TWI386552B - Wind power plant and its control method - Google Patents

Wind power plant and its control method Download PDF

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Mitsuya Baba
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Description

風力發電裝置及其控制方法
本發明是關於風力發電裝置及其控制方法。
先前,已知有利用自然能源的風力進行發電的風力發電裝置。風力發電裝置會因伴隨著外氣溫度下降,空氣中的過冷卻水滴或者水蒸氣等碰觸風車翼等產生凍結,而在風車翼等產生著冰。例如:專利文獻1揭示有風力發電裝置著冰檢測方法。
〔專利文獻1〕美國專利第7,086,834號公報說明書
不過,著冰是多數傾向於運轉中產生在風車翼的前緣部,如上述狀況時,即使風力施加在風車翼,但因為不會產生所期望的揚升力,所以風車翼就不會旋轉,無法執行所期望的運轉。
然而,以往,若風力發電裝置啟動前就產生著冰時,則不拘著冰程度比照運轉,因此風力發電裝置的啟動較費時,產生所謂風力發電裝置作業效率降低的問題。
本發明是為了解決上述問題所研創的發明,以提供一種能夠降低風車翼著冰原因造成之風力發電裝置停止時間的風力發電裝置及其控制方法為目的。
本發明的第1形態是一種具備有:支柱;設置在上述支柱上端的發動機艙;設置在上述發動機艙的旋翼頭;安裝在上述旋翼頭的風車翼;轉換運轉模式的運轉模式轉換 部;及上述風車翼著冰量檢測用的著冰檢測手段,當上述著冰檢測手段所檢測出的著冰量超過第1指定值時,上述運轉模式轉換部就將上述運轉模式轉換成不執行發電的無負載運轉模式,以上述無負載運轉模式的運轉狀態,利用上述著冰檢測手段對著冰量進行檢測的風力發電裝置。
根據上述構成時,當著冰檢測手段所檢測出的風車翼著冰量超過第1指定值時,就會轉換成無負載運轉模式,於無負載運轉模式的運轉狀態下對著冰量進行檢測。
先前,若產生著冰就立刻停止運轉,因此,例如:停止期為長期間時,配備有風車的機器會冷卻,以致有再啟動時需要頗久時間的問題。相對於此,本發明如以上所述,利用無負載運轉模式持續執行運轉,所以就能夠持續執行暖機。如此一來,例如:在實施無負載運轉模式時若著冰量減少,再開始運轉時,就能夠從機器已暖機的狀態再度開始運轉,能夠縮短運轉再度開始的所需時間。
最好是於上述風力發電裝置以上述無負載運轉模式運轉的狀態下,當上述著冰檢測手段所檢測出著冰量超過比上述第1指定值還大的第2指定值時,就停止運轉。
根據上述構成時,當著冰量為較第1指定值還大的第2指定值以下時,執行無負載運轉模式的運轉,當著冰量超過第2指定值時,就停止運轉。如此一來,例如:以第2指定值設定為風力發電裝置運轉障礙起因的著冰量臨界值時,在未導致風力發電裝置運轉障礙的範圍內是能夠盡可能持續執行無負載運轉模式的運轉,能夠增加從暖機狀態執行運轉再度開始的機會。
最好是於上述風力發電裝置以上述無負載運轉模式運轉的狀態下,當上述著冰檢測手段所檢測出著冰量低於被設定成上述第1指定值以下的第3指定值時,就轉換成平常運轉模式。
如上述,於以無負載運轉模式運轉的狀態下,當著冰量低於被設定成上述第1指定值以下的第3指定值時,就從無負載運轉模式轉換成平常運轉模式。如此一來,即使是在著冰量一度成為比第1指定值還大時,但因在著冰量減少時就會恢復成平常運轉,所以就能夠防止風力發電裝置作業效率降低。此外,藉由對從平常運轉要轉換成無負載運轉的轉換條件和從無負載運轉要轉換成平常運轉的轉換條件設有磁滯現象,能夠實現運轉控制的穩定性。
最好是於上述風力發電裝置以上述無負載運轉模式運轉的狀態下,風車轉子的旋轉數設定成在風車轉子旋轉時不會讓附著在風車翼的冰到達周圍的風力發電裝置。
如上述,於無負載運轉模式,風車轉子的旋轉數是設定成不會讓附著在風車翼的冰到達周圍的風力發電裝置。如此一來,就能夠防止附著在風車翼的冰飛散對周圍造成的影響。
上述風力發電裝置的上述著冰檢測手段,也可構成為根據上述風車翼的物理特性檢測出著冰量。
如此一來,就能夠沿用既有裝置算出著冰量。此外,物理特性,例如是變形等。
上述風力發電裝置的上述著冰檢測手段於運轉停止狀態下無法檢測出著冰量時,最好是從風車的運轉停止時經過指定期間後轉換成上述無負載運轉模式,以上述無負載運轉模式的運轉狀態,利用上述著冰檢測手段對上述著冰量進行檢測。
如上述,從運轉停止狀態經過指定期間後就開始執行無負載運轉模式,能夠以無負載運轉模式運轉的同時對著冰量進行檢測,因此能夠比先前以目視確認著冰後再啟動的狀況還能夠降低運轉停止時間。
本發明的第2形態是一種對風車翼的著冰量進行檢測,當著冰量超過第1指定值時,將運轉模式轉換成不發電運轉狀態的無負載運轉模式,以上述無負載運轉模式的運轉狀態,對著冰量進行檢測之風力發電裝置的控制方法。
根據本發明時,能夠達到降低風車翼著冰原因造成之風力發電裝置停止時間的效果。
[發明之最佳實施形態]
以下,參照圖面對本發明相關的風力發電裝置一實施形態進行說明。
第1圖是表示本實施形態相關的風力發電裝置1的概略構成圖。
風力發電裝置1,如第1圖所示,具有支柱2和設置在支柱2上端的發動機艙3及可繞著大致水平之軸線旋轉地設置發動機艙3的旋翼頭4。旋翼頭4,安裝有繞著其旋轉軸線呈放射狀的3片風車翼10。如此一來,從旋翼頭4的旋轉軸線方向碰觸到風車翼10的風力,就會轉換成可使旋翼頭4繞著旋轉軸線的動力,使該動力經由設置在風力發電裝置1的發電機轉換成電力能源。
此外,風力發電裝置1具備風車翼10著冰量檢測用的著冰檢測部(著冰檢測手段)7,可對各風車翼10的著冰量進行檢測。本實施形態中,著冰檢測部7是於旋翼頭4旋轉狀態,對各風車翼10的著冰量進行檢測,其具備:傳感部71和訊號處理部72。
傳感部71是設置在各風車翼10,可檢測出風車翼10的變形,輸出至訊號處理部72。訊號處理部72是設置在旋翼頭4內部等,可接收上述傳感部71的檢測結果,從檢測結果算出各風車翼10的著冰量。
上述傳感部71及訊號處理部72是計測風車翼10相關載重用的裝置,其為習知的裝置。例如:傳感部71是可採用FBG(Fiber Bragg Grating)感測器。該FBG感測器是一種根據反射光的波長變化讀取變形或熱造成之布拉格格子其格子間隔變化的感測器。針對傳感部71(FBG)及訊號處理部72的變形算出技術是屬於習知技術(例如:insensys公司製 製品編號WIND-SPECC-006-5),因此省略詳細說明使用該等技術之變形等的算出方法。
更具體地說,如第2圖所示,訊號處理部72具備訊號受訊部73、著冰量算出部74及運轉模式轉換部75。
訊號受訊部73是週期性對傳感部71送出光,從其反射光檢測出波長的變化。訊號受訊部73是將其所檢測出的波長資訊輸出至著冰量算出部74。
著冰量算出部74是根據從訊號受訊部73取得的波長資訊算出風車翼10的著冰量。例如:著冰量算出部74是根據所取得的波長算出變形,接著根據該變形值算出風車翼10彎曲力矩,然後根據所算出的彎曲力矩算出著冰量。
著冰量算出部74是針對著冰量設有複數的臨界值,執行著冰量是否超過臨界值的判定,將判定結果輸出至運轉模式轉換部75。
此外,著冰量算出部74是對3個風車翼10分別執行判定。
運轉模式轉換部75是根據著冰量算出部74的判定結果轉換運轉模式。此外,最好是當至少其中一個風車翼10的著冰量超過臨界值時,就轉換運轉模式。
另,所謂臨界值是指針對至少其中1個風車翼10的著冰量所設定的第1指定值及比第1指定值還大的第2指定值等。此外,本實施形態中,第3指定值是使用和第1指定值相等的值。
更具體地說,當判定為至少其中1個風車翼10的著冰量超過第1指定值時,運轉模式轉換部75就將風力發電裝置1的運轉模式轉換成無負載運轉模式。所謂無負載運轉模式,例如是指不發電的運轉(無負載)狀態。此外,例如:第1指定值,最好是設定成雖然是檢測出有著冰,但是該著冰量屬於沒有必要停止運轉的著冰量。
另外,當在無負載運轉模式的運轉狀態下,至少其中1個風車翼10的著冰量由著冰量算出部74判定為第1指定值以下時,運轉模式轉換部75是將風力發電裝置1的運轉模式轉換成平常運轉模式。
此外,當在無負載運轉模式的運轉狀態下,至少其中1個風車翼10的著冰量由著冰量算出部74判定為超過第2指定值時,運轉模式轉換部75是停止風力發電裝置1的運轉。更具體地說,第2指定值是設定成比第1指定還大的值。另外,以將會妨礙到風力發電裝置1運轉的冰量設為第2指定值為佳。所謂會妨礙到風力發電裝置1運轉的冰量是指不利於風力發電裝置1運轉的著冰量值。例如:是指當支柱2下部的應力成為比指定值還大時,或者是超過軸承、增速機等的容許載重時等。
如上述,藉由另項設有停止風力發電裝置1運轉的著冰量臨界值,當著冰量在比第1指定值還大的第2指定值以下的範圍,以無負載運轉模式運轉,就能夠監視著冰的狀態,當著冰的狀態減少時,就能夠迅速轉換成平常運轉模式。
此外,從風車翼10為停止狀態要開始運轉時,風力發電裝置1是轉換成無負載運轉模式,執行和上述相同的臨界值判定。另,當因確認出著冰量比第2指定值還大,以致停止風力發電裝置1的運轉時,以指定時間間隔對著冰量進行檢測,當確認出著冰量成為第2指定值以下時,就再度開始無負載運轉模式。另,本實施形態所採用的傳感部71,在轉子的旋轉為停止狀態時無法檢測出著冰量,因此當風力發電裝置1的運轉為停止時,以指定時間間隔使轉子旋轉,於該狀態下對著冰量進行檢測。
上述無負載運轉模式中,風車轉子的旋轉數是設定成當風車轉子旋轉時,可使附著在風車翼10的冰飛散距離比到達周圍風力發電裝置1的距離還小的旋轉數。更具體地說,是算出某旋轉數(例如基於成為不發電的運轉狀態,所以是低的旋轉數)時風車翼10的速度,以可使所算出的速度下附著在前緣部份的冰飛散距離為其與鄰近設置的風力發電裝置1之距離以下的條件設定旋轉數。例如:風車間的間隔為190公尺時,轉子4的旋轉數是從1rpm控制成6rpm。
其次,針對本實施形態相關風力發電裝置1的作用,依順序追加說明運轉中檢測出著冰時的作用和從運轉停止狀態啟動時的作用。
首先,針對風力發電裝置1的運轉中檢測出著冰時的作用,使用第3圖進行說明。
風力發電裝置1為運轉中時,由著冰檢測部7的傳感部71和訊號受訊部73對變形進行計測(步驟SA1),該計測結果會輸出至著冰算出部74。此外,於著冰算出部74,根據所計測出的變形算出附著在風車翼10的著冰量Wi,定期對著冰量Wi是否超過第1指定值進行判定,於運轉模式轉換部75轉換運轉模式(步驟SA2)。
當著冰量Wi未超過第1指定值時,就使風力發電裝置1的運轉模式為「平常運轉」模式。當判定為著冰量Wi超過第1指定值時,運轉模式轉換部75就將風力發電裝置1的運轉模式轉換成「無負載運轉」模式(步驟SA4)。
於無負載運轉模式運轉時,對著冰量Wi是否超過第2指定值進行定期判定(步驟SA5),當超過第2指定值時,表示著冰量Wi增加,因此就停止風力發電裝置1的運轉(步驟SA6)。此外,當著冰量Wi未超過第2指定值時,就回到步驟SA1,繼續進行著冰量Wi的計測。
接著,針對風力發電裝置1從運轉停止狀態啟動時的作用,使用第3圖進行說明。
從著冰量Wi超過第2指定值使風力發電裝置1為停止的狀態,對是否經過指定時間(例如1小時)進行判定(步驟SA7)。當判定為經過指定時間時,就以「無負載運轉」模式開始運轉(步驟SA8),然後回到步驟SA1,繼續進行著冰量Wi的計測。此外,當未經過指定時間時,重覆對是否經過指定時間進行判定(步驟SA7)。
如以上所說明的內容,根據本實施形態相關的風力發電裝置1及其控制方法時,可根據從風車翼10所計測到的變形算出附著在風車翼10的著冰量,對該著冰量是否超過第1指定值進行判定,若是超過時就轉換成無負載運轉模式。再加上,根據無負載運轉模式的狀況,對是否超過第2指定值,或是否低於第1指定值進行判定藉此轉換運轉模式。
如上述,根據本實施形態時,當檢測出著冰時,不會立刻停止運轉,而是設定以無負載運轉模式運轉的期間,根據該無負載運轉模式運轉中的著冰狀態判斷是否停止運轉,或者,是否轉換成平常運轉模式。如此一來,例如:當著冰量減少成為第1指定值以下時,就能夠從無負載運轉模式的狀態迅速轉換成平常運轉模式。藉此,就能夠提昇風力發電裝置1的工作效率。
另,本實施形態中,雖然是構成於旋翼頭4旋轉的狀態下檢測出著冰量,但並不限於此。例如也可使用旋翼頭4不旋轉的狀態下就可檢測出著冰量的構成。於該狀況時,因是從運轉停止狀態檢測出著冰量所以就可不需要有轉換成無負載運轉模式的運轉過程。
此外,本實施形態中,第3指定值是和第1指定值相等,但並不限於此。例如:第3值也可以是比第1值還小的值。
1...風力發電裝置
4...旋翼頭
7...著冰檢測部(著冰檢測手段)
10...風車翼
71...傳感部
72...訊號處理部
73...訊號受訊部
74...著冰量算出部
75...運轉模式轉換部
第1圖為表示本發明實施形態相關的風力發電裝置的概略構成圖。
第2圖為表示著冰檢測部一例的功能方塊圖。
第3圖為表示本發明實施形態相關的風力發電裝置運轉狀態變化的動作流程圖。
1...風力發電裝置
2...支柱
3...發動機艙
4...旋翼頭
7...著冰檢測部(著冰檢測手段)
10...風車翼
71...傳感部
72...訊號處理部

Claims (12)

  1. 一種風力發電裝置,其特徵為,具備有:支柱;設置在上述支柱上端的發動機艙;設置在上述發動機艙的旋翼頭;安裝在上述旋翼頭的風車翼;轉換運轉模式的運轉模式轉換部;及上述風車翼著冰量檢測用的著冰檢測手段,當上述著冰檢測手段所檢測出的著冰量超過第1指定值時,上述運轉模式轉換部就將上述運轉模式轉換成不執行發電的無負載運轉模式,以上述無負載運轉模式的運轉狀態,利用上述著冰檢測手段對著冰量進行檢測。
  2. 如申請專利範圍第1項所記載的風力發電裝置,其中,於上述無負載運轉模式運轉的狀態,當上述著冰檢測手段所檢測出著冰量超過比上述第1指定值還大的第2指定值時,就停止運轉。
  3. 如申請專利範圍第1項所記載的風力發電裝置,其中,於上述無負載運轉模式運轉的狀態下,當上述著冰檢測手段所檢測出著冰量低於被設定成上述第1指定值以下的第3指定值時,就轉換成平常運轉模式。
  4. 如申請專利範圍第2項所記載的風力發電裝置,其中,於上述無負載運轉模式運轉的狀態下,當上述著冰 檢測手段所檢測出著冰量低於被設定成上述第1指定值以下的第3指定值時,就轉換成平常運轉模式。
  5. 如申請專利範圍第1項至第4項任一項所記載的風力發電裝置,其中,於上述無負載運轉模式,風車轉子旋轉時,附著在風車翼的冰不會到達周圍風力發電裝置地設定風車轉子的旋轉數。
  6. 如申請專利範圍第1項至第4項任一項所記載的風力發電裝置,其中,上述著冰檢測手段是根據上述風車翼的物理特性檢測出著冰量。
  7. 如申請專利範圍第5項所記載的風力發電裝置,其中,上述著冰檢測手段是根據上述風車翼的物理特性檢測出著冰量。
  8. 如申請專利範圍第1項至第4項任一項所記載的風力發電裝置,其中,當上述著冰檢測手段於運轉停止狀態下無法檢測出著冰量時,從風車的運轉停止時經過指定期間後轉換成上述無負載運轉模式,以上述無負載運轉模式的運轉狀態,利用上述著冰檢測手段對上述著冰量進行檢測。
  9. 如申請專利範圍第5項所記載的風力發電裝置,其中,當上述著冰檢測手段於運轉停止狀態下無法檢測出著冰量時,從風車的運轉停止時經過指定期間後轉換成上述無負載運轉模式,以上述無負載運轉模式的運轉狀態,利用上述著冰檢測手段對上述著冰量進行檢測。
  10. 如申請專利範圍第6項所記載的風力發電裝置, 其中,當上述著冰檢測手段於運轉停止狀態下無法檢測出著冰量時,從風車的運轉停止時經過指定期間後轉換成上述無負載運轉模式,以上述無負載運轉模式的運轉狀態,利用上述著冰檢測手段對上述著冰量進行檢測。
  11. 如申請專利範圍第7項所記載的風力發電裝置,其中,當上述著冰檢測手段於運轉停止狀態下無法檢測出著冰量時,從風車的運轉停止時經過指定期間後轉換成上述無負載運轉模式,以上述無負載運轉模式的運轉狀態,利用上述著冰檢測手段對上述著冰量進行檢測。
  12. 一種風力發電裝置之控制方法,其特徵為:對風車翼的著冰量進行檢測,當著冰量超過第1指定值時,將運轉模式轉換成不發電運轉狀態的無負載運轉模式,以上述無負載運轉模式的運轉狀態,對著冰量進行檢測。
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