CN102112738A - 风力发电装置以及风力发电装置的控制方法 - Google Patents

风力发电装置以及风力发电装置的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种风力发电装置以及风力发电装置的控制方法。在转子急剧加速时，在不对塔架以及风轮叶片双方造成机械冲击的情况下使其停止。在风轮转子(11)的旋转速度被急剧加速的情况下，桨距角控制部(20)将叶片的桨距角向顺桨侧驱动，此时，控制部(21)进行控制以使叶片的驱动速度从高速向低速阶段性地或者连续地变化。

Description

风力发电装置以及风力发电装置的控制方法
技术领域
本发明涉及一种风力发电装置。
背景技术
一般而言，风力发电装置是这样的构造：在高数十米的圆筒状的塔架的上部，设置有包含增速机以及发电机的机舱(nacelle)、以及安装了风轮叶片的风轮转子等重物。在这样的风力发电装置中，在系统事故发生等情况下，系统电压降低，对发电机的电负载变小，故发电机的转子(以下，称作发电机转子)的旋转会急剧加速。因此，风轮转子在风轮叶片的风引起的旋转中进一步加入发电机转子的旋转，从而相对流入风速会增大，对风力发电装置造成过大的机械冲击(以下，称作“荷载”)。
为此，在具有风轮叶片的桨距控制机构的风力发电装置中，在对风力发电装置的荷载急剧增大时，通过将风轮叶片的桨距角向顺桨(feather)侧切换，使风逃逸，来抑制风轮转子的加速，从而使发电机转子的转矩减少，最终使风力发电装置停止。
此时，若使顺桨的速度，即桨距角的切换速度最大来急剧地向顺桨侧切换，使翼的旋转减速，则推进力会急剧减少，故相对机舱会产生前倾方向的急剧的荷载，进而对塔架的荷载变得过大。另外，相对荷载来设计/制造确保了足够强度的塔架，从成本的观点来看，也不是优选方案。另一方面，若使顺桨为低速来使桨距角缓慢地向顺桨侧切换，则虽然对塔架的荷载会相对地被减少，但是不仅对风轮叶片的荷载会增大，而且将风轮叶片的旋转速度减速到希望的速度还需要较多时间。
在专利文献1中，公开了一种利用机械式制动器来减速发电机转子的技术。
专利文献1：美国专利申请公开第2007/0189900号说明书
然而，在专利文献1所公开的技术中，没有采用桨距角控制，若在诸如风轮转子的旋转急剧加速时，突然驱动机械式制动器来使其旋转停止，则因惯性力会对风量发电装置产生过大的荷载。
发明内容
本发明正是鉴于上述问题而提出的，其目的在于，提供一种风力发电装置，其在风轮转子急剧加速时，能够在不对塔架以及风轮叶片双方造成机械冲击的情况下，使该风轮转子停止。
为了解决上述课题，本发明采用以下技术方案。
本发明的第1形式是一种风力发电装置，其特征在于，包括：风轮转子，其具有桨距角可变的叶片；控制单元，其控制所述叶片的驱动速度以及驱动时机；和，桨距角控制单元，其基于所述控制单元，驱动所述叶片来控制所述桨距角，其中，在所述风轮转子的旋转速度已成为既定的容许旋转速度以上的情况下，所述控制单元进行控制以使所述叶片的驱动速度从高速向低速阶段性地或者连续地变化。
在本发明的第1形式的风力发电装置中，叶片的驱动速度阶段性地或者连续地变化。若将叶片的桨距角高速地向顺桨侧驱动，则会对塔架等造成机械冲击。另一方面，若将叶片的桨距角低速地向顺桨侧驱动，则风轮转子到减速/停止为止需要较多的时间，在此期间，会对风轮叶片造成因空气动力或离心力等引起的机械冲击。因此，如本发明这样，通过使风轮叶片的驱动速度阶段性地或者连续地变化，能够减轻对塔架等的机械冲击，并且，通过缩短到风轮转子停止为止的时间，能够减轻对叶片的负载。这样，能够一边减轻对塔架或叶片等风力发电装置的构造物的过大的荷载，一边使风轮转子停止。此外，在此，所说的高速，优选设置为诸如7°/s以上7.5°/s以下左右的速度，所说的低速，优选设置为诸如1°/s以上4°/s以下左右的速度。
另外，上述第1形式的风力发电装置，其构成可以为：包括制动单元，该制动单元使所述风轮转子的旋转停止，其中，在所述风轮转子的旋转速度已成为既定的容许旋转速度以上的情况下，在由所述控制单元使所述叶片的驱动速度从高速向低速阶段性地或者连续地变化后，由所述制动单元使所述风轮转子的旋转停止。
根据这种构成，在风轮转子的旋转急剧地加速并成为既定的容许旋转速度以上的情况下，通过在控制桨距角时，阶段性地或者连续地切换风轮叶片的驱动速度，从而使风轮转子的旋转速度减速。其后，利用制动装置，使风轮转子的旋转停止。因此，由于不会急剧地驱动风轮叶片，故不会对风力发电装置的构造物施加机械冲击。另外，由于配合桨距角控制来利用制动装置，故即使以低速度驱动叶片来进行桨距角控制，也足以能使风轮转子的旋转停止。
上述第1形式的风力发电装置，其构成可以为：在所述风轮转子的旋转速度已成为既定的容许旋转速度以上的情况下，在由所述控制单元使所述叶片的驱动速度从高速向低速阶段性地或者连续地变化后，通过使与所述风轮转子一体地旋转并由所述风轮转子的旋转而驱动的发电机反相制动，来使所述风轮转子的旋转停止。
根据这种构成，在风轮转子的旋转急剧地加速并成为既定的容许旋转速度以上的情况下，通过在控制桨距角时，阶段性地或者连续地切换风轮叶片的驱动速度，从而使风轮转子的旋转速度减速。进而，在此期间，使与风轮转子一体地旋转并由风轮转子的旋转而驱动的发电机反相制动，来使与风轮转子反方向的转矩产生，从而使此旋转停止。因此，由于不会急剧地驱动叶片，故不会对风力发电装置的构造物施加机械冲击。另外，由于配合桨距角控制来使发电机反相制动，故即使以低速度驱动叶片来进行桨距角控制，也足以能使风轮转子的旋转停止。
上述第1形式的风力发电装置，其构成可以为：在所述风轮转子的旋转速度已成为既定的容许旋转速度以上的情况下，在由所述控制单元使所述叶片的驱动速度从高速向低速阶段性地或者连续地变化后，通过使与所述风轮转子一体地旋转并由所述风轮转子的旋转而驱动的发电机发电制动，来使所述风轮转子的旋转停止。
根据这种构成，在风轮转子的旋转急剧地加速并成为既定的容许旋转速度以上的情况下，通过在控制桨距角时，阶段性地或者连续地切换风轮叶片的驱动速度，从而使风轮转子的旋转速度减速。进而，在此期间，使发电机进行发电制动，将风轮转子的旋转能量变换成电能并进行消费，从而使此旋转停止。因此，由于不会急剧地驱动叶片，故不会对风力发电装置的构造物施加机械冲击。另外，由于配合桨距角控制来使发电机发电制动，故即使以低速度驱动叶片来进行桨距角控制，也足以能使风轮转子的旋转停止。
本发明的第2形式是一种风力发电装置，其特征在于，该风力发电装置包括：风轮转子，其具有桨距角可变的叶片；控制单元，其控制所述叶片的驱动速度以及驱动时机；和，桨距角控制单元，其基于所述控制单元，驱动所述叶片来控制所述桨距角，而该风力发电装置的控制方法包括：检测出所述风轮转子的旋转速度已成为既定的容许旋转速度以上的步骤；和响应所述检测结果，所述控制单元进行控制以使所述叶片的驱动速度从高速向低速阶段性地或者连续地变化的步骤。
上述第2形式的风力发电装置的控制方法，其构成可以为：所述风力发电装置还包括制动单元，该制动单元使所述风轮转子的旋转停止，所述风力发电装置的控制方法包括：检测出所述风轮转子的旋转速度已成为既定的容许旋转速度以上的步骤；响应所述检测结果，由所述控制单元使所述叶片的驱动速度从高速向低速阶段性地或者连续地变化的步骤；和由所述制动单元使所述风轮转子的旋转停止的步骤。
上述第2形式的风力发电装置的控制方法，其构成可以为，包括：检测出所述风轮转子的旋转速度已成为既定的容许旋转速度以上的步骤；响应所述检测结果，由所述控制单元使所述叶片的驱动速度从高速向低速阶段性地或者连续地变化的步骤；和通过使与所述风轮转子一体地旋转并由所述风轮转子的旋转而驱动的发电机反相制动，来使所述风轮转子的旋转停止的步骤。
上述第2形式的风力发电装置的控制方法，其构成可以为，包括：检测出所述风轮转子的旋转速度已成为既定的容许旋转速度以上的步骤；响应所述检测结果，由所述控制单元使所述叶片的驱动速度从高速向低速阶段性地或者连续地变化的步骤；和通过使与所述风轮转子一体地旋转并由所述风轮转子的旋转而驱动的发电机发电制动，来使所述风轮转子的旋转停止的步骤。
在风轮转子的旋转急剧地加速并成为既定的容许旋转速度以上的情况下，由于在控制桨距角时，不急剧地进行桨距角控制，故能够在不对包含塔架的风力发电装置的其他构造物施加机械冲击的情况下使风轮转子停止。
附图说明
图1是表示本发明的第1实施方式的风力发电装置的概略构成的框图。
图2是在风力发电装置中急剧地(高速)驱动叶片并切换到规定的桨距角的情况和缓慢地(低速)驱动风轮叶片并切换到规定的桨距角的情况下，测定加到塔架的荷载并进行比较的图。
图3是表示本发明的第2实施方式的风力发电装置的概略构成的框图。
图4是表示在本发明的第2实施方式的风力发电装置中的制动器装置的概略的图。
图5是表示在本发明的第2实施方式的风力发电装置中的制动器装置的其他例子的概略的图。
图6是表示在本发明的第2实施方式的风力发电装置中的制动器装置的另外的其他例子的概略的图。
图7是表示在本发明的第2实施方式的风力发电装置中设置转矩传递机构的情况的例子的图。
图8是表示在本发明的第3实施方式的风力发电装置中的发电机的概要构成的电路图。
图9是表示在本发明的第3实施方式的风力发电装置中，使风轮转子停止的顺序的时序图。
图10是表示感应发电机的转矩与转差频率(slip frequency)之间的关系的图。
图11是表示在本发明的第4实施方式的风力发电装置中的发电机的概略构成的电路图。
图12是表示在本发明的第4实施方式的风力发电装置中，使风轮转子停止的顺序的时序图。
图13A是表示在本发明的第4实施方式的风力发电装置中的负载的例子的图，表示了电阻器的例子。
图13B是表示在本发明的第4实施方式的风力发电装置中的负载的例子的图，表示了蓄电池的例子。
图14是表示在本发明的第4实施方式的风力发电装置中的发电机的变形例的概略构成的电路图。
附图标记说明
11：风轮转子
12：风轮叶片
13：机舱
14：增速机
15：发电机
16：制动装置
18：主轴
20：桨距角控制部
21：控制部
25：制动盘
26：卡尺
30：绕组型感应发电机
31：定子
32：转子
35：转子侧功率变换器
36：定子侧功率变换器
37：整流器
38：斩波电路
40：直流电源
41：负载
具体实施方式
以下，关于本发明的风力发电装置的实施方式，参照附图详细说明。
[第1实施方式]
图1是表示本实施方式的风力发电装置的概略构成的框图。风力发电装置1包括：以设置在塔架(未图示)上部的风轮转子11、风轮叶片12、以及机舱13为主要构成要素的机械部分；和进行风轮叶片的桨距角的切换控制的桨距角控制部20。另外，上述机舱13包括增速机14以及发电机15。
风轮叶片12，多片呈放射状地安装在风轮转子11上。风轮转子11和增速机14、以及发电机15经由主轴18或未图示的齿轮箱等进行机械连结，成为可一体旋转的结构。因此，在风轮叶片12接收风能，与风轮转子11一起旋转，并由增速机14增速后，驱动发电机15进行发电，从而将风能变换成电能。
桨距角控制部20基于风轮转子11的转速或风力发电装置的输出，计算用于使风力发电装置的输出为规定值的风轮叶片12的桨距角，并输出发电用桨距角信号。另外，桨距角控制部20在发生系统事故等造成风轮转子11的旋转的被急剧加速等情况下，计算适于使撞击风轮叶片12的风逃逸从而使风轮转子的旋转减速的风轮叶片12的桨距角，并将此作为停止用桨距角信号进行输出。
控制部21决定顺桨的速度，即决定到由桨距角控制部20决定了的桨距角的叶片的驱动速度，进而配合作为此叶片的驱动的时机的顺桨的时机，作为顺桨信号进行输出。
在此，图2是在风力发电装置中急剧地(高速)驱动叶片并切换到规定的桨距角的情况和缓慢地(低速)驱动风轮叶片并切换到规定的桨距角的情况下，测定加到塔架的荷载并进行比较的图。在两者的比较中，虽然在顺桨之后立刻加到塔架上的荷载没有太大的差别，但是经过一段时间，在急剧地进行顺桨的情况下，施加到塔架的荷载会增大。为此，本发明着眼于此点，设定叶片的驱动速度，即顺桨速度以及顺桨的时机。
因此，例如，在急剧地加速风轮转子的转速的情况下，设定为：立刻以最大速度将桨距角向顺桨侧切换并开始驱动，在经过一定时间后，以低速度进行驱动，并最终切换到目的桨距角，这样阶段性地使速度变化，来切换桨距角。此外，优选设定最大速度在诸如7～7.5°/s左右，设定低速度在诸如1～4°/s左右。
另外，顺桨的速度以及顺桨的时机可以是多个，优选将它们预先计算并存储在存储器等中。顺桨速度以及顺桨的时机，将它们作为参数，并以发电机的转子的最高到达转速、对风轮叶片的荷载、对塔架的荷载等为评价基准，求出能够使这些评价基准平衡好且最小化的参数的组合，从而来进行计算。此参数的最优化能够利用诸如实验计划法或田口方法(Taguchi Methods)等最优化法来进行。
另外，作为使切换顺桨的速度的时机阶段性地变化的替换方法，例如，还可以使顺桨的速度为时间的函数，使其连续性地变化。在这种情况下，关于决定此函数的参数，以发电机的转子的最高到达转速、对风轮叶片的荷载、对塔架的荷载等为评价基准，求能够使这些评价基准平衡好且最小化的参数的组合，从而进行计算。此参数的最优化能够利用诸如实验计划法或田口方法等最优化法来进行。
接下来，关于这种构成的风力发电装置的作用，进行说明。
当处于发电状态时，风轮叶片12如上所述，基于发电用桨距角信号，在维持规定的桨距角的状态下，接收风，即风能，与风轮转子11一起旋转。此旋转经由主轴18等传递到增速机14。增速机14将所传递的旋转进一步增速，且传输到发电机15，并通过驱动发电机15来进行发电。所发电的功率供给到未图示的系统。
因阵风撞击风轮叶片12，风轮转子11的旋转会急剧地加速，或者在系统中发生事故等造成风力发电装置的电负载急剧地减少，从而发电机的转子进而风轮转子11的旋转会急剧地加速，在成为既定的容许旋转速度以上的情况下，需要使风轮叶片12的旋转减速或者停止。为此，首先，桨距控制单元20计算使撞击风轮叶片12的风逃逸的桨距角，并将此作为停止用桨距角信号进行输出。接下来，控制部21决定顺桨的速度以及顺桨的时机，并输出顺桨信号。并且，在基于顺桨信号的时机，驱动风轮叶片12以使其成为基于停止用桨距角信号的桨距角。即，基于顺桨信号，以规定的时间在7°/s以上7.5°/s以下左右的高速向顺桨侧驱动风轮叶片12。接下来，以低速(1°/s以上4°/s以下左右)进行驱动以使对塔架等风力发电装置的构造物不造成过大的荷载，并最终基于停止用桨距角信号切换到使风逃逸的桨距角。
这样，通过阶段性地切换顺桨速度来使风轮转子的旋转速度阶段性地减速，故能够减轻对塔架等风力发电装置的构造物的过大的荷载，不会因顺桨而施加机械冲击。
[第2实施方式]
图3是表示本实施方式的风力发电装置的概略构成的框图。本实施方式的风力发电装置与第1实施方式的不同点在于，设置制动装置16，与顺桨一起，利用此制动装置16来使发电机15的转子的旋转减速。以下，关于本实施方式的风力发电装置，针对与第1实施方式通用的点省略其说明，而主要关于不同的点进行说明。
如图4所示，制动装置16包括制动盘25和卡尺(caliper)26。制动盘25与风轮转子11机械连结以使能与风轮转子11一体地旋转。卡尺26在与制动盘25对置的面上具有未图示的制动块，卡尺26隔着制动块来夹着制动盘25，从而对制动盘25的旋转进行制动。因此，通过对刹车盘25的旋转进行制动，风轮转子11的旋转的旋转也会停止。
控制部21将顺桨速度以及顺桨的时机作为顺桨信号进行输出。在本实施方式中的顺桨速度优选设定为不对塔架等风力发电装置的构造物造成过大的荷载的低速度(例如，1°/s以上4°/s以下)，并期望预先地计算顺桨的速度以及顺桨的时机且存储到存储器等中。如上所述，关于顺桨速度以及顺桨的时机，能够立刻以最大速度驱动风轮叶片12并将桨距角向顺桨侧切换，且在经过一定的时间后，以低速度最终向目的桨距角切换等，使其阶段性地变化，从而由预先决定了的模拟等来进行计算。
接下来，关于这种构成的风力发电装置的作用进行说明。
当处于发电状态时，风轮叶片12如上所述，基于发电用桨距角信号，在维持规定的桨距角的状态下，接收风，即风能，与风轮转子11一起旋转。此旋转经由主轴18等传输到增速机14。增速机14将所传输的旋转进一步增速，并传输到发电机15，并通过驱动发电机15来进行发电。所发电的功率供给到未图示的系统。
因阵风撞击风轮叶片12，风轮转子11的旋转会急剧地加速，或者在系统中发生事故等造成风力发电装置的电负载急剧地减少，从而发电机的转子进而风轮转子11的旋转会急剧地加速，在成为既定的容许旋转速度以上的情况下，需要使风轮叶片12的旋转减速或者停止。为此，首先，桨距控制单元20计算使撞击风轮叶片12的风逃逸的桨距角，并将此作为停止用桨距角信号进行输出。接下来，控制部21决定顺桨的速度以及顺桨的时机，并输出顺桨信号。并且，在基于顺桨信号的时机，驱动风轮叶片12以使其成为基于停止用桨距角信号的桨距角。即，基于顺桨信号，以不对塔架等风力发电装置的构造物造成过大的加重的低速，基于停止用桨距各信号来驱动风轮叶片12直到到达使风逃逸的桨距角为止，并维持基于顺桨信号所决定的时间、以及由停止用桨距角信号决定的桨距角。
接下来，对制动装置16进行驱动。即，卡尺26夹着与风轮转子11一起旋转的制动盘25，由卡尺26与制动盘25之间的摩擦力来使制动盘25的旋转减速，并最终停止。因制动盘25的停止，风轮转子11停止。
虽然使制动装置16驱动的时机是任意的，但是要考虑诸如叶片的旋转速度成为规定值以下的情况，或者自使叶片向顺桨侧驱动的控制开始起，经过规定时间后等情况。
这样，由于在本发明的风力发电装置中，在风轮转子的旋转急剧地加速那样的情况下，不进行急剧的桨距角的切换驱动，故不会对塔架等风力发电装置的构造物施加机械冲击。另外，配合顺桨来利用制动装置，故即使以低速度来进行桨距角的切换驱动，也足以能使转子的旋转停止。
在本实施方式中，虽然利用了由制动盘25以及卡尺26构成的制动装置16，但是只要是使风轮转子的能量消散的装置即可，例如，能够利用图5所示的油阻尼器(oil damper)的构成，另外，利用图6所示那样的应用了永久磁铁或者电磁铁的电磁制动器的构成。此外，它们可以单体使用，还可以组合使用。特别是在利用电磁制动器的情况下，能够将旋转能量作为电能提取，蓄积到电池、电容器、SMES(超导磁储能系统)等储能装置中。在利用油阻尼器或应用了永久磁铁的电磁制动器的情况下，若将它们始终与主轴连接，则会产生轴类的机械损耗。为此，如图7所示，可以在一定转速以上通过添加与主轴类连接的机构，例如离合器、变矩器(torque converter)、无极加速装置(CVT)等的衰减转矩的传输机构，来避免机械损耗。
[第3实施方式]
本实施方式的风力发电装置与第1实施方式的不同点在于，通过与顺桨一起，对发电机进行反相制动，使发电机30的转子32的旋转减速，使风轮转子停止。以下，关于本实施方式的风力发电装置，针对与第1实施方式通用的点省略其说明，仅针对不同的点进行说明。
图8是表示本发明的风力发电装置中的发电机30的构成的电路图。在本实施方式中，利用3相的绕组型感应发电机30。与绕组型感应发电机30的定子(stator)31连接的定子绕组端子u、v、w经由作为布线用断路器的MCCB(塑壳断路器)1或者MCCB2，与系统连接。若从MCCB1向MCCB2切换连接，则转子绕组端子u与v的连接会切换。与转子32连接的定子绕组端子u、v、w经由开关S1与转子侧功率变换器35和定子侧功率变换器36是可连接的，并且，经由开关S2，与整流器37、斩波(chopper)电路38以及电阻器39连接。
图9是表示在这种构成的风力发电装置中，在风轮叶片的旋转速度因系统事故等被急剧加速的情况下，使风轮转子停止的顺序的时序图。在通常运行时，即发电状态下，接通MCCB1以及开关1，断开MCCB2以及开关S2。即，转子绕组端子u、v、w经由开关S1与转子侧功率变换器35以及定子侧功率变换器36连接，并经由MCCB1与系统连接，而定子绕组端子u、v、w经由MCCB1与系统连接。
在转子32的旋转速度因系统事故等被急剧加速的情况下，检测到转子32的旋转已被急剧加速的事实，断开MCCB1以及开关S1，并接通MCCB2以及开关S2。通过从MCCB1向MCCB2切换，定子绕组端子u与v的连接切换。即，u’向v，v’向u切换。在此，如图10所示，若在运转中的感应发电机的3端子之中，对任意的2端子进行连接改变，则成为在转差超过1的状态下的运转，制动生效，从而能够有效地进行紧急制动。因此，通过从MCCB1向MCCB2进行切换，发电机30的转差变得比1大，转子32的转矩的方向反转以使旋转磁场的旋转方向变得相反，其结果是，得到对转子32的制动效果。
另外，通过同时断开开关S1，从而将转子侧功率变换器35以及定子侧功率变换器36从转子绕组u、v、w分离开来进行保护。通过断开开关S1并连接开关S2，从而连接整流器37、斩波电路38以及电阻器39，并能够利用斩波电路38来控制转子32的转矩。此外，通过利用转子侧功率变换器35、定子侧功率变换器36的控制极封锁(gate block)功能，能够省略开关S1。
与转子32的制动同时，桨距控制单元20计算使撞击风轮叶片12的风逃逸的桨距角，并将此作为停止用桨距角信号进行输出。接下来，控制部21决定顺桨的速度以及顺桨的时机，并输出顺桨信号。并且，在基于顺桨信号的时机，驱动风轮叶片12以使其成为基于停止用桨距角信号的桨距角。即，基于顺桨信号，以不对塔架等风力发电装置的构造物造成过大的加重的低速，基于停止用桨距各信号来驱动风轮叶片12直到到达使风逃逸的桨距角为止，并维持基于顺桨信号所决定的时间、以及由停止用桨距角信号决定的桨距角。
这样，在本发明的风力发电装置中，在风轮转子的旋转急剧地加速那样的情况下，不对风轮叶片进行高速的顺桨，即急剧的桨距角的切换驱动，故不会对塔架等风力发电装置的构造物施加机械冲击。另外，由于配合顺桨对发电机进行反相制动来使发电机的转子的旋转减速，故即使是以低速度使风轮叶片驱动，也足以能使风轮转子的旋转停止。进一步地，即使不添加制动装置或衰减机构等其他机构，也能够使风轮转子的旋转减速或者停止，故从制造成本、维护的观点来看也是值得期待的。
[第4实施方式]
图11是表示在本发明的风力发电装置中的发电机的构成的电路图。本实施方式的风力发电装置与第1实施方式不同的点是：与顺桨一起，对发电机进行发电制动，从而使发电机30的转子32的旋转减速，使风轮转子停止。以下，关于本实施方式的风力发电装置，针对与第1实施方式通用的点省略其说明，仅针对不同的点进行说明。
图11是表示在本发明的风力发电装置中的发电机30的构成的电路图。在本实施方式中，使用3相的绕组型感应发电机30。与绕组型感应发电机30的定子31连接的定子绕组端子u、v、w经由作为布线用断路器的MCCB1连接到系统或者定子侧功率变换器36。另外，定子绕组端子u、v、w经由MCCB2与斩波以及直流电源40连接。此时，u相单独、v相和w相一起，共计两个端子输入到斩波电路38。与转子32连接的转子绕组端子u、v、w经由开关S1与转子侧功率变换器35是可连接的，并且，经由开关S2与负载41进行连接。
图12是表示在这种构成的风力发电装置中，在风轮叶片的旋转速度因系统事故等被急剧地加速的情况下，使风轮转子停止的顺序的时序图。在通常运转时，即发电状态下，接通MCCB1以及开关S1，断开MCCB2以及开关S2。即，转子绕组端子u、v、w经由开关S1再经由转子侧功率变换器35以及定子侧功率变换器36与系统连接，定子绕组端子u、v、w经由MCCB1与系统连接。
在转子32的旋转速度因系统事故等被急剧地加速的情况下，检测到转子32的旋转已被急剧地加速的事实，断开MCCB1以及开关S1，并接通MCCB2以及开关S2。若从MCCB1向MCCB2切换连接，则在u相的端子与v相和w相的两端子合在一起的端子之间，由直流电源进行直流励磁。这样，发电机30作为以定子为场磁铁(界磁)且以转子为电枢(armature)的同步发电机产生功能，并将转子的旋转能量作为电能进行消费，故制动生效。此外，场磁铁的强度能够由斩波电路控制。另外，通过同时断开开关S1，从而将转子侧功率变换器35以及定子侧功率变换器36从转子绕组u、v、w中分离出来进行保护。通过断开开关S1并连接开关S2，从而将转子绕组端子u、v、w与负载41连接，能够利用斩波电路来控制转子32的转矩。此外，利用转子侧功率变换器35、定子侧功率变换器36的控制极封锁功能，能够省略开关S1。另外，对负载41能够应用图13A所示的电阻器、或图13B所示的蓄电池等。
与转子32的制动同时，桨距控制单元20计算使撞击风轮叶片12的风逃逸的桨距角，并将此作为停止用桨距角信号进行输出。接下来，控制部21决定顺桨的速度以及顺桨的时机，并输出顺桨信号。并且，在基于顺桨信号的时机，驱动风轮叶片12以使其成为基于停止用桨距角信号的桨距角。即，基于顺桨信号，以不对塔架等风力发电装置的构造物造成过大的加重的低速，基于停止用桨距各信号来驱动风轮叶片12直到到达使风逃逸的桨距角为止，并维持基于顺桨信号所决定的时间、以及由停止用桨距角信号决定的桨距角。
图14是在本实施方式的变形例中的发电机30的电路图，是将直流电源40与转子绕组端子u、v、w连接的图。这样，发电机30作为以定子为场磁铁且以转子为电枢的同步发电机产生功能，并将转子的旋转能量作为电能进行消费，故制动生效。
这样，在本发明的风力发电装置中，在风轮转子的旋转急剧地加速那样的情况下，不对风轮叶片进行急剧的桨距角的切换驱动，故不会对塔架等风力发电装置的构造物施加机械冲击。另外，由于配合顺桨使发电机发电制动来使发电机的转子的旋转减速，故即使是以低速度来进行桨距角的切换驱动，也足以能使风轮转子的旋转停止。进一步地，即使不添加制动装置或衰减机构等其他机构，也能够使风轮转子的旋转减速或者停止，故从制造成本、维护的观点来看也是值得期待的。另外，特别在具有与系统不同的场磁铁电源和负载的情况下，即使是因系统事故造成发电机被从系统分离开来的情况，也能够得到制动力。

Claims (8)

1.一种风力发电装置，其特征在于，包括：
风轮转子，其具有桨距角可变的叶片；
控制单元，其控制所述叶片的驱动速度以及驱动时机；和
桨距角控制单元，其基于所述控制单元，驱动所述叶片来控制所述桨距角，
在所述风轮转子的旋转速度已成为既定的容许旋转速度以上的情况下，所述控制单元进行控制以使所述叶片的驱动速度从高速向低速阶段性地或者连续地变化。
2.如权利要求1所述的风力发电装置，其特征在于，
包括制动单元，该制动单元使所述风轮转子的旋转停止，
在所述风轮转子的旋转速度已成为既定的容许旋转速度以上的情况下，在由所述控制单元使所述叶片的驱动速度从高速向低速阶段性地或者连续地变化后，由所述制动单元使所述风轮转子的旋转停止。
3.如权利要求1所述的风力发电装置，其特征在于，
在所述风轮转子的旋转速度已成为既定的容许旋转速度以上的情况下，在由所述控制单元使所述叶片的驱动速度从高速向低速阶段性地或者连续地变化后，通过使与所述风轮转子一体地旋转并由所述风轮转子的旋转而驱动的发电机反相制动，来使所述风轮转子的旋转停止。
4.如权利要求1所述的风力发电装置，其特征在于，
在所述风轮转子的旋转速度已成为既定的容许旋转速度以上的情况下，在由所述控制单元使所述叶片的驱动速度从高速向低速阶段性地或者连续地变化后，通过使与所述风轮转子一体地旋转并由所述风轮转子的旋转而驱动的发电机发电制动，来使所述风轮转子的旋转停止。
5.一种风力发电装置的控制方法，其特征在于，
该风力发电装置包括：风轮转子，其具有桨距角可变的叶片；控制单元，其控制所述叶片的驱动速度以及驱动时机；和桨距角控制单元，其基于所述控制单元，驱动所述叶片来控制所述桨距角，
该风力发电装置的控制方法包括：
检测出所述风轮转子的旋转速度已成为既定的容许旋转速度以上的步骤；和
响应所述检测结果，所述控制单元进行控制以使所述叶片的驱动速度从高速向低速阶段性地或者连续地变化的步骤。
6.如权利要求5所述的风力发电装置的控制方法，其特征在于，
该风力发电装置还包括制动单元，该制动单元使所述风轮转子的旋转停止，
该风力发电装置的控制方法包括：
检测出所述风轮转子的旋转速度已成为既定的容许旋转速度以上的步骤；
响应所述检测结果，由所述控制单元使所述叶片的驱动速度从高速向低速阶段性地或者连续地变化的步骤；和
由所述制动单元使所述风轮转子的旋转停止的步骤。
7.如权利要求5所述的风力发电装置的控制方法，其特征在于，
包括：
检测出所述风轮转子的旋转速度已成为既定的容许旋转速度以上的步骤；
响应所述检测结果，由所述控制单元使所述叶片的驱动速度从高速向低速阶段性地或者连续地变化的步骤；和
通过使与所述风轮转子一体地旋转并由所述风轮转子的旋转而驱动的发电机反相制动，来使所述风轮转子的旋转停止的步骤。
8.如权利要求5所述的风力发电装置的控制方法，其特征在于，
包括：
检测出所述风轮转子的旋转速度已成为既定的容许旋转速度以上的步骤；
响应所述检测结果，由所述控制单元使所述叶片的驱动速度从高速向低速阶段性地或者连续地变化的步骤；和
通过使与所述风轮转子一体地旋转并由所述风轮转子的旋转而驱动的发电机发电制动，来使所述风轮转子的旋转停止的步骤。
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