(57)【要約】【課題】風速の情報を使用せず、有効電力を調整すること。【解決手段】風車ブレードの周速比と、パワー係数と、ピッチ角とが対応づけられた第１対応情報を有しており、発電機の定格出力を所定量低減させる低減指令値に基づいて、発電機の出力指令値の最大値を決定する出力指令最大値決定部２５と、第１対応情報の前記パワー係数に基づいて算出される低減指令値の低減率と低減率を算出したピッチ角の値とが対応づけられた第２対応情報に基づいて、低減指令値に対応するピッチ角である低減ピッチ角を決定する最小ピッチ角決定部２６と、第１対応情報と低減ピッチ角とに基づいて、発電機の回転数を維持する周速比とパワー係数との組み合わせを決定し、決定された組み合わせ結果に基づいて、出力指令値を決定する出力指令値決定部２７とを具備する。【選択図】図３
2013142291.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピッチ角が可変である風車ブレードを複数枚有する風車ロータと、前記風車ロータの回転により駆動される発電機とを有する風力発電装置に適用される演算装置であって、
前記風車ブレードの周速比と、パワー係数と、前記ピッチ角とが対応づけられた第１対応情報を有しており、
前記発電機の定格出力を所定量低減させる低減指令値に基づいて、前記発電機の出力指令値の最大値を決定する出力指令最大値決定手段と、
前記第１対応情報の前記パワー係数に基づいて算出される前記低減指令値の低減率と、該低減率を算出した前記ピッチ角の最小値である最小ピッチ角とが対応づけられた第２対応情報に基づいて、前記低減指令値の前記低減率に対応する前記ピッチ角である低減最小ピッチ角を決定する最小ピッチ角決定手段と、
前記第１対応情報と前記低減最小ピッチ角とに基づいて、前記発電機の回転数を維持する前記周速比と前記パワー係数との組み合わせを決定し、該組み合わせ結果に基づいて前記発電機の出力指令値を決定する出力指令値決定手段と
を具備する演算装置。
【請求項２】
前記第１対応情報を、前記風車ブレードの前記ピッチ角毎に、前記周速比と前記パワー係数とを対応づけた情報とする場合に、
前記発電機の回転数を維持する周速比とパワー係数との組み合わせを決定する指標を有し、前記第１対応情報と前記指標とに基づいて前記第２対応情報を生成する対応情報生成手段を具備する請求項１に記載の演算装置。
【請求項３】
前記対応情報生成手段は、前記パワー係数を、前記発電機が通常運転される場合の前記パワー係数である最適パワー係数で除算し、該除算結果を１から減算した値を前記低減率とし、前記第２対応情報を生成する請求項２に記載の演算装置。
【請求項４】
前記対応情報生成手段は、前記出力指令値を求める場合に使用する所定の演算式の係数と、前記組み合わせ結果に相当する前記低減最小ピッチ角とが対応づけられる第３対応情報を生成する請求項２または請求項３に記載の演算装置。
【請求項５】
前記対応情報生成手段は、前記出力指令値をＰ、前記発電機回転数をω、係数をＫｏｐｔとした場合に、前記所定の演算式を下記（１）式とし、前記（１）式に基づいて、前記出力指令値を算出する請求項２から請求項４のいずれかに記載の演算装置。
【数１】
2013142291.tif 000010
【請求項６】
前記対応情報生成手段は、空気密度をρ、ロータ半径をＲ、前記パワー係数をＣｐ、周速比をλとした場合において、下記（３）式に基づいて前記係数を算出する請求項５に記載の演算装置。
【数２】
2013142291.tif 000011
【請求項７】
前記係数は、風速が変化しても一定の周速比で前記風力発電装置を運転させるような係数とする請求項５または請求項６に記載の演算装置。
【請求項８】
前記出力指令値決定手段は、前記周速比と前記パワー係数との組み合わせに基づいて、前記出力指令値を決定する請求項１から請求項７のいずれかにに記載の演算装置。
【請求項９】
前記出力指令値決定手段は、前記第１対応情報の前記ピッチ角の最大の前記パワー係数を用いて、前記出力指令値を決定する請求項８に記載の演算装置。
【請求項１０】
前記出力指令値決定手段は、前記発電機を通常運転させる場合の前記周速比である最適周速比を用いて、前記出力指令値を決定する請求項８に記載の演算装置。
【請求項１１】
前記出力指令値決定手段は、前記発電機を通常運転させる場合の前記周速比と前記パワー係数とに基づいて算出される前記係数を用いて前記出力指令値を決定する請求項５から請求項７のいずれかに記載の演算装置。
【請求項１２】
前記低減指令値は、前記発電機の前記定格出力に対する割合で指定される指令値、及び低減量を固定値で指定される指令値のうち、少なくともどちらか一方である請求項１から請求項１１のいずれかに記載の演算装置。
【請求項１３】
請求項１から請求項１２のいずれかに記載の演算装置を具備する風力発電装置。
【請求項１４】
請求項１から請求項１２のいずれかに記載の演算装置と、
発電機の出力指令値を所定量低減させる低減指令値の情報を前記演算装置に入力させるか否かを切り替える切替手段と
を具備し、
前記切替手段は、前記発電機の回転数が所定値以上の場合には、前記演算装置に前記低減指令値を入力させるべく前記切替手段をオン状態にし、前記発電機の回転数が所定値より小さい場合には、前記演算装置に前記低減指令値を入力させないよう前記切替手段をオフ状態にする風力発電装置。
【請求項１５】
請求項１から請求項１２のいずれかに記載の演算装置と、
請求項１３または請求項１４に記載の複数の風力発電装置と、
発電機の出力指令値を所定量低減させる低減指令値に基づいて、各前記風力発電装置に対して低減量の割合を決定する割合決定手段と
を具備するウインドファーム。
【請求項１６】
ピッチ角が可変である風車ブレードを複数枚有する風車ロータと、前記風車ロータの回転により駆動される発電機とを有する風力発電装置に適用される演算方法であって、
前記発電機の定格出力を所定量低減させる低減指令値に基づいて、前記発電機の出力指令値の最大値を決定する出力指令最大値決定ステップと、
前記風車ブレードの周速比と、パワー係数と、前記ピッチ角とが対応づけられた第１対応情報の前記パワー係数に基づいて算出される前記低減指令値の低減率と、該低減率を算出した前記ピッチ角の最小値である最小ピッチ角とが対応づけられた第２対応情報に基づいて、前記低減指令値の前記低減率に対応する前記ピッチ角である低減最小ピッチ角を決定する最小ピッチ角決定ステップと、
前記第１対応情報と前記低減最小ピッチ角とに基づいて、前記発電機の回転数を維持する前記周速比と前記パワー係数との組み合わせを決定し、該組み合わせ結果に基づいて出力指令値を決定する出力指令値決定ステップと
を有する演算方法。
【請求項１７】
ピッチ角が可変である風車ブレードを複数枚有する風車ロータと、前記風車ロータの回転により駆動される発電機とを有する風力発電装置に適用される演算プログラムであって、
前記発電機の定格出力を所定量低減させる低減指令値に基づいて、前記発電機の出力指令値の最大値を決定する出力指令最大値決定処理と、
前記風車ブレードの周速比と、パワー係数と、前記ピッチ角とが対応づけられた第１対応情報の前記パワー係数に基づいて算出される前記低減指令値の低減率と、該低減率を算出した前記ピッチ角の最小値である最小ピッチ角とが対応づけられた第２対応情報に基づいて、前記低減指令値の前記低減率に対応する前記ピッチ角である低減最小ピッチ角を決定する最小ピッチ角決定処理と、
前記第１対応情報と前記低減最小ピッチ角とに基づいて、前記発電機の回転数を維持する前記周速比と前記パワー係数との組み合わせを決定し、該組み合わせ結果に基づいて出力指令値を決定する出力指令値決定処理と
をコンピュータに実行させるための演算プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、演算装置、方法、プログラム、及びそれを備えた風力発電装置、並びにウインドファームに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、風力発電設備の電力系統連系要件のガイドラインが整備されており、設置される風力発電装置は、連系要件に適合させる必要がある。特に、風力発電装置を定格出力より低減させ出力に予備力を持たせて運転させることは、発電量を調整でき、電力系統に安定して電力を供給できるという観点から系統連系に優位性を有することが知られている。
例えば、特許文献１には、風車ブレードのピッチ角と周速比とから算出されるパワー係数に出力の低減率を加味した低減パワー係数を算出し、低減パワー係数を逆算することにより求められる低減ピッチ角と低減周速比に基づいて有効電力を制御することで、出力を低減させる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／０２８６８３５号明細書
【特許文献２】特開２０１１−００５７４４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１の方法では、低減パワー係数から低減ピッチ角と低減周速比とを逆算するための具体的な算出方法が一切記載されておらず、低減ピッチ角と低減周速比とを求めることができないという問題があった。また、低減パワー係数から低減ピッチ角と低減周速比との逆算方法が明確となった場合であっても、パワー係数を決定する段階で用いられる周速比は風速に基づいて決定されるパラメータであり、風速は精度よく得ることが困難であるため、適切なパワー係数を求めることができず、結果として有効電力の制御量を正確に算出できないという問題があった。
【０００５】
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、風速の情報を使用せず、有効電力を所望の値に調整できる演算装置、方法、プログラム、及びそれを備えた風力発電装置、並びにウインドファー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】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、ピッチ角が可変である風車ブレードを複数枚有する風車ロータと、前記風車ロータの回転により駆動される発電機とを有する風力発電装置に適用される演算装置であって、前記風車ブレードの周速比と、パワー係数と、前記ピッチ角とが対応づけられた第１対応情報を有しており、前記発電機の定格出力を所定量低減させる低減指令値に基づいて、前記発電機の出力指令値の最大値を決定する出力指令最大値決定手段と、前記第１対応情報の前記パワー係数に基づいて算出される前記低減指令値の低減率と、該低減率を算出した前記ピッチ角の最小値である最小ピッチ角とが対応づけられた第２対応情報に基づいて、前記低減指令値の前記低減率に対応する前記ピッチ角である低減最小ピッチ角を決定する最小ピッチ角決定手段と、前記第１対応情報と前記低減最小ピッチ角とに基づいて、前記発電機の回転数を維持する前記周速比と前記パワー係数との組み合わせを決定し、該組み合わせ結果に基づいて前記発電機の出力指令値を決定する出力指令値決定手段とを具備する演算装置を提供する。
【０００７】
このような構成によれば、ピッチ角が可変である風車ブレードを複数枚有する風車ロータと、風車ロータの回転により駆動される発電機とを有する風力発電装置に用いられる演算装置において、発電機の出力指令値の最大値は、定格出力を所定量低減させる低減指令値に基づいて決定される。また、演算装置には、風車ブレードの周速比と、パワー係数と、ピッチ角とが対応付けられた第１対応情報が設けられており、第１対応情報のパワー係数から算出される低減指令値の低減率と低減率を算出した最小ピッチ角の値とが対応付けられた第２対応情報に基づいて、低減指令値の低減率に対応する最小ピッチ角である低減最小ピッチ角が決定される。さらに、決定された低減最小ピッチ角に基づいて、発電機の回転数を維持する周速比とパワー係数との組み合わせ結果から、発電機の出力指令値が決定される。
【０００８】
このように、逐次計測された風速の情報を使用しないで、低減指令値に応じた低減最小ピッチ角を決定することにより、出力指令値を正確に算出することができる。また、低減最小ピッチ角によるピッチ角の変更だけでなく、ピッチ角の変更後も発電機の回転数を維持する周速比とパワー係数との組み合わせ結果に基づいて出力指令値が決定されるので、発電機回転数が維持される運転点である最適な運転点で運転させることができる。また、定格出力を所定量低減させることで、風力発電装置の有効電力に調整しろ（予備力）を持たせ、出力を調整できるようにしたので、電力系統の安定性向上に寄与できる。さらに、本発明は、ソフトウェアの変更によって実施できるので、導入コストが低減できる。
【０００９】
図１３は風車ブレードのピッチ角毎の周速比とパワー係数との関係を示した図であるが、従来の方法として、通常運転の場合は、最も風を受けやすいピッチ角（例えば、２１°）の最大値のパワー係数を選定し、図の［通常運転］点における周速比とパワー係数を用いた制御により風力発電装置を運転させればよい。一方、出力低減運転の場合には、パワー係数に所望の低減量を乗算した低減パワー係数を選定して運転させるが、図１３に示されるように、所望の低減パワー係数になる周速比とピッチ角との組合せは複数存在するので、周速比とピッチ角との組合せを適宜選定する必要がある。
本発明によれば、出力低減運転の場合には、低減指令値に応じた発電機回転数を維持するパワー係数とピッチ角と周速比との組み合わせが、選定される。
【００１０】
上記演算装置において、前記第１対応情報を、前記風車ブレードの前記ピッチ角毎に、前記周速比と前記パワー係数とを対応づけた情報とする場合に、前記発電機の回転数を維持する周速比とパワー係数との組み合わせを決定する指標を有し、前記第１対応情報と前記指標とに基づいて前記第２対応情報を生成する対応情報生成手段を具備することとしてもよい。
【００１１】
発電機回転数を維持する周速比とパワー係数との組み合わせを決定する指標に基づいて第２対応情報が生成されるので、回転数を維持する低減最小ピッチ角を選定することができる。指標は、例えば、各ピッチ角の最大のパワー係数をパワー係数として選定すること、或いは、ファイン側のピッチ角に対応する周速比と一致する周速比を各ピッチ角に対して選定すること、等の情報である。
【００１２】
上記演算装置の前記対応情報生成手段は、前記パワー係数を、前記発電機が通常運転される場合の前記パワー係数である最適パワー係数で除算し、該除算結果を１から減算した値を前記低減率とし、前記第２対応情報を生成することが好ましい。
このように第１対応情報のパワー係数を用いることにより、低減率を算出でき、第２対応情報を簡便に生成することができる。
【００１３】
上記演算装置の前記対応情報生成手段は、前記出力指令値を求める場合に使用する所定の演算式の係数と、前記組み合わせ結果に相当する前記低減最小ピッチ角とが対応づけられる第３対応情報を生成することとしてもよい。
第３対応情報を使用することにより、低減最小ピッチ角から出力指令値を速やかに決定することができる。
【００１４】
上記演算装置の前記対応情報生成手段は、前記出力指令値をＰ、前記発電機回転数をω、係数をＫｏｐｔとした場合に、前記所定の演算式を下記（１）式とし、前記（１）式に基づいて、前記出力指令値を算出することとしてもよい。
【数１】
2013142291.tif 000003
出力指令値は、回転数を維持する周速比とパワー係数とに基づいて算出されるＫｏｐｔを係数とし、発電機回転数の３次式によって算出できる。これにより、回転数を維持しつつ、出力を低減する制御ができる。
【００１５】
上記演算装置の前記対応情報生成手段は、空気密度をρ、ロータ半径をＲ、前記パワー係数をＣｐ、周速比をλとした場合において、下記（３）式に基づいて前記係数を算出することとしてもよい。
【数２】
2013142291.tif 000004
上記（３）式に示されるように、係数は、回転数が維持されるパワー係数と周速比に基づいて算出されるので、係数を用いた上記（１）式で算出される出力指令値は、回転数が維持される出力指令値となる。
【００１６】
上記演算装置において、前記係数は、風速が変化しても一定の周速比で前記風力発電装置を運転させるような係数とすることが好ましい。
係数を用いて示される出力指令値は、風速が変化しても一定の風速比で風力発電装置を運転させる指令値とすることができる。
【００１７】
上記演算装置の前記出力指令値決定手段は、前記周速比と前記パワー係数との組み合わせに基づいて、前記出力指令値を決定することとしてもよい。
組合せ決定手段によって決定された周速比とパワー係数との組み合わせに基づいて、簡便に出力指令値を決定することができる。
【００１８】
上記演算装置の前記出力指令値決定手段は、前記第１対応情報の前記ピッチ角の最大の前記パワー係数を用いて、前記出力指令値を決定することしてもよい。
ピッチ角に対して最大パワー係数をパワー係数として選定するので、出力を低減させる場合において、最も効率がよい運転状態となる。
【００１９】
上記演算装置の前記出力指令値決定手段は、前記発電機を通常運転させる場合の前記周速比である最適周速比を用いて、前記出力指令値を決定することとしてもよい。
一定の周速比によって出力を低減させるので、発電機回転数が変動せず固定され、風力発電装置を安定運転できる。
【００２０】
上記演算装置の前記出力指令値決定手段は、前記発電機を通常運転させる場合の前記周速比と前記パワー係数とに基づいて算出される前記係数を用いて前記出力指令値を決定することとしてもよい。
通常運転させる場合の係数を上記（３）式により算出し、この係数によって出力指令値を決定する。係数は固定値となるため、出力指令値は変更せず、設定変更する要素は低減ピッチ角のみとなるので、ロジックの改修が少なくなる。
【００２１】
上記演算装置における前記低減指令値は、前記発電機の前記定格出力に対する割合で指定される指令値、及び低減量を固定値で指定される指令値のうち、少なくともどちらか一方であることが好ましい。
低減指令値は、定格出力に対する割合、及び低減量の少なくともどちらか一方で指定されるので、低減後の定格出力を簡便に決定することができる。
【００２２】
本発明は、上記いずれかに記載の演算装置を具備する風力発電装置を提供する。
【００２３】
本発明は、上記いずれかに記載の演算装置と、発電機の出力指令値を所定量低減させる低減指令値の情報を前記演算装置に入力させるか否かを切り替える切替手段とを具備し、前記切替手段は、前記発電機の回転数が所定値以上の場合には、前記演算装置に前記低減指令値を入力させるべく前記切替手段をオン状態にし、前記発電機の回転数が所定値より小さい場合には、前記演算装置に前記低減指令値を入力させないよう前記切替手段をオフ状態にする風力発電装置を提供する。
【００２４】
風速が低く、発電機回転数が低回転の場合には、切替手段がオフ状態にされることにより、低減指令値が入力されないので、回転数が低い場合には出力低減の制御が行われない。これにより、低回転の場合に出力低減運転が行われ、風力発電装置が電力系統から解列することを防止することができる。
【００２５】
本発明は、上記いずれかに記載の演算装置と、上記いずれかに記載の複数の風力発電装置と、発電機の出力指令値を所定量低減させる低減指令値に基づいて、各前記風力発電装置に対して低減量の割合を決定する割合決定手段とを具備するウインドファームを提供する。
【００２６】
このような構成によれば、複数の風力発電装置を有するウインドファームにおいて、例えば、各風力発電装置に対して均等に低減量を割り振る、発電機の出力値の大きい風力発電装置から順に低減量の割合を多くする、或いは、風上に設置されている風力発電装置から順に低減量の割合を多くする等、低減量の割合の割り振りを決定する。
これにより、ウインドファーム全体として所望の出力低減制御を行うことができる。
【００２７】
本発明は、ピッチ角が可変である風車ブレードを複数枚有する風車ロータと、前記風車ロータの回転により駆動される発電機とを有する風力発電装置に適用される演算方法であって、前記発電機の定格出力を所定量低減させる低減指令値に基づいて、前記発電機の出力指令値の最大値を決定する出力指令最大値決定ステップと、前記風車ブレードの周速比と、パワー係数と、前記ピッチ角とが対応づけられた第１対応情報の前記パワー係数に基づいて算出される前記低減指令値の低減率と、該低減率を算出した前記ピッチ角の最小値である最小ピッチ角とが対応づけられた第２対応情報に基づいて、前記低減指令値の前記低減率に対応する前記ピッチ角である低減最小ピッチ角を決定する最小ピッチ角決定ステップと、前記第１対応情報と前記低減最小ピッチ角とに基づいて、前記発電機の回転数を維持する前記周速比と前記パワー係数との組み合わせを決定し、該組み合わせ結果に基づいて出力指令値を決定する出力指令値決定ステップとを有する演算方法を提供する。
【００２８】
本発明は、ピッチ角が可変である風車ブレードを複数枚有する風車ロータと、前記風車ロータの回転により駆動される発電機とを有する風力発電装置に適用される演算プログラムであって、前記発電機の定格出力を所定量低減させる低減指令値に基づいて、前記発電機の出力指令値の最大値を決定する出力指令最大値決定処理と、前記風車ブレードの周速比と、パワー係数と、前記ピッチ角とが対応づけられた第１対応情報の前記パワー係数に基づいて算出される前記低減指令値の低減率と、該低減率を算出した前記ピッチ角の最小値である最小ピッチ角とが対応づけられた第２対応情報に基づいて、前記低減指令値の前記低減率に対応する前記ピッチ角である低減最小ピッチ角を決定する最小ピッチ角決定処理と、前記第１対応情報と前記低減最小ピッチ角とに基づいて、前記発電機の回転数を維持する前記周速比と前記パワー係数との組み合わせを決定し、該組み合わせ結果に基づいて出力指令値を決定する出力指令値決定処理とをコンピュータに実行させるための演算プログラムを提供する。
【発明の効果】
【００２９】
本発明は、風速の情報を使用せず、有効電力を調整できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る風力発電装置の概略構成を示した図である。
【図２】第１の実施形態に係る第１対応情報の一例を示した図である。
【図３】第１の実施形態に係る演算部の機能ブロック図である。
【図４】第１の実施形態に係る第２対応情報の一例を示した図である。
【図５】第１の実施形態に係る第３対応情報の一例を示した図である。
【図６】第１の実施形態に係る風力発電装置の制御過程を説明する動作フローである。
【図７】風速毎の発電機回転数と発電量との関係を示した図である。
【図８】第１の実施形態に係る風力発電装置のパワーカーブの一例を示した図である。
【図９】本発明の第１の実施形態の変形例１に係る周速比とパワー係数との組み合わせの選定方法を説明した図である。
【図１０】本発明の第１の実施形態の変形例２に係る周速比とパワー係数との組み合わせの選定方法を説明した図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係る風力発電装置の概略構成を示した図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態に係るウインドファームシステムの概略構成を示した図である。
【図１３】出力低減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】
【００３１】
〔第１の実施形態〕
以下に、本発明に係る演算装置及び方法並びにプログラム、風力発電装置、ウインドファームの第１の実施形態について、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装置の概略構成を示したブロック図である。風力発電装置１は、タワー（図示せず）上部に設けられた風車ロータ１１、風車ブレード１２、及びナセル１３を主な構成要素とする機械的部分と、風車ブレードのピッチ角の切替え制御を行うピッチ角制御部２０と、制御部２１と、演算部（演算装置）３０とを備えている。また、上記ナセル１３は、増速機１４及び発電機１５を備えている。
【００３２】
風車ブレード１２は、風車ロータ１１に複数枚が放射状に取り付けられている。風車ロータ１１と増速機１４、及び発電機１５は主軸１８や図示しないギアボックス等を介して機械的に連結され、一体に回転可能となっている。したがって、風車ブレード１２が風力エネルギーを受けて風車ロータ１１と共に回転し、増速機１４によって増速した後、発電機１５を駆動して発電することにより風力エネルギーを電気エネルギーに変換するようになっている。
このように、風力発電装置１は、風車ブレード１２が風力エネルギーを受けて風車ロータ１１が回転し、風車ロータ１１の回転を増速機１４によって増速した後、その回転により発電機１５を駆動して発電することにより風力エネルギーを電気エネルギーに変換するようになっている。
【００３３】
ピッチ角制御部２０は、演算部３０からの最小ピッチ指令β＊に応答して、風車ブレード１２のピッチ角βを制御する。具体的には、ピッチ角制御部２０は、風車ブレード１２のピッチ角βが最小ピッチ指令β＊より大きくなる（フェザー側になる）ように制御を行う。
制御部２１は、演算部３０からの出力指令値Ｐａに応答して、発電機１５の出力制御を行う。
演算部３０は、発電機１５の定格出力を所定量低減させる低減指令値に基づいて、風車ブレード１２のピッチ角制御量及び発電機１５の出力指令値を演算し、出力する。
【００３４】
制御部２１は、例えば、各種演算処理を実行するＣＰＵ（中央演算装置）、基本プログラム等を記憶する読み出し専用のメモリであるＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）等の補助記憶装置、ＣＰＵの作業領域として機能する読み書き自在のメモリであるＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）等の主記憶装置、及びプログラムや各種データを記憶する記憶装置を有するコンピュータシステムを備えている。制御部２１のＲＯＭには、例えば、風力発電装置の演算プログラムが格納されている。後述の各種機能を実現するための一連の処理過程は、ＣＰＵが演算プログラムを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実現される。
【００３５】
記憶装置は、風車ブレード１２の周速比λと、パワー係数Ｃｐと、ピッチ角とが対応づけられた第１対応情報、及び第１対応情報のパワー係数Ｃｐに基づいて算出される出力指令値の低減率と、低減率を算出したピッチ角の最小値である最小ピッチ角とが対応づけられた第２対応情報と、低減最小ピッチ角と係数Ｋｏｐｔとが対応づけられた第３対応情報（詳細は後述する）が格納されている。
【００３６】
図２は、第１対応情報の一例であり、ピッチ角が２１°から４０°におけるピッチ角毎に、周速比λとパワー係数Ｃｐとの対応関係が示されている。第１対応情報は、風力発電装置の種類等により傾向が決まる情報であり、例えば、風力発電装置の設置時において作業員により予め計測して得られる情報である。
【００３７】
次に、上述した演算部３０が備える各部において実行される処理内容について図３を参照して説明する。図３に示されるように、演算部３０は、出力指令最大値決定部（出力指令最大値決定手段）２５、最小ピッチ角決定部（最小ピッチ角決定手段）２６、出力指令値決定部（出力指令値決定手段）２７、及び対応情報生成部２８を備えている。
出力指令最大値決定部２５は、発電機１５の定格出力を所定量低減させる低減指令値に基づいて、発電機１５の出力指令値の最大値を決定する。本実施形態において、低減指令値は、定格出力に対する割合〔％〕で指定されることとして説明するが、これに限定されず、例えば、固定値の低減量〔ｋＷ〕が指定されることとしてもよい。
【００３８】
最小ピッチ角決定部２６は、第１対応情報のパワー係数に基づいて算出される低減指令値の低減率と、低減率を算出した最小ピッチ角の値とが対応づけられた第２対応情報に基づいて、低減指令値の低減率に対応する最小ピッチ角である低減最小ピッチ角を決定する。ここで、低減指令値が、定格出力に対する割合〔％〕で指定される場合には、最小ピッチ角決定部２６は、低減指令値の百分率で表した値を低減率とする。つまり、低減指令値が２０〔％〕として指定された場合には、低減率は０．２とする。
【００３９】
出力指令値決定部２７は、第１対応情報と低減最小ピッチ角とに基づいて、発電機１５の回転数を維持する周速比λとパワー係数Ｃｐとの組み合わせを決定し、決定された組み合わせ結果に基づいて、出力指令値を決定する。ここで、組み合わせ結果とは、第１対応情報における低減最小ピッチ角のピッチ角の値に相当する周速比λとパワー係数Ｃｐとであり、つまり、ピッチ角と周速比λとパワー係数Ｃｐとの組み合わせを意味する。
【００４０】
本実施形態においては、周速比λ及びパワー係数Ｃｐの組み合わせから算出される出力指令値を所定の演算式によって求める場合の演算式の係数Ｋｏｐｔと、低減最小ピッチ角とを対応づけた第３対応情報（詳細は後述する）を用い、出力指令値決定部２７は、低減最小ピッチ角に相当する係数Ｋｏｐｔを読み出し、読み出された係数Ｋｏｐｔに基づいて、出力指令値を決定する。
出力指令値決定部２７は、出力指令値Ｐａを下記（１）式に基づいて算出する。ここで、Ｐａは出力指令値、ωは発電機回転数、Ｋｏｐｔは係数とする。
【数３】
2013142291.tif 000005
【００４１】
対応情報生成部２８は、発電機１５の回転数を維持する周速比λとパワー係数Ｃｐとの組み合わせを決定する指標を有しており、指標に基づいて第２対応情報及び第３対応情報を生成し、記憶装置に出力する。また、指標は、第３対応情報を生成する場合に算出される係数Ｋｏｐｔが所望の係数となるような、周速比λとパワー係数Ｃｐとの組み合わせを選定させる指標である。また、所望の係数とは、風速が変化しても一定の周速比で風力発電装置を運転させるような係数である。
ここで、本実施形態においては、指標は、各ピッチ角に対して最大のパワー係数を、パワー係数Ｃｐとして選定する（図２参照）。このように、各ピッチ角に対するパワー係数の最大値を、選定するパワー係数Ｃｐとすることにより、風力発電装置を出力低減運転させる場合において、最も効率がよくなる運転点となる。
【００４２】
具体的に第２対応情報を生成する場合には、対応情報生成部２８は、指標に基づいてピッチ角毎に選定するパワー係数を決定し、選定されたパワー係数に基づいて低減率を算出する。ここで、低減率は、以下の（２）式に示されるように、選定されたパワー係数を、発電機１５が通常運転される場合のパワー係数である最適パワー係数で除算し、除算結果を１から減算した値を低減率とする。ここで、Ｃｐはパワー係数である。また、ｏｐｔｉｍａｌＣｐは最適パワー係数であり、風力発電装置の通常運転におけるパワー係数、即ち、風車ブレード１２がファイン側となっている場合の最大パワー係数である。
上述した通り、本実施形態においては、低減指令値が、定格出力に対する割合〔％〕で指定されることとするので、低減率は、割合を百分率で示した値とする。
【数４】
2013142291.tif 000006
【００４３】
図４は、第２対応情報の一例を示している。図４の（ｉ）Ｃｐ最大ラインで示される第２対応情報は、図２に示される第１対応情報の各ピッチ角に対してパワー係数の最大値をパワー係数Ｃｐとして選定し、上記（２）式を演算することにより、各ピッチ角に対する低減率を算出し、低減率とピッチ角とが対応づけられて示されている。
【００４４】
また、対応情報生成部２８は、出力指令値を求める場合に使用する所定の演算式の係数と、指標に基づき選定される組み合わせ結果に相当する低減最小ピッチ角とが対応づけられる第３対応情報を生成する。具体的には、対応情報生成部２８は、所定の演算式の係数を係数Ｋｏｐｔとし、下記（３）式に基づいて、係数Ｋｏｐｔを算出し、低減最小ピッチ角と係数Ｋｏｐｔとを対応づける第３対応情報を生成する。ここで、ρは空気密度、Ｒはロータ半径、Ｃｐはパワー係数、λは周速比とする。
【数５】
2013142291.tif 000007
【００４５】
以下に、上述した（３）式を導出する過程を説明する。
質量ｍ、速度Ｖ、受風面積Ａ（平方メートル）の風力発電装置を考えると、この面積を単位時間あたりに通過する風速ｖ（ｍ／ｓ）の風力エネルギーＰは、以下の（４）式で表わされ、風力発電装置から取り出すことができる出力Ｐｗは、下記（４）式にパワー係数Ｃｐを乗算させた（５）式となる。ここで、Ｐｗは出力［Ｗ］、ρは空気密度［ｋｇ／ｍ３］、Ｒはロータ半径、Ｃｐはパワー係数、θはピッチ角［ｄｅｇ］、λは周速比、ｖは風速［ｍ／ｓ］、ωはロータ回転数［ｒａｄ／ｓ］とし、λ＝ωＲ／ｖとする。
【数６】
2013142291.tif 000008
【００４６】
また、本実施形態においては、出力指令値Ｐａを上述した（１）式に基づいて算出することから、上記（１）式及び（５）式に基づいて、係数Ｋｏｐｔを算出する数式に変換すると、以下の（６）式となる。こうして係数Ｋｏｐｔは、周速比λとパワー係数Ｃｐとに基づいて求められる（以下の（７）式参照）。
【数７】
2013142291.tif 000009
【００４７】
図５は、第３対応情報の一例を示している。図５の（ｉ）Ｃｐ最大ラインで示される第３対応情報は、図２に示される第１対応情報の各ピッチ角に対してパワー係数の最大値をパワー係数Ｃｐとして選定し、選定されたパワー係数Ｃｐと周速比λとの組み合わせ結果から上記（７）式を演算することにより、各ピッチ角に対する係数Ｋｏｐｔが対応づけられて示されている。
【００４８】
図６は、本実施形態にかかる風力発電装置１における出力低減制御の過程を示す動作フローである。
風力発電装置１において、定格出力を所定量低減させる低減指令値が入力されると（ステップＳＡ１）、低減指令値に基づいて、発電機の出力指令値の最大値が算出され、所定量低減後の最大値が決定される（ステップＳＡ２）。
第２対応情報が参照され、低減指令値に基づいて算出される低減率に対応する低減最小ピッチ角が決定される（ステップＳＡ３）。さらに、第３対応情報が参照され、ステップＳＡ３において決定された低減最小ピッチ角に相当する係数Ｋｏｐｔが読み出され、読み出された係数Ｋｏｐｔが、上記（１）式に代入され、出力指令値Ｐａが算出される（ステップＳＡ４）。
【００４９】
このようにして演算部３０によって決定された低減最小ピッチ角β＊は、ピッチ角制御部２０に出力され、出力指令値Ｐａは、制御部２１に出力され（ステップＳＡ５）、本処理を終了する。ピッチ角制御部２０は、風車ブレード１２のピッチ角が、取得した低減最小ピッチ角β＊より大きくなる（フェザー側になる）ように風車ブレード１２のピッチ角を制御する。制御部２１は、発電機１５の出力指令値が、取得した出力指令値Ｐａとなるように、風力発電装置１を制御する。
【００５０】
以上説明してきたように、本実施形態に係る演算部３０（演算装置）、方法、プログラム、及びそれを備えた風力発電装置１によれば、逐次計測された風速の情報を使用しないで、低減指令値に応じた低減最小ピッチ角を決定することにより、出力指令値Ｐａを正確に算出することができる。また、低減最小ピッチ角に相当する、発電機回転数を維持する周速比λとパワー係数Ｃｐとの組み合わせ結果に基づいて算出される係数Ｋｏｐｔを用いて出力指令値Ｐａが決定される（つまり、低減指令値に対して、ピッチ角の低減（ファイン側から、フェザー側へ移動）だけでなく、係数Ｋｏｐｔをも低減させる）ので、発電機回転数が維持される運転点である最適な運転点で運転させることができる。
また、定格出力を所定量低減させることで、風力発電装置の有効電力に調整しろ（予備力）を持たせ、出力を調整できるようにしたので、電力系統の安定性向上に寄与できる。さらに、本発明は、ソフトウェアの変更によって実施できるので、導入コストが低減できる。
【００５１】
ここで、本発明において、係数Ｋｏｐｔとピッチ角とを低減させる根拠について図７を用いて説明する。図７は、風車ブレード１２が、最もファイン側（例えば、ピッチ角２１°）に設定された状態における風速毎の発電機回転数と発電量との関係を示した図である。ここでは、風速８ｍ／ｓの場合を例に挙げて説明する。
出力指令値を上記（１）式に示したように、Ｐａ＝Ｋｏｐｔ×ω３によって制御する場合には、風速８ｍ／ｓにおける運転点は、Ａ点である。ここで、低減指令値が入力された場合に、出力指令値Ｐａだけを低減させる、つまり、係数Ｋｏｐｔだけを小さくする制御をした場合には、Ｐａは点線で示されるＰａ´の位置に変更される。この場合の運転点は、曲線Ｐａ´と風速８ｍ／ｓとの交点Ｂ点となり、Ｂ点はＡ点と比較すると回転数ωが上がっているが、発電量は変わらない。
【００５２】
そのため、回転数ωを維持したままで発電量を変更するには、係数Ｋｏｐｔの低減とともに、変更前の回転数ωと共通の回転数ωをとる曲線Ｐａ´上に運転点が通るようにピッチ角を低減（ファイン側から、フェザー側へ移動）させることが必要となる。また、こうした制御を行うことにより、図８の風速と発電機出力との関係を示すパワーカーブに示されるように、定格出力の最大値を変更するだけでなく、定格風速になるまでの風速の領域の出力をも低減することができる。
図８では、通常運転の目標値を実線で示し、通常運転から２０％低減した運転、４０％低減した運転、６０％低減した運転、８０％低減した運転のそれぞれの目標値を線種を異ならせた線で示しており、実際の通常運転の結果を●印で示し、本発明による有効電力調整後の運転結果を■印（２０％低減）、▲印（４０％低減）、×印（６０％低減）、◆印（８０％低減）で示している。
こうしたことから、本発明においては、係数Ｋｏｐｔの低減とともに、ピッチ角をも低減させており、これにより、発電機回転数を維持したまま出力低減することができる。
【００５３】
なお、本実施形態においては、最小ピッチ角決定部２６において、低減指令値が定格出力に対する割合で指定された場合には、低減指令値の百分率で示される値を低減率としていたが、これに限定されず、例えば、低減指令値が低減量（固定値。例えば、５００ｋＷ）として指定されてもよい。
【００５４】
〔変形例１〕
上述した第１の実施形態においては、対応情報生成部２８が有する指標は、各ピッチ角に対して最大のパワー係数を、パワー係数Ｃｐとして選定することとしていたが、これに限定されない。例えば、発電機１５を通常運転させる場合の周速比である最適周速比を周速比λとして選定し、選定した周速比λと、周速比λに相当するパワー係数Ｃｐとに基づいて係数Ｋｏｐｔを決定することとしてもよい。本変形例１による周速比λとパワー係数Ｃｐとの組み合わせを用いた場合には、図４の（ii）λ固定ラインで示される第２対応情報、及び図５の（ii）λ固定ラインで示される第３対応情報が得られる。
図９は、周速比λを固定とする場合に選定される周速比λとパワー係数Ｃｐとの組み合わせを示している。このように、周速比λを固定とすることにより、風力発電装置の運転においては、発電機回転数が変動せず、安定した運転状態となる。
【００５５】
〔変形例２〕
或いは、例えば、対応情報生成部２８が有する指標は、発電機１５を通常運転させる場合の周速比λとパワー係数Ｃｐとに基づいて算出される係数Ｋｏｐｔを選定し、係数Ｋｏｐｔを固定としてもよい。本変形例２による周速比λとパワー係数Ｃｐとの組み合わせを用いた場合には、図４の（iii）Ｋｏｐｔ固定ラインで示される第２対応情報、及び図５の（iii）Ｋｏｐｔ固定ラインで示される第３対応情報が得られる。
図１０は、発電機１５が通常運転時のピッチ角２１°である場合の係数Ｋｏｐｔと共通の係数Ｋｏｐｔが選定された場合の周速比λとパワー係数Ｃｐとの組み合わせをプロットして示している。このように、係数Ｋｏｐｔを固定値にすると、出力指令値は変化しないこととなり、設定変更される要素はピッチ角のみとなるので、ロジックの改修が少なくなる。
【００５６】
〔第２の実施形態〕
以下、本発明の第２の実施形態について説明する。本第２の実施形態に係る風力発電装置の構成は、図１１を用いて説明する。図１１の風力発電装置１´は、第１の実施形態に係る風力発電装置１の構成に加え、切替部（切替手段）４０を備えている。以下、本実施形態の風力発電御装置について、第１の実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。
【００５７】
切替部４０は、発電機１５の出力指令値を所定量低減させる低減指令値の情報を演算部３０に入力させるか否かを切り替える。また、切替部４０は、発電機１５の回転数が所定値以上の場合には、演算部３０に低減指令値を入力させるべく切替部４０をオン状態にし、発電機１５の回転数が所定値より小さい場合には、演算部３０に低減指令値を入力させないよう切替部４０をオフ状態にする。また、発電機回転数のノイズ、判定のハンチングに対応するため、切替部４０の切り替えにはヒステリシスを持たせることが好ましい。例えば、発電機回転数が７５０ｒｐｍ以上である場合には切替部４０をオン状態とし、発電機回転数が７００ｒｐｍ以下である場合には切替部４０をオフ状態とする。また、演算部３０に接続されないオフ状態の場合は、通常運転時の最小ピッチ角が入力されるようになっている。ここで、通常運転時の最小ピッチ角とは、ＯｐｔｉｍａｌＣｐの場合のピッチ角であり、例えば、２１〔ｄｅｇ〕である。
【００５８】
これにより、風速が低く、発電機回転数が低回転の場合には、切替部４０がオフ状態にされることにより、低減指令値が入力されないので、回転数が低い場合には出力低減の演算が行われない。このように、低回転の場合に出力低減運転が行われることにより、風力発電装置１´が電力系統から解列することを防止することができる。
また、本実施形態においては、切替部４０が、演算部３０とピッチ角制御部及び制御部との間に設置されている場合を例に挙げて説明していたが、これに限定されず、例えば、低減指令値を演算部３０に入力させる位置に配置することとしてもよい。
【００５９】
〔第３の実施形態〕
以下、本発明の第３の実施形態について説明する。本第３の実施形態は、複数の風力発電装置を備え、出力指令値を振り分ける割合決定部（割合決定手段）を設ける点で上記第１の実施形態及び第２の実施形態と異なる。以下、本実施形態の風力発電御装置について、第１の実施形態、第２の実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。
【００６０】
図１２に示されるように、ウインドファーム１０は、複数の風力発電装置１ａ，１ｂ，１ｃ、計測データ収集機器５３、及びウインドファーム制御部５２を備えている。ウインドファームシステム１００は、インターネット等のネットワーク５１を介してウインドファーム１０と給電指令部５０とが通信可能に接続されている。
計測データ収集機器５３は、各風力発電装置１ａ，１ｂ，１ｃの各種計測データ（例えば、電圧、電力、電流、周波数等）を収集し、計測データの情報をウインドファーム制御部５２に出力する。
ウインドファーム制御部５２は、計測データ収集機器５３を介して、各風力発電装置１ａ，１ｂ，１ｃと通信可能に接続されている。また、ウインドファーム制御部５２は、割合決定部２９を備えている。
【００６１】
割合決定部２９は、発電機の出力指令値を所定量低減させる低減指令値に基づいて、各風力発電装置１に対して低減量の割合を決定する。具体的には、割合決定部２９は、低減指令値（例えば、定格出力を１０％低減）を取得すると、予め定められた割り振り情報に基づいて、低減量の割り振りを決定する。ここで、割り振り情報とは、各風力発電装置に対して均等に低減量を割り振る（例えば、風力発電装置１ａ，１ｂ，１ｃのそれぞれに対して１０％の低減指令）、或いは、発電機の出力値の大きい風力発電装置から順に低減量の割合を多くする（例えば、風力発電装置１ａは１５％低減、風力発電装置１ｂは１０％低減、風力発電装置１ｃは５％低減）、或いは、風上に設置されている風力発電装置から順に低減量の割合を多くする等によって決められる。決定された割り振り情報は、各風力発電装置１ａ，１ｂ，１ｃが有する演算部に出力される。
割り振り情報は、低減量の大きさによって割り振り方法を異ならせることとしてもよいし、低減量の大きさによらず共通の割り振り方法を選定することとしてもよい。
【００６２】
以下に、本実施形態に係るウインドファームシステム１００の制御方法について以下に図１２を用いて説明する。
各風力発電装置１ａ，１ｂ，１ｃから得られる計測データが、計測データ収集機器５３を介してウインドファーム制御部５２に入力されると、ウインドファーム制御部５２からネットワーク５１を介して給電指令部５０に送信される。給電指令部５０では、系統運用者が、取得された各種計測データを監視する。給電指令部５０から定格出力を所定量低減させる低減指令が入力されると、低減指令はネットワーク５１を介してウインドファーム制御部５２に入力される。ウインドファーム制御部５２の割合決定部２９において、取得した低減指令と、予め定められた割り振り情報とに基づいて、各風力発電装置１ａ，１ｂ，１ｃのそれぞれに対して低減量が決定され、各風力発電装置１ａ，１ｂ，１ｃに対する低減量が出力される。各風力発電装置１ａ，１ｂ，１ｃは、取得した低減量に基づいて、出力低減させる運転をする。
【００６３】
このように複数の風力発電装置を有するウインドファーム１０において低減量の割合の割り振りを決定する割合決定部２９を設けることにより、ウインドファーム１０全体に対して、かつ、各風力発電装置１ａ，１ｂ，１ｃに対して、所望の出力低減制御を行うことができる。
【符号の説明】
【００６４】
１  風力発電装置
１０  ウインドファーム
１５  発電機
２５  出力指令最大値決定部
２６  最小ピッチ角決定部
２７  出力指令値決定部
２８  対応情報生成部
２９  割合決定部
３０  演算部
４０  切替部
１００  ウインドファームシステム
【図１】
2013142291.tif 000012
【図２】
2013142291.tif 000013
【図３】
2013142291.tif 000014
【図４】
2013142291.tif 000015
【図５】
2013142291.tif 000016
【図６】
2013142291.tif 000017
【図７】
2013142291.tif 000018
【図８】
2013142291.tif 000019
【図９】
2013142291.tif 000020
【図１０】
2013142291.tif 000021
【図１１】
2013142291.tif 000022
【図１２】
2013142291.tif 000023
【図１３】
2013142291.tif 000024