(57)【要約】  送電線配置構成部を介して出力電力を供給する複数の風力タービンを含む風力発電プラントを制御する方法であって、風力発電プラント内の各風力タービンは、公称電力限界設定値を有する。方法は、送電線配置構成部上の余裕容量を求めることと、上記風力タービンが、送電線配置構成部上の余裕容量を利用するために、風力タービンのそれぞれの公称電力限界設定値を超えるように稼働可能であるように、求められた余裕容量に依存して風力タービンのうちの１基以上を構成することとを含む。本発明の態様はまた、方法を実施するように構成される発電プラント制御装置に関する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
送電線配置構成部を介して出力電力を供給する複数の風力タービンを含む風力発電プラントを制御する方法であって、該風力発電プラント内の各風力タービンは、公称電力限界設定値を有し、該方法は、
前記送電線配置構成部上の余裕容量を求めることと、
前記風力タービンが、前記送電線配置構成部上の前記余裕容量を利用するために、該風力タービンのそれぞれの公称電力限界設定値を超えるように稼働可能であるように、前記求められた余裕容量に依存して前記風力タービンのうちの１基以上を構成することと、
を含む、方法。
【請求項２】
前記風力発電プラント内の前記風力タービンのうちの１基以上を構成することは、前記風力タービンのうちの選択された風力タービンに、適切な風条件中に該風力タービンのそれぞれの公称電力限界設定値を超えるようにコマンドすることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記風力タービンに、前記公称電力限界設定値を超えることを許容する分の量を示すマージン値を送信することを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記マージン値は、前記風力発電プラントの前記余裕容量を、稼働状態にある風力タービンの数によって除算したものに依存して求められる、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記風力発電プラント内の前記風力タービンのうちの１基以上を構成することは、それぞれの風力タービンに新たな公称電力限界設定値を提供することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記風力タービンのうちの１基以上の公称電力限界設定値を構成することは、通信ネットワークを介してそれぞれの風力タービンに新たな公称電力限界設定値を送信することを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記風力タービンのうちの１基以上の公称電力限界設定値を構成することは、反復プロセスを用いて複数の新たな公称電力限界設定値を提供することを含む、請求項５又は６に記載の方法。
【請求項８】
前記新たな公称電力設定限界値は、前記風力発電プラントの前記余裕容量を、稼働状態にある風力タービンの数によって除算したものに基づいている、請求項５〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記風力タービンのうちの１基以上の公称電力限界設定値を構成することは、他のタービンの風車後流によって影響を受ける１基以上の風力タービンを特定することと、該特定された風力タービンのうちの１基以上に新たな電力限界設定値を提供することとを含む、請求項５〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記風力タービンの前記公称電力限界設定値は、定格電力設定値である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記送電線配置構成部上の余裕容量を求めるステップは、前記送電線配置構成部上の測定電力を、該送電線配置構成部上の最大送電容量の値と比較することを含む、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
前記最大送電容量は、環境条件に依存して変動する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
測定電力は、測定皮相電力、測定有効電力、又は測定無効電力のうちの少なくとも１つである、請求項１１又は１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記送電線上の前記測定電力は、フィルタリングされることで、発電時の短期変動が考慮される、請求項１１〜１３のいずれか１項に記載される方法。
【請求項１５】
送電線配置構成部に出力電力を供給するように、該送電線配置構成部に結合された複数の風力タービンを含む風力発電プラントの発電プラント制御装置であって、該発電プラント制御装置は、
前記送電線配置構成部上の余裕容量を求め、
前記送電線配置構成部上の前記余裕容量を利用するために、前記求められた余裕容量に依存して前記風力タービンのうちの１基以上を該風力タービンのそれぞれの公称電力限界設定値を超えるように前記風力タービンを稼働可能とするように構成する、
発電プラント制御装置。
【請求項１６】
プロセッサと、メモリモジュールと、入力／出力システムとを少なくとも備える発電プラント制御装置であって、前記メモリモジュールは、前記プロセッサによって実行されると、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の方法を実施する一揃いのプログラムコード命令を含む、発電プラント制御装置。
【請求項１７】
請求項１〜１４のいずれか１項に記載の方法を実施するプログラムコード命令を含む、通信ネットワークからダウンロード可能であり、及び／又は機械可読媒体に記憶された、コンピュータープログラム製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の態様は、包括的には、発電プラントのエネルギー生成効率を改善するために、風力発電プラントを制御する方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電プラントは、共通の地理的エリアにおいてまとめてグループ化されるとともに、配電網に、共通連結点において電気的に結合される複数の風力タービンを含む。常にではないが、共通連結点は、中間変電所であることが多い。
【０００３】
エネルギー生成コストの低減化を追求していく中で、全体として、ケーブル類、設置機器及び発電プラント制御システム等のプラントインフラストラクチャにおいて規模の経済性を利用するために、数百基とまではならずとも数十基の風力タービンを含むように、風力発電プラントが大規模化される傾向にある。
【０００４】
発電プラント内の個々の風力タービンは、発電プラント制御システム又は「制御装置」によって制御される。通常、発電プラント制御装置は、送電システム事業者によってこの発電プラント制御装置に送信された電力需要を解釈する役割と、その制御下にある風力タービンに対して電力出力要件を通信する役割とを担う。一方で、発電プラント内の全ての風力タービンは、最大でそれらの最大連続稼働限界値又は「定格電力」設定値まで稼働可能である。これは、定格風速以上の風速の場合、風力タービンは、所定の電力出力又は「定格電力」を生み出すことを意味する。風速が危険な程に上昇した場合、風力タービンは、それらの出力電力を縮小するか、又は完全に稼働を停止させるように構成され、それにより、それらのコンポーネントが保護されるとともに、風力タービンの予想稼働寿命に悪影響を及ぼすことがないことが確保される。
【０００５】
風力発電プラントを設計することは、風力発電プラントの提案される設置現場に関する風速の正確な予測に依拠する複雑なプロセスである。通常、提案される電力プラントのロケーションにおける平均風速は、発電プラント内で用いられることになる風力タービンの定格電力出力を決定するパラメーターである。一方で、平均風速は、特定のロケーションについての風プロファイル全体の１つの要素を提供するのみであるので、風力タービンの稼働容量を完全に最適化して、年間エネルギー生成の増大の観点で利益を達成するという機会が逸失される場合があり得る。本発明は、このような背景に対して、考案された。
【発明の概要】
【０００６】
本発明は、第１の態様において、送電線配置構成部を介して出力電力を供給する複数の風力タービンを含む風力発電プラントを制御する方法であって、該風力発電プラント内の各風力タービンは、公称電力限界設定値を有し、該方法は、送電線配置構成部上の余裕容量を求めることと、上記風力タービンが、送電線配置構成部上の余裕容量を利用するために、該風力タービンのそれぞれの公称電力限界設定値を超えるように稼働可能であるように、求められた余裕容量に依存して風力タービンのうちの１基以上を構成することとを含む方法を提供する。
【０００７】
本発明は、送電線配置構成部に出力電力を供給するように、該送電線配置構成部に結合された複数の風力タービンを含む風力発電プラントの発電プラント制御装置であって、該発電プラント制御装置は、送電線配置構成部上の余裕容量を求め、上記風力タービンが、送電線配置構成部上の余裕容量を利用するために、該風力タービンのそれぞれの公称電力限界設定値を超えるように稼働可能であるように、求められた余裕容量に依存して風力タービンのうちの１基以上を構成するように構成される発電プラント制御装置にかかるものである。
【０００８】
また、本発明の態様は、プロセッサと、メモリモジュールと、入力／出力システムとを備える制御装置であって、メモリモジュールは、プロセッサによって実行されると、上記に記載の方法を実施する一揃いのプログラムコード命令を含む、制御装置として、また、上記に記載の方法を実施するプログラムコード命令を含む、通信ネットワークからダウンロード可能であり、及び／又は機械可読媒体に記憶された、コンピュータープログラム製品として、また、そのようなコンピュータープログラム製品を記憶した機械可読媒体として表すことができる。
【０００９】
本発明の利点は、発電プラント制御装置が、送電線配置構成部上の余裕容量に依存して風力タービンからの最大許容電力出力を適応させることが可能であることである。したがって、風力発電プラント内の風条件が適している、例えば風速が「定格」風速よりも高い場合、送電線上の余裕容量を利用するように、風力タービンのうちの１基以上を、それらの公称電力限界設定値より多くの電力を生み出すことを許容するように構成することができる。例えば、１基以上の風力タービンが稼働していない場合、他の風力タービンに、送電線配置構成部上の電力の不足を補うようにより多くの電力を生み出すことを許容することができる。
【００１０】
いくつかの実施形態では、風力発電プラント内の風力タービンは、選択された風力タービンに、適切な風条件中にそれらのそれぞれの公称電力限界設定値を超えるようにコマンドすることによって構成することができる。これは、上記風力タービンに、公称電力限界設定値を超えることを許容する分の量を示すマージン値を送信することを伴う。マージン値は、種々の方法において求めることができる。例えば、マージン値は、送電線上の容量に比例した固定値として設定することができる。代替的に、マージン値は、風力発電プラントの余裕容量を、稼働状態にある風力タービンの数によって除算したものに依存して求めることができる。このようにして、余裕容量は、複数の稼働中の風力タービン間で「共有」される。
【００１１】
他の実施形態では、風力タービンは、該風力タービンに、交換又は新たな公称電力限界設定値を提供することによって構成することができる。したがって、実効的には、これは、上記風力タービンに既に記憶されたそれぞれの公称電力限界設定値を上書きする。新たな公称電力限界設定値は、通信ネットワークを介して風力タービンに送信することができ、このことにより、該風力タービンの構成が容易に達成可能になる。
【００１２】
風力タービンの公称電力限界設定値、又は更にはマージン値の変更は、反復プロセスを用いて達成することができる。このようなプロセスは、適切な場合に、公称電力限界設定値、又はマージン値を変更することと、風力発電プラントの電力出力上の結果として得られる変化をモニタリングすることと、そして、それぞれの風力タービンの公称電力限界設定値又はマージン値に対する更なる調整を行うこととを伴う。
【００１３】
本発明は、風力発電プラントの総電力出力が発電プラント内の全ての風力タービンの定格電力出力の和未満となり得る多くのシナリオにおいて有用となり得る。１つのシナリオは、いくつかの風力タービンが風上の風力タービンの後ろに並ぶようにして稼働している場合があり、それにより、それらの風力タービンは、風から相対的に少ないエネルギーしか抽出することができないというものである。風速が定格風速にちょうど達した状況において、これは、風上の風力タービンが定格電力レベルにおいて稼働し得る一方で、風下の風力タービンが定格電力レベル未満において稼働し得ることを意味する。したがって、風上の風力タービンの後ろに並ぶようにして稼働するこれらの風力タービンは、風速が増す際に、それらの風力タービンがそれらの発電をブーストすることが可能であるように、それらの公称電力限界設定値を増加させることから利益を得ることができる。風向は変化するので、発電プラント制御装置は、風車後流の影響を受けるタービン（wake-effected turbines）を頻繁にモニタリングすることで、風力発電プラントの電力出力が最適化されることを確実にすることができ、それにより、送電線容量の最良の使用が行われる。
【００１４】
送電線配置構成部上の余裕容量を求めるステップは、送電線配置構成部上の測定電力を、送電線配置構成部上の最大送電容量の値と比較することを含むことができる。最大送電容量は、例えば、送電システム事業者によって決定される固定値とすることができるものの、この最大送電容量は、環境条件に基づいて調整又は補償することができる。例えば、寒冷な条件となる程、送電線に沿ってより高レベルの送電を受け入れることができる。
【００１５】
本開示のために、本明細書において記載される制御システムは、１つ以上の電子プロセッサを有する制御ユニット又はコンピューターデバイスを含むことができることが理解される。このようなシステムは、単一の制御ユニット又は電子制御装置を含むこともできるし、代替的に、制御装置（複数の場合もある）の異なる機能を、異なる制御ユニット又は制御装置内に具現化するか又はホストすることもできる。本明細書において用いられるとき、「制御装置」という用語は、単一の制御ユニット、及び要求される制御機能を提供するために集合的に動作する複数の制御ユニットの双方を含むものと理解される。実行されると、上記制御装置（複数の場合もある）又は制御ユニット（複数の場合もある）に、本明細書において記載される制御技法（以下で記載される方法（複数の場合もある）を含む）を実施させる一揃いの命令を提供することができる。この一揃いの命令は、１つ以上の電子プロセッサ内に具現化することもできるし、代替的に、この一揃いの命令は、１つ以上の電子プロセッサによって実行されるソフトウェアとして提供することもできる。例えば、第１の制御装置は、１つ以上の電子プロセッサ上で動作するソフトウェアにおいて実装することができ、他の１つ以上の制御装置も、１つ以上の電子プロセッサ、任意選択では第１のコントローラーと同じ１つ以上のプロセッサ上で動作するソフトウェアにおいて実装することができる。一方で、他の構成も有用であり、したがって、本発明の態様は、いかなる特定の構成にも限定されるようには意図されないことが理解される。
【００１６】
本願の範囲内では、前述の段落、特許請求の範囲及び／又は以下の説明及び図面において言及される種々の態様、実施形態、例及び代替形態、そして特にこれらの個々の特徴は、独立して行うこともできるし、任意の組み合わせにおいて行うこともできることが明示的に意図される。すなわち、全ての実施形態及び／又は任意の実施形態の特徴は、そのような特徴同士が矛盾したものではない限り、任意の方法及び／又は組み合わせにおいて組み合わせることができる。本出願人は、当初提出された請求項の任意のものを変更し、又は相応して任意の新たな請求項を提出する権利を有しており、この権利は、当初出願された請求項を、当初はそのように特許請求されていないものの、他の任意の請求項の任意の特徴に従属する及び／又はこの任意の特徴を組み込むために、補正する権利を含む。
【００１７】
本発明の概念をより良く理解するために、ここで、特定の実施形態が、添付の図面を参照した例を用いて説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】風力発電プラントの概略図である。
【図２】風力発電プラントに含められる風力タービン発電システムの概略的なシステムアーキテクチャの図である。
【図３】風速対発電される電力に関する典型的な電力曲線を示すチャートである。
【図４】風力発電プラントの発電プラント制御装置のブロック図である。
【図５】本発明の一実施形態による風力発電プラントを制御する方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１は、本発明の態様を実施することができる風力発電プラント２の全体構造を示している。風力発電プラント２は、複数の風力タービンシステム、発電機、又はより単純に「風力タービン」４を含む。風力タービン４の各々は、水平軸風力タービン（ＨＡＷＴ：horizontal axis wind turbine）であるが、本発明の態様は、他のタイプの風力タービンにも適用可能であることが理解されるであろう。
【００２０】
従来と同様に、複数の風力タービン４の複数の発電出力は、内部電力網５を介して共通結合点６において系統連系され、この共通結合点が、外部電力網８に電力供給する。共通結合点６は、簡潔性のために本明細書において「ＰＣＣ」とも称される場合があることに留意されたい。ここでは、ＰＣＣは、変電所９とは別個のものとして示されているが、実用時には、ＰＣＣは、変電所９において実現することができる。したがって、電力網８は、風力発電プラント２から、この発電プラント２内の風力タービン４の全てからの出力の組み合わせである送電線配置構成部又は「電力供給線」１０を介して、変電所９によって以降の送電に適した電圧に昇圧された電力を受電する。風速は、通常、発電プラント２のロケーションごとに変動するので、風力タービン４によって発電される電力は、これらの風力タービン４の各々の設置現場において可採の風力エネルギーに依存することが理解される。
【００２１】
風力タービン４は、産業制御システムの一部を形成しており、したがって、通信ネットワーク１４によってともに接続される。通信ネットワーク１４は、風力タービン４の各々が、発電プラント制御システム又は「制御装置」（ＰＰＣ）１６と双方向に通信することを可能にする。このような通信ネットワーク１４は、現代的な事業規模の風力タービン４を備える風力発電プラント２においてはこれまでにもあるものであり、詳細な説明はここでは行わない。一方で、通信ネットワーク１４は、風力タービン４が発電プラント制御装置１６にオペレーションデータをフィードすることを可能にし、そして重要なことに、一般的な放送送信（全ての風力タービン４への同じデータの送信）又は直接送信（特定の風力タービン４に適合されたコマンド／データの送信）のいずれかに基づいて、発電プラント制御装置１６が風力タービン４の各々に制御コマンド及び他のデータを送信することを可能にすることが理解されるであろう。図１は便宜上３基の風力タービンのみを示しているものの、実用時には、このような発電プラントは通常、より多数の風力タービンを含む。
【００２２】
図１の実施形態において、通信ネットワーク１４は、線として示されており、このことにより、ケーブルベースのインフラストラクチャが示唆される。ケーブルベースのインフラストラクチャは許容可能であるものの、これに限定されるものではなく、したがって、通信ネットワーク１４は、無線システムとして具現化することができることに留意されたい。典型的には、このような制御システムのための通信プロトコルは、機器ベンダーによって標準化されており、これらのプロトコルの例は、ＩＥＣ６０８７０−５−１０１又は１０４、ＩＥＣ６１８５０及びＤＮＰ３によって決定される。一方で、ＴＣＰ／ＩＰ等の代替的なプロトコルを用いることもできる。
【００２３】
風力発電プラント２の全体配置構成を述べてきたが、ここで、以下の説明では、完全性を期すために風力タービン４のより詳細な構造について焦点を当てている。この記載のために、全ての風力タービン４は、実質的に同一のものとみなすことができるが、このことは必須ではないことが理解される。このことを念頭に置いた上で、図２は、次に明らかにされる、本発明の図示の実施形態に関する風力タービンシステム２０の一例を示している。図面は、風力タービンの主要な機能コンポーネントを示しているものの、簡潔にするために、ここでは他の従来的な特徴、例えばヨー制御機器、制御ネットワーク、ローカル配電ネットワーク等は示されていないことに留意されたい。一方で、当業者であれば、これらの特徴が実用実装時には存在するであろうことを理解するであろう。また、本明細書で論じられる特定の構造形態は、一例として用いられており、したがって、他の構造形態も可能であることに留意されたい。
【００２４】
図２を参照すると、風力タービンシステム２０は、ブレード付きローター２２を備えており、このブレード付きローターは、トランスミッション２４を駆動する。トランスミッション２４はここではギヤボックスの形態で示されているものの、ギヤボックスを備えない直接駆動アーキテクチャが知られている。トランスミッション２４は、電力を発電する発電機２６を駆動する。事業規模の風力タービンシステムにおいては三相発電が一般的であるが、本論述のためにこのことは必須ではない。
【００２５】
発電機２６は、ケーブル又はバス３０等の適切な三相電気コネクタによって電力変換器システム２８に接続される。電力変換器システム２８は、従来的なアーキテクチャのものとすることができ、既知であるように、発電機２６の出力周波数（ＡＣ信号）を、適切な出力電圧レベル、及び変圧器３２を介して内部電力網５に供給するのに適した周波数（同様にＡＣ信号）に変換する。変換器２８の電力網５への接続を制御するために、電力変換器システム２８と電力網５との間に第１の（電力網側）遮断器配置構成部３４が配置され、発電機２６の電力変換器システム２８への接続を制御するために、発電機２６と電力変換器システム２８との間に第２の（発電機側）遮断器配置構成部３６が配置される。
【００２６】
変圧器３２によって出力される電圧波形から高周波数スイッチング特性を除去するために、電力変換器システム２８と電力網側遮断器配置構成部３４との間に電力網チョーク３８が配置される。
【００２７】
ここで記載される特定のアーキテクチャは、二段背中合わせ方式（back-to-back）電圧源フルスケール電力変換器（ＦＳＣ）システム２８であり、このシステムは、ＤＣリンク４４を介して結合される発電機側変換器４０及び電力網側変換器４２を備えることが理解される。ＤＣリンク４４は、発電機側変換器４０の出力における電圧リップルを平滑化除去するように機能するキャパシタ４６を備える。
【００２８】
従来と同様に、発電機側変換器４０及び電力網側変換器４２は、複数の半導体スイッチ５０を備え、この場合、これらの半導体スイッチは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）であるが、他のスイッチング素子を用いることができる。この実施形態では、変換器４０、４２は、６つの半導体スイッチ５０を備えるが、他のフルスケール変換器構成が当業者には理解されるであろう。発電機側変換器４０及び電力網側変換器４２はともに、１つ以上のＡＣ電圧信号を１つのＤＣ電圧信号に変換し、次に、このＤＣ電圧信号を１つ以上のＡＣ電圧信号に再び戻すように変換する役割を担う。より詳細には、発電機２６からのＡＣ電圧信号（複数の場合もある）は、発電機側変換器によって、ＤＣリンク上でＤＣ電圧信号に変換され、次に、このＤＣ電圧信号は、電力網側変換器によって、ＡＣ電圧信号（複数の場合もある）に戻すように変換される。
【００２９】
電力制御の目的を達成するために、風力タービンシステム２０は、電力変換器システム２８を適切に制御するように動作可能である風力タービン制御システム、又はより単純に「制御装置」５２を備える。風力タービン制御装置５２は、適切なプロセッサ８０、メモリモジュール８２及び入力／出力システム８４を提供するために、ハードウェア、ソフトウェア及び／又はファームウェアの任意の組み合わせにおいて実装することができる。プロセッサ８０は、メモリモジュール上に記憶されている一揃いのプログラムコード命令を実行するように構成することができる。
【００３０】
この一部として、風力タービン制御装置５２は、発電機側変換器駆動モジュール５４と、電力網側変換器駆動モジュール５６とを備える。ここでは、駆動モジュール５４、５６は、風力タービン制御装置５２に統合されているものとして示されているが、駆動モジュール５４、５６は、別個のハードウェアユニットとすることもできることに留意されたい。風力タービン制御装置５２は、システムの他の部分、例えば、プリチャージユニット４８並びに電力網側遮断器配置構成部３４及び発電機側遮断器配置構成部３６に制御コマンドを発行する役割も担う。
【００３１】
発電機２６によって生成された交流電圧を、ＤＣリンク４４上で、所定の電圧レベルにおける実質的に一定の電圧に変換するために、発電機側変換器駆動モジュール５４は、発電機側変換器４０の半導体スイッチ５０の制御ゲートに、適切な駆動信号５８を提供する。
【００３２】
同様に、ＤＣリンク４４上の実質的に一定の電圧を所定の電圧レベル及び周波数における交流電圧に変換するために、電力網側変換器駆動モジュール５６は、電力網側変換器４２の半導体スイッチ５０の制御ゲートに、適切な駆動信号６０を提供する。
【００３３】
当業者に既知であるように、発電機側変換器４０及び電力網側変換器４２に送信される駆動信号５８、６０は、任意の適切な駆動信号とすることができ、この駆動信号の１つの例は、パルス幅変調（ＰＷＭ）駆動信号であるが、他の駆動信号タイプを用いることもできる。駆動信号５８、６０は、それぞれの変換器駆動モジュール５４、５６によって、関連付けられた変換器４０、４２にわたってエネルギーを伝達させることができる。同様に、駆動信号５８、６０は、それぞれの変換器駆動モジュール５４、５６によって、関連付けられた変換器４０、４２にわたってエネルギーの伝達を防止することができる。
【００３４】
上記で記載した風力タービンシステム２０は、或る範囲の風速から電力を発電するように稼働し、図３は、所与の風速について風力タービンの変換器システムによって発電することができる電力を規定する、電力曲線と一般に称される典型的な動作包絡線を示している。当業者には既知であるように、非常に低速の風速は、使用可能なエネルギーを生成するには不十分なトルクしか風力タービンローター上で生成しないので、領域１に示されるように、発電機は稼働しない。しかしながら、風速が増していくと、風力タービンが電力を生み出すことが可能な点に達し、この点は、カットイン速度と称され、通常約３ｍ／ｓ又は４ｍ／ｓである。
【００３５】
風速がカットイン速度を超えると、最大電力を生み出す程には高くないものの、風力タービンは、ローターの空気力学的効率を最大化して、風から可能な限り多くのエネルギーを取り込むように稼働する。これは、領域２において示されており、この領域での稼働中、風力タービンの速度は、周速比（tip speed ratio）をエネルギー抽出に最適な点に保持するように発電機トルクを用いて制御されることが通例である。
【００３６】
風力タービンがその最大電力又は「定格」電力を生み出すのに十分に高い上昇した風速において（通常、風力タービンに依存して約１０ｍ／ｓ〜１４ｍ／ｓである）、制御の目的は、公称最大電力限界設定値を超えることがないように、ブレードピッチ及び発電機トルクを調節することである。これは、図３上の領域３において示されている。この公称電力限界設定値は、原理的には、風力タービンが一揃いの所定の稼働条件下で超えてはならないと決定される任意の電力出力値とすることができる。この限界設定値は、時として「定格電力出力」と称され、この定格電力出力に達する風速は、定格風速と呼ばれる。より高い風速において、タービンの設計は、この最大レベルに電力を制限するように構成され、出力電力が更に上昇することはない。既知であるように、定格電力又は「電力定格出力（power rating）」は、所定の稼働レベルであって、このレベルの下では、機器が連続使用の下で損傷することがない一方で或る特定の安全マージンを可能にするという稼働レベルを規定する、機器製造者によって規定される限界値である。これは、時として「最大連続電力定格出力」とも称される。
【００３７】
風速が定格風速を超えて増していくと、タービン構造にかかる力が上昇し続けるので、損傷発生を回避するために、システムは、安全でない風速においては風力タービンの稼働を停止するように設計される。これは、カットアウト速度と呼ばれ、図３上の領域４において示されている。
【００３８】
上述したように、電力曲線によって課される発電制約内において、発電プラント制御装置１６の重要な機能は、変数ＰＲＥＦ及びＱＲＥＦによって参照される、風力タービンが目下の稼働条件下で生み出すことを要求される有効電力及び無効電力を規定する電力参照値を風力タービン４の各々に提供することである。これにより、発電プラント制御装置が、或る特定の目的、例えば、有効電力源及び無効電力源を増減させることによって電力網の安定性をサポートすること、を達成するために、その風力タービンの出力を制御することが可能になる。さらに、風力タービン制御装置５２は、所望の電力出力を満たすために、種々のサブシステムに適用するのに適した制御パラメーターを決定する。
【００３９】
発電プラント制御装置１６は、風力タービン４の稼働ステータス、電力網ステータス、及び図１において１８の符号を付されている、送電システム事業者（ＴＳＯ）によって提供される電力需要を含む、いくつかの因子に基づいてＰＲＥＦ及びＱＲＥＦを決定する。概して、発電プラント制御装置１６は、風力発電プラント２によって生み出される電力が全体としてＴＳＯ１８によって要求される電力を満たすが、風力タービンの集合が生み出し得る最大電力を超えないように風力タービン４を稼働させる。当該技術において知られているように、風力タービンの最大許容電力出力は、「定格」電力と称され、風力タービンが持続維持することができる一方でその計画稼働寿命（通常２５年）を満たす最大連続電力出力であるものとして設計される。これを実行するために、発電プラント制御装置１６は、風力発電プラント２内の風力タービン４の各々に対して特定の電力参照値を決定する。このことにより、風力発電プラント２からの発電を、例えば電力網の安定性をサポートするように、変動する条件を考慮に入れるように最適化することができることが確実になる。
【００４０】
また、発電プラント制御装置１６は、風力タービン４が電力を発電する稼働状態と、過度に風速が高い場合に又は保守のために必要であり得る、風力タービン４が電力を発電しない非稼働状態との間を移行するように風力タービン４にコマンドすることができる。
【００４１】
発電プラント制御装置１６は、ここで概略的に示されているように、適切なプロセッサ１６ａ、メモリモジュール１６ｂ及び入力／出力システム１６ｃを提供するために、ハードウェア、ソフトウェア及び／又はファームウェアの任意の組み合わせにおいて実装することができることを理解されたい。プロセッサ１６ａは、本明細書において記載されるとともに、後述の説明において明らかになるであろう方法を実施することができる、メモリモジュール上に記憶される一揃いのプログラムコード命令を実行するように構成することができる。
【００４２】
図１に戻ると、一般的に、風力発電プラントは、発電容量、すなわち、風力発電プラント内の全ての風力タービンの累積定格電力が送電線配置構成部１０上の送電限界値を順守するように設計される。例えば、送電線配置構成部１０が４００ＭＷの送電限界値を有していた場合、風力発電プラント２は、各々が８ＭＷの定格電力を有する２０基の風力タービンを含むことができる。ここで、線損失及び変圧器損失は、便宜上ここでは考慮されないことを理解されたい。また、送電線配置構成部の容量に対する環境条件の影響を考慮に入れるために調整を行うことができることも理解されたい。
【００４３】
しかしながら、風力発電プラントの総電力出力が送電線限界値に満たない場合があり得る。例えば、発電プラント内の風力タービンのうちの１基以上が例えば保守の問題に起因して稼働していない場合、発電プラント内の他の全ての風力タービンがそれらの定格電力レベルにおいて稼働するときであっても送電線上に余剰の容量が存在することになる。上記で与えられた例において、定格電力で稼働する全部で２０基の風力タービンのうち、２基の風力タービンが稼働停止している場合、総発電は、およそ３８４ＭＷとなる。したがって、送電線は、十分に活用されていないことが理解される。
【００４４】
本発明者らは、送電線配置構成部１０上の余剰容量を求めてこの求められた容量に応じて風力タービンの定格電力設定値を構成することによって、送電線をより良好に利用する機会があることを認識した。
【００４５】
このような機能は、ここで図４及び図５を参照して記載するように、発電プラント制御装置１６内に実装される。風力タービンに送信される電力参照値に加えて、この実施形態において、発電プラント制御装置１６は、選択された風力タービンが、送電線上の余裕容量を利用するために、それらの風力タービンのそれぞれの定格電力設定値を超えるように稼働可能であるように、求められた余裕容量に応じて発電プラント内の風力タービンのうちの１基以上を構成するように動作可能でもある。これは、種々の方法において達成することができる。例えば、発電プラント制御装置は、風力タービンのうちの１基以上が、自身のプリプログラムされた定格電力設定値を超えるようにコマンドするよう動作可能とすることができる。このようなコマンドは、定格電力設定値を超えることが許容される範囲を風力タービンに命令するマージン又はパーセンテージを含むことができる。例えば、このようなコマンドは、それぞれの風力タービンに、風条件が適切である場合、その風力タービンの定格電力設定値を０．５％、又は１％だけ超えることを許容することを命令することができる。原理的には任意のマージン値が可能であるが、実用時には、マージンは、比較的小さい値、例えば５％未満であり、風力タービンの発電機器の絶対ピーク電力出力能力によって制限される可能性が高いことを理解されたい。マージン値は種々の方法において決定することができるが、１つの効果的な技法は、余裕容量を、稼働状態にある風力タービンの数によって除算することによって、目下稼働中の風力タービン間で余裕容量を「共有する」ことであることが想定される。
【００４６】
他の実施形態において、風力タービンは、自身のそれぞれの記憶された定格電力設定値（例えば、ＰＲＡＴＥＤ）を、通信ネットワーク１４を介して風力タービンに送信される新たな設定値に実効的に上書きすることによって構成することができる。
【００４７】
ここで、図４を参照して特定の例が記載される。ここで、発電プラント制御装置１６の機能は、本発明を理解するために関係のある機能のみを示すという目下の目的のために簡略化されていることを理解されたい。実用時には、発電プラント制御装置１６は、電力補償機器を制御する等の、他の制御の役割を有するであろうが、これらの機能は、簡潔性のためにここでは論じられない。
【００４８】
本発明のこの実施形態による発電プラント制御装置１６は、第１のディスパッチモジュール及び第２のディスパッチモジュール、すなわち、「ディスパッチャー」を有する。第１のディスパッチモジュール１００は、ＴＳＯ１８からの電力需要ＰＤＥＭＡＮＤに応答して発電プラント２内の風力タービン４の各々に電力参照値ＰＲＥＦ及びＱＲＥＦを通信する役割を担う。このような機能は、既知のものである。第２のディスパッチモジュール１０２は、風力タービン４の各々に定格電力レベルＰＲＡＴＥＤを出力する役割を担う。ＰＲＡＴＥＤの値は、全ての風力タービン４について同じものとすることもできるし、個々の風力タービン４ごとに特別に構成することもできることに留意されたい。定格電力レベルは、公称電力限界設定値と称される場合もあることにも留意されたい。
【００４９】
ＰＲＡＴＥＤの値は、送電線配置構成部の余裕容量に応じて決定することができる。この余裕容量を計算するために、第２のディスパッチモジュール１０２は、目下のところ風力発電プラントによって発電され、したがって送電線に沿って送電されている電力の測定値を受信する。電力測定値は、適切な電力センサー１０４によって提供される。電力センサー１０４は、変電所９に前置又は後置される送電線配置構成部と関連付けることができる。電力センサー１０４は、有効電力を測定するように構成されることが現状のところ好まれているが、この電力センサーは、皮相電力を求めるように構成することもできる。電力測定値の短期変動を考慮に入れるために、電力センサー１０４は、適切なローパスフィルタリングを含むことで、測定電力が定格電力設定値に不要な変化を引き起こさせないことを確実にする。
【００５０】
また、第２のディスパッチモジュール１０２は、風力発電プラント２内の全ての風力タービン４について目下の定格電力レベルのデータベース１０６へのアクセスを有する。したがって、各タービンの定格電力レベルを追跡するとともに、この定格電力レベルに対する増分的調整を行うことが可能である。データベース１０６は、通信ネットワーク１４を介して風力タービン４から定格電力レベルに関するデータを受信することによって更新することができる。風力タービン４の各々の定格電力に関する情報を含むことに加えて、データベース１０６は、風力タービンの稼働ステータスに関する情報を受信及び記憶することもできる。
【００５１】
同様に図５を参照すると、発電プラント制御装置１６は、以下のプロセス２００を繰り返し実行することができる。このような機能は、高頻度で実行することは必須ではないので、現状として、単なる一例ではあるが、およそ１０秒の反復期間が適切であることが想定される。
【００５２】
まず、ブロック２０２において、送電線配置構成部１０上の出力電力が測定される。既に述べたように、測定では、送電線配置構成部１０に沿って送電される有効電力をＭＷ単位で評価することが好ましい。出力電力が測定されると、ブロック２０４において、送電線配置構成部上の余裕容量が、測定された出力電力を送電線配置構成部の最大電力限界値と比較することによって求められる。最大電力限界値は、送電線配置構成部１０及び変電所９によって取り扱うことができる最大電力として、風力発電プラントの設計プロセスの一部として構成される静的値とすることができる。公称的には、最大電力限界値は、発電プラント２内の全ての風力タービン４の定格電力レベルの和であるものとみなすことができる。したがって、送電線配置構成部１０の余裕容量は、既知の最大電力限界値から測定電力を減算することによって求めることができる。
【００５３】
送電線容量が計算されると、ブロック２０６において参照されるように、次に、発電プラント制御装置１６は、発電プラント２内の風力タービン４ごとに定格電力設定値を求めることができる。定格電力レベルが求められると、ブロック２０８において、次に、これらは、風力タービン４にディスパッチされる。これに応答して、風力タービンは、改定された定格電力設定値を実施し、それにより、それらのそれぞれの電力曲線が実効的に調整される。この手法を用いる場合、改定されたすなわち新たな定格電力設定値は、風力タービンの制御システムに記憶されていた既存の定格電力設定値に上書きされる。しかしながら、既存の定格電力設定値を上書きする代わりに、風力タービン４のうちの選択された風力タービンに、これらの風力タービンが、適切な条件時、例えば風速が定格風速を超える場合に、それらのそれぞれの定格電力設定値を超えることを許容することを命令又はコマンドすることができる代替的な実施形態が想定される。その上、これらの風力タービンには、これらの風力タービンがそれらの記憶された定格電力設定値を超えることを許容する分の量のマージン、例えばパーセンテージ値を提供することができる。
【００５４】
発電プラント制御装置１６が風力タービンの各々の定格電力設定値を求める方法は、多くの方法において達成することができることを理解されるであろう。ここで、いくつかの例を論じる。
【００５５】
計２０基の風力タービンを有する風力発電プラントの上述の例において、これらの風力タービンの各々は、８ＭＷの公称定格電力を有することができる。したがって、これは、風力発電プラントが稼働開始されるときの「デフォルト」定格電力設定値とみなすことができる。したがって、発電プラント制御装置１６のデータベース１０６は、各風力タービンを８ＭＷの定格電力設定値と関連付ける。
【００５６】
これらの初期条件から、１基の風力タービンが保守要件のために稼働停止される必要がある状況を検討する。このような場合、他の全ての風力タービンがそれらの定格電力レベルにおいて稼働することを意味する強風条件であったとしても、風力発電プラントの総電力出力は依然として送電線の最大容量未満となっているだろう。本発明による発電プラント制御装置１６は、この容量の不足分を検出するように動作可能であり、送電線容量をより効率的に利用することができるように、風力タービンに増加した定格電力設定値を送信する。例えば、稼働中の風力タービンは、それらの定格電力設定値を、８．０ＭＷの代わりに８．１ＭＷに改定するようにコマンドを受けることができる。これは単なる一例であり、定格電力設定値の厳密なインクリメント、又は更には、デクリメントは、他の因子、例えば、風力タービンの絶対最大電力出力、温度条件、発電機及び変換器性能等に依存し得ることが理解される。
【００５７】
定格電力レベルは、所定のインクリメントサイズだけ上昇（又は低下）させることができる。例えば、８．０ＭＷの「初期」定格電力レベルは、０．１ＭＷのインクリメントだけ、最大で或る特定の最大レベル、例えば８．５ＭＷまで上昇させることができる。これらの値は、単に例として与えられたものであり、異なる風力タービンについて異なる。
【００５８】
風力タービンの定格電力設定値は、種々の規則に従ってインクリメントさせることができる。例えば、発電プラント制御装置１６は、或る特定の数の風力タービンのみ、又は風力発電プラント内の或る特定の位置に配置された風力タービンのみを増加させるように構成することができる。代替的に、発電プラント制御装置１６は、全ての風力タービンの定格電力設定値を均等量だけインクリメントするか、又は第１の群の風力タービンの定格電力設定値を所定の量だけ増加させ、この増加した定格電力設定値の効力を確立するための安定化期間を許容し、その後、後続の群の風力タービンの定格電力設定値を増加させるように構成することができる。
【００５９】
代替的な実施形態において、送電線の余裕容量は、電力定格出力設定値を相応して増加させることができる、発電プラント内の稼働中の風力タービン間で分割することができる。
【００６０】
比較的大規模な風力発電プラント（例えば、５０基以上の風力タービンを含む）では、理論上は、風力発電プラントの電力出力が増加した時間量の間最大送電線容量付近を維持するように風力タービンの定格電力レベルをインクリメントすることが可能である。
【００６１】
風力タービンの定格電力設定値を構成するという発電プラント制御装置１６の能力は、発電プラント制御装置１６が風力発電プラントの全体効率を改善することができることを意味する。例えば、原理的には、風力タービンがそれらの公称定格電力レベルにおいて稼働することが可能であるような強風条件において風力発電プラントが稼働している状況、すなわち、風速が図３における電力曲線上の領域３にちょうど達する状況を検討する。このような状況において、接近する風の流れに関して風上にある風力タービンは、それらの定格電力レベルにおいて電気を発電することが可能である。しかしながら、気流の風下にある風力タービンは、風上の風力タービンの風車後流（wake）の影響を被り、したがって、定格電力において稼働することが可能でない場合がある。これは、送電線容量の活用不全として顕在化する。このような場合、発電プラント制御装置１６は、送電線上の余裕容量を検出して、風下のタービンの定格電力レベルを上昇させるように動作可能である。したがって、風下の風力タービンは、電力を発電するのに、公称又は「初期」定格電力設定値超であるより高い風速を利用することが可能である。
【００６２】
好適には、発電プラント制御装置１６が発電プラントの総電力出力が送電線の最大限界値に接近していることを検出した場合、発電プラント制御装置１６は、通信システムを介して風力タービンに減少した定格電力設定値を送信することによって風力タービンの定格電力設定値をデクリメントするように動作可能とすることができる。
【００６３】
当業者であれば、特許請求の範囲において規定される本発明の概念から逸脱することなく、上述された特定の実施形態に種々の変更を加えることができることが理解されるであろう。
【００６４】
上記の論述において、主な機能は、発電プラント制御装置が、送電線配置構成部上に正の余裕容量が存在することを判断し、これに応答して、その余裕容量を削減するために、発電プラント内の風力タービンのうちの１基以上の定格電力設定値を調整するという部分である。しかしながら、発電プラント制御装置が、送電線配置構成部上の負の余裕容量が存在することを判断した場合、発電プラント内の風力タービンのうちの１基以上の定格電力設定値を減少させるように動作可能とすることも想定される。例えば、これは、定格電力設定値が、風力発電プラントの総定格発電が送電線配置構成部及び変電所の許容容量よりも大きくなるようになっている場合に起こりうる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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