CN101981308A - 风车的运转限制调整装置及方法以及程序 - Google Patents

Abstract

目的在于确保耐用年数并极力抑制发电量的减少。提供一种风车的运转限制调整装置(10)，具备：疲劳等价载荷算出部(11)，其使用风车的载荷数据，算出用于评价规定期间内的风车的疲劳损伤度的疲劳等价载荷；设定值更新部(12)，其对疲劳等价载荷和根据风车的耐用年数决定的基准载荷进行比较，当其差分超过规定的阈值时，根据该差分更新当前采用的运转限制的条件设定值。

Description

风车的运转限制调整装置及方法以及程序

技术领域

本发明涉及一种风车的运转限制调整装置及方法以及程序。

背景技术

风力发电所内设置的风车根据风车的配置和风况条件，存在风车间的相互干涉引起的疲劳载荷增加而超过设计载荷的情况。不采取对策而原封不动地运转时，风车有可能等不到设计时考虑的耐用年数(在典型的风车中，例如，20年)而产生故障或事故。因此，在风车干涉的影响大的风向中，通常采取通过在通常的保险风速(在典型的风车中为25m/s)以下的风速下进行运转停止(shut down)来限制运转时间并降低疲劳载荷的对策。将其称为运转限制。进行运转限制时由于运转时间减少，因此当然发电量也减少。

因此，为了使发电减少量停留在最小限度，提出有进行事前研究而将使风车停车的运转限制的条件设定值确定为极适当值的方法(例如，参照非专利文献1)。如此，通过进行事前研究，能够避免过度的运转限制而确保所希望的发电量。

非专利文献1：Recent Developments in TurbineSite-SuitabilityAssessment”，T.R.Camp and D.V.Witcher，2003 EWEC AbstractBook，European Wind Energy Conference and Exhibition，16-19 June 2003 inMadrid，Spain

然而，事前研究所预测的风况等与实际的风况等多存在差异，这种情况下，事前研究所决定的运转限制的条件设定值有可能在现实中未设定为最佳值。例如，从确保发电量的点出发过度或从降低疲劳载荷的点出发过小时，存在无法得到所希望的发电量的问题。

本发明为了解决上述问题而提出，其目的在于提供一种能够确保耐用年数并极力减少发电量的风车的运转限制调整装置及方法以及程序。

发明内容

为了解决上述课题，本发明采用以下的方法。

本发明的第一形态涉及运转限制调整装置，适用于当风速超过规定的条件设定值时进行使风车的运转停止的运转限制的风车，并更新该运转限制的条件设定值，其具备：疲劳等价载荷算出部，其使用风车的载荷数据，算出用于评价规定期间内的风车的疲劳损伤度的疲劳等价载荷；设定值更新部，其对所述疲劳等价载荷和根据风车的耐用年数决定的基准载荷进行比较，当其差分超过规定的阈值时，根据该差分更新当前采用的运转限制的条件设定值。

根据此种结构，实际建造完风车后，定期地测量各风车的载荷，根据该载荷算出规定期间内的疲劳等价载荷，通过将该疲劳等价载荷与根据风车的耐用年数决定的基准载荷进行比较，进行当前采用的运转限制的条件设定值的重新研究，因此在风车的建造后，能够根据该疲劳损伤度将运转限制的条件设定值调整为适当值。由此，通过运转限制能够降低风车停止的频率，从而能够确保耐久年数并抑制由运转限制引起的发电量的下降。

在上述风车的运转限制调整装置中，也可以在按预先设定的风向设定所述运转限制的条件设定值时，所述疲劳等价载荷算出部按该风向算出所述疲劳等价载荷，所述设定值更新部按风向对该疲劳等价载荷与该基准载荷进行比较，根据该差分按风向更新当前采用的运转限制的该条件设定值。

根据此种结构，能够按风向重新研究运转限制的条件设定值，从而能够提高运转限制的调整精度。

在上述风车的运转限制调整装置中，所述载荷数据是时间序列载荷数据，所述疲劳等价载荷也可以按比该规定期间短的规定的分割时间，通过对该分割时间内的所述时间序列载荷数据进行统计处理，求出该分割时间中的疲劳等价载荷，通过在所述规定期间内对该疲劳等价载荷进行积分，算出该规定期间内的疲劳等价载荷。

如此，疲劳等价载荷例如通过在规定期间内对统计处理按分割时间的载荷数据而求出的疲劳等价载荷进行积分而求得。

在上述风车的运转限制调整装置中，例如，所述疲劳等价载荷使用按所述分割时间采用雨流计数法的下式算出。

[数1]

$l_{\mathrm{eq},k}={\left(\frac{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{l_i}^m{n}_i}{n_{\mathrm{eq}}}\right)}^{\frac{1}{m}}$

在此，l_eq，k是该规定期间内的从处理开始第k个所述分割时间中的疲劳等价载荷，l_i是疲劳载荷频谱的第i个载荷区域，n_i是疲劳载荷频谱的第i个载荷区域的循环数，n_eq是所述第二期间中的基准等价循环数，m是关联材料的S-N曲线的斜度。

上述风车的运转限制调整装置具有将多个风况条件和推定载荷建立关联的数据库，也可以分析风车的建造地域的风况，从该数据库取得与该风况相对应的推定载荷，基于取得的推定载荷与所述基准载荷的比较结果，决定所述运转限制的初始条件设定值。

如此，通过事先准备多个将风况条件和推定载荷建立关联的数据库，在事前研究中决定运转限制的初始条件设定值时，根据数据库取得与最接近推定风况的风况条件相对应的推定载荷，基于该推定载荷能够预测风车的疲劳损伤度。由此，能够容易且迅速地推定各风车的疲劳损伤度。

本发明的第二形态提供一种运转限制调整方法，适用于当风速超过规定的条件设定值时进行使风车的运转停止的运转限制的风车，并更新该运转限制的条件设定值，其具备；使用风车的载荷数据，算出用于评价规定期间内的风车的疲劳损伤度的疲劳等价载荷的过程；对所述疲劳等价载荷和根据风车的耐用年数决定的基准载荷进行比较，当该差分超过规定的阈值时，根据该差分更新当前采用的运转限制的条件设定值的过程。

本发明的第三形态是风车的运转限制调整程序，适用于当风速超过规定的条件设定值时进行使风车的运转停止的运转限制的风车，并使计算机实现更新该运转限制的条件设定值的运转限制调整，其具有：使用风车的载荷数据，算出用于评价规定期间内的风车的疲劳损伤度的疲劳等价载荷的处理；对所述疲劳等价载荷和根据风车的耐用年数决定的基准载荷进行比较，当该差分超过规定的阈值时，根据该差分更新当前采用的运转限制的条件设定值的处理。

发明效果

根据本发明，起到能够确保耐用年数并极力抑制发电量的减少的效果。

附图说明

图1是示出本发明的一实施方式的风车的运转限制调整装置的概略结构的图。

图2是展开示出本发明的一实施方式的风车的运转限制调整装置的功能的功能框图。

图3是用于说明通过本发明的一实施方式的风车的运转限制调整装置实现的运转限制调整方法的流程图。

图4是用于说明事前研究中的推定载荷的算出方法的图。

图5是用于说明事前研究中的推定载荷的算出方法的图。

图6是比较表示疲劳等价载荷和基准载荷的分布图。

具体实施方式

以下，参照附图，说明本发明的风车的运转限制调整装置及方法以及程序的一实施方式。

图1是示出本实施方式的风车的运转限制调整装置的概略结构的框图。如图1所示，本实施方式的风车的运转限制调整装置10是电脑系统(计算机系统)，包括CPU(中央演算处理装置)1、RAM(RandomAccess Memory)等主存储装置2、HDD(Hard Disk Drive)等辅助存储装置3、键盘或鼠标等输入装置4、及监视器或打印机等输出装置5、通过与外部的设备进行通信而进行信息的交换的通信装置6等。

辅助存储装置3中存储有各种程序(例如，风车的运转限制调整程序)，CPU1从辅助存储装置3向主存储装置2读取程序，通过执行而实现各种处理。

该风车的运转限制调整装置10可以设置于各风车，也可以设置在单一地管理、监视风力发电所中建造的全部或一部分风车的控制的控制室中。

图2是展开表示风车的运转限制调整装置10所具备的功能的功能框图。如图2所示，风车的运转限制调整装置10适用于在风速超过规定的条件设定值时进行使风车的运转停止的运转限制的风车，并更新该运转限制的条件设定值，主要具备疲劳等价载荷算出部11、设定值更新部12、设定值存储部13。

疲劳等价载荷算出部11取得从安装在风车上的载荷传感器输出的载荷数据，使用该载荷数据算出用于评价规定期间内的风车的疲劳损伤度的疲劳等价载荷。

设定值更新部12对通过疲劳等价载荷算出部11算出的疲劳等价载荷和决定运转限制的该初始条件设定值时使用的推定疲劳载荷进行比较，在其差分超过规定的阈值时，根据该差分，更新存储在设定值存储部13中的当前的运转限制的条件设定值。

本实施方式的风车的运转限制调整装置10根据风车的疲劳损伤程度而将通过事前研究求出的风车的运转限制的初始条件设定值更新为适当的值。

以下，说明决定风车的运转限制的初始条件设定值的事前研究中的处理顺序后，参照图3说明通过本实施方式的风车的运转限制调整装置10实现的处理顺序。在此，以建造有多个风车的风力发电所为前提进行说明。

〔事前研究〕

首先，在事前研究中，对于风力发电所中预定建造的每一个风车进行计算风况条件的风况分析(图3的步骤SA1)。风况分析例如通过实际的测量值或数值计算、或将它们组合来进行。在风况分析中，例如，风速风向出现频率分布、紊乱度分布、吹起角、风切变、风车相互干涉引起的紊乱度分布(等价紊乱度)等。在此，所谓风切变是风车的铅垂方向上的风速的分布。

接下来，使用通过上述风况分析求出的值作为输入信息，在各风车中推定按规定的风向的规定期间(例如，1年)的疲劳载荷(图3的步骤SA2)。在此，推定的疲劳载荷称为推定载荷。而且，推定载荷在将全方位以规定的分割数分割成的方位(例如16方位)中分别算出。

推定载荷的算出方法能够选择并采用例如以下所示的三种方法。

〔方法1〕

将上述风况分析的分析结果作为输入，相对于预定建造的全部的风车通过对每一台进行时间序列应答计算来算出推定载荷。在该方法中，当风车台数超过100台的大规模的风力发电所时，存在需要大量处理时间的缺点。

〔方法2〕

在风力发电所内预定建造的风车中，经验性地选出能够推定为载荷最大的风车，换言之，选出风车干涉的影响最大的风车，使用上述方法1算出该风车的推定载荷，并且将算出的推定载荷适用于其它的全部的风车。

此外，使用该方法时，根据经验选定考虑为载荷最大的风车，因此当风车的选定出现错误时，其结果是，也能够将求出的运转限制的条件设定值设定为适当值，存在可靠性下降的缺点。

〔方法3〕

也可以预先准备将各种各样的风况条件和推定载荷建立关联的数据库，在进行各风车的载荷计算时，从上述数据库中取得与通过上述风况分析得到的风况结果最接近的推定载荷，从而得到各风车的推定载荷。

具体来说，按风速预先准备通过图4和图5所示的空气密度、风切变的幂指数、吹起角及紊乱度等的风况分析求出的各种参数的组合构成的载荷。然后，从该数据库取得最接近各风车的风况分析结果的风况参数在每一风速下的推定载荷，通过与风速风向出现频率分布组合进行积分而算出各风车中的规定期间的推定载荷。此外，当不存在与风况分析结果一致的情况时，也可以通过内插求出与风况分析结果接近的情形下的推定载荷。

此外，上述幂指数是在规定风切变的以下的(1)式中使用的数值，相当于以下的(1)式中的α。

V(z)＝Vo(Z/Zo)^α        (1)

关于各风车求出推定载荷时，接下来，按风车决定运转限制的条件设定值(图3的步骤SA3)。

运转限制的初始条件设定值通过按风车进行以下的处理来决定。

首先，将在步骤SA2中算出的全部风向的推定载荷的总和与根据风车的耐用年数决定的既定的基准载荷进行比较，当全部风向的推定载荷总计不超过该基准载荷时判断为不需要运转限制。

另一方面，当全部风向的推定载荷总计超过该基准载荷时，通过以下的顺序决定运转限制的初始条件设定值。

首先，为了计算出风车干涉引起的大载荷的风向，即，为了计算需要进行运转限制的风向，对在上述步骤SA2中算出的每一风向的推定载荷和预先设定的每一风向的基准载荷(例如，设计风况引起的载荷的1.2倍等)进行比较，将推定载荷超过基准载荷的风向特定为运转限制的对象风向。

接下来，在运转限制的对象风向中，将比保险风速低的风速，例如，当通常的保险风速为25m/s时，将24m/s等临时设定为运转限制的条件设定值，将这以上的风速出现频率作为零，再次实施上述步骤SA2中实施的推定载荷的算出处理，并再次算出全部风向上的推定载荷的总计。

接下来，对再次算出的全部风向上的推定载荷的总计和上述基准载荷进行比较，当全部风向上的推定载荷的总计超过基准载荷时，将运转限制的条件设定值临时设定为更小值，进行推定载荷的再计算。并且，直至在全部风向上的推定载荷的总计成为基准载荷以下，反复进行上述运转限制的条件设定值的调整，将全部风向上的推定载荷的总计成为基准载荷以下时的临时设定值确定为运转限制的初始条件设定值。

如此，在各风车中确定运转限制的初始条件设定值时，将所述值与各风车建立对应而存储在设定值存储部13。而且，此时，如上所述，运转限制的初始条件设定值按风车并按风向设定，存储在设定值存储部13。

直至上述处理是事前研究进行的处理内容。

〔风车的运转限制调整〕

接下来，实际建造风车后，通过本实施方式的风车的运转限制调整装置评价上述运转限制的初始条件设定值，定期地重新研究以使该条件设定值成为最佳值。

以下，说明风车的运转限制调整方法。此外，以下的处理按风车分别进行。

首先，图2所示的疲劳等价载荷算出部11取得从安装在风车上的载荷传感器输出的载荷数据(图3的步骤SA4)。该载荷数据是例如使用规定的校正式将通过设置在风车的叶片或主轴、主轴承、机舱及塔架等上的应变计取得的时间序列数据变换成载荷数据。风车的运转限制调整装置10设置在风车的外部时，该载荷数据经由无线或有线的通信介质向本装置传送。

疲劳等价载荷算出部11使用在步骤SA4中取得的载荷数据(时间序列数据)，按规定的期间(以下称为“分割期间”)，例如10分钟，且按规定的风向，算出疲劳等价载荷(图3的步骤SA5)。疲劳等价载荷使用例如采用了雨流计数法的以下的(2)式算出。

[数2]

$l_{\mathrm{eq},k}={\left(\frac{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{l_i}^m{n}_i}{n_{\mathrm{eq}}}\right)}^{\frac{1}{m}}---\left(2\right)$

在此，l_eq，k是该规定期间内的从处理开始第k个所述分割时间的疲劳等价载荷，l_i是疲劳载荷频谱的第i个载荷区域，n_i是疲劳载荷频谱的第i个载荷区域的循环数，n_eq是所述第二期间中的基准等价循环数，m是关联材料的S-N曲线的斜度。

接下来，以规定的期间(例如，1年)对上述疲劳等价载荷进行积分，按风向算出年度的疲劳等价载荷。年度的疲劳等价载荷使用以下的(3)式算出。

[数3]

$L_{\mathrm{eq}}={\left(\frac{n_{\mathrm{eq}}\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{l_{\mathrm{eq},k}}^m}{N_{\mathrm{eq}}}\right)}^{\frac{1}{m}}---\left(3\right)$

在上述(3)式中，L_eq是年度的疲劳等价载荷，N_eq是年度的基准等价循环数。

接下来，分别将按风向算出的年度的疲劳等价载荷与根据风车的耐用年数决定的基准载荷进行比较，根据所述比较结果判断在事前研究中决定的初始条件设定值是否适当，不适当时，更新该初始条件设定值(图3的步骤SA6、SA7)。

具体来说，算出按风向算出的疲劳等价载荷与在事前研究中使用的按风向的基准载荷之间的差分。

接下来，判断上述差分是否超过预先设定的规定的阈值(例如，疲劳等价载荷的正负10％)，当超过时，根据该差分变更该风向上的初始条件设定值。

例如，相对于疲劳等价载荷大于基准载荷的风向，对初始条件设定值进行修正以减少预先设定的规定量，相对于疲劳等价载荷小于基准载荷的风向，对初始条件设定值进行修正以增加预先设定的规定量。规定量可以任意设定。作为一例，列举有1m/s。

图6示出对各风向上的疲劳等价载荷和基准载荷进行比较的一例。在图6中，实线表示疲劳等价载荷，虚线表示基准载荷。在图6中设想为将北设定为0°，将东设定为90°，将南设定为180°，将西设定为270°，设想在全部16方位上分别算出疲劳等价载荷、基准载荷的情况。在东及西上，疲劳等价载荷与基准载荷之间的差分超过阈值。

具体来说，在东由于疲劳等价载荷超过基准载荷，因此对初始条件设定值进行修正以减小规定量，在西由于疲劳等价载荷低于基准载荷，因此对初始条件设定值进行修正以增大规定量。

如此，在各风车中进行初始条件设定值的重新研究时，将存储在设定值存储部13的运转限制的初始条件设定值更新为修正后的值，在以后的运转限制中，基于变更后的条件设定值来进行。

并且，通过按规定期间(例如，1年)反复进行上述的步骤SA4至SA6的处理，能够根据实际的风车的疲劳损伤度将运转限制的条件设定值更新为适当值。

以上，如说明，根据本实施方式的风车的运转限制调整装置及方法以及程序，在建造风车后，定期取得风车的载荷数据，基于该载荷数据求出风车的疲劳等价载荷，使用该疲劳等价载荷进行当前采用的运转限制的条件设定值的重新研究，因此能够根据风车的运用而将运转限制的条件设定值变更为适当值。由此，能够降低因运转限制致使风车停止的频率，从而能够确保耐久年数并抑制运转限制引起的发电量的降低。

此外，在本实施方式中，将事前研究所决定的运转限制的初始条件设定值存储在设定存储部13，在风车的运转限制调整装置中不进行事前研究自身，但是事前研究的一连串的处理例如也可以由风车的运转限制调整装置进行。

符号说明：

1  CPU

2  主存储装置

3  辅助存储装置

4  输入装置

5  输出装置

6  通信装置

11 疲劳等价载荷算出部

12  设定值更新部

13  设定值存储部

Claims (7)

1.一种风车的运转限制调整装置，适用于当风速超过规定的条件设定值时进行使风车的运转停止的运转限制的风车，并更新该运转限制的条件设定值，其具备：

疲劳等价载荷算出部，其使用风车的载荷数据，算出用于评价规定期间内的风车的疲劳损伤度的疲劳等价载荷；和

设定值更新部，其对所述疲劳等价载荷和根据风车的耐用年数决定的基准载荷进行比较，当其差分超过规定的阈值时，根据该差分更新当前采用的运转限制的条件设定值。

2.根据权利要求1所述的风车的运转限制调整装置，其中，

在按预先设定的风向设定所述运转限制的条件设定值时，所述疲劳等价载荷算出部按该风向算出所述疲劳等价载荷，

所述设定值更新部按风向对该疲劳等价载荷与该基准载荷进行比较，根据该差分按风向更新当前采用的运转限制的该条件设定值。

3.根据权利要求1或2所述的风车的运转限制调整装置，其中，

所述载荷数据是时间序列载荷数据，

所述疲劳等价载荷按比该规定期间短的规定的分割时间，通过对该分割时间内的所述时间序列载荷数据进行统计处理，求出该分割时间中的疲劳等价载荷，通过在所述规定期间内对该疲劳等价载荷进行积分，算出该规定期间内的疲劳等价载荷。

4.根据权利要求3所述的风车的运转限制调整装置，其中，

所述疲劳等价载荷使用按所述分割时间采用雨流计数法的下式算出，

[数1]

$l_{\mathrm{eq},k}={\left(\frac{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{l_i}^m{n}_i}{n_{\mathrm{eq}}}\right)}^{\frac{1}{m}}$

在此，l_eq，k是该规定期间内的从处理开始第k个所述分割时间中的疲劳等价载荷，l_i是疲劳载荷频谱的第i个载荷区域，n_i是疲劳载荷频谱的第i个载荷区域的循环数，n_eq是所述第二期间中的基准等价循环数，m是关联材料的S-N曲线的斜度。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的风车的运转限制调整装置，其中，

具有将多个风况条件和推定载荷建立关联的数据库，

分析风车的建造地域的风况，

从该数据库取得与该风况相对应的推定载荷，

基于取得的推定载荷与所述基准载荷的比较结果，决定所述运转限制的初始条件设定值。

6.一种风车的运转限制调整方法，适用于当风速超过规定的条件设定值时进行使风车的运转停止的运转限制的风车，并更新该运转限制的条件设定值，其具备：

使用风车的载荷数据，算出用于评价规定期间内的风车的疲劳损伤度的疲劳等价载荷的过程；和

对所述疲劳等价载荷和根据风车的耐用年数决定的基准载荷进行比较，当该差分超过规定的阈值时，根据该差分更新当前采用的运转限制的条件设定值的过程。

7.一种风车的运转限制调整程序，适用于当风速超过规定的条件设定值时进行使风车的运转停止的运转限制的风车，并使计算机实现更新该运转限制的条件设定值的运转限制调整，其具有：

使用风车的载荷数据，算出用于评价规定期间内的风车的疲劳损伤度的疲劳等价载荷的处理；和

对所述疲劳等价载荷和根据风车的耐用年数决定的基准载荷进行比较，当该差分超过规定的阈值时，根据该差分更新当前采用的运转限制的条件设定值的处理。

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