風力發電裝置及其輸出控制方法

2023-09-22 13:35:05 1

專利名稱：風力發電裝置及其輸出控制方法
技術領域：
本發明涉及一種風力發電裝置及其輸出控制方法。
背景技術：
近年來，在風力發電裝置等領域中，從電力系統側的供給電力的穩定化的觀點出 發，在從風力發電裝置向電力系統側供給電力時，要求確保預定範圍的功率因數。因此，例如進行控制有效功率及無效功率的功率因數一定控制等以使功率因數保 持一定(例如參照JP特開2001-268805號公報)。專利文獻1 JP特開2001-268805號公報

發明內容
然而，近年來為了實現電力系統一側的供給電力的進一步穩定化，從電力系統一 側要求從風力發電裝置向電力系統總是供給一定量以上的無效功率。這是基於無效功率對 電力穩定化有效。但是，例如因風的狀況等使有效功率落入極端時，如果還要供給一定量以上的無 效功率，則可以預測功率因數偏離了從電力系統側要求的預定的範圍。並且在此時，例如可 能會陷入不得不停止風車的運轉的狀況。本發明的目的在於提供一種風力發電裝置及其輸出控制方法，可以使功率因數保 持在一定範圍內，同時儘可能供給符合電力系統側的要求的無效功率。本發明的第一方面為風力發電裝置，具有進行輸出控制的控制裝置，其中，上述控 制裝置包括第一控制部，進行使無效功率一定的無效功率一定控制；第二控制部，進行使 功率因數一定的功率因數一定控制；存儲部，存儲有通過使功率因數為預定範圍的無效功 率和有效功率決定的運轉區域的信息；判斷部，判斷當前的運轉狀態是否處於上述存儲部 中存儲的上述運轉區域內；和切換控制部，切換上述第一控制部和上述第二控制部，上述控 制切換部，在由上述第一控制部進行無效功率一定控制、且由上述判斷部判斷為偏離了上 述運轉區域時，從上述第一控制部切換為上述第二控制部。根據這種構成，可以在不偏離運轉區域的範圍內進行無效功率一定控制，從而可 以儘可能供給從電力系統側要求的一定量以上的無效功率。進而在偏離了運轉區域時，從 無效功率一定控制切換為功率因數一定控制，因此可以避免從運轉區域大幅脫離，可以持 續進行風車的運轉。從而可以避免風車停止運轉，可以抑制發電效率的下降。在本發明中設定為，無效功率一定控制的優先順位高於功率因數一定控制。因此 在不偏離運轉區域的區域中，優先選擇無效功率一定控制。在上述風力發電裝置中，優選的是，上述控制切換部，在由上述第二控制部進行功 率因數一定控制、且有效功率超過了通過在上述無效功率一定控制下設定的無效功率指令 值和該運轉區域決定的有效功率的閾值時，從上述第二控制部切換為上述第一控制部。有效功率回復時，自動地從功率因數一定控制切換為無效功率一定控制，因此可以儘可能向電力系統供給一定量以上的無效功率。本發明的第二方面為風力發電裝置的輸出控制方法，其中，預先獲得通過使功率 因數為預定範圍的無效功率和有效功率決定的運轉區域的信息，在進行使無效功率一定的 無效功率一定控制時，在檢測到當前的運轉狀況偏離了上述運轉區域的情況下，從無效功 率一定控制切換為功率因數一定控制。在上述風力發電裝置的輸出控制方法中，優選的是，在進行上述功率因數一定控 制時，在有效功率超過了通過在上述無效功率一定控制下設定的無效功率指令值和該運轉 區域決定的有效功率的閾值的情況下，從功率因數一定控制切換為無效功率一定控制。


圖1是表示本發明一個實施方式的風力發電裝置的整體構成的框圖。圖2是表示發動機及其周邊的構成的一例的框圖。圖3是展開表示由圖2所示的主控制部實現的處理的功能框圖。圖4是表示運轉區域的一例的圖。圖5是表示本發明一個實施方式的風力發電裝置的輸出控制的流程圖。圖6是用於說明本發明一個實施方式的風力發電裝置的輸出控制的圖。標號說明1、風力發電裝置2、支柱3、吊艙(nacelle)4、轉子頭5、風車葉片6、發電機13、電力系統14、能動整流器15、DC 總線16、逆變器17、AC-DC-AC 變換器19、主控制部(控制裝置)21、變換器驅動控制部22、葉片控制部
具體實施例方式以下參照

本發明的風力發電裝置的一個實施方式。圖1是表示本實施方式的風力發電裝置的整體構成的框圖。風力發電裝置1如圖 1所示具有支柱2、設置在支柱2的上端的吊艙3、和可繞大致水平的軸線旋轉地設置在吊 艙3上的轉子頭4。在轉子頭4上繞其旋轉軸線放射狀地安裝有3個風車葉片5。從而從 轉子頭4的旋轉軸線方向吹向風車葉片5的風力被變換為使轉子頭4繞旋轉軸線旋轉的動 力，該動力由收容在吊艙3內的發電機變換為電能。
圖2是表示發電機6及其周邊構成的一例的框圖。本實施方式的發電機6構成為， 使發電機6所產生的電力能夠從定子繞組及轉子繞組雙方輸出到電力系統13。具體地說， 發電機6的定子繞組與電力系統13連接，轉子繞組經由AC-DC-AC變換器17與電力系統13 連接。AC-DC-AC變換器17包括能動整流器(變換器)14、DC總線15及逆變器16，用於 將從轉子繞組接收的交流電變換為適於電力系統13的頻率的交流電。能動整流器14將在 轉子繞組產生的交流電變換為直流電，並將該直流電輸出到DC總線15。逆變器16將從DC 總線15接收到的直流電變換為與電力系統13相同頻率的交流電，並輸出該交流電。AC-DC-AC變換器17還具有將從電力系統13接收到的交流電變換為適於轉子繞 組的頻率的交流電的功能，用於根據風力發電裝置1的運轉狀況而將轉子繞組勵磁。此時， 逆變器16將交流電變換為直流電，並將該直流電輸出到DC總線15。能動整流器14將從 DC總線15接收到的直流電變換為適於轉子繞組的頻率的交流電，並將該交流電供給到發 電機6的轉子繞組。 此外，在用於將發電機6與電力系統13連接的電力線中設置有測量發電機6的輸 出電壓V和輸出電流I的電壓/電流傳感器(省略圖示)。該電壓/電流傳感器的測量值 被提供到主控制部19及變換器驅動控制部21。變換器驅動控制部21，為了響應從後述主控制部(控制裝置)19提供的有效功率 指令P*、無效功率指令Q*，來控制向電力系統13輸出的有效功率P和無效功率Q，而控制能 動整流器14及逆變器16的功率電晶體的導通截止(0N/0FF)。具體地說，變換器驅動控制 部21根據由電壓/電流傳感器測量的輸出電壓V及輸出電流I，計算有效功率P和無效功 率Q。進而變換器驅動控制部21，生成使有效功率P和有效功率指令P*的差、以及無效功率 Q和無效功率指令Q*的差為零的PWM信號，並將生成的PWM信號供給到能動整流器14及逆 變器16。從而控制供給到電力系統13的有效功率P和無效功率Q。另外關於無效功率Q，根據從電力系統側要求的功率因數是滯後還是超前，來決定 是從風力發電裝置1向電力系統13供給無效功率，還是從電力系統13向風力發電裝置1 供給無效功率。另外在本申請的說明中，滯後功率因數下的「供給無效功率」是指向電力系 統13供給負的無效功率。葉片控制部22響應從主控制部19發出的俯仰(pitch)指令β *來控制葉片5的 俯仰角β。葉片5的俯仰角β被控制為與俯仰指令β*—致。主控制部19向上述變換器驅動控制部21及葉片控制部22輸出分別適於它們的 指令值。變換器驅動控制部21、葉片控制部22及主控制部19例如具有微計算機，通過由微 計算機讀出並執行記錄在可計算機讀取的記錄介質中的程序，而實現各種處理。在此，可計 算機讀取的記錄介質是指，磁碟、光磁碟、CD-ROM、DVD-ROM、半導體存儲器等。圖3是展開表示主控制部19具有的功能的功能框圖。如圖3所示，主控制部19 包括第一控制部31，進行使無效功率一定的無效功率一定控制；第二控制部32，進行使功 率因數一定的功率因數一定控制；存儲部33，存儲有通過使功率因數為預定範圍的無效功 率和有效功率決定的運轉區域的信息；判斷部34，判斷當前的運轉狀態是否在存儲部33中 存儲的運轉區域內；和控制切換部35，切換第一控制部31和第二控制部32，換言之，切換無 效功率一定控制和功率因數一定控制。
圖4表示存儲部33中存儲的運轉區域的信息。在此，例如示出了使功率因數 為-0.9以上+0.95以下的範圍的無效功率和有效功率的關係。在圖4中，縱軸為有效功 率P，橫軸為無效功率Q，圖中陰影線所包圍的區域為運轉區域、即使功率因數為-0.9以上 +0. 95以下的範圍的無效功率和有效功率的設定範圍。在圖3中，第一控制部31保有從電力系統側要求的既定的無效功率值，並將該無 效功率值設定為無效功率指令值Q*。在本實施方式中示例了作為無效功率指令值Q*而設 定-600kVAr的情況。此外，第一控制部31根據發電機6的旋轉數進行預定的運算，從而設定有效功率 指令值P*。第一控制部31這樣設定了無效功率指令值Q*、有效功率指令值P*後，將這些指令 值輸出到控制切換部35。第二控制部32例如保有從電力系統側要求的既定的功率因數(例如滯後功率因 數0. 9)，設定並輸出實現該功率因數的無效功率指令值Q*及有效功率指令值P*。例如，第 二控制部求出通過與發電機6的旋轉數的關係決定的有效功率指令值P*，並通過與該有效 功率指令值P*的關係計算滿足既定的功率因數(例如滯後功率因數0.9)的無效功率指令 值Q*，並將這些指令值輸出到控制切換部35。判斷部34根據由電壓/電流傳感器測量的輸出電壓V及輸出電流I來計算有效 功率P和無效功率Q，判斷這些值是否處於存儲部33值存儲的圖4所示的運轉區域內，並將 其結果輸出到控制切換部35。此時，判斷部34還向控制切換部35輸出根據輸出電壓V及 輸出電流I計算出的有效功率P和無效功率Q的信息。此外，在進行功率因數一定控制時，判斷部34判斷有效功率是否超過了通過在無 效功率一定控制中設定的無效功率指令值(本實施方式中為-600kVAr)和該運轉區域(參 照圖4)決定的有效功率的閾值(本實施方式中為1250kW)，並將其判斷結果輸出到控制切 換部35。上述閾值可以在運轉區域內的範圍中任意地設定，例如根據與無效功率一定控制 下設定的無效功率指令值的關係而採用使功率因數為-0. 9 (滯後功率因數0. 9)的有效功 率的值。控制切換部35是對輸出控制進行切換的單元，選定第一控制部31及第二控制部 32的任一個。在本實施方式中設定為，無效功率一定控制的優先順位高於功率因數一定控制。 因此，在不偏離運轉區域的區域中，在控制切換部35中優先選擇無效功率一定控制。此外，控制切換部35例如在由第一控制部31進行無效功率一定控制、且由判斷部 34判斷為偏離了運轉區域時，從第一控制部31切換為第二控制部32。此外，控制切換部35在由第二控制部32進行功率因數一定控制、且由判斷部34 判斷為有效功率超過了閾值時，從第二控制部32切換為第一控制部31。接下來參照圖5及圖6，說明本實施方式的風力發電裝置的輸出控制方法、即由主 控制部19實現的處理的內容。首先，風車的運轉開始後(圖5的步驟SAl)，控制切換部35選擇第一控制部31。 從而採用第一控制部31下的無效功率一定控制(圖5的步驟SA2)，從主控制部19向變換 器驅動控制部21輸出使無效功率保持一定的無效功率指令值Q*及有效功率指令值P*。
變換器驅動控制部21控制能動整流器14及逆變器16，以使根據由電壓/電流傳 感器測定的輸出電壓V及輸出電流I計算出的有效功率P和無效功率Q，分別與從主控制部 19提供的有效功率指令P*、無效功率Q* —致。從而將使無效功率一定的有效功率P和無效 功率Q供給到電力系統13 (圖5的步驟SA3)。進行這種無效功率一定控制時，例如在風的狀況急劇變化、有效功率P落入到極 端情況，而如圖6所示的粗虛線的箭頭所示，落入到偏離運轉區域的1250kW以下的情況下， 在判斷部34中檢測到偏離了運轉區域，並將表示該情況的信息供給到控制切換部35(圖5 的步驟SA4)。控制切換部35接收到表示偏離了運轉區域的情況的信號後，通過從第一控制部 31切換到第二控制部32，而將控制內容從無效功率一定控制切換為功率因數一定控制(圖 5的步驟SA5)。從而選擇由第二控制部32設定的用於使功率因數一定的有效功率指令P*、無效功 率指令Q*，將這些指令輸出到變換器驅動控制部21。從而將用於使功率因數一定的有效功率P及無效功率Q供給到電力系統13(圖5 的步驟SA6)。這樣在偏離了運轉區域時，通過從無效功率一定控制切換為功率因數一定控制， 從而如圖6的粗線箭頭所示，即使在有效功率下降時也可以避免從運轉區域脫離，而持續 進行風車的運轉控制。在這樣進行功率因數一定控制的期間中，有效功率逐漸回復，其結果例如超過了 通過無效功率一定控制下設定的無效功率指令值和圖4所示的運轉區域決定的有效功率 的閾值時，由判斷部34檢測到該情況，並將表示該情況的信息輸出到控制切換部35 (圖5 的步驟SA7)。例如在本實施方式中，在無效功率一定控制下，進行將無效功率維持為_600kVAr 的控制，因此通過該設定值和運轉區域決定的有效功率的閾值如圖6所示為1250kW。另外， 該值只是一個示例，可以通過上述方法任意地設定。進而針對該閾值，為了可以更安全運 轉，也可以考慮到餘量而設定有效功率的閾值。控制切換部35通過取得該信息，而從第二控制部32切換為第一控制部31 (圖5 的步驟SA2)。從而再度進行第一控制部31下的無效功率一定控制(圖5的步驟SA3)。這樣在有效功率暫時降低而後回復的情況下，自動地切換為無效功率一定控制， 因此可以儘可能地向電力系統13供給一定量以上的無效功率。如上所述，根據本實施方式的風力發電裝置及其運轉控制方法，因有效電力降低 而偏離運轉區域時，從無效功率一定控制快速地切換為功率因數一定控制，因此可以將功 率因數保持在預定範圍內，可以避免風車的運轉停止。從而可以抑制發電效率下降。此外，在有效功率回復時自動地從功率因數一定控制切換為無效功率一定控制， 因此可以儘可能地向電力系統13提供一定量以上的無效功率。另外，在本實施方式中示例了供給負的無效功率的情況進行說明，但本發明的風 力發電裝置的輸出控制方法也可以同樣地適用於供給正的無效功率的情況。
權利要求
一種風力發電裝置，具有進行輸出控制的控制裝置，其中，上述控制裝置包括第一控制部，進行使無效功率一定的無效功率一定控制；第二控制部，進行使功率因數一定的功率因數一定控制；存儲部，存儲有通過使功率因數為預定範圍的無效功率和有效功率決定的運轉區域的信息；判斷部，判斷當前的運轉狀態是否處於上述存儲部中存儲的上述運轉區域內；和切換控制部，切換上述第一控制部和上述第二控制部，上述控制切換部，在由上述第一控制部進行無效功率一定控制、且由上述判斷部判斷為偏離了上述運轉區域時，從上述第一控制部切換為上述第二控制部。
2.根據權利要求1所述的風力發電裝置，其中，上述控制切換部，在由上述第二控制部進行功率因數一定控制、且有效功率超過了通 過在上述無效功率一定控制下設定的無效功率指令值和該運轉區域決定的有效功率的閾 值時，從上述第二控制部切換為上述第一控制部。
3.一種風力發電裝置的輸出控制方法，其中，預先獲得通過使功率因數為預定範圍的無效功率和有效功率決定的運轉區域的信息，在進行使無效功率一定的無效功率一定控制時，在檢測到當前的運轉狀況偏離了通過 使功率因數為預定範圍的無效功率和有效功率決定的運轉區域的情況下，從無效功率一定 控制切換為功率因數一定控制，在該功率因數一定控制下以使功率因數一定的方式控制有 效功率及無效功率。
4.根據權利要求3所述的風力發電裝置的輸出控制方法，其中，在進行上述功率因數一定控制、且有效功率超過了通過在上述無效功率一定控制下設 定的無效功率指令值和該運轉區域決定的有效功率的閾值時，從功率因數一定控制切換為 無效功率一定控制。
全文摘要
本發明的目的在於提供一種風力發電裝置及其輸出控制方法，可以使功率因數保持在一定範圍內，同時儘可能供給符合電力系統側的要求的無效功率。風力發電裝置(1)具有主控制部(19)，該主控制部(19)包括第一控制部(31)，進行無效功率一定控制；第二控制部(32)，進行功率因數一定控制；判斷部(34)，判斷當前的運轉狀態是否處於預定的運轉區域內；和切換控制部(35)，在由第一控制部(31)進行無效功率一定控制、且由判斷部(34)檢測到偏離了運轉區域時，從第一控制部(31)切換為第二控制部(32)。
文檔編號H02P9/00GK101904084SQ200980000019
公開日2010年12月1日 申請日期2009年1月7日 優先權日2009年1月7日
發明者八杉明 申請人:三菱重工業株式會社