專利名稱：：風力發電系統的制作方法
技術領域：
：本發明涉及風力發電系統，尤其涉及控制多個風力發電裝置使得由風力發電產生的電力質量穩定的風力發電系統。
背景技術：
：所謂風力發電，是指通過風車或螺旋槳將風的動能轉換為旋轉這一動能，并利用增速機等使旋轉增速之后使發電機運轉，由此變換為電能的發電方式。近年來，作為可再生能源在世界中推進導入風力發電系統，近幾年，由于大量生產和技術進步帶來的風力發電設備的成本降低以及用于設置的補助金等導入支援政策等，以年平均大約30%的成長率發展，在利用自然能量的發電系統中正在與太陽能發電一起急速成長。除了設置風力發電設備，還需要風速能夠確保一定等級、即風況良好，此外還需要存在用于運送葉片(blade)以及塔架(tower)這樣的風力發電設備器材的道路，需要用于將來自風力發電設備的電力送出的輸電線。作為風力發電的一般方法，通過在風的強度滿足一定條件的地方排列導入多個風車從而構成風電場(windfarm)。風力發電設備一般在作為電源時具有輸出閃變顯著等、特征與以往電源較大不同的特性。此外，在要考慮確保用地資金、風況良好的情況下，對于系統相互聯系較弱，所以風力發電即使在分散型電源中也是特別擔心對系統產生影響的電源。因此，雖然有可能通過風電場使各個風力發電機的輸出閃變平衡化，但是現狀存在很多技術問題〔非專利文獻I〕。具體而言，擔心伴隨風力發電機的大量導入而對電力系統產生影響，需要避免伴隨風力發電機的異常而導致的電壓降低等事故。另一方面，風力發電機大多導入在風況良好的山岳地帶以及沿海地區，一般為遙遠的地方。因此，需要檢測處于遙遠的地方的風力發電機的異常，并抑制對電力系統的波及。因此，在〔專利文獻I〕中公開了如下技術:在排列許多風力/太陽能發電裝置等的分散型電源的電力系統中在發生系統事故時，分散型電源用傳輸切斷系統從分散型電源取得異常數據后，通過遠程操作切斷供電并且通過分散型電源的傳輸切斷，將分散性電源從電力系統分離開來，由此避免單獨運轉。另一方面，在如風電場那樣許多風力發電機相互關聯那樣的條件下，報告發生風車間的“同步現象”。根據該報告，由塔影效應產生的IHz級別(order)的電壓閃變在風車臺數為N臺時，存在電壓閃變幅度最差增大到3N倍這樣的報告〔非專利文獻I〕〔非專利文獻2〕。因此，在今后加速越來越大型化、大量風力發電機相互關聯的風電場中，具有如下問題:發生同步現象的風險提高，源自電力系統側的電壓降低時難以連續運轉。專利文獻I日本特開2005-198446號公報非專利文獻I「ENERGY2004-8P74-77特集系統連系i配電技術々<>F'7r—O系統影響風力発電全「普通電源」hhtH，ENERGY2004-8P74-77專集系統聯系與配電技術風電場及其系統影響風力發電接近“普通電源”嗎非專利文獻2「電気學會論文誌BVoll24,N0.9,2004「Wmr—At二杉(少石風力発電機^同期化現象^理論的検討」，電氣協會論文集BVol.124，N0.9，2004「風電場中的風力發電機的同步現象的理論研究」
發明內容本發明中要解決的課題是提供一種配置許多風力發電機的抑制電壓變動的風力發電系統。為了實現上述課題，本發明在具備構成風電場的多個風力發電機的風力發電系統中，具備:能夠改變俯仰角的葉片；與該葉片機械連接的轉子；由該轉子驅動的發電機；與該發電機電連接、并且控制從所述發電機向電力系統輸出的電力的電力轉換器；控制所述俯仰角的俯仰角控制單元；檢測所述電力系統或者所述風力發電系統的異常狀態的異常檢測單元；該異常檢測單元沒有檢測出異常時的第一俯仰角控制單元、和所述異常檢測單元檢測出異常時的第二俯仰角控制單元；所述第二俯仰角控制單元使所述轉子的旋轉速度保持所述風力發電系統的能夠發電運轉的旋轉速度。進而，本發明在風力發電系統中，其特征在于，具有預先決定的第一規定值和比該第一規定值小的第二規定值，所述第二俯仰角控制單元在所述轉子的旋轉速度比所述風力發電系統的能夠發電運轉的所述轉子的旋轉速度的上限值小、且比第一規定值大時，將俯仰角固定為規定的值；在所述轉子的旋轉速度比所述風力發電系統的能夠發電運轉的所述轉子的旋轉速度的下限值大、且比第二規定值小時，使俯仰角為最大角。進而，本發明在風力發電系統中，其特征在于，所述第二俯仰角控制單元是使所述轉子的旋轉速度的目標值為所述風力發電系統的能夠發電運轉的旋轉速度范圍內的固定值的控制單元。進而，本發明在風力發電系統中，其特征在于，所述異常檢測單元檢測所述電力系統的電壓振幅值比預先決定的范圍大的情況、或者小的情況。進而，本發明在風力發電系統中，其特征在于，所述異常檢測單元通過計算構成所述風電場的多個風力發電機間的相關關系，來檢測電壓振幅值的異常。進而，本發明在風力發電系統中，其特征在于，所述異常檢測單元通過計算構成風電場的多個風力發電機間的與電壓變動頻率的變動相關的相關關系，來檢測風力發電機間的同步現象引起的電壓振幅值的異常。進而，本發明在風力發電系統中，其特征在于，具備利用運算裝置按照所述風力發電機間的相關系數的降序進行排序從而使發送俯仰角指令的候補列表化，并存儲到主存儲裝置的風電場監視裝置。進而，本發明在風力發電系統中，其特征在于，具備監視所述風電場的風電場監視裝置，逐次比較所取得的風車端電壓到達該風電場監視裝置的時刻和檢測到風車端電壓的時刻的偏差，在有大的變動時，廢棄所取得的風車端電壓值。進而，本發明在風力發電系統中，其特征在于，具備監視所述風電場的風電場監視裝置，該風電場監視裝置具備通過對聯系點處的時刻和電壓的時間序列數據進行傅立葉變換從而作成功率譜，并且在所述聯系點處的電壓變動周期為2Hz左右、且電壓變動幅度偏離了V限制時，經由通信網從各風力發電機取得時刻和風車端電壓、用于指定風力發電機的機種ID和用于指定風電場的風電場ID的單元，為了掌握各風力發電機間的同步程度，計算各風力發電機間的相關系數，相關系數的計算方法為:機種ID為m的平均值u_m=EV_m(t)機種ID為n的平均值u_n=EV_n(t)相關系數=E(V_m(t)_u_m)*(V_n(t)_u_n)。進而，本發明在風力發電系統中，其特征在于，具備監視所述風電場的風電場監視裝置，該風電場監視裝置利用運算裝置按照風力發電機間的相關系數的降序進行排序，從而使發送俯仰角指令的候補列表化，并存儲到存儲裝置。進而，本發明在風力發電系統中，其特征在于，探索各風力發電機的P、Q，從預先利用所述運算裝置按照風力發電機間的相關系數的降序進行排序從而使發送俯仰角指令的候補列表化，并存儲到所述存儲裝置的結果中，選擇上位的風力發電機。進而，本發明在風力發電系統中，其特征在于，從存儲到所述存儲裝置的結果中選擇上位30%的風力發電機。進而，本發明在風力發電系統中，其特征在于，具備監視所述風電場的風電場監視裝置，該風電場監視裝置具備為了補正對聯系點處的P、Q、V限制的偏離部分，通過逐次執行各風力發電機的P、Q的功率流計算從而進行最優化計算的單元，并利用以下的最優化計算的目標函數。最優化計算的目標函數=APXAP+AQXAQ+AVXAV進而，本發明在風力發電系統中，其特征在于，所述最優化計算是蒙特卡羅+局部搜索、遺傳算法、PS0、禁忌搜索等方法。進而，本發明在風力發電系統中，其特征在于，在電力系統的電壓是異常值時，計算構成風電場的多個風力發電系統間的電壓變動的相關，判斷是否發生了同步現象，從而針對對同步現象起作用的風力發電系統，改變所述葉片的俯仰角，由此將所述轉子的旋轉速度控制在一定范圍內，并且所述發電機側轉換器控制向同步發電機的無效功率。(發明效果)根據本發明，對于風電場特有的同步現象，能夠抑制電力系統的電壓變動。圖1是本發明中的風電場結構。圖2是塔影效應的說明圖。圖3是用于計算電壓閃變(flicker)的模型。圖4是由塔影效應引起的系統電壓的閃變。圖5是風電場監視裝置中的風車端電壓的取得流程圖。圖6是風電場監視裝置中的俯仰(pitch)角指令值的發送流程圖。圖7是風電場監視裝置中的動作周期。圖8是風電場監視裝置的硬件結構。圖9是風電場監視裝置的處理流程圖。圖10是聯系點設定DB的數據結構。圖11是塔影效應判斷設定DB的數據結構。圖12是風速-俯仰角-PDB的數據結構。圖13是計算風力發電機的旋轉角度的處理。(符號說明)100風力發電機102輸電線104聯系點108通信網110風電場監視裝置202塔影效應前的功率流204塔影效應后的功率流206塔影效應前后的功率流的變化208塔影效應的有效功率P的閃變210塔影效應的風車端電壓的閃變具體實施例方式對本發明的實施例進行說明。圖1示出本發明中的風電場結構。風力發電機100由葉片、塔架、短艙(nacelle)等風車或支撐風車的建造物、以及用于將風車的旋轉能量轉換為電能的發電機構成。這些風力發電機通過輸電線102聯結，之后與作為電力公司的輸電網的聯系點104連接，從風電場向電力公司提供由風力發電機產生的電力。風電場監視裝置110通過通信網與各風力發電機連接，利用風電場監視裝置110能夠監視對各個風力發電機的風車端電壓、發電電力進行測量所得到的信息。而且，風電場監視裝置110也對聯系點處的電壓、電力收集測量得到的結果，并確認風電場的輸出是否符合與電力公司的合約條件。圖2是說明塔影效應的圖。塔影效應是對于有效功率P、無效功率Q202，由于風車的葉片到達與塔架重疊的位置而受風的力變弱(206)，有效功率P、無效功率Q204發生變化。該有效功率P隨時間變化(曲線208)。由于該現象，風車端電壓V周期性地變動(曲線210)。該現象是具備葉片的風力發電機中固有的現象。圖3示出用于計算電壓閃變的數學式模型(數I)(數2)。是用于通過采用補正項從而使電壓閃變對人類主觀產生的影響數值化的模型，稱為△VlO(數I)，其中，補正項是周期性的電壓變動在人類容易感覺到閃爍的電壓變動頻率(約IOHz)附近，電壓變動的影響最大這樣的閃爍視覺靈敏度特性Bn(數2)。圖4示出各風力發電機的塔影效應對系統電壓408引起的變動的樣子。根據前述〔非專利文獻1〕，在感應發電機的情況下，利用來自系統的電力，進行風力發電機內轉子的勵磁，根據來自該系統的電力的變動，通過使感應發電機彼此的旋轉周期與塔影效應的周期一致，從而使發電端電壓402、404、406的變動周期與風力發電機彼此一致。此時系統側的電壓變動408成為各個風力發電機412、414、416的電壓變動的3N倍。圖5示出用于抑制風電場中的塔架影響效應引起的同步現象的動作。首先，風電場監視裝置分別從各風力發電機周期性地取得時刻和風車端電壓。這些時刻和風車端電壓的取得周期，假設塔架影響效應以I數Hz的周期發生，設計上為0.2秒。對于取得的風車端電壓到達風電場監視裝置的時刻與測量風車端電壓的時刻的偏差，進行逐次追蹤，在有大的變動時，廢棄所取得的風車端電壓值。通過該處理，能夠不執行在后面的處理進行俯仰角控制時所假設的延遲以上的控制。通過該處理，能夠抑制不要的風力發電機輸出的降低。圖6示出風電場監視裝置通過經由通信網對各風力發電機發送俯仰角指令值從而使風車的旋轉速度上升或下降，由此通過使各風力發電機具有的塔影效應的相位移動，從而使系統電壓408平衡化。具體而言，以風力發電機412的風車端電壓為基準，調整風力發電機414的俯仰角，加快旋轉速度，從而使風力發電機414的風車端電壓的相位前進，并且調整風力發電機416的俯仰角，使旋轉速度降低從而使風車端電壓的相位延遲，由此使系統電壓408平衡化。圖7示出繼續實施風電場監視裝置的周期性控制動作。采用以后的圖來說明風電場監視裝置中的處理構成、處理流程圖。圖8示出風電場監視裝置的硬件結構。風電場監視裝置具備:CPU等運算裝置502、DRAM等主存儲裝置504、控制裝置506、用于在風電場監視裝置內的各種裝置間進行信息交換的總線510、用于與各風力發電機進行通信的LAN接口等的通信裝置508;以及在輔助存儲裝置中具備聯系點設定DB512、俯仰角-P-旋轉速度DB514、塔影效應判斷設定DB516。圖9示出風電場監視裝置的處理流程圖。風電場監視裝置從聯系點設定DB取得聯系點處的P、Q、V限制(S100)。這些限制是由電力公司與風電場運營公司之間的合約決定的限制，所以是由風電場運營公司設定的值。作為這些設定中的基準，在向電力公司販賣由風車產生的剩余電力時，通過聯系而對已有電力的質量、可靠性、安全等產生影響，為了避免其他電力使用者不能使用以往電力的情況，風力發電機的設置側需要技術性地預先實施適當措施。作為進行系統聯系時技術要件的基準，在規定有「系統聯系技術要件準則」的情況下，通常將準則的解說作為民間的技術指南而發行「分散型電源系統聯系技術指南」。接著，風電場監視裝置通過通信網取得聯系點處的時刻和電壓(SlOl)。而且，風電場監視裝置對聯系點處的時刻和電壓的時間序列數據進行傅立葉(Fourier)變換，從而生成功率譜(powerspectrum)，假設聯系點處的電壓變動周期是2Hz左右，并且判斷電壓變動幅度是否偏離了V限制(S102)，在與該條件吻合時，經由通信網從各風力發電機取得時刻和風車端電壓、用于指定風力發電機的機種ID和用于指定風電場的風電場ID(S103)。之后，為了掌握各風力發電機間的同步程度，計算各風力發電機間的相關系數(S104)。相關系數的計算方法如下:機種ID為m的平均值u_m=EV_m(t)機種ID為n的平均值u_n=EV_n(t)相關系數=E(V_m(t)-u_m)*(V_n(t)-u_n)將E的范圍設10點時，以0.2秒周期采樣電壓時，成為2秒鐘的數據。接著，風電場監視裝置利用運算裝置按照風力發電機間的相關系數的降序進行排序，從而使發送俯仰角指令的候補列表化，并配置到主存儲裝置(S105)。接著，根據基于排序后的俯仰角指令值候補的控制后的風力發電機的P，進行功率流計算(S106)。接著，將功率流計算得出的相對于聯系點處的P、Q、V限制的偏離量設為AP、AQ、AV。為了實現該補正，通過執行各風力發電機的P、Q的逐次功率流計算，從而進行最優化計算(S107)。最優化計算的目標函數=APXAP+AQXAQ+AVXAV對于最優化計算,能夠應用蒙特卡羅(MonteCarlo)+局部搜索、遺傳算法、PS0、禁忌搜索等手法。S卩，將偏離量作為懲罰(penalty)導入目標函數。此時要探索的變量是各風力發電機的P、Q。為了縮短處理時間，預先通過運算裝置按照風力發電機間的相關系數的降序進行排序從而使發送俯仰角指令的候補列表化，通過選擇配置到主存儲裝置的結果中的上位的30%，能夠限定探索空間。對于上位30%的值，是風電場運營者預先導入風電場監視裝置并設定的參數，能夠設定變更。此外該參數值可以根據聯系點電壓和能夠容許的電壓變動幅度的上限來決定。假設，決定了基于功率流計算的聯系點處的P、Q、V不偏離的各風力發電機的P、Q時，從俯仰角-P-旋轉速度DB514檢索成為該P的俯仰角指令值，并經由通信網對各風力發電機發送俯仰角指令值(S108)。此外，在偏離的情況下返回步驟106重新進行計算。利用以后的圖來說明俯仰角指令值的決定方法。圖10示出風電場監視裝置通過輔助存儲裝置等而具備的聯系點設定DB512的數據結構。在該數據結構中，將聯系點處的有效功率P的最大值以及最小值、聯系點處的無效功率Q的最大值以及最小值、聯系點處的電壓V的最大值以及最小值作為數據進行存儲。這些數據結構的值是保有風電場監視裝置的風電場運營公司根據與電力公司的合約條件而設定的值，根據合約條件的更新而發生變更。圖11示出風電場監視裝置110在輔助存儲裝置等中具備的塔影效應判斷設定DB516的數據結構。通過預先按照風力發電機的機種具備引起塔影效應的固有頻率，風電場監視裝置能夠決定從各風力發電機取得電壓等數據時的采樣周期。另一方面，按照風力發電機的塔影效應頻率，因為可以考慮在從風力發電機制造商對風電場運用經營者提供時沒有明確的情況，所以風電場監視裝置110具備學習功能，估計塔影效應頻率，具有向塔影效應判斷設定DB516登錄值的單元。圖12示出風速-俯仰角-PDB514的數據庫構造。首先，具備表示風車的葉片面的、葉片對風的流動的角度即俯仰角(度)和風速衰減率的關系的表格(table)552。在該表格552中，示出在俯仰角10度左右能夠以最大效率將風的流動轉換為旋轉能量。而且，風電場監視裝置110從風力發電機預先具備的風速計取得實際風速，從而通過表示風速和輸出P的關系的功率曲線554，導出俯仰角和輸出P的關系。在通過前述圖9所示的處理流程圖中的最優化計算決定對特定風力發電機的輸出P的值的情況下，從風速-俯仰角-PDB514檢索那時的俯仰角。圖13示出計算風力發電機的旋轉角度的處理，如前述的圖12的說明那樣，若通過圖9所示的處理流程圖中的最優化計算決定對特定的風力發電機的輸出P的值，之后若通過圖12的風速-俯仰角-PDB514的處理決定了俯仰角，則通過在風力發電機的模型602中代入風車半徑(m)、空氣密度(kg/m3)、俯仰角(度)、風速(m/s)、風力發電機輸出P(W)，能夠求出風力發電機的旋轉角速度(rod/s)。而且,通過對該旋轉角速度(rod/s)進行積分，來實現預先估計風力發電機的角度(rod)。根據這樣的結構，能夠降低不要的風力發電機的輸出抑制。(產業上的可利用性)根據本發明，能夠適用于采用了能夠連接到電力系統的風車的風力發電系統。權利要求1.一種風力發電系統,具備構成風電場的多個風力發電機,其特征在于,具備:葉片，其能夠改變俯仰角；轉子，其與該葉片機械連接；發電機，其由該轉子進行驅動；電力轉換器，其與該發電機電連接，并且控制從所述發電機向電力系統輸出的電力；俯仰角控制單元，其控制所述俯仰角；異常檢測單元，其檢測所述電力系統或者所述風力發電系統的異常狀態；該異常檢測單元沒有檢測到異常時的第一俯仰角控制單元；和所述異常檢測單元檢測到異常時的第二俯仰角控制單元，所述第二俯仰角控制單元將所述轉子的旋轉速度保持在所述風力發電系統的能夠發電運轉的旋轉速度。2.根據權利要求1所述的風力發電系統，其特征在于，具有預先決定的第一規定值和比該第一規定值小的第二規定值，所述第二俯仰角控制單元，在所述轉子的旋轉速度比所述風力發電系統的能夠發電運轉的所述轉子的旋轉速度的上限值小、且比第一規定值大時，將俯仰角固定為規定值，在所述轉子的旋轉速度比所述風力發電系統的能夠發電運轉的所述轉子的旋轉速度的下限值大、且比第二規定值小時，使俯仰角為最大角。3.根據權利要求1所述的風力發電系統，其特征在于，所述第二俯仰角控制單元是使所述轉子的旋轉速度的目標值為所述風力發電系統的能夠發電運轉的旋轉速度范圍內的固定值的控制單元。4.根據權利要求1所述的風力發電系統，其特征在于，所述異常檢測單元檢測所述電力系統的電壓振幅值比預先決定的范圍大的情況、或者小的情況。5.根據權利要求1所述的風力發電系統，其特征在于，所述異常檢測單元通過計算構成所述風電場的多個風力發電機間的相關關系，從而檢測電壓振幅值的異常。6.根據權利要求1所述的風力發電系統，其特征在于，所述異常檢測單元通過計算構成風電場的多個風力發電機間的與電壓變動頻率的變動相關的相關關系，從而檢測由風力發電機間的同步現象引起的電壓振幅值的異常。7.根據權利要求5或6所述的風力發電系統，其特征在于，還具備風電場監視裝置，其通過運算裝置按照所述風力發電機間的相關系數的降序進行排序，從而使發送俯仰角指令的候補列表化，并存儲到主存儲裝置。8.根據權利要求1所述的風力發電系統，其特征在于，還具備監視所述風電場的風電場監視裝置，且逐次比較所取得的風車端電壓到達該風電場監視裝置的時刻與檢測到風車端電壓的時刻的偏差，在有大的變動時，廢棄所取得的風車端電壓值。9.根據權利要求1所述的風力發電系統，其特征在于，還具備監視所述風電場的風電場監視裝置，該風電場監視裝置具備通過對聯系點處的時刻和電壓的時序數據進行傅立葉變換從而作成功率譜，并且在所述聯系點處的電壓變動周期為2Hz左右、且電壓變動幅度偏離了V限制時，經由通信網從各風力發電機取得時刻和風車端電壓、用于指定風力發電機的機種ID和用于指定風電場的風電場ID的單元，且為了掌握各風力發電機間的同步程度，計算各風力發電機間的相關系數，相關系數的計算方法為:機種ID為m的平均值u_m=EV_m(t)機種ID為n的平均值u_n=EV_n(t)相關系數=E(V_m(t)-u_m)*(V_n(t)-u_n)。10.根據權利要求1所述的風力發電系統，其特征在于，還具備監視所述風電場的風電場監視裝置，該風電場監視裝置利用運算裝置按照風力發電機間的相關系數的降序進行排序，從而使發送俯仰角指令的候補列表化，并存儲到存儲裝置。11.根據權利要求10所述的風力發電系統，其特征在于，探索各風力發電機的P、Q，從預先利用所述運算裝置按照風力發電機間的相關系數的降序進行排序從而使發送俯仰角指令的候補列表化，并存儲到所述存儲裝置的結果中，選擇上位的風力發電機。12.根據權利要求11所述的風力發電系統，其特征在于，從存儲到所述存儲裝置的結果中選擇上位30%的風力發電機。13.根據權利要求1所述的風力發電系統，其特征在于，還具備監視所述風電場的風電場監視裝置，該風電場監視裝置具備為了補正對聯系點處的P、Q、V限制的偏離部分，通過逐次執行各風力發電機的P、Q的功率流計算從而進行最優化計算的單元，并利用以下的最優化計算的目標函數:最優化計算的目標函數=APXAP+AQXAQ+AVXAV。14.根據權利要求13所述的風力發電系統，其特征在于，所述最優化計算是蒙特卡羅+局部搜索、遺傳算法、PSO、禁忌搜索等方法。全文摘要本發明提供一種風力發電系統，對于風力發電系統的風電場，具有如下問題發生同步現象的風險高，電力系統側的電壓降低時難以連續運轉。為此在本發明中，抑制在遙遠的地方配置許多的風力發電機的電壓變動，并且容易使風車繼續運轉。在電力系統的電壓是異常值時，計算構成風電場的多個風力發電系統間的電壓變動的相關性，并判斷是否發生了同步現象，由此針對對同步現象起作用的風力發電系統，改變葉片的俯仰角。文檔編號F03D7/02GK103104416SQ201310019778公開日2013年5月15日申請日期2010年12月27日優先權日2009年12月28日發明者友部修,渡邊雅浩,黑田英佑,古川俊行,安部圭子申請人:株式會社日立制作所