JPWO2013132635A1 - 風車の出力制御装置及び出力制御方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】出力上限値に対する出力のオーバーシュート及びアンダーシュートを抑制可能であり、且つ、出力上限値近傍に風車出力を迅速に到達させることが可能である風車の出力制御装置及び出力制御方法を提供する。【解決手段】風車の出力制御装置は、風車の出力上限値Plimitの出力に対する差分Xpresentを求める出力差分算出部52と、前記差分Xpresentの大きさに応じて風車の最大出力レートVを設定する最大出力レート設定部50と、風車の出力レートV*が最大出力レートVを超えないように出力指令値P*を算出する出力指令値算出部44と、出力指令値P*に基づいて風車出力を制御する出力制御部30とを備える。最大出力レート設定部50は、少なくとも前記差分Xpresentの絶対値が閾値以下の範囲において、前記差分Xpresentの絶対値が大きいほど前記最大出力レートVを大きな値に設定する。

Description

本発明は、風車の出力(有効電力)の制御装置及び制御方法に関する。
近年、地球環境の保全の観点から、風力を利用した風力発電装置(風車)の普及が進んでいる。風力発電装置では、風の運動エネルギーをロータの回転エネルギーに変換し、さらにロータの回転エネルギーを発電機において電力に変換する。風力発電装置は電力系統に連系され、風力発電装置で生成した電力は電力系統に供給されることが多い。
電力系統の周波数は、電力の需給バランスによって決まることが知られている。すなわち、発電量が電力需要量を上回ると、電力系統に連系された発電機が電力系統における過剰電力を回転エネルギーとして蓄えようとする結果、発電機の回転数(すなわち系統周波数)が上昇する。逆に、発電量が電力需要量を下回ると、電力系統に連系された発電機が回転エネルギーを放出して電力系統における不足電力を補おうとする結果、発電機の回転数(すなわち系統周波数)が低下する。
そこで、電力需要量(負荷)の変動に追従する運転(負荷追従運転)を一部の発電所に行わせて、電力系統全体としての電力需給バランスを維持するようになっている。負荷追従運転が行われる発電所は、一般的に、燃料供給量の調節により比較的容易に出力制御が可能な火力発電所である。このように、一部の火力発電所は、電力の需給バランスを維持するための調整力として用いられる。これに対し、原子力発電所や水力発電所等は、短時間での出力制御が困難であるから、常に一定量の電力を供給し続けるベース供給力として用いられることが多い。
ここで、出力変動の大きい風力発電装置が電力系統に連系された全発電機に占める割合が高くなると、火力発電所による調整力が不足することがある。特に、電力需要量が昼間に比べて極端に少ない夜間には、調整力としての火力発電所の出力が既に最低出力付近まで絞られているから、風力発電装置の出力増加に対応することが難しい。
そのため、電力系統の調整力(下げ代)が十分でない場合、例えば風車外部の給電指令所からの指令により風力発電装置の出力上限値を設定することがある。
なお、風車の出力上限値設定とは無関係な技術であるが、調整力としての火力発電所などの発電所の出力変化レートに合わせてウインドファームのランプレートを制御する方法が知られている(特許文献1〜3参照)。この方法は、ウインドファームの出力が風の状態に応じて短時間で急激に変動しうるのに対し、火力発電所に代表される調整力としての発電所の出力が急激に変化させることが難しいことから、ウインドファームのランプレートを電力系統側の出力変化レートに合わせるものである。
米国特許出願公開第2010/0145533号明細書 米国特許第7679215号明細書 米国特許出願公開第2011/0001318号明細書
上述のように風車の出力上限値が設定される場合の出力制御方法を検討するにあたって、当初、本出願人は図10に示すようなロジックを考案した。
図10に示すロジックでは、PI制御器142において、発電機回転数の現在値ωと目標値ω との偏差に応じた出力指令値P を求め、この出力指令値P が出力指令値算出部144に入力される。また、出力指令値算出部144には、風車ブレードのピッチ角の指令値βに応じた出力最大値Pmax及び出力最小値Pminが出力制限器146から入力され、出力指令値PがPmin以上Pmax以下に制限される。なお、出力指令値算出部144には、出力指令値の前回値P pastが出力指令前回値更新部145から入力される。
また、出力指令値算出部144には最大出力レート設定部110から最大出力レートが入力され、風車出力の変化レートが最大出力レート以下に制限される。この最大出力レートは、出力上限値Plimitが風車出力の現在値P以上の場合に用いられる上昇用固定レートVconstant1と、出力上限値Plimitが風車出力の現在値Pよりも小さい場合に用いられる下降用固定レートVconstant2の2種類があり、いずれも固定値を有する。出力上限値Plimitの出力現在値Pに対する偏差Xpresent(=Plimit−P)がゼロ以上の場合には、上昇用固定レートVconstant1が最大出力レートとして最大出力レート設定部110から出力指令値算出部144に入力される。これに対し、出力上限値Plimitの出力現在値Pに対する偏差Xpresentがゼロよりも小さい場合には、下降用固定レートVconstant2が最大出力レートとして最大出力レート設定部110から出力指令値算出部144に入力される。そして、出力指令値算出部144では、出力指令前回値更新部145から入力された出力指令の前回値P pastと出力指令の現在値P とを用いて計算される出力レートVが最大出力レートを超えないように出力指令値Pが算出される。このようにして得られた出力指令値は、CCU148を介して出力制御部149に送られて、出力制御部149における制御に用いられる。
ところで、風車を所有する発電事業者の立場からすれば、出力上限値Plimit以下に風車出力を抑えるという制約下で、可能な限り風車出力の現在値Pを大きくして採算性の向上を図りたいとの要望がある。そのためには、出力上限値Plimitに対する出力現在値Pのオーバーシュート又はアンダーシュートを抑制しながら、出力現在値Pを出力上限値Plimit近傍に速やかに到達させることが望まれる。
ところが、図10に示すロジックでは、最大出力レート設定部110により設定される最大出力レートは、出力上限値Plimitと風車出力の現在値Pとの差がどのようになっていても、固定の最大出力レートVconstant1又はVconstant2によって風車出力の変化レートを制限している。そのため、出力上限値に対する出力のオーバーシュート及びアンダーシュートを抑制しつつ、出力現在値Pを出力上限値Plimitに速やかに到達させることが難しい。
すなわち、図10に示すロジックでは、出力上限値Plimitに対する風車出力の現在値Pのオーバーシュート又はアンダーシュートの防止を重視すれば、固定の出力レートVconstant1,Vconstant2を小さくすることになり、風車出力の現在値Pが出力上限値Plimitに到達するまでに多大な時間を要し、風車の発電量が伸びず、採算性が低下する。逆に、風車出力の現在値Pが出力上限値Plimitに到達するまでの時間の短縮を重視すれば、出力上限値Plimitに対する風車出力のオーバーシュート又はアンダーシュートが許容範囲を超えて発生するおそれがある。
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、出力上限値に対する出力のオーバーシュート及びアンダーシュートを抑制可能であり、且つ、出力上限値近傍に風車出力を迅速に到達させることが可能である風車の出力制御装置及び出力制御方法を提供することを目的とする。
本発明の一実施形態に係る風車の出力制御装置は、風車の出力上限値の出力に対する差分を求める出力差分算出部と、前記差分の大きさに応じて前記風車の最大出力レートを設定する最大出力レート設定部と、前記出力の変化レートが前記最大出力レートを超えないように、前記風車の出力指令値を算出する出力指令値算出部と、前記出力指令値に基づいて前記風車の出力を制御する出力制御部とを備え、前記最大出力レート設定部は、少なくとも前記差分の絶対値が閾値以下の範囲において、前記差分の絶対値が大きいほど前記最大出力レートを大きな値に設定することを特徴とする。
なお、風車の出力上限値は、風車に搭載された制御装置により独自に設定されたものであってもよいし、例えば給電指令所(dispatch center)などの風車外部の遠方の指令所によって設定されたものであってもよい。
上記風車の出力制御装置によれば、風車出力の変化レートを制限するための最大出力レートを、出力上限値の風車出力に対する差分が大きいほど大きな値に設定するようにしたので、オーバーシュート及びアンダーシュートを抑制しつつ、風車出力を出力上限値近傍に迅速に到達させることができる。
すなわち、風車出力と出力上限値との差分が大きく、オーバーシュート及びアンダーシュートの可能性が低い場合には、比較的大きな最大出力レートを用いることで、風車出力が出力上限値近傍に到達するまでの時間を短縮できる。また、風車出力と出力上限値との差分が小さく、オーバーシュート及びアンダーシュートの可能性が高い場合には、比較的小さな最大出力レートを用いることで、出力上限値に対する出力のオーバーシュート及びアンダーシュートを抑制できる。
なお、出力上限値に対する出力のオーバーシュート及びアンダーシュートを抑制するとは、出力上限値に対する出力のオーバーシュート量及びアンダーシュート量を許容範囲内に収めることを言い、必ずしも、オーバーシュート及びアンダーシュートの発生を完全に防止することまでを要求するものではない。
一実施形態において、上記風車の出力制御装置は、前記差分と前記最大出力レートとの関係を表し、前記最大出力レート設定部における前記最大出力レートの設定に用いられるルックアップテーブルと、前記出力上限値に対する前記出力のオーバーシュート量又はアンダーシュート量に基づいて前記ルックアップテーブルを更新するテーブル更新部とをさらに備えてもよい。
風車を構成するハードウェア(発電機やインバータ等)の応答特性には、通常、個体差が存在するから、最大出力レート設定部における最大出力レートの設定に用いられるルックアップテーブルの最適な内容は各風車ごとに異なる。そこで、上述のように、出力上限値に対する風車出力のオーバーシュート量又はアンダーシュート量に基づいてルックアップテーブルをテーブル更新部により更新することで、ルックアップテーブルの内容を各風車に個別の適切なものとすることができる。また、時間の経過とともにハードウェアの応答特性が変化する場合であっても、ハードウェアの応答特性の変化に追従させてルックアップテーブルの内容を適切に変更できる。
上述のようにルックアップテーブルをテーブル更新部により更新する場合、例えば、前記差分の過去値Xpastから前記差分の現在値Xpresentへの変化量の絶対値をΔXとし、前記ルックアップテーブルにおいて前記過去値Xpastに対応する前記最大出力レートをVとしたとき、前記テーブル更新部は、前記変化量の絶対値ΔXが前記現在値の絶対値|Xpresent|よりも大きい場合、前記ルックアップテーブルにおいて前記過去値Xpastに対応する前記最大出力レートをVから|Xpast|×V/ΔXに更新してもよい。なお、前記変化量の絶対値ΔXが前記現在値の絶対値|Xpresent|よりも大きい場合、オーバーシュート又はアンダーシュートが発生したことを意味し、このときのΔXは前記差分の現在値の絶対値|Xpresent|と前記差分の過去値の絶対値|Xpast|との和に相当する。
上述のように、オーバーシュート又はアンダーシュートが発生したとき、前記差分の過去値Xpastに対応する最大出力レートをVから|Xpast|×V/ΔXに更新することで、ルックアップテーブルが適切に更新され、それ以降のオーバーシュート及びアンダーシュートを効果的に抑制できる。
また、上述のようにルックアップテーブルをテーブル更新部により更新する場合、前記ルックアップテーブルは、前記出力が前記出力上限値よりも小さい場合に用いる上昇用テーブルと、前記出力が前記出力上限値よりも大きい場合に用いる下降用テーブルとを含み、前記差分に対応する前記最大出力レートは、前記上昇用テーブルのほうが前記下降用テーブルに比べて小さくてもよい。
場合によっては、出力上限値以下に風車出力を抑えることの制約が、可能な限り風車出力を大きくしたいとの要望よりも優先されることがある。例えば、電力系統の調整力(下げ代)が十分でない場合に風車外部の給電指令所からの指令で設定される出力上限値は、電力系統における電力需給バランスの維持という公的な目的に関するものである。そのため、発電事業者の採算性向上という私的な目的に基づく風車出力の増大という要望に比べて、風車出力を出力上限値以下に抑えることの制約が重視されることがある。
このような場合、上述のように、ルックアップテーブルとして上昇用テーブルと下降用テーブルを設け、上昇用テーブルの最大出力レートを下降用テーブルよりも小さくすることで、出力上限値近傍への風車出力の迅速な到達に比べて、出力上限値以下への風車出力の抑制を重視することができる。
前記下降用テーブルに比べて前記上昇用テーブルにおける前記最大出力レートを小さくする場合、前記差分の過去値Xpastから前記差分の現在値Xpresentへの変化量の絶対値をΔXとし、前記上昇用テーブルにおいて前記過去値Xpastに対応する前記最大出力レートをVとしたとき、前記テーブル更新部は、前記変化量の絶対値ΔXが前記現在値の絶対値|Xpresent|よりも大きく、且つ、前記現在値がXpresent<0を満たす場合、前記上昇用テーブルにおいて前記過去値Xpastに対応する前記最大出力レートをVから|Xpast|×V/ΔXよりも小さな値に更新してもよい。
これにより、風車を構成するハードウェア(発電機やインバータ等)の応答特性に個体差が存在しても、上昇用テーブルを適切に更新して、上昇用テーブルの内容を各風車ごとにとって適切なものとすることができる。また、時間の経過とともにハードウェアの応答特性が変化する場合であっても、ハードウェアの応答特性の変化に追従させて上昇用テーブルの内容を適切に変更できる。さらに、前記変化量の絶対値ΔXが前記現在値の絶対値|Xpresent|よりも大きく、且つ、前記現在値がXpresent<0を満たすとき(すなわち、オーバーシュートが発生したとき)、前記差分の過去値Xpastに対応する最大出力レートをVから|Xpast|×V/ΔXよりも小さな値に更新することで、それ以降のオーバーシュートをより一層効果的に抑制できる。
また、上述のようにルックアップテーブルをテーブル更新部により更新する場合、上記風車の出力制御装置は、前記テーブル更新部における前記ルックアップテーブルの更新頻度に基づいて、前記風車の異常の有無を判定する異常判定部をさらに備えてもよい。
例えば、ルックアップテーブルの更新頻度が想定以上である場合、風車に異常(想定以上の急激な劣化や故障)が発生していると考えられる。そこで、ルックアップテーブルの更新頻度に基づいて風車の異常の有無を判定する異常判定部を設けることで、風車の状態を監視することができる。
また、上述のようにルックアップテーブルをテーブル更新部により更新する場合、上記風車の出力制御装置は、前記オーバーシュート量又は前記アンダーシュート量の経時変化に基づいて、前記風車の異常の有無を判定する異常判定部をさらに備えてもよい。
例えば、オーバーシュート量又はアンダーシュート量が突然大きくなった場合、風車に異常(想定以上の急激な劣化や故障)が発生していると考えられる。そこで、オーバーシュート量又はアンダーシュート量の経時変化に基づいて風車の異常の有無を判定する異常判定部を設けることで、風車の状態を監視することができる。
また、一実施形態において、前記出力差分算出部は、ウインドファームに属する複数の前記風車の全体としての前記出力上限値の前記出力に対する差分を求め、前記最大出力レート設定部は、前記差分の大きさに応じて前記ウインドファームに属する複数の前記風車の全体としての前記最大出力レートを設定し、前記出力指令値算出部は、前記ウインドファームに属する複数の前記風車の全体としての前記出力指令値を算出し、前記出力制御部は、前記出力指令値に基づいて前記ウインドファームに属する複数の前記風車の全体としての前記出力を制御してもよい。
このように、上述の出力制御装置を用いて、ウインドファームに属する複数の風車の出力を制御することで、ウインドファーム全体の出力のオーバーシュート及びアンダーシュートを抑制しつつ、ウインドファーム全体の出力を出力上限値近傍に迅速に到達させることができる。
本発明の一実施形態に係る風車の出力制御方法は、風車の出力上限値の出力に対する差分を求めるステップと、前記差分の大きさに応じて前記風車の最大出力レートを設定するステップと、前記出力の変化レートが前記最大出力レートを超えないように、前記風車の出力指令値を算出するステップと、前記出力指令値に基づいて前記風車の出力を制御するステップとを備え、前記最大出力レートを設定するステップでは、少なくとも前記差分の絶対値が閾値以下の範囲において、前記差分の絶対値が大きいほど前記最大出力レートを大きな値に設定することを特徴とする。
上記風車の出力制御方法によれば、風車出力の変化レートを制限するための最大出力レートを、風車出力と出力上限値との差分が大きいほど大きな値に設定するようにしたので、オーバーシュート及びアンダーシュートを抑制しつつ、風車出力を出力上限値近傍に迅速に到達させることができる。
すなわち、風車出力と出力上限値との差分が大きく、オーバーシュート及びアンダーシュートの可能性が低い場合には、比較的大きな最大出力レートを用いることで、風車出力が出力上限値近傍に到達するまでの時間を短縮できる。また、風車出力と出力上限値との差分が小さく、オーバーシュート及びアンダーシュートの可能性が高い場合には、比較的小さな最大出力レートを用いることで、出力上限値に対する出力のオーバーシュート及びアンダーシュートを抑制できる。
本発明によれば、風車出力の変化レートを制限するための最大出力レートを、風車出力と出力上限値との差分が大きいほど大きな値に設定するようにしたので、オーバーシュート及びアンダーシュートを抑制しつつ、風車出力を出力上限値近傍に迅速に到達させることができる。
風力発電装置の全体構成の一例を示す図である。 一実施形態に係る風力発電装置の構成例を示す図である。 有効電力指令値Pの算出を行うためのロジックを示すブロック図である。 上昇用テーブル及び下降用テーブルの一例を示すグラフである。 テーブル更新部における上昇用テーブルの更新の様子を示すグラフである。 テーブル更新部における下降用テーブルの更新の様子を示すグラフである。 テーブル更新部によるルックアップテーブルの更新の手順を示すフローチャートである。 一実施形態における風車の出力制御の様子を示すグラフである。 異常判定部を備えた風車の出力制御装置の構成例を示す図である。 風車の出力上限値が設定された場合の出力制御を行うためのロジックを示すブロック図である。
以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、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、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
図1は、風力発電装置の全体構成の一例を示す図である。同図に示すように、風力発電装置1は、主として、風を受けて回転するロータ2と、ロータ2に接続されたメインシャフト4と、メインシャフト4の回転を増速する増速機6と、増速機6の出力軸7に連結された発電機8とを備える。
ロータ2は、一枚以上のブレード2Aがハブ2Bに取り付けられて構成される。ハブ2Bには、メインシャフト4が連結される。ブレード2Aが受けた風の力によってロータ2全体が回転すると、メインシャフト4を介して増速機6にロータ2の回転が入力される。増速機6の出力軸7には発電機8が連結されており、増速機6の出力軸7から受け取った機械的エネルギーを電気的エネルギー(有効電力)に変換する。発電機8は電力系統14(図2参照)に連系されており、発電機8において生成された有効電力は電力系統14に供給されるようになっている。
なお、他の実施形態では、発電機8は増速機6を介さずに直接的にメインシャフト4に接続されていてもよいし、増速機6に替えて油圧トランスミッションを用いてメインシャフト4の回転を増速して発電機8に入力してもよい。
なお、ブレード2Aには、アクチュエータ3が取り付けられている。アクチュエータ3は、ピッチ制御部32(図2参照)の制御下で作動し、各ブレード2Aのピッチ角を変化させる。
また、増速機6及び発電機8は、ナセル10内に収納されていてもよい。ナセル10は、基礎11上に立設されたタワー12によって支持される。なお、風力発電装置1は、地上のみならず、洋上を含む任意の場所に設置されてもよい。
図2は、一実施形態に係る風力発電装置の構成例を示す図である。なお、本実施形態では、風力発電装置1が2重供給可変速風車(doubly−fed variable speed wind turbine)である例について説明するが、風力発電装置1は他の方式の風車であってもよい。
例えば、風力発電装置1は、増速機6を介さずにメインシャフト4に直結された多極の同期発電機がAC−DC−ACリンクを介して電力系統14に連系されたダイレクトドライブ方式であってもよい。あるいは、風力発電装置1は、増速機6に替えて、容量可変型の油圧ポンプ及び油圧モータを組み合わせた油圧トランスミッションがメインシャフト4と同期発電機との間に設けられ、油圧モータに直結された同期発電機が電力系統14に直接的に連系された油圧ドライブ方式であってもよい。
図2に示す例では、発電機8は、ステータ巻線8A及びロータ巻線8Bを有する巻線誘導発電機である。ステータ巻線8Aは、電力系統14に直接的に接続されている。一方、ロータ巻線8Bは、増速機6の出力軸7とともに回転するようになっており、AC−DC−ACコンバータ20を介して電力系統14に接続されている。
AC−DC−ACコンバータ20は、能動整流器22、DCバス24及びインバータ26により構成されている。能動整流器22は、ロータ巻線8Bに生じた交流電力を直流電力に変換し、これをDCバス24に出力する。インバータ26は、DCバス24から受け取った直流電力を電力系統14に合致した周波数の交流電力に変換し、これを電力系統14に出力する。
能動整流器22及びインバータ26は、コンバータ制御部30からのPWM信号に従って作動する。コンバータ制御部30は、主制御装置40から与えられる有効電力の指令値P及び無効電力の指令値Qに応じて、能動整流器22及びインバータ26に供給されるPWM信号を生成する。具体的には、コンバータ制御部30は、電圧電流センサ15により計測した発電機8から電力系統14に供給される電力の電圧Vgridと電流Igridから、電力系統14に出力される有効電力Pと無効電力Qを算出する。そして、コンバータ制御部30は、主制御装置40から与えられた有効電力指令値P及び無効電力指令値Qと有効電力P及び無効電力Qとの偏差に応じたPWM信号を能動整流器22及びインバータ26に与える。このようにして、電力系統14に供給される有効電力P及び無効電力Qを、主制御装置40で設定された有効電力指令値P及び無効電力指令値Qに近づけるようなフィードバック制御が行われる。
主制御装置40における有効電力指令値P及び無効電力指令値Qの決定は、例えば、風車外部の給電指令所により設定された出力上限値Plimit、および、回転数計5で計測した発電機8の回転数ωに基づいて行われる。なお、回転数計5は発電機8の回転数ω(出力軸7の回転数)を計測可能であれば特に限定されず、例えばロータリエンコーダやレゾルバを用いることができる。
また、主制御装置40は、ピッチ制御部32に対してブレード2Aのピッチ角の指令値βを与える役割も担っている。
図3は、主制御装置40における有効電力指令値Pの算出を行うためのロジックを示すブロック図である。なお、本実施形態では、主制御装置40と、出力制御部として機能するコンバータ制御部30とを併せたものが、風車の出力制御装置に相当する。
同図に示すロジックでは、PI制御器42において、発電機回転数の現在値ωと目標値ω との偏差に応じた出力指令値P を求め、この出力指令値P が出力指令値算出部44に入力される。なお、発電機8の回転数目標値ω は、少なくとも風力発電装置1の出力上限値Plimitに基づいて決定されてもよい。例えば、風車出力が出力上限値Plimitに達するまではロータ2の周速比がほぼ最適周速比になるような回転数目標値ω を風速に応じて設定し、風車出力が出力上限値Plimitに到達したら出力上限値Plimitが得られるように回転数目標値ω を設定してもよい。
一方、出力指令値算出部44には、出力最大値Pmax及び出力最小値Pminが出力制限器46から入力され、出力指令値PがPmin以上Pmax以下に制限される。なお、出力最大値Pmax及び出力最小値Pminは、風力発電装置1の状態(ブレード2Aのピッチ角の指令値β)に応じて適宜設定される。なお、ピッチ角の指令値βとともにPmax及びPminの設定に用いられる最小ピッチ角βminは、ロータ2の出力係数が最大となるようなブレード2Aのファイン側の限界値を意味する。
さらに、出力指令値算出部44には、出力指令値の前回値P pastが出力指令前回値更新部45から入力される。出力指令前回値更新部45では、出力指令値算出部44で得られた出力指令値の現在値Pが出力指令前回値P pastとして記憶され、この出力指令前回値P pastは出力指令値算出部44における次回の計算ステップに利用される。なお、出力指令前回値P pastは、主制御装置40の制御周期ごとに更新される。
また、出力指令値算出部44には最大出力レート設定部50から最大出力レートVが入力され、風車出力の変化レート(出力指令値Pの変化レート)が最大出力レートV以下に制限される。
具体的には、PI制御器42から入力された出力指令値P と出力指令前回値更新部45から入力された出力指令前回値P pastとの差分を主制御装置40の制御周期で除算することで、これから実現しようとする風車出力の変化レート(出力指令現在値Pの変化レート)Vが算出される。この変化レートVが最大出力レートV以下である場合、PI制御器42からの出力指令値P がそのまま出力指令現在値Pとして採用される(ただし、出力指令値P は出力制限範囲Pmin〜Pmaxの条件を満たしているものとする)。一方、変化レートVが最大出力レートVを超えている場合、最大出力レートVに制御周期を乗算して得られる値と出力指令前回値P pastとの和を出力指令現在値Pとして採用する。
例えば、出力指令前回値P pastが1400kWであり、PI制御器42で生成された出力指令値P が1500kWであり、出力制限器46で生成された出力最大値Pmaxが2000kW、出力下限値Pminが1000kWであり、最大出力レートVが100kW/secであり、制御周期が50msecである場合、出力指令現在値Pは以下のようにして決定される。
PI制御器42で生成された出力指令値P は1500kWであり、出力制限器46で生成された出力最大値Pmax以下、且つ、出力最小値Pmin以上の条件を満たす。これから実現しようとする風車出力の変化レートVは2000kW/sec(=(1500kW−1400kW)/50msec)である。この変化レートVは最大出力レートV(=100kW/sec)よりも大きいから、出力指令値P をそのまま出力指令現在値Pとして採用するのではなく、最大出力レートVに制御周期を乗算して得られる値と出力指令前回値P pastとの和1405kW(=1400kW+100kW/sec×50msec)を出力指令現在値Pとして採用する。
最大出力レート設定部50は、出力上限値Plimitの出力現在値(電力系統14に供給される有効電力の現在値)Pに対する差分Xpresentに応じた値を有する最大出力レートVを設定する。具体的には、最大出力レート設定部50では、前記差分Xpresentの絶対値が所定の閾値以下の範囲において、前記差分Xpresentの絶対値が大きいほど最大出力レートが大きな値に設定される。
最大出力レート設定部50は、前記差分Xpresentと最大出力レートVとの関係を表すルックアップテーブルを用いて、前記差分Xpresentに応じた最大出力レートVを設定してもよい。この場合、図3に示すように、上昇用テーブル54及び下降用テーブル56の2種類のルックアップテーブルを設けてもよい。なお、上昇用テーブル54は出力現在値Pが出力上限値Plimit以下の場合に用いられ、下降用テーブル56は出力現在値Pが出力上限値Plimitよりも大きい場合に用いられる。
また、図3に示すように、出力上限値Plimitに対する出力現在値Pのオーバーシュート量又はアンダーシュート量に基づいてルックアップテーブル(上昇用テーブル54及び下降用テーブル56)を更新するテーブル更新部60を最大出力レート設定部50に設けてもよい。
風力発電装置1を構成するハードウェア(発電機8やAC−DC−ACコンバータ20等)の応答特性には、通常、個体差が存在するから、ルックアップテーブル(上昇用テーブル54及び下降用テーブル56)の最適な内容は各風車ごとに異なる。そこで、上述のように、出力上限値Plimitに対する風車出力Pのオーバーシュート量又はアンダーシュート量に基づいてルックアップテーブルをテーブル更新部60により更新することで、ルックアップテーブルの内容を各風車に個別の適切なものとすることができる。また、時間の経過とともにハードウェアの応答特性が変化する場合であっても、ハードウェアの応答特性の変化に追従させてルックアップテーブルの内容を適切に変更できる。
なお、ルックアップテーブルの更新は、オーバーシュート量又はアンダーシュート量自体を用いて行ってもよいし、オーバーシュート量又はアンダーシュート量を反映する任意のパラメータ(例えば図5及び6に示すΔX及びXpast)を用いて行ってもよい。また、テーブル更新部62は、一定の条件を満たした場合に自動的にルックアップテーブルの更新を行ってもよいし、任意のユーザインタフェースを介してオペレータにより入力されたテーブル更新指令をトリガーとしてルックアップテーブルの更新を行ってもよい。後者の場合、オペレータにより指示された更新内容に従ってルックアップテーブルの更新を行ってもよい。
一実施形態では、図3に示すように、上昇用テーブル54、下降用テーブル56、選択器58、テーブル更新部60及び出力差分前回値更新部62により最大出力レート設定部50を構成してもよい。
このような構成の最大出力レート設定部50には、出力上限値Plimitから出力現在値Pを減算することで得られた差分(出力差分現在値)Xpresentが減算器52から入力される。具体的には、差分Xpresentがルックアップテーブル(上昇用テーブル54及び下降用テーブル56)に入力され、各テーブル54,56からは差分Xpresentに対応するVup,Vdownがそれぞれ出力される。そして、選択器58において、差分Xpresentがゼロ以上の場合(Plimit≧Pの場合)には上昇用テーブル54から出力されたVupが最大出力レートVとして選択され、この最大出力レートVupが出力指令値算出部44に入力される。一方、差分Xpresentがゼロ未満の場合(Plimit<Pの場合)には下降用テーブル56から出力されたVdownが最大出力レートVとして選択され、この最大出力レートVdownが出力指令値算出部44に入力される。また、減算器52で得られた差分(出力差分現在値)Xpresentはテーブル更新部60にも入力され、出力差分前回値更新部62から入力される出力差分前回値Xpastとともに、ルックアップテーブル(上昇用テーブル54及び下降用テーブル56)の更新に用いられる。
図4は上昇用テーブル54及び下降用テーブル56の一例を示すグラフである。同図に示すように、上昇用テーブル54及び下降用テーブル56は、いずれも、出力上限値Plimitから出力現在値Pを減算して得られる差分の絶対値|X|が所定の閾値Th1,Th2以下の範囲において、前記差分の絶対値|X|が大きいほど最大出力レートVが大きな値に設定される。言い換えると、差分の絶対値|X|が所定の閾値Th1,Th2以下の範囲において、上昇用テーブル54及び下降用テーブル56の最大出力レートVはいずれも|X|に対して単調増加するような関数V(X)として規定される。ここで、差分Xがゼロ以上の場合(Plimit≧Pの場合)に用いられる上昇用テーブル54の最大出力レートVは出力増加速度の上限値[kW/sec]を意味する。同様に、差分Xがゼロ未満の場合(Plimit<Pの場合)に用いられる下降用テーブル56の最大出力レートVは出力減少速度の上限値[kW/sec]を意味する。
なお、差分の絶対値|X|が閾値Th1,Th2よりも大きい範囲では、各テーブル54,56が示す最大出力レートはそれぞれVmax1,Vmax2で一定であってもよい。
また図4に示すように、上昇用テーブル54が示す最大出力レートV(X)の値は、下降用テーブル56が示す最大出力レートV(X)の値よりも小さくしてもよい。
出力上限値Plimit以下に風車出力Pを抑えるという制約が、可能な限り風車出力Pを大きくしたいとの要望よりも優先されることがある。このような場合、上述のように、上昇用テーブル54の最大出力レートを下降用テーブル56よりも小さくすることで、出力上限値Plimit近傍への風車出力Pの迅速な到達に比べて、出力上限値Plimit以下への風車出力Pの抑制を重視できる。
図5はテーブル更新部60における上昇用テーブル54の更新の様子を示すグラフである。
同図に示すように、時刻tpastにおいて出力上限値Plimitから出力現在値Pを減算して得られた差分がXpast(>0)であったところ、時刻tpastから制御周期Δtだけ経過した時刻tpresentにおける出力差分がXpresent(<0)になった場合について検討する。この場合、上昇用テーブル54における差分前回値Xpastに対応する最大出力レートV(Xpast)が過大であったためにオーバーシュートが発生したと考えられる。そこで、これ以降のオーバーシュートを抑制するため、上昇用テーブル54において差分前回値Xpastに対応する最大出力レートをテーブル更新部60によってV(Xpast)からV(Xpast)×|Xpast|/ΔXに更新する。このとき、上昇用テーブル54の関数V(X)の連続性が維持されるように、上昇用テーブル54における差分前回値Xpast前後の出力差分絶対値|X|に対応する最大出力レートVの値も併せて更新してもよい。
なお、図5における符号55で示す直線は、時刻tpastにおいて、更新後の上昇用テーブル54によって規定される最大出力レート(=V(Xpast)×|Xpast|/ΔX)により風車出力の変化レートを制限したと仮定した場合における出力差分Xの変化を示す仮想的な直線である。直線55から分かるように、上述のように上昇用テーブル54を更新することで、次回以降のオーバーシュートは原理的には抑制可能である。
なお、他の実施形態では、上昇用テーブル54において差分前回値Xpastに対応する最大出力レートをテーブル更新部60によってV(Xpast)からV(Xpast)×|Xpast|/ΔXよりも小さな値Vnew(>0)に更新してもよい。これにより、次回以降のオーバーシュートをより一層効果的に抑制できる。
図6はテーブル更新部60における下降用テーブル56の更新の様子を示すグラフである。
同図に示すように、時刻tpastにおいて出力上限値Plimitから出力現在値Pを減算して得られる差分がXpast(<0)であったところ、時刻tpastから制御周期Δtだけ経過した時刻tpresentにおける出力差分がXpresent(>0)になった場合について検討する。この場合、下降用テーブル56における差分前回値Xpastに対応する最大出力レートV(Xpast)が過大であったためにアンダーシュートが発生したと考えられる。そこで、これ以降のアンダーシュートを抑制するため、下降用テーブル56において差分前回値Xpastに対応する最大出力レートをテーブル更新部60によってV(Xpast)からV(Xpast)×|Xpast|/ΔXに更新する。このとき、下降用テーブル56の関数V(X)の連続性が維持されるように、下降用テーブル56における差分前回値Xpast前後の出力差分絶対値|X|に対応する最大出力レートVの値も併せて更新してもよい。
なお、図6における符号57で示す直線は、時刻tpastにおいて、更新後の下降用テーブル56によって規定される最大出力レート(=V(Xpast)×|Xpast|/ΔX)により風車出力の変化レートを制限したと仮定した場合における出力差分Xの変化を示す仮想的な直線である。直線57から分かるように、上述のように下降用テーブル56を更新することで、次回以降のアンダーシュートは原理的には抑制可能である。
なお、他の実施形態では、下降用テーブル56において差分前回値Xpastに対応する最大出力レートをテーブル更新部60によってV(Xpast)からV(Xpast)×|Xpast|/ΔXよりも大きな値Vnew(<V(Xpast))に更新してもよい。これにより、次回以降のオーバーシュートをより一層効果的に抑制できる。
図7はテーブル更新部60によるルックアップテーブルの更新の手順を示すフローチャートである。
同図に示すように、ステップS2において、出力差分前回値更新部62から出力される出力上限値Plimitと出力現在値Pとの差分の前回値Xpastから、減算器52から出力される出力上限値Plimitと出力現在値Pとの差分の現在値Xpresentへの変化量の絶対値ΔX(=|Xpresent−Xpast|)を求める。そして、前記変化量の絶対値ΔXと差分現在値の絶対値|Xpresent|とを比較する(ステップS4)。
前記変化量の絶対値ΔXが差分現在値の絶対値|Xpresent|よりも大きいと判断された場合(ステップS4のYES判定)、時刻tpastから時刻tpresentまでの期間において風車出力(有効電力)Pが出力上限値Plimitに対してオーバーシュート又はアンダーシュートしたことを意味する。そこで、これ以降のオーバーシュート又はアンダーシュートを抑制するために、ステップS6以降において、ルックアップテーブルの更新が行われる。一方、前記変化量の絶対値ΔXが差分現在値の絶対値|Xpresent|以下であると判断された場合(ステップS4のNO判定)、オーバーシュート又はアンダーシュートは発生しなかったことを意味する。この場合、ルックアップテーブルの更新を行う必要はない。
ステップS6では差分現在値Xpresentがゼロ以上であるか否かが判定される。差分現在値Xpresentがゼロ以上である場合、時刻tpastから時刻tpresentまでの期間において風車出力(有効電力)Pが出力上限値Plimitに対してアンダーシュートしたことを意味する。そこで、これ以降のアンダーシュートを抑制するため、下降用テーブル56の更新が行われる(ステップS8)。この場合、下降用テーブル56において差分前回値Xpastに対応する最大出力レートをV(Xpast)からV(Xpast)×|Xpast|/ΔXに更新してもよい(図6の直線57参照)。あるいは、他の実施形態では、下降用テーブル56において差分前回値Xpastに対応する最大出力レートをV(Xpast)からV(Xpast)×|Xpast|/ΔXよりも大きな値Vnew(<V(Xpast))に更新してもよい。
これに対し、ステップS6において差分現在値Xpresentがゼロ未満である場合、時刻tpastから時刻tpresentまでの期間において風車出力(有効電力)Pが出力上限値Plimitに対してオーバーシュートしたことを意味する。そこで、これ以降のオーバーシュートを抑制するため、上昇用テーブル54の更新が行われる(ステップS10)。この場合、上昇用テーブル54において差分前回値Xpastに対応する最大出力レートをV(Xpast)からV(Xpast)×|Xpast|/ΔXに更新してもよい(図5の直線55参照)。あるいは、他の実施形態では、上昇用テーブル54において差分前回値Xpastに対応する最大出力レートをV(Xpast)からV(Xpast)×|Xpast|/ΔXよりも小さな値Vnew(>0)に更新してもよい。
以上説明したように、本実施形態に係る風車の出力制御装置(主制御装置40及びコンバータ制御部30を併せたもの)は、風力発電装置1の出力上限値Plimitの出力現在値Pに対する差分Xpresentを求める出力差分算出部(減算器52)と、前記差分Xpresentの大きさに応じて最大出力レートVを設定する最大出力レート設定部50と、出力の変化レートが最大出力レートVを超えないように出力指令値Pを算出する出力指令値算出部44と、出力指令値Pに基づいて風車出力(有効電力P)を制御する出力制御部(コンバータ制御部30)とを備える。そして、最大出力レート設定部50では、少なくとも差分Xpresentの絶対値が閾値Th,Th以下の範囲において、前記差分Xpresentの絶対値が大きいほど最大出力レートVが大きな値に設定される。
本実施形態によれば、風車出力の変化レートを制限するための最大出力レートVを、出力上限値Plimitの風車出力Pに対する差分Xpresentが大きいほど大きな値に設定するようにしたので、オーバーシュート及びアンダーシュートを抑制しつつ、風車出力を出力上限値Plimit近傍に迅速に到達させることができる。
すなわち、風車出力Pと出力上限値Plimitとの差分が大きく、オーバーシュート及びアンダーシュートの可能性が低い場合には、比較的大きな最大出力レートVを用いることで、風車出力が出力上限値Plimit近傍に到達するまでの時間を短縮できる。また、風車出力Pと出力上限値Plimitとの差分が小さく、オーバーシュート及びアンダーシュートの可能性が高い場合には、比較的小さな最大出力レートVを用いることで、出力上限値Plimitに対する出力Pのオーバーシュート及びアンダーシュートを抑制できる。
図8は、本実施形態における風車の出力制御の様子を示すグラフである。同図に示すように、本実施形態では、風車出力Pと出力上限値Plimitとの差分が大きい場合には、最大出力レートVを比較的大きな値に設定するようにしたので、出力上限値Plimitの近傍に風車出力を迅速に到達させることができる(曲線70参照)。また、風車出力Pと出力上限値Plimitとの差分が小さい場合には、最大出力レートVを比較的小さな値に設定するようにしたので、出力上限値Plimitに対する風車出力のオーバーシュート及びアンダーシュートを抑制できる(曲線70参照)。なお、曲線70の形状は説明例に過ぎず、風車出力の経時変化が曲線70以外の任意の曲線によって表されてもよいことは言うまでもない。
一方、図10のように最大出力レートVを風車出力Pと出力上限値Plimitとの差分の大きさによらず固定した場合、出力上限値Plimitに対する風車出力のオーバーシュート量及びアンダーシュート量が許容範囲内に収まる程度の小さな最大出力レートVを用いざるを得ず、出力上限値Plimitの近傍に風車出力が到達するまでに多大な時間を要する(曲線72参照)。また、出力上限値Plimitに対する風車出力のオーバーシュート及びアンダーシュートもある程度発生してしまう(曲線72参照)。
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。
例えば、上述の実施形態では、風力発電装置1単体の出力を制御する出力制御装置について説明したが、本発明は、ウインドファームに属する複数の風車の合計出力を制御する場合にも適用可能である。
この場合、減算器(出力差分算出部)52では、ウインドファームに属する複数の風車の合計出力上限値Plimitと合計出力現在値Pとの差分Xpresentを求め、最大出力レート設定部50では、前記差分Xpresentの大きさに応じて複数の風車の全体としての最大出力レートを設定する。そして、出力指令算出部44において複数の風車の全体としての出力指令値(合計出力指令値)Pを算出し、この合計出力指令値Pが実現されるように各風車のコンバータ制御部(出力制御部)30に個別の出力指令値(例えば全体としての出力指令値Pを風車個数Nで除算した値)を与える。
また、上述の実施形態において、風力発電装置1の異常を検出する異常判定部を追加的に設けてもよい。
図9は異常判定部を備えた風車の出力制御装置の構成例を示す図である。同図に示す出力制御装置は、図3に示す出力制御装置に対して異常判定部80を追加的に設けたものである。よって、図3に示す出力制御装置と同一の箇所には共通の符号を付し、ここではその説明を省略し、異常判定部80のみについて説明する。
異常判定部80は、ルックアップテーブルの更新頻度とオーバーシュート量又はアンダーシュート量の経時変化との少なくとも一方に基づいて、風車の異常の有無を判定するようになっていてもよい。
例えば、異常判定部80は、テーブル更新部60から受け取ったルックアップテーブルの更新頻度に関する情報に基づいて、ルックアップテーブルの更新頻度が所定の閾値を超えているか否かを判断して、風車の異常を検出してもよい。ルックアップテーブルの更新頻度が想定以上である場合、風車に異常(想定以上の急激な劣化や故障)が発生していると考えられる。よって、ルックアップテーブルの更新頻度に基づいて風車の異常の有無を判定することで、風車の状態を監視することができる。
あるいは、異常判定部80は、テーブル更新部60から受け取ったオーバーシュート量又はアンダーシュート量の経時変化に関する情報に基づいて、所定期間におけるオーバーシュート量又はアンダーシュート量の増加量が所定の閾値を超えているか否かを判断して、風車の異常を検出してもよい。オーバーシュート量又はアンダーシュート量が突然大きくなった場合、風車に異常(想定以上の急激な劣化や故障)が発生していると考えられる。よって、オーバーシュート量又はアンダーシュート量の経時変化に基づいて風車の異常の有無を判定する異常判定部を設けることで、風車の状態を監視することができる。
1 風力発電装置(風車)
2 ロータ
2A ブレード
2B ハブ
3 アクチュエータ
4 メインシャフト
5 回転数計
6 増速機
7 出力軸
8 発電機
8A ステータ巻線
8B ロータ巻線
10 ナセル
11 基礎
12 タワー
14 電力系統
15 電圧電流センサ
20 AC−DC−ACコンバータ
22 能動整流器
24 DCバス
26 インバータ
30 コンバータ制御部
32 ピッチ制御部
40 主制御装置
42 PI制御器
44 出力指令値算出部
45 出力指令前回値更新部
46 出力制限器
48 CCU
50 最大出力レート設定部
52 減算器
54 上昇用テーブル
56 下降用テーブル
58 選択器
60 テーブル更新部
62 出力差分前回値更新部
80 異常判定部
110 最大出力レート設定部
142 PI制御器
144 出力指令値算出部
145 出力指令前回値更新部
146 出力制限器
148 CCU
149 出力制御部

Claims (9)

  1. 風車の出力上限値の出力に対する差分を求める出力差分算出部と、
    前記差分の大きさに応じて前記風車の最大出力レートを設定する最大出力レート設定部と、
    前記出力の変化レートが前記最大出力レートを超えないように、前記風車の出力指令値を算出する出力指令値算出部と、
    前記出力指令値に基づいて前記風車の出力を制御する出力制御部とを備え、
    前記最大出力レート設定部は、少なくとも前記差分の絶対値が閾値以下の範囲において、前記差分の絶対値が大きいほど前記最大出力レートを大きな値に設定することを特徴とする風車の出力制御装置。
  2. 前記差分と前記最大出力レートとの関係を表し、前記最大出力レート設定部における前記最大出力レートの設定に用いられるルックアップテーブルと、
    前記出力上限値に対する前記出力のオーバーシュート量又はアンダーシュート量に基づいて前記ルックアップテーブルを更新するテーブル更新部とをさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の風車の出力制御装置。
  3. 前記差分の過去値Xpastから前記差分の現在値Xpresentへの変化量の絶対値をΔXとし、前記ルックアップテーブルにおいて前記過去値Xpastに対応する前記最大出力レートをVとしたとき、
    前記テーブル更新部は、前記変化量の絶対値ΔXが前記現在値の絶対値|Xpresent|よりも大きい場合、前記ルックアップテーブルにおいて前記過去値Xpastに対応する前記最大出力レートをVから|Xpast|×V/ΔXに更新することを特徴とする請求項2に記載の風車の出力制御装置。
  4. 前記ルックアップテーブルは、前記出力が前記出力上限値よりも小さい場合に用いる上昇用テーブルと、前記出力が前記出力上限値よりも大きい場合に用いる下降用テーブルとを含み、
    前記差分に対応する前記最大出力レートは、前記上昇用テーブルのほうが前記下降用テーブルに比べて小さいことを特徴とする請求項2に記載の風車の出力制御装置。
  5. 前記差分の過去値Xpastから前記差分の現在値Xpresentへの変化量の絶対値をΔXとし、前記上昇用テーブルにおいて前記過去値Xpastに対応する前記最大出力レートをVとしたとき、
    前記テーブル更新部は、前記変化量の絶対値ΔXが前記現在値の絶対値|Xpresent|よりも大きく、且つ、前記現在値がXpresent<0を満たす場合、前記上昇用テーブルにおいて前記過去値Xpastに対応する前記最大出力レートをVから|Xpast|×V/ΔXよりも小さな値に更新することを特徴とする請求項4に記載の風車の出力制御装置。
  6. 前記テーブル更新部における前記ルックアップテーブルの更新頻度に基づいて、前記風車の異常の有無を判定する異常判定部をさらに備えることを特徴とする請求項2に記載の風車の出力制御装置。
  7. 前記オーバーシュート量又は前記アンダーシュート量の経時変化に基づいて、前記風車の異常の有無を判定する異常判定部をさらに備えることを特徴とする請求項2に記載の風車の出力制御装置。
  8. 前記出力差分算出部は、ウインドファームに属する複数の前記風車の全体としての前記出力上限値の前記出力に対する差分を求め、
    前記最大出力レート設定部は、前記差分の大きさに応じて前記ウインドファームに属する複数の前記風車の全体としての前記最大出力レートを設定し、
    前記出力指令値算出部は、前記ウインドファームに属する複数の前記風車の全体としての前記出力指令値を算出し、
    前記出力制御部は、前記出力指令値に基づいて前記ウインドファームに属する複数の前記風車の全体としての前記出力を制御することを特徴とする請求項1に記載の風車の出力制御装置。
  9. 風車の出力上限値の出力に対する差分を求めるステップと、
    前記差分の大きさに応じて前記風車の最大出力レートを設定するステップと、
    前記出力の変化レートが前記最大出力レートを超えないように、前記風車の出力指令値を算出するステップと、
    前記出力指令値に基づいて前記風車の出力を制御するステップとを備え、
    前記最大出力レートを設定するステップでは、少なくとも前記差分の絶対値が閾値以下の範囲において、前記差分の絶対値が大きいほど前記最大出力レートを大きな値に設定することを特徴とする風車の出力制御方法。

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