風力発電所向け集中監視システムソリューション

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株式会社アクレ

抽象的な：クリーンエネルギー源の一つである風力発電所の設置容量は、近年急速に増加しています。風力発電所は陸上風力発電所と洋上風力発電所に分けられます。一般的に、風力発電所は遠隔地に設置されており、設備が分散しており、過酷な環境にあります。そのため、運用・保守担当者が風力発電所の運用をより効率的に管理するためには、遠隔監視システムが必要です。

キーワード：風力発電所、集中監視システム、ボックストランス測定制御装置

1.風力発電所の電気設備

各発電セットの上部キャビンにはタービン発電機が装備されており、前端には調整可能なファンブレードがあります。このシステムは、さまざまな風況に応じてファンブレードの傾斜角度を調整できます。ファンブレードの一般的な回転速度は10〜15rpmポイントで、ギアボックスを介して1500rpmの速度に調整して発電機を駆動できます。機械室には、制御と関連データ収集用の産業用PLCも配置されています。風速、風向、回転速度、発電の有効電力と無効電力などの関連データはPLCを介して収集され、収集されたデータを使用して発電機がリアルタイムで制御されます。陸上では、風力タワーの下部にボックストランスが設置され、昇圧と収束の役割を担っています。電力と地理的条件に応じて、複数の風力タービンを一度に昇圧し、並列に接続して昇圧変電所に収束させます。電力を送電網に送ります。風力発電所の電気配線図を図1に示す。ファンから放出される電圧は通常0.69kVで、箱型変圧器によって10kVまたは35kVに昇圧される。複数の並列合流後、昇圧変電所の低圧側母線に接続され、主変圧器によって110kV以上に昇圧されて電力網に送電される。

陸上風力発電とは異なり、洋上風力発電は環境が厳しい（高湿度、高塩分濃度）ため、一次昇圧用の乾式変圧器を通風ファンのエンジンルームに統合することで、ユニット全体の設置面積の問題を解決するだけでなく、変圧器を低い位置に取り付けることによって生じる保護の難しさも回避します。

図1 風力発電所の電気配線の概略図

2. 風力発電所の保護・計測・制御機器

風力タービンの発電 - ブースターボックス変圧器 - 合流点 - ブースターステーション中電圧バスバー - 主変圧器 - ブースターステーション高電圧バスバー - 高電圧コンセント - 系統接続まで、中間部は系統に統合される前に2回昇圧する必要があります。電力網には多数の電気機器があり、どのリンクでも故障が発生すると、風力発電所の正常な運転に影響を及ぼします。そのため、風力発電所のすべてのリンクに保護および計測制御装置を設置し、風力発電所の運転状況を総合的に監視する必要があります。図2は、風力発電所の保護および計測制御装置の構成図である。

図2 風力発電所の保護計測制御装置の構成図

2.1 ボックストランス測定制御装置

陸上風力発電所では、線路損失を低減するため、通常、風力タービンの横に0.69/35(10)kVボックス型昇圧ステーションを設置します。風力発電所内の風力タービン間の距離は数百メートルあり、中央制御室からも遠く離れています。昇圧変圧器は野外に設置されており、自然環境も比較的厳しいため、人手による点検は困難です。ボックス型変圧器計測制御装置は、風力発電所監視システムの中核部分であり、ボックス型変圧器のインテリジェント管理を実現します。ボックスステーション計測制御装置は、風力発電ボックスステーションを保護し、遠隔監視することで、「遠隔信号、テレメトリ、遠隔制御、遠隔調整」などの機能を十分に実現し、風力発電所の運用・保守効率を大幅に向上させます。

図3 風力発電所ボックスステーション計測制御装置

AM6-PWCボックス型変圧器保護計測制御装置は、風力発電および太陽光発電用昇圧変圧器のさまざまな要件に対応する保護、計測制御、通信機能を統合した装置です。機能構成は下表のとおりです。

2.2 低電圧側線路およびバスバー保護の測定と制御

複数の風力タービンをまず35（10）kVに昇圧し、並列に接続して昇圧変電所の低圧側母線に接続する回路を形成する。 。 包括的な監視を実現するために、線路には線路保護装置、多機能計測・制御機器、電力品質監視装置、無線温度測定装置が装備されており、線路の電気保護、計測、温度のリアルタイム監視を実現し、低圧側母線にはアーク保護装置が装備されている。

表1 低圧側ライン、バスバー保護測定および制御構成

2.3 主変圧器保護測定と制御

風力発電は低圧側母線に合流した後、主変圧器を介して110kVに昇圧され、系統に接続されます。主変圧器には、差動保護、高電圧バックアップ保護、低電圧バックアップ保護、非電気保護、計測制御装置、変圧器温度制御装置、ギアトランスミッターなどが搭載されており、主変圧器の保護、計測、制御機能、および集中型グループスクリーン設置を実現します。

表2 主変圧器保護測定および制御構成

2.4 高電圧線路保護の測定と制御

風力発電所で発電された電力は、110kVまで2回昇圧され、電力網に投入されます。110kV送電線には、光ファイバ差動保護、距離保護、単独運転防止、計測制御装置などが備えられています。

表3 110kV線路保護測定および制御構成

3.風力発電所監視システム

風力発電所監視プラットフォームは、風力発電所の稼働状況や風力タービンのリアルタイムデータの監視、制御、管理を実現し、風力発電所の信頼性と運用効率を向上させ、メンテナンスコストを削減し、インテリジェントな管理を実現します。

風力発電所は比較的広大な面積をカバーし、設備も分散しているため、システムにはデータ通信の信頼性とリアルタイム性に対する要求が比較的高い。条件が許せば、光ファイバー冗長リングネットワークを用いてデータ収集と通信を行うことができ、LORA無線方式を用いてデータ伝送を行うことも可能である。

図4 風力発電所監視システム図

送風機ユニットPLCおよびボックストランス計測制御装置のデータは、光ファイバーリングネットワークを介して制御室のデータサーバーにアップロードされ、ブースターステーションの総合自動化システムのデータは、イーサネットを介してデータサーバーにアップロードされます。トランスミッター、DCシステム、その他のスマートデバイスは通信管理機に接続され、サーバーにデータをアップロードします。

3.1 風力発電所の監視

風力発電所のドラフトファン全体の基本パラメータ（風速、電力、回転数などを含む）を総合的に表示し、日次発電量、月次発電量、年次発電量の監視を実現し、ドラフトファンの動作状況をリアルタイムで監視するのに便利です。

3.2 乗組員の監視

ピッチ、ヨー、ギアボックス、発電機、油圧ステーション、エンジンルーム、コンバータ、電力網、安全チェーン、トルク、メインシャフト、タワーベース、風速計など、ユニット内の各制御モジュールのパラメータと制御状態を監視します。各モジュールのパラメータ、障害、トレンドグラフを包括的に表示します。

3.3 リアルタイムデータ表示

風力発電所の通風ファン、変電所などの設備にはセンサーと監視装置が装備されており、設備の動作電気データ、温度、振動などのパラメータをリアルタイムで収集し、異常が発生した場合にはタイムリーに警告を発することができます。

3.4 電源管理

有効および無効パラメータの表示、有効および無効電力の制御と調整などの機能により、企業の運用コストを効果的に削減し、省エネと排出削減の目標にデータサポートを提供できます。

3.5 生産報告

風力発電量、風力発電所の性能指標、単位新エネルギーなどの重要なパラメータの表示・報告機能を備え、時間軸（日、月、年）に基づいた各風力発電所設備の稼働統計をサポートします。日、月、年などの検索方法に応じて、重要なパラメータを項目ごとに分類・集計し、レポートを生成します。

3.6 統計分析

多様な統計分析機能をサポートし、データの潜在価値を最大限に活用し、省エネ最適化ソリューションを提供し、経営者に意思決定の基盤を提供し、企業の経営レベルを現実的な方法で向上させ、最終的には省エネ、排出削減、そして科学的な生産という目標を達成します。分析手法には、故障統計、電力曲線、可用性統計、風配図、風速電力レポート、月次および日次利用率およびダウンタイム統計などが含まれます。

参考文献:

[1] Acrelエンタープライズマイクログリッド設計およびアプリケーションマニュアル。バージョン2022.05