CN102168652B - 风力发电系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种风力发电系统及其控制方法，用于在永磁体型风力发电系统连接的电力系统中引起系统事故时，由设置在电力变换器直流部的能量消耗电路消耗从发电机流入的能量，保护永磁体型风力发电系统免受过电压或过电流影响并继续运转。在本发明中，在由于系统异常电力变换器的直流部电压上升的情况下，也可回避直流过电流，进行风力发电系统的继续运转。因此，在风力发电系统中，通过在电力变换器的直流部设有由半导体开关和电阻器组成的能量消耗电力，从而即使在系统异常时直流电压上升的情况下，也能消耗能量，使风力发电系统继续运转。

Description

风力发电系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于在永磁体型风力发电系统连接的电力系统中发生系统事故时，由设置在电力变换器的直流部的能量消耗电路消耗从发电机流入的能量，来保护永磁体型风力发电系统免受过电压或过电流影响，并继续运转的装置及其控制方法。

背景技术

当电力系统发生系统事故时，永磁体型风力发电系统将无法向电力系统供给电力。存在的问题时，其能量对永磁体型风力发电系统的电力变换器的直流部充电，并由于过电压而使机器出现故障。

在[专利文献1]中，系统故障时减小发电功率等，从而避免对电力变换部的直流部的充电，但并不曾对直流部设有能量消耗电路。

[专利文献1]JP特开2008-283747号公报

发明内容

本发明要解决的问题是，提供一种风力发电系统及其控制方法，在永磁体型风力发电系统连接的电力系统中发生系统故障时，由能量消耗电路消耗从发电机流入电力变换器直流部的能量，保护系统整体免受过电压或过电流影响。

为了完成上述课题，本发明的风力发电系统具有：叶片，能变更桨距角；风轮，与所述叶片机械连接；同步发电机，由所述风轮驱动；电力变换器，与所述同步发电机电连接，控制从所述同步发电机输出至电力系统的电力；和桨距角控制单元，控制所述桨距角，所述风力发电系统，在所述电力变换器的直流部分具备电能消耗电路。

此外，本发明的风力发电系统具有：叶片，桨距角可变；风轮，与所述叶片机械连接；同步发电机，由所述风轮驱动；发电机侧变换器，与所述同步发电机电连接，将所述同步发电机输出的可变频率的发电电力变换至直流电力；和系统侧变换器，与所述发电机侧变换器和电力系统电连接，将所述直流电力变换至规定频率的交流电力，所述风力发电系统中，在电力系统的电压比规定值低的情况下，所述系统侧变换器结束直流电压控制开始无功电流控制，由此向电力系统供给无功电流，所述发电机侧变换器结束电力控制开始直流电压控制。

根据本发明，能够提供一种永磁体型风力发电系统及其控制方法，可防止因系统事故的影响引起的过电压或过电流。

附图说明

图1是利用永磁体型发电机的风力发电系统的结构图。

图2是利用永磁体型发电机的风力发电系统的结构图。

图3是表示变换器控制器26的控制功能的图。

图4是表示系统侧电力变换器的结构的图。

图5是表示系统电压下降中的系统电压振幅和电力变换器输出电流的变动的图。

图6是表示系统异常检测方法的图。

图7是表示系统异常检测时的电力变换器的运转状态的图。

图8是表示系统异常检测时的电力变换器的运转状态的图。

图9是系统异常检测时的电力变换器的流程图。

图10是系统异常检测时的电力变换器的流程图。

图11是系统异常检测时的电力变换器的流程图。

图12是表示变换器控制器26的控制功能的图。

图13是表示能量消耗电路的结构图。

图14是表示能量消耗电路的动作例的图。

图15是桨距角控制系统和电力控制系统的结构图。

图16是表示通常发电时的平均风速、发电电力、桨距角控制方式的关系的图。

图17是表示通常发电时的桨距角指令、电力指令运算的图。

图18是表示异常时运转继续模式中的桨距角指令的生成方法的图。

图19是表示异常运转模式中的桨距角和转速的变动的图。

图20是表示构成风力发电系统的控制及其辅助电源的图。

图中：

1  风轮

2  机舱

3  塔座(tower)

4  变压器

5、295b、295c、295e  断路器

6  电力系统

11 叶片

12 轮毂

21 轴

22 增速齿轮

23 永磁体型发电机

24 风速计

25 上位风车控制器

26 变换器控制器

28 电力变换器

30a、30b、30c  辅助电源

41 降压变压器

111  桨距角控制器

281  发电机侧电力变换器

282  平滑电容器

283  系统侧电力变换器

284  直流能量消耗电路

291、294  电压检测器

292、293  电流检测器

2501  平均化运算器

2502  转速指令运算器

2503  桨距角指令·功率指令运算器

2504  切换器

2505  事故检测器

2506  异常时桨距角指令运算器

2601  OR运算器

2602  电压振幅运算器

2603、2603a、2604、2604a、2606、2608、2608a、2609、2609a  比较运算器

2605  电流振幅运算器

2607  系统频率检测器

2831  门驱动电路

2832  回流二极管

2833  IGBT

2841  半导体开关

2842  电阻器

25031、25062  减法器

25032  桨距角指令运算器

25034  发电功率指令运算器

25037  最大功率指令运算器

25061  限制器

2506b3、25063  PI控制器

26001  异常检测运算器

26002  电力运算器

26003  电力控制运算器

26004  转速运算器

26005a、26005b  过电流检测运算器

26006a、26006b  过电流检测电路

具体实施方式

以下，利用附图对本发明的实施例进行说明。

【实施例1】

利用图1～图8对本发明的风力发电系统的结构进行说明。图1表示风力发电系统的整体结构。图1所示的风力发电系统由叶片11接受风力，并将风能变换为旋转能。旋转能使叶片连接的轮毂(hub)12旋转。此外，将包括叶片11和轮毂12的旋转部分称为风轮1(rotor)。风轮1的旋转经由轴21传导至增速齿轮22。增速齿轮22将转转部件1的转速变换为适合于发电机的转速。图1中作为发电机表示了永磁体型发电机23。

接下来，对风力发电系统的、发电运转时的控制系统的结构进行概要说明。图2中示意表示永磁体发电机型风力发电系统的、还包括控制系统的详细结构。控制系统主要由控制风车发电系统整体工作的上位风车控制器25、控制电力变换器28的电力变换器控制器26构成。上位风车控制器25基于风速计24计测的风速、风轮1的转速ω[rad/sec]、风力发电系统的发电功率P[W]，计算发电功率指令P*[W]、桨距角(pitch angle)指令Φ*[度]。电力变换器28，经由变压器4和断路器5与电力系统6连接。此外，叶片11由桨距角控制器111改变羽翼角度。

风力发电系统的发电功率P，被电力变换器控制器26和电力变换器控制器26控制。电力变换器28由发电机侧电力变换器281、系统侧电力变换器283、平滑电容器282、直流能量消耗电路284等构成。发电机侧电力变换器281和系统侧电力变换器283利用IGBT等半导体开关元件构成。直流能量消耗电路284利用IGBT等半导体开关和电阻器构成。变换器控制器26从设置在风力发电系统和电力系统连接点的电压测定器291、以及电流测定器292，分别将三相的交流电压值VLU、VLV、VLW[V]、三相的电流值ILU、ILV、ILW[A]取入内部。电力变换器控制器26在内部基于这些电压、电流信号，运算电压振幅值Vabs、有功功率P、无功功率Q等。此外，变换器控制器26，从电力变换器28与永磁体型发电机23之间设置的电压检测器294和电流检测器293，分别将三相的交流电压值VGU、VGV、VGW[V]、三相的电流值IGU、ILGV、IGW[A]取入内部。直流电压VDC也由电压检测器检测出来。

接下来，利用图3对电力变换器28的控制功能进行说明。电力变换器控制器26在运算时，利用坐标变换器32DQ-01、32DQ-02，暂时以旋转坐标系对检测出的电压VLU、VLV、VLW、电流信号ILU、ILV、ILW进行坐标变换，计算d轴分量、q轴分量。在坐标变换中，利用与系统电压的U相随动的相位信号cos(ω_L t)、sin(ω_L t)。在此，ω_L[rad/sec]表示电力系统的交流电压的角频率，此外t[sec]表示时刻。在相位信号cos(ω_L t)与电力系统的U相的电压相位一致的情况下，电压的d轴分量VDL、电压的q轴分量VQL、电流的d轴分量IDL、电流的q轴分量IQL由式1、式2计算。

【式1】

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{IDL}\\ \mathrm{IQL}\end{array}\right)=\frac{2}{3}\left(\begin{array}{cc}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{L}t\right)& \sin \left({\mathrm{\ω}}_{L}t\right)\\ -\sin \left({\mathrm{\ω}}_{L}t\right)& \cos \left({\mathrm{\ω}}_{L}t\right)\end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}1& -0.5& -0.5\\ 0& \sqrt{3}/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\mathrm{ILU}\\ \mathrm{ILV}\\ \mathrm{ILW}\end{array}\right)$

【式2】

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{VDL}\\ \mathrm{VQL}\end{array}\right)=\frac{2}{3}\left(\begin{array}{cc}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{L}t\right)& \sin \left({\mathrm{\ω}}_{L}t\right)\\ -\sin \left({\mathrm{\ω}}_{L}t\right)& \cos \left({\mathrm{\ω}}_{L}t\right)\end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}1& -0.5& -0.5\\ 0& \sqrt{3}/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\mathrm{VLU}\\ \mathrm{VLV}\\ \mathrm{VLW}\end{array}\right)$

电力变换器控制器26利用得到的IDL、IQL、VDL、VQL，分别基于式3、式4、式5、式6表示的公式求得有功功率PL[W]、无功功率QL[Var]、电压振幅值Vabs[Vrms]、电流振幅值Iabs[Arms]。

【式3】

PL＝IDL·VDL+IQL·VQL

【式4】

QL＝IQL·VDL-IDL·VQL

【式5】

$\mathrm{Vabs}=\sqrt{{\mathrm{VDL}}^2+{\mathrm{VQL}}^2}$

【式6】

$\mathrm{Iabs}=\sqrt{{\mathrm{IDL}}^2+{\mathrm{IQL}}^2}$

同样，利用与发电机电压的U相随动的相位信号cos(ω_G t)、sin(ω_Gt)，由坐标变换器32DQ-03(式7)、32DQ-04(式8)，从发电机电压VGU、VGV、VGW、电流信号IGU、IGV、IGW计算电压的q轴分量VQG、电压的d轴分量VDG、电流的q轴分量IQG、电流的d轴分量IDG。

【式7】

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{IQG}\\ \mathrm{IDG}\end{array}\right)=\frac{2}{3}\left(\begin{array}{cc}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{G}t\right)& \sin \left({\mathrm{\ω}}_{G}t\right)\\ -\sin \left({\mathrm{\ω}}_{G}t\right)& \cos \left({\mathrm{\ω}}_{G}t\right)\end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}1& -0.5& -0.5\\ 0& \sqrt{3}/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\mathrm{IGU}\\ \mathrm{IGV}\\ \mathrm{IGW}\end{array}\right)$

【式8】

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{VQG}\\ \mathrm{VDG}\end{array}\right)=\frac{2}{3}\left(\begin{array}{cc}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{G}t\right)& \sin \left({\mathrm{\ω}}_{G}t\right)\\ -\sin \left({\mathrm{\ω}}_{G}t\right)& \cos \left({\mathrm{\ω}}_{G}t\right)\end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}1& -0.5& -0.5\\ 0& \sqrt{3}/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\mathrm{VGU}\\ \mathrm{VGV}\\ \mathrm{VGW}\end{array}\right)$

电力变换器控制器26利用得到的IQG、IDQ、VQG、VDG，分别基于式9、式10表示的公式，求得有功功率PG[W]、无功功率QG[Var]、电压振幅值Vabs[Vrms]、电流振幅值Iabs[Arms]。

【式9】

PG＝IDG·VDG+IQG·VQG

【式10】

QG＝IQG·VDG-IDG·VQG

电力变换器控制器26，控制发电机侧电力变换器281的输出电流IGU、IGV、IGW，使得有功功率PG追随来自上位风车控制器25的功率指令(ACR3、ACR4)。同时，系统侧电力变换器283通过控制输出电流ILU、ILV、ILW(ACR1、ACR2)，将电力变换器28的直流部电压VDC保持在规定值。因此，电力变换器控制器26取入由电流测定器292检测出的电流值ILU、ILV、ILW。电力变换器控制器26向电力变换器28发送按照PWM(pulse Width modulation)控制的门脉冲信号，电力变换器28根据门脉冲信号进行开关动作，从而控制风力发电系统的有功功率、无功功率。此外，电力变换器控制器26运算发电机的转速ω。风轮1的转速ω，能够对从电流检测器293检测出的三相电压和电流计算出(无位置传感器(sensor less)控制)的旋转数(电角)进行齿轮比换算从而求得。通常运转时，发电机侧电力变换器281通过进行有功功率控制(APR)，从而按照上位风车控制器25的有功功率指令PGref控制发电功率PG。发电机侧电力变换器281，通过同时进行无功功率控制(AQR2)，从而控制永磁体型发电机23的端子电压。此外，系统侧电力变换器283通过进行电力变换器28的直流部的电压控制(AVR1)，向电力系统供给发电电力。此外，系统侧电力变换器283还同时控制输出至电力系统的无功功率(AQR1)。以上是风力发电系统的通常发电运转时(在本发明中，所谓通常发电运转，是指没有检测出风力发电系统或电力系统异常的状态下的运转方法)的控制方式。

在电力系统异常时，为了系统侧电力变换器283和发电机侧电力变换器281继续运转，由切换信号F_SW切换运转模式。因系统故障等的影响检测到系统电压下降时，由于系统侧电力变换器283难以维持直流电压，因此使d轴(有功轴)的电流控制(ACR1)的指令值为零。另一方面，q轴侧(无功轴)为了提供用于提升系统电压下降的无功电流，生成与系统电压下降量成比例的电流指令值IQLref。对于发电机侧电力变换器281，由于来自永磁体型发电机23的发电电力不会输出至系统，此外系统侧变换器283无法进行直流电压控制(AVR)，因此停止电力控制(APR)，利用永磁体型发电机23的电力进行直流电压控制(AVR2)，使得发电运转能够迅速重新开始。此外，检测到系统过电流的情况下，优先保护构成风力发电系统的机器，发电机侧、系统侧都被门阻断(gate block)。以上系统异常时的动作将在后面进行详细说明。

系统侧电力变换器283如图4所示由IGBT2833、回流二极管2832、门驱动电路2831构成，该门驱动电路2831按照从电力变换器控制器26接收到的门脉冲信号P1或P2驱动IGBT。IGBT2833若在有某一定值以上的电流时依然进行开关动作的情况下，损坏的可能性很高。因此，电力变换器控制器26在检测到过电流时，向系统侧电力变换器283发送使开关动作停止的信号。作为发生过电流的原因，有因系统事故的电压下降等。在此，以系统侧电力变换器为例进行的说明，但由于发电机侧变换器结构也同样因此省略说明。

图5表示因系统事故发生电压下降现象时的、Vabs检测值和Iabs检测值的变动。图5中在时刻t0发生系统事故，在此之前系统电压Vabs是正常的(Vabs≈100％)，此外风力发电系统以额定功率进行发电(Iabs≈100％)。从时刻I0以后电压开始下降，因此系统侧电力变换器283的电流控制性能恶化，电流振幅值Iabs开始增加。系统电压的下降速度较快的情况下，Iabs增加也快，如图5所示那样，有时过电流检测Iabs＞IOC(时刻t1)比系统故障检测Vabs＜90[％](时刻t2)更早发生。因此，对于风力发电系统，首先在检测到过电流之后要停止，检测到系统电压异常时需要切换控制方式。

电力变换器控制器26在检测到过电流或系统电压下降时，判定为系统异常然后转移至应对系统异常的运转流程(sequence)。此时，因检测到过电流、或者未检测到过电流而仅检测到系统电压下降，改变之后的运转方法。

图6中对异常检测方法进行说明。作为异常对象的现象，列举出了系统电压下降、系统电压上升、变换器中的过电流、系统频率变动等。

首先，对异常现象中的系统电压下降进行说明。在电力系统中，存在由于雷击、送电线与树木接触、负载故障、送电线相间接触等，从而送电线的电压暂时下降的情况。对于电压下降现象，只要是轻微的事故，则通过事故区间的断开几秒以内便被消除。

作为同样的系统电压的异常现象，也会发生系统电压的上升。作为系统电压上升的原因，可由于负载、发电机与电力系统连接或断开时瞬时发生的冲击或断路电流等而引起。

发生这种瞬时的电压下降、电压上升，其影响较大的情况下风力发电系统停止发电运转。这是因为要保护构成风力发电系统的机器。

电压异常状态的检测在控制电力变换器28的电力变换器控制器26内部进行。利用图6对电压的异常状态的检测机构进行说明。电力变换器控制器26，在电力变换器控制器26内的电压振幅运算器2602中进行式2、式5所示的运算，得到系统电压振幅Vabs。电力变换器控制器26内部保持着判定为系统事故的电压电平VGF，在运转中始终将VGF与运算求得的系统电压振幅Vabs进行比较。比较由电力变换器控制器26内部的比较运算器2604进行，在Vabs＜VGF成立时，判断系统电压为异常，发生低电压检测信号。系统电压的过电压检测也由同样的结构进行。也就是说，电力变换器控制器26在内部保持着过电压电平VOV，始终对Vabs与VOV进行比较。在Vabs＞VOV成立时，判断出系统电压为过电压状态，发生过电压检测信号。

接下来，作为异常现象对过电流现象进行说明。风力发电系统只要是通常发电运转范围，其输出的电流振幅就在额定电流以下。但是，由于系统故障等影响，也存在流过大于额定电流的过大的电流的情况。以后将这种现象称为过电流。当过电流时的电流振幅达到风力发电系统额定电流的例如1.5～2倍时，作为电力变换器28构成部件的半导体元件有可能损坏。因此，电力变换器或风力发电系统在检测到过电流时，电力变换器28瞬间停止运转，风力发电系统需要转移至待机模式。此外，过电流的原因不是变换器故障而是电力系统的短时间事故等的情况下，有时为了能够确保系统中的供给量，从电力系统稳定化观点出发，希望在过电流减少之后重新开始发电运转。

利用图6对过电流的检测方法进行说明。由电力变换器控制器26的过电流检测运算器26005b检测出过电流。电力变换器控制器26，在过电流检测运算器26005b内的电流振幅运算器2605中进行式1、式6所示的运算，得到输出电流的振幅Iabs。电力变换器控制器26在内部保持着判断为过电流的电流振幅水平IOC。电流振幅水平IOC通常被设定为发电系统额定电流振幅的1.5倍至2.0倍。电力变换器控制器26在内部运算的比较运算器2606中，在运转中始终将Iabs与IOC进行比较。在Iabs＞IOC成立的情况下，判断为是过电流状态，发生过电流检测信号。以上利用电流测定器292检测到的系统侧电力变换器283的输出电流(ILU、ILV、ILW)检测过电流现象。对于发电机侧电力变换器281，在过电流检测运算器26005中，利用由电流检测器293检测出的发电机侧电力变换器281的输出电流(IGU、IGV、IGW)检测过电流。

系统频率的变动也成为异常检测的对象。电力系统的运用频率由各自的电力系统决定，只要电力系统是通常状态下，相对运用频率不会有很大偏差。但是，有时因为系统事故等，频率出现很大变动。该情况下，根据电力公司的标准停止系统。

以图6说明系统频率变动的检测结构。电力变换器控制器26在内部的系统频率检测器2607中，根据系统电压的检测值检测出电力系统的频率ω_SYS。电力变换器控制器26在内部保持着频率的上限ω_SYSH、和下限ω_SYSL。电力变换器控制器26在比较运算器2608、比较运算器2609中，运转中始终将ω_SYSH、ω_SYSL与ω_SYS进行比较，若检测到ω_SYS＞ω_SYSH或者ω_SYS＜ω_SYSL，则发生频率变动信号。

电力变换器控制器26，在检测到至少一个上述异常检测信号(过电流、电压异常、频率异常)的情况下，将异常检测信号传送至上位风车控制器。上位风车控制器检测到异常检测信号的情况下，使风力发电系统整体转移至异常时运转继续模式。

利用图7的时序图和图9的流程图对过电流检测时的动作进行说明。

电力变换器控制器26将运算出的电力变换器输出电流振幅Iabs常时与电力变换器控制器26内部的规定值I_CLR、I_OC1、I_OC2进行比较，检测系统侧电力变换器283的过电流现象。此外，规定值之间存在式11所示的关系。

【式11】

I_CLR(过电流解除水平)＜(额定电流振幅)

＜I_OC1(过电流水平1)＜I_OC2(过电流水平2)

在Iabs检测值超过I_OC1的情况下，风力发电系统按照后述的运转流程重尝试新开始发电运转(903以后)。但是，Iabs检测值超过I_OC2的情况下，优先保护电路，立即对变换器进行门阻断从而停止风力发电系统的运转(处理901、902)。如果是因系统电压下降的过电流，则由于门阻断电流振幅Iabs急速减少(处理904)。在电流振幅没有减少的情况下，由于发生过电流的原因很可能是风力发电系统构成机器的故障，因此上位风车控制器25向断路器5发送断开信号，将风力发电系统转移至停止状态。

此外，Iabs处于过电流水平1和2之间时(处理903)，发电机侧电力变换器281和系统侧电力变换器283使门停止(t＝t0，处理904)。过电流检测之后，若Iabs检测值低于I_CLR(t＝t1，处理906)，解除电力变换器的门阻断(t＝t1，处理907)，从而快速地重新开始电力变换器的运转，缩短重新开始运转之前的时间。

过电流异常检测之前，系统侧电力变换器283进行直流电压控制，发电机侧电力变换器281进行电力控制运转，但门阻断解除之后改变运转模式，首先将发电机侧电力变换器281变更至直流电压控制(处理912)，规定时间(在此为10ms)之后(处理913)，将系统侧电力变换器283变更至无功功率控制(处理914)。因系统事故引起系统电压下降时，系统侧电力变换器283将无功电流提供给系统，从而提升系统电压。输出的无功电流由系统连接标准确定，因标准而不同。在图7中，表示(电压下降量[％])的2倍的无功电流输出(其中，电流最大为100[％])的例子。当无功电流急剧输出时，由于控制有可能出现摆动，因此在输出侧设有变化率限制器(t＝t2至t＝t3)，从而防止急剧的输出。

当系统侧电力变换器283转移至无功电流控制时，由于不再有谁控制直流电压，因此使发电机侧电力变换器281进行直流电压控制。由于在系统电压下降时，发电机6也输出电压，因此发电机侧电力变换器281能进行直流电压控制。为了迅速重新开始运转，直流电压的维持很重要，因此，运转模式转移时，首先发电机侧电力变换器281将运转模式转移至直流电压控制(t＝t₁)，然后10ms之后(t＝t₂，若直流电压控制处于稳定)系统侧电力变换器283转移至无功电流控制运转。

在本实施例中，将返回通常运转模式的时间设定为从系统异常检测起1.5秒之后(t＝t₇，处理915)，但这根据系统连接规格有时也变化。也可以检测从系统电压下降的恢复，在经过规定时间之后返回至通常运转模式。对通常运转模式(t＝t₇，处理917)的再转移，设为系统侧电力变换器283以及发电机侧电力变换器281同时进行。

接下来，利用图8和图9对其他系统异常检测时进行说明。

电力变换器控制器26不检测过电流，检测到其他系统异常(系统电压下降、反相分量、系统频率变动)(处理919)的情况下，也将系统侧电力变换器283和发电机侧电力变换器281的运转模式分别转移至无功功率控制以及直流电压控制(处理922)。不过，由于此时电流值为I_OC1以下(Iabs＜I_OC1)，因此不进行门阻断，在检测到系统电压下降的时刻，立即转移至运转模式(t＝t₀)。与过电流检测时不同，系统电压下降检测时由于不对电力变换器进行门阻断，因此直至运转模式转移之前维持直流电压，因此运转模式的转移同时进行(t＝t₀)。

通过采取以上这种运转方式，即便在系统侧电力变换器中发生过电流的情况下，风力发电系统也可以在与电力系统连接的状态下继续运转。由此，能够使风力发电系统的运转时间变长，增加发电量。此外，通过系统事故之后立即的电力供给，能够有助于系统整体的稳定化。

【实施例2】

利用图10对本发明的第2实施例进行说明。与实施例1的不同点在于，系统侧电力变换器283与发电机侧电力变换器281的运转模式转移的迁移条件。在本实施例中，对系统电压与发电机电压进行比较(处理1005、1020)。当因系统事故的影响系统电压下降时，有时发电机电压比系统电压更高的情况，此时以使系统侧电力变换器283和发电机侧电力变换器281的运转模式转移的方式进行处理(处理1007、1021以后)。不过，有时也因为检测信号的噪声等系统电压看起来暂时变低，因此，在处理1005或处理1020持续一定时间(处理1008、1022)之后，使电力变换器的运转模式转移(在本实施例中为0.5s)。

【实施例3】

利用图11对本发明的第3实施例进行说明。与实施例1和2的不同点在于，系统侧电力变换器283和发电机侧电力变换器281的运转模式转移的迁移条件。在本实施例中，因系统故障或机器故障等的影响，系统侧电力变换器283的直流电压控制停止工作，直流电压低于规定电压(在本实施例中为1050V)时，并且只要是发电机电压在规定电压以上(处理1105、1120)，就以使系统侧电力变换器283和发电机侧电力变换器281的运转模式转移的方式进行处理(处理1107、1121以后)。不过，有时因检测信号的噪声等暂时无法正确检测直流电压或发电机电压，因此，在处理1105或处理1120持续一定时间(处理1108、1122)之后，使电力变换器的运转模式转移(在本实施例中为0.5s)。

【实施例4】

利用图12对本发明的第3实施例进行说明。与实施例1、2、3的不同点在于，系统侧电力变换器283和发电机侧电力变换器281各自具有独立的控制器，不必在两电力变换器间进行通信，可独立进行运转模式的切换。图12表示电力变换器的控制部。在本实施例中，系统侧电力变换器283和发电机侧电力变换器281各自独立具有直流电压指令值。通常运转时，系统侧电力变换器283进行直流电压控制(AVR1)，以便将直流电压维持在1100V(VDCref1)。因系统故障的影响系统电压下降，难以由系统侧电力变换器283进行直流电压控制(AVR1)时，直流电压下降。当直流电压低于规定值(在本实施例中为1075V)时，切换系统侧电力变换器283和发电机侧电力变换器281的运转模式，发电机侧电力变换器283进行直流电压控制(VDCref2＝1050V)。通过将系统侧电力变换器283和发电机侧电力变换器281的直流电压指令值设定为其他值，在此期间设定作为切换条件的电压值，从而防止两电力变换器的直流电压控制发生干扰，此外防止频繁切换运转模式。不过，有时因检测信号的噪声等直流电压暂时超过规定值，因此，对于运转模式的切换仅在满足运转模式切换条件达到某时间的情况下才切换运转模式。通过这样切换运转模式，不必在两电力变换器间进行通信就能够切换运转模式，不需要两电力变换器的控制器之间的通信布线。

【实施例5】

利用图2、图13、图14对本发明的第5实施例进行说明。与实施例1和2的不同点在于，直流部具备直流能量消耗电路284。在本实施例中，对电力变换器的直流部中具备直流能量消耗电路的风力发电系统进行说明。

本发明在图1、图2所示这种结构的风力发电系统中，作为特征在直流部配备了直流能量消耗电路284。利用图13、图14对直流能量消耗电路284进行说明。图13表示直流能量消耗电路284的结构。IGBT等半导体开关2841和电阻器2842串联连接。半导体开关2841由来自电力变换器控制器26的门脉冲进行驱动，通过使开关导通由此电阻器2842与直流电路连接。

图14表示直流功率消耗电路284的动作例。电力变换器控制器26具备检测到的直流电压VDC的直流过电压判定电平VDC_OV1(1200V)和直流过电压解除电平VDC_CLR(1150V)。因系统事故等的影响来自发电机的能量流入直流部时，直流电压VDC上升。当直流电压VDC超过直流过电压判定电平VDC_OV1时，电力变换器控制器26向半导体开关2841发送导通信号，通过使电阻器2842短路，从而消耗流入直流部的能量，防止直流电压VDC过渡上升。在直流电压低于直流过电压解除电平VDC_CLR时，从电力变换器控制器26向半导体开关2841发送关断信号，停止电阻器2842的能量消耗。之后，直流电压VDC再次上升，只要要超过直流过电压判定电平VDC_OV1，就反复进行上述动作。不过，当在短时间内电阻器2842反复进行动作时，由于热量电路有可能出现故障，因此，直流能量消耗电路284的动作在某时间内仅进行规定的次数。或者，以合计的动作时间来限制直流能量消耗电路284的动作。或者在电阻器2842的温度、或电阻器2842的周边温度异常上升的情况下，也限制直流能量消耗电路284的动作。此外，在直流过电压判定电平中设定比VDC_OV1高的电平VDC_OV2，即便使电阻器2842动作直流电压还继续上升，并超过电平VDC_OV2的情况下，关断电力变换器281和283的门，使风力发电系统停止。

本实施例可组合实施例1～4来应用。此外，尽管对永磁体发电机型风力发电系统进行了说明，但也适用于二次励磁发电机型风力发电系统。此外，根据本实施例，由于能够抑制直流电压上升，因此能够提高系统事故时的运转持续性。

【实施例6】

接下来，利用图15～图20对本发明的桨距角控制方式进行说明。图15表示桨距角控制系统的结构图。上位风车控制器25在平均化运算器2501中对风速计24计测的风速值进行时间平均，求得风速的平均值v[m/sec]。上位风车控制器25在转速指令运算器2502中，基于得到的风速平均值v[m/sec]，在表格中例如参照针对风车叶轮的能量变换效率上佳的旋转数，来生成转速指令ω*。上位风车控制器25基于得到的转速指令ω*、风轮1的转速ω[rad/sec]、发电功率P[W]，计算发电功率指令P1*[W]、叶片11的桨距角指令Φ1*[度]。

图16表示通常发电运转时的风速v与桨距角(pitch角)控制方式以及发电功率P的关系。风力发电系统，根据其特性存在能发电运转的风速区域。在平均风速比vci(切入(cut in)风速)大时，开始发电运转。相反，在风速比vci小时，风力发电系统将桨距角固定在规定值，不进行发电处于待机状态。发电功率随着风速变大而增大，在vr(额定风速)以上时大致处于恒定值。在风速比vC0(切出(cut out)风速)大的条件下，风力发电系统尽可能使叶片11与风平行(Φ＝0[度]，顺桨(feather)状态)，使风的输入能量最小，不进行发电处于待机状态(顺桨)。

发电运转时的桨距角控制方式，根据风速大小大致以如下方式进行划分。风速的平均值v在v ci＜v＜v r时，桨距角相对于风向取最大值(Φ＝30[度])，这样一来叶片11能够最大限度利用风能。在此期间，因风速的瞬时变动旋转部件的转速也发生变化，但通过控制风力发电系统输出的发电功率P，从而抑制转速ω的变动。另一方面，在v r＜v＜v C0期间，上位风车控制器25将发电功率指令P固定在额定发电功率值。风力发电系统的发电功率P由电力变换器28控制在大致恒定。此期间，转速ω主要通过改变桨距角来控制。

桨距角控制器111，按照来自上位风车控制器25的桨距角指令Φ*[度]来控制叶片11的桨距角。本发明的特征部分在于，在通常发电运转时和异常时运转继续模式(在本发明中，所谓异常时运转继续模式是指检测到风力发电系统或电力系统的异常之后的运转模式)，切换桨距角控制指令以及发电功率指令这一点。具体而言，在通常发电运转时，桨距角指令Φ*和功率指令P*分别利用由桨距角指令·功率指令运算器2503生成的值(Φ*＝Φ1*，P*＝P1*)。在异常时运转继续模式中，事故检测器2505检测到异常的情况下使切换器2504动作，使得桨距角指令利用由异常时桨距角指令运算器2506生成的值(Φ*＝Φ2*)，发电功率指令为0[W](P*＝0)。

桨距角指令担负着控制风轮1的转速的作用。风轮1的整体的能量平衡由式12表示。

【式12】

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left(\frac{1}{2}I{\mathrm{\ω}}^2\right)=P_{\mathrm{in}}-P-P_{\mathrm{LOSS}}$

对于式12中符号的意义，I[kg·m²]：旋转体的惯性力矩；ω[rad/sec]：风轮1的转速；P_in[W]：风的输入功率；P[W]：风力发电系统的发电功率；P_LOSS：损耗；t[esc]：时间；d/dt：微分运算符。如式12所示，为了控制风轮1的转速ω，需要通过桨距角控制器的桨距控制来改变P_in，或者通过发电输出的控制来改变P。

图17表示通常发电运转时桨距角指令Φ*[度]和发电功率指令P*[W]的详细生成步骤。桨距角指令运算器25032例如由PI控制运算构成，基于转速指令值ω*与转速检测值ω之间的偏差来生成桨距角指令Φ1*(＝Φ*)。同时，发电功率指令运算器25034基于转速检测值ω与发电功率P的函数，生成发电功率指令P1*(＝P*)。

接下来，对本发明中的异常检测时的桨距角控制方式进行说明。在异常检测时，风力发电系统停止对电力系统6的发电功率的供给(P＝0)。因此，由式12可知，不能进行基于电力控制的转速控制，成为依赖于相应速度较慢的桨距角控制的转速控制，因此需要与通常不一样的控制。

电力变换器控制器26，检测到至少一个图6所说明的异常检测信号(过电流、电压异常、频率异常)时，停止输出使电力变换器动作的门脉冲信号。将该动作称为门阻断。同时，向上位风车控制器传送异常检测信号。上位风车控制器检测到异常检测信号时，使风力发电系统整体转移至异常时运转继续模式。

以下对本发明中的异常时运转继续模式中的桨距角控制的方式进行说明。解除异常状态之后，为了使风力发电系统马上转移至发电运转状态，在异常时运转继续模式中，也需要使风轮1的转速维持在能进行发电运转的范围。风轮1的转速控制要通过桨距角控制和发电功率控制来进行。桨距角控制由图15所示的桨距角控制器111进行。桨距角控制器111由电动机或油压驱动系统等构成。桨距角控制在从顺桨状态(Φ＝0[度])变化至最大角(Φ＝30[度])过程中，存在几十秒左右的响应延迟。另一方面，发电功率控制，在从0变化至额定的过程中响应较快，在几十m～100msec左右。因此，在转速控制中，发电功率控制比桨距角控制的响应快。

在异常状态检测后的异常时运转继续模式中，由于风力发电系统停止发电运转，因此不向电力系统提供发电功率。此时，由于式12中P＝0，因此必需仅由响应慢的桨距角控制来对转速进行控制，在通常的桨距角控制的情况下，转速容易脱离运转范围。特别在额定发电运转中检测到异常状态的情况下，由于式10中的P从额定发电功率急剧变化至0[W]，因此转速ω急剧上升。为了抑制转速ω的上升，需要与通常的发电运转时不同的桨距角控制方法。

图18中表示异常状态检测后的异常时运转继续模式中的桨距角控制方式的一例。异常时运转继续模式中，根据转速的检测值ω，来切换桨距角的控制方式。具体而言，转速中设有2个水平(等级)ω_a、ω_b，将转速检测值ω与这2个水平进行比较，从而切换桨距角控制方式。此外，ω_a、ω_b与能运转的转速的上限ω_H、下限ω_L之间，存在式13所示的关系。

【式13】

ω_L＜ω_a＜ω_b＜ω_H

在转速的检测存在ω_a≤ω≤ω_b的关系的期间，桨距控制由PI控制器25063进行。PI控制25063，通过对转速的目标值ω*与转速检测值ω的差值进行比例积分运算，由此决定桨距角指令Φ2*(＝Φ*)。在ω＜ω_a的情况下，桨距角指令选择器25064作为桨距角指令选择最能接受风能的角度Φ2*＝30[度]。同样，在ω＞ω_b的情况下，桨距角指令选择器25064作为桨距角指令选择最不接受风能的角度Φ2*＝0[度]。

图19表示转速和桨距角的时间变化情况。在图19中，在时刻t1检测到异常状态，停止发电，然后处于异常时运转继续模式。异常检测的瞬间，由于转速处于ω＞ω_b关系，因此作为桨距角指令选择Φ*＝0[度]。这样一来，在转速接近能运转区域的上限时，能够使风的输入能量急剧衰减，因此转速下降，能够防止转速高于转速的上限ω_H。在时刻的t2＜t＜t3期间，存在ω_a＜ω＜ω_b的关系，因此遵从基于PI控制的桨距角指令。在t3＜t＜t4期间，ω＜ω_a，处于容易达到转速下限的区域。此时，作为桨距角指令选择Φ*＝30[度]。由此，能够输入风能使能量急剧增大，因此，转速上升，可防止转速ω低于转速的下限ω_L。

此外，在异常现象之中的系统电压下降时，无法从电力系统供给风力发电系统的控制电源。因此，如图20所示，构成风力发电系统的控制器(上位风车控制器25、桨距角控制器111、风力变换器控制器26等)分别具备辅助电源。在电力系统没发生电压下降现象的情况下，作为控制器的电力，从电力系统的交流、例如690V通过降压变压器41下降至交流200V(或者交流400V)，经由辅助电源30a、30b、30c供给。辅助电源30a、30b、30c在内部具有蓄电池等，在电力系统未发生电压下降现象的情况下，从电力系统对控制器提供控制电源，同时进行对蓄电池的充电动作。

在电力系统发生电压下降现象，无法从电力系统向控制器(上位风车控制器25、桨距角控制器111、风力变换器控制器26等)供给电力的情况下，辅助电源30a、30b、30c从各自内部的蓄电池向控制器供给电力。通过具备这种辅助电源的结构，即便在系统电压下降的情况下，控制器也能够确保电力，可进行异常时运转继续模式中的动作。

如以上所说明，在异常检测后的异常时运转继续模式中，将桨距角控制方式从通常的发电运转时的控制方式切换至异常时运转继续模式，根据风车的转速切换桨距角指令，或者为了将转速控制在一定的目标值，来调整桨距角指令。通过这种桨距角控制的方法，即便在需要仅通过桨距角调整来进行风轮1的转速控制的异常时运转继续模式中，也易于使风轮1的转速处于能运转区域，消除异常状态之后可马上转移至通常的发电运转状态。由此，能够延长风力发电系统的发电运转时间，增加发电量。此外，通过系统事故之后立即的电力供给，能够有助于电力系统整体的稳定化。

此外，上述各实施例所示的结构并不是仅由各实施例的结构来实现效果，也可以对各实施例进行组合。

Claims (19)

1.一种风力发电系统，其具有：

叶片，能变更桨距角；

风轮，与所述叶片机械连接；

同步发电机，由所述风轮驱动；

电力变换器，与所述同步发电机电连接，控制从所述同步发电机输出至电力系统的电力；

电力变换器控制器，其控制电力变换器；和

桨距角控制单元，控制所述桨距角，

所述电力变换器具有：发电机侧电力变换器，其将所述同步发电机的输出进行电力变换而得到的直流提供给直流部分；设置于所述直流部分的平滑电容器；以及系统侧电力变换器，其与所述平滑电容器连接且将提供给所述直流部分的电力变换至系统频率后提供给系统，

所述风力发电系统，在所述电力变换器的直流部分具备电能消耗电路，

所述电能消耗电路具有：电阻器，用于消耗电能；以及开关单元，用于使所述电阻器导通关断，

存在第1直流过电压判定电平、以及电压电平比所述第1直流过电压判定电平高的第2直流过电压判定电平，

所述电力变换器控制器在判定为直流部分的直流电压比所述第1直流过电压判定电平高的情况下，使所述开关单元导通来使所述电阻器短路以消耗电能，

即便使所述电阻器动作，直流部分的直流电压还继续上升且被所述电力变换器控制器判定为超过所述第2直流过电压判定电平的情况下，关断所述电力变换器的门来使所述风力发电系统停止，

在通常时，所述系统侧电力变换器被控制为使所述直流部分为规定电压，所述发电机侧电力变换器被控制为对所述系统提供规定的有功功率，

在所述电力变换器的过电流异常时，若并非因系统电压下降引起的过电流，则视为非系统异常，从而判断为所述风力发电系统的构成机器的故障而向与所述电力系统连接的断路器发送断开信号来使所述风力发电系统停止，若是系统异常，则所述发电机侧电力变换器和所述系统侧电力变换器均被门阻断，在所述过电流异常被解除时，所述发电机侧电力变换器被控制为使所述直流部分成为规定电压，在规定时间后，所述系统侧电力变换器被控制为对系统提供规定的无功功率，

在与所述过电流异常不同的异常中，使所述发电机侧电力变换器和所述系统侧电力变换器的动作维持，以使所述发电机侧电力变换器被控制为使所述直流部分成为规定电压而且所述系统侧电力变换器对系统提供规定的无功功率。

2.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，

所述电能消耗电路，将所述电力变换器的直流电压作为所述开关单元的导通条件或者关断条件进行动作，成为所述开关单元的导通条件的直流电压比成为关断条件的直流电压高。

3.根据权利要求2所述的风力发电系统，其特征在于，

所述电能消耗电路，计测从变为导通的瞬间起的时间、所述电能消耗电路为导通状态的时间，在处于导通之后的规定时间内导通状态超过一定比例的情况下，使所述电能消耗电路关断，且不再使其导通。

4.根据权利要求2所述的风力发电系统，其特征在于，

所述电能消耗电路，计测从变为导通的瞬间起的时间、所述电能消耗电路转移至导通状态和关断状态的次数，在处于导通之后的规定时间内从导通状态转移至关断状态的次数超过某固定次数的情况下，使所述电能消耗电路关断，且不再使其导通。

5.根据权利要求2所述的风力发电系统，其特征在于，

所述电能消耗电路具备测定电阻器的温度的单元，在电阻器的温度为规定温度以上的情况下，使所述电能消耗电路关断，且不再使其导通。

6.根据权利要求2所述的风力发电系统，其特征在于，

所述电能消耗电路，具备测定电阻器周边空气的温度的单元，在电阻器周边空气的温度为规定温度以上的情况下，使所述电能消耗电路关断，且不再使其导通。

7.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，

电力系统的电压低于规定值的情况下，所述系统侧电力变换器结束直流电压控制开始无功功率控制，来向电力系统供给无功功率，所述发电机侧电力变换器结束电力控制然后开始直流电压控制。

8.根据权利要求7所述的风力发电系统，其特征在于，

在所述系统侧电力变换器的交流电流为异常值时，所述系统侧电力变换器和所述发电机侧电力变换器暂时开始门阻断，门阻断解除之后，所述系统侧电力变换器结束直流电压控制开始无功电流控制，由此向电力系统供给无功电流，所述发电机侧电力变换器结束发电电力控制开始直流电压控制。

9.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，

发电机电压比所述风力发电系统的系统电压高的时间经过某规定时间的情况下，所述系统侧电力变换器结束直流电压控制开始无功功率控制，由此向电力系统供给无功功率，所述发电机侧电力变换器结束电力控制开始直流电压控制。

10.根据权利要求9所述的风力发电系统，其特征在于，

所述系统侧电力变换器的交流电流为异常值时，所述系统侧电力变换器和所述发电机侧电力变换器暂时开始门阻断，门阻断解除之后，所述系统侧电力变换器结束直流电压控制开始无功电流控制，由此向电力系统供给无功电流，所述发电机侧电力变换器结束发电电力控制开始直流电压控制。

11.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，

在无法以系统侧电力变换器的直流电压控制将直流电压维持在规定值，并且存在只能在发电机中维持直流电压的发电机电压的情况下，所述系统侧电力变换器结束直流电压控制开始无功功率控制，由此向电力系统提供无功功率，所述发电机侧电力变换器结束电力控制开始直流电压控制。

12.根据权利要求11所述的风力发电系统，其特征在于，

在所述系统侧电力变换器的交流电流为异常值时，所述系统侧电力变换器和所述发电机侧电力变换器暂时开始门阻断，门阻断解除之后，所述系统侧电力变换器结束直流电压控制开始无功电流控制，由此向电力系统供给无功电流，所述发电机侧电力变换器结束发电电力控制开始直流电压控制。

13.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，

系统侧电力变换器和发电机侧电力变换器各自分别具有控制器，各自还具有独立监视直流电压的单元，在直流电压低于某判定值的状态持续了一定时间的情况下，所述系统侧电力变换器结束直流电压控制开始无功功率控制，由此向电力系统供给无功功率，所述发电机侧电力变换器结束电力控制开始直流电压控制。

14.根据权利要求13所述的风力发电系统，其特征在于，

系统侧电力变换器的直流电压指令值比发电机侧电力变换器的直流电压指令值大，所述系统侧电力变换器和所述发电机侧电力变换器的控制被切换的判定值，设定在所述系统侧电力变换器的直流电压指令值和所述发电机侧电力变换器的直流电压指令值之间。

15.根据权利要求14所述的风力发电系统，其特征在于，

在所述系统侧电力变换器的交流电流为异常值时，所述系统侧电力变换器和所述发电机侧电力变换器暂时开始门阻断，门阻断解除之后，所述系统侧电力变换器结束直流电压控制开始无功电流控制，由此向电力系统供给无功电流，所述发电机侧电力变换器结束发电电力控制开始直流电压控制。

16.根据权利要求7所述的风力发电系统，其特征在于，

在减小所述同步发电机的发电电力之后，进行所述系统侧电力变换器和所述发电机侧电力变换器的门阻断的解除。

17.根据权利要求16所述的风力发电系统，其特征在于，

检测到电力系统的电压下降之后经过了规定时间后，所述系统侧电力变换器结束无功功率控制后开始直流电压控制，所述发电机侧电力变换器结束直流电压控制后开始电力控制。

18.根据权利要求16所述的风力发电系统，其特征在于，

所述风力发电系统具有检测出电力系统的电压下降已经恢复的单元，检测到电力系统的电压下降恢复之后经过规定时间后，所述系统侧电力变换器结束无功功率控制开始直流电压控制，所述发电机侧电力变换器结束直流电压控制开始电力控制。

19.根据权利要求7所述的风力发电系统，其特征在于，

在门阻断解除之后，所述发电机侧电力变换器的运转状态的转移，比所述系统侧电力变换器的运转状态的转移更早进行。