TW201602458A

TW201602458A - 風力發電系統

Info

Publication number: TW201602458A
Application number: TW104121863A
Authority: TW
Inventors: Ikuo Tobinaga; Souichiro Kiyoki
Original assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2014-07-07
Filing date: 2015-07-06
Publication date: 2016-01-16
Also published as: JP6248006B2; JP2016017424A; EP2966297A1; TWI632292B

Abstract

提供可就於風車之停止時因過度旋轉使得大的負載作用於葉片的情形作抑制之風力發電系統。就風車之停止因素作情形區分，於停止因素為至少轉數之上限異常(過度旋轉)的情況下，風車控制板係對於電力控制裝置發出發電繼續之指令，同時對於俯仰控制裝置給予使葉片之俯仰角轉移至停止狀態的指令。風車控制板，係對於俯仰控制裝置給予使葉片之俯仰角轉移至停止狀態的指令之後，於經過既定之時限或既定之條件成立時對於電力控制裝置給予發電停止指令。

Description

風力發電系統

本發明，係關於將所發電之電力對於系統作供應的風力發電系統，尤其關於作成使葉片之俯仰角為順槳而使風車停止的風力發電系統。

風力發電系統(風力發電機)，係作為對於環境和善且風險少的發電方法而近年來受到關注，惟在另一方面發電成本為高，要求確保安全性同時進一步削減成本。

要削減風力發電系統之成本，係採風車構造構材之輕量化的材料費削減為有效，尤其葉片之質量削減，係亦有助於就其作支撐之機艙、及就機艙作支撐的塔台之輕量化，故重要度高。葉片之構造條件係主要依空氣動力特性與設計條件而定，藉將設計負載予以降低，從而謀求葉片構造之輕量化。

歷來，例如，如記載於專利文獻1~3，已提出就俯仰角、偏搖角作控制而對暴風時之待機形態下工夫從而減輕暴風時設計負載。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本發明專利公開2006-336505號公報

[專利文獻2]日本發明專利公開2007-64062號公報

[專利文獻3]日本發明專利公開2007-16628號公報

要降低風力發電系統之發電成本，係如上所述，需要風車的構件之輕量化。決定風車之構造強度的設計負載係大致區分有3個，大致區別為在風車為停止狀態下受颱風等之高風速的風時之負載(暴風時負載)、發電中之負載(發電時負載)、及停止動作時之負載(停止動作時負載)。要將風車之構件作輕量化，係於在如上述之各種狀態下產生的負載方面，不予以生成比其他特別大的支配性負載為重要。

於暴風時，係可藉採用記載於上述之專利文獻1~3的方法，從而減低暴風時設計負載，惟基本上，於暴風時風車係停止，故藉控制進一步減低負載之餘地少。為此，不使比暴風時負載還大的負載在其他狀態下產生為重要。

其中，依本發明人們之檢討，發現就於進行風車之停止動作時作用於葉片的負載有進一步作減低之餘地。風車係因各種停止因素(異常)使得運轉被停止。歷來，於使風車停止時，係採取不論風車之停止因素(停止條件)，使葉片成為順槳同時使發電停止。此情況下，依本發明人們之檢討，於風車進行停止動作時，係特別有因過度旋轉而產生大的負載之情形。亦即，風車停止發電，使得風車轉子之旋轉系統係成為無負載，轉子轉數係成為上升傾向。由於轉子轉數之上升，使得有流入於葉片的風之相對速度係上升，於葉片轉子予以產生巨大之負載的情況。此負載在設計上成為支配性時，風車構造無法最佳化，有株連發電成本之上升的課題。

本發明之目的，係在於提供可就於風車之停止時因過度旋轉使得大的負載作用於葉片的情形作抑制之風力發電系統。

本發明，係作成就風車之停止因素作情形區分，於停止因素為至少轉數之上限異常(過度旋轉)的情況下，風車控制板係對於電力控制裝置發出發電繼續之指令，同時對於俯仰控制裝置給予使葉片之俯仰角轉移至停止狀態的指令。

此外，本發明，係風車控制板，作成對於俯仰控制裝置給予使葉片之俯仰角轉移至停止狀態的指令之後，於經過既定之時限或既定之條件成立時對於電力控制裝置給予發電停止指令。

依本發明，即使得可就於風車之停止時因過度旋轉造成大的負載作用於葉片之情形作抑制，可減低於風車停止時作用於風車之負載。

上述以外的課題、構成及效果，係藉以下之實施形態的說明而進一步明確化。

1‧‧‧葉片

2‧‧‧輪轂

3‧‧‧主軸

4‧‧‧增速機

5‧‧‧發電機

6‧‧‧機艙

7‧‧‧塔台

8‧‧‧俯仰驅動機構

9‧‧‧俯仰控制裝置

10‧‧‧偏搖驅動機構

11‧‧‧轉子制動器

12‧‧‧風向風速計

13‧‧‧轉數感測器

14‧‧‧偏搖角感測器

15‧‧‧風車控制板

16‧‧‧電力控制裝置

17‧‧‧主遮斷器

18‧‧‧緊急停止鈕

19‧‧‧輔機群

[圖1]就應用本發明之一般的風車之機器構成與控制對象作繪示的圖。

[圖2]就本發明之基本的控制方塊圖之一例作繪示的圖。

[圖3]繪示本發明之實施例1下的控制方塊圖。

[圖4]繪示本發明之實施例2下的控制方塊圖。

[圖5]繪示本發明之實施例3下的控制方塊圖。

[圖6]繪示本發明之實施例4下的控制方塊圖。

[圖7]繪示本發明之實施例5下的控制方塊圖。

[圖8]就發電之繼續的有無與風車轉數之關係依時序而表示的圖。

[圖9]就因葉片俯仰角而變化之風車轉子的空氣動力轉矩(空氣動力制動器)對於風車轉數帶來之影響作說明的圖。

[圖10]就風車停止時之風車轉數的上限作說明之圖。

以下，利用圖式而說明本發明之實施例。

首先，利用圖1，而就應用本發明的風車之機器構成與控制對象的一例作說明。應用本發明的大型之風力發電機(額定輸出100kW以上)，係基本上進行在無人下之自動運轉，所發電之電力係連接至系統。

風車，係具備：複數個葉片1；安裝著葉片1之輪轂2；連接於輪轂2之主軸3；就主軸3之旋轉作增速的增速機4；連接於增速機4並進行發電的發電機5；就主軸3可旋轉地作支撐並將增速機4、發電機5作收容的機艙6；及就機艙6旋轉自如地作支撐之塔台7。

此外，風車，係具備風向風速計12、就發電機5之轉數作計測的轉數感測器13、及就機艙6之偏搖角作計測的偏搖角感測器14等，此等感測器之輸出，係送至設置在塔台7內的風車控制板15。

風車控制板15，係根據來自外部之控制指令、來自各感測器之輸出，而就風車內之控制對象作控制，進行風車之在無人下的自動運轉。在控制對象方面，係俯仰控制裝置9(俯仰驅動機構8)、偏搖驅動機構10、電力控制裝置16、主遮斷器17、及輔機群19(在輔機方面係例如轉子制動器11，雖省略圖示惟包含油壓單元、冷卻單元等)等。俯仰控制裝置9(俯仰驅動機構8)係就葉片1 之角度作變更。偏搖驅動機構10係就機艙6整體之朝向作變更。電力控制裝置16係就風車之電力(或轉矩)作調整。主遮斷器17係擔負與系統之電連接。

此外，風車係藉各感測器就各部分之狀態作監視，藉風車控制板15而檢知到異常之情況下，或以由風車操作員所為之手動操作(按下緊急停止鈕18而對於風車控制板15停止指令)而中止發電，進行停止動作。本發明，係關於在此停止動作中之藉風車控制板15發往俯仰控制裝置、電力控制裝置16、及主遮斷器17之指令者。

接著，就達至本發明之原委利用圖8~圖10作說明。

歷來，於使風車停止時，係採取不論風車之停止因素(停止條件)，使葉片成為順槳同時使發電停止。此情況下，如圖8所示，於T1，風車之停止動作，亦即，開始旋轉使葉片俯仰角成為順槳狀態，同時使發電停止時，風車轉子之旋轉系統係成為無負載，轉子轉數係成為上升傾向。然後，成為過度旋轉，有流入於葉片的風之相對速度係上升，於葉片轉子予以產生巨大之負載的情況。

所以，本發明人們，係著眼於在於風車停止時，存在即使短期間繼續發電仍不會對於風車及系統造成不良影響之情形，並發現在如此之情況下，係作成於將風車予以停止動作時，使發電繼續而不發生過度旋轉即可。亦即，如圖8所示，只要作成在風車停止動作至時間延遲之T2的時間點使發電停止，則風車轉數之上升會落入於容許範圍(作用於葉片之負載成為容許範圍的風車轉數)。於不使發電停止之情況下，風車之轉數係逐漸減少，惟風車係因某些異常而停止者，故迅速使發電停止為理想。

所以，本發明人們，係作成在如於風車之停止時作用於葉片之負載落入容許範圍內的條件成立時使發電停止。

如上所述，決定風車之構造強度的設計負載係大致區分有3個，大致區別為在風車為停止狀態下受颱風等之高風速的風時之負載(暴風時負載)、發電中之負載(發電時負載)、及停止動作時之負載(停止動作時負載)，不使比暴風時負載還大的負載在其他狀態下產生為重要。本發明人們係著眼於此點，作成在風車停止動作時作用於葉片之負載不會比暴風時作用於葉片之負載還大。

於圖10就風車轉數與作用於葉片之負載的關係之概算結果作繪示。如圖10所示，使暴風時之設定風速為約70m/s時，作用於葉片之根部的負載M係以下式作表示。於此，K係常數。

此外，使運轉時之上限速度(葉片前端之速度)係約75m/s時，作用於葉片之根部的負載M係以下式作表示。可得知運轉時之負載M係比暴風時之負載M小。

關於風車停止動作時之負載M，係需要作成不超過暴風時之負載M。依此概算結果，係於風車停止時葉片前端之速度的上升只要為運轉時之上限速度的+25%之範圍時，則不超過暴風時之負載M。亦即，作成相對於風車停止動作時之運轉時速度的過速+25%時之作用於葉片的根部之負載係以下式而表示。可得知作成過速+25%時之作用於葉片的根部之負載係比暴風時之負載M小。

如此，只要使風車停止動作時之過速落入運轉時的上限速度之+25%程度，則空氣動力負載落入風車停止時之負載為暴風時之負載以下。但是，此計算方法係概略計算，會因設想的暴風時之風速、葉片之形狀、質量之影響使得結果出現偏差。因此，依實際之條件而就風車停止動作時之上限速度作適當設定。

然後，要將此風車停止動作時之轉數增加抑制於25%以下，係以模擬就發電停止之時機作調查。亦即，改變發電停止時機而就轉數之上升作確認。圖9係藉此模擬而得者，就因葉片俯仰角而變化之風車轉子的空氣動力轉矩(空氣動力制動器)對於風車轉數帶來之影響作說明的圖。如此圖9所示，只要繼續發電，轉數係往降低方向推移。此外，使發電停止後，係旋轉系統之負載消失故轉數開始上升。其中，在轉數充分達到增25%之前俯仰角於順槳方向推移一定程度時，空氣動力轉矩係開始作用於與旋轉相反方向之制動方向，轉數之上升係開始減速，可抑制轉數之上升。在圖8及圖9之例，係空氣動力轉矩成為大概零的俯仰角之前使發電停止仍可使風車停止動作時之轉數上升落入運轉時的上限速度(上限轉數)之+25%以下。換言之，如此就至發電停止為止之時限作設定，使得可確保於使發電繼續時，可作成風車停止動作時之轉數的上限值為正常運轉時之運轉範圍的上限+25%以下之發電電力、或轉矩。此外，如此就至發電停止為止之時限作設定使得可縮短至發電停止為止之時間。換言之，可在短時間之發電繼續下，就風車停止動作時之過度旋轉作抑制。

如此，因即便使發電短期間繼續仍不會對於風車及系統造成不良影響的異常因素而使風車停止之情況下，可作成於將風車予以停止動作時，使發電繼續而不產生過度旋轉，藉此風車停止動作時之負載在設計上無支配性，故可進行風車構造之最佳化，亦可抑制發電成本之上升。

在本發明，係就風車之停止因素作情形區分，而改變風車停止動作時之控制內容。就風車停止因素之情形區分於以下作詳述。

在本發明，係於停止因素為至少轉數之上限異常(過度旋轉)的情況下，風車控制板係對於電力控制裝置發出發電繼續之指令，同時對於俯仰控制裝置給予使葉片之俯仰角直接轉移成停止狀態的指令。此係短期間的發電之繼續不會對於風車及/或系統帶來不良影響之故。風車停止動作時之過度旋轉，係最該就轉數之上限異常作應對，惟風車停止動作時之過度旋轉，係於因其他異常因素所致的風車停止動作時亦可能發生。所以，作為本發明之優選態樣，係於其他短期間之發電的繼續不會對於風車及/或系統帶來不良影響之異常因素下，亦同樣地風車控制板係對於電力控制裝置發出發電繼續之指令，同時對於俯仰控制裝置給予使葉片之俯仰角轉移至停止狀態的指令。

作為即使短期間使發電繼續仍不會對於風車及/或系統帶來不良影響之停止因素(停止條件)，包含以下任一者。其中，如上所述，旋轉速度之上限異常(過度旋轉)，係一定包含作為進行本發明之控制內容的對象。

(1)機械異常(此等異常係以感測器等作檢測)

A)振動(機艙框、就轉子作支撐的軸承之振動等)

B)擾音(機艙內之擾音等)

C)旋轉速度之異常(尤其可能發生過度旋轉之異常)

D)轉子之扭曲、變形

E)電線之扭曲(搖動迴旋於某方向旋轉一定以上之情況下推測為發生電線之扭曲。以設於偏搖迴旋齒輪之編碼器等作檢測)。

F)溫度之異常(輔機之油壓系統、冷卻系統、軸承、控制板、發電機、變壓器等之異常溫度)

G)壓力之異常(輔機之油壓系統、冷卻系統之異常壓力)

H)液面之異常(輔機之油壓系統、冷卻系統之液面異常)

(2)關於外部之風的異常

I)風速、風向之急劇的變化(例如，既定時間(5秒)平均之風速急劇變化既定風速以上之情況、於既定時間(10秒)間90度變化之情況等。此等係次於旋轉速度之異常容易發生過度旋轉。因此，採取與旋轉速度之異常同樣的處理為理想)。

(3)無直接相關於發電機~系統之輔機的電異常(此等係無關風速而可能發生的異常，不發生過度旋轉之情況居多)。

J)電壓之異常

K)電流之異常

L)頻率之異常

M)電力之異常

另一方面，短期間使發電繼續因而對於風車及/或系統造成不良影響時，代替上述之控制，而a)對於俯仰控制裝置，係直接給予使葉片之俯仰角轉移至停止狀態的指令，b)對於電力控制裝置，係直接給予使發電中止之指令，c)對於主遮斷器，係直接給予解除之指令。

進行此控制之條件，係包含以下的條件。

N)發電機~系統間之電壓異常

O)發電機~系統間之電流異常

P)發電機~系統間之頻率異常

Q)發電機~系統間之電力異常

R)通信異常(因斷線等無法作信號收發的情況等)

S)控制裝置之異常(監視計時器等之異常)

於圖2就本發明之基本的控制方塊圖之一例作繪示。如圖2所示，於屬機械系統之異常的一者之過度旋轉(旋轉速度之異常)之情況、及其他因即使短期間繼續發電仍不會對於風車及/或系統造成不良影響之停止因素而使風車停止的情況下，風車控制板15，係對於俯仰控制裝置9直接為了進行順槳動作而給予指令。此情況下，對於電力控制裝置16係給予發電繼續指令。此外，設定上述之時限，於短期間經過後對於電力控制裝置16給予發電停止指令。另外，關於「條件」係後述。此外，於因由於短期間繼續發電對於風車及/或系統造成不良影響的停止因素而使風車停止時，係對於俯仰控制裝置9直接給予進行順槳動作之指令，同時對於電力控制裝置16亦直接給予發電停止指令。例如，至少電流、電壓或電力之任一者的頻率於風力發電系統從預先決定之頻率範圍脫離的情況下，對於俯仰控制裝置9直接給予進行順槳動作之指令，同時對於電力控制裝置16亦直接給予發電停止指令。

另外，於因即使短期間繼續發電仍不會對於風車及/或系統造成不良影響之停止因素而使風車停止的情況下，於短期間經過後對於電力控制裝置16給予發電停止指令之「條件」係如下。亦即，於使發電繼續之情況下，尤其在風為弱之情況等下係有到達風車、風車之電力系統無法維持發電的轉數之下限的情況(例如，將發電機之頻率轉換成系統頻率的轉換機(逆變器/轉換器)之性能極限等)。成為如此之條件的情況下，係採取不等待上述之發電繼續的時限而給予發電停止指令，進行主遮斷器之解除。

此外，於使發電繼續之情況下，為了不對於風車之旋轉系統予以產生過大的負載，而進行將轉矩從停止動作時之值保持於一定以下的控制為理想。發電機之控制為轉矩控制時，轉矩固定之指令值，或進行使轉矩隨著時間而減少之升降控制。機械影響對於旋轉系統為少係在於轉矩減低之升降控制，惟亦有轉數上升之風險。轉矩固定控制，係控制為單純且可靠性高，轉數上升不易發生，故較理想。

此外，亦可為了使轉數之降低的判定變不需要，而參照當下的之轉數而藉以轉數成為可發電轉數之下限值附近的方式給予目標值之回授控制而就轉矩控制指令作決定。此外，於電力控制裝置並非轉矩之指令，而是進行電力指令之情況下，係對於轉矩指令值乘上當下之轉數，而作為電力指令給予控制信號。此情況下之轉矩指令值，係如上述成為固定，作為升降控制而進行。

依本發明，於風車停止動作時發電機繼續發電，使得於轉子轉體係持續負載轉矩，可抑制轉數上升，可減低作用於風車的風車停止動作時之負載。

以下，利用圖3~圖7，而就本發明之具體的控制方塊之實施例作說明。

[實施例1]

於圖3繪示實施例1。在本實施例，係包含旋轉速度之異常，而於因即使短期間繼續發電仍不會對於風車及/或系統造成不良影響的停止因素(停止條件)而使風車停止時，風車控制板15，係對於俯仰控制裝置9直接為了進行順槳動作而給予指令。此情況下，對於電力控制裝置16係給予發電繼續指令。此外，就上述之時限及用於發電繼續的最小轉數作設定，於此等任一者經過或條件成立時對於電力控制裝置16給予發電停止指令(以OR條件發出發電停止指令)。作為即使短期間使發電繼續仍不會對於風車及/或系統帶來不良影響之停止因素(停止條件)，係包含上述之A)~M)之因素(條件)。此外，在本實施例，係於發電繼續之情況下，係將就風車停止動作維持開始時間點之轉矩的指令(轉矩固定控制)發至電力控制裝置16。於因由於短期間繼續發電而對於風車及/或系統造成不良影響的停止因素(上述之N)~S) 之因素)而使風車停止時，係對於俯仰控制裝置9直接給予進行順槳動作之指令，同時對於電力控制裝置16亦直接給予發電停止指令，此外，對於主遮斷器17亦直接給予解除指令。

[實施例2]

於圖4繪示實施例2。在本實施例，係發電繼續之情況下，代替實施例1之轉矩固定控制，而採取升降控制者。此情況下，升降率係定為發電機之轉數不超過運轉範圍上限+25%。

[實施例3]

於圖5繪示實施例3。本實施例，係發電繼續之情況下，代替實施例1之轉矩固定控制，而採取回授控制者。在本實施例，係取入當下的風車轉數之值，以轉數成為可發電轉數之下限附近的方式就轉矩指令值作設定。藉此，停止指令條件成為僅計時器，關於停止指令之控制被精簡化。

[實施例4]

於圖6繪示實施例4。本實施例，係採取代替實施例1之將轉矩指令給予電力控制裝置16，而對於轉矩指令乘上轉數值從而作為電力指令給予電力控制裝置16。本實施例，係實施例1之變化例，惟關於實施例2、 3亦可作與實施例1同樣之變更。

[實施例5]

於圖7繪示實施例5。本實施例，係將發電繼續之條件縮小到僅屬機械系統之異常的過度旋轉(旋轉速度之異常)者。發電繼續之條件，係過度旋轉為必須項目。此係為了確實就過度旋轉作抑制而使於風車停止動作時作用於葉片之負載比暴風時之負載小之故。關於其他因素，係歸因於可能成為過度旋轉之可能性不一定高。在另一方面，關於使即時發電停止、及解除之條件，係如同示於圖3~圖6之實施例。

另外，本發明係非限定於上述之實施例者，包含各式各樣的變化例。例如，上述之實施例係為了以容易理解的方式說明本發明而詳細說明者，未必限定於具備所說明之全部的構成者。此外，可將某實施例之構成的一部分置換成其他實施例之構成，另外亦可對於某實施例之構成加入其他實施例的構成。此外，可對於各實施例之構成的一部分，作其他構成之追加、刪除、置換。

9‧‧‧俯仰控制裝置

15‧‧‧風車控制板

16‧‧‧電力控制裝置

Claims

一種風力發電系統，具有可就俯仰角作控制的葉片，將所發電之電力供應至系統，特徵在於：具有：風車控制板；根據來自前述風車控制板之指令而就風車之發電作控制的電力控制裝置；根據來自前述風車控制板之指令而將與前述系統之連接作遮斷的主遮斷器；以及根據來自前述風車控制板之指令而進行前述俯仰角之控制的俯仰控制裝置；前述風車控制板，係作成於風車之停止因素為至少轉數的上限異常之情況下，對於前述電力控制裝置發出發電繼續之指令，同時對於前述俯仰控制裝置給予使前述葉片之俯仰角轉移至停止狀態的指令。
如申請專利範圍第1項之風力發電系統，其中，前述風車控制板，係對於前述俯仰控制裝置給予使前述葉片之俯仰角轉移至停止狀態的指令之後，於在前述風車之停止動作時作用於前述葉片之負載不會超過於暴風時作用於前述葉片之負載的條件下，對於前述電力控制裝置給予發電停止指令。
如申請專利範圍第1項之風力發電系統，其中，前述風車控制板，係作成對於前述俯仰控制裝置給予使前述葉片之俯仰角轉移至停止狀態的指令之後，於經過既定之時限時對於前述電力控制裝置給予發電停止指令。
如申請專利範圍第2項之風力發電系統，其中，前述風車控制板，係作成對於前述俯仰控制裝置給予使前述葉片之俯仰角轉移至停止狀態的指令之後，於經過既定之時限時，或既定之條件成立時對於電力控制裝置給予發電停止指令。
如申請專利範圍第3或4項之風力發電系統，其中，前述既定之時限，係設定成於風車停止動作時作用於葉片之負載不會超過暴風時作用於葉片之負載。
如申請專利範圍第5項之風力發電系統，其中，前述時限被設定成風車停止動作時之風車轉數的最大值成為額定轉數+25%之範圍內。
如申請專利範圍第4項之風力發電系統，其中，前述既定之條件，係達到風車發電系統成為無法維持發電的風車轉數之下限時。
如申請專利範圍第1~7項中任一項之風力發電系統，其中，前述風車控制板，係作成於因在風車停止後即使繼續發電仍不會對於風車及系統造成不良影響之異常因素使得風車停止的情況下，對於前述電力控制裝置發出發電繼續之指令，同時對於前述俯仰控制裝置給予使前述葉片之俯仰角轉移至停止狀態的指令。
如申請專利範圍第1~8項中任一項之風力發電系統，其中，前述風車控制板，係為了以不超過風車停止時之輸出的方式持續輸出而將指令給予前述電力控制裝置。
如申請專利範圍第9項之風力發電系統，其中，前述風車控制板，係為了將輸出保持成固定而將指令給予前述電力控制裝置。
如申請專利範圍第1~10項中任一項之風力發電系統，其中，前述電力控制裝置，係輸出轉矩指令或電力指令。
如申請專利範圍第1~11項中任一項之風力發電系統，其中，前述風車控制板，係作成至少電流、電壓或電力之任一者的頻率於風力發電系統從預先決定之頻率範圍脫離的情況下，對於前述電力控制裝置給予發電繼續之停止指令，同時對於前述主遮斷器給予解除指令，對於前述俯仰控制裝置給予使前述葉片之俯仰角轉移至停止狀態的指令。