(57)【要約】      （修正有）【課題】波力発電電力を平準化して安定的に系統に出力可能とした、波力発電システムを提供する。【解決手段】波力発電部２による発電電力Ｐ１（Ｐ２）を系統７へ送電するにあたり、送電すべき有効電力設定ＡＰＳに対して波力発電電力Ｐ１（Ｐ２）が小さい場合に蓄電池９からの放電によって不足分を補い、送電すべき有効電力設定ＡＰＳに対して波力発電電力Ｐ１（Ｐ２）が大きい場合に蓄電池９への充電によって余剰分を回収することで電力変動を平準化する波力発電システムＷＧＳにおいて、有効電力設定ＡＰＳを波力発電電力Ｐ１（Ｐ２）に追従して変化させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
波力発電部による発電電力を系統へ送電するにあたり、送電すべき有効電力設定に対して波力発電電力が小さい場合に蓄電池からの放電によって不足分を補い、送電すべき有効電力設定に対して波力発電電力が大きい場合に蓄電池への充電によって余剰分を回収することで電力変動を平準化する波力発電システムであって、
前記有効電力設定を波力発電電力に追従して変化させるように構成したことを特徴とする、波力発電システム。
【請求項２】
蓄電池の蓄電量を監視し、蓄電量に応じた有効電力設定の増減制御を行うように構成している、請求項１に記載の波力発電システム。
【請求項３】
蓄電量が適正範囲を上回った場合に有効電力設定を大きくし、蓄電量が適正範囲を下回った場合に有効電力設定を小さくする、請求項２に記載の波力発電システム。
【請求項４】
有効電力設定の増減は、所定のタイミングで段階的に行う、請求項２又は３に記載の波力発電システム。
【請求項５】
適正範囲での蓄電量の変化は、有効電力設定に反映させない不感帯とする、請求項３に記載の波力発電システム。
【請求項６】
波力発電部による発電電力を供給するにあたり、供給すべき有効電力設定に対して波力発電電力が小さい場合に蓄電池からの放電によって不足分を補い、供給すべき有効電力設定に対して波力発電電力が大きい場合に蓄電池への充電によって余剰分を回収することで電力変動を平準化する波力発電方法であって、
前記有効電力設定を前記波力発電電力に追従して変化させることを特徴とする、波力発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波力発電電力を平準化して、安定的に系統等に出力可能とした、波力発電システムおよび波力発電方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
波力発電を利用するものとして、例えば特許文献１に示すものが挙げられる。この波力発電システムは、沿岸に立設された杭に対して、波力を受けたフロートが昇降することで電力を生じさせ、生じさせた電力を負荷の動力として使用する波力発電装置と、前記波力発電装置により生成された電力と、商用電源からの電力とが入力され、前記負荷に対して所望される電力に対して予め定めた割合で、前記波力発電装置からの電力と前記商用電源からの電力を混合し、前記負荷に対して出力する電力制御設備と、を備えて構成されている。
【０００３】
前記電力制御設備には、前記波力発電装置により生成される電力のうち、前記割合に応じて消費される電力よりも多い余剰電力を蓄電する蓄電手段を備えている。
【０００４】
ところで、波力発電電力を系統に出力することが今後考えられる。この場合も、波力発電電力は波の周期（６〜１４秒）に基づき、その半分の周期（３〜７秒）で大幅に増減を繰り返すが、電力会社などの系統へ連系出力するためには電力変動を抑える必要があるため、発電電力を平準化する必要がある。
【０００５】
このような場合、従来手法によれば、電力平準化にリチウム蓄電池（大電力の出し入れに良好な特性を持つもの）を用いて、平準化を実施することになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１６−２０５２７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、波力発電は自然の影響で常に状況変化することから、連系出力を一定にするために、発電電力では不足する電力を蓄電池から放電出力してまかなう一方、余った電力で蓄電池を充電しておく必要があり、そのような運用では、蓄電池の著しい劣化が懸念される。
【０００８】
すなわち、送電電力（有効電力設定）＞波力発電電力の場合、送電不足分を蓄電池から出力（放電）するため、蓄電量が徐々に減少する。
【０００９】
逆に、送電電力（有効電力設定）＜波力発電電力の場合、送電余剰分を蓄電池へ入力（充電）するため、蓄電量が徐々に増加する。
このように蓄電量が減少または増加し続けると、蓄電量が上下又は下限に達して電力平準化の役割を果たせなくなると共に、蓄電池システムを保護するためにシステムをシャットダウンしなければいけないといった問題がある。
【００１０】
本発明は、このような課題に着目し、有効電力設定を自動的に変化させて、蓄電池の放電出力が安定するように制御することで問題の解決を図った、新たな波力発電システムおよび波力発電方法を実現することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、かかる目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。
【００１２】
すなわち、本発明の波力発電システムは、波力発電部による発電電力を系統へ送電するにあたり、送電すべき有効電力設定に対して波力発電電力が小さい場合に蓄電池からの放電によって不足分を補い、送電すべき有効電力設定に対して波力発電電力が大きい場合に蓄電池への充電によって余剰分を回収することで電力変動を平準化する波力発電システムであって、前記有効電力設定を前記波力発電電力に追従して変化させるように構成したことを特徴とする。
【００１３】
このようにすると、有効電力設定が一定の場合に比べて、有効電力設定と波力発電電力の偏差が小さくなるので、電力変動を補う蓄電池の蓄電量が上限又は下限に達することを有効に回避して、蓄電池の放電出力を安定させることができる。
【００１４】
この場合、蓄電池の蓄電量を監視し、蓄電量に応じた有効電力設定の増減制御を行うように構成すること、具体的には、蓄電量が適正範囲を上回った場合に有効電力設定を大きくし、蓄電量が適正範囲を下回った場合に有効電力設定を小さくすることが望ましい。波力発電電力は不規則であるため、有効電力設定に直接反映させるのではなく、蓄電池の充電量を通じて間接的に有効電力設定に反映させることで、蓄電池の保護を行いつつ、有効電力設定が不規則に変動することを防止することができる。
【００１５】
特に、有効電力設定の増減は、所定のタイミングで段階的に行うことが効果的である。これによれば、有効電力設定の変化を、波力発電電力の大局的な変化に追従させることができる。
【００１６】
また、適正範囲での蓄電量の変化は、有効電力設定に反映させない不感帯とすることが好ましい。許容範囲では有効電力設定を変えないようにすることで、有効電力設定が小刻みに変動することを防止し、安定した送電を行うことができる。
【００１７】
また、本発明は波力発電方法として、波力発電部による発電電力を供給するにあたり、供給すべき有効電力設定に対して波力発電電力が小さい場合に蓄電池からの放電によって不足分を補い、供給すべき有効電力設定に対して波力発電電力が大きい場合に蓄電池への充電によって余剰分を回収することで電力変動を平準化するにあたり、前記有効電力設定を前記波力発電電力に追従して変化させることを特徴とする。
【００１８】
このように、本発明は系統連系するシステムに限らず、波力発電方法として捉えても、上記に準じた作用効果が奏される。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は、以上説明した構成であるから、蓄電池を過度な充放電パターン（充放電の頻度、深度）で運用することを回避できるため、蓄電池の劣化や送電電力の安定化を図れるとともに、波力発電システムの異常発生を抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係る波力発電システムＷＧＳのシステム構成図。
【図２】波力発電電力の平準化についての説明図。
【図３】図１におけるメインコントローラ１内に組み込まれた有効電力設定用の制御ブロック図。
【図４】図３の部分拡大図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
【００２２】
図１は、この実施形態に係る波力発電システムＷＧＳのシステム構成図であり、図２は波力発電電力の平準化についての説明図である。
【００２３】
先ず、波力発電システムＷＧＳは、同期発電機ａ、ｂを有する波力発電部２（２ａ、２ｂ）で発電した交流電力を発電機用インバータ３（３ａ、３ｂ）で直流電力に変換して直流母線４に流し、その直流母線４から系統連系用ＤＣ／ＡＣコンバータ５で交流電力に変換して、変圧器６を介し系統７へ出力するように構成される。
【００２４】
直流母線４には蓄電池用ＤＣ／ＤＣコンバータ８を介して蓄電池９が接続されており、直流母線４上の電力を蓄電池９内の蓄電池モジュール９ｂに充電し、或いは蓄電池モジュール９ｂの電力を直流母線４上に放電する。
【００２５】
発電機用インバータ３はスイッチング動作を行い、交流の波力発電電力Ｐ１（Ｐ１ａ＋Ｐ１ｂ）を直流の波力発電電力Ｐ２（Ｐ２ａ＋Ｐ２ｂ）に変換する。
【００２６】
このために、系統連系用ＤＣ／ＡＣコンバータ５および蓄電池用ＤＣ／ＤＣコンバータ８は、コンバータ用制御基盤１０を介してメインコントローラ１に接続され、メインコントローラ１からの指令Ｓ１０がコンバータ用制御基盤１０に入力され、これに応じてコンバータ用制御基盤１０から系統連系用ＤＣ／ＡＣコンバータ５および蓄電池用ＤＣ／ＤＣコンバータ８にゲート信号Ｓ５、Ｓ８が出力される。
【００２７】
メインコントローラ１は、系統連系用ＤＣ／ＡＣコンバータ５を通じて、系統７に送電する電力として設定した有効電力設定ＡＰＳ分を変圧器６を通して系統７に出力させ、また、蓄電池用ＤＣ／ＤＣコンバータ８を通じて、有効電力設定ＡＰＳに対して直流母線４上に余剰または不足している電力ΔＰを蓄電池９の充放電でまかなう制御を行う。
【００２８】
ここで、波力発電電力Ｐ１（Ｐ２）の電力変動と平準化について説明する。波力発電部２（２ａ、２ｂ）は、同期発電機ａ、ｂを主体として構成され、発電機用インバータ３（３ａ、３ｂ）を通じたトルク制御によって力行運転か回生運転かが制御される。回生方向となるようにトルクを掛けると、同期発電機ａ、ｂが回転して電圧が発生する。そして、発電機用インバータ３ａ、３ｂで交流を直流に変換して直流母線４に供給する。この実施形態における発電能力は、例えば同期発電機ａ、ｂの１機ごとに２５ｋＷである。
【００２９】
直流母線４上の電力Ｐ２（Ｐ２ａ＋Ｐ２ｂ）は、系統連系用ＤＣ／ＡＣコンバータ５で所定周波数の交流電力に変換し、変圧器６を通して系統７へ出力される。これと並行して、直流母線４上の電力が有効電力設定ＡＰＳに対して過多となるときは、メインコントローラ１はコンバータ用制御基盤１０を通じて蓄電池用ＤＣ／ＤＣコンバータ８を制御し、直流母線４の電力を所定電圧にして蓄電池９に蓄電し、直流母線４上の電力が有効電力設定ＡＰＳに対して不足するときは、メインコントローラ１はコンバータ用制御基盤１０を通じて蓄電池用ＤＣ／ＤＣコンバータ８を制御し、蓄電池９の電力を所定電圧にして直流母線４の電力に重畳させるという、平準化を行う。
【００３０】
直流母線４上の電力Ｐ２（Ｐ２ａ＋Ｐ２ｂ）の変動は、波の周期に連動している。図２（ａ）に示す波力発電電力Ｐ１を全波整流すると、図２（ｂ）のように正弦波の半周期分が繰り返す波になり、目標電力設定ＡＰＳを超える部分が余剰電力ΔＰＯとして蓄電池９に充電され、目標電力設定ＡＰＳを下回る部分が不足電力ΔＰＵとして蓄電池９からの放電によって補われて、図２（ｃ）に示す目標電力設定ＡＰＳ分が系統７に出力される。
【００３１】
図３は、図１におけるメインコントローラ１内に組み込まれている有効電力設定用の制御ブロックであり、図３の一部を拡大して示す図４は、蓄電池９の蓄電量（蓄電率）を管理するための蓄電管理テーブルＣＴである。この蓄電管理テーブルＣＴは、メインコントローラ１が蓄電量を管理する際に用いられる。この実施形態の蓄電池９は、例えばリチウム蓄電池（大電力の出し入れに良好な特性を持つもの）で、最大蓄電量（１００％）に対して、蓄電量の上限（例えば９０％）と下限（例えば２０％）が設定されている。この範囲を超えると、蓄電池９は使用不可または使用不能になるため、上記上限と下限の間が波力発電可能な範囲とされる。また、充放電が可能であるためには、充電や放電に対して余力を持つことが必要であることから、目標蓄電量（目標蓄電量）は例えば７０％に設定される。
【００３２】
ここで、図１において有効電力設定ＡＰＳ（送電電力）＞波力発電電力Ｐ１（Ｐ２）の場合、すなわち図２（ｂ）において不足分ΔＰＵ＞余剰分ΔＰＯの場合、差分を蓄電池９から出力（放電）し続けるため、蓄電池９の蓄電量は徐々に減少する。
【００３３】
逆に、図１において送電電力（有効電力設定）＜波力発電電力の場合、すなわち図２（ｂ）において不足分ΔＰＵ＜余剰分ΔＰＯの場合、差分を蓄電池へ入力（充電）し続けるため、蓄電池９の蓄電量は徐々に増加する。
【００３４】
蓄電池９の蓄電量が減少または増加し続けると、蓄電量が上下又は下限に達し、電力平準化の役割を果たせなくなると共に、蓄電池システムを保護するためにシステムをシャットダウンすることを余議なくされる。
【００３５】
このような問題は、有効電力設定ＡＰＳが波力発電電力Ｐ１の如何によらず一定に設定されているために生じる。
【００３６】
そこで本実施形態は、図１に示すメインコントローラ１で有効電力設定（系統連系出力）ＡＰＳを自動的に変化させて、蓄電池９の放電出力を安定化させる制御を行う。ここで、蓄電池用コントローラ９ａは蓄電池モジュール９ｂの蓄電量（蓄電量）を監視し、メインコントローラ１に入力する。メインコントローラ１は図４の蓄電管理テーブルＣＴにおいて、目標蓄電量（例えば７０％）の近傍（±５％）を除き、そこから蓄電量上限までの間を「発電量増」として扱い、そこから蓄電量下限までの間を「発電量減」として扱う。
【００３７】
図３は、有効電力設定ＡＰＳの制御ブロックである。有効電力設定ＡＰＳは周期的（例えば１分ごと）に変更するか否かが決定される。具体的には、系統連系中かつ波力発電中である場合に判断部Ｃ１から出力される信号と、発電量増（すなわち蓄電量増）である場合に蓄電池用コントローラ９ａから出力される信号が判断部Ｃ２に入った場合は、有効電力設定ＡＰＳを所定値α（例えば＋２）だけインクリメントする。逆に、系統連系中かつ波力発電中である場合に判断部Ｃ１から出力される信号と、発電量減（すなわち蓄電量減）である場合に蓄電池用コントローラ９ａから出力される信号が判断部Ｃ３に入った場合は、有効電力設定ＡＰＳを所定値β（例えば−２）だけデクリメントする。すなわち、本実施形態においては、有効電力設定ＡＰＳの変更は所定のタイミングで段階的に行われる。
【００３８】
この増減量は、有効電力設定部Ｃ４において、直前の有効電力設定ＡＰＳに対して加減された後、ゲイン部Ｃ５で適宜ゲイン調整され、図１のコンバータ用制御基盤１０に対して指令信号Ｓ１０の一部として送信される。
【００３９】
メインコントローラ１はコンバータ用制御基盤１０を通して、有効電力設定ＡＰＳに見合う電力が直流母線４上に確保されるように蓄電池用ＤＣ／ＤＣコンバータ８を制御しつつ、有効電力設定ＡＰＳに相当する電力が系統７に出力されるように系統連系用ＤＣ／ＡＣコンバータ５を制御する。
【００４０】
メインコントローラ１がこのように有効電力設定ＡＰＳで設定された電力を系統７に出力するなかで、図４に矢印ａで示すように蓄電池９が「蓄電量増」の状態にあるとすると、図１における有効電力設定ＡＰＳは大きくなる方向に変化する。つまり、「蓄電量増」の状態は、波力発電電力Ｐ１（Ｐ２）が有効電力設定ＡＳＰよりも大きいことに由来するが、これに起因して図３の制御ブロックで有効電力設定ＡＰＳが大きくなる方向に変化すると、時間とともに系統９への出力が多くなり、これに伴って図２（ｂ）の有効電力設定ＡＳＰのレベルが上がって充電分ΔＰＯが減り、放電分ΔＰＵが増えるため、図４における蓄電量が図示矢印ａの位置から次第に下がって、目標蓄電量に近づく。
【００４１】
一方、図４に矢印ｂで示すように蓄電池９が「蓄電量減」の状態にあるとすると、図１における有効電力設定ＡＰＳは小さくなる方向に変化する。つまり、「蓄電量減」の状態は、波力発電電力Ｐ１（Ｐ２）が有効電力設定ＡＳＰよりも小さいことに由来するが、これに起因して図３の制御ブロックで有効電力設定ＡＰＳが小さくなる方向に変化すると、時間とともに系統９への出力が少なくなり、これに伴って図２（ｂ）の有効電力設定ＡＳＰのレベルが下がって充電分ΔＰＯが増え、放電分ΔＰＵが減る結果、図４における蓄電量が図示矢印ｂの位置から次第に上がって、目標蓄電量に近づく。
【００４２】
つまり、有効電力設定ＡＰＳは、波力発電電力Ｐ１（Ｐ２）に対して大きい場合には小さくなる方向に追従して変化し、逆に小さい場合には大きくなる方向に追従して変化する。
【００４３】
なお、図４において目標蓄電量（この実施形態では７０％）の周囲所定範囲内（７０±５％）は適正範囲として「発電量増」とも「発電量減」とも扱わず、判断部Ｃ２、Ｃ３のいずれからも出力がなされないためにスイッチＳＷはＯＮにならず、有効電力設定ＡＰＳは更新されないようにしている。
【００４４】
このように、有効電力設定（送電電力）ＡＰＳは波力発電電力Ｐ１に追従して変化することで、有効電力設定ＡＰＳが一定の場合に比べて、周期ごとの変動を平準化するための偏差が小さくなる方向に更新される。このため、蓄電池９の蓄電量が上限または下限に達する事態が回避され、蓄電池９の蓄電量が適正範囲内に制御されることになる。
【００４５】
全体として見れば、この波力発電システムＷＧＳは、同期発電機１ａ、１ｂは発電したものを全て直流母線４に流し、メインコントローラ１は、発電量Ｐ１（Ｐ２）の如何に拘わらず有効電力設定ＡＳＰ分の電力を系統７に流す。その前提の下、メインコントローラ１は蓄電池用コントローラ９ａと協働して蓄電池９の充放電を管理し、蓄電量に応じた有効電力設定ＡＳＰの増減制御を通じて、どの程度の電力を系統４へ流し、どの程度の電力を蓄電池９に対して充放電させるかを通じて、充電量を適正範囲に制御している。
【００４６】
なお、蓄電池保護のため、蓄電量が図４に示す強制充電開始以下となった場合は、メインコントローラ１は波力発電及び系統連系運転を停止し、強制充電により蓄電量を強制充電量まで回復する制御を行うように構成されている。
【００４７】
同様に、蓄電池保護のため、蓄電量が図４に示す発電可能下限以下では、メインコントローラ１は波力発電及び系統連系運転を停止する制御を行うように構成されている。
【００４８】
また、定期強制充電等のため、蓄電量が図４に示す波力発電上限以上となったときは、メインコントローラ１は、波力発電可能範囲となるまで、波力発電を停止し、放電のみで系統への送電を行う制御を行うように構成されている。
【００４９】
以上のように、本実施形態の波力発電システムＷＧＳは、波力発電部２による発電電力Ｐ１（Ｐ２）を系統７へ送電するにあたり、送電すべき有効電力設定ＡＰＳに対して波力発電電力Ｐ１（Ｐ２）が小さい場合に蓄電池９からの放電によって不足分を補い、送電すべき有効電力設定ＡＰＳに対して波力発電電力Ｐ１（Ｐ２）が大きい場合に蓄電池９への充電によって余剰分を回収することで電力変動を平準化するシステムにおいて、有効電力設定ＡＰＳを波力発電電力Ｐ１（Ｐ２）に追従して変化させるように構成したものである。
【００５０】
このようにすると、有効電力設定ＡＰＳが一定である場合に比べて、有効電力設定ＡＰＳと波力発電電力Ｐ１（Ｐ２）の偏差が小さくなるので、電力変動を補う蓄電池９の蓄電量が上限又は下限に達することを有効に回避して、蓄電池９の放電出力を安定させることができる。このため、蓄電池９を過度な充放電パターン（充放電の頻度、深度）で運用することを回避でき、蓄電池９の劣化や送電電力の安定化を図れるとともに、波力発電システムＷＧＳの異常発生を適切に抑制することが可能になる。
【００５１】
この場合、蓄電池の蓄電量を監視し、蓄電量に応じた有効電力設定の増減制御を行うように構成している。具体的には、蓄電池９の充電量を監視し、適正範囲を上回った場合には電力余剰の傾向にあるため有効電力設定ＡＰＳを大きくし、適正範囲を下回った場合には電力不足の傾向にあるため有効電力設定ＡＰＳを小さくしている。すなわち、波力発電電力Ｐ１（Ｐ２）は不規則であるため、有効電力設定ＡＰＳに直接反映させるのではなく、蓄電池９の充電量を通じて間接的に有効電力設定ＡＰＳに反映させることで、蓄電池９の保護を行いつつ、有効電力設定ＡＰＳが不規則に変動することを防止することができる。
【００５２】
特に、有効電力設定ＡＰＳの増減を、所定のタイミングで段階的に行うようにしているので、有効電力設定ＡＰの変化を、波力発電電力Ｐ１（Ｐ２）の大局的な変化に追従させることができる。
【００５３】
また、適正範囲での蓄電量の変化は、有効電力設定に反映させない不感帯としているので、有効電力設定ＡＰＳが小刻みに変動することを防止し、安定した送電を行うことができる。
【００５４】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、各部の具体的な構成は上述した実施形態のみに限定されるものではない。
【００５５】
例えば、上記実施形態では波力発電電力を系統連系させるシステムについて説明したが、システムとしてではなく方法として、また系統連系以外の電力供給方法として、以下のように手法を一般化しても、同様の作用効果が奏される。
【００５６】
すなわち、この波力発電方法は、波力発電部による発電電力を供給するにあたり、供給すべき有効電力設定に対して波力発電電力が小さい場合に蓄電池からの放電によって不足分を補い、供給すべき有効電力設定に対して波力発電電力が大きい場合に蓄電池への充電によって余剰分を回収することで電力変動を平準化する波力発電方法であって、前記有効電力設定を前記波力発電電力に追従して変化させることを特徴とする。
【００５７】
この場合にも、蓄電量を監視して有効電力設定を変化させる方法や、有効電力設定を段階的に変化させる方法、不感帯を設ける方法等も、上記システムと同様に採用することができる。
【００５８】
また、上記実施形態では、発電機２機を並列的に直流母線に接続して構成したが、１機のみ、あるいは３機以上であっても勿論構わない。
【００５９】
その他、必要に応じてポンプ小屋等の負荷に対する電力を並行してまかなうなど、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【符号の説明】
【００６０】
２、２ａ、２ｂ…波力発電部
７…系統
９…蓄電池
ＡＰＳ…有効電力設定
Ｐ１（Ｐ２）…波力発電電力
ＷＧＳ…波力発電システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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