CN102782316B - 风力发电装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在电力***发生了频率下降的情况下，避免风力发电装置的断开并可靠地有助于电力***的频率恢复的风力发电装置及其控制方法。风力发电装置在电力***发生了PFR所要求的规定的频率下降的情况下，基于既定的转速下限值与轴转速的计测值的差量而算出极限有效电力，并基于该极限有效电力而生成有效电力指令值，其中，该转速下限值距解列转速具有规定的富余量。

Description

风力发电装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电装置及其控制方法。

背景技术

近些年，对于进行***协同动作的风力发电装置，要求在电力***发生干扰后，在预先规定的时间内(例如30秒以内)有助于电力***的频率变动的恢复(Primary Frequency Response，以下，称为“PFR”。)。

在专利文献1中记载有在PFR中根据转子的转速或输出来对输出的有效电力设置限制的情况。

【专利文献1】美国专利第7345373号说明书

PFR通常根据设定频率与实际的频率(计测值)的偏差(频率变化量)来增减风力发电装置的有效输出，但对于将不固定的自然能量作为动力源的风力发电装置来说，与以气体的燃烧或蒸气等可控制的稳定的能量作为动力源的涡轮发电机相比，存在风车的旋转轴的转速变动较大的情况。

因此，例如，在旋转轴的转速小的情况下，为了进行PFR而要求增加输出，当向***供给的输出超过由此时的旋转轴的转速决定的可输出的最大输出时，成为旋转轴的转速低于解列转速且超过风车的能力的运转，从而存在断开(输出的切断)的可能性。另外，例如在旋转轴的转速大的情况下，当要求进一步增加输出时，存在旋转轴的转速超过过速上限，风力发电装置存在断开的可能性。需要说明的是，断开除了转子的过旋转以外，也存在由过输出、过电流所引起的情况。

这样的PFR执行中的风力发电装置的断开成为干扰而作用于电力***，与不进行PFR的情况相比，可能使电力***的频率更加不稳定。另外，一旦断开而到再起动需要时间，因此风力发电装置无法实现恢复电力***的频率这样的目的。

发明内容

本发明鉴于这样的实际情况而提出，其目的在于提供一种在电力***产生规定的频率变动的情况下，能够可靠地有助于电力***的频率恢复的风力发电装置及其控制方法。

本发明的第一形态涉及一种风力发电装置，在电力***发生频率下降的情况下，增加向所述电力***输出的有效电力，其具备：检测部，其对规定的频率变动进行检测；第一控制部，其在所述检测部检测到规定的频率变动的情况下，基于既定的转速下限值与轴转速的计测值的差量而算出极限有效电力，并基于该极限有效电力而生成向所述电力***供给的有效电力指令值，其中，该转速下限值距解列转速具有规定的富余量。

根据上述形态，在通过检测部检测出电力***中发生了规定的频率变动的情况下，算出通过此时的旋转能量能够输出的最大的电力量(极限有效电力)，并根据该极限有效电力来生成有效电力指令值。通常在发生了PFR所要求的频率变动的情况下，基于电力***的频率来决定有效电力的增加量，但得到了实际上从风力发电装置向电力***供给的有效电力量是比基于电力***的频率所决定的增加量明显小的值这样新的见解。因此，不象以往那样根据***频率的变动量来决定有效电力量，而通过将风力发电装置可输出的最大的有效电力向电力***供给，来避免风力发电装置的断开，并同时最大限度地有助于电力***的频率恢复。

转速下限值为相对于执行解列的解列转速具有规定的余量的值。余量是根据设计而任意决定的值，例如，列举出10％左右作为一例。

上述有效电力是因负载而实际消耗的电力，由下式表示。

有效电力P＝VIcosθ[W]

在上式中，V为电压，I为电流，θ为电压与电流的相位差。

在上述风力发电装置中，所述检测部可以在所述***频率的值小于预先设定的规定的第一阈值且所述***频率相对于单位时间的变化量超过预先设定的规定的第二阈值的情况下，对所述规定的频率变动进行检测。

由于在***频率的计测值和相对于单位时间的变化量这两个指标满足规定的条件时对产生规定的频率变动的情况进行检测，因此能够可靠地检测PFR所需要的***频率的变动。

在上述风力发电装置中，所述第一控制部可以根据单位时间内的所述***频率的变化量来决定向所述电力***供给的有效电力的波形的周期。

由于根据单位时间内的***频率的变化量来决定有效电力涉及的电力指令值的波形的周期，因此能够根据电力***的状态而进行适当的有效电力量。例如，单位时间内***频率的变化量越大，则周期越短。由此，对于急剧的频率变动，通过迅速地向电力***供给有效电力，能够迅速地抑制其急剧的变动。而且，对于缓慢的频率变动，通过形成平缓的有效电力的上升，能够避免过剩的输出补偿。

在上述风力发电装置中，所述第一控制部可以具有包含所述轴转速的计测值作为参数的有效电力指令值的运算式，并利用该运算式来生成所述有效电力指令值。

通过利用运算式来决定有效电力指令值，能够得到与轴转速对应的适当的有效电力指令值，能够进行细微的有效电力的控制。

在上述风力发电装置中，所述第一控制部可以具有对所述轴转速的计测值与所述有效电力指令值建立了关联的表，并利用该表来取得与轴转速的计测值对应的有效电力指令值。

通过保有信息作为表，不需要复杂的运算处理，就能够容易决定有效电力指令值。

本发明的第二形态涉及一种风力发电装置的控制方法，所述风力发电装置在电力***发生了频率下降的情况下，增加向所述电力***输出的有效电力，所述风力发电装置的控制方法包括：对规定的频率变动进行检测的工序；当检测到规定的频率变动的情况下，基于既定的转速下限值与轴转速的计测值的差量而算出极限有效电力，并基于该极限有效电力而生成向所述电力***供给的有效电力指令值的工序，其中，该转速下限值距解列转速具有规定的富余量。

[发明效果]

根据本发明，能够起到在电力***中发生了规定的频率变动的情况下，避免风力发电装置的断开，并可靠地有助于电力***的频率恢复的效果。

附图说明

图1是本发明的一实施方式涉及的风力发电装置的外观图。

图2是表示本发明的一实施方式涉及的风力发电厂的整体结构及风力发电装置的电结构的示意图。

图3是表示本发明的一实施方式涉及的电力指令值生成部的简要结构的框图。

图4是对***频率的变动急剧的情况和变动缓慢的情况下的电力指令值的波形进行比较而示出的图。

具体实施方式

以下，参照附图，说明本发明的一实施方式涉及的风力发电装置及其控制方法。

图1是本发明的一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是所谓的可变速风车，具有：竖立设置在基座12上的支柱14；设置在支柱14上端的舱室16；能够绕大致水平的轴线旋转而设置于舱室16的旋翼头18。

在旋翼头18上绕其旋转轴线呈放射状地安装有多个(在本实施方式中，作为一例为三个)叶片20。叶片20以能够根据运转条件进行转动的方式与旋翼头18连结，且俯仰角能够变化。

图2是表示本实施方式涉及的风力发电厂30的整体结构及风力发电装置10的电结构的示意图。风力发电厂30具备变电所31和多个风力发电装置10。

在变电所31设置有担当风力发电厂30整体的控制的主控制器32(例如，SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition))。

主控制器32从电力***38接收表示要求的有效电力的***要求输出值，并向各风力发电装置10发送。

各风力发电装置10经由变压器34与变电所31连接，并且经由变电所31所具有的变压器35及输电线36进行***协同动作。

各风力发电装置10具备与旋翼头18的旋转轴进行机械连结的增速器21及发电机22。另外，风力发电装置10具备进行叶片俯仰角和发电机22的输出控制的控制装置23、通过控制装置23进行驱动控制的转换器24。增速器21、发电机22、控制装置23及转换器24例如收容于舱室16(参照图1)内。

控制装置23例如具备涡轮控制器40及转换器控制器42。

涡轮控制器40例如生成与***要求输出值对应的有效电力指令值，并将该有效电力指令值向转换器控制器42输出，并且在电力***产生PFR所需要的频率变动的情况下，快速地生成使输出增加的有效电力指令值。另外，涡轮控制器40基于***要求输出值而生成用于控制叶片20的俯仰角的俯仰角指令值，并将该俯仰角指令值向俯仰致动器(未图示)输出。另外，涡轮控制器40将表示风力发电装置10的有效电力、风力发电装置10的控制状态的数据等向主控制器32发送。

转换器控制器42基于从涡轮控制器40输入的有效电力指令值，对转换器24进行控制。

转换器24根据来自转换器控制器42的控制信号，对从发电机22向电力***38供给的有效电力进行控制。

在这样的风力发电装置10中，在从旋翼头18的旋转轴线方向吹到叶片20上的风力作用下，旋翼头18绕旋转轴旋转，其旋转力被增速器21增速，向发电机22传递而使发电机22发电。发电机22产生的发电电力基于来自控制装置23的指示而由转换器24控制，并经由变压器34向变电所31输送。在变电所31中，将来自各风力发电装置10的有效电力合成，并经由设置在变电所31内的变压器35等向电力***38供给。

接着，参照附图，说明作为本发明的主要特征之一的有效电力指令值的生成的一实施方式。有效电力指令值的生成通过控制装置23的涡轮控制器40所具备的有效电力指令值生成部50来执行。图3是表示有效电力指令值生成部50的简要结构的框图。

有效电力指令值生成部50主要具备：基于***频率对产生了PFR所需要的频率变动的情况进行检测的检测部51；生成PFR模式用的有效电力指令值的第一控制部52；生成通常模式用的有效电力指令值的第二控制部53；根据检测部51检测的检测结果而选择第一控制部52和第二控制部53中的任一个的选择部54。

检测部51例如在***频率的值小于预先设定的规定的第一阈值(例如，在60Hz为额定的情况下，为59.90Hz)且***频率相对于单位时间的变化量超过预先设定的规定的第二阈值(例如，在60Hz为额定的情况下，为0.04Hz/秒)的情况下，对产生了PFR所要求的频率变动的情况进行检测，并将PFR模式的信号向选择部54输出。

当被从检测部51输入PFR模式的信号时，选择部54在接收该信号后，在预先设定的规定的期间(例如，10秒)内选择第一控制部52，在经过该规定的期间后切换成第二控制部53。

第一控制部52具备有效电力指令值决定部61和限制器62。有效电力指令值决定部61算出作为通过检测到PFR时的旋转能量能够输出的最大的有效电力的极限有效电力，并基于该极限有效电力而生成电力指令值。具体而言，根据转子的转速(为旋转轴的转速，在图2中使用由增速器21进行增速前的转速，但也可以使用增速后的转速、即发电机22的转子转速。)与预先设定的转速下限值的差量，而决定向电力***供给的有效电力量。

所谓转速下限值，是指距使风力发电装置10解列的解列转速具有规定的余量的转速。余量是根据设计而任意决定的值，在本实施方式中，施加10％程度的余量。

极限输出量p例如使用转子的转速通过以下的(1)式算出。

【式1】

$p=\frac{1}{2J({{\mathrm{\ω}}_m}^2-{{\mathrm{\ω}}_0}^2)}---\left(1\right)$

在此，p为风力发电装置的极限有效电力，J是***的惯量，ω_m是产生PFR所需要的频率变动前的转子的计测转速，ω₀是规定的转速下限值。

例如，在将极限有效电力p作为正弦波向电力***38侧供给的情况下，各时刻的有效电力指令值由以下的(2)式提供。

【数2】

${\∫}_{t0}^{t1}\mathrm{\Δpdt}={\∫}_{t0}^{t1}(\mathrm{\ΔP}\·\mathrm{Sbase}\·\sin {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{pfr}}t)\mathrm{dt}=\frac{1}{2J({{\mathrm{\ω}}_m}^2-{{\mathrm{\ω}}_0}^2)}---\left(2\right)$

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{pfr}}=\frac{a}{f_{\mathrm{grad}}}---\left(3\right)$

在(2)式中，Δp为各时刻的有效电力指令值，ΔP·Sbase是正弦波的振幅(其中，Sbase为额定输出)，ω_pfr·t是正弦波的周期，a是规定的常数。另外，如(3)式所示，ω_pfr是单位时间内的***频率的变化量的函数，单位时间内的***频率的变化量f_grad越大，ω_pfr越小。

因此，如在图4中进行比较而示出那样，在单位时间内的***频率的变化量比较大的情况下，即，如图4中实线所示那样***频率的斜率陡峭的情况下，PFR模式下的电力指令值的周期变短。另一方面，在单位时间内的***频率的变化量比较小的情况下，即，如图4中虚线所示那样***频率的斜率平缓的情况下，PFR模式下的有效电力指令值的周期变长。需要说明的是，如上述(1)式所示，任一个的波形的面积、即供给的有效电力都相等。

如此，通过根据***频率下降的斜率来改变有效电力指令值的正弦波的周期，而对于急剧的频率变动，通过迅速地向电力***供给有效电力，能够适当地抑制其变动，对于缓慢的频率变动，通过形成平缓的有效电力上升，能够避免过剩的输出补偿。

第一控制部52中的限制器62对根据上述(2)式求出的各时刻的有效电力指令值ΔP·Sbase进行抑制，以免其超过根据风力发电装置的机械机构上的制约(例如，电气设备的耐热量或机械设备的载荷等)所决定的输出上限值。由此，能够避免风力发电装置10的断开，能够将发电电力可靠地向电力***38供给。

第二控制部53生成通常模式下的有效电力指令值。例如，生成与转子的计测转速对应的有效电力指令值。

在具备这样的结构的风力发电装置10中，在***频率稳定的情况下，通过选择部54选择第二控制部53，通过第二控制部53将生成的有效电力指令值向转换器控制器42(参照图2)输出。转换器控制器42基于输入的有效电力指令值来控制转换器24，由此通过第二控制部53将与生成的有效电力指令值对应的有效电力向电力***38供给。在这样的状态下，在电力***38中产生干扰，***频率下降，由此当通过检测部51检测到发生了PFR所需要的频率变动时，将PFR模式的信号向选择部54输出。

当选择部54接收到PFR模式的信号时，从第二控制部53切换为第一控制部52。

由此，将转子的计测转速、单位时间内的***频率的变动量作为输入信息向第一控制部52的有效电力指令值决定部61输入，基于上述的信息并利用上述(2)式而生成正弦波的有效电力指令值。该有效电力指令值经由限制器62进行抑制，以免其超过风力发电装置10的机械机构中的由热或强度上的制约所决定的上限值，并将该有效电力指令值向转换器控制器42输出。转换器控制器42基于输入的有效电力指令值对转换器24进行控制。由此，将最大限度地利用了各风量发电装置10的旋转能量的有效电力向电力***38供给，从而有助于频率变动的提前恢复。

如以上说明所示，根据本实施方式涉及的风力发电装置及其控制方法，在风力发电装置10不断开的范围内将向电力***供给的有效电力设定为可输出的最大的有效电力，因此在恢复电力***38的频率变动的情况下，能够避免有效电力的增减过剩而风力发电装置10无法向电力***供给有效电力的情况。

并且，由于发电输出的周期基于单位时间内的***频率的变化量、换言之基于***频率下降的斜率决定，因此对于急剧的频率变动，能够迅速地向电力***供给有效电力而适当地抑制该变动，并且，对于缓慢的频率变动，通过形成平缓的有效电力的上升而能够避免过剩的输出补偿。

需要说明的是，在本实施方式涉及的风力发电装置及其控制方法中，叙述了第一控制部52保有以转子的转速及单位时间内的***频率的变化量为参数的运算式，且利用该运算式来生成有效电力指令值的情况，但也可以将其代替，而例如将转子的转速划分为多个转速水平，并预先存储对各转速水平与有效电力指令值建立了关联的表。在此，例如某转速水平为α以上且小于β时，与各转速水平建立了关联的有效电力指令值为将该转速水平的中间值即(α+β)/2代入上述(2)式时的电力指令值。另外，由于有效电力指令值的波形的周期通过单位时间内的***频率的变化量决定，因此可以准备以单位时间内的***频率的变化量和转速水平为变量的二维的表。如此，通过保有有效电力指令值作为表，能够不进行繁杂的运算处理，而容易生成有效电力指令值。

另外，在本实施方式中，生成了有效电力指令值作为正弦波，但波形并不局限于该例子。

另外，在本实施方式中，对风力发电厂30进行例示说明，但也能够适用于通过一台风力发电装置进行发电的情况。

另外，在本实施方式中，利用转子的转速来决定有效电力指令值，但也可以将其代替，而使用发电机的转速。

另外，在本实施方式中，对于使用了同步发电机的风力发电装置进行了例示，但发电机的结构不局限于该例子。

另外，在本实施方式涉及的风力发电装置10中，上述涡轮控制器40所具备的有效电力指令值生成部50既可以组合专用的控制电路而构成，也可以通过软件来实现。在通过软件实现上述各部分的处理的情况下，有效电力指令值生成部50具备CPU、RAM等主存储装置以及记录有用于实现上述处理的全部或一部分的程序的计算机能够读取的记录介质，CPU读出记录在上述记录介质中的程序，并执行信息的加工·运算处理，从而实现上述的各部分的处理。

在此，计算机能够读取的记录介质是指磁盘、光盘、CD-ROM、DVD-ROM、半导体存储器等。

符号说明：

10  风力发电装置

16  舱室

18  旋翼头

20  叶片

21  增速器

22  发电机

23  控制装置

24  转换器

30  风力发电厂

31  变电所

38  电力***

40  涡轮控制器

42  转换器控制器

50  有效电力指令值生成部

51  检测部

52  第一控制部

53  第二控制部

54  选择部

61  有效电力指令值决定部

62  限制器

Claims (10)

1.一种风力发电装置，在电力***发生了频率下降的情况下，增加向所述电力***输出的有效电力，其具备：

检测部，其对规定的频率变动进行检测；

第一控制部，其在所述检测部检测到规定的频率变动的情况下，基于既定的转速下限值与轴转速的计测值的差量而算出作为通过旋转能量能够输出的最大的电力量的极限有效电力，并基于该极限有效电力而生成向所述电力***供给的有效电力指令值，其中，该转速下限值距解列转速具有规定的富余量。

2.根据权利要求1所述的风力发电装置，其中，

所述检测部在所述***频率的值小于预先设定的规定的第一阈值且所述***频率相对于单位时间的变化量超过预先设定的规定的第二阈值的情况下，对所述规定的频率变动进行检测。

3.根据权利要求1所述的风力发电装置，其中，

所述第一控制部根据单位时间内的所述***频率的变化量来决定向所述电力***供给的有效电力的波形的周期。

4.根据权利要求1所述的风力发电装置，其中，

所述第一控制部具有包含所述轴转速的计测值作为参数的有效电力指令值的运算式，并利用该运算式而生成所述有效电力指令值。

5.根据权利要求1所述的风力发电装置，其中，

所述第一控制部具有对所述轴转速的计测值与所述有效电力指令值建立了关联的表，并利用该表来取得与轴转速的计测值对应的有效电力指令值。

6.一种风力发电装置的控制方法，所述风力发电装置在电力***发生了频率下降的情况下，增加向所述电力***输出的有效电力，所述风力发电装置的控制方法包括：

对规定的频率变动进行检测的第一工序；

在检测到规定的频率变动的情况下，基于既定的转速下限值与轴转速的计测值的差量而算出作为通过旋转能量能够输出的最大的电力量的极限有效电力，并基于该极限有效电力而生成向所述电力***供给的有效电力指令值的第二工序，其中，该转速下限值距解列转速具有规定的富余量。

7.根据权利要求3所述的风力发电装置，其中，

所述第一控制部在单位时间内的所述***频率的变化量越大时，越缩短向所述电力***供给的有效电力的波形的周期。

8.根据权利要求1所述的风力发电装置，其中，

所述风力发电装置还具备：

第二控制部，其生成与所述轴转速的计测值对应的有效电力指令值；

选择部，其在通过所述检测部检测到所述规定的频率变动的情况下，在预先设定的规定的期间内，选择通过所述第一控制部决定的有效电力指令值，在该规定的期间经过之后，选择通过所述第二控制部决定的有效电力指令值，

基于通过所述选择部选择的所述有效电力指令值来控制向所述电力***供给的有效电力。

9.根据权利要求6所述的风力发电装置的控制方法，其中，

所述第二工序中，在单位时间内的所述***频率的变化量越大时，越缩短向所述电力***供给的有效电力的波形的周期。

10.根据权利要求6所述的风力发电装置的控制方法，其中，

所述风力发电装置的控制方法还包括：

生成与所述轴转速的计测值对应的有效电力指令值的第三工序；

在所述第一工序中检测到所述规定的频率变动的情况下，在预先设定的规定的期间内，选择在所述第二工序中决定的有效电力指令值，在该规定的期间经过之后，选择在所述第三工序中决定的有效电力指令值的第四工序，

基于在所述第四工序中选择的所述有效电力指令值来控制向所述电力***供给的有效电力。