TW201736723A - 風力發電系統及風力發電系統的控制方法 - Google Patents

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Abstract

提供一種信賴性高的風力發電系統及其控制方法，藉由計算時機而施加制動器的制動力或發電機轉矩，而有效地抑制傳動系統的軸扭轉振動。一種連接於電力系統的風力發電系統，其中，前述風力發電系統具備：受風而旋轉的轉子；傳達前述轉子的動力的傳動系統；控制施加於前述傳動系統的制動力的控制裝置；其中，前述控制裝置在前述電力系統發生電壓降低，且該電壓降低恢復至預定時間內時，控制前述制動力以抵消發生於前述傳動系統的振動。

Description

風力發電系統及風力發電系統的控制方法
本發明係有關風力發電系統及其控制方法，特別是關於適用於傳動系統的制振方法的有效技術。
從化石燃料的耗盡問題及地球暖化的問題、及能源結構的觀點來看，對可再生能源的社會要求提高。風力發電系統在可再生能源中成本較低，持續被導入世界中。
作為風力發電系統的要求的一個有系統發生事故時的對應。因系統事故引起電壓降低時間短的時候要求要持續運轉，長的時候要求安全地停止發電。
此外，風力發電系統的通常發電時，傳動系統的旋轉速度係藉由來自風的輸入轉矩大致平衡於發電機造成的負荷轉矩，能幾乎維持一定。
因系統事故等而使發電機的負載轉矩急速地降低的話，與來自風的輸入轉矩之間產生不平衡，傳動系統的旋轉速度上升。若旋轉速度過於上升的話，發電機或增速器等的機器會有破損的可能性。
為了緩和傳動系統的旋轉速度上升，一般，採用藉由 將風車的葉片羽毛化，降低來自風的輸入轉矩，使得設置於傳動系統的制動器作用來補償負載轉矩、或藉由系統電壓在短時間回復時再將發電機轉矩提升等，來抑制旋轉速度上升的對策。特別是，在發生系統事故之後，因為葉片的蝕孔的響應較慢，使制動器或發電機所造成的負載轉矩增大而有效。
作為本技術領域的背景技術，有專利文獻1的這種技術。專利文獻1揭示了：因為突風而使轉子的旋轉數超過預先設定的限制值時，藉由機械地使制動器作動，控制因轉子轉矩的急下降所產生的傳動系統的強扭轉振動的技術。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]特表2009-523208號公報
因系統事故等而使發電機的負載轉矩急速地降低時，除了上述傳動系統全體的旋轉速度上升以外，也產生傳動系統的軸扭轉振動。在從前的方法中，為了抑制傳動系統全體的旋轉速度上升，採用盡早使制動器或發電機轉矩上升的方法，但因時機使得軸扭轉振動增幅，因為瞬間旋轉速度上升會帶來機器破損的影響。
例如，在上述專利文獻1中，如圖3g所示，可以明 白除了因機械制動器的介入，造成扭轉振動全體偏移以外，因為時機而使振幅增幅。
在此，本發明的目的為提供一種信賴性高的風力發電系統及其控制方法，藉由計算時機而施加制動器的制動力或發電機轉矩，而有效地抑制傳動系統的軸扭轉振動。
為了解決上述課題，本發明為一種連接於電力系統的風力發電系統，其中，前述風力發電系統具備：受風而旋轉的轉子；傳達前述轉子的動力的傳動系統；控制施加於前述傳動系統的制動力的控制裝置；其中，前述控制裝置在前述電力系統發生電壓降低，且該電壓降低恢復至預定時間內時，控制前述制動力以抵消發生於前述傳動系統的振動。
此外，本發明為一種連接於電力系統的風力發電系統的控制方法，在前述電力系統發生電壓降低，且該電壓降低恢復至預定時間內時，控制施加於前述傳動系統的制動力，以抵消發生於前述風力發電系統的傳動系統的振動。
根據本發明，因系統事故等發電機轉矩急變時，藉由有效地抑制傳動系統的振動，能防止發電機或增速器等機器的損傷。
上述以外的課題、構成、及效果，藉由以下實施形態 的說明能更明瞭。
1‧‧‧轉子
2‧‧‧傳動系統(旋轉軸)
3‧‧‧發電機
4‧‧‧制動器
5‧‧‧旋轉速度感測器
6‧‧‧控制裝置
7‧‧‧風車本體
8‧‧‧塔
[圖1]有關本發明的一實施形態之風力發電系統全體的概略圖。
[圖2]表示有關本發明的一實施形態之風力發電系統的控制方法的圖。
[圖3]表示有關本發明的一實施形態之風力發電系統的控制方法的圖。
[圖4]表示系統事故後傳動系統的扭轉振動造成發電機旋轉速度及發電機旋轉加速度的時間推移的圖。
[圖5A]表示通常運轉時的風力發電系統的控制方法的區塊圖。
[圖5B]表示有關本發明的一實施形態之風力發電系統的控制方法的區塊圖。
[圖6]表示有關本發明的一實施形態之風力發電系統的控制方法的流程圖。
[實施形態]
以下，利用圖式說明本發明的實施例。此外，在各圖式中關於同一構成附加同一符號，關於重複部分則省略其詳細說明。
[實施例1]
首先，利用圖1來說明適用本發明的風車的機器構成與控制對象的一例。風車的旋轉部具備：由複數葉片及將其在中央連結的輪轂所構成的轉子1、傳達轉子的旋轉轉矩(動力)的傳動系統2、藉由傳動系統2的動力將能量取出的發電機3旋轉部。轉子1受風而旋轉，藉由傳動系統2將轉子1的旋轉轉矩(動力)傳達至發電機3，進行發電運轉。發電機3為發電機轉矩可變的構造。
在圖1中，作為傳動系統2僅示出旋轉軸，但設置增速機(變速箱)的情形也適用本發明。此外，在傳動系統2設置有制動旋轉轉矩(動力)的制動器4及檢出旋轉速度的旋轉速度感測器5。
控制裝置6以旋轉速度感測器5的讀取值等為基礎，可對制動器4輸出ON/OFF指令及對發電機3輸出轉矩指令。此外，控制裝置6以旋轉速度感測器5的讀取值(旋轉速度)或基於其所算出的旋轉加速度等為基礎，可控制對制動器4輸出ON/OFF指令的時機及對發電機3輸出轉矩指令的時機。
也就是說，控制裝置6基於旋轉速度感測器5的讀取值等，藉由對制動器4的ON/OFF指令及對發電機3的轉矩指令，能夠控制施加於傳動系統2的制動力及附加於其的時機。此外，這裡所述的制動力，除了制動器4所造成的制動力以外，也包含發電機3的發電機轉矩(負載)。
發電機3連接至電力系統，將發電的電力送電至電力 系統。上述旋轉部設於風車本體7內，風車本體7藉由塔8在水平面內以因應風向變化而旋轉可能的方式被支撐住。
本發明係在因系統事故等而發電機轉矩急變時，而為了抑制傳動系統的振動而完成的發明。有關系統事故包含：系統電壓在短時間(例如1秒以內)恢復並持續發電的情形(FRT：Fault Ride-Through)及系統電壓到達更長期間(例如數分或更長的期間等)的所謂電網損失的情形。
本發明為關於在電力系統的電壓降低以後到電壓恢復後經過預定時間(例如，數秒間)到其之間的控制，與在從前的系統連接時發出轉矩指令的傳動系統阻尼控制以抵消傳動系統的振動不同。
根據本發明者們的檢討，為了更有效地抑制傳動系統2的扭轉振動，在振動的發電機側施加轉矩(制動力)的時機變得更重要。當傳動系統2的旋轉速度加速時，施加轉矩的話雖可以抑制振動，但相反的當旋轉速度減速時，施加轉矩的話會使振動增幅，最糟的情形會造成發電機3或增速器等機器的破損。
在系統電壓於短時間回復並持續發電的FRT控制(Fault Ride-Through)中，使發電機轉矩在適當的時機上升是有效的。有關時機藉由如同後述的計時器來設定的方法是有效的，但因為考量到在FRT控制時系統電壓變化會因應風車建設地點的系統特性或當時的事象而變化，希望能夠自動地調整。
本發明者們所想到的最適當的解釋為，藉由將旋轉速度的量測值作回饋控制，算出抵消傳動系統的振動的轉矩成份，藉由重疊附加於使其電力恢復的轉矩上升，因而設為最終的發電機轉矩指令值。
圖2表示有關本發明的風力發電系統的系統電壓恢復時控制方法。圖2表示FRT時的發電機轉矩的時序變化，表示系統電壓回復並使發電機轉矩上升時，將使其線性上升的通常動作(圖2的虛線)、與傳動系統阻尼的指令值重疊附加，並使其上升的本發明動作(圖2的實線)。
如圖2所示，在系統事故發生後，在預定的系統電壓降低期間經過後系統電壓恢復時，移行至電力恢復控制。此時，如實線所示，控制制動器4的制動時機或發電機3的發電機轉矩的轉矩值及變更時機，以抵消發生於傳動系統的振動。
此外，藉由同時控制制動器4的制動時機與發電機3的發電機轉矩的變更時機，可以附加抵消傳動系統振動的轉矩成份，也可以附加藉由任一者的時機控制來抵消振動的轉矩成份。藉由控制裝置6因應傳動系統2的旋轉速度量測值，來判定何種控制更有效。
電力恢復控制後，雖移行至通常運轉控制，但在通常運轉控制中附加如圖2的實線所示的那種傳動系統阻尼所造成的轉矩指令值而進行運轉控制。
利用圖5A至圖6，說明上述所說明的風力發電系統的控制方法。圖5A表示通常運轉時的風力發電系統的控 制方法的區塊圖，圖5B表示本發明之風力發電系統的控制方法的區塊圖。此外，圖6表示本發明的風力發電系統的控制方法的流程圖。
電力系統事故發生時(步驟S1)，移行至步驟S2，判定系統電壓值。當系統電壓的電壓降低未滿預定值時(這裡是未滿10%)，判斷為通常的電壓變動範圍內，移行至步驟S7，持續通常運轉。另一方面，當電壓降低為預定值以上時(這裡是10%以上)，判斷為系統異常，移行至步驟S3。
在步驟S3中，判定系統電壓降低的持續時間。系統電壓降低的持續時間在預先設定的設定值(例如，數秒間)以上時，因為FRT控制為不可能，判斷為電力系統的停電(步驟S4)，將風車停止(步驟S5)。另一方面，當系統電壓降低的持續時間未滿預先設定的設定值時，藉由本發明的控制，也就是將旋轉速度的量測值作回饋控制，算出抵消傳動系統的振動的轉矩成份，藉由重疊附加至通常的電力恢復控制所造成的轉矩值，進行電力恢復控制。(步驟S6)
系統電力的電力回復後(步驟S7)，移行至通常運轉控制(步驟S8)，持續通常運轉控制。
如以上說明的，根據本實施例，因為能夠自動以適切的時機控制發電機轉矩，因系統事故等發電機轉矩急變時，能夠有效地抑制傳動系統的振動，能夠防止發電機或增速器等的機器損傷。
[實施例2]
利用圖3，說明有關實施例2的風力發電系統的控制方法。圖3表示FRT時的發電機轉矩的時序變化，表示系統電壓降低時並使發電機轉矩為0的通常動作(圖3的虛線)，盡可能地留下轉矩的本實施例的動作(圖3的實線)。
為了抑制系統事故時的傳動系統的振動，如圖3所示盡量減少系統事故發生之後的發電機轉矩減少量，在抑制施加於傳動系統的衝撃力是有效的。根據本發明者們的檢討，為了達到其目的以下2個方法是有效的。
第1：當系統事故時在系統有殘留電壓時，有使因應該殘留電壓的發電機轉矩產生，而藉此將發生的電力流至系統的方法。例如，系統電壓為殘留系統事故前的50%時，有將發電機轉矩輸出系統事故前的50%的這種情形。結果，可以減小系統事故前後的發電機轉矩的差。
第2：電連接電力消耗機器至發電機，使系統事故產生時電力消耗機器所消耗的電力份的轉矩在發電機產生的方法。這雖然可以與因應上述的系統電壓的殘量的發電機轉矩發生的方法併用，但特別是在系統電壓為0時也可以使發電機轉矩產生這點來看，優勢較大。
[實施例3]
利用圖4，說明有關實施例3的風力發電系統的控制 方法。表示系統事故後傳動系統的扭轉振動造成發電機旋轉速度及發電機旋轉加速度的時間推移的圖。
作為良好時機地在傳動系統的振動側施加轉矩的方法，除了回饋實施例1的旋轉速度讀取值的方法以外，也考慮預先設定計時器。因為發電機轉矩對指令的響應較快，實施例1的那種讀取值所造成的自動控制是有效的，但因為特別是制動器的響應較慢，預先設定時機也有效。作為調整制動器的時機的方法，有調整制動器指令的時機的方法、及調整制動器響應的方法這2種。
根據本發明者們的檢討，能明白使振動部的負載轉矩增加，也就是提升發電機轉矩或施加於制動器的是在旋轉加速度為正時，使振動部的負載轉矩降低，也就是降低發電機的轉矩或解除制動器的是在旋轉加速度為負時實施的話，能抑制振動。這是從轉矩使加速度變化而成為明顯的。
因為系統事故在時刻0步階地解放負載轉矩，之後沒有轉矩變化，此外也沒有減衰的話，傳動系統的旋轉速度及旋轉加速度會如圖4所示那樣變化。
因此，旋轉加速度為正時，也就是說，在傳動系統的固有振動數(固有周期)的整數倍的±1/4周期中，施加負載轉矩能抑制振動。特別是旋轉加速度大的時刻，也就是說，在固有周期的整數倍的時刻施加負載轉矩的效果較大。
另一方面，旋轉加速度為負時，也就是說，在傳動系 統的固有振動數(固有周期)的整數+1/2倍的±1/4周期中，解放負載轉矩能抑制振動。特別是旋轉加速度小的時刻，也就是說，在固有振動數的整數+1/2倍的時刻解放負載轉矩的效果較大。
此外，本發明並不限定於上述的實施例，也包含各種變形例。例如，上述實施例係為了方便說明本發明而詳細說明者，並不一定要具備所說明的所有構成。此外，某實施例的構成的一部分也可以置換成其他實施例的構成，此外，某實施例的構成也可以加入其他實施例的構成。此外，有關各實施例的構成的一部分，可以作其他構成的追加‧刪除‧置換。

Claims (17)

  1. 一種連接電力系統的風力發電系統，其中，前述風力發電系統具備：受風而旋轉的轉子；傳達前述轉子的動力的傳動系統；控制施加於前述傳動系統的制動力的控制裝置；其中，前述控制裝置在前述電力系統發生電壓降低，且該電壓降低恢復至預定時間內時，控制前述制動力以抵消發生於前述傳動系統的振動。
  2. 如請求項1所記載之風力發電系統，其中，前述風力發電系統具備：制動前述傳動系統的旋轉的制動器；藉由前述傳動系統傳達的動力而發電運轉，且發電機轉矩可變的發電機；其中，前述控制裝置在前述電力系統發生電壓降低，且該電壓降低恢復至預定時間內時，控制前述制動器的制動時機及前述發電機轉矩的變更時機的至少一者，以抵消發生於前述傳動系統的振動。
  3. 如請求項1或2所記載之風力發電系統，其中，前述控制裝置在前述電壓降低恢復後，前述傳動系統的旋轉速度上升時，控制前述制動力，以在前述傳動系統施加減速轉矩。
  4. 如請求項1或2所記載之風力發電系統，其中，前述控制裝置在前述電壓降低恢復後，前述傳動系統的旋轉速度下降時，控制前述制動力，以在前述傳動系統 施加增速轉矩。
  5. 如請求項1所記載之風力發電系統，其中，前述風力發電系統具備：藉由從前述傳動系統傳達的動力而發電運轉，且發電機轉矩可變的發電機；前述控制裝置因應前述電壓降低時的系統電壓值，來控制前述發電機轉矩。
  6. 如請求項2或5所記載之風力發電系統，其中，前述風力發電系統具備與前述發電機電連接的電力消耗機器；藉由前述電力消耗機器來消耗由前述發電機所生成的電力，來使發電機轉矩產生。
  7. 如請求項2或5所記載之風力發電裝置，其中，前述控制裝置在前述電壓降低恢復後，使向前述發電機的通常的轉矩指令值重疊於抵消在前述傳動系統所產生的振動的轉矩指令值成份。
  8. 如請求項1或2所記載之風力發電系統，其中，前述控制裝置基於前述傳動系統的固有振動數，從前述電力系統的電壓降低經過預定時間後，在前述傳動系統附加減速轉矩。
  9. 如請求項8所記載之風力發電系統，其中，前述預定時間為從前述傳動系統的振動開始到扭轉振動的整數周期的前後1/4周期以內。
  10. 如請求項9所記載之風力發電系統，其中，前述預定時間為從前述傳動系統的振動開始到扭轉振 動的1周期的前後1/4周期以內。
  11. 如請求項1或2所記載之風力發電系統，其中，前述控制裝置基於前述傳動系統的固有振動數，從前述電力系統的電壓降低經過預定時間後，在前述傳動系統附加增速轉矩。
  12. 如請求項11所記載之風力發電系統，其中，前述預定時間為從前述傳動系統的振動開始到扭轉振動的整數周期+1/2周期的前後1/4周期以內。
  13. 如請求項12所記載之風力發電系統，其中，前述預定時間為從前述傳動系統的振動開始到扭轉振動的1.5周期的前後1/4周期以內。
  14. 一種連接電力系統的風力發電系統的控制方法，其中，在前述電力系統發生電壓降低，且該電壓降低恢復至預定時間內時，控制施加於前述傳動系統的制動力，以抵消發生於前述風力發電系統的傳動系統的振動。
  15. 如請求項14所記載之風力發電系統的控制方法，其中，在前述電力系統發生電壓降低，且該電壓降低恢復至預定時間內時，控制該傳動系統的制動器的制動時機及發電機轉矩的變更時機的至少一者，以抵消發生於前述風力發電系統的傳動系統的振動。
  16. 如請求項14或15所記載之風力發電系統的控制方法，其中， 在前述電壓降低恢復後，前述傳動系統的旋轉速度上升時，控制前述制動力，以在該傳動系統施加減速轉矩。
  17. 如請求項14或15所記載之風力發電系統的控制方法，其中，在前述電壓降低恢復後，前述傳動系統的旋轉速度下降時，控制前述制動力，以在該傳動系統施加增速轉矩。
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