[論文レビュー] Exploring Wake Interaction for Frequency Control in Wind Farms

Ahmad Shabir Ahmadyar, Gregor Verbič|arXiv (Cornell University)|May 19, 2016

Wind Turbine Control Systems参考文献 11被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、風力発電所全体を最適化して上流のタービンを負荷を軽減し、その結果として蓄えられた運動エネルギーを一次周波数制御に活用する戦略を提案する。ローター回転速度とピッチ角を共同で最適化することで、異常発生時における系統周波数の最小値（nadir）を最大30秒遅らせることができ、発電出力や効率を損なわずに系統の慣性を向上させることができる。

ABSTRACT

The increasing integration of wind generation is accompanied with a growing concern about secure and reliable power system operation. Due to the intermittent nature of wind, the base-load units need to cycle significantly more than they were designed for, resulting in reduced life cycle and increased costs. Therefore, it is becoming necessary for wind turbines to take part in frequency control, and reduce the need for additional ancillary services provided by conventional generators. In this paper, we propose an optimised operation strategy for the wind farms. In this strategy, we maximise the kinetic energy of wind turbines by an optimal combination of the rotor speed and the pitch angle. We exploit the wake interaction in a wind farm, and de-load some of the up-wind turbines. We show that the kinetic energy accumulated in the rotating masses of the WTs can be increased compared to the base case without compromising efficiency of the wind farm. In a specific system, we show that by implementing this strategy, and injecting the stored kinetic energy of the WTs' rotors into the system during a frequency dip, we can delay the system frequency nadir up to 30 s.

研究の動機と目的

• 高風力発電率の系統における周波数不安定性の課題に対処し、風力発電所が一次周波数制御を提供可能となるようにすること。
• ウェーク相互作用を活用することで、タービンの負荷軽減に伴う効率損なを軽減し、下流の乱流を低減し、列間効率を向上させること。
• 風力発電所全体のタービンローターに蓄えられる運動エネルギーを最大化するとともに、全体の出力電力を維持すること。
• 実時間制御が可能となる実用的な戦略を、最適化されたローター回転速度とピッチ角設定を用いて開発すること。
• 風力発電所が系統慣性に貢献し、周波数の最小値を遅らせることが、運用効率を損なわずに行えるかどうかを検証すること。

提案手法

• 風力発電所を1つの協調制御ユニットとしてモデル化し、静的ウェークモデルを用いてタービン間のウェーク効果をシミュレートする。
• 発電出力およびウェーク制約を満たす条件下で、タービンローターに蓄えられる運動エネルギーの合計を最大化する制約付き非線形最適化問題を定式化する。
• パターン探索法を用いて最適化問題を解き、上流タービンの最適なローター回転速度とピッチ角を特定する。
• 特定の上流タービンを負荷軽減することで余剰な運動エネルギーを蓄え、周波数低下時にそのエネルギーを放出する戦略を採用する。
• 銅板モデルを用いて系統周波数ダイナミクスを表現し、同期発電機と風力タービンを備えた簡易テストシステムを用いて時間領域シミュレーションを実施する。
• ベースケース（負荷軽減なし）と、5%および10%の負荷軽減量（DM）を想定した2つの負荷軽減シナリオの3つのケースで制御戦略を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 風力発電所内でのウェーク相互作用を活用することで、全体の効率を損なわず、上流タービンの負荷軽減を可能にすることができるか？
• RQ2 ローター回転速度とピッチ角の協調制御により、風力タービンローターに蓄えられる運動エネルギーはどの程度増加するか？
• RQ3 発電出力喪失発生時における最適化された負荷軽減戦略が、系統周波数応答に与える影響は何か？
• RQ4 蓄えられた運動エネルギーを注入することで、風力発電所は系統周波数の最小値を遅らせることができるか？その遅れはどの程度持続するか？
• RQ5 異なる負荷軽減量が、周波数の最小値および過大応答（over-shoot）に与える影響は何か？

主な発見

• 提案戦略により、上流タービンの負荷軽減によって風力タービンローターに蓄えられる運動エネルギーが増加し、一次周波数制御に貢献可能となる。
• 5%の負荷軽減量（DM）を用いることで、ベースケースと比較して系統周波数の最小値が約15秒遅れる。
• 10%のDMでは、周波数の最小値が最大30秒遅れることが確認され、顕著な慣性支援能力を示している。
• 負荷軽減ケースでは、発電出力喪失直後、蓄えられた運動エネルギーの急速な注入により周波数が一時的に上昇する傾向が見られ、過大応答の可能性を示唆している。
• 異常発生時、負荷軽減タービン（WT1–WT4）のローター回転速度が著しく低下しており、運動エネルギーの放出が確認された一方、負荷軽減を行わないタービン（WT5）は一定回転速度を維持した。
• すべてのケースにおいて風力発電所の全体出力電力はほぼ変化せず、負荷軽減を行っても戦略が効率を損なわないことを示している。