CN102792581A - 风力发电系统及风力发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明目的在于尽可能地有效利用风力能量，增加向电力系统供给的发电量。在风力发电系统(10)与电力系统(40)之间电连接蓄电装置(30)。风力发电装置(10)输出从发电机(18)可输出的最大有效电力减去由辅机消耗的辅机损失后的有效电力，当从风力发电装置(10)输出的有效电力超过设置在送电端的限制电力值时，控制蓄电装置(30)的充放电控制装置(31)将从风力发电装置(10)输出的电力的一部分充电到蓄电装置(30)中。

Description

风力发电系统及风力发电装置
技术领域
本发明涉及风力发电系统及风力发电装置。
背景技术
可变速风车通常在额定风速域中被控制成使风车端的输出恒定。这种情况下，在发电机输出Pg、风车端的输出Pn、辅机损失Ploss之间，以下的关系成立。
Pn＝Pg-Ploss＝在额定输出下恒定      (1)
专利文献1：日本特开2008-182859
发明内容
在上述(1)式所示的关系中，例如额定输出为2400kW且辅机损失Ploss为30kW时，即使发电机的可发电输出为2520kW，但由于额定输出恒定为2400kW，因此发电机输出Pg被抑制成2430kW(＝Pn+Ploss＝2400kW+30kW)。这种情况下，相当于90kW(＝2520kW-2430kW)的风力能量被白白地浪费。
本发明的目的在于提供一种尽可能地有效利用风力能量，能够增加向电力系统供给的发电量的风力发电系统及风力发电装置。
本发明的第一方式是一种风力发电系统，其具备：与电力系统连接的风力发电装置；能够将由所述风力发电装置生成的电力或从所述电力系统供给的电力进行充电的蓄电装置；能够与所述风力发电装置进行双向通信，并控制所述蓄电装置的充放电的充放电控制装置，所述风力发电装置输出发电机可输出的最大有效电力扣除辅机消耗的辅机损失后的有效电力，当从所述风力发电装置输出的有效电力超过设置在送电端的限制电力值时，所述充放电控制装置将从所述风力发电装置输出的有效电力的一部分充电到所述蓄电装置中。
根据此种风力发电系统，在风力发电装置中，进行使发电机输出可输出的最大有效电力的控制，即，进行将发电机输出提升至最大限度的控制，将从发电机输出减去辅机消耗量即辅机损失后的输出作为风车端的输出向电力系统侧输出。由此，未通过额定输出来抑制发电机输出，而能够得到尽可能利用了风力能量的最大的发电机输出。而且，当如此从风力发电装置输出的电力超过设置在送电端的限制电力值时，其一部分被充电到蓄电装置中。由此，即使超过设置在送电端的限制电力值的有效电力从风力发电装置输出的情况下，也不会舍弃而能够有效地利用其过剩部分。
在上述风力发电系统中，也可以当在额定风速以上，且所述蓄电装置处于可充电状态，并且所述蓄电装置不在放电中时，所述风力发电装置输出所述发电机可输出的最大有效电力减去所述辅机损失后的有效电力。
蓄电装置未处于可充电状态时或处于放电中时，无法对蓄电装置进行充电，而且，当小于额定风速时，发电机输出下降，无法得到可输出的最大有效电力。因此，在此种状况下，未进行将发电机输出提升至最大限度的控制。
在上述风力发电系统中，所述充放电控制装置也可以将从所述风力发电装置输出的有效电力减去所述风力发电装置的额定输出后的有效电力充电到所述蓄电装置中。
由此，能够将风力发电装置的额定输出向电力系统输出，并能够将相对于额定输出的过剩部分充电到蓄电装置中。而且，能够使向电力系统输出的有效电力稳定，并能够有效利用过剩部分。
在上述风力发电系统中，所述充放电控制装置也可以将从所述风力发电装置输出的有效电力减去在设置在所述送电端的限制电力值上乘以1以下的规定系数所得的电力后的有效电力充电到所述蓄电装置中。
由此，能够防止将设置在送电端的限制电力值以上的有效电力输出给电力系统的情况，并能够有效利用超过额定输出的过剩部分的电力。
本发明的第二方式是一种风力发电装置，其具有：发电机；生成所述发电机可输出的最大有效电力作为有效电力指令值的控制部，所述发电机根据所述控制部生成的有效电力指令值进行控制，所述风力发电装置输出所述发电机的输出电力扣除辅机消耗的辅机损失后的有效电力。
根据此种风力发电装置，由于发电机与额定输出无关地输出可输出的最大有效电力，换言之，进行将发电机输出提升至最大限度的控制，因此能够得到尽可能利用了风力能量的最大的发电机输出。
【发明效果】
根据本发明，能够起到尽可能有效利用风力能量，并增加向电力系统供给的发电量这一效果。
附图说明
图1是本发明的一实施方式的风力发电装置的外观图。
图2是表示本发明的一实施方式的风力发电装置的简要结构的图。
图3是表示本发明的一实施方式的风力发电系统的简要结构的图。
图4是展开表示本发明的一实施方式的风车控制装置所具备的各种功能中的与发电机输出的控制相关的主要功能的功能框图。
图5是用于说明本发明的效果的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的一实施方式的风力发电系统及风力发电装置进行说明。
图1是本发明的一实施方式的风力发电装置10的外观图，图2是表示风力发电装置10的简要结构的图。
图1所示的风力发电装置10是所谓可变速风车，具有：竖立设置在基础11上的支柱12；设置在支柱12上端的舱室13；能够绕大致水平的轴线旋转而设置于舱室13的旋翼头14。
多个(在本实施方式中，作为一例为三个)叶片15在旋翼头14上绕其旋转轴线以放射状安装。叶片15根据运转条件而以可转动的方式与旋翼头14连结，能够改变俯仰角。
如图2所示，增速机17及发电机18与旋翼头14的旋转轴机械连结。发电机18既可以是同步发电机，也可以是感应发电机。
在从旋翼头14的旋转轴线方向吹到叶片15上的风力的作用下，旋翼头14绕旋转轴旋转，其旋转力通过增速机17增速，向发电机18传递而使发电机18发电。
基于从风车控制装置16输出的有效电力指令值，转换控制器20控制转换器19而对发电机输出进行控制。发电机输出的一部分被风力发电装置10具备的控制油泵或油冷却风扇等各种辅机消耗后，作为风车端的输出向电力系统侧输出。在此，将被辅机消耗的电力定义为“辅机损失”。而且，“风车端的输出”由下式表示。
风车端的输出＝发电机输出-辅机损失
另外，上述增速机17、发电机18、风车控制装置16、转换控制器20及转换器19例如收容在舱室13内。
图3是表示本实施方式的风力发电系统1的简要结构的图。本实施方式的风力发电系统1具备多台风力发电装置10。从各风力发电装置10输出的有效电力向电力系统40供给。在风力发电装置10与电力系统40之间具备蓄电系统3，该蓄电系统3被充电从风力发电装置10输出的有效电力的一部分，并能够将充电了的电力向电力系统40放电。
蓄电系统3具备蓄电装置30、充放电控制装置31、电力转换装置32。蓄电装置30电连接在风力发电装置10与电力系统40之间。充放电控制装置31能够与各风力发电装置10具备的风车控制装置16进行双向通信，基于从各风力发电装置10的风车控制装置16接收到的充电电力指令值来控制蓄电装置30的充放电，并对各风力发电装置10的风车控制装置16发送蓄电池信息。作为蓄电池信息，例如列举有与蓄电装置30为放电中、充电中、停止中等的蓄电装置的运转状态相关的信息、或与蓄电装置30的充电率相关的信息等。
另外，充放电控制装置31从设置在系统电力侧的送电设备接收设置在送电端的限制电力值。充放电控制装置31将设置在该送电端的限制电力值向各风力发电装置10的风车控制装置16发送。
电力转换装置32根据来自充放电控制装置31的充放电控制信号，将从风力发电装置10输出的交流电力转换成直流电力而蓄积在蓄电装置30中，并将蓄积在蓄电装置30中的直流电力转换成交流电力而向电力系统40供给。
在此，图3中例示了风力发电系统1具备一台蓄电系统3的情况，但蓄电系统3既可以对应于各风力发电装置10分别设置，而且也可以相对于多台风力发电装置10一台台地设置。
图4是展开表示风力发电装置10的风车控制装置16所具备的各种功能中的与发电机输出的控制相关的主要功能的功能框图。
如图4所示，风车控制装置16具备：基于发电机18(参照图2)的转子转速而生成输出指令值的输出指令生成部51；参照由输出指令生成部51生成的输出指令值，进行将发电机输出提升至最大限度的控制，并进行尽可能利用风力能量的控制的第一控制部52；基于后述的规定的切换条件而选择第一控制部52和第二控制部53中的任一个的选择部54。
输出指令生成部51具有将发电机18的转子转速与输出指令值建立了对应关系的表，从该表取得与输入的发电机18的转子转速对应的输出指令值，并将该输出指令值向选择部54输出。在此，在本实施方式中，输出指令生成部51使用转子转速来生成输出指令值，但也可以使用叶片的转速等来生成输出指令值。
第一控制部52具备：生成向转换控制器20(参照图2)输出的有效电力指令值的第一指令生成部61；生成向充放电控制装置31(参照图3)输出的充电电力指令值的第二指令生成部62。
第一指令生成部61保有例如根据风力发电装置的机械结构上的制约(例如，电气设备的耐热量、机械设备的载荷等)所决定的发电机可输出的最大有效电力Pmax，并将其作为有效电力指令值而输出。
第二指令生成部62判定从第一指令生成部61所设定的有效电力指令值减去辅机损失后的电力即风车端的输出是否为设置在送电端的限制电力值以下，若为设置在送电端的限制电力值以下，则生成零的充电电力指令值。
即，若风车端的输出设置在送电端的限制电力值以下，则即使风车端的输出超过额定输出也能够向电力系统40(参照图3)供给，在这种情况下，不进行蓄电装置30中的充电，而将风车端的输出向电力系统40输出。
另一方面，当风车端的输出超过设置在送电端的限制电力值时，生成其超过量，即，如(2)式所示，生成从风车端的输出减去额定输出后的值作为充电电力指令值。
充电电力指令值＝风车端的输出-额定输出
              ＝有效电力指令值-辅机损失-额定输出  (2)
即，当风车端的输出超过设置在送电端的限制电力值时，从该风力发电装置输出的有效电力无法全部向电力系统40(参照图3)供给，因此其一部分充电到蓄电装置30中，将成为设置在送电端的限制电力值以下的电力向电力系统40供给。
需要说明的是，在此，如上述(2)式所示，将从风车端的输出减去额定输出后的值作为充电电力指令值，即，作为充电到蓄电装置30(参照图3)中的电力，但关于充电到蓄电装置30中的电力，并不局限于此。
也就是说，充电到蓄电装置30中的电力只要是使风车端的输出成为设置在送电端的限制电力值以下的电力即可，例如以下(3)式所示，也可以将从风车端的输出减去设置在送电端的限制电力值后的值作为充电电力指令值。
充电电力指令值＝风车端的输出-设置在送电端的限制电力值  …(3)
另外，如(4)式所示，也可以将从风车端的输出减去设置在送电端的限制电力值乘以1以下的规定系数的值后的值作为充电电力指令值。
充电电力指令值＝风车端的输出-(设置在送电端的限制电力值×α)  …(4)
在上述(4)式中，α是1以下的规定系数，例如，采用0.95、0.90、0.85、0.80等。
由第一指令生成部61生成的有效电力指令值向图2所示的转换控制器20输出，由第二指令生成部62生成的充电电力指令值向图3所示的蓄电系统3的充放电控制装置31发送。
当在额定风速以上，且图3所示的蓄电系统3的蓄电装置30处于可充电状态，并且蓄电装置30不在放电中时，选择部54选择第一控制部52。而且，当上述切换条件的任一个没有满足时，选择第二控制部53。
关于是否为上述额定风速以上的信息，输入并使用例如由安装在风力发电装置10上的风速计(未图示)计测的值。而且，关于与蓄电装置30相关的信息，根据从充放电控制装置31接收到的蓄电池信息进行判断。关于蓄电装置30是否为可充电状态，例如通过蓄电装置30的充电率是否为预先设定的规定的充电率(例如60％)以下进行判断。
接下来，参照图2至图4说明具备上述结构的本实施方式的风力发电系统1的动作。
首先，在图3所示的蓄电系统3的充放电控制装置31中，生成蓄电池信息，并将该蓄电池信息向各风力发电装置10的风车控制装置16发送。而且，也发送设置在送电端的限制电力值。
另外，在各风力发电装置10中，通过传感器(未图示)计测发电机18的转子转速和风速等，并将该计测值向风车控制装置16输入。
在风车控制装置16中，通过输出指令生成部51生成基于输入的发电机的转子转速的输出指令值，并向选择部54输出。在选择部54中，基于从充放电控制装置31发送来的蓄电池信息及通过设置在风力发电装置10上的风速传感器(未图示)计测到的风速，来选择第一控制部52或第二控制部53。
即，当在额定风速以上，且蓄电装置30为可充电状态，并且蓄电装置30不在放电中时，选择第一控制部52，在除此以外时选择第二控制部53。而且，由输出指令生成部51生成的输出指令值向选择的控制部输出。
当选择第二控制部53时，在第二控制部53中，生成基于发电机的转子转速的有效电力指令值，向转换控制器20输出，并控制转换器19。由此，例如进行将风车端的输出形成为额定输出恒定的控制，将额定输出的电力向电力系统40供给。
另一方面，当选择第一选择部52时，在第一指令生成部61中将发电机可输出的最大有效电力作为有效电力指令值，向转换控制器20输出。然后，转换控制器20基于该有效电力指令值而控制转换器19，从而能够得到基于有效电力指令值的发电机输出。由此，能够得到发电机18可输出的最大有效电力作为发电机输出。
该发电机输出被辅机消耗一部分电力，其余电力作为风车端的输出从风车发电装置10向电力系统侧输出。例如，当额定输出为2400kW，辅机损失为50kW，有效电力指令值为2520kW时，有效电力指令值-辅机损失＝2520kW-50kW＝2470kW，将高于额定输出2400kW为70kW的输出从风力发电装置10向电力系统侧输出。
另外，在风车控制装置16的第二指令生成部62中，判定从由第一指令生成部61生成的有效电力指令值减去辅机损失后的有效电力，即，判定风车端的输出是否为设置在送电端的限制电力值以下。其结果是，当风车端的输出为设置在送电端的限制电力值以下时，生成零的充电电力指令值，当风车端的输出超过设置在送电端的限制电力值时，生成从风车端的输出减去额定输出后的值作为充电电力指令值，并将生成的充电电力指令值向充放电控制装置31发送。
由此，在通过选择部54选择了第一控制部52的风力发电装置10中，将额定输出以上的电力向电力系统40输出，并将充电电力指令值向充放电控制装置31发送。
充放电控制装置31对从各风力发电装置10接收到的充电电力指令值进行加法运算，并根据加法运算后的充电电力指令值来控制电力转换装置32。由此，各风力发电装置10中的过剩部分的电力充电到蓄电装置30中。
如以上说明所示，根据本实施方式的风力发电系统1及风力发电装置10，在风力发电装置10中，进行将发电机输出提升至最大限度的控制，并将从发电机输出减去辅机消耗量的辅机损失后的输出作为风车端的输出向电力系统侧输出，因此不会通过额定输出来抑制发电机输出，而能够得到尽可能利用了风力能量的最大的发电机输出。
此外，当如此从风力发电装置10输出的电力超过设置在送电端的限制电力值时，以将其过剩部分或其以上的电力充电到蓄电装置30的方式进行控制。由此，即使在从风力发电装置10输出超过设置在送电端的限制电力值的电力时，也能够通过将该过剩部分蓄积在蓄电装置30中而有效地利用。
并且，通过进行上述控制，如下所述，能够增加向电力系统40供给的发电量。
例如，如图5所示，在IEC Class II(疲劳载荷)的风况下，风速的常用分布按照瑞利分布时，在上述的风车控制装置16中选择第一控制部52，当风力发电装置10的年工作率为100％时，成为相对于额定输出能够得到70kW的过剩部分的运转状态的时间为2070小时。
在此期间，若设想将过剩部分的70kW全部充电到蓄电装置30中的情况，则其电量在一年之间成为144.9MWh，可知仅从一台风车就能得到144.9MWh的电力作为超过额定输出的过剩部分。该电力量相当于例如通过一般的风力发电系统得到的总输出的1％至2％，从而能够将一年之间的发电量提高1％至2％。
另外，根据本实施方式的风力发电系统1及风力发电装置10，若风车端的输出为设置在送电端的限制电力值以下，则向电力系统40输出。这种情况下，向电力系统40输出的有效电力成为额定输出以上，但在具备多个风力发电装置10的风力发电系统1中，此种有效电力的变动与整体输出相比非常微小，不会产生问题。
另外，若风车端的输出为设置在送电端的限制电力值以下，则即使在超过额定输出的情况下，通过向电力系统40输出，也能够降低向蓄电装置30充电的频率。向蓄电装置30充电时，产生不少的能量损失，因此通过如此不向蓄电装置30充电，并提高向电力系统40输出的频率，能够减少充电产生的能量损失。
【符号说明】
1 风力发电系统
3 蓄电系统
10 风力发电装置
16 风车控制装置
18 发电机
30 蓄电装置
31 充放电控制装置
40 电力系统
52 第一控制部
54 选择部
61 第一指令生成部
62 第二指令生成部

Claims (5)

1.一种风力发电系统，其具备：
与电力系统连接的风力发电装置；
能够将由所述风力发电装置生成的电力或从所述电力系统供给的电力进行充电的蓄电装置；
能够与所述风力发电装置进行双向通信，并控制所述蓄电装置的充放电的充放电控制装置，
所述风力发电装置输出发电机可输出的最大有效电力扣除辅机消耗的辅机损失后的有效电力，
当从所述风力发电装置输出的有效电力超过设置在送电端的限制电力值时，所述充放电控制装置将从所述风力发电装置输出的有效电力的一部分充电到所述蓄电装置中。
2.根据权利要求1所述的风力发电系统，其中，
当在额定风速以上，且所述蓄电装置处于可充电状态，并且所述蓄电装置不在放电中时，所述风力发电装置输出所述发电机可输出的最大有效电力减去所述辅机损失后的有效电力。
3.根据权利要求1所述的风力发电系统，其中，
所述充放电控制装置将从所述风力发电装置输出的有效电力减去所述风力发电装置的额定输出后的有效电力充电到所述蓄电装置中。
4.根据权利要求1所述的风力发电系统，其中，
所述充放电控制装置将从所述风力发电装置输出的有效电力减去在设置在所述送电端的限制电力值上乘以1以下的规定系数所得的电力后的有效电力充电到所述蓄电装置中。
5.一种风力发电装置，其具有：
发电机；
生成所述发电机可输出的最大有效电力作为有效电力指令值的控制部，
所述发电机根据所述控制部生成的有效电力指令值进行控制，
所述风力发电装置输出所述发电机的输出电力扣除辅机消耗的辅机损失后的有效电力。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20121121