CN102108943A

CN102108943A - 风力发电系统

Info

Publication number: CN102108943A
Application number: CN2010106230920A
Authority: CN
Inventors: 友部修; 渡边雅浩; 黑田英佑; 古川俊行; 安部圭子
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-12-28
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2030-12-27
Also published as: JP2011137393A; CN103104416A; JP5816719B2; JP2014148983A; JP5557525B2; CN102108943B; CN103104416B

Abstract

本发明提供一种风力发电系统，对于风力发电系统的风电场，具有如下问题：发生同步现象的风险高，电力系统侧的电压降低时难以连续运转。为此在本发明中，抑制在遥远的地方配置许多的风力发电机的电压变动，并且容易使风车继续运转。在电力系统的电压是异常值时，计算构成风电场的多个风力发电系统间的电压变动的相关性，并判断是否发生了同步现象，由此针对对同步现象起作用的风力发电系统，改变叶片的俯仰角。

Description

风力发电系统

技术领域

本发明涉及风力发电系统，尤其涉及控制多个风力发电装置使得由风力发电产生的电力质量稳定的风力发电系统。

背景技术

所谓风力发电，是指通过风车或螺旋桨将风的动能转换为旋转这一动能，并利用增速机等使旋转增速之后使发电机运转，由此变换为电能的发电方式。

近年来，作为可再生能源在世界中推进导入风力发电系统，近几年，由于大量生产和技术进步带来的风力发电设备的成本降低以及用于设置的补助金等导入支援政策等，以年平均大约30％的成长率发展，在利用自然能量的发电系统中正在与太阳能发电一起急速成长。

除了设置风力发电设备，还需要风速能够确保一定等级、即风况良好，此外还需要存在用于运送叶片(blade)以及塔架(tower)这样的风力发电设备器材的道路，需要用于将来自风力发电设备的电力送出的输电线。

作为风力发电的一般方法，通过在风的强度满足一定条件的地方排列导入多个风车从而构成风电场(wind farm)。风力发电设备一般在作为电源时具有输出闪变显著等、特征与以往电源较大不同的特性。此外，在要考虑确保用地资金、风况良好的情况下，对于系统相互联系较弱，所以风力发电即使在分散型电源中也是特别担心对系统产生影响的电源。因此，虽然有可能通过风电场使各个风力发电机的输出闪变平衡化，但是现状存在很多技术问题〔非专利文献1〕。

具体而言，担心伴随风力发电机的大量导入而对电力系统产生影响，需要避免伴随风力发电机的异常而导致的电压降低等事故。另一方面，风力发电机大多导入在风况良好的山岳地带以及沿海地区，一般为遥远的地方。因此，需要检测处于遥远的地方的风力发电机的异常，并抑制对电力系统的波及。

因此，在〔专利文献1〕中公开了如下技术：在排列许多风力/太阳能发电装置等的分散型电源的电力系统中在发生系统事故时，分散型电源用传输切断系统从分散型电源取得异常数据后，通过远程操作切断供电并且通过分散型电源的传输切断，将分散性电源从电力系统分离开来，由此避免单独运转。

另一方面，在如风电场那样许多风力发电机相互关联那样的条件下，报告发生风车间的“同步现象”。根据该报告，由塔影效应产生的1Hz级别(order)的电压闪变在风车台数为N台时，存在电压闪变幅度最差增大到3N倍这样的报告〔非专利文献1〕〔非专利文献2〕。

因此，在今后加速越来越大型化、大量风力发电机相互关联的风电场中，具有如下问题：发生同步现象的风险提高，源自电力系统侧的电压降低时难以连续运转。

【专利文献1】日本特开2005-198446号公报

【非专利文献1】「ENERGY2004-8P74-77特集系

連系と配電技術ウインドフア一ムとその系

影響風力発電を「普通電源」にちかづけられるか」，ENERGY2004-8P74-77专集系统联系与配电技术风电场及其系统影响风力发电接近“普通电源”吗

【非专利文献2】「電気学会論文誌B Vol124，No.9、2004「ウインドフア一ムにおける風力発電機の同期化現象の理論的検討」，电气协会论文集BVol.124，No.9，2004「风电场中的风力发电机的同步现象的理论研究」

发明内容

本发明中要解决的课题是提供一种配置许多风力发电机的抑制电压变动的风力发电系统。

为了实现上述课题，本发明在具备构成风电场的多个风力发电机的风力发电系统中，具备：能够改变俯仰角的叶片；与该叶片机械连接的转子；由该转子驱动的发电机；与该发电机电连接、并且控制从所述发电机向电力系统输出的电力的电力转换器；控制所述俯仰角的俯仰角控制单元；检测所述电力系统或者所述风力发电系统的异常状态的异常检测单元；该异常检测单元没有检测出异常时的第一俯仰角控制单元、和所述异常检测单元检测出异常时的第二俯仰角控制单元；所述第二俯仰角控制单元使所述转子的旋转速度保持所述风力发电系统的能够发电运转的旋转速度。

进而，本发明在风力发电系统中，其特征在于，具有预先决定的第一规定值和比该第一规定值小的第二规定值，所述第二俯仰角控制单元在所述转子的旋转速度比所述风力发电系统的能够发电运转的所述转子的旋转速度的上限值小、且比第一规定值大时，将俯仰角固定为规定的值；在所述转子的旋转速度比所述风力发电系统的能够发电运转的所述转子的旋转速度的下限值大、且比第二规定值小时，使俯仰角为最大角。

进而，本发明在风力发电系统中，其特征在于，所述第二俯仰角控制单元是使所述转子的旋转速度的目标值为所述风力发电系统的能够发电运转的旋转速度范围内的固定值的控制单元。

进而，本发明在风力发电系统中，其特征在于，所述异常检测单元检测所述电力系统的电压振幅值比预先决定的范围大的情况、或者小的情况。

进而，本发明在风力发电系统中，其特征在于，所述异常检测单元通过计算构成所述风电场的多个风力发电机间的相关关系，来检测电压振幅值的异常。

进而，本发明在风力发电系统中，其特征在于，所述异常检测单元通过计算构成风电场的多个风力发电机间的与电压变动频率的变动相关的相关关系，来检测风力发电机间的同步现象引起的电压振幅值的异常。

进而，本发明在风力发电系统中，其特征在于，具备利用运算装置按照所述风力发电机间的相关系数的降序进行排序从而使发送俯仰角指令的候补列表化，并存储到主存储装置的风电场监视装置。

进而，本发明在风力发电系统中，其特征在于，具备监视所述风电场的风电场监视装置，逐次比较所取得的风车端电压到达该风电场监视装置的时刻和检测到风车端电压的时刻的偏差，在有大的变动时，废弃所取得的风车端电压值。

进而，本发明在风力发电系统中，其特征在于，具备监视所述风电场的风电场监视装置，该风电场监视装置具备通过对联系点处的时刻和电压的时间序列数据进行傅立叶变换从而作成功率谱，并且在所述联系点处的电压变动周期为2Hz左右、且电压变动幅度偏离了V限制时，经由通信网从各风力发电机取得时刻和风车端电压、用于指定风力发电机的机种ID和用于指定风电场的风电场ID的单元，为了掌握各风力发电机间的同步程度，计算各风力发电机间的相关系数，相关系数的计算方法为：

机种ID为m的平均值u_m＝∑V_m(t)

机种ID为n的平均值u_n＝∑V_n(t)

相关系数＝∑(V_m(t)-u_m)＊(V_n(t)-u_n)。

进而，本发明在风力发电系统中，其特征在于，具备监视所述风电场的风电场监视装置，该风电场监视装置利用运算装置按照风力发电机间的相关系数的降序进行排序，从而使发送俯仰角指令的候补列表化，并存储到存储装置。

进而，本发明在风力发电系统中，其特征在于，探索各风力发电机的P、Q，从预先利用所述运算装置按照风力发电机间的相关系数的降序进行排序从而使发送俯仰角指令的候补列表化，并存储到所述存储装置的结果中，选择上位的风力发电机。

进而，本发明在风力发电系统中，其特征在于，从存储到所述存储装置的结果中选择上位30％的风力发电机。

进而，本发明在风力发电系统中，其特征在于，具备监视所述风电场的风电场监视装置，该风电场监视装置具备为了补正对联系点处的P、Q、V限制的偏离部分，通过逐次执行各风力发电机的P、Q的功率流计算从而进行最优化计算的单元，并利用以下的最优化计算的目标函数。

最优化计算的目标函数＝ΔP×ΔP+ΔQ×ΔQ+ΔV×ΔV

进而，本发明在风力发电系统中，其特征在于，所述最优化计算是蒙特卡罗+局部搜索、遗传算法、PSO、禁忌搜索等方法。

进而，本发明在风力发电系统中，其特征在于，在电力系统的电压是异常值时，计算构成风电场的多个风力发电系统间的电压变动的相关，判断是否发生了同步现象，从而针对对同步现象起作用的风力发电系统，改变所述叶片的俯仰角，由此将所述转子的旋转速度控制在一定范围内，并且所述发电机侧转换器控制向同步发电机的无效功率。

(发明效果)

根据本发明，对于风电场特有的同步现象，能够抑制电力系统的电压变动。

附图说明

图1是本发明中的风电场结构。

图2是塔影效应的说明图。

图3是用于计算电压闪变(flicker)的模型。

图4是由塔影效应引起的系统电压的闪变。

图5是风电场监视装置中的风车端电压的取得流程图。

图6是风电场监视装置中的俯仰(pitch)角指令值的发送流程图。

图7是风电场监视装置中的动作周期。

图8是风电场监视装置的硬件结构。

图9是风电场监视装置的处理流程图。

图10是联系点设定DB的数据结构。

图11是塔影效应判断设定DB的数据结构。

图12是风速-俯仰角-PDB的数据结构。

图13是计算风力发电机的旋转角度的处理。

(符号说明)

100 风力发电机

102 输电线

104 联系点

108 通信网

110 风电场监视装置

202 塔影效应前的功率流

204 塔影效应后的功率流

206 塔影效应前后的功率流的变化

208 塔影效应的有效功率P的闪变

210 塔影效应的风车端电压的闪变

具体实施方式

对本发明的实施例进行说明。

图1示出本发明中的风电场结构。风力发电机100由叶片、塔架、短舱(nacelle)等风车或支撑风车的建造物、以及用于将风车的旋转能量转换为电能的发电机构成。这些风力发电机通过输电线102联结，之后与作为电力公司的输电网的联系点104连接，从风电场向电力公司提供由风力发电机产生的电力。风电场监视装置110通过通信网与各风力发电机连接，利用风电场监视装置110能够监视对各个风力发电机的风车端电压、发电电力进行测量所得到的信息。而且，风电场监视装置110也对联系点处的电压、电力收集测量得到的结果，并确认风电场的输出是否符合与电力公司的合约条件。

图2是说明塔影效应的图。塔影效应是对于有效功率P、无效功率Q202，由于风车的叶片到达与塔架重叠的位置而受风的力变弱(206)，有效功率P、无效功率Q204发生变化。

该有效功率P随时间变化(曲线208)。由于该现象，风车端电压V周期性地变动(曲线210)。该现象是具备叶片的风力发电机中固有的现象。

图3示出用于计算电压闪变的数学式模型(数1)(数2)。是用于通过采用补正项从而使电压闪变对人类主观产生的影响数值化的模型，称为ΔV10(数1)，其中，补正项是周期性的电压变动在人类容易感觉到闪烁的电压变动频率(约10Hz)附近，电压变动的影响最大这样的闪烁视觉灵敏度特性a_n(数2)。

图4示出各风力发电机的塔影效应对系统电压408引起的变动的样子。根据前述〔非专利文献1〕，在感应发电机的情况下，利用来自系统的电力，进行风力发电机内转子的励磁，根据来自该系统的电力的变动，通过使感应发电机彼此的旋转周期与塔影效应的周期一致，从而使发电端电压402、404、406的变动周期与风力发电机彼此一致。此时系统侧的电压变动408成为各个风力发电机412、414、416的电压变动的3N倍。

图5示出用于抑制风电场中的塔架影响效应引起的同步现象的动作。首先，风电场监视装置分别从各风力发电机周期性地取得时刻和风车端电压。这些时刻和风车端电压的取得周期，假设塔架影响效应以1～数Hz的周期发生，设计上为0.2秒。对于取得的风车端电压到达风电场监视装置的时刻与测量风车端电压的时刻的偏差，进行逐次追踪，在有大的变动时，废弃所取得的风车端电压值。通过该处理，能够不执行在后面的处理进行俯仰角控制时所假设的延迟以上的控制。通过该处理，能够抑制不要的风力发电机输出的降低。

图6示出风电场监视装置通过经由通信网对各风力发电机发送俯仰角指令值从而使风车的旋转速度上升或下降，由此通过使各风力发电机具有的塔影效应的相位移动，从而使系统电压408平衡化。

具体而言，以风力发电机412的风车端电压为基准，调整风力发电机414的俯仰角，加快旋转速度，从而使风力发电机414的风车端电压的相位前进，并且调整风力发电机416的俯仰角，使旋转速度降低从而使风车端电压的相位延迟，由此使系统电压408平衡化。

图7示出继续实施风电场监视装置的周期性控制动作。

采用以后的图来说明风电场监视装置中的处理构成、处理流程图。

图8示出风电场监视装置的硬件结构。风电场监视装置具备：CPU等运算装置502、DRAM等主存储装置504、控制装置506、用于在风电场监视装置内的各种装置间进行信息交换的总线510、用于与各风力发电机进行通信的LAN接口等的通信装置508；以及在辅助存储装置中具备联系点设定DB512、俯仰角-P-旋转速度DB514、塔影效应判断设定DB516。

图9示出风电场监视装置的处理流程图。风电场监视装置从联系点设定DB取得联系点处的P、Q、V限制(S100)。这些限制是由电力公司与风电场运营公司之间的合约决定的限制，所以是由风电场运营公司设定的值。作为这些设定中的基准，在向电力公司贩卖由风车产生的剩余电力时，通过联系而对已有电力的质量、可靠性、安全等产生影响，为了避免其他电力使用者不能使用以往电力的情况，风力发电机的设置侧需要技术性地预先实施适当措施。作为进行系统联系时技术要件的基准，在规定有「系统联系技术要件准则」的情况下，通常将准则的解说作为民间的技术指南而发行「分散型电源系统联系技术指南」。

接着，风电场监视装置通过通信网取得联系点处的时刻和电压(S101)。而且，风电场监视装置对联系点处的时刻和电压的时间序列数据进行傅立叶(Fourier)变换，从而生成功率谱(power spectrum)，假设联系点处的电压变动周期是2Hz左右，并且判断电压变动幅度是否偏离了V限制(S102)，在与该条件吻合时，经由通信网从各风力发电机取得时刻和风车端电压、用于指定风力发电机的机种ID和用于指定风电场的风电场ID(S103)。之后，为了掌握各风力发电机间的同步程度，计算各风力发电机间的相关系数(S104)。相关系数的计算方法如下：

机种ID为m的平均值u_m＝∑V_m(t)

机种ID为n的平均值u_n＝∑V_n(t)

相关系数＝∑(V_m(t)-u_m)＊(V_n(t)-u_n)

将∑的范围设10点时，以0.2秒周期采样电压时，成为2秒钟的数据。

接着，风电场监视装置利用运算装置按照风力发电机间的相关系数的降序进行排序，从而使发送俯仰角指令的候补列表化，并配置到主存储装置(S105)。

接着，根据基于排序后的俯仰角指令值候补的控制后的风力发电机的P，进行功率流计算(S106)。

接着，将功率流计算得出的相对于联系点处的P、Q、V限制的偏离量设为ΔP、ΔQ、ΔV。为了实现该补正，通过执行各风力发电机的P、Q的逐次功率流计算，从而进行最优化计算(S107)。

最优化计算的目标函数＝ΔP×ΔP+ΔQ×ΔQ+ΔV×ΔV

对于最优化计算，能够应用蒙特卡罗(Monte Carlo)+局部搜索、遗传算法、PSO、禁忌搜索等手法。

即，将偏离量作为惩罚(penalty)导入目标函数。此时要探索的变量是各风力发电机的P、Q。为了缩短处理时间，预先通过运算装置按照风力发电机间的相关系数的降序进行排序从而使发送俯仰角指令的候补列表化，通过选择配置到主存储装置的结果中的上位的30％，能够限定探索空间。对于上位30％的值，是风电场运营者预先导入风电场监视装置并设定的参数，能够设定变更。此外该参数值可以根据联系点电压和能够容许的电压变动幅度的上限来决定。

假设，决定了基于功率流计算的联系点处的P、Q、V不偏离的各风力发电机的P、Q时，从俯仰角-P-旋转速度DB514检索成为该P的俯仰角指令值，并经由通信网对各风力发电机发送俯仰角指令值(S108)。此外，在偏离的情况下返回步骤106重新进行计算。

利用以后的图来说明俯仰角指令值的决定方法。

图10示出风电场监视装置通过辅助存储装置等而具备的联系点设定DB512的数据结构。在该数据结构中，将联系点处的有效功率P的最大值以及最小值、联系点处的无效功率Q的最大值以及最小值、联系点处的电压V的最大值以及最小值作为数据进行存储。这些数据结构的值是保有风电场监视装置的风电场运营公司根据与电力公司的合约条件而设定的值，根据合约条件的更新而发生变更。

图11示出风电场监视装置110在辅助存储装置等中具备的塔影效应判断设定DB516的数据结构。通过预先按照风力发电机的机种具备引起塔影效应的固有频率，风电场监视装置能够决定从各风力发电机取得电压等数据时的采样周期。另一方面，按照风力发电机的塔影效应频率，因为可以考虑在从风力发电机制造商对风电场运用经营者提供时没有明确的情况，所以风电场监视装置110具备学习功能，估计塔影效应频率，具有向塔影效应判断设定DB516登录值的单元。

图12示出风速-俯仰角-P DB514的数据库构造。首先，具备表示风车的叶片面的、叶片对风的流动的角度即俯仰角(度)和风速衰减率的关系的表格(table)552。在该表格552中，示出在俯仰角10度左右能够以最大效率将风的流动转换为旋转能量。而且，风电场监视装置110从风力发电机预先具备的风速计取得实际风速，从而通过表示风速和输出P的关系的功率曲线554，导出俯仰角和输出P的关系。在通过前述图9所示的处理流程图中的最优化计算决定对特定风力发电机的输出P的值的情况下，从风速-俯仰角-P DB514检索那时的俯仰角。

图13示出计算风力发电机的旋转角度的处理，如前述的图12的说明那样，若通过图9所示的处理流程图中的最优化计算决定对特定的风力发电机的输出P的值，之后若通过图12的风速-俯仰角-P DB514的处理决定了俯仰角，则通过在风力发电机的模型602中代入风车半径(m)、空气密度(kg/m3)、俯仰角(度)、风速(m/s)、风力发电机输出P(W)，能够求出风力发电机的旋转角速度(rod/s)。而且，通过对该旋转角速度(rod/s)进行积分，来实现预先估计风力发电机的角度(rod)。根据这样的结构，能够降低不要的风力发电机的输出抑制。

(产业上的可利用性)

根据本发明，能够适用于采用了能够连接到电力系统的风车的风力发电系统。

Claims

1.一种风力发电系统，具备构成风电场的多个风力发电机，其特征在于，具备：

叶片，其能够改变俯仰角；

转子，其与该叶片机械连接；

发电机，其由该转子进行驱动；

电力转换器，其与该发电机电连接，并且控制从所述发电机向电力系统输出的电力；

俯仰角控制单元，其控制所述俯仰角；

异常检测单元，其检测所述电力系统或者所述风力发电系统的异常状态；

该异常检测单元没有检测到异常时的第一俯仰角控制单元；和

所述异常检测单元检测到异常时的第二俯仰角控制单元，

所述第二俯仰角控制单元将所述转子的旋转速度保持在所述风力发电系统的能够发电运转的旋转速度。

2.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，

具有预先决定的第一规定值和比该第一规定值小的第二规定值，

所述第二俯仰角控制单元，

在所述转子的旋转速度比所述风力发电系统的能够发电运转的所述转子的旋转速度的上限值小、且比第一规定值大时，将俯仰角固定为规定值，

在所述转子的旋转速度比所述风力发电系统的能够发电运转的所述转子的旋转速度的下限值大、且比第二规定值小时，使俯仰角为最大角。

3.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，

所述第二俯仰角控制单元是使所述转子的旋转速度的目标值为所述风力发电系统的能够发电运转的旋转速度范围内的固定值的控制单元。

4.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，

所述异常检测单元检测所述电力系统的电压振幅值比预先决定的范围大的情况、或者小的情况。

5.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，

所述异常检测单元通过计算构成所述风电场的多个风力发电机间的相关关系，从而检测电压振幅值的异常。

6.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，

所述异常检测单元通过计算构成风电场的多个风力发电机间的与电压变动频率的变动相关的相关关系，从而检测由风力发电机间的同步现象引起的电压振幅值的异常。

7.根据权利要求5或6所述的风力发电系统，其特征在于，

还具备风电场监视装置，其通过运算装置按照所述风力发电机间的相关系数的降序进行排序，从而使发送俯仰角指令的候补列表化，并存储到主存储装置。

8.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，

还具备监视所述风电场的风电场监视装置，且逐次比较所取得的风车端电压到达该风电场监视装置的时刻与检测到风车端电压的时刻的偏差，在有大的变动时，废弃所取得的风车端电压值。

9.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，

还具备监视所述风电场的风电场监视装置，

该风电场监视装置具备通过对联系点处的时刻和电压的时序数据进行傅立叶变换从而作成功率谱，并且在所述联系点处的电压变动周期为2Hz左右、且电压变动幅度偏离了V限制时，经由通信网从各风力发电机取得时刻和风车端电压、用于指定风力发电机的机种ID和用于指定风电场的风电场ID的单元，且为了掌握各风力发电机间的同步程度，计算各风力发电机间的相关系数，相关系数的计算方法为：

机种ID为m的平均值u_m＝∑V_m(t)

机种ID为n的平均值u_n＝∑V_n(t)

相关系数＝∑(V_m(t)-u_m)＊(V_n(t)-u_n)。

10.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，

还具备监视所述风电场的风电场监视装置，

该风电场监视装置利用运算装置按照风力发电机间的相关系数的降序进行排序，从而使发送俯仰角指令的候补列表化，并存储到存储装置。

11.根据权利要求10所述的风力发电系统，其特征在于，

探索各风力发电机的P、Q，

从预先利用所述运算装置按照风力发电机间的相关系数的降序进行排序从而使发送俯仰角指令的候补列表化，并存储到所述存储装置的结果中，选择上位的风力发电机。

12.根据权利要求11所述的风力发电系统，其特征在于，

从存储到所述存储装置的结果中选择上位30％的风力发电机。

13.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，

还具备监视所述风电场的风电场监视装置，

该风电场监视装置具备为了补正对联系点处的P、Q、V限制的偏离部分，通过逐次执行各风力发电机的P、Q的功率流计算从而进行最优化计算的单元，并利用以下的最优化计算的目标函数：

最优化计算的目标函数＝ΔP×ΔP+ΔQ×ΔQ+ΔV×ΔV。

14.根据权利要求13所述的风力发电系统，其特征在于，

所述最优化计算是蒙特卡罗+局部搜索、遗传算法、PSO、禁忌搜索等方法。