JP2015149792A - 電力制御装置、電力制御方法、発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】高速ディーゼル発電機などの設備を要しない風力発電機を含む発電システムの電力制御装置を提供する。【解決手段】電力制御装置は、風車により駆動する風力発電機に対して風車許容荷重に至る風速を示すカットアウト風速の検出に基づいて風力発電機の第一の出力制限タイミングを判定する風力発電機出力制限判定部と、当該判定に基づいて風力発電機の出力を補う燃料発電機の出力を定められた割合で増加させる燃料発電機制御部と、当該判定に基づいて風力発電機の出力値と燃料発電機の出力値との合計値が当該判定前における風力発電機の出力値となるように風力発電機の出力を所定の値まで低下させるＷＴＧ出力コントロール部と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、電力制御装置、電力制御方法、発電システムに関する。

電力会社が供給する電力系統に頼らずある地域に備わる設備に対して独立して電力供給を行うマイクログリッドと呼ばれるシステムが存在する。マイクログリッドにおいては、風力発電だけではなく太陽光発電やディーゼル発電機（ＤＧ：Ｄｉｅｓｅｌ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）や蓄電池などを組み合わせて電力供給を行う。例えば離島などでは風車を多く用いた構成とし風力発電を行うことも多い。風力発電においては所定の風速以上の強風があると安全のため風車を停止するカットアウトと呼ばれる制御が行われる。風車のカットアウトによって生じた供給電力の不足分は、ディーゼル発電機や蓄電池の出力によって補うことが行われている。

例えば特許文献１には、自然力を用いた太陽光発電や風力発電の不安定な出力に対してディーゼル発電機などの内燃力発電を用いて出力値の変動を許容範囲内に維持する技術が開示されている。特許文献１の方法は、日照状況や風況を観測して気象変動を予測し、その気象変動の予測から自然力発電機による出力電力を予測して発電所の目標出力値との差分を計算し、内燃力発電機にその差分の電力を発電させることで発電所の出力電力を安定化させるものである。

特開２００４−３１２７９７号公報

ところで、風車のカットアウトによって生じる風力発電の出力低下は急激である。従って、風力発電の出力低下を補うために設置されるディーゼル発電機は高速に起動し発電を開始することができるタイプのものが使用される。この高速起動ディーゼル発電機は、一般的なディーゼル発電機に比べ価格が高い。同様に風力発電を補うために設置された蓄電池は短時間に大容量の放電が可能なタイプのものであり、やはり一般的な蓄電池に比べ価格が高くなる。しかし、実際にカットアウトが生じこれらの設備を稼働する利用率を考慮すると経済性の観点からはこのような設備を設置することは非効率であった。

そこでこの発明は、上述の課題を解決することのできる電力制御装置、電力制御方法、発電システムを提供することを目的としている。

本発明の第１の態様は、風車により駆動する風力発電機に対して第一の所定の風速の検出に基づいて前記風力発電機の第一の出力制限タイミングを判定する風力発電機出力制限判定部と、当該判定に基づいて前記風力発電機の出力を補う燃料発電機の出力を定められた割合で増加させる燃料発電機制御部と、当該判定に基づいて前記風力発電機の出力値と前記燃料発電機の出力値との合計値が前記判定前における前記風力発電機の出力値となるように前記風力発電機の出力を所定の値まで低下させる出力制限を行うＷＴＧ出力コントロール部と、を備えることを特徴とする電力制御装置である。

また、本発明の第２の態様における第一の所定の風速とは、風車許容荷重に至る風速を示すカットアウト風速、もしくは、所定時間の経過後に風速が前記カットアウト風速に至ると判断する所定の風速であることを特徴とする。

また、本発明の第３の態様における前記風力発電機出力制限判定部は、前記第一の所定の風速を上回る第二の所定の風速の検出に基づいて前記風力発電機の第二の出力制限タイミングを判定し、前記ＷＴＧ出力コントロール部は、当該判定に基づいて前記風力発電機の出力をさらに所定の出力値まで低下させる制御を行うことを特徴とする。

また、本発明の第４の態様における前記所定の出力値は、前記風力発電機の出力値を当該所定の出力値まで減じる制御を行った後に前記風力発電機を停止しても系統への影響が所定基準以下となる値であることを特徴とする。

また、本発明の第５の態様における電力制御装置は、前記風力発電機の出力を補う蓄電池の充放電を制御する蓄電池充放電制御部を備え、前記風力発電機出力制限判定部は、運転停止風速の検出に基づいて風力発電機の停止タイミングを判定し、前記ＷＴＧ出力コントロール部は、当該判定に基づいて風車を停止させ、前記燃料発電機制御部は、当該判定に基づいて定められた割合で出力を増加させ、前記蓄電池充放電制御部は、当該判定に基づいて蓄電池を放電させることを特徴とする。

また、本発明の第６の態様における前記風力発電機出力制限判定部は、前記第一の所定の風速以上となった風速が前記第一の所定の風速より低い所定の風速となったことを検出し、その検出に基づいて風力発電機の出力制限の解除タイミングを判定し、前記ＷＴＧ出力コントロール部は、当該判定に基づいて前記風力発電機の出力を前記出力制限前における出力値となるように増加させ、前記燃料発電機制御部は、前記風力発電機の出力が前記出力制限前における出力値となるまでは、前記燃料発電機の出力と前記風力発電機の出力との合計出力が、前記出力制限前における前記風力発電機の出力値となるように、前記燃料発電機の出力を低下させることを特徴とする。

また、本発明の第７の態様は、風力発電機と、燃料発電機と、蓄電池と、上述の何れかの電力制御装置と、を備える発電システムである。

また、本発明の第８の態様は、風車により駆動する風力発電機に対して第一の所定の風速の検出に基づいて前記風力発電機の第一の出力制限タイミングを判定し、当該判定に基づいて前記風力発電機の出力を補う燃料発電機の出力を定められた割合で増加させ、当該判定に基づいて前記風力発電機の出力値と前記燃料発電機の出力値との合計値が前記判定前における前記風力発電機の出力値となるように前記風力発電機の出力を所定の値まで低下させる出力制限を行う、ことを特徴とする電力制御方法である。

本発明によれば、カットアウトが発生したときの出力変動を小さく抑えることができる。それにより発電システムの設備容量を小さくすることができる。

本発明に係る第一実施形態における発電システムの構成の一例を示す図である。 本発明に係る第一実施形態におけるＥＭＳの機能ブロック図である。 本発明に係る第一実施形態における発電システムの負荷曲線と電源構成を示す図である。 本発明に係る第一実施形態における発電制御の方法の一例を示す第一の図である。 本発明に係る第一実施形態における発電制御の方法の一例を示す第二の図である。 本発明に係る第一実施形態における風量発電の出力値の制御処理のフロー図である。 本発明に係る第二実施形態における発電制御の方法の一例を示す図である。 従来の発電システムの構成の一例を示す図である。 従来のカットアウト時における電源構成の変化を示す図である。

＜第一実施形態＞
以下、本発明の一実施形態による発電システムを図１〜図７を参照して説明する。
本実施形態の発電システム１は、図１に示すように、ＤＧ２−１と、ＤＧ２−２と、ＢＡＴ（ＢＡＴＴＥＲＹ）３と、ＰＶ（ＰＨＯＴＯＶＯＬＴＡＩＣＳ）４と、ＷＴＧ（ＷＩＮＤ ＴＵＲＢＩＮＥ ＧＥＮＥＲＡＴＯＲ）５と、ＬＯＡＤ６と、制御器７−１〜７−６と、ＥＭＳ（ＥＮＥＲＧＹ ＭＡＮＡＧＥＭＥＮＴ ＳＹＳＴＥＭ）８と、を備えている。発電システム１は、既存の電力系統９とスイッチ１０で連結が可能であるが、普段は切り離されており、独自に発電を行う。また、図１においてＤＧは２台（ＤＧ２−１，ＤＧ２−２）設置されているがこれらを総称してＤＧ２と記述する。同様に制御器７−１〜７−６を総称して制御器７と記述する。

ＤＧ２は、ディーゼル発電機などの燃料発電機である。ディーゼル発電は、ディーゼル機関によって発電機を回転させ電力を得る方法である。ＤＧ２は、発電システム１が発電する大部分の電力を供給する。ＤＧ２が２台記載されているのは発電システム１において最も多く設置された発電設備であることを示している。例えば複数設置されたＤＧ２のうち一部は稼働しており、一部は、非常時に備えて停止状態であってもよい。
ＢＡＴ３は、蓄電池である。ＢＡＴ３は、需用電力と他の発電手段（ＤＧ２、ＰＶ４、ＷＴＧ５）による供給電力のバランスを取る為に充放電を繰り返す。他の発電手段が発電した電力が需用電力を上回ったときは上回った分の電力を蓄電し、他の発電手段で電力供給が追い付かなくなったときは蓄積した電力を放電する。蓄電池は、リチウムイオン蓄電池、鉛蓄電池、ニッケル水素蓄電池など特に限定されないが、充放電の追従性がよいことからリチウムイオン蓄電池であることが好ましい。
ＰＶ４は、太陽光発電装置である。太陽光発電装置とは、装置内に備えた太陽電池を用いて太陽光を電気エネルギーに変換し電力を得る発電装置である。
ＷＴＧ５は、風力発電機である。風力発電機とは、風の力（風力）を利用した運動エネルギーを電気エネルギーに変換し電力を得る発電装置に備えられた発電機のことである。
ＬＯＡＤ６は、負荷である。例えば発電システム１の発電機（ＤＧ２、ＰＶ４、ＷＴＧ５）で発電又は蓄電した電力を消費する地域の家庭や工場などに設置された負荷装置である。

制御器７は、各発電機及びＥＭＳ８に接続して備えられている。制御器７−１は、ＤＧ２−１に接続されている。制御器７−２は、ＤＧ２−２に接続されている。制御器７−３は、ＢＡＴ３に接続されている。制御器７−４は、ＰＶ４に接続されている。制御器７−５は、ＷＴＧ５に接続されている。制御器７−６は、ＬＯＡＤ６に接続されている。制御器７は、センサなどの計測機器と操作端末などの制御機器から構成されている。制御器７は、各発電機の状態量を各発電機より取得しＥＭＳ８へ出力する。また、制御器７は、ＥＭＳ８から制御信号を取得し、各発電機などへ出力する。
ＥＭＳ８は、発電システム１のエネルギー管理システムである。ＥＭＳ８は、ＤＧ２、ＢＡＴ３、ＰＶ４、ＷＴＧ５、ＬＯＡＤ６の状態量を制御器７を介して取得し、各発電機（ＤＧ２、ＢＡＴ３、ＰＶ４、ＷＴＧ５）による発電電力の制御を行う。状態量とはその時点での各発電機の発電出力、蓄電池のＳＯＣ（ＳＴＡＴＥ ＯＦ ＣＨＡＲＧＥ）、負荷からの需要電力である。例えばＥＭＳ８は、ＬＯＡＤ６から制御器７−６を介して需用電力を取得し、各発電機に制御器７を介して制御信号を出力して各発電機による発電電力を調整し、需用電力に応じた電力を供給ができるようにする。また、ＳＯＣとは、電池容量に対する充電量の比である(ＳＯＣ１００％が満充電で、０％が完全放電)。

図２は本発明に係る第一実施形態におけるＥＭＳの機能ブロック図である。
風力発電機出力制限判定部１１は、風速計１８から風速を定期的に取得しＥＭＳ８が備える記憶部１７に記録する。そして風力発電機出力制限判定部１１は、所定時間における平均風速が所定の値以上かどうかを比較し、ＷＴＧ５の出力制限タイミングを判定する。例えば、風力発電機出力制限判定部１１は、所定時間における平均風速が運転制限閾値１に至ったことを検出すると、その検出に基づいてＷＴＧ５の出力を低下させる第一の出力制限タイミングであると判定する。また、風力発電機出力制限判定部１１は、所定時間における平均風速が運転制限閾値１の風速を上回る所定の値（運転制限閾値２）に至ったことを検出すると、その検出に基づいてＷＴＧ５の出力をさらに低下させる第二の出力制限タイミングであると判定する。また、風力発電機出力制限判定部１１は、所定時間における平均風速が運転停止風速（運転停止閾値）に至ったことを検出すると、その検出に基づいて風車の停止タイミングであると判定する。また、風力発電機出力制限判定部１１は、所定時間における平均風速が運転制限閾値１以上となり、その後、運転制限閾値１より低い所定の風速（運転制限解除閾値）となった場合にＷＴＧ５の出力制限の解除タイミングであると判定する。風力発電機出力制限判定部１１は、これらのタイミングの判定に基づいて、ＷＴＧ出力コントロール部１２などに出力値変更を指示する指示信号を出力する。なお、上記の各判定基準となる風速の大小関係は、運転制限解除閾値＜運転制限閾値１＜運転制限閾値２＜運転停止閾値のようになる。
ＷＴＧ出力コントロール部１２は、制御器７−５からＷＴＧ５の状態量を取得し、制御器７−５を介してＷＴＧ５へ制御信号を出力する。そしてＷＴＧ出力コントロール部１２は、例えば風車の翼のピッチ角を制御してＷＴＧ５の出力値を制御する。また、ＷＴＧ出力コントロール部１２は、風力発電機出力制限判定部１１から出力値変更指示信号を取得したときにＷＴＧ５の出力値が所定の値となるように制御する。
なお、風力発電機出力制限判定部１１は、ＷＴＧ５の出力制限を行うか否かを判定し、出力制御装置に出力指示を行う装置である。また、ＷＴＧ出力コントロール部１２は、風力発電機出力制限判定部１１の指示に従い、ＷＴＧ５の出力を制御する装置である。

燃料発電機制御部１３は、制御器７−１、７−２から発電電力などＤＧ２−１、ＤＧ２−２の状態量を取得し、制御器７−１、７−２を介してＤＧ２−１，２−２へ制御信号を出力する。そして燃料発電機制御部１３は、ＤＧ２の出力値を制御する。また、燃料発電機制御部１３は、風力発電機出力制限判定部１１から出力値変更指示信号を取得したときにＤＧ２の発電電力が所定の値となるように出力制御を行う。

蓄電池充放電制御部１４は、制御器７−３から充電状況などＢＡＴ３の状態量を取得し、制御器７−３を介してＢＡＴ３へ制御信号を出力する。そして蓄電池充放電制御部１４は、ＢＡＴ３の充放電を制御する。また、蓄電池充放電制御部１４は、風力発電機出力制限判定部１１から出力値変更指示信号を取得したときにＢＡＴ３を放電させるよう制御する。

太陽光発電装置制御部１５は、制御器７−４からＰＶ４の状態量を取得し、制御器７−４を介してＰＶ４へ制御信号を出力する。そして太陽光発電装置制御部１５は、例えば気候条件に合わせて最大の電力を取り出せるような制御を行う。
負荷出力制御部１６は、制御器７−６からＬＯＡＤ６の需用電力を取得し、制御器７−６を介してＬＯＡＤ６へ制御信号を出力する。そして負荷出力制御部１６は、ＬＯＡＤ６への需要に合った電力を供給できるよう制御する。
記憶部１７は、ＥＭＳ８が発電電力の制御に必要な各種パラメータや制御器７から取得した各発電機の状態量などを記憶する。
風速計１８は、風速を計測する装置であり、例えばＷＴＧ５の風車のナセルの上に備えられている。風速計１８は、計測した風速を定期的に風力発電機出力制限判定部１１に出力する。

図３は本発明の第一実施形態における発電システムの負荷曲線と電源構成を示す図である。
図３を用いて、第一の実施形態における需用電力と発電システムが供給する電力の電源構成について説明する。
符号２１は、ＬＯＡＤ６による需用電力を示している。符号２２は、発電システム１の総発電電力を示している。符号２３は、ＤＧ２による発電電力を示している。符号２４は、ＷＴＧ５による発電電力を示している。符号２５は、ＰＶ４による発電電力を示している。符号２６は、ＢＡＴ３による放電電力又は充電電力を示している。
総発電電力２２は、ＤＧ２による発電電力２３と、ＷＴＧ５による発電電力２４と、ＰＶ４による発電電力２５と、ＢＡＴ３による放電電力２６との合計である。
図２が示すように電源構成の割合は、ＤＧ２による発電電力２３が最も大きく、次にＷＴＧ５による発電電力２４、次にＰＶ４による発電電力２５、最も小さい電源はＢＡＴ３による放電電力２６となっている。ＢＡＴ３に関する電力２６が負の値を示している箇所は、ＤＧ２とＰＶ４とＷＴＧ５による発電電力の合計がＬＯＡＤ６による需用電力を上回っているため、その上回った電力をＢＡＴ３が充電していることを示している。

次に２番目に大きい電力を供給するＷＴＧ５の出力値がカットアウトにより急激に低下した場合に、従来技術によって制御したときの供給電力の遷移について図８、図９を用いて説明する。
カットアウトとは、風速が所定の速度を上回ったときに風車が受ける荷重を抑えるためにＷＴＧ５の風車を停止することをいう。具体的には、風車がカットアウトするためには、（１）１０分間における平均風速がある値（例えば２５ｍ／秒）を超過する場合と、（２）突風が数秒間継続する（例えば７０ｍ／秒の風速が３秒間継続する風況となる）場合とがある。風車がカットアウトするとＷＴＧ５による発電電力は０になる。

図８は従来の発電システムの構成の一例を示す図である。図１との違いは、図８の従来の発電システム１は、高速ＤＧ５１と、高性能ＢＡＴ５２と、制御器７−５１と、制御器７−５２とを備えていることである。
高速ＤＧ５１は、高速起動タイプのＤＧである。高速ＤＧ５１は、カットアウトによる発電システム１の出力値の変動を防ぐため設置されている。つまりＥＭＳ８は、カットアウトによってＷＴＧ５の出力値が０になったときにＷＴＧ５の出力低下分を補うために制御器７−５１を介して高速ＤＧ５１を高速で起動し発電を開始する。
高性能ＢＡＴ５２は、短時間に大容量の放電が可能な高性能な蓄電池である。高性能ＢＡＴ５２は、高速ＤＧ５１と同様にカットアウトによる発電システム１の出力値の変動を防ぐ目的で設置されている。ＥＭＳ８は、カットアウトが発生すると高速ＤＧ５１を起動しつつ、制御器７−５２を介して高性能ＢＡＴ５２から放電を行いＷＴＧ５の出力低下分を補う。
制御器７−５１は、高速ＤＧ５１とＥＭＳ８に接続されて備えられている。制御器７−５１は、高速ＤＧ５１の状態量をＥＭＳ８に出力し、ＥＭＳ８からの制御信号を高速ＤＧ５１に出力する。
制御器７−５２は、高性能ＢＡＴ５２とＥＭＳ８に接続されて備えられている。制御器７−５２は、高性能ＢＡＴ５２の状態量をＥＭＳ８に出力し、ＥＭＳ８からの制御信号を高性能ＢＡＴ５２に出力する。

図９は、従来技術によって制御した場合のカットアウト時における電源構成の変化を示す図である。
図９（ａ）は、風速の時間推移を示す図である。符号９０１は、風速を示している。符号９０２は、定格風速を示している。定格風速とは、ＷＴＧ５が最大出力を発揮できるときの風速である。符号９０３は、カットアウト風速を示している。符号９０４は風速９０１がカットアウト風速９０３に至った時刻を示している。
図９（ｂ）は、風速がカットアウト風速９０３に至る前後における各発電機による発電電力の時間推移を示す図である。符号９０５は、ＷＴＧ５による発電電力の出力値を示している。符号９０６は、高速ＤＧ５１による発電電力の出力値を示している。符号９０７は、高性能ＢＡＴ５２の放電による出力値を示している。符号９０８は、出力値９０６が増加している途中のある時刻を示している。符号９０９は、高速ＤＧ５１による出力値９０６の増加が終わり安定状態になった以降のある時刻を示している。

図９（ｂ）は、カットアウト発生時における図８のシステムにおけるＥＭＳ８の各発電機に対する出力値の制御を示す図である。まず、時刻９０４において風速がカットアウト風速９０３に達するとＥＭＳ８は、風車を停止させＷＴＧ５による出力値９０５が０となるまで低下させる。なお、カットアウトの条件として２つの条件（１０分間における平均風速が所定値を超過する、又は、突風が数秒間継続する）を例示したが図９の説明においては、図９（ａ）で風速がカットアウト風速に達するとこれらの条件のうち何れかを満たしたものとする。このことは、図４、図５、図７においても同じであるとする。風速がカットアウト風速に至ると風車を停止させるのは、風車の翼、タワー、軸などが受ける疲労荷重を軽減するためである。ＷＴＧ５の出力低下に対し、ＥＭＳ８は、時刻９０４を境に高速ＤＧ５１を起動し出力値９０６を増加させる。ＥＭＳ８は出力値９０６が時刻９０４以前の出力値９０５と同じ出力値になるまで増加させる。また、ＥＭＳ８は、時刻９０４を境に高性能ＢＡＴ５２の放電を行い、高速ＤＧ５１による出力値９０６を補う。
なお、ＰＶ４の出力値については、カットアウト時に発電電力の制御を行わないためこの図に表示していない。

図９（ｃ）は、風速がカットアウト風速９０３に至る前後における出力値９０５、出力値９０６、出力値９０７の合計値の遷移を示す図である。この図は、時刻９０４から時刻９０８の間における出力値の合計が一時的に落ち込むことを示している。このように従来は、カットアウトによるＷＴＧ５の出力の落ち込みをカットアウト発生と同時に高速ＤＧ５１の出力値９０６を増加させ、また、高性能ＢＡＴ５２を放電させることによって補っていたが、図９（ｃ）が示すように高速ＤＧ５１や高性能ＢＡＴ５２を使用しているにもかかわらず、高速ＤＧ５１の起動や高性能ＢＡＴ５２の放電による出力増加がカットアウトによる風車の停止による出力低下に間に合わず一時的に出力値が下がってしまう問題があった。また、従来の構成では比較的高価な高速ＤＧ５１と高性能ＢＡＴ５２を備えなければならないためコストがかかる。また、これら高速ＤＧ５１と高性能ＢＡＴ５２は普段は稼働しておらず、カットアウトが発生したときのみ使用するので経済的効率の面でも問題があった。

次にこれらの問題に対する本発明の第一実施形態による動作について図４を用いて説明する。
図４は、本発明に係る第一実施形態における発電制御の方法の一例を示す第一の図である。図９と同じ内容には同じ符号を付して説明する。
図４（ａ）は、風速の時間推移を示す図である。符号９０１は、風速を示している。符号９０２は、定格風速を示している。符号９０３は、運転制限閾値１（カットアウト風速）を示している。運転制限閾値１は、ＥＭＳ８がＷＴＧ５の出力制限を行う契機となる第一段階目の閾値である。符号４０１は、風車を静止させる運転停止閾値を示している。本実施形態では風速が運転制限閾値１（カットアウト風速９０３）に至っても従来のように風車の運転停止を行わず、風速が運転停止閾値４０１に至ると風車の運転を停止する。符号４０２は、運転制限閾値２を示している。運転制限閾値２は、ＥＭＳ８がさらにＷＴＧ５の出力制限を行う第二段階目の閾値である。符号９０４は風速９０１が運転制限閾値１に至った時刻を示している。符号４０３は風速９０１が運転制限閾値２に至った時刻を示している。符号４０４は風速９０１が運転停止閾値に至った時刻を示している。

図４（ｂ）は、本実施形態におけるカットアウト発生時におけるＥＭＳ８の各発電機に対する出力値の制御を示す図である。
まず、時刻９０４に至るまでの間は、風速が定格風速を超えて徐々に増加している。このとき、ＷＴＧ出力コントロール部１２は、風車が備える発電機の励磁電流を維持し、風を受けないように翼のピッチ角を制御して風車の回転数が一定となるように制御を行う。それにより、ＷＴＧ５による出力値９０５は、一定の値を保っている。
その後、時刻９０４において風力発電機出力制限判定部１１は、風速が運転制限閾値１（符号９０３）に達したと判定するとＷＴＧ出力コントロール部１２と燃料発電機制御部１３とに運転制限閾値１に対応する出力値変更指示信号（出力値変更指示信号１）を出力する。ＷＴＧ出力コントロール部１２は、出力値変更指示信号１を取得するとＷＴＧ５の出力を低下させる（符号４０５）。そしてＷＴＧ出力コントロール部１２は、ＷＴＧ５の出力値が所定の値となると出力値を一定になるように制御する（符号４０６）。この一定とする出力値を第一制限出力値とする。一方、燃料発電機制御部１３は、出力値変更指示信号１を取得すると現在停止しているＤＧ２を起動し出力を増加させる（符号４０７）。そしてＤＧ２の出力値が所定の値となると出力値を一定になるように制御する（符号４０８）。ＷＴＧ出力コントロール部１２は、ＤＧ２の出力値とＷＴＧ５の出力値との合計が風速が運転制限閾値１に至る前のＷＴＧ５の出力値と等しくなるようにＷＴＧ５の出力値を低下させる。つまり、ＷＴＧ出力コントロール部１２は、ＤＧ２が起動して出力を増加させる割合（単位時間あたりの出力増加量）と同じ割合でＷＴＧ５の出力を低下させる。ＷＴＧ出力コントロール部１２がＷＴＧ５の出力値を低下させる割合は、例えばシミュレーション等で予め定められており記憶部１７に記憶されていてもよい。ＷＴＧ出力コントロール部１２は、出力値を低下させるにあたり、風車が備える発電機の励磁電流を落として風車を回転し易くし、また、風を受けないように翼のピッチ角を制御して風車の回転数を下げる。これにより風速がカットオフ風速である運転制限閾値１（符号９０３）に達した後に風車を運転させても風車に与える荷重の強度を許容範囲内に抑えることができる。風速がカットアウト風速に達しても風車の運転を続けることでＷＴＧ５の発電電力を利用することができる。また、その場合のＷＴＧ５の発電電力をある程度の出力に保つことによって、高速起動に対応しない一般的なＤＧ２でもＷＴＧ５の出力低下を補うことができるため、高価な高速ＤＧを備える必要がなくなる。

次に、時刻４０３において風力発電機出力制限判定部１１は、風速が運転制限閾値２（符号４０２）に達したと判定するとＷＴＧ出力コントロール部１２と燃料発電機制御部１３とに運転制限閾値２に対応する出力値変更指示信号（出力値変更指示信号２）を出力する。ＷＴＧ出力コントロール部１２は、出力値変更指示信号２を取得するとＷＴＧ５の出力を低下させる（符号４０９）。そしてＷＴＧ出力コントロール部１２は、ＷＴＧ５の出力値が所定の値となると出力値を一定になるように制御する（符号４１０）。この一定とする出力値を第二制限出力値とする。一方、燃料発電機制御部１３は、出力値変更指示信号２を取得するとＤＧ２の出力値を増加させる（符号４１１）。風速が運転制限閾値１に達したときと同様にＷＴＧ出力コントロール部１２は、ＤＧ２の出力増加に追随するようにＷＴＧ５の出力を低下させる。
ＤＧ２の出力増加及びＷＴＧ５の出力低下の割合は、予め定められており記憶部１７に記憶されていてもよい。
なお、第二制限出力値は、風車の突然の停止が発生しても系統への影響が所定基準以下となる最大限の出力値である。系統への影響が所定基準以下とは、例えば１５０ｍｓｅｃの瞬時停電が発生する程度又は、周波数変動が±３％以内と予想できる程度のことである。このように制御することでＷＴＧ５の発電電力を利用しつつ、その後に風車の停止による急激な出力低下が起こってもその影響を小さく抑えることができる。

次に、時刻４０４において風力発電機出力制限判定部１１は、風速が運転停止閾値（符号４０１）に達したと判定するとＷＴＧ出力コントロール部１２に運転停止指示信号を出力し、燃料発電機制御部１３と蓄電池充放電制御部１４とに運転停止閾値に対応する出力値変更指示信号（出力値変更指示信号３）を出力する。ＷＴＧ出力コントロール部１２は、運転停止指示信号を取得するとＷＴＧ５の出力を０となるまで低下させる（符号４１１）。燃料発電機制御部１３は、出力値変更指示信号３を取得するとＤＧ２の出力値を所定の割合で増加させる（符号４１２）。風速が運転停止閾値に達すると、回転数を下げ荷重を受けないよう制御したとしても許容できない限界の強度の荷重を風車に与えることになる為、ＷＴＧ出力コントロール部１２は、風車を停止させＷＴＧ５の出力値を０に低下させる。一方、ＤＧ２の出力増加速度には限界があり、ＷＴＧ５の出力値が低下する速度に追いつかないためＤＧ２の出力値とＷＴＧ５の出力値との合計を運転制限閾値１に至る前のＷＴＧ５の出力値と等しくすることができない。そこで風速が運転停止閾値に達した場合、蓄電池充放電制御部１４は出力値変更指示信号３を取得すると、ＢＡＴ３を放電させるよう制御を行い発電システム１の出力値の変動を防ぐようにする。符号４１３は、ＢＡＴ３が放電することによる電力出力を示している。ＢＡＴ３が所定の電力を放電すると、ＢＡＴ３の出力値は低下する（符号４１４）。ＢＡＴ３が放電する電力は予め定められており記憶部１７に記憶されていてもよい。このとき既にＷＴＧ５の出力値は、十分に小さい第二制限出力値まで低下させてあるのでＢＡＴ３が放電できる電力は比較的小さくてよい。従って一般的なＢＡＴ３でＷＴＧ５の出力低下分を補うことができるため、従来のように高価な高性能ＢＡＴを備える必要がない。

図４（ｃ）は、風速が図４（ａ）のように増加し、図４（ｂ）のように各発電機の出力制御を行った場合における出力値９０５、出力値９０６、出力値９０７の合計値の遷移を示す図である。この図は、図９（ｃ）で説明した従来の場合と異なり、風速が運転停止閾値に達するまでは出力値の変動が無いことを示している。これは、ＤＧ２の出力値の増加速度に合わせてＷＴＧ５の出力値の低下速度を制御したためである。また、風速が運転停止閾値に至った後に出力値が落ち込んでいるが図９（ｃ）が示す出力値の落ち込みに比べ小さくなっている。これは、風速が運転停止閾値に達する以前に、ＷＴＧ５の出力値を第二制限出力値まで制限し、その後の風車停止によるＷＴＧ５の急激な出力低下に対してはＢＡＴ３の放電によって補うよう制御したためである。

本実施形態によれば、風速がカットアウト風速（運転制限閾値１）に達した後もＷＴＧ５の出力制限を行いながら運転を継続し、ＷＴＧ５の出力の低下分をＤＧ２やＢＡＴ３の出力を制御することで補うため、高速ＤＧや高性能ＢＡＴが無くても、発電システム１の出力を、ＷＴＧ５の出力制限中でもＷＴＧ５の出力制限前と同様の出力に維持することができる。また、従来に比べてＷＴＧ５の停止による発電システム１の出力値の変動を最小限にすることができる。
なお、この図では複数設置されたＤＧ２のうち停止中のＤＧ２を起動する場合を例として説明したが既に起動しているＤＧ２の出力を増加させてもよい。また、ＤＧ２やＢＡＴ３は、ＷＴＧ５の出力変動を補うために専用に備えられたものでもよいし、発電システム１の発電手段として備えられたものでもよい。

次に例として、風速が運転制限閾値１（従来のカットアウト風速）に達した後、低下していく場合のＥＭＳ８による出力値の制御について図５を用いて説明する。
図５は、本発明に係る第一実施形態における発電制御の方法の一例を示す第二の図である。図４と同じ内容には同じ符号を付して説明する。
図５（ａ）は、風速の時間推移を示す図である。符号９０１は、風速を示している。図５（ａ）は、風速が時刻９０４で運転制限閾値１に達した後は次第に低下して行く様子を示している。
図５（ｂ）は、本実施形態におけるカットアウト発生時におけるＥＭＳ８の各発電機に対する出力値の制御を示す図である。
まず、図４と同様に時刻９０４において風力発電機出力制限判定部１１が風速が運転制限閾値１（符号９０３）に達したと判定すると、燃料発電機制御部１３は、停止しているＤＧ２を起動し出力を増加させる（符号４０７）。また、ＷＴＧ出力コントロール部１２は、ＤＧ２の出力値の増加に合わせてＤＧ２の出力値とＷＴＧ５の出力値の合計が出力制限を開始する以前のＷＴＧ５の出力値を維持できるような割合でＷＴＧ５の出力を低下させる。そして、ＷＴＧ５の出力値が第一制限出力値に達するとＷＴＧ出力コントロール部１２は、ＷＴＧ５の出力をそのまま一定になるよう制御する（符号４０６）。また、そのとき燃料発電機制御部１３も、ＤＧ２の出力が一定になるよう制御する（符号４０８）。

次に時刻４１６にて風力発電機出力制限判定部１１は、風速が運転制限解除閾値（符号４１５）に達したと判定するとＷＴＧ出力コントロール部１２と燃料発電機制御部１３とに運転制限解除閾値に対応する出力値変更指示信号（出力値変更指示信号４）を出力する。ＷＴＧ出力コントロール部１２は、出力値変更指示信号４を取得するとＷＴＧ５の出力を増加させる（符号４１７）。そしてＷＴＧ出力コントロール部１２は、ＷＴＧ５の出力値が運転制限以前の値となると出力値を一定になるように制御する（符号４１８）。一方、燃料発電機制御部１３は、出力値変更指示信号４を取得するとＤＧ２の出力値を徐々に低下させ（符号４１９）、ＤＧ２を最終的に停止させる。このときＤＧ２の出力値とＷＴＧ５の出力値との合計が運転制限以前のＷＴＧ５の出力値と等しくなるように、ＷＴＧ出力コントロール部１２はＷＴＧ５の出力値を増加させ、燃料発電機制御部１３はＤＧ２の出力値を低下させる。例えば、ＷＴＧ出力コントロール部１２がＷＴＧ５の出力値を増加させる割合は、予め定められており記憶部１７に記録されていてもよい。

図５（ｃ）は、風速が図５（ａ）のように遷移し、図５（ｂ）のように各発電機の出力制御を行った場合における出力値９０５、出力値９０６の合計値の遷移を示す図である。この図は、図９（ｃ）で説明した従来の場合と異なり、風速がカットアウト風速（符号９０３）に達しても出力値の変動が無いことを示している。
従来であれば風速がカットアウト風速に達しその後、定格風速まで低下するような場合であっても、一旦風車が停止しカットアウトによる出力変動が起こっていた。本実施形態によれば、風速がカットアウト風速に達した後もＷＴＧ５の出力制限を行いながら風車の運転を継続し、併せてＤＧ２の出力値を制御することで出力変動を抑制することが可能である。また、出力変動を抑制しつつも比較的高価で活用機会の少ない高速ＤＧや高性能ＢＡＴを設置する必要が無い。

図６は本実施形態における風量発電の出力値の制御処理のフロー図である。
図６の処理フローを用いて風速の変化に応じてＥＭＳ８がＷＴＧ５の出力値を制御する処理について説明する。
まず、ＷＴＧ出力コントロール部１２は、ＷＴＧ５の通常運転を開始する（ステップＳ１）。次に風力発電機出力制限判定部１１が、風速測定値を定期的に風速計１８から取得し（ステップＳ２）、記憶部１７に記録する。次に風力発電機出力制限判定部１１は、運転制限閾値１と運転制限閾値２と運転停止閾値と運転制限解除閾値とを記憶部１７から読み出す。また、風力発電機出力制限判定部１１は、所定時間における風速の平均値を計算し、読み出した各閾値と取得した風速とを比較する（ステップＳ３）。なお、所定期間とは例えば１０分間である。

比較の結果、風速が運転制限閾値１以上であれば風力発電機出力制限判定部１１は、ＷＴＧ出力コントロール部１２と燃料発電機制御部１３に出力値変更指示信号１を出力する。次に燃料発電機制御部１３は、停止中のＤＧ２を起動し、ＤＧ２の出力値を所定の割合で増加させ続ける。また、ＷＴＧ出力コントロール部１２は、所定の割合でＷＴＧ５の出力値を低下させ続ける。例えばＷＴＧ出力コントロール部１２は、風車の翼のピッチ角を変化させ、風車の回転数を低下させてＷＴＧ５の出力値を低下させる。そしてＷＴＧ出力コントロール部１２は、ＷＴＧ５の出力値が第一制限出力値となるまで低下するとその出力値を維持する（ステップＳ４）。

また比較の結果、風速が運転制限閾値２以上であれば風力発電機出力制限判定部１１は、ＷＴＧ出力コントロール部１２と燃料発電機制御部１３に出力値変更指示信号２を出力する。次に燃料発電機制御部１３は、ＤＧ２の出力値を所定の割合で増加させ続ける。また、ＷＴＧ出力コントロール部１２は、ＷＴＧ５の出力値が第二制限出力値となるまで所定の割合で出力値を低下させ続ける（ステップＳ５）。

また比較の結果、風速が運転停止閾値以上であれば風力発電機出力制限判定部１１は、ＷＴＧ出力コントロール部１２に運転停止指示信号を出力し、燃料発電機制御部１３と蓄電池充放電制御部１４とに出力値変更指示信号３を出力する。ＷＴＧ出力コントロール部１２は、風車を停止させＷＴＧ５の出力を０にする。また燃料発電機制御部１３は、ＤＧ２の出力値を所定の割合で増加させ続ける。また、蓄電池充放電制御部１４は、ＢＡＴ３を放電させる（ステップＳ６）。

また比較の結果、風速が運転制限解除閾値以下であれば、風力発電機出力制限判定部１１は、ＷＴＧ５の出力値から運転状態が運転制限中かどうかを判定する（ステップＳ７）。例えば風力発電機出力制限判定部１１がＷＴＧ出力コントロール部１２からＷＴＧ５の出力値を取得し、その出力値が所定の値以下であれば運転制限中であると判定してもよい。判定の結果、運転制限中であれば（ステップＳ７＝Ｙｅｓ）、ＷＴＧ出力コントロール部１２は、通常運転となるよう出力制御を行う（ステップＳ８）。具体的には、風力発電機出力制限判定部１１は、ＷＴＧ出力コントロール部１２と燃料発電機制御部１３とに出力値変更指示信号４を出力する。次にＷＴＧ出力コントロール部１２は、風車の通常運転を開始しＷＴＧ５の出力値を所定の割合で増加させる。また燃料発電機制御部１３は、ＤＧ２の出力値が０となるまで所定の割合で低下させる。また、判定の結果、運転制限中でなければ（ステップＳ７＝Ｎｏ）、ＷＴＧ出力コントロール部１２はそのまま通常運転を継続する（ステップＳ９）。

これらの風速に応じた処理を行うと、ＷＴＧ出力コントロール部１２は、ユーザによる運転終了指示があったかどうかを判定する（ステップＳ１０）。運転終了指示があった場合、ＷＴＧ出力コントロール部１２は、風車の運転を終了する。運転終了指示がなかった場合、ステップＳ２からの処理を繰り返す。
以上で本処理フローを終了する。

＜第二実施形態＞
以下、本発明の第二実施形態によるＷＴＧ５の出力値の制御を図７を参照して説明する。
図７は本実施形態における発電制御の方法の一例を示す図である。図４、図５と同じ内容には同じ符号を付して説明する。
第一実施形態との違いは、風速が運転制限閾値１（カットオフ風速）に至る以前からＷＴＧ５の出力制限を開始することである。
図７（ａ）は、風速の時間推移を示す図である。符号９０１は、風速を示している。符号４１７は、運転制限閾値０を示している。運転制限閾値０は、運転制限閾値１（カットアウト風速）より低い風速に対して設けられた閾値である。運転制限閾値０は、風速がこの閾値を超えるとやがて運転制限閾値１に至る可能性が高いことを予想して運転制限を予め開始する契機とするために設けられた閾値である。符号４１８は風速９０１が運転制限閾値０に至った時刻を示している。

図７（ｂ）は、本実施形態におけるＥＭＳ８のＷＴＧ５の出力値の制御を示す図である。
まず、時刻４１８において風力発電機出力制限判定部１１が風速が運転制限閾値０に達したと判定すると、燃料発電機制御部１３は、停止しているＤＧ２を起動し出力を増加させる（符号４０７−１）。本実施形態における風力発電機出力制限判定部１１は、所定時間の経過後に風速がカットアウト風速に至ると判断する所定の風速（運転制限閾値０）の検出に基づいて第一の出力制限タイミングを判定する。ここでいう所定時間の経過後とは、例えば５〜１０分後である。
また、ＷＴＧ出力コントロール部１２は、ＤＧ２の出力値とＷＴＧ５の出力値との合計値が運転制限開始前のＷＴＧ５の出力値となるようにＷＴＧ５の出力を低下させる（符号４０５−１）。そして、ＷＴＧ５の出力値が第一制限出力値に達するとＷＴＧ出力コントロール部１２は、ＷＴＧ５の出力をそのまま一定になるよう制御する（符号４０６）。また、そのとき燃料発電機制御部１３も、ＤＧ２の出力が一定になるよう制御する（符号４０８）。それ以降は図４と同じであるので省略する。

本実施形態によれば、第一実施形態より早いタイミングでＤＧ２の発電を開始しＤＧ２の発電電力を増加させておくことができるので、その後風速が急激に運転停止閾値に至るような場合でもＷＴＧ５の出力停止による影響を抑制することができる。
また、第一実施形態よりも長い時間をかけて穏やかにＤＧ２の出力値を所定の値まで増加させることができるのでＤＧ２への負担も少なくすることができる。

なお、ＥＭＳ８は、電力制御装置の一例である。また、運転制限閾値１及び運転制限閾値０は、第一の所定の風速の一例である。また、運転制限閾値２は、第二の所定の風速の一例である。また、運転制限閾値０は、所定時間の経過後に風速が前記カットアウト風速に至ると判断する所定の風速の一例である。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。また、この発明の技術範囲は上記の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えばＤＧ２をガスタービン、蒸気タービン、揚水発電機などに置き換えて予めこれらを起動しておき、ＷＴＧ５の出力低下に合わせてこれらガスタービンなどの発電機の出力増加の制御を行うことも可能である。

１・・・発電システム
２・・・ＤＧ（燃料発電機）
３・・・ＢＡＴ（蓄電池）
４・・・ＰＶ（太陽光発電装置）
５・・・ＷＴＧ（風力発電機）
６・・・ＬＯＡＤ（負荷）
７・・・制御器
８・・・ＥＭＳ（エネルギー管理システム）
９・・・電力系統
１０・・・スイッチ
１１・・・風力発電機出力制限判定部
１２・・・ＷＴＧ出力コントロール部
１３・・・燃料発電機制御部
１４・・・蓄電池充放電制御部
１５・・・太陽光発電装置制御部
１６・・・負荷出力制御部
１７・・・記憶部
１８・・・風速計

Claims (8)

1. 風車により駆動する風力発電機に対して第一の所定の風速の検出に基づいて前記風力発電機の第一の出力制限タイミングを判定する風力発電機出力制限判定部と、
   当該判定に基づいて前記風力発電機の出力を補う燃料発電機の出力を定められた割合で増加させる燃料発電機制御部と、
   当該判定に基づいて前記風力発電機の出力値と前記燃料発電機の出力値との合計値が前記判定前における前記風力発電機の出力値となるように前記風力発電機の出力を所定の値まで低下させる出力制限を行うＷＴＧ出力コントロール部と、
   を備えることを特徴とする電力制御装置。
2. 前記第一の所定の風速とは、風車許容荷重に至る風速を示すカットアウト風速、もしくは、所定時間の経過後に風速が前記カットアウト風速に至ると判断する所定の風速である
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力制御装置。
3. 前記風力発電機出力制限判定部は、前記第一の所定の風速を上回る第二の所定の風速の検出に基づいて前記風力発電機の第二の出力制限タイミングを判定し、
   前記ＷＴＧ出力コントロール部は、当該判定に基づいて前記風力発電機の出力をさらに所定の出力値まで低下させる制御を行う
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力制御装置。
4. 前記所定の出力値は、前記風力発電機の出力値を当該所定の出力値まで減じる制御を行った後に前記風力発電機を停止しても系統への影響が所定基準以下となる値である
   ことを特徴とする請求項３に記載の電力制御装置。
5. 前記風力発電機の出力を補う蓄電池の充放電を制御する蓄電池充放電制御部を備え、
   前記風力発電機出力制限判定部は、運転停止風速の検出に基づいて風力発電機の停止タイミングを判定し、
   前記ＷＴＧ出力コントロール部は、当該判定に基づいて風車を停止させ、
   前記燃料発電機制御部は、当該判定に基づいて定められた割合で出力を増加させ、
   前記蓄電池充放電制御部は、当該判定に基づいて蓄電池を放電させる
   ことを特徴とする請求項１から請求項４の何れか１項に記載の電力制御装置。
6. 前記風力発電機出力制限判定部は、前記第一の所定の風速以上となった風速が前記第一の所定の風速より低い所定の風速となったことを検出し、その検出に基づいて風力発電機の出力制限の解除タイミングを判定し、
   前記ＷＴＧ出力コントロール部は、当該判定に基づいて前記風力発電機の出力を前記出力制限前における出力値となるように増加させ、
   前記燃料発電機制御部は、前記風力発電機の出力が前記出力制限前における出力値となるまでは、前記燃料発電機の出力と前記風力発電機の出力との合計出力が、前記出力制限前における前記風力発電機の出力値となるように、前記燃料発電機の出力を低下させる
   ことを特徴とする請求項１から請求項５の何れか１項に記載の電力制御装置。
7. 風力発電機と、
   燃料発電機と、
   蓄電池と、
   請求項１から請求項６の何れか１項に記載の電力制御装置と、
   を備える発電システム。
8. 風車により駆動する風力発電機に対して第一の所定の風速の検出に基づいて前記風力発電機の第一の出力制限タイミングを判定し、
   当該判定に基づいて前記風力発電機の出力を補う燃料発電機の出力を定められた割合で増加させ、
   当該判定に基づいて前記風力発電機の出力値と前記燃料発電機の出力値との合計値が前記判定前における前記風力発電機の出力値となるように前記風力発電機の出力を所定の値まで低下させる出力制限を行う、
   ことを特徴とする電力制御方法。

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