专利名称：风力发电装置及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种风力发电装置及其控制方法。
背景技术：
以往，例如，在与电力系统关联运行的风力发电装置中，通过控制转子的转速和转 子的励磁电流，来控制有效电力和无效电力，从而将这些有效电力以及无效电力提供给电 力系统。另外，在专利文献1中公开了下列技术，S卩，检测电力系统的频率数，然后为了使 系统频率数成为规定值而确定有效电力指令值，并根据该有效电力指令值来控制有效电 力。专利文献1 日本特开2004-44867号公报。然而，如果转子的转速变动大，则有效电力随着该变动也发生大的变动。因此，例 如，即使在电力系统侧所要求的单位时间的有效电力量较少的情况下，也由于转子的转速 变动大，而无法将有效电力调整至期望的值，从而相对于要求过剩的有效电力被提供给电 力系统，因此，例如会产生电压、频率数的变动等，从而对电力系统的稳定化带来不良影响。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于提供一种能够供给对应于电力 系统要求的有效电力的风力发电装置及其控制方法。根据本发明的第一方案的一种风力发电装置，在从电力系统侧接收到有效电力的 最大值的变更要求以及新定义的有效电力的最大值的情况下，以规定变化率以下的变化率 使被设定为额定值的有效电力指令值的最大值变化到所述新定义的有效电力的最大值。基于上述的结构，当从电力系统侧取得有效电力最大值的变更要求以及新定义的 有效电力的最大值的情况下，以规定的变化率以下的变化率使被设定为额定值的有效电力 指令值的最大值变化到新定义的有效电力的最大值。这样，由于以规定变化率以下的变化率使有效电力的最大值发生变化，例如通过 将规定变化率设定为将电力系统的电压值的变动或者频率变动抑制为规定值以下的变化 率，从而能够防止被设为额定值的有效电力指令值的最大值发生急剧的变化，进而能够将 电力系统的频率数或者电力变动抑制到规定值以下。作为上述运行状态参数的一个例子， 例如可以例举出转子转速以及转子的励磁电流等。所述的风力发电装置还可以包括检测部，其检测与运行状态相关的参数；指令 值取得部，指令值取得部，其保持有第一信息，根据该第一信息取得与由所述检测部所检测 出的所述运行状态参数相对应的有效电力指令值，在所述第一信息中与所述运行状态相关 的参数和有效电力指令值相对应；变更部，其在从电力系统侧接收到有效电力的最大值的 变更要求以及新定义的有效电力的最大值的情况下，以所述规定变化率以下的变化率使被 设定为额定值的所述第一信息的有效电力指令值的最大值变化到所述新定义的有效电力
3的最大值。基于上述结构，指令值取得部具备使与所述运行状态相关的参数和有效电力指令 值对应起来的第一信息，通过该指令值取得部从第一信息读出与运行状态对应的有效电力 指令值，从而基于所读出的有效电力指令值进行有效电力的控制。另外，在从电力系统侧接 收到有效电力的最大值的变更要求以及新定义的有效电力的最大值的情况下，由变更部以 规定的变化率以下的变化率使被设定为额定值的第一信息的有效电力指令值的最大值变 化到所述新定义的有效电力的最大值。上述风力发电装置的所述变更部可以通过将设定为额定值的有效电力指令值与 所述新定义的有效电力的最大值的差值除以变更所需要的规定时间，而算出所述变化率， 在所算出的该变化率为预先设定的所述规定的变化率以下的情况下采用算出的该变化率， 在所算出的变化率超过预先设定的所述规定的变化率的情况下采用该规定的变化率。通过以此种方式来确定变化率，能够使被设定为额定值的有效电力指令值缓慢地 变化。由此，在第一信息转移的期间，能够防止有效电力发生急剧变化，从而能够减少基于 有效电力最大值的变更而带给电力系统的影响。所述风力发电装置还可以具备多个第二信息，在该第二信息中与运行状态相关的 参数和有效电力指令值相对应，且该有效电力指令值的最大值各不相同，在从电力系统侧 接收到有效电力的最大值的变更要求以及新定义的有效电力的最大值的情况下，使用所述 有效电力指令值的最大值在额定有效电力值和所述新定义的有效电力的最大值之间的所 述第二信息，从而阶段性地变更被设定为额定值的有效电力指令值。这样一来，因为根据变更部所具有多个第二信息而变更有效电力的最大值，所以 能够迅速地进行设定为额定值的有效电力指令值的变更。另外，因为根据有效电力的最大 值的变更要求使被设定为额定值的有效电力指令值阶段性地变更为新定义的有效电力的 最大值，所以例如通过以将电力系统的电压值的变动或者频率数变动抑制到规定值以下的 方式设置多个第二信息，从而能够防止有效电力指令值发生急剧变化，进而能够将电力系 统的频率数变动或者电力变动抑制到规定值以下。作为上述运行状态参数的一个例子，例 如可以列举出转子转速以及转子的励磁电流等。本发明的第二方案为一种风力发电厂，其具备多个风力发电装置，其中，所述多个 风力发电装置中的至少一个为上述的风力发电装置。本发明的第三方案是一种风力发电装置的控制方法，在从电力系统侧接收到有效 电力的最大值的变更要求以及新定义的有效电力的最大值的情况下，以规定的变化率以下 的变化率使被设定为额定值的有效电力指令值变化到新定义的有效电力的最大值。本发明的第四方案是一种风力发电厂的控制方法，该风力发电厂具备多个风力发 电装置，其中，多个风力发电装置中的至少一个适用上述风力发电装置的控制方法。根据本发明，能够起到进行与电力系统的要求对应的有效电力的控制的效果。
图1是示出根据本发明的一个实施方式的风力发电装置的一个例子的方框图；图2是示出有效电力控制部的一个例子的功能方框图。附图标记说明
4
1风力发电装置
2电力系统
20电力变换部
21整流器控制部
27有效电力控制部
50转子速度检测部
51指令值取得部
52变更部
53电力指令值运算器
具体实施例方式下面，将参照附图对根据本发明的发电装置及其控制方法的一个实施方式进行说 明。图1是示出风力发电装置所具备的发电机6及其周边结构的一个例子的框图。如图1所示，风力发电装置1具备风车叶片4、齿轮5、发电机6、电力变更部20、整 流器控制部21、叶片控制部22以及主控制部24。另外，发电机6与电力系统2连接。并且， 发电机6的转子通过齿轮5接合于风车转子(图示略)。在发电机6的周边设有用于检测发电机6的转子速度的转子速度检测部(检测 部)50。由转子速度检测部50所检测出的转子速度由后述的主控制部输出。在本实施方式中，发电机(感应电机)6以其所产生的电力能够从定子线圈以及转 子线圈双方向电力系统2输出的方式构成。具体而言，对于发电机6，其定子线圈与电力系 统2连接，而其转子线圈通过电力变更部20与电力系统2连接。电力变更部20具备整流器14、DC总线15以及逆变器16，并将从转子线圈接收的 交流电力变换为适合电力系统2的频率的交流电力。整流器14将在转子线圈产生的交流 电力变换为直流电力，然后将直流电力输出至DC总线15。逆变器16将从DC总线15接收 的直流电力变换成频率与电力系统2相同的交流电力，并输出该交流电力。电力变更部20具有将从电力系统2接收的交流电力变换为适合转子线圈的频率 的交流电力的功能。在这种情况下，逆变器16将交流电力变更为直流电力，然后将直流电 力输出到DC总线15。整流器14将从DC总线15接收的电流电力变更为适合转子线圈的频 率的交流电力，从而将该交流电力供给于发电机6的转子线圈。主控制部24具备有效电力控制部27。如图2所示，有效电力控制部27具备转子 速度检测部50、指令值取得部51、变更部52、电力指令值运算器53。转子速度检测部50将发电机6的转子速度作为风力发电装置1的运行状态的参 数来检测，并输出至指令值取得部51。如图2所示，指令值取得部51具有转子速度(运行状态参数)与供给于电力系统 2的有效电力的目标值(以下称为“有效电力指令值”)相对应的第一信息，然后使用该第一 信息，从而取得与由转子速度检测部50所检测出的转子速度相对应的有效电力指令值，然 后将该有效电力指令值向叶片控制部22以及电力指令值运算器53输出。在第一信息中， 最大有效电力值被设为额定值P0，当转子速度进入到规定值以上的区域内时，额定值作为
5有效电力指令值被输出。基于抑制电力变动或者提高瞬态稳定度等目的，变更部52在从电力系统2侧接收 到有效电力的最大值的变更要求的情况下，以规定变化率以下的变化率使指令值取得部51 所参照的第一信息的有效电力指令值的最大值变化。例如，变更部52预先保持变化率的上 限值a和使第一信息发生变化所需的时间T的信息，并在该范围内确定变化率。具体而言，在将当前的有效电力的额定值设为P0、将新定义的有效电力的最大值 设为Pl的情况下，变更部52通过将有效电力额定值PO与新定义的有效电力的最大值Pl 的差值(Pl-PO)除以变更所需要的时间T (例如5分)而算出变化率(b = (Pl-PO)/T)，如 果算出的变化率b在预先设定的变化率的上限值a以下，则采用所算出的变化率b，如果算 出的变化率b超过上限值a，则采用该上限值a。另外，变化率并不限于该例子，可以通过设 计来任意对其进行设定。另外，对于根据本实施方式的变更部52的变化率，作为变更所需的时间T采用了 预先确定的规定时间(例如5分)，但是并不限定于此。例如，变更部52在接收有效电力的 最大值的变更要求的同时也接收到时间T’的情况下，对于变化率b的算出时间信息采用接 收到的时间T’，变化率b通过b= (Pl-PO)/T算出。进一步，所算出的变化率b为预先设定 的规定变化率a以下的情况下，采用所算出的变化率b，而所算出的变化率b超过预先设定 的规定变化率a的情况下，采用所规定的变化率a。这样，能够任意设定用于变更有效电力 的最大值所花费的时间。如果在变更部52变更第一信息的期间获得转子速度，则指令值取得部51从变更 中途的第一信息中读取有效电力指令值并输出。从指令值取得部51所输出的有效电力指令值被输入叶片控制部22，并且也被输 入到电力指令值运算器53。电力指令值运算器53根据从指令值取得部51输出的有效电力指令值和功率因数 指令值，算出电力系统2输出的无效电力指令值。在此，功率因数指令值是将电压和电流的 相位差β [rad]的cos θ作为功率因数，并且控制为电力系统所要求的功率因数的值。更 具体而言，设U为电压的有效值、I为电流的有效值的情况下，视在功率以S = UI [VA]来表 示、有效功率以P = UIcos θ [ff]、无效功率以Q = UIsin θ [Var]来表示。这种情况下，众所 周知，在视在功率S、有效功率P以及无效功率Q之间成立下述等式(1)，并据此算出无效功 率，将算出的无效功率作为无效功率指令值。S2 = P2+Q2(l)电力指令值运算器53将无效电力指令值和从指令取得部所取得的有效电力指令 值向整流器控制部21 (参照图1)输出。整流器控制部21根据从有效电力控制部27取得的有效电力指令值以及无效电力 指令值生成PMW(Pulse Width Modulation 脉冲宽度调制器)信号，并将该PMW信号分别 提供给整流器14以及逆变器16。由此，与从有效电力控制部27给予的有效电力指令值以 及无效电力指令值对应的有效电力以及无效电力被提供给电力系统2。另外，叶片控制部22根据从主控制部24的有效电力控制部27所接收的有效电力 指令值以及转子速度生成倾角指令值β* (pitch angle)，为使该倾角指令值β *与实际的 倾角β *相一致，对风车叶片4的倾角进行控制。
6
下面，对本实施方式的风力发电装置1的作用进行说明。首先，风力发电装置1的转子速度以规定的时间间隔由转子速度检测部50来检 测，该检测值被提供给主控制部24的有效电力控制部27。在有效电力控制部27中，由指令 值取得部51从第一信息取得与转子速度相对应的有效电力指令值，而取得的有效电力指 令值被给予叶片控制部22和电力指令值运算器53。在叶片控制部22，求出与有效电力指令值对应的倾角指令值β *，根据该倾角指 令值β*控制叶片倾角。另外，在电力指令值运算器53中，根据被输入的有效电力指令值 和电力因数指令值算出无效电力指令值，并将指令值给予所述整流器控制部21。整流器控 制部21根据被给予的有效电力指令值以及无效电力指令值控制电力变换部20。由此，将与 有效电力指令值以及无效电力指令值对应的有效电力以及无效电力提供给电力系统2。在反复进行该种控制的情况下，当从电力系统2侧接收到有效电力的最大值的变 更要求以及新定义的有效电力的最大值Pl时，由变更部52来变更第一信息，以使当前的第 一信息的有效电力的额定值PO成为新定义的有效电力的最大值Ρ1。
具体而言，变更部52根据规定的变化率使第一信息中的额定值PO逐渐变化为新 定义的有效电力的最大值Ρ1。然后，在该第一信息的转变期间，使用处于变化过程的第一信 息，由指令值取得部51取得与转子速度检测部50所检测出的转子速度相对应的有效电力 指令值，将所取得的有效电力指令值给予叶片控制部22与电力指令值运算器53。由此，能 够避免有效电力指令值急剧增减，其结果是，能够使被提供给电力系统2的有效电力量缓 慢变化为新定义的有效电力的最大值。并且，如果基于变更部52的第一信息的变更完毕，也就是说，如果第一信息的额 定值达到新定义的有效电力的最大值Ρ1，则以后到再度接收到有效电力的最大值的变更指 令为止的期间，都进行基于变更后的第一信息的有效电力值的控制。根据本实施方式的风力发电装置1及其控制方法，变更部52根据规定的变化率使 被设定为额定值的第一信息的有效电力指令值的最大值逐渐变化为新定义的有效电力的 最大值，因此，伴随着有效电力的最大值的变更要求，能够防止有效电力指令值发生急剧变 更。其结果是，通过将规定的变化率设定为将电力系统的电压值的变动或者频率数的变动 抑制到规定值以下的变化率，从而能够防止被设定为额定值的有效电力指令值的最大值发 生急剧的变化，进而能够将电力系统的频率数变动或者电力变动抑制到规定值以下。另外，在本实施方式中，转子速度检测部50 (检测部)所检测出的运行状态参数作 为转子的速度，但是并不限于此。例如，检测部所检测出的运行状态参数也可以是转子的励 磁电流，从而代替转子的速度。(变形例1)此外，在本实施方式所涉及的变更部52以规定变化率以下的变化率来变更有效 电力的最大值的情况下，根据变更前和变更后的有效电力最大值的差值(PO-Pl)以及变更 所需要花费的时间τ来算出变化率b，从而以成为规定变化率a以下的变化率b来使其变 化，但是并不限于此。例如，也可以预先设定成为规定的变化率a以下的变化率即每单位时 间的有效电力的变化量，并根据该变化率改变有效电力的最大值。(变形例2)另外，在本实施方式中，由变更部52以预先设定的规定变化率以下的变化率使指
7令值取得部51所具有的第一信息的有效电力指令值的最大值变化为新定义的有效电力的 最大值，但是并不限于此。例如，变更部52具有将有效电力指令值的最大值设定为与第一 信息的额定值PO分别不同的值的多个第二信息，在从电力系统侧接收到有效电力的最大 值的变更要求的情况下，也可以使用这些多个第二信息使有效电力指令值逐渐变化。例如，变更部52从多个第二信息中抽出有效电力指令值的最大值在第一信息的 额定值到新定义的有效电力最大值之间的多个第二信息，在所抽出的第二信息中，可以采 用从具有接近于额定值PO的有效电力指令值的最大值的第二信息到接近于新定义的有效 电力的最大值的有效电力指令值的最大值的第二信息的顺序，来阶段性地变更有效电力指 令值。这样，变更部52预先具有的第二信息向指令值取得部51输出，指令值取得部51 根据第二信息输出有效电力指令值。由此，能够将有效电力指令值快速地向电力指令值运 算器53输出。另外，本实施方式的变更部52在使设定为额定值的第一信息的有效电力指令值 变化为新定义的有效电力的最大值的情况下，使变更前的有效电力指令值的最大值与最终 新定义的有效电力的最大值一致即可，对于最大值以外的有效电力指令值的变更方法没有 特别限制。例如，在第一信息如图2中的框图所示的情况下，可以不变更框图的形状而使该 框图缩小，而使有效电力指令值的最大值与新定义的最大值相一致，或者也可以将有效电 力指令值的最大值以外的有效电力指令值作变更前的第一信息的有效电力指令值而直接 使用。另外，上述第一信息的特性的变更方法是以规定的算法来进行的。另外，在本实施方式中，以框图示出了第一信息，但是第一信息并不限于此。具体 而言，将运行状态参数和有效电力指令值对应起来即可，例如可以用公式、图表来提供。
8
权利要求
一种风力发电装置，其中，在从电力系统侧接收到有效电力的最大值的变更要求以及新定义的有效电力的最大值的情况下，以规定变化率以下的变化率使被设定为额定值的有效电力指令值的最大值变化到所述新定义的有效电力的最大值。
2.如权利要求1所述的风力发电装置，其包括检测部，其检测与运行状态相关的参数；指令值取得部，其保持有第一信息，根据该第一信息取得与由所述检测部所检测出的 所述运行状态参数相对应的有效电力指令值，在所述第一信息中与所述运行状态相关的参 数和有效电力指令值相对应；变更部，其在从电力系统侧接收到有效电力的最大值的变更要求以及新定义的有效电 力的最大值的情况下，以所述规定变化率以下的变化率使被设定为额定值的所述第一信息 的有效电力指令值的最大值变化到所述新定义的有效电力的最大值。
3.如权利要求1或2所述的风力发电装置，其中，所述变更部通过将设定为额定值的有效电力指令值与所述新定义的有效电力的最大 值的差值除以变更所需要的规定时间，而算出所述变化率，在所算出的该变化率为预先设 定的所述规定的变化率以下的情况下采用算出的该变化率，在所算出的该变化率超过预先 设定的所述规定的变化率的情况下采用该规定的变化率。
4.如权利要求1所述的风力发电装置，其中，具备多个第二信息，在该第二信息中与运行状态相关的参数和有效电力指令值相对 应，且该有效电力指令值的最大值各不相同，在从电力系统侧接收到有效电力的最大值的变更要求以及新定义的有效电力的最大 值的情况下，使用所述有效电力指令值的最大值在额定有效电力值和所述新定义的有效电 力的最大值之间的所述第二信息，从而阶段性地变更被设定为额定值的有效电力指令值。
5.一种风力发电厂，其具备多个风力发电装置，其中，所述多个风力发电装置中的至少一个为权利要求1至4中任一项所述的风力发电装置。
6.一种风力发电装置的控制方法，其中，在从电力系统侧接收到有效电力的最大值的变更要求以及新定义的有效电力的最大 值的情况下，以规定的变化率以下的变化率使被设定为额定值的有效电力指令值的最大值 变化到所述新定义的有效电力的最大值。
7.一种风力发电厂的控制方法，该风力发电厂具备多个风力发电装置，其中，多个风力发电装置中的至少一个适用权利要求6所述的风力发电装置的控制方法。
全文摘要
本发明提供一种风力发电装置及其控制方法。以能够进行按照电力系统要求的有效电力的控制为目的。从电力系统侧接收到有效电力最大值的变更要求和新定义的有效电力最大值时，以规定的变化率以下的变化率使被设为额定值的有效电力指令值的最大值变化到新定义的有效电力的最大值。所述风力发电装置包括检测与运行状态相关的参数的检测部(转子速度检测部)(50)；指令值取得部(51)，其根据与运行状态相关的参数与有效电力指令值对应的第一信息，取得与检测部(50)所检测出的运行状态参数对应的有效电力指令值；变更部，其在从电力系统侧接收到有效电力的最大值的变更要求以及新定义的有效电力的最大值时，以规定变化率以下的变化率使被设定为额定值的第一信息的有效电力指令值变化到新定义的有效电力的最大值。
文档编号F03D7/04GK101970865SQ20098010163
公开日2011年2月9日 申请日期2009年5月20日 优先权日2009年5月20日
发明者八杉明 申请人:三菱重工业株式会社