葉片螺距角度控制裝置及風力發電裝置的制作方法

專利名稱：葉片螺距角度控制裝置及風力發電裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及風力發電裝置，特別涉及控制風車葉片螺距角度的葉 片螺距角度控制裝置。
背景技術：
以往，在風力發電裝置中使用的螺旋槳型風車如圖11的外觀圖所 示，由多個葉片，例如第l葉片l、第2葉片2、第3葉片3構成的3 個葉片、作為連接3個葉片的連接機構的轉子5以及塔架4等構成。以往，這種螺旋槳型風車要根據風況控制各個葉片，以便獲得預 定的發電機轉速和輸出。例如，圖12顯示了以往螺距角度控制裝置的結構的一個例子。如 該圖所示，以往的螺距角度控制裝置設有通用螺距角度指令值生成部 15，其用于根據發電機轉速或輸出的設定值與當前控制量之差生成通 用螺距角度指令值。然后，執行機構根據由通用螺距角度指令值生成 部15生成的通用螺距角度指令值，以相同的螺距角度控制各個葉片， 由此實現各個葉片螺距角度的控制。但是，如圖13 (a)所示，流入風車的風速會受到地形的影響(下 面，將受地形影響的風速特性稱為"風切變特性"。)，另外，如圖 13 (b)所示，還會受到支承風車的塔架的影響(下面，將受塔架影響 的風速特性稱為"塔架特性"。)。再加上風速在空間上的發散和時 間上的發散，如圖13 (c)所示，在葉片旋轉區域中具有不同的風速分 布。在這種風速不同的環境下，由于各個葉片的空氣動力輸出瞬時值是不同的，因此，各個葉片的推力及力矩等均取互不相同的值。結果， 會使各個葉片的負荷發生變動，從而縮短葉片的壽命。針對這一問題，例如，在日本特表2001-511497號公報(專利文 獻l)中公開了測量流入各個葉片的風的迎角、負荷，根據這些值對各 個葉片進行單獨控制的技術。專利文獻1日本特表2001-511497號公報 專利文獻2 國際公開第01/86141號小冊子在上述專利文獻1中公開的發明中，根據來自多個傳感器的檢測 值，瞬時算出作用于風力發電裝置各部分上的負荷、流入葉片的風的 迎角等，并對螺距角度進行控制以減小該瞬時負荷的變動。此處，為 了有效減小負荷變動，必須大致實時進行從傳感器的檢測到反饋控制 的一系列處理。但是，由于上述發明是根據各個檢測值并通過計算得出瞬時負荷 的，因此，存在處理復雜，難以迅速得出瞬時負荷的問題。另外，這 種長時間處理會導致反饋控制延遲，從而降低螺距角度控制的精度。再者，在上述發明中，必須針對各個葉片設置多個風力傳感器及 和應變計。但是，由于對這些傳感器要求很高的可靠性，需要采用高 價傳感器，因此，存在成本問題。并且，對于風速的測量，由于是在葉片的下游設置風速計來測量 風速，因此，存在會受到由葉片旋轉造成的風速變動的影響，從而不 能正確測量風速的問題。發明內容本發明是為解決上述問題作出的，其目的在于提供一種通過提高 螺距角度控制的精度來進一步減小在風力發電裝置中產生的負荷變動的螺距角度控制裝置。為了解決上述問題，本發明采用了以下裝置。本發明提供了一種葉片螺距角度控制裝置，在具有多個葉片的風 力發電裝置中使用，其中，具有存儲裝置，用于使影響上述葉片負 荷變動的預定參數、方位角度以及螺距角度指令值相互建立關聯而予 以存儲；方位角度檢測裝置，用于檢測上述每個葉片的方位角度；參 數檢測裝置，用于檢測上述預定參數；指令值獲取裝置，用于對上述 每個葉片，分別從上述存儲裝置獲取螺距角度指令值，該螺距角度指 令值根據由上述方位角度檢測裝置檢測的上述每個葉片的方位角度和 由上述參數檢測裝置檢測的預定參數而選定；以及螺距角度控制指令 值生成裝置，根據通過上述指令值獲取裝置獲取的上述螺距角度指令 值和由上述風力發電裝置的輸出信息求出的各個葉片通用的通用螺距 角度指令值，生成用于對上述葉片的螺距角度單獨進行控制的螺距角 度控制指令值。根據本發明，在存儲裝置中預先存儲考慮了各種影響葉片負荷變 動的參數的最佳螺距角度指令值。因此，在進行控制時，指令值獲取 裝置只需從存儲裝置中讀取由各種參數選定的最佳螺距角度指令值， 就可獲得最適合風車運行狀況的最佳螺距角度控制。這樣，由于無需進行一切用于算出葉片的負荷變動的處理等，從 各種參數可以馬上獲得最佳螺距角度指令值，因此，使處理過程簡單、 迅速。由此，由于可對螺距角度進行實時控制，因此，能夠迅速應對風 力發電裝置運行狀況的動態變動，從而進一步減小負荷變動。結果， 可以延長各個葉片的壽命，并獲得穩定的發電輸出。螺距角度控制指令值生成裝置，使考慮通過指令值獲取裝置獲得 的風車運行狀況而求出的最佳螺距角度指令值，反映到為了對風力發電裝置的發電輸出進行反饋控制而生成的各個葉片通用的螺距角度指 令值一一通用螺距角度指令值中，并對各個葉片分別生成用于控制各 個葉片的螺距角度的螺距角度控制指令值。由此，可以以考慮了風力 發電裝置的輸出變動及運行狀況的最佳螺距角度來控制各葉片。在上面記載的葉片螺距角度控制裝置中，優選的是，將存儲在上 述存儲裝置中的上述螺距角度控制指令值設定為反映上述風力發電裝 置設置場所中風切變特性的值。雖然風速、空氣密度、風力發電裝置的輸出等是時刻動態變動的， 但由設置風力發電裝置場所的地理條件決定的風切變卻是相同的。這樣，存儲在存儲裝置中的信息不僅考慮了動態變動的參數，而 且考慮了根據地理條件被同樣地決定的風切變等信息，因此，可進行 精度非常高的螺距角度的控制。在上面記載的葉片螺距角度控制裝置中，上述規定的參數為風速， 上述參數檢測裝置優選為風速推測裝置，該風速推測裝置具有使風速 與上述風力發電裝置的輸出建立關聯的特性圖表，并通過從上述特性 圖表讀取與上述風力發電裝置的輸出對應的風速來推測風速。風速是選定螺距角度指令值所必需的重要參數之一。由于能否有 效減小負荷變動及輸出變動，很大程度上依賴于風速檢測的精度，因 此，必須以高精度檢測風速。但是，在將風速計設置在風車的下游來測量風速的以往的方法中， 會受因葉片旋轉造成的風速變動的影響，從而不能夠正確地測量風速。根據本發明，風速檢測裝置不是對風速進行物理測量，而是根據 與風速具有密切關系的風力發電裝置的輸出，通過軟件上的簡單處理 求出風速。由此，不僅可獲得非常正確的風速，而且還可降低成本。此外，代替上述風速推測裝置，也可以使用在流入風車之前進行 風速測量的風速計(例如，激光多普勒風速計)。由此，由于不受葉 片下游的影響，因此，可獲得高精度的風速。在使用激光多普勒風速計的情況下，可以設置使示蹤粒子從風車 的上游側向風車流動的裝置。或者，也可將在流入風車的空氣中混入 的塵埃、水蒸汽作為示蹤物，從塵埃或水蒸汽獲得散射光并通過激光 多普勒進行測量。在這種情況下，不必另外設置使示蹤粒子流動的裝 置。優選的是，上面記載的葉片螺距角度控制裝置具有頻率成分提 取裝置，從上述風力發電裝置的發電輸出、發電機轉速或轉子轉速中 的任意一項提取葉片數量整數倍的頻率成分；和計算裝置，根據提取 的該頻率成分計算用于除去由該頻率變動引起的負荷變動的螺距角 度，上述螺距角度控制指令值生成裝置將通過上述計算裝置計算出的 螺距角度反映到上述螺距角度控制指令值中。雖然考慮風速等各種參數的變動而求出螺距角度控制值，但是， 由于因誤差及因反饋控制造成的時間延遲等，難以完全除去負荷變動、 發電輸出變動。另一方面，由于輸出變動顯著出現在與葉片數量相應的頻帶中。 因此，可以通過求出用于除去這種顯著出現的輸出變動的螺距角度， 將其反映到螺距角度控制指令值中，而進一步減小輸出變動。艮P，在使用定速風車的風力發電裝置中，頻率成分提取裝置從風力發電裝置的輸出中提取葉片整數倍的頻率成分。另一方面，在使用 變速風車的風力發電裝置中，頻率成分提取裝置從發電機轉速或者轉 子轉速中提取葉片整數倍的頻率成分。計算裝置例如通過規定算法，對由頻率成分提取裝置提取的頻率 成分進行計算，從而計算出頻率區域的變動螺距角度，再對該變動螺 距角度進行逆頻率解析以得出時間區域的變動螺距角度。其結果，所獲得的變動螺距角度成為用于除去顯著負荷變動的螺 距角度。之后，螺距角度控制指令值生成裝置將用于除去這種顯著輸出變 動的螺距角度反映到螺距角度控制指令值中。由此，由于能夠準確除去顯著出現的發電輸出變動，因此，能夠 獲得更穩定的發電輸出。本發明提供一種風力發電裝置，具有多個葉片，其中，具有葉片 螺距角度控制裝置，該葉片螺距角度控制裝置具有存儲裝置，用于 使影響上述葉片負荷變動的規定參數、方位角度以及螺距角度指令值 相互建立關聯而予以存儲；方位角度檢測裝置，用于檢測上述每個葉 片的方位角度；參數檢測裝置，用于檢測上述預定參數；指令值獲取 裝置，用于對上述每個葉片，分別從上述存儲裝置獲取螺距角度指令 值，該螺距角度指令值根據由上述方位角度檢測裝置檢測的上述每個 葉片的方位角度和由上述參數檢測裝置檢測的預定參數而選定；以及 螺距角度控制指令值生成裝置，根據通過上述指令值獲取裝置獲取的 上述螺距角度指令值和由上述風力發電裝置的輸出信息求出的各個葉 片通用的通用螺距角度指令值，生成用于對上述葉片的螺距角度單獨 進行控制的螺距角度控制指令值。本發明提供了一種葉片螺距角度控制裝置，在具有多個葉片的風 力發電裝置中使用，其中具有負荷測量裝置，用于以規定的方位角 度測量上述葉片或構成風車的機械零件上的負荷；調整螺距角度指令 值生成裝置，對上述每個葉片分別生成用于減小由上述負荷測量裝置 測量的負荷的調整螺距角度指令值；以及螺距角度控制指令值生成裝 置，將對上述每個葉片生成的上述調整螺距角度指令值反映到用于對 上述葉片進行相同控制的通用螺距角度指令值中，從而對上述每個葉 片生成螺距角度控制指令值。由于負荷測量裝置不是按規定的時間間隔，而是按規定的方位角 度測量負荷，因此，不僅適用于定速風車，也適用于通過運行狀況改 變葉片的旋轉速度的變速風車。調整螺距角度指令值生成裝置，例如對每個葉片計算用于減小由 上述負荷測量裝置測量的負荷的最佳螺距角度，并生成調整螺距角度 指令值。之后，螺距角度控制指令值生成裝置通過將該調整螺距角度 指令值反映到控制葉片螺距角度的螺距角度控制指令值，而能夠減小 負荷的變動。本發明提供了一種螺距角度控制裝置，在具有多個葉片的風力發 電裝置中使用，其中具有負荷測量裝置，用于以規定的方位角度分 別測量作用于上述葉片或構成風車的機械零件上的負荷；計算裝置， 根據由上述負荷測量裝置測量的測量值求出上述負荷周期性變動；調 整螺距角度指令值生成裝置，根據上述計算裝置的計算結果對上述每 個葉片分別生成用于減小負荷變動的調整螺距角度指令值；以及螺距 角度控制指令值生成裝置，將對上述每個葉片生成的上述調整螺距角 度指令值反映到用于對上述葉片進行相同控制的通用螺距角度指令值 中，從而對上述每個葉片生成螺距角度控制指令值。發明人著眼于葉片的負荷變動會周期性顯著出現這一點。因此，作為在轉子旋轉一圈的過程中檢測負荷如何變動的裝置，設置負荷測 量裝置及計算裝置。負荷測量裝置以規定的方位角度對作用于各個葉片上的負荷進行 測量。這樣，由于不是按規定的時間間隔，而是按規定的方位角度測 量負荷，因此，也適用于葉片旋轉速度變化的變速風車。計算裝置確保規定周期的量(例如，旋轉1圈)的由負荷測量裝 置測量的各方位角度的測量值，并根據這些測量值求出負荷的特性。 由此，可知道在各個葉片中出現哪種負荷變動。并且，調整螺距角度指令值生成裝置求出用于除去該負荷變動的 螺距角度調整指令值，螺距角度控制指令值生成裝置將該調整螺距角 度指令值反映到各個葉片螺距角度的控制中。由此，可減小周期性顯 著出現的負荷變動。這樣，由于著眼于周期性出現的負荷變動并減小了該負荷變動， 因此，與減小瞬時出現的負荷變動的以往的螺距角度控制相比，可以 通過非常簡單的處理，更有效地減小負荷變動。由此，可將各個葉片控制在最佳的螺距角度，從而延長了葉片及構成風車的機械零件的壽此外，在本發明中，雖然由于在至少確保一個周期的測量值之后， 根據這些測量值進行反饋控制會產生時間延遲，但是，由于本發明著 眼的負荷變動是在幾乎相同的方位角度中周期性出現的，因此，即使 存在由反饋引起的時間延遲，仍能以高精度除去負荷變動。在上面記載的葉片螺距角度控制裝置中，優選的是，上述負荷測 量裝置具有方位角度測量裝置，以規定時間間隔測量各個葉片的方 位角度；觸發發生裝置，在測量結果與規定的方位角度一致時產生觸發信號；以及測量裝置，根據上述觸發信號測量負荷。這樣，可以由眾所周知的常用機構構成負荷測量裝置，從而能低 價且簡單地實現負荷測量裝置。上述測量裝置可以使用應變計，測力計、光纖傳感器等。在上面記載的葉片螺距角度控制裝置中，優選的是，上述負荷測 量裝置具有在方位角度到達預定角度時產生觸發的編碼器、和根據上 述觸發測量負荷的測量裝置。編碼器和測量裝置為眾所周知的機構。這樣，由于負荷測量裝置 由眾所周知的機構構成，因此，能夠低價且簡單地實現負荷測量裝置。上述測量裝置可以使用應變計，測力計、光纖傳感器等。本發明提供一種葉片螺距角度控制裝置，在具有多個葉片的風力 發電裝置中使用，其中具有加速度測量裝置，用于以規定的方位角 度測量上述葉片或構成風車的機械零件的加速度；調整螺距角度指令 值生成裝置，對上述每個葉片分別生成用于降低由上述加速度測量裝 置測量的加速度的調整螺距角度指令值；以及螺距角度控制指令值生 成裝置，將對上述每個葉片生成的上述調整螺距角度指令值反映到用 于對上述葉片進行相同控制的通用螺距角度指令值中，從而對上述每 個葉片生成螺距角度控制指令值。調整螺距角度指令值生成裝置，例如可對每個葉片計算出用于降 低由加速度測量裝置測量的加速度的最佳螺距角度，并生成調整螺距 角度指令值。之后，螺距角度控制指令值生成裝置將該調整螺距角度 指令值反映到對葉片螺距角度進行控制的螺距角度控制指令值中，從 而降低加速度。而且，由于加速度與負荷變動具有關聯關系，因此，可通過降低 加速度來減小負荷的變動。本發明提供一種風力發電裝置，具有多個葉片，其中，具有葉片 螺距角度控制裝置，該葉片螺距角度控制裝置具有負荷測量裝置， 用于以規定的方位角度測量上述葉片或構成風車的機械零件上的負 荷；調整螺距角度指令值生成裝置，對上述每個葉片分別生成用于減 小由上述負荷測量裝置測量的負荷的調整螺距角度指令值；以及螺距 角度控制指令值生成裝置，將對上述每個葉片生成的上述調整螺距角 度指令值反映到用于對上述葉片進行相同控制的通用螺距角度指令值 中，從而對上述每個葉片生成螺距角度控制指令值。由于設有這種葉片螺距角度控制裝置，因此，能夠控制各個葉片 達到最佳螺距角度，從而能夠實現葉片及構成風車的機械零件壽命較 長的風力發電裝置。


圖1為框圖，其顯示了本發明第一實施方式的葉片螺距角度控制 裝置的結構。圖2為用于說明方位角度的視圖。圖3顯示了使風速與風力發電裝置的輸出建立關聯的特性圖表的 一個例子。圖4顯示了恒速風(風速在時間上、平面上相同)下的特性圖表 的一個例子。圖5顯示了在改變風速時，用于消除由傾角造成的風的影響的螺距角度修正值以及反映了該修正值的特性圖表的一個例子。圖6顯示了在改變風速時，用于消除由風向偏差產生的影響的螺距角度修正值以及反映該修正值的特性圖表的一個例子。圖7顯示了在空氣密度為變量時的特性圖表的一個例子。圖8顯示了在風力發電裝置的輸出為變量時的特性圖表的一個例子。圖9顯示了適用于使用定速風車時的輸出變動除去裝置的結構。 圖10顯示了本發明第二實施方式的葉片螺距角度控制裝置結構 的框圖。圖11顯示了在風力發電裝置中使用的螺旋槳型風車的外觀圖。 圖12為框圖，其顯示了使用現有技術的葉片螺距角度控制裝置的 結構的一個例子。圖13為用于說明風切變特性、塔架特性以及風速分布的視圖。
具體實施方式
下面，參照附圖，以第一實施方式、第二實施方式的順序對本發明 的實施方式進行說明。第一實施方式圖1為框圖，其顯示了適用于使用了定速風車的風力發電裝置的 葉片螺距角度控制裝置的結構。如圖1所示，本實施方式的葉片螺距角度控制裝置設有存儲部(存儲裝置)10、方位角度檢測部(方位角度檢測裝置)11、參數檢測部 (參數檢測裝置)12、指令值獲取部(指令值取得裝置)13、螺距角 度控制指令值生成部(螺距角度控制指令值生成裝置)14、以及通用 螺距角度指令值生成部(通用螺距角度指令值生成裝置)15。在存儲部10中，建立關聯地存儲有風速、溫度、上述風力發電裝 置的輸出等影響葉片負荷變動的規定參數、方位角度以及螺距角度指 令值。此處，如圖2所示，方位角度是指與風車的垂直方向所成的交角， 當葉片位于風車的最上部時，該方位角度為0°，在位于最下部時，該方位角度為180°。另外，對于存儲在存儲部IO中內容的詳細情況將在 后面敘述。方位角度檢測部11以規定間隔，分別檢測各葉片的方位角度，并將它們輸出到指令值獲取部13。例如，可以通過設置在轉動軸中的旋轉編碼器的輸出求出方位角度。參數檢測部12設有用于檢測風速的風速檢測部(風速檢測裝 置)121、檢測空氣密度的空氣密度檢測部122、以及檢測風力發電裝置 輸出的風力發電裝置輸出檢測部123。風速檢測部121在內部設有使風速與風力發電裝置的輸出建立關 聯的特性圖表(參見圖3)。風速檢測部121以規定間隔、從風力發電 裝置輸出檢測部123獲得風力發電裝置的輸出，并從特性圖表讀出與 所獲得的輸出對應的風速，從而推測出風速，并將推測的風速輸出到 指令值獲取部13。另外，代替這種推測風速的方法，也可以在風流入 風車之前使用測量風速的風速計(例如，激光多普勒風速計)。這樣， 由于不受葉片的下游的影響，可獲得高精度的風速。在使用激光多普勒風速計的情況下，可以設置使示蹤粒子從風車 的上游側向風車流動的裝置。或者，也可將在流入風車的空氣中混入 的塵埃和水蒸汽用作示蹤物，獲得來自塵埃或水蒸汽的散射光并通過 激光多普勒進行測量。在這種情況下，不必另外設置使示蹤粒子流動 的裝置。空氣密度檢測部122按規定間隔檢測氣溫、氣壓，并根據空氣密 度、氣溫、氣壓的特性由該檢測值求出空氣密度。這是因為空氣密度 由氣溫及氣壓唯一確定。例如，空氣密度檢測部122具有使氣溫、氣 壓及空氣密度預先建立關聯的映射，從映射中獲得通過氣溫、氣壓的 測量值選定的空氣密度，從而求出空氣密度。或者可以具有氣溫、氣壓及空氣密度的關系式，并通過將氣溫及氣壓的測量值代入關系式中， 算出空氣密度。指令值獲取部13從存儲部10獲取螺距角度指令值，該螺距角度 指令值，根據從上述方位角度檢測部11輸入的各個葉片的方位角度和 從參數檢測部12輸入的各種參數(例如，風速、空氣密度、發電輸出 等)而選定，并將獲得的各葉片的螺距角度指令值，即第1葉片螺距 角度指令值、第2葉片螺距角度指令值、第3葉片螺距角度指令值分別輸出到螺距角度控制指令值生成部14。由發電機轉速(發電輸出信息)或發電輸出(發電輸出信息)的設定值與當前控制量之間的差，通用螺距角度指令值生成部15計算出 用于共同控制第1 第3三個葉片的螺距角度的通用螺距角度指令值， 以使風力發電裝置的發電輸出與額定輸出(設定值) 一致，并將該通 用螺距角度指令值輸出到螺距角度控制指令值生成部14。例如，通用 螺距角度指令值生成部15可以由眾所周知的PID控制系統構成。根據分別從指令值獲取部13輸入的針對各個葉片的各螺距角度 指令值以及從通用螺距角度指令值生成部15輸入的通用螺距角度指令 值，螺距角度控制指令值生成部14生成用于單獨控制各個葉片的螺距 角度的螺距角度控制指令值。具體地說，通過將各螺距角度指令值與 通用螺距角度指令值相加，生成各葉片的螺距角度控制指令值。之后， 將對應各個葉片分別獲得的螺距角度控制指令值輸出到作為控制各個 葉片的螺距角度的機構的執行機構。執行機構為安裝在各個葉片中的 油壓缸或電動馬達，其是眾所周知的裝置。下面，對存儲在存儲部10中的內容進行詳細說明。首先，將風速、空氣密度、風力發電裝置的輸出等作為參數，將 這些參數設定為各種值，通過計算機摸擬，求出各種測試模式中的最佳螺距角度。例如，作為一種測試模式，設定風速A(m/s)、空氣密度B(g/m3)、 發電輸出C(kW)，釆集在這種條件下改變螺距角度時的變動負荷的數 據。接著，分析該數據結果，選擇獲得最小變動負荷時的螺距角度， 制作使選擇的螺距角度與方位角度對應的特性圖表。通過改變上述各個參數(風速A (m/s)、空氣密度B (g/m3)、 發電輸出C(kW))的值并反復進行上述工作，從而制作出各種環境下 的特性圖表。之后，使這些特性圖表與測試模式中各個參數的設定值 (風速、空氣密度、發電輸出等設定值)建立對應并將它們寫入存儲 部10中。這樣，通過決定參數值，能夠獲得在該環境下最合適的螺距角度。此外，在進行上述摸擬時，通過預先設定風切變特性或塔架特性 (參見圖13 (a)及圖13 (b))作為固定值，從而可以獲得更合適的 螺距角度。例如，雖然上述風速等參數是時刻動態變動的，但是風切變特性 或塔架特性卻是由設置該風車的場所、風車的結構決定不變的。因此， 在考慮了這些特性之后，通過進行摸擬，能夠獲得對該風車特定的最 佳螺距角度，從而可以進行更高精度的葉片螺距角度的控制。下面，舉例說明上述特性圖表的具體形式。首先，在圖4中顯示了恒速風(風速在時間上、平面上相同)下 的特性圖表。如該圖所示，特性圖表的橫軸為方位角度(度)，縱軸為螺距角度(度)，并且，形成余弦波(Cosine wave)，在方位角度 0。上取最大螺距角度(例如1°)而在方位角度180。上取最小螺距角度 (例如，-1°)。當然，該圖中的角度意味著相對值。其原因在于在葉片接受的風速達到最大的方位角度0。的位置上， 為了降低空氣動力性能必須增大螺距角度，而在葉片接受的風速達到 最小的方位角度180。的位置上，為了提高空氣性能必須減小螺距角度。通過上述摸擬獲得的各種環境下的特性圖表也與圖4所示的特性 圖表基本形狀大體相同，但振幅、相位不同。例如，在將空氣密度、風力發電裝置的發電輸出作為固定值而僅 改變風速的情況下，風速越大，對葉片負荷變動的影響就越大(負荷 與風速的平方成正比)。因此，在改變風速時，風速越大，圖4中所示的余弦波的振幅就 越大。下面，為了確保間隙以使葉片不與塔架碰撞，風車的葉片本來具 有稱為傾角(一般為5°左右)的向上的角。受該傾角的影響，流入風 車的風通常為上揚風。在風速較小的情況下，由于上述風速自身的影響很小，因此，可 以不考慮，但隨著風速的上升，該傾角的影響也加大。用于消除所述 傾角對風的影響的螺距角度修正值顯示了圖5所示的特性。在圖5中，線A為圖4所示的基本螺距角度的波形，線B為用于 消除由傾角產生的影響的修正值的波形，線C為將線B的修正值加到 線A的波形上的螺距角度指令值的波形。這樣，在摸擬中，在使風速上升時所獲得的特性圖表考慮了受上 述傾角影響的上揚風，因此，與圖4所示的特性相比，不僅振幅不同， 而且相位也不同。另外，風向對葉片的負荷變動也有影響。例如，從風車位置面朝向風上側時，如果風從左側吹入，則在方 位角度0。上所接受的風的影響會增加，在方位角度180。上所接受的風 的影響降低。因此，用于消除由所述風向偏差所產生的影響的螺距角度修正值 顯示了圖6中所示的特性。在圖6中，線A為圖4所示的基本螺距角度的波形，線B為用于 消除由風向偏差產生的影響的修正值的波形，線C為將線B的修正值 加到線A的波形上的螺距角度指令值的波形。這樣，在摸擬中，改變風向時所獲得的特性圖表是增減圖4所示 的基本螺距角度振幅的圖表。此外，將風速、風力發電裝置的發電輸出作為固定值，在只改變 空氣密度的情況下，空氣密度越大，葉片負荷變動的影響也就越大。 因此，在模擬中，在改變空氣密度的情況下，能夠空氣密度越大圖4 所示特性的振幅也就越大的特性圖表。圖7顯示了將空氣密度作為變 量時的特性圖表。在圖7中，線A為空氣密度較大時的螺距角度指令 值的波形，線B為空氣密度小時的螺距角度指令值的波形。接著，在使風速、空氣密度定為固定值，僅改變風力發電裝置的 輸出時，如果輸出大于設定值(要求輸出)，則作用于葉片上的空氣 力比按要求輸出值運行時大，另外，還會作用較大的變動空氣力負荷。因此，在輸出大于要求輸出的情況下，能夠獲得加大了圖4所示的基 本螺距角度的振幅的特性圖表。圖8顯示了將風力發電裝置的輸出作為變量時的特性圖表。在圖8中，線A為輸出較大時的螺距角度指令 值的波形，線B為輸出較小時的螺距角度指令值的波形。下面，對上述本實施方式的葉片螺距角度控制裝置的作用進行說明。首先，若指令值獲取部13從方位角度檢測部11獲取方位角度、 從參數檢測部12獲取風速、空氣密度、發電裝置輸出，則從存儲部10 獲得根據取得的風速、空氣密度、發電裝置輸出選定的特性圖表。之后，在獲得的特性圖表中，獲得與從方位角度檢測部ll輸入的 各葉片方位角度對應的螺距角度指令值。由此，能夠獲得分別與第l、第2、第3葉片對應的螺距角度指令值。指令值獲取部13將以此方式取得的螺距角度指令值輸出到螺距 角度控制指令值生成部14。螺距角度控制指令值生成部14通過將從指令值獲取部13輸入的 螺距角度指令值與從通用螺距角度指令值生成部15輸入的基于風力發 電裝置發電輸出的通用螺距角度指令值相加，從而生成與各個葉片對 應的螺距角度控制指令值，并將這些螺距角度控制指令值輸出到對應 各個葉片設置的執行機構。由此，能夠將各個葉片的螺距角度控制為最適合各個時刻風力發 電裝置運行狀況的角度。另外，如果在存儲部10中未存儲與從參數檢測部12輸入的參數 值完全一致的特性圖表，則可以選定與這些參數值最相近的特性圖表。 或者，也可以讀取多個相近的特性圖表并插補這些特性，從而求出螺 距角度指令值。上面，對適用于使用了定速風車的風力發電裝置的葉片螺距角度 控制裝置進行說明。本發明的葉片螺距角度控制裝置也可用于使用了 變速風車的風力發電裝置。下面，對適用于使用了變速風車的風力發電裝置的葉片螺距角度 控制裝置進行說明。在使用變速風車的情況下，根據風力發電裝置的輸出控制轉子的 轉速。通過改變旋轉速度(轉速)，各個葉片的負荷變動也會變化。 因此，在使用變速風車的情況下，作為上述參數，必須也考慮轉子的 轉速。具體地說，在圖1所示的葉片螺距角度控制裝置的結構中，作 為輸入指令值獲取部13的參數，要加上轉子轉速，并且在存儲部10 中存儲也考慮了轉子轉速的特性圖表。之后，指令值獲取部13從存儲部IO獲取根據輸入的風速、空氣密度、發電裝置輸出、轉子轉速而選定的特性圖表。在取得的特性圖 表中，獲取與從方位角度檢測部ll輸入的各個葉片方位角度對應的螺 距角度指令值。之后，將這些螺距角度指令值分別輸出到螺距角度控制指令值生成部14。之后的處理與上述第一實施方式相同。雖然通過上述葉片螺距角度控制裝置可以極度減小在葉片中產生 的負荷變動，但依然會產生一些輸出變動。該輸出變動顯著出現在與 葉片數量相應的頻帶中。因此，可以通過求出用于除去這種顯著出現 的輸出變動的螺距角度，并將其反映到葉片螺距角度控制指令值中， 以此進一步減小輸出變動。因此，在本實施方式中，在圖1所示的葉片螺距角度控制裝置中 追加了具有以下功能的輸出變動除去裝置。圖9顯示了使用定速風車時適用的輸出變動除去裝置的結構。 如圖9所示，輸出變動除去裝置設有頻率解析部(頻率成分提取裝置)21、控制算法部(計算裝置)22，逆頻率解析部(計算裝置) 23以及計算部24。頻率解析部21從風力發電裝置的輸出中提取與葉片數量整數倍 相當的頻率成分，并且輸出提取的頻率成分。例如，在使用具有3個 葉片的風車時，抽出3N成分(N-整數)。控制算法部22可以將從頻率解析部21輸出的頻率成分和通過圖 1所示的方位角度檢測部U檢測的方位角度作為輸入信號而得到，并 根據規定算法對這些信息進行計算，由此，計算出頻率區域的變動螺 距角度厶8 并將其輸出。逆頻率解析部23可以將通過控制算法部22計算的變動螺距角度 △ 9 (")作為輸入信號而得到，并對其進行逆頻率解析以計算出時 間區域的變動螺距角度A6 ( t )并輸出。計算部24可以將通過逆頻率分析部23計算的時間區域的變動螺 距角度厶9 ( t )和由通用螺距角度指令值生成部15 (參照圖1)輸 出的通用螺距角度指令值作為輸入信號而得到，并它們相加，由此對 通用螺距角度指令值進行微調，將微調后的通用螺距角度指令值輸出 到螺距角度控制指令值生成部14 (參照圖1)。這樣，通過頻率分析部21從風力發電裝置的輸出中提取對各個葉片的負荷變動有顯著影響的頻率成分，通過控制算法部22及逆頻率分析部23求出可除去該頻率成分的螺距角度，計算部24再將從逆頻率 解析部23輸出的變動螺距角度反映到通用螺距角度指令值中。由此，能夠僅準確除去顯著的輸出變動，從而可以保持穩定的發 電輸出。此外，在使用變速風車的情況下，在圖9所示的輸出變動除去裝 置中，作為輸入信號，輸入轉子轉速。即，為了在變速風車中通過轉 子轉速控制輸出，可以變為輸出進行轉子轉速的頻率解析，從而求出 變動螺距角度A6 (t)。由此，對于變速風車而言，也能夠進行更 高精度的葉片螺距角度的控制。上面，雖然參照附圖對本發明第一實施方式的葉片螺距角度控制 裝置進行了詳細說明，但是具體的結構不應局限于該實施方式，其還 包括不脫離本發明宗旨范圍內的設計變動。例如，各種參數并不限于上述風速、空氣密度、風力發電裝置的 輸出、轉子速度(轉速)，還包括進行風力發電時對輸出等有影響的 任何參數。此外，也可以使用考慮了這些參數中所有參數變動的螺距角度， 或者可以進行僅考慮這些參數的一部分(例如僅考慮風速)的螺距角 度的控制。此外，參數也不限于同步檢測得到的參數，例如，風速與方位角 度可以按預定的間隔檢測，而隨時間變化小的空氣密度等，其檢測間 隔可以比風速、方位角度的間隔長。第二實施方式下面，對本發明第二實施方式的葉片螺距角度控制裝置進行說明。圖IO為框圖，其顯示了適用于使用了變速風車的風力發電裝置的 葉片螺距角度控制裝置的結構。如圖IO所示，本實施方式的葉片螺距角度控制裝置設有負荷測量 部(負荷測量裝置)30、頻率解析部(計算裝置)31、調整螺距角度生成部(調整螺距角度指令值生成裝置)32、螺距角度控制指令值生 成部(螺距角度控制指令值生成裝置)36以及通用螺距角度指令值生 成部15。負荷測量部30按規定的方位角度(例如，每6°)分別測量作用 于各個葉片的負荷，并將測量結果作為電信號輸出。例如，該負荷測量部30具有方位角度測量器(方位角度測量裝 置)，以規定的時間間隔測量各個葉片方位角度；觸發發生電路(觸 發發生裝置)，在方位角度測量器的測量結果與預定的方位角度(例 如，6的倍數的角度) 一致時產生觸發信號；以及傳感器(測量裝置)， 根據觸發發生電路的觸發信號測量負荷。此處，測量負荷的傳感器可 以是安裝于葉片根部或風車各部分上的應變計，測力計、光纖傳感器 等。頻率解析部31可以將以規定方位角度從負荷測量部30測量的測 量值(負荷)作為輸入信號而得到，并根據該測量值，求出負荷作用 于葉片的周期性變動。具體地說，通過在確保旋轉一圈的測量值時， 使用以下所示的計算式(1.1) 、 (1.2)，來求出負荷的方位角度特性。 能夠通過負荷的余弦成分Zic和正弦成分Zis表示該方位角度特性。[數學式1]K,丄二^2>("證)—麼)[數學式2](z丄4|>("證)一證)在上述(1.1) 、 (1.2)式中，i表示葉片編號，在有3個葉片的情 況下，i=l、 2、 3。 N是對應考慮的負荷變動的周期改變的整數值，其 意味著如果r^3，則表示考慮了在轉子旋轉一圈時變動3次的負荷。 K為在方位角度0°至360°中進行測量的次數，例如，在轉子5旋轉一 圈時進行12次負荷測量時，"K=12" 。 AW為360。除以K的值。zi(nkAW)是作為來自負荷測量部30的輸入信號的各個方位角度 中的負荷測量值。接著，調整螺距角度指令值生成部32將頻率分析部31的解析結 果作為輸入信息而得到，根據該解析結果，對每一葉片分別生成用于 減小負荷變動的調整螺距角度指令值。該調整螺距角度指令值生成部 32具有調整指令值計算部33和逆頻率分析部34。調整指令值計算部33將通過頻率分析部31求出的負荷變動的余 弦成分Zic與正弦成分Zis作為輸入信號而得到，并通過規定的傳遞函 數計算該輸入信號Zic、 Zis，從而分別對各個葉片求出用于消除周期性 出現的顯著負荷變動的調整指令值edem。此處，求出的調整指令值e idem、 92dem、 8 3dem為頻率區域上的值。此外，作為求出調整指令值計算部33使用的傳遞函數的方法，可 采用通過假定各種負荷變動而進行摸擬，并分析該摸擬結果來獲得最 佳調整指令值，再從該結果求出傳遞函數的方法等。(1.1)(1.2)或者，也可以根據風車的運行狀況設定多個傳遞函數，再根據風 車的運行狀況選定最佳傳遞函數來使用。由此，能夠求出較為適合的 調整指令值。接著，逆頻率解析部34將作為通過調整指令值計算部33求出的頻率區域上的值的調整指令值e idem、 92dem、 0 3dem變換為時間區 域上的值。艮P，該調整指令值原本是根據負荷測量部30以規定方位角度所測 量的負荷求出的值。因此，頻率解析部31、調整指令值計算部33所處 理的信息成為隨角度變化的特性或者調整指令值。另一方面，由于后面所述的通過通用螺距角度指令值生成部15求 出的通用螺距角度指令值是隨時間變動的指令值，即時間軸上的指令 值，因此，必須對這些指令值進行整合。因此，逆頻率解析部34使用當前的方位角度信息和規定的函數， 將調整指令值e!dem、 62dem、 e 3dem轉換為時間區域上的值e , (t)、e 2 (t) 、 e 3 (t)。之后，將轉換后的調整指令值0i (t) 、 e2 (t) 、 e3 (t)作為調整螺距角度指令值，傳遞到螺距角度控制指令值生成部36。在螺距角度控制指令值生成部36中，從調整螺距角度指令值生成 部32輸入用于減小負荷變動的調整螺距角度指令值，從通用螺距角度 指令值生成部15輸入作為用于使當前輸出與目標值一致的反饋控制量 的通用螺距角度指令值。該通用螺距角度指令值是各個葉片通用的指 令值。螺距角度控制指令值生成部36通過將輸入的通用螺距角度指令值與各個葉片的調整螺距角度指令值0i (t) 、 e2 (t) 、 e3 (t)分別相加，生成用于對各個葉片的螺距角度進行單獨控制的螺距角度控制指令值，并將各螺距角度控制指令值輸出到用于控制各個葉片的螺距 角度的執行機構。由此，通過執行機構，根據控制指令值控制各個葉片螺距角度。如上所述，本實施方式的葉片螺距角度控制裝置可獲得以下效果。第l，由于不管葉片的旋轉速度如何，負荷測量部30均以規定的 方位角度測量負荷，因此，其優點是不僅適用于定速風車，也適用于 葉片旋轉速度隨運行狀況變化的變速風車。第2，負荷測量部30以規定的方位角度測量作用于各個葉片上的 負荷，頻率解析部31分析周期性負荷的變動特性，根據該分析結果， 調整螺距角度指令值生成部32求出用于消除該負荷變動的調整螺距角 度指令值，螺距角度控制指令值生成部36將該調整螺距角度指令值反 映到各個葉片螺距角度的控制中。由此，能夠減小周期性顯著出現的 負荷變動。第3，由于著眼于周期性顯著出現的葉片負荷變動，并且以減少 該周期性的負荷變動為目的，因此，即使由反饋控制造成時間延遲， 仍能夠以高精度除去負荷變動。由此，與減少瞬時出現的負荷變動的 以往的螺距角度控制相比，能夠通過大大簡化的處理有效地減小負荷 變動。結果，能夠將各個葉片控制為最佳的螺距角度，從而延長了葉 片及構成風車的機械零件的壽命。第4，由于負荷測量部30由以規定的時間間隔測量各葉片方位角 度的方位角度測量器、在測量結果與預定的方位角度一致時產生觸發 信號的觸發發生器、以及根據觸發信號測量負荷的傳感器構成，因此， 易于實現負荷測量器30。此外，例如，負荷測量器30也可以由在方位 角度達到預定角度時產生觸發的編碼器和根據上述觸發來測量負荷的傳感器構成。由于這些編碼器和傳感器是眾所周知的機構，因此，能 夠以簡單的方式實現負荷測量裝置。上面，參照附圖對本發明的第二實施方式進行了詳細說明，具體 的結構并不局限于該實施方式，還包括在不脫離本發明主旨的范圍內 的設計變形等。第1，代替上述實施方式的負荷測量部30，也可以采用用于測量 葉片加速度的加速度測量部，測量規定方位角度中的葉片加速度，并 計算出用于降低該加速度的最佳螺距角度。由此，能夠降低葉片或者 構成風車的機械零件的加速度。此外，由于具有在承受負荷變動時， 葉片及構成風車的機械零件會發生振動而產生加速度這一關聯關系， 因此，通過以上述方式降低加速度，也可以相應地減小負荷變動。第2，在上述實施方式中，雖然對適用于變速風車的情況進行了 說明，但是，本實施方式的葉片螺距角度控制裝置也適用于使用了定 速風車的風力發電裝置。對于定速風車而言，在通用螺距角度指令值 生成部15中輸入的信息不是發電機的旋轉速度，而變成發電機的輸出， 通用螺距角度指令值是使發電機輸出與目標值一致的指令值。第3，也可以采用這樣的結構，即通過一臺計算機裝置來實現上述頻率解析部31、調整指令值計算部33、逆頻率解析部34、通用螺 距角度指令值生成部15、螺距角度控制指令值生成部36各部分分別進 行的處理內容。這種結構能夠將用于實現各部功能的程序存儲在電腦 可讀取的存儲介質中，并將記錄在該存儲基質中的程序讀入電腦系統 中執行，從而進行處理。
權利要求
1. 一種葉片螺距角度控制裝置，在具有多個葉片的風力發電裝置中使用，其中，具有負荷測量裝置，用于以規定的方位角度測量所述葉片或構成風車的機械零件上的負荷；調整螺距角度指令值生成裝置，對所述每個葉片分別生成用于減小由所述負荷測量裝置測量的負荷的調整螺距角度指令值；以及螺距角度控制指令值生成裝置，將對所述每個葉片生成的所述調整螺距角度指令值反映到用于對所述葉片進行相同控制的通用螺距角度指令值中，從而對所述每個葉片生成螺距角度控制指令值。
2. 根據權利要求l所述的葉片螺距角度控制裝置，其中，所述負 荷測量裝置具有-方位角度測量裝置，以規定時間間隔測量各個葉片的方位角度； 觸發發生裝置，在測量結果與規定的方位角度一致時產生觸發信 號；以及測量裝置，根據所述觸發信號測量負荷。
3. 根據權利要求l所述的葉片螺距角度控制裝置，其中，所述負荷測量裝置具有在方位角度到達預定角度時產生觸發的編碼器、和根 據所述觸發測量負荷的測量裝置。
4. 一種螺距角度控制裝置，在具有多個葉片的風力發電裝置中使 用，其中，具有負荷測量裝置，用于以規定的方位角度分別測量作用于所述葉片 或構成風車的機械零件上的負荷；計算裝置，根據由所述負荷測量裝置測量的測量值求出所述負荷 周期性變動；調整螺距角度指令值生成裝置，根據所述計算裝置的計 算結果對所述每個葉片分別生成用于減小負荷變動的調整螺距角度指令值；以及螺距角度控制指令值生成裝置，將對所述每個葉片生成的所述調 整螺距角度指令值反映到用于對所述葉片進行相同控制的通用螺距角 度指令值中，從而對所述每個葉片生成螺距角度控制指令值。
5. —種風力發電裝置，具有多個葉片，其中，具有葉片螺距角度控制裝置，該葉片螺距角度控制裝置具有負荷測量裝置，用于以規定的方位角度測量所述葉片或構成風車 的機械零件上的負荷；調整螺距角度指令值生成裝置，對所述每個葉片分別生成用于減小由所述負荷測量裝置測量的負荷的調整螺距角度指令值；以及螺距角度控制指令值生成裝置，將對所述每個葉片生成的所述調 整螺距角度指令值反映到用于對所述葉片進行相同控制的通用螺距角 度指令值中，從而對所述每個葉片生成螺距角度控制指令值。
全文摘要
本發明提供葉片螺距角度控制裝置及風力發電裝置。一種葉片螺距角度控制裝置，具有存儲部(10)，用于使影響葉片負荷變動的預定參數、方位角度以及螺距角度指令值建立關聯而予以存儲；方位角度檢測部(11)，用于檢測每個葉片的方位角度；預定參數檢測部(12)，用于檢測預定參數；指令值獲取部(13)，對每個葉片分別從存儲部(10)獲取螺距角度指令值，該螺距角度指令值，根據由方位角度檢測部(11)檢測的每個葉片的方位角度和由預定參數檢測部(12)檢測的預定參數而選定；和螺距角度控制指令值生成部(14)，根據螺距角度指令值和通用螺距角度指令值，生成用于對葉片的螺距角度進行單獨控制的螺距角度控制指令值。
文檔編號F03D9/00GK101270724SQ20081008375
公開日2008年9月24日 申請日期2004年9月9日 優先權日2003年9月10日
發明者井手和成, 林義之, 柴田昌明 申請人:三菱重工業株式會社