TWI717000B - 風力發電廠 - Google Patents

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TWI717000B
TWI717000B TW108132003A TW108132003A TWI717000B TW I717000 B TWI717000 B TW I717000B TW 108132003 A TW108132003 A TW 108132003A TW 108132003 A TW108132003 A TW 108132003A TW I717000 B TWI717000 B TW I717000B
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楠野順弘
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日商日立製作所股份有限公司
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Abstract

提供一種不用導入風力發電廠的中央演算裝置，可以提升風力發電廠整體的發電量之風力發電廠及風力發電裝置。 一種風力發電廠，具備複數個風力發電裝置，該風力發電裝置具備：至少受風而旋轉之轉子、控制該轉子的旋轉面的方向之平擺角控制裝置、以及切換風力發電裝置的運轉模式之模式切換裝置，其特徵為：從與周邊風力發電裝置的相對位置，算出風向每的平擺誤差指令值，根據前述平擺誤差指令值，變更複數個風力發電裝置中位置在上風側的風力發電裝置的運轉模式。

Description

風力發電廠
本發明有關設置有複數個風力發電裝置之風力發電廠及風力發電裝置，特別是有關可以提升風力發電廠整體的發電量之風力發電廠及適合設置在該風力發電廠之風力發電裝置。
在鄰接設置複數個風力發電裝置之風力發電廠中，被稱為通過位置在上風側的風力發電裝置之風車後流段(也簡稱為後流段)的風，流入到位置在下風側的風力發電裝置。遂產生有，在該風車後流段中，風力發電裝置的發電量減少、及風力發電裝置的損傷度增加等的課題。對應這樣的課題，提案有控制位置在上風側的風力發電裝置的葉片的傾斜角之方法、控制轉子旋轉面的方向之方法等。
例如，在專利文獻1，揭示有控制位置在上風側的風力發電裝置的葉片的傾斜角(槳距角)的方法，是記載有在具備複數個風力發電機(T1、Ti-1、Ti)的風力發電廠中，在風力發電廠的運作中根據最佳化目標而調節風力發電機(T1、Ti-1、Ti)的動作參數之構成。接著，揭示有把上述最佳化目標，作為從複數個風力發電機(T1、Ti-1、Ti)的全部的個別輸出(Pi)的總計所形成的風力發電廠的總輸出的最大值之要旨。 而且，在專利文獻2中，主要是記載有一種風力發電廠，係具備複數個風力發電裝置，該風力發電裝置至少具備受風而旋轉的轉子與控制轉子的旋轉面的方向之平擺角控制裝置；其特徵為：具備控制裝置，其係根據風向資料及位置在上風側的風力發電裝置的轉子的旋轉面的方向的資訊，決定後流段範圍，根據已決定的後流段範圍及位置在下風側的風力發電裝置的位置資訊，控制位置在上風側的風力發電裝置的轉子的旋轉面的方向。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特表2010-526963號專利公報 [專利文獻2]日本特開2018-059455號專利公報
[發明欲解決之課題]
但是，專利文獻1記載的風力發電廠中，一定要全新導入用於匯集來自全部的風力發電裝置的資訊之網路或決定控制參數之中央演算裝置，是有招致設備成本的增大之虞。而且，在專利文獻2記載的風力發電廠中，藉由風向是可以減低下風側風力發電裝置的損傷度，但是有頻繁發生上風側風力發電裝置之大的平擺驅動而招致損傷度的增加，並且下風側風力發電裝置的發電量大幅下降的可能性。
在此，本發明係提供一種不用導入風力發電廠的中央演算裝置，可以提升風力發電廠整體的發電量之風力發電廠及風力發電裝置。 [解決課題之手段]
為了解決上述課題，有關本發明的風力發電廠，具備複數個風力發電裝置，該風力發電裝置具備：至少受風而旋轉之轉子、控制該轉子的旋轉面的方向之平擺角控制裝置、以及切換風力發電裝置的運轉模式之模式切換裝置，其特徵為：從與周邊風力發電裝置的相對位置，算出風向每的平擺誤差指令值，根據前述平擺誤差指令值，變更複數個風力發電裝置中位置在上風側的風力發電裝置的運轉模式。 [發明效果]
根據本發明，可以提供一種不用導入風力發電廠的中央演算裝置，可以提升風力發電廠整體的發電量之風力發電廠及風力發電裝置。 上述以外部的課題，構成及效果，係經由以下的實施方式的說明釋明之。
在本說明書，作為有關本發明的實施方式的風力發電裝置，舉順風型的風力發電裝置為例進行說明，但也可以同樣適用在逆風型的風力發電裝置。而且，表示有以3片的葉片與轂構成轉子之例，但不限於此，轉子也可以以轂與至少1片的葉片來構成。鄰接設置複數個有關本發明的實施方式的風力發電裝置之風力發電廠，係也可以設在海上，山岳部及平原部之任何的場所。 以下，使用圖面說明有關本發明的實施例。尚且，以下說明的實施方式並非用來限定與申請專利範圍有關的發明，而且也不限定在實施方式的中所說明的各個要件及其組合的全部在發明的解決手段為必需。尚且，各圖面中有關相同的構成賦予相同的元件符號，有關重複的部分省略其詳細的說明。 [實施例1]
使用圖1至圖9說明實施例1中的風力發電裝置的控制方法。圖1為表示實施例1的風力發電裝置的例之整體概略構成圖。如圖1表示，風力發電裝置2，係具備：受風而旋轉的葉片23、支撐葉片23的轂22、機艙21、及支撐機艙21成可以旋動的塔20。
在機艙21內，具備：連接到到轂22並與轂22一起旋轉之主軸25、連接到主軸25並增加旋轉速度之增速機27、及以經由增速機27增速過的旋轉速度使轉子旋轉而發電運轉之發電機28。
而且，葉片23的設置方向稱為槳距角，風力發電裝置2具備控制該槳距角亦即葉片23的方向之槳距角控制裝置34。把葉片23的旋轉能量傳遞到發電機28的部位稱為動力傳遞部，在本實施例，主軸25，及增速機27被包含到動力傳遞部。接著，增速機27及發電機28被保持在主框架29上，發電機28具有控制其動作之發電機控制裝置35。
而且，經由葉片23及轂22構成轉子24。如圖1表示，在塔20內部，配置有：轉換電力的頻率之電力變換器30、進行電流的開關之切換用的開關器及變壓器等(未圖示)、及控制裝置31。圖1中，電力變換器30及控制裝置31設置在塔的底部，但這些機器的設置場所不限定在塔底部，只要是在風力發電裝置2的內部，也是可以考慮設置在其他的場所的情況。
而且，在機艙21的上表面，設置有用於計測風向資料及風速資料的風向風速計32。作為控制裝置31，例如，使用控制盤或是SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)。
而且，機艙21的方向稱為平擺角，風力發電裝置2係具備控制該機艙21的方向亦即轉子24的旋轉面的方向之平擺角控制裝置33。如圖1表示，平擺角控制裝置33，係配置在機艙21的底面與塔20的末端部之間，例如，至少經由未圖示的致動器及驅動該致動器的馬達所構成。根據從控制裝置31透過訊號線輸出的平擺角控制指令，構成平擺角控制裝置33的馬達旋轉，致動器進行期望量變位，藉此，機艙21旋動成期望的平擺角。
圖2為表示風力發電裝置與風向的關係的例之示意圖。把相當於風力發電裝置2的方向的機艙方向51與風向53之間的偏差，稱為平擺誤差55。一般，機艙方向51係利用平擺角控制裝置33，被控制成縮小平擺誤差55。
在此，說明有關本實施例的風力發電廠。圖3為表示設置在風力發電廠之位置在上風側的風力發電裝置與位置在下風側的風力發電裝置的關係的例子之圖。
在圖3，表示有設置在風力發電廠1中，通過了位置在上風側的風力發電裝置2a的風往位置在下風側的風力發電裝置2b流入之例。如圖3表示，把通過了位置在上風側的風力發電裝置2a的風，稱為風車後流段(也簡稱為後流段)。該風車後流段中，在與流入到位置在上風側的風力發電裝置2a之前相比較的情況下，風向、風速等的風的特性發生變化。該特性的變化係與位置在上風側的風力發電裝置2a的運轉狀態關連。在此所謂的運轉狀態係包含有風力發電裝置的葉片23的傾斜角(槳距角)或是轉子24的旋轉面的方向。
圖4為表示利用位置在上風側的風力發電裝置與位置在下風側的風力發電裝置所構成的小規模的風力發電廠的其中一例之上視圖；圖5為表示利用多數個風力發電裝置所構成的大規模的風力發電廠的其中一例之上視圖。圖4為利用位置在上風側之1座的風力發電裝置2a及位置在下風側之1座的風力發電裝置2b所構成之小規模的風力發電廠1之例；圖5為利用位置在上風側之1座的風力發電裝置2a、位置在下風側之1座的風力發電裝置2b、部分受到風車後流段的影響的風力發電裝置2c、及多數個風力發電裝置2d所構成之大規模的風力發電廠1之例。在此所謂的風力發電廠1，指的是利用至少2座以上的風力發電裝置所構成的集合型風力發電所或風力發電裝置群。
設置在風力發電廠1的風力發電裝置2，係分類成相對於風向位置在上風側的風力發電裝置2a、位置在下風側的風力發電裝置2b、部分受到風車後流段的影響之風力發電裝置2c、及這些以外的風力發電裝置2d，因為風向的變化，這些的分類也變化。具體方面，在圖5的例子，經由位置在上風側的風力發電裝置2a所產生的風車後流段流入到位置在下風側的風力發電裝置2b，但因為風向的變化，是有位置在下風側的風力發電裝置2b、風力發電裝置2c或者是風力發電裝置2d發揮了與位置在上風側的風力發電裝置2a同樣的任務的情況，或位置在上風側的風力發電裝置2a、風力發電裝置2c或者是風力發電裝置2d發揮了與位置在下風側的風力發電裝置2b同樣的任務的情況。
在此，說明有關風車後流段(後流段)。通過位置在上風側的風力發電裝置2a的風，係經由位置在上風側之構成風力發電裝置2a的轉子24的旋轉的影響，所謂風向，風速之風況發生變化。此時變化的風況，係並不限定在上述的風向，風速，而是考慮到風的各種紊亂也就是亂流特性或渦的形狀等，與風有關之全部的物理量。如圖4及圖5表示，風車後流段(後流段)，係通過位置在上風側的風力發電裝置2a後，一邊擴開一邊往下風側流動。亦即，風車後流段，係一邊擴散一邊使渦流(亂流)產生，往下風側傳播。如此，把一邊擴散一邊使渦流(亂流)產生，往下風側，風車後流段所傳播的範圍，在以下，稱為風車後流段範圍(也稱為後流段範圍)。在圖5表示的位置在下風側的風力發電裝置2b及風力發電裝置2c，與位置在風車後流段範圍(後流段範圍)的外側的風力發電裝置2d相比，發電量下降，積蓄在位置在下風側的風力發電裝置2b及風力發電裝置2c的損傷度增加。
於圖6，表示經由構成風力發電裝置的轉子的旋轉面的方向與風向的關係所產生的風車後流段的傳播方向的例子。如圖6的上圖表示，在相對於風向正對風力發電裝置2的轉子24的旋轉面的情況下，風車後流段係傳播在與風向相同的方向，形成風車後流段範圍(後流段範圍)。另一方面，如圖6的下圖表示，在風力發電裝置2的轉子24的旋轉面相對於風向而斜向的情況下，往風力發電裝置2流入的風，係經由從轉子24的旋轉面所受到的橫方向的力，風車後流段係相對於風向斜斜傳播，形成相對於風向傾斜的風車後流段範圍(後流段範圍)。在風向與轉子旋轉面的方向之偏差，亦即平擺誤差為大的情況下，後流段範圍的傳播方向與風向的偏差也變大，在欲使更大的後流段範圍的傳播方向變化的情況下，是有必要讓上風側風力發電裝置的平擺誤差也變大。
於圖7，表示構成位置在上風側的風力發電裝置2a的轉子24的旋轉面的方向的控制的其中一例。在相對於位置在上風側的風力發電裝置2a，不存在部分受到風車後流段的影響之風力發電裝置2c的情況下，位置在上風側的風力發電裝置2a係如通常經由平擺角控制裝置33(圖1)控制平擺角，使得轉子24的旋轉面係相對於風向為正對。
相對於此，如圖7的上圖表示，相對於位置在上風側的風力發電裝置2a，存在有部分流入有風車後流段的風力發電裝置2c(或是位置在下風側的風力發電裝置2b)的情況下，如圖7的下圖表示，經由具備在位置在上風側的風力發電裝置2a之平擺角控制裝置33，控制平擺角，藉此，變更轉子24的旋轉面的方向。經此變更風車後流段的傳播方向，風車後流段部分流入的風力發電裝置2c(或是位置在下風側的風力發電裝置2b)變成位置在風車後流段範圍(後流段範圍)的外側，可以迴避風車後流段流入到風力發電裝置2c(或是位置在下風側的風力發電裝置2b)，可以把風力發電裝置2c(或是位置在下風側的風力發電裝置2b)作為風力發電裝置2d來運轉。此時，位置在上風側的風力發電裝置2a的轉子24的旋轉面的方向與風向的偏差也就是平擺誤差變大的話，位置在上風側的風力發電裝置2a的損傷度變大。
在此，如圖7的下圖表示，在對位置在上風側的風力發電裝置2a實施了成就風力發電裝置2c(或是位置在下風側的風力發電裝置2b)位置在風車後流段範圍(後流段範圍)的外側之條件的平擺控制之情況下，在位置在上風側的風力發電裝置2a的平擺誤差有超過特定值的風險之情況下，變更位置在上風側的風力發電裝置2a的運轉模式，為縮退運轉模式。在此所謂縮退運轉，係意思是利用風力發電裝置的槳距角控制裝置34或發電機控制裝置35，減少風力發電裝置從風回收到的能量，總是縮減輸出來進行運轉的狀態。經此，位置在上風側的風力發電裝置2a的發電輸出下降。可以抑制損傷度的增加。再加上，減低位置在上風側的風力發電裝置2a所產生的後流段的影響，可以減低風力發電裝置2c(或是位置在下風側的風力發電裝置2b)所受到的後流段的影響。經此，與風力發電裝置2c(或是位置在下風側的風力發電裝置2b)的發電量受到了後流段的影響的情況相比較下是有回復，提升作為風力發電廠整體的發電量。
於圖8，表示配置在圖1表示的風力發電裝置2的塔20內的控制裝置31的功能方塊圖的例子；於圖9，表示圖8表示的控制裝置的處理流程之流程圖的例子。以下表示的控制裝置31，係被具備在設置在風力發電廠1內之全部的風力發電裝置(2a～2d)，後述的圖8的流程表示的動作，係以位置在上風側的風力發電裝置2來執行。亦即，以設置在風力發電廠1內之位置在上風側的風力發電裝置2a來執行。
如圖8表示，控制裝置31具備：計測值取得部311、風向演算部312、後流段範圍演算部(風車後流段演算部)313、平擺角演算部314、模式決定部315、指令值演算部316、輸入I/F317a、輸出I/F317b、及記憶部318a；這些係以內部匯流排319連接成可以相互存取。計測值取得部311、風向演算部312、後流段範圍演算部313、平擺角演算部314、模式決定部315、指令值演算部316，係例如以未圖示的CPU(Central Processing Unit)等的處理器、儲存各種程式的ROM、暫時性儲存演算過程的資料的RAM、外部記憶裝置等的記憶裝置來實現，並且，CPU等的處理器讀出並執行儲存在ROM的各種程式，把執行結果也就是演算結果儲存在RAM或是外部記憶裝置。尚且，為了易於了解說明，分割表示成各功能方塊，但是也可把計測值取得部311、風向演算部312、後流段範圍演算部313、平擺角演算部314、模式決定部315、指令值演算部316作為1個演算部，而且，也可以作為整合期望的功能方塊之構成。
計測值取得部311，係透過輸入I/F317a及內部匯流排319取得經由風向風速計32計測出的風向資料及風速資料，執行例如A/D轉換處理、平滑化處理(雜訊去除)、或者是正常化處理等。 記憶部318a，係至少預先儲存風力發電廠1內的本身(位置在上風側的風力發電裝置2a)的位置資訊及本身的轉子24的旋轉面的面積、設置在風力發電廠1內之其他的風力發電裝置(2b～2d)的位置資訊及該其他的風力發電裝置(2b～2d)的轉子24的旋轉面的面積、風力發電裝置運轉時的推力因數。尚且，在此，所謂轉子24的旋轉面的面積，係例如，乃是平擺角為零度下與轉子24的旋轉面正對時的面積，也包含塔20的面積。而且，在記憶部318a，也儲存本身(位置在上風側的風力發電裝置2a)的現在的平擺角(轉子24的旋轉面的方向的資訊)、及葉片23的形狀資料、及轉子24的旋轉速度或是葉片23的槳距角。
風向演算部312，係透過內部匯流排319取得經由計測值取得部311處理過的風向資料，決定流入到本身(位置在上風側的風力發電裝置2a)的轉子24的旋轉面的風向。 後流段範圍演算部313，係根據例如經由風向演算部312所決定出的風向、經由計測值取得部311處理過的風速資料、儲存在記憶部318a之現在的平擺角(轉子24的旋轉面的方向的資訊)、及葉片23的形狀資料以及轉子24的旋轉速度或是葉片23的槳距角，來演算風車後流段範圍(後流段範圍)。尚且，不限於使用上述的全部的參數，也可以僅根據至少風向資料、風速資料、及現在的平擺角(轉子24的旋轉面的方向的資訊)，作為構成演算風車後流段範圍(後流段範圍)。而且，也可以僅根據風向資料，作為構成演算風車後流段範圍(後流段範圍)。
平擺角演算部314，係透過內部匯流排319存取記憶部318a，根據從記憶部318a讀出之設置在風力發電廠1內之其他的風力發電裝置(2b～2d)的位置資訊及該其他的風力發電裝置(2b～2d)的轉子24的旋轉面的面積、及經由後流段範圍演算部313演算出的風車後流段範圍(後流段範圍)，判定風車後流段有無流入風力發電裝置2b或者是2c。在存在有風車後流段流入風力發電裝置2b或者是2c的情況下，從記憶部318a讀出該風力發電裝置2b或者是2c的位置資訊及轉子24的旋轉面的面積，演算控制後流段範圍使得因風力發電裝置2a所產生的後流段不流入到風力發電裝置2b或者是2c的情況下的風力發電裝置2a的平擺誤差，平擺角演算部314透過內部匯流排319把該資訊轉送到模式決定部315。尚且，判定風車後流段有無流入風力發電裝置2b或者是2c中，也可以作為僅根據其他的風力發電裝置(2b～2d)的位置資訊及經由後流段範圍演算部313演算出的風車後流段範圍(後流段範圍)來判定之構成。
模式決定部315，係根據從平擺角演算部314轉送過來的風力發電裝置2a的必要平擺誤差資訊，從讓風力發電裝置2a的運轉模式不考慮後流段的影響之通常運轉模式、後流段不流入到下風側風力發電裝置2b或者是2c之後流段控制模式、使風力發電裝置2a的運轉縮退來減低後流段影響之縮退運轉模式之3個模式，來選擇最佳的運轉模式。
指令值演算部316，係對應到經由模式決定部315選擇出的運轉模式，在通常運轉模式的情況下，把不考慮後流段的影響之通常的指令值，透過輸出I/F317b輸出到平擺角控制裝置33、槳距角控制裝置34、發電機控制裝置35。在後流段控制模式的情況下，根據從記憶部318a讀出之風車後流段流入風力發電裝置2b或者是2c的位置資訊及轉子24的旋轉面的面積，求出用於不使後流段流入到下風側風力發電裝置2b或者是2c之位置在上風側的風力發電裝置2a中的轉子24的旋轉面的方向，把對應到該轉子24的旋轉面的方向之平擺角控制指令，透過輸出I/F輸出到平擺角控制裝置33。最後在縮退運轉模式的情況下，為了讓風力發電裝置2a的輸出縮退，把各控制裝置的指令值透過輸出I/F輸出到平擺角控制裝置33、槳距角控制裝置34、發電機控制裝置35。具體方面，通過輸出I/F，對槳距角控制裝置34輸出指令值，使得減少風力發電裝置所回收的能量，使得讓槳距角相對於風向更趨近於平行。或者是，通過輸出I/F對發電機控制裝置35輸出讓風力發電裝置2所回收的能量減少之發電機力矩的指令值。
接著，說明有關控制裝置31的動作。圖9為表示圖8表示的控制裝置的處理流程之流程圖。如圖9表示，在步驟S101，計測值取得部311係透過輸入I/F317a及內部匯流排319取得經由風向風速計32計測出的風向資料及風速資料，執行例如A/D轉換處理、平滑化處理(雜訊去除)、或者是正常化處理等。接著，計測值取得部311，係透過內部匯流排319，轉送處理後的風向資料到風向演算部312。
在步驟S102，風向演算部312，係根據所轉送之經由計測值取得部311所處理的風向資料，決定流入到位置在上風側的風力發電裝置2a(本身)的轉子24的旋轉面之風向。 在步驟S103中，後流段範圍演算部313，係根據經由風向演算部312決定出的風向、經由計測值取得部311處理過的風速資料、儲存在記憶部318a之現在的平擺角(轉子24的旋轉面的方向的資訊)、及葉片23的形狀資料以及轉子24的旋轉速度或是葉片23的槳距角，演算風車後流段範圍(後流段範圍)。
在步驟S104中，模式決定部315，係透過內部匯流排319存取記憶部318a，根據從記憶部318a讀出之設置在風力發電廠1內其他的風力發電裝置(2b～2d)的位置資訊及經由後流段範圍演算部313演算出風車後流段範圍(後流段範圍)，判定風車後流段有無流入風力發電裝置2b或者是2c。判定的結果，在不存在有風車後流段流入風力發電裝置2b或者是2c的情況下，位置在上風側的風力發電裝置2a就如同通常，經由平擺角控制裝置33(圖1)控制平擺角，使得轉子24的旋轉面相對於風向為正對，結束處理(通常運轉模式)。另一方面，判定的結果，在存在有風車後流段流入風力發電裝置2b或者是2c的情況下，前進到步驟S105。
在步驟S105中，平擺角演算部314，係透過內部匯流排319存取記憶部318a，根據從記憶部318a讀出之設置在風力發電廠1內其他的風力發電裝置(2b～2d)的位置資訊及經由後流段範圍演算部313演算出的風車後流段範圍(後流段範圍)，演算讓位置在下風側的風力發電裝置2b或者是2c處於位置在上風側的風力發電裝置2a所產生的後流段範圍的外側之上風側風力發電裝置的平擺誤差。
在步驟S106中，判別藉由平擺角演算部314得到的平擺誤差是否為閾值以上。在模式決定部315中，根據以平擺角演算部314得到的平擺誤差來判別運轉模式。判別的結果，在平擺誤差的絕對值未達閾值的情況下，前進到步驟S108，轉移到後流段控制模式。另一方面，在平擺誤差的絕對值為閾值以上的情況下，前進到步驟S107，成為縮退運轉模式。
在步驟S107中，成為縮退運轉模式，指令值演算部316演算縮退運轉時的控制指令值，讓各控制裝置的指令值透過輸出I/F317b輸出到平擺角控制裝置33、槳距角控制裝置34、發電機控制裝置35而結束。
在步驟S108中，指令值演算部316，係透過輸出I/F，把在平擺角演算部314演算出之位置在下風側的風力發電裝置2b或者是2c處於位置在上風側的風力發電裝置2a所產生的後流段範圍的外側之作為上風側風力發電裝置的平擺誤差般的指令值，輸出到平擺角控制裝置33，然後結束處理。
尚且，在本實施例，以利用2座的風力發電裝置所構成之小規模的風力發電廠，及3座以上的多數個風力發電裝置以指定的間隔相互離開偏置配置之大規模的風力發電廠為例進行了說明，但並非限定於此。例如，也在3座以上的多數個風力發電裝置以指定的間隔相互離開，設置成2維矩陣狀的風力發電廠中，也同樣可以適用。
如以上，根據本實施例，可以提供一種不用導入風力發電廠的中央演算裝置，提升了風力發電廠的總輸出之風力發電廠及風力發電裝置。 具體方面，根據本實施例，控制位置在上風側的風力發電裝置2a的轉子24的旋轉面的方向，組合複數個運轉模式，經此，可以減低下風側風力發電裝置2b或者是2c所受到的後流段的影響，提升風力發電廠中的風力發電裝置的總輸出。而且，沒有必要具有全新構造的風力發電裝置或是準備該零件的緣故，導入簡便。而且，與其他的風力發電裝置的通訊，或與監視風力發電廠整體的中央管理系統之通訊為非必要的緣故，可以單獨容易導入各風力發電裝置之各個到風力發電廠內。 [實施例2]
圖10為構成有關其他的實施例之實施例2的風力發電裝置之控制裝置的功能方塊圖的例子。在本實施例中，藉由解析事前評量每個風向的平擺角指令值或運轉模式，以資料庫化的方式，構成減低風力發電裝置2的控制裝置內中的演算量這一點是與實施例1相異。對與實施例1同樣的構成要件賦預相同元件符號，以下，省略與實施例1重複之說明。
如圖10表示，控制裝置31具備：計測值取得部311、風向演算部312、資料取得部321、指令值輸出部322、輸入I/F317a、輸出I/F317b、及記憶部318b，這些係以內部匯流排319連接成可以相互存取。計測值取得部311、風向演算部312、資料取得部321、指令值輸出部322，係例如以未圖示的CPU(Central Processing Unit)等的處理器、儲存各種程式的ROM、暫時性儲存演算過程的資料的RAM、外部記憶裝置等的記憶裝置來實現，並且，CPU等的處理器讀出並執行儲存在ROM的各種程式，把執行結果也就是演算結果儲存在RAM或是外部記憶裝置。尚且，為了易於了解說明，分割表示成各功能方塊，但是也可以把計測值取得部311、風向演算部312、資料取得部321、指令值輸出部322作為1個演算部，而且，也可以作為整合期望的功能方塊之構成。
計測值取得部311，係透過輸入I/F317a及內部匯流排319取得經由風向風速計32計測出的風向資料及風速資料，執行例如A/D轉換處理、平滑化處理(雜訊去除)、或者是正常化處理等。 記憶部318b至少保存有每個風向、風速的各控制指令值。此時，保存中的指令值，乃是根據預先風力發電裝置的配置，藉由每個風向、風速的解析所算出的指令值，不僅是平擺角，也包含縮退運轉時的槳距角指令值或是對發電機的指令值。
風向演算部312，係透過內部匯流排319取得經由計測值取得部311處理過的風向資料，決定流入到本身(位置在上風側的風力發電裝置2a)的轉子24的旋轉面的風向。
在資料取得部321中，根據經由計測值取得部311與風向演算部312所得到的風向、風速從記憶部318b取得運轉模式及控制指令值。
在指令值輸出部322中，資料取得部321透過輸出I/F把從記憶部318b取得的控制模式及指令值輸出到平擺角控制裝置33、槳距角控制裝置34、發電機控制裝置35。
在此，說明有關記憶在記憶部318b之每個風向、風速的指令值的作成方法。風力發電裝置產生的後流段範圍係作為導出方法，舉例有作為風速或風向的函數而公式化的模型公式、或者是把風的支配方程式也就是那維斯托克方程式予以數值解的方法。在使用了前者的模型公式的情況下，沒有必要數值解析的緣故，如在實施例1所示，可以在控制裝置內的計算。在另一方面，解出支配方程式的方法係計算負載高的緣故，在控制裝置內的計算為困難，但是以事前用專用的電腦等解析而資料庫化的方式，可以達成更高精度的後流段範圍的評量。
如以上，根據本實施例，可以提供一種不用導入風力發電廠的中央演算裝置，提升了風力發電廠的總輸出之風力發電廠及風力發電裝置。 具體方面，根據本實施例，於事前從風力發電裝置的位置關係，算出每個風向、風速的各控制指令值，經此，減低在控制裝置31內的演算量，並且，以更高精度評量後流段範圍的方式，可以期待更提升風力發電廠整體的總發電量。 [實施例3]
在本實施例中，讓每個風向的平擺角指令值連續變化，在縮退運轉模式中也繼續獨自的平擺控制這一點，是與實施例1、實施例2相異。對與實施例1、實施例2同樣的構成要件賦予相同元件符號，以下，省略與實施例1、實施例2重複的說明。
在本實施例中，與實施例1同樣，如圖8表示，控制裝置31具備：計測值取得部311、風向演算部312、後流段範圍演算部313、平擺角演算部314、模式決定部315、指令值演算部316、輸入I/F317a、輸出I/F317b、及記憶部318a；這些係以內部匯流排319連接成可以相互存取。計測值取得部311、風向演算部312、後流段範圍演算部313、平擺角演算部314、模式決定部315、指令值演算部316，係例如以未圖示的CPU(Central Processing Unit)等的處理器、儲存各種程式的ROM、暫時性儲存演算過程的資料的RAM、外部記憶裝置等的記憶裝置來實現，並且，CPU等的處理器讀出並執行儲存在ROM的各種程式，把執行結果也就是演算結果儲存在RAM或是外部記憶裝置。尚且，為了易於了解說明，分割表示成各功能方塊，但是也可把計測值取得部311、風向演算部312、後流段範圍演算部313、平擺角演算部314、模式決定部315、指令值演算部316作為1個演算部，而且，也可以作為整合期望的功能方塊之構成。
接著，說明有關控制裝置31的動作。圖11為表示圖8表示的控制裝置的處理流程之流程圖。如圖9表示，在步驟S101，計測值取得部311係透過輸入I/F317a及內部匯流排319取得經由風向風速計32計測出的風向資料及風速資料，執行例如A/D轉換處理、平滑化處理(雜訊去除)、或者是正常化處理等。接著，計測值取得部311，係透過內部匯流排319，轉送處理後的風向資料到風向演算部312。
在步驟S102，風向演算部312，係根據所轉送之經由計測值取得部311所處理的風向資料，決定流入到位置在上風側的風力發電裝置2a(本身)的轉子24的旋轉面之風向。 在步驟S103中，後流段範圍演算部313，係根據經由風向演算部312決定出的風向、經由計測值取得部311處理過的風速資料、儲存在記憶部318a之現在的平擺角(轉子24的旋轉面的方向的資訊)、及葉片23的形狀資料以及轉子24的旋轉速度或是葉片23的槳距角，演算風車後流段範圍(後流段範圍)。
在步驟S104中，模式決定部315，係透過內部匯流排319存取記憶部318a，根據從記憶部318a讀出之設置在風力發電廠1內其他的風力發電裝置(2b～2d)的位置資訊及經由後流段範圍演算部313演算出風車後流段範圍(後流段範圍)，判定風車後流段有無流入風力發電裝置2b或者是2c。判定的結果，在不存在有風車後流段流入風力發電裝置2b或者是2c的情況下，位置在上風側的風力發電裝置2a就如同通常，經由平擺角控制裝置33(圖1)控制平擺角，使得轉子24的旋轉面相對於風向為正對，結束處理(通常運轉模式)。另一方面，判定的結果，在存在有風車後流段流入風力發電裝置2b或者是2c的情況下，前進到步驟S105。
在步驟S105中，平擺角演算部314，係透過內部匯流排319存取記憶部318a，根據從記憶部318a讀出之設置在風力發電廠1內其他的風力發電裝置(2b～2d)的位置資訊及經由後流段範圍演算部313演算出的風車後流段範圍(後流段範圍)，演算讓位置在下風側的風力發電裝置2b或者是2c處於位置在上風側的風力發電裝置2a所產生的後流段範圍的外側之上風側風力發電裝置的平擺誤差。
在步驟S106中，判別藉由平擺角演算部314得到的平擺誤差是否為閾值以上。在模式決定部315中，根據以平擺角演算部314得到的平擺誤差來判別運轉模式。判別的結果，在平擺誤差的絕對值為閾值以下的情況下，前進到步驟S108，轉移到後流段控制模式。另一方面，在平擺誤差的絕對值為閾值以上的情況下，前進到步驟S107，成為縮退運轉模式。
在步驟S107中，成為縮退運轉模式，指令值演算部316演算縮退運轉時的控制指令值，讓各控制裝置的指令值透過輸出I/F317b輸出到平擺角控制裝置33、槳距角控制裝置34、發電機控制裝置35。
於圖12表示本實施例中的平擺誤差的圖表的例子。作為本實施例的特徵，舉例有在縮退運轉模式中，使平擺誤差連續變化，來讓以與下風側風力發電裝置2b或者是2c的相對方位角一致的風向來決定平擺誤差為0這一點。
在本實施例中，與實施例1相異的是，在步驟S107，演算平擺角指令值來決定於每個風向為相異的平擺誤差，進行平擺角指令值輸出。
在步驟S108中，指令值演算部316，係透過輸出I/F，把在平擺角演算部314演算出之位置在下風側的風力發電裝置2b或者是2c處於位置在上風側的風力發電裝置2a所產生的後流段範圍的外側之作為上風側風力發電裝置的平擺誤差般的指令值，輸出到平擺角控制裝置33，然後結束處理。
如以上般，根據本實施例，可以提供一種風力發電廠及風力發電裝置，其係使風力發電廠的總輸出提升，並且可以提升作為控制對象的上風側風力發電裝置的可靠性。 具體方面，根據本實施例，經由使上風側風力發電裝置的平擺誤差連續變化的方式，可以縮減上風側風力發電裝置的平擺驅動次數，可以提升風力發電廠的可靠性。 [實施例4]
在本實施例中，使用槳距控制作為朝縮退運轉模式的轉移手段這一點，為其特徵。在此，與實施例1至實施例3同樣的構成要件賦予相同元件符號，以下，省略與實施例1至實施例3重複的說明來進行說明。
風力發電裝置2中，設置有相對於轂22被支撐成可以旋轉(槳距角變化)的葉片23。在此，所謂槳距角，係表示相對於轂22的葉片23的安裝角。而且，使葉片23相對於風為正對，把變更槳距角以可以高效率回收風的能量者稱為小槳，把變更槳距角來讓葉片與風成平行的方向藉此讓風逸逃者稱為順槳。經此，風力發電裝置2係以利用槳距角控制裝置34來調整槳距角的方式，可以調整從風回收到的能量，可以變更運轉模式。
在本實施例中，於圖9中的S107，在把風力發電裝置轉移到縮退運轉模式之際，槳距角被變更成比起通常運轉模式中的基準控制值更靠順槳側。經此，風力發電裝置所回收的能量下降，發電量下降。經此，有關風力發電裝置的負載也下降，成為縮退運轉模式。此時，槳距角的指令值即便是固定值，也可以配合風速等的風況做變更。另一方面，在圖9中的S104或者是S106選擇No(否)，成為通常運轉模式或者是後流段控制模式的情況下，以把槳距角指令值回歸到通常運轉時的基準控制值的方式，風力發電裝置所回收的能量係如通常般。
如以上般，根據本實施例，可以使風力發電廠的總輸出提升，並且可以簡易地實施朝縮退運轉模式的轉移。 具體方面，關於朝縮退運轉模式的轉移，是使用槳距角的控制的緣故，風力發電裝置可以直接控制從風所回收的能量，所以可以簡易地實施朝縮退運轉模式的轉移。 [實施例5]
在本實施例中，作為朝縮退運轉模式的轉移手段，具有活用設置在風力發電裝置的機艙內的發電機28的力矩控制這一點為其特徵。在此，與實施例1至實施例4同樣的構成要件賦予相同元件符號，以下，省略與實施例1至實施例3重複的說明來進行說明。
風力發電裝置所回收的能量，係作為轉子24的轉速與發電機中的力矩的積而體現，於通常運轉模式中，控制力矩，使得轉子24的轉速成為讓風力發電裝置的葉片23最有效率得到能量的轉速。 本實施例中，如圖9中的S107般，在把風力發電裝置轉移到縮退運轉模式之際，把力矩的指令值設定成與通常運轉時為相異的值。此時，考慮到力矩指令值為比起通常運轉時的基準控制值還大的值以及還小的值之兩者。具體方面，考慮到把力矩指令值決定為比通常運轉時的基準控制值還小，經此，減少所回收的能源量之手法。而且，也可以把力矩控制值決定為比通常運轉時的基準控制值還大，經此，減少轉子的轉速，使風力發電裝置的運轉效率下降，藉此，轉移到縮退運轉模式。此時，力矩控制的指令值即便是固定值，也可以配合風速等的風況做變更。另一方面，在圖9中的S104或者是S106選擇No(否)，成為通常運轉模式或者是後流段控制模式的情況下，以把力矩指令值回歸到通常運轉時的基準控制值的方式，風力發電裝置所回收的能量係為通常般。
如以上般，根據本實施例，可以使風力發電廠的總輸出提升，並且朝縮退運轉模式的轉移可以高速化。 具體方面，在本實施例中，關於朝縮退運轉模式的轉移，是使用發電機力矩的控制的緣故，具有控制響應非常快的特徵。經此，可以更早轉移到縮退運轉模式，可以期待作為風力發電廠整體的發電量提升。
1:風力發電廠 2:風力發電裝置 2a:位置在上風側的風力發電裝置 2b:位置在下風側的風力發電裝置 2c、2d:室外機風力發電裝置 20:塔 21:機艙 22:轂 23:葉片 24:轉子 25:主軸 27:增速機 28:發電機 29:主框架 30:電力變換器 31:控制裝置 32:室外機風向風速計 33:平擺角控制裝置 34:槳距角控制裝置 35:發電機控制裝置 51:機艙方向 53:風向 55:平擺誤差 311:計測值取得部 312:風向演算部 313:後流段範圍演算部(風車後流段演算部) 314:平擺角演算部 315:模式決定部 316:指令值演算部 317a:輸入I/F 317b:輸出I/F 318a:記憶部 318b:記憶部 319:內部匯流排 321:資料取得部 322:指令值輸出部
[圖1]為表示實施例1的風力發電裝置的例之整體概略構成圖。 [圖2]為表示風力發電裝置與風向的關係的例之示意圖。 [圖3]為表示設置在風力發電廠之位置在上風側的風力發電裝置與位置在下風側的風力發電裝置的關係的例子之圖。 [圖4]為表示利用位置在上風側的風力發電裝置與位置在下風側的風力發電裝置所構成之小規模的風力發電廠的其中一例之上視圖。 [圖5]為表示利用位置在上風側的風力發電裝置與位置在下風側的風力發電裝置所構成之小規模的風力發電廠的其中一例之上視圖。 [圖6]為表示經由構成風力發電裝置的轉子的旋轉面的方向與風向的關係所產生的風車後流段的傳播方向的例子之圖。 [圖7]為表示構成位置在上風側的風力發電裝置的轉子的旋轉面的方向的控制的其中一例之圖。 [圖8]為控制裝置的功能方塊圖的例子。 [圖9]為表示控制裝置的處理流程的例子之示流程圖。 [圖10]為控制裝置的功能方塊圖的例子。 [圖11]為表示控制裝置的處理流程的例子之示流程圖。 [圖12]為表示平擺誤差的其中一例之圖表。

Claims (4)

  1. 一種風力發電廠，具備複數個風力發電裝置，各該風力發電裝置具備：至少受風而旋轉之轉子、控制該轉子的旋轉面的方向之平擺角控制裝置、以及切換風力發電裝置的運轉模式之模式切換裝置，其特徵為：對於每個風向變更前述複數個風力發電裝置中位置在上風側的風力發電裝置的前述運轉模式；從與周邊的前述風力發電裝置之相對位置，算出前述每個風向的平擺誤差指令值，根據前述平擺誤差指令值，變更前述複數個風力發電裝置中位置在上風側的風力發電裝置的前述運轉模式；使用前述複數個風力發電裝置間的相對方位與距離，來作為前述複數個風力發電裝置中位置在上風側的風力發電裝置之與周邊的前述風力發電裝置之前述相對位置；作為前述運轉模式，是有：不考慮後流段的影響之通常運轉模式、前述後流段不流入到下風側的前述風力發電裝置之後流段控制模式、減低前述後流段的影響之縮退運轉模式；於前述縮退運轉模式中，上風側的前述風力發電裝置係算出使平擺誤差連續變化，以與下風側的前述風力發電裝置的相對方位角一致的風向來讓平擺誤差為0之平擺誤差指令值。
  2. 如請求項1的風力發電廠，其中，控制前述複數個風力發電裝置中位置在上風側的風力發電裝置的槳距角，來作為朝前述縮退運轉模式的轉移手段。
  3. 如請求項1的風力發電廠，其中，控制前述複數個風力發電裝置中位置在上風側的風力發電裝置的力矩，來作為朝前述縮退運轉模式的轉移手段。
  4. 如請求項1至請求項3中任一項的風力發電廠，其中，使用平擺控制，來作為切換3個前述運轉模式之手段。
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