過去 10 年間、米国では風力エネルギーの成長が急速に進んでいます。世界の CO2 を削減するには、再生可能エネルギー源への転換が必要ですが、 放出、風力エネルギーの間欠性は、対処すべき一連の新しい課題を生み出します。具体的には、風力発電所の電力出力は安定しておらず、風速の変動に応じて変動し、その変動は数か月から数分の範囲に及びます。
送電網は少量の変動する電力生産のみを処理するように設計されているため、この問題の処理はますます難しくなり、風力発電所が建設され、より大規模になります。この間欠性は現在、風力の減少期間を主に天然ガス発電所からのエネルギー生産の増加で埋めることで緩和されています。天然ガス発電所は、石炭や石油よりもクリーンですが、依然として CO2 の重要な発生源です。
バーモント大学の研究者チームは、次世代の送電網の公共政策、行動、および技術的側面に対処することを目的とした、全米科学財団が資金提供するより大きなプログラムの一環として、この断続性の問題に対処するために取り組んできました。彼らは、より高度な制御システムを使用することで、風力発電所がより安定した、より制御可能な電力入力を送電網に供給できるようになると考えています。 Journal of Wind Energy に最近発表された研究で、チームは、風力発電所の電力変動を最小限に抑えながら、生成されるエネルギーを最大化するように機能する風力発電所コントローラーに対する複数の時間スケールの影響を調べました。
モデル予測制御を使用して風力タービンを最大化
従来のウィンド ファーム制御技術は、比例積分微分 (PID) コントローラーによって個々の風力タービンのエネルギー出力を最大化することに重点を置いています。これらのシステムは、隣接する風力タービンによって生成されるエネルギーを考慮に入れることも、風速が将来どのように変化するかを考慮することもできません。これらの従来の制御手法の代わりに、研究チームはモデル予測制御 (MPC) と呼ばれる手法を採用することを選択しました。 MPC 技術には、複数の目的を処理し、タイム ホライズンをソリューションに組み込む機能があり、複数の風力タービンによって生成される瞬時電力の両方を単一のコントローラーで考慮して、予測に基づく風力発電所の電力生産の変化を考慮することができます。将来の風速がどのように変化するか
チームは最初に、風力発電所からの電力変動が、突風が 1 つのタービンから下流のタービンに移動するのにかかる時間と、変動する突風の支配的な周波数の比率に大きく依存することを発見しました。この比率の特定の値では、個々のタービンからの電力出力が建設的な干渉を引き起こし、単一のタービンよりも大きな農場レベルの電力変動につながります。他の値では、個々のタービン出力が破壊的な干渉を引き起こし、農場レベルの電力変動が個々のタービンからの変動よりも大幅に小さくなります。
次に、チームは、風力発電所からの電気エネルギー出力を最大化し、電力変動を最小限に抑えるように同時に機能する風力発電所コントローラーが、風速が今後どのように変化するか。これらの電力削減を達成するために使用される方法は、コントローラー内の目的関数の形式に敏感でした。電力変動の時間導関数を最小化するように目的関数が定式化されている場合、コントローラーは個々の風力タービンの電力曲線を平滑化します。目的関数が、平均電力出力に対するファーム電力の分散を最小化するように定式化された場合、コントローラーは、個々の風力タービン間の建設的および破壊的な干渉効果を利用して、ファーム電力の合計を平滑化しました。
この研究の結果は、モデル予測制御技術が、風力発電所をより信頼性が高く制御可能な発電資源にする可能性を秘めていることを示しています。効果的なコントローラーを設計するには、風力発電所に含まれるさまざまな時間スケールの影響を理解することが重要です。風速予測の方法と、風力発電所のコントローラーに使用される数学的モデルの改善は、風力発電所から生成されるエネルギーの量が増えるにつれて、この技術を信頼性が高く実用的なものにする上で重要な役割を果たします。
この研究、非線形モデル予測制御を使用した風力発電所の電力変動に対するタイムスケールの影響は、Wind Energy 誌に最近掲載されました。 .
