TW201000754A - Device for monitoring dynamic characteristics of windmill and method thereof - Google Patents

Description

201000754 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於風車的動態特性監視裝置及其方法。 【先前技術】 ' ' 於對風車進行控制之情形時，—般而言，於風車之建执 時等設定控制參數’並使用該控制參數來對風車進行控X 制。 Λ 較好的是，根據季節之溫度或風力狀況、或者經年變化 而將此種控制參數變更為最佳值。然而，一般而+，於建 ==，一旦設定控制參數’則於以後之控制：程中不 更該控制參數。因此，存為厨击a 運轉之虞。 &存在風車會以效率差之狀態持續 例如，雖騎慮到用以變更風車“之螺距角度之 駆動機器的動態特性會隨經年劣化而變化一 …動機器相關之動態特性並未受 致動器等而言，藉由hi〜 U此對於 異常t /、吊時所通知之警報等而意識到 異㊉之產生，難以預先防止機器產生異常。 例如’專利文獻J中揭示有如下 對風車埜Η AW A 矛、、統5亥系統係 對風皁葉片之螺距角進行控 螺距肖押制备μ 對輸出螺距角指令值之 ♦、 控制系統附加補償控制^ 統。該系統輸出如下之操作數辨識器而成之系 令，該摔作曰筏ϋ 、 作為最終之螺距角控制指 該操作1係將由螺距角控制系統 補償控制器輸出之控制補㈣令 呆作量、與由 中，參數辨1 55 Μ & 加而成者。於該系統 辨識态於線上對風力發電播夕4▲ 機之參數進行辨識，將 I32460.doc 201000754 辨識後之參數用於補償控制器，藉此求出上述控制補償指 令值。 專利文獻1:曰本專利特開2006-37850號公報 上述專利文獻1之系統設置有補償控制器與參數辨識 器，由參數辨識器於線上對補償控制器之參數進行辨識， 藉此算出控制補償指令值。然而，於本方法中，由於原來 之控制器之控制參數已固定，故而針對季節之溫度或風力 ^況之變化、或者經年變化，原來之控制器之控制特性有 可能劣化。X，並未對動態特性實施監視，因此，存在無 法檢測風車之特性變化之問題點。 【發明内容】 本發明係為了解決上述問題開發而成者，其目的在於提 供一種風車的動態特性監視裝置及其方法，該風車的動態 2性監視裝置及其方法藉由直接對原來之控制器之控制參 進:丁調整，當產生經年變化等時’可維持該控制器之控 &月b，並且可檢測風車系統之特性變化。 為解決上述問題，本發明採用以下之手段。 本發明之第i態樣係風車的動態特性監視裝置，苴具 部，其就依風速而Μ複數個不同範圍，辨識風 由上特性模型；以及監視部，其於上述各範圍中，對 述辨識部所辨識的動態特性模型進行監視。 動態特性相對於風速，非線性度高，因此，難以 ^此地對動態特性進行分析。於本離檨φ 劃分為複數個範圍，於每個樣中’根據風速而 、每個範圍中進行辨識，因此，可於 132460.doc 201000754 保持線性度之範圍内進行辨識。藉此，可提高 監視性能。 寸注之 上述範圍例如劃分為：第1運轉範圍’其螺距角固定 且以使發電機輸出達到最大輸出點之方式而調整轉數.第 2運轉範圍，其螺距角固定，且《使轉數達到額 方式而調整發電機铨ψ. 轉數之 以及輸出為固定之方式而控制螺距角。 吏轉數 …於上述風車的動態特性監視裝置中，上述監視部可於上 =各運轉|&圍巾，對由上㈣識部所辨識之 :之特定之動態特性參數的時序變化進行監視，並： 動態特性參數之時庠_儿„ I根據該 數進行調整。 b’判斷是否需要對風車之控制參 藉此’並非㈣對㈣參㈣行 態特性中存在某固定 疋H忍動 整。藉此，可仇、p 之4化4時’對控制參數進行調 σ ; L當之時期變更控制參數。 例如’當上述特定之動離 變化超過預先設定之特;:=之=_始值， 需要對風車之控制參數進行調整。' 心視部判斷為 上述動態特性模型例如 所表示，監視邱亦可由包含停滞時間之轉移函數 至少-個的;:據停滞軸^ 述包含停滞時LI移:^ 方轉移函數。移函數中，亦可包含二次以上之高次 这風車的動態特性監視裝置中，上述監視部可根據 I32460.doc 201000754 風速或風速及風向之組合， — 將上述特疋之動態特性參數分 類為複數個級別，並針對每 τ母個δ亥級別而對上述動態特性來 數之時序變化進行監視。 如此，針對基於風速或風速及風向之組合之每個級別， 對動態特性參數之時序變化進行監視，藉此，可更準確地 掌握風車的動態特性。 本發明之第2態樣係風車監視系統，該風車監視系統對 複數個風車之運轉狀態進行監視，且對複數個上述風車發 出控制指+，該風車監視系統具備上述任一個風車的動能 特性監視裝置。 〜 本發明之第3態樣係風車的動態特性監視方法，其就依 運轉控制方法^的複數個不同運轉範圍，_風車之動 態特性模型’並於每個上述運轉範圍中，料辨識之動態 特性模型進行監視。 " ▲根據本發明，可產生如下之效果：可使風車於穩定之狀 態下運轉，並且可於適當之時期變更風車之控制參數。 【實施方式】 以下’參照圖式’對本發明之風車的動態特性監視裝置 及其方法之一實施形態加以說明。 圖1係展開地表示本發明之一實施形態之風車的動態特 性監視裝置所具備之功能之功能方塊圖，圖2係表示本發 明之一實施形態之風車的動態特性監視裝置之硬體構成之 圖。 如圖1所示，本實施形態之風車的動態特性監視裝置1〇 132460.doc 201000754 具備辨識部11、記憶部12、監視部13、以及顯示部14。 如圖2所示，風車的動態特性監視裝置1〇例如為電腦系 統（計算機系統），且具備：cpu(central Processing Unit， 中央處理單元）（中央運算處理裝置）丨、RAM(Rand⑽

Access Memory，隨機存取記憶體）等主記憶裝置2、 HDD(Hard Disk Drive，硬碟驅動器）等輔助記憶裝置3、鍵

盤或滑鼠等輸人裝置4、以及m切表㈣輸出震置5 荨而構成。 ’ CPU1將程式自補助 執行該程式而實現各 補助記憶裝置3中儲存有各種程式 記憶裝置3讀出至主記憶裝置2，藉由 種處理。 於圖艸，辨識糾按照根據風速所決定之複數個運轉 範圍之類別，對風車的動態特性模型進行辨識。 圍於本實施形態中’如圖3所示，運轉範圍分類為3個範 第1運轉範圍麵速最低之範圍，其螺距角以， 使發電機輸出達到最大輸出 万式而控制轉數。第2運 轉範圍係中間風速範圍，1 弟2運 疋犯因螺距角固定，且以使轉數if钊 額定轉數之方式而控制發電 数達到 敢大之範圍，以使轉數以及輸 处 角。於上]出為固疋之方式而控制螺距 m %上建第1運轉範圍、坌 拈总带疋得乾圓弟2運轉範圍中，螺距角 使發電機輪出成為最大之螺距角。 疋為 於第1運轉範圍以及第2 ^ M^ 逆轉範圍中，對螺距角進杆田 疋，猎由發電機轉數來# 丁固 轉數來控制發電機輸出，因此，可使用如 132460.doc 201000754 圖4所示之辨識模型。 於圖情示之辨識模型中，Gl(s)以及G2⑷係表示將要辨 識之動&特性之轉移函數（動態特性模型）。圖4中，發電機 轉數之設定值與發電機之實際轉數之差分輸人至輸^控制 1 ’作為該輸出控制器31之輸出之輸出設定值設為第i =悲特性模型32之輸入。又，風速係設為第2動態特性模 型33之輸人。第丨動態特性模型32之輸出以及第2動態特性 模型33之輸出經累加而設為發電機轉數。 j述輸出控制器3!例如可採用p(pr()p(mi()nah比例）控 制器、PI(Pr〇P〇rtional_Integral，比例積分）控制器、 PID(PrGpGni嶋，比例積分_ 制器等中之任一個。 於圖3所示之第3運轉範圍令，以使轉數以及輸出為固定 之方式而控制螺距角’因此，可使用如圖5所示之辨 型。 、 於如圖5所示之辨識模型中，G3(s)以及Ms)係表示將要 辨識之動態特性之轉移函數（動態特性模^ )。圖$中，發電 :轉數之妓值與發電機之實際轉數之^分輸人至㈣角 控制器41，作為該螺距角控制器41之輸出之螺距角設定值 設為第3動態特性模型42之輸入。又，風速係設為第4動態 特性模型43之輸入。第3動態特性模型42之輸出以及第4動 心特I·生模型43之輸出經累加而設為發電機轉數。 上述螺距角控制器41例如可採用p控制器、以控制器、 PID控制器等中之任一個。 132460.doc 201000754 又，可使用如圖6所示之辨識模型 令，螺距角設定值設為第5動態 之：。於圖6 動態特性模型5】之輸出成為實際螺距角。輪入，該第5 圖4至圖6所示之各動態特㈣型 滯時間為要素之轉移函數 ）5(S)均係由以停 不夕山數所表不。辨識 序而對動態特性模型進行辨識。此處 之順 G,⑷為示例而進行說明。 丨牛動生模型 動態特性模型〇1(>)例 為要素之一次作為以一次延遲以及停滞時間 [數丨]'轉移函數，由以下之⑴式所表示。 0) 1 + 7> 式 [數2] 若藉由z轉換而使上述⑴式離散化，則可獲得以下之⑺ z~a (2) 若將此時之輪人h 入輸出分別設為U(z)、γ(ζ)，則可獲得由 以下之（3)式所表干夕# 丨衣不之遞迴公式。 [數3] 称《泰Ο，) 3) 繼而，根據上、十、η ； %(3)式’使用實際之輸入輸出資料，並 132460.doc -12- 201000754 藉由應用眾所周知 進而㈣ 分別求出係數〜、&、 1進而，根據該係數a,、Kl、i,，分別*山 袅干夕筮刀別异出與由（1)式所 表不之第！動態特性模型G】⑷之時 間相關之動態特性參數Ti、Ki、Li。 ^ w時 使用上述之解法，辨喷部丨】亦死瞀山 c ί.Λ r ^ ° °才了异出其他動態特性模型 GKs)〜GsO)之動態特性參 方法並;再者，辨識部11之辨識 方法並不限疋於上述示例，亦可 分別算出上述⑴式之動態特性參數波形而直接 ::部12針對每個運轉範圍，與時間資訊及風速相對庫 地儲存由辨識和算出之各動態特性參數。 〜 ^視部U按照運轉範圍之類別，自儲存於記憶部η之各 =、特ΓΓ中獲得特定之動態特性參數，針對每個運轉 耗圍’根據風速來將所獲得之動態特性參數分類為複數個 級別’並針對每個級別，製作表示動態特性參數之時序變 化之時序變化表。 、圖^示選料間常數作為特定之動態特性參數時之η 運轉範圍之時序變化表。於圖7中’橫軸表示時間，縱轴 表示動態特性參數（例如，肖間常數），且按照每1彷之 別來劃分風速。 於針對每個運轉範圍而製作此種時序變化表之後，龄視 部13將所製得之時序變化表輸出至顯示部14。再者， 述說明中’對製作與時間常數相關之時序變化表之情形進 行了敍述，但所選擇之動態特性參數並不限定於時間 數。 Β 132460.doc •13· 201000754 例如，可選s其他動態特性參數，亦可選定複數個動態 特性參數，並關於該等複數個動態特性參數而分別製作時 序變化表。又，於上述例中，根據風速而分類為複數個級 別，但並不限定於此，例如，亦可根據風速與風向之組合 而進行級別分類。 f. 又，如上所述’當監視部13根據風速以及風向之組人而 =行級別分類時，料於記憶部12之各_特性參數_ 獲得該動態特性參數時之風速以及風向相關聯。 又’監視部12根據已製得之時序變化表，判斷是否需要 對風車之控制參數進行調整。具體而言 否1 :動:π數之值相對於初始值一:::: 進仃έ周整之情形時，為斟 夕歎· 化妒m 參數進行調整時之值），變 … °又疋之特定之變化量(例如，20%)時，上述 視邛12判斷為需要對風車 述皿 容輸出至顯示部14。 4參數進行調整，並將該内 顯示部1 4於顯示監葙哭 之内容，藉此通知用戶顯示需要對控制參數進行調整 其次，參照圖8，對具 視裝置之動作進行說明。返構成之風車的動態特性監 首先’於圖3至圖5所千+ μ 模型G】⑷〜G5(s)之輸入、、^型中，將與各動態特性 η，例如，將輸 出相‘之資料輸入至辨識部 入至辨識部u。 、螺距角設定值、以及風速等輸 辨識部11根據風逮來 迷來特別指定運轉範圍，使用與所

132460.cf〇Q 201000754 指定之運轉範圍相對應之辨識模型來對動態特性模型進行 辨識，從而算出各動態特性參數（圖8之步驟SA1)。 具體而言，若上述所特別指定之運轉範圍為^或第沒 轉範圍，則使用圖4所示之辨識模型來算出動態特性模型 G,(s)以及G2(s)之各動態特性參數，將已算出之動態特性 參數與風速、運轉範圍、以及時間相對應地輸出至記憶部 ，右述所特別指定之運轉範圍為第3運轉範圍，則 使用圖5以及圖6所示之辨識模型來算出動態特性模型G 至G5⑷之各動態特性參數，將已算出之動態特性參數盘風 速:運轉範圍、以及時間相對應地輸出至記憶部η。 關辨識部U算出之動態特性參數與運轉範圍等相 關聯地儲存於記憶部12。 視部12以特定之時間間隔，讀出儲存 =她生參數以及與該動態特性參數相關聯之資料，

序而製作如囷7所示之時序變化表，將該時 表輸出至顯示部14(圖8之步驟SA 中顯示由監視部12製得之時序變化表(圖心： )。糟此，用戶可確認動態特性參數之時序變化。 又’監視部12根據上述時序變化表，判斷是否 制參數進行調整（圖8之 、二 對栌制表叙# /、、，、°果，當判斷為需要 部14=進行調整時，將表示該内容之信號輸出至顯示 之内容，從而部14中顯示需要對控制參數進行調整 從而可向用戶通知該内容（圖8之步驟SA5)e 132460.doc 201000754 又’當監視部12判斷為需要對控制參數進行調整時，藉 由未圖示之控制參數調整部來對控制參數進行調整。且體 :言，對圖4所示之輪出控制器31、圖5所示之螺距角控制 益41之PID參數進行調整。關於P叫數之調整，可採用眾 所周知之齊格勒&尼可斯（Zi咖& Nieh。丨s)之極限靈敏度 法或北森法等眾所周知之方法。 女乂上之說明’根據本實施形態之風車的動態特性監視 :置10，彳掌握風車的動態特性之變化’藉此，可根據風 車之驅動系統之狀態，於適當之時期變更為適當之控制參 數，從而可避免運轉效率之降低。 又根據本實施形態之風車的動態特性監視裝置丨0，於 可保持線性度之範圍内對運轉範圍進行劃分，並於所劃分 =每個運轉範圍中進行動態特性模型之辨識，因此，可提 高辨識結果之可靠性。 藉由觀察與致動器等螺距驅動系統相關之動態特性 參數之時序變化，可掌握驅動系統之響應之劣化之進展程 度1藉此，例如，可預先通知用戶需要供給潤滑脂或需要 進仃實機檢查等。其結果，例如可於產生螺距角動作不良 而導致風車無法運轉之前，對該風車進行維護。 再者，於上述之本實施形態中，藉由以一次延遲及停滯 時間為要素之一次轉移函數來表現動態特性模型 i( ) Gs(s)，但動態特性模型之表現並不限定於上述例。 例如如以下之（4)式或（5)式所示，亦可將動態特性模型 Gi(s)〜G5(S)表現為2次以上之高次方轉移函數。 132460.doc (4)201000754 [數4] G(s) = = 1 + ... + + b u\s) s + anlsn 1 +--- + (3,5 + ^ 上述⑷式係包含延遲之要素作為係數之數學式，⑺式 係於（4)式中進一步考慮停滯時間而成之數學式。 f (5) 又，如上所述，當將動態特性模型G1(S)〜G5⑷設為2次 以上之高次方轉移函數而進行辨識時，監視部13亦可根據 停滯時間以及上述轉移函數之係數中之至少一個的時序變 化’而判斷控制參數之調整時期。 又，於上述實施形態中，使用如圖4以及圖5所示之辨識 模型來算出動態特性模型Gl(s)~G5⑷之各動態特性參數， 模型並不限定於該例。例如，若為第1或第2運轉範 辨巧避亦可使用如圖9所示之辨識模型，以代替圖4所示之 辨識模型。圖9所示之辨識模型，# 33^^ψ ^ 係使付第2動態特性模型 輸出輸入至輸出控制器31與第】動態特性模型3 的杈型，將輸出控制器31之 輸出相加，並將相加後之結㈣==性模型33之 輸入。 果°又為第1動態特性模型32之 蘭 同樣地’例如，若為第3運轉範圍，則亦可使用如 圖1 〇所示之辨铒捃别”， 力了使用如 所示之㈣：： 圖5所示之辨識模型。圖10 之辨識核型，係使得第4動態特性模型43之輪出輸入 I32460.doc -17- 201000754 至螺距角控制器41與第3動態特性模型42之間的模型，將 螺距角控制器41之輸出與第4動態特性模㈣之輸出相 並將相加後之結果設為第3動態特性模型42之輸入。 t肖卩便辨識撫型之構纽變，亦可獲得如上所述之 效果。 Μ ^之本實施㈣之風車的動態特性監視裝置10可 ^ 内部，亦可設置於風車之外部。又，可相對 風車而設置1台風車的動態特性監視裝置10,咬者， =相對於複數個風車而設置1台風車的動態特性監:裝 :圖11所不’本實施形態之風車的動態特性監視裝 設置於風車監視系統60,該風車監視系 之運轉進行控制。於此情形時，自各風車】經由 通#線路而發送辨識所必需的輸入輸出資料。 又，當判斷為需要對控制參數進行調整時， 路而對各風車丨發送㈣後之㈣參數。此時，可針= 而ΓΓ參數，亦可使地形或風力狀況等大致相 統㈣管理控制參數。 母個風車中之風車監視系 上述實施形態設為如下構成，即 部U鼻出之資料等進行記憶之記憶部12，監 = 憶部12讀出資訊，但除了該構成之外，亦可不經由記二 而將資料自辨識部11直接輸人至監視部13。於此^ 時，監視和可根據自辨識利輸入之資料，對如圖6所 132460.doc -18- 201000754 總是可掌握動態特性參 示之時序變化表進行更新。藉此 數之時間性變化。 再者’於本實施形態中，將需要對控制參數進行調整之 内容顯示於顯示部14，藉此將該内容通知用戶，但通知方 法^不限定於該例，例如，亦可採用其他方法，例如藉由 聲曰進行通知’或藉由燈之點燈進行通知。 【圖式簡單說明】

圖1係展開地表示本發明之一管:祐报能 如霄施形態之風車的動態特 性監視裝置所具備之功能之功能方塊圖。 圖2係表示本發明之-實施形態之風車的動態特性監視 裝置之硬體構成之圖。 圖3係說明運轉範圍之劃分之圖。 圖4係表示第！運轉範圍以及第2運轉範圍之情形時之 識模型的圖。 圖5係表示第3運轉範圍之情形時之辨識模型之圖 圖6係表示螺距角控制之辨識模型之圖。 圖7係表示時序變化表之—例之圖。 一實施形態之風車的動態特性監視 圖8係表示本發明之 裝置之動作流程之圖。 …係表不第1運轉範圍以及第2運轉範圍之情形時之辨 識模型的其他構成例之圖。 圖1〇係表示第3運轉範圍之情形時之辨識模型之其他構 成例的圖。 圖】〗係表示本發明之 實施形態之風車監視系統之圖 132460.doc -19- 201000754 【主要元件符號說明】 10 風車的動態特性監視裝置 11 辨識部 12 記憶部 13 監視部 14 顯示部 31 輸出控制器 32 第1動態特性模型 33 第2動態特性模型 41 螺距角控制器 42 第3動態特性模型 43 第4動態特性模型 51 第5動態特性模型 60 風車監視系統 132460.doc -20-

Claims (1)

1. 201000754 十、申請專利範園： 1 · 一種風車的動態特性監視裝置，其具備： 辨識部’其就依風速而定的複數個不同範圍 車的動態特性模型；以及 s虫 監視部，其於上述各範圍中，對由上述辨識部所 的動態特性模型進行監視。 識 2.如凊求項1之風車的動態特性監視裝置，其中 f 上述監視部於上述各運轉範圍中，對由上述辨識部所 辨識的動態特性模型中之料之動態特性參數的時序變 ，進行監視，並根據該動態特性參數之時序變化， 疋否需要對風車之控制參數進行調整。 3· 如π求項2之風車的動態特性監視裝置，其中 4. 上述監視部根據風速或風速及風向之組合，將上述特 定之動態特性參數分類為複數個級別，並針對每個該級 別而對上述動態特性參數之時序變化進行監視。 一種風車監視线，其係對複數個風車之運轉狀態進行 監視，且對複數個上述風車發出控制指令者， 該風車監視系統具備如請求項1至請求項3之風車的動 態特性監視裝置。 5. -種風車的動態特性監視方法，其就依運轉控制方法而 定的複數個不同運轉範圍，辨識風車的動態特性模型， 並於每個上述運轉範圍中，對所辨識的動態特性模型進 4亍視。 132460.doc