TWI648467B - Control device for a plurality of wind power generation devices, wind power plant or control method for a plurality of wind power generation devices - Google Patents
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Abstract
本發明之課題在於提高風力電廠的發電輸出，並且降低風力發電裝置的葉片等的損傷。 解決手段為：一種控制複數風力發電裝置(10a、10b)的控制裝置，係具備演算部(501)，其使用量測的風況資訊，演算複數風力發電裝置(10a、10b)的旋轉速度指令值、力矩指令值或平擺角指令值，以便使複數風力發電裝置(10a、10b)的發電電力之合計大於位在上風的風力發電裝置(10a)之發電電力控制在最大時的發電電力，並且使位在上風或下風的風力發電裝置之任一者的損傷或位在上風或下風的風力發電裝置(10a、10b)的損傷之合計小於位在上風的風力發電裝置(10a)之發電電力控制在最大時的損傷；基於前述演算結果，而控制各風力發電裝置。
Description
[0001] 本發明係關於複數風力發電裝置的控制裝置、風力電廠或複數風力發電裝置的控制方法。
[0002] 長久以來，石油等化石燃料的枯竭已成為眾所擔憂的課題，而且作為全球暖化對策的一環，降低CO2
的排放量成為全世界急欲解決的課題。為了解決這些課題，作為不使用化石燃料，而且也不排放CO2
的發電方法，太陽光發電或風力發電等使用自然能源的發電方式在世界各地皆急速引入。 [0003] 因應這股潮流，由2部以上的風力發電裝置構成的風力發電裝置群(風力電廠)也隨之增加。隨著風力發電裝置的導入量增加，作為基載電源的角色也浮現，因而期待可提升風力電廠全體的發電輸出。然而，設置風力電廠時，在廠區面積等方面會受到限制，故往往無法將風力發電裝置設置成彼此間隔一定距離，而必須使風力發電裝置彼此的距離接近達一定程度。在風力發電裝置彼此的距離十分大時，不必考慮通過上風的風力發電裝置之尾流的影響，但在風力發電裝置彼此的距離接近達一定程度時，位在下風的風力發電裝置會受到通過上風的風力發電裝置之尾流的影響，使得發電輸出降低。 [0004] 在此，專利文獻1提出基於複數風力發電裝置的風速比而設定風力發電裝置的動作參數以便使發電輸出為最大的手法。 [先前技術文獻] [專利文獻] [0005] [專利文獻1] 日本特表2010／526963號公報
[發明所欲解決之課題] [0006] 通過風力發電裝置的尾流之風速相較於通過前會減少，同時包含受到風力發電裝置旋轉的葉片之影響的亂流成分。然後，除了使下風的風力發電裝置之發電輸出降低，還可能使下風的風力發電裝置之葉片等受到損傷。 [0007] 上述，針對下風的風力發電裝置之發電輸出降低，先前技術文獻提出基於複數風力發電裝置的風速比而設定風力發電裝置的動作參數以便使發電輸出為最大的手法。然而，在先前技術文獻的手法，藉由設定成發電輸出為最大，有使下風的風力發電裝置之葉片等受到損傷的亂流增加，導致損傷加速的風險。又，藉由設定上風的風力發電裝置之動作參數，而頻繁控制槳距角控制等，有使上風的風力發電裝置之損傷增加的風險。 [0008] 鑒於上述幾點，本發明之目的在於提供可提高風力電廠的發電輸出，並且降低風力發電裝置的葉片等的損傷之控制裝置或控制方法、或風力電廠。 [用於解決課題之方案] [0009] 為了解決上述課題，本發明的控制裝置為控制複數風力發電裝置的控制裝置，其特徵為：具備演算部，其使用量測的風況資訊，演算前述複數風力發電裝置的旋轉速度指令值、力矩指令值或平擺角指令值，以便使前述複數風力發電裝置的發電電力之合計大於位在上風的前述風力發電裝置之發電電力控制在最大時的發電電力，並且使位在上風或下風的前述風力發電裝置之任一者的損傷或位在上風或下風的前述風力發電裝置的損傷之合計小於位在上風的前述風力發電裝置之發電電力控制在最大時的損傷；基於前述演算結果，而控制各風力發電裝置。 [0010] 又，本發明的風力電廠之特徵為具備上述控制裝置及藉由前述控制裝置而受到控制的複數風力發電裝置。 [0011] 進而，本發明的複數風力發電裝置之控制方法為複數風力發電裝置之控制方法，其量測風況資訊，使用量測的風況資訊，演算前述複數風力發電裝置的旋轉速度指令值、力矩指令值或平擺角指令值，以便使前述複數風力發電裝置的發電電力之合計大於位在上風的前述風力發電裝置之發電電力控制在最大時的發電電力，並且使位在上風或下風的前述風力發電裝置之任一者的損傷或位在上風或下風的前述風力發電裝置的損傷之合計小於位在上風的前述風力發電裝置之發電電力控制在最大時的損傷；基於前述演算結果，而控制前述複數風力發電裝置。 [發明的效果] [0012] 若依照本發明，則可提高風力電廠的發電輸出，並且降低風力發電裝置的葉片等之損傷。
[0014] 以下，針對適合用於實施本發明的實施例，使用圖示予以說明。尚且，下述內容本質上為實施之例，並未意圖將本發明的應用對象限定於下述具體態様。 [實施例1] [0015] 圖1為表示本實施例之由於通過風力發電裝置10a的尾流30所包含的亂流，導致下風的風力發電裝置10b之發電輸出降低，並且使葉片等損傷的影像圖。各風力發電裝置係轉子受風影響而旋轉，而且可旋轉地支持轉子之艙體會追隨風向方向的變化。艙體對於塔架可旋轉地被支持。如該圖所示，一旦流入設置在上風的風力發電裝置10a之風通過風力發電裝置10a而成為尾流的話，流入時的風速會衰減，而且由於風力發電裝置10a的構造體或葉片之旋轉，故會包含亂流成分。因此，設置在下風的風力發電裝置10b會承受通過風力發電裝置10a的尾流，相較於不經由上風的風力發電裝置10a即流入的情況，不僅發電電力會降低，由於前述的亂流成分，葉片等的損傷度也會變高。 [0016] 圖2為表示本實施例之風力電廠100的構成之一例的圖。各風力發電裝置10具備給予旋轉速度指令、力矩指令或平擺角指令的風力發電裝置控制裝置60，風力發電裝置控制裝置60彼此藉由通訊手段40而連結。資訊收集・全體控制裝置50與風力發電裝置控制裝置60之間藉由通訊而連結，除了收集各風力發電裝置10的旋轉速度指令值、力矩指令值、平擺角指令值、風速量測值、風向量測值、發電電力、損傷度等量測資訊，還對各風力發電裝置控制裝置60傳送旋轉速度指令、力矩指令、平擺角指令的控制方法等。 [0017] 圖3為表示本實施例的資訊收集・全體控制裝置50之構成的一例之圖。接收部503接收從風力發電裝置控制裝置60經由通訊手段40而傳送的各風力發電裝置10之風速、風向量測值、發電電力、損傷度等量測資訊。演算部501除了前述已量測的資訊，還從資料庫502讀取風力發電裝置10的特性資訊、風力發電裝置10的設置位置及地形的資訊、發電量、損傷度之模擬結果等，演算部501基於前述已讀取的資訊，演算風力發電裝置10的旋轉速度指令值、力矩指令值、平擺角指令值之任一者或全部，然後將演算結果儲存在資料庫502，並且從傳送部504對各風力發電裝置10傳送已演算的指令值。各指令值例如指旋轉速度的上限值、力矩的上限值或平擺角的範圍之值。 [0018] 圖4為表示本實施例的風力發電裝置10a之控制方法中使用旋轉速度指令時的動作之一例的圖表。在該圖中，橫軸表示流入風力發電裝置10a的風速，縱軸分別表示風力發電裝置10a的旋轉速度N、力矩Tr、發電電力P、槳距角度β。在以往的控制中，除了力矩之外，如同各個符号101所示的虛線，風力發電裝置10a在風速V成為V0的切入風速以上的話，旋轉速度N會以N1旋轉，而開始發電。風速成為風速V1以上的話，會開始可變速運轉，風速成為風速V2以上的話，會以旋轉速度N2保持一定，在風速V3以上會成為額定輸出。風速達到V4的話，為了保護機器避免受到強風影響，會停止(切出)發電。槳距角度β在從風速V2到風速V4為止的區間，為了維持規定的旋轉速度及發電電力，會比發電電力為最大的微細槳距角βf更朝向順槳側的槳距角變化。也就是說，會分別描繪出旋轉速度為N101、發電電力為P101、槳距角度為β101般的曲線。 [0019] 在圖4，若依照本實施例的風力發電裝置之控制方法，則將旋轉速度的上限值設定成比N2還低的值N3與更低的值N4之間(N102)。N3表示將上風的風力發電裝置10a與下風的風力發電裝置10b合併計算的發電電力為最大的旋轉速度，N4表示使上風的風力發電裝置10a之損傷變小，並且相較於以往的控制，風力發電裝置10a與10b之合計的發電電力變大的旋轉速度。如此一來，發電電力的最大值會成為比Pmax還低的Pmax1。也就是說，會描繪出旋轉速度為N102、發電電力為P102般的特性。又，槳距角度β從在旋轉速度達到N3的風速時開始動作，並且描繪出β102般的曲線。藉由如此動作，通過風力發電裝置10a的風速之衰減會變小，並且藉由葉片的旋轉速度降低，亂流成分會降低。藉由通過風力發電裝置10a的風速之衰減變小，使流入下風的風力發電裝置10b之風速增大，下風的風力發電裝置10b之發電電力會增加，並且藉由通過風力發電裝置10a的風速所包含的亂流成分降低，前述亂流成分所導致的葉片等之損傷度會降低。針對由於風力發電裝置的發電電力正比於流入之風速的3次方，因此比較上風的風力發電裝置10a所減少的發電電力，以及由流入下風的風力發電裝置10b之風速增大所導致的風力發電裝置10b之發電電力的增加量，後者較大的N3及N4，藉由事前模擬等而預先求得。藉此，相較於以往，可增加風力發電裝置10a與風力發電裝置10b的合計發電電力。 [實施例2] [0020] 圖5為表示本實施例的風力發電裝置10a的控制方法中使用力矩指令時的動作之一例的圖表。在該圖中，應用本實施例時，將力矩的上限值設定成比通常的Tmax還低的Tmax1。藉此，發電電力的最大值會成為比Pmax還低的Pmax2。也就是說，描繪出力矩為T202、發電電力為P202般的特性。藉由如此動作，可得到與設定實施例1的旋轉速度時相異的亂流成分、及下風的風力發電裝置10b之發電電力的增加量。針對亂流成分，藉由模擬或實測等，與設定前述旋轉速度時比較，而求得增加・減少的程度，再配合該結果而選擇實施例1或2的控制。 [實施例3] [0021] 圖6為表示本實施例的風力發電裝置10a之控制方法中使用平擺角指令時的動作之一例的圖表。在該圖，應用本實施例時，將平擺角的指令值設定成與通常的Yf相異的Y1與Y2的範圍內。然後，在該範圍內，設定成可得到上風與下風的風車之合計發電量相較於控制前增加般的上風風車之輸出降低量的平擺角指令值。尚且，Yf表示與風向為平行的角度。藉此，發電電力的最大值為比Pmax還低的Pmax3與Pmax4之間。也就是說，發電電力描繪出P302般的特性。藉由如此動作，可得到與實施例1、實施例2相異的亂流成分、及下風的風力發電裝置10b之發電電力的增加量。針對前述亂流成分，藉由模擬或實測等，與設定前述旋轉速度時比較，而求得增加・減少的程度，再配合該結果選擇實施例1、2或3的控制。尚且，對於應設定為Y1側或設定為Y2側、及設定為幾度的範圍，係基於風力發電裝置10a、與風力發電裝置10b以外的風力發電裝置之配置或下風的風力發電裝置10b之距離而決定。例如，在Y1側的下風，不存在其他風力發電裝置，而在Y2側的下風，存在其他風力發電裝置時，藉由設定為Y2側，使尾流流動到平擺角的方位，而可期待提升其他風力發電裝置的發電電力之效果。原因在於，藉由調節上風的風力發電裝置之平擺角，可使尾流的方向變化之故。 [0022] 在實施例1～3，雖然說明針對風力發電裝置的旋轉速度、力矩的上限值或平擺角的控制範圍分別控制的情況，但也可組合2個以上的值，再對各風力發電裝置發出指令。藉由組合使用，相較於單獨套用，可擴大發電量的提升或損傷的降低效果。 [實施例4] [0023] 圖7為表示決定如何運用實施例1至3所記載的控制內容之手法的一例之流程圖。在優先項目選擇(401)，運用風力電廠的使用者選擇將增加發電量作為優先項目或是將降低損傷度作為優先項目。使用該選擇結果、預先儲存之從DB讀取的風力發電裝置之配置、地形資訊，基於事前的模擬結果等來判定使用實施例1的旋轉數指令、實施例2的力矩指令或實施例3的平擺角指令之控制手法的何者有助於優先項目選擇(401)中所選擇的發電量之增加或損傷度之降低，再決定欲應用的控制方法(402)。之後，讀取風向・風速的量測值(403)，藉由事前模擬或實驗等而從儲存在資料庫的風向風速類別的指令值，決定要使用上風的風力發電裝置之旋轉數指令、力矩指令、平擺角指令之何者或使用其組合(404)。 [實施例5] [0024] 圖8為表示實施例1至4中風力電廠100之構成的一例之圖。在各風力發電裝置10，具備給予旋轉速度指令、力矩指令或平擺角指令的風力發電裝置控制裝置60，風力發電裝置控制裝置60彼此藉由通訊手段40而連接。資訊收集・全體控制裝置50藉由通訊而與風力發電裝置控制裝置60連接，收集各風力發電裝置10的旋轉速度指令值、力矩指令值、平擺角指令、風速、風向量測值、發電電力、損傷度等量測資訊，並且還對各風力發電裝置控制裝置60傳送旋轉速度指令、力矩指令、平擺角指令的控制方法等。顯示裝置51具有顯示由資訊收集・全體控制裝置50所收集的部分或全部資訊之功能。 [實施例6] [0025] 圖9為表示針對實施例1至5的各風力發電裝置之發電電力的增加量與損傷度顯示的顯示裝置51之影像的一例之圖。風力發電裝置控制裝置60針對顯示裝置51將各風力發電裝置的發電電力之合計或其增加量、或者風力發電裝置的損傷度之降低量輸出到顯示裝置51。顯示裝置51具有分別顯示各風力發電裝置的發電電力與損傷度之圖表，可比較套用本發明的控制時與未套用時而顯示。使用者看到這樣的顯示內容，可選擇以發電電力作為優先項目或是以損傷度降低作為優先項目。 [實施例7] [0026] 圖10為表示實施例1至6中使旋轉速度指令值與力矩指令值的比率變化時，風力電廠的合計發電電力501與合計損傷度502的特性之圖表的影像。將此種特性事前儲存到資料庫。圖中的虛線相當於未進行各實施例之控制的情況，也就是位在上風的前述風力發電裝置之發電電力控制為最大控制的情況。以該情況為基準的100％，並且相對於此，顯示使比率變化時合計發電電力501或合計損傷度502如何變化。藉由選擇適當的比率，合計發電電力501可超過100％，合計損傷度502可選擇低於100％的區域。尚且，合計損傷度502為最低的比率與合計發電電力501為最大化的比率並不一致。藉由從旋轉速度指令值與力矩指令值風力電廠的風力發電系統之配置、地形等條件事前求得此種特性，可針對如實施例5所示般的以發電電力為優先項目或以損傷度降低為優先項目之選擇，來決定具體控制方法。尚且，雖然在本實施例使旋轉速度指令值與力矩指令值的比率變化的情況為例進行說明，但並不限定於此，也可使旋轉速度指令值或者力矩指令值、或平擺角指令值之中任一值或組合的比率變化而應用。 [實施例8] [0027] 圖11為表示實施例5的風力電廠100之構成的另一例之圖。特徵為：與圖6的相異處係具備控制日誌記錄裝置52，用於記錄由資訊收集・全體控制裝置50所收集的部分或全部資訊。控制日誌記錄裝置52具有也記錄從資訊收集・全體控制裝置50對各風力發電裝置10傳送的指令值、前述風速的衰減量或亂流成分由於該指令值而如何變化、或發電電力的增加量、風力發電裝置的損傷度之變化的功能。 [實施例9] [0028] 在實施例5或8，連接風力發電裝置控制裝置60與資訊收集・全體控制裝置50的通訊手段40在因故障等而被切斷的情況，風力發電裝置控制裝置60會持續通訊手段40即將被切斷之前的控制方法，或是切換成預先設定的控制方法。此時，基於由自端的風力發電裝置10所量測的風速、風向，依照前述控制方法，而對風力發電裝置10分別發出旋轉速度、力矩、或平擺角的指令。在通訊手段40回復之前，風力發電裝置控制裝置60將量測、傳送的指令值等資訊儲存在裝置內，在通訊手段40回復後，將前述儲存的資訊傳送到資訊收集・全體控制裝置50。
[0029]
10、10a、10b‧‧‧風力發電裝置
20‧‧‧風
30‧‧‧尾流
40‧‧‧通訊手段
50‧‧‧資訊收集裝置
51‧‧‧顯示裝置
52‧‧‧控制日誌記錄裝置
60‧‧‧風力發電裝置控制裝置
100‧‧‧風力電廠
501‧‧‧演算部
502‧‧‧資料庫
503‧‧‧接收部
504‧‧‧傳送部
[0013] 圖1為表示通過本發明的實施例1之風力發電裝置的尾流所包含的亂流使下風的風力發電裝置之風向量測值產生誤差之圖。 圖2為表示本發明的實施例1之風力電廠的構成之圖。 圖3為表示本發明的實施例1之資訊收集・全體控制裝置的功能之方塊圖。 圖4為表示藉由本發明的實施例1之旋轉速度指令而控制風力發電裝置時的動作之一例的圖表。 圖5為表示藉由本發明的實施例2之力矩指令而控制風力發電裝置時的動作之一例的圖表。 圖6為表示藉由本發明的實施例3之平擺角指令而控制風力發電裝置時的動作之一例的圖表。 圖7為決定本發明的實施例4之控制方法的應用方法之流程圖。 圖8為表示本發明的實施例5之風力電廠的構成之圖。 圖9為表示顯示本發明的實施例6之各風力發電裝置的發電電力及損傷度之影像的一例之圖。 圖10為表示本發明的實施例7之風力發電裝置的控制方法與合計發電電力、合計損傷度之關係的一例之圖。 圖11為表示本發明的實施例8之風力電廠的構成之圖。
Claims (9)
- 一種控制複數風力發電裝置的控制裝置，其特徵為：具備演算部，其使用量測的風況資訊，演算前述複數風力發電裝置的旋轉速度指令值、力矩指令值或平擺角指令值，以便使前述複數風力發電裝置的發電電力之合計大於位在上風的前述風力發電裝置之發電電力控制在最大時的發電電力，並且使位在上風或下風的前述風力發電裝置之任一者的損傷或位在上風或下風的前述風力發電裝置的損傷之合計小於位在上風的前述風力發電裝置之發電電力控制在最大時的損傷；基於前述演算結果，而控制各風力發電裝置。
- 如申請專利範圍第1項所記載之控制裝置，其中演算前述複數風力發電裝置的旋轉速度指令值、力矩指令值或平擺角指令值，再從各前述指令值中組合2個以上的值，然後向前述複數風力發電裝置發出指令。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所記載之控制裝置，其中在基於前述平擺角指令值進行控制時，演算前述平擺角指令值，以便使尾流流動到位在控制對象的風力發電裝置之下風的風力發電裝置。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所記載之控制裝置，其中具備：選擇部，從前述複數風力發電裝置的合計發電電力之提升、位在上風或下風的前述風力發電裝置之損傷降低、或前述複數風力發電裝置的合計損傷度之降低中選擇任一者作為優先項目；及資料庫，從前述複數風力發電裝置的配置資訊或前述複數風力發電裝置被設置的地形資訊中儲存至少任一者，前述演算部，係使用在前述選擇部的選擇結果、及前述配置資訊或前述地形資訊的至少任一者進行演算。
- 如申請專利範圍第4項所記載之控制裝置，其中具備：於前述資料庫，進一步儲存有基於在前述選擇部的選擇結果之前述複數風力發電裝置的合計發電電力之提升、或位在上風或下風的前述風力發電裝置之損傷降低的組合，前述演算部，係使用已儲存的前述資訊，而決定前述旋轉速度指令值或力矩指令值、或平擺角指令值。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所記載之控制裝置，其中係具備：顯示裝置，被輸出有將前述複數風力發電裝 置的發電電力之合計或前述合計的增加量、或前述損傷度的降低量。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所記載之控制裝置，其中具備記錄前述複數風力發電裝置的發電電力之增加量、損傷度之降低量、風速或風向的資訊之功能。
- 一種風力電廠，其特徵為：具備：申請專利範圍第1項至第7項中任一項所記載之控制裝置，及由前述控制裝置所控制的複數風力發電裝置。
- 一種複數風力發電裝置的控制方法，其特徵為：量測風況資訊，使用量測的風況資訊，演算前述複數風力發電裝置的旋轉速度指令值、力矩指令值或平擺角指令值，以便使前述複數風力發電裝置的發電電力之合計大於位在上風的前述風力發電裝置之發電電力控制在最大時的發電電力，並且使位在上風或下風的前述風力發電裝置之任一者的損傷或位在上風或下風的前述風力發電裝置的損傷之合計小於位在上風的前述風力發電裝置之發電電力控制在最大時的損傷， 基於前述演算結果，而控制前述複數風力發電裝置。
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