成果報告書詳細
管理番号20090000000094
タイトル平成15年度-平成19年度成果報告書 風力発電電力系統安定化等技術開発 蓄電システム
公開日2009/8/26
報告書年度2003 - 2007
委託先名電源開発株式会社
プロジェクト番号P03039
部署名新エネルギー技術開発部 系統連系技術グループ
和文要約多数の風力発電機を有するウィンドファーム(以下WFという)に蓄電池システムの併設を想定した、短周期側(数秒から数十分程度以下)の出力変動を平滑化させるための経済的システムを構築することめざし、蓄電池システムの制御技術等を開発した。苫前ウインビラ発電所において、全発電出力の短周期側出力変動を平滑化する蓄電池システムを設計・製作・設置し、各種制御手法の確認試験等の実証試験を実施、理論とシミュレーションによる事前確認、試験結果の分析と、制御の有効性の確認および平滑化効果の特性把握の精度向上のための運転データの蓄積を図ることで、最小限の規模の蓄電池システムで最大限の平滑化性能を得ることを目的とした制御技術の開発とその効果の検証がなされた。次に、開発した制御を組合わせた総合制御による実証試験と、実運用を見据えた長期動作確認試験により同一の季節別パラメータセットで長期間安定して平滑化運転が実施できることを実証し、短周期出力変動平滑化用蓄電池システムの実証がなされた。これらの実証・検証から、開発した制御技術の信頼性確認と、効果の検証そして制御技術の実現可能性の実証という成果を得た。さらに、実証試験実施における運転実績に基づき得られた知見より、設置性、安全性、耐久性等を含め、設計・制御・建設の観点から蓄電池システムの運用面における各種留意事項の整理をし、蓄電池システムの設計・運用に関する情報を提供した。なお、実証試験装置設置地点を含む各計測地点(6WF)において、風況・気象、各風車発電機出力、WF出力について計測を複数年にわたり実施し、複数風車の組み合わせ効果によるウィンドファームでの出力変動の縮小効果(平滑化効果) 、季節ごとによる出力変動の違い、蓄電池規模を決定付けるような出力変動の抽出とその原因についての考察等WFの出力変動特性の分析を実施した。他に、制御技術の開発と効果の検証結果、各地点の計測の分析結果から、WFの蓄電システム併設による安定化効果について、出力変動の改善が明らかとなった。6WFの出力変動特性の分析と、シミュレーション分析に基づく蓄電池システムの適用の検討結果より、蓄電池の平滑化性能と基本運用特性の検討、平滑化性能と要求電池規模の感度解析を通じた絞込み、さらに電池規模が所与のものとした場合の年間運用シミュレーションによる確認の具体例を示した。これは蓄電池規模の検討手順のフロー図に提示されているもので、蓄電システムの設備容量と予想される平滑化性能の目安を、定格出力を超える蓄電池の出力要求値の発生確率で評価の上、提示している。 一連の実施結果より、6WFにおける出力変動特性の明確化と短周期出力変動平滑化用蓄電池システムの基本的な考え方の提示という成果を得たが、この成果は類似WFの抽出、蓄電池システム設計の参考となる。類似研究の調査結果からは、実用WFに蓄電池を併設し比較的短周期の出力変動を抑制する実証試験を行っている例は見当たらず、本事業の先行性が確認された。また、各国における風力発電を取り巻く動向、電力系統に及ぼす影響の評価事例、影響に対する蓄電技術以外の変動対策技術も含め調査し、それらと本事業との整合性を、風力発電電力の系統影響対策を比較する評価軸の作成等で本事業の位置づけを明確にした結果、本事業は、系統容量が比較的小さいなかで風力発電の導入拡大を図っていくという日本独自の問題に対し、独自に有益な研究を行っており、本事業の成果は、国内外において電力貯蔵装置を風力発電の系統影響緩和対策として検討する際に有用な情報になると考えられる。
英文要約1. Introduction The purpose of this study is to show that a Battery Energy Storage (BES) system is an effective option in smoothing output fluctuation of a wind farm through demonstration tests and simulation studies. This report describes results of this study from fiscal year 2006 to 2007. Please refer to the 2003-2005 report for the detailed results of this study from fiscal year 2003 to 2005. 2. Installation of the Test Facility and measurement systems We selected Tomamae Winvilla Power Station as a demonstration test site. We constructed a building to contain battery and a power conditioner, and installed Redox-flow battery system for smoothing output fluctuation of the wind farm. In 2003, we installed measurement systems at the three wind farms, and in 2006, we installed measurement systems at the additional three wind farms. 3. Operation of Test Facility and Analysis of the Data About :(a)Smoothing performance of the BES for the wind farm power output (b)Effectiveness of the SOC-FC (controlling a state of charge)(c)Effectiveness of Battery Bank Control (reducing loss)(d)Effectiveness of Time Constant Shift Control (keeping for stabilizing wind power)(e)Effectiveness of Integrated Control(f) Long term operation 4. Simulation Study  The aim of the study was to reveal effectiveness of the following new controls for a battery energy storage system (BES) through simulation: * State of Charge Feedback Control (SOC-FC) to maintain the state of charge of the battery within its proper range, * Battery Bank Control (BBC) to reduce loss of BES by changing the number of the battery banks and * Time Constant Shift Control (TCSC) to relax the request of charge or discharge for a BES in the case that the limiter in an AC-DC converter has worked. * Integrated Control to enhance smoothing performance of the BES by designing the three controls to work complementarily to each other. 5. Operational Simulation of the BES The aim of operational simulation was to reveal effectiveness of the BES at various wind farms. The following simulation was executed using data measured at the six wind farms. 6. Analysis of Fluctuation of Wind Farm Power Output Actual power output measured at the six wind farms was analyzed. Major results are as follows: (1) Power spectra and "maximum fluctuation" (i.e., difference between maximum and minimum outputs in a prespecified duration) of wind farm output showed that there were fair differences in the fluctuation characteristics of the six wind farms. (2) Comparison of characteristics of output fluctuation of wind turbines and that of a wind farm revealed that aggregating wind turbines output in a wind farm showed smoothing effects for the periods less than several hundred seconds. (3) Output fluctuation characteristics show fair variety in the six wind farms. For example, output fluctuation at Tomamae contains prominent spectra with the periods of some tens of minutes during late autumn and winter; the characteristics cause distinct features in operation patterns of BES at the wind farm. (4) Simulation studies showed that magnitude of BES output mostly became large when abrupt changes in wind speed occurred. The meteorological conditions in case of the abrupt changes were examined; the results showed that many of the abrupt changes were provoked by passage of a front line. 7. Investigation of Literatures on Related Activities In Denmark, Germany, and Spain, which countries already become high penetration level of wind power, they recognize that there are some problems to power systems, for example, transmission capacity congestion, lack of reserve power, disconnection of many wind power caused by transmission system fault. Although procurement of reserve power, reinforcement of power transmission capacity, the measures by the side of a wind turbine (output reduction, fault ride through, etc.) are considered as an option on the above-mentioned problem.
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