CN102439296B - 风力发电装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的风力发电装置(1)的目的在于降低成为风车叶片(10)结冰的原因的风力发电装置(1)的停止时间。本发明提供的风力发电装置(1)具备检测风车叶片(10)的结冰量的结冰检测部(7)，在通过结冰检测部(7)检测出的结冰量超过第一规定值的情况下，将运行模式切换为不发电的无负载运行模式，并在以无负载运行模式运行的状态下，由所述结冰检测部(7)检测结冰量。

Description

风力发电装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种风力发电装置及其控制方法。
背景技术
以往，利用作为自然能源的风力进行发电的风力发电装置广为人知。在风力发电装置中，由于随着外界温度的降低使空气中的过冷却水滴或者水蒸气等接触风车叶片等并冻结在其上，从而在风车叶片等上结冰。例如，专利文献1中公开了一种检测风力发电装置的结冰的方法。
专利文献1：美国专利第7,086,834号公报说明书
另外，现实中存在结冰大多发生在运行中的风车叶片的前缘部的倾向，在这种情况下，即使向风车叶片施加风力也不会产生所期望的升力，因此风车不会旋转，从而无法进行所期望的运行。
然而，以往，在风力发电装置启动前发生结冰的情况下，由于无法结冰的程度如何都会阻碍运行，所以为风力发电装置的启动而耗费时间，从而存在风力发电装置的运转效率低的问题。
发明内容
本发明是为解决上述问题而完成的，其目的在于提供一种能够降低成为风车叶片结冰的原因的风力发电装置的停止时间的风力发电装置及其控制方法。
本发明的第一实施方式的风力发电装置具有检测风车叶片的结冰量的结冰检测机构，在通过所述结冰检测机构检测出的结冰量超过第一规定值的情况下，将运行模式切换为不发电的无负载运行模式，并在以所述无负载运行模式运行的状态下，由所述结冰检测机构检测结冰量。
通过这样的结构，在通过结冰检测机构检测出的风车叶片的结冰量超过第一规定值的情况下，切换到无负载运行模式，并在以无负载运行模式运行的状态下检测结冰量。
以往，由于在出现结冰的情况下直接停止运行，例如，在长期停止的情况下，存在风车所具备的机器被冻住而再次启动需要相当长的时间的问题。对此，在本发明中，如上所述，因为即使检测出结冰也以无负载运行模式进行运行，所以可继续进行暖机。由此，例如，在实施无负载运行模式时减少结冰量，从而在再次开始运行时，能够从机器暖热的状态再次开始运行，从而可缩短再次开始运行所需要的时间。
在所述风力发电装置中，优选的是，在以所述无负载运行模式运行的状态下，在所述结冰检测机构检测出结冰量超过比所述第一规定值大的第二规定值的情况下，停止运行。
根据这样的结构，在结冰量大于第一规定值而在第二规定值以下的情况下，进行基于无负载运行模式的运行，在结冰量超过第二规定值的情况下，停止运行。由此，例如，在将造成对风力发电装置的运行的阻碍的结冰量的阈值作为第二规定值的情况下，能够在不造成对风力发电装置的运行的阻碍的范围内尽可能继续进行基于无负载运行模式的运行，从而能够增加从暖机的状态开始再次启动运行的机会。
在所述风力发电装置中，也可以是，在以所述无负载运行模式运行的状态下，在所述结冰检测机构检测出结冰量低于设定在所述第一规定值以下的第三规定值的情况下，切换为通常运行模式。
这样，在以无负载模式运行的状态下，当结冰量低于设定在第一规定值以下的第三规定值的情况下，将无负载运行模式切换为通常运行模式。由此，即使在一旦结冰量超过第一规定值的情况下，由于能够在结冰量减少的情况下返回到通常运行，所以能够防止风力发电装置的运转效率降低。另外，通过对从通常运行向无负载运行的切换条件和从无负载运行向通常运行的切换条件设置滞后，能够实现运行控制的稳定化。
在所述风力发电装置中，也可以将风车转子的转速设定为，在所述无负载运行模式下，当风车转子旋转时附着在风车叶片上的冰不会到达周围的风力发电装置。
这样，在无负载运行模式下，风车转子的转速被设定为附着在风车叶片上的冰不会到达周围的风力发电装置。由此，能够防止因附着在风车叶片上的冰的飞散而对周围造成影响。
所述风力发电装置的所述结冰检测机构也可以根据所述风车叶片的物理特性来检测结冰量。
由此，能够沿用已有的装置算出结冰量。另外，物理特性是指例如形变等。
作为优选方案，在所述风力发电装置的所述结冰检测机构在运行停止状态下无法检测结冰量的情况下，在从风车停止运行时开始经过了规定期间之后切换为所述无负载运行模式，并在以所述无负载运行模式运行的状态下，由所述结冰检测机构检测所述结冰量。
这样，从运行停止状态经过规定时间后开始以无负载运行模式运行，一边以无负载模式运行一边检测结冰的状态，所以与以往的以目视确认结冰后再启动的情况相比，可降低运行停止时间。
在本发明的第二实施方式的风力发电装置的控制方法中，用于检测风车叶片的结冰量，并在结冰量超过第一规定值的情况下，将运行模式切换为不发电的运行状态的无负载运行模式，并在以所述无负载运行模式运行的状态下，检测结冰量。
根据本发明，能够获得降低成为风车叶片结冰的原因的风力发电装置的停止时间的效果。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的风力发电装置的概略结构的图。
图2是示出了结冰检测部的一个例子的功能方框图。
图3是表示本发明的实施方式的风力发电装置的运行状态的变化的动作流程图。
附图标记说明
1风力发电装置
4旋翼头
7结冰检测部(结冰检测机构)
10风车叶片
71传感部
72信号处理部
73信号接收部
74结冰算出部
75运行模式切换部
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的风力发电装置的一个实施方式。
图1是表示本实施方式的风力发电装置1的概略结构的概略图。
如图1所示，风力发电装置1具有支柱2、设置在支柱2的上端的导流罩3、可围绕大致水平的轴线旋转且设置在导流罩3的旋翼头4。在旋翼头4围绕其旋转轴线呈放射状地安装有三根风车叶片10。由此，从旋翼头4的旋转轴线方向接触风车叶片10的风的风力变换为使旋翼头4围绕旋转轴线旋转的动力，该动力由设在风力发电装置1的发电机变换为电能。
另外，风力发电装置1具备检测风车叶片10的结冰量的结冰检测部(结冰检测机构)7，以检测各风车叶片10的结冰量。在本实施方式中，结冰检测部7在旋翼头4旋转的状态下检测各风车叶片10的结冰量，并具备传感部71和信号处理部72。
传感部71设在各风车叶片10上，以检测风车叶片10的形变，并向信号处理部72输出。信号处理部72设在旋翼头4的内部等处，其接收所述传感部71的检测结果，并根据检测结果算出各风车叶片10的结冰量。
所述传感部71以及信号处理部72是用于测量施加给风车叶片10的负载的装置，为公知的装置。例如，作为传感部71，能够采用FBG(光纤布拉格光栅)传感器。该FBG传感器是根据反射光的波长变化读取因受热、形变导致布拉格栅格的栅格间隔变化的传感器。关于利用传感部71(FBG)以及信号处理部72算出形变的技术，由于存在公知的技术(例如，insensys公司制造的产品型号为WIND-SPEC-006-5)，所以省略对使用它们的检测形变等的方法的说明。
更具体而言，如图2所示，信号处理部72具备信号接收部73、结冰量算出部74以及运行模式切换部75。
信号接收部73周期性地向传感部71输出光，并由其反射光检测波长变化。信号接收部73向结冰量算出部74输出检测出的波长的信息。
结冰量算出部74根据由信号接收部73取得的波长的信息算出风车叶片10的结冰量。例如，结冰量算出部74根据取得的波长算出形变，并根据该形变值算出风车叶片10的弯曲力矩，根据算出的弯曲力矩算出结冰量。
结冰量计算部74内设有对于结冰量的多个阈值，并判断结冰量是否超过了阈值，然后将判断结果向运行模式切换部75输出。
另外，相对于三根风车叶片10分别进行基于结冰量算出部74的判断。
运行模式切换部75根据结冰量算出部74的判断结果切换运行模式。另外，优选在至少一根风车叶片10的结冰量超过阈值的情况下切换运行模式。
需要说明的是，阈值是针对至少一根风车叶片10的结冰量而设定的第一规定值以及比第一规定值大的第二规定值等。另外，在本实施方式中，第三规定值设定为使用与第一规定值相等的值。
更具体而言，在判断为至少一根风车叶片10的结冰量超过了第一规定值的情况下，运行模式切换部75将风力发电装置1的运行模式切换为无负载运行模式。无负载运行模式例如是不发电的运行(无负载)状态。另外，例如优选将第一规定值设为虽然已检测出结冰但是没有必要停止运行的结冰量。
另外，在以无负载运行模式运行的状态下，在由结冰量算出部74判断出至少一根风车叶片10的结冰量在第一规定值以下的情况下，运行模式切换部75将风力发电装置1的运行模式切换为通常运行模式。
另外，在以无负载运行模式运行的状态下，在由结冰量算出部74判断出至少一根风车叶片10的结冰量超过第二规定值的情况下，运行模式切换部75使风力发电装置1的运行停止。具体而言，第二规定值被设定为大于第一规定值的值。另外，优选将造成对风力发电装置1的运行的阻碍的结冰量作为第二规定值。造成运行阻碍的结冰量是在风力发电装置1的运行中产生不良状况的结冰量的值。例如，在支柱2下部的应力大于规定值的情况，或者超过轴承、加速器等额定载重的情况等。
这样，通过另外设定使风力发电装置1的运行停止的结冰量的阈值，在结冰量比第一规定值大而在第二规定值以下的范围内，通过以无负载运行模式运行，能够监视结冰的状态，并在结冰的状态减弱的情况下，可快速将其切换为通常运行模式。
另外，在从风车叶片10停止的状态开始运行的情况下，风力发电装置1切换为无负载运行模式并进行与上述相同的阈值的判断。需要说明的是，在因确认结冰量大于第二规定值而使风力发电装置1停止运行的情况下，以规定的时间间隔检测结冰量，在确认了结冰量在第二规定值以下的情况下，再次开启无负载运行模式。需要说明的是，由于本实施方式所使用的传感部71在转子停止旋转的状态下无法检测结冰量，所以在风力发电装置1停止运行的情况下，以规定的时间间隔使转子旋转并在该状态下检测结冰量。
在所述无负载运行模式下，将风车转子的转速设定为，当风车转子旋转时，附着在风车叶片10上的冰的飞散的距离比到达周围的风力发电装置1的距离小。更具体而言，以如下方式设定转速，即，算出某一转速(例如因设为不发电的运行状态而转速低)时的风车叶片10的速度，在算出的速度下附着在前缘部分的冰的飞散的距离在与邻近设置的风力发电装置1间的距离以下。例如，在风车间的间隔为190米的情况下，转子4的转速控制为1rpm至6rpm。
以下，逐一针对检测出在运行中结冰的情况和从运行停止状态启动的情况说明本实施方式的风力发电装置1的作用。
首先，在风力发电装置1的运行中检测到结冰的情况下，使用图3进行说明。
在风力发电装置1处于运行中的情况下，通过结冰检测部7的传感部71和信号接收部73测量形变(步骤SA1)，该测量结果被输出到结冰量算出部74。另外，在结冰量算出部74，根据测量到的形变算出附着在风车叶片10上的结冰量Wi，并定期地判断是否超过第一规定值，以在运行模式切换部75中切换运行模式(步骤SA2)。
在结冰量Wi不超过第一规定值的情况下，使风力发电装置1的运行模式成为“通常运行”模式。在判断出结冰量Wi超过第一规定值的情况下，运行模式切换部75将风力发电装置1的运行模式切换为“无负载运行”模式(步骤SA4)。
在以无负载运行模式运行的情况下，定期判断结冰量Wi是否超过第二规定值(步骤SA5)，在超过的情况下，结冰量Wi增加，从而停止风力发电装置1的运行(步骤SA6)。另外，若结冰量Wi不超过第二规定值，则返回步骤SA1，继续测量结冰量Wi。
接下来，使用图3说明风力发电装置1从停止状态启动的情况。
判断从因结冰量Wi超过第二规定值而停止风力发电装置1的状态开始是否经过了规定时间(例如1小时)(步骤SA7)。在判断为经过了规定时间的情况下，以“无负载运行”模式开始运行(步骤SA8)，并返回步骤SA1，继续进行结冰量Wi的测量。另外，在没有经过规定时间的情况下，反复是否经过规定时间的判断(步骤SA7)。
如上所述，根据本实施方式的风力发电装置1及其控制方法，可根据从风车叶片10测得的形变算出风车叶片10上附着的结冰量，并判断该结冰量是否超过第一规定值，若超过则切换为无负载运行模式。而且，根据是否超过第二规定值或者是否低于第一规定值而从无负载运行模式切换成运行模式。
这样，在本实施方式中，在检测出结冰的情况下，不仅立刻停止运行，还要设定以无负载运行模式运行的期间，并根据该无负载运行模式运行中的结冰的状态判断是否停止运行或者是否将其切换成通常运行模式。由此，例如在结冰量减少并在第一规定值以下的情况下，可从无负载运行模式的状态快速切换成通常运行模式。由此，能够提高风力发电装置1的运转效率。
需要说明的是，在本实施方式中，设定为在旋翼头4旋转的状态下检测结冰量，但是并不限于此。例如，即使在旋翼头4不旋转的状态下也可使用检测结冰量的装置。这种情况下，能够省去为了检测结冰量而从运行停止的状态切换成无负载运行模式并运行的过程。
另外，在本实施方式中，虽然将第三规定值设为与第一规定值相等，但是并不限于此。例如，也可以将第三规定值设为比第一规定值小。

Claims (6)

1.一种风力发电装置，其中，
具有检测风车叶片的结冰量的结冰检测机构，
在通过所述结冰检测机构检测出的结冰量超过第一规定值的情况下，将运行模式切换为不发电的无负载运行模式，并在以所述无负载运行模式运行的状态下，由所述结冰检测机构检测结冰量，
在以所述无负载运行模式运行的状态下，在所述结冰检测机构检测出结冰量低于设定在所述第一规定值以下的第三规定值的情况下，切换为通常运行模式。
2.如权利要求1所述的风力发电装置，其中，
在以所述无负载运行模式运行的状态下，在所述结冰检测机构检测出结冰量超过比所述第一规定值大的第二规定值的情况下，停止运行。
3.如权利要求1所述的风力发电装置，其中，
风车转子的转速设定为，在所述无负载运行模式下，当风车转子旋转时附着在风车叶片上的冰不会到达周围的风力发电装置。
4.如权利要求1所述的风力发电装置，其中，
所述结冰检测机构根据所述风车叶片的物理特性来检测结冰量。
5.如权利要求1～4中任一项所述的风力发电装置，其中，
在所述结冰检测机构在运行停止状态下无法检测结冰量的情况下，在从风车停止运行时开始经过了规定期间之后切换为所述无负载运行模式，并在以所述无负载运行模式运行的状态下，由所述结冰检测机构检测所述结冰量。
6.一种风力发电装置的控制方法，其中，
用于检测风车叶片的结冰量，并在结冰量超过第一规定值的情况下，将运行模式切换为不发电的运行状态的无负载运行模式，并在以所述无负载运行模式运行的状态下，检测结冰量，
在以所述无负载运行模式运行的状态下，在所述结冰检测机构检测出结冰量低于设定在所述第一规定值以下的第三规定值的情况下，切换为通常运行模式。
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