CN107503885B - 浮体式风力发电装置的控制装置和控制方法 - Google Patents

浮体式风力发电装置的控制装置和控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种浮体式风力发电装置的控制装置、控制方法和控制程序。对应于风向而高效地将风能转换成电能。浮体式风力发电装置的控制装置以使由第一传感器检测的信号距风车叶片的回转面的垂直方向成为规定范围内的角度的方式,通过基于由第二传感器和第三传感器检测到的信号而算出的俯仰角指令值来控制俯仰角控制部,通过基于由第二传感器和第三传感器检测到的信号而算出的偏航驱动指令值来控制偏航驱动装置,其中,第一传感器检测相对于风车叶片的回转面的垂直方向的风向偏差,第二传感器检测机舱与塔的相对角度,第三传感器检测塔距基准位置的偏航角度。

Description

浮体式风力发电装置的控制装置和控制方法
本申请为国际申请PCT/JP2012/083747于2015年6月23日进入中国国家阶段、申请号为201280077925.5、发明名称为“控制装置及方法以及程序、具备该控制装置的浮体式风力发电装置”的申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及控制装置及方法以及程序、具备该控制装置的浮体式风力发电装置。
背景技术
以往,在设于海洋上的风力发电装置中,提出了将风车叶片的回转面的朝向控制成接受风的方向的技术。
例如,在下述专利文献1中,提出了如下的技术:在浮体式海洋上风力发电装置中,检测基体的偏航角、涡轮与塔的相对角(偏航角),以减少基体的偏航角的方式控制偏航驱动装置。
【在先技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】美国专利第8053916号说明书
发明内容
【发明要解决的课题】
然而,在上述专利文献1的方法中,未记载相对于风车叶片的回转面而风从横向流入的情况下的控制方法,存在无法消除相对于风车叶片的回转轴的风向偏差这样的问题。
本发明为了解决上述问题而作出,目的在于提供一种对应于风向而能够高效地将风能转换成电能的控制装置及方法以及程序、具备该控制装置的浮体式风力发电装置。
【用于解决课题的方案】
为了实现上述目的,本发明提供以下的方案。
本发明的第一方案涉及一种浮体式风力发电装置的控制装置,所述浮体式风力发电装置具备:偏航驱动装置,使机舱相对于塔偏航旋转,所述塔在上端具备所述机舱,所述机舱设有由多个风车叶片接受风力而回转的转子头;及俯仰角控制部,驱动所述风车叶片而控制俯仰角,其中,
以使由第一传感器检测的信号距所述风车叶片的回转面的垂直方向成为规定范围内的角度的方式,通过基于由第二传感器和第三传感器检测到的信号而算出的俯仰角指令值来控制所述俯仰角控制部,通过基于由所述第二传感器和所述第三传感器检测到的信号而算出的偏航驱动指令值来控制所述偏航驱动装置,其中,所述第一传感器检测相对于所述风车叶片的回转面的垂直方向的风向偏差,所述第二传感器检测所述机舱与所述塔的相对角度,所述第三传感器检测所述塔距基准位置的偏航角度。
根据这样的结构,以使由第一传感器检测的信号距风车叶片的回转面的垂直方向成为规定范围内的角度的方式,通过基于由第二传感器和第三传感器检测到的信号而算出的俯仰角指令值来控制俯仰角控制部,通过基于由第二传感器和第三传感器检测到的信号而算出的偏航驱动指令值来控制偏航驱动装置,其中,所述第一传感器检测相对于风车叶片的回转面的垂直方向的风向偏差,所述第二传感器检测机舱与塔的相对角度,所述第三传感器检测塔距基准位置的偏航角度。
这样,将偏航驱动装置与风车叶片的俯仰角控制组合,进行风车叶片的回转面的偏航角度控制,由此将风车叶片的回转面与风向的偏差抑制得较小,能够将风能高效地转换成电能。
本发明的第二方案涉及一种浮体式风力发电装置的控制装置,所述浮体式风力发电装置具备驱动风车叶片而控制俯仰角的俯仰角控制部,并具有水平面与主轴之间的角度即倾斜角,其中,以使由第四传感器检测的信号成为规定范围内的角度的方式,通过控制各所述风车叶片的俯仰角的俯仰角指令值来进行控制,所述第四传感器检测相对于水平面的垂直轴与塔之间的角度即涡轮俯仰角,所述塔在上端具备机舱,所述机舱设有由多个风车叶片接受风力而回转的转子头。
根据这样的结构,以使由第四传感器检测的信号成为规定范围内的角度的方式,通过控制各风车叶片的俯仰角的俯仰角指令值来控制所述俯仰角控制部,所述第四传感器检测相对于水平面的垂直轴与塔之间的角度即涡轮俯仰角,所述塔在上端具备机舱,所述机舱设有由多个风车叶片接受风力而回转的转子头。
这样,独立地使风车叶片的俯仰角变动而产生力矩,由此将风车叶片的回转面与风向的偏差抑制得较小的情况下,能够将风能高效地转换成电能。
适用上述控制装置的所述浮体式风力发电装置可以设有浮在海洋上的浮体结构的基体和设置在所述基体上的塔。
风车叶片承受风,力作用在与风车叶片连接的转子上,因此即使通过偏航驱动装置使机舱转动,也能推定设置塔的基体的回转,但是根据本发明的控制装置,通过考虑转子的惯性及塔和浮体的惯性,能够准确地进行将风能高效地转换成电能的控制。
适用上述控制装置的所述浮体式风力发电装置可以设有浮在海洋上的塔。
在不具有基体的桅杆型的浮体式风力发电装置的情况下,与具有基体的浮体式风力发电装置相比,在稳定性的方面差,但是根据本发明的控制装置,即使是桅杆型的浮体式风力发电装置,也能够进行将风能高效地转换成电能的控制。
本发明的第三方案涉及一种风力发电场,具备:上述任一项记载的控制装置;及浮体式风力发电装置。
本发明的第四方案涉及一种浮体式风力发电装置的控制方法,所述浮体式风力发电装置具备:偏航驱动装置,使机舱相对于塔偏航旋转,所述塔在上端具备所述机舱,所述机舱设有由多个风车叶片接受风力而回转的转子头;及俯仰角控制部,驱动所述风车叶片而控制俯仰角,其中,以使由第一传感器检测的信号距所述风车叶片的回转面的垂直方向成为规定范围内的角度的方式,通过基于由第二传感器和第三传感器检测到的信号而算出的俯仰角指令值来控制所述俯仰角控制部,通过基于由所述第二传感器和所述第三传感器检测到的信号而算出的偏航驱动指令值来控制所述偏航驱动装置,其中,所述第一传感器检测相对于所述风车叶片的回转面的垂直方向的风向偏差,所述第二传感器检测所述机舱与所述塔的相对角度,所述第三传感器检测所述塔距基准位置的偏航角度。
本发明的第五方案涉及一种浮体式风力发电装置的控制程序,所述浮体式风力发电装置具备:偏航驱动装置,使机舱相对于塔偏航旋转,所述塔在上端具备所述机舱,所述机舱设有由多个风车叶片接受风力而回转的转子头;及俯仰角控制部,驱动所述风车叶片而控制俯仰角,其中,以使由第一传感器检测的信号距所述风车叶片的回转面的垂直方向成为规定范围内的角度的方式,通过基于由第二传感器和第三传感器检测到的信号而算出的俯仰角指令值来控制所述俯仰角控制部,通过基于由所述第二传感器和所述第三传感器检测到的信号而算出的偏航驱动指令值来控制所述偏航驱动装置,其中,所述第一传感器检测相对于所述风车叶片的回转面的垂直方向的风向偏差,所述第二传感器检测所述机舱与所述塔的相对角度,所述第三传感器检测所述塔距基准位置的偏航角度。
本发明的第六方案涉及一种浮体式风力发电装置的控制方法,所述浮体式风力发电装置具备驱动风车叶片而控制俯仰角的俯仰角控制部,并具有水平面与主轴之间的角度即倾斜角,其中,以使由第四传感器检测的信号成为规定范围内的角度的方式,通过控制各所述风车叶片的俯仰角的俯仰角指令值来控制所述俯仰角控制部,所述第四传感器检测相对于水平面的垂直轴与塔之间的角度即涡轮俯仰角,所述塔在上端具备机舱,所述机舱设有由多个风车叶片接受风力而回转的转子头。
本发明的第七方案涉及一种浮体式风力发电装置的控制程序,所述浮体式风力发电装置具备驱动风车叶片而控制俯仰角的俯仰角控制部,并具有水平面与主轴之间的角度即倾斜角,其中,以使由第四传感器检测的信号成为规定范围内的角度的方式,通过控制各所述风车叶片的俯仰角的俯仰角指令值来控制所述俯仰角控制部,所述第四传感器检测相对于水平面的垂直轴与塔之间的角度即涡轮俯仰角,所述塔在上端具备机舱,所述机舱设有由多个风车叶片接受风力而回转的转子头。
【发明效果】
根据本发明,起到对应于风向而能够高效地将风能转换成电能这样的效果。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式的浮体式风力发电装置的概略结构的图。
图2示出第一实施方式的浮体式风力发电装置的俯视图。
图3示出第一实施方式的控制装置的功能框图。
图4是第一实施方式的控制装置的动作流程。
图5是第一实施方式的控制装置的动作流程的接续。
图6是表示本发明的第二实施方式的浮体式风力发电装置的概略结构的图。
图7是用于说明倾斜角的图。
图8是第二实施方式的控制装置的动作流程。
具体实施方式
以下,关于本发明的控制装置及方法以及程序、具备该控制装置的浮体式风力发电装置的实施方式,参照附图进行说明。
〔第一实施方式〕
图1是表示本发明的第一实施方式的风车(浮体式风力发电装置)1的概略结构的图。
如图1所示,风车1具有浮在海面5的海洋上的浮体结构的基体11、设置在基体上的塔12、设置在塔12的上端的机舱13、能够绕着大致水平的轴线回转地设于机舱13的转子头14、偏航驱动装置17、俯仰角控制部18、风速风向计(第一传感器)16、第二传感器a、第三传感器b、控制装置10。而且,基体11经由系留索4而连接于海底3。在转子头14上绕着其回转轴线呈放射状地安装有3根风车叶片15。由此,从转子头14的回转轴线方向吹到风车叶片15的风的力被转换成使转子头14绕着回转轴线回转的动力,该动力由设于风车1的发电设备(图示略)转换成电能。而且,将通过风车叶片15绕着回转轴线回转的情况下的风车叶片15形成的面作为风车叶片15的回转面。
另外,在转子头14设有控制装置10,该控制装置10根据风况,使风车叶片15绕着风车叶片15的轴线回转来控制风车叶片15的俯仰角等,从而控制风车1的运转。在机舱13设有风速风向计16。风速风向计16测定风速和相对于风车叶片的回转面的垂直方向的风向偏差,并将测定结果向控制装置10输出。
另外,在塔12的与机舱13的连接部分上设有偏航驱动装置17。偏航驱动装置17基于从控制装置10取得的偏航驱动指令值,使机舱13偏航旋转。而且,俯仰角控制部18控制安装于转子头14的3根风车叶片15的各自的俯仰角。
需要说明的是,在本实施方式中,以设有3根风车叶片15的风车为例进行说明,但风车叶片15的根数并不局限于3根,也可以为2根的情况、或比3根多,没有特别限定。
第二传感器a检测机舱13与塔12的相对角度。
第三传感器b检测塔12的距基准位置的偏航角度。在本实施方式中,塔12设于基体11,因此第三传感器b检测基体11的距基准位置的偏航角度作为基体偏航角。
在此,图2示出本实施方式的风车1的俯视图。
在将图2的纸面右侧设为基体11的基准位置(基准方位)的情况下,检测距基准位置的基体11的偏移作为塔12距基准位置的基体偏航角z(第三传感器b)。而且,检测转子头14的回转轴与风向的偏差作为风向偏差x(风速风向计16)。机舱13与塔12的相对角度通过转子头14的回转轴与基体11的基准位置的偏差而被检测作为涡轮偏航角y(第二传感器a)。
如图3所示,控制装置10基于风向偏差x、涡轮偏航角y、基体偏航角z及风速的信息,来决定分别驱动3根风车叶片15的俯仰角指令值、偏航驱动指令值。具体而言,控制装置10以由风速风向计16检测的信号(风向偏差x)成为距风车叶片15的回转面的垂直方向成为规定范围内的角度的方式,通过基于由第二传感器a检测的信号(涡轮偏航角y)和由第三传感器b检测的信号(基体偏航角z)而算出的俯仰角指令值来控制俯仰角控制部18,并通过基于由第二传感器a和第三传感器b检测到的信号而算出的偏航驱动指令值来控制偏航驱动装置17。规定范围内的角度优选为风车叶片15距回转轴方向为0°附近的范围,更优选为回转轴方向(即,0°)。换言之,控制装置10输出使风车叶片15的回转面与风向正对的俯仰角指令值和使塔12朝向基准位置方向的偏航驱动指令值。
接着,关于本实施方式的风力发电系统1的作用,参照图1至图4进行说明。
当风从转子头14的回转轴线方向吹到风车叶片15时,通过风速风向计16来检测距回转轴的风向偏差x,向控制装置10输出(图4的步骤SA1)。通过第二传感器a,检测机舱13与塔12的相对角度作为涡轮偏航角y,向控制装置10输出(图4的步骤SA2)。通过第三传感器b,检测基体偏航角z,向控制装置10输出(图4的步骤SA3)。判定风向偏差x距风车叶片15的回转面的垂直方向(转子头14的回转轴方向)是否为大于规定范围A的角度(图4的步骤SA4),在判定为规定范围内的角度的情况下,输出使偏航驱动装置停止的偏航驱动装置停止指令(图5的步骤SA11),进入图5的步骤SA9。
在判定为风向偏差x距风车叶片15的回转面的垂直方向为比规定范围A大的角度的情况下,运算用于使风向偏差x为规定范围内的偏航方向的空气动力转矩指令(图4的步骤SA5)。而且,运算用于使风向偏差x为规定范围内的各风车叶片15的俯仰角指令值θ’(图4的步骤SA6)。将用于使风向偏差x为规定范围内的各风车叶片15的俯仰角指令值θ’的信息与根据基于风速、输出而决定的俯仰角目标值来决定的俯仰角指令值θt相加(图5的步骤SA7),决定驱动俯仰角控制部18的俯仰角指令值θ。
运算基于偏航方向的空气动力转矩指令而决定的偏航驱动装置17的偏航驱动指令值(例如,朝向、速度等)(图5的步骤SA8)。俯仰角指令值θ向俯仰角控制部18输出(图5的步骤SA9),偏航驱动指令值向偏航驱动装置17输出(图5的步骤SA10),结束本处理。
俯仰角控制部18基于俯仰角指令值θ来控制各风车叶片15的俯仰角,偏航驱动装置17基于偏航驱动指令值而使机舱13旋转。
如以上说明那样,根据本实施方式的控制装置10及方法以及程序、具备该控制装置的风车1(浮体式风力发电装置),以使通过检测相对于风车叶片15的回转面的垂直方向的风向偏差x的风速风向计16检测的信号成为风车叶片15的回转面的垂直方向(相对于回转轴的风向偏差0°)的方式,通过基于检测机舱13与塔12的相对角度即涡轮偏航角y的第二传感器a、检测塔12距基准位置的基体偏航角z的第三传感器b检测到的信号而算出的俯仰角指令值,来控制俯仰角控制部,通过基于由第二传感器a和第三传感器b检测到的信号而算出的偏航驱动指令值来控制偏航驱动装置。
这样,将基于偏航驱动装置的偏航控制与风车叶片15的俯仰角控制组合,产生偏航方向的回转转矩而进行风车叶片15的回转面的偏航角度控制。由此,即使在如浮体式风力发电装置那样塔12未固定于海底等,尽管通过偏航驱动装置进行偏航控制而塔12和基体11也旋转的情况下,也能够将风车叶片15的回转面与风向的偏差抑制得较小,能够高效地将风能转换成电能。
需要说明的是,在本实施方式中,说明了风车1的塔12设于基体11的情况,但没有限定于此,也可以适用于未设置基体11的桅杆型的浮体式风力发电装置。需要说明的是,桅杆型的浮体式风力发电装置具有伴随着偏航控制而塔12容易旋转的倾向,因此通过适用本发明,能够更可靠地使桅杆型的浮体式发电装置的风车叶片的回转面朝向风向。
〔第二实施方式〕
接着,关于本发明的第二实施方式,使用图6进行说明。
本实施方式的浮体式风力发电装置的控制装置在风车叶片具有倾斜角这一点上,与上述第一实施方式不同。以下,关于本实施方式的控制装置,对于与第一实施方式共通的点,省略说明,主要说明不同点。
图6示出本实施方式的风车(浮体式风力发电装置)1’的概略结构。
如图6所示,风车1’具有浮在海洋上的浮体结构的基体11、设置在基体上的塔12、设置在塔12的上端的机舱13、能够绕着大致水平的轴线回转地设于机舱13的转子头14、俯仰角控制部18、第四传感器d、控制装置10’。而且,基体11经由系留索4而连接于海底3。在转子头14上绕着其回转轴线呈放射状地安装有3根风车叶片15。由此,从转子头14的回转轴线方向吹到风车叶片15的风的力被转换成使转子头14绕着回转轴线回转的动力,该动力由设于风车1的发电设备(图示略)转换成电能。而且,将通过风车叶片15绕着回转轴线回转的情况下的风车叶片15而形成的面作为风车叶片15的回转面。如图7所示,本实施方式的风车1’具有水平面与转子头14的回转轴线之间的角度即倾斜角(例如,5度),以倾斜角的量而回转面朝上。
控制装置10’以使由检测相对于水平面的垂直轴与塔12的角度即涡轮俯仰角的第四传感器d检测的信号成为规定范围内的角度的方式,通过控制各风车叶片15的俯仰角的俯仰角指令值来控制俯仰角控制部18。规定范围的角度优选从相对于水平面的垂直轴向塔12的风车叶片15的回转面方向的涡轮俯仰角等于倾斜角,即,相当于转子头14的回转轴成为水平的情况。
接着,关于本实施方式的风力发电系统1的作用,参照图8进行说明。
当风从转子头14的回转轴线方向吹到风车叶片15时,通过第四传感器,检测相对于水平面的垂直轴与塔12的角度即涡轮俯仰角(图8的步骤SB1)。推定最高效地承受风的涡轮俯仰角与检测到的涡轮俯仰角的偏差即涡轮俯仰角偏差(图8的步骤SB2),进行涡轮俯仰角偏差的时间平均处理(图8的步骤SB3)。判定时间平均处理后的涡轮俯仰角偏差是否大于规定范围B(图8的步骤SB4),在判定为涡轮俯仰角偏差为规定范围以下的情况下,进入图8的步骤SB8。
在判定为涡轮俯仰角偏差大于规定范围B的情况下,运算用于使涡轮俯仰角偏差成为规定范围内的角度的俯仰方向的空气动力转矩指令(图8的步骤SB5)。而且,基于俯仰方向的空气动力转矩指令,运算各风车叶片15的俯仰角指令值θ’(图8的步骤SB6)。将用于使涡轮俯仰角偏差成为规定范围内的各风车叶片15的俯仰角指令值θ’的信息与根据基于风速、输出而决定的俯仰角目标值来决定的俯仰角指令值θt相加(图8的步骤SB7),决定驱动俯仰角控制部18的俯仰角指令值θ。俯仰角指令值θ向俯仰角控制部18输出(图8的步骤SB8),结束本处理。
如以上说明那样,根据本实施方式的控制装置10及方法以及程序、具备该控制装置10的风车(浮体式风力发电装置)1’,以使由检测相对于水平面的垂直轴与塔12的角度即涡轮俯仰角的第四传感器检测的信号成为规定范围内的角度的方式,通过俯仰角指令值控制各风车叶片15的俯仰角。
这样,独立地使风车叶片15的俯仰角变动,产生力矩,将风车叶片15的回转面与风向的偏差抑制得较小,由此能够高效地将风能转换成电能。
【标号说明】
1、1’ 风车
10、10’ 控制装置
16 风速风向计(第一传感器)
17 偏航驱动装置
18 俯仰角控制部
a 第二传感器
b 第三传感器
d 第四传感器

Claims (2)

1.一种浮体式风力发电装置的控制装置,所述浮体式风力发电装置具备驱动风车叶片而控制俯仰角的俯仰角控制部,并具有水平面与主轴之间的角度即倾斜角,其中,
以使由传感器检测的信号成为规定范围内的角度的方式,通过控制各所述风车叶片的俯仰角的俯仰角指令值来控制所述俯仰角控制部,所述传感器检测相对于水平面的垂直轴与塔之间的角度即涡轮俯仰角,所述塔在上端具备机舱,所述机舱设有由多个风车叶片接受风力而回转的转子头。
2.一种浮体式风力发电装置的控制方法,所述浮体式风力发电装置具备驱动风车叶片而控制俯仰角的俯仰角控制部,并具有水平面与主轴之间的角度即倾斜角,其中,
以使由传感器检测的信号成为规定范围内的角度的方式,通过控制各所述风车叶片的俯仰角的俯仰角指令值来控制所述俯仰角控制部,所述传感器检测相对于水平面的垂直轴与塔之间的角度即涡轮俯仰角,所述塔在上端具备机舱,所述机舱设有由多个风车叶片接受风力而回转的转子头。
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