CN101395369A - 风力发电系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种风力发电系统，具备：风车转子，包括桨距角可变的叶片；发电机，由风车转子驱动；和控制装置，根据风车转子或发电机的转速(ω)来控制发电机的输出功率和叶片的桨距角。控制装置，在转速(ω)增大直至达到规定额定转速之间，进行按规定功率―转速曲线控制输出功率的第1控制，在转速(ω)超过额定转速时，进行将输出功率控制成规定的额定功率的第2控制，控制装置，一旦被设定成进行第2控制的状态后，在转速(ω)比额定转速小时，根据桨距角，维持进行第2控制的状态，或迁移至进行第1控制的状态。这样，即便发生瞬时无风，也不易引起输出功率的变动和发电效率的降低。

Description

风力发电系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种风力发电系统及其控制方法，特别涉及一种采用可变速可变距控制方式的风力发电系统的输出功率和桨距角控制。
背景技术
作为风力发电系统的一个有力的控制方式，是风车转子的转速(即发电机的转速)可变、且叶片的桨距角可变的可变速可变距控制方式。可变速可变距控制方式具有以下优点：可以更多地从风中取得能量，且输出变动小。
对于可变速可变距控制方式，优化发电机的输出功率和叶片的桨距角是很重要的。特表2001-512804号公报，公布了一种通过磁场取向控制来控制发电机的转矩，而另一方面独立于发电机转矩而控制桨距(pitch)角的控制方法。在公开的控制方法中，发电机的目标输出功率根据发电机的转速，用查找表格(look up table)来决定，发电机的转矩指令由该目标输出功率决定。发电机的转矩根据该转矩指令，由磁场取向(orientation)控制来控制。而叶片的桨距角，被按照基于发电机的转速与目标转速的偏差的PID控制、PI控制或PD控制来控制。
风力发电系统的控制中的一个问题是，针对发生瞬时无风(transientwind null)的情况，即风速短时间降低的情况的对策。风力发电系统，一般被设计成当风车转子的转速为额定转速以上时产生额定功率。对于这种风力发电系统，如果发生瞬时无风、风车转子的转速小于额定转速的话，输出功率就会小于额定功率。这会导致输出功率的变动和发电效率的降低。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供一种即便发生瞬时无风也不易引起输出功率变动和发电效率降低的风力发电系统。
根据本发明的风力发电系统具备：风车转子，包括桨距角可变的叶片；发电机，由风车转子驱动；和控制装置，根据风车转子或发电机的转速(ω)来控制发电机的输出功率和叶片的桨距角。控制装置，在从转速(ω)增大直至达到规定额定转速之间，进行按规定的功率—转速曲线进行控制输出功率的第1控制，在转速(ω)超过额定转速时，进行将输出功率控制成规定额定功率的第2控制，控制装置在一旦被设定成进行第2控制的状态后，转速(ω)比额定转速小时，就根据桨距角，维持进行第2控制的状态，或迁移至进行第1控制的状态。这里，所谓的桨距角，是指叶片的翼弦与转子旋转面的成角。也就是说，如果桨距角小，风车转子就会从风中取得更多的能量，如果桨距角大，风车转子就会从风中取得更少的能量。
这样构成的风力发电系统中，在风速仅下降短时间的情况下，可以利用风车转子的旋转能量来抑制输出功率的变动。这是由于本发明的风力发电系统中，在上述转速(ω)比上述额定转速小的情况下，输出功率被根据叶片桨距角维持为规定的额定功率的缘故。在判断为是可以根据叶片桨距角将输出功率维持在规定的额定功率的状态的情况下，通过将输出功率维持在额定功率，风车转子的旋转能量就会被有效取出，可以抑制输出功率的变动和发电功率的下降。
控制装置，一旦被设定成进行第2控制的状态后，在转速(ω)比额定转速小、桨距角比规定桨距角大的情况下，优选维持进行第2控制的状态，在桨距角到达规定桨距角之后才迁移至进行第1控制的状态。
控制装置，优选根据风车转子或发电机的转速(ω)与规定的额定转速之差、以及输出功率与额定功率之差，来控制上述桨距角。在这种情况下，控制装置，在输出功率比额定功率小的情况下，优选控制桨距角使桨距角减少。控制装置在检测出阵风的情况下，优选按照所述转速(ω)使发电机的输出功率增加。
此外，该风力发电系统还包括：旋转机构，使风车转子的旋转面的朝向旋转；和风向检出器，检出迎风方向。在风车转子包括驱动叶片的桨距驱动机构的情况下，控制装置在检测出桨距驱动机构的故障时，优选对旋转机构进行控制，使风车转子的旋转面从迎风方向退避。
优选控制装置根据与发电机连接的电力系统的电压，来控制由发电机输出到电力系统的无功功率，且根据无功功率来控制桨距角。
该风力发电系统还具备：备用电池；和使用从电力系统接受到的电力对备用电池充电的充电装置。风车转子包括驱动叶片的桨距驱动机构，备用电池在与发电机连接的电力系统的电压降低时，向桨距驱动机构和控制装置提供电力，在这种情况下，控制装置在备用电池被充电期间，优选对输出功率进行控制，使输出功率增加。
根据本发明的风力发电系统的控制方法中，风力发电系统包括：包括桨距角可变的叶片的风车转子、和由风车转子驱动的发电机。该控制方法具备根据风车转子或发电机的转速(ω)，来控制发电机的输出功率和叶片的桨距角的控制步骤。上述控制步骤包括：(A)在从上述转速(ω)增大直至达到规定额定转速之间，进行按规定的功率—转速曲线控制输出功率的第1控制的步骤，(B)在上述转速(ω)超过上述额定转速时，进行将上述输出功率控制成规定的额定功率的第2控制的步骤，(C)在一旦被设定成进行上述第2控制的状态后，在上述转速(ω)比上述额定转速小时，根据上述桨距角，维持进行上述第2控制的状态，或迁移至进行上述第1控制的状态的步骤。
根据本发明，可以提供一种即便发生瞬时无风也不易引起输出功率变动和发电效率降低的风力发电系统。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施例的风力发电系统的构成的侧面图。
图2是表示本实施例的风力发电系统的桨距驱动机构的构成框图。
图3是表示本实施例的风力发电系统的构成框图。
图4是表示在本实施例的风力发电系统中所进行的功率控制方法的图线。
图5是表示一例本实施例的风力发电系统的主控制装置的构成框图。
图6是说明本实施例的风力发电系统的功率控制部和桨距控制部的动作的表。
图7是表示一例本实施例的风力发电系统的动作的图线。
图8是表示本实施例的风力发电系统的另一个构成框图。
图9是在本实施例的风力发电系统中进行的最佳的控制流程图。
图10是在本实施例的风力发电系统中进行的另一个最佳的控制流程图。
图11是在本实施例的风力发电系统中进行的又一个最佳的控制流程图。
图12是在本实施例的风力发电系统中进行的又一个最佳的控制流程图。
具体实施方式
以下，参照附图，对根据本发明的风力发电系统进行详细说明。
图1是表示本发明一实施例的风力发电系统1的构成的侧面图。风力发电系统1具备：塔2；和设于塔2上端的吊舱(nacelle)3。吊舱3可以在调向(yaw)方向上旋转，它被吊舱旋转机构4设置在所要的方向上。吊舱3上搭载有绕组感应发电机5和齿轮6。绕组感应发电机5的转子通过齿轮6与风车转子7接合。吊舱3上还设有风速计10。风速计10测定风速和风向。如后所述，吊舱3根据风速计10测定的风速和风向旋转。
风车转子7具备：叶片8；和支撑叶片8的轮毂9。叶片8被设置成其桨距角可以改变。具体而言就是，如图2所示，轮毂9中容纳了驱动叶片8的油压气缸11；和对油压气缸11提供油压的伺服阀12。供给油压气缸11的油压被伺服阀12的开度控制，由此，叶片8就会被控制成所要的桨距角。
图3是表示风力发电系统1的详细的构成框图。本实施例的风力发电系统1，是双馈变速风力电机系统(doubly-fed variable speed wind turbinesystem)的一种，即本实施例的风力发电系统1按以下方式构成：绕组感应发电机5产生的功率可以从定子绕组和转子绕组双方向电力系统13输出。具体而言就是，对于绕组感应发电机5，其定子绕组直接与电力系统13连接，转子绕组通过AC-DC-AC转换器17与电力系统13连接。
AC-DC-AC转换器17，由有源整流器14、DC总线15和逆变器16构成，它将转子绕组接受到的交流电转换成适于电力系统13频率的交流电。有源整流器14将转子绕组产生的交流电转换成直流电，将该直流电向DC总线15输出。逆变器16，将从DC总线15接收的直流电转换成频率与电力系统13相同的交流电，将该交流电向电力系统13输出。绕组感应发电机5输出到电力系统13的输出功率，被有源整流器14和逆变器16控制。
AC-DC-AC转换器17，具有将从电力系统13接收的交流电转换成适于转子绕组频率的交流电的功能，还被用于根据风力发电系统1的运转情况来对转子绕组进行激励。在这种情况下，逆变器16将交流电转换成直流电，将该直流电向DC总线15输出。有源整流器14将DC总线15接收的直流电转换成适于转子绕组频率的交流电，将该交流电供给绕组感应发电机5的转子绕组。
风力发电系统1的控制系统由PLG(pulse logic generator)18、主控制装置19、电压/电流传感器20、转换器驱动控制装置21、桨距控制装置22和调向控制装置23构成。
PLG18，测定绕组感应发电机5的转速ω(下称为“发电机转速ω”)。电压/电流传感器20，被设于将绕组感应发电机5连接在电力系统13的电力线上，它测定电力系统13的电压Vgrid(系统电压)和从绕组感应发电机5向电力系统13输出的输出电流Igrid。
主控制装置19，响应由PLG测定的发电机转速ω，生成有功功率指令P*、无功功率指令Q*和桨距角指令β*，进一步根据风速计10测定的风速和风向，生成调向指令。如后详述的那样，本实施例的风力发电系统1的特征之一，在于生成有功功率指令P*和桨距角指令β*的控制算法。
转换器驱动控制装置21，响应有功功率指令P*、无功功率指令Q*，控制输出到电力系统13的有功功率P和无功功率Q。此外，还控制有源整流器14和逆变器16的功率变压器的开闭。具体而言就是，转换器驱动控制装置21，根据电压/电流传感器20测定的电力系统13的电压Vgrid和输出电流Igrid，计算出输出到电力系统13的有功功率P和无功功率Q。进而，转换器驱动控制装置21根据有功功率P与有功功率指令P*之差以及无功功率Q与无功功率指令Q*之差，生成用来进行PWM控制的PWM信号，将生成的PWM信号向有源整流器14和逆变器16提供。由此，输出到电力系统13的有功功率P和无功功率Q就得到控制。
桨距控制装置22，响应主控制装置19发送的桨距角指令β*，控制叶片8的桨距角β。叶片8的桨距角β，被控制成与桨距角指令β*一致。调向控制装置23，按照主控制装置19发送的调向指令，控制吊舱旋转机构4。吊舱3，被设置为朝向调向指令指示的方向。
连接电力系统13和绕组感应发电机5的电力线，与AC/DC转换器24连接。该AC/DC转换器24，根据从电力系统13接收到的交流电生成直流电，将该直流电向风力发电系统1的控制系统，特别是用来控制叶片8和桨距角β的伺服阀12、主控制装置19和桨距控制装置22提供。
另外，为了向伺服阀12、主控制装置19和桨距控制装置22提供稳定的直流电，在风力发电系统1中设有包括充电装置27和备用电池28的不间断电源系统26。根据风力发电系统的规格要求，即便是系统电压Vgrid下降的情况，也需要维持绕组感应发电机5与电力系统13连接的状态。为此，即便在电力系统13的电压下降的情况下，也需要对叶片8的桨距角进行适当的控制，从而使绕组感应发电机5的转速维持在所要的数值上。为了满足这种要求，在系统电压Vgrid降低至规定的电压的情况下，不间断电源系统26通过开关25，与伺服阀12、主控制装置19和桨距控制装置22连接，电力从备用电池28提供到伺服阀12、主控制装置19和桨距控制装置22。由此，叶片8的桨距角控制得到维持。备用电池28与充电装置27连接。充电装置27通过AC/DC转换器24供给的直流电对备用电池充电。
本实施例的风力发电系统1的特征之一在于，优化绕组感应发电机5的输出功率P的控制。图4是表示有功功率指令P*与绕组感应发电机5的转速ω之间关系的图线，表示本实施例的风力发电系统1所进行的输出功率P的控制方法。
在发电机转速ω小于最小转速ωmin的情况下，绕组感应发电机5的有功功率指令P*被控制为0。所谓最小转速ωmin，是由绕组感应发电机5发电的最小的转速，由风力发电系统1的特性决定。在发电机转速ω大于最小转速ωmin的情况下，有功功率指令P*，按照从以下2种模式：最佳曲线控制模式和额定值控制模式之中选择一个的控制模式来控制。
在最佳曲线控制模式中，有功功率指令P*被控制成与下式定义的最佳电力值Popt一致。
Popt＝Kω3    …(1)
K是规定的常数。已知对风力发电系统1来说，最佳的控制是输出功率与发电机转速的3次方成比例，在第1控制模式中，输出功率P被控制成与绕组感应发电机5的发电机转速ω的3次方成比例。对于最佳曲线控制模式，主要用于发电机转速ω比最小转速ωmin更大、比额定转速ωmax更小的范围。这里，所谓额定转速ωmax，是绕组感应发电机5恒定运转的转速。发电机转速ω，通过叶片8的桨距角控制，(尽可能地)被控制成额定转速ωmax。
另一方面，在额定值控制模式中，输出功率P与额定功率Prated一致。额定值控制模式中，主要用于发电机转速ω在额定转速ωmax以上的范围。在以额定风速吹风的恒定状态下，发电机转速ω被控制成为额定转速ωmax，另一方面，输出功率P被控制成额定功率Prated。
本实施例的风力发电系统1的重要特性在于，按照叶片8的桨距角β，进行从额定值控制模式至最佳曲线控制模式的迁移。在发电机转速ω增加且达到额定转速ωmax的情况下，功率控制会无条件地从最佳曲线控制模式迁移至额定值控制模式。另一方面，在发电机转速ω减少且小于额定转速ωmax的情况下，首先桨距角β被减少，然后在桨距角β变为最小值βmin后，功率控制才从额定值控制模式被迁移至最佳曲线控制模式。也就是说，有功功率指令P*从额定功率Prated被切换成最佳电力值Popt。换言之，只要桨距角β不达到最小值βmin(即只要桨距角指令β*不达到最小值βmin)，有功功率指令P*就被维持在额定功率Prated上。所谓桨距角β，是叶片8的翼弦与转子旋转面的成角，所以，希望留意的是，所谓的桨距角β为最小值βmin的意思是，桨距角β被设定为fine侧(小桨距侧)的边界值，风车转子7的输出系数为最大的情况。
直至桨距角β达到最小值βmin，将输出功率P维持在额定功率Prated的控制，在发生瞬时无风的情况下，有利于抑制输出功率的变动，进一步防止发电效率的降低。在上述的控制中，即便发电机转速ω比额定转速ωmax小，只要其只持续了较短时间，则有功功率指令P*就被维持在额定功率Prated上，由此，输出功率P的变动得到抑制。再有，对于本实施例的风力发电系统1，在发电机转速ω比额定转速ωmax小时，风车转子7的输出系数因桨距角β的减少而增大后，输出功率P才从额定功率Prated开始减少，所以风车转子7的旋转能量被有效灵活地运用，可以有效提高发电效率。
但是，在发电机转速ω比中间转速ωM(＝(ωmin+ωmax)/2)小的情况下，与桨距角β(或者桨距角指令β*)无关，功率控制被从额定值控制模式切换为最佳曲线控制模式。在发电机转速ω过小的情况下，为了保持控制的稳定性，最好不要将输出功率P维持在额定功率Prated。
图5是表示用来实现图4所示的控制的主控制装置19的构成的例子的框图。希望留意的是：图5只不过是表示主控制装置19的构成的一例，主控制装置19可以通过硬件、软件以及硬件和软件的组合的任意一个来实现。主控制装置19包括：生成有功功率指令P*和无功功率指令Q*的功率控制部31；和生成桨距角指令β*的桨距控制部32。
功率控制部31包括：选择器33、减法器34、PI控制部35、功率限制部36、和电力设定计算部37。另一方面，桨距控制部32包括：减法器38、PI控制部39、减法器40、PI控制部41和加法器42。选择器33、减法器34、PI控制部35、功率限制部36、电力设定计算部37、减法器38、PI控制部39、减法器40、PI控制部41和加法器42，与用于主控制装置19的时钟同步，分别执行运算步骤，由此，有功功率指令P*、无功功率指令Q*和桨距角指令β*被生成。
具体而言就是，选择器33响应发电机转速ω，将最小转速ωmin与额定转速ωmax的其中一方，选择作为功率控制转速指令ωP *。更具体而言就是，选择器33在发电机转速ω处于中间转速ωM以下的情况下，将功率控制转速指令ωP *设定成最小转速ωmin，在发电机转速ω大于中间转速ωM的情况下，将功率控制转速指令ωP *设定成额定转速ωmax。
减法器34，从发电机转速ω减去功率控制转速指令ωP *来计算出偏差ΔωP。PI控制部35，按照偏差ΔωP进行PI控制，生成有功功率指令P*。其中，被生成的有功功率指令P*的范围，被功率限制部36提供的功率指令下限Pmin和功率指令上限Pmax限制。即，有功功率指令P*，被限制为功率指令下限Pmin以上、功率指令上限Pmax以下。
功率限制部36，按照发电机转速ω和桨距角指令β*，决定PI控制部35提供的功率指令下限Pmin和功率指令上限Pmax。功率限制部36还进一步向桨距控制部32的减法器40提供额定功率Prated。如后所述，通过适当决定由功率限制部36生成的功率指令下限Pmin、功率指令上限Pmax和由上述的选择器33决定的功率控制转速指令ωP *，图4所示的功率控制得到执行。
电力设定计算部37，根据PI控制部35生成的有功功率指令P*和风力发电系统1输出的指定交流电的功率因数的功率因数指令，生成无功功率指令Q*，输出有功功率指令P*和无功功率指令Q*。如上所述，有功功率指令P*和无功功率指令Q*，被用于风力发电系统1输出的有功功率P和无功功率Q的控制。
另一方面，桨距控制部32的减法器38，从发电机转速ω减去桨距控制转速指令ωβ *计算出偏差Δωβ。桨距控制转速指令ωβ *，与额定转速ωmax一致，因此，偏差Δωβ表示发电机转速ω与额定转速ωmax之差。
PI控制部39，根据偏差Δωβ执行PI控制，生成桨距角指令基础值βin *。桨距角指令基础值βin *，以最终生成的桨距角指令β*为主来进行支配，不会与桨距角指令β*完全一致。桨距角指令基础值βin *通过以下方式决定：使发电机转速ω被控制成额定转速ωmax。
减法器40，从有功功率指令P*减去额定功率Prated生成偏差ΔP，PI控制部41根据偏差ΔP进行PI控制，生成修正值Δβ*。加法器42，将桨距角指令基础值βin *与修正值Δβ*相加，来生成桨距角指令β*。
桨距控制部32的减法器40和PI控制部41，在发电机转速ω增至额定转速ωmax、功率控制由最佳曲线控制模式切换成额定值控制模式时，具有以下作用：抑制桨距控制部32在功率控制中受到不希望的干扰。桨距控制部32的PI控制部39，要将发电机转速ω调整成额定转速ωmax。为此，有时应作为电力输出的空气动能不得已被丢弃。因此，在本实施例中，PI控制部41根据额定功率Prated与有功功率指令P*的差来生成修正值Δβ*，桨距角指令β*被该修正值Δβ*修正。修正值Δβ*在有功功率指令P*小于额定功率Prated的情况下，即偏差ΔP(＝P*-Prated)为负时，按以下方式决定：使桨距角指令β*比桨距角指令基础值βin *小，即，使桨距角β变为靠向fine侧。通过这种控制，桨距角β被抑制在处于feather侧(顺桨侧)，直至发电机转速ω刚刚达到额定转速ωmax。发电机转速ω在达到额定转速ωmax之后，偏差ΔP变为0，修正值Δβ*也变为0。
图6是表示主控制装置19的功率控制部31和桨距控制部32的动作的表。以下，功率控制部31和桨距控制部32的动作，被分为以下的5种情况说明。
情况(1)：发电机转速ω为最小转速ωmin以上、中间转速ωM(＝(ωmin+ωmax)/2)以下的情况
在这种情况下，功率控制转速指令ωP *，被选择器33设定为最小转速ωmin，另外，功率指令下限Pmin和功率指令上限Pmax分别被设定为0、Popt(＝Kω3)。此外，由于偏差ΔωP(＝ω—ωmin)为正，且进行使发电机转速ω变为额定转速ωmax的控制，所以有功功率指令P*总是紧贴功率指令上限Pmax。由于功率指令上限Pmax是Popt，所以，作为结果，有功功率指令P*就被设定为最佳电力值Popt。换言之，功率控制被设定成最佳曲线控制模式。在这种情况下，桨距角指令β*由桨距控制部32控制，使得发电机转速ω变成为额定转速ωmax，所以，作为结果，桨距角指令β*就被设定成fine侧的边界值，即最小桨距角βmin。
情况(2)：发电机转速ω超过中间转速ωM，由此被设定成比中间转速ωM大且比额定转速ωmax小的范围的情况
在这种情况下，功率控制转速指令ωP *，被选择器33设定成额定转速ωmax，另外，功率指令下限Pmin和功率指令上限Pmax被分别设定成Popt、Prated。在这种情况下，由于偏差ΔωP(＝ω—ωmax)为负，且发电机转速ω被桨距控制部32控制成额定转速ωmax，所以有功功率指令P*总是紧贴功率指令下限Pmin。由于功率指令下限Pmin是Popt，所以，作为结果，有功功率指令P*就被设定为最佳电力值Popt。换言之，功率控制被设定成最佳曲线控制模式。根据上述的修正值Δβ*对桨距角指令β*进行的修正，在情况(2)下有效发挥功能。在情况(2)中，由于有功功率指令P*比额定功率Prated小，所以，偏差ΔP为负，这样，修正值Δβ*也为负。因此，桨距角指令β*比桨距角指令基础值βin *小，也就是说，桨距角β更靠向fine侧。由此，空气动能被更有效地转换成电力。
情况(3)：发电机转速ω为额定转速ωmax以上的情况
在这种情况下，功率控制转速指令ωP *被选择器33设定成额定转速ωmax，功率指令下限Pmin和功率指令上限Pmax都被设定成Prated。这样，有功功率指令P*就被设定成额定功率Prated。换言之，功率控制被设定成额定值控制模式。另一方面，桨距角指令β*被PI制来控制，使得发电机转速ω变为额定转速ωmax。
情况(4)：发电机转速ω，由于比额定转速ωmax小，而被设定成比中间转速ωM大比额定转速ωmax小的范围，且桨距角β没有到达最小桨距角βmin的情况
在这种情况下，功率控制转速指令ωP *被选择器33设定成额定转速ωmax。另外，功率指令下限Pmin，被设定成前一运算步骤的有功功率指令P*和当前运算步骤的功率指令上限Pmax中较小的一方，功率指令上限Pmax被设定成额定功率Prated。其结果，有功功率指令P*被设定为额定功率Prated。换言之，即便比额定转速ωmax更小，功率控制也被维持为额定值控制模式。根据桨距角指令β*是否与最小桨距角βmin一致，判断桨距角指令β*是否到达最小桨距角βmin。另一方面，桨距角指令β*通过PI控制来控制，使得发电机转速ω变为额定转速ωmax。在情况(4)中，由于发电机转速ω比额定转速ωmax小，所以桨距角β被桨距控制部32减少。
情况(5)：发电机转速ω，由于比额定转速ωmax小，而被设定成比中间转速ωM大比额定转速ωmax小的范围，且桨距角β到达最小桨距角βmin的情况
在这种情况下，功率控制转速指令ωP *，被选择器33设定成额定转速ωmax，另外，功率指令下限Pmin和功率指令上限Pmax被分别设定成Popt、Prated。在这种情况下，由于偏差ΔωP(＝ω—ωmax)为负，且发电机转速ω被桨距控制部32控制成额定转速ωmax，所以有功功率指令P*总是紧贴功率指令下限Pmin。由于功率指令下限Pmin是Popt，所以，作为结果，有功功率指令P*被设定为最佳电力值Popt。换言之，功率控制从额定值控制模式被切换成最佳曲线控制模式。
图7是表示一例本实施例的风力发电系统1的动作的曲线图。从风力发电系统1的动作开始后，直至发电机转速ω到达额定转速ωmax为止，有功功率指令P*被设定为最佳电力值Popt(上述情况(2))。由此，被输出的有功功率P，随发电机转速ω的增加而增加。为了使发电机转速ω到达额定转速ωmax，桨距角指令β*被设定成最小桨距角βmin。
当发电机转速ω超过额定转速ωmax时，有功功率指令P*被设定为额定功率Prated(上述情况(3))。由此，被输出的有功功率P，就被维持在额定功率Prated。由于发电机转速ω超过了额定转速ωmax，所以，桨距角指令β*增加，桨距角β向feather侧移行。
如果发生瞬时无风，发电机转速ω就会急剧减小。桨距控制部32，要将发电机转速ω维持在额定转速ωmax，就要减少桨距角指令β*，从而减少桨距角β，即使其向fine侧移行。对于有功功率指令P*，即便发电机转速ω比额定转速ωmax小，只要桨距角β不到达最小桨距角βmin，就会被维持在额定功率Prated。因此，输出的有功功率P也被维持在额定功率Prated。
在图7的动作中，在桨距角β到达最小桨距角βmin之前，发电机转速ω再次回到额定转速ωmax，因此，有功功率P被维持在额定功率Prated。这样，对于本实施例的风力发电系统1，在发生瞬时无风的情况下，输出功率的变动得到控制。另外，在本实施例的风力发电系统1中，在发电机转速ω比额定转速ωmax小时，由于在由桨距角β的减少而带来的风车转子7的输出系数的增大停止之后，输出功率P才从额定功率Prated起减少，所以风车转子7的旋转能量被有效灵活地运用，可以有效提高发电效率。
对于本实施例的风力发电系统1，进一步优选构成为按照各种运转状况来实行各种控制方法。图8表示按照各种运转状况实行控制的风力发电系统1的最佳构成。
第1，在图8的风力发电系统1中，主控制装置19是根据风速计10测量的风速和风向来检测阵风(gust；突风)的发生。也可以取代风速和风向，根据发电机转速来检出发生阵风。在检测出发生阵风的情况下，有功功率指令P*被控制得使风车转子7的转速不过分增大。具体而言就是，如图9所示，如果根据风速和风向，阵风的产生被检测到(步骤01)，风车转子7的加速度(转子加速度)或风车转子7的转速(转子转速)就被监视。如果转子加速度或转子转速超过规定限值(步骤S02)，有功功率指令P*就会增大(步骤S03)。在有功功率指令P*刚刚一直被控制为额定功率Prated之前的情况下，有功功率指令P*被控制成比额定功率Prated大。由此，风车转子7的旋转能量被转换成电能，在电力系统13中消耗。由此，风车转子7被减速。
此外，图8的风力发电系统1，在由桨距控制装置22检测到驱动叶片8的桨距驱动机构有故障的情况下，通过吊舱旋转机构4使风车转子7的旋转面从迎风方向退避，从而使风车转子7停止。为了到达这一目的，桨距控制装置22构成为可以检出图2的油压气缸11和/或伺服阀12的故障。如果油压气缸11和/或伺服阀12的故障被检测出，则主控制装置19就根据它生成调向指令。
图10表示风车转子7的旋转面从迎风方向退避的顺序。油压气缸11和/或伺服阀12的故障被桨距控制装置22检测出(步骤S06)后，桨距故障信号被激活。主控制装置19根据桨距故障信号的激活，由调向指令控制吊舱3的调向角，由此，使风车转子7的旋转面从迎风方向退避(步骤S07)。迎风方向，可以通过风速计10测量的风向来判断。通过风车转子7的旋转面从迎风方向退避，流入风车转子7的风的风速就被减少，旋转转矩被减少(步骤S08)。其结果，风车转子7被减速、停止。
此外，图8的风力发电系统1，在系统电压Vgrid发生过度增加和减少时，对提供给电力系统13的无功功率Q进行控制，进而按照该无功功率Q进行桨距控制。图11是表示这种控制步骤的流程图。
在系统电压Vgrid为超过规定的额定电压Vrated的X％的情况下(X是大于100的规定值)，或为比规定的额定电压Vrated的Y％小的情况下(Y是小于100的规定值)(步骤S11)，提供给功率控制部31的功率因数指令得到修正(步骤S12)。被修正的功率因数指令，可以由电力系统13的控制系统提供，此外，主控制装置19自身，也可以按照系统电压Vgrid修正功率因数指令。由此，在系统电压Vgrid为超过规定的额定电压Vrated的X％的情况下，无功功率指令Q*被减少，在系统电压Vgrid为超过规定的额定电压Vrated的Y％的情况下，无功功率指令Q*被增加。由于风力发电系统1供给电力系统13的视在功率S是恒定的，所以无功功率指令Q*减少时，有功功率指令P*就增加，无功功率指令Q*增加时，有功功率指令P*就减少。按照有功功率指令P*和无功功率指令Q*对AC-DC-AC转换器17进行控制，提供给电力系统13的无功功率Q得到控制(步骤S13)。
在无功功率指令Q*大幅增大的情况下，有功功率指令P*减少，这使风力发电系统1的输出降低。为了避免这种问题，在无功功率指令Q*的增大比规定的增加量还大的情况下，使桨距角指令β*减少(即，桨距角指令β*被移行至fine侧)，从而有功功率P就会增大(步骤S15)。
在无功功率指令Q*大幅减少情况下，有功功率指令P*增加，这使风力发电系统1的输出不必要地增加。为了避免这种问题，在无功功率指令Q*的减少比规定的减少量还大的情况下，使桨距角指令β*增加(即，桨距角指令β*被移行至feather侧)，从而有功功率P就会减少。
另外，图8的风力发电系统1，在备用电池28被充电的期间，增大输出的有功功率P。这是为了补偿备用电池28的充电所使用的那部分功率。具体而言就是，如图12所示，当充电装置27对备用电池28开始充电时(步骤S21)，充电装置27将充电开始信号激活。主控制装置19根据充电开始信号的激活，增加有功功率指令P*(步骤S22)。有功功率指令P*的增加量，被设定成与用于备用电池28的充电的功率相同的量。在没进行充电的情况下，由PI控制部35生成的有功功率指令P*被用于AC-DC-AC转换器17的控制。
另外，本发明并不限于上述实施例来进行解释。例如，本实施例的风力发电系统1虽然是双馈变速风力电机系统，但本发明也可以应用在风车转子的转速和桨距角双方都可变的其它形式的风力发电系统中。例如，本发明可以应用在如下风力发电系统，即，所有用发电机发出的交流电被AC-DC-AC转换器转换成适于电力系统的频率的交流电。此外，备用电池28的充电，也可以不是通过从电力系统接受到的电力，而是通过发电机输出的电力来进行。
另外，由于风车转子7的转速依赖于发电机转速ω，所以很显然，本领域技术人员也可以使用风车转子7的转速来取代发电机转速ω。例如，就像本实施例那样，在风车转子7通过齿轮6与绕组感应发电机5连接的情况下，风车转子7的转速与发电机转速ω一一对应。此外，即便不使用齿轮6而是使用像环形(toroidal)变速器那样的无级变速器的情况，发电机转速ω也会随风车转子7转速的增大而增大，因此，可以使用风车转子7的转速来取代发电机转速ω。

Claims (9)

1.一种风力发电系统，其特征在于，
具备：风车转子，包括桨距角为可变的叶片；
发电机，由所述风车转子驱动；和
控制装置，根据所述风车转子或所述发电机的转速，来控制所述发电机的输出功率和所述叶片的所述桨距角，
所述控制装置，在所述转速增大直至达到规定额定转速的期间，进行按规定的功率—转速曲线控制所述输出功率的第1控制，在所述转速超过所述额定转速时，进行将所述输出功率控制成规定的额定功率的第2控制，
所述控制装置，一旦被设定成进行所述第2控制的状态后，在所述转速比所述额定转速小时，根据所述桨距角维持进行所述第2控制的状态，或迁移至进行所述第1控制的状态。
2.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，
所述控制装置，一旦被设定成进行所述第2控制的状态后，在所述转速比所述额定转速小时，在所述桨距角比规定的桨距角大的情况下，维持进行所述第2控制的状态，在所述桨距角到达所述规定的桨距角之后才迁移至进行所述第1控制的状态。
3.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，
所述控制装置，根据所述转速与规定的额定转速之差、和所述输出功率与所述额定功率之差，来控制所述桨距角。
4.根据权利要求3所述的风力发电系统，其特征在于，
所述控制装置，在所述输出功率比所述额定功率小的情况下，控制所述桨距角使得所述桨距角减少。
5.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，
所述控制装置，在检测出阵风的情况下，按照所述转速使所述发电机的输出功率增加。
6.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，
还包括：旋转机构，使风车转子的旋转面的朝向旋转；和
风向检测器，检出迎风方向，
所述风车转子，具备驱动所述叶片的桨距驱动机构，
所述控制装置，在检测出所述桨距驱动机构的故障时，对所述旋转机构进行控制，使所述风车转子的旋转面从所述迎风方向退避。
7.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，
所述控制装置，根据与所述发电机连接的电力系统的电压，来控制由所述发电机输出到所述电力系统的无功功率，且根据所述无功功率来控制所述桨距角。
8.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，
还具备：备用电池；和
使用从所述电力系统接受到的电力，对所述备用电池充电的充电装置，
所述风车转子，具备驱动所述叶片的桨距驱动机构，
所述备用电池，在与发电机连接的电力系统的电压降低时，向所述桨距驱动机构和所述控制装置提供电力，
所述控制装置，在所述备用电池被充电期间，对所述输出功率进行控制使所述输出功率增加。
9.一种风力发电系统的控制方法，该风力发电系统包括：风车转子，具备桨距角可变的叶片；和发电机，由所述风车转子驱动，
所述控制方法，具备：根据所述风车转子或所述发电机的转速来控制所述发电机的输出功率和所述叶片的所述桨距角的控制步骤，
所述控制步骤，包括：
(A)在所述转速增大直至达到规定额定转速的期间，进行按规定的功率—转速曲线控制所述输出功率的第1控制的步骤，
(B)在所述转速超过所述额定转速时，进行将所述输出功率控制成规定的额定功率的第2控制的步骤，
(C)一旦被设定成进行所述第2控制的状态后，在所述转速比所述额定转速小时，根据所述桨距角维持进行所述第2控制的状态，或迁移至进行所述第1控制的状态的步骤。
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