專利名稱：風力發(fā)電裝置及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風力發(fā)電裝置及其控制方法。
背景技術(shù)：
風車所關(guān)聯(lián)的電力系統(tǒng)發(fā)生事故時，系統(tǒng)電壓瞬間下降。系統(tǒng)電壓下降時，在風車 中會發(fā)生以下的現(xiàn)象。1)發(fā)電機輸出瞬時下降，因此會發(fā)生超速。2)大電流過渡性地流向發(fā)電機。3)大電流也過渡性地流向輔機的電動機。對于此種現(xiàn)象，為了使風車安全運轉(zhuǎn)，例如，通常進行使風車葉片的槳距角向順槳 側(cè)移動的被稱為順槳變距(feathering)的控制。另外，系統(tǒng)電壓下降時，發(fā)電機的定子電流或轉(zhuǎn)子電流增加。因此，為了抑制所述 電流增加，通常使過壓保護電路等工作，使發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組短路，而保護轉(zhuǎn)換器元件等免 受過電流損壞。

發(fā)明內(nèi)容
然而，在上述的發(fā)電機的狀態(tài)下，若系統(tǒng)電壓恢復，則大電流對應(yīng)于此時的轉(zhuǎn)差率 而流過且產(chǎn)生大轉(zhuǎn)矩。圖4示出與感應(yīng)電動機的轉(zhuǎn)差率對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩及電流的關(guān)系。如圖4所示可知，轉(zhuǎn) 差率變大時，轉(zhuǎn)矩及電流都變大。在此，轉(zhuǎn)差率是由以下的(1)式表示的參數(shù)。轉(zhuǎn)差率=(同步轉(zhuǎn)速-感應(yīng)電動機轉(zhuǎn)速)/同步轉(zhuǎn)速(1)轉(zhuǎn)差率大于0時，感應(yīng)電動機作為電動機起作用，轉(zhuǎn)差率小于0時，感應(yīng)電動機作 為發(fā)電機(再生運轉(zhuǎn))起作用。本發(fā)明目的在于提供一種能夠抑制系統(tǒng)電壓恢復時的轉(zhuǎn)矩的上升并減少轉(zhuǎn)矩對 設(shè)備產(chǎn)生的負載的風力發(fā)電裝置及其控制方法。本發(fā)明的第一方式涉及一種風力發(fā)電裝置，具備發(fā)電機；將所述發(fā)電機轉(zhuǎn)子的 輸出從三相交流電力轉(zhuǎn)換成直流電力的轉(zhuǎn)換器；將從所述轉(zhuǎn)換器輸出的直流電力轉(zhuǎn)換成 三相交流電力的逆變器；及控制所述轉(zhuǎn)換器及所述逆變器的電力控制部，所述電力控制部 基于所述發(fā)電機的轉(zhuǎn)子電流或由所述轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的直流電壓，而控制所述轉(zhuǎn)換器及所述 逆變器的工作的停止/重新開始，其中，具有控制風車葉片的槳距角的葉片控制部，在通過 所述電力控制部停止所述轉(zhuǎn)換器及所述逆變器的工作時，所述葉片控制部控制風車葉片的 槳距角，以使所述發(fā)電機的轉(zhuǎn)速成為同步轉(zhuǎn)速或同步轉(zhuǎn)速以上，在通過所述電力控制部重 新開始所述轉(zhuǎn)換器及所述逆變器的工作時，所述葉片控制部控制風車葉片的槳距角，以使 該槳距角與基于風速、所述發(fā)電機的轉(zhuǎn)速及要求輸出中的至少任一個決定的目標槳距角一 致。
如此，對于轉(zhuǎn)換器及逆變器，不管電力系統(tǒng)的狀態(tài)如何，而根據(jù)發(fā)電機的轉(zhuǎn)子電流 或由所述轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的直流電壓的狀態(tài)來決定工作的停止。該控制是一直以來通常進行 的控制。因此，無需設(shè)置用于檢測系統(tǒng)電壓下降與否的新的傳感器等，使用現(xiàn)有技術(shù)就能夠 檢測系統(tǒng)電壓的下降等。并且，在轉(zhuǎn)換器等的工作停止時，葉片控制部控制風車葉片的槳距 角以使發(fā)電機的轉(zhuǎn)速成為同步轉(zhuǎn)速或同步轉(zhuǎn)速以上，因此能夠防止系統(tǒng)電壓恢復、轉(zhuǎn)換器 及逆變器的控制重新開始時的大轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生或反負載轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生。由此，能夠減少轉(zhuǎn)矩對 設(shè)備產(chǎn)生的負載。也可以是，上述風力發(fā)電裝置具有過壓保護電路，該過壓保護電路與所述發(fā)電機 的轉(zhuǎn)子繞組連接，在流過該轉(zhuǎn)子繞組的電流成為既定的電流閾值以上時或在由所述轉(zhuǎn)換器 轉(zhuǎn)換后的直流電壓成為既定的電壓閾值以上時進行工作，使轉(zhuǎn)子繞組短路，在所述過壓保 護電路進行工作且通過所述電力控制部停止所述轉(zhuǎn)換器及所述逆變器的工作時，所述葉片 控制部控制風車葉片的槳距角，以使所述發(fā)電機的轉(zhuǎn)速成為同步轉(zhuǎn)速或同步轉(zhuǎn)速以上，在 所述過壓保護電路停止工作且通過所述電力控制部重新開始所述轉(zhuǎn)換器及所述逆變器的 工作時，所述葉片控制部控制風車葉片的槳距角，以使該槳距角與基于風速、所述發(fā)電機的 轉(zhuǎn)速及要求輸出中的至少任一個決定的目標槳距角一致。如此，在具有過壓保護電路時，除轉(zhuǎn)換器及逆變器的工作狀態(tài)之外，也可以考慮過 壓保護電路的工作狀態(tài)而切換風車葉片的槳距角控制。本發(fā)明的第二方式涉及一種風力發(fā)電裝置的控制方法，該風力發(fā)電裝置具備發(fā) 電機；將所述發(fā)電機轉(zhuǎn)子的輸出從三相交流電力轉(zhuǎn)換成直流電力的轉(zhuǎn)換器；將從所述轉(zhuǎn)換 器輸出的直流電力轉(zhuǎn)換成三相交流電力的逆變器；及控制所述轉(zhuǎn)換器及所述逆變器的電力 控制部，所述電力控制部基于所述發(fā)電機的轉(zhuǎn)子電流或由所述轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的直流電壓， 而控制所述轉(zhuǎn)換器及所述逆變器的工作的停止/重新開始，其中，通過所述電力控制部停 止所述轉(zhuǎn)換器及所述逆變器的工作時，控制風車葉片的槳距角，以使所述發(fā)電機的轉(zhuǎn)速成 為同步轉(zhuǎn)速或同步轉(zhuǎn)速以上，通過所述電力控制部重新開始所述轉(zhuǎn)換器及所述逆變器的工 作時，控制風車葉片的槳距角，以使該槳距角與基于風速、所述發(fā)電機的轉(zhuǎn)速及要求輸出中 的至少任一個決定的目標槳距角一致。根據(jù)本發(fā)明，能起到抑制系統(tǒng)電壓恢復時的轉(zhuǎn)矩的上升并能夠減少轉(zhuǎn)矩對設(shè)備產(chǎn) 生的負載的效果。


圖1是示出本發(fā)明的一實施方式的風力發(fā)電裝置的整體結(jié)構(gòu)的框圖。圖2是示出發(fā)電機及其周邊結(jié)構(gòu)的一例的框圖。圖3是說明本發(fā)明的一實施方式的風力發(fā)電裝置的控制的流程圖。圖4是示出與感應(yīng)電動機的轉(zhuǎn)差率對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩及電流的關(guān)系的圖。標號說明1風力發(fā)電裝置3 機艙5風車葉片6 發(fā)電機
13電力系統(tǒng)
14轉(zhuǎn)換器
15DC總線
16逆變器
17AC-DC-AC轉(zhuǎn)換器
21電力控制部
22葉片控制部
27過壓保護電路
具體實施例方式以下，參照附圖對本發(fā)明的風力發(fā)電裝置及其控制方法的一實施方式進行說明。圖1是示出本實施方式的風力發(fā)電裝置的整體結(jié)構(gòu)的框圖。如圖1所示，風力發(fā) 電裝置1具有支柱2 ；設(shè)置在支柱2上端的機艙3 ；能夠繞大致水平的軸線旋轉(zhuǎn)而設(shè)置于 機艙3的轉(zhuǎn)子頭4。在轉(zhuǎn)子頭4上繞其旋轉(zhuǎn)軸線呈放射狀地安裝有三個風車葉片5。由此， 從轉(zhuǎn)子頭4的旋轉(zhuǎn)軸線方向吹到風車葉片5上的風力被轉(zhuǎn)換成使轉(zhuǎn)子頭4繞旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn) 的動力，該動力通過收容在機艙3內(nèi)的發(fā)電機被轉(zhuǎn)換成電能。另外，在機艙3上設(shè)有風速風向計(未圖示)。風速風向計測定風速和風向。機艙 3對由風速風向計測定的風速和風向進行響應(yīng)而旋轉(zhuǎn)。圖2是示出發(fā)電機6及其周邊結(jié)構(gòu)的一例的框圖。在本實施方式中，發(fā)電機(感 應(yīng)電動機)6構(gòu)成為，發(fā)電機6產(chǎn)生的電力能夠從定子繞組及轉(zhuǎn)子繞組這雙方輸出至電力系 統(tǒng)13。具體來說，發(fā)電機6的定子繞組與電力系統(tǒng)13連接，轉(zhuǎn)子繞組經(jīng)由AC-DC-AC轉(zhuǎn)換器 17與電力系統(tǒng)13連接。AC-DC-AC轉(zhuǎn)換器17由轉(zhuǎn)換器14、DC總線15及逆變器16構(gòu)成，將從轉(zhuǎn)子繞組接收 到的交流電力轉(zhuǎn)換成與電力系統(tǒng)13的頻率相適合的交流電力。轉(zhuǎn)換器14將轉(zhuǎn)子繞組上產(chǎn) 生的交流電力轉(zhuǎn)換成直流電力，并將該直流電力向DC總線15輸出。逆變器16將從DC總 線15接收到的直流電力轉(zhuǎn)換成與電力系統(tǒng)13相同頻率的交流電力，并將該交流電力輸出。AC-DC-AC轉(zhuǎn)換器17還具有將從電力系統(tǒng)13接收到的交流電力轉(zhuǎn)換成與轉(zhuǎn)子繞組 的頻率相適合的交流電力的功能，根據(jù)風力發(fā)電裝置1的運轉(zhuǎn)狀況也使用于對轉(zhuǎn)子繞組勵 磁。這種情況下，逆變器16將交流電力轉(zhuǎn)換成直流電力，并將該直流電力向DC總線15輸 出。轉(zhuǎn)換器14將從DC總線15接收到的直流電力轉(zhuǎn)換成與轉(zhuǎn)子繞組的頻率相適合的交流 電力，并將該交流電力向發(fā)電機5的轉(zhuǎn)子繞組供給。另外，在轉(zhuǎn)子繞組上連接有用于轉(zhuǎn)換器14的過電流保護的過壓保護電路27。過壓 保護電路27在流過轉(zhuǎn)子繞組的電流或DC總線15的電壓超過既定的閾值時工作，通過電阻 使轉(zhuǎn)子繞組短路。由此使轉(zhuǎn)子繞組的電流衰減，從而不使過電流流向轉(zhuǎn)換器14。此外，也可 以不通過電阻而進行直接短路。另外，在將發(fā)電機5與電力系統(tǒng)13連接的電力線上設(shè)有對發(fā)電機5的輸出電壓V 和輸出電流I進行計測的電壓/電流傳感器(未圖示)。該電壓/電流傳感器的計測值被 提供給電力控制部21。電力控制部21為了控制響應(yīng)有效電力指令P*、無效電力指令Q*而輸出的有效電力P和無效電力Q，而控制轉(zhuǎn)換器14的功率晶體管的接通切斷。具體來說，電力控制部21 根據(jù)由電壓/電流傳感器測定的輸出電壓V及輸出電流I，算出有效電力P和無效電力Q。 然后電力控制部21生成使有效電力P與有效電力指令P*的差、及無效電力Q與無效電力 指令Q*的差為0的PWM信號，并將生成的PWM信號向轉(zhuǎn)換器14供給。由此，控制有效電力 P和無效電力Q。電力控制部21對發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流及DC鏈路電壓進行監(jiān)控，當所述值超過預先設(shè) 定的電流閾值、電壓閾值時，使過壓保護電路27工作，并切斷轉(zhuǎn)換器14及逆變器16的開 關(guān)。該控制是通常進行的控制。如此，不是根據(jù)系統(tǒng)電壓的狀況使過壓保護電路27等工作，而是根據(jù)上述發(fā)電機 轉(zhuǎn)子電流及DC鏈路電壓的狀況切換控制內(nèi)容，因此無需為了檢測系統(tǒng)電壓下降的情況而 追加新的功能或設(shè)定新的判斷基準。葉片控制部22響應(yīng)槳距指令β *而控制風車葉片5的槳距角β。具體來說，葉片 控制部22以使風車葉片5的槳距角β與槳距指令β * 一致的方式進行控制。接下來，參照圖3對系統(tǒng)電壓下降時的本實施方式的風力發(fā)電裝置的控制方法進 行說明。首先，當系統(tǒng)側(cè)發(fā)生事故等而系統(tǒng)電壓下降時，發(fā)電機6的轉(zhuǎn)子電流增加，且DC鏈 路15的電壓(換言之，由轉(zhuǎn)換器14轉(zhuǎn)換后的直流電壓)增加。電力控制部21判定發(fā)電機6的轉(zhuǎn)子電流是否為預先設(shè)定的電流閾值以上及DC鏈 路15的電壓是否為預先設(shè)定的電壓閾值以上(步驟ASl)，在所述電流及電壓的至少一方超 過各自的閾值時(在步驟SAl中為“是”)，使過壓保護電路27工作并使轉(zhuǎn)換器14及逆變 器16的工作停止(步驟SA2)。由此，過壓保護電路27進行工作，通過電阻使轉(zhuǎn)子繞組短路。而且，通過使轉(zhuǎn)換器 14及逆變器16的驅(qū)動停止，而使向電力系統(tǒng)13的電力供給停止。另外，電力控制部21將使過壓保護電路27工作的內(nèi)容的信號向葉片控制部22輸 出。葉片控制部22接收到過壓保護電路27的工作開始時，控制風車葉片的槳距角，以使發(fā) 電機6的轉(zhuǎn)速成為同步轉(zhuǎn)速或同步轉(zhuǎn)速以上(步驟SA3)。由此，將發(fā)電機6的轉(zhuǎn)速維持成 同步轉(zhuǎn)速或同步轉(zhuǎn)速以上。接下來，系統(tǒng)電壓恢復，當電力控制部21判定為轉(zhuǎn)子電流成為規(guī)定的設(shè)定值以下 或DC鏈路15的電壓為規(guī)定的設(shè)定值以下時(在步驟SA4中為“是”)，電力控制部21使過 壓保護電路27的工作停止并使轉(zhuǎn)換器14及逆變器16的驅(qū)動重新開始(步驟SA5)。另外，電力控制部21將使過壓保護電路27的工作停止的內(nèi)容的信號向葉片控制 部22輸出。葉片控制部22接收到過壓保護電路27的工作停止時，使風車葉片的槳距角控 制返回通常模式(步驟SA6)。即，葉片控制部22控制風車葉片的槳距角，以使其與基于風 速、發(fā)電機6的轉(zhuǎn)速及要求輸出中的至少任一個決定的目標槳距角一致。如此，根據(jù)本實施方式的風力發(fā)電裝置及其控制方法，在轉(zhuǎn)換器14及逆變器16停 止期間，控制風車葉片的槳距角以使發(fā)電機的轉(zhuǎn)速成為同步轉(zhuǎn)速，因此能夠使系統(tǒng)電壓恢 復，并使轉(zhuǎn)換器14及逆變器16開始驅(qū)動時的發(fā)電機6的轉(zhuǎn)差率為0或接近0的值。由此，能夠抑制系統(tǒng)電壓恢復時過渡性地產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的增加，能夠避免轉(zhuǎn)矩增加 對設(shè)備的影響。尤其是能夠避免轉(zhuǎn)矩上升對增速機的齒輪的影響。
此外，在上述實施方式中，當轉(zhuǎn)換器14及逆變器16的工作停止且過壓保護電路27 工作時，切換風車葉片的槳距角控制，但也可以取代這種情況，例如，當轉(zhuǎn)換器14及逆變器 16的工作停止或過壓保護電路27工作時，控制風車葉片的槳距角以使發(fā)電機6的轉(zhuǎn)速成為 同步轉(zhuǎn)速或同步轉(zhuǎn)速以上。另外，也可以設(shè)定使過壓保護電路工作的條件與使轉(zhuǎn)換器14及逆變器16的工作 停止的條件不同。
權(quán)利要求
1.一種風力發(fā)電裝置，具備發(fā)電機；將所述發(fā)電機轉(zhuǎn)子的輸出從三相交流電力轉(zhuǎn)換 成直流電力的轉(zhuǎn)換器；將從所述轉(zhuǎn)換器輸出的直流電力轉(zhuǎn)換成三相交流電力的逆變器；及 控制所述轉(zhuǎn)換器及所述逆變器的電力控制部，所述電力控制部基于所述發(fā)電機的轉(zhuǎn)子電流 或由所述轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的直流電壓，而控制所述轉(zhuǎn)換器及所述逆變器的工作的停止/重新 開始，其中，具有控制風車葉片的槳距角的葉片控制部，在通過所述電力控制部停止所述轉(zhuǎn)換器及所述逆變器的工作時，所述葉片控制部控制 風車葉片的槳距角，以使所述發(fā)電機的轉(zhuǎn)速成為同步轉(zhuǎn)速或同步轉(zhuǎn)速以上，在通過所述電力控制部重新開始所述轉(zhuǎn)換器及所述逆變器的工作時，所述葉片控制部 控制風車葉片的槳距角，以使該槳距角與基于風速、所述發(fā)電機的轉(zhuǎn)速及要求輸出中的至 少任一個決定的目標槳距角一致。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風力發(fā)電裝置，其中，具有過壓保護電路，該過壓保護電路與所述發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組連接，在流過該轉(zhuǎn)子繞 組的電流成為既定的電流閾值以上時或在由所述轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的直流電壓成為既定的電 壓閾值以上時進行工作，使轉(zhuǎn)子繞組短路，在所述過壓保護電路進行工作且通過所述電力控制部停止所述轉(zhuǎn)換器及所述逆變器 的工作時，所述葉片控制部控制風車葉片的槳距角，以使所述發(fā)電機的轉(zhuǎn)速成為同步轉(zhuǎn)速 或同步轉(zhuǎn)速以上，在所述過壓保護電路停止工作且通過所述電力控制部重新開始所述轉(zhuǎn)換器及所述逆 變器的工作時，所述葉片控制部控制風車葉片的槳距角，以使該槳距角與基于風速、所述發(fā) 電機的轉(zhuǎn)速及要求輸出中的至少任一個決定的目標槳距角一致。
3.一種風力發(fā)電裝置的控制方法，該風力發(fā)電裝置具備發(fā)電機；將所述發(fā)電機轉(zhuǎn)子 的輸出從三相交流電力轉(zhuǎn)換成直流電力的轉(zhuǎn)換器；將從所述轉(zhuǎn)換器輸出的直流電力轉(zhuǎn)換成 三相交流電力的逆變器；及控制所述轉(zhuǎn)換器及所述逆變器的電力控制部，所述電力控制部 基于所述發(fā)電機的轉(zhuǎn)子電流或由所述轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的直流電壓，而控制所述轉(zhuǎn)換器及所述 逆變器的工作的停止/重新開始，其中，通過所述電力控制部停止所述轉(zhuǎn)換器及所述逆變器的工作時，控制風車葉片的槳距 角，以使所述發(fā)電機的轉(zhuǎn)速成為同步轉(zhuǎn)速或同步轉(zhuǎn)速以上，通過所述電力控制部重新開始所述轉(zhuǎn)換器及所述逆變器的工作時，控制風車葉片的槳 距角，以使該槳距角與基于風速、所述發(fā)電機的轉(zhuǎn)速及要求輸出中的至少任一個決定的目 標槳距角一致。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于抑制系統(tǒng)電壓恢復時的轉(zhuǎn)矩的上升并減少轉(zhuǎn)矩對設(shè)備產(chǎn)生的負載。具有控制風車葉片的槳距角的葉片控制部(22)，在通過電力控制部(21)停止轉(zhuǎn)換器(14)及逆變器(16)的工作時，葉片控制部(22)控制風車葉片的槳距角，以使發(fā)電機(6)的轉(zhuǎn)速成為同步轉(zhuǎn)速或同步轉(zhuǎn)速以上，在通過電力控制部(21)重新開始轉(zhuǎn)換器(14)及逆變器(16)的工作時，葉片控制部(22)控制風車葉片的槳距角，以使其與基于風速、所述發(fā)電機(6)的轉(zhuǎn)速及要求輸出中的至少任一個決定的目標槳距角一致。
文檔編號F03D7/04GK102112737SQ20098013088
公開日2011年6月29日 申請日期2009年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月20日
發(fā)明者八杉明, 有永真司, 松下崇俊, 柴田昌明, 若狹強志 申請人:三菱重工業(yè)株式會社