CN103370870B - 风力发电装置 - Google Patents

Abstract

一种风力发电装置，其具有风车、发电机、DC-DC转换器、在采样周期内求出DC-DC转换器的输出功率的功率检测部、以及控制DC-DC转换器的占空比的转换器控制部，转换器控制部具有指示占空比的占空比指示部、以及选择正的第一变化量或负的第二变化量作为占空比指示值相对于与前次采样对应的占空比指示值的变化量的变化量决定部，第一变化量的绝对值比第二变化量的绝对值小，在变化量决定部中，当所述输出功率为在前次采样时求得的输出功率亦即参照功率以上时，从第一变化量及第二变化量中选择与对应于前次采样的占空比指示值的变化量的正负符号亦即参照符号相同符号的变化量，当所述输出功率比参照功率小时选择与参照符号不同符号的变化量。

Description

风力发电装置

技术领域

本发明涉及一种风力发电装置。

背景技术

以往，在风力发电装置中，为了使输出功率最大化而进行各种控制。例如，在日本特开2006-149055号公报所记载的风力发电设备中，在控制电路8中预置表示取得最大功率时的电压转换装置3的输出功率与风力发电机2的输出电压的相关关系的特性数据。对特性数据而言，在连接最大功率点的曲线上阶梯式示出电压转换装置3的输出功率和风力发电机2的输出电压（段落0018）。在该风力发电设备中，测定风力发电机2的输出电压以及电压转换装置3的输出功率。然后，算出下降电流值。下降电流值被用来使风力发电机2的输出电压以及电压转换装置3的输出功率靠近所述特性数据的连接最大功率点的曲线。将算出的下降电流值通知给电压转换装置3（段落0019、0020）。

在日本特开2003-120504号公报所记载的风力发电装置中，通过风速检测器21检测风速。然后，基于风速的检测值，通过转速指令运算器22求出能够最高效地接收风的能量的风车1的转速。求得的转速作为转速指令输出给转速控制器12。风车1基于该转速指令而运转（段落0018）。

在日本特开2003-134890号公报所记载的风力发电装置中，基于从三相/两相转换器9输出的两轴成分的电压及电流信号，通过发电机速度推定器10推定同步发电机2的速度（段落0010）。由此，可不使用发电机速度传感器就可变速驱动连接于风车的同步发电机（段落0007）。

另一方面，日本特开昭57-206929号公报涉及一种光电池的最大输出功率控制方式。在以第4图的光电池1作为电源、且使用他励式转换器2的DC-AC转换系统中，在使他励式转换器2的电压设定值向增加或减少方向变化时，在光电池1的输出功率增加的情况下，进行使电压设定值进一步向相同方向变化的控制。并且，在光电池1的输出功率减少的情况下，进行使电压设定值向相反方向变化的控制（第4页左上栏的第12行至右上栏的第9行）。

【专利文献1】日本特开2006-149055号公报

【专利文献2】日本特开2003-120504号公报

【专利文献3】日本特开2003-134890号公报

【专利文献4】日本特开昭57-206929号公报

然而，在日本特开2006-149055号公报所记载的控制方法中，需要提前取得风力发电设备的特性数据并存储在控制电路8中。因此，在该控制方法中，如果变更风车或风力发电机的式样等的话，将不得不重新取得特性数据。并且，对于多个风力发电设备中的每一个设备，不得不取得设备固有的特性数据。因此，在该控制方法中，很难进行通用性高的控制。

在日本特开2003-120504号公报所记载的控制方法中，需要持续地取得风车的转速。因此，存在使风力发电装置的结构复杂化因而增加装置的制造成本的风险。并且，在日本特开2003-134890号公报所记载的控制方法中，基于同步发电机2的特性进行同步发电机2的速度的推定。因此，如果变更同步发电机2的规格等的话，将不得不重新取得特性数据。在该控制方法中也很难进行通用性高的控制。

发明内容

本发明鉴于所述课题而完成，其目的是在风力发电装置中容易地实现相对于风速变化维持高输出的控制。

本发明所例示的一方面所涉及的风力发电装置具有风车、旋转部与所述风车连接的发电机、将从所述发电机输出的交流电转换为直流电的AC-DC转换器、转换从所述AC-DC转换器输出的直流电的电压的DC-DC转换器、在采样周期内对所述DC-DC转换器的输出电流及输出电压进行采样从而求出输出功率的功率检测部、以及基于所述输出功率控制所述DC-DC转换器的占空比的转换器控制部，所述转换器控制部具有：将在前次采样时求得的输出功率作为参照功率存储的功率存储部；对所述DC-DC转换器指示所述占空比的占空比指示部；将与前次采样相对应的占空比指示值作为参照指示值存储的指示值存储部；选择正的第一变化量或负的第二变化量作为所述占空比指示值相对于所述参照指示值的变化量的变化量决定部；以及将与前次采样相对应的所述占空比指示值的变化量的正负符号作为参照符号存储的符号存储部，所述第一变化量的绝对值比所述第二变化量的绝对值小，在所述变化量决定部，在所述功率检测部求得的所述输出功率为所述参照功率以上时，从所述第一变化量及所述第二变化量中选择与所述参照符号相同符号的变化量，在所述功率检测部求得的所述输出功率比所述参照功率小时，从所述第一变化量及所述第二变化量中选择与所述参照符号不同符号的变化量。

在本发明所涉及的一实施方式中，能够容易地实现相对于风速变化维持高输出的控制。

附图说明

图1是表示一实施方式所涉及的风力发电装置的整体结构的图。

图2是发电机的剖视图。

图3是定子及转子的俯视图。

图4是表示DC-DC转换器的一个控制周期的流程的图。

图5是表示风车的转速与DC-DC转换器的输出功率之间的关系的图。

具体实施方式

图1是表示本发明的一实施方式所涉及的风力发电装置1的整体结构的图。风力发电装置1包括风车2、发电机3、AC-DC转换器41、DC-DC转换器42、功率检测部43、转换器控制部5、蓄电池6、转换器停止部71以及过电流保护部72。发电机3具有后述的旋转部32(参照图2)。风车2具有旋转轴21。旋转部32与旋转轴21连接。

在风力发电装置1中，风车2被风吹而旋转，从而发电机3的旋转部32旋转。由此，由风车2产生的动能通过发电机3转换为电能。在发电机3中，产生与风车2的转速相应的可变频率的交流电。将从发电机3输出的交流电导向AC-DC转换器41。AC-DC转换器41将导入的交流电转换为直流电。例如使用二极管电桥作为AC-DC转换器41。从AC-DC转换器41输出的直流电的电压通过DC-DC转换器42转换成规定电压。蓄电池6与DC-DC转换器42连接。蓄电池6通过DC-DC转换器42的输出电流充电。

功率检测部43以规定的采样周期对DC-DC转换器42的输出电流及输出电压进行采样，从而求出DC-DC转换器42的输出功率。当通过功率检测部43取得的输出电压比蓄电池6的最高电压高或比蓄电池6的最低电压低时，转换器停止部71停止DC-DC转换器42的工作。转换器停止部71具有基于输出电压判断蓄电池6的额定电压从而设定蓄电池6的最高电压及最低电压的功能。当通过功率检测部43取得的输出电流比蓄电池6充电时的额定电流大时，过电流保护部72使后述的占空比指示部52对DC-DC转换器42指示的占空比指示值减小规定的大小。过电流保护部72进行的占空比指示值的变更优先于占空比指示部52进行的占空比指示。

转换器控制部5通过脉宽调制（PWM,PulseWidthModulation）方式控制DC-DC转换器42。具体地说，基于DC-DC转换器42的输出功率对DC-DC转换器42的占空比持续地进行控制。在以下说明中，将功率检测部43求得DC-DC转换器42的输出功率、且转换器控制部5对DC-DC转换器42进行占空比指示的一个周期称为“控制周期”。并且，将目前正在执行中的控制周期之前执行的控制周期中的、最新的控制周期称为“前次控制周期”。并且，将在前次控制周期中进行的对输出电流及输出电压的取得、即采样称为“前次采样”。

图2是发电机3的剖视图。在以下涉及发电机3的说明中，将发电机3的中心轴线J1方向的上侧简称为“上侧”，下侧简称为“下侧”。上下方向并不表示将发电机3组装到风力发电装置1时的上下方向。并且，将以中心轴线J1为中心的周向简称为“周向”，将以中心轴线J1为中心的径向简称为“径向”。

发电机3为内转子型。发电机3包括静止部31、旋转部32以及轴承机构33。轴承机构33以发电机3的中心轴线J1为中心相对于静止部31能够旋转地支承旋转部32。

静止部31包括机壳311、定子312以及托架313。机壳311为有底大致圆筒状。定子312为以中心轴线J1为中心的大致圆筒状，且安装于机壳311的内侧面。托架313为大致环状。托架313安装在机壳311的上端。定子312包括定子铁芯314、绝缘件315以及线圈316。定子铁芯314通过层叠薄板状的磁性钢板而形成。绝缘件315为覆盖定子铁芯314表面的绝缘体。例如使用树脂材料等作为绝缘件315的材料。

旋转部32为所谓的转子。以下，将旋转部32称为“转子32”。转子32为大致圆柱状。转子32被支承为在定子312的内侧以中心轴线J1为中心能够旋转。转子32包括轴321、转子本体322以及转子磁铁323。轴321以中心轴线J1为中心配置。转子本体322为大致圆柱状。转子本体322固定于轴321。转子本体322通过层叠薄板状的磁性钢板而形成。转子磁铁323配置于转子本体322内。

轴承机构33包括上部球轴承331和下部球轴承332。上部球轴承331安装在托架313的内周面。下部球轴承332安装在机壳311的底部中央。轴321通过托架313的开口向托架313的上侧突出。轴321通过上部球轴承331及下部球轴承332的支承以中心轴线J1为中心能够旋转。轴321与图1所示的风车2的旋转轴21连接。另外，轴承机构33也可以是球轴承以外种类的轴承（滑动轴承等）。

图3是定子312及转子32的俯视图。在图3中，省略了绝缘件315的图示。定子铁芯314包括多个齿317、以及铁芯背部318。图3中的齿317的个数为十二个。构成定子铁芯314的层叠钢板的各层为在周向连续的一张金属板。铁芯背部318为环状。齿317从铁芯背部318向中心轴线J1延伸。即齿317从铁芯背部318向转子32侧突出。齿317在周向等间隔地配置。导线隔着绝缘件315（参照图2）卷绕在各齿317上。由此形成线圈316。线圈316通过集中卷绕而形成。在每一个齿317上形成一个线圈316。

转子本体322具有与中心轴线J1平行地形成的多个孔324。本实施方式的孔324的个数为十个。在转子本体322中，孔324在周向大致等间隔地配置。十个转子磁铁323被分别插入并保持在十个孔324中。实际上，在转子本体322的上表面及下表面设置有转子磁铁323的防脱部件。通过防脱部件限制各转子磁铁323沿轴向的移动。另外，也可以使用粘结剂等使转子磁铁323固定于孔324。通过转子32相对于定子312旋转而从定子312取得功率。如图1所示，U相、V相以及W相的输出线34从定子312引出并连接于AC-DC转换器41。如上所述，使从发电机3输出的电流经三根输出线34导向AC-DC转换器41。

转换器控制部5包括功率存储部51、占空比指示部52、指示值存储部53、变化量决定部54以及符号存储部55。功率存储部51将在前次采样时功率检测部43求得的DC-DC转换器42的输出功率作为参照功率存储。占空比指示部52对DC-DC转换器42指示占空比。指示值存储部53将前次控制周期中占空比指示部52对DC-DC转换器42指示的占空比指示值作为参照指示值存储。即，参照指示值为与前次采样对应的占空比指示值。

变化量决定部54决定使当前正在执行中的控制周期的占空比指示值与参照指示值相比变化多少。变化量决定部54包括第一比较器541和第二比较器542。符号存储部55将前次控制周期中由变化量决定部54决定的占空比指示值的变化量（即与前次采样相对应的占空比指示值的变化量的正负符号）作为参照符号存储。在本实施方式中，参照符号为正时，将“+1”作为表示参照符号的数值存储在符号存储部55中。参照符号为负时，将“-1”作为表示参照符号的数值存储在符号存储部55中。例如使用存储器作为功率存储部51、指示值存储部53以及符号存储部55。

接下来，对风力发电装置1中的DC-DC转换器42的控制流程进行说明。以下，将DC-DC转换器42的控制作为已经持续地执行的控制对一次控制周期进行说明。因此，在功率存储部51、指示值存储部53以及符号存储部55中分别存储了涉及前次采样的参照功率、参照指示值以及参照符号。图4为表示DC-DC转换器42的一次控制周期的流程的图。

在DC-DC转换器42的控制中，首先，通过功率检测部43对DC-DC转换器42的输出电流及输出电压进行采样（步骤S11）。接下来，由DC-DC转换器42的输出电流及输出电压的采样值求输出功率（步骤S12）。DC-DC转换器42的输出功率被输送到变化量决定部54的第一比较器541。在第一比较器541中，将DC-DC转换器42的输出功率与在功率存储部51中存储的参照功率进行比较（步骤S13）。在该比较中，当DC-DC转换器42的输出功率为参照功率以上时，从第一比较器541输出“+1”（步骤S14）。而当在比较时DC-DC转换器42的输出功率比参照功率小时，从第一比较器541输出“-1”（步骤S15）。另外，即使将所述的“为参照功率以上时”以及“比参照功率小时”替换成“比参照功率大时”以及“为参照功率以下时”，在实质上也是相同的。以下说明中的其他比较工作也是相同的。功率检测部43求得的DC-DC转换器42的输出功率被输送到功率存储部51。该被输送的输出电压作为在下个控制周期利用的参照功率而存储于功率存储部51。

在变化量决定部54中，将从第一比较器541输出的数值亦即“+1”或“-1”以及在符号存储部55中存储的表示参照符号的数值亦即“+1”或“-1”的积输入到第二比较器542（步骤S16）。当从第一比较器541输出“+1”、表示参照符号的数值为“+1”时，向第二比较器542输入“+1”。当从第一比较器541输出“+1”、表示参照符号的数值为“-1”时，向第二比较器542输入“-1”。当从第一比较器541输出“-1”、表示参照符号的数值为“+1”时，向第二比较器542输入“-1”。当从第一比较器541输出“-1”、表示参照符号的数值为“-1”时，向第二比较器542输入“+1”。

在第二比较器542中，将被从第一比较器541输入的数值与“0”比较（步骤S17）。在被从第一比较器541输入的数值为“+1”时（即为0以上时），将正值的第一变化量“+N”作为占空比指示值的变化量从第二比较器542向占空比指示部52输出（步骤S18）。并且，在被从第一比较器541输入的数值为“-1”时（即比0小时），将负值的第二变化量“-M”作为占空比指示值的变化量从第二比较器542输出到占空比指示部52（步骤S19）。

换言之，在变化量决定部54中，当功率检测部43求得的DC-DC转换器42的输出功率为参照功率以上时，从第一变化量“+N”及第二变化量“-M”中选择与参照符号相同符号的变化量。并且，当功率检测部43求得的DC-DC转换器42的输出功率比参照功率小时，从第一变化量“+N”及第二变化量“-M”中选择与参照符号不同符号的变化量。第一变化量的绝对值“N”比第二变化量的绝对值“M”小。从第二比较器542输出的占空比指示值的变化量也被输送到符号存储部55。将该占空比指示值的变化量的符号作为在下个控制周期利用的参照符号而存储于符号存储部55中。

在占空比指示部52中，通过将被从第二比较器542输入的变化量与存储于指示值存储部53的参照指示值相加，以求出占空比指示值（步骤S20）。从占空比指示部52向DC-DC转换器42输出占空比指示值。变更DC-DC转换器42的占空比，以使其与占空比指示值相等（步骤S21）。从占空比指示部52输出的占空比指示值也被输送到指示值存储部53。被输送的占空比指示值作为在下个控制周期利用的参照指示值而存储于指示值存储部53中。在风力发电装置1中，循环如步骤S11至S21所示的控制周期。基于风车2的叶片的时间常数等，从在一个控制周期中占空比变更开始到在下一个控制周期中占空比变更为止的时间（即占空比的更新周期）被设定得大到占空比的变更反映在风车2的转速上的程度、并且被设定得小到能够随风速而变化的程度。例如使用基于风车2和转子32的惯性而定义的机械时间常数作为所述时间常数。

图5是表示风车2的转速与DC-DC转换器42的输出功率之间的关系的图。图5的虚线81表示在风速为每秒3米不变时的风车2的转速与DC-DC转换器42的输出功率之间的关系。并且，虚线82至86分别表示在风速为每秒4米、每秒5米、每秒6米、每秒7米、每秒8米不变时的风车2的转速与DC-DC转换器42的输出功率之间的关系。虚线81至86是通过风洞实验求得的值。在通过风洞实验求虚线81至86时，转换器控制部5不对DC-DC转换器42进行控制。

图5中的四边形符号91表示随机变更风速时的风车2的转速与DC-DC转换器42的输出功率之间的关系，且是在通过转换器控制部5对DC-DC转换器42进行所述控制的状态下的值。并且，实线92表示风车的转速与DC-DC转换器的输出功率之间的关系、且表示在通过转换器控制部对DC-DC转换器进行的控制时使第一变化量的绝对值与第二变化量的绝对值相等时的值。以下，将与实线92相对应的控制称为“比较例的控制”。四边形符号91、实线92是通过模拟求得的。

如图5中的虚线81至86所示，在风力发电装置1中，在各风速中分别存在风车2在最大输出功率的时的转速。双点划线87为近似地连接虚线81至86的峰值（在虚线81至86中输出功率为最大时的值）的线。在风力发电装置1中，可以说风车2的转速与DC-DC转换器42的输出功率之间的关系是距离双点划线87越近，相对于风速变化的追随性越好，发电效率越高。

然而，在不进行DC-DC转换器的输出控制的风力发电装置中，如果风速骤然下降，则DC-DC转换器的输出起到制动的作用，从而使风车的转速骤然下降。之后，即使风速增加，为了增加暂时下降的风车的转速也需要一些时间。其结果是，风车的转速很难恢复到与风速相适应的转速，从而造成风力发电装置的发电效率下降。

并且，即使在进行DC-DC转换器的占空比的控制的情况下，如比较例的控制的方式，在使第一变化量的绝对值与第二变化量的绝对值相等时，如果以使占空比能够跟随风速的骤然下降而大幅下降的方式设定第二变化量的话，第一变化量将会变得过大，从而使占空比相对于风速变化的变动过度。即，使DC-DC转换器42的稳定控制变得困难。另一方面，如果将第一变化量设定得小到能够稳定地控制占空比的话，第二变化量的绝对值也会变小。因此，使占空比跟随风速的骤然下降而大幅下降变得困难。其结果是，风车的转速骤然下降使发电效率变低。即如图5所示，风车的转速与DC-DC转换器的输出功率之间的关系偏离双点划线87。

在本实施方式所涉及的风力发电装置1的变化量决定部54中，如上所述，当功率检测部43求得的DC-DC转换器42的输出功率为参照功率以上时，从第一变化量“+N”及第二变化量“-M”中选择与参照符号相同符号的变化量。并且，在变化量决定部54中，当DC-DC转换器42的输出功率比参照功率小时，从第一变化量“+N”及第二变化量“-M”中选择与参照符号不同符号的变化量。并且，第一变化量的绝对值“N”比第二变化量的绝对值“M”小。因此，即使在风速骤然下降时，通过使占空比大幅下降能够防止风车2的转速骤然下降。并且，在风速增加时，通过在一个控制周期中只使占空比增加相应于具有比第二变化量的绝对值“M”小的绝对值的第一变化量“+N”的量，从而能够实现稳定地控制。如上所述，在风力发电装置1中，能够容易地实现相对于风速变化维持高输出的控制。

这样，在风力发电装置1中，能够不必提前取得表示风车2或发电机3的特性的数据而进行风力发电装置1的控制。因此，风力发电装置1的结构能够容易地适用于具有各个种类风车和发电机的风力发电装置。换言之，通过使用风力发电装置1的结构，能够实现通用性高的控制。并且，能够不必取得风车的转速和风速而进行风力发电装置1的控制。其结果是，能够简化风力发电装置1的结构。由此能够降低风力发电装置1的制造成本。

在风力发电装置1中，当功率检测部43取得的输出电压比蓄电池6的最高电压高或比所述蓄电池的最低电压低时，通过转换器停止部71停止DC-DC转换器42的工作。由此能够防止蓄电池6的过度充电。并且，当功率检测部43取得的输出电流比蓄电池6的额定电流大时，通过过电流保护部72使占空比指示部52对DC-DC转换器42指示的占空比指示值减小规定的大小。由此能够防止由过电流造成的各结构的烧毁等。

以上，虽然对本发明的实施方式进行了说明，但是本发明不限定于所述实施方式，也能够进行各种变更。

例如，风车2或发电机3的结构不限定于所述实施方式记载的例子，也可以进行各种变更。转换器控制部5可以通过电路或机械硬件实现，也可以通过软件实现。转换器控制部5通过硬件实现时，能够使用例如积分电路那样具有延迟信号功能的电路作为功率存储部51、指示值存储部53以及符号存储部55。

所述实施方式以及各变形例的结构只要不相互矛盾即可进行适当组合。

工业利用的可能性

本发明能够用于风力发电装置。

附图标记说明

1风力发电装置

2风车

3发电机

5转换器控制部

6蓄电池

32旋转部

41AC-DC转换器

42DC-DC转换器

43功率检测部

51功率存储部

52占空比指示部

53指示值存储部

54变化量决定部

55符号存储部

71转换器停止部

72过电流保护部

S1-S21步骤

Claims (3)

1.一种风力发电装置，其具有：

风车；

发电机，其旋转部与所述风车连接；

AC-DC转换器，其将从所述发电机输出的交流电转换为直流电；

DC-DC转换器，其转换从所述AC-DC转换器输出的直流电的电压；

功率检测部，其在采样周期内对所述DC-DC转换器的输出电流及输出电压进行采样从而求出输出功率；以及

转换器控制部，其基于所述输出功率对所述DC-DC转换器的占空比进行控制，

所述转换器控制部具有：

功率存储部，其将在前次采样时求得的输出功率作为参照功率存储；

占空比指示部，其对所述DC-DC转换器指示所述占空比；

指示值存储部，其将与前次采样相对应的占空比指示值作为参照指示值存储；

变化量决定部，其选择正的第一变化量或负的第二变化量作为所述占空比指示值相对于所述参照指示值的变化量；以及

符号存储部，其将与前次采样相对应的所述占空比指示值的变化量的正负符号作为参照符号存储，

所述第一变化量的绝对值比所述第二变化量的绝对值小，

在所述变化量决定部，在通过所述功率检测部求得的所述输出功率为所述参照功率以上时，从所述第一变化量及所述第二变化量中选择与所述参照符号相同符号的变化量，在通过所述功率检测部求得的所述输出功率比所述参照功率小时，从所述第一变化量及所述第二变化量中选择与所述参照符号不同符号的变化量。

2.如权利要求1所述的风力发电装置，其还具有：

蓄电池，其通过所述DC-DC转换器的输出电流充电；以及

转换器停止部，其在所述功率检测部取得的所述输出电压比所述蓄电池的最高电压高或比所述蓄电池的最低电压低时，停止所述DC-DC转换器的工作。

3.如权利要求1所述的风力发电装置，其还具有：

蓄电池，其通过所述DC-DC转换器的输出电流充电；以及

过电流保护部，其在所述功率检测部取得的所述输出电流比所述蓄电池充电时的额定电流大时，使所述占空比指示部对所述DC-DC转换器指示的占空比指示值减小规定的大小。