CN101713376A - 风力发电装置组的控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种风力发电装置组的控制装置及控制方法，抑制从风电场向电力系统输出的电力的变化，保持固定输出。在由通过输电线对电力系统连接的能够进行可变转速以及可变间距控制的多台风力发电装置构成的风力发电装置组(风电场)中，风电场包括：风向风速计，设置在各风力发电装置中；单独控制装置，设置在各风力发电装置中，并且通过通讯网络发送接收包含各风力发电装置的风向、风力的运转信息；以及集中控制装置，通过通讯网络接收来自所述单独控制装置的信息，并进行计算处理。按照来自集中控制装置的输出指令值对所述风电场的运转进行控制。

Description

风力发电装置组的控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及由向电力系统提供利用风力能量发电得到的电力的多个风力发电装置构成的风力发电装置组(风电场：wind farm)。

背景技术

近年，作为地球温暖化对策之一，世界范围正盛行引入风力发电。在风力发电的大量引入中，从费用对比效果的观点出发，大多设置为以下方式的风电场，即，在固定地域中设置多台风力发电装置，统一控制并使用这些风力发电装置组。

以往，对有关风电场以及各个风力发电装置提出各种提案。在专利文献1中公开了以下方法，即，在由多台风力发电装置构成的风电场中，设定目标发电量，为了使构成风电场的各风力发电装置的合计输出电力接近目标发电量，在风力发电装置之间交换维护历史记录数据和运转特性数据等的运转信息，决定风力发电装置的运转模式。

在专利文献2中，记载有如下控制方法，即，通过采用间距(pitch)控制等来变更输出变化大的风力发电装置的功率曲线(power curve)的最大值，从而抑制输出变化。

在专利文献3中，记载有如下控制方法，即，将蓄电器与风力发电装置连接，并通过对蓄电器进行充放电控制来调整与已设定的基准发电电力的偏差，从而抑制发电电力的变化。

在专利文献4中，记载有如下控制方法，即，在风力发电装置中设置利用多普勒效应(Doppler effect)的激光式风向风速计，并通过测量与风力发电装置的位置相隔离的地点的风向风速，来预测风力发电装置中的近期的风速，并通过按照预测值来进行控制，从而使发电输出固定。

专利文献1：JP特开2002-349413号公报

专利文献2：JP特开2001-234845号公报

专利文献3：JP特开2002-27679号公报

专利文献4：JP特开2004-301116号公报

随着发电输出根据气象状况而变化的风力发电装置的电力系统的引入变多，人们担忧在将来该引入进一步增多的情况下，会对电力系统的电压和频率的保持产生影响。

如果针对频率的保持来讲，以往各地域的电力公司能够主要针对需求的变化来组合各种电源，从而平衡需求和供给。在风力发电大量与电力系统相联系的情况下，说到现有需求，负(minus)的负载相重叠。根据需求的变化和风力发电输出的组合，也可以预料到，除现有技术以外高的供求调整能力是必需的。

需求变化被认为是具有变化范围小的各种振幅和周期的脉动成分、不规则变化相重叠后得到的，这些成分主要分为如下3种：周期为几分钟以下的微小变化、从几分钟至十几分钟左右的短周期变化、十几分钟以上的长周期变化。在风力发电的发电输出中，也同样包含上述3种成分。

针对上述需求变化，周期几分钟以下的微小变化可以通过利用了发电站的调速机的无调速(governor free)运转来进行调整。针对周期为几分钟至十几分钟左右的短周期变化，检测频率偏差等，并使频率调整发电站的发电机输出发生改变，将这称为负载频率控制(LFC)。针对周期为这以上的较长的长周期变化，考虑到经济性，通过向各发电站发送发电指令来进行调整，将这称为经济负载分配控制(ELD)。

在大量引入风力发电的情况下，特别成为问题的是上述第二负载频率控制(LFC)。在风力发电输出的变化与需求(负载)变化相重叠的情况下，可以想到频率调整发电站的设备容量不足。但是，单纯地增加频率调整发电站的设备容量，会使经济负担变大，必须采用某些替代手段。

以往，如专利文献1以及专利文献2中记载的，正研究或调整风电场内的运转台数、或将功率曲线的最大值限制得较小来缓和输出变化。在限制功率曲线的最大值的方法中，虽然能够在某程度上缓和变化，但是由于在风速急速下降时发电输出下降，因此产生变化，恐怕会对与该电力系统连接的例如火力发电站、原子力发电站等电源或负载(消费者)造成电压变化或频率变化等不良影响。

此外，在如专利文献3这样设置蓄电器(蓄电池)的方法中，虽然通过适当进行蓄电器的充放电控制能够缓和变化，但是存在由于设置了蓄电器而导致的风力发电从业者的成本负担变大这样的问题。

通过预测近期的风速并基于预测值进行控制，而不是设置新的高价设备，在某些程度上可以减少或抑制风力发电输出变化。如果如专利文献4这样利用多普勒激光式风向风速计，则存在如下优点，即，不只是进行通常风向风速的测量的风力发电装置的设置位置，也能够测量隔离的周边位置处的风向风速。但是，多普勒激光式风向风速计中，测量中所必需的强度的激光达到的范围有限制，特别在风电场的面积大的情况下，会存在设置激光式风向风速计的风力发电从业者的成本负担变大这样的问题。

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化，保持固定的输出。特别地，提供一种从电力系统控制的观点来看有效的、能够使几分钟至十几分钟左右的短周期变化基本固定的风力发电装置组的控制装置方式以及控制方法。

为达成上述目的，本发明提供一种由通过输电线与电力系统连接的能够进行可变转速以及可变间距控制的多台风力发电装置构成的风力发电装置组，所述风力发电装置组包括：风向风速计，设置在各风力发电装置中；单独控制装置，设置在各风力发电装置中，并且通过通讯网络发送接收包含各风力发电装置的风向、风力的运转信息；以及集中控制装置，通过所述通讯网络，接收来自所述单独控制装置的信息，并对输出变化进行计算处理。所述风力发电装置组的控制装置按照从所述集中控制装置发送给各风力发电装置的输出指令值，对所述风力发电装置组的运转进行控制。

另外，所述集中控制装置包括：发送接收单元，接收从各风力发电装置发送的运转信息；风速变化预测单元，根据所述运转信息对于所述风力发电装置组预测近期的风速变化；输出预测单元，根据所述风速变化的预测，来预测所述风力发电装置组的近期的输出变化；以及动态能量积蓄指令单元，在所述风力发电装置组的合计输出变大时，将风力能量作为风力发电装置组的旋转能量来积蓄，在所述风力发电装置组的合计输出变小时，释放作为旋转能量积蓄的风力能量。所述集中控制装置保持所述风力发电装置组的输出固定。

另外，所述动态能量积蓄指令单元包括：转速上升指令单元，在由所述输出预测单元预测出的所述风力发电装置组的合计输出变大的时间区间中，将风力能量作为各风力发电装置的旋转能量来积蓄；以及转速下降指令单元，在预测出的所述风力发电装置组的合计输出变小的时间区间中，释放作为各风力发电装置的旋转能量积蓄的风力能量。

另外，所述的风力发电装置组包括与所述输电线连接的至少1台蓄电装置，在根据来自所述集中控制装置的输出指令控制了所述风力发电装置组的输出为固定时，在因所述风速的预测误差而偏离所述固定输出的情况下，由所述蓄电装置的充放电电力来补偿所述偏离。

另外，所述集中控制装置和所述单独控制装置具有设置在同一硬件中的相互不同的控制软件。

而且，一种风力发电装置组的控制方法，所述风力发电装置组由通过输电线与电力系统连接的能够进行可变转速以及可变间距控制的多台风力发电装置构成，所述风力发电装置组包括：单独控制装置，设置在各风力发电装置中；以及集中控制装置，通过通讯网络发送接收包含各风力发电装置的风向、风力的运转信息，并对输出变化进行计算处理。所述风力发电装置组的控制方法按照来自该集中控制装置的输出指令值，对所述风力发电装置组的运转进行控制。

而且，接收从各风力发电装置发送的运转信息，根据所述运转信息对于所述风力发电装置组预测近期的风速变化，根据所述风速变化的预测，来预测所述风力发电装置组的近期的输出变化，在所述风力发电装置组的合计输出变大时，将风力能量作为风力发电装置组的旋转能量来积蓄，在所述风力发电装置组的合计输出变小时，释放作为旋转能量积蓄的风力能量，保持所述风力发电装置组的输出固定。

本发明包括：设置在各风力发电装置中的单独控制装置；和根据单独控制装置的信息，进行输出预测计算的集中控制装置。能够按照简单的构成，根据在风电场内的各风力发电装置中测量出的风向/风速的测量值，来预测近期的风电场的输出变化。此外，通过由各风力发电装置的转速增减，将风电场的输出变化作为旋转能量来积蓄/释放，可以抑制输出变化，将风电场的输出保持固定，能够减轻对电力系统的影响。

此外，可以减少由于风电场的输出变化抑制的目的而附加设置的蓄电装置的容量，并能够实现成本降低。

附图说明

图1是表示本发明实施方式的概念的风电场的框图。

图2是表示风速变化到达各风力发电装置的到达时间的预测方法的示意图。

图3是表示本发明实施方式的集中控制装置的结构的框图。

图4是表示各风力发电装置的风速变化的预测结果的曲线图。

图5是表示风力发电装置的预测风速和输出电力的特性的特性图。

图6是表示各风力发电装置的输出和风电场合计输出的预测结果的曲线图。

图7是表示通过输出限制来改变风力发电装置的功率曲线的方式的示意图。

图8是表示通过对各风力发电装置的输出限制控制来将风电场输出保持固定的示意图。

图9是表示根据对各风力发电装置的转速指令，将风力能量作为旋转能量来积蓄/释放，从而将风电场输出保持固定的方式的示意图。

图10是表示风力发电装置的转速和输出之间的关系的特性图。

图11是表示本发明的同时设置有蓄电装置的风电场的框图。

符号说明

5通讯网络

6风向

7电力系统

8需求方

9输电线

11、12、13风力发电装置

21、22、23风向风速计

31、32、33单独控制装置

41集中控制装置

42存储装置

50蓄电装置

51发送接收单元

52风速变化预测结构

53输出预测单元

54动态能量积蓄指令单元

55转速上升指令单元

56转速下降指令单元

100风电场

具体实施方式

以下针对附图说明本发明的实施方式。图1是表示本发明的一个实施方式的装置结构的框图。风电场100在一个位置与电力系统7连接，从电力系统7和风电场100对需求方8提供电力。

风电场100由能够进行可变转速以及可变间距控制的多个风力发电装置11、12、13构成。各风力发电装置通过输电线9与电力系统7连接。风力发电装置11、12、13中，风向风速计21、22、23和单独控制装置31、32、33连接，单独控制装置31、32、33通过通讯网络5相互连接，并且与集中控制装置41连接。42是存储各风力发电装置的输出特性数据等的存储装置。

在箭头6表示的风向的风吹时，在风电场100中风速变化最先到达的是风力发电装置11。附属于风力发电装置11的单独控制装置31通过通讯网络5将由风向风速计21测量的风向、风速发送至集中控制装置41。其他风力发电装置的风向、风速数据也同样发送至集中控制装置41。集中控制装置41根据接收到的风向数据判断在风电场100内风力发电装置11最顶风，并根据风速数据预测风速变化到达其他风力发电装置12、13的时间变化。

图2是表示预测风速变化到达各风力发电装置的方法的示意图。图2(a)表示风力发电装置的配置和风向风力之间的关系。图2(b)表示风力变化到达各风力发电装置的到达时间延迟。表示风力发电装置的配置和风向风力之间的关系。假设以风速变化最先到达的风力发电装置11为基点，距离其他风力发电装置的距离L和方位θ作为已知数据被预先输入至存储装置42。根据由风力发电装置11测量出的风速，用(数学式1)表示风速变化在时刻T12到达风力发电装置12为止的时间延迟T2。同样，求出风速变化在时刻T13到达风电场100内的另一风力发电装置13的到达时间延迟T3。

(数学式1)

$T_2=\frac{L\cos \mathrm{\θ}}{V}...\left(1\right)$

图3是表示集中控制装置41的结构的框图。图中，从通讯网络5获得的各风力发电装置的风向、风速数据、输出数据经由发送接收单元51输入至风速变化预测单元52，从而预测风电场100整体近期的风速。风速预测数据进一步被输入至输出预测单元53，预测同一风电场100整体近期的输出。输出预测数据接着被输入动态能量积蓄指令单元54，并与预先设定的预定输出进行比较。动态能量积蓄指令单元54还具有转速上升指令单元55和转速下降指令单元56。在输出预测数据比预定输出高的情况下，由转速上升指令单元55提高风力发电装置的旋转，将风力能量作为风力发电装置的旋转能量来积蓄。另一方面，在输出预测数据比预定输出低的情况下，由转速下降指令单元56减少风力发电装置的旋转，释放积蓄的旋转能量，从而谋求输出的平均化。保存在存储装置42中的各风力发电装置的输出特性数据被提供给输出预测单元53、动态能量积蓄指令单元54，用于输出预测。所述集中控制装置以及单独控制装置能够由在计算机系统中运行的控制软件构成，在该情况下，能够由设置在相同计算机系统中的不同控制软件构成。

图4是表示由上述方法预测出的到达各风力发电装置的风速变化预测结果的曲线图。图4(a)表示当前时刻中风力发电装置11的风速变化的实际测量值。此外，图4(b)表示经过时刻T2后风力发电装置12的风速变化的预测值。同样，图4(c)表示经过时刻T3后风力发电装置13的风速变化的预测值。

图5是表示风速和风力发电装置输出之间的关系(功率曲线)的特性图。该特性数据预先保存在与集中控制装置41连接的存储装置42中，在风电场输出预测计算时被调用至集中控制装置41。此外，在风电场100内设置不同特性的风力发电装置的情况下，保存风电场100内的所有风力发电装置的特性数据，用于预测计算。

图6是根据图4的风速变化预测结果和图5的功率曲线，表示风电场100内的各风力发电装置的输出变化和风电场100的合计输出变化的预测结果的示意图。图6(a)表示各风力发电装置的输出预测，各种不同浓度的曲线上的点P1、P2、P3表示各时刻中的各风力发电装置的输出预测结果。图6(b)表示风电场100的预测合计输出，对上述P1、P2、P3求和后得到的值是风电场预测合计输出Psum。根据Psum的变化范围计算能够以固定值进行稳定控制的输出。Psum’是成为固定控制的对象的时间范围(图6中为20分钟)内的预测合计输出的最小值，在将其设定为固定控制的输出的情况下，给各风力发电装置的控制指令指示如图6所示的输出限制。在该情况下，给各风力发电装置的控制指令如图7所示。

图8是表示给各风力发电装置的控制指令的示意图。图8(a)表示输出变化评价时间Te中的各风力发电装置11、12、13的输出P1、P2、P3和它们的合计值即风电场100的输出P1+P2+P3＝Psum。图8(b)表示以最小值Psum进行控制的情况下的输出限制控制结果。Tc是输出限制指令周期。

图8中，针对(1)、(2)、(3)的各控制时刻来说明各风力发电装置的控制指令的设定方法。

(1)是P1+P2+P3＞Psum’且P1+P2＜Psum’的情况，此时大致确定为P1’＝P2’＝P3’且P1’+P2’+P3’＝Psum’。在P1’＜P1，P2’＜P2，P3’＜P3的情况下，由具有储备能量的风力发电装置负担不足量。

(2)是P1+P2＞Psum’的情况，降低具有储备能量的P1、P2的输出，并大致确定为P1’＝P2’＝P3’且P1’+P2’+P3’＝Psum’。虽然作为能量可以假设P3’＝0，但是由于仅一台不停止运转的方式能够使风电场内的运转均衡，并能够使风力发电装置的恶化均衡，因此在维护成本方面具有优势。

(3)是P1+P2+P3＝Psum’的情况，此时假设为原来的输出不变P1’＝P1，P2’＝P2，P3’＝P3。

在上述图8的控制方式中，虽然能够抑制输出变化，但是由于不能产生Psum’以上的输出，因此能量损失变大。因此，下面说明通过将风力能量作为风力发电装置的旋转能量来积蓄从而减少能量损失，使固定控制的输出上升至图6(b)的合计输出的平均值Psum”的控制方式。图9是表示给各风力发电装置的控制指令的示意图。图9(a)表示输出变化评价时间Te中各风力发电装置11、12、13的输出P1、P2、P3和它们的合计值即风电场100的输出P1+P2+P3。图9(b)表示以Psum”进行控制的情况下的输出限制控制结果。图10是表示风力发电装置的转速-输出特性的特性图。在图10中，进行可变速控制，提高如虚线所示在各风速区域中的最大输出。

图9中，将输出变化评价时间Te的预测发电量Psum的平均值确定为Psum”。并且，在预测发电量比Psum”大的时间区间(1)中，根据如图10所示的特性图进行控制，使给各风力发电装置的转速指令值比最大输出转速高、并降低输出，将风力能量作为风力发电装置的旋转能量来积蓄。另一方面，在预测发电量比Psum”小的时间区间(2)中，通过慢慢降低风力发电装置的转速来释放(1)时间区间中积蓄的旋转能量，从而控制保持Psum”的输出。

图11是将本发明应用于多个风力发电装置11、12、13中同时设置有蓄电装置50的风电场100的情况下的框图。

以往，在基于抑制风电场的输出变化的目的而设置蓄电装置的情况下，由于必须通过蓄电装置的充放电来吸收风电场中产生的所有输出变化，因此存在蓄电装置容量变大且成本提高的问题。在本发明中，虽然能够不使用蓄电装置对风电场的输出进行固定控制，但是在各风力发电装置的近期的风速的预测中有可能产生误差，且风电场输出相对于固定值会偏差一点。蓄电装置50可以通过充放电来补偿该偏差的部分，与现有技术相比能够减小蓄电装置的容量并削减蓄电装置的设置成本。

Claims (7)

1.一种风力发电装置组的控制装置，所述风力发电装置组由通过输电线与电力系统连接的能够进行可变转速以及可变间距控制的多台风力发电装置构成，

所述风力发电装置组包括：

风向风速计，设置在各风力发电装置中；

单独控制装置，设置在各风力发电装置中，并且通过通讯网络发送接收包含各风力发电装置的风向、风力的运转信息；以及

集中控制装置，通过所述通讯网络，接收来自所述单独控制装置的信息，并对输出变化进行计算处理，

所述风力发电装置组的控制装置按照从所述集中控制装置发送给各风力发电装置的输出指令值，对所述风力发电装置组的运转进行控制。

2.根据权利要求1所述的风力发电装置组的控制装置，其特征在于，

所述集中控制装置包括：

发送接收单元，接收从各风力发电装置发送的运转信息；

风速变化预测单元，根据所述运转信息对于所述风力发电装置组预测近期的风速变化；

输出预测单元，根据所述风速变化的预测，来预测所述风力发电装置组的近期的输出变化；以及

动态能量积蓄指令单元，在所述风力发电装置组的合计输出变大时，将风力能量作为风力发电装置组的旋转能量来积蓄，在所述风力发电装置组的合计输出变小时，释放作为旋转能量积蓄的风力能量，

所述集中控制装置保持所述风力发电装置组的输出固定。

3.根据权利要求2所述的风力发电装置组的控制装置，其特征在于，

所述动态能量积蓄指令单元包括：

转速上升指令单元，在由所述输出预测单元预测出的所述风力发电装置组的合计输出变大的时间区间中，将风力能量作为各风力发电装置的旋转能量来积蓄；以及

转速下降指令单元，在预测出的所述风力发电装置组的合计输出变小的时间区间中，释放作为各风力发电装置的旋转能量积蓄的风力能量。

4.根据权利要求1所述的风力发电装置组的控制装置，其特征在于，

所述的风力发电装置组包括与所述输电线连接的至少1台蓄电装置，在根据来自所述集中控制装置的输出指令控制了所述风力发电装置组的输出为固定时，在因所述风速的预测误差而偏离所述固定输出的情况下，由所述蓄电装置的充放电电力来补偿所述偏离。

5.根据权利要求1所述的风力发电装置组的控制装置，其特征在于，

所述集中控制装置和所述单独控制装置具有设置在同一硬件中的相互不同的控制软件。

6.一种风力发电装置组的控制方法，所述风力发电装置组由通过输电线与电力系统连接的能够进行可变转速以及可变间距控制的多台风力发电装置构成，

所述风力发电装置组包括：

单独控制装置，设置在各风力发电装置中；以及

集中控制装置，通过通讯网络发送接收包含各风力发电装置的风向、风力的运转信息，并对输出变化进行计算处理，

所述风力发电装置组的控制方法按照来自该集中控制装置的输出指令值，对所述风力发电装置组的运转进行控制。

7.根据权利要求6所述的风力发电装置组的控制方法，其特征在于，

接收从各风力发电装置发送的运转信息，根据所述运转信息对于所述风力发电装置组预测近期的风速变化，根据所述风速变化的预测，来预测所述风力发电装置组的近期的输出变化，在所述风力发电装置组的合计输出变大时，将风力能量作为风力发电装置组的旋转能量来积蓄，在所述风力发电装置组的合计输出变小时，释放作为旋转能量积蓄的风力能量，保持所述风力发电装置组的输出固定。

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