風力發電裝置的控制裝置、風電場及風力發電裝置的控制方法
2023-06-02 22:30:11 2
專利名稱：風力發電裝置的控制裝置、風電場及風力發電裝置的控制方法
技術領域：
本發明涉及風力發電裝置的控制裝置、風電場及風力發電裝置的控制方法。
背景技術：
近年，對於進行了系統連接的風力發電裝置，要求從電力系統的擾動產生起在預定的時間內(例如30秒以內)有助於抑制電力系統的頻率的變動(Primary FrequencyResponse (PFR)，以下稱為「頻率響應控制」)。頻率響應控制中，存在對於電力系統的頻率上升及頻率降低的應對。在電力系統
的頻率上升中，通過限制風力發電裝置的發電輸出進行應對，另一方面對於電力系統的頻率降低要求基於風力發電裝置的發電輸出的上升進行的應對。作為使風力發電裝置的發電輸出上升的方法，存在通過將風力發電裝置的轉子具有的慣性能量(也稱為慣性)轉換為電力而使風力發電裝置的發電輸出暫時上升的應對(以下稱為「慣性控制」)、及從附加的二次電池等追加設備向電力系統供給電力的應對。但是，上述應對存在以下問題。在慣性控制中，由於轉子的慣性能量消失，轉子的轉速降低而轉速和風速之間的關係從最優控制偏離，因此電力系統的頻率降低中的發電量(發電輸出和時間之積)與通常的最優控制相比有所降低。因此，通過進行慣性控制，電力系統的頻率降低的峰值降低，但存在風力發電裝置的發電輸出比最優輸出低且電力系統的頻率降低時間增大的問題。另夕卜，為了從追加設備供給電力而設置有追加設備，因此存在產生成本上升的問題。另外，除了上述兩種應對外，還有如專利文獻I所記載的如下應對方法(以下稱為「減載運轉」)根據相對於向風力發電裝置的風速的最優(最大)輸出預先限制發電輸出而進行發電，在電力系統的頻率降低時使風力發電裝置的發電輸出上升為最優輸出。專利文獻I :美國專利申請公開第二 010/0127495號說明書
發明內容
這樣，對於電力系統的頻率降低，使風力發電裝置進行減載運轉，在頻率降低時使風力發電裝置的發電輸出上升為最優輸出的方法，不需要追加設備，能夠向頻率降低的電力系統穩定地供給電力，因此認為是有效的。但是，在減載運轉中，存在風力發電裝置的年發電量降低的問題。本發明鑑於這樣的情況而做出，其目的在於，提供一種即使風力發電裝置進行限制發電輸出的運轉，也能夠減小發電輸出限制量的風力發電裝置的控制裝置、風電場及風力發電裝置的控制方法。為了解決上述課題，本發明的風力發電裝置的控制裝置、風電場及風力發電裝置的控制方法採用以下的手段。S卩，本發明的風力發電裝置的控制裝置，為如下風力發電裝置的控制裝置，所述風力發電裝置通過轉子的旋轉進行發電並且進行系統連接，為了能夠與在電力系統產生的頻率降低相對應地進一步向該電力系統供給電力，預先限制發電輸出而進行運轉，其中，所述控制裝置包括第一導出單元，導出為了應對所述電力系統的頻率降低而需要的發電輸出即必要限制量；第二導出單元，導出從由所述第一導出單元導出的所述必要限制量減去與能夠使發電輸出上升的潛在發電輸出相當的量得到的值；及設定單元，基於由所述第二導出單元導出的值，設定發電輸出限制量，該發電輸出限制量用於為了應對在所述電力系統產生的頻率降低而預先限制發電輸出進行運轉。根據本發明，風力發電裝置通過轉子的旋轉進行發電並進行系統連接，為了能夠應對在電力系統產生的頻率降低而向該電力系統進一步供給電力，預先限制發電輸出進行運轉。在預先限制發電輸出進行運轉的情況下，存在直接限制來自發電機的發電輸出的情況、及通過閉合轉子具備的葉片的槳距角來捨棄風能而使發電輸出為最優的情況。 並且，利用第一導出單元，導出為了應對電力系統的頻率降低而需要的發電輸出即必要限制量，利用第二導出單元導出從該必要限制量減去與能夠使發電輸出上升的潛在發電輸出相當的量得到的值。S卩，利用第二導出單元導出的值是指通過潛在發電輸出抵消必要限制量後得到的值。進而，利用設定單元，基於由第二導出單元導出的值，設定發電輸出限制量，該發電輸出限制量為了應對在電力系統產生的頻率降低而預先限制發電輸出進行運轉。如上所述，本發明基於從必要限制量減去與能夠使發電輸出上升的潛在發電輸出的相當的量後得到的值，設定發電輸出限制量，因此，即使風力發電裝置進行限制發電輸出的運轉，也能夠減小發電輸出限制量。另外，本發明的風力發電裝置的控制裝置，所述潛在發電輸出是由旋轉的所述轉子具有的慣性能量獲得的發電輸出、以額定輸出進行運轉的情況下通過過負荷運轉獲得的發電輸出及向蓄電裝置充電所使用的發電輸出中的至少任意一個發電輸出。根據本發明，作為潛在發電輸出，使用由旋轉的轉子具有的慣性能量獲得的發電輸出、以額定輸出進行運轉的情況下通過過負荷運轉獲得的發電輸出、及向蓄電裝置充電所使用的發電輸出中的至少任意一個，能夠更簡易且可靠地減小發電輸出限制量。另外，本發明的風力發電裝置的控制裝置，所述設定單元在所述轉子的轉速未達到額定轉速的情況下，可以將由所述第二導出單元導出的所述值設定為發電輸出限制量。根據本發明，利用第二導出單元導出的值被優先設定於轉子的轉速未達到額定轉速的風力發電裝置，因此轉子的轉速未達到額定轉速的風力發電裝置，發電輸出限制更大，因此能夠更迅速地使轉子的轉速為額定轉速。另外，本發明的風力發電裝置的風電場具備多個風力發電裝置及上述記載的控制
>J-U ρ α裝直。根據本發明，通過上述記載的控制裝置設定每個風力發電裝置的發電輸出限制量，因此即使風力發電裝置進行限制發電輸出的運轉，也能夠減小發電輸出限制量。另外，本發明的風力發電裝置的風力發電裝置的控制方法，為如下風力發電裝置的控制方法，所述風力發電裝置通過轉子的旋轉進行發電並且進行系統連接，為了能夠與在電力系統產生的頻率降低相對應地進一步向該電力系統供給電力，預先限制發電輸出而進行運轉，其中，所述風力發電裝置的控制方法包括第一工序，導出為了應對所述電力系統的頻率降低而需要的發電輸出即必要限制量；第二工序，導出從由所述第一工序導出的所述必要限制量減去與能夠使發電輸出上升的潛在發電輸出相當的量得到的值；及第三工序，基於由所述第二工序導出的值，設定發電輸出限制量，該發電輸出限制量用於為了應對在所述電力系統產生的頻率降低而預先限制發電輸出進行運轉。根據本發明，基於從必要限制量減去與能夠使發電輸出上升的潛在發電輸出相當的量後得到的值，設定發電輸出限制量，因此即使風力發電裝置進行限制發電輸出的運轉，也能夠減小發電輸出限制量。發明效果根據本發明，具有即使風力發電裝置進行限制發電輸出的運轉，也能夠減小發電輸出限制量的良好效果。
圖I是表示本發明的實施方式的風電場的整體構成的概略圖。圖2是表示本發明的實施方式的限制量設定程序的處理流程的流程圖。圖3是表示本發明的實施方式的設定了限制量時的風速和風力發電裝置的發電輸出之間的關係之一例的坐標圖。圖4是表示本發明的實施方式的設定了限制量時的風速和葉片的槳距角之間的關係之一例的坐標圖。圖5是在本發明的實施方式中風能較小而轉子能夠以比可發電的最低轉速稍高的轉速進行旋轉時的、風力發電裝置的發電輸出和輸出上升餘力的說明所需的示意圖。圖6是在本發明的實施方式中轉子的轉速上升時的、風力發電裝置的發電輸出和輸出上升餘力的說明所需的示意圖。圖7是在本發明的實施方式中在低風速下轉子的轉速為一定時的、風力發電裝置的發電輸出和輸出上升餘力的說明所需的示意圖。圖8是在本發明的實施方式中由於轉子的轉速成為額定轉速而閉合葉片的槳距角來進行輸出限制時的、風力發電裝置的發電輸出和輸出上升餘力的說明所需的示意圖。圖9是在本發明的實施方式中風能與風力發電裝置的額定輸出相當時的、風力發電裝置的發電輸出和輸出上升餘力的說明所需的示意圖。圖10是在本發明的實施方式中風能可產生額定輸出以上的發電輸出時的、風力發電裝置的發電輸出和輸出上升餘力的說明所需的示意圖。圖11是在本發明的實施方式中風能可使發電輸出為過負荷運轉的最大發電輸出以上時的、風力發電裝置的發電輸出和輸出上升餘力的說明所需的示意圖。圖12是表示本發明的實施方式的運轉狀態的遷移的圖。圖13是表示本發明的實施方式的減載運轉下的轉子轉速和發電輸出之間的關係之一例的坐標圖。
具體實施方式
以下，對本發明的實施方式進行說明。圖I是表示本發明的實施方式的風電場10的整體構成的圖。風電場10具備多個風力發電裝置14，利用具備多個葉片11的轉子12的旋轉進行發電；及集中控制裝置16 (例如 SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition :數據採集與監控系統))，負責風電場10整體的控制。另外，本實施方式中，以風電場10如圖I所示具備3颱風力發電裝置14的情況為例進行說明，但臺數沒有特定限定。本實施方式的風力發電裝置14經由變壓器18進行系統連接，並能夠應對電力系統20的頻率(以下稱為「系統頻率」)的降低而進一步向電力系統20供給電力，可在從電力系統20產生擾動起預定的時間內(例如30秒以內)有助於抑制系統頻率的變動(頻率響應控制)。另外，在風力發電裝置14中分別設置有風車控制裝置22。風車控制裝置22控制對應的風力發電裝置14的運轉狀態，並且可在與集中控制裝置16之間發送接收各種數據。另外，風車控制裝置22也可檢測電力系統20的電力及系統頻率的變動、測定風力發電裝置14具有的轉子12的轉速(以下稱為「轉子轉速」)。並且，風車控制裝置22將表示風力發電裝置14的控制狀態的數據、風力發電裝置14的轉子轉速、由未圖示的風速計測定的風力發電裝置14附近的風速、及風力發電裝置14的發電輸出等發送到集中控制裝置16。另一方面，集中控制裝置16將控制風力發電裝置14時所需的參數等數據發送到風車控制裝置22。接著，對由風車控制裝置22進行的風力發電裝置14的控制更詳細地進行說明。本實施方式的風車控制裝置22，為了能夠進行風力發電裝置14的頻率響應控制，即以確保電力系統20發生擾動時向電力系統20供給的風力發電裝置14的發電輸出的上升余力為目的，以進行減載(Deload)運轉的方式控制風力發電裝置14，所述減載運轉是預先限制風力發電裝置14的發電輸出而進行運轉的情況。另外，本實施方式的風力發電裝置14如果在預定的限制時間內，則可進行過負荷運轉(獲得額定輸出以上的發電輸出的運轉)。作為限制發電輸出的方法，存在直接限制來自風力發電裝置14所具備的發電機的發電輸出的情況、及通過閉合轉子12所具備的葉片11的槳距角而捨棄風能以使發電輸出為最優的情況。本實施方式的風力發電裝置14中，適當區分使用上述兩種方法而進行減載運轉。並且，集中控制裝置16導出用於使構成風電場10的風力發電裝置14進行減載運轉的發電輸出限制量，並進行設定的限制量設定處理。圖2是表示在進行限制量設定處理時利用集中控制裝置16執行的限制量設定程序的處理流程的流程圖，該限制量設定程序預先存儲於集中控制裝置16所具備的未圖示的存儲部(磁存儲裝置或半導體存儲裝置)的規定區域。限制量設定處理例如按照預定的時間間隔(例如每數秒至I分鐘左右的間隔)進行。首先，在步驟100中，導出為了應對系統頻率的降低而需要的發電輸出即必要限制量。具體而言，檢測風電場10整體的發電輸出，從該檢測出的發電輸出導出上升餘力風電場10整體的必要限制量，該上升餘力風電場10整體的必要限制量應作為備於系統頻率下降的發電輸出而被確保。必要限制量也可以與風電場10整體的發電輸出的大小無關地適用預定的固定值(例如10% )。該情況下，將檢測出的風電場10的發電輸出乘以該固定值，從而導出必要限制量。另外，在風電場10整體的發電輸出較小時,也可以降低必要限制量相對於該發電輸出的比例。該情況下，對於系統頻率降低的應對能力變小。另一方面，在風電場10整體的發電輸出較大的情況下，也可以提高必要限制量相對於該發電輸出的比例。該情況下，對於系統頻率降低的應對能力變大。另外，也可以根據與電力系統20連接的其他發電設備的發電輸出、來自管理電力系統20的發電業者的指令來增減必要限制量。在接下來的步驟102中，導出從在步驟100導出的必要限制量減去與能夠使發電輸出上升的潛在發電輸出相當的量得到的值。·本實施方式的潛在發電輸出(以下稱為「輸出上升餘力」)是指因風力發電裝置14的旋轉的轉子12具有的慣性能量(慣性)而得到的發電輸出、及通過在額定輸出下運轉的風力發電裝置14的過負荷運轉而得到的發電輸出。轉子12蓄積較大的慣性能量作為轉速。因此，風力發電裝置14通過使用(消耗)轉子12蓄積的慣性能，能夠暫時向電力系統20供給比從轉子12的葉片11接受到的風能獲得的發電輸出大的發電輸出。因此，與轉子12的轉速(可發電的最低轉速以上)對應的慣性能量可被看做輸出上升餘力。在本實施方式中，基於執行本步驟的處理的時點的各風力發電裝置14的轉子12的轉速和可發電的轉子12的最低轉速之差，推測從轉子12具有的慣性能量獲得的輸出上升餘力。另外，風力發電裝置14的額定輸出一般以連續運轉為前提而設計。並且，風力發電裝置14中，為了在強風時使發電輸出不超過額定輸出，而通過閉合葉片11的槳距角來捨棄從風獲得的能量的一部分，使發電輸出保持為額定輸出。但是，可進行過負荷運轉的本實施方式的風力發電裝置14中，由於發電輸出超過額定輸出而捨棄的風能如果為短時間(例如數十秒至數分鐘程度)，則可看做輸出上升餘力。本實施方式中，根據執行本步驟的處理的時點的相對於各風力發電裝置14的風速、及各風力發電裝置14的轉子12的葉片11的槳距角，推測上述捨棄風能的大小、即通過在額定輸出下進行運轉的風力發電裝置14的過負荷運轉而獲得的輸出上升餘力。並且，在本步驟中，導出從必要限制量減去從轉子12具有的慣性能量及過負荷運轉獲得的輸出上升餘力而得到的值。即，在本步驟中導出的值是用輸出上升餘力抵消必要限制量後得到的值。作為輸出上升餘力，也可以僅使用通過慣性能量獲得的發電輸出、及通過過負荷運轉獲得的發電輸出中的任意一方。在接下來的步驟104中，基於在步驟102中導出的值，設定用於減載運轉的對於各風力發電裝置14的發電輸出限制量。在本實施方式中，對於未達到額定轉速的風力發電裝置14，以優先分配在步驟102中導出的值的方式進行設定。由此，未達到額定轉速的風力發電裝置14(轉速低的風力發電裝置14)，與自身佔風電場10的發電量比例相比，受到較多的輸出限制。另一方面，轉速較高的風力發電裝置14，與自身佔風電場10的發電量比例相比，受到較少的輸出限制。這樣，未達到額定轉速的風力發電裝置14，由於受到較多的發電輸出限制，因此不閉合葉片11的槳距地增加轉子12的轉速，限制發電機的發電輸出，能夠更迅速地達到額定轉速。另一方面，對於達到額定轉速的風力發電裝置14，以分配如下限制量的方式進行設定即從必要限制量減去分配給未達到額定轉速的風力發電裝置14的值後的剩餘限制量。在僅由達到額定轉速的風力發電裝置14的轉子12具有的慣性能量、及通過過負荷運轉獲得的發電輸出不能滿足作為風電場10整體的必要限制量的情況下，對達到額定轉速的風力發電裝置14進行發電輸出限制。圖3是表示本實施方式的設定了限制量時的風速和風力發電裝置14的發電輸出之間的關係的一例的坐標圖。在該圖中，虛線表示的發電輸出的變化(以下稱為「功率曲線」)是表示進行以往的減載運轉的情況。以往的減載運轉是指總是限制槳距角而進行發電的運轉。由實線表示的功率曲線是表示進行本實施方式的減載運轉的情況。由點劃線表示的功率曲線表示不進行減載運轉的最優運轉的情況。並且，由虛線表示的功率曲線是表示進行過負荷運轉的情況。即，最優運轉的功率曲線和以往的減載運轉的功率曲線之差、及 最優運轉的功率曲線與本實施方式的減載運轉的功率曲線之差是未被利用作為發電輸出的風能，即放棄的能量。在風速為低速且轉子12未達到額定轉速的情況下(圖3的區域A的過度狀態)，在本實施方式的減載運轉中，如上述限制量設定處理的步驟104中所說明，在轉子12的轉速上升之前不使葉片11的槳距閉合地進行輸出限制來使轉速上升。並且如果轉速上升某種程度，則能夠通過慣性能量確保輸出上升餘力，不需要輸出限制。在該狀態下能夠將風能全部轉換為發電輸出，因此轉子12未達到額定轉速時的本實施方式的減載運轉的功率曲線停留在相對於最優運轉的功率曲線稍微降低了使轉速上升時的上述輸出限制的量的位置。其後，風速變快而轉子12達到額定轉速時，在圖3的例子中，由於對發電輸出施加輸出限制，因此本實施方式的減載運轉的功率曲線比最優運轉的功率曲線向下方向偏離。但是，本實施方式的風力發電裝置14中，由於設定了將通過轉子12具有的慣性能量獲得的發電輸出看作輸出上升餘力的限制量，因此與以往的減載運轉的功率曲線相比較，發電輸出變聞。並且，在以往的減載運轉中，即使風速變快而轉子12達到額定轉速，由於進行輸出限制，因此也不達到額定輸出，而被限制的一定值(通過以往的減載運轉而降低的額定輸出)成為上限。但是，本實施方式的減載運轉中，設定了將在過負荷運轉下獲得的發電輸出看作輸出上升餘力的限制量。因此，如圖3的區域B所示，在過負荷運轉下獲得的發電輸出相對於必要限制量充分的情況下，本實施方式的減載運轉能夠達到額定輸出，由在風速充分高的區域中的本實施方式的減載運轉的功率曲線表示的發電輸出與最優運轉的功率曲線相同。另外，圖4是表示本實施方式的設定了限制量時的風速和葉片11的槳距角之間的關係的一例的坐標圖。在該圖中，由點線表示的槳距角的變化表示進行以往的減載運轉的情況。由實線表示的槳距角的變化表示進行本實施方式的減載運轉的情況。由點劃線表示的槳距角的變化表示不進行減載運轉的最優運轉的情況。並且，由虛線表示的槳距角的變化表示進行過負荷運轉的情況。
風速為低速且轉子12未達到額定轉速的情況下，在本實施方式的減載運轉中，如上所述，在轉子12的轉速上升之前不閉合葉片11的槳距角而進行輸出限制來使轉速上升。因此，如圖4所示，本實施方式的減載運轉的槳距角在轉子12達到額定轉速之前與最優運轉的槳距角相同，為最容易接受風能的全小迎角(full fine)。其後，風速變快而轉子12達到額定轉速時，由於如上所述對發電輸出施加輸出限制，因此本實施方式的減載運轉中，通過閉合槳距角而捨棄風能，進行輸出限制。但是，在本實施方式的風力發電裝置14中，由於設定了將由轉子12具有的慣性能量獲得的發電輸出看作輸出上升餘力的限制量，因此槳距角與以往的減載運轉的槳距角相比，設定在小迎角側以能夠接受更多的風。在系統頻率降低的情況下，對於槳距角，為了輸出限制而使閉合的量復原，向小迎角側變化，可接受更多的風能，並且將轉子12具有的慣性能量作為發電輸出使用。並且，在風速為對於本實施方式的減載運轉而言的額定風速以上的情況下，為了將由過負荷運轉獲得的發電輸出作為輸出上升餘力，槳距角與最優運轉同樣地以根據風速 捨棄風的方式變化。在過負荷運轉時，對於槳距角，為了輸出限制而使閉合的量復原，向小迎角側變化以接受更多的風能。接著，參照圖5 11的示意圖，將本實施方式的減載運轉下的風力發電裝置14的發電輸出和輸出上升餘力與以往的減載運轉對比而進行說明。在圖5 11中，設在將進行減載運轉的風力發電裝置14的發電輸出設為「I」的情況下所需的輸出上升余力為α (α< I)。圖5是表示風能小(風速弱)且轉子12能夠以比可發電的最低轉速稍多的轉速進行旋轉的過度狀態的情況。該情況下，在以往的減載運轉中，將通過閉合槳距角而放棄的風能作為輸出上升餘力。由此，在以往的減載運轉中產生系統頻率的降低的情況下，通過打開槳距角而接受放棄的風能，使發電輸出上升。另一方面，在本實施方式的減載運轉中，為了確保輸出上升餘力而限制發電輸出，但槳距角設為全小迎角，由轉子12最大限度地接受風能。因此，通過比發電輸出過剩地接受的風能使轉子12的轉速上升。由此，在本實施方式的減載運轉中，在產生系統頻率降低的情況下，解除發電輸出限制，使發電輸出上升至與轉子12的轉速對應的發電輸出。圖6是表示轉子12的轉速上升的過度狀態的情況。該情況下，在以往的減載運轉中，為了獲得輸出上升餘力，閉合槳距角，但該輸出上升餘力放棄通過葉片11接收的風能的一部分。另一方面，在本實施方式的減載運轉中，使通過轉子12具有的慣性能量獲得的發電輸出成為輸出上升餘力。由此，本實施方式的減載運轉中，與以往的減載運轉相比能夠獲得更多的發電輸出。在僅通過轉子12具有的慣性能量會使輸出上升餘力不足時，使槳距角維持為全小迎角，僅限制發電輸出，將限制的發電輸出作為輸出上升餘力，且使轉子12的轉速上升。圖7是表示在低風速下轉子12的轉速充分上升且為一定的情況。該情況下，在以往的減載運轉中，為了獲得輸出上升餘力，閉合槳距角，但該輸出上升餘力放棄通過葉片11接收的風能的一部分。另一方面，在本實施方式的減載運轉中，使通過轉子12具有的慣性能量獲得的發電輸出成為輸出上升餘力。由此，在本實施方式的減載運轉中，不放棄由葉片11接收的風能，因此與以往的減載運轉相比能夠獲得更多的發電輸出。圖8是表示在本實施方式的減載運轉中轉子12的轉速為最大轉速(額定轉速)的情況下閉合葉片11的槳距角而進行輸出限制的情況。在本實施方式的減載運轉中，將由額定轉速的轉子12具有的慣性能量獲得的發電輸出作為輸出上升餘力。在本實施方式的減載運轉中，與以往相比較，葉片11的槳距角閉合量變小，轉子12的轉速變高。因此，即使是在通過閉合葉片11的槳距角來進行輸出限制的以往的減載運轉中不能達到額定轉速的風能，在本實施方式的減載運轉中也能夠達到額定轉速。本實施方式的減載運轉中，閉合槳距角而放棄的能量也作為輸出上升餘力。圖9是表示風能與風力發電裝置14的額定輸出(Prated)相當的情況。在本實施方式的減載運轉中，風力發電裝置14可進行過負荷運轉，因此將通過轉子12具有的慣性能量獲得的發電輸出作為輸出上升餘力。因此，基於閉合葉片11的槳距角進行的輸出限制能夠比以往的減載運轉小，與以往的減載運轉相比能夠獲得更多的發電 輸出。另一方面，在以往的減載運轉中，在產生系統頻率的降低的情況下使風力發電裝置14以額定輸出運轉，因此以根據額定輸出進行輸出限制的發電輸出(Plimit)進行運轉。圖10是表示風能較大為能夠產生額定輸出(Prated)以上的發電輸出的程度的情況。該情況下，在以往的減載運轉中，由於輸出限制也不能產生額定輸出，因此與風能上升無關地不能使發電輸出上升。但是，在本實施方式的減載運轉中，風力發電裝置14可進行過負荷運轉，因此能夠將轉子12的慣性能量作為輸出上升餘力，能夠通過比額定輸出的(l+α)倍低的風能產生額定輸出。閉合葉片11的槳距角以使發電輸出不超過額定輸出。並且，獲得通過轉子12具有的慣性能量獲得的輸出上升餘力，並且獲得基於閉合葉片11的槳距角產生的輸出上升餘力。基於閉合葉片11的槳距角產生的輸出上升餘力成為在產生系統頻率的降低的情況下使用的、通過過負荷運轉獲得的發電輸出。另一方面，在以往的減載運轉中，由於不能進行過負荷運轉，因此在產生系統頻率的降低的情況下使風力發電裝置14以額定輸出運轉，因此以根據額定輸出進行了輸出限制的發電輸出(Plimit)進行運轉。圖11是表示風能相比圖10的情況增大、且風能較大為能夠使發電輸出為過負荷運轉的最大發電輸出以上的程度的情況。該情況下，在本實施方式的減載運轉中，也閉合葉片11的槳距角以使發電輸出不超過額定輸出，獲得通過轉子12具有的慣性能量獲得的輸出上升餘力，並且獲得基於閉合葉片11的槳距角產生的輸出上升餘力。風力發電裝置14中，即使如圖11所示風能增加，由於在設備規格上不能進行連續的過負荷運轉，因此發電輸出停留在額定輸出。只要不進行過負荷運轉，就不能使可輸出的發電輸出為額定輸出以上。進而，基於閉合葉片11的槳距角產生的輸出上升餘力，也使用於使轉子12的轉速降低恢復。在基於系統頻率降低的、風力發電裝置14的輸出上升運轉時，通過也使用轉子12的慣性能量，將發電輸出控制為過負荷運轉的最大發電輸出，為了將轉速保持為最大而將槳距角控制在小迎角側。此時，轉子12的慣性能量由於在直到槳距角打開為止的期間輸出比風能過剩的輸出，因此被消耗，但槳距角打開後由比發電輸出多地獲得的風能補充。由此，通過進行輸出上升運轉，轉子12失去慣性能量，能夠防止轉速降低(即使轉速暫時降低，也再次上升到最大轉速)。另一方面，在圖5 10的風況中，由於在輸出上升運轉時將風能全部轉換為發電輸出而不存在剩餘的風能，因此輸出上升運轉後成為轉子12的轉速下降的狀態。另一方面，在以往的減載運轉中，由於不能進行過負荷運轉，因此在產生系統頻率的降低的情況下使風力發電裝置14以額定輸出運轉，因此通過閉合葉片11的槳距角，以根據額定輸出進行了輸出限制的發電輸出(Plimt)進行運轉。接著，對本實施方式的風力發電裝置14的運轉狀態進行說明。在風力發電裝置14的運轉狀態中，存在減載運轉、輸出上升運轉及最優運轉。減載運轉如上所述是進行輸出限制的運轉。輸出上升運轉是在產生系統頻率降低的情況下以恢復降低的系統頻率為目的向電力系統20進一步供給電力的運轉。最優運轉
是沒有進行輸出限制的運轉。這些運轉狀態通過從風車控制裝置22向風力發電裝置14發送與運轉狀態相對應的指令值而遷移。上述指令值是對於葉片11的槳距角的指令值即槳距角指令值、及對於發電輸出的指令值即發電輸出指令值。具體而言，可變速區域(轉子12的轉速達到額定轉速為止的區域)和額定輸出區域(達到額定輸出的區域)的減載運轉的發電輸出指令值為用於進行備於輸出上升的發電輸出限制的指令值，額定轉速區域的減載運轉的槳距角指令值為用於進行備於輸出上升的槳距角限制的指令值。另一方面，可變速區域的槳距角指令值固定為全小迎角，額定轉速區域的發電輸出指令值以通過PI (比例積分)控制保持轉速為額定的方式進行控制，額定輸出區域的槳距角指令值以通過PI控制保持輸出為額定的方式進行控制，以不是輸出限制的目的進行控制。接著參照圖12對運轉狀態遷移的情況進行說明。首先，本實施方式的風力發電裝置14進行減載運轉，但在風車控制裝置22檢測到系統頻率降低的情況下，遷移到輸出上升運轉。並且，在輸出上升運轉模式下，在降低的系統頻率恢復的情況下，遷移到減載運轉。另一方面，在輸出上升運轉模式下，在轉子12的轉速降低到可發電的最低轉速的情況下、或遷移到輸出上升運轉後經過規定時間(例如30秒)的情況下，遷移到最優運轉。這是因為，轉子12的轉速為最低轉速以下時風力發電裝置14的發電停止而再起動需要時間，或避免由於輸出上升而長時間進行過負荷運轉造成的設備故障，遷移到容易獲得發電輸出而可進行連續運轉的最優運轉。另外，在最優運轉中，在降低的系統頻率恢復的情況下，遷移到減載運轉。圖13是表示減載運轉的風力發電裝置14的轉子12的轉速和發電輸出之間的關係的坐標圖。如該圖所示，本實施方式的減載運轉分為可變速控制模式、額定轉速一定控制模式、及額定輸出一定控制模式。可變速控制模式是在轉子12的轉速從可發電的最低轉速達到額定轉速期間進行的控制模式。額定轉速一定控制模式是將轉子12的轉速保持為一定並使發電輸出變化的控制模式。額定輸出一定控制模式是將轉子12的轉速保持為一定並將發電輸出保持為額定輸出的控制模式。在該圖中，點線(最優曲線)表示沒有進行減載運轉時的發電輸出和轉速之間的關係。接著，在進行本實施方式的減載運轉的情況下，對從風車控制裝置22向風力發電裝置14發送的槳距角指令值及發電輸出指令值，參照下表I進行詳細說明。表I表示在各控制模式下從風車控制裝置22向風力發電裝置14發送的槳距角指令值和發電輸出指令值。[表 I]
控制模式轉速ω 槳距角指令值0dem 發電輸出指令值Pdem 可變速額定轉速全小迎角最優曲線Pum(CO) 控制模式以下___
額定轉速額定轉速全小迎角-eLim(p)pi控制
一定控制模式(最大值Prated)
(最小值
____最優曲線-Pum(COrated))
額定輸出額定轉速PI控制Prated
一定控制模式(最大值
__ 全小迎角-eLim(prated)) _'如表I所示，在可變速控制模式下，槳距角指令值Θ dem指示全小迎角。另一方面，發電輸出指令值？^指示從最優曲線減去與轉子12的轉速對應的輸出限制Pum(O)後的發電輸出。並且，在額定轉速一定控制模式下，槳距角指令值Θ dem指示從全小迎角減去與發電輸出相對應的槳距角Qum(P)後的槳距角。由此，在額定轉速一定控制模式下，使轉速為一定，並且通過槳距角的控制進行輸出限制。另一方面，發電輸出指令值Pdem指示額定輸出Pratod和從最優曲線的發電輸出減去與額定轉速相對應的限制量後的發電輸出之間的發電輸出。該情況下，進行了 PI控制的發電輸出指令值P-被從風車控制裝置22發送到風力發電裝置14。進而，在額定輸出一定控制模式下，發電輸出指令值Pdail指示額定輸出PMtral。另一方面，槳距角指令值0dem被進行將從全小迎角的角度減去槳距角Qum(Prated)後的值作為最大值的PI控制。接著,對各控制模式向其他控制模式遷移的情況進行說明。在可變速控制模式下,風速上升而轉子12的轉速達到額定時,控制模式向額定轉速一定控制模式遷移。在可變速控制模式下，使葉片11的槳距角為全小迎角以在最大效率下捕捉風能，通過在發電輸出下進行輸出限制而使轉子12的轉速上升。另外，額定轉速一定控制模式下，為了將轉子12的轉速保持為額定轉速，對發電輸出進行PI控制，通過閉合葉片11的槳距角而進行輸出限制。在額定轉速一定控制模式下,風速進一步上升而發電輸出達到額定輸出時，控制模式遷移到額定輸出一定控制模式。在額定輸出一定控制模式下，通過葉片11的槳距角進行輸出限制並且將轉子12的轉速控制為一定，在額定下固定發電輸出。
在額定輸出一定控制模式下，風速降低而即使是槳距角的PI控制的最大值也不能維持額定轉速的情況下，控制模式遷移到額定轉速一定控制模式。在額定轉速一定控制模式下，風速進一步降低而即使是發電輸出的PI控制的最小值也不能維持額定轉速的情況下，控制模式遷移到可變速控制模式。如以上說明，本實施方式的集中控制裝置16導出為了應對系統頻率的降低而需要的發電輸出即必要限制量，導出從該必要限制量減去與能夠使發電輸出上升的潛在發電輸出相當的量後的值，基於該值，對各風力發電裝置14設定用於為了應對系統頻率的降低而預先限制發電輸出進行運轉的發電輸出限制量。由此，即使風力發電裝置14進行限制發電輸出的運轉，也能夠減小發電輸出限制量。以上，使用上述實施方式對本發明進行了說明，但本發明的技術範圍不限於上述實施方式記載的範圍。在不脫離發明主旨的範圍內可對上述實施方式施加各種變更或改良，施加了該變更或改良的方式也包含在本發明的技術範圍內。另外，在上述實施方式中，對將在步驟102中導出的值優先分配給未達到額定轉 速的風力發電裝置14的情況進行了說明，但本發明不限於此，也可以通過將在步驟102中導出的值除以構成風電場10的風力發電裝置14的數量，而對各風力發電裝置14設定平均化後的限制量。另外，也可以為如下方式接受切入風速(開始發電的風速(例如3m/s))以下的風的風力發電裝置14雖未進行系統連接，但預先使轉子12在無負荷的狀態下進行旋轉，在系統頻率降低的情況下，使可發電的最低轉速以上的風力發電裝置14進行系統連接，能夠將轉子12具有的慣性能量作為發電輸出進行供給，從而接受切入風速以下的風的風力發電裝置14也可應對系統頻率的降低。另外，也可以為如下方式在使風力發電裝置14應對系統頻率降低的情況下，通過切斷向風力發電裝置14具備的輔機供給的電力，而進一步增加向電力系統20供給的電力。該方式的情況下，作為切斷電力的輔機的例子，可設定為冷卻風扇、冷卻水泵等與其他輔機相比消耗相對較大的電力且停止造成的影響的時間常數長而即使暫時停止也沒有問題的輔機。另外，風力發電裝置14具備蓄電裝置，在對該蓄電池進行充電的情況下，也可以將該充電所使用的發電輸出作為輸出上升餘力。上述蓄電裝置是指長時間的電力平滑化用的二次電池等。標號說明10風電場12 轉子14風力發電裝置16集中控制裝置20電力系統22風車控制裝置
權利要求
1.一種風力發電裝置的控制裝置，所述風力發電裝置通過轉子的旋轉進行發電並且進行系統連接，為了能夠與在電力系統產生的頻率降低相對應地進一步向該電力系統供給電力，預先限制發電輸出而進行運轉，其中，所述控制裝置包括 第一導出單元，導出為了應對所述電力系統的頻率降低而需要的發電輸出即必要限制量; 第二導出單元，導出從由所述第一導出單元導出的所述必要限制量減去與能夠使發電輸出上升的潛在發電輸出相當的量得到的值；及 設定單元，基於由所述第二導出單元導出的值，設定發電輸出限制量，該發電輸出限制量用於為了應對在所述電力系統產生的頻率降低而預先限制發電輸出進行運轉。
2.如權利要求I所述的控制裝置，其中， 所述潛在發電輸出是由旋轉的所述轉子具有的慣性能量獲得的發電輸出、以額定輸出進行運轉的情況下通過過負荷運轉獲得的發電輸出及向蓄電裝置充電所使用的發電輸出中的至少任意一個發電輸出。
3.如權利要求I或2所述的控制裝置，其中， 所述設定單元在所述轉子的轉速未達到額定轉速的情況下，將由所述第二導出單元導出的所述值設定為發電輸出限制量。
4.一種風電場，包括 多個風力發電裝置；及 如權利要求I所述的控制裝置。
5.一種風力發電裝置的控制方法，所述風力發電裝置通過轉子的旋轉進行發電並且進行系統連接，為了能夠與在電力系統產生的頻率降低相對應地進一步向該電力系統供給電力，預先限制發電輸出而進行運轉，其中，所述控制方法包括 第一工序，導出為了應對所述電力系統的頻率降低而需要的發電輸出即必要限制量；第二工序，導出從由所述第一工序導出的所述必要限制量減去與能夠使發電輸出上升的潛在發電輸出相當的量得到的值 '及 第三工序，基於由所述第二工序導出的值，設定發電輸出限制量，該發電輸出限制量用於為了應對在所述電力系統產生的頻率降低而預先限制發電輸出進行運轉。
全文摘要
風力發電裝置(14)通過轉子(12)的旋轉進行發電並且進行系統連接，為了能夠與系統頻率降低相對應地進一步向電力系統(20)供給電力，預先限制發電輸出而進行運轉。並且，集中控制裝置(16)導出為了應對系統頻率的降低而需要的發電輸出即必要限制量，導出從該必要限制量減去與能夠使發電輸出上升的潛在發電輸出相當的量得到的值，基於該值，對各風力發電裝置(14)設定發電輸出限制量，該發電輸出限制量為了應對系統頻率的降低而預先限制發電輸出進行運轉。由此，即使風力發電裝置(14)進行限制發電輸出的運轉，也能夠減小發電輸出限制量。
文檔編號F03D9/02GK102884310SQ20108000289
公開日2013年1月16日 申請日期2010年10月29日 優先權日2010年10月29日
發明者中島巧, 橋本雅之, 八杉明, 若狹強志, 篠田尚信 申請人:三菱重工業株式會社