WO2012056570A1 - 風力発電装置の制御装置、ウインドファーム、及び風力発電装置の制御方法 - Google Patents

風力発電装置の制御装置、ウインドファーム、及び風力発電装置の制御方法 Download PDF

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Definitions

  • the wind farm of the wind power generator of the present invention includes a plurality of wind power generators and the control device described above.
  • the limit amount of the power generation output for each wind turbine generator is set by the control device described above. Therefore, even if the wind turbine generator performs an operation for limiting the power generation output, the limit amount of the power generation output is reduced. can do.
  • FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of a wind farm 10 according to an embodiment of the present invention.
  • the wind farm 10 includes a plurality of wind power generators 14 that generate power by rotation of a rotor 12 including a plurality of blades 11 and a central control device 16 that controls the entire wind farm 10 (for example, SCADA (Supervision Control And Data Acquisition). )).
  • SCADA Supervision Control And Data Acquisition
  • the wind farm 10 will be described by taking as an example a case where three wind power generators 14 are provided as shown in FIG. 1, but the number is not particularly limited.
  • the potential power generation output (hereinafter referred to as “output increase surplus power”) according to the present embodiment is a power generation output obtained by inertia energy (inertia) of the rotating rotor 12 of the wind power generator 14, And the power generation output obtained by the overload operation of the wind power generator 14 operating at the rated output.
  • the deload operation of the present embodiment when the power generation output obtained by the overload operation is sufficient for the necessary limit amount, the deload operation of the present embodiment can reach the rated output,
  • the power generation output indicated by the power curve of the deload operation of this embodiment in the region of extremely high wind speed is equivalent to the power curve of the optimal operation.
  • FIG. 7 shows a case where the rotational speed of the rotor 12 sufficiently increases and becomes constant at a low wind speed.
  • the pitch angle is closed in order to obtain an output increase margin, but this output increase margin discards part of the wind energy received by the blade 11.
  • the power generation output obtained by the inertia energy possessed by the rotor 12 is used as the output increase margin.
  • the power generation output that can be output cannot exceed the rated output unless overloaded operation is performed. Further, the remaining power increase due to closing the pitch angle of the blade 11 is also used to recover the decrease in the rotational speed of the rotor 12.
  • the inertial energy of the rotor 12 is also used to control the power generation output to the maximum power generation output of the overload operation, and the pitch angle maximizes the rotation speed. Controlled to the fine side to keep. At this time, the inertial energy of the rotor 12 is consumed in order to produce an output that is more than the wind energy until the pitch angle is fully opened, but after the pitch angle is fully opened, the inertial energy was captured more than the generated power output.
  • the wind turbine generator 14 since the driving state changes will be described.
  • the wind turbine generator 14 since the windmill control device 22 detects a decrease in the system frequency.
  • the output increase operation mode when the lowered system frequency is recovered, transition to deload operation is performed.
  • the optimum operation is performed when the rotation speed of the rotor 12 decreases to the lowest rotation speed capable of generating power, or when a predetermined time (for example, 30 seconds) has elapsed since the transition to the output increase operation. Transition to.
  • FIG. 13 is a graph showing the relationship between the rotational speed of the rotor 12 of the wind power generator 14 and the power generation output in the deload operation.
  • the deloading operation according to the present embodiment is divided into a variable speed control mode, a rated speed constant control mode, and a rated output constant control mode.
  • the variable speed control mode is a control mode that is performed while the rotational speed of the rotor 12 reaches the rated rotational speed from the lowest rotational speed at which power can be generated.
  • the rated rotational speed constant control mode is a control mode in which the rotational speed of the rotor 12 is kept constant and the power generation output is changed.
  • the wind power generator 14 receiving wind below the cut-in wind speed (wind speed at which power generation is started (for example, 3 m / s)) is not grid-connected, but the rotor 12 is rotated in advance with no load.
  • the wind power generator 14 having the minimum number of rotations capable of generating power is connected to the grid so that the inertia energy possessed by the rotor 12 can be supplied as the power generation output.
  • the wind power generation apparatus 14 receiving the following wind may also be configured to cope with a decrease in the system frequency.

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Abstract

風力発電装置（１４）は、ロータ（１２）の回転により発電すると共に系統連系され、系統周波数低下に応じて電力系統（２０）へ電力をさらに供給可能とするために、発電出力を予め制限して運転されている。そして、集中制御装置（１６）は、系統周波数の低下に対応するために必要な発電出力である必要制限量を導出し、該必要制限量から、発電出力を上昇させることができる潜在的な発電出力に相当する量を減じた値を導出し、該値に基づいて、系統周波数の低下に対応するために発電出力を予め制限して運転するための、発電出力の制限量を各風力発電装置（１４）に設定する。これにより、風力発電装置（１４）が発電出力を制限する運転を行っても、発電出力の制限量を小さくすることができる。

Description

風力発電装置の制御装置、ウインドファーム、及び風力発電装置の制御方法
　本発明は、風力発電装置の制御装置、ウインドファーム、及び風力発電装置の制御方法に関するものである。
　近年、系統連系されている風力発電装置に対して、電力系統の擾乱発生から予め定められた時間内（例えば３０秒以内）に電力系統の周波数の変動抑制に寄与すること（Ｐｒｉｍａｒｙ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｒｅｓｐｏｎｓｅ（ＰＦＲ）、以下、「周波数応答制御」という。）が求められている。
　周波数応答制御には、電力系統の周波数上昇及び周波数低下への対応がある。なお、電力系統の周波数上昇には、風力発電装置の発電出力を制限することで対応する一方、電力系統の周波数低下には、風力発電装置の発電出力の上昇による対応が求められる。
　風力発電装置の発電出力を上昇させる方法としては、風力発電装置のロータが有する慣性エネルギー（イナーシャともいう。）を電力に変換することで風力発電装置の発電出力を一時的に上昇させる対応（以下、「イナーシャ制御」という。）、付加されている二次電池等の追加機器から電力系統へ電力を供給する対応がある。
　しかし、上記対応には、以下のような問題点がある。
　イナーシャ制御では、ロータの慣性エネルギーが失われるためロータの回転数が低下し回転数と風速との関係が最適制御から外れるため、電力系統の周波数低下中の発電量（発電出力と時間との積）は、通常の最適制御に比較して低下する。そのため、イナーシャ制御を行うことによって、電力系統の周波数低下のピークは低減されるが、風力発電装置の発電出力が最適出力よりも低下し、電力系統の周波数低下時間は増大するという問題がある。また、追加機器からの電力供給には、追加機器を設けるため、コストの上昇が生じるという問題がある。
　また、上記２つの対応の他に、特許文献１に記載されているような、風力発電装置への風速に対する最適(最大)出力から発電出力を予め制限して発電しておき、電力系統の周波数低下時に風力発電装置の発電出力を最適出力に上昇させる対応方法（以下、「デロード運転」という。）がある。
米国特許出願公開第２０１０／０１２７４９５号明細書
　このように、電力系統の周波数低下に対しては、風力発電装置をデロード運転させ、周波数低下時に風力発電装置の発電出力を最適出力に上昇させることが、追加機器も必要なく、周波数が低下した電力系統へ安定して電力を供給できるため、有効であると考えられる。しかし、デロード運転では、風力発電装置の年間発電量が低下するという問題がある。
　本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、風力発電装置が発電出力を制限する運転を行っても、発電出力の制限量を小さくすることができる風力発電装置の制御装置、ウインドファーム、及び風力発電装置の制御方法を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、本発明の風力発電装置の制御装置、ウインドファーム、及び風力発電装置の制御方法は以下の手段を採用する。
　すなわち、本発明に係る風力発電装置の制御装置は、ロータの回転により発電すると共に系統連系され、電力系統に生じた周波数の低下に応じて該電力系統へ電力をさらに供給可能とするために、発電出力を予め制限して運転されている風力発電装置の制御装置であって、前記電力系統の周波数の低下に対応するために必要な発電出力である必要制限量を導出する第１導出手段と、前記第１導出手段によって導出された前記必要制限量から、発電出力を上昇させることができる潜在的な発電出力に相当する量を減じた値を導出する第２導出手段と、前記第２導出手段によって導出された値に基づいて、前記電力系統に生じた周波数の低下に対応するために発電出力を予め制限して運転するための、発電出力の制限量を設定する設定手段と、を備える。
　本発明によれば、風力発電装置は、ロータの回転により発電すると共に系統連系され、電力系統に生じた周波数の低下に応じて該電力系統へ電力をさらに供給可能とするために、発電出力を予め制限して運転されている。
　なお、発電出力を予め制限して運転する場合には、発電機からの発電出力を直接的に制限する場合と、ロータが備えるブレードのピッチ角を閉じることにより、風エネルギーを逃がし、発電出力を最適にする場合とがある。
　そして、第１導出手段によって、電力系統の周波数の低下に対応するために必要な発電出力である必要制限量が導出され、第２導出手段によって、該必要制限量から、発電出力を上昇させることができる潜在的な発電出力に相当する量を減じた値が導出される。
　すなわち、第２導出手段によって導出した値とは、必要制限量を潜在的な発電出力で相殺した値である。
　さらに、設定手段によって、第２導出手段で導出された値に基づいて、電力系統に生じた周波数の低下に対応するために発電出力を予め制限して運転するための、発電出力の制限量が設定される。
　以上のように、本発明は、必要制限量から発電出力を上昇させることができる潜在的な発電出力に相当する量を減じた値に基づいて、発電出力の制限量を設定するので、風力発電装置が発電出力を制限する運転を行っても、発電出力の制限量を小さくすることができる。
　また、本発明の風力発電装置の制御装置は、前記潜在的な発電出力は、回転している前記ロータが有する慣性エネルギーによって得られる発電出力、定格出力で運転している場合に過負荷運転によって得られる発電出力、及び蓄電装置への充電に用いる発電出力の少なくとも何れか一つとしてもよい。
　本発明によれば、潜在的な発電出力として、回転しているロータが有する慣性エネルギーによって得られる発電出力、定格出力で運転している場合に過負荷運転によって得られる発電出力、及び蓄電装置への充電に用いる発電出力の少なくとも何れか一つを用いることによって、より簡易、かつ確実に発電出力の制限量を小さくすることができる。
　また、本発明の風力発電装置の制御装置は、前記設定手段が、前記ロータの回転数が定格回転数に達していない場合に、前記第２導出手段によって導出された前記値を、発電出力の制限量として設定してもよい。
　本発明によれば、第２導出手段によって導出された値が、ロータの回転数が定格回転数に達していない風力発電装置に優先して設定されるので、ロータの回転数が定格回転数に達していない風力発電装置は、発電出力の制限がより大きくなるため、より早くロータの回転数を定格回転数とすることができる。
　また、本発明の風力発電装置のウインドファームは、複数の風力発電装置と、上記記載の制御装置と、を備える。
　本発明によれば、上記記載の制御装置によって風力発電装置毎の発電出力の制限量が設定されるので、風力発電装置が発電出力を制限する運転を行っても、発電出力の制限量を小さくすることができる。
　また、本発明の風力発電装置の風力発電装置の制御方法は、ロータの回転により発電すると共に系統連系され、電力系統に生じた周波数の低下に応じて該電力系統へ電力をさらに供給可能とするために、発電出力を予め制限して運転されている風力発電装置の制御方法であって、前記電力系統の周波数の低下に対応するために必要な発電出力である必要制限量を導出する第１工程と、前記第１工程によって導出された前記必要制限量から、発電出力を上昇させることができる潜在的な発電出力に相当する量を減じた値を導出する第２工程と、前記第２工程によって導出された値に基づいて、前記電力系統に生じた周波数の低下に対応するために発電出力を予め制限して運転するための、発電出力の制限量を設定する第３工程と、を備える。
　本発明によれば、必要制限量から発電出力を上昇させることができる潜在的な発電出力に相当する量を減じた値に基づいて、発電出力の制限量を設定するので、風力発電装置が発電出力を制限する運転を行っても、発電出力の制限量を小さくすることができる。
　本発明によれば、風力発電装置が発電出力を制限する運転を行っても、発電出力の制限量を小さくすることができる、という優れた効果を有する。
本発明の実施形態に係るウインドファームの全体構成を示した概略図である。 本発明の実施形態に係る制限量設定プログラムの処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る制限量が設定された場合における風速と風力発電装置の発電出力の関係の一例を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る制限量が設定された場合における風速とブレードのピッチ角の関係の一例を示すグラフである。 本発明の実施形態において、風エネルギーが小さく、ロータが発電可能な最低回転数よりも若干多く回転可能な場合の、風力発電装置の発電出力と出力上昇余力の説明に要する模式図である。 本発明の実施形態において、ロータの回転数が上昇している場合の、風力発電装置の発電出力と出力上昇余力の説明に要する模式図である。 本発明の実施形態において、低風速でロータの回転数が一定となった場合の、風力発電装置の発電出力と出力上昇余力の説明に要する模式図である。 本発明の実施形態において、ロータの回転数が定格回転数となったため、ブレードのピッチ角を閉じて出力制限をしている場合の、風力発電装置の発電出力と出力上昇余力の説明に要する模式図である。 本発明の実施形態において、風エネルギーが風力発電装置の定格出力相当の場合の、風力発電装置の発電出力と出力上昇余力の説明に要する模式図である。 本発明の実施形態において、風エネルギーが定格出力以上の発電出力を可能とする場合の、風力発電装置の発電出力と出力上昇余力の説明に要する模式図である。 本発明の実施形態において、風エネルギーが発電出力を過負荷運転の最大発電出力以上を可能とする場合の、風力発電装置の発電出力と出力上昇余力の説明に要する模式図である。 本発明の実施形態に係る運転状態の遷移を示す図である。 本発明の実施形態に係るデロード運転におけるロータの回転数と発電出力との関係の一例を示すグラフである。
　以下、本発明の実施形態について説明する。
　図１は、本発明の実施形態に係るウインドファーム１０の全体構成を示した図である。ウインドファーム１０は、複数枚のブレード１１を備えたロータ１２の回転により発電する複数の風力発電装置１４と、ウインドファーム１０全体の制御を司る集中制御装置１６（例えば、ＳＣＡＤＡ（Ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒｙ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ａｎｄ　Ｄａｔａ　Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ））とを備えている。また、本実施形態においてウインドファーム１０は、図１に示すように３台の風力発電装置１４を備える場合を例に挙げて説明するが、台数は特に限定されない。
　本実施形態に係る風力発電装置１４は、変圧器１８を介して系統連系されると共に、電力系統２０の周波数（以下、「系統周波数」という。）の低下に応じて電力系統２０へ電力をさらに供給可能とされており、電力系統２０の擾乱発生から予め定められた時間内（例えば３０秒以内）に系統周波数の変動抑制に寄与すること（周波数応答制御）が可能とされている。
　また、風力発電装置１４には、風車制御装置２２が各々設けられている。
　風車制御装置２２は、対応する風力発電装置１４の運転状態を制御すると共に、集中制御装置１６との間で種々のデータの送受信が可能とされている。また、風車制御装置２２は、電力系統２０の電力及び系統周波数の変動の検知、風力発電装置１４が有するロータ１２の回転数（以下、「ロータ回転数」という。）の測定も可能とされている。
　そして、風車制御装置２２は、風力発電装置１４の制御状態を示すデータ、風力発電装置１４のロータ回転数、不図示の風速計で測定された風力発電装置１４近傍の風速、及び風力発電装置１４の発電出力等を集中制御装置１６へ送信する。一方、集中制御装置１６は、風力発電装置１４を制御するにあたり必要なパラメータ等のデータを風車制御装置２２へ送信する。
　次に、風車制御装置２２による風力発電装置１４の制御についてより詳細に説明する。
　本実施形態に係る風車制御装置２２は、風力発電装置１４の周波数応答制御を可能とするために、すなわち電力系統２０の擾乱発生時に電力系統２０へ供給する風力発電装置１４の発電出力の上昇余力の確保を目的として、風力発電装置１４の発電出力を予め制限して運転するデロード（Ｄｅｌｏａｄ）運転を行うように風力発電装置１４を制御している。また、本実施形態に係る風力発電装置１４は、予め定められた制限時間内であれば、過負荷運転（定格出力以上の発電出力を得る運転）を行うことが可能とされている。
　なお、発電出力を制限する方法としては、風力発電装置１４が備える発電機からの発電出力を直接的に制限する場合と、ロータ１２が備えるブレード１１のピッチ角を閉じることにより、風エネルギーを逃がし、発電出力を最適にする場合とがある。本実施形態に係る風力発電装置１４では、上記２つの方法を適宜使い分けてデロード運転が行われる。
　そして、集中制御装置１６は、ウインドファーム１０を構成する風力発電装置１４をデロード運転させるための発電出力の制限量を導出し、設定する制限量設定処理を行う。
　図２は、制限量設定処理を行う場合に、集中制御装置１６によって実行される制限量設定プログラムの処理の流れを示すフローチャートであり、該制限量設定プログラムは集中制御装置１６が備える不図示の記憶部（磁気記憶装置又は半導体記憶装置）の所定領域に予め記憶されている。
　なお、制限量設定処理は、例えば、予め定められた時間間隔毎（例えば、数秒から1分程度間隔毎）に行われる。
　まず、ステップ１００では、系統周波数の低下に対応するために必要な発電出力である必要制限量を導出する。具体的には、ウインドファーム１０全体の発電出力を検出し、該検出した発電出力から系統周波数の低下に備えた発電出力の上昇余力として確保するべきウインドファーム１０全体の必要制限量を導出する。
　なお、必要制限量は、ウインドファーム１０全体の発電出力の大小にかかわらず、予め定められた固定値（例えば、１０％）を適用してもよい。この場合、検出したウインドファーム１０の発電出力に該固定値を乗算することで、必要制限量を導出する。
　また、ウインドファーム１０全体の発電出力が小さい場合は、該発電出力に対する必要制限量の割り合いを下げてもよい。この場合、系統周波数の低下への対応能力は小さくなる。一方、ウインドファーム１０全体の発電出力が大きい場合は、該発電出力に対する必要制限量の割り合いを上げてもよい。この場合、系統周波数の低下への対応能力は大きくなる。
　また、電力系統２０に連系されている他の発電設備の発電出力や、電力系統２０を管理する発電事業者からの指令に応じて必要制限量を増減させてもよい。
　次のステップ１０２では、ステップ１００で導出した必要制限量から、発電出力を上昇させることができる潜在的な発電出力に相当する量を減じた値を導出する。
　なお、本実施形態に係る潜在的な発電出力（以下、「出力上昇余力」という。）とは、風力発電装置１４の回転しているロータ１２が有する慣性エネルギー（イナーシャ）によって得られる発電出力、及び定格出力で運転している風力発電装置１４の過負荷運転によって得られる発電出力である。
　ロータ１２は、回転数として大きな慣性エネルギーを蓄えている。そこで、風力発電装置１４は、ロータ１２が蓄えている慣性エネルギーを用いる（消費する）ことによって、ロータ１２のブレード１１が受けた風エネルギーから得られる発電出力よりも大きな発電出力を一時的に電力系統２０へ供給することができる。このため、ロータ１２の回転数（発電可能な最低回転数以上）に応じた慣性エネルギーは、出力上昇余力とみなせる。
　なお、本実施形態では、本ステップに係る処理を実行する時点における各風力発電装置１４のロータ１２の回転数と、発電可能なロータ１２の最低回転数との差に基づいて、ロータ１２が有する慣性エネルギーから得られる出力上昇余力を推定する。
　また、風力発電装置１４の定格出力は、一般的に連続運転を前提に設計されている。そして、風力発電装置１４は、強風時には発電出力が定格出力を超えないように、ブレード１１のピッチ角を閉じることによって風から得られるエネルギーを一部逃がし、発電出力を定格出力に保っている。しかし、過負荷運転が可能な本実施形態に係る風力発電装置１４において、発電出力が定格出力を超えるため逃がしている風エネルギーは、短時間（例えば、数十秒から数分程度）であれば出力上昇余力とみなせる。
　なお、本実施形態では、本ステップに係る処理を実行する時点における各風力発電装置１４に対する風速、及び各風力発電装置１４のロータ１２のブレード１１のピッチ角から、上記逃がしている風エネルギーの大きさ、すなわち定格出力で運転している風力発電装置１４の過負荷運転によって得られる出力上昇余力を推定する。
　そして、本ステップでは、必要制限量から、ロータ１２が有する慣性エネルギー及び過負荷運転から得られる出力上昇余力を減じた値を導出する。すなわち、本ステップで導出した値は、必要制限量を出力上昇余力で相殺した値である。なお、出力上昇余力として、慣性エネルギーによって得られる発電出力、及び過負荷運転によって得られる発電出力の何れか一方のみが用いてられてもよい。
　次のステップ１０４では、ステップ１０２で導出した値に基づいて、デロード運転するための各風力発電装置１４に対する発電出力の制限量を設定する。
　なお、本実施形態では、定格回転数に達していない風力発電装置１４に対して、ステップ１０２で導出した値を優先的に割り当てるように設定する。
これにより、定格回転数に達していない風力発電装置１４（回転数の低い風力発電装置１４）は、ウインドファーム１０に占める自身の発電量割合に比較して多くの出力制限を受けることとなる。一方、回転数が高い風力発電装置１４は、ウインドファーム１０に占める自身の発電量割合に比較して少ない出力制限を受けることとなる。このように、定格回転数に達していない風力発電装置１４は、発電出力の制限をより多く受けるので、ブレードの１１のピッチを閉じずにロータ１２の回転数を増加させ、発電機の発電出力を制限することとなり、より早く定格回転数に達することができる。
　一方、定格回転数に達している風力発電装置１４には、必要制限量から定格回転数に達していない風力発電装置１４に割り当てた値を減じた残りの制限量を割り当てるように設定する。なお、定格回転数に達している風力発電装置１４のロータ１２が有する慣性エネルギー、及び過負荷運転によって得られる発電出力だけでは、ウインドファーム１０全体としての必要制限量を満たすことができない場合、定格回転数に達している風力発電装置１４には、発電出力の制限が行われる。
　図３は、本実施形態に係る制限量が設定された場合における風速と風力発電装置１４の発電出力の関係の一例を示すグラフである。同図において、点線で示される発電出力の変化（以下、「パワーカーブ」という。）は、従来のデロード運転がされた場合を示す。なお、従来のデロード運転とは、常時ピッチ角を制限して発電する運転である。実線で示されるパワーカーブは、本実施形態のデロード運転がされた場合を示す。一点鎖線で示されるパワーカーブは、デロード運転を行わない最適運転がされた場合を示す。そして、破線で示されるパワーカーブは、過負荷運転がされた場合を示す。すなわち、最適運転のパワーカーブと従来のデロード運転のパワーカーブとの差、及び最適運転のパワーカーブと本実施形態に係るデロード運転のパワーカーブとの差は、発電出力として利用されていない風エネルギー、すなわち捨てているエネルギーである。
　風速が低速であり、ロータ１２が定格回転数に達していない場合（図３の領域Ａである過度状態）、本実施形態に係るデロード運転では、上記制限量設定処理のステップ１０４で説明したように、ロータ１２の回転数が上昇するまではブレード１１のピッチを閉じずに出力制限をして回転数を上昇させる。そして回転数がある程度上昇すれば、慣性エネルギーで出力上昇余力を確保できるようになり、出力制限が不要となる。この状態では風エネルギーを全て発電出力に変換できるため、ロータ１２が定格回転数に達していない場合の本実施形態のデロード運転のパワーカーブは、最適運転のパワーカーブに対して回転数を上昇させる際の上記出力制限の分のわずかな低下に留まる。その後、風速が速くなり、ロータ１２が定格回転数に達すると、図３の例では、発電出力に出力制限が加わるため、本実施形態のデロード運転のパワーカーブは、最適運転のパワーカーブよりも下方向にずれる。しかし、本実施形態に係る風力発電装置１４には、ロータ１２が有する慣性エネルギーによって得られる発電出力を出力上昇余力とみなす制限量が設定されているため、従来のデロード運転のパワーカーブに比較して発電出力が高くなる。
　そして、従来のデロード運転では、風速が速くなり、ロータ１２が定格回転数に達しても、出力制限を行っているため定格出力に達することはなく、制限された一定値（従来のデロード運転によって低下した定格出力）が上限となる。しかし、本実施形態に係るデロード運転では、過負荷運転で得られる発電出力を、出力上昇余力とみなした制限量が設定されている。このため、図３の領域Ｂに示されるように、過負荷運転で得られる発電出力が必要制限量に対して十分な場合、本実施形態のデロード運転では、定格出力に達することができ、十分に高い風速の領域での本実施形態のデロード運転のパワーカーブにより示される発電出力は、最適運転のパワーカーブと同等となる。
　また、図４は、本実施形態に係る制限量が設定された場合における風速とブレード１１のピッチ角の関係の一例を示すグラフである。同図において、点線で示されるピッチ角の変化は、従来のデロード運転がされた場合を示す。実線で示されるピッチ角の変化は、本実施形態のデロード運転がされた場合を示す。一点鎖線で示されるピッチ角の変化は、デロード運転を行わない最適運転がされた場合を示す。そして、破線で示されるピッチ角の変化は、過負荷運転がされた場合を示す。
　風速が低速であり、ロータ１２が定格回転数に達していない場合、本実施形態に係るデロード運転では、上述したように、ロータ１２の回転数が上昇するまでブレード１１のピッチ角を閉じずに出力制限をして回転数を上昇させる。そのため、図４に示されるように、本実施形態のデロード運転のピッチ角は、ロータ１２が定格回転数に達するまで最適運転のピッチ角と同じであり、最も風エネルギーを受けやすいフルファインとなっている。その後、風速が速くなり、ロータ１２が定格回転数に達すると、上述したように発電出力に出力制限を加えるために、本実施形態のデロード運転では、ピッチ角を閉じることで風エネルギーを逃がし、出力制限を行う。しかし、本実施形態に係る風力発電装置１４では、ロータ１２が有する慣性エネルギーによって得られる発電出力を出力上昇余力とみなす制限量が設定されているため、ピッチ角は、従来のデロード運転のピッチ角に比較して、より多くの風を受けることができるようにファイン側に設定される。なお、系統周波数が低下した場合、ピッチ角は、出力制限のために閉じていた分を元に戻され、ファイン側に変化され、より多くの風エネルギーを受けることを可能とすると共に、ロータ１２が有する慣性エネルギーを発電出力として用いる。
　そして、風速が本実施形態に係るデロード運転にとっての定格風速以上となった場合、過負荷運転により得られる発電出力を出力上昇余力とするため、ピッチ角は、最適運転と同様に風速に応じて風を逃がすように変化される。なお、過負荷運転時には、ピッチ角は、出力制限のために閉じていた分を元に戻され、より風エネルギーを受けることができるようにファイン側に変化される。
　次に、図５～１１の模式図を参照して、本実施形態に係るデロード運転における風力発電装置１４の発電出力と出力上昇余力とを従来のデロード運転と対比して説明する。なお、図５～１１において、デロード運転している風力発電装置１４の発電出力を“１”とした場合に必要な出力上昇余力を、α（α＜１）としている。
　図５は、風エネルギーが小さく（風速が弱く）、ロータ１２が発電可能な最低回転数よりも若干多く回転可能な過度状態の場合を示している。この場合、従来のデロード運転では、ピッチ角を閉じることで捨てている風エネルギーを出力上昇余力としている。これにより、従来のデロード運転では、系統周波数の低下が生じた場合には、ピッチ角を開くことで捨てている風エネルギーを受けて発電出力を上昇させる。
　一方、本実施形態に係るデロード運転では、出力上昇余力を確保するために発電出力を制限するが、ピッチ角はフルファインとし、ロータ１２で風エネルギーを最大限受ける。そのため、発電出力より過剰に受けた風エネルギーによってロータ１２の回転数は上昇する。これにより、本実施形態に係るデロード運転では、系統周波数の低下が生じた場合、発電出力の制限を解除し、発電出力をロータ１２の回転数に応じた発電出力にまで上昇させる。
　図６は、ロータ１２の回転数が上昇している過度状態の場合を示している。この場合、従来のデロード運転では、出力上昇余力を得るために、ピッチ角を閉じているが、この出力上昇余力は、ブレード１１で受けた風エネルギーの一部を捨てていることとなる。
　一方、本実施形態に係るデロード運転では、ロータ１２が有する慣性エネルギーにより得られる発電出力を出力上昇余力とする。これにより、本実施形態に係るデロード運転では、従来のデロード運転に比較してより多くの発電出力を得ることができる。なお、ロータ１２が有する慣性エネルギーだけでは、出力上昇余力が足りない場合は、ピッチ角をフルファインとしたままで、発電出力のみを制限させ、制限している発電出力を出力上昇余力とし、かつロータ１２の回転数を上昇させる。
　図７は、低風速でロータ１２の回転数が十分に上昇し、一定となった場合を示している。この場合、従来のデロード運転では、出力上昇余力を得るために、ピッチ角を閉じているが、この出力上昇余力は、ブレード１１で受けた風エネルギーの一部を捨てていることとなる。
　一方、本実施形態に係るデロード運転では、ロータ１２が有する慣性エネルギーにより得られる発電出力を出力上昇余力とする。これにより、本実施形態に係るデロード運転では、ブレード１１で受けた風エネルギーを捨てることがないため、従来のデロード運転に比較してより多くの発電出力を得ることができる。
　図８は、本実施形態に係るデロード運転においてロータ１２の回転数が最大回転数（定格回転数）となった場合に、ブレード１１のピッチ角を閉じて出力制限をしている場合を示している。本実施形態に係るデロード運転では、定格回転数のロータ１２が有する慣性エネルギーにより得られる発電出力を出力上昇余力としている。
　本実施形態に係るデロード運転では、従来に比較して、ブレード１１のピッチ角の閉じ量は小さくなり、ロータ１２の回転数は高くなる。そのため、ブレード１１のピッチ角を閉じることで出力制限をしていた従来のデロード運転では、定格回転数に到達できなかった風エネルギーでも、本実施形態のデロード運転では、定格回転数に到達することができる。なお、本実施形態に係るデロード運転でも、ピッチ角を閉じて捨てているエネルギーは、出力上昇余力となる。
　図９は、風エネルギーが風力発電装置１４の定格出力（Prated）相当の場合を示している。
　本実施形態に係るデロード運転では、風力発電装置１４は過負荷運転を可能とされているため、ロータ１２が有する慣性エネルギーにより得られる発電出力を出力上昇余力としている。そのため、ブレード１１のピッチ角を閉じることによる出力制限は、従来のデロード運転に比較して小さくすることができ、従来のデロード運転に比較してより多くの発電出力を得ることができる。
　一方、従来のデロード運転では、系統周波数の低下が生じた場合に風力発電装置１４を定格出力で運転させるために、定格出力から出力制限された発電出力（Plimit）で運転される。
　図１０は、風エネルギーが定格出力（Prated）以上の発電出力を可能とするほど大きい場合を示している。この場合も、従来のデロード運転では、出力制限によって定格出力を出すことができないため、風エネルギーが上昇しているにも関わらず、発電出力を上昇させることができなかった。
　しかし、本実施形態に係るデロード運転では、風力発電装置１４は過負荷運転を可能とされているため、ロータ１２の慣性エネルギーを出力上昇余力とでき、定格出力の（１＋α）倍よりも低い風エネルギーで定格出力を出すことができる。なお、発電出力が定格出力を超えないようブレード１１のピッチ角は、閉じられる。そして、ロータ１２が有する慣性エネルギーにより得られる出力上昇余力と共に、ブレード１１のピッチ角を閉じることによる出力上昇余力が得られる。なお、ブレード１１のピッチ角を閉じることによる出力上昇余力は、系統周波数の低下が生じた場合に用いられる、過負荷運転により得られる発電出力となる。
　一方、従来のデロード運転では、過負荷運転が可能とされていないため、系統周波数の低下が生じた場合に風力発電装置１４を定格出力で運転させるために、定格出力から出力制限された発電出力（Plimit）で運転される。
　図１１は、図１０の場合よりも風エネルギーが増大し、風エネルギーが発電出力を過負荷運転の最大発電出力以上とできるほど大きい場合を示している。この場合も、本実施形態に係るデロード運転では、発電出力が定格出力を超えないようブレード１１のピッチ角を閉じ、ロータ１２が有する慣性エネルギーにより得られる出力上昇余力と共に、ブレード１１のピッチ角を閉じることによる出力上昇余力を得る。なお、風力発電装置１４は、図１１のように風エネルギーが増加しても、連続した過負荷運転は機器仕様上できないため、発電出力は定格出力に留まる。過負荷運転をしない限り、出力可能な発電出力を定格出力以上とすることはできない。
　さらに、ブレード１１のピッチ角を閉じることによる出力上昇余力は、ロータ１２の回転数の低下を回復させるためにも使用される。系統周波数が低下したことによる、風力発電装置１４の出力上昇運転時には、ロータ１２の慣性エネルギーも用いることで、発電出力が過負荷運転の最大発電出力に制御され、ピッチ角は回転数を最大に保つためにファイン側に制御される。このとき、ロータ１２の慣性エネルギーは、ピッチ角が開ききるまでの間に風エネルギーよりも過剰な出力を出すために消費されるが、ピッチ角が開ききった後に発電出力よりも多くとらえられた風エネルギーによって補充される。これにより、出力上昇運転が行われることによって、ロータ１２が慣性エネルギーを失い、回転数が低下することを防ぐことができる(一旦回転数が低下したとしても、最大回転数まで再度上昇させられる)。一方、図５～１０の風況では、出力上昇運転時には風エネルギーを全て発電出力に変換しており余剰の風エネルギーがないため、出力上昇運転後はロータ１２の回転数が下がった状態となる。
　一方、従来のデロード運転では、過負荷運転が可能とされていないため、系統周波数の低下が生じた場合に風力発電装置１４を定格出力で運転させるために、ブレード１１のピッチ角を閉じることによって、定格出力から出力制限された発電出力（Plimt）で運転される。
　次に、本実施形態に係る風力発電装置１４の運転状態について説明する。風力発電装置１４の運転状態には、デロード運転、出力上昇運転、及び最適運転がある。
　デロード運転は、上述のように、出力制限が行われている運転である。出力上昇運転は、系統周波数の低下が生じた場合に、低下した系統周波数の回復を目的として電力系統２０にさらに電力を供給する運転である。最適運転は、出力制限がされていない運転である。
　これらの運転状態は、運転状態に応じた指令値が風車制御装置２２から風力発電装置１４へ送信されることによって遷移する。なお、上記指令値とは、ブレード１１のピッチ角に対する指令値であるピッチ角指令値、及び発電出力に対する指令値である発電出力指令値である。
　具体的には、可変速領域（ロータ１２の回転数が定格回転数に達するまでの領域）と定格出力領域（定格出力に達した領域）のデロード運転における発電出力指令値は、出力上昇に備えた発電出力の制限を行うための指令値であり、定格回転数領域のデロード運転におけるピッチ角指令値は、出力上昇に備えたピッチ角の制限を行うための指令値である。一方、可変速領域のピッチ角指令値は、フルファイン固定され、定格回転数領域の発電出力指令値は、ＰＩ（比例積分）制御で回転数を定格に保つように制御され、定格出力領域のピッチ角指令値は、ＰＩ制御で出力を定格に保つように制御され、出力制限ではない目的で制御される。
　次に図１２を参照して、運転状態が遷移する場合について説明する。
　まず、本実施形態に係る風力発電装置１４は、デロード運転がされているが、風車制御装置２２が系統周波数の低下を検知した場合に、出力上昇運転に遷移する。
　そして、出力上昇運転モードにおいて、低下した系統周波数が回復した場合は、デロード運転に遷移する。一方、出力上昇運転モードにおいて、ロータ１２の回転数が発電可能な最低回転数まで低下した場合、又は出力上昇運転に遷移してから所定時間（例えば、３０秒）経過した場合には、最適運転に遷移する。これは、ロータ１２の回転数が最低回転数以下となると、風力発電装置１４の発電が停止してしまい、再起動に時間を要するため、又は出力上昇のために過負荷運転を長時間行うことによる機器故障を回避するためであり、発電出力を得やすく、連続運転を可能とする最適運転に遷移する。
　また、最適運転において、低下した系統周波数が回復した場合は、デロード運転に遷移する。
　図１３は、デロード運転における風力発電装置１４のロータ１２の回転数と発電出力との関係を示すグラフである。
　同図に示すように、本実施形態に係るデロード運転は、可変速制御モード、定格回転数一定制御モード、及び定格出力一定制御モードに分けられる。可変速制御モードは、ロータ１２の回転数が発電可能な最低回転数から定格回転数に至る間に行われる制御モードである。定格回転数一定制御モードは、ロータ１２の回転数を一定に保ち、発電出力を変化させる制御モードである。定格出力一定制御モードは、ロータ１２の回転数を一定に保つと共に、発電出力を定格出力に保つ制御モードである。なお、同図において、点線（最適カーブ）は、デロード運転が行われていない場合の発電出力と回転数との関係を示している。
　次に、本実施形態に係るデロード運転を行う場合に、風車制御装置２２から風力発電装置１４へ送信されるピッチ角指令値及び発電出力指令値について下記表１を参照して詳細に説明する。表１は、各制御モードにおいて風車制御装置２２から風力発電装置１４へ送信されるピッチ角指令値と発電出力指令値とを示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示すように、可変速制御モードでは、ピッチ角指令値θdemは、フルファインを指令する。一方、発電出力指令値Ｐdemは、最適カーブからロータ１２の回転数に応じた出力制限ＰLim(ω)を減じた発電出力を指令する。
　そして、定格回転数一定制御モードでは、ピッチ角指令値θdemは、フルファインから発電出力に応じたピッチ角θLim（Ｐ）を減じたピッチ角を指令する。これにより、定格回転数一定制御モードでは、回転数を一定にすると共に、ピッチ角の制御で出力制限が行われる。一方、発電出力指令値Ｐｄｅｍは、定格出力Pratedと、最適カーブの発電出力から定格回転数に応じた制限量ＰLim(ωrated)を減じた発電出力と、の間の発電出力を指令する。なお、この場合、ＰＩ制御された発電出力指令値Ｐdemが、風車制御装置２２から風力発電装置１４へ送信される。
　さらに、定格出力一定制御モードでは、発電出力指令値Ｐdemは、定格出力Ｐratedを指令する。一方、ピッチ角指令値θdemは、フルファインの角度からピッチ角θLim(Ｐrated)を減算した値を最大値としたＰＩ制御がされる。
　次に、各制御モードが他の制御モードに遷移する場合について説明する。
　可変速制御モードにおいて、風速が上昇して、ロータ１２の回転数が定格に達すると、制御モードは、定格回転数一定制御モードへ遷移する。なお、可変速制御モードでは、ブレード１１のピッチ角が最大効率で風エネルギーを捉えるようにフルファインとされ、発電出力で出力制限を行うことでロータ１２の回転数を上昇させる。また、定格回転数一定制御モードでは、ロータ１２の回転数を定格回転数に保つために、発電出力をＰＩ制御し、出力制限はブレード１１のピッチ角を閉じることで行う。
　定格回転数一定制御モードにおいて、風速がさらに上昇し、発電出力が定格出力に達すると、制御モードは、定格出力一定制御モードに遷移する。定格出力一定制御モードでは、ブレード１１のピッチ角で出力制限すると共にロータ１２の回転数を一定に制御し、発電出力を定格で固定する。
　定格出力一定制御モードにおいて、風速が低下し、ピッチ角のＰＩ制御の最大値でも定格回転数を維持できない場合に、制御モードは、定格回転数一定制御モードに遷移する。
　定格回転数一定制御モードにおいて、さらに風速が低下し、発電出力のＰＩ制御の最小値でも定格回転数を維持できない場合に、制御モードは、可変速制御モードに遷移する。
　以上説明したように、本実施形態に係る集中制御装置１６は、系統周波数の低下に対応するために必要な発電出力である必要制限量を導出し、該必要制限量から、発電出力を上昇させることができる潜在的な発電出力に相当する量を減じた値を導出し、該値に基づいて、系統周波数の低下に対応するために発電出力を予め制限して運転するための、発電出力の制限量を各風力発電装置１４に設定する。これにより、風力発電装置１４が発電出力を制限する運転を行っても、発電出力の制限量を小さくすることができる。
　以上、本発明を、上記実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に多様な変更または改良を加えることができ、該変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
　また、上記実施形態では、ステップ１０２で導出した値を、定格回転数に達していない風力発電装置１４に優先して割り当てる場合について説明したが、本発明は、これに限らず、ステップ１０２で導出した値を、ウインドファーム１０を構成する風力発電装置１４の数で除算することによって、各風力発電装置１４に対して平均化した制限量を設定してもよい。
　また、カットイン風速（発電を開始する風速（例えば、３ｍ／ｓ））以下の風を受けている風力発電装置１４は、系統連系させないものの、ロータ１２を無負荷で予め回転させておき、系統周波数が低下した場合に、発電可能な最低回転数以上となっている風力発電装置１４を系統連系させ、ロータ１２が有する慣性エネルギーを発電出力として供給できるようにすることで、カットイン風速以下の風を受けている風力発電装置１４も系統周波数の低下に対応させる形態としてもよい。
　また、風力発電装置１４を系統周波数の低下に対応させる場合に、風力発電装置１４が備える補機に供給する電力を遮断することで、電力系統２０へ供給する電力をさらに増加させる形態としてもよい。この形態の場合、電力を遮断する補機の例として、冷却ファンや冷却水ポンプなど、他の補機と比較して相対的に大きな電力を消費し、かつ停止による影響の時定数が長く一時的に停止しても問題の無いものとする。
　また、風力発電装置１４が蓄電装置を備え、該蓄電池に対して充電を行っている場合は、該充電に用いている発電出力を出力上昇余力としてもよい。なお、上記蓄電装置とは、長時間における電力平滑化用の二次電池等である。
　１０　　ウインドファーム
　１２　　ロータ
　１４　　風力発電装置
　１６　　集中制御装置
　２０　　電力系統
　２２　　風車制御装置

Claims (5)

  1. 　ロータの回転により発電すると共に系統連系され、電力系統に生じた周波数の低下に応じて該電力系統へ電力をさらに供給可能とするために、発電出力を予め制限して運転されている風力発電装置の制御装置であって、
    　前記電力系統の周波数の低下に対応するために必要な発電出力である必要制限量を導出する第１導出手段と、
    　前記第１導出手段によって導出された前記必要制限量から、発電出力を上昇させることができる潜在的な発電出力に相当する量を減じた値を導出する第２導出手段と、
    　前記第２導出手段によって導出された値に基づいて、前記電力系統に生じた周波数の低下に対応するために発電出力を予め制限して運転するための、発電出力の制限量を設定する設定手段と、
    を備えた制御装置。
  2. 　前記潜在的な発電出力は、回転している前記ロータが有する慣性エネルギーによって得られる発電出力、定格出力で運転している場合に過負荷運転によって得られる発電出力、及び蓄電装置への充電に用いる発電出力の少なくとも何れか一つである請求項１記載の制御装置。
  3. 　前記設定手段は、前記ロータの回転数が定格回転数に達していない場合に、前記第２導出手段によって導出された前記値を、発電出力の制限量として設定する請求項１又は請求項２記載の制御装置。
  4. 　複数の風力発電装置と、
    　請求項１に記載の制御装置と、
    を備えたウインドファーム
  5. 　ロータの回転により発電すると共に系統連系され、電力系統に生じた周波数の低下に応じて該電力系統へ電力をさらに供給可能とするために、発電出力を予め制限して運転されている風力発電装置の制御方法であって、
    　前記電力系統の周波数の低下に対応するために必要な発電出力である必要制限量を導出する第１工程と、
    　前記第１工程によって導出された前記必要制限量から、発電出力を上昇させることができる潜在的な発電出力に相当する量を減じた値を導出する第２工程と、
    　前記第２工程によって導出された値に基づいて、前記電力系統に生じた周波数の低下に対応するために発電出力を予め制限して運転するための、発電出力の制限量を設定する第３工程と、
    を備えた制御方法。
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