JPWO2011158351A1 - 風力発電装置の制御装置及び制御方法 - Google Patents

Abstract

指令値に基づく有効電力の制御が可能な風力発電装置の制御装置は、電力系統の周波数を計測する計測手段と、その計測手段により計測された電力系統の周波数の変動が所定の基準を越えた場合、周波数変動量と有効電力指令値との予め設定された関係を示す変換情報に基づいて、電力系統の周波数の変動を抑制する方向に有効電力を制御する指令値を生成する。系統の擾乱に対して早い段階でその抑制に寄与する風力発電が実現される。

Description

本発明は、風力発電装置が発電する有効電力の制御に関する。

電力系統では、常に需要と供給のバランスが保たれていることが理想的だが、そのバランスがずれる場合がある。そうしたバランスのずれは周波数変動として現れる。発電機離脱や系統故障などにより電力供給能力不足が生じると、系統擾乱（周波数の変動等）が起こり、その抑制能力が無ければ系統全体の崩壊に繋がり、大規模な停電になる危険性がある。バランスが崩れた直後は、周波数変動の周期が短いため、特に出力要求値に対する応答性の高い水力発電所などが、その抑制に寄与できる。変動が落ち着いた後のやや高い目の周波数での準平衡状態となった後は、風車はその出力を抑制することを目的として、停止するという処置がとられていた。

電力系統の周波数変動時の風力発電装置の制御に関する参考例として、特許文献１を挙げる。特許文献１には、風力発電がグリッドの周波数に与える変動を抑制することを目的とする技術が記載されている。この目的を達成するために、グリッドの測定された周波数と正常な周波数との偏差に基づくＰＩＤ制御やヒステリシスを有する制御が行われる。

米国特許出願公開第２００９／０１６７０２１号明細書

近年、風力発電装置の発電規模が大きくなってきている。そのため風力発電装置においても、系統擾乱が発生した場合に、その初期から擾乱を抑制する制御が有効となってくると考えられる。
本発明の目的は、系統擾乱発生直後の電力系統の周波数変動に対する応答を可能とする風力発電装置の制御を実現することである。

本発明の一側面において、指令値に基づく有効電力の制御が可能な風力発電装置（６）の制御装置（２）は、電力系統の周波数を計測する計測手段（３）と、計測手段により計測された電力系統の周波数の変動が所定の基準を越えた場合、周波数変動量と有効電力指令値との予め設定された関係を示す変換情報に基づいて、電力系統の周波数の変動を抑制する方向に有効電力を制御する指令値を生成する指令値生成手段（４）とを備える。

本発明の他の側面において、計測手段（３）は、所定のサンプリング周期で取り込まれたデータの移動平均値に基づいて電力系統の周波数を計測する。

本発明の更に他の側面において、計測手段（３）は、電力系統の周波数の変動開始の初期段階には、第１のサンプリング周期に基づいて電力系統の周波数を計測する。初期段階の後の電力系統の周波数の変動の後期段階には、第１のサンプリング周期より長い周期の第２のサンプリング周期に基づいて電力系統周波数を計測する。

本発明の更に他の側面において、指令値生成手段（４）は、電力系統の周波数の変動開始の初期段階には、指令値を生成する制御系において、第１の利得に基づいて指令値を生成し、初期段階の後の電力系統の周波数の変動の後期段階には、指令値を生成する制御系において、第１の利得より小さい第２の利得に基づいて指令値を生成する。

本発明の更に他の側面において、計測手段（３）、又は、指令値生成手段（４）は、電力系統の周波数の変動開始から所定の時間が経過した場合、又は、電力系統の周波数の変動量が所定の閾値以下になった場合、電力系統の周波数の変動の後期段階に移行したと判断する。

本発明の更に他の側面において、当該風力発電装置の制御装置（２）は、複数の風力発電装置（６）を統括して制御する。

本発明の一側面において、指令値に基づく有効電力の制御が可能な風力発電装置（６）の制御方法は、電力系統の周波数を計測する計測工程（Ｓ１）と、計測工程により計測された電力系統の周波数の変動が所定の基準を越えた場合、周波数変動量と有効電力指令値との予め設定された関係を示す変換情報に基づいて、電力系統の周波数の変動を抑制する方向に有効電力を制御する指令値を生成する指令値生成工程（Ｓ２〜Ｓ６）とを有する。

本発明により、系統擾乱に対して初期的な応答を可能とする風力発電装置の制御を実現することができる。

本発明の上記目的、他の目的、効果、及び特徴は、添付される図面と連携して実施の形態の記述から、より明らかになる。
図１は、ウインドファームの構成を示す。 図２は、風力発電装置および制御装置の構成を示す。 図３は、移動平均値の例を示す。 図４は、パラメータ変換係数を示す。 図５は、周波数の変動と周波数偏差Δｆの例を示す。 図６は、制御装置の動作を示す。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、本実施形態におけるウインドファームの構成を示す。ウインドファームは、制御装置２を備える。制御装置２は、周波数検出部３と指令値生成部４とを備える。周波数検出部３と指令値生成部４とは、記憶装置に格納されたプログラムをＣＰＵが読み出して実行することによって実現される機能ブロックである。制御装置２はウインドファームに属する複数の風力発電装置６のそれぞれの風車制御装置５に接続される。各々の風力発電装置６は発電機と電力変換部とを備える。風力発電装置６が風力によって発生したトルクは発電機で電力に変換され、電力変換部により系統と同種の電力に変換される。制御装置２は、複数の風力発電装置６と電力系統１との系統連系を行う。

図２は風力発電装置６の制御装置２の構成を示す。周波数検出部３は電力系統１の周波数を計測するための計測手段として機能し、系統電圧もしくは系統周波数検出部３が得た電力系統１の電圧もしくは周波数の検出値を示す情報に基づいて、一定時間Δｔの周期でサンプリングする。移動平均値演算部１５は、サンプリングした系統周波数の移動平均値をリアルタイム的に求める。この移動平均値は、サンプリングした各タイミングにおける周波数の数値の平均値を演算することにより求めることもできるが、周波数にローパスフィルタを適用し求めてもよい。図３は、移動平均値の例である。検出した周波数Ｌ１に対して、Δｔの周期でサンプリングして得られた移動平均値Ｌ２が描かれている。移動平均値Ｌ３は、より長いサンプリング周期を取った場合の例を示す。追従性が緩やかになっていることが示されている。

指令値生成部４は、周波数の移動平均値と、電力系統の定格周波数の差と周波数の偏差を電力の偏差に変換するパラメータ変換係数との積に基づいて指令値を生成する。具体的には、以下のようにして指令値を生成する。減算器１６は、予め記憶した電力系統１の定格周波数と、移動平均値演算部１５が求めた移動平均値との差Δｆを計算する。ゲイン積算器１７は、その差に予め設定されたゲインＫを掛ける。パラメータ変換器１８は、ＫΔｆに所定のパラメータ変換係数を掛けることにより、有効電力の計測値と目標値との差であるΔＰに変換する。風車制御装置５によって制御されるコンバータ１１は、その差ΔＰに基づいて比例制御などの制御を行い、風力発電装置６の発電機１０が発生した電力を変換する。変換された電力は変圧器１２によって変換されて電力系統１と連系される。

図４は、パラメータ変換器１８におけるパラメータ変換係数を示す。このパラメータ変換係数は、周波数変動量と有効電力指令値との予め設定された関係を示す変換情報である。Δｆｍａｘは、追従の目標である周波数移動平均値の最大値と予め設定された定格周波数との差を示す。ΔＰｍａｘは、系統が不安定になることがない出力制御値の最大値を示す予め設定された値である。その交点と、周波数及び発電量の差がそれぞれゼロの原点とを結ぶ直線が、制御装置２による運転ポイントになる。但しΔＰには運転制約上の制限がある。運転制約上の制限とは、例えば、風力発電装置の運転能力を超えるΔＰの指令値に応じた有効電力は出せない。
（１）

このような制御は、各風力発電装置６の風車制御装置５にて実行してもよい。しかしながら、ウインドファーム全体の制御の安定性からは、個々の風力発電装置６で独立に電力量の調整を行うよりも、ウインドファーム全体で電力量の調整を行うことが望ましい。ウインドファームの担当者が現在の状況を把握しやすいという点でも、ウインドファーム全体で電力量の調整が行われることは望ましい。そのため、図２で示した移動平均値演算部１５、減算器１６、ゲイン積算器１７及びパラメータ変換器１８による計算は、複数の風力発電装置６が属するウインドファーム全体の制御装置２で実行することが望ましい。

更に、系統擾乱に対する即応性の観点からは、制御装置２で実行する計算は単純であることが望ましい。そのために例えば、指令値生成部４は、電力の偏差値ΔＰをウインドファームで稼働中の風力発電装置６の台数ｎ（予め記憶した値）で均等に除算して、その指令値ΔＰ／ｎを各風車制御装置５に送信することが望ましい。

次に、サンプリング周期について説明する。図３からも分るように、変動周波数の追従性はサンプリング周期Δｔに依存する。一般的には、電力潮流のバランスが崩れることによって発生する周波数変動は、次のような傾向を有する。変動初期には、変動振幅が大きい期間が数十秒程度続く。変動後期には、変動振幅が小さい期間が数分間程度続く。その後、変動振幅は許容変動幅内に収束する。

従って、変動開始の初期段階には追従性を高めてその振幅を抑えるとともに、周波数の発散を防止することが要求される。そのため変動初期においては、小さい値に設定された第１のサンプリング周期を用いる。一方、変動の後期段階においては、変動の振幅が小さいために、変動周波数への高い追従性は求められない。むしろ定格周波数との偏差を緩やかに減らすことが求められる。そのため変動初期よりも後の時間帯である変動後期においては、第１のサンプリング周期よりも大きい値に設定された第２のサンプリング周期を用いる。

このようなサンプリング周期の変更の代わりに、又はサンプリング周期の変更と共に、変動初期と変動後期でゲインを変更してもよい。この場合、指令値生成部４は、変動初期の第１の時間帯において第１のゲインを掛けて指令値を生成し、その後、変動後期の第２の時間帯において第１のゲインよりも小さい第２のゲインを掛けて指令値を生成する。このような制御によっても同様の効果を得ることができる。

図５は、周波数の変動と周波数偏差Δｆの例を示す。変動初期（ｔ＝０）において周波数が急激に低下し、振幅の大きい変動初期が開始する。図中のｓｍｏｏｔｈｉｎｇ ｌｉｎｅは、変動の振幅が小さくなってきた変動後期において、ｔ＝１０から３０までの２０秒の期間の周波数波形を最小二乗法等によって一次関数で近似した線を示す。Δｆはこのような近似によって周波数波形を平均化した値に基づいて決定される。この線のｔ＝１０、３０における値をそれぞれｆ_１０、ｆ_３０、定格周波数をｆ_０として、Δｆ＝（ｆ_１０＋ｆ_３０）／２‐ｆ_０である。制御装置２は、このようなΔｆに基づいて、変動初期、後期及び変動収束の各時期を判定し、その判定に基づいてサンプリング周期Δｔの変更を行う。

図６は、サンプリング周期の変更に関して制御装置２が行う処理を示すフローチャートである。通常時は、系統擾乱が発生した場合の周波数変動に追従できるように、小さく設定された第１の値（例えば２〜３秒程度）のサンプリング周期をデフォルト値として設定しておく（Ｓ１）。指令値生成部４は、検出した周波数の移動平均値に基づいて、周波数の変動が所定の基準を越えたとき、その変動の補償をして、電力系統の周波数の変動を抑制する方向に有効電力を制御するように、風力発電装置６の発電機１０が出力する電力の指令値を決定する。所定の基準としては、例えば、Δｆが定格周波数に対して所定幅（例えば±４パーセント）以上ずれる時間が所定の期間（例えば１０秒）以上続いた場合、系統擾乱が発生したと判定する（Ｓ２ＹＥＳ）。それ以外の場合は、通常運転に戻る（Ｓ２ＮＯ）。

系統擾乱が発生したと判定した場合、デフォルトのサンプリング周期（図６の例では２秒）で電力系統の周波数をサンプリングし、その周波数の移動平均に基づく風力発電装置６の出力制御を行う（Ｓ３）。この結果得られる移動平均の振幅幅が大きい間は、待機処理をする（Ｓ４ＮＯ）。移動平均の振幅が第１の幅（例えば±６％）以内である状態が所定の期間（例えば３０秒）以上継続した場合（Ｓ４ＹＥＳ）、系統周波数変動の変動周期が低い状態に追従できるように、サンプリング周期Δｔをより長い第２の値（例えば１分）に自動的に切換える（Ｓ５）。この制御は、Δｆが第１の幅よりも小さい第２の幅（例えば±４％）以内である状態が所定の期間（例えば３０秒）以上継続するまで続けられる（Ｓ６ＮＯ）。Δｆの変動幅がこの基準を下回った場合は通常運転に戻る（Ｓ６ＹＥＳ）。

図６の例では、系統擾乱の発生の初期段階の制御中に、電力系統の周波数の変動量が所定の基準以下となった場合に、擾乱の後期段階の制御に移行した。電力系統の擾乱の特性によっては、このような制御に替えて、指令値生成部４が系統擾乱が発生したと判定したときを起点として所定の時間が経過した場合に、変動の後期段階の制御に移行するようにしてもよい。

このように、ウインドファームが常時系統の周波数変動を監視し、系統周波数変動に対して、それを抑制する方向に有効電力を即時的に制御することで、迅速に系統周波数変動の収束に寄与することができる。特に今後の風力発電の更なる大電力化に伴って、このような制御が系統擾乱の抑制に効果的になると考えられる。

以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。上記実施の形態に様々な変更を行うことが可能である。例えば、上記実施形態を互いに組み合わせることが可能である。

１ 電力系統
２ 制御装置
３ 周波数監視部
４ 指令値生成部
５ 風車制御装置
６ 風力発電装置
１０ 発電機
１１ コンバータ
１２ 変圧器
１５ 移動平均値演算部
１６ 減算器
１７ ゲイン積算器
１８ パラメータ変換器
Ｌ１ 検出した周波数
Ｌ２ 移動平均値
Ｌ３ 移動平均値

Claims (7)

1. 指令値に基づく有効電力の制御が可能な風力発電装置の制御装置であって、
   電力系統の周波数を計測する計測手段と、
   前記計測手段により計測された電力系統の周波数の変動が所定の基準を越えた場合、周波数変動量と有効電力指令値との予め設定された関係を示す変換情報に基づいて、電力系統の周波数の変動を抑制する方向に有効電力を制御する指令値を生成する指令値生成手段と、
   を具備する風力発電装置の制御装置。
2. 前記計測手段は、所定のサンプリング周期で取り込まれたデータの移動平均値に基づいて電力系統の周波数を計測する
   請求項１に記載の風力発電装置の制御装置。
3. 前記計測手段は、
   電力系統の周波数の変動開始の初期段階には、第１のサンプリング周期に基づいて電力系統の周波数を計測し、
   前記初期段階の後の電力系統の周波数の変動の後期段階には、前記第１のサンプリング周期より長い周期の第２のサンプリング周期に基づいて電力系統周波数を計測する
   請求項２に記載の風力発電装置の制御装置。
4. 前記指令値生成手段は、
   電力系統の周波数の変動開始の初期段階には、指令値を生成する制御系において、第１の利得に基づいて指令値を生成し、
   前記初期段階の後の電力系統の周波数の変動の後期段階には、指令値を生成する制御系において、前記第１の利得より小さい第２の利得に基づいて指令値を生成する
   請求項１に記載の風力発電装置の制御装置。
5. 前記計測手段、又は、前記指令値生成手段は、電力系統の周波数の変動開始から所定の時間が経過した場合、又は、電力系統の周波数の変動量が所定の閾値以下になった場合、電力系統の周波数の変動の後期段階に移行したと判断する
   請求項３、又は、請求項4に記載の風力発電装置の制御装置。
6. 当該風力発電装置の制御装置は、複数の風力発電装置を統括して制御する
   請求項１に記載の風力発電装置の制御装置。
7. 指令値に基づく有効電力の制御が可能な風力発電装置の制御方法であって、
   電力系統の周波数を計測する計測工程と、
   前記計測工程により計測された電力系統の周波数の変動が所定の基準を越えた場合、周波数変動量と有効電力指令値との予め設定された関係を示す変換情報に基づいて、電力系統の周波数の変動を抑制する方向に有効電力を制御する指令値を生成する指令値生成工程と、
   を有する風力発電装置の制御方法。

Images