KR20120135004A - 풍력 발전 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

풍력 발전 장치 및 그 제어 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20120135004A
KR20120135004A KR1020117012476A KR20117012476A KR20120135004A KR 20120135004 A KR20120135004 A KR 20120135004A KR 1020117012476 A KR1020117012476 A KR 1020117012476A KR 20117012476 A KR20117012476 A KR 20117012476A KR 20120135004 A KR20120135004 A KR 20120135004A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
power
predetermined
frequency
command value
rotational speed
Prior art date
Application number
KR1020117012476A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101253468B1 (ko
Inventor
아키라 야스기
츠요시 와카사
히사노부 시노다
Original Assignee
미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤 filed Critical 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
Publication of KR20120135004A publication Critical patent/KR20120135004A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101253468B1 publication Critical patent/KR101253468B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/10—Control effected upon generator excitation circuit to reduce harmful effects of overloads or transients, e.g. sudden application of load, sudden removal of load, sudden change of load
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/028—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor controlling wind motor output power
    • F03D7/0284—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor controlling wind motor output power in relation to the state of the electric grid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/04—Automatic control; Regulation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D9/00—Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/20—Wind motors characterised by the driven apparatus
    • F03D9/25—Wind motors characterised by the driven apparatus the apparatus being an electrical generator
    • F03D9/255—Wind motors characterised by the driven apparatus the apparatus being an electrical generator connected to electrical distribution networks; Arrangements therefor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D9/00—Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/20—Wind motors characterised by the driven apparatus
    • F03D9/25—Wind motors characterised by the driven apparatus the apparatus being an electrical generator
    • F03D9/255—Wind motors characterised by the driven apparatus the apparatus being an electrical generator connected to electrical distribution networks; Arrangements therefor
    • F03D9/257—Wind motors characterised by the driven apparatus the apparatus being an electrical generator connected to electrical distribution networks; Arrangements therefor the wind motor being part of a wind farm
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/04—Control effected upon non-electric prime mover and dependent upon electric output value of the generator
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2270/00—Control
    • F05B2270/30—Control parameters, e.g. input parameters
    • F05B2270/337—Electrical grid status parameters, e.g. voltage, frequency or power demand
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P2101/00—Special adaptation of control arrangements for generators
    • H02P2101/15—Special adaptation of control arrangements for generators for wind-driven turbines
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Eletrric Generators (AREA)
  • Wind Motors (AREA)

Abstract

전력 계통에 주파수 저하가 발생했을 경우에, 풍력 발전 장치의 트립을 회피하여, 전력 계통의 주파수 회복에 확실하게 기여하는 것을 목적으로 한다. 전력 계통에 PFR이 요구되는 소정의 주파수 저하가 생겼을 경우에, 해열 회전수에 소정의 여유를 갖게 한 기정의 회전수 하한값과 축 회전수의 계측값의 차분에 근거하여 한계 유효 전력을 산출하고, 해당 한계 유효 전력에 근거하여 유효 전력 지령값을 생성하는 풍력 발전 장치를 제공한다.

Description

풍력 발전 장치 및 그 제어 방법{WIND POWER GENERATOR AND CONTROL METHOD OF THE SAME}
본 발명은 풍력 발전 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
최근, 계통 연계되어 있는 풍력 발전 장치에 대해서, 전력 계통의 요란(擾亂) 발생으로 미리 정해진 시간 내(예를 들어 30초 이내)에 전력 계통의 주파수 변동의 회복에 기여하는 것(Primary Frequency Response, 이하,「PFR」이라함)이 요구되고 있다.
특허 문헌 1에는, PFR에 있어서, 로터의 회전수나 출력에 근거하여, 출력하는 유효 전력에 제한을 마련하는 것이 기재되어 있다.
미국 특허 제 7,345,373 호 명세서
PFR은 일반적으로, 설정 주파수와 실제의 주파수(계측값)의 편차(주파수 변화량)에 따라서, 풍력 발전 장치의 유효 출력을 증감시키지만, 일정하지 않은 자연 에너지를 동력원으로 하는 풍력 발전 장치에서 가스의 연소나 증기 등의 제어 가능한 안정한 에너지를 동력원으로 하는 터빈 발전기에 비하여, 풍차 회전축의 회전수가 크게 변동하는 경우가 있다.
그 때문에, 예를 들어, 회전축의 회전수가 작을 경우에, PFR을 실행하기 위해서 출력의 증가가 요구되고, 계통에 공급하는 출력이 그 때의 회전축의 회전수에 의해 결정되는 출력 가능한 최대 출력을 상회하면, 회전축의 회전수가 해열(解列) 회전수를 하회해버려, 풍차의 능력을 초과한 운전으로 되어, 트립(출력의 차단)할 가능성이 있었다. 또한, 예를 들어, 회전축의 회전수가 큰 경우에, 출력의 증가가 더 요구되면, 회전축의 회전수가 과속도 상한을 초과하여, 풍력 발전 장치가 트립할 가능성이 있었다. 또한, 트립은 로터의 과회전 외에, 과출력, 과전류에서 일어날 경우도 있다.
이와 같은, PFR 실행 중의 풍력 발전 장치의 트립은 전력 계통에 대해서 요란으로서 작용하여, PFR을 실행하지 않는 경우보다도 전력 계통의 주파수를 더욱 불안정하게 할 우려가 있다. 또한, 일단 트립하면 재기동까지 시간이 필요하기 때문에, 풍력 발전 장치는 전력 계통의 주파수를 회복시킨다는 목적을 달성할 수 없다.
본 발명은, 이와 같은 사정에 감안하여 이루어진 것으로서, 전력 계통에 소정의 주파수 변동이 발생했을 경우에, 전력 계통의 주파수 회복에 확실하게 기여할 수 있는 풍력 발전 장치 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 제 1 형태는, 전력 계통에 주파수 저하가 생겼을 경우에, 상기 전력 계통으로 출력하는 유효 전력을 증가시키는 풍력 발전 장치로서, 소정의 주파수 변동을 검지하는 검지부와, 소정의 주파수 변동이 검지되었을 경우에, 해열 회전수에 소정의 여유를 갖게 한 기정(旣定)의 회전수 하한값과 축 회전수의 계측값의 차분에 근거하여 한계 유효 전력을 산출하고, 해당 한계 유효 전력에 근거하여 유효 전력 지령값을 생성하는 제 1 제어부를 구비하는 풍력 발전 장치이다.
상기 형태에 의하면, 전력 계통에 소정의 주파수 변동이 생긴 것이 검지부에 의해 검지되었을 경우에는, 그 때의 회전 에너지에 의해 출력 가능한 최대의 전력량(한계 유효 전력)을 산출하고, 이 한계 유효 전력에 근거하여 유효 전력 지령값이 생성된다. 일반적으로, PFR이 요구되는 것과 같은 주파수 변동이 생겼을 경우, 전력 계통의 주파수에 근거하여 유효 전력의 증가량이 결정되지만, 실제로 풍력 발전 장치로부터 전력 계통에 공급되는 유효 전력량은 전력 계통의 주파수에 근거하여 결정된 증가량보다도 명백히 작은 값인 것을 새로운 지견으로 얻었다. 거기서, 종래와 같이 계통 주파수의 변동량에 따라서 유효 전력량을 정하는 것이 아니고, 발전 장치가 출력 가능한 최대의 유효 전력을 전력 계통에 공급함으로써, 풍력 발전 장치의 트립을 회피하면서, 전력 계통의 주파수 복귀에 최대한으로 기여하는 것으로 했다.
회전수 하한값은 해열이 실행되는 해열 회전수에 대해서 소정의 마진을 갖게 한 값이다. 마진은 설계에 따라서 임의로 결정되는 값으로서, 예를 들어, 10% 정도를 하나의 일례로서 들 수 있다.
상기 유효 전력은 부하에서 실제로 소비되는 전력으로서, 이하의 식으로 나타낸다.
유효 전력 P = VIcosθ[W]
상기 식에 있어서, V는 전압, I는 전류이고, θ는 전압과 전류의 위상차이다.
상기 풍력 발전 장치에 있어서, 상기 검지부는, 상기 계통 주파수의 값이 미리 설정되어 있는 소정의 제 1 문턱값 미만이 되고, 또한, 단위 시간에 대한 상기 계통 주파수의 변화량이 미리 설정되어 있는 소정의 제 2 문턱값을 초과했을 경우에, 상기 소정의 주파수 변동을 검지하는 것으로 하여도 좋다.
계통 주파수의 계측값과 단위 시간에 대한 변화량이라는 2개의 지표가 소정의 조건이 충족되었을 때에 소정의 주파수 변동이 생기고 있는 것을 검지하므로, PFR이 필요하게 되는 계통 주파수의 변동을 확실하게 검지할 수 있다.
상기 풍력 발전 장치에 있어서, 상기 제 1 제어부는 단위 시간에 있어서의 상기 계통 주파수의 변화량에 따라서 상기 전력 계통에 공급하는 유효 전력의 파형의 주기를 결정하는 것으로 하여도 좋다.
단위 시간에 있어서의 계통 주파수의 변화량에 따라서, 유효 전력에 따른 전력 지령값의 파형의 주기를 결정하므로, 전력 계통의 상태에 따라서 적절한 유효 전력량을 실행하는 것이 가능해진다. 예를 들어, 단위 시간에 있어서의 계통 주파수의 변화량이 클수록 주기를 짧게 한다. 이것에 의해, 급격(急峻)한 주파수 변동에 대해서는, 긴급하게 전력 계통에 유효 전력을 공급하는 것에 의해, 신속하게 그 변동을 억제하는 것을 기대할 수 있다. 또한, 완만한 주파수 변동에 대해서는 완만한 유효 전력이 상승함으로써, 과잉의 출력 보상을 회피하는 것이 가능해진다.
상기 풍력 발전 장치에 있어서, 상기 제 1 제어부는 상기 축 회전수의 계측값이 파라미터로서 포함되어 있는 유효 전력 지령값의 연산식을 갖고, 해당 연산식을 이용하여 상기 유효 전력 지령값을 생성하는 것으로 하여도 좋다.
연산식을 이용하여 유효 전력 지령값을 결정하는 것에 의해, 축 회전수에 따른 적절한 유효 전력 지령값을 얻을 수 있어, 세밀한 유효 전력의 제어가 가능해진다.
상기 풍력 발전 장치에 있어서, 상기 제 1 제어부는 상기 축 회전수의 계측값과 상기 유효 전력 지령값이 관련지어진 테이블을 갖고 있고, 해당 테이블을 이용하여 축 회전수의 계측값에 따른 유효 전력 지령값을 취득하는 것으로 하여도 좋다.
테이블로서 정보를 보유하고 있으므로, 복잡한 연산 처리가 불필요해져, 용이하게 유효 전력 지령값을 정할 수 있다.
본 발명의 제 2 형태는, 전력 계통에 주파수 저하가 생겼을 경우에, 상기 전력 계통으로 출력하는 유효 전력을 증가시키는 풍력 발전 장치의 제어 방법으로서, 소정의 주파수 변동을 검지하는 공정과, 소정의 주파수 변동이 검지되었을 경우에, 해열 회전수에 소정의 여유를 갖게 한 기정의 회전수 하한값과 축 회전수의 계측값의 차분에 근거하여 한계 유효 전력을 산출하고, 해당 한계 유효 전력에 근거하여 상기 전력 계통에 공급하는 유효 전력 지령값을 생성하는 공정을 갖는 풍력 발전 장치의 제어 방법이다.
본 발명에 의하면, 전력 계통에 소정의 주파수 변동이 발생했을 경우에, 풍력 발전 장치의 트립을 회피하여, 전력 계통의 주파수 회복에 확실하게 기여할 수 있다는 효과를 발휘한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 풍력 발전 장치의 외관도,
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 풍력 발전소의 전체 구성 및 풍력 발전 장치의 전기적 구성을 도시한 모식도,
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 전력 지령값 생성부의 개략 구성을 도시하는 블록도,
도 4는 계통 주파수의 변동이 급격할 경우와 완만할 경우에 있어서의 전력 지령값의 파형을 비교하여 도시한 도면.
이하, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 풍력 발전 장치 및 그 제어 방법에 대해서, 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 풍력 발전 장치(10)의 외관도이다. 도 1에 도시하는 풍력 발전 장치(10)는, 소위 가변속 풍차로서, 기초(12)상에 입설되는 지주(14)와, 지주(14)의 상단에 설치되는 나셀(16)과, 대략 수평한 축선 주위에 회전 가능하게 하여 나셀(16)에 마련되는 로터 헤드(18)를 갖고 있다.
로터 헤드(18)에는, 그 회전 축선 주위에 복수(본 실시 형태에서는, 일례로서 3개)의 블레이드(20)가 방사상으로 장착되어 있다. 블레이드(20)는, 운전 조건에 따라서 회동 가능하도록 로터 헤드(18)에 연결되어 있고, 피치각이 변화 가능하게 되어 있다.
도 2는 본 실시 형태에 따른 풍력 발전소(30)의 전체 구성 및 풍력 발전 장치(10)의 전기적 구성을 도시한 모식도이다. 풍력 발전소(30)는 서브 스테이션(31)과 복수의 풍력 발전 장치(10)를 구비하고 있다.
서브 스테이션(31)에는, 풍력 발전소(30) 전체의 제어를 담당하는 마스터 컨트롤러(32)[예를 들어, SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)]가 마련되어 있다.
마스터 컨트롤러(32)는 전력 계통(38)으로부터 요구되는 유효 전력을 나타내는 계통 요구 출력값을 수신하여, 각 풍력 발전 장치(10)에 송신한다.
각 풍력 발전 장치(10)는 변압기(34)를 거쳐서 서브 스테이션(31)에 접속되는 동시에, 서브 스테이션(31)이 갖는 변압기(35) 및 송전선(36)을 거쳐서 계통 연계되어 있다.
각 풍력 발전 장치(10)는 로터 헤드(18)의 회전축에 기계적으로 연결되는 증속기(21) 및 발전기(22)를 구비하고 있다. 또한, 풍력 발전 장치(10)는 블레이드 피치각이나 발전기(22)의 출력 제어를 실행하는 제어 장치(23), 제어 장치(23)에 의해 구동 제어되는 컨버터(24)를 구비하고 있다. 증속기(21), 발전기(22), 제어 장치(23) 및 컨버터(24)는 예를 들어, 나셀(16)(도 1 참조) 내에 수용되어 있다.
제어 장치(23)는 예를 들어, 터빈 컨트롤러(40) 및 컨버터 컨트롤러(42)를 구비하고 있다.
터빈 컨트롤러(40)는, 예를 들어, 계통 요구 출력값에 따른 유효 전력 지령값을 생성하고, 이 유효 전력 지령값을 컨버터 컨트롤러(42)에 출력하는 동시에, PFR이 필요한 주파수 변동이 전력 계통에 발생했을 경우에는, 신속하게 출력을 증가시키는 유효 전력 지령값을 생성한다. 또한, 터빈 컨트롤러(40)는 계통 요구 출력값에 근거하여 블레이드(20)의 피치각을 제어하기 위한 피치각 지령값을 생성하고, 이 피치각 지령값을 피치 액추에이터(도시 생략)로 출력한다. 또한, 터빈 컨트롤러(40)는 풍력 발전 장치(10)의 유효 전력이나 풍력 발전 장치(10)의 제어 상태를 나타내는 데이터 등을 마스터 컨트롤러(32)로 송신한다.
컨버터 컨트롤러(42)는 터빈 컨트롤러(40)로부터 입력된 유효 전력 지령값에 근거하여 컨버터(24)를 제어한다.
컨버터(24)는 컨버터 컨트롤러(42)로부터의 제어 신호에 근거하여 발전기(22)로부터 전력 계통(38)에 공급되는 유효 전력을 제어한다.
이와 같은 풍력 발전 장치(10)에 있어서는, 로터 헤드(18)의 회전 축선 방향으로부터 블레이드(20)에 부딪치는 바람의 힘에 의해 로터 헤드(18)가 회전축 주위로 회전되어, 그 회전력이 증속기(21)에 의해 증속되어서, 발전기(22)로 전달되어 발전기(22)가 발전한다. 발전기(22)에 의한 발전 전력은 제어 장치(23)로부터의 지시에 근거하여 컨버터(24)에 의해 제어되며, 변압기(34)를 거쳐서 서브 스테이션(31)에 보내진다. 서브 스테이션(31)에서는, 각 풍력 발전 장치(10)로부터의 유효 전력이 합성되어, 서브 스테이션(31) 내에 마련된 변압기(35) 등을 경유하여 전력 계통(38)에 공급된다.
다음, 본 발명의 주요 특징 중 하나인 유효 전력 지령값의 생성에 따른 일 실시 형태에 대해서, 도면을 참조하여 설명한다. 유효 전력 지령값의 생성은 제어 장치(23)의 터빈 컨트롤러(40)가 구비하는 유효 전력 지령값 생성부(50)에 의해 실행된다. 도 3은 유효 전력 지령값 생성부(50)의 개략 구성을 도시한 블록도이다.
유효 전력 지령값 생성부(50)는 계통 주파수에 근거하여 PFR이 필요하게 되는 주파수 변동이 발생한 것을 검지하는 검지부(51)와, PFR 모드용의 유효 전력 지령값을 생성하는 제 1 제어부(52)와, 통상 모드용의 유효 전력 지령값을 생성하는 제 2 제어부(53)와, 검지부(51)에 의한 검지 결과에 따라서 제 1 제어부(52)와 제 2 제어부(53)중 어느 하나를 선택하는 선택부(54)를 주요 구성으로 구비하고 있다.
검지부(51)는, 예를 들어, 계통 주파수의 값이 미리 설정되어 있는 소정의 제 1 문턱값 미만(예를 들어, 60Hz가 정격일 경우, 59.90Hz)이 되고, 또한 단위 시간에 대한 계통 주파수의 변화량이 미리 설정되어 있는 소정의 제 2 문턱값(예를 들어, 60Hz가 정격일 경우, 0.04Hz/초)을 초과했을 경우에, PFR이 요구되는 주파수 변동이 발생한 것을 검지하여, PFR 모드의 신호를 선택부(54)에 출력한다.
선택부(54)는 검지부(51)로부터 PFR 모드의 신호가 입력되면, 해당 신호를 수신하고 나서 미리 설정되어 있는 소정의 기간(예를 들어, 10초)에 있어서 제 1 제어부(52)를 선택하고, 해당 소정의 기간 경과후에 제 2 제어부(53)로 전환한다.
제 1 제어부(52)는 유효 전력 지령값 결정부(61)와, 리미터(limiter;)(62)를 구비하고 있다. 유효 전력 지령값 결정부(61)는 PFR이 검지되었을 때의 회전 에너지에 의해 출력 가능한 최대의 유효 전력으로 간주되는 한계 유효 전력을 산출하고, 이 한계 유효 전력에 근거하여 전력 지령값을 생성한다. 구체적으로는, 로터의 회전수[회전축의 회전수이고, 도 2에서는 증속기(21)에 의한 증속 전의 회전수를 이용하고 있지만, 증속 후의 회전수, 즉 발전기(22)의 로터 회전수를 이용하는 것으로 하여도 좋다]와 미리 설정되어 있는 회전수 하한값의 차분에 근거하여, 전력 계통에 공급하는 유효 전력량을 결정한다.
회전수 하한값이란, 풍력 발전 장치(10)를 계열(系列)하는 해열 회전수에 소정의 마진을 갖게 한 회전수를 말한다. 마진은 설계에 따라서 임의로 결정되는 값으로서, 본 실시 형태에서는 10% 정도의 마진이 부가되어 있다.
한계 출력량(p)은 예를 들어, 로터의 회전수를 이용하여 이하의 (1)식으로 산출된다.
[수 1]
Figure pct00001
여기서, p는 풍력 발전 장치의 한계 유효 전력, J는 계의 이너셔(inertia), ωｍ은 PFR이 필요하게 되는 주파수 변동이 발생하기 전의 로터의 계측 회전수, ω０는 규정의 회전수 하한값이다.
예를 들어, 한계 유효 전력(p)을 정현파(正弦波)로서 전력 계통(38)측에 공급할 경우, 각 시간에 있어서의 유효 전력 지령값은 이하의 (2)식으로 주어진다.
[수 2]
Figure pct00002
(2)식에 있어서, Δp는 각 시간에 있어서의 유효 전력 지령값, ΔＰ·Sbase는 정현파의 진폭이고 (이 중, Sbase는 정격 출력이다), ωpfr·ｔ는 정현파의 주기, a는 소정의 정수이다. 또한, ωpfr 은 (3)식에 나타나는 바와 같이, 단위 시간에 있어서의 계통 주파수의 변화량의 함수로 되어 있고, 이 단위 시간에 있어서의 계통 주파수의 변화량ｆgrad 가 클수록 작은 값이 된다.
따라서, 도 4에 비교하여 도시되는 바와 같이, 단위 시간에 있어서의 계통 주파수의 변화량이 비교적 클 경우, 즉, 도 4에 있어서 실선으로 도시되는 바와 같이, 계통 주파수의 경사가 급격할 경우에는 PFR 모드에 있어서의 전력 지령값의 주기가 짧아진다. 한편, 단위 시간에 있어서의 계통 주파수의 변화량이 비교적 작은 경우, 즉, 도 4에 있어서 파선으로 도시되는 바와 같이, 계통 주파수의 경사가 완만할 경우에는 PFR 모드에 있어서의 유효 전력 지령값의 주기가 길어진다. 또한, 어느쪽도 파형의 면적, 즉, 공급되는 유효 전력에 대해서는 상기 (1)식으로 나타내는 바와 같이 동일하다.
이와 같이, 계통 주파수의 저하의 경사에 따라서 유효 전력 지령값의 정현파의 주기를 바꾸는 것에 의해, 급격한 주파수 변동에 대해서는 긴급하게 전력 계통에 유효 전력을 공급함으로써, 적절하게 그 변동을 억제하는 것을 기대할 수 있고, 완만한 주파수 변동에 대해서는 완만한 유효 전력 상승으로 함으로써, 과잉의 출력 보상을 회피하는 것이 가능해진다.
제 1 제어부(52)에 있어서의 리미터(62)는, 상기 (2)식에 의해 요구된 각 시간에 있어서의 유효 전력 지령값 ΔＰ·Sbase가 풍력 발전 장치의 기계 구성상의 제약(예를 들어, 전기 설비의 내열량이나 기계 설비의 하중 등)으로부터 결정되는 출력 상한치를 초과하지 않도록 억제한다. 이것에 의해, 풍력 발전 장치(10)의 트립을 회피할 수 있고, 발전 전력을 확실하게 전력 계통(38)에 공급할 수 있다.
제 2 제어부(53)는, 통상 모드에 있어서의 유효 전력 지령값을 생성한다. 예를 들어, 로터의 계측 회전수에 따른 유효 전력 지령값을 생성한다.
이와 같은 구성을 구비하는 풍력 발전 장치(10)에 있어서는 계통 주파수가 안정되어 있을 경우에, 선택부(54)에 의해 제 2 제어부(53)가 선택되고, 제 2 제어부(53)에 의해 생성된 유효 전력 지령값이 컨버터 컨트롤러(42)(도 2 참조)로 출력된다. 컨버터 컨트롤러(42)는 입력된 유효 전력 지령값에 근거하여 컨버터(24)를 제어함으로써, 제 2 제어부(53)에 의해 생성된 유효 전력 지령값에 따른 유효 전력이 전력 계통(38)에 공급된다. 이와 같은 상태에 있어서, 전력 계통(38)에 요란이 발생하여, 계통 주파수가 저하함에 따라, 검지부(51)에 의해 PFR이 필요하게 되는 주파수 변동이 발생한 것이 검지되면, PFR 모드의 신호가 선택부(54)로 출력된다.
선택부(54)는 PFR 모드의 신호를 수신하면, 제 2 제어부(53)로부터 제 1 제어부(52)로 전환한다.
이것에 의해, 제 1 제어부(52)의 유효 전력 지령값 결정부(61)에, 로터의 계측 회전수와, 단위 시간에 있어서의 계통 주파수의 변동량이 입력 정보로서 입력되고, 이들의 정보에 근거하여 상기 (2)식을 이용하여, 정현파의 유효 전력 지령값이 생성된다. 이 유효 전력 지령값은 리미터(62)를 경유함으로써, 풍력 발전 장치(10)의 기계 구성에 있어서의 열적 또는 강도상의 제약으로부터 결정되는 상한치를 초과하지 않도록 억제되어, 컨버터 컨트롤러(42)로 출력된다. 컨버터 컨트롤러(42)는 입력된 유효 전력 지령값에 근거하여 컨버터(24)를 제어한다. 이것에 의해, 전력 계통(38)에는, 각 풍량 발전 장치(10)의 회전 에너지를 최대한으로 이용한 유효 전력이 공급되어, 주파수 변동의 조기 회복에 기여된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 풍력 발전 장치 및 그 제어 방법에 의하면, 전력 계통에 공급되는 유효 전력은 풍력 발전 장치(10)가 트립하지 않는 범위에서 출력 가능한 최대의 유효 전력으로 설정되어 있으므로, 전력 계통(38)의 주파수 변동을 회복시킬 경우에, 유효 전력의 증감이 과잉으로 되어, 풍력 발전 장치(10)가 전력 계통에 유효 전력을 공급할 수 없게 되는 것을 회피할 수 있다.
또한, 발전 출력의 주기는 단위 시간에 있어서의 계통 주파수의 변화량, 바꿔 말하면, 계통 주파수의 저하의 경사에 근거하여 결정되므로, 급격한 주파수 변동에 대해서는 긴급하게 전력 계통에 유효 전력을 공급하여, 적절하게 그 변동을 억제하는 것이 가능해지고, 또한 완만한 주파수 변동에 대해서는 완만한 유효 전력이 상승함으로써, 과잉의 출력 보상을 회피하는 것이 가능해진다.
또한, 본 실시 형태에 따른 풍력 발전 장치 및 그 제어 방법에 있어서는, 로터의 회전수 및 단위 시간에 있어서의 계통 주파수의 변화량을 파라미터로 한 연산식을 제 1 제어부(52)가 보유하고 있고, 이 연산식을 이용하여 유효 전력 지령값을 생성하는 경우에 대해서 설명했지만, 이것을 대신하여, 예를 들어, 로터의 회전수를 복수의 회전수 레벨로 구분하고, 각 회전수 레벨과 유효 전력 지령값을 관련지은 테이블을 미리 기억해 두는 것으로 하여도 좋다. 여기서, 각 회전수 레벨에 관련되는 유효 전력 지령값은 예를 들어, 어떤 회전수 레벨이 α이상 β미만이면, 그 회전수 레벨의 중간값인 (α+β)/2를 상기 (2)식에 대입했을 때의 전력 지령값이 된다. 또한, 유효 전력 지령값의 파형의 주기는 단위 시간에 있어서의 계통 주파수의 변화량에 의해 결정되기 때문에, 단위 시간에 있어서의 계통 주파수의 변화량과 회전수 레벨을 변수로 한 2차원적인 테이블을 준비해도 좋다. 이와 같이, 유효 전력 지령값을 테이블로서 보유하고 있으므로, 번잡한 연산 처리를 실행하지 않고, 유효 전력 지령값을 용이하게 생성하는 것이 가능해진다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는 유효 전력 지령값을 정현파로서 생성했지만, 파형에 대해서는 이 예에 한정되지 않는다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는, 풍력 발전소(30)를 예시하여 설명했지만, 1대의 풍력 발전 장치에 의해 발전을 실행할 경우에도 적용하는 것이 가능하다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는, 로터의 회전수를 이용하여 유효 전력 지령값을 결정하는 것으로 했지만, 이것에 대신하여, 발전기의 회전수를 이용하는 것으로 하여도 좋다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는, 동기 발전기를 이용한 풍력 발전 장치에 대하여 예시했지만, 발전기의 구성에 대해서는 이 예에 한정되지 않는다.
또한, 본 실시 형태에 따른 풍력 발전 장치(10)에 있어서는, 상기 터빈 컨트롤러(40)가 구비하는 유효 전력 지령값 작성부(50)는, 전용의 제어 회로가 조립되어 구성되어 있어도 좋고, 소프트웨어에 의해 실현되는 구성으로 되어 있어도 좋다. 소프트웨어에 의해 상기 각부의 처리를 실현할 경우에는, 유효 전력 지령값 작성부(50)는 CPU, RAM 등의 주기억 장치 및 상기 처리의 모두 또는 일부를 실현시키기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체를 구비하고 있고, CPU가 상기 기억 매체에 기록되어 있는 프로그램을 판독하여, 정보의 가공·연산 처리를 실행하는 것에 의해, 상술한 각부의 처리를 실현시킨다.
여기서 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체란, 자기 디스크, 광자기 디스크, CD-ROM, DVD-ROM, 반도체 메모리 등을 말한다.
10 : 풍력 발전 장치
16 : 나셀
18 : 로터 헤드
20 : 블레이드
21 : 증속기
22 : 발전기
23 : 제어 장치
24 : 컨버터
30 : 풍력 발전소
31 : 서브 스테이션
38 : 전력 계통
40 : 터빈 컨트롤러
42 : 컨버터 컨트롤러
50 : 유효 전력 지령값 생성부
51 : 검지부
52 : 제 1 제어부
53 : 제 2 제어부
54 : 선택부
61 : 유효 전력 지령값 결정부
62 : 리미터

Claims (6)

  1. 전력 계통에 주파수 저하가 생겼을 경우에, 상기 전력 계통으로 출력하는 유효 전력을 증가시키는 풍력 발전 장치에 있어서,
    소정의 주파수 변동을 검지하는 검지부와,
    소정의 주파수 변동이 검지되었을 경우에, 해열 회전수에 소정의 여유를 갖게 한 기정의 회전수 하한값과 축 회전수의 계측값의 차분에 근거하여 한계 유효 전력을 산출하고, 상기 한계 유효 전력에 근거하여 상기 전력 계통에 공급하는 유효 전력 지령값을 생성하는 제 1 제어부를 구비하는
    풍력 발전 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 검지부는, 상기 계통 주파수의 값이 미리 설정되어 있는 소정의 제 1 문턱값 미만이 되고, 또한, 단위 시간에 대한 상기 계통 주파수의 변화량이 미리 설정되어 있는 소정의 제 2 문턱값을 초과했을 경우에, 상기 소정의 주파수 변동을 검지하는
    풍력 발전 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 제어부는 단위 시간에 있어서의 상기 계통 주파수의 변화량에 따라서 상기 전력 계통에 공급하는 유효 전력의 파형의 주기를 결정하는
    풍력 발전 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 제어부는 상기 축 회전수의 계측값이 파라미터에 포함되어 있는 유효 전력 지령값의 연산식을 갖고, 상기 연산식을 이용하여 상기 유효 전력 지령값을 생성하는
    풍력 발전 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 제어부는, 상기 축 회전수의 계측값과 상기 유효 전력 지령값이 관련지어진 테이블을 갖고 있고, 상기 테이블을 이용하여 축 회전수의 계측값에 따른 전력 지령값을 취득하는
    풍력 발전 장치.
  6. 전력 계통에 주파수 저하가 생겼을 경우에, 상기 전력 계통으로 출력하는 유효 전력을 증가시키는 풍력 발전 장치의 제어 방법에 있어서,
    소정의 주파수 변동을 검지하는 공정과,
    소정의 주파수 변동이 검지되었을 경우에, 해열 회전수에 소정의 여유를 갖게 한 기정의 회전수 하한값과 축 회전수의 계측값의 차분에 근거하여 한계 유효 전력을 산출하고, 상기 한계 유효 전력에 근거하여 상기 전력 계통에 공급하는 유효 전력 지령값을 생성하는 공정을 갖는
    풍력 발전 장치의 제어 방법.
KR1020117012476A 2011-02-28 2011-02-28 풍력 발전 장치 및 그 제어 방법 KR101253468B1 (ko)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2011/054463 WO2012117491A1 (ja) 2011-02-28 2011-02-28 風力発電装置およびその制御方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20120135004A true KR20120135004A (ko) 2012-12-12
KR101253468B1 KR101253468B1 (ko) 2013-04-10

Family

ID=45805916

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020117012476A KR101253468B1 (ko) 2011-02-28 2011-02-28 풍력 발전 장치 및 그 제어 방법

Country Status (9)

Country Link
US (1) US9287814B2 (ko)
EP (1) EP2682601B1 (ko)
JP (1) JP5237454B2 (ko)
KR (1) KR101253468B1 (ko)
CN (1) CN102782316B (ko)
AU (1) AU2011202373A1 (ko)
BR (1) BRPI1100051A2 (ko)
CA (1) CA2741594A1 (ko)
WO (1) WO2012117491A1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016010290A1 (ko) * 2014-07-15 2016-01-21 전북대학교산학협력단 풍력발전기의 적응형 관성 제어 방법

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ES2327486B1 (es) * 2008-03-14 2010-07-14 Ingeteam Energy, S.A. Metodo de operacion de una turbina eolica para garantizar regulacion primaria o secundaria en una red electrica.
ES2410431B1 (es) * 2010-06-04 2014-06-17 Acciona Windpower, S.A. Procedimiento para controlar la potencia activa generada por una central de generación distribuida; aerogenerador para llevar a cabo dicho procedimiento; y parque e�lico que comprende dicho aerogenerador
CA2741569A1 (en) * 2011-03-04 2012-09-04 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Wind turbine generator system and wind turbine generator
DE102011006670A1 (de) * 2011-04-01 2012-10-04 Aloys Wobben Windenergieanlage und Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage
US9287714B2 (en) * 2011-11-30 2016-03-15 Michael Ropp Method and system for island detection and anti-islanding protection in distributed power generation systems
DE102013207264A1 (de) 2013-04-22 2014-10-23 Wobben Properties Gmbh Verfahren zum Steuern eines Windparks
DE102013208410A1 (de) * 2013-05-07 2014-11-13 Wobben Properties Gmbh Verfahren zum Einspeisen elektrischer Leistung in ein elektrisches Versorgungsnetz
ES2950289T3 (es) * 2013-12-18 2023-10-06 Ingeteam Power Tech Sa Dispositivo de impedancia variable para una turbina eólica
ES2545674B1 (es) * 2014-03-11 2016-06-29 Gamesa Innovation & Technology, S.L. Sistema de control de inercia para aerogenerador
EP3482068B1 (en) * 2016-07-06 2020-09-02 Vestas Wind Systems A/S A wind power plant having a plurality of wind turbine generators and a power plant controller
US10316822B2 (en) * 2016-11-01 2019-06-11 General Electric Company System and method for improved overspeed monitoring of a wind turbine operating at reduced rotor speeds
CN110098622B (zh) * 2018-01-31 2021-04-13 北京金风科创风电设备有限公司 风电机组的一次调频方法和设备
US10511211B1 (en) * 2018-08-30 2019-12-17 General Electric Company Trip reduction tool for a wind turbine power system
CN113007019B (zh) * 2019-12-19 2022-10-18 新疆金风科技股份有限公司 控制器、控制系统以及风力发电机组

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3002160B2 (ja) 1997-08-13 2000-01-24 利雄 岩田 送風兼発電方法及び装置
JPH1169893A (ja) 1997-08-26 1999-03-09 Hitachi Eng & Services Co Ltd ハイブリッド発電システム
DK2275674T3 (en) * 2001-09-28 2017-06-19 Wobben Properties Gmbh Procedure for operating a wind farm
CN1273729C (zh) * 2002-11-13 2006-09-06 沈阳工业大学 兆瓦级风电机组变速、变距控制系统
DK1467463T3 (en) * 2003-04-09 2017-03-27 Gen Electric Wind farm and method for operating it
DE10341504A1 (de) * 2003-09-03 2005-06-09 Repower Systems Ag Verfahren zum Betrieb einer Windenergieanlage, Windenergieanlage und Verfahren zur Bereitstellung von Regelleistung mit Windenergieanlagen
EP1665494B2 (de) * 2003-09-03 2023-06-28 Siemens Gamesa Renewable Energy Service GmbH Verfahren zum betrieb bzw. regelung einer windenergieanlage sowie verfahren zur bereitstellung von primärregelleistung mit windenergieanlagen
JP3918837B2 (ja) * 2004-08-06 2007-05-23 株式会社日立製作所 風力発電装置
US7687937B2 (en) * 2005-03-18 2010-03-30 Wisconsin Alumni Research Foundation Control of small distributed energy resources
US8649911B2 (en) * 2005-06-03 2014-02-11 General Electric Company System and method for operating a wind farm under high wind speed conditions
US7345373B2 (en) 2005-11-29 2008-03-18 General Electric Company System and method for utility and wind turbine control
US7505833B2 (en) * 2006-03-29 2009-03-17 General Electric Company System, method, and article of manufacture for controlling operation of an electrical power generation system
JP5198791B2 (ja) * 2007-05-07 2013-05-15 株式会社日立製作所 風力発電システム及びその制御方法及びこれを用いた風力発電所
US8237301B2 (en) * 2008-01-31 2012-08-07 General Electric Company Power generation stabilization control systems and methods
ES2327486B1 (es) * 2008-03-14 2010-07-14 Ingeteam Energy, S.A. Metodo de operacion de una turbina eolica para garantizar regulacion primaria o secundaria en una red electrica.
EP2384540B1 (en) * 2009-01-30 2014-12-17 Siemens Aktiengesellschaft Power system frequency inertia for power generation system
EP2400151A4 (en) * 2009-02-20 2014-01-22 Mitsubishi Heavy Ind Ltd WIND-ENHANCED GENERATOR AND CONTROL METHOD THEREOF
DE102009014012B4 (de) * 2009-03-23 2014-02-13 Wobben Properties Gmbh Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage
WO2010108979A2 (en) * 2009-03-25 2010-09-30 Vestas Wind Systems A/S Improved frequency control
CA2707921C (en) * 2009-05-20 2013-10-29 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Wind turbine generator and method of controlling the same
EP2282053B1 (en) * 2009-06-29 2016-01-13 Vestas Wind Systems A/S Wind turbine providing grid support
US8219256B2 (en) * 2009-07-14 2012-07-10 Siemens Aktiengesellschaft Bang-bang controller and control method for variable speed wind turbines during abnormal frequency conditions
JP5550283B2 (ja) 2009-08-06 2014-07-16 三菱重工業株式会社 風力発電装置、風力発電装置の制御方法、風力発電システム及び風力発電システムの制御方法
US7750490B2 (en) 2009-08-28 2010-07-06 General Electric Company Method and system for extracting inertial energy from a wind turbine

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016010290A1 (ko) * 2014-07-15 2016-01-21 전북대학교산학협력단 풍력발전기의 적응형 관성 제어 방법

Also Published As

Publication number Publication date
EP2682601A4 (en) 2018-01-17
JP5237454B2 (ja) 2013-07-17
EP2682601B1 (en) 2022-12-28
CN102782316B (zh) 2015-05-20
WO2012117491A1 (ja) 2012-09-07
JPWO2012117491A1 (ja) 2014-07-07
US20120061961A1 (en) 2012-03-15
EP2682601A1 (en) 2014-01-08
AU2011202373A1 (en) 2012-09-13
US9287814B2 (en) 2016-03-15
CA2741594A1 (en) 2012-08-28
BRPI1100051A2 (pt) 2016-05-03
KR101253468B1 (ko) 2013-04-10
CN102782316A (zh) 2012-11-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101253468B1 (ko) 풍력 발전 장치 및 그 제어 방법
EP2336554B1 (en) Systems For Operating A Wind Turbine
EP2738904B1 (en) Method and systems for operating a wind turbine when recovering from a grid contingency event
JP5167365B2 (ja) 監視制御装置及び方法並びにそれを備えたウィンドファーム
CA2763288C (en) Wind turbine providing grid support
EP2369432B1 (en) Test System for Opitimizing Wind Turbine Operation
KR20120025499A (ko) 풍력 발전 장치, 풍력 발전 장치의 제어 방법, 풍력 발전 시스템 및 풍력 발전 시스템의 제어 방법
EP2466126A2 (en) Apparatus and method for operation of an off-shore wind turbine
EP2658112B1 (en) Methods and Systems for Controlling a Power Converter
KR20130081701A (ko) 윈드팜의 제어 장치, 윈드팜, 및 윈드팜의 제어 방법
EP2573894B1 (en) Method and systems for operating a power generation and delivery system
JP5455890B2 (ja) 風力発電装置の制御装置、風力発電システム、及び風力発電装置の制御方法
EP2696462A2 (en) Methods and systems for controlling a power converter
US11031784B2 (en) Reactive current margin regulator for power systems
JP5325348B1 (ja) 風車制御装置及びその方法並びに風力発電システム
Gloe et al. Limitation for the Continuous Provision of Synthetic Inertia with Wind Turbines

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
LAPS Lapse due to unpaid annual fee