TWI393320B - System stabilization devices, methods, and wind power generation systems - Google Patents

Description

系統安定化裝置、方法、及風力發電系統

本發明係關於系統安定化裝置、方法、及風力發電系統。

先前，雖於進行系統併聯之風力發電裝置中，存在使用鼠籠式感應發電機者，但是若因電力系統發生故障等，使得電力系統側之電壓產生變動之情形時，感應發電機側會從系統側吸收剩餘之無效電力，而無法符合系統併聯規定。因此，藉由使用鼠籠式感應發電機之風力發電裝置進行系統併聯之情形時，已知於風力電廠內，另行設置補償無效電力之裝置等，使其與系統併聯規定一致。

[專利文獻1]日本特開2000-175360號公報

但，如前所述於風力電廠內另行設置無效電力補償裝置，有必要進行土木工程等大規模之工程，故存在對於具有既存之鼠籠式感應發電機之風力發電系統之環境難以設置無效電力補償裝置之問題。

本發明係為解決前述問題而完成者，其目的在於提供一種不需要大規模之工程，且可供給安定之無效電力之系統安定化裝置、方法、及風力發電系統。

為解決前述問題，本發明採用以下各部。

本發明之第1態樣，係一種系統安定化裝置，其係應用於發電系統者，該發電系統具備：具有鼠籠式感應發電機並利用自然能源發電之發電裝置；及設於前述發電裝置與電力系統之間以切換該發電裝置與電力系統之連接及非連接之連接切換部；該系統安定化裝置具備無效電力調整部，其係當前述電力系統之電壓滿足預先設定之變動條件，而使前述發電裝置與前述電力系統成為非連接狀態之情形時，對前述電力系統供給無效電力，或由前述電力系統吸收無效電力。

根據如此之構成，若因落雷等造成接地故障或短路而引起短時間(數秒以下)之電壓降低，從而使電力系統之電壓滿足預先設定之變動條件，藉由連接切換部使發電裝置從電力系統成為非連接狀態之情形時，從無效電力調整部向電力系統供給無效電力。

如此，因具備用於調整無效電力之專用裝置(無效電力調整部)，故於電力系統滿足預先設定之電壓之變動條件之情形時，可供給安定之無效電力至電力系統，或由電力系統吸收無效電流。

於前述系統安定化裝置中，當前述發電裝置與前述電力系統成為非連接狀態之情形時，亦可具備經由前述連接切換部而與前述發電裝置連接之負載。

如此，當發電裝置與電力系統成為非連接狀態之情形時，因藉由連接切換部使發電裝置與負載連接，故可使發電裝置之輸出供給至負載，而防止發電裝置超轉速。負載係例如放電電阻。

前述系統安定化裝置中，前述無效電力調整部亦可具備蓄電裝置與電力轉換器。

如此，在進行無效電力之補償之情形中，因蓄電裝置可為小容量，故無效電力調整部可小型化。藉此，可容易地安裝於既存之發電系統。又，蓄電裝置係例如電池、電容器等。

前述系統安定化裝置中，前述無效電力調整部亦可具有用於安裝至前述電力系統之安裝部。

藉此，可容易地設置於既存之發電系統。

本發明之第2態樣係一種風力發電系統，其具備：具有鼠籠式感應發電機且利用風力能源發電之發電裝置；設於前述發電裝置與電力系統之間以切換該發電裝置與前述電力系統之連接及非連接之連接切換部；及，當前述電力系統之電壓滿足預先設定之變動條件，而使前述發電裝置與前述電力系統成為非連接狀態之情形時，向前述電力系統供給無效電力，或由前述電力系統吸收無效電力之無效電力調整部。

於前述風力發電系統中，當前述發電裝置與前述電力系統成為非連接狀態之情形時，亦可具備經由前述連接切換部而與前述發電裝置連接之負載。

於前述風力發電系統中，前述連接切換部於連接前述發電裝置與前述負載之狀態下，當前述發電裝置側之輸出電壓較既定之特定值更小之情形時，亦可將前述發電裝置之輸出端接地。

本發明之第3態樣，係一種系統安定化方法，其係應用於發電系統者，該發電系統具備：具有鼠籠式感應發電機且利用自然能源發電之發電裝置；及設於前述發電裝置與電力系統之間以切換該發電裝置與前述電力系統之連接及非連接之連接切換部；系統安定化方法係有別於前述發電裝置另行設置無效電力調整部，其係當前述電力系統之電壓滿足預先設定之變動條件，而使前述發電裝置與前述電力系統成為非連接狀態之情形時，向前述電力系統供給無效電力，或由前述電力系統吸收無效電力。

根據本發明，將達到不需要大規模之土木工程，且可供給安定之無效電力之效果。

以下，對本發明之系統安定化裝置、方法、及風力發電系統之一實施形態，參照圖式進行說明。

本實施形態中，對應用本發明之系統安定化裝置之風力發電系統進行說明。又，本實施形態之發電機，係例如鼠籠式感應發電機。

圖1係表示應用本實施形態之系統安定化裝置之風力發電系統1之概略構成之方塊圖。

如圖1所示，本實施形態之風力發電系統1，具備風車葉片10、風車轉子11、齒輪12、發電機(發電裝置)13、連接切換部14、發電機側電壓感測器16、系統側電壓感測器17、發電機側電流感測器19、控制部18、及系統安定化裝置2。

圖1中，複數片風車葉片10安裝於風車轉子11。於風車轉子11之主軸，經由具有特定變速比之齒輪12而連接發電機13。發電機13係藉由例如3相之電力線與連接切換部14連接，而與電力系統15之連接與非連接係藉由連接切換部14進行切換。又，連接切換部14之連接之切換，係藉由控制部18進行。

發電機側電壓感測器16係計測比連接切換部14較靠近發電機13側之電壓，將計測結果輸出至控制部18。系統側電壓感測器17係計測比起連接切換部14較靠近電力系統15側之電壓，將計測結果輸出至控制部18。

又，發電機側電流感測器19係計測比起連接切換部14較靠近發電機13側之電流，將計測結果輸出至無效電力調整部21。

控制部18基於發電機側電壓感測器16、及系統側電壓感測器17等所檢測出之電壓值，進行連接切換部14之連接之切換，及系統安定化裝置2(詳細如後所述)之控制。

當發生產生系統故障等使得電力系統15之電力滿足預先設定之變動條件之情形時，連接切換部14根據來自控制部18之信號而動作，將發動機13與電力系統15從連接狀態切換至非連接狀態。具體而言，當藉由系統側電壓感測器17檢測出之電壓滿足預先設定之變動條件之情形時，連接切換部14將發電機13與電力系統15切換至非連接狀態，使發電機13與負載20連接。又，於發電機13與負載20連接之狀態下，當發電機側電壓感測器16所檢測出之發電機13側之電壓為低於特定值之情形時，連接切換部14將發電機13與負載20切換至非連接狀態，使發電機13之輸出端子接地。此外，於該狀態下，當達到發電機13側之風速條件，成為可與電力系統15側併聯之狀態之情形時，連接切換部14便將發電機13與電力系統15切換至連接狀態。

系統安定化裝置2具備負載20與無效電力調整部21。

當發電機13與電力系統15轉為非連接狀態之情形時，負載20經由連接切換部14與發電機13連接。具體而言，負載20係放電電阻，消耗來自發電機13之輸出電力。

又，當負載20與發電機13經由連接切換部14為連接狀態之情形時，風車葉片10藉由控制部18或與控制部18分開設置之其他控制部控制傾斜角，進行降低風車葉片10之轉數之控制。

負載20與發電機13經由連接切換部14連接之狀態下，可緩和發電機13與電力系統15剛成為非連接狀態後之風車轉子11之轉數之急速上昇。又，當藉由發電機側電壓感測器16檢測出之發電機13側之電壓為低於特定值之情形時，控制部18使發電機13與負載20之連接轉為非連接，使發電機13之輸出經由連接切換部14而接地。

當電力系統15之電壓滿足預先設定之變動條件，而使發電機13與電力系統15為非連接狀體之情形時，無效電力調整部21藉由對電力系統15供給無效電力，或從電力系統15吸收無效電力，而調整無效電力。又，無效電力調整部21具備用於安裝於電力系統15之安裝部(安裝部)。

具體而言，無效電力調整部21具備蓄電裝置211、電力轉換器212、及電力調整控制部213。

電力調整控制部213基於電力系統15側之電壓，決定向電力系統15供給或從電力系統15吸收之無效電流之量，且於電力系統15及蓄電裝置211之間調整所決定的流量之無效電流。

更具體而言，電力調整控制部213保有將電力系統15之電壓與無效電流相對應之資訊，基於該資訊，根據系統側電壓感測器17所檢測出之電力系統15側之電壓，而決定所要調整之無效電流。又，電力調整控制部213會隨著電力系統15之電壓接近通常時之基準電壓值，進行降低向電力系統15供給或從電力系統15吸收之無效電流之量之控制。

電力轉換器212係轉換交流與直流之交流直流轉換器，例如，若要將以電力調整控制部213決定之流量之無效電流向電力系統15供給時，將蓄電裝置211所蓄之直流電力轉換成交流電力，然後將轉換後之交流電力輸出至電力系統15。又，若要從電力系統15吸收無效電流，電力轉換器212將從電力系統15取得之交流電力轉換成直流電力，然後將轉換後之電力輸出至蓄電裝置211。

又，當發電機13與電力系統15為連接狀態，從發電機13輸出之電力發生變動之情形時，電力調整控制部213亦可藉由使對應於該變動之電力量從蓄電裝置211放電，或蓄電於蓄電裝置211，而使發電機13之輸出均等化。

如此，無效電力供給部21藉由使發電機13之輸出均等化，可將安定之電力供給至電力系統15。

下面，對本實施形態之風力發電系統1之作用，按通常運轉之情形與停電等時電力系統產生異常之情形，依次說明。

首先，對通常運轉之情形，使用圖2進行說明。

藉由發電機側電壓感測器16對發電機13側之電壓以特定之時間間隔計測，將該計測值輸出至無效電力調整部21。於無效電力調整部21之電力調整控制部213，判定藉由發電機側電壓感測器16所計測之電壓值於預先決定之第1電壓範圍內(例如，相對於基準電壓±10%(0.9至1.1Pu))是否與基準電壓有所變動(步驟SA1)。

其結果，若藉由發電機側電壓感測器16所計測之電壓值於第1電壓範圍內有所變動之情形時，為使其變動部分均等化，進行從蓄電裝置211放電或蓄電裝置211之充電(步驟SA2)。例如，因未達到風速條件，風力弱等理由，使得根據藉由發電機側電壓感測器16及發電機側電流感測器19計測之電壓、電流所計算出之有效電力比設定值低之情形時，電力轉換器212為補償低於設定值的部分之有效電力，會將蓄電於蓄電裝置211之電力藉由電力轉換器212進行直流交流轉換，而將轉換後之電力供給至電力系統15。

又，因風力強等理由，使得根據藉由發電機側電壓感測器16及發電機側電流感測器19計測之電壓、電流所計算出之有效電力上升高於設定值之情形時，電力轉換器212會將上升高於設定值的部分之過剩之有效電力，藉由電力轉換器212進行直流交流轉換，並將轉換後之電力蓄電於蓄電裝置211。

然後，電力調整控制部213判定發電機側電壓感測器16之輸出電壓是否安定，如為安定之情形則返回至步驟SA1，繼續監視發電機側電壓感測器16之輸出電壓之變動。若發電機側電壓感測器16之輸出電壓不安定，則返回至步驟SA2，繼續進行前述放電或充電，直到發電機之輸出變動安定為止(步驟SA3)。

如此，藉由電力調整控制部213監視來自發電機13所供給之輸出電力，控制蓄電裝置211之充電及放電，進行來自發電機13所輸出之電力之均等化。

下面，對電力系統15發生異常之情形，使用圖3進行說明。

藉由系統側電壓感測器17計測電力系統15之電壓，將計測結果通知控制部18。在電力系統15中，因系統故障造成電力系統15之電壓滿足以其變動量與時間之組合所規定之變動條件之情形時，藉由控制部18檢測出電力系統15之電壓之變動(步驟SB1)。又，變動條件係指以下設定，例如：相對於電力系統15之作為基準之電壓+20%之狀態持續150毫秒以上時；比基準電壓+10%之狀態持續3秒以上時；或-10%之狀態持續40毫秒以上時等。

當藉由控制部18檢測出電力系統15之電壓滿足變動條件時，控制部18控制連接切換部14，使發電機13與電力系統15轉為非連接狀態，並使發電機13與負載20連接。藉此，可緩和發電機13與電力系統15剛成為非連接狀態後之風車轉子11之轉數之急速上昇，可防止風車轉子11之超轉速(步驟SB2)。

又，為抑制風車轉子11之轉數而於翼片側控制風車葉片之傾斜角，使發電機13之輸出逐漸降低。又，當發電機13之輸出下降至低於特定值之情形時，控制部18切換連接切換部14之連接對象，使發電機13經由連接切換部14接地(步驟SB3)。

又，進行如前所述之控制之同時，於電壓系統15側，藉由系統側電壓感測器17計測電力系統15之電壓，將該計測值輸出至電力調整控制部213。電力調整控制部213基於自身保有之設定表，決定對應於藉由系統側電壓感測器17所檢測出之電壓之無效電流。電力調整控制部213為向電力系統15供給所決定之無效電流，而從蓄電裝置211放電，將所放電之直流電力藉由電力轉換器212進行交流直流轉換，並輸出至電力系統15(步驟SB2)。

然後，當達到使發電機13側之風車轉子11迴轉之風速條件等，且電力系統15之電壓接近基準電壓(步驟SB4)時，藉由控制部18控制連接切換部14，使發電機13與電力系統15連接，使發電機13成為系統併聯狀態(步驟SB5)。

如此，當電力系統15之電壓滿足預先設定之變動條件之情形時，使發電機13與電力系統15轉為非連接狀態，且藉由用於調整無效電力之專用裝置(無效電力調整部2)調整無效電力，故可將安定之無效電力向電力系統15供給，或從電力系統15吸收。

如上所述，根據本發明之系統安定化裝置2、方法、及風力發電系統1，係於因系統故障等使得電力系統15之電壓滿足預先設定之變動條件之情形時，將發電機13與電力系統15藉由連接切換部14轉為非連接狀態而與負載20連接，而於電力系統15側，連接用於供給無效電力之專用裝置(無效電力調整部21)。

藉此，當電力系統15之電壓滿足變動條件，而將發電機13與電力系統15轉為非連接之情形時，藉由連接無效電力調整部21可將安定之無效電力向電力系統15供給，或從電力系統15吸收。藉此，可直接沿用既存之鼠籠式感應發電機之風力發電裝置，且可使系統故障時之無效電力安定化。

此外，將發電機13與電力系統15轉為非連接狀態之情形時，將發電機13與負載20(例如放電電阻)連接而使發電機13之輸出向放電電阻輸出，藉由放電電阻進行電力消耗。藉此，可緩和發電機13與電力系統15剛成為非連接狀態後之風車轉子11之轉數之急速上昇，可防止風車轉子11之超轉速。

另，系統安定化裝置2因具備負載20、蓄電裝置211、及電力轉換器212等而構成，故可設置於具備既存之鼠籠式感應發電機之風力發電系統內，可容易地進行設置。

以上，雖對本發明之實施形態參照圖式進行了詳細說明，但具體性構成並不局限於該實施形態，亦包含不脫離本發明之主旨之範圍之設計變更等。

1．．．風力發電系統

2．．．系統安定化裝置

13．．．發電機

14．．．連接切換部

15．．．電力系統

16．．．發電機側電壓感測器

17．．．系統側電壓感測器

18．．．控制部

20．．．負載

21．．．無效電力調整部

211．．．蓄電裝置

212．．．交流直流轉換器

213．．．電力調整控制部

圖1係表示應用本發明之一實施形態之系統安定化裝置之風力發電系統之一例之方塊圖；

圖2係表示本發明之系統安定化裝置之通常運轉時之動作流程之圖；及

圖3係表示本發明之系統安定化裝置之系統電壓降低之情形之動作流程之圖。

1．．．風力發電系統

2．．．系統安定化裝置

13．．．發電機

14．．．連接切換部

15．．．電力系統

16．．．發電機側電壓感測器

17．．．系統側電壓感測器

18．．．控制部

20．．．負載

21．．．無效電力調整部

211．．．蓄電裝置

212．．．交流直流轉換器

213．．．電力調整控制部

Claims (8)

1. 一種系統安定化裝置，其係應用於發電系統者，該發電系統具備：具有鼠籠式感應發電機並利用自然能源發電之發電裝置；及設於前述發電裝置與電力系統之間以切換該發電裝置與電力系統之連接及非連接之連接切換部；上述系統安定化裝置具備無效電力調整部，其係當前述電力系統之電壓滿足預先設定之變動條件，而前述發電裝置與前述電力系統成為非連接狀態之情形時，對前述電力系統供給無效電力，或由前述電力系統吸收無效電力。
2. 如請求項1之系統安定化裝置，其中，具備當前述發電裝置與前述電力系統成為非連接狀態之情形時，經由前述連接切換部而與前述發電裝置連接之負載。
3. 如請求項1或2之系統安定化裝置，其中，前述無效電力調整部具備蓄電裝置與電力轉換器。
4. 如請求項3之系統安定化裝置，其中，前述無效電力調整部具有用於安裝至前述電力系統之安裝部。
5. 一種風力發電系統，其具備：具有鼠籠式感應發電機且利用風力能源發電之發電裝置；設於前述發電裝置與電力系統之間以切換該發電裝置與前述電力系統之連接及非連接之連接切換部；及當前述電力系統之電壓滿足預先設定之變動條件，而 前述發電裝置與前述電力系統成為非連接狀態之情形時，向前述電力系統供給無效電力，或由前述電力系統吸收無效電力之無效電力調整部。
6. 如請求項5之風力發電系統，其中，具備當前述發電裝置與前述電力系統成為非連接狀態之情形時，經由前述連接切換部而與前述發電裝置連接之負載。
7. 如請求項5或6之風力發電系統，其中，前述連接切換部係於前述發電裝置與前述負載連接之狀態下，當前述發電裝置側之輸出電壓較既定之特定值更小之情形時，將前述發電裝置之輸出端接地。
8. 一種系統安定化方法，其係應用於發電系統者，該發電系統具備：具有鼠籠式感應發電機且利用自然能源發電之發電裝置；及設於前述發電裝置與電力系統之間以切換該發電裝置與前述電力系統之連接及非連接之連接切換部；該系統安定化方法係有別於前述發電裝置另行設置無效電力調整部，其係當前述電力系統之電壓滿足預先設定之變動條件，而前述發電裝置與前述電力系統成為非連接狀態之情形時，向前述電力系統供給無效電力，或由前述電力系統吸收無效電力。