专利名称：风力发电系统及其运转控制方法
技术领域：
本发明涉及风力发电系统及其运转控制方法。
背景技术：
一直以来，在风电场的互连点的功率因数控制中，通过与系统运用者的协议等确 定满足超前功率因数0. 95 滞后功率因数0. 95的范围的规定功率因数指令值，各风车的 发电系统进行功率因数控制以维持确定的规定功率因数指令。另外，在即使进行上述控制 而互连点的功率因数也脱离上述范围的情况下，通过变电所的电容器组、电抗器的开闭而 进行互连点的功率因数的调整。此外，在专利文献1中公开了下述技术从控制互连点的电力等的中央控制装置 对各风车发送一样的无功功率指令，各风车根据该无功功率指令进行控制。专利文献1 美国专利第7166928号说明书
发明内容
但是，为了提高电力系统的电压的稳定性，需要提高互连点的功率因数调整精度。 然而在上述的现有技术中，由于对各风车给予一样的无功功率指令值，因此存在不能进一 步提高功率因数调整精度的不良情况。本发明的目的在于，提供一种能够提高功率因数调整精度的风力发电系统及其运 转控制方法。为了解决上述的课题，本发明采用以下的手段。本发明的第一方式是一种风力发电系统的运转控制方法，所述风力发电系统具备 多个风车和对于各所述风车给予控制指令的中央控制装置，各所述风车的输出电力通过共 用的互连点而供给到电力系统，其中，使用对于各所述风车分别设定的功率因数校正量来 校正所述互连点的规定功率因数指令值，由此分别确定与各所述风车对应的功率因数指令值。根据本发明，使用与各风车对应的功率因数校正量来校正互连点的规定功率因数 指令值，因此能够对于各风车设定与其他风车不同的功率因数指令值。由此，根据考虑了有 关各风车的特性等的适宜的功率因数指令值使各风车进行功率因数控制，因此能够实现提 高系统点的功率因数控制的精度。在上述风力发电系统的运转控制方法中，也可以是，所述功率因数校正量根据各 所述风车和所述互连点之间存在的电抗成分来确定。这样，使用加入了风车和互连点之间存在的电抗成分的功率因数校正量，来确定 各风车的功率因数指令值，因此，能够高效地使互连点的实际功率因数与规定功率因数指
令值一致。例如，在不考虑各风车和互连点之间存在的电抗成分而进行使互连点的实际功率 因数与功率因数指令值一致的单纯的反馈控制的情况下，即使能够使各风车具备的发电系统的输出端的功率因数与给予各风车的功率因数指令值一致，也难以使互连点的功率因数 与规定功率因数指令值一致。这是因为，功率因数因从风车输出端连接互连点的电力线的 电抗等而变动。关于这一点，在本发明中，根据加入了各风车和互连点之间存在的电抗成分 的功率因数指令值进行各风车的控制，因此能够高效且高精度地控制互连点的功率因数。本发明的第二方式是一种风力发电系统的运转控制方法，所述风力发电系统具备 多个风车和对于各所述风车给予控制指令的中央控制装置，各风车的输出通过共用的互连 点而供给到电力系统，其中，在具备可变速风车和固定速风车两种风车作为多个所述风车 的情况下，计算作为所述固定速风车整体的所述互连点的功率因数，对算出的所述功率因 数和所述互连点的规定功率因数指令值之间的差分进行计算，使用算出的所述差分来校正 所述规定功率因数指令值，根据校正后的所述规定功率因数指令值来确定各所述可变速风 车的功率因数指令值 。根据上述方法，考虑到固定速风车产生的功率因数变动而确定可变速风车的功率 因数指令值，因此，能够通过可变速风车的功率因数控制来吸收固定速风车产生的功率因 数变动。由此，即使在固定速风车和可变速风车混合存在的情况下，也能够提高互连点的功 率因数控制的精度。在上述风力发电系统的运转控制方法中，也可以是，使用对于各所述可变速风车 分别设定的功率因数校正量来校正校正后的所述规定功率因数指令值，由此确定与各所述 可变速风车对应的功率因数指令值。这样，使用对应于各可变速风车而分别设定的功率因数校正量，进一步对考虑到 固定速风车的功率因数变动而校正的互连点的规定功率因数指令值进行校正，由此确定各 可变速风车的功率因数指令值，因此，能够对于各可变速风车设定与其他可变速风车不同 的功率因数指令值。由此，根据考虑到与各可变速风车有关的特性等的适宜的功率因数指 令值，使各可变速风车进行功率因数控制，因此，能够进一步提高互连点的功率因数控制的 精度。在上述风力发电系统的运转控制方法中，也可以是，与各所述可变速风车对应的 功率因数校正量根据各所述可变速风车和所述互连点之间存在的电抗成分来确定。这样，加入风车和互连点之间存在的电抗成分而确定各可变速风车的功率因数指 令值，因此，能够高效地使互连点的实际功率因数与功率因数指令值一致。本发明的第三方式是一种风力发电系统，具备多个风车和对于各所述风车给予控 制指令的中央控制装置，各所述风车的输出电力通过共用的互连点而供给到电力系统，其 中，使用对于各所述风车分别设定的功率因数校正量来校正所述互连点的规定功率因数指 令值，由此分别确定与各所述风车对应的功率因数指令值。本发明的第四方式是一种风力发电系统，具备多个风车和对于各所述风车给予控 制指令的中央控制装置，各风车的输出通过共用的互连点而供给到电力系统，其中，在具备 可变速风车和固定速风车两种风车作为多个所述风车的情况下，所述中央控制装置计算作 为所述固定速风车整体的所述互连点的功率因数，对算出的所述功率因数和所述互连点的 规定功率因数指令值之间的差分进行计算，使用算出的所述差分来校正所述规定功率因数 指令值，根据校正后的所述规定功率因数指令值来确定各所述可变速风车的功率因数指令 值。
根据本发明，取得了能够提高功率因数调整精度的效果。
图1是表示本发明第一实施方式的风力发电系统的整体构成的图。图2是用于对本发明第一实施方式的功率因数校正量进行说明的图。图3是表示本发明第一实施方式的风力发电系统的运转控制方法的顺序的流程图。图4是用于对本发明第二实施方式的风力发电系统的运转控制方法进行说明的 图。标号说明1风力发电系统10中央控制装置20发电系统30电力线WTGl、WTGl、WTGn 风车
具体实施例方式以下，参照附图对本发明的风力发电系统及其运转控制方法的各实施方式进行说明。[第一实施方式]图1是表示本实施方式的风力发电系统的整体构成的框图。如图1所示，风力发 电系统1具有多个风车WTGl、WTG2、……、WTGn(以下，表示全部风车时仅附上标号“WTG”， 表示各风车时附上标号“WTG1”、“WTG2”等)和对各风车WTG给予控制指令的中央控制装置 10。本实施方式中，全部的风力发电装置WTG都是可变速风车。各风车WTG具有发电系统20。发电系统20例如以发电机、可控制发电机的有功功 率和无功功率的可变频率转换器励磁系统、以及对该可变频率转换器励磁系统给予电力指 令值的风车控制装置作为主要构成。从各风车具备的发电系统20输出的电力通过各电力线30并经由共用的互连点A 而供给到电力系统(utility grid)。中央控制装置10根据从管理系统电力的电力管理室(例如电力公司等)通知的 互连点A的要求功率因数指令，设定互连点A的功率因数指令值。然后，使用与各风车WTG1、 WTG2、……、WTGn对应而分别设定的功率因数校正量对该功率因数指令值进行校正，对于 各风车分别发送校正后的功率因数指令值。此处，对应于各风车而设定的功率因数校正量 的详细情况如后所述。各风车WTG1、WTG2、……、WTGn具备的发电系统20设定满足从中央控制装置10 给予的功率因数指令值的有功功率的指令值和无功功率的指令值。具体而言，发电系统20 的风车控制装置监视发电机的转速，设定与其转速相对应的有功功率的指令值。另外，根据 该有功功率的指令值和以下的(1)式所示的关系式来求解满足该功率因数指令值的无功 功率的指令值。另外，此时，风车控制装置在由热限制、电压限制所确定的动作范围内设定无功功率的指令值。而且在使功率因数指令优先的情况下，也可以进行减少有功功率而提 供必要的无功功率的设定。[数式1]
<formula>formula see original document page 6</formula>上述(1)式中，P是有功功率，Q是无功功率。风车控制装置将设定的有功功率的指令值和无功功率的指令值给予可变频率转 换器励磁系统。可变频率转换器励磁系统根据风车控制装置给予的有功功率的指令值和无 功功率的指令值，控制发电机。通过进行上述功率因数控制，从各风车WTG输出满足给予各风车的功率因数指令 值的有功功率和无功功率，经由电力线30供给到共用的互连点A。接着，对与上述的各风车WTG1、WTG2、……、WTGn对应而分别设定的功率因数校正
量进行详细说明。上述功率因数校正量根据各风车WTGl、WTG2、……、WTGn和互连点A之间存在的 电抗成分来确定。例如，在具有多个风车的风电场等上，连接各风车WTG1、WTG2、……、WTGn 和互连点A的电力线30的长度显著不同。因此，从风车输出的电力直至到达互连点A前受 到与各自的电力线30的距离对应的电抗的影响。由此，例如对各风车给予一样的功率因数指令值的情况下，在互连点A的无功功 率中产生偏差，存在功率因数精度下降的可能性。关于这一点，在本实施方式中，考虑到上 述的电力线30的电抗成分所引起的电力变动，使用与各风车、更详细地说是连接各风车和 互连点A的电力线30的电抗成分相对应的功率因数校正量来校正给予各风车的功率因数 指令值。首先，如图2所示，分别设各风车WTGl、WTG2、……、WTGi、……、WTGn的输出端的 电力为PJjQrPJjQr……七+jQ”……、Pn+jQn。此外，分别设各风车WTG1、WTG2、……、 WTGn和互连点A之间的电力线的电抗为jxi、jx2、……、jXi、……、jxn，并定义互连点A的 各风车的电力为 P1'+jQ/、P2，+jQ2，、……、Pi，+jQ/、……、Pn，+jQn，。接着，在各风车中进行潮流计算。此处，以第i个风车为例进行说明。为了方便， 设互连点电压V#id= lpu，相位角S#id = 0。此外，有功功率P、无功功率Q均以从各风车 朝向互连点A的方向为正符号。另外，功率因数的符号也与此一致，例如，如果P > 0、Q > 0，则功率因数pf > 0，如果P > 0、Q < 0，则功率因数pf < 0。在该条件下，风车GTWi的输出端的有功功率P”无功功率Qi、以及互连点A的有功 功率P/、无功功率Qi'分别如以下表示。[数式2]<formula>formula see original document page 7</formula>该潮流计算中，由于只考虑了电力线30的电抗成分，所以有功功率Pi = P/，为相 同的值。在此，PpQi为已知时，能够根据上式⑵解出P/、Qi'。P” Qi是例如，在过去规定期间(例如一个月、或三个月、或一年等)中取得风车 输出端的有功功率Pi、无功功率Qi,通过解析取得的这些数据，设定适宜的值(例如平均值风车输出端的功率因数Pfi由以下的(3)式表示，互连点A的功率因数pf/由以 下的⑷式表示。[数式3](3)
<formula>formula see original document page 7</formula>其结果是，根据以下的(5)式可求出第i个风车的功率因数校正量Apfitj<formula>formula see original document page 7</formula>(5)上述(5)式中，Pfgrid是互连点A的功率因数指令值。通过上述方法求得的各风车的功率因数校正量Δ Pfi,与各风车建立对应而存储 于中央控制装置10具备的存储器内，用于风车运转时的功率因数指令值的校正。此外，存储于存储器的上述功率因数校正量也可以例如以规定的时间间隔(例如 一年或三个月等)而更新。更新时，将风车的有功功率Pi和无功功率Qi设定为适宜的值 (例如如上所述使用过去规定期间的数据的解析结果等而设定)，将该值代入上述式中，由 此更新各风车的功率因数校正量即可。接着，对于具备上述构成的风力发电系统的运转控制方法进行说明。首先，中央控制装置10取得互连点的功率因数指令值(图3的步骤SAl)， 从存储器读出各风车WTGl、WTG2、……、WTGn所对应的功率因数校正量Apfi,使用该功率 因数校正量八？&校正功率因数校正值？&^步骤5々2)。然后，将校正后的功率因数指令 值Pfi ( = pfgrid+ Δ Pfi)分别发送到各风车WTG1、WTG2、……、WTGn (步骤SA3)。各风车WTGl、WTG2、……、WTGn的风车控制装置设定满足从中央控制装置10接受 的各功率因数指令值ΔρΑ、Apf2,……、Apfi、……、Δ Pfn的有功功率指令值和无功功 率指令值，将设定的有功功率指令值和无功功率指令值给予可变频率转换器励磁系统。可 变频率转换器励磁系统根据给予的有功功率指令值及无功功率指令值控制发电机。由此，从各风车输出满足与各风车对应的功率因数指令值的有功功率和无功功率，经由电力线30 供给到共用的互连点A。中央控制装置10检测互连点A的有功功率和无功功率，根据这些检测值计算出 实际的功率因数pfg,id’。然后，计算出已算出的实际的功率因数Pfg,id’和功率因数指令值 Pfaid的差分，重新计算消除该差分的功率因数指令值，将其作为下一个功率因数指令值给 予各风车(步骤SA4)。如以下所示的(6)式，通过将实际的功率因数pfgHd’和功率因数指令值pfg,id的 差分、及功率因数校正量Δ Pfi进一步加到功率因数指令值Pf^id而求出新的功率因数指令值。Pfi = Pfgrid+Δ Pfi+(pfgrid-pfgrid' ) (6)而且在之后，以规定的时间间隔检测出互连点A的实际的功率因数，将根据该检 测结果求出的功率因数差分Apf^id = pfgHd-pfgrid’和功率因数校正量ApfiR入上述(6) 式，由此计算出对应于各风车的功率因数指令值即可。这样一来，通过进行反馈控制，能够使互连点A的无功功率稳定。如以上说明，根据本实施方式的风力发电系统1及其运转控制方法，使用与各风 车和互连点A之间存在的电抗对应的功率因数校正量来校正互连点A的功率因数指令值， 由此求解适于各风车的功率因数指令值，因此能够在各风车中进行考虑了电力线30的电 抗的功率因数控制。由此，能够提高互连点A的功率因数控制的精度。[第二实施方式]接着，利用图4对本发明的第二实施方式进行说明。在上述第一实施方式中，对全部风车都是可变速风车的情况进行了说明，但本实 施方式中，对一部分风车为固定速风车的情况进行说明。本实施方式的风力发电系统具备至少一台固定速风车和至少一台可变速风车。例 如如图4所示，设从第1台到第i台的风车为可变速风车，设从第i+Ι台到第η台的风车为 固定速风车。该情况下，首先，通过基于与上述第一实施方式同样的顺序的潮流计算，求解 互连点A的有功功率P/和无功功率Qi'。接着，如以下的(7)式、⑶式所示求解互连点A的仅是固定速风车的有功功率和 无功功率的合计。[数式4]<formula>formula see original document page 8</formula>(7)<formula>formula see original document page 8</formula>(8)接着，利用上述有功功率和无功功率的合计，计算固定速风车整体的功率因数
Pffix °[数式5] <formula>formula see original document page 8</formula>
接着，计算互连点A的功率因数指令值和作为上述固定速风车整体的功率因数 PW的差分。<formula>formula see original document page 9</formula>然后，由于通过可变速风车吸收该差分，所以设定该Apf作为指令值校正量，将 指令值校正量Δρ ·加到上述功率因数指令值pfg,id后的值作为新的功率因数指令值。然后， 根据该功率因数指令值，和上述第一实施方式一样，使用与各可变速风车WTG1、WTG2、……、 WTGi对应的功率因数校正量Apfp Apf2,……、ΔPfi,求解每个风车的功率因数指令值， 将校正后的功率因数指令值发送给各风车。如以上说明，根据本实施方式的风力发电系统及其运转控制方法，在固定速风车 和可变速风车混合存在的情况下，考虑到固定速风车的功率因数的变动的量而确定可变速 风车的功率因数指令值，因此，能够通过可变速风车吸收固定速风车的功率因数变动。由 此，在包括固定速风车的情况下也能够提高功率因数控制的精度。此外，本实施方式中，求解固定速风车全体的功率因数，使用该功率因数校正互联 点A的功率因数指令值，并进一步使用与各可变速风车对应而分别设定的功率因数校正量 Apfi来校正校正后的功率因数指令值，但代替该方法，也可以例如给予使用固定速风车整 体的功率因数来校正的功率因数指令值作为各可变速风车的功率因数指令值。该情况下， 对于各可变速风车和互连点A之间存在的电抗引起的功率因数变动并没有消除，但能够消 除固定速风车的功率因数变动，在这一点上能够取得显著的效果。以上，参照附图对本发明的实施方式进行了详细说明，但具体的构成并不限于本 实施方式，也包括不脱离本发明主旨的范围的设计变更等。例如，在上述各实施方式中，在中央控制装置10中进行功率因数指令值的校正， 但替代本方式，例如也可以在各风车中进行功率因数指令值的校正。该情况下，从中央控制 装置10对各风车发送一样的功率因数指令值，在各风车中，使用各风车具有的各个功率因 数校正量，对从中央控制装置10接收的功率因数指令值进行校正。此外，在本实施方式中，通过通信从中央控制装置10发送校正后的功率因数指令 值等，但也可以是例如由操作者通过手动对各风车输入设定功率因数指令值的构成。
权利要求
一种风力发电系统的运转控制方法，所述风力发电系统具备多个风车和对于各所述风车给予控制指令的中央控制装置，各所述风车的输出电力通过共用的互连点而供给到电力系统，其中，使用对于各所述风车分别设定的功率因数校正量来校正所述互连点的规定功率因数指令值，由此分别确定与各所述风车对应的功率因数指令值。
2.如权利要求1所述的风力发电系统的运转控制方法，其中，所述功率因数校正量根 据各所述风车和所述互连点之间存在的电抗成分来确定。
3.一种风力发电系统的运转控制方法，所述风力发电系统具备多个风车和对于各所述 风车给予控制指令的中央控制装置，各风车的输出通过共用的互连点而供给到电力系统， 其中，在具备可变速风车和固定速风车两种风车作为多个所述风车的情况下，计算作为所述 固定速风车整体的所述互连点的功率因数，对算出的所述功率因数和所述互连点的规定功率因数指令值之间的差分进行计算，使用算出的所述差分来校正所述规定功率因数指令值，根据校正后的所述规定功率因数指令值来确定各所述可变速风车的功率因数指令值。
4.如权利要求3所述的风力发电系统的运转控制方法，其中，使用对于各所述可变速 风车分别设定的功率因数校正量来校正校正后的所述规定功率因数指令值，由此确定与各 所述可变速风车对应的功率因数指令值。
5.如权利要求4所述的风力发电系统的运转控制方法，其中，与各所述可变速风车对 应的功率因数校正量根据各所述可变速风车和所述互连点之间存在的电抗成分来确定。
6.一种风力发电系统，具备多个风车和对于各所述风车给予控制指令的中央控制装 置，各所述风车的输出电力通过共用的互连点而供给到电力系统，其中，使用对于各所述风车分别设定的功率因数校正量来校正所述互连点的规定功率因数 指令值，由此分别确定与各所述风车对应的功率因数指令值。
7.一种风力发电系统，具备多个风车和对于各所述风车给予控制指令的中央控制装 置，各风车的输出通过共用的互连点而供给到电力系统，其中，在具备可变速风车和固定速风车两种风车作为多个所述风车的情况下，所述中央控制装置计算作为所述固定速风车整体的所述互连点的功率因数，对算出的所述功率因数和所述互连点的规定功率因数指令值之间的差分进行计算，使用算出的所述差分来校正所述规定功率因数指令值，根据校正后的所述规定功率因数指令值来确定各所述可变速风车的功率因数指令值。
全文摘要
目的在于提高功率因数调整精度。使用对于各风车分别设定的功率因数校正量来校正互连点(A)的规定功率因数指令值，由此确定与各风车对应的功率因数指令值。
文档编号H02P9/00GK101809856SQ20078010090
公开日2010年8月18日 申请日期2007年12月14日 优先权日2007年12月14日
发明者八杉明, 有永真司, 松下崇俊, 柴田昌明, 若狭强志 申请人:三菱重工业株式会社