专利名称：系统稳定化装置、方法、以及风力发电系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及系统稳定化装置、方法、以及风力发电系统。
背景技术：
以往，在使系统协同工作的风力发电装置中，存在使用笼型感应发电机的情况，但 在电力系统中发生故障等，电力系统侧的电压产生变动的情况下，感应发电机侧从系统侧 吸收剩余的无效电力，无法使其符合系统协同工作规定。因此，可知在通过使用了笼型感应 发电机的风力发电装置进行系统协同工作的情况下，在风电场内另外设置补偿无效电力的 装置等，以符合系统协同工作规定。专利文献1 JP特开2000-175360号公报然而，如上述那样在风电场内另外设置无效电力补偿装置时，需要土木工程等大 规模的工程，因此存在对于现有的具有笼型感应发电机的风力发电系统的环境很难设置无 效电力补偿装置的问题。
发明内容
本发明为了解决上述问题而作，目的在于提供一种不需要大规模的工程，并且可 以提供稳定的无效电力的系统稳定化装置、方法、以及风力发电系统。为了解决上述课题，本发明采用以下的部。本发明的第1形态，是一种系统稳定化装置，应用于发电系统，所述发电系统具 备发电装置，其具有笼型感应发电机，利用自然能进行发电；和连接切换部，其设置于所 述发电装置和电力系统之间，对该发电装置和电力系统的连接以及非连接进行切换，所述 系统稳定化装置具备无效电力调整部，该无效电力调整部在所述电力系统的电压满足预先 设定的变动条件，且所述发电装置和所述电力系统被设为非连接状态的情况下，向所述电 力系统提供无效电力，或者从所述电力系统吸收无效电力。根据这种结构，在由于落雷等产生接地或短路而发生短时间(数秒以下)的电压 下降，从而电力系统的电压满足预先设定的变动条件，并且由连接切换部将发电装置设为 与电力系统非连接状态的情况下，从无效电力调整部向电力系统提供无效电力。像这样，因为具备用于调整无效电力的专用的装置(无效电力调整部)，所以在电 力系统中在满足预先设定的电压的变动条件的情况下，向电力系统提供稳定的无效电力， 或者从电力系统吸收无效电流成为可能。在上述系统稳定化装置中，也可以具备在所述发电装置和所述电力系统被设为非 连接状态的情况下，通过所述连接切换部与所述发电装置连接的负载。像这样，因为在发电装置和电力系统被设为非连接状态的情况下，通过连接切换 部连接发电装置与负载，所以可以使发电装置的输出提供给负载，可以防止发电装置过旋 转。负载是指，例如放电电阻。在上述系统稳定化装置中，所述无效电力调整部具备蓄电装置和电力变换器。
像这样，在进行无效电力的补偿的情况下，因为蓄电装置为小容量就可以，所以可 以将无效电力调整部小型化。由此，可以容易地安装于现有的发电系统。另外，蓄电装置是 例如电池、电容器等。在上述系统稳定化装置中，所述无效电力调整部具有用于安装于所述电力系统的 安装部。由此，可以容易地设置于现有的发电系统。本发明的第2形态，是一种风力发电系统，其具备发电装置，其具有笼型感应发 电机，利用风能进行发电；连接切换部，其设置于所述发电装置和电力系统之间，对该发电 装置和所述电力系统的连接以及非连接进行切换；和无效电力调整部，其在所述电力系统 的电压满足预先设定的变动条件，且所述发电装置和所述电力系统被设为非连接状态的情 况下，向所述电力系统提供无效电力，或者从所述电力系统吸收无效电力。在上述风力发电系统中，也可以具备在所述发电装置和所述电力系统被设为非连 接状态的情况下，通过所述连接切换部与所述发电装置连接的负载。在上述风力发电系统中，所述连接切换部在将所述发电装置和所述负载连接的状 态下，在所述发电装置侧的输出电压比既定的规定值小的情况下，将所述发电装置的输出 端接地。本发明的第3形态，是一种系统稳定化方法，应用于发电系统，所述发电系统具 备发电装置，其具有笼型感应发电机，利用自然能进行发电；和连接切换部，其设置于所 述发电装置和电力系统之间，对该发电装置和电力系统的连接以及非连接进行切换，与所 述发电装置分开地另外设有无效电力调整部，该无效电力调整部在所述电力系统的电压满 足预先设定的变动条件，且所述发电装置和所述电力系统被设为非连接状态的情况下，向 所述电力系统提供无效电力，或者从所述电力系统吸收无效电力。根据本发明，可以起到不需要大规模的土木工程，并且可以提供稳定的无效电力 的效果。
图1是表示应用了本发明的一个实施方式所涉及的系统稳定化装置的风力发电 系统的一个例子的模块图。图2是表示本发明的系统稳定化装置的通常运转时的动作流程的图。图3是表示本发明的系统稳定化装置的系统电压下降的情况的动作流程的图。符号说明
1风力发电系统
2系统稳定化装置
13发电机
14连接切换部
15电力系统
16发电机侧电压传感器
17系统侧电压传感器
18控制部
20负载
21无效电力调整部
211蓄电装置
212交流直流变换器
213电力调整控制部
具体实施例方式以下，参照附图，对本发明所涉及的系统稳定化装置、方法、以及风力发电系统的 一个实施方式进行说明。在本实施方式中，对应用了本发明所涉及的系统稳定化装置的风力发电系统进行 说明。另外，在本实施方式中的发电机为例如笼型感应发电机。图1是表示应用了本实施方式所涉及的系统稳定化装置的风力发电系统1的概略 结构的模块图。如图1所示，本实施方式所涉及的风力发电系统1具备风车叶片10、风车转子 11、齿轮传动装置12、发电机(发电装置)13、连接切换部14、发电机侧电压传感器16、系统 侧电压传感器17、发电机侧电流传感器19、控制部18、以及系统稳定化装置2。在图1中，多片风车叶片10安装于风车转子11。在风车转子11的主轴上通过具 有规定的变速比的齿轮传动装置12连接有发电机13。发电机13例如通过3相的电线与连 接切换部14连接，由连接切换部14切换与电力系统15的连接和非连接。另外，连接切换 部14的连接的切换是由控制部18进行的。发电机侧电压传感器16测量与连接切换部14相比更接近发电机13侧的电压，并 将测量结果输出到控制部18。系统侧电压传感器17测量与连接切换部14相比更接近电力 系统15侧的电压，并将测量结果输出到控制部18。另外，发电机侧电流传感器19测量与连接切换部14相比更接近发电机13侧的电 流，并将测量结果输出到无效电力调整部21。控制部18根据由发电机侧电压传感器16以及系统侧电压传感器17等检测出的 电压值，进行连接切换部14的连接的切换，以及系统稳定化装置2 (详细内容在后面进行说 明)的控制。在由于发生系统故障等从而电力系统15的电力满足预先设定的变动条件的情况 下，连接切换部14根据来自控制部18的信号而动作，将发电机13和电力系统15从连接状 态切换为非连接状态。具体来说，在由系统侧电压传感器17检测出的电压满足预先设定的 变动条件的情况下，连接切换部14将发电机13和电力系统15设为非连接状态，将发电机 13和负载20连接。另外，在将发电机13和负载20连接的状态下，在由发电机侧电压传感 器16检测出的发电机13侧的电压成为规定值以下的情况下，连接切换部14将发电机13 和负载20设为非连接状态，将发电机13的输出端子接地。并且，在此状态下，在具备了发 电机13侧的风速条件，成为可以与电力系统15侧协同工作的状态的情况下，连接切换部14 将发电机13和电力系统15设为连接状态。系统稳定化装置2具备负载20和无效电力调整部21。负载20在发电机13和电力系统15被设为非连接状态的情况下通过连接切换部
514与发电机13连接。具体来说，负载20为放电电阻，其消耗来自发电机13的输出电力。另外，在负载20和发电机13通过连接切换部14被设为连接状态的情况下，风车 叶片10由控制部18或与控制部18分离设置的其他的控制部控制螺距角(pitch angle)， 进行使风车叶片10的转速降低的控制。在负载20和发电机13通过连接切换部14连接的状态下，发电机13与电力系统 15刚成为非连接状态之后的风车转子11的转速的急速上升被缓和。并且，在由发电机侧 电压传感器16检测出的发电机13侧的电压成为规定值以下的情况下，控制部18将发电机 13和负载20的连接设为非连接，使发电机13的输出通过连接切换部14接地。在电力系统15的电压满足预先设定的变动条件，且发电机13和电力系统15被设 为非连接状态的情况下，无效电力调整部21通过向电力系统15提供无效电力，或者从电力 系统15吸收无效电力来调整无效电力。另外，无效电力调整部21具备用于安装于电力系 统15的安装部(安装部)。具体来说，无效电力调整部21具备蓄电装置211、电力变换器212、以及电力调整 控制部213。电力调整控制部213在根据电力系统15侧的电压决定向电力系统15提供的或从 电力系统15吸收的无效电流的量的同时，在电力系统15以及蓄电装置211之间调整决定 的流量的无效电流。更具体来说，电力调整控制部213保有将电力系统15的电压和无效电流对应起来 的信息，根据该信息，从由系统侧电压传感器17检测出的电力系统15侧的电压来决定进行 调整的无效电流。另外，电力调整控制部213随着电力系统15的电压接近通常时的基准电 压值，进行减少向电力系统15提供或从电力系统15吸收的无效电流的量的控制。电力变换器212为变换交流和直流的交流直流变换器，例如，为了向电力系统15 提供由电力调整控制部213决定的流量的无效电流，而将蓄电装置211中积蓄的直流电变 换为交流电，并将变换后的交流电输出到电力系统15。另外，为了从电力系统15吸收无效 电流，电力变换器212将从电力系统15取得的交流电变换为直流电，并将变换后的电力输 出到蓄电装置211。另外，在发电机13和电力系统15为连接状态，并且从发电机13输出的电力有变 动的情况下，电力调整控制部213也可以通过将与该变动相应的电量从蓄电装置211放出， 或者向蓄电装置211蓄电，而使发电机13的输出平稳化。像这样，无效电力供给部21通过使发电机13的输出平稳化，可以向电力系统15 提供稳定的电力。接下来，对本实施方式所涉及的风力发电系统1的作用，针对通常运转的情况和 停电等电力系统发生异常的情况，按顺序进行说明。首先，利用图2对通常运转的情况进行说明。由发电机侧电压传感器16以规定的时间间隔测量发电机13侧的电压，并将该测 量值输出到无效电力调整部21。在无效电力调整部21的电力调整控制部213中，对由发电 机侧电压传感器16测量出的电压值是否在预先决定的第1电压范围内(例如，相对基准电 压士 10% (从0. 9到1. IPu))从基准电压发生变动进行判定(步骤SAl)。其结果，在由发电机侧电压传感器16测量出的电压值在第1电压范围内变动的情况下，为了使该变动部分平稳化，而从蓄电装置211发电或进行蓄电装置211的充电(步骤 SA2)。例如，在由于不具备风速条件、风力较弱等理由，从由发电机侧电压传感器16以及发 电机侧电流传感器19测量出的电压、电流而计算出的有效电力比设定值低的情况下，电力 变换器212为了补充比设定值低的部分的有效电力，而通过电力变换器212对蓄积于蓄电 装置211的电力进行直流交流变换，并将变换后的电力提供给电力系统15。另外，在由于风力较强等理由，从由发电机侧电压传感器16以及发电机侧电流传 感器19测量出的电压、电流而计算出的有效电力比设定值上升的情况下，通过电力变换器 212对比设定值上升的部分的过剩的有效电力进行直流交流变换，并将变换后的电力蓄积 于蓄电装置211。接着，电力调整控制部213对发电机侧电压传感器16的输出电压是否稳定进行判 定，在稳定的情况下返回步骤SA1，继续发电机侧电压传感器16的输出电压的变动的监视。 若发电机侧电压传感器16的输出电压不稳定，则返回步骤SA2，继续进行上述放电或充电 直到发电机的输出变动稳定(步骤SA3)。像这样，通过由电力调整控制部213监视从发电机13提供的输出电力，来控制蓄 电装置211的充电和放电，并进行从发电机13输出的电力的平稳化。接下来，利用图3对电力系统15中产生异常的情况进行说明。由系统侧电压传感器17测量电力系统15的电压，并将测量结果通知给控制部18。 在电力系统15中，在由于系统故障从而电力系统15的电压满足通过变动的量和时间的组 合来规定的变动条件的情况下，由控制部18检测出电力系统15的电压变动(步骤SBl)。 另外，变动条件可以如下设定例如，相对于作为电力系统15的基准的电压成为+20%的状 态持续150毫秒以上时；成为比基准电压+10%的状态持续3秒以上时；或者成为-10%的 状态持续40毫秒以上时等。若由控制部18检测出电力系统15的电压满足变动条件，则控制部18控制连接切 换部14，将发电机13和电力系统15设为非连接状态，并且，将发电机13与负载20连接。 由此，在发电机13刚成为与电力系统15非连接状态之后的风车转子11的转速的急速上升 被缓和，可以防止风车转子11的过旋转(步骤SB2)。另外，为了抑制风车转子11的转速，通过将风车叶片的螺距角控制在顺桨(7工 f 一)侧，从而发电机13的输出逐渐降低。并且，在发电机13的输出低于规定值的情况下， 控制部18切换连接切换部14的连接目的地，使发电机13通过连接切换部14接地(步骤 SB3)。另外，在上述这种控制的同时，在电压系统15侧，由系统侧电压传感器17测量电 力系统15的电压，并将该测量值输出到电力调整控制部213。电力调整控制部213根据自 身保有的表，决定对应于由系统侧电压传感器17检测出的电压的无效电流。电力调整控制 部213为了向电力系统15提供决定的无效电流，而从蓄电装置211放电，并由电力变换器 212对放出的直流电进行交流直流变换，将其输出到电力系统15(步骤SB2)。接着，若具备了用于使发电机13侧的风车转子11旋转的风速条件等，并且电力系 统15的电压接近基准电压(步骤SB4)，则通过由控制部18控制连接切换部14，将发电机 13和电力系统15连接，发电机13成为系统协同工作的状态(步骤SB5)。像这样，因为在电力系统15的电压满足预先设定的变动条件的情况下，将发电机13和电力系统15设为非连接状态，并且，通过用于调整无效电力的专用的装置(无效电力 调整部2)来调整无效电力，所以向电力系统15提供或者从电力系统15吸收稳定的无效电 力成为可能。如同以上说明，根据本发明所涉及的系统稳定化装置2、方法、以及风力发电系统 1，在由于系统故障等原因导致电力系统15的电压满足预先设定的变动条件的情况下，由 连接切换部14将发电机13和电力系统15设为非连接状态而与负载20连接，在电力系统 15侧连接用于提供无效电力的专用的装置(无效电力调整部21)。由此，在电力系统15的电压满足变动条件，并且将发电机13和电力系统15设为 非连接的情况下，通过连接无效电力调整部21来向电力系统15提供或从电力系统15吸收 稳定的无效电力成为可能。由此，在原样利用了使用现有的笼型感应发电机的风力发电装 置之后，可以使系统故障时的无效电力稳定化。并且，在将发电机13和电力系统15设为非连接状态的情况下，将发电机13和负 载20(例如，放电电阻)连接，使发电机13的输出输出到放电电阻，由放电电阻进行电力消 耗。由此，在发电机13被设为刚与电力系统15非连接状态之后的风车转子11的转速的急 速上升被缓和，可以防止风车转子11的过旋转。另外，因为系统稳定化装置2具备负载20、蓄电装置211、以及电力变换器212等 而构成，所以可以设置于具备现有的笼型感应发电机的风力发电系统内，并且可以容易地 进行设置。以上，参照附图对本发明的实施方式进行了详细说明，但具体的结构并不限于本 实施方式，也包含不脱离本发明的主旨的范围的设计变更等。
权利要求
一种系统稳定化装置，应用于发电系统，所述发电系统具备发电装置，其具有笼型感应发电机，利用自然能进行发电；和连接切换部，其设置于所述发电装置和电力系统之间，对该发电装置和电力系统的连接以及非连接进行切换，其特征在于，所述系统稳定化装置具备无效电力调整部，该无效电力调整部在所述电力系统的电压满足预先设定的变动条件，且所述发电装置和所述电力系统被设为非连接状态的情况下，向所述电力系统提供无效电力，或者从所述电力系统吸收无效电力。
2.根据权利要求1所述的系统稳定化装置，其特征在于，具备在所述发电装置和所述电力系统被设为非连接状态的情况下，通过所述连接切换 部与所述发电装置连接的负载。
3.根据权利要求1或2所述的系统稳定化装置，其特征在于，所述无效电力调整部具备蓄电装置和电力变换器。
4.根据权利要求3所述的系统稳定化装置，其特征在于，所述无效电力调整部具有用于安装于所述电力系统的安装部。
5.一种风力发电系统，其特征在于，具备发电装置，其具有笼型感应发电机，利用风能进行发电；连接切换部，其设置于所述发电装置和电力系统之间，对该发电装置和所述电力系统 的连接以及非连接进行切换；和无效电力调整部，其在所述电力系统的电压满足预先设定的变动条件，且所述发电装 置和所述电力系统被设为非连接状态的情况下，向所述电力系统提供无效电力，或者从所 述电力系统吸收无效电力。
6.根据权利要求5所述的风力发电系统，其特征在于，具备在所述发电装置和所述电力系统被设为非连接状态的情况下，通过所述连接切换 部与所述发电装置连接的负载。
7.根据权利要求5或6所述的风力发电系统，其特征在于，所述连接切换部在将所述发电装置和所述负载连接的状态下，在所述发电装置侧的输 出电压比既定的规定值小的情况下，将所述发电装置的输出端接地。
8.一种系统稳定化方法，应用于发电系统，所述发电系统具备发电装置，其具有笼型 感应发电机，利用自然能进行发电；和连接切换部，其设置于所述发电装置和电力系统之 间，对该发电装置和电力系统的连接以及非连接进行切换，其特征在于，与所述发电装置分开地另外设有无效电力调整部，该无效电力调整部在所述电力系统 的电压满足预先设定的变动条件，且所述发电装置和所述电力系统被设为非连接状态的情 况下，向所述电力系统提供无效电力，或者从所述电力系统吸收无效电力。
全文摘要
本发明以不需要大规模的土木工程，并且可以提供稳定的无效电力为目的。提供一种应用于发电系统的系统稳定化装置(2)，该发电系统具备发电装置，其具有笼型感应发电机(13)，利用自然能进行发电；和连接切换部(14)，其设置于发电装置和电力系统(15)之间，对发电装置和电力系统(15)的连接以及非连接进行切换，该系统稳定化装置具备无效电力调整部(21)，该无效电力调整部(21)在电力系统(15)的电压满足预先设定的变动条件，且发电装置和电力系统(15)被设为非连接状态的情况下，向电力系统(15)提供无效电力，或者从电力系统(15)吸收无效电力。
文档编号H02J3/16GK101981779SQ20098011085
公开日2011年2月23日 申请日期2009年6月5日 优先权日2009年6月5日
发明者八杉明 申请人:三菱重工业株式会社