替部１４を介して接続状態とされている場合、風車ブレード１０は、制御部１８または制御部１８とは別個に設けられた他の制御部によりピッチ角が制御され、風車ブレード１０の回転数を低減させる制御がなされる。
負荷２０と発電機１３とが接続切替部１４を介して接続されている状態において、発電機１３が電力系統１５と非接続状態となった直後の風車ロータ１１の回転数の急上昇が緩和される。また、発電機側電圧センサ１６によって検出される発電機１３側の電圧が所定値以下となった場合には、制御部１８は、発電機１３と負荷２０との接続を非接続とし、発電機１３の出力を接続切替部１４を介して接地させる。
無効電力調整部２１は、電力系統１５の電圧が予め設定されている変動条件を満たし、発電機１３と電力系統１５とが非接続状態とされた場合に、電力系統１５に無効電力を供給する、または電力系統１５から無効電力を吸収することによって、無効電力を調整する。また、無効電力調整部２１は、電力系統１５に取り付けるための取り付け部（取り付け部）を備えている。
具体的には無効電力調整部２１は、蓄電装置２１１、電力変換器２１２、および電力調整制御部２１３を備えている。
電力調整制御部２１３は、電力系統１５側の電圧に基づいて電力系統１５に供給する、または電力系統１５から吸収する無効電流の量を決定するとともに、決定された流量の無効電流を電力系統１５および蓄電装置２１１間で調整する。
より具体的には、電力調整制御部２１３は、電力系統１５の電圧と無効電流とを対応付けた情報を保有しており、この情報に基づいて、系統側電圧センサ１７によって検出される電力系統１５側の電圧から、調整する無効電流を決定する。また、電力調整制御部２１３は、電力系統１５の電圧が通常時の基準電圧値に近づくにつれて、電力系統１５に供給、または電力系統１５から吸収する無効電流の量を低減させる制御を行う。
電力変換器２１２は、交流と直流を変換する交流直流変換器であって、例えば、電力調整制御部２１３によって決定された流量の無効電流を電力系統１５に供給するには、蓄電装置２１１に蓄電されている直流電力を交流電力に変換し、変換後の交流電力を電力系統１５に出力する。また、電力系統１５から無効電流を吸収するには、電力変換器２１２は、電力系統１５から取得した交流電力を直流電力に変換し、変換後の電力を蓄電装置２１１に出力する。
また、発電機１３と電力系統１５とが接続状態であり、発電機１３から出力される電力に変動がある場合には、電力調整制御部２１３は、この変動に応じた電力量を蓄電装置２１１から放電させる、または蓄電装置２１１に蓄電させることにより、発電機１３の出力を平準化させることとしてもよい。
このように、無効電力供給部２１は発電機１３の出力を平準化させることにより、安定した電力を電力系統１５に供給することができる。
次に、本実施形態に係る風力発電システム１の作用について、通常運転の場合と停電等の電力系統に異常が発生した場合とについて、順を追って説明する。
まず、通常運転の場合について、図２を用いて説明する。
発電機側電圧センサ１６によって発電機１３側の電圧が所定の時間間隔で計測され、この計測値が無効電力調整部２１に出力される。無効電力調整部２１の電力調整制御部２１３において、発電機側電圧センサ１６によって計測された電圧値が、予め決定されている第１電圧範囲内（例えば、基準電圧に対して±１０パーセント（０．９から１．１Ｐｕ））において、基準電圧から変動したか否かが判定される（ステップＳＡ１）。
この結果、発電機側電圧センサ１６によって計測された電圧値が第１電圧範囲内で変動していた場合、その変動分を平準化させるべく、蓄電装置２１１から放電又は蓄電装置２１１の充電を行う（ステップＳＡ２）。例えば、風速条件が整わず、風力が弱い等の理由により、発電機側電圧センサ１６および発電機側電流センサ１９によって計測された電圧・電流から演算された有効電力が設定値よりも低下した場合には、電力変換器２１２は、設定値から低下した分の有効電力を補うべく、蓄電装置２１１に蓄電されている電力を電力変換器２１２によって直流交流変換し、変換後の電力を電力系統１５に供給させる。
また、風力が強い等の理由により、発電機側電圧センサ１６および発電機側電流センサ１９によって計測された電圧・電流から演算された有効電力が設定値よりも上昇した場合には、電力変換器２１２は、設定値から上昇した分の過剰な有効電力を、電力変換器２１２によって直流交流変換し、変換後の電力を蓄電装置２１１に蓄電させる。
続いて、電力調整制御部２１３は、発電機側電圧センサ１６の出力電圧が安定したか否かを判定し、安定した場合にはステップＳＡ１に戻り、発電機側電圧センサ１６の出力電圧の変動の監視を継続する。発電機側電圧センサ１６の出力電圧が安定していなければステップＳＡ２に戻り、上記放電または充電を発電機の出力変動が安定するまで継続して行う（ステップＳＡ３）。
このように、発電機１３から供給される出力電力を電力調整制御部２１３によって監視することにより、蓄電装置２１１の充電及び放電が制御され、発電機１３から出力される電力の平準化が行われる。
次に、電力系統１５に異常が生じた場合について、図３を用いて説明する。
系統側電圧センサ１７によって電力系統１５の電圧が計測され、計測結果が制御部１８に通知される。電力系統１５において系統故障により電力系統１５の電圧が、変動の量と時間との組み合わせによって規定される変動条件を満たした場合に、制御部１８によって電力系統１５の電圧が変動したことが検出される（ステップＳＢ１）。なお、変動条件とは、例えば、電力系統１５の基準とする電圧に対して＋２０パーセントとなる状態が１５０ミリ秒以上継続したとき、基準電圧より＋１０パーセントとなる状態が３秒以上継続するとき、または−１０パーセントとなる状態が４０ミリ秒以上継続するとき等のように設定される。
制御部１８によって電力系統１５の電圧が変動条件を満たしたことが検出されると、制御部１８は接続切替部１４を制御し、発電機１３と電力系統１５とを非接続状態とし、更に、発電機１３を負荷２０と接続させる。これにより、発電機１３が電力系統１５と非接続状態となった直後の風車ロータ１１の回転数の急上昇が緩和され、風車ロータ１１の過回転を防止することができる（ステップＳＢ２）。
また、風車ロータ１１の回転数を抑えるために風車ブレードのピッチ角がフェザー側に制御されることにより、発電機１３の出力が徐々に低下する。そして、発電機１３の出力が所定値を下回った場合に、制御部１８は接続切替部１４の接続先を切替え、発電機１３を接続切替部１４を介して接地させる（ステップＳＢ３）。
また、上記のような制御とともに、電圧系統１５側では、系統側電圧センサ１７によって電力系統１５の電圧が計測され、この計測値が電力調整制御部２１３に出力される。電力調整制御部２１３は、自身が保有するテーブルに基づいて系統側電圧センサ１７によって検出された電圧に対応する無効電流を決定する。電力調整制御部２１３は、決定した無効電流を電力系統１５に供給するべく、蓄電装置２１１から電力を放電させ、放電された直流電力を電力変換器２１２によって交流直流変換させ、電力系統１５に出力させる（ステップＳＢ２）。
続いて、発電機１３側の風車ロータ１１を回転させるための風速条件等が整い、かつ、電力系統１５の電圧が基準電圧に近づくと（ステップＳＢ４）、制御部１８によって接続切替部１４が制御されることにより、発電機１３と電力系統１５とが接続され、発電機１３が系統連系された状態となる（ステップＳＢ５）。
このように、電力系統１５の電圧が予め設定された変動条件を満たした場合には、発電機１３と電力系統１５とを非接続状態とし、かつ、無効電力を調整するための専用の装置（無効電力調整部２）によって無効電力を調整するので、安定した無効電力を電力系統１５に供給、または電力系統１５から吸収することが可能となる。
以上説明してきたように、本発明に係る系統安定化装置２、方法、および風力発電システム１によれば、系統故障などによって電力系統１５の電圧が予め設定された変動条件を満たした場合、発電機１３と電力系統１５とを接続切替部１４によって非接続状態として負荷２０と接続し、電力系統１５側には、無効電力を供給するための専用の装置（無効電力調整部２１）を接続する。
これにより、電力系統１５の電圧が変動条件を満たし、発電機１３と電力系統１５とを非接続にした場合に、無効電力調整部２１を接続することによって安定した無効電力を電力系統１５に供給、または電力系統１５から吸収することが可能となる。これにより、既存のかご型誘導発電機を用いた風力発電装置をそのまま利用した上で、系統故障時の無効電力を安定化させることができる。
さらに、発電機１３と電力系統１５とを非接続状態とした場合には、発電機１３と負荷２０（例えば、放電抵抗）とを接続して発電機１３の出力を放電抵抗に出力させ、放電抵抗による電力消費を行わせる。これにより、発電機１３が電力系統１５と非接続状態とされた直後の風車ロータ１１の回転数の急上昇が緩和され、風車ロータ１１の過回転を防ぐことができる。
また、系統安定化装置２は、負荷２０、蓄電装置２１１、および電力変換機２１２等を備えて構成されるので、既存のかご型誘導発電機を備える風力発電システム内に設置することができ、容易に設置することができる。
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。
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。
また、発電機１３と電力系統１５とが接続状態であり、発電機１３から出力される電力に変動がある場合には、電力調整制御部２１３は、この変動に応じた電力量を蓄電装置２１１から放電させる、または蓄電装置２１１に蓄電させることにより、発電機１３の出力を平準化させることとしてもよい。
このように、無効電力調整部２１は発電機１３の出力を平準化させることにより、安定した電力を電力系統１５に供給することができる。
また、風車ロータ１１の回転数を抑えるために風車ブレードのピッチ角がフェザー側に制御されることにより、発電機１３の出力が徐々に低下する。そして、発電機１３の出力が所定値を下回った場合に、制御部１８は接続切替部１４の接続先を切替え、発電機１３を接続切替部１４を介して接地させる（ステップＳＢ３）。
また、上記のような制御とともに、電力系統１５側では、系統側電圧センサ１７によって電力系統１５の電圧が計測され、この計測値が電力調整制御部２１３に出力される。電力調整制御部２１３は、自身が保有するテーブルに基づいて系統側電圧センサ１７によって検出された電圧に対応する無効電流を決定する。電力調整制御部２１３は、決定した無効電流を電力系統１５に供給するべく、蓄電装置２１１から電力を放電させ、放電された直流電力を電力変換器２１２によって交流直流変換させ、電力系統１５に出力させる（ステップＳＢ２）。
このように、電力系統１５の電圧が予め設定された変動条件を満たした場合には、発電機１３と電力系統１５とを非接続状態とし、かつ、無効電力を調整するための専用の装置（無効電力調整部２１）によって無効電力を調整するので、安定した無効電力を電力系統１５に供給、または電力系統１５から吸収することが可能となる。
本発明の第１の態様は、かご型誘導発電機を有し、自然エネルギーを利用して発電する発電装置と、前記発電装置と電力系統との間に設けられ、該発電装置と電力系統との接続及び非接続を切り替える接続切替部とを備える発電システムに適用される系統安定化装置であって、前記発電装置と前記電力系統とを接続する接続点よりも前記電力系統の電圧を計測する系統側電圧計測部によって計測される前記電力系統の電圧が予め設定されている変動条件を満たし、前記発電装置と前記電力系統とが前記接続点において非接続状態とされた場合に、前記電力系統に無効電力を供給する、または前記電力系統から無効電力を吸収する無効電力調整部を具備する系統安定化装置である。
本発明の第２の態様は、かご型誘導発電機を有し、風力エネルギーを利用して発電する発電装置と、前記発電装置と電力系統との間に設けられ、該発電装置と前記電力系統との接続及び非接続を切り替える接続切替部と、前記電力系統の電圧が予め設定されている変動条件を満たし、前記発電装置と前記電力系統とが非接続状態とされた場合に、前記電力系統に無効電力を供給する、または前記電力系統から無効電力を吸収する無効電力調整部とを具備する風力発電システムである。
上記風力発電システムにおいて、前記無効電力調整部は、通常運転の場合に、前記接続点より前記発電装置側の電圧を計測する発電機側電圧計測部によって計測される前記発電装置側の電圧が、予め設定されている変動条件を満たした場合に、放電又は充電を行い、前記発電装置の電圧変動を平準化させることとしてもよい。
本発明の第３の態様は、かご型誘導発電機を有し、自然エネルギーを利用して発電する発電装置と、前記発電装置と電力系統との間に設けられ、該発電装置と電力系統との接続及び非接続を切り替える接続切替部とを備える発電システムに適用される系統安定化方法であって、前記発電装置と前記電力系統とを接続する接続点よりも前記電力系統側の電圧を計測する系統側電圧計測部によって計測される前記電力系統の電圧が予め設定されている変動条件を満たし、前記発電装置と前記電力系統とが非接続状態とされた場合に、前記電力系統に無効電力を供給する、または前記電力系統から無効電力を吸収する無効電力調整部を前記発電装置とは別個に設ける系統安定化方法である。

Claims (8)

  1. かご型誘導発電機を有し、自然エネルギーを利用して発電する発電装置と、前記発電装置と電力系統との間に設けられ、該発電装置と電力系統との接続及び非接続を切り替える接続切替部とを備える発電システムに適用される系統安定化装置であって、
    前記電力系統の電圧が予め設定されている変動条件を満たし、前記発電装置と前記電力系統とが非接続状態とされた場合に、前記電力系統に無効電力を供給する、または前記電力系統から無効電力を吸収する無効電力調整部
    を具備する系統安定化装置。
  2. 前記発電装置と前記電力系統とが非接続状態とされた場合に、前記接続切替部を介して前記発電装置と接続される負荷を具備する請求項１に記載の系統安定化装置。
  3. 前記無効電力調整部は、蓄電装置と電力変換器とを具備する請求項１または請求項２に記載の系統安定化装置。
  4. 前記無効電力調整部は、前記電力系統に取り付けるための取り付け部を有している請求項３に記載の系統安定化装置。
  5. かご型誘導発電機を有し、風力エネルギを利用して発電する発電装置と、
    前記発電装置と電力系統との間に設けられ、該発電装置と前記電力系統との接続及び非接続を切り替える接続切替部と、
    前記電力系統の電圧が予め設定されている変動条件を満たし、前記発電装置と前記電力系統とが非接続状態とされた場合に、前記電力系統に無効電力を供給する、または前記電力系統から無効電力を吸収する無効電力調整部とを
    具備する風力発電システム。
  6. 前記発電装置と前記電力系統とが非接続状態とされた場合に、前記接続切替部を介して前記発電装置と接続される負荷を具備する
    請求項５に記載の風力発電システム。
  7. 前記接続切替部は、前記発電装置と前記負荷とを接続している状態において、前記発電装置側の出力電圧が既定の所定値よりも小さくなった場合に、前記発電装置の出力端を接地する
    請求項５または請求項６に記載の風力発電システム。
  8. かご型誘導発電機を有し、自然エネルギーを利用して発電する発電装置と、前記発電装置と電力系統との間に設けられ、該発電装置と電力系統との接続及び非接続を切り替える接続切替部とを備える発電システムに適用される系統安定化方法であって、
    前記電力系統の電圧が予め設定されている変動条件を満たし、前記発電装置と前記電力系統とが非接続状態とされた場合に、前記電力系統に無効電力を供給する、または前記電力系統から無効電力を吸収する無効電力調整部を前記発電装置とは別個に設ける
    系統安定化方法。
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