風力發電裝置及風力發電裝置的偏航迴轉控制方法
2023-06-03 05:23:46 2
專利名稱：風力發電裝置及風力發電裝置的偏航迴轉控制方法
技術領域：
本發明涉及一種風力發電裝置，承受風力而進行旋轉的主軸驅動發電機進行發電，尤其涉及在風力發電裝置中設置於塔架上部的風車發電單元的偏航(YAW)迴轉及偏航迴轉控制方法。
背景技術：
風力發電裝置為如下所述發電裝置具備風車翼的旋翼頭承受風力而進行旋轉， 將該旋轉通過增速機增速等，通過驅動發電機進行發電。另外，具備風車翼的旋翼頭與設置於塔架(支柱)的上部的機艙內的增速機及發電機經由主軸而連結，因此為了使旋翼頭的朝向與總是變動的風向相一致(使旋翼旋轉面與風向正對)，例如在迎風型的風力發電裝置中，需要使機艙在塔架上偏航迴轉(大致水平面上的迴轉)並從旋翼頭正面承受風。另外，在以下的說明中，對於都設置於塔架上部且經由主軸連結的旋翼頭及機艙， 總稱兩者為風車發電單元。在以往的風力發電裝置中，例如在翼長較長的大型風車上搭載有偏航驅動裝置。 該偏航裝置為如下所述裝置，即例如圖10所示，利用偏航電動機50的驅動力使大的機艙3 偏航迴轉，並按照旋翼旋轉面追隨並正對風向的方式控制偏航迴轉。另外，圖中的標號2為塔架，3為機艙，3a為機艙底板，51為驅動齒輪，52為固定齒輪、53為滾動軸承，54為偏航制動裝置，但也可以採用滑動軸承來代替滾動軸承53。另一方面，以往的風力發電裝置中，例如在翼長的短的小型風車中多見，作為被動偏航，也存在不具有上述的偏航驅動裝置的風力發電裝置。另外，上述的偏航驅動裝置伴隨風力發電裝置的大型化，偏航電動機及驅動類齒輪等也大型化。這樣的偏航驅動裝置的大型化增加了對機艙底板的複雜化及維護空間的要求，因此成為妨礙機艙的小型/輕量化的原因。因此，提案有如下方案，S卩，算出用於抵消作用於各風車翼的塔架軸周圍的載荷的基準指令值加上偏航旋轉控制指令值的角度指令值，並基於該角度指令值設定各風車翼的槳距角度指令值。即，計測各風車翼的載荷並對每一個風車翼控制槳距角度，使用作用於風車翼的空氣動力使風車發電單元迴轉，因此可以實現偏航電動機的小型化及使用頻度的降低。(例如，參照專利文獻1)專利文獻1 (日本)特開2008-286156號公報如上所述，以往的偏航驅動裝置通過使用偏航電動機的驅動力使風車發電單元的朝向追隨風向的變化，由此按照旋翼旋轉面總是與風向正對的方式進行控制。但是，大型化的風力發電裝置的偏航驅動裝置存在使初期成本及運轉成本增加的問題。另外，以往的偏航驅動裝置被指出存在下述問題，即，需要在風車發電單元的機艙底板確保設置空間並對偏航電動機的設置座面進行機械加工，另外，也需要確保維護空間， 因此妨礙機艙的小型/輕量化。
另一方面，完全沒有偏航驅動裝置的風力發電裝置的情況下，問題在於怎樣按照風向而使風車與風向正對。即，沒有偏航驅動裝置的風力發電裝置大都是小型的，因此對短時間的風向變化也敏感地進行反應並進行偏航迴轉，因此存在作用於風車整體的各種載荷增大的可能性。這樣，以往的風力發電裝置存在如下所述的問題，即，偏航驅動裝置為妨礙上述的成本的降低及機艙小型/輕量化的原因，相反，沒有偏航驅動裝置時，具有對短時間的風向變化也敏感地進行反應的問題，因此希望開發一種能夠消除上述問題的風力發電裝置。
發明內容
本發明是鑑於上述問題而完成的，其目的在於提供一種風力發電裝置，其不需要用於通過偏航電動機控制風車發電單元的朝向的偏航驅動裝置，且可實現對低成本化及小型/輕量化有利的偏航控制。本發明為了解決所述問題而採用如下發明。本發明的風力發電裝置的偏航迴轉控制方法具有取得風車翼旋轉面的方位角信息及風向信息的信息取得過程；根據所述方位角信息及所述風向信息之間的偏差，在起動時將所述風車翼旋轉面的前表面向上風方向驅動的偏航迴轉過程，其特徵在於，所述偏航迴轉過程包含對規定的方位角(風車翼的旋轉角)下的風車翼槳距角進行控制的槳距角控制過程。根據這樣的本發明的偏航迴轉控制方法，由於偏航迴轉過程包含控制規定的方位角上的風車翼槳距角的槳距角控制過程，因此能夠在風力發電裝置的起動時，通過使風車翼槳距角度單獨地變化，有效利用作用於各風車翼的風力，得到利用空氣動力使風車發電單元偏航迴轉而使風車翼旋轉面的前表面朝向上風方向的偏航迴轉力。該情況下起動時， 除了在開始運轉處於停止狀態的風力發電裝置的起動時之外，還包含繼續風力發電裝置的運轉的運轉時的狀態。在所述的發明中，優選的是，所述槳距角控制過程中，以方位角為大致90度及/或大致270度，形成比前後的方位角下的槳距角更靠小槳距側或順槳側的槳距角，由此，能夠高效率地得到空氣動力產生的偏航迴轉力。即，能夠通過進行如下所述的控制產生空氣動力引起的逆時針旋轉或順時針旋轉的偏航迴轉力，該控制為在方位角大致為90度的位置上使槳距角向小槳距側變化，並且在方位角大致為270度的位置上使槳距角向順槳側變化的槳距角控制；或者在方位角大致為90度的位置上使槳距角向順槳側變化，並且在方位角大致為270度的位置上使槳距角向小槳距側變化的槳距角控制。在所述發明中，優選的是，所述槳距角控制過程包含使發電機作為電動機進行旋轉的電動迴轉過程，在該電動迴轉過程中，以方位角為大致0度及/或大致180度，形成比前後的方位角下的槳距角更靠小槳距側或順槳側的槳距角，由此即使在自然的風力小或沒有的情況下，也能夠從通過電動迴轉進行旋轉的風車翼得到空氣動力產生的偏航迴轉力。在所述發明中，優選的是，所述發電機的轉速在達到規定的轉速後慢慢降低，由此能夠在需要最大的驅動力的偏航迴轉的開始動作完成後，使轉速慢慢降低，並將電動迴轉所需要的電力限制為最小。或者，也可以將電動機轉速設為一定，在偏航迴轉開始時使兩個翼的槳距角的差最大。在所述發明中，優選的是，所述發電機的轉速在達到規定的轉速後被保持為大致一定，由此能夠將風力產生的偏航迴轉力作為輔助而利用，並將電動迴轉所需要的電力限制為最小。本發明的風力發電裝置的偏航迴轉控制方法具有取得風車翼旋轉面的方位角信息及風向信息的信息取得過程；根據所述方位角信息和所述風向信息之間的偏差，在停止時將所述風車翼旋轉面的前表面向下風方向驅動的停止時偏航迴轉過程，其特徵在於，所述停止時偏航迴轉過程包含對規定的方位角下的風車翼槳距角進行控制的停止時槳距角控制過程。根據這樣的本發明的偏航迴轉控制方法，由於停止時偏航迴轉過程包含控制規定的方位角上的風車翼槳距角的停止時槳距角控制過程，因此在風力發電裝置的停止時，通過使風車翼槳距角度單獨地變化，能夠有效利用作用於各風車翼的風力，得到通過空氣動力使風車發電單元偏航迴轉至希望的停止位置的偏航迴轉力。即，在風力發電裝置停止時， 風車發電單元追隨順風進行偏航迴轉，在使風車翼旋轉面的前表面朝向下風方向的狀態穩定地停止，因此通過實施停止時偏航迴轉過程，能夠使風車發電單元積極地偏航迴轉至穩定的停止位置。在所述發明中，優選的是，所述偏航迴轉過程及所述停止時偏航迴轉過程在驅動所述風車翼旋轉面時不使用偏航電動機，由此能夠實現偏航控制的低成本化及機艙的小型
/輕量化。本發明的風力發電裝置構成為使具備多個風車翼的風車發電單元被支承為能夠相對於塔架進行偏航迴轉，並根據變動的風向從所述風車發電單元的正面承受風力而進行發電，所述風力發電裝置的特徵在於，具備發電機，利用所述風車翼承受的風力進行驅動而發電，並且能夠變更為電動機的用途；槳距驅動部，單獨地控制所述風車翼的槳距角度； 風向檢測部，檢測變動的風向信息；及控制部，通過權利要求1至7中任一項所述的偏航迴轉控制方法進行風車翼槳距角控制，對每個所述風車翼計算出槳距角度指令值並向所述槳距驅動部輸出，其中所述槳距角度指令值用於利用空氣動力產生使所述風車發電單元偏航迴轉的動力。根據這樣的本發明的風力發電裝置，具備發電機，利用風車翼承受的風力進行驅動並發電，並且可進行向電動機的用途變更；槳距驅動部，單獨地控制風車翼的槳距角度； 風向檢測部，檢測變動的風向信息；控制部，通過權利要求1至7中任一項所述的偏航迴轉控制方法進行風車翼槳距角控制，對每個風車翼計算出槳距角度指令值並向槳距驅動部輸出，所述槳距角度指令值通過空氣動力產生使風車發電單元偏航迴轉的動力的指令值，因此槳距驅動部能夠使各風車翼的槳距角度單獨地變化，有效利用作用於各風車翼的風力， 利用空氣動力產生的迴轉力使風車發電單元偏航迴轉。在所述發明中，優選的是，所述控制部根據運轉狀況進行將所述發電機作為電動機使用的電動迴轉來補充偏航迴轉力，由此例如從低風速的狀態起動的情況等，能夠將通過電動迴轉使風車翼旋轉而產生的空氣動力作為偏航迴轉力進行利用。因此，通過電動迴轉得到的偏航迴轉力可進行單獨的偏航迴轉，或者補充通過風力產生的空氣動力(偏航迴轉力)的不足量。因此，不需要利用偏航電動機的驅動力進行偏航迴轉控制的以往的偏航驅動裝置。該情況下，運轉狀況的不同是指開始風力發電裝置的運轉的起動時、運轉停止時及運轉中的區別、風力的強弱等導致的不同。根據所述本發明，即使在風力發電裝置的起動時及停止時，也能夠有效地利用單獨地控制多個風車翼的槳距角度的槳距驅動部，得到空氣動力產生的偏航迴轉力，並根據風向的變化使風車發電單元偏航迴轉，可實現使風車翼旋轉面的前表面朝向上風方向的偏航控制，因此不需要利用偏航電動機來控制風車發電單元的朝向的以往的偏航驅動裝置。 因此，本發明的風力發電裝置能夠使風車發電單元的偏航控制低成本化，進而可實現對構成風車發電單元的機艙的小型/輕量化有利的偏航控制。
圖IA是表示作為本發明的風力發電裝置的一實施方式的、進行風車發電單元的偏航迴轉控制的偏航迴轉機構(沒有電動迴轉)的方框圖；圖IB是表示作為本發明的風力發電裝置的其他實施方式的，進行風車發電單元的偏航迴轉控制的偏航迴轉機構(有電動迴轉)的方框圖；圖2A是表示圖IA所示的控制部中實施的偏航迴轉控制例的流程圖；圖2B是表示圖IB所示的控制部中實施的偏航迴轉控制例的流程圖；圖3是表示本發明的風力發電裝置的整體構成例的圖；圖4是表示風車發電單元的概略構成例的圖；圖5是用於說明風力發電裝置及風車發電單元的z、y、ζ軸的定義的圖；圖6是表示使運轉停止中的風車發電單元與風向正對的電動迴轉的順序的說明圖；圖7是表示通過空氣動力使運轉中的風車發電單元進行偏航迴轉的偏航迴轉控制的順序的說明圖；圖8是表示對於風車發電單元的風車翼，從機艙後方觀察的方位角(旋轉角)的定義的說明圖；圖9是表示從上方觀察風車發電單元，在風車翼產生的旋轉力的說明圖；圖10是表示以往的風力發電裝置的偏航驅動裝置及其周邊構造的要部剖面圖。標號說明1、風力發電裝置2、塔架
3、機艙4、旋翼頭5、風車翼(葉片)7、風速針8、風向針10、增速機11、發電機或電動機20、風車控制裝置(控制部)
21、槳距驅動部22、發電機控制部30、風向檢測部40、偏航迴轉位置檢測部
具體實施例方式下面，參照附圖，對本發明的風力發電裝置的一實施方式進行說明。圖3所示的風力發電裝置1為具有立設於地基B上的塔架(也稱作「支柱」)2、設置於塔架2的上端的機艙3、被支承為繞大致水平的橫方向的旋轉軸線(圖5的χ軸)可旋轉且設置於機艙3的前端部側的旋翼頭4的迎風型風車。下面的說明中，如圖4所示，將設置於塔架2的上端並經由主軸9而連結的機艙3及旋翼頭4總稱為「風車發電單元」。在旋翼頭4上繞其旋轉軸線放射狀地安裝有多個(例如三個)風車翼(葉片)5。 由此，從旋翼頭4的旋轉軸線方向吹向風車翼5的前表面的風力變換為使旋翼頭4繞旋轉軸線旋轉的動力。在機艙3的外周面適當位置(例如上部等)根據需要設置有測定周邊的風速值的風速計7、測定風向的風向計8。例如圖4所示，在機艙3的內部設置有經由旋翼頭4和增速機10而連結的發電機 11。即，旋翼頭4的轉速被傳遞至經由主軸9而連結的增速機10，從而成為使增速機10的輸出側增速的值。而且，發電機11通過經由增速機10而增速的輸出側的轉速而被驅動，由此得到由發電機11發電的電力。另外，在機艙3的內部設置有進行風力發電裝置1的運轉控制的風車控制裝置20、 從該風車控制裝置20接受控制信號並使各風車翼5的槳距角度單獨地變化的槳距驅動部 (可變槳距機構)21。另外，在上述機艙3的內部設置有從風車控制裝置20接受控制信號並控制發電機 11的發電控制部22。該發電機控制部22在後述的電動迴轉時將發電機11作為電動機使用的情況下，進行作為電動機驅動的發電機11的運轉控制(電動迴轉控制)。在上述構成的風力發電裝置1上設置有進行風車發電單元的偏航迴轉控制的偏航迴轉機構。下面，參照圖IA的方框圖及圖2的流程圖，對進行風力發電單元的偏航迴轉控制的偏航迴轉機構進行詳細的說明。圖IA所示的方框圖表示進行風車發電單元的偏航迴轉控制的偏航迴轉機構。該偏航迴轉機構設置於風力發電裝置1上，該風力發電裝置1構成為具備多個風車翼5的風車發電單元被支承為相對於塔架2可偏航迴轉，與變動的風向相對應地從風車發電單元的正面(風車翼5的旋轉面前表面)承受風力而進行發電。即，在迎風型的風力發電裝置1 中，偏航迴轉機構以使風車翼5的旋轉面前表面朝向上風的方式進行動作。該偏航迴轉機構具備如下部件而構成槳距驅動部21，使風車翼5的槳距角度單獨地變化；風向檢測部30，檢測變動的風向信息(0W)；偏航迴轉位置檢測部40，檢測風車發電單元的當前偏航角(θζ)；及控制部20，基於風向信息(θ w)及當前偏航角(ΘΖ)來計算風向偏差(θ d)，基於該風向偏差(θ d)對每個風車翼5計算出利用空氣動力產生用於使風車發電單元偏航迴轉的動力的槳距角度指令值(θ η)並向槳距驅動部21輸出。
另外，圖示的構成例中，風車翼5為三個，因此槳距角度指令值(θ η)輸出對每個風車翼5計算出的三種類型的槳距角度指令值Θ1、Θ2、θ 3，但沒並不限定於此。風向檢測部30檢測風力發電裝置1的設置位置或周邊區域的風向信息(ew)，並向控制部20輸入。作為可用於該情況下的風向信息(θ W)，只要從下述信息中適當選擇一個或多個使用即可，這些信息為例如由設置於機艙3的風向計8對每個風力發電裝置1檢測出的信息、在代表位置檢測出鄰接設置了多個風力發電裝置1的風力發電廠的信息(具體而言，在從多個中選擇的風力發電裝置1的機艙3上設置風向計8而檢測出的信息、利用設置於發電廠內的高處的風向計8檢測出的信息等)、或者包含在可從外部取得的氣象信息中的與風向相關的信息等。偏航迴轉位置檢測部40以與塔架2的軸中心大致一致地存在的偏航迴轉軸(參照圖幻為中心，對於在塔架2上在大致水平面上進行偏航迴轉的風車發電單元，檢測當前的朝向(位置)即當前偏航角(θ ζ)，並向控制部20輸入。即，偏航迴轉位置檢測部40檢測風車翼5的旋轉面前表面實際朝向的方向的信息(風車翼旋轉面的方位角信息)。該情況下的當前偏航角(θ ζ)如下檢測將預先設定的基準方向(例如北方向) 設為0度，旋翼頭4的朝向(圖5所示的χ軸的方向)在沿順時針或逆時針360度的旋轉範圍內位於哪一個方向(角度)。另外，作為檢測當前偏航角(θζ)的具體的裝置，例如有通過與設置於圖10所示的滾動軸承53上的固定齒輪52的嚙合進行動作的電位計等。控制部20接受風向信息(θ w)及當前偏航角(ΘΖ)的輸入，對三個風車翼5算出各自的槳距角度指令值(θ 1、θ 2、θ 3)並向槳距驅動部21輸出。即，控制部2Θ根據風向信息(θ w)和當前偏航角(θ ζ)之間的偏差，進行如下所述的偏航迴轉控制在風力發電裝置1的起動時及運轉時使風車翼旋轉面的前表面朝向上風方向，停止時使風車翼旋轉面的前表面朝向下風方向。控制部20內的具體的偏航迴轉控制例如如圖2Α所示的流程圖那樣進行。最初的步驟Sl中，控制流程開始後，進入下一步驟S2，判斷有無風力發電裝置1的運轉指令，即判斷風力發電裝置1是否為運轉中。另外，判斷為運轉中的情況下，對運轉指令剛發出後的起動時、運轉繼續中的運轉時、及運轉停止指令發出後的停止時的運轉區分進行判斷。通過步驟2的判斷，在存在風力發電裝置1的運轉指令的「是」的情況下，進入下一步驟S3並計算出槳距角度指令值(θ η)，但本實施方式中，風車翼5有三個，因此開始三種槳距角度指令值(θ 1、Θ2, Θ3)的計算。另外，下面的說明是運轉區分判斷為起動時或運轉時的情況。步驟S3的過程中，具有得到與風車翼5的旋轉面前表面相關的方位角信息的當前偏航角(θ ζ)及風向信息(θ W)的「信息取得過程」，計算出當前偏航角(θ ζ)及風向信息 (0w)之間的偏差即風向偏差(θ d)。即，計算出表示實際的風向的風向信息(θ W)、和對於在塔架2上進行偏航迴轉的風車發電單元表示當前的朝向的當前偏航角(θ ζ)之間的角度差而作為風向偏差(θ d = θ W- θ ζ)。其結果是，對於風車發電單元的朝向，能夠把握風向改變時等當前相對於風向的的位置關係(角度差)。這樣計算出風向偏差(θ d)後，進入下一步驟S4，計算出每一個風車翼5的槳距角度指令值(Θ 1、Θ2、Θ3)。關於步驟3中計算出的風向偏差(θ d)，為了使風車翼5的旋轉面前表面朝向上風方向，設定為例如使風車發電單元向風向偏差(9d)變小的方向偏航迴轉。上述的步驟S3的過程中計算出的每一個風車翼5的槳距角度指令值(θ 1、θ 2、 θ 3)在下一步驟S5中向槳距驅動部21輸出。而且，在下一步驟S6中，各風車翼5的槳距角度通過槳距驅動部21的動作，變更為每一個風車翼5都不同的槳距角度指令值(θ 1、θ 2、θ幻的槳距角度。這樣，上述步驟 S4 S6的過程為根據風向偏差(θ d)使風車翼5的旋轉面前表面向上風方向驅動的「偏航迴轉過程」。這樣設定的各風車翼5的槳距角度通過再次返回步驟S2並重複同樣的控制，持續直至在步驟2判斷為沒有風力發電裝置1的運轉指令為止。即，步驟2中判斷為沒有風力發電裝置1的運轉指令的「否」的情況下，進入步驟S7的結束，控制過程結束。而且，上述的偏航迴轉過程中，包含對規定的方位角下的風車翼槳距角進行控制的「槳距角控制過程」。該槳距角控制過程中，在風力發電裝置1起動時使風車翼槳距角度單獨地變化， 將作用於各風車翼5的風力變換為空氣動力而進行有效利用，得到利用空氣動力使風車發電單元偏航迴轉而使風車翼旋轉面的前表面朝向上風方向的偏航迴轉力。這樣，在上述的風車發電裝置1的偏航迴轉控制中，偏航迴轉控制的控制方法具有取得風車翼旋轉面的方位角信息及風向信息的信息取得過程；及根據方位角信息及風向信息的偏差，在起動時將風車翼旋轉面的前表面向上風方向驅動的偏航迴轉過程，偏航迴轉過程包含對以規定的方位角(風車翼的旋轉角)的風車翼槳距角進行控制的槳距角控制過程。另外，關於上述風向偏差(θ d)，可以根據以規定的方位角作用於風車翼5上的載荷的不同進行推測，槳距驅動部21也可以基於利用該推測得到的風向偏差(θ d)來計算出槳距角度指令值(θ η)。另外，上述的槳距角度指令值(θ η)不僅可以控制為按照使風車發電單元朝向風向偏差(θ d)變小的方向偏航迴轉的方式進行設定，還可控制為例如按照風向偏差(θ d) 的平均接近零的方式相互設定正負的值。接著，具體地說明上述的控制流程的偏航迴轉控制。該偏航迴轉控制有效利用使各風車翼5的槳距角度單獨地變化的槳距驅動部21，按照作用於各風車翼5的風力成為風車發電單元的偏航迴轉力的方式進行控制。如圖7及圖8所示，各風車角5的槳距角度指令值(θ 1、θ 2、θ幻通過使當前偏航角(θζ)與風向一致，而使風向偏差(θ d)消失，並按照旋翼頭4的方向朝向上風的方式進行設定。即，各風車翼5的槳距角度指令值(θ 1、θ 2、θ 3)設定為，與總是變動的風向相對應而使風向偏差(θ d)變小，或使風向偏差(θ d)的平均接近零，而產生風向偏差(θ d) 消失的方向的偏航迴轉力，由此旋翼旋轉面與風向正對。圖7及圖8所示的說明圖中，旋翼頭4及風車翼5如圖8 (從機艙3的後方側觀察的圖)中箭頭Rw所示，承受風力而逆時針旋轉。另外，圖8所示的風力發電裝置1中，以從機艙後方看為120°的槳距設置三個風車翼5，在下面的說明中，根據需要，將旋轉角(方位角)處於0°的位置的風車翼叫做風車翼fe、將處於120°的位置的風車翼叫做風車翼恥、 將處於的位置的風車翼叫做風車翼5c，從而進行區別。另外，圖8所示的風力發電裝置1的運轉中，對於旋轉中的風車翼5，進行對每個風車翼5使槳距角度獨立的操作(控制)，適當進行以使旋翼旋轉面與風向正對的方式追隨風向的偏航控制。圖7是從上方觀察風車發電單元的圖，表示從存在風向偏差(θ d)的狀態順時針偏航迴轉而使旋翼旋轉面與風向正對的偏航迴轉控制的動作。該情況下的偏航控制中，對於位於通過承受風力而產生偏航迴轉力矩的旋轉角位置的兩個風車翼恥『>5c'，使各自的槳距角度逆向變化。具體地說明，對於在旋轉角為90°的周邊區域(最大為0 180° )旋轉中的風車翼恥『，計算出向以避開風的方式增大槳距角度α的方向、即向順槳方向變化的槳距角度指令值(θ η)。因此，接受了該槳距角度指令值(θ η)的槳距驅動部21在使風車翼恥『 的槳距角度α增大的方向變化Y。另一方面，對於在旋轉角為270°的周邊區域(最大，180 360° )旋轉中的風車翼5c'，計算出向以進一步承受風地減小槳距角度α的方向、即向小槳距方向變化的槳距角度指令值(θ η)。因此，接受了該槳距角度指令值(θ η)的槳距驅動部21在使風車翼 5c『的槳距角度α減小的方向上變化β。換言之，關於風車翼恥『，向使從正面看到的投影面積增大的方向，輸出使槳距角度α變化的槳距角度指令值(θ η)，設定為槳距角度增加了 γ的新的槳距角度(α+ Y)。另一方面，關於風車翼5c'，向使從正面看的投影面積減小的方向輸出使槳距角度α變化的槳距角度指令值(θ η)，設定為槳距角度減少了 β的新的槳距角度(α-β)。該情況下，使風車翼5的槳距角度α變化β及Y的動作在風車翼5的旋轉中進行。這樣的風車翼5的槳距角度控制為如下所述的變槳距控制，即，例如在一個風車翼5旋轉一圈的期間，對於以某風速穩定地運轉的槳距角度α，從最小的槳距角度到最大的槳距角度(α + Y )，以描繪大致正弦曲線的方式，連續或斷續地進行變化。如上所述，通過根據旋轉角度的位置使風車翼5的槳距角度α增減的控制，能夠在風車發電單元根據空氣空氣學而產生繞偏航軸的旋轉力。即，關於位於旋轉角度90°的附近的風車翼恥『，由於槳距角度增大而避開風，作用於風車翼恥『的偏航迴轉力減小。 但是，關於位於旋轉角度270°附近的風車翼5c『，由於槳距角度減小而進一步承受風，因此作用於風車翼5c'的偏航迴轉力變大。其結果是，不進行槳距角度的增減的情況下，在從上風朝向下風的同方向上以大致相同大小進行作用的偏航迴轉力的平衡破壞，因此風車發電單元在作用更大的偏航迴轉力的方向上偏航迴轉。即，如圖7所示的風車發電單元的情況下，作用於位於270°的旋轉角度位置的風車翼5c'的偏航迴轉力增大，因此風車發電單元繞順時針方向進行偏航迴轉，風向偏差(9d)消除。另外，使風車發電單元繞逆時針偏航迴轉的情況下，在旋轉角為大致90度的周邊使槳距角度向小槳距側變化，並且在旋轉角為大致270度的周邊使槳距角度向順槳側變化即可。這樣，根據上述的風力發電裝置1，在運轉時，槳距驅動部21能夠使各風車翼5的槳距角度單獨地變化，有效利用作用於各風車翼5的風力並通過空氣動力使風車發電單元偏航迴轉。即，在風力發電裝置1運轉時，進行如下所述的偏航迴轉控制按照使算出的風向偏差(θ d)變小的方式，或者按照使風向偏差(θ d)接近零的方式，使各風車翼5的槳距角度單獨地變化，使作用於風車翼5的風力變換為偏航迴轉力，因此風車發電單元能夠進行追隨風向的變化的偏航迴轉，能夠使風車發電單元的旋翼旋轉面總是朝向上風並與風向正對。因此，通過進行上述的偏航迴轉控制，不需要利用偏航電動機的驅動力進行偏航迴轉控制的以往的偏航驅動裝置。但是，上述的風力發電裝置1的偏航迴轉控制在沒有充分的風速時或從運轉停止中的狀態開始運轉的起動時等，有時不能得到用於進行偏航迴轉控制的充分的偏航迴轉力。因此，在得不到充分的的偏航迴轉力的運轉狀況下，例如圖IB及圖2B所示，風車控制裝置20進行將設置於風車發電單元內的發電機11作為電動機使用的電動迴轉，即通過將作為電動機發揮作用的發電機11作為驅動源，使旋翼頭4及風車翼5旋轉直至達到例如IOrpm以上的轉速，由此能夠實施由風車翼5產生的風力所帶來的自動的偏航迴轉。該電動迴轉是從風車控制裝置20向發電機控制部22輸出與電動迴轉相關的控制指令而進行實施。具體地說明，圖2B所示的流程圖中，在步驟S3的過程中算出風向偏差(Qd)後， 進入步驟Sll的過程，計算出使作為電動機發揮作用的發電機11進行電動迴轉的轉矩及轉速的指令值。這樣算出的轉矩及轉速的指令值在接下來的步驟S 12的過程中向發電機控制部22輸出。發電機控制部22基於轉矩及轉速的指令值來使發電機11作為電動機驅動，因此作為電動機發揮作用的發電機11產生的驅動力使旋翼頭4及風車翼5進行旋轉。其結果， 通過風車翼5的旋轉產生風力，因此能夠得到利用該風力的電動迴轉產生的偏航迴轉。另外，通過電動迴轉，風車翼5進行旋轉而產生的風力形成與低風速時等增加風速相同的狀況，因此能夠補充不足的偏航迴轉力。這樣的電動迴轉中，只要發電機11為同步發電機的話便可容易地得到，另外，即使為非同步發電機的情況下，只要具備變換器也可得到。通過根據風力發電裝置1的運轉狀況進行這樣的電動迴轉，能夠例如在從低風速的狀態起動時等，根據運轉狀況，利用電動迴轉產生的風力及空氣動力來補充風力及空氣動力產生的偏航迴轉力的不足量。這時，運轉狀況的不同是指開始風力發電裝置1的運轉的起動時、運轉停止時及運轉中的區別、作用於風車翼5的風力的強弱等導致的不同。具體地進行說明，例如圖6所示，停止中的風車發電單元有時追隨風向而旋翼旋轉面朝向下風，起動時需要最大180°的偏航迴轉。另外，由於風速、偏航迴轉制動裝置的殘餘制動力、穩定偏航控制的摩擦力等的影響，起動時的風車發電單元有時其旋翼旋轉面不與風向正對。因此，如圖6所示，風力發電裝置1起動時，上述的槳距角控制過程實施如下所述的電動迴轉過程最初進行電動迴轉而使風車發電單元偏航迴轉，主要利用風車翼5產生的風力使旋翼旋轉面朝向上風。之後，停止電動迴轉，切換為上述運轉中的偏航迴轉控制， 即，使各風車翼5的槳距角度單獨地變化的偏航迴轉控制。該電動迴轉過程中，在幾乎不產生偏航迴轉力的旋轉角為大致O度及/或大致180度的周邊，形成比以前後的旋轉角的槳距角更靠小槳距側或順槳側的槳距角，從而能夠實施高效率的電動迴轉。該情況下的電動迴轉可以根據風力發電裝置1的運轉狀況，使作為電動機發揮作用的發電機11的轉速變化，或者可以將作為電動機發揮作用的發電機11的轉速設為一定而使風車翼5的槳距角度變化，並使空氣動力產生的助推力變化。使發電機11的轉速變化的情況下，只要切換為電動機並且通電的發電機11被起動並達到規定的轉速後，使該轉速慢慢降低即可。即，通過電動迴轉使停止狀態的風車發電單元偏航迴轉的情況下，在偏航迴轉開始之前，靜止摩擦力進行作用且需要最大的驅動力， 因此可以在風車發電單元開始運轉並成為動摩擦力進行作用的狀態後，使電動迴轉產生的風車翼5的轉速慢慢降低。這樣的轉速的降低是指將作為電動機發揮作用的發電機11的轉速降低，因此能夠將電動迴轉所需要的電力抑制為最小。另外，關於電動機11的轉速，達到規定的轉速後保持為大致一定的情況下，將自然的風力產生的偏航迴轉力作為輔助進行利用，能夠將電動迴轉所需要的電力抑制為最小。即，利用合計了通過電動迴轉而產生的空氣動力、和通過自然的風力而產生的空氣動力的偏航迴轉力，來進行偏航迴轉，因此能夠將電動迴轉產生的風車翼5的轉速設定得較低， 因此能夠降低作為電動機發揮作用的發電機11的消耗電力。另外，風力發電裝置1停止時的偏航迴轉控制具有取得風車翼旋轉面的方位角信息及風向信息的信息取得過程；根據方位角信息及風向信息之間的偏差，在停止時將風車翼旋轉面的前表面向下風方向驅動的停止時偏航迴轉過程，停止時偏航迴轉過程中包含對規定的方位角下的風車翼槳距角進行控制的停止時槳距角控制過程。該情況下的停止時槳距角控制過程按照使風車翼旋轉面的前表面朝向下風方向的方式進行偏航迴轉，因此除了向與上述起動時及運轉時相反的方向進行偏航迴轉以外，是相同的控制。通過進行這樣的偏航迴轉控制，在向運轉中的風力發電裝置1發出了運轉停止的指令的停止時，能夠積極地使風車發電單元進行偏航迴轉直至穩定的停止位置為止。艮口， 在風車發電單元停止的狀態下，進行承受自然的風力而追隨順風的偏航迴轉，在使風車翼旋轉面的前表面朝向下風方向的狀態下進行穩定的停止，因此通過實施停止時偏航迴轉過程，能夠積極地進行偏航迴轉直至穩定的停止位置。另外，通過在風力發電裝置1運轉停止時適當地實施上述電動迴轉，也能夠在起動時使旋翼旋轉面儘可能地朝向與風向一致的方向。另外，上述電動迴轉例如可以在運轉中在通過塔架2內的電纜上產生了設定以上的扭轉的情況下，以為了解除該扭轉而強制地使風車發電單元偏航迴轉為目的進行使用。另外，實施上述電動迴轉時，可按照成為易使風力發電裝置1起動的槳距角的方式進行控制。即，如圖9的說明圖(從上方觀察風車翼5的圖)所示，朝向旋翼頭4而從紙面上方向箭頭W的方向吹風時，向風車翼5給予通過接線方向速度(Vt)及風速(Vw)合成的葉片流入速度(V)的相對風。風車翼5承受葉片流入速度(V)的相對風時，產生與相對風不同方向的合成風合力(R)。該合成風合力(R)不會成為與通常相對風平行的方向，因此根據葉片形狀分解為不同大小的成分的分力，一方面的分力成為升力(L)，另一方面的分力成為阻力(D)。另外，上述的合成風合力(R)被分解為與風車翼5的旋轉方向成直角的成分的推力(Fs)、與旋轉方向同方向的旋轉力(Fr)，該旋轉力(Fr)使旋翼頭4旋轉，成為利用風力發電的方向的力。該旋轉力(Fr)為根據風車翼5的槳距角而變動的值，能夠在電動迴轉時輔助作為電動機發揮作用的發電機11的旋轉力。因此，例如風車發電單元在圖6的紙面左側所示的狀態下停止時，按照通過風力產生輔助電動迴轉的旋轉力的方向的旋轉力(Fr)的方式，設定為風車翼5的槳距角。艮口， 接受了從與通常的發電時相反的方向流入的風的風車翼5設定為產生使旋翼頭4與發電時同方向地進行旋轉的旋轉力的槳距角，並進行電動迴轉，隨著進行電動迴轉產生的風車發電單元的偏航迴轉，使風車翼5的槳距角變更為與發電時相適合的值並起動風力發電裝置 1即可。根據上述的實施方式，有效地利用單獨地控制多個風車翼5的槳距角度的槳距控制部21，並進行根據風向的變化使風車發電單元偏航迴轉的偏航控制，因此不需要通過偏航電動機控制風車發電單元的朝向的偏航驅動裝置。另外，通過進行利用發電機11的電動迴轉，即使在得不到自然的風力的情況下， 也能夠得到空氣動力產生的偏航迴轉力。因此，能夠單獨使用該偏航迴轉力進行偏航迴轉， 或者補充從自然的風力得到的空氣動力的不足量而進行偏航迴轉。因此，上述的風力發電裝置1能夠使風車發電單元的偏航控制低成本化，另外能夠實現對於構成風車發電單元的機艙3的小型/輕量化也有利的偏航控制。另外，關於維修用的電動機，需要與上述偏航電動機分開設置。另外，通過採用上述實施方式，偏航驅動裝置及其安裝座消失，因此能夠減少製造時的機械加工、降低包括偏航電動機及驅動類齒輪等的維修的成本。另外，與塔架2固定的偏航迴轉軸大致自由，因此來自旋翼頭4的瞬時載荷即 Mz (參照圖5)大幅減少，主軸9、主軸承、主軸承臺及機艙底板的作用載荷減少，因此，由此也能大幅降低成本。另外，本發明並不限定於上述實施方式，在不脫離其主旨的範圍內可進行適當變更。例如，上述的偏航迴轉控制也可以適當控制偏航制動裝置的制動力並且使偏航迴轉的運轉穩定。另外，偏航迴轉輪也可以是滾動軸承及滑動軸承中的任一個。另外，本發明的風力發電裝置1不限定於具備增速機10的風力發電裝置或迎風型的風力發電裝置，也可以適用於無齒輪型或順風型。另外，順風型的風力發電裝置在配置於機艙後方的風車翼旋轉面的前表面承受風力，使風車翼的旋轉面前表面朝向上風進行運轉這一點與迎風型相同。
權利要求
1.一種風力發電裝置的偏航迴轉控制方法，具有信息取得過程，取得風車翼旋轉面的方位角信息及風向信息；及偏航迴轉過程，根據所述方位角信息及所述風向信息之間的偏差，在起動時將所述風車翼旋轉面的前表面向上風方向驅動，其特徵在於，所述偏航迴轉過程包含對規定的方位角下的風車翼槳距角進行控制的槳距角控制過程。
2.如權利要求1所述的風力發電裝置的偏航迴轉控制方法，其特徵在於，所述槳距角控制過程中，以方位角為大致90度及/或大致270度，形成比前後的方位角下的槳距角更靠小槳距側或順槳側的槳距角。
3.如權利要求1所述的風力發電裝置的偏航迴轉控制方法，其特徵在於，所述槳距角控制過程包含使發電機作為電動機進行旋轉的電動迴轉過程，在該電動迴轉過程中，以方位角為大致0度及/或大致180度，形成比前後的方位角下的槳距角更靠小槳距側或順槳側的槳距角。
4.如權利要求3所述的風力發電裝置的偏航迴轉控制方法，其特徵在於， 所述發電機的轉速在達到規定的轉速後慢慢降低。
5.如權利要求3所述的風力發電裝置的偏航迴轉控制方法，其特徵在於， 所述發電機的轉速在達到規定的轉速後被保持為大致一定。
6.一種風力發電裝置的偏航迴轉控制方法，具有信息取得過程，取得風車翼旋轉面的方位角信息及風向信息；及停止時偏航迴轉過程，根據所述方位角信息和所述風向信息之間的偏差，在停止時將所述風車翼旋轉面的前表面向下風方向驅動，其特徵在於，所述停止時偏航迴轉過程包含對規定的方位角下的風車翼槳距角進行控制的停止時槳距角控制過程。
7.如權利要求6所述的風力發電裝置的偏航迴轉控制方法，其特徵在於，所述偏航迴轉過程及所述停止時偏航迴轉過程在驅動所述風車翼旋轉面時不使用偏航電動機。
8.一種風力發電裝置，具有如下構成使具備多個風車翼的風車發電單元被支承為能夠相對於塔架進行偏航迴轉，並根據變動的風向從所述風車發電單元的正面承受風力而進行發電，所述風力發電裝置的特徵在於，具備發電機，利用所述風車翼承受的風力進行驅動而發電，並且能夠變更為電動機的用途；槳距驅動部，單獨地控制所述風車翼的槳距角度； 風向檢測部，檢測變動的風向信息；及控制部，通過權利要求6所述的偏航迴轉控制方法進行風車翼槳距角控制，對每個所述風車翼計算出槳距角度指令值並向所述槳距驅動部輸出，其中，所述槳距角度指令值用於利用空氣動力產生使所述風車發電單元偏航迴轉的動力。
9.如權利要求8所述的風力發電裝置，其特徵在於，所述控制部根據運轉狀況進行將所述發電機作為電動機使用的電動迴轉來補充偏航迴轉力。
全文摘要
本發明提供一種風力發電裝置的偏航迴轉控制方法，不需要偏航電動機且對低成本化及機艙的小型/輕量化有利。控制部(20)進行如下所述的偏航迴轉控制根據從風向檢測部(30)得到的風向信息(θw)和從偏航迴轉位置檢測部(40)得到的當前偏航角(θz)之間的偏差，將偏航迴轉的槳距角度指令值(θ1、θ2、θ3)向槳距驅動部(21)輸出，並在起動時將風車翼旋轉面的前表面向上風方向驅動，該偏航迴轉控制中包含對規定的方位角下的風車翼槳距角進行控制的過程。
文檔編號F03D7/04GK102203412SQ201080000646
公開日2011年9月28日 申請日期2010年1月27日 優先權日2010年1月27日
發明者沼尻智裕 申請人:三菱重工業株式會社