(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
翼を有するロータの回転により同期発電機が発電する風力発電装置の制御装置であって、
電力系統に系統連系されて前記同期発電機が同期速度に達している状態で、かつ前記同期発電機に伝達される動力が前記風力発電装置の消費電力に相当する有効電力を出力可能な動力とされる所定値となった場合、前記同期発電機を同期調相機として運転させ、前記同期発電機の界磁電流の大きさを制御する発電機制御手段
を備えた風力発電装置の制御装置。
【請求項２】
前記風力発電装置は、前記ロータの回転によって作動油を圧送する油圧ポンプと、前記油圧ポンプから圧送されてきた作動油によって回転することで、前記ロータの回転数以上の回転数で前記同期発電機を回転駆動させる油圧モータと、前記油圧ポンプから前記油圧モータへ作動油を送油する高圧側配管に設けられ、前記油圧ポンプ及び前記油圧モータへ流入出する作動油を蓄えるアキュムレータと、を具備し、
前記油圧ポンプ及び前記油圧モータを制御する油圧制御手段
を備えた請求項１記載の風力発電装置の制御装置。
【請求項３】
前記油圧制御手段は、前記同期発電機が同期速度に達していない場合に、前記アキュムレータに蓄えられている作動油によって前記油圧モータを回転させて、前記同期発電機を同期速度とする請求項２記載の風力発電装置の制御装置。
【請求項４】
前記発電機制御手段は、前記同期発電機を同期電動機として動作させることによって、前記油圧モータを油圧ポンプとして動作させて、前記ロータが回転していなくても前記アキュムレータに作動油を加圧して蓄えさせる請求項２又は請求項３記載の風力発電装置の制御装置。
【請求項５】
前記同期発電機は、伝達される動力が前記所定値を超える場合に同期調相機として用いられることが停止されて、発電を行う請求項１から請求項４の何れか１項記載の風力発電装置の制御装置。
【請求項６】
前記所定値以下となったか否かは、風速又は前記ロータの回転数に基づいて判定される請求項１から請求項５の何れか１項記載の風力発電装置の制御装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６の何れか１項記載の制御装置を備えた風力発電装置。
【請求項８】
請求項７記載の風力発電装置を複数備えたウインドファーム。
【請求項９】
前記電力系統へ供給する無効電力の総量に応じて、複数の前記風力発電装置が備える前記同期発電機を同期調相機として用いる請求項８記載のウインドファーム。
【請求項１０】
通常運転モードで運転されている前記風力発電装置の一部もしくは全ての発電出力を制限もしくは停止することで、調整可能な無効電力を増加させる請求項８又は請求項９記載のウインドファーム。
【請求項１１】
翼を有するロータの回転により同期発電機が発電する風力発電装置の制御方法であって、
電力系統に系統連系されて前記同期発電機が同期速度に達している状態で、かつ前記同期発電機に伝達される動力が前記風力発電装置の消費電力に相当する有効電力を出力可能な動力となった場合、前記同期発電機を同期調相機として運転させ、前記同期発電機の界磁電流の大きさを制御する風力発電装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電装置の制御装置、風力発電装置、ウインドファーム、及び風力発電装置の制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
発電した電力を電力系統へ送電する風力発電装置は、電力系統の安定化に寄与することが要求されている。電力系統を安定化するためには、周波数（系統周波数）と電圧（系統電圧）を所定範囲内で一定に保つ必要がある。【０００３】
系統電圧を一定に保つためには、無効電力を供給又は吸収する必要がある。この無効電力の供給又は吸収は、可能な限り連続的に行うのが望ましい。さらに電力系統に事故が発生した場合や負荷が急増した場合は、無効電力の供給又は吸収をできるだけ高速に実施するのが望ましい。【０００４】
このような無効電力の供給又は吸収を行う装置として、例えばＳＶＣ(Static  VAR  Compensator)やＳＴＡＴＣＯＭ（Static  Synchronous  Compensator）といった無効電力補償装置が開発され、実用化されている。特にＳＴＡＴＣＯＭは無効電力の高速及び連続制御が可能であるため、系統電力の安定化に有効である。【０００５】
また、特許文献１，２には、風力発電装置が、発電機に接続された発電機側電力変換器と電力系統に接続された電力系統側電力変換器とを、直流回路で接続した電力変換器（インバータ）を備え、電力系統側電力変換器を無効電力補償装置として使用して、無効電力を電力系統へ供給することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７６０５４８７号明細書
【特許文献２】米国特許第７３９７１４３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ＳＴＡＴＣＯＭ等の無効電力補償装置や特許文献１，２に記載されている無効電力補償装置として使用する電力変換器は、半導体スイッチをＰＷＭ（Pulse  Width  Modulation）で高速に入切するため、電磁ノイズや高調波が発生する。この電磁ノイズや高調波は同じ電力系統に系統連系されている他の機器に悪影響を及ぼす可能性があるため、フィルタ等で除去する必要がある。しかし、必要とするフィルタ等の大きさや重量は、決して小さくなく、半導体スイッチはデリケートであるため、半導体スイッチのための保護回路の強化や定期的な保守が必要となる。【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、無効電力補償装置を用いることなく、無効電力を電力系統へ供給することができる、風力発電装置の制御装置、風力発電装置、ウインドファーム、及び風力発電装置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】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の風力発電装置の制御装置、風力発電装置、ウインドファーム、及び風力発電装置の制御方法は以下の手段を採用する。【００１０】
本発明の第一態様に係る風力発電装置の制御装置は、翼を有するロータの回転により同期発電機が発電する風力発電装置の制御装置であって、電力系統に系統連系されて前記同期発電機が同期速度に達している状態で、かつ前記同期発電機に伝達される動力が前記風力発電装置の消費電力に相当する有効電力を出力可能な動力とされる所定値となった場合、前記同期発電機を同期調相機として運転させ、前記同期発電機の界磁電流の大きさを制御する発電機制御手段を備える。
【００１１】
本構成によれば、風力発電装置は、翼を有するロータの回転により同期発電機が発電を行う。【００１２】
そして、制御装置が備える判定手段によって、電力系統に系統連系されて同期発電機が同期速度に達している状態で、かつ同期発電機に伝達される動力が所定値以下となったか否かが判定される。
電力系統に系統連系されて同期発電機が同期速度に達している状態とは、同期発電機が無負荷でも回転可能な状態である。このような状態では、同期発電機の界磁電流の大きさを制御することで、電力系統へ供給する無効電力の大きさを制御することができる。例えば、無風状態となりロータの回転が停止した場合等、同期発電機に動力が伝達されなくなった場合でも、系統連系されている同期発電機を電力系統へ無効電力を供給又は吸収する同期調相機として用いることができる。【００１３】
そこで、同期発電機に伝達される動力が所定値以下となった場合、発電機制御手段によって、同期発電機は同期調相機として運転され、同期発電機の界磁電流の大きさが制御される。
所定値以下の動力とは、風力発電装置の消費電力に相当する有効電力を出力できる動力以下の動力である。すなわち、所定値以下の動力とは、同期発電機に伝達される動力が０（零）となった場合も含まれる。また、同期発電機に伝達される動力が０以上の所定値の場合に同期発電機を同期調相機として運転することによって、電力系統へ無効電力を供給すると共に、風力発電装置の消費電力を賄うための有効電力を電力系統へ供給できる。【００１４】
このように、本構成は、同期発電機に伝達される動力が風力発電装置の消費電力に相当する有効電力を出力可能な動力以下となったことをトリガとして、同期発電機を同期調相機に切り替えて用いるので、無効電力補償装置を用いることなく、無効電力を電力系統へ供給することができる。
【００１５】
上記第一態様では、前記風力発電装置が、前記ロータの回転によって作動油を圧送する油圧ポンプと、前記油圧ポンプから圧送されてきた作動油によって回転することで、前記ロータの回転数以上の回転数で前記同期発電機を回転駆動させる油圧モータと、前記油圧ポンプから前記油圧モータへ作動油を送油する高圧側配管に設けられ、前記油圧ポンプ及び前記油圧モータへ流入出する作動油を蓄えるアキュムレータと、を具備し、前記油圧ポンプ及び前記油圧モータを制御する油圧制御手段を備えることが好ましい。【００１６】
本構成によれば、油圧ポンプ及び油圧モータによって、ロータの回転数以上の回転数で同期発電機が回転駆動される。また、油圧ポンプから油圧モータへ作動油を送油する高圧側配管に設けられたアキュムレータによって、油圧モータへ流入出する作動油が蓄えられる。そして、油圧制御手段によって油圧ポンプ及び油圧モータが制御される。従って、本構成は、油圧ポンプ及び油圧モータを制御することによって、同期発電機の同期調相機としてより効果的に利用することがきる。【００１７】
上記第一態様では、前記油圧制御手段が、前記同期発電機が同期速度に達していない場合に、前記アキュムレータに蓄えられている作動油によって前記油圧モータを回転させて、前記同期発電機を同期速度とすることが好ましい。【００１８】
本構成によれば、アキュムレータに蓄えられている作動油によって油圧モータを回転させて、同期発電機を同期速度とするので、風速に関係なく同期発電機を同期調相機として運転することができる。なお、アキュムレータは、例えば無風状態から同期発電機を同期速度とすることが可能な程度の作動油を蓄えられる容量が必要である。【００１９】
上記第一態様では、前記発電機制御手段が、前記同期発電機を同期電動機として動作させることによって、前記油圧モータを油圧ポンプとして動作させて、前記ロータが回転していなくても前記アキュムレータに作動油を加圧して蓄えさせることが好ましい。【００２０】
本構成によれば、同期発電機を同期電動機として用いることによって電力系統の余剰電力（有効電力）を風力発電装置が消費することが可能となる。そして、この余剰電力は、同期発電機を同期電動機として動作させることで、油圧モータを油圧ポンプとして動作させる。この結果、余剰電力は、アキュムレータ内の作動油の圧力エネルギーとして蓄えられることとなる。さらに、圧力エネルギーは、その後同期発電機を回転させるエネルギーとして用いることができる。従って、本構成は、電力系統の余剰電力の蓄積及び放出が可能となる。【００２１】
上記第一態様では、前記同期発電機が、伝達される動力が前記所定値を超える場合に同期調相機として用いられることが停止されて、発電を行うことが好ましい。【００２２】
本構成によれば、同期発電機に伝達される動力の大きさ、すなわち風速に応じて、同期発電機を同期調相機として用いた無効電力の電力系統への供給、又は同期発電機による発電とが切り替えられる。従って、本構成は、風力発電装置を効率良く利用することができる。【００２３】
上記第一態様では、所定値以下となったか否かが、風速又は前記ロータの回転数に基づいて判定されることが好ましい。【００２４】
本構成によれば、簡易に同期発電機を同期調相機として運転させるタイミングを判定できる。【００２５】
本発明の第二態様に係る風力発電装置は、上記記載の制御装置を備える。【００２６】
本発明の第三態様に係るウインドファームは、上記記載の風力発電装置を複数備える。【００２７】
上記第三態様では、前記電力系統へ供給する無効電力の総量に応じて、複数の前記風力発電装置が備える前記同期発電機を同期調相機として用いることが好ましい。【００２８】
本構成によれば、無効電力を電力系統へ供給するために、ウインドファームに備えられた風力発電装置を効率良く用いることができる。【００２９】
上記第三態様では、通常運転モードで運転されている前記風力発電装置の一部もしくは全ての発電出力を制限もしくは停止することで、調整可能な無効電力を増加させることが好ましい。【００３０】
本構成によれば、電力系統へ供給可能な無効電力をより増加させることができる。なお、通常運転モードとは、風速がカットイン風速超又はカットアウト風速未満の場合における運転モードである。【００３１】
本発明の第四態様に係る風力発電装置の制御方法は、翼を有するロータの回転により同期発電機が発電する風力発電装置の制御方法であって、電力系統に系統連系されて前記同期発電機が同期速度に達している状態で、かつ前記同期発電機に伝達される動力が風力発電装置の消費電力に相当する有効電力を出力可能な動力となった場合、前記同期発電機を同期調相機として運転させ、前記同期発電機の界磁電流の大きさを制御する。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、無効電力補償装置を用いることなく、無効電力を電力系統へ供給することができる、という優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る風力発電装置の外観図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る風力発電装置の電気的構造、及びロータの回転を油圧を用いて増速させて同期発電機へ伝達する構造を示した模式図である。
【図３】同期電動機のＶ曲線を示すグラフである。
【図４】本発明の第１実施形態に係る風力発電装置の調相処理の流れを示すフローチャートである。
【図５】本発明の第１実施形態に係る風力発電装置が電力系統から供給される有効電力を圧力エネルギーとして蓄える場合を示した模式図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係るウインドファームの構成図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係るウインドファームの無効電力対応処理の流れを示すフローチャートである。
【図８】無効電力と有効電力の関係を示したグラフである。
【図９】本発明の第２実施形態に係るウインドファームが電力系統へ供給する無効電力の時間変化を示したグラフである。
【図１０】本発明の第２実施形態に係るウインドファームの有効電力吸収処理の流れを示すフローチャートである。
【図１１】本発明の第２実施形態に係るウインドファームの有効電力吸収処理の説明に要する図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下に、本発明に係る風力発電装置の制御装置、風力発電装置、ウインドファーム、及び風力発電装置の制御方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００３５】
〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態について説明する。
【００３６】
図１は、本第１実施形態に係る風力発電装置１０の外観図である。
本第１実施形態に係る風力発電装置１０は、発生した電力を電力系統へ送電するために系統連系されており、一例として洋上に設置される。風力発電装置１０は、基礎１２上に立設されるタワー（支柱）１４と、タワー１４の上端に設置されるナセル１６と、略水平な軸線周りに回転可能にしてナセル１６に設けられるロータ１８とを有している。
【００３７】
ロータ１８には、その回転軸線周りに放射状にして複数（本実施形態では、一例として３つ）の翼２０が取り付けられている。これにより、ロータ１８の回転軸線方向から翼２０に当たった風の力が、ロータ１８を回転軸線周りに回転させる動力に変換され、該動力が発電機によって電力に変換される。なお、翼２０は、風向きに対して回動可能なようにロータ１８に連結されており、翼２０のピッチ角度が変化可能とされている。
【００３８】
図２は、本第１実施形態に係る風力発電装置１０の電気的構造、及び油圧を用いてロータ１８の回転を増速させて同期発電機３０（巻線型同期発電機）へ伝達する構造を示した模式図である。
【００３９】
ロータ１８にはナセル１６内側に向けてロータシャフト３４が設けられ、ロータシャフト３４の端部には、周方向に複数の山部及び谷部が交互に設けられた花弁形のカム（不図示）が接続されている。
カムの周囲には、ロータシャフト３４を中心に放射状に配置された複数のピストンによって対応するシリンダ内の作動油を圧送する油圧ポンプ３２が設けられている。そして、ロータ１８の回転に伴ってカムが回転することによって、油圧ポンプ３２が有するピストンが、カムの山部と谷部とに交互に当接することとなる。油圧ポンプ３２が有するピストンがカムの山部に当接すると、ピストンは作動油をシリンダ外へ送出し、ピストンが谷部に当接すると、ピストンは作動油をシリンダ内へ吸引する。
【００４０】
一方、同期発電機３０のシャフト３６の端部には、ロータ１８の回転を増速させて同期発電機３０へ伝達する油圧モータ３８が設けられている。すなわち、油圧モータ３８は、油圧ポンプ３２から圧送されてきた作動油によって回転し、同期発電機３０をロータ１８の回転数以上の回転数で、すなわちロータ１８よりも速い速度で回転駆動させる。なお、シャフト３６には、同期発電機３０の励磁機４０が設けられている。
【００４１】
油圧モータ３８は、クランクシャフトを中心として複数のシリンダが放射状に配置され、クランクシャフトにはシリンダに設けられたピストンがクランクシャフトの偏心カム部を介して接続されている。そして、油圧モータ３８は、各シリンダへ油圧ポンプ３２から高圧マニホールド４２を介して作動油が送油されることによって、シリンダに設けられたピストンが往復運動を行い、油圧モータ３８のクランクシャフトを回転させることで、これに接続する同期発電機３０のシャフト３６を回転させる。また、油圧モータ３８のシリンダから押し出された作動油は、低圧マニホールド４４を介して油圧ポンプ３２へ戻される。
このように、高圧マニホールド４２は、油圧ポンプ３２から油圧モータ３８へ作動油を送油し、低圧マニホールド４４は、油圧モータ３８から油圧ポンプ３２へ作動油を送油する。
【００４２】
高圧マニホールド４２には、油圧ポンプ３２及び油圧モータ３８へ流入出する作動油を蓄えるアキュムレータ４６が設けられている。
【００４３】
同期発電機３０は、回転駆動することにより発電し、他の風力発電装置１０等が接続されている母線４８に昇圧変圧器５０を介して接続され、さらに連系変圧器５２を介して電力系統５４へ接続されている。これにより、風力発電装置１０は、発電出力を電力系統５４へ送電可能とされている。
【００４４】
また、風力発電装置１０は、風力発電装置１０の制御を司る風車制御装置６０を備えている。風車制御装置６０は、例えば、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な記録媒体等から構成されている。そして、後述するＰＩ制御部６２、トルク指令値生成部６４、油圧ドライブ制御部６６、界磁（励磁）制御部６７、及び発電機制御部６８の各種機能を実現するための一連の処理の過程は、一例として、プログラムの形式で記録媒体等に記録されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。
【００４５】
風車制御装置６０は、ロータ１８の回転数の目標値を示した目標ロータ回転数と計測されたロータ１８の回転数であるロータ回転数との差分をＰＩ制御部６２へ入力し、ロータ１８の回転数が目標ロータ回転数となるように翼ピッチ角指令値を生成して翼ピッチ角を変更するピッチアクチュエータ（不図示）へ出力する。
また、風車制御装置６０は、トルク指令値生成部６４によってロータ回転数に応じたトルク指令値を生成し、油圧ポンプ３２及び油圧モータ３８を制御する油圧ドライブ制御部６６へ出力する。なお、トルク指令値生成部６４は、ロータ回転数に対する最適なトルク指令値を示したテーブル情報を記憶しており、該テーブル情報に基づいてトルク指令値を生成する。
【００４６】
油圧ドライブ制御部６６は、油圧ポンプ３２及び油圧モータ３８を駆動させるための制御指令値を油圧ポンプ３２及び油圧モータ３８へ出力する。
【００４７】
油圧ポンプ３２及び油圧モータ３８が有するピストンは、シリンダ内への作動油の流入出を制御するバルブを開閉することで各々駆動、非駆動を選択可能とされている。
【００４８】
本第１実施形態に係る油圧ドライブ制御部６６は、トルク指令値が入力されると、油圧ポンプ３２が出力可能な最大トルクをトルク指令値で除算した結果に基づいて、油圧ポンプ３２を構成する各ピストンの駆動指令値（以下、「ピストン駆動指令値」という。）を算出する。ピストン駆動指令値は、制御指令値に含まれて油圧ポンプ３２へ入力される。油圧ポンプ３２は、ピストン駆動指令値に応じて駆動させるピストンの数を変更させることで、圧送させる作動油の量を変化させる。同様に、油圧モータ３８もピストン駆動指令値に応じて駆動させるピストンの数を変化させることで、トルク指令値に応じたトルクと回転数を出力することとなる。そして、このトルクがシャフト３６を介して発電機３０へ伝達されて、発電機３０は発電を行う。なお、発電機３０の発電出力はトルクと発電機３０の回転数（以下、「発電機回転数」という。）との積となる。
【００４９】
また、風車制御装置６０は、同期発電機３０を制御する界磁制御部６７を備えている。界磁制御部６７は、励磁機４０を制御することによって、同期発電機３０の界磁電流の大きさを変え、同期発電機３０から出力される無効電力及び有効電力を制御する。
【００５０】
さらに、本第１実施形態に係る界磁制御部６７は、風力発電装置１０が電力系統５４に系統連系されて同期発電機３０が同期速度に達している状態で、かつ同期発電機３０に伝達される動力が所定値以下となった場合、同期発電機３０を同期調相機として運転させ、同期発電機３０の界磁電流の大きさを制御する。
【００５１】
電力系統５４に系統連系されて同期発電機３０が同期速度に達している状態とは、同期発電機３０が無負荷でも回転可能な状態である。このような状態では、同期発電機３０の界磁電流の大きさを制御することで、電力系統５４へ供給する無効電力の大きさを制御することができる。例えば、無風状態となりロータ１８の回転が停止した場合等、同期発電機３０に動力が伝達されなくなった場合でも、系統連系されている同期発電機３０を電力系統５４へ無効電力を供給又は吸収する同期調相機として用いることができる。
【００５２】
また、風車制御装置６０が備える発電機制御部６８は、風力発電装置１０の近傍に設けられた風速計７０によって計測された風速の計測結果、及びロータ回転数が入力される。そして、発電機制御部６８は、風速の計測結果及びロータ回転数に応じて、油圧ドライブ制御部６６及び界磁制御部６７へ発電の開始及び停止等の各種制御信号を出力する。
【００５３】
図３は、同期電動機のＶ曲線を示す一般的なグラフである。
図３に示されるグラフは、横軸が界磁電流、縦軸が固定子電流であり、界磁電流の大きさに応じてＶ字状に固定子電流が変化することを示している。
そして、上述したように、同期発電機３０は、無負荷の状態において同期調相機として運転され、力率が１となる場合を境として、界磁電流を大きくすることで無効電力を電力系統５４へ供給できる一方、界磁電流を小さくすることで無効電力を電力系統５４から吸収することができる。
【００５４】
なお、本第１実施形態に係る風力発電装置１０では、一例として、上記所定値以下の動力を０（零）とする。同期発電機３０に伝達される動力が０、すなわち同期発電機３０に動力が伝達されない場合とは、例えば、ロータ１８が回転していない状態であり、通常の風力発電装置１０の運転状況において風速がカットイン風速以下又はカットアウト風速以上の場合である。これにより、風力発電装置１０は、簡易に同期発電機３０を同期調相機として運転させるタイミングを判定できる。
本第１実施形態に係る界磁制御部６７は、風速計７０による計測結果に基づいて、同期発電機３０を同期調相機として用いる処理（以下、「調相処理」という。）を実行する。
【００５５】
図４は、第１実施形態に係る風力発電装置１０の調相処理を行う場合に、界磁制御部６７によって実行されるプログラムの処理の流れを示すフローチャートであり、該プログラムは、風車制御装置６０に予め記憶されている。なお、調相処理は、上述したように同期発電機３０が電力系統５４に系統連系されて運転している状態で実行される。
【００５６】
まず、ステップ１００では、風速計７０の計測結果に基づいた発電機制御部６８による、風速がカットイン風速以下又はカットアウト風速以上であるか否かの判定結果が入力され、判定結果が肯定判定の場合はステップ１０２へ移行し、否定判定の場合は同期発電機３０による発電を継続させる。
【００５７】
ステップ１０２では、風速がカットイン風速以下又はカットアウト風速以上のため、トルク指令値生成部６４で生成されたトルク指令値はトルクが０（零）の状態を示すこととなるので、該トルク指令値に基づいて油圧モータ３８を停止させる。なお、この場合、翼２０の翼ピッチ角は最もフェザー側となるように制御される。
【００５８】
ステップ１０４では、風速計７０の計測結果に基づいた発電機制御部６８による、風速がカットイン風速超又はカットアウト風速未満であるか否かの判定結果が入力され、判定結果が否定判定の場合はステップ１０８へ移行し、肯定判定の場合はステップ１０６へ移行する。
ステップ１０４で肯定判定の場合とは、ロータ１８を回転させることが可能な場合である。このような場合は、同期発電機３０へ伝達される動力が所定値（本第１実施形態では０）を超える場合であり、ステップ１０６では、同期発電機３０を同期調相機として用いることが停止され、同期発電機３０が再起動されて発電が行われる。
【００５９】
ステップ１０８では、発電機回転数が規定値であるか否かを判定し、肯定判定の場合は、ステップ１１０へ移行し、否定判定の場合は、ステップ１２０へ移行する。
【００６０】
ステップ１１０では、同期発電機３０を保護するための発電機保護リレーの動作がないか否かを判定し、肯定判定の場合は、ステップ１１２へ移行し、否定判定の場合は、ステップ１２０へ移行する。
【００６１】
ステップ１１２では、同期発電機３０を同期調相機としての運転を開始させ、界磁電流を制御する。このように、本第１実施形態に係る風力発電装置１０は、同期発電機３０に伝達される動力が所定値以下（本第１実施形態では０（零））となったことをトリガとして、同期発電機３０を同期調相機に切り替える。
【００６２】
次のステップ１１４では、同期調相機として運転されている同期発電機３０の端子電圧が規定範囲外か否かを判定し、肯定判定の場合は、ステップ１１８へ移行し、否定判定の場合は、ステップ１１６へ移行する。
【００６３】
ステップ１１６では、電力系統５４の運用者（以下、「系統運用者」という。）から無効電力の減少または増加の要求が有るか否かを判定し、肯定判定の場合は、ステップ１１８へ移行し、否定判定の場合は、ステップ１０４へ戻り、風力発電装置１０を停止させるまで本処理を繰り返す。
【００６４】
ステップ１１８では、同期発電機３０の界磁電流の大きさを制御することによって、所望の端子電圧又は無効電力を同期調相機として運転されている同期発電機３０から出力させ、ステップ１０４へ戻り、風力発電装置１０を停止させるまで本処理を繰り返す。
【００６５】
一方、ステップ１０８又はステップ１１０で否定判定とされた場合は、同期発電機３０を系統連系できない状態であるため、ステップ１２０では、同期発電機３０を電力系統５４から解列させ、本処理を終了する。
【００６６】
また、本第１実施形態に係る風力発電装置１０は、油圧ポンプ３２及び油圧モータ３８によって、ロータ１８の回転速度が増速されて同期発電機３０へ伝達される。従って、本第１実施形態に係る風力発電装置１０は、油圧ポンプ３２及び油圧モータ３８を制御することによって、同期発電機３０の同期調相機としてより効果的に利用することができる。
【００６７】
例えば、電力系統５４からの無効電力の供給の要求があり、同期発電機３０を同期調相機として用いる必要が生じても、同期発電機３０が同期速度に達していなければ同期調相機として運転できない。このような場合は、例えば無風状態の場合である。
そこで、同期発電機３０が同期速度に達していない場合に、油圧ドライブ制御部６６が、アキュムレータ４６に蓄えられている加圧された作動油を高圧マニホールド４２に供給し、油圧モータ３８を回転させて、同期発電機３０を同期速度とする。すなわち、アキュムレータ４６に蓄えられている作動油の圧力エネルギーが、同期発電機３０を加速するためのエネルギーとして用いられる。これにより、風力発電装置１０は、風速に関係なく同期発電機３０を同期調相機として運転することができる。
【００６８】
なお、アキュムレータ４６は、例えば無風状態から同期発電機を同期速度とすることが可能な程度の作動油を蓄えられる容量が必要である。また、油圧ドライブ制御部６６は、同期発電機３０が同期速度に達すると、油圧モータ３８を停止させる。
【００６９】
さらに、風速がカットイン風速以下又はカットアウト風速以上等、故障以外の理由で風力発電装置１０が停止している場合に、発電機制御部６８が、同期発電機３０を同期電動機として動作させることによって、油圧モータ３８を油圧ポンプとして動作させて、ロータ１８が回転していなくてもアキュムレータ４６に作動油を加圧して蓄えさせる制御（以下、「蓄圧処理」という。）を行う。なお、この場合、油圧ポンプ３２は停止状態とされる。
【００７０】
同期発電機３０を同期電動機として用いることによって、図５に示されるように、電力系統５４の余剰電力（有効電力）を風力発電装置１０が消費することが可能となる。そして、この余剰電力は、アキュムレータ４６内の作動油の圧力エネルギーとして蓄えられることとなる。さらに、圧力エネルギーは、その後同期発電機３０を回転させるエネルギーとして用いることができる。このように、本第１実施形態に係る風力発電装置１０は、電力系統５４の余剰電力の蓄積及び放出が可能となる。
【００７１】
以上説明したように、本第１実施形態に係る風力発電装置１０の風車制御装置６０は、電力系統５４に系統連系されて同期発電機３０が同期速度に達している状態で、かつ同期発電機３０へ動力が伝達されない場合、同期発電機３０を同期調相機として運転させ、同期発電機の界磁電流の大きさを制御する。従って、本第１実施形態に係る風力発電装置１０は、半導体スイッチを用いた無効電力補償装置等の新たな機器を追加することなく、無効電力を電力系統５４へ供給することができる。
【００７２】
〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態について説明する。
【００７３】
図６は、本第２実施形態に係るウインドファーム８０の全体構成を示した図である。
ウインドファーム８０は、複数の風力発電装置１０、及び風力発電装置１０に対して制御信号等を送信するウインドファーム制御装置８２を備える。
【００７４】
本第２実施形態に係る風力発電装置１０の構成は、図１，２に示す第１実施形態に係る風力発電装置１０の構成と同様であるので説明を省略する。
【００７５】
ウインドファーム制御装置８２は、例えば、図示しないＣＰＵ（Central  Processing  Unit）、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体等から構成されている。
【００７６】
そして、本第２実施形態に係るウインドファーム８０は、電力系統５４へ供給する無効電力の総量に応じて、複数の風力発電装置１０が備える同期発電機を同期調相機として用いる無効電力対応処理を行う。
【００７７】
図７は、ウインドファーム８０の無効電力対応処理の流れを示すフローチャートである。
【００７８】
まず、ステップ２００では、ウインドファーム８０全体として電力系統５４へ供給もしくは吸収すべき無効電力の総量（目標値あるいは要求値）である無効電力指令値Ｑtotal_demandを決定する。この無効電力指令値は、系統運用者からの指令としてウインドファーム８０に入力される。または、無効電力指令値は、ウインドファーム制御装置８２に入力された連系点における無効電力計測値、電圧計測値、又は力率計測値に基づいて、電圧目標値Ｖtotal_demandもしくは力率目標値ＰＦtotal_demandが求められ、これら目標値を達成するために必要な無効電力の総量が目標値として決定される。
【００７９】
次のステップ２０２では、ウインドファーム８０内の風力発電装置１０において、風速がカットイン風速以下又はカットアウト風速以上となった風力発電装置１０を、第１実施形態において説明した調相処理によって、電力系統５４へ無効電力を供給する無効電力源として用いる。なお、以下の説明では、図６に示されるように、同期発電機３０を同期調相機として用いる運転を無効電力モードといい、同期発電機３０で発電する運転を通常発電モードをという。
なお、通常発電モードから無効電力モードへの切り替えのタイミングの決定、無効電力モードへ切り替える風力発電装置１０の台数、及び切り替える風力発電装置１０の選択等は、ウインドファーム制御装置８２によって行われる。そして、通常発電モードから無効電力モードへ切り替えられる風力発電装置１０には、ウインドファーム制御装置８２から制御指令値が送信される。
また、モードを切り替える風力発電装置１０の選択に際しては、個々の風力発電装置１０の運転状況を比較し、有効電力出力の小さいものから優先して切り替えることとしてもよい。
【００８０】
次のステップ２０４では、ウインドファーム制御装置８２が、風力発電装置１０の調相処理によって、ウインドファーム８０が供給又は吸収可能な無効電力の最大値Ｑtotal_maxを算出する。
【００８１】
次のステップ２０６では、ウインドファーム制御装置８２が、算出した無効電力の最大値Ｑtotal_maxが無効電力指令値Ｑtotal_demandを超えるか否かを判定し、肯定判定の場合は、ステップ２１０へ移行し、否定判定の場合は、ステップ２０８へ移行する。
【００８２】
ステップ２０８では、ウインドファーム８０が電力系統５４へ供給又は吸収する無効電力を増加させる。
【００８３】
具体的には、図８の無効電力と有効電力の関係に示されるように、風速がカットイン風速超又はカットアウト風速未満の場合における運転モードである通常運転モードで運転されている風力発電装置１０の一部もしくは全ての発電出力を制限もしくは停止することで、有効電力を小さくして調整可能な無効電力を増加させ、無効電力指令値Ｑtotal_demandにより示される無効電力の総量を達成する。
【００８４】
図９は、第２実施形態に係るウインドファーム８０が電力系統５４へ供給する無効電力の時間変化を示したグラフである。
【００８５】
時間Ｔ１までは、通常運転モードで運転されている風力発電装置１０から無効電力を電力系統５４へ供給することは考慮に入れられていない。すなわち、無効電力を供給している風力発電装置１０は、無効電力モードで運転されている風力発電装置１０のみである。このため、実際にウインドファーム８０が電力系統５４へ供給している無効電力の総量Ｑtotalは、無効電力の最大値Ｑtotal_maxと同じであり、無効電力指令値Ｑtotal_demamd以下である。
このため、通常運転モードで運転されている風力発電装置１０から無効電力を供給することも加味した無効電力の最大値Ｑtotal_maxが算出され、その後、無効電力の総量Ｑtotalが無効電力指令値Ｑtotal_demamdに達するように、通常運転モードで運転されている風力発電装置１０からも無効電力が供給される。
【００８６】
なお、発電出力の低減又は停止を通常運転モードで運転されている風力発電装置１０の一部で実施するか、全で実施するかは、無効電力指令値Ｑtotal_demandを制約条件とし、運転効率を最大化、又は有効電力損失及び無効電力損失の少なくとも一方を最小化できるように、ウインドファーム制御装置８２が決定する。
【００８７】
次のステップ２１０では、ウインドファーム制御装置８２が、無効電力の供給又は吸収の要求が終了したか否かを判定し、肯定判定の場合は、ステップ２１２へ移行し、否定判定の場合は、該要求が終了されるまで、ウインドファーム８０による電力系統５４への無効電力の供給又は吸収が継続される。
【００８８】
ステップ２１２では、ウインドファーム制御装置８２が、ウインドファーム８０を構成する風力発電装置１０の全てを通常発電モードへ移行させ、本処理を終了する。
【００８９】
さらに、ウインドファーム８０は、電力系統５４の有効電力が過剰な場合に、風力発電装置１０に有効電力を吸収させる有効電力吸収処理を行う。
図１０は、ウインドファーム８０の有効電力吸収処理の流れを示すフローチャートである。
【００９０】
まず、ステップ３００では、ウインドファーム８０全体として電力系統５４から吸収すべき有効電力の総量（目標値あるいは要求値）である有効電力指令値が決定される。この有効電力指令値は、系統運用者からの指令としてウインドファーム８０に入力される。または、有効電力指令値は、ウインドファーム制御装置８２に入力された連系点における有効電力計測値に基づいて、有効電力が所定値となるように決定される（図１１参照）。
【００９１】
次のステップ３０２では、ウインドファーム８０内の一部の風力発電装置１０による発電を停止させ、第１実施形態において説明した蓄圧処理によって、電力系統５４から有効電力を吸収させる。なお、以下の説明では、図１１に示されるように、蓄圧処理を行う運転を有効電力吸収モードという。
なお、通常発電モードから有効電力吸収モードへの切り替えのタイミング、有効電力吸収モードへ切り替える風力発電装置１０の台数、及び切り替える風力発電装置１０の選択等は、ウインドファーム制御装置８２によって行われる。そして、通常発電モードから有効電力吸収モードへ切り替えられる風力発電装置１０には、ウインドファーム制御装置８２から制御指令値が送信される。
また、モードを切り替える風力発電装置１０の選択に際しては、個々の風力発電装置１０の運転状況を比較し、有効電力出力の小さいものから優先して切り替えることとしてもよい。
【００９２】
次のステップ３０４では、ウインドファーム制御装置８２が、風力発電装置１０の蓄圧処理によって、ウインドファーム８０が吸収可能な有効電力の最大値を算出する。
【００９３】
次のステップ３０６では、ウインドファーム制御装置８２が、算出した有効電力の最大値が有効電力指令値と同じであるか否かを判定し、肯定判定の場合は、ステップ３１０へ移行し、否定判定の場合は、ステップ３０８へ移行する。
【００９４】
ステップ３０８では、有効電力吸収モードへ切り替える風力発電装置１０の台数を増加又は減少させて、ウインドファーム８０が電力系統５４から吸収する有効電力を増減させる。
【００９５】
次のステップ３１０では、ウインドファーム制御装置８２が、有効電力の吸収の要求が終了したか否かを判定し、肯定判定の場合は、ステップ３１２へ移行し、否定判定の場合は、該要求が終了されるまで、ウインドファーム８０による電力系統５４からの有効電力の吸収が継続される。
【００９６】
ステップ３１２では、ウインドファーム制御装置８２が、ウインドファーム８０を構成する風力発電装置１０の全てを通常発電モードへ移行させ、本処理を終了する。
【００９７】
以上、本発明を、上記各実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記各実施形態に多様な変更または改良を加えることができ、該変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
【００９８】
例えば、上記各実施形態では、風力発電装置１０として、油圧ポンプ３２及び油圧モータ３８によって、ロータ１８の回転速度を増速して同期発電機３０へ伝達する形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。例えば、風力発電装置として、増速機によってロータ１８の回転速度を増速して同期発電機３０へ伝達する形態としてもよい。なお、この形態の場合、アキュムレータ４６を備えないため、アキュムレータ４６を用いた各処理は実行できない。
【００９９】
また、上記各実施形態では、同期発電機３０に動力が伝達されなくなった場合に、系統連系されている同期発電機３０を同期調相機として用いる形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。例えば、風力発電装置１０の消費電力に相当する有効電力を出力可能な動力が伝達されている場合に、同期発電機３０を同期調相機として用いてもよい。この形態の場合、風力発電装置１０は、電力系統５４へ無効電力を供給すると共に、風力発電装置１０の消費電力を賄うための有効電力を電力系統５４へ供給できる。
【０１００】
また、上記各実施形態では、同期発電機３０に動力が伝達されない場合を、風速がカットイン風速以下又はカットアウト風速以上の場合とする形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。例えば、ロータ回転数が予め定められた回転数以下となった場合を、同期発電機３０に動力が伝達されない場合とし、同期発電機３０を同期調相機として運転させ、同期発電機３０の界磁電流の大きさを制御する形態としてもよい。
【０１０１】
また、上記各実施形態で説明した各処理の流れも一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内において不要なステップを削除したり、新たなステップを追加したり、処理順序を入れ替えたりしてもよい。
【符号の説明】
【０１０２】
１０    風力発電装置
１８    ロータ
２０    翼
３０    同期発電機
３２    油圧ポンプ
３８    油圧モータ
４６    アキュムレータ
６０    風車制御装置
６６    油圧ドライブ制御部
６７    界磁制御部
６８    発電機制御部
８０    ウインドファーム
【図１】
0006021121.tif 000002
【図２】
0006021121.tif 000003
【図３】
0006021121.tif 000004
【図４】
0006021121.tif 000005
【図５】
0006021121.tif 000006
【図６】
0006021121.tif 000007
【図７】
0006021121.tif 000008
【図８】
0006021121.tif 000009
【図９】
0006021121.tif 000010
【図１０】
0006021121.tif 000011
【図１１】
0006021121.tif 000012