TW201721017A - 風力發電系統及風力發電系統的運轉方法 - Google Patents

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Abstract

提供可減低塔台共振的影響之風力發電系統。一種風力發電系統，具備：受風而旋轉之轉子、支撐前述轉子的負載之塔台、運用前述轉子的旋轉能而發電之發電機、及針對前述發電機的發電機轉矩及前述轉子的轉子旋轉速度進行控制之控制裝置，其中前述控制裝置，係轉子旋轉速度上升而超越第1轉子旋轉速度之情況下，轉移至使發電機轉矩降低之第1運轉模式後，轉移至與前述第1運轉模式連續且發電機轉矩相對於轉子旋轉速度之斜率與前述第1運轉模式不同的第2運轉模式，轉子旋轉速度降低而超越第2轉子旋轉速度之情況下，轉移至使發電機轉矩上升之第3運轉模式後，轉移至與前述第3運轉模式連續且發電機轉矩相對於轉子旋轉速度之斜率與前述第3運轉模式不同的第4運轉模式。

Description

風力發電系統及風力發電系統的運轉方法
本發明，係有關風力發電系統，尤其有關適當減低發生於塔台的共振的風力發電系統。
近年來，擔憂因二氧化碳的排出量增加而發生的地球暖化、化石燃料的枯竭所致的能源不足等，而期望二氧化碳排出的減低、能源自給率的提升等。為了此等的實現，係能不排出二氧化碳，不利用依存於進口的化石燃料下，以風力、太陽光等的可從自然獲得的可再生能源進行發電的發電系統的導入為有效。
利用可再生能源下的發電系統之中，非如太陽能發電系統具有取決於日射的陡峭的輸出變化之風力發電系統，係作為可進行比較安定的發電輸出的發電系統而受到注目。此外，比起地上，設置於風速高、風速變化少的海上的風力發電系統亦作為有力的發電系統而受到注目。另外，風力發電系統係轉子的能源轉換效率因風速而不同，故實施使轉子旋轉速度的運轉範圍為可變的可變速運轉。
要活用風力發電系統而穩定地供應電力，係需要減低 發生於構成風力發電系統之葉片、塔台、及傳動系統的振動之技術。尤其，是支撐系統整體的構造物之塔台的振動，係有時連帶造成發生構件的振動。
取決於設置場所有時由於因產生颱風等暴風的惡劣天候、低氣壓所致的風向的驟變等而產生的風的亂流，而使得塔台的固有頻率從建造當初發生變化。此情況下，有時上述的塔台固有頻率結果存在於上述的轉子旋轉速度的運轉範圍內。如此的狀況下，係風力發電系統的轉子的旋轉運動與塔台固有頻率一致，塔台振動增加，亦即有可能發生塔台共振。如此的塔台共振，係使塔台的振動的振幅增大，而有可能帶來疲勞蓄積、最大負載增加等不良影響。
於此，在考量到產生於風力發電系統的塔台的振動的減低者方面，存在揭露於例如專利文獻1的運轉控制手段。於專利文獻1，係已揭露「將塔台的振動抑制至最小限度的風力發電的運轉方法」。
總而言之，為「塔台固有頻率存在於轉子旋轉速度內，在以轉子旋轉速度與發電機轉矩而規定的平面內，依風速的增加使旋轉速度增加的情況下，在塔台固有頻率以下的旋轉速度下係進行使發電機轉矩比不應用該運轉控制手段之情況增加之運轉後，通過塔台固有頻率時，進行相對於轉子旋轉速度的增加而使發電機轉矩降低之運轉，在轉子旋轉速度超越塔台固有頻率後，係進行與不應用該運轉控制手段之情況比較下使發電機轉矩降低之運轉，隨著轉子旋轉速度的增加而使發電機轉矩增加至不應用該運轉 控制手段之情況下的發電機轉矩」手段。
應用記載於專利文獻1的技術，使得轉子旋轉速度與塔台固有頻率一致的期間縮短，故可抑制塔台共振的發生。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]歐洲專利第2113659B1號說明書
如上述透過應用記載於專利文獻1的技術，使得可在塔台固有頻率存在於轉子旋轉速度的運轉範圍內時，抑制塔台共振的發生。然而，揭露於專利文獻1之技術，係轉子旋轉速度通過塔台固有頻率附近時，不僅使轉子旋轉速度，而亦使發電機轉矩同時變化，故輸入之風力能源不僅被利用於轉子旋轉速度的變化，使得無法充分縮短轉子旋轉速度與塔台固有頻率大致一致之期間，有時無法充分減低塔台共振。據此，有可能無法充分減低伴隨塔台共振之疲勞蓄積、最大負載增加等。
所以，在本發明，係目的在於提供可充分抑制塔台共振的發生之運轉控制手段。
為了解決上述課題，本發明係一種風力發電系統，具備：受風而旋轉之轉子、支撐前述轉子的負載之塔台、運用前述轉子的旋轉能而發電之發電機、及針對前述發電機的發電機轉矩及前述轉子的轉子旋轉速度進行控制之控制裝置，其中前述控制裝置，係轉子旋轉速度上升而超越第1轉子旋轉速度之情況下，轉移至使發電機轉矩降低之第1運轉模式後，轉移至與前述第1運轉模式連續且發電機轉矩相對於轉子旋轉速度之斜率與前述第1運轉模式不同的第2運轉模式，而轉子旋轉速度降低而超越第2轉子旋轉速度之情況下，轉移至使發電機轉矩上升之第3運轉模式後，轉移至與前述第3運轉模式連續且發電機轉矩相對於轉子旋轉速度之斜率與前述第3運轉模式不同的第4運轉模式。
此外，本發明，係一種風力發電系統的運轉方法，轉子旋轉速度上升而超越第1轉子旋轉速度之情況下，轉移至使發電機轉矩降低之第1運轉模式，轉移至前述第1運轉模式後，轉移至發電機轉矩相對於轉子旋轉速度之斜率與前述第1運轉模式不同的第2運轉模式，轉子旋轉速度降低而超越第2轉子旋轉速度之情況下，轉移至使發電機轉矩上升之第3運轉模式，轉移至前述第3運轉模式後，轉移至發電機轉矩相對於轉子旋轉速度之斜率與前述第3運轉模式不同的第4運轉模式。
依本發明時，使得可提供一種風力發電系統，具備即使變成塔台固有頻率因使用環境而存在於轉子旋轉速度的運轉範圍時，仍可抑制塔台共振所致的疲勞蓄積與最大負載增加之控制裝置。
上述以外的課題、構成及效果，係透過以下的實施形態的說明而進一步明確化。
1‧‧‧風力發電系統
2‧‧‧葉片
3‧‧‧輪轂
4‧‧‧轉子
5‧‧‧機艙
6‧‧‧發電機
7‧‧‧俯仰調節器
8‧‧‧塔台
9‧‧‧控制器
10‧‧‧旋轉速度感測器
[圖1]示出本發明的一實施形態相關的風力發電系統1的構成概要之圖。
[圖2]示出不實施本發明之情況下的風力發電系統1的運轉時之轉子4的旋轉速度與發電機6的轉矩的關係之示意圖。
[圖3]示出本發明的一實施形態相關的安裝於風力發電系統1的控制器9之運轉控制手段101的處理概要之方塊圖。
[圖4]示出本發明的一實施形態相關的運轉控制手段101之轉子4的旋轉速度與發電機6的轉矩的關係之示意圖。
[圖5]示出本發明的一實施形態相關的運轉控制手段101之轉子4的旋轉速度在塔台固有頻率附近的轉子4的旋轉速度與發電機6的轉矩的轉移狀態之示意圖。
[圖6]示出本發明的一實施形態相關的運轉控制手段101之與風速上升而轉子4的旋轉速度上升同時通過塔台 固有頻率時的轉子4的旋轉速度與發電機6的轉矩的變化概要之時序圖。
[圖7]示出本發明的一實施形態相關的運轉控制手段101之與風速下降而轉子4的旋轉速度下降同時通過塔台固有頻率時的轉子4的旋轉速度與發電機6的轉矩的變化概要之時序圖。
[圖8]示出本發明的一實施形態相關的運轉控制手段101之目標值演算部301的處理概要之流程圖。
以下，運用圖式，而具體說明有關本發明的實施形態。另外，下述係僅為實施例，未意圖使本發明的實施態樣限定於下述實施例。
[實施例1]
以下，雖說明有關本發明的實施例，惟在此之前先運用圖1及圖2而說明有關作為應用本發明的前提之風力發電系統的示意構成及控制。
首先，運用圖1，而說明有關可應用本發明之風力發電系統整體的示意構成。
圖1的風力發電系統1，係具備以複數個葉片2、連接複數個葉片2之輪轂3而構成的轉子4。轉子4係經由旋轉軸(圖1中省略)而連結於機艙5，可透過旋轉而變更葉片2的位置。機艙5係將轉子4支撐為可旋轉。機艙 5係在適當位置具備發電機6。葉片2受風使得轉子4旋轉，轉子4的旋轉力使發電機6旋轉因而可產生電力。
在葉片2的各者，係具備可變更葉片2與輪轂3的位置關係，亦即可變更稱為俯仰角之葉片的角度之俯仰調節器7。運用俯仰調節器7而變更葉片2的俯仰角，使得可變更對於風之轉子4的旋轉能。藉此，可一面在寬廣的風速區域控制轉子4的旋轉速度，一面控制風力發電系統1的發電電力。
在圖1的風力發電系統1，機艙5係設置於塔台8上，被相對於塔台8支撐為可旋轉。葉片2的負載經由輪轂3、機艙5等而被塔台8支撐。塔台8，係設置於基部(圖中省略)，並設置於地上或海上等的既定位置。
此外，風力發電系統1係具備控制器9，控制器9基於對轉子4的旋轉速度進行計測之旋轉速度感測器10，而調整發電機6與俯仰調節器7，從而調整風力發電系統1所輸出之電力。
另外，在適當位置具備對風向進行計測之風向感測器、對發電機所輸出之有效電力進行計測之電力感測器等。
圖1中雖控制器9係以設置於機艙5或塔台8的外部之形態而圖示，惟未限定於此，亦可為設置於機艙5或塔台8的內部或其以外的既定位置、或風力發電系統1的外部之形態。
於此，運用圖2而說明有關風力發電系統1的發電動 作概要。其中，圖2係後述之不應用本發明的運轉控制手段101之情況下的標準的風力發電系統的概要。圖2係示出相對於轉子旋轉速度之發電機轉矩。橫軸表示轉子旋轉速度，縱軸表示發電機轉矩，橫軸右方表示轉子旋轉速度高之狀態，縱軸上方表示發電機轉矩高之狀態。
風力發電系統1，係使轉子旋轉速度以Ωmin至Ωmax的範圍進行運轉。此轉子旋轉速度的範圍，係一般而言根據發電機8的運作範圍而決定。依風速的增加，在低風速係一面保持於Ωmin，一面使發電機轉矩從0增加至TqB，發電機轉矩為TqB以上時係至點C的TqC為止，沿著如轉子4的葉片的輸出特性成為最大亦即轉子的能源轉換效率成為最大之軌道BC，而基於轉子旋轉速度決定發電機轉矩。此情況下，發電機轉矩係依照下式。
[數式1]Tq=Kopt×Ω2．．．(1)
於此，Kopt係供於決定在軌道BC的發電機轉矩用的增益。發電機轉矩為TqC以上時係一面保持轉子旋轉速度，一面使發電機轉矩增加直到Tqmax。
如上所述，風力發電系統1係使轉子旋轉速度變化，從而實施如將風力能源效率佳地轉換成電能之運轉。
接著，運用圖3至圖8而說明有關風力發電系統1的安裝於控制裝置(控制器9)之運轉控制手段101。此運轉控制手段101，係意圖在塔台8的固有頻率存在於上述的轉子旋轉速度的運轉範圍之情況下，短縮化轉子旋轉速度通過塔台固有頻率之期間，以減低塔台共振的影響。另 外，以下係設想如示於圖2塔台固有頻率ΩTE存在於轉子旋轉速度的運轉範圍內。
圖3係示出運轉控制手段101的方塊圖。運轉控制手段101係由目標值演算部301、葉片俯仰角度控制部302、及發電機轉矩控制部303而構成。
目標值演算部301，係基於轉子旋轉速度Ω，而演算葉片俯仰角度控制用轉子旋轉速度目標值ΩB*、發電機轉矩控制用轉子旋轉速度目標值ΩT*、發電機轉矩目標下限值TqL*、及發電機轉矩目標上限值TqH*。此等值，係基於是輸入之Ω的狀態而變化，而使風力發電系統1運轉成使轉子旋轉速度與發電機轉矩沿著上述之既定的軌道。另外，轉子旋轉速度係上述的旋轉速度感測器10的輸出信號。
葉片俯仰角度控制部302，係基於轉子旋轉速度Ω與葉片俯仰角度控制用轉子旋轉速度目標值ΩB*，而決定葉片俯仰角度目標值θdem。詳細說明雖省略，惟由基於轉子旋轉速度Ω與葉片俯仰角度控制用轉子旋轉速度目標值ΩB*的差分之回授控制而構成，加算上述差分的比例、或積分、或微分、或組合此等中的任一者之成分，從而演算葉片俯仰角度目標值θdem，惟未限定於此。
發電機轉矩控制部303，係基於發電機轉矩控制用轉子旋轉速度目標值ΩT*、發電機轉矩目標下限值TqL*、發電機轉矩目標上限值TqH*、及轉子旋轉速度Ω而決定發電機轉矩目標值Tqdem。如同上述的葉片俯仰角度控制部 302，由利用發電機轉矩控制用轉子旋轉速度目標值ΩT*與轉子旋轉速度Ω的差分下的回授控制而構成。透過發電機轉矩目標下限值TqL*及發電機轉矩目標上限值TqH*而調整透過回授控制而演算之輸出的上下限值，從而決定最終的發電機轉矩目標值Tqdem，惟未限定於此。
圖4係示出透過本發明相關的運轉控制手段101而實現之風力發電系統1的運轉狀態的軌道。橫軸、縱軸係分別表示轉子旋轉速度與發電機轉矩，橫軸右方表示轉子旋轉速度高，縱軸上方表示發電機轉矩高之運轉狀態。另外，虛線係表示不應用示於圖2之本發明相關的運轉控制手段101之情況下的運轉狀態的軌道。
透過應用本發明相關的運轉控制手段101，從而基於轉子旋轉速度，而在轉子旋轉速度比塔台固有頻率ΩTE低既定值Ωd之Ω1以下，係使風力發電系統1運轉成沿著軌道ABEF。依風速的增加，在軌道AB係一面使轉子旋轉速度為Ωmin一面使發電機轉矩從0上升至TqB。再者在軌道BE係基於上述的式(1)，而使轉子旋轉速度從Ωmin上升至ΩEF，使發電機轉矩從TqB上升至TqE。再者，在軌道EF，係一面使轉子旋轉速度保持於ΩEF一面使發電機轉矩從TqE上升至TqF。另外，在軌道EF之發電機轉矩，係從依照上述的式(1)之發電機轉矩的軌道所脫離之更大之值。
風速進一步增加之情況下，係使轉子旋轉速度沿著從比塔台固有頻率ΩTE大既定值Ωd之Ω2以上的ΩGH至Ωmax 的範圍內的軌道GHCD使風力發電系統1運轉。於此，上述的既定值Ωd係可運用透過模擬、試驗等而預先記憶於程式內之值，圖中雖未明記，惟亦可為基於對風力發電系統1的狀態進行計測之各種感測器的輸出值而決定者。隨著風速的增加，在軌道GH係一面將轉子旋轉速度保持於ΩGH，一面使發電機轉矩從TqG上升至TqH。在軌道HC係基於上述的式(1)而使轉子旋轉速度從ΩGH上升Ωmax，使發電機轉矩從TqH上升至TqC。在軌道CD係一面將轉子旋轉速度保持於Ωmax一面使發電機轉矩從TqC上升至Tqmax。另外，在軌道GH之發電機轉矩，係從依照上述的式(1)之發電機轉矩的軌道所脫離之較小之值。
塔台固有頻率ΩTE係可為運用以預先模擬、試驗等而決定並記憶於程式之值者，亦可為基於對風力發電系統1的狀態進行計測之各種感測器的輸出信號而決定者。
在以上，係僅示出避開塔台固有頻率ΩTE之運轉軌道，惟在以下係運用圖5至圖7而說明通過ΩTE時的別的運轉軌道。另外，在以下係以運轉模式(CM：Control Mode)定義運轉狀態，該運轉狀態係示出複數個。參照圖4及圖5，將風速增加而轉子旋轉速度上升而通過ΩTE時的運轉模式定義為第1運轉模式、第2運轉模式(分別為CM=1、CM=2)，將風速降低而轉子旋轉速度下降而通過ΩTE時的運轉模式定義為第3運轉模式、第4運轉模式(分別為CM=3、CM=4)。此外，將軌道ABEF之運轉 模式定義為第5的運轉模式(CM=5)，將軌道GHCD之運轉模式定義為第6的運轉模式(CM=6)。
圖5係示出上述的CM=1、CM=2、CM=3、及CM=4之風力發電系統1的運轉軌道的概要。橫軸、縱軸分別表示轉子旋轉速度及發電機轉矩，橫軸右方轉子旋轉速度高，縱軸上方表示發電機轉矩高之運轉狀態。另外，圖5，係注目於圖4之塔台固有頻率ΩTE的附近的B’至C’的運轉範圍之圖。
在以下係首先，說明有關風速上升而轉子旋轉速度上升而通過塔台固有頻率ΩTE之情況下的運轉軌道。
如上述轉子旋轉速度在Ω1以下，係使風力發電系統1沿著軌道B’EF而運轉。從點F附近的運轉狀態，風速進一步上升之情況下，係發電機轉矩保持於TqF，轉子旋轉速度上升至點F’。轉子旋轉速度超過Ω1時，判斷為風速進一步上升，轉往通過塔台固有頻率ΩTE之運轉模式。此情況下，在CM=1係使發電機轉矩從TqF減低至TqG。之後，在CM=2，係將發電機轉矩保持於TqG，從而使轉子旋轉速度上升至ΩGH。如此在CM=1使發電轉矩減低，而在CM=2將發電機轉矩保持為小的值，使得風力能源僅被利用於轉子旋轉速度的變化，故可縮短通過塔台固有頻率ΩTE之期間。
接著，說明有關風速下降而轉子旋轉速度下降而通過塔台固有頻率ΩTE之情況下的運轉軌道。
如上述轉子旋轉速度在Ω2以上，係使風力發電系統 1沿著軌道GHC’而運轉。從點G附近的運轉狀態，風速進一步下降之情況下，係發電機轉矩保持於TqG，轉子旋轉速度下降至點G’。轉子旋轉速度變比Ω2小時，判斷為風速進一步下降，轉往通過塔台固有頻率ΩTE之運轉模式。此情況下，在CM=3係使發電機轉矩從TqG上升至TqF。之後，在CM=4，係將發電機轉矩保持於TqF，從而使轉子旋轉速度下降至ΩEF。如此在CM=3使發電轉矩上升，而在CM=4將發電機轉矩保持為大的值，使得風力能源僅被利用於轉子旋轉速度的變化，故可縮短通過塔台固有頻率ΩTE之期間。
另外，如明示於圖5，本發明相關的運轉控制手段101的特徵為：通過塔台固有頻率ΩTE時，轉子旋轉速度上升之情況、及轉子旋轉速度下降之情況下，係其運轉軌道不同。
如上所述，轉子旋轉速度上升而超越Ω1(第1轉子旋轉速度)之情況下，轉移至使發電機轉矩降低之第1運轉模式CM=1，轉移至第1運轉模式CM=1後，進一步轉移至發電機轉矩相對於轉子旋轉速度之斜率與第1運轉模式CM=1不同的第2運轉模式CM=2。
此外，轉子旋轉速度降低而超越Ω2(第2轉子旋轉速度)之情況下，轉移至使發電機轉矩上升之第3運轉模式CM=3，轉移至第3運轉模式CM=3後，進一步轉移至發電機轉矩相對於轉子旋轉速度之斜率與第3運轉模式CM=3不同的第4運轉模式CM=4。
在以下，係運用圖6及圖7，而說明有關示於圖5之運轉模式變化時的轉子旋轉速度與發電機轉矩的時間性變化的概略。
圖6係示出風速增加且轉子旋轉速度通過塔台固有頻率ΩTE之CM=1及CM=2的動作概要之時序圖。圖6的橫軸表示時刻，縱軸從圖上方表示風速、轉子旋轉速度、發電機轉矩、及葉片俯仰角度，圖上方分別表示風速高、轉子旋轉速度高、發電機轉矩高、葉片俯仰角度為順槳。此外，在圖6係將應用本發明相關的運轉控制手段101之情況以實線表示，將未應用之情況以虛線表示。
在以下係如示於圖6最上階，設想風速從時刻t0的WSE的狀態上升至時刻t8的WSH之情況。
未應用以虛線表示之本發明相關的運轉控制手段101之情況下，係轉子旋轉速度依風速從ΩEF上升至ΩGH，發電機轉矩從TqE上升至TqH。此情況下，發電機轉矩係取依上述的式(1)之值。此情況下，係轉子旋轉速度滯留於塔台固有頻率ΩTE附近之Ω1至Ω2的範圍之期間為時刻t2至時刻t6的期間。另外，葉片俯仰角度係保持於θfine。
對此，應用以實線表示之本發明相關的運轉控制手段101之情況下，係在時刻t1至時刻t3的期間將轉子旋轉速度保持於ΩEF，使發電機轉矩從TqE上升至TqF。在時刻t3至時刻t4係將發電機轉矩保持於TqF，故轉子旋轉速度從ΩEF上升至Ω1。轉子旋轉速度成為Ω1以上之時刻t4以後係使發電機轉矩從TqF降低至TqG。隨此轉子旋轉速度 在時刻t5上升至Ω2。在時刻t5至時刻t7係將發電機轉矩保持於TqG以使轉子旋轉速度在之後的運轉保持於ΩGH，使葉片俯仰角度從θfine往θ1暫時變化。再者，在時刻t7至時刻t8係使發電機轉矩從TqG上升至TqH，將轉子旋轉速度保持於ΩGH。
如此透過應用本發明相關的運轉控制手段101，使得轉子旋轉速度滯留於是塔台固有頻率ΩTE的附近之Ω1至Ω2的範圍之期間被縮短為時刻t4至時刻t5的期間，因而可抑制塔台共振的發生。
圖7係示出風速降低，而轉子旋轉速度通過塔台固有頻率ΩTE之CM=3及CM=4的動作概要之時序圖。圖7的橫軸表示時刻，縱軸從圖上方表示風速、轉子旋轉速度、發電機轉矩、及葉片俯仰角度，圖上方分別表示風速高、轉子旋轉速度高、發電機轉矩高、葉片俯仰角度為順槳。此外，在圖7係將應用本發明相關的運轉控制手段101之情況以實線表示，將未應用之情況以虛線表示。
在以下係如示於圖7最上階，設想風速從時刻t7的WSH的狀態下降至時刻t15的WSE之情況。
未應用以虛線表示之本發明相關的運轉控制手段101之情況下，係轉子旋轉速度依風速從ΩGH下降至ΩEF，發電機轉矩從TqH下降至TqE。此情況下，發電機轉矩係取依上述的式(1)之值。此情況下，係轉子旋轉速度滯留於塔台固有頻率ΩTE附近之Ω2至Ω1的範圍之期間為時刻t9至時刻t13的期間。另外，葉片俯仰角度係保持於 θfine。
對此，應用以實線表示之本發明相關的運轉控制手段101之情況下，係在時刻t8至時刻t10的期間將轉子旋轉速度保持於ΩGH，使發電機轉矩從TqH下降至TqG。在時刻t10至時刻t11係將發電機轉矩保持於TqG，故轉子旋轉速度從ΩGH下降至Ω2。轉子旋轉速度成為Ω2以下之時刻t11以後係使發電機轉矩從TqG上升至TqF。隨此轉子旋轉速度在時刻t12下降至Ω1。在時刻t12至時刻t14係將發電機轉矩保持於TqF以使轉子旋轉速度在之後的運轉保持於ΩEF，使葉片俯仰角度從θfine往θ2暫時變化。再者，在時刻t14至時刻t15係使發電機轉矩從TqF下降至TqE，將轉子旋轉速度保持於ΩEF。
如此透過應用本發明相關的運轉控制手段101，使得轉子旋轉速度滯留於是塔台固有頻率ΩTE的附近之Ω2至Ω1的範圍之期間被縮短為時刻t11至時刻t12的期間，因而可抑制塔台共振的發生。
圖8，係示出本發明相關的運轉控制手段101之目標值演算部301的處理概要之流程圖。
在步驟S01係判斷轉子旋轉速度是否小於比塔台固有頻率ΩTE小之值的Ω1，比Ω1小之情況下係為了執行第5運轉模式，進至步驟S02。在步驟S02係對CM與是CM的前次值之CM0設定5而進至步驟S03。在步驟S03係為了可實施第5運轉模式，對葉片俯仰角度控制用轉子旋轉速度目標值及發電機轉矩控制用轉子旋轉速度目標值設 定ΩEF，對發電機轉矩目標下限值設定Tqopt，對發電機轉矩目標上限值設定TqF而進至步驟S04。另外，Tqopt係以上述的式(1)而決定之發電機轉矩。接著在步驟S04，係對CM0設定CM而結束一連串的動作。
在步驟S01中轉子旋轉速度為Ω1以上的情況下係進至步驟S05。在步驟05係判斷轉子旋轉速度是否為比塔台固有頻率ΩTE小之值的Ω1以上、且小於比塔台固有頻率ΩTE大之值的Ω2，Ω1以上且不足Ω2之情況下，係進至步驟S06，Ω1以上且不足Ω2的範圍外之情況下，係進至步驟S12。之後，係依圖8的流程圖，經過步驟S06至步驟S15中的任一者的流程，而到達步驟S04，結束一連串的動作。
如以上所說明，透過本實施例的風力發電系統及其運轉方法，使得即使成為塔台固有頻率因使用環境而存在於轉子旋轉速度的運轉範圍時，仍可抑制塔台共振所致之疲勞蓄積與最大負載增加。
藉此，可達成風力發電系統的可靠性提升、長壽命化、發電效率的提升等。
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，非限定於必然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。

Claims (12)

  1. 一種風力發電系統，特徵在於：具備：受風而旋轉之轉子；支撐前述轉子的負載之塔台；運用前述轉子的旋轉能而發電之發電機；以及針對前述發電機的發電機轉矩及前述轉子的轉子旋轉速度進行控制之控制裝置；其中，前述控制裝置，係轉子旋轉速度上升而超越第1轉子旋轉速度之情況下，轉移至使發電機轉矩降低之第1運轉模式後，轉移至與前述第1運轉模式連續且發電機轉矩相對於轉子旋轉速度之斜率與前述第1運轉模式不同的第2運轉模式，轉子旋轉速度降低而超越第2轉子旋轉速度之情況下，轉移至使發電機轉矩上升之第3運轉模式後，轉移至與前述第3運轉模式連續且發電機轉矩相對於轉子旋轉速度之斜率與前述第3運轉模式不同的第4運轉模式。
  2. 如申請專利範圍第1項之風力發電系統，其中，前述控制裝置，係轉子旋轉速度上升而超越前述第1轉子旋轉速度之情況、及轉子旋轉速度降低而超越前述第2轉子旋轉速度之情況下，係設定不同的發電機轉矩及轉子旋轉速度。
  3. 如申請專利範圍第1項之風力發電系統，其中，在前述第2運轉模式及前述第4運轉模式中的至少任 一者，將發電機轉矩控制為固定。
  4. 如申請專利範圍第1項之風力發電系統，其中，前述第1轉子旋轉速度及前述第2轉子旋轉速度，係預先設定之數值或基於對前述風力發電系統的狀態進行計測之感測器的輸出值而設定之數值中的任一者。
  5. 如申請專利範圍第1項之風力發電系統，其中，前述控制裝置，係轉子旋轉速度上升而超越前述第1轉子旋轉速度之情況下，在轉移至前述第1運轉模式前，轉移至一面保持轉子旋轉速度一面使發電機轉矩上升至第3或第4發電機轉矩值之第5運轉模式，轉子旋轉速度降低而超越前述第2轉子旋轉速度之情況下，在轉移至前述第3運轉模式前，轉移至一面保持轉子旋轉速度一面使發電機轉矩值下降至第1或第2發電機轉矩值之第6運轉模式。
  6. 如申請專利範圍第1項之風力發電系統，其中，前述控制裝置，係控制前述轉子的葉片的俯仰角從而控制轉子旋轉速度。
  7. 一種風力發電系統的運轉方法，轉子旋轉速度上升而超越第1轉子旋轉速度之情況下，轉移至使發電機轉矩降低之第1運轉模式，轉移至前述第1運轉模式後，轉移至發電機轉矩相對於轉子旋轉速度之斜率與前述第1運轉模式不同的第2運轉模式，轉子旋轉速度降低而超越第2轉子旋轉速度之情況 下，轉移至使發電機轉矩上升之第3運轉模式，轉移至前述第3運轉模式後，轉移至發電機轉矩相對於轉子旋轉速度之斜率與前述第3運轉模式不同的第4運轉模式。
  8. 如申請專利範圍第7項的風力發電系統的運轉方法，其中，轉子旋轉速度上升而超越前述第1轉子旋轉速度之情況、及轉子旋轉速度降低而超越前述第2轉子旋轉速度之情況下，係設定不同的發電機轉矩及轉子旋轉速度。
  9. 如申請專利範圍第7項的風力發電系統的運轉方法，其中，在前述第2運轉模式及前述第4運轉模式中的至少任一者，將發電機轉矩控制為固定。
  10. 如申請專利範圍第7項的風力發電系統的運轉方法，其中，前述第1轉子旋轉速度及前述第2轉子旋轉速度，係預先設定之數值或基於對前述風力發電系統的狀態進行計測之感測器的輸出值而設定之數值中的任一者。
  11. 如申請專利範圍第7項的風力發電系統的運轉方法，其中，轉子旋轉速度上升而超越前述第1轉子旋轉速度之情況下，在轉移至前述第1運轉模式前，轉移至一面保持轉子旋轉速度一面使發電機轉矩上升至第3或第4發電機轉矩值之第5運轉模式， 轉子旋轉速度降低而超越前述第2轉子旋轉速度之情況下，在轉移至前述第3運轉模式前，轉移至一面保持轉子旋轉速度一面使發電機轉矩值下降至第1或第2發電機轉矩值之第6運轉模式。
  12. 如申請專利範圍第7項的風力發電系統的運轉方法，其中，控制轉子的葉片的俯仰角從而控制轉子旋轉速度。
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Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102018102863A1 (de) * 2018-02-08 2019-08-08 Wobben Properties Gmbh Verfahren zum Steuern einer Windenergieanlage und entsprechende Windenergieanlage
CN108590956A (zh) * 2018-04-27 2018-09-28 国电联合动力技术有限公司 一种风电机组塔筒共振避让穿越控制方法及风电机组
EP3575595B8 (en) * 2018-05-31 2023-07-26 GE Renewable Technologies Wind B.V. Methods and systems for operating a wind turbine
CN110829835B (zh) * 2018-08-14 2022-02-25 万国半导体(开曼)股份有限公司 用于降压衍生开关模式电源的三象限电桥
CN109139365B (zh) * 2018-09-03 2020-03-03 浙江运达风电股份有限公司 一种提高大型风电机组发电性能的最优转速控制方法
CN108923473B (zh) * 2018-09-14 2020-09-08 国电联合动力技术有限公司 一种基于智能穿越技术的柔塔风电场能量调度方法及系统
CN109586332B (zh) * 2018-10-30 2022-02-08 湘电风能有限公司 一种含柔塔风电场的有功功率调度方法
US11635062B2 (en) 2018-11-07 2023-04-25 General Electric Renovables Espana, S.L. Wind turbine and method to determine modal characteristics of the wind turbine in a continuous manner
EP3730780B1 (en) * 2019-04-24 2022-01-19 Vestas Wind Systems A/S Rotor speed control of a wind turbine
CN112943528B (zh) * 2019-11-26 2022-11-01 新疆金风科技股份有限公司 风力发电机组的控制方法和装置
CN111237127B (zh) * 2020-01-13 2021-01-26 明阳智慧能源集团股份公司 一种海上风力发电机组黑启动启机过程变桨控制方法
JP2021139306A (ja) * 2020-03-03 2021-09-16 日本製鋼所Ｍ＆Ｅ株式会社 風力発電装置制御部、風力発電装置、風力発電装置制御方法および制御プログラム
CN113847197B (zh) * 2020-06-28 2023-02-28 北京金风科创风电设备有限公司 风力发电机组及其避转速控制方法、装置
CN111894800B (zh) * 2020-07-16 2021-11-16 湘电风能有限公司 一种提升环境适应性的风力发电机转速控制方法
CN112283025B (zh) * 2020-10-14 2021-10-12 明阳智慧能源集团股份公司 一种避免风电机组限功率运行在共振区域的控制方法
EP4033090A1 (de) 2021-01-22 2022-07-27 Wobben Properties GmbH Verfahren zum steuern einer windenergieanlage
EP4092264A1 (de) * 2021-05-19 2022-11-23 Wobben Properties GmbH Verfahren zum steuern einer windenergieanlage, windenergieanlage und windpark
CN113530758A (zh) * 2021-07-13 2021-10-22 华北电力大学 基于激光测风的串联式双叶轮风力发电机组共振穿越方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4700081A (en) * 1986-04-28 1987-10-13 United Technologies Corporation Speed avoidance logic for a variable speed wind turbine
PL2113659T3 (pl) * 2008-04-29 2015-06-30 Gamesa Innovation & Tech Sl Sposób eksploatacji turbiny wiatrowej, który minimalizuje oscylacje wieży
CN103187912B (zh) * 2011-12-29 2015-04-01 中国科学院沈阳自动化研究所 一种快速穿越共振带的风力发电机转矩控制方法
US9453499B2 (en) * 2011-12-30 2016-09-27 Vestas Wind Systems A/S Wind turbine generator with adaptive locked speed operation
US10107261B2 (en) * 2013-12-09 2018-10-23 General Electric Company System and method for reducing oscillation loads of wind turbine

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