(57)【要約】  系統擾乱が発生した場合に、発生初期の段階から周波数変動を抑制することを目的とする。系統擾乱が発生した場合に、系統擾乱の初期段階においては、風車の出力の周波数変動を抑制するように各風車の出力制御を行い、系統擾乱の後期段階においては、系統周波数を抑制するように各風車の出力制御を行う。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の風車の出力が共通の連系点を通じて電力系統に供給される風力発電システムに適用され、各前記風車に対応してそれぞれ設けられた風車制御装置であって、
前記連系点における周波数変動を抑制する出力指令を生成するための第１指令情報を設定する第１設定手段と、
対応する前記風車の出力の周波数変動を抑制する出力指令を生成するための第２指令情報を設定する第２処理手段と、
前記連系点における周波数変動が所定の第１閾値を超える系統擾乱が発生した場合に、該系統擾乱の初期段階に前記第２指令情報を選択し、当該系統擾乱の後期段階に前記第１指令情報を選択する選択手段と、
前記選択手段によって選択された指令情報を用いて出力指令を生成する指令生成手段と
を具備する風車制御装置。
【請求項２】
前記第１処理手段は、周波数変動と第１指令情報との関係が予め設定されている変換情報を用いて、前記連系点における周波数変動に対応する第１指令情報を取得して設定する請求項１に記載の風車制御装置。
【請求項３】
前記第２処理手段は、周波数変動と第２指令情報との関係が予め設定されている変換情報を用いて、前記風車の出力の周波数変動に対応する第２指令情報を取得して設定する請求項１または請求項２に記載の風車制御装置。
【請求項４】
周波数変動が前記第１閾値以下の値に設定された第２閾値未満である状態が所定の期間維持された場合、または、該周波数の変動周期が所定の第３閾値を越えた場合に、前記初期段階から前記後期段階に移行したと判定する状態判定手段を備え、
前記選択手段は、前記状態判定手段の判定結果に基づいて選択を行う請求項１から請求項３のいずれかに記載の風車制御装置。
【請求項５】
前記第１設定手段は、前記連系点における出力を制御する中央制御手段から前記第１指令情報を受信し、受信した前記第１指令情報を設定する請求項１から請求項４のいずれかに記載の風車制御装置。
【請求項６】
複数の風車の出力が共通の連系点を通じて電力系統に供給される風力発電システムに適用される各前記風車の制御方法であって、
前記連系点における周波数変動を抑制する出力指令を生成するための第１指令情報を設定する第１設定過程と、
対応する前記風車の出力の周波数変動を抑制する出力指令を生成するための第２指令情報を設定する第２処理過程と、
前記連系点における周波数変動が所定の第１閾値を超える系統擾乱が発生した場合に、該系統擾乱の初期段階に前記第２指令情報を選択し、当該系統擾乱の後期段階に前記第１指令情報を選択する選択過程と、
前記選択過程によって選択された指令情報を用いて出力指令を生成する指令生成過程と
を含む風車の制御方法。
【請求項７】
複数の風車を備え、各前記風車の出力が共通の連系点を通じて電力系統に供給される風力発電システムであって、
前記連系点における出力を制御する中央制御手段と、
各前記風車に対応してそれぞれ設けられ、対応する前記風車の出力を制御する複数の風車制御手段と
を備え、
前記中央制御手段は、
前記連系点における周波数変動を抑制する出力指令を生成するための第１指令情報を設定する第１処理手段と、
前記第１処理手段によって設定された各前記風車の第１指令情報をそれぞれの前記風車に送信する送信手段と
を備え、
各前記風車制御手段は、
前記中央制御手段から前記第１指令情報を受信する受信手段と、
受信した前記第１指令情報を設定する第１設定手段と、
対応する前記風車の出力の周波数変動を抑制する出力指令を生成するための第２指令情報を設定する第２処理手段と、
前記連系点における周波数変動が所定の第１閾値を超える系統擾乱が発生した場合に、該系統擾乱の初期段階に前記第２指令情報を選択し、当該系統擾乱の後期段階に前記第１指令情報を選択する選択手段と、
前記選択手段によって選択された指令情報を用いて出力指令を生成する指令生成手段と
を具備する風力発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風車制御装置及びその方法並びに風力発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、発電機のトリップや系統故障などにより電力供給能力が低下した場合、系統擾乱（周波数の変動等）が発生することが知られている。このような系統擾乱時における風車の制御方法として、例えば、日本特許第４７８２２４５号公報には、周波数変動量と有効電力指令値との予め設定された関係を示す変換情報に基づいて、系統擾乱を抑制する方向に風車の有効電力を制御する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】日本特許第４７８２２４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、風力発電の発電規模は拡大しており、系統擾乱が発生した場合には、初期から擾乱を抑制することが有効となる。
本発明は、系統擾乱が発生した場合に、発生初期の段階から周波数変動を抑制することのできる風車制御装置及びその方法並びに風力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】
【０００５】
本発明の第１態様は、複数の風車の出力が共通の連系点を通じて電力系統に供給される風力発電システムに適用され、各前記風車に対応してそれぞれ設けられた風車制御装置であって、前記連系点における周波数変動を抑制する出力指令を生成するための第１指令情報を設定する第１設定手段と、対応する前記風車の出力の周波数変動を抑制する出力指令を生成するための第２指令情報を設定する第２処理手段と、前記連系点における周波数変動が所定の第１閾値を超える系統擾乱が発生した場合に、該系統擾乱の初期段階に前記第２指令情報を選択し、当該系統擾乱の後期段階に前記第１指令情報を選択する選択手段と、前記選択手段によって選択された指令情報を用いて出力指令を生成する指令生成手段とを具備する風車制御装置である。【０００６】
本発明の第２態様は、複数の風車の出力が共通の連系点を通じて電力系統に供給される風力発電システムに適用される各前記風車の制御方法であって、前記連系点における周波数変動を抑制する出力指令を生成するための第１指令情報を設定する第１設定過程と、対応する前記風車の出力の周波数変動を抑制する出力指令を生成するための第２指令情報を設定する第２処理過程と、前記連系点における周波数変動が所定の第１閾値を超える系統擾乱が発生した場合に、該系統擾乱の初期段階に前記第２指令情報を選択し、当該系統擾乱の後期段階に前記第１指令情報を選択する選択過程と、前記選択過程によって選択された指令情報を用いて出力指令を生成する指令生成過程とを含む風車の制御方法である。【０００７】
本発明の第３態様は、複数の風車を備え、各前記風車の出力が共通の連系点を通じて電力系統に供給される風力発電システムであって、前記連系点における出力を制御する中央制御手段と、各前記風車に対応してそれぞれ設けられ、対応する前記風車の出力を制御する複数の風車制御手段とを備え、前記中央制御手段は、前記連系点における周波数変動を抑制する出力指令を生成するための第１指令情報を設定する第１処理手段と、前記第１処理手段によって設定された各前記風車の第１指令情報をそれぞれの前記風車に送信する送信手段とを備え、各前記風車制御手段は、前記中央制御手段から前記第１指令情報を受信する受信手段と、受信した前記第１指令情報を設定する第１設定手段と、対応する前記風車の出力の周波数変動を抑制する出力指令を生成するための第２指令情報を設定する第２処理手段と、前記連系点における周波数変動が所定の第１閾値を超える系統擾乱が発生した場合に、該系統擾乱の初期段階に前記第２指令情報を選択し、当該系統擾乱の後期段階に前記第１指令情報を選択する選択手段と、前記選択手段によって選択された指令情報を用いて出力指令を生成する指令生成手段とを具備する風力発電システムである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、系統擾乱が発生した場合に、発生初期の段階から周波数変動を抑制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風力発電システムの全体構成を示す図である。
【図２】図１に示した風車の外観図である。
【図３】図１に示した風車の電気的構成を概略的に示した模式図である。
【図４】図１に示した中央制御装置のハードウェア構成の一例を示した図である。
【図５】図１に示した中央制御装置及び風車制御装置が備える機能のうち、周波数抑制制御に関する機能を主に示した機能ブロック図である。
【図６】変換情報の一例を示した図である。
【図７】系統擾乱の初期段階及び後期段階について説明するための図である。
【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風車制御装置及びその方法並びに風力発電システムについて図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る風力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、風力発電システム１は、複数の風車１０−１，・・・，１０−ｎ（以下、全ての風車を示すときは単に符号「１０」を付し、各風車を示すときは符号「１０−１」、「１０−ｎ」等を付す。）と、各風車１０に対して第１補正値を与える中央制御装置２とを備えている。
【００１１】
本実施形態において、全ての風車１０は、風速に応じて回転速度を制御可能な可変速風車とされている。各風車１０から出力された電力は、各電力線により共通の連系点Ａを経由して電力系統３に供給される。
連系点Ａの系統周波数は、周波数検出部２５（図５参照）によって計測され、中央制御装置２に出力される。
【００１２】
中央制御装置２は、連系点Ａにおける出力を制御する制御装置であり、平常時においては、例えば、電力系統３の電力を管理する電力管理室（例えば、電力会社等）から通知される要求周波数や要求電力値に、連系点Ａにおける出力を一致させるような有効電力指令を各風車に対して設定する。中央制御装置２によって設定された各風車の有効電力指令は、各風車１０−１，・・・，１０−ｎが備える風車制御装置２０に送信され、この有効電力指令に基づく出力制御が各風車において行われる。
【００１３】
図２は、風車１０の外観図、図３は風車１０の電気的構成を示した模式図である。
図２に示すように、風車１０は、基礎５上に立設されるタワー６と、タワー６の上端に設置されるナセル７と、略水平な軸線周りに回転可能にしてナセル７に設けられるロータヘッド８とを有している。
【００１４】
ロータヘッド８には、その回転軸線周りに複数のブレード９が放射状に取り付けられている。ブレード９は、運転条件に応じてロータヘッド８に対して回動可能なように連結されており、ピッチ角が変化可能とされている。
【００１５】
図３に示すように、ロータヘッド８の回転軸２１には、増速機２２および発電機２３が機械的に連結されている。発電機２３は、同期発電機であってもよいし、誘導発電機であってもよい。増速機２３が設けられていない構成とすることも可能である。
【００１６】
ロータヘッド８の回転軸線方向からブレード９に当たった風の力によってロータヘッド８が回転軸周りに回転させられ、その回転力が増速機２２により増速されて、発電機２３に伝達され、電力に変換される。発電機２３の発電電力は、電力変換部２４により電力系統３に応じた電力に変換され、変圧器１９を介して電力系統１へ供給される。
【００１７】
電力変換部２４は、風車制御装置２０によって制御される。風車制御装置２０は、電力変換部２４を制御することにより発電機２３の出力を制御する機能、ブレード９のピッチ角を制御する機能等を備えている。
【００１８】
上記中央制御装置２及び風車制御装置２０は、コンピュータを備えており、例えば、図４に示すように、ＣＰＵ１１と、ＣＰＵ１１が実行するプログラム等を記憶するためのＲＯＭ（Read Only Memory）１２と、各プログラム実行時のワーク領域として機能するＲＡＭ（Random Access Memory）１３と、大容量記憶装置としてのハードディスクドライブ（HDD）１４と、通信ネットワークに接続するための通信インターフェース１５とをそれぞれ備えている。これら各部は、バス１８を介して接続されている。
【００１９】
また、中央制御装置２は、外部記憶装置が装着されるアクセス部、キーボードやマウス等からなる入力部、およびデータを表示する液晶表示装置等からなる表示部などを備えていてもよい。
【００２０】
上記ＣＰＵ１１が実行するプログラム等を記憶するための記憶媒体は、ＲＯＭ１２に限られない。例えば、磁気ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリ等の他の補助記憶装置であってもよい。
【００２１】
図５は、中央制御装置２及び風車制御装置２０が備える機能のうち、例えば、系統擾乱（周波数変動）が発生した場合に作動する周波数制御に関する機能を主に示した機能ブロック図である。
中央制御装置２は、連系点Ａにおける周波数変動を抑制するための第１指令情報を風車毎に生成し、生成した第１指令情報を各風車１０−１、・・・１０−ｎの風車制御装置２０に送信する。
【００２２】
例えば、中央制御装置２は、図５に示すように、第１処理部３１と、送信部３２とを備えている。
第１処理部３１は、偏差算出部３３と、パラメータ変換部３４と、補正値設定部３５とを備えている。
【００２３】
偏差算出部３３は、周波数検出部２５によって検出された系統周波数と電力管理室から通知される定格周波数との偏差である系統周波数偏差Δｆgridを算出する。すなわち、系統周波数偏差Δｆgridは、以下の（１）式で表わされる。
【００２４】
Δｆ＝ｆref−ｆgrid      （１）
【００２５】
上記（１）式においてｆrefは定格周波数、ｆgridは系統周波数である。
【００２６】
パラメータ変換部３４は、周波数偏差Δｆと電力補正値ΔＰとの関係が設定された変換情報を有しており、この変換情報を用いて偏差算出部３３によって算出された系統周波数偏差Δｆgridに対応する系統電力補正値ΔＰgridを取得する。
【００２７】
図６に変換情報の一例を示す。図６において横軸は周波数偏差Δｆ、縦軸は電力補正値ΔＰを示している。図６に示された変換特性は、風車の設計に応じて任意に設定できるものであり、ここでは、傾きが正の一次関数として定義されている。
【００２８】
パラメータ変換部３４で取得された系統電力補正値ΔＰgridは、補正値設定部３５に出力される。補正値設定部３５は、系統電力補正値ΔＰgridを運転中の風車の台数ｎで除算することにより、系統電力補正値ΔＰgridを均等に各風車に按分し、各風車に対応する第１電力補正値ΔＰid_ｎ，・・・，ΔＰid_ｎを設定する。
【００２９】
なお、各風車１０−１，・・・１０−ｎに対して重み付け係数を予め設定しておき、この重み付け係数を利用して、系統電力補正値ΔＰgridの運転中の各風車に対する配分を決定することとしてもよい。
このようにして設定された各風車の第１電力補正値ΔＰid_１，・・・，ΔＰid_ｎは、第１指令情報として各風車の風車制御装置２０に送信される。
【００３０】
各風車制御装置２０は、受信部４０と、第１設定部４１と、第２処理部４２と、選択部４３と、状態判定部４４と、有効電力指令生成部４５とを備えている。なお、各風車１０−１，・・・，１０−ｎが備える風車制御装置２０の構成は同様であることから、以下、説明の便宜上、風車１０−１の風車制御装置２０の構成を代表例に挙げて説明する。
【００３１】
受信部４０は、中央制御装置２から送信された第１電力補正値ΔＰid_１を受信し、第１設定部４１に出力する。第１設定部４１は、受信部４０によって受信された第１電力補正値ΔＰid_１を設定する。このように、第１設定部４１によって設定される第１電力補正値ΔＰid_１は、系統周波数の変動を抑制するための電力補正値とされる。
第２処理部４２は、対応する風車１０−１の出力の周波数変動を抑制する出力指令を生成するための第２指令情報を設定する。具体的には、第２処理部４２は、偏差算出部４６と、パラメータ変換部４７とを備えている。
【００３２】
偏差算出部４６には、周波数検出部２６によって検出された風車１０−１の出力の周波数（以下「風車周波数」という。）が入力される。偏差算出部４６は、入力された風車周波数と上記定格周波数との風車周波数偏差Δｆwd_1を算出する。すなわち、風車周波数偏差Δｆwd_1は、以下の（２）式で表わされる。
【００３３】
Δｆwd_1＝ｆref−ｆwd_1      （２）
【００３４】
上記（２）式においてｆrefは定格周波数、ｆwd_1は風車１０−１の風車周波数である。
【００３５】
パラメータ変換部４７は、例えば、図６に示した変換情報を有しており、この変換情報を用いて偏差算出部４６によって算出された風車周波数偏差Δｆwd_1に対応する風車電力補正値ΔＰwd_1を取得し、これを第２電力補正値（第２指令情報）として設定する。
【００３６】
選択部４３には、第１設定部４１によって設定された第１電力補正値と、第２処理部４２によって設定された第２電力補正値とが入力される。選択部４３は、系統擾乱が発生した場合に、当該系統擾乱の初期段階に第２電力補正値を選択し、当該系統擾乱の後期段階に第１電力補正値を選択して、有効電力指令生成部４５に出力する。系統擾乱が発生したこと、系統擾乱の初期段階であること、系統擾乱の後期段階であることは、状態判定部４４からの入力信号によって判別される。
【００３７】
状態判定部４４は、連系点Ａにおける周波数変動が所定の第１閾値を超えた場合に系統擾乱の発生を検知し、Ｈｉｇｈ信号を選択部４３に出力する。また、擾乱発生後において、系統周波数の変動幅が第１閾値以下の値に設定された第２閾値未満である状態が所定の期間以上維持された場合に、初期段階から後期段階に移行したと判定して、出力信号をＨｉｇｈ信号からＬｏｗ信号に切り替える。
【００３８】
選択部４３は、状態判定部４４からＨｉｇｈ信号が入力されている期間において、第２電力補正値ΔＰwd_1を選択する。また、選択部４３は、状態判定部４４からＬｏｗ信号が入力されている期間において、第１電力補正値ΔＰid_1を選択して、有効電力指令生成部４５に出力する。
【００３９】
有効電力指令生成部４５は、例えば、基準となる基準有効電力指令を保有しており、この基準有効電力指令に選択部４３から入力された第１電力補正値または第２電力補正値を加算することで、有効電力指令を生成する。更に、この有効電力指令に基づいて電力変換部２４を制御するための制御信号Ｐｄｅｍを生成し、電力変換部２４に出力する。
【００４０】
なお、上記基準有効電力指令は固定値であってもよいし、現在の発電機２３の出力、ロータヘッド８の回転数、ブレード９のピッチ角、及び風速等を用いて所定の演算を行うことにより逐次演算される値であってもよい。
【００４１】
上記構成を備える風力発電システムにおいては、中央制御装置２により、系統周波数が定格周波数となるような第１電力補正値が所定の時間間隔で設定され、この第１電力補正値が各風車の風車制御装置２０に送信される。
【００４２】
風車制御装置２０では、受信部４０により中央制御装置２からの第１電力補正値が受信されて、第１設定部４１により第１電力補正値が設定される。更に、第２処理部４２により、対応する風車の出力周波数を定格周波数とする第２電力補正値が設定される。
【００４３】
状態判定部４４では、例えば、図７に示すように、時刻Ｔ０において系統擾乱が発生したことが検知されるとＨｉｇｈ信号が出力され、その後、時間が経過することにより、図７の時刻Ｔ１において、連系点Ａにおける周波数変動が第２閾値未満である状態が所定の期間維持されたことが検知されると、系統擾乱の後期段階に移行したことが検知されて出力信号がＨｉｇｈ信号からＬｏｗ信号に切り替えられる。
【００４４】
これにより、選択部４３においては、系統擾乱発生から初期段階においては（図７の時刻Ｔ０からＴ１の期間）、第２電力補正値が選択され、系統擾乱の初期段階から後期段階に移行した後においては（図７の時刻Ｔ１以降）、第１電力補正値が選択される。従って、系統擾乱発生の初期段階においては、風車周波数の変動を抑制する第２電力補正値を用いた有効電力指令が有効電力指令生成部４５によって生成され、この有効電力指令に基づいて風車の出力が制御される。また、系統擾乱の後期段階においては、系統周波数の変動を抑制する第１電力補正値を用いた有効電力指令が有効電力指令生成部４５によって生成され、この有効電力指令に基づいて風車の出力が制御される。
【００４５】
以上説明したように、本実施形態に係る風車制御装置２０及びその方法並びに風力発電システム１によれば、系統擾乱が発生した場合に、系統擾乱の初期段階においては風車の個々の出力の周波数変動を抑制する出力制御各風車において行われ、系統擾乱の後期段階においては連系点Ａにおける系統周波数を抑制する出力制御が各風車において行われる。
【００４６】
風車毎の出力周波数を抑制する制御は、系統周波数を抑制する制御よりも応答性が高い。従って、系統擾乱の初期段階においては風車毎の出力周波数変動を抑制する制御を選択することにより、連系点Ａにおける周波数変動を効果的に抑制することが可能となる。
【００４７】
本実施形態においては、連系点Ａにおける周波数変動が第２閾値未満である状態が所定の期間維持された場合に、系統擾乱の後期段階に移行したと判定していたが、この条件に代えて、例えば、連系点Ａにおける周波数変動の周期が予め設定されている第３閾値を超えた場合に、系統擾乱の後期段階に移行したと判断することとしてもよい。更に、状態判定部４４がこれら２つの条件を保有しており、いずれか一方の条件を満たした場合に、系統擾乱の後期段階に移行したと判断することとしてもよい。
【００４８】
本実施形態では、系統周波数に基づいて系統擾乱の発生、初期段階から後期段階への移行を判定していたが、これに代えて、各風車の出力周波数を用いて、系統擾乱の発生、初期段階から後期段階への移行を判定することとしてもよい。
【００４９】
本実施形態では、第１設定部、第２処理部によってそれぞれ設定される第１指令情報、第２指令情報を電力補正値としていたが、これに代えて、第１電力補正値が反映された第１有効電力指令、第２電力補正値が反映された第２有効電力指令を第１指令情報、第２指令情報として設定することとしてもよい。
【００５０】
この場合には、例えば、第１設定部４１と選択部４３との間、及び、パラメータ変換部４７と選択部４３との間に、有効電力指令生成部４５を設ければよい。更に、この場合においては、中央制御装置２が風車毎に連系点Ａにおける周波数変動を抑制するような第１有効電力指令を生成し、生成した第１有効電力指令を各風車１０に対して送信することとしてもよい。この場合、中央制御装置２から受信した第１有効電力指令が第１設定部４１によって設定されることとなる。
【符号の説明】
【００５１】
１  風力発電システム
２  中央制御装置
３  電力系統
１０−１、１０−ｎ  風車
２０  風車制御装置
２５、２６  周波数検出部
３１  第１処理部
３２  送信部
３３  偏差算出部
３４  パラメータ変換部
３５  補正値設定部
４０  受信部
４１  第１設定部
４２  第２処理部
４３  選択部
４４  状態判定部
４５  有効電力指令生成部
４６  偏差算出部
４７  パラメータ変換部
Ａ  連系点
【図１】
2013125044.tif 000003
【図２】
2013125044.tif 000004
【図３】
2013125044.tif 000005
【図４】
2013125044.tif 000006
【図５】
2013125044.tif 000007
【図６】
2013125044.tif 000008
【図７】
2013125044.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成25年6月3日(2013.6.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２】
前記第１設定手段は、周波数変動と第１指令情報との関係が予め設定されている変換情報を用いて、前記連系点における周波数変動に対応する第１指令情報を取得して設定する請求項１に記載の風車制御装置。
【国際調査報告】
2013125044.tif 000010
2013125044.tif 000011
2013125044.tif 000012
2013125044.tif 000013