(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力発電機と、
該風力発電機に接続され、前記風力発電機の風車翼の回転スピードを計測された風速に合わせた最適なスピードに制御するために前記風力発電機の発電電力を制御する電力制御装置と、
前記発電電力の変動を平滑化するために電力を蓄積または放出するための電力貯蔵装置と、を備えた風力発電設備において、
前記電力制御装置は、前記風力発電機の前記風車翼の出力係数を最大にする周速比と前記風速とから得られる周速になるように前記風車翼の回転スピードを追従制御する最大電力追従制御装置を含むとともに、
前記風速が上昇したとき、前記電力貯蔵装置から前記風力発電機に対して電力を供給し、前記風力発電機を電動機として動作させることにより前記風車翼の回転スピードの追従制御を行うことを特徴とする風力発電設備。
【請求項２】
前記電力制御装置が、回転型誘導移相機であり、
前記電力貯蔵装置がフライホイール付き可変速発電機である請求項１に記載の風力発電設備。
【請求項３】
前記電力貯蔵装置として超電導磁気エネルギー電力貯蔵（ＳＭＥＳ）もしくは電気二重層コンデンサなど、高繰り返しの充放電に対して長寿命で充放電効率が良い電力貯蔵装置を用いたことを特徴とする請求項１に記載の風力発電設備。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
時間的に変動する風力発電電力は、結合された電力系統にとって周波数の変動や電圧変動をもたらし、電力の品質を低下させるが、本発明は、周波数や電力が変動する風力発電設備と電力系統との結合に電力制御装置とエネルギー貯蔵装置とを組み合わせて用いて出力を制御することにより、電力変動を低減するとともに、あわせて風力発電効率も高めて送電することを可能にする風力発電設備に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
太陽、風力など自然エネルギーを利用して発電を行う場合、自然エネルギーは出力が変動するため、変動電力は、系統連系点での電圧変動が系統接続条件を超える問題をもたらす。さらに規模が大きくなって発電電力が大きくなると電力系統全体の周波数変動の問題も起こってくる。
【０００３】
風力発電に関して先進国であるオランダ、アメリカの技術開発と、１万台を超える量産効果とからコストが下がり、５００ｋＷ機では３０万円／ｋＷと年平均６ｍの風で発電コストが１６円／ｋＷｈ程度になり、風力発電は条件次第では十分な電力源となる状況になってきた。我が国でも近年の自然エネルギーブーム、グリーン電力の導入に代表される高まりから、地方自治体、民間、第三セクターが参入し、全国に風力発電設備を数千基建設する計画がある。しかし、我が国は地形が複雑、気象が安定しないなど、風力発電は変動の大きな電力として、結合される電力事業者は買い取りを制限しようとしている。
【０００４】
しかし、風況の良い立地から開発されてきており、しだいに、風の脈動の多い場所や弱い風の場所に風車を建設する傾向がある。近年、風力発電では、系統への結合を行う際、インバータ・コンバータシステムを介して系統に結合して電力変動を極力低減する運転ができるシステムが開発されている。
【０００５】
また、電力貯蔵装置として二次電池を置き、電力を蓄積・放出することにより、風力の欠点である不安定な出力を平滑化する試みがなされているが、急速な充放電は電池の寿命を短くするなどの問題を引き起こしている。
【０００６】
風車翼と発電機の持つフライホイール効果を積極的に利用すれば、風力脈動の数秒から十秒程度の短時間の平滑には効果があり、発電電力の送出を半導体電力変換器であるインバータ・コンバータシステムで一定に制御するシステムはすでにある（特許文献１、特許文献２参照）。これは系統接続時のショック緩和と、タワーシャドウー効果や地上効果と言われる風車回転数の２〜３倍の変動の平滑には効果がある。また、電力変換装置として回転型誘導移相機を用いて平滑化を図る考えは特許文献３にもあり、従来の風力発電が回転型誘導移相機を付加することで改善されることが指摘されている。これらは、発電電力の平滑化に目標を置いたもので、風速の脈動に合わせて風車翼の回転スピードを積極的に変化させて発電効率を上げられる可能性については、電力変動が増えることが欠点であるとして試みられていない。
【０００７】
また、電力の平滑化に関しては、二次電池の利用が検討され、実証試験もなされた。例えば、東京電力（株）が富津の風力発電実験設備においてナトリウム硫黄電池で実証試験を行っているが、急速な充放電の繰り返しによる効率や寿命等の問題解決が課題であるとされている。
【特許文献１】
特開２０００−６９７９７号公報
【特許文献２】
特開平１１−８２２８２号公報
【特許文献３】
特開２００１−３３９９９６号公報
【特許文献４】
特開２０００−３５８３４４号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
風の風速変動スペクトルは、例えば1964年のVan  der  Hoven氏の実測によれば図９に示すように数秒から３分程度までに、さらに１２〜１５時間、長周期では数日の周期、の３つの大きなエネルギー分布が存在する。３分以内の周期変動を吸収できるエネルギー貯蔵装置を付加すれば、高品位な電力を系統に送ることができることがわかる。
【０００９】
本発明は上述のような事情に鑑み為されたものであり、本発明の目的は、３分程度の風速の変動による発電電力の変動を平滑化する、高効率で高繰り返し充放電に耐え得る電力貯蔵装置を付加し、系統が許容できる程度に電力を平滑化し、安定化された電力を供給できる風力発電設備を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は効率を改善した風力発電設備に関し、本発明の上記目的は、風力発電機と、
該風力発電機に接続され、前記風力発電機の風車翼の回転スピードを計測された風速に合わせた最適なスピードに制御するために前記風力発電機の発電電力を制御する電力制御装置と、前記発電電力の変動を平滑化するために電力を蓄積または放出するための電力貯蔵装置と、を備えた風力発電設備において、
前記電力制御装置は、前記風力発電機の前記風車翼の出力係数を最大にする周速比と前記風速とから得られる周速になるように前記風車翼の回転スピードを追従制御する最大電力追従制御装置を含むとともに、前記風速が上昇したとき、前記電力貯蔵装置から前記風力発電機に対して電力を供給し、前記風力発電機を電動機として動作させることにより前記風車翼の回転スピードの追従制御を行うことによって達成される。
【００１１】
また、本発明の上記目的は、前記電力制御装置を回転型誘導移相機とし、前記電力貯蔵装置をフライホイール付き可変速発電機とすることによって効果的に達成される。
フライホイール式電力貯蔵装置は、短周期の充放電運転に対して高い効率を示す貯蔵装置であるが、これを付加することにより風車の電力変動は系統または負荷に許容レベルまで緩和できるので、常に風車は風のエネルギーを最大の効率で変換する運転が可能になる。すなわち風速の変動に合わせて風車翼の最大効率の回転スピードになるように発電機の出力を電力制御装置で高速にプラス・マイナスに調節することにより、最大効率速度追従運転が可能になる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
基本的システム構成の例を図１に示すが、風力発電機と系統の間に回転型誘導移相機を介して連系接続し、移相機の制御により発電出力を平滑化できることはすでに特許出願されている（特許文献３参照）。これは前述のように従来の一定回転スピードで直接結合される場合よりも発電効率がよくなることはわかっている。
【００１３】
本発明では風車翼の回転スピードを変えるために電力出力を急速にプラスまたはマイナスに増減することにより制御する。風速が急変した場合、風車翼の回転の追従のために発電機が電動機となることも有り得る電力制御を行う。これは電力貯蔵装置があるため可能になる運転であり、風力エネルギーを汲み上げるポンプの役目、呼び水に当たるエネルギーをフライホイールが供給する概念はこれまでに無く、これを風力ポンプアップ運転と呼ぶ。
【００１４】
風車翼の回転スピードは、出力係数を最大とする最適なスピードを常に追従する。図３は、風力発電の出力係数を示すが、一般に風車翼は、風力から以下の式で回転力Ｐｔに変換する。
【数１】
0004056713.tif 000002
ここで、Ｃｐは出力係数、Ａｖは翼の回転面積、ρは空気の密度、Ｖｗは風速である。横軸に周速比（風車翼の周速に対する風速の比）をとると、どの風車でも出力係数は図３のようにピークがある形になる。３種類の風車翼の出力係数の曲線が示されるが、真中の曲線は竜飛崎に設置された風車のものである。これは周速比に対する出力係数はひとつのピークをもち、風車固有のものであること、出力係数は最大０．４程度であることから、風力を最大の回転力に変える、風速に合った最適回転スピード（周速）があることを示している。風速に合わせて回転スピードを変えて、出力係数を最大にする周速比にすることが効率を上昇させるために必要である。従来の発電機−系統直結型では、回転スピードが一定となるため、風速が変化した場合にも出力係数が最大になるように回転スピードを追従制御することができないので理論的最大出力に対して発電出力が減少せざるをえない。
【００１５】
短時間繰り返し充放電にはフライホイール付き可変速発電機電力貯蔵装置を接続して出力を平滑化するのが良い。図７の平均風速６．２ｍ／ｓの風でのシミュレーションで想定した充放電エネルギー１ＭＪのフライホイールの場合、従来技術の軸受、風損の少ないヘリウム５０％空気５０％混合大気圧ガス（特許文献４参照）中で運転されるフライホイールでは銅損、変換機損、フライホイール風損を考慮してフライホイール装置の効率は９２％としてよいことがわかっている。短周期の繰り返し充放電で効率が上昇することがフライホイール電力貯蔵装置の特徴であるが、また風況に応じてフライホイール運転回転スピードを変化することも風力発電のシステム効率の上昇に寄与するなど、フライホイール電力貯蔵装置は風力発電には最適である特性を多く持っていると言える。
【００１６】
図２は、本発明の一実施例であるが、電力制御装置２の一例である回転型誘導移相機はインバータ・コンバータ装置で周波数の変換と電力制御をおこなっても効果は同じであるが、従来の同期機を交流可変速機に替えることができる構成である。もちろん、この同期機と回転型誘導移相機は巻き線型誘導機による交流励磁可変速発電機にしてもよい。しかし、風の変化速度は数秒の周期とおそいので、効率がよく高調波の無い機械式誘導移相機でも十分追従する。図２は主回路には高調波を出さない機器で構成されているのが特徴でもある。
【００１７】
回転型誘導移相機は系統の周波数ω０と風力発電機の周波数ω１の差を補完する回転数で回転させ、そのトルクで電力を制御する。風力パワーＰｉｎに合わせて発電機の発生電力Ｐｏｕｔを式２に示されるように、もしω１を下げるにはＰｉｎより大きなＰｏｕｔにすればよく、もしω１を上げるにはＰｉｎより小さなＰｏｕｔにすればよく、短時間に追従させるには、Ｐｏｕｔをマイナスすなわち電動機になって風車翼のスピードを上げる制御をする。このように電力を調整しながら、結局は風車翼の回転数を風速に合わせた周速比（Tip  Speed  Ratio）になるように制御する。式で表すと以下の様である。ここでＩは風車と発電機の回転モーメントの和である。
【数２】
0004056713.tif 000003
これを両辺、微分して、
Δω１＝（Ｐｉｎ−Ｐｏｕｔ）／Ｉω１      （式２）
ここでは発電機の効率は十分に高いと仮定している。Ｐｏｕｔは電力貯蔵装置へと導かれて、余剰電力が吸収貯蔵または放出され、負荷または電力系統には平滑した電力が送られる。また、電力貯蔵装置は負荷または電力系統に送る電力を平滑化するばかりではなく、系統接続点の電圧制御、力率制御のためにも運転される。
【００１８】
図４は、竜飛崎５００ｋＷ風力発電の電気出力をある時間記録したものである。図９に示すが風の脈動は実測されたスペクトルから３分程度の周期以内が多いことがわかっている。これを平滑化するに必要なエネルギー貯蔵量は、風力の乱れ度により決まる。乱れ度は風力の瞬時ピークと平均との比から１を引いたものである。これを実測データから例えば０．１から０．２とすると必要なエネルギー貯蔵量が計算される。計算によると風力発電機の容量ベースで０．０１から０．０２ＭＪ／ｋＷである。
【００１９】
エネルギー貯蔵装置は、蓄積エネルギーをＥｓｔｏｒａｇｅとすると、それを維持するパワーＰｌｏｓｓとの間にはエネルギー蓄積時定数をτとすれば、次の関係がある。
【数３】
0004056713.tif 000004
例えば日本原子力研究所で核融合装置ＪＴ−６０用に１９８５年に建設された大気圧中で回転する世界最大のフライホイールは充放電エネルギー４ＧＪ、発電電力１８０ＭＶＡ、ローター総重量１０００トン、毎分６００ｒｐｍ時の蓄積エネルギー８ＧＪで、そのときの回転維持電力は約５ＭＷであったが、エネルギー蓄積時定数τは１６００秒であった。この時定数よりも、短い周期の平滑化は効率が得られる。
【００２０】
エネルギー貯蔵装置の運転効率ηｅは以下の式で表される。ηｉｎ、ηｏｕｔ、は電気から機械エネルギーへの変換効率でＴは運転周期、Ｅｏｕｔは取り出すエネルギーで、全蓄積エネルギーの０．５程度である。
【数４】
0004056713.tif 000005
この式より、入出力の効率ηｉｎ、ηｏｕｔ、が０．９５以上と高いフライホイールは変動周期２０秒として、エネルギー蓄積時定数をＪＴ−６０のフライホイールとおなじ１６００秒とすれば、Ｔ／τ＝２０／１６００＝０．０１２５となるから、これより効率ηｅは０．８８となる。
【００２１】
二次電池は充放電効率が悪いため、運転周期に関係なく効率ηｅが０．７６程度であるから、フライホイールの方がこの場合有利である。フライホイールやＳＭＥＳさらにコンデンサは充放電効率が良いので今回の高繰り返しの電力貯蔵に利用できる。しかし、時定数は小型装置では短くなるが、エネルギー貯蔵量が大きくなると、損失も大きくなる。これより必要貯蔵量に合わせて用意するのが、蓄積に関わる損失を最小にする。すなわち、風速と脈動に応じて貯蔵量を制御するのが良い。
【００２２】
年間風況測定から風力脈動のどの周期までを貯蔵装置で平滑化するかは初期コストと損失を考慮に入れて設計するべきであるが、先に示した乱れ度を用いて計算すれば、風力発電ｋＷあたりの容量は０．０１〜０．０２ＭＪ／ｋＷを目安すればよいことがわかった。
貯蔵装置エネルギー量＝０．０１〜０．０２ＭＪ／ｋＷ
これから、平均出力に応じてフライホイールの貯蔵エネルギーを変える、すなわちフライホイールの回転数範囲を変える運転が効率を良くすることがわかる。
【００２３】
風車翼の最も効率のよい回転数を追従する制御（マキシマム・パワー・ポイント・トラッキング：ＭＰＴ）をフライホイール電力貯蔵装置のエネルギーを使って行うことで効率を上げることができる。この導入の意義は大きく、特に脈動する低風速時に効果が大きいと言える。
図５に従来の回転スピードが一定である風力発電における出力特性を実線で示す。低風速側約６ｍ／ｓ以下に出力がカットされてゼロになる領域がある。風速が約１２ｍ／ｓ以上に速くなると羽のピッチ角制御により出力をさげる運転をする。また、一定回転スピードの場合の出力係数も示すが、風が低速になると出力が低下し出力係数が零になることから電力が出ない。本発明を用いて風速に応じて回転数を変化できるようにして最大電力運転を採用した場合を点線で示すが、低速域では回転速度下げて、出力が得られることを示しており、弱い風で効率改善の効果が大きいことが分かる。
【００２４】
［実施のための実験と計算機シミュレーション例］
図２の構成図に基づき、回転型誘導移相機による風力脈動の平滑化のモデル実験結果を図６に示す。（ｂ）の結果は回転型誘導移相機を一定トルク制御することにより、簡単に定電力運転が可能で風力発電機の周波数が変化しているが、電力は変動が少なくなっている。これは誘導移相機を用いれば発電する電力を制御できる。発電機の周波数、すなわち回転スピードを制御できることを示した実験である。このように移相機でなくても、発電電力を制御すれば式２で示したごとく発電機の回転数は制御できる。
【００２５】
図７に計算機シミュレーション結果を示す。平均風速６．２ｍ／ｓの風速実測データをもとに、（ａ）は従来の風力発電の場合を示す。（ｂ）が電力一定運転である。（ｃ）の図が最大効率速度追従運転を行い、１８０秒間の平均電力が求められた。
【００２６】
従来方式である一定回転運転では、平均電力は１６ｋＷである。風速低速時は、出力がマイナスになるため切断される。
【００２７】
電力一定電力運転では、平均電力は２９ｋＷになる。これは、風車翼のフライホイール効果が働いて電力も安定にかつ効率も上昇した。この効果はすでに特許出願していると前に述べた。
【００２８】
（ｃ）の最大効率運転では、平均電力は５０ｋＷにもなる。風の弱いときも、風車翼がその最大効率で風力を変換するためである。しかし、電力の変動はこれまでで最大になっている。
【００２９】
このように、このシミュレーションでは、風力が弱くかつ脈動する場合であるが、従来にくらべ３倍の電力が発電できることになる。しかし、電力の脈動は返って大きくなっているから、フライホイール式電力貯蔵装置などの短周期用で効率の良い、高繰り返し充放電可能な電力貯蔵装置が必要である。
【００３０】
複数の風力発電機群に対して本発明を採用すれば、乱れ度が下がることから、電力貯蔵設備が合理化できることは当然である。しかし、風向きなどにより一概には言えないから十分な調査が必要である。
【００３１】
［効果のシミュレーション結果］
以上の説明のように本発明は、風力の脈動を最大効率で受けることを可能にし、かつ変動電力を平滑化する高効率な電力貯蔵装置を併設しているので、従来、逃がしていた風力エネルギーを電力として受けることが可能になり、システム全体として効率改善になる。一例として図７の場合、平均風速６．２ｍ／ｓの例で、定速回転運転では、平均１６ｋＷ、定電力運転では平均２９ｋＷ、最大効率運転の場合、平均５０ｋＷである。
【００３２】
図８には図７の（ｃ）最大効率運転の場合、風力発電機の出力が平均５０ｋＷであるが、可変速フライホイール付き発電機の損失を入れて４６ｋＷであること、そのときのフライホイール発電機の出力、フライホイールの回転数について示す。
【００３３】
【図面の簡単な説明】
【図１】風力発電機が電力制御装置を介して電力系統に接続され、また並列に電力貯蔵装置が接続される本発明の基本構成を示す図である。
【図２】電力制御装置として回転型誘導移相機を、電力貯蔵装置として可変速フライホイールを用いた実施例の概念図である。
【図３】風車翼の風力−機械エネルギーへ変換する出力係数を縦軸に、風速と風車翼の周速との比を横軸に示した図である。
【図４】竜飛崎５００ｋＷ風力発電の３分間の実測値を示す図である。
【図５】従来型風力発電の風速に対する出力特性を示す図である。
【図６】回転型誘導移相機で発電機回転数の制御が可能なことを示す実験結果を示す図である。
【図７】実際に観測された風速変化に基づいた３種類の運転方法比較の計算機シミュレーション結果を示す図である。
【図８】最大効率運転時のフライホイール発電機の出力および回転数を表す図である。
【図９】1964年のVan  der  Hoven氏の実測による風力変動の１年間のスペクトルを表す図である。
【符号の説明】
１  風力発電機
２  電力制御装置
３  電力貯蔵装置
４  電力系統
５  電力の流れ
６  最大電力追従制御装置
【図１】
0004056713.tif 000006
【図２】
0004056713.tif 000007
【図３】
0004056713.tif 000008
【図４】
0004056713.tif 000009
【図５】
0004056713.tif 000010
【図６】
0004056713.tif 000011
【図７】
0004056713.tif 000012
【図８】
0004056713.tif 000013
【図９】
0004056713.tif 000014