可变速风力发电系统的制作方法

专利名称：：可变速风力发电系统的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种发电机的转速可变的风力发电系统。
背景技术：
：风力发电装置利用旋转翼接收风能，并转换成旋转能，使发电机的转子产生旋转转矩。此时，通过使转子(或定子、或者是这双方)产生磁场，从利用风而产生转矩中获取电力。该获取的电力通过电线被提供给电力系统或负载。由于风力发电系统使用风能，所以存在着其发电电力不稳定，会使所连接的电力系统的电压发生变动的问题。公知有一种在风力发电系统的发电控制中使用转矩控制，作为抑制电压变动的对策而进行力率控制的风力发电系统。[专利文献1]专利第3435474号由于风力发电系统的发电电力因风而变动，所以，存在着有可能引起电力系统的电压变动的问题。在上述专利文献1中，对发电系统进行转矩控制，随着转速的变化，使发电的有效电力变化。另外，在力率控制中，有可能在发电电力小时无效电力的输出变小，由此不能为了控制电压变动而获得充分的无效电力量的输出。
发明内容为了解决上述问题，本发明提供一种可变速风力发电系统，包括在可旋转的轴上至少安装有1片旋转翼的风车；具有与该风车的轴一同旋转的转子的发电机；具有用于控制该发电机的电力的有源开关的电力转换器；和按照旋转翼角度指令值变更上述旋转翼的角度的旋转翼角度变更装置，其中，具有发电电力指令装置，其根据上述风车的风车状态量，生成发电电力指令值；和发电机控制装置，其为了控制上述有源开关而控制上述电力转换器；上述发电电力指令装置具有根据当前的风速决定旋转翼角度，并根据该决定的旋转翼角度来决定发电电力指令值的装置，上述发电机控制装置具有为了根据上述发电电力指令值变更发电电力量而控制有源开关，来调整发电机的发电电力的装置。另外，为了解决上述的问题，本发明提供一种可变速风力发电系统，包括在可旋转的轴上至少安装有1片旋转翼的风车；具有与该风车的轴一同旋转的转子的发电机；具有用于控制该发电机的电力的有源开关的电力转换器；和按照旋转翼角度指令值变更上述旋转翼的角度的旋转翼角度变更装置，其中，具有发电电力指令装置，其根据风车状态量生成发电电力指令信号；和发电机控制器装置，其为了控制上述有源开关而控制上述电力转换器；上述发电电力指令装置具有根据风速求出发电电力指令值和转速指令值的装置；和根据转速指令值与转速检测值的转速偏差变更旋转翼角度指令值的装置，发电机控制装置具有为了根据发电电力指令值变更发电电力量而控制有源开关，来调整发电机的发电电力的装置。而且，为了解决上述的问题，本发明提供一种可变速风力发电系统，包括在可旋转的轴上至少安装有1片旋转翼的风车；具有与该风车的轴一同旋转的转子的发电机；包括用于控制该发电机的电力的有源开关的电力转换器；和按照旋转翼角度指令值变更上述旋转翼的角度的旋转翼角度变更装置，其中，具有发电电力指令装置，其根据上述风车的风车状态量生成发电电力指令值；和发电机控制器装置，其为了控制有源开关而控制上述电力转换器；上述发电电力指令装置具有根据风速求出旋转翼角度指令值和转速指令值的装置；和根据转速指令值与转速检测值的转速偏差变更上述发电电力指令值的装置，上述发电机控制装置具有为了根据发电电力指令值变更发电电力量而控制有源开关，来调整发电机的发电电力的装置。并且，为了解决上述的问题，本发明提供一种可变速风力发电系统，包括在可旋转的轴上至少安装有1片旋转翼的风车；具有与该风车的轴一同旋转的转子的发电机；包括用于控制该发电机的电力的有源开关的电力转换器；和按照旋转翼角度指令值变更上述旋转翼的角度的旋转翼角度变更装置，能够根据无效电力指令值与有效电力独立地输出无效电力。根据本发明的可变速风力发电系统，由于相比以往的转矩控制方式，能够减小向系统输出的发电电力的变动，所以能够减小对系统的电压变动的影响。另外，根据本发明的可变速风力发电系统，通过具备无效电力控制装置，能够独立于发电有效电力量来决定无效电力量，即使在发电电力小时也能够输出大的无效电力，从而可实现与系统条件对应的无效电力输出。图1是表示电力系统和风力发电装置的电路结构的说明图。图2是表示风力发电装置的结构的说明图。图3是表示转换器控制的结构的说明图。图4是表示风车控制的结构的说明图。图5是发电机输出特性相对转速的说明图。图6是表示风车的效率的说明图。图7是表示风车控制的其他实施例的结构的说明图。图8是基于图7所示的风车控制的系统动作的说明图。图9是表示风车控制的其他实施例的结构的说明图。图10是基于图9所示的风车控制的系统动作的说明图。图11是表示其他实施例的风力发电装置的结构的说明图。图12是表示风力发电装置的结构的说明图。图13是表示转换器控制的结构的说明图。图14是减少电力指令值的电路的说明图。图15是相对风速的倾(pitch)角指令值的说明曲线图。图16是转速指令值相对圆周速度比、风速的说明曲线图。图17是表示风车控制的其他实施例的结构的说明图。图中101-电力系统；104-风力发电装置；104-01-发电机；104-02-旋转翼；104-03-风车控制装置；104-04-转换器；104-05-控制装置；104-06-断路器；104-07-变压器；；Qref-无效电力指令值；Pref-有效电力指令值；Run-运转/停止指令值；Pchref-倾角指令值；PTL-电压检测器；VL-系统电压检测值；APR-有效电力调整器；AQR、AQR2-无效电力调整器；604-01-同步发电机。具体实施例方式采用将通过有效电力控制来输出发电电力的控制装置设置在风力发电系统中的方法来实现。采用将接受无效电力指令、控制无效电力的控制装置，设置在风力发电系统中的方法，实现了在系统中对必要的无效电力进行补偿的目的。[实施例1]图1是表示本发明一个实施例的装置结构的单线连接图。首先，对用于输送电力的电力系统的结构进行说明。在电力系统的发电设备101容量大的情况下，可单纯地认为是电源。来自电力系统的发电设备101的电力，使用输送电线被输送到家庭、楼房以及工厂等。风力发电装置104通过用于与电力系统连接的变压器104-07，与上述送电线路连接。风力发电装置104主要由绕组型感应式发电机104-01、旋转翼104-02、风车控制装置104-03、转换器(励磁装置)104-04、和转换器控制装置104-05构成。旋转翼104-02被以机械方式(使用齿轮等)连接在发电机104-01的转子上，发电机104-01的转子绕组与转换器104-04电连接，而且，发电机104-01的定子通过断路器104-06和连接用的变压器104-07等，与电力系统电连接(关于详细结构将在图2中进行说明)。风车控制装置104-03被输入风速检测值U、无效电力指令值Qref、和转速检测值。另外，风车控制装置104-03具有下述功能通过向旋转翼104-02输出倾角指令值Pchref来控制旋转翼角度、进行有效电力指令值Pref的运算以及向转换器控制装置104-05输出有效电力指令值Pref，并且接收无效电力指令值Qref，将接收的无效电力指令值Qref传送给转换器控制装置104-05。上述无效电力指令值Qref和上述有效电力指令值Pref等各种指令值被发送给转换器控制装置104-05。转换器控制装置104-05按照指令值控制转换器104-04，并控制发电机104-01的电力、和向系统输出的电力(有效电力、无效电力)。下面，结合图2对风力发电装置104进行详细说明。图2表示作为发电机104-01而使用了交流励磁型同步发电机的结构。发电机104-01的定子侧的3相输出被连接在能够根据外部信号sg1进行开闭的例如电磁接触器301的次极侧。另外，电磁接触器301的初极侧与电磁接触器302的初极侧连接。电磁接触器302的次极侧通过由电容器Cn和电抗器Ln构成的交流滤波电路，与转换器CNV连接。转换器CNV的直流电路303与转换器INV的直流电路部连接，上述转换器INV的交流输出通过由电抗器Lr和电容器Cr构成的交流滤波电路，与发电机104-01的转子绕组电连接。另外，电磁接触器301的初极侧还通过断路器104-06和变压器104-07，与电力系统101连接。上述断路器104-06具有将风力发电装置104在电气上从系统中分离的功能。发电机侧转换器INV和系统侧转换器CNV作为有源开关，例如使用半导体开关元件(晶闸管、GTO、IGBT、MOS、SiC等)构成，分别具有将直流转换成交流、或将交流转换成直流的功能。另外，设置于上述系统侧转换器CNV的交流输出端子的、由电抗器Ln和电容器Cn构成的交流滤波电路，具有使高频电流和高频电压衰减的功能。发电机104-01的转子通过齿轮等与风力发电用的旋转翼连接，接受风力进行旋转。而且，转子与检测旋转速度的例如由编码器构成的速度检测器连接，向转换器控制装置104-05和风车控制装置104-03输出速度检测值ω。而且，与转子连接的旋转翼104-02按照倾斜角度指令值Pchref变更旋转的角度。在将风的入射方向定义为0度时，如果增大旋转翼角度，则接受风的面积增加。下面，对用于控制发电电力的布线和装置进行说明。断路器104-06的次极侧的三相电压以及三相电流分别由电压传感器PTs、电流传感器CTs将其值转换成低电压的电压检测信号Vs、和低电压的电流检测信号Is，上述低电压的信号Vs和Is被输入到转换器控制装置104-05。另外，电磁接触器301的次极侧(电磁接触器301与发电机104-01的定子之间)的电压，由电压传感器PTg将其值转换成低电压的电压信号Vg，并输入到转换器控制装置104-05。与转换器INV和转换器CNV的直流电路303连接的电容器Cd的电压，由电压传感器转换成低电压的直流电压信号Edc，直流电压信号Edc被输入到转换器控制装置104-05。另外，转换器INV的输出电流Ir(发电机104-01的次极侧电流)被电流传感器CTr检测出，而且，转换器CNV的输出电流In被电流传感器CTn检测出，电流检测值Ir和电流检测值In被传送到转换器控制装置104-05。风车控制器104-03具有以下等功能向控制装置104-05发送有效电力指令值Pref、无效电力指令值Qref等各种指令值，或输入风速U和转速ω计算有效电力指令值Pref，或者传送无效电力指令值Qref，计算倾角(旋转翼的角度)指令值Pchref，并发送给旋转翼104-02。转换器控制装置104-05根据信号Sg1、Sg2分别控制电磁接触器301、302。另外，转换器控制装置104-05输出用于驱动控制各个由半导体开关元件构成的转换器INV、转换器CNV的脉冲信号Pulse_inv、Pulse_cnv。在基于运转指令、由信号Sg2指令了电磁接触器302的导通信号，使得电磁接触器302导通时，转换器CNV根据脉冲信号Pulse_cnv开始运转，将平滑电容器Cd的直流电压Edc控制为恒定。下面，结合图3，对转换器控制装置104-05的功能进行说明。首先，对转换器CNV的控制进行详细说明。在转换器CNV开始运转之前，输出电磁接触器302的投入指令Sg2，使得转换器CNV与系统连接。上述交流电压检测值Vs被输入到相位检测器THDET和3相2相转换器32trs。上述相位检测器THDET将追踪系统电压的相位信号THs例如以锁相环路(PLLPhaseLockedLoop)方式进行运算，将上述相位信号THs(THs将系统U相电压设为正弦波时的相位信号)输入到3相2相坐标转换器32dqtrs-01、32dqtrs-02、旋转坐标转换器dqtrs、励磁相位运算器SLDET和2相3相坐标转换器dq23trs-01。直流电压指令值Eref和上述直流电压检测值Edc被输入到直流电压调整器DCAVR(例如由比例积分控制器构成)。上述直流电压调整器DCAVR调整输出的p轴电流指令值(有效分电流指令值)Ipnstr，以使所输入的指令值Eref与检测值Edc的偏差为零，然后输入到电流调整器1-ACR。3相2相坐标转换器32dqtrs-01根据所输入的电流In，使用算式1和算式2所示的转换式，计算p轴电流检测值Ipn(有效分电流)和q轴电流检测值Iqn(无效分电流)，将p轴电流检测值Ipn输出到电流调整器1-ACR，将q轴电流检测值Iqn输出到电流调整器2-ACR。这里，后缀字母u、v、w表示相，例如In的U相电流标记为Inu。以下，电压等也是同样的。[算式1][算式2]上述电流调整器1-ACR将输出的p轴电压指令值Vpn0调整为使上述p轴电流指令值Ipnstr与上述p轴电流检测值Ipn的偏差为零，并输出到加法器401。同样，上述电流调整器2-ACR将输出的q轴电压指令值Vqn0调整为使q轴电流指令值(＝0)与上述q轴电流检测值Iqn的偏差为零，并输出到加法器402。这里，上述电流调整器(1-ACR、2-ACR)例如可以由比例积分控制器构成。上述3相2相转换器32trs使用算式3所示的转换式，由被输入的电压Vs计算出α成分Vsα和β成分Vsβ，并且使用算式4计算出p轴电压检测值(与系统电压矢量一致的相位成分)Vps、和q轴电压检测值(与上述p轴电压检测值Vps正交的成分)Vqs，并将各个输出到上述加法器401、402。[算式3][算式4]上述加法器401将上述p轴电压指令值Vpn0和上述p轴电压检测值Vps相加，并输出到2相3相坐标转换器dq23trs-01。同样，上述加法器402将上述q轴电压指令值Vqn0和上述q轴电压检测值Vqs相加，并输出到2相3相坐标转换器dq23trs-01。上述2相3相坐标转换器dq23trs-01输入上述相位信号THs、和上述各个加法器的结果Vpn、Vqn，利用算式5和算式6所示的转换式计算出上述转换器CNV输出的电压指令值Vun、Vvn、Vwn，并输出到PWM运算器PWMn。[算式5][算式6]上述PWM运算器PWMn根据被输入的电压指令Vun、Vvn、Vwn计算出脉冲信号Pulse_cnv，并输出到上述转换器CNV。该脉冲信号Pulse_cnv用于使基于脉冲宽度调制方式构成上述电力转换器CNV的n个半导体元件导通/截止。下面，对转换器INV的控制进行说明。发电机104-01的转速ω被输入到旋转相位检测器ROTDET。旋转相位检测器ROTDET将转速ω换算成相位信号，并将相位信号RTH输出到加法器403。相位信号RTH和同步控制器SYNC的输出相位信号LTH在加法器403中被加法运算，成为相位信号TH，相位信号TH与上述相位信号THs一同被输入到励磁相位运算器SLDET。上述励磁相位运算器SLDET对上述相位信号TH和THs进行减法运算，并使其成为发电机的极对数的k倍，将发电机转子的电角频率的相位信号THr(＝k(THs-TH))输出到3相2相坐标转换器32dqtrs-03和2相3相坐标转换器dq23trs-02中。电力运算器PQCAL，输入利用上述算式1和算式2所示的变换矩阵，变换系统电流Is而获得的p轴电流Ips(与系统电压的U相矢量相同的方向)、与系统电压的U相矢量正交的q轴电流Iqs、上述p轴电压检测值Vps、和q轴电压检测值Vqs，利用算式7计算出系统的有效电力Ps和无效电力Qs。[算式7]Ps＝3(Vps×Ips+Vqs×Iqs)/2Qs＝3(-Vps×Iqs+Vqs×Ips)/2有效电力调整器APR输入有效电力Ps和风力发电装置的有效电力指令值Pref，按照使上述有效电力指令值Pref与上述有效电力检测值Ps的偏差为零的方式，对输出的有效分电流指令值Ip0进行输出。另外，无效电力调整器AQR输入无效电力Qs和无效电力指令值Qref，按照使上述电力指令值Qref与上述无效电力检测值Qs的偏差为零的方式，对输出的励磁电流指令值Iq0进行输出。这里，上述有效电力调整器APR、无效电力调整器AQR例如可利用比例积分器构成。上述有效电力调整器输出的电流指令值Ip0和无效电力调整器输出的电流指令值Iq0被输入到切换器SW。切换器SW决定是使用上述有效电力调整器APR和无效电力调整器AQR的输出、即电流指令值(Ip0和Iq0)，还是对有效分电流指令值使用零、对励磁电流指令值使用电压调整器AVR的输出Iq1。这里，切换器SW在电磁接触器301被接通之前(即，在使发电机104-1的定子电压Vg与系统电压Vs同步的电压同步运转时)，使用后者(对有效分电流指令值使用零、对励磁电流指令值使用电压调整器的输出)，在接通电磁接触器301后，选择前者(各个电力调整器的输出)。同步控制器SYNC计算对上述系统电压检测值Vs的瞬时矢量的振幅值使用滤波器而求得的振幅指令值Vsref，而且，也根据上述发电机定子电压检测值Vg，同样计算对瞬时矢量的振幅值使用滤波器而求得的振幅检测值Vgpk。同步控制器SYNC具有判定振幅指令值Vsref与发电机的电压振幅Vgpk是否同步的功能；并且在系统电压与定子电压的相位不同的情况下，输出用于修正该相位的相位修正信号LTH的功能；和判定系统电压与定子电压的相位是否进入规定的范围、是否同步的功能，并具备输出断路器的动作信号Sg1和控制切换信号Sg0的功能。这里，对电压调整器AVR进行说明。上述电压调整器AVR将发电机定子电压Vg的振幅值Vgpk作为反馈值，而且，将系统电压Vs的振幅值通过了滤波器的上述振幅指令值Vsref作为指令值输入，向上述切换器SW输出使上述发电机Vg的振幅值与上述指令值的偏差为零那样的励磁电流指令值Iq1。这里，上述电压调整器AVR例如可使用比例积分控制器构成。该电压调整器AVR为了使电磁接触器301以开状态下动作、发电机104-01的定子电压的振幅值与系统电压的振幅值一致，对从转换器INV流向发电机104-01次极侧的励磁电流指令值Iqr_r进行调整。这样，通过同步控制器SYNC、电压调整器AVR和切换器SW动作，能够在发电机104-01接入系统之前，使定子电压Vg与系统电压同步，而且，在接入系统之后，可迅速将控制切换为电力控制。下面，说明按照电流指令值对发电机转子的电流进行控制的电流控制的结构。3相2相坐标转换器32dqtrs-03根据被输入的电流Ir和转子的相位THr，使用算式8和算式9所示的转换式，计算出q轴电流检测值Iqr(励磁电流成分)和p轴电流检测值Ipr(有效分电流成分)，并且将q轴电流检测值Iqr输出到电流调整器4-ACR，将p轴电流检测值Ipr输出到电流调整器3-ACR。[算式8][算式9]上述电流调整器4-ACR调整输出的q轴电压指令值Vqr，以使上述q轴电流指令值Iq1或Iq0与上述q轴电流检测值Iqr的偏差为零。同样，上述电流调整器3-ACR调整输出的p轴电压指令值Vpr，以使上述p轴电流指令值Ip1(＝0)或Ip0与上述p轴电流检测值Ipr的偏差为零。这里，上述电流调整器例如可由比例积分器构成。上述p轴电压指令值Vpr和上述q轴电压检测值Vqr被输入到2相3相坐标转换器dq23trs-02，上述2相3相坐标转换器dq23trs-02根据上述相位信号THr和上述各个输入值，利用算式9和算式10所示的变换式，计算出上述转换器dq23trs-02输出的电压指令值Vur、Vvr、Vwr，并输出到PWM运算器PWMr。[算式10][算式11]上述PWM运算器PWMr根据被输入的电压指令Vur、Vvr、Vwr计算出脉冲信号Pulse_inv，并输出到上述转换器INV。该脉冲信号Pulse_inv用于使基于脉冲宽度调制方式构成上述转换器INV的m个半导体元件导通/截止。下面，对这样构成的转换器CNV的动作进行简单说明。转换器控制装置通过检测出系统电压Vs的相位，并控制检测出的电压相位和同相的电流指令值，在转换器CNV与系统之间进行有效电力的授取，控制直流电压。在发电机侧转换器INV使用直流电路部303的电力时，会消耗平滑电容器Cd的能量，例如，如果直流电压Ed下降，则系统侧转换器CNV的直流电压控制按照使用交流电力对平滑电容器Cd充电，将直流电压Edc保持一定的方式动作，反之，在转换器INV进行直流电力的充电，使直流电压Edc上升的情况下，转换器CNV的直流电压控制按照将直流电力转换为交流电力进行放电，将直流电压Edc保持为一定的方式动作。下面，结合图4至图6，对风车控制装置104-03进行说明。在图4中，风车控制装置104-03输入风速U，使用一次延迟滤波器LPF等检测出风速的平均值Uav。检测出的平均风速Uav被输入到倾角指令运算器PCHCAL。在倾角指令运算器PCHCAL中，例如使用平均风速Uav与倾角的对应表(table)计算倾角指令值Pchref。倾角指令值Pchref被送到旋转翼104-02、和电力指令运算器PREFCAL。图5表示风车相对转速的输出特性。当风速以风速1、风速2、风速3进行变化时，对应某个倾角，发电机的输出特性描绘成具有峰值的上凸曲线。例如，在风速是高状态的风速3时，电力指令值如果设定为P3，则运转点收敛在与凸形曲线右侧斜边的交点A处。而且，即使风的状态发生变化，风速3变化为风速3b、或风速3c的状态，这些输出特性的曲线也在与电力指令值P3的交点处运转，如果与以往的转矩恒定控制方式比较，则速度虽然发生了变动，但跟随恒定的电力指令值P3进行运转。另外，在低风速时，倾角按照可接受最大风的方式控制为固定值，通过改变电力指令值，以由风车的输出特性所决定的运转点处的速度进行发电运转；在强风时，为了使输出电力固定在最大值，将电力指令值固定为在该风的状态下可发电的最大值，通过变更倾角，变更输出特性的曲线，可将转速控制为规定的转速。因此，电力指令运算器PREFCAL具备例如将各个倾角中的图5所示的特性曲线作为内部参照表，具有根据倾角指令值Pchref、平均风速Uav和转速ω，求出有效电力指令值Pref的功能。另外，例如在风速从风速3下降到风速2时，由于发电电力变得高于发电机的输出特性，所以速度降低，最终停止。对于这样的速度急剧降低，需要进行使电力指令值急剧减小的控制。因此，还使电力指令运算器PRDFCAL具备在速度的变化率(减速率)dω/dt超过了规定值时，减小电力指令值的功能。图14表示使有效电力指令值Pref减小的功能的电路实例。利用积分器142求出转速ω的变化率，将该变化率Pa输入到比较器146。从存储器等存储装置144将规定的值A输入到比较器146。在变化率Pa＞规定值A时，输出值“1”从比较器146被输出，在除此以外的情况下输出“0”。而且，该输出值在放大器148中例如通过乘以系数0.5被放大。来自该放大器的输出值在乘法器中与有效电力指令值Pref相乘，结果，例如在有效电力指令值Pref为“100”的值时，作为电力指令值Pref’输出“50”的值。因此，电力指令运算器PRDFCAL具有在速度的变化率dω/dt超过了规定值时减小电力指令值的功能、和计算根据平均风速而决定的倾角指令值和根据转速ω而决定的电力指令值的功能。下面，结合图5，对输出电力的变动进行说明。在平均速度稳定为风速3、在其附近发生变动的情况下，如果在某一短的时间内观察，则使用了电力控制的情况下，被控制成相对转速的变化输出电力无变动的稳定状态。对此，从算式12可看出，在转矩控制中，相对转速的变化输出电力的变动增大。[算式12](电力)＝(旋转角速度)×(转矩)在转矩控制中，输出电力相对风速的变化被调整。例如，如果在风速稍微下降时速度下降，则由于减少了电力所以也抑制了速度的下降。与之相对，在电力控制中，例如当风速稍微下降时，由于速度即使下降，在减小电力指令值之前还继续输出电力，所以速度下降变得比转矩控制方式的大，但抑制了输出电力的变动，与转矩控制方式相比，减小了对电力系统的频率的影响。由此可知具有如下特征，即当风速在平均风速附近小幅变动时，电力控制方式虽然速度变化幅度大，但发电电力的变动小，转矩控制方式虽然发电电力的变动大，但速度变动小。如上所述，通过根据风速U计算出倾角指令值Pchref，并使用倾角指令值、转速ω、和风速Uav变更电力控制的有效电力指令值Pref，可实现可变速风力发电系统的稳定的运转。而且，通过使用电力控制，可实现将基于风速变动的输出变动抑制得小、对系统的影响小的系统。另外，通过具备利用无效电力指令值Qref控制向系统输出的无效电力的功能，从发电系统提供无效电力，可调整系统电压，并且可削减同步调相器和电力用电容器等的设置。[实施例2]下面，结合图6至图8，对其他实施例进行说明。由于和实施例1相同功能的部分用相同符号表示，或表示相同部分，所以省略说明。在本实施例中，有效电力指令Pref的作成方法与实施例1不同。图6表示风车在从风中获取能量时的效率，横轴表示旋转翼(前端)的圆周速度Vp1[m/s]与风速U[m/s]之比(圆周速度比λ＝Vp1/U)，纵轴表示效率。从图中可明显看出，存在最佳效率的圆周速度比λ。对于上述倾角的表而言，可通过根据例如图7的特性，基于各个风速值预先求出可获得成为效率良好的圆周速度比的转速的倾角，作成如图15的曲线特性所示的倾角指令值相对风速的表来实现。下面，结合图7说明风车控制装置104-03。风车控制装置104-03输入风速U，使用一次延迟滤波器LPF等检测出风速的平均值Uav。倾角指令运算器PCHCAL如图15的曲线特性所示那样，根据风速的平均值Uav求出倾角指令值Pchref。然后，通过速度指令运算器SCAL使用风速的平均值Uav，如图16的曲线特性所示的表数据那样对效率良好的圆周速度比λ乘以风速Uav，求出圆周速度，根据圆周速度和旋转翼的直径计算出转速指令值ωref。通过减法器404计算出所求出的转速指令值ωref与所检测出的转速ω之差，将求出的差(ωref-ω)输入到速度调整器ASR1。速度调整器ASR1调整有效电力指令值Pref，以使差成为零，并将其传送到转换器控制装置104-05。这里，速度调整器ASR1由例如比例积分器等构成。另外，如上述的实施例所示那样，由于对于风速的急剧减小，需要进行使电力指令值急剧减小的控制，所以速度控制器ASR1具备用于进行该控制的功能。图8表示此时的各个部分的值的时间变化的状态。由于相对倾角指令，速度控制快速动作，所以相对风速U的变化，有效电力指令值Pref比倾角指令值Pchref更快变化，按照将圆周速度比保持为恒定的方式动作。如上述那样，通过根据风速U计算出倾角指令值Pchref、和转速指令值ωref，并变更电力控制的有效电力指令值Pref，以达到符合倾角指令值的速度，由此可实现可变速风力发电系统的稳定的运转。另外，由于能够以圆周速度比成为旋转翼效率高的点的转速运转，所以可实现高效率的运转。[实施例3]下面，结合图9和图10，对其他实施例进行说明。图9表示图7所示的风车控制装置的其他实施例，由于对与实施例1相同功能的部分使用相同符号、或相同部分来表示，所以省略说明。结合图9，说明风车控制装置104-03。风车控制装置104-03输入风速U，使用一次延迟滤波器LPF等检测出风速的平均值Uav。检测出的平均风速Uav被输入到速度指令运算器SCAL和电力指令运算器PREFCAL。在电力指令运算器PREFCAL中，使用例如平均风速Uav和输出电力的表，计算出有效电力指令值Pref。如上述图5的实施例所示那样，预先求出风车成为效率良好的圆周速度比时的电力指令值的表，通过作成倾角指令值相对风速的表，可实现电力指令运算器RREFCAL。另外，通过使电力指令运算器如上述的实施例所示那样具备在风速急剧减小时急剧减小电力指令值的功能，并具备在倾角的调整中预先减小电力指令值的功能，由此在过渡时也可实现稳定的运转。另外，速度指令运算器SCAL如上述实施例那样，通过对效率良好的圆周速度比乘以风速来求出圆周速度，根据旋转翼的直径运算转速指令值ωref。通过减法器计算出所求出的转速指令值ωref与所检测出的转速ω之差，将求出的差(ωref-ω)输入到速度调整器ASR2。速度调整器ASR2调整倾角指令值Pchref，以使差成为零，并将其传送到旋转翼104-02。这里，速度调整器ASR2由例如比例积分器等构成。此时，在有效电力指令值Pref的最大值先被变更为规定值，之后基于倾角控制的倾角被滞后变更为规定值的情况下，由于发电电力大于从旋转翼获得的输入能量，所以速度下降。为了避免这种情况，只要预先在倾角达到规定值之前的时间将电力指令值设定得小，或者在倾角达到规定值、转速达到目标值之前，使用低通滤波器LPF等预先将电力指令值设定得小，即可实现过渡性稳定的动作。图10表示此时的各个部分的值的时间变化的状态。由于相对有效电力指令Pref的变更速度，使基于倾角变更的速度控制快速动作，所以相对风速U的变化，倾角指令值Pchref比有效电力指令值Pref变化更大，从而能够按照将圆周速度比保持为恒定的方式动作。如上述那样，通过根据风速U计算出有效电力指令值Pref、和转速指令值ωref，变更倾角指令值Pchref，以达到符合有效电力指令值Pref的速度，可实现可变速风力发电系统的稳定运转。另外，由于通过使用电力控制，可将基于风速变动的输出变动抑制得较小，所以可获得对系统的频率影响小的系统。[实施例4]下面，结合图9和图10，对其他实施例进行说明。图9表示图7所示的风车控制装置的其他实施例，由于对与实施例1相同功能的部分使用相同符号、或相同部分来表示，所以省略说明。图17表示具备了根据转速ω的状态切换电力指令值Pref的功能的风车控制装置104-03。从电力指令运算器PREFCAL向电力指令切换器172输入有效电力指令值Pref，并且还从输入了转速ω的速度调整器ASR1向电力指令切换器172输入有效电力指令值Pref。而且，电力指令切换器172当被输入的转速ω在ωmin＜转速ω＜ωmax的范围内时，从电力指令切换器172输出来自电力指令运算器PREFCAL的有效电力指令值Pref。并且，当转速ω不在ωmin＜转速ω＜ωmax的范围内时，由电力指令切换器172输出来自速度调整器ASR1的有效电力指令值Pref。根据本实施例的结构，当被输入的转速ω在规定转速的范围，即，在适合于电力优先控制的转速的范围(ωmin＜转速ω＜ωmax)内时，系统被以电力优先控制方式控制，能够稳定地响应从外部输入的电力输出请求。另外，在处于该范围以外时，由于系统被以转速优先控制方式控制，所以进入高效率稳定的旋转状态。[实施例5]在实施例1中，对使用转换器将绕组型感应发电机与系统连接的风力发电装置进行了说明，但在使用了图11和图12所示的同步发电机的情况下也适用。在本实施例中，对于发电机而言，采用了例如使用永磁铁的同步发电机604-01，利用转换器604-04对从发电机获取的电力进行AC-DC-AC转换，并输出到电力系统101中。下面，结合图12说明控制装置604-05的功能。其中，对具有与实施例1相同控制功能的部分使用相同的符号表示。首先，说明转换器CNV的控制。与上述控制装置104-05的系统侧转换器CNV的控制的不同点在于，被输入到无效电流调整器2-ACR的指令值，在控制装置604-05中成为无效电力调整器AQR2的输出电流指令值Iqnstr(无效电流指令值)。根据系统电压Vs和输出电流In能够计算出电力运算器PQCAL2输出的有效电力和无效电力Qn。无效电力Qn作为反馈值被输入到无效电力调整器AQR2，并按照与无效电力指令值Qref一致的方式变更无效电流Iqn。下面，结合图13说明转换器INV的控制。同步发电机604-01的转速ω被输入到旋转相位检测器ROTDET。与图3所示的控制装置104-05的主要不同点是，在同步发电机604-01的相位检测方法中，旋转相位RTH直接成为相位信号。电力运算器PQCAL输入利用上述算式1和算式2所示的转换矩阵对发电机电流Ir进行转换而获得的p轴电流Ipr(与发电机电压的U相矢量相同的方向)、与系统电压的U相矢量正交的q轴电流Iqr、和可使用与算式3和算式4相同的转换式得到发电机电压Vr的d轴电压Vdr和q轴电压Vqr，与算式7同样地计算出发电机的有效电力Pr和无效电力Qr。有效电力调整器APR输入有效电力Ps和风力发电装置的输出的有效电力指令值Pref，以使上述有效电力指令值Pref与上述电力检测值Pr的偏差成为零的方式，对输出的有效分电流指令值Ip0进行输出。另外，无效电力调整器AQR用于调整发电机的力率。为了使力率保持为1，作为指令值输入零。输入无效电力Qr和风力发电装置的无效电力零，输出用于进行控制的励磁电流指令值Iq0。3相2相坐标转换器32dqtrs-03使用算式8和算式9所示的变换式，根据被输入的电流Ir和转子的相位RTH，计算出p轴电流检测值Ipr(有效分电流成分)和q轴电流检测值Iqr(励磁电流成分)，将p轴电流检测值Ipr输出到电流调整器3-ACR，将q轴电流检测值Iqr输出到电流调整器4-ACR。上述电流调整器4-ACR对输出的q轴电压指令值Vqr进行调整，以使上述q轴电流指令值Iq0与上述q轴电流检测值Iqr的偏差成为零。另外，上述电流调整器3-ACR对输出的p轴电压指令值Vpr进行调整，以使上述p轴电流指令值Ip0与上述p轴电流检测值Ipr的偏差为零。上述p轴电压指令值Vpr和上述q轴电压指令值Vqr被输入到2相3相坐标转换器dq23trs-02中，上述2相3相坐标转换器dq23trs-02根据上述相位信号THr、和上述各个输入值，利用算式9和算式10所示的变换式计算出上述转换器dq23trs-02输出的电压指令值Vur、Vvr、Vwr，并输出到PWM运算器PWMr中。上述PWM运算器PWMr根据被输入的电压指令Vur、Vvr、Vwr计算出脉冲信号Pulse_inv，并输出到转换器INV。该脉冲信号Pulse_inv用于使基于脉冲宽度调制方式构成上述转换器INV的M个半导体元件导通/截止。通过在本实施例的风车控制装置中应用实施例1或实施例2所示的风车控制装置，可获得与实施例1或实施例2相同的效果。本发明在输入变动大的风力发电领域中，可提供一种发电机转速可变的风力发电系统。权利要求1.一种可变速风力发电系统，包括在可旋转的轴上至少安装有1片旋转翼的风车；具有与该风车的轴一同旋转的转子的发电机；具有用于控制该发电机的电力的有源开关的电力转换器；和按照旋转翼角度指令值变更上述旋转翼的角度的旋转翼角度变更装置；具有发电电力指令装置，其根据所述风车的风车状态量生成发电电力指令值；和发电机控制装置，其为了控制所述有源开关而控制所述电力转换器；所述发电电力指令装置具有根据当前的风速决定旋转翼角度，并根据该决定的旋转翼角度来决定发电电力指令值的装置，所述发电机控制装置具有为了根据所述发电电力指令值变更发电电力量而控制有源开关，来调整发电机的发电电力的装置。2.根据权利要求1所述的可变速风力发电系统，其特征在于，具有在风速低的区域，所述发电电力指令装置将所述旋转翼角度指令值设为固定值，在风速高的区域，发电电力指令装置将发电电力指令值固定为最大输出值的装置。3.根据权利要求1或2所述的可变速风力发电系统，其特征在于，具有检测风速急剧降低的检测装置，并具有在风速急剧降低时，使发电电力指令装置减小发电电力指令值的装置。4.根据权利要求1～3中任意一项所述的可变速风力发电系统，其特征在于，具有按照不超出可发电运转的速度范围的方式变更所述发电电力指令值的装置。5.根据权利要求1～4中任意一项所述的可变速风力发电系统，其特征在于，具有用于将风速的平均值与旋转翼的转速之比控制为规定值的装置。6.一种可变速风力发电系统，包括在可旋转的轴上至少安装有1片旋转翼的风车；具有与该风车的轴一同旋转的转子的发电机；具有用于控制该发电机的电力的有源开关的电力转换器；和按照旋转翼角度指令值变更所述旋转翼的角度的旋转翼角度变更装置；具有发电电力指令装置，其根据风车状态量生成发电电力指令信号；和发电机控制器装置，其为了控制所述有源开关而控制所述电力转换器；所述发电电力指令装置具有根据风速求出发电电力指令值和转速指令值的装置；根据转速指令值与转速检测值的转速偏差，变更旋转翼角度指令值的装置，发电机控制装置具有为了根据发电电力指令值变更发电电力量而控制有源开关，来调整发电机的发电电力的装置。7.根据权利要求6所述的可变速风力发电系统，其特征在于，所述发电电力指令装置具有在所述转速偏差成为小于规定值之后，将所述发电电力指令值增加到根据风速而求出的发电电力指令值的装置。8.根据权利要求6所述的可变速风力发电系统，其特征在于，具有按照不超出可发电运转的速度范围的方式变更所述发电电力指令值的装置。9.根据权利要求6所述的可变速风力发电系统，其特征在于，具有将所述转速指令值限制在可发电运转的速度范围内的装置。10.根据权利要求6所述的可变速风力发电系统，其特征在于，具有根据所述发电电力指令值，将风速的平均值与所述旋转翼的转速之比控制为规定值的装置。11.根据权利要求6所述的可变速风力发电系统，其特征在于，具有根据所述旋转翼角度指令值，将风速的平均值与旋转翼的转速之比控制为规定值的装置。12.根据权利要求6所述的可变速风力发电系统，其特征在于，具有根据来自系统外部的无效电力指令值，调整向系统输出的无效电力的无效电力控制系统。13.根据权利要求6所述的可变速风力发电系统，其特征在于，发电机使用交流励磁型同步发电机。14.根据权利要求6所述的可变速风力发电系统，其特征在于，发电机使用同步发电机。15.一种可变速风力发电系统，包括在可旋转的轴上至少安装有1片旋转翼的风车；具有与该风车的轴一同旋转的转子的发电机；包括用于控制该发电机的电力的有源开关的电力转换器；和按照旋转翼角度指令值变更所述旋转翼的角度的旋转翼角度变更装置；具有发电电力指令装置，其根据所述风车的风车状态量生成发电电力指令值；发电机控制器装置，其为了控制有源开关而控制所述电力转换器；所述发电电力指令装置具有根据风速求出旋转翼角度指令值和转速指令值的装置；和根据转速指令值与转速检测值的转速偏差，变更所述发电电力指令值的装置；发电机控制装置具有为了根据发电电力指令值变更发电电力量而控制有源开关，来调整发电机的发电电力的装置。全文摘要现有问题是由于风力发电系统的发电电力随着风力而变动，可能产生电力系统的电压变动的问题。还存在不能任意输出无效电力量的问题。本发明的可变速风力发电系统具有发电电力指令装置，根据风车的风车状态量生成发电电力指令值；和发电机控制装置，为了控制有源开关而控制电力转换器；发电电力指令装置具有根据当前的风速决定旋转翼角度，并根据该决定的旋转翼角度来决定发电电力指令值的装置，发电机控制装置具有为了根据发电电力指令值变更发电电力量而控制有源开关，来调整发电机的发电电力的装置。在发电系统中使用了使该系统按照有效电力指令值动作的有效电力控制系统。另外，能够根据无效电力指令值，与有效电力独立地输出无效电力。文档编号F03D7/00GK101098120SQ20071012624公开日2008年1月2日申请日期2007年6月26日优先权日2006年6月28日发明者一濑雅哉,大原伸也,二见基生,袖山正,今家和宏申请人:株式会社日立制作所