專利名稱：：可變速風力發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種發(fā)電機的轉速可變的風力發(fā)電系統(tǒng)。
背景技術：
：風力發(fā)電裝置利用旋轉翼接收風能，并轉換成旋轉能，使發(fā)電機的轉子產生旋轉轉矩。此時，通過使轉子(或定子、或者是這雙方)產生磁場，從利用風而產生轉矩中獲取電力。該獲取的電力通過電線被提供給電力系統(tǒng)或負載。由于風力發(fā)電系統(tǒng)使用風能，所以存在著其發(fā)電電力不穩(wěn)定，會使所連接的電力系統(tǒng)的電壓發(fā)生變動的問題。公知有一種在風力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電控制中使用轉矩控制，作為抑制電壓變動的對策而進行力率控制的風力發(fā)電系統(tǒng)。[專利文獻1]專利第3435474號由于風力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電電力因風而變動，所以，存在著有可能引起電力系統(tǒng)的電壓變動的問題。在上述專利文獻1中，對發(fā)電系統(tǒng)進行轉矩控制，隨著轉速的變化，使發(fā)電的有效電力變化。另外，在力率控制中，有可能在發(fā)電電力小時無效電力的輸出變小，由此不能為了控制電壓變動而獲得充分的無效電力量的輸出。
發(fā)明內容為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種可變速風力發(fā)電系統(tǒng)，包括在可旋轉的軸上至少安裝有1片旋轉翼的風車；具有與該風車的軸一同旋轉的轉子的發(fā)電機；具有用于控制該發(fā)電機的電力的有源開關的電力轉換器；和按照旋轉翼角度指令值變更上述旋轉翼的角度的旋轉翼角度變更裝置，其中，具有發(fā)電電力指令裝置，其根據(jù)上述風車的風車狀態(tài)量，生成發(fā)電電力指令值；和發(fā)電機控制裝置，其為了控制上述有源開關而控制上述電力轉換器；上述發(fā)電電力指令裝置具有根據(jù)當前的風速決定旋轉翼角度，并根據(jù)該決定的旋轉翼角度來決定發(fā)電電力指令值的裝置，上述發(fā)電機控制裝置具有為了根據(jù)上述發(fā)電電力指令值變更發(fā)電電力量而控制有源開關，來調整發(fā)電機的發(fā)電電力的裝置。另外，為了解決上述的問題，本發(fā)明提供一種可變速風力發(fā)電系統(tǒng)，包括在可旋轉的軸上至少安裝有1片旋轉翼的風車；具有與該風車的軸一同旋轉的轉子的發(fā)電機；具有用于控制該發(fā)電機的電力的有源開關的電力轉換器；和按照旋轉翼角度指令值變更上述旋轉翼的角度的旋轉翼角度變更裝置，其中，具有發(fā)電電力指令裝置，其根據(jù)風車狀態(tài)量生成發(fā)電電力指令信號；和發(fā)電機控制器裝置，其為了控制上述有源開關而控制上述電力轉換器；上述發(fā)電電力指令裝置具有根據(jù)風速求出發(fā)電電力指令值和轉速指令值的裝置；和根據(jù)轉速指令值與轉速檢測值的轉速偏差變更旋轉翼角度指令值的裝置，發(fā)電機控制裝置具有為了根據(jù)發(fā)電電力指令值變更發(fā)電電力量而控制有源開關，來調整發(fā)電機的發(fā)電電力的裝置。而且，為了解決上述的問題，本發(fā)明提供一種可變速風力發(fā)電系統(tǒng)，包括在可旋轉的軸上至少安裝有1片旋轉翼的風車；具有與該風車的軸一同旋轉的轉子的發(fā)電機；包括用于控制該發(fā)電機的電力的有源開關的電力轉換器；和按照旋轉翼角度指令值變更上述旋轉翼的角度的旋轉翼角度變更裝置，其中，具有發(fā)電電力指令裝置，其根據(jù)上述風車的風車狀態(tài)量生成發(fā)電電力指令值；和發(fā)電機控制器裝置，其為了控制有源開關而控制上述電力轉換器；上述發(fā)電電力指令裝置具有根據(jù)風速求出旋轉翼角度指令值和轉速指令值的裝置；和根據(jù)轉速指令值與轉速檢測值的轉速偏差變更上述發(fā)電電力指令值的裝置，上述發(fā)電機控制裝置具有為了根據(jù)發(fā)電電力指令值變更發(fā)電電力量而控制有源開關，來調整發(fā)電機的發(fā)電電力的裝置。并且，為了解決上述的問題，本發(fā)明提供一種可變速風力發(fā)電系統(tǒng)，包括在可旋轉的軸上至少安裝有1片旋轉翼的風車；具有與該風車的軸一同旋轉的轉子的發(fā)電機；包括用于控制該發(fā)電機的電力的有源開關的電力轉換器；和按照旋轉翼角度指令值變更上述旋轉翼的角度的旋轉翼角度變更裝置，能夠根據(jù)無效電力指令值與有效電力獨立地輸出無效電力。根據(jù)本發(fā)明的可變速風力發(fā)電系統(tǒng)，由于相比以往的轉矩控制方式，能夠減小向系統(tǒng)輸出的發(fā)電電力的變動，所以能夠減小對系統(tǒng)的電壓變動的影響。另外，根據(jù)本發(fā)明的可變速風力發(fā)電系統(tǒng)，通過具備無效電力控制裝置，能夠獨立于發(fā)電有效電力量來決定無效電力量，即使在發(fā)電電力小時也能夠輸出大的無效電力，從而可實現(xiàn)與系統(tǒng)條件對應的無效電力輸出。圖1是表示電力系統(tǒng)和風力發(fā)電裝置的電路結構的說明圖。圖2是表示風力發(fā)電裝置的結構的說明圖。圖3是表示轉換器控制的結構的說明圖。圖4是表示風車控制的結構的說明圖。圖5是發(fā)電機輸出特性相對轉速的說明圖。圖6是表示風車的效率的說明圖。圖7是表示風車控制的其他實施例的結構的說明圖。圖8是基于圖7所示的風車控制的系統(tǒng)動作的說明圖。圖9是表示風車控制的其他實施例的結構的說明圖。圖10是基于圖9所示的風車控制的系統(tǒng)動作的說明圖。圖11是表示其他實施例的風力發(fā)電裝置的結構的說明圖。圖12是表示風力發(fā)電裝置的結構的說明圖。圖13是表示轉換器控制的結構的說明圖。圖14是減少電力指令值的電路的說明圖。圖15是相對風速的傾(pitch)角指令值的說明曲線圖。圖16是轉速指令值相對圓周速度比、風速的說明曲線圖。圖17是表示風車控制的其他實施例的結構的說明圖。圖中101-電力系統(tǒng)；104-風力發(fā)電裝置；104-01-發(fā)電機；104-02-旋轉翼；104-03-風車控制裝置；104-04-轉換器；104-05-控制裝置；104-06-斷路器；104-07-變壓器；；Qref-無效電力指令值；Pref-有效電力指令值；Run-運轉/停止指令值；Pchref-傾角指令值；PTL-電壓檢測器；VL-系統(tǒng)電壓檢測值；APR-有效電力調整器；AQR、AQR2-無效電力調整器；604-01-同步發(fā)電機。具體實施例方式采用將通過有效電力控制來輸出發(fā)電電力的控制裝置設置在風力發(fā)電系統(tǒng)中的方法來實現(xiàn)。采用將接受無效電力指令、控制無效電力的控制裝置，設置在風力發(fā)電系統(tǒng)中的方法，實現(xiàn)了在系統(tǒng)中對必要的無效電力進行補償?shù)哪康摹實施例1]圖1是表示本發(fā)明一個實施例的裝置結構的單線連接圖。首先，對用于輸送電力的電力系統(tǒng)的結構進行說明。在電力系統(tǒng)的發(fā)電設備101容量大的情況下，可單純地認為是電源。來自電力系統(tǒng)的發(fā)電設備101的電力，使用輸送電線被輸送到家庭、樓房以及工廠等。風力發(fā)電裝置104通過用于與電力系統(tǒng)連接的變壓器104-07，與上述送電線路連接。風力發(fā)電裝置104主要由繞組型感應式發(fā)電機104-01、旋轉翼104-02、風車控制裝置104-03、轉換器(勵磁裝置)104-04、和轉換器控制裝置104-05構成。旋轉翼104-02被以機械方式(使用齒輪等)連接在發(fā)電機104-01的轉子上，發(fā)電機104-01的轉子繞組與轉換器104-04電連接，而且，發(fā)電機104-01的定子通過斷路器104-06和連接用的變壓器104-07等，與電力系統(tǒng)電連接(關于詳細結構將在圖2中進行說明)。風車控制裝置104-03被輸入風速檢測值U、無效電力指令值Qref、和轉速檢測值。另外，風車控制裝置104-03具有下述功能通過向旋轉翼104-02輸出傾角指令值Pchref來控制旋轉翼角度、進行有效電力指令值Pref的運算以及向轉換器控制裝置104-05輸出有效電力指令值Pref，并且接收無效電力指令值Qref，將接收的無效電力指令值Qref傳送給轉換器控制裝置104-05。上述無效電力指令值Qref和上述有效電力指令值Pref等各種指令值被發(fā)送給轉換器控制裝置104-05。轉換器控制裝置104-05按照指令值控制轉換器104-04，并控制發(fā)電機104-01的電力、和向系統(tǒng)輸出的電力(有效電力、無效電力)。下面，結合圖2對風力發(fā)電裝置104進行詳細說明。圖2表示作為發(fā)電機104-01而使用了交流勵磁型同步發(fā)電機的結構。發(fā)電機104-01的定子側的3相輸出被連接在能夠根據(jù)外部信號sg1進行開閉的例如電磁接觸器301的次極側。另外，電磁接觸器301的初極側與電磁接觸器302的初極側連接。電磁接觸器302的次極側通過由電容器Cn和電抗器Ln構成的交流濾波電路，與轉換器CNV連接。轉換器CNV的直流電路303與轉換器INV的直流電路部連接，上述轉換器INV的交流輸出通過由電抗器Lr和電容器Cr構成的交流濾波電路，與發(fā)電機104-01的轉子繞組電連接。另外，電磁接觸器301的初極側還通過斷路器104-06和變壓器104-07，與電力系統(tǒng)101連接。上述斷路器104-06具有將風力發(fā)電裝置104在電氣上從系統(tǒng)中分離的功能。發(fā)電機側轉換器INV和系統(tǒng)側轉換器CNV作為有源開關，例如使用半導體開關元件(晶閘管、GTO、IGBT、MOS、SiC等)構成，分別具有將直流轉換成交流、或將交流轉換成直流的功能。另外，設置于上述系統(tǒng)側轉換器CNV的交流輸出端子的、由電抗器Ln和電容器Cn構成的交流濾波電路，具有使高頻電流和高頻電壓衰減的功能。發(fā)電機104-01的轉子通過齒輪等與風力發(fā)電用的旋轉翼連接，接受風力進行旋轉。而且，轉子與檢測旋轉速度的例如由編碼器構成的速度檢測器連接，向轉換器控制裝置104-05和風車控制裝置104-03輸出速度檢測值ω。而且，與轉子連接的旋轉翼104-02按照傾斜角度指令值Pchref變更旋轉的角度。在將風的入射方向定義為0度時，如果增大旋轉翼角度，則接受風的面積增加。下面，對用于控制發(fā)電電力的布線和裝置進行說明。斷路器104-06的次極側的三相電壓以及三相電流分別由電壓傳感器PTs、電流傳感器CTs將其值轉換成低電壓的電壓檢測信號Vs、和低電壓的電流檢測信號Is，上述低電壓的信號Vs和Is被輸入到轉換器控制裝置104-05。另外，電磁接觸器301的次極側(電磁接觸器301與發(fā)電機104-01的定子之間)的電壓，由電壓傳感器PTg將其值轉換成低電壓的電壓信號Vg，并輸入到轉換器控制裝置104-05。與轉換器INV和轉換器CNV的直流電路303連接的電容器Cd的電壓，由電壓傳感器轉換成低電壓的直流電壓信號Edc，直流電壓信號Edc被輸入到轉換器控制裝置104-05。另外，轉換器INV的輸出電流Ir(發(fā)電機104-01的次極側電流)被電流傳感器CTr檢測出，而且，轉換器CNV的輸出電流In被電流傳感器CTn檢測出，電流檢測值Ir和電流檢測值In被傳送到轉換器控制裝置104-05。風車控制器104-03具有以下等功能向控制裝置104-05發(fā)送有效電力指令值Pref、無效電力指令值Qref等各種指令值，或輸入風速U和轉速ω計算有效電力指令值Pref，或者傳送無效電力指令值Qref，計算傾角(旋轉翼的角度)指令值Pchref，并發(fā)送給旋轉翼104-02。轉換器控制裝置104-05根據(jù)信號Sg1、Sg2分別控制電磁接觸器301、302。另外，轉換器控制裝置104-05輸出用于驅動控制各個由半導體開關元件構成的轉換器INV、轉換器CNV的脈沖信號Pulse_inv、Pulse_cnv。在基于運轉指令、由信號Sg2指令了電磁接觸器302的導通信號，使得電磁接觸器302導通時，轉換器CNV根據(jù)脈沖信號Pulse_cnv開始運轉，將平滑電容器Cd的直流電壓Edc控制為恒定。下面，結合圖3，對轉換器控制裝置104-05的功能進行說明。首先，對轉換器CNV的控制進行詳細說明。在轉換器CNV開始運轉之前，輸出電磁接觸器302的投入指令Sg2，使得轉換器CNV與系統(tǒng)連接。上述交流電壓檢測值Vs被輸入到相位檢測器THDET和3相2相轉換器32trs。上述相位檢測器THDET將追蹤系統(tǒng)電壓的相位信號THs例如以鎖相環(huán)路(PLLPhaseLockedLoop)方式進行運算，將上述相位信號THs(THs將系統(tǒng)U相電壓設為正弦波時的相位信號)輸入到3相2相坐標轉換器32dqtrs-01、32dqtrs-02、旋轉坐標轉換器dqtrs、勵磁相位運算器SLDET和2相3相坐標轉換器dq23trs-01。直流電壓指令值Eref和上述直流電壓檢測值Edc被輸入到直流電壓調整器DCAVR(例如由比例積分控制器構成)。上述直流電壓調整器DCAVR調整輸出的p軸電流指令值(有效分電流指令值)Ipnstr，以使所輸入的指令值Eref與檢測值Edc的偏差為零，然后輸入到電流調整器1-ACR。3相2相坐標轉換器32dqtrs-01根據(jù)所輸入的電流In，使用算式1和算式2所示的轉換式，計算p軸電流檢測值Ipn(有效分電流)和q軸電流檢測值Iqn(無效分電流)，將p軸電流檢測值Ipn輸出到電流調整器1-ACR，將q軸電流檢測值Iqn輸出到電流調整器2-ACR。這里，后綴字母u、v、w表示相，例如In的U相電流標記為Inu。以下，電壓等也是同樣的。[算式1][算式2]上述電流調整器1-ACR將輸出的p軸電壓指令值Vpn0調整為使上述p軸電流指令值Ipnstr與上述p軸電流檢測值Ipn的偏差為零，并輸出到加法器401。同樣，上述電流調整器2-ACR將輸出的q軸電壓指令值Vqn0調整為使q軸電流指令值(＝0)與上述q軸電流檢測值Iqn的偏差為零，并輸出到加法器402。這里，上述電流調整器(1-ACR、2-ACR)例如可以由比例積分控制器構成。上述3相2相轉換器32trs使用算式3所示的轉換式，由被輸入的電壓Vs計算出α成分Vsα和β成分Vsβ，并且使用算式4計算出p軸電壓檢測值(與系統(tǒng)電壓矢量一致的相位成分)Vps、和q軸電壓檢測值(與上述p軸電壓檢測值Vps正交的成分)Vqs，并將各個輸出到上述加法器401、402。[算式3][算式4]上述加法器401將上述p軸電壓指令值Vpn0和上述p軸電壓檢測值Vps相加，并輸出到2相3相坐標轉換器dq23trs-01。同樣，上述加法器402將上述q軸電壓指令值Vqn0和上述q軸電壓檢測值Vqs相加，并輸出到2相3相坐標轉換器dq23trs-01。上述2相3相坐標轉換器dq23trs-01輸入上述相位信號THs、和上述各個加法器的結果Vpn、Vqn，利用算式5和算式6所示的轉換式計算出上述轉換器CNV輸出的電壓指令值Vun、Vvn、Vwn，并輸出到PWM運算器PWMn。[算式5][算式6]上述PWM運算器PWMn根據(jù)被輸入的電壓指令Vun、Vvn、Vwn計算出脈沖信號Pulse_cnv，并輸出到上述轉換器CNV。該脈沖信號Pulse_cnv用于使基于脈沖寬度調制方式構成上述電力轉換器CNV的n個半導體元件導通/截止。下面，對轉換器INV的控制進行說明。發(fā)電機104-01的轉速ω被輸入到旋轉相位檢測器ROTDET。旋轉相位檢測器ROTDET將轉速ω換算成相位信號，并將相位信號RTH輸出到加法器403。相位信號RTH和同步控制器SYNC的輸出相位信號LTH在加法器403中被加法運算，成為相位信號TH，相位信號TH與上述相位信號THs一同被輸入到勵磁相位運算器SLDET。上述勵磁相位運算器SLDET對上述相位信號TH和THs進行減法運算，并使其成為發(fā)電機的極對數(shù)的k倍，將發(fā)電機轉子的電角頻率的相位信號THr(＝k(THs-TH))輸出到3相2相坐標轉換器32dqtrs-03和2相3相坐標轉換器dq23trs-02中。電力運算器PQCAL，輸入利用上述算式1和算式2所示的變換矩陣，變換系統(tǒng)電流Is而獲得的p軸電流Ips(與系統(tǒng)電壓的U相矢量相同的方向)、與系統(tǒng)電壓的U相矢量正交的q軸電流Iqs、上述p軸電壓檢測值Vps、和q軸電壓檢測值Vqs，利用算式7計算出系統(tǒng)的有效電力Ps和無效電力Qs。[算式7]Ps＝3(Vps×Ips+Vqs×Iqs)/2Qs＝3(-Vps×Iqs+Vqs×Ips)/2有效電力調整器APR輸入有效電力Ps和風力發(fā)電裝置的有效電力指令值Pref，按照使上述有效電力指令值Pref與上述有效電力檢測值Ps的偏差為零的方式，對輸出的有效分電流指令值Ip0進行輸出。另外，無效電力調整器AQR輸入無效電力Qs和無效電力指令值Qref，按照使上述電力指令值Qref與上述無效電力檢測值Qs的偏差為零的方式，對輸出的勵磁電流指令值Iq0進行輸出。這里，上述有效電力調整器APR、無效電力調整器AQR例如可利用比例積分器構成。上述有效電力調整器輸出的電流指令值Ip0和無效電力調整器輸出的電流指令值Iq0被輸入到切換器SW。切換器SW決定是使用上述有效電力調整器APR和無效電力調整器AQR的輸出、即電流指令值(Ip0和Iq0)，還是對有效分電流指令值使用零、對勵磁電流指令值使用電壓調整器AVR的輸出Iq1。這里，切換器SW在電磁接觸器301被接通之前(即，在使發(fā)電機104-1的定子電壓Vg與系統(tǒng)電壓Vs同步的電壓同步運轉時)，使用后者(對有效分電流指令值使用零、對勵磁電流指令值使用電壓調整器的輸出)，在接通電磁接觸器301后，選擇前者(各個電力調整器的輸出)。同步控制器SYNC計算對上述系統(tǒng)電壓檢測值Vs的瞬時矢量的振幅值使用濾波器而求得的振幅指令值Vsref，而且，也根據(jù)上述發(fā)電機定子電壓檢測值Vg，同樣計算對瞬時矢量的振幅值使用濾波器而求得的振幅檢測值Vgpk。同步控制器SYNC具有判定振幅指令值Vsref與發(fā)電機的電壓振幅Vgpk是否同步的功能；并且在系統(tǒng)電壓與定子電壓的相位不同的情況下，輸出用于修正該相位的相位修正信號LTH的功能；和判定系統(tǒng)電壓與定子電壓的相位是否進入規(guī)定的范圍、是否同步的功能，并具備輸出斷路器的動作信號Sg1和控制切換信號Sg0的功能。這里，對電壓調整器AVR進行說明。上述電壓調整器AVR將發(fā)電機定子電壓Vg的振幅值Vgpk作為反饋值，而且，將系統(tǒng)電壓Vs的振幅值通過了濾波器的上述振幅指令值Vsref作為指令值輸入，向上述切換器SW輸出使上述發(fā)電機Vg的振幅值與上述指令值的偏差為零那樣的勵磁電流指令值Iq1。這里，上述電壓調整器AVR例如可使用比例積分控制器構成。該電壓調整器AVR為了使電磁接觸器301以開狀態(tài)下動作、發(fā)電機104-01的定子電壓的振幅值與系統(tǒng)電壓的振幅值一致，對從轉換器INV流向發(fā)電機104-01次極側的勵磁電流指令值Iqr_r進行調整。這樣，通過同步控制器SYNC、電壓調整器AVR和切換器SW動作，能夠在發(fā)電機104-01接入系統(tǒng)之前，使定子電壓Vg與系統(tǒng)電壓同步，而且，在接入系統(tǒng)之后，可迅速將控制切換為電力控制。下面，說明按照電流指令值對發(fā)電機轉子的電流進行控制的電流控制的結構。3相2相坐標轉換器32dqtrs-03根據(jù)被輸入的電流Ir和轉子的相位THr，使用算式8和算式9所示的轉換式，計算出q軸電流檢測值Iqr(勵磁電流成分)和p軸電流檢測值Ipr(有效分電流成分)，并且將q軸電流檢測值Iqr輸出到電流調整器4-ACR，將p軸電流檢測值Ipr輸出到電流調整器3-ACR。[算式8][算式9]上述電流調整器4-ACR調整輸出的q軸電壓指令值Vqr，以使上述q軸電流指令值Iq1或Iq0與上述q軸電流檢測值Iqr的偏差為零。同樣，上述電流調整器3-ACR調整輸出的p軸電壓指令值Vpr，以使上述p軸電流指令值Ip1(＝0)或Ip0與上述p軸電流檢測值Ipr的偏差為零。這里，上述電流調整器例如可由比例積分器構成。上述p軸電壓指令值Vpr和上述q軸電壓檢測值Vqr被輸入到2相3相坐標轉換器dq23trs-02，上述2相3相坐標轉換器dq23trs-02根據(jù)上述相位信號THr和上述各個輸入值，利用算式9和算式10所示的變換式，計算出上述轉換器dq23trs-02輸出的電壓指令值Vur、Vvr、Vwr，并輸出到PWM運算器PWMr。[算式10][算式11]上述PWM運算器PWMr根據(jù)被輸入的電壓指令Vur、Vvr、Vwr計算出脈沖信號Pulse_inv，并輸出到上述轉換器INV。該脈沖信號Pulse_inv用于使基于脈沖寬度調制方式構成上述轉換器INV的m個半導體元件導通/截止。下面，對這樣構成的轉換器CNV的動作進行簡單說明。轉換器控制裝置通過檢測出系統(tǒng)電壓Vs的相位，并控制檢測出的電壓相位和同相的電流指令值，在轉換器CNV與系統(tǒng)之間進行有效電力的授取，控制直流電壓。在發(fā)電機側轉換器INV使用直流電路部303的電力時，會消耗平滑電容器Cd的能量，例如，如果直流電壓Ed下降，則系統(tǒng)側轉換器CNV的直流電壓控制按照使用交流電力對平滑電容器Cd充電，將直流電壓Edc保持一定的方式動作，反之，在轉換器INV進行直流電力的充電，使直流電壓Edc上升的情況下，轉換器CNV的直流電壓控制按照將直流電力轉換為交流電力進行放電，將直流電壓Edc保持為一定的方式動作。下面，結合圖4至圖6，對風車控制裝置104-03進行說明。在圖4中，風車控制裝置104-03輸入風速U，使用一次延遲濾波器LPF等檢測出風速的平均值Uav。檢測出的平均風速Uav被輸入到傾角指令運算器PCHCAL。在傾角指令運算器PCHCAL中，例如使用平均風速Uav與傾角的對應表(table)計算傾角指令值Pchref。傾角指令值Pchref被送到旋轉翼104-02、和電力指令運算器PREFCAL。圖5表示風車相對轉速的輸出特性。當風速以風速1、風速2、風速3進行變化時，對應某個傾角，發(fā)電機的輸出特性描繪成具有峰值的上凸曲線。例如，在風速是高狀態(tài)的風速3時，電力指令值如果設定為P3，則運轉點收斂在與凸形曲線右側斜邊的交點A處。而且，即使風的狀態(tài)發(fā)生變化，風速3變化為風速3b、或風速3c的狀態(tài)，這些輸出特性的曲線也在與電力指令值P3的交點處運轉，如果與以往的轉矩恒定控制方式比較，則速度雖然發(fā)生了變動，但跟隨恒定的電力指令值P3進行運轉。另外，在低風速時，傾角按照可接受最大風的方式控制為固定值，通過改變電力指令值，以由風車的輸出特性所決定的運轉點處的速度進行發(fā)電運轉；在強風時，為了使輸出電力固定在最大值，將電力指令值固定為在該風的狀態(tài)下可發(fā)電的最大值，通過變更傾角，變更輸出特性的曲線，可將轉速控制為規(guī)定的轉速。因此，電力指令運算器PREFCAL具備例如將各個傾角中的圖5所示的特性曲線作為內部參照表，具有根據(jù)傾角指令值Pchref、平均風速Uav和轉速ω，求出有效電力指令值Pref的功能。另外，例如在風速從風速3下降到風速2時，由于發(fā)電電力變得高于發(fā)電機的輸出特性，所以速度降低，最終停止。對于這樣的速度急劇降低，需要進行使電力指令值急劇減小的控制。因此，還使電力指令運算器PRDFCAL具備在速度的變化率(減速率)dω/dt超過了規(guī)定值時，減小電力指令值的功能。圖14表示使有效電力指令值Pref減小的功能的電路實例。利用積分器142求出轉速ω的變化率，將該變化率Pa輸入到比較器146。從存儲器等存儲裝置144將規(guī)定的值A輸入到比較器146。在變化率Pa＞規(guī)定值A時，輸出值“1”從比較器146被輸出，在除此以外的情況下輸出“0”。而且，該輸出值在放大器148中例如通過乘以系數(shù)0.5被放大。來自該放大器的輸出值在乘法器中與有效電力指令值Pref相乘，結果，例如在有效電力指令值Pref為“100”的值時，作為電力指令值Pref’輸出“50”的值。因此，電力指令運算器PRDFCAL具有在速度的變化率dω/dt超過了規(guī)定值時減小電力指令值的功能、和計算根據(jù)平均風速而決定的傾角指令值和根據(jù)轉速ω而決定的電力指令值的功能。下面，結合圖5，對輸出電力的變動進行說明。在平均速度穩(wěn)定為風速3、在其附近發(fā)生變動的情況下，如果在某一短的時間內觀察，則使用了電力控制的情況下，被控制成相對轉速的變化輸出電力無變動的穩(wěn)定狀態(tài)。對此，從算式12可看出，在轉矩控制中，相對轉速的變化輸出電力的變動增大。[算式12](電力)＝(旋轉角速度)×(轉矩)在轉矩控制中，輸出電力相對風速的變化被調整。例如，如果在風速稍微下降時速度下降，則由于減少了電力所以也抑制了速度的下降。與之相對，在電力控制中，例如當風速稍微下降時，由于速度即使下降，在減小電力指令值之前還繼續(xù)輸出電力，所以速度下降變得比轉矩控制方式的大，但抑制了輸出電力的變動，與轉矩控制方式相比，減小了對電力系統(tǒng)的頻率的影響。由此可知具有如下特征，即當風速在平均風速附近小幅變動時，電力控制方式雖然速度變化幅度大，但發(fā)電電力的變動小，轉矩控制方式雖然發(fā)電電力的變動大，但速度變動小。如上所述，通過根據(jù)風速U計算出傾角指令值Pchref，并使用傾角指令值、轉速ω、和風速Uav變更電力控制的有效電力指令值Pref，可實現(xiàn)可變速風力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定的運轉。而且，通過使用電力控制，可實現(xiàn)將基于風速變動的輸出變動抑制得小、對系統(tǒng)的影響小的系統(tǒng)。另外，通過具備利用無效電力指令值Qref控制向系統(tǒng)輸出的無效電力的功能，從發(fā)電系統(tǒng)提供無效電力，可調整系統(tǒng)電壓，并且可削減同步調相器和電力用電容器等的設置。[實施例2]下面，結合圖6至圖8，對其他實施例進行說明。由于和實施例1相同功能的部分用相同符號表示，或表示相同部分，所以省略說明。在本實施例中，有效電力指令Pref的作成方法與實施例1不同。圖6表示風車在從風中獲取能量時的效率，橫軸表示旋轉翼(前端)的圓周速度Vp1[m/s]與風速U[m/s]之比(圓周速度比λ＝Vp1/U)，縱軸表示效率。從圖中可明顯看出，存在最佳效率的圓周速度比λ。對于上述傾角的表而言，可通過根據(jù)例如圖7的特性，基于各個風速值預先求出可獲得成為效率良好的圓周速度比的轉速的傾角，作成如圖15的曲線特性所示的傾角指令值相對風速的表來實現(xiàn)。下面，結合圖7說明風車控制裝置104-03。風車控制裝置104-03輸入風速U，使用一次延遲濾波器LPF等檢測出風速的平均值Uav。傾角指令運算器PCHCAL如圖15的曲線特性所示那樣，根據(jù)風速的平均值Uav求出傾角指令值Pchref。然后，通過速度指令運算器SCAL使用風速的平均值Uav，如圖16的曲線特性所示的表數(shù)據(jù)那樣對效率良好的圓周速度比λ乘以風速Uav，求出圓周速度，根據(jù)圓周速度和旋轉翼的直徑計算出轉速指令值ωref。通過減法器404計算出所求出的轉速指令值ωref與所檢測出的轉速ω之差，將求出的差(ωref-ω)輸入到速度調整器ASR1。速度調整器ASR1調整有效電力指令值Pref，以使差成為零，并將其傳送到轉換器控制裝置104-05。這里，速度調整器ASR1由例如比例積分器等構成。另外，如上述的實施例所示那樣，由于對于風速的急劇減小，需要進行使電力指令值急劇減小的控制，所以速度控制器ASR1具備用于進行該控制的功能。圖8表示此時的各個部分的值的時間變化的狀態(tài)。由于相對傾角指令，速度控制快速動作，所以相對風速U的變化，有效電力指令值Pref比傾角指令值Pchref更快變化，按照將圓周速度比保持為恒定的方式動作。如上述那樣，通過根據(jù)風速U計算出傾角指令值Pchref、和轉速指令值ωref，并變更電力控制的有效電力指令值Pref，以達到符合傾角指令值的速度，由此可實現(xiàn)可變速風力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定的運轉。另外，由于能夠以圓周速度比成為旋轉翼效率高的點的轉速運轉，所以可實現(xiàn)高效率的運轉。[實施例3]下面，結合圖9和圖10，對其他實施例進行說明。圖9表示圖7所示的風車控制裝置的其他實施例，由于對與實施例1相同功能的部分使用相同符號、或相同部分來表示，所以省略說明。結合圖9，說明風車控制裝置104-03。風車控制裝置104-03輸入風速U，使用一次延遲濾波器LPF等檢測出風速的平均值Uav。檢測出的平均風速Uav被輸入到速度指令運算器SCAL和電力指令運算器PREFCAL。在電力指令運算器PREFCAL中，使用例如平均風速Uav和輸出電力的表，計算出有效電力指令值Pref。如上述圖5的實施例所示那樣，預先求出風車成為效率良好的圓周速度比時的電力指令值的表，通過作成傾角指令值相對風速的表，可實現(xiàn)電力指令運算器RREFCAL。另外，通過使電力指令運算器如上述的實施例所示那樣具備在風速急劇減小時急劇減小電力指令值的功能，并具備在傾角的調整中預先減小電力指令值的功能，由此在過渡時也可實現(xiàn)穩(wěn)定的運轉。另外，速度指令運算器SCAL如上述實施例那樣，通過對效率良好的圓周速度比乘以風速來求出圓周速度，根據(jù)旋轉翼的直徑運算轉速指令值ωref。通過減法器計算出所求出的轉速指令值ωref與所檢測出的轉速ω之差，將求出的差(ωref-ω)輸入到速度調整器ASR2。速度調整器ASR2調整傾角指令值Pchref，以使差成為零，并將其傳送到旋轉翼104-02。這里，速度調整器ASR2由例如比例積分器等構成。此時，在有效電力指令值Pref的最大值先被變更為規(guī)定值，之后基于傾角控制的傾角被滯后變更為規(guī)定值的情況下，由于發(fā)電電力大于從旋轉翼獲得的輸入能量，所以速度下降。為了避免這種情況，只要預先在傾角達到規(guī)定值之前的時間將電力指令值設定得小，或者在傾角達到規(guī)定值、轉速達到目標值之前，使用低通濾波器LPF等預先將電力指令值設定得小，即可實現(xiàn)過渡性穩(wěn)定的動作。圖10表示此時的各個部分的值的時間變化的狀態(tài)。由于相對有效電力指令Pref的變更速度，使基于傾角變更的速度控制快速動作，所以相對風速U的變化，傾角指令值Pchref比有效電力指令值Pref變化更大，從而能夠按照將圓周速度比保持為恒定的方式動作。如上述那樣，通過根據(jù)風速U計算出有效電力指令值Pref、和轉速指令值ωref，變更傾角指令值Pchref，以達到符合有效電力指令值Pref的速度，可實現(xiàn)可變速風力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運轉。另外，由于通過使用電力控制，可將基于風速變動的輸出變動抑制得較小，所以可獲得對系統(tǒng)的頻率影響小的系統(tǒng)。[實施例4]下面，結合圖9和圖10，對其他實施例進行說明。圖9表示圖7所示的風車控制裝置的其他實施例，由于對與實施例1相同功能的部分使用相同符號、或相同部分來表示，所以省略說明。圖17表示具備了根據(jù)轉速ω的狀態(tài)切換電力指令值Pref的功能的風車控制裝置104-03。從電力指令運算器PREFCAL向電力指令切換器172輸入有效電力指令值Pref，并且還從輸入了轉速ω的速度調整器ASR1向電力指令切換器172輸入有效電力指令值Pref。而且，電力指令切換器172當被輸入的轉速ω在ωmin＜轉速ω＜ωmax的范圍內時，從電力指令切換器172輸出來自電力指令運算器PREFCAL的有效電力指令值Pref。并且，當轉速ω不在ωmin＜轉速ω＜ωmax的范圍內時，由電力指令切換器172輸出來自速度調整器ASR1的有效電力指令值Pref。根據(jù)本實施例的結構，當被輸入的轉速ω在規(guī)定轉速的范圍，即，在適合于電力優(yōu)先控制的轉速的范圍(ωmin＜轉速ω＜ωmax)內時，系統(tǒng)被以電力優(yōu)先控制方式控制，能夠穩(wěn)定地響應從外部輸入的電力輸出請求。另外，在處于該范圍以外時，由于系統(tǒng)被以轉速優(yōu)先控制方式控制，所以進入高效率穩(wěn)定的旋轉狀態(tài)。[實施例5]在實施例1中，對使用轉換器將繞組型感應發(fā)電機與系統(tǒng)連接的風力發(fā)電裝置進行了說明，但在使用了圖11和圖12所示的同步發(fā)電機的情況下也適用。在本實施例中，對于發(fā)電機而言，采用了例如使用永磁鐵的同步發(fā)電機604-01，利用轉換器604-04對從發(fā)電機獲取的電力進行AC-DC-AC轉換，并輸出到電力系統(tǒng)101中。下面，結合圖12說明控制裝置604-05的功能。其中，對具有與實施例1相同控制功能的部分使用相同的符號表示。首先，說明轉換器CNV的控制。與上述控制裝置104-05的系統(tǒng)側轉換器CNV的控制的不同點在于，被輸入到無效電流調整器2-ACR的指令值，在控制裝置604-05中成為無效電力調整器AQR2的輸出電流指令值Iqnstr(無效電流指令值)。根據(jù)系統(tǒng)電壓Vs和輸出電流In能夠計算出電力運算器PQCAL2輸出的有效電力和無效電力Qn。無效電力Qn作為反饋值被輸入到無效電力調整器AQR2，并按照與無效電力指令值Qref一致的方式變更無效電流Iqn。下面，結合圖13說明轉換器INV的控制。同步發(fā)電機604-01的轉速ω被輸入到旋轉相位檢測器ROTDET。與圖3所示的控制裝置104-05的主要不同點是，在同步發(fā)電機604-01的相位檢測方法中，旋轉相位RTH直接成為相位信號。電力運算器PQCAL輸入利用上述算式1和算式2所示的轉換矩陣對發(fā)電機電流Ir進行轉換而獲得的p軸電流Ipr(與發(fā)電機電壓的U相矢量相同的方向)、與系統(tǒng)電壓的U相矢量正交的q軸電流Iqr、和可使用與算式3和算式4相同的轉換式得到發(fā)電機電壓Vr的d軸電壓Vdr和q軸電壓Vqr，與算式7同樣地計算出發(fā)電機的有效電力Pr和無效電力Qr。有效電力調整器APR輸入有效電力Ps和風力發(fā)電裝置的輸出的有效電力指令值Pref，以使上述有效電力指令值Pref與上述電力檢測值Pr的偏差成為零的方式，對輸出的有效分電流指令值Ip0進行輸出。另外，無效電力調整器AQR用于調整發(fā)電機的力率。為了使力率保持為1，作為指令值輸入零。輸入無效電力Qr和風力發(fā)電裝置的無效電力零，輸出用于進行控制的勵磁電流指令值Iq0。3相2相坐標轉換器32dqtrs-03使用算式8和算式9所示的變換式，根據(jù)被輸入的電流Ir和轉子的相位RTH，計算出p軸電流檢測值Ipr(有效分電流成分)和q軸電流檢測值Iqr(勵磁電流成分)，將p軸電流檢測值Ipr輸出到電流調整器3-ACR，將q軸電流檢測值Iqr輸出到電流調整器4-ACR。上述電流調整器4-ACR對輸出的q軸電壓指令值Vqr進行調整，以使上述q軸電流指令值Iq0與上述q軸電流檢測值Iqr的偏差成為零。另外，上述電流調整器3-ACR對輸出的p軸電壓指令值Vpr進行調整，以使上述p軸電流指令值Ip0與上述p軸電流檢測值Ipr的偏差為零。上述p軸電壓指令值Vpr和上述q軸電壓指令值Vqr被輸入到2相3相坐標轉換器dq23trs-02中，上述2相3相坐標轉換器dq23trs-02根據(jù)上述相位信號THr、和上述各個輸入值，利用算式9和算式10所示的變換式計算出上述轉換器dq23trs-02輸出的電壓指令值Vur、Vvr、Vwr，并輸出到PWM運算器PWMr中。上述PWM運算器PWMr根據(jù)被輸入的電壓指令Vur、Vvr、Vwr計算出脈沖信號Pulse_inv，并輸出到轉換器INV。該脈沖信號Pulse_inv用于使基于脈沖寬度調制方式構成上述轉換器INV的M個半導體元件導通/截止。通過在本實施例的風車控制裝置中應用實施例1或實施例2所示的風車控制裝置，可獲得與實施例1或實施例2相同的效果。本發(fā)明在輸入變動大的風力發(fā)電領域中，可提供一種發(fā)電機轉速可變的風力發(fā)電系統(tǒng)。權利要求1.一種可變速風力發(fā)電系統(tǒng)，包括在可旋轉的軸上至少安裝有1片旋轉翼的風車；具有與該風車的軸一同旋轉的轉子的發(fā)電機；具有用于控制該發(fā)電機的電力的有源開關的電力轉換器；和按照旋轉翼角度指令值變更上述旋轉翼的角度的旋轉翼角度變更裝置；具有發(fā)電電力指令裝置，其根據(jù)所述風車的風車狀態(tài)量生成發(fā)電電力指令值；和發(fā)電機控制裝置，其為了控制所述有源開關而控制所述電力轉換器；所述發(fā)電電力指令裝置具有根據(jù)當前的風速決定旋轉翼角度，并根據(jù)該決定的旋轉翼角度來決定發(fā)電電力指令值的裝置，所述發(fā)電機控制裝置具有為了根據(jù)所述發(fā)電電力指令值變更發(fā)電電力量而控制有源開關，來調整發(fā)電機的發(fā)電電力的裝置。2.根據(jù)權利要求1所述的可變速風力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，具有在風速低的區(qū)域，所述發(fā)電電力指令裝置將所述旋轉翼角度指令值設為固定值，在風速高的區(qū)域，發(fā)電電力指令裝置將發(fā)電電力指令值固定為最大輸出值的裝置。3.根據(jù)權利要求1或2所述的可變速風力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，具有檢測風速急劇降低的檢測裝置，并具有在風速急劇降低時，使發(fā)電電力指令裝置減小發(fā)電電力指令值的裝置。4.根據(jù)權利要求1～3中任意一項所述的可變速風力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，具有按照不超出可發(fā)電運轉的速度范圍的方式變更所述發(fā)電電力指令值的裝置。5.根據(jù)權利要求1～4中任意一項所述的可變速風力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，具有用于將風速的平均值與旋轉翼的轉速之比控制為規(guī)定值的裝置。6.一種可變速風力發(fā)電系統(tǒng)，包括在可旋轉的軸上至少安裝有1片旋轉翼的風車；具有與該風車的軸一同旋轉的轉子的發(fā)電機；具有用于控制該發(fā)電機的電力的有源開關的電力轉換器；和按照旋轉翼角度指令值變更所述旋轉翼的角度的旋轉翼角度變更裝置；具有發(fā)電電力指令裝置，其根據(jù)風車狀態(tài)量生成發(fā)電電力指令信號；和發(fā)電機控制器裝置，其為了控制所述有源開關而控制所述電力轉換器；所述發(fā)電電力指令裝置具有根據(jù)風速求出發(fā)電電力指令值和轉速指令值的裝置；根據(jù)轉速指令值與轉速檢測值的轉速偏差，變更旋轉翼角度指令值的裝置，發(fā)電機控制裝置具有為了根據(jù)發(fā)電電力指令值變更發(fā)電電力量而控制有源開關，來調整發(fā)電機的發(fā)電電力的裝置。7.根據(jù)權利要求6所述的可變速風力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)電電力指令裝置具有在所述轉速偏差成為小于規(guī)定值之后，將所述發(fā)電電力指令值增加到根據(jù)風速而求出的發(fā)電電力指令值的裝置。8.根據(jù)權利要求6所述的可變速風力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，具有按照不超出可發(fā)電運轉的速度范圍的方式變更所述發(fā)電電力指令值的裝置。9.根據(jù)權利要求6所述的可變速風力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，具有將所述轉速指令值限制在可發(fā)電運轉的速度范圍內的裝置。10.根據(jù)權利要求6所述的可變速風力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，具有根據(jù)所述發(fā)電電力指令值，將風速的平均值與所述旋轉翼的轉速之比控制為規(guī)定值的裝置。11.根據(jù)權利要求6所述的可變速風力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，具有根據(jù)所述旋轉翼角度指令值，將風速的平均值與旋轉翼的轉速之比控制為規(guī)定值的裝置。12.根據(jù)權利要求6所述的可變速風力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，具有根據(jù)來自系統(tǒng)外部的無效電力指令值，調整向系統(tǒng)輸出的無效電力的無效電力控制系統(tǒng)。13.根據(jù)權利要求6所述的可變速風力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，發(fā)電機使用交流勵磁型同步發(fā)電機。14.根據(jù)權利要求6所述的可變速風力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，發(fā)電機使用同步發(fā)電機。15.一種可變速風力發(fā)電系統(tǒng)，包括在可旋轉的軸上至少安裝有1片旋轉翼的風車；具有與該風車的軸一同旋轉的轉子的發(fā)電機；包括用于控制該發(fā)電機的電力的有源開關的電力轉換器；和按照旋轉翼角度指令值變更所述旋轉翼的角度的旋轉翼角度變更裝置；具有發(fā)電電力指令裝置，其根據(jù)所述風車的風車狀態(tài)量生成發(fā)電電力指令值；發(fā)電機控制器裝置，其為了控制有源開關而控制所述電力轉換器；所述發(fā)電電力指令裝置具有根據(jù)風速求出旋轉翼角度指令值和轉速指令值的裝置；和根據(jù)轉速指令值與轉速檢測值的轉速偏差，變更所述發(fā)電電力指令值的裝置；發(fā)電機控制裝置具有為了根據(jù)發(fā)電電力指令值變更發(fā)電電力量而控制有源開關，來調整發(fā)電機的發(fā)電電力的裝置。全文摘要現(xiàn)有問題是由于風力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電電力隨著風力而變動，可能產生電力系統(tǒng)的電壓變動的問題。還存在不能任意輸出無效電力量的問題。本發(fā)明的可變速風力發(fā)電系統(tǒng)具有發(fā)電電力指令裝置，根據(jù)風車的風車狀態(tài)量生成發(fā)電電力指令值；和發(fā)電機控制裝置，為了控制有源開關而控制電力轉換器；發(fā)電電力指令裝置具有根據(jù)當前的風速決定旋轉翼角度，并根據(jù)該決定的旋轉翼角度來決定發(fā)電電力指令值的裝置，發(fā)電機控制裝置具有為了根據(jù)發(fā)電電力指令值變更發(fā)電電力量而控制有源開關，來調整發(fā)電機的發(fā)電電力的裝置。在發(fā)電系統(tǒng)中使用了使該系統(tǒng)按照有效電力指令值動作的有效電力控制系統(tǒng)。另外，能夠根據(jù)無效電力指令值，與有效電力獨立地輸出無效電力。文檔編號F03D7/00GK101098120SQ20071012624公開日2008年1月2日申請日期2007年6月26日優(yōu)先權日2006年6月28日發(fā)明者一瀨雅哉,大原伸也,二見基生,袖山正,今家和宏申請人:株式會社日立制作所