TWI261088B - Wind turbine generator, active vibration damping method for the same, and wind turbine tower - Google Patents

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TWI261088B TW093136950A TW93136950A TWI261088B TW I261088 B TWI261088 B TW I261088B TW 093136950 A TW093136950 A TW 093136950A TW 93136950 A TW93136950 A TW 93136950A TW I261088 B TWI261088 B TW I261088B
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Tsuyoshi Wakasa
Kazunari Ide
Yoshiyuki Hayashi
Masaaki Shibata
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Mitsubishi Heavy Ind Ltd
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Description

1261088 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 =發明係’關於—種可控制由於風速變動所誘發之振動的 1發電裂置及其主動制振方法以及風車塔，特別是關於 需遷從機艙重量之增加，即可以低成本實現風力發 2衣置或風車塔之振動降低的風力發電裝置及其主動制振 方法以及風車塔。 【先前技術】 —風力發電裝置-般構造為’於高度數十[m]之圓筒狀之 °上u有翼、增速器以及發電機等重物，而由風速變 動㈣發之振動將會極其大。如此之振動會增加構造材之 疲勞載荷，從而縮短風車塔之壽命。 ,、以風力务^ ^置存有大型化之傾向，隨著裝置大 5L化風速、交動所誘發之振動影響越來越顯著，故而降低風 Μ 4置或風車塔中之振動已成為必須的技術課題。 方面大樓等焉層建築物中，為改善強風時之居住 性已將主動制振技術實用化。業界已提出有種種方式，然 而^為下述方式··如由AMD(Actlve Mass Damper，主動 式貝里阻尼态)所代表般，以模式等致動器驅動設置於構 造物上部之重物(_8)，吸收構造物本身之振動。 #將於上述高層建築物等中得以實用化之主動制 振技術（AMD)直接適用於風車發電裝置或風車塔，則會產 生下述問題。 第 ，為充分獲得制振效果， 必須設置相當重之重物 97587.doc 1261088 (s)又，同日守為驅動該相當重之重物，必須準備大電 ” 致動器。因此’機搶重量會大幅度增加。 第一’僅位於風車塔上部之機搶重量所增加之部分，必 須增加支持該機艙之風車塔強度。由於必須大幅度增大如 此之風車i合或其他構成要素之強度，故風力發電裝置以及 風車塔之整體成本亦不得不增大。 第二，必須設置驅動重物（mass)之致動器，故增加驅動 一位維濩成本亦將增加。 因此，於例如日本專利特開2001_221145號公報（專利文 獻1)中，揭不有下述技術：對於如上所述之課題，藉由設 置被動式、主動式、間距、片狀物機構，從而控制風車塔 振動。 [專利文獻1] 曰本專利特開2001-221145號公報 【發明内容】 y而，於上述專利文獻丨之發明中，最終，因採取藉由 機械性機構降低風車塔振動之方法，所以與先前之八簡同 樣會導致機艙重量之增加。x，因具有複數個構造體，故 而存在機艙大型化，又成本變高之問題。 目的在於提供 之風 本發明係為解決上述問題而製成者，其 種無需遵從機搶重量之增加，即可以低成本降 力發電裝置及其主動制振方法以及風車塔 又 :其係具備 為解決上述課題，本發明採用下述方法。 本發明係提供一種風力發電裝置，其特徵為 97587.doc 1261088 依據::傾角拍令控制風車葉片傾角的傾角控制機構者，且 is k度汁，其女裝於機艙並檢測該機艙振動之加速 度’主動制振機構’其依據藉由上述加速度計所檢測出之 ^速度1出用以以消除上述機驗振動之方式於上述風車 葉片產生推力的該風Iy 、 /紙旱茱片之傾角，並將翼傾角指令輸出 至上述傾角控制機構。 根據本發明，藉由安裝於機艙之加速度計檢測該機艙振 動之加速度’並於主動制振機構中，依據該加速度算出用 以以消除機艙振動之方式於風車葉片產生推力的該風車葉 片傾角，將其輸出至傾角控制機構作為翼傾角指令，從而 控制風車葉片傾角。於該情形中，因作用於風車葉片之阻 力係作為推力作用於機艙前後方向，其大小根據風速盘風 車某片傾角而變化’故而若根據料控制原理控制傾角， 則可一定程度控制機艙前後方向之振動。 又，本發明係提供一種風力發電裝i，其特徵在於：其 係具備依據翼傾角指令控制風車葉片傾角的傾角控制機構 者’且包含加速度計，其安裝於機艙且檢測該機搶振動之 加速度’主動制振機構，其依據藉由上述加速度計所檢測 出之加速度，#出用以以消除上述機艙振動之方式於上述 風車葉片產生推力的該風車葉片傾角，從而輸出制振用置 傾角指令’傾角控制機構，其依據風速、風車轉子之旋轉 數或該風力發電裝置之輸出，算出用以將該風力發電裝置 之：出設為特定值之上述風車葉片傾角，#而將輸出控制 用異傾角指令輸出’以及加法機才冓，其將翼傾角指令付與 97587.d〇, 1261088 上述傾角控制機構，上述翼傾角指令係將來自上述主動制 振機構之制振用翼傾角指令重疊於來自上述傾角控制機構 之輪出控制用翼傾角指令者。 根據本發明，藉由安裝於機艙之加速度計檢測該機搶振 動之加速度，並於主動制振機構中，依據該加速度算出用 以以消除機艙振動之方式於風車葉片產生推力的該風車葉 片傾角，從而輸出作為制振用翼傾角指 於傾角控制機構中，算u以將輸出設為特定值之:車面葉 片傾角，將輸出控制用翼傾角指令輸出，並藉由加法機構 將制振用翼傾角指令重疊於輸出控制用翼傾角指令，從而 依據該重疊後之翼傾角指令控制風車葉片之傾角。 此處，為控制輸出而實施傾角控制係先前以來廣為採用 之技術，因此僅將加速度計、主動制振機構以及加法機構 附加安裝於原有的風力發電裝置，即可實現本發明。隨 之’可格外降低主動制振控制之適用、運用成本，從而可 以低成本實現風力發電裝置之振動降低。又，由於以將制 振用翼傾角指令重疊於輪出控制用翼傾角指令之方式控制 傾角’因此可同時達成輸出控制以及制振控制。 工 又，於本發明之風力發電裝置中，上述主動制振機構較 好的是包含速度推算機構，推算其自藉由上述加速度計所 檢測之加速度推算速度者，以及控制機構，其依據自上述 速度推算機構所輸出之速度，算出用以消除上述機搶振動 之方式於上述風車葉片產生推力的該風車葉片傾角。 根m明’於主動制振機構中，速度推算機構係自藉 97587.doc !261〇88 由加速度計所檢測之加速度推算 依據所推算之速度，，出用以、=。亚且’控制機構係 开出用以4除機艙振 葉片產生推力的該風車葉片傾角。 方仏風車 ::此方式，因以速度推算機構以及控制機構之簡單構成 之振動降低。 乂低成本貫現風力發電裝置 較好的是上述速度推算機 出之加速度積分之方式算 於本發明之風力發電裝置中， 構以將藉由上述加速度計所檢測 出速度。 如此之方式，因速度推算機構係積分藉由加速度計所檢 ，出之加速度從而求得速度，故而可除去高頻帶之雜訊。 錯此’下級控制機構可穩定且有效地控制制振。 本發明之風力發電裝置中，較好的是上述控制機構具備 相位提前補償機構’其使自上述速度推算機構所輸出之速 度相位提前特定量’並依據該相位提前補償後之速度算出 上述傾角。 進而’較好的是上述控制機構具備相位延遲補償機構， :使自上述相位提前補償機構輸出之速度相位延遲特定 量，並依據該相位延遲補償後之速度算出±述傾角。 根據該發明，因係依據該相位延遲補償後之速度算出傾 角’故而可補償加速度計輸出之相位 頻帶之雜訊，因此可穩定且有效地實行制振控制:1「““ 於本發明之風力發電裝置中，較好的是上述控制機構且 備將藉由上述速度推算機構所推算之速度設㈣入的比例 97587.doc 10- 1261088 積分微分控制器、線性二 器中之任何一個，從而算 控制為、、比例積分控制器、比例 次調整器以及線性二次高斯調整 出上述傾角。 藉由如此般構成控制機構 制。 可穩定且有效地實行制振控 於本發明之風力發雷获罢击 接目士 ^ $衣置中，較好的是上述主動制振機 構具有限制機構，复传蔣μ 、係將上迷風車葉片傾肖或上述風車葉 片傾角之角速度限制於特定範圍内者。 、 根據忒叙明’因構成為於主動制振機構，例如於主動制 振機構所包含之控制機構，具備將風車葉片傾角或風車苹 片傾角之加速度（變化率）限制於特定範圍内的限制機構了 故而可降低傾角控制機槿 利钱構之疲勞，並且可防止由參數設定 之錯誤等所造成之不良情形。 進而，於將制振用翼傾角指令限制於與輸出控制用翼傾 角指令相比極其小之範圍之情形時，可減輕或防止由兩個 指令值之干擾所造成之影響。 灿本發明係提供-種風力發電裝置之主動制振方法，其特 徵在於：其係具備依據翼傾角指令控制風車葉片傾角之傾 角控制機構’以及安裝於機艙且檢測該機艙振動之加速卢 的加速度計者’且包含主動制振步驟，其依據藉由上述力: 速度計所檢測出之加速度，算出用以消除上述機艙振動之 方式於上述風車葉片產生推力的該風車葉片傾角，並將翼 傾角指令輸出至上述傾角控制機構。 根據本發明’藉由安裝於機搶之加速度計檢測該機搶振 97587.doc 1261088 逹度’亚於主動制振步驟中，依據該加速度算出用 以消除機艙振動之方式於風車 =二出用 /ts ^ 朱乃屋生推力的该風車葉片 、角，且將其作為翼傾角八 /、 控制風車荦…、、7輪出至傾角控制機構，從而 機構之硬體以… 了以加速度相及傾角控制 _振步驟之軟體得以實現，故而可格 卜P牛低主動制振控制之適用、 ^ π , 連用成本，攸而可以低成本 戶、現風力發電裝置之振動降低。 本發明錢供_種風力發電裝置之主動制振方法，其特 :在於··其係具備依據翼傾角指令控制風車葉片傾角之傾 &制機構’以及安裝於機搶且檢測該機艙之振動加速度 、力速度计者，且包含，主動制振步驟，其依據藉由上述 加速度計所檢測出之加速度，算出用以消除上述機艙振動 式於上述風車葉片產生推力的該風車葉片傾角，並輪 出制振用翼傾角指令，傾角控制步驟，其依據風速、風車 tri轉數或該風力發電裝置之輸出，算出用以將該風力 I兒衣置之輪出设為特定值之上述風車葉片傾角，並將輸 ^工制用翼傾角指令輸出’以及加法步驟’其將翼傾角指 令付與上述傾角控制機構，該翼傾角指令係將上述主動制 振步驟之制振用翼傾角指令重疊於上述傾角控制步驟的輸 出控制用翼傾角指令者。 根據該發明，藉由安裝於機艙之加速度計檢測該機艙之 動加速度，並於主動制振步驟中，依據該加速度算出用 以消除機艙振動之方式於風車葉片產生推力的該風車葉片 傾角，從而作為制振用翼傾角指令輸出，而另一方面，於 97587.doc 1261088 傾角控制步驟中，算出用以將輸出設為特定值之風車葉片 二用置控制用傾角指令輸出’藉由加法步驟將制 ' :、傾角指令重疊於輸出控制用翼傾角指令，從而依據 1=Γ翼傾角指令控制風車葉片傾角。為控制輸出而 制技術先心來廣為仙，因此僅將主動制 :驟广法步驟附加於風力發電裝置之原有 體中，即可實現本發明。 猎此’因可以安裝加速度計與附加軟體 I格外降低主_振控社制、㈣成本，從㈣= =!風力發電裝置之振動降低。又，因以將制振用翼 、角重疊於輸出控制用翼傾角指令之方式控制傾角： 文而可同時達成輸出控制以及制振控制。 了本發明之風力發電裝置之主動制振方法中，較好的是 述主動制振步驟具有速度推算步驟，其自藉由上述加速 :计所檢測出之加速度推算速度，以及控制步驟，盆依據 猎由上述速度推算步驟所推算之曾 機艙振動之方式於上述風車苹片產决/出用以消除上述 λ κ風車茱片產生推力的該風車葉片傾 两0 、，根據該發明，於主動制振步驟中，藉由速度推算步驟， =據藉由加速度計所檢測出之加速度求得速度，藉由# ι驟’並依據該速度，算出用以消除機搶振動之方式於 風車茶片產生推力的該風車葉片傾角。如此般，因可以速 =推，步驟以及_步驟之簡單構成實現主動制振步驟， 而可以低成本貫現風力發電裝置之振動降低。 97587.doc -13- 1261088 :本發明之風力發電裝置之主動制振 上述速度推算步驟以將萨由 車又士子白勺是 度積分之方式算出速度。 〇、度計所檢測出之加速 因可藉由速度推算步驟除去高頻 動制振步驟可穩定且有效地控制制振。故而作為主 於本發明之風力發電裝置之主動制振 上述控制步驟具備將自上述速度推算法令’較好的是 位提前特定量之相位提亍 乂 ”Α所輪出之速度相 &刖補4員步驟，並依擔 償後之速度算出上述㈣。 據邊相位提前補 於本發明之風力發電裝置之主 上述控制步驟具備使自上、"曰“方法令’較好的是 “ 34相位提前補償步驟所輸出之、# 又目位延遲特定量的相 、 遲補償後之速川上侧貝㈣，絲據該相位延 根據本發明，於控制步驟中具備將自 =度相位提前特定量的相位提前補償步驟= 二：：備使自相位提前補償步驟所輸出之速度相位：遲 速度算出依據该相位延遲補償後之 、古猎在’因可補償加速度計輪出之相位延 振。亚““頻帶之雜訊’故而可穩定且有效地控制制 ^本發明之風力發電裝置之主動制振方法中，較好的是 ^空制步—驟具備補償步驟，其係對於藉由上述速度推算 :驟所推算之速度，實施使用有比例控制、比例積分： 1比例積分微分控制、線性二次調整器之控制，以及使 97587.doc -14- 1261088 用有線性二次高斯調整器之㈣“㈣1 依據上述補償後之速度算出上述傾角。 工 藉此，可穩定且有效地控制制振。 =本發明之風力發電裝置之主動制振 上述主動制振步驟具有限制步驟，其將上述風車 :?車茶片傾角之角速度限制於特定範圍内。 根據發明，可降低傾角控制機構之疲勞、， 參數設定錯誤等所造成之 亚且可防止由 离浐八阴生丨认# 月乂進而於將制振用翼傾 角々"限制於較之輪出控制用翼傾角指令 情形時，可減_吱防卜士 /、】之範圍之 塑。 戈防止由兩個指令值之干擾所造成之影 曰 本發明之風力發雷梦罢^ 电衣置季父適合使用於風車级。 藉由將本發明之風力發電裝置採用於風車塔，可格㈣ 低主動制振控制之適用、運 + 風車塔之振動降低。又，由'而可以低成本實現 或該重物用致動哭，门 前之AMD般使用重物 二 一 口口大此無需遵從機艙重量之增加，；T而 無需提高風車塔強度，即 曰 ^ J J^低成本得以實現。 根據本發明之風力發電裝置，+ 用重物或該重物用致動哭，gp 、而如先雨之AMD般使 軔叩，即可藉由加速度計、主動制振 邛以及傾角控制機構抑制 # 振 動制振控制之適用、運用精此’取得可格外降低主 裝置之振動降低的效果。成本’可以低成本課求風力發電 【實施方式】 以下，就本發明之風力發 兒衣置及其主動制振方法以及 97587.doc 1261088 風車塔之實施形態，參照圖示加以詳細說明。 圖1係本發明之-實施形態的風力發電裝置之構成圖。 於同圖中’本實施形態之風力發電裝置具備風力發電穿置 之機械性部分10、主動制振部2〇、傾角控制部3〇以及減法 _而構成。首先，說明本實施形態之風力發電裝置甲之 各構成要素之概略。 風力發電裝置之機械性部分1G係將風車轉子u、風車葉 片η、機艙13以及風速計16作為主要構成要素。上述機搶 u具備增速機14、發電機15以及加速度計17。 於該風力發電裝置之機械性部分附，安裝於風 11之複數片風車葉月12典 、， /、 又到風犯而與風車轉子11 一同旋 #玉於藉由增速機14增速後，驅動發電機I5實行發電， 藉此將風能轉換為電能。爯 再者，於圖1中雖係具備增速機 ^構’然而亦可為未使料速機14之直接驅動方式。 =本實施形態之風力發電裳置之特徵的加速度計17設 置於機艙1 3内部之接折饮& _ , σ中心邛之位置，檢測機艙13前後 万向之振動加速度。 又’傾角控制部3〇将 風車轉子"之旋轉㈣戈據由風速計16所測定之風速” 專數Ν或该風力發電裝置之輸出ρ，算出用 傾肖，、' ^甩驶置之輸出Ρ作為特定值之風車葉片12之 ^其作為輸出控制用翼傾角指令輸出。該傾角 ==控制於先前既已實行，本實施形態之傾角控制 邓30亦與先前者同樣。 動制振$ 2〇係依據藉由加速度計17所檢測出之加 97587.doc -16 - 1261088 2度’以消除機艙13之振動的方式算出用以 產生推力的該風車葉片12之傾角，並將 =2 角指令δθ*輸出。 々剌振用翼傾 再者，減法器（加法部）40係使來自主動 用翼傾角指令δθ*重疊於來自傾角 卩2G之制振 置傾角於八P〜 …工制部30之輸出控制用 異1貝角心令，從而將其作為翼傾 構。此處，傾角控制機構(未圖示)係依9據；；广 風車葉—者，其構造等與)::= 其次，就主動制振部20之詳細構成以 20降低風力發電梦罟^ 田王動制振部 加以…、 車塔之振動的主動制振方法， 加以洋細說明。 主動制振方法之基本思想，參照圖2 心明I]係表示自風車葉片12(參照圖此 端時的風車葦h w )心引知姚祭底 的說明圖。再者，=，並說明作用於風車葉〜 左，並將風力發電車葉片方疋轉方向係自右向 向。又，0心 之振動方向作為上下⑴方 推力於自6[，至24[—^ /、、角之關係的說明圖。 如= 斤示，於風車運轉中升力L與阻力d作用於風車葉 後方向。另t作為推力作用於風車塔之機艙⑽照圖1}前 傾角而變化。如圖3所示’推力大小係根據風速與 風車塔之機艙13、若根據某種控制原理控制傾角，則使 風車m 則後方向之推力改變，而可某種程度控 風車塔之機艙13前德 麦方向之振動。本發明係著眼於該方面 97587.doc 1261088 者’以下’就該傾角之控制原理加以說明。 圖4(a)係風車塔之握 式圖，圖4(b)係將風車塔模型化作 為機械振動系統時之說明 了您呪明圖。即，於圖4(a)中模 將加速度計17設置於風車拔 表不 X之"…2 / 2 °之械釦13中，而檢測關於位移 ^ Θ A 4 °又’如圖吩）所示，風車塔可 以貝置為m之物體、彈箬常數 、、 ，、㊉数為k之弹黃以及黏性阻力為r 之減振器實施模式化。 … 於該機械振動系統中，若將來自平衡狀態之位移設為 x，則物體振動之方程式為（丨）式。 … (1) 鼸X + CX + kx = f 十厶f 於此處，f + Af係作用於物體 刀射係猎由主動制振 4 2 0之間距控制動作而附加性添加之力。 對（1)式變形可獲得（2)式。 v ‘ c · k ，tl，\ ^ WW.UJJJUW/DJBBl ro in m f + ⑵ 此處’將系統之固有振動數co n以及笋诂、玄 久哀减率t如下放置 並改寫（2)式則可獲得（5)式。 (3) (4) 1 ( m ( f + 4f ) ⑸ (k/m)1/2 c/2(mk)1/2 ^ + 2 ζ ωηχ + x 97587.doc -18- 1261088 進而’將（5)式實行拉普拉斯變換則可獲得（6)式。 s2x(s)+2^nsX(s)+c〇n2X(s) = (l/m)F(s) (6) 藉由式（6)，系統之轉移函數G(s)可以（7)式得到。 G(s)=X(s)/F(s) = (l/m)/(s2+2^ns+con2) ⑺ 於二（7)式般之二次系統之頻率應答特性中，知悉如 J可自（3)、（4)式以質量1]1以及彈力常數k之變化改變系 統之固有振動數㈣’然而關於衰減率卜黏性阻力。變化之 影響大於fl：m以及彈力常數k變化之影響。 另方面，於（1)式中將附加性添加之力Μ例如置換如 下， 、 4f
藉此（1)式可如同（9)式般改寫： -+ ( c 十 Dp H + kx = f :芯由主動制振部20之間距控制動作所附加性添加 之力Δί·如（8)式設定，藓 、， 猎此精由（9)式之一次項之+ Dp分之 增加可將衣減率$改變為 / > 為更大值’從而可更加加快振動之 衰減並且於頻率雍货& "丄 一 、％、3 4寸性中可更加抑制固有振動數ωη之增 益峰值，從而可抑制振動振幅。 97587.doc 19 1261088 卞心沿，兵二欠，就闲 以控制主動制振之具體構成與其動作加以詳細說明，於圖 5中表不本貫施形態之主動制振控制系統的方塊線圖。 圖5中，符號51係依據自減法器所輪出之翼傾角指令 車某片12,從而控制傾角度的間距致動器。間距致 動器51，其具體可藉由、、山厭 ”^错由μ缸或電動馬達等得以實現，缺 Ζ此處考慮到機械振動系統，可以—次延遲系統實型、 化。 广符號52係算出風車運轉中作用於風車葉片之推力的 I片糸統。如圖2所示，因風車塔之機搶13前後方向的推 力係升力L以及阻力d之前絲古a #八 σ 之刖後方向成分之和，故而以加法 ==算並輸出。又，關於阻力D之推力，風車葉片 〖、角與推力間具有圖3所示之特性。故而，發現推力 =角成反比例，故可藉由放大㈣求得，該放大器训 '以近似该直線而獲得之傾斜的Kb作為增益。 付號55係將風車塔模型化作為機械振動系統之塔系統。 以⑺式求得轉移函數，然而主動制振控㈣統中以加速度 =檢測出加速度（dW)並施以反饋，因此以將^乘以 )式的轉移函數實施模型化。再者，該模型係僅一次振動 模式之模型。 上述間距致動器51、葉片系統52以及塔系統_先前之 ^發電裝置所具備之構成，然而於本實施形態中，於該 手'付加下述者之方式構成反饋回f檢測作為塔系統55 之輪出的加速度之加速度計17，生成用以使風車塔之機艙 97587.doc -20- 1261088 1 3前後方向之推力產生轡彳μ々& 又化之制振用翼傾角指令Μ*的主 動制振部20，以及必須將μ 士 士心w， 貝肝错由主動制振部20所獲得之制振 用翼傾角指令δθ*重疊於自傾肖 月匕制部30所輸出之輸出控 制用翼傾角指令且實施心θ*之運算的減法器4〇。 加速度計17因於輸出中存在相位延遲，故而係以-次延 遲系統實施模型化。又，如 … ()式。又疋般，因於主動制振 邛20中將Dp乘以速度（dx/dt)者設為藉由主動制振部如之間 距控制動作所附加性添加之力，故而其構成為具備積分加 速度求得速度之積分哭？彳η θ i 部22。 '…及具有轉移函數&⑷的控制 p错m機艙13内部之加速度計17，計測機搶η 刖後方向之加速度(―次振動模式)，將該所計測之加速度 輸入主動制振部2〇，藉由籍八 、刀杰21之積分運算算出機艙13 二方向之速度。於主動制振部20之控制部22中，依據所 异出之速度計算用以獲得制振效果的制振用翼傾角指令 ，。於主動制振部20所求得之制㈣翼傾角指令心藉由 重疊於於傾角控制部3q(參照叫所求得之輸出控 制用翼傾角指今0 *。 、9致動器51中，依據該得以重疊 、曰7驅動風車葉片12從而控制傾角度。藉由該傾 角^控制，該風力發電裝置之輸出可得到控制並且對應 :角之推力以抑制風車塔之機艙13前後方向之振動之方 八產生作用’從而可加快振動之衰減。 二方式，於本實施形態中，藉由將制振用翼傾角指令 …於輪出控制用翼傾角指令-，可同時完成輸出控 97587.doc 1261088 出速度之積分器21不僅單單運 制以及制振控制。再者 且作為頻率特性具有相對抑制高頻帶而強調低頻 帶之特性，因此可實現遮蔽高頻帶之雜訊的作用。 再者，積分器構造係並非限定於完全積分(l/s)者，亦可 為具有與此同等作用之濾波器（例如，一次延遲要素等）， 或適當狀態之推算器（同―、最小次元觀測器或卡爾曼廣 波器）等。 人“ 其次，參照圖6⑷以及圖6(b)，說明主動制振部2〇之控 制部22之具體構成以及動作。圖6(a)以及圖吵)均係例: 主動制振部20之控制部22之構成的方塊線圖。 於圖6(a)中，控制部22a以具備相位提前補償器a、相位 延遲補償器63、放大器64以及限制器65之方式構成。 如上料’因加速度計17之輸出存在相位延遲，故而藉 ==補償器62調整相位。如圖所示，相位提前補償 (:處目位提前系統之轉移函數 之二Hi由透過相位提前補償器62 ’將造成於高頻帶 63，從^大，因此作為其對f附加相位延遲補償器 心目寸抑制高頻帶而強調低頻帶。如圖所示，相 延遲補償器63具有〇 + saT2)/ 遲 轉移函數Γ k %乐統之 之控制部22二：1:。如此方式… ”備相位提前補償器62以及相位延遲 :種濾、波器，可補償加速度計-輸出之相位延 降低高頻帶夕她a 备 亚且可 、 T矾，故可穩定且有效控制制振。 97587.doc -22 - 1261088 又，自（8)式之設定 數之方式構成。此處， 結果而設定。 ，放大為64以具有增益Dp之轉移函 較好的是增益Dp依據模擬或實驗等 、、/工制部22(參照圖5)之構成亦可無需限定於上 相位，而藉由例如比例控制器、比例積分控制器、 比例和分微分控制器、LQ調整器（線性二次調整哭)以及 L Q G調整器(線性二次高斯調整器)等實現。 進而’右過於頻繁實行由制振用翼傾角指令δθ*所執行 之傾角t制’則傾角控制機構將操作過度而造成疲勞，因 此可藉由限制器65(參照圖6(a)、(b))對制振用翼傾角指八 ，設置限制（例如’卵灿，㈣降低傾角控制機構: 「具體的是，於圖6所示之放大器64之輸出(以下，稱為 「傾角指令」）小於預先所設定之最小傾角之情形時（於圖7 之步驟SA1中為「YES」）’則輸出最小傾角或大於最小傾 角之特定傾角作為最終制振用翼傾角指令，(圖7之步驟 叫而另—方面’於傾角指令為最小傾角以上之情二日; (於圖7之步驟SA1中為「N〇」），則判斷傾角指令是否\ 於預先所設定之最大傾角（圖7之步驟Sa3)。 其結果，於傾角指令大於最大傾角之情形時（於圖7之步 驟SA3中為「YES」）’則輸出最大傾角或小於最大傾角： 特定傾角作為最終制振用翼傾角指令(圖7之步驟 SA4)。而另-方面’於該傾角指令為最大傾角以下之情开; 時（於圖7之步驟SA3中為「N0」），則輸出該傾角指令作 97587.doc -23 - Ϊ261088 Ί、'、制振用翼傾角指令0”圖7之步驟SA5)。 又，如上所述，亦可並非限制放大器64(參照圖6(a)(b)) 之輪出本身，而將該輪出之變化率換言之將傾角度之角速 度限制（例*，土〇 6[deg/叫）於固定範圍内。 ”體的疋’如圖8所示，首先依據放大器64(參照圖6)之 :出之則—人值（以T，稱為「傾角指令之前次值」）與本次 ’稱為「傾角指令之本次值」）算出變化率（步驟 )，並判斷該變化率是否小於預先所設定之最小變化率 (步驟SB2)。並钍罢认行 』义化羊 ) ，、、、，°果，於變化率小於預先所設定之最小變 人之=形時（於步驟SB2中為「㈣」），則輸出於傾角指 牛中加算有最小變化率之值作為最終制振用翼傾 月夺曰7 (步驟SB3)。 另一方面’於變化率為最小變化率以卜夕卜主r 士 驟SB2中為「Nn、 取J夂化羊以上之情形時（於步 之最大變化率則判斷變化率是否大於預先所設定 化率 士、V B4)。其結果，於變化率大於最大變 羊之心形蚪（於步驟SB4中為「YFS 、，认， 之前次值中加曾有田〜 」，雨出於傾角指令 指切*(步㈣5) 化率之值作為最終制振用翼傾角 以下之，产;)。而另—方面，於變化率為最大變化率 (月形日τ (步於驟SB4中Λ「、 r 之本次值作為…， 」），則輸出傾角指令 作為取終制振用翼傾角指令步驟SB6)。 。兒明，藉由限制制振 …之變化率，可防……貝K侧指令 等造成風車設定制振控㈣統的參數 、 s振動反而增加等之不良情形。 進而’制振用翼傾角指令，因限制於較之輪出控制用 975S7.doc ' 24 - 1261088 :傾角指令極其小之範圍，故而可減輕或防止由兩個指 令值之干擾所造成之影響。 ,於圖6(b)所示之控制部2孔中，以於控制部22&之相 位提前補償器62前級中附加二次振動性補償器“之方式而 構成’因此可實現更高精度之控制。 再者’於上述說明中’就以軟體構成主動制振部2〇並輸 每」振用翼傾角指令者加以說明，然而亦可作為依次 :、仃各構成要素之子程式而構成。於該情形時，積分器2〇 可替換為積分步驟(速度推算步驟)，控制部22可替換：控 ::驟’ X ’控制部22内各構成要素亦可分別替換為相位 “補償步驟、相位延遲補償步驟以及限制步驟等，該等 各步驟成為所謂控制器内部之CPU、Mpu或Dsp上者 子程式。 貝仃足 制：Γ於圖9中表示將上述主動制振部2°之主動制振控 …’組裝入以先前之風力發電裝置而得以實現的傾角 7 4 3()(翏知圖υ之輸出控制系統時之控制系統的方塊線 圖，亚就傾角控制部30之輪出控制加以簡單說明。 33=/傾角控制部具備減法器 疋轉數控制部34、輸出控制部35以及選擇部％。 風，控制部33係依據藉由風速計16所測 Μ·]，求得翼傾角指令〜從而輸出。又，旋 二速 34係依據風車m丨丨 七制部 h 疋轉數N[rpm]，算出成為特m 數(目標缺的翼傾角指令·而輸出。進 疋轉 部35係依據該風力發電 出払制 '衣置之輪出p[kw]，算出成為特定 97587.doc 1261088 輸出(目標值)p*的翼傾角指令^從而輸出。 又於4擇部36中選擇以風速控制部33、旋轉數控制部 34以繼控制部35所分別求得之翼傾角指令“以及 中最小值（minimum w selectlon)，即選擇並未實行輸出之 角指令從而輸出作為輸出控制用翼傾角指令卜又， 一般而言，風車發電裝置之輸出卩_與風速啦/s]之特 =為如圖_不之說明圖。直至成為額定輸出、額定風速 為止，將貫施依據風速v[m/s]之控制，於達到額定輸出、 屮實施依據風車轉子u旋轉數N[r㈣或風力發 电I置之輸出P[kW]的控制。 再者’傾角控制部30之傾角範圍當自細間距（約_2〇[㈣] ’此時旋轉數較大)至週期變距(約，狗中 轉數較小)為止時具有較廣闊之控制範圍。 其次’將本實施形態之風力發電裝置以及其主動制振方 /之效果’以例示模擬實驗效果之方式加以說明。圖⑴系 ，於主動制振部20(參照圖υ之主動制振存在時與不存在 二’例不塔系統55(參照圖5)中之振動振幅之頻率特性。顯 “ :/有於^系統55之固有振動數附近振動振幅得以抑制 再者’因預先知悉塔系統55之固有振動數，故而 7 -疋相應於固有振動數之控制系統參數， 適之制振控制。 、&文〇 ^說明’於本實施形態之風力發電裝置或其主動制振 彳 如圖1所不，藉由安裝於機艙13之 測出該機㈣之振動加速度，並於主動制振部心 97587.doc -26- 1261088 振步驟）中，依據該加速度算出用以消除機艙13振動之方 式於風車葉片產生推力12的該風車葉片12之傾角，並將其 作為制振用翼傾角指令，輪出。而另一方面，於傾角控 制部30中（傾角控制步驟），算出用以將輸出設為特定值之 風車葉片12之傾肖，將其作為輪出控㈣翼傾角指令^輸 出繼而，藉由減法器40(加法步驟）使制振用翼傾角指令 δβ*重豐於輸出控制用翼傾角指令θ*，並依據該重疊後之 翼傾角才曰令控制風車葉片傾角。
由於自先刚廣為採用為控制輸出而實施傾角控制的技 術，因此僅將加速度計17、主動制振部2〇(主動制振步驟 以及減法4 4G(加法步驟）附加安裝於原有之風力發電裝置 中’即可實現本實施形態。即，因可容易安裝，故而可格 外降低主動制振控制之適用、運用成本，從而可以低成本 貫現風力發電袭置之振動降低。χ，因以將制振用翼傾角 指令⑽重疊於輪出控制用翼傾角指令Θ*之方式實施傾角 控制’故而可同時完成輸出控制以及制振控制。 如圖1所不’於本實施形態之風力發電裝置或其主動制 振方法中，於主動制振部2〇(主動制振步驟)中 器21(積分步驟）將藉由加 =貝刀 :求得速度，並藉峨⑽(控二 in::艙之振動之方式於風車葉片產生推力的該it ㈣、' &此方式，根據本發明可以積分器21(積分 以及控制部22(控制步驟)之簡 、刀 2〇(主動制护牛_、 x貝、現主動制振部 振”驟小因而可以低成本實現風力發電 97587.doc -27- 1261088 振動降低 亦可得以除去，故而可穩定且有效地實施制振控制、 1 、 ΓξΙ /Γ / Λ \ » -ry n=r» 入’囚Μ槓 如圖i、目6⑷以及圖6(b)所示，根據本實施形態 發電裝置或其主動制振方法，控制部22(控制步驟）呈備僅 將自積分器2i(積分步驟)所輸出之速度相位提前特定量的 =位提前補償器62(相位提前補償步驟），與僅使自相位提 =償器62(相位提前補償步驟）所輸出之速度相位延遲特 定里的相位延遲補j員益63(相位延遲補償步驟），且依據卞 相位延遲補償後之速度算出傾角。藉此，因可補償加速度〆 二十輪出之相位延遲，並且可降低高頻帶之雜訊，故而可穩 疋且有效地實施制振控制。 ^ 壯如圖6⑷以及圖6⑻所示，根據本實施形態之風力發電 衣置或其主動制振方法，因構成為於控制部U(控制步驟） 具備將所算出之傾角限制於特定範圍内之限制㈣（限制 步驟），故而可降低傾角控制機構之疲勞，並且可防止由 ^誤設定參數等造成之不良情形，進而，於將制振用翼傾 指令，限制於較之輸出控制用翼傾角指令”極其小之 範圍的情形時，可減輕或防止由兩個指令值之干擾所造成 之影響。 以上’就本發明之實施形態，參照圖示加料細說明， f而具體構成則並非限定於該實施形態者，亦可包含不脫 離本發明要旨之範圍内的設計變更等。 於上述實施形態f兒日月巾，雖就風力發電裝置以及其主動 制振方法加以詳細說明，然而亦可直接將本實施形態之風 97587.doc -28- 1261088 ^爿士 τττ> 、 私衣以及其主動制振方法適用於風車塔。該情形 2 ’除上述效果以外，亦可達到下述效果。即，因未如先 :之AMD般使用重物或該重物用致動器，故而無需增加機 驗13之重$且不必提高風車塔本身強度，即可以低成本實 、π貝施形態中雖係藉由傾角控制而實行輸出控制， =而亦可適用於採用其他輸出控制之風力發電裝置或風車 圪其中，於該情形時，必須重新附加控制風車葉片Μ 傾角的傾角控制機構。 進而，於實際運用中，考慮到提高可靠性或安 面，亦可採用下述構成或方法。 使Π存在下述方法：出於故障保險經常於機艙13内部 =個加速度計動作，而於主動制振控制』 檢測結果，當於其中—方產生故障時，則可自動=之 制振控制。 幻τ自動停止主動 又’亦可考慮下述方法等：者制括知立,/ 耍蚀 田制振控制系統之參數（主 要為反饋增益Gc(s))的設定值為 反或設定為超過許可範圍之主守例如於符號相 ^ 呵增贫之情形等時，雖缺π处 制振控制系統不穩定容易造成風車 4可月匕 铁而了 _ ι烕風車峪（機艙13)振動樺 ::而可(稭由加速度計17等)自動檢測如此狀態，從二 停止主動制振控制。 攸而自動 【圖式簡單說明】 圖1係本發明之一實施形態之風力發電裝 圖2係說明作用於風車葉片之力的說明圖。 圖。 97587.doc -29- 1261088 圖 圖3係相對於風速變化 例示推力與傾角 之關係的說明 模 圖4其中圖4⑷係風車塔之模式圖，圖4⑻係將風車塔 型化作為機械振動系統時之說明圖。 ’、’ ° 動制振控制系統的方 圖5係本發明之一實施形態中之主 塊線圖。 圖 圖6(a)-(b)係例示主動岳丨^ 動制振部之控制部構成的方 塊線 圖7係表示圖6所 圖 不之限制器的控制内容之一例的流程 圖 圖8係表示圖6所示之限制器的控制内容之-例的流程 圖係於輸出才工制系統組裝有主動制振控制系統時之控 制系統的方塊線圖。 圖1〇係說明風車發電裝置之輸出以及風速間之特性的說 明圖。 圖11係就主動制振部之主動制振存在與否時，例示塔系 統中之振動振幅的頻率特性之說明圖。 【主要元件符號說明】 10 風力發電裝置之機械性部分 11 風車轉子 12 風車葉片 13 機艙 14 增速機 975STdoc -30- 1261088 15 發電機 16 風速計 17 加速度計 20 主動制振部 21 積分器 22, 22a，22b 控制部 30 傾角控制部 31，32 減法器 33 風速控制部 34 旋轉數控制部 35 輸出控制部 36 選擇部 40 減法器 51 間距致動器 52 茶片糸統 53, 64 放大器 55 塔系統 61 二次振動性補償器 62 相位提前補償器 63 相位延遲補償器 65 限制器 97587.doc

Claims (1)

1261088 十、申請專利範圍： 1 · 一種風力發電萝罢 荦 、，/、係具備依據翼傾角指令控制風車 片角的傾角控制機構者，且包含： 加速度計，甘亡壯 度；及 ’、衣；機艙且檢測該機艙之振動加速 主動制振機構，直β旁 加速冓使：據错由上述加速度計所檢測出之 … 用以使上述風車葉片產生推力的該風車苹 2 將翼傾角指令輸出至上述傾角控制機構，::; 肩除上述機艙之振動。 2 · —種風力發雷梦罢 ^ „ "，/、係具備依據翼傾角指令控制風車 葉片傾角的傾角控制機構者，且包含： 加速度計，其安裝於機艙且檢測該機艙之振動 度； 、 主動制振機構，i依擔莊 /、依據猎由上述加速度計所檢測出之 加速度，算出用以使上述湿鱼笹y立丄 、， 11几車茱片產生推力的該風車葉 振動角，謂制㈣翼㈣指令輪出上述機搶 傾角控制機構，其依據風速、風車轉子 風力發電裝置之於+々々山 ^ ^ 、 輪出，异出用以將該風力發電裝置之輸 出設為特定值的上述風車葉片傾角，並 傾角指令輸出；及 市〗用異 加法機構’其將翼傾角指令給與上述傾角控制機構’ 上述翼傾角指令係使來自上述主動制振機構之制振用翼 傾角才曰令重疊於來自上述傾角控制機構之輸出控制用翼 97587.doc 1261088 傾角指令者。 含“員1之風力發電裝置，其中上述主動制振機構包 速度推算機構，其自藉由上述加速度計所檢測出之加 連度推算速度；及 笞拴制機構，其依據自上述速度推算機構輪出之速度， 使上述風車葉片產生推力之該風車葉片傾角， 以湞除上述機艙振動。 4.2=項3之風力發電裝置，其以述速度推算機構係 度。曰 述加速度計所檢測出之加速度積分而算出速 5. 如請求項3之風力發雷壯 白卜、+.$ 刀么屯衣置，其中上述控制機構具備將 度推算機構所輪出之速度相位提前特定量之相 θ 機構’且依據該相位提前補償後之速度 上建傾角。 6. 如請求項5之風力發電 甘士 L + 置，其中上述控制機構具備將 自上述相位提前補償機構所輸出之速度相位延遲特定量 的相位延遲補償機構， 管 再且依據该相位延遲補償後之速度 rr出上述傾角。 7. 如請求項3之風力發電裝 Μ , μ ., ^ 置，其中上述控制機構具備將 猎由上述速度推算機構 缶丨哭 t之速度作為輸入的比例控 制口口、比例積分控制哭、 ;$敫抑 口口 M列知分微分控制器、線性二 一人调整裔以及線性二次 上述傾角。 i周^中之任何一個’算出 97587.doc 1261088 8.如請求項〗之風力發電 有將上述風車葉片傾角：二Γ述主動制振機構具 制於特定範圍内沾 / 風車葉片傾角之角速度限 9· 疋靶^内的限制機構。 —種風力發電, 具備依據翼傾：指令方：，該風力發電裝置係 構;及安裝於機艙且檢;"二:=角控制機 計者，·其主動制振方法包含：振動加速度之加速度 主動制振步驟，其依據 加速度，算出用★ 9上述加速度計所檢測出之 M#. τ 1使上述風車葉片產生推力的該風車荦 片傾角，並將翼傾角於八认， L早桊 消除上述機艙振動。日上述傾角控制機構，以 ==::置之主動制振方法，該風力發電裝置係 構H 令控制風車葉片傾角的傾角控制機 冓，及文衣於機艙且檢測 計者；其主動制振方法包含 振動加速度的加速度 ::制振步驟’其依據藉由上述加速度計 =，鼻出用以使上述風車葉片產生推力的該風車； 振動_振用翼傾角指令輸出’以消除上述機搶 傾角控制步驟’其依據風速、風車轉子之旋轉數或，亥 風力發電裝置之輸出，算出用以將該風力發電裝置之幹 出作為特定傕之μ、+、Γ7志# Κ輸 述風車茱片傾角，並將輸出控制用置 傾角扣令輪出；及 八 /知其將翼傾角指令給與上述傾角控制機構， 97587.doc 1261088 ^亥翼傾角指令係使上述主動 I 令重疊於上述傾角"j牛心:：之制振用翼傾角指 者。 角“⑽的輪出控制用翼傾角指令 11.如請求項9之風力發雷梦罟 ^私衣置之主動制振方法，其中上述 主動制振步驟具備： 、T 4 速度推算步驟，其自藉由 速度推算速度;及述加逮度計所檢測出之加 控制步驟，其依據藉由上述速度推算步驟所推算之速 :，算：用以使上述風車葉片產生推力的該風車葉片傾 角’以消除上述機艙振動。 12·如請求項11之風力發電裝置之主動制振方法，1中上述 速度推算步驟係將藉由上述加速度計所檢測出：加速度 積分而算出速度。 13·如請求仙之風力發電裝置之主動制振方法，其中上述 控制：驟具備將藉由上述速度推算步驟所推算之速度相 位特定量的相位提前補償步驟，並依據該相位提前 補償後之速度算出上述傾角。 14.如請求項13之風力發電裝置之主動制振方法，其中上述 控制步驟具備將自上述相位提前補償步驟所輸出之速度 相位延遲特定量的相位延遲補償步驟，並依據該相位延 遲補償後之速度算出上述傾角。 15·如請求項11之風力發電裝置之主動制振方法，其中上述 控制步驟具備補償步驟’該補償步驟係對於藉由上述速 又推’步驟所推异之速度，實施使用比例控制、比例積 97"87.doc 1261088 分控制、比例積分微分控制、線性一 a 使用線性二次高斯調整器之抻制—次調整器的控制及 16 17 據上述補償後之速度算出上_角任何—個控制，且依 .如請求項9之風力發電裝置之 Φ無生h 動制振方法，其中上流 主動制振步驟具有限制步驟，並 /、中上述 亡述風車㈣角之角速度限制於特 種風車塔，其具備風力發電 含·· 置该風力發電裝置包 傾角控制機構，其依據置傾 角； /、悄角才曰令控制風車葉片傾 加速度計，其安裝於機艙且檢測該機^ & 度；及 你列β機舫之振動加速 主動制振機構，其依據藉由上述加速度計所檢測出之 加速度’异出用以使上述風車葉片產生推力的該風車葉 片傾角’亚將翼傾角指令輸出至上述傾角控制機構，以 消除上述機艙振動。 97587.doc
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