[发明专利]风力发电系统及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及风力发电系统及其控制方法，特别涉及采用可变速可变间距控制方式的风力发电系统的输出功率以及间距角的控制。

背景技术

风力发电系统的有力的控制方式之一是，风车转子的转速(即，发电机的转速)可变，并且叶片的间距(pitch)角可变的可变速可变间距控制方式。可变速可变间距控制方式具有能够从风获取更多的能量，并且输出变动较小的优点。

在可变速可变间距控制方式中，重要的是发电机的输出功率以及叶片的间距角的控制的最佳化。特表2001-512804号公报中公开了一边通过磁场定向(orientation)控制来控制发电机的转矩，一边与发电机的转矩相独立地控制间距角的控制方法。在所公开的控制方法中，响应于发电机的转速，使用一览表来决定发电机的目标输出功率，并根据该目标输出功率来决定发电机的转矩指令。响应于该转矩指令，通过磁场定向控制来控制发电机的转矩。另一方面，叶片的间距角通过对应于发电机的转速和目标转速的偏差的PID控制、PI控制或者PD控制来控制。

风力发电系统的控制中的一个问题是，对发生了短暂的无风(transient wind null)的情况，即风速只在短时间下降的情况的对应。风力发电系统一般被设计为在风车转子的转速为额定转速以上时产生额定功率。在这样的风力发电系统中，若发生短暂的无风而风车转子的转速成为小于额定转速，则输出功率也将变得小于额定功率。这将导致输出功率的变动或发电效率的下降。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种即使发生短暂的无风也不易引起输出功率的变动或发电效率的下降的风力发电系统。

在本发明的一个观点中，风力发电系统包括：风车转子，具有间距角可变的叶片；发电机，由风车转子所驱动；以及控制装置，响应于风车转子或者发电机的转速，控制发电机的输出功率和叶片的间距角。控制装置在转速增大而达到规定的额定转速之前的期间，进行按照规定的功率-转速曲线而控制输出功率的第1控制，在转速超过了额定转速时，进行将输出功率控制为规定的额定功率的第2控制，一旦在被设定为进行第2控制的状态之后，转速成为比额定转速小时，控制装置响应于间距角而维持进行第2控制的状态，或者转移到进行第1控制的状态。这里，间距角是叶片的翼弦(chord)和转子旋转面所构成的角度。即，若间距角小，则风车转子从风获取更多的能量，若间距角大，则风车转子从风获取更少的能量。

在这样的结构的风力发电系统中，只在短时间内风速下降的情况下，通过利用风车转子的旋转能量，能够抑制输出功率的变动。这是因为在本发明的风力发电系统中，在所述转速成为比所述额定转速小时，输出功率根据叶片的间距角而被维持为规定的额定功率。在根据叶片的间距角而判定为是能够将输出功率维持为规定的额定功率的状态时，将输出功率维持为额定功率，从而有效地获取风车转子的旋转能量，能够抑制输出功率的变动和发电效率的下降。

优选的是，一旦在被设定为进行第2控制的状态之后，转速成为比额定转速小时，控制装置在间距角大于规定的间距角的情况下维持进行第2控制的状态，在间距角达到所述规定的间距角之后才转移到进行第1控制的状态。这时，期望一旦在被设定为进行所述第2控制的状态之后，所述转速成为比小于所述额定转速的规定的阈值转速还要小时，所述控制装置与所述间距角无关地转移到进行所述第1控制的状态。

优选的是，控制装置响应于风车转子或发电机的转速与规定的额定转速之差、以及输出功率和额定功率之差而控制所述间距角。

这时，优选的是，控制装置在输出功率小于额定功率时，控制间距角以减小间距角。

优选的是，控制装置在检测出了骤风时，响应于所述转速而增大发电机的输出功率。

此外，该风力发电系统还包括：回旋机构，回旋风车转子的旋转面的朝向；以及风向检测器，检测出上风方向，在风车转子包括用于驱动叶片的间距驱动机构的情况下，优选控制装置在检测出了间距角驱动机构的故障时，控制回旋机构使得风车转子的旋转面从上风方向退避。

优选的是，控制装置响应于连接到发电机的电力系统的电压而控制从发电机输出到电力系统的无效功率，并且根据所述无效功率而控制所述间距角。

该风力发电系统还包括：应急用电池；以及充电装置，通过从电力系统获取的功率对应急用电池进行充电，风车转子包括用于驱动叶片的间距驱动机构，当应急用电池在连接到发电机的电力系统的电压下降时，对间距驱动机构和控制装置提供功率的情况下，优选控制装置在应急用电池被充电的期间，控制输出功率以增加输出功率。