(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
風車と、
前記風車の長周期の出力変動を平準化するための揚水発電設備と、
前記風車の短周期の出力変動を平準化するための電力貯蔵設備と、
前記風車、前記揚水発電設備、および前記電力貯蔵設備に制御指令を与える中央制御手段と
を備え、
前記風車、前記揚水発電設備、および前記電力貯蔵設備の出力は共通の電力系統に供給され、
前記長周期は１周期が数分以上であり、前記短周期は１周期が前記長周期よりも短く、
前記中央制御手段は、前記風車の出力予測から長周期成分を抽出し、抽出した長周期成分と目標出力とから、前記揚水発電設備の充放電制御指令である第１制御指令を決定し、時刻と前記第１制御指令とが対応付けられたスケジュール情報を前記揚水発電設備へ出力する発電システム。
【請求項２】
前記目標出力は、前記長周期成分を所定の時間毎に区切り、その区間毎に設定されるとともに、該区間における前記長周期成分を平準化した値に設定される請求項１に記載の発電システム。
【請求項３】
前記中央制御手段は、前記風車の立地エリアにおける風況予測情報を取得し、風況予測情報から前記風車の出力予測を得る請求項１または請求項２に記載の発電システム。
【請求項４】
前記中央制御手段は、前記風車の実測出力から前記長周期成分を減算することにより第２制御指令を算出し、前記電力貯蔵設備に出力する請求項１から請求項３のいずれかに記載の発電システム。
【請求項５】
前記中央制御手段は、前記第２制御指令が前記電力貯蔵設備の容量を超えた場合に、前記風車の出力予測をやり直して、前記スケジュール情報を再度作成し、作成した前記スケジュール情報を前記揚水発電設備に出力する請求項４に記載の発電システム。
【請求項６】
短周期の出力変動を抑制する機能を有する風車と、
前記風車の長周期の出力変動を平準化するための揚水発電設備と、
前記風車及び前記揚水発電設備に制御指令を与える中央制御手段と
を備え、
前記風車及び前記揚水発電設備の出力は共通の電力系統に供給され、
前記長周期は１周期が数分以上であり、前記短周期は１周期が前記長周期よりも短く、
前記中央制御手段は、前記風車の出力予測から長周期成分を抽出し、抽出した長周期成分と目標出力とから、前記揚水発電設備の充放電制御指令である第１制御指令を決定し、時刻と前記第１制御指令とが対応付けられたスケジュール情報を前記揚水発電設備へ出力する発電システム。
【請求項７】
前記風車は、回転数または風速に基づいて出力指令値を決定する風車制御手段を有し、
前記風車制御手段は、前記出力指令値の変動を許容範囲内に抑制する変動抑制手段を備える請求項６に記載の発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電システムに係り、特に、風車を備える発電システムに関するするものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、風車と蓄電装置とを組み合わせ、風車の短周期的な出力変動を蓄電装置により緩和し、安定した電力供給を実現するような発電システムが知られている。
また、米国特許第７，２３９，０３５号明細書には、風車と揚水発電とを組み合わせた発電システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７，２３９，０３５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、風車は短周期の出力変動と長周期の出力変動がある。短周期の出力変動については、従来のように蓄電装置により低減することが可能である。しかしながら、長周期の出力変動については、変動量が大きいため、蓄電装置により対応しようとすると、大容量の蓄電装置が必要となり、経済的観点から好ましくない。【０００５】
本発明は、短周期および長周期の出力変動を低減することのできる発電システム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の態様は、風車と、前記風車の長周期の出力変動を平準化するための揚水発電設備と、前記風車の短周期の出力変動を平準化するための電力貯蔵設備と、前記風車、前記揚水発電設備、および前記電力貯蔵設備に制御指令を与える中央制御手段とを備え、前記風車、前記揚水発電設備、および前記電力貯蔵設備の出力は共通の電力系統に供給され、前記長周期は１周期が数分以上であり、前記短周期は１周期が前記長周期よりも短く、前記中央制御手段は、前記風車の出力予測から長周期成分を抽出し、抽出した長周期成分と目標出力とから、前記揚水発電設備の充放電制御指令である第１制御指令を決定し、時刻と前記第１制御指令とが対応付けられたスケジュール情報を前記揚水発電設備へ出力する発電システムである。
【０００７】
本発明の第２の態様は、短周期の出力変動を抑制する機能を有する風車と、前記風車の長周期の出力変動を平準化するための揚水発電設備と、前記風車及び前記揚水発電設備に制御指令を与える中央制御手段とを備え、前記風車及び前記揚水発電設備の出力は共通の電力系統に供給され、前記長周期は１周期が数分以上であり、前記短周期は１周期が前記長周期よりも短く、前記中央制御手段は、前記風車の出力予測から長周期成分を抽出し、抽出した長周期成分と目標出力とから、前記揚水発電設備の充放電制御指令である第１制御指令を決定し、時刻と前記第１制御指令とが対応付けられたスケジュール情報を前記揚水発電設備へ出力する発電システムである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、短周期および長周期の出力変動を低減す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発電システムの全体構成を示す図である。
【図２】中央制御装置が備える機能のうち、揚水発電設備と電力貯蔵設備の制御に関する機能を抽出して示した機能ブロック図である。
【図３】風速と風車出力とが関連付けられたテーブルの一例を示した図である。
【図４】風車出力予測部に入力される風況予測の一例と、その風況予測に対する風車出力の一例を示した図である。
【図５】長周期成分抽出部に入力される風車の出力予測と、長周期成分抽出部から出力される長周期成分の一例を示した図である。
【図６】第１制御指令生成部で取り扱われる目標出力の一例を示した図である。
【図７】第１制御指令生成部で取り扱われる目標出力の一例を示した図である。
【図８】短周期の出力変動の一例を示した図である。
【図９】Gradient Power Controlの効果について説明するための図である。
【図１０】本発明の他の態様に係る発電システムが備える風車制御装置の一構成例を示した図である。
【図１１】本発明の他の態様に係る発電システムが備える風車制御装置の一構成例を示した図である。
【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発電システム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、発電システム１は、風車２と、風車２の長周期の出力変動を平準化するための揚水発電設備（可変出力発電設備）３と、風車２の短周期の出力変動を平準化するための電力貯蔵設備４と、中央制御装置（中央制御手段）５とを主な構成として備えている。
【００１１】
長周期とは、例えば、１周期が数分以上をいい、本実施形態では２０分以上を想定している。また、短周期とは、長周期よりも短い周期をいい、本実施形態では、１周期が数秒から数十秒の範囲を想定している。
【００１２】
風車２、揚水発電設備３、および電力貯蔵設備４からの出力は、共通の連系点Ａを通じて、共通の電力系統６に供給される。
【００１３】
図１では、１台の風車２を備えている場合を例示しているが、風車２は複数台設けられていても良い。複数の風車２を有する場合には、揚水発電設備３および電力貯蔵設備４は、複数の風車２の総出力における長周期、短周期の出力変動をそれぞれ平準化するように作動する。また、揚水発電設備３および電力貯蔵設備４についても、それぞれ複数台設けられていてもよい。
【００１４】
揚水発電設備３は、ポンプ３１、下部貯水池３２、上部貯水池３３、および制御装置３４を主な構成として備えている。揚水発電設備３は、ポンプ３１を利用して下部貯水池３２から上部貯水池３３へ水を汲み上げ、上部貯水池３３から下部貯水池３２へ水を落とすことで発電する。
【００１５】
中央制御装置５から電力を消費する旨の指令を受けた場合には、ポンプ３１を駆動させ、下部貯水池３２から上部貯水池３３へ水を汲み上げることにより電力を消費し、中央制御装置５から電力を供給する旨の指令を受けた場合には、上部貯水池３３から下部貯水池３２へ水を落とすことで得られた発電電力を電力系統６に供給する。揚水発電設備３における電力消費、発電等の制御は、制御装置３４により行われる。
【００１６】
電力貯蔵設備４は、バッテリ、キャパシタ（コンデンサ）等の蓄電装置４１と、電力変換装置４２と、制御装置４３とを備えている。中央制御装置５から風車２の出力を消費する指令を受けた場合には、電力変換装置４２を介して電力を蓄電装置４１に蓄電し、中央制御装置５から電力供給を行う指令を受けた場合には、蓄電装置４１に蓄電されている電力を電力変換装置４２を介して電力系統６に供給する。電力変換装置４２の制御は、制御装置４３により行われる。
【００１７】
中央制御装置５は、電力系統６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風車２の出力指令を生成し、風車２に対してそれぞれ送信する。これにより、風車２が、中央制御装置５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。
【００１８】
また、中央制御装置５は、風車２の設置エリアの風況予測情報に基づいて風車２の出力予測を得、この出力予測を用いて風車２の長周期及び短周期の出力変動を平準化させるような揚水発電設備３の制御指令及び電力貯蔵設備４の制御指令をそれぞれ算出し、これら制御指令を揚水発電設備３および電力貯蔵設備４にそれぞれ出力する。
【００１９】
図２は、中央制御装置５が備える各種機能のうち、揚水発電設備３及び電力貯蔵設備４の制御に関する機能を抽出して示した機能ブロック図である。図２に示すように、中央制御装置５は、風車出力予測部１１、長周期成分抽出部１２、第１制御指令生成部１３、第２制御指令生成部１４、送信部１５を備えている。
【００２０】
風車出力予測部１１は、風車２の設置エリアの風況予測情報を入力情報として取得し、この風況予測情報から風車２の出力を予測する。例えば、風車出力予測部１１は、現在から一定時間後（例えば、１２時間後）までの風車２の出力予測を所定の時間間隔で繰り返し行う。
【００２１】
風車出力予測部１１は、例えば、風速と風車出力とが関連付けられたテーブルまたは関数を有しており、このテーブルまたは関数を用いて風車２の出力を予測する。図３は、風速と風車出力とが関連付けられたテーブルの一例を示した図、図４は、風車出力予測部１１に入力される風況予測の一例と、その風況予測に対する風車２の出力予測の一例を示した図である。
【００２２】
ここで、風況予測情報としては、例えば、気象庁から提供されるメソスケールモデルの風況予測情報を用いることが可能である。また、気象庁から提供される気象データと、風車２の設置エリアにおける地形データとに基づいて、地形を考慮したより精度の高い風況予測を行い、この風況予測情報を採用することとしてもよい。
【００２３】
長周期成分抽出部１２は、風車出力予測部１１で得られた風車２の出力予測から長周期成分を抽出する。例えば、長周期成分抽出部１２は、ローパスフィルタを用いることで長周期成分を抽出することが可能である。図５に、長周期成分抽出部１２に入力される風車２の出力予測と、長周期成分抽出部１２から出力される長周期成分の一例を示す。
長周期成分抽出部１２によって抽出された長周期成分は、第１制御指令生成部１３及び第２制御指令生成部１４に出力される。
【００２４】
第１制御指令生成部１３は、長周期成分抽出部１２からの長周期成分及び目標出力とから揚水発電設備３への出力制御指令である第１制御指令を生成する。より具体的には、第１制御指令生成部１３は、ある所定の期間（例えば、６時間、或いは１２時間など）にわたって、時刻と第１制御指令とが関連付けられたスケジュール情報を作成する。
このスケジュール情報は、（１）式に示すように、目標出力から長周期成分を減算することにより求められる。
【００２５】
Ｐｃ（ｔ）＝Ｐｒ（ｔ）−ＰｗＬ（ｔ）    （１）
【００２６】
上記（１）式において、Ｐｃ（ｔ）は揚水発電設備への出力制御指令である第１制御指令、Ｐｒ（ｔ）は目標出力、ＰｗＬ（ｔ）は長周期成分抽出部１２で抽出された長周期成分である。
【００２７】
ここで、目標出力は、図６に示されるように、予め決定されている一定の値であってもよいし、図７に示されるように、長周期成分に基づいて所定の期間毎に動的に決定される値であってもよい。例えば、図７に示されるように、長周期成分を所定の時間毎に区切り、区間毎に長周期成分を平準化した値を目標出力として設定する。上記１区間の時間は、任意に設定することが可能であり、例えば、揚水発電設備３の制御サイクルに設定されてもよいし、系統側からの指令に基づいて設定されてもよい。また、各区間の長さは一定でもよいし、変動してもよい。
【００２８】
第２制御指令生成部１４は、長周期成分抽出部１２からの長周期成分及び風車２の実測出力を入力情報として取得し、これらの情報から電力貯蔵設備４への出力制御指令である第２制御指令を生成する。例えば、第２制御指令生成部１４は、（２）式に示すように、長周期成分から風車２の実測出力を減算した値を出力制御指令とする。
【００２９】
Ｐｂ（ｔ）＝Ｐｗ（ｔ）−ＰｗＬ（ｔ）      （２）
【００３０】
上記（２）式において、Ｐｂ（ｔ）は電力貯蔵設備４への出力制御指令である第２制御指令、Ｐｗ（ｔ）は風車２の実測出力、ＰｗＬ（ｔ）は長周期成分抽出部１２で抽出された長周期成分である。
【００３１】
なお、上記第２制御指令の算出方法については、上記例に限定されない。例えば、蓄電装置４１を用いて短周期における風車２の出力変動を低減させる公知の技術を適用することが可能である。
このように、第２制御指令は、上記第１制御指令のように所定期間に渡ってスケジューリングされるものではなく、風車２の実測出力と長周期成分とに基づいてその都度決定されるものである。
【００３２】
第１制御指令生成部１３及び第２制御指令生成部１４によって生成された第１制御指令及び第２制御指令は、送信部１５により、揚水発電設備３の制御装置３４及び電力貯蔵設備４の制御装置４３にそれぞれ出力される。
【００３３】
揚水発電設備３では、制御装置３４が中央制御装置５から受信した第１制御指令のスケジュール情報に基づいて、ポンプ３１等を制御することにより、第１制御指令に応じた電力消費又は電力供給を行う。具体的には、第１制御指令が電力を消費する指令の場合は、ポンプ３１を駆動させて下部貯水池３２の水を上部貯水池３３に移動させることで風車２からの出力を消費し、電力を供給する指令の場合は、上部貯水池３３に貯められている水を下部貯水池３２に落とすことによる発電電力を連系点Ａへ供給する。
【００３４】
これにより、図６、図７に示したような風車２の長周期の変動成分が目標出力に一致するような制御が行われ、長周期における風車２の出力変動を平準化することが可能となる。
【００３５】
また、電力貯蔵設備４では、制御装置４３が中央制御装置５から受信した第２制御指令に基づいて電力変換装置４２を制御することにより、第２制御指令に応じた充放電を行う。具体的には、電力を消費する指令の場合は、電力変換装置４２を介して風車２の出力を蓄電装置４１に充電し、電力を供給する指令の場合は、電力変換装置４２を介して蓄電装置４１の電力を放電することで、連系点Ａへ電力を供給する。
【００３６】
これにより、図８に示したような風車２の短周期の変動成分が目標出力に一致するような制御が行われ、短周期における風車２の出力変動を平準化することが可能となる。
【００３７】
このような構成を備える発電システム１においては、以下のような制御が中央制御装置５により繰り返し実行される。
まず、中央制御装置５の風車出力予測部１１に風況予測情報が入力され、この風況予測情報から風車２の出力予測が得られる。続いて、長周期成分抽出部１２において、風車２の出力予測から長周期成分が抽出され、この抽出された長周期成分が第１制御指令生成部１３及び第２制御指令生成部１４に出力される。
【００３８】
第１制御指令生成部１３では、長周期成分と目標出力とから第１制御指令のスケジュール情報が生成され、この第１制御指令のスケジュール情報が送信部１５を介して揚水発電設備３の制御装置３４に送信される。
また、第２制御指令生成部１４では、長周期成分と風車２の実測出力が入力され、これらの情報から第２制御指令が生成される。第２制御指令は送信部１５を介して電力貯蔵設備４の制御装置４３に送信される。
【００３９】
これにより、第１制御指令のスケジュール情報に基づいて揚水発電設備３が制御され、第２制御指令に基づいて電力貯蔵設備４が制御される。
【００４０】
以上、説明してきたように、本実施形態に係る発電システム１によれば、風車の設置エリアにおける風況予測情報から風車２の出力予測を行い、この出力予測から長周期の出力変動成分を抽出し、この長周期出力変動を平準化させるような第１制御指令を生成して揚水発電設備３へ送信するとともに、風車２の実測出力から長周期の出力変動を減算することにより得られる短周期の出力変動を平準化させるような第２制御指令を生成して電力貯蔵設備４へ送信する。
【００４１】
このように、揚水発電設備３及び電力貯蔵設備４が、第１制御指令及び第２制御指令に基づいて制御されるので、風車の短周期及び長周期の出力変動が平準化され、安定した電力を電力系統６に供給することが可能となる。
【００４２】
また、電力貯蔵設備４は揚水発電設備３に比べて応答速度が速く、短周期の出力変動の平準化に優れている。また、揚水発電設備３は、電力貯蔵設備４に比べて容量が大きく、大容量の出力変動の平準化に優れている。
従って、短周期の出力変動の平準化に電力貯蔵設備４を、長周期の出力変動の平準化に揚水発電設備３を利用することにより、適切な応答性と適切な規模とを有する発電設備を用いた出力変動の平準化を実現させることが可能となる。これにより、長周期及び短周期の変動の平準化を電力貯蔵設備のみで行う従来の場合に比べて、システムのコストを低減することができる。
【００４３】
更に、揚水発電設備３を第１制御指令のスケジュール情報に基づいて制御するので、発電予定時間と必要となる水の量とを予め把握することができる。これにより、例えば、スケジュール情報に従って事前に必要な水量を上部貯水池３３へ移動させることにより、無駄な水の移動に伴う電力消費を抑えることが可能となる。
【００４４】
本実施形態に係る発電システム１では、揚水発電設備３を第１制御指令のスケジュール情報に基づいて制御するが、風車２の実際の出力が風車の予測出力と異なる場合には、その差分を電力貯蔵設備４で吸収することとなる（上記（２）式参照）。
しかしながら、風車２の実際の出力と風車の予測出力とがあまりにも乖離している場合には、上記（２）式で算出される第２制御指令が電力貯蔵設備４の容量を超えてしまい、電力貯蔵設備４によっても変動を吸収しきれなくなってしまう。そこで、このような場合には、風車の出力予測を再度やり直し、揚水発電設備３に対する第１制御指令のスケジュール情報を再度作成し、新しい第１制御指令のスケジュール情報を揚水発電設備３へ出力することとしてもよい。
【００４５】
本実施形態では、風況予測情報に基づいて風車出力を予測したが、この例に限定されず、例えば、過去の風車の出力履歴から数分または数十分先の風車出力を予測し、この予測結果に基づいて長周期成分を抽出し、この長周期成分を用いて上述した揚水発電設備３及び電力貯蔵設備４の制御を行うこととしてもよい。
【００４６】
また、本実施形態では、風車２の長周期の変動を平準化するための設備として揚水発電設備３を用いることとしたが、これに代えて、大型の電力貯蔵設備、例えば、火力発電等の出力を意図的に変動できる発電設備等を用いることとしてもよい。
【００４７】
また、本実施形態では、短周期の出力変動の平準化に電力貯蔵設備４を利用していたが、これに代えて、風車の制御における所謂「Gradient Power Control（ランプレート制御）」を採用することとしてもよい。
この「Gradient Power Control」は、ＩＥＣ６１４００２５−２においてＣ．２のｂ項に規定されている制御方法であり、図９に示すように、風車の短周期の出力変動を抑制する制御方法である。
【００４８】
図１０に、Gradient Power Controlを採用した風車制御装置２０の機能ブロック図を示す。図１０に示すように、回転数から出力指令値を決定するまでの処理工程において、ローパスフィルタ（変動抑制手段）２１を設けることで、出力指令値の変動を抑制する。具体的には、風車制御装置２０は、ローパスフィルタ２１と、回転数−出力変換テーブル２２とを備えている。
【００４９】
このような構成を備える風車制御装置２０において、風車２の軸回転数または発電機のロータ回転数がローパスフィルタ２１を通過することによって平準化され、平準化後の回転数に応じた出力指令値が回転数−出力変換テーブル２２を用いて決定される。決定された出力指令値は、発電機制御装置（図示略）及びピッチ角制御装置（図示略）に出力され、発電機及び翼のピッチ角が制御される。
【００５０】
例えば、Gradient Power Controlでは、入力情報である回転数をローパスフィルタを通過させることにより平準化し、これに基づいて出力指令値を設定していることから、回転数が上昇したにもかかわらず、風車出力がそれに応じて上昇しないような事象が起こり得る。このような場合、余剰エネルギーはロータの回転数上昇に使われるが、この際、ピッチ角を制御して、過回転の発生を防止する。
【００５１】
以上説明したように、電力貯蔵装設備４に代えて風車の制御によって短周期の出力変動を平準化することにより、電力貯蔵設備４を不要にでき、システムの簡素化を図ることが可能となる。
なお、図１０に示した構成の他、例えば、図１１に示すように、回転数−出力変換テーブル２２の後段にローパスフィルタ２１を設けることとしても良い。
【００５２】
また、上記ローパスフィルタ２１に代えて、レートリミッタ（変動抑制手段）を用いることとしても良い。この場合、レートリミッタは、図１０、図１１に示したローパスフィルタ２１の位置に設けることが可能である。レートリミッタの設定値は、短周期変動の抑制に寄与する変化率（例えば、２００ｋＷ/ｓｅｃ程度）に設定することが好ましい。
【００５３】
また、上記例では、回転数に基づいて出力指令値を決定していたが、これに代えて、風速に基づいて出力指令値を決定することとしても良い。この場合、回転数−出力変換テーブル２２に代えて、風速と出力指令値とを関連付けた風速−出力変換テーブルを適用する。
【符号の説明】
【００５４】
１  発電システム
２  風車
３  揚水発電設備
４  電力貯蔵設備
５  中央制御装置
６  電力系統
２０  風車制御装置
２１  ローパスフィルタ
２２  回転数−出力変換テーブル
３１  ポンプ
３２  下部貯水池
３３  上部貯水池
３４、４３  制御装置
４１  蓄電装置
４２  電力変換装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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