JPWO2013125045A1 - 風力発電システム及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

出力低減要求に従って出力低減を行っている場合に、風速低下に起因する風力発電システムの出力低下を抑制することを目的とする。連系点Ａにおける出力を所定の出力制限値まで低減させる出力低減要求が電力系統側から通知された場合に、出力の大きい風車ほど優先度が高くなるように優先度を設定し、連系点Ａにおける出力が出力制限値に達するまで、優先度が高い風車から順番に、予め設定されている最低出力値を出力指令として設定する。

Description

本発明は、風力発電システム及びその制御方法に関するものである。

従来、複数の風車を有する風力発電システム（ウィンドファーム）において、系統側からシステム側へ出力を所定値まで低減させるよう求められることがある。例えば、米国特許第７，７５６，６０９号公報には、出力低減要求が出された場合に、出力低減量を各風車に按分した値に、風車毎の重み付け値を考慮して各風車の出力指令を設定する方法が開示されている。

米国特許第７，７５６，６０９号公報

しかしながら、上述のような出力低減方法では、風速が低下した場合に、各風車の出力がそれぞれに設定された出力指令未満となってしまい、風力発電システム全体としての出力が、系統側から要求された出力低減量以上に低減されてしまう可能性があった。

本発明は、出力低減要求に従って出力低減を行っている場合に、風速が低下しても、それに起因する風力発電システム全体としての出力低下を抑制することのできる風力発電システム及びその制御方法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所定の出力制限値まで低減させる出力低減要求が電力系統側から通知された場合に、出力の大きい前記風車ほど優先度が高くなるように優先度を設定する優先度設定手段と、前記連系点における出力が前記出力制限値に達するまで、前記優先度が高い風車から順番に、出力指令として所定の最低出力値を設定する出力指令設定手段とを具備し、前記最低出力値は、ゼロ又は風車の連続運転が可能な最低出力値に設定されている風力発電システムである。

本発明の第２態様は、複数の風車を備え、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制御方法であって、前記連系点における出力を所定の出力制限値まで低減させる出力低減要求が電力系統側から通知された場合に、出力の大きい前記風車ほど優先度が高くなるように優先度を設定する優先度設定過程と、前記連系点における出力が前記出力制限値に達するまで、前記優先度が高い風車から順番に、出力指令として所定の最低出力値を設定する出力指令設定過程とを含み、前記最低出力値は、ゼロ又は風車の連続運転が可能な最低出力値に設定されている風力発電システムの制御方法である。

本発明によれば、出力低減要求に従って出力低減を行っている場合に、風速が低下しても、それに起因する風力発電システム全体としての出力低下を抑制することができるという効果を奏する。

本発明の一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に示した中央制御装置のハードウェア構成の一例を示した図である。 図１に示した風車の外観図である。 図１に示した風車の電気的構成を概略的に示した模式図である。 図１に示した中央制御装置が備える機能のうち、出力低減制御に関する機能を主に示した機能ブロック図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電システムの制御方法を説明するためのフローチャートである。 風車に設定される優先度の一例を示した図である。 出力低減量と第１差分との関係を示した図である。 本発明の効果を説明するための図である。

以下、本発明の一実施形態に係る風力発電システム及びその御制方法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に対して出力指令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。

中央制御装置２は、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）から通知される連系点Ａにおける要求出力及び要求周波数等に基づいて、例えば、連系点Ａにおける出力が要求出力となるような各風車１０−１，・・・，１０−ｎの出力指令を設定し、各風車１０−１，・・・，１０−ｎが備える風車制御装置２０に対してそれぞれ送信する。これにより、各風車１０−１，・・・，１０−ｎの出力が、中央制御装置２から与えられた出力指令に基づいて制御される。

また、中央制御装置２は、電力管理室から連系点Ａにおける出力を所定の出力制限値まで低減させる要求である出力低減要求が通知された場合に、出力低減制御を実行する。なお、出力低減制御の詳細については後述する。
また、上記「出力」は、例えば、有効電力を意味する。

中央制御装置２は、例えば、図２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、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、外部記憶装置１６が装着されるアクセス部１７とを備えている。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、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３は、風車１０の外観図、図４は風車１０の電気的構成を示した模式図である。
図３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４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の出力は、ナセル７内に設置された風車制御装置２０によって制御される。

風車制御装置２０は、発電機出力制御部２５及びピッチ角制御部２６を備えている。
発電機出力制御部２５は、中央制御装置２から受信した出力指令に基づいて、発電機２３の出力を制御するための発電機出力指令Ｐｄｅｍを設定し、発電機２３へ送信する。例えば、発電機出力指令Ｐｄｅｍは、中央制御装置２からの出力指令、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、及び風速等に基づいて決定される。
発電機２３は、発電機出力指令Ｐｄｅｍに基づいて、出力を変化させる。

ピッチ角制御部２６は、ブレード９のピッチ角を制御するためにピッチ角指令θｄｅｍを設定し、ロータヘッド８に内蔵されているピッチ角を変化させるピッチアクチュエータ（不図示）へ送信する。ピッチ角指令θｄｅｍは、現在のピッチ角、ブレード９が受ける風の速度、及びロータヘッド８の回転数等に基づいて決定される。
ピッチアクチュエータは、ピッチ角指令θｄｅｍに基づいて、各ブレード９のピッチ角を変化させる。

次に、電力管理室から出力低減要求が通知された場合に、中央制御装置２によって実行される出力低減制御について説明する。図５は、中央制御装置２が備える機能のうち、出力低減制御に関する機能を主に示した機能ブロック図である。また、中央制御装置２には、図１に示すように、各風車１０−１，・・・，１０−ｎの風車制御装置２０から各風車１０−１，・・・，１０−ｎの出力が入力されるようになっている。

図５に示すように、中央制御装置２は、優先度設定部３１と、出力指令設定部３２とを備えている。

優先度設定部３１は、各風車１０−１，・・・１０−ｎから通知される出力の情報に基づいて、出力が大きい風車ほど優先度が高くなるように優先度を設定する。
出力指令設定部３２は、連系点Ａにおける出力が電力管理室から通知された所定の出力制限値に達するまで、優先度が高い風車から順番に、予め設定されている最低出力値まで出力を低下させる。

ここで、最低出力値は、ゼロ（０ｋＷ）又は風車の連続運転が可能な最低出力値（例えば、４８０ｋＷ）に設定されている。

以下、上記中央制御装置２によって実現される処理について図６を参照して説明する。
まず、所定の出力制限値まで出力を低減させる出力低減要求が通知されると、現在の連系点Ａにおける出力Ｐｋｗｓ（すなわち、風力発電システム１全体の出力）が、通知された所定の出力制限値Ｐｋｗｃよりも大きいか否かを判定する（ステップＳＡ１）。

この結果、連系点Ａの出力Ｐｋｗｓが出力制限値Ｐｋｗｃ以下であれば（ステップＳＡ１において「ＮＯ」）、出力低減制御は不要となり、処理を終了する。一方、連系点Ａの出力Ｐｋｗｓが出力制限値Ｐｋｗｃよりも大きい場合には（ステップＳＡ１において「ＹＥＳ」）、各風車１０−１，・・・，１０−ｎの現在の出力に基づいて出力が高い風車から順に高い優先度を設定する（ステップＳＡ２）。図７に、優先度ｊの一例を示す。図７では、一例として、優先度１に風車１０−４が、優先度２に風車１０−７が、優先度３に風車１０−２が、優先度ｍに風車１０−ｉが、優先度ｎに風車１０−ｋが設定されている。

次に、出力制限値Ｐｋｗｃと連系点Ａにおける出力Ｐｋｗｓとの差分である第１差分ΔＰを算出する（ステップＳＡ３）。すなわち、第１差分ΔＰは、以下の（１）式で表わされる。

ΔＰ＝Ｐｋｗｓ−Ｐｋｗｃ （１）

次に、最も優先度ｊの高い風車（ｊ＝１）、すなわち、風車１０−４を対象風車に選定し（ステップＳＡ４）、続いて、対象風車の出力Ｐｋｗｗ（ｊ）と予め設定されている上述の最低出力値Ｐｋｗｗ＿ｍｉｎとの差分である第２差分ΔＰｄを算出する（ステップＳＡ５）。すなわち、第２差分ΔＰｄは、以下の（２）式で表わされる。

ΔＰｄ＝Ｐｋｗｗ（ｊ）−Ｐｋｗｗ＿ｍｉｎ （２）

次に、第２差分ΔＰｄが第１差分ΔＰ未満であるか否かを判定し（ステップＳＡ６）、第２差分ΔＰｄが第１差分ΔＰ未満である場合に（ステップＳＡ６において「ＹＥＳ」）、対象風車である風車１０−４の出力指令Ｐｋｗｗｏ（ｊ）として最低出力値Ｐｋｗｗ＿ｍｉｎを設定して、この出力指令Ｐｋｗｗｏ（ｊ）を対象風車１０−４に出力する（ステップＳＡ７）。これにより、風車１０−４の出力が最低出力値Ｐｋｗｗ＿ｍｉｎになるような制御が風車制御装置２０によって行われることとなる。
続いて、第１差分ΔＰから第２差分ΔＰｄを引いた値を新たな第１差分ΔＰとして設定する（ステップＳＡ８）。

続いて、優先度ｊを１つインクリメントして（ｊ＝ｊ＋１）、対象風車として優先度２の風車である風車１０−７を設定し（ステップＳＡ９）、ステップＳＡ５に戻る。これにより、風車１０−７についても同様の処理が行われる。

このようにして、ステップＳＡ６において「ＮＯ」と判断されるまで、ステップＳＡ５からステップＳＡ９の処理が優先度の高い風車から順に繰り返されることとなり、優先度の高い風車１０−４、１−７、１０−２、・・・から順に最低出力値Ｐｋｗｗ＿ｍｉｎである出力指令が設定される。これにより、図８に示すように、連系点Ａにおける出力低減量は累積されることとなり、図６のステップＳＡ８において更新される第１差分ΔＰの値が徐々にゼロに近づくことになる。

そして、図８に示すように、優先度ｍの風車１０−ｉについて、第１差分ΔＰが第２差分ΔＰｄ以下となった場合には、図６のステップＳＡ６において「ＮＯ」と判断され、対象風車である風車１０−ｉの出力指令Ｐｋｗｗｏ（ｊ）としてこの時点での第１差分ΔＰが設定され、風車１０−ｉに送信される（ステップＳＡ１０）。

これにより、図８に示すように、風車全体の出力低減量が目標出力低減量Ｐ＿ｔａｒｇｅｔ、すなわち、図６のステップＳＡ３において算出した初期の第１差分ΔＰに一致することとなる。換言すると、連系点Ａにおける出力が出力制限値に一致することとなる。
このようにして、連系点Ａにおける出力が電力管理室から通知された出力制限値に一致すると、中央制御装置２は、出力低減処理を終了する。

また、この場合、優先度がｊ＝ｍよりも低く設定されている残りの風車に対しては、出力低減の指令が中央制御装置２から出力されない。これにより、残りの風車に対しては、中央制御装置２から出力低減要求が通知される前と同じ出力指令が出力されることとなる。これにより、優先度がｊ＝ｍよりも低い風車に関しては、出力低減要求の通知にかかわらず、通知前と同じ制御が継続して行われることとなる。

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及びその制御方法によれば、連系点Ａにおける出力を所定の出力制限値まで低減させる出力低減要求が電力系統側から通知された場合に、出力の大きい風車ほど優先度が高くなるように優先度を設定し、連系点Ａにおける出力が出力制限値に達するまで、優先度が高い風車から順番に、予め設定されている最低出力値まで出力を低下させる。

この最低出力値は、風速が低下しても風車の出力が下がらないような出力範囲におけるいずれかの出力値に設定されている。従って、出力低減制御中に、風速が低下したとしても、出力指令が最低出力値に設定されている風車に関しては風速低下の影響を回避することができる。この結果、風速低下に起因する風力発電システム全体の出力低減を抑制することが可能となる。

例えば、出力低減要求が通知された場合に、全ての風車１０の出力を所定量低下させるような出力指令（例えば、図９の点線）を設定した場合、風速が低下すると、各風車の出力は風速の低下に応じて低減する。これにより、連系点Ａにおける出力は、出力制限値以下に落ち込んでしまい、供給不足（図９のハッチング領域に相当）が発生する。

しかしながら、本実施形態に係る風力発電システム及びその制御方法によれば、風速低下に起因した出力低減が顕著に現れる風車、すなわち、出力が大きい風車の出力指令を優先的に最低出力値まで低下させる。最低出力値は、図９に実線で示すように、風車の出力が風速に応じて変化しない出力範囲内の値に設定されているため、風速が低下しても、風車の出力は風速低下の影響を受けないこととなる。

また、出力がもともと大きくない風車、すなわち、優先度の低い風車については、出力指令が最低出力値に設定されないことから、風速の低下による影響を受ける。しかしながら、優先度の低い風車に関しては、優先度の高い風車と比べて出力自体が小さいため、風速低下による出力変動幅が小さいこととなる。
よって、本実施形態に係る風力発電システム１及びその制御方法によれば、出力低減制御中における風速低下に起因する風力発電システム全体の出力低減を抑制することが可能となる。

なお、本実施形態において、出力指令設定部３２は、図６のステップＳＡ６において「ＮＯ」に該当したときの対象風車、換言すると、出力を最低出力値まで低下させてしまうと、連系点Ａにおける出力が出力制限値以下となってしまう優先度に該当する風車（上記の例では、風車１０−ｉ）については、連系点Ａの出力が出力制限値となるような出力値ΔＰを出力指令として設定していた。これ代えて、この風車１０−ｉについても他の風車と同様に、最低出力値を設定することとしてもよい。

この場合、風速の低下が発生した場合における風力発電システム全体の出力低下量は、上述した出力値ΔＰを設定した場合と比べて低下することとなるが、この場合でも、従来手法に比べて、風速低下による出力低減を抑制することができるという効果を奏することが可能である。

また、本実施形態では、対象風車に対して出力指令が設定された時点でそれぞれの対象風車に対して出力指令を送信していたが、これに代えて、全ての風車に対する出力指令が設定されたときに、各風車に対してそれぞれの出力指令を送信することとしてもよい。

また、本実施形態では、出力低減要求が通知された場合に、図６に示される処理を１度行うだけであったが、出力低減要求が通知されてからこの出力低減要求が解除されるまでの期間に渡って、所定の時間間隔で図６に示す処理を繰り返し行うこととしてもよい。このようにすることで、その時々の風況に応じて適切な風車の出力指令を最低出力値に設定することができ、出力制御の更なる精度向上を図ることが可能となる。

１ 風力発電システム
１０−１、１０−ｎ 風車
２ 中央制御装置
３ 電力系統
２０ 風車制御装置
３１ 優先度設定部
３２ 出力指令設定部
Ａ 連系点

Claims (6)

1. 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所定の出力制限値まで低減させる出力低減要求が電力系統側から通知された場合に、出力の大きい前記風車ほど優先度が高くなるように優先度を設定する優先度設定手段と、
   前記連系点における出力が前記出力制限値に達するまで、前記優先度が高い風車から順番に、出力指令として所定の最低出力値を設定する出力指令設定手段とを具備し、
   前記最低出力値は、ゼロ又は風車の連続運転が可能な最低出力値に設定されている風力発電システム。
2. 前記出力指令設定手段は、出力を前記最低出力値まで低下させてしまうと、前記連系点における出力が前記出力制限値以下となってしまう優先度に該当する風車については、前記連系点の出力が前記出力制限値となるような出力指令値を設定する請求項１に記載の風力発電システム。
3. 前記出力指令設定手段は、前記出力低減要求が通知された場合に、前記連系点における出力と前記出力制限値との差分である第１差分を算出し、この第１差分がゼロになるように、前記優先度が高い風車から順番に、前記最低出力値の出力指令を設定する請求項１または請求項２に記載の風力発電システム。
4. 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の制御方法であって、
   前記連系点における出力を所定の出力制限値まで低減させる出力低減要求が電力系統側から通知された場合に、出力の大きい前記風車ほど優先度が高くなるように優先度を設定する優先度設定過程と、
   前記連系点における出力が前記出力制限値に達するまで、前記優先度が高い風車から順番に、出力指令として所定の最低出力値を設定する出力指令設定過程とを含み、
   前記最低出力値は、ゼロ又は風車の連続運転が可能な最低出力値に設定されている風力発電システムの制御方法。
5. 前記出力指令設定過程では、出力を前記最低出力値まで低下させてしまうと、前記連系点における出力が前記出力制限値以下となってしまう優先度に該当する風車については、前記連系点の出力が前記出力制限値となるような出力指令値を設定する請求項４に記載の風力発電システムの制御方法。
6. 前記出力指令設定手段は、前記出力低減要求が通知された場合に、前記連系点における出力と前記出力制限値との差分である第１差分を算出し、この第１差分がゼロになるように、前記優先度が高い風車から順番に、前記最低出力値の出力指令を設定する請求項４または請求項５に記載の風力発電システムの制御方法。

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