JPWO2012070141A1 - 風力発電設備の出力制御方法及び出力制御装置 - Google Patents

風力発電設備の出力制御方法及び出力制御装置 Download PDF

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Abstract

蓄電装置の過負荷を防止し、風力発電装置と蓄電装置との最適な統括出力制御を可能とした風力発電設備の出力制御方法及び出力制御装置を提供することを目的とする。風力発電装置と蓄電装置とが電力系統に並列に接続された風力発電設備の出力制御方法において、電力系統に供給する全体有効電力及び全体無効電力を算出し、風力発電装置で出力可能な風力要求有効電力及び風力要求無効電力を風力発電装置に出力させるとともに、全体有効電力と風力要求有効電力との差分、及び全体無効電力と風力要求無効電力との差分に対応する蓄電要求有効電力及び蓄電要求無効電力を蓄電装置に出力させる第１運転モードと、蓄電要求有効電力及び蓄電要求無効電力に基づく皮相電力が蓄電装置の設定皮相電力を超過するときに、蓄電要求有効電力を維持しながら蓄電要求無効電力を低減させ、該蓄電要求無効電力の低減量を風力要求無効電力に付加させる第２運転モードとを選択的に切り替える。

Description

本発明は、風力発電装置に蓄電装置が併設された風力発電設備の出力制御方法及び出力制御装置に係り、特に、系統擾乱による電力系統の周波数変動又は電圧変動を抑制可能な風力発電設備の出力制御方法及び出力制御装置に関する。
従来より、風力発電装置に蓄電装置が併設された風力発電設備が知られている。
図５は、この風力発電設備の構成を示す図である。この風力発電設備は、複数の風力発電装置５１が設けられるとともに、この風力発電装置５１に並列に蓄電装置５５が設けられ、これらが系統連系部６０を介して電力系統６１に接続されている。ここで電力系統６１とは、一般需要家が供給を受けている商用電力系統をいう。一般に風力発電装置５１は、風車ブレードの回転が増速機を介して発電機５２に入力され、この発電機５２で発電した電力を変圧器５３で変圧し系統連系部６０を介して電力系統６１に供給するようになっている。
しかし風力発電装置５１においては、出力は風速の変動に伴い変動するためこれに対応して電力系統６１の需給バランスや周波数に影響を及ぼす可能性がある。電力系統６１へ供給される電力はその電圧及び周波数が許容範囲内に維持されることが求められるため、従来は系統側で要求される有効電力及び無効電力に対して風力発電装置５１の供給能力から不足する電力を蓄電装置５５で補償する構成としていた。ここで蓄電装置５５は、蓄電池５６からの直流出力を直流−交流変換器５７を介して交流出力に変換した後、変圧器５８で変圧し系統連系部６０を介して電力系統６１に供給するようになっている。このように、従来風力発電装置５１に併設される蓄電装置５５は主に風力発電装置５１による出力変動を平滑化するために用いられていた。
一方、落雷等の系統事故により系統側の電圧や周波数に擾乱が発生することがある。従来は系統事故が発生したときに風力発電設備を解列して対処することがあったが、近年は風力発電設備を電力系統から解列せずに運転を継続し、系統の事故復帰後にすぐさま定常運転を再開することが求められている。さらにこれに加えて、系統事故が発生したときに発電設備の有効電力と無効電力を同時出力制御することにより系統の安定化を図る技術が検討され始めている。
例えば特許文献１（特許第３３５２６６２号公報）には、系統擾乱時に電力系統を安定化させる装置が開示されており、この装置は、風力発電機や太陽光発電機等の電力系統に電力を出力する第１の設備と、定格値より大きい電力で充放電する過充放電運転を考慮した電池を含む二次電池システムとを有する。さらに、電力系統における有効電力の事前の設定値、無効電力の事前の設定値、基準周波数及び基準電圧とそれぞれの現状の値との差を検出し、この検出結果に応じて蓄電装置の過負荷出力と出力継続時間特性に基づいて蓄電装置から出力される有効電力量及び無効電力量を制御する構成となっている。
特許第３３５２６６２号公報
上記したように風力発電設備においては、系統擾乱時に電力系統の電圧変動及び周波数変動を抑制することが求められている。ここで、風力発電設備から供給される無効電力を制御することによって系統電圧の変動を抑制することが可能であり、また有効電力を制御することによって系統周波数の変動を抑制することが可能であることが知られている。その場合、上記したように風力発電装置の出力は風速に依存するため、有効電力を制御することは難しかった。そこで特許文献１に開示されるように、風力発電装置で制御不可能な有効電力を蓄電装置で補償することが考えられる。蓄電装置は直流−交流変換器により自動周波数制御機能を有しているため、電力系統の周波数変動を抑制するために必要な有効電力を供給することができるものである。
しかし特許文献１に記載される二次電池システムは、定格値より大きい電力で充放電する過充放電運転を考慮した電池を含むものであり、一般に蓄電装置に具備される蓄電池は予め設定された容量を超過すると過負荷運転となり、耐用期間が短くなるおそれがある。蓄電池は高価である上に設置費用も嵩むため、過負荷運転とならない適切な運転制御が求められている。
したがって、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、系統擾乱時に電力系統の電圧変動及び周波数変動を抑制可能で、且つ蓄電装置の過負荷を防止し、風力発電装置と蓄電装置との最適な統括出力制御を可能とした風力発電設備の出力制御方法及び出力制御装置を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明に係る風力発電設備の出力制御方法は、風風力発電装置と蓄電装置とが系統連系部を介して電力系統に並列に接続された風力発電設備の出力制御方法において、前記風力発電設備の系統接続端で検出される電圧情報及び電流情報に基づいて、前記風力発電設備から前記電力系統に供給する全体有効電力及び全体無効電力を算出し、前記全体有効電力及び前記全体無効電力のそれぞれの範囲内にて、前記風力発電装置で出力可能な上限に適合した風力要求有効電力及び風力要求無効電力を前記風力発電装置に出力させるとともに、前記全体有効電力と前記風力要求有効電力との差分、及び、前記全体無効電力と前記風力要求無効電力との差分にそれぞれ対応する蓄電要求有効電力及び蓄電要求無効電力を前記蓄電装置に出力させる第１運転モードと、前記第１運転モードにて前記蓄電要求有効電力及び前記蓄電要求無効電力に基づく皮相電力が前記蓄電装置の設定皮相電力を超過するときに、前記蓄電要求有効電力を維持しながら前記蓄電要求無効電力を低減させ、前記蓄電要求無効電力の低減量を前記風力要求無効電力に付加させる第２運転モードとを選択的に切り替えることを特徴とする。
ここで、全体有効電力及び全体無効電力とは、電力系統の周波数と電圧を許容範囲内に維持するために風力発電設備全体に要求される有効電力及び無効電力である。この全体有効電力及び全体無効電力は、風力発電装置と蓄電装置とにそれぞれ所定の出力配分で割り当てられる。
風力要求有効電力及び風力要求無効電力は、全体有効電力及び全体無効電力から割り当てられた、風力発電装置に要求される有効電力及び無効電力である。
蓄電要求有効電力及び蓄電要求無効電力は、全体有効電力及び全体無効電力から割り当てられた、蓄電装置に要求される有効電力及び無効電力である。
本発明において、第１運転モードは主に電力系統の定常状態時に設定される。第１運転モードでは、風力発電装置に割り当てられる風力要求有効電力と風力要求無効電力とを、風力発電装置で出力可能な上限に適合するように最大限に設定しているため、再生エネルギーである風力エネルギーを有効に活用できる。なお、定常状態とは、上記した風力発電装置と蓄電装置の出力配分において蓄電要求有効電力及び蓄電要求無効電力に基づく皮相電力が蓄電装置の設定皮相電力を超過しない状態であり、すなわち電力系統の電圧変動又は周波数変動が系統擾乱時よりも小さいときである。
一方、第２運転モードは主に系統擾乱時に第１運転モードから切り替えられて設定される。系統擾乱時には、系統周波数及び系統電圧の少なくとも一方が電力系統の許容範囲から外れて変動することがあり、系統周波数の変動抑制のために風力発電設備から供給する全体有効電力を制御し、系統電圧の変動抑制のために全体無効電力を制御する。この制御量に応じて蓄電装置に割り当てられる蓄電要求有効電力及び蓄電要求無効電力に基づく皮相電力が蓄電装置の設定皮相電力を超過する場合に第２運転モードに切り替えられる。この第２運転モードでは、系統擾乱時において全体有効電力と全体無効電力とが大幅に変動した場合であっても蓄電装置が過負荷になることを防止できる。また、有効電力を自在に調整できる蓄電装置で有効電力を優先的に出力し、有効電力を調整できないが無効電力を調整可能な風力発電装置で無効電力を優先的に出力するため、擾乱抑制に必要とされる要求皮相電力を適切な電力配分で出力することができる。
なお、蓄電装置が過負荷にならない程度の微小な擾乱に対する変動抑制は第１運転モードで対応可能である。
このように本発明によれば、再生エネルギーを最大限に有効活用できるとともに蓄電装置の過負荷を防止できる有効電力及び無効電力の最適な出力配分制御が可能となる。
また、前記第１運転モードから前記第２運転モードへの切り替えは、前記蓄電装置の出力から導出される要求皮相電力が、予め設定された前記蓄電装置の設定皮相電力を超過したときに行い、前記第２運転モードでは、前記蓄電要求有効電力と前記低減させた蓄電要求無効電力とから導出される要求皮相電力が前記設定皮相電力以下となるまで前記蓄電要求無効電力を低減させることが好ましい。
このように、蓄電装置に割り当てられた蓄電要求有効電力と蓄電要求無効電力とから蓄電装置への要求皮相電力を導出し、要求皮相電力が設定皮相電力を超過したときに蓄電装置が設備容量を超過したものと判断することにより、蓄電要求有効電力及び蓄電要求無効電力から簡単に蓄電装置の容量超過を判断することが可能となる。なお、設定皮相電力は蓄電装置の能力と充電量とにより決定するものである。
さらに、前記蓄電装置の残容量を検出し、前記残容量に応じて前記設定皮相電力を変更することが好ましく、これにより系統擾乱時のみでなく、蓄電装置の残容量に応じて第２運転モードで要求有効電力と要求無効電力を蓄電装置と風力発電装置のそれぞれに適切に出力配分することが可能となる。
さらにまた、前記第２運転モードでは、前記第１運転モードでの前記風力発電装置と前記蓄電装置との出力配分における前記蓄電装置の前記要求皮相電力を監視し、前記要求皮相電力が前記設定皮相電力を下回ったときに、前記第２運転モードから前記第１運転モードに切り替えることが好ましい。
本構成は、第２運転モードで運転中に、第１運転モードでの出力配分における要求皮相電力を監視しておき、要求皮相電力が設定皮相電力を下回ったとき、すなわち蓄電装置が第１運転モードにおいても過負荷とならなくなったときに、第２運転モードから第１運転モードに切り替える構成としている。これにより蓄電装置が過負荷にならないときは常に第１運転モードで運転することが可能となり、風力エネルギーを最大限活用することが可能となる。
また、本発明に係る風力発電設備の出力制御装置は、風力発電装置と蓄電装置とが系統連系部を介して電力系統に並列に接続された風力発電設備の出力制御装置において、前記風力発電装置の系統接続端の電圧情報及び電流情報が入力される統括制御手段と、前記統括制御手段からの出力指令に基づいて、前記風力発電装置の出力を制御する風力発電制御手段及び前記蓄電装置の出力を制御する蓄電制御手段とを備え、前記統括制御手段は、前記電圧情報及び前記電流情報に基づいて前記風力発電設備から前記電力系統に供給する全体有効電力及び全体無効電力を算出する電力算出部と、前記全体有効電力及び前記全体無効電力のそれぞれの範囲内にて、前記風力発電装置で出力可能な上限に適合した風力要求有効電力及び風力要求無効電力を前記風力発電装置に出力させるとともに、前記全体有効電力と前記風力要求有効電力との差分、及び、前記全体無効電力と前記風力要求無効電力との差分にそれぞれ対応する蓄電要求有効電力及び蓄電要求無効電力を前記蓄電装置に出力させる第１運転モードと、前記第１運転モードにて前記蓄電装置の出力から導出される要求皮相電力が、予め設定された前記蓄電装置の設定皮相電力を超過するときに、前記蓄電要求有効電力を維持しながら前記蓄電要求無効電力を低減させ、前記蓄電要求無効電力の低減量を前記風力要求無効電力に付加させる第２運転モードとを選択的に切り替える運転モード切替部とを有することを特徴とする。
さらに、前記蓄電装置の残容量を検出する残容量検出手段をさらに備え、前記統括制御手段は、前記残容量検出手段で検出された前記残容量に応じて前記設定皮相電力を変更することが好ましい。
以上記載のように本発明によれば、主に電力系統の定常状態時に設定される第１運転モードと、主に系統擾乱時に設定される第２運転モードとを選択的に切り替える構成としたため、再生エネルギーである風力エネルギーを最大限に有効活用できるとともに蓄電装置の過負荷を防止できる有効電力及び無効電力の最適な出力配分制御が可能となる。
本発明の実施形態に係る風力発電設備の出力制御装置を含む全体構成図である。 本発明の実施形態における統括制御手段の制御ブロック図である。 本発明の実施形態における蓄電装置の設定皮相電力曲線を示す図である。 本発明の実施形態に係る風力発電設備の出力制御方法を示すフローチャートである。 従来の風力発電装置の全体構成図である。
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態を例示的に詳しく説明する。但しこの実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
まず最初に、図１を参照して風力発電設備の全体構成を説明する。
この風力発電設備は、風力発電装置１と蓄電装置２とを有し、これらの風力発電装置１及び蓄電装置２は系統連系部４に並列に接続されている。
風力発電装置１は一又は複数設けられる。風力発電装置１が複数設けられる場合はそれぞれが系統連系部４に並列に接続されている。風力発電装置１の構成は、複数の風車ブレードが取り付けられたロータを有し、ロータは増速機を介して発電機１１に接続されている。発電機１１の出力端子に接続された母線は、変圧器１２を経由して系統連系部４の系統接続端６に接続されている。この風力発電装置１では、風車ブレードの回転が増速機を介して発電機１１に入力され、この発電機１１で発電した電力を変圧器１２で変圧した後系統連系部４を介して電力系統７に供給するようになっている。
蓄電装置２は一又は複数設けられる。蓄電装置２が複数設けられる場合はそれぞれが系統連系部４に並列に接続される。蓄電装置２の構成は、一又は直列に接続された複数の蓄電池２１を有し、蓄電池２１の出力端子に接続された母線は、直流出力を交流出力に変換する直流−交流変換器２２、変圧器２３を経由して系統連系部４の系統接続端６に接続されている。この蓄電装置２では、放電した直流出力を直流−交流変換器２２で交流出力に変換し、交流出力を変圧器２３で所定電圧に変圧した後系統連系部４を介して電力系統７に供給するようになっている。なお、蓄電装置２は必要に応じて電力系統７から充電される。このとき、後述する蓄電制御手段２０に電力系統７の電圧情報及び電流情報が入力され、これらに基づいて充放電制御されることが好ましい。
ここで、系統連系部４は、風力発電設備を電力系統７に連系するための設備であり、電力系統７との間で定められた系統連系の条件に基づいて供給電力の各種調整を行う。例えば系統連系の条件として、連系点における電圧の変動や出力値を許容範囲内とする条件が設定されている。なお、系統連系部４には変圧器５を含んでいてもよい。
また、電力系統７とは、発電設備で発電した出力を送電線、変電所を介して需要家へ送る設備機器群であり、ここでは一般需要家が供給を受けている商用電力系統をいう。
上記した構成を有する発電設備の出力制御装置は、風力発電装置１の出力を制御する風力発電制御手段（ＷＴＧ ＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲ）１０と、蓄電装置２の出力を制御する蓄電制御手段（ＰＯＷＥＲ ＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲ）２０と、風力発電制御手段１０と蓄電制御手段２０とにそれぞれ有効電力指令と無効電力指令とを与える統括制御手段（ＭＡＳＴＥＲ ＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲ）３０とを有する。
図２を参照して、統括制御手段３０の制御動作を説明する。なお図２は本発明の実施形態における統括制御手段の制御ブロック図である。
統括制御手段３０は、風力発電設備から電力系統７に供給する全体有効電力及び全体無効電力を、風力発電制御手段１０と蓄電制御手段２０のそれぞれへ割り当て、風力発電装置１への風力要求有効電力及び風力要求無効電力と、蓄電装置２への蓄電要求有効電力及び蓄電要求無効電力とを設定することにより、有効電力及び無効電力の出力配分制御を行うものである。
ここで、全体有効電力及び全体無効電力とは、電力系統７の周波数と電圧を許容範囲内に維持するために風力発電設備全体に要求される有効電力及び無効電力である。この全体有効電力及び全体無効電力は、風力発電装置１と蓄電装置２とにそれぞれ所定の出力配分で割り当てられる。
風力要求有効電力及び風力要求無効電力は、全体有効電力及び全体無効電力から割り当てられた、風力発電装置１に要求される有効電力及び無効電力である。
蓄電要求有効電力及び蓄電要求無効電力は、全体有効電力及び全体無効電力から割り当てられた、蓄電装置２に要求される有効電力及び無効電力である。
具体的に統括制御手段３０は、電力算出部３４と運転モード切替部３５とを含み、系統接続端６の電圧情報及び電流情報が入力される。
電力算出部３４は、入力された電圧情報及び電流情報に基づいて電力系統７に供給する全体有効電力と全体無効電力とをそれぞれ算出する。例えば、電力算出部３４はまずＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ
Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）３１で系統接続端６の電圧情報から周波数を検出し、この周波数に基づいて周波数−有効電力変換回路３２で全体有効電力を導出する。ここで周波数−有効電力変換回路３２は、周波数に対応した有効電力をマップとして格納しておき、このマップに基づいて周波数から全体有効電力を求めてもよい。また電圧情報とは電圧の経時変化、すなわち電圧波形を含む情報で、電流情報とは電流の経時変化、すなわち電流波形を含む情報である。
一方電力算出部３４では入力された電圧情報から電圧−無効電流変換回路３３で無効電流を導出し、電圧情報と合わせて電力系統が必要とする全体無効電力を算出する。
運転モード切替部３５は、風力発電装置１と蓄電装置２とにそれぞれ割り当てられる有効電力及び無効電力の出力配分を変更することにより、風力発電設備の運転モードを第１運転モードと第２運転モードとに選択的に切り替える。
運転モード切替部３５は第１運転モードにて、電力算出部３４で算出された全体有効電力と全体無効電力のそれぞれの範囲内にて、風力発電装置１で出力可能な上限に適合した風力要求有効電力と風力要求無効電力を風力発電装置１に出力させる制御を行う。この制御は、運転モード切替部３５で、風力発電装置１に上記した風力要求有効電力を出力させるための制御信号である有効電力指令と、上記した風力要求無効電力を出力させるための制御信号である無効電力指令とを生成し、これらの有効電力指令及び無効電力指令を風力発電制御手段１０に送信することにより実行される。
また、運転モード切替部３５は第１運転モードにて、全体有効電力と風力要求有効電力との差分、及び、全体無効電力と風力要求無効電力との差分にそれぞれ対応する蓄電要求有効電力及び蓄電要求無効電力を蓄電装置２に出力させる制御を行う。この制御は、運転モード切替部３５で、蓄電装置２に上記した蓄電要求有効電力を出力させるための制御信号である有効電力指令と、上記した蓄電要求無効電力を出力させるための制御信号である無効電力指令とを生成し、これらの有効電力指令及び無効電力指令を蓄電制御手段２０に送信することにより実行される。
上記した第１運転モードは、主に、電力系統７の定常状態時において設定される。なお、定常状態とは、第１運転モードの風力発電装置と蓄電装置の出力配分において蓄電要求有効電力及び蓄電要求無効電力に基づく皮相電力が蓄電装置の設定皮相電力を超過しない状態であり、すなわち電力系統の電圧変動又は周波数変動が系統擾乱時よりも小さいときである。
さらに、運転モード切替部３５は、第１運転モードにて蓄電要求有効電力及び蓄電要求無効電力に基づく皮相電力が蓄電装置２の設定皮相電力を超過するときに、第１運転モードから第２運転モードに切り替える。
運転モード切替部３５は第２運転モードにて、蓄電装置２への蓄電要求有効電力を維持しながら蓄電要求無効電力を低減させ、この蓄電要求無効電力の低減量を風力発電装置１の風力要求無効電力に付加させる制御を行う。この制御は、運転モード切替部３５で、蓄電装置２に第１運転モードと同一の蓄電要求有効電力を出力させるための制御信号である有効電力指令と、第１運転モードより低減させた蓄電要求無効電力を出力させるための制御信号である無効電力指令とを生成し、これらの有効電力指令及び無効電力指令を蓄電制御手段２０に送信することにより実行される。さらにまた、運転モード切替部３５で、風力発電装置１に第１運転モードと同一の風力要求有効電力を出力させるための制御信号である有効電力指令と、蓄電要求無効電力の低減量を付加した風力要求無効電力を出力させるための制御信号である無効電力指令とを生成し、これらの有効電力指令及び無効電力指令を蓄電制御手段２０に送信することにより実行される。
上記した第２運転モードは主に、系統擾乱時に第１運転モードから切り替えられて設定される。
さらに好ましくは、第１運転モードから第２運転モードへの切り替えは、蓄電装置２への出力から導出される要求皮相電力が、予め設定された蓄電装置の設定皮相電力を超過したときに行う。このとき、第２運転モードでは、蓄電要求有効電力と蓄電要求無効電力とから導出される要求皮相電力が設定皮相電力以下となるまで蓄電要求無効電力を低減させる。
図３を用いて第１運転モードから第２運転モードへの切り替えと、第２運転モードにおける出力指令とについて説明する。なお、図３は本発明の実施形態における蓄電装置２の設定皮相電力曲線を示す図である。同図において、Ｐは蓄電要求有効電力、Ｑは蓄電要求無効電力であり、図中の半円曲線は設定皮相電力曲線である。この図において、蓄電装置２の運転ポイントが設定皮相電力曲線内である場合は蓄電装置２の運転可能範囲内の状態であり、設定皮相電力曲線の外側に位置する場合は蓄電装置２が過負荷の状態である。
第１運転モードにおける蓄電装置２の運転ポイントをＳ１（Ｐ１、Ｑ１）とする。Ｓ１は蓄電装置２の能力と充電量とにより決定する設定皮相電力曲線上に存在するため、蓄電装置２の負荷内で運転されていることとなる。
ここで、系統周波数が低減した場合、若しくは周波数制御運転状態において風力発電装置１の出力が低下した場合、蓄電要求有効電力がＰ２となり運転ポイントがＳ１’（Ｐ２，Ｑ１）へ移行しようとしたとき、移行後の運転ポイントでは蓄電要求有効電力Ｐ２と蓄電要求無効電力Ｑ１から導出される要求皮相電力が設定皮相電力を超過してしまう。すなわち、運転ポイントＳ１’は設定皮相電力曲線の外側に位置し、蓄電装置２が過負荷の状態となる。
そこで、第２運転モードに切り替えて、蓄電装置２が過負荷とならないように運転ポイントＳ１’の蓄電要求有効電力Ｐ２は維持した状態で蓄電要求無効電力をＱ２に低減した運転ポイントＳ２（Ｐ２、Ｑ２）へ自動的に移行させる。さらに、低減前の蓄電要求無効電力と低減させた蓄電要求無効電力の差分である低減量ΔＱ（＝Ｑ１−Ｑ２）を統括制御手段３０の運転モード切替部３５に送信する。運転モード切替部３５では、蓄電要求無効電力の低減量ΔＱを風力発電装置１の風力要求無効電力に付加した無効電力指令を風力発電制御手段１０へ送信する。
本実施形態において、第１運転モードは主として定常状態時に適用され、風力発電装置に割り当てられる風力要求有効電力と風力要求無効電力とを、風力発電装置で出力可能な上限に適合するように最大限に設定しているため、再生エネルギーである風力エネルギーを有効に活用できる。
一方、第２運転モードは主として定常状態時に適用され、系統擾乱時に全体有効電力と全体無効電力とが大幅に変動した場合であっても蓄電装置２が過負荷になることを防止できる。また、有効電力を自在に調整できる蓄電装置２で有効電力を優先的に出力し、有効電力を調整できないが無効電力を調整可能な風力発電装置１で無効電力を優先的に出力するため、擾乱抑制に必要とされる要求皮相電力を適切な電力配分で出力することができる。なお、蓄電装置２が過負荷にならない程度の微小な擾乱に対する変動抑制は第１運転モードで対応可能である。
このように本実施形態によれば、再生エネルギーを最大限に有効活用できるとともに蓄電装置２の過負荷を防止できる有効電力及び無効電力の最適な出力配分制御が可能となる。
また、蓄電装置２に割り当てられた蓄電要求有効電力と蓄電要求無効電力とから要求皮相電力を導出し、要求皮相電力が設定皮相電力を超過した場合に蓄電装置２が設備容量を超過したものと判断することにより、蓄電要求有効電力及び蓄電要求無効電力から簡単に蓄電装置２の容量超過を判断することが可能となる。
さらに、図１に示すように本実施形態において蓄電装置２は、残容量を検出する残容量検出手段２５を有していてもよい。残容量検出手段２５の構成は特に限定されないが、例えば、蓄電池２１の出力ライン（充放電ライン）中に流れる充放電電流に基づいて残容量を検出する構成が用いられる。この残容量検出手段２５で検出された蓄電装置２の残容量は統括制御手段３０に入力される。統括制御手段３０では、残容量検出手段２５で検出された蓄電装置２の残容量に応じて設定皮相電力を変更することが好ましい。
これにより系統擾乱時のみでなく、蓄電装置２の残容量に応じても第２運転モードで有効電力と無効電力を蓄電装置２と風力発電装置１のそれぞれに適切に出力配分制御することが可能となる。
さらにまた、運転モード切替部３５は第２運転モードにて、第１運転モードでの風力発電装置１と蓄電装置２との出力配分における蓄電装置２の要求皮相電力を監視し、要求皮相電力が設定皮相電力を下回ったときに、第２運転モードから第１運転モードに切り替えることが好ましい。具体的には、第２運転モードで運転中に、第１運転モードでの出力配分における要求皮相電力を監視しておき、要求皮相電力が設定皮相電力を下回ったとき、すなわち蓄電装置２が第１運転モードにおいても過負荷とならなくなったときに、第２運転モードから第１運転モードに切り替える構成としている。これにより蓄電装置２が過負荷にならないときは常に第１運転モードで運転することが可能となり、風力エネルギーを最大限活用することが可能となる。
次に、図４により本実施形態に係る風力発電設備の出力制御方法を説明する。なお図４は、本実施形態に係る風力発電設備の出力制御方法を示すフローチャートである。説明中に示す符号は図１及び図２に対応している。
まず、統括制御手段３０に、系統接続端６の電圧情報と電流情報とが入力される（Ｓ１）。図２で説明したように統括制御手段３０では、電力算出部３４にて系統接続端６の電圧情報及び電流情報に基づいて電力系統７で必要とされる全体有効電力と全体無効電力とを算出する（Ｓ２）。
そして、電力系統７が主として定常状態においては、統括制御手段３０の運転モード切替部３５は、第１運転モードで風力発電装置１と蓄電装置２への出力配分制御を行う（Ｓ３）。すなわちこの第１運転モードでは、電力算出部３４で算出された全体有効電力と全体無効電力の範囲内にて、風力発電装置１で出力可能な上限に適合した風力要求有効電力及び風力要求無効電力を風力発電装置１に出力させる指令を風力発電制御手段１０に送信するとともに、全体有効電力と風力要求有効電力との差分、及び、全体無効電力と風力要求無効電力との差分にそれぞれ対応する蓄電要求有効電力及び蓄電要求無効電力を蓄電装置２に出力させる指令を蓄電制御手段２０に送信する。風力発電制御手段１０は統括制御手段３０から送信された風力要求有効電力の指令と風力要求無効電力の指令に応じて風力発電装置１を出力制御する。同様に蓄電制御手段２０はこの統括制御手段３０から送信された蓄電要求有効電力の指令と蓄電要求無効電力の指令に応じて蓄電装置２を出力制御する。
ここで、残容量検出手段２５により蓄電池２１の残容量を検出する（Ｓ４）。蓄電池２１の残容量が前回検出時から変化しているか否かを判定し（Ｓ５）、蓄電池２１の残容量が変化している場合には、設定皮相電力を残容量に対応した値に変更する（Ｓ６）。設定皮相電力は上記で説明した通りである。蓄電池２１の残容量が変化していない場合は設定皮相電力は変更しないものとする。
次いで、運転モード切替部３５で、第１運転モードで蓄電装置２に割り当てられた要求皮相電力と、設定皮相電力とを比較し（Ｓ７）、要求皮相電力が設定皮相電力内であれば第１運転モードの出力制御を続行する（Ｓ８）。一方、例えば系統擾乱により要求皮相電力が設定皮相電力を超過している場合、第１運転モードから第２運転モードへ切り替え、第２運転モードで風力発電装置１と蓄電装置２への出力配分制御を行う（Ｓ９）。第２運転モードは、蓄電装置２の蓄電要求有効電力を維持しながら蓄電要求無効電力を低減させ、この低減させた蓄電要求無効電力の低減量を風力発電装置の風力要求無効電力に付加させる。風力発電制御手段１０は統括制御手段３０から送信された風力要求有効電力の指令と風力要求無効電力の指令に応じて風力発電装置１を出力制御する。同様に蓄電制御手段２０はこの統括制御手段３０から送信された蓄電要求有効電力の指令と蓄電要求無効電力の指令に応じて蓄電装置２を出力制御する。
さらに、第２運転モードで運転中に、第１運転モードでの出力配分における要求皮相電力を監視しておき、要求皮相電力と設定皮相電力とを比較する（Ｓ１０）。そして、要求皮相電力が設定皮相電力を下回ったとき、すなわち蓄電装置２が第１運転モードにおいても過負荷とならなくなったときに、第２運転モードから第１運転モードに切り替える（Ｓ）。なお、要求皮相電力が設定皮相電力を下回らないうちは第２運転モードを続行する（Ｓ９）。
このように本実施形態によれば、主に電力系統の定常状態時に設定される第１運転モードと、主に系統擾乱時に設定される第２運転モードとを選択的に切り替える構成としたため、再生エネルギーを最大限に有効活用できるとともに蓄電装置の過負荷を防止できる有効電力及び無効電力の最適な出力配分制御が可能となる。
１ 風力発電装置
２ 蓄電装置
４ 系統連系部
５、１２、２３ 変圧器
６ 系統接続端
７ 電力系統
１０ 風力発電制御手段（ＷＴＧ ＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲ）
１１ 発電機
２０ 蓄電制御手段（ＰＯＷＥＲ ＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲ）
２１ 蓄電池
２２ 直流−交流変換器
２５ 残容量検出手段
３０ 統括制御手段（ＭＡＳＴＥＲ ＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲ）
本発明は、風力発電装置に蓄電装置が併設された風力発電設備の出力制御方法及び出力制御装置に係り、特に、系統擾乱による電力系統の周波数変動又は電圧変動を抑制可能な風力発電設備の出力制御方法及び出力制御装置に関する。
従来より、風力発電装置に蓄電装置が併設された風力発電設備が知られている。
図５は、この風力発電設備の構成を示す図である。この風力発電設備は、複数の風力発電装置５１が設けられるとともに、この風力発電装置５１に並列に蓄電装置５５が設けられ、これらが系統連系部６０を介して電力系統６１に接続されている。ここで電力系統６１とは、一般需要家が供給を受けている商用電力系統をいう。一般に風力発電装置５１は、風車ブレードの回転が増速機を介して発電機５２に入力され、この発電機５２で発電した電力を変圧器５３で変圧し系統連系部６０を介して電力系統６１に供給するようになっている。
しかし風力発電装置５１においては、出力は風速の変動に伴い変動するためこれに対応して電力系統６１の需給バランスや周波数に影響を及ぼす可能性がある。電力系統６１へ供給される電力はその電圧及び周波数が許容範囲内に維持されることが求められるため、従来は系統側で要求される有効電力及び無効電力に対して風力発電装置５１の供給能力から不足する電力を蓄電装置５５で補償する構成としていた。ここで蓄電装置５５は、蓄電池５６からの直流出力を直流−交流変換器５７を介して交流出力に変換した後、変圧器５８で変圧し系統連系部６０を介して電力系統６１に供給するようになっている。このように、従来風力発電装置５１に併設される蓄電装置５５は主に風力発電装置５１による出力変動を平滑化するために用いられていた。
一方、落雷等の系統事故により系統側の電圧や周波数に擾乱が発生することがある。従来は系統事故が発生したときに風力発電設備を解列して対処することがあったが、近年は風力発電設備を電力系統から解列せずに運転を継続し、系統の事故復帰後にすぐさま定常運転を再開することが求められている。さらにこれに加えて、系統事故が発生したときに発電設備の有効電力と無効電力を同時出力制御することにより系統の安定化を図る技術が検討され始めている。
例えば特許文献１（特許第３３５２６６２号公報）には、系統擾乱時に電力系統を安定化させる装置が開示されており、この装置は、風力発電機や太陽光発電機等の電力系統に電力を出力する第１の設備と、定格値より大きい電力で充放電する過充放電運転を考慮した電池を含む二次電池システムとを有する。さらに、電力系統における有効電力の事前の設定値、無効電力の事前の設定値、基準周波数及び基準電圧とそれぞれの現状の値との差を検出し、この検出結果に応じて蓄電装置の過負荷出力と出力継続時間特性に基づいて蓄電装置から出力される有効電力量及び無効電力量を制御する構成となっている。
特許第３３５２６６２号公報
上記したように風力発電設備においては、系統擾乱時に電力系統の電圧変動及び周波数変動を抑制することが求められている。ここで、風力発電設備から供給される無効電力を制御することによって系統電圧の変動を抑制することが可能であり、また有効電力を制御することによって系統周波数の変動を抑制することが可能であることが知られている。その場合、上記したように風力発電装置の出力は風速に依存するため、有効電力を制御することは難しかった。そこで特許文献１に開示されるように、風力発電装置で制御不可能な有効電力を蓄電装置で補償することが考えられる。蓄電装置は直流−交流変換器により自動周波数制御機能を有しているため、電力系統の周波数変動を抑制するために必要な有効電力を供給することができるものである。
しかし特許文献１に記載される二次電池システムは、定格値より大きい電力で充放電する過充放電運転を考慮した電池を含むものであり、一般に蓄電装置に具備される蓄電池は予め設定された容量を超過すると過負荷運転となり、耐用期間が短くなるおそれがある。蓄電池は高価である上に設置費用も嵩むため、過負荷運転とならない適切な運転制御が求められている。
したがって、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、系統擾乱時に電力系統の電圧変動及び周波数変動を抑制可能で、且つ蓄電装置の過負荷を防止し、風力発電装置と蓄電装置との最適な統括出力制御を可能とした風力発電設備の出力制御方法及び出力制御装置を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明に係る風力発電設備の出力制御方法は、風力発電装置と蓄電装置とが系統連系部を介して電力系統に並列に接続された風力発電設備の出力制御方法において、前記風力発電設備の系統接続端で検出される電圧情報及び電流情報に基づいて、前記風力発電設備から前記電力系統に供給する全体有効電力及び全体無効電力を算出し、前記全体有効電力及び前記全体無効電力のそれぞれの範囲内にて、前記風力発電装置で出力可能な上限に適合した風力要求有効電力及び風力要求無効電力を前記風力発電装置に出力させるとともに、前記全体有効電力と前記風力要求有効電力との差分、及び、前記全体無効電力と前記風力要求無効電力との差分にそれぞれ対応する蓄電要求有効電力及び蓄電要求無効電力を前記蓄電装置に出力させる第１運転モードと、前記第１運転モードにて前記蓄電要求有効電力及び前記蓄電要求無効電力に基づく皮相電力が前記蓄電装置の設定皮相電力を超過するときに、前記蓄電要求有効電力を維持しながら前記蓄電要求無効電力を低減させ、前記蓄電要求無効電力の低減量を前記風力要求無効電力に付加させる第２運転モードとを選択的に切り替えることを特徴とする。
ここで、全体有効電力及び全体無効電力とは、電力系統の周波数と電圧を許容範囲内に維持するために風力発電設備全体に要求される有効電力及び無効電力である。この全体有効電力及び全体無効電力は、風力発電装置と蓄電装置とにそれぞれ所定の出力配分で割り当てられる。
風力要求有効電力及び風力要求無効電力は、全体有効電力及び全体無効電力から割り当てられた、風力発電装置に要求される有効電力及び無効電力である。
蓄電要求有効電力及び蓄電要求無効電力は、全体有効電力及び全体無効電力から割り当てられた、蓄電装置に要求される有効電力及び無効電力である。
本発明において、第１運転モードは主に電力系統の定常状態時に設定される。第１運転モードでは、風力発電装置に割り当てられる風力要求有効電力と風力要求無効電力とを、風力発電装置で出力可能な上限に適合するように最大限に設定しているため、再生エネルギーである風力エネルギーを有効に活用できる。なお、定常状態とは、上記した風力発電装置と蓄電装置の出力配分において蓄電要求有効電力及び蓄電要求無効電力に基づく皮相電力が蓄電装置の設定皮相電力を超過しない状態であり、すなわち電力系統の電圧変動又は周波数変動が系統擾乱時よりも小さいときである。
一方、第２運転モードは主に系統擾乱時に第１運転モードから切り替えられて設定される。系統擾乱時には、系統周波数及び系統電圧の少なくとも一方が電力系統の許容範囲から外れて変動することがあり、系統周波数の変動抑制のために風力発電設備から供給する全体有効電力を制御し、系統電圧の変動抑制のために全体無効電力を制御する。この制御量に応じて蓄電装置に割り当てられる蓄電要求有効電力及び蓄電要求無効電力に基づく皮相電力が蓄電装置の設定皮相電力を超過する場合に第２運転モードに切り替えられる。この第２運転モードでは、系統擾乱時において全体有効電力と全体無効電力とが大幅に変動した場合であっても蓄電装置が過負荷になることを防止できる。また、有効電力を自在に調整できる蓄電装置で有効電力を優先的に出力し、有効電力を調整できないが無効電力を調整可能な風力発電装置で無効電力を優先的に出力するため、擾乱抑制に必要とされる要求皮相電力を適切な電力配分で出力することができる。
なお、蓄電装置が過負荷にならない程度の微小な擾乱に対する変動抑制は第１運転モードで対応可能である。
このように本発明によれば、再生エネルギーを最大限に有効活用できるとともに蓄電装置の過負荷を防止できる有効電力及び無効電力の最適な出力配分制御が可能となる。
また、前記第１運転モードから前記第２運転モードへの切り替えは、前記蓄電装置の出力から導出される要求皮相電力が、予め設定された前記蓄電装置の設定皮相電力を超過したときに行い、前記第２運転モードでは、前記蓄電要求有効電力と前記低減させた蓄電要求無効電力とから導出される要求皮相電力が前記設定皮相電力以下となるまで前記蓄電要求無効電力を低減させることが好ましい。
このように、蓄電装置に割り当てられた蓄電要求有効電力と蓄電要求無効電力とから蓄電装置への要求皮相電力を導出し、要求皮相電力が設定皮相電力を超過したときに蓄電装置が設備容量を超過したものと判断することにより、蓄電要求有効電力及び蓄電要求無効電力から簡単に蓄電装置の容量超過を判断することが可能となる。なお、設定皮相電力は蓄電装置の能力と充電量とにより決定するものである。
さらに、前記蓄電装置の残容量を検出し、前記残容量に応じて前記設定皮相電力を変更することが好ましく、これにより系統擾乱時のみでなく、蓄電装置の残容量に応じて第２運転モードで要求有効電力と要求無効電力を蓄電装置と風力発電装置のそれぞれに適切に出力配分することが可能となる。
さらにまた、前記第２運転モードでは、前記第１運転モードでの前記風力発電装置と前記蓄電装置との出力配分における前記蓄電装置の前記要求皮相電力を監視し、前記要求皮相電力が前記設定皮相電力を下回ったときに、前記第２運転モードから前記第１運転モードに切り替えることが好ましい。
本構成は、第２運転モードで運転中に、第１運転モードでの出力配分における要求皮相電力を監視しておき、要求皮相電力が設定皮相電力を下回ったとき、すなわち蓄電装置が第１運転モードにおいても過負荷とならなくなったときに、第２運転モードから第１運転モードに切り替える構成としている。これにより蓄電装置が過負荷にならないときは常に第１運転モードで運転することが可能となり、風力エネルギーを最大限活用することが可能となる。
また、本発明に係る風力発電設備の出力制御装置は、風力発電装置と蓄電装置とが系統連系部を介して電力系統に並列に接続された風力発電設備の出力制御装置において、前記風力発電装置の系統接続端の電圧情報及び電流情報が入力される統括制御手段と、前記統括制御手段からの出力指令に基づいて、前記風力発電装置の出力を制御する風力発電制御手段及び前記蓄電装置の出力を制御する蓄電制御手段とを備え、前記統括制御手段は、前記電圧情報及び前記電流情報に基づいて前記風力発電設備から前記電力系統に供給する全体有効電力及び全体無効電力を算出する電力算出部と、前記全体有効電力及び前記全体無効電力のそれぞれの範囲内にて、前記風力発電装置で出力可能な上限に適合した風力要求有効電力及び風力要求無効電力を前記風力発電装置に出力させるとともに、前記全体有効電力と前記風力要求有効電力との差分、及び、前記全体無効電力と前記風力要求無効電力との差分にそれぞれ対応する蓄電要求有効電力及び蓄電要求無効電力を前記蓄電装置に出力させる第１運転モードと、前記第１運転モードにて前記蓄電装置の出力から導出される要求皮相電力が、予め設定された前記蓄電装置の設定皮相電力を超過するときに、前記蓄電要求有効電力を維持しながら前記蓄電要求無効電力を低減させ、前記蓄電要求無効電力の低減量を前記風力要求無効電力に付加させる第２運転モードとを選択的に切り替える運転モード切替部とを有することを特徴とする。
さらに、前記蓄電装置の残容量を検出する残容量検出手段をさらに備え、前記統括制御手段は、前記残容量検出手段で検出された前記残容量に応じて前記設定皮相電力を変更することが好ましい。
以上記載のように本発明によれば、主に電力系統の定常状態時に設定される第１運転モードと、主に系統擾乱時に設定される第２運転モードとを選択的に切り替える構成としたため、再生エネルギーである風力エネルギーを最大限に有効活用できるとともに蓄電装置の過負荷を防止できる有効電力及び無効電力の最適な出力配分制御が可能となる。
本発明の実施形態に係る風力発電設備の出力制御装置を含む全体構成図である。 本発明の実施形態における統括制御手段の制御ブロック図である。 本発明の実施形態における蓄電装置の設定皮相電力曲線を示す図である。 本発明の実施形態に係る風力発電設備の出力制御方法を示すフローチャートである。 従来の風力発電装置の全体構成図である。
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態を例示的に詳しく説明する。但しこの実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
まず最初に、図１を参照して風力発電設備の全体構成を説明する。
この風力発電設備は、風力発電装置１と蓄電装置２とを有し、これらの風力発電装置１及び蓄電装置２は系統連系部４に並列に接続されている。
風力発電装置１は一又は複数設けられる。風力発電装置１が複数設けられる場合はそれぞれが系統連系部４に並列に接続されている。風力発電装置１の構成は、複数の風車ブレードが取り付けられたロータを有し、ロータは増速機を介して発電機１１に接続されている。発電機１１の出力端子に接続された母線は、変圧器１２を経由して系統連系部４の系統接続端６に接続されている。この風力発電装置１では、風車ブレードの回転が増速機を介して発電機１１に入力され、この発電機１１で発電した電力を変圧器１２で変圧した後系統連系部４を介して電力系統７に供給するようになっている。
蓄電装置２は一又は複数設けられる。蓄電装置２が複数設けられる場合はそれぞれが系統連系部４に並列に接続される。蓄電装置２の構成は、一又は直列に接続された複数の蓄電池２１,直流出力を交流出力に変換する直流−交流変換器２２、変圧器２３を有し、蓄電池２１の出力端子に接続された母線は、変圧器２３を経由して系統連系部４の系統接続端６に接続されている。この蓄電装置２では、放電した直流出力を直流−交流変換器２２で交流出力に変換し、交流出力を変圧器２３で所定電圧に変圧した後系統連系部４を介して電力系統７に供給するようになっている。なお、蓄電装置２は必要に応じて電力系統７から充電される。このとき、後述する蓄電制御手段２０に電力系統７の電圧情報及び電流情報が入力され、これらに基づいて充放電制御されることが好ましい。
ここで、系統連系部４は、風力発電設備を電力系統７に連系するための設備であり、電力系統７との間で定められた系統連系の条件に基づいて供給電力の各種調整を行う。例えば系統連系の条件として、連系点における電圧の変動や出力値を許容範囲内とする条件が設定されている。なお、系統連系部４には変圧器５を含んでいてもよい。
また、電力系統７とは、発電設備で発電した出力を送電線、変電所を介して需要家へ送る設備機器群であり、ここでは一般需要家が供給を受けている商用電力系統をいう。
上記した構成を有する発電設備の出力制御装置は、風力発電装置１の出力を制御する風力発電制御手段（ＷＴＧ ＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲ）１０と、蓄電装置２の出力を制御する蓄電制御手段（ＰＯＷＥＲ ＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲ）２０と、風力発電制御手段１０と蓄電制御手段２０とにそれぞれ有効電力指令と無効電力指令とを与える統括制御手段（ＭＡＳＴＥＲ ＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲ）３０とを有する。
図２を参照して、統括制御手段３０の制御動作を説明する。なお図２は本発明の実施形態における統括制御手段の制御ブロック図である。
統括制御手段３０は、風力発電設備から電力系統７に供給する全体有効電力及び全体無効電力を、風力発電制御手段１０と蓄電制御手段２０のそれぞれへ割り当て、風力発電装置１への風力要求有効電力及び風力要求無効電力と、蓄電装置２への蓄電要求有効電力及び蓄電要求無効電力とを設定することにより、有効電力及び無効電力の出力配分制御を行うものである。
ここで、全体有効電力及び全体無効電力とは、電力系統７の周波数と電圧を許容範囲内に維持するために風力発電設備全体に要求される有効電力及び無効電力である。この全体有効電力及び全体無効電力は、風力発電装置１と蓄電装置２とにそれぞれ所定の出力配分で割り当てられる。
風力要求有効電力及び風力要求無効電力は、全体有効電力及び全体無効電力から割り当てられた、風力発電装置１に要求される有効電力及び無効電力である。
蓄電要求有効電力及び蓄電要求無効電力は、全体有効電力及び全体無効電力から割り当てられた、蓄電装置２に要求される有効電力及び無効電力である。
具体的に統括制御手段３０は、電力算出部３４と運転モード切替部３５とを含み、系統接続端６の電圧情報及び電流情報が入力される。
電力算出部３４は、入力された電圧情報及び電流情報に基づいて電力系統７に供給する全体有効電力と全体無効電力とをそれぞれ算出する。例えば、電力算出部３４はまずＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ
Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）３１で系統接続端６の電圧情報から周波数を検出し、この周波数に基づいて周波数−有効電力変換回路３２で全体有効電力を導出する。ここで周波数−有効電力変換回路３２は、周波数に対応した有効電力をマップとして格納しておき、このマップに基づいて周波数から全体有効電力を求めてもよい。また電圧情報とは電圧の経時変化、すなわち電圧波形を含む情報で、電流情報とは電流の経時変化、すなわち電流波形を含む情報である。
一方電力算出部３４では入力された電圧情報から電圧−無効電流変換回路３３で無効電流を導出し、電圧情報と合わせて電力系統が必要とする全体無効電力を算出する。
運転モード切替部３５は、風力発電装置１と蓄電装置２とにそれぞれ割り当てられる有効電力及び無効電力の出力配分を変更することにより、風力発電設備の運転モードを第１運転モードと第２運転モードとに選択的に切り替える。
運転モード切替部３５は第１運転モードにて、電力算出部３４で算出された全体有効電力と全体無効電力のそれぞれの範囲内にて、風力発電装置１で出力可能な上限に適合した風力要求有効電力と風力要求無効電力を風力発電装置１に出力させる制御を行う。この制御は、運転モード切替部３５で、風力発電装置１に上記した風力要求有効電力を出力させるための制御信号である有効電力指令と、上記した風力要求無効電力を出力させるための制御信号である無効電力指令とを生成し、これらの有効電力指令及び無効電力指令を風力発電制御手段１０に送信することにより実行される。
また、運転モード切替部３５は第１運転モードにて、全体有効電力と風力要求有効電力との差分、及び、全体無効電力と風力要求無効電力との差分にそれぞれ対応する蓄電要求有効電力及び蓄電要求無効電力を蓄電装置２に出力させる制御を行う。この制御は、運転モード切替部３５で、蓄電装置２に上記した蓄電要求有効電力を出力させるための制御信号である有効電力指令と、上記した蓄電要求無効電力を出力させるための制御信号である無効電力指令とを生成し、これらの有効電力指令及び無効電力指令を蓄電制御手段２０に送信することにより実行される。
上記した第１運転モードは、主に、電力系統７の定常状態時において設定される。なお、定常状態とは、第１運転モードの風力発電装置と蓄電装置の出力配分において蓄電要求有効電力及び蓄電要求無効電力に基づく皮相電力が蓄電装置の設定皮相電力を超過しない状態であり、すなわち電力系統の電圧変動又は周波数変動が系統擾乱時よりも小さいときである。
さらに、運転モード切替部３５は、第１運転モードにて蓄電要求有効電力及び蓄電要求無効電力に基づく皮相電力が蓄電装置２の設定皮相電力を超過するときに、第１運転モードから第２運転モードに切り替える。
運転モード切替部３５は第２運転モードにて、蓄電装置２への蓄電要求有効電力を維持しながら蓄電要求無効電力を低減させ、この蓄電要求無効電力の低減量を風力発電装置１の風力要求無効電力に付加させる制御を行う。この制御は、運転モード切替部３５で、蓄電装置２に第１運転モードと同一の蓄電要求有効電力を出力させるための制御信号である有効電力指令と、第１運転モードより低減させた蓄電要求無効電力を出力させるための制御信号である無効電力指令とを生成し、これらの有効電力指令及び無効電力指令を蓄電制御手段２０に送信することにより実行される。さらにまた、運転モード切替部３５で、風力発電装置１に第１運転モードと同一の風力要求有効電力を出力させるための制御信号である有効電力指令と、蓄電要求無効電力の低減量を付加した風力要求無効電力を出力させるための制御信号である無効電力指令とを生成し、これらの有効電力指令及び無効電力指令を蓄電制御手段２０に送信することにより実行される。
上記した第２運転モードは主に、系統擾乱時に第１運転モードから切り替えられて設定される。
さらに好ましくは、第１運転モードから第２運転モードへの切り替えは、蓄電装置２への出力から導出される要求皮相電力が、予め設定された蓄電装置の設定皮相電力を超過したときに行う。このとき、第２運転モードでは、蓄電要求有効電力と蓄電要求無効電力とから導出される要求皮相電力が設定皮相電力以下となるまで蓄電要求無効電力を低減させる。
図３を用いて第１運転モードから第２運転モードへの切り替えと、第２運転モードにおける出力指令とについて説明する。なお、図３は本発明の実施形態における蓄電装置２の設定皮相電力曲線を示す図である。同図において、Ｐは蓄電要求有効電力、Ｑは蓄電要求無効電力であり、図中の半円曲線は設定皮相電力曲線である。この図において、蓄電装置２の運転ポイントが設定皮相電力曲線内である場合は蓄電装置２の運転可能範囲内の状態であり、設定皮相電力曲線の外側に位置する場合は蓄電装置２が過負荷の状態である。
第１運転モードにおける蓄電装置２の運転ポイントをＳ１（Ｐ１、Ｑ１）とする。Ｓ１は蓄電装置２の能力と充電量とにより決定する設定皮相電力曲線上に存在するため、蓄電装置２の負荷内で運転されていることとなる。
ここで、系統周波数が低減した場合、若しくは周波数制御運転状態において風力発電装置１の出力が低下した場合、蓄電要求有効電力がＰ２となり運転ポイントがＳ１’（Ｐ２，Ｑ１）へ移行しようとしたとき、移行後の運転ポイントでは蓄電要求有効電力Ｐ２と蓄電要求無効電力Ｑ１から導出される要求皮相電力が設定皮相電力を超過してしまう。すなわち、運転ポイントＳ１’は設定皮相電力曲線の外側に位置し、蓄電装置２が過負荷の状態となる。
そこで、第２運転モードに切り替えて、蓄電装置２が過負荷とならないように運転ポイントＳ１’の蓄電要求有効電力Ｐ２は維持した状態で蓄電要求無効電力をＱ２に低減した運転ポイントＳ２（Ｐ２、Ｑ２）へ自動的に移行させる。さらに、低減前の蓄電要求無効電力と低減させた蓄電要求無効電力の差分である低減量ΔＱ（＝Ｑ１−Ｑ２）を統括制御手段３０の運転モード切替部３５に送信する。運転モード切替部３５では、蓄電要求無効電力の低減量ΔＱを風力発電装置１の風力要求無効電力に付加した無効電力指令を風力発電制御手段１０へ送信する。
本実施形態において、第１運転モードは主として定常状態時に適用され、風力発電装置に割り当てられる風力要求有効電力と風力要求無効電力とを、風力発電装置で出力可能な上限に適合するように最大限に設定しているため、再生エネルギーである風力エネルギーを有効に活用できる。
一方、第２運転モードは主として系統擾乱時に適用され、系統擾乱時に全体有効電力と全体無効電力とが大幅に変動した場合であっても蓄電装置２が過負荷になることを防止できる。また、有効電力を自在に調整できる蓄電装置２で有効電力を優先的に出力し、有効電力を調整できないが無効電力を調整可能な風力発電装置１で無効電力を優先的に出力するため、擾乱抑制に必要とされる要求皮相電力を適切な電力配分で出力することができる。なお、蓄電装置２が過負荷にならない程度の微小な擾乱に対する変動抑制は第１運転モードで対応可能である。
このように本実施形態によれば、再生エネルギーを最大限に有効活用できるとともに蓄電装置２の過負荷を防止できる有効電力及び無効電力の最適な出力配分制御が可能となる。
また、蓄電装置２に割り当てられた蓄電要求有効電力と蓄電要求無効電力とから要求皮相電力を導出し、要求皮相電力が設定皮相電力を超過した場合に蓄電装置２が設備容量を超過したものと判断することにより、蓄電要求有効電力及び蓄電要求無効電力から簡単に蓄電装置２の容量超過を判断することが可能となる。
さらに、図１に示すように本実施形態において蓄電装置２は、残容量を検出する残容量検出手段２５を有していてもよい。残容量検出手段２５の構成は特に限定されないが、例えば、蓄電池２１の出力ライン（充放電ライン）中に流れる充放電電流に基づいて残容量を検出する構成が用いられる。この残容量検出手段２５で検出された蓄電装置２の残容量は統括制御手段３０に入力される。統括制御手段３０では、残容量検出手段２５で検出された蓄電装置２の残容量に応じて設定皮相電力を変更することが好ましい。
これにより系統擾乱時のみでなく、蓄電装置２の残容量に応じても第２運転モードで有効電力と無効電力を蓄電装置２と風力発電装置１のそれぞれに適切に出力配分制御することが可能となる。
さらにまた、運転モード切替部３５は第２運転モードにて、第１運転モードでの風力発電装置１と蓄電装置２との出力配分における蓄電装置２の要求皮相電力を監視し、要求皮相電力が設定皮相電力を下回ったときに、第２運転モードから第１運転モードに切り替えることが好ましい。具体的には、第２運転モードで運転中に、第１運転モードでの出力配分における要求皮相電力を監視しておき、要求皮相電力が設定皮相電力を下回ったとき、すなわち蓄電装置２が第１運転モードにおいても過負荷とならなくなったときに、第２運転モードから第１運転モードに切り替える構成としている。これにより蓄電装置２が過負荷にならないときは常に第１運転モードで運転することが可能となり、風力エネルギーを最大限活用することが可能となる。
次に、図４により本実施形態に係る風力発電設備の出力制御方法を説明する。なお図４は、本実施形態に係る風力発電設備の出力制御方法を示すフローチャートである。説明中に示す符号は図１及び図２に対応している。
まず、統括制御手段３０に、系統接続端６の電圧情報と電流情報とが入力される（Ｓ１）。図２で説明したように統括制御手段３０では、電力算出部３４にて系統接続端６の電圧情報及び電流情報に基づいて電力系統７で必要とされる全体有効電力と全体無効電力とを算出する（Ｓ２）。
そして、電力系統７が主として定常状態においては、統括制御手段３０の運転モード切替部３５は、第１運転モードで風力発電装置１と蓄電装置２への出力配分制御を行う（Ｓ３）。すなわちこの第１運転モードでは、電力算出部３４で算出された全体有効電力と全体無効電力の範囲内にて、風力発電装置１で出力可能な上限に適合した風力要求有効電力及び風力要求無効電力を風力発電装置１に出力させる指令を風力発電制御手段１０に送信するとともに、全体有効電力と風力要求有効電力との差分、及び、全体無効電力と風力要求無効電力との差分にそれぞれ対応する蓄電要求有効電力及び蓄電要求無効電力を蓄電装置２に出力させる指令を蓄電制御手段２０に送信する。風力発電制御手段１０は統括制御手段３０から送信された風力要求有効電力の指令と風力要求無効電力の指令に応じて風力発電装置１を出力制御する。同様に蓄電制御手段２０はこの統括制御手段３０から送信された蓄電要求有効電力の指令と蓄電要求無効電力の指令に応じて蓄電装置２を出力制御する。
ここで、残容量検出手段２５により蓄電池２１の残容量を検出する（Ｓ４）。蓄電池２１の残容量が前回検出時から変化しているか否かを判定し（Ｓ５）、蓄電池２１の残容量が変化している場合には、設定皮相電力を残容量に対応した値に変更する（Ｓ６）。設定皮相電力は上記で説明した通りである。蓄電池２１の残容量が変化していない場合は設定皮相電力は変更しないものとする。
次いで、運転モード切替部３５で、第１運転モードで蓄電装置２に割り当てられた要求皮相電力と、設定皮相電力とを比較し（Ｓ７）、要求皮相電力が設定皮相電力内であれば第１運転モードの出力制御を続行する（Ｓ８）。一方、例えば系統擾乱により要求皮相電力が設定皮相電力を超過している場合、第１運転モードから第２運転モードへ切り替え、第２運転モードで風力発電装置１と蓄電装置２への出力配分制御を行う（Ｓ９）。第２運転モードは、蓄電装置２の蓄電要求有効電力を維持しながら蓄電要求無効電力を低減させ、この低減させた蓄電要求無効電力の低減量を風力発電装置の風力要求無効電力に付加させる。風力発電制御手段１０は統括制御手段３０から送信された風力要求有効電力の指令と風力要求無効電力の指令に応じて風力発電装置１を出力制御する。同様に蓄電制御手段２０はこの統括制御手段３０から送信された蓄電要求有効電力の指令と蓄電要求無効電力の指令に応じて蓄電装置２を出力制御する。
さらに、第２運転モードで運転中に、第１運転モードでの出力配分における要求皮相電力を監視しておき、要求皮相電力と設定皮相電力とを比較する（Ｓ１０）。そして、要求皮相電力が設定皮相電力を下回ったとき、すなわち蓄電装置２が第１運転モードにおいても過負荷とならなくなったときに、第２運転モードから第１運転モードに切り替える（Ｓ8）。なお、要求皮相電力が設定皮相電力を下回らないうちは第２運転モードを続行する（Ｓ９）。
このように本実施形態によれば、主に電力系統の定常状態時に設定される第１運転モードと、主に系統擾乱時に設定される第２運転モードとを選択的に切り替える構成としたため、再生エネルギーを最大限に有効活用できるとともに蓄電装置2の過負荷を防止できる有効電力及び無効電力の最適な出力配分制御が可能となる。
１ 風力発電装置
２ 蓄電装置
４ 系統連系部
５、１２、２３ 変圧器
６ 系統接続端
７ 電力系統
１０ 風力発電制御手段（ＷＴＧ ＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲ）
１１ 発電機
２０ 蓄電制御手段（ＰＯＷＥＲ ＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲ）
２１ 蓄電池
２２ 直流−交流変換器
２５ 残容量検出手段
３０ 統括制御手段（ＭＡＳＴＥＲ ＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲ）

Claims (6)

  1. 風力発電装置と蓄電装置とが系統連系部を介して電力系統に並列に接続された風力発電設備の出力制御方法において、
    前記風力発電設備の系統接続端で検出される電圧情報及び電流情報に基づいて、前記風力発電設備から前記電力系統に供給する全体有効電力及び全体無効電力を算出し、
    前記全体有効電力及び前記全体無効電力のそれぞれの範囲内にて、前記風力発電装置で出力可能な上限に適合した風力要求有効電力及び風力要求無効電力を前記風力発電装置に出力させるとともに、前記全体有効電力と前記風力要求有効電力との差分、及び、前記全体無効電力と前記風力要求無効電力との差分にそれぞれ対応する蓄電要求有効電力及び蓄電要求無効電力を前記蓄電装置に出力させる第１運転モードと、前記第１運転モードにて前記蓄電要求有効電力及び前記蓄電要求無効電力に基づく皮相電力が前記蓄電装置の設定皮相電力を超過するときに、前記蓄電要求有効電力を維持しながら前記蓄電要求無効電力を低減させ、前記蓄電要求無効電力の低減量を前記風力要求無効電力に付加させる第２運転モードとを選択的に切り替えることを特徴とする風力発電設備の出力制御方法。
  2. 前記第１運転モードから前記第２運転モードへの切り替えは、前記蓄電装置の出力から導出される要求皮相電力が、予め設定された前記蓄電装置の設定皮相電力を超過したときに行い、前記第２運転モードでは、前記蓄電要求有効電力と前記低減させた蓄電要求無効電力とから導出される要求皮相電力が前記設定皮相電力以下となるまで前記蓄電要求無効電力を低減させることを特徴とする請求項１に記載の風力発電設備の出力制御方法。
  3. 前記蓄電装置の残容量を検出し、前記残容量に応じて前記設定皮相電力を変更することを特徴とする請求項１に記載の風力発電設備の出力制御方法。
  4. 前記第２運転モードでは、前記第１運転モードでの前記風力発電装置と前記蓄電装置との出力配分における前記蓄電装置の前記要求皮相電力を監視し、前記要求皮相電力が前記設定皮相電力を下回ったときに、前記第２運転モードから前記第１運転モードに切り替えることを特徴とする請求項１に記載の風力発電設備の出力制御方法。
  5. 風力発電装置と蓄電装置とが系統連系部を介して電力系統に並列に接続された風力発電設備の出力制御装置において、
    前記風力発電装置の系統接続端の電圧情報及び電流情報が入力される統括制御手段と、前記統括制御手段からの出力指令に基づいて、前記風力発電装置の出力を制御する風力発電制御手段及び前記蓄電装置の出力を制御する蓄電制御手段とを備え、
    前記統括制御手段は、前記電圧情報及び前記電流情報に基づいて前記風力発電設備から前記電力系統に供給する全体有効電力及び全体無効電力を算出する電力算出部と、
    前記全体有効電力及び前記全体無効電力のそれぞれの範囲内にて、前記風力発電装置で出力可能な上限に適合した風力要求有効電力及び風力要求無効電力を前記風力発電装置に出力させるとともに、前記全体有効電力と前記風力要求有効電力との差分、及び、前記全体無効電力と前記風力要求無効電力との差分にそれぞれ対応する蓄電要求有効電力及び蓄電要求無効電力を前記蓄電装置に出力させる第１運転モードと、前記第１運転モードにて前記蓄電装置の出力から導出される要求皮相電力が、予め設定された前記蓄電装置の設定皮相電力を超過するときに、前記蓄電要求有効電力を維持しながら前記蓄電要求無効電力を低減させ、前記蓄電要求無効電力の低減量を前記風力要求無効電力に付加させる第２運転モードとを選択的に切り替える運転モード切替部とを有することを特徴とする風力発電設備の出力制御装置。
  6. 前記蓄電装置の残容量を検出する残容量検出手段をさらに備え、
    前記統括制御手段は、前記残容量検出手段で検出された前記残容量に応じて前記設定皮相電力を変更することを特徴とする請求項５に記載の風力発電設備の出力制御装置。
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