(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数台の風力発電機と、それに並列に設置される電力貯蔵装置と、該電力貯蔵装置の電力変換器と、からなり、電力系統に接続した風力・電力貯蔵の複合システムの電力変動補償装置において、
前記複数台の風力発電機の合成電流を検出する手段と、前記電力系統の電圧を検出する手段と、前記電力変換器に入出力する電流を検出する手段を設け、
前記複数台の風力発電機の出力電力を、前記検出した電力系統の電圧と前記複数台の風力発電機の合成電流検出値とから演算すると共に、前記電力変換器の入出力電力を、前記検出した電力系統の電圧と前記電力変換器に入出力する電流検出値とから演算し、
前記複数台の風力発電機の出力電力と前記電力変換器の入出力電力とを前記電力変換器の制御系の電力フィードバックに用い、
前記制御系の電力フィードバックに用いる電力量は、ローパスフィルタを介して得た前記複数台の風力発電機の有効電力または無効電力から低周波成分を除いた前記有効電力または前記無効電力を、前記電力変換器の入出力電力の有効電力または無効電力に加算した値であり、
前記電力貯蔵装置が前記電力系統に入出力する有効電力または無効電力は、前記複数台の風力発電機の有効電力または無効電力の低周波成分に、前記電力変換器が充放電する有効電力または無効電力を加算した電力であることを特徴とする電力変動補償装置。
【請求項２】
複数台の風力発電機と、それに並列に設置される電力貯蔵装置と、該電力貯蔵装置の電力変換器と、からなり、電力系統に接続した風力・電力貯蔵の複合システムの電力変動補償装置において、
前記複数台の風力発電機の合成電流を検出する手段と、前記電力系統の電圧を検出する手段と、前記風力・電力貯蔵の複合システムから前記電力系統へ入出力する入出電流を検出する手段を設け、
前記複数台の風力発電機の出力電力を、前記検出した電力系統の電圧と前記複数台の風力発電機の合成電流検出値とから演算すると共に、前記電力変換器の入出力電力を、前記検出した電力系統の電圧と前記電力系統へ入出力する入出電流検出値とから演算し、
前記複数台の風力発電機の出力電力と前記電力変換器の入出力電力を前記電力変換器の制御系の電力フィードバックに用いることを特徴とする電力変動補償装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記制御系の電力フィードバックに用いる電力量は、ローパスフィルタを介して得た前記複数台の風力発電機の有効電力または無効電力から低周波成分を除いた前記有効電力または前記無効電力を、前記電力変換器の入出力電力の有効電力または無効電力に加算した値であることを特徴とする電力変動補償装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記電力変換器の入出力電力の有効電力または無効電力は、前記風力・電力貯蔵の複合システムが前記電力系統に入出力する有効電力または無効電力から前記複数台の風力発電機の有効電力または無効電力を減算して求めることを特徴とする電力変動補償装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかにおいて、
前記複数台の風力発電機の有効電力または無効電力を入切する切り替えスイッチと、前記複数台の風力発電機の有効電力または無効電力の低周波成分を入切する切り替えスイッチを設けることを特徴とする電力変動補償装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかにおいて、
前記電力貯蔵装置として、超伝導電力貯蔵装置または無効電力補償装置または可変速発電システムを用いることを特徴とする電力変動補償装置。
【請求項７】
請求項１から請求項５のいずれかにおいて、
前記電力貯蔵装置の電力変換器は、インバータと、該インバータの直流側に接続した２次電池とを備えていることを特徴とする電力変動補償装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、風力発電機と並列に設置する変換器を制御して風力発電機が系統へ出力する有効電力の変動を補償する電力変動補償装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の装置として、平成１０年電気学会全国大会講演論文集〔７〕のページ７−３１０〜７−３１１に、風力発電システムの出力する有効電力と、電力貯蔵装置の入出力する有効電力を個別の電流及び電圧検出器で検出することが記載され、また、風力発電システムの電力検出値を高周波通過フィルタと低周波通過フィルタのそれぞれに入力し、電力の長周期変動分と短周期変動分に分割してそれぞれに位相補償とゲイン計算を行い、電力貯蔵装置を構成する変換器の制御系の充放電指令に加算して変換器を制御することが記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来技術では、風力システム及び電力貯蔵システムの有効電力をそれぞれ検出しているため、風力発電システムを複数台設置する場合に検出点が多くなる、という問題がある。
また、風力発電システムの有効電力を長周期変動分と短周期変動分に分けて補償しているため、変動分を全て電力貯蔵システムで補償することが難しい。また、電力貯蔵システムの容量が小さく、ゲインを１に設定できない場合には、電力変動分をすべて補償できない、という問題がある。
本発明の課題は、電力貯蔵システムが複数の風力発電システムと併設される場合に、系統に出力される有効電力の任意の変動成分を抑制するに好適な電力変動補償装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、電力系統に接続した風力・電力貯蔵の複合システムの電力変動補償装置において、複数台の風力発電機の合成電流を検出する手段と、電力系統の電圧を検出する手段と、電力変換器に入出力する電流を検出する手段を設け、複数台の風力発電機の出力電力を、検出した電力系統の電圧と複数台の風力発電機の合成電流検出値とから演算すると共に、電力変換器の入出力電力を、検出した電力系統の電圧と電力変換器に入出力する電流検出値とから演算し、複数台の風力発電機の出力電力と電力変換器の入出力電力とを電力変換器の制御系の電力フィードバックに用い、制御系の電力フィードバックに用いる電力量は、ローパスフィルタを介して得た複数台の風力発電機の有効電力または無効電力から低周波成分を除いた前記有効電力または前記無効電力を、電力変換器の入出力電力の有効電力または無効電力に加算した値であり、電力貯蔵装置が電力系統に入出力する有効電力または無効電力は、複数台の風力発電機の有効電力または無効電力の低周波成分に、電力変換器が充放電する有効電力または無効電力を加算した電力である。
また、電力系統に接続した風力・電力貯蔵の複合システムの電力変動補償装置において、複数台の風力発電機の合成電流を検出する手段と、電力系統の電圧を検出する手段と、風力・電力貯蔵の複合システムから電力系統へ入出力する入出電流を検出する手段を設け、複数台の風力発電機の出力電力を、検出した電力系統の電圧と複数台の風力発電機の合成電流検出値とから演算すると共に、電力変換器の入出力電力を、検出した電力系統の電圧と電力系統へ入出力する入出電流検出値とから演算し、複数台の風力発電機の出力電力と電力変換器の入出力電力を電力変換器の制御系の電力フィードバックに用いる。
ここで、制御系の電力フィードバックに用いる電力量は、ローパスフィルタを介して得た複数台の風力発電機の有効電力または無効電力から低周波成分を除いた前記有効電力または前記無効電力を、電力変換器の入出力電力の有効電力または無効電力に加算した値である。
ここで、電力変換器の入出力電力の有効電力または無効電力は、風力・電力貯蔵の複合システムが電力系統に入出力する有効電力または無効電力から複数台の風力発電機の有効電力または無効電力を減算して求める。
ここで、複数台の風力発電機の有効電力または無効電力を入切する切り替えスイッチと、前記複数台の風力発電機の有効電力または無効電力の低周波成分を入切する切り替えスイッチを設ける。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施形態による電力変動補償装置を示す。図１では、本発明による風力発電システム１９ａと電力貯蔵用電力変換システム７ａの複合システムを実現するための実施形態を示す。
図１において、風力発電機１ａはインバータ／コンバータ２ａを介して連系用トランス３ａに接続され、連系用トランス３ａは電力系統１８に接続されている。インバータ／コンバータ２ａは、風力発電機１ａの出力する有効電力Ｐｗａを一旦直流の電力に変換し、インバータにより交流に変換して系統に有効電力Ｐｗａを供給する。また、風力発電機１ｂは連系用トランス３ａに接続され、風力発電機１ｂの出力する有効電力Ｐｗｂを系統に供給する。
電力貯蔵装置４ａは、電力貯蔵システムとしてインバータ６ａ及び６ｂの直流部分に２次電池５ａ及び５ｂを設置して構成され、インバータ制御装置１１ａによりインバータ６ａ及び６ｂを制御して電力貯蔵装置４ａから有効電力Ｐｃを連系用トランス３ｂを介して電力系統１８に供給する。
電力検出器１０ａは、電流検出器８ａの出力Ｉｗと電圧検出器９ａの出力Ｖｓから複数の風力発電機（図１では１ａ及び１ｂ）が系統に出力する電力Ｐｗ，Ｑｗを演算する。また、電力検出器１０ｂは、電流検出器８ｂの出力Ｉｃ及び電圧検出器９ａの出力Ｖｓから電力貯蔵装置４ａが入出力する電力Ｐｃ，Ｑｃを演算する。こうして得られた有効電力Ｐｗ及びＰｃ，無効電力Ｑｗ及びＱｃは電力貯蔵装置４ａのインバータ制御装置１１ａに入力される。
【０００６】
図２は、電力貯蔵装置４ａの制御装置１１ａの詳細構成を示す。複数の風力発電機の合成電力Ｐｗ，ＱｗはそれぞれスイッチＡ及びＢを通して入力する。また、有効電力Ｐｗはローパスフィルタ１２ａにも入力し、ローパスフィルタ１２ａの出力ＰｗＬはスイッチＣに入力する。スイッチＣはＰｗＬを減算器１４ａへ出力する。減算器１４ａはスイッチＡの出力とスイッチＣの出力の差を演算し、加算器１５ａに出力する。加算器１５ａは、電力貯蔵装置４ａの出力有効電力Ｐｃと減算器１４ａの結果を加算し、有効電力フィードバック値Ｐｆを演算し、減算器１４ｂにより有効電力指令Ｐ*とＰｆの差を演算する。同様に、無効電力ＱｗはスイッチＢを介して入力し、加算器１５ｂは、電力貯蔵装置４ａが入出力する無効電力ＱｃとスイッチＢの出力を加算し、無効電力フィードバック値Ｑｆを演算し、減算器１４ｃにより無効電力指令Ｑ*とＱｆの差を演算する。減算器１４ｂ及び１４ｃの出力は電流制御器１３ａに入力し、電流制御器１３ａから変換器６ａ及び６ｂのゲートパルス１６ａを出力する。
スイッチＡ，Ｂ，Ｃが全てオン状態のとき、有効電力フィードバック値Ｐｆは有効電力ＰｃにＰｗの高周波成分を加算した結果になる。従って、電力貯蔵装置４ａは、風力発電システム１９ａの出力する有効電力Ｐｗの高周波成分を電池に充／放電するように制御され、電力系統１８に流出する有効電力Ｐｗの高周波成分を抑制する。
いま、有効電力Ｐｗの高周波成分と低周波成分をそれぞれＰｗＨとＰｗＬとすると、減算器１４ａはＰｗ（ＰｗＨ，ＰｗＬ）のＰｗＬを減算することから、減算器１４ａの出力はＰｗ（ＰｗＨ）となる。加算器１５ａは、電力貯蔵装置４ａの出力有効電力Ｐｃに減算器１４ａの出力Ｐｗ（ＰｗＨ）を加算し、有効電力フィードバック値ＰｆすなわちＰｃ＋Ｐｗ（ＰｗＨ）を得る。減算器１４ｂは有効電力指令Ｐ*とＰｆの偏差ΔＰＨを演算する。この偏差に基づいて電流制御器１３ａから変換器６ａ及び６ｂのゲートパルス１６ａを出力する。変換器６ａ及び６ｂは有効電力Ｐｗの高周波成分ＰｗＨを電池５ａ及び５ｂに充／放電するように制御する。この結果、電力系統１８に流出する有効電力Ｐｗの高周波成分ＰｗＨは抑制されることになる。
【０００７】
図３は、スイッチＡ，Ｂ，Ｃが全てオン状態のとき、複数の風力発電機の出力有効電力Ｐｗとローパスフィルタ出力ＰｗＬおよび風力・電力貯蔵の複合システムが系統に出力する有効電力Ｐｓｙｓ（＝ＰｗＬ＋Ｐ*）の関係を示す。電力貯蔵装置４ａは、風力発電システム１９ａの有効電力Ｐｗの高周波成分を除去するように動作するので、ＰｓｙｓはＰｗの低周波成分ＰｗＬに電力貯蔵装置４ａの有効電力指令値Ｐ*を加算した値になる。このとき、Ｐ*を変えることにより、電力貯蔵装置４ａが充電または放電動作とするかを決めることができる。無効電力は、スイッチＢがオンなので、風力発電システム１９ａと電力貯蔵装置４ａの連系点の無効電力を指令値Ｑ*に一致させるように制御される。
【０００８】
図４は、スイッチＡがオン、スイッチＣがオフの時の関係を示す。この場合、電力貯蔵装置４ａの有効電力検出値Ｐｃに風力発電システム１９ａの有効電力Ｐｗが加算されるので、Ｐｗの変動分を全て電力貯蔵装置４ａで充電または放電するように動作する。従って、風力・電力貯蔵の複合システム全体の有効電力Ｐｓｙｓを一定値Ｐ*に保つように電力貯蔵装置４ａの制御装置１１ａは動作する。
【０００９】
図５は、スイッチＡ，Ｃがオフの時の関係を示す。因に、この場合は従来型の運転例であり、電力貯蔵装置４ａの出力有効電力Ｐｃと、風力発電システム１９ａの有効電力Ｐｗは個別に制御され、ＰｓｙｓはＰｃとＰｗを加算したものとなる。
【００１０】
このように、図３、図４に示すスイッチ切り替えにより、風力・電力貯蔵の複合システムの有効電力を風力発電システムの低周波成分に追従させ、高周波成分のみ補償動作させる運転状態としたり、また、風力発電システムの全有効電力分を補償動作させる運転状態とすることができる。特に、風力発電システムの全電力を充電できる容量を電力貯蔵装置が持っていない場合は、スイッチを切り替えて高周波成分のみ補償させる運転が有効である。
【００１１】
本実施形態では、２台以上の風力発電機の電力を合成電流と系統の電圧から求めるので、検出系は風力発電機の台数に拘らず１組でよい。また、風力発電機を増設するときに、新たに検出系を設置する必要がない。
また、風力発電システムの有効電力検出値からローパスフィルタ出力を減算し、電力貯蔵装置の有効電力フィードバック値に加算するので、系統に流れ出る高周波成分の有効電力を電力貯蔵装置で吸収し、系統に出力される有効電力の変動分を抑制することができる。
また、風力発電機の電力検出値とローパスフィルタ検出値の伝送線にスイッチを設けて切り替えるので、風力・電力貯蔵の複合システムの有効電力を低周波成分に追従させたり、風力発電システムの全有効電力分を補償動作させることが可能になる。
【００１２】
次に、本発明の他の実施形態を説明する。なお、各図を通して同等の構成要素には同一の符号を付して、詳細な説明は省略する。
図６は、本発明による風力発電システムと電力貯蔵用電力変換システムの複合システムを実現するための他の実施形態である。
本実施形態では、図１の実施形態の電力貯蔵システム７ａの電流検出器８ｂの代わりに、電流検出器８ｄにより系統の電流を検出し、系統の電力Ｐｓｙｓ，Ｑｓｙｓと風力発電システム１９ｂの電力検出値Ｐｗ，Ｑｗを電力貯蔵システム７ｂを構成する制御装置１１ｂにフィードバックする点で異なる。
【００１３】
図７は、このときの制御装置１１ｂの詳細構成を示す。電力系統の電力Ｐｓｙｓ，Ｑｓｙｓは減算器１４ｄ及び１４ｅにおいてＰｗ，Ｑｗと減算されるため、減算器１４ｄ及び１４ｅの出力は、電力貯蔵装置４ｂの入出力する有効電力Ｐｃ及び無効電力Ｑｃとなる。
本実施形態によれば、図１の実施形態と同等の効果が得られる。
【００１４】
図８は、図１の実施形態の電力貯蔵装置４ａに、電力を吸収または放出する超伝導電力貯蔵装置１７ａを適用した場合の本発明の適用例である。図８において、超伝導電力貯蔵装置１７ａは電力系統１８に接続する。また、電力変換器６ｅの直流部分には超伝導コイル２１を設置し、この超伝導電力貯蔵装置１７ａは制御装置１１ｃからの指令により電力を系統１８から吸収あるいは放出する。
電力系統の電圧は、電圧検出器９ｃにより検出され、電流は電流検出器８ｅ，８ｆにより検出する。検出された電圧・電流から電力検出器１０ｄ，１０ｅは電力を演算し、制御装置１１ｃに出力する。制御装置１１ｃは、ゲートパルス１６ｃを出力し、超伝導電力貯蔵装置１７ａを制御する。
【００１５】
ここで、超伝導電力貯蔵装置１７ａの他に、図９に示すように、無効電力補償装置（ＳＶＣ）１７ｂを適用してもよい。無効電力補償装置１７ｂの電力変換器６ｆの直流部分にはコンデンサ２２ａを設置し、この無効電力補償装置１７ｂは制御装置１１ｄからの指令により電力を系統１８から吸収あるいは放出する。
また、超伝導電力貯蔵装置１７ａの代り、可変速発電システムを用いてもよい。可変速発電システムとしては、揚水発電設備や図１０に示すように、フライホイール発電システム１７ｃが挙げられる。フライホイール発電システム１７ｃは電力変換器６ｈによりコンデンサ２２ｂを充電し、電力変換器６ｇはコンデンサ２２ｂの電力を発電電動機２３の二次励磁に用いる。発電電動機２３の回転軸はフライホイール２４と接続し、また、発電電動機２３の一次側は変圧器３ｈを介して電力系統１８に接続する。このフライホイール発電システム１７ｃは制御装置１１ｅからの指令により電力を系統１８から吸収あるいは放出する。
【００１６】
以上、電力貯蔵システムが複数の風力発電システムと併設される場合に、系統に出力される有効電力の変動分を抑制する場合について説明したが、無効電力についても同様に実施可能である。
【００１７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電力貯蔵システムが複数の風力発電システムと併設される場合に、電力貯蔵システムに風力発電機から出力される高周波成分を吸収、放出する機能を持たせることによって、系統に出力される有効電力の変動分を抑制し、電力貯蔵システムを安定に充放電運転することができる。
また、２台以上の風力発電機の電力を合成電流と系統の電圧から求めるので、検出系は風力発電機の台数に拘らず１組でよく、また、風力発電機を増設するときに、新たに検出系を設置する必要がなく、風力発電システムと電力貯蔵システムの複合システムにおいて検出器の台数を減らすことができ、コストの低減を図ることが可能である。
また、風力発電システムの有効電力検出値からローパスフィルタ出力を減算する構成としているため、構成簡単にして系統に流れ出る高周波成分の有効電力を除去し、系統に出力される有効電力の変動分を抑制することができる。
また、制御系にスイッチを設けて電力検出の方式を切り替えることができるようにしたため、風力・電力貯蔵の複合システムの有効電力を風力発電システムの低周波成分に追従させ、高周波成分のみ補償したり、また、風力発電システムの全有効電力分を補償動作させる運転状態とすることができる。また、無効電力の変動分についても、同様に補償が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による電力変動補償装置
【図２】本発明の制御装置の詳細構成図
【図３】本発明による電力変動補償を説明する図
【図４】本発明による電力変動補償を説明する図
【図５】従来型の電力変動を説明する図
【図６】本発明の他の実施形態
【図７】本発明の他の制御装置の詳細構成図
【図８】本発明の電力貯蔵装置に超伝導電力貯蔵装置を用いた場合の適用例
【図９】本発明の電力貯蔵装置に無効電力補償装置（ＳＶＣ）を用いた場合の適用例
【図１０】本発明の電力貯蔵装置に可変速発電システムを用いた場合の適用例
【符号の説明】
１（ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ）…風力発電機、２（ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ）…インバータ／コンバータ、３（ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇ，ｈ，ｉ）…トランス、４（ａ，ｂ）…電力貯蔵装置、５（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）…二次電池、６（ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇ，ｈ）…電力変換器、７（ａ，ｂ）…電力貯蔵システム、８（ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ）…電流検出器、９（ａ，ｂ，ｃ）…電圧検出器、１０（ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ）…電力演算器、１１（ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ）…変換器制御装置、１２（ａ，ｂ）…低周波通過フィルタ、１３（ａ，ｂ）…電流制御器、１４（ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇ，ｈ）…減算器、１５（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）…加算器、１６（ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ）…ゲートパルス、１７ａ…超伝導電力貯蔵装置、１７ｂ…無効電力補償装置、１７ｃ…可変速フライホイール発電装置、１８…電力系統、１９（ａ，ｂ，ｃ）…風力発電システム、２０ａ…超伝導電力貯蔵システム、２０ｂ…無効電力補償システム、２０ｃ…可変速フライホイール発電システム、２１…超伝導コイル、２２（ａ，ｂ）…コンデンサ、２３…二次励磁発電電動機、２４…フライホイール、２５…コンデンサ
【図１】
0003755075.tif 000002
【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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