JPWO2013125044A1 - 風車制御装置及びその方法並びに風力発電システム - Google Patents
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Abstract
系統擾乱が発生した場合に、発生初期の段階から周波数変動を抑制することを目的とする。系統擾乱が発生した場合に、系統擾乱の初期段階においては、風車の出力の周波数変動を抑制するように各風車の出力制御を行い、系統擾乱の後期段階においては、系統周波数を抑制するように各風車の出力制御を行う。
Description
本発明は、風車制御装置及びその方法並びに風力発電システムに関するものである。
例えば、発電機のトリップや系統故障などにより電力供給能力が低下した場合、系統擾乱(周波数の変動等)が発生することが知られている。このような系統擾乱時における風車の制御方法として、例えば、日本特許第4782245号公報には、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に基づいて、系統擾乱を抑制する方向に風車の有効電力を制御する方法が開示されている。
近年、風力発電の発電規模は拡大しており、系統擾乱が発生した場合には、初期から擾乱を抑制することが有効となる。
本発明は、系統擾乱が発生した場合に、発生初期の段階から周波数変動を抑制することのできる風車制御装置及びその方法並びに風力発電システムを提供することを目的とする。
本発明は、系統擾乱が発生した場合に、発生初期の段階から周波数変動を抑制することのできる風車制御装置及びその方法並びに風力発電システムを提供することを目的とする。
本発明の第1態様は、複数の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に適用され、各前記風車に対応してそれぞれ設けられた風車制御装置であって、前記連系点における周波数変動を抑制する出力指令を生成するための第1指令情報を設定する第1設定手段と、対応する前記風車の出力の周波数変動を抑制する出力指令を生成するための第2指令情報を設定する第2処理手段と、前記連系点における周波数変動が所定の第1閾値を超える系統擾乱が発生した場合に、該系統擾乱の初期段階に前記第2指令情報を選択し、当該系統擾乱の後期段階に前記第1指令情報を選択する選択手段と、前記選択手段によって選択された指令情報を用いて出力指令を生成する指令生成手段とを具備する風車制御装置である。
本発明の第2態様は、複数の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に適用される各前記風車の制御方法であって、前記連系点における周波数変動を抑制する出力指令を生成するための第1指令情報を設定する第1設定過程と、対応する前記風車の出力の周波数変動を抑制する出力指令を生成するための第2指令情報を設定する第2処理過程と、前記連系点における周波数変動が所定の第1閾値を超える系統擾乱が発生した場合に、該系統擾乱の初期段階に前記第2指令情報を選択し、当該系統擾乱の後期段階に前記第1指令情報を選択する選択過程と、前記選択過程によって選択された指令情報を用いて出力指令を生成する指令生成過程とを含む風車の制御方法である。
本発明の第3態様は、複数の風車を備え、各前記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、前記連系点における出力を制御する中央制御手段と、各前記風車に対応してそれぞれ設けられ、対応する前記風車の出力を制御する複数の風車制御手段とを備え、前記中央制御手段は、前記連系点における周波数変動を抑制する出力指令を生成するための第1指令情報を設定する第1処理手段と、前記第1処理手段によって設定された各前記風車の第1指令情報をそれぞれの前記風車に送信する送信手段とを備え、各前記風車制御手段は、前記中央制御手段から前記第1指令情報を受信する受信手段と、受信した前記第1指令情報を設定する第1設定手段と、対応する前記風車の出力の周波数変動を抑制する出力指令を生成するための第2指令情報を設定する第2処理手段と、前記連系点における周波数変動が所定の第1閾値を超える系統擾乱が発生した場合に、該系統擾乱の初期段階に前記第2指令情報を選択し、当該系統擾乱の後期段階に前記第1指令情報を選択する選択手段と、前記選択手段によって選択された指令情報を用いて出力指令を生成する指令生成手段とを具備する風力発電システムである。
本発明によれば、系統擾乱が発生した場合に、発生初期の段階から周波数変動を抑制することができるという効果を奏する。
以下、本発明の一実施形態に係る風車制御装置及びその方法並びに風力発電システムについて図面を参照して説明する。
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す図である。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10−1,・・・,10−n(以下、全ての風車を示すときは単に符号「10」を付し、各風車を示すときは符号「10−1」、「10−n」等を付す。)と、各風車10に対して第1補正値を与える中央制御装置2とを備えている。
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す図である。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10−1,・・・,10−n(以下、全ての風車を示すときは単に符号「10」を付し、各風車を示すときは符号「10−1」、「10−n」等を付す。)と、各風車10に対して第1補正値を与える中央制御装置2とを備えている。
本実施形態において、全ての風車10は、風速に応じて回転速度を制御可能な可変速風車とされている。各風車10から出力された電力は、各電力線により共通の連系点Aを経由して電力系統3に供給される。
連系点Aの系統周波数は、周波数検出部25(図5参照)によって計測され、中央制御装置2に出力される。
連系点Aの系統周波数は、周波数検出部25(図5参照)によって計測され、中央制御装置2に出力される。
中央制御装置2は、連系点Aにおける出力を制御する制御装置であり、平常時においては、例えば、電力系統3の電力を管理する電力管理室(例えば、電力会社等)から通知される要求周波数や要求電力値に、連系点Aにおける出力を一致させるような有効電力指令を各風車に対して設定する。中央制御装置2によって設定された各風車の有効電力指令は、各風車10−1,・・・,10−nが備える風車制御装置20に送信され、この有効電力指令に基づく出力制御が各風車において行われる。
図2は、風車10の外観図、図3は風車10の電気的構成を示した模式図である。
図2に示すように、風車10は、基礎5上に立設されるタワー6と、タワー6の上端に設置されるナセル7と、略水平な軸線周りに回転可能にしてナセル7に設けられるロータヘッド8とを有している。
図2に示すように、風車10は、基礎5上に立設されるタワー6と、タワー6の上端に設置されるナセル7と、略水平な軸線周りに回転可能にしてナセル7に設けられるロータヘッド8とを有している。
ロータヘッド8には、その回転軸線周りに複数のブレード9が放射状に取り付けられている。ブレード9は、運転条件に応じてロータヘッド8に対して回動可能なように連結されており、ピッチ角が変化可能とされている。
図3に示すように、ロータヘッド8の回転軸21には、増速機22および発電機23が機械的に連結されている。発電機23は、同期発電機であってもよいし、誘導発電機であってもよい。増速機23が設けられていない構成とすることも可能である。
ロータヘッド8の回転軸線方向からブレード9に当たった風の力によってロータヘッド8が回転軸周りに回転させられ、その回転力が増速機22により増速されて、発電機23に伝達され、電力に変換される。発電機23の発電電力は、電力変換部24により電力系統3に応じた電力に変換され、変圧器19を介して電力系統1へ供給される。
電力変換部24は、風車制御装置20によって制御される。風車制御装置20は、電力変換部24を制御することにより発電機23の出力を制御する機能、ブレード9のピッチ角を制御する機能等を備えている。
上記中央制御装置2及び風車制御装置20は、コンピュータを備えており、例えば、図4に示すように、CPU11と、CPU11が実行するプログラム等を記憶するためのROM(Read Only Memory)12と、各プログラム実行時のワーク領域として機能するRAM(Random Access Memory)13と、大容量記憶装置としてのハードディスクドライブ(HDD)14と、通信ネットワークに接続するための通信インターフェース15とをそれぞれ備えている。これら各部は、バス18を介して接続されている。
また、中央制御装置2は、外部記憶装置が装着されるアクセス部、キーボードやマウス等からなる入力部、およびデータを表示する液晶表示装置等からなる表示部などを備えていてもよい。
上記CPU11が実行するプログラム等を記憶するための記憶媒体は、ROM12に限られない。例えば、磁気ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリ等の他の補助記憶装置であってもよい。
図5は、中央制御装置2及び風車制御装置20が備える機能のうち、例えば、系統擾乱(周波数変動)が発生した場合に作動する周波数制御に関する機能を主に示した機能ブロック図である。
中央制御装置2は、連系点Aにおける周波数変動を抑制するための第1指令情報を風車毎に生成し、生成した第1指令情報を各風車10−1、・・・10−nの風車制御装置20に送信する。
中央制御装置2は、連系点Aにおける周波数変動を抑制するための第1指令情報を風車毎に生成し、生成した第1指令情報を各風車10−1、・・・10−nの風車制御装置20に送信する。
例えば、中央制御装置2は、図5に示すように、第1処理部31と、送信部32とを備えている。
第1処理部31は、偏差算出部33と、パラメータ変換部34と、補正値設定部35とを備えている。
第1処理部31は、偏差算出部33と、パラメータ変換部34と、補正値設定部35とを備えている。
偏差算出部33は、周波数検出部25によって検出された系統周波数と電力管理室から通知される定格周波数との偏差である系統周波数偏差Δfgridを算出する。すなわち、系統周波数偏差Δfgridは、以下の(1)式で表わされる。
Δf=fref−fgrid (1)
上記(1)式においてfrefは定格周波数、fgridは系統周波数である。
パラメータ変換部34は、周波数偏差Δfと電力補正値ΔPとの関係が設定された変換情報を有しており、この変換情報を用いて偏差算出部33によって算出された系統周波数偏差Δfgridに対応する系統電力補正値ΔPgridを取得する。
図6に変換情報の一例を示す。図6において横軸は周波数偏差Δf、縦軸は電力補正値ΔPを示している。図6に示された変換特性は、風車の設計に応じて任意に設定できるものであり、ここでは、傾きが正の一次関数として定義されている。
パラメータ変換部34で取得された系統電力補正値ΔPgridは、補正値設定部35に出力される。補正値設定部35は、系統電力補正値ΔPgridを運転中の風車の台数nで除算することにより、系統電力補正値ΔPgridを均等に各風車に按分し、各風車に対応する第1電力補正値ΔPid_n,・・・,ΔPid_nを設定する。
なお、各風車10−1,・・・10−nに対して重み付け係数を予め設定しておき、この重み付け係数を利用して、系統電力補正値ΔPgridの運転中の各風車に対する配分を決定することとしてもよい。
このようにして設定された各風車の第1電力補正値ΔPid_1,・・・,ΔPid_nは、第1指令情報として各風車の風車制御装置20に送信される。
このようにして設定された各風車の第1電力補正値ΔPid_1,・・・,ΔPid_nは、第1指令情報として各風車の風車制御装置20に送信される。
各風車制御装置20は、受信部40と、第1設定部41と、第2処理部42と、選択部43と、状態判定部44と、有効電力指令生成部45とを備えている。なお、各風車10−1,・・・,10−nが備える風車制御装置20の構成は同様であることから、以下、説明の便宜上、風車10−1の風車制御装置20の構成を代表例に挙げて説明する。
受信部40は、中央制御装置2から送信された第1電力補正値ΔPid_1を受信し、第1設定部41に出力する。第1設定部41は、受信部40によって受信された第1電力補正値ΔPid_1を設定する。このように、第1設定部41によって設定される第1電力補正値ΔPid_1は、系統周波数の変動を抑制するための電力補正値とされる。
第2処理部42は、対応する風車10−1の出力の周波数変動を抑制する出力指令を生成するための第2指令情報を設定する。具体的には、第2処理部42は、偏差算出部46と、パラメータ変換部47とを備えている。
第2処理部42は、対応する風車10−1の出力の周波数変動を抑制する出力指令を生成するための第2指令情報を設定する。具体的には、第2処理部42は、偏差算出部46と、パラメータ変換部47とを備えている。
偏差算出部46には、周波数検出部26によって検出された風車10−1の出力の周波数(以下「風車周波数」という。)が入力される。偏差算出部46は、入力された風車周波数と上記定格周波数との風車周波数偏差Δfwd_1を算出する。すなわち、風車周波数偏差Δfwd_1は、以下の(2)式で表わされる。
Δfwd_1=fref−fwd_1 (2)
上記(2)式においてfrefは定格周波数、fwd_1は風車10−1の風車周波数である。
パラメータ変換部47は、例えば、図6に示した変換情報を有しており、この変換情報を用いて偏差算出部46によって算出された風車周波数偏差Δfwd_1に対応する風車電力補正値ΔPwd_1を取得し、これを第2電力補正値(第2指令情報)として設定する。
選択部43には、第1設定部41によって設定された第1電力補正値と、第2処理部42によって設定された第2電力補正値とが入力される。選択部43は、系統擾乱が発生した場合に、当該系統擾乱の初期段階に第2電力補正値を選択し、当該系統擾乱の後期段階に第1電力補正値を選択して、有効電力指令生成部45に出力する。系統擾乱が発生したこと、系統擾乱の初期段階であること、系統擾乱の後期段階であることは、状態判定部44からの入力信号によって判別される。
状態判定部44は、連系点Aにおける周波数変動が所定の第1閾値を超えた場合に系統擾乱の発生を検知し、High信号を選択部43に出力する。また、擾乱発生後において、系統周波数の変動幅が第1閾値以下の値に設定された第2閾値未満である状態が所定の期間以上維持された場合に、初期段階から後期段階に移行したと判定して、出力信号をHigh信号からLow信号に切り替える。
選択部43は、状態判定部44からHigh信号が入力されている期間において、第2電力補正値ΔPwd_1を選択する。また、選択部43は、状態判定部44からLow信号が入力されている期間において、第1電力補正値ΔPid_1を選択して、有効電力指令生成部45に出力する。
有効電力指令生成部45は、例えば、基準となる基準有効電力指令を保有しており、この基準有効電力指令に選択部43から入力された第1電力補正値または第2電力補正値を加算することで、有効電力指令を生成する。更に、この有効電力指令に基づいて電力変換部24を制御するための制御信号Pdemを生成し、電力変換部24に出力する。
なお、上記基準有効電力指令は固定値であってもよいし、現在の発電機23の出力、ロータヘッド8の回転数、ブレード9のピッチ角、及び風速等を用いて所定の演算を行うことにより逐次演算される値であってもよい。
上記構成を備える風力発電システムにおいては、中央制御装置2により、系統周波数が定格周波数となるような第1電力補正値が所定の時間間隔で設定され、この第1電力補正値が各風車の風車制御装置20に送信される。
風車制御装置20では、受信部40により中央制御装置2からの第1電力補正値が受信されて、第1設定部41により第1電力補正値が設定される。更に、第2処理部42により、対応する風車の出力周波数を定格周波数とする第2電力補正値が設定される。
状態判定部44では、例えば、図7に示すように、時刻T0において系統擾乱が発生したことが検知されるとHigh信号が出力され、その後、時間が経過することにより、図7の時刻T1において、連系点Aにおける周波数変動が第2閾値未満である状態が所定の期間維持されたことが検知されると、系統擾乱の後期段階に移行したことが検知されて出力信号がHigh信号からLow信号に切り替えられる。
これにより、選択部43においては、系統擾乱発生から初期段階においては(図7の時刻T0からT1の期間)、第2電力補正値が選択され、系統擾乱の初期段階から後期段階に移行した後においては(図7の時刻T1以降)、第1電力補正値が選択される。従って、系統擾乱発生の初期段階においては、風車周波数の変動を抑制する第2電力補正値を用いた有効電力指令が有効電力指令生成部45によって生成され、この有効電力指令に基づいて風車の出力が制御される。また、系統擾乱の後期段階においては、系統周波数の変動を抑制する第1電力補正値を用いた有効電力指令が有効電力指令生成部45によって生成され、この有効電力指令に基づいて風車の出力が制御される。
以上説明したように、本実施形態に係る風車制御装置20及びその方法並びに風力発電システム1によれば、系統擾乱が発生した場合に、系統擾乱の初期段階においては風車の個々の出力の周波数変動を抑制する出力制御各風車において行われ、系統擾乱の後期段階においては連系点Aにおける系統周波数を抑制する出力制御が各風車において行われる。
風車毎の出力周波数を抑制する制御は、系統周波数を抑制する制御よりも応答性が高い。従って、系統擾乱の初期段階においては風車毎の出力周波数変動を抑制する制御を選択することにより、連系点Aにおける周波数変動を効果的に抑制することが可能となる。
本実施形態においては、連系点Aにおける周波数変動が第2閾値未満である状態が所定の期間維持された場合に、系統擾乱の後期段階に移行したと判定していたが、この条件に代えて、例えば、連系点Aにおける周波数変動の周期が予め設定されている第3閾値を超えた場合に、系統擾乱の後期段階に移行したと判断することとしてもよい。更に、状態判定部44がこれら2つの条件を保有しており、いずれか一方の条件を満たした場合に、系統擾乱の後期段階に移行したと判断することとしてもよい。
本実施形態では、系統周波数に基づいて系統擾乱の発生、初期段階から後期段階への移行を判定していたが、これに代えて、各風車の出力周波数を用いて、系統擾乱の発生、初期段階から後期段階への移行を判定することとしてもよい。
本実施形態では、第1設定部、第2処理部によってそれぞれ設定される第1指令情報、第2指令情報を電力補正値としていたが、これに代えて、第1電力補正値が反映された第1有効電力指令、第2電力補正値が反映された第2有効電力指令を第1指令情報、第2指令情報として設定することとしてもよい。
この場合には、例えば、第1設定部41と選択部43との間、及び、パラメータ変換部47と選択部43との間に、有効電力指令生成部45を設ければよい。更に、この場合においては、中央制御装置2が風車毎に連系点Aにおける周波数変動を抑制するような第1有効電力指令を生成し、生成した第1有効電力指令を各風車10に対して送信することとしてもよい。この場合、中央制御装置2から受信した第1有効電力指令が第1設定部41によって設定されることとなる。
1 風力発電システム
2 中央制御装置
3 電力系統
10−1、10−n 風車
20 風車制御装置
25、26 周波数検出部
31 第1処理部
32 送信部
33 偏差算出部
34 パラメータ変換部
35 補正値設定部
40 受信部
41 第1設定部
42 第2処理部
43 選択部
44 状態判定部
45 有効電力指令生成部
46 偏差算出部
47 パラメータ変換部
A 連系点
2 中央制御装置
3 電力系統
10−1、10−n 風車
20 風車制御装置
25、26 周波数検出部
31 第1処理部
32 送信部
33 偏差算出部
34 パラメータ変換部
35 補正値設定部
40 受信部
41 第1設定部
42 第2処理部
43 選択部
44 状態判定部
45 有効電力指令生成部
46 偏差算出部
47 パラメータ変換部
A 連系点
Claims (7)
- 複数の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に適用され、各前記風車に対応してそれぞれ設けられた風車制御装置であって、
前記連系点における周波数変動を抑制する出力指令を生成するための第1指令情報を設定する第1設定手段と、
対応する前記風車の出力の周波数変動を抑制する出力指令を生成するための第2指令情報を設定する第2処理手段と、
前記連系点における周波数変動が所定の第1閾値を超える系統擾乱が発生した場合に、該系統擾乱の初期段階に前記第2指令情報を選択し、当該系統擾乱の後期段階に前記第1指令情報を選択する選択手段と、
前記選択手段によって選択された指令情報を用いて出力指令を生成する指令生成手段と
を具備する風車制御装置。 - 前記第1処理手段は、周波数変動と第1指令情報との関係が予め設定されている変換情報を用いて、前記連系点における周波数変動に対応する第1指令情報を取得して設定する請求項1に記載の風車制御装置。
- 前記第2処理手段は、周波数変動と第2指令情報との関係が予め設定されている変換情報を用いて、前記風車の出力の周波数変動に対応する第2指令情報を取得して設定する請求項1または請求項2に記載の風車制御装置。
- 周波数変動が前記第1閾値以下の値に設定された第2閾値未満である状態が所定の期間維持された場合、または、該周波数の変動周期が所定の第3閾値を越えた場合に、前記初期段階から前記後期段階に移行したと判定する状態判定手段を備え、
前記選択手段は、前記状態判定手段の判定結果に基づいて選択を行う請求項1から請求項3のいずれかに記載の風車制御装置。 - 前記第1設定手段は、前記連系点における出力を制御する中央制御手段から前記第1指令情報を受信し、受信した前記第1指令情報を設定する請求項1から請求項4のいずれかに記載の風車制御装置。
- 複数の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に適用される各前記風車の制御方法であって、
前記連系点における周波数変動を抑制する出力指令を生成するための第1指令情報を設定する第1設定過程と、
対応する前記風車の出力の周波数変動を抑制する出力指令を生成するための第2指令情報を設定する第2処理過程と、
前記連系点における周波数変動が所定の第1閾値を超える系統擾乱が発生した場合に、該系統擾乱の初期段階に前記第2指令情報を選択し、当該系統擾乱の後期段階に前記第1指令情報を選択する選択過程と、
前記選択過程によって選択された指令情報を用いて出力指令を生成する指令生成過程と
を含む風車の制御方法。 - 複数の風車を備え、各前記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、
前記連系点における出力を制御する中央制御手段と、
各前記風車に対応してそれぞれ設けられ、対応する前記風車の出力を制御する複数の風車制御手段と
を備え、
前記中央制御手段は、
前記連系点における周波数変動を抑制する出力指令を生成するための第1指令情報を設定する第1処理手段と、
前記第1処理手段によって設定された各前記風車の第1指令情報をそれぞれの前記風車に送信する送信手段と
を備え、
各前記風車制御手段は、
前記中央制御手段から前記第1指令情報を受信する受信手段と、
受信した前記第1指令情報を設定する第1設定手段と、
対応する前記風車の出力の周波数変動を抑制する出力指令を生成するための第2指令情報を設定する第2処理手段と、
前記連系点における周波数変動が所定の第1閾値を超える系統擾乱が発生した場合に、該系統擾乱の初期段階に前記第2指令情報を選択し、当該系統擾乱の後期段階に前記第1指令情報を選択する選択手段と、
前記選択手段によって選択された指令情報を用いて出力指令を生成する指令生成手段と
を具備する風力発電システム。
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