浮体式风力发电装置的控制方法及控制装置、以及浮体式风力发电装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及在浮体上立起设置有风力发电机的浮体式风力发电装置的控制方法及控制装置、以及浮体式风力发电装置。
【背景技术】
[0002]近年来，从地球环境的保护的观点出发，风力发电装置不断普及。在典型的风力发电装置中，叶片的俯仰角可变，对应于风力发电装置的运转状态进行俯仰控制。
[0003]例如，虽然不是关于浮体式风力发电装置，但是在专利文献I?3中公开了一种减轻向风力发电装置作用的载荷的俯仰控制的方法。而且，在非专利文献I中公开了一种以使突变风发生时或系统切断时的风力发电装置的极限载荷减轻的方式，分别对各个叶片进行俯仰控制的方法(参照P.126-127)。
[0004]【在先技术文献】
[0005]【专利文献】
[0006]【专利文献I】美国专利第8215896号说明书
[0007]【专利文献2】美国专利第8240990号说明书
[0008]【专利文献3】日本特表2009-523208号公报
[0009]【非专利文献】
[0010]【非专利文献1】E.Bossanyi>B.Savini>Μ.1ribas、M.Hau、B.Fischer、D.Schlipf、T.van Engelen、M.Rossetti and C.E.Carcangiu^Advanced controller reserch formult1-MW wind turbines in the UPWIND project"、Wind Energ.2012 ；15:119-145
【发明内容】
[0011]【发明要解决的课题】
[0012]然而，在浮体式风力发电装置中，在转子受到的推力分量的空气动力载荷(推力)与浮体的摇动之间相互存在紧密的关系。
[0013]S卩，以浮体的摇动为起因而风力发电机(转子)前后移动，因此转子从风承受的推力受到浮体的摇动的影响。例如，浮体式风力发电装置因浮体的摇动而朝向上风侧倾斜期间，相对于转子的相对风速是在实际的风速中加入了风力发电机(转子)的向上风侧的移动速度的值，转子从风承受的推力比较大。相对于此，在浮体式风力发电装置因浮体的摇动而朝向下风侧倾斜期间，相对于转子的相对风速是从实际的风速减去了风力发电机(转子)的向下风侧的移动速度的值，转子从风承受的推力比较小。
[0014]反之，浮体的摇动机理基本上通过考虑了浮体式风力发电装置的惯性力、以作用于浮体的浮力为起因的复原力、作用于转子的空气动力的推力的运动方程式能够记述，因此转子从风承受的推力对浮体的摇动造成影响的情况比较明显。因此，因俯仰控制而转子从风承受的推力发生变化时，在浮体的摇动中也表现出其影响。例如，在风力发电装置朝向上风侧倾斜期间，若通过俯仰控制向转子施加空气动力制动，则转子承受的空气动力的推力急减而会助长朝向上风侧的风力发电装置的倾斜。反之，在风力发电装置朝向下风侧倾斜期间，若通过俯仰控制欲增加转子受到的转矩分量的空气动力载荷，则转子受到的空气动力的推力也增加，仍然会助长风车的倾斜。
[0015]关于这一点，在专利文献I?3及非专利文献I中，虽然公开了以防止过大的载荷作用于风力发电装置为目的，通过俯仰控制使推力减少的方法，但是这些方法适用于陆地风力发电装置或着床式风力发电装置，并不是考虑浮体的摇动与转子承受的空气动力的推力之间的关系性而适当进行俯仰控制的方法。
[0016]本发明的至少一实施方式的目的是提供一种在风力发电机停止时或起动时，能够进行考虑了浮体的摇动与转子承受的空气动力的推力之间的关系性的俯仰控制的浮体式风力发电装置的控制方法及控制装置、以及浮体式风力发电装置。
[0017]【用于解决课题的方案】
[0018]本发明的至少一实施方式的浮体式风力发电装置的控制方法是在浮体上立起设置有风力发电机的浮体式风力发电装置的控制方法，其特征在于，所述浮体式风力发电装置的控制方法具备如下的俯仰角增大步骤:在所述风力发电机停止时，以向所述风力发电机的转子施加空气动力的制动力的方式使所述风力发电机的叶片的俯仰角增大，在所述俯仰角增大步骤中，使因所述浮体的摇动而所述风力发电机相比铅垂方向向上风侧倾斜的动作中的第一期间的所述叶片的所述俯仰角的第一变化率小于因所述浮体的摇动而所述风力发电机相比铅垂方向向下风侧倾斜的动作中的第二期间的所述叶片的所述俯仰角的第二变化率。
[0019]在风力发电机停止时，在风力发电机相比铅垂方向向上风侧倾斜的动作中的第一期间内，转子从风受到的推力是风力发电机的向上风侧的加速度的减少要因，在抑制浮体的摇动方面有利。因此，使叶片的俯仰角增大而向风力发电机的转子施加空气动力的制动力来使风力发电机停止时，第一期间的叶片的俯仰角的急剧的增大是指风力发电机的向上风侧的加速度的减少要因减小，浮体的摇动可能被放大。相对于此，在风力发电机相比铅垂方向向下风侧倾斜的动作中的第二期间内，转子从风受到的推力是风力发电机的向下风侧的加速度的增大要因，在抑制浮体的摇动方面不利。因此，在使叶片的俯仰角增大而向风力发电机的转子施加空气动力的制动力来使风力发电机停止时，第二期间的叶片的俯仰角的急剧增大是指风力发电机的向下风侧的加速度的增大要因减小的情况，有助于浮体摇动的抑制。
[0020]在上述浮体式风力发电装置的控制方法中，考虑浮体的摇动与转子受到的空气动力的推力之间的上述关系性，在基于浮体的摇动的风力发电机的姿势及倾斜动作方向不同的第一期间和第二期间，使俯仰角的变化率(增大速度)不同。即，通过使第一期间的俯仰角的第一变化率(增大速度)小于第二期间的俯仰角的第二变化率(增大速度)，能够抑制在浮体摇动的抑制上有利的第一期间中的空气动力的推力的减少，并促进在浮体摇动的抑制上不利的第二期间中的空气动力的推力的减少。由此，能够抑制浮体摇动并进行风力发电机的停止动作。
[0021]在几个实施方式中，可以是，在所述俯仰角增大步骤中，使所述风力发电机向上风侧倾斜的动作中的整个期间的所述叶片的变化率小于所述风力发电机向下风侧倾斜的动作中的整个期间的所述叶片的变化率。
[0022]在风力发电机向上风侧倾斜的倾斜动作中的整个期间，转子从风受到的推力有助于伴随着浮体的摇动朝向上风侧的风力发电机的倾斜动作的抑制。另一方面，在风力发电机向下风侧倾斜的倾斜动作中的整个期间，转子从风受到的推力会助长伴随着浮体的摇动而朝向下风侧的风力发电机的倾斜动作。因此，在通过俯仰控制使风力发电机停止时，考虑风力发电机的倾斜动作方向，在风力发电机向上风侧倾斜的倾斜动作中的整个期间，与风力发电机向下风侧倾斜的倾斜动作中的整个期间相比若减小俯仰角的变化率(增大速度)，则能够有效地抑制浮体摇动并进行风力发电机的停止动作。即，在风力发电机向上风侧倾斜的倾斜动作中的整个期间，能够抑制在倾斜动作(浮体摇动)的抑制上有利的空气动力的推力的减少，并且在风力发电机向下风侧倾斜的倾斜动作中的整个期间，能够促进在倾斜动作(浮体摇动)的抑制上不利的空气动力的推力的减少。
[0023]在几个实施方式中，可以是，在所述俯仰角增大步骤中，使所述风力发电机具有向上风侧倾斜的姿势的整个期间的所述叶片的变化率小于所述风力发电机具有向下风侧倾斜的姿势的整个期间的所述叶片的变化率。
[0024]在浮体式风力发电装置中，风力发电机的姿势优选尽量维持成沿铅垂方向立起设置的状态(以下，称为铅垂姿势)。因此，在通过俯仰控制而使风力发电机停止时，考虑风力发电机的姿势，在风力发电机具有向上风侧倾斜的姿势的整个期间，与风力发电机具有向下风侧倾斜的姿势的整个期间相比，若减小俯仰角的变化率(增大速度)，则能够促进风力发电机返回铅垂姿势的动作。即，在风力发电机具有向上风侧倾斜的姿势的整个期间，能够抑制对风力发电机返回铅垂姿势的动作进行促进的空气动力的推力的减少，并且在风力发电机具有向下风侧倾斜的姿势的整个期间，能够促进对风力发电机返回铅垂姿势的动作进行阻碍的空气动力的推力的减少。
[0025]在几个实施方式中，在所述俯仰角增大步骤中，在从所述第一期间向所述第二期间转移时，使所述俯仰角的变化率从所述第一变化率向所述第二变化率单调增加，在从所述第二期间向所述第一期间转移时，使所述俯仰角的变化率从所述第二变化率向所述第一变化率单调减少。
[0026]这样，在从第一期间向第二期间转移时，使俯仰角的变化率从第一变化率向第二变化率单调增加，在从第二期间向第一期间转移时，使俯仰角的变化率从第二变化率向第一变化率单调减少，因此能够顺畅地进行基于俯仰控制的风力发电机的停止动作。
[0027]在几个实施方式中，所述浮体式风力发电装置的控制方法具备如下的俯仰角减少步骤:在所述风力发电机起动时，以使作用于所述风力发电机的叶片的升力增大的方式使所述叶片的俯仰角减少，在所述俯仰角减少步骤中，使因所述浮体的摇动而所述风力发电机相比铅垂方向向上风侧倾斜的动作中的第三期间的所述叶片的所述俯仰角的第三变化率大于因所述浮体的摇动而所述风力发电机相比铅垂方向向下风侧倾斜的动作中的第四期间的所述叶片的所述俯仰角的第四变化率。
[0028]在风力发电机起动时，在风力发电机相比铅垂方向向上风侧倾斜的动作中的第三期间，与上述的第一期间同样，转子从风受到的推力是风力发电机的向上风侧的加速度的减少要因，在抑制浮体的摇动上有利。因此，在通过叶片的俯仰角的减少而使作用于叶片的升力增加来使风力发电机起动时，第三期间的叶片的俯仰角的急剧的减少是指风力发电机的向上风侧的加速度的减少要因增大的情况，有助于浮体摇动的抑制。相对于此，在风力发电机相比铅垂方向向下风侧倾斜的动作中的第四期间，与上述的第二期间同样，转子从风受到的推力是风力发电机的向下风侧的加速度的增大要因，在抑制浮体的摇动上不利。因此，在通过叶片的俯仰角的减少而使作用于叶片的升力增加来使风力发电机起动时，第四期间的叶片的俯仰角的急剧减少是指风力发电机的向下风侧的加速度的增大要因变大的情况，浮体的摇动可能被放大。
[0029]因此，在上述浮体式风力发电装置的控制方法中，通过使第三期间的俯仰角的第三变化率(减少速度)大于第四期间的俯仰角的第四变化率(减少速度)，能够促进在浮体摇动的抑制上有利的第三期间中的空气动力的推力的增大，并抑制在浮体摇动的抑制上不利的第四期间中的空气动力的推力的增大。由此，能够抑制浮体摇动并进行风力发电机的起动动作。
[0030]在几个实施方式中，可以是，在所述俯仰角减少步骤中，使所述风力发电机向上风侧倾斜的倾斜动作中的整个期间的所述叶片的变化率大于所述风力发电机向下风侧倾斜的倾斜动作中的整个期间的所述叶片的变化率。
[0031]在通过俯仰控制来使风力发电机起动时，考虑风力发电机的倾斜动作方向，在风力发电机向上风侧倾斜的倾斜动作中的整个期间，与风力发电机向下风侧倾斜的倾斜动作中的整个期间相比，若增大俯仰角的变化率(减少速度)，则能够有效地抑制浮体摇动并进行风力发电机的起动动作。即，在风力发电机向上风侧倾斜的倾斜动作中的整个期间中，促进在倾斜动作(浮体摇动)的抑制上有利的空气动力的推力的增加，并且在风力发电机向下风侧倾斜的倾斜动作中的整个期间，能够抑制在倾斜动作(浮体摇动)的抑制上不利的空气动力的推力的增加。
[0032]在几个实施方式中，在所述俯仰角减少步骤中，使所述风力发电机具有向上风侧倾斜的姿势的整个期间的所述叶片的变化率大于所述风力发电机具有向下风侧倾斜的姿势的整个期间的所述叶片的变化率。
[0033]在通过俯仰控制使风力发电机起动时，考虑风力发电机的姿势，在风力发电机具有向上风侧倾斜的姿势的整个期间中，与风力发电机具有向下风侧倾斜的姿势的整个期间相比若增大俯仰角的变化率(减少速度)，则能够促进风力发电机返回铅垂姿势的动作。即，在风力发电机具有向上风