TW201413110A - 風力發電設備及控制一風力發電設備或一風力發電場之方法 - Google Patents
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Abstract
本發明係關於一種風力發電設備(100)，其包括：一吊艙(104)；一轉子(106)；一第一及/或第二微波技術及/或雷達技術量測單元(1100、1200)，其用於發射微波及/或雷達波及用於偵測該等微波及/或雷達波之反射以獲得有關該風力發電設備前方及/或後方之一風場之風力資料及/或氣象資料或資訊；及該風力發電設備之一控制構件，其依據由該第一及/或第二量測單元(1100、1200)偵測到之該資料控制該風力發電設備(100)之操作。
Description
本發明係關於一種風力發電設備及一種控制或調節風力發電設備或風力發電場之方法。
對於控制或調節風力發電設備，若諸如舉例而言風速或氣象特徵值之變數已知，則其係有利的。風力條件中所涉及之變數之量測實施的越好及越精確，風力發電設備可相應地更好地針對該等變數進行調整。
EP 1 432 911 B1展示基於安裝至風力發電設備之吊艙且偵測風力發電設備之轉子前方之區域之SODAR系統之風力發電設備之預警系統。可藉由SODAR系統偵測風力發電設備前方之風力條件且可適當地調適風力發電設備之控制或調節。
JP 2002 152975 A展示風力發電設備及用於偵測風向量之單獨配置雷達單元。
EP 1 770 278 A2展示用於控制風力發電設備之系統。藉由光偵測及測距裝置LIDAR，藉由透射光之反射或散射之偵測而偵測風力發電設備前方之風速且相應地控制風力發電設備。
US 6 166 661揭示具有雷達系統之飛機之冰偵測系統。
US 2002/0067274 A1揭示用雷達單元偵測冰雹風暴之方法，其中雷達單元用於偵測並追蹤冰雹風暴。當偵測到冰雹風暴時，產生警告信號且可適當地改變轉子葉片之位置。
本發明之目的係提供一種風力發電設備及一種控制或調節風力發電設備或風力發電場之方法，其允許在風力發電設備周圍之區域中對風力條件或氣象特徵值之改良調適。
藉由如技術方案1中所述之風力發電設備及如技術方案5中所述之控制風力發電設備或風力發電場之方法而達成該目標。
因此，提供一種風力發電設備，其包括：吊艙；轉子；旋轉器；第一及/或第二微波技術及/或雷達技術量測單元，其用於發射微波及/或雷達波及用於偵測微波及/或雷達波之反射以獲得有關風力發電設備前方及/或後方之風場之風力資料及/或氣象資料或資訊。風力發電設備亦具有調節器，其依據由第一及/或第二量測單元偵測到之資料控制風力發電設備之操作。第一及/或第二微波技術及/或雷達技術量測單元配置在吊艙上及/或旋轉器上。
本發明係基於在風力發電設備之吊艙上或在旋轉器(風力發電設備之旋轉部分)之區域中提供量測單元之概念，該量測單元藉由微波技術或雷達技術偵測風力發電設備前方及/或後方之風力條件或氣象條件。可將由量測單元偵測到之風力資料及/或氣象資料傳送至風力發電設備之控制構件。風力發電設備之控制構件可基於前饋原理使得風力發電設備之操作可基於由量測單元偵測到之風力資料調適，舉例而言，以使產率最大化或使風力發電設備上之負載最小化。
可藉由微波技術或雷達技術量測單元判定紊流、傾斜匯流、尾流、風切變、風轉向、風向及/或風速。
根據本發明，由量測單元偵測到之風力資料可用於監測風力發
電設備之狀態且可相應地調適風力發電設備之模型。
根據本發明，由量測單元偵測到之風力資料可用於控制風力發電場中之風力發電設備。
在本發明之另一態樣中，風力資料可用於監測轉子葉片之結構。
氣象特徵值可為舉例而言風速(舉例而言，其水平分量)、衍生參數，如風速廓線(風切變)、紊流現象、標準偏差/平均風速、傾斜匯流(具有垂直分量之風速)、風向、圓形轉子區域內之風旋轉廓線(風轉向)、空氣壓力、空氣溫度、空氣濕度、空氣密度、降水類型、雲、能見度及/或全天空輻射量。
本發明之其他組態係隨附技術方案之標的。
100‧‧‧風力發電設備
102‧‧‧塔柱
104‧‧‧吊艙
106‧‧‧轉子
108‧‧‧轉子葉片
110‧‧‧旋轉器
300‧‧‧調節器
320‧‧‧資料處理單元
330‧‧‧前饋調節器
340‧‧‧干擾模型單元
350‧‧‧控制器
370‧‧‧系統模型單元
380‧‧‧轉速調節電路
410‧‧‧狀態監測單元
420‧‧‧風力發電設備模型單元
430‧‧‧風力資料儲存單元
440‧‧‧調適規則單元
450‧‧‧狀態觀察單元
460‧‧‧比較單元
470‧‧‧葉片應力量測單元
480‧‧‧控制規則單元
510‧‧‧監測單元
570‧‧‧塔柱應力監測單元
580‧‧‧控制規則單元
610‧‧‧風力發電場電腦
611‧‧‧風力發電設備
612‧‧‧風力發電設備
613‧‧‧風力發電設備
620‧‧‧風力發電場資料儲存器
710‧‧‧中心風力發電場電腦
711‧‧‧風力發電設備
712‧‧‧風力發電設備
713‧‧‧風力發電設備
714‧‧‧風力發電設備
715‧‧‧風力發電設備
716‧‧‧風力發電設備
717‧‧‧風力發電設備
718‧‧‧風力發電設備
719‧‧‧風力發電設備
720‧‧‧風力發電設備
721‧‧‧風力發電設備
722‧‧‧風力發電設備
724‧‧‧風力發電設備
725‧‧‧風力發電設備
726‧‧‧風力發電設備
810‧‧‧轉子葉片量測單元
910‧‧‧轉子葉片量測單元
920‧‧‧演算法單元
930‧‧‧離線知識單元
940‧‧‧控制規則單元
1100‧‧‧微波/雷達技術量測單元
1200‧‧‧微波/雷達技術量測單元
A1‧‧‧量測平面
A2‧‧‧量測平面
A3‧‧‧量測平面
M1‧‧‧量測點
M2‧‧‧量測點
W12‧‧‧風向量
X1‧‧‧距離
X2‧‧‧距離
α1‧‧‧擴散角
α2‧‧‧擴散角
α3‧‧‧擴散角
下文參考附圖更詳細地描述本發明之舉例而言之優點及實施例。
圖1繪示根據第一實施例之風力發電設備之圖解視圖，圖2繪示根據第二實施例之風力發電設備之圖解視圖，圖3繪示根據第三實施例之風力發電設備之前饋控制構件之圖解視圖，圖4繪示根據第四實施例之風力發電設備中之狀態監測之圖解視圖，圖5繪示根據第五實施例之風力發電設備之模型之最佳化之圖解視圖，圖6繪示根據第六實施例之風力發電場之示意方塊電路圖，圖7繪示根據第七實施例之中心風力發電場調節系統之示意圖，圖8繪示根據第八實施例之風力發電設備之圖解視圖，圖9繪示根據第九實施例之風力發電設備之圖解視圖，
圖10繪示根據本發明之風力發電設備之圖解視圖，圖11繪示根據本發明之風力發電設備之另一圖解視圖，圖12繪示根據本發明之風力發電設備之另一圖解視圖，及圖13繪示根據本發明之風力發電設備之複數個量測場之圖解視圖。
風結構之預測表示減小由風導致之風力發電設備及特定言之其轉子上之氣動負載之可行方式。在此方面，舉例而言，可適當改變轉子葉片之迎角(傾伏角)。藉由舉例而言，藉由根據本發明之微波技術或雷達技術量測單元預測風結構，亦可針對一個風力發電設備以及針對複數個風力發電設備之風力發電場兩者實施產率最佳化、聲音最佳化、結構監測及類似情況。
圖1繪示根據第一實施例之風力發電設備100之圖解視圖。圖1繪示具有塔柱102及吊艙104之風力發電設備100。具有三個轉子葉片108及一個旋轉器110之轉子106配置在吊艙104上。在操作中，藉由風導致轉子106旋轉並藉此驅動吊艙104中之發電機。轉子葉片108之迎角(傾伏角)係可調整的。可在吊艙上提供微波或雷達技術量測單元1100及/或亦可在旋轉器110上提供另一微波及/或雷達技術量測單元1200。該等量測單元1100、1200用於偵測風力發電設備100前方(在量測單元1200之情況中)或風力發電設備100前方及後方(在量測單元1100之情況中)之風力條件。
圖2繪示根據第二實施例之風力發電設備之圖解視圖。圖2之風力發電設備(第二實施例)可對應於圖1之第一實施例之風力發電設備。在風力發電設備之吊艙104上提供微波或雷達技術量測單元1100。量測單元1100可發射雷達波及/或微波並可偵測該等雷達波或微波之反射以從中得出有關風力發電設備前方及後方之風力條件及/
或氣象條件之資訊。特定言之，將量測單元1100配置在吊艙104(即，不旋轉之設備部分)上使得可偵測風力發電設備100前方以及後方兩者之風力條件。風力發電設備100後方之風力條件亦可能係重要的，此係因為其等尤其可給出有關將功能轉換為轉子葉片108之轉動之有效性之資訊。
若在風力發電設備100之旋轉器110上提供微波或雷達技術量測單元1200，則可偵測風力發電設備前方之風力條件。根據第二實施例，可藉由量測單元1100、1200及調節器300偵測紊流現象、傾斜匯流、尾流、風切變、風轉向、風向及風速。在此方面，風轉向表示風向相對於高度之旋轉且風切變表示相對於高度之風廓線。該等量測變數可藉由量測單元1100、1200偵測到並傳送至風力發電設備之控制構件，該控制構件可適當地調適風力發電設備之控制規則。
圖3繪示根據第三實施例之風力發電設備之前饋調節器300之圖解視圖。第三實施例之風力發電設備100可基於根據第一實施例或第二實施例之風力發電設備100。特定言之，圖3繪示風力發電設備之調節器300。第三實施例之風力發電設備100亦具有微波技術或雷達技術量測單元1100或1200。可在調節器300之資料處理單元320中處理由量測單元1100、1200獲得之資料。風力發電設備100之調節器300可具有前饋調節器330、系統模型單元370、干擾模型單元340、控制器350及轉速調節電路380。
可從由量測單元1200偵測到之風場資料或風力資料及/或氣象資料中判定作為風場中之干擾效應之特性之該等參數。若干擾係先前已知的，則可藉由前饋控制抵消干擾效應。如上文已述，量測單元1200可確定風速、風向、風轉向、風切變、尾流、紊流及/或傾斜匯流。干擾行為儲存在干擾模型單元340中且風力發電設備之模型儲存在系統模型單元370中。
可基於量測單元1200之量測資料確定控制值iGf(s)之方向。其可在前饋調節器330中實現。可在干擾模型單元340中使干擾值至處理輸出上之成像模型化。可藉由干擾模型單元340實施干擾值補償。可藉由前饋調節(前向調節)經由轉子葉片之傾伏角實現有關干擾值之補償。作為安裝角之調整之替代或補充，亦可執行轉子葉片之廓線之變化(即，針對傾伏調整對轉子葉片之主動改變)。調節器350用於調適用於將最佳化目標映射至控制選項上之調節器規則。可在調節器350中提供傾伏角及其他控制值之修改規則。
風力發電設備之位置上之風結構及其上之氣象特徵可用於改良干擾傳輸函數。
視需要，可實現傳輸函數F(s)之調適以使前饋調節器330最佳化。換言之，可基於量測單元1200或1100之量測資料調適傳輸函數F(s)之參數，該等參數在資料處理單元320中處理。其可使得可提供干擾值之自適應補償。
圖4繪示在根據第四實施例之風力發電設備之情況中之狀態監測之圖解視圖。在第四實施例中，量測單元1100、1200之量測資料可用於風力發電設備之狀態監測單元410或其部分。風力發電設備之狀態監測單元410尤其需縮短設備停工時間。此外，狀態監測可用於風力發電設備之進一步開發。狀態監測可用於風力發電設備之轉子葉片、吊艙、轉子及/或塔柱。
量測單元1100、1200之量測資料可儲存在風力資料儲存單元430中。可藉由葉片應力量測單元470偵測轉子葉片108上之實際應力。將儲存在風力資料儲存單元430中之風力資料饋送至將資料插入模型之風力發電設備模型單元420。在比較單元460中將模型單元420之輸出信號與葉片應力量測單元470之輸出信號作比較。若未偵測到偏差，則模型對應於實際風力發電設備。但是，若存在偏差，則其指示儲存
在模型單元420中之模型與實際不符。在狀態觀察單元450，由量測單元1100、1200偵測到之風力資料可用於模型狀態估計。可基於估計之狀態重構該轉子葉片108之當前結構狀態。
若在偵測到之葉片應力與藉由模型確定之葉片應力之間之比較中發現存在差異，則可調適有關風力發電場位置之理論負載模型假設。其可在調適規則單元440中實現。調適可連線以及離線實現。
當風力發電設備投入運作時，可藉由量測單元1100、1200之量測結果檢查負載假設。若確定之量測值與藉由模型判定之值之間之偏差過大，則負載最佳化之改變可在控制規則單元480中實現。其可對成本、聲音最佳化及產率最佳化有利。
圖5繪示根據第五實施例之風力發電設備之模型之最佳化之圖解視圖。在圖5中，除監測轉子葉片108上之負載外，監測單元510亦可提供用於監測轉子106及塔柱102上之負載。為該目的，提供轉子及/或塔柱應力監測單元570、最佳化單元520及視需要之控制規則單元580。如參考圖4所述，有關負載技術之最佳化可在此方面實現。
負載及/或產率最佳化或聲音最佳化不僅可僅針對單個風力發電設備而且可針對包括複數個風力發電設備之風力發電場實現。在該情況中，可考慮局部風況以及風力發電場拓撲(風力發電設備之數量、風力發電設備之定向、風力發電設備之間之間距)。
圖6繪示根據第六實施例之風力發電場之示意方塊電路圖。在圖6情況中，風力發電場可具有複數個風力發電設備611、612、613，其中風力發電設備之至少一者具有微波技術或雷達技術量測單元1100、1200。可將風力量測之結果傳送至中心風力發電場資料儲存器620。
可將風力發電場電腦610連接至風力發電場資料儲存器620。風力發電場電腦610亦可分別連接至風力發電設備並可控制風力發電設備。風力發電場之個別風力發電設備之控制可基於聲音最佳化、產率
最佳化及/或負載最佳化。
可在第六實施例之各自風力發電設備中提供根據第三實施例之前饋調節器。作為其補充或替代，舉例而言，亦可在風力發電場電腦610中實施根據第三實施例之前饋補償。至少風力發電設備上之量測單元1100、1200之風力資料充當前饋補償之輸入信號。但是，較佳地，亦考慮所有風力發電設備之量測單元1100、1200之風力資料。亦可調適風力發電場電腦610而以將負載均勻分佈至風力發電設備100之此一方式控制風力發電設備100。
圖7繪示根據第七實施例之中心風力發電場調節系統之圖解視圖。圖7繪示連接至中心風力發電場電腦710之複數個風力發電設備711至726。風力發電場電腦710接著耦合至風力發電場資料儲存器720。與鄰近風力發電設備相關之距離分別係△x及△y。
圖8繪示根據第八實施例之風力發電設備之圖解視圖。圖8繪示包括塔柱102、吊艙104及第一及/或第二微波或雷達量測單元1100、1200之風力發電設備100。第一及/或第二量測單元可用於量測轉子葉片108。取得第一及/或第二量測單元1100、1200之量測資料，可在轉子葉片量測單元810中確定轉子葉片撓曲線、表面侵蝕、葉片角度、葉片狀態、葉片扭曲及冰偵測。
圖9繪示根據第九實施例之風力發電設備之圖解視圖。藉由轉子葉片量測單元910量測風力發電設備之轉子葉片108。將轉子葉片量測單元910之結果傳送至演算法單元920。此外，來自離線知識單元930之資料亦被饋送至演算法單元920。可將演算法單元920之輸出信號傳送至控制規則單元940。
根據本發明，可在風力發電場中減小由風力發電設備之一者產生之紊流使得相對於鄰近風力發電設備之間隔可減小。
根據本發明，有關後場偵測，風力發電設備100可以使鄰近或後
一風力發電設備之功率最佳化或使風力發電場之風力發電設備之總功率最佳化之此一方式操作。
在本發明之另一態樣中，在藉由量測單元量測轉子葉片的情況下，可用上述風力發電設備100及微波技術及/或雷達技術量測單元1100、1200實現葉片量測。
在本發明之另一態樣中，不僅可藉由微波技術及/或雷達技術量測單元偵測及量測轉子葉片而且可藉由其偵測及量測風力發電設備之其他部分，使得風力發電設備隨時瞭解設備之目前主要狀態。可藉由微波技術及/或雷達技術量測單元偵測轉子葉片上之侵蝕(與參考或目標狀態之偏差)及/或結冰。根據本發明之微波技術及/或雷達技術量測單元不僅可用於判定侵蝕或結冰，其亦可判定侵蝕及結冰之位置。
圖10繪示根據本發明之風力發電設備之圖解視圖。此繪示風力發電設備100之一個吊艙104及兩個轉子葉片108。此外，根據本發明之量測單元1100提供在吊艙上並以擴散角α輻射量測域。量測平面之面積依據與根據本發明之量測單元1100相距之距離x1、x2而增大。
圖11繪示根據本發明之風力發電設備之另一圖解視圖。根據本發明之量測單元1100可配置在吊艙104上，舉例而言，2m之高度上(或更高)。根據本發明之量測單元1100必須處於高於吊艙104之最小高度使得其可量測風力發電設備前方之風場。
視需要，根據本發明之另一量測單元1200可提供在風力發電設備之轉子106上。在此方面，轉子106之幾何形可用於安裝量測單元。如根據本發明所述，若量測單元1200配置在轉子106上，則可避免因轉子葉片移動之陰影(如在根據本發明之量測單元1100之情況中)。
圖12繪示根據本發明之風力發電設備之另一圖解視圖。該設備可具有根據本發明之量測單元1100及/或1200。憑藉選擇各自擴散角α1、α2及α3之各自擴散(如所示)，可確保量測平面A1、A2、A3為相
同大小或相同面積。
圖13繪示根據本發明之風力發電設備之複數個量測場之圖解視圖。複數個量測場A1、A2、A3之使用使得可確定各自量測場A1、A2、A3內之量測值以及各自量測點之間之量測值兩者。因此，可提供風力發電設備前方及後方之風場之更準確偵測。根據本發明，需存在至少兩個量測點M1、M2以能夠藉由擴散角α計算風向量W12。僅使用一個量測點僅可偵測沿著量測路徑之風速。葉片尖端方向上之量測點之間距減小，即在外葉片區域中可實現更高位準之解析度。在此方面，指出精確地在葉片外區域中，歸因於相對於轉子軸之間距，產生葉片撓曲力矩，現可偵測到該等葉片撓曲力矩。
100‧‧‧風力發電設備
102‧‧‧塔柱
104‧‧‧吊艙
106‧‧‧轉子
108‧‧‧轉子葉片
110‧‧‧旋轉器
1100‧‧‧微波/雷達技術量測單元
1200‧‧‧微波/雷達技術量測單元
Claims (8)
- 一種風力發電設備(100)，其包括：一吊艙(104)，一轉子(106)，一旋轉器(110)，一第一及/或第二微波技術及/或雷達技術量測單元(1100、1200)，其用於發射微波及/或雷達波及用於偵測該等微波及/或雷達波之反射以獲得有關該風力發電設備(100)前方及/或後方之一風場之風力資料及/或氣象資料或資訊，及一調節器(300)，其依據由該第一及/或第二量測單元(1100、1200)偵測到之該資料控制該風力發電設備(100)之操作，其中該第一及/或第二微波技術及/或雷達技術量測單元(1100、1200)配置在該吊艙(104)及/或該旋轉器(110)上。
- 如請求項1之風力發電設備，其中該調節器係基於一前饋調節且由該第一及/或第二量測單元(1100、1200)偵測到之該風力資料用於該前饋調節。
- 如請求項1或請求項2之風力發電設備，其中該第一及/或第二量測單元(1100、1200)經調適以確定該風力發電設備前方及/或後方之一傾斜匯流、一尾流、一風切變、一風轉向、一風向及/或一風速。
- 如請求項1至請求項3中之一項之風力發電設備，其中該調節器(300)具有一模型單元(370)，其中將由該第一及/或第二量測單元(1100、1200)偵測到之該風力資料饋送至該模型單元(370)且將該模型單元(370)中之模型化結果與該風力發電設備之實際確定參 數作比較。
- 一種控制在一風力發電場中之一風力發電設備或複數個風力發電設備(100)之方法，其中該等風力發電設備(100)之至少一者具有一吊艙(104)、一旋轉器(110)及一轉子(106)以及用於偵測該風力發電設備前方及/或後方之風力資料及/或氣象資料之一第一及/或第二微波技術或雷達技術量測單元(1100、1200)，其中該第一及/或第二微波技術及/或雷達技術量測單元(1100、1200)配置在該吊艙(104)及/或該旋轉器(110)上，其包括下列步驟：基於由該第一及/或第二量測單元(1100、1200)確定之該風力資料控制至少一風力發電設備(100)。
- 一種風力發電場，其包括複數個風力發電設備，特定言之如請求項1至4中之一項的風力發電設備，其中該等風力發電設備(100)之一者具有一第一及/或第二微波技術及/或雷達技術量測單元(1100、1200)，其/其等經調適以實施該風力發電設備(100)後方之風場之量測，其中該風力發電設備(100)之控制構件經調適以使該風力發電設備之操作最佳化及介入該風力發電設備之操作以依據該經量測之風場使具有該複數個風力發電設備(100)之該整個風力發電場之功率最佳化。
- 一種如請求項1至4中之一項且進一步包括該轉子(106)上之至少兩個轉子葉片(108)之風力發電設備，其中：該/該等第一及/或第二微波技術及/或雷達技術量測單元(1100、1200)經調適以藉由該等微波及/或雷達波量測該轉子葉片(108)。
- 如請求項7之風力發電設備，其中該第一或第二微波技術及/或雷 達技術量測單元(1100、1200)經調適以偵測該等轉子葉片(106)上之一侵蝕及/或結冰。
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