(57)【要約】  力率を一定範囲に保ちながら、電力系統側の要求に応じた無効電力を可能な限り供給することを目的とする。風力発電装置は主制御部１９を備え、該主制御部１９は、無効電力一定制御を行う第１制御部３１と、力率一定制御を行う第２制御部３２と、現在の運転状態が所定の運転領域内を外れたか否かを判定する判定部３４と、第１制御部３１によって無効電力一定制御が行われており、かつ、判定部３４によって運転領域を外れたことが検知された場合に、第１制御部３１から第２制御部３２に切替える制御切替部３５とを備える。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力制御を行う制御装置を備える風力発電装置であって、
前記制御装置は、
無効電力を一定とする無効電力一定制御を行う第１制御部と、
力率を一定とする力率一定制御を行う第２制御部と、
力率を所定の範囲とする無効電力と有効電力とで決定される運転領域の情報が記憶されている記憶部と、
現在の運転状態が前記記憶部に記憶されている前記運転領域内であるか否かを判定する判定部と、
前記第１制御部と前記第２制御部とを切り替える制御切替部と
を備え、
前記制御切替部は、
前記第１制御部によって無効電力一定制御が行われており、かつ、前記判定部によって前記運転領域を外れたと判定された場合に、前記第１制御部から前記第２制御部に切替える風力発電装置。
【請求項２】
前記制御切替部は、
前記第２制御部によって力率一定制御が行われており、かつ、有効電力が、前記無効電力一定制御で設定されている無効電力指令値と該運転領域とで決定される有効電力の閾値を越えた場合に、前記第２制御部から前記第１制御部に切り替える請求項１に記載の風力発電装置。
【請求項３】
風力発電装置の出力制御方法であって、
力率を所定の範囲とする無効電力と有効電力とで決定される運転領域の情報を予め得ておき、
無効電力を一定とする無効電力一定制御を行っているときに、現在の運転状況が、力率を所定の範囲とする無効電力と有効電力とで決定される運転領域を外れたことを検知すると、無効電力一定制御から力率を一定とするように有効電力および無効電力を制御する力率一定制御に切り替える風力発電装置の出力制御方法。
【請求項４】
前記力率一定制御が行われており、かつ、有効電力が、前記無効電力一定制御で設定されている無効電力指令値と該運転領域とで決定される有効電力の閾値を越えた場合に、力率一定制御から無効電力一定制御に切り替える請求項３に記載の風力発電装置の出力制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電装置およびその出力制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、風力発電装置などの分野では、電力系統側における供給電力の安定化の観点から、風力発電装置側から電力系統側へ電力を供給する際に、所定の範囲の力率を確保することが要求されている。
このため、例えば、力率を一定に保つように有効電力および無効電力を制御する力率一定制御などが行われている（例えば、特開２００１−２６８８０５号公報参照）。
【特許文献１】特開２００１−２６８８０５号公報
【発明の開示】
【０００３】
ところで、近年、電力系統側における供給電力の更なる安定化を図るため、風力発電装置から電力系統へ常に一定以上の無効電力を供給することが電力系統側から要求されている。これは、無効電力が電力安定化に寄与することに基づいている。
【０００４】
しかしながら、例えば、風の状況などにより有効電力が極端に落ち込んだ場合においても、一定量以上の無効電力を供給しようとすると、力率が電力系統側から要求されている所定の範囲を外れてしまうことが予想される。そして、この場合には、例えば、風車の運転を停止せざるを得ないという状況に陥ることが懸念される。
【０００５】
本発明は、力率を一定範囲に保ちながら、電力系統側の要求に応じた無効電力を可能な限り供給することのできる風力発電装置およびその出力制御方法を提供することを目的とする。
【０００６】
本発明の第１の態様は、出力制御を行う制御装置を備える風力発電装置であって、前記制御装置は、無効電力を一定とする無効電力一定制御を行う第１制御部と、力率を一定とする力率一定制御を行う第２制御部と、力率を所定の範囲とする無効電力と有効電力とで決定される運転領域の情報が記憶されている記憶部と、現在の運転状態が前記記憶部に記憶されている前記運転領域内であるか否かを判定する判定部と、前記第１制御部と前記第２制御部とを切り替える制御切替部とを備え、前記制御切替部は、前記第１制御部によって無効電力一定制御が行われており、かつ、前記判定部によって前記運転領域を外れたことが検知された場合に、前記第１制御部から前記第２制御部に切替える風力発電装置である。
【０００７】
このような構成によれば、運転領域を外れない範囲で、無効電力一定制御を行うことが可能となり、電力系統側から要求されている一定量以上の無効電力を可能な限り供給することができる。更に、運転領域を外れてしまった場合には、無効電力一定制御から力率一定制御に切り替えられるので、運転領域から大きく逸脱することを回避することができ、風車の運転を継続して行うことが可能となる。これにより、風車の運転停止を回避することができ、発電効率の低下を抑制することができる。
本発明において、無効電力一定制御は、力率一定制御よりも優先順位が高く設定されている。従って、運転領域を外れない領域においては、無効電力一定制御が優先的に選択される。
【０００８】
上記風力発電装置において、前記制御切替部は、前記第２制御部によって力率一定制御が行われており、かつ、有効電力が、前記無効電力一定制御で設定されている無効電力指令値と該運転領域とで決定される有効電力の閾値を越えた場合に、前記第２制御部から前記第１制御部に切り替えることとしてもよい。
【０００９】
有効電力が回復した場合には、力率一定制御から無効電力一定制御に自動的に切り替えられるので、一定量以上の無効電力を可能な限り電力系統に供給することが可能となる。
【００１０】
本発明の第２の態様は、風力発電装置の出力制御方法であって、力率を所定の範囲とする無効電力と有効電力とで決定される運転領域の情報を予め得ておき、無効電力を一定とする無効電力一定制御を行っているときに、現在の運転状況が前記運転領域を外れたことを検知すると、無効電力一定制御から力率一定制御に切り替える風力発電装置の出力制御方法である。
【００１１】
上記風力発電装置の出力制御方法において、前記力率一定制御が行われているときに、有効電力が、前記無効電力一定制御で設定されている無効電力指令値と該運転領域とで決定される有効電力の閾値を越えた場合には、力率一定制御から無効電力一定制御に切り替えることとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る風力発電装置の全体構成を示したブロック図である。
【図２】発電機及びその周辺の構成の一例を示すブロック図である。
【図３】図２に示した主制御部によって実現される処理を展開して示した機能ブロック図である。
【図４】運転領域の一例を示した図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る風力発電装置の出力制御について示したフローチャートである。
【図６】本発明の一実施形態に係る風力発電装置の出力制御について説明するための図である。
【符号の説明】
【００１３】
１  風力発電装置
２  支柱
３  ナセル
４  ロータヘッド
５  風車翼
６  発電機
１３  電力系統
１４  能動整流器
１５  ＤＣバス
１６  インバータ
１７  ＡＣ−ＤＣ−ＡＣコンバータ
１９  主制御部（制御装置）
２１  コンバータ駆動制御部
２２  ブレード制御部
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に、本発明に係る風力発電装置の一実施形態について、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装置の全体構成を示したブロック図である。風力発電装置１は、図１に示されるように、支柱２と、支柱２の上端に設置されるナセル３と、略水平な軸線周りに回転可能にしてナセル３に設けられるロータヘッド４とを有している。ロータヘッド４には、その回転軸線周りに放射状に３枚の風車翼５が取り付けられている。これにより、ロータヘッド４の回転軸線方向から風車翼５に当たった風の力が、ロータヘッド４を回転軸線周りに回転させる動力に変換され、この動力がナセル３内に収容された発電機によって電気エネルギーに変換されるようになっている。【００１５】
図２は、発電機６及びその周辺の構成の一例を示すブロック図である。本実施形態の発電機６は、発電機６が発生する電力がステータ巻線及びロータ巻線の両方から電力系統１３に出力できるように構成されている。具体的には、発電機６は、そのステータ巻線が電力系統１３に接続され、ロータ巻線がＡＣ−ＤＣ−ＡＣコンバータ１７を介して電力系統１３に接続されている。【００１６】
ＡＣ−ＤＣ−ＡＣコンバータ１７は、能動整流器（コンバータ）１４、ＤＣバス１５、及びインバータ１６から構成されており、ロータ巻線から受け取った交流電力を電力系統１３の周波数に適合した交流電力に変換する。能動整流器１４は、ロータ巻線に発生された交流電力を直流電力に変換し、その直流電力をＤＣバス１５に出力する。インバータ１６は、ＤＣバス１５から受け取った直流電力を電力系統１３と同一の周波数の交流電力に変換し、その交流電力を出力する。【００１７】
ＡＣ−ＤＣ−ＡＣコンバータ１７は、電力系統１３から受け取った交流電力をロータ巻線の周波数に適合した交流電力に変換する機能も有しており、風力発電装置１の運転の状況によってはロータ巻線を励起するためにも使用される。この場合、インバータ１６は、交流電力を直流電力に変換し、その直流電力をＤＣバス１５に出力する。能動整流器１４は、ＤＣバス１５から受け取った直流電力をロータ巻線の周波数に適合した交流電力に変換し、その交流電力を発電機６のロータ巻線に供給する。【００１８】
また、発電機６を電力系統１３に接続する電力線には、発電機６の出力電圧Ｖと出力電流Ｉとを計測する電圧／電流センサ（図示略）が設けられている。この電圧／電流センサの計測値は、主制御部１９およびコンバータ駆動制御部２１に与えられる。【００１９】
コンバータ駆動制御部２１は、後述する主制御部（制御装置）１９から与えられる有効電力指令Ｐ＊、無効電力指令Ｑ＊に応答して、電力系統１３へ出力する有効電力Ｐと無効電力Ｑを制御するべく、能動整流器１４及びインバータ１６のパワートランジスタのオンオフを制御する。具体的には、コンバータ駆動制御部２１は、電圧／電流センサによって測定された出力電圧Ｖ及び出力電流Ｉから、有効電力Ｐと無効電力Ｑを算出する。更にコンバータ駆動制御部２１は、有効電力Ｐと有効電力指令Ｐ＊との差、及び無効電力Ｑと無効電力指令Ｑ＊との差をゼロとさせるようなＰＷＭ信号を生成し、生成したＰＷＭ信号を能動整流器１４及びインバータ１６に供給する。これにより、電力系統１３に供給される有効電力Ｐと無効電力Ｑが制御される。【００２０】
なお、無効電力Ｑについては、電力系統側から要求されている力率が遅れか進みかによって、風力発電装置１から電力系統１３へ無効電力が供給されるのか、電力系統１３から風力発電装置１へ無効電力が供給されるのかが決まる。なお、本願における説明では、遅れ力率における「無効電力を供給する」とは、負の無効電力を電力系統１３へ供給することを意味する。【００２１】
ブレード制御部２２は、主制御部１９から送られるピッチ指令β＊に応答して、ブレード５のピッチ角βを制御する。ブレード５のピッチ角βは、ピッチ指令β＊に一致するように制御される。【００２２】
主制御部１９は、上記コンバータ駆動制御部２１およびブレード制御部２２に対して各々に適した指令値を出力する。コンバータ駆動制御部２１、ブレード制御部２２および主制御部１９は、例えば、マイクロコンピュータを有しており、マイクロコンピュータがコンピュータ読取可能な記録媒体に記録されているプログラムを読み出して実行することにより、種々の処理を実現させる。ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、例えば、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。【００２３】
図３は、主制御部１９が備える機能を展開して示した機能ブロック図である。図３に示すように、主制御部１９は、無効電力を一定とする無効電力一定制御を行う第１制御部３１と、力率を一定とする力率一定制御を行う第２制御部３２と、力率を所定の範囲とする無効電力と有効電力とで決定される運転領域の情報が記憶されている記憶部３３と、現在の運転状態が記憶部３３に記憶されている運転領域内であるか否かを判定する判定部３４と、第１制御部３１と第２制御部３２とを切り替える、換言すると、無効電力一定制御と力率一定制御とを切り替える制御切替部３５とを備えている。【００２４】
図４に、記憶部３３に格納されている運転領域の情報を示す。ここでは、例えば、力率を−０．９以上＋０．９５以下の範囲とする無効電力と有効電力との関係を示している。図４において、縦軸は有効電力Ｐ、横軸は無効電力Ｑであり、図中ハッチで囲まれている領域が運転領域、つまり、力率が−０．９以上＋０．９５以下の範囲となる無効電力および有効電力の設定範囲である。【００２５】
図３において、第１制御部３１は、電力系統側から要求されている既定の無効電力値を保有しており、この無効電力値を無効電力指令値Ｑ＊として設定する。本実施形態においては、無効電力指令値Ｑ＊として−６００ｋＶＡｒを設定する場合を例示する。
また、第１制御部３１は、発電機６の回転数に基づいて所定の演算を行うことにより有効電力指令値Ｐ＊を設定する。
第１制御部３１は、このようにして、無効電力指令値Ｑ＊、有効電力指令値Ｐ＊を設定すると、これらの指令値を制御切替部３５に出力する。【００２６】
第２制御部３２は、例えば、電力系統側から要求されている既定の力率（例えば、遅れ力率０．９）を保有しており、この力率となるような無効電力指令値Ｑ＊および有効電力指令値Ｐ＊を設定し、出力する。例えば、第２制御部３２は、発電機６の回転数との関係で決定される有効電力指令値Ｐ＊を求め、この有効電力指令値Ｐ＊との関係で既定の力率（例えば、遅れ力率０．９）を満足する無効電力指令値Ｑ＊を算出し、これらの指令値を制御切替部３５に出力する。【００２７】
判定部３４は、電圧／電流センサによって測定された出力電圧Ｖ及び出力電流Ｉから、有効電力Ｐと無効電力Ｑを算出し、これらの値が記憶部３３に格納されている図４に示した運転領域内であるか否かを判定し、この結果を制御切替部３５に出力する。このとき、判定部３４は、出力電圧Ｖ及び出力電流Ｉから算出した有効電力Ｐと無効電力Ｑの情報も制御切替部３５に出力する。【００２８】
また、判定部３４は、力率一定制御が行われている場合には、有効電力が、無効電力一定制御で設定されている無効電力指令値（本実施形態では、−６００ｋＶＡｒ）と該運転領域（図４参照）とで決定される有効電力の閾値（本実施形態では、１２５０ｋＷ）を越えたか否かを判定し、その判定結果を制御切替部３５に出力する。上記閾値は、運転領域内の範囲において任意に設定することが可能であるが、例えば、無効電力一定制御で設定されている無効電力指令値との関係で力率を−０．９（遅れ力率０．９）とする有効電力の値が採用される。【００２９】
制御切替部３５は、出力制御を切り替える手段であり、第１制御部３１および第２制御部３２のいずれかを選定する。
本実施形態において、無効電力一定制御は、力率一定制御よりも優先順位が高く設定されている。従って、運転領域を外れない領域においては、制御切替部３５において、無効電力一定制御が優先的に選択される。【００３０】
また、制御切替部３５は、例えば、第１制御部３１によって無効電力一定制御が行われており、かつ、判定部３４によって運転領域を外れたと判定された場合には、第１制御部３１から第２制御部３２に切替える。【００３１】
また、制御切替部３５は、第２制御部３２によって力率一定制御が行われており、かつ、判定部３４から有効電力が閾値を超えたと判定された場合には、第２制御部３２から第１制御部３１に切り替える。【００３２】
次に、本実施形態に係る風力発電装置の出力制御方法、換言すると、主制御部１９によって実現される処理の内容について、図５および図６を参照して説明する。
まず、風車の運転が開始されると（図５のステップＳＡ１）、制御切替部３５は、第１制御部３１を選択する。これにより、第１制御部３１による無効電力一定制御が採用され（図５のステップＳＡ２）、無効電力を一定に保つための無効電力指令値Ｑ＊および有効電力指令値Ｐ＊が主制御部１９からコンバータ駆動制御部２１に出力されることとなる。【００３３】
コンバータ駆動制御部２１は、電圧／電流センサによって測定された出力電圧Ｖ及び出力電流Ｉから算出した有効電力Ｐと無効電力Ｑとが、主制御部１９から与えられた有効電力指令Ｐ＊、無効電力指令Ｑ＊にそれぞれ一致するように能動整流器１４及びインバータ１６を制御する。これにより、無効電力を一定とする有効電力Ｐと無効電力Ｑが電力系統１３に供給されることとなる（図５のステップＳＡ３）。【００３４】
このような無効電力一定制御が行われているときに、例えば、風の状況が急激に変化し、有効電力Ｐが極端に落ち込んでしまい、図６に太字破線の矢印で示すように、運転領域を外れる１２５０ｋＷ以下に落ち込んでしまうと、判定部３４において運転領域を外れたことが検知され、その旨の情報が制御切替部３５に供給される（図５のステップＳＡ４）。【００３５】
制御切替部３５は、運転領域をはずれてしまった旨の信号を受けると、第１制御部３１から第２制御部３２に切替ることにより、無効電力一定制御から力率一定制御へ制御内容を切り替える（図５のステップＳＡ５）。
これにより、第２制御部３２によって設定された、力率を一定とするための有効電力指令Ｐ＊、無効電力指令Ｑ＊が選択され、これらの指令がコンバータ駆動制御部２１に出力される。
これにより、力率を一定とする有効電力Ｐおよび無効電力Ｑが電力系統１３に供給されることとなる（図５のステップＳＡ６）。【００３６】
このように、運転領域を外れてしまった場合には、無効電力一定制御から力率一定制御に切り替えることにより、図６に太字矢印で示すように、有効電力が低下した場合であっても、運転領域から逸脱するのを回避し、風車の運転制御を継続して行うことができる。【００３７】
このようにして、力率一定制御が行われている間において、有効電力が徐々に回復し、その結果、例えば、無効電力一定制御で設定されている無効電力指令値と図４に示した運転領域とで決定される有効電力の閾値を越えた場合には、その旨が判定部３４によって検知され、その旨の情報が制御切替部３５に出力される（図５のステップＳＡ７）。【００３８】
例えば、本実施形態においては、無効電力一定制御では、無効電力を−６００ｋＶＡｒに維持するような制御が行われるため、この設定値と運転領域とによって決定される有効電力の閾値は、図６に示すように１２５０ｋＷとなる。なお、この値は一例であり、上述のような手法により、任意に設定することが可能となる。更に、このような閾値に対して、安全面で運転が可能なように、マージンを考慮して、有効電力の閾値を設定することも可能である。【００３９】
制御切替部３５は、この情報を取得すると、第２制御部３２から第１制御部３１に切り替える（図５のステップＳＡ２）。これにより、第１制御部３１による無効電力一定制御が再び行われることとなる（図５のステップＳＡ３）。【００４０】
このように、有効電力が一旦は低減したものの、その後において、回復した場合には、無効電力一定制御に自動的に切り替えられるので、一定量以上の無効電力を可能な限り電力系統１３に供給することが可能となる。【００４１】
以上説明してきたように、本実施形態に係る風力発電装置およびその運転制御方法によれば、有効電力が低下することで、運転領域を外れてしまった場合には、無効電力一定制御から力率一定制御に速やかに切り替えるので、力率を所定範囲内に保つことができ、風車の運転停止を回避することが可能となる。これにより、発電効率の低下を抑制することができる。
また、有効電力が回復した場合には、力率一定制御から無効電力一定制御に、自動的に切り替えられるので、一定量以上の無効電力を可能な限り電力系統１３に供給することが可能となる。【００４２】
なお、本実施形態では、負の無効電力を供給する場合を例示して説明したが、本発明に係る風力発電装置の出力制御方法は、正の無効電力を供給する場合においても同様に適用することが可能である。
【図１】
2010079593.tif 000003
【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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【国際調査報告】
2010079593.tif 000009
2010079593.tif 000010
2010079593.tif 000011