KR20120008484A

KR20120008484A - 감시 제어 장치 및 방법 그리고 이를 구비한 윈드팜

Info

Publication number: KR20120008484A
Application number: KR1020117008171A
Authority: KR
Inventors: 다이스케 와카타; 아키라 야스키
Original assignee: 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
Priority date: 2010-05-28
Filing date: 2010-05-28
Publication date: 2012-01-30

Abstract

전력 계통의 요구에 따른 유효 전력의 출력 제어를 행하면서, 윈드팜으로서의 수명을 연장하는 것을 목적으로 한다. 복수의 풍력 발전 장치를 갖는 풍력 발전 시스템에 적용되는 감시 제어 장치 (3) 로서, 풍력 발전 장치의 열화도를 추정하는 추정부 (31) 와, 열화도에 기초하여 풍력 발전 장치를 그룹화시키고, 풍력 발전 장치군을 생성하는 군생성부 (32) 와, 전력 계통측으로부터 유효 전력의 저감 요구를 수신한 경우에, 열화도가 높은 풍력 발전 장치를 포함하는 풍력 발전 장치군인 고열화 풍력 발전 장치군 이외의 다른 상기 풍력 발전 장치군에 포함되는 풍력 발전 장치보다 고열화 풍력 발전 장치군에 포함되는 각 풍력 발전 장치를 우선적으로 유효 전력 저감 제어하는 전력 제어부 (33) 를 구비하는 감시 제어 장치 (3) 이다.

Description

감시 제어 장치 및 방법 그리고 이를 구비한 윈드팜{MONITORING ＆ CONTROL DEVICE AND METHOD, AND WINDFARM WITH THE SAME}

본 발명은, 감시 제어 장치 및 방법 그리고 이를 구비한 윈드팜에 관한 것이다.

종래, 복수의 풍력 발전 장치를 구비한 윈드팜에 있어서는, 전력 계통측으로부터 요구되는 출력 제한에 응하기 위해서, 윈드팜 전체의 발전량을 제어하는 감시 제어 장치가 형성되어 있다. 예를 들어, 특허문헌 1 에는, 복수의 윈드팜을 집중적으로 제어하는 감시 제어 장치가, 각 윈드팜에서 얻어지는 발전량을 윈드팜 사이에서 융통시킴으로써, 전력 계통으로부터의 출력 요구에 응하는 방법이 제안되어 있다.

일본 공개특허공보 2009－156171호

그러나, 상기 특허문헌 1 의 방법에서는, 윈드팜 사이에서 융통할 수 없는 만큼의 발전량에 대해서는, 소정의 윈드팜 내에 포함되는 풍력 발전 장치 전체에 대해 제어시킴으로써 대처하였고, 피로 등으로 인한 열화도가 높은 풍력 발전 장치와 열화도가 낮은 풍력 발전 장치가 구별되지 않고 출력 제한되었다. 이와 같이 열화도가 높은 풍력 발전 장치가, 우선적으로 출력 제한의 제어 대상이 되는 것은 아니었기 때문에, 윈드팜으로서의 수명을 연장할 수 없다는 문제가 있었다.

본 발명은, 상기 문제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 전력 계통의 요구에 따른 유효 전력의 출력 제어를 행하면서, 윈드팜으로서의 수명을 연장할 수 있는 감시 제어 장치 및 방법 그리고 이를 구비한 윈드팜을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 이하와 같은 수단을 제공한다.

본 발명의 제 1 양태는, 복수의 풍력 발전 장치를 갖는 윈드팜에 적용되는 감시 제어 장치로서, 각 상기 풍력 발전 장치의 상기 열화도를 추정하는 추정부와, 상기 열화도에 기초하여 상기 풍력 발전 장치를 그룹화시키고, 상기 풍력 발전 장치군을 생성하는 군생성부와, 전력 계통측으로부터 유효 전력의 저감 요구를 수신한 경우에, 상기 열화도가 높은 상기 풍력 발전 장치를 포함하는 상기 풍력 발전 장치군인 고열화 풍력 발전 장치군 이외의 다른 상기 풍력 발전 장치군에 포함되는 상기 풍력 발전 장치보다 상기 고열화 풍력 발전 장치군에 포함되는 각 상기 풍력 발전 장치를 우선적으로 유효 전력을 저감시키는 전력 제어부를 구비하는 감시 제어 장치이다.

이 양태에 따르면, 전력 계통측으로부터 유효 전력의 변경 요구를 수신한 경우에, 풍력 발전 장치의 열화도에 따라 그룹화된 풍력 발전 장치군 중에서, 고열화 풍력 발전 장치군의 풍력 발전 장치는, 다른 풍력 발전 장치군의 풍력 발전 장치보다 우선적으로 유효 전력이 저감된다. 여기서, 열화도란, 과거의 풍력 발전 장치의 고장 빈도, 과거의 풍력 발전 장치로부터 검출된 경보 빈도, 풍력 발전 장치의 응답 불량 등에 따라 결정되는 풍력 발전 장치의 피로 정도이다.

이와 같이, 열화도가 높은 풍력 발전 장치군부터 우선적으로 유효 전력이 저감되므로, 예를 들어, 윈드팜에 복수의 풍력 발전 장치가 있는데, 풍력 발전 장치가 열화도가 높은 것, 중간 정도인 것, 낮은 것 등 각각의 풍력 발전 장치군으로 나뉘어져 있는 경우에, 우선적으로 고열화 풍력 발전 장치군에 포함되는 풍력 발전 장치의 유효 전력이 저감된다. 이로써, 윈드팜 내 전체의 풍력 발전 장치의 유효 전력을 일제히 제한하는 경우에 발생되는 급격한 유효 전력의 변동을 억제할 수 있어, 전력 계통에 미치는 영향을 저감시킬 수 있다. 또, 열화도가 높은 풍력 발전 장치군 (즉, 비교적 일찍 파괴되기 쉬운 성질을 갖는 풍력 발전 장치) 의 유효 전력부터 우선적으로 저감시키므로, 열화도가 낮은 풍력 발전 장치군 (즉, 비교적 잘 파괴되지 않는 성질을 갖는 풍력 발전 장치) 의 유효 전력의 저감은 뒤로 미뤄져, 결과적으로, 윈드팜으로서의 수명을 연장할 수 있다. 또한, 풍력 발전 장치군의 단위로 유효 전력을 저감시킴으로써, 1 개의 풍력 발전 장치에 의해 유효 전력의 변경 요구에 따른 경우와 비교하여, 풍력 발전 장치의 1 개 당의 유효 전력의 변동량이 적어지므로, 전력 계통에 미치는 영향을 저감시킬 수 있다.

상기 양태의 상기 추정부는, 상기 풍력 발전 장치의 유효 전력의 출력값에 기초하여 열화도를 추정하고, 상기 전력 제어부는, 다른 상기 풍력 발전 장치보다 상기 출력값이 큰 상기 풍력 발전 장치를 포함하는 상기 풍력 발전 장치군을, 상기 고열화 풍력 발전 장치군으로 하는 것으로 해도 된다.

상기 양태에 따르면, 다른 풍력 발전 장치보다 유효 전력의 출력값이 큰 풍력 발전 장치가, 열화도가 높은 풍력 발전 장치가 된다. 풍력 발전 장치는, 예를 들어, 풍차 블레이드를 부착한 로터 헤드에 연결되어 일체로 회전하는 주축과, 주축의 회전을 증속시켜 출력하는 증속기와, 증속기의 출력에 따라 구동되는 발전기가 연결되고, 드라이브 트레인이 구성되어 있는 경우에, 풍력 발전 장치의 출력값과 주축의 회전 토크의 관계는, 도 4 와 같이 된다.

도 4 에는, 풍력 발전 장치의 출력값이 커질수록 드라이브 트레인의 주축에 가해지는 회전 토크가 커지는 관계가 도시되어 있다. 또, 풍력 발전 장치의 열화도 (피로) 는, 주축에 가해지는 회전 토크의 크기로 평가할 수 있기 때문에, 상기와 같은 점에서, 풍력 발전 장치의 출력값에 기초하여 열화도를 추정함으로써, 열화도가 높은 풍력 발전 장치군을 용이하게 결정할 수 있고, 윈드팜의 수명을 연장할 수 있다.

상기 양태에 있어서, 상기 풍력 발전 장치가, 상기 풍력 발전 장치에 가해지는 하중을 저감시키는 하중 저감 장치를 구비하고 있는 경우에, 상기 추정부는, 상기 하중 저감 장치의 고장 횟수에 기초하여 상기 열화도를 추정하고, 상기 전력 제어부는, 다른 상기 풍력 발전 장치보다 상기 고장 횟수가 많은 상기 풍력 발전 장치를 포함하는 상기 풍력 발전 장치군을, 상기 고열화 풍력 발전 장치군으로 하는 것으로 해도 된다.

상기 양태에 따르면, 하중 저감 장치의 고장 영향으로 인해, 하중의 저감을 행할 수 없는 비효율적인 풍력 발전 장치의 유효 전력을 저감시키므로, 윈드팜으로서의 수명을 연장할 수 있다. 여기서, 하중 저감 장치란, 예를 들어, 풍차 블레이드에 가해지는 하중을 억제하기 위해서 풍차 블레이드의 피치각을 제어하는 장치인 독립 피치 제어 장치, 풍차 블레이드의 피치각 제어에 따른 풍차 타워의 제진 (制振) 을 제어하는 장치인 타워 제진 제어 장치 등이다.

상기 양태의 상기 추정부는, 상기 추정부는, 상기 풍력 발전 장치의 절연물로부터 검출되는 온도와 정격 운전시에 검출되는 상기 절연물 온도의 온도 차이에 기초하여 상기 열화도를 추정하고, 상기 전력 제어부는, 상기 온도 차이가 큰 상기 풍력 발전 장치를 포함하는 상기 풍력 발전 장치군을, 상기 고열화 풍력 발전 장치군으로 하는 것으로 해도 된다.

상기 양태에 따르면, 검출되는 절연물의 온도 정보와 정격 운전시의 절연물 온도의 온도 차이가 큰 풍력 발전 장치가 고열화 풍력 발전 장치군이 되고, 고열화 풍력 발전 장치군의 풍력 발전 장치를, 다른 풍력 발전 장치군의 풍력 발전 장치보다 우선적으로 유효 전력을 저감시킨다. 이로써, 코일 등으로부터의 주울열을 저감시키고, 절연물이 고온에 노출되는 시간을 단축시킬 수 있어, 열응력에 따른 절연물의 파괴 리스크를 저감시킬 수 있다. 여기서, 절연물이란, 예를 들어, 변압기에 사용되고 있는 절연물, 컨버터, 중전기품 등의 전압이 가해지는 절연물이다.

상기 양태의 상기 풍력 발전 장치는, 상기 전력 계통측의 전압 저하가 발생하지 않은 경우의 운전 모드인 제 1 운전 모드로부터, 소정 기간, 상기 전력 계통의 계통 전압 저하가 발생한 경우의 운전 모드인 제 2 운전 모드로 운전 모드의 전환이 이루어지는 횟수를 계수하는 계수부를 구비하고, 상기 추정부는, 상기 계수부에 의해 계수되는 상기 횟수에 기초하여 상기 열화도를 추정하고, 상기 전력 제어부는, 다른 상기 풍력 발전 장치보다 상기 횟수가 많은 상기 풍력 발전 장치를 상기 고열화 풍력 발전 장치군으로 하는 것으로 해도 된다.

상기 양태에 따르면, 전력 계통측의 전압 저하가 발생하지 않은 경우의 운전 모드인 제 1 운전 모드로부터, 소정 기간, 전력 계통측의 전압 저하가 발생한 경우의 운전 모드인 제 2 운전 모드로 전환이 이루어진 횟수가 많은 풍력 발전 장치가, 열화도가 높은 풍력 발전 장치로 여겨진다. 예를 들어, 소정 기간, 전력 계통측의 전압 저하가 발생한 경우의 운전 모드, 이른바 LVRT (Low Voltage Ride－Through) 기능이 동작하는 운전 모드에 있어서는, 풍력 발전 장치의 주축이나 증속기 등이 축비틀림 진동에 따른 기계 스트레스에 노출된다. 이와 같이, 기계 스트레스에 노출되는 기계가 많은 풍력 발전 장치를, 열화도가 높은 풍력 발전 장치로 하므로, 열화도가 높은 풍력 발전 장치의 운전을 저감시켜, 윈드팜 전체적으로 열화를 저감시킬 수 있다.

상기 양태의 상기 풍력 발전 장치는, 드라이브 트레인의 진동을 계측하는 진동 계측 장치를 구비하고, 상기 추정부는, 상기 진동 계측 장치의 진동 계측값에 기초하여 상기 열화도를 추정하고, 상기 전력 제어부는, 다른 상기 풍력 발전 장치보다 상기 진동 계측값이 큰 상기 풍력 발전 장치를 포함하는 상기 풍력 발전 장치군을, 상기 고열화 풍력 발전 장치군으로 하는 것으로 해도 된다.

예를 들어, 베어링이나 증속기 등의 회전 기기는 금속끼리의 슬라이딩부를 가지고 있고, 금속 가루의 끼임 등이 발생한 경우, 드라이브 트레인의 축 회전시에 진동이나 이음 (異音) 이 발생한다. 그래서, 추정부에 의해 드라이브 트레인의 진동을 계측하여 열화도를 추정하는 것으로 하였다. 예를 들어, 통상 운전시의 진동값과 측정시의 진동값의 차이에 기초하여 열화도를 추정한다.

상기 양태의 상기 추정부는, 상기 열화도에 기초하여, 상기 윈드팜 전체에 대한 각 상기 풍력 발전 장치의 지표값을 산출하고, 상기 군생성부는, 상기 지표값에 대한 임계값을 가지고 있고, 그 임계값과 상기 지표값에 기초하여 상기 풍력 발전 장치군을 생성하는 것으로 해도 된다.

이와 같이, 열화도를 지표값으로 환산하고, 지표값을 소정의 임계값과 비교함으로써, 풍력 발전 장치의 그룹화를 간편하게 실시할 수 있다.

상기 양태의 상기 군생성부는, 상기 전력 계통측으로부터의 유효 전력의 변경 요구의 수신을 트리거로 하고, 상기 풍력 발전 장치군을 생성하는 것으로 해도 된다.

상기 양태에 따르면, 전력 계통측으로부터 유효 전력의 변경 요구를 수신한 타이밍에 풍력 발전 장치를 그룹화시킴으로써, 사전에 그룹화시켜 둔 경우와 비교하여, 현재의 풍력 발전 장치의 상태에 따른 그룹화를 할 수 있으므로, 풍력 발전 장치의 현재의 열화도에 따른 유효 전력 제어를 할 수 있다.

상기 양태에 있어서, 상기 풍력 발전 장치의 운전 시간을 계측하는 계시부를 구비하고, 상기 군생성부는, 상기 계시부에 의해 계측되는 소정의 시간 간격으로 상기 풍력 발전 장치군을 생성하는 것으로 해도 된다.

소정의 시간 간격으로 풍력 발전 장치를 그룹화시키므로, 시시각각으로 변화하는 풍력 발전 장치의 열화도에 따른 유효 전력 제어를 할 수 있다.

본 발명의 제 2 양태는, 상기 중 어느 하나에 기재된 감시 제어 장치와 복수의 상기 풍력 발전 장치를 구비하는 윈드팜이다.

본 발명의 제 3 양태는, 복수의 풍력 발전 장치를 갖는 윈드팜에 적용되는 감시 제어 방법으로서, 상기 풍력 발전 장치의 상기 열화도를 추정하는 제 1 과정과, 상기 열화도에 기초하여 상기 풍력 발전 장치를 그룹화시키고, 상기 풍력 발전 장치군을 생성하는 제 2 과정과, 전력 계통측으로부터 유효 전력의 저감 요구를 수신한 경우에, 상기 열화도가 높은 상기 풍력 발전 장치를 포함하는 상기 풍력 발전 장치군인 고열화 풍력 발전 장치군 이외의 다른 상기 풍력 발전 장치군에 포함되는 상기 풍력 발전 장치보다 상기 고열화 풍력 발전 장치군에 포함되는 각 상기 풍력 발전 장치를 우선적으로 유효 전력 저감 제어하는 제 3 과정을 갖는 감시 제어 방법이다.

본 발명에 따르면, 전력 계통의 요구에 따른 유효 전력의 출력 제어를 행하면서, 윈드팜으로서의 수명을 연장할 수 있다는 효과를 발휘한다.

도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 풍력 발전 시스템의 개략 구성을 나타내는 도면이다.
도 2 는 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 풍차의 개략 구성을 나타낸 개략도이다.
도 3 은 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 감시 제어 장치의 개략 구성을 나타내는 도면이다.
도 4 는 풍력 발전 장치의 출력값과 드라이브 트레인의 토크의 관계의 일례를 나타낸 도면이다.
도 5 는 하중 피로 평가 지수와 절연 피로 평가 점수에 기초하여 풍력 발전 장치군을 생성하는 경우 각각의 임계값의 일례를 나타낸 도면이다.
도 6 은 풍차군마다 유효 전력을 제어한 경우에 있어서의 시간과 발전량의 관계를 나타낸 도면이다.

이하에, 본 발명에 관련된 감시 제어 장치 및 방법 그리고 이를 구비한 윈드팜의 실시형태에 대해서 도면을 참조하며 설명한다.

[제 1 실시형태]

도 1 은, 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 풍력 발전 시스템 (윈드팜) (1) 의 전체 구성을 나타낸 도면이다. 풍력 발전 시스템 (1) 은, 복수의 풍력 발전 장치 (이하 「풍차」라 함) (2) 와, 각 풍차 (2) 의 운전 상태를 제어하는 감시 제어 장치 (3) 를 구비하고 있다. 본 실시 형태에 있어서, 풍력 발전 시스템 (1) 은, 50 대의 풍차 (2) 를 구비하는 경우를 예로 들어 설명하는데, 대수는 특별히 한정되지 않는다.

도 2 는, 풍차 (2) 의 개략 구성을 나타낸 개략도이다. 풍차 (2) 는, 도 2 에 나타낸 바와 같이, 지지 기둥 (12) 과, 지지 기둥 (12) 의 상단에 설치된 나셀 (13) 과, 거의 수평인 축선 둘레로 회전 가능하게 하여 나셀 (13) 에 형성된 로터 헤드 (14) 를 가지고 있다. 로터 헤드 (14) 에는, 그 회전 축선 둘레로 방사상으로 3 매의 풍차 블레이드 (15) 가 부착되어 있다. 이로써, 로터 헤드 (14) 의 회전 축선 방향으로부터 풍차 블레이드 (15) 에 부딪친 바람의 힘이, 로터 헤드 (14) 를 회전 축선 둘레로 회전시키는 동력으로 변환되고, 이 동력이 풍차 (2) 에 형성된 발전 설비 (도시 생략) 에 의해 전기 에너지로 변환되도록 되어 있다. 또, 로터 헤드 (14) 에는, 바람 상황에 맞추어 풍차 블레이드 (15) 의 축선 둘레로 풍차 블레이드 (15) 를 회전시켜 풍차 블레이드 (15) 의 피치각 등을 제어하고, 풍차 (2) 의 운전을 제어하는 풍차 제어부 (16) 가 형성되어 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 3 매의 풍차 블레이드 (15) 가 형성된 풍차를 예로 적용시켜 설명하는데, 풍차 블레이드 (15) 의 수는 3 매에 한정되지 않고, 2 매의 경우나, 3 매보다 많아도 되고, 특별히 한정하는 것은 아니다.

도 3 에 나타낸 바와 같이, 감시 제어 장치 (3) 는, 추정부 (31), 군생성부 (32), 및 전력 제어부 (33) 를 구비하고 있다. 추정부 (31) 는, 풍차 (2) 의 열화도를 추정한다. 여기서, 열화도란, 과거의 풍차 (2) 의 고장 빈도, 과거의 풍차 (2) 로부터 검출된 경보 빈도, 풍차 (2) 의 응답 불량 등에 따라 결정되는 풍차 (2) 의 피로 정도이다. 본 실시 형태에 있어서는, 추정부 (31) 가, 풍차 (2) 의 유효 전력의 출력값과 풍차 (2) 의 절연물 온도에 기초하여 열화도를 추정하는 경우를 예로 들어 설명한다.

예를 들어, 풍차 (2) 는, 풍차 블레이드를 장착한 로터 헤드에 연결되어 일체로 회전하는 주축과, 주축의 회전을 증속시켜 출력하는 증속기와, 증속기의 출력에 따라 구동되는 발전기가 연결되고, 드라이브 트레인이 구성되어 있는 경우에, 풍차 (2) 의 출력값과 주축의 회전 토크의 관계가 도 4 와 같이 도시된다. 도 4 에는, 풍차 (2) 의 출력값이 커질수록 드라이브 트레인의 주축에 가해지는 회전 토크가 커지는 관계가 도시되어 있다. 또, 풍차 (2) 의 열화도 (피로) 는, 주축에 가해지는 회전 토크의 크기로 평가할 수 있기 때문에, 추정부 (31) 는, 풍차 (2) 의 유효 전력의 출력값을 열화도 (제 1 열화도라 함) 로서 추정한다.

또, 추정부 (31) 는 풍차 (2) 의 절연물로부터 검출되는 온도에 기초하여, 열화도 (제 2 열화도라 함) 를 추정한다. 구체적으로는, 각 풍차 (2) 에 있어서, 풍차 (2) 의 절연물 온도를 검출하는 온도 검출부 (도시 생략) 를 구비해 두고, 추정부 (31) 는, 각각의 온도 검출부로부터 검출된 온도 정보를 취득하고, 취득된 온도 정보와 정격 운전인 경우의 절연물 온도와의 차이를 열화도로 한다. 예를 들어, 변압기에 사용되고 있는 절연물의 온도를 절연물의 온도 정보로 하는 경우에는, 상기 온도 차이 대신에, 온도 차이에 따라 동작하는 변압기 냉각 팬의 동작 횟수를 열화도로 하는 것으로 해도 된다.

이와 같이, 풍차 (2) 의 유효 전력의 출력값과 풍차 (2) 의 절연물의 온도 등과 같이 복수의 정보에 기초하여 추정된 복수의 열화도 (제 1 열화도 및 제 2 열화도) 는, 각각 군생성부 (32) 에 출력된다.

또, 더욱 바람직하게는, 추정부 (31) 는, 열화도를 추정하는 것에 부가하여 추정된 열화도에 기초하여, 윈드팜 내 전체에 대한 지표값을 산출하고, 지표값을 군생성부 (32) 에 출력한다.

예를 들어, 추정값 (31) 은, 각 풍차 (2) 로부터 유효 전력의 출력값을 취득 함과 함께, 윈드팜 내에서의 총발전량 (kWh) 에 대한 편차값을 산출하고, 이것을 하중 피로 평가 지수 α 로 한다. 또, 추정부 (31) 는, 각 풍차 (2) 로부터 변압기 냉각 팬의 총 동작 횟수의 편차값을 산출하고, 이것을 절연 피로 평가 점수 β 로 한다.

군생성부 (32) 는, 열화도에 기초하여 풍차 (2) 를 그룹화시키고, 풍력 발전 장치군 (이하, 「풍차군」이라 함) 을 생성한다. 또, 군생성부 (32) 는, 유효 전력 출력량에 기초하여 풍차 (2) 의 가동 상황을 판정하고, 정지 중 또는 저출력 (예를 들어, 500 kW) 인 풍차 (2) 를, 유효 전력 제어를 하지 않는 풍차군 (예를 들어, 도 5 의 그룹 D) 으로서 그룹화시키는 것으로 해도 된다.

또, 군생성부 (32) 는, 지표값에 대한 임계값을 갖고 있는 경우에는, 임계값과 지표값에 기초하여 풍차군을 생성한다. 도 5 에는, 지표값 (하중 피로 평가 지수 α 및 절연 피로 평가 점수 β) 과 풍차군을 생성하는 경우의 각각의 임계값이 대응되어 있다. 예를 들어, 도 5 에 나타낸 바와 같이, 하중 피로 평가 지수 α 가, 임계값 a＜α 인 경우에는, 우선적으로 대폭적인 유효 전력 제한을 가하는 풍차군 (예를 들어, 그룹 A) 이 되고, 임계값 b＜α≤임계값 a 인 경우에는, 대폭적인 유효 전력 제한을 가하는 풍차군 (예를 들어, 그룹 B) 이 되고,α≤임계값 b 인 경우에는, 유효 전력 제한을 가하는 풍차군 (예를 들어, 그룹 C) 이 된다.

또, 군생성부 (32) 는, 열화도 또는 지표값의 정보가 복수 있는 경우에, 소정 조건에 기초하여 구분하는 그룹을 결정한다. 예를 들어, 소정의 조건을, 우선도가 높은 그룹을 선정하는 것으로 한 경우에 있어서, 하중 피로 평가 지수 α 가 그룹 C 의 범위이며, 절연 피로 평가 점수 β 가 그룹 A 의 범위에 있는 풍차 (2) 의 그룹은, 우선도가 높은 그룹 A 로 결정된다.

또한, 군생성부 (32) 는, 원하는 타이밍에 풍차군을 생성한다. 예를 들어, 군생성부 (32) 는, 전력 계통측으로부터의 유효 전력의 변경 요구의 수신을 트리거로 하고, 풍차군을 생성하는 것으로 해도 되고, 각 풍차 (2) 의 운전 시간을 계측하는 계시부를 구비해 두고, 군생성부 (32) 는, 계시부에 의해 계측되는 소정의 시간 간격으로 풍차군을 생성하는 것으로 해도 된다.

전력 계통측으로부터 유효 전력의 변경 요구를 수신한 타이밍에 풍력 발전 장치를 그룹화시킴으로써, 사전에 그룹화시켜 둔 경우와 비교하여, 현재의 풍차 (2) 의 운전 상태에 따라 그룹화되므로, 풍차 (2) 의 현재의 열화도에 따른 유효 전력 제어를 할 수 있다. 또, 소정의 시간 간격으로 풍차 (2) 를 그룹화시킴으로써, 시시각각으로 변화하는 풍차 (2) 의 열화도에 따른 유효 전력 제어를 할 수 있다.

전력 제어부 (33) 는, 전력 계통측으로부터 유효 전력의 저감 요구를 수신한 경우에, 열화도가 높은 풍차 (2) 를 포함하는 풍차군인 고열화 풍차군의 각 풍차 (2) 의 유효 전력을, 고열화 풍차군 이외의 다른 풍차군에 포함되는 풍차 (2) 보다 우선적으로 저감시킨다. 구체적으로는, 전력 제어부 (33) 는, 윈드팜 내에서 그룹화된 복수의 풍차군에 대해, 열화도의 높이에 따라 설정되는 소정의 비율로, 각 풍차군에 포함되는 풍차 (2) 의 유효 전력을 제어한다. 또, 전력 제어부 (33) 는, 소정 간격마다 전력 계통측의 상황을 검출하면서, 유효 전력의 제어를 반복한다.

보다 구체적으로, 전력 제어부 (33) 가 각 풍차 (2) 에 출력하는 유효 전력의 지령값의 산출 방법에 대해서 설명한다. 여기서, 전력 제어부 (33) 는, 그룹 A 내지 그룹 C 에 대해서 유효 전력 제어하는 것으로 하고, 그룹 D 는 유효 전력 제어하지 않는 것으로 하여 설명한다. 또, 그룹 A 의 풍차 (2) 의 대수를 n 대, 그룹 B 의 풍차 (2) 의 대수를 m 대, 그룹 C 의 풍차 (2) 의 대수를 l 대로 한다.

전력 계통측으로부터 풍력 발전 시스템 (1) 에 대해 요구되는 유효 전력의 저감량을 ΔP＿lim 으로 하고, 우선적으로 유효 전력 제어하는 그룹인 그룹 A 에 포함되는 각 풍차 (2) 에 요구되는 저감량을 ΔPa＿lim 으로 하는 경우에, ΔPa＿lim 은, 그룹 A 의 각 풍차 (2) 로부터 출력되는 유효 전력의 소정 비율 (이하에서는 예를 들어 20 ％ 저감시키는 것으로 하여 설명함) 로 설정한다.

그리고, 하기 식 (1) 에 나타낸 조건 식에 따라, 유효 전력 제어를 행한다.

ΔP＿lim＞ΔPa＿lim×n (1)

＜Case 1＞

상기 식 (1) 을 만족시키는 경우, 그룹 A 의 유효 전력의 저감량은 설정시의 20 ％ 인 상태로 된다. 그리고, 그룹 B 및 그룹 C 의 각 풍차의 유효 전력의 저감량은 하기 식 (2) 에 따라 결정된다.

상기 식 (3) 을 만족시키지 못하는 경우, ΔPa＿lim 은 재차 결정된다.

＜Case 2＞

상기 식 (1) 을 만족시키지 못하는 경우, 그룹 A 의 각 풍차의 유효 전력의 저감량은 하기 식 (4) 와 같이 결정된다.

즉, 그룹 A 의 각 풍차의 유효 전력은, 당초 설정된 20 ％ 의 출력 제한을 재검토하고, 다시 출력이 제한된 새로운 출력 제한값이 부여된다.

이 경우, 그룹 A 에 의한 출력 제한에 따라 전력 계통측으로부터 유효 전력의 저감 요구를 만족시키므로, 그룹 B 및 그룹 C 의 출력 제한은 행해지지 않는다.

이와 같이, 각 그룹에 출력되는 유효 전력의 지령값은, 그룹에 속하는 풍차 (2) 의 대수에 기초하여 설정된다.

또한, 전력 제어부 (33) 는, 풍차군의 열화도의 높이에 따라 유효 전력 제어를 행하므로, 복수의 풍차군이 있는 경우에, 제어 대상의 그룹을 순차적으로 선정 (예를 들어, 그룹 A 다음에 그룹 B 를 선정) 하고, 유효 전력을 저감시켜 가는 것으로 해도 되고, 제어 대상의 그룹으로서 동일한 풍차군을 복수회 연속하여 선정 (예를 들어, 그룹 A 를 3 회 연속하여 선정) 하고 유효 전력을 저감시키는 것으로 해도 된다.

또, 전력 제어부 (33) 는, 제어 대상의 그룹을 전환하는 경우에, 실시 중인 제어가 완료된 것을 검출된 시점에서, 다음 제어를 행하는 것으로 해도 되고, 또는 타이머 등으로 계시하고, 전회 제어가 완료되어 소정 기간 경과 후에 다음 제어를 행하는 것으로 해도 된다.

다음으로, 본 실시 형태에 관련된 풍력 발전 시스템 (1) 의 작용에 대해서, 도 1 내지 도 6 을 참조하여 설명한다. 여기서는, 2.0 MW 의 출력을 갖는 풍차 (2) 가, 50 대 설치되는 풍력 발전 시스템 (1) 에 있어서, 풍력 발전 시스템 (1) 이 정격 출력으로 운전되고 있을 때, 전력 계통측으로부터 20 ％ 의 출력 저감 요구 (예를 들어, 20 MW) 가 출력된 경우를 예로 들어 설명한다.

전력 계통측으로부터 출력값의 저감 요구 20 ％ 의 출력 저감 (예를 들어, 20 MW) 이 출력되면, 도 6 의 시각 T1 에 있어서, 감시 제어 장치 (3) 에서 저감 요구가 취득된다. 군생성부 (32) 에 있어서, 풍력 발전 시스템 (1) 내의 각 풍차 (2) 의 가동 상황 (출력값) 이 검출되고, 소정값 (예를 들어, 500 kW) 이하의 출력을 갖는 풍차 (2) 가, 유효 전력 제어를 하지 않는 풍차군인 그룹 D 로 구분된다. 추정부 (31) 에 저감 요구가 취득되면, 풍력 발전 시스템 (1) 내의 각 풍차 (2) 의 유효 전력의 출력값과 절연물의 온도에 기초하여 각각 열화도가 추정되고, 또한, 유효 전력의 출력값에 기초하여 산출되는 지표값인 하중 피로 평가 지수 α 와 각 풍차 (2) 의 절연물 온도에 기초하여 산출되는 지표값인 절연 피로 평가 점수 β 가 산출된다.

군생성부 (32) 에 있어서, 풍차 (2) 마다 산출된 하중 피로 평가 지수 α 와 절연 피로 평가 점수 β 에 대해 규정 (도 5 참조) 되어 있는 임계값에 기초하여, 그룹 D 로 구분된 풍차 (2) 이외의 각 풍차 (2) 가, 그룹 A 내지 그룹 C 로 구분되어 복수의 풍차군이 생성된다. 여기서, 유효 전력을 제어하는 우선도가 높은 풍차군부터 차례로 그룹 A, B, C 로 하고, 예를 들어, 그룹 A 에 포함되는 풍차 (2) 는 2 대 (즉 n＝2), 그룹 B 에 포함되는 풍차 (2) 는 18 대 (즉 m＝18), 그룹 C 에 포함되는 풍차 (2) 는 30 대 (즉 l＝30), 그룹 D 에 포함되는 풍차 (2) 는 0 대로 한다.

그룹 A 의 풍차 (2) 는 2 대인 경우에는, 그룹 A 의 출력은, 2.0 MW×2대＝4.0 MW 이다. 전력 제어부 (33) 는 그룹 A (우선도가 높은 풍차군) 에 대해, 20 ％ 의 출력 저감 요구를 지령값으로 출력한다. 그렇게 하면, 그룹 A 는 4.0 MW 로부터, 4.0 MW×20 ％＝0.8 MW 의 출력이 저감되어, 총 발전량 (kW) 이 저감된다 (도 6 의 시각 T1 내지 시각 T2). 여기서, 식 (1) 은, ΔP＿lim－ΔPa＿lim×n＝20 MW－0.8 MW＝19.2 MW＞0 이며, 식 (1) 을 만족시키게 된다. 따라서, 상기 서술한 Case 1 이 선택되고, 그룹 B 및 그룹 C 의 출력 제한도 이루어진다. 전력 계통측으로부터의 저감 요구인 20 MW 에는, 추가로 19.2 MW 의 저감이 필요하다. 도 6 에 있어서는, T2 의 시점에서 0.8 MW 분의 출력 저감이 이루어진다. 전력 제어부 (33) 는, 그룹 A 에 대한 출력 제한을 완료하면, 소정 기간 경과 후 (도 6 의 시각 T3) 에, 다음으로 출력 저감시키는 그룹 B 에 대해, 출력의 저감 요구가 출력된다.

여기서, 그룹 B 와 그룹 C 에 포함되는 풍차 (2) 는 48 대이며, 나머지 19.2 MW 의 출력 저감을 이들 48 대의 풍차 (2) 에 균등하게 실시하게 하는 경우에는, 19.2 MW/48대＝0.4 MW 이기 때문에, 그룹 B 및 그룹 C 의 각 풍차에 대해서는, 식 (2) 로부터 20 ％ (＝0.4MW/2.0MW) 저감시키는 지령값이 결정된다. 도 6 의 시각 T3 에 있어서, 그룹 B 에 대한 출력 저감 지령값이 출력되고, 그룹 B 의 출력이 저감된다 (도 6 의 시각 T3 내지 시각 T4). 또, 소정 간격마다 풍력 발전 시스템 (1) 의 상황 확인이 이루어지고 (도 6 의 시각 P1), 전력 계통측으로부터의 출력 제한 지령이 계속해서 출력되는 경우에는, 그대로 상기의 출력 저감 처리를 계속한다.

그룹 B 의 출력 저감이 완료되면, 소정 기간 경과 후 (도 6 의 시각 T5), 그룹 C 에 대한 출력 저감 지령값이 출력되고, 그룹 C 의 출력이 저감된다 (도 6 의 시각 T5 내지 시각 T6). 시각 P2 에 있어서, 전력 계통측으로부터 출력 제한의 해제 요구가 취득되면, 100 ％ 의 출력이 되도록 제어된다. 또, 시각 P2 에 있어서, 전력 계통측으로부터 출력 제한에 관한 해제 요구가 특별히 없는 경우에는, 출력 제한된 상태가 계속된다.

또한, 전력 제어부 (33) 는, 구체적으로는, 풍차 블레이드 (15) 의 피치각 제어 (예를 들어, 패더측으로 하는 제어), 및 계자 (界磁) 제어 등에 따라 각 풍차 (2) 의 출력을 저감시킨다.

이와 같이, 응답성이 요구되지 않고 소정 시간 (예를 들어, 시각 T6＝5 분후) 까지 출력 제한이 요구되는 경우에는, 풍차군 (그룹) 에 포함되는 풍차 (2) 마다 유효 전력의 제한을 실시함으로써, 단계적으로 출력 제어가 이루어진다. 이로써, 풍력 발전 시스템 (1) 에 포함되는 모든 풍차 (2) 에 대해 급격하게 유효 전력의 제한을 실시하는 경우 (도 6 의 그룹화 없음의 경우) 와 비교하여, 발전 손실을 억제할 수 있다 (예를 들어, 도 6 의 사선 부분의 분량만큼 손실이 억제된다).

이상 설명해 온 바와 같이, 본 실시 형태에 관련된 감시 제어 장치 및 방법 그리고 이를 구비한 윈드팜에 따르면, 전력 계통측으로부터 유효 전력의 변경 요구를 수신한 경우에, 풍차 (2) 의 열화도에 따라 그룹화된 풍차군 중에서, 고열화 풍차군의 풍차 (2) 는, 다른 풍차군의 풍차 (2) 보다 우선적으로 유효 전력이 저감된다. 이와 같이, 열화도가 높은 풍차군부터 우선적으로 유효 전력이 저감되므로, 윈드팜 내 전체 풍차 (2) 의 유효 전력을 일제히 제한하는 경우에 발생되는 급격한 유효 전력의 변동을 작게 하여, 전력 계통에 미치는 영향을 저감시킬 수 있다.

또, 열화도가 높은 풍차군 (즉, 비교적 일찍 파괴되기 쉬운 성질을 갖는 풍력 발전 장치) 의 유효 전력부터 우선적으로 저감시키므로, 열화도가 낮은 풍차군 (즉, 비교적 잘 파괴되지 않는 성질을 갖는 풍력 발전 장치) 의 유효 전력의 저감은 뒤로 미뤄져, 결과적으로, 윈드팜으로서의 수명을 연장할 수 있다. 또한, 풍차군의 단위로 유효 전력을 저감시킴으로써, 1 개의 풍차 (2) 에 의해 유효 전력의 변경 요구에 따르는 경우와 비교하여, 풍차 (2) 의 1 개 당의 유효 전력의 변동량이 적어진다.

[변형예 1]

또한, 본 실시 형태에 있어서는, 추정부 (31) 가, 풍차 (2) 의 유효 전력의 출력값 및 절연물의 온도에 기초하여 열화도를 추정하는 것으로 하여 설명했는데, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 풍차 (2) 에 있어서, 풍차 (2) 에 가해지는 하중을 저감시키는 하중 저감 장치를 구비하고 있는 경우에, 추정부 (31) 는, 하중 저감 장치의 고장 횟수를 열화도로서 추정하는 것으로 해도 된다. 이 경우에는, 전력 제어부 (33) 는, 다른 풍차 (2) 보다 고장 횟수가 많은 풍차 (2) 를 포함하는 풍차군을, 고열화 풍차군으로 하고, 유효 전력의 제어를 행한다.

이로써, 하중 저감 장치의 고장 영향으로 인해 하중의 저감을 행할 수 없는 비효율적인 풍차 (2) 의 유효 전력을, 다른 풍차 (2) 보다 우선적으로 저감시키므로, 윈드팜으로서의 수명을 연장할 수 있다. 여기서, 하중 저감 장치란, 예를 들어, 풍차 블레이드에 가해지는 하중을 억제하기 위해서 풍차 블레이드의 피치각을 제어하는 장치인 독립 피치 제어 장치, 풍차 블레이드의 피치각 제어에 따른 풍차 타워의 제진을 제어하는 장치인 타워 제진 제어 장치 등이다.

[변형예 2]

또, 예를 들어, 풍차 (2) 가, 전력 계통측의 전압 저하가 발생하지 않은 경우의 운전 모드인 제 1 운전 모드로부터, 소정 기간, 전력 계통의 계통 전압 저하가 발생한 경우의 운전 모드인 제 2 운전 모드로 운전 모드의 전환이 이루어지는 횟수를 계수하는 계수부를 구비하는 경우에, 추정부 (31) 는, 계수부에 의해 계수되는 횟수를 열화도로 하는 것으로 해도 된다. 이 경우에는, 전력 제어부 (33) 는, 다른 풍차 (2) 보다 상기 횟수가 많은 풍차 (2) 를, 고열화 풍차군의 풍력 발전 장치로서, 유효 전력 저감 제어한다. 예를 들어, 소정 기간, 전력 계통측의 전압 저하가 발생한 경우의 운전 모드가, 이른바 LVRT 기능이 동작하는 운전 모드로 하는 경우에는, 제 1 운전 모드로부터 LVRT 기능으로 전환이 이루어진 횟수가 많은 풍차 (2) 를 포함하는 풍차군이, 고열화 풍차군이 된다.

LVRT 기능에 의해 운전되는 경우에는, 풍차 (2) 의 주축이나 증속기 등이 축비틀림 진동에 따라 기계 스트레스에 노출된다. 이와 같이, 기계 스트레스에 노출되는 기계가 많은 풍차 (2) 를 고열화 풍차군의 풍차 (2) 로 하므로, 윈드팜 전체적으로 수명을 연장할 수 있다.

[변형예 3]

또, 예를 들어, 풍차 (2) 가 드라이브 트레인의 진동을 계측하는 진동 계측 장치를 구비하고 있는 경우, 추정부 (31) 는, 진동 계측 장치의 진동 계측값에 기초하여 열화도를 추정하는 것으로 해도 된다. 이 경우, 전력 제어부 (33) 는, 다른 풍차 (2) 보다 진동 계측값이 큰 풍차 (2) 를 포함하는 풍력 발전 장치군을, 고열화 풍력 발전 장치군으로 한다.

예를 들어, 베어링이나 증속기 등의 회전 기기는 금속끼리의 슬라이딩부를 가지고 있고, 금속 가루의 끼임 등이 발생한 경우, 드라이브 트레인의 축 회전시에 진동이나 이음이 발생한다. 그래서, 추정부 (31) 에 의해 드라이브 트레인의 진동을 계측하여 열화도를 추정한다. 구체적으로는, 통상 운전시의 진동값과 측정시의 진동값의 차이에 기초하여 열화도를 추정한다.

1 풍력 발전 시스템
2 풍력 발전 장치
3 감시 제어 장치
31 추정부
32 군생성부
33 전력 제어부

Claims

복수의 풍력 발전 장치를 갖는 윈드팜에 적용되는 감시 제어 장치로서,
각 상기 풍력 발전 장치의 상기 열화도를 추정하는 추정부와,
상기 열화도에 기초하여 상기 풍력 발전 장치를 그룹화시키고, 풍력 발전 장치군을 생성하는 군생성부와,
전력 계통측으로부터 유효 전력의 저감 요구를 수신한 경우에, 상기 열화도가 높은 상기 풍력 발전 장치를 포함하는 상기 풍력 발전 장치군인 고열화 풍력 발전 장치군 이외의 다른 상기 풍력 발전 장치군에 포함되는 상기 풍력 발전 장치보다 상기 고열화 풍력 발전 장치군에 포함되는 각 상기 풍력 발전 장치를 우선적으로 유효 전력을 저감시키는 전력 제어부를 구비하는 감시 제어 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 추정부는, 상기 풍력 발전 장치의 유효 전력의 출력값에 기초하여 상기 열화도를 추정하고,
상기 전력 제어부는, 다른 상기 풍력 발전 장치보다 상기 출력값이 큰 상기 풍력 발전 장치를 포함하는 상기 풍력 발전 장치군을, 상기 고열화 풍력 발전 장치군으로 하는 감시 제어 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 풍력 발전 장치가, 상기 풍력 발전 장치에 가해지는 하중을 저감시키는 하중 저감 장치를 구비하고 있는 경우에,
상기 추정부는, 상기 하중 저감 장치의 고장 횟수에 기초하여 상기 열화도를 추정하고,
상기 전력 제어부는, 다른 상기 풍력 발전 장치보다 상기 고장 횟수가 많은 상기 풍력 발전 장치를 포함하는 상기 풍력 발전 장치군을, 상기 고열화 풍력 발전 장치군으로 하는 감시 제어 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 추정부는, 상기 풍력 발전 장치의 절연물로부터 검출되는 온도와 정격 운전시에 검출되는 상기 절연물 온도의 온도 차이에 기초하여 상기 열화도를 추정하고,
상기 전력 제어부는, 상기 온도 차이가 큰 상기 풍력 발전 장치를 포함하는 상기 풍력 발전 장치군을, 상기 고열화 풍력 발전 장치군으로 하는 감시 제어 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 풍력 발전 장치는, 상기 전력 계통측의 전압 저하가 발생하지 않은 경우의 운전 모드인 제 1 운전 모드로부터, 소정 기간, 상기 전력 계통의 계통 전압 저하가 발생한 경우의 운전 모드인 제 2 운전 모드로 운전 모드의 전환이 이루어지는 횟수를 계수하는 계수부를 구비하고,
상기 추정부는, 상기 계수부에 의해 계수되는 상기 횟수에 기초하여 상기 열화도를 추정하고,
상기 전력 제어부는, 다른 상기 풍력 발전 장치보다 상기 횟수가 많은 상기 풍력 발전 장치를 포함하는 상기 풍력 발전 장치군을, 상기 고열화 풍력 발전 장치군으로 하는 감시 제어 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 풍력 발전 장치는, 드라이브 트레인의 진동을 계측하는 진동 계측 장치를 구비하고,
상기 추정부는, 상기 진동 계측 장치의 진동 계측값에 기초하여 상기 열화도를 추정하고,
상기 전력 제어부는, 다른 상기 풍력 발전 장치보다 상기 진동 계측값이 큰 상기 풍력 발전 장치를 포함하는 상기 풍력 발전 장치군을, 상기 고열화 풍력 발전 장치군으로 하는 감시 제어 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 추정부는, 상기 열화도에 기초하여, 상기 윈드팜 전체에 대한 각 상기 풍력 발전 장치의 지표값을 산출하고,
상기 군생성부는, 상기 지표값에 대한 임계값을 가지고 있고, 그 임계값과 상기 지표값에 기초하여 상기 풍력 발전 장치군을 생성하는 감시 제어 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 군생성부는, 상기 전력 계통측으로부터의 유효 전력의 변경 요구의 수신을 트리거로 하고, 상기 풍력 발전 장치군을 생성하는 감시 제어 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 풍력 발전 장치의 운전 시간을 계측하는 계시부를 구비하고,
상기 군생성부는, 상기 계시부에 의해 계측되는 소정의 시간 간격으로 상기 풍력 발전 장치군을 생성하는 감시 제어 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 감시 제어 장치와 복수의 상기 풍력 발전 장치를 구비하는 윈드팜.
복수의 풍력 발전 장치를 갖는 윈드팜에 적용되는 감시 제어 방법으로서,
상기 풍력 발전 장치의 상기 열화도를 추정하는 제 1 과정과,
상기 열화도에 기초하여 상기 풍력 발전 장치를 그룹화시키고, 상기 풍력 발전 장치군을 생성하는 제 2 과정과,
전력 계통측으로부터 유효 전력의 저감 요구를 수신한 경우에, 상기 열화도가 높은 상기 풍력 발전 장치를 포함하는 상기 풍력 발전 장치군인 고열화 풍력 발전 장치군 이외의 다른 상기 풍력 발전 장치군에 포함되는 상기 풍력 발전 장치보다 상기 고열화 풍력 발전 장치군에 포함되는 각 상기 풍력 발전 장치를 우선적으로 유효 전력 저감 제어하는 제 3 과정을 갖는 감시 제어 방법.