(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピッチを制御可能であって発電機に連結された風車と、前記発電機と系統の間に介在するインバータと、前記発電機により充電可能かつ前記系統へ放電可能な電力貯蔵要素とを備える風車発電設備の制御装置であって、
前記電力貯蔵要素の目標電力蓄積量に対する容量率を検出する容量率測定器と、
風速によって定まる理論出力を移動平均により平均化した平均化出力に低減率を乗じた風車出力変動の下限値を、前記風車の発電機の出力の制限値である風車出力制限として算出する風車出力制限算出部と、
前記理論出力を前記容量率に基づいて補正し、前記系統への出力の制限値である系統出力制限を算出する系統出力制限算出部と、
前記風車の発電機の出力が前記風車出力制限を越えないように、かつ前記系統への出力が前記系統出力制限を越えないように前記インバータを制御するインバータ制御部と、
風速又は風車出力制限によって定まる目標回転数を維持するように、前記風車のピッチを制御するピッチ制御部と
を備えることを特徴とする、風車発電設備の制御装置。
【請求項２】
前記風車出力制限算出部は、前記低減率を風車設置場所の乱流強度により算出することを特徴とする、請求項１に記載の風車発電設備の制御装置。
【請求項３】
系統出力の変動が定格出力の所定範囲内となるように、系統出力の上限と下限を算出し、前記系統出力の上限と下限を前記系統出力制限算出部に入力する逸脱防止演算部をさらに備え、
前記系統出力制限算出部は、系統出力が上限以上の時には、前記インバータ及びピッチ制御で風車出力を制限し、系統出力が下限以下では、前記電力貯蔵要素から放電し、逸脱を防止する、ことを特徴とする、請求項１または２に記載の風車発電設備の制御装置。
【請求項４】
ピッチを制御可能であって発電機に連結された風車と、前記発電機と系統の間に介在するインバータと、前記発電機により充電可能かつ前記系統へ放電可能な電力貯蔵要素とを備える風車発電設備の制御方法であって、
前記電力貯蔵要素の目標電力蓄積量に対する容量率を検出し、
風速によって定まる理論出力を移動平均により平均化した平均化出力に低減率を乗じた風車出力変動の下限値を、前記風車の発電機の出力の制限値である風車出力制限として算出し、
前記理論出力を前記容量率に基づいて補正し、前記系統への出力の制限値である系統出力制限を算出し、
前記風車の発電機の出力が前記風車出力制限を越えないように、かつ前記系統への出力が前記系統出力制限を越えないように前記インバータを制御し、
風速又は風車出力制限によって定まる目標回転数を維持するように、前記風車のピッチを制御する
ことを特徴とする、風車発電設備の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は風車発電設備の制御装置及び制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、二次電池とキャパシタを電力貯蔵要素として備える風車発電設備の制御装置が開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】浅沼圭司、外３名、「風力発電向け電力安定化装置」、富士時報、富士電気株式会社、２００８年５月１０日、第８１巻、第３号、ｐ２０３−２０６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
非特許文献１に記載の制御装置は主に大型風車用であり、比較的長周期（１〜２４時間程度）の出力変動の平準化のために、電力貯蔵要素としての二次電池とキャパシタは大容量のものを採用する必要がある。電力貯蔵要素が大型であると、製造等がコスト高となる。また、非特許文献１を含め風車発電に関する従来の技術では、中周期（例えば１〜２０分程度）の出力変動の効率的な平準化は困難であった。以上の点で、従来の風車発電に関する技術は、例えば１００ｋＷクラスの規模の風車発電設備の制御には適していなかった。
【０００５】
風速によって平準化目標出力を算出し、この平準化目標出力に合わせて系統出力制御を行うことが考えられる。しかし、この方法では、風速の変動に伴う風車出力の変動を全て電力貯蔵要素が吸収すると、電力貯蔵要素の容量が大きくなり、費用が増大する。また、蓄電装置の充放電回数が多いため、寿命が短くなる。さらに、蓄電装置への充放電による損失が充放電量に比例して増大するという問題がある。
【０００６】
本発明は、風車発電設備において、電力貯蔵要素の充放電を減少し、電力貯蔵要素の小容量化による低コスト化、電力貯蔵要素の高寿命化、及び充放電による損失の低減を目的とする。また、本発明は、風車発電設備において、中周期（例えば１〜２０分程度）の出力変動の効率的な平準化を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様は、
ピッチを制御可能であって発電機に連結された風車と、前記発電機と系統の間に介在するインバータと、前記発電機により充電可能かつ前記系統へ放電可能な電力貯蔵要素とを備える風車発電設備の制御装置であって、
前記電力貯蔵要素の目標電力蓄積量に対する容量率を検出する容量率測定器と、
風速によって定まる理論出力を移動平均により平均化した平均化出力に低減率を乗じた風車出力変動の下限値を、前記風車の発電機の出力の制限値である風車出力制限として算出する風車出力制限算出部と、
前記理論出力を前記容量率に基づいて補正し、前記系統への出力の制限値である系統出力制限を算出する系統出力制限算出部と、
前記風車の発電機の出力が前記風車出力制限を越えないように、かつ前記系統への出力が前記系統出力制限を越えないように前記インバータを制御するインバータ制御部と、
風速又は風車出力制限によって定まる目標回転数を維持するように、前記風車のピッチを制御するピッチ制御部と
を備える。
【０００８】
この構成により、風速から風車出力変動の下限値を予測し、風車出力変動の下限値を風車出力制限値として制御するため、風車出力が下限値を下回ると、電力貯蔵要素への充電を行わずに、電力貯蔵要素から放電するので、電力貯蔵要素の充放電回数が減少する。
【０００９】
前記風車出力制限算出部は、前記低減率を風車設置場所の乱流強度により算出することが好ましい。
【００１０】
系統出力の変動が定格出力の所定範囲内となるように、系統出力の上限と下限を算出し、前記系統出力の上限と下限を前記系統出力制限算出部に入力する逸脱防止演算部をさらに備え、
前記系統出力制限算出部は、系統出力が上限以上の時には、前記インバータ及びピッチ制御で風車出力を制限し、系統出力が下限以下では、前記電力貯蔵要素から放電し、逸脱を防止する、ことが好ましい。
【００１１】
本発明の第２の態様は、ピッチを制御可能であって発電機に連結された風車と、前記発電機と系統の間に介在するインバータと、前記発電機により充電可能かつ前記系統へ放電可能な電力貯蔵要素とを備える風車発電設備の制御方法であって、
前記電力貯蔵要素の目標電力蓄積量に対する容量率を検出し、
風速によって定まる理論出力を移動平均により平均化した平均化出力に低減率を乗じた風車出力変動の下限値を、前記風車の発電機の出力の制限値である風車出力制限として算出し、
前記理論出力を前記容量率に基づいて補正し、前記系統への出力の制限値である系統出力制限を算出し、
前記風車の発電機の出力が前記風車出力制限を越えないように、かつ前記系統への出力が前記系統出力制限を越えないように前記インバータを制御し、
風速又は風車出力制限によって定まる目標回転数を維持するように、前記風車のピッチを制御する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の風車発電設備の制御装置及び制御方法によれば、風速から予測した風車出力変動の下限値を風車出力制限値として制御するため、電力貯蔵要素の充放電回数が減少し、電力貯蔵要素として比較的小容量のもの（例えば小容量のキャパシタ）を採用でき、それによって製造等のコストを低減できる。また、電力貯蔵要素の充放電回数の減少により、電力貯蔵要素の高寿命化、及び損失の低減を図ることができる、さらに、また、中周期（例えば１〜２０分程度）の出力変動を効果的に抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態に係る制御装置を備える風車発電設備の模式図。
【図２】本発明の実施形態に係る風車発電設備の制御装置のブロック図。
【図３】風車出力制限の制御内容を示す図。
【図４】風車出力制限による平準化の効果を示す図。
【図５】逸脱防止制御の制御内容を示す図。
【図６】パターンＡのシミュレーション結果を示す図。
【図７】パターンＢのシミュレーション結果を示す図。
【図８】パターンＣのシミュレーション結果を示す図。
【図９】パターンＤのシミュレーション結果を示す図。
【図１０】パターンＥのシミュレーション結果を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１５】
図１及び図２を参照すると、風車発電設備１の風車２は、ピッチ調整機構３によってピッチ角θを調整可能なロータ２ａを有する。また、風車２は発電機４に連結され、発電機４と系統５の間にはインバータ６が介在している。インバータ６は風車２の回転により発電機４が発生する交流電力を直流電力に一旦変換した後に、系統５と同周波数の交流電力に変換する。また、インバータ６には、系統５への出力（系統出力Ｐｇ）の平準化に使用されるキャパシタ７（電力貯蔵要素）が充放電制御回路８を介して接続されている。キャパシタ７は充放電制御回路８により、発電機４の発生する電力によって充電される状態、蓄積した電力をインバータ６を介して系統５へ放電する状態、及び充放電のいずれも行わない保持状態のいずれかの状態とされる。
【００１６】
風車２のロータ２ａへの風速Ｖｄを測定する風速計１１が設けられている。また、風車２の回転数Ｎｄを検出する回転数検出器１２が設けられている。さらに、キャパシタ７が実際に充電されている容量の充電目標（例えばキャパシタ７の定格容量）に対する割合（容量率Ｃcap（％））を検出する容量率測定回路１３が設けられている。
【００１７】
制御部１５は、風速計１１から入力される風速Ｖｄ、回転数検出器１２から入力される回転数Ｎｄ、及び容量率測定回路１３から入力される容量率Ｃcapを用いて、インバータ６、キャパシタ７の充放電制御回路８、及びピッチ調整機構３を制御する。後述するように、インバータ６の制御とピッチ調整機構３を介したロータ２ａのピッチ角θの制御により風車２の発電機４の出力及び回転数が制御される。また、インバータ６の制御によって系統出力Ｐｇが制御される。
【００１８】
図２に示すように、制御部１５は、乱流強度・低減率算出部２１、理論出力算出部２２、風車出力制限算出部２３、発電トルク算出部２４、系統出力制限算出部２５、及び目標回転数算出部２６を備える。また、制御部１５はインバータ６を制御するインバータ制御部２７、充放電制御回路８を制御する充放電制御部２８、及びピッチ調整機構３を制御するピッチ制御部２９、逸脱防止演算部３０を備える。
【００１９】
次に、制御部１５により実行されるインバータ６、キャパシタ７の充放電制御回路８、及びピッチ調整機構３の制御を詳細に説明する。
【００２０】
まず、風車２の発電機４の出力の制御について説明する。なお、図２においてＰｗは制御しなかった場合の風車２の発電機４の出力（風車出力）を示す。
【００２１】
乱流強度・低減率算出部２１は、以下の式（１）を使用して、風速計１１から入力される測定された風速Ｖｄから風速の標準偏差Ｖstdと平均風速Ｖaを求めて、これらから乱流強度Ｔｉを算出する。次に、乱流強度・低減率算出部２１は、以下の式（２）を使用して、乱流強度Ｔｉから風車出力制限算出部２３で使用する低減率Ｋｄを算出する。例えば、乱流強度が１５％の場合、低減率は０．６１となる。
【００２２】
【数１】
0005941687.tif 000002
【００２３】
【数２】
0005941687.tif 000003
【００２４】
乱流強度・低減率算出部２１で算出された低減率Ｋｄは、風車出力制限算出部２３に出力される。
【００２５】
理論出力算出部２２は、風速Ｖｄを使用して理論出力Ｐｔを算出する。この理論出力Ｐｔは風車２が受ける風の平均的なエネルギーを表すものであり、インバータ６を制御する際の目標（目標出力）である。本実施形態では、理論出力算出部２２は、以下の式（３）に基づいて理論出力Ｐｔを算出する。
【００２６】
【数３】
0005941687.tif 000004
【００２７】
理論出力算出部２２で算出された理論出力Ｐｔは風車出力制限算出部２３、系統出力制限算出部２５及び充放電制御部２８に出力される。
【００２８】
目標回転数算出部２６は、風車出力制限算出部２３で算出される風車出力Ｐｃを使用して風車２ａの目標回転数Ｎｔを算出する。この目標回転数Ｎｔはロータ２ａのピッチ角θを制御する際の目標となる。本実施形態における目標回転数算出部２６は、以下の式（４に基づいて目標回転数Ｎｔを算出する。
【００２９】
【数４】
0005941687.tif 000005
【００３０】
目標回転数算出部２６で算出された目標回転数Ｎｔは、ピッチ制御部２９に出力される。
【００３１】
風車出力制限算出部２３には、理論出力算出部２２から理論出力Ｐｔが入力され、乱流強度・低減率算出部２１から低減率Ｋｄが入力される。風車出力制限算出部２３は、以下の式（５）のように、理論出力Ｐｔを１分移動平均により平均化した平均化出力Ｐｔａに低減率Ｋｄを乗じて、風車２の発電機４の出力変動の下限値である風車出力制限Ｐｃを算出する。図３は、理論出力Ｐｔ、平均化出力Ｐｔａ、風車出力制限Ｐｃの一例を示す。風車出力制限Ｐｃ、すなわち低減率Ｋｄを考慮した理論出力Ｐｔが実際にインバータ６を制御する際の目標となる。
【００３２】
【数５】
0005941687.tif 000006
【００３３】
風車出力制限算出部２３で算出された風車出力制限Ｐｃは、発電トルク算出部２４に出力される。
【００３４】
発電トルク算出部２４は、風車出力制限Ｐｃを発電トルクＴｇに換算する。発電トルクＴｇは、風車２が発電機４を回転させようとするのに対してインバータ６が発生する抵抗トルクである。本実施形態における発電トルク算出部２４は、以下の式（６）に基づいて発電トルクＴｇを算出する。
【００３５】
【数６】
0005941687.tif 000007
【００３６】
発電トルク算出部２４で算出された発電トルクＴｇは、インバータ制御部２７に出力される。
【００３７】
インバータ制御部２７は、発電トルクＴｇを発電トルク算出部２４で算出された値となるようにインバータ６を制御する。つまり、インバータ制御部７は、風車２の発電機４の出力が、風車出力制限Ｐｃ以下、つまり理論出力Ｐｔに低減率Ｋｄを乗じた出力変動の下限値以下とならないように、インバータ６を制御する。
【００３８】
ピッチ制御部２９には、目標回転数算出部２６で算出された目標回転数Ｎｔが入力されると共に、回転数検出器１２が検出した風車２の回転数Ｎｄが入力される。前述のようにインバータ制御部２７は、発電トルクＴｇが風車出力制限Ｐｃ以下に相当する値とならないようにインバータ６を制御する。もし仮に、このインバータ制御部２７によるインバータ６の制御に対して、ロータ２ａのピッチ角θを調整しないとすると、風車２に入力される風のエネルギーが過大となる。そこでピッチ制御部２９はピッチ角θを調整することで風車２に入力される風のエネルギーを抑制する。具体的には、ピッチ制御部２９は、回転数検出器１２で検出された回転数Ｎｄが目標回転数Ｎｔに維持されるようにピッチ調整機構３によってロータ２ａのピッチ角θを制御する。
【００３９】
以上のように、インバータ制御部２７のインバータ６の制御（インバータ制御）と、ピッチ調整機構３を介してピッチ調整部２９によるロータ２ａのピッチ角θの制御（ピッチ制御）とにより、風車２の発電機４の出力が風車出力制限Ｐｃ以下にならないように制御される。
また、乱流強度により求めた低減率で出力制限することにより、図４に示すように、理論出力の正規分布の標準偏差−σより大きい場合、約８４％の平準化運転を行うことができる。
【００４０】
次に、系統出力Ｐｇの逸脱防止制御について説明する。
【００４１】
逸脱防止演算部３０には、インバータ６出口の系統出力Ｐｇが入力される。逸脱防止演算部３０は、図５に示すように、１０分間の系統出力Ｐｇの１分間平均値から、系統出力の変動が定格出力の１０％以内となるように、出力範囲（上限と下限）を算出する。
系統出力制限算出部２５には、理論出力算出部２２から理論出力Ｐｔが入力され、逸脱防止演算部３０から系統出力Ｐｇの上限値と下限値が入力される。
系統出力制限算出部２５は、系統出力Ｐｇが上限以上の時には、前述のインバータ及びピッチ制御で風車出力を制限する。系統出力Ｐｇが下限以下では、キャパシタ７から放電し、逸脱を防止する。
【００４２】
次に、キャパシタ７の充放電の制御について説明する。
【００４３】
充放電制御部２８には、理論出力算出部２２から理論出力Ｐｔが入力され、容量率測定回路１３から容量率Ｃcapが入力される。
【００４４】
容量率Ｃcapが閾値Ｃcapthを上回る場合（キャパシタ７が十分に充電されている場合）には、充放電制御部２８は、系統出力Ｐｇが理論出力Ｐｔとなるように、充放電制御回路８によりキャパシタ７を充放電させる。この場合、風車２の発電機４の出力の短時間減少時にキャパシタ７が放電し理論出力Ｐｔに対する系統出力Ｐｇの不足分を補う。
【００４５】
一方、容量率Ｃcapが閾値Ｃcapth以下の場合（キャパシタ７が十分に充電されていない場合）、充放電制御部２８は、系統出力Ｐｇにかかわらず、つまり系統出力Ｐｇが理論出力Ｐｔを下回っていているか否かにかかわらず、充放電制御回路８によりキャパシタ７を充電させる。
【００４６】
以上の制御の結果、キャパシタ７が少容量であっても、中周期（例えば１〜２０分程度）の系統出力Ｐｇの変動を効果的に抑制できる。
【００４７】
表１は、３台のファーム風車を用い、キャパシタの無いパターンＡと、３台のファーム風車を用いるとともに、容量が３００Ｗｈ／台のキャパシタを用いた風車発電設備のパターンＢ〜Ｅにおいて、シミュレーションによりファーム補完制御、逸脱防止制御、系統出力制限制御、及び本願発明の発電機出力制限制御の各種制御を行った場合の逸脱率及び発電量を比較したものである。ファーム補完制御は、例えば３台の風車中、１台が逸脱した場合、出力制限を解除し、２台で発電の不足分を補うものである。逸脱防止制御、系統出力制御、発電許出力制限制御は既に述べた通りである。
【００４８】
パターンＡは、ファーム補完制御、逸脱防止制御、系統出力制限制御、発電機出力制限制御のいずれも行わなかった。パターンＢは、ファーム補完制御と逸脱防止制御のみを行い、パターンＣは、ファーム補完制御、逸脱制御及び系統出制限制御を行い、パターンＤは、ファーム補完制御、逸脱防止制御、及び低減率を６０％とした発電機出力制限制御を行い、パターンＥはファーム補完制御と逸脱防止制御を行うとともに、低減率を実測した乱流強度から演算した発電機出力制限制御を行った。
【００４９】
【表１】
0005941687.tif 000008
【００５０】
パターンＡでは、ファーム補完制御、逸脱防止制御、系統出力制限制御、発電機出力制限制御のいずれも行わなかったので、逸脱率は５４．３％であるが、発電量は最大であった。図６に系統出力の測定値の結果を示す。
パターンＢでは、逸脱防止制御により、出力可能範囲の上限以上とならないように制御を行うことで、逸脱率１７．５％を達成できた。図７に系統出力の測定値の結果を示す。
パターンＣでは、逸脱防止制御と系統出力制限により、逸脱率１０．０％を達成できたが、発電量は低かった。図８に系統出力の測定値の結果を示す。
パターンＤでは、低減率を６０％とした発電機出力制限制御により、各風車のキャパシタのみで、逸脱率５．１％を達成できた。しかし、パターンＤは、パターンＡに比べて発電量が７７％まで低減した。図９に系統出力の測定値の結果を示す。
パターンＥでは、実測した乱流強度から低減率を演算して発電機出力制限制御を行うことで、逸脱率１１％を達成でき、しかも８３％の発電量を確保できた。図１０に系統出力の測定値の結果を示す。
【符号の説明】
【００５１】
１  風車発電設備
２  風車
２ａ  ロータ
３  ピッチ調整機構
４  発電機
５  系統
６  インバータ
７  キャパシタ
８  充放電制御回路
１１  風速計
１２  回転数検出器
１３  容量率測定回路
１５  制御部
２１  乱流強度・低減率算出部
２２  理論出力算出部
２３  風車出力制限算出部
２４  発電トルク算出部
２５  系統出力制限算出部
２６  目標回転数算出部
２７  インバータ制御部
２８  充放電制御部
２９  ピッチ制御部
３０  逸脱防止演算部
【図１】
0005941687.tif 000009
【図２】
0005941687.tif 000010
【図３】
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【図４】
0005941687.tif 000012
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0005941687.tif 000016
【図９】
0005941687.tif 000017
【図１０】
0005941687.tif 000018