JP4885096B2

JP4885096B2 - Wind power generation system and control method thereof

Info

Publication number: JP4885096B2
Application number: JP2007235831A
Authority: JP
Inventors: 真司有永; 強志若狭; 崇俊松下
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2007-09-11
Filing date: 2007-09-11
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2027-09-11
Also published as: JP2009068379A; TW201018078A

Description

本発明は、風力発電システム、及びその制御方法に関しており、特に、可変速可変ピッチ制御方式を採用する風力発電システムの出力電力及びピッチ角の制御に関する。 The present invention relates to a wind power generation system and a control method thereof, and more particularly to control of output power and pitch angle of a wind power generation system that employs a variable speed variable pitch control method.

風力発電システムの有力な制御方式の一つは、風車ロータの回転数（即ち、発電機の回転数）が可変であり、且つ、ブレードのピッチ角が可変である、可変速可変ピッチ制御方式である。可変速可変ピッチ制御方式は、風からエネルギーをより多く取得することができ、且つ、出力変動が小さいという利点がある。 One of the leading control methods for wind power generation systems is a variable speed variable pitch control method in which the rotation speed of the wind turbine rotor (that is, the rotation speed of the generator) is variable and the pitch angle of the blade is variable. is there. The variable speed variable pitch control method has the advantage that more energy can be acquired from the wind and output fluctuation is small.

可変速可変ピッチ制御方式では、発電機の出力電力及びブレードのピッチ角の制御の最適化が重要である。特表２００１−５１２８０４号公報は、磁界オリエンテーション制御によって発電機のトルクを制御する一方、発電機のトルクと独立してピッチ角を制御する制御方法を開示している。開示された制御方法では、発電機の回転数に応答して発電機の目標出力電力がルックアップテーブルを用いて決定され、その目標出力電力から発電機のトルク指令が決定される。このトルク指令に応答して、磁界オリエンテーション制御によって発電機のトルクが制御される。一方、ブレードのピッチ角は、発電機の回転数と目標回転数との偏差に応じたＰＩＤ制御、ＰＩ制御、又はＰＤ制御によって制御される。 In the variable speed variable pitch control method, it is important to optimize the control of the output power of the generator and the pitch angle of the blade. JP-T-2001-512804 discloses a control method for controlling the pitch angle independently of the generator torque while controlling the torque of the generator by magnetic field orientation control. In the disclosed control method, the target output power of the generator is determined using a lookup table in response to the rotational speed of the generator, and the torque command of the generator is determined from the target output power. In response to this torque command, the torque of the generator is controlled by magnetic field orientation control. On the other hand, the pitch angle of the blade is controlled by PID control, PI control, or PD control corresponding to the deviation between the rotational speed of the generator and the target rotational speed.

風力発電システムの制御における一つの問題は、短いなぎ（transient wind null）が発生した場合、すなわち、風速が短時間だけ低下した場合に対する対応である。風力発電システムは、一般に、風車ロータの回転数が定格回転数以上である場合に定格電力を発生するように設計される。このような風力発電システムでは、短いなぎが発生して風車ロータの回転数が定格回転数よりも小さくなると、出力電力が定格電力よりも小さくなってしまう。これは、出力電力の変動や発電効率の低下を招く。
特表２００１−５１２８０４号公報 One problem in controlling a wind power generation system is how to deal with a case where a transient wind null occurs, that is, when the wind speed decreases for a short time. A wind power generation system is generally designed to generate a rated power when the rotational speed of the wind turbine rotor is equal to or higher than the rated rotational speed. In such a wind power generation system, when a short jump occurs and the rotational speed of the wind turbine rotor becomes smaller than the rated rotational speed, the output power becomes smaller than the rated power. This leads to fluctuations in output power and a decrease in power generation efficiency.
Special table 2001-512804 gazette

従って、本発明の目的は、短いなぎが発生しても出力電力の変動や発電効率の低下が起こりにくい風力発電システムを提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a wind power generation system in which fluctuations in output power and reduction in power generation efficiency are unlikely to occur even when a short jump occurs.

具体的には、本発明は、以下に述べられる手段を採用する。その手段の記述には、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］の記載との対応関係を明らかにするために、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号・符号が付加されている。但し、付加された番号・符号は、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲を限定的に解釈するために用いてはならない。 Specifically, the present invention employs the following means. In the description of the means, in order to clarify the correspondence between the description of [Claims] and the description of [Best Mode for Carrying Out the Invention], [Best Mode for Carrying Out the Invention] ] Is added with the numbers and symbols used in []. However, the added number / symbol should not be used to limit the technical scope of the invention described in [Claims].

本発明による風力発電システムは、ピッチ角が可変であるブレード（８）を備える風車ロータ（７）と、風車ロータ（７）によって駆動される発電機（５）と、風車ロータ（７）又は発電機（５）の回転数（ω）に応答して、発電機（５）の出力電力とブレード（８）のピッチ角とを制御する制御装置（１９、２２）とを具備する。制御装置（１９、２２）は、回転数（ω）が増大して所定の定格回転数に到達するまでの間、所定の電力−回転数曲線に従って出力電力を制御する第１制御を行い、回転数（ω）が定格回転数を超えたとき出力電力を所定の定格電力に制御する第２制御を行い、制御装置（１９、２２）は、一旦、第２制御を行う状態に設定された後で回転数（ω）が定格回転数よりも小さくなったとき、ピッチ角に応答して第２制御を行う状態を維持し、又は第１制御を行う状態に遷移する。ここで、ピッチ角とは、ブレードの翼弦とロータ回転面のなす角度である。即ち、ピッチ角が小さいと、風車ロータ（７）は、より多くのエネルギーを風から取り出し、ピッチ角が大きいと、風車ロータ（７）は、より少ないエネルギーを風から取り出すことになる。 The wind power generation system according to the present invention includes a windmill rotor (7) including a blade (8) having a variable pitch angle, a generator (5) driven by the windmill rotor (7), and the windmill rotor (7) or power generation. And a control device (19, 22) for controlling the output power of the generator (5) and the pitch angle of the blade (8) in response to the rotational speed (ω) of the machine (5). The control device (19, 22) performs the first control for controlling the output power according to a predetermined power-rotation speed curve until the rotation speed (ω) increases and reaches a predetermined rated rotation speed. After the number (ω) exceeds the rated rotational speed, the second control for controlling the output power to the predetermined rated power is performed, and the control devices (19, 22) are once set to the state for performing the second control. When the rotational speed (ω) becomes smaller than the rated rotational speed, the state in which the second control is performed in response to the pitch angle is maintained, or the state is shifted to the state in which the first control is performed. Here, the pitch angle is an angle formed between the blade chord and the rotor rotation surface. That is, when the pitch angle is small, the windmill rotor (7) extracts more energy from the wind, and when the pitch angle is large, the windmill rotor (7) extracts less energy from the wind.

このような構成の風力発電システムでは、短時間だけしか風速が低下していない場合には、風車ロータ（７）の回転エネルギーを利用することによって出力電力の変動を抑制することができる。これは、本発明の風力発電システムでは、前記回転数（ω）が前記定格回転数よりも小さくなった場合に、出力電力がブレード（８）のピッチ角に応じて所定の定格電力に維持されるからである。ブレード（８）のピッチ角から出力電力を所定の定格電力に維持可能な状態であると判断される場合には出力電力を定格電力に維持することにより、風車ロータ（７）の回転エネルギーが有効に取り出され、出力電力の変動と発電効率の低下とを抑制することができる。 In the wind power generation system having such a configuration, when the wind speed is reduced only for a short time, fluctuations in output power can be suppressed by using the rotational energy of the wind turbine rotor (7). This is because in the wind power generation system of the present invention, when the rotational speed (ω) is smaller than the rated rotational speed, the output power is maintained at a predetermined rated power according to the pitch angle of the blade (8). This is because that. When it is determined from the pitch angle of the blade (8) that the output power can be maintained at the predetermined rated power, the rotational energy of the wind turbine rotor (7) is effective by maintaining the output power at the rated power. Thus, fluctuations in output power and reduction in power generation efficiency can be suppressed.

制御装置（１９、２２）は、一旦、第２制御を行う状態に設定された後で回転数（ω）が定格回転数よりも小さくなったとき、ピッチ角が所定のピッチ角よりも大きい場合には前記第２制御を行う状態を維持し、ピッチ角が所定のピッチ角に到達して初めて第１制御を行う状態に遷移することが好ましい。この場合、前記制御装置（１９、２２）は、一旦、前記第２制御を行う状態に設定された後で前記回転数が前記定格回転数よりも小さい所定の閾値回転数よりも小さくなったとき、前記ピッチ角に無関係に前記第１制御を行う状態に遷移することが望ましい。 When the control device (19, 22) is once set to perform the second control and the rotational speed (ω) is smaller than the rated rotational speed, the pitch angle is larger than the predetermined pitch angle. It is preferable that the state in which the second control is performed is maintained, and the transition to the state in which the first control is performed only after the pitch angle reaches a predetermined pitch angle. In this case, when the control device (19, 22) is once set to perform the second control, the rotational speed becomes smaller than a predetermined threshold rotational speed that is smaller than the rated rotational speed. It is desirable that a transition is made to a state in which the first control is performed regardless of the pitch angle.

制御装置（１９、２２）は、風車ロータ（７）又は発電機（５）の回転数（ω）と所定の定格回転数との差、及び出力電力と定格電力との差に応答して前記ピッチ角を制御することが好ましい。 The control device (19, 22) is responsive to the difference between the rotational speed (ω) of the wind turbine rotor (7) or the generator (5) and a predetermined rated rotational speed, and the difference between the output power and the rated power. It is preferable to control the pitch angle.

この場合、制御装置（１９、２２）は、出力電力が定格電力よりも小さい場合、ピッチ角が減少されるようにピッチ角を制御することが好ましい。 In this case, when the output power is smaller than the rated power, the control device (19, 22) preferably controls the pitch angle so that the pitch angle is reduced.

制御装置（１９、２２）は、ガストを検出した場合、前記回転数（ω）に応答して発電機（５）の出力電力を増加させることが好ましい。 When detecting the gust, the control device (19, 22) preferably increases the output power of the generator (5) in response to the rotational speed (ω).

また、当該風力発電システムが、更に、風車ロータ（７）の回転面の向きを旋回させる旋回機構（４）と、風上方向を検出する風向検出器（１０）とを備え、風車ロータ（７）が、ブレード（８）を駆動するピッチ駆動機構（１１、１２）を備えている場合、制御装置（１９、２２）は、ピッチ駆動機構（１１、１２）の故障を検出したとき、風車ロータ（７）の回転面が風上方向から退避されるように旋回機構（４）を制御することが好ましい。 The wind power generation system further includes a turning mechanism (4) for turning the direction of the rotating surface of the windmill rotor (7), and a wind direction detector (10) for detecting the windward direction, and the windmill rotor (7 ) Includes a pitch drive mechanism (11, 12) for driving the blade (8), the control device (19, 22) detects the failure of the pitch drive mechanism (11, 12) and the wind turbine rotor. It is preferable to control the turning mechanism (4) so that the rotating surface of (7) is retracted from the windward direction.

制御装置（１９、２２）は、発電機（５）に接続された電力系統の電圧に応答して発電機（５）から電力系統（１３）に出力される無効電力を制御し、且つ、前記無効電力に応じて前記ピッチ角を制御することが好ましい。 The control device (19, 22) controls the reactive power output from the generator (5) to the power system (13) in response to the voltage of the power system connected to the generator (5), and It is preferable to control the pitch angle according to reactive power.

当該風力発電システムが、更に、非常用バッテリ（２８）と、電力系統（１３）から受け取った電力によって非常用バッテリ（２８）を充電する充電装置（２７）とを具備し、風車ロータ（７）が、ブレード（８）を駆動するピッチ駆動機構（１１、１２）を備え、非常用バッテリ（２８）が、発電機（５）に接続された電力系統（１３）の電圧が低下したときにピッチ駆動機構（１１、１２）と制御装置（１９、２２）に電力を供給する場合、制御装置（１９、２２）は、非常用バッテリ（２８）が充電されている間、出力電力を増加させるように出力電力を制御することが好ましい。 The wind power generation system further includes an emergency battery (28) and a charging device (27) that charges the emergency battery (28) with the electric power received from the power system (13), and the wind turbine rotor (7). Is provided with a pitch drive mechanism (11, 12) for driving the blade (8), and the emergency battery (28) has a pitch when the voltage of the power system (13) connected to the generator (5) decreases. When supplying power to the drive mechanisms (11, 12) and the control devices (19, 22), the control devices (19, 22) increase the output power while the emergency battery (28) is being charged. It is preferable to control the output power.

本発明による風力発電システムの制御方法は、ピッチ角が可変であるブレード（８）を備える風車ロータ（７）と、風車ロータ（７）によって駆動される発電機（５）とを備える風力発電システムの制御方法である。当該制御方法は、風車ロータ（７）又は発電機（５）の回転数（ω）に応答して、発電機（５）の出力電力と前記ブレード（８）のピッチ角とを制御する制御ステップを具備する。前記制御ステップは、
（Ａ）前記回転数（ω）が増大して所定の定格回転数に到達するまでの間、所定の電力−回転数曲線に従って前記出力電力を制御する第１制御が行うステップと、
（Ｂ）前記回転数（ω）が前記定格回転数を超えたとき前記出力電力を所定の定格電力に制御する第２制御を行うステップと、
（Ｃ）一旦、前記第２制御を行う状態に設定された後で前記回転数（ω）が前記定格回転数よりも小さくなったとき、前記ピッチ角に応答して前記第２制御を行う状態を維持し、又は前記第１制御を行う状態に遷移するステップ
とを備える。 A method for controlling a wind power generation system according to the present invention includes a windmill rotor (7) including a blade (8) having a variable pitch angle and a generator (5) driven by the windmill rotor (7). This is a control method. The control method includes a control step of controlling the output power of the generator (5) and the pitch angle of the blade (8) in response to the rotational speed (ω) of the wind turbine rotor (7) or the generator (5). It comprises. The control step includes
(A) performing the first control for controlling the output power according to a predetermined power-rotational speed curve until the rotational speed (ω) increases and reaches a predetermined rated rotational speed;
(B) performing a second control for controlling the output power to a predetermined rated power when the rotational speed (ω) exceeds the rated rotational speed;
(C) The state in which the second control is performed in response to the pitch angle when the rotational speed (ω) is smaller than the rated rotational speed after being set in the state in which the second control is performed. Or transition to a state in which the first control is performed.

本発明により、短いなぎが発生しても出力電力の変動や発電効率の低下が起こりにくい風力発電システムが提供される。 The present invention provides a wind power generation system in which fluctuations in output power and reduction in power generation efficiency are unlikely to occur even when a short gap occurs.

図１は、本発明の一実施形態における風力発電システム１の構成を示す側面図である。風力発電システム１は、タワー２と、タワー２の上端に設けられたナセル３とを備えている。ナセル３は、ヨー方向に旋回可能であり、ナセル旋回機構４によって所望の方向に向けられる。ナセル３には、巻線誘導発電機５とギア６とが搭載されている。巻線誘導発電機５のロータは、ギア６を介して風車ロータ７に接合されている。 FIG. 1 is a side view showing a configuration of a wind power generation system 1 according to an embodiment of the present invention. The wind power generation system 1 includes a tower 2 and a nacelle 3 provided at the upper end of the tower 2. The nacelle 3 can turn in the yaw direction and is directed in a desired direction by the nacelle turning mechanism 4. The nacelle 3 is equipped with a winding induction generator 5 and a gear 6. The rotor of the winding induction generator 5 is joined to the wind turbine rotor 7 via the gear 6.

風車ロータ７は、ブレード８と、ブレード８を支持するハブ９とを備えている。ブレード８は、そのピッチ角が可変であるように設けられている。詳細には、図２に示されているように、ハブ９には、ブレード８を駆動する油圧シリンダ１１と、油圧シリンダ１１に油圧を供給するサーボバルブ１２とが収容されている。サーボバルブ１２の開度によって油圧シリンダ１１に供給される油圧が制御され、これにより、ブレード８が、所望のピッチ角に制御される。 The windmill rotor 7 includes a blade 8 and a hub 9 that supports the blade 8. The blade 8 is provided such that its pitch angle is variable. Specifically, as shown in FIG. 2, the hub 9 accommodates a hydraulic cylinder 11 that drives the blade 8 and a servo valve 12 that supplies hydraulic pressure to the hydraulic cylinder 11. The hydraulic pressure supplied to the hydraulic cylinder 11 is controlled by the opening degree of the servo valve 12, whereby the blade 8 is controlled to a desired pitch angle.

図１に戻り、ナセル３には、更に、風速計１０が設けられている。風速計１０は、風速と風向とを測定する。後述されるように、ナセル３は、風速計１０によって測定された風速と風向に応答して旋回される。 Returning to FIG. 1, the nacelle 3 is further provided with an anemometer 10. The anemometer 10 measures the wind speed and the wind direction. As will be described later, the nacelle 3 is turned in response to the wind speed and the wind direction measured by the anemometer 10.

図３は、風力発電システム１の構成の詳細を示すブロック図である。本実施形態の風力発電システム１は、２重供給可変速風力タービンシステム（doubly-fed variable speed wind turbine system）の一種である。即ち、本実施形態の風力発電システム１は、巻線誘導発電機５が発生する電力がステータ巻線及びロータ巻線の両方から電力系統１３に出力可能であるように構成されている。具体的には、巻線誘導発電機５は、そのステータ巻線が電力系統１３に直接に接続され、ロータ巻線がＡＣ−ＤＣ−ＡＣコンバータ１７を介して電力系統１３に接続されている。 FIG. 3 is a block diagram showing details of the configuration of the wind power generation system 1. The wind power generation system 1 of the present embodiment is a kind of double-feed variable speed wind turbine system. That is, the wind power generation system 1 of the present embodiment is configured such that the electric power generated by the winding induction generator 5 can be output from both the stator winding and the rotor winding to the power system 13. Specifically, the winding induction generator 5 has a stator winding connected directly to the power system 13 and a rotor winding connected to the power system 13 via an AC-DC-AC converter 17.

ＡＣ−ＤＣ−ＡＣコンバータ１７は、能動整流器１４、ＤＣバス１５、及びインバータ１６から構成されており、ロータ巻線から受け取った交流電力を電力系統１３の周波数に適合した交流電力に変換する。能動整流器１４は、ロータ巻線に発生された交流電力を直流電力に変換し、その直流電力をＤＣバス１５に出力する。インバータ１６は、ＤＣバス１５から受け取った直流電力を電力系統１３と同一の周波数の交流電力に変換し、その交流電力を電力系統１３に出力する。巻線誘導発電機５が電力系統１３に出力する出力電力は、能動整流器１４及びインバータ１６によって制御される。 The AC-DC-AC converter 17 includes an active rectifier 14, a DC bus 15, and an inverter 16. The AC-DC-AC converter 17 converts AC power received from the rotor winding into AC power adapted to the frequency of the power system 13. The active rectifier 14 converts AC power generated in the rotor windings into DC power, and outputs the DC power to the DC bus 15. The inverter 16 converts the DC power received from the DC bus 15 into AC power having the same frequency as that of the power system 13 and outputs the AC power to the power system 13. The output power output from the winding induction generator 5 to the power system 13 is controlled by the active rectifier 14 and the inverter 16.

ＡＣ−ＤＣ−ＡＣコンバータ１７は、電力系統１３から受け取った交流電力をロータ巻線の周波数に適合した交流電力に変換する機能も有しており、風力発電システム１の運転の状況によってはロータ巻線を励起するためにも使用される。この場合、インバータ１６は、交流電力を直流電力に変換し、その直流電力をＤＣバス１５に出力する。能動整流器１４は、ＤＣバス１５から受け取った直流電力をロータ巻線の周波数に適合した交流電力に変換し、その交流電力を巻線誘導発電機５のロータ巻線に供給する。 The AC-DC-AC converter 17 also has a function of converting AC power received from the power system 13 into AC power adapted to the frequency of the rotor winding, and depending on the operation status of the wind power generation system 1, the rotor winding may be performed. Also used to excite lines. In this case, the inverter 16 converts AC power into DC power and outputs the DC power to the DC bus 15. The active rectifier 14 converts the DC power received from the DC bus 15 into AC power adapted to the frequency of the rotor winding, and supplies the AC power to the rotor winding of the winding induction generator 5.

風力発電システム１の制御系は、ＰＬＧ（pulse logic generator）１８と、主制御装置１９と、電圧／電流センサ２０と、コンバータ駆動制御装置２１と、ピッチ制御装置２２と、ヨー制御装置２３とで構成されている。 The control system of the wind power generation system 1 includes a PLG (pulse logic generator) 18, a main controller 19, a voltage / current sensor 20, a converter drive controller 21, a pitch controller 22, and a yaw controller 23. It is configured.

ＰＬＧ１８は、巻線誘導発電機５の回転数ω（以下、「発電機回転数ω」という。）を測定する。 The PLG 18 measures the rotational speed ω of the winding induction generator 5 (hereinafter referred to as “generator rotational speed ω”).

主制御装置１９は、ＰＬＧ１８によって測定された発電機回転数ωに応答して有効電力指令Ｐ^＊、無効電力指令Ｑ^＊、及びピッチ指令β^＊を生成し、更に、風速計１０によって測定された風速及び風向に応答してヨー指令を生成する。後に詳細に記述されるように、本実施形態の風力発電システム１の特徴の一つは、有効電力指令Ｐ^＊及びピッチ指令β^＊を生成するための制御アルゴリズムにある。 The main controller 19 generates an active power command P ^* , a reactive power command Q ^* , and a pitch command β ^* in response to the generator rotational speed ω measured by the PLG 18, and further measured by the anemometer 10. A yaw command is generated in response to the wind speed and direction. As will be described in detail later, one of the features of the wind power generation system 1 of the present embodiment is a control algorithm for generating the active power command P ^* and the pitch command β ^* .

電圧／電流センサ２０は、巻線誘導発電機５を電力系統１３に接続する電力線に設けられており、電力系統１３の電圧Ｖ_ｇｒｉｄ（系統電圧）と、巻線誘導発電機５から電力系統１３に出力される出力電流Ｉ_ｇｒｉｄとを測定する。 The voltage / current sensor 20 is provided on a power line connecting the winding induction generator 5 to the power system 13, and the voltage V _grid (system voltage) of the power system 13 and the winding induction generator 5 to the power system 13. The output current _Igrid output to is measured.

コンバータ駆動制御装置２１は、有効電力指令Ｐ^＊、無効電力指令Ｑ^＊に応答して電力系統１３に出力される有効電力Ｐと無効電力Ｑを制御する。能動整流器１４及びインバータ１６のパワートランジスタのオンオフを制御する。具体的には、コンバータ駆動制御装置２１は、電圧／電流センサ２０によって測定された電力系統１３の電圧Ｖ_ｇｒｉｄ及び出力電流Ｉ_ｇｒｉｄから、電力系統１３に出力される有効電力Ｐと無効電力Ｑを算出する。更にコンバータ駆動制御装置２１は、有効電力Ｐと有効電力指令Ｐ^＊との差、及び無効電力Ｑと無効電力指令Ｑ^＊との差に応答してＰＷＭ制御を行ってＰＷＭ信号を生成し、生成されたＰＷＭ信号を能動整流器１４及びインバータ１６に供給する。これにより、電力系統１３に出力される有効電力Ｐと無効電力Ｑが制御される。 Converter drive control device 21 controls active power P and reactive power Q output to power system 13 in response to active power command P ^* and reactive power command Q ^* . The on / off of the power transistors of the active rectifier 14 and the inverter 16 is controlled. Specifically, the converter drive control device 21 calculates the active power P and the reactive power Q output to the power system 13 from the voltage V _grid and the output current I _grid of the power system 13 measured by the voltage / current sensor 20. calculate. Further, converter drive control device 21 performs PWM control in response to the difference between active power P and active power command P ^* and the difference between reactive power Q and reactive power command Q ^* to generate a PWM signal. The PWM signal thus supplied is supplied to the active rectifier 14 and the inverter 16. Thereby, the active power P and the reactive power Q output to the power system 13 are controlled.

ピッチ制御装置２２は、主制御装置１９から送られるピッチ指令β^＊に応答して、ブレード８のピッチ角βを制御する。ブレード８のピッチ角βは、ピッチ指令β^＊に一致するように制御される。 The pitch control device 22 controls the pitch angle β of the blade 8 in response to the pitch command β ^* sent from the main control device 19. The pitch angle β of the blade 8 is controlled so as to coincide with the pitch command β ^* .

ヨー制御装置２３は、主制御装置１９から送られるヨー指令に応答して、ナセル旋回機構４を制御する。ナセル３は、ヨー指令によって指示された方向に向けられる。 The yaw control device 23 controls the nacelle turning mechanism 4 in response to the yaw command sent from the main control device 19. The nacelle 3 is directed in the direction indicated by the yaw command.

電力系統１３と巻線誘導発電機５とを接続する電力線には、ＡＣ／ＤＣコンバータ２４が接続されている。このＡＣ／ＤＣコンバータ２４は、電力系統１３から受け取った交流電力から直流電力を生成し、その直流電力を風力発電システム１の制御系、特に、ブレード８のピッチ角βを制御するために使用されるサーボバルブ１２、主制御装置１９、及びピッチ制御装置２２に供給する。 An AC / DC converter 24 is connected to a power line connecting the power system 13 and the winding induction generator 5. The AC / DC converter 24 generates direct-current power from the alternating-current power received from the power system 13, and is used to control the control system of the wind power generation system 1, particularly the pitch angle β of the blade 8. To the servo valve 12, the main control device 19, and the pitch control device 22.

更に、サーボバルブ１２、主制御装置１９、及びピッチ制御装置２２に安定的に直流電力を供給するために、風力発電システム１には、充電装置２７と非常用バッテリ２８とを備えた無停電電源システム２６が設けられている。風力発電システムの規格の要求により、たとえ系統電圧Ｖ_ｇｒｉｄが低下した場合でも、巻線誘導発電機５が電力系統１３に接続された状態が維持される必要がある。このためには、電力系統１３の電圧が低下した場合でもブレード８のピッチ角が適切に制御され、これにより巻線誘導発電機５の回転数が所望値に維持される必要がある。このような要求を満足するために、系統電圧Ｖ_ｇｒｉｄが所定の電圧まで低下した場合、無停電電源システム２６がスイッチ２５によってサーボバルブ１２、主制御装置１９、及びピッチ制御装置２２に接続され、電力が、非常用バッテリ２８からサーボバルブ１２、主制御装置１９、及びピッチ制御装置２２に供給される。これにより、ブレード８のピッチ角の制御が維持される。非常用バッテリ２８は、充電装置２７に接続されている。充電装置２７は、ＡＣ／ＤＣコンバータ２４から供給される直流電力によって非常用バッテリ２８を充電する。 Further, in order to stably supply DC power to the servo valve 12, the main controller 19, and the pitch controller 22, the wind power generation system 1 includes an uninterruptible power supply including a charging device 27 and an emergency battery 28. A system 26 is provided. Even when the system voltage _Vgrid is reduced due to the requirement of the standard of the wind power generation system, the state where the winding induction generator 5 is connected to the power system 13 needs to be maintained. For this purpose, even when the voltage of the power system 13 is lowered, the pitch angle of the blade 8 is appropriately controlled, and thereby the rotational speed of the winding induction generator 5 needs to be maintained at a desired value. In order to satisfy such a requirement, when the system voltage _Vgrid drops to a predetermined voltage, the uninterruptible power supply system 26 is connected to the servo valve 12, the main controller 19, and the pitch controller 22 by the switch 25, Electric power is supplied from the emergency battery 28 to the servo valve 12, the main controller 19, and the pitch controller 22. Thereby, control of the pitch angle of the blade 8 is maintained. The emergency battery 28 is connected to the charging device 27. The charging device 27 charges the emergency battery 28 with DC power supplied from the AC / DC converter 24.

本実施形態の風力発電システム１の特徴の一つは、巻線誘導発電機５の出力電力Ｐの制御の最適化にある。図４は、有効電力指令Ｐ^＊と巻線誘導発電機５の回転数ωの間の関係を示すグラフであり、本実施形態の風力発電システム１において行われる出力電力Ｐの制御方法を示している。 One of the features of the wind power generation system 1 of the present embodiment is the optimization of the control of the output power P of the winding induction generator 5. FIG. 4 is a graph showing a relationship between the active power command P ^* and the rotational speed ω of the winding induction generator 5, and shows a method for controlling the output power P performed in the wind power generation system 1 of the present embodiment. Yes.

発電機回転数ωが最小回転数ω_ｍｉｎよりも小さい場合、巻線誘導発電機５の有効電力指令Ｐ^＊は、０に制御される。最小回転数ω_ｍｉｎとは、巻線誘導発電機５によって発電が行われる最小の回転数であり、風力発電システム１の特性に応じて決定される。 When the generator speed ω is smaller than the minimum speed ω _min , the active power command P ^* of the winding induction generator 5 is controlled to zero. The minimum rotational speed ω _min is the minimum rotational speed at which power generation is performed by the winding induction generator 5, and is determined according to the characteristics of the wind power generation system 1.

発電機回転数ωが最小回転数ω_ｍｉｎよりも大きい場合には、有効電力指令Ｐ^＊は、２つの制御モード：最適カーブ制御モードと定格値制御モードから選択された一方の制御モードで制御される。 When the generator rotational speed ω is larger than the minimum rotational speed ω _min , the active power command P ^* is controlled in one control mode selected from two control modes: optimal curve control mode and rated value control mode. The

最適カーブ制御モードでは、有効電力指令Ｐ^＊が、下記式：
Ｐ_ｏｐｔ＝Ｋω^３，・・・（１）
で定義される最適化電力値Ｐ_ｏｐｔに一致するように制御される。Ｋは、所定の定数である。風力発電システム１では、出力電力を発電機の回転数の３乗に比例して制御することが最適であることが知られており、第１の制御モードでは、出力電力Ｐが巻線誘導発電機５の発電機回転数ωの３乗に比例するように制御される。 In the optimum curve control mode, the active power command P ^* is expressed by the following formula:
P _opt = Kω ³ , (1)
It is controlled to match the optimized power value P _opt defined in (1). K is a predetermined constant. In the wind power generation system 1, it is known that it is optimal to control the output power in proportion to the cube of the number of revolutions of the generator. In the first control mode, the output power P is the winding induction power generation. Control is performed in proportion to the cube of the generator rotational speed ω of the machine 5.

最適カーブ制御モードは、主として、発電機回転数ωが最小回転数ω_ｍｉｎよりも大きく、定格回転数ω_ｍａｘよりも小さい範囲で使用される。ここで、定格回転数ω_ｍａｘとは、巻線誘導発電機５が定常的に運転される回転数である。発電機回転数ωは、ブレード８のピッチ角の制御により、（それが可能である限り）定格回転数ω_ｍａｘに制御される。 The optimum curve control mode is mainly used in a range where the generator rotational speed ω is larger than the minimum rotational speed ω _{min and} smaller than the rated rotational speed ω _max . Here, the rated rotational speed ω _max is the rotational speed at which the winding induction generator 5 is steadily operated. The generator speed ω is controlled to the rated speed ω _max (as long as it is possible) by controlling the pitch angle of the blade 8.

一方、定格値制御モードでは、出力電力Ｐが定格電力Ｐ_{ｒａｔｅｄ}に一致される。定格値制御モードは、主として、発電機回転数ωが定格回転数ω_ｍａｘ以上の範囲で使用される。定格風速で風が吹いている定常状態では、発電機回転数ωが定格回転数ω_ｍａｘになるように制御される一方、出力電力Ｐは定格電力Ｐ_{ｒａｔｅｄ}になるように制御される。 On the other hand, in the rated value control mode, the output power P is matched with the rated power P _rated . The rated value control mode is mainly used in a range where the generator rotational speed ω is equal to or higher than the rated rotational speed ω _max . In the steady state where the wind is blowing at the rated wind speed, the generator rotational speed ω is controlled to be the rated rotational speed ω _max , while the output power P is controlled to be the rated power P _rated .

本実施形態の風力発電システム１の重要な特性は、定格値制御モードから最適カーブ制御モードへの遷移が、ブレード８のピッチ角βに応じて行われる点にある。発電機回転数ωが増加して定格回転数ω_ｍａｘに到達した場合には、電力制御が最適カーブ制御モードから定格値制御モードに遷移する。その一方で、発電機回転数ωが減少して定格回転数ω_ｍａｘよりも小さくなった場合には、まずピッチ角βが減少され、更にピッチ角βが最小値β_ｍｉｎになって初めて、電力制御が定格値制御モードから最適カーブ制御モードに遷移される。即ち、有効電力指令Ｐ^＊が定格電力Ｐ_{ｒａｔｅｄ}から最適化電力値Ｐ_ｏｐｔに切り換えられる。言い換えれば、ピッチ角βが最小値β_ｍｉｎに到達しない限り（即ち、ピッチ指令β^＊が最小値β_ｍｉｎに到達しない限り）、有効電力指令Ｐ^＊が定格電力Ｐ_{ｒａｔｅｄ}に維持される。ピッチ角βとは、ブレード８の翼弦とロータ回転面のなす角度であるから、ピッチ角βが最小値β_ｍｉｎであるとは、ピッチ角βがファイン側の限界値に設定され、風車ロータ７の出力係数が最大である場合を意味していることに留意されたい。 An important characteristic of the wind power generation system 1 of the present embodiment is that the transition from the rated value control mode to the optimum curve control mode is performed according to the pitch angle β of the blade 8. When the generator rotational speed ω increases and reaches the rated rotational speed ω _max , the power control shifts from the optimal curve control mode to the rated value control mode. On the other hand, when the generator rotational speed ω decreases and becomes smaller than the rated rotational speed ω _max , the pitch angle β is first decreased, and the electric power is not changed until the pitch angle β reaches the minimum value β _min. Control is shifted from the rated value control mode to the optimum curve control mode. That is, the active power command P ^* is switched from the rated power P _rated to the optimized power value P _opt . In other words, as long as the pitch angle β does not reach the minimum value β _min (that is, unless the pitch command β ^* reaches the minimum value β _min ), the active power command P ^* is maintained at the rated power P _rated . Since the pitch angle β is an angle formed between the blade chord of the blade 8 and the rotor rotation surface, the pitch angle β is the minimum value β _min , the pitch angle β is set to the fine side limit value, and the wind turbine rotor Note that this means the case where the power factor of 7 is maximum.

ピッチ角βが最小値β_ｍｉｎに到達するまで出力電力Ｐを定格電力Ｐ_{ｒａｔｅｄ}に維持する制御は、短いなぎが発生した場合における出力電力の変動を抑制し、更に、発電効率の低下を防止するために有利である。上記のような制御では、発電機回転数ωが定格回転数ω_ｍａｘよりも小さくなっても、それが短時間しか継続されなければ有効電力指令Ｐ^＊が定格電力Ｐ_{ｒａｔｅｄ}に維持され、これにより、出力電力Ｐの変動が抑制される。加えて、本実施形態の風力発電システム１では、発電機回転数ωが定格回転数ω_ｍａｘよりも小さくなったときに、ピッチ角βの減少による風車ロータ７の出力係数の増大ができなくなって初めて出力電力Ｐが定格電力Ｐ_{ｒａｔｅｄ}から減少されるため、風車ロータ７の回転エネルギーが有効に活用され、発電効率を有効に向上させることができる。 Control that maintains the output power P at the rated power P _rated until the pitch angle β reaches the minimum value β _min suppresses fluctuations in the output power when a short gap occurs, and further prevents a decrease in power generation efficiency. Is advantageous. In the control as described above, even if the generator rotational speed ω becomes smaller than the rated rotational speed ω _max , the active power command P ^* is maintained at the rated power P _rated unless it continues only for a short time. The fluctuation of the output power P is suppressed. In addition, in the wind power generation system 1 of the present embodiment, when the generator rotational speed ω becomes smaller than the rated rotational speed ω _max , the output coefficient of the wind turbine rotor 7 cannot be increased due to the decrease in the pitch angle β. Since the output power P is reduced from the rated power P _{rated for the} first time, the rotational energy of the wind turbine rotor 7 is effectively utilized, and the power generation efficiency can be improved effectively.

ただし、発電機回転数ωが定格回転数ω_ｍａｘよりも低い所定の閾値回転数ω’_Ｍよりも小さくなった場合には、ピッチ角β（又はピッチ指令β^＊）に無関係に、電力制御が定格値制御モードから最適カーブ制御モードに切り換えられる。発電機回転数ωが過小である場合に出力電力Ｐを定格電力Ｐ_{ｒａｔｅｄ}に維持しようとすることは、制御の安定性を保つために好ましくない。好適には、閾値回転数ω’_Ｍは、下記式：
ω’_Ｍ＝（ω_Ｍ＋ω_ｍａｘ）／２，
によって定められる回転数であることが好ましい。ここで、ω_Ｍは、中間回転数であり、
ω_Ｍ＝（ω_ｍｉｎ＋ω_ｍａｘ）／２，
として定義される。 However, when the generator rotational speed ω becomes smaller than a predetermined threshold rotational speed ω ′ _M lower than the rated rotational speed ω _max , the power control is performed regardless of the pitch angle β (or the pitch command β ^* ). Switch from the rated value control mode to the optimum curve control mode. In order to maintain the stability of control, it is not preferable to maintain the output power P at the rated power P _rated when the generator rotational speed ω is too _small . Preferably, the threshold rotational speed ω ′ _M is given by the following formula:
ω ′ _M = (ω _M + ω _max ) / 2
It is preferable that the rotation speed is determined by Where ω _M is the intermediate rotational speed,
ω _M = (ω _min + ω _max ) / 2
Is defined as

図５は、図４に示されているような制御を実現するための主制御装置１９の構成の例を示すブロック図である。図５は、主制御装置１９の構成の一例を示しているに過ぎず、主制御装置１９はハードウェア、ソフトウェア、及びハードウェアとソフトウェアの組み合わせの何れによって実現されてもよいことに留意されたい。主制御装置１９は、有効電力指令Ｐ^＊及び無効電力指令Ｑ^＊を生成する電力制御部３１と、ピッチ指令β^＊を生成するピッチ制御部３２とを備えている。 FIG. 5 is a block diagram showing an example of the configuration of the main controller 19 for realizing the control as shown in FIG. FIG. 5 only shows an example of the configuration of the main controller 19, and it should be noted that the main controller 19 may be realized by any of hardware, software, and a combination of hardware and software. . The main controller 19 includes a power control unit 31 that generates an active power command P ^* and a reactive power command Q ^*, and a pitch control unit 32 that generates a pitch command β ^* .

電力制御部３１は、選択器３３と、減算器３４と、ＰＩ制御部３５と、パワー制限部３６と、電力設定計算部３７とを備えている。一方、ピッチ制御部３２は、減算器３８と、ＰＩ制御部３９と、減算器４０と、ＰＩ制御部４１と加算器４２を備えている。選択器３３、減算器３４、ＰＩ制御部３５、パワー制限部３６、電力設定計算部３７、減算器３８、ＰＩ制御部３９、減算器４０、ＰＩ制御部４１、及び加算器４２は、主制御装置１９において使用されるクロックに同期してそれぞれに演算ステップを実行し、これにより、有効電力指令Ｐ^＊、無効電力指令Ｑ^＊、及びピッチ指令β^＊が生成される。 The power control unit 31 includes a selector 33, a subtractor 34, a PI control unit 35, a power limiting unit 36, and a power setting calculation unit 37. On the other hand, the pitch control unit 32 includes a subtracter 38, a PI control unit 39, a subtracter 40, a PI control unit 41, and an adder 42. The selector 33, subtractor 34, PI controller 35, power limiter 36, power setting calculator 37, subtractor 38, PI controller 39, subtractor 40, PI controller 41, and adder 42 are the main controls. The calculation steps are executed in synchronization with the clocks used in the device 19, whereby the active power command P ^* , the reactive power command Q ^* , and the pitch command β ^* are generated.

詳細には、選択器３３は、発電機回転数ωに応答して、最小回転数ω_ｍｉｎと定格回転数ω_ｍａｘとのうちの一方を電力制御回転数指令ω_Ｐ ^＊として選択する。より具体的には、選択器３３は、発電機回転数ωが中間回転数ω_Ｍ以下である場合、電力制御回転数指令ω_Ｐ ^＊を最小回転数ω_ｍｉｎに設定し、発電機回転数ωが中間回転数ω_Ｍよりも大きい場合、電力制御回転数指令ω_Ｐ ^＊を定格回転数ω_ｍａｘに設定する。 Specifically, the selector 33 selects one of the minimum speed ω _min and the rated speed ω _max as the power control speed command ω _P ^* in response to the generator speed ω. More specifically, the selector 33 sets the power control rotational speed command ω _P ^* to the minimum rotational speed ω _min when the generator rotational speed ω is equal to or lower than the intermediate rotational speed ω _M , and the generator rotational speed ω. Is greater than the intermediate rotational speed ω _M , the power control rotational speed command ω _P ^* is set to the rated rotational speed ω _max .

減算器３４は、発電機回転数ωから電力制御回転数指令ω_Ｐ ^＊を減じて偏差Δω_Ｐを算出する。 The subtractor 34 calculates the deviation Δω _P by subtracting the power control rotation speed command ω _P ^* from the generator rotation speed ω.

ＰＩ制御部３５は、偏差Δω_Ｐに応答してＰＩ制御を行い、有効電力指令Ｐ^＊を生成する。ただし、生成される有効電力指令Ｐ^＊の範囲は、パワー制限部３６から供給される電力指令下限Ｐ_ｍｉｎと電力指令上限Ｐ_ｍａｘによって制限される。即ち、有効電力指令Ｐ^＊は、電力指令下限Ｐ_ｍｉｎ以上、電力指令下限Ｐ_ｍａｘ以下に制限される。 PI control unit 35 performs PI control in response to the deviation [Delta] [omega _P, generates an active power command ^{P *.} However, the range of the generated active power command P ^* is limited by the power command lower limit P _min and the power command upper limit P _max supplied from the power limiter 36. That is, the active power command P ^* is limited to a power command lower limit P _min or more and a power command lower limit P _max or less.

パワー制限部３６は、発電機回転数ω及びピッチ指令β^＊に応答して、ＰＩ制御部３５に供給される電力指令下限Ｐ_ｍｉｎ及び電力指令下限Ｐ_ｍａｘを決定する。パワー制限部３６は、更に、定格電力Ｐ_{ｒａｔｅｄ}をピッチ制御部３２の減算器４０に供給する。後述されるように、パワー制限部３６によって生成される電力指令下限Ｐ_ｍｉｎ、電力指令下限Ｐ_ｍａｘ、及び上述の選択器３３によって決定される電力制御回転数指令ω_Ｐ ^＊を適切に決定することにより、図４に示されているような電力制御が行われる。 The power limiting unit 36 determines the power command lower limit P _min and the power command lower limit P _max supplied to the PI control unit 35 in response to the generator rotational speed ω and the pitch command β ^* . The power limiting unit 36 further supplies the rated power P _rated to the subtracter 40 of the pitch control unit 32. As will be described later, the power command lower limit P _min generated by the power limiting unit 36, the power command lower limit P _max , and the power control rotation speed command ω _P ^* determined by the selector 33 are appropriately determined. As a result, power control as shown in FIG. 4 is performed.

電力設定計算部３７は、ＰＩ制御部３５によって生成された有効電力指令Ｐ^＊と、風力発電システム１から出力される交流電力の力率を指定する力率指令とから無効電力指令Ｑ^＊を生成し、有効電力指令Ｐ^＊と無効電力指令Ｑ^＊とを出力する。上述されているように、有効電力指令Ｐ^＊と無効電力指令Ｑ^＊は、風力発電システム１から出力される有効電力Ｐ及び無効電力Ｑの制御に使用される。 The power setting calculation unit 37 generates a reactive power command Q ^* from the active power command P ^* generated by the PI control unit 35 and the power factor command specifying the power factor of the AC power output from the wind power generation system 1. The active power command P ^* and the reactive power command Q ^* are output. As described above, the active power command P ^* and the reactive power command Q ^* are used for controlling the active power P and the reactive power Q output from the wind power generation system 1.

一方、ピッチ制御部３２の減算器３８は、発電機回転数ωからピッチ制御回転数指令ω_β ^＊を減じて偏差Δω_βを算出する。ピッチ制御回転数指令ω_β ^＊は、定格回転数ω_ｍａｘに一致しており、従って、偏差Δω_βは、発電機回転数ωと定格回転数ω_ｍａｘとの差を表している。 On the other hand, the subtractor 38 of the pitch control unit 32 calculates the deviation Δω _β by subtracting the pitch control rotational speed command ω _β ^* from the generator rotational speed ω. The pitch control rotational speed command ω _β ^* coincides with the rated rotational speed ω _max , and thus the deviation Δω _β represents the difference between the generator rotational speed ω and the rated rotational speed ω _max .

ＰＩ制御部３９は、偏差Δω_βに応答してＰＩ制御を行い、ピッチ指令基礎値β_ｉｎ ^＊を生成する。ピッチ角指令基礎値β_ｉｎ ^＊は、最終的に生成されるピッチ指令β^＊を主として支配するが、ピッチ指令β^＊に完全に一致するわけではない。ピッチ角指令基礎値β_ｉｎ ^＊は、発電機回転数ωが定格回転数ω_ｍａｘに制御されるように決定される。 The PI control unit 39 performs PI control in response to the deviation Δω _β to generate a pitch command basic value β _in ^* . Pitch angle command baseline value β _in ^* is to dominate the pitch angle command β ^* that is ultimately generated mainly, do not completely match the pitch angle command β ^*. The pitch angle command basic value β _in ^* is determined such that the generator speed ω is controlled to the rated speed ω _max .

減算器４０は、有効電力指令Ｐ^＊から定格電力Ｐ_{ｒａｔｅｄ}を減じて偏差ΔＰを生成し、ＰＩ制御部４１は、偏差ΔＰに応答してＰＩ制御を行い、補正値Δβ^＊を生成する。加算器４２は、ピッチ角指令基礎値β_ｉｎ ^＊と補正値Δβ^＊とを加算してピッチ指令β^＊を生成する。 The subtractor 40 generates a deviation ΔP by subtracting the rated power P _rated from the active power command P ^* , and the PI control unit 41 performs PI control in response to the deviation ΔP to generate a correction value Δβ ^* . Adder 42, to generate the pitch angle command β ^* by adding the correction value Δβ ^* and the pitch angle command baseline value β _in ^*.

ピッチ制御部３２の減算器４０、及びＰＩ制御部４１は、発電機回転数ωが定格回転数ω_ｍａｘまで増加して電力制御が最適カーブ制御モードから定格値制御モードに切り換えられるときに、ピッチ制御部３２が電力制御に不所望に干渉することを抑制する役割を有している。ピッチ制御部３２のＰＩ制御部３９は、発電機回転数ωを定格回転数ω_ｍａｘに調整しようとする。このため、電力として取り出すべき空力エネルギーが不所望に捨てられてしまう場合がある。そこで、本実施形態では、定格電力Ｐ_{ｒａｔｅｄ}と有効電力指令Ｐ^＊との差に応答してＰＩ制御部４１によって補正値Δβ^＊を生成し、この補正値Δβ^＊によってピッチ指令β^＊が補正される。補正値Δβ^＊は、有効電力指令Ｐ^＊が定格電力Ｐ_{ｒａｔｅｄ}よりも小さい場合に、即ち、偏差ΔＰ（＝Ｐ^＊−Ｐ_{ｒａｔｅｄ}）が負であると、ピッチ指令β^＊がピッチ角指令基礎値β_ｉｎ ^＊よりも小さくなるように、即ち、ピッチ角βがよりファイン側になるように決定される。このような制御により、有効電力指令Ｐ^＊が定格電力Ｐ_{ｒａｔｅｄ}に到達する直前では、ピッチ角βがフェザー側になることが抑制される。有効電力指令Ｐ^＊が定格電力Ｐ_{ｒａｔｅｄ}に到達した後は、偏差ΔＰは０となり、補正値Δβ^＊も０となる。 The subtractor 40 and the PI control unit 41 of the pitch control unit 32 increase the pitch when the generator speed ω increases to the rated speed ω _max and the power control is switched from the optimum curve control mode to the rated value control mode. The controller 32 has a role of suppressing undesired interference with power control. The PI control unit 39 of the pitch control unit 32 attempts to adjust the generator speed ω to the rated speed ω _max . For this reason, the aerodynamic energy which should be taken out as electric power may be thrown away undesirably. Therefore, in the present embodiment, the PI control unit 41 generates a correction value Δβ ^* in response to the difference between the rated power P _rated and the active power command P ^*, and the pitch command β ^* is corrected by the correction value Δβ ^* . The Correction value [Delta] [beta] ^*, when the real power command ^{P *} is smaller than the rated power _{P rated,} i.e., the deviation ΔP ⁽⁼ _{P * -P rated)} is negative, the pitch angle command beta ^* the pitch angle command baseline value It is determined so as to be smaller than β _in ^* , that is, the pitch angle β is on the finer side. By such control, the pitch angle β is suppressed from becoming the feather side immediately before the active power command P ^* reaches the rated power P _rated . After the active power command P ^* reaches the rated power P _rated , the deviation ΔP becomes 0 and the correction value Δβ ^* also becomes 0.

図６は、主制御装置１９の電力制御部３１及びピッチ制御部３２の動作を示す表である。以下では、電力制御部３１及びピッチ制御部３２の動作が、以下の５つのケースに分けて説明される。 FIG. 6 is a table showing operations of the power control unit 31 and the pitch control unit 32 of the main control device 19. Below, operation | movement of the electric power control part 31 and the pitch control part 32 is divided into the following five cases, and is demonstrated.

ケース（１）：発電機回転数ωが最小回転数ω_ｍｉｎ以上、中間回転数ω_Ｍ（＝（ω_ｍｉｎ＋ω_ｍａｘ）／２）以下である場合
この場合、電力制御回転数指令ω_Ｐ ^＊は、選択器３３によって最小回転数ω_ｍｉｎに設定され、更に、電力指令下限Ｐ_ｍｉｎ及び電力指令上限Ｐ_ｍａｘが、それぞれ、０、Ｐ_ｏｐｔ（＝Ｋω^３）に設定される。加えて、偏差Δω_Ｐ（＝ω−ω_ｍｉｎ）が正であり、且つ、発電機回転数ωが定格回転数ω_ｍａｘになるように制御されるので、有効電力指令Ｐ^＊は、常に電力指令上限Ｐ_ｍａｘに張り付くことになる。電力指令上限Ｐ_ｍａｘはＰ_ｏｐｔであるので、結果として、有効電力指令Ｐ^＊は、最適化電力値Ｐ_ｏｐｔに設定される。言い換えれば、電力制御は、最適カーブ制御モードに設定される。 Case (1): When the generator rotational speed ω is not less than the minimum rotational speed ω _{min and not} more than the intermediate rotational speed ω _M (= (ω _min + ω _max ) / 2) In this case, the power control rotational speed command ω _P ^* is The selector 33 sets the minimum rotational speed ω _min , and the power command lower limit P _min and the power command upper limit P _max are set to 0 and P _opt (= Kω ³ ), respectively. In addition, since the deviation Δω _P (= ω−ω _min ) is positive and the generator speed ω is controlled to be the rated speed ω _max , the active power command P ^* is always the power command. It sticks to the upper limit _Pmax . Since the power command upper limit P _max is P _opt , as a result, the active power command P ^* is set to the optimized power value P _opt . In other words, the power control is set to the optimum curve control mode.

この場合、ピッチ指令β^＊は、ピッチ制御部３２によって発電機回転数ωが定格回転数ω_ｍａｘになるように制御されるので、結果として、ピッチ指令β^＊は、ファイン側の限界値に、即ち、最小ピッチ角β_ｍｉｎに設定されることになる。 In this case, since the pitch command β ^* is controlled by the pitch control unit 32 so that the generator rotational speed ω becomes the rated rotational speed ω _max , as a result, the pitch command β ^* is set to the limit value on the fine side, That is, the minimum pitch angle β _min is set.

ケース（２）：発電機回転数ωが、中間回転数ω_Ｍを超えることによって、中間回転数ω_Ｍより大きく回転数ω’_Ｍよりも小さい範囲にある場合
この場合、電力制御回転数指令ω_Ｐ ^＊は、選択器３３によって定格回転数ω_ｍａｘに設定され、更に、電力指令下限Ｐ_ｍｉｎ及び電力指令上限Ｐ_ｍａｘが、それぞれ、Ｐ_ｏｐｔ、Ｐ_{ｒａｔｅｄ}に設定される。この場合、偏差Δω_Ｐ（＝ω−ω_ｍａｘ）が負であり、且つ、発電機回転数ωがピッチ制御部３２によって定格回転数ω_ｍａｘになるように制御されるので、有効電力指令Ｐ^＊は、常に電力指令下限Ｐ_ｍｉｎに張り付くことになる。電力指令下限Ｐ_ｍａｘはＰ_ｏｐｔであるので、結果として、有効電力指令Ｐ^＊は、最適化電力値Ｐ_ｏｐｔに設定される。言い換えれば、電力制御は、最適カーブ制御モードに設定される。 Case (2): generator rotational speed omega is by more than an intermediate rotational speed omega _M, in this case when it is in a range smaller than the greater than the intermediate rotational speed omega _M rotational speed omega _'M, the power control rotational speed command omega _P ^* is set to the rated speed ω _max by the selector 33, and the power command lower limit P _min and the power command upper limit P _max are set to P _opt and P _rated , respectively. In this case, since the deviation Δω _P (= ω−ω _max ) is negative and the generator rotational speed ω is controlled by the pitch control unit 32 to be the rated rotational speed ω _max , the active power command P ^* Always sticks to the power command lower limit _Pmin . Since power command lower limit P _max is P _opt , as a result, active power command P ^* is set to optimized power value P _opt . In other words, the power control is set to the optimum curve control mode.

上述された補正値Δβ^＊によるピッチ指令β^＊の補正は、ケース（２）において有効に機能する。ケース（２）では、有効電力指令Ｐ^＊が定格電力Ｐ_{ｒａｔｅｄ}よりも小さいから、偏差ΔＰが負になり、従って、補正値Δβ^＊も負になる。よって、ピッチ指令β^＊がピッチ角指令基礎値β_ｉｎ ^＊よりも小さくなる、即ち、ピッチ角βがよりファイン側になる。これにより、空力エネルギーが、より有効に電力に変換される。 Pitch command beta ^* corrected by the above-correction value [Delta] [beta] ^* functions effectively in the case (2). In case (2), since the active power command P ^* is smaller than the rated power P _rated , the deviation ΔP is negative, and therefore the correction value Δβ ^* is also negative. Therefore, the pitch command β ^* is smaller than the pitch angle command basic value β _in ^* , that is, the pitch angle β is on the finer side. Thereby, aerodynamic energy is more effectively converted into electric power.

ケース（３）：発電機回転数ωが閾値回転数ω’_Ｍ以上で、且つ、ピッチ角βが最小ピッチ角β_ｍｉｎに到達している場合
この場合、電力制御回転数指令ω_Ｐ ^＊が選択器３３によって定格回転数ω_ｍａｘに設定され、電力指令下限Ｐ_ｍｉｎ及び電力指令上限Ｐ_ｍａｘが、それぞれ、Ｐ_ｏｐｔ、定格電力Ｐ_{ｒａｔｅｄ}に設定される。 Case (3): When the generator rotational speed ω is equal to or greater than the threshold rotational speed ω ′ _M and the pitch angle β reaches the minimum pitch angle β _{min In} this case, the power control rotational speed command ω _P ^* is selected The rated speed ω _max is set by the device 33, and the power command lower limit P _min and the power command upper limit P _max are set to P _opt and rated power P _rated , respectively.

発電機回転数ωが閾値回転数ω’_Ｍ以上で、且つ、定格回転数ω_ｍａｘよりも小さい範囲にある場合には、偏差Δω_Ｐ（＝ω−ω_ｍａｘ）が負であり、有効電力指令Ｐ^＊は、常に電力指令下限Ｐ_ｍｉｎに張り付くことになる。電力指令下限Ｐ_ｍａｘはＰ_ｏｐｔであるので、結果として、有効電力指令Ｐ^＊は、最適化電力値Ｐ_ｏｐｔに設定される。 When the generator rotational speed ω is equal to or higher than the threshold rotational speed ω ′ _M and in a range smaller than the rated rotational speed ω _max , the deviation Δω _P (= ω−ω _max ) is negative, and the active power command P ^* always sticks to the power command lower limit _Pmin . Since power command lower limit P _max is P _opt , as a result, active power command P ^* is set to optimized power value P _opt .

発電機回転数ωが定格回転数ω_ｍａｘよりも大きくなると、偏差Δω_Ｐ（＝ω−ω_ｍａｘ）が正であり、有効電力指令Ｐ^＊は、常に電力指令上限Ｐ_ｍａｘに張り付くことになる。従って、有効電力指令Ｐ^＊は、定格電力Ｐ_{ｒａｔｅｄ}に設定される。言い換えれば、電力制御は、定格値制御モードに設定される。 When the generator rotational speed ω becomes larger than the rated rotational speed ω _max , the deviation Δω _P (= ω−ω _max ) is positive, and the active power command P ^* always sticks to the power command upper limit P _max . Therefore, the active power command P ^* is set to the rated power P _rated . In other words, the power control is set to the rated value control mode.

一方、ピッチ指令β^＊は、発電機回転数ωが定格回転数ω’_M以上で、且つ、定格回転数ω_ｍａｘよりも小さい範囲にある場合には、ＰＩ制御によって発電機回転数ωが定格回転数ω_ｍａｘになるように制御されるので、結果として、ピッチ指令β^＊は、ファイン側の限界値に、即ち、最小ピッチ角β_ｍｉｎに設定されることになる。 On the other hand, when the generator rotational speed ω is equal to or higher than the rated rotational speed ω ′ _M and within the range smaller than the rated rotational speed ω _max , the pitch command β ^* is rated by the PI control. Since the rotation speed ω _max is controlled, as a result, the pitch command β ^* is set to the limit value on the fine side, that is, the minimum pitch angle β _min .

発電機回転数ωが定格回転数ω_ｍａｘよりも大きくなり、且つ、有効電力指令Ｐ^＊が、定格電力Ｐ_{ｒａｔｅｄ}に到達していないときには、上述された補正値Δβ^＊によるピッチ指令β^＊の補正が、有効に機能する。有効電力指令Ｐ^＊が定格電力Ｐ_{ｒａｔｅｄ}よりも小さいから、偏差ΔＰが負になり、従って、補正値Δβ^＊も負になる。よって、ピッチ指令β^＊がピッチ角指令基礎値β_ｉｎ ^＊よりも小さくなる、即ち、ピッチ角βがよりファイン側になる。これにより、空力エネルギーが、より有効に電力に変換される。有効電力指令Ｐ^＊が、定格電力Ｐ_{ｒａｔｅｄ}に到達すれば、ＰＩ制御によって発電機回転数ωが定格回転数ω_ｍａｘになるように制御される。 When the generator speed ω is greater than the rated speed ω _max and the active power command P ^* has not reached the rated power P _rated , the pitch command β ^* is corrected by the correction value Δβ ^* described above. Works effectively. Since the active power command P ^* is smaller than the rated power P _rated , the deviation ΔP is negative, and therefore the correction value Δβ ^* is also negative. Therefore, the pitch command β ^* is smaller than the pitch angle command basic value β _in ^* , that is, the pitch angle β is on the finer side. Thereby, aerodynamic energy is more effectively converted into electric power. When the active power command P ^* reaches the rated power P _rated , the generator speed ω is controlled to be the rated speed ω _max by PI control.

ケース（４）：発電機回転数ωが閾値回転数ω’_Ｍ以上で、且つ、ピッチ角βが最小ピッチ角β_ｍｉｎに到達していない場合
この場合、電力制御回転数指令ω_Ｐ ^＊が選択器３３によって定格回転数ω_ｍａｘに設定される。更に、電力指令下限Ｐ_ｍｉｎが、１演算ステップ前の有効電力指令Ｐ^＊と、現演算ステップの電力指令上限Ｐ_ｍａｘとのうちの小さい方に設定され、電力指令上限Ｐ_ｍａｘが定格電力Ｐ_{ｒａｔｅｄ}に設定される。この結果、有効電力指令Ｐ^＊は、定格電力Ｐ_{ｒａｔｅｄ}に設定される。言い換えれば、電力制御は、定格回転数ω_ｍａｘよりも小さなっても定格値制御モードに維持される。ピッチ角βが最小ピッチ角β_ｍｉｎに到達しているか否かは、ピッチ指令β^＊が最小ピッチ角β_ｍｉｎに一致しているか否かに基づいて判断される。 Case (4): When the generator rotational speed ω is equal to or greater than the threshold rotational speed ω ′ _M and the pitch angle β has not reached the minimum pitch angle β _{min In} this case, the power control rotational speed command ω _P ^* is selected The rated speed ω _max is set by the device 33. Additionally, the power command lower limit _{P min} is 1 and calculation steps prior to the real power command ^{P *,} is set to a smaller one of the power command upper limit _{P max} of the current operation step, the power command upper limit _{P max} is the rated power _{P rated} Set to As a result, the active power command P ^* is set to the rated power P _rated . In other words, the power control is maintained in the rated value control mode even if it is smaller than the rated rotational speed ω _max . Whether or not the pitch angle β has reached the minimum pitch angle β _min is determined based on whether or not the pitch command β ^* matches the minimum pitch angle β _min .

一方、ピッチ指令β^＊は、発電機回転数ωが閾値回転数ω’_Ｍ以上で、且つ、定格回転数ω_ｍａｘよりも小さい範囲にある場合には、ＰＩ制御によって発電機回転数ωが定格回転数ω_ｍａｘになるように制御されるので、結果として、ピッチ指令β^＊は、ファイン側の限界値に、即ち、最小ピッチ角β_ｍｉｎに設定されることになる。 On the other hand, when the generator rotational speed ω is equal to or larger than the threshold rotational speed ω ′ _M and smaller than the rated rotational speed ω _max , the pitch command β ^* is set so that the generator rotational speed ω is rated by PI control. Since the rotation speed ω _max is controlled, as a result, the pitch command β ^* is set to the limit value on the fine side, that is, the minimum pitch angle β _min .

ケース（５）：発電機回転数ωが、閾値回転数ω’_Ｍよりも小さくなって、中間回転数ω_Ｍよりも大きい範囲にある場合
この場合、電力制御回転数指令ω_Ｐ ^＊は、選択器３３によって定格回転数ω_ｍａｘに設定され、更に、電力指令下限Ｐ_ｍｉｎ及び電力指令上限Ｐ_ｍａｘが、それぞれ、Ｐ_ｏｐｔ、Ｐ_{ｒａｔｅｄ}に設定される。この場合、偏差Δω_Ｐ（＝ω−ω_ｍａｘ）が負であり、且つ、発電機回転数ωがピッチ制御部３２によって定格回転数ω_ｍａｘになるように制御されるので、有効電力指令Ｐ^＊は、常に電力指令下限Ｐ_ｍｉｎに張り付くことになる。電力指令下限Ｐ_ｍａｘはＰ_ｏｐｔであるので、結果として、有効電力指令Ｐ^＊は、最適化電力値Ｐ_ｏｐｔに設定される。言い換えれば、電力制御は、定格値制御モードから最適カーブ制御モードに設定される。 Case (5): When the generator rotational speed ω is smaller than the threshold rotational speed ω ′ _M and in a range larger than the intermediate rotational speed ω _{M In} this case, the power control rotational speed command ω _P ^* is selected. The rated speed ω _max is set by the device 33, and the power command lower limit P _min and the power command upper limit P _max are set to P _opt and P _rated , respectively. In this case, since the deviation Δω _P (= ω−ω _max ) is negative and the generator rotational speed ω is controlled by the pitch control unit 32 to be the rated rotational speed ω _max , the active power command P ^* Always sticks to the power command lower limit _Pmin . Since power command lower limit P _max is P _opt , as a result, active power command P ^* is set to optimized power value P _opt . In other words, the power control is set from the rated value control mode to the optimum curve control mode.

図７は、本実施形態における風力発電システム１の動作の一例を示すグラフである。風力発電システム１の動作が開始された後、発電機回転数ωが定格回転数ω_ｍａｘに到達するまで、有効電力指令Ｐ^＊は最適化電力値Ｐ_ｏｐｔに設定される（上述のケース（２））。これにより、出力される有効電力Ｐは、発電機回転数ωの増加と共に増加される。発電機回転数ωを定格回転数ω_ｍａｘに到達させるために、ピッチ指令β^＊は最小ピッチ角β_ｍｉｎに設定される。 FIG. 7 is a graph showing an example of the operation of the wind power generation system 1 in the present embodiment. After the operation of the wind power generation system 1 is started, the active power command P ^* is set to the optimized power value P _opt until the generator rotational speed ω reaches the rated rotational speed ω _max (the above-mentioned case (2 )). As a result, the output active power P is increased as the generator rotational speed ω is increased. In order to make the generator rotational speed ω reach the rated rotational speed ω _max , the pitch command β ^* is set to the minimum pitch angle β _min .

発電機回転数ωが定格回転数ω_ｍａｘを超えると、有効電力指令Ｐ^＊は定格電力Ｐｒ_ａｔｅｄに設定される（上述のケース（３））。これにより、出力される有効電力Ｐは、定格電力Ｐｒ_ａｔｅｄに維持される。発電機回転数ωが定格回転数ω_ｍａｘを超えているので、ピッチ指令β^＊が増加し、ピッチ角βがフェザー側に移行する。 When the generator rotational speed ω exceeds the rated rotational speed ω _max , the active power command P ^* is set to the rated power _Private (the above-mentioned case (3)). As a result, the output active power P is maintained at the rated power _Private . Since the generator rotational speed ω exceeds the rated rotational speed ω _max , the pitch command β ^* increases and the pitch angle β shifts to the feather side.

短いなぎが発生すると、発電機回転数ωが急減する。ピッチ制御部３２は、発電機回転数ωを定格回転数ω_ｍａｘに維持しようとして、ピッチ指令β^＊を減少させ、これにより、ピッチ角βを減少させる、即ち、ファイン側に移行させる。有効電力指令Ｐ^＊は、発電機回転数ωが定格回転数ω_ｍａｘよりも小さくなってもピッチ角βが最小ピッチ角β_ｍｉｎに到達しない限り定格電力Ｐ_{ｒａｔｅｄ}に維持される。従って、出力される有効電力Ｐも定格電力Ｐ_{ｒａｔｅｄ}に維持される。 When a short gap occurs, the generator rotational speed ω decreases rapidly. The pitch controller 32 decreases the pitch command β ^* in an attempt to maintain the generator rotational speed ω at the rated rotational speed ω _max , thereby decreasing the pitch angle β, that is, shifting to the fine side. The active power command P ^* is maintained at the rated power P _rated as long as the pitch angle β does not reach the minimum pitch angle β _min even if the generator speed ω is smaller than the rated speed ω _max . Accordingly, the active power P that is output is also maintained at the rated power P _rated .

図７の動作では、ピッチ角βが最小ピッチ角β_ｍｉｎに到達する前に発電機回転数ωが定格回転数ω_ｍａｘに再度に復帰しており、従って、有効電力Ｐは定格電力Ｐ_{ｒａｔｅｄ}に維持される。このように、本実施形態の風力発電システム１では、短いなぎが発生した場合における出力電力の変動が抑制される。更に、本実施形態の風力発電システム１では、発電機回転数ωが定格回転数ω_ｍａｘよりも小さくなったときに、ピッチ角βの減少による風車ロータ７の出力係数の増大ができなくなって初めて出力電力Ｐが定格電力Ｐ_{ｒａｔｅｄ}から減少されるため、風車ロータ７の回転エネルギーが有効に活用され、発電効率を有効に向上させることができる。 In the operation of FIG. 7, the generator rotational speed ω returns to the rated rotational speed ω _max again before the pitch angle β reaches the minimum pitch angle β _min , so that the active power P becomes the rated power P _rated . Maintained. Thus, in the wind power generation system 1 of this embodiment, the fluctuation | variation of output electric power when a short sag occurs is suppressed. Furthermore, in the wind power generation system 1 of the present embodiment, when the generator rotational speed ω becomes smaller than the rated rotational speed ω _max , the output coefficient of the wind turbine rotor 7 cannot be increased due to the decrease in the pitch angle β. Since the output power P is reduced from the rated power P _rated , the rotational energy of the wind turbine rotor 7 is effectively utilized, and the power generation efficiency can be effectively improved.

本実施形態の風力発電システム１は、更に、様々な運転状況に応じた様々な制御方法を実行するように構成されることが好ましい。図８は、様々な運転状況に応じた制御を行う風力発電システム１の好適な構成を示している。 It is preferable that the wind power generation system 1 of the present embodiment is further configured to execute various control methods according to various operation situations. FIG. 8 shows a preferred configuration of the wind power generation system 1 that performs control according to various operating conditions.

第１に、図８の風力発電システム１では、主制御装置１９は、風速計１０によって計測された風速及び風向によってガスト（突風）の発生を検知する。風速及び風向の代わりに、発電機回転数に基づいてガストの発生を検出してもよい。ガストの発生が検知された場合には、風車ロータ７の回転数が過剰に増大しないように、有効電力指令Ｐ^＊が制御される。具体的には、図９に示されているように、風速及び風向によってガストの発生が検知されると（ステップＳ０１）、風車ロータ７の加速度（ロータ加速度）又は風車ロータ７の回転数（ロータ回転数）が監視される。ロータ加速度又はロータ回転数が所定の制限値を超えると（ステップＳ０２）、有効電力指令Ｐ^＊が増大される（ステップＳ０３）。有効電力指令Ｐ^＊が直前まで定格電力Ｐ_{ｒａｔｅｄ}に制御されていた場合には、有効電力指令Ｐ^＊は、定格電力Ｐ_{ｒａｔｅｄ}よりも大きくなるように制御される。これにより、風車ロータ７の回転エネルギーが電気エネルギーに変換されて電力系統１３で消費される。これにより、風車ロータ７が減速される。 First, in the wind power generation system 1 of FIG. 8, the main controller 19 detects the occurrence of gust (gust wind) based on the wind speed and the wind direction measured by the anemometer 10. The occurrence of gust may be detected based on the generator rotational speed instead of the wind speed and the wind direction. When the occurrence of gust is detected, the active power command P ^* is controlled so that the rotation speed of the wind turbine rotor 7 does not increase excessively. Specifically, as shown in FIG. 9, when the occurrence of gust is detected based on the wind speed and direction (step S01), the acceleration of the wind turbine rotor 7 (rotor acceleration) or the rotation speed of the wind turbine rotor 7 (rotor The number of revolutions) is monitored. When the rotor acceleration or the rotor rotational speed exceeds a predetermined limit value (step S02), the active power command P ^* is increased (step S03). When the active power command P ^* has been controlled to the rated power P _rated until immediately before, the active power command P ^* is controlled to be larger than the rated power P _rated . Thereby, the rotational energy of the windmill rotor 7 is converted into electric energy and consumed by the electric power system 13. Thereby, the windmill rotor 7 is decelerated.

また、図８の風力発電システム１は、ブレード８を駆動するピッチ駆動機構に故障が検知された場合には、ナセル旋回機構４によって風車ロータ７の回転面を風上方向から退避させ、これにより、風車ロータ７を停止させるように構成されている。この目的を達成するために、ピッチ制御装置２２が、図２の油圧シリンダ１１及び／又はサーボバルブ１２の故障を検出することができるように構成されている。主制御装置１９は、油圧シリンダ１１及び／又はサーボバルブ１２の故障が検出されると、それに応答してヨー指令を生成する。 Further, when a failure is detected in the pitch drive mechanism that drives the blade 8, the wind power generation system 1 of FIG. 8 causes the nacelle turning mechanism 4 to retract the rotating surface of the windmill rotor 7 from the windward direction, thereby The wind turbine rotor 7 is configured to be stopped. In order to achieve this object, the pitch control device 22 is configured to be able to detect a failure of the hydraulic cylinder 11 and / or the servo valve 12 of FIG. When the failure of the hydraulic cylinder 11 and / or the servo valve 12 is detected, the main controller 19 generates a yaw command in response thereto.

図１０は、風車ロータ７の回転面が風上方向から退避される手順を示している。ピッチ制御装置２２によって油圧シリンダ１１及び／又はサーボバルブ１２の故障が検出されると（ステップＳ０６）ピッチ故障信号が活性化される。主制御装置１９は、ピッチ故障信号の活性化に応答してヨー指令をナセル３のヨー角を制御し、これにより、風車ロータ７の回転面を風上方向から退避させる（ステップＳ０７）。風上方向は、風速計１０によって計測された風向によって判断可能である。風車ロータ７の回転面が風上方向から退避されることによって、風車ロータ７に流入する風の風速が減少され、回転トルクが減少される（ステップＳ０８）。この結果、風車ロータ７が減速されて停止される。 FIG. 10 shows a procedure in which the rotating surface of the windmill rotor 7 is retracted from the windward direction. When a failure of the hydraulic cylinder 11 and / or the servo valve 12 is detected by the pitch control device 22 (step S06), the pitch failure signal is activated. Main controller 19 controls the yaw angle of nacelle 3 in response to the activation of the pitch failure signal, thereby retracting the rotational surface of wind turbine rotor 7 from the windward direction (step S07). The windward direction can be determined by the wind direction measured by the anemometer 10. By retracting the rotating surface of the wind turbine rotor 7 from the windward direction, the wind speed of the wind flowing into the wind turbine rotor 7 is reduced, and the rotational torque is reduced (step S08). As a result, the wind turbine rotor 7 is decelerated and stopped.

加えて、図８の風力発電システム１は、系統電圧Ｖ_ｇｒｉｄの過剰な増加及び減少が発生したときに電力系統１３に供給される無効電力Ｑを制御し、更に、その無効電力Ｑに応じてピッチ制御が行われるように構成されている。図１１は、このような制御の手順を示すフローチャートである。 In addition, the wind power generation system 1 in FIG. 8 controls the reactive power Q supplied to the power system 13 when an excessive increase and decrease in the system voltage _Vgrid occurs, and further, according to the reactive power Q Pitch control is performed. FIG. 11 is a flowchart showing the procedure of such control.

系統電圧Ｖ_ｇｒｉｄが所定の定格電圧Ｖ_{ｒａｔｅｄ}のＸ％を超えた場合（Ｘは、１００よりも大きい所定値）、又は、所定の定格電圧Ｖ_{ｒａｔｅｄ}のＹ％よりも小さくなった場合（Ｙは、１００よりも小さい所定値）（ステップＳ１１）、電力制御部３１に与えられる力率指令が修正される（ステップＳ１２）。修正された力率指令は、電力系統１３の制御システムから与えられることが可能であり、また、主制御装置１９自身が系統電圧Ｖ_ｇｒｉｄに応じて力率指令を修正することも可能である。これにより、系統電圧Ｖ_ｇｒｉｄが所定の定格電圧Ｖ_{ｒａｔｅｄ}のＸ％を超えた場合には無効電力指令Ｑ^＊が減少され、系統電圧Ｖ_ｇｒｉｄが所定の定格電圧Ｖ_{ｒａｔｅｄ}のＹ％を超えた場合には無効電力指令Ｑ^＊が増加される。風力発電システム１から電力系統１３に供給される皮相電力Ｓは一定であるから、無効電力指令Ｑ^＊が減少されるときには有効電力指令Ｐ^＊が増加され、無効電力指令Ｑ^＊が増加されるときには有効電力指令Ｐ^＊が減少されることになる。ＡＣ−ＤＣ−ＡＣコンバータ１７が有効電力指令Ｐ^＊及び無効電力指令Ｑ^＊に応答して制御されることにより、電力系統１３に供給される無効電力Ｑが制御される（ステップＳ１３）。 If grid voltage _{V grid} exceeds X% of the predetermined rated voltage _{V rated} (X is a predetermined value greater than 100), or when it becomes smaller than Y% of the predetermined rated voltage _{V rated} (Y is , A predetermined value smaller than 100) (step S11), the power factor command given to the power control unit 31 is corrected (step S12). The corrected power factor command can be given from the control system of the power system 13, and the main control device 19 itself can also correct the power factor command according to the system voltage _Vgrid . Thus, the reactive power command ^{Q *} is reduced when the grid voltage _{V grid} exceeds X% of the predetermined rated voltage _{V rated,} if grid voltage _{V grid} exceeds Y% of the predetermined rated voltage _{V rated} Is increased by the reactive power command Q ^* . Since the apparent power S supplied from the wind power generation system 1 to the power system 13 is constant, the active power command P ^* is increased when the reactive power command Q ^* is decreased, and when the reactive power command Q ^* is increased. The active power command P ^* is reduced. As the AC-DC-AC converter 17 is controlled in response to the active power command P ^* and the reactive power command Q ^* , the reactive power Q supplied to the power system 13 is controlled (step S13).

無効電力指令Ｑ^＊が大きく増大された場合には、有効電力指令Ｐ^＊が減少されることになり、これは、風力発電システム１の出力を低下させる。このような不都合を回避するために、無効電力指令Ｑ^＊の増大が所定の増加量よりも大きい場合には、ピッチ指令β^＊を減少させることにより（即ち、ピッチ指令β^＊がファイン側に移行されることにより）、有効電力Ｐが増大される（ステップＳ１５）。 When the reactive power command Q ^* is greatly increased, the active power command P ^* is decreased, and this decreases the output of the wind power generation system 1. In order to avoid such an inconvenience, when the increase in the reactive power command Q ^* is larger than the predetermined increase amount, the pitch command β ^* is decreased (that is, the pitch command β ^* shifts to the fine side). As a result, the active power P is increased (step S15).

無効電力指令Ｑ^＊が大きく減少された場合には、有効電力指令Ｐ^＊が増加されることになり、これは、風力発電システム１の出力を不必要に増加させる。このような不都合を回避するために、無効電力指令Ｑ^＊の減少が所定の減少量よりも大きい場合には、ピッチ指令β^＊を増加せることにより（即ち、ピッチ指令β^＊がフェザー側に移行されることにより）、有効電力Ｐが減少される。 When the reactive power command Q ^* is greatly reduced, the active power command P ^* is increased, which unnecessarily increases the output of the wind power generation system 1. In order to avoid such an inconvenience, when the reduction of the reactive power command Q ^* is larger than the predetermined reduction amount, the pitch command β ^* is increased (that is, the pitch command β ^* shifts to the feather side). The active power P is reduced.

更に、図８の風力発電システム１は、非常用バッテリ２８が充電される間、出力する有効電力Ｐを増大するように構成されている。これは、非常用バッテリ２８の充電に使用される電力の分を補償するためである。具体的には、図１２に示されているように、充電装置２７が非常用バッテリ２８の充電を開始すると（ステップＳ２１）、充電装置２７は、充電開始信号を活性化する。主制御装置１９は、充電開始信号の活性化に応答して、有効電力指令Ｐ^＊を増加させる（ステップＳ２２）。有効電力指令Ｐ^＊の増加量は、非常用バッテリ２８の充電に使用される電力の量と同じに設定される。充電が行われない場合には、ＰＩ制御部３５によって生成された有効電力指令Ｐ^＊がＡＣ−ＤＣ−ＡＣコンバータ１７の制御に使用される。 Further, the wind power generation system 1 of FIG. 8 is configured to increase the effective power P to be output while the emergency battery 28 is charged. This is to compensate for the amount of power used to charge the emergency battery 28. Specifically, as shown in FIG. 12, when the charging device 27 starts charging the emergency battery 28 (step S21), the charging device 27 activates a charging start signal. Main controller 19 increases active power command P ^* in response to the activation of the charge start signal (step S22). The increase amount of the active power command P ^* is set to be the same as the amount of power used for charging the emergency battery 28. When charging is not performed, the active power command P ^* generated by the PI control unit 35 is used to control the AC-DC-AC converter 17.

なお、本発明は、上述されている実施形態に限定されて解釈されてはならない。例えば、本実施形態の風力発電システム１は、２重供給可変速風力タービンシステムであるが、本発明は、風車ロータの回転数及びピッチ角の両方が可変である他の形式の風力発電システムにも適用可能である。例えば、本発明は、発電機によって発電された交流電力の全てが、ＡＣ−ＤＣ−ＡＣコンバータによって電力系統の周波数に合わせた交流電力に変換されるような風力発電システムに適用可能である。 The present invention should not be construed as being limited to the embodiment described above. For example, although the wind power generation system 1 of the present embodiment is a double supply variable speed wind turbine system, the present invention is applied to another type of wind power generation system in which both the rotation speed and the pitch angle of the windmill rotor are variable. Is also applicable. For example, the present invention is applicable to a wind power generation system in which all of AC power generated by a generator is converted into AC power that matches the frequency of the power system by an AC-DC-AC converter.

また、非常用バッテリ２８の充電は、電力系統から受け取った電力ではなく、発電機から出力される電力によって行われることも可能である。 The emergency battery 28 can be charged not by the power received from the power system but by the power output from the generator.

更に、風車ロータ７の回転数は、発電機回転数ωに依存しているから、発電機回転数ωの代わりに風車ロータ７の回転数を使用してもよいことは、当業者には自明的である。例えば、本実施形態のように、風車ロータ７がギア６を介して巻線誘導発電機５に接続される場合には、風車ロータ７の回転数は、発電機回転数ωに一対一に対応している。また、ギア６の代わりにトロイダル変速機のような無段階変速機が使用される場合でも、発電機回転数ωが風車ロータ７の回転数の増大に伴って増大されるから、発電機回転数ωの代わりに風車ロータ７の回転数を使用することができる。 Furthermore, since the rotational speed of the wind turbine rotor 7 depends on the generator rotational speed ω, it is obvious to those skilled in the art that the rotational speed of the wind turbine rotor 7 may be used instead of the generator rotational speed ω. Is. For example, when the wind turbine rotor 7 is connected to the winding induction generator 5 via the gear 6 as in this embodiment, the rotational speed of the wind turbine rotor 7 corresponds to the generator rotational speed ω on a one-to-one basis. is doing. Even when a continuously variable transmission such as a toroidal transmission is used instead of the gear 6, the generator rotational speed ω is increased with the increase in the rotational speed of the wind turbine rotor 7, so that the generator rotational speed is increased. The rotational speed of the wind turbine rotor 7 can be used instead of ω.

図１は、本発明の一実施形態における風力発電システムの構成を示す側面図である。FIG. 1 is a side view showing a configuration of a wind power generation system according to an embodiment of the present invention. 図２は、本実施形態の風力発電システムのピッチ駆動機構の構成を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the pitch drive mechanism of the wind power generation system of the present embodiment. 図３は、本実施形態の風力発電システムの構成を示すブロック図である。FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the wind power generation system of the present embodiment. 図４は、本実施形態の風力発電システムにおいて行われる電力制御の方法を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing a method of power control performed in the wind power generation system of the present embodiment. 図５は、本実施形態の風力発電システムの主制御装置の構成の一例を示すブロック図である。FIG. 5 is a block diagram showing an example of the configuration of the main control device of the wind power generation system of the present embodiment. 図６は、本実施形態の風力発電システムの電力制御部及びピッチ制御部の動作を説明する表である。FIG. 6 is a table for explaining operations of the power control unit and the pitch control unit of the wind power generation system according to the present embodiment. 図７は、本実施形態の風力発電システムの動作の一例を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing an example of the operation of the wind power generation system of the present embodiment. 図８は、本実施形態の風力発電システムの他の構成を示すブロック図である。FIG. 8 is a block diagram showing another configuration of the wind power generation system of the present embodiment. 図９は、本実施形態の風力発電システムで行われる好適な制御のフローチャートである。FIG. 9 is a flowchart of suitable control performed in the wind power generation system of the present embodiment. 図１０は、本実施形態の風力発電システムで行われる他の好適な制御のフローチャートである。FIG. 10 is a flowchart of another suitable control performed in the wind power generation system of the present embodiment. 図１１は、本実施形態の風力発電システムで行われる更に他の好適な制御のフローチャートである。FIG. 11 is a flowchart of still another suitable control performed in the wind power generation system of the present embodiment. 図１２は、本実施形態の風力発電システムで行われる更に他の好適な制御のフローチャートである。FIG. 12 is a flowchart of still another suitable control performed in the wind power generation system of the present embodiment.

Explanation of symbols

１：風力発電システム
２：タワー
３：ナセル
４：ナセル旋回機構
５：巻線誘導発電機
６：ギア
７：風車ロータ
８：ブレード
９：ハブ
１０：風速計
１１：油圧シリンダ
１２：サーボバルブ
１３：電力系統
１４：能動整流器
１５：ＤＣバス
１６：インバータ
１７：ＡＣ−ＤＣ−ＡＣコンバータ
１８：ＰＬＧ
１９：主制御装置
２０：電圧／電流センサ
２１：コンバータ駆動制御装置
２２：ピッチ制御装置
２３：ヨー制御装置
２４：ＡＣ／ＤＣコンバータ
２５：スイッチ
２６：無停電電源システム
２７：充電装置
２８：非常用バッテリ
３１：電力制御部
３２：ピッチ制御部
３３：選択器
３４：減算器
３５：ＰＩ制御部
３６：パワー制限部
３７：電力設定計算部
３８：減算器
３９：ＰＩ制御部
４０：減算器
４１：ＰＩ制御部
４２：加算器 1: Wind power generation system 2: Tower 3: Nacelle 4: Nacelle turning mechanism 5: Winding induction generator 6: Gear 7: Windmill rotor 8: Blade 9: Hub 10: Anemometer 11: Hydraulic cylinder 12: Servo valve 13: Power system 14: Active rectifier 15: DC bus 16: Inverter 17: AC-DC-AC converter 18: PLG
19: Main control device 20: Voltage / current sensor 21: Converter drive control device 22: Pitch control device 23: Yaw control device 24: AC / DC converter 25: Switch 26: Uninterruptible power supply system 27: Charging device 28: Emergency Battery 31: Power controller 32: Pitch controller 33: Selector 34: Subtractor 35: PI controller 36: Power limiter 37: Power setting calculator 38: Subtractor 39: PI controller 40: Subtractor 41: PI control unit 42: adder

Claims

A windmill rotor having blades with variable pitch angles;
A generator driven by the wind turbine rotor;
A controller for controlling the output power of the generator and the pitch angle of the blade in response to the rotational speed of the wind turbine rotor or the generator;
The control device performs first control for controlling the output power according to a predetermined power-rotational speed curve until the rotational speed increases and reaches a predetermined rated rotational speed, and the rotational speed is the rated power Performing a second control for controlling the output power to a predetermined rated power when the rotational speed is exceeded,
The control device is configured such that, after the rotational speed becomes smaller than the rated rotational speed after being set to perform the second control, the rotational speed is smaller than the rated rotational speed. When the pitch angle is larger than the predetermined threshold rotation number, the second control state is maintained when the pitch angle is larger than the predetermined pitch angle, and the pitch angle is the predetermined angle. Transition to the state of performing the first control only after reaching the pitch angle,
The control device, once set to the state to perform the second control, after the rotational speed becomes smaller than the rated rotational speed, when the rotational speed becomes smaller than the threshold rotational speed, Transition to the state of performing the first control regardless of the pitch angle,
The threshold rotational speed is set between an intermediate rotational speed that is a half of a sum of a minimum rotational speed that is the minimum rotational speed that is generated by the generator and the rated rotational speed, and the rated rotational speed. wind power generation system that is.

The wind power generation system according to claim 1,
The control device controls the pitch angle in response to a difference between the rotation speed and a predetermined rated rotation speed and a difference between the output power and the rated power.

The wind power generation system according to claim 2 ,
The said control apparatus is a wind power generation system which controls the said pitch angle so that the said pitch angle may be reduced when the said output electric power is smaller than the said rated power.

The wind power generation system according to claim 1,
The said control apparatus increases the output electric power of the said generator in response to the said rotation speed, when a gust is detected. Wind power generation system.

The wind power generation system according to claim 1,
Furthermore,
A turning mechanism for turning the direction of the rotating surface of the windmill rotor;
A wind direction detector that detects the windward direction,
The windmill rotor includes a pitch drive mechanism that drives the blade,
The said control apparatus controls the said turning mechanism so that the rotating surface of the said windmill rotor may evacuate from the said windward direction, when the failure of the said pitch drive mechanism is detected. Wind power generation system.

The wind power generation system according to claim 1,
The control device controls reactive power output from the generator to the power system in response to a voltage of a power system connected to the generator, and controls the pitch angle according to the reactive power. Wind power generation system.

The wind power generation system according to claim 1,
Furthermore,
An emergency battery,
A charging device for charging the emergency battery with the power received from the power system;
The windmill rotor includes a pitch drive mechanism that drives the blade,
The emergency battery supplies power to the pitch drive mechanism and the control device when the voltage of the power system connected to the generator drops,
The control device controls the output power so as to increase the output power while the emergency battery is being charged.

A windmill rotor having blades with variable pitch angles;
A method for controlling a wind power generation system comprising a generator driven by the wind turbine rotor,
In response to the rotational speed of the wind turbine rotor or the generator, the control step of controlling the output power of the generator and the pitch angle of the blade,
The control step includes
(A) performing the first control for controlling the output power according to a predetermined power-rotational speed curve until the rotational speed increases and reaches a predetermined rated rotational speed;
(B) performing a second control for controlling the output power to a predetermined rated power when the rotational speed exceeds the rated rotational speed;
(C) After the rotational speed becomes smaller than the rated rotational speed after being set to the state in which the second control is performed , the rotational speed is smaller than the rated rotational speed and larger than the rated rotational speed. When the pitch angle is larger than the predetermined threshold rotation number, the second control state is maintained when the pitch angle is larger than the predetermined pitch angle, and the pitch angle is the predetermined pitch angle. Transition to a state in which the first control is performed only after reaching
(D) After the control device is once set to perform the second control, the rotational speed becomes smaller than the threshold rotational speed after the rotational speed becomes smaller than the rated rotational speed. A transition to a state in which the first control is performed regardless of the pitch angle, and
The threshold rotational speed is set between an intermediate rotational speed that is a half of a sum of a minimum rotational speed that is the minimum rotational speed that is generated by the generator and the rated rotational speed, and the rated rotational speed. control method of a wind power generation system is.