专利名称：风力发电装置及其输出控制方法
技术领域：
本发明涉及一种风力发电装置及其输出控制方法。
背景技术：
近年来，在风力发电装置等领域中，从电力系统侧的供给电力的稳定化的观点出 发，在从风力发电装置向电力系统侧供给电力时，要求确保预定范围的功率因数。因此，例如进行控制有效功率及无效功率的功率因数一定控制等以使功率因数保 持一定(例如参照JP特开2001-268805号公报)。专利文献1 JP特开2001-268805号公报
发明内容
然而，近年来为了实现电力系统一侧的供给电力的进一步稳定化，从电力系统一 侧要求从风力发电装置向电力系统总是供给一定量以上的无效功率。这是基于无效功率对 电力稳定化有效。但是，例如因风的状况等使有效功率落入极端时，如果还要供给一定量以上的无 效功率，则可以预测功率因数偏离了从电力系统侧要求的预定的范围。并且在此时，例如可 能会陷入不得不停止风车的运转的状况。本发明的目的在于提供一种风力发电装置及其输出控制方法，可以使功率因数保 持在一定范围内，同时尽可能供给符合电力系统侧的要求的无效功率。本发明的第一方面为风力发电装置，具有进行输出控制的控制装置，其中，上述控 制装置包括第一控制部，进行使无效功率一定的无效功率一定控制；第二控制部，进行使 功率因数一定的功率因数一定控制；存储部，存储有通过使功率因数为预定范围的无效功 率和有效功率决定的运转区域的信息；判断部，判断当前的运转状态是否处于上述存储部 中存储的上述运转区域内；和切换控制部，切换上述第一控制部和上述第二控制部，上述控 制切换部，在由上述第一控制部进行无效功率一定控制、且由上述判断部判断为偏离了上 述运转区域时，从上述第一控制部切换为上述第二控制部。根据这种构成，可以在不偏离运转区域的范围内进行无效功率一定控制，从而可 以尽可能供给从电力系统侧要求的一定量以上的无效功率。进而在偏离了运转区域时，从 无效功率一定控制切换为功率因数一定控制，因此可以避免从运转区域大幅脱离，可以持 续进行风车的运转。从而可以避免风车停止运转，可以抑制发电效率的下降。在本发明中设定为，无效功率一定控制的优先顺位高于功率因数一定控制。因此 在不偏离运转区域的区域中，优先选择无效功率一定控制。在上述风力发电装置中，优选的是，上述控制切换部，在由上述第二控制部进行功 率因数一定控制、且有效功率超过了通过在上述无效功率一定控制下设定的无效功率指令 值和该运转区域决定的有效功率的阈值时，从上述第二控制部切换为上述第一控制部。有效功率回复时，自动地从功率因数一定控制切换为无效功率一定控制，因此可以尽可能向电力系统供给一定量以上的无效功率。本发明的第二方面为风力发电装置的输出控制方法，其中，预先获得通过使功率 因数为预定范围的无效功率和有效功率决定的运转区域的信息，在进行使无效功率一定的 无效功率一定控制时，在检测到当前的运转状况偏离了上述运转区域的情况下，从无效功 率一定控制切换为功率因数一定控制。在上述风力发电装置的输出控制方法中，优选的是，在进行上述功率因数一定控 制时，在有效功率超过了通过在上述无效功率一定控制下设定的无效功率指令值和该运转 区域决定的有效功率的阈值的情况下，从功率因数一定控制切换为无效功率一定控制。
图1是表示本发明一个实施方式的风力发电装置的整体构成的框图。图2是表示发动机及其周边的构成的一例的框图。图3是展开表示由图2所示的主控制部实现的处理的功能框图。图4是表示运转区域的一例的图。图5是表示本发明一个实施方式的风力发电装置的输出控制的流程图。图6是用于说明本发明一个实施方式的风力发电装置的输出控制的图。标号说明1、风力发电装置2、支柱3、吊舱(nacelle)4、转子头5、风车叶片6、发电机13、电力系统14、能动整流器15、DC 总线16、逆变器17、AC-DC-AC 变换器19、主控制部(控制装置)21、变换器驱动控制部22、叶片控制部
具体实施例方式以下参照
本发明的风力发电装置的一个实施方式。图1是表示本实施方式的风力发电装置的整体构成的框图。风力发电装置1如图 1所示具有支柱2、设置在支柱2的上端的吊舱3、和可绕大致水平的轴线旋转地设置在吊 舱3上的转子头4。在转子头4上绕其旋转轴线放射状地安装有3个风车叶片5。从而从 转子头4的旋转轴线方向吹向风车叶片5的风力被变换为使转子头4绕旋转轴线旋转的动 力，该动力由收容在吊舱3内的发电机变换为电能。
图2是表示发电机6及其周边构成的一例的框图。本实施方式的发电机6构成为， 使发电机6所产生的电力能够从定子绕组及转子绕组双方输出到电力系统13。具体地说， 发电机6的定子绕组与电力系统13连接，转子绕组经由AC-DC-AC变换器17与电力系统13 连接。AC-DC-AC变换器17包括能动整流器(变换器)14、DC总线15及逆变器16，用于 将从转子绕组接收的交流电变换为适于电力系统13的频率的交流电。能动整流器14将在 转子绕组产生的交流电变换为直流电，并将该直流电输出到DC总线15。逆变器16将从DC 总线15接收到的直流电变换为与电力系统13相同频率的交流电，并输出该交流电。AC-DC-AC变换器17还具有将从电力系统13接收到的交流电变换为适于转子绕 组的频率的交流电的功能，用于根据风力发电装置1的运转状况而将转子绕组励磁。此时， 逆变器16将交流电变换为直流电，并将该直流电输出到DC总线15。能动整流器14将从 DC总线15接收到的直流电变换为适于转子绕组的频率的交流电，并将该交流电供给到发 电机6的转子绕组。 此外，在用于将发电机6与电力系统13连接的电力线中设置有测量发电机6的输 出电压V和输出电流I的电压/电流传感器(省略图示)。该电压/电流传感器的测量值 被提供到主控制部19及变换器驱动控制部21。变换器驱动控制部21，为了响应从后述主控制部(控制装置)19提供的有效功率 指令P*、无效功率指令Q*，来控制向电力系统13输出的有效功率P和无效功率Q，而控制能 动整流器14及逆变器16的功率晶体管的导通截止(0N/0FF)。具体地说，变换器驱动控制 部21根据由电压/电流传感器测量的输出电压V及输出电流I，计算有效功率P和无效功 率Q。进而变换器驱动控制部21，生成使有效功率P和有效功率指令P*的差、以及无效功率 Q和无效功率指令Q*的差为零的PWM信号，并将生成的PWM信号供给到能动整流器14及逆 变器16。从而控制供给到电力系统13的有效功率P和无效功率Q。另外关于无效功率Q，根据从电力系统侧要求的功率因数是滞后还是超前，来决定 是从风力发电装置1向电力系统13供给无效功率，还是从电力系统13向风力发电装置1 供给无效功率。另外在本申请的说明中，滞后功率因数下的“供给无效功率”是指向电力系 统13供给负的无效功率。叶片控制部22响应从主控制部19发出的俯仰(pitch)指令β *来控制叶片5的 俯仰角β。叶片5的俯仰角β被控制为与俯仰指令β*—致。主控制部19向上述变换器驱动控制部21及叶片控制部22输出分别适于它们的 指令值。变换器驱动控制部21、叶片控制部22及主控制部19例如具有微计算机，通过由微 计算机读出并执行记录在可计算机读取的记录介质中的程序，而实现各种处理。在此，可计 算机读取的记录介质是指，磁盘、光磁盘、CD-ROM、DVD-ROM、半导体存储器等。图3是展开表示主控制部19具有的功能的功能框图。如图3所示，主控制部19 包括第一控制部31，进行使无效功率一定的无效功率一定控制；第二控制部32，进行使功 率因数一定的功率因数一定控制；存储部33，存储有通过使功率因数为预定范围的无效功 率和有效功率决定的运转区域的信息；判断部34，判断当前的运转状态是否在存储部33中 存储的运转区域内；和控制切换部35，切换第一控制部31和第二控制部32，换言之，切换无 效功率一定控制和功率因数一定控制。
图4表示存储部33中存储的运转区域的信息。在此，例如示出了使功率因数 为-0.9以上+0.95以下的范围的无效功率和有效功率的关系。在图4中，纵轴为有效功 率P，横轴为无效功率Q，图中阴影线所包围的区域为运转区域、即使功率因数为-0.9以上 +0. 95以下的范围的无效功率和有效功率的设定范围。在图3中，第一控制部31保有从电力系统侧要求的既定的无效功率值，并将该无 效功率值设定为无效功率指令值Q*。在本实施方式中示例了作为无效功率指令值Q*而设 定-600kVAr的情况。此外，第一控制部31根据发电机6的旋转数进行预定的运算，从而设定有效功率 指令值P*。第一控制部31这样设定了无效功率指令值Q*、有效功率指令值P*后，将这些指令 值输出到控制切换部35。第二控制部32例如保有从电力系统侧要求的既定的功率因数(例如滞后功率因 数0. 9)，设定并输出实现该功率因数的无效功率指令值Q*及有效功率指令值P*。例如，第 二控制部求出通过与发电机6的旋转数的关系决定的有效功率指令值P*，并通过与该有效 功率指令值P*的关系计算满足既定的功率因数(例如滞后功率因数0.9)的无效功率指令 值Q*，并将这些指令值输出到控制切换部35。判断部34根据由电压/电流传感器测量的输出电压V及输出电流I来计算有效 功率P和无效功率Q，判断这些值是否处于存储部33值存储的图4所示的运转区域内，并将 其结果输出到控制切换部35。此时，判断部34还向控制切换部35输出根据输出电压V及 输出电流I计算出的有效功率P和无效功率Q的信息。此外，在进行功率因数一定控制时，判断部34判断有效功率是否超过了通过在无 效功率一定控制中设定的无效功率指令值(本实施方式中为-600kVAr)和该运转区域(参 照图4)决定的有效功率的阈值(本实施方式中为1250kW)，并将其判断结果输出到控制切 换部35。上述阈值可以在运转区域内的范围中任意地设定，例如根据与无效功率一定控制 下设定的无效功率指令值的关系而采用使功率因数为-0. 9 (滞后功率因数0. 9)的有效功 率的值。控制切换部35是对输出控制进行切换的单元，选定第一控制部31及第二控制部 32的任一个。在本实施方式中设定为，无效功率一定控制的优先顺位高于功率因数一定控制。 因此，在不偏离运转区域的区域中，在控制切换部35中优先选择无效功率一定控制。此外，控制切换部35例如在由第一控制部31进行无效功率一定控制、且由判断部 34判断为偏离了运转区域时，从第一控制部31切换为第二控制部32。此外，控制切换部35在由第二控制部32进行功率因数一定控制、且由判断部34 判断为有效功率超过了阈值时，从第二控制部32切换为第一控制部31。接下来参照图5及图6，说明本实施方式的风力发电装置的输出控制方法、即由主 控制部19实现的处理的内容。首先，风车的运转开始后(图5的步骤SAl)，控制切换部35选择第一控制部31。 从而采用第一控制部31下的无效功率一定控制(图5的步骤SA2)，从主控制部19向变换 器驱动控制部21输出使无效功率保持一定的无效功率指令值Q*及有效功率指令值P*。
变换器驱动控制部21控制能动整流器14及逆变器16，以使根据由电压/电流传 感器测定的输出电压V及输出电流I计算出的有效功率P和无效功率Q，分别与从主控制部 19提供的有效功率指令P*、无效功率Q* —致。从而将使无效功率一定的有效功率P和无效 功率Q供给到电力系统13 (图5的步骤SA3)。进行这种无效功率一定控制时，例如在风的状况急剧变化、有效功率P落入到极 端情况，而如图6所示的粗虚线的箭头所示，落入到偏离运转区域的1250kW以下的情况下， 在判断部34中检测到偏离了运转区域，并将表示该情况的信息供给到控制切换部35(图5 的步骤SA4)。控制切换部35接收到表示偏离了运转区域的情况的信号后，通过从第一控制部 31切换到第二控制部32，而将控制内容从无效功率一定控制切换为功率因数一定控制(图 5的步骤SA5)。从而选择由第二控制部32设定的用于使功率因数一定的有效功率指令P*、无效功 率指令Q*，将这些指令输出到变换器驱动控制部21。从而将用于使功率因数一定的有效功率P及无效功率Q供给到电力系统13(图5 的步骤SA6)。这样在偏离了运转区域时，通过从无效功率一定控制切换为功率因数一定控制， 从而如图6的粗线箭头所示，即使在有效功率下降时也可以避免从运转区域脱离，而持续 进行风车的运转控制。在这样进行功率因数一定控制的期间中，有效功率逐渐回复，其结果例如超过了 通过无效功率一定控制下设定的无效功率指令值和图4所示的运转区域决定的有效功率 的阈值时，由判断部34检测到该情况，并将表示该情况的信息输出到控制切换部35 (图5 的步骤SA7)。例如在本实施方式中，在无效功率一定控制下，进行将无效功率维持为_600kVAr 的控制，因此通过该设定值和运转区域决定的有效功率的阈值如图6所示为1250kW。另外， 该值只是一个示例，可以通过上述方法任意地设定。进而针对该阈值，为了可以更安全运 转，也可以考虑到余量而设定有效功率的阈值。控制切换部35通过取得该信息，而从第二控制部32切换为第一控制部31 (图5 的步骤SA2)。从而再度进行第一控制部31下的无效功率一定控制(图5的步骤SA3)。这样在有效功率暂时降低而后回复的情况下，自动地切换为无效功率一定控制， 因此可以尽可能地向电力系统13供给一定量以上的无效功率。如上所述，根据本实施方式的风力发电装置及其运转控制方法，因有效电力降低 而偏离运转区域时，从无效功率一定控制快速地切换为功率因数一定控制，因此可以将功 率因数保持在预定范围内，可以避免风车的运转停止。从而可以抑制发电效率下降。此外，在有效功率回复时自动地从功率因数一定控制切换为无效功率一定控制， 因此可以尽可能地向电力系统13提供一定量以上的无效功率。另外，在本实施方式中示例了供给负的无效功率的情况进行说明，但本发明的风 力发电装置的输出控制方法也可以同样地适用于供给正的无效功率的情况。
权利要求
一种风力发电装置，具有进行输出控制的控制装置，其中，上述控制装置包括第一控制部，进行使无效功率一定的无效功率一定控制；第二控制部，进行使功率因数一定的功率因数一定控制；存储部，存储有通过使功率因数为预定范围的无效功率和有效功率决定的运转区域的信息；判断部，判断当前的运转状态是否处于上述存储部中存储的上述运转区域内；和切换控制部，切换上述第一控制部和上述第二控制部，上述控制切换部，在由上述第一控制部进行无效功率一定控制、且由上述判断部判断为偏离了上述运转区域时，从上述第一控制部切换为上述第二控制部。
2.根据权利要求1所述的风力发电装置，其中，上述控制切换部，在由上述第二控制部进行功率因数一定控制、且有效功率超过了通 过在上述无效功率一定控制下设定的无效功率指令值和该运转区域决定的有效功率的阈 值时，从上述第二控制部切换为上述第一控制部。
3.一种风力发电装置的输出控制方法，其中，预先获得通过使功率因数为预定范围的无效功率和有效功率决定的运转区域的信息，在进行使无效功率一定的无效功率一定控制时，在检测到当前的运转状况偏离了通过 使功率因数为预定范围的无效功率和有效功率决定的运转区域的情况下，从无效功率一定 控制切换为功率因数一定控制，在该功率因数一定控制下以使功率因数一定的方式控制有 效功率及无效功率。
4.根据权利要求3所述的风力发电装置的输出控制方法，其中，在进行上述功率因数一定控制、且有效功率超过了通过在上述无效功率一定控制下设 定的无效功率指令值和该运转区域决定的有效功率的阈值时，从功率因数一定控制切换为 无效功率一定控制。
全文摘要
本发明的目的在于提供一种风力发电装置及其输出控制方法，可以使功率因数保持在一定范围内，同时尽可能供给符合电力系统侧的要求的无效功率。风力发电装置(1)具有主控制部(19)，该主控制部(19)包括第一控制部(31)，进行无效功率一定控制；第二控制部(32)，进行功率因数一定控制；判断部(34)，判断当前的运转状态是否处于预定的运转区域内；和切换控制部(35)，在由第一控制部(31)进行无效功率一定控制、且由判断部(34)检测到偏离了运转区域时，从第一控制部(31)切换为第二控制部(32)。
文档编号H02P9/00GK101904084SQ200980000019
公开日2010年12月1日 申请日期2009年1月7日 优先权日2009年1月7日
发明者八杉明 申请人:三菱重工业株式会社