(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の風車を備え、各前記風車の出力電力が共通の連系点を通じて電力系統に供給される風力発電システムであって、
系統周波数の低減を目的とし、前記風車の回転数が通常運転時よりも高くなる出力制限運転が行われている場合において、少なくとも一台の前記風車が風況に応じて解列した場合に、運転中の他の前記風車の出力を増加させる風力発電システム。
【請求項２】
風況を予測する風況予測手段を有し、
前記風況予測手段による予測結果に基づいて、予め設定された第１閾値以上の風速の風を受けることが予測される風車を解列する請求項１に記載の風力発電システム。
【請求項３】
各前記風車に対して制御指令を与える中央制御装置を備え、
前記中央制御装置は、前記第１閾値以上の風速の風を受けることが予測される風車に対して解列指令を出力するとともに、連系を維持する他の前記風車に対しては、前記風車の解列による出力減少分を補うような出力指令を出力する請求項２に記載の風力発電システム。
【請求項４】
前記中央制御装置は、風向と解列させる風車群とが対応付けられた第１情報を有しており、前記風況予測手段によって前記第１閾値以上の風速が予測された場合に、その風の向きに対応する風車群を前記第１情報から取得し、取得した該風車群に対して解列指令を出力する請求項３に記載の風力発電システム。
【請求項５】
前記第１情報は、過去の風況履歴に基づいて作成されている請求項４に記載の風力発電システム。
【請求項６】
前記第１情報は、所定の時間間隔で更新される請求項５に記載の風力発電システム。
【請求項７】
前記中央制御装置は、複数の風車を解列させる場合に、１台または一部の風車毎に順に解列させる請求項３から請求項６のいずれかに記載の風力発電システム。
【請求項８】
解列指令を受信した前記風車は、ブレードピッチ角をフェザー側に制御して、運転を停止する請求項３から請求項７のいずれかに記載の風力発電システム。
【請求項９】
解列後、所定期間における平均風速が前記第１閾値未満に設定された第２閾値以下である場合に、解列していた前記風車を復帰させ、該復帰に連動して運転を維持している他の前記風車の出力を減少させる請求項２から請求項８のいずれかに記載の風力発電システム。
【請求項１０】
前記風況予測手段の予測結果に基づいて、解列中の風車が受ける風速を予測し、予測された風速が前記第１閾値未満に設定された第２閾値以下である場合に、解列していた前記風車を復帰させ、該復帰に連動して運転を維持している他の前記風車の出力を減少させる請求項２から請求項８のいずれかに記載の風力発電システム。
【請求項１１】
前記第１閾値は、各前記風車のピッチ角と出力とに基づいて、回転数が予め設定されている上限回転数に達すると予測されるときの風速に設定される請求項２から請求項１０のいずれかに記載の風力発電システム。
【請求項１２】
複数の風車を備え、各前記風車の出力電力が共通の連系点を通じて電力系統に供給される風力発電システムの制御方法であって、
系統周波数の低減を目的とし、前記風車の回転数が通常運転時よりも高くなる出力制限運転が行われている場合において、少なくとも一台の前記風車が風況に応じて解列した場合に、運転中の他の前記風車の出力を増加させる風力発電システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電システム及びその制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、風力発電システムにおいて、系統周波数が定格より高いときに、その周波数を低減させるため、風速にかかわらず風車の出力を制限する出力制限運転を行うことがある。出力制限運転中は出力が低減され、回転数が通常運転時よりも高くなる。このため、出力制限運転中に突風が発生すると、過回転となり、解列する可能性が高くなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７，２８１，８９１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
風車が解列した場合、電力系統に供給される電力が低減してしまう。一方、解列を回避するために出力を増加させて回転数を低下させる制御を行うと、系統周波数の上昇を促すこととなり、電力系統の安定運用を阻害することとなる。【０００５】
本発明は、出力制限運転が実施されている場合において、風況に起因して風車が解列されても、電力系統への出力供給の安定化を図ることのできる風力発電システム及びその制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１態様は、複数の風車を備え、各前記風車の出力電力が共通の連系点を通じて電力系統に供給される風力発電システムであって、系統周波数の低減を目的とし、前記風車の回転数が通常運転時よりも高くなる出力制限運転が行われている場合において、少なくとも一台の前記風車が風況に応じて解列した場合に、運転中の他の前記風車の出力を増加させる風力発電システムである。
【０００７】
本発明の第２態様は、複数の風車を備え、各前記風車の出力電力が共通の連系点を通じて電力系統に供給される風力発電システムの制御方法であって、系統周波数の低減を目的とし、前記風車の回転数が通常運転時よりも高くなる出力制限運転が行われている場合において、少なくとも一台の前記風車が風況に応じて解列した場合に、運転中の他の前記風車の出力を増加させる風力発電システムの制御方法である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、出力制限運転が実施されている場合において、風況に起因して風車が解列されても、電力系統への出力供給の安定化を図ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態に係る風力発電システムの全体構成を示す図である。
【図２】風車の外観図である。
【図３】風車の電気的構成を概略的に示した模式図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る風力発電システムの制御方法を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の一実施形態に係る風力発電システム及びその御制方法について図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る風力発電システムの全体構成を示す図である。図１に示されるように、風力発電システム１は、複数の風車１０−１，・・・，１０−ｎ（以下、全ての風車を示すときは単に符号「１０」を付し、各風車を示すときは符号「１０−１」、「１０−ｎ」等を付す。）と、各風車１０に対して出力指令を与える中央制御装置（中央制御手段）２０と、風況を予測する風況予測装置（風況予測手段）３０を備えている。本実施形態において、全ての風車１０は、風速に応じて回転速度を制御可能な可変速風車である。
【００１１】
各風車１０から出力された電力は、各電力線により共通の連系点を経由して電力系統５０に供給される。
【００１２】
中央制御装置２０は、電力系統５０の電力を管理する電力管理室（例えば、電力会社等）から通知される連系点Ａにおける要求出力情報及び周波数情報等に基づいて、例えば、連系点Ａにおける出力が目標電力となるような各風車１０−１，・・・，１０−ｎの出力指令を生成し、各風車１０−１，・・・，１０−ｎに対してそれぞれ送信する。これにより、各風車１０−１，・・・，１０−ｎが、中央制御装置２０から与えられた出力指令に基づいて出力電圧及び出力電流を制御する。
【００１３】
風況予測装置３０は、例えば、ライダーシステムであり、風車１０が設置されている地域における近い将来（例えば、数分後など）の風速、風向などの風況を予測し、予測結果を中央制御装置２０に出力する。
【００１４】
図２は、風車１０の外観図、図３は風車１０の電気的構成を示した模式図である。
図２に示すように、風車１０は、基礎１１上に立設されるタワー１２と、タワー１２の上端に設置されるナセル１３と、略水平な軸線周りに回転可能にしてナセル１３に設けられるロータヘッド１４とを有している。
【００１５】
ロータヘッド１４には、その回転軸線周りに複数（本実施形態では、一例として３つ）のブレード１５が放射状に取り付けられている。ブレード１５は、運転条件に応じてロータヘッド１４に対して回動可能なように連結されており、ピッチ角が変化可能とされている。
【００１６】
図３に示すように、ロータヘッド１４の回転軸２１には、増速機２２および発電機２３が機械的に連結されている。発電機２３は、同期発電機であってもよいし、誘導発電機であってもよい。
ロータヘッド１４の回転軸線方向からブレード１５に当たった風の力によってロータヘッド１４が回転軸周りに回転させられ、その回転力が増速機２２により増速されて、発電機２３に伝達され、電力に変換される。
発電機２３の出力は、ナセル内に設置された風車制御装置４０によって制御される。
【００１７】
風車制御装置４０は、発電機出力制御部４２及びピッチ角制御部４４を備えている。
発電機出力制御部４２は、中央制御装置２０から受信した出力指令に基づいて、発電機２３の出力を制御するための出力指令Ｐｄｅｍを生成し、発電機２３へ送信する。例えば、出力指令Ｐｄｅｍは、中央制御装置２０からの出力要求、現在の発電機２３の出力、ロータヘッド１４の回転数、ブレード１５のピッチ角、及び風速等に基づいて決定される。
発電機２３は、出力指令Ｐｄｅｍを受信すると、この出力指令Ｐｄｅｍに基づいて、出力を変化させる。
【００１８】
ピッチ角制御部４４は、ブレード１５のピッチ角を制御するためにピッチ角指令θを生成し、ロータヘッド１４に内蔵されているピッチ角を変化させるピッチアクチュエータ（不図示）へ送信する。ピッチ角指令θは、現在のピッチ角、ブレード１５が受ける風の速度、及びロータヘッド１４の回転数等に基づいて決定される。
ピッチアクチュエータは、ピッチ角指令θを受信すると、該ピッチ角指令θに基づいて、ブレード１５のピッチ角を変化させる。
【００１９】
上記のような構成を備える風力発電システムでは、電力系統５０の周波数が定格よりも高いとき、その周波数を低減させるために、連系点Ａにおける有効電力を制限するような出力制限運転が行われる。
以下、出力制限運転が実施されている期間において、中央制御装置２０により実行される制御の内容について、図４を参照して説明する。
【００２０】
まず、中央制御装置２０は、風況予測装置３０から近い将来の風向、風速の予測結果が通知されると（図４のステップＳＡ１）、この予測結果から予め設定されている第１閾値以上の風速が予測されたか否かを判定し（ステップＳＡ２）、第１閾値以上の風速が予測されていた場合に、第１閾値以上の風を受ける風車（以下、説明の便宜上「グループＡの風車」という。）を特定する（ステップＳＡ３）。なお、第１閾値以上の風速が予測されていない場合には、ステップＳＡ５に移行する。
【００２１】
本実施形態において、上記第１閾値は、カットアウト風速に設定されている。ここで、カットアウト風速は、例えば、風によって主軸２１に作用するトルクが機器（主軸２１や増速機２２等）に損耗を生じさせる可能性がある限界値に達する大きさとされている。
【００２２】
グループＡの風車の特定方法としては、以下のような方法が一例として挙げられる。
【００２３】
〔方法１〕
中央制御装置２０は、風速及び風向と解列させる風車群（１台の場合も含む）とが対応付けられた第１情報を有しており、風況予測装置３０によって第１閾値以上の風速が予測された場合に、予測された風速及び風向に対応する風車群を第１情報から取得し、取得した風車群をグループＡとする。
【００２４】
上記第１情報は、例えば、過去の風況履歴に基づいて作成されている。例えば、過去数年間において風速及び風向と各風車１０−１，・・・，１０−ｎのロータヘッド１４の回転数や荷重等の関係を蓄積し、どのような風況のときにどこの風車の回転数や荷重等がどのように変化したかという情報を蓄積する。この情報には、当然ながらウィンドファームが設置されている地形なども反映される。そして、蓄積したこれら情報を分析することにより、風速及び風向と、解列させるべき風車群とを関連付けた第１情報を作成する。
【００２５】
また、地形が変化する、風車が増設されるなど、その地域における風況に変化を及ぼすような事象が生じた場合に備えて、第１情報は所定の時間間隔で更新されてもよい。また、上記第１情報は、風向と解列させる風車群とが対応付けられているものとしてもよい。
【００２６】
〔方法２〕
風況予測装置３０が２次元または３次元における風速及び風向の予測分布を作成することが可能な場合には、その予測分布と各風車１０−１，・・・，１０−ｎの設置位置とを照合することにより、第１閾値以上の風速の風を受けることとなる風車を特定する。
【００２７】
このようにして、中央制御装置２０は、グループＡの風車を特定すると、特定した各風車１０に対して解列指令を出力する（図４のステップＳＡ４）。
解列指令を受けた風車１０は、電力系統５０と連結しているコンタクタ（図示略）を解列させるとともに、運転停止のための制御を開始する。これにより、解列指令を受けた各風車１０においてブレードピッチ角をフェザーとする制御が風車制御装置４０からの指令によって実行され、各ブレード１５のピッチ角がフェザーとなった状態で、運転が停止される。
ここで、風車１０の解列は、解列させる風車を一斉に解列させてもよいし、一台または一部の風車毎に順に解列させることとしてもよい。
【００２８】
また、上記コンタクタの解列については、上記のように風車制御装置４０からの指令によって制御されてもよいし、中央制御装置２０からの直接的な指令によって制御されてもよい。
【００２９】
続いて、中央制御装置２０は、今回の処理で解列指令が出された風車または前回の処理ですでに解列されている風車があるか否かを判定し（図４のステップＳＡ５）、該当する風車があれば、風車の解列により減少する総出力ΣＰＡを計算し、運転が維持される他の風車１０（以下、説明の便宜上「グループＢの風車」という。）に対して総出力ΣＰＡを割り当て、グループＢの各風車に対する出力指令を生成し、送信する（図４のステップＳＡ６）。上記総出力ΣＰＡの割り当ては、均等にされてもよいし、所定の重み付けに基づいて割り当てられてもよい。
【００３０】
例えば、グループＢの風車台数をＮＢ、解列前におけるグループＢの風車の出力指令をＰＣＢとすると、例えば、解列後におけるグルーブＢの各風車への出力指令ＰＣＢ´は、以下の（１）式で与えられる。
【００３１】
ＰＣＢ´＝ΣＰＡ／ＮＢ＋ＰＣＢ      （１）
【００３２】
ここで、解列により減少する各風車の出力減少分については、図１に示すように、各風車１０から解列直前における出力情報を受信することで取得することとしてもよい。また、中央制御装置２０が連系点Ａの電力をモニタしており、解列前後における連系点Ａの電力差ΔＰを算出することで、グループＡの風車が解列されることにより、減少した電力の情報を得ることとしてもよい。
【００３３】
グループＡの各風車に対する解列指令の送信とグループＢの各風車に対する出力指令の送信は、ほぼ同時に行われてもよいし、グループＡの風車の解列が確認できた後に、グループＢの各風車に出力指令を送信することとしてもよい。前者によれば、グループＡの風車による出力減少とグループＢの風車による電力増加とのタイムラグを短くすることができ、風力発電システム全体としての電力減少量を低下させることができる。後者によれば、グループＡの風車の解列前にグループＢの風車の出力が増加してしまうことによる、一時的な出力増加を確実に回避することができる。
【００３４】
なお、ステップＳＡ５において、今回の処理で解列指令が出された風車または既に解列されている風車がない場合には、出力制限時の規定のアルゴリズムに基づいて各風車１０の出力指令が生成され、送信される（図４のステップＳＡ７）。
【００３５】
中央処理装置２０においては、上記処理が所定の時間間隔で繰り返し実行される。
【００３６】
また、例えば、中央処理装置２０は、風車解列後、所定期間における平均風速が、第１閾値未満に設定された第２閾値以下である場合に、解列していた風車を復帰させることとしてもよい。
このとき、グループＡの風車１０の復帰に連動して、運転を維持しているグループＢの風車１０への出力を減少させる。例えば、風車が復帰することにより、連系点における電力が増加するので、その増加分に応じて上記（１）に基づき、グループＢの風車１０への出力指令を決定すればよい。
【００３７】
また、上記グループＡの風車の復帰タイミングにおいては、例えば、風況予測装置３０の予測結果から解列中の風車１０が受ける風速を取得し、該風速が上記第２風速以下である場合に、解列していた風車を復帰させることとしてもよい。
ここで、風車１０の復帰は、解列されていた風車を一斉に復帰させてもよいし、一台毎または一部の風車群毎に順に復帰させることとしてもよい。
また、上記風車の復帰は、中央処理装置２０からの指令ではなく、各風車が備えている風速計の計測結果に基づいて、個々に復帰のタイミングを決定することとしてもよい。
【００３８】
以上説明してきたように、本実施形態に係る風力発電システム及びその制御方法によれば、系統周波数の低減を目的とする出力制限運転が行われている場合において、少なくとも一台の風車が風況に応じて解列した場合に、運転中の他の風車の出力を増加させるので、解列による電力低減量を低下させることが可能となる。これにより、出力制限運転が行われている場合に、突風が吹いたとしても、安定した出力供給を行うことが可能となる。
【００３９】
また、風況を予測する風況予測装置３０を有し、風況予測装置３０による予想結果に基づいて、予め設定された第１閾値以上の風速の風を受けることが予測される風車を解列するので、突風が実際に吹き付ける前に、風車を解列させることが可能となる。これにより、不要な荷重がかかることを回避することが可能となる。
【００４０】
また、各風車に対して制御指令を与える中央制御装置２０を備え、中央制御装置２０が、第１閾値以上の風速の風を受けることが予測される風車（グループＡの風車）に対して解列指令を出力するとともに、連系を維持する他の風車（グループＢの風車）に対しては、風車の解列による出力減少分を補うような出力指令を出力するので、風車が解列されることによる電力供給量の変動を低下させることが可能となる。
【００４１】
中央制御装置２０は、風向と解列させる風車群とが対応付けられた第１情報を有しており、風況予測装置３０によって第１閾値以上の風速が予測された場合に、その風の向きに対応する風車群を第１情報から取得し、取得した風車群に対して解列指令を出力するので、解列させる風車を容易に特定することが可能となる。
また、第１情報は、所定の時間間隔で更新されるので、風車の立地条件など風車を取り巻く環境が変わった場合などにも適応することが可能となる。
【００４２】
なお、本実施形態では、第１閾値をカットアウト風速（例えば、２５ｍ）に設定していたが、第１閾値は、カットアウト風速よりも低い風速に設定することとしてもよい。
【００４３】
例えば、カットアウト風速は、通常の運転時、すなわち、出力制限運転が実施されていない場合を前提として設定されている。このため、例えば、回転数が通常よりも高めとなる出力制限運転が実施されている場合には、カットアウト風速よりも低い風速において、既に過回転状態となり、トリップ制御が行われてしまう可能性がある。
【００４４】
このような事態を回避するため、カットアウト風速よりも低い風速（例えば、風速２０ｍ）を解列の風速閾値とし、この風速閾値を超える風速が予測された場合に、その風速の風を受ける風車を特定することとしてもよい。
【００４５】
また、風車のトリップは、ロータヘッド１４の回転数が予め設定されている回転数閾値を超えた場合に実施される。したがって、第１閾値は、各風車１０のピッチ角と出力とに基づいて、回転数が予め設定されている上限回転数に達すると予測されるときの風速に設定されることとしてもよい。このようにすることで、より精度の高い制御を行うことが可能となる。
【００４６】
例えば、回転数は、風速、出力、ブレードピッチ角によって決まる。従って、回転数、風速、出力、ブレードピッチ角を予め関連付けたマップ或いは関数を用意しておき、このマップまたは関数からトリップ回転数に対応する風速を決定し、この風速を第１閾値として設定することとしてもよい。
このように、第１閾値を風車の運転状態および風況に応じて変更することで、より適切なタイミングで風車を解列させることが可能となる。
【００４７】
本実施形態においては、風況予測装置３０を１台設置した場合について説明したが、風況予測装置３０の台数については限定されない。例えば、ウィンドファームを構成する一部の風車群毎に１台の風況予測装置３０を設けることとしてもよいし、各風車１０に一台の風況予測装置３０を設けることとしてもよい。このように、複数の風況予測装置３０を設けた場合でも、各風況予測装置３０から中央制御装置２０に風況予測結果が送信される。
【００４８】
また、本実施形態においては、風況予測装置３０によって風車１０が設置されている地域の風況予測を行っていたが、これに代えて、各風車１０に設けられ風速計、風向計を用いて、実際の風速、風向を計測し、この計測値に基づいて風車を解列させることとしてもよい。
【００４９】
また、本実施形態においては、全ての風車１０を可変速風車としたが、一部の風車１０として、風速に応じて回転数を制御できない固定速風車を用いることとしてもよい。この場合、風況によって解列される風車が、可変速風車か固定速風車かによって出力供給の安定精度は変わってくるが、固定速風車が解列された場合に可変速風車によってその出力電力低下分が補えるという面において依然と効果を発揮することができる。
【符号の説明】
【００５０】
１  風力発電システム
１０、１０−１，…，１０−ｎ  風車
１３  ナセル
２１  回転軸
２３  発電機
１４  ロータヘッド
１５  ブレード
２０  中央制御装置
３０  風況予測装置
４０  風車制御装置
５０  電力系統
【図１】
0005485368.tif 000002
【図２】
0005485368.tif 000003
【図３】
0005485368.tif 000004
【図４】
0005485368.tif 000005