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，关于风电场的互连点的电力控制，例如像专利文献1、专利文献2所公 开的那样，提出有下述方案从中央控制装置对各风车送出一样的无功功率指令，各风车根 据该无功功率指令进行发电机的控制。专利文献1 美国专利第7166928号说明书专利文献2 美国专利第7224081号说明书
发明内容
近年来，要求提高电力系统的电压的稳定性，为此，需要使互连点的电压进一步稳 定化。但是，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，因此存在不能 高效地使互连点的电压稳定的问题。本发明为了解决上述问题而提出，其目的在于，提供能够高效地使互连点的电压 稳定的风力发电系统及其运转控制方法。为了解决上述课题，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无功功率校正量来 校正所述互连点的规定无功功率指令值，由此分别确定对应于各所述风车的无功功率指令值。根据上述风力发电系统的运转控制方法，使用对应于各风车的无功功率校正量来 校正互连点的规定无功功率指令值，因此能够对于各风车设定与其他风车不同的无功功率 指令值。由此，根据考虑了有关各风车的特性等的适宜的无功功率指令值，使各风车进行电 力控制，因此能够提高系统点的电力的稳定性。在上述风力发电系统的运转控制方法中，也可以是，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所述无功功率校正量。这样，使用加入了风车和互连点之间存在的电抗成分的无功功率校正量，来确定 各风车的无功功率指令值，因此，能够高效地使互连点的无功功率与规定无功功率指令值一致。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无功 功率与无功功率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 统的输出端的无功功率与给予各风车的无功功率指令值一致，也难以使互连点的无功功率 与规定无功功率指令值一致。这是因为，无功功率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无功功率指令值进行各风车的控制，因此能够容易地实现互连点的无功功率的进一步稳定化。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无功功率，对算出的所述无功功 率和所述互连点的规定无功功率指令值之间的差分进行，使用算出的所述差分来校正所述 规定无功功率指令值，根据校正后的所述规定无功功率指令值来确定各所述可变速风车的 无功功率指令值。根据该方法，考虑到固定速风车产生的无功功率的变动而确定可变速风车的无功 功率指令值，因此，能够通过可变速风车的无功功率控制来吸收固定速风车产生的无功功 率的变动。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 无功功率的稳定性。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 分别设定的无功功率校正量来校正校正后的所述规定无功功率指令值，由此确定对应于各 所述可变速风车的无功功率指令值。这样，使用对应于各可变速风车而分别设定的无功功率校正量，进一步对考虑到 固定速风车的无功功率的变动而校正的互连点的规定无功功率指令值进行校正，由此确定 各可变速风车的无功功率指令值，因此，能够对于各可变速风车设定与其他可变速风车不 同的无功功率指令值。由此，根据考虑到与各可变速风车有关的特性等的适宜的无功功率 指令值，使各可变速风车进行无功功率控制，因此，能够进一步提高互连点的无功功率的稳 定度。在上述风力发电系统的运转控制方法中，也可以是，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对应于各所述可变速风车的无功功率校正量。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无功功率指 令值，因此，能够高效地使互连点的无功功率与无功功率指令值一致。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无功功率校正量来校正所述互连点的规定无功功率指 令值，由此分别确定对应于各所述风车的无功功率指令值。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无功功率，对算出的所述无功功率和所述互连点的 规定无功功率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无功功率 指令值，根据校正后的所述规定无功功率指令值来确定各所述可变速风车的无功功率指令 值。根据本发明，取得了能够提高无功功率的调整精度的效果。
图1是表示本发明第一实施方式的整体构成的图。图2是用于对本发明第一实施方式的无功功率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例如具备发电机、可控制发电机的有效 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的要求无功功率指令，设定互连点A的无功功率指令值。然后，使用与各风车WTGl、 WTG2、……、WTGn对应而分别设定的无功功率校正量对该无功功率指令值进行校正，对于 各风车分别发送校正后的无功功率指令值。此处，对应于各风车而设定的无功功率校正量 的详细情况如后所述。各风车WTGl、WTG2、……、WTGn具备的发电系统20从中央控制装置10接收无功 功率指令值后，根据该无功功率指令值和对应于发电机的转速而设定的有效功率指令值， 进行发电机的控制。此时，设定无功功率指令值和有效功率指令值以使其在由热限制、电压 限制所决定的动作范围内。 具体而言，在发电系统20中，无功功率指令值和有效功率指令值被给予可变频率 转换器励磁系统。可变频率转换器励磁系统根据无功功率指令值和有效功率指令值生成 d_q轴的转子电流指令，根据该转子电流指令控制发电机的可变速转换器。由此，输出所期望的有效功率和无功功率。通过进行上述转子电流控制，从各风车WTG输出满足给予各风车的无功功率指令 值的无功功率等，经由电力线30供给到共用的互连点A。接着，对与上述各风车WTG1、WTG2、……、WTGn对应而分别设定的无功功率校正量 进行详细说明。上述无功功率校正量根据各风车WTG1、WTG2、……、WTGn和互连点A之间存在的电抗成分来决定。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，因此从风车输出的无功功率直至到达互连点A前受到与 各自的电力线30的距离对应的电抗的影响。因此，例如对各风车给予一样的无功功率指令 值的情况下，在互连点A的无功功率中产生偏差，存在电压调整精度下降的可能性。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，根据上述 电力线的电抗成分来校正给予各风车的无功功率指令值。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Vgrid= lpu，互连点电压相位角SgHd = 0。此外，有效功率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。在这种条件中，风车GTWi的输出端的有效功率P”无功功率Qi、以及互连点A的有 效功率P/、无功功率Qi'分别表示为以下的(1) (4)式。[数式1]<formula>formula see original document page 6</formula>
<formula>formula see original document page 6</formula>
<formula>formula see original document page 6</formula>
<formula>formula see original document page 6</formula>使用上述有关无功功率的(3)式及(4)式，导出以下的(5)式。[数式2]<formula>formula see original document page 6</formula>
设来自上述(5)式的Qi的变化率为Wi时，得到以下的(6)式。[数式3]<formula>formula see original document page 7</formula>
在上述(1) (4)式中，已知PiJi后，能够求解Pi'、Qi'、V” 5i0例如，在过去规定期间(例如一个月、或三个月、或一年等)中取得无功功率Qi及有效功率Pi的数据，通过解析这些数据(例如通过进行平均)，设定适宜的无功功率Qi及 有效功率Pi。上述(6)式所示的变化率Wi被设定作为无功功率校正量。对于各风车求出的变化率Wi,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，用于风车运转时的无功功率指令值的校正。此外，存储于存储器的上述无功功率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，将风车的输出端的无功功率仏和有效功率PiS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(6) 式，由此更新各风车的无功功率校正量即可。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取得互连点的无功功率指令值QgHd后(图3的步骤SAl)， 从存储器读出各风车WTG1、WTG2、……、WTGn所对应的无功功率校正量Wi,使用该无功功率 校正量^和以下的(7)式，校正无功功率指令值QgHd，分别计算出对应于各风车的无功功率 指令值Qi (步骤SA2)。[数式4]<formula>formula see original document page 7</formula>在(7)式中N是风车的台数。中央控制装置10计算出各风车WTG1、WTG2、……、WTGn对应的无功功率指令值 Qp Q2、……Qn后，将它们分别发送到各风车(步骤SA3)。各风车WTG1、WTG2、……、WTGn的发电系统根据从中央控制装置10接受的无功 功率指令值Qi、Q2、……Qn和根据发电机的转速设定的有效功率指令值来控制发电机。由 此，从各风车的输出端输出与给予各风车的无功功率指令值一致的无功功率，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的实际的无功功率QgHd’，计算出该实际无功功率 和无功功率指令值Qg㈩之间的差分Δ Qgrid,重新计算消除该差分Δ Qgrid的无功功率指
令值，将其作为下一个无功功率指令值给予各风车(步骤SA4)。新的无功功率指令值如以下所示的⑶式，通过将差分AQgHd和无功功率校正量 Wi加到在步骤SAl取得的互连点A的无功功率指令值QgHd而求出。[数式5]
<formula>formula see original document page 7</formula>而且在之后，以规定的时间间隔检测出互连点A的实际无功功率，将根据该检测 结果求出的无功功率差分AQgHd = Qgrid-Qgri/和无功功率校正量Wi代入上述⑶式，由此 计算出对应于各风车的无功功率指令值即可。
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。如以上说明所述，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无功功率校正量Wi来校正互连点A的无功功率指 令值，由此求解适于各风车的无功功率指令值，因此能够在各风车中进行考虑了电力线30 的电抗的无功功率控制。由此，能够实现互连点A的无功功率的进一步的稳定化。[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，设从第一台到第i台的风车为可变速风车，设从第i+1台到第n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 风车的输出端的无功功率Qi和互连点A的无功功率Q/。接着，如以下(9)式 (10)式所示求解仅是固定速风车的无功功率的合计。[数式6]
nQflx = ZQi(9)
/ = / + 1 nQfix= ZQi'(10)
/=/+l接着，通过以下的(11)式求解固定速风车整体的风车输出端的无功功率的合计、 和互连点A的无功功率的合计之间的差分AQfix。AQfix = Qfix-Qfix，(11)需要由可变速风车吸收该差分A Qfix。此处，固定速风车的无功功率供给量对于互连点A的无功功率指令的贡献率，可 由以下的(12)式表示，其剩余的(l_a)QgHd通过可变速风车进行供给即可。a = Qfix，/Qgrid (12)因此，必须由可变速风车整体供给的无功功率指令QgHd v ，考虑到上述固定速风 车的无功功率的变动，由以下的(13)式表示。[数7]Qgridvar= (l-a)Qgrid(13)而且，这样一来求出必须由可变速风车整体供给的无功功率指令后，用可变速风 车的台数去除该无功功率指令，由此求解由各风车一样地分担的无功功率指令，进一步通 过对应于各风车的无功功率校正量校正该无功功率指令。由此，最终给予各风车的无功 功率指令值由以下的(14)式表示。在(14)式中M是可变速风车的台数。[数 8]Qi = (1 + (1 ~ a)Qgrid(14)
M然后，对于各风车发送利用上述(13)式求出的校正后的无功功率指令值。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无功功率的变动而确定对于可变速 风车整体的无功功率指令值，因此，能够通过可变速风车吸收固定速风车产生的无功功率 变动。由此，在包括固定速风车的情况下也能够提高无功功率控制的精度。此外，代替上述的本实施方式，例如也可以将用可变速风车的台数M去除上述 (13)式所示的对于可变速风车整体的无功功率指令QgHd—所得的指令值作为无功功率指 令值给予各可变速风车。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 无功功率变动并没有消除，但能够消除固定速风车产生的无功功率变动，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，中央控制装置10进行无功功率指令值的校正，但替 代本方式，例如也可以在各风车中进行无功功率指令值的校正。该情况下，从中央控制装置 10对各风车发送一样的无功功率指令值，在各风车中，使用各风车保有的各个无功功率校 正量，对从中央控制装置10接收的一样的无功功率指令值进行校正。此外，在上述各实施方式中，通过通信从中央控制装置10发送校正后的无功功率 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无功功率指令值的构成。进一步，在上述各实施方式中，根据互连点的无功功率指令值确定给予各风车的 无功功率指令值，但替代之，例如也可以是下述方式中央控制装置10取得互连点的电压 指令值作为输入信息，生成该互连点的电压指令值和互连点的实际电压值一致的无功功率 指令值。此外，在上述各实施方式中，从中央控制装置10对各风车给予无功功率指令值， 根据有效功率指令值控制各风车的发电机输出，所述有效功率指令值根据该无功功率指令 值和发电机的转速确定。但是，在有效功率和无功功率的平方和的平方根、即视在功率超过 额定容量的情况下，不能输出期望的有效功率、无功功率。该情况下产生选择下述两者中任 一个的需要减少有效功率而使无功功率优先，或减少无功功率而使有效功率优先。也可以备于这种情况而预先设定使哪一个优先，在发生上述现象的情况下，根据 其设定内容而进行控制。此外，在发生上述现象的情况下，也可以向操作者通知其含义，每 次都由操作者输入使哪一个优先。
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无功功率校正量来校正所述互连点的规定无功功率指令值，由此分别确定对应于各所述风车的无功功率指令值。
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，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所述无功功率校正量。
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无功功率，对算出的所述无功功率和所述互连点的规定无功功率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无功功率指令值，根据校正后的所述规定无功功率指令值来确定各所述可变速风车的无功功率指令值。
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 风车分别设定的无功功率校正量来校正校正后的所述规定无功功率指令值，由此确定对应 于各所述可变速风车的无功功率指令值。
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，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对应于各所述可变速风车的无功功率校正量。
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无功功率校正量来校正所述互连点的规定无功功率 指令值，由此分别确定对应于各所述风车的无功功率指令值。
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无功功率，对算出的所述无功功率和所述互连点的规定无功功率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无功功率指令值，根据校正后的所述规定无功功率指令值来确定各所述可变速风车的无功功率指令值。
全文摘要
目的在于提高无功功率的调整精度。使用对于各风车分别设定的无功功率校正量来校正互连点(A)的规定无功功率指令值，由此确定对应于各风车的无功功率指令值。
文档编号H02P9/00GK101803174SQ20078010057
公开日2010年8月11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