CN103210212B - 风力发电系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的为在实施输出限制运转的情况下，降低由于突然刮起的大风而导致的电力供给量的减少。提供一种风力发电系统，在进行以降低系统频率为目的的输出限制运转的情况下，当至少一台风车根据风况断路后，使运转中的其它风车的输出增加。

Description

风力发电系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及风力发电系统及其控制方法。
背景技术
近年，在风力发电系统中，当系统频率高于额定值时，为了降低系统频率，会进行不管风速地限制风车输出的输出限制运转。在输出限制运转中降低输出，转速变得高于通常运转时的转速。因而，当在输出限制运转中产生突然刮起的大风时，则变成过度旋转，从而断路(解列)的可能性增高。
现有技术文献
专利文献
专利文献1美国专利第7281891号说明书
发明内容
发明要解决的问题
当风车断路时，供给至电力系统的电力降低。另一方面，当为了避免断路而进行增加输出、降低转速的控制时，促使系统频率上升，妨碍电力系统的稳定运用。
本发明的目的为提供一种风力发电系统及其控制方法，其在实施输出限制运转时，即使由于风况而风车断路时，也能够实现向电力系统的输出供给的稳定化。
用于解决问题的手段
本发明的第1方式为一种风力发电系统，具备多个风车，上述各个风车的输出电力通过共同的联系点供给至电力系统，在进行以降低系统频率为目的输出限制运转的情况下，当至少一台上述风车根据风况断路时，使运转中的其它上述风车的输出增加。
本发明的第2方式为一种风力发电系统的控制方法，该风力发电系统具备多个风车，使上述各个风车的输出电力通过共同的联系点供给至电力系统，在进行以降低系统频率为目的的输出限制运转的情况下，当至少一台上述风车根据风况断路时，使运转中的其它上述风车的输出增加。
发明效果
根据本发明，可实现如下效果：在实施输出限制运转时，即使由于风况而风车断路时，也能够实现向电力系统的输出供给的稳定化。
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式的风力发电系统的整体构成的图。
图2是风车的外观图。
图3是概略性表示风车的电气构成的示意图。
图4是用于说明本发明的一实施方式的风力发电系统的控制方法的流程图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的一实施方式的风力发电系统及其控制方法。
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(以下当表示全部风车时简单用符号“10”表示，当表示各风车时用符号“10-1”、“10-n”表示)、对各风车10提供输出指令的中央控制装置(中央控制部件)20和预测风况的风况预测装置(风况预测部件)30。在本实施方式中，全部风车10为能够根据风速控制转速的可变速风车。
从各风车10输出的电力通过各电力线经由共同的联系点向电力系统50供给。
中央控制装置20根据由管理电力系统50的电力的电力管理室(例如电力公司等)告知的联系点A处的要求输出信息和频率信息等，例如以联系点A处的输出成为目标电力的方式生成各风车10-1，…，10-n的输出指令，并分别向各风车10-1，…，10-n发送。由此，各风车10-1，…，10-n根据由中央控制装置20提供的输出指令，控制输出电压和输出电流。
风况预测装置30例如为雷达系统，对风车10所安装的区域内的最近不久的将来(例如几分钟后等)的风速、风向等的风况进行预测，并将预测结果向中央控制装置20输出。
图2是风车10的外观图，图3是表示风车10的电气构成的示意图。
如图2所示，风车10具有立设在根基11上的塔架12、设置在塔架12的上端上的吊舱13、和能够围绕大致水平的轴线旋转的设置在吊舱13上的旋翼毂14。
在旋翼毂14上，多个(在本实施方式中，作为一个示例为3个)叶片15呈放射状围绕旋翼毂14的旋转轴线安装。叶片15根据运转条件以能够相对于旋翼毂14转动的方式连接，并且叶片15的倾角能够变化。
如图3所示，旋翼毂14的旋转轴21上机械连接有增速器22和发电机23。发电机23可为同步发电机，也可为感应发电机。
利用沿旋翼毂14的旋转轴线方向碰撞到叶片15上的风的力，使旋翼毂14围绕旋转轴旋转，其旋转力由增速器22增速，传递至发电机23，从而变换为电力。
发电机23的输出通过设置在吊舱内的风车控制装置40控制。
风车控制装置40具备发电机输出控制部42和倾角控制部44。
发电机输出控制部42根据从中央控制装置20接收的输出指令，生成用于控制发电机23的输出的输出指令Pdem，并向发电机23发送。例如，根据来自中央控制装置20的输出要求、现在的发电机23的输出、旋翼毂14的转速、叶片15的倾角，和风速等，确定输出指令Pdem。
当发电机23接收到输出指令Pdem时，根据该输出指令Pdem，改变输出。
倾角控制部14生成用于控制叶片15的倾角的倾角指令θ，并向内设在旋翼毂14中的使倾角变化的倾角致动器(未图示)发送。根据现在的倾角、叶片15接受的风速、和旋翼毂14的转速等，确定倾角指令θ。
当倾角致动器收到倾角指令θ时，根据该倾角指令θ，使叶片15的倾角变化。
在具备上述构成的风力发电系统中，当电力系统50的频率高于额定值时，为了降低其频率，进行限制联系点A处的有效电力的输出限制运转。
以下，参照图4说明在实施输出限制运转期间由中央控制装置20执行的控制内容。
首先，当中央控制装置20从风况预测装置30被通知最近不久的将来的风向、风速的预测结果(图4的步骤SA1)，则根据该预测结果判定预设的第1阈值以上的风速是否被预测(步骤SA2)，并当被预测第1阈值以上的风速时，确定接受第1阈值以上的风的风车(以下为了便于说明称为“组A的风车”)(步骤SA3)。而且，当未预测第1阈值以上的风速时，移至步骤SA5。
在本实施方式中，上述第1阈值设定为断流(cut out)风速。在此，断流风速例如设为如下大小，即具有由于风力而作用在主轴21上的转矩使在机器(主轴21和增速器22等)中产生损耗的可能性的、达到某个界限值的大小。
作为组A的风车的确定方法列举以下所述的方法为一例。
[方法1]
中央控制装置20具有风速和风向与使断路的风车群(也包含1台的情况)对应设置的第1信息，当通过风况预测装置30预测第1阈值以上的风速时，从第1信息获得与预测的风速和风向对应的风车群，并将获得的风车群设成组A。
上述第1信息例如根据过去的风况历史生成。例如，积累过去数年间风速和风向与各风车10-1，…，10-n的旋翼毂14的转速和载荷等的关系，并积累何种风况时哪个风车的转速和载荷等如何变化这样的信息。这种信息当然也反映出风电厂所设置的地形等。并且，通过分析积累的这些信息，生成关联表示风速和风向与应使断路的风车群的第1信息。
另外，也可以为了面对在产生地形变化、增设风车等对在其区域内的风况带来变化的情况时，第1信息以规定时间间隔被更新。另外，上述第1信息也可以是风向与使断路的风车群相对应。
[方法2]
当风况预测装置30能够生成二维或三维的风速和风向预测分布时，通过对照其预测分布和各风车10-1，…，10-n的设置位置，确定接受第1阈值以上的风速的风的风车。
如此，如果中央控制装置20确定组A的风车，则对确定的各风车10输出断路指令(图4的步骤SA4)。
接受断路指令的风车10使与电力系统50连接的接触器(图中省略)断路，并开始用于停止运转的控制。由此，在接受断路指令的各风车10中，通过来自风车控制装置40的指令而执行使叶片倾角水平(feather)的控制，并在各叶片15的倾角变成水平的状态下，停止运转。
在此，风车10的断路可使断路的风车一起断路，也可以按一台或一部分风车依次断路。
另外，对于上述接触器的断路，可如上所述通过来自风车控制装置40的指令控制，也可通过来自中央控制装置20的直接指令控制。
接着，中央控制装置20判定是否存在这次处理中被输出断路指令的风车或上次处理中已经被断路的风车(图4的步骤SA5)，当存在符合的风车时，计算由于风车断路减少的总输出∑PA，对维持运转的其它风车10(以下，为了便于说明称为“组B的风车”)分配总输出∑PA，生成并发送针对组B的各风车的输出指令(图4的步骤SA6)。上述总输出∑PA的分配可为平均分配，也可以根据规定的权重分配。
例如，当组B的风车台数为NB，断路前的组B的风车的输出指令为PCB时，例如，向断路后的组B的各风车的输出指令PCB’可用以下的式(1)表示。
PCB’＝∑PA/NB+PCB (1)
在此，对于由于断路而减少的各风车的输出减少量，也可如图1所示，通过从各风车10接收紧接断路前的输出信息而获得。另外，也可通过中央控制装置20监测联系点A的电力，算出断路前后联系点A的电力差ΔP，从而获得组A的风车被断路而减少的电力信息。
对组A的各风车的断路指令的发送和对组B的各风车的输出指令的发送可大致同时进行，也可在能够确认组A的风车的断路后，再对组B的风车发送输出指令。根据前者，能够缩短组A的风车的输出降低和组B的风车的电力增加之间的时间间隔，从而能够使风力发电系统整体的电力减少量降低。根据后者，能够可靠地避免由于组A的风车断路前组B的风车输出增加而导致的暂时的输出增加。
而且，在步骤SA5中，当没有在这次的处理中被输出断路指令的风车或已经断路的风车时，根据输出限制时的规定的算法(algorithm)生成并发送(图4的步骤SA7)各风车10的输出指令。
在中央处理装置20中，上述处理以规定的时间间隔反复执行。
另外，例如，当风车断路后规定期间内的平均风速为被设定为小于第1阈值的第2阈值以下时，中央处理装置20也可使已经断路的风车复原。
此时，与组A的风车10的复原连动，使向维持运转的组B的风车10的输出减少。例如，通过风车复原，由于联系点处的电力增加，根据其增加量通过上述式(1)，确定向组B的风车10的输出指令即可。
另外，在上述组A的风车的复原定时中，例如，也可根据风况预测装置30的预测结果来获得断路中的风车10接受的风速，当该风速为上述第2风速以下时，使已经断路的风车复原。
在此，风车10的复原可使已经断路的风车一起复原，也可按每台或者部分风车群依次复原。
另外，上述风车的复原也可不基于来自中央处理装置20的指令，而是根据各风车具备的风速仪的测量结果，来确定各自的复原定时。
如以上说明所示，根据本实施方式的风力发电系统及其控制方法，在进行以降低系统频率为目的的输出限制运转的情况下，当至少一台风车根据风况断路时，由于使运转中的其它风车的输出增加，因此能够降低由于断路引起的电力降低量。由此，当进行输出限制运转时，即使刮起突然的大风时，也能够进行稳定的输出供给。
另外，由于具有预测风况的风况预测装置30，并根据风况预测装置30的预想结果，对被预测接受预设的第1阈值以上的风速的风的风车进行断路，因此能够在实际刮起突然的大风前，使风车断路。由此，能够避免产生不必要的载荷。
另外，由于具备向各风车施加控制指令的中央控制装置20，中央控制装置20对被预测接受第1阈值以上的风速的风的风车(组A的风车)输出断路指令，并对维持联系的其它风车(组B的风车)输出弥补因风车的断路的输出减少量的输出指令，因此能够降低由于风车断路引起的电力供给量的变动。
中央控制装置20由于具有风向与使断路的风车群对应的第1信息，当通过风况预测装置30预测有第1阈值以上的风速时，从第1信息获得与该风向对应的风车群，并对获得的风车群输出断路指令，因此能够容易确定使断路的风车。
另外，第1信息由于以规定的时间间隔更新，因此即使在风车的布局条件等风车周围的环境变化时也能够适用。
而且，在本实施方式中，尽管将第1阈值设定为断流风速(例如，25m)，但第1阈值也可设为低于断流风速的风速。
例如，断流风速以通常运转时、即以没有实施输出限制运转为前提而设定。因此，例如，当实施了转速变成高于通常的输出限制运转时，在比断流风速低的风速下，已经成为过旋转状态，存在进行跳闸(trip)控制的可能。
为了避免上述情形，也可将比断流风速低的风速(例如风速20m)作为断路的风速阈值，当预测为超过该风速阈值的风速时，确定接受该风速的风的风车。
另外，当旋翼毂14的转速超过预设的转速阈值时，实施风车的跳闸。因而，第1阈值也可根据各风车10的倾角和输出，设定成预测为转速到达预设的上限转速时的风速。通过如此设定，能够进行精度更高的控制。
例如，转速根据风速、输出、叶片倾角确定。因此，也可准备预关联转速、风速、输出、叶片倾角的表格或函数，根据该表格或函数确定与跳闸转速对应的风速，并将该风速设定为第1阈值。
由此，通过根据风车的运转状态和风况来变更第1阈值，能够在更适合的定时使风车断路。
在本实施方式中，尽管对设置1台风况预测装置30的情况进行了说明，但并未限定风况预测装置30的台数。例如，可对构成风电厂的一部分风车群的每个设置1台风况预测装置30，也可对各个风车10设置一台风况预测装置30。由此，即使在设置多个风况预测装置30的情况下，也能够由各风况预测装置30向中央控制装置20发送风况预测结果。
另外，在本实施方式中，尽管通过风况预测装置30进行风车10所设置的地区的风况的预测，但也可采取如下方式替代，即采用各风车10上设置的风速仪、风向仪，测量实际的风速、风向，并根据这些测量值使风车断路。
另外，在本实施方式中，将全部风车10设为可变速风车，但对于一部分风车10，也可采用不能根据风速进行转速控制的定速风车。此时，根据因风况被断路的风车是变速风车还是定速风车而输出供给的稳定精度产生变化，但在固定风车被断路时通过变速风车对定速风车的输出电力下降量进行弥补这方面依然能够发挥同样的效果。
符号说明
1 风力发电系统
10、10-1，…，10-n 风车
13 吊舱
21 转轴
23 发电机
14 旋翼毂
15 叶片
20 中央控制装置
30 风况预测装置
40 风车控制装置
50 电力系统

Claims (12)

1.一种风力发电系统，具备多个风车，各所述风车的输出电力通过共同的联系点供给至电力系统，其中，
在以降低系统频率为目的，进行所述风车的转速变得高于通常运转时的转速的输出限制运转的情况下，当至少一台所述风车根据风况断路时，使运转中的其它所述风车的输出增加，从而通过其他的风车来弥补由于所述断路而减少的输出量。
2.根据权利要求1所述的风力发电系统，其中，
具有预测风况的风况预测装置，
根据所述风况预测装置的预测结果，使被预测接受预设的第1阈值以上的风速的风的风车断路。
3.根据权利要求2所述的风力发电系统，其中，
具备对各所述风车施加控制指令的中央控制装置，
所述中央控制装置对被预测接受所述第1阈值以上的风速的风的风车输出断路指令，并且对维持联系的其它所述风车输出用来弥补由所述风车的断路导致的输出减少量的输出指令。
4.根据权利要求3所述的风力发电系统，其中，
所述中央控制装置具有风向与使断路的风车群相对应的第1信息，当通过所述风况预测装置预测到所述第1阈值以上的风速时，从所述第1信息获得与其风向对应的风车群，并对所获得的风车群输出断路指令。
5.根据权利要求4所述的风力发电系统，其中，
所述第1信息根据过去的风况历史生成。
6.根据权利要求5所述的风力发电系统，其中，
所述第1信息以规定的时间间隔更新。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的风力发电系统，其中，
当使多个风车断路时，所述中央控制装置使按1台或一部分风车依次断路。
8.根据权利要求3至6中任一项所述的风力发电系统，其中，
接收断路指令后的所述风车向水平侧控制叶片倾角，并停止运转。
9.根据权利要求2至6中任一项所述的风力发电系统，其中，
当断路后、规定期间内的平均风速为设定为小于所述第1阈值的第2阈值以下时，使已经断路的所述风车复原，并与该复原连动而减少维持运转的其它所述风车的输出。
10.根据权利要求2至6中任一项所述的风力发电系统，其中，
根据所述风况预测装置的预测结果来预测断路中的风车接受的风速，当预测的风速为设定为小于所述第1阈值的第2阈值以下时，使断路的所述风车复原，并与该复原连动而减少维持运转的其它所述风车的输出。
11.根据权利要求2至6中任一项所述的风力发电系统，其中，
所述第1阈值根据各所述风车的倾角和输出，设定成预测为转速到达预设的上限转速时的风速。
12.一种风力发电系统的控制方法，该风力发电系统具备多个风车，使各所述风车的输出电力通过共同的联系点供给至电力系统，其中，
在以降低系统频率为目的，进行所述风车的转速变得高于通常运转时的转速的输出限制运转的情况下，当至少一台所述风车根据风况断路后，使运转中的其它所述风车的输出增加，从而通过其他的风车来弥补由于所述断路而减少的输出量。
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