風力發電系統及其運轉控制方法
2023-12-01 03:36:26 3
專利名稱：風力發電系統及其運轉控制方法
技術領域：
本發明涉及風力發電系統及其運轉控制方法。
背景技術：
一直以來，在風電場的互連點的功率因數控制中，通過與系統運用者的協議等確 定滿足超前功率因數0. 95 滯後功率因數0. 95的範圍的規定功率因數指令值，各風車的 發電系統進行功率因數控制以維持確定的規定功率因數指令。另外，在即使進行上述控制 而互連點的功率因數也脫離上述範圍的情況下，通過變電所的電容器組、電抗器的開閉而 進行互連點的功率因數的調整。此外，在專利文獻1中公開了下述技術從控制互連點的電力等的中央控制裝置 對各風車發送一樣的無功功率指令，各風車根據該無功功率指令進行控制。專利文獻1 美國專利第7166928號說明書
發明內容
但是，為了提高電力系統的電壓的穩定性，需要提高互連點的功率因數調整精度。 然而在上述的現有技術中，由於對各風車給予一樣的無功功率指令值，因此存在不能進一 步提高功率因數調整精度的不良情況。本發明的目的在於，提供一種能夠提高功率因數調整精度的風力發電系統及其運 轉控制方法。為了解決上述的課題，本發明採用以下的手段。本發明的第一方式是一種風力發電系統的運轉控制方法，所述風力發電系統具備 多個風車和對於各所述風車給予控制指令的中央控制裝置，各所述風車的輸出電力通過共 用的互連點而供給到電力系統，其中，使用對於各所述風車分別設定的功率因數校正量來 校正所述互連點的規定功率因數指令值，由此分別確定與各所述風車對應的功率因數指令值。根據本發明，使用與各風車對應的功率因數校正量來校正互連點的規定功率因數 指令值，因此能夠對於各風車設定與其他風車不同的功率因數指令值。由此，根據考慮了有 關各風車的特性等的適宜的功率因數指令值使各風車進行功率因數控制，因此能夠實現提 高系統點的功率因數控制的精度。在上述風力發電系統的運轉控制方法中，也可以是，所述功率因數校正量根據各 所述風車和所述互連點之間存在的電抗成分來確定。這樣，使用加入了風車和互連點之間存在的電抗成分的功率因數校正量，來確定 各風車的功率因數指令值，因此，能夠高效地使互連點的實際功率因數與規定功率因數指
令值一致。例如，在不考慮各風車和互連點之間存在的電抗成分而進行使互連點的實際功率 因數與功率因數指令值一致的單純的反饋控制的情況下，即使能夠使各風車具備的發電系統的輸出端的功率因數與給予各風車的功率因數指令值一致，也難以使互連點的功率因數 與規定功率因數指令值一致。這是因為，功率因數因從風車輸出端連接互連點的電力線的 電抗等而變動。關於這一點，在本發明中，根據加入了各風車和互連點之間存在的電抗成分 的功率因數指令值進行各風車的控制，因此能夠高效且高精度地控制互連點的功率因數。本發明的第二方式是一種風力發電系統的運轉控制方法，所述風力發電系統具備 多個風車和對於各所述風車給予控制指令的中央控制裝置，各風車的輸出通過共用的互連 點而供給到電力系統，其中，在具備可變速風車和固定速風車兩種風車作為多個所述風車 的情況下，計算作為所述固定速風車整體的所述互連點的功率因數，對算出的所述功率因 數和所述互連點的規定功率因數指令值之間的差分進行計算，使用算出的所述差分來校正 所述規定功率因數指令值，根據校正後的所述規定功率因數指令值來確定各所述可變速風 車的功率因數指令值 。根據上述方法，考慮到固定速風車產生的功率因數變動而確定可變速風車的功率 因數指令值，因此，能夠通過可變速風車的功率因數控制來吸收固定速風車產生的功率因 數變動。由此，即使在固定速風車和可變速風車混合存在的情況下，也能夠提高互連點的功 率因數控制的精度。在上述風力發電系統的運轉控制方法中，也可以是，使用對於各所述可變速風車 分別設定的功率因數校正量來校正校正後的所述規定功率因數指令值，由此確定與各所述 可變速風車對應的功率因數指令值。這樣，使用對應於各可變速風車而分別設定的功率因數校正量，進一步對考慮到 固定速風車的功率因數變動而校正的互連點的規定功率因數指令值進行校正，由此確定各 可變速風車的功率因數指令值，因此，能夠對於各可變速風車設定與其他可變速風車不同 的功率因數指令值。由此，根據考慮到與各可變速風車有關的特性等的適宜的功率因數指 令值，使各可變速風車進行功率因數控制，因此，能夠進一步提高互連點的功率因數控制的 精度。在上述風力發電系統的運轉控制方法中，也可以是，與各所述可變速風車對應的 功率因數校正量根據各所述可變速風車和所述互連點之間存在的電抗成分來確定。這樣，加入風車和互連點之間存在的電抗成分而確定各可變速風車的功率因數指 令值，因此，能夠高效地使互連點的實際功率因數與功率因數指令值一致。本發明的第三方式是一種風力發電系統，具備多個風車和對於各所述風車給予控 制指令的中央控制裝置，各所述風車的輸出電力通過共用的互連點而供給到電力系統，其 中，使用對於各所述風車分別設定的功率因數校正量來校正所述互連點的規定功率因數指 令值，由此分別確定與各所述風車對應的功率因數指令值。本發明的第四方式是一種風力發電系統，具備多個風車和對於各所述風車給予控 制指令的中央控制裝置，各風車的輸出通過共用的互連點而供給到電力系統，其中，在具備 可變速風車和固定速風車兩種風車作為多個所述風車的情況下，所述中央控制裝置計算作 為所述固定速風車整體的所述互連點的功率因數，對算出的所述功率因數和所述互連點的 規定功率因數指令值之間的差分進行計算，使用算出的所述差分來校正所述規定功率因數 指令值，根據校正後的所述規定功率因數指令值來確定各所述可變速風車的功率因數指令 值。
根據本發明，取得了能夠提高功率因數調整精度的效果。
圖1是表示本發明第一實施方式的風力發電系統的整體構成的圖。圖2是用於對本發明第一實施方式的功率因數校正量進行說明的圖。圖3是表示本發明第一實施方式的風力發電系統的運轉控制方法的順序的流程圖。圖4是用於對本發明第二實施方式的風力發電系統的運轉控制方法進行說明的 圖。標號說明1風力發電系統10中央控制裝置20發電系統30電力線WTGl、WTGl、WTGn 風車
具體實施例方式以下，參照附圖對本發明的風力發電系統及其運轉控制方法的各實施方式進行說明。[第一實施方式]圖1是表示本實施方式的風力發電系統的整體構成的框圖。如圖1所示，風力發 電系統1具有多個風車WTGl、WTG2、……、WTGn(以下，表示全部風車時僅附上標號「WTG」， 表示各風車時附上標號「WTG1」、「WTG2」等)和對各風車WTG給予控制指令的中央控制裝置 10。本實施方式中，全部的風力發電裝置WTG都是可變速風車。各風車WTG具有發電系統20。發電系統20例如以發電機、可控制發電機的有功功 率和無功功率的可變頻率轉換器勵磁系統、以及對該可變頻率轉換器勵磁系統給予電力指 令值的風車控制裝置作為主要構成。從各風車具備的發電系統20輸出的電力通過各電力線30並經由共用的互連點A 而供給到電力系統(utility grid)。中央控制裝置10根據從管理系統電力的電力管理室(例如電力公司等)通知的 互連點A的要求功率因數指令，設定互連點A的功率因數指令值。然後，使用與各風車WTG1、 WTG2、……、WTGn對應而分別設定的功率因數校正量對該功率因數指令值進行校正，對於 各風車分別發送校正後的功率因數指令值。此處，對應於各風車而設定的功率因數校正量 的詳細情況如後所述。各風車WTG1、WTG2、……、WTGn具備的發電系統20設定滿足從中央控制裝置10 給予的功率因數指令值的有功功率的指令值和無功功率的指令值。具體而言，發電系統20 的風車控制裝置監視發電機的轉速，設定與其轉速相對應的有功功率的指令值。另外，根據 該有功功率的指令值和以下的(1)式所示的關係式來求解滿足該功率因數指令值的無功 功率的指令值。另外，此時，風車控制裝置在由熱限制、電壓限制所確定的動作範圍內設定無功功率的指令值。而且在使功率因數指令優先的情況下，也可以進行減少有功功率而提 供必要的無功功率的設定。[數式1]
formula see original document page 6上述(1)式中，P是有功功率，Q是無功功率。風車控制裝置將設定的有功功率的指令值和無功功率的指令值給予可變頻率轉 換器勵磁系統。可變頻率轉換器勵磁系統根據風車控制裝置給予的有功功率的指令值和無 功功率的指令值，控制發電機。通過進行上述功率因數控制，從各風車WTG輸出滿足給予各風車的功率因數指令 值的有功功率和無功功率，經由電力線30供給到共用的互連點A。接著，對與上述的各風車WTG1、WTG2、……、WTGn對應而分別設定的功率因數校正
量進行詳細說明。上述功率因數校正量根據各風車WTGl、WTG2、……、WTGn和互連點A之間存在的 電抗成分來確定。例如，在具有多個風車的風電場等上，連接各風車WTG1、WTG2、……、WTGn 和互連點A的電力線30的長度顯著不同。因此，從風車輸出的電力直至到達互連點A前受 到與各自的電力線30的距離對應的電抗的影響。由此，例如對各風車給予一樣的功率因數指令值的情況下，在互連點A的無功功 率中產生偏差，存在功率因數精度下降的可能性。關於這一點，在本實施方式中，考慮到上 述的電力線30的電抗成分所引起的電力變動，使用與各風車、更詳細地說是連接各風車和 互連點A的電力線30的電抗成分相對應的功率因數校正量來校正給予各風車的功率因數 指令值。首先，如圖2所示，分別設各風車WTGl、WTG2、……、WTGi、……、WTGn的輸出端的 電力為PJjQrPJjQr……七+jQ」……、Pn+jQn。此外，分別設各風車WTG1、WTG2、……、 WTGn和互連點A之間的電力線的電抗為jxi、jx2、……、jXi、……、jxn，並定義互連點A的 各風車的電力為 P1'+jQ/、P2，+jQ2，、……、Pi，+jQ/、……、Pn，+jQn，。接著，在各風車中進行潮流計算。此處，以第i個風車為例進行說明。為了方便， 設互連點電壓V#id= lpu，相位角S#id = 0。此外，有功功率P、無功功率Q均以從各風車 朝向互連點A的方向為正符號。另外，功率因數的符號也與此一致，例如，如果P > 0、Q > 0，則功率因數pf > 0，如果P > 0、Q < 0，則功率因數pf < 0。在該條件下，風車GTWi的輸出端的有功功率P」無功功率Qi、以及互連點A的有功 功率P/、無功功率Qi'分別如以下表示。[數式2]formula see original document page 7該潮流計算中，由於只考慮了電力線30的電抗成分，所以有功功率Pi = P/，為相 同的值。在此，PpQi為已知時，能夠根據上式⑵解出P/、Qi'。P」 Qi是例如，在過去規定期間(例如一個月、或三個月、或一年等)中取得風車 輸出端的有功功率Pi、無功功率Qi,通過解析取得的這些數據，設定適宜的值(例如平均值風車輸出端的功率因數Pfi由以下的(3)式表示，互連點A的功率因數pf/由以 下的⑷式表示。[數式3](3)
formula see original document page 7其結果是，根據以下的(5)式可求出第i個風車的功率因數校正量Apfitjformula see original document page 7(5)上述(5)式中，Pfgrid是互連點A的功率因數指令值。通過上述方法求得的各風車的功率因數校正量Δ Pfi,與各風車建立對應而存儲 於中央控制裝置10具備的存儲器內，用於風車運轉時的功率因數指令值的校正。此外，存儲於存儲器的上述功率因數校正量也可以例如以規定的時間間隔(例如 一年或三個月等)而更新。更新時，將風車的有功功率Pi和無功功率Qi設定為適宜的值 (例如如上所述使用過去規定期間的數據的解析結果等而設定)，將該值代入上述式中，由 此更新各風車的功率因數校正量即可。接著，對於具備上述構成的風力發電系統的運轉控制方法進行說明。首先，中央控制裝置10取得互連點的功率因數指令值(圖3的步驟SAl)， 從存儲器讀出各風車WTGl、WTG2、……、WTGn所對應的功率因數校正量Apfi,使用該功率 因數校正量八？&校正功率因數校正值？&^步驟5々2)。然後，將校正後的功率因數指令 值Pfi ( = pfgrid+ Δ Pfi)分別發送到各風車WTG1、WTG2、……、WTGn (步驟SA3)。各風車WTGl、WTG2、……、WTGn的風車控制裝置設定滿足從中央控制裝置10接受 的各功率因數指令值ΔρΑ、Apf2,……、Apfi、……、Δ Pfn的有功功率指令值和無功功 率指令值，將設定的有功功率指令值和無功功率指令值給予可變頻率轉換器勵磁系統。可 變頻率轉換器勵磁系統根據給予的有功功率指令值及無功功率指令值控制發電機。由此，從各風車輸出滿足與各風車對應的功率因數指令值的有功功率和無功功率，經由電力線30 供給到共用的互連點A。中央控制裝置10檢測互連點A的有功功率和無功功率，根據這些檢測值計算出 實際的功率因數pfg,id』。然後，計算出已算出的實際的功率因數Pfg,id』和功率因數指令值 Pfaid的差分，重新計算消除該差分的功率因數指令值，將其作為下一個功率因數指令值給 予各風車(步驟SA4)。如以下所示的(6)式，通過將實際的功率因數pfgHd』和功率因數指令值pfg,id的 差分、及功率因數校正量Δ Pfi進一步加到功率因數指令值Pf^id而求出新的功率因數指令值。Pfi = Pfgrid+Δ Pfi+(pfgrid-pfgrid' ) (6)而且在之後，以規定的時間間隔檢測出互連點A的實際的功率因數，將根據該檢 測結果求出的功率因數差分Apf^id = pfgHd-pfgrid』和功率因數校正量ApfiR入上述(6) 式，由此計算出對應於各風車的功率因數指令值即可。這樣一來，通過進行反饋控制，能夠使互連點A的無功功率穩定。如以上說明，根據本實施方式的風力發電系統1及其運轉控制方法，使用與各風 車和互連點A之間存在的電抗對應的功率因數校正量來校正互連點A的功率因數指令值， 由此求解適於各風車的功率因數指令值，因此能夠在各風車中進行考慮了電力線30的電 抗的功率因數控制。由此，能夠提高互連點A的功率因數控制的精度。[第二實施方式]接著，利用圖4對本發明的第二實施方式進行說明。在上述第一實施方式中，對全部風車都是可變速風車的情況進行了說明，但本實 施方式中，對一部分風車為固定速風車的情況進行說明。本實施方式的風力發電系統具備至少一臺固定速風車和至少一臺可變速風車。例 如如圖4所示，設從第1臺到第i臺的風車為可變速風車，設從第i+Ι臺到第η臺的風車為 固定速風車。該情況下，首先，通過基於與上述第一實施方式同樣的順序的潮流計算，求解 互連點A的有功功率P/和無功功率Qi'。接著，如以下的(7)式、⑶式所示求解互連點A的僅是固定速風車的有功功率和 無功功率的合計。[數式4]formula see original document page 8(7)formula see original document page 8(8)接著，利用上述有功功率和無功功率的合計，計算固定速風車整體的功率因數
Pffix °[數式5] formula see original document page 8
接著，計算互連點A的功率因數指令值和作為上述固定速風車整體的功率因數 PW的差分。formula see original document page 9然後，由於通過可變速風車吸收該差分，所以設定該Apf作為指令值校正量，將 指令值校正量Δρ ·加到上述功率因數指令值pfg,id後的值作為新的功率因數指令值。然後， 根據該功率因數指令值，和上述第一實施方式一樣，使用與各可變速風車WTG1、WTG2、……、 WTGi對應的功率因數校正量Apfp Apf2,……、ΔPfi,求解每個風車的功率因數指令值， 將校正後的功率因數指令值發送給各風車。如以上說明，根據本實施方式的風力發電系統及其運轉控制方法，在固定速風車 和可變速風車混合存在的情況下，考慮到固定速風車的功率因數的變動的量而確定可變速 風車的功率因數指令值，因此，能夠通過可變速風車吸收固定速風車的功率因數變動。由 此，在包括固定速風車的情況下也能夠提高功率因數控制的精度。此外，本實施方式中，求解固定速風車全體的功率因數，使用該功率因數校正互聯 點A的功率因數指令值，並進一步使用與各可變速風車對應而分別設定的功率因數校正量 Apfi來校正校正後的功率因數指令值，但代替該方法，也可以例如給予使用固定速風車整 體的功率因數來校正的功率因數指令值作為各可變速風車的功率因數指令值。該情況下， 對於各可變速風車和互連點A之間存在的電抗引起的功率因數變動並沒有消除，但能夠消 除固定速風車的功率因數變動，在這一點上能夠取得顯著的效果。以上，參照附圖對本發明的實施方式進行了詳細說明，但具體的構成並不限於本 實施方式，也包括不脫離本發明主旨的範圍的設計變更等。例如，在上述各實施方式中，在中央控制裝置10中進行功率因數指令值的校正， 但替代本方式，例如也可以在各風車中進行功率因數指令值的校正。該情況下，從中央控制 裝置10對各風車發送一樣的功率因數指令值，在各風車中，使用各風車具有的各個功率因 數校正量，對從中央控制裝置10接收的功率因數指令值進行校正。此外，在本實施方式中，通過通信從中央控制裝置10發送校正後的功率因數指令 值等，但也可以是例如由操作者通過手動對各風車輸入設定功率因數指令值的構成。
權利要求
一種風力發電系統的運轉控制方法，所述風力發電系統具備多個風車和對於各所述風車給予控制指令的中央控制裝置，各所述風車的輸出電力通過共用的互連點而供給到電力系統，其中，使用對於各所述風車分別設定的功率因數校正量來校正所述互連點的規定功率因數指令值，由此分別確定與各所述風車對應的功率因數指令值。
2.如權利要求1所述的風力發電系統的運轉控制方法，其中，所述功率因數校正量根 據各所述風車和所述互連點之間存在的電抗成分來確定。
3.一種風力發電系統的運轉控制方法，所述風力發電系統具備多個風車和對於各所述 風車給予控制指令的中央控制裝置，各風車的輸出通過共用的互連點而供給到電力系統， 其中，在具備可變速風車和固定速風車兩種風車作為多個所述風車的情況下，計算作為所述 固定速風車整體的所述互連點的功率因數，對算出的所述功率因數和所述互連點的規定功率因數指令值之間的差分進行計算，使用算出的所述差分來校正所述規定功率因數指令值，根據校正後的所述規定功率因數指令值來確定各所述可變速風車的功率因數指令值。
4.如權利要求3所述的風力發電系統的運轉控制方法，其中，使用對於各所述可變速 風車分別設定的功率因數校正量來校正校正後的所述規定功率因數指令值，由此確定與各 所述可變速風車對應的功率因數指令值。
5.如權利要求4所述的風力發電系統的運轉控制方法，其中，與各所述可變速風車對 應的功率因數校正量根據各所述可變速風車和所述互連點之間存在的電抗成分來確定。
6.一種風力發電系統，具備多個風車和對於各所述風車給予控制指令的中央控制裝 置，各所述風車的輸出電力通過共用的互連點而供給到電力系統，其中，使用對於各所述風車分別設定的功率因數校正量來校正所述互連點的規定功率因數 指令值，由此分別確定與各所述風車對應的功率因數指令值。
7.一種風力發電系統，具備多個風車和對於各所述風車給予控制指令的中央控制裝 置，各風車的輸出通過共用的互連點而供給到電力系統，其中，在具備可變速風車和固定速風車兩種風車作為多個所述風車的情況下，所述中央控制裝置計算作為所述固定速風車整體的所述互連點的功率因數，對算出的所述功率因數和所述互連點的規定功率因數指令值之間的差分進行計算，使用算出的所述差分來校正所述規定功率因數指令值，根據校正後的所述規定功率因數指令值來確定各所述可變速風車的功率因數指令值。
全文摘要
目的在於提高功率因數調整精度。使用對於各風車分別設定的功率因數校正量來校正互連點(A)的規定功率因數指令值，由此確定與各風車對應的功率因數指令值。
文檔編號H02P9/00GK101809856SQ20078010090
公開日2010年8月18日 申請日期2007年12月14日 優先權日2007年12月14日
發明者八杉明, 有永真司, 松下崇俊, 柴田昌明, 若狹強志 申請人:三菱重工業株式會社