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ウインドファームにおける発電電力平準化装置および方法

国内特許コード P08A013910
整理番号 12
掲載日 2008年10月31日
出願番号 特願2005-219703
公開番号 特開2007-032488
登録番号 特許第4631054号
出願日 平成17年7月28日(2005.7.28)
公開日 平成19年2月8日(2007.2.8)
登録日 平成22年11月26日(2010.11.26)
発明者
  • 千住 智信
  • 坂元 良成
出願人
  • 学校法人琉球大学
発明の名称 ウインドファームにおける発電電力平準化装置および方法
発明の概要

【課題】 ピッチ角制御器を備えた風力発電機を複数有するウインドファームにおいて、全動作領域に対してピッチ角制御を用いて出力電力の平準化を行う発電電力平準化装置と方法を提供する。
【解決手段】 各ピッチ角制御器に設定値を与えるウインドファーム制御装置を備えて、ウインドファーム出力電力指令値*goを生成し、これに基づいて風力発電機ごとの出力電力指令値Pgo-baseを算出し、またウインドファーム出力電力*gを引いてウインドファーム出力電力偏差*eを求め、各風力発電機の出力余裕Pmを算出し、ウインドファーム出力電力偏差*eと各発電機の出力余裕Pmとから風力発電機ごとの出力電力補償値Pgo-comを算定し、これを出力電力指令値Pgo-baseに加えた値を総出力電力指令値Pgoとして各風力発電機のピッチ角制御器に供給する。
【選択図】 図1

従来技術、競合技術の概要


化石燃料火力、原子力などの既存電源などに対して、近年風力発電が注目されてきた。化石燃料は地球温暖化をもたらす温室効果ガスを排出し、原子力は核物質を使い放射性廃棄物を排出するのに対して、風力発電はクリーンなエネルギ源で、分散電源として系統に導入した実績も着実に増えている。我が国は海岸線の長い海洋国であり、風力発電の潜在可能量は極めて大きい。しかし、風力エネルギーは不規則であり、風車の出力は風速の3乗に比例するため、風速変動により出力電力が大きく変動する。



したがって、風力発電機を電力系統に導入するときは、周波数変動などの影響を及ぼすことが問題となる。この対策として、電力系統に蓄電装置を接続して出力を平準化する方法がある。また、特許文献1には、風力発電機から電力線に給電する発生電力を検知して、微小単位時間内における平均値を求めて、平均値を越える電力を蓄電池に蓄え、平均値に足りない分を蓄電池から電力線へ給電することにより、電力線への電力供給量を安定化する方法が開示されている。しかし、これらの方法は、設備コストの増加をもたらしメンテナンスの難度が高まるため、周波数変動などの対策として十分でない。



さらに、特許文献2には、風車の回転エネルギを電力エネルギに変換する誘導発電機の2次側励磁電流値を、風速の検出値に基づいて算出される発電機出力設定値と出力測定値の偏差に基づいて制御することにより、余剰分を風車の回転エネルギとして蓄え、風力エネルギが低下したときに電力エネルギに変換する出力平準化方法が開示されている。この方法は、回転エネルギの容量はそれほど大きくないため大きな風速変動には対処しにくいことが問題である。



一方、付加的な設備を使用しないで、ピッチ角制御を用いて風力発電機自体の出力変動を抑制する方法が大型機で採用されている。ピッチ角制御は、風車のブレードピッチ角を制御することにより定格風速以上で発生するトルクを抑制するようにしたものである。また、風力発電機単体での対策には、可変速風力発電機を使用する方法もある。
いずれの方法も、定格風速からカットアウト風速までの領域では、発電機出力を一定に維持して出力電力変動を抑制することができるが、カットイン風速から定格風速までの領域では最大出力運転を行うため、風速変動に伴う出力変動に対する対策には十分でない。



また、特許文献3には、流入風速から発電機出力までの伝達特性と、ピッチ角から発電機出力までの伝達特性をモデル化し、計測した流入風速に対し、発電機出力を定格出力に制御するために必要なピッチ角を算出してフィードフォワードすることにより風車の動特性を補償して、風車発電機出力の変動を抑制する、フィードフォワード制御を用いたピッチ角制御方法が開示されている。



しかし、これらの手法では、風力発電システムにおけるパラメータ変化の影響や、風力発電設備で発生するウィンドシェアの効果を考慮していない。したがって、パラメータの変動やウィンドシェアの発生により制御特性が変化して効果的な出力調整ができず出力が不安定になったりする虞がある。
また、風力発電機は非線形性が強いため直接にモデル化すると、極めて高次の式が必要になり、オンライン制御を実行するためには演算負荷が過大となり実用性が未だ十分ではない。



さらに、多数の風力発電機で構成されるウインドファームでは、多数機の風力発電機の出力を総合することによる平準化効果が期待されるが、風速の出現確率が高い低風速領域で風速変動により発電電力が大きく変動するため、個々の風力発電機はランダムな出力電力を有してもそれぞれの変動傾向が一致するので、ウインドファーム全体では出力電力の変動が大きくなる。したがって、ウインドファーム全体の出力電力の平準化を達成するため、風力発電機の動作領域全体にわたる平準化が問題となる。

【特許文献1】特開平11-299106号公報

【特許文献2】特開2000-069797号公報

【特許文献3】特開2002-048050号公報

産業上の利用分野


本発明は、多数の風力発電機で構成されるウインドファームにおける発電電力平準化装置および方法に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
複数の風力発電機を有するウインドファームにおいて、ウインドファームに含まれる各風力発電機が翼のピッチ角を変化させることによって回転調整ができる風車に繋がった発電機と風力発電機のカットイン風速からカットアウト風速までの動作領域においてピッチ角制御をするピッチ角制御器を備えると共に、各風力発電機のピッチ角制御器に対して設定値を供給するウインドファーム制御装置を備えて、該ウインドファーム制御装置がウインドファーム最大出力電力演算回路とウインドファーム出力電力指令値演算回路を備えて、該ウインドファーム最大出力電力演算回路が各風力発電機における風の風速を用いて各風力発電機の風に対応する最大出力電力を算出し、ウインドファーム全体について積算してウインドファーム最大出力電力を求め、前記ウインドファーム出力電力指令値演算回路が該ウインドファーム最大出力電力に基づきウインドファーム平均出力電力とウインドファーム標準偏差出力電力を算出し、該ウインドファーム平均出力電力から該ウインドファーム標準偏差出力電力を差し引いた値からウインドファーム出力電力指令値を生成し、該ウインドファーム出力電力指令値に基づいて風力発電機ごとの出力電力指令値を算出して前記ピッチ角制御器に供給すると共に、前記ウインドファーム出力電力指令値からウインドファーム出力電力を差し引いてウインドファーム出力電力偏差を求め、また、各風力発電機の出力余裕を算出し、前記ウインドファーム出力電力偏差と各発電機の前記出力余裕とから風力発電機ごとの出力電力補償値を算定し、これを前記風力発電機ごとの出力電力指令値に加えた値を各風力発電機の総出力電力指令値とし、各風力発電機の前記ピッチ角制御器に前記設定値として供給することを特徴とするウインドファームにおける発電電力平準化装置。

【請求項2】
前記ウインドファーム出力電力指令値演算回路は、ウインドファーム出力電力指令値演算用ファジー推論回路を備えて、試行錯誤により予め定めたファジールールとメンバシップ関数を用いたファジー推論によって、ウインドファーム全体のウインドファーム平均瞬時風速とこれを時間平均したウインドファーム時間平均風速とウインドファーム全体の平均瞬時風速の変化率であるウインドファーム風速変化率とに基づいて補正係数を決めて、該補正係数を前記標準偏差値に掛けたものを使って前記ウインドファーム出力電力指令値を算定することを特徴とする請求項1記載の発電電力平準化装置。

【請求項3】
前記ウインドファーム制御装置は出力電力補償指令値生成回路を備えて、出力電力指令値を越えて出力する余裕を持つ複数の風力発電機に対して、出力電力の不足分を各風力発電機の出力余裕に比例するように各風車発電機に配分して求めた出力電力補償指令値を生成し、該出力電力補償指令値を加えることにより他の風力発電機と協調するように出力電力指令値を補正することを特徴とする請求項1または2記載の発電電力平準化装置。

【請求項4】
前記出力電力補償指令値生成回路は、出力電力補償指令値生成用ファジー推論回路を備えて、試行錯誤により予め定めたファジールールとメンバシップ関数を用いたファジー推論によって、対象とする風力発電機のウインドファーム出力電力偏差について正規化した正規化出力余裕と他の風力発電機の正規化出力余裕の平均値とに基づいて出力電力増加係数を決めて、該出力電力増加係数を前記出力電力補償指令値に適用して補正することを特徴とする請求項3記載の発電電力平準化装置。

【請求項5】
前記風力発電機のピッチ角制御器は、一般化予測制御器(GPC)とパラメータ同定器を備えたセルフチューニングレギュレータ(STR)を付帯することを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の発電電力平準化装置。

【請求項6】
翼のピッチ角を変化させることによって回転調整ができる風車に繋がった発電機と風力発電機のカットイン風速からカットアウト風速までの動作領域においてピッチ角制御をするピッチ角制御器を備える複数の風力発電機を有するウインドファームにおいて、各風力発電機のピッチ角制御器に対して設定値を供給するウインドファーム制御装置を備えて、
該ウインドファーム制御装置が、各風力発電機における風の風速を用いて各風力発電機の風に対応する最大出力電力を算出し、ウインドファーム全体について積算してウインドファーム最大出力電力を求め、該ウインドファーム最大出力電力に基づきウインドファーム平均出力電力とウインドファーム標準偏差出力電力を算出し、該ウインドファーム平均出力電力から該ウインドファーム標準偏差出力電力を差し引いた値からウインドファーム出力電力指令値を生成し、該ウインドファーム出力電力指令値に基づいて風力発電機ごとの出力電力指令値を算出して前記ピッチ角制御器に供給すると共に、前記ウインドファーム出力電力指令値からウインドファーム出力電力を差し引いてウインドファーム出力電力偏差を求め、各風力発電機の出力余裕を算出し、前記ウインドファーム出力電力偏差と各発電機の出力余裕とから風力発電機ごとの出力電力補償値を算定し、該出力電力補償値を前記風力発電機ごとの出力電力指令値に加えた値を各風力発電機の総出力電力指令値として各風力発電機のピッチ角制御器に設定値として供給することを特徴とするウインドファームにおける発電電力平準化方法。
産業区分
  • その他原動機
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2005219703thum.jpg
出願権利状態 権利存続中
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