CN103867389A - 风力发电机的偏航控制系统及其控制方法 - Google Patents

风力发电机的偏航控制系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

一种风力发电机的偏航控制系统，包括：过电压保护部，测定发电机的过电压而产生的温度，将所述温度与已设定温度比较，对应比较结果输出停止动作的保护信号；过速保护部，测定所述发电机的过速而产生的转速，将所述转速与已设定速度比较，对应比较结果输出停止动作的保护信号；风速保护部，比较风速计所测定风速和已设定保护动作条件值，对应比较结果输出偏航动作保护信号；偏航控制部，根据在过电压保护部、过速保护部及风速保护部输出的动作保护信号设定偏航保护动作模式或解除保护动作时，按照用户选择输入控制偏航。本发明按照用户的要求可任意设定风力发电机偏航控制模式，并在通过外部保护因素自动运行模式下控制输出，提高发电机输出效率。

Description

风力发电机的偏航控制系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种风力发电机的偏航控制系统及其控制方法，尤其，涉及一种按照用户的需要能任意设定风力发电机的偏航控制模式，并在通过外部保护因素的自动运行模式下控制输出，从而能提高发电机的输出效率的风力发电机的偏航控制系统以及其控制方法。
背景技术
作为能代替石油等化石燃料的新能源，人类未来的新能源有太阳能、风能、人工太阳、氢能、利用海水的能量，生物能量等很多种类，其中，风力不亚于其他能源，不仅有利于环保，而且，可以再利用，因此，风能是深受瞩目的未来的新能源。
风力发电是自然状态的无公害能源。是在现有代替能源中经济效益最强的能源，风力发电是将风力转换为旋转力而产生的电力直接供应至电力系统或需求者的发电技术。即，在风力的能源变换过程中生产电，所生产的电用于家庭或工业生产，或者传送到韩国电力公司进行售电。若利用风力发电，通过开发山间、海岸内地及防潮堤等地皮，可以提高国土利用效率。尤其，韩国海岸线较长，因此，具有有利于风力发电的条件。
所述风力发电机，利用空气流动而产生的动能，即利用空气动力学特性旋转由叶片和轮毂构成的转子，从而将空气流动而产生的动能转换为机械能，并利用机械能生产电能。
风力发电机的偏航系统将机舱即叶片的方向朝向风吹过来的方向，从而减小作用于整个风力发电机的负载，而增大风力发电机的效率。
但是，偏航系统只有通过所设定的控制才能控制偏航叶片，因此，无法根据外部因素的变化或用户的需要任意进行控制。
发明内容
本发明是为解决所述问题点而提出的，其目的在于，提供一种风力发电机的偏航控制系统以及其控制方法，该系统按照用户的需要能任意设定风力发电机的偏航控制模式，并在通过外部保护因素的自动运行模式下控制输出，从而能提高发电机的输出效率。
本发明所要解决的技术问题并不局限于以上所述的技术问题，对于未提及的其他的技术问题本发明所属领域的技术人员可通过以下记载将会明确理解。
为解决所述技术问题，本发明提供风力发电机的偏航控制系统，所述风力发电机的偏航控制系统包括：过电压保护部，测定发电机的过电压而产生的温度，将所述温度与已设定温度相比较，然后，对应比较结果输出停止动作的保护信号；过速保护部，测定所述发电机的过速而产生的转速，将所述转速与已设定速度相比较，然后，对应比较结果输出停止动作的保护信号；风速保护部，比较风速计所测定的风速和已设定保护动作条件值，然后，对应比较结果输出偏航动作保护信号；偏航控制部，根据在所述过电压保护部、所述过速保护部及所述风速保护部输出的动作保护信号设定为偏航保护动作模式或解除保护动作时，按照用户的选择输入控制偏航。
此处，尤其，所述偏航控制部包括：保护动作模式部，根据所述过电压保护部、所述过速保护部及所述风速保护部输出的动作保护信号设定为偏航保护动作模式而限制发电机的输出；以及偏航控制选择部，在所述保护动作模式部解除偏航保护动作模式的状态下，根据用户的选择输入控制偏航。
此处，尤其，所述偏航控制选择部包括：最大输出模式部，从所测定的风速自动跟踪最大输出；自动跟踪模式部，利用所测定的风向及风速信息，对应用户输入的所需电力进行自动跟踪；以及强制模式部，根据用户的输入将偏航的旋转方向朝顺时针方向或逆时针方向控制。
此处，尤其，所述偏航控制部在所述保护动作模式部设定偏航保护动作模式的动作后解除时，自动转换为在偏航保护动作模式动作之前设定的所述偏航控制选择部的选择模式状态。
此处，尤其，所述最大输出模式部，为了相对于现在测定的风速跟踪最大电力，使偏航叶片与风向相同方向进行动作。
此处，尤其，对于现在测定的风速，所述自动跟踪模式部通过控制偏航轴和风向之间的角度（θ）将电力输出限制为预定比率。
此处，尤其，所述保护动作模式部通过用户的输入强制转换发电机的输出。
根据本发明的风力发电机的偏航控制方法，其中，在风力发电机的偏航控制系统中，包括：测定发电机的温度及转速，并通过风速计测定风速的步骤；将所述所测定的发电机的温度、转速、风速值与已设定的偏航保护动作条件值进行比较的步骤；若满足所述比较的偏航保护动作条件，则输出偏航保护动作信号的步骤；输出所述偏航保护动作信号之后，判断是否满足偏航保护动作解除条件的步骤；以及若满足所述偏航保护动作解除条件，则转换为用户偏航控制选择模式的步骤。
此处，尤其，所述偏航保护动作条件满足所述发电机的温度G_tem≥145℃，所述发电机的转速G_speed≥(1.5*G_rated)，或风速以W_speed≥17m/s保持1分钟以上的条件中的一种以上条件。
此处，尤其，所述偏航保护动作解除条件满足所述发电机的温度G_tem≤110℃，所述发电机的转速以G_speed≤G_rated保持2分钟以上，或风速以W_speed≤13m/s保持2分钟以上的条件中的一种以上条件。
此处，尤其，在转换为所述用户偏航控制选择模式的步骤中转换为以下所述模式中的一种模式，即；最大输出模式，从测定的风向自动跟踪最大输出；最大跟踪模式，利用所测定的风向及风速信息，对应用户输入的所需电力进行自动跟踪；以及强制模式，通过用户的输入，将偏航的旋转方向控制为顺时针方向或逆时针方向。
发明效果
根据本发明具有如下效果：
根据用户的需要能任意设定风力发电机的偏航控制模式，并在通过外部保护因素的自动运行模式下控制输出，从而可以提高发电机的输出效率。
附图说明
图1是根据本发明的一实施例的风力发电机的偏航控制系统的构造的概略示意图。
图2是根据本发明的风力发电机的偏航控制方法的顺序图。
附图标记说明
110：发电机;          120：过电压保护部;
130，过速保护部;      140：风速保护部;
141：风速计;          142：风向计;
150：偏航控制部;      160：保护动作模式部;
170：偏航控制选择部;  180：偏航叶片。
具体实施方式
以下，参照附图详细说明本发明所属领域的技术人员能容易实施本发明的优选实施例。在详细说明对本发明的优选实施例的动作原理时，若认为对相关公知功能或构成的具体说明会使本发明的要旨不明确，则省略对其的详细说明。
在图中，对具有类似功能及作用的部分标注相同的符号。
另外，在整个说明书中，言及到某一构成要素“连接”于另一构成要素时，除“直接连接”的情况之外还包括在中间具有其他构成要素而“间接连接”的情况。并且，“包括”某一构成要素是在没有特别相反的记载的情况下不排除其他的构成要素，而意味着进一步包括其他构成要素。
以下，参照附图详细说明本发明的一实施例。
图1是根据本发明的一实施例的风力发电机的偏航控制系统的构造的概略示意图。如图1所示，根据本发明的风力发电机的偏航控制系统100，包括：过电压保护部120，测定发电机110的过电压而产生的温度，将所述温度已设定温度相比较，然后，对应比较结果输出停止动作的保护信号；过速保护部130，测定所述发电机的过速而产生的转速，将所述转速与已设定速度相比较，然后，对应比较结果输出停止动作的保护信号；风速保护部140，比较风速计141所测定的风速和已设定保护动作条件值，然后，对应比较结果输出偏航动作保护信号；偏航控制部150，根据在所述过电压保护部120、所述过速保护部130及所述风速保护部140输出的动作保护信号设定偏航保护动作模式或解除保护动作时，按照用户的选择输入控制偏航。
所述过电压保护部120，相对于所述发电机的过电压而产生的温度上升输出停止动作的保护信号，优选将动作条件设定为G_tem≥145℃，动作解除条件设定为G_tem≤110℃。此处，所述设定的过电压发电机温度（GOT;Generator Over Temperature）是适合在局里温度以下运用的条件（局里温度是原子的热能与磁矩变相同的温度，是磁性体失去磁性的温度），永磁型同步发电机的情况，将转子侧的永久磁铁以含有杂质的状态用于Nd-Fe-B的稀土类磁性体，但是，由于局里温度分布小于200℃，因此优选如上述设定。
所述过速保护部130对所述发电机的过速输出停止动作的保护信号，当转速G_speed≥(1.5*G_rated)时输出保护动作信号，当转速以G_speed≤G_rated保持2分钟以上时输出解除保护动作信号。此处，当发电机以额定转速（rpm）以上旋转时，发电机的输出发生额定以上，这会导致发电机损坏，此时，叶片耐不住转动力而有可能脱离。
所述风速保护部140接受由风速计检测的风速值，并在过速时输出保护动作信号，优选在风速以W_speed≥17m/s保持1分钟以上时输出保护动作信号，在风速以W_speed ≤ 13m/s保持2分钟以上时输出解除保护动作信号。一般，风力发电机的额定输出为15m/s。并且，所述风速保护部140从风向计142实时接收所测定的风向信息。
所述偏航控制部150由保护动作模式部（MSM;manual stop mode）160和偏航控制选择部170而构成。此处，当在所述保护动作模式部160解除偏航保护动作模式的动作之后，所述偏航控制部150自动转换为在偏航保护动作模式动作之前所设定的所述偏航控制选择部170的选择模式状态。
所述保护动作模式部（MSM;manual stop mode）160是根据所述过电压保护部120、所述过速保护部130以及所述风速保护部140所输出的动作保护信号设定为偏航保护动作模式而限制发电机的输出进行自动运行的模式。可以在用户由于特殊理由限制风力发电机的输出时使用。
所述偏航控制选择部170，在所述保护动作模式部160的偏航保护动作模式被解除状态下，根据用户的选择输入控制偏航。
所述偏航控制选择部170包括最大输出模式部（ACM；auto control mode）171、自动跟踪模式部（MCM;manual control mode）172、强制模式部（forced rotation mode）173。
所述最大输出模式部（ACM；auto control mode）171使得对现在所测定的风速跟踪最大电力，使偏航叶片与风向相同的方向动作。此处，产生保护动作要素时，转换为使所述保护动作模式部（MSM;manual stop mode）进行动作，在解除保护动作要素时，经过预定时间后再运行。
自动跟踪模式部（MCM;manual control mode）172利用所测定的风向及风速信息，对应用户输入的所需电力自动跟踪。此处，对现在所测定的风速，所述自动跟踪模式部（MCM;manual control mode）172通过控制偏航（Yaw）轴和风向之间的角度（θ）而将电力输出限制为预定比率。
更具体而言，所述自动跟踪模式部（MCM;manual control mode）172是对现在发生的风速将电力限制为预定比率时使用的模式，风力发电机的输出如以下数学式1所示。
Figure 837211DEST_PATH_IMAGE001
数学式1
 此处，Pwind是风能，A为转子的旋转截面积[m2]，ρ为空气密度，约1.25[kg/m3]，Cp是在风具有的总能量中叶片所能接受的能量比率，叫做输出系数。
所述输出系数如根据叶片对风速的转速比即叶尖速比（TSR：Tip Speed Ratio）λ变化的以下数学式2所示。
 
 数学式2
Figure 554632DEST_PATH_IMAGE002
 
 利用数学式1中转子的旋转截面积与风力发电机的输出成比列关系，如图3计算通过控制偏航（yaw）叶片的输出比。
数学式3
Figure 136791DEST_PATH_IMAGE003
 此处，θ是偏航轴（yaw shaft）和风向之间的角度，当风向和偏航轴（yaw shaft）在相同方向上对相同的风速产生最大输出时，θ为0℃，产生最小输出时风向和偏航轴为90℃。即，通过控制偏航轴和风向之间的角度θ可以线性控制最大输出。
所述自动跟踪模式部172利用线性输出关系由用户或EMS控制风力发电机的输出线。
所述强制模式部173（FRM;forced rotation mode）通过用户的输入任意调整偏航叶片180，从而将旋转方向朝顺时针方向或逆时针方向控制。
并且，图2是根据本发明的风力发电机的偏航控制方法的顺序图。如图2所示，根据本发明的风力发电机的偏航控制方法，首先在风力发电机的偏航控制系统执行测定发电机的温度及转速之后，通过风速计测定风速的步骤（S201）。
更具体而言，是为了测定所述发电机因过电压而上升的温度，并且，测定当发电机以额定转速以上旋转时，发电机的输出发生额定输出以上而发电机损坏时，叶片耐不住旋转力时的范围。
接着，执行将所述所测定的发电机的温度、转速及风速值与已设定偏航保护动作条件值进行比较的步骤（S202）。
此处，分别比较所述偏航保护动作条件即所述发电机的温度G_tem≥145℃，所述发电机的转速G_speed≥(1.5*G_rated)或风速以W_speed≥17[m/s]保持1分钟以上的条件和所述所测定的温度、转速、风速值。
然后，若满足所述比较的偏航保护动作条件（S203），则执行输出偏航保护动作信号的步骤（S204）。
即，是根据所述动作保护信号设定为偏航保护动作模式而限制发电机的输出进行自动运行的模式。可在用户由于特殊理由限制风力发电机的输出时使用。
接着，输出所述偏航保护动作信号之后，执行判断是否满足偏航保护动作解除条件与否的步骤（S205）。
此时，分别比较所述偏航保护动作解除条件即所述发电机的温度为G_tem≤110℃，所述发电机的转速以G_speed≤G_rated保持2分钟以上或风速以W_speed≤13[m/s]保持2分钟以上的条件和所述所测定的温度、转速、风速值。
而且，若满足所述偏航保护动作解除条件，则执行转换为用户偏航控制选择模式的步骤（S206）。即，若所述所测定的温度、转速、风速值满足解除条件中的一个以上条件，则转换为所述用户偏航控制选择模式。
更具体而言，在转换为所述用户偏航控制选择模式的步骤中转换为最大输出模式(ACM; auto control mode)，自动跟踪模式(MCM;manual control mode)或强制模式(FRM;forced rotation mode)。此处，所述最大输出模式是从所测定的风向自动跟踪最大输出的模式，自动跟踪模式是利用所测定的风向及风速信息对应用户输入的所需电力自动跟踪的模式，强制模式是通过用户的输入将偏航的旋转方向朝顺时针方向或逆时针方向进行控制的模式。
因此，如上所述，根据用户的要求，可任意设定风力发电机的偏航控制模式，因此，在通过外部保护因素的自动运行模式下控制输出，从而可以提高发电机的输出效率。
如上所述，在本发明的详细说明中虽举例说明了本发明的优选实施例，但是，本发明所属领域的技术人员可在本发明的范畴内进行各种变形。本发明的权利范围并不局限于所述实施例，应由权利要求范围以及均等物而决定。

Claims (11)

1. 一种风力发电机的偏航控制系统，其特征在于，包括：
过电压保护部，测定发电机的过电压而产生的温度，将所述温度与已设定温度相比较，然后，对应比较结果输出停止动作的保护信号；
过速保护部，测定所述发电机的过速而产生的转速，将所述转速与已设定速度相比较，然后，对应比较结果输出停止动作的保护信号；
风速保护部，比较风速计所测定的风速和已设定保护动作条件值，然后，对应比较结果输出偏航动作保护信号；
偏航控制部，根据在所述过电压保护部、所述过速保护部及所述风速保护部输出的动作保护信号设定为偏航保护动作模式或解除保护动作时，按照用户的选择输入控制偏航。
2. 根据权利要求1所述的风力发电机的偏航控制系统，其特征在于，所述偏航控制部包括：
保护动作模式部，根据所述过电压保护部、所述过速保护部及所述风速保护部输出的动作保护信号设定为偏航保护动作模式而限制发电机的输出；以及
偏航控制选择部，在所述保护动作模式部解除偏航保护动作模式的状态下，根据用户的选择输入控制偏航。
3. 根据权利要求2所述的风力发电机的偏航控制系统，其特征在于，所述偏航控制选择部包括：
最大输出模式部，从所测定的风速自动跟踪最大输出；
自动跟踪模式部，利用所测定的风向及风速信息，对应用户输入的所需电力进行自动跟踪；以及
强制模式部，根据用户的输入将偏航的旋转方向朝顺时针方向或逆时针方向控制。
4. 根据权利要求2所述的风力发电机的偏航控制系统，其特征在于，所述偏航控制部在所述保护动作模式部设定偏航保护动作模式的动作后解除时，自动转换为在偏航保护动作模式动作之前设定的所述偏航控制选择部的选择模式状态。
5. 根据权利要求3所述的风力发电机的偏航控制系统，其特征在于，所述最大输出模式部为了相对于现在测定的风速跟踪最大电力，使偏航叶片与风向相同方向进行动作。
6. 根据权利要求3所述的风力发电机的偏航控制系统，其特征在于， 对于现在测定的风速，所述自动跟踪模式部通过控制偏航轴和风向之间的角度（θ）将电力输出限制为预定比率。
7. 根据权利要求2所述的风力发电机的偏航控制系统，其特征在于，所述保护动作模式部通过用户的输入强制转换发电机的输出。
8. 一种风力发电机的偏航控制方法，其特征在于，包括：
测定发电机的温度及转速，并通过风速计测定风速的步骤；
将所述所测定的发电机的温度、转速、风速值与已设定的偏航保护动作条件值进行比较的步骤；
若满足所述比较的偏航保护动作条件，则输出偏航保护动作信号的步骤；
输出所述偏航保护动作信号之后，判断是否满足偏航保护动作解除条件的步骤；以及
若满足所述偏航保护动作解除条件，则转换为用户偏航控制选择模式的步骤。
9. 根据权利要求8所述的风力发电机的偏航控制方法，其特征在于，所述偏航保护动作条件满足：所述发电机的温度G_tem≥145℃，所述发电机的转速G_speed≥(1.5*G_rated)，或风速以W_speed≥17m/s保持1分钟以上的条件中的一种以上条件。
10. 根据权利要求8所述的风力发电机的偏航控制方法，其特征在于，所述偏航保护动作解除条件满足：所述发电机的温度G_tem≤110℃，所述发电机的转速以G_speed≤G_rated保持2分钟以上，或风速以W_speed≤13m/s保持2分钟以上的条件中的一种以上条件。
11. 根据权利要求8所述的风力发电机的偏航控制方法，其特征在于，在转换为所述用户偏航控制选择模式的步骤中转换为以下所述模式中的一种模式，即；
最大输出模式，从测定的风向自动跟踪最大输出；
最大跟踪模式，利用所测定的风向及风速信息，对应用户输入的所需电力进行自动跟踪；以及
强制模式，通过用户的输入，将偏航的旋转方向控制为顺时针方向或逆时针方向。
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