专利名称：风力发电装置和机舱回旋方法
技术领域：
本发明涉及风力发电装置和机舱回旋方法，特别是涉及风力发电装置的机舱的偏航控制。
背景技术：
风力发电装置的机舱需要结合风向和风速来控制水平面内的方向。这种控制一般被称为偏航控制，进行偏航控制的机构一般被称为偏航控制机构。偏航控制机构典型的是包括产生用于使机舱向所期望的方向回旋的驱动力的偏航驱动装置和在机舱朝向所期望的方向以后将该机舱固定在该方向的偏航制动器而构成。作为偏航驱动装置，最为典型的是使用利用偏航马达和减速机驱动与设置于塔架的齿轮啮合的小齿轮的结构的驱动机构。 这样的风力发电装置例如在美国专利申请公报US2008/0131279A1中被公开。此外，使用油压制动器作为偏航制动器的风力发电装置例如在特开2006-307653号公报中被公开。一般，偏航驱动装置被设计为即使面对50年才发生一次的突发的强风(50年一遇阵风，例如风速35m/s以上)也能够产生使机舱回旋的驱动力。这是为了在产生任何强风的情况下都能够使风车旋翼向着上风。因为风力发电装置一般在风车旋翼处于上风时风载荷最小，所以为了降低强风时的风载荷优选使风车旋翼向着上风。如果设计为能够产生相对于50年一遇的强阵风也能够使机舱回旋的驱动力，则几乎能够在全部的情况下使风车旋翼向着上风而实现风载荷的降低。在此，根据发明人的研究，像50年一遇阵风这样的突发性强风产生的频率在通常要求的20年的风车寿命中非常稀少，上述这样的偏航控制机构的配置相对于通常运转来说是超配置(over-specific)。由于这样的偏航控制机构的配置会带来成本的上升所以并不优选。因此，发明人研究了以下设计降低偏航控制机构的驱动力，在产生突发的风外力的情况下容许机舱不能够回旋。但是，当降低偏航驱动装置的驱动力时，在为了使风车旋翼向着上风而使机舱回旋的期间产生了瞬间的非稳定风时有可能造成偏航马达损伤。详细而言，当在使机舱回旋的期间产生50年一遇阵风这种瞬间的非稳定风时，存在回旋扭矩不足而导致机舱被瞬时推回去的情况。这时，机舱瞬间高速回旋。由于偏航马达的驱动力一般通过减速机传递给机舱，所以当机舱瞬间高速回旋时，存在偏航马达因过旋转而损伤的可能性。专利文献1 美国专利申请公报US2008/0131279A1专利文献2 日本特开2006-307653号公报
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种用于有效防止机舱被强风推回去而导致偏航马达损伤的技术。在本发明的一个方面中，风力发电装置包括搭载有风车旋翼的机舱；产生使机舱偏航回旋的驱动力的偏航驱动装置；产生对机舱的回旋进行制动的制动力的制动机构； 对偏航驱动装置和制动机构进行控制的控制装置；和测定风速的风速测定装置。控制装置在利用偏航驱动装置使机舱回旋的期间基于风速检测到高风速状态的发生时，对检测到高风速状态的发生进行响应，利用制动机构对机舱施加制动力。在一个实施方式中，控制装置在机舱的回旋中未检测到高风速状态的发生的情况下，控制制动机构以不对机舱施加制动力。此时，优选偏航驱动装置产生的驱动扭矩Mzt-与制动机构产生的制动扭矩 MztBKK，相对于由50年一遇阵风作用于机舱的扭矩(的绝对值)|Mzt|MX，被调节为使以下的关系成立MztALL-MztBEK < I Mzt | Mx < MztALL+MztBEK在一个实施方式中，该风力发电装置还包括检测由风造成的机舱的急速回旋的急速回旋检测装置。在这种情况下，优选在机舱的回旋中检测到机舱的急速回旋时，控制装置控制制动机构，以对机舱施加比在对检测到高风速状态的发生进行响应而施加的制动力高的制动力。偏航驱动装置优选包括偏航马达；使用偏航马达产生的扭矩使机舱回旋的回旋机构；和控制偏航马达产生的扭矩的扭矩控制装置。在本发明的另一方面中，风力发电装置的机舱回旋方法包括在使机舱回旋的期间监视风速的工序；和基于风速检测到高风速状态的发生时，对检测到高风速状态的发生进行响应而对机舱施加制动力的工序。根据本发明，能够有效地使用偏航驱动装置的驱动力，并且能够有效地防止机舱被强风推回去而导致的偏航马达的损伤。
图1是表示本发明的一个实施方式的风力发电装置的结构的侧面图。图2是表示本发明的一个实施方式的偏航控制机构的结构的截面图。图3是表示图2的偏航控制机构的内轮、外轮和小齿轮的配置的俯视图。图4是表示本发明的一个实施方式的偏航控制机构的控制系统的结构的框图。图5是表示本发明的一个实施方式的偏航控制的一个例子的图表。图6是表示本发明的另一实施方式的偏航控制机构的结构的截面图。图7是表示图6的偏航控制机构的结构的平面图。图8是表示本发明的再另一实施方式的偏航控制机构的结构的概念图。图9是表示在使用感应电动机作为偏航马达的情况下的偏航马达的滑移-输出扭矩曲线的图表。
具体实施例方式图1是表示本发明的一个实施方式的风力发电装置1的结构的侧面图。风力发电装置1包括竖立设置在基础6上的塔架2 ；设置在塔架2的上端的机舱3 ；以能够相对于机舱3旋转的方式安装的旋翼头4 ；和安装在旋翼头4上的风车翼5。由旋翼头4和风车翼5 构成风车旋翼。风车旋翼因风力而旋转时风力发电装置1发电，向与风力发电装置1连接的电力系统供电。图2是表示用于进行机舱3的偏航控制的偏航控制机构的结构的图。参照图2，机舱3具有搭载主轴、增速机和发电机等用于发电的机构的机舱台板11，在该机舱台板11上安装有偏航驱动装置12。在塔架2的上端设置有轴承安装部21，在该轴承安装部21安装有外轮22。而且， 在机舱台板11的下面安装有内轮23。在外轮22与内轮23之间放入有钢球24，由外轮22、 内轮23和钢球M构成偏航回旋轮轴承25。通过偏航回旋轮轴承25，机舱台板11能够在水平面内旋转。在外轮22的外周面形成有齿面。偏航驱动装置12包括小齿轮沈、减速机27、偏航马达28和马达制动器四。小齿轮沈与设置在外轮22的外周面的齿面啮合，如图3所示，当小齿轮沈旋转时，机舱3和安装在机舱3的内轮23回旋。S卩，外轮22还作为与小齿轮沈啮合的环状的齿轮发挥功能。 图3中图示了小齿轮沈的旋转方向与机舱3和内轮23的回旋方向的关系。再回到图2， 小齿轮沈与减速机27的输出轴结合。减速机27构成为在对其输入轴的旋转进行减速的同时传递到输出轴，减速机27的输入轴与偏航马达观的旋翼(rotor)结合。从而，小齿轮 26通过减速机27与偏航马达观的旋翼机械性结合。马达制动器四具有对偏航马达观的旋翼施加制动力的功能。由于偏航马达观的旋翼与小齿轮26机械性结合，所以通过马达制动器四提供的制动力，机舱3的偏航回旋被制动。在一实施方式中，作为马达制动器四，使用当用于励磁的电流的供给停止时进行动作的无励磁动作型的电磁制动器。作为为马达制动器四，也可以使用当用于励磁的电流的供给开始时进行动作的形式的电磁制动器。在本实施方式中，作为对机舱3的偏航回旋进行制动的装置，除马达制动器四以外，还设置有偏航制动器30。偏航制动器30是使用油压对机舱3的偏航回旋进行制动的制动机构，包括偏航制动盘31和偏航制动卡钳32。偏航制动盘31安装在塔架2上，偏航制动卡钳32利用安装支架(bracket) 33安装于机舱台板11。偏航制动卡钳32利用油压驱动而将偏航制动盘31夹入，由此，对机舱3的偏航回旋进行制动。另外，在本实施方式中，偏航驱动装置12安装于机舱台板11，但是偏航驱动装置 12也可以安装于塔架2。在这种情况下，在内轮23的内周面形成有齿面，小齿轮沈与该齿面啮合。此外，也可以是在机舱台板11安装有偏航制动盘，在塔架2安装有偏航制动卡钳 32。图4是表示本实施方式的偏航控制机构的控制系统的结构的框图。在本实施方式中，风力发电装置1设置有偏航制动器驱动机构13、控制装置14和风向风速计15。偏航制动器驱动机构13利用油压驱动偏航制动卡钳32。控制装置14响应由风向风速计15计测出的风向和风速，控制机舱3的回旋和停止。机舱3的回旋和停止的控制通过操作偏航马达观、马达制动器四和偏航制动卡钳32而进行。在对机舱3进行固定的情况下(即，不进行机舱3的回旋的情况下)，控制装置14 使马达制动器四和偏航制动卡钳32动作而对机舱3进行制动。另一方面，在使机舱3回旋的情况下，控制装置14使偏航马达观动作。由偏航马达观产生的驱动力通过减速机27传递给小齿轮26，由此，机舱3回旋。在使机舱3回旋的情况下，基本上马达制动器四和偏航制动卡钳32被释放。
但是，在机舱3的回旋中，控制装置14监视由风向风速计15计测出的风速，当判断为处于高风速状态时，转变为在使马达制动器四和/或偏航制动卡钳32动作的同时使机舱3回旋的模式(高风速模式)。通过进行这种控制，抑制发生当产生瞬间的非稳定风时机舱3被瞬时推回去的事态，防止由于过旋转导致的偏航马达观的损伤。在处于高风速状态的情况下施加于机舱3的制动力比在对机舱3进行固定的情况下施加于机舱3的制动力小。例如，可以在对机舱3进行固定的情况下使马达制动器四和偏航制动卡钳32全部动作，而在处于高风速状态的情况下仅使偏航制动卡钳32动作。此外，在处于高风速状态的情况下偏航制动卡钳32产生的制动力也可以与在对机舱3进行固定的情况下偏航制动卡钳32产生的制动力不同。关于转变为高风速模式的判断，可以考虑各种逻辑。作为逻辑中考虑的参数，可以考虑平均风速和持续时间。例如，也可以在过去的预定时间的平均风速比预定值大情况下， 判断为处于高风速状态。此外，也可以在过去的预定时间内的最大风速比预定值大的情况下，判断为处于高风速状态。此时，当高风速状态被解除时，转变为马达制动器四和偏航制动卡钳32被释放的模式(正常回旋模式)。例如，也可以在不满足转变为高风速模式的条件的情况下转变为正常回旋模式。此外，也可以在过去的预定时间的平均风速低于设定值的状态持续了预定时间的情况下转变为正常回旋模式。图5是说明本实施方式的偏航控制的一个例子的图表。在一个实施方式中，在使由50年一遇阵风施加于机舱3的扭矩(即，设计上假想的最大扭矩)的绝对值为|Mzt|mx 时，以满足以下条件的方式调节偏航驱动装置12作为整体产生的驱动扭矩Mzti和在高风速状态下施加于机舱3的制动扭矩Md·。Mz tall_Mz tBEK < I Mz 11MX < Mz tALL+Mz tBEK。……(1)例如，在设置有三个偏航驱动装置12，而在高风速状态下施加于机舱3的制动力 (制动扭矩)被设定为一个偏航驱动装置12产生的扭矩的情况下，以下数学式成立MztALL = 3MztDEV......(2a)MztBEK = Mztmiv......(2b)此处，Mztrav是一个偏航驱动装置12产生的扭矩。在这种情况下，一个偏航驱动装置12产生的扭矩Mztmiv (即在高风速状态下施加于机舱3的制动扭矩)以满足以下条件的方式被调节。2MztDEV < I Mzt Imax < 4Mzt丽。......(3)在这种情况下，在使由风施加于机舱3的扭矩为Mzt时，在(a)Mzt < 2MztDEV的情况下机舱3回旋，在(b) 2MztDEV < Mzt < 4MztDEV的情况下机舱3静止。在任一情况下，都不会发生机舱3由风推回去的事态。这样，以满足数学式(1)或者数学式(3)的方式调节偏航驱动装置12产生的扭矩以及在高风速状态下施加于机舱3的制动扭矩，能够抑制由于机舱3被推回去而产生偏航马达观的过旋转。在此，在本实施方式中，并未留意在低风速状态(即，不是高风速状态的状态)下不使马达制动器四和偏航制动卡钳32动作。这是为了不浪费偏航马达观的驱动力。通常，在对机舱3施加制动力的结构中，只有本来的偏航马达观的驱动力中的一部分有效作用。这会使偏航马达观的驱动力不必要地增大因而不优选。在此，由于机舱3被推回去而导致偏航马达观的过旋转的问题只是在高风速状态下发生。因此，在本实施方式中，只在高风速状态下使马达制动器四和偏航制动卡钳32动作，所以偏航马达观的驱动力被有效利用。在想要使偏航驱动装置12的驱动力进一步减少的情况下，可以进行采取设计MztALL+Mz1:BEK < |Mzt|MX。......(4)在此，Mzti是偏航驱动装置12作为整体产生的驱动扭矩，Mztms是在高风速状态下施加于机舱3的制动扭矩，|Mzt|mx是在使由50年一遇阵风施加于机舱3的扭矩(S卩，设计上假想的最大扭矩)的绝对值。只要容许数学式的条件，则能够减少偏航驱动装置 12应产生的总扭矩，因此能够使偏航驱动装置12小型化，而且能够降低成本。但是，在设计偏航驱动装置12以使数学式(4)成立的情况下，可能发生机舱3因强风而被推回去急速回旋的事态。为了处理这样的事态，优选设置检测机舱3的急速回旋的检测机构，在检测到机舱3的急速回旋时将机舱3固定。图6、图7是表示检测机舱3的急速回旋的检测机构的结构的一个例子的图。如图 6、图7所示，设置有与外轮22的齿面啮合的急速回旋检测齿轮41，急速回旋检测齿轮41安装于急速回旋检测装置42。急速回旋检测装置42检测急速回旋检测齿轮41的旋转。当机舱3急速回旋时，急速回旋检测齿轮41急速地旋转。控制装置14在当急速回旋检测装置42检测到急速回旋检测齿轮41的转数的急增(即，机舱3的急速回旋)时， 使马达制动器四和偏航制动卡钳32动作以将机舱3固定。在此，响应机舱3的急速回旋检测而将机舱3固定时施加于机舱3的制动扭矩MztBffi—EMe比响应高风速状态的检测而施加于机舱3的制动扭矩(上述的制动扭矩)大。其中，MUbkk hk被设定为满足与上述数学式 (1)相同的条件MztALL-MztBEK E < IMzt |Mx < MztALL+MztBEK EMG...... (5)通过这样的动作，即使在偏航驱动装置12被设计成使数学式(4)成立的情况下， 也能够抑制由于机舱3被推回去而产生偏航马达观的过旋转。另外，在上述记载的是使用齿轮检测机舱3的急速回旋的手段。但是作为检测机舱3的急速回旋的机构，能够使用各种机构，这一点对于本领域的技术人员而言是容易理解的。在容许偏航驱动装置12产生的全扭矩减少的情况下，有可能为了降低成本而将偏航驱动装置12的数量减少。偏航驱动装置12的数量的减少是用于降低成本的有效手段。 但是，若减少偏航驱动装置12的数量，在机舱3的回旋中对机舱3作用了风载荷时作用于各个偏航驱动装置12的载荷会增大，为了克服该载荷以实行偏航回旋，偏航驱动装置12各自应输出的输出扭矩也要增大。此时，使用不进行扭矩控制的电动机(例如，速度控制的感应电动机)作为偏航驱动装置12的偏航马达观时，会导致输出大的扭矩甚至达到偏航马达观的输出极限，有可能对与偏航回旋关联的机构(例如，设置在外轮22的齿面、小齿轮 26和减速机27)造成机械性损伤。为了防止当偏航马达观的输出扭矩过大时造成与偏航回旋关联的机构的损伤， 优选设置将偏航马达观的输出扭矩限制在预定扭矩以下的扭矩限制机构。扭矩限制机构可以是机械性的机构也可以是电气机构。其中一个手段是如图8所示，用逆变器40驱动偏航马达观，并且通过逆变器40进行偏航马达观的扭矩控制。图9是表示在使用感应电动机作为偏航马达28的情况下的滑移s与输出扭矩的关系的图表。感应电动机在滑移s (从同步速度减去转子的旋转速度的差)比0大的情况下输出扭矩为正。在本实施方式中，要输出超过预定的点a的扭矩的情况下，输出扭矩被限制为与点a对应的扭矩TUM。这样的扭矩控制能够通过利用扭矩控制来控制偏航马达观而实现。
权利要求
1.一种风力发电装置，其包括 搭载有风车旋翼的机舱；产生使所述机舱偏航回旋的驱动力的偏航驱动装置； 产生对所述机舱的回旋进行制动的制动力的制动机构； 对所述偏航驱动装置和所述制动机构进行控制的控制装置；和测定风速的风速测定装置，其中，所述控制装置在利用所述偏航驱动装置使所述机舱回旋的期间基于所述风速检测到高风速状态的发生时，对检测到所述高风速状态的发生进行响应，利用所述制动机构对所述机舱施加制动力。
2.根据权利要求1所述的风力发电装置，其中，所述控制装置在所述机舱的回旋中未检测到高风速状态的发生的情况下，控制所述制动机构以不对所述机舱施加制动力。
3.根据权利要求1或2所述的风力发电装置，其中，所述偏航驱动装置产生的驱动扭矩Mzti与所述制动机构产生的制动扭矩Mzt·，相对于由50年一遇阵风作用于所述机舱的扭矩的绝对值|Mzt|MX，被调节为使以下的关系成立MztALL_Mzt腿 < |Mzt Imax < MztALL+Mzt腿。
4.根据权利要求1或2所述的风力发电装置，其还包括检测由风造成的所述机舱的急速回旋的急速回旋检测装置，其中， 在所述机舱的回旋中检测到所述机舱的急速回旋时，所述控制装置控制所述制动机构，以对所述机舱施加比在对检测到所述高风速状态的发生进行响应而施加的制动力高的制动力。
5.根据权利要求1 4中任一项所述的风力发电装置，其中， 所述偏航驱动装置包括偏航马达；使用所述偏航马达产生的扭矩使所述机舱回旋的回旋机构；和控制所述偏航马达产生的所述扭矩的扭矩控制装置。
6.一种风力发电装置的机舱回旋方法，其包括 在使机舱回旋的期间监视风速的工序；和基于所述风速检测高风速状态的发生，并对检测到所述高风速状态的发生进行响应而对所述机舱施加制动力的工序。
全文摘要
本发明涉及风力发电装置和机舱回旋方法。风力发电装置包括搭载有风车旋翼的机舱；产生使机舱偏航回旋的驱动力的偏航驱动装置；产生对机舱的回旋进行制动的制动力的制动机构；对偏航驱动装置和制动机构进行控制的控制装置；和测定风速的风速测定装置。控制装置在利用偏航驱动装置使机舱回旋的期间基于风速检测到高风速状态的发生时，对检测到高风速状态的发生进行响应，利用制动机构对机舱施加制动力。
文档编号F03D7/04GK102232145SQ201080001339
公开日2011年11月2日 申请日期2010年2月8日 优先权日2010年2月8日
发明者关诚太, 林义之, 沼尻智裕, 藤野靖人 申请人:三菱重工业株式会社