专利名称：风力发电装置和风力发电装置的风向估计方法
技术领域：
本发明涉及风力发电装置，特别涉及追随风向而可变地控制导流罩(nacelle)的 朝向的风力发电装置。
背景技术：
顶风(up wind)式的风力发电装置是在支柱上设置的导流罩上，设置了安装了叶 片的旋转头(rotor head)和由旋转头的轴输出驱动的发电机的装置。在这样构成的风力 发电装置中，由于叶片接受风力，叶片和旋转头旋转，并传递给发电机。因此，将风力变换为 旋转力而得到的轴输出被作为发电机的驱动源，并且可以进行作为发电机的动力而利用了 风力的发电。另外，在这种风力发电装置中，由于发电输出根据风速和风向而变动，所以在美国 专利第6320272号说明书(专利文献1)中，公开了使用激光(> 一W)式风速计来估计风 速，并掌握风力发电装置的发电性能的技术。而且，在这种风力发电装置中，为了最大限度地充分利用风能，在导流罩上部设置 风向计，并进行方位控制，使得导流罩正面朝向由该风向计检测出的主风向。但是，由于风向计被设置在导流罩的上部，即被设置在叶片的后方，所以对于风向 位于叶片的尾流。因此，由于叶片的旋转而风向变化，风向计检测出的主风向和吹到叶片上 的实际的主风向之间产生偏差，其结果，风力发电装置在与实际的主风向偏差了的状态下 进行发电。由于风产生的旋转能对应于风向的偏差而降低，所以存在风力发电装置的发电 输出因风向的偏差而降低的问题。而且，还存在由于风向的偏差而对风力发电装置施加偏 载荷的问题。现有技术文献专利文献专利文献1 美国专利第6320272号说明书
发明内容
发明要解决的技术问题本发明是为解决上述问题而完成的，其目的是提供能够进行方位控制，使导流罩 朝向对于实际的风向的正面的风力发电装置。解决课题的手段为了解决上述课题，本发明采用以下的手段。本发明的一个方式是风力发电装置，追随风向而可变地控制导流罩的朝向，包括 风向检测单元，检测主风向；风向假设单元，通过假设风向偏移值，即规定的风速中的所述 主风向和实际的风向的实际风向的偏差，假设实际风向；平均发电输出计算单元，计算所述 被假设的实际风向中的规定时间的平均发电输出；以及实际风向估计单元，将对于所述被 假设的风向偏移值的所述平均发电输出近似为二次曲线，将该近似的二次曲线中的所述平均发电输出为最大时的风向偏移值估计为实际的偏移值，从而估计实际风向。而且，本发明的另一个方式是风向估计方法，用于追随风向而可变地控制导流罩 的朝向的风力发电装置，包括检测主风向的步骤；通过假设风向偏移值，即规定的风速中 的所述主风向和实际的风向的实际风向的偏差，假设实际风向的步骤；计算所述被假设的 实际风向中的规定时间的平均发电输出的步骤；以及将对于所述被假设的风向偏移值的所 述平均发电输出近似为二次曲线，将该近似的二次曲线中的所述平均发电输出为最大时的 风向偏移值估计为实际的偏移值，从而估计实际风向的步骤。按照上述的本发明的方式，由于风向检测单元检测到的主风向和实际上吹到风力 发电装置的风的风向即实际风向产生偏差，所以假设作为该偏差的风向偏移值。另外，风向 偏移值由于风力发电装置的叶片的转速而变化。特别是，在本实施方式中的风力发电装置 那样叶片的转速对应于风速的变化而变化的风力发电装置中，将风速和叶片的转速视为相 对应的关系，在假设风向偏移值时，将估计对象决定为规定的风速。该规定的风速可以任意 地决定。因此，在规定的风速中，在假设检测到的主风向和实际风向上存在偏差的状态，即， 根据检测到的主风向和风向偏移值假设实际风向，在为规定的风速并且假设的实际风向中 的假设规定时间的平均发电输出。这里的规定时间可以任意地决定。根据计算出的平均 发电输出，例如使用最小二乘法或者梯度法等将相对于风向偏移值的平均发电输出近似为 二次曲线，将在该二次曲线中平均发电输出为最大时的风向偏移值估计为实际的风向偏移 值，通过将其加到主风向，估计实际风向。发明的效果这样，按照本发明，通过估计吹到风力发电装置的实际的风向，可以进行方位控 制，使得导流罩朝向对于实际的主风向的正面，风力发电装置的发电性能提高。
图1是表示本发明的风力发电装置的概略结构的方框图。图2是表示本发明的第1实施方式的风向估计处理的流程图。图3是表示本发明的第1实施方式的风向计的检测风向、实际风向和风向偏移的 关系的说明图。图4是表示图2的流程图的步骤S33的子程序的流程图。图5A是在本发明的第1实施方式中，表示生成近似曲线的步骤的说明图。图5B是在本发明的第1实施方式中，表示生成近似曲线的步骤的说明图。图5C是在本发明的第1实施方式中，表示生成近似曲线的步骤的说明图。图5D是在本发明的第1实施方式中，表示生成近似曲线的步骤的说明图。图5E是在本发明的第1实施方式中，表示生成近似曲线的步骤的说明图。图6是表示本发明的第2实施方式的风向估计处理的流程图。图7是在本发明的第2实施方式中，表示生成近似曲线的步骤的说明图。图8是表示使用本发明的风向估计方法计算出的风向偏移值的表的参考例的图。标号说明10 导流罩11 风向计
20运算单元
21CPU
22ROM
23RAM
24存储装置
25风向假设单元
26平均发电输出计算单元
27实际风向估计单元
具体实施例方式以下，参照附图，说明本发明的风力发电装置的各实施方式。第1实施方式图1是表示本发明的风力发电装置的概略结构的方框图。如图1所示，风力发电 装置在导流罩10的上部具有作为风向检测部件的风向计11，该风向计检测吹到风力发电 装置的风向，将检测到的风向输出到运算单元20。运算单元20是进行用于估计实际风向的运算的单元，具有执行各种运算处理的 CPU (中央运算处理单元)21 ；存储基本程序等的只读存储器即ROM (Read Only Memory) 22 ； 起到CPU21的工作区域的作用的作为自由读写的存储器的RAM (Random Access Memory，随 机存储器)23 ；以及存储程序或各种数据的存储装置M。而且，运算单元20具有作为风向假设部件的风向假设单元25 ；作为平均发电输 出计算部件的平均发电输出计算单元26 ；以及作为实际风向估计部件的实际风向估计单 元27。风向假设单元25通过假设风向偏移值，即规定的风速中的主风向和作为实际的风向 的实际风向的偏差，而假设实际风向。平均发电输出计算单元26计算假设的实际风向中的 规定时间的平均发电输出。实际风向估计单元27将对于假设的风向偏移值的平均发电输 出近似为二次曲线，通过将近似的二次曲线中的平均发电输出成为极大时的风向偏移值估 计为实际的偏移值来估计实际风向。风向假设单元25、平均发电输出计算单元沈、实际风向估计单元27都是通过 CPU21执行规定的R0M22中存储的处理程序而实现的处理单元，对于其处理在后叙述。接着，说明本发明的风力发电装置中的风向估计方法的处理步骤。图2是表示本 实施方式的风向估计方法的处理步骤的流程图。在步骤S31中，首先选择成为在估计风向时的对象的风速Va。这是因为，在实际风 向和主风向的偏差，即本实施方式的风力发电装置那样，叶片的转速与风速对应那样的风 力发电装置中，风向偏移值与风速对应而有所不同，所以在估计实际风向时，需要决定在假 设风向偏移值时成为对象的风速Va，该风速Va可以任意地决定。接着，在步骤S32中，通过 风向假设单元25假设在步骤S31中选定的风速Va中的风向偏移值，并根据它假设实际风 向。即，如图3所示，在将风向计11相对于导流罩的方位基准轴检测的风向设为Wdl、将作 为实际风向和检测风向的偏差的风向偏移值设为W。时，导流罩10跟前的实际风向Wd由下 式定义，根据该式假设实际风向Wd。公式1
Wd = Wdl-W0风向偏移值需要假设多个值，以便在之后的步骤值可以近似为二次曲线，在本实 施方式中，假设为w。(l) =0° ,W0(2) =+10°，W。(3) =-10°这三个值。然后，与其对应， 将实际风向分别假设为Wd(I)、Wd O)、Wd (3)。在下一个步骤S33中，通过平均发电输出计算单元沈分别计算在步骤S32中假设 的实际风向Wd(I)、Wj2)、Wd(3)中的10分钟的平均发电输出。平均发电输出的计算处理 过程为图2所示的流程图中的子程序，按照图4所示的流程图进行计算。S卩，在图4的步骤 S41中，在追随由风向计11检测出的风向而驱动导流罩，风力发电装置处于发电状态时，首 先，作为化⑴而测量风速、风向、发电输出，并且将测量的数据存储在存储装置M中。在 下一个步骤S42中，根据在步骤S41中测量出的风速、风向、发电输出的数据计算10分钟平 均值，并将其存储在存储装置M中。在下一个步骤S43和步骤S44中，重复判断存储装置M中存储的数据是否为希望 的数据，在是希望的数据的情况下采用该数据，在不是希望的数据的情况下不采用该数据 的步骤。具体来说，在步骤S43中，判断被累积的数据中10分钟的平均风速是否在步骤S31 中选定的风速Va的士0. 5m/s的范围。在判断出10分钟平均风速处于Va的士0. 5m/s的 范围内的情况下进入下一个步骤S44。接着，在步骤S44判断10分钟的平均风向是否在假 设的实际风向Wd(I) =0°的士 5°的范围内，在判断出10分钟的平均风向在假设的实际 风向Wd(I) =0°的士5°的范围内的情况下进入下一个步骤S46，在步骤S46中将这些数 据作为计算平均发电输出时采用的数据累积到存储装置24。在步骤S43和步骤S44中判断 出判断对象的数据在所述范围外的情况下进入下一个步骤S45，在计算平均发电输出时不 采用该数据。在步骤S47中，判断在前面的步骤S46中决定采用的、再次存储在存储装置M中 的数据数目是否超过规定数N。这里，所谓规定的数目N可以任意决定，以便能够在计算平 均发电输出时最佳化。在判断出在计算平均发电输出时采用的数据未存储规定数目的情况 下，返回步骤S41，重复以后的步骤。在判断出在计算平均发电输出时采用的数据已存储了 规定数目的情况下，进入下一个步骤S48。在步骤S48中，计算在步骤S46中累积在存储装置M中的N个平均发电输出的值 的平均值，将该平均值作为风向偏移值w。(l)，即假设的实际风向为Wd(I)时的平均发电输 出Pare (1)，对W。⑵和W。(3)也执行步骤S33的子程序，即图4的流程图的处理，计算Pave (2) 和Pave⑶。返回图2，在步骤S34中，判断对在步骤S32中假设的全部风向偏移值的平均发电 输出的计算是否已结束。该判断的结果，在判断出对于全部风向偏移值的平均发电输出的 计算尚未结束的情况下，返回步骤S33，重复步骤S33的子程序。在判断出结束了对于全 部风向偏移值W。(1)、W0 (2)、W0 (3)的平均发电输出的计算的情况下，进入下一个步骤S35， 通过实际风向估计单元27将对于假设的风向偏移值W。(1)、W。⑵、W。(3)计算出的Pare(I)、 Pave(2) ,Pave(3)近似为二次曲线。具体来说，使用最小二乘法或者多项式近似等计算以下公 式的系数公式2P ⑴=a0ffo ⑴'+B1W0 (i)+a2
即，如图5A 图5E所示，首先在图5A中将(W。⑴，Pave⑴)，在图5B中将(W0 (2), Pave(2))，在图5C中将(W。(3)，Pave(3))依次绘出。然后，根据这三点，生成图5D所示的二次 的近似曲线。根据公式3计算生成的近似曲线为最大时的W。(参照图5E)。公式3
权利要求
1.一种风力发电装置，追随风向而可变地控制导流罩的朝向，包括 风向检测单元，检测主风向；风向假设单元，通过假设风向偏移值，即规定的风速中的所述主风向和实际的风向的 实际风向的偏差，从而假设实际风向；平均发电输出计算单元，计算所述被假设的实际风向中的规定时间的平均发电输出；以及实际风向估计单元，将对于所述被假设的风向偏移值的所述平均发电输出近似为二次 曲线，将该近似的二次曲线中的所述平均发电输出为最大时的风向偏移值估计为实际的偏 移值，从而估计实际风向。
2.一种风向估计方法，用于追随风向而可变地控制导流罩的朝向的风力发电装置，包括检测主风向的步骤；通过假设风向偏移值，即规定的风速中的所述主风向和实际的风向的实际风向的偏 差，从而假设实际风向的步骤；计算所述被假设的实际风向中的规定时间的平均发电输出的步骤；以及 将对于所述被假设的风向偏移值的所述平均发电输出近似为二次曲线，将该近似的二 次曲线中的所述平均发电输出为最大时的风向偏移值估计为实际的偏移值，从而估计实际 风向的步骤。
全文摘要
本发明的风力发电装置进行方位控制，使导流罩朝向对于实际的主风向的正面。通过风向计(风向检测单元)(11)检测主风向，通过由风向假设部件(风向假设单元)(25)假设风向偏移值，即规定的风速中的所述主风向和实际的风向的实际风向的偏差，从而假设实际风向，通过平均发电输出计算部件(平均发电输出计算单元)(26)计算被假设的实际风向中的规定时间的平均发电输出，并通过实际风向估计部件(实际风向估计单元)(27)将对于被假设的风向偏移值的所述平均发电输出近似为二次曲线，将该近似的二次曲线中的平均发电输出为最大时的风向偏移值估计为实际的偏移值，从而估计实际风向。
文档编号F03D7/04GK102089516SQ20098012717
公开日2011年6月8日 申请日期2009年11月10日 优先权日2009年1月5日
发明者松下崇俊, 桥本雅之, 若狭强志 申请人:三菱重工业株式会社