專利名稱：風力發(fā)電裝置及其控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及風力發(fā)電裝置及其控制方法。
背景技術：
近些年，對于進行系統(tǒng)協(xié)同動作的風力發(fā)電裝置，要求在電力系統(tǒng)發(fā)生干擾后，在預先規(guī)定的時間內(nèi)(例如30秒以內(nèi))有助于電力系統(tǒng)的頻率變動的恢復(PrimaryFrequency Response,以下，稱為 “PFR”。)。在專利文獻I中記載有在PFR中根據(jù)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速或輸出來對輸出的有效電力設置限制的情況。專利文獻I美國專利第7345373號說明書 PFR通常根據(jù)設定頻率與實際的頻率(計測值)的偏差(頻率變化量)來增減風力發(fā)電裝置的有效輸出，但對于將不固定的自然能量作為動力源的風力發(fā)電裝置來說，與以氣體的燃燒或蒸氣等可控制的穩(wěn)定的能量作為動力源的渦輪發(fā)電機相比，存在風車的旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速變動較大的情況。因此，例如，在旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速小的情況下，為了進行PFR而要求增加輸出，當向系統(tǒng)供給的輸出超過由此時的旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速決定的可輸出的最大輸出時，成為旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速低于解列轉(zhuǎn)速且超過風車的能力的運轉(zhuǎn)，從而存在斷開(輸出的切斷)的可能性。另外，例如在旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速大的情況下，當要求進一步增加輸出時，存在旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速超過過速上限，風力發(fā)電裝置存在斷開的可能性。需要說明的是，斷開除了轉(zhuǎn)子的過旋轉(zhuǎn)以外，也存在由過輸出、過電流所引起的情況。這樣的PFR執(zhí)行中的風力發(fā)電裝置的斷開成為干擾而作用于電力系統(tǒng)，與不進行PFR的情況相比，可能使電力系統(tǒng)的頻率更加不穩(wěn)定。另外，一旦斷開而到再起動需要時間，因此風力發(fā)電裝置無法實現(xiàn)恢復電力系統(tǒng)的頻率這樣的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明鑒于這樣的實際情況而提出，其目的在于提供一種在電力系統(tǒng)產(chǎn)生規(guī)定的頻率變動的情況下，能夠可靠地有助于電力系統(tǒng)的頻率恢復的風力發(fā)電裝置及其控制方法。本發(fā)明的第一形態(tài)涉及一種風力發(fā)電裝置，在電力系統(tǒng)發(fā)生頻率下降的情況下，增加向所述電力系統(tǒng)輸出的有效電力，其具備檢測部，其對規(guī)定的頻率變動進行檢測；第一控制部，其在所述檢測部檢測到規(guī)定的頻率變動的情況下，基于既定的轉(zhuǎn)速下限值與軸轉(zhuǎn)速的計測值的差量而算出極限有效電力，并基于該極限有效電力而生成有效電力指令值，其中，該轉(zhuǎn)速下限值距解列轉(zhuǎn)速具有規(guī)定的富余量。根據(jù)上述形態(tài)，在通過檢測部檢測出電力系統(tǒng)中發(fā)生了規(guī)定的頻率變動的情況下，通過此時的旋轉(zhuǎn)能量來算出可輸出的最大的電力量(極限有效電力)，并根據(jù)該極限有效電力來生成有效電力指令值。通常在發(fā)生了 PFR所要求的頻率變動的情況下，基于電力系統(tǒng)的頻率來決定有效電力的增加量，但得到了實際上從風力發(fā)電裝置向電力系統(tǒng)供給的有效電力量是比基于電力系統(tǒng)的頻率所決定的增加量明顯小的值這樣新的見解。因此，不象以往那樣根據(jù)系統(tǒng)頻率的變動量來決定有效電力量，而通過將風力發(fā)電裝置可輸出的最大的有效電力向電力系統(tǒng)供給，來避免風力發(fā)電裝置的斷開，并同時最大限度地有助于電力系統(tǒng)的頻率恢復。轉(zhuǎn)速下限值為相對于執(zhí)行解列的解列轉(zhuǎn)速具有規(guī)定的余量的值。余量是根據(jù)設計而任意決定的值，例如，列舉出10%左右作為一例。
上述有效電力是因負載而實際消耗的電力，由下式表示。有效電力P = VIcos Θ [ff]在上式中，V為電壓，I為電流，Θ為電壓與電流的相位差。在上述風力發(fā)電裝置中，所述檢測部可以在所述系統(tǒng)頻率的值小于預先設定的規(guī)定的第一閾值且所述系統(tǒng)頻率相對于單位時間的變化量超過預先設定的規(guī)定的第二閾值的情況下，對所述規(guī)定的頻率變動進行檢測。由于在系統(tǒng)頻率的計測值和相對于單位時間的變化量這兩個指標滿足規(guī)定的條件時對產(chǎn)生規(guī)定的頻率變動的情況進行檢測，因此能夠可靠地檢測PFR所需要的系統(tǒng)頻率的變動。在上述風力發(fā)電裝置中，所述第一控制部可以根據(jù)單位時間內(nèi)的所述系統(tǒng)頻率的變化量來決定向所述電力系統(tǒng)供給的有效電力的波形的周期。由于根據(jù)單位時間內(nèi)的系統(tǒng)頻率的變化量來決定有效電力涉及的電力指令值的波形的周期，因此能夠根據(jù)電力系統(tǒng)的狀態(tài)而進行適當?shù)挠行щ娏α?。例如，單位時間內(nèi)系統(tǒng)頻率的變化量越大，則周期越短。由此，對于急劇的頻率變動，通過迅速地向電力系統(tǒng)供給有效電力，能夠迅速地抑制其變動。而且，對于緩慢的頻率變動，通過形成平緩的有效電力的上升，能夠避免過剩的輸出補償。在上述風力發(fā)電裝置中，所述第一控制部可以具有包含所述軸轉(zhuǎn)速的計測值作為參數(shù)的有效電力指令值的運算式，并利用該運算式來生成所述有效電力指令值。通過利用運算式來決定有效電力指令值，能夠得到與軸轉(zhuǎn)速對應的適當?shù)挠行щ娏χ噶钪担軌蜻M行細微的有效電力的控制。在上述風力發(fā)電裝置中，所述第一控制部可以具有對所述軸轉(zhuǎn)速的計測值與所述有效電力指令值建立了關聯(lián)的表，并利用該表來取得與軸轉(zhuǎn)速的計測值對應的有效電力指令值。通過保有信息作為表，不需要復雜的運算處理，就能夠容易決定有效電力指令值。本發(fā)明的第二形態(tài)涉及一種風力發(fā)電裝置的控制方法，所述風力發(fā)電裝置在電力系統(tǒng)發(fā)生了頻率下降的情況下，增加向所述電力系統(tǒng)輸出的有效電力，所述風力發(fā)電裝置的控制方法包括對規(guī)定的頻率變動進行檢測的工序；當檢測到規(guī)定的頻率變動的情況下，基于既定的轉(zhuǎn)速下限值與軸轉(zhuǎn)速的計測值的差量而算出極限有效電力，并基于該極限有效電力而生成向所述電力系統(tǒng)供給的有效電力指令值的工序，其中，該轉(zhuǎn)速下限值距解列轉(zhuǎn)速具有規(guī)定的富余量。[發(fā)明效果]根據(jù)本發(fā)明，能夠起到在電力系統(tǒng)中發(fā)生了規(guī)定的頻率變動的情況下，避免風力發(fā)電裝置的斷開，并可靠地有助于電力系統(tǒng)的頻率恢復的效果。


圖I是本發(fā)明的一實施方式涉及的風力發(fā)電裝置的外觀圖。圖2是表示本發(fā)明的一實施方式涉及的風力發(fā)電廠的整體結(jié)構(gòu)及風力發(fā)電裝置的電結(jié)構(gòu)的示意圖。圖3是表示本發(fā)明的一實施方式涉及的電力指令值生成部的簡要結(jié)構(gòu)的框圖。圖4是對系統(tǒng)頻率的變動急劇的情況和變動緩慢的情況下的電力指令值的波形進行比較而示出的圖。
具體實施方式

以下，參照附圖，說明本發(fā)明的一實施方式涉及的風力發(fā)電裝置及其控制方法。圖I是本發(fā)明的一實施方式涉及的風力發(fā)電裝置10的外觀圖。圖I所示的風力發(fā)電裝置10是所謂的可變速風車，具有豎立設置在基座12上的支柱14 ;設置在支柱14上端的艙室16 ;能夠繞大致水平的軸線旋轉(zhuǎn)而設置于艙室16的旋翼頭18。在旋翼頭18上繞其旋轉(zhuǎn)軸線呈放射狀地安裝有多個(在本實施方式中，作為一例為三個)葉片20。葉片20以能夠根據(jù)運轉(zhuǎn)條件進行轉(zhuǎn)動的方式與旋翼頭18連結(jié)，且俯仰角能夠變化。圖2是表示本實施方式涉及的風力發(fā)電廠30的整體結(jié)構(gòu)及風力發(fā)電裝置10的電結(jié)構(gòu)的示意圖。風力發(fā)電廠30具備變電所31和多個風力發(fā)電裝置10。在變電所31設置有擔當風力發(fā)電廠30整體的控制的主控制器32(例如，SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition))。主控制器32從電力系統(tǒng)38接收表不要求的有效電力的系統(tǒng)要求輸出值,并向各風力發(fā)電裝置10發(fā)送。各風力發(fā)電裝置10經(jīng)由變壓器34與變電所31連接，并且經(jīng)由變電所31所具有的變壓器35及輸電線36進行系統(tǒng)協(xié)同動作。各風力發(fā)電裝置10具備與旋翼頭18的旋轉(zhuǎn)軸進行機械連結(jié)的增速器21及發(fā)電機22。另外，風力發(fā)電裝置10具備進行葉片俯仰角和發(fā)電機22的輸出控制的控制裝置23、通過控制裝置23進行驅(qū)動控制的轉(zhuǎn)換器24。增速器21、發(fā)電機22、控制裝置23及轉(zhuǎn)換器24例如收容于艙室16 (參照圖I)內(nèi)。控制裝置23例如具備渦輪控制器40及轉(zhuǎn)換器控制器42。渦輪控制器40例如生成與系統(tǒng)要求輸出值對應的有效電力指令值，并將該有效電力指令值向轉(zhuǎn)換器控制器42輸出，并且在電力系統(tǒng)產(chǎn)生PFR所需要的頻率變動的情況下，快速地生成使輸出增加的有效電力指令值。另外，渦輪控制器40基于系統(tǒng)要求輸出值而生成用于控制葉片20的俯仰角的俯仰角指令值，并將該俯仰角指令值向俯仰致動器(未圖示)輸出。另外，渦輪控制器40將表示風力發(fā)電裝置10的有效電力、風力發(fā)電裝置10的控制狀態(tài)的數(shù)據(jù)等向主控制器32發(fā)送。轉(zhuǎn)換器控制器42基于從渦輪控制器40輸入的有效電力指令值，對轉(zhuǎn)換器24進行控制。
轉(zhuǎn)換器24根據(jù)來自轉(zhuǎn)換器控制器42的控制信號，對從發(fā)電機22向電力系統(tǒng)38供給的有效電力進行控制。在這樣的風力發(fā)電裝置10中，在從旋翼頭18的旋轉(zhuǎn)軸線方向吹到葉片20上的風力作用下，旋翼頭18繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)力被增速器21增速，向發(fā)電機22傳遞而使發(fā)電機22發(fā)電。發(fā)電機22產(chǎn)生的發(fā)電電力基于來自控制裝置23的指示而由轉(zhuǎn)換器24控制，并經(jīng)由變壓器34向變電所31輸送。在變電所31中，將來自各風力發(fā)電裝置10的有效電力合成，并經(jīng)由設置在變電所31內(nèi)的變壓器35等向電力系統(tǒng)38供給。接著，參照附圖，說明作為本發(fā)明的主要特征之一的有效電力指令值的生成的一實施方式。有效電力指令值的生成通過控制裝置23的渦輪控制器40所具備的有效電力指令值生成部50來執(zhí)行。圖3是表示有效電力指令值生成部50的簡要結(jié)構(gòu)的框圖。有效電力指令值生成部50主要具備基于系統(tǒng)頻率對產(chǎn)生了 PFR所需要的頻率變動的情況進行檢測的檢測部51 ;生成PFR模式用的有效電力指令值的第一控制部52 ;生成通常模式用的有效電力指令值的第二控制部53 ;根據(jù)檢測部51檢測的檢測結(jié)果而選擇第 一控制部52和第二控制部53中的任一個的選擇部54。檢測部51例如在系統(tǒng)頻率的值小于預先設定的規(guī)定的第一閾值(例如，在60Hz為額定的情況下，為59.90Hz)且系統(tǒng)頻率相對于單位時間的變化量超過預先設定的規(guī)定的第二閾值(例如，在60Hz為額定的情況下，為O. 04Hz/秒)的情況下，對產(chǎn)生了 PFR所要求的頻率變動的情況進行檢測，并將PFR模式的信號向選擇部54輸出。當被從檢測部51輸入PFR模式的信號時，選擇部54在接收該信號后，在預先設定的規(guī)定的期間(例如，10秒)內(nèi)選擇第一控制部52，在經(jīng)過該規(guī)定的期間后切換成第二控制部53。第一控制部52具備有效電力指令值決定部61和限制器62。有效電力指令值決定部61根據(jù)檢測到PFR時的旋轉(zhuǎn)能量，算出作為可輸出的最大的有效電力的極限有效電力，并基于該極限有效電力而生成電力指令值。具體而言，根據(jù)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速(為旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，在圖2中使用由增速器21進行增速前的轉(zhuǎn)速，但也可以使用增速后的轉(zhuǎn)速、即發(fā)電機22的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。)與預先設定的轉(zhuǎn)速下限值的差量，而決定向電力系統(tǒng)供給的有效電力量。所謂轉(zhuǎn)速下限值，是指距使風力發(fā)電裝置10解列的解列轉(zhuǎn)速具有規(guī)定的余量的轉(zhuǎn)速。余量是根據(jù)設計而任意決定的值，在本實施方式中，施加10%程度的余量。極限輸出量P例如使用轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速通過以下的⑴式算出。式IP = -——\-27(!)
- ωο )在此，P為風力發(fā)電裝置的極限有效電力，J是系統(tǒng)的慣量，ωπ是產(chǎn)生PFR所需要的頻率變動前的轉(zhuǎn)子的計測轉(zhuǎn)速，Qci是規(guī)定的轉(zhuǎn)速下限值。例如，在將極限有效電力P作為正弦波向電力系統(tǒng)38側(cè)供給的情況下，各時刻的有效電力指令值由以下的(2)式提供。數(shù)2
權(quán)利要求
1.一種風力發(fā)電裝置，在電力系統(tǒng)發(fā)生了頻率下降的情況下，增加向所述電力系統(tǒng)輸出的有效電力，其具備 檢測部，其對規(guī)定的頻率變動進行檢測； 第一控制部，其在所述檢測部檢測到規(guī)定的頻率變動的情況下，基于既定的轉(zhuǎn)速下限值與軸轉(zhuǎn)速的計測值的差量而算出極限有效電力，并基于該極限有效電力而生成向所述電力系統(tǒng)供給的有效電力指令值，其中，該轉(zhuǎn)速下限值距解列轉(zhuǎn)速具有規(guī)定的富余量。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風力發(fā)電裝置，其中， 所述檢測部在所述系統(tǒng)頻率的值小于預先設定的規(guī)定的第一閾值且所述系統(tǒng)頻率相對于單位時間的變化量超過預先設定的規(guī)定的第二閾值的情況下，對所述規(guī)定的頻率變動進行檢測。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風力發(fā)電裝置，其中， 所述第一控制部根據(jù)單位時間內(nèi)的所述系統(tǒng)頻率的變化量來決定向所述電力系統(tǒng)供給的有效電力的波形的周期。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風力發(fā)電裝置，其中， 所述第一控制部具有包含所述軸轉(zhuǎn)速的計測值作為參數(shù)的有效電力指令值的運算式，并利用該運算式而生成所述有效電力指令值。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風力發(fā)電裝置，其中， 所述第一控制部具有對所述軸轉(zhuǎn)速的計測值與所述有效電力指令值建立了關聯(lián)的表，并利用該表來取得與軸轉(zhuǎn)速的計測值對應的電力指令值。
6.一種風力發(fā)電裝置的控制方法，所述風力發(fā)電裝置在電力系統(tǒng)發(fā)生了頻率下降的情況下，增加向所述電力系統(tǒng)輸出的有效電力，所述風力發(fā)電裝置的控制方法包括 對規(guī)定的頻率變動進行檢測的工序； 在檢測到規(guī)定的頻率變動的情況下，基于既定的轉(zhuǎn)速下限值與軸轉(zhuǎn)速的計測值的差量而算出極限有效電力，并基于該極限有效電力而生成向所述電力系統(tǒng)供給的有效電力指令值的工序，其中，該轉(zhuǎn)速下限值距解列轉(zhuǎn)速具有規(guī)定的富余量。
全文摘要
本發(fā)明提供一種在電力系統(tǒng)發(fā)生了頻率下降的情況下，避免風力發(fā)電裝置的斷開并可靠地有助于電力系統(tǒng)的頻率恢復的風力發(fā)電裝置及其控制方法。風力發(fā)電裝置在電力系統(tǒng)發(fā)生了PFR所要求的規(guī)定的頻率下降的情況下，基于既定的轉(zhuǎn)速下限值與軸轉(zhuǎn)速的計測值的差量而算出極限有效電力，并基于該極限有效電力而生成有效電力指令值，其中，該轉(zhuǎn)速下限值距解列轉(zhuǎn)速具有規(guī)定的富余量。
文檔編號F03D7/02GK102782316SQ20118000047
公開日2012年11月14日 申請日期2011年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月28日
發(fā)明者八杉明, 筱田尚信, 若狹強志 申請人:三菱重工業(yè)株式會社