风力发电装置、风力发电系统以及风力发电装置的发电控制方法

专利名称：风力发电装置、风力发电系统以及风力发电装置的发电控制方法
技术领域：
本发明涉及风力发电装置、风力发电系统以及风力发电装置的发电控制 方法，特别涉及不会导致装置成本的增加，获得更适合的风向以用于风力发 电装置的发电控制，从而提高发电性能的同时能够减少风车的疲劳载荷的风 力发电装置、风力发电系统以及风力发电装置的发电控制方法。
背景技术：
一般，在风力发电装置中，使用设置在发动机舱上的风速计和风向仪来 进行风速以及风向的测量，并作为运转控制中的控制参数来使用。但是，由
于这些风速以及风向是在转子(rotor)下游侧被测量，因此流入风速的是减 速后的风速，且流入的风向是偏流后的风向，因此测量精度中存在问题。
因此，例如在特开平11-159436号公报所公开的"风力发电系统"等中， 提出了使用采用电波的多普勒雷达(Doppler radar),测定风力发电装置的转 子前方的风向量，并根据该风向量预测风力发电装置的输出值，基于该预测 输出值而进行电力系统侧发电机的输出控制的方法。
专利文献l:(日本)特开平11-159436号公报

发明内容
在上述的专利文献1所公开的技术中，为了改善测量精度而使用多普勒 雷达来测定风力发电装置前方的风向量，但这样的多普勒雷达或超音波方式 风速计等为高价，从成本上存在问题。
此外，关于风速，提出了即使使用设置在转子下游的低成本的风速计的 情况下，也使用另行进行的校准(calibration)结果来进行校正的方法，但关 于风向，至今为止没有进行校正。因此，特别是在进行调整发动机舱(nacelle) 方位而使叶片(blade)旋转面追随风向的偏转角控制的情况下，由于是基于 偏流后的风向数据，因此叶片旋转面可能没有面向真正的风向，无法获得充 分的输出。此外，在偏流的状态下继续运转会导致风车变动载荷的增加，因此从确保健全性的观点来看不太理想。
本发明是为了解决上述问题而完成，其目的在于提供不会导致装置成本 的增加，获得更适合的风向以用于风力发电装置的发电控制，从而提高发电 性能的同时能够减少风车的疲劳载荷的风力发电装置、风力发电系统以及风 力发电装置的发电控制方法。
为了解决上述课题，本发明采用以下的方法。
本发明的第1方案为风力发电装置，包括设置在发动机舱上的风速计和 风向仪，以及控制所述发动机舱的方位的偏转角控制机构，所述风力发电装
置具有数据积累单元，依次积累该风力发电装置运转时的发电输出、基于 由所述风速计测定的风速而估计的流入风速、以及由所述风向仪测定的风向 和所述发动机舱的方位之差的风向偏差的数据组；分析单元，进行基于所述 数据积累单元的积累数据的统计分析，从而求各个流入风速中的发电输出对 于风向偏差的分布曲线，并将该分布曲线成为峰值的风向偏差设为所述风向 仪的校正值，存储每个流入风速的所述风向仪的校正值；以及控制单元，以
使用该校正后的风向作为控制参数而进行发电控制。
根据本方案，基于运转时被随时积累的积累数据而进行风向的校正，因 此不会导致装置成本的增加，能够获得更适合的风向。此外，由于使用校正 了的风向而进行发电控制，因此可以提高发电性能。
本发明的第2方案为风力发电装置，包括设置在发动机舱上的风速计和 风向仪，以及控制所述发动机舱的方位的偏转角控制机构，所述风力发电装 置具有学习模式控制单元，使该风力发电装置在学习模式下运转，该学习 模式为通过所述偏转角控制机构使所述发动机舱的方位在每个规定时间相对 于作为目标的风向阶段性地改变规定量，改变所述目标风向和所述发动机舱 方位之差的风向偏差的模式；数据积累单元，依次积累所述学习模式的该风 力发电装置运转时的发电输出、基于由所述风速计测定的风速而估计的流入 风速、以及所述风向偏差的数据组；分析单元，进行基于所述数据积累单元 的积累数据的统计分析，从而求各个流入风速中的发电输出对于风向偏差的 分布曲线，并将该分布曲线成为峰值的风向偏差设为所述风向仪的校正值， 存储每个流入风速的所述风向仪的校正值；以及控制单元，在通常运转时，并使用该校正后的风向作为控制参数而进行发电控制。
根据本方案，基于运转时被随时积累的积累数据而进行风向的校正，因 此不会导致装置成本的增加，能够获得更适合的风向。此外，由于使用校正
了的风向而进行发电控制，因此可以提高发电性能。并且，另行"i殳置基于学
习模式的运转控制从而强制性地改变风向偏差来进行数据收集，因此能够以 更短期间来获得风向仪的校正值。
在上述风力发电装置中，也可以是所述控制单元包括偏转角控制单元， 将基于校正风向偏差的偏转角指令输出到所述偏转角控制机构，所述校正风 向偏差是在基于所述风向仪的风向和所述发动机舱的方位之差的风向偏差加 上所述每个流入风速的所述风向仪的校正值后的偏差。
这样，使用校正了的风向而进行偏转角控制，因此能够提高发电性能， 同时能够减少风车的疲劳载荷。
在上述风力发电装置中，也可以是所述数据积累单元依次积累运转时的 塔轴转动的力矩、所述偏转角控制机构中的偏转电机的功耗、或者对发电输 出实施了 FFT处理时的功率频谱中的旋转频率的N倍分量的其中一个、以及 所述流入风速和所述风向偏差的数据组；所述分析单元进行基于所述数据积 累单元的积累数据的统计分析，从而求各个流入风速中的所述塔轴转动的力 矩、所述偏转电机的功耗、或者所述发电输出的功率频谱的旋转频率的N倍 分量的其中一个对于风向偏差的分布曲线，并将该分布曲线成为峰值或者次 峰值的风向偏差设为所述风向仪的校正值，存储每个流入风速的所述风向仪 的校正值。
本发明的第3方案为风力发电系统，包括多台风力发电装置和集中管理 该多台风力发电装置的运转的中央控制装置，多台风力发电装置的每一个包 括设置在发动机舱上的风速计和风向仪，以及控制所述发动机舱的方位的偏 转角控制机构，所述中央控制装置具有数据积累单元，依次积累特定的风 力发电装置或者特定的多台风力发电装置的运转时的发电输出、基于由所述 风速计测定的风速而估计的流入风速、以及由所述风向仪测定的风向和所述 发动机舱的方位之差的风向偏差的数据组；以及分析单元，进行基于所述数 据积累单元的积累数据的统计分析，从而求各个流入风速中的发电输出对于 风向偏差的分布曲线，并将该分布曲线成为峰值的风向偏差设为所述风向仪 的校正值，存储每个流入风速的所述风向仪的校正值，各个所述风力发电装置分别具有控制单元，以所述每个流入风速的所述风向仪的校正值来校正 基于所述风向仪的风向，并使用该校正后的风向作为控制参数而进行发电控制。
本发明的第4方案为风力发电系统，包括多台风力发电装置和集中管理 该多台风力发电装置的运转的中央控制装置，多台风力发电装置的每一个包 括设置在发动机舱上的风速计和风向仪，以及控制所述发动机舱的方位的偏 转角控制机构，所述中央控制装置具有学习模式控制单元，在特定的风力 发电装置或者特定的多台风力发电装置中，使该特定的风力发电装置或者特 定的多台风力发电装置在学习模式下运转，该学习模式为通过所述偏转角控 制机构使所述发动机舱的方位在每个规定时间相对于作为目标的风向阶段性 地改变规定量，改变所述目标风向和所述发动机舱方位之差的风向偏差的模 式；数据积累单元，依次积累所述学习模式的特定的风力发电装置或者特定 的多台风力发电装置运转时的发电输出、基于由所述风速计测定的风速而估 计的流入风速、以及所述风向偏差的数据组；以及分析单元，进行基于所述 数据积累单元的积累数据的统计分析，从而求各个流入风速中的发电输出对 于风向偏差的分布曲线，并将该分布曲线成为峰值的风向偏差设为所述风向 仪的校正值，存储每个流入风速的所述风向仪的校正值，各个所述风力发电 装置分别具有控制单元，在通常运转时，以所述每个流入风速的所述风向 仪的校正值来校正基于所述风向仪的风向，并使用该校正后的风向作为控制 参数而进行发电控制。
根据这样的风力发电系统，基于运转时被随时积累的积累数据而进行风 向的校正，因此不会导致装置成本的增加，能够获得更适合的风向，并且， 由于使用校正了的风向而进行发电控制，因此可以提高发电性能。
在上述风力发电系统中，也可以是所述控制单元包括偏转角控制单元， 将基于校正风向偏差的偏转角指令输出到所述偏转角控制机构，所述校正风 向偏差是在基于所述风向仪的风向和所述发动机舱的方位之差的风向偏差加 上所述每个流入风速的所述风向仪的校正值后的偏差。
由于使用校正了的风向而进行偏转角控制，因此能够提高发电性能，同 时能够减少风车的疲劳载荷。
在上述风力发电系统中，也可以是所述数据积累单元依次积累运转时的 塔轴转动的力矩、所述偏转角控制机构中的偏转电机的功耗、或者对发电输
10出实施了 FFT处理时的功率频谱中的旋转频率的N倍分量的其中一个、以及 所述流入风速和所述风向偏差的数据组；所述分析单元进行基于所述数据积 累单元的积累数据的统计分析，从而求各个流入风速中的所述塔轴转动的力 矩、所述偏转电机的功耗、或者所述发电输出的功率频谱的旋转频率的N倍 分量的其中一个对于风向偏差的分布曲线，并将该分布曲线成为峰值或者次 峰值的风向偏差设为所述风向仪的校正值，存储每个流入风速的所述风向仪 的校正值。
本发明的第5方案为风力发电装置的发电控制方法，所述风力发电装置 包括设置在发动机舱上的风速计和风向仪，以及控制所述发动机抢的方位的 偏转角控制机构，所述发电控制方法具有数据积累步骤，依次积累该风力 发电装置运转时的发电输出、基于由所述风速计测定的风速而估计的流入风 速、以及由所述风向仪测定的风向和所述发动机舱的方位之差的风向偏差的 数据组；分析步骤，进行基于所述数据积累步骤的积累数据的统计分析，从 而求各个流入风速中的发电输出对于风向偏差的分布曲线，并将该分布曲线 成为峰值的风向偏差设为所述风向仪的校正值，存储每个流入风速的所述风 向仪的校正值；以及控制步骤，以所述每个流入风速的所述风向仪的校正值 来校正基于所述风向仪的风向，并使用该校正后的风向作为控制参数而进行 发电控制。
根据本方案，基于运转时被随时积累的积累数据而进行风向的校正，因 此不会导致装置成本的增加，能够获得更适合的风向，并且，由于使用校正 了的风向而进行发电控制，因此可以提高发电性能。
本发明的第6方案为风力发电装置的发电控制方法，所述风力发电装置 包括设置在发动机抢上的风速计和风向仪，以及控制所述发动机舱的方位的 偏转角控制机构，所述发电控制方法具有学习模式控制步骤，使该风力发 电装置在学习模式下运转，该学习模式为通过所述偏转角控制机构使所述发 动机舱的方位在每个规定时间相对于作为目标的风向阶段性地改变规定量， 改变所述目标风向和所述发动机舱方位之差的风向偏差的模式；数据积累步 骤，依次积累所述学习模式的该风力发电装置运转时的发电输出、基于由所 述风速计测定的风速而估计的流入风速、以及所述风向偏差的数据组；分析 步骤，进行基于所述数据积累步骤的积累数据的统计分析，从而求各个流入 风速中的发电输出对于风向偏差的分布曲线，并将该分布曲线成为峰值的风
ii向偏差设为所述风向仪的校正值，存储每个流入风速的所述风向仪的校正值； 以及控制步骤，在通常运转时，以所述每个流入风速的所述风向仪的校正值 来校正基于所述风向仪的风向，并使用该校正后的风向作为控制参数而进行 发电控制。
根据本方案，基于运转时被随时积累的积累数据而进行风向的校正，因 此不会导致装置成本的增加，能够获得更适合的风向，此外，由于使用校正 了的风向而进行发电控制，因此可以提高发电性能。并且，另行设置基于学 习模式的运转控制从而强制性地改变风向偏差来进行数据收集，因此能够以 更短期间来获得风向计的校正值。
在上迷风力发电装置的发电控制方法中，也可以是所述控制步骤包括 偏转角控制步骤，将基于校正风向偏差的偏转角指令输出到所述偏转角控制 机构，所述校正风向偏差是在基于所述风向仪的风向和所述发动机舱的方位 之差的风向偏差加上所述每个流入风速的所述风向仪的校正值后的偏差。
由于使用校正了的风向而进行偏转角控制，因此能够提高发电性能，同 时能够减少风车的疲劳载荷。
在上述风力发电装置的发电控制方法中，也可以是所述数据积累步骤依 次积累运转时的塔轴转动的力矩、所述偏转角控制机构中的偏转电机的功耗、 或者对发电输出实施了 FFT处理时的功率频谱中的旋转频率的N倍分量的其 中一个、以及所述流入风速和所述风向偏差的数据组；所述分析步骤进行所 述数据积累步骤中的积累数据的统计分析，从而求各个流入风速中的所述塔 轴转动的力矩、所述偏转电机的功耗、或者所述发电输出的功率频谱的旋转 频率的N倍分量的其中一个对于风向偏差的分布曲线，并将该分布曲线成为 峰值或者次峰值的风向偏差设为所述风向仪的校正值，存储每个流入风速的 所述风向仪的校正值。
基于运转时被随时积累的积累数据而进行风向的校正，因此不会导致装 置成本的增加，能够获得更适合的风向。
此外，由于使用校正了的风向而进行发电控制，因此可以提高发电性能。
并且，由于使用校正了的风向而进行偏转角控制，因此能够提高发电性 能，同时能够减少风车的疲劳载荷。


图l是本发明第1实施方式的风力发电装置的整体的概略结构图。
图2是图1所示的控制装置的详细结构图。
图3是筹备对于流入风速的发电输出、转速以及倾斜(pitch)角的变化 的说明图。
图4是例示各个流入风速中的发电输出对于风向偏差的分布曲线的说明图。
图5是说明基于数据积累单元以及分析单元的风向校正表的生成和基于 偏转角控制单元的偏转角控制的说明图。
图6是说明基于数据积累单元以及分析单元的风向校正表的生成和基于 偏转角控制单元的偏转角控制的说明图。
图7是本发明第3实施方式的风力发电系统的结构图。
标号说明
2、 2-卜2-M塔
3、 3-l 3-M发动机舱 5风速计
6风向仪
11风车转子
12风车叶片
14增速才几
15发电机系统
17倾斜角控制才几构
18偏转角控制机构
20、 130-1~130-M控制单元
21发电机输出控制单元
22倾斜角控制单元
23偏转角控制单元
24流入风速估计单元
25、 125数据积累单元
26、 126分析单元
27、 127风向4t正表 128学习模式控制单元30运转控制单元 1-1~1-M风力发电装置 100中央控制装置
101发送接收单元
具体实施例方式
以下，参照附图详细说明本发明的风力发电装置、风力发电系统以及风 力发电装置的发电控制方法的实施方式。 [第1实施方式]
图1以及图2是本发明第1实施方式的风力发电装置的结构图。图1是 整体的概略结构图，图2是图1所示的控制装置的详细结构图。
在图1中，第1实施方式的风力发电装置构成为，包括风速计5、风向 仪6、风车转子11、风车叶片12、增速机14、发电机系统15、倾斜角控制 机构17、偏转角控制机构18以及控制装置20。另外，在图l中，2是塔，3 是发动机抢。
安装在风车转子ll上的多张风车叶片12受到风能而与风车转子11 一同 旋转，并在通过增速机14增速后，驱动发电机系统15内的发电机进行发电， 从而将风能转换为电能。另外，本实施方式的风力发电装置为可变速旋转控 制方式的风力发电装置，采用线圈形感应发电机或者同步发电机等作为发电 机。另外，在采用了同步发电机的结构中，使用暂时将发电机的输出转换为 直流后再次通过逆变器(inverter)而转换为交流的AC-DC-AC链接方式。
风速计5和风向仪6在发动机舱3上被设置在风车转子12的下游侧。此 外，倾斜角控制机构17基于来自控制装置20的倾斜角控制单元22 (参照图 2)的倾斜角指令ep而控制风车叶片12的倾斜角，因此其结构等与以往的相 同。此外，偏转角控制机构18基于来自控制装置20的偏转角控制单元23(参 照图2)的偏转角指令9y而控制发送机舱3的方位，因此其结构等与以往的 相同。
下面，如图2所示，上述控制装置20包括运转控制单元30、流入风速 估计单元24、数据积累单元25、分析单元26、风向校正表27作为主要结构。 上述运转控制单元30包括发电机输出控制单元21、倾斜角控制单元22以及 偏转角控制单元23作为主要结构。流入风速估计单元24采用另行进行的校准结果，对由风速计5测量的风 速Vw进行校正，并将校正后的风速作为流入风速Ws输出。
此外，数据积累单元25依次积累该风力发电装置运转时的发电输出P、 基于由风速计5测定的风速Vw而估计的流入风速Ws、以及由风向仪6测定 的风向6w和发动机抢3的方位之差的风向偏差的数据组(data set )。
分析单元26关于数据积累单元25的积累数据进行统计分析，求各个流 入风速Ws中的发电输出P对于风向偏差的分布曲线，将该分布曲线成为峰 值的风向偏差设为风向仪6 (参照图1)的校正值ed，并将每个流入风速Ws 的风向仪6的校正值ed存储到风向校正表27。另外，根据积累数据求分布曲 线的统计分析方法不特别限定，也可以使用通用的方法。
运转控制单元(控制单元)30以每个流入风速的所述风向仪的校正值来 校正基于风向仪6的风向，并使用该校正后的风向作为控制参数而进行发电 控制。
发电机输出控制单元21使用以往采用的方法，例如反馈控制或前馈(feed forward)控制等即可，例如基于空气密度p求最佳增益，并基于该最佳增益 以及发电机旋转速度co,将指示发电量的发电输出指令Pd输出到发电机系统 15。
倾斜角控制单元22使用以往采用的方法即可，例如求对于流入风速Ws 带来最大输出的倾斜角，通过空气密度p对其进行校正，并将校正后的倾斜角 作为倾斜角指令ep而输出到倾斜角控制机构17。
偏转角控制单元23生成基于校正风向偏差的偏转角指令ey，并将该偏转 角指令6y输出到偏转角控制机构18，该校正风向偏差是指在由风向仪6测量 的风向ew和发动机枪3的方位之差的风向偏差加上每个流入风速Ws的风向
仪的校正值ed后的偏差。
下面，参照图3到图5说明具有以上的结构要素的本实施方式的风力发 电装置中的发电控制方法。这里，图3是说明对于流入风速的发电输出P、 转速Q以及倾斜角ep的变化的说明图，图4是例示各个流入风速Wsl Ws4 中的发电输出P对于风向偏差的分布曲线的说明图，图5是说明基于数据积 累单元25以及分析单元26的风向校正表27的生成和基于偏转角控制单元 23的偏转角控制的说明图。
一般，在风力发电装置中，通过相对于风向的变动而控制发动机舱3的
15方位(偏转角控制)，并相对于风速的变动而控制旋转速度，从而控制为能够 稳定且高效率地进行发电。此外，如图3所示，在风力发电装置中，由于发 电能力被限制(额定值输出)，因此在吹超过一定速度的风时，需要控制发电
输出(旋转速度)，通过风车叶片12的倾斜角的控制来进行旋转速度控制。
即，进行偏转角控制以在不足以额定值输出的相对弱风时提高发电效率，且 在可达到额定值输出的相对强风时降低发电效率，从而进行发电输出的控制。
此外，如上所述，在偏转角控制中，调整发动机舱3的方位从而使风车 叶片12的旋转面追随风向，但由于是基于设置在风车叶片12的下游侧的风 向仪6的风速、即偏流后的风向，因此风车叶片12的旋转面没有面向真正的 风向。 .
即，如图4所示，流入风速Ws4中的发电输出对于风向偏差的分布曲线
中，发电输出成为峰值的风向偏差不是零，例如成为向负方向偏移了Ae的风 向偏差。由于在风车叶片12的旋转面面向真正的风向时发电输出成为最大， 因此该风向偏差的偏移量A6是偏流引起的风向仪6的误差，可以作为风向仪 6的偏移(offset)量来获得。另外，如图4所示，流入风速Ws变快则偏流 引起的影响程度也会增加，因此流入风速Ws越快则风向偏差的偏移量Ae越 大。
接着，参照图5具体说明。首先，通过数据积累单元25,依次积累该风 力发电装置运转时的发电输出P、通过流入风速估计单元24估计的流入风速 Ws、由风向仪6测定的风向9w和发动机抢3的方位之差的风向偏差的数据 组。关于某一流入风速，若将积累数据画在发电输出P对风向偏差的平面上， 则例如可得到框线内的图所示的分布。通过分析单元26的统计分析求沿着该 分布的分布曲线，并将该分布曲线成为峰值的风向偏差(偏移量A6)设为风 向仪6的校正值ed。对所有的流入风速Ws进行这一连串的处理，将对于各 个流入风速Ws的风向仪6的校正值ed存储到风向校正表27。
另一方面，在偏转角控制单元23中，基于从流入风速估计单元24输出 的(当前时刻的)流入风速Ws,参照风向校正表27而获得风向仪6的校正 值ed。并在另一方面，取通过风向仪6测量的风向ew和发动机舱3的方位之 差从而求风向偏差，并将其设为偏移指令。对该偏移指令加上风向仪的校正
值ed,从而将校正后的风向偏差作为修正偏移指令(偏转角指令ey)输出到
偏转角控制机构18。如以上说明的那样，在本实施方式的风力发电装置以及风力发电装置的
发电控制方法中，通过数据积累单元25,依次积累该风力发电装置运转时的 发电输出P、基于由风速计5测定的风速而估计的流入风速Ws、以及由风向 仪6测定的风向ew和发动机舱3的方位之差的风向偏差的数据组，并通过分 析单元26进行该积累数据的统计分析，从而求各个流入风速中的发电输出对 于风向偏差的分布曲线。
进而，将该分布曲线成为峰值的风向偏差设为风向仪6的校正值0d，并 将每个流入风速的风向仪的校正值存储到风向校正表27，在运转控制单元30 中，以每个流入风速Ws的风向仪的校正值ed来校正基于风向仪6的风向Vw， 并使用该校正后的风向作为控制参数而进行发电控制。
特别在运转控制单元30的偏转角控制单元23中，将基于校正风向偏差 的偏转角指令ey输出到偏转角控制机构18，该校正风向偏差是指在基于风向 仪6的风向和发动机抢3的方位之差的风向偏差加上每个流入风速Ws的风 向仪6的校正值ed后的偏差。
这样，基于运转时被随时积累的积累数据而进行风向的校正，因此不会 导致装置成本的增加，能够获得更适合的风向。此外，由于使用校正了的风 向而进行偏转角控制，因此能够提高发电性能，同时能够减少风车的疲劳载 荷。
此外，作为风向仪6的误差的原因的偏流大小不仅受到风力发电装置本 身的影响，还有可能受到流入风速、现场(site)周边的地形、或者根据设置 状况而受到周边的风力发电装置的影响。因此，风向仪6的偏移量会依次变 化，难以进行最佳的事前调整。因此，通过以规定周期定期地反复分析单元 26,风向校正表27中能够始终保持最佳的校正值，能够持续提高发电性能。
下面，说明本发明第2实施方式的风力发电装置以及风力发电装置的发 电控制方法。第2实施方式的风力发电装置的结构与上述的第1实施方式的 风力发电装置等具有大致相同的结构，但在控制装置20具有学习模式控制单 元方面有所不同。
第1实施方式中是在运转中进行风向校正表27的生成/更新，而相对地 在本实施方式的风力发电装置以及风力发电装置的发电控制方法中，进行与 通常运转不同的学习模式下的运转从而生成风向校正表27。
17即，在学习模式控制单元中，使该风力发电装置在学习模式下运转，该
学习模式是指通过偏转角控制机构18,使发动机舱3的方位在每个规定时间 相对于作为目标的风向阶段性地改变规定量，改变目标风向和发动机抢3的 方位之差的风向偏差的 一莫式。
此外，在数据积累单元25中，依次积累学习模式下的该风力发电装置在 运转时的发电输出P、基于由风速计5测定的风速而估计的流入风速Ws、以 及风向偏差的数椐组。在分析单元26中，与第1实施方式同样地进行积累数 据的统计分析，从而求各个流入风速Ws中的发电输出P对于风向偏差的分 布曲线，将该分布曲线成为峰值的风向偏差设为风向^C的校正值ed,并将每 个流入风速的风向仪的校正值存储到风向校正表27。
下面，参照图6说明本实施方式的风力发电装置中的发电控制方法。这 里，图6是说明基于数据积累单元25以及分析单元26的风向校正表27的生 成和基于偏转角控制单元23的偏转角控制的说明图。
首先，通过学习模式控制单元，在学习模式下运转该风力发电装置，通
的风向阶段性地改变规定量，改变目标风向和发动机舱3的方位之差的风向 偏差。
接着，通过数据积累单元25，依次积累该风力发电装置在学习模式运转 时的发电输出P、由流入风速估计单元24所估计的流入风速Ws、以及由风 向仪6测定的风向ew和发动机抢3的方位之差的风向偏差的数据组。
关于某一流入风速，若将积累数据画在发电输出P对风向偏差的平面上， 则例如可得到框线内的图所示的分布。通过分析单元26的统计分析求沿着该 分布的分布曲线，并将该分布曲线成为峰值的风向偏差(偏移量Ae)设为风 向4义6的校正值ed。对所有的流入风速Ws进行这一连串的处理，将对于各 个流入风速Ws的风向仪6的校正值ed存储到风向校正表27。
另一方面，在偏转角控制单元23中，基于从流入风速估计单元24输出 的(当前时刻的)流入风速Ws，参照风向校正表27而获得风向仪6的校正 值ed。并在另一方面，取通过风向仪6测量的风向9w和发动机舱3的方位之 差从而求风向偏差，并将其设为偏移指令。对该偏移指令相加风向仪的校正 值ed,从而将校正后的风向偏差作为修正偏移指令(偏转角指令6y)输出到 偏转角控制机构18。另外，优选在学习模式下生成了风向校正表27之后， 一定时间进行基于
偏转角控制单元23的偏转角控制，从而确认修正偏移指令(偏转角指令ey)
模式，若不为零则没有获得适当的风向校正表27,因此再次尝试基于学习模 式的风向校正表27的生成。
如以上说明的那样，在本实施方式的风力发电装置以及风力发电装置的 发电控制方法中，通过学习模式控制单元，使该风力发电装置在学习模式下 运转，该学习模式为通过使用偏转角控制机构18,使发动机舱3的方位在每
动机舱3的方位之差的风向偏差的模式，并通过数据积累单元25,依次积累 学习模式下的该风力发电装置运转时的发电输出P、基于由风速计5测定的 风速而估计的流入风速Ws 、以及由风向仪6测定的风向ew和发动机舱3的 方位之差的风向偏差的数据组。
然后，通过分析单元26进行该积累数据的统计分析，从而求各个流入风 速中的发电输出对于风向偏差的分布曲线，将该分布曲线成为峰值的风向偏 差设为风向仪6的校正值ed，并将每个流入风速的风向仪的校正值存储到风 向校正表27，通过运转控制单元30,以每个流入风速Ws的风向仪的校正值 ed来校正基于风向仪6的风向Vw，并使用该校正后的风向作为控制参数而 进行发电控制。
特别在运转控制单元30的偏转角控制单元23中，将基于校正风向偏差 的偏转角指令ey输出到偏转角控制机构18,该校正风向偏差是指在由风向仪 6的风向和发动机抢3的方位之差的风向偏差加上了每个流入风速Ws的风向
仪6的校正值ed后的偏差。
这样，基于学习模式时被随时积累的积累数据而进行风向的校正，因此 不会导致装置成本的增加，能够获得更适合的风向。此外，由于使用校正了 的风向而进行偏转角控制，因此能够提高发电性能，同时能够减少风车的疲 劳载荷。
此外，另行设置基于学习模式的运转控制从而强制性地改变风向偏差来 进行数据收集，因此与放任自然地进行数据收集的第1实施方式相比，能够 以短期间来积累所需的数据，因而能够在短期间内生成风向校正表27,特别 在现场建设时的初期设定上有效。[第3实施方式]
下面，图7是本发明第3实施方式的风力发电系统的结构图。在图7中， 本实施方式的风力发电系统是具有M台的风力发电装置1-1~1-M的风力发电 基地(wind farm),其具有集中管理M台的风力发电装置1-1~1-M的运转的 中央控制装置100。
各个风力发电装置l-l l-M的概略结构与第1实施方式以及第2实施方 式同样地，具有图l所示的结构，但控制单元130-1~130-M的详细结构为至 少具有图2所示的包括发电机输出控制单元21、倾斜角控制单元22以及偏 转角控制单元23的运转控制单元30、以及流入风速估计单元24即可，不需 要其他的结构要素。
此外，中央控制装置100包括发送接收单元101、 ^:据积累单元125、分 析单元126、风向校正表127以及学习模式控制单元128。
在本实施方式的风力发电系统中，通过中央控制装置IOO的学习模式控 制单元128,选定特定的风力发电装置或者特定的几台风力发电装置，在该 风力发电装置中，使该风力发电装置在学习模式下运转，该学习模式为通过
向阶段性地改变规定量，改变目标风向和发动机舱方位之差的风向偏差的模 式。
然后，通过数据积累单元125，从特定的风力发电装置或者特定的多台 风力发电装置依次接收并积累在学习模式下运转时的发电输出P、基于由风 速计5测定的风速而估计的流入风速Ws、以及风向偏差的数据组，并通过分 析单元126进行积累数据的统计分析，从而求各个流入风速Ws中的发电输 出P对于风向偏差的分布曲线。进而，将该分布曲线成为峰值的风向偏差设 为风向仪6的校正值，并将每个流入风速的风向仪6的校正值存储到风向校 正表127。
另外，在选定特定的多台风力发电装置进行数据收集时，将从多台风力 发电装置依次接收的数据组简单地叠加从而生成一个积累数据。此外，各个 风力发电装置1-1~1-M的控制单元130-1-130-M (包括发电才几输出控制单元 21、倾斜角控制单元22以及偏转角控制单元23的运转控制单元30)进行的 运转控制与第i实施方式以及第2实施方式相同，但在参照风向校正表时， 还去读中央控制装置100内的风向校正表127。此外，由于风向校正表的数据容量较小，因此也可以在各个风力发电装
置l-l l-M的控制单元130-l 130-M内具备风向校正表，从而在通过中央控 制装置100生成了风向校正表127之后，统一发送到各个风力发电装置 l-l l-M。
一般，在风力发电基地中，以一定的间隔配置风力发电装置，以不会受 到周边的风力发电装置的影响，因此能够选定一台或者几台风力发电装置， 从而更高效地生成风向才交正表127。
以上，参照附图详细叙述了本发明的实施方式，但具体的结构并不限于 这些实施方式，还包括不脱离本发明的意旨的范围内的设计变更等。
例如，在积累数据中，也可以代替发电输出P而使用塔轴转动的力矩。 此外，在积累数据中，也可以代替发电输出P而使用偏转角控制机构18中的 偏转电机的功耗。在使用这些时，分析单元26进行基于数据积累单元25的 积累数据的统计分析，从而求各个流入风速中的塔轴转动的力矩或者偏转电 机的功耗的其中一个对于风向偏差的分布曲线，并将该分布曲线成为峰值的 风向偏差设为风向仪6的校正值ed,并将每个流入风速的风向仪6的校正值 存储到风向校正表27。
此外，在积累数据中，也可以代替发电输出P而使用对发电输出实施了 FFT处理时的功率频谱中的旋转频率的N倍分量。这里，N是风车叶片12 的翼的数量，在3根的情况下，是旋转频率在功率频谱的3倍分量。这时， 分析单元26进行基于数据积累单元25的积累数据的统计分析，从而求各个 流入风速中的发电输出的功率频谱的旋转频率的N倍分量对于风向偏差的分 布曲线，并将该分布曲线成为峰值的风向偏差设为风向仪6的校正值ed，并 将每个流入风速的风向仪6的校正值存储到风向校正表27。
进而，在第1实施方式到第3实施方式中，表示了应用到独立进行倾斜 角控制以及发电机输出控制的可变速旋转控制方式的风力发电装置的结构的 例子，但只要是在运转(包括试验运转)中可积累对于风向ew以及风速Vw 的发电量P、塔轴转动的力矩Mz、或者偏转角控制机构中的偏转电机的功耗 等数据的结构的风力发电装置，则可以是任何方式的风力发电装置。
2权利要求
1、一种风力发电装置，包括设置在发动机舱上的风速计和风向仪，以及控制所述发动机舱的方位的偏转角控制机构，所述风力发电装置具有数据积累单元，依次积累该风力发电装置运转时的发电输出、基于由所述风速计测定的风速而估计的流入风速、以及由所述风向仪测定的风向和所述发动机舱的方位之差的风向偏差的数据组；分析单元，进行基于所述数据积累单元的积累数据的统计分析，从而求各个流入风速中的发电输出对于风向偏差的分布曲线，并将该分布曲线成为峰值的风向偏差设为所述风向仪的校正值，存储每个流入风速的所述风向仪的校正值；以及控制单元，以所述每个流入风速的所述风向仪的校正值来校正基于所述风向仪的风向，并使用该校正后的风向作为控制参数而进行发电控制。
2、 一种风力发电装置，包括设置在发动机舱上的风速计和风向仪，以及 控制所述发动机舱的方位的偏转角控制机构，所述风力发电装置具有学习模式控制单元，使该风力发电装置在学习模式下运转，该学习模式 为通过所述偏转角控制机构使所述发动机舱的方位在每个规定时间相对于作 为目标的风向阶段性地改变规定量，改变所述目标风向和所述发动机舱方位 之差的风向偏差的模式；数据积累单元，依次积累所述学习模式的该风力发电装置运转时的发电 输出、基于由所述风速计测定的风速而估计的流入风速、以及所述风向偏差 的数据组；分析单元，进行基于所述数据积累单元的积累数据的统计分析，从而求 各个流入风速中的发电输出对于风向偏差的分布曲线，并将该分布曲线成为 峰值的风向偏差设为所述风向仪的校正值，存储每个流入风速的所述风向仪 的校正值；以及控制单元，在通常运转时，以所述每个流入风速的所述风向仪的校正值 来校正基于所述风向仪的风向，并使用该校正后的风向作为控制参数而进行 发电控制。
3、 如权利要求1或权利要求2所述的风力发电装置， 所述控制单元包括偏转角控制单元，将基于校正风向偏差的偏转角指令输出到所述偏转角 控制机构，所述校正风向偏差是在基于所述风向仪的风向和所述发动机舱的 方位之差的风向偏差加上所述每个流入风速的所述风向仪的校正值后的偏差。
4、 如权利要求1至权利要求3的任一项所述的风力发电装置， 所述数据积累单元依次积累运转时的塔轴转动的力矩、所述偏转角控制机构中的偏转电机的功耗、或者对发电输出实施了 FFT处理时的功率频谱中 的旋转频率的N倍分量的其中一个、以及所述流入风速和所述风向偏差的数 据组，所述分析单元进行基于所述数据积累单元的积累数据的统计分析，从而 求各个流入风速中的所述塔轴转动的力矩、所述偏转电机的功耗、或者所述 发电输出的功率频谱的旋转频率的N倍分量的其中 一个对于风向偏差的分布 曲线，并将该分布曲线成为峰值或者次峰值的风向偏差设为所述风向仪的校 正值，存储每个流入风速的所述风向仪的校正值。
5、 一种风力发电系统，包括多台风力发电装置和集中管理该多台风力发 电装置的运转的中央控制装置，多台风力发电装置的每一个包括设置在发动 机舱上的风速计和风向仪，以及控制所述发动机抢的方位的偏转角控制机构，所述中央控制装置具有数据积累单元，依次积累特定的风力发电装置或者特定的多台风力发电 装置运转时的发电输出、基于由所述风速计测定的风速而估计的流入风速、 以及由所述风向仪测定的风向和所述发动机舱的方位之差的风向偏差的数据 组；以及分析单元，进行基于所述数据积累单元的积累数据的统计分析，从而求 各个流入风速中的发电输出对于风向偏差的分布曲线，并将该分布曲线成为 峰值的风向偏差设为所述风向仪的校正值，存储每个流入风速的所述风向仪 的校正值，各个所述风力发电装置分别具有控制单元，以所述每个流入风速的所述风向仪的校正值来校正基于所述 风向仪的风向，并使用该校正后的风向作为控制参数而进行发电控制。
6、 一种风力发电系统，包括多台风力发电装置和集中管理该多台风力发 电装置的运转的中央控制装置，多台风力发电装置的每一个包括设置在发动机舱上的风速计和风向仪，以及控制所述发动机舱的方位的偏转角控制机构，所述中央控制装置具有学习模式控制单元，在特定的风力发电装置或者特定的多台风力发电装 置中，使该特定的风力发电装置或者特定的多台风力发电装置在学习模式下 运转，该学习模式为通过所述偏转角控制机构使所述发动机舱的方位在每个 规定时间相对于作为目标的风向阶段性地改变规定量，改变所述目标风向和 所述发动机舱方位之差的风向偏差的模式；数据积累单元，依次积累所述学习模式的特定的风力发电装置或者特定 的多台风力发电装置运转时的发电输出、基于由所述风速计测定的风速而估 计的流入风速、以及所述风向偏差的数据组；以及分析单元，进行基于所述数据积累单元的积累数据的统计分析，从而求 各个流入风速中的发电输出对于风向偏差的分布曲线，并将该分布曲线成为 峰值的风向偏差设为所述风向仪的校正值，存储每个流入风速的所述风向仪 的校正值，各个所述风力发电装置分别具有控制单元，在通常运转时，以所述每个流入风速的所述风向仪的校正值 来校正基于所述风向仪的风向，并使用该校正后的风向作为控制参数而进行 发电控制。
7、 如权利要求5或权利要求6所述的风力发电系统， 所述控制单元包括偏转角控制单元，将基于校正风向偏差的偏转角指令输出到所述偏转角 控制机构，所述校正风向偏差是在基于所述风向仪的风向和所述发动机艙的 方位之差的风向偏差加上所述每个流入风速的所述风向仪的校正值后的偏差。
8、 如权利要求5至权利要求7的任一项所述的风力发电系统， 所述数据积累单元依次积累运转时的塔轴转动的力矩、所述偏转角控制机构中的偏转电机的功耗、或者对发电输出实施了 FFT处理时的功率频谱中 的旋转频率的N倍分量的其中一个、以及所述流入风速和所述风向偏差的数 据组，所述分析单元进行基于所述数据积累单元的积累数据的统计分析，从而 求各个流入风速中的所述塔轴转动的力矩、所述偏转电机的功耗、或者所述发电输出的功率频谱的旋转频率的N倍分量的其中一个对于风向偏差的分布 曲线，并将该分布曲线成为峰值或者次峰值的风向偏差设为所述风向仪的校 正值，存储每个流入风速的所述风向仪的校正值。
9、 一种风力发电装置的发电控制方法，所述风力发电装置包括设置在发 动机舱上的风速计和风向仪，以及控制所述发动机舱的方位的偏转角控制机 构，所述发电控制方法具有数据积累步骤，依次积累该风力发电装置运转时的发电输出、基于由所 述风速计测定的风速而估计的流入风速、以及由所述风向仪测定的风向和所 述发动机舱的方位之差的风向偏差的数据组；分析步骤，进行基于所述数据积累步骤的积累数据的统计分析，从而求 各个流入风速中的发电输出对于风向偏差的分布曲线，并将该分布曲线成为 峰值的风向偏差设为所述风向仪的校正值，存储每个流入风速的所述风向仪 的校正值；以及控制步骤，以所述每个流入风速的所述风向仪的校正值来校正基于所述 风向仪的风向，并使用该校正后的风向作为控制参数而进行发电控制。
10、 一种风力发电装置的发电控制方法，所述风力发电装置包括设置在 发动机舱上的风速计和风向仪，以及控制所述发动机抢的方位的偏转角控制 机构，所述发电控制方法具有学习模式控制步骤，使该风力发电装置在学习模式下运转，该学习模式 为通过所述偏转角控制机构使所述发动机舱的方位在每个规定时间相对于作 为目标的风向阶段性地改变规定量，改变所述目标风向和所述发动机舱方位 之差的风向偏差的模式；—数据积累步骤，依次积累所述学习模式的该风力发电装置运转时的发电 输出、基于由所述风速计测定的风速而估计的流入风速、以及所述风向偏差 的数据组；分析步骤，进行基于所述数据积累步骤的积累数据的统计分析，从而求 各个流入风速中的发电输出对于风向偏差的分布曲线，并将该分布曲线成为 峰值的风向偏差设为所述风向仪的校正值，存储每个流入风速的所述风向仪 的才交正4直；以及控制步骤，在通常运转时，以所述每个流入风速的所述风向仪的校正值 来校正基于所述风向仪的风向，并使用该校正后的风向作为控制参数而进行发电控制。
11、 如权利要求9或权利要求IO所述的风力发电装置的发电控制方法， 所述控制步骤包括偏转角控制步骤，将基于校正风向偏差的偏转角指令输出到所述偏转角 控制机构，所述校正风向偏差是在基于所述风向仪的风向和所述发动机舱的 方位之差的风向偏差加上所述每个流入风速的所述风向仪的校正值后的偏差。
12、 如权利要求9至权利要求11的任一项所述的风力发电装置的发电控 制方法，所述数据积累步骤依次积累运转时的塔轴转动的力矩、所述偏转角控制 机构中的偏转电机的功耗、或者对发电输出实施了 FFT处理时的功率频谱中 的旋转频率的N倍分量的其中一个、以及所述流入风速和所述风向偏差的数 据组，所述分析步骤进行所述数据积累步骤中的积累数据的统计分析，从而求 各个流入风速中的所述塔轴转动的力矩、所述偏转电机的功耗、或者所述发 电输出的功率频谱的旋转频率的N倍分量的其中 一个对于风向偏差的分布曲 线，并将该分布曲线成为峰值或者次峰值的风向偏差设为所述风向仪的校正 值，存储每个流入风速的所述风向仪的校正值。
全文摘要
提供风力发电装置、风力发电系统以及风力发电装置的发电控制方法，提高发电性能的同时能够减少风车的疲劳载荷。通过数据积累单元(25)，依次积累该风力发电装置运转时的发电输出(P)、基于由风速计测定的风速而估计的流入风速(Ws)、以及由风向仪测定的风向(θw)和发动机舱的方位之差的风向偏差的数据组，由分析单元(26)进行该积累数据的统计分析，从而求各个流入风速中的发电输出对于风向偏差的分布曲线，将该分布曲线成为峰值的风向偏差设为风向仪的校正值(θd)，并将每个流入风速的风向仪的校正值存储到风向校正表(27)，通过运转控制单元(30)，以每个流入风速(Ws)的风向仪的校正值(θd)来校正基于风向仪的风向(Vw)，并使用该校正后的风向作为控制参数而进行发电控制。
文档编号H02P9/00GK101568721SQ20088000116
公开日2009年10月28日 申请日期2008年5月14日 优先权日2007年5月25日
发明者林义之, 柴田昌明 申请人:三菱重工业株式会社