JP2011080467A - 風力タービンの部品温度を制御するための方法、制御装置、風力タービンおよびコンピュータプログラム - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、風力タービン110の部品の温度を制御する方法に関する。
【解決手段】該方法は、風力タービン110の目標温度Tc,setを設定するステップと、部品101の実温度Tcを求めるステップと、設定した目標温度Tc,setと求めた実温度Tcとを比較するステップと、を備える。一実施形態では該方法は、設定した目標温度Tc,setと求めた実温度Tcとを比較した結果に基づいて、風力タービン110の出力電力Pを制御することにより、部品101の実温度Tcを制御するステップをさらに備える。
【選択図】図1
【解決手段】該方法は、風力タービン110の目標温度Tc,setを設定するステップと、部品101の実温度Tcを求めるステップと、設定した目標温度Tc,setと求めた実温度Tcとを比較するステップと、を備える。一実施形態では該方法は、設定した目標温度Tc,setと求めた実温度Tcとを比較した結果に基づいて、風力タービン110の出力電力Pを制御することにより、部品101の実温度Tcを制御するステップをさらに備える。
【選択図】図1
Description
本発明は、風力タービンの部品の温度を制御するための方法、風力タービンの部品の温度を制御するための制御装置、風力タービン、および、風力タービンの部品の温度を制御するためのコンピュータプログラムに関する。
電気機器、電力コンバータ、キーボックスなどの風力タービンの一般的な部品は、動作時に発生する熱を放散させるために冷却する必要がある。冷却システムは、予め設定した最大部品温度を下回る温度に冷却するために風力タービンの部品温度を維持する冷却電力を生成するよう設計されなければならない。
風力タービンの冷却システムの現在における実際の設計は、特別に設定される、例えば、35℃または40℃の最大可能周囲大気温度に基づく。冷却システムは、機械的および電気的損失の結果として生じる熱放散が最大となる最大電力出力においても、関連部品の温度を予め設定した最大部品温度より低く維持するよう設計される。
周囲大気温度か最大可能値を超えており、しかも、機械的および電気的損失の結果として生じる熱放散が最大となる最大電力出力でタービンが動作する場合、冷却システムは、予め設定した最大部品温度より低い値に部品温度を維持することができない場合がある。この状態では、適切な対応が必要となる。
EP1918581A2では、上記周囲大気温度を制御入力として用いている。周囲大気温度が最大可能周囲大気温度を超える場合、冷却を行って部品の過熱を防止するため、風力タービンは停止される。部品自体の温度や冷却システムの能力などの他のパラメータは考慮されない。
周囲大気温度以外にも、部品温度は、部品の生成した出力電力量、風速、冷却システムの冷却能力、塵埃や虫による冷却器の閉塞などの他の種々のパラメータによって影響される。従来の冷却システムでは、風力タービンの部品の適切な冷却のために、これらのパラメータは十分に考慮されていなかった。
本発明は、高温条件下で風力タービンの適切な電力出力を維持することを目的とする。
上記目的は、独立請求項にかかる、風力タービンの部品の温度を制御するための方法、風力タービンの部品の温度を制御するための方法、風力タービン、および、風力タービンの部品の温度を制御するためのコンピュータプログラムにより解決可能である。
本発明によれば、風力タービンの部品の温度を制御する方法が提供される。該方法は、風力タービンの部品の目標温度を設定するステップを備える。さらに、部品の実温度が求められる。設定した目標温度と求めた実温度とが互いに比較される。次いで、該方法によれば、部品の実温度は、部品の実温度が部品の目標温度未満に維持されるように、設定した目標温度と求めた実温度とを比較した結果に基づいて、風力タービンの出力電力を制御することにより制御される。
また、本発明によれば、風力タービンの部品温度を制御するための制御装置が提供される。制御装置は、風力タービンの部品の目標温度を設定するための入力部を備える。さらに、制御装置は、部品の実温度を求めるための決定部を備える。制御部はさらに設定した目標温度と求めた実温度とを比較するための比較部を備える。さらに、制御装置は、部品の実温度が部品の目標温度未満に維持されるように、設定した目標温度と求めた実温度とを比較した結果に基づいて、風力タービンの出力電力を制御することにより、部品の実温度を制御するための制御部を備える。
本発明の或る実施形態によれば、上記制御装置と部品とを備える風力タービンが提供される。
さらに、データプロセッサにより実行され、上記方法を制御するように構成される、風力タービンの部品の温度を制御するためのコンピュータプログラムが提供される。
上記方法により、風力タービンの部品の実温度を、場合により持続的に、測定し、予め設定した部品の目標温度と比較することが可能である。部品の実温度が目標温度に達し、または、これを超えたとき、実温度が設定温度未満に維持されるように、風力タービンの出力電力は低下される。部品温度は通常風力タービンの出力電力に関連するので、風力タービン、または特に部品自体の、出力電力を低下させたとき、部品の温度も低下させることができる。
したがって、本発明にかかる風力タービンの部品温度の制御は、周囲温度に依存しない。部品温度の制御は、部品温度に直接依存する場合がある。それゆえ、部品温度を入力パラメータとして制御に取り入れることにより、適切な制御方法を提供することができる。特に、部品温度は、電力生成、風速、冷却システムの冷却能力および/または塵埃や虫による冷却器の閉塞などの種々の他のパラメータの指標となる。
部品温度に応じた制御で、風力タービンの出力電力を低下させることにより、部品を有する風力タービンは、過酷な環境条件、例えば高い周囲温度に対処することができる。これは、部品の過熱を防ぐために、周囲温度が所定目標温度を超えたとき、または、部品温度限界を超えたとき、風力タービンの電力生成が停止する従来技術とは異なる。したがって、本発明にかかる上記制御システムにより制御される風力タービンは、高い周囲温度が存在する高温の場所に設置された場合でも、効率的に出力電力を産み出すことができる。従来のシステムでは、高い周囲温度が存在する場合、部品温度の制御が不可能なため、タービンは風速が高くても停止されなければならなかった。本発明によれば、電力生成は、部品温度に合わせることが可能であり、タービンは少なくとも低減された出力電力を生成するので、高温の場所でも風力エネルギを利用することができる。
本発明の他の実施形態によれば、風力タービンの最大可能出力電力を設定することができる。さらに、実出力電力が求められる。設定した可能出力電力、および、求めた実出力電力は、互いに比較される。実出力電力は、設定した可能出力電力と求められた実出力電力とを比較した結果を考慮することにより、最大可能出力電力未満に維持されるように、さらに制御可能である。このため、この実施形態によれば、出力電力は一方で部品の実温度に従って、他方で最大可能出力電力に従って制御可能である。よって、本発明の実施形態によれば、最大可能出力電力および部品の目標温度に対して効果的な電力生成をもたらす、総合的な制御システムが提供可能である。
本発明の他の実施形態によれば、部品は風力タービンの発電機およびギアボックスのいずれかから選択可能である。特に、発電に関わる部品、例えば発電機およびその従属部品例えば風力タービンのギアボックスでは、高い出力電力を生成するときに、部品温度が上昇する。よって、部品の実温度により出力電力を制御するとき、この制御は、風力タービンの発電機およびギアボックスの温度に関連する。
本発明の他の実施形態によれば、風力タービンの出力電力は、風力タービンのロータブレードのピッチングにより制御することができる。ロータブレードのピッチングとは、ロータブレードが、風力エネルギおよび機械的エネルギを変換するための第1の位置、または、風力エネルギがロータブレードによる機械的エネルギに変換されない、風がロータブレードを通過する第2の位置に回転するように、アクチュエータによりロータブレードをロータブレードの縦軸を中心として回転させることを意味する。これは、付加的な摩擦ブレーキ機構などを必要とすることのない、効果的な出力電力制御となる。さらに、ロータブレードのピッチングにより、出力電力の正確な制御が実現可能であり、よって、部品温度の正確な制御が実現可能である。
本発明の他の実施形態によれば、部品の動作を制御するための電力制御信号が生成されてもよい。電力制御信号は、求めた実温度と設定した目標温度とを比較した結果を表す。電力制御信号は、特に、部品の電力生成を制御するための制御値を含む。例えば、電力制御信号は、0〜1の範囲の値が可能であり、ここで0の値は部品の電力生成の停止をもたらし、1の値は部品の最大の電力生成をもたらす。例えば、値0.1または0.2の値は部品の10%または20%の電力生成をもたらす。電力制御信号の値は、実温度と目標温度との比較により設定可能である。特に、部品の実温度が目標温度を超えるとき、電力制御信号はその値を1から0.9まで変化させ、出力電力の90%だけが部品により生成されるようにする。90%の電力生成が部品の実温度を目標温度未満に低下させるのに十分であれば、電力制御信号は0.9に維持される。部品の実温度が依然として目標温度を超えるのであれば、電力制御信号は再度低下され、部品の実温度が目標温度未満まで低下するように電力制御信号の値が設定される。このため、出力電力の制御された低下が実現され、部品温度に関して最大出力電力が常に生成されるように、最大可能値が定められる。このとき、部品の実温度は目標温度以下である。従来のシステムでは、例えば周囲温度が再び所定目標温度未満まで低下するまで、部品の出力電力は0へ低下される。これは、電力生成の無駄を生じる。一方、本発明によれば高い周囲温度および部品温度においても電力生成は少なくとも低下した電力生成で未だ可能である。
本発明の他の実施形態によれば、風力タービンの出力電力は、部品の実温度が所定期間内に目標温度と異なったとき、例えば、異なった時はじめて、制御される。本実施形態によれば、部品の実温度は所定期間の間に、所定の目標温度を超えるか、または、下回る。例えば、風速は急速に変化した場合には、部品の出力電力も同様に急速に変化し、よって、部品の温度も急速に変化し、揺らぐ。よって、部品温度が短い期間しか目標温度を超えない場合、例えば過熱に起因する部品の損傷が部品の寿命または品質に大きく影響しないので、部品温度を下げるために部品の出力電力を低下させる必要がない場合がある。つまり、出力電力の制御および低減を急いで行う必要はない。特に、所定期間内に部品温度が再び目標電圧に適合する場合があるので、出力電力の急速な変化は必要ではない場合がある。所定の待機時間を設ければ、全体の電力生成は制御システムによりほとんど影響されない、出力電力の不必要な変化を低減できる。
本発明の他の実施形態によれば、目標温度は部品の最大可能温度から所定の安全温度値を減算することにより設定される。部品の最大可能温度は、この温度を超えたときに部品の故障、すなわち、風力タービンの故障をもたらしうる温度として設定される。目標温度を、部品の最大可能温度に対して所定の安全温度値だけ差を有する温度未満に設定すると、過熱のリスクは低減される。
本発明の他の実施形態によれば、部品の実温度の制御は、冷却制御信号による冷却システムの冷却電力の制御を含む。冷却制御信号は、部品の実温度の指標となる。本発明の実施形態によれば、出力電力ならびに冷却電力を制御して部品を冷却することができる。従って、部品の実温度の指標となる冷却制御信号が得られる。例えば、冷却制御信号は0と1の間の値に設定され、値0は冷却システムの停止を定義し、値1は冷却システムの最大冷却能力での動作を定義する。例えば、冷却制御信号が0.1の場合、10%の冷却電力が生成される。
本発明の他の実施形態によれば、部品の実温度の測定は、冷却システムの冷却流体の温度を測定するステップを含み、冷却流体の温度は部品の実温度の指標となる。冷却流体は通常冷却回路を、冷却すべき部品および熱交換機へと流れる。冷却流体が部品を通過するとき、熱は冷却流体により吸収され、部品は冷却される。熱交換機を通過するとき、冷却流体は再度冷却される。部品を通過した後の冷却流体の温度から、部品温度を測定することができる。部品が熱せられるほど、冷却流体が熱せられる。冷却流体の温度を測定することにより、各部品に温度センサを設ける必要は無くなる。さらに、冷却巡路が冷却すべき複数の部品の間を巡っている場合、部品を通過した後の冷却流体の温度は、各部品の平均温度表すものとすることができる。
本発明の他の実施形態によれば、冷却システムの冷却電力の制御は、最大冷却能力に達するまで、冷却制御信号により行われる。冷却システムが最大冷却能力で動作する場合、および/または、部品の実温度が所定温度値を超える場合、風力タービンの出力電力の制御が行われる。よって、2段階の冷却レベルを有する合理的な冷却システムが提供される。第1のレベルでは、周囲温度が変化し、特に上昇する場合でも、電力出力は一定であり、冷却システムは冷却電力または冷却制御信号を制御するだけで、部品を冷却することができる。最大出力電力に達し、周囲温度が高く、部品温度が所定温度値、例えば部品の目標温度を超えるときは、部品の実温度が、冷却システムでの冷却に加えてまたはその代わりに、部品の出力電力の制御により維持される。よって、適切な冷却電力を提供するための、および、同時に部品温度に関して可能な最大出力電力を提供するための、異なる動作レベルに適合する、柔軟な冷却および制御システムが提供される。
本発明の他の実施形態によれば、最大冷却電力に達するまで、冷却制御信号により冷却システムを冷却する冷却電力を制御することにより、部品の実温度は一定に維持される。次いで、冷却システムが最大冷却電力で動作する場合、部品の実温度は風力タービンの出力電力を制御することにより、一定に維持される。材料の疲労をもたらしうる、変化熱膨張が発生しないため、部品温度を一定に維持することは部品の寿命を延ばす。部品の温度を一定に維持するため、部品温度に関して冷却システムおよび冷却電力を制御するサーモスタットが提供される。
まとめると、本発明によれば、部品、例えば、ギアボックスまたは発電機の温度が設定した最大動作温度限界に達している状態で、風力タービンを動作させることが可能となる。これは冷却システムが最大能力で動作し、周囲温度が高い状況下で動作しているときに起こりうる。設定した目標温度以下に部品の温度を維持するため、風力タービンを停止する代わりに風力タービンの出力電力が低下される。
このような状況は高い周囲温度および高い風力が同時に存在する場所で容易に起こりうる。大きい冷却システムの重量、大きさおよびコストのため、あらゆる周囲温度に対処することは可能ではない。よって、本発明にかかる温度制御方法および装置を用いることにより、高い周囲温度および高い風速が同時に存在する場合でさえも、タービンを、少なくとも低下した出力電力生成の下で、動作させることが可能となる。従来の温度制御システムでは、周囲温度が設定温度を超えるとき、風力タービンは停止されなければならない場合があり、停止の結果、停止期間における出力電力生成全損失がもたらされる。本実施の形態にかかる制御システムによれば、タービンを少なくとも最低の電力生成で動作をさせ続けることができる。
さらに、本発明によれば、冷却システムをその場所の最高温度未満の周囲温度に設計することにより、冷却システムの大きさを大幅に低減でき、コスト的に最適な風力タービンおよび冷却システムを設計することが可能となる。その一方で、制御によってタービンの出力電力を低下させることにより、部品、例えば発電機、ギアボックスの温度を制御することができるため、冷却システムはさらに極端な温度に対処することができる。換言すれば、部品の冷却は、冷却システムの制御だけでなく、電力生成の制御によっても行われる。
さらに、分析によれば、暑い場所に設置されたタービンが、1つの季節の比較的短い期間、高温および高い風速が同時に重なった状態で動作し、大きくかつコストのかかる冷却システムが不要となり、温度の高い季節の間の出力電力の制御がより効率的となる。
現代の風力タービンにおける電力生成部品、特に、発電機およびギアボックスは、数トンの重量を有する大きな部品であり、熱時定数は比較的長く、発電機の温度上昇に対処する機会がある。部品の温度を測定することにより、部品の温度が最大動作温度、例えば目標温度に達する前に、周囲温度が低下し、または、風が穏やかになれば、長い時定数、例えば、上記の予め設定した期間の利点が得られる。このように、風力タービンの出力電力を低下させることが必要となるまで、長い時定数、すなわち設定した期間が待たれ、これは部品の温度自体が測定される場合にのみ可能である。EP1918581A2に記載された周囲温度のみを測定することと比べると、公報記載のやり方で部品温度は制御システムの入力パラメータではないので、上記のようなことは不可能である。
さらに、本発明の実施形態によれば、将来の天候変化をも考慮に入れることができる。今日、タービンは、20年の寿命で通常設計されるが、大きな温度変化が季節ごとに観察される事実から、今日の天候変化から、その場所の将来の温度、特に周囲温度、風速を予測することは困難である。この点において、20年は長い時間である。世界のある地域では、熱く、乾燥し、風の強い期間がより多くなっているが、本発明にかかる制御方法を用いるタービンは、これらの変化、特に、周囲温度の変化に耐えることができる。なぜなら、冷却システムが小型にデザインされ、かつ、その最大冷却能力で動作している場合であっても、部品温度が制御可能であるためである。例えば、従来の風力タービンでは、周囲温度が過度に低く設定されている場合、周囲温度が常に設定した周囲温度を超えるために風力タービンがしばしば停止するので、20年後には従来の風力タービンは1年のうちの長期間動作せず、長期間停止することとなる。
さらに、本発明によれば、虫、塵埃等によるフィルタの閉塞により冷却システムの能力が劣化した場合でも、風力タービンを動作することができる。これは、部品自体の温度を制御のための入力として用い、出力電力の制御により冷却システム以外の部品温度を制御する場合にのみ可能である。フィルタが閉塞された場合、冷却システムの能力が低下してもタービンを動作させ続けることができる。
風力タービンの動作場所の統計的分析によれば、1年間に比較的短期間ではあるが、タービンが高温かつ高い風速で同時に動作しなければならないことが示される。それ故、本方法を用いることの利点は、冷却システムの必要とされる冷却力を低下させて、タービンのコストを低減するか、または、過大な冷却システムを必要とすることなしに、部品温度に関して出力電力を適合化して、年間のエネルギ生成量を増大させることによって、用いられる。
本明細書中、コンピュータプログラムについての参照は、上述した方法の実行に調和するためのコンピュータシステムを制御するための指示を含むプログラム要素および/またはコンピュータ読み取り可能な媒体の参照と同等であると意図される。
コンピュータプログラムは、例えば、JAVA、C++のような任意の適したプログラム言語のコンピュータ読み取り可能な指示コードとして組み込まれてもよく、コンピュータ読み取り可能な媒体(リムーバブルディスク、揮発性または不揮発性メモリ、組込メモリ/プロセッサ等)に格納されていてもよい。指示コードは、コンピュータまたは意図された機能を実行するための任意の他のプログラム可能な装置のプログラムに動作可能である。コンピュータプログラムは、World Wide Webなどの、ダウンロード可能なネットワークから、入手可能であってもよい。
本発明は、コンピュータプログラムソフトウェアにより実現されてもよい。しかし、本発明は、1または複数の特定の電子回路ハードウェアにより実現されてもよい。さらに、本発明は、ハイブリッドの形態、すなわち、ソフトウェアモジュールとハードウェアモジュールの組み合わせにより実現されてもよい。
本発明の実施形態は、異なる対象について記載されたものであることは留意すべきである。特に、ある実施形態は装置型の請求項を参照して記載され、他の実施形態は方法型の請求項を参照して記載される。しかし、当業者は、上記および以下の記載から、他に指摘しない限り、一方の型の対象に属する特徴の任意の組み合わせだけでなく、異なる対象に関連する特徴の任意の組み合わせ、特に、本願に開示されると考えられる、装置型の請求項の特徴と方法型の請求項の特徴との組み合わせから理解するであろう。
本発明の上記実施態様および他の態様は、以下に示す実施例から明らかとなり、実施例を参照して説明される。本発明は、実施例を参照して以降詳細に説明されるが、本発明はこれに限定されない。
図面中の表示は概略的なものである。異なる図面中、同様または同一の要素には同一の参照符号が付される。
図1は、風力タービン110の概略構成図を示す。風力タービン110は、風力タービン110の部品101の温度を制御するための制御装置100を備える。制御装置100は、風力タービン110の部品101の目標温度Tc,setを設定するための入力部111を備える。制御装置100は、部品101の実温度Tcを求めるための決定部112を備える。制御装置100は、設定された目標温度Tc,setと求められた実温度Tcとを比較する比較部113を備える。制御装置100は、設定された目標温度Tc,setと求められた実温度Tcとを比較した結果に基づいて風力タービン110の出力電力Pを制御することにより、部品101の実温度Tcが部品101の目標温度Tc,set未満か、または、当該温度に一定に維持されるように、部品101の実温度Tcを制御する制御部114を備える。
図1に示すように、部品コントローラ102は、部品101の設定された目標温度Tc,setおよび実温度Tcを入力パラメータとして受け取る。部品101の実温度Tcは、風力タービン110の出力電力Pを制御することにより、部品101の目標温度Tc,set未満に部品101の実温度Tcが維持されるよう、制御可能である。図1からわかるように、例えば、部品101の設定された目標温度Tc,setと実温度Tcとを比較することにより、部品101の動作、ひいては、部品101の温度を制御するため、部品コントローラ102は電力制御信号uPを出力する。
部品101は、例えば、風力タービン110の発電機、風力タービン110のギアボックス、または、発電が部品温度に影響する他の部品を含んでよい。図1に示すように、風速Vおよび周囲温度Taは、部品101の温度Tcに対して直接に、または電力生成による温度変化に起因して間接に、影響する。また、他のパラメータ、例えば、塵埃や、冷却器を閉塞する他の閉塞要素が、部品101の実温度Tcに影響しうる。
また、図1に示すように、冷却システム103は冷却コントローラ104により制御されるように設けられていてもよい。冷却システム103は、部品101の実温度Tcを下げるための、設定された冷却電力Qを提供することができる。
冷却システム103の冷却電力Qは、以下の式により設定される。
Q=UA・(Tc−Ta)
式中、UAは冷却システムの熱容量、Tcは部品温度、Taは周囲大気または他の冷媒の周囲温度を示す。
Q=UA・(Tc−Ta)
式中、UAは冷却システムの熱容量、Tcは部品温度、Taは周囲大気または他の冷媒の周囲温度を示す。
風力タービン110の従来の冷却システムは、典型的には35℃から40℃の範囲の、所定の最大可能周囲温度Taに基づいて設計される。
全負荷で動作するタービン110のため、所定の最大可能周囲温度Ta,maxを考慮して最大冷却電力Qmaxが設定される。この入力パラメータからは以下の式に示されるような冷却システムの大きな必要熱容量UAが導出される。
UA=Q/(Tc−Ta)
したがって、所定の高い周囲温度および高い必要冷却電力Qのため、大きなサイズの冷却システム103を設ける必要があり、冷却システム103の投資コストは、周囲温度Taが部品温度Tcに近いときに特に高いものとなる。
UA=Q/(Tc−Ta)
したがって、所定の高い周囲温度および高い必要冷却電力Qのため、大きなサイズの冷却システム103を設ける必要があり、冷却システム103の投資コストは、周囲温度Taが部品温度Tcに近いときに特に高いものとなる。
さらに、より高効率の風力タービン110を実現するため、部品101の温度Tcをできるだけ低く維持し、発電機などの部品中の電気コンダクタの電流損失などの損失を低くすべきである。また、永久磁石を有する現代の発電機については、磁石温度は高効率のために、低く維持されるべきであり、典型的には磁石温度は60℃から80℃のTc,maxを超えるべきではない。よって、今日、Tc−Taにより設定される温度ギャップは低いものが求められている。
したがって、大きなラジエータを有する大きな冷却システムが求められており、大きな冷却システムを風力タービン110のナセルに設置しなければならず、このことは、風力タービン110のコストを増大させる。
第1の例では、最大周囲温度Ta,maxは35℃に設定され、最大部品温度Tc,maxまたは目標温度Tc,setは60℃に設定される。第2の例では、設定される最大周囲温度Ta,maxは35℃から40℃に上昇するので、冷却システム103の必要な熱容量UAを25%増大しなければならない。
(Tc,max1−Ta,max1):(Tc,max2−Ta,max2)=(60−35):(60−40)=1.25=25%
(Tc,max1−Ta,max1):(Tc,max2−Ta,max2)=(60−35):(60−40)=1.25=25%
これまで、上述の問題を解決するために、高い最大冷却電力Qmaxが得られるよう、比較的大きな冷却システム103を用いていた。部品101の温度Tcは、例えば出力電力P、風速V、冷却電力Q、周囲温度Ta、周囲大気圧または塵埃や虫による冷却システム103の冷却器の閉塞に依存している。
冷却システム103の設計段階において、冷却システム103の熱容量UAは下記式により設定される。
UA=Qmax/(Tc,max−Ta,max)
式中、最大冷却電力Qmaxは、最大可能出力電力Pmaxおよび所定の最大周囲温度Ta,maxのもとにおける、通常は全負荷での最大必要冷却容量を定義する。
UA=Qmax/(Tc,max−Ta,max)
式中、最大冷却電力Qmaxは、最大可能出力電力Pmaxおよび所定の最大周囲温度Ta,maxのもとにおける、通常は全負荷での最大必要冷却容量を定義する。
安全のため、実用上は、部品の温度が所定制限を超えると、すなわち、Tc>Tc,maxの場合には、風力タービン110は停止される。
これは特に、周囲温度Taが高く同時に風力タービン110が全負荷で、例えば、大きい風速Vで動作している場合に発生することがある。その場合、風力タービン110が高い周囲温度Taのため、停止される。
周囲温度Taからは、部品101の温度Tc、冷却システム103の冷却電力Qの容量、さらには部品101の熱時定数、すなわち、特定の周囲温度Taのもとで部品101が加熱冷却されるのにかかる時間について何も示されないにもかかわらず、従来の冷却方法によれば、周囲大気温度Taだけが風力タービン110を停止するための基準として考慮されている。
図2は、冷却プロセスを示す図である。冷却制御信号uQが一方の軸に0〜1の間の値で設定される。値0は冷却システム103が停止している状態を表し、値1は冷却システム103が最大冷却電力Qmaxで動作している状態を表している。冷却システム103は、所定の部品温度Tc1が測定されたときに冷却電力Qを発生するよう動作開始する。温度Tc2にて、冷却システム103の最大冷却電力Qmaxが生成され、冷却制御信号uQは値1を有する。部品の実温度Tcが最大可能部品温度Tc,maxまでさらに上昇する場合には、タービン110は故障しており、停止させる必要がある。
図3は本発明の実施例にかかる冷却プロセスの例を示す。所定の部品温度Tc2に達したとき、冷却システム103の最大冷却電力Qmaxが必要とされる。本発明によれば、部品101の所定の目標温度Tc,setが設定される。出力電力Pは制御可能であり、特に、部品101の温度Tcが所定の目標温度Tc,set未満となるまで低減される。
部品101の故障を引き起こしうる最大可能部品温度Tc,maxの超過を防ぐため、部品101の目標温度Tc,setは、部品101の最大可能部品温度Tc,max未満の所定の値に設定される。よって、目標温度Tc,setは下記式により定義される。
Tc,set=Tc,max−dTc,s
式中、dTc,sは所定の安全温度値に設定され、目標温度Tc,setは、最大可能部品温度Tc,max未満の所定値に設定される。
Tc,set=Tc,max−dTc,s
式中、dTc,sは所定の安全温度値に設定され、目標温度Tc,setは、最大可能部品温度Tc,max未満の所定値に設定される。
安全温度値dTc,sは例えば、10℃、5℃、または、2℃〜4℃に設定することができる。
図4は、本発明にかかる冷却過程の実施例の概略図である。図4に示されるように、所定の目標温度Tc,setが設定され、部品の実温度Tcと比較される。この比較に基づいて、部品コントローラ102は、部品101を制御する、特に、部品101の出力電力Pを制御する電力制御信号uPを生成する。電力制御信号uPは、0から1の値に設定される。値0は出力電力Pが生成されないことを示し、値1は100%の出力電力Pmaxを示す。続いて、部品温度Tcがさらに測定され、再び、目標温度Tc,setと比較される。部品温度が例えば目標温度Tc,set未満まで下がっていれば、部品コントローラ102は部品101の出力電力Pを増大させることができる。さらなる測定サイクルにおいて、部品の実温度Tcが、再度、目標温度Tc,setと比較され、別の電力制御信号uPが部品コントローラ102により生成される。従って、出力電力Pの電力生成は、持続的に部材の実温度Tcに適合化され、これにより、最大可能部品温度Tc,maxまたは目標温度Tc,setの値を超過することなく最適な出力電力Pが常に生成される。換言すれば、部品101の温度を常に制御する本方法により、風力タービン110の電力生成を完全に停止することのない、最適な電力生成の達成が可能である。
従来のシステムと比べ、本発明によれば、高い周囲温度Taおよび高い出力電力Pの生成が同時に発生する場合に、電力生成がわずかに低下するのみで、最大可能部品温度Tc,maxは超過されない。
従来のシステムでは、高い環境温度Ta、高い電力生成のため、周囲温度Taが所定値未満に低下するまで、タービン110は停止されてしまう。
本発明によれば、部品温度Tcは出力電力Pにより制御される。出力電力Pの小さな電力低下だけで、比較的大きい部品温度Tcの低下が得られることが、計算により示された。
特に、風力タービン110は非常に動的な外部環境、例えば、周囲温度Taおよび風速Vの下で動作する。さらに、各部品101は、部品101が周囲温度Taに適合する速さを表す、熱時定数を有する。換言すれば、熱時定数は、部品101がどれだけ早く加熱冷却するかの速度を表す。よって、本方法が、出力電力Pの制御が開始されるまで、部品の実温度Tcが所定の目標温度Tc,setを超えるかまたは異なることを許容する期間が、所定期間として設定される。
図5は風力タービン110の冷却過程における4つの状態の例を示す。状態1では、部品温度Tcは、出力電力Pが低く、冷却システム103が停止している間に測定される。部品温度Tcが設定された第1の部品温度Tc1を超えた場合、冷却システム103が起動される。状態2では、低程度から中程度の電力生成があり、このとき、冷却電力Qは部品温度Tcに応じて変化する。部品温度Tcが所定期間dTc1の間、第1の部品温度Tc1を下回る場合、冷却システム103は再度停止される。冷却システム103の必要供給電圧Uが最大供給電圧Ucmaxよりも高くなったとき、状態3が始まる。状態3では、冷却システム103は最大冷却電力Qmaxに達するまで冷却電力Qを生成する。システムの最大冷却電力Qmaxに達し、出力電力Pが高く、かつ、部品温度Tcが所定の第2の部品温度Tc2を超える状態となった場合、状態4が始まる。
状態4では、最大冷却電力Qmaxが生成され、部品の冷却は出力電力Pの調整により制御される。
従来の風力タービン110においては、部品を冷却すべく、状態4で風力タービン110は停止される。ここで、部品の停止は周囲温度Taに依存する。
本発明によれば、状態4では、部品温度Tcが測定され、出力電力Pが部品温度Tcに関して調整される。部品温度Tcが所定期間dTc2の間、第2の部品温度Tc2を下回る場合、状態3の過程が再度始まる。出力電力Pを制御しても部品温度Tcが最大可能部品温度Tc,maxを超える場合、風力タービン110は過熱を防ぐため停止される。
100 制御装置、 101 部品、 102 部品コントローラ、 103 冷却システム、 104 冷却システムコントローラ、 110 風力タービン、 111 入力部、 112 決定部、 113 比較部、114 制御部
Claims (14)
- 風力タービン(110)の部品(101)の目標温度(Tc,set)を設定するステップと、
前記部品(101)の実温度(Tc)を求めるステップと、
設定した前記目標温度(Tc,set)と求めた前記実温度(Tc)とを比較するステップと、
設定した前記目標温度(Tc,set)と求めた前記実温度(Tc)とを比較した結果に基づいて、前記風力タービン(110)の出力電力(P)を制御することにより前記部品(101)の実温度(Tc)を制御するステップと、
を備える、ことを特徴とする風力タービン(110)の部品(101)の温度を制御する方法。 - 前記風力タービン(110)の最大可能出力電力(P,max)を設定するステップと、
実出力電力(P)を求めるステップと、
設定した前記最大可能出力電力(P,max)と求めた前記実出力電力(P)とを比較するステップと、を備え、
前記実出力電力(P)を制御するステップは、設定した前記最大可能出力電力(P,max)と求めた前記実出力電力(P)とを比較した結果を考慮するステップをさらに備える、ことを特徴とする請求項1記載の方法。 - 前記部品(101)は、前記風力タービン(110)の発電機、および、前記風力タービン(110)のギアボックスのいずれかから選択される、ことを特徴とする請求項1または2記載の方法。
- 前記風力タービン(110)の前記出力電力(P)を制御するステップは、前記風力タービン(110)のロータブレードのピッチングを調整するステップを備える、ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載の方法。
- 前記風力タービン(110)の前記出力電力(P)を制御するステップは、前記部品(101)の動作を制御するための電力制御信号(uP)を生成するステップを備え、
前記電力制御信号(uP)は、求められた前記実温度(Tc)と設定された前記目標温度(Tc,set)とを比較した結果を表す、ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項記載の方法。 - 前記風力タービン(110)の前記出力電力(P)を制御するステップは、前記実温度(Tc)が設定した前記目標温度(Tc,set)と所定期間にわたって異なるときに行われる、ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項記載の方法。
- 前記目標温度(Tc,set)は、最大可能部品(101)温度(Tmax)から所定の安全温度値(dTc,s)を減算した値に設定される、ことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項記載の方法。
- 前記部品(101)の前記実温度を制御するステップは、冷却制御信号(uQ)により冷却システム(103)の冷却電力(Q)を制御するステップをさらに備え、
前記冷却制御信号(uQ)は、前記部品(101)の前記実温度(Tc)を表す、ことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項記載の方法。 - 前記部品(101)の前記実温度(Tc)を求めるステップは、前記冷却システム(103)の冷却流体温度を測定するステップを備え、
前記冷却流体温度は、前記部品(101)の前記実温度(Tc)を表す、ことを特徴とする請求項8記載の方法。 - 前記冷却制御信号(uQ)により前記冷却システム(103)の冷却電力(Q)を制御するステップは、最大冷却電力(Q,max)に達するまで行われ、
前記風力タービン(110)の前記出力電力(P)を制御するステップは、前記冷却システム(103)が最大冷却電力(Q,max)で動作するときに行われる、ことを特徴とする請求項7乃至9のいずれか1項記載の方法。 - 前記部品(101)の前記実温度(Tc)は、前記冷却制御信号(uQ)により前記冷却システム(103)の前記冷却電力(Q)を制御することにより最大冷却電力(Q,max)に達するまで一定に維持され、
前記部品(101)の前記実温度(Tc)は、前記冷却システム(103)が最大冷却電力(Q,max)で動作するとき、前記風力タービン(110)の出力電力(P)を制御することにより、一定に維持される、ことを特徴とする請求項10記載の方法。 - 風力タービン(110)の部品(101)の目標温度(Tc,set)を設定するための入力部(111)と、
前記部品(101)の実温度(Tc)を求めるための決定部(112)と、
設定した前記目標温度(Tc,set)と求めた前記実温度(Tc)とを比較するための比較部(113)と、
設定した前記目標温度(Tc,set)と求めた前記実温度(Tc)とを比較した結果に基づいて、前記風力タービン(110)の出力電力(P)を制御することにより、前記部品(101)の実温度(Tc)を制御するための制御部(114)と、
を備えることを特徴とする、風力タービン(110)の部品(101)温度を制御するための制御装置。 - 請求項12記載の制御装置と、
部品(101)と、を備え、
前記制御装置は、前記部品(101)の温度を制御するように構成されている、
ことを特徴とする風力タービン(110)。 - コンピュータに、請求項1乃至11のいずれか1項に記載の方法を実行させるためのコンピュータプログラム。
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