CN101878366A - 风车的动特性监视装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风车的动特性监视装置及其方法，其目的在于，可以使风车在稳定的状态下运转，并且将风车的控制参数在适宜的时期进行变更。对根据风速确定的多个区域分别认定风车的动特性模型，并对每个区域监视所认定的动特性模型。

Description

风车的动特性监视装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种风车的动特性监视装置及其方法。

背景技术

在进行风车的控制时，一般在风车的建设时等设定控制参数，并使用该控制参数来进行风车的控制。

这样的控制参数优选根据基于季节的温度及风力状况、或历年变化而变更为最佳的值的情况。但是，通常，在建设时暂时设定的控制参数在以后的控制中不会变更。因此，担心在效率差的状态下继续运转。

另外，认为例如为了变更风车叶片的桨距角度而使用的促动器等驱动设备的动特性伴随时效劣化而发生变化，但对与这些驱动设备相关的动特性没有进行监视。因此，对于促动器等，通过在发生异常时进行通知的警报等注意到发生异常，难以将设备的异常发生防患于未然。

另外，例如专利文献1中公开有一种系统，在风车叶片的桨距角控制中，对输出桨距角指令值的桨距角控制系赋予补偿控制器和参数认定器。该系统中，相对于桨距角控制系计算出的操作量输出将补偿控制器所输出的控制补偿指令值相加得到的操作量作为最终的桨距角控制指令。该系统中，参数认定器在线认定风力发电机的参数，并通过在补偿控制器利用认定后的参数，求出上述控制补偿指令值。

专利文献1：(日本)特开2006-37850号公报

上述专利文献1的系统中，设置补偿控制器和参数认定器，并通过参数认定器在线认定补偿控制器的参数，由此计算控制补偿指令值。但是，本方法中，由于本来的控制器的控制参数被固定，所以担心本来的控制器的控制特性相对于根据季节的温度及风况的变化或历年变化而发生劣化。另外，存在不实施动特性监视就不能检测风车的特性变化的问题点。

发明内容

本发明是为了解决所述问题而做出的，其目的在于，提供一种风车的动特性监视装置及其方法，通过直接调整本来的控制器的控制参数，可维持发生了经年变化等的情况下的该控制器的控制性能，并且可检测风车系统的特性变化。

为了解决所述课题，本发明采用以下手段。

本发明第一方面提供一种风车的动特性监视装置，其具备：认定部，对根据风速确定的多个区域分别认定风车的动特性模型；及监视部，对所述每个区域监视由所述认定部认定的动特性模型。

由于风车的动特性相对于风速非线性较高，所以难以以高的性能分析动特性。本方式中，根据风速区分成多个区域，并对每个区域进行认定，因此可以在确保线性的范围内进行认定。由此，可以提高动特性的监视性能。

所述区域例如被区分成：以固定桨距角且以发电机输出为最大输出点的方式调整转速的第一运转区域；以固定桨距角且以转速为额定转速的方式调整发电机输出的第二运转区域；及以转速及输出一定的方式控制桨距角的第三运转区域。

在所述风车的动特性监视装置中，也可以是，所述监视部对所述每个运转区域监视由所述认定部认定的动特性模型的规定的动特性参数的时间序列变化，并基于该动特性参数的时间序列变化来判断是否需要进行风车的控制参数的调整。

由此，可以不依次进行控制参数的调整，而可在动特性方面确认了某一定以上的劣化等的情况下进行控制参数的调整。由此，可以在适宜的时期变更控制参数。

也可以是，上述监视部例如在所述规定的动特性参数值相对于初始值超出预先设定的规定的变化量的情况下，判定为需要进行风车的控制参数的调整。

也可以是，所述动特性模型例如由包含死区时间的传递函数表示，监视部基于死区时间及传递函数的系数中至少任意一个的时间序列变化来判断控制参数的调整时期。包含所述死区时间的传递函数中也包含二次以上的高次的传递函数。

在所述风车的动特性监视装置中，也可以是，所述监视部基于风速或风速及风向的组合将所述规定的动特性参数分成多个等级，并对每个该等级监视所述动特性参数的时间序列变化。

这样，通过对基于风速或风速及风向的组合的每个等级监视动特性参数的时间序列变化，可以更正确地掌握风车的动特性。

本发明第二方面提供一种风车监视系统，监视多个风车的运转状态，对多个所述风车给予控制指令，其中，具备所述任一种风车的动特性监视装置。

本发明第三方面提供一种风车的动特性监视方法，对根据运转控制方法确定的多个区域分别认定风车的动特性模型，并对所述每个运转区域监视所认定的动特性模型。

根据本发明，实现下述效果：能够使风车以稳定的状态运转，并且能够在适宜的时期变更风车的控制参数。

附图说明

图1是将本发明一实施方式的风车的动特性监视装置所具备的功能展开表示的功能框图；

图2是表示本发明一实施方式的风车的动特性监视装置的硬件构成的图；

图3是说明运转区域的区分的图；

图4是表示第一运转区域及第二运转区域的情况下的认定模型的图；

图5是表示第三运转区域的情况下的认定模型的图；

图6是表示桨距角控制的认定模型的图；

图7是表示时间序列变化表之一例的图；

图8是表示本发明一实施方式的风车的动特性监视装置的动作流程的图；

图9是表示第一运转区域及第二运转区域的情况下的认定模型的其它构成例的图；

图10是表示第三运转区域的情况下的认定模型的其它构成例的图；

图11是表示本发明一实施方式的风车监视系统的图。

标号说明

10    风车的动特性监视装置

11    认定部

12    存储部

13    监视部

14    显示部

31    输出控制器

32    第一动特性模型

33    第二动特性模型

41    桨距角控制器

42    第三动特性模型

43    第四动特性模型

51    第五动特性模型

60    风车监视系统

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的风车的动特性监视装置及其方法的一实施方式进行说明。

图1是将本发明一实施方式的风车的动特性监视装置所具备的功能展开表示的功能框图，图2是表示本发明一实施方式的风车的动特性监视装置的硬件构成的图。

如图1所示，本实施方式的风车的动特性监视装置10具备认定部11、存储部12、监视部13、及显示部14。

例如图2所示，风车的动特性监视装置10是计算机系统，构成为具备CPU(中央运算处理装置)1、RAM(Random Access Memory：随机存储器)等主存储装置2、HDD(Hard Disk Drive：硬盘驱动器)等辅助存储装置3、键盘及鼠标等输入装置4、及监视器及打印机等输出装置5。

在辅助存储装置3中存储有各种程序，CPU1从辅助存储装置3向主存储装置2读出程序，通过执行来实现各种处理。

图1中，认定部11按根据风速确定的多个运转区域分别认定风车的动特性模型。

在本实施方式中，如图3所示，运转区域被分类成三个区域。

第一运转区域是风速最低的区域，以固定桨距角且以发电机输出为最大输出点的方式控制转速。第二运转区域是中间风速区域，以固定桨距角且以转速为额定转速的方式控制发电机输出。第三运转区域是风速最大的区域，以转速及输出一定的方式控制桨距角。在上述第一运转区域、第二运转区域，桨距角被固定为发电机输出为最大的桨距角。

在第一运转区域及第二运转区域，将桨距角固定，且通过发电机转速来控制发电机输出，由此使用图4所示的认定模型。

图4所示的认定模型中，G₁(s)及G₂(s)是表示所认定的动特性的传递函数(动特性模型)。图4中，将发电机转速的设定值和发电机的实际转速的差分输入至输出控制器31，且以该输出即输出设定值为第一动特性模型32的输入。另外，风速为第二动特性模型33的输入。将第一动特性模型32的输出及第二动特性模型33的输出相加而成为发电机转速。

上述输出控制器31例如可采用P控制器、PI控制器、PID控制器等中的任一种。

在图3所示的第三运转区域，由于以转速及输出一定的方式控制桨距角，所以使用图5所示的认定模型。

在图5所示的认定模型中，G₃(s)及G₄(s)是表示所认定的动特性的传递函数(动特性模型)。图5中，将发电机转速的设定值和发电机的实际转速之间的差分输入至桨距角控制器41，且以该输出即桨距角设定值为第三动特性模型42的输入。另外，风速为第四动特性模型43的输入。将第三动特性模型42的输出及第四动特性模型43的输出相加而成为发电机转速。

上述桨距角控制器41例如可采用P控制器、PI控制器、PID控制器等中的任一种。

另外，关于桨距角控制，使用图6所示的认定模型。图6中，桨距角设定值为第五动特性模型51的输入，第五动特性模型51的输出为实际桨距角。

图4～图6所示的各动特性模型G₁(s)～G₅(s)全部由以死区时间为要素的传递函数表示。由认定部11进行的动特性模型的认定按以下顺序进行。在此，以动特性模型G₁(s)为例进行说明。

动特性模型G₁(s)例如作为以一次延迟及死区时间为要素的一次传递函数，由以下式(1)表示。

数学式1

$G_1\left(s\right)=\frac{K_{1}e-L_{1}s}{1+T_{1}s}---\left(1\right)$

当通过z变换将上述式(1)离散化后，得到以下的式(2)。

数学式2

$G_1\left(z\right)=\frac{K_1(1-a_1)z^{{-l}_1}}{z-a_1}---\left(2\right)$

在此，a₁＝exp(-T_s/T₁)、L₁＝l₁T_s  (l₁＝0，1，2…)。

以此时的输入输出分别为U(z)、Y(z)时，得到由以下式(3)表示的递推公式。

数学式3

y(k)＝a₁y(k-1)+K₁(1-a₁)u(k-l₁-1)    (3)

接着，根据上述(3)式，使用实际的输入输出数据，通过应用公知的线性预测法分别求取系数a₁、K₁、l₁，进而根据该系数a₁、K₁、l₁分别计算出与由式(1)表示的第一动特性模型G₁(s)的时间常数、增益、死区时间有关的动特性参数T₁、K₁、L₁。

使用上述解法，认定部11对其它动特性模型G₂(s)～G₅(s)也计算出动特性参数的值。另外，对于由认定部11进行认定的方法，不限于上述例，也可以根据时间响应波形直接分别地计算上述式(1)的动特性参数T₁、K₁、L₁。

存储部12在每个运转区域与时间信息及风速建立对应地存储由认定部11计算出的各动特性参数。

监视部13按运转区域分别取得存储于存储部12的各动特性参数中的特定的动特性参数，在每个运转区域基于风速将所取得的动特性参数分类成多个等级，对每个等级制作表示动特性参数的时间序列变化的时间序列变化表。

图7表示作为特定的动特性参数选定时间常数的情况下的第一运转区域的时间序列变化表。图7中，横轴表示时间，纵轴表示动特性参数(例如时间常数)，将风速分成每1m的等级。

监视部13在对每个运转区域制作这样的时间序列变化表时，将所制作的时间序列变化表输出至显示部14。另外，在上述说明中，对制作与时间常数相关的时间序列变化表的情况进行了叙述，但所选择的动特性参数不限于时间常数。

例如，也可以选定其它动特性参数，且也可以选定多个动特性参数并对它们分别制作时间序列变化表。另外，在上述例子中，根据风速分类成多个等级，但不限于此，例如也可以基于风速和风向的组合进行等级分类。

另外，如上所述，在由监视部13基于风速及风向的组合进行等级分类的情况下，存储于存储部12的各动特性参数与得到该动特性参数时的风速及风向建立关联。

另外，监视部12基于所制作的时间序列变化表来判断是否需要进行风车的控制参数的调整。具体而言，在时间序列变化表的动特性参数的值相对于初始值(或在进行控制参数的调整的情况下，进行控制参数的调整时的值)超过预先设定的规定变化量(例如20％)变化时，判断为需要进行风车的控制参数的调整，并将该消息输出至显示部14。

显示部14通过将需要进行控制参数的调整的消息在显示部显示，通知给用户。

接着，参照图8对具备上述结构的风车的动特性监视装置的动作进行说明。

首先，在图3～图5所示的认定模型中，将与各动特性模型G₁(s)～G₅(s)的输入输出相当的数据、例如输出设定值、桨距角设定值、风速等输入至认定部11。

认定部11基于风速特定运转区域，并使用与特定的运转区域相对应的认定模型进行动特性模型的认定，计算出各动特性参数(图8中步骤SA1)。

具体而言，若为第一或第二运转区域，则使用图4所示的认定模型计算动特性模型G₁(s)及G₂(s)的各动特性参数，并将计算出的动特性参数与风速、运转区域、及时间建立对应而输出至存储部12。

另外，若为第三运转区域，则使用图5及图6所示的认定模型计算出动特性模型G₃(s)～G₅(s)的各动特性参数，并将计算出的动特性参数与风速、运转区域、及时间建立对应而输出至存储部12。

由此，在存储部12中，由认定部11计算出的动特性参数与运转区域等建立关联而进行存储。

其次，监视部12在规定的时间间隔读出存储于存储部12的动特性参数及与之建立关联的数据，并基于这些信息制作图6所示的时间序列变化表，将其输出至显示部14(图8中步骤SA2)。由此，在显示部14显示由监视部12制作的时间序列变化表(图8中步骤SA3)。由此，用户能够确认动特性参数的时间序列变化。

另外，监视部12基于该时间序列变化表判断是否需要进行控制参数的调整(图8中步骤SA4)。其结果是，在判断为需要进行控制参数的调整时，将显示该消息的信号输出至显示部14。由此，在显示部14显示需要进行控制参数的调整的消息，可通知给用户(图8中步骤SA5)。

另外，在由监视部12判断为需要进行控制参数的调整的情况下，通过未图示的控制参数调整部进行控制参数的调整。具体而言，进行图4所示的输出控制器31、图5所示的桨距角控制器41的PID参数的调整。关于PID参数的调整，可采用公知的齐格勒-尼科尔森(Ziegler&Nichols)的界限灵敏度法及北森法等公知的方法。

如上述所说明，根据本实施方式的风车的动特性监视装置10，能够掌握风车的动特性的变化，由此可根据风车的驱动系的状态在适宜的时期变更为适宜的控制参数，可避免运转效率的降低。

另外，根据本实施方式的风车的动特性监视装置10，由于在确保线性的范围内区分运转区域并对该每个区分进行动特性模型的认定，所以可使认定的结果的可靠性高。

另外，通过观察与促动器等的桨距驱动系相关的动特性参数的时间序列变化，可以掌握驱动系的响应劣化的进展程度。由此，例如可以将需要供给润滑脂及实机检修等的消息提前通知给用户。其结果是，可以在例如桨距角动作产生不良而不能进行风车运转之前进行维护。

另外，在上述的本实施方式中，用以一次延迟及死区时间为要素的一次传递函数表示动特性模型G₁(s)～G₅(s)，但动特性模型的表现不限于上述例。例如以下式(4)及式(5)所示，也可以由二次以上的高次传递函数表示动特性模型G₁(s)～G₅(s)。

数学式4

$G\left(s\right)=\frac{y\left(s\right)}{u\left(s\right)}=\frac{b_m{s}^m+b_{m-1}{s}^{m-1}+...+b_{1}s+b_0}{s^n+a_{n-1}{s}^{n-1}+...+a_{1}s+a_0}---\left(4\right)$

$G\left(s\right)=\frac{y\left(s\right)}{u\left(s\right)}=\frac{b_m{s}^m+b_{m-1}{s}^{m-1}+...+b_{1}s+b_0}{s^n+a_{n-1}{s}^{n-1}+...+a_{1}s+a_0}{e}^{-\mathrm{\τs}}---\left(5\right)$

上述式(4)是系数中含有延迟要素的式，式(5)为式(4)中还考虑到死区时间的式子。

另外，如上所述，在将动特性模型G₁(s)～G₅(s)设为二次以上的高次传递函数进行认定的情况下，监视部13也可以基于死区时间及上述传递函数的系数中至少任意一个的时间序列变化来判断控制参数的调整时期。

另外，在上述实施方式中，使用图4及图5所示的认定模型来计算动特性模型G₁(s)～G₅(s)的各动特性参数，但认定模型不限于该例。例如，如果是第一或第二运转区域，也可以使用图9所示的认定模型来代替图4所示的认定模型。图9所示的认定模型为向输出控制器31和第一动特性模型32之间输入第二动特性模型33的输出的模型，将输出控制器31的输出和第二动特性模型33的输出相加，其结果为第一动特性模型32的输入。

另外，同样，例如，如果是第三运转区域，也可以使用图10所示的认定模型来代替图5所示的认定模型。图10所示的认定模型为在桨距角控制器41和第三动特性模型42之间输入第四动特性模型43的输出的模型，将桨距角控制器41的输出和第四动特性模型43的输出相加，其结果为第三动特性模型42的输入。

这样，即使改变认定模型的构成，也能够得到如上的效果。

另外，上述的本实施方式的风车的动特性监视装置10也可以设于风车的内部，也可以设于风车的外部。另外，可以对每个风车设置一台，或者也可以对多个风车设置一台。

另外，如图11所示，本实施方式的风车的动特性监视装置10也可以设于控制多台风车的运转的风车监视系统60中。该情况下，从各风车1经由通信线路发送认定所需的输入输出数据。

另外，在判断为需要进行控制参数的调整的情况下，经由通信线路对各风车1发送调整后的控制参数。此时，可以对每个风车变更控制参数，也可以按地形及风况等大致相同的区域成为相同的参数的方式进行变更。控制参数在风车监视系统60中对每个风车进行管理。

另外，上述实施方式中，为设置存储通过认定部11计算出的数据等的存储部12且监视部13从该存储部12读出信息的构成，但也可以代替之，不经由存储部12而从认定部11向监视部13直接输入数据。该情况下，监视部13也可以基于从认定部11输入的数据更新图6所示的时间序列变化表。由此，能够总是掌握动特性参数的时间的变化。

另外，本实施方式中，通过在显示部14显示需要进行控制参数的调整的消息，而通知给用户，但通知方法不限于该例，例如也可以采用基于声音的通知、基于灯的点亮的通知等其它方法。

Claims (5)

1.一种风车的动特性监视装置，具备：

认定部，对根据风速确定的多个区域分别认定风车的动特性模型；及

监视部，对所述每个区域监视由所述认定部认定的动特性模型。

2.如权利要求1所述的风车的动特性监视装置，其中，

所述监视部对所述每个运转区域监视由所述认定部认定的动特性模型的规定的动特性参数的时间序列变化，并基于该动特性参数的时间序列变化来判断是否需要进行风车的控制参数的调整。

3.如权利要求2所述的风车的动特性监视装置，其中，

所述监视部基于风速或风速及风向的组合将所述规定的动特性参数分类成多个等级，并对每个该等级监视所述动特性参数的时间序列变化。

4.一种风车监视系统，监视多个风车的运转状态，对多个所述风车给予控制指令，其中，

具备权利要求1～3所述的风车的动特性监视装置。

5.一种风车的动特性监视方法，对根据运转控制方法确定的多个运转区域分别认定风车的动特性模型，并对所述每个运转区域监视所认定的动特性模型。

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