专利名称：风力发电装置及其主动式减振方法以及风车塔架的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可抑制由风速的变动引起的振动的风力发电装置及其主动式减振方法以及风车塔架，尤其涉及一种并不伴随机舱重量的增大，能够以低成本减少风力发电装置或风车塔架振动的风力发电装置及其主动式减振方法以及风车塔架。
背景技术：
风力发电装置通常采用在数十米高的圆筒形塔架的上部设置翼、加速器及发电机等重物的结构，由风速的变动引起的振动极大。此种振动使结构件的疲劳负载增大，缩短风车塔架的寿命。
近年来，风力发电装置出现大型化的趋势，随着装置的大型化，由风速变动引起的振动的影响越来越明显，风力发电装置或风车塔架的减振已成为必须解决的技术课题。
另一方面，大楼之类的高层建筑物为了改善强风时的居住性，主动式减振技术已达到实用化。提出的方案有多种，但大多数采用AMD(Active Mass Damper，主动式重物减振)为代表的、用马达等致动器驱动设置在结构件上部的重物(mass)，来吸收结构件主体振动的方式。
但是，若想将上述高层建筑等处已实用化的主动式减振技术(AMD)直接应用于风车发电装置或风车塔架时，还存在下述问题。
首先，要想获得足够的减振效果，需有相当大的重物(mass)，与此同时，为了驱动该相当大的重物，必须准备大容量的致动器。因此，机舱重量大幅度增加。
第2，由于位于风车塔架上部的机舱重量增加，必须相应增加支撑该机舱的风车塔架的强度。由于必须大幅度增加此种风车塔架及其它构成要素的强度，因而最终使风力发电装置及风车塔架的整体成本增大。
第3、由于需有驱动重物(mass)的致动器，驱动位置增加，因而维护成本也增大。
因此，例如，在特开2001-221145号公报(专利文献1)中公开了针对上述课题，通过设置无源主动式倾角副翼(passive pitch-flap)机构，抑制风车塔架振动的技术。
专利文献1特开2001-221145号公报发明内容然而由于在上述专利文献1的发明中最终采用的仍然是利用机械性机构减少风车塔架振动的方法，因而与现有的AMD并无区别，导致机舱重量的增大。此外，由于具有多个结构件，因而也存在机舱大型化，及成本提高的问题。
本发明正是为了解决上述问题而提出来的，其目的在于提供一种并不伴随机舱重量的增大，能够以低成本减少振动的风力发电装置及其主动式减振方法以及风车塔架。
为了解决上述课题，本发明采用下述装置。
本发明提供的是一种具有根据翼倾角指令控制风车叶片倾角的倾角控制机构的风力发电装置，其具有加速度计，安装在机舱内，检测该机舱振动的加速度；和主动式减振装置，根据前述加速度计检测出的加速度，计算出用来使前述风车叶片上产生消除前述机舱振动的推力的该风车叶片的倾角，将翼倾角指令输出到前述倾角控制机构。
根据本发明，利用安装在机舱内的加速度计检测该机舱振动的加速度，在主动式减振装置中，根据该加速度计算出用来使风车叶片上产生消除机舱振动的推力的该风车叶片的倾角，将其作为翼倾角指令输出到倾角控制机构，控制风车叶片的倾角。在此情况下，作用于风车叶片上的阻力在机舱的前后方向上作为推力起作用，由于其大小因风速和风车叶片的倾角而变化，因而若按照预定的控制规则控制倾角，则可在某种程度上控制机舱前后方向上的振动。
此外，本发明提供一种风力发电装置，具有根据翼倾角指令控制风车叶片倾角的倾角控制机构，具有加速度计，安装在机舱内，检测该机舱振动的加速度；主动式减振装置，根据前述加速度计检测出的加速度，计算出用来使前述风车叶片上产生消除前述机舱振动的推力的该风车叶片的倾角，输出减振用翼倾角指令；倾角控制装置，根据风速、风车转子的转速，或该风力发电装置的输出，计算出用来使该风力发电装置的输出达到预定值的前述风车叶片的倾角，将输出控制用翼倾角指令输出；和加法装置，向前述倾角控制机构提供使来自前述倾角控制装置的输出控制用翼倾角指令与来自前述主动式减振装置的减振用翼倾角指令重叠后的翼倾角指令。
根据本发明，利用安装在机舱内的加速度计检测该机舱振动的加速度，在主动式减振装置中，根据该加速度，计算出用来使风车叶片上产生消除机舱振动的推力的该风车叶片的倾角，作为减振用翼倾角指令输出，而在倾角控制装置中，计算出用于使输出达到预定值的风车叶片的倾角，作为输出控制用翼倾角指令输出，利用加法装置使输出控制用翼倾角指令与减振用翼倾角指令重叠，根据该重叠后的倾角指令控制风车叶片的倾角。
在此，由于为了控制输出而进行倾角控制是早已被广泛采用的技术，因而只要在现有的风力发电装置上附加安装加速度计、主动式减振装置以及加法装置就能实现本发明。因此可大幅度降低主动式减振控制的应用与运作成本，能以低成本实现风力发电装置的减振。此外，由于通过使减振用翼倾角指令与输出控制用翼倾角指令重叠，进行倾角控制，因而可同时实现输出控制及减振控制。
此外，在本发明的风力发电装置中，前述主动式减振装置优选具有速度推算装置，根据前述加速度计检测出的加速度，推算速度；和控制装置，根据前述速度推算装置输出的速度，计算出用来使前述风车叶片上产生消除前述机舱振动的推力的该风车叶片的倾角。
根据本发明，在主动式减振装置中，速度推算装置根据加速度计检测的加速度，推算速度。而控制装置根据推算出的速度计算用来使风车叶片上产生消除机舱振动的推力的该风车叶片的倾角。
这样一来，由于可用速度推算装置及控制装置这种简单的结构实现主动式减振装置，因而能以低成本实现风力发电装置的减振。
在本发明的风力发电装置中，前述速度推算装置优选对前述加速度计检测出的加速度进行积分，计算速度。
这样一来，由于速度推算装置对加速度计检测出的加速度进行积分而求出速度，因而可去除高频段的噪声。由此，后续的控制装置可以进行稳定而有效的减振控制。
在本发明的风力发电装置中，前述控制装置优选具有使前述速度推算装置输出的速度相位提前预定量的相位超前补偿装置，根据该相位超前补偿后的速度，计算前述倾角。
并且，前述控制装置优选具有使前述相位超前补偿装置输出的速度相位滞后预定量的相位滞后补偿装置，根据该相位滞后补偿后的速度，计算前述倾角。
根据本发明，根据该相位滞后补偿后的速度，计算倾角，因此可以补偿加速度计输出的相位滞后，并可以减少高频段的噪声，因而可进行稳定而有效的减振控制。
在本发明的风力发电装置中，前述控制装置优选具有将前述速度推算装置推算的速度作为输入的比例控制器、比例积分控制器、比例积分微分控制器、线性二次调节器、以及线性二次高斯调节器中的任意一种，计算前述倾角。
通过这样构成控制装置，可进行稳定而有效的减振控制。
在本发明的风力发电装置中，前述主动式减振装置优选具有将前述风车叶片的倾角或前述风车叶片倾角的角速度限制在预定范围内的限制装置。
根据本发明，由于主动式减振装置，例如主动式减振装置中具有的的控制装置具有将风车叶片的倾角或风车叶片倾角的角速度(变化率)限制在预定范围内的限制装置而构成，因此可减少倾角控制机构的疲劳，还可防止因参数设定错误等引起的问题。
并且，当把减振用翼倾角指令限制在比输出控制用翼倾角指令小很多范围内的情况下，可减轻或防止由两种指令值干扰造成的影响。
本发明提供一种风力发电装置的主动式减振方法，上述风力发电装置具有根据翼倾角指令控制风车叶片倾角的倾角控制机构、以及安装在机舱内，检测该机舱振动的加速度的加速度计，上述风力发电装置的主动式减振方法具有根据该加速度计检测的加速度，计算出用来使前述风车叶片上产生消除机舱振动的推力的该风车叶片的倾角，将翼倾角指令输出到前述倾角控制机构的主动式减振步骤。
根据本发明，利用安装在机舱内的加速度计检测该机舱振动的加速度，在主动式减振步骤中，根据该加速度，计算出用来使风车叶片上产生消除机舱振动的推力的该风车叶片的倾角，将此作为翼倾角指令输出给倾角控制机构，控制风车叶片的倾角。如上所述，由于能用加速度计以及倾角控制机构的硬件和主动式减振步骤的软件实现，因而可大幅度降低主动式减振控制的应用和运作成本，以低成本实现风力发电装置的减振。
本发明提供一种风力发电装置的主动式减振方法，上述风力发电装置具有根据翼倾角指令控制风车叶片倾角的倾角控制机构、以及安装在机舱内，检测该机舱振动的加速度的加速度计，上述风力发电装置的主动式减振方法具有下述步骤根据该加速度计检测的加速度，计算出用来使前述风车叶片上产生消除机舱振动的推力的该风车叶片的倾角，输出减振用翼倾角指令的主动式减振步骤；根据风速、风车转子的转速或该风力发电装置的输出，计算用来使该风力发电装置的输出达到预定值的前述风车叶片的倾角，将输出控制用翼倾角指令输出的倾角控制步骤；和向前述倾角控制机构提供用来使前述倾角控制步骤中的输出控制用翼倾角指令与前述主动式减振步骤中的减振用翼倾角指令重叠的翼倾角指令的加法步骤。
根据本发明，利用安装在机舱内的加速度计检测该机舱的振动，在主动式减振步骤中，根据该加速度计算出用来使风车叶片上产生消除机舱振动的推力的该风车叶片的倾角，作为减振用翼倾角指令输出，而在倾角控制步骤中，计算出用来使输出达到预定值的风车叶片的倾角，将输出控制用翼倾角指令输出，通过加法步骤使输出控制用翼倾角指令与减振用翼倾角指令重叠，根据该重叠后的翼倾角指令，控制风车叶片的倾角。由于为了控制输出而控制倾角是早已被广泛采用的技术，因而只要在风力发电装置现有的控制软件上附加主动式减振步骤以及加法步骤就可实现本发明。
如上所述，由于通过安装加速度计和附加软件即可实现，因而可大幅度降低主动式减振控制的应用与运作成本，可以以低成本实现风力发电装置的减振。此外，由于通过使减振用翼倾角指令与输出控制用翼倾角指令重叠来进行倾角控制，因而可同时实现输出控制及减振控制。
在本发明的风力发电装置的主动式减振方法中，前述主动式减振步骤优选具有根据前述加速度计检测出的加速度推算速度的速度推算步骤；以及根据前述速度推算步骤推算的速度，计算用来使前述风车叶片上产生消除前述机舱振动的推力的该风车叶片的倾角的控制步骤。
根据本发明，在主动式减振步骤中，利用速度推算步骤，根据加速度计检测出的加速度，求出速度，利用控制步骤，根据该速度计算用来使风车叶片上产生消除机舱振动的推力的该风车叶片的倾角。如上所述，由于可利用速度推算步骤及控制步骤这种简单结构实现主动式减振步骤，因而能以低成本实现风力发电装置的减振。
在本发明的风力发电装置的主动式减振方法中，前述速度推算步骤优选对前述加速度计检测出的加速度积分，计算速度。
由于可通过速度推算步骤去除高频段的噪声，因而作为主动式减振步骤，可进行稳定而有效的减振控制。
在本发明的风力发电装置的主动式减振方法中，前述控制步骤优选具有使前述速度推算步骤输出的速度相位提前预定量的相位超前补偿步骤，根据该相位超前补偿后的速度，计算前述倾角。
在本发明的风力发电装置的主动式减振方法中，前述控制步骤优选具有使前述相位超前补偿步骤输出的速度相位滞后预定量的相位滞后补偿步骤，根据该相位滞后补偿后的速度，计算前述倾角。
根据本发明，控制步骤中具有使速度推算步骤输出的速度相位提前预定量的相位超前补偿步骤，控制步骤中具有使相位超前补偿步骤输出的速度相位滞后预定量的相位滞后补偿步骤，根据该相位滞后补偿后的速度，计算倾角。这样一样，由于可以补偿加速度计输出的相位滞后，并可以减少高频段的噪声，因而可进行稳定而有效的减振控制。
在本发明的风力发电装置的主动式减振方法中，前述控制步骤优选具有对于前述速度推算步骤推算出的速度，使用比例控制、比例积分控制、比例积分微分控制、线性二次调节器的控制，以及线性二次高斯调节器的控制中的任意一种控制的补偿步骤，根据前述补偿后的速度，计算前述倾角。
由此即可进行稳定而有效的减振控制。
在本发明的风力发电装置的主动式减振方法中，前述主动式减振步骤优选具有将前述风车叶片的倾角或前述风车叶片倾角的角速度限制在预定范围内的限制步骤。
根据本发明，可以降低倾角控制机构的疲劳，还可以防止因参数设定错误等引起的问题，并且，当把减振用翼倾角指令限制在比输出控制用翼倾角指令小很多的范围内的情况下，可减轻或防止因两种指令值的干涉造成的影响。
本发明的风力发电装置适合应用于风车塔架。
通过将本发明的风力发电装置用于风车塔架，可大幅度降低主动式减振的应用和运作成本，能以低成本实现风车塔架的减振。此外，由于不使用现有的AMD等重物及该重物用的致动器，因而并不伴随机舱重量的增大，也不必提高风车塔架的强度，能以低成本实现。
根据本发明的风力发电装置，不必使用现有的AMD等的重物及该重物用的致动器，利用加速度计、主动式减振器以及倾角控制机构即可抑制振动。这样一来，可大幅度降低主动式减振控制的应用与运作成本，具有能够以低成本实现风力发电装置减振的效果。
图1是本发明的一种实施方式的风力发电装置的结构图。
图2是用于说明作用于风车叶片上的力的说明图。
图3是举例说明相对于风速变化，推力和倾角关系的说明图。
图4中的图4(a)是风车塔架的示意图，图4(b)是将风车塔架作为机械振动系统进行模型化时的说明图。
图5是本发明的一种实施方式中的主动式减速振控制系统的方框图。
图6是举例说明主动式减振器的控制器结构的方框图。
图7是举例说明图6所示的限制器的控制内容的流程图。
图8是举例说明图6所示的限制器的控制内容的流程图。
图9是将主动式减振控制系统组装入输出控制系统时的控制系统的方框图。
图10是说明风力发电装置的输出及风速间的特性的说明图。
图11是举例说明有无主动式减振器的主动式减振时，塔架系统中的振动振幅的频率特性的说明图。
具体实施例方式
下面参照附图详细说明本发明的风力发电装置及其主动式减振方法以及风车塔架的实施方式。
图1是本发明的一种实施方式的风力发电装置的结构图。在该图中，本实施方式的风力发电装置通过配置风力发电装置的机械性部分10、主动式减振器20、倾角控制器30以及减法器40而构成。首先，简要说明本实施方式的风力发电装置中的各种构成要素。
风力发电装置的机械部分10将风车转子11、风车叶片12，机舱13、以及风速计16作为主要构成要素。上述机舱13具有加速机14、发电机15以及加速度计17。
在该风力发电装置的机械部分10中，安装在风车转子11上的多个风车叶片12接受风能，与风车转子11一起旋转，由加速机14加速后，通过驱动发电机15进行发电，将风能转换为电能。图1中采用配置了加速机14的结构，但也可以是不用加速机14的直接驱动方式。
作为本实施方式的风力发电装置的特征的加速度计17设置在机舱13内部靠近塔架中心部的位置上，检测机舱13前后方向的振动的加速度。
此外，倾角控制器30根据风速计16测定的风速v、风车转子11的转速N或该风力发电装置的输出P，计算出用来使该风力发电装置的输出P达到预定值的风车叶片12的倾角，将其作为输出控制用翼倾角指令θ*输出。采用该倾角控制的输出控制至令为止一直在进行，本实施方式的倾角控制器30也与现有的装置相同。
此外，主动式减振器20根据加速度计17检测出的加速度，计算出用来使风车叶片上产生消除机舱13的振动的推力的该风车叶片12的倾角，将此作为减振用翼倾角δθ*输出。
并且，减法器(加法器)40使来自倾角控制器30的输出控制用翼倾角指令θ*与来自主动式减振器20的减振用翼倾角指令δθ*重叠，将其作为翼倾角指令提供给倾角控制机构。此处的倾角控制机构(未图示)是根据翼倾角指令控制风车叶片12的倾角的装置，其结构等与现有的装置相同。
下面详细说明主动式减振器20的具体结构，以及利用主动式减振器20减少风力发电装置以及风车塔架振动的主动式减振方法。
首先，参照图2及图3，说明主动式减振方法的基本思路。图2表示从风车叶片12(参照图1)的前端部向根部观察时的风车叶片12的截面，是用来说明作用于风车叶片12上的力的说明图。并且，在该图中，风车叶片的旋转方向为从右到左，将风力发电装置或风车塔架的振动方向设定为上下(x)方向。此外，图3是举例说明从6m/s到24m/s的风速v分别与推力和倾角的关系的说明图。
如图2所示，在风车运转期间，提升力L和阻力D作用于风车叶片。阻力D作为推力作用于风车塔架的机舱13(参照图1)的前后方向。另一方面，如图3所示，推力的大小因风速和倾角而改变。因此，如果以某种控制规则控制倾角，使风车塔架的机舱13的前后方向上的推力发生改变，就有可能在某种程度上控制风车塔架的机舱13在前后方向上的振动。本发明正是着眼于此点，下面说明该倾角的控制方法。
图4(a)是风车塔架的示意图，图4(b)是将风车塔架作为机械振动系统进行模型化时的说明图。也就是说，在图4(a)中，示意性地表示通过在风车塔架的机舱3内设置加速度计17，检测位移x的加速度(d2x/dt2)。此外，正如图4(b)所示，风车塔架可用质量m的物体、弹簧常数k的弹簧、以及粘性阻力c的减震器进行模型化。
在该机械振动系统中，若将从平衡状态开始的位移设为x，则物体振动的方程式为式(1)mx··+cx·+kx=f+Δf---(1)]]>此处的f+Δf是作用于物体的力，Δf是通过主动式减振器20的倾角控制动作附加性地施加的力。
若将式(1)变形则可获得式(2)。
x··+cmx·+kmx=1m(f+Δf)---(2)]]>此处若将系统的固有振动频率ωn以及衰减率ξ按下述设置，改写式(2)，则可获得式(5)ωn＝(k/m)1/2(3)ζ＝c/2(mk)1/2(4) 此外，若将式(5)进行拉普拉斯变换，则可获得式(6)。
s2X(s)+2ζωnsX(s)+ωn2X(s)＝(1/m)F(s)(6)根据式(6)，系统的传递函数G(s)可用式(7)给出。
G(s)＝X(s)/F(s)＝(1/m)/(s2+2ζωns+ωn2) (7)在式(7)这种二次频率应答特性中，根据式(3)、(4)可知，虽然可以利用质量m及弹簧常数k的变化改变系统的固有振动频率ωn，但对于衰减率ξ，较之质量m及弹簧常数k的变化的影响，粘性阻力c的变化的影响更大。
另一方面，在式(1)中，可通过将附加性地施加的力Δf设置为例如Δf=-Dpx·---(8)]]>从而式(1)可改写为式(9)。
mx··+(C+Dp)x·+kx=f---(9)]]>也就是说，通过将由主动式减振器20的倾角控制动作附加性地施加的力Δf设定为式(8)，即可通过增加式(9)的一次项中的+Dp部分，将衰减率ξ改变为更大的值，进一步加快振动衰减，还可在频率应答特性中进一步抑制固有振动频率ωn的增益的峰值，抑制振动振幅。
根据以上说明的主动式减振方法的基本思路，下面详细说明用于主动式减振控制的具体结构及其动作。图5中示出本实施方式中的主动式减振控制系统的方框图。
在图5中，标号51是根据减法器40输出的翼倾角指令，驱动风车叶片12，控制倾角的倾角致动器。倾角致动器51具体而言可通过油压汽缸或电动马达等实现，但此处从机械振动系统的角度考虑，以一次滞后系统进行模型化。
此外，标号52是计算风车运转期间作用于风车叶片上的推力的叶片系统。如图2所示，由于风车塔架的机舱13的前后方向上的推力是提升力L及阻力D的前后方向成分之和，因而用加法器54将其相加后输出。此外，关于阻力D引起的推力，在风车叶片12的倾角和推力之间具有图3所示的特性。因此，推力可看作与倾角成反比例，可通过将基于可用其直线近似获得的斜率的Kb作为增益的放大器53求出。
标号55是将风车塔架作为机械振动系统进行模型化的塔架系统。传递函数用式(7)求出，但在主动式减振系统中，由于用加速度计17检测出加速度(d2x/dt2)后乘以反馈，因而用式(7)乘以S2后的传递函数来进行模型化。而该模型是只有一次振动模式的模型。
上述倾角致动器51、叶片系统52以及塔架系统55虽是现有的风力发电装置具有的结构，但本实施方式中构成为在其中附加了检测作为塔架系统55的输出的加速度的加速度计17、生成用来使风车塔架的机舱13的前后方向上的推力改变的减振用翼倾角指令δθ*的主动式减振器20，以及为了使从主动式减振器20获得的减振用翼倾角指令δθ*与从倾角控制器30输出的输出控制用翼倾角指令重叠而进行δθ*-θ*运算的减法器40，构成反馈环。
加速度计17因在输出中有相位滞后，因而以1次滞后系统进行模型化。此外，在主动式减振器20中，如式(8)中设定的那样，将速度(dx/dt)乘以Dp的结果作为通过主动式减振器20的倾角控制动作附加性地施加的力，因而构成为具有对加速度进行积分后求取速度的积分器21，以及具有传递函数Gc(s)的控制器22。
也就是说，通过设置在机舱13内部的加速度计17，测量机舱13前后方向上的加速度(1次振动模式)，将该测量出的加速度输入主动式减振器20，利用积分器21进行的积分运算，计算出机舱13前后方向上的速度。在主动式减振器20的控制器22中，根据计算出的速度，计算用来获得减振效果的减振用翼倾角指令δθ*。由主动式减振器20求出的减振用翼倾角指令δθ*可通过减法器40重叠到由倾角控制器30(参照图1)求出的输出控制用翼倾角指令θ*上。在倾角致动器51中，根据该重叠后的翼倾角指令，驱动风车叶片12，控制倾角角度。通过该倾角角度控制，控制该风力发电装置的输出，并且，与倾角相对应的推力还起到抑制风车塔架的机舱13前后方向上的振动的作用，具有加速振动衰减的功能。
如上所述，在本实施方式中，可通过将减振用翼倾角指令δθ*重叠到输出控制用翼倾角指令θ*上，同时实现输出控制以及减振控制。而计算速度的积分器21并非只进行积分运算，由于其具有相对抑制高频段，加强低频段的频率特性，因而还具有削减高频段的噪声的功用。
而积分器的结构并不局限于完全积分(1/s)，也可以是具有与此相同功能的滤波器(例如1次滞后要素等)或适当的状态推算器(同一及最小次元观测器及卡尔曼滤波器(Kalman filter))等。
下面参照图6(a)及图6(b)说明主动式减振器20的控制器22的具体结构及动作。图6(a)及图6(b)均为举例说明主动式减振器20的控制器22的结构的方框图。
在图6(a)中，控制器22(a)通过配置相位超前补偿器62、相位滞后补偿器63，放大器64以及限制器65而构成。
如上所述，由于加速度计17的输出中存在相位滞后，因而通过相位超前补偿器62调整相位。相位超前补偿器62如图中所示，具有(1+sαT1)/(1+sT1)的相位超前系统的传递函数(此处为α＜1)。
此外，由于通过相位超前补偿器62，高频段的噪声被放大，作为对应措施，附加了相位滞后补偿器63，相对抑制高频段且加强低频段。相位滞后补偿器63如图中所示，具有(1+sαT2)/(1+sT2)的相位滞后系统的传递函数(此处为α＞1)。如上所述，在主动式减振器20的控制器22中，由于通过配置相位超前补偿器62以及相位滞后补偿器63这两种滤波器，补偿加速度计17输出的相位滞后，还可降低高频段的噪声，因而可进行稳定而有效的减振控制。
此外，根据式(8)的设定，放大器64构成为具有增益Dp的传递函数。此处的增益Dp优选根据模拟及实验等的结果进行设定。
而控制器22(参照图5)的结构并不局限于上述相位补偿器，还可通过诸如比例控制器、比例积分控制器、比例积分微分控制器、LQ调节器(线性二次调节器)、LQG调节器(线性二次高斯调节器)等实现。
并且，由于如果过于频繁地进行减振用翼倾角指令δθ*的倾角控制，会使倾角控制机构因过度动作而产生疲劳，因此，通过设置限制器65(参照图6(a)、(b))对减振用翼倾角指令δθ*加以限制(例如±1[deg])，可减轻倾角控制机构的疲劳。
具体而言，当图6所示的放大器64的输出(下文称之为“倾角指令”)比预先设定的最小倾角小的情况下，(图7的步骤SA1中为“是”)，则将最小倾角或大于最小倾角的预定倾角作为最终的控制用翼倾角指令δθ*输出(图7的步骤SA2)。另一方面，当倾角指令大于等于最小倾角的情况下(图7的步骤SA1中为“否”)，判断是否大于倾角指令预先设定的最大倾角(图7的步骤SA3)。
当结果为倾角指令大于最大倾角的情况下(图7的步骤SA3中为“是”)，将最大倾角或小于最大倾角的预定倾角作为最终的减振用翼倾角指令δθ*输出(图7的步骤SA4)。另外，当该倾角指令小于等于最大倾角的情况下(图7的步骤SA3中为“否”)，将该倾角指令作为最终的减振用翼倾角指令δθ*输出(图7的步骤SA5)。
此外，如上所述，也可以不限制放大器64(参照图6(a)、(b))的输出本身，而可以将该输出的变化率、换言之，将倾角角度的角速度限制在一定范围内(例如±0.6[deg/sec])。
具体而言，如图8所示，首先根据放大器64(参照图6)的输出的前次值(下文称之为“倾角指令的前次值”)和此次值(下文称之为“倾角指令的此次值”)，计算出变化率(步骤SB1)，判断该变化率是否小于预先设定的最小变化率(步骤SB2)。当结果为变化率小于预先设定的最小变化率的情况下(步骤SB2中为“是”)，将在倾角指令的前次值上加上了最小变化率的值作为最终的减振用翼倾角指令δθ*输出(步骤SB3)。
另一方面，当变化率大于等于最小变化率的情况下(步骤SB2中为“否”)，判断变化率是否大于预先设定的最大变化率步骤(SB4)。当结果为变化率大于最大变化率的情况下(步骤SB4中为“是”)将在倾角指令的前次值上加上了最大变化率的值作为最终的减振用翼倾角指令δθ*输出(步骤SB5)。另一方面，当变化率小于等于最大变化率的情况下(步骤SB4中为“否”)，将倾角指令的此次值作为最终的减振用翼倾角指令δθ*输出(步骤SB6)。
如上述说明所示，通过限制减振用翼倾角指令δθ*或倾角指令δθ*的变化率，可防止出现因减振控制系统的参数设定错误等原因，风车塔架的振动反而增大等问题。
并且，由于减振用翼倾角指令δθ*限制在比输出控制用翼倾角指令θ*小很多的范围内，因而可减轻或防止因两种指令值的干涉造成的影响。
此外，在图6(b)所示的控制器22b中，在控制器22a的相位超前补偿器62的前段附加二次振动性的补偿器61而构成，可实现更高精度的控制。
在以上的说明中，是以用硬件构成主动式减振器20，输出减振用翼倾角指令δθ*加以说明的，但也可以作为能依次实施各种构成要素的子程序而构成。在此情况下，积分器20被转换为积分步骤(速度推算步骤)，控制器22转换为控制步骤，此外，控制器22内的各种构成要素也分别被置换为相位超前补偿步骤、相位滞后补偿步骤、限制步骤等，这些步骤变成可在所谓控制器内部的CPU、MPU或DSP上执行的子程序。
下面，图9表示将采用上述主动式减振器20的主动式减振控制系统组装入可用现有的风力发电装置实现的倾角控制器30(参照图1)的输出控制系统中时的控制系统的框图，对采用倾角控制器30进行的输出控制加以简要说明。
在图9中，倾角控制器配置了减法器31、32、风速控制器33、转速控制器34、输出控制器35、以及选择器36。
风速控制器33根据风速计16测量的风速v[m/s]求出翼倾角指令θv后输出。并且，转速控制器34根据风车转子11的转速N[rpm]，计算出实现预定转速(目标值)N*的翼倾角指令θN后输出。并且，输出控制器35根据该风力发电装置的输出P[kW]，计算出实现预定输出(目标值)P*的翼倾角指令θP后输出。
此外，在选择器36中，选择风速控制器33、转速控制器34以及输出控制器35各自求出的翼倾角指令θv、θN以及θP中的最小值(选择最小值)，即选择输出最小的翼倾角指令，作为输出控制用翼倾角指令θ*输出。此外，通常情况下，风车发电装置的输出P[kW]和风速v[m/s]的特性与图10所示的说明图相同。在达到额定输出、额定风速之前实施基于风速v[m/s]的控制，达到额定输出、额定风速之后，则实施基于风车转子11的转速N(rpm)或风力发电装置的输出P[kW]的控制。
而根据倾角控制器30的倾角范围则具有从窄距(fine pitch)(约-20[deg]，此时转速大)到顺桨(feather)(约-104[deg]，此时转速小)的广大控制范围。
下面以模拟实验结果为例，说明本实施方式的风力发电装置及其主动式减振方法的效果。图11表示有无主动式减振器20(参照图1)进行的主动式减振时，塔架系统55(参照图5)中的振动振幅的频率特性。在塔架系统55的固有振动频率附近，振动振幅明显受到抑制。另外，由于预先已掌握塔架系统55的固有振动频率，因而通过设定与固有振动频率相对应的控制系统的参数，即可进行更加恰当的减振控制。
如上述说明所述，在本实施方式的风力发电装置及其主动式减振方法中，如图1所示，通过安装在机舱13内的加速度计17检测该机舱13的振动的加速度，在主动式减振器20(主动式减振步骤)中，根据该加速度，计算出用来使风车叶片12上产生消除机舱13振动的推力的该风车叶片12的倾角，将此作为减振用翼倾角指令δθ*输出。另一方面，在倾角控制器30(倾角控制步骤)中，计算出用来使输出达到预定值的风车叶片12的倾角，将此作为输出控制用翼倾角指令θ*输出。并通过减法器40(加法步骤)使输出控制用翼倾角指令θ*与减振用翼倾角指令δθ*重叠后，根据该重叠后的翼倾角指令，控制风车叶片的倾角。
由于为了控制输出而控制倾角是早已被广泛采用的技术，因而只要在现有的风力发电装置中附加安装加速度计17、主动式减振器20(主动式减振步骤)以及减法器40(加法步骤)即可实现本实施方式。也就是说，由于安装十分简单，因而可大幅度降低主动式减振控制的应用与运作成本，能以低成本实现减少风力发电装置的振动。此外，由于使减振用翼倾角指令δθ*与输出控制用翼倾角指令θ*重叠后，实施倾角控制，因而可同时实现输出控制及减振控制。
在本实施方式的风力发电装置及其主动式减振方法中，如图1所示，在主动式减振器20(主动式减振步骤)中，用积分器21(积分步骤)对加速度计检测的加速度进行积分后，求出速度，通过控制器22(控制步骤)，根据该速度，计算出用来使风车叶片上产生消除机舱振动的推力的该风车叶片的倾角。如上所述，根据本发明，由于可用积分器21(积分步骤)以及控制器22(控制步骤)这样简单的结构实现主动式减振器20(主动式减振步骤)，因而能够以低成本实现风力发电装置的减振。此外，由于可通过积分器21(积分步骤)去除高频段的噪声，因而可进行稳定而有效的减振控制。
根据本实施方式的风力发电装置及其主动式减振方法，如图1、图6(a)及图6(b)所示，在控制器22(控制步骤)中具有使积分器21(积分步骤)输出的速度相位提前预定量的相位超前补偿器62(相位超前补偿步骤)、以及使相位超前补偿器62(相位超前补偿步骤)输出的速度相位滞后预定量的相位滞后补偿器63(相位滞后补偿步骤)，根据该相位滞后补偿后的速度，计算出倾角。由此，由于可以补偿加速度计输出的相位滞后并降低高频段的噪声，因而可进行稳定而有效的减振控制。
根据本实施方式的风力发电装置及其主动式减振方法，如图6(a)及图(b)所示，由于在控制器22(控制步骤)中具有将计算出的倾角限制在预定范围内的限制器65(限制步骤)而构成，因而可以降低倾角控制机构的疲劳，并可以防止由于参数设定错误等引起的问题，并且，当把减振用翼倾角指令δθ*限制在比输出控制用翼倾角指令θ*小很多的范围内的情况下，可减轻或防止由于两种指令值的干涉造成的影响。
上面参照附图详述了本发明的实施方式，但具体结构并不局限于该实施方式，也包含不脱离本发明主旨的范围内的设计变更。
在上述实施方式的说明中，详细介绍了风力发电装置及其主动式减振方法，但也可将本实施方式的风力发电装置及其主动式减振方法直接用于风车塔架。在此情况下，除具有上述效果外，还有下述效果。也就是说，由于不使用现有的AMD之类的重物及该重物用的致动器，因此不必增加机舱13的重量，也不必提高风车塔架自身的强度，因而能以低成本实现。
此外，在实施方式中，通过倾角控制进行输出控制，但也可用于采用其它输出控制的风力发电装置或风车塔架。不过在此情况下，需要新增加控制风车叶片12的倾角的倾角控制机构。
并且，在实际运用中，出于提高可靠性及安全性的观点考虑，也可采用下述结构及方法。
例如，为了实现失效安全(fail-safe)，在机舱13内部使两个加速度计长期工作，在主动式减振控制中仅使用一方的检测结果，当其中的某一方故障的情况下，使主动式减振控制自动停止。
此外，当减振控制系统的参数(主要是反馈增益Gc(s))的设定值不恰当的情况下，例如，当标号倒转，或设定为超过允许范围的高增益等情况下，很可能产生减振控制系统不稳定，风车塔架(机舱13)的振动增大的情况，但也可以想到(利用加速度计17等)自动探测出此种状态，使主动式减振控制自动停止的方法。
权利要求
1.一种风力发电装置，具有根据翼倾角指令控制风车叶片倾角的倾角控制机构，其特征在于，具有加速度计，安装在机舱内，检测该机舱振动的加速度；和主动式减振装置，根据前述加速度计检测出的加速度，计算出用来使前述风车叶片上产生消除前述机舱振动的推力的该风车叶片的倾角，将翼倾角指令输出到前述倾角控制机构。
2.一种风力发电装置，具有根据翼倾角指令控制风车叶片倾角的倾角控制机构，其特征在于，具有加速度计，安装在机舱内，检测该机舱振动的加速度；主动式减振装置，根据前述加速度计检测出的加速度，计算出用来使前述风车叶片上产生消除前述机舱振动的推力的该风车叶片的倾角，输出减振用翼倾角指令；倾角控制装置，根据风速、风车转子的转速，或该风力发电装置的输出，计算出用来使该风力发电装置的输出达到预定值的前述风车叶片的倾角，将输出控制用翼倾角指令输出；和加法装置，向前述倾角控制机构提供使来自前述倾角控制装置的输出控制用翼倾角指令与来自前述主动式减振装置的减振用翼倾角指令重叠后的翼倾角指令。
3.根据权利要求1所述的风力发电装置，其特征在于，前述主动式减振装置具有速度推算装置，根据前述加速度计检测出的加速度，推算速度；和控制装置，根据前述速度推算装置输出的速度，计算出用来使前述风车叶片上产生消除前述机舱振动的推力的该风车叶片的倾角。
4.根据权利要求3所述的风力发电装置，其特征在于前述速度推算装置通过对前述加速度计检测出的加速度积分，计算速度。
5.根据权利要求3所述的风力发电装置，其特征在于前述控制装置具有使前述速度推算装置输出的速度相位超前预定量的相位超前补偿装置，根据该相位超前补偿后的速度，计算前述倾角。
6.根据权利要求5所述的风力发电装置，其特征在于前述控制装置具有使前述相位超前补偿装置输出的速度相位滞后预定量的相位滞后补偿装置，根据该相位滞后补偿后的速度，计算前述倾角。
7.根据权利要求3所述的风力发电装置，其特征在于前述控制装置具有将前述速度推算装置推算的速度作为输入的比例控制器、比例积分控制器、比例积分微分控制器、线性二次调节器以及线性二次高斯调节器中的任意一种，计算前述倾角。
8.根据权利要求1所述的风力发电装置，其特征在于前述主动式减振装置具有将前述风车叶片的倾角或前述风车叶片的倾角的角速度限制在预定范围内的限制装置。
9.一种风力发电装置的主动式减振方法，上述风力发电装置具有根据翼倾角指令控制风车叶片倾角的倾角控制机构；以及安装在机舱内，检测该机舱振动的加速度的加速度计，其特征在于，上述主动式减振方法具有下述步骤根据前述加速度计检测出的加速度，计算出用来使前述风车叶片上产生消除前述机舱振动的推力的该风车叶片的倾角，将翼倾角指令输出到前述倾角控制机构的主动式减振步骤。
10.一种风力发电装置的主动式减振方法，上述风力发电装置具有根据翼倾角指令控制风车叶片倾角的倾角控制机构；以及安装在机舱内，检测该机舱振动的加速度的加速度计，其特征在于，上述主动式减振方法具有下述步骤根据前述加速度计检测出的加速度，计算出用来使前述风车叶片上产生消除前述机舱振动的推力的该风车叶片的倾角，输出减振用翼倾角指令的主动式减振步骤；根据风速、风车转子的转速或该风力发电装置的输出，计算用来使该风力发电装置的输出达到预定值的前述风车叶片的倾角，将输出控制用翼倾角指令输出的倾角控制步骤；和向前述倾角控制机构提供用来使前述倾角控制步骤中的输出控制用翼倾角指令与前述主动式减振步骤中的减振用翼倾角指令重叠的翼倾角指令的加法步骤。
11.根据权利要求9所述的风力发电装置的主动式减振方法，其特征在于，前述主动式减振步骤具有根据前述加速度计检测出的加速度，推算速度的速度推算步骤；和根据前述速度推算步骤推算出的速度，计算出用来使前述风车叶片上产生消除前述机舱振动的推力的该风车叶片的倾角的控制步骤。
12.根据权利要求11所述的主动式减振方法，其特征在于前述速度推算步骤对前述加速度计检测出的加速度积分，计算速度。
13.根据权利要求11所述的风力发电装置的主动式减振方法，其特征在于，前述控制步骤具有使前述速度推算步骤推算的速度相位提前预定量的相位超前补偿步骤，根据该相位超前补偿后的速度，计算前述倾角。
14.根据权利要求13所述的风力发电装置的主动式减振方法，其特征在于前述控制步骤具有使前述相位超前补偿步骤输出的速度相位滞后预定量的相位滞后补偿步骤，根据该相位滞后补偿后的速度，计算前述倾角。
15.根据权利要求11所述的风力发电装置的主动式减振方法，其特征在于前述控制步骤具有对于前述速度推算步骤推算的速度，实施使用比例控制、比例积分控制、比例积分微分控制、线性二次调节器的控制，以及使用线性二次高斯调节器的控制中的任意一种控制的补偿步骤，根据前述补偿后的速度，计算前述倾角。
16.根据权利要求9所述的风力发电装置的主动式减振方法，其特征在于前述主动式减振步骤具有将前述风车叶片的倾角或前述风车叶片倾角的角速度限制在预定范围内的限制步骤。
17.一种具有风力发电装置的风车塔架，其特征在于，上述风力发电装置具有倾角控制机构，根据翼倾角指令，控制风车叶片的倾角；加速度计，安装于机舱内，检测该机舱振动的加速度；主动式减振装置，根据前述加速度计检测的加速度，计算用来使前述风车叶片上产生消除前述机舱振动的推力的该风车叶片的倾角，将翼倾角指令输出到前述倾角控制机构。
全文摘要
本发明的目的在于提供能够以低成本减少风力发电装置或风车塔架振动的风力发电装置及其主动式减振方法和风车塔架。利用安装在机舱(13)中的加速度计(17)检测该机舱(13)的振动，在主动式减振器(20)中根据该加速度计算出用来使风车叶片(12)上产生消除机舱(13)振动的推力的该风车叶片(12)的倾角，将此作为减振用翼倾角指令δθ
文档编号F03D7/04GK1906409SQ20048004065
公开日2007年1月31日 申请日期2004年11月12日 优先权日2004年2月27日
发明者若狭强志, 井手和成, 林义之, 柴田昌明 申请人:三菱重工业株式会社