风车的输出控制装置及输出控制方法

专利名称：风车的输出控制装置及输出控制方法
技术领域：
本发明涉及风车的输出(有效电力)的控制装置及控制方法。
背景技术：
近年来，从地球环境的保全的观点出发，利用了风力的风力发电装置(风车)的普及不断发展。在风力发电装置中，将风的运动能量转换成转子的旋转能量，然后将转子的旋转能量在发电机中转换成电力。风力发电装置接入电力系统，由风力发电装置生成的电力向电力系统供给的情况较多。
已知电力系统的频率根据电力的需求平衡来决定。即，当发电量超过电力需要量时，接入电力系统的发电机要将电力系统中的过剩电力作为旋转能量而蓄积，其结果是，发电机的转速(即系统频率)上升。反之，当发电量低于电力需要量时，接入电力系统的发电机放出旋转能量而补充电力系统中的不足电力，其结果是，发电机的转速(即系统频率)下降。
因此，使一部分的发电厂进行追随电力需要量(负载)的变动的运转(负载追随运转)，来维持作为电力系统整体的电力需求平衡。进行负载追随运转的发电厂通常是通过燃料供给量的调节而能够比较容易地进行输出控制的火力发电厂。如此，一部分的火力发电厂被作为用于维持电力的需求平衡的调整力而使用。相对于此，核能发电厂和水力发电厂等由于短时间的输出控制困难，因此作为始终持续供给一定量的电力的基础供给力而使用的情况较多。
这里，当输出变动大的风力发电装置占接入电力系统的全部发电机的比例高时， 火力发电厂的调整力有时会出现不足。尤其是在与白天相比电力需要量为极少的夜间，作为调整力的火力发电厂的输出已经减小至最低输出附近，因此难以应对风力发电装置的输出增加。
因此，在电力系统的调整力(下降余量)不充分时，例如有时按照来自风车外部的供电指令所的指令来设定风力发电装置的输出上限值。
另外，虽然存在与风车的输出上限值设定无关的技术，但已知有对应于作为调整力的火力发电厂等发电厂的输出变化率来控制风电场的变化率的方法(参照专利文献广3)。该方法中，风电场的输出根据风的状态而在短时间内急剧变动，相对于此，以火力发电厂为代表的作为调整力的发电厂的输出难以急剧变化，因此使风电场的斜升率与电力系统侧的输出变化率一致。
在先技术文献·
专利文献
专利文献I美国专利申请公开第2010/0145533号说明书
专利文献2美国专利第7679215号说明书
专利文献3美国专利申请公开第2011/0001318号说明书发明内容
讨论如上述那样设定风车的输出上限值时的输出控制方法时，当初，本申请人考虑了图10所示的逻辑。
在图10所示的逻辑中，在PI控制器142中，求出发电机转速的当前值Og与目标值ω /的偏差所对应的输出指令值ΡΛ将该输出指令值P。*向输出指令值计算部144输入。 而且，与风车叶片的桨距角的指令值β *对应的输出最大值Pmax及输出最小值Pmin从输出限制器146向输出指令值计算部144输入，从而将输出指令值P*限制成Pmin以上且Pmax以下。 另外，输出指令值的前次值P*past从输出指令前次值更新部145向输出指令值计算部144输入。
另外,从最大输出率设定部110将最大输出率向输出指令值计算部144输入，而将风车输出的变化率限制成最大输出率以下。该最大输出率包括在输出上限值Plimit为风车输出的当前值P以上时使用的上升用固定率火。—和在输出上限值Plimit比风车输出的当前值P小时使用的下降用固定率Vranstant2这两种，均具有固定值。在输出上限值Plimit相对于输出当前值P的偏差Ximsent (=Plimit-P)为零以上时，上升用固定率v_stantl作为最大输出率而从最大输出率设定部Iio向输出指令值计算部144输入。相对于此,在输出上限值Pliniit 相对于输出当前值P的偏差X1^smt比零小时，下降用固定率火。 2作为最大输出率而从最大输出率设定部110向输出指令值计算部144输入。并且，在输出指令值计算部144中，以使用从输出指令前次值更新部145输入的输出指令的前次值Pipast和输出指令的当前值Pc; 所计算的输出率V*不超过最大输出率的方式算出输出指令值P'如此得到的输出指令值* 经由(XU148向输出控制部149传送，用于输出控制部149中的控制。
然而，若从拥有风车的发电企业者的立场出发，在将风车输出抑制成输出上限值 Plimit以下这一制约下，希望尽量增大风车输出的当前值P而提高收益性。为此，希望抑制输出当前值P相对于输出上限值Plimit的过冲或下冲，并同时使输出当前值P迅速地到达输出上限值Plimit附近。
然而,在图10所示的逻辑中，通过最大输出率设定部110设定的最大输出率无论输出上限值Plimit与风车输出的当前值P之差如何，都通过固定的最大输出率v_stantl或 Vconstant2来限制风车输出的变化率。因此，难以既抑制输出相对于输出上限值的过冲及下冲又使输出当前值P迅速到达输出上限值Plimit。
S卩，在图10所示的逻辑中，若重视风车输出的当前值P相对于输出上限值Plimit的过冲或下冲的防止，则减小固定的输出率v_stantl、v_stant2，在风车输出的当前值P到达输出上限值Plimit为止需要大量的时间，风车的发电量未增长而收益性下降。反之，若重视风车输出的当前值P到达输出上限值？^—为止的时间的缩短，则可能发生风车输出相对于输出上限值Plimit的过冲或下冲超过允许范围。
本发明鉴于上述的情况而作出的，其目的在于提供一种能够抑制输出相对于输出上限值的过冲及下冲，并且能够使风车输出迅速地到达输出上限值附近的风车的输出控制装置及输出控制方法。
本发明的一实施方式的风车的输出控制装置的特征在于，具备输出差计算部，求出风车的输出上限值相对于输出之差；最大输出率设定部，根据所述差的大小设定所述风车的最大输出率；输出指令值计算部，以所述输出的变化率不超过所述最大输出率的方式算出 所述风车的输出指令值；输出控制部，基于所述输出指令值控制所述风车的输出，其中，所述最大输出率设定部至少在所述差的绝对值为阈值以下的范围内，所述差的绝对值越大将所述最大输出率设定为越大的值。
另外，风车的输出上限值既可以通过搭载于风车的控制装置独自设定，也可以通过例如供电指令所(dispatch center)等的风车外部的远方的指令所来设定。
根据上述风车的输出控制装置，输出上限值相对于风车输出之差越大将用于限制风车输出的变化率的最大输出率设定为越大的值，因此能够抑制过冲及下冲并使风车输出迅速地到达输出上限值附近。
S卩，在风车输出与输出上限值之差大而过冲及下冲的可能性低时，通过使用比较大的最大输出率，能够缩短风车输出到达输出上限值附近为止的时间。而且，在风车输出与输出上限值之差小而过冲及下冲的可能性高时，通过使用比较小的最大输出率，能够抑制输出相对于输出上限值的过冲及下冲。
另外，抑制输出相对于输出上限值的过冲及下冲是指将输出相对于输出上限值的过冲量及下冲量约束在允许范围内，未必要求完全防止过冲及下冲的发生。
在一实施方式中，上述风车的输出控制装置可以还具备查找表，表示所述差与所述最大输出率的关系，用于所述最大输出率设定部中的所述最大输出率的设定；表更新部， 基于所述输出相对于所述输出上限值的过冲量或下冲量更新所述查找表。
构成风车的硬件(发电机或逆变器等)的响应特性通常存在个体差异，因此在最大输出率设定部中的最大输出率的设定中使用的查找表的最佳内容因各风车而不同。因此， 如上述那样，基于风车输出相对于输出上限值的过冲量或下冲量通过表更新部对查找表进行更新，由此能够使查找表的内容分别适合于各风车。而且，即使在随着时间的经过而硬件的响应特性发生变化的情况下,也能够追随硬件的响应特性的变化而适当地变更查找表的内容。
如上述那样在通过表更新部对查找表进行更新时，例如，可以是，在将从所述差的过去值Xpast向所述差的当前值Ximsmt的变化量的绝对值设为ΛΧ，将所述查找表中与所述过去值Xpast对应的所述最大输出率设为V时，所述表更新部在所述变化量的绝对值ΛΧ比所述当前值的绝对值IX1^smtI大的情况下，将所述查找表中与所述过去值Xpast对应的所述最大输出率从V更新为IxpastI XV/ΛΧ。另外，在所述变化量的绝对值ΛΧ比所述当前值的绝对值IximsmtI大的情况下，表示发生了过冲或下冲，此时的ΛΧ相当于所述差的当前值的绝对值IxpresmtI与所述差的过去值的绝对值IxpastI之和。
如上所述，在发生了过冲或下冲时，通过将与所述差的过去值Xpast对应的最大输出率从V更新为IxpastI XV/Λ X，能够适当地更新查找表，从而能够有效地抑制这以后的过冲及下冲。
另外，在如上述那样通过表更新部对查找表进行更新时，可以是，所述查找表包括在所述输出比所述输出上限值小的情况下使用的上升用表和在所述输出比所述输出上限值大的情况下使用的下降用表，所述上升用表的与所述差对应的所述最大输出率小于所述下降用表的与所述差对应的所述最大输出率。
根据情况的不同，将风车输 出抑制成输出上限值以下的制约有时优先于想要尽量增大风车输出的要求。例如，在电力系统的调整力(下降余量)不充分的情况下，按照来自风车外部的供电指令所的指令而设定的输出上限值与电力系统的电力需求平衡的维持这样的公共目的相关。因此，与基于发电企业者提高收益性这样的私自目的的风车输出的增大的希望相比，有时将风车输出抑制成输出上限值以下的制约更受重视。
这种情况下，如上述那样，通过设置上升用表和下降用表作为查找表并使上升用表的最大输出率比下降用表小，与风车输出向输出上限值附近的迅速到达相比，能够更重视风车输出向输出上限值以下的抑制。
在所述上升用表中的所述最大输出率比所述下降用表小的情况下，可以是，在将从所述差的过去值Xpast向所述差的当前值Xpresmt的变化量的绝对值设为ΛΧ，将所述上升用表中与所述过去值Xpast对应的所述最大输出率设为V时，所述表更新部在所述变化量的绝对值Λ X比所述当前值的绝对值IxpresmtI大且所述当前值满足XpMsmt〈0的情况下，将所述上升用表中与所述过去值Xpast对应的所述最大输出率从V更新为比IxpastI XV/ΛΧ小的值。
由此，即使构成风车的硬件(发电机、逆变器等)的响应特性存在个体差异，也可以适当地更新上升用表，而能够使上升用表的内容适合于各风车。而且，即使在随着时间的经过而硬件的响应特性发生变化的情况下，也能够追随硬件的响应特性的变化而能够适当地变更上升用表的内容。而且，在所述变化量的绝对值ΛΧ比所述当前值的绝对值IXpresent 大且所述当前值满足XpMsmt〈0时(B卩，发生了过冲时)，通过将与所述差的过去值Xpast对应的最大输出率从V更新为比IxpastI X V/Λ X小的值，能够更有效地抑制这以后的过冲。
另外，在如上述那样通过表更新部来更新查找表的情况下，上述风车的输出控制装置可以还具备基于所述表更新部中的所述查找表的更新频度来判定所述风车有无异常的异常判定部。
例如，在查找表的更新频度为设想以上的情况下，认为风车发生了异常(设想以上的急剧的劣化或故障)。因此，通过设置基于查找表的更新频度来判定风车有无异常的异常判定部，而能够监控风车的状态。
另外，在如上述那样通过表更新部来更新查找表的情况下，上述风车的输出控制装置可以还具备基于所述过冲量或所述下冲量的历时变化来判定所述风车有无异常的异常判定部。
例如，在过冲量或下冲量突然增大时，认为风车发生了异常(设想以上的急剧的劣化或故障)。因此，通过设置基于过冲量或下冲量的历时变化来判定风车有无异常的异常判定部，而能够监控风车的状态。
另外，在一实施方式中，可以是，所述输出差计算部求出属于风电场的多个所述风车的作为整体的所述输出上限值相对于所述输出之差，所述最大输出率设定部根据所述差的大小设定属于所述风电场的多个所述风车的作为整体的所述最大输出率，所述输出指令值计算部算出属于所述风电场的多个所述风车的作为整体的所述输出指令值，所述输出控制部基于所述输出指令值控制属于所述风电场的多个所述风车的作为整体的所述输出。
如此，通 过使用上述的输出控制装置，对属于风电场的多个风车的输出进行控制， 能够抑制风电场整体的输出的过冲及下冲并使风电场整体的输出迅速地到达输出上限值附近。
本发明的一实施方式的风车的输出控制方法具备求出风车的输出上限值相对于输出之差的步骤；根据所述差的大小设定所述风车的最大输出率的步骤；以所述输出的变化率不超过所述最大输出率的方式算出所述风车的输出指令值的步骤；基于所述输出指令 值控制所述风车的输出的步骤，其中，在设定所述最大输出率的步骤中，至少在所述差的绝 对值为阈值以下的范围内，所述差的绝对值越大将所述最大输出率设定为越大的值。根据上述风车的输出控制方法，输出上限值相对于风车输出之差越大将限制风车 输出的变化率用的最大输出率设定为越大的值，因此能够抑制过冲及下冲并使风车输出迅 速地到达输出上限值附近。S卩，在风车输出与输出上限值之差大而过冲及下冲的可能性低时，通过使用比较 大的最大输出率，能够缩短风车输出到达输出上限值附近为止的时间。而且，在风车输出与 输出上限值之差小而过冲及下冲的可能性高时，通过使用比较小的最大输出率，能够抑制 输出相对于输出上限值的过冲及下冲。发明效果根据本发明，风车输出与输出上限值之差越大将限制风车输出的变化率用的最大 输出率设定为越大的值，因此能够抑制过冲及下冲并使风车输出迅速地到达输出上限值附 近。


图1是表示风力发电装置的整体结构的一例的图。图2是表示一实施方式的风力发电装置的结构例的图。图3是表示用于进行有效电力指令值P*的算出的逻辑的框图。图4是表不上升用表及下降用表的一例的图形。图5是表示表更新部中的上升用表的更新的情况的图形。图6是表示表更新部中的下降用表的更新的情况的图形。图7是表示表更新部进行的查找表的更新的顺序的流程图。图8是表示一实施方式中的风车的输出控制的情况的图形。图9是表示具备异常判定部的风车的输出控制装置的结构例的图。图10是表示进行设定了风车的输出上限值时的输出控制用的逻辑的框图。
具体实施例方式以下，参照附图，说明本发明的实施方式。但是，该实施方式记载的结构部件的尺 寸、材质、形状、其相对的配置等只要没有特定的记载，就不是将本发明的范围限定于此，只 不过是说明例。图1是表示风力发电装置的整体结构的一例的图。如该图所示，风力发电装置1 主要具备承受风而旋转的转子2 ;与转子2连接的主轴4 ;使主轴4的旋转增速的增速机 6 ;与增速机6的输出轴7连结的发电机8。将一张以上的叶片2A安装于轮毂2B而构成转子2。在轮毂2B上连结有主轴4。 当通过叶片2A受到的风力来使转子2整体旋转时，转子2的旋转经由主轴4向增速机6 输入。发电机8连结于增速机6的输出轴7，将从增速机6的输出轴7接受到的机械能量转 换成电能(有效电力)。发电机8接入电力系统14 (参照图2)，在发电机8中生成的有效电 力向电力系统14供给。
另外，在另一实施方式中，发电机8可以不经由增速机6而直接与主轴4连接，也可以取代增速机6，使用液压传动装置使主轴4的旋转增速而向发电机8输入。
另外，在叶片2A上安装有促动器3。促动器3在桨距控制部32 (参照图2)的控制下工作，而使各叶片2A的桨距角变化。
另外，增速机6及发电机8可以收纳在机舱10内。机舱10由竖立设置在地基11 上的塔架12支承。另外，风力发电装置I不仅可以设置在地面，也可以设置在包括海洋在内的任意的场所。
图2是表示一实施方式的风力发电装置的结构例的图。另外，在本实施方式中，对风力发电装置I为双馈式可变速风车(doubly-fed variable speed wind turbine)的例子进行说明，但风力发电装置I也可以是其他的方式的风车。
例如，风力发电装置I可以是不经由增速机6而与主轴4直接连结的多极的同步发电机经由AC-DC-AC线路而接入电力系统14的直接驱动方式。或者风力发电装置I可以是将容量可变型的液压泵及液压马达组合而成的液压传动装置设置在主轴4与同步发电机之间以取代增速机6，且与液压马达直接连结的同步发电机直接接入电力系统14的液压驱动方式。
在图2所示的例子中，发电机8是具有定子绕组8A及转子绕组SB的绕组感应发电机。定子绕组8A与电力系统14直接连接。另一方面，转子绕组8B与增速机6的输出轴7 —起旋转，并经由AC-DC-AC转换器20而与电力系统14连接。
AC-DC-AC转换器20由主动整流器22、DC总线24及逆变器26构成。主动整流器 22将转子绕组8B产生的交流电力转换成直流电力，并将其向DC总线24输出。逆变器26 将从DC总线24接受到的直流电力转换成与电力系统14 一致的频率的交流电力，并将其向电力系统14输出。
主动整流器22及逆变器26按照来自转换器控制部30的PWM信号进行工作。转换器控制部30根据从主控制装置40提供的有效电力的指令值P*及无效电力的指令值Q% 生成向主动整流器22及逆变器26供给的PWM信号。具体而言，转换器控制部30根据由电压电流传感器15计测到的从发电机8向电力系统14供给的电力的电压VgHd和电流I#id， 算出向电力系统14输出的有效电力P和无效电力Q。并且，转换器控制部30将从主控制装置40提供的有效电力指令值P*及无效电力指令值Q*与有效电力P及无效电力Q的偏差所对应的PWM信号向主动整流器22及逆变器26提供。这样的话，进行使向电力系统14供给的有效电力P及无效电力Q接近由主控制装置40设定的有效电力指令值P*及无效电力指令值Q*那样的反馈控制。
主控制装置40中的有效电力指令值P*及无效电力指令值Q*的决定例如基于由风车外部的供电指令所所设定的输出上限值Plimit及由转速计5计测到的发电机8的转速COg 进行。另外，转速计5只要能够计测发电机8的转速(输出轴7的转速)即可并未 特别限定，例如可以使用旋转编码器或分解器。
另外，主控制装置40起到对桨距控制部32提供叶片2A的桨距角的指令值β *的作用。
图3是表示进行主控制装置40中的有效电力指令值P*的算出用的逻辑的框图。 另外，在本实施方式中，主控制装置40与作为输出控制部发挥功能的转换器控制部30合在一起相当于风车的输出控制装置。
在该图所示的逻辑中，在PI控制器42中，求出发电机转速的当前值ω g与目标值 ω；的偏差所对应的输出指令值ΡΛ并将该输出指令值Pc；向输出指令值计算部44输入。 另外，发电机8的转速目标值ω/可以至少基于风力发电装置I的输出上限值Plimit来决定。 例如，可以在风车输出到达输出上限值Plimit之前，根据风速来设定转子2的周速比大致成为最佳周速比这样的转速目标值ω/，在风车输出到达了输出上限值Plimit之后，以能得到输出上限值Plimit的方式设定转速目标值ω/。
另一方面，输出最大值Pmax及输出最小值Pmin从输出限制器46向输出指令值计算部44输入，将输出指令值P*限制成Pmin以上且Pmax以下。另外，输出最大值Pmax及输出最小值Pmin根据风力发电装置I的状态(叶片2Α的桨距角的指令值β*)适当设定。另外，与桨距角的指令值β * 一起在Pmax及Pmin的设定中使用的最小桨距角β min是指使转子2的输出系数成为最大的叶片2A的小迎角(fine)侧的极限值。
而且，输出指令值的前次值Pipast从输出指令前次值更新部45向输出指令值计算部44输入。在输出指令前次值更新部45中，由输出指令值计算部44得到的输出指令值的当前值P*被存储作为输出指令前次值P*past，该输出指令前次值P*past在输出指令值计算部 44的下次的计算步骤中被利用。另外，输出指令前次值Pipast按照主控制装置40的控制周期进行更新。
另外,从最大输出率设定部50将最大输出率V向输出指令值计算部44输入，将风车输出的变化率(输出指令值P*的变化率)限制成最大输出率V以下。
具体而言，将从PI控制器42输入的输出指令值Pc;与从输出指令前次值更新部45 输入的输出指令前次值Pipast之差除以主控制装置40的控制周期，由此算出从此要实现的风车输出的变化率(输出指令当前值P*的变化率)Ψ。在该变化率Ψ为最大输出率V以下时，直接采用来自PI控制器42的输出指令值Pc;作为输出指令当前值P* (但是，输出指令值Po*满足了输出限制范围PmilTPma x的条件)。另一方面，在变化率V*超过最大输出率V时， 采用将最大输出率V乘以控制周期所得的值与输出指令前次值Pipast之和作为输出指令当前值P'
例如，在输出指令前次值Pipast为1400kW，由PI控制器42生成的输出指令值P。*为 1500kff,由输出限制器46生成的输出最大值Pmax为2000kW，输出下限值Pmin为IOOOkW,最大输出率V为100kW/sec,控制周期为50msec的情况下,输出指令当前值P*如下决定。
由PI控制器42生成的输出指令值P。*为1500kW，满足由输出限制器46生成的输出最大值Pmax以下且输出最小值Pmin以上的条件。从此要实现的风车输出的变化率V*为 2000kff/sec( = ( 1500kff-1400kff)/50msec)o 由于该变化率 V* 比最大输出率 V(=100kW/sec) 大，因此不直接采用输出指令值Pc;作为输出指令当前值P%而是采用将最大输出率V乘以控制周期而得到的值与输出指令前次值P*past之和1405kW (=1400kff+100kff/secX 50msec) 作为输出指令当前值P'
最大输出率设定部50设定具有与输出上限值Plimit相对于输出当前值(向电力系统14供给的有效电力的当前值)P之差Xpresent所对应的值的最大输出率V。具体而言，在最大输出率设定部50中，在所述差Xpresmt的绝对值处于规定的阈值以下的范围内，所述差 X1^smt的绝对值越大将最大输出率设定为越大的值。
最大输出率设定部50可以使用表示所述差Xprasent与最大输出率V的关系的查找表，设定与所述差Xpresmt对应的最大输出率V。这种情况下，如图3所示，可以设置上升用表54及下降用表56这两种查找表。另外，上升用表54在输出当前值P为输出上限值Plimit 以下时使用，下降用表56在输出当前值P比输出上限值Plimit大时使用。
另外，如图3所示，也可以将基于输出当前值P相对于输出上限值Plimit的过冲量或下冲量对查找表(上升用表54及下降用表56)进行更新的表更新部60设置在最大输出率设定部50。
构成风力发电装置I的硬件(发电机8、AC-DC-AC转换器20等)的响应特性通常存在个体差，因此查找表(上升用表54及下降用表56)的最佳内容因各风车而不同。因此， 如上所述，基于风车输出P相对于输出上限值Plimit的过冲量或下冲量通过表更新部60对查找表进行更新，由此能够使查找表的内容分别适合于各风车。而且，即使在随着时间的经过而硬件的响应特性发生变化的情况下，也能够追随硬件的响应特性的变化而适当地变更查找表的内容。
另外，查找表的更新既可以使用过冲量或下冲量自身进行，也可以使用反映了过冲量或下冲量的任意的参数(例如图5及6所示的ΛΧ及Xpast)进行。而且，表更新部62既可以在满足了一定的条件时自动地进行查找表的更新，也可以将经由任意的用户接口由操作员输入的表更新指令作为触发来进行查找表的更新。在后者的情况下，可以按照由操作员指示的更新内容来进行查找表的更新。
在一实施方式中，如图3所不,可以通过上升用表54、下降用表56、选择器58、表更新部60及输出差前次值更新部62来构成最大输出率设定部50。
从输出上限值Plimit减去输出当前值P而得到的差(输出差当前值)Xpresent从减算器52向这种结构的最大输出率设定部50输入。具体而言，差Xprasent向查找表(上升用表 54及下降用表56)输入,从各表54、56分别输出与差Xpresent对应的Vup、Vd_。并且,在选择器58中，当差Xlttesent为零以上时(Plimit彡P时)，选择从上升用表54输出的Vup作为最大输出率V，并将该最大输出率Vup向输出指令值计算部44输入。另一方面，在差Xpresmt小于零时(Plimit〈P时)，选择从下降用表56输出的Vd_作为最大输出率V，该最大输出率Vd_向输出指令值计算部44输入。而且，由减算器52得到的差(输出差当前值)Xpresent也向表更新·部60输入，与从输出差前次值更新部62输入的输出差前次值Xpast —起在查找表(上升用表 54及下降用表56)的更新中使用。
图4是表不上升用表54及下降用表56的一例的图形。如该图所不,上升用表54 及下降用表56均是从输出上限值Plimit减去输出当前值P所得到的差的绝对值|X|在规定的阈值Thl、Th2以下的范围内，在所述差的绝对值|X|越大时将最大输出率V设定为越大的值。换言之，在差的绝对值|X|为规定的阈值Thl、Th2以下的范围内，上升用表54及下降用表56的最大输出率V均作为相对于|X|而单调增加的函数V (X)而被规定。这里，在差X 为零以上时(Plimit > P时)使用的上升用表54的最大输出率V是指输出增加速度的上限值 [kff/sec]。同样地，在差X小于零时(Plimit〈P时)使用的下降用表56的最大输出率V是指输出减少速度的上限值[kW/sec]。
另外，在差的绝对值|X|处于比阈值Thl、Th2大的范围内，各表54、56所示的最大输出率可以分别恒定为vmaxl、vmax2。
另外，如图4所示，上升用表54所示的最大输出率V (X)的值可以小于下降用表 56所示的最大输出率V (X)的值。
将风车输出P抑制成输出上限值Plimit以下这样的制约优先于想要尽量增大风车输出P的要求。这种情况下，如上述那样，通过使上升用表54的最大输出率比下降用表56 小，与风车输出P向输出上限值Plimit附近的迅速到达相比，能够更重视风车输出P向输出上限值Plimit以下的抑制。
图5是表示表更新部60中的上升用表54的更新的情况的图形。
如该图所示，在时刻tpast从输出上限值Plimit减去输出当前值P而得到的差为Xpast (>0)时，讨论了从时刻tpast经过了控制周期Λ t的时刻tpMsmt处的输出差成为Xpresmt (〈O) 的情况。这种情况下，由于上升用表54中的与差前次值Xpast对应的最大输出率V(Xpast)S 大，因此认为发生了过冲。因此，为了抑制这以后的过冲，在上升用表54中，通过表更新部 60将与差前次值Xpast对应的最大输出率从V (Xpast)更新为V (Xpast)X IXpast I/ΛΧ。此时， 为了维持上升用表54的函数V (X)的连续性，可以将上升用表54中的与差前次值Xpast前后的输出差绝对值|X|对应的最大输出率V的值也一并更新。
另外，图5中的符号55表示的直线是表示假定在时刻丨_通过由更新后的上升用表54规定的最大输出率(=V (Xpast) X IxpastIMX)来限制风车输出的变化率时的输出差X 的变化的假想的直线。从直线55可知，通过如上述那样更新上升用表54，能够原理性地抑制下次以后的过冲。
另外，在另一实施方式中，在上升用表54中也可以通过表更新部60将与差前次值 Xpast对应的最大输出率从V (Xpast)更新为比V (Xpast) X IxpastIMX小的值Vnew (>0)。由此，能够更有效地抑制下次以后的过冲。
图6是表示表更新部60中的下降用表56的更新的情况的图形。
如该图所示，在时刻tpast从输出上限值Plimit减去输出当前值P而得到的差为Xpast (〈O)时，讨论了从时刻tpast经过了控制周期Λ t的时刻tpMsmt处的输出差成为XpresmtOO) 的情况。这种情况下，由于下降用表56中的与差前次值Xpast对应的最大输出率V(Xpast)S 大，因此认为发生了下冲。因此，为了抑制这以后的下冲，在下降用表56中通过表更新部60 将与差前次值Xpast对应的最大输出率从V (Xpast)更新为V (Xpast) X I Xpast I MX。此时，为了维持下降用表56的函数V (X)的连续性，可以将下降用表56中的与差前次值Xpast前后的输出差绝对值|X|对应的最大输出率V的值也一并更新。
另外，图6中的符号57表示的直线是表示假定在时刻％_通过由更新后的下降用表56规定的最大输出率(=V (Xpast) X IxpastIMX)来限制风车输出的变化率时的输出差X 的变化的假想的直线。从直线57可知，通过如上述那样更新下降用表56，能够原理性地抑制下次以后的下冲。
另外，在另一实施方式中，在下降用表56中也可以通过表更新部60将与差前次值 Xpast对应的最大输出率从V (Xpast)更新为比V ( Xpast)X IxpastIMx大的值Vnew (〈V (Xpast))。 由此，能够更有效地抑制下一次以后的下冲。
图7是表示表更新部60进行的查找表的更新的顺序的流程图。
如该图所示，在步骤S2中，求出从由输出差前次值更新部62输出的输出上限值 Plimit与输出当前值P之差的前次值Xpast，向由减算器52输出的输出上限值Plimit与输出当前值P之差的当前值Xlmsmt的变化量的绝对值Λ X (=| XpreSent-Xpast I )。并且，将所述变化量的绝对值ΛΧ与差当前值的绝对值IximsentI进行比较(步骤S4)。
在判断为所述变化量的绝对值Λ X大于差当前值的绝对值I Xpresent I时(步骤S4的 “是”判定)，表示在从时刻tpast到时刻tPMsent的期间中，风车输出(有效电力)P相对于输出上限值Plimit发生了过冲或下冲。因此，为了抑制这以后的过冲或下冲，在步骤S6以后，进行查找表的更新。另一方面，在判断为所述变化量的绝对值ΛX为差当前值的绝对值IXpresmt 以下时(步骤S4的“否”判定)，表示未发生过冲或下冲。这种情况下，无需进行查找表的更新。
在步骤S6中，判定差当前值Xpresent是否为零以上。在差当前值Xlffesent为零以上时，表示在从时刻tpast到时刻tpMsmt的期间内，风车输出(有效电力)P相对于输出上限值 Plimit发生了下冲。因此，为了抑制这以后的下冲，而进行下降用表56的更新(步骤S8)。这种情况下，可以在下降用表56中将与差前次值Xpast对应的最大输出率从V (Xpast)更新为 V (Xpast)X IXpastI/ΛΧ (参照图6的直线57)。或者在另一实施方式中，可以在下降用表56 中将与差前次值Xpast对应的最大输出率从V (Xpast)更新为比V (Xpast) X IXpast I/ΛΧ大的值 V- (〈V (W)。
相对于此，在步骤S6中，差当前值Xpresmt小于零时，表示在从时刻tpast到时刻 Vsent的期间内，风车输出(有效电力)P相对于输出上限值Plimit发生了过冲。因此，为了抑制这以后的过冲，而进行上升用表54的更新(步骤S10)。这种情况下，可以在上升用表54 中将与差前次值Xpast对应的最大输出率从V (Xpast)更新为V (Xpast)X IXpast I/ΔΧ (参照图 5的直线55)。或者在另一实施方式中，可以在上升用表54中将与差前次值Xpast对应的最大输出率从V (Xpast)更新为比V (Xpast) X IXpast I/ΛΧ小的值Vnew (>0)。
如以上说明那样，本实施方式的风车的输出控制装置(一并包括主控制装置40及转换器控制部30)具备求出风力发电装置I的输出上限值Plimit相对于输出当前值P之差 Xpresent的输出差计算部(减算器52);根据所述差Xpresmt的大小来设定最大输出率V的最大输出率设定部50 ;以输出的变化率不超过最大输出率V的方式算出输出指令值P*的输出指令值计算部44 ;基于输出指令值P*来控制风车输出(有效电力P)的输出控制部(转换器控制部30)。并且，在最大输出率设定部50中，至少在差Xlffesent的绝对值为阈值Thp Th2以下的范围内，所述差Ximsmt的绝对值越大将最大输出率V设定为越大的值。
根据本实施方式，输出上限值Plimit相对于风车输出P之差Xpresmt越大，将限制风车输出的变化率用的最大输出率V设定成越大的值，因此能够抑制过冲及下冲，并使风车输出迅速地到达输出上限值Plimit附近。
S卩，在风车输出P与输出 上限值Plimit之差大而过冲及下冲的可能性低时，通过使用比较大的最大输出率V，能够缩短风车输出到达输出上限值Plimit附近为止的时间。而且， 在风车输出P与输出上限值Plimit之差小而过冲及下冲的可能性高时，通过使用比较小的最大输出率V，能够抑制输出P相对于输出上限值Plimit的过冲及下冲。
图8是表示本实施方式中的风车的输出控制的情况的图形。如该图所示，在本实施方式中，在风车输出P与输出上限值Plimit之差大时，将最大输出率V设定为比较大的值， 因此能够使风车输出迅速地到达输出上限值Plimit的附近(参照曲线70)。而且，在风车输出 P与输出上限值Plimit之差小时，将最大输出率V设定为比较小的值，因此能够抑制风车输出相对于输出上限值Plimit的过冲及下冲(参照曲线70)。另外，曲线70的形状只不过是说明例，风车输出的历时变化当然也可以由曲线70以外的任意的曲线表示。另一方面，在如图10那样无论风车输出P与输出上限值Plimit之差的大小如何都固定最大输出率V时，只能使用风车输出相对于输出上限值Plimit的过冲量及下冲量约束在允许范围内的程度的小的最大输出率V，而风车输出到达输出上限值Plimit的附近为止需要大量的时间(参照曲线72)。而且，在某种程度上还会产生风车输出相对于输出上限值Plimit的过冲及下冲(参照曲线72)。以上，对本发明的实施方式进行了详细说明，但本发明并未限定于此，在不脱离本发明的主旨的范围内，当然可以进行各种改良、变形。例如，在上述的实施方式中，说明了对风力发电装置I单体的输出进行控制的输出控制装置，但本发明也可以适用于对属于风电场的多个风车的总计输出进行控制的情况。这种情况下，在减算器(输出差计算部)52中，求出属于风电场的多个风车的总计输出上限值Plimit与总计输出当前值P之差Xpresmt，在最大输出率设定部50中，根据所述差Xpresent的大小而设定多个风车的作为整体的最大输出率。并且，在输出指令计算部44中算出多个风车的作为整体的输出指令值(总计输出指令值)p%为了实现该总计输出指令值P*而对各风车的转换器控制部(输出控制部)30赋予各自的输出指令值(例如作为整体的输出指令值P*除以风车个数N所得到的值)。另外，在上述的实施方式中，可以追加性地设置检测风力发电装置I的异常的异常判定部。 图9是表示具备异常判定部的风车的输出控制装置的结构例的图。该图所示的输出控制装置是对图3所示的输出控制装置追加性地设置了异常判定部80。因此，对与图3所示的输出控制装置相同的部位标注共同的符号，在此省略其说明，仅对异常判定部80进行说明。异常判定部80可以基于查找表的更新频度和过冲量或下冲量的历时变化的至少一方，来判定风车有无异常。例如，异常判定部80可以基于与从表更新部60接受到的查找表的更新频度相关的信息，判断查找表的更新频度是否超过规定的阈值，来检测风车的异常。在查找表的更新频度为设想以上时，认为风车发生了异常(设想以上的急剧的劣化或故障)。由此，通过基于查找表的更新频度来判定风车有无异常，而能够监控风车的状态。或者异常判定部80可以基于与从表更新部60接受到的过冲量或下冲量的历时变化相关的信息，判断规定期间内的过冲量或下冲量的增加量是否超过规定的阈值，来检测风车的异常。在过冲量或下冲量突然增大时，认为风车发生了异常(设想以上的急剧的劣化或故障)。由此，通过设置基于过冲量或下冲量的历时变化来判定风车有无异常的异常判定部，而能够监控风车的状态。符号说明I 风力发电装置(风车)2 转子2A 叶片
2B轮毂3促动器4主轴5转速计6增速机7输出轴8发电机8A定子绕组8B转子绕组10机舱11地基12塔架14电力系统15电压电流传感器20AC-DC-AC 转换器

22主动整流器24DC 总线26逆变器30转换器控制部32桨距控制部40主控制装置42PI 控制器44输出指令值计算部45输出指令前次值更新部46输出限制器48CCU50最大输出率设定部52减算器54上升用表56下降用表58选择器60表更新部62输出差前次值更新部80异常判定部110最大输出率设定部142PI 控制器144输出指令值计算部145输出指令前次值更新部146输出限制器
148 CCU149输出控制部
权利要求
1.一种风车的输出控制装置，其特征在于， 具备 输出差计算部，求出风车的输出上限值相对于输出之差； 最大输出率设定部，根据所述差的大小设定所述风车的最大输出率； 输出指令值计算部，以所述输出的变化率不超过所述最大输出率的方式算出所述风车的输出指令值；以及 输出控制部，基于所述输出指令值控制所述风车的输出， 所述最大输出率设定部至少在所述差的绝对值为阈值以下的范围内，所述差的绝对值越大将所述最大输出率设定为越大的值。
2.根据权利要求1所述的风车的输出控制装置，其特征在于， 还具备 查找表，表示所述差与所述最大输出率的关系，用于所述最大输出率设定部中的所述最大输出率的设定；以及 表更新部，基于所述输出相对于所述输出上限值的过冲量或下冲量更新所述查找表。
3.根据权利要求2所述的风车的输出控制装置，其特征在于， 在将从所述差的过去值)^ast向所述差的当前值X1^smt的变化量的绝对值设为AXJf所述查找表中与所述过去值Xpast对应的所述最大输出率设为V时， 所述表更新部在所述变化量的绝对值ΛΧ比所述当前值的绝对值|Xp_mt|大的情况下，将所述查找表中与所述过去值Xpast对应的所述最大输出率从V更新为IxpastI XV/Λ X。
4.根据权利要求2所述的风车的输出控制装置，其特征在于， 所述查找表包括在所述输出比所述输出上限值小的情况下使用的上升用表和在所述输出比所述输出上限值大的情况下使用的下降用表， 所述上升用表的与所述差对应的所述最大输出率小于所述下降用表的与所述差对应的所述最大输出率。
5.根据权利要求4所述的风车的输出控制装置，其特征在于， 在将从所述差的过去值Xpast向所述差的当前值X1^smt的变化量的绝对值设为AXdf所述上升用表中与所述过去值Xpast对应的所述最大输出率设为V时， 所述表更新部在所述变化量的绝对值Λ X比所述当前值的绝对值IximsentI大且所述当前值满足xPMsmt〈0的情况下，将所述上升用表中与所述过去值Xpast对应的所述最大输出率从V更新为比IxpastI XV/Λ X小的值。
6.根据权利要求2所述的风车的输出控制装置，其特征在于， 还具备异常判定部，基于所述表更新部中的所述查找表的更新频度判定所述风车有无异常。
7.根据权利要求2所述的风车的输出控制装置，其特征在于， 还具备异常判定部，基于所述过冲量或所述下冲量的历时变化判定所述风车有无异堂巾O
8.根据权利要求1所述的风车的输出控制装置，其特征在于， 所述输出差计算部求出属于风电场的多个所述风车的作为整体的所述输出上限值相对于所述输出之差，所述最大输出率设定部根据所述差的大小设定属于所述风电场的多个所述风车的作为整体的所述最大输出率， 所述输出指令值计算部算出属于所述风电场的多个所述风车的作为整体的所述输出指令值， 所述输出控制部基于所述输出指令值控制属于所述风电场的多个所述风车的作为整体的所述输出。
9.一种风车的输出控制方法，其特征在于， 具备 求出风车的输出上限值相对于输出之差的步骤； 根据所述差的大小设定所述风车的最大输出率的步骤； 以所述输出的变化率不超过所述最大输出率的方式算出所述风车的输出指令值的步骤； 基于所述输出指令值控制所述风车的输出的步骤， 在设定所述最大输出率的步骤中，至少在所述差的绝对值为阈值以下的范围内，所述差的绝对值越大将所述最大输出率设定为越大的值。
全文摘要
提供一种能够抑制输出相对于输出上限值的过冲及下冲，并且能够使风车输出迅速地到达输出上限值附近的风车的输出控制装置及输出控制方法。风车的输出控制装置具备求出风车的输出上限值(Plimit)相对于输出之差(Xpresent)的输出差计算部(52)；根据所述差(Xpresent)的大小设定风车的最大输出率(V)的最大输出率设定部(50)；以风车的输出率(V*)不超过最大输出率(V)的方式算出输出指令值(P*)的输出指令值计算部(44)；基于输出指令值(P*)控制风车输出的输出控制部(30)。最大输出率设定部(50)至少在所述差(Xpresent)的绝对值为阈值以下的范围内，所述差(Xpresent)的绝对值越大将所述最大输出率(V)设定为越大的值。
文档编号F03D7/02GK103052793SQ201280001262
公开日2013年4月17日 申请日期2012年3月8日 优先权日2012年3月8日
发明者城井努, 八杉明 申请人:三菱重工业株式会社