(57)【要約】      （修正有）【課題】風から得られるエネルギーを推定し各風力発電装置が出力可能な範囲で、風の状態に応じて効率の良い制御量配分を行うことのできる、ウィンドファームの出力制御装置、方法及びプログラムを提供する。【解決手段】各風力発電装置の出力可能な最大電力量を推定するポテンシャル推定部１１と、推定した最大電力量に基づいて、ウィンドファーム内の各風力発電装置１００の有効電力及び／または無効電力の制御量を決定する制御量決定部１２と、制御量を各風力発電装置１００の発電量の余力に基づいて制御量を分配する制御量分配部１３を備える。ポテンシャル推定部１１では、ブレード部１０１のピッチ角と、発電部１０３の角速度偏差と、風力発電装置１００の変換損失とに基づいて、最大電力量を推定する。推定した最大電力量の範囲で、ウィンドファームの出力量を、その時の風の状態に応じて各風力発電装置１００が出力可能な範囲で制御量を分配する。【選択図】図１
2014082861.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の風力発電装置からなるウィンドファームの出力制御装置であって、
各風力発電装置における出力可能な最大電力量を推定するポテンシャル推定部と、
前記ポテンシャル推定部で推定した最大電力量に基づいて、前記ウィンドファーム内の各風力発電装置の有効電力及び／または無効電力の制御量を決定する制御量決定部と、
前記制御量を各風力発電装置の発電量の余力に基づいて分配する制御量分配部と、
を備えることを特徴とするウィンドファームの出力制御装置。
【請求項２】
前記風力発電装置は、
ピッチ角が可変であるブレード部と、
このブレードが受けた風により回転するタービン部と、
タービンの回転を交流電力に変換する発電部と、を備え、
前記ポテンシャル推定部では、ブレードのピッチ角と、発電部の角速度偏差と、風力発電装置の変換損失とに基づいて、各風力発電装置が受ける風速を推定することを特徴とする請求項１に記載のウィンドファームの出力制御装置。
【請求項３】
前記風力発電装置は、
前記発電部で発電した交流電力を直流電力に変換するコンバータ部と、を備え、
前記変換損失は、ピッチ角制御により逃がすパワーに基づくタービン損失と、発電部の角度偏差Δωに基づく発電機損失と、コンバータ部での変換損失とであることを特徴とする請求項２に記載のウィンドファームの出力制御装置。
【請求項４】
前記ポテンシャル推定部で推定した最大電力量に基づいて、有効電力量を算出することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のウィンドファームの出力制御装置。
【請求項５】
前記制御量分配部は、分配ゲイン決定部を備え、
分配ゲイン決定部では、制御周期ごとに各風力発電装置の発電量の余力を算出し、
余力の大きな風力発電装置の分配ゲインを大きく、且つ、分配ゲインの合計が風力発電装置の合計台数ｎと等しくなるようにすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のウィンドファームの出力制御装置。
【請求項６】
前記無効電力は、予め設定された無効電力目標値、有効電力目標値と皮相電力目標値に基づく無効電力目標値、または、有効電力目標値と力率目標値とに基づく無効電力目標値を基準として制御量を決定することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のウィンドファームの出力制御装置。
【請求項７】
複数の風力発電装置からなるウィンドファームの出力制御方法であって、
各風力発電装置の出力可能な最大電力量を推定し、
前記推定した最大電力量に基づいて、前記ウィンドファーム内の各風力発電装置の有効電力及び／または無効電力の制御量を決定し、
前記各風力発電装置の発電量の余力に基づいて制御量を分配することを特徴とするウィンドファームの出力制御方法。
【請求項８】
前記風力発電装置は、
ピッチ角が可変であるブレード部と、
このブレード部が受けた風により回転するタービン部と、
タービン部の回転を交流電力に変換する発電部と、を備え、
ブレードのピッチ角と、発電部の角速度偏差と、風力発電装置の変換損失とに基づいて、各風力発電装置が受ける風速を推定することを特徴とする請求項７に記載のウィンドファームの出力制御方法。
【請求項９】
複数の風力発電装置の出力を制御する出力制御装置を備えるウィンドファームの出力制御プログラムであって、
前記出力制御装置の制御部により、
各風力発電装置の出力可能な最大電力量を推定するステップと、
前記推定した最大電力量に基づいて、前記ウィンドファーム内の各風力発電装置の有効電力及び／または無効電力の制御量を決定するステップと、
前記各風力発電装置の発電量の余力に基づいて制御量を分配するステップを有することを特徴とするウィンドファームの出力制御プログラム。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本発明の実施形態は、ウィンドファームの出力制御装置、方法、及びプログラムに係る。
【０００２】
化石燃料枯渇の懸念、地球温暖化防止の観点から、自然エネルギー（風力、太陽光など）を利用した発電システムの導入が国内外で進められている。風力発電装置は、風の持つエネルギーを風車により回転エネルギーに変換し、それを直接、あるいは増速機により回転速度を上げて、発電機に伝達することで電気エネルギーを作り出す発電装置である。この風力発電装置を広大な陸上や洋上に数十〜百基以上設置し、大電力を発電するシステムがウィンドファームである。
【０００３】
ウィンドファームは規模が大きくなると電力系統の安定運用に大きな影響を与えるため、火力発電所と同等レベルの出力制御能力、系統連系運用が求められる。ウィンドファームを商用系統へ連系するための系統連系要件は、各電力会社や国際標準規格において定められており、例えば非特許文献１や非特許文献２がある。
【０００４】
電力系統では火力発電機または水力発電機は、周波数を一定範囲内に制御しており、風によって変動するウィンドファームが連系されると、周波数制御の負担が増える。電力系統の火力・水力発電機が停止する夜間には、周波数維持能力が低くなり、ウィンドファームを解列しなければならない場合もある。
【０００５】
ウィンドファームの変動は連系点の電圧変動も生じるため、電力品質を低下させる。非特許文献２では、連系する電力系統で事故等の擾乱が発生した場合に、保持すべき瞬動予備力、すなわち系統への供給電力を増加できる能力についても定められている。瞬動予備力を保持することにより、ウィンドファームを系統安定化へ貢献できる発電プラントとして運用できる。
【０００６】
ウィンドファームを保有する発電事業者にとっては、系統連系要件を満たすようにウィンドファーム出力を制御することによって、不要解列を回避して稼働率を高めることができ、さらには電力系統の事故時の系統安定化へ貢献することも可能となる。そのためのウィンドファームの制御方法として、特許文献１から特許文献３に記載の発明が知られているが、これらの制御方法では、瞬動予備力を保持する配慮がなされていない。また、ウィンドファームの出力を調整し、予備力を保持するウィンドファームの出力制御方法として、例えば特許文献４がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】「風力発電設備の系統連系技術要件［特別高圧版］」平成23年12月，東北電力株式会社
【非特許文献２】規格番号IEC61400-25-2（Wind turbines - Part 25-2: Communications for monitoring and control of wind power plants - Information models） Annex C，2006-12-14
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−２３９９９０号公報
【特許文献２】特開２００７−３２４８８号公報
【特許文献３】特開２００７−３７２２６号公報
【特許文献４】特許第４８８１３４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
発電事業者は、系統連系要件を満たし予備力を保持することのみだけでなく、風のエネルギーを最大限に利用し効率の良い運用を行って収益性を安定させたいというニーズがある。特許文献４に記載のウィンドファームの運転方法は、系統連系要件を満たし予備力を保持するウィンドファームの運転が可能であるが、各風力発電装置の出力配分方法は具体的な実現手段については明確でなく、必ずしも効率が最良であるとはいえない。また周波数が上昇した場合にはウィンドファーム出力を低減し抑制できるが、周波数が下降した場合には出力増加できない、という課題がある。
【００１０】
本発明の実施形態は、上述した課題を解決するためになされたものであり、風から得られるエネルギーを推定し各風力発電装置が出力可能な範囲で、風の状態に応じて自動で効率の良い制御量配分を行うことのできる、ウィンドファームの出力制御装置、方法、及びプログラ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】
【００１１】
本発明の実施形態であるウィンドファームの出力制御装置は、以下の特徴を備える。
（１）各風力発電装置における出力可能な最大電力量を推定するポテンシャル推定部を備える。
（２）前記ポテンシャル推定部で推定した最大電力量に基づいて、前記ウィンドファーム内の各風力発電装置の有効電力及び／または無効電力の制御量を決定する制御量決定部を備える。
（３）前記制御量を各風力発電装置の発電量の余力に基づいて分配する制御量の制御量分配部を備える。
【００１２】
前記のウィンドファームの出力制御装置を実現する出力制御方法及び制御プログラムも本発明の一実施形態である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態に係るウィンドファームの出力制御装置の構成を示すブロック図。
【図２】本発明の第１実施形態に係るポテンシャル推定部の構成を示すブロック図。
【図３】本発明の第１実施形態に係るウィンドファーム有効電力制御方法を示すフローチャート。
【図４】本発明の第１実施形態に係るウィンドファーム有効電力制御方法を示すブロック図。
【図５】本発明の第１実施形態に係るウィンドファーム瞬動予備力保持制御方法を示すフローチャート。
【図６】本発明の第１実施形態に係るウィンドファーム瞬動予備力保持制御方法を示すブロック図。
【図７】本発明の第１実施形態に係るウィンドファーム瞬動予備力保持制御方法を示すフローチャート。
【図８】本発明の第１実施形態に係るウィンドファーム瞬動予備力保持制御方法を示すブロック図。
【図９】本発明の第１実施形態に係るウィンドファーム出力制御の瞬動予備力保持と出力変化速度保持のグラフ。
【図１０】本発明の第１実施形態に係るウィンドファーム無効電力制御方法を示すブロック図。
【図１１】本発明の第１実施形態に係るウィンドファーム電圧制御方法を示すブロック図。
【図１２】本発明の第１実施形態に係るウィンドファームの有効電力出力制御量を各風力発電装置へ分配する処理を示すブロック図。
【図１３】本発明の第２実施形態に係るウィンドファームの無効電力出力制御量を各風力発電装置へ分配する処理を示すブロック図。
【図１４】本発明の第３実施形態に係る各風力発電装置の出力可能な最大電力量の推定方法を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
［１．第１実施形態］
（構成）
第１実施形態に係るウィンドファームの出力制御装置について、図１を参照しつつ、詳細に説明する。図１は、本実施形態に係るウィンドファームの出力制御装置を示すブロック図である。
【００１５】
本実施形態のウィンドファームでは、ｎ台の風力発電装置１００、風力発電装置１００の出力制御装置１、及び各風力発電装置１００の出力を受電する系統３を備える。風力発電装置１００と出力制御装置１とは制御配線２とで接続され、風力発電装置１００は出力制御装置１からの制御量の指示に基づき発電量を制御する。各風力発電装置１００は、電力配線４を介して系統３と接続される。風力発電装置１００が発電した電力は、電力配線４を介して系統３に対して出力される。電力配線４と系統３とが接続する連系点には、供給電力データ検出部５が設けられる。供給電力データ検出部５では、電力配線４から系統３に供給される各種電気量の供給電力データを検出する。
【００１６】
風力発電装置１００は、以下の構成を備える。
（１）ピッチ角が可変であるブレード部１０１
（２）ブレード部１０１が受けた風により回転するタービン部１０２
（３）タービン部１０２の回転を交流電力に変換する発電部１０３
（４）発電部１０３で変換した交流電力を直流電力に変換するコンバータ部１０４
（５）コンバータ部１０４で変換した直流電力を交流電力に変換するインバータ部１０５
（６）ブレード部１０１のピッチ角を制御するピッチ角制御部１０６
（７）コンバータ部１０４及びインバータ部１０５での電力の変換を制御する直交変換制御部１０７
（８）風力発電装置１００における有効電力出力Pw1…ｎ、無効電力出力Qw1…ｎ、ピッチ角βw1…ｎ，角速度偏差Δω1…ｎを検出する発電装置データ検出部１０８
（９）風力発電装置１００と電力配線４との連系点に設けられた昇圧変圧器１０９
【００１７】
ブレード部１０１は風に対するブレード部１０１のピッチ角を変調可能な構造を有する。ブレード部１０１はタービン部１０２と結合され、タービン部１０２はブレード部１０１が受けた風のエネルギーを回転エネルギーに変換する。タービン部１０２の回転エネルギーは、発電部１０３に対して伝達される。
【００１８】
発電部１０３では、伝達された回転エネルギーにより交流電流を発電する。発電された交流電流は、コンバータ部１０４に出力される。コンバータ部１０４では、入力した交流電力を直流電力に変換する。この直流電力は、インバータ部１０５に出力される。インバータ部１０５では、入力した直流電流を商用系統と同じ周波数の交流電流に変換する。
【００１９】
風力発電装置１００には、その風力発電機における有効電力出力Pw1…ｎ、無効電力出力Qw1…ｎ、ピッチ角βw1…ｎ，角速度偏差Δω1…ｎを検出する発電装置データ検出部１０８が設けられる。この発電装置データ検出部１０８は、ブレード部１０１のピッチ角及び発電機を制御するピッチ角制御部１０６、コンバータ部１０４及びインバータ部１０５での電力変換の制御を行う直交流変換制御部１０７と接続され、ピッチ角制御部１０６よりピッチ角βw1…ｎ、角速度偏差Δω1…ｎを、直交流変換制御部１０７より有効電力出力Pw1…ｎ、無効電力出力Qw1…ｎを検出するように構成される。
【００２０】
インバータ部１０５の出力側には、昇圧変圧器１０９が設けられる。昇圧変圧器１０９は、風力発電装置１００と電力配線４との連系点に設けられ、風力発電装置１００の電圧を電力配線４側の電圧になるよう昇圧する。ウィンドファーム内の電力配線４は集約される。同様の変圧器は、集約した電力配線４と系統３との連系点にも設けられる。各連系点には、開閉器が設けられ、開閉器の開閉動作により風力発電装置１００を電力配線４から、または、電力配線４を系統３から電気的に離接可能とする。
【００２１】
各種電気量を検出する供給電力データ検出部５は、電力配線４と系統３との連系点に設けられる。供給電力データ検出部５では、連系点の有効電力Pwf、無効電力Qwf、電圧Vwf、周波数ｆを検出する。供給電力データ検出部５は、出力制御装置１と接続され、検出した有効電力Pwf、無効電力Qwf、電圧Vwf、周波数ｆをウィンドファームの出力制御装置１へ送信する。
【００２２】
出力制御装置１は、以下の構成を備える。
（１）ウィンドファーム全体のポテンシャルを算出するポテンシャル推定部１１
（２）ポテンシャル推定部１１で推定したウィンドファームの最大電力量に基づいて、ウィンドファーム出力の有効電力、ウィンドファーム出力の瞬動予備力保持、ウィンドファーム出力の変化速度保持、及び／またはウィンドファーム出力の無効電力の制御量を決定する制御量決定部１２
（３）前記制御量決定部１２で決定した制御量を、各風力発電装置１００の発電量の余力に基づいて分配する制御量分配部１３
（４）前記制御量決定部に対して、ユーザが有効電力目標値Pwf_refを入力するための入力部１４
（５）前記制御量決定部における有効電力目標値Pwf_refの設定を行う系統運用システム１５
【００２３】
ポテンシャル推定部１１は、各風力発電装置１００の検出部１０８に接続され、各風力発電装置１００の有効電力出力Pw1…ｎとピッチ角βw1…ｎとが入力される。ポテンシャル推定部１１では、各風力発電装置１００の有効電力出力Pw1…ｎとピッチ角βw1…ｎに基づいて、各風力発電装置１００の出力可能な最大電力量であるポテンシャルを推定する。ウィンドファーム内の風力発電装置１００のポテンシャルを推定し、そのポテンシャルの和を算出することでウィンドファーム全体でのポテンシャルを推定する。
【００２４】
制御量決定部１２は、各風力発電装置１００の検出部１０８、電力配線４と系統３との連系点に設けられた供給電力データ検出部５、及びポテンシャル推定部１１とに接続されている。この制御量決定部１２には、検出部１０８から風力発電装置１００における有効電力出力Pw1…、無効電力出力Qw1…ｎ、ピッチ角βw1…ｎ，角速度偏差Δω1…ｎ、供給電力データ検出部５から連系点の有効電力Pwf、無効電力Qwf、電圧Vwf、周波数ｆ、及び、ポテンシャル推定部１１からポテンシャルが入力される。
【００２５】
制御量決定部１２では、各風力発電装置１００の出力可能なポテンシャルの合計を超えないようウィンドファーム出力の制御量を演算する。制御する項目としては、ウィンドファーム出力の有効電力目標値Pwf_ref、ウィンドファーム出力の瞬動予備力保持目標値Psr_ref、ウィンドファーム出力の変化速度保持目標値DPT_ref、ウィンドファーム出力の無効電力の制御量目標値Qwf_ref、ウィンドファーム出力の電圧制御量目標値Pwf_refである。これらの値は、予め設定された値に限らず、制御量決定部１２に接続する入力部１４や系統運用システム１５からの目標値であってもよい。そのため、図２に示すように、制御量決定部１２には、有効電力制御部１２１、瞬動予備力保持制御１２２、出力変化速度保持制御部１２３、無効電力制御部１２４及び電圧制御部１２５が設けられている。
【００２６】
（作用）
図３〜図１１を用いて、制御量決定部１２における有効電力制御部１２１、瞬動予備力保持制御部１２２、出力変化速度保持制御部１２３及び無効電力制御部１２４、及び電圧制御部１２５の動作について詳述する。
【００２７】
（１）ウィンドファーム出力の有効電力制御
図３及び図４を用いて、有効電力制御部１２１の動作を説明する。有効電力制御部１２１には、入力部１４や系統運用システム１５からの有効電力の目標値が入力する。有効電力制御部１２１は、この目標値をウィンドファーム出力の目標値である有効電力目標値Pwf_refと設定する。有効電力目標値Pwf_refは、予め設定された値や、入力部１４や系統運用システム１５からの目標値により設定される(ＳＴＥＰ１０１)。
【００２８】
次に、ウィンドファーム全体の有効電力Pwfを検出する。有効電力Pwfは、供給電力データ検出部５が検出した連系点の有効電力Pwfを使用する（ＳＴＥＰ１０２）。
さらに、ウィンドファームの有効電力Pwfと有効電力目標値Pwf_refとの偏差に対して、ウィンドファーム出力の有効電力目標値Pwf_refに追従するような有効電力制御量Pwf_rを演算する。有効電力目標値Pwf_refに追従する有効電力制御量Pwf_rは、古典制御理論に基づいて求めることができる。この際、予め設定されたウィンドファーム有効電力出力の最小最大の範囲内に入るようリミッタを備えている。有効電力出力最大は、例えばポテンシャル推定部で得たポテンシャルを設定する（ＳＴＥＰ１０３）。
【００２９】
以上の図３の手順及び図４に示すように、ウィンドファームの有効電力Pwfと有効電力目標値Pwf_refとから有効電力制御量Pwf_rが演算される。
【００３０】
（２）ウィンドファーム出力の瞬動予備力保持の制御
図５及び図６を用いて瞬動予備力保持制御部１２２の動作を説明する。瞬動予備力保持制御１２２は、ウィンドファーム内の各風力発電装置１００のポテンシャルを算出し、そのポテンシャルの和を算出することでウィンドファーム全体のポテンシャルPwf_poを算出する（ＳＴＥＰ２０１，２０２）。
【００３１】
次に、ウィンドファーム全体のポテンシャルPwf_poから予め設定されたウィンドファームの瞬動予備力Psr_refを差し引き、有効電力目標値Pwf_refを算出する（ＳＴＥＰ２０３）。さらに、有効電力目標値Pwf_refが、予め設定されたウィンドファームの最小最大Pwf_limit_minとPwf_limit_maxを超過しないように制御する（ＳＴＥＰ２０４）。
【００３２】
以上の図５の手順及び図６に示すように、ウィンドファームの有効電力Pwfと有効電力目標値Pwf_refとから有効電力制御量Pwf_rが演算される。
【００３３】
（３）ウィンドファーム出力変化速度保持の制御
図７及び図８を用いて出力変化速度保持制御部１２３の動作を説明する。出力変化速度保持制御部１２３は、有効電力目標値Pwf_refの設定を行う（ＳＴＥＰ３０１）。有効電力目標値Pwf_refは、予め設定された値や、入力部１４や系統運用システム１５からの目標値により設定される。
【００３４】
次に、有効電力目標値Pwf_refの時間Td毎の変化速度を検出する（ＳＴＥＰ３０２）。
有効電力目標値Pwf_refの時間Tdの刻みの出力変化速度が、予め設定した範囲±DPT_refを超過しないよう制御を行う。出力変化速度を保持した有効電力目標値Pwf_refを有効電力制御の目標値として制御量を演算する（ＳＴＥＰ３０３）。
【００３５】
以上の図７の手順及び図８に示すように、瞬動予備力保持制御部１２２による瞬動予備力保持の制御と、出力変化速度保持制御部１２３による出力変化速度の制御とを、並列して行うことで、瞬動予備力を保持し、かつ出力変化速度を保持したウィンドファーム有効電力制御を行うことができる。
【００３６】
図９は、瞬動予備力保持の制御と、出力変化速度の制御とを行ったウィンドファームの有効電力及びポテンシャルの出力の例を示す。図９では、瞬動予備力の保持制御出力の有効電力目標値Pwf_refを出力変化速度保持制御の目標値とし、出力変化速度の保持制御出力Pwf_ref*を有効電力制御の目標値とする。図中Ｂ以外の有効電力に示すように、ポテンシャルの推移に伴って、有効電力出力が推移していることがわかる。一方、図中Ｂに示すように、ポテンシャルの推移の変化速度が大きい場合には、有効電力出力の出力変化速度が一定になる。このため、有効電力の出力を表すグラフの傾きの絶対値は、一定以上になることはない。
【００３７】
（４）ウィンドファーム出力の無効電力制御
図１０を用いて無効電力制御部１２５の動作を説明する。無効電力制御部１２５は、無効電力制御の制御として、定無効電力制御、定皮相電力制御及び定力率制御を切り替えて制御を行う。いずれの無効電力の制御においても、予め設定されたウィンドファーム無効電力出力の最小最大±Qwf_limitの範囲内に入るようリミッタが設けられる。この無効電力出力の最小最大±Qwf_limitは、風力発電装置の定格Swf_VAと有効電力目標値Pwf_refから算出される。この有効電力目標値Pwf_refは、ポテンシャルの値より小さい値である。
【００３８】
定無効電力制御として、無効電力制御部１２５が無効電力を一定の値の範囲に制御する場合は、予め設定された目標値Qwf_ref0と、連系点におけるウィンドファームの無効電力検出値Qwfの偏差に対してＰＩ制御を行う。予め設定されたウィンドファーム無効電力出力の最小最大±Qwf_limitの範囲内に入るようリミッタを備えている。無効電力出力最小最大は、風力発電装置の定格Swf_VAと有効電力目標値Pwf_refから算出される。
［式１］
Qwf_limit = √（Swf_VA2−Pwf_ref2）・・・（１）
【００３９】
定皮相電力制御として、無効電力制御部１２５が皮相電力を一定の範囲内に制御する場合は、有効電力目標値Pwf_refと皮相電力目標値SwfVA_refから、（２）式によって無効電力目標値Qwf_refを算出し、これを無効電力制御の目標値とし、目標値と検出値の偏差を小さくするよう無効電力制御量を演算する。
［式２］
Qwf_ref= −√（SwfVA_ref2−Pwf_ref2）・・・（２）
【００４０】
定力率制御として、無効電力制御部１２５が力率を一定の範囲内に制御する場合は、有効電力目標値Pwf_refと力率目標値Pf_refから（３）式により無効電力目標値Qwf_refを算出し、これを無効電力制御の目標値とし、目標値と検出値の偏差を小さくするよう無効電力制御量を演算する。
［式３］
2014082861.tif 000003
【００４１】
以上のように、無効電力制御部１２４における定皮相電力制御では、トランス等の機器寿命確保のため、皮相電力が一定となるように有効電力の変化に応じて無効電力を調整する。また、定無効電力制御では、電圧上昇を抑制し電力品質を維持するため、変換器容量制約の範囲内で無効電力一定制御を行う。更に、定力率制御では、系統側の力率を改善するため、有効電力の変化に応じて、力率一定となるように無効電力を調整する。
【００４２】
（５）ウィンドファーム出力の電圧制御
図１１を用いて電圧制御部１２５の動作を説明する。ここでは、無効電力による電圧制御方法を説明する。電圧制御部１２５は、連系点におけるウィンドファーム電圧目標値Vwf_refと検出値Vwfとの偏差を小さくするようＰＩ制御を行う。
【００４３】
電圧制御部１２５には、入力部１４や系統運用システム１５からの電圧の目標値が入力する。電圧制御部１２５は、この目標値をウィンドファーム出力の目標値であるウィンドファーム電圧の目標値Vwf_refと設定する。ウィンドファーム電圧の目標値Vwf_refは、予め設定された値や、入力部１４や系統運用システム１５からの目標値により設定される。さらに、ウィンドファームの検出値Vwfとウィンドファーム電圧の目標値Vwf_refとの偏差に対して、ウィンドファーム電圧の目標値Vwf_refに追従するような無効電力制御量Qwf_rを演算する。ウィンドファーム電圧の目標値Vwf_refに追従する無効電力制御量Qwf_rは、ウィンドファームの検出値Vwfとウィンドファーム電圧の目標値Vwf_refとの偏差にK倍したものを入力とし、ＰＩ制御などの古典制御理論に基づいて求めることができる。Kは電圧を無効電力換算するゲインである。
【００４４】
この際、予め設定されたウィンドファーム無効電力出力の最小最大±Qwf_limitの範囲内に入るようリミッタが設けられる。
【００４５】
（６）制御量分配部１３の動作
図１２を用いて本実施形態における制御量分配部１３の動作を説明する。制御量分配部１３は、制御量決定部１２で決定した有効電力の制御量を、各風力発電装置１００に分配するための分配ゲインを決定する。分配ゲインは、各風力発電装置１００の発電量の余力に基づいて決定する。制御量決定部１２では、決定した分配ゲインに基づいて、風力発電装置１００毎の制御量目標値を調整し、その制御量目標値を制御配線２を介して各風力発電装置１００に対して出力する。各風力発電装置１００では、制御目標値に基づいて発電を行う。
【００４６】
制御量分配部１３での分配の手順は、次の通りである。
各風力発電装置１００における発電装置データ検出部１０８の検出値（Pinv1,…,Pinvn，β1,…,βn，Δω1,…,Δωn）から推定して得た各風力発電装置１００のポテンシャルと各風力発電装置１００の有効電力検出値（Pw１,…,Pwn）との差を求める。本実施形態は、瞬動予備力についても考慮した場合であり、ピッチ角制御によって風のエネルギーを逃がしているため、さらに瞬動予備力を差し引いている。
【００４７】
この差分が大きな風力発電装置１００の有効電力出力指令を予め設定された加速ゲインKdpで増やす。分配ゲインの合計（Gdp1+Gdp2+・・・+Gdpn）はnになるように制御する。ｎは、風力発電装置の数である。Tdpは制御周期、ΔGdp_minとΔGdp_maxは、分配ゲインの上下限制約である。ここで、Kdpは分配する大きさを調整する係数である。ΔGdp_maxは最大分配ゲインとΔGdp_minは最小分配ゲインは、各風力発電装置１００へ与える分配ゲインがある一定以上大きくなったり、小さくなったりしすぎないように設定する。
【００４８】
具体的には、次のような処理を行う。
(1)風力発電装置１００の最大可能出力から各風力発電装置１００の出力を差し引き、さらに瞬動予備力を差し引き、各風力発電装置１００の出力余力を求める。
(2)制御周期ごとに各風力発電装置１００の余力の積分を全て合計し、ウィンドファーム内の風力発電装置１００の台数ｎで除した結果を、各風力発電装置１００の余力から差し引くことで、余力の大きな風力発電装置１００の分配ゲインを大きくする。
(3)この結果を(1)に加えて分配ゲインとする。このとき、分配ゲインの合計は、風力発電装置１００の全台数ｎとなる。
(4)なお、ΔGdp_maxとΔGdp_minに制約されたとき、分配ゲインがｎとなるようにするために、１を加えるステップ(3)の前にステップ(2)の結果を差し引いておく。
【００４９】
制御量分配部１３では、決定した分配ゲインと、制御量決定部１２で決定した制御量に基づいて、各風力発電装置１００の制御目標値を決定する。各風力発電装置１００は、分配された制御量に基づき、ピッチ角制御部１０６と交直変換器制御部１０７によって出力を制御する。ピッチ角制御部１０６では、風力発電装置１００のブレードのピッチ角を変化させることによって風のエネルギーを逃がし、有効電力出力を変化させる。交直変換器制御部１０７では発電機出力をコンバータでいったん直流へ変換し、インバータで有効電力出力と無効電力出力を制御する。
【００５０】
（効果）
以上のような構成及び作用を有する本実施形態によれば、以下のような効果を奏する。
（１）本実施形態によれば、各風力発電装置１００の出力可能な電力を超えない範囲で、ウィンドファームの出力量を、その時の風の状態に応じて各風力発電装置１００が出力可能な範囲で制御量を分配し、ウィンドファーム全体として効率の良い運転が可能となる。
（２）ウィンドファーム有効電力出力を目標値に追従させることによって、風の変動抑制すること、計画運転を行うこと、系統運用システムからの指令を受けて系統周波数調整に寄与することなどの効果がある。
（３）ウィンドファームの周波数制御によって、水力・火力発電機と同等に系統周波数調整に寄与することができる。
（４）ウィンドファームは出力変化速度が決められた値よりも大きくならないように受電点の有効電力を制御することが可能となり、風力発電機の回転数が上限を超過させない、商用系統への連系時に速い変動を流出させない、という効果がある。
（５）ウィンドファームは瞬動予備力を保持し、かつ出力変化速度が決められた値よりも大きくならないように受電点の有効電力を制御することが可能となるため、連系する商用系統で事故等の擾乱が発生した場合に、系統への供給電力データ検出部を増加できるため、ウィンドファームを系統安定化へ貢献させることができる。
（６）ウィンドファーム無効電力出力を目標値に追従させることによって、定皮相電力制御はトランス等の機器寿命確保、定無効電力制御は電圧上昇を抑制し電力品質の維持、定力率制御は系統側の力率改善、といった効果がある。
（７）可能最大無効電力出力の範囲内で，ウィンドファーム連系点の電圧を一定範囲内に維持することにより、ウィンドファームが連系する商用系統側へ、風の変動による電圧変動の影響を及ぼさないように電力供給を行うことができるという効果がある。
【００５１】
［２．第２実施形態］
第２実施形態にかかるウィンドファームの出力制御装置について、図１３を参照しつつ、詳細に説明する。第２実施形態は、第１実施形態の制御量分配部１３での制御量の分配の方法を変更したものである。なお、第１実施形態と同一の構成には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００５２】
図１３に示すブロック図は、無効電力制御量の分配方法を示す。制御量分配部１３は、制御量決定部１２で決定した制御量を各風力発電装置１００の発電量１０３の余力に基づいて各風力発電装置１００における無効電力の制御量の分配を行う。制御量分配部１３での分配の手順は、次の通りである。
【００５３】
各風力発電装置１００の定格（Sw1,…,Swn）と有効電力検出値（Pw１,…,Pwn）から、出力可能な無効電力を求める。出力可能な無効電力と無効電力検出値（Qw1,…,Qwn）との差が大きな風力発電装置１００の無効電力出力指令を予め設定された加速ゲインKdqで増やす。分配ゲインの合計（Gdq1+Gdq2+・・・+Gdqn）はnになるように制御する。Tdqは制御周期、ΔGdq_minとΔGdq_maxは、分配ゲインの上下限制約である。ここで、Kdqは、Kdpと同様に分配する大きさを調整する係数である。ΔGdq_maxは分配ゲインの最大値であり、ΔGdq_minは分配ゲインの最小値である。このΔGdq_maxとΔGdq_minとの間に分配ゲインが収まるように、各風力発電装置１００へ与える分配ゲインを設定する。
【００５４】
具体的には、
(1)風力発電装置１００の定格と有効電力検出値から出力可能な無効電力を求める。各風力発電装置１００毎の無効電力を差し引く。
(2)制御周期ごとに各風力発電装置１００の無効電力の積分を全て合計し、風力発電装置１００の台数で除した結果を各風力発電装置１００の無効電力から差し引くことで、無効電力の小さな風力発電装置１００の分配ゲインを大きくする。
(3)この結果を(1)に加えて分配ゲインとする。このとき、分配ゲインの合計は、風力発電装置１００の全台数ｎとなる。
(4)ΔGdq_maxとΔGdq_minに制約されたとき、分配ゲインがｎとなるようにするために、１を加えるステップ(3)の前にステップ(2)の結果を差し引いておく。
【００５５】
本実施形態によれば、その時の風の状態に応じて各風力発電装置１００が出力可能な範囲で効率よく、ウィンドファーム無効電力出力を目標値に追従させることが可能となる。これによって、電圧上昇の抑制、電力品質の維持、力率改善といった無効電力制御と電圧制御による効果を向上させることができるという効果がある。
【００５６】
［３．第３実施形態］
次に、本発明に係るウィンドファームの出力制御装置の第３実施形態を、図１４を用いて説明する。本実施形態は、第１実施形態のポテンシャル推定部での推定方法を変更したものである。なお、第１、第２実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００５７】
図１４は、ポテンシャル推定部１１の処理の一例である。風のパワーPvの中からタービンが取り出すパワーPexとの比をタービンの損失ηexとし、ピッチ角制御によって逃がすパワーをPpitch（β）とする。Ppitchはβの関数は、式４で表される。
［式４］
Pex＝Pv（１−Ppitch（β））ηex・・・（４）
ここで、（１−Ppitch（β））ηexをηex’（β）とすると、式５で表される。
［式５］
Pex＝Pv・ηex’（β）・・・（５）
【００５８】
タービン出力Pexと発電機出力Pgとの比を発電機の損失ηgとし、タービン出力変化によって発電機回転速度が変化し、この回転トルクをPt（Δω）とする。
Pg＝Pex（１−Pt（Δω））ηg・・・（６）
ここで、（１−Pt（Δω））ηgをηg’（Δω）とすると、
Pg＝Pex・η’（Δω）・・・（７）
【００５９】
発電機出力Pgとコンバータ部１０４における交直変換器出力Pinvの損失をηinvとする。このときコンバータ部１０４の直流電圧は一定に維持されるものとすると、
［式８］
Pinv＝Pg・ηinv       ・・・（８）
となる。
【００６０】
（４）（７）（８）式を乗じて、
［式９］
Ｐex／Pv  ×  Pg／Pex×  Pinv／Pg＝ηex’（β）×ηg’（Δω）×  ηinv・・・（９）
【００６１】
（９）式より風力発電装置が出力可能なポテンシャルは、（１０）式となる。
［式１０］
Pv  ＝Pinv／（ηex’（β）×ηg’（Δω）×ηcn）・・・（１０）
【００６２】
コンバータ部１０４における交直変換器出力Pinv（すなわち風力発電装置出力Pwに等しい）と、ηex’（β）、ηg’（Δω）、ηinvの設計値あるいは実測データからポテンシャルを求めることができる。ここでηex’はピッチ角の関数、ηg’は角速度偏差の関数である。
【００６３】
（効果）
本実施形態によれば、各風力発電装置１００における風速を精度よく計測することは困難であるため、風力発電装置１００の出力とピッチ角、角速度偏差の検出値からポテンシャルを精度よく推定することができる。これによって、ウィンドファームの出力を損失よく配分することが可能となる。なお、ポテンシャルの推定に当たっては、交直変換器の出力Pinvと損失ηinvは用いずに、発電機出力を検出して推定を行うことも可能である。
【００６４】
［５．他の実施形態］
なお、本明細書においては、本発明に係る複数の実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図していない。具体的には、制御量分配部において、有効電力の分配量の制御量と無効電力の制御量を同時に行うことも本発明に包含される。この場合は、ポテンシャル＝有効電力の制御量＋無効電力の制御量として制御を行う。また、ポテンシャル＝有効電力の制御量＋無効電力＋瞬動予備力の制御量としても良い。このような実施形態では、第１，２の実施形態の作用効果を併せ持つことができる。
【００６５】
また、第１実施形態において、有効電力制御部１２１、瞬動予備力保持制御部１２２、出力変化速度保持制御部１２３、無効電力制御１２４、及び電圧制御部１２５においての制御方法について記載したが、他の方法により、有効電力、瞬動予備力、無効電力、電圧の制御を行うことも本発明に包含される。また、出力変化速度の保持方法についても同様である。
【００６６】
以上のような実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００６７】
１…出力制御装置
１１…ポテンシャル推定部
１２…制御量決定部
１３…制御量分配部
１００…風力発電装置
１０１…ブレード部
１０２…タービン部
１０３…発電部
１０４…コンバータ部
１０５…インバータ部
１０６…ピッチ角制御部
１０７…直交流変換制御部
１０８…風力発電装置のデータ検出部
１２…制御量決定部
１２１…有効電力制御部
１２２…瞬動予備力保持制御部
１２３…出力変化速度保持制御部
１２４…無効電力制御部
１２５…電圧制御部
２…制御配線
３…系統
４…電力配線
５…供給電力データ検出部
【図１】
2014082861.tif 000004
【図２】
2014082861.tif 000005
【図３】
2014082861.tif 000006
【図４】
2014082861.tif 000007
【図５】
2014082861.tif 000008
【図６】
2014082861.tif 000009
【図７】
2014082861.tif 000010
【図８】
2014082861.tif 000011
【図９】
2014082861.tif 000012
【図１０】
2014082861.tif 000013
【図１１】
2014082861.tif 000014
【図１２】
2014082861.tif 000015
【図１３】
2014082861.tif 000016
【図１４】
2014082861.tif 000017