專利名稱：風電場群、風電場及其控制方法
技術領域：
本發明涉及將利用風的能量發電的功率提供給電力系統的風力發電裝置、由多個風力發電裝置構成的風電場、由多個風電場構成的風電場群。
背景技術：
在以下的專利文獻1中示有在由多臺風力發電裝置構成的風電場中，對風電場設定目標發電量，為了使構成風電場的各風力發電裝置的輸出功率的合計接近該目標發電量，在風力發電裝置之間交換維修歷史數據或運轉特性數據等信息，決定風力發電裝置的運轉模式的風電場。此外，在專利文獻1中示有輸出目標發電量時，通過偏轉(yaw)控制和仰俯(pitch)控制，進行考慮了一個風電場內的經濟效率的運用的方法。在專利文獻2 中記載通過抑制輸出變動大的風力發電裝置的輸出，有效地抑制風電場的輸出變動的控制方法。另外，在本發明中，風電場意味著從電力系統一側受到與輸出功率相關的限制的一臺以上的風力發電裝置的集合體。此外，構成一個風電場的風力發電裝置一般設置在比較近距離(數十 數百米)，各風力發電裝置受到同樣特性的風。[專利文獻1]日本專利特開2002-349413號公報[專利文獻2]日本專利特開2001-234845號公報到此為止，如專利文獻1和專利文獻2所述，研究在單一的風電場中抑制輸出功率變動。可是，風電場在即使是大的，也在大致數平方公里的范圍中配置多個風力發電裝置， 所以通過單一的風力發電裝置的風的變動特性是共通的。即通過以往的變動抑制方法，從單一的風電場輸出的功率產生大致10分鐘以上的中長周期的變動。因此，今后，風電場的導入進展，風電場的發電容量占電力系統的總發電容量的比例增大時，連接在公共的電力系統上的各風電場輸出的中長周期的變動相加，向電力系統輸出大幅度變動的功率，具有對連接在該電力系統中的電源(例如火力發電站或原子能發電站等)或負荷(消費者)產生電壓變動或頻率變動等不良影響的問題。
發明內容
本發明的目的在于，抑制從多個風電場向電力系統輸出的功率的變動。所述本發明的目的能通過以下的風電場群實現，即具有多個由一臺以上的風力發電裝置構成，將風力發電裝置的發電功率向電力系統輸出，從電力系統一側受到與輸出功率相關的限制的風電場，包括取得與風電場群的多個風電場的功率相關的信息，根據與功率相關的信息，控制風電場群的輸出功率的控制部。另外，“與功率相關的信息”不只意味著功率的值，也打算包含將功率的值加密的信號和從功率的值計算出的信息。此外，本發明的目的還能通過以下的風電場實現，即由一臺以上的風力發電裝置構成，從電力系統一側受到由于輸出功率相關的限制，將所述風力發電裝置的發電功率向電力系統輸出，包括接收與對所述電力系統供給功率的其他風電場的功率相關的信息的接收部；根據與本風電場的功率相關的信息和與所述其他風電場的功率相關的信息，控制所述本風電場的發電功率的控制部。本發明的目的還能通過以下的風電場的控制方法實現，即該風電場由一臺以上的風力發電裝置構成，將所述風力發電裝置的發電功率向電力系統輸出，從所述電力系統一側受到與輸出功率相關的限制，包括取得與本風電場和其他風電場的功率相關的信息的步驟；和根據與所述功率相關的信息，控制所述本風電場的發電功率的步驟。根據本發明，能抑制從連接的公共的電力系統上的多個風電場向電力系統輸出的功率的變動。
圖1是表示電力系統和風力發電系統的電路結構的說明圖。圖2是表示風電場的結構例的說明圖。圖3是說明風力發電裝置的功率曲線的說明圖。圖4是表示基于功率曲線的輸出限制的說明圖。圖5是表示風力發電裝置的概略結構的說明圖。圖6是表示風力發電裝置的其他概略結構的說明圖。圖7是表示風電場WFl的功率限制值Pllim的例子的說明圖。圖8是表示風電場WF2的功率限制值P21im的例子的說明圖。圖9是表示功率限制值Pllim和發電功率Pl的例子的說明圖。圖10是表示功率限制值P21im和發電功率P2的例子的說明圖。圖11是表示本發明的功率限制值Pllim和發電功率Pl的例子的說明圖。圖12是表示本發明的功率限制值RiiaX2和發電功率P2的例子的說明圖。圖13是表示實施例2的發電狀態的說明圖。圖14是表示實施例3的發電狀態的說明圖。圖15是表示實施例4的風電場的構成例的說明圖。圖16是表示實施例4的發電狀態的說明圖。符號的說明。101-系統的發電設備；102-負荷(工廠、家庭)；103、204_輸電線；104、105_場控制器；WF1、WF2-風電場；Pl-風電場WFl的發電功率；P2-風電場WF2的發電功率；PlIim-風電場WFl的功率限制值；P21im-風電場WF2的功率限制值；201-變壓器；202-風力發電裝置；203-通信線；205-蓄電裝置。
具體實施例方式以下，分為3個實施例，詳細說明本發明的實施形態。(實施例1)圖1是表示本發明的一個實施例的裝置結構的單線結構圖。首先，說明電力系統的結構。電力系統的發電設備101連接在工廠、家庭等負荷102、風電場(WF1、WF2、…)上。在本實施例中，特別說明風電場為2個的情形，但是風電場為3個以上時，也能應用本發明。 此外，由于風電場的結構幾乎相同，所以主要說明一個風電場。來自電力系統的發電設備 101的功率使用輸電線103輸送(在圖中，省略電壓電平變換用的變壓器等)。說明風電場WFl的結構。風電場WFl具有監視、控制風電場WFl內全體的場控制器 104。場控制器104監視構成風電場WFl的各風力發電裝置的狀態。此外，場控制器104按照從電力系統向風電場WFl請求的功率限制值Pllim(與輸出功率相關的限制)，計算構成風電場的各風力發電裝置的發電上限值Rn，對各風力發電裝置指令發電上限值Rii。進而， 場控制器104從風電場WF2的場控制器105接收功率限制值P21im和風電場WF2的輸出功率P2的信息。在圖2簡單表示風電場WFl的結構。各風力發電裝置202使用通信線203對場控制器104傳送發電功率等的運轉狀態，從場控制器104接收所述發電上限值Rii的信息。另外，這些信息的收發也可以用無線進行。風電場WFl由多個風力發電裝置202構成，各風力發電裝置202用風電場WFl內的輸電線204電連接，通過輸電線204和升壓用變壓器201，連接在所述電力系統上。如此， 各風力發電裝置202將利用風力發電的發電功率對電力系統輸出。各風力發電裝置202按照從場控制器104接收到的發電上限值Rn，例如將圖3所示的功率曲線(橫軸風速，縱軸發電功率)的上限值變更為發電上限值Rii。在圖4表示變更為發電上限值Rii=額定/2的功率曲線。由于按照即使風速上升，風力發電裝置202 的輸出功率也不超過發電上限值Rii的方式調整風力發電裝置的葉片的角度，所以風力發電裝置202的輸出功率抑制在發電上限值Rii。下面，詳細說明風力發電裝置202。圖5表示風力發電裝置202的結構。風力發電裝置202主要由發電機1104、葉片1105、風車控制裝置1106、功率變換器 1103、變換器控制裝置1107構成。葉片1105機械地(用齒輪等)連接在發電機1104的轉子上，發電機1104的轉子線圈與功率變換器1103電連接，此外，發電機1104的定子通過斷路器1102或變壓器1101 等電連接在電力系統上。風車控制裝置1106接收風速的檢測、以及來自所述場控制器104的發電上限值 Pm,按照發電上限值Pm，如圖3和圖4所示，變更功率曲線，計算風力發電裝置1106的發電的有效功率指令值ft~ef。進而，還控制葉片1105的角度，輸出有效功率指令值和運轉 /停止等的指令值Run。所述有效功率指令值、所述運轉/停止等的指令值Rim的各種指令值發送給變換器控制裝置1107。變換器控制裝置1107按照有效功率指令值Pref，控制功率變換器1103，控制發電機1104和電力系統之間的功率(有效功率、無效功率)。此外，按照運轉/停止等的指令值 Run，控制運轉或停止。即各風力發電裝置202具有如下功能按照根據基于發電上限值Rn的功率曲線的變更、和經過該變更的功率曲線所求取的風速的有效功率指令值Pref，使風力發電裝置 202的發電功率控制為與有效功率指令值I^ref—致。
這樣，如果風力發電裝置202的變換器控制裝置1107具有進行有效功率的控制的功能，則與發電機的力矩等的控制方式相比，更容易將風力發電裝置202的發電功率控制為給定的值。因此，具有容易按照發電上限值Rn，控制風力發電裝置202的發電功率的優
點ο這里，以使用了交流勵磁發電機作為發電機的例子進行說明，但是在圖6所示的同步發電機1304、其他發電機也能應用。如圖1所示，場控制器104對風電場WF2的場控制器105傳送風電場WFl的發電功率Pl和功率限制值Pllim。場控制器105也對風電場WFl的場控制器104傳送風電場 WF2的發電功率P2和功率限制值P21im。風電場WFl接收風電場WF2的發電功率P2和功率限制值P21im，在以下[數學式 1]的條件成立的情況下，將風電場WFl的功率限制值Pllim變更為[數學式2]的Pllim’ 的值。(數學式1)P2 < P21im(數學式2)Pllim，= Pl Iim+(P21im-P2)如果這樣控制，風電場WFl和風電場WF2的功率限制值的和不會超過 Pllim+P21im。使用圖7 圖12，說明這時的動作。圖7表示在一天中的夜間(例如23點 7點)，將發電量的上限值限制在P1B，在白天(例如8點 22點)，能夠發電到風電場WFl的最大發電量PlA的功率限制值Pllim。同樣，圖8是表示對風電場WF2給予的功率限制值P21im的圖。與圖7同樣，功率限制值P21im在一天中的夜間(例如23點 7點)，將發電量的上限值限制在P2B，在白天 (例如8點 22點)，能夠發電到風電場WF2的最大發電量P2A。(在同一圖中，尾標“2” 表示是風電場WF2)。圖9和圖10示意地表示功率限制值？11加、？21加和風電場1 1、1 2的發電功率的關系。如圖7和圖8中說明的那樣，在從23點到7點為止，通過使功率限制值Pllim = PlB、P21im = P2B，對風電場WF1、WF2的發電功率加以限制。圖9表示風電場WFl的發電狀態，圖10表示風電場WF2的發電狀態。如圖9所示，夜間風強烈，能比PlB更多地發電，但是通過功率限制值Pllim = PlB,變為比本來能發電的發電量(能從功率曲線和風速計算)更少的發電量。該狀態無法發電、舍棄風的能量。 此外，如圖10所示，風弱，無法發出比P2B更大的功率，發電功率P2成為比P21im = P2B更小的值。下面，使用圖11和圖12，說明應用本發明時的發電狀態。圖11表示風電場WF1， 圖12表示風電場WF2的發電狀態。圖11和圖12的發電功率PI、P2與圖9和圖10相同， 所以省略說明。在圖11中，夜間的功率限制值Pllim = PlB只增大修正風電場WF2的發電功率P2對于夜間的功率限制值P21im = P2B不足的部分(P2B-P2)。據此，能有效使用在以往風電場WFl中舍棄的風的能量，能將發電量增加(P2B-P2)。這時，風電場WF2的發電量與圖10相同，與以往沒有變化。
在風電場WF2中，即使是只能發出比功率限制值P21im更少的功率的風的狀況，在風電場WFl，風強烈，取得比功率限制值Pl 1 im更大的發電功率時，變更風電場WFl的功率限制值Pllim的限制，能使風電場WFl的發電功率Pl增加。一般，為了不使各風電場的輸出功率對電力系統的電源或負荷帶來不良影響，設置從電力系統向各風電場提供的功率限制值。因此，功率限制值的變更不會對電力系統的電源或負荷帶來不良影響。可是，由于本實施例的功率限制值的變更是在對各風電場提供的功率限制值的合計值的范圍內進行，所以對電力系統不會帶來不良影響。而且，使風電場WFl的發電功率Pl變更時，由于能夠按照控制為風電場WFl的發電功率Pl和風電場WF2的發電功率P2的合計值不產生變動的方式來控制發電功率Pl，所以能抑制風電場WFl和風電場WF2向電力系統輸出的功率合計值的功率變動。即比以往更能抑制對電力系統的不良影響。這里，為了如本實施例那樣在多個風電場之間協調，使發電量增加，希望向各風電場輸入的風的性質不同。例如各風電場遠離。如果風電場彼此間位于近的地方，風的變動相同地發生的可能性高，所以發電功率在風電場彼此間也相同地變動，所述的功率限制值的分配引起的發電功率的增加或向電力系統的輸出功率的變動的抑制效果也減小。此外，進行這樣的功率限制值Pllim、P21im的通融時，能增加發電功率量的風電場(這里，WFl)增加賣電收入。發電功率小的風電場WF2出售發電上限值P2B的剩余部分的權利，風電場WFl用賣電收入增加的部分購入P2B的剩余部分的商業形態成立。(實施例2)在實施例1中，表示了功率限制值在夜間作為一定的上限值來給予的例子，但是從電力系統請求的功率限制有時按照發電功率的變動幅度變為給定值以下的方式來給予。 因此，在本實施例中，詳細說明功率限制值由發電功率的變動幅度提供時的發明的實施形態。另外，在本實施例中，在特別說明的結構以外，與實施例1同樣。圖13是表示按照使發電功率的變動幅度為給定范圍內的方式規定功率限制時的本發明的發電狀態。通過用于使發電功率的變動幅度為給定范圍內的給定計算，將風電場 WFl的功率限制值Pllim作為上限值PlA和下限值PlB輸出。進而，風電場WF2的功率限制值P21im也同樣作為上限值P2A和下限值P2B輸出。這里，風電場WF2在5分鐘到10分鐘的時間內，風速強，可發電量超過功率限制值 P21im的上限值P2A。可是，超過上限值P2A發電違背功率限制，所以變更風車的俯仰角，將發電量抑制到上限值P2A為止。這時，在風電場WF1，發電功率比功率限制值Pllim的上限值PlA更小。因此，風電場WF2從風電場WFl接收發電功率和功率限制值Pllim的信息，能通融與發電功率相關的功率限制，能增加發電量。與實施例1同樣，由于本實施例的功率限制值的通融是在對各風電場給予的功率限制值的合計值的范圍內進行的，所以不會向電力系統帶來不良影響。然后，在使風電場WF2的發電功率變更時，由于按照風電場WF2的發電功率和風電場WFl的發電功率的合計值不產生變動的方式控制風電場WF2的發電功率，所以能抑制風電場WFl和風電場WF2向電力系統輸出的功率合計值的功率變動。即與以往相比，能抑制向電力系統的不良影響。
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(實施例3)下面，使用圖14，說明本發明的其他實施例。圖14說明抑制風電場的發電功率的變動的運轉時的動作。風電場WFl的控制器104為了抑制輸出變動，對風電場的發電功率Pl使用線性滯后等的濾波器、移動平均，將濾波器輸出的功率值(低頻成分)作為指令值Plref，控制風電場WF1。因此，對風電場內的各發電裝置分配發電功率指令(例如，考慮各發電裝置的運轉的狀況、各發電裝置的容量等，生成發電功率指令值，分配給風電場內的各發電裝置)。由于關于風電場WF2也相同，所以省略說明。風電場WFl按照被給予的功率指令值Plref工作。如果風減弱，就有可能相對于功率指令值可發電的功率下降。風強烈時，由于各風力發電裝置202調整功率曲線的最大功率Rn，所以這時，發電功率能追隨功率指令值Plref.在風弱時，為了使功率指令值和發電功率一致，例如將由濾波器等生成的功率指令值Plref乘以1以下的系數，生成功率指令值。據此，發電功率能追隨功率指令值的概率提尚。場控制器104對風力發電裝置202發送功率指令值Plref，各風力發電裝置202按照追隨功率指令值Plref的方式控制發電功率，從而如果風電場WFl發出功率，發電功率的變動就能減小。可是，如圖14所示，如果考慮風電場WFl和風電場WF2，在風電場WFl，與功率指令值Plref相比，可發電的功率更大時，如果在風電場WF2，與功率指令值P2ref相比， 可發電的功率更小，就沒必要降低風電場WFl的發電功率。以往，在各風電場中，為了使發電功率追隨功率指令值，進行發電功率的抑制。這時，由于無法有效利用風的能量，所以產生發電損失。可是，通過與其它風電場共享與功率指令值和可發電功率相關的信息，能防止無用的發電功率的限制，所以能實現發電量增加的效果。(實施例4)使用圖15 圖16，說明其他實施例。圖15表示在風電場內具有將風電場的發電功率充電，將積蓄的功率放電的蓄電裝置的結構圖。在本實施例中，風電場具有蓄電裝置。 通過具有蓄電裝置，將發電功率的剩余功率充電，將發電功率的不足部分放電，能將向電力系統輸出的輸出功率控制在目標值。在具有蓄電裝置的本實施例中，風電場內的各風力發電裝置發出的功率定義為風電場的“發電功率”，風電場的發電功率加上充放電功率，并向電力系統輸出的功率定義為風電場的“輸出功率”。圖16是表示具有場控制器，彼此共享與發電功率和輸出功率相關的信息的多個風電場的發電功率和輸出功率的圖。在圖16中，由實線表示的發電功率和用虛線表示的輸出功率的差分對蓄電裝置進行充放電，所以輸出功率成為抑制了發電功率的高頻的變動部分的功率。各風電場的輸出功率的合計值成為圖16中所示的狀況。這里，各風電場共享發電功率和輸出功率的信息，通過計算各風電場的輸出功率的合計值，各風電場調節蓄電裝置的充放電功率，控制輸出功率，能抑制各風電場的輸出功率的合計值的變動。以往，按照多個風電場的輸出功率的合計值不變動的方式對各風電場給予與輸出功率相關的功率限制值。可是，在各風電場的輸出功率的限制中，無法充分抑制多個風電場的輸出功率的合計值的變動。與此相對，本實施例中，由于多個風電場共享與功率相關的信息，控制輸出功率，所以能充分抑制多個風電場的輸出功率的合計值的變動。通過使用本實施例，各風電場能原封不動將此前充電的功率輸出，并且不用將放電的功率放電，所以能減少蓄電裝置的充放電量。據此，充放電的損失功率減少，所以能實現發電運轉的效率化。進而，由于充放電量減少，所以即使是容量小的蓄電裝置，也能在風電場的變動抑制上利用，能減少蓄電裝置的成本。認為今后如果風力發電裝置的導入量增加，電力系統的功率變動就成為問題，所以為了抑制輸出功率的變動，預測并設了蓄電裝置的風電場增加。因此，為了今后如果風力發電裝置的導入量增加，降低在風電場中并設的蓄電裝置的成本是無法避免的重要的課題。因此，實現該課題的本發明是在風力發電的領域中具有非常大的意義的發明。在上述的各實施例中，表示場控制器在各風電場分別設置一臺，場控制器生成與風電場的功率相關的指令的例子，但是通過與場控制器不同，在風電場之外獨立設置的控制器生成與風電場的功率相關的指令，向場控制器發送該指令的結構，也能應用各實施例。工業上的可利用性根據本發明，在風電場之間相互插補發電功率，所以具有發電功率增加，并且緩和變動的效果。這并不局限于風力，在功率變動的發電裝置，例如太陽能系統等中也能應用。 此外，對與負荷或燃料投入型的發電裝置的組合等也能應用。
權利要求
1.一種風電場群，具有多個由一臺以上的風力發電裝置構成，將所述風力發電裝置的發電功率向電力系統輸出，從所述電力系統一側受到與輸出功率相關的限制的風電場，包括取得與所述風電場群中的多個風電場的功率相關的信息，根據與所述功率相關的信息，控制所述風電場群的輸出功率的控制部。
2.根據權利要求1所述的風電場群，其特征在于具有生成構成所述風電場的所述風力發電裝置的發電功率指令的發電指令生成部； 追隨所述發電功率指令，控制所述風力發電裝置的發電功率的變換器控制裝置。
3.根據權利要求1所述的風電場群，其特征在于所述控制部調節構成所述風電場群的風電場的輸出功率，抑制所述風電場群的輸出功率的變動。
4.根據權利要求1所述的風電場群，其特征在于具有將所述風力發電裝置的發電功率充電，將積蓄的功率放電的蓄電裝置； 所述控制部控制所述蓄電裝置的充放電量。
5.根據權利要求1所述的風電場群，其特征在于所述控制部取得與所述電力系統的功率相關的信息，根據與所述電力系統的功率相關的信息，控制所述風電場群的輸出無效功率。
6.一種風電場，由一臺以上的風力發電裝置構成，從電力系統一側受到與輸出功率相關的限制，將所述風力發電裝置的發電功率向電力系統輸出，包括接收與向所述電力系統供給功率的其他風電場的功率相關的信息的接收部； 根據與本風電場的功率相關的信息和與所述其他風電場的功率的相關信息，控制所述本風電場的發電功率的控制部。
7.根據權利要求6所述的風電場，其特征在于具有生成構成所述本風電場的所述風力發電裝置的發電功率指令的發電指令生成部；追隨所述發電功率指令，控制所述風力發電裝置的發電功率的變換器控制裝置。
8.根據權利要求6所述的風電場，其特征在于根據與所述其他風電場的輸出功率的限制相關的信息和與所述其他風電場的功率相關的信息，發出比與所述本風電場的輸出功率相關的限制的上限值更大的值的功率。
9.根據權利要求6所述的風電場，其特征在于具有將所述風力發電裝置的發電功率充電，將積蓄的功率放電的蓄電裝置； 所述控制部控制所述蓄電裝置的充放電量。
10.根據權利要求6所述的風電場，其特征在于所述接收部取得與所述電力系統的功率相關的信息；所述控制部根據與所述電力系統的功率相關的信息，控制所述風電場的輸出無效功率。
11.一種風電場的控制方法，該風電場由一臺以上的風力發電裝置構成，將所述風力發電裝置的發電功率向電力系統輸出，從所述電力系統一側受到與輸出功率相關的限制，包括取得與本風電場和其他風電場的功率相關的信息的步驟；和根據與所述功率相關的信息，控制所述本風電場的發電功率的步驟。
12.根據權利要求11所述的風電場的控制方法，其特征在于具有生成構成所述本風電場的所述風力發電裝置的發電功率指令的步驟；和追隨所述發電功率指令，控制所述風力發電裝置的發電功率的步驟。
13.根據權利要求11所述的風電場的控制方法，其特征在于 具有取得與所述風電場的輸出功率的限制相關的信息的步驟；和根據與所述其他風電場的輸出功率的限制相關的信息和與所述其他風電場的功率相關的信息，發出比與所述本風電場的輸出功率相關的限制的上限值更大的值的功率的步馬聚ο
14.根據權利要求11所述的風電場的控制方法，其特征在于具有將所述風力發電裝置的發電功率充電，將積蓄的功率放電的蓄電裝置；具有控制所述蓄電裝置的充放電量的步驟。
15.根據權利要求11所述的風電場的控制方法，其特征在于 具有取得與所述電力系統的功率相關的信息的步驟；和根據與所述電力系統的功率相關的信息，將無效功率向所述電力系統輸出的步驟。
全文摘要
本發明提供一種風電場，風力發電系統(風電場)的導入不斷進展，對電力系統的電源(例如火力發電站)和負荷，風力發電系統輸出發電功率時，對電力系統的電源帶來的影響增大。此外，由于在風力發電系統根據來自電力系統一側的請求，設定發電上限值的情況下，限制本來能夠發電的輸出，所以發電量減少。具有在不同地點的風力發電系統(風電場)之間彼此交換分別設定的發電上限值和發電功率的信息，按照將風電場的合計納入發電上限值的合計中的方式輸出發電功率的部件。
文檔編號F03D9/00GK102518556SQ20111039590
公開日2012年6月27日 申請日期2008年12月19日 優先權日2007年12月27日
發明者一瀨雅哉, 中山靖章, 二見基生, 今家和宏, 大野康則, 松竹貢 申請人:株式會社日立制作所