(57)【要約】【課題】従来の如きフィードフォワード制御、データテーブル等を用いた複雑な制御方法によらずに風車の最大軸出力点を常に追従することができ、低風速から高風速に至るまで発電効率の最も高く得られる風力発電装置の制御方法を提供する。【解決手段】電力として供給可能な負荷量を強制的に変化させ、このとき発生する風車の回転数の変化を検知して風車の軸出力を決定する風力発電装置の制御方法であって、負荷量の強制的な変化に対する風車の回転数と、負荷量の変化する直前の回転数との比較を、負荷量を変化させる毎に行なうと共に、風車の回転数に変化が生じない処まで負荷量を変化させるよう制御する。また、風車がカットイン風速に達した時を初期値として回転数と負荷量を予め設定し、この設定された回転数と負荷量を、その後の風車の運転における基準値とする。【選択図】　　　図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力として供給可能な負荷量を強制的に変化させ、このとき発生する風車の回転数の変化を検知して風車の軸出力を決定する風力発電装置の制御方法であって、負荷量の強制的な変化に対する風車の回転数と、負荷量の変化する直前の回転数との比較を、負荷量を変化させる毎に行なうと共に、風車の回転数に変化が生じない処まで負荷量を変化させるよう制御することを特徴とした風力発電装置の制御方法。
【請求項２】
風車がカットイン風速に達した時を初期値として回転数と負荷量を予め設定し、この設定された回転数と負荷量を、その後の風車の運転における基準値とした請求項１に記載の風力発電装置の制御方法。
【請求項３】
前記操作にて求めた回転数に変化の生じない負荷量のデータを実際に風車が運転したデータとして記憶し、これを実績データとして蓄積すると共に、次の風速変化時に、このデータを基に前記した制御方法による操作を行なう請求項１または２に記載の風力発電装置の制御方法。
【請求項４】
回転数の変化を検出し、その増減状態を判断するに際し、風車の回転数の変化に僅かなヒステリシスを付与した請求項１乃至３のいずれかに記載の風力発電装置の制御方法。
【請求項５】
回転数の変化を検出する際に、負荷量の変化毎に検出する回転数値と、任意の累計時間後の回転数値とをそれぞれ比較し、変化の大きい方を回転数の変化検出データとして採用する請求項１乃至４のいずれかに記載の風力発電装置の制御方法。
【請求項６】
負荷量の変化毎に検出する回転数が低い場合と高い場合とに応じて、電力量を変化させるようにした請求項１乃至５のいずれかに記載の風力発電装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば可変速型の風力発電装置の制御方法に係り、特に発電機の周波数制御を行ないながら風力エネルギーの変動に対応して、発電機出力を効果的に制御するための方法として、風力発電装置により風力エネルギーを回転数に変換し、発電機出力をまず直流に変換した後に、再度交流に変換して、系統に電力を送電するよう構成した風力発電装置の変換部分の制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
風力発電装置によって得られる風力エネルギーは常時変動するので、効率良くエネルギーを取得する為に、可変速形のプロペラ式風力発電システムが従来より研究されている。そして、可変ピッチ、可変速で制御されて効率良く風力エネルギーの変動を吸収し、安定した電力を供給するための制御方法が数多く提案されている。既に公知の可変速型の風力発電装置では、安定した電力を得る為に、可変速が故に交流発電機の周波数が変化するので、発電機出力を交流から直流に変換し、さらに系統電源に連系するための交流電力に変換している処の、例えばサイクロコンバータ、可変速インバータ等の電力変換部を持っている。この様にすることで周波数変動を解消し、商用電力と同等の安定した周波数に制御している。
【０００３】
具体的には、周波数のみならずピッチ角制御を併用することで、風車により発生する電力を安定化し、風力エネルギーの変動に追従した電力の制御も行なっている。すなわち、風車の軸出力は風速によって変化することから、各風速における風力エネルギー量に見合った、最適な負荷量と回転数を得るために、各風速における最大負荷量とその時の回転数を予め設計計算上で求めたデータテーブルを用意し、風速、回転数によるフィードバックループを構成し、さらに風速の違いによる各種係数の誤差、風速の計測誤差等を考慮した補正を行なって、風速対回転数、風速対軸出力を決定するようなフィードフォワード制御を組み合わせている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように風力エネルギーを効率良く回収するために、風速の変化に対応してピッチ角制御及び軸出力制御、回転数制御を組み合わせて、風車の風速に対する出力を最も効率良く得るために採用される方式であるが、最適な風速に対する回転数を得るのに予め計算に基づいた回転数の目標値に対して制御し、誤差を少なくするために補正を行なう必要がある。この補正は経験に基づいてフィードフォワードデータとして蓄積され、風力発電装置の軸出力容量毎に修正が行なわれるので、風車の容量によって、データの積み重ねをその都度行なう必要がある等の問題点を有していた。
【０００５】
そこで本発明は、叙上のような従来存した問題点に鑑み創出されたもので、従来の如きフィードフォワード制御、データテーブル等を用いた複雑な制御方法によらずに風車の最大出力点を常に追従することができ、低風速から高風速に至るまで発電効率の最も高く得られる制御を可能とした風力発電装置の制御方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明は、電力として供給可能な負荷量を強制的に変化させ、このとき発生する風車の回転数の変化を検知して風車の軸出力を決定する風力発電装置の制御方法であって、負荷量の強制的な変化に対する風車の回転数と、負荷量の変化する直前の回転数との比較を、負荷量の変化毎に行なうと共に、回転数に変化が起きない処まで負荷量を変化させるよう制御することで、上述した課題を解決した。
【０００７】
また、風車がカットイン風速に達した時を初期値として回転数と負荷量を予め設定し、この設定された回転数と負荷量を、その後の風車の運転における基準値としたことで、同じく上述した課題を解決した。
【０００８】
さらに、前記操作にて求めた回転数に変化の生じない負荷量のデータを実際に風車が運転したデータとして記憶し、これを実績データとして蓄積すると共に、次の風速変化時に、このデータを基に前記した制御方法による操作を行なうことで、同じく上述した課題を解決した。
【０００９】
また、回転数の変化を検出し、その増減状態を判断するに際し、風車の回転数の変化に僅かなヒステリシスを付与したことで、同じく上述した課題を解決した。
【００１０】
加えて、回転数の変化を検出する際に、負荷量の変化毎に検出する回転数値と、任意の累計時間後の回転数値とをそれぞれ比較し、変化の大きい方を回転数の変化検出データとして採用することで、同じく上述した課題を解決した。
【００１１】
また、負荷量の変化毎に検出する回転数が低い場合と高い場合とに応じて、電力量を変化させるようにしたことで、同じく上述した課題を解決した。
【００１２】
上記構成によれば、負荷量の強制的な変化に対する風車の回転数を常時検知し、この検知毎に直前の回転数との比較を行なうと共に、この比較による回転数の変化を検出し、回転数に変化が生じない処まで負荷量を変化させる。
【００１３】
すなわち、強制的に負荷量を変化させても回転数に変化が生じない場合に、その負荷量と風車の軸出力量が合致しているものと判断する。
【００１４】
このように風車の軸出力は、風車の回転数と負荷量のバランスを見ることで、負荷量と合致しているか否かの判断ができることになる。
【００１５】
そして、前記操作にて求めた回転数に変化の生じない負荷量のデータを実際に風車が運転したデータとして記憶し、これを実績データとして蓄積させ、次の風速変化時に、このデータを基に前記した制御方法による操作を行なうことにより、回転数の変化のない負荷量を求めるまでの時間が短縮され、極端な風速の変化に対しても最短時間で追従を可能にしている。
【００１６】
また、風車の回転数の変化に持たせたヒステリシスの範囲内でたとえ回転数が僅かに変化していたとしても、回転数は略一致、すなわち変化していないものと判断し、ヒステリシスの範囲を超えた場合にのみ回転数が変化したものと判断する。
【００１７】
さらに、回転数の変化を検出する際に、負荷量を変化させて回転数を比較するまでの各ステップ毎に検出する回転数値と、複数ステップに渡る累計時間後の回転数値とをそれぞれ比較し、変化の大きい方を回転数の変化検出データとして採用すると共に、回転数が低い場合と高い場合とでステップ毎の電力量を変化させることにより、カットイン時から風速が最大風速まで急激に変化した場合であっても、数秒以内に風車の最大出力点を確実に追従させ、風車の効率的な運転を安定化させる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。可変速型の風力発電装置における風車の軸出力と風車の回転数は、図１に示すように、風速を一定とした場合は回転数に対して軸出力はピークを示すことが判っているので、このピーク値を求めることで風速に対して回転数と軸出力の関係の最適値を決定することができる。即ち、回転数に対して軸出力が常にピーク値付近であれば、風速に対して最適な回転数と出力値が得られたことを意味する。
【００１９】
本発明はこのピーク値を求める制御方法を構築したもので、発電機の出力電力量である負荷量を強制的に変化させて、風車の回転数の増加、減少の変化を常時検知して、風車の最適な運転を求めるようにしたものである。すなわち、負荷量の強制的な変化に対する風車の回転数と、直前の回転数との比較を、負荷量の変化毎に行なうと共に、回転数に変化が生じない処まで負荷量を変化させるよう制御するものである。
【００２０】
図１は、風速が一定の場合の風車の軸出力と回転数の関係を示している。風車の軸出力と回転数の関係は、図１に示すように、ピークを持った特性となり、軸出力と回転数はこの特性にて決定される。また、軸出力は、図３に示すように、発電機を介して系統に負荷として供給されることから、本特性は等価的に負荷量と回転数の関係を示していることになる。従って、軸出力の変化は、負荷量を変えることにより可能となる。
【００２１】
図１において、右上がりの領域では、軸出力（負荷量）をＰ１からＰ２に強制的に変化させた場合は、特性上から回転数はｎ１からｎ２に変化することを意味する。すなわち、風車が失速しないように一旦負荷量を減少させ、その後、負荷量を増加させて、回転数の上昇を確認してから負荷量を増加させる。
【００２２】
右下がりの領域の場合、上記とは逆にＰ４からＰ３に負荷量を増加させると回転数がｎ４からｎ３に低下する。このとき負荷量の変化は上記と同様に行ない、風車の回転数が低下したことを確認して負荷量を増加させる。よって、右上がり、右下がりのどちらからでもピーク値に戻り、ピーク値を過ぎると回転数の変化と軸出力の変化が逆転して変化する。このような操作を繰り返すことにより、軸出力のピーク値を求めることができるのである。
【００２３】
風速が変化した場合は、図２に示すように、Ｖ１からＶ２，Ｖ３と変化しても上記の操作を繰り返すことにより、点線で示す如くピーク値で軸出力が得られる。また、Ｖ３からＶ２，Ｖ１へと変化した場合も、同様にピーク値を得ることができる。この方法で得られたピーク値と回転数を利用して風速の変化に対して素早く追従するために、図６のフローチャートに示すように、このデータをメモリーさせておき、回転数の変化が発生した時に、直近のデータを利用し、さらに上記の操作を行なうようにする。これにより風車の実際の運転データに基いて、ピーク値を迅速且つ正確に見つけ出すことができる。
【００２４】
尚、図２に示すように、各風速におけるピーク出力を結ぶと点線のような回転数対軸出力特性カーブになり、これが理想的な出力状態であることを意味する。Ｖ１ｍ／ｓは、カットイン時の風速、すなわち負荷量として取り出せる限界を示す風速を示す。また、軸出力に見合う電力を系統に負荷量として供給することができるから、負荷量を強制的に変化させて、その時の回転数の変化を見た際に、回転数が上昇することは軸出力のほうが負荷量より多いことを示し、回転数が低下することは軸出力が負荷量より少ないことを意味する。
【００２５】
風速が一定のＶｍ／ｓの場合、Ｐ２，ｎ２で運転していたとすると、強制的に軸出力（負荷量）を減少方向に変化させた場合に、回転数が上昇方向に変化した場合は、風速に対して軸出力が高いことを示し、この軸出力の高い分だけ電力供給エネルギーとして取り出せるため、軸出力を増加させなければならないことを意味する。
【００２６】
一方、軸出力を増加方向に変化させた場合に、回転数が減少方向に変化した場合は、取り出し可能な電力供給エネルギーがマイナス方向に減じるものとなり、これに応じて軸出力を減じる必要が生じてくる。
【００２７】
また、風車がカットイン風速に達した時を初期値として回転数と負荷量を予め設定しておき、この設定された回転数と負荷量を、その後の風車の運転における基準値としている。すなわち、カットイン風速での負荷量と回転数を第１義的な意味での基準値とするのである。
【００２８】
次に、本発明に係る制御方法を具体化するための風力発電装置の構成について説明する。風力発電装置は、図３に示すように、風車プロペラ１と風車に直結される交流発電機２と、この交流発電機２から発電される交流電力を直流電力に変換するコンバータ部７、連系する送電系統１１に安定的な電力を供給するためのインバータ部８と、風車プロペラ１の回転数を計測する回転数検出器３、風力発電装置が風速を検知して、カットイン風速となった場合にインバータ部８にゲート信号部５からＰＷＭ信号を送るＰＣ内蔵の制御装置４と、負荷電流１４を検知する負荷量検出部６と、計器用変成器９と、系統連系用の遮断器１０とを装備している。これらのうち、コンバータ部７、インバータ部８は、例えば太陽光発電用インバータ等の応用による慣用技術を利用することができる。
【００２９】
さらに、図６に示すフローチャートに基づいて、本発明の制御動作について説明する。まず、図２に示すように、風力発電装置が風速を検知して、カットイン風速となった場合に、制御装置４によりゲート信号部５からインバータ部８にＰＷＭ信号を送り、送電系統１１に連系させる。このとき送電系統１１には交流発電機２の容量の数％程度を負荷電流１４（負荷量Ｐ１）として供給する。そのときの回転数ｎ１は交流発電機２の許容できる回転数として制御装置４に記憶させると共に、負荷量検出部６からの負荷量１３を併せて記憶させる。
【００３０】
次に、風車プロペラ１の回転数の増減を判定する。すなわち、回転数が変化しない場合は、負荷量を１ステップ分低減する。一方、回転数が増す場合は、負荷電流１４（負荷量Ｐ１）を制御装置４において、負荷量の設定・回転数の検出・直前の回転数との比較までのステップを１ステップ分増加させる。このとき、回転数ｎ２が増加または減少のどちらに変化するか、あるいは変化しないかを回転数検出器３により検知し、制御装置４は１ステップ前に記憶した回転数ｎ１と比較する。
【００３１】
回転数が増加した場合は、１ステップ前に記憶した負荷量１３をさらに１ステップ分増加させる。そして、回転数が減少に転ずるまで増加させ、回転数が減少した場合は、負荷量１３を１ステップ分（負荷量Ｐ３）減少させる。次のステップで右上がり、右下がり領域を判別し、負荷電流１４を増加して回転数の変化を検知する。この演算を繰り返し行ない、回転数の変化がない負荷量（出力がピーク値）でインバータ部８の出力を設定する。このときの回転数と負荷量を制御装置４に記憶させて実績データとして利用する。但し、右上がりか右下がりかのどちらの領域であるかで、負荷量増加時に回転数の増減方向が逆となるので制御方法を変更している。
【００３２】
風速が減少する場合は、回転数が減少することから上記とは逆の動作として制御でき、しかも風速は常に変化するので、負荷量の変化と回転数の検知は常時行なわれる。また、右上がり、右下がりの検定は、図４に示すように、負荷量を１ステップ低減し、次のステップで同量の負荷量を加える。このときに回転数の変化を確認し、増加なら右上がり、減少なら右下がりとなることで判断することができる。
【００３３】
また、出力がピーク値に達したことを判定するには、図５に示すように、負荷量と回転数のデータを数ステップ、例えば３ステップ毎に比較し、変化が誤差範囲内であるステップに達したことを判断させることによりピークでの傾斜がゼロであることから判断できる。これらのステップ動作はマイコンにより実行され、しかも高速のステップ毎の演算として、例えば概略約１００ｎｓ〜３００ｎｓの範囲で行なわれるので、風速の変化に十分に追従して対応できるものとなる。
【００３４】
前記操作にて求めた回転数に変化の生じない負荷量のデータを実際に風車が運転したデータとして記憶し、これを実績データとして制御装置４に蓄積すると共に、次の風速変化時に、このデータを基に前記した制御方法による操作を行なうものとする。このときの各ステップ毎で回転数の変化を検出し、その増減状態を判断する具体的な方法として、例えば風車の回転数の変化に僅かなヒステリシス（同一入力量値に対する出力値が測定モードによって一致しないこと）を持たせることで、そのヒステリシス範囲内でたとえ回転数が僅かに変化していたとしても、回転数は略一致、すなわち変化していないものと判断し、ヒステリシス範囲を超えた場合にのみ回転数が変化したものと判断することができる。
【００３５】
具体的には、回転数の検出に当たって、ステップ毎で回転数に約０．２％程度の差があってもこれは変化していないと判断させる。また、回転数Ｎの検出において、回転数Ｎの差が角速度Ｎ×５．３×１０−６ラジアン以上を検出した時を変化したと判断させる。尚、５．３×１０−６は、回転数の検出幅である。
【００３６】
さらに、回転数の変化を検出する際に、各ステップ毎に検出する回転数値と、数十ステップから数百ステップ、例えば２０ステップ程度での累計時間後の回転数値とをそれぞれ比較し、変化の大きい方を回転数の変化検出データとして採用するように設定することができる。すなわち、容量によってカウントするステップ数を変える必要性が生じるため、このように数十ステップから数百ステップと範囲を広げておく必要がある。
【００３７】
この他、回転数が低い場合と高い場合とでステップ毎の電力量を変化させるようにしても良い。例えば、風車の出力値が低いカットイン時の電力量を数十ワット、風車の出力が高出力時は数百ワットを、ステップ毎に変化させる電力量とする。この結果、カットイン時から風速が最大風速まで急激に変化した場合でも数秒以内に風車の最大出力点を確実に追従させることができ、安定的に風車を運転することができる。
【００３８】
尚、本発明は風力発電装置の大型、中型に拘わらず、全ての容量において有効である。また、制御が簡単なことから価格を引き下げることができ、系統の弱い地域、道路等のインフラが少ない地域等で風車建設に多くの費用がかけられない地域では、安価でしかも系統にやさしい風力発電装置として最適である。さらに、小容量の風力発電装置で系統連系を行なう風力発電システムにも応用が可能である。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、従来の如きフィードフォワード制御、データテーブル等を用いた複雑な制御方法によらずに風車の最大軸出力点を常に追従することができ、低風速から高風速に至るまで発電効率の最も高く得られる制御方式が可能となる。
【００４０】
特に、風速の変化による軸出力量の変動は風車の回転数を変化させることからその回転数を検知し、電気出力量の設定を変更しながら回転数の安定する点を風車の軸出力量と電気出力量とが合致したものとしてこの電気出力量を設定することから、風車の最大出力点を常に追従していることとなり、低風速から高風速に至るまで、発電効率の最も高く得られる制御方式が可能となる。
【００４１】
また、制御にはマイコンを利用するため、高速且つ高精度に制御できる。すなわち、従来は機器の摩擦や慣性モーメント、風速による空力抵抗の変化等の補正が必要であるが、本発明によれば高速且つ高精度で追従させることができるので、回転数、軸出力値の補正の必要が無くなり、制御性も向上する。尚、この制御方法は、可変速形の風力発電装置に使用される同期発電機の形式にはこだわらずに、どのような発電機でも適用が可能である。
【００４２】
さらに、カットイン時から風速が最大風速まで急激に変化した場合であっても、数秒以内に風車の最大出力点を確実に追従させ、風車の効率的な運転を安定化できる。
【００４３】
また、前記操作にて求めた回転数に変化の生じない負荷量のデータを実際に風車が運転したデータとして記憶し、これを実績データとして蓄積すると共に、次の風速変化時に、このデータを基に前記した制御方法による操作を行なうことにより、回転数の変化のない負荷量を求めるまでの時間が可能な限り短縮され、極端な風速の変化に対しても最短時間で追従させることができる。
【００４４】
加えて、風車の回転数の変化に持たせたヒステリシスの範囲内でたとえ回転数が僅かに変化していたとしても、回転数は略一致、すなわち変化していないものと判断し、ヒステリシスの範囲を超えた場合にのみ回転数が変化したものと判断する。
【００４５】
この他、回転数の変化を検出する際に、負荷量を変化させて回転数を比較するまでの各ステップ毎に検出する回転数値と、複数ステップに渡る累計時間後の回転数値とをそれぞれ比較し、変化の大きい方を回転数の変化検出データとして採用すると共に、回転数が低い場合と高い場合とでステップ毎の電力量を変化させることにより、カットイン時から風速が最大風速まで急激に変化した場合であっても、数秒以内に風車の最大出力点を確実に追従させ、風車の効率的な運転を安定化させる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態における、風速が一定の場合の回転数対軸出力特性をグラフ形式に示した図である。
【図２】同じく、風速が変化する場合の回転数対軸出力特性をグラフ形式に示した図である。
【図３】同じく、風力発電装置の概略構成を示すブロック図である。
【図４】同じく、風車の出力特性の右上がり・右下がりの検出方法を示す図である。
【図５】同じく、風車の出力特性のピーク値の検出方法を示す図である。
【図６】同じく、本発明の制御動作を説明したフローチャート図である。
【符号の説明】
１…風車プロペラ
２…交流発電機
３…回転数検出器
４…制御装置
５…ゲート信号部
６…負荷量検出部
７…コンバータ部
８…インバータ部
９…計器用変成器
１０…遮断器
１１…送電系統
１３…負荷量
１４…負荷電流
【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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【図６】
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