TWI545256B - 主動式風力發電機塔減震裝置 - Google Patents

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吳善融
蘇煒年
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行政院原子能委員會核能研究所
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Description

主動式風力發電機塔減震裝置
本發明是有關於一種主動式風力發電機塔減震裝置，尤指一種可長期紀錄震動頻率及幅度，作為風力發電機構檢修依據，且可兼顧發電效率與減低支撐塔之負載強度，而達到震頻量測、風機轉速控制以及有效減震之功效者。
按，風機運轉主要是以發電效率為前提，但是在追求高效率的同時，旋轉中的葉片所帶來的軸向推力，成為塔架及機身的負載。然，在變換不定的風速造成推力迅速改變，衍伸為塔架的震動來源，而當為了抑制塔架的振動幅度，控制系統採取效率較差的葉片傾角，卻又因此犧牲了發電效率。
今以一般習用之風機而言，其至少具有下列之缺失：
1.震頻量測系統大部分皆為獨立系統，主要作為風機狀態監診，雖有震頻及震幅訊號的輸出，但卻未能有效的與葉片轉速控制系統結合。
2.葉片轉速的控制大部分皆是依照環境的平均風速做為設定點，或是以葉片轉速為輸入值，依照控制邏輯的增益值調整葉片傾角做為輸出，以達到控制轉速的目的。雖然對發電效率有所幫助，但卻無法兼顧減低風機的負載強度。
3.為了增加塔架強度，傳統方式均為加粗外徑或選用剛性更高的材質，此舉或能降低負載對塔架的影響，但亦會增加成本。
有鑑於此，本案之發明人特針對前述習用發明問題深入探討，並藉由多年從事相關產業之研發與製造經驗，積極尋求解決之道，經過長期努力之研究與發展，終於成功之開發出本發明「主動式風力發電機塔減震裝置」，藉以改善習用之種種問題。
本發明之主要目之係在於，可由處理單元接收並處理轉速/震動感測單元之轉速與震動頻率等相關訊號，再由轉速控制器及震頻控制器共同決定欲到達之葉片角度，之後再以主控器配合液壓控制單元驅動葉片單元進行所需角度之調整，如此，可長期紀錄震動頻率及幅度，作為風力發電機構檢修依據，且可兼顧發電效率與減低支撐塔之負載強度，而達到震頻量測、風機轉速控制以及有效減震之功效。
為達上述之目之，本發明係一種主動式風力發電機塔減震裝置，其包含有：一具有支撐塔、發電單元及葉片單元之風力發電機構；一設於發電單元中之處理單元，其包含有一主控器、一轉速控制器及一震頻控制器；一設於發電單元中且連接發電單元與處理單元之液壓控制單元；以及一設於支撐塔中且與處理單元連接之轉速/震動感測單元。
於本發明之一實施例中，該轉速控制器與震頻控制器更進一步連接有一葉片傾角極限規範器，而該葉片傾角極限規範器係連接有一葉片傾角驅動器，且該葉片傾角驅動器係與液壓控制單元連接。
於本發明之一實施例中，該轉速/震動感測單元係包含有一轉速感測器及一加速規。
於本發明之一實施例中，該轉速/震動感測單元更可進一步連接有一訊號調節器及一資料庫。
1‧‧‧風力發電機構
11‧‧‧支撐塔
12‧‧‧發電單元
13‧‧‧葉片單元
2‧‧‧處理單元
21‧‧‧主控制器
22‧‧‧轉速控制器
23‧‧‧震頻控制器
24‧‧‧葉片傾角極限規範器
25‧‧‧葉片傾角驅動器
3‧‧‧液壓控制單元
4‧‧‧轉速/震動感測單元
41‧‧‧轉速感測器
42‧‧‧加速規
43‧‧‧訊號調節器
44‧‧‧資料庫
第1圖，係本發明之基本架構示意圖。
第2圖，係本發明基本架構之方塊示意圖。
第3圖，係本發明之詳細方塊示意圖。
請參閱『第1、2及第3圖』所示，係分別為本發明之基本架構示意圖、本發明基本架構之方塊示意圖及本發明之詳細方塊示意圖。如圖所示：本發明係一種主動式風力發電機塔減震裝置，其至少包含有一風力發電機構1、一處理單元2、一液壓控制單元3以及一轉速/震動感測單元4所構成。
上述所提之風力發電機構1係包含有一支撐塔11、一與支撐塔11結合之發電單元12、及一與發電單元12活動結合之葉片單元13。
該處理單元2係設於發電單元12中，其包含有一主控制器21、一轉速控制器22及一震頻控制器23，而該轉速控制器22與震頻控制器23係連接有一葉片傾角極限規範器24，而該葉片傾角極限規範器24係連接有一葉片傾角驅動器25。
該液壓控制單元3係設於發電單元12中且連接發電單元12與處理單元2之葉片傾角驅動器25。
該轉速/震動感測單元4係設於支撐塔11中且與處理單元2連 接，而該轉速/震動感測單元4係包含有一轉速感測器41及一加速規42，且該轉速/震動感測單元4更可進一步連接有一訊號調節器43及一資料庫44。
而運用時，係由轉速/震動感測單元4之轉速感測器41及加速規42分別傳送轉速訊號及震動訊號至處理單元2，使該主控制器21接收並處理該轉速訊號及震動訊號，此時，則由轉速控制器22根據額定轉速、參考轉速及控制參數決定葉片傾角變動值，並配合震頻控制器23根據加速規41的訊號及控制參數，決定出一葉片傾角的變動值，而當轉速控制器22及震頻控制器23共同決定欲到達之葉片角度時，則由主控制器21再將此命令送至液壓控制單元3，進而由液壓控制單元3配合葉片傾角驅動器25驅動葉片單元13調整至適當之角度，當葉片單元13於調整時，係可藉由葉片傾角極限規範器24防止傾角過低及瞬間強風，而造成風機轉速飆高，使得葉片單元13於不同風速下會限制傾角的調整範圍。
而當上述之轉速控制器22於決定葉片傾角變動值時，係以Kp以及Ki依據不同的運轉區間，經模擬分析與實際運轉試誤法而取得葉片傾角參考值，以輸出不同值的控制參數(增益值)予轉速控制器22，而此控制區間可分為三段：1.最佳功率運轉區間(平均風速介於4m/s至7m/s之間)，稱為Region I；2.運轉狀態轉換區間(平均風速介於7m/s至9m/s之間)，稱為Region II；3.滿載運轉區間(平均風速介於9m/s至25m/s之間)，稱為Region III。
另，相關人員更可於機房或控制室中以訊號調節器43調整運轉狀態，或進行相關之參數設定，且運轉時所有之相關資訊(如：轉速訊號、震動訊號、額定轉速、參考轉速及控制參數...等)儲存於資料庫44中，以便作為長期之紀錄。
綜上所述，本發明主動式風力發電機塔減震裝置可有效改善習用之種種缺點，可由處理單元接收並處理轉速/震動感測單元之轉速與震動頻率等相關訊號，再由轉速控制器及震頻控制器共同決定欲到達之葉片角度，之後再以主控器配合液壓控制單元驅動葉片單元進行所需角度之調整，如此，可長期紀錄震動頻率及幅度，作為風力發電機構檢修依據，且可兼顧發電效率與減低支撐塔之負載強度，而達到震頻量測、風機轉速控制以及有效減震之功效；進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合消費者使用之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單之等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
1‧‧‧風力發電機構
11‧‧‧支撐塔
12‧‧‧發電單元
13‧‧‧葉片單元
2‧‧‧處理單元
3‧‧‧液壓控制單元
4‧‧‧轉速/震動感測單元
43‧‧‧訊號調節器
44‧‧‧資料庫

Claims (2)

  1. 一種主動式風力發電機塔減震裝置，其包括有：一風力發電機構，係包含有一支撐塔、一與支撐塔結合之發電單元、及一與發電單元活動結合之葉片單元；一處理單元，係設於發電單元中，其包含有一主控制器、一與該主控制器連接之轉速控制器、及一與該主控制器連接之震頻控制器，而該轉速控制器與震頻控制器係連接有一葉片傾角極限規範器，而該葉片傾角極限規範器係連接有一葉片傾角驅動器，該處理單元係用以作為邏輯判斷及調整各控制參數之運算中心，其中該轉速控制器係以三段控制區間決定葉片傾角變動值，包含：最佳功率運轉區間(平均風速介於4m/s至7m/s之間)，稱為Region I；運轉狀態轉換區間(平均風速介於7m/s至9m/s之間)，稱為Region II；以及滿載運轉區間(平均風速介於9m/s至25m/s之間)，稱為Region III；一液壓控制單元，係設於發電單元中且連接發電單元與處理單元之葉片傾角驅動器，用以驅動該風力發電機構動作；以及一轉速/震動感測單元，係設於支撐塔中且與處理單元連接，其包含有一轉速感測器及一加速規，用以感測運轉時之轉速訊號、震動訊號、額定轉速、參考轉速及控制參數之資訊。
  2. 依申請專利範圍第1項所述之主動式風力發電機塔減震裝置，其中，該轉速/震動感測單元更可進一步連接有一訊號調節器及一資料庫。
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