CN102971528A - 风车控制装置及其方法和风力发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明目的在于，在产生了系统干扰的情况下，从产生初期的阶段就抑制频率变动。在产生了系统干扰的情况下，在系统干扰的初期阶段进行各风车的输出控制，以抑制风车的输出的频率变动，在系统干扰的后期阶段进行各风车的输出控制以抑制系统频率。

Description

风车控制装置及其方法和风力发电系统

技术领域

本发明涉及风车控制装置及其方法和风力发电系统。

背景技术

目前，公知例如在因发电机的断路及系统故障等而电力供给能力降低的情况下，产生系统干扰(频率的变动等)。作为这种系统干扰时的风车的控制方法，例如，日本专利第4782245号公报公开有基于表示频率变动量和有效电力指令值之间的预先设定的关系的变换信息，在抑制系统干扰的方向上控制风车的有效电力的方法。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第4782245号公报

发明内容

发明要解决的课题

近年来，风力发电的发电规模在扩大，在产生了系统干扰的情况下，有效的方法是从初期起就抑制干扰。

本发明目的在于，提供在产生了系统干扰的情况下，能够从产生初期阶段起就抑制频率变动的风车控制装置及其方法和风力发电系统。

用于解决课题的方案

本发明第1形态，提供风车控制装置，应用于通过共同的联接点向电力系统供给多个风车的输出的风力发电系统，与各所述风车对应地分别设置，该风车控制装置：第1设定装置，设定用于生成抑制所述联接点的频率变动的输出指令的第1指令信息；第2处理装置，设定用于生成抑制对应的所述风车的输出的频率变动的输出指令的第2指令信息；选择装置，在产生了所述联接点的频率变动超过规定的第1阈值的系统干扰的情况下，在该系统干扰的初期阶段选择所述第2指令信息，在该系统干扰的后期阶段选择所述第1指令信息；以及指令生成装置，使用由所述选择装置选择的指令信息生成输出指令。

本发明第2形态，提供风车的控制方法，是应用于多个风车的输出通过共同的联接点向电力系统供给的风力发电系统的各所述风车的控制方法，该方法包含：第1设定过程，设定用于生成抑制所述联接点的频率变动的输出指令的第1指令信息；第2处理过程，设定用于生成抑制对应的所述风车的输出的频率变动的输出指令的第2指令信息；选择过程，在产生了所述联接点的频率变动超过规定的第1阈值的系统干扰的情况下，在该系统干扰的初期阶段选择所述第2指令信息，在该系统干扰的后期阶段选择所述第1指令信息；以及指令生成过程，使用通过所述选择过程选择的指令信息生成输出指令。

本发明第三形态，提供风力发电系统，具备多个风车，通过共同联接点向电力系统供给各所述风车的输出，该风力发电系统包括：中央控制装置，其控制所述联接点的输出；多个风车控制装置，其与各所述风车对应分别设置，控制对应的所述风车的输出，所述中央控制装置具备：第1处理装置，设定用于生成抑制所述联接点的频率变动的输出指令的第1指令信息；以及发送装置，将通过所述第1处理装置设定的各所述风车的第1指令信息发送到各所述风车，各所述风车控制装置具备：接收装置，从所述中央控制装置接收所述第1指令信息；第1设定装置，设定接收到的所述第1指令信息；第2处理装置，设定用于生成抑制对应的所述风车的输出的频率变动的输出指令的第2指令信息；选择装置，在产生了所述联接点的频率变动超过规定的第1阈值的系统干扰的情况下，在该系统干扰的初期阶段选择所述第2指令信息，在该系统干扰的后期阶段选择所述第1指令信息；以及指令生成装置，使用通过所述选择装置选择的指令信息生成输出指令。

发明效果

根据本发明，具有在产生有系统干扰的情况下，可以从产生初期阶段起就抑制频率变动的效果。

附图说明

图1是表示本发明一实施方式的风力发电系统的整体结构的图。

图2是图1所示的风车的外观图。

图3是概略性表示图1所示的风车的电气结构的示意图。

图4是表示图1所示的中央控制装置的一例硬件结构的图。

图5是主要表示图1所示的中央控制装置及风车控制装置具备的功能中有关频率抑制控制的功能的功能方框图。

图6是表示一例变换信息的图。

图7是用于说明系统干扰的初期阶段及后期阶段的图。

标号说明

1    风力发电系统

2    中央控制装置

3    电力系统

10-1、10-n    风车

20    风车控制装置

25、26    频率检测单元

31    第1处理单元

32    发送单元

33    偏差计算单元

34    参数变换单元

35    校正值设定单元

40    接收单元

41    第1设定单元

42    第2处理单元

43    选择单元

44    状态判定单元

45    有效电力指令生成单元

46    偏差计算单元

47    参数变换单元

A    联接点

具体实施方式

下面，参照附图对本发明一实施方式的风车控制装置及其方法以及风力发电系统进行说明。

图1是表示本实施方式的风力发电系统的整体构成的图。如图1所示，风力发电系统1具备多个风车10-1、···、10-n(下面，在表示全部的风车时简单地附加标号“10”，在表示各风车时附加符号“10-1”、“10-n”等)、对于各风车10提供第1校正值的中央控制装置2。

在本实施方式中，全部风车10为根据风速可控制旋转速度的可变速风车。通过各电力线经由共同的联接点A向电力系统3供给从各风车10输出的电力。

联接点A的系统频率由频率检测单元25(参照图5)测量，被输出到中央控制装置2。

中央控制装置2是控制联接点A的输出的控制装置，平常时，例如，对于各风车设定有效电力指令，以使联接点A的输出与从管理电力系统3的电力的电力管理室(例如，电力公司等)通知的要求频率及要求电力值一致。由中央控制装置2设定的各风车的有效电力指令发送到各风车10-1、···、10-n具备的风车控制装置20，在各风车中进行基于该有效电力指令的输出控制。

图2是风车10的外观图，图3是表示风车10的电气结构的示意图。

如图2所示，风车10具有竖立设置在基座5上的塔柱6、设置在塔柱6的上端的机舱7、绕大致水平的轴线可旋转地设置于机舱7的转子头8。

在转子头8上绕其旋转轴线放射状安装有多个叶片9。叶片9根据运转条件而被连结以使叶片相对于转子头8可转动，俯仰角可变化。

如图3所示，在转子头8的旋转轴21上机械地连结有增速机22及发电机23。发电机23既可以是同步发电机，也可以是感应发电机。也可以形成不设置增速机23的结构。

从转子头8的旋转轴线方向通过与叶片9接触的风力使转子头8绕旋转轴旋转，该旋转力通过增速机22增速，传递到发电机23，变换成电力。发电机23的发电电力通过电力变换单元24变换成与电力系统3对应的电力，经由变压器19向电力系统1供给。

电力变换单元24由风车控制装置20控制。风车控制装置20具备通过控制电力变换单元24而控制发电机23的输出的功能、控制叶片9的俯仰角的功能等。

上述中央控制装置2及风车控制装置20具备计算机，例如图4所示，分别具备：CPU11和用于存储CPU11执行的程序等的ROM(Read OnlyMemory；只读存储器)12、作为具有各程序执行时的工作区域功能的RAM(Random Access Memory；随机存取存储器)13、作为大容量存储装置的硬盘驱动器(HDD)14、用于与通信网络连接的通信接口15。这些各单元经由总线18而连接。

另外，中央控制装置2也可以具备安装外部存储装置存取单元、由键盘或鼠标等构成的输入单元、及显示数据的由液晶显示装置等构成的显示单元等。

用于存储上述CPU11执行的程序等的存储媒体不限于ROM12。例如，也可以是磁盘、光磁盘、半导体存储器等其它辅助存储装置。

图5是主要表示中央控制装置2及风车控制装置20具备的功能中例如有关在产生有系统干扰(频率变动)的情况下工作的频率控制的功能的功能方框图。

中央控制装置2对每个风车生成用于抑制联接点A的频率变动的第1指令信息，并将生成的第1指令信息发送到各风车10-1、...10-n的风车控制装置20。

例如，如图5所示，中央控制装置2具备第1处理单元31和发送单元32。

第1处理单元31具备偏差计算单元33、参数变换单元34、校正值设定单元35。

偏差计算单元33算出由频率检测单元25检测出的系统频率和从电力管理室通知的额定频率之间的偏差即系统频率偏差Δf_grid。也就是说，系统频率偏差Δf_grid用下面的式(1)表示。

Δf＝f_ref-f_grid       (1)

在上述式(1)中，f_ref为额定频率，f_grid为系统频率。

参数变换单元34具有设定了频率偏差Δf和电力校正值ΔP之间的关系的变换信息，使用该变换信息，取得与由偏差计算单元33算出的系统频率偏差Δf_grid对应的系统电力校正值ΔP_grid。

图6表示一例变换信息。在图6中，横轴表示频率偏差Δf，纵轴表示电力校正值ΔP。图6所示的变换特性根据风车的设计而可以任意地设定，这里，斜率作为正的一次函数被定义。

参数变换单元34取得的系统电力校正值ΔP_grid被输出到校正值设定单元35。校正值设定单元35通过系统电力校正值ΔP_grid除以运转中的风车的台数n，均等地在各风车内按比例分配系统电力校正值ΔP_grid设定与各风车对应的第1电力校正值ΔP_{id_n}、...、ΔP_{id_n}。

另外，也可以对于各风车10-1、...10-n预先设定加权系数，利用该加权系数，确定系统电力校正值ΔP_grid对运转中的各风车的分配。

这样设定的各风车的第1电力校正值ΔP_{id_1}、...、ΔP_{id_n}作为第1指令信息而被发送到各风车的风车控制装置20。

各风车控制装置20具备接收单元40、第1设定单元41、第2处理单元42、选择单元43、状态判定单元44、有效电力指令生成单元45。另外，各风车10-1、...、10-n具备的风车控制装置20的结构相同，因此，下面，为了说明的方便，列举代表例说明风车10-1的风车控制装置20的结构。

接收单元40接收从中央控制装置2发送的第1电力校正值ΔP_{id_1}，并输出到第1设定单元41。第1设定单元41设定通过接收单元40接收到的第1电力校正值ΔP_{id_1}。于是，由第1设定单元41设定的第1电力校正值ΔP_{id_1}被设为用于抑制系统频率的变动的电力校正值。

第2处理单元42设定用于生成抑制对应的风车10-1的输出的频率变动的输出指令的第2指令信息。具体而言，第2处理单元42具备偏差计算单元46、参数变换单元47。

由频率检测单元26检测出的风车10-1的输出的频率(下面，称为“风车频率”)被输入到偏差计算单元46。偏差计算单元46算出所输入的风车频率和上述额定频率之间的风车频率偏差Δf_{wd_1}。即，风车频率偏差Δf_{wd_1}用下面的式(2)式表示。

Δf_{wd_1}＝f_ref-f_{wd_1}    (2)

在上述式(2)中f_ref为额定频率，f_{wd_1}为风车10-1的风车频率。

参数变换单元47具有例如图6所示的变换信息，使用该变换信息，取得与通过偏差计算单元46算出的风车频率偏差Δf_{wd_1}对应的风车电力校正值ΔP_{wd_1}，将它作为第2电力校正值(第2指令信息)来设定。

由第1设定单元41设定的第1电力校正值、由第2处理单元42设定的第2电力校正值被输入到选择单元43。在产生有系统干扰的情况下，选择单元43在该系统干扰的初期阶段选择第2电力校正值，在该系统干扰的后期阶段选择第1电力校正值，输出到有效电力指令生成单元45。通过来自状态判定单元44的输入信号判别产生了系统干扰、系统干扰的初期阶段、系统干扰的后期阶段。

状态判定单元44在联接点A的频率变动超过规定的第1阈值的情况下，检测系统干扰的产生，将“高”(High)信号输出到选择单元43。另外，在干扰产生后，在维持了规定的期间以上的系统频率的变动幅度不足设定为第1阈值以下的值的第2阈值的状态的情况下，判定为从初期阶段向后期阶段转移，将输出信号从“高”信号切换为“低”(Low)信号。

选择单元43在从状态判定单元44输入有“高”信号的期间，选择第2电力校正值ΔP_{wd_1}。另外，选择单元43在从状态判定单元44输入有“低”信号的期间，选择第1电力校正值ΔP_{id_1}，输出到有效电力指令生成单元45。

有效电力指令生成单元45例如拥有作为基准的基准有效电力指令，通过对该基准有效电力指令与从选择单元43输入的第1电力校正值或第2电力校正值进行加法运算，生成有效电力指令。另外，生成用于基于该有效电力指令控制电力变换单元24的控制信号Pdem，输出到电力变换单元24。

另外，上述基准有效电力指令既可以是固定值，也可以是通过使用当前的发电机23的输出、转子头8的转速、叶片9的俯仰角、及风速等进行规定的运算而逐个算出的值。

在具备上述结构的风力发电系统中，通过中央控制装置2，以规定的时间间隔设定系统频率为额定频率的第1电力校正值，将该第1电力校正值发送到各风车的风车控制装置20。

风车控制装置20中，通过接收单元40接收来自中央控制装置2的第1电力校正值，由第1设定单元41设定第1电力校正值。另外，由第2处理单元42设定将对应的风车的输出频率作为额定频率的第2电力校正值。

在状态判定单元44，例如图7所示，在时刻T0检测出产生了系统干扰时，输出“高”信号，之后，经过时间，在图7的时刻T1检测出规定的期间维持联接点A的频率变动不足第2阈值的状态时，检测出转移到系统干扰的后期阶段，输出信号从“高”信号切换为“低”信号。

由此，在选择单元43，从系统干扰产生起在初期阶段(从图7的时刻T0至T1期间)选择第2电力校正值，从系统干扰的初期阶段转移到后期阶段后(图7的时刻T1后)，选择第1电力校正值。因此，在系统干扰产生的初期阶段，由有效电力指令生成单元45生成使用了抑制风车频率的变动的第2电力校正值的有效电力指令，基于该有效电力指令控制风车的输出。另外，在系统干扰的后期阶段，由有效电力指令生成单元45生成使用了抑制系统频率的变动的第1电力校正值的有效电力指令，基于该有效电力指令控制风车的输出。

如上述说明，根据本实施方式的风车控制装置20及其方法和风力发电系统1，在产生了系统干扰的情况下，在系统干扰的初期阶段，在各风车中进行抑制各风车的输出的频率变动的输出控制，在系统干扰的后期阶段，在各风车中进行抑制联接点A的系统频率的输出控制。

相比抑制系统频率的控制，抑制每个风车的输出频率的控制的响应性高。因此，通过在系统干扰的初期阶段选择抑制每个风车的输出频率变动的控制，可有效地抑制联接点A的频率变动。

在本实施方式中，在联接点A的频率变动不足第2阈值的状态维持了规定的期间的情况下，判定为转移到系统干扰的后期阶段，但代替该条件，例如，也可以在超过预先设定有联接点A的频率变动的周期的第3阈值的情况下，判定为转移到系统干扰的后期阶段。另外，状态判定单元44拥有这两个条件，也可以在满足任一方的条件的情况下，判断为转移到系统干扰的后期阶段。

在本实施方式中，基于系统频率来判定系统干扰的产生、从初期阶段向后期阶段的转移，但代替这些，也可以使用各风车的输出频率来判定系统干扰的产生、从初期阶段向后期阶段的转移。

在本实施方式中，将通过第1设定单元、第2处理单元分别设定的第1指令信息、第2指令信息作为电力校正值，但代替它们，也可以将反映出第1电力校正值的第1有效电力指令、反映出第2电力校正值的第2有效电力指令作为第1指令信息、第2指令信息来设定。

该情况下，例如，也可以在第1设定单元41和选择单元43之间及参数变换单元47和选择单元43之间设置有效电力指令生成单元45。另外，在该情况下，中央控制装置2也可以对每个风车生成抑制联接点A的频率变动的第1有效电力指令，将生成的第1有效电力指令发送到各风车10。该情况下，由第1设定单元41设定从中央控制装置2接收到的第1有效电力指令。

Claims (7)

1.一种风车控制装置，应用于多个风车的输出通过共同的联接点向电力系统供给的风力发电系统，与各所述风车对应地分别设置，该风车控制装置包括：

第一设定装置，设定用于生成抑制所述联接点的频率变动的输出指令的第一指令信息；

第二处理装置，设定用于生成抑制对应的所述风车的输出的频率变动的输出指令的第二指令信息；

选择装置，在产生了所述联接点的频率变动超过规定的第一阈值的系统干扰的情况下，在该系统干扰的初期阶段选择所述第二指令信息，在该系统干扰的后期阶段选择所述第一指令信息；以及

指令生成装置，使用由所述选择装置选择的指令信息生成输出指令。

2.权利要求1所述的风车控制装置，

所述第一处理装置使用预设定有频率变动和第一指令信息的关系的变换信息，取得并设定与所述联接点的频率变动对应的第一指令信息。

3.权利要求1或2所述的风车控制装置，

所述第二处理装置使用预设定有频率变动和第二指令信息之间的关系的变换信息，取得并设定与所述风车的输出的频率变动对应的第二指令信息。

4.权利要求1～3中任一项所述的风车控制装置，

还具备状态判定装置，在维持了规定的期间的频率变动为不足设定为所述第一阈值以下的值的第二阈值的状态的情况下，或该频率的变动周期超过规定的第三阈值的情况下，判定为从所述初期阶段向所述后期阶段转移，

所述选择装置基于所述状态判定装置的判定结果进行选择。

5.权利要求1～4中任一项所述的风车控制装置，

所述第一设定装置从控制所述联接点的输出的中央控制装置接收所述第一指令信息，设定接收到的所述第一指令信息。

6.一种风车的控制方法，是应用于多个风车的输出通过共同的联接点向电力系统供给的风力发电系统的各所述风车的控制方法，该方法包含：

第一设定过程，设定用于生成抑制所述联接点的频率变动的输出指令的第一指令信息；

第二处理过程，设定用于生成抑制对应的所述风车的输出的频率变动的输出指令的第二指令信息；

选择过程，在产生了所述联接点的频率变动超过规定的第一阈值的系统干扰的情况下，在该系统干扰的初期阶段选择所述第二指令信息，在该系统干扰的后期阶段选择所述第一指令信息；以及

指令生成过程，使用通过所述选择过程选择的指令信息生成输出指令。

7.一种风力发电系统，具备多个风车，通过共同联接点向电力系统供给各所述风车的输出，该系统包括：

中央控制装置，控制所述联接点的输出；以及

多个风车控制装置，与各所述风车对应分别设置，控制对应的所述风车的输出，

所述中央控制装置包括：

第一处理装置，设定用于生成抑制所述联接点的频率变动的输出指令的第一指令信息；以及

发送装置，将通过所述第一处理装置设定的各所述风车的第一指令信息发送到各所述风车，

各所述风车控制装置包括：

接收装置，从所述中央控制装置接收所述第一指令信息；

第一设定装置，设定接收到的所述第一指令信息；

第二处理装置，设定用于生成抑制对应的所述风车的输出的频率变动的输出指令的第二指令信息；

选择装置，在产生了所述联接点的频率变动超过规定的第一阈值的系统干扰的情况下，在该系统干扰的初期阶段选择所述第二指令信息，在该系统干扰的后期阶段选择所述第一指令信息；以及

指令生成装置，使用通过所述选择装置选择的指令信息生成输出指令。

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