JP5941687B2 - Control device and control method for wind turbine generator facility - Google Patents

Description

Translated fromJapanese

本発明は風車発電設備の制御装置及び制御方法に関する。  The present invention relates to a control device and a control method for wind turbine power generation equipment.

非特許文献１には、二次電池とキャパシタを電力貯蔵要素として備える風車発電設備の制御装置が開示されている。  Non-PatentDocument 1 discloses a control device for a wind turbine power generation facility including a secondary battery and a capacitor as power storage elements.

浅沼圭司、外３名、「風力発電向け電力安定化装置」、富士時報、富士電気株式会社、２００８年５月１０日、第８１巻、第３号、ｐ２０３−２０６Koji Asanuma, three others, “Power Stabilization Device for Wind Power Generation”, Fuji Tokiho, Fuji Electric Co., Ltd., May 10, 2008, Vol. 81, No. 3, p203-206

非特許文献１に記載の制御装置は主に大型風車用であり、比較的長周期（１〜２４時間程度）の出力変動の平準化のために、電力貯蔵要素としての二次電池とキャパシタは大容量のものを採用する必要がある。電力貯蔵要素が大型であると、製造等がコスト高となる。また、非特許文献１を含め風車発電に関する従来の技術では、中周期（例えば１〜２０分程度）の出力変動の効率的な平準化は困難であった。以上の点で、従来の風車発電に関する技術は、例えば１００ｋＷクラスの規模の風車発電設備の制御には適していなかった。  The control device described in Non-PatentDocument 1 is mainly for large wind turbines, and a secondary battery and a capacitor as power storage elements are used for leveling output fluctuations of a relatively long period (about 1 to 24 hours). It is necessary to adopt a large capacity. If the power storage element is large, manufacturing and the like will be costly. In addition, in the conventional techniques related to wind turbine power generation including Non-PatentDocument 1, it is difficult to efficiently level out output fluctuations in a medium cycle (for example, about 1 to 20 minutes). In view of the above, the conventional technology related to wind turbine power generation is not suitable for controlling a wind turbine power generation facility with a scale of, for example, 100 kW class.

風速によって平準化目標出力を算出し、この平準化目標出力に合わせて系統出力制御を行うことが考えられる。しかし、この方法では、風速の変動に伴う風車出力の変動を全て電力貯蔵要素が吸収すると、電力貯蔵要素の容量が大きくなり、費用が増大する。また、蓄電装置の充放電回数が多いため、寿命が短くなる。さらに、蓄電装置への充放電による損失が充放電量に比例して増大するという問題がある。  It is conceivable that the leveling target output is calculated based on the wind speed, and the system output control is performed in accordance with the leveling target output. However, in this method, if the power storage element absorbs all the fluctuations in the wind turbine output accompanying the fluctuations in the wind speed, the capacity of the power storage element increases and the cost increases. In addition, since the power storage device is charged and discharged many times, the life is shortened. Furthermore, there is a problem that the loss due to charging / discharging of the power storage device increases in proportion to the amount of charging / discharging.

本発明は、風車発電設備において、電力貯蔵要素の充放電を減少し、電力貯蔵要素の小容量化による低コスト化、電力貯蔵要素の高寿命化、及び充放電による損失の低減を目的とする。また、本発明は、風車発電設備において、中周期（例えば１〜２０分程度）の出力変動の効率的な平準化を課題とする。  An object of the present invention is to reduce charge / discharge of a power storage element in a wind turbine power generation facility, to reduce the cost by reducing the capacity of the power storage element, to extend the life of the power storage element, and to reduce loss due to charge / discharge. . Another object of the present invention is to efficiently level output fluctuations in a medium cycle (for example, about 1 to 20 minutes) in a wind turbine power generation facility.

本発明の第１の態様は、
ピッチを制御可能であって発電機に連結された風車と、前記発電機と系統の間に介在するインバータと、前記発電機により充電可能かつ前記系統へ放電可能な電力貯蔵要素とを備える風車発電設備の制御装置であって、
前記電力貯蔵要素の目標電力蓄積量に対する容量率を検出する容量率測定器と、
風速によって定まる理論出力を移動平均により平均化した平均化出力に低減率を乗じた風車出力変動の下限値を、前記風車の発電機の出力の制限値である風車出力制限として算出する風車出力制限算出部と、
前記理論出力を前記容量率に基づいて補正し、前記系統への出力の制限値である系統出力制限を算出する系統出力制限算出部と、
前記風車の発電機の出力が前記風車出力制限を越えないように、かつ前記系統への出力が前記系統出力制限を越えないように前記インバータを制御するインバータ制御部と、
風速又は風車出力制限によって定まる目標回転数を維持するように、前記風車のピッチを制御するピッチ制御部と
を備える。
The first aspect of the present invention is:
Wind turbine power generation comprising a wind turbine capable of controlling the pitch and connected to a generator, an inverter interposed between the generator and a system, and a power storage element that can be charged by the generator and discharged to the system A control device for equipment,
A capacity ratio measuring device for detecting a capacity ratio with respect to a target power storage amount of the power storage element;
Wind turbine output limit that calculates the lower limit value of the wind turbine output fluctuation, which is the average output obtainedby averaging the theoretical output determined by the wind speed bymoving average , multiplied by the reduction rate, as the wind turbine output limit that is the limit value of the output of the wind turbine generator A calculation unit;
A system output limit calculation unit that corrects the theoretical output based on the capacity ratio and calculates a system output limit that is a limit value of the output to the system;
An inverter control unit for controlling the inverter so that the output of the wind turbine generator does not exceed the wind turbine output limit and the output to the grid does not exceed the grid output limit;
A pitch control unit that controls the pitch of the wind turbine so as to maintain the target rotational speed determined by the wind speed or the wind turbine output limitation.

この構成により、風速から風車出力変動の下限値を予測し、風車出力変動の下限値を風車出力制限値として制御するため、風車出力が下限値を下回ると、電力貯蔵要素への充電を行わずに、電力貯蔵要素から放電するので、電力貯蔵要素の充放電回数が減少する。  With this configuration, the lower limit value of the wind turbine output fluctuation is predicted from the wind speed, and the lower limit value of the wind turbine output fluctuation is controlled as the wind turbine output limit value.If the wind turbine output falls below the lower limit value, the power storage element is not charged. In addition, since the power storage element is discharged, the number of charge / discharge cycles of the power storage element is reduced.

前記風車出力制限算出部は、前記低減率を風車設置場所の乱流強度により算出することが好ましい。  It is preferable that the windmill output restriction calculation unit calculates the reduction rate based on turbulence intensity at a windmill installation location.

系統出力の変動が定格出力の所定範囲内となるように、系統出力の上限と下限を算出し、前記系統出力の上限と下限を前記系統出力制限算出部に入力する逸脱防止演算部をさらに備え、
前記系統出力制限算出部は、系統出力が上限以上の時には、前記インバータ及びピッチ制御で風車出力を制限し、系統出力が下限以下では、前記電力貯蔵要素から放電し、逸脱を防止する、ことが好ましい。The system further includes a deviation prevention calculation unit that calculates an upper limit and a lower limit of the system output so that fluctuations in the system output are within a predetermined range of the rated output, and inputs the upper and lower limits of the system output to the system output limit calculation unit. ,
The grid output limit calculation unit limits the wind turbine output by the inverter and pitch control when the grid output is equal to or higher than the upper limit, and discharges from the power storage element to prevent deviation when the grid output is equal to or lower than the lower limit. preferable.

本発明の第２の態様は、ピッチを制御可能であって発電機に連結された風車と、前記発電機と系統の間に介在するインバータと、前記発電機により充電可能かつ前記系統へ放電可能な電力貯蔵要素とを備える風車発電設備の制御方法であって、
前記電力貯蔵要素の目標電力蓄積量に対する容量率を検出し、
風速によって定まる理論出力を移動平均により平均化した平均化出力に低減率を乗じた風車出力変動の下限値を、前記風車の発電機の出力の制限値である風車出力制限として算出し、
前記理論出力を前記容量率に基づいて補正し、前記系統への出力の制限値である系統出力制限を算出し、
前記風車の発電機の出力が前記風車出力制限を越えないように、かつ前記系統への出力が前記系統出力制限を越えないように前記インバータを制御し、
風速又は風車出力制限によって定まる目標回転数を維持するように、前記風車のピッチを制御する。
According to a second aspect of the present invention, a wind turbine capable of controlling the pitch and connected to a generator, an inverter interposed between the generator and the system, chargeable by the generator, and dischargeable to the system A wind turbine power plant control method comprising a power storage element,
Detecting a capacity ratio with respect to a target power storage amount of the power storage element;
The lower limit value of the wind turbine output fluctuation obtained by multiplying the average output obtainedby averaging the theoretical output determined by the wind speed by themoving average and the reduction rate is calculated as a wind turbine output limit that is a limit value of the output of the wind turbine generator,
Correcting the theoretical output based on the capacity ratio, calculating a system output limit that is a limit value of the output to the system,
Controlling the inverter so that the output of the wind turbine generator does not exceed the wind turbine output limit and the output to the system does not exceed the system output limit;
The pitch of the windmill is controlled so as to maintain the target rotational speed determined by the wind speed or the windmill output limit.

本発明の風車発電設備の制御装置及び制御方法によれば、風速から予測した風車出力変動の下限値を風車出力制限値として制御するため、電力貯蔵要素の充放電回数が減少し、電力貯蔵要素として比較的小容量のもの（例えば小容量のキャパシタ）を採用でき、それによって製造等のコストを低減できる。また、電力貯蔵要素の充放電回数の減少により、電力貯蔵要素の高寿命化、及び損失の低減を図ることができる、さらに、また、中周期（例えば１〜２０分程度）の出力変動を効果的に抑制できる。  According to the control apparatus and the control method for wind turbine power generation equipment of the present invention, the lower limit value of the wind turbine output fluctuation predicted from the wind speed is controlled as the wind turbine output limit value. As such, a capacitor having a relatively small capacity (for example, a capacitor having a small capacity) can be employed, thereby reducing the manufacturing cost. In addition, by reducing the number of times of charging / discharging the power storage element, it is possible to increase the life of the power storage element and reduce the loss. Furthermore, the output fluctuation in the middle period (for example, about 1 to 20 minutes) is also effective. Can be suppressed.

本発明の実施形態に係る制御装置を備える風車発電設備の模式図。The schematic diagram of a windmill power generation equipment provided with the control apparatus which concerns on embodiment of this invention.本発明の実施形態に係る風車発電設備の制御装置のブロック図。The block diagram of the control apparatus of the windmill power generation equipment which concerns on embodiment of this invention.風車出力制限の制御内容を示す図。The figure which shows the control content of a windmill output restriction | limiting.風車出力制限による平準化の効果を示す図。The figure which shows the effect of the leveling by a windmill output restriction | limiting.逸脱防止制御の制御内容を示す図。The figure which shows the control content of departure prevention control.パターンＡのシミュレーション結果を示す図。The figure which shows the simulation result of the pattern A.パターンＢのシミュレーション結果を示す図。The figure which shows the simulation result of the pattern B.パターンＣのシミュレーション結果を示す図。The figure which shows the simulation result of the pattern C.パターンＤのシミュレーション結果を示す図。The figure which shows the simulation result of the pattern D.パターンＥのシミュレーション結果を示す図。The figure which shows the simulation result of the pattern E.

次に、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。  Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

図１及び図２を参照すると、風車発電設備１の風車２は、ピッチ調整機構３によってピッチ角θを調整可能なロータ２ａを有する。また、風車２は発電機４に連結され、発電機４と系統５の間にはインバータ６が介在している。インバータ６は風車２の回転により発電機４が発生する交流電力を直流電力に一旦変換した後に、系統５と同周波数の交流電力に変換する。また、インバータ６には、系統５への出力（系統出力Ｐｇ）の平準化に使用されるキャパシタ７（電力貯蔵要素）が充放電制御回路８を介して接続されている。キャパシタ７は充放電制御回路８により、発電機４の発生する電力によって充電される状態、蓄積した電力をインバータ６を介して系統５へ放電する状態、及び充放電のいずれも行わない保持状態のいずれかの状態とされる。  Referring to FIGS. 1 and 2, thewind turbine 2 of the wind turbinepower generation facility 1 has arotor 2 a that can adjust the pitch angle θ by thepitch adjusting mechanism 3. Thewindmill 2 is connected to agenerator 4, and aninverter 6 is interposed between thegenerator 4 and thesystem 5. Theinverter 6 once converts the AC power generated by thegenerator 4 by the rotation of thewindmill 2 into DC power, and then converts it into AC power having the same frequency as that of thesystem 5. Further, a capacitor 7 (power storage element) used for leveling the output to the system 5 (system output Pg) is connected to theinverter 6 via a charge /discharge control circuit 8. The capacitor 7 is charged by the charge /discharge control circuit 8 with the power generated by thegenerator 4, the stored power is discharged to thegrid 5 through theinverter 6, and the charge / discharge is not held. Either state is assumed.

風車２のロータ２ａへの風速Ｖｄを測定する風速計１１が設けられている。また、風車２の回転数Ｎｄを検出する回転数検出器１２が設けられている。さらに、キャパシタ７が実際に充電されている容量の充電目標（例えばキャパシタ７の定格容量）に対する割合（容量率Ｃcap（％））を検出する容量率測定回路１３が設けられている。  Ananemometer 11 for measuring the wind speed Vd to therotor 2a of thewindmill 2 is provided. Further, arotational speed detector 12 for detecting the rotational speed Nd of thewindmill 2 is provided. Furthermore, a capacityratio measuring circuit 13 is provided for detecting a ratio (capacity ratio Ccap (%)) of a capacity at which the capacitor 7 is actually charged to a charging target (for example, a rated capacity of the capacitor 7).

制御部１５は、風速計１１から入力される風速Ｖｄ、回転数検出器１２から入力される回転数Ｎｄ、及び容量率測定回路１３から入力される容量率Ｃcapを用いて、インバータ６、キャパシタ７の充放電制御回路８、及びピッチ調整機構３を制御する。後述するように、インバータ６の制御とピッチ調整機構３を介したロータ２ａのピッチ角θの制御により風車２の発電機４の出力及び回転数が制御される。また、インバータ６の制御によって系統出力Ｐｇが制御される。  Thecontrol unit 15 uses the wind speed Vd input from theanemometer 11, the rotation speed Nd input from therotation speed detector 12, and the capacitance ratio Ccap input from the capacitanceratio measurement circuit 13, to thereby convert theinverter 6 and the capacitor 7. The charge /discharge control circuit 8 and thepitch adjustment mechanism 3 are controlled. As will be described later, the output and rotation speed of thegenerator 4 of thewind turbine 2 are controlled by controlling theinverter 6 and controlling the pitch angle θ of therotor 2 a via thepitch adjusting mechanism 3. Further, the system output Pg is controlled by the control of theinverter 6.

図２に示すように、制御部１５は、乱流強度・低減率算出部２１、理論出力算出部２２、風車出力制限算出部２３、発電トルク算出部２４、系統出力制限算出部２５、及び目標回転数算出部２６を備える。また、制御部１５はインバータ６を制御するインバータ制御部２７、充放電制御回路８を制御する充放電制御部２８、及びピッチ調整機構３を制御するピッチ制御部２９、逸脱防止演算部３０を備える。  As shown in FIG. 2, thecontrol unit 15 includes a turbulence intensity / reductionrate calculation unit 21, a theoreticaloutput calculation unit 22, a windmill outputlimit calculation unit 23, a power generationtorque calculation unit 24, a system outputlimit calculation unit 25, and a target. A rotationspeed calculation unit 26 is provided. Thecontrol unit 15 includes aninverter control unit 27 that controls theinverter 6, a charge /discharge control unit 28 that controls the charge /discharge control circuit 8, apitch control unit 29 that controls thepitch adjustment mechanism 3, and a departureprevention calculation unit 30. .

次に、制御部１５により実行されるインバータ６、キャパシタ７の充放電制御回路８、及びピッチ調整機構３の制御を詳細に説明する。  Next, the control of theinverter 6, the charge /discharge control circuit 8 for the capacitor 7, and thepitch adjustment mechanism 3 executed by thecontrol unit 15 will be described in detail.

まず、風車２の発電機４の出力の制御について説明する。なお、図２においてＰｗは制御しなかった場合の風車２の発電機４の出力（風車出力）を示す。  First, control of the output of thegenerator 4 of thewindmill 2 will be described. In addition, in FIG. 2, Pw shows the output (windmill output) of thegenerator 4 of thewindmill 2 when not controlling.

乱流強度・低減率算出部２１は、以下の式（１）を使用して、風速計１１から入力される測定された風速Ｖｄから風速の標準偏差Ｖstdと平均風速Ｖaを求めて、これらから乱流強度Ｔｉを算出する。次に、乱流強度・低減率算出部２１は、以下の式（２）を使用して、乱流強度Ｔｉから風車出力制限算出部２３で使用する低減率Ｋｄを算出する。例えば、乱流強度が１５％の場合、低減率は０．６１となる。  The turbulence intensity / reductionrate calculation unit 21 obtains the standard deviation Vstd of wind speed and the average wind speed Va from the measured wind speed Vd input from theanemometer 11 using the following equation (1), and from these: The turbulent intensity Ti is calculated. Next, the turbulent flow intensity / reductionrate calculation unit 21 calculates the reduction rate Kd used by the wind turbine outputlimit calculation unit 23 from the turbulent flow strength Ti using the following equation (2). For example, when the turbulent intensity is 15%, the reduction rate is 0.61.

乱流強度・低減率算出部２１で算出された低減率Ｋｄは、風車出力制限算出部２３に出力される。  The reduction rate Kd calculated by the turbulence intensity / reductionrate calculation unit 21 is output to the wind turbine outputlimit calculation unit 23.

理論出力算出部２２は、風速Ｖｄを使用して理論出力Ｐｔを算出する。この理論出力Ｐｔは風車２が受ける風の平均的なエネルギーを表すものであり、インバータ６を制御する際の目標（目標出力）である。本実施形態では、理論出力算出部２２は、以下の式（３）に基づいて理論出力Ｐｔを算出する。  The theoreticaloutput calculation unit 22 calculates the theoretical output Pt using the wind speed Vd. This theoretical output Pt represents the average energy of the wind received by thewindmill 2 and is a target (target output) when theinverter 6 is controlled. In the present embodiment, the theoreticaloutput calculation unit 22 calculates the theoretical output Pt based on the following equation (3).

理論出力算出部２２で算出された理論出力Ｐｔは風車出力制限算出部２３、系統出力制限算出部２５及び充放電制御部２８に出力される。  The theoretical output Pt calculated by thetheoretical output calculator 22 is output to the wind turbineoutput limit calculator 23, the systemoutput limit calculator 25, and the charge /discharge controller 28.

目標回転数算出部２６は、風車出力制限算出部２３で算出される風車出力Ｐｃを使用して風車２ａの目標回転数Ｎｔを算出する。この目標回転数Ｎｔはロータ２ａのピッチ角θを制御する際の目標となる。本実施形態における目標回転数算出部２６は、以下の式（４に基づいて目標回転数Ｎｔを算出する。  The target rotationalspeed calculation unit 26 calculates the target rotational speed Nt of thewind turbine 2a using the wind turbine output Pc calculated by the wind turbine outputlimit calculation unit 23. This target rotational speed Nt is a target for controlling the pitch angle θ of therotor 2a. The target rotationalspeed calculation unit 26 in the present embodiment calculates the target rotational speed Nt based on the following formula (4).

目標回転数算出部２６で算出された目標回転数Ｎｔは、ピッチ制御部２９に出力される。  The target rotational speed Nt calculated by the target rotationalspeed calculation unit 26 is output to thepitch control unit 29.

風車出力制限算出部２３には、理論出力算出部２２から理論出力Ｐｔが入力され、乱流強度・低減率算出部２１から低減率Ｋｄが入力される。風車出力制限算出部２３は、以下の式（５）のように、理論出力Ｐｔを１分移動平均により平均化した平均化出力Ｐｔａに低減率Ｋｄを乗じて、風車２の発電機４の出力変動の下限値である風車出力制限Ｐｃを算出する。図３は、理論出力Ｐｔ、平均化出力Ｐｔａ、風車出力制限Ｐｃの一例を示す。風車出力制限Ｐｃ、すなわち低減率Ｋｄを考慮した理論出力Ｐｔが実際にインバータ６を制御する際の目標となる。  The wind turbine outputlimit calculation unit 23 receives the theoretical output Pt from the theoreticaloutput calculation unit 22 and the reduction rate Kd from the turbulence intensity / reductionrate calculation unit 21. The wind turbine outputlimit calculation unit 23 multiplies the average output Pta obtained by averaging the theoretical output Pt by a one-minute moving average, as shown in the following formula (5), by the reduction rate Kd, and outputs the output of thegenerator 4 of thewind turbine 2. A wind turbine output limit Pc which is a lower limit value of fluctuation is calculated. FIG. 3 shows an example of the theoretical output Pt, the averaged output Pta, and the windmill output limit Pc. The wind turbine output limit Pc, that is, the theoretical output Pt in consideration of the reduction rate Kd becomes a target when theinverter 6 is actually controlled.

風車出力制限算出部２３で算出された風車出力制限Ｐｃは、発電トルク算出部２４に出力される。  The windmill output limit Pc calculated by the windmill outputlimit calculation unit 23 is output to the power generationtorque calculation unit 24.

発電トルク算出部２４は、風車出力制限Ｐｃを発電トルクＴｇに換算する。発電トルクＴｇは、風車２が発電機４を回転させようとするのに対してインバータ６が発生する抵抗トルクである。本実施形態における発電トルク算出部２４は、以下の式（６）に基づいて発電トルクＴｇを算出する。  The power generationtorque calculation unit 24 converts the wind turbine output limit Pc to the power generation torque Tg. The power generation torque Tg is a resistance torque generated by theinverter 6 while thewind turbine 2 tries to rotate thegenerator 4. The power generationtorque calculation unit 24 in the present embodiment calculates the power generation torque Tg based on the following equation (6).

発電トルク算出部２４で算出された発電トルクＴｇは、インバータ制御部２７に出力される。  The power generation torque Tg calculated by the power generationtorque calculation unit 24 is output to theinverter control unit 27.

インバータ制御部２７は、発電トルクＴｇを発電トルク算出部２４で算出された値となるようにインバータ６を制御する。つまり、インバータ制御部７は、風車２の発電機４の出力が、風車出力制限Ｐｃ以下、つまり理論出力Ｐｔに低減率Ｋｄを乗じた出力変動の下限値以下とならないように、インバータ６を制御する。  Theinverter control unit 27 controls theinverter 6 so that the power generation torque Tg becomes the value calculated by the power generationtorque calculation unit 24. In other words, the inverter control unit 7 controls theinverter 6 so that the output of thegenerator 4 of thewindmill 2 does not fall below the windmill output limit Pc, that is, below the lower limit of the output fluctuation obtained by multiplying the theoretical output Pt by the reduction rate Kd. To do.

ピッチ制御部２９には、目標回転数算出部２６で算出された目標回転数Ｎｔが入力されると共に、回転数検出器１２が検出した風車２の回転数Ｎｄが入力される。前述のようにインバータ制御部２７は、発電トルクＴｇが風車出力制限Ｐｃ以下に相当する値とならないようにインバータ６を制御する。もし仮に、このインバータ制御部２７によるインバータ６の制御に対して、ロータ２ａのピッチ角θを調整しないとすると、風車２に入力される風のエネルギーが過大となる。そこでピッチ制御部２９はピッチ角θを調整することで風車２に入力される風のエネルギーを抑制する。具体的には、ピッチ制御部２９は、回転数検出器１２で検出された回転数Ｎｄが目標回転数Ｎｔに維持されるようにピッチ調整機構３によってロータ２ａのピッチ角θを制御する。  Thepitch controller 29 receives the target rotational speed Nt calculated by the targetrotational speed calculator 26 and the rotational speed Nd of thewindmill 2 detected by therotational speed detector 12. As described above, theinverter control unit 27 controls theinverter 6 so that the power generation torque Tg does not become a value corresponding to the wind turbine output limit Pc or less. If the pitch angle θ of therotor 2a is not adjusted for the control of theinverter 6 by theinverter control unit 27, the wind energy input to thewindmill 2 becomes excessive. Therefore, thepitch control unit 29 suppresses the energy of the wind input to thewindmill 2 by adjusting the pitch angle θ. Specifically, thepitch control unit 29 controls the pitch angle θ of therotor 2a by thepitch adjusting mechanism 3 so that the rotational speed Nd detected by therotational speed detector 12 is maintained at the target rotational speed Nt.

以上のように、インバータ制御部２７のインバータ６の制御（インバータ制御）と、ピッチ調整機構３を介してピッチ調整部２９によるロータ２ａのピッチ角θの制御（ピッチ制御）とにより、風車２の発電機４の出力が風車出力制限Ｐｃ以下にならないように制御される。
また、乱流強度により求めた低減率で出力制限することにより、図４に示すように、理論出力の正規分布の標準偏差−σより大きい場合、約８４％の平準化運転を行うことができる。As described above, thewind turbine 2 is controlled by controlling theinverter 6 of the inverter control unit 27 (inverter control) and controlling the pitch angle θ of therotor 2a by thepitch adjusting unit 29 via the pitch adjusting mechanism 3 (pitch control). Control is performed so that the output of thegenerator 4 does not fall below the wind turbine output limit Pc.
Further, by limiting the output with the reduction rate obtained by the turbulent intensity, as shown in FIG. 4, when the standard deviation of the normal distribution of the theoretical output is larger than the standard deviation −σ, the leveling operation of about 84% can be performed. .

次に、系統出力Ｐｇの逸脱防止制御について説明する。  Next, deviation prevention control of the system output Pg will be described.

逸脱防止演算部３０には、インバータ６出口の系統出力Ｐｇが入力される。逸脱防止演算部３０は、図５に示すように、１０分間の系統出力Ｐｇの１分間平均値から、系統出力の変動が定格出力の１０％以内となるように、出力範囲（上限と下限）を算出する。
系統出力制限算出部２５には、理論出力算出部２２から理論出力Ｐｔが入力され、逸脱防止演算部３０から系統出力Ｐｇの上限値と下限値が入力される。
系統出力制限算出部２５は、系統出力Ｐｇが上限以上の時には、前述のインバータ及びピッチ制御で風車出力を制限する。系統出力Ｐｇが下限以下では、キャパシタ７から放電し、逸脱を防止する。The system output Pg at the outlet of theinverter 6 is input to the departureprevention calculation unit 30. As shown in FIG. 5, the departureprevention calculation unit 30 outputs a range (upper limit and lower limit) so that the fluctuation of the system output is within 10% of the rated output from the 1-minute average value of the system output Pg for 10 minutes. Is calculated.
The system outputlimit calculation unit 25 receives the theoretical output Pt from the theoreticaloutput calculation unit 22 and the upper limit value and the lower limit value of the system output Pg from the deviationprevention calculation unit 30.
When the system output Pg is equal to or higher than the upper limit, the system outputlimit calculation unit 25 limits the wind turbine output by the above-described inverter and pitch control. When the system output Pg is lower than the lower limit, the capacitor 7 is discharged to prevent deviation.

次に、キャパシタ７の充放電の制御について説明する。  Next, charge / discharge control of the capacitor 7 will be described.

充放電制御部２８には、理論出力算出部２２から理論出力Ｐｔが入力され、容量率測定回路１３から容量率Ｃcapが入力される。  The charge /discharge control unit 28 receives the theoretical output Pt from the theoreticaloutput calculation unit 22 and the capacity ratio Ccap from the capacityratio measurement circuit 13.

容量率Ｃcapが閾値Ｃcapthを上回る場合（キャパシタ７が十分に充電されている場合）には、充放電制御部２８は、系統出力Ｐｇが理論出力Ｐｔとなるように、充放電制御回路８によりキャパシタ７を充放電させる。この場合、風車２の発電機４の出力の短時間減少時にキャパシタ７が放電し理論出力Ｐｔに対する系統出力Ｐｇの不足分を補う。  When the capacity ratio Ccap exceeds the threshold Ccapth (when the capacitor 7 is sufficiently charged), the charge /discharge control unit 28 uses the charge /discharge control circuit 8 to set the capacitor so that the system output Pg becomes the theoretical output Pt. 7 is charged and discharged. In this case, when the output of thegenerator 4 of thewindmill 2 decreases for a short time, the capacitor 7 is discharged to compensate for the shortage of the system output Pg with respect to the theoretical output Pt.

一方、容量率Ｃcapが閾値Ｃcapth以下の場合（キャパシタ７が十分に充電されていない場合）、充放電制御部２８は、系統出力Ｐｇにかかわらず、つまり系統出力Ｐｇが理論出力Ｐｔを下回っていているか否かにかかわらず、充放電制御回路８によりキャパシタ７を充電させる。  On the other hand, when the capacity ratio Ccap is equal to or less than the threshold value Ccapth (when the capacitor 7 is not sufficiently charged), the charge /discharge control unit 28 is independent of the system output Pg, that is, the system output Pg is lower than the theoretical output Pt. Regardless of whether it is present or not, the capacitor 7 is charged by the charge /discharge control circuit 8.

以上の制御の結果、キャパシタ７が少容量であっても、中周期（例えば１〜２０分程度）の系統出力Ｐｇの変動を効果的に抑制できる。  As a result of the above control, even if the capacitor 7 has a small capacity, fluctuations in the system output Pg in the middle period (for example, about 1 to 20 minutes) can be effectively suppressed.

表１は、３台のファーム風車を用い、キャパシタの無いパターンＡと、３台のファーム風車を用いるとともに、容量が３００Ｗｈ／台のキャパシタを用いた風車発電設備のパターンＢ〜Ｅにおいて、シミュレーションによりファーム補完制御、逸脱防止制御、系統出力制限制御、及び本願発明の発電機出力制限制御の各種制御を行った場合の逸脱率及び発電量を比較したものである。ファーム補完制御は、例えば３台の風車中、１台が逸脱した場合、出力制限を解除し、２台で発電の不足分を補うものである。逸脱防止制御、系統出力制御、発電許出力制限制御は既に述べた通りである。  Table 1 shows the simulation results for patterns B to E of a wind turbine power generation facility using three farm wind turbines, a pattern A without a capacitor, and three farm wind turbines, and a capacitor having a capacity of 300 Wh / unit. This is a comparison of the deviation rate and the amount of power generation when various controls of the farm complement control, deviation prevention control, system output restriction control, and generator output restriction control of the present invention are performed. For example, when one of the three wind turbines deviates, the farm supplement control cancels the output restriction, and the two units compensate for the shortage of power generation. Deviation prevention control, system output control, and power generation permission output restriction control are as described above.

パターンＡは、ファーム補完制御、逸脱防止制御、系統出力制限制御、発電機出力制限制御のいずれも行わなかった。パターンＢは、ファーム補完制御と逸脱防止制御のみを行い、パターンＣは、ファーム補完制御、逸脱制御及び系統出制限制御を行い、パターンＤは、ファーム補完制御、逸脱防止制御、及び低減率を６０％とした発電機出力制限制御を行い、パターンＥはファーム補完制御と逸脱防止制御を行うとともに、低減率を実測した乱流強度から演算した発電機出力制限制御を行った。  In pattern A, neither firm complement control, departure prevention control, system output limit control, or generator output limit control was performed. Pattern B performs only firm complement control and departure prevention control, Pattern C performs firm complement control, departure control, and system output restriction control, and Pattern D provides firm complement control, departure prevention control, and reduction rate of 60. %, Generator output limit control was performed for pattern E, while farm complement control and deviation prevention control were performed, and generator output limit control was calculated from the turbulence intensity measured for the reduction rate.

パターンＡでは、ファーム補完制御、逸脱防止制御、系統出力制限制御、発電機出力制限制御のいずれも行わなかったので、逸脱率は５４．３％であるが、発電量は最大であった。図６に系統出力の測定値の結果を示す。
パターンＢでは、逸脱防止制御により、出力可能範囲の上限以上とならないように制御を行うことで、逸脱率１７．５％を達成できた。図７に系統出力の測定値の結果を示す。
パターンＣでは、逸脱防止制御と系統出力制限により、逸脱率１０．０％を達成できたが、発電量は低かった。図８に系統出力の測定値の結果を示す。
パターンＤでは、低減率を６０％とした発電機出力制限制御により、各風車のキャパシタのみで、逸脱率５．１％を達成できた。しかし、パターンＤは、パターンＡに比べて発電量が７７％まで低減した。図９に系統出力の測定値の結果を示す。
パターンＥでは、実測した乱流強度から低減率を演算して発電機出力制限制御を行うことで、逸脱率１１％を達成でき、しかも８３％の発電量を確保できた。図１０に系統出力の測定値の結果を示す。In pattern A, none of the farm complement control, deviation prevention control, system output restriction control, and generator output restriction control was performed, so the deviation rate was 54.3%, but the power generation amount was the maximum. FIG. 6 shows the result of the measured value of the system output.
In pattern B, the deviation rate of 17.5% was achieved by performing control so as not to exceed the upper limit of the output possible range by deviation prevention control. FIG. 7 shows the result of the measured value of the system output.
In Pattern C, a departure rate of 10.0% was achieved by departure prevention control and system output restriction, but the power generation amount was low. FIG. 8 shows the result of the measured value of the system output.
In pattern D, a deviation rate of 5.1% could be achieved with only the capacitors of each wind turbine by the generator output restriction control with a reduction rate of 60%. However, compared with pattern A, the power generation amount of pattern D was reduced to 77%. FIG. 9 shows the result of the measured value of the system output.
In the pattern E, by calculating the reduction rate from the measured turbulent intensity and performing the generator output restriction control, it was possible to achieve a deviation rate of 11% and to secure a power generation amount of 83%. FIG. 10 shows the result of the measured value of the system output.

１ 風車発電設備
２ 風車
２ａ ロータ
３ ピッチ調整機構
４ 発電機
５ 系統
６ インバータ
７ キャパシタ
８ 充放電制御回路
１１ 風速計
１２ 回転数検出器
１３ 容量率測定回路
１５ 制御部
２１ 乱流強度・低減率算出部
２２ 理論出力算出部
２３ 風車出力制限算出部
２４ 発電トルク算出部
２５ 系統出力制限算出部
２６ 目標回転数算出部
２７ インバータ制御部
２８ 充放電制御部
２９ ピッチ制御部
３０ 逸脱防止演算部DESCRIPTION OFSYMBOLS 1 Windmillpower generation equipment 2Windmill 2a Rotor 3Pitch adjustment mechanism 4Generator 5System 6 Inverter 7Capacitor 8 Charge /discharge control circuit 11Anemometer 12Speed detector 13 Capacityratio measurement circuit 15Control part 21 Turbulence intensity and reductionrate calculation Unit 22 Theoreticaloutput calculation unit 23 Windmill outputlimit calculation unit 24 Power generationtorque calculation unit 25 System outputlimit calculation unit 26 Target rotationalspeed calculation unit 27Inverter control unit 28 Charge /discharge control unit 29Pitch control unit 30 Deviation prevention calculation unit

Claims (4)

Translated fromJapanese

ピッチを制御可能であって発電機に連結された風車と、前記発電機と系統の間に介在するインバータと、前記発電機により充電可能かつ前記系統へ放電可能な電力貯蔵要素とを備える風車発電設備の制御装置であって、
前記電力貯蔵要素の目標電力蓄積量に対する容量率を検出する容量率測定器と、
風速によって定まる理論出力を移動平均により平均化した平均化出力に低減率を乗じた風車出力変動の下限値を、前記風車の発電機の出力の制限値である風車出力制限として算出する風車出力制限算出部と、
前記理論出力を前記容量率に基づいて補正し、前記系統への出力の制限値である系統出力制限を算出する系統出力制限算出部と、
前記風車の発電機の出力が前記風車出力制限を越えないように、かつ前記系統への出力が前記系統出力制限を越えないように前記インバータを制御するインバータ制御部と、
風速又は風車出力制限によって定まる目標回転数を維持するように、前記風車のピッチを制御するピッチ制御部と
を備えることを特徴とする、風車発電設備の制御装置。Wind turbine power generation comprising a wind turbine capable of controlling the pitch and connected to a generator, an inverter interposed between the generator and a system, and a power storage element that can be charged by the generator and discharged to the system A control device for equipment,
A capacity ratio measuring device for detecting a capacity ratio with respect to a target power storage amount of the power storage element;
Wind turbine output limit that calculates the lower limit value of the wind turbine output fluctuation, which is the average output obtainedby averaging the theoretical output determined by the wind speed bymoving average , multiplied by the reduction rate, as the wind turbine output limit that is the limit value of the output of the wind turbine generator A calculation unit;
A system output limit calculation unit that corrects the theoretical output based on the capacity ratio and calculates a system output limit that is a limit value of the output to the system;
An inverter control unit for controlling the inverter so that the output of the wind turbine generator does not exceed the wind turbine output limit and the output to the grid does not exceed the grid output limit;
A control device for wind turbine power generation equipment, comprising: a pitch control unit that controls the pitch of the wind turbine so as to maintain a target rotational speed determined by wind speed or wind turbine output restriction. 前記風車出力制限算出部は、前記低減率を風車設置場所の乱流強度により算出することを特徴とする、請求項１に記載の風車発電設備の制御装置。  2. The wind turbine generator control device according to claim 1, wherein the wind turbine output restriction calculation unit calculates the reduction rate based on turbulence intensity at a wind turbine installation location. 系統出力の変動が定格出力の所定範囲内となるように、系統出力の上限と下限を算出し、前記系統出力の上限と下限を前記系統出力制限算出部に入力する逸脱防止演算部をさらに備え、
前記系統出力制限算出部は、系統出力が上限以上の時には、前記インバータ及びピッチ制御で風車出力を制限し、系統出力が下限以下では、前記電力貯蔵要素から放電し、逸脱を防止する、ことを特徴とする、請求項１または２に記載の風車発電設備の制御装置。The system further includes a deviation prevention calculation unit that calculates an upper limit and a lower limit of the system output so that fluctuations in the system output are within a predetermined range of the rated output, and inputs the upper and lower limits of the system output to the system output limit calculation unit. ,
The grid output limit calculation unit limits the wind turbine output by the inverter and pitch control when the grid output is equal to or higher than the upper limit, and discharges from the power storage element to prevent deviation when the grid output is equal to or lower than the lower limit. The control apparatus for a wind turbine power generation facility according to claim 1 or 2, characterized in that ピッチを制御可能であって発電機に連結された風車と、前記発電機と系統の間に介在するインバータと、前記発電機により充電可能かつ前記系統へ放電可能な電力貯蔵要素とを備える風車発電設備の制御方法であって、
前記電力貯蔵要素の目標電力蓄積量に対する容量率を検出し、
風速によって定まる理論出力を移動平均により平均化した平均化出力に低減率を乗じた風車出力変動の下限値を、前記風車の発電機の出力の制限値である風車出力制限として算出し、
前記理論出力を前記容量率に基づいて補正し、前記系統への出力の制限値である系統出力制限を算出し、
前記風車の発電機の出力が前記風車出力制限を越えないように、かつ前記系統への出力が前記系統出力制限を越えないように前記インバータを制御し、
風速又は風車出力制限によって定まる目標回転数を維持するように、前記風車のピッチを制御する
ことを特徴とする、風車発電設備の制御方法。Wind turbine power generation comprising a wind turbine capable of controlling the pitch and connected to a generator, an inverter interposed between the generator and a system, and a power storage element that can be charged by the generator and discharged to the system A method for controlling equipment,
Detecting a capacity ratio with respect to a target power storage amount of the power storage element;
The lower limit value of the wind turbine output fluctuation obtained by multiplying the average output obtainedby averaging the theoretical output determined by the wind speed by themoving average and the reduction rate is calculated as a wind turbine output limit that is a limit value of the output of the wind turbine generator,
Correcting the theoretical output based on the capacity ratio, calculating a system output limit that is a limit value of the output to the system,
Controlling the inverter so that the output of the wind turbine generator does not exceed the wind turbine output limit and the output to the system does not exceed the system output limit;
A method for controlling a wind turbine power generation facility, wherein the pitch of the wind turbine is controlled so as to maintain a target rotational speed determined by a wind speed or a wind turbine output limit.

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