CN101469669A - 风电场群、风电场及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种风电场，风力发电系统(风电场)的导入不断进展，对电力系统的电源(例如火力发电站)和负荷，风力发电系统输出发电功率时，对电力系统的电源带来的影响增大。此外，由于在风力发电系统根据来自电力系统一侧的请求，设定发电上限值的情况下，限制本来能够发电的输出，所以发电量减少。具有在不同地点的风力发电系统(风电场)之间彼此交换分别设定的发电上限值和发电功率的信息，按照将风电场的合计纳入发电上限值的合计中的方式输出发电功率的部件。

Description

风电场群、风电场及其控制方法

技术领域

本发明涉及将利用风的能量发电的功率提供给电力系统的风力发电装置、由多个风力发电装置构成的风电场、由多个风电场构成的风电场群。

背景技术

在以下的专利文献1中示有：在由多台风力发电装置构成的风电场中，对风电场设定目标发电量，为了使构成风电场的各风力发电装置的输出功率的合计接近该目标发电量，在风力发电装置之间交换维修历史数据或运转特性数据等信息，决定风力发电装置的运转模式的风电场。此外，在专利文献1中示有：输出目标发电量时，通过偏转(yaw)控制和仰俯(pitch)控制，进行考虑了一个风电场内的经济效率的运用的方法。在专利文献2中记载通过抑制输出变动大的风力发电装置的输出，有效地抑制风电场的输出变动的控制方法。

另外，在本发明中，风电场意味着从电力系统一侧受到与输出功率相关的限制的一台以上的风力发电装置的集合体。此外，构成一个风电场的风力发电装置一般设置在比较近距离(数十～数百米)，各风力发电装置受到同样特性的风。

[专利文献1]日本专利特开2002-349413号公报

[专利文献2]日本专利特开2001-234845号公报

到此为止，如专利文献1和专利文献2所述，研究在单一的风电场中抑制输出功率变动。可是，风电场在即使是大的，也在大致数平方公里的范围中配置多个风力发电装置，所以通过单一的风力发电装置的风的变动特性是共通的。即通过以往的变动抑制方法，从单一的风电场输出的功率产生大致10分钟以上的中长周期的变动。因此，今后，风电场的导入进展，风电场的发电容量占电力系统的总发电容量的比例增大时，连接在公共的电力系统上的各风电场输出的中长周期的变动相加，向电力系统输出大幅度变动的功率，具有对连接在该电力系统中的电源(例如火力发电站或原子能发电站等)或负荷(消费者)产生电压变动或频率变动等不良影响的问题。

发明内容

本发明的目的在于，抑制从多个风电场向电力系统输出的功率的变动。

所述本发明的目的能通过以下的风电场群实现，即具有多个由一台以上的风力发电装置构成，将风力发电装置的发电功率向电力系统输出，从电力系统一侧受到与输出功率相关的限制的风电场，包括：取得与风电场群的多个风电场的功率相关的信息，根据与功率相关的信息，控制风电场群的输出功率的控制部。另外，“与功率相关的信息”不只意味着功率的值，也打算包含将功率的值加密的信号和从功率的值计算出的信息。

此外，本发明的目的还能通过以下的风电场实现，即由一台以上的风力发电装置构成，从电力系统一侧受到由于输出功率相关的限制，将所述风力发电装置的发电功率向电力系统输出，包括：接收与对所述电力系统供给功率的其他风电场的功率相关的信息的接收部；根据与本风电场的功率相关的信息和与所述其他风电场的功率相关的信息，控制所述本风电场的发电功率的控制部。

本发明的目的还能通过以下的风电场的控制方法实现，即该风电场由一台以上的风力发电装置构成，将所述风力发电装置的发电功率向电力系统输出，从所述电力系统一侧受到与输出功率相关的限制，包括：取得与本风电场和其他风电场的功率相关的信息的步骤；和根据与所述功率相关的信息，控制所述本风电场的发电功率的步骤。

根据本发明，能抑制从连接的公共的电力系统上的多个风电场向电力系统输出的功率的变动。

附图说明

图1是表示电力系统和风力发电系统的电路结构的说明图。

图2是表示风电场的结构例的说明图。

图3是说明风力发电装置的功率曲线的说明图。

图4是表示基于功率曲线的输出限制的说明图。

图5是表示风力发电装置的概略结构的说明图。

图6是表示风力发电装置的其他概略结构的说明图。

图7是表示风电场WF1的功率限制值P1lim的例子的说明图。

图8是表示风电场WF2的功率限制值P2lim的例子的说明图。

图9是表示功率限制值P1lim和发电功率P1的例子的说明图。

图10是表示功率限制值P2lim和发电功率P2的例子的说明图。

图11是表示本发明的功率限制值P1lim和发电功率P1的例子的说明图。

图12是表示本发明的功率限制值Pmax2和发电功率P2的例子的说明图。

图13是表示实施例2的发电状态的说明图。

图14是表示实施例3的发电状态的说明图。

图15是表示实施例4的风电场的构成例的说明图。

图16是表示实施例4的发电状态的说明图。

符号的说明。

101—系统的发电设备；102—负荷(工厂、家庭)；103、204—输电线；104、105—场控制器；WF1、WF2—风电场；P1—风电场WF1的发电功率；P2—风电场WF2的发电功率；P1lim—风电场WF1的功率限制值；P2lim—风电场WF2的功率限制值；201—变压器；202—风力发电装置；203—通信线；205—蓄电装置。

具体实施方式

以下，分为3个实施例，详细说明本发明的实施形态。

(实施例1)

图1是表示本发明的一个实施例的装置结构的单线结构图。首先，说明电力系统的结构。电力系统的发电设备101连接在工厂、家庭等负荷102、风电场(WF1、WF2、…)上。在本实施例中，特别说明风电场为2个的情形，但是风电场为3个以上时，也能应用本发明。此外，由于风电场的结构几乎相同，所以主要说明一个风电场。来自电力系统的发电设备101的功率使用输电线103输送(在图中，省略电压电平变换用的变压器等)。

说明风电场WF1的结构。风电场WF1具有监视、控制风电场WF1内全体的场控制器104。场控制器104监视构成风电场WF1的各风力发电装置的状态。此外，场控制器104按照从电力系统向风电场WF1请求的功率限制值P1lim(与输出功率相关的限制)，计算构成风电场的各风力发电装置的发电上限值Pm，对各风力发电装置指令发电上限值Pm。进而，场控制器104从风电场WF2的场控制器105接收功率限制值P2lim和风电场WF2的输出功率P2的信息。

在图2简单表示风电场WF1的结构。

各风力发电装置202使用通信线203对场控制器104传送发电功率等的运转状态，从场控制器104接收所述发电上限值Pm的信息。另外，这些信息的收发也可以用无线进行。

风电场WF1由多个风力发电装置202构成，各风力发电装置202用风电场WF1内的输电线204电连接，通过输电线204和升压用变压器201，连接在所述电力系统上。如此，各风力发电装置202将利用风力发电的发电功率对电力系统输出。

各风力发电装置202按照从场控制器104接收到的发电上限值Pm，例如将图3所示的功率曲线(横轴：风速，纵轴：发电功率)的上限值变更为发电上限值Pm。在图4表示变更为发电上限值Pm＝额定/2的功率曲线。由于按照即使风速上升，风力发电装置202的输出功率也不超过发电上限值Pm的方式调整风力发电装置的叶片的角度，所以风力发电装置202的输出功率抑制在发电上限值Pm。

下面，详细说明风力发电装置202。图5表示风力发电装置202的结构。

风力发电装置202主要由发电机1104、叶片1105、风车控制装置1106、功率变换器1103、变换器控制装置1107构成。

叶片1105机械地(用齿轮等)连接在发电机1104的转子上，发电机1104的转子线圈与功率变换器1103电连接，此外，发电机1104的定子通过断路器1102或变压器1101等电连接在电力系统上。

风车控制装置1106接收风速的检测、以及来自所述场控制器104的发电上限值Pm，按照发电上限值Pm，如图3和图4所示，变更功率曲线，计算风力发电装置1106的发电的有效功率指令值Pref。进而，还控制叶片1105的角度，输出有效功率指令值Pref和运转/停止等的指令值Run。

所述有效功率指令值Pref、所述运转/停止等的指令值Run的各种指令值发送给变换器控制装置1107。

变换器控制装置1107按照有效功率指令值Pref，控制功率变换器1103，控制发电机1104和电力系统之间的功率(有效功率、无效功率)。此外，按照运转/停止等的指令值Run，控制运转或停止。

即各风力发电装置202具有如下功能：按照根据基于发电上限值Pm的功率曲线的变更、和经过该变更的功率曲线所求取的风速的有效功率指令值Pref，使风力发电装置202的发电功率控制为与有效功率指令值Pref一致。

这样，如果风力发电装置202的变换器控制装置1107具有进行有效功率的控制的功能，则与发电机的力矩等的控制方式相比，更容易将风力发电装置202的发电功率控制为给定的值。因此，具有容易按照发电上限值Pm，控制风力发电装置202的发电功率的优点。

这里，以使用了交流励磁发电机作为发电机的例子进行说明，但是在图6所示的同步发电机1304、其他发电机也能应用。

如图1所示，场控制器104对风电场WF2的场控制器105传送风电场WF1的发电功率P1和功率限制值P1lim。场控制器105也对风电场WF1的场控制器104传送风电场WF2的发电功率P2和功率限制值P2lim。

风电场WF1接收风电场WF2的发电功率P2和功率限制值P2lim，在以下[数学式1]的条件成立的情况下，将风电场WF1的功率限制值P1lim变更为[数学式2]的P1lim’的值。

(数学式1)

P2<P2lim

(数学式2)

P1lim’＝P1lim+(P2lim-P2)

如果这样控制，风电场WF1和风电场WF2的功率限制值的和不会超过P1lim+P2lim。

使用图7～图12，说明这时的动作。

图7表示在一天中的夜间(例如23点～7点)，将发电量的上限值限制在P1B，在白天(例如8点～22点)，能够发电到风电场WF1的最大发电量P1A的功率限制值P1lim。

同样，图8是表示对风电场WF2给予的功率限制值P2lim的图。与图7同样，功率限制值P2lim在一天中的夜间(例如23点～7点)，将发电量的上限值限制在P2B，在白天(例如8点～22点)，能够发电到风电场WF2的最大发电量P2A。(在同一图中，尾标“2”表示是风电场WF2)。

图9和图10示意地表示功率限制值P1lim、P2lim和风电场WF1、WF2的发电功率的关系。如图7和图8中说明的那样，在从23点到7点为止，通过使功率限制值P1lim＝P1B、P2lim＝P2B，对风电场WF1、WF2的发电功率加以限制。

图9表示风电场WF1的发电状态，图10表示风电场WF2的发电状态。如图9所示，夜间风强烈，能比P1B更多地发电，但是通过功率限制值P1lim＝P1B，变为比本来能发电的发电量(能从功率曲线和风速计算)更少的发电量。该状态无法发电、舍弃风的能量。此外，如图10所示，风弱，无法发出比P2B更大的功率，发电功率P2成为比P2lim＝P2B更小的值。

下面，使用图11和图12，说明应用本发明时的发电状态。图11表示风电场WF1，图12表示风电场WF2的发电状态。图11和图12的发电功率P1、P2与图9和图10相同，所以省略说明。在图11中，夜间的功率限制值P1lim＝P1B只增大修正风电场WF2的发电功率P2对于夜间的功率限制值P2lim＝P2B不足的部分(P2B-P2)。据此，能有效使用在以往风电场WF1中舍弃的风的能量，能将发电量增加(P2B-P2)。这时，风电场WF2的发电量与图10相同，与以往没有变化。

在风电场WF2中，即使是只能发出比功率限制值P2lim更少的功率的风的状况，在风电场WF1，风强烈，取得比功率限制值P1lim更大的发电功率时，变更风电场WF1的功率限制值P1lim的限制，能使风电场WF1的发电功率P1增加。

一般，为了不使各风电场的输出功率对电力系统的电源或负荷带来不良影响，设置从电力系统向各风电场提供的功率限制值。因此，功率限制值的变更不会对电力系统的电源或负荷带来不良影响。可是，由于本实施例的功率限制值的变更是在对各风电场提供的功率限制值的合计值的范围内进行，所以对电力系统不会带来不良影响。

而且，使风电场WF1的发电功率P1变更时，由于能够按照控制为风电场WF1的发电功率P1和风电场WF2的发电功率P2的合计值不产生变动的方式来控制发电功率P1，所以能抑制风电场WF1和风电场WF2向电力系统输出的功率合计值的功率变动。即比以往更能抑制对电力系统的不良影响。

这里，为了如本实施例那样在多个风电场之间协调，使发电量增加，希望向各风电场输入的风的性质不同。例如各风电场远离。如果风电场彼此间位于近的地方，风的变动相同地发生的可能性高，所以发电功率在风电场彼此间也相同地变动，所述的功率限制值的分配引起的发电功率的增加或向电力系统的输出功率的变动的抑制效果也减小。

此外，进行这样的功率限制值P1lim、P2lim的通融时，能增加发电功率量的风电场(这里，WF1)增加卖电收入。发电功率小的风电场WF2出售发电上限值P2B的剩余部分的权利，风电场WF1用卖电收入增加的部分购入P2B的剩余部分的商业形态成立。

(实施例2)

在实施例1中，表示了功率限制值在夜间作为一定的上限值来给予的例子，但是从电力系统请求的功率限制有时按照发电功率的变动幅度变为给定值以下的方式来给予。因此，在本实施例中，详细说明功率限制值由发电功率的变动幅度提供时的发明的实施形态。另外，在本实施例中，在特别说明的结构以外，与实施例1同样。

图13是表示按照使发电功率的变动幅度为给定范围内的方式规定功率限制时的本发明的发电状态。通过用于使发电功率的变动幅度为给定范围内的给定计算，将风电场WF1的功率限制值P1lim作为上限值P1A和下限值P1B输出。进而，风电场WF2的功率限制值P2lim也同样作为上限值P2A和下限值P2B输出。

这里，风电场WF2在5分钟到10分钟的时间内，风速强，可发电量超过功率限制值P2lim的上限值P2A。可是，超过上限值P2A发电违背功率限制，所以变更风车的俯仰角，将发电量抑制到上限值P2A为止。

这时，在风电场WF1，发电功率比功率限制值P1lim的上限值P1A更小。因此，风电场WF2从风电场WF1接收发电功率和功率限制值P1lim的信息，能通融与发电功率相关的功率限制，能增加发电量。

与实施例1同样，由于本实施例的功率限制值的通融是在对各风电场给予的功率限制值的合计值的范围内进行的，所以不会向电力系统带来不良影响。

然后，在使风电场WF2的发电功率变更时，由于按照风电场WF2的发电功率和风电场WF1的发电功率的合计值不产生变动的方式控制风电场WF2的发电功率，所以能抑制风电场WF1和风电场WF2向电力系统输出的功率合计值的功率变动。即与以往相比，能抑制向电力系统的不良影响。

(实施例3)

下面，使用图14，说明本发明的其他实施例。

图14说明抑制风电场的发电功率的变动的运转时的动作。

风电场WF1的控制器104为了抑制输出变动，对风电场的发电功率P1使用线性滞后等的滤波器、移动平均，将滤波器输出的功率值(低频成分)作为指令值P1ref，控制风电场WF1。因此，对风电场内的各发电装置分配发电功率指令(例如，考虑各发电装置的运转的状况、各发电装置的容量等，生成发电功率指令值，分配给风电场内的各发电装置)。

由于关于风电场WF2也相同，所以省略说明。

风电场WF1按照被给予的功率指令值P1ref工作。如果风减弱，就有可能相对于功率指令值可发电的功率下降。风强烈时，由于各风力发电装置202调整功率曲线的最大功率Pm，所以这时，发电功率能追随功率指令值P1ref.

在风弱时，为了使功率指令值和发电功率一致，例如将由滤波器等生成的功率指令值P1ref乘以1以下的系数，生成功率指令值。据此，发电功率能追随功率指令值的概率提高。

场控制器104对风力发电装置202发送功率指令值P1ref，各风力发电装置202按照追随功率指令值P1ref的方式控制发电功率，从而如果风电场WF1发出功率，发电功率的变动就能减小。可是，如图14所示，如果考虑风电场WF1和风电场WF2，在风电场WF1，与功率指令值P1ref相比，可发电的功率更大时，如果在风电场WF2，与功率指令值P2ref相比，可发电的功率更小，就没必要降低风电场WF1的发电功率。

以往，在各风电场中，为了使发电功率追随功率指令值，进行发电功率的抑制。这时，由于无法有效利用风的能量，所以产生发电损失。可是，通过与其它风电场共享与功率指令值和可发电功率相关的信息，能防止无用的发电功率的限制，所以能实现发电量增加的效果。

(实施例4)

使用图15～图16，说明其他实施例。图15表示在风电场内具有将风电场的发电功率充电，将积蓄的功率放电的蓄电装置的结构图。在本实施例中，风电场具有蓄电装置。通过具有蓄电装置，将发电功率的剩余功率充电，将发电功率的不足部分放电，能将向电力系统输出的输出功率控制在目标值。在具有蓄电装置的本实施例中，风电场内的各风力发电装置发出的功率定义为风电场的“发电功率”，风电场的发电功率加上充放电功率，并向电力系统输出的功率定义为风电场的“输出功率”。

图16是表示具有场控制器，彼此共享与发电功率和输出功率相关的信息的多个风电场的发电功率和输出功率的图。在图16中，由实线表示的发电功率和用虚线表示的输出功率的差分对蓄电装置进行充放电，所以输出功率成为抑制了发电功率的高频的变动部分的功率。

各风电场的输出功率的合计值成为图16中所示的状况。这里，各风电场共享发电功率和输出功率的信息，通过计算各风电场的输出功率的合计值，各风电场调节蓄电装置的充放电功率，控制输出功率，能抑制各风电场的输出功率的合计值的变动。

以往，按照多个风电场的输出功率的合计值不变动的方式对各风电场给予与输出功率相关的功率限制值。可是，在各风电场的输出功率的限制中，无法充分抑制多个风电场的输出功率的合计值的变动。与此相对，本实施例中，由于多个风电场共享与功率相关的信息，控制输出功率，所以能充分抑制多个风电场的输出功率的合计值的变动。

通过使用本实施例，各风电场能原封不动将此前充电的功率输出，并且不用将放电的功率放电，所以能减少蓄电装置的充放电量。据此，充放电的损失功率减少，所以能实现发电运转的效率化。进而，由于充放电量减少，所以即使是容量小的蓄电装置，也能在风电场的变动抑制上利用，能减少蓄电装置的成本。

认为今后如果风力发电装置的导入量增加，电力系统的功率变动就成为问题，所以为了抑制输出功率的变动，预测并设了蓄电装置的风电场增加。因此，为了今后如果风力发电装置的导入量增加，降低在风电场中并设的蓄电装置的成本是无法避免的重要的课题。因此，实现该课题的本发明是在风力发电的领域中具有非常大的意义的发明。

在上述的各实施例中，表示场控制器在各风电场分别设置一台，场控制器生成与风电场的功率相关的指令的例子，但是通过与场控制器不同，在风电场之外独立设置的控制器生成与风电场的功率相关的指令，向场控制器发送该指令的结构，也能应用各实施例。

工业上的可利用性

根据本发明，在风电场之间相互插补发电功率，所以具有发电功率增加，并且缓和变动的效果。这并不局限于风力，在功率变动的发电装置，例如太阳能系统等中也能应用。此外，对与负荷或燃料投入型的发电装置的组合等也能应用。

Claims (17)

1.一种风电场群，具有多个由一台以上的风力发电装置构成，将所述风力发电装置的发电功率向电力系统输出，从所述电力系统一侧受到与输出功率相关的限制的风电场，包括：

取得与所述风电场群中的多个风电场的功率相关的信息，根据与所述功率相关的信息，控制所述风电场群的输出功率的控制部。

2.根据权利要求1所述的风电场群，其特征在于：

具有：生成构成所述风电场的所述风力发电装置的发电功率指令的发电指令生成部；

追随所述发电功率指令，控制所述风力发电装置的发电功率的变换器控制装置。

3.根据权利要求1所述的风电场群，其特征在于：

所述控制部调节构成所述风电场群的风电场的输出功率，抑制所述风电场群的输出功率的变动。

4.根据权利要求1所述的风电场群，其特征在于：

具有将所述风力发电装置的发电功率充电，将积蓄的功率放电的蓄电装置；

所述控制部控制所述蓄电装置的充放电量。

5.根据权利要求1所述的风电场群，其特征在于：

所述控制部取得与所述电力系统的功率相关的信息，根据与所述电力系统的功率相关的信息，控制所述风电场群的输出无效功率。

6.一种风电场，由一台以上的风力发电装置构成，从电力系统一侧受到与输出功率相关的限制，将所述风力发电装置的发电功率向电力系统输出，包括：

接收与向所述电力系统供给功率的其他风电场的功率相关的信息的接收部；

根据与本风电场的功率相关的信息和与所述其他风电场的功率的相关信息，控制所述本风电场的发电功率的控制部。

7.根据权利要求6所述的风电场，其特征在于：

具有：生成构成所述本风电场的所述风力发电装置的发电功率指令的发电指令生成部；

追随所述发电功率指令，控制所述风力发电装置的发电功率的变换器控制装置。

8.根据权利要求6所述的风电场，其特征在于：

根据与所述其他风电场的输出功率的限制相关的信息和与所述其他风电场的功率相关的信息，发出比与所述本风电场的输出功率相关的限制的上限值更大的值的功率。

9.根据权利要求6所述的风电场，其特征在于：

所述控制部具有：生成所述本风电场的输出功率和所述其他风电场的输出功率的合计的变动减少的所述风电场的发电功率指令值的所述控制器。

10.根据权利要求6所述的风电场，其特征在于：

具有将所述风力发电装置的发电功率充电，将积蓄的功率放电的蓄电装置；

所述控制部控制所述蓄电装置的充放电量。

11.根据权利要求6所述的风电场，其特征在于：

所述接收部取得与所述电力系统的功率相关的信息；

所述控制部根据与所述电力系统的功率相关的信息，控制所述风电场的输出无效功率。

12.一种风电场的控制方法，该风电场由一台以上的风力发电装置构成，将所述风力发电装置的发电功率向电力系统输出，从所述电力系统一侧受到与输出功率相关的限制，包括：

取得与本风电场和其他风电场的功率相关的信息的步骤；和

根据与所述功率相关的信息，控制所述本风电场的发电功率的步骤。

13.根据权利要求12所述的风电场的控制方法，其特征在于：

具有：生成构成所述本风电场的所述风力发电装置的发电功率指令的步骤；和

追随所述发电功率指令，控制所述风力发电装置的发电功率的步骤。

14.根据权利要求12所述的风电场的控制方法，其特征在于：

具有：取得与所述风电场的输出功率的限制相关的信息的步骤；和

根据与所述其他风电场的输出功率的限制相关的信息和与所述其他风电场的功率相关的信息，发出比与所述本风电场的输出功率相关的限制的上限值更大的值的功率的步骤。

15.根据权利要求12所述的风电场的控制方法，其特征在于：

具有：取得所述本风电场的输出功率和所述其他风电场的输出功率的合计值的步骤；和

按照所述合计值的变动减少的方式生成所述风电场的发电功率指令值的步骤。

16.根据权利要求12所述的风电场的控制方法，其特征在于：

具有将所述风力发电装置的发电功率充电，将积蓄的功率放电的蓄电装置；具有控制所述蓄电装置的充放电量的步骤。

17.根据权利要求12所述的风电场的控制方法，其特征在于：

具有：取得与所述电力系统的功率相关的信息的步骤；和

根据与所述电力系统的功率相关的信息，将无效功率向所述电力系统输出的步骤。

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