JP2013183491A - 風力発電制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】固定的な想定能力に依らない風車の回転速度制御を行うことで、効率のよい風力発電を実現する。
【解決手段】ＰＣ制御部２３は、所定期間において風車１１の回転速度が変化した割合を示す回転変化率を判定する。そして、ＰＣ制御部２３は、判定された回転変化率に基づき、発電機１２から取出される発電電力を従前の値から回転変化率の３乗の変化率で変化させることで、風車１１の回転速度を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、風車を原動機とする風力発電機による発電電力を制御する風力発電制御装置に関する。

小規模な独立電源として従来利用されてきた、比較的小型の風力発電装置を電力事業者の商用電力系統に連携させて利用するための技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。風力発電装置を商用電力系統に連携させることで、自家発電した電力を現地で利用するだけでなく、余剰電力が発生した場合には、その余剰電力を商用電力系統側に供給（逆潮流）することができる。これにより、風力エネルギの利用効率を一層向上させることができるとされている。

特開２００２−１０１５５９号公報

以上のような情勢において、風力発電でより多くの電力を得るための運用制御が重要な課題となっている。風車を原動機とする風力発電機からより多くの電力を得るには、発電電力をできるだけ大きくしつつも失速を回避し、なおかつ、風車に更なる高速回転を促すといった、高度な回転速度制御が必要となる。

従来、風車の回転速度を制御する一方法として、風車によって駆動される発電機の回転負荷を変化させる、すなわち、発電機から取り出す発電電力を変化させることによって行う方法がある。この制御方法における時々の発電電力値は、その時点の風車の回転速度に対して一義的に決められた設計上の発電電力値が用いられてきた。この設計上の発電電力値は、風車及び発電機の機械設計及び電気設計から求められた、回転速度と発電電力の相関関係に基づいて予め設計された値である。

しかしながら、上記のような固定的な想定能力に基づく制御方法は、風車の機械部分の経年劣化（摩耗や変形等）によってもたらされる回転能力の低下や、風車の個体性能差を反映した最適な制御を行うことが困難である。そのため、設計上で想定した最適な回転速度制御が常に行われるとは限らず、発電能力を十分に引出すことができないという問題があった。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、固定的な想定能力に依らない風車の回転速度制御を行うことで、効率のよい風力発電を実現することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、風車を原動機とする発電機を制御する風力発電制御装置に関する。本発明の風力発電制御装置は、判定手段と、回転速度制御手段とを備えることを特徴とする。判定手段は、所定期間において風車の回転速度が変化した割合を示す回転変化率を判定する。そして、回転速度制御手段は、判定手段により判定された回転変化率に基づき、発電機から取出される発電電力を従前の値から回転変化率の３乗の変化率で変化させることで、風車の回転速度を制御する。

回転する風車に対してかけられる負荷は、風車の回転速度の３乗に比例する。風車にかれられる負荷とは、風車を失速させずにかけられる負荷を意味し、回転する風車が持つエネルギに相当する。したがって、例えば、風車の回転速度が１．２倍に加速した場合、風車にかけられる負荷は１．２倍の３乗で約１．７倍に増加することになる。このとき、風車にかける負荷、すなわち風車を原動機とする発電機から取出される発電電力を約１．７倍に増大させることで、風車が持つエネルギと発電電力として取出されるエネルギとが均衡する。このため、発電電力を増大させつつ風車の回転速度を維持することができる。

一方、風車の回転速度が低下したならば、その回転変化率の３乗の変化率で発電電力を減少させることで、風車の負荷を軽減し、失速を回避する。このようにして、敢えて発電電力を抑制することで、風車の回転速度を維持することに努め、その後の加速の機会に備えることができる。

このような制御方法は、従来の固定的な想定能力に基づく制御ではなく、風車の回転速度の変化率に基づいて行う相対的な制御である。よって、風車の機械設計や個体性能差、経年劣化等による性能のばらつきに左右されることなく、風況に応じて風車の回転速度及び発電電力の最適な制御を行うことができ、発電能力を十分に引出すことができる。

さらに、発電電力の値を風車の回転変化率の３乗変動よりも大きくしたり小さくしたりすることで、風車１１を任意に増速させたり減速させたりできる。
例えば、請求項２に記載のように構成することで、風車の回転速度を維持する制御の他に、回転速度を増加させる制御を行うことができる。具体的には、風車の回転速度を維持する制御を行うときには、回転速度制御手段は、発電電力を従前の値から回転変化率の３乗の変化率で変化させる。一方、風車を加速させる制御を行うときには、回転速度制御手段は、従前の発電電力を回転変化率の３乗の変化率で変化させた値よりも小さい値に発電電力を変更する。

上述の例ように、風車の回転速度が１．２倍に加速したときに、例えば、発電機による発電電力を１．３倍（＜１．２³）に増大させた場合、風車が持つエネルギに対して負荷（発電電力として取出されるエネルギ）が小さくなる。この場合、風車が持つエネルギが保存されるため、発電電力を増大させつつ風車に更なる加速を促すことができる。

あるいは、請求項３に記載のように構成することで、風車の回転速度を維持する制御の他に、回転速度を減速させる制御を行うことができる。具体的には、風車の回転速度を維持する制御を行うときには、回転速度制御手段は、発電電力を回転速度の回転変化率の３乗の変化率で変化させる。一方、風車を減速させる制御を行うときには、回転速度制御手段は、従前の発電電力を回転変化率の３乗の変化率で変化させた値よりも大きい値に発電電力を変更する。

上述の例ように、風車の回転速度が１．２倍に加速したときに、例えば、発電機による発電電力を２．２倍（＞１．２³）に増大させた場合、風車が持つエネルギに対して負荷（発電電力として取出されるエネルギ）が過大になる。この場合、風車が持つエネルギに対して過負荷状態になるため、風車を減速させることができる。

ところで、本発明の風力発電制御装置では、風車の回転速度を調節するために風況の変化に応じて発電電力が積極的にコントロールされる。このため、風力発電システムを電力事業者の商用電力系統に連携させて利用するための電力変換を行うパワーコンディショナへの入力電力がより変動しやすくなる。

そこで、請求項４に記載のように、補助電源と電力補填手段とを更に備える構成にすることが考えられる。補助電源は、発電機による発電電力の不足分を補うための電源である。そして、電力補填手段は、風車の回転速度の低下に伴い、回転速度制御手段によって発電電力を抑制する制御が行われたときに、その抑制された分の電力の一部又は全部に相当する電力を補助電源からの電力供給によって補って、発電機による発電電力の出力先であるパワーコンディショナに送出する。このようにすることで、風車の回転速度の低下に伴い発電機による発電電力が抑制される場合において、パワーコンディショナに送出される電力も対応して低下することを抑制できる。

なお、発電機による発電電力を補う補助電源としては、請求項５に記載のように、商用電力系統から供給される商用電源又は蓄電装置（バッテリやキャパシタ等）を採用することが考えられる。

つぎに、請求項６に記載の風力発電制御装置は、電力制限手段を更に備えることを特徴とする。この電力制限手段は、風車の回転速度の増加に伴い、回転速度制御手段によって発電電力を増加させる制御が行われるときに、増加する発電電力が、発電機による発電電力の出力先であるパワーコンディショナに対して送出できる電力の性能上限を超える場合、回転速度制御手段において発電電力を増加させつつ、その発電電力の一部をパワーコンディショナとは別の電力使用手段に使用させる。

このような構成によれば、風車の回転を抑制するために発電電力を増加させたいが、そうした場合にパワーコンディショナに対して出力できる電力の性能上限を超えてしまう状況であっても、発電電力を増加させて風車の回転を抑制しつつ、パワーコンディショナに対して送出する電力を抑制できる。また、発電電力の余剰分については、抵抗器や蓄電装置等の別の電力使用手段に供給することで消費又は蓄電することができる。

ところで、本発明は、請求項７に記載のように、風車の回転変化率に代えて、所定期間において風速が変化した割合を示す風速変化率の判定結果に基づいて、発電機による発電電力を変化させて風車の回転速度を制御する構成としてもよい。

風車の回転速度と風速とは互いに相関関係にあるので、風車の回転変化率に代えて、風速変化率を用いて発電電力の制御を行うことでも、回転変化率を用いる場合と同様の作用が得られる。一方、風力計が備える風車と発電機を駆動する風車とを比べれば、風力計の風車の方がはるかに軽量であり、その分、風況の変化に対する反応が俊敏である。そのため、実際には風車の回転速度の変動よりも風速の変動の方がより早く検出可能である。よって、風車の回転変化率に代えて、風速変化率に基づいて発電電力の制御を行うことで、風況の変化に対する制御のレスポンスを早くできるといったメリットがある。

つぎに、請求項８に記載の風力発電制御装置は、平準化電源と電力平準化手段とを更に備えることを特徴とする。平準化電源は、発電電力を平準化させるための電力を補填するための電源である。そして、電力平準化手段は、回転速度制御手段によって変動制御される発電電力が所定の平準化基準電力に対して不足する場合、発電機による発電電力の出力先であるパワーコンディショナに対して送出される電力が平準化基準電力に沿うように、その不足分の電力を平準化電源からの電力供給によって補って、パワーコンディショナに送出する。

このように構成することで、発電機による発電電力が平準化基準電力に満たない状況であっても、パワーコンディショナに送出される電力を平準化電源によって補填して平準化できる。これにより、短絡的な発電電力の変動に対して、パワーコンディショナの電力変換の処理能力を超えて出力電圧や周波数に変動の影響が表れることを抑制できる。

ところで、風力発電システムを商用電力系統に連携させて利用するための電力変換を行うパワーコンディショナには、許容できる入力電圧範囲及び入力電流範囲が決められている（例えば、直流１００Ｖ〜３００Ｖ、２Ａ〜３０Ａ）。さらに、許容できる入力電圧・電流の短期的な変動範囲（例えば±１０％）が決められている。パワーコンディショナに入力される電力に短期的に大きな変動が起こると、パワーコンディショナの電力変換の処理能力を超えてしまい、パワーコンディショナからの出力電圧や周波数に変動の影響が表れる場合がある。短期的な変動が甚だしい場合は、パワーコンディショナがトリップし、商用電力系統への電力供給をやめてしまう事態も考えられる。このような問題を回避するためには、パワーコンディショナに送出される発電電力を、できる限り平準化することが肝要である。

この問題を解決するためになされた請求項９に記載の発明は、風車を原動機とする発電機による発電電力を制御して、その発電電力をパワーコンディショナに送出する風力発電制御装置に関する。本発明の風力発電制御装置は、平準化電源と電力平準化手段とを備えることを特徴とする。平準化電源は、発電機による発電電力を平準化させるための電力を補填するための電源である。そして、電力平準化手段は、発電機による発電電力が所定の平準化基準電力に対して不足する場合、パワーコンディショナに対して送出される電力が平準化基準電力に沿うように、その不足分の電力を平準化電源からの電力供給によって補って、パワーコンディショナに送出する。

このように構成することで、発電機による発電電力が平準化基準電力に満たない状況であっても、パワーコンディショナに送出される電力を平準化電源によって補填して平準化できる。これにより、短絡的な発電電力の変動に対して、パワーコンディショナの電力変換の処理能力を超えて出力電圧や周波数に変動の影響が表れることを抑制できる。

さらに、請求項１０に記載のように構成するとよい。すなわち、発電機による発電電力が平準化基準電力を超える場合、電力平準化手段は、パワーコンディショナに対して送出される電力が平準化基準電力に沿うように、その超過分の発電電力をパワーコンディショナとは別の電力使用手段に使用させる。このように構成することで、発電機による発電電力が平準化基準電力を超えてしまう状況であっても、超過分の発電電力を抵抗器や蓄電装置等の別の電力使用手段に供給することで、パワーコンディショナに送出される電力を平準化できる。

さらに、請求項１１に記載のように、平準化基準電力を風況の変動に応じて段階的に変動させて設定する設定手段を更に備えるように構成するとよい。平準化基準電力は、例えば、現在の風況において見込まれる最適な発電電力に基づいて設定することが考えられる。その他にも、パワーコンディショナの性能特性を加味した平準化基準電力を設定するようにしてもよい。

風力発電システム１の概略構成を示すブロック図。 回転速度制御の手順を示すフローチャート。 パワーコンディショナ入力電力制御の手順を示すフローチャート。 発電電力と平準化基準電力との関係を示すグラフ。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。なお、本発明は下記の実施形態に何ら限定されるものではなく様々な態様にて実施することが可能である。
［風力発電システム１の構成の説明］
実施形態の風力発電システム１は、風車を原動機とする発電機を備えた風力発電装置を商用電力系統に連携させて電力供給を行う発電システムである。図１に示すように、風力発電システム１は、風車１１、発電機１２、機械式ブレーキ１３等からなる風力発電装置と、これを制御するための発電制御装置２０及びブレーキ制御装置３０等を備える。

本実施形態では、回転軸が風向きに対して垂直な直線翼垂直軸風車を風車１１として例示する。ただし、本発明は、前述の直線翼垂直軸風車に限らず様々な形式の風車について適用可能である。発電機１２は、風車１１を原動機とする三相同期発電機であり、風車１１の回転エネルギによって交流電力を発電する。ここでは、発電機の界磁に外部電源を必要としない永久磁石同期発電機を想定している。発電機１２により発電された交流の発電電力は、配線用遮断器４１を介して発電制御装置２０及びブレーキ制御装置３０に送られる。

機械式ブレーキ１３は、風車１１の回転軸に摩擦による制動をかけることで風車１１の回転速度を減じたり停止させる制動装置であり、故障やメンテナンス、緊急時等における手動停止の際に用いられる。機械式ブレーキ１３を作動させるための電源は、配線用遮断器４２を通じて商用電力系統から供給されるようになっている。

発電制御装置２０は、整流器２１、バックアップ電源２２、ＰＣ制御部２３、パワーコンディショナ２４、通信制御部２５、スイッチ２６等の各部構成を備える。
整流器２１は、発電機１２によって発電された三相交流の発電電力を、直流電力に変換し平滑化する交流入力直流出力の電力変換装置である。整流器２１により直流変換された発電電力は、逆流防止ダイオードを通してＰＣ制御部２３に入力される。

バックアップ電源２２は、充電式バッテリやキャパシタ等からなる蓄電装置と、これを充電するための充電装置とからなる補助電源装置である。バックアップ電源２２の出力側は逆流防止ダイオードを通してＰＣ制御部２３に接続しており、蓄電された電力が必要に応じてＰＣ制御部２３に供給される。バックアップ電源２２への充電は、ＰＣ制御部２３から供給される余剰分の発電電力、又は、配線用遮断器４４を介して商用電力系統から供給される電力で賄われる。バックアップ電源２２を充電する電力の供給元は、スイッチ２６によって自動的に切替えられる。なお、バックアップ電源２２は、バッテリやキャパシタ等の蓄電装置に代えて商用電源を用いてもよい。その場合、蓄電装置を充電する設備は不要である。

ＰＣ制御部２３は、直流入力直流出力の電力変換装置と、その動作を制御する電子回路とからなる電力制御装置である。ＰＣ制御部２３は、整流器２１において直流電力に変換された発電電力や、バックアップ電源２２から補填した電力を、パワーコンディショナ２４の入力定格やＭＴＴＰ（Maximum Power Tracker Point：最大電力点追従）特性に適した電圧・電流の直流電力に調整し、パワーコンディショナ２４に送出する。ＰＣ制御部２３は、変動の激しい発電電力を入力するため、広範囲の電圧・電流を受入れることのできる回路構成となっている。

さらに、ＰＣ制御部２３は、本発明における特徴的な機能として、ある単位期間に風車１１の回転速度が変化した割合である回転変化率を判定し、判定した回転変化率に応じて、発電機１２から取出される発電電力を増減させる。ＰＣ制御部２３は、発電電力の増減により発電時の回転負荷が変動することを利用して、風車１１に対して任意の制動（加減速）を与え、風車１１の回転速度を制御する。

例えば、風車１１の回転速度を維持する制御を行うときには、発電機１２から取出される発電電力を従前の値から風車１１の回転変化率の３乗の変化率で変化させる。もし、風車１１の回転速度が増加したならば、その回転変化率の３乗の変化率で発電電力を増大させることで、風車が持つエネルギ発電電力として取出されるエネルギとが均衡する。このため、発電電力を増大させつつ風車の回転速度を維持することができる。あるいは、風車１１の回転速度が低下したならば、その回転変化率の３乗の変化率で発電電力を減少させることで、風車１１の負荷が軽減され、回転速度を維持できる。

また、風車１１を加速させる制御を行うときには、従前の発電電力を回転変化率の３乗の変化率で変化させた値よりも小さい値に発電電力を変更する。このようにすると、風車１１が持つエネルギに対して発電電力として取出されるエネルギが小さくなるため、風車に加速を促すことができる。また、風車１１を減速させる制御を行うときには、従前の発電電力を回転変化率の３乗の変化率で変化させた値よりも大きい値に発電電力を変更する。このようにすると、風車１１が持つエネルギに対して発電電力として取出されるエネルギが過大になるため、風車１１を過負荷状態にして回転を減速させることができる。

あるいは、本発明における別の特徴的な機能として、ＰＣ制御部２３は、刻々と変動する発電電力を平準化基準電力に合わせて平準化して送出する制御を行う。平準化基準電力は、風況に応じて見込まれる発電電力や、パワーコンディショナ２４の性能特性に合わせて、ＰＣ制御部２３によって段階的に設定される。

例えば、発電電力が平準化基準電力に対して不足する場合には、不足する分の電力をバックアップ電源２２から補填することで、パワーコンディショナ２４に送出する電力を平準化基準電力に沿うように調節する。あるいは、発電電力が平準化基準電力に対して過大になる場合には、余剰分の発電電力をパワーコンディショナ２４とは別の電力使用機器に使用させることで、パワーコンディショナ２４に送出する電力を平準化基準電力に沿うように調節する。

このとき、パワーコンディショナ２４に送出されない余剰分の発電電力は、スイッチ２６をＰＣ制御部２３側に切替えて、バックアップ電源２２の充電に使用する。また、バックアップ電源２２に供給できる上限を超えてなお余る分の発電電力については、ブレーキ抵抗３３に通電して、熱として消費する。具体的には、ＰＣ制御部２３が、ブレーキ作動のための制御信号を通信制御部２５を通じてブレーキ制御部３２に送信する。そして、ブレーキ制御部３２は、通信制御部３４を通じてＰＣ制御部２３から受信した制御信号に従って、発電機１２からの発電電力の一部をブレーキ抵抗３３に通電する。

パワーコンディショナ２４は、風力発電システム１を商用電力系統に接続して系統連携を行うための直流入力交流出力の電力変換装置である。パワーコンディショナ２４の出力側は配線用遮断器４３を介して商用電力系統に接続されている。パワーコンディショナ２４は、ＰＣ制御部２３から入力される直流電力を、商用電力と同じ電圧、周波数及び位相の交流電力に変換して、商用電力系統に電力供給（逆潮流）を行う。その他にも、出力を最大化できる最適な入力電圧・電流（最大電力点あるいは最適動作点）に追従して動作点を変化させるＭＴＴＰ制御を行う機能や、風力発電システム１を商用電力系統に安全に接続するために必要な系統連携保護を行う機能を備える。

通信制御部２５は、ＰＣ制御部２３とブレーキ制御部３２との間でデータ通信を行うための通信インタフェースである。通信制御部２５は、ブレーキ制御装置３０側の通信制御部３４とパラレルＩ／Ｏポートを介して接続されており、これによりＰＣ制御部２３とブレーキ制御部３２との間でデータ通信が可能となっている。

ブレーキ制御装置３０は、発電ブレーキにより風車１１に制動を与えるための制動装置である。
回転数センサ３１は、風車１１の回転速度を計測するための電気式の回転計である。風車１１の回転速度は、すなわち発電機１２の回転子の回転速度であり、発電機１２による発電電力の周波数に比例する。回転数センサ３１は、発電機１２の発電電力の周波数から風車１１の回転速度を検出する。

ブレーキ制御部３２は、発電運転中に風車１１に発電ブレーキによる制動をかけることで風車１１の回転速度を減じる制御回路である。ブレーキ制御部３２は、通信制御部３４を介してＰＣ制御部２３から受信した制御信号に従って、指定された大きさの発電電力をブレーキ抵抗３３に通電することで、通電した電力分の発電負荷に相当する制動力を得る。ブレーキ抵抗３３は、ブレーキ制御部３２から入力された電力を熱に変換して消費する抵抗器である。

ブレーキ制御部３２による発電ブレーキは、風車１１の速度を抑制するためにＰＣ制御部２３が発電電力を増大させるときに、パワーコンディショナ２４やバックアップ電源２２に供給できる電力の上限を超えてもなお余る分の発電電力を消費して、目的の制動力を得るために用いられる。

通信制御部３４は、ブレーキ制御部３２とＰＣ制御部２３との間でデータ通信を行うための通信インタフェースである。通信制御部３４は、発電制御装置２０側の通信制御部２５とパラレルＩ／Ｏポートを介して接続されており、これによりブレーキ制御部３２とＰＣ制御部２３との間でデータ通信が可能となっている。

無停電電源装置（ＵＰＳ）３５は、ブレーキ制御装置３０が作動するための電力を供給するブレーキ専用の電源装置である。無停電電源装置３５は、商用電力系統から電力を受ける装置と、商用電力系統からの電力を蓄電する装置とを備え、そこからブレーキ制御装置３０が作動するための電力を供給する。無停電電源装置３５に入力されている商用電力が断になった場合、蓄電装置に蓄えていた電力をブレーキ制御装置３０に供給する。これにより、風力発電システム１に接続されている商用電力系統からの電力供給が何らかの理由で途絶えた場合でも、発電ブレーキの機能を直ちに喪失してしまうことがないようになっている。

風速計５０は、風車１１の設置場所付近の風速を計測するための計器である。風速計５０による計測結果は、例えば、風速変化率（単位期間に風速が変化した割合）を判定するために用いられたり、平準化基準電力を設定する判断材料となる風況変化の判定に用いられる。

［回転速度制御の手順の説明］
つぎに、発電運転時にＰＣ制御部２３が行う風車１１の回転速度制御の手順について、図２のフローチャートを参照しながら説明する。

Ｓ１００では、ＰＣ制御部２３は、回転数センサ３１による風車１１の回転速度の計測結果に基づいて、単位期間に風車１１の回転速度が変化した割合である回転変化率を判定する。単位期間は、例えば１ｍｓとする。また、回転速度に応じてこの単位時間を変えるように構成してもよい。Ｓ１００の判定の結果、風車１１の回転速度が上昇した場合（Ｓ１００：速度上昇）、Ｓ１０２に進む。一方、風車の回転速度が低下した場合（Ｓ１００：速度低下）、Ｓ１０８に進む。なお、Ｓ１００においては、回転数センサ３１による風車１１の回転速度の計測結果に代えて、風速計５０による風速の計測結果に基づく風速変化率を判定してもよい。あるいは、回転数センサ３１の計測結果と風速計５０の計測結果とを組合せて、回転速度及び風速の変化率を判定してもよい。

風車１１の回転速度が上昇した場合に進むＳ１０２では、風車１１の回転変化率に応じて発電機１２から取出される発電電力を上げる制御を行う。具体的には、風車１１の回転速度を維持するか、あるいは加速又は減速するかによって、以下のとおりに発電機１２から取出される発電電力を上げる大きさを変える。

風車１１の回転速度が上昇しているときに回転速度を維持する制御を行う場合、発電機１２から取出される発電電力を従前の値から風車１１の回転変化率の３乗の増加率で上げる。風車１１の回転速度を維持する制御を行う状況としては、例えば、風車１１が現状において定格速度で回転しているときが挙げられる。

風車１１の回転速度が上昇しているときに減速させる制御を行う場合、従前の発電電力を回転変化率の３乗の増加率で上げた値よりも、更に大きい値まで発電電力を上げる。風車１１を減速させる制御を行う状況としては、例えば、風車１１が現状において定格速度を超える速度で回転しているときが挙げられる。

風車１１の回転速度が上昇しているときに更に加速させる制御を行う場合、従前の発電電力を回転変化率の３乗の増加率で上げた値よりも小さい値になるように発電電力を上げる。風車１１を加速させる制御を行う状況としては、例えば、風車１１が現状において定格速度未満で回転しているときが挙げられる。

Ｓ１０４では、Ｓ１０２において上げられたときの発電電力が、パワーコンディショナ２４の定格入力電力の上限値を超えるか否かを判定する。発電電力がパワーコンディショナ２４の定格入力電力の上限値を超えない場合（Ｓ１０４：ＮＯ）、増加させた発電電力をパワーコンディショナ２４へ送出する。

一方、発電電力がパワーコンディショナ２４の定格入力電力の上限値を超える場合（Ｓ１０４：ＹＥＳ）、発電電力の一部をバックアップ電源２２の充電やブレーキ抵抗３３への放流に回して消費し、パワーコンディショナ２４の定格入力電力以下の発電電力をパワーコンディショナ２４へ送出する（Ｓ１０６）。

一方、Ｓ１００の判定結果において風車１１の回転速度が低下した場合に進むＳ１０８では、風車１１の回転変化率に応じて発電機１２から取出される発電電力を抑制する制御を行う。具体的には、風車１１の回転速度を維持するか、あるいは加速又は減速するかによって、以下のとおりに発電機１２から取出される発電電力を抑制する。

風車１１の回転速度が低下しているときに回転速度を維持する制御を行う場合、発電機１２から取出される発電電力を従前の値から風車１１の回転変化率の３乗の減少率で下げる。風車１１の回転速度を維持する制御を行う状況としては、例えば、風車１１が現状において定格速度で回転しているときが挙げられる。

風車１１の回転速度が低下しているときに更に減速させる制御を行う場合、従前の発電電力を回転変化率の３乗の低下率で下げた値よりも、大きい値になるように発電電力を下げる。風車１１を減速させる制御を行う状況としては、例えば、風車１１が現状において定格速度を超える速度で回転しているときが挙げられる。

風車１１の回転速度が低下しているときに加速させる制御を行う場合、従前の発電電力を回転変化率の３乗の低下率で下げた値よりも更に小さい値になるように発電電力を下げる。風車１１を加速させる制御を行う状況としては、例えば、風車１１が現状において定格速度未満で回転しているときが挙げられる。

Ｓ１１０では、Ｓ１０８において抑制される分の電力の一部又は全部を、バックアップ電源２２から補填して、発電電力と補填される電力との合計電力をパワーコンディショナ２４へ送出する。ここでは、パワーコンディショナ２４の定格入力電力の上限値を超えない範囲でバックアップ電源２２から電力を補填する。

［パワーコンディショナ入力電力制御の手順の説明］
つぎに、発電運転時にＰＣ制御部２３が行うパワーコンディショナ入力電力制御の手順について、図３のフローチャートを参照しながら説明する。

Ｓ２００では、発電機１２から取出している現在の発電電力と、現在設定されている平準化基準電力とを比較する。平準化基準電力は、パワーコンディショナ２４への入力電力の目標値であり、現在の風況に応じて見込まれる最適な発電電力や、パワーコンディショナ２４の入力定格や入力電力の変動への対応能力に合わせて、ＰＣ制御部２３によって段階的に設定される。

平準化基準電力に対して発電電力が超過する場合（Ｓ２００：発電電力超過）、Ｓ２０２に進む。Ｓ２０２では、平準化基準電力より超過する分の発電電力をバックアップ電源２２の充電やブレーキ抵抗３３への放流に回して消費し、平準化基準電力に相当する分の発電電力をパワーコンディショナ２４へ送出する。

一方、平準化基準電力に対して発電電力が不足する場合（Ｓ２００：発電電力不足）、Ｓ２０４に進む。Ｓ２０４では、平準化基準電力に対して不足する分の電力をバックアップ電源２２から補填することで、発電電力と補填される電力との合計電力を平準化基準電力に等しくし、その合計電力をパワーコンディショナ２４へ送出する。

一方、発電電力が平準化基準電力に等しい場合（Ｓ２００：過不足なし）、Ｓ２０８に進む。Ｓ２０８では、全発電電力をパワーコンディショナ２４へ送出する。
上述のパワーコンディショナ入力電力制御の具体例について、図４のグラフを参照しながら説明する。このグラフは、発電機１２から取出される発電電力と平準化基準電圧との関係の時間的推移のモデルである。このグラフで示されるとおり、発電機１２から取出される発電電力は、波打つように短期間のうちに比較的大きく上下する。これは、風況の変化による風車１１の回転速度の変化に対応して、ＰＣ制御部２３が発電電力を積極的にコントロールすることによる。これに対し、平準化基準電力は、発電電力の短期的な変動がパワーコンディショナ２４からの出力電力の波形に影響しないように、発電電力の変動よりも長期の間隔で、風況の変化に応じて段階的に変動するように設定される。

例えば、時刻ｔ１〜ｔ２の期間において、平準化基準電力は一定に保たれている。この期間のうち、時刻ｔ１〜ｔａ，ｔｂ〜ｔｃの期間においては、発電電力が平準化基準電力を下回っている。したがって、この期間では、ＰＣ制御部２３は、平準化基準電力に対して不足する分の電力をバックアップ電源２２から補填して、平準化基準電力に相当する分の電力をパワーコンディショナ２４に送出する。

一方、時刻ｔａ〜ｔｂ，ｔｃ〜ｔ２の期間においては、発電電力が平準化基準電力を超過している。したがって、この期間では、ＰＣ制御部２３は、平準化基準電力に対して超過する分の発電電力をバックアップ電源２２への蓄電又はブレーキ抵抗３３への放流に回し、平準化基準電力に相当する分の電力をパワーコンディショナ２４に送出する。時刻ｔ２で平準化基準電力が切替えられた以降も、上記と同様にする。

以上のようにして、ＰＣ制御部２３が、平準化基準電力を基準にして不足する電力の補填、及び超過する発電電力の蓄電又は放流を行うことで、パワーコンディショナ２４への入力電力が平準化され、商用電力系統への安定した電力供給が可能になる。

［効果］
実施形態の風力発電システム１によれば、以下の効果を奏する。
従来の固定的な想定能力に基づく制御ではなく、風車１１の回転変化率に対して発電電力を３乗変動させるといった相対的な制御を行うことができる。これにより、風車１１の機械設計や個体性能差、経年劣化等に左右されることなく、風況に応じて風車１１の回転速度及び発電電力の最適な制御を行うことができ、発電機１２の発電能力を十分に引出せる。また、発電電力を回転変化率の３乗変動よりも大きくしたり小さくしたりすることで、風車１１を任意に増速させたり減速させたりできる。

変動する発電電力に対して、平準化基準電力に満たない分の電力を補填したり、超過す分の発電電力を蓄電又は放流することで、パワーコンディショナ２４への入力電力を平準化できる。これにより、短絡的な発電電力の変動に対して、パワーコンディショナ２４の電力変換の処理能力を超えて出力電圧や周波数に変動の影響が表れることを抑制できる。

１…風力発電システム、１１…風車、１２…発電機、１３…機械式ブレーキ、２０…発電制御装置、２１…整流器、２２…バックアップ電源、２３…ＰＣ制御部、２４…パワーコンディショナ、２５…通信制御部、２６…スイッチ、３０…ブレーキ制御装置、３１…回転数センサ、３２…ブレーキ制御部、３３…ブレーキ抵抗、３４…通信制御部、３５…無停電電源装置（ＵＰＳ）、４１，４２，４３，４４…配線用遮断器、５０…風速計。

Claims (11)

1. 風車を原動機とする発電機を制御する風力発電制御装置であって、
   所定期間において前記風車の回転速度が変化した割合を示す回転変化率を判定する判定手段と、
   前記判定手段により判定された回転変化率に基づき、前記発電機から取出される発電電力を従前の値から前記回転変化率の３乗の変化率で変化させることで、前記風車の回転速度を制御する回転速度制御手段と、
   を備えることを特徴とする風力発電制御装置。
2. 請求項１に記載の風力発電制御装置において、
   前記回転速度制御手段は、前記風車の回転速度を維持する制御を行うときには、発電電力を従前の値から前記回転変化率の３乗の変化率で変化させ、前記風車を加速させる制御を行うときには、従前の発電電力を前記回転変化率の３乗の変化率で変化させた値よりも小さい値に発電電力を変更すること
   を特徴とする風力発電制御装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の風力発電制御装置において、
   前記回転速度制御手段は、前記風車の回転速度を維持する制御を行うときには、発電電力を前記回転速度の前記回転変化率の３乗の変化率で変化させ、前記風車を減速させる制御を行うときには、従前の発電電力を前記回転変化率の３乗の変化率で変化させた値よりも大きい値に発電電力を変更すること
   を特徴とする風力発電制御装置。
4. 請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の風力発電制御装置において、
   前記発電機による発電電力の不足分を補うための補助電源と、
   前記風車の回転速度の低下に伴い、前記回転速度制御手段によって発電電力を抑制する制御が行われたときに、その抑制された分の電力の一部又は全部に相当する電力を前記補助電源からの電力供給によって補って、前記発電機による発電電力の出力先であるパワーコンディショナに送出する電力補填手段と、
   を更に備えることを特徴とする風力発電制御装置。
5. 請求項４に記載の風力発電制御装置において、
   前記補助電源は、商用電力系統から供給される商用電源又は蓄電装置であること
   を特徴とする風力発電制御装置。
6. 請求項１ないし請求項５の何れか１項に記載の風力発電制御装置において、
   前記風車の回転速度の増加に伴い、前記回転速度制御手段によって発電電力を増加させる制御が行われるときに、増加する発電電力が、前記発電機による発電電力の出力先であるパワーコンディショナに対して送出すべき電力の上限を超える場合、前記回転速度制御手段において発電電力を増加させつつ、その発電電力の一部を前記パワーコンディショナとは別の電力使用手段に使用させる電力制限手段を更に備えること
   を特徴とする風力発電制御装置。
7. 請求項１ないし請求項６の何れか１項に記載の風力発電制御装置において、
   前記判定手段に代えて、所定期間において風速が変化した割合を示す風速変化率を判定する風速判定手段を備え、
   前記回転速度制御手段は、前記判定手段による回転変化率の判定結果に代えて、前記風速判定手段により判定された風速変化率の判定結果に基づいて、前記発電機による発電電力を変化させて前記風車の回転速度を制御すること
   を特徴とする風力発電制御装置。
8. 請求項１ないし請求項７の何れか１項に記載の風力発電制御装置において、
   前記発電機による発電電力を平準化させるための電力を補填する平準化電源と、
   前記回転速度制御手段によって変動制御される発電電力が所定の平準化基準電力に対して不足する場合、前記発電機による発電電力の出力先であるパワーコンディショナに対して送出される電力が前記平準化基準電力に沿うように、その不足分の電力を前記平準化電源からの電力供給によって補って、前記パワーコンディショナに送出する電力平準化手段と、
   を更に備えることを特徴とする風力発電制御装置。
9. 風車を原動機とする発電機による発電電力を制御して、その発電電力をパワーコンディショナに送出する風力発電制御装置であって、
   前記発電機による発電電力を平準化させるための電力を補填する平準化電源と、
   前記発電機による発電電力が所定の平準化基準電力に対して不足する場合、前記パワーコンディショナに対して送出される電力が前記平準化基準電力に沿うように、その不足分の電力を前記平準化電源からの電力供給によって補って、前記パワーコンディショナに送出する電力平準化手段と、
   を備えることを特徴とする風力発電制御装置。
10. 請求項９に記載の風力発電制御装置において、
    前記電力平準化手段は、前記発電機による発電電力が前記平準化基準電力を超える場合、前記パワーコンディショナに対して送出される電力が前記平準化基準電力に沿うように、その超過分の発電電力を前記パワーコンディショナとは別の電力使用手段に使用させること
    を特徴とする風力発電制御装置。
11. 請求項９又は請求項１０に記載の風力発電制御装置において、
    前記平準化基準電力を、風況の変動に応じて段階的に変動させて設定する設定手段を更に備えること
    を特徴とする風力発電制御装置。