KR101503408B1 - 축전지 병설형의 풍력 발전 시스템 및 축전지의 충방전 제어 장치 - Google Patents

Abstract

풍력 발전기(1)의 실제 발전량을 나타내는 순간 응답 요소를 검출하고, 순간 응답 요소의 변동에 따라 충방전 제어부(14)가 축전지(4)의 충방전을 제어한다. 또한, 패턴 정보 선택부(16)가, 순간 응답 요소의 변화량에 기초하여, 순간 응답 요소의 변동에 따른 충방전 제어용으로 할당하는 제어 영역을 복수 패턴 중에서 하나 선택하여 충방전 제어부(14)의 충방전 제어에 적용시킨다. 이로써, 풍황(風況)에 의해 변동하는 풍력 발전기(1)의 실제 발전량에 맞추어, 과부족이 적은 적절한 제어 영역을 축전지(4)에 대하여 동적(動的)으로 할당할 수 있도록 한다.

Description

축전지 병설형의 풍력 발전 시스템 및 축전지의 충방전 제어 장치{WIND-DRIVEN ELECTRICITY GENERATION SYSTEM OF TYPE HAVING STORAGE BATTERY, AND DEVICE FOR CONTROLLING CHARGE AND DISCHARGE OF STORAGE BATTERY}

본 발명은, 축전지 병설형의 풍력 발전 시스템 및 축전지의 충방전 제어 장치에 관한 것이며, 특히, 풍력 발전기에 연계하는 계통으로의 출력 전력을 풍량에 영향을 받지 않고 안정화시키는 기술에 관한 것이다.

일반적으로, 풍력 발전기는 자연풍을 받아 발전하므로, 출력 전력이 풍속의 변동에 크게 영향을 받는다. 풍력 발전기에서 발전한 전력을 전력 회사의 전력 선(이하 "계통"이라고 함)에 공급하기 위하여, 풍력 발전기는 계통에 연결(이하 "연계"라고 함)되지만, 풍속 변동에 기인하는 풍력 발전기의 출력 변동은, 계통에 급전(給電)되는 전력량을 시시각각으로 변동시키는 원인이 되고 있다.

계통에는, 소비되는 전력과 같은 양의 전력이 동시에 공급되지 않으면 안된다. 이 때문에 전력 회사는, 시시각각으로 변화하는 소비 전력의 시간 변화를 예측하고, 이에 따라 계통로의 급전 계획을 세운다. 이 급전 계획의 실현을 용이하게 하기 위하여, 불안정하며 출력이 일정하지 않은 전력이 계통에 흘러드는 것은 허용하지 않는다. 그러므로, 풍력 발전기를 계통에 연계시키는 풍력 발전 시스템을 도입하는 경우에는, 계통으로의 출력 전력의 변동을 억제하는 것이 필수적이다.

종래, 계통으로의 출력 전력의 변동을 억제하기 위하여, 축전지 병설형의 풍력 발전기가 제안되어 있다. 축전지 병설형의 풍력 발전기는, 풍력 발전기에서 발전한 전력의 일부를 축전하여 충방전을 제어함으로써, 풍량에 영향을 받지 않고 거의 일정한 전력을 계통에 공급할 수 있도록 한 것이다. 이 중, 일정하게 하고자 하는 목표 전력량에 대한 풍력 발전기에 의한 발전량의 변동을 방지하도록 축전지를 충방전하고, 풍력 발전기의 발전량과 축전지의 충방전량을 합성한 전력을 계통에 공급함으로써, 계통으로부터 보았을 때 풍력 발전기의 출력 전력의 변동을 억제하는 것이 존재한다(예를 들면, 특허 문헌 1∼3 참조).

또한, 풍황(風況)을 예측하여 풍력 발전기의 출력 전력을 평활화하도록 한 풍력 발전 시스템도 제안되어 있다(예를 들면, 특허 문헌 4, 5 참조). 이 특허 문헌 4, 5에 기재된 풍력 발전 시스템에서는, 풍력 발전기의 출력 전력으로부터 가까운 미래의 발전량을 연산에 의해 예측하여, 그 예측 발전량을 기준(목표)으로 하여 축전지의 충방전을 제어한다. 즉, 예측 발전량보다 풍력 발전기의 발전량이 많을 때는 그 초과분을 축전지에 충전하는 한편, 예측 발전량보다 발전량이 적을 때는 그 부족분을 축전지로부터 방전하여, 풍력 발전기의 발전량과 축전지의 충방전량을 합성함으로써, 출력 전력량의 궤적이 평활화된 커브를 그리도록 풍력 발전기의 출력 전력의 변동을 억제하고 있다.

일본 특허출원 공개번호 평 11-299106호 공보 일본 특허출원 공개번호 2000-308370호 공보 일본 특허출원 공개번호 2003-333752호 공보 일본 특허출원 공개번호 2004-289896호 공보 일본 특허출원 공개번호 2004-301116호 공보

이상과 같이, 풍력 발전기에 축전지를 병설하고, 축전지의 충방전을 제어함으로써 계통으로의 출력 전력을 평활화하는 시스템에서는, 풍황에 따라 시시각각으로 변동하는 풍력 발전기의 발전량에 맞추어 축전지의 충방전을 제어하고 있다. 구체적으로는, 특허 문헌 1∼5와 같이, 목표 전력량에 대한 풍력 발전기의 출력 전력의 변동을 없애도록, 축전지 전체가 충방전의 제어를 행하고 있다. 이 경우, 축전지의 전체 용량 중, 전력 변동에 대응한 충방전 제어에 실제로 사용되고 있는 용량분을 제외한 나머지 용량(충방전 잔여 용량) 만이, 계통에 계속적으로 안정된 전력을 공급하기 위해 전력을 저축하는 용량분이 된다.

그러나, 풍력 발전기에서 발전되는 전력의 목표 전력량에 대한 변동폭을 알 수 없으므로, 전력 계통으로의 계속적인 전력 공급에 사용할 수 있는 충방전 잔여 용량을 정확하게 파악할 수 없다. 그러므로, 충방전 잔여 용량을 약간 적게 추측할 필요가 있다. 또한, 거친 날씨에는 발전 전력의 변동폭이 커지므로, 이 큰 변동폭을 예측하여, 실제로는 충방전 잔여 용량을 매우 적게 추측하지 않을 수 없다. 그러므로, 축전지의 충방전 기능을 구사하여 가능한 한 많게 그리고 안정된 전력을 계통에 공급하는 계획 송전을 실현할 수 없는 문제점 있었다. 본 발명은, 이와 같은 문제를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 풍력 발전기에 병설된 축전지의 충방전 기능을 유효하게 발휘시켜, 가능한 한 많게 그리고 안정된 전력을 계획적으로 계통에 공급할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

전술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는, 풍력 발전기에서 발전한 전력량의 순간값을 순간 응답 요소로서 검출하고, 순간 응답 요소의 단위 시간당의 변화량에 기초하여, 발전 전력량의 변동에 따른 충방전의 제어용으로 할당하는 축전지의 용량을 나타내는 충방전 제어 영역을 복수 패턴 중에서 하나 선택하여 충방전 제어에 적용시키도록 하고 있다.

전술한 바와 같이 구성한 본 발명에 의하면, 풍력 발전기에서 발전한 전력량의 실측값(순간 응답 요소)에 기초하여 충방전 제어 영역이 할당된다. 또한, 순간 응답 요소의 단위 시간당의 변화량에 기초하여, 충방전 제어 영역의 크기를 적응적(適應的)으로 바꿀 수 있다. 구체적으로는, 순간 응답 요소의 변화량이 작을 때는 충방전 제어 영역이 작아지도록 설정되고, 순간 응답 요소의 변화량이 클 때는 충방전 제어 영역이 커지도록 설정된다.

이로써, 순간 응답 요소의 단위 시간당의 변화량에 맞추어 과부족이 적은 적절한 충방전 제어 영역을 축전지에 대하여 동적(動的)으로 할당할 수 있다. 그리고, 축전지의 전체 용량 중, 충방전 제어 영역에 할당한 용량분을 제외한 나머지 부분(DC분)을, 안정된 전력을 계획적으로 계통에 공급하기 위해 이용할 수 있게 된다. 그리고, 축전지의 전체 용량의 일부를 충방전 제어 영역에 할당하더라도, 축전지 전체적으로 보았을 때 축전 기능을 잃지는 않는다.

여기서, 순간 응답 요소의 단위 시간당의 변화량은, 풍황에 따라 달라진다. 따라서, 풍황에 따라 그때 그때마다 최대가 되는 DC분을 축전지에 설정할 수 있다. 이상에 의해, 풍력 발전기에 병설된 축전지의 충방전 기능을 구사하여, 풍황에 따라 가능한 한 많게 그리고 안정된 전력을 계획적으로 계통에 공급할 수 있게 된다.

도 1은, 제1 실시예에 의한 축전지 병설형의 풍력 발전 시스템의 전체 구성예를 나타낸 도면이다.
도 2는, 제1 실시예에 의한 충방전 제어 장치의 기능 구성예를 나타낸 블록도이다.
도 3은, 제1 실시예에 의한 순간 응답 요소의 변동에 따른 충방전 제어를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는, 제1 실시예의 패턴 정보 기억부가 기억하는 복수 종류의 패턴 정보의 일례를 나타낸 도면이다.
도 5는, 제1 및 제2 실시예의 패턴 정보 선택부가 구비하는 테이블 정보의 일례를 나타낸 도면이다.
도 6은, 제1 실시예에 의한 충방전 제어 장치의 동작예를 나타내는 흐름도이다.
도 7은, 제2 실시예에 의한 축전지 병설형의 풍력 발전 시스템의 전체 구성예를 나타낸 도면이다.
도 8은, 제2 실시예에 의한 충방전 제어 장치의 기능 구성예를 나타낸 블록도이다.
도 9는, 제2 실시예에 의한 순간 응답 요소의 변동에 따른 충방전 제어를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은, 제2 실시예에 의한 1차 지연 요소의 변동에 따른 충방전 제어를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은, 제2 실시예의 패턴 정보 기억부가 기억하는 복수 종류의 패턴 정보의 일례를 나타낸 도면이다.
도 12는, 제2 실시예에 의한 충방전 제어 장치의 동작예를 나타내는 흐름도이다.

(제1 실시예)

이하, 본 발명의 일실시예를 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은, 제1 실시예에 의한 축전지 병설형의 풍력 발전 시스템(10)의 전체 구성예를 나타낸 도면이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 제1 실시예에 의한 풍력 발전 시스템(10)은, 풍력 발전기(1), 충방전 제어 장치(2), 인버터(3) 및 축전지(4)를 구비하여 구성되어 있다. 또한, 제1 실시예에 의한 풍력 발전 시스템(10)은, 급전 제어 장치(20)를 통하여 전력 회사의 계통(100)에 연계되어 있다.

풍력 발전기(1)는, 풍력에 의해 구동되어 계통(100)에 급전하기 위한 전력을 발생시키는 것이다. 구체적으로는, 풍력 발전기(1)는, 대좌(臺座) 상에 타워부가 쌓아 올려져 타워부의 상부에 프로펠러형 풍차가 설치된 구성으로 되어 있다. 프로펠러형 풍차의 날개 부분인 블레이드는, 허브(hub)를 통하여 회전축에 장착되고, 바람을 받아 회전축과 함께 회전 가능하게 구성되어 있다. 회전축에는 발전기가 연결되어 상기 발전기에 의해 발전된 전력이 전력 케이블을 통하여 풍력 발전기(1)의 외부에 출력되도록 구성되어 있다. 블레이드는 바람을 받아 그 풍력 에너지를 회전력으로 변환하는 것으로서, 이 블레이드의 회전 에너지를 전력으로 변환하는 것이 발전기이다.

축전지(4)는, 풍력 발전기(1)에서 발전한 전력의 일부를 충방전에 의해 축전하는 것이다. 충방전 제어 장치(2)는, 축전지(4)의 충방전을 제어하는 것이다. 그 제어 내용의 상세한 것은, 도 2를 이용하여 후술한다. 인버터(3)는, 직교류의 변환 처리를 행하는 것이다. 구체적으로는, 인버터(3)는, 충전 시에 충방전 제어 장치(2)로부터 공급되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 축전지(4)에 공급하고, 방전 시에 축전지(4)로부터 공급되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 충방전 제어 장치(2)에 공급한다.

급전 제어 장치(20)는, 풍력 발전기(1)에 의해 발전된 전력과, 충방전 제어 장치(2)에 의해 축전지(4)로부터 방전된 전력을 사용하여, 계통(100)에 급전하는 전력을 제어한다. 예를 들면, 급전 제어 장치(20)는, 풍력 발전기(1)의 발전량과 축전지(4)의 충방전량을 합성한 전력을 계통(100)에 공급하도록 제어한다. 이와 같은 제어를 행함으로써, 계통(100)으로부터 보았을 때 풍력 발전기(1)의 출력 전력의 변동이 억제되어, 계통(100)에 공급되는 전력을 일정하게 되도록 평활화할 수 있다.

도 2는, 본 실시예에 의한 충방전 제어 장치(2)의 기능 구성예를 나타낸 블록도이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 실시예의 충방전 제어 장치(2)는, 그 기능 구성으로서, 순간 응답 검출부(11), 변화량 산출부(13), 충방전 제어부(14), 패턴 정보 기억부(15) 및 패턴 정보 선택부(16)를 구비하고 있다.

순간 응답 검출부(11)는, 풍력 발전기(1)에서 발전한 전력량의 순간값을 순간 응답 요소 P로서 순차적으로 검출한다. 순간 응답 검출부(11)가 순간 응답 요소 P를 검출하는 시간 간격인 샘플링 타임은 임의로 설정할 수 있지만, 예를 들면, 몇 초로 설정한다.

도 3은, 순간 응답 요소 P의 구체예를 나타낸 도면이다. 그리고, 순간 응답 요소 P는 본래 샘플링 타임마다의 이산값이지만, 알기 쉽게 설명하기 위해 편의상, 이산값을 연결한 파형으로서 도시하고 있다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 순간 응답 요소 P는, 순간 응답 검출부(11)에 의해 샘플링 타임마다 검출되는 풍력 발전기(1)의 실제 발전량을 나타낸 것이며, 전력량이 샘플링 타임마다 크게 변화하고 있다.

변화량 산출부(13)는, 순간 응답 검출부(11)에 의해 검출된 순간 응답 요소 P의 단위 시간당의 변화량 dP/dt를 구한다. 충방전 제어부(14)는, 순간 응답 검출부(11)에 의해 검출된 순간 응답 요소 P의 변동에 따라 축전지(4)의 충방전을 제어한다.

순간 응답 요소 P의 변동에 따른 축전지(4)의 충방전 제어는, 예를 들면, 다음과 같이 하여 행한다. 즉, 충방전 제어부(14)는, 최종적으로 일정하게 하고자 하는 목표 전력량 G를 기준으로 하여, 순간 응답 검출부(11)에 의해 검출된 순간 응답 요소 P의 상기 목표 전력량 G에 대한 차분을 없애도록 축전지(4)의 충방전을 제어한다. 구체적으로는, 도 3에 있어서, 목표 전력량 G보다 순간 응답 요소 P가 큰 부분의 전력량을 축전지(4)에 충전하는 한편, 목표 전력량 G보다 순간 응답 요소 P가 작은 부분의 전력량을 축전지(4)로부터 방전한다.

패턴 정보 기억부(15)는, 순간 응답 요소 P의 변동에 따른 축전지(4)의 충방전의 제어용(도 3에 나타내는 충방전 제어용)에 할당하는 축전지(4)의 용량을 나타내는 순간 응답 제어 영역(충방전 제어 영역)의 조합에 따른 복수 종류의 패턴 정보를 기억한다.

도 4는, 패턴 정보 기억부(15)가 기억하는 복수 종류의 패턴 정보의 일례를 나타낸 도면이다. 도 4에 나타낸 예에서는, 3종류의 패턴 정보 A, B, C를 나타내고 있다. 패턴 정보 A는, 순간 응답 제어 영역으로서 할당하는 용량을 전력량으로 1MW(메가와트) 상당으로 하고 있다. 패턴 정보 B는, 순간 응답 제어 영역으로서 할당하는 용량을 전력량으로 2MW 상당으로 하고 있다. 또한, 패턴 정보 C는, 순간 응답 제어 영역으로서 할당하는 용량을 전력량으로 3MW 상당으로 하고 있다.

제1 실시예에 있어서, 축전지(4)는, 최대로 30MW의 전력량을 축전할 수 있는 용량을 가지고 있는 것으로 한다. 이 경우, 패턴 정보 A에서는 축전지(4)의 DC분이 29MW(=30MW-1MW) 상당으로 되고, 패턴 정보 B에서는 축전지(4)의 DC분이 28MW(=30MW-2MW) 상당으로 되고, 패턴 정보 C에서는 축전지(4)의 DC분이 27MW(=30MW-3MW) 상당으로 된다.

패턴 정보 선택부(16)는, 변화량 산출부(13)에 의해 구해진 순간 응답 요소 P의 단위 시간당의 변화량 dP/dt에 따라 패턴 정보 기억부(15)에 기억되어 있는 복수 종류의 패턴 정보 중에서 하나를 선택하고, 선택한 패턴 정보의 순간 응답 제어 영역을 충방전 제어부(14)에 의한 축전지(4)의 충방전 제어에 적용시킨다.

구체적으로는, 패턴 정보 선택부(16)는, 변화량 dP/dt의 값의 범위와 패턴 정보 기억부(15)에 기억되어 있는 패턴 정보와의 대응 관계를 나타내는 테이블 정보를 구비하고 있다. 도 5는, 이 테이블 정보의 일례를 나타낸 도면이다. 도 5에 나타내는 테이블 정보는, 변화량 dP/dt의 절대값이 x(x는 0보다 큰 임의의 값)보다 작을 때는 패턴 정보 A를 선택하고, 변화량 dP/dt의 절대값이 x 이상이며 y(y는 x 보다 큰 임의의 값)보다 작을 때는 패턴 정보 B를 선택하고, 변화량 dP/dt의 절대값이 y 이상일 때는 패턴 정보 C를 선택하는 것을 나타내고 있다.

패턴 정보 선택부(16)는, 초기 상태에서는, 예를 들면, 패턴 정보 A를 선택하고 있다. 그리고, 패턴 정보 선택부(16)는, 변화량 산출부(13)에 의해 구해진 변화량 dP/dt의 절대값이, 도 5에 나타낸 3종류의 값의 범위 중, 하나의 값의 범위에 소정 시간 이상 계속적으로 해당하는 것을 검출한 경우에, 상기 범위에 대응하고 있는 패턴 정보에 선택을 전환한다. 소정 시간 이상 계속적으로 해당하는 것을 조건으로 한 것은, 변화량 dP/dt의 절대값이 순간적으로만 크게 바뀌었을 경우에 패턴 정보를 쉽게 전환할 수 없도록 하기 위한 취지이다.

여기서는, 변화량 dP/dt의 절대값이 하나의 값의 범위에 소정 시간 이상 계속하여 속하고 있는 경우에 패턴 정보의 전환을 행하도록 했지만, 전술한 취지를 따르는 것이면, 그 외의 방법이라도 된다. 예를 들면, 샘플링 타임마다 계산한 변화량 dP/dt의 직근(直近)(예를 들면, 직근 1분간 이내에 계산한 복수의 변화량 dP/dt)의 평균값을 구하고, 이 평균값이 도 5에 나타낸 값의 범위의 어디에 속하는지를 판정하여 패턴 정보의 전환을 행하도록 해도 된다.

다음으로, 이상과 같이 구성한 제1 실시예에 의한 충방전 제어 장치(2)의 동작을 설명한다. 도 6은, 제1 실시예에 의한 충방전 제어 장치(2)의 동작예를 나타내는 흐름도이다. 그리고, 도 6에 나타내는 흐름도는, 샘플링 타임마다 반복적으로 행해지는 것이다. 또한, 도 6에 나타내는 흐름도의 개시 시점에서, 패턴 정보 선택부(16)는 패턴 정보 A를 선택하여 충방전 제어부(14)에 적용시키고 있는 것으로 한다. 즉, 패턴 정보 A에 해당하는 제어 영역이 축전지(4)에 설정되어 있는 것으로 한다.

도 6에 있어서, 먼저, 순간 응답 검출부(11)는, 풍력 발전기(1)에서 발전한 전력량의 순간값을 순간 응답 요소 P로서 검출한다(단계 S1). 다음으로, 변화량 산출부(13)는, 순간 응답 검출부(11)에 의해 검출된 순간 응답 요소 P의 단위 시간당의 변화량 dP/dt를 산출한다(단계 S2). 그리고, 패턴 정보 선택부(16)는, 산출된 변화량 dP/dt의 절대값이, 도 5에 나타낸 값의 범위 중 어디에 속하는지를 판정하고, 또한 그 값의 범위에 소정 시간 이상 계속적으로 속해 있는지의 여부를 판정한다(단계 S3).

여기서, 변화량 dP/dt의 절대값이, 하나의 값의 범위에 소정 시간 이상 계속적으로 속해 있는 것으로 판단한 경우, 패턴 정보 선택부(16)는, 상기 값의 범위에 대응하는 패턴 정보로 선택을 전환한다. 구체적으로는, 패턴 정보 선택부(16)는, 변화량 dP/dt의 절대값이 속하고 있는 값의 범위에 대응하는 패턴 정보를 선택하고, 패턴 정보 기억부(15)를 참조하여, 선택한 패턴 정보의 순간 응답 제어 영역을 충방전 제어부(14)에 적용시킨다(단계 S4).

한편, 변화량 dP/dt의 절대값이, 하나의 값의 범위에 소정 시간 이상 계속적으로 속해 있지 않은 것으로 패턴 정보 선택부(16)에 의해 판단한 경우는, 단계 S4의 처리는 행하지 않고 단계 S5의 처리로 진행한다. 단계 S5에 있어서, 충방전 제어부(14)는, 단계 S4에서 설정 변경된 순간 응답 제어 영역 또는 단계 S4의 처리가 행해지기 전의 순간 응답 제어 영역의 조건 하에서, 순간 응답 검출부(11)에 의해 검출된 순간 응답 요소 P의 변동에 따라 축전지(4)의 충방전을 제어한다(단계 S5).

이상 상세하게 설명한 바와 같이, 제1 실시예의 충방전 제어 장치(2)에 의하면, 순간 응답 요소 P의 단위 시간당의 변화량 dP/dt에 따라, 순간 응답 제어 영역의 크기를 적응적으로 바꿀 수 있다. 구체적으로는, 순간 응답 요소 P의 변화량 dP/dt가 작을 때는 순간 응답 제어 영역이 작아지도록 설정되고, 순간 응답 요소 P의 변화량 dP/dt가 클 때는 순간 응답 제어 영역이 커지도록 설정된다. 예를 들면, 도 3에 나타낸 바와 같이, 변화량 dP/dt의 절대값이 y 이상인 구간에서는 패턴 정보 C에 기초하여 가장 큰 순간 응답 제어 영역이 축전지(4)에 설정되고, 변화량 dP/dt의 절대값이 x보다 작은 구간에서는 패턴 정보 A에 기초하여 가장 작은 순간 응답 제어 영역이 축전지(4)에 설정된다.

이로써, 풍황에 따라 변동하는 순간 응답 요소 P의 단위 시간당의 변화량 dP/dt에 맞추어, 과부족이 적은 적절한 순간 응답 제어 영역을 축전지(4)에 대하여 동적으로 할당할 수 있다. 그리고, 축전지(4)의 전체 용량 중, 순간 응답 제어 영역에 할당한 용량분을 제외한 나머지 용량을, 안정된 전력을 계획적으로 계통(100)에 공급하기 위한 DC분으로서 이용할 수 있다. 따라서, 풍황에 따라 그때 그때마다 최대가 되는 DC분을 축전지(4)에 설정할 수 있다. 이상에 의해, 축전지(4)의 충방전 기능을 구사하여[즉, 축전지(4)에 충전된 전력의 실리 용량을 극대화하여], 풍황에 따라 가능한 한 많은 안정된 전력을 계획적으로 계통(100)에 공급할 수 있게 된다.

그리고, 종래와 같이 축전지 전체에서 충방전의 제어를 행하지 않고, 축전지(4)의 일부를 순간 응답 제어 영역으로서 명확하게 구분하여 충방전의 제어를 행함으로써, 축전지(4)의 충방전 잔여 용량을 용이하게 파악할 수 있게 되므로, 발전 계획이나 계통으로의 급전 계획을 세우기 쉬워져, 운용이 간단하게 된다. 또한, DC분을 많이 취해 충방전 제어에 사용하는 제어 영역의 용량을 적게 함으로써, 축전지(4)의 수명을 가능한 한 길게 할 수 있다.

(제2 실시예)

다음으로, 본 발명의 제2 실시예를 도면을 참조하여 설명한다. 도 7은, 제2 실시예에 의한 축전지 병설형의 풍력 발전 시스템(10')의 전체 구성예를 나타낸 도면이다. 도 7에 있어서, 도 1에 나타낸 부호와 동일한 부호를 부여한 것은 동일한 기능을 가지는 것이므로, 여기서는 중복되는 설명을 생략한다.

도 7에 나타낸 바와 같이, 제2 실시예에 의한 풍력 발전 시스템(10')은, 풍력 발전기(1), 충방전 제어 장치(2'), 인버터(3) 및 축전지(4)를 구비하여 구성되어 있다. 또한, 제2 실시예의 풍력 발전 시스템(10')은, 급전 제어 장치(20)를 통하여 전력 회사의 계통(100)에 연계되어 있다.

도 8은, 제2 실시예에 의한 충방전 제어 장치(2')의 기능 구성예를 나타낸 블록도이다. 도 8에 있어서, 도 2에 나타낸 부호와 동일한 부호를 부여한 것은 동일한 기능을 가지는 것이므로, 여기서는 중복되는 설명을 생략한다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 제2 실시예에 의한 충방전 제어 장치(2')는, 그 기능 구성으로서, 순간 응답 검출부(11), 1차 지연 산출부(12), 변화량 산출부(13), 충방전 제어부(14'), 패턴 정보 기억부(15') 및 패턴 정보 선택부(16)를 구비하고 있다.

1차 지연 산출부(12)는, 순간 응답 검출부(11)에 의해 검출된 발전 전력량의 순간 응답 요소 P에 대하여 1차 지연 처리를 행함으로써, 풍력 발전기(1)에서 발전한 전력량의 1차 지연 요소 Q를 구한다. 1차 지연 산출부(12)는, 예를 들면, CR 적분 회로에 의한 로패스 필터(low-pass filter)에 의해 구성된다. 순간 응답 요소 P에 대하여 1차 지연 처리를 행함으로써, 급격하게 변화하는 성분을 제거하여 발전량의 대략적인 변동 경향을 나타내는 아웃 라인을 구할 수 있다.

도 9는, 순간 응답 요소 P 및 1차 지연 요소 Q의 구체예를 나타낸 도면이다. 그리고, 순간 응답 요소 P 및 1차 지연 요소 Q는 어느 쪽도 본래는 샘플링 타임마다의 이산값이지만, 알기 쉽게 설명하기 위하여, 편의상, 이산값을 연결한 파형으로서 도시하고 있다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 순간 응답 요소 P는, 순간 응답 검출부(11)에 의해 샘플링 타임마다 검출되는 풍력 발전기(1)의 실제 발전량을 나타낸 것이며, 전력량이 샘플링 타임마다 크게 변화하고 있다. 이에 대하여 1차 지연 요소 Q는, 풍력 발전기(1)에 의한 실제 발전량의 대략적인 변동 경향을 나타내는 아웃 라인 곡선으로 되어 있다.

충방전 제어부(14')는, 순간 응답 검출부(11)에 의해 검출된 순간 응답 요소 P의 변동에 따라 축전지(4)의 충방전을 제어하고, 또한 1차 지연 산출부(12)에 의해 구해진 1차 지연 요소 Q의 변동에 따라 축전지(4)의 충방전을 제어한다.

순간 응답 요소 P의 변동에 따른 축전지(4)의 충방전 제어는, 예를 들면, 다음과 같이 하여 행한다. 즉, 충방전 제어부(14')는, 1차 지연 산출부(12)에 의해 구해진 1차 지연 요소 Q를 기준 전력량으로 하여, 순간 응답 검출부(11)에 의해 검출된 순간 응답 요소 P의 상기 기준 전력량에 대한 차분을 없애도록 축전지(4)의 충방전을 제어한다. 구체적으로는, 도 9에 있어서, 충방전 제어부(14')는, 1차 지연 요소 Q보다 순간 응답 요소 P가 큰 부분의 전력량을 축전지(4)에 충전하는 한편, 1차 지연 요소 Q보다 순간 응답 요소 P가 작은 부분의 전력량을 축전지(4)로부터 방전한다.

또한, 1차 지연 요소 Q의 변동에 따른 축전지(4)의 충방전 제어는, 예를 들면, 다음과 같이 하여 행한다. 즉, 충방전 제어부(14')는, 최종적으로 일정하게 하고자 하는 목표 전력량 G를 기준으로 하여, 1차 지연 산출부(12)에 의해 구해진 1차 지연 요소 Q의 목표 전력량 G에 대한 차분을 없애도록 축전지(4)의 충방전을 제어한다. 도 10은, 이 충방전 제어를 설명하기 위한 도면이다. 도 10에 있어서, 충방전 제어부(14')는, 일정한 목표 전력량 G보다 1차 지연 요소 Q가 큰 부분의 전력량을 축전지(4)에 충전하는 한편, 목표 전력량 G보다 1차 지연 요소 Q가 작은 부분의 전력량을 축전지(4)로부터 방전한다.

이상과 같이, 풍력 발전기(1)의 실제 발전량인 순간 응답 요소 P로부터 1차 지연 요소 Q를 연산에 의해 구하고, 이 1차 지연 요소 Q를 기준으로 하여 순간 응답 요소 P와의 차분을 상쇄(相殺)하도록 축전지(4)의 충방전을 제어하면, 이 제어에 의해 평활화된 전력량(1차 지연 요소 Q에 상당)이, 최종 목표인 일정한 목표 전력량 G에 대한 변동분이 된다. 이 경우, 목표 전력량 G에 대한 1차 지연 요소 Q의 변동폭은, 목표 전력량 G에 대한 순간 응답 요소 P의 변동폭보다 작아진다. 또한, 1차 지연 요소 Q에 대한 순간 응답 요소 P의 변동폭도, 목표 전력량 G에 대한 순간 응답 요소 P의 변동폭보다 작아진다.

패턴 정보 기억부(15')는, 순간 응답 요소 P의 변동에 따른 축전지(4)의 충방전의 제어용(도 9에 나타내는 충방전 제어용)에 할당하는 축전지(4)의 용량을 나타내는 순간 응답 제어 영역과, 1차 지연 요소 Q의 변동에 따른 축전지(4)의 충방전의 제어용(도 10에 나타내는 충방전 제어용)에 할당하는 축전지(4)의 용량을 나타내는 1차 지연 제어 영역과의 조합에 관한 복수 종류의 패턴 정보를 기억한다.

도 11은, 패턴 정보 기억부(15')가 기억하는 복수 종류의 패턴 정보의 일례를 나타낸 도면이다. 도 11에 나타낸 예에서는, 3종류의 패턴 정보 A, B, C를 나타내고 있다. 패턴 정보 A는, 순간 응답 제어 영역으로서 할당하는 용량을 전력량으로 0.5MW(메가와트) 상당으로, 1차 지연 제어 영역으로서 할당하는 용량을 전력량으로 1MW 상당으로 하고 있다. 패턴 정보 B는, 순간 응답 제어 영역으로서 할당하는 용량을 전력량으로 1MW 상당으로, 1차 지연 제어 영역으로서 할당하는 용량을 전력량으로 2MW 상당으로 하고 있다. 또한, 패턴 정보 C는, 순간 응답 제어 영역으로서 할당하는 용량을 전력량으로 1.5MW 상당으로, 1차 지연 제어 영역으로서 할당하는 용량을 전력량으로 2.5MW 상당으로 하고 있다.

제2 실시예에 있어서, 축전지(4)는, 최대 30MW의 전력량을 축전할 수 있는 용량을 가지고 있는 것으로 한다. 이 경우, 패턴 정보 A에서는 축전지(4)의 DC분이 28.5MW[= 30MW-(0.5MW+1MW)] 상당으로 되고, 패턴 정보 B에서는 축전지(4)의 DC분이 27MW[= 30MW-(1MW+2MW)] 상당으로 되고, 패턴 정보 C에서는 축전지(4)의 DC분이 26MW[= 30MW-(1.5MW+2.5MW)] 상당으로 된다.

패턴 정보 선택부(16)는, 변화량 산출부(13)에 의해 구해진 순간 응답 요소 P의 단위 시간당의 변화량 dP/dt에 기초하여, 패턴 정보 기억부(15)에 기억되어 있는 복수 종류의 패턴 정보 중에서 하나를 선택하고, 선택한 패턴 정보의 충방전 제어 영역(순간 응답 제어 영역 및 1차 지연 제어 영역)을 충방전 제어부(14)에 의한 축전지(4)의 충방전 제어에 적용시킨다. 이 패턴 정보의 선택을 위하여, 패턴 정보 선택부(16)는 도 5와 같은 테이블 정보를 구비하고 있다.

다음으로, 이상과 같이 구성한 제2 실시예에 의한 충방전 제어 장치(2')의 동작을 설명한다. 도 12는, 제2 실시예에 의한 충방전 제어 장치(2')의 동작예를 나타내는 흐름도이다. 그리고, 도 12에 나타내는 흐름도는, 샘플링 타임마다 반복적으로 행해지는 것이다. 또한, 도 12에 나타내는 흐름도의 개시 시점에서, 패턴 정보 선택부(16)는 패턴 정보 A를 선택하여 충방전 제어부(14)에 적용시키고 있는 것으로 한다. 즉, 패턴 정보 A에 해당하는 충방전 제어 영역(순간 응답 제어 영역 및 1차 지연 제어 영역)이 축전지(4)에 설정되어 있는 것으로 한다.

도 12에 나타내는 단계 S11∼S14의 처리는, 도 6에 나타낸 단계 S1∼S4의 처리와 동일하다. 그리고, 단계 S14에 있어서, 패턴 정보 선택부(16)는, 변화량 dP/dt의 절대값이 속하고 있는 값의 범위에 대응하는 패턴 정보를 선택하고, 패턴 정보 기억부(15)를 참조하여, 선택한 패턴 정보의 충방전 제어 영역을 충방전 제어부(14)에 적용시킨다.

다음으로, 1차 지연 산출부(12)는, 순간 응답 검출부(11)에 의해 검출된 순간 응답 요소 P에 대하여 1차 지연 처리를 행함으로써, 풍력 발전기(1)에서 발전한 전력량의 1차 지연 요소 Q를 구한다(단계 S15). 또한, 충방전 제어부(14')는, 단계 S14에서 설정 변경된 충방전 제어 영역 또는 단계 S14의 처리가 행해지기 전의 충방전 제어 영역의 조건 하에서, 순간 응답 검출부(11)에 의해 검출된 순간 응답 요소 P의 변동에 따라 축전지(4)의 충방전을 제어하고, 또한 1차 지연 산출부(12)에 의해 구해진 1차 지연 요소 Q의 변동에 따라 축전지(4)의 충방전을 제어한다(단계 S16).

이상 상세하게 설명한 바와 같이, 제2 실시예의 충방전 제어 장치(2')에 의하면, 순간 응답 요소 P의 변동에 기초한 제어와, 1차 지연 요소 Q의 변동에 기초한 제어로 나누어, 축전지(4)의 충방전이 제어된다. 1차 지연 요소 Q는 순간 응답 요소 P의 대략적인 변동 경향을 나타내는 아웃 라인 곡선으로 되어 있으므로, 1차 지연 요소 Q와 순간 응답 요소 P와의 사이에는 상관 관계가 있다. 이 상관 관계가 있는 1차 지연 요소 Q에 대한 순간 응답 요소 P의 차분에 기초하여, 충방전 제어를 행함으로써, 상관 관계가 없는 목표 전력량 G에 대한 순간 응답 요소 P의 차분에 기초하여 충방전 제어하는 제1 실시예와 비교하여, 보다 정밀한 충방전 제어를 행할 수 있다(도 9 참조). 그 결과, 순간 응답 요소 P는 1차 지연 요소 Q의 아웃 라인형으로 평활화되고, 도 10과 같이 목표 전력량 G에 대한 1차 지연 요소 Q의 차분이 남는다. 그러나, 이 차분은, 상기 차분에 기초한 다른 충방전 제어에 의해 목표 전력량 G로 평활화된다. 목표 전력량 G와 1차 지연 요소 Q와의 사이에 상관 관계는 없지만, 1차 지연 요소 Q는 순간 응답 요소 P와 같이 순간적인 변동폭이 크지 않으므로, 충방전 제어를 행하기 용이하다. 이로써, 순간 응답 요소 P의 변동에 기초한 제어와, 1차 지연 요소 Q의 변동에 기초한 제어의 양쪽에 의해, 보다 안정화시킨 고품질 전력을 생성할 수 있다.

또한, 제2 실시예의 충방전 제어 장치(2')에 의하면, 순간 응답 요소 P의 단위 시간당의 변화량 dP/dt에 따라, 순간 응답 제어 영역과 1차 지연 제어 영역과의 조합을 적응적으로 바꿀 수 있다. 구체적으로는, 순간 응답 요소 P의 변화량 dP/dt가 작을 때는 제어 영역이 작아지도록 설정되고, 순간 응답 요소 P의 변화량 dP/dt가 클 때는 제어 영역이 커지도록 설정된다. 예를 들면, 도 9에 나타낸 바와 같이, 변화량 dP/dt의 절대값이 y 이상인 구간에서는 패턴 정보 C에 기초하여 가장 큰 제어 영역이 축전지(4)에 설정되고, 변화량 dP/dt의 절대값이 x보다 작은 구간에서는 패턴 정보 A에 기초하여 가장 작은 제어 영역이 축전지(4)에 설정된다.

이로써, 풍황에 따라 변동하는 순간 응답 요소 P의 단위 시간당의 변화량 dP/dt에 맞추어, 과부족이 적은 적절한 충방전 제어 영역을 축전지(4)에 대하여 동적으로 할당할 수 있다. 따라서, 풍황에 따라 그때 그때마다 최대가 되는 DC분을 축전지(4)에 설정할 수 있다. 이상에 의해, 충방전 제어 영역을 국한함으로써, 전지(4)의 충방전 기능을 구사하여, 풍황에 따라 가능한 한 많고 안정된 전력을 계획적으로 계통(100)에 공급할 수 있게 된다.

그리고, 평활화되어 계통(100)에 공급되는 전력의 허용 변동율[축전지(4)의 전체 용량에 상당하는 전력에 대한 평활화 전력의 변동폭의 비율]에 의해, 제1 실시예와 제2 실시예 중에서 어느 하나를 선택하여 적용할 수 있다. 상기 제1 및 제2 실시예에서는, 충방전 제어부(14, 14')가 발전 전력을 목표 전력량 G로 평활화 하는 것으로 설명하였으나, 실제로는, 근소한 양으로 평활화 전력이 변동되어 있다. 다만, 그 변동폭에는 허용 범위가 있다. 제1 실시예는, 그 허용 범위를 나타내는 허용 변동율이 5%의 정밀도 이상의 경우나, 비교적 풍황 변화가 완만한 시즌에 적용할 수 있다. 한편, 제2 실시예는, 허용 변동율이 5%의 정밀도보다 엄격한 조건에서 구해지는 경우나, 풍황 변화가 심한 시즌에 적용할 수 있다.

그리고, 상기 제1 및 제2 실시예는, 본 발명을 실시하는데 있어서의 구체화의 일례를 나타낸 것에 지나지 않고, 이들에 의해, 본 발명의 기술적 범위가 한정적으로 해석되어서는 안될 것이다. 즉, 본 발명은 그 정신, 또는 그 주요한 특징으로부터 일탈하지 않고, 다양한 형태로 실시할 수 있다.

[산업상 이용 가능성]

본 발명은, 풍력 발전기에 연계하는 계통으로의 출력 전력을 풍량에 영향을 받지 않고 안정화시키는 기술을 구비한 축전지 병설형의 풍력 발전 시스템 및 축전지의 충방전 제어 장치에 이용 가능하다.

Claims (7)

1. 풍력에 의해 구동되어 전력 계통에 급전(給電)하기 위한 전력을 발생시키는 풍력 발전기와, 상기 풍력 발전기에서 발전한 전력의 일부를 충방전하는 축전지를 포함하는 풍력 발전 시스템에서의 축전지의 충방전 제어 장치로서,
   상기 풍력 발전기에서 발전한 전력량의 순간값을 순간 응답 요소로서 순차적으로 검출하는 순간 응답 검출부;
   상기 순간 응답 검출부에 의해 검출된 상기 순간 응답 요소의 단위 시간당의 변화량을 구하는 변화량 산출부;
   상기 순간 응답 검출부에 의해 검출된 상기 순간 응답 요소의 변동에 따라 상기 축전지의 충방전을 제어하는 충방전 제어부;
   상기 순간 응답 요소의 변동에 따른 상기 축전지의 충방전의 제어용으로 할당하는 상기 축전지의 용량을 나타내는 순간 응답 제어 영역에 관한 복수 종류의 패턴 정보를 기억하는 패턴 정보 기억부;
   상기 변화량 산출부에 의해 구해진 상기 순간 응답 요소의 단위 시간당의 변화량에 기초하여, 상기 패턴 정보 기억부에 기억되어 있는 복수 종류의 패턴 정보 중에서 하나를 선택하여 상기 충방전 제어부에 의한 상기 축전지의 충방전의 제어에 적용시키는 패턴 정보 선택부
   를 포함하는 축전지 병설형의 풍력 발전 시스템에서의 축전지의 충방전 제어 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 충방전 제어부는, 상기 순간 응답 검출부에 의해 검출된 상기 순간 응답 요소의 목표 전력량에 대한 차분을 없애도록 상기 축전지의 충방전을 제어하는, 축전지 병설형의 풍력 발전 시스템에서의 축전지의 충방전 제어 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 패턴 정보 선택부는, 상기 변화량의 값의 범위와 상기 패턴 정보 기억부에 기억되어 있는 패턴 정보와의 대응 관계를 나타내는 테이블 정보를 포함하고, 상기 변화량 산출부에 의해 검출된 상기 순간 응답 요소의 단위 시간당의 변화량의 절대값이, 하나의 값의 범위에 소정 시간 이상 계속적으로 해당하는 것을 검출한 경우에, 상기 범위에 대응하고 있는 패턴 정보로 선택을 전환하는, 축전지 병설형의 풍력 발전 시스템에서의 축전지의 충방전 제어 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 순간 응답 검출부에 의해 검출된 상기 순간 응답 요소에 대하여 1차 지연 처리를 행함으로써, 상기 풍력 발전기에서 발전한 전력량의 1차 지연 요소를 구하는 1차 지연 산출부를 더 포함하고,
   상기 충방전 제어부는, 상기 순간 응답 검출부에 의해 검출된 상기 순간 응답 요소의 변동에 따라 상기 축전지의 충방전을 제어하고, 또한 상기 1차 지연 산출부에 의해 구해진 상기 1차 지연 요소의 변동에 따라 상기 축전지의 충방전을 제어하고,
   상기 패턴 정보 기억부는, 상기 순간 응답 요소의 변동에 따른 상기 축전지의 충방전의 제어용으로 할당하는 상기 축전지의 용량을 나타내는 순간 응답 제어 영역과, 상기 1차 지연 요소의 변동에 따른 상기 축전지의 충방전의 제어용으로 할당하는 상기 축전지의 용량을 나타내는 1차 지연 제어 영역과의 조합에 관한 복수 종류의 패턴 정보를 기억하고,
   상기 패턴 정보 선택부는, 상기 변화량 산출부에 의해 구해진 상기 순간 응답 요소의 단위 시간당의 변화량에 기초하여, 상기 패턴 정보 기억부에 기억되어 있는 복수 종류의 패턴 정보 중에서 하나를 선택하여 상기 충방전 제어부에 의한 상기 축전지의 충방전의 제어에 적용시키는, 축전지 병설형의 풍력 발전 시스템에서의 축전지의 충방전 제어 장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 충방전 제어부는, 상기 1차 지연 산출부에 의해 구해진 상기 1차 지연 요소를 기준 전력량으로 하여, 상기 순간 응답 검출부에 의해 검출된 상기 순간 응답 요소의 상기 기준 전력량에 대한 차분을 없애도록 상기 축전지의 충방전을 제어하고, 또한 상기 1차 지연 산출부에 의해 구해진 상기 1차 지연 요소의 목표 전력량에 대한 차분을 없애도록 상기 축전지의 충방전을 제어하는, 축전지 병설형의 풍력 발전 시스템에서의 축전지의 충방전 제어 장치.
6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
   상기 패턴 정보 선택부는, 상기 변화량의 값의 범위와 상기 패턴 정보 기억부에 기억되어 있는 패턴 정보와의 대응 관계를 나타내는 테이블 정보를 포함하고, 상기 변화량 산출부에 의해 검출된 상기 순간 응답 요소의 단위 시간당의 변화량의 절대값이, 하나의 값의 범위에 소정 시간 이상 계속적으로 해당하는 것을 검출한 경우에, 상기 범위에 대응하고 있는 패턴 정보에 선택을 전환하는, 축전지 병설형의 풍력 발전 시스템에서의 축전지의 충방전 제어 장치.
7. 풍력에 의해 구동되어 전력 계통에 급전하기 위한 전력을 발생시키는 풍력 발전기;
   상기 풍력 발전기에서 발전한 전력의 일부를 충방전하는 축전지; 및
   상기 축전지의 충방전을 제어하는 충방전 제어 장치
   를 포함하고,
   상기 충방전 제어 장치는,
   상기 풍력 발전기에서 발전한 전력량의 순간값을 순간 응답 요소로서 순차적으로 검출하는 순간 응답 검출부;
   상기 순간 응답 검출부에 의해 검출된 상기 순간 응답 요소의 단위 시간당의 변화량을 구하는 변화량 산출부;
   상기 순간 응답 검출부에 의해 검출된 상기 순간 응답 요소에 따라 상기 축전지의 충방전을 제어하는 충방전 제어부;
   상기 순간 응답 요소에 따른 상기 축전지의 충방전의 제어용으로 할당하는 상기 축전지의 용량을 나타내는 순간 응답 제어 영역에 관한 복수 종류의 패턴 정보를 기억하는 패턴 정보 기억부; 및
   상기 변화량 산출부에 의해 구해진 상기 순간 응답 요소의 단위 시간당의 변화량에 기초하여, 상기 패턴 정보 기억부에 기억되어 있는 복수 종류의 패턴 정보 중에서 하나를 선택하여 상기 충방전 제어부에 의한 상기 축전지의 충방전을 제어에 적용시키는 패턴 정보 선택부
   를 포함하는 축전지 병설형의 풍력 발전 시스템.

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