(57)【要約】【課題】有効電力と同時にフライホイール装置を安定化することができると共に、有効電力と同時に発生する無効電力を安定化し、系統電力への悪影響を低減することができる、風力発電出力安定化装置を提供する。【解決手段】回転エネルギーを貯蔵するフライホイール２２と、フライホイールを電動駆動し或いはフライホイールの回転で発電する電動発電機２４と、電動発電機と合成点とを連結し、電動発電機の交流電力を合成点の交流電力に変換しかつ合成点の交流電力を電動発電機の交流電力に変換する双方向電力変換手段２６と、双方向電力変換手段を制御し有効電力変動、及び無効電力変動を抑制する制御装置３０とを備える。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力発電機の発電出力を電力系統に接続する合成点に接続し、合成点から余剰電力を分岐して貯蔵し、合成点に不足電力を供給して出力変動を抑制する風力発電出力安定化装置であって、
回転エネルギーを貯蔵するフライホイールと、該フライホイールを電動駆動し或いはフライホイールの回転で発電する電動発電機と、該電動発電機と合成点とを連結し、電動発電機の交流電力を合成点の交流電力に変換しかつ合成点の交流電力を電動発電機の交流電力に変換する双方向電力変換手段と、該双方向電力変換手段を制御し有効電力変動、及び無効電力変動を抑制する制御装置と、を備えたことを特徴とする風力発電出力安定化装置。
【請求項２】
前記双方向電力変換手段は、直流電力を合成点の交流電力に変換しかつ合成点の交流電力を直流電力に変換するコンバータと、電動発電機の交流電力を直流電力に変換しかつ直流電力を電動発電機の交流電力に変換するインバータとからなる、ことを特徴とする請求項１に記載の風力発電出力安定化装置。
【請求項３】
前記制御装置は、有効電力制御ループと速度制御ループを有し、フライホイールの回転速度が所定の安定範囲にある時には有効電力制御ループのゲインを高め、フライホイールの回転速度が所定の安定範囲の上限を超え或いは下限を下回る時には速度制御ループのゲインを高める、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の風力発電出力安定化装置。
【請求項４】
前記制御装置は、有効電力指令値から無効電力の上限を演算する無効電力指令値リミッタ演算部を有する無効電力制御ループを有し、合成点の力率一定運転と有効電力優先制御を行う、ことを特徴とする請求項３に記載の風力発電出力安定化装置。
【請求項５】
前記制御装置は、風力発電運転状態推定ループを有し、風車の運転状態に合わせて有効電力制御ループ、及び／又は無効電力制御ループを行う、ことを特徴とする請求項３に記載の風力発電出力安定化装置。
【請求項６】
前記制御装置は、電動発電機の電流を用いて過負荷運転監視を行う過負荷運転推定ループを有する、ことを特徴とする請求項３に記載の風力発電出力安定化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、風力発電の出力を安定化させる風力発電出力安定化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
風力発電は、不安定な風力を動力源として発電する分散型発電であり、その発電出力は風力の変化により大きく変動する。そこで、フライホイール装置を用いて風力発電の出力を安定化させるために、特許文献１、特許文献２、特許文献３、等が提案されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭５７−６５２７１号公報
【特許文献２】
特開平１１−２９９１０６号公報
【特許文献３】
特開２００１−３３９９９５号公報
【０００４】
［特許文献１］の「発電用電力変換装置」は、図８に示すように、風力発電機５２、交直変換器５３、直交変換器５４、電力変換器５６、電動機兼用発電機５７、フライホイール５８、等を備え、風力発電機５２の交流出力が所定値以上の時には、電力変換器５６を直交変換器として動作してその交流出力によって電動機兼用発電機５７を付勢して風力発電機５２の交流出力をフライホイールに蓄積し、風力発電機５２の交流出力が所定値以下の時には、電力変換器５６を交直変換器として動作してフライホイールに蓄積されたエネルギーによって電動機兼用発電機５７を交流発電機として動作させてその出力を電力系統に供給するようにしたものである。
【０００５】
［特許文献２］の「風力発電電力安定化方法及び装置」は、図９に示すように、風力発電機６１、電力線６２、電力検知器６３、演算器６４、制御器６５、フライホイール６６、モータ兼用電動機６７、励磁用インバータ６８、等を備え、風力発電機６１の発生電力が微小単位時間内における平均値よりも高い場合には、平均値を超える電力をモータ兼用電動機６７で回転エネルギーに変換してフライホイール６６を回転させ、風力発電機６１の発生電力が微小単位時間内における平均値よりも低い場合には、フライホイール６６の回転エネルギーを電力に変換して電力線６２に給電するものである。
【０００６】
［特許文献３］の「風力発電電力安定化装置及び方法」は、図１０に示すように、風力発電設備７１の発電出力ａの電力変動を、回転に応じて発電出力ａの一部を充放電するフライホイール装置７２の回転を制御することにより安定化させる安定化制御装置７３を備え、風力回転に応じて変化する発電出力ａが大きい場合にはその一部をインバータ７４を介してフライホイール装置に機械的エネルギーとして蓄積し、出力ａが小さい場合には逆にフライホイールに貯えていた機械的エネルギーをインバータによって電気に変換して電力系統に放電するものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のフライホイール装置を用いた風力発電出力安定化装置は、有効電力の安定供給はできるが、以下の問題点があった。
（１）フライホイール装置は、フライホイールを高速回転させてエネルギーを貯蔵する装置であるため、その回転速度に許容範囲が存在し、上限を超えると装置を破損させるおそれがあり、下限を下回ると安定運転ができなくなる。そのため、風力発電を長期間安定運転するためには、有効電力と同時にフライホイール装置を安定運転する必要があった。
（２）風力発電の有効電力と同時に発生する無効電力は、従来制御されておらず、そのため無効電力の変動により、系統電力の電圧が変動する等のおそれがあった。
（３）風力発電安定化のために双方向電力変換装置を使用すると無効電力が増加する。
【０００８】
本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、有効電力と同時にフライホイール装置を安定化することができると共に、有効電力と同時に発生する無効電力を安定化し、系統電力への悪影響を低減することができる、風力発電出力安定化装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、風力発電機の発電出力を電力系統に接続する合成点に接続し、合成点から余剰電力を分岐して貯蔵し、合成点に不足電力を供給して出力変動を抑制する風力発電出力安定化装置であって、
回転エネルギーを貯蔵するフライホイールと、該フライホイールを電動駆動し或いはフライホイールの回転で発電する電動発電機と、該電動発電機と合成点とを連結し、電動発電機の交流電力を合成点の交流電力に変換しかつ合成点の交流電力を電動発電機の交流電力に変換する双方向電力変換手段と、該双方向電力変換手段を制御し有効電力変動、及び無効電力変動を抑制する制御装置と、を備えたことを特徴とする風力発電出力安定化装置が提供される。
【００１０】
上記本発明の構成によれば、電動発電機を用いて、フライホイールを電動駆動して余剰電力を貯蔵し、或いはフライホイールの回転で発電して不足電力を供給することができる。
また、双方向電力変換手段により、電動発電機の交流電力を合成点の交流電力に変換し、或いは合成点の交流電力を電動発電機の交流電力に変換することができ、合成点の電力を所定周波数の交流に維持しながら、電動発電機を別の周波数で運転することができる。
さらに、制御装置により、双方向電力変換手段を制御し、有効電力変動、及び無効電力変動を抑制するので、フライホイールと電動発電機を用いて、風力発電機の出力変動を安定化できると共に、有効電力制御、無効電力制御、及び高調波抑制制御を行うことができ、有効電力と同時に発生する無効電力を安定化し、かつ高調波を抑制して、系統電力への悪影響を低減することができる。
【００１１】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記双方向電力変換手段は、直流電力を合成点において任意の位相をもつ交流電力に変換しかつ合成点の交流電力を直流電力に変換するコンバータと、電動発電機の交流電力を直流電力に変換しかつ直流電力を電動発電機の交流電力に変換するインバータとからなる。
【００１２】
この構成により、コンバータとインバータの組み合わせで、任意の力率の交流電力を発生させる双方向電力変換手段を容易に実現できる。
【００１３】
前記制御装置は、有効電力制御ループと速度制御ループを有し、フライホイールの回転速度が所定の安定範囲にある時には有効電力制御ループのゲインを高め、フライホイールの回転速度が所定の安定範囲の上限を超え或いは下限を下回る時には速度制御ループのゲインを高める。
【００１４】
この構成により、フライホイールの回転速度が所定の安定範囲にある時には有効電力制御を優先して、有効電力を目標値に一致させることができる。また、フライホイールの回転速度が所定の安定範囲の上限を超え或いは下限を下回る時には速度制御を優先して、フライホイールのオーバースピードまたは失速を防止し、フライホイール装置を安定運転することができる。
従って、有効電力と同時にフライホイール装置を安定化することができる。
【００１５】
前記制御装置は、有効電力指令値から無効電力の上限を演算する無効電力指令値リミッタ演算部を有する無効電力制御ループを有し、合成点の力率一定運転と有効電力優先制御を行う。
【００１６】
この構成により、風力発電機と電力系統の合成点において、力率一定運転を行い、無効電力を安定化して系統電力への悪影響を低減することができる。また、無効電力指令値リミッタ演算部により、無効電力指令値をコンバータの容量範囲に抑えることができ、コンバータを大形化することなく、有効電力優先制御を実現することができる。
【００１７】
前記制御装置は、風力発電運転状態推定ループを有し、風車の運転状態に合わせて有効電力制御、及び／又は無効電力制御を行う。
【００１８】
この構成により、風力発電の運転状態に合わせたきめ細やかな制御が可能となる。たとえば、高風速停止時に、有効電力制御と無効電力制御を行うことで、風力発電カットアウト時の電力補償が可能となる。
【００１９】
前記制御装置は、電動発電機の電流を用いて過負荷運転監視を行う過負荷運転推定ループを有する。
この構成により、過負荷運転監視を行い、電動機容量を交直変換器より小さくすることが可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
【００２１】
図１は、本発明の風力発電出力安定化装置の全体構成図である。この図に示すように、本発明の風力発電出力安定化装置１０は、風力発電機１２の発電出力を電力系統１４に接続する合成点１６に接続し、合成点１６から余剰電力を分岐して貯蔵し、合成点１６に不足電力を供給して出力変動を抑制する機能を有する。
風力発電機１２は、風力により電力系統１４に等しい周波数の交流電力を発電し、発電した電力はそのまま合成点１６を介して電力系統１４に供給される。
【００２２】
本発明の風力発電出力安定化装置１０は、フライホイール２２、電動発電機２４、双方向電力変換手段２６、及び制御装置３０を備える。
フライホイール２２は、慣性モーメントＩの大きい回転体であり、運動エネルギーとして回転エネルギー（Ｉω２／２：ωは角速度）を貯蔵する。
【００２３】
電動発電機２４は、出力軸がフライホイール２２に連結された交流電動機兼用発電機である。この例で電動発電機２４は、基準速度が高速（例えば３０００ｒｐｍ）であり、所定の速度範囲（例えば１５００〜４０００ｒｐｍ）で可変速運転ができ、かつ所定の安定範囲（例えば２０００〜３６００ｒｐｍ）で安定運転ができる。
【００２４】
この構成により、電動発電機２４を電動機として用いることにより、フライホイール２２を電動駆動することができ、逆に電動発電機２４を発電機として用いることにより、フライホイール２２の回転で発電することができる。
【００２５】
双方向電力変換手段２６は、電動発電機２４と合成点１６とを連結し、電動発電機２４の交流電力を合成点１６の交流電力に変換し、かつ合成点１６の交流電力を電動発電機２４の交流電力に変換する機能を有する。
【００２６】
図１において、双方向電力変換手段２６は、コンバータ２６ａとインバータ２６ｂからなる。
【００２７】
コンバータ２６ａは、インバータ２６ｂからの直流電力を合成点１６において任意の位相をもつ交流電力に変換する機能と、合成点１６の交流電力を直流電力に変換する機能とを有する。また、インバータ２６ｂは、電動発電機２４からの交流電力を直流電力に変換する機能と、コンバータ２６ａからの直流電力を電動発電機２４の交流電力に変換する機能とを有する。従って、コンバータ２６ａとインバータ２６ｂの組み合わせで、任意の力率の交流電力を発生させる双方向電力変換手段を実現している。
【００２８】
制御装置３０は、例えば上位コントローラまたは制御用ＰＣであり、双方向電力変換手段２６を制御し、有効電力変動、及び無効電力変動を抑制する機能を有する。図１に示すように、制御装置３０には、風力発電の電圧と電流、合成点の電圧と電流、フライホイール回転数、及び電動発電機の電流が入力され、コンバータ２６ａに無効電力指令を出力し、インバータ２６ｂにトルク指令もしくは有効電力制御指令を出力する。
【００２９】
図２は、本発明の有効電力制御ループ３２、速度制御ループ３４、ゲイン切替判定ループ３６の構成図である。
【００３０】
有効電力制御ループ３２は、風力発電の電圧と電流から有効電力を演算し、３２ａで有効電力目標値を演算し、３２ｂで有効電力と目標値の偏差を求め、３２ｃでゲイン１またはゲイン２で偏差を増幅し、位相補償回路３２ｄで位相補償を行い、３２ｅで速度制御ループ３４の出力指令との偏差を求め、有効電力リミッタ３２ｆで有効電力を所定の許容範囲に制限し、３２ｇでインバータ２６ｂに有効電力制御指令を出力する。従って、この有効電力制御ループ３２により、風力発電の有効電力を有効電力目標値に近づけることができる。
【００３１】
速度制御ループ３４は、フライホイール回転数を３４ａで平均化処理し、３４ｂでフライホイール基準回転数との偏差を求め、３４ｃでゲイン３またはゲイン４で偏差を増幅し、ＰＩＤ回路３４ｄでＰＩＤ制御し、これを電力に変換して速度制御ループ３４の出力指令とする。また、平均化処理したフライホイール回転数を、速度リミッタ３４ｅで速度を所定の許容範囲に制限し、３４ｆでトルクに変換してインバータ２６ｂにトルク指令を出力する。従って、この速度制御ループ３４により、フライホイールの回転速度をフライホイール基準回転数に近づけることができる。
【００３２】
ゲイン切替判定ループ３６は、フライホイール回転数から有効電力制御ゲイン切替判定回路３６ａにより、ゲイン切替表３６ｂに示すように、有効電力制御の実行中と制限中、および回転数制御の実行中で、ゲイン１〜４を切り替えるようになっている。
【００３３】
図３は、本発明のゲイン切替判定ループの説明図である。この図において、（Ａ）は有効電力制御の実行中と制限中、（Ｂ）は回転数制御の実行中と停止中を示している。
図３において、横軸は電動発電機２４の基準速度（例えば３０００ｒｐｍ）であり、Ｎ１〜Ｎ１０は、可変速運転ができる所定の速度範囲（例えば１５００〜４０００ｒｐｍ）、Ｎ５〜Ｎ６は安定運転ができる所定の安定範囲（例えば２０００〜３６００ｒｐｍ）である。
【００３４】
制御装置３０の有効電力制御ループ３２において、フライホイール及び電動発電機の回転速度が所定の安定範囲（Ｎ５〜Ｎ６）にある時には有効電力制御ループ３２のゲインを高め（ゲイン１を選択し）、この範囲を超える（Ｎ７以上、Ｎ４以下）ときはゲインを下げ（ゲイン２を選択し）、さらに大きく超える（Ｎ９以上、Ｎ２以下）ときはゲインを０にする。
一方、フライホイール及び電動発電機の回転速度が所定の安定範囲（Ｎ３〜Ｎ８）にある時には回転数制御ループ３４のゲインを下げ（ゲイン３を選択し）、この上限を超え或いは下限を下回る時には速度制御ループのゲインを高める（ゲイン４を選択する）。
【００３５】
この構成により、フライホイールの回転速度が所定の安定範囲にある時には有効電力制御を優先して、有効電力を目標値に一致させることができる。また、フライホイールの回転速度が所定の安定範囲の上限を超え或いは下限を下回る時には速度制御を優先して、フライホイールのオーバースピードまたは失速を防止し、フライホイール装置を安定運転することができる。
従って、有効電力と同時にフライホイール装置を安定化することができる。
【００３６】
図４は、本発明の無効電力制御ループの構成図である。無効電力制御ループ３８は、合成点の電圧と電流から合成点有効電力と合成点力率指令を演算し、これから合成点無効電力目標値演算部３８ａで合成点無効電力目標値を演算し、風力発電の電圧と電流から風力発電無効電力を演算し、３８ｂで合成点無効電力目標値と風力発電無効電力の偏差を求め、ゲイン・位相補償回路３８ｃでゲイン・位相補償を行い、無効電力指令値リミッタ演算部３８ｄで有効電力指令値から無効電力の許容範囲を演算し、無効電力リミッタ３８ｅで無効電力を許容範囲に制限し、３８ｆでコンバータに無効電力指令を出力する。従って、この無効電力制御ループ３８により、合成点無効電力を合成点無効電力目標値に近づけることができる。
【００３７】
図５は、本発明の無効電力指令値リミッタ演算部の説明図である。この図において、横軸は有効電力、縦軸は無効電力であり、３つの円は内側から電動発電機の定格容量、インバータの定格容量、コンバータの定格容量を示している。また図中の塗り潰し部分は、インバータ・コンバータの運転領域である。
無効電力指令値リミッタ演算部３８ｄにおいて、有効電力指令値（横軸）からコンバータの定格容量を示す円周上の値を無効電力とすることにより、許容範囲を演算する。
【００３８】
この構成により、風力発電機と電力系統の合成点において、力率一定運転を行い、無効電力を安定化して系統電力への悪影響を低減することができる。また、無効電力指令値リミッタ演算部により、無効電力指令値をコンバータの容量範囲に抑えることができ、コンバータを大形化することなく、有効電力優先制御を実現することができる。
【００３９】
図６は、本発明の風力発電運転状態推定ループの説明図である。風力発電の有効電力と無効電力が電圧と電流から演算される。
【００４０】
風力発電運転状態推定ループ４０では、風力発電の有効電力と無効電力から、風車の運転状態（大発電機起動中、小発電機起動中、大発電機運転中、小発電運転中、大発電機から小発電機へ切替中、小発電機から大発電機へ切替中、通常停止中、高風速・高出力停止中、等）を判別し、この運転状態に合わせて４１に例示するように、有効電力制御ループ、及び／又は無効電力制御ループを行う。
【００４１】
この構成により、風力発電の運転状態に合わせたきめ細やかな制御が可能となる。たとえば、高風速停止時に、有効電力制御と無効電力制御を行うことで、風力発電カットアウト時の電力補償が可能となる。
【００４２】
図７は、本発明の過負荷運転推定ループの構成図である。過負荷運転推定ループ４２では、電動発電機２４の電流値と定格電流値の偏差を４２ａで求め、積分回路４２ｂで積分し、比較器４２ｃで過負荷設定値と比較し、過負荷設定値を超えている場合には過負荷信号を出力する。
この構成により、過負荷運転監視を行い、電動機容量を交直変換器より小さくすることが可能となる。
【００４３】
上述したように、本発明の構成によれば、電動発電機２４を用いて、フライホイール２２を電動駆動して余剰電力を貯蔵し、或いはフライホイール２２の回転で発電して不足電力を供給することができる。
【００４４】
また、双方向電力変換手段２６により、電動発電機２４の交流電力を合成点１６の交流電力に変換し、或いは合成点１６の交流電力を電動発電機２４の交流電力に変換することができ、合成点１６の電力を所定周波数の交流に維持しながら、電動発電機２４を別の周波数で運転することができる。
【００４５】
さらに、制御装置３０により、双方向電力変換手段２６を制御し、有効電力変動、及び無効電力変動を抑制するので、フライホイール２２と電動発電機２４を用いて、風力発電機１２の出力変動を安定化できると共に、有効電力制御、及び無効電力制御を行うことができ、有効電力と同時に発生する無効電力を安定化し、系統電力への悪影響を低減することができる。
【００４６】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更できることは勿論である
【００４７】
【発明の効果】
上述したように、本発明の風力発電出力安定化装置は、有効電力と同時にフライホイール装置を安定化することができると共に、有効電力と同時に発生する無効電力を安定化し、系統電力への悪影響を低減することができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の風力発電出力安定化装置の全体構成図である。
【図２】本発明の有効電力制御ループ、速度制御ループ、ゲイン切替判定ループの構成図である。
【図３】本発明のゲイン切替判定ループの説明図である。
【図４】本発明の無効電力制御ループの構成図である。
【図５】本発明の無効電力指令値リミッタ演算部の説明図である。
【図６】本発明の風力発電運転状態推定ループの説明図である。
【図７】本発明の過負荷運転推定ループの構成図である。
【図８】従来の風力発電出力安定化装置の模式図である。
【図９】従来の別の風力発電出力安定化装置の模式図である。
【図１０】従来の別の風力発電出力安定化装置の模式図である。
【符号の説明】
１０  風力発電出力安定化装置、１２  風力発電機、
１４  電力系統、１６  合成点、２２  フライホイール、
２４  電動発電機、２６  双方向電力変換手段、
２６ａ  コンバータ、２６ｂ  インバータ、
３０  制御装置、３２  有効電力制御ループ、
３４  速度制御ループ、３６  ゲイン切替判定ループ、
３８  無効電力制御ループ、３８ｄ  無効電力指令値リミッタ演算部、
４０  風力発電運転状態推定ループ、
４２  過負荷運転推定ループ
【図１】
2004260929.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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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