CN103562545B - 风力发电站的控制装置及风力发电站的控制方法 - Google Patents

Abstract

风力发电站控制装置(54)设置在具有多个风力发电装置的风力发电站(50)中，当降低从风力发电站(50)到电力系统的供电时，使多个风力发电装置中，实际输出的电力相对可输出的最大电力较小的风力发电装置降低输出，并且进行增加风轮的转速的输出降低控制。由此，即使进行使风力发电装置降低输出的控制，也可抑制舍弃叶片接受的风能的情况，增加的年度总发电量。

Description

风力发电站的控制装置及风力发电站的控制方法

技术领域

本发明涉及一种风力发电站的控制装置及风力发电站的控制方法。

背景技术

近年来，由多个风力发电装置构成、向电力系统供电的风力发电站的所谓“风力发电厂”(wind farm)正在普及。

风力发电站必须使电力系统不会变得不稳定地向电力系统供电，当从风力发电站到电力系统的供电变得过剩时，需要降低从风力发电站到电力系统的供电。

因此，专利文献1公开了下述系统：当多个风力发电装置的总输出超过规定量时，优先降低输出最大的风力发电装置的输出。

并且，专利文献2、3中公开了下述风力发电装置的控制方法：当供电过剩时，提高具有叶片的风轮的转速，作为旋转能量(惯性能量)积蓄。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2003-343416号公报

专利文献2：日本特开平10-339259号公报

专利文献3：日本特开平11-82282号公报

发明内容

发明要解决的问题

但是，以额定输出运行的风力发电装置中，为降低输出，需要使叶片的桨距角控制到顺桨一侧，即需要缩小桨距角，舍弃了这一部分的风能。

并且，如专利文献2、3所述，当提高风轮的转速时，存在风轮的转速达到额定转速的情况。这种情况下，为使风轮的转速为额定转速以下，还是需要使叶片的桨距角控制到顺桨一侧，需要舍弃风能。

进行这种控制的风力发电装置存在以下问题：对本来可变换为电力的风能的一部分，无法作为风轮的惯性能量积蓄而舍弃。

本发明鉴于以上情况而出现，其目的在于提供一种风力发电站的控制装置及风力发电站的控制方法，即使进行使风力发电装置降低输出的控制，也可抑制舍弃叶片接受的风能的情况，增加年度总发电量。

用于解决问题的手段

本发明的第一方式涉及的风力发电站的控制装置具有多个风力发电装置，当降低从上述风力发电站到电力系统的供电时，使多个上述风力发电装置中，实际输出的电力相对可输出的最大电力较小的上述风力发电装置降低输出，并且进行增加风轮的转速的控制。

根据上述构成，风力发电站具有多个风力发电装置。

其中，当从风力发电站到电力系统的供电变得过剩时，需要降低从风力发电站到电力系统的供电。此时，例如可考虑与各风力发电装置的输出(电力)成比例，按照各风力发电装置决定输出的降低值。风力发电装置降低输出时，通过未发电而剩余的能量提高风轮的转速，风轮具有的惯性能量增加。

但是，当风力发电装置进行输出降低时，存在提高的风轮的转速达到额定转速的情况。这种情况下，为使风轮的转速为额定转速以下，需要将叶片的桨距角控制到顺桨一侧，需要散逸叶片受到的风。进行这种控制的风力发电装置对本来可变换为电力的风能的一部分，无法作为风轮的惯性能量积蓄而舍弃。

另一方面，实际输出的电力相对可输出的最大电力较小的风力发电装置的风轮的转速，到达额定转速为止的宽裕度较大。即，这种风力发电装置可不舍弃叶片接受的风能，作为风轮的惯性能量积蓄更多的风能。并且，风轮中积蓄的惯性能量在无需降低从风力发电站到电力系统的供电时，通过发电机变换为电力。

因此，当降低从风力发电站到电力系统的供电时，降低输出并增加风轮的转速的控制由多个风力发电装置中实际输出的电力相对可输出的最大电力较小的风力发电装置进行。增加风轮的转速是指，将上述未用于发电的风能变换为叶片的旋转能量并积蓄。

因此，本构成即使进行使风力发电装置降低输出的控制，也可抑制舍弃叶片接受的风能的情况，增加年度的总发电量。

在上述第一方式中，优选具有：潜在的惯性能量计算单元，根据表示上述风力发电装置的运行状态的运行信息，按照各上述风力发电装置计算出潜在的惯性能量，该潜在的惯性能量是通过进一步提高上述风轮的转速而可积蓄的惯性能量；输出降低值计算单元，计算出各上述风力发电装置的输出的降低值，以使通过上述潜在的惯性能量计算单元算出的上述潜在的惯性能量越大，上述风力发电装置的输出的降低值越大。

根据上述构成，通过潜在的惯性能量计算单元，根据表示风力发电装置的运行状态的运行信息，按照各风力发电装置计算出潜在的惯性能量，该潜在的惯性能量是通过进一步提高风轮的转速而可积蓄的惯性能量。此外，惯性能量根据从预先确定的风轮的最大转速减去风力发电装置运行时的风轮的转速的值来计算。并且，通过输出降低值计算单元，计算出各风力发电装置的输出的降低值，以使潜在的惯性能量越大，风力发电装置的输出的降低值越大。

因此，上述构成下，计算潜在的惯性能量，潜在的惯性能量越大，风力发电装置的输出的降低值越大，因此可较高精度地进行降低风力发电装置的输出的控制。

在上述第一方式中优选：上述输出降低值计算单元将对上述电力系统的供电的降低值根据各上述风力发电装置的上述潜在的惯性能量进行比例分配，从而计算出各上述风力发电装置的输出的降低值。

根据上述构成，对到电力系统的供电的降低值，根据各风力发电装置的潜在的惯性能量进行比例分配，从而计算各风力发电装置的输出降低值，因此可简单地计算出各风力发电装置的输出降低值。

在上述第一方式中优选：上述输出降低值计算单元根据对上述电力系统的供电的降低值，导出降低输出的上述风力发电装置的台数，对导出的台数的上述风力发电装置，计算各上述风力发电装置的输出的降低值，以使上述潜在的惯性能量越大，上述风力发电装置的输出的降低值越大，使上述导出的台数的上述风力发电装置降低输出，并且增加风轮的转速。

根据上述构成，例如到电力系统的供电的降低值较大时，对相对较多的风力发电装置进行降低输出的控制。而当到电力系统的供电的降低值较小时，对相对较少的风力发电装置进行降低输出的控制。

因此，上述构成并非总是对所有风力发电装置进行输出降低控制，因此可有效进行输出降低控制。

在上述第一方式中优选：上述输出降低值计算单元选择预测接受的风能变小的上述风力发电装置，对选择的上述风力发电装置计算各上述风力发电装置的输出的降低值，以使上述潜在的惯性能量越大，上述风力发电装置的输出的降低值越大，使上述选择的上述风力发电装置降低输出，并且增加风轮的转速。

根据上述构成，对预测接受的风能变小的风力发电装置即使进行降低输出的控制，风轮的转速提高较少即可，风轮的转速达到额定转速的可能性变低，因此可抑制舍弃风能。

本发明的第二方式涉及风力发电站的控制方法，该风力发电站具有多个风力发电装置，当降低从上述风力发电站到电力系统的供电时，使多个上述风力发电装置中实际输出的电力相对可输出的最大电力较小的上述风力发电装置降低输出，并且增加上述风轮的转速。

发明效果

根据本发明具有下述良好效果：即使进行使风力发电装置降低输出的控制，也可抑制舍弃叶片接受的风能的情况，增加年度的总发电量。

附图说明

图1是本发明的实施方式涉及的风力发电装置的外观图。

图2是本发明的实施方式涉及的风力发电站的构成图。

图3是现有的风力发电站控制装置中的输出降低控制的功能框图。

图4是本发明的实施方式涉及的风力发电站控制装置中的输出降低控制的功能框图。

图5是用于说明本发明的实施方式涉及的输出降低控制的效果的示意图，图5A表示现有的输出降低控制中的风能的风力发电装置下的变换，图5B表示本实施方式涉及的输出降低控制中的风能的风力发电装置下的变换。

附图标记

10风力发电装置

18风轮

20叶片

50风力发电站

52风车控制器

54风力发电站控制装置

62A风车输出降低值计算部

64潜在的惯性能量计算部

具体实施方式

以下说明本发明的实施方式。

图1是本实施方式涉及的风力发电装置10的外观图。

图1所示的风力发电装置10具有：支柱14，直立设置在基础12上；机舱16，设置在支柱14的上端；风轮18，可围绕基本水平的轴线旋转，设置在机舱16。

风轮18中，围绕其旋转轴线放射状地安装多个(在本实施方式中作为一例是3个)叶片20。由此，从风轮18的旋转轴线方向接触到叶片20的风力，变换为使风轮18围绕旋转轴线旋转的动力，该动力通过发电机变换为电力。此外，叶片20相对风向可转动地与风轮18连接，叶片20的桨距角可变化。此外，本实施方式涉及的发电机是感应型发电机，可进行输出控制。

图2是本实施方式涉及的风力发电站50(wind farm)的构成图。风力发电站50具有：多个(n台，以下将n作为用于识别风力发电装置10的代码)风力发电装置50；风车控制器52，按照各风力发电装置10设置，用于控制风力发电装置10；风力发电站控制装置54，进行各风力发电装置10的控制。

各风力发电装置10经由变压器56A电连接，进一步经由变压器56B与电力系统连接，可对电力系统进行供电。

风力发电站控制装置54与风车控制器52之间进行用于控制风力发电装置10的各种数据的收发。具体而言，风力发电站控制装置54从联系点58取得表示由电力系统中的风力发电站50提供的电力、频率(以下称为“系统频率”)的系统信息，从各风车控制器52接收表示各风力发电装置10的风轮18的转速、叶片20的桨距角等的运行信息。并且，风力发电站控制装置54向各风车控制器52发送表示通过风力发电装置10输出的电力的输出指令值。

各风车控制器52从风力发电站控制装置54接收到输出指令值后，根据该输出指令值控制风力发电装置10。

其中，当电力系统要求的电力降低时，即从风力发电站50到电力系统的供电过剩时，需要降低风力发电站50到电力系统的供电。

参照图3说明降低风力发电站50到电力系统的供电的现有的输出降低控制的一例。

如图3所示，风力发电站控制装置54具有总输出降低值计算部60及风车输出降低值计算部62B。

总输出降低值计算部60检测来自联系点58的系统信息中含有的系统频率的变动，当风力发电站50到电力系统的供电过剩时，根据系统频率的变动，计算从风力发电站50到电力系统的供电的降低值(以下称为“总输出降低值”)ΔP。

风车输出降低值计算部62B根据通过总输出降低值计算部60计算出的总输出降低值ΔP，计算各风力发电装置10的输出的降低值(以下称为“风车输出降低值”)ΔP_n。

因此，风车输出降低值计算部62B如下式(1)所示，与接收的各风力发电装置10的运行信息所表示的各风力发电装置10的输出(电力)P_n成比例，计算出风车输出降低值ΔP_n。

(数式1)

$\mathrm{\Δ}{P}_n=\frac{\mathrm{\ΔP}\·P_n}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i}...\left(1\right)$

并且，风车输出降低值计算部62B将计算出的各风车控制器52的风车输出降低值ΔP_n发送到各风车控制器52。各风车控制器52根据接收的输出指令值，降低对应的风力发电装置10的发电机的输出，因此通过未发电而剩余的能量，风轮18的转速上升，风轮18具有的惯性能量增加。

但是，现有的输出降低控制与风力发电装置10的输出成比例，随机地进行输出的降低，因此对风力发电装置10进行输出降低时，存在提高的风轮18的转速达到额定转速的情况。这种情况下，为使风轮18的转速为额定转速以下，需要将叶片20的桨距角控制到顺桨一侧，散逸叶片受到的风。进行这种控制的风力发电装置10对本来可变换为电力的风的能量(以下称为“风能”)的一部分，无法作为风轮18的惯性能量积蓄而舍弃。

另一方面，实际输出的电力相对可输出的最大电力较小的风力发电装置10的风轮18的转速，到达额定转速为止的宽裕度较大。即，这种风力发电装置10可不舍弃叶片20接受的风能，作为风轮18的惯性能量积蓄更多的风能。

因此，本实施方式涉及的风力发电站控制装置54在降低从风力发电站50到电力系统的供电时，使实际输出的电力相对多个风力发电装置10中可输出的最大电力较小的风力发电装置10降低输出，并且进行增加风轮18的转速的控制。

图4是本实施方式涉及的风力发电站控制装置54的输出降低控制的功能框图。

如图4所示，风力发电站控制装置54具有：总输出降低值计算部60、潜在的惯性能量计算部64、及风力输出降低值计算部62A。

潜在的惯性能量计算部64计算出各风力发电装置10的各潜在的惯性能量。潜在惯性能量是指通过进一步提高风轮18的转速而可积蓄的惯性能量。

具体而言，潜在的惯性能量在设各风力发电装置10的潜在的惯性能量为Einer_n，风轮18每旋转1次的惯性力矩为J(kgm²)，预先确定的风轮18的最大转速为ω_lim，风力发电装置10运行时的风轮18的转速为ω_n时，由下式(2)表示。

(数式2)

${\mathrm{Einer}}_n=\frac{1}{2}J({{\mathrm{\ω}}_{\lim }}^2-{{\mathrm{\ω}}_n}^2)...\left(2\right)$

其中的额定转速是指，叶片20的桨距最大(フルフアイン，fullfine)、且风力发电装置10的输出是额定状态下的风轮18的转速。并且，风轮18的转速ω_n根据从风车控制器52接收的运行信息获得。并且，潜在的惯性能量计算部64可不使用额定转速作为最大转速ω_lim，对最大转速ω_lim使用比以风轮18的额定转速为基准的额定转速低的转速。

根据上述公式(2)可知，潜在的惯性能量Einer_n基于从风轮18的最大转速ω_lim减去运行时的风力发电装置10的风轮18的转速ω_n的值。风轮18的转速ω_n越小，潜在的惯性能量越大，当风轮18以最大转速ω_lim旋转时，潜在的惯性能量Einer_n是0(零)。即，在最大输出相同的多个风力发电装置10中，越是输出小的风力发电装置10，潜在的惯性能量Einer_n越大。

风车输出降低值计算部62A，输入通过潜在的惯性能量计算部64计算出的各风力发电装置10的潜在的惯性能量Einer_n，输入通过总输出降低值计算部60计算出的总输出降低值ΔP。并且，风车输出降低值计算部62A计算出各风力发电装置10的风车输出降低值ΔP_n，以使潜在的惯性能量Einer_n越大，风力发电装置10的输出的降低值越大。

具体而言，如下式(3)所示，总输出降低值ΔP和各风力发电装置10的潜在的惯性能量Einer_n的积除以潜在的惯性能量Einer_n的总和，即通过根据潜在的惯性能量Einer_n对总输出降低值ΔP成比例分配，从而计算出风车输出降低值ΔP_n。

(数式3)

$\mathrm{\Δ}{P}_n=\frac{\mathrm{\ΔP}\·{\mathrm{Einer}}_n}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{Einer}}_i}...\left(3\right)$

并且，风车输出降低值计算部62A将计算出的各风车控制器52的风车输出降低值ΔP_n发送到各风车控制器52。各风车控制器52根据接收的输出指令值，对对应的风力发电装置10例如降低发电机的输出，进一步进行控制以使风轮18的转速增加。进行控制来降低发电机的输出，则负荷减轻，因此风轮18的转速增加，可将风能作为惯性能量积蓄。

图5是表示本实施方式涉及的输出降低控制的效果的示意图。

图5A表示现有的输出降低控制中的风能的风力发电装置下的变换，图5B表示本实施方式涉及的输出降低控制中的风能的风力发电装置下的变换。

如图5A、5B所示，现有的输出降低控制、本实施方式涉及的输出降低控制均在进行输出降低控制前，叶片20接受的风能通过风力发电装置10变换为电能(电力)及热能等损耗。

并且，当进行现有的输出降低控制时，叶片接受的风能通过风力发电装置10变换为电能、损耗、及通过使风轮18提高转速而形成的旋转能量(惯性能量)，但一部分将桨距角控制到顺桨一侧，从而作为风能直接舍弃。

另一方面，如图5B所示，当进行本实施方式涉及的输出降低控制时，叶片接受的风能不会不变换为旋转能量而直接舍弃。

此外，通过输出降低控制积蓄的惯性能量在系统频率恢复为健全的值时、风速下降并且风力发电装置10的输出降低时等，解除输出降低控制的现象发生时，通过发电机变换为电力。

另一方面，仅通过本实施方式涉及的输出降低控制未达到总输出降低值ΔP时，使叶片20的桨距角从最大以预先确定的角度变化到顺桨一侧，继续风力发电装置10的运行。

并且，风车输出降低值计算部62A根据总输出降低值ΔP，导出降低输出的风力发电装置10的台数，计算出对导出的风力发电装置10的风车输出降低值ΔP_n，使导出的台数的风力发电装置10将降低输出并且增加风轮18的转速的台数选择控制加入到输出降低控制。

根据加入了台数选择控制的输出降低控制，当总输出降低值ΔP较大时，对相对多的风力发电装置10进行降低输出的控制。另一方面，当总输出降低值ΔP较小时，对相对少的风力发电装置10进行降低输出的控制。

作为该台数选择控制的具体处理的一例，风车输出降低值计算部62A按照潜在的惯性能量Einer_n从大到小的顺序排列风力发电装置10。

并且，风车输出降低值计算部62A在总输出降低值ΔP为规定阈值以上时，例如对前20台风力发电装置10计算出风车输出降低值ΔP_n，以进行输出降低控制。另一方面，当总输出降低值ΔP小于规定的阈值时，风车输出降低值计算部62A例如对前10台风力发电装置10计算出风车输出降低值ΔP_n，以进行输出降低控制。

因此，通过台数选择控制，并不总是对所有风力发电装置进行输出降低控制，因此可有效进行输出降低控制。

并且，风车输出降低值计算部62A选择预测接受的风能变小的风力发电装置10，计算出相对选择的风力发电装置10的风车输出降低值ΔP_n，使选择的风力发电装置10将降低输出并且增加风轮18的转速的风能选择控制加入到输出降低控制。

此外，风力发电装置10接受的风能根据通过设置在各风力发电装置10附近的风速计检测出的风速来计算。

预测接受的风能变小的风力发电装置10即使进行输出降低控制，风轮18的转速提高较少即可。因此，风轮18的转速达到额定转速的可能性变得较低，风能选择控制可抑制因输出降低控制而使风力发电装置10舍弃风能的情况。

此外，台数选择控制和风能选择控制也可组合，加入到输出降低控制。

如上所述，本实施方式涉及的风力发电站控制装置54设置在具有多个风力发电装置10的风力发电站50(wind farm)中，在降低从风力发电站50到电力系统的供电时，实际输出的电力相对多个风力发电装置10中可输出的最大电力较小的风力发电装置10降低输出，并且进行增加风轮18的转速的控制。

由此，即使进行使风力发电装置10降低输出的控制，也可抑制舍弃叶片接受的风能的情况，增加年度的总发电量。

并且，本实施方式涉及的风力发电站控制装置54按照各风力发电装置10计算出潜在的惯性能量Einer_n，计算各风力发电装置10的风车输出降低值ΔP_n，以使潜在的惯性能量Einer_n越大，风力发电装置10的输出的降低值越大。

由此，风力发电站控制装置54可较高精度地进行降低风力发电装置10的输出的控制。

并且，本实施方式涉及的风力发电站控制装置54根据各风力发电装置10的潜在的惯性能量Einer_n，对总输出降低值ΔP_n进行比例分配，从而计算出各风力发电装置10的风车输出降低值ΔP_n，因此可简单地计算出各风力发电装置10的风车输出降低值ΔP_n。

以上使用上述实施方式说明了本发明，但本发明的技术范围不限于上述实施方式所述的范围。在不脱离发明主旨的范围内，可对上述实施方式进行多种变更或改良，进行了该变更或改良的方式也包含在本发明的技术范围内。

例如，在上述实施方式中说明了以下方式：风力发电站控制装置54计算出各风力发电装置10的风车输出降低值ΔP_n，作为输出降低指令，发送到各风车控制器52，但本发明不限于此，也可是计算出各风车控制器52对应的风力发电装置100的输出降低值ΔP_n的方式。

该方式中的风力发电站50的构成和图2所示的构成相同，但各风车控制器52与其他风车控制器52之间可收发运行信息。

各风车控制器52根据公式(1)，计算出自身控制的风力发电装置10的潜在的惯性能量Einer_n。

并且，各风车控制器52从其他风车控制器52接收运行信息，并且从风力发电站控制装置54接收总输出降低值ΔP，根据公式(2)算出自身控制的风力发电装置10的风车输出降低值ΔP_n，对自身控制的风力发电装置10进行输出降低控制。

并且，在上述实施方式中说明了以下方式：风力发电站控制装置54根据系统频率计算出风车发电站50的总输出降低值ΔP，但本发明不限于此，也可是根据联系点直接获得风力发电站50中的总输出降低值ΔP的方式。

Claims (5)

1.一种风力发电站的控制装置，该风力发电站具有多个风力发电装置，上述控制装置当降低从上述风力发电站到电力系统的供电时，使上述多个风力发电装置中，实际输出的电力相对可输出的最大电力较小的风力发电装置降低输出，并且进行增加风轮的转速的控制，

其特征在于，上述控制装置具有：

潜在的惯性能量计算单元，根据表示上述风力发电装置的运行状态的运行信息，按照各上述风力发电装置计算出潜在的惯性能量，该潜在的惯性能量是通过进一步提高风轮的转速而可积蓄的惯性能量，以及

输出降低值计算单元，计算出各上述风力发电装置的输出的降低值，以使通过上述潜在的惯性能量计算单元计算出的上述潜在的惯性能量越大，上述风力发电装置的输出的降低值越大。

2.根据权利要求1所述的风力发电站的控制装置，上述输出降低值计算单元将对上述电力系统的供电的降低值根据各上述风力发电装置的上述潜在的惯性能量进行比例分配，从而计算出各上述风力发电装置的输出的降低值。

3.根据权利要求1所述的风力发电站的控制装置，

上述输出降低值计算单元根据对上述电力系统的供电的降低值，导出降低输出的上述风力发电装置的台数，对导出的台数的上述风力发电装置，计算各上述风力发电装置的输出的降低值，以使上述潜在的惯性能量越大，上述风力发电装置的输出的降低值越大，

使上述导出的台数的上述风力发电装置降低输出，并且增加风轮的转速。

4.根据权利要求1所述的风力发电站的控制装置，

上述输出降低值计算单元选择预测接受的风能变小的上述风力发电装置，对选择的上述风力发电装置计算各上述风力发电装置的输出的降低值，以使上述潜在的惯性能量越大，上述风力发电装置的输出的降低值越大，

使上述选择的上述风力发电装置降低输出，并且增加风轮的转速。

5.一种风力发电站的控制方法，该风力发电站具有多个风力发电装置，

当降低从上述风力发电站到电力系统的供电时，使上述多个风力发电装置中，实际输出的电力相对可输出的最大电力较小的风力发电装置降低输出，并且增加风轮的转速，

其特征在于，上述控制方法通过该风力发电站的控制装置来执行，上述控制装置具有：

潜在的惯性能量计算单元，根据表示上述风力发电装置的运行状态的运行信息，按照各上述风力发电装置计算出潜在的惯性能量，该潜在的惯性能量是通过进一步提高风轮的转速而可积蓄的惯性能量，以及

输出降低值计算单元，计算出各上述风力发电装置的输出的降低值，以使通过上述潜在的惯性能量计算单元计算出的上述潜在的惯性能量越大，上述风力发电装置的输出的降低值越大。