风力发电装置及其控制方法

专利名称：风力发电装置及其控制方法
技术领域：
本发明涉及风力发电装置及其控制方法，特别涉及风力发电装置的偏摆(yaw)控 制。
背景技术：
为了提高风力发电装置的效率，作为重要的控制手段之一就是控制使风车旋转体 的方向与风向一致而进行控制的偏摆控制。因为当风车旋转体正面朝向风时风力发电装置 的效率最佳，所以需要使安装有风车旋转体的机舱根据风向偏摆旋转来控制风车旋转体的 方向。当前开发有各种偏摆旋转机构和偏摆控制技术，例如特开2004-285858号公报公开 了利用激光式风向风力计来检测风向和风力并根据检测的风向和风速进行偏摆控制的技 术。另外，特开2005-113899号公报公开了用于使机舱偏摆旋转的驱动机构的结构。在风力发电装置的偏摆控制中要点之一是尽量减小机舱的偏摆旋转次数。由于机 舱的重量大，如果机舱偏摆旋转的次数很大，则使机舱偏摆旋转的旋转机构和使机舱的旋 转停止的制动机构的机械负载会增大，从而这些机构的机械消耗会变大。为了减少旋转机 构和制动机构的消耗，优选减小偏摆旋转的次数。如图18所示，用于满足这种要求所使用的最普通的偏摆控制的控制逻辑为在风 车方位(即风车旋转体的方向)与实际风向的偏差(风向偏差)的绝对值比规定的界限值 大的状态仅持续了规定的持续时间(例如20秒)的情况下，使机舱偏摆旋转，以使风向偏 差变为零(即、使风车方位与最新的风向一致)。在这样的控制逻辑中，因为只要风向偏差 的绝对值不超过界限值就不进行偏摆旋转，所以通过适当设定界限值就能够减少偏摆旋转 的次数。如图19所示，这样的控制逻辑的一个问题在于，在风向长时间(典型情况下持续 数小时)逐渐变化的状况下，风向偏差的大小不会平均地变小。一般而言，有些地点的风况 较多存在以下情况，即，在白天紊乱度高且风向随机变化，相对地在夜间风况并不显示随机 变化。换言之，夜间的风况经常显示以下变化，即，风向长时间变化。根据上述的控制逻辑， 在紊乱度高且风向随机变化的状况下，风向偏差的大小平均接近于零。但是，如图19所示， 在风向长时间(典型情况下持续数小时)逐渐变化的情况下(图19的A)，在上述控制逻辑 中，即使反复进行偏摆旋转(图19的B)，风向偏差也只是一瞬间为零(图19的C)。因此， 风向偏差的平均大小并不小。这对于提高风力发电装置的效率方面并不理想。

发明内容
因此，本发明的全部目的在于提高风力发电装置的效率，具体而言，本发明的目的 在于达到下面两个课题中的至少一个。第一课题提供一种风力发电装置的偏摆控制技术，其抑制偏摆旋转的次数增加， 并且即使在风向长时间逐渐变化的情况下也能够使风向偏差的大小变小。第二课题提供一种风力发电装置的偏摆控制技术，通过在早期掌握风向的过渡性变化来适时地进行偏摆旋转，从而能够提高风力发电装置的效率。为了达到上述目的，本发明采用了下述手段。在其手段的记述中，为了明确“技术 方案”的记载与“具体实施方式
”的记载的对应关系，标注了“发明的具体实施方式
”中使用 的编号、符号。但是，标注的编号、符号不能用于限定解释“技术方案”中记载的发明的技术 范围。一种风力发电装置，其特征在于，包括安装有风车旋转体(7)的机舱(3)、使机舱 (3)偏摆旋转的旋转机构(4)、测定风向的风向测定机构(10)和控制旋转机构(4)的控制 装置(21)，所述控制装置(21)根据由所述风向测定机构(10)测定的风向和所述风车旋转 体(7)的方向来算出风向偏差，并且所述控制装置在下述两个条件(1、2)中的任何一个成 立的情况下，利用旋转机构使所述机舱偏摆旋转，条件(1)所述风向偏差的绝对值为第一界限值以上的状态(或超过第一界限值 的状态)在规定的第一持续时间的期间持续，条件(2)所述风向偏差的绝对值为比所述第一界限值大的第二界限值以上的状 态(或超过第二界限值的状态)在比所述第一持续时间短的第二持续时间的期间持续，并且，当将当前时刻设定为、、将T设定为规定值时，在从时刻、_Τ到时刻、的风 向平均值与风车旋转体(7)的方向一致时，停止所述机舱(3)的偏摆旋转。这样，通过利用规定时间T内的风向的平均值来判定偏摆旋转的停止位置，而能 够不使偏转旋转由于风向的瞬时变化而停止，从而能够使机舱(3)在适当的位置停止偏摆 旋转，因而能够使偏摆旋转停止后的风向偏差比以前的低。而且通过降低偏摆旋转停止以 后的风向偏差，能够延长至下次的偏摆旋转开始前的时间，抑制偏摆旋转的次数。还有，在 抑制偏摆旋转次数的同时能够提高控制性能。另外，一种风力发电装置，其特征在于，包括安装有风车旋转体(7)的机舱(3)、 使机舱⑶旋转的旋转机构(4)、测定风向的风向测定机构(10)和控制机舱旋转机构⑷ 的控制装置(21)，所述控制装置(21)根据由所述风向测定机构(10)测定的风向和所述风车旋转体 (7)的方向来算出风向偏差，并且所述控制装置在下述两个条件(1、2)中的任何一个成立 的情况下，利用旋转机构使所述机舱开始进行偏摆旋转，所述条件(1)所述风向偏差的绝对值为第一界限值以上的状态(或超过第一界 限值的状态)在规定的第一持续时间的期间持续，所述条件(2)所述风向偏差的绝对值为比所述第一界限值大的第二界限值以上 的状态(或超过第二界限值的状态)在比所述第一持续时间短的第二持续时间的期间持 续，并且，使所述机舱至少以符合当所述偏摆旋转时成立的所述条件(1)及(2)中的 任何一个的相当于第一或第二界限值的角度的量进行偏摆旋转。这样，通过使所述机舱(3)以符合当所述偏摆旋转时成立的所述条件(1)及(2) 中的任何一个的相当于第一或第二界限值的角度的量进行偏摆旋转，而能够不使偏转旋转 由于风向的瞬时变化而停止，从而能够使机舱(3)在适当的位置停止偏摆旋转，因而能够 降低偏摆旋转停止后的风向偏差，延长至下次的偏摆旋转开始前的时间，抑制偏摆旋转的 次数。这种控制尤其在风的紊乱度低的情况下有效。
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另外，一种风力发电装置，其特征在于，所述控制装置(21)使所述机舱(3)仅旋转 相当于所述第一或第二界限值的量，判断所述风向偏差的符号是否与偏摆旋转前相反，如 果所述风向偏差的符号相反，则停止偏摆旋转，如果所述风向偏差的符号没有相反，则继续 进行偏摆旋转直至风向偏差变为零。另外，一种风力发电装置，其特征在于，所述控制装置(21)使所述机舱(3)仅旋转 相当于所述第一或第二界限值的量，判断在将当前时刻设定为、、将T设定为规定值时从时 刻、-τ到时刻、的风向平均值与风车旋转体的方向的差的符号是否与偏摆旋转前相反，如 果所述符号相反则停止偏摆旋转，如果所述风向偏差的符号没有相反则继续进行偏摆旋转 直至风向平均值与风车旋转体的方向的差变为零。由此，能够在更适当的位置停止偏摆旋转。另外，一种风力发电装置，其特征在于，包括安装有风车旋转体(7)的机舱(3)、 使机舱⑶偏摆旋转的旋转机构(4)、测定风向的风向测定机构(10)和控制旋转机构⑷ 的控制装置(21)，所述控制装置，(a)根据由所述风向测定机构(10)测定的风向和所述 风车旋转体(7)的方向来算出风向偏差，(b)判断当前风况是否处于风向随机变化的第一 状况与风向逐渐变化的第二状况中的任何一个，(c)在判断所述当前风况相当于所述第二 状况，且所述风向偏差的绝对值为规定的第一界限值以上的状态(或超过第一界限值的状 态)仅在规定的第一持续时间持续的情况下，使所述机舱(3)偏摆旋转相当于所述第一界 限值的量，判断所述风向偏差的符号是否与偏摆旋转前相反，如果所述风向偏差的符号相 反则停止偏摆旋转，如果所述风向偏差的符号没有相反则继续进行偏摆旋转直至风向偏差 变为零，并且(d)在判断所述当前风况相当于所述第一状况，且所述风向偏差的绝对值为 比所述第一界限值大的第二界限值以上的状态(或超过第二界限值的状态)仅在比第一持 续时间短的第二持续时间持续的情况下，使所述机舱(3)偏摆旋转，以使当将当前时刻设 定为t0、将T设定为规定值时，在时刻tO-T到时刻t0的风向平均值与风车旋转体(7)的方 向相一致。由此，因为能够对照当前风况进行偏摆旋转的停止控制，所以能够达到提高控制 性能的目的。另外，一种风力发电装置，其特征在于，包括安装有风车旋转体(7)的机舱(3)、 使机舱⑶偏摆旋转的旋转机构(4)、测定风向的风向测定机构(10)和控制旋转机构⑷ 的控制装置(21)，所述控制装置(21)构成为根据由所述风向测定机构(10)测定的风向 和所述风车旋转体(7)的方向来算出风向偏差，并且在当将当前时刻设定为、、将T1设定 为规定值、满足、-1\ ^ ts ^ t0关系的时刻设定为ts时，在满足ts < t彡、的所有时刻t 中所述风向偏差满足规定条件的情况下，使所述机舱(3)偏摆旋转，所述规定条件是Δ θ (t) I ^ 0TH(ts)其中，ι Δ Θ (t) ι是各时刻t的所述风向偏差的绝对值，eTH(t)是在‘Kt彡tQ 中广义上单调递增的函数，而且针对所述θΤΗα)的时间的导函数deTH(t)/dt，除去导函数 不能定义的时刻仏在Itl-T1中广义上单调递增。这样，通过准备调整函数θ TH(t)并且满足所述规定条件的情况下，使机舱(3)偏 摆旋转，从而能够灵活设定偏摆旋转的条件，在早期掌握风向的过渡性变化，提高控制性
8能。另外，一种风力发电装置，其特征在于，包括安装有风车旋转体(7)的机舱(3)、 使机舱⑶偏摆旋转的旋转机构(4)、测定风向的风向测定机构(10)和控制旋转机构⑷ 的控制装置(21)，所述控制装置构成为(a)根据由所述风向测定机构(10)测定的风向和 所述风车旋转体(7)的方向来算出风向偏差，(b)判断当前风况是否处于风向随机变化的 第一状况与风向逐渐变化的第二状况中的任何一个，(c)在当将当前时刻设定为、、将T1设 定为规定值、满足td ^ ts ^ t0关系的时刻设定为ts时，满足ts彡t彡、的所有时刻t 中所述风向偏差满足规定条件的情况下，使所述机舱(3)偏摆旋转，所述规定条件为在所述当前风况符合所述第一状况的情况 下，I Δ θ (t) I彡θ TH1(ts)，在所述当前风况符合所述第二状况的情况下，
δ θ (t) I 彡 eTH2(ts),其中，I Δ θ (t) I是各时刻t的所述风向偏差的绝对值，θ Tm (t)是在 Ici-T1StStci中广义上单调递增的函数，而且针对所述θΤΗ1α)的时间的导函数deTH1(t)/ dt，除去导函数不能定义的时刻仏在Ici-Ktstci中广义上单调递增，并且eTH2(t)是在 Ici-T1StStci中广义上单调递减函数，而且针对所述θΤΗ2α)的时间的导函数deTH2(t)/ dt，除去导函数不能定义的时刻仏在Itl-T1中广义上单调递增。由此，因为能够对照当前风况进行偏摆旋转的停止控制，所以能够达到提高控制 性能的目的。另外，一种风力发电装置，其特征在于，所述控制装置在将当前时刻设定为、、将T 设定为规定值时从时刻、_Τ到时刻、的风向平均值与风车旋转体的方向相一致时，停止所 述机舱的偏摆旋转。另外，一种风力发电装置，其特征在于，所述控制装置使所述机舱仅旋转相当于所 述θΤΗ1α)或eTH2(t)的量，判断所述风向偏差的符号是否与偏摆旋转前相反，如果所述风 向偏差的符号相反则停止偏摆旋转，如果所述风向偏差的符号没有相反则继续进行偏摆旋 转直至风向偏差变为零。另外，所述控制装置测量从现在至规定时间之前的期间进行偏摆旋转的次数，在 进行偏摆旋转的次数比规定次数少的情况下，放宽旋转条件，在进行偏摆旋转的次数比规 定次数多的情况下，加严旋转条件。由此，维持了某种规定的偏摆旋转次数的上限，降低了风向偏差，从而达到提高控 制性能的目的。根据本发明，能够提高风力发电装置的效率。更具体而言，根据本发明，即使在风向长时间逐渐变化的情况下，也能够减小风向 偏差的大小，且能够提供一种能够抑制偏摆旋转次数的增大的风力发电装置的偏摆控制技 术。另外，根据本发明的其他实施例，通过在早期掌握风向的过渡性变化来适时地进 行偏摆旋转，从而能够提高风力发电装置的效率。


图1是表示实施例一中的控制装置进行的偏摆旋转控制的顺序的流程图2是比较现有及中间实施例的偏摆旋转停止时的控制逻辑与实施例一的控制 逻辑的偏摆控制的图；图3是表示实施例二的控制装置进行的偏摆旋转控制的顺序的流程图；图4是比较现有及中间实施例的偏摆旋转停止时的控制逻辑与实施例二的控制 逻辑的偏摆控制的图；图5是表示实施例三的控制装置进行的偏摆旋转控制的顺序的流程图；图6是比较现有及中间实施例的偏摆旋转停止时的控制逻辑与实施例三的控制 逻辑的偏摆控制的图；图7是表示第一 四实施例的控制逻辑的曲线图，图7(a)是表示第一 三实施例 中使用的控制逻辑的曲线图，图7(b)及图7(c)是表示第四实施例的控制逻辑的曲线图；图8是表示本发明的偏摆旋转的控制的顺序的流程图；图9是表示本发明的实施例的风力发电装置的结构的图；图10是表示本发明的实施例的机舱旋转机构的结构的剖面图；图11是表示本发明的第一实施例的偏摆控制系统的结构的方框图；图12是表示现有的控制逻辑产生的风向偏差的变化与中间实施例一的控制逻辑 产生的风向偏差的变化的曲线图；图13是表示判别“紊乱度大且风向随机变化的状况”与“风向长时间逐渐变化的 状况”的例子的曲线图；图14是表示中间实施例二的控制逻辑产生的风车方位的变化与现有控制逻辑产 生的风车方位的变化的曲线图；图15是表示在风向的变化速度一定且风向偏差的变化幅度相同的情况下，通过 中间实施例的控制逻辑与现有的控制逻辑得到的风力发电装置的效率的曲线图；图16是表示现有的控制逻辑的偏摆旋转开始的时机与中间实施例三的控制逻辑 的偏摆旋转开始的时机的曲线图；图17是表示函数θ TH(t)的例子的曲线图；图18是表示现有控制逻辑的曲线图；图19是用于说明现有控制逻辑的问题的曲线图。
具体实施例方式下面，参照附图详细且示例性地说明本发明的优选实施例。但是，只要该实施例中 记载的构成部件的尺寸、材质、形状及其相对的配置等没有特别限定，本发明的范围并不限 定与此，而其仅仅是说明例而已。图9是表示本发明的风力发电装置1的结构的侧视图。风力发电装置1具备塔2 和设置在塔2上端的机舱3。机舱3能够向偏摆方向旋转，利用机舱旋转机构4而使其朝向 希望的方向。机舱3安装有绕线式感应发电机5和齿轮6。绕线式感应发电机5的转子经 由齿轮6而与风车旋转体7的旋转轴7a接合。风车旋转体7具备与旋转轴7a连接的轮毂 8和安装在轮毂8上的叶片9。机舱3还设置有测定风速和风向的风向风力计10。图10是表示机舱旋转机构4的结构的例子的剖视图。机舱旋转机构4具备偏摆 电动机11、减速器12、小齿轮13、内齿轮14、偏摆制动机构15和制动盘16。偏摆电动机11、减速器12、小齿轮13和偏摆制动机构15安装在机舱3中并与机舱3 —起运动。另一方面， 内齿轮14和制动盘16被固定于塔2。偏摆电动机11的转子经由减速器12而与小齿轮13 机械连接，且小齿轮13与内齿轮14相互啮合。当向偏摆电动机11通电，小齿轮13旋转， 机舱3进行偏摆旋转。机舱3的偏摆旋转由制动机构15进行制动。当偏摆制动机构15的 制动靴17夹住制动盘16，则机舱3的偏摆旋转就被制动或停止。图11是表示偏摆控制的控制系统结构的例子的方框图。在本实施例中，偏摆控制 系统具备控制装置21、电动机驱动装置22和制动机构驱动装置23。电动机驱动装置22 根据来自控制装置21的控制信号而向偏摆电动机11供给驱动电力。制动机构驱动装置23 根据来自控制装置21的控制信号使制动机构15的制动靴17夹住制动盘16。控制装置21 根据由风向风力计10测定的风速和风向来决定所希望的风车旋转体7的方向，而且通过使 偏摆电动机11动作来使机舱3偏摆旋转，以使风车旋转体7朝向所希望的方向。当利用偏 摆旋转而使风车旋转体7朝向所希望的方向，则控制装置21就使制动机构15动作来使偏 摆旋转停止。(中间实施例一)其次，对由改善了附图18说明的现有风力发电装置的偏摆控制而得到的中间实 施例一所进行的偏摆控制进行说明。在中间实施例一中，根据风向风力计10测定的风向进 行偏摆控制。更具体而言，控制装置21进行如下所示的偏摆控制。风向风力计10按规定的取样间隔来测定各时刻的风向，并将表示各时刻风向的 风向数据供给到控制装置21。通过风向数据将风向定义为与规定的基准方向所成的角度。控制装置21，通过对测定的风向数据进行低通滤过处理(最简便的做法是将时间 上接近的多个风向数据进行平均)而生成在偏摆控制中实际使用的控制用风向数据，算出 该控制用风向数据所表示的风向与风车方位的差作为风向偏差。在中间实施例一中，风车 方位表现为风车旋转体7的旋转轴7a的方向与规定的基准方向所成的角度。风向偏差是 取正、负或零中任何一个值的数据，在中间实施例一及后述的实施例中，将从由控制用风向 数据所表示的风向中减去风车方位的角度的值被定义为风向偏差。而且，控制装置21，对应算出的风向偏差来控制电动机驱动装置22及制动机构驱 动装置23，从而进行机舱3的偏摆旋转。在本中间实施例一中，控制装置21在满足下述两 个条件(1、2)中的至少一个的情况下进行偏摆旋转，以使风向偏差变为零(即，朝向最新控 制用风向数据所表示的风向)。条件⑴风向偏差的绝对值为界限值θ TH1以上(或超过θ ΤΗ1)的状态持续T1秒。条件⑵风向偏差的绝对值为界限值θ ΤΗ2( > θ Tm)以上(或超过θ ΤΗ2)的状态 持续T2 (< T1)秒。希望注意的是条件(1)主要是对紊乱度大而风向随机变化状况下的偏摆控制起 作用，条件(2)主要是对风向长时间逐渐变化状况下的偏摆控制起作用。如下所述，这样的 控制逻辑在不增加偏摆旋转的次数而降低平均风向偏差的大小方面是有效的。图12是表示图18所示的现有控制逻辑产生的风向偏差的变化与中间实施例一的 控制逻辑产生的风向偏差的变化的曲线图。详细而言，图12(a)是表示由现有控制逻辑产 生的风向偏差变化的曲线图，具体表示为采用以下控制逻辑时的风向偏差变化，即，在风向 偏差的绝对值在过去的20秒期间表示20度以上值的情况下，使机舱3偏摆旋转以使风向偏差变为零的控制逻辑。另一方面，图12(b)是表示风向长时间逐渐变化状况下的由本实施例的控制逻辑 产生的风向偏差变化的曲线图，图12(c)是表示紊乱度大而风向随机变化状况下的由本实 施例的控制逻辑产生的风向偏差变化的曲线图。这里，条件(1)的界限值ΘΤΗ1设定为20 度，持续时间T1设定为20秒，条件(2)的界限值θ ΤΗ2设定为5度，把持续时间T2设定为 100 秒。根据图12(a)所示的现有控制逻辑，由于即使在风向长时间逐渐变化的情况下， 在风向偏差的绝对值超过界限值20度之前也不进行偏摆旋转，所以平均的风向偏差变大。 确实即便是现有的控制逻辑只要把开始偏摆旋转的界限值变小(例如设定成5度)，也许能 够降低平均的风向偏差，但这种方法会使偏摆旋转的次数增加。另一方面，根据图12(b)、(C)所示的本中间实施例一的控制逻辑，能够同时实现 降低平均的风向偏差和抑制偏摆旋转次数的增大。在风向长时间逐渐变化的状况下，通 过满足条件(2)来进行偏摆旋转。由于在条件(2)中界限值ΘΤΗ2被设定的比较小(在图 12(b))的例子中是5度)，所以能够使平均的风向偏差变小。而且，因为条件(2)的持续时 间T2被设定的比较长，所以抑制了偏摆旋转次数的增大。另一方面，在紊乱度大且风向随 机变化的状况下，通过满足条件(1)来进行偏摆旋转。由于在条件(1)中界限值ΘΤΗ1被设 定的比较大，所以仅在真正需要时才进行偏摆旋转。因此，能够抑制偏摆旋转次数的增大。这样，与现有技术相比，根据中间实施例一能够同时实现降低平均风向偏差与抑 制偏摆旋转次数的增大。但是，我们认为在偏摆旋转的停止条件及风向过渡性变化的情况 下的偏摆旋转条件中存在改善的余地，能够进一步降低平均风向偏差、抑制偏摆旋转次数 的增大。(中间实施例二)在中间实施例二中，判断当前风况是否符合“紊乱度大且风向随机变化的状 况”(第一状况)与“风向长时间逐渐变化的状况”(第二状况)中的任何一个，并根据其判 断来使用不同的控制逻辑。风力发电装置1的结构与中间实施例一相同。在中间实施例二中，控制装置21利用下述的控制逻辑从风向风力计10检测到的 风向数据来判断是上述两种状况的哪一个。控制装置21依次算出过去最接近的规定时间 (例如过去的最接近的一分钟内)内的平均风向。而且，在最近算出的平均风向与在其之近 前算出的平均风向的差在规定角度内的期间仅持续了规定时间的情况下，控制装置21判 断当前风况为风向长时间逐渐变化的第二状况。在不是这种情况下，控制装置21判断当前 风况为紊乱度大且风向随机变化的第一状况。如图13所示，通过使用这样的控制逻辑，具 有一定程度正确性并且能够进行两种状况的判别。另外，也可以使用在一天中(或一年中)的特定期间判断风况处于“紊乱度大而风 向随机变化的状况”、在其他的特定期间判断风况处于“风向长时间逐渐变化的状况”的控 制逻辑。能够根据过去的观测数据来适当决定认为是处于“紊乱度大而风向随机变化的状 况”期间和认为是处于“风向长时间逐渐变化的状况”期间。根据这样的控制逻辑，能够简 便地判断其是上述状况的哪一个。在判断当前风况处于“紊乱度大而风向随机变化的状况”的情况下，当风向偏差的 绝对值是规定的界限值ΘΤΗ1以上的值(或超过界限值ΘΤΗ1的值)的状态仅持续了规定的
12持续时间T1 (例如20秒)时，控制装置21实行偏摆旋转以使风向偏差变为零。另一方面，在判断当前风况处于“风向长时间逐渐变化的状况”的情况下，当风向 偏差的绝对值是规定的界限值θ ΤΗ2以上的值(或超过界限值θ ΤΗ2的值)的状态仅持续了 规定的持续时间T2 (例如20秒)时，控制装置21实行偏摆旋转以使偏摆旋转前后的风向偏 差符号相反，且使偏摆旋转后的风向偏差绝对值与界限值ΘΤΗ2相等。例如，考虑到将界限 值ΘΤΗ2设定为10度的情况，如果风向偏差超过+10度的状态仅持续规定的持续时间T(例 如20秒)，则进行偏摆旋转以使风向偏差变为-10度。图14(a)是表示在风向长时间逐渐变化的状况下利用本中间实施例二的控制逻 辑来进行偏摆控制的情况下的风向与风车方位关系的曲线图。在图14(a)的曲线图中，假 定风向的变化一定。从图14(a)可以理解在本实施例的控制逻辑中，即使在风向变化一 定的情况下，风向偏差(即风向与风车方位的差)也交替地取正值和负值。因此，风向偏差 的平均值接近为零。而且，在本实施例的控制逻辑中，即使将风向长时间逐渐变化状况下 所使用的界限值θ ΤΗ2设定为小值，偏摆旋转的次数也不会随之增大。其原因在于在本实 施例中，在风向长时间逐渐变化的状况中风向偏差Δ θ (t)(不是在零与+ ΘΤΗ2之间或者零 与-θ ΤΗ2之间)在包含-θ ΤΗ2彡Δ θ (t)彡+ θ ΤΗ2的范围内变化的缘故。将界限值θ ΤΗ2设 定为小值，为了使风向偏差的平均值接近零是有效的。另一方面，如图14(b)所示，偏摆旋转后的风向偏差为零的现有控制逻辑中，在风 向长时间逐渐变化的状况下风向偏差常为正或常为负。这就使风向偏差大小的平均值增 大。需要注意的是在图14(b)中图示了风向偏差常为负的情况。图15是更明确地说明本实施例的控制逻辑相对于现有控制逻辑的优越性的曲线 图，详细而言，其表示在本实施例的控制逻辑与现有的控制逻辑中风向的变化速度一定且 风向偏差的变化幅度相同的情况下的风力发电装置1的效率。需要注意的是风向的变化 速度一定且风向偏差的变化幅度相同的条件是根据在本实施例的控制逻辑和现有的控制 逻辑中偏摆旋转的次数相同的观点来决定的。具体而言，图15表示的是本实施例的控制 逻辑中将界限值θ TH2设定在10度，现有的控制逻辑中将开始偏摆旋转的界限值θ ΤΗ2设定 在20度的情况。因为无论在哪种情况下，风向偏差的变化幅度都相同，所以偏摆旋转的次 数也相同。如图15所示，相对现有的控制逻辑中风向偏差在-20度与零之间变化，在本实施 例的控制逻辑中风向偏差在包含-10度以上+10度以下的范围变化。由于风力发电装置1 的效率随着风向偏差的绝对值变大而急速下降，所以在现有的控制逻辑中，特别在风向偏 差是-20度与-10度的情况下风力发电装置1的效率会降低。另一方面，由于在本实施例 的控制逻辑中，风向偏差只在包含-10度以上、+10度以下的范围内变化，所以风力发电装 置1的效率降低小。即使在现有的控制逻辑中，如果将开始偏摆旋转的界限值θ ΤΗ设定较小值(例如， 设定成10度)，则风向偏差的大小平均值就会变小。但是，如果将界限值ΘΤΗ设定为较小 值，则偏摆旋转的次数就会增加。这样，在现有的控制逻辑中，不能兼顾抑制偏摆旋转次数 的增大和降低风向偏差的绝对值平均值。如以上说明所示，本中间实施例二的风力发电装置1在风向处于长时间逐渐变化 的状况的情况下，实行偏摆旋转以使偏摆旋转前后的风向偏差符号相反且使偏摆旋转后的风向偏差绝对值与界限值ΘΤΗ2相等。由此，能够抑制偏摆旋转次数的增大，同时减少风向 偏差绝对值的平均值。在本中间实施例二中，还能够进行偏摆旋转以使偏摆旋转后的风向偏差绝对值为 界限值ΘΤΗ2与零之间的值。例如，在界限值θ ΤΗ2是7. 5度的情况下，如果风向偏差超过 +7. 5的状态仅持续了规定的持续时间(例如20秒)，则还能够进行偏摆旋转以使风向偏差 变为_4度。但是，为了降低风向偏差绝对值的平均值，优选实行偏摆旋转以使偏摆旋转后 的风向偏差绝对值与界限值ΘΤΗ2相等。另外，还可以组合实施中间实施例一的偏摆控制与中间实施例二的偏摆控制。更 具体而言，在中间实施例一的偏摆控制条件(2)成立的情况下，实行偏摆旋转以使偏摆旋 转前后的风向偏差符号相反，且使偏摆旋转后的风向偏差绝对值与界限值ΘΤΗ2相等(或使 风向偏差的绝对值为零与界限值ΘΤΗ2之间的值)。在条件(1)成立的情况下，实行偏摆旋 转以使风向偏差变为零。我们认为中间实施例一的条件(2)符合处于“风向长时间逐渐变化的状况”时的 情况。因此，在条件(2)成立的情况下，优选的是，实行偏摆旋转以使偏摆旋转前后的风向 偏差符号相反，且使偏摆旋转后的风向偏差绝对值与界限值θ ΤΗ2相等。这样，根据中间实施例一，能够达到进一步降低平均风向偏差且提高风力发电机1 的效率的效果。但是，我们认为在偏摆旋转的停止条件及风向过渡性变化的情况下的偏摆 旋转条件中存在改善的余地，能够进一步降低平均风向偏差、抑制偏摆旋转次数的增大。(中间实施例三)在风向偏差的绝对值比规定的界限值大的状态仅持续了规定的持续时间的情况 下，实行偏摆旋转的现有控制逻辑的另一个问题是不能检测风向过渡性的变化。图16(a) 是表示图18所示的现有控制逻辑的问题的曲线图。因为在现有的控制逻辑中只要风向偏 差不超过界限值则风向偏差的变化会被忽略，所以无法检测风向偏差过渡性的变化。因此， 如图16(a)所示，在现有的控制逻辑中，从风向开始变化到实际进行偏摆旋转的时间变长， 使风向偏差大的状态即风力发电装置1的效率降低的状态长时间的期间持续。在中间实施例三中采用了检测风向过渡性变化且在准确的时机进行偏摆旋 转的控制逻辑。更具体而言，在中间实施例三中，在当前时刻设定为、时，关于满足 t0-T 的所有时刻，在下面的条件成立的情况下，采用进行偏摆旋转使风向偏差变 为零的控制逻辑。Δ θ (t) I ^ 0TH(t)(la)或I Δ θ (t) I > eTH(t) (lb)这里，I Δ θ (t) I为时刻t的风向偏差的绝对值，T为规定值，θ TH(t)是在偏摆旋 转开始的判断中所使用的界限值，且是在、_Τ中广义上单调递增的函数。本中间 实施例三中，需要注意的是界限值与时间一起增加。T相当于偏摆旋转的判断所使用的时 间长度。这里，“广义”是指在、^{Stci中，即使存在θΤΗα)是一定的区间也是可以 的。其中，θ TH ω不能在、-τ 的整个区间设定成一定。如图16(b)所示，在这样的控制逻辑中，能够检测风向过渡性变化，从而尽早地进 行偏摆旋转。详细而言在中间实施例三的控制逻辑中，因为开始偏摆旋转的界限值与时间 一起增加，所以在开始偏摆旋转的判断中能够考虑到风向偏差的绝对值尚小的初始阶段的
14风向偏差变化。因此，根据中间实施例三的控制逻辑，能够检测风向的过渡性变化，从而以 正确的时机进行偏摆旋转。这对提高风力发电装置1的效率方面是有效的。 [ο οι] 在中间实施例三中，函数θΤΗα)被如下设定数1
权利要求
一种风力发电装置，其特征在于，包括安装有风车旋转体的机舱、使机舱偏摆旋转的旋转机构、测定风向的风向测定机构和控制所述旋转机构的控制装置，所述控制装置根据由所述风向测定机构测定的风向和所述风车旋转体的方向来算出风向偏差，并且所述控制装置在下述两个条件(1、2)中的任何一个成立的情况下，利用所述旋转机构使所述机舱偏摆旋转，所述条件(1)所述风向偏差的绝对值为第一界限值以上的状态(或超过第一界限值的状态)在规定的第一持续时间的期间持续，所述条件(2)所述风向偏差的绝对值为比所述第一界限值大的第二界限值以上的状态(或超过第二界限值的状态)在比所述第一持续时间短的第二持续时间的期间持续，并且，当将当前时刻设定为t0、将T设定为规定值时，在从时刻t0 T到时刻t0的风向平均值与风车旋转体的方向一致时，停止所述机舱的偏摆旋转。
2.一种风力发电装置，其特征在于，包括安装有风车旋转体的机舱、使机舱偏摆旋转的旋转机构、测定风向的风向测定机 构和控制所述旋转机构的控制装置，所述控制装置根据由所述风向测定机构测定的风向和所述风车旋转体的方向来算出 风向偏差，并且所述控制装置在下述两个条件(1、2)中的任何一个成立的情况下，利用所 述旋转机构使所述机舱开始进行偏摆旋转，所述条件(1)所述风向偏差的绝对值为第一界限值以上的状态(或超过第一界限值 的状态)在规定的第一持续时间的期间持续，所述条件(2)所述风向偏差的绝对值为比所述第一界限值大的第二界限值以上的状 态(或超过第二界限值的状态)在比所述第一持续时间短的第二持续时间的期间持续，并且，使所述机舱至少以符合当所述偏摆旋转时成立的所述条件(1)及(2)中的任何 一个的相当于第一或第二界限值的角度的量进行偏摆旋转。
3.如权利要求2所述的风力发电装置，其特征在于，所述控制装置使所述机舱仅旋转相当于所述第一或第二界限值的量，判断所述风向偏 差的符号是否与偏摆旋转前相反，如果所述风向偏差的符号相反则停止偏摆旋转，如果所 述风向偏差的符号没有相反则继续进行偏摆旋转直至风向偏差变为零。
4.如权利要求2所述的风力发电装置，其特征在于，所述控制装置使所述机舱仅旋转相当于所述第一或第二界限值的量，判断当将当前时 刻设定为、、将T设定为规定值时从时刻、-Τ到时刻、的风向平均值和风车旋转体的方向 之间的差的符号是否与偏摆旋转前相反，如果所述符号相反则停止偏摆旋转，如果所述风 向偏差的符号没有相反则继续进行偏摆旋转直至所述风向平均值与风车旋转体的方向的 差变为零。
5.一种风力发电装置，其特征在于，包括安装有风车旋转体的机舱、使机舱偏摆旋转的旋转机构、测定风向的风向测定机 构和控制所述旋转机构的控制装置，所述控制装置，(a)根据由所述风向测定机构测定的风向和所述风车旋转体的方向来 算出风向偏差，(b)判断当前风况是否处于风向随机变化的第一状况与风向逐渐变化的第2二状况中的任何一个，(C)在判断所述当前风况相当于所述第二状况，且所述风向偏差的绝 对值为规定的第一界限值以上的状态(或超过第一界限值的状态)仅在规定的第一持续时 间持续的情况下，使所述机舱偏摆旋转相当于所述第一界限值的量后，判断所述风向偏差 的符号是否与偏摆旋转前相反，如果所述风向偏差的符号相反则停止偏摆旋转，如果所述 风向偏差的符号没有相反则继续进行偏摆旋转直至风向偏差变为零，并且(d)在判断所述 当前风况相当于所述第一状况，且所述风向偏差的绝对值为比所述第一界限值大的第二界 限值以上的状态(或超过第二界限值的状态)仅在比第一持续时间短的第二持续时间持续 的情况下，使所述机舱偏摆旋转，以使当将当前时刻设定为、、将T设定为规定值时，从时刻 t0-T到时刻、的风向平均值与风车旋转体的方向相一致。
6.一种风力发电装置，其特征在于，包括安装有风车旋转体的机舱、使机舱偏摆旋转的旋转机构、测定风向的风向测定机 构和控制所述旋转机构的控制装置，所述控制装置构成为根据由所述风向测定机构测定的风向和所述风车旋转体的方向 来算出风向偏差，并且在当将当前时刻设定为、、将T1设定为规定值、满足Itl-T1 ^ ts ^ t0 关系的时刻设定为ts时，在满足IsStStci的所有时刻t中所述风向偏差满足规定条件 的情况下，使所述机舱偏摆旋转，所述规定条件是 Δ Θ (t) I ^ eTH(ts)(其中，I Δ θ (t) I是各时刻t的所述风向偏差的绝对值，θ TH(t)是在Itl-T1彡t彡tQ 中广义上单调递增的函数，而且针对所述θΤΗα)的时间的导函数deTH(t)/dt，除去导函数 不能定义的时刻仏在、-1\中广义上单调递增)。
7.一种风力发电装置，其特征在于，包括安装有风车旋转体的机舱、使机舱偏摆旋转的旋转机构、测定风向的风向测定机 构和控制所述旋转机构的控制装置，所述控制装置构成为(a)根据由所述风向测定机构测定的风向和所述风车旋转体 的方向来算出风向偏差，(b)判断当前风况是否处于风向随机变化的第一状况与风向逐渐 变化的第二状况中的任何一个，(c)在当将当前时刻设定为、、将T1设定为规定值、满足 to- ! ^ ts ^ t0关系的时刻设定为ts时，在满足ts < t彡、的所有时刻t中所述风向偏 差满足规定条件的情况下，使所述机舱偏摆旋转，所述规定条件是在所述当前风况符合所述第一状况的情况下， Δ θ (t) I彡θ TH1(ts)，在所述当前风况符合所述第二状况的情况下， Δ Θ (t) I 彡 eTH2(ts),(其中，I Δ Θ (t) I是各时刻t的所述风向偏差的绝对值，Θ TH1 (t)是在、-1\彡t彡tQ 中广义上单调递增的函数，而且针对所述θΤΗ1α)的时间的导函数deTH1(t)/dt，除去导函 数不能定义的时刻t，在、-1\中广义上单调递增，并且ΘTH2(t)是在、-1\ 中广义上单调递减函数，而且针对所述θΤΗ2α)的时间的导函数deTH2(t)/dt，除去导函数 不能定义的时刻仏在、-1\中广义上单调递增)。
8.如权利要求6或7所述的风力发电装置，其特征在于，所述控制装置，当将当前时刻设定为、、将T设定为规定值时，在从时刻、-τ到时刻、的风向平均值与风车旋转体的方向相一致时，停止所述机舱的偏摆旋转。
9.如权利要求6或7所述的风力发电装置，其特征在于，所述控制装置使所述机舱仅旋转相当于所述eTH1(ts)或eTH2(ts)的量，判断所述风向 偏差的符号是否与偏摆旋转前相反，如果所述风向偏差的符号相反则停止偏摆旋转，如果 所述风向偏差的符号没有相反则继续进行偏摆旋转直至风向偏差变为零。
10.如权利要求1 9中任一项所述的风力发电装置，其特征在于，所述控制装置测量从现在至规定时间之前的期间进行偏摆旋转的次数， 在进行偏摆旋转的次数比规定次数少的情况下，放宽旋转条件， 在进行偏摆旋转的次数比规定次数多的情况下，加严旋转条件。
11.一种风力发电装置控制方法，所述风力发电装置具备安装有风车旋转体的机舱，所 述风力发电装置控制方法的特征在于，包括测定风向的步骤；根据测定的所述风向和所述风车旋转体的方向来算出风向偏差的步骤； 在下面的条件(1、2)中任何一个成立的情况下使所述机舱偏摆旋转的步骤， 所述条件(1)所述风向偏差的绝对值为第一界限值以上的状态(或超过第一界限值 的状态)在规定的第一持续时间的期间持续，所述条件(2)所述风向偏差的绝对值为比所述第一界限值大的第二界限值以上的状 态(或超过第二界限值的状态)在比第一持续时间短的第二持续时间的期间持续，当将当前时刻设定为、、将T设定为规定值时，在从时刻、-Τ到时刻、的风向平均值 与风车旋转体的方向相一致时，停止所述机舱的偏摆旋转的步骤。
12.—种风力发电装置控制方法，所述风力发电装置具备安装有风车旋转体的机舱，所 述风力发电装置控制方法的特征在于，包括测定风向的步骤；根据测定的所述风向和所述风车旋转体的方向来算出风向偏差的步骤； 在下面的条件(1、2)中任何一个成立的情况下使所述机舱至少以符合所述条件(1)或 (2)中任何一个成立的条件的相当于第一界限值或第二界限值的角度的量进行偏摆旋转的 步骤，所述条件(1)所述风向偏差的绝对值为第一界限值以上的状态(或超过第一界限值 的状态)在规定的第一持续时间的期间持续，所述条件(2)所述风向偏差的绝对值为比所述第一界限值大的第二界限值以上的状 态(或超过第二界限值的状态)在比第一持续时间短的第二持续时间的期间持续。
13.一种风力发电装置控制方法，所述风力发电装置具备安装有风车旋转体的机舱，所 述风力发电装置控制方法的特征在于，包括测定风向的步骤；根据测定的所述风向和所述风车旋转体的方向来算出风向偏差的步骤； 在当将当前时刻设定为、、将T设定为规定值、将满足满足Itl-T1 ^ ts ^ t0关系的时刻 设定为ts时，在满足IsStStci的所有时刻t中所述风向偏差满足规定条件的情况下，使 所述机舱偏摆旋转的步骤， 所述规定条件是|Δ θ (t) |≥ eTH(ts)(其中，I Δ θ (t) I是各时刻t的所述风向偏差的绝对值，θ TH(t)是Itl-T1≤t≤t。中 广义上单调递增的函数，而且针对所述θΤΗα)的时间的导函数deTH(t)/dt，除去导函数不 能定义的时刻仏在to－T1≤t≤to中广义上单调递增)。
全文摘要
提供一种风力发电装置的偏摆控制技术，其能够一边抑制偏摆旋转的次数的增加，一边即使在风向长时间逐渐变化的情况下也降低风向的偏差的大小，另外提供一种风力发电装置的偏摆控制技术，其能够通过在早期掌握风向的过渡性变化而在适当的时机进行偏摆旋转，来提高风力发电装置的效率。一种风力发电装置，其包括安装有风车旋转体的机舱、使机舱偏摆旋转的旋转机构、测定风向的风向测定机构和控制所述旋转机构的控制装置，所述控制装置根据由风向测定机构测定的风向和所述风车旋转体的方向来算出风向偏差，并且，所述控制装置在下述两个条件(1、2)中的任何一个成立的情况下，利用旋转机构使所述机舱偏摆旋转，并且当将当前时刻设定为t0、将T设定为规定值时，在从t0-T到t0的风向平均值与风车旋转体的方向一致时，停止所述机舱的偏摆旋转，条件(1)所述风向偏差的绝对值为第一界限值以上的状态(或超过第一界限值的状态)在规定的第一持续时间的期间持续，条件(2)所述风向偏差的绝对值为比所述第一界限值大的第二界限值以上的状态(或超过第二界限值的状态)在比所述第一持续时间短的第二持续时间的期间持续。
文档编号F03D7/04GK101978161SQ20098010958
公开日2011年2月16日 申请日期2009年4月30日 优先权日2008年10月29日
发明者松尾淳, 深见浩司 申请人:三菱重工业株式会社