TW201821692A - 風力發電廠或風力發電廠之控制方法 - Google Patents
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Abstract
[課題] 其目的在於提供一種可以提高發電輸出之風力發電廠或風力發電廠之控制方法。 [解決手段] 要解決上述課題，有關本發明的風力發電廠(100)，係具備複數個風力發電裝置(10)，該風力發電裝置具備葉片、把葉片支撐成可旋轉的短艙、以及把短艙支撐成可平擺旋轉的塔；其特徵為：具備控制裝置(40)，該控制裝置係使用風力發電廠中的風況資訊、在風力發電裝置之中停止發電中的第1風力發電裝置(10a)、(10b)的配置資訊及位置在第1風力發電裝置的下風之第2風力發電裝置(10c)、(10d)、(10e)的配置資訊、以及第1風力發電裝置的設計資訊，朝第1風力發電裝置或是第2風力發電裝置輸出平擺角指令值，使得風力發電廠的發電量變大。
Description
[0001] 本發明有關風力發電廠或是風力發電廠之控制方法。
[0002] 長年擔心石油等化石燃料的枯竭，而且，為了地球環境的溫暖化對策，CO2
的排放減量成為在全世界應解決的當務之急的課題。為了圖求解決這些課題，作為不使用化石燃料，而且，也不排出CO2
的發電的方法，導入使用太陽光發電或風力發電等自然能源之發電在世界中急速進行中。 [0003] 伴隨於此，利用2臺以上之複數個風力發電裝置所構成的風力發電裝置群(風力發電廠)也增加。隨著風力發電裝置的導入量增加，並追求作為基礎電源的任務，期望提升風力發電廠整體上的發電輸出。但是，在設置風力發電廠之際，因為在廠址面積等有限制，無法設置成充分遠離風力發電裝置相互的距離，風力發電裝置相互間的距離為某種程度相近的情況者居多。而且，風力發電廠大規模化，風力發電廠內的風力發電裝置的臺數增加的話，隨著定期維修或故障，停止發電的風力發電裝置增加。在風力發電裝置相互的距離為充分遠離的情況下，是沒有必要考慮到通過了停止發電中的風力發電裝置之後流段的影響，但是在風力發電裝置相互間的距離靠近到某種程度的情況下，已停止發電的風力發電裝置對風而言成為障礙物，在下風的風力發電裝置受到通過已停止發電的風力發電裝置之後流段的影響，可惜發電輸出下降。大抵的地點中，因為設置空間的限制，遂成為殘留有後流段的影響之位置關係。 [0004] 在此，於專利文獻1，提案有：控制停止發電的風力發電系統的平擺角，使得風力發電裝置的葉片的旋轉面，相對於風向總是與風向成為平行之手法。 [先前技術文獻] [專利文獻] [0005] [專利文獻1] WO2015/136687號專利公報
[發明欲解決之課題] [0006] 通過已停止發電的風力發電裝置的風，係除了風向以外，也因為風力發電裝置的形狀、下風側的風力發電裝置的配置、距離等，對下風的風力發電裝置的影響產生變化。為此，考慮到在控制已停止發電的風力發電裝置的平擺角，使得葉片的旋轉面，相對於風向總是與風向成為平行之方法下，因為風力發電裝置的短艙或轂的形狀，比起其他的平擺角更能增大風的影響，風力發電廠的發電輸出無法最大化。 [0007] 有鑑於上述之點，在本發明，其目的在於提供一種可以提高發電輸出之風力發電廠或風力發電廠之控制方法。 [解決課題之手段] [0008] 為了解決上述課題，有關本發明之受風而旋轉的風力發電廠，係具備複數個風力發電裝置，該風力發電裝置具備葉片、把前述葉片支撐成可旋轉的短艙、以及把前述短艙支撐成可平擺旋轉的塔；其特徵為：具備控制裝置，該控制裝置係使用前述風力發電廠中的風況資訊、在前述風力發電裝置之中停止發電中的第1風力發電裝置的配置資訊及位置在前述第1風力發電裝置的下風之第2風力發電裝置的配置資訊、以及前述第1風力發電裝置的設計資訊，朝前述第1風力發電裝置或是前述第2風力發電裝置輸出平擺角指令值，使得前述風力發電廠的發電量變大。 [0009] 而且，有關本發明的風力發電廠的控制方法，該風力發電廠具備複數個風力發電裝置，該風力發電裝置具備受風而旋轉的葉片、把前述葉片支撐成可旋轉的短艙、以及把前述短艙支撐成可平擺旋轉的塔；其特徵為：在使用表示複數個前述風力發電裝置的位置關係之配置資訊、複數個前述風力發電裝置的設計資訊及風況資訊而考慮了吹往比起停止發電中的第1風力發電裝置更位於下風側的第2風力發電裝置的風的衰減的影響之下，決定停止發電之際的前述第1風力發電裝置或是前述第2風力發電裝置的平擺角指令值，使得風力發電廠的發電量變大。 [發明效果] [0010] 根據本發明，適切控制風力發電廠之停止發電中的風力發電裝置的動作參數而可以提高風力發電廠中的發電輸出。
[0012] 以下，使用圖面說明有關以實施本發明下適合的實施例。 [實施例1] [0013] 圖1乃是本實施例中的風力發電廠100的構成圖。該圖中，各風力發電裝置10受風20的能量而發電。各風力發電裝置，具備：葉片，其係受風而旋轉；短艙，其係透過主軸等把葉片支撐成可旋轉；以及塔，其係把短艙支撐成可平擺旋轉。各風力發電裝置10係透過電力輸電線3而相互連接，對電力系統4供給發電電力。風力發電裝置10中，有因維修或故障等而停止發電中的風力發電裝置10a、10b的話，前述停止發電中的風力發電裝置10a、10b對所輸入的風20a、20c來說成為障礙物，是有用通過了元件符號10a、10b的風20b、20d來發電的下風的風力發電裝置10c、10d、及10e的發電量會下降的可能性。在此，使用設置在前述停止發電中的風力發電裝置之被包含在風況資訊的風向風速計的風向風速計測值、平擺角感測器的計測值、以及風力發電廠100內的風力發電裝置10的配置資訊或設計資訊，往讓輸入風20a、20c的衰減變小的方向來控制前述停止發電中的風力發電裝置10a、10b的平擺角11a、11b，藉此，流入到前述下風的風力發電裝置之風速增大，可以使下風的風力發電裝置的發電量提升。 [0014] 圖2為表示因為本實施例中的停止發電中的風力發電裝置的平擺角，以致於下風的風力發電裝置的輸入風速下降的概念之圖。該圖(a)係表示未實施本發明的控制的情況，在吹到停止發電中的風力發電裝置10a的風20的風速為10m/s的情況下，前述停止發電中的風力發電裝置10a的平擺角被固定在不適切的位置的緣故，通過風力發電裝置10a而吹到比風力發電裝置10a更位在下風側的風力發電裝置10c的風衰減到6m/s。該圖(b)係表示適用本發明的情況，把停止發電中的風力發電裝置10a的平擺角，控制成對風20成為阻抗少的值，經此，吹到位在下風側的風力發電裝置10c的風為8m/s，比起(a)更為提升。經此，以控制沒有對發電貢獻之停止中的風力發電裝置的方式，可以使風力發電廠整體的發電量提升。 [0015] 圖3為本實施例中的風力發電裝置的控制方塊圖。風力發電控制裝置30係設置在風力發電廠內的各風力發電裝置。風力發電控制裝置30具備：下風影響演算部31，其係具備輸入部，並演算往下風側的風力發電裝置的風的衰減的影響，該輸入部輸入風力發電裝置的風向風速計測值、同風力發電裝置的平擺角計測值、風力發電廠內的各風力發電裝置的配置資訊、及設計資訊(轉子、短艙、塔等的構造構件的形狀等的資訊)；以及最佳平擺角決定部32，其係從下風影響演算部31之往下風側的風力發電裝置的風的衰減的影響的演算結果、及風力發電裝置的停止計畫資訊，決定停止發電之際的最佳的平擺角的指令值。最佳的平擺角是有以下兩種情況：發電停止時所定之閉鎖平擺角的情況、以及也在發電停止中進行平擺控制的情況。輸入到下風影響演算部31的風向風速計測值及平擺角計測值係隨時輸入該時刻的計測值，另一方面，有關配置資訊或設計資訊係參閱預先儲存在資料庫的資訊。風力發電廠控制裝置係以在內部保有這樣的資料庫、或是從外部參閱的方式，取得資訊。 [0016] 圖4為說明本實施例中的停止發電中的風力發電裝置演算吹到下風側的風力發電裝置的風的衰減的影響的手法之圖。在此，通過停止發電中的風力發電裝置的風的衰減，係暫定成與從上風側看停止發電中的風力發電裝置時的垂直投影面積成比例。該投影面積可以從風向計測值、風速計測值等的風況資訊、風力發電裝置的配置資訊及風力發電裝置的設計資訊來決定。圖4(a)與(b)為使停止發電中的風力發電裝置的平擺角變化成2路的情況下之從上風側所見之垂直投影圖，以比較該面積的方式，可以判定(a)的平擺角這一方比起(b)，風的衰減為較少。以從風力發電裝置的設計圖面事先求出各風向的垂直投影面積的方式，可以演算讓風的衰減的影響變少之平擺角。於在本實施例所示之風力發電裝置的形狀的情況下，在圖1的風力發電系統的配置、風向的條件下，停止發電中的風力發電裝置10a、10b的平擺角為0°，成為風的衰減的影響最少的平擺角。接著，演算下風側的風力發電裝置中的風的衰減的影響為最小的平擺角的指令值，作為從上風側(風向方向)看位於上風的發電停止中的風力發電裝置時的投影面積為最小的平擺角。 [0017] 圖5為使用在用於決定本實施例中的停止發電中的風力發電裝置之平擺角的指令值的表格的其中一例。使用演算了圖4的垂直投影面積所致之吹到下風側的風力發電裝置的風的衰減的影響的結果、或者是流體解析等的手段，依風向別、風速別事先演算出本身或是下風側的風力發電裝置之最佳的平擺角，儲存到表格。該表格可以儲存到前述的資料庫，或者是也可以儲存到其他的資料庫。在最佳平擺角決定部，可以參閱該表格，決定平擺角指令值。尚且，於強風時，位在下風之更遠離的位置的風力發電裝置也受到影響的緣故，不僅是風向也配合風速而可以變更最佳平擺角，經此，可以提升風力發電廠整體的發電量。 [0018] 圖6為表示決定本實施例中的停止發電中的風力發電裝置的平擺角的指令值的程序之流程。把預先記憶到資料庫之包含某風力發電廠內的風力發電裝置的配置資訊及風力發電裝置的形狀之設計資訊，輸入到風力發電控制裝置30的下風影響演算部31，更進一步把以風力發電裝置所計測出的風向、風速的計測值、及平擺角計測值，輸入到下風影響演算部31。從所輸入的資訊中的配置資訊、及風向、風速的計測值，演算與下風側的風力發電裝置之位置關係。從與下風側的風力發電裝置之位置關係，演算對下風側的風力發電裝置之最小投射面積為最小的平擺角。發出已演算好的平擺角的指令到停止發電中的風力發電裝置10a、10b。風向風速等的計測值係每時每刻變化的緣故，所以輸出了平擺角指令值後，再次返回讀入計測值的階段，成為流動的流程。 [0019] 本實施例中，雖決定了演算投影面積為最小的平擺角，但未必是最小，與任何未考慮到上述控制的情況相比較，以把平擺角指令值設定成可以使投影面積減少的位置的方式，是可以期待一定的效果。當然，最期望的是讓投影面積縮到最小。 [實施例2] [0020] 圖7為實施例1中，從在風力發電廠最少設置一臺風力發電廠控制裝置，發出停止發電中的風力發電裝置的平擺角的指令的情況的構成圖。該圖中，各風力發電裝置10與風力發電廠控制裝置40係以通訊機構50而被連接。從各風力發電裝置10到風力發電廠控制裝置40，傳送例如各風力發電裝置10的平擺角計測值、風向或風速計測值、發電電力量、運轉或停止資訊。從風力發電廠控制裝置40對各風力發電裝置10，傳送例如平擺角指令值。藉由作為這樣的構成，在風力發電廠內的停止發電中的風力發電裝置為複數個的情況、或風力發電廠內的風向或風速的分布為不均一的情況下，可以控制停止發電中的風力發電裝置的平擺角，來使風力發電廠整體的發電電力提升。 [0021] 圖8為本實施例中的風力發電廠控制裝置30W的控制方塊圖。與設置在圖3的各風力發電裝置之風力發電控制裝置30不同的是，具備風力發電廠發電量最大化演算部33W這一點，該風力發電廠發電量最大化演算部係演算在風力發電廠內停止發電中的風力發電裝置的平擺角，使得風力發電廠整體的發電電力最大化。風力發電廠發電量最大化演算部33W係演算：個別地控制風力發電廠內複數個運作中的風力發電裝置、及最少一臺以上的停止發電中的風力發電裝置之其中一方者或是兩者的平擺角，而讓風力發電廠整體的發電電力最大化的平擺角的組合。作為前述組合的演算方法的其中一例，輸入已計測出的風向或風速資訊、停止發電中的風力發電裝置的資訊到模擬了風力發電廠的風力發電裝置的配置、各風力發電裝置的形狀之模擬模型，使用搜尋的演算法，求出各風力發電裝置的平擺角，使得在式子(1)所表示的目的函數最大化。在此，PWF係表示風力發電廠整體的發電電力。P(n)係表示風力發電廠內第n個的風力發電裝置的發電電力，P(n)用式子(2)來表示。在此，Cp係表示風力發電裝置的功率係數，ρ係表示空氣密度，A係表示受風面積，V係表示風速。 作為前述搜尋的演算法，可以使用例如遺傳演算法等。 [0022] 而且，在本實施例除了使用前述搜尋的演算法以外，也有用風力發電廠控制裝置30W，一邊計測風力發電廠整體的發電電力，一邊使停止發電中的風力發電裝置的平擺角逐次變化，從其所致之發電電力的變化，把平擺角往發電電力變大這一方變更的方法。 [0023] 尚且，前述風向或風速的計測值，係除了使用搭載在前述風力發電裝置的風向或風速計以外，也可以使用風力發電廠內、或者是風力發電廠附近的風向或風速觀測裝置的計測值。 [實施例3] [0024] 圖9係表示在實施例1或是實施例2中，在停止發電中的風力發電裝置的維修等的作業時間以外，配合風向變更平擺角的實施例。因維修或故障而停止發電中的風力發電裝置，通常在維修期間，或是從故障一直到恢復為止的期間，是固定了平擺角的狀態。在實施例1至實施例2中，發出停止發電中的風力發電裝置的平擺角的指令，使得下風的風力發電裝置的發電電力增大；但是，在本實施例停止發電中的期間中，以風向變化的時序來變更平擺角這一點為其特徵。此時，在該風力發電裝置的塔或短艙內部作業中的時間帶，係為了安全，停止平擺角的變更。經此，即便於風向頻繁變化的風力發電廠，也可以期待本發明的發電量提升效果。 [實施例4] [0025] 圖10係表示在實施例1或是實施例2中，配合風向或風速等的氣象預測資訊來設定停止發電中的風力發電裝置的平擺角之實施例。如實施例3般也在風力發電裝置的維修期間中，在可以控制平擺角的情況下，是可以配合已計測出的風向或風速來變更平擺角；但是，是有在維修期間中不可以變更平擺角的情況，例如假想有與平擺控制有關的零件交換等的維修。在這樣的情況下，使用維修期間中的風向或風速的預測值，先預先決定相對於其平均值或者是最頻值的風向或風速而發電量為最大的平擺角，可以在停止發電的時點設定成前述平擺角。 [實施例5] [0026] 圖11為前述的各實施例中，不僅是停止發電中的風力發電裝置的平擺角，也控制槳距角的實施例的控制方塊圖。通常，在因為維修或故障而停止風力發電裝置的發電的情況下，槳距角即便從風力發電裝置的正面受風也固定在不產生葉片的旋轉力矩的順槳位置。本發明中，從停止發電中的風力發電裝置與下風側的風力發電裝置的位置關係、或風力發電裝置的垂直投影面積等的形狀，來決定槳距角在順槳位置以外的方法，是有可以縮小風的衰減的可能性。從而，以把停止發電中的風力發電裝置的平擺角與槳距角之其中一方者或者是兩者控制到可以縮小風的衰減的位置的方式，是有可以使風力發電廠的發電電力提升的可能性。 [實施例6] [0027] 圖12為表示風力發電廠的發電量與風力發電裝置的風所致之負載疲勞之例的圖表。在前述的各實施例中，以控制停止發電中的風力發電裝置的平擺角、或者是平擺角與槳距角的方式，使風力發電廠的發電電力提升的情況下，根據平擺角、槳距角與風向或風速的關係，如該圖(a)般，以不做本發明的控制的情況作為100%，遺憾的是，風力發電裝置的負載疲勞是有比該情況還要增大的情事。風力發電裝置的負載疲勞增大的話，擔心風力發電裝置的維修週期變短，或變得容易發生故障。該情況下，如該圖(b)般，是可以控制平擺角、或者是槳距角，使得縮小發電量的提升效果而減低負載疲勞。在使該功能搭載在於實施例2已說明過的風力發電廠發電量最大化演算部33W的情況下，在風力發電廠發電量最大化演算部33W，是未必僅圖求發電量的最大化，也是可以決定一邊朝發電量增大的方向，並同時圖求負載疲勞的減低。這個可以用下述方式來實現：藉由對風力發電裝置的風向之平擺角、槳距角，使用流體解析等事先求出下風側風力發電裝置的發電量的提升量、與停止發電中的風力發電裝置的負載疲勞的變化。就有關因為對風力發電裝置的風向之平擺角、槳距角的變化，以致於下風側風力發電裝置的發電量的提升量、與停止發電中的風力發電裝置的負載疲勞的變化的程度的關係，係可以在事先求出的情況下先儲存到資料庫等的記憶裝置。
[0028]
10‧‧‧風力發電裝置
20‧‧‧風
30‧‧‧風力發電控制裝置
40‧‧‧風力發電廠控制裝置
50‧‧‧通訊機構
100‧‧‧風力發電廠
[0011] [圖1]為表示本發明的第一實施例中的風力發電廠的構成之圖。 [圖2(a)]為表示在不適用第一實施例的情況下，因為風力發電裝置的平擺角，以致於下風的風力發電裝置的輸入風速下降的概念之圖。 [圖2(b)]為表示在適用第一實施例的情況下，藉由風力發電裝置的平擺角，讓下風的風力發電裝置的輸入風速下降的概念之圖。 [圖3]為本發明的第一實施例中的風力發電裝置的控制方塊圖。 [圖4(a)]為說明本發明的第一實施例中演算停止發電中的風力發電裝置所致之風的衰減的影響之一手法之圖，為縮小垂直投影面積者。 [圖4(b)]為說明本發明的第一實施例中演算停止發電中的風力發電裝置所致之風的衰減的影響之一手法之圖，為放大垂直投影面積者。 [圖5]為使用在用於決定本發明的第一實施例中的平擺角的指令值之表格的其中一例。 [圖6]為表示決定本發明的第一實施例中的平擺角的指令值的程序之流程。 [圖7]為表示本發明的第二實施例中的風力發電廠的構成之圖。 [圖8]為本發明的第二實施例中的風力發電廠控制裝置的控制方塊圖。 [圖9]為表示變更本發明的第三實施例中的風力發電裝置的平擺角的時序之圖。 [圖10]為表示使用氣象預測資訊決定本發明的第四實施例中的平擺角的時序之圖。 [圖11]為控制本發明的第五實施例中的平擺角與槳距角的情況的控制方塊圖。 [圖12(a)]為表示不適用本發明的第六實施例的情況中的風力發電廠的發電量與風力發電裝置的負載疲勞的例子之圖表。 [圖12(b)]為表示適用本發明的第六實施例的情況中的風力發電廠的發電量與風力發電裝置的負載疲勞的例子之圖表。
Claims (13)
- 一種風力發電廠，係具備複數個風力發電裝置，該風力發電裝置具備受風而旋轉的葉片、把前述葉片支撐成可旋轉的短艙、以及把前述短艙支撐成可平擺旋轉的塔；其特徵為： 具備控制裝置，該控制裝置係使用前述風力發電廠中的風況資訊、在前述風力發電裝置之中停止發電中的第1風力發電裝置的配置資訊及位置在前述第1風力發電裝置的下風之第2風力發電裝置的配置資訊、以及前述第1風力發電裝置的設計資訊，朝前述第1風力發電裝置或是前述第2風力發電裝置輸出平擺角指令值，使得前述風力發電廠的發電量變大。
- 如請求項1的風力發電廠，其中， 前述控制裝置具備輸入部，該輸入部係輸入表示風向計測值、平擺角計測值、前述風力發電廠內的風力發電裝置的位置關係之配置資訊、被包含在前述風力發電廠的風力發電裝置的設計資訊； 該風力發電廠具備：下風影響演算部，其係演算前述第1風力發電裝置所致之吹往前述第2風力發電裝置的風的衰減的影響；以及 平擺角決定部，其係從前述下風影響演算部所致之吹往前述第2風力發電裝置的風的衰減的影響的演算結果，決定發電停止時的平擺角指令值。
- 如請求項1或是2的風力發電廠，其中， 前述控制裝置，係演算前述第1風力發電裝置所致之吹往前述第2風力發電裝置的風的衰減的影響為最小的平擺角的指令值，來作為從上風側看前述第1風力發電裝置時的投影面積為最小的平擺角。
- 如請求項3的風力發電廠，其中， 前述投影面積，係使用前述風況資訊、前述配置資訊及前述設計資訊而決定。
- 如請求項3或是4的風力發電廠，其中， 該風力發電廠具備資料庫，該資料庫儲存依風向別作成並且考慮到前述投影面積而最大化前述第2風力發電裝置的發電量之前述第1風力發電裝置或是前述第2風力發電裝置的平擺角的資訊。
- 如請求項1至5中任1項的風力發電廠，其中， 前述控制裝置乃是控制複數個前述風力發電裝置之風力發電廠控制裝置； 前述風力發電廠控制裝置與前述複數個風力發電裝置係用通訊機構來連接； 透過前述通訊機構，從前述風力發電裝置，傳送風力發電裝置的平擺角計測值、風向或風速計測值、發電電力量、運轉或停止資訊到前述風力發電廠控制裝置，並且，從前述風力發電廠控制裝置，對前述複數的風力發電裝置傳送平擺角指令值。
- 如請求項6的風力發電廠，其中， 前述風向或風速計測值，係從設置在風力發電廠的內部或是風力發電廠的附近之風況觀測裝置所取得。
- 如請求項6或是7的風力發電廠，其中， 前述控制裝置具備風力發電廠發電量最大化演算部，該風力發電廠發電量最大化演算部係演算前述第1風力發電裝置的平擺角，使得風力發電廠整體的發電電力最大化； 前述風力發電廠發電量最大化演算部係演算個別地控制前述第1風力發電裝置或是前述第2風力發電裝置中至少任意其中一方的平擺角而讓風力發電廠整體的發電電力最大化之平擺角的組合。
- 如請求項8的風力發電廠，其中， 控制前述第1風力發電裝置的平擺角或是前述葉片的槳距角中至少任意其中一方，使得以一邊提升前述風力發電廠的發電電力，一邊減低至少一部分的風力發電裝置的風所致之負載疲勞。
- 如請求項1至9中任1項的風力發電廠，其中， 前述控制裝置，係除了前述第1風力發電裝置的平擺角，還控制前述第1風力發電裝置的前述葉片的槳距角。
- 如請求項1至10中任1項的風力發電廠，其中， 於發電停止期間中，配合風向的變化變更前述第1風力發電裝置的平擺角。
- 如請求項1至10中任1項的風力發電廠，其中， 前述控制裝置，係在發電停止以前演算前述第1風力發電裝置的平擺角，使得相對於使用從氣象預測資訊所得到的風向或風速的預測值來決定出的發電停止期間中的風向或風速的平均值或是最頻值而前述風力發電廠的發電量為最大。
- 一種風力發電廠之控制方法，該風力發電廠具備複數個風力發電裝置，該風力發電裝置具備受風而旋轉的葉片、把前述葉片支撐成可旋轉的短艙、以及把前述短艙支撐成可平擺旋轉的塔；其特徵為： 在使用表示複數個前述風力發電裝置的位置關係之配置資訊、複數個前述風力發電裝置的設計資訊及風況資訊而考慮了吹往比起停止發電中的第1風力發電裝置更位於下風側的第2風力發電裝置的風的衰減的影響之下，決定停止發電之際的前述第1風力發電裝置或是前述第2風力發電裝置的平擺角指令值，使得風力發電廠的發電量變大。
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