JP4659270B2

JP4659270B2 - 風力発電設備

Info

Publication number: JP4659270B2
Application number: JP2001157398A
Authority: JP
Inventors: 雅哉一瀬; 基生二見; 茂太上田; 寛二龍; 守弘久保; 晃司田中; 宗成原
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc; Hitachi Engineering and Services Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Engineering and Services Co Ltd; Hitachi Ltd; Tokyo Electric Power Co Holdings Inc
Priority date: 2001-05-25
Filing date: 2001-05-25
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2021-05-25
Also published as: JP2002349417A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、風力発電装置の電力変動を補償する装置に係り、特に電力変動補償用の電力貯蔵装置を２台設置した風力発電設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、風力発電設備の建設が各所で進み、自然エネルギーの有効利用に大きく貢献している。
ところで、この風力発電は、通常、電力系統に連系して使用されることが多いが、このとき、風車発電機特有の出力変動が問題になることがある。
【０００３】
この出力変動は、風力や風向の変動に伴う比較的長周期の変動と、羽根の回転位相変化にに伴う比較的短周期の変動とがあり、いずれにしても好ましいものではなく、このことは、風車発電機の出力を電力系統に連系させず、単独で使用された場合も同じである。
【０００４】
そこで、風車発電機の出力に、例えば二次電池などの電力貯蔵装置を設け、電力変動を補償する方法が従来から知られており、その例を、例えば平成１０年３月１０日発行の“平成１０年電気学会全国大会講演論文集［７］”(７−３１０頁〜７−３１１頁)の開示にみることができる。
【０００５】
そして、この講演論文集に記載の電力変動補償方法では、二次電池としてナトリウム硫黄電池(ＮＡＳ電池)を用い、風車発電機の出力検出値を、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、電力の変動を長周期変動分と短周期変動分に分割し、それぞれに位相補償とゲイン計算を行い、電力貯蔵装置段を構成するＮＡＳ電池の充放電指令に加算することで、風車発電機の出力変動を補償するようになっている。
【０００６】
また、従来技術では、例えば特開２０００−２１７２５７の公報に開示されているように、複数台の風力発電機に複数台の電力貯蔵装置を設置した形で運用される例もある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術は、適正な電力変動の補償に配慮がされているとは言えず、補償内容の適切化に問題があった。
上記したように、従来技術では、風力発電設備の有効電力を長周期(低周波)変動分と短周期(高周波)変動分に分けて、それぞれ補償している。
しかし、この場合、中間の周波数でも補償ゲインが零にならない。
【０００８】
このため、従来技術では、低周波分と高周波分それぞれの補償により、中間の周波数帯でも変動補償ゲインが高くなってしまい、本来、補償を要しない周波数領域まで補償が効いてしまうことになり、この結果、補償内容の適切化に問題が生じてしまうのである。
【０００９】
また、従来技術では、複数台の風力発電機に複数台の電力貯蔵装置を設置した形で運用された場合について、構成の簡略化に配慮がされているとは言えなかった。
【００１０】
本発明の目的は、風力発電装置に複数台の電力貯蔵装置を備えた場合での電力変動補償の適正化が容易に得られるようにした風力発電設備を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、風力発電機に少なくとも２台の電力貯蔵装置を並列に設置した風力発電設備において、前記２台の電力貯蔵装置の一方における制御用の電力値に、当該一方の電力貯蔵装置の電力応答を模擬した演算を施して、前記２台の電力貯蔵装置の他方における制御用の電力値として使用するようにして達成される。
このとき、前記電力応答を模擬した演算が、前記一方の電力貯蔵装置の電力応答に一致した応答特性をもつ低周波通過フィルタにより与えられるようにしてもよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による風力発電設備について、図示の実施の形態により詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態で、図において、風車発電機１の出力は、連系用のトランス３を介して電力系統６に接続されている。
また、この電力系統６には、同じく連系用のトランス３と各々の遮断器７ａ、７ｂを介して、電力貯蔵設備４ａ、４ｂが各々並列に接続してある。
【００１３】
そして、これら電力貯蔵装置４ａ、４ｂは、夫々変換器(インバータ)２ａ、２ｂと二次電池５ａ、５ｂを備え、制御装置１１ａ、１１ｂにより変換器２ａ、２ｂが制御されることにより各二次電池５ａ、５ｂの充放電が制御され、電力系統６との間で有効電力の授受を行なうようになっている。
【００１４】
システム制御装置１６は、電力貯蔵設備４ａ、４ｂを制御し、風車発電機１による発電量の変動が抑制されるようにする働きをするもので、このため、まず電力検出器１０ａにより、電流検出器８ａの検出値Ｉｗと電圧検出器９ａの検出値Ｖｓから、風車発電機１が電力系統６に出力する電力Ｐｗ１を演算する。
【００１５】
そして、この検出電力Ｐｗ１は、システム制御装置１６内の低周波通過フィルタ１２ａと、電力貯蔵装置４ａ内の制御装置１１ａに並行に入力される。
低周波通過フィルタ１２ａの出力は、信号Ｐ１ref として、更にシステム制御装置１６内の低周波通過フィルタ１２ｂと電力貯蔵装置４ａ内の制御装置１１ａに入力される。
【００１６】
低周波通過フィルタ１２ｂの出力信号Ｐｗ２は、システム制御装置１６内の低周波通過フィルタ１２ｃと、電力貯蔵装置４ｂの制御装置１１ｂに入力され、低周波通過フィルタ１２ｃの出力信号Ｐ２ref は、電力貯蔵装置４ｂ内制御装置１１ｂに入力される。
【００１７】
また、電力貯蔵装置４ａ内の制御装置１１ａには、電流検出器８ｂにより検出された変換器２ａの出力電流Ｉｃ１と、電圧検出器９ｂにより検出された交流電圧Ｖｃ１とが入力され、電力貯蔵装置４ｂ内の制御装置１１ｂには、電流検出器８ｃにより検出された変換器２ｂの出力電流Ｉｃ２と、電圧検出器９ｃにより検出された交流電圧Ｖｃ２とが入力される。
【００１８】
次に、図２は、制御装置１１ａ、１１ｂの詳細を示したもので、ここで、まず電力貯蔵装置４ａに入出力する有効電力Ｐｃ１は、電流検出器８ｂの出力Ｉｃ１と、電圧検出器９ｂの出力Ｖｃ１から電力検出器１０ｂにより演算され、加算器１５ａに入力される。
【００１９】
そこで、加算器１５ａでは、式(1)に示すように、システム制御装置１６ａから入力される電力値Ｐｗ１と有効電力Ｐｃ１が加算され、演算結果Ｐｓ１が加減算器１４ａに出力される。
Ｐｓ１＝Ｐｃ１＋Ｐｗ１…… ……(1)
【００２０】
次いで、加減算器１４ａは、低周波通過フィルタ１２ａの出力信号Ｐ１ref と充放電指令値Ｐ１bref、それに演算結果Ｐｓ１を入力し、式(2)に示すように、電力変動Ｐ１def を演算し、演算結果を有効電力調整器ＡＰＲに入力する。
そして、有効電力調整器ＡＰＲでは、この偏差Ｐ１def が零になるような電流指令値Ｉｄ１ref を電流調整器１３ａに出力する。
【００２１】
そこで、電流調整器１３ａは、この電流指令値Ｉｄ１ref と変換器電流Ｉｃ１の有効分が一致するように、ゲートパルスＧＰ１を変換器２ａに出力するのである。
Ｐ１def ＝Ｐ１ref＋Ｐ１ｂref−Ｐｓ１……(2)
【００２２】
ここで、上記の式(1)に示したように、演算結果Ｐｓ１は、風車発電機１と電力貯蔵装置４ａの合成電力であり、これを電力調整器ＡＰＲのフィードバック値として使用している。
従って、電力調整器ＡＰＲの電力指令値は、(Ｐ１ref＋Ｐ１ｂref)となり、これは、風車発電機１と電力貯蔵装置４ａの複合システムの出力電力指令値に相当する。
【００２３】
このとき、Ｐ１ｂref は、二次電池５ａに充電又は放電を行わせるときの充電・放電指令値であり、Ｐ１ref は、低周波通過フィルタ１２ａの出力であることから、風車発電機１ａと電力貯蔵装置４ａを複合システムとして見た場合の出力電力指令値は、(風車発電機出力電力の低周波成分)＋(電池充放電量)となり、従って、電力貯蔵装置４ａでは、風車発電機１の出力電力Ｐｗ１のうち、高周波成分が補償されることになる。
【００２４】
次に、電力貯蔵装置４ｂに入出力する電力Ｐｃ２は、電流検出器８ｃの出力Ｉｃ２と電圧検出器９ｃの出力Ｖｃ２から、図２に示す制御装置１１ｂ内の電力検出器１０ｃにより演算される。
そして、加算器１５ｂで、システム制御装置１６からの入力値Ｐｗ２と加算され、式(3)に示すように、演算結果Ｐｓ２となって加減算器１４ｂの減算入力に供給される。
【００２５】
Ｐｓ２＝Ｐｃ２＋Ｐｗ２……(3)
【００２６】
ここで、この式(3)における入力値Ｐｗ２は、低周波通過フィルタ１２ｂから出力されているので、この低周波通過フィルタ１２ｂの応答特性を、電力貯蔵装置４ａの電力応答に一致するように設定したとすると、この入力値Ｐｗ２は、電力貯蔵装置４ａと風車発電機１を複合システムとして見た場合の出力電力値とみなすことができる。
【００２７】
一方、加減算器１４ｂは、低周波通過フィルタ１２ｃの出力信号Ｐ２ref と充放電指令値Ｐ２ｂref、それに演算結果Ｐｓ２を入力し、式(4)に従ってＰ２def を演算し、この演算結果を偏差として有効電力調整器ＡＰＲに入力する。
Ｐ２def ＝Ｐ２ref＋Ｐ２ｂref−Ｐｓ２……(4)
【００２８】
従って、有効電力調整器ＡＰＲからは、偏差Ｐ２def が零になるような電流指令値Ｉｄ２ref が発生され、これが電流調整器１３ｂに出力されることになり、この結果、電流調整器１３ｂは、この電流指令値Ｉｄ２ref と変換器電流Ｉｃ２の有効分が一致するように、ゲートパルスＧＰ２を変換器２ｂに出力することになる。
【００２９】
ここで、式(4)のＰｓ２は、式(3)に示したように、風車発電機１と電力貯蔵装置４ａ及び電力貯蔵装置４ｂの合成電力であり、これを、制御装置１１ｂでは、電力調整器ＡＰＲのフィードバック値として使用している。
従って、電力調整器ＡＰＲの電力指令値(Ｐ２ref＋Ｐ２ｂref)は、風車発電機１と電力貯蔵装置４ａ及び電力貯蔵装置４ｂの３種の設備からなる複合システムの出力電力指令値に相当する。
【００３０】
また、式(4)のＰ２ｂref は、二次電池５ｂに充電又は放電を行わせるときの充電・放電指令値であり、Ｐ２ref は低周波通過フィルタ１２ｃの出力であることから、風車発電機１と電力貯蔵装置４ａ及び電力貯蔵装置４ｂの３種の設備を複合システムとみなしたときの出力電力指令値は、(風車発電機１の出力電力)＋(電力貯蔵装置４ａ出力電力)の合成電力の低周波成分に、電池充放電量を加算したものになる。
【００３１】
こうして、電力調整器ＡＰＲの演算結果である電流指令値Ｉｄ２ref は、電流調整器１３ｂに入力され、電流調整器１３ｂは、電流指令値Ｉｄ２ref と変換器電流Ｉｃ２の有効成分が一致するように、変換器２のゲートパルスＧＰ２を出力する。
【００３２】
このとき、低周波通過フィルタ１２ａ、１２ｃの夫々のカットオフ周波数ｆｃ(＝１／時定数)の設定値ｆｃ１、ｆｃ２については、ｆｃ１＞ｆｃ２とする必要があることは、いうまでもない。
【００３３】
次に、図３は、上記実施形態における各設備の電力及び電力検出値の変化を示したものである。
ここで、まず、Ｐｗ１は、図１から明らかなように、風車発電機１の出力電力で、Ｐ１ref は、風車発電機１と電力貯蔵装置４ａからなる複合システムが出力する電力の指令値に相当する。
【００３４】
次に、Ｐｗ２は、上述したように、電力貯蔵装置４ａと風車発電機１を複合システムとして見た場合の出力指令値Ｐ１ref に基づいて出力している電力で、従って、この複合システムから出力される電力Ｐｓ１に等しくなる。
【００３５】
また、Ｐ２ref は風車発電機１と電力貯蔵装置４ａ及び電力貯蔵装置４ｂの３設備からなる複合システムが出力する電力指令に相当し、Ｐｓ２は、風車発電機１と電力貯蔵装置４ａ及び電力貯蔵装置４ｂの３種の設備からなる複合システムが、指令値Ｐ２ref によって出力する電力を表わしている。
【００３６】
そして、この図３から明らかなように、上記実施形態の場合、電力貯蔵装置４ａでは風車発電機１の電力Ｐｗ１の高周波成分が補償されてＰｗ２となり、更に電力貯蔵装置４ｂでは、この電力Ｐｗ２が含む低周波成分が補償されるので、電力系統６に最終的に出力される電力Ｐｓ２は、図示のように、変動の少ない滑らかな値に制御されていることが判る。
【００３７】
なお、以上の実施形態では、有効電力の場合について説明したが、無効電力に関しても同様である。
そして、この実施形態の場合、風車発電機１と電力貯蔵装置４ａの複合システムの出力電力指令値Ｐ１ref を、低周波通過フィルタ１２ｂを介して取り込み、これを２台目の電力貯蔵装置４ｂで必要とする指令値、すなわち風車発電機１と電力貯蔵装置４ａからなる複合システムが出力する電力の指令値Ｐｗ２としている。
【００３８】
そして、このとき、低周波通過フィルタ１２ｂの応答特性を、電力貯蔵装置４ａの電力応答に一致するように設定したとすると、上記したように、この入力値Ｐｗ２は、電力貯蔵装置４ａと風車発電機１を複合システムとして見た場合の出力電力値とみなすことができる。
【００３９】
これは、風車発電機１と電力貯蔵装置４ａからなる複合システムの電力指令値に、電力貯蔵装置４ａの電力制御遅れを模擬した演算を施したことに相当し、２台目の電力貯蔵装置４ｂについては、この電力指令値を入力するだけで、変動抑制しようとする対象の電力が推定できることになる。
【００４０】
従って、この実施形態によれば、２台目の電力貯蔵装置４ｂについては、電流検出器８ａと電圧検出器９ａ、それに電力検出器１０ａに相当する機器が省略でき、この結果、設備の構成が簡略化できる。
【００４１】
また、この実施形態の場合、１台目の電力貯蔵装置４ａでは、変動抑制の対象を風車発電機１とし、２台目の電力貯蔵装置４ｂでは、１台目の電力貯蔵装置４ａと風車発電機１の複合システムの電力を変動抑制の対象となるように構成されている。
【００４２】
従って、この実施形態によれば、電力貯蔵装置４ａと電力貯蔵装置４ｂの間で補償周波数を異なる値に設定しても、中間周波数帯のゲインが高くなる虞れは全くなく、この結果、効果的、且つ適正に電力変動を抑制することができる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、一方の風車発電機と電力貯蔵装置の複合システムの出力電力指令値に、当該電力貯蔵装置の電力応答を模擬した演算を施すことにより、他方の電力貯蔵装置では、変動抑制しようとする対象の電力が電力指令値から推定でき、この結果、電流検出器と電圧検出器、それに電力検出器が省略できるので、設備の構成が簡略化できる。
【００４４】
また、本発明によれば、一方の電力貯蔵装置では、変動抑制の対象を風車発電機とし、他方の電力貯蔵装置では、一方の電力貯蔵装置と風車発電機のそうほうからなる複合システムの電力を変動抑制の対象としているので、一方と他方の電力貯蔵装置で補償周波数を異なる値に設定しても、中間周波数帯のゲインが高くなる虞れがなく、従って、効果的、且つ適正に変動を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による風力発電設備の一実施形態を示すブロック構成図である。
【図２】本発明の一実施形態における制御装置の詳細ブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態の動作を説明するための波形図である。
【符号の説明】
１風車発電機
２ａ、２ｂ変換器(インバータ)
３トランス(連係用)
４ａ、４ｂ電力貯蔵装置
５ａ、５ｂ二次電池
６電力系統
７ａ、７ｂ遮断器
８ａ、８ｂ、８ｃ電流検出器
９ａ、９ｂ、９ｃ電圧検出器
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ電力検出器
１１ａ、１１ｂ変換器制御装置
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ低周波通過フィルタ(ローパスフィルタ：ＬＰＦ)
１３ａ、１３ｂ電流調整器
１４ａ、１４ｂ加減算器
１５ａ、１５ｂ加算器
１６システム制御装置
ＡＰＲ電力調整器
ＧＰ１、ＧＰ２ゲートパルス
Ｐｗ１、Ｐｗ２、Ｐｓ１、Ｐｓ２、Ｐｃ１、Ｐｃ２有効電力
Ｐ１ref、Ｐ２ref、Ｐ１ｂref、Ｐ２ｂref 電力指令値
Ｉｃ１、Ｉｃ２、Ｉｗ電流検出値
Ｖｓ、Ｖｃ１、Ｖｃ２電圧検出値
Ｉｄ１ref、Ｉｄ２ref 電流指令値
Ｐ１def、Ｐ２def 電力調整器入力

Claims

風力発電機に少なくとも２台の電力貯蔵装置を並列に設置した風力発電設備において、
前記２台の電力貯蔵装置の一方における制御用の電力値に、当該一方の電力貯蔵装置の電力応答を模擬した演算を施して、前記２台の電力貯蔵装置の他方における制御用の電力値として使用するように構成したことを特徴とする風力発電設備。
請求項１に記載の発明において、
前記電力応答を模擬した演算が、前記一方の電力貯蔵装置の電力応答に一致した応答特性をもつ低周波通過フィルタにより与えられるように構成したことを特徴とする風力発電設備。