二次励磁风力发电用变换装置、二次励磁风力发电用控制装置及二次励磁风力发电用变换装置的控制方法

摘要

即使在发电机转速诸如超过1500rpm的上下限30％的转差范围时也能继续变换器的工作。基于系统控制电力调整器(APR)的信息和定子侧电压传感器和发电机侧变换器电流传感器的信息，由励磁电流调整器来控制发电机侧变换器，具有根据直流电压指令和直流电压传感器信息来决定直流电压的控制量的直流电压调整器(AVDCR)、根据直流电压振幅运算和系统侧变换器电压的信息来控制系统侧变换器的系统侧变换器电流调整器(ACR)、对来自发电机转速传感器和系统侧电压传感器的信息进行比较来进行转差控制的转差频率运算器、根据转差控制运算信息来生成直流电压指令的直流电压指令值运算器、对直流电压指令和来自直流电压传感器的信息进行比较的加减运算器，并具有以所述发电机的转速是同步速度的情况为中心的上下限转差设定值，检测到偏离转差范围的情况时，改变直流电压。

说明书

技术领域

本发明涉及二次励磁风力发电用变换装置、二次励磁风力发电用控制装置及二次励磁风力发电用变换装置的控制方法。

背景技术

近年，随着再生能源需要的加速，在世界各地推进了风力发电设备的建设。原因是风力发电在再生能源领域中发电成本廉价。

风力发电是根据风能进行发电，但该风变化时发电机的旋转轴的旋转也发生变化。为了对此控制而使发电机的输出维持在一定的频率，提出了所谓二次励磁发电机(Doubly Fed Induction Generator)。在该二次励磁型的风力发电机中，通过对提供给发电机转子的电力进行控制，可将风力发电机的输出功率保持为一定频率。这样的技术例如在日本专利特开2005-198429号公报中有记载。

另外，为了从风力发电向电力系统供给稳定的电力，提出有如下的电力变换器的控制技术：在风车的转速从规定的范围偏离出时，不使发电机的输出功率追随输出指令地进行控制。这样的技术例如在日本专利特开2007-244199号公报中有记载。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2005-198429号公报

专利文献2：日本专利特开2007-244199号公报

发明内容

发明将要解决的技术问题

在二次励磁型发电用的变换器的控制中，在超过以发电机的转速是同步速度(转差为0)的情况为中心的上下限范围时，在用于向发电机的转子供给电力的电压裕量消失。因此，一般来说，发电机的转速超过上下限范围时，不得不抑制对发电机的转子的电力供应。进而，背离变大时不得不停止电力供应。

在风速急剧下降后、风速立即上升时，即使是短时间偏离出转差范围的情况下，也存在根据情况，不得不停止对发电机的转子的电力供应。特别是，像这样的事件频繁地发生时，存在再起动需要的时间量的发电量减少、或变换器的转换开关等的元器件寿命变短的可能。

本发明的目的是即使发电机的转速改变也能够提供可保持发电的二次励磁风力发电用变换装置、二次励磁风力发电用控制装置及二次励磁风力发电用变换装置的控制方法。

用于解决课题的手段

为了实现上述目的，本发明构成为，具有：系统侧变换器，其与定子和系统连接，对交流的电力和直流部的电力进行变换而被平滑后的直流电压进行控制；发电机侧变换器，对被平滑后的直流电压进行交流变换并向转子供给转差频率(slip frequency)的交流电压，根据基于与转子的转速相当的转速信息和与定子的输出电压的频率相当的频率信息的转差频率，在所述转差频率偏离出规定的范围的情况下，调整被平滑后的直流电压。

发明的效果

根据本发明，即使发电机的转速发生改变，也能够保持发电。

附图说明

图1是实施例1的电力变换器的说明图。

图2是实施例1的转差频率运算器1019的说明图。

图3是实施例1的直流电压指令值运算器1018的说明图。

图4是实施例1的直流电压指令值运算器1018的说明图。

图5是实施例2的直流电压指令值运算器1018的说明图。

图6是实施例2的直流电压指令值运算器1018的说明图。

图7是实施例3的直流电压指令值运算器1018的说明图。

图8是实施例3的直流电压指令值运算器1018的说明图。

图9是实施例4的直流电压指令值运算器1018的说明图。

图10是实施例4的直流电压指令值运算器1018的说明图。

具体实施方式

以下，参照附图对实施例进行说明。

(实施例1)

使用图1、图2、图3、图4对本实施例进行说明。

<概要结构>

图1示出的电力变换器1006是由多个的装置构成的风力发电用电力变换系统。发电机1003经由轴1002接收迎风旋转的叶片1001的旋转能，利用发电机侧变换器1009a使发电机1003的转子励磁，从而使之产生电力。在发电机1003的定子侧产生的电力由定子侧系统配线1004供给到电力系统1005，在转子侧产生或消耗的电力通过电力变换器1006被返回到定子侧系统配线1004。另外，在定子侧系统配线1004安装有发电机保护用的同步断路器(气动断路器)1021。

电力变换器1006由电力变换单元1007、控制装置1010组成。电力变换单元1007由直流电容器1008、发电机侧变换器1009a、以及系统侧变换器1009b构成。控制装置1010中输入来自发电机转速传感器1011、定子侧电压传感器1012、发电机侧变换器电流传感器1013、直流电压传感器1014、系统侧变换器电流传感器1015、系统侧电压传感器1016、系统侧电流传感器1017、以及风车控制装置WTC的信息。另外，以框图表示图1的控制装置1010的各结构要素，但也可以由一个或多个计算机构成控制装置1010，由软件构成各功能。

<概要功能>

图1示出的电力变换单元1007由控制装置1010基于来自各传感器的信息进行控制。系统电力调整器APR基于风车控制装置WTC、系统侧电压传感器1016、和系统电流传感器1017的信息计算发电电力。系统电力调整器APR将励磁电流指令值输出到励磁电流调整器1020，以使来自风车控制装置WTC的发电电力指令和该发电电力计算值一致。

励磁电流调整器1020对从系统电力调整器APR所输入的励磁电流指令值和来自发电机侧变换器电流传感器1013的励磁电流检测值进行比较、并进行计算以使得指令值和检测值一致，来向发电机侧变换器1009a输出控制信号。定子侧电压传感器1012的电压检测值是在使定子电压与系统电压同步地投入同步断路器1021时使用。

转差频率运算器1019基于发电机转速传感器1011和系统侧电压传感器1016的信息，运算转差频率fslip，并将其结果输出到直流电压指令值运算器1018。转差频率fslip是使用发电机转速传感器所计算的旋转频率(电角度)frot(发电机1003转子的转速(旋转频率))、和由系统侧电压传感器1016所计算的频率fgrid(系统电力的频率)，通过式1来计算。

[式1]

fslip[％]＝((fgrid-frot)/fgrid)×100

直流电压指令值运算器1018使用转差频率，计算直流电压指令值，并将直流电压指令输出到加减运算器1022。

加减运算器1022计算直流电压指令值和由直流电压传感器1014所检测到的直流电压检测值的差，并将计算结果输出到直流电压调整器AVDCR。

直流电压调整器AVDCR基于所输入的信息，计算用于控制直流电压的电流指令值，并将计算结果输出到电流调整器ACR。

电流调整器ACR基于来自直流电压调整器AVDCR的指令和系统侧变换器电流传感器1015的信息，计算用于控制电流的控制量，向系统侧变换器1009b输出控制信号。

上述系统电力调整器APR、励磁电流调整器1020、直流电压调整器AVDCR、以及电流调整器ACR例如由比例积分器构成。

图2示出所述转差频率fslip与发电机1003的转子电压的关系。在转差频率运算器1019中，所述转差频率从同步速度时的转差频率(0％)进行变化(例：+30％，或，-30％)时，所述转子电压以大致一定的斜率上升或下降。此时的转差频率运算器1019计算所述转差频率的时间变化，并向直流电压指令值运算器1018输出转差频率。

<详细功能>

使用图3、图4，对直流电压指令值运算器1018进行说明。

在图3中示出由直流电压指令值运算器1018所计算的直流电压指令和所述转差频率的关系。在直流电压指令值运算器1018中，在所述转差频率从+28％变为+30％，或，从-28％变为-30％时，按照式2计算出所述直流电压指令，在所述转差频率成为+30％以上、或-30％以下时，所述直流电压指令以保持在额定直流电压指令的105％来进行设定。另外，在所述转差频率在+28％到-28％的范围时，所述直流电压指令保持额定直流电压指令100％。在这里，+28％、+30％、-28％、以及-30％是例示，能够对照各个发电机的特性选择其他的数值。在以下的实施例也相同。

[式2]

斜率A＝(直流电压指令的变化量)5％÷(转差频率的变化量)2％

图4示出直流电压指令值运算器1018的处理流程。直流电压指令值运算器1018在被输入转差频率运算器1019的信息时，进行判断4001的判断。在不符合判断4001的情况下，向加减运算器1022输出执行运算4004以额定直流电压指令100％维持所述直流电压指令的信息。在符合判断4001的情况下，进行判断4002的判断。在不符合判断4002的情况下，执行运算4005并向加减运算器1022输出以105％维持所述直流电压指令的信息。在符合判断4002的情况下，将执行运算4003(指令值＝斜率A×(|转差频率|-28％)+100％)的结果作为直流电压指令，并向加减运算器1022输出。

在本实施例1中，因为通过具有所述<详细功能>，能够防止低风速时的转差较大时的频繁的停止和再启动，所以能够增加发电量、延长转换开关等的元器件的寿命。另外，因为缓慢地变更直流电压指令值，所以可使对控制系统的扰乱变小。

另外，在本实施例1中，(1)将转差频率的允许范围说明为额定频率的(50Hz，或，60Hz)的±30％，但±30％是根据发电机的线圈数比、变换器的直流电压所决定的值，即使是±30％以外的值也能得到同样的效果。另外，(2)±28％这样的值，根据到达±30％之前速度变更的时间T1(因惯性常数而变化的值)和直流电压的响应T2，以T1＞T2这样的方式决定即可，变化的开始在转差范围(在本实施例为±30％)以内即可。另外，(3)将直流电压指令值的上限设为105％，是由变换器的元件所决定的值，也可以是105％以外的值。

(实施例2)

使用图1、图2、图5、以及图6，来说明本实施例。在以下的实施例2～4中，仅对与实施例1不同的部分进行说明。相同的部分省略说明。

<概要结构>

与实施例1相同。

<概要功能>

与实施例1相同。

<详细功能>

使用图5、图6，对直流电压指令值运算器1018进行说明。在图5示出由直流电压指令值运算器1018计算的直流电压指令值和所述转差频率的关系。直流电压指令值运算器1018在所述转差频率成为+30％以上、或，-30％以下时，设定为以额定直流电压指令的105％维持所述直流电压指令。另外，所述转差频率存在于从+30％到-30％的范围时，所述直流电压指令维持额定直流电压指令100％。

图6示出直流电压指令值运算器1018的处理流程。直流电压指令值运算器1018在输入了转差频率运算器1019的信息时，在开始，进行判断6001的判断。在不符合判断6001的情况下，执行运算6002(指令值＝100％)，向加减运算器1022输出以额定直流电压指令100％维持所述直流电压指令的信息。在符合判断6001的情况下，执行运算6003(指令值＝105％)，向加减运算器1022输出以105％维持所述直流电压指令的信息。

在本实施例2中，因为通过具有所述<详细功能>，能够防止低风速时的转差较大时的频繁的停止和再启动，所以能够增加发电量、延长转换开关等的元器件的寿命，容易稳定地控制。

另外，在本实施例2中，(1)将转差频率的允许范围说明为额定频率的(50Hz，或，60Hz)的±30％，但±30％是根据发电机的线圈数比、变换器的直流电压所决定的值，即使是±30％以外的值也能得到同样的效果。另外，(2)将直流电压指令值的上限设为105％，直流电压指令值是由变换器的元件所决定的值，也可以是105％以外的值。

(实施例3)

使用图1、图2、图7、以及图8来说明本实施例。

<概要构成>

与实施例1相同。

<概要功能>

与实施例1相同。

<详细功能>

使用图7、图8，对直流电压指令值运算器1018进行说明。

在图7示出直流电压指令值运算器1018和转差频率fslip的关系。直流电压指令值运算器1018在所述转差频率存在于从+28％到-28％的范围内时，所述直流电压指令维持额定直流电压指令100％，在所述转差频率成为+32％以上、或-32％以内时，设定为所述直流电压指令维持额定直流电压指令的105％。

所述转差频率存在于状态7001(-30％＜转差频率≤-28％，或，+28％≤转差频率＜+30％)时，所述直流电压指令为式7003或者指令100％的某个状态，但关于返回到哪个状态，是根据所述转差频率是从-28％＜fslip＜+28％的范围变化而来还是从fslip＜-32％、或+32％＜fslip的范围变化而来所决定的。

所述转差频率在状态7002(-32％＜转差频率≤-30％，或，+30％≤转差频率＜+32％)时，所述直流电压指令为式7004或者指令105％的某个状态，但关于返回到哪个状态，根据所述转差频率是从-28％＜fslip＜+28％的范围变化而来还是从fslip＜-32％、或+32％＜fslip的范围变化而来所决定的。

[式3]

斜率B＝(直流电压指令的变化量)5％÷(转差频率的变化量)2％

[式7003]

直流电压指令＝斜率B×(|转差频率|-28％)+100％

[式7004]

直流电压指令＝斜率B×(|转差频率|-30％)+100％

图8示出直流电压指令值运算器1018的处理流程。直流电压指令值运算器1018在输入了转差频率运算器1019的信息时，执行判断8001。在不符合判断8001的情况下，将执行运算8006以100％维持所述直流电压指令的指令输出到加减运算器1022，代入参考用标记＝1。在符合判断8001的情况下，转移到判断8002。在不符合判断8002的情况下，将执行运算8007而以105％维持所述直流电压指令的指令输出到加减运算器1022，代入参考用标记＝0。如果符合判断8002的情况下，转移到判断8003。

在符合判断8003的情况下，转移到判断8004。在符合判断8004(即，-30％＜转差频率＜+30％，前1个的值是100％的情况)，执行运算8008，将以100％维持所述直流电压指令的指令输出到加减运算器1022。在不符合判断8004的情况下，执行运算8009来按照7003决定直流电压指令，并输出到加减运算器1022。

在不符合判断8003的情况下，转移到判断8005。在符合判断8005的情况下(即，转差频率≤-30％，或，+30％≤转差频率，前一个的指令为105％的情况)，将执行运算8010而以105％维持所述直流电压指令的指令输出到加减运算器1022。在不符合8005的情况下，执行运算8011来按照式7004决定直流电压指令，并输出到加减运算器1022。

在本实施例3中，通过在实施例1附加滞后的特性，从而除了实施例1的效果之外，还能防止转差频率在±28％、或±30％、或±32％不稳时进行无用的直流电压指令值的改变，并能进一步减少控制的扰乱。

另外，在本实施例3中，(1)将转差频率的允许范围说明为额定频率的(50Hz，或，60Hz)的±30％，但±30％是根据发电机的线圈数比、变换器的直流电压所决定的值，即使是±30％以外的值也能得到同样的效果。另外，(2)±28％这样的值，根据到达±30％之前速度变更的时间T1(因惯性常数而变化的值)和直流电压的响应T2，以T1＞T2这样的方式决定即可，变化的开始在转差范围(在本实施例为±30％)以内即可。另外，(3)±32％这样的值是表现滞后特性上的基准。另外，(4)将直流电压指令值的上限设为105％，直流电压指令值是由变换器的元件决定的值，也可以是105％以外的值。

(实施例4)

使用图1、图2、图9、以及图10来说明本实施例。

<概要构成>

与实施例1相同。

<概要功能>

与实施例1相同。

<详细功能>

使用图9、图10，对直流电压指令值运算器1018进行说明。图9示出直流电压指令值运算器1018和所述转差频率的关系。直流电压指令值运算器1018在所述转差频率存在于从+29％到-29％的范围内时，所述直流电压指令维持额定直流电压指令100％，在所述转差频率成为+30％以上、或-30％以下时，设定为所述直流电压指令维持额定直流电压指令的105％。

所述转差频率在状态9001(-30％≤转差频率≤-29％，或，+29％≤转差频率≤+30％)时，所述直流电压指令为指令100％或指令105％的某个状态，但返回到哪个状态，由所述转差频率是从-29％＜fslip＜+29％的范围变化而来还是从fslip＜-30％、或+30％＜fslip的范围变化而来所决定。

图10示出直流电压指令值运算器1018的处理流程。直流电压指令值运算器1018在输入了转差频率运算器1019的信息时，执行判断10001。在不符合判断10001的情况下，执行运算10004将所述直流电压指令维持100％的指令输出到加减运算器1022，代入参考用标记＝1。在符合判断10001的情况下，转移到判断10002的判断。在符合判断10002的情况下，执行运算10005将以105％维持所述直流电压指令的指令输出到加减运算器1022，代入参考用标记＝0。在不符合判断10002的情况下，执行判断10003。在符合判断10003的情况下，执行运算10006将使所述直流电压指令设为100％的指令输出到加减运算器1022。在不符合判断10003的情况下，执行运算10007将使所述直流电压指令设为105％的指令输出到加减运算器1022。

在本实施例4中，通过在实施例2附加滞后的特性，从而除了实施例2的效果之外，还能防止转差频率在±29％、或±30％不稳时进行无用的直流电压指令值的改变，并易于更加稳定地控制。

再者，在本实施例2中，(1)将转差频率的允许范围说明为额定频率的(50Hz，或，60Hz)的±30％，但±30％是根据发电机的线圈数比、变换器的直流电压所决定的值，即使是±30％以外的值也能得到同样的效果。另外，(2)±29％这样的值，根据到达±30％之前速度变更的时间T1(因惯性常数而变化的值)和直流电压的响应T2，以T1＞T2这样的方式决定即可，变化的开始在转差范围(在本实施例为±30％)以内即可。另外，(3)将直流电压指令值的上限设为105％，直流电压指令值是由变换器的元件决定的值，也可以是105％以外的值。

标号说明

1001叶片

1002轴

1003发电机

1004定子侧系统配线

1005电力系统

1006电力变换器

1007电力变换单元

1008直流电容器

1009a发电机侧变换器

1009b系统侧变换器

1010控制装置

1011发电机转速传感器

1012定子侧电压传感器

1013发电机侧变换器电流传感器

1014直流电压传感器

1015系统侧变换器电流传感器

1016系统侧电压传感器

1017系统侧电流传感器

1018直流电压指令值运算器

1019转差频率运算器

1020励磁电流调整器

1021同步断路器

1022加减运算器

4001，4002，6001，8001，8002，8003，8004，8005，10001，10002，10003判断

4003，4004，4005，6002，6003，8006，8007，8008，8009，8010，8011，10004，10005，10006，10007运算

7001，7002，9001状态

7003，7004式

WTC风车控制装置

ACR电流调整器

APR系统电力调整器

AVDCR直流电压调整器