CN101604947B

CN101604947B - 风力发电装置及风力发电装置组

Info

Publication number: CN101604947B
Application number: CN2009101406651A
Authority: CN
Inventors: 一濑雅哉; 二见基生; 松竹贡; 中山靖章; 内山伦行; 近藤真一
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2008-06-12
Filing date: 2009-06-12
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2029-06-12
Also published as: JP2009303355A; CN101604947A; JP4604111B2

Abstract

本发明提供一种风力发电装置及风力发电装置组。在由一台以上的风力发电装置构成、将风力发电装置的发电电力向电力系统输出的风力发电装置组中，具备利用比相对于风速而得到的可能发电电力(PW)小的发电电力指令值(PM)，并且不论风速变动如何，都使发电电力指令值(PM)一定的机构。据此解决以下的课题，即：随着风力发电装置导入的推进，对于电力系统的电源(如火力发电站等)和负载，风力发电系统输出发电电力时，给予电力系统的电源的影响变大的问题。

Description

风力发电装置及风力发电装置组

技术领域

本发明涉及一种将利用风的能量而产生的电力提供给电力系统的风力发电装置及由多个风力发电装置构成的风电场(wind farm)。

背景技术

在以下的专利文献1中公开了一种风电场，即：在由多台风力发电装置构成的风力发电装置组(风电场)中，在风电场中设定目标发电量，为了使构成风电场的各风力发电装置的输出电力的合计接近该目标发电量，而在风力发电装置之间交换维修履历数据及运转特性数据等信息，决定风力发电装置的运转模式。在专利文献2中记载了一种控制方法，即：利用节距控制(pitch control)等来变更输出变动大的风力发电装置的功率曲线的最大值，从而抑制输出变动的控制方法。

[专利文献1]特开2002-349413号公报

[专利文献2]特开2001-234845号公报

以往，如专利文献1及专利文献2中的记载，研究了：或者调整风电场内的运转台数，或者限制功率曲线的最大值变小来缓和输出变动。在限制功率曲线的最大值的方法中，变动能够一定程度缓和，但是在风速急剧降低时，发电输出降低，所以发生变动，有可能在连接该电力系统的电源(如，火力发电站或原子能发电站等)、负载(消费者)中产生电压变动及频率变动等的坏影响。

发明内容

本发明的目的在于：抑制从风电场向电力系统输出的电力的变动，且在尽可能长的时间内维持一定的输出。

在由一台以上的风力发电装置构成、将风力发电装置的发电电力向电力系统输出的风力发电装置组中，利用比相对于平均风速而得到的可能发电电力PW小的发电电力指令值PM，并且不论风速变动如何，都使发电电力指令值PM一定，从而能够达成上述的本发明的目的。

另外，使风力发电装置的输出一定时，在旋转速度达到能运转的上限值、下限值时，通过变更发电电力指令值PM，能够达成本发明的目的。

另外，在可能发电电力PW降低时，通过提高转速，蓄积旋转能量，能够达成本发明的目的。

(发明效果)

根据本发明，能够长时间地维持风力发电装置的输出一定，能够抑制向电力系统输出的电力的变动。

附图说明

图1是表示电力系统及风力发电装置的电路构成的说明图。

图2是表示风力发电装置的构成例的说明图。

图3是表示风力发电装置的构成例的说明图。

图4是表示本发明的风力发电装置的发电指令作成方法的说明图。

图5是表示以前的风力发电装置的发电指令作成方法的说明图。

图6是说明转速的电力指令值的关系的图。

图7是实施例2中的叶片角度控制器的构成图。

图8是表示实施例2中的构成例的说明图。

图9是说明交流励磁型发电机用的电力变换器的构成的图。

图10是说明同步机型发电机用的电力变换器的构成的图。

图11是表示在实施例4中的电力指令变更方法的说明图。

图12是表示在实施例4中的构成例的说明图。

符号说明：

100-风力发电设备组，101-变压器，102-控制装置，103-通信线，104-风力发电设备，105-送电线，104-01-发电机(交流励磁型)，104-02-叶片及叶片角度变更装置，104-03-风车控制装置，104-04-电力变换器，104-05-控制装置，104-06-断路器，104-07-联系用变压器，200-电力系统，304-01-发电机(同步机)，304-04-同步机用电力变换器，304-05-同步机用电力变换器的控制装置，700-速度指令修正器，PW-可能发电电力，Umn-平均风速，U-风速，PM-发电电力指令值，PMAX-发电电力指令最大值，OMG0-转速目标值，OMGref-修正后旋转速度指令，OMG-转速检测值，Pitch^*-叶片角度指令值。

具体实施方式

以下，分为两个实施例，详细说明本发明的实施方式。

【实施例1】

图1是表示本发明的一个实施例的装置构成的单线图。电力系统200包括发电设备、工厂、家庭等负载。风力发电设备组100利用变压器101连接电力系统200。

风力发电设备组100由一台以上的风力发电设备104构成。各风力发电设备经由送电线105及变压器101而连接电力系统。

风力发电设备组100具有控制用的控制装置102。控制装置102用通信线103与各风力发电设备104连接，收发用于控制的信号。

其次，利用图2构成风力发电设备104。风力发电设备104的发电电力POUT如前述供给于电力系统200。风力发电设备104在发电机104-01的轴上具有接收风而旋转的叶片104-02。风力发电机104-01的定子及转子连接电力变换器104-04。电力变换器104-04具有调节发电机的电流并调节输出于电力系统的电力POUT的功能。发电电力POUT经由断路器104-06及联系用变压器104-07输出到电力系统。如图9所示，电力变换器104-04由连接两台变换器CNV的直流部的交流交流变换器构成，一个变换器连接发电机转子，一个变换器与系统和定子(经由断路器)连接。另外，输出各部的电流、电压检测值FB。

电力变换器104-04的控制装置104-05按照发电电力指令值PM来控制输出于电力系统的电力POUT。因此，电力POUT追随发电电力指令值PM。另外，控制装置104-05还接收无效电力的指令Qref和运转停止指令Run等，与发电电力POUT同样也控制输出于系统的无效电力QOUT。为了控制电力，控制装置104-05从电力变换器104-04输入利用传感器检测出的电流和电压等的值的检测值FB。

另外，控制装置104-05还具有按照运转停止指令Run而进行发电运转的停止或启动的功能。

风力发电设备104的风车控制装置104-03从控制装置102接收输出一定指令CP。在接收了输出一定指令CP的情况下，风车控制装置104-03从通常的发电运转变换到控制发电输出POUT一定的模式。另外，风车控制装置104-03输入风速U，将由风速U的平均值Umn求出的可能发电电力PW发送到控制装置102。

另外，风车控制装置104-03向控制装置104-05发送发电电力指令值PM、无效电力指令值Qref、运转停止指令值，发送叶片104-02的叶片角度指令值Pitch^*。叶片104-02具备变更叶片角度的机构，按照叶片角度指令值Pitch^*来变更角度。

在本图中，以交流励磁型发电机为例说明了构成，但是在如图3及图10所示的同步发电机型的风力发电系统中也有同样的效果。

其次，利用图4、图5、图6，对于风车控制装置104-03进行说明。图4的曲线图示出用于根据被输入于风车控制装置104-03的风速U的平均风速Umn算出可能发电电力PW的特性曲线(功率曲线)PC。Umn通过将被输入的风速U进行如一分钟平均等来计算平均风速Umn。根据计算出的平均风速Umn与特性曲线PC的交点，能够求出可能发电电力PW。

(数1)

PW＝PC(Umn)

发送于电力变换器的控制装置104-05的发电电力指令值PM，如将由上述平均风速Umn求出的某个时刻中的可能发电电力PW放大K倍的方式来算出。

(公式2)

PM＝PW×K (其中K＜1)

或者，也可以K倍平均风速Umn而求出。此时的发电电力指令值PM，如旋转速度达到能够运转的下限时再次变更。

由此，根据比由风速求出的发电电力PW小的发电电力指令值PM来控制电力变换器，从而控制发电电力，由此能够使由风速变动引起的发电电力的变动变无，能够实现一定电力输出。

图5示出变更原来的输出限制的例子，在原来的方式中变更功率曲线的上限值。虽然在该方式中，在风速上升时发电电力的变动被抑制了，但是因为当风速减小时发电电力减小，所以成为输出变动。

图6是说明本发明的发电电力指令值PM的决定方法的图。在本发明中，因为维持发电电力指令值PM一定，所以发电机的速度变动变大。

图6左图是表示平均风速Umn和转速目标值OMG的特性曲线，另外，右图示出转速检测值和发电电力指令值PM的关系。因为风速变动，所以根据由叶片接收的能量和在系统中发电的能量的差转速变化。该速度为了成为风速和转速的特性曲线而变更叶片的角度从而调节由叶片接收的能量。通过短时间的风速变动，虽然速度变动，但是进行控制，以使通过叶片角度的调节，速度收纳于规定的范围内(转速目标值OMG0附近)。此时，如图6的左图所示，旋转速度的转速目标值OMG0设定为风速降低时变高。

另外，如右图所示，直到旋转速度达到上限或下限控制发电电力指令值PM不变。直到旋转速度达到上限或下限能够控制发电电力指令值PM不变。在转速达到上限或下限的情况下，控制发电电力指令值PM使速度变化变小，即达到上限时使发电电力指令值PM增加，达到下限时使发电电力指令值PM减小。

由此，基于本发明，利用比相对于风速得到的发电电量小的发电电力指令值PM，并且通过不论风速变动如何，都使发电电力指令值PM一定，能够使风力发电装置的输出一定。

另外，风力发电装置的输出一定时，旋转速度达到能运转的上限值、下限值时，通过变更发电电力指令值PM，能够防止风力发电装置的停止。

另外，平均风速Umn降低时，通过提高转速，能够蓄积旋转能量，所以能够提供一种难以发生由进一步维持发电电力POUT一定时的速度降低引起的运转停止的风力发电装置。

【实施例2】

其次，利用图7对于其他的实施例进行说明。图7是说明风车控制装置104-03的叶片角度指令值作成方法的图。如在图6中的说明，由平均风速Umn作成转速目标值OMG0。在可能发电电力PW降低时，转速指令修正器提高转速目标值OMG0。如，在发电电力指令值PM的上侧(+α)，设定判定级别(PM+α)，在可能发电电力PW降低到上述判定级别(PM+α)以下时，提高转速目标值OMG0，将OMG0+A作为修正后的转速目标值而作成节距角指令值。在本图中，示出了为了节距角控制，将修正后转速指令值OMGref和转速检测值OMG作为反馈值的比例积分器的叶片角度指令值Pitch^*作成方法。

由此，通过在可能发电电力PW降低时提高转速，能够蓄积旋转能量，所以能够提供一种难以发生由进一步维持发电电力POUT一定时的速度降低引起的运转停止的风力发电装置。

其次，关于图1中示出的控制装置102利用图8进行说明。控制装置102接收来自各风力发电设备104的可能发电电力PW，计算其总和Pwsum。

(数3)

PWsum＝PW1+PW2……PWN(1、2、……、N表示各风力发电设备)

与在实施例1的图4中说明的同样，作成比总和PWsum小的电力指令值PF。控制装置102以与在实施例1的图4中说明的同样的方法，根据各风力发电装置的发电量PW1、PW2、……、PWN，将各电力指令值PF1(＜PW1)、PF2(＜PW2)、……、PFN(＜PWN)发送给各风力发电设备104。

在由总和PWsum计算电力指令值PF1……PFN时，利用风速的预测等，当预测风速今后变弱时设定电力指令值PF1……PFN变小，当预测风速今后变强时设定电力指令值PF1……PFN变高，从而也能将使输出一定。

由此，以由控制装置102分配指令值的方式，能够具有使风力发电设备组输出的电力一定的功能。

其次，利用图11及图12对于其他的实施例进行说明。

首先，关于图12进行说明。在本实施例中，控制装置104-05通过电压的零交叉(cross)等的方法来检测系统的频率Freq，将该值Freq传送到风车控制装置104-03。

如图11所示，在风车控制装置104-03中，在频率Freq上升时，在电力系统的发电设备和负载之间的电力供给量中，判断为发电量过剩，使发电电力指令值PM降低。另外，相反地，风车控制装置104-03具有在频率Freq降低时，在电力系统的发电设备和负载之间的电力供给量中，判断为发电量不足，使发电电力指令值PM上升的功能。

这里，关于利用风车控制装置104-03来变更发电电力指令值PM的方法进行了叙述，但是如在实施例3说明的，也可以利用控制装置102对风力发电装置组分配指令值。

由此，以由系统频率来调节风力发电装置的发电电力的方式，能够具有有助于电力系统的稳定化的功能。

今后，因为考虑当风力发电装置的导入量增加时则电力系统的电力变动成为问题，所以为了抑制输出电力的变动，蓄电装置等的变动补偿装置能够预测有必要用于电力系统的稳定化。因此，尽量使风力发电装置的输出变动变无，从而降低变动补偿装置的成本是为了使风力发电装置的导入量今后增加而不可避免的重要课题。因此，达成该课题的本发明在风力发电的领域中是具有非常大的意义的发明。

产业上的利用可能性

基于本发明，通过利用比相对于风速得到的发电电量小的发电电力指令值PM，并且不论风速变动如何，都使发电电力指令值PM一定，能够使风力发电装置的输出一定。这并不限定于风力，利用自然能量的装置，如光伏系统、波力/潮力发电系统等也能够适用。

Claims

1.一种风力发电装置，具备，用于调节输出给电力系统的电力的变换装置，和将根据风速决定的发电电力指令值(PM)发送给所述变换装置的发电控制装置，所述变换装置按照发电电力指令值对所述风力发电装置向电力系统发电的电力进行控制，其中，

所述发电控制装置将比根据所述风速决定的可能发电电力(PW)小的规定时间内保持一定的所述发电电力指令值(PM)发送给所述变换装置，

所述发电控制装置具备使所述发电电力指令值(PM)与叶片由风接收的能量大致相等，将风车的转速维持在规定值的叶片角度控制装置，

所述变换装置具备保持所述发电电力指令值(PM)直到转速达到下限值附近或上限值附近的有效电力控制装置。

2.根据权利要求1所述的风力发电装置，其特征在于，

所述叶片角度控制装置在所述可能发电电力(PW)降低时，使所述叶片的转速上升。

3.根据权利要求1所述的风力发电装置，其特征在于，

具备在所述风速的平均值降低时变更所述规定时间内保持一定的发电电力指令值(PM)的机构。

4.根据权利要求1所述的风力发电装置，其特征在于，

具备利用风速预测值来变更所述发电电力指令值(PM)的机构。

5.根据权利要求1所述的风力发电装置，其特征在于，

具备：检测连接风力发电装置的电力系统的频率的检测机构；和调整机构，在频率的检测值中具有上限值和下限值，当所检测出的频率超过所述上限值时，所述调整机构使所述发电电力指令值(PM)降低，当所述所检测出的频率低于所述下限值时，所述调整机构使所述发电电力指令值(PM)增加。

6.一种风力发电装置组，具备多台权利要求1至5中任意一项所述的风力发电装置，构成与电力系统的同一线路连接的风电场，所述风力发电装置组具备用于控制所述风电场输出到电力系统的发电电力在规定值的场控制装置，

场控制装置，输入场内的各风力发电装置的可能发电电力(PW)，将场输出电力指令值PF设定为比所述发电电力指令值(PM)的总和小的值，

场控制装置具备用于将所述场输出电力指令PF分配给各风力发电装置的电力指令分配机构。