JP2020513492A - 風力発電設備の制御方法および関連する風力発電設備 - Google Patents

風力発電設備の制御方法および関連する風力発電設備 Download PDF

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Abstract

本発明は、風力発電設備（１００）の制御方法、関連する風力発電設備（１００）、および多数の風力発電設備（１００）を有する風力発電所に関する。上記方法は、風力発電設備（１００）の風測定装置によって決定される風速（３５０）および入射流（３２０）の方向を提供するステップと、風速（３５０）に応じて入射流（３２０）の方向の補正値（３３０）を提供するステップと、風速に応じた補正値（３３０）の学習プロセスを実行するステップとを備えている。学習プロセスは、いくつかの最適化ステップ（２００）を含み、最適化ステップの実行は、与えられた風速に対して既に実行された最適化ステップに依存する。本発明は、風の追跡の改善を可能にする。【選択図】図２

Description

本発明は、風力発電設備の制御方法および制御モジュールを有する風力発電設備、風力発電所に関する。
風力発電設備のナセルの領域における風速および入射流の方向を決定するために設けられる風速計または同様の装置に基づいて、風力発電設備を制御することが知られている。風力発電設備、特に、風力発電設備の方位角位置は、風記録装置の入射流の方向が卓越風速の関連値に対応するように制御される。制御の目的は、記録された入射流の方向に基づいて風力発電設備の可能な限り最良のアライメントを得ることであって、測定された入射流の方向は、特に、風速に依存する補正項によって補正される。
このような風向き補正テーブルは、これまで並んで配置された風測定マストを備えた風力発電設備の試作品において決定され、そして、一連の風力発電設備の残りの部分に転送されてきた。両方の設備も、制約のない流れにさらされており、風力発電設備が風の中に正しくなるように風向き補正テーブルが決定される。
風力発電所における風力発電設備の場合、特に、風測定装置の取り付け中に取り付けの不正確さが発生し、それは、例えば、ナセル上に取り付けられた際に数度だけ歪むことがある。風測定装置のこの位置ずれは、風の方向を追跡するための制御装置に直接伝達され、その結果、設備ごとに個別に決定されなければならず、対応する補正値は、手動で記録および更新されなければならない。
さらに、特に、例えば、トレーリングエッジセグメントを有するロータブレードの設計によって、ナセルと風速計との間で入射流の方向に差があり、これも同様に補正されなければならない。
設置ごとに風向き補正テーブルの誤差を手動で決定するため、取り付けおよび保守には多大な労力が必要であり、誤った決定に対する相当な影響を受けてしまう。
このような背景に対して、本発明の目的は、改善された風の追跡を可能にする風力発電設備の制御方法および関連する風力発電設備を提供することであった。
本発明によれば、風力発電設備の制御方法が提供される。この方法は、風力発電設備の風測定装置によって決定される風速および入射流の方向を提供すること、風速に応じて入射流の方向の補正値を提供すること、および風速に応じて入射流の方向の補正値を学習するプロセスを実行することを含む。学習プロセスは、いくつかの最適化ステップを含み、最適化ステップの実行は、与えられた風速に対して既に実行された最適化ステップに依存する。
方位角の移動および風力発電装置のタワーの制御には、補正値によって修正された入射流の方向の補正値または入射流の方向が使用されることが好ましい。入射流の方向の補正値によって、風速に依存して、風力発電設備は、常に最適に風の中にあることが保証される。制御の実際的な実施において、例えば、方位角の追跡の磨耗のようなさらなる境界条件も、当然、考慮に入れられなければならない。
結果として、本発明に係る方法は、補正値の決定が必要とされることなく、個々の風力発電設備の風向き補正テーブルを学習プロセスによって少しずつ学習するために適している。学習プロセスまたは最適化ステップの実行は、与えられた風速に対して既に実行された最適化ステップに依存するため、その方法が初期補正値を決定することが可能であって、風力発電設備の１つまたは複数の補正値が安定している間、定義可能な学習段階の後で、風力発電設備を恒久的に動作させるのに適している。
一実施形態では、補正値は、風力発電設備の特定の動作ポイントに対して決定されるであろう。一実施形態では、入射流の方向の補正値は、結果として、風力発電設備の動作ポイントに応じて提供される。そして、特定の動作ポイントについて、学習プロセスの最適化ステップがすでにいくつ実行されたかを確認することができる。特定の動作ポイントに対して、既にいくつの最適化ステップが実行されているかに応じて、さらに最適化ステップの実行が行われる。
一実施形態では、風速に対して実行される２つの最適化ステップ間の期間は、実行される最適化ステップの数につれて増加する。学習プロセスの開始時には、風速または好ましくは特定の動作ポイントに対して利用可能なデータはない、あるいはごくわずかなデータしかない。利用可能なデータが多いほど、特定の風速または特定の動作ポイントに対する補正値はより正確になる。実行された最適化ステップの頻度を、既に実行された多数の最適化ステップにつれて減少させることは相応して十分である。各最適化ステップは、電力低下を伴う風力発電設備の方位角調整を含むことが好ましい。既に述べたように、方位角調整の頻度を許容レベルに維持することも望ましい。例えば、慣らし運転段階の間、最適化ステップが数分ごとに実行されてもよい。インストールが開始されると、例えば、１時間に１回実行する等、頻度を減らすことができる。最適化ステップを１時間ごとに実行することは、いかなる場合でも実行される風追跡を実行するプロセス内では邪魔にならず、風力発電設備の寿命全体を通して摩耗を増大させることなく実行することができる。プロセスを完全に終了させることなく周波数を単に減少させることによって、後の時点で生じる変化も考慮に入れることができ、風力発電設備は常に風追従の最適な補正で運転される。
一実施形態では、補正値が風力発電設備の方位角位置を制御するために測定された入射流の方向を補正する。
一実施形態では、各最適化ステップは、方位角を最初に一方向にそして次にその他の方向に変化させることを含む。方位角の変化は、ナセルの回転、例えば、左右への回転に対応することが好ましい。一実施形態では、風力発電設備は、最初に、例えば、左に５°、次に、右に５°だけ補正される。言うまでもなく、最初に左へ、次に右へ、そして例として挙げられた５°も、好ましい実施形態として理解され、当業者はまた、他の順序および大きさのバリエーションも考慮に入れるべきである。
好ましくは、一方向への変更後とその他方方向への変更後の両方で、最適化パラメータが比較され、最適化パラメータの変更が変化と対称的になるまで、補正値の修正の提案が提供される。一実施形態では、最適化パラメータは、低電力レベルへの低下であって、したがって、一方向およびその他の方向に変化がある場合、電力の変化の比較が行われる。別の実施形態では、特に、風力発電設備が定格電力で運転されているとき、補正値の変動は低電力レベルへの低下をもたらさない。この実施形態では、最適に近い補正角度は、設備がより高いブレード角度で依然として定格出力を生成することができる値であり得る。
一実施形態では、各最適化ステップはまた、一方向およびその他方向における方位角の変化後に、風力発電設備のそれぞれの電力低下を決定すること、両方の電力低下を評価すること、および電力の最小低下を伴う変動の方向を決定することを含む。付加的に、各最適化ステップはまた、電力のより小さな低下の方向に補正値の修正を提供することを含む。最適値の方向における電力の変化、すなわち電力勾配は、より浅く、すなわち電力損失はそれほど深刻ではない。最適値では、勾配は一方向およびその他の方向への回転に対して等しく、すなわち最適化ステップのその後の繰り返し実行は、もはや修正された補正値を提供する結果をもたらさない。
一実施形態では、風力発電設備が定格電力を発生させ、一方向およびその他方向における方位角の変化の間に電力の低下が発生しないときはいつでも、各最適化ステップはまた、ロータブレードのブレード角度を増大させること、風力発電設備が定格電力を発生させる最大ブレード角度を設定すること、および、付加的に、風力発電設備がより高いブレード角度で定格電力を生成することができる方向に補正値の修正を提供すること、も含む。別の言い方をすれば、定格出力が達成可能な最大ブレード角度を決定することは、定格出力においても風の追跡を最適化することを可能にする。
一実施形態では、学習プロセスの最適化ステップは、乱流基準が閾値を下回るたびに実行されるだけである。最適化ステップによって確立される可能性のある改善は、その時点で卓越風の状態の変化に応じて達成されるのではなく、補正値の改善によって達成されることが乱流基準によって保証され得る。突風または乱気流は、これには適していない。
一実施形態では、乱流基準は、瞬時の値と電力の１分平均値との間の差を含む。許容基準の他の実施形態は、当業者によって容易に実施され、例えば、乱流基準は、電力および／または風速の１分平均値と１０分平均値との間の差を含むことができる。最後の１分間と最後の１０分間の電力および／または風速が大きく異ならない場合、風はそれほど強くないと見なすことができる。別の実施形態では、学習プロセスの最適化ステップは、風向きの変動が閾値を下回るたびに実行されるだけである。これは、風の方向がその時点で頻繁に変化していない場合、すなわち設備が風を追跡するために多数の調整を実行しない場合、または斜めの入射流さえ確立しない場合にのみ、学習プロセスが適用されることを保証する。
一実施形態では、風速は、最適化ステップの開始前あるいは完了後に決定される。風速測定は、特に、風力発電設備の斜め入射流によって影響を受ける可能性がある。最適化ステップの間、最適化ステップの間に決定された風速を非対称に偽造する短い斜めの入射流がある。開始前または終了後の風速を決定することにより、例えば、方位角位置を中心とした一方向の回転方向に有利になるであろう、補正値の特性図において非対称性が生じるのを防ぐことができる。
一実施形態では、方法はまた、ナセル位置を提供することを含み、補正値はナセル位置に依存して提供され、学習プロセスはナセル位置に依存して実行される。入射流の方向に加えてナセル位置を提供することによって、補正値は、発電所効果、例えば、後流効果を考慮に入れることができる。したがって、本発明に係る方法は、いかなる手動の努力なしで、異なる風向きに対する発電所内の様々な設備の最適化も達成することを可能にする。別の言い方をすれば、ナセルの位置は、風が来る方向を示す。
一実施形態では、補正値は、特性図に基づいて提供される。特性図の使用は、広く行き渡っている。本発明に係る方法には、異なる次元の特性図を使用することができる。ここで述べたように、特に風速に応じて、動作ポイントおよび／またはナセル位置は、例として与えられたように理解されるべきであって、特性図の他の依存性も考えられる。
好ましくは、特性図は、風速および運転特性曲線および／または風力発電設備の風速および回転速度に応じて表で示される。しかしながら、他の実施形態では、述べたように、特性図は、他の依存性、例えば、風力発電設備の先端速度比等を含んでいてもよい。
一実施形態では、隣接する特性図のセルは、平滑化されている。例えば、学習プロセスの特性図のセルの量子化は、自動的に生成されたまたは事前設定された特性図の量子化とは異なっていてもよい。特に、特性図の補正値の数を管理可能な範囲内に最適化するために、より粗い量子化を学習プロセスに使用することができる。急激な風追跡アラインメントとして不連続性が現れないことを確実にするために、互いに隣接する特性図のセルが互いに一致されることが好ましい。
一実施形態では、最適化ステップは、補正、特に、補正値の改善を提供する。
一実施形態では、補正値の修正は一定量、例えば、方位角位置の場合には、０．１°または０．０１°である。他の実施形態では、補正値の修正もまた、以前の学習プロセスに依存し、例えば、特定の動作ポイントまたは特定の風速に対してすでに最適化ステップが行われているほど、補正はさらにマイナーになる可能性がある。別の実施形態では、補正値を決定するために、最適化ステップを実行しながら、上述の電力損失を調整することができる。言い換えれば、補正値が最適値からさらに遠く離れていると仮定することができるので、より大きな電力損失はより大きな補正の修正をもたらすかもしれない。
一実施形態では、１０分の１度または１００分の１度の補正値の一定の補正が提供される。他の実施形態では、他の一定の補正値が考えられる。
一実施形態では、電力の低下に応じた補正値の修正が提供される。好ましくは、補正は、特定の振幅に制限される。このようにして、測定外れ値の影響を制限することができる。例えば、補正は０．２°に制限されてもよいが、他の値も限界として適切であってもよい。
本発明のさらなる態様では、制御モジュールおよび風測定装置を備えた風力発電設備が提供される。風測定装置は、風速と入射流の方向を提供するように設計されている。制御モジュールは、風速に応じて入射流の方向の補正値を提供し、風速に応じて入射流の方向の補正値の学習プロセスを実行するように設計されている。学習プロセスは、いくつかの最適化ステップを含み、最適化ステップの実行は、与えられた風速に対して既に実行された最適化ステップに依存する。
本発明に係る風力発電設備は、本発明に係る方法によって達成されるのと同じ利点を達成することを可能にする。本発明に係る風力発電設備は、本方法の全ての特別な改良点を示し、全ての有利な態様と組み合わせることができる。
同様に、本発明は、本発明に係る多数の風力発電設備を有する風力発電所に関する。
さらに、本発明の有利な改良点は、添付の図面を参照して以下で明らかにされる。
風力発電設備の概略を示す図。 本発明に係る方法の学習プロセスを実行する例を示す図。 本発明に係る方法の概略構造を示す図。
以下では、同一ではないが類似している要素を示すために同一の名称を使用することがある。さらに、同じ要素を異なる縮尺で表すことができる。
図１は、タワー１０２、ナセル１０４を有する風力発電設備１００を示す。３つのロータブレード１０８を有するロータ１０６とスピナ１１０とは、ナセル１０４に設けられている。ロータ１０６は、運転時に、風によって回転運動するように設定され、それにより、ナセル１０４内の発電機を駆動する。
図２は、一例として、風力発電設備を制御するための本発明に係る方法において使用される学習プロセス２００の最適化ステップの実行を示す。図２の上部には、それぞれ２つのロータブレード１０８を有する風力発電設備の４つのナセル１０４が平面図で示されている。時間ｔは水平にプロットされ、すなわち４つのナセル１０４は異なる連続した時間における風力発電設備に対応する。
ステップＳ２１０では、風力発電設備は、最初に、風２０４の方向に整列される。この間、風力発電設備は、２１５で示される電力Ｐを生成する。図２の下部には、時間ｔが、達成された電力Ｐに対して水平にプロットされている。最適化ステップの開始時には、風力発電設備は、ステップ２２０において、方位角の方向に角度２２２で回転される。角度２２２は、この例では、風２０４から外れて左側に示されているが、他の例示的な実施形態では、それは他の方向に対応していてもよい。この位置にある間、風力発電設備は、２２５で示される電力Ｐを生成し、風力発電設備が風の中にあったときに達成された電力２１５よりも値２２４だけ低い。
ステップ２２０で左にターンした後、ステップ２３０では、風力発電設備は再び風の方向へターンする。達成された電力２３５は、以前に達成された電力２１５に対応する。電力２３５が電力２１５と異なる場合、これは、学習プロセス２００または最適化ステップが中断されることにつながる風の突風を示す。
続いて、ステップ２４０において、風力発電設備は、調整角度２４２によって、この例では右にターンさせられる。ステップ２４０の方位角位置の間の電力２４５とステップ２３０の間の電力２３５との間の差２４４は、電力差２２４と比較される。値２２４が値２４４と異なる場合には、これは、風力発電装置によって実行される風向き補正が最適ではなく、改善された制御値または制御値に対する補正係数が学習プロセスによって得られることを示している。この例示的な実施形態では、学習プロセス２００は、方位角の最大電力ポイント追跡（ＭＰＰＴ）として理解される。図２に示される場合、ＭＰＰＴプロセスは、ステップ２１０から２４０において風力発電設備が操作される動作ポイントにおいて、左に回すと右に回すよりも低い電力レベルへの低下を招くため、風向き補正をさらに左に移動させなければならないという結果をもたらす。
図３は、風力発電設備を制御するために、本発明に係る方法３００の例として構成図を示す。方法３００の中心的な要素は、風を追跡するための風力発電設備の閉ループ制御を保証する風追跡システム３１０である。このユニットは、ヨーユニットとも呼ばれる。
制御モードでは、風向き追跡システム３１０は、ステップ３２５において風向き補正角度３３０によって補正された風向き測定値３２０が、入力３１２によって供給される。この例に示されるように、入射流の方向の制御値として適しているのは、風向き補正角度３３０と発生した差の両方であって、風向き追跡システム３１０も対応して適合されている。風向き測定３２０は、風力発電装置１００のナセル１０４に取り付けられた風速計に基づいて行われることが好ましい。
風向き補正角度３３０は、補正特性図３４０から決定され、補正特性図３４０は、風が来る方向に対応する、入力変数としての風速３５０、および付加的に、さらに先端速度比、回転速度または出力特性曲線３６０、およびナセル位置３７０を有する。補正特性図３４０は、対応して１つ以上の次元を有する。
風向き測定値３２０を補正するために補正特性図３４０によって、風向き補正角度３３０を取得するために、入力変数３５０および付加的に３６０および／または３７０が使用される。
図２の詳細の形態で示されるＭＰＰＴプロセス２００は、方法が最適化の必要性を検出した場合、ステップ３８０によって補正特性図３４０の補正を提供する。
ＭＰＰＴプロセス２００は、インデックス３９０および補正カウンタ４００が供給される。インデックス３９０は、入力パラメータ３５０、および付加的に３６０または３７０から得られる補正特性図３４０の値を示す。補正カウンタ４００は、インデックス３９０の特性図値が、既にＭＰＰＴプロセス２００を通過しており、おそらく補正されている頻度の値を示す。好ましくは、ＭＰＰＴプロセス２００の２つの連続する学習ステップ間の時間間隔は、補正カウンタ４００に依存し、補正カウンタ値４００の増加と共に増加する。図２で既に説明したように、ＭＰＰＴプロセス２００は、別の入力変数ａとして、電力値４１０および付加的にブレード角度４２０を必要とする。ＭＰＰＴプロセス２００が、ステップ２２０および２４０においてナセルの回転があるときに電力の低下がないと確定するときはいつでも、すなわち風力発電設備が定格電力で運転されるときはいつでも、ブレード角度４２０が使用される。このような風向き補正角度３３０は、風力発電設備１００が依然としてより高いブレード角度で定格電力を生成することができる最適条件により近づく。
ＭＰＰＴプロセス２００は、突風検出４３０が風の突風を確立した場合、一時停止される。このため、突風検出４３０は電力４１０を記録し、例えば、瞬間電力と直前の１分間の平均値電力との間の差を決定する。電力出力のこの差が特定の閾値を超えると、学習プロセスを容易に偽造する突風が発生する。特に、突風がある場合、風速は、ナセル１０４が方位軸の周りに十分な量だけ回転することができるよりも速く変化する。
斜め入射流検出ユニット４４０が侵入したナセル位置３７０および方向が頻繁に変わる風向き測定値３２０によって風が吹いていることを検出する場合には、同様に、ＭＰＰＴプロセス２００の中断をもたらす斜め入射流検出ユニット４４０もあり、その結果、風力発電設備１００は、いずれの場合でも、風を追跡するための多数の整列を実行するか、あるいは斜めの入射流さえも確立される。
補正ステップを形成するために、学習ステップとも呼ばれる最適化ステップが、第２入力３１４によって風向き追跡システム３００に渡される。対応する調整角度プロファイルは、例えば、図２のステップ２１０から２４０に示されている。
好ましくは、各最適化ステップにおいて、方位角は一定の調整角度、例えば、５°で調整される。それまで理想的であるとそれぞれ想定されていた設備の位置合わせに関して、調整は各方向において交互に行われる。他の例示的な実施形態では、補正カウンタ４００の数または他のパラメータに応じて設備が調整される調整角度が、考えられる。
この例示的な実施形態では、補正ステップ３８０の強度は、検出された電力の差、すなわち電力２４０と２２４との間の差に比例する。代わりに、絶対値の差２２４または２４４は、補正ステップを拡大縮小するために使用されてもよい。ここでの基本的な考え方は、最適な方向における電力勾配がより浅いこと、すなわち電力損失がそれほど厳しくないほど、補正が最適に近くなることである。最適値では、左右への回転の勾配は等しく、すなわちＭＰＰＴプロセス２００のその後の繰り返し実行は、もはやいかなる変化ももたらさない。他の例示的な実施形態では、補正ステップ３８０もまた、予め決められており、一定であってもよい。
特に、トレーリングエッジセグメントを有するロータブレード１０８が使用される場合には、風向きの強さは、風から得られるトルクに依存する。トルクは、先端速度比、すなわち風速に対する周速の比で表される。風速３５０に基づいて補正特性図３４０を表にする代わりに、結果として、先端速度比に依存する表を提供することもできる。風速３５０はトルクに関する情報を全く含まないので、第２次元が補正特性図３４０に追加されることが好ましい。補正特性図３４０は、結果として、入力３６０として選択された電力特性曲線に応じて追加的に生成されることが好ましい。風速３５０と運転特性曲線とに基づく集計の代わりに、風速３５０と先端速度比または回転速度３６０とに基づく補正特性図３４０の集計も可能である。ナセル位置３７０に基づく追加の寸法は、補正特性図３４０のための絶対的な風向きを統合することを可能にし、その結果、例えば、発電所効果を考慮に入れる方向依存風向き補正を可能にする。
反対方向からの斜めの入射流があるときよりも一方向からの斜めの入射流があるときの方が、風がロータ１０８を通って吹くことができるため、風速測定は風力発電設備１００の斜めの入射流によって影響される。左右への最適化ステップの間にそれぞれの場合において短時間で生じる斜めの入射流は、最適化ステップの実行中に非対称に風向き測定値を偽造する。１つの旋回方向が有利となる特性図３４０における非対称性を回避するために、最適化ステップ中に風速測定値を評価してはならない。風速は、最適化ステップおよび特性図３４０において選択された関連する指標３９０の前後に測定されなければならない。
自動的に作成された特性図３４０において不連続性が生じる可能性がある。これらの不連続性は、例えば、ナセル１０４上の取り付けによって説明され、風向きの測定に偽の影響を与える。実際には、これらの不連続性は、補正特性図３４０にも記録されることが望ましい。しかしながら、粗い量子化のために、これは完全には不可能である。特性図３４０におけるこれらの不連続性が風向き追跡３１０による突然の風追跡整列をもたらさないようにするために、補正特性図３４０の隣接セルを互いに一致させる平滑化アルゴリズムが使用されることが好ましい。
本発明は、風力発電設備の制御方法および制御モジュールを有する風力発電設備、風力発電所に関する。
風力発電設備のナセルの領域における風速および入射流の方向を決定するために設けられる風速計または同様の装置に基づいて、風力発電設備を制御することが知られている。風力発電設備、特に、風力発電設備の方位角位置は、風記録装置の入射流の方向が卓越風速の関連値に対応するように制御される。制御の目的は、記録された入射流の方向に基づいて風力発電設備の可能な限り最良のアライメントを得ることであって、測定された入射流の方向は、特に、風速に依存する補正項によって補正される。
このような風向き補正テーブルは、これまで並んで配置された風測定マストを備えた風力発電設備の試作品において決定され、そして、一連の風力発電設備の残りの部分に転送されてきた。両方の設備も、制約のない流れにさらされており、風力発電設備が風の中に正しくなるように風向き補正テーブルが決定される。
風力発電所における風力発電設備の場合、特に、風測定装置の取り付け中に取り付けの不正確さが発生し、それは、例えば、ナセル上に取り付けられた際に数度だけ歪むことがある。風測定装置のこの位置ずれは、風の方向を追跡するための制御装置に直接伝達され、その結果、設備ごとに個別に決定されなければならず、対応する補正値は、手動で記録および更新されなければならない。
さらに、特に、例えば、トレーリングエッジセグメントを有するロータブレードの設計によって、ナセルと風速計との間で入射流の方向に差があり、これも同様に補正されなければならない。
設置ごとに風向き補正テーブルの誤差を手動で決定するため、取り付けおよび保守には多大な労力が必要であり、誤った決定に対する相当な影響を受けてしまう。
欧州特許出願公開第２ ３７５ ０６０号明細書 欧州特許出願公開第２ １５４ ３６２号明細書 独国特許出願公開第１０ ２００９ ０１５１６７号明細書
JUSTIN CREABY: "Method to Automatically Tune a Yaw Offset for a Wind Turbine Direction Sensor on a Wind Turbine via Extremum Seeking", PRIOR ART PUBLISHING, 21. May 2014, XP040633636, ISBN:978-3-942905-88-6
このような背景に対して、本発明の目的は、改善された風の追跡を可能にする風力発電設備の制御方法および関連する風力発電設備を提供することであった。
本発明によれば、風力発電設備の制御方法が提供される。この方法は、風力発電設備の風測定装置によって決定される風速および入射流の方向を提供すること、風速に応じて入射流の方向の補正値を提供すること、および風速に応じて入射流の方向の補正値を学習するプロセスを実行することを含む。学習プロセスは、いくつかの最適化ステップを含み、最適化ステップの実行は、与えられた風速に対して既に実行された最適化ステップに依存する。
方位角の移動および風力発電装置のタワーの制御には、補正値によって修正された入射流の方向の補正値または入射流の方向が使用されることが好ましい。入射流の方向の補正値によって、風速に依存して、風力発電設備は、常に最適に風の中にあることが保証される。制御の実際的な実施において、例えば、方位角の追跡の磨耗のようなさらなる境界条件も、当然、考慮に入れられなければならない。
結果として、本発明に係る方法は、補正値の決定が必要とされることなく、個々の風力発電設備の風向き補正テーブルを学習プロセスによって少しずつ学習するために適している。学習プロセスまたは最適化ステップの実行は、与えられた風速に対して既に実行された最適化ステップに依存するため、その方法が初期補正値を決定することが可能であって、風力発電設備の１つまたは複数の補正値が安定している間、定義可能な学習段階の後で、風力発電設備を恒久的に動作させるのに適している。
一実施形態では、補正値は、風力発電設備の特定の動作ポイントに対して決定されるであろう。一実施形態では、入射流の方向の補正値は、結果として、風力発電設備の動作ポイントに応じて提供される。そして、特定の動作ポイントについて、学習プロセスの最適化ステップがすでにいくつ実行されたかを確認することができる。特定の動作ポイントに対して、既にいくつの最適化ステップが実行されているかに応じて、さらに最適化ステップの実行が行われる。
一実施形態では、風速に対して実行される２つの最適化ステップ間の期間は、実行される最適化ステップの数につれて増加する。学習プロセスの開始時には、風速または好ましくは特定の動作ポイントに対して利用可能なデータはない、あるいはごくわずかなデータしかない。利用可能なデータが多いほど、特定の風速または特定の動作ポイントに対する補正値はより正確になる。実行された最適化ステップの頻度を、既に実行された多数の最適化ステップにつれて減少させることは相応して十分である。各最適化ステップは、電力低下を伴う風力発電設備の方位角調整を含むことが好ましい。既に述べたように、方位角調整の頻度を許容レベルに維持することも望ましい。例えば、慣らし運転段階の間、最適化ステップが数分ごとに実行されてもよい。インストールが開始されると、例えば、１時間に１回実行する等、頻度を減らすことができる。最適化ステップを１時間ごとに実行することは、いかなる場合でも実行される風追跡を実行するプロセス内では邪魔にならず、風力発電設備の寿命全体を通して摩耗を増大させることなく実行することができる。プロセスを完全に終了させることなく周波数を単に減少させることによって、後の時点で生じる変化も考慮に入れることができ、風力発電設備は常に風追従の最適な補正で運転される。
一実施形態では、補正値が風力発電設備の方位角位置を制御するために測定された入射流の方向を補正する。
一実施形態では、各最適化ステップは、方位角を最初に一方向にそして次にその他の方向に変化させることを含む。方位角の変化は、ナセルの回転、例えば、左右への回転に対応することが好ましい。一実施形態では、風力発電設備は、最初に、例えば、左に５°、次に、右に５°だけ補正される。言うまでもなく、最初に左へ、次に右へ、そして例として挙げられた５°も、好ましい実施形態として理解され、当業者はまた、他の順序および大きさのバリエーションも考慮に入れるべきである。
好ましくは、一方向への変更後とその他方方向への変更後の両方で、最適化パラメータが比較され、最適化パラメータの変更が変化と対称的になるまで、補正値の修正の提案が提供される。一実施形態では、最適化パラメータは、低電力レベルへの低下であって、したがって、一方向およびその他の方向に変化がある場合、電力の変化の比較が行われる。別の実施形態では、特に、風力発電設備が定格電力で運転されているとき、補正値の変動は低電力レベルへの低下をもたらさない。この実施形態では、最適に近い補正角度は、設備がより高いブレード角度で依然として定格出力を生成することができる値であり得る。
一実施形態では、各最適化ステップはまた、一方向およびその他方向における方位角の変化後に、風力発電設備のそれぞれの電力低下を決定すること、両方の電力低下を評価すること、および電力の最小低下を伴う変動の方向を決定することを含む。付加的に、各最適化ステップはまた、電力のより小さな低下の方向に補正値の修正を提供することを含む。最適値の方向における電力の変化、すなわち電力勾配は、より浅く、すなわち電力損失はそれほど深刻ではない。最適値では、勾配は一方向およびその他の方向への回転に対して等しく、すなわち最適化ステップのその後の繰り返し実行は、もはや修正された補正値を提供する結果をもたらさない。
一実施形態では、風力発電設備が定格電力を発生させ、一方向およびその他方向における方位角の変化の間に電力の低下が発生しないときはいつでも、各最適化ステップはまた、ロータブレードのブレード角度を増大させること、風力発電設備が定格電力を発生させる最大ブレード角度を設定すること、および、付加的に、風力発電設備がより高いブレード角度で定格電力を生成することができる方向に補正値の修正を提供すること、も含む。別の言い方をすれば、定格出力が達成可能な最大ブレード角度を決定することは、定格出力においても風の追跡を最適化することを可能にする。
一実施形態では、学習プロセスの最適化ステップは、乱流基準が閾値を下回るたびに実行されるだけである。最適化ステップによって確立される可能性のある改善は、その時点で卓越風の状態の変化に応じて達成されるのではなく、補正値の改善によって達成されることが乱流基準によって保証され得る。突風または乱気流は、これには適していない。
一実施形態では、乱流基準は、瞬時の値と電力の１分平均値との間の差を含む。許容基準の他の実施形態は、当業者によって容易に実施され、例えば、乱流基準は、電力および／または風速の１分平均値と１０分平均値との間の差を含むことができる。最後の１分間と最後の１０分間の電力および／または風速が大きく異ならない場合、風はそれほど強くないと見なすことができる。別の実施形態では、学習プロセスの最適化ステップは、風向きの変動が閾値を下回るたびに実行されるだけである。これは、風の方向がその時点で頻繁に変化していない場合、すなわち設備が風を追跡するために多数の調整を実行しない場合、または斜めの入射流さえ確立しない場合にのみ、学習プロセスが適用されることを保証する。
一実施形態では、風速は、最適化ステップの開始前あるいは完了後に決定される。風速測定は、特に、風力発電設備の斜め入射流によって影響を受ける可能性がある。最適化ステップの間、最適化ステップの間に決定された風速を非対称に偽造する短い斜めの入射流がある。開始前または終了後の風速を決定することにより、例えば、方位角位置を中心とした一方向の回転方向に有利になるであろう、補正値の特性図において非対称性が生じるのを防ぐことができる。
一実施形態では、方法はまた、ナセル位置を提供することを含み、補正値はナセル位置に依存して提供され、学習プロセスはナセル位置に依存して実行される。入射流の方向に加えてナセル位置を提供することによって、補正値は、発電所効果、例えば、後流効果を考慮に入れることができる。したがって、本発明に係る方法は、いかなる手動の努力なしで、異なる風向きに対する発電所内の様々な設備の最適化も達成することを可能にする。別の言い方をすれば、ナセルの位置は、風が来る方向を示す。
一実施形態では、補正値は、特性図に基づいて提供される。特性図の使用は、広く行き渡っている。本発明に係る方法には、異なる次元の特性図を使用することができる。ここで述べたように、特に風速に応じて、動作ポイントおよび／またはナセル位置は、例として与えられたように理解されるべきであって、特性図の他の依存性も考えられる。
好ましくは、特性図は、風速および運転特性曲線および／または風力発電設備の風速および回転速度に応じて表で示される。しかしながら、他の実施形態では、述べたように、特性図は、他の依存性、例えば、風力発電設備の先端速度比等を含んでいてもよい。
一実施形態では、隣接する特性図のセルは、平滑化されている。例えば、学習プロセスの特性図のセルの量子化は、自動的に生成されたまたは事前設定された特性図の量子化とは異なっていてもよい。特に、特性図の補正値の数を管理可能な範囲内に最適化するために、より粗い量子化を学習プロセスに使用することができる。急激な風追跡アラインメントとして不連続性が現れないことを確実にするために、互いに隣接する特性図のセルが互いに一致されることが好ましい。
一実施形態では、最適化ステップは、補正、特に、補正値の改善を提供する。
一実施形態では、補正値の修正は一定量、例えば、方位角位置の場合には、０．１°または０．０１°である。他の実施形態では、補正値の修正もまた、以前の学習プロセスに依存し、例えば、特定の動作ポイントまたは特定の風速に対してすでに最適化ステップが行われているほど、補正はさらにマイナーになる可能性がある。別の実施形態では、補正値を決定するために、最適化ステップを実行しながら、上述の電力損失を調整することができる。言い換えれば、補正値が最適値からさらに遠く離れていると仮定することができるので、より大きな電力損失はより大きな補正の修正をもたらすかもしれない。
一実施形態では、１０分の１度または１００分の１度の補正値の一定の補正が提供される。他の実施形態では、他の一定の補正値が考えられる。
一実施形態では、電力の低下に応じた補正値の修正が提供される。好ましくは、補正は、特定の振幅に制限される。このようにして、測定外れ値の影響を制限することができる。例えば、補正は０．２°に制限されてもよいが、他の値も限界として適切であってもよい。
本発明のさらなる態様では、制御モジュールおよび風測定装置を備えた風力発電設備が提供される。風測定装置は、風速と入射流の方向を提供するように設計されている。制御モジュールは、風速に応じて入射流の方向の補正値を提供し、風速に応じて入射流の方向の補正値の学習プロセスを実行するように設計されている。学習プロセスは、いくつかの最適化ステップを含み、最適化ステップの実行は、与えられた風速に対して既に実行された最適化ステップに依存する。
本発明に係る風力発電設備は、本発明に係る方法によって達成されるのと同じ利点を達成することを可能にする。本発明に係る風力発電設備は、本方法の全ての特別な改良点を示し、全ての有利な態様と組み合わせることができる。
同様に、本発明は、本発明に係る多数の風力発電設備を有する風力発電所に関する。
さらに、本発明の有利な改良点は、添付の図面を参照して以下で明らかにされる。
風力発電設備の概略を示す図。 本発明に係る方法の学習プロセスを実行する例を示す図。 本発明に係る方法の概略構造を示す図。
以下では、同一ではないが類似している要素を示すために同一の名称を使用することがある。さらに、同じ要素を異なる縮尺で表すことができる。
図１は、タワー１０２、ナセル１０４を有する風力発電設備１００を示す。３つのロータブレード１０８を有するロータ１０６とスピナ１１０とは、ナセル１０４に設けられている。ロータ１０６は、運転時に、風によって回転運動するように設定され、それにより、ナセル１０４内の発電機を駆動する。
図２は、一例として、風力発電設備を制御するための本発明に係る方法において使用される学習プロセス２００の最適化ステップの実行を示す。図２の上部には、それぞれ２つのロータブレード１０８を有する風力発電設備の４つのナセル１０４が平面図で示されている。時間ｔは水平にプロットされ、すなわち４つのナセル１０４は異なる連続した時間における風力発電設備に対応する。
ステップＳ２１０では、風力発電設備は、最初に、風２０４の方向に整列される。この間、風力発電設備は、２１５で示される電力Ｐを生成する。図２の下部には、時間ｔが、達成された電力Ｐに対して水平にプロットされている。最適化ステップの開始時には、風力発電設備は、ステップ２２０において、方位角の方向に角度２２２で回転される。角度２２２は、この例では、風２０４から外れて左側に示されているが、他の例示的な実施形態では、それは他の方向に対応していてもよい。この位置にある間、風力発電設備は、２２５で示される電力Ｐを生成し、風力発電設備が風の中にあったときに達成された電力２１５よりも値２２４だけ低い。
ステップ２２０で左にターンした後、ステップ２３０では、風力発電設備は再び風の方向へターンする。達成された電力２３５は、以前に達成された電力２１５に対応する。電力２３５が電力２１５と異なる場合、これは、学習プロセス２００または最適化ステップが中断されることにつながる風の突風を示す。
続いて、ステップ２４０において、風力発電設備は、調整角度２４２によって、この例では右にターンさせられる。ステップ２４０の方位角位置の間の電力２４５とステップ２３０の間の電力２３５との間の差２４４は、電力差２２４と比較される。値２２４が値２４４と異なる場合には、これは、風力発電装置によって実行される風向き補正が最適ではなく、改善された制御値または制御値に対する補正係数が学習プロセスによって得られることを示している。この例示的な実施形態では、学習プロセス２００は、方位角の最大電力ポイント追跡（ＭＰＰＴ）として理解される。図２に示される場合、ＭＰＰＴプロセスは、ステップ２１０から２４０において風力発電設備が操作される動作ポイントにおいて、左に回すと右に回すよりも低い電力レベルへの低下を招くため、風向き補正をさらに左に移動させなければならないという結果をもたらす。
図３は、風力発電設備を制御するために、本発明に係る方法３００の例として構成図を示す。方法３００の中心的な要素は、風を追跡するための風力発電設備の閉ループ制御を保証する風追跡システム３１０である。このユニットは、ヨーユニットとも呼ばれる。
制御モードでは、風向き追跡システム３１０は、ステップ３２５において風向き補正角度３３０によって補正された風向き測定値３２０が、入力３１２によって供給される。この例に示されるように、入射流の方向の制御値として適しているのは、風向き補正角度３３０と発生した差の両方であって、風向き追跡システム３１０も対応して適合されている。風向き測定３２０は、風力発電装置１００のナセル１０４に取り付けられた風速計に基づいて行われることが好ましい。
風向き補正角度３３０は、補正特性図３４０から決定され、補正特性図３４０は、風が来る方向に対応する、入力変数としての風速３５０、および付加的に、さらに先端速度比、回転速度または出力特性曲線３６０、およびナセル位置３７０を有する。補正特性図３４０は、対応して１つ以上の次元を有する。
風向き測定値３２０を補正するために補正特性図３４０によって、風向き補正角度３３０を取得するために、入力変数３５０および付加的に３６０および／または３７０が使用される。
図２の詳細の形態で示されるＭＰＰＴプロセス２００は、方法が最適化の必要性を検出した場合、ステップ３８０によって補正特性図３４０の補正を提供する。
ＭＰＰＴプロセス２００は、インデックス３９０および補正カウンタ４００が供給される。インデックス３９０は、入力パラメータ３５０、および付加的に３６０または３７０から得られる補正特性図３４０の値を示す。補正カウンタ４００は、インデックス３９０の特性図値が、既にＭＰＰＴプロセス２００を通過しており、おそらく補正されている頻度の値を示す。好ましくは、ＭＰＰＴプロセス２００の２つの連続する学習ステップ間の時間間隔は、補正カウンタ４００に依存し、補正カウンタ値４００の増加と共に増加する。図２で既に説明したように、ＭＰＰＴプロセス２００は、別の入力変数ａとして、電力値４１０および付加的にブレード角度４２０を必要とする。ＭＰＰＴプロセス２００が、ステップ２２０および２４０においてナセルの回転があるときに電力の低下がないと確定するときはいつでも、すなわち風力発電設備が定格電力で運転されるときはいつでも、ブレード角度４２０が使用される。このような風向き補正角度３３０は、風力発電設備１００が依然としてより高いブレード角度で定格電力を生成することができる最適条件により近づく。
ＭＰＰＴプロセス２００は、突風検出４３０が風の突風を確立した場合、一時停止される。このため、突風検出４３０は電力４１０を記録し、例えば、瞬間電力と直前の１分間の平均値電力との間の差を決定する。電力出力のこの差が特定の閾値を超えると、学習プロセスを容易に偽造する突風が発生する。特に、突風がある場合、風速は、ナセル１０４が方位軸の周りに十分な量だけ回転することができるよりも速く変化する。
斜め入射流検出ユニット４４０が侵入したナセル位置３７０および方向が頻繁に変わる風向き測定値３２０によって風が吹いていることを検出する場合には、同様に、ＭＰＰＴプロセス２００の中断をもたらす斜め入射流検出ユニット４４０もあり、その結果、風力発電設備１００は、いずれの場合でも、風を追跡するための多数の整列を実行するか、あるいは斜めの入射流さえも確立される。
補正ステップを形成するために、学習ステップとも呼ばれる最適化ステップが、第２入力３１４によって風向き追跡システム３００に渡される。対応する調整角度プロファイルは、例えば、図２のステップ２１０から２４０に示されている。
好ましくは、各最適化ステップにおいて、方位角は一定の調整角度、例えば、５°で調整される。それまで理想的であるとそれぞれ想定されていた設備の位置合わせに関して、調整は各方向において交互に行われる。他の例示的な実施形態では、補正カウンタ４００の数または他のパラメータに応じて設備が調整される調整角度が、考えられる。
この例示的な実施形態では、補正ステップ３８０の強度は、検出された電力の差、すなわち電力２４０と２２４との間の差に比例する。代わりに、絶対値の差２２４または２４４は、補正ステップを拡大縮小するために使用されてもよい。ここでの基本的な考え方は、最適な方向における電力勾配がより浅いこと、すなわち電力損失がそれほど厳しくないほど、補正が最適に近くなることである。最適値では、左右への回転の勾配は等しく、すなわちＭＰＰＴプロセス２００のその後の繰り返し実行は、もはやいかなる変化ももたらさない。他の例示的な実施形態では、補正ステップ３８０もまた、予め決められており、一定であってもよい。
特に、トレーリングエッジセグメントを有するロータブレード１０８が使用される場合には、風向きの強さは、風から得られるトルクに依存する。トルクは、先端速度比、すなわち風速に対する周速の比で表される。風速３５０に基づいて補正特性図３４０を表にする代わりに、結果として、先端速度比に依存する表を提供することもできる。風速３５０はトルクに関する情報を全く含まないので、第２次元が補正特性図３４０に追加されることが好ましい。補正特性図３４０は、結果として、入力３６０として選択された電力特性曲線に応じて追加的に生成されることが好ましい。風速３５０と運転特性曲線とに基づく集計の代わりに、風速３５０と先端速度比または回転速度３６０とに基づく補正特性図３４０の集計も可能である。ナセル位置３７０に基づく追加の寸法は、補正特性図３４０のための絶対的な風向きを統合することを可能にし、その結果、例えば、発電所効果を考慮に入れる方向依存風向き補正を可能にする。
反対方向からの斜めの入射流があるときよりも一方向からの斜めの入射流があるときの方が、風がロータ１０８を通って吹くことができるため、風速測定は風力発電設備１００の斜めの入射流によって影響される。左右への最適化ステップの間にそれぞれの場合において短時間で生じる斜めの入射流は、最適化ステップの実行中に非対称に風向き測定値を偽造する。１つの旋回方向が有利となる特性図３４０における非対称性を回避するために、最適化ステップ中に風速測定値を評価してはならない。風速は、最適化ステップおよび特性図３４０において選択された関連する指標３９０の前後に測定されなければならない。
自動的に作成された特性図３４０において不連続性が生じる可能性がある。これらの不連続性は、例えば、ナセル１０４上の取り付けによって説明され、風向きの測定に偽の影響を与える。実際には、これらの不連続性は、補正特性図３４０にも記録されることが望ましい。しかしながら、粗い量子化のために、これは完全には不可能である。特性図３４０におけるこれらの不連続性が風向き追跡３１０による突然の風追跡整列をもたらさないようにするために、補正特性図３４０の隣接セルを互いに一致させる平滑化アルゴリズムが使用されることが好ましい。

Claims (19)

  1. 風力発電設備（１００）の風測定装置によって決定される風速（３５０）および入射流（３２０）の方向を提供するステップと、
    前記風速（３５０）に応じて前記入射流（３２０）の方向の補正値（３３０）を提供するステップと、
    前記風速に応じた前記入射流（３２０）の方向の前記補正値（３３０）の学習プロセスを実行するステップと、
    を備え、
    前記学習プロセス（２００）は、いくつかの最適化ステップを含み、前記最適化ステップの実行は、与えられた風速に対して既に実行された前記最適化ステップに依存する、
    風力発電設備（１００）の制御方法。
  2. 前記入射流（３２０）の方向の前記補正値（３３０）は、前記風力発電設備（１００）の動作ポイントに応じて提供される、
    請求項１に記載の方法。
  3. 風速に対して実行された２つの前記最適化ステップの間の時間は、前記最適化ステップの数が増えるにつれて増加する、
    請求項１または２に記載の方法。
  4. 前記補正値（３３０）は、前記風力発電設備（３２５）の方位角位置を制御するために測定された入射流（３２０）の方向を補正する、
    請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
  5. 前記最適化ステップのそれぞれは、前記風力発電設備（１００）の方位角を、最初に一方向に、次に、その他の方向に、特に、最初に一方向に、そして次に、その他の方向に対称に変化させることを含む、
    請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
  6. 前記最適化ステップのそれぞれは、
    一方向およびその他方向における方位角を変化させた後、前記風力発電設備（１００）のそれぞれの電力低下（２２４，２４４）を決定し、
    両方の電力低下（２２４，２４４）を評価し、最小の電力低下の方向を決定し、付加的に、
    前記電力低下がより小さい方向における前記補正値（３８０）の補正を提供する、
    ステップも含む、
    請求項５に記載の方法。
  7. 前記風力発電設備が定格電力を発生させ、一方向およびその他の方向における方位角の変化の間に電力低下（２２４，２４４）が発生しないときはいつでも、各最適化ステップはまた、
    ロータブレードのブレード角度を増加させるステップと、
    前記風力発電設備が定格電力を発生させる最大ブレード角度を設定するステップと、付加的に、
    前記風力発電設備がより高いブレード角度で定格電力を生成させる方向に前記補正値（３８０）の補正を提供するステップと、
    を含む、
    請求項６に記載の方法。
  8. 前記学習プロセスの最適化ステップは、乱流基準が閾値を下回るたびに実行されるだけである、
    請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
  9. 前記乱流基準は、瞬間時と電力の１分平均値との差を含む、
    請求項８に記載の方法。
  10. 前記学習プロセスの最適化ステップは、風向きの変化が閾値を下回るたびに、実行されるだけである、
    請求項１から９のいずれか１項に記載の方法。
  11. 前記風速（３５０）は、最適化ステップの開始前あるいは完了後に決定される、
    請求項１から１０のいずれか１項に記載の方法。
  12. ナセル位置（３７０）を提供し、前記補正値（３３０）は前記ナセル位置（３７０）に応じて提供され、前記学習プロセスは前記ナセル位置（３７０）に応じて実行される、ステップを、さらに備えている、
    請求項１から１１のいずれか１項に記載の方法。
  13. 前記補正値（３３０）は、特性図に基づいて提供される、
    請求項１から１２のいずれか１項に記載の方法。
  14. 前記特性図（３４０）は、前記風速（３５０）、運動特性曲線、および／または前記風力発電設備の前記風速（３５０）および回転速度に応じて表にされる、
    請求項１３に記載の方法。
  15. 隣接する特性図のセルは、平滑化されている、
    請求項１３に記載の方法。
  16. 前記最適化ステップは、補正値（３３０）の補正（３８０）、特に、改善を提供する、
    請求項１から１５のいずれか１項に記載の方法。
  17. 前記最適化ステップは、一定の補正、特に、１／１０°または１／１００°、または電力低下に応じて調整された補正を提供する、
    請求項１６に記載の方法。
  18. 制御モジュールと風測定装置とを有する風力発電設備（１００）であって、前記風測定装置は、入射流（３２０）の風速（３５０）および方向を提供するように設計され、
    前記制御モジュールは、前記風速（３５０）に応じて前記入射流（３２０）の方向の補正値（３３０）を提供し、前記風速（３５０）に応じた前記入射流（３２０）の方向の前記補正値（３３０）の学習プロセス（２００）を実行するように設計され、
    を備え、
    前記学習プロセス（２００）は、いくつかの最適化ステップを含み、前記最適化ステップの実行は、与えられた風速に対して既に実行された前記最適化ステップに依存する、
    風力発電設備（１００）。
  19. 請求項１８に記載の多数の風力発電設備（１００）を有する風力発電所。
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