KR101303404B1

KR101303404B1 - 풍력 발전 장치 및 출력 제어 방법

Info

Publication number: KR101303404B1
Application number: KR1020117006803A
Authority: KR
Inventors: 아키라 야스기
Original assignee: 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
Priority date: 2010-08-26
Filing date: 2010-08-26
Publication date: 2013-09-05
Also published as: AU2010257198A1; CN102597506A; CA2724601A1; EP2610486A4; US20120049517A1; US8299650B2; CN102597506B; CA2724601C; EP2610486A1; KR20120088526A; JPWO2012026014A1; JP5244923B2; WO2012026014A1; EP2610486B1

Abstract

풍력 발전 장치 (10) 는, 풍차 로터 (16) 의 회전에 의해 발전하는 발전기 (20) 의 출력 변화의 기울기를 도출하고, 도출된 출력 변화의 기울기에 기초하여, 발전기 (20) 의 출력의 증감을 판정한다. 그리고, 전력 계통 (42) 의 주파수가 저하된 경우, 판정 결과에 기초하여 전력 제어를 실시한다. 이 때문에, 발전기 (20) 의 출력 변동을 간단한 구성으로 정확하게 검지함으로써, 보다 효과적으로 전력 계통 (42) 의 전력 공급량의 저하를 보충할 수 있다.

Description

풍력 발전 장치 및 출력 제어 방법{WIND POWER GENERATION APPARATUS AND OUTPUT-CONTROLLING METHOD}

본 발명은, 풍력 발전 장치 및 출력 제어 방법에 관한 것이다.

블레이드가 풍력 에너지를 받아 풍차 로터가 회전하고, 풍차 로터의 회전에 의해 발전기를 구동시켜 발전하는 풍력 발전 장치는, 출력이 풍속의 변동에 의해 변동한다는 문제가 있었다.

이 문제를 해결하기 위한 기술로서, 특허문헌 1 에는, 풍차의 축에 접속된 발전기의 가변 주파수의 발전 전력을 순 (順) 변환기로 직류 전력으로 변환하고, 그 직류 전력을 역변환기로 교류 전력으로 변환하고, 순변환기와 역변환기 사이에 충방전 가능한 2 차 전지를 직결하여, 전력 계통에 대한 출력 변동을 억제하도록 2 차 전지를 항상 충방전 제어하는 풍력 발전 장치가 기재되어 있다. 보다 상세하게는, 특허문헌 1 에 기재되어 있는 풍력 발전 장치는, 발전기의 출력의 검출치로부터 변동분을 제거하는 고주파 제거 필터의 출력값을, 역변환기의 출력값으로 하고, 발전기의 출력과 역변환기의 출력의 차분을, 상기 2 차 전지가 충방전되어 흡수함으로써, 전력 계통에 대한 출력의 변동을 억제한다.

일본 공개특허공보 2003-333752호

그러나, 특허문헌 1 에 기재된 기술에서는, 발전기의 출력과 고주파 제거 필터의 출력값의 차분을, 2 차 전지가 충방전되어 흡수하기 위한 전력으로 하고 있어, 발전기로부터 출력된 전력의 변동량을 검지하기 위한 구성이 복잡하다.

본 발명은, 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 발전기의 출력 변동을 간단한 구성으로 정확하게 검지함으로써, 보다 효과적으로 전력 계통의 전력 공급량의 저하를 보충할 수 있는 풍력 발전 장치 및 출력 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은, 이하의 수단을 채용한다.

본 발명의 제 1 양태에 관련된 풍력 발전 장치는, 복수 장의 블레이드를 갖는 풍차 로터가 바람을 받아 회전하고, 그 풍차 로터의 회전에 의해 발전기를 구동시킴과 함께, 그 발전기에 의해 발전된 전력을 전력 계통으로 송전하는 풍력 발전 장치로서, 상기 발전기의 출력 변화의 기울기를 도출하고, 도출된 그 기울기에 기초하여, 상기 발전기의 출력의 증감을 판정하는 판정 수단과, 전력 계통의 주파수가 저하된 경우, 상기 판정 수단의 판정 결과에 기초하여 전력 제어를 실시하는 제어 수단을 구비한다.

본 발명에 의하면, 판정 수단에 의해, 풍차 로터의 회전에 의해 발전하는 발전기의 출력 변화의 기울기가 도출되고, 도출된 그 기울기에 기초하여, 상기 발전기의 출력의 증감이 판정된다.

또한, 출력 변화의 기울기는, 예를 들어, 발전기의 출력을 소정 시간 간격으로 복수회 검출하여, 검출치를 연결하는 직선의 기울기로부터 도출된다. 예를 들어, 판정 수단은, 변화의 기울기가, 0° ＜ θ ＜ 90° 인 경우에 발전기의 출력이 증가하고 있는 것으로 판정하고, 270° ＜ θ ＜ 360° 인 경우에, 발전기의 출력이 감소하고 있는 것으로 판정한다. 또한, 출력이 증가하고 있는 경우란, 풍속이 상승하고 있는 경우이고, 출력이 감소하고 있는 경우란, 풍속이 하강하고 있는 경우이다.

그리고, 제어 수단에 의해, 전력 계통의 주파수가 저하된 경우, 판정 수단의 판정 결과에 기초하여 전력 제어가 실시된다.

이상으로부터, 본 발명은, 발전기의 출력 변동을 간단한 구성으로 정확하게 검지함으로써, 보다 효과적으로 전력 계통의 전력 공급량의 저하를 보충할 수 있다.

또, 본 발명의 풍력 발전 장치는, 충방전 가능한 2 차 전지를 구비하고, 상기 제어 수단이, 상기 전력 계통의 주파수가 저하된 경우로서, 상기 판정 수단에 의해 상기 발전기의 출력이 감소하고 있는 것으로 판정된 경우에, 상기 발전기의 출력과 상기 전력 계통이 요구하는 전력의 차를, 상기 풍차 로터에 비축되어 있는 관성력 및 상기 2 차 전지에 충전되어 있는 전력의 적어도 일방으로 보충하도록 제어해도 된다.

전력 계통에 이상 (예를 들어, 대형 발전소의 해렬 (解列) 이 발생하면, 전력 계통의 주파수가 일시적으로 크게 저하된다. 그리고, 이 주파수의 저하는, 주파수의 변동을 반복하면서 서서히 평형 상태로 되돌아온다. 그 때문에, 풍력 발전 장치는, 전력 계통의 주파수의 저하, 즉 전력 계통의 전력 공급량의 저하를 보충하기 위해서, 전류 계통의 주파수의 변동에 따라, 연계되어 있는 발전소의 출력을 변동시키는 요구가 생긴다. 또한, 상기 요구가, 전력 계통이 요구하는 전력이다.

그래서, 본 발명에 의하면, 전력 계통의 주파수가 저하된 경우로서, 판정 수단에 의해 발전기의 출력이 감소하고 있는 것으로 판정된 경우, 제어 수단에 의해, 발전기의 출력과 전력 계통이 요구하는 전력의 차가, 풍차 로터에 비축되어 있는 관성력 및 2 차 전지에 충전되어 있는 전력의 적어도 일방으로 보충되도록 제어된다.

이 때문에, 본 발명은, 전력 계통의 전력 공급량이 저하되고, 또한 풍속이 하강하고 있는 경우에도, 전력 계통이 요구하는 출력을 공급할 수 있다.

또, 본 발명의 풍력 발전 장치는, 충방전 가능한 2 차 전지와, 상기 전력 계통의 주파수가 저하된 경우로서, 상기 판정 수단에 의해 상기 발전기의 출력이 증가하고 있는 것으로 판정된 경우에, 상기 전력 계통의 주파수가 저하되었을 때의 상기 발전기의 출력을 기억하는 기억 수단을 구비하고, 상기 제어 수단이, 상기 발전기의 출력을 상기 기억 수단에 기억되어 있는 출력이 되도록 제어함과 함께, 상기 발전기의 출력과 상기 전력 계통이 요구하는 전력의 차를, 상기 풍차 로터에 비축되어 있는 관성력 및 상기 2 차 전지에 충전되어 있는 전력으로 보충하도록 제어해도 된다.

상기 전력 계통의 주파수가 저하된 경우에, 발전기의 출력이 증가하고 있으면, 전력 계통이 요구하는 전력을 초과하는 전력을 발전기가 출력할 가능성이 있다.

그래서, 본 발명에 의하면, 기억 수단에 의해, 전력 계통의 주파수가 저하되었을 때의 발전기의 출력이 기억되고, 제어 수단에 의해, 발전기의 출력이 기억 수단에 기억된 출력이 되도록 제한된다.

또, 제어 수단에 의해, 발전기의 출력과 전력 계통이 요구하는 전력의 차가, 풍차 로터에 비축되어 있는 관성력 및 2 차 전지에 충전되어 있는 전력으로 보충되도록 제어된다.

이 때문에, 본 발명은, 전력 계통의 전력 공급량이 저하되고, 또한 풍속이 상승하고 있는 경우에도, 전력 계통이 요구하는 출력을 공급할 수 있다.

또, 본 발명의 풍력 발전 장치는, 상기 제어 수단이, 상기 발전기의 출력이 상기 기억 수단에 기억되어 있는 출력이 되도록, 상기 블레이드의 피치각을 제어해도 된다.

본 발명에 의하면, 제어 수단에 의해, 상기 발전기의 출력이 기억 수단에 기억되어 있는 출력이 되도록 블레이드의 피치각이 제어된다.

이 때문에, 본 발명은, 간단하고 쉽게 발전기의 출력을 감소시킬 수 있다.

또, 본 발명의 풍력 발전 장치는, 상기 2 차 전지가 복수 형성되고, 상기 제어 수단이 상기 발전기의 출력이 상기 기억 수단에 기억된 출력이 되도록, 상기 발전기의 발전된 전력을, 복수의 상기 2 차 전지 중 방전에 기여하지 않는 상기 2 차 전지에 충전하도록 제어해도 된다.

본 발명에 의하면, 제어 수단에 의해, 발전기의 출력이 기억 수단에 기억된 출력이 되도록, 발전기로 발전된 전력이 방전에 기여하지 않는 2 차 전지에 충전된다.

한편, 본 발명의 제 2 양태에 관련된 출력 제어 방법은, 복수 장의 블레이드를 갖는 풍차 로터가 바람을 받아 회전하고, 그 풍차 로터의 회전에 의해 발전기를 구동시킴과 함께, 그 발전기에 의해 발전된 전력을 전력 계통으로 송전하는 풍력 발전 장치의 출력 제어 방법으로서, 상기 발전기의 출력 변화의 기울기를 도출하고, 도출된 그 기울기에 기초하여, 상기 발전기의 출력의 증감을 판정하는 제 1 공정과, 전력 계통의 주파수가 저하된 경우, 상기 제 1 공정의 판정 결과에 기초하여 전력 제어를 실시하는 제 2 공정을 갖는다.

본 발명에 의하면, 발전기의 출력 변화의 기울기를 도출하고, 도출된 변화의 기울기에 기초하여, 발전기의 출력의 증감을 판정함과 함께, 전력 계통의 주파수가 저하된 경우, 판정 결과에 기초하여 전력 제어를 실시한다.

이 때문에, 본 발명은, 발전기의 출력 변동을 간단한 구성으로 정확하게 검지함으로써, 보다 효과적으로 전력 계통의 전력 공급량의 저하를 보충할 수 있다.

본 발명에 의하면, 발전기의 출력 변동을 간단한 구성으로 정확하게 검지함으로써, 보다 효과적으로 전력 계통의 전력 공급량의 저하를 보충할 수 있다는 우수한 효과를 갖는다.

도 1 은 본 발명의 실시형태에 관련된 풍력 발전 장치의 외관도이다.
도 2 는 본 발명의 실시형태에 관련된 풍력 발전 장치의 전기적 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3 은 본 발명의 실시형태에 관련된 출력 제어 프로그램의 처리의 흐름을 나타내는 플로우 차트이다.
도 4 는 본 발명의 실시형태에 관련된 발전기의 출력 변화의 기울기의 도출의 설명에 필요로 하는 그래프이다.
도 5 는 본 발명의 실시형태에 관련된 전력 계통의 주파수 저하의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 6 은 본 발명의 실시형태에 관련된 전력 계통의 주파수의 저하에 따른 요구 출력의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 7 은 본 발명의 실시형태에 관련된 제어부의 기능을 나타내는 기능 블록도이다.
도 8 은 전력 계통의 주파수가 저하됨과 함께, 발전기의 출력이 감소하고 있는 경우에, 풍차 로터에 비축되어 있는 관성력에 의한 보충을 실시한 경우의 풍력 발전 장치의 출력의 일례로서, 도 8(A) 는, 전력 계통에 이상이 발생한 타이밍을 나타내는 전체도, 도 8(B) 는, 전력 계통에 이상이 발생한 타이밍의 전후를 나타내는 영역 A의 확대도이다.
도 9 는 본 발명의 실시형태에 관련된 풍력 발전 장치가, 요구 출력을 만족하는 전력을 출력하기 위한, 풍차 2 차 전지 장치의 출력과 풍차 로터에 비축되어 있는 관성력의 비를 나타내는 모식도로서, 도 9(A) 는, 요구 출력이 미리 정해진 임계값 이상인 경우이고, 도 9(B) 는, 요구 출력이 미리 정해진 임계값 미만인 경우이다.
도 10 은 본 발명의 실시형태에 관련된 풍력 발전 장치에 있어서, 전력 계통의 주파수가 저하됨과 함께, 발전기의 출력이 감소하고 있는 경우에, 풍차 로터에 비축되어 있는 관성력과 풍차 2 차 전지 장치에 의한 보충을 실시한 경우의 풍력 발전 장치의 출력의 일례이다.
도 11 은 전력 계통의 주파수가 저하됨과 함께, 발전기의 출력이 증가하고 있는 경우에, 풍차 로터에 비축되어 있는 관성력에 의한 보충을 실시한 경우의 풍력 발전 장치의 출력의 일례로서, 도 11(A) 는, 전력 계통에 이상이 발생한 타이밍을 나타내는 전체도, 도 11(B) 는, 전력 계통에 이상이 발생한 타이밍의 전후를 나타내는 영역 A 의 확대도이다.
도 12 는 본 발명의 실시형태에 관련된 풍력 발전 장치에 있어서 전력 계통의 주파수가 저하됨과 함께, 발전기의 출력이 증가하고 있는 경우에, 풍차 로터에 비축되어 있는 관성력과 풍차 2 차 전지 장치에 의한 보충을 실시한 경우의 풍력 발전 장치의 출력의 일례이다.

이하에, 본 발명에 관련된 풍력 발전 장치의 일 실시형태에 대해, 도면을 참조하여 설명한다.

도 1 은, 본 실시형태에 관련된 풍력 발전 장치 (10) 의 외관도이다.

풍력 발전 장치 (10) 는, 타워 (12), 타워 (12) 의 상부에 형성된 나셀 (14), 및 풍차 로터 (16) 를 구비하고 있다.

나셀 (14) 은, 그 내부에 발전기 (20) 등 (도 2 도 참조) 을 구비하고 있고, 풍차 로터 (16) 와 발전기 (20) 는 기계적으로 연결되어, 풍차 로터 (16) 의 회전이 발전기 (20) 에 전달되게 되어 있다. 또, 나셀 (14) 은, 풍차 로터 (16) 와 함께 원하는 요 방향으로 선회 가능하게 되어 있다.

풍차 로터 (16) 는, 복수 장의 블레이드 (22) 및 허브 (24) 를 구비하고 있다. 복수 장의 블레이드 (22) 는, 각각 그 피치각이 가변 제어 가능하게 되어, 허브 (24) 에 방사 형상으로 형성되어 있다.

이와 같이, 풍력 발전 장치 (10) 는, 블레이드 (22) 가 풍력 에너지를 수용함으로써 풍차 로터 (16) 가 회전하고, 풍차 로터 (16) 의 회전에 의해 발전기 (20) 를 구동시킴과 함께, 발전기 (20) 에 의해 발전된 전력을 전력 계통으로 송전한다.

도 2 는, 본 실시형태에 관련된 풍력 발전 장치 (10) 의 전기적 구성을 나타내는 블록도이다.

발전기 (20) 에는 교류-직류 변환부 (30A) 가 접속되어 있고, 교류-직류 변환부 (30A) 는, 발전기 (20) 로부터 출력되는 교류의 전력을 직류로 변환한다.

또, 교류-직류 변환부 (30A) 에는 직류-직류 변환부 (32) 및 직류-교류 변환부 (34) 가 접속되어 있다.

직류-직류 변환부 (32) 에는, 나셀 (14) 내에 배치되어 충방전 가능한 2 차 전지 (예를 들어, 리튬 전지) 인 풍차 2 차 전지 장치 (36) 가 접속되어 있고, 교류-직류 변환부 (30A) 에서 직류로 변환된 전압을 풍차 2 차 전지 장치 (36) 에 충전 가능한 크기의 전압으로 변환한다.

한편, 직류-교류 변환부 (34) 는, 교류-직류 변환부 (30A) 에 의해 직류로 변환된 전력을 다시 교류로 변환한다. 그리고, 직류-교류 변환부 (34) 에 의해 교류로 변환된 전력은, 다른 풍력 발전 장치와 전기적으로 접속하기 위한 변압기 (38A) 및 본선 (40) 을 통해 전력 계통 (42) 으로 송전된다.

또한, 전력 계통 (42) 으로 송전하기 위한 본선 (40) 에는, 나셀 (14) 밖에 배치되어 있는 충방전 가능한 2 차 전지 (예를 들어, 리튬 전지) 인 팜 2 차 전지 장치 (44) 가, 변압기 (38B) 및 교류-직류 변환부 (30B) 를 개재하여 접속되어 있다. 또한, 팜 2 차 전지 장치 (44) 는, 풍력 발전 장치 (10) 마다 형성되어 있어도 되고, 소정 수의 풍력 발전 장치 (10) 마다 형성되어 있어도 된다.

또, 풍력 발전 장치 (10) 는, 발전기 (20) 의 출력을 검출하는 전력 검출부 (46) 를 구비하고 있다. 또한, 전력 검출부 (46) 는, 소정 시간 간격마다 (예를 들어, 3 초 간격마다) 전력을 검출한다.

게다가 풍력 발전 장치 (10) 는, 제어부 (48) 를 구비하고 있다. 제어부 (48) 는, 전력 검출부 (46) 에서 검출된 전력을 나타내는 검출치가 입력됨과 함께, 풍차 로터 (16), 교류-직류 변환부 (30A), 직류-직류 변환부 (32), 직류-교류 변환부 (34), 및 교류-직류 변환부 (30B) 를 제어한다.

또, 제어부 (48) 는, 자기 기억 장치 또는 반도체 기억 장치로 구성되는 기억부 (50) 를 구비하고 있다. 기억부 (50) 는, 각종 데이터의 기억 및 제어부 (48) 가 실행하는 프로그램의 워크 에리어로서 사용된다.

그리고, 본 실시형태에 관련된 풍력 발전 장치 (10) 는, 발전기 (20) 의 출력 변화의 기울기를 도출하고, 그 변화의 기울기로부터 발전기 (20) 의 출력의 증감을 판정하는 처리 (이하, 「출력 변화 판정 처리」라고 한다) 를 실시한다.

도 3 은, 출력 변화 판정 처리를 실시하는 경우에, 제어부 (48) 에 의해 실행되는 출력 변화 판정 프로그램의 처리의 흐름을 나타내는 플로우 차트로서, 그 출력 변화 판정 프로그램은 기억부 (50) 의 소정 영역에 미리 기억되어 있다. 또한, 본 프로그램은, 예를 들어, 풍력 발전 장치 (10) 가 발전을 개시함과 함께 개시한다.

먼저, 단계 100 에서는, 전력 검출부 (46) 로부터 검출치가 입력될 때까지 대기 상태가 되고, 전력 검출부 (46) 로부터 검출치가 입력되면 단계 102 로 이행한다.

단계 102 에서는, 전력 검출부 (46) 로부터 입력된 발전기 (20) 의 출력의 검출치를 기억부 (50) 에 기억한다.

다음의 단계 104 에서는, 기억부 (50) 에 기억된 검출치가 발전기 (20) 의 출력의 증감을 판정하는 데에 필요한 소정 수 (본 실시형태에서는, 일례로서 2 개) 이상 기억되어 있는지의 여부를 판정하여, 긍정 판정이 된 경우에는 단계 106 으로 이행하는 한편, 부정 판정이 된 경우에는 단계 100 으로 되돌아온다.

단계 106 에서는, 기억부 (50) 에 기억된 소정 수의 검출치에 기초하여, 발전기 (20) 의 출력 변화의 기울기를 도출한다.

여기서, 도 4 를 참조하여, 출력 변화의 기울기의 도출 방법에 대해 설명한다. 도 4 는, 전력 검출부 (46) 에서 검출된 전력 (출력) 의 변화를 나타내는 그래프이다.

도 4 에 나타내는 검출치 n 은, 최신의 검출치이고, 검출치 n-1 은, 검출치 n 보다 하나 전에 검출된 검출치이다.

그리고, 본 실시형태에서는, 검출치 n 과 검출치 n-1 을 연결하는 직선 L 의 기울기 θ 를 출력 변화의 기울기로서 도출한다.

또한, 발전기 (20) 의 출력의 증감을 판정하는 데에 필요한 검출치의 수는, 3 개 이상이어도 된다. 이 경우, 3 개 이상의 검출치로부터 직선의 근사선을 구하여, 그 근사선의 기울기를 발전기 (20) 의 출력 변화의 기울기로 한다.

다음의 단계 108 에서는, 단계 106 에서 도출한 기울기 θ 에 기초하여, 발전기 (20) 의 출력의 증감을 판정한다.

구체적으로는, 기울기 θ 가, 예를 들어 0° ＜ θ ＜ 90° 인 경우에는, 풍속이 상승 중으로, 발전기 (20) 의 출력이 증가하고 있는 것으로 판정한다. 한편, 기울기 θ 가, 예를 들어 270° ＜ θ ＜ 360° 인 경우에는, 풍속이 하강 중으로, 발전기 (20) 의 출력이 감소하고 있는 것으로 판정한다. 또한, 기울기 θ 가 0° ＜ θ ＜ 90° 및 270° ＜ θ ＜ 360° 의 어느 것도 아닌 경우에는, 발전기 (20) 의 출력에 증감이 없는 것으로 판정한다.

즉, 판정 결과는, 출력의 증가, 출력의 감소, 및 출력의 증감 없음의 3 종류의 어느 것이 된다.

다음의 단계 110 에서는, 풍력 발전 장치 (10) 의 발전을 정지시키는 취지의 지시가 도시 생략된 제어반을 통해 오퍼레이터에 의해 입력되었는지의 여부를 판정하여, 긍정 판정이 된 경우에는, 본 프로그램을 종료하고, 부정 판정이 된 경우에는, 단계 100 으로 되돌아온다.

다음으로, 전력 계통 (42) 에 이상 (예를 들어, 대형 발전소의 해렬) 이 발생함으로써, 풍력 발전 장치 (10) 가 접속되어 있는 전력 계통 (42) 의 주파수가 저하된 경우에 대해 설명한다.

전력 계통 (42) 에 이상이 발생하면, 예를 들어, 도 5 에 나타내는 바와 같이 전력 계통 (42) 의 주파수가 일시적으로 크게 저하 (0 ∼ 5 sec의 범위에 있어서의 주파수의 저하) 되는 경우가 있다. 그리고, 이 주파수의 저하는, 주파수의 미소한 변동 (5 sec 이후의 주기가 2 sec 의 주파수의 변동) 을 반복하면서 평형 상태로 되돌아온다.

그 때문에, 풍력 발전 장치 (10) 는, 전력 계통 (42) 의 주파수의 저하, 즉 전력 계통 (42) 의 전력의 저하를 보충하기 위해서, 전력 계통 (42) 의 주파수의 변동에 따라, 출력시키는 전력을 변동시키는 요구가 생긴다. 즉, 이 요구는, 풍력 발전 장치 (10) 에 대해, 전력 계통 (42) 이 요구하는 전력 (이하, 「요구 출력」이라고 한다) 이다.

또한, 요구 출력은, 하기 (1) 식으로부터 구해진다. (1) 식에 있어서 ΔP 는, 전력 계통 (42) 의 주파수의 변동에 따른 요구 출력의 변동폭이고, f 는 전력 계통의 주파수, R 은 미리 정해진 상수이다.

[수학식 1]

도 6 은, 도 5 에 나타내는 전력 계통 (42) 의 주파수의 저하에 따른 요구 출력을 나타내는 그래프이다. 도 6 에 나타내는 바와 같이, 전력 계통 (42) 의 주파수의 변동이 크면 요구 출력도 커지고, 전력 계통 (42) 의 주파수의 변동이 작으면 요구 출력도 작아진다.

그리고, 본 실시형태에 관련된 풍력 발전 장치 (10) 는, 전력 계통 (42) 의 주파수가 저하된 경우에, 요구 출력을 출력하도록 제어부 (48) 에 의해 제어된다.

도 7 은, 요구 출력의 출력에 관한 제어부 (48) 의 기능을 나타내는 블록도이다. 제어부 (48) 는, 요구 출력 산출부 (60), 출력 변화 판정 처리부 (62), 및 제어 지령 생성부 (64) 를 구비하고 있다.

제어부 (48) 는, 전력 계통 (42) 의 주파수가 입력된다.

요구 출력 산출부 (60) 는, 입력된 전력 계통 (42) 의 주파수로부터, 상기 (1) 식을 이용하여 풍력 발전 장치 (10) 의 출력에 대해 증가시켜야 할 요구 출력을 산출하고, 산출된 값을 출력 상승 지령치로 하여 제어 지령 생성부 (64) 에 출력한다.

출력 변화 판정 처리부 (62) 는, 상기 서술한 출력 변화 판정 처리를 실시하고, 발전기 (20) 에 의한 출력의 증감을 판정하여, 판정 결과를 제어 지령 생성부 (64) 로 출력한다.

제어 지령 생성부 (64) 는, 풍차 로터 (16) 의 회전수, 요구 출력 산출부 (60) 로부터 출력된 출력 상승 지령치, 및 출력 변화 판정 처리부 (62) 에 의한 판정 결과에 기초하여, 풍차 로터 (16) 를 제어하기 위한 풍차 로터 제어 지령치, 풍차 2 차 전지 장치 (36) 및 팜 2 차 전지 장치 (44) 의 적어도 일방의 충방전을 제어하기 위한 충방전 제어 지령치를 생성한다.

또한, 풍차 로터 제어 지령치는, 풍차 로터 컨트롤러 (66) 에 송신되고, 충방전 제어 지령치는, 풍차 충방전 컨트롤러 (68) 및 팜 충방전 컨트롤러 (70) 에 송신된다.

풍차 로터 컨트롤러 (66) 는, 풍차 로터 제어 지령치에 기초하여 풍차 로터 (16) 에 대한 제동력 (브레이크) 의 부여 또는 블레이드 (22) 의 피치각의 변경을 실시한다.

풍차 충방전 컨트롤러 (68) 는, 충방전 제어 지령치에 기초하여 풍차 2 차 전지 장치 (36) 가 충방전되도록 직류-직류 변환부 (32) 를 제어한다.

팜 충방전 컨트롤러 (70) 는, 충방전 제어 지령치에 기초하여 팜 2 차 전지 장치 (44) 가 충방전되도록 교류-직류 변환부 (30B) 를 제어한다.

다음으로, 전력 계통 (42) 의 주파수가 저하된 경우로서, 출력 변화 판정 처리부 (62) 에 의해 발전기 (20) 의 출력이 감소하고 있는 것으로 판정된 경우에 대해 설명한다.

전력 계통 (42) 에 이상이 생김으로 인한 전력 계통 (42) 의 주파수는, 상기 서술한 도 5 에 나타내는 바와 같이 이상 발생 직후에 크게 저하된다. 그리고, 이 주파수의 큰 저하에 대한 요구 출력은, 도 6 에 나타내는 바와 같이 그 이후와 비교하여 크다.

그 때문에, 전력 계통 (42) 의 주파수의 큰 저하에 대해서는, 풍차 로터 (16) 에 제동력을 가함으로써, 풍차 로터 (16) 에 비축되어 있는 관성력 (관성 에너지) 을 사용함으로써 보충한다.

도 8 은, 풍력 발전 장치 (10) 의 출력의 변화를 나타냄과 함께, 발전기 (20) 의 출력이 감소하고 있는 경우에, 전력 계통 (42) 에 이상이 생긴 타이밍의 일례를 나타내고 있고, 도 8(A) 의 영역 A 의 확대도가 도 8(B) 이다.

그리고, 도 8(B) 에 나타내는 바와 같이, 풍차 로터 (16) 에 비축되어 있는 관성력에 의한 보충에 의해, 풍력 발전 장치 (10) 의 출력이 일시적으로 요구 출력에 가까워진다. 그러나, 그 후 발전기 (20) 의 출력은, 풍차 로터 (16) 에 제동력이 가해졌기 때문에 감소한다. 그 때문에, 풍력 발전 장치 (10) 는, 요구 출력을 출력할 수 없게 된다.

그래서, 본 실시형태에 관련된 풍력 발전 장치 (10) 는, 전력 계통 (42) 의 주파수가 저하됨과 함께, 발전기 (20) 의 출력이 감소하고 있는 경우, 관성력에 의한 보충의 부족분을 풍차 2 차 전지 장치 (36) 에 충전되어 있는 전력으로 보충한다. 요컨대, 제어 지령 생성부 (64) 가, 풍력 발전 장치 (10) 가 요구 출력을 출력하기 위한 풍차 로터 제어 지령치 및 충방전 제어 지령치를 생성한다.

도 9 는, 요구 출력을 만족하는 전력을 풍력 발전 장치 (10) 가 출력하기 위한, 풍차 2 차 전지 장치 (36) 의 출력과 풍차 로터 (16) 에 비축되어 있는 관성력의 비를 나타낸다.

도 9(A) 는, 요구 출력을 나타내는 출력 상승 지령치가 풍력 발전 장치 (10) 의 출력에 대해 미리 정해진 비율 (예를 들어, 3 ％) 이상인 경우에 있어서의, 풍차 2 차 전지 장치 (36) 및 풍차 로터 (16) 에 비축되어 있는 관성력의 비를 나타낸다. 또한, 이하의 설명에 있어서, 상기 비율을 간단히 임계값이라고 한다.

출력 상승 지령치가 미리 정해진 임계값 이상인 경우, 제어 지령 생성부 (64) 는, 도 9(A) 에 나타내는 바와 같이 풍차 로터 (16) 의 회전수가 많을수록, 풍차 로터 (16) 에 비축되어 있는 관성력에 의한 출력이 커지고, 풍차 2 차 전지 장치 (36) 로부터의 출력이 작아지도록, 풍차 로터 제어 지령치 및 충방전 제어 지령치를 생성한다.

한편, 요구 출력을 나타내는 출력 상승 지령치가 상기 미리 정해진 임계값 미만인 경우, 제어 지령 생성부 (64) 는, 도 9(B) 에 나타내는 바와 같이 풍차 로터 제어 지령치를 생성하지 않고, 풍차 로터 (16) 의 회전수에 관계없이, 풍차 2 차 전지 장치 (36) 의 방전에 의해 요구 출력을 만족하도록 충방전 제어 지령치를 생성한다. 이것은, 출력 상승 지령치가 임계값 미만인 경우에는, 추종시켜야 하는 출력이 지나치게 작아, 풍차 로터 (16) 에 대한 제어에서는 그 출력의 추종을 할 수 없기 때문이다.

도 10 에, 풍차 로터 (16) 에 비축되어 있는 관성력과 풍차 2 차 전지 장치 (36) 에 의한 보충을 실시한 경우의 일례를 나타낸다. 도 10 에 나타내는 바와 같이, 풍차 로터 (16) 에 비축되어 있는 관성력과 풍차 2 차 전지 장치 (36) 에 의한 보충을 실시한 경우에는, 풍차 로터 (16) 에 비축되어 있는 관성력을 사용한 것뿐인 경우와 비교하여, 풍력 발전 장치 (10) 의 출력과 요구 출력의 차가 작아진다.

또한, 도 10 에 나타내는 예에서는, 풍차 2 차 전지 장치 (36) 에 의한 방전만으로는 요구 출력을 만족할 수 없게 되어 있다. 이와 같은 경우에는, 팜 2 차 전지 장치 (44) 도 방전시켜, 팜 2 차 전지 장치 (44) 도 사용한 보충을 실시하는 충방전 제어 지령치를 생성한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 관련된 풍력 발전 장치 (10) 는, 전력 계통 (42) 의 주파수가 저하된 경우로서, 발전기 (20) 의 출력이 감소하고 있는 경우에, 발전기 (20) 의 출력과 요구 출력의 차를, 풍차 로터 (16) 에 비축되어 있는 관성력, 및 풍차 2 차 전지 장치 (36) 또는 팜 2 차 전지 장치 (44) 에 충전되어 있는 전력으로 보충한다.

또한, 발전기 (20) 의 출력과 요구 출력의 차를, 풍차 로터 (16) 에 비축되어 있는 관성력만으로 보충해도 되고, 풍차 2 차 전지 장치 (36) 또는 팜 2 차 전지 장치 (44) 에 충전되어 있는 전력만으로 보충해도 된다.

또, 풍력 발전 장치 (10) 는, 요구 출력에 따른 출력을 실시하고 있는 동안에도, 출력 변화 판정 처리부 (62) 에 의한 발전기 (20) 의 출력의 증감을 판정하고, 판정 결과에 따라 제어 지령 생성부 (64) 에 의해 풍차 로터 제어 지령치 및 충방전 제어 지령치를 새롭게 생성하여, 출력한다.

다음으로, 전력 계통 (42) 의 주파수가 저하된 경우로서, 출력 변화 판정 처리부 (62) 에 의해 발전기 (20) 의 출력이 증가하고 있는 것으로 판정된 경우에 대해 설명한다.

도 11 은, 풍력 발전 장치 (10) 의 출력의 변화를 나타냄과 함께, 발전기 (20) 의 출력이 증가하고 있는 경우에, 전력 계통 (42) 에 이상이 생긴 타이밍의 일례를 나타내고 있고, 도 11(A) 의 영역 A 의 확대도가 도 11(B) 이다.

그리고, 도 11(B) 에는, 전력 계통 (42) 의 주파수의 저하에 수반하여, 풍차 로터 (16) 에 비축되어 있는 관성력에 의한 보충을 실시한 경우의 예가 나타나 있다.

도 11(B) 에 나타내는 바와 같이, 풍차 로터 (16) 에 비축되어 있는 관성력에 의한 보충을 실시하면, 풍력 발전 장치 (10) 의 출력이 일시적으로 요구 출력에 상당한다. 그러나, 발전기 (20) 의 출력이 증가하고 있기 때문에, 그 후, 풍력 발전 장치 (10) 의 출력이 요구 출력을 초과해버릴 가능성이 있다.

그래서, 본 실시형태에 관련된 풍력 발전 장치 (10) 는, 전력 계통 (42) 의 주파수가 저하됨과 함께, 발전기 (20) 의 출력이 증가하고 있는 경우, 발전기 (20) 의 출력을 저하시킨다. 구체적으로는, 제어부 (48) 는, 기억부 (50) 에 전력 계통 (42) 의 주파수가 저하되었을 때, 즉 전력 계통 (42) 에 이상이 발생했을 때의 발전기의 출력 (이하, 「기억 출력」이라고 한다) 을 기억시킨다. 그리고, 제어부 (48) 는, 발전기 (20) 의 출력을 기억 출력이 되도록 제어함과 함께, 발전기 (20) 의 출력과 요구 출력의 차를, 풍차 로터 (16) 에 비축되어 있는 관성력 및 풍차 2 차 전지 장치 (36) 에 충전되어 있는 전력으로 보충하도록 제어한다.

요컨대, 제어 지령 생성부 (64) 가, 먼저, 전력 계통 (42) 의 이상 발생 직후에 크게 저하되는 주파수에 대응한, 풍차 로터 (16) 에 제동력을 주기 위한 풍차 로터 제어 지령치, 및 풍차 2 차 전지 장치 (36) 를 방전시키기 위한 충방전 제어 지령치를 생성한다. 이로써, 풍력 발전 장치 (10) 는, 풍차 로터 (16) 에 비축되어 있는 관성력 및 풍차 2 차 전지 장치 (36) 로부터 방전되는 전력의 보충에 의해, 요구 출력을 만족시킨 전력을 출력한다.

그 후, 제어 지령 생성부 (64) 는, 발전기 (20) 의 출력이 기억 출력에 감소하도록 블레이드 (22) 의 피치각을 제어하기 위한 풍차 로터 제어 지령치를 생성한다. 구체적으로는, 블레이드 (22) 의 피치각을 패더측으로 변경시키는 풍차 로터 제어 지령치를 생성함으로써, 블레이드 (22) 가 수용하는 풍력을 감소시켜, 발전기 (20) 의 출력을 감소시킨다.

또한, 도 12 의 일점쇄선이, 발전기 (20) 의 출력을 기억 출력으로 감소시킨 경우를 나타내고 있다. 이로써, 풍력 발전 장치 (10) 의 출력이 요구 유효 출력을 초과하는 것을 억제할 수 있다. 그러나, 이것만으로는, 전력 계통 (42) 의 미소한 주파수의 변동에는 대응할 수 없기 때문에, 풍력 발전 장치 (10) 의 출력이 요구 유효 출력에 도달하지 않는다.

그 때문에, 본 실시형태에 관련된 제어 지령 생성부 (64) 는, 블레이드 (22) 의 피치각을 제어하기 위한 풍차 로터 제어 지령치를 생성함과 함께, 출력 상승 지령치에 기초하여, 풍차 2 차 전지 장치 (36) 를 방전시키기 위한 충방전 제어 지령치를 생성한다. 이로써, 도 12 의 파선에 나타내는 바와 같이, 풍력 발전 장치 (10) 는, 출력을 요구 출력에 상당시킬 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 관련된 풍력 발전 장치 (10) 는, 전력 계통 (42) 의 주파수가 저하된 경우로서, 발전기 (20) 의 출력이 증가하고 있는 경우에, 발전기 (20) 의 출력을 기억부 (50) 에 기억되어 있는 기억 출력되도록 제어함과 함께, 발전기 (20) 의 출력과 요구 출력의 차가, 풍차 로터 (16) 에 비축되어 있는 관성력 및 풍차 2 차 전지 장치 (36) 에 충전되어 있는 전력으로 보충한다.

이 때문에, 풍력 발전 장치 (10) 는, 전력 계통 (42) 에 생긴 이상에 의해 전력 계통의 주파수가 저하되고, 또한 풍속이 상승하고 있는 경우에도, 전력 계통 (42) 이 요구하는 전력을 출력할 수 있다.

또한, 본 실시형태에 관련된 제어 지령 생성부 (64) 는, 풍차 2 차 전지 장치 (36) 에 의한 방전만으로는 요구 출력을 만족할 수 없는 경우에는, 팜 2 차 전지 장치 (44) 도 방전시켜, 팜 2 차 전지 장치 (44) 도 사용한 보충을 실시하는 충방전 제어 지령치를 생성한다. 또한, 풍차 2 차 전지 장치 (36) 를 방전시키지 않고, 팜 2 차 전지 장치 (44) 만을 방전시킴으로써, 보충을 실시해도 된다.

이상, 본 발명을, 상기 실시형태를 이용하여 설명했지만, 본 발명의 기술적 범위는 상기 실시형태에 기재된 범위에는 한정되지 않는다. 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 상기 실시형태에 다양한 변경 또는 개량을 추가할 수 있고, 그 변경 또는 개량을 추가한 형태도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

예를 들어, 상기 실시형태에서는, 발전기 (20) 의 출력을 기억 출력으로 하기 위해서, 블레이드 (22) 의 피치각을 제어하는 경우에 대해 설명했지만, 본 발명은, 이것에 한정되는 것이 아니고, 발전기 (20) 의 출력을 기억 출력으로 하기 위해서, 발전기 (20) 의 발전된 전력을, 2 차 전지에 충전하도록 제어하는 형태로 해도 된다.

구체적으로는, 예를 들어, 풍차 2 차 전지 장치 (36) 가 복수의 2 차 전지를 구비하고, 복수의 그 2 차 전지 중 방전에 기여하지 않는 2 차 전지에, 발전기 (20) 의 발전된 전력을 충전시킨다. 또한, 방전에 기여하고 있는 2 차 전지란, 풍력 발전 장치 (10) 의 출력을 요구 출력으로 하기 위해서 방전하고 있는 2 차 전지이다.

또, 상기 실시형태에서는, 풍차 2 차 전지 장치 (36) 로서 리튬 전지를 사용하는 경우에 대해 설명했지만, 본 발명은, 이것에 한정되는 것이 아니고, 풍차 2 차 전지 장치 (36) 로서 전계 콘덴서 등, 다른 축전 수단을 사용하는 형태로 해도 된다.

또, 상기 실시형태에서는, 풍차 2 차 전지 장치 (36) 를 나셀 (14) 내에 배치하는 경우에 대해 설명했지만, 본 발명은, 이것에 한정되는 것이 아니고, 풍차 2 차 전지 장치 (36) 를 타워 (12) 내 또는 타워 (12) 아래에 배치하는 형태로 해도 된다.

또, 풍차 2 차 전지 장치 (36) 를 구비하지 않는 다른 풍력 발전 장치에 대해 풍차 2 차 전지 장치 (36) 를 구비하는 풍력 발전 장치 (10) 가, 풍차 2 차 전지 장치 (36) 에 충전되어 있는 전력을 송전함으로써, 상기 다른 풍력 발전 장치의 출력이 요구 출력을 만족하는 형태로 해도 된다.

이 형태의 경우, 풍력 발전 장치 (10) 는, 다른 풍력 발전 장치로부터 출력되는 출력의 계측치를 수신하고, 그 다른 풍력 발전 장치에 요구되고 있는 요구 출력과 수신한 계측치의 차에 상당하는 전력을 풍차 2 차 전지 장치 (36) 로부터 방전한다.

10 풍력 발전 장치
16 풍차 로터
20 발전기
22 블레이드
36 풍차 2 차 전지 장치
42 전력 계통
44 팜 2 차 전지 장치
48 제어부
50 기억부

Claims

복수 장의 블레이드를 갖는 풍차 로터가 바람을 받아 회전하고, 그 풍차 로터의 회전에 의해 발전기를 구동시킴과 함께, 그 발전기에 의해 발전된 전력을 전력 계통으로 송전하는 풍력 발전 장치로서,
상기 발전기의 출력 변화의 기울기를 도출하고, 도출된 그 기울기에 기초하여, 상기 발전기의 출력의 증감을 판정하는 판정 수단과,
전력 계통의 주파수가 저하된 경우, 상기 판정 수단의 판정 결과에 기초하여 전력 제어를 실시하는 제어 수단과,
충방전 가능한 2 차 전지를 구비하고,
상기 제어 수단은, 상기 전력 계통의 주파수가 저하된 경우로서, 상기 판정 수단에 의해 상기 발전기의 출력이 감소하고 있는 것으로 판정된 경우에, 상기 발전기의 출력과 상기 전력 계통이 요구하는 전력의 차를, 상기 풍차 로터에 비축되어 있는 관성력 및 상기 2 차 전지에 충전되어 있는 전력의 적어도 일방으로 보충하도록 제어하는 풍력 발전 장치.
삭제
복수 장의 블레이드를 갖는 풍차 로터가 바람을 받아 회전하고, 그 풍차 로터의 회전에 의해 발전기를 구동시킴과 함께, 그 발전기에 의해 발전된 전력을 전력 계통으로 송전하는 풍력 발전 장치로서,
상기 발전기의 출력 변화의 기울기를 도출하고, 도출된 그 기울기에 기초하여, 상기 발전기의 출력의 증감을 판정하는 판정 수단과,
전력 계통의 주파수가 저하된 경우, 상기 판정 수단의 판정 결과에 기초하여 전력 제어를 실시하는 제어 수단과,
충방전 가능한 2 차 전지와,
상기 전력 계통의 주파수가 저하된 경우로서, 상기 판정 수단에 의해 상기 발전기의 출력이 증가하고 있는 것으로 판정된 경우에, 상기 전력 계통의 주파수가 저하되었을 때의 상기 발전기의 출력을 기억하는 기억 수단을 구비하고,
상기 제어 수단은, 상기 발전기의 출력을 상기 기억 수단에 기억되어 있는 출력이 되도록 제어함과 함께, 상기 발전기의 출력과 상기 전력 계통이 요구하는 전력의 차를, 상기 풍차 로터에 비축되어 있는 관성력 및 상기 2 차 전지에 충전되어 있는 전력으로 보충하도록 제어하는 풍력 발전 장치.
제 3 항에 있어서,
상기 제어 수단은, 상기 발전기의 출력이 상기 기억 수단에 기억되어 있는 출력이 되도록, 상기 블레이드의 피치각을 제어하는 풍력 발전 장치.
제 3 항에 있어서.
상기 2 차 전지는, 복수 형성되고,
상기 제어 수단은, 상기 발전기의 출력이 상기 기억 수단에 기억된 출력이 되도록, 상기 발전기의 발전된 전력을, 복수의 상기 2 차 전지 중 방전에 기여하지 않는 상기 2 차 전지에 충전하도록 제어하는 풍력 발전 장치.
복수 장의 블레이드를 갖는 풍차 로터가 바람을 받아 회전하고, 그 풍차 로터의 회전에 의해 발전기를 구동시킴과 함께, 그 발전기에 의해 발전된 전력을 전력 계통으로 송전하는 풍력 발전 장치의 출력 제어 방법으로서,
상기 발전기의 출력 변화의 기울기를 도출하고, 도출된 그 기울기에 기초하여, 상기 발전기의 출력의 증감을 판정하는 제 1 공정과,
전력 계통의 주파수가 저하된 경우, 상기 제 1 공정의 판정 결과에 기초하여, 상기 발전기의 출력이 감소하고 있는 것으로 판정된 경우에, 상기 발전기의 출력과 상기 전력 계통이 요구하는 전력의 차를, 상기 풍차 로터에 비축되어 있는 관성력 및 2 차 전지에 충전되어 있는 전력의 적어도 일방으로 보충하도록 전력 제어를 실시하는 제 2 공정을 갖는 출력 제어 방법.
복수 장의 블레이드를 갖는 풍차 로터가 바람을 받아 회전하고, 그 풍차 로터의 회전에 의해 발전기를 구동시킴과 함께, 그 발전기에 의해 발전된 전력을 전력 계통으로 송전하는 풍력 발전 장치의 출력 제어 방법으로서,
상기 발전기의 출력 변화의 기울기를 도출하고, 도출된 그 기울기에 기초하여, 상기 발전기의 출력의 증감을 판정하는 제 1 공정과,
전력 계통의 주파수가 저하된 경우, 상기 제 1 공정의 판정 결과에 기초하여, 상기 판정 수단에 의해 상기 발전기의 출력이 증가하고 있는 것으로 판정된 경우에, 상기 전력 계통의 주파수가 저하되었을 때의 상기 발전기의 출력을 기억하는 제 2 공정과,
상기 발전기의 출력을 상기 제 2 공정에서 기억되어 있는 출력이 되도록 제어함과 함께, 상기 발전기의 출력과 상기 전력 계통이 요구하는 전력의 차를, 상기 풍차 로터에 비축되어 있는 관성력 및 2 차 전지에 충전되어 있는 전력으로 보충하도록 전력 제어를 실시하는 제 3 공정을 갖는 출력 제어 방법.