CN102439297B - 风力发电装置的控制装置和控制方法 - Google Patents

风力发电装置的控制装置和控制方法 Download PDF

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Abstract

一种能够进行基于指令值的有效电力的控制的风力发电装置的控制装置，具备：计测单元，计测电力系统的频率；和指令值生成单元，在通过该计测单元计测到的电力系统的频率变动超过规定基准的情况下，根据表示频率变动量与有效电力指令值的预先设定的关系的变换信息，生成向抑制电力系统的频率变动的方向控制有效电力的指令值。实现对于系统扰动在较早阶段对其进行抑制的风力发电。

Description

风力发电装置的控制装置和控制方法
技术领域
本发明涉及风力发电装置发出的有效电力的控制。
背景技术
对于电力系统，理想是的始终维持需求和供给的平衡，但是该平衡有可能偏离。这样的平衡偏离作为频率变动而出现。当由于发电机脱离或系统故障等产生电力供给能力不足时，引起系统扰动(频率变动等)，若没有系统扰动的抑制能力则会造成系统整体崩溃，存在发生大规模停电的危险性。在平衡刚偏离后，由于频率变动的周期短，所以特别是对输出要求值的响应性高的水力发电站等能够对该抑制作出贡献。在成为变动平稳后的稍高的频率下的准平衡状态以后，风车以抑制该输出作为目的，采取停止的处置。
作为关于电力系统的频率变动时的风力发电装置的控制的参考例，能够例举专利文献1。在专利文献1中，记载有目的是抑制风力发电对输电网(grid)的频率造成的变动的技术。为了达成该目的，进行基于输电网的测定频率与正常频率之间的偏差的PID控制或具有滞后的控制。
专利文献1：美国专利申请公开第2009/0167021号说明书
发明内容
近年来，风力发电装置的发电规模变大。因此在风力发电装置中，也考虑在产生系统扰动的情况下，从其初期开始抑制扰动的控制有效。
本发明的目的在于实现一种能够对刚产生系统扰动后的电力系统的频率变动进行响应的风力发电装置的控制。
在本发明的一个方面中，能够进行基于指令值的有效电力的控制的风力发电装置(6)的控制装置(2)具备：计测单元(3)，计测电力系统的频率；和指令值生成单元(4)，在通过计测单元计测到的电力系统的频率变动超过规定基准的情况下，根据表示频率变动量与有效电力指令值的预先设定的关系的变换信息，生成向抑制电力系统的频率变动的方向控制有效电力的指令值。
在本发明的另一个方面中，计测单元(3)根据以规定的采样周期获取的数据的移动平均值计测电力系统的频率。
在本发明的又一个方面中，计测单元(3)在电力系统的频率变动开始的初期阶段，根据第一采样周期计测电力系统的频率。在初期阶段后的电力系统的频率变动的后期阶段，根据周期比第一采样周期长的的第二采样周期计测电力系统的频率。
在本发明的又一个方面中，指令值生成单元(4)，在电力系统的频率变动开始的初期阶段，在生成指令值的控制系统中，基于第一增益生成指令值，在初期阶段后的电力系统的频率变动的后期阶段，在生成指令值的控制系统中，基于比第一增益小的第二增益生成指令值。
在本发明的又一个方面中，在从电力系统的频率变动开始经过了规定时间的情况下，或者，在电力系统的频率变动量成为规定阈值以下的情况下，计测单元(3)或者指令值生成单元(4)判断为已转移到电力系统的频率变动的后期阶段。
在本发明的又一个方面中，该风力发电装置的控制装置(2)统一地控制多个风力发电装置(6)。
在本发明的一个方面中，能够进行基于指令值的有效电力的控制的风力发电装置(6)的控制方法包括：计测工序(S1)，计测电力系统的频率；和指令值生成工序(S2～S6)，在通过计测工序计测到的电力系统的频率变动超过规定基准的情况下，根据表示频率变动量与有效电力指令值的预先设定的关系的变换信息，生成向抑制电力系统的频率变动的方向控制有效电力的指令值。
根据本发明，能够实现能够对系统扰动进行初期的响应的风力发电装置的控制。
附图说明
本发明的上述目的、其他目的、效果和特征，结合附图根据实施方式的说明而更加明确。
图1表示风电场的结构。
图2表示风力发电装置和控制装置的结构。
图3表示移动平均值的例子。
图4表示参数变换系数。
图5表示频率变动与频率偏差Δf的例子。
图6表示控制装置的动作。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。图1表示本实施方式的风电场的结构。风电场具备控制装置2。控制装置2具备频率检测部3和指令值生成部4。频率检测部3和指令值生成部4是通过CPU读出并执行保存在存储装置中的程序而实现的功能块。控制装置2与属于风电场的多个风力发电装置6的各个风车控制装置5连接。各个风力发电装置6具备发电机和电力变换部。风力发电装置6利用风力产生的转矩由发电机变换成电力，通过电力变换部变换成与系统相同种类的电力。控制装置2进行多个风力发电装置6与电力系统1的系统互连。
图2表示风力发电装置6的控制装置2的结构。频率检测部3作为用于计测电力系统1的频率的计测单元发挥功能，根据表示系统电压或者系统频率检测部3获得的电力系统1的电压或者频率的检测值的信息，以一定时间Δt的周期进行采样。移动平均值运算部15实时地求取采样得到的系统频率的移动平均值。该移动平均值也能够通过运算采样得到的各定时的频率的数值的平均值而求取，但也可以对频率应用低通滤波器求取。图3为移动平均值的例子。相对于检出频率L1，描绘出以Δt的周期采样得到的移动平均值L2。移动平均值L3表示采取更长的采样周期时的例子。呈现追随性变缓的情况。
指令值生成部4根据频率的移动平均值与电力系统的额定频率之差、和将频率的偏差变换成电力的偏差的参数变换系数的乘积，生成指令值。具体而言，如以下所述生成指令值。减法器16计算出预先存储的电力系统1的额定频率与移动平均值运算部15求取的移动平均值之差Δf。增益累加器17对该差乘以预先设定的增益K。参数变换器18通过对KΔf乘以规定的参数变换系数，而变换成作为有效电力的计测值与目标值之差的ΔP。由风车控制装置5控制的转换器11根据该差ΔP进行比例控制等控制，对风力发电装置6的发电机10产生的电力进行变换。变换后的电力由变压器12变换并与电力系统1互连。
图4表示参数变换器18的参数变换系数。该参数变换系数是表示频率变动量与有效电力指令值的预先设定的关系的变换信息。Δfmax表示作为追随目标的频率移动平均值的最大值与预先设定的额定频率之差。ΔPmax是表示不发生系统不稳定的输出控制值的最大值的预先设定的值。将其交点与频率及发电量之差分别为零的原点连接的直线成为基于控制装置2的工作点。但是ΔP有运转制约上的限制。所谓运转制约上的限制是指例如不能输出与超过风力发电装置的运转能力的ΔP的指令值相应的有效电力。
(1)
这种控制也可以通过各风力发电装置6的风车控制装置5执行。然而，从风电场整体的控制的稳定性出发，相比于利用各个风力发电装置6独立地进行电力量的调整，更优选利用风电场整体进行电力量的调整。根据风电场的负责人容易掌握当前的状况这一点，也优选利用风电场整体进行电力量的调整。因此，优选图2所示的移动平均值运算部15、减法器16、增益累加器17和参数变换器18进行的计算利用多个风力发电装置6所属的风电场整体的控制装置2执行。
进一步，从对系统扰动的响应性的观点出发，优选由控制装置2执行的计算简单。因此例如优选，指令值生成部4将电力的偏差值ΔP均等地除以在风电场工作中的风力发电装置6的台数n(预先存储的值)，将该指令值ΔP/n发送至各风车控制装置5。
接着，对采样周期进行说明。如从图3也可知，变动频率的追随性依赖于采样周期Δt。一般地，因电力潮流的平衡崩溃产生的频率变动具有以下倾向。在变动初期，变动振幅大的期间持续数十秒左右。在变动后期，变动振幅小的期间持续几分钟左右。其后，变动振幅收敛于容许变动幅度内。
从而，要求在变动开始的初始阶段提高追随性以抑制其振幅，并防止频率的发散。因此在变动初期，使用被设定为小的值的第一采样周期。另一方面，在变动的后期阶段，由于变动振幅小，而不要求对变动频率的高追随性。倒不如要求平缓地减少与额定频率之间的偏差。因此在比变动初期靠后的时间带即变动后期，使用被设定为比第一采样周期大的值的第二采样周期。
也可以取代这种采样周期的变更，或者与采样周期的变更一起，在变动初期和变动后期对增益进行变更。在该情况下，指令值生成部4在变动初期的第一时间带乘以第一增益而生成指令值，其后，在变动后期的第二时间带乘以比第一增益小的第二增益而生成指令值。利用这种控制也能够获得同样的效果。
图5表示频率变动与频率偏差Δf的例子。在变动初期(t＝0)频率急剧下降，振幅大的变动初期开始。图中的平滑线(smoothing line)表示在变动的振幅变小的变动后期，利用最小二乘法等以一次函数近似从t＝10到30为止的20秒期间的频率波形得到的线。Δf根据通过这种近似将频率波形平均化后的值而决定。将该线的t＝10、30处的值分别设为f10、f30，将额定频率设为f0，则Δf＝(f10+f30)/2-f0。控制装置2根据这样的Δf，判定变动初期、后期和变动收敛的各时期，根据该判定进行采样周期Δt的变更。
图6是表示关于采样周期的变更控制装置2所进行的处理的流程图。通常时，将设定得较小的第一值(例如2～3秒左右)的采样周期设定作为默认值，以能够追随产生系统扰动的情况下的频率变动(S1)。指令值生成部4根据检出频率的移动平均值，在频率变动超过规定的基准时，进行该变动的补偿，决定风力发电装置6的发电机10输出的电力的指令值，以向抑制电力系统的频率变动的方向控制有效电力。作为规定的基准，例如，在Δf相对于额定频率偏离规定幅度(例如±4％)以上的时间持续了规定期间(例如10秒)以上的情况下，判定为产生了系统扰动(S2“是”)。除此以外的情况下，返回到通常运转(S2“否”)。
在判定为产生了系统扰动的情况下，以默认的采样周期(图6的例子中为2秒)对电力系统的频率进行采样，进行基于该频率的移动平均的风力发电装置6的输出控制(S3)。作为该结果获得的移动平均的振幅大的期间进行待机处理(S4“否”)。在移动平均的振幅为第一幅度(例如±6％)以内的状态持续了规定期间(例如30秒)以上的情况下(S4“是”)，将采样周期Δt自动地切换为更长的第二值(例如一分钟)，以能够追随系统频率变动的变动周期低的状态(S5)。该控制一直持续到Δf处于比第一幅度小的第二幅度(例如±4％)以内的状态持续了规定期间(例如30秒)以上为止(S6“否”)。在Δf的变动幅度低于该基准的情况下返回到通常运转(S6“是”)。
在图6的例子中，在产生系统扰动的初期阶段的控制中，在电力系统的频率变动量为规定的基准以下时，转移到扰动的后期阶段的控制。根据电力系统的扰动的特性，也可以取代这种控制，在将指令值生成部4判定为产生了系统扰动时作为起点而经过了规定时间的情况下，转移到变动的后期阶段的控制。
像这样，风电场总是监视系统的频率变动，对于系统频率变动，通过立即向抑制它的方向控制有效电力，能够迅速地有助于系统频率变动的收敛。特别是伴随今后的风力发电的进一步大电力化，可认为这种控制对系统扰动的抑制具有效果。
以上，参照实施方式对本发明进行了说明，但本发明不限定于上述实施方式。能够对上述实施方式进行各种变更。例如，能够将上述实施方式相互组合。
标号说明
1 电力系统
2 控制装置
3 频率监视部
4 指令值生成部
5 风车控制装置
6 风力发电装置
10 发电机
11 转换器
12 变压器
15 移动平均值运算部
16 减法器
17 增益累加器
18 参数变换器
L1 检出频率
L2 移动平均值
L3 移动平均值

Claims (6)

1.一种风力发电装置的控制装置，能够进行基于指令值的有效电力的控制，具备：
计测单元，计测电力系统的频率；和
指令值生成单元，在通过所述计测单元计测到的电力系统的频率变动超过规定基准的情况下，根据表示频率变动量与有效电力指令值的预先设定的关系的变换信息，生成向抑制电力系统的频率变动的方向控制有效电力的指令值，
所述计测单元根据以规定的采样周期获取的数据的移动平均值计测电力系统的频率，
并且，
在电力系统的频率变动开始的初期阶段，根据第一采样周期计测电力系统的频率，
在所述初期阶段后的电力系统的频率变动的后期阶段，根据周期比所述第一采样周期长的第二采样周期计测电力系统的频率。
2.一种风力发电装置的控制装置，能够进行基于指令值的有效电力的控制，具备：
计测单元，计测电力系统的频率；和
指令值生成单元，在通过所述计测单元计测到的电力系统的频率变动超过规定基准的情况下，根据表示频率变动量与有效电力指令值的预先设定的关系的变换信息，生成向抑制电力系统的频率变动的方向控制有效电力的指令值，
所述指令值生成单元，
在电力系统的频率变动开始的初期阶段，在生成指令值的控制系统中，基于第一增益生成指令值，
在所述初期阶段后的电力系统的频率变动的后期阶段，在生成指令值的控制系统中，基于比所述第一增益小的第二增益生成指令值。
3.根据权利要求1或2所述的风力发电装置的控制装置，其中，
在从电力系统的频率变动开始经过了规定时间的情况下，或者，在电力系统的频率变动量成为规定阈值以下的情况下，所述计测单元或者所述指令值生成单元判断为已转移到电力系统的频率变动的后期阶段。
4.根据权利要求1或2所述的风力发电装置的控制装置，其中，
该风力发电装置的控制装置统一地控制多个风力发电装置。
5.一种风力发电装置的控制方法，能够进行基于指令值的有效电力的控制，包括：
计测工序，计测电力系统的频率；和
指令值生成工序，在通过所述计测工序计测到的电力系统的频率变动超过规定基准的情况下，根据表示频率变动量与有效电力指令值的预先设定的关系的变换信息，生成向抑制电力系统的频率变动的方向控制有效电力的指令值，
所述计测工序中，
根据以规定的采样周期获取的数据的移动平均值计测电力系统的频率，
在电力系统的频率变动开始的初期阶段，根据第一采样周期计测电力系统的频率，
在所述初期阶段后的电力系统的频率变动的后期阶段，根据周期比所述第一采样周期长的第二采样周期计测电力系统的频率。
6.一种风力发电装置的控制方法，能够进行基于指令值的有效电力的控制，包括：
计测工序，计测电力系统的频率；和
指令值生成工序，在通过所述计测工序计测到的电力系统的频率变动超过规定基准的情况下，根据表示频率变动量与有效电力指令值的预先设定的关系的变换信息，生成向抑制电力系统的频率变动的方向控制有效电力的指令值，
所述指令值生成工序中，
在电力系统的频率变动开始的初期阶段，在生成指令值的控制系中，基于第一增益生成指令值，
在所述初期阶段后的电力系统的频率变动的后期阶段，在生成指令值的控制系统中，基于比所述第一增益小的第二增益生成指令值。
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