專利名稱：風(fēng)力發(fā)電裝置及其主動(dòng)式減振方法以及風(fēng)車塔架的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可抑制由風(fēng)速的變動(dòng)引起的振動(dòng)的風(fēng)力發(fā)電裝置及其主動(dòng)式減振方法以及風(fēng)車塔架，尤其涉及一種并不伴隨機(jī)艙重量的增大，能夠以低成本減少風(fēng)力發(fā)電裝置或風(fēng)車塔架振動(dòng)的風(fēng)力發(fā)電裝置及其主動(dòng)式減振方法以及風(fēng)車塔架。
背景技術(shù)：
風(fēng)力發(fā)電裝置通常采用在數(shù)十米高的圓筒形塔架的上部設(shè)置翼、加速器及發(fā)電機(jī)等重物的結(jié)構(gòu)，由風(fēng)速的變動(dòng)引起的振動(dòng)極大。此種振動(dòng)使結(jié)構(gòu)件的疲勞負(fù)載增大，縮短風(fēng)車塔架的壽命。
近年來(lái)，風(fēng)力發(fā)電裝置出現(xiàn)大型化的趨勢(shì)，隨著裝置的大型化，由風(fēng)速變動(dòng)引起的振動(dòng)的影響越來(lái)越明顯，風(fēng)力發(fā)電裝置或風(fēng)車塔架的減振已成為必須解決的技術(shù)課題。
另一方面，大樓之類的高層建筑物為了改善強(qiáng)風(fēng)時(shí)的居住性，主動(dòng)式減振技術(shù)已達(dá)到實(shí)用化。提出的方案有多種，但大多數(shù)采用AMD(Active Mass Damper，主動(dòng)式重物減振)為代表的、用馬達(dá)等致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)設(shè)置在結(jié)構(gòu)件上部的重物(mass)，來(lái)吸收結(jié)構(gòu)件主體振動(dòng)的方式。
但是，若想將上述高層建筑等處已實(shí)用化的主動(dòng)式減振技術(shù)(AMD)直接應(yīng)用于風(fēng)車發(fā)電裝置或風(fēng)車塔架時(shí)，還存在下述問(wèn)題。
首先，要想獲得足夠的減振效果，需有相當(dāng)大的重物(mass)，與此同時(shí)，為了驅(qū)動(dòng)該相當(dāng)大的重物，必須準(zhǔn)備大容量的致動(dòng)器。因此，機(jī)艙重量大幅度增加。
第2，由于位于風(fēng)車塔架上部的機(jī)艙重量增加，必須相應(yīng)增加支撐該機(jī)艙的風(fēng)車塔架的強(qiáng)度。由于必須大幅度增加此種風(fēng)車塔架及其它構(gòu)成要素的強(qiáng)度，因而最終使風(fēng)力發(fā)電裝置及風(fēng)車塔架的整體成本增大。
第3、由于需有驅(qū)動(dòng)重物(mass)的致動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)位置增加，因而維護(hù)成本也增大。
因此，例如，在特開(kāi)2001-221145號(hào)公報(bào)(專利文獻(xiàn)1)中公開(kāi)了針對(duì)上述課題，通過(guò)設(shè)置無(wú)源主動(dòng)式傾角副翼(passive pitch-flap)機(jī)構(gòu)，抑制風(fēng)車塔架振動(dòng)的技術(shù)。
專利文獻(xiàn)1特開(kāi)2001-221145號(hào)公報(bào)發(fā)明內(nèi)容然而由于在上述專利文獻(xiàn)1的發(fā)明中最終采用的仍然是利用機(jī)械性機(jī)構(gòu)減少風(fēng)車塔架振動(dòng)的方法，因而與現(xiàn)有的AMD并無(wú)區(qū)別，導(dǎo)致機(jī)艙重量的增大。此外，由于具有多個(gè)結(jié)構(gòu)件，因而也存在機(jī)艙大型化，及成本提高的問(wèn)題。
本發(fā)明正是為了解決上述問(wèn)題而提出來(lái)的，其目的在于提供一種并不伴隨機(jī)艙重量的增大，能夠以低成本減少振動(dòng)的風(fēng)力發(fā)電裝置及其主動(dòng)式減振方法以及風(fēng)車塔架。
為了解決上述課題，本發(fā)明采用下述裝置。
本發(fā)明提供的是一種具有根據(jù)翼傾角指令控制風(fēng)車葉片傾角的傾角控制機(jī)構(gòu)的風(fēng)力發(fā)電裝置，其具有加速度計(jì)，安裝在機(jī)艙內(nèi)，檢測(cè)該機(jī)艙振動(dòng)的加速度；和主動(dòng)式減振裝置，根據(jù)前述加速度計(jì)檢測(cè)出的加速度，計(jì)算出用來(lái)使前述風(fēng)車葉片上產(chǎn)生消除前述機(jī)艙振動(dòng)的推力的該風(fēng)車葉片的傾角，將翼傾角指令輸出到前述傾角控制機(jī)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明，利用安裝在機(jī)艙內(nèi)的加速度計(jì)檢測(cè)該機(jī)艙振動(dòng)的加速度，在主動(dòng)式減振裝置中，根據(jù)該加速度計(jì)算出用來(lái)使風(fēng)車葉片上產(chǎn)生消除機(jī)艙振動(dòng)的推力的該風(fēng)車葉片的傾角，將其作為翼傾角指令輸出到傾角控制機(jī)構(gòu)，控制風(fēng)車葉片的傾角。在此情況下，作用于風(fēng)車葉片上的阻力在機(jī)艙的前后方向上作為推力起作用，由于其大小因風(fēng)速和風(fēng)車葉片的傾角而變化，因而若按照預(yù)定的控制規(guī)則控制傾角，則可在某種程度上控制機(jī)艙前后方向上的振動(dòng)。
此外，本發(fā)明提供一種風(fēng)力發(fā)電裝置，具有根據(jù)翼傾角指令控制風(fēng)車葉片傾角的傾角控制機(jī)構(gòu)，具有加速度計(jì)，安裝在機(jī)艙內(nèi)，檢測(cè)該機(jī)艙振動(dòng)的加速度；主動(dòng)式減振裝置，根據(jù)前述加速度計(jì)檢測(cè)出的加速度，計(jì)算出用來(lái)使前述風(fēng)車葉片上產(chǎn)生消除前述機(jī)艙振動(dòng)的推力的該風(fēng)車葉片的傾角，輸出減振用翼傾角指令；傾角控制裝置，根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)車轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，或該風(fēng)力發(fā)電裝置的輸出，計(jì)算出用來(lái)使該風(fēng)力發(fā)電裝置的輸出達(dá)到預(yù)定值的前述風(fēng)車葉片的傾角，將輸出控制用翼傾角指令輸出；和加法裝置，向前述傾角控制機(jī)構(gòu)提供使來(lái)自前述傾角控制裝置的輸出控制用翼傾角指令與來(lái)自前述主動(dòng)式減振裝置的減振用翼傾角指令重疊后的翼傾角指令。
根據(jù)本發(fā)明，利用安裝在機(jī)艙內(nèi)的加速度計(jì)檢測(cè)該機(jī)艙振動(dòng)的加速度，在主動(dòng)式減振裝置中，根據(jù)該加速度，計(jì)算出用來(lái)使風(fēng)車葉片上產(chǎn)生消除機(jī)艙振動(dòng)的推力的該風(fēng)車葉片的傾角，作為減振用翼傾角指令輸出，而在傾角控制裝置中，計(jì)算出用于使輸出達(dá)到預(yù)定值的風(fēng)車葉片的傾角，作為輸出控制用翼傾角指令輸出，利用加法裝置使輸出控制用翼傾角指令與減振用翼傾角指令重疊，根據(jù)該重疊后的傾角指令控制風(fēng)車葉片的傾角。
在此，由于為了控制輸出而進(jìn)行傾角控制是早已被廣泛采用的技術(shù)，因而只要在現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電裝置上附加安裝加速度計(jì)、主動(dòng)式減振裝置以及加法裝置就能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此可大幅度降低主動(dòng)式減振控制的應(yīng)用與運(yùn)作成本，能以低成本實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電裝置的減振。此外，由于通過(guò)使減振用翼傾角指令與輸出控制用翼傾角指令重疊，進(jìn)行傾角控制，因而可同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸出控制及減振控制。
此外，在本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電裝置中，前述主動(dòng)式減振裝置優(yōu)選具有速度推算裝置，根據(jù)前述加速度計(jì)檢測(cè)出的加速度，推算速度；和控制裝置，根據(jù)前述速度推算裝置輸出的速度，計(jì)算出用來(lái)使前述風(fēng)車葉片上產(chǎn)生消除前述機(jī)艙振動(dòng)的推力的該風(fēng)車葉片的傾角。
根據(jù)本發(fā)明，在主動(dòng)式減振裝置中，速度推算裝置根據(jù)加速度計(jì)檢測(cè)的加速度，推算速度。而控制裝置根據(jù)推算出的速度計(jì)算用來(lái)使風(fēng)車葉片上產(chǎn)生消除機(jī)艙振動(dòng)的推力的該風(fēng)車葉片的傾角。
這樣一來(lái)，由于可用速度推算裝置及控制裝置這種簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式減振裝置，因而能以低成本實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電裝置的減振。
在本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電裝置中，前述速度推算裝置優(yōu)選對(duì)前述加速度計(jì)檢測(cè)出的加速度進(jìn)行積分，計(jì)算速度。
這樣一來(lái)，由于速度推算裝置對(duì)加速度計(jì)檢測(cè)出的加速度進(jìn)行積分而求出速度，因而可去除高頻段的噪聲。由此，后續(xù)的控制裝置可以進(jìn)行穩(wěn)定而有效的減振控制。
在本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電裝置中，前述控制裝置優(yōu)選具有使前述速度推算裝置輸出的速度相位提前預(yù)定量的相位超前補(bǔ)償裝置，根據(jù)該相位超前補(bǔ)償后的速度，計(jì)算前述傾角。
并且，前述控制裝置優(yōu)選具有使前述相位超前補(bǔ)償裝置輸出的速度相位滯后預(yù)定量的相位滯后補(bǔ)償裝置，根據(jù)該相位滯后補(bǔ)償后的速度，計(jì)算前述傾角。
根據(jù)本發(fā)明，根據(jù)該相位滯后補(bǔ)償后的速度，計(jì)算傾角，因此可以補(bǔ)償加速度計(jì)輸出的相位滯后，并可以減少高頻段的噪聲，因而可進(jìn)行穩(wěn)定而有效的減振控制。
在本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電裝置中，前述控制裝置優(yōu)選具有將前述速度推算裝置推算的速度作為輸入的比例控制器、比例積分控制器、比例積分微分控制器、線性二次調(diào)節(jié)器、以及線性二次高斯調(diào)節(jié)器中的任意一種，計(jì)算前述傾角。
通過(guò)這樣構(gòu)成控制裝置，可進(jìn)行穩(wěn)定而有效的減振控制。
在本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電裝置中，前述主動(dòng)式減振裝置優(yōu)選具有將前述風(fēng)車葉片的傾角或前述風(fēng)車葉片傾角的角速度限制在預(yù)定范圍內(nèi)的限制裝置。
根據(jù)本發(fā)明，由于主動(dòng)式減振裝置，例如主動(dòng)式減振裝置中具有的的控制裝置具有將風(fēng)車葉片的傾角或風(fēng)車葉片傾角的角速度(變化率)限制在預(yù)定范圍內(nèi)的限制裝置而構(gòu)成，因此可減少傾角控制機(jī)構(gòu)的疲勞，還可防止因參數(shù)設(shè)定錯(cuò)誤等引起的問(wèn)題。
并且，當(dāng)把減振用翼傾角指令限制在比輸出控制用翼傾角指令小很多范圍內(nèi)的情況下，可減輕或防止由兩種指令值干擾造成的影響。
本發(fā)明提供一種風(fēng)力發(fā)電裝置的主動(dòng)式減振方法，上述風(fēng)力發(fā)電裝置具有根據(jù)翼傾角指令控制風(fēng)車葉片傾角的傾角控制機(jī)構(gòu)、以及安裝在機(jī)艙內(nèi)，檢測(cè)該機(jī)艙振動(dòng)的加速度的加速度計(jì)，上述風(fēng)力發(fā)電裝置的主動(dòng)式減振方法具有根據(jù)該加速度計(jì)檢測(cè)的加速度，計(jì)算出用來(lái)使前述風(fēng)車葉片上產(chǎn)生消除機(jī)艙振動(dòng)的推力的該風(fēng)車葉片的傾角，將翼傾角指令輸出到前述傾角控制機(jī)構(gòu)的主動(dòng)式減振步驟。
根據(jù)本發(fā)明，利用安裝在機(jī)艙內(nèi)的加速度計(jì)檢測(cè)該機(jī)艙振動(dòng)的加速度，在主動(dòng)式減振步驟中，根據(jù)該加速度，計(jì)算出用來(lái)使風(fēng)車葉片上產(chǎn)生消除機(jī)艙振動(dòng)的推力的該風(fēng)車葉片的傾角，將此作為翼傾角指令輸出給傾角控制機(jī)構(gòu)，控制風(fēng)車葉片的傾角。如上所述，由于能用加速度計(jì)以及傾角控制機(jī)構(gòu)的硬件和主動(dòng)式減振步驟的軟件實(shí)現(xiàn)，因而可大幅度降低主動(dòng)式減振控制的應(yīng)用和運(yùn)作成本，以低成本實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電裝置的減振。
本發(fā)明提供一種風(fēng)力發(fā)電裝置的主動(dòng)式減振方法，上述風(fēng)力發(fā)電裝置具有根據(jù)翼傾角指令控制風(fēng)車葉片傾角的傾角控制機(jī)構(gòu)、以及安裝在機(jī)艙內(nèi)，檢測(cè)該機(jī)艙振動(dòng)的加速度的加速度計(jì)，上述風(fēng)力發(fā)電裝置的主動(dòng)式減振方法具有下述步驟根據(jù)該加速度計(jì)檢測(cè)的加速度，計(jì)算出用來(lái)使前述風(fēng)車葉片上產(chǎn)生消除機(jī)艙振動(dòng)的推力的該風(fēng)車葉片的傾角，輸出減振用翼傾角指令的主動(dòng)式減振步驟；根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)車轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速或該風(fēng)力發(fā)電裝置的輸出，計(jì)算用來(lái)使該風(fēng)力發(fā)電裝置的輸出達(dá)到預(yù)定值的前述風(fēng)車葉片的傾角，將輸出控制用翼傾角指令輸出的傾角控制步驟；和向前述傾角控制機(jī)構(gòu)提供用來(lái)使前述傾角控制步驟中的輸出控制用翼傾角指令與前述主動(dòng)式減振步驟中的減振用翼傾角指令重疊的翼傾角指令的加法步驟。
根據(jù)本發(fā)明，利用安裝在機(jī)艙內(nèi)的加速度計(jì)檢測(cè)該機(jī)艙的振動(dòng)，在主動(dòng)式減振步驟中，根據(jù)該加速度計(jì)算出用來(lái)使風(fēng)車葉片上產(chǎn)生消除機(jī)艙振動(dòng)的推力的該風(fēng)車葉片的傾角，作為減振用翼傾角指令輸出，而在傾角控制步驟中，計(jì)算出用來(lái)使輸出達(dá)到預(yù)定值的風(fēng)車葉片的傾角，將輸出控制用翼傾角指令輸出，通過(guò)加法步驟使輸出控制用翼傾角指令與減振用翼傾角指令重疊，根據(jù)該重疊后的翼傾角指令，控制風(fēng)車葉片的傾角。由于為了控制輸出而控制傾角是早已被廣泛采用的技術(shù)，因而只要在風(fēng)力發(fā)電裝置現(xiàn)有的控制軟件上附加主動(dòng)式減振步驟以及加法步驟就可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
如上所述，由于通過(guò)安裝加速度計(jì)和附加軟件即可實(shí)現(xiàn)，因而可大幅度降低主動(dòng)式減振控制的應(yīng)用與運(yùn)作成本，可以以低成本實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電裝置的減振。此外，由于通過(guò)使減振用翼傾角指令與輸出控制用翼傾角指令重疊來(lái)進(jìn)行傾角控制，因而可同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸出控制及減振控制。
在本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電裝置的主動(dòng)式減振方法中，前述主動(dòng)式減振步驟優(yōu)選具有根據(jù)前述加速度計(jì)檢測(cè)出的加速度推算速度的速度推算步驟；以及根據(jù)前述速度推算步驟推算的速度，計(jì)算用來(lái)使前述風(fēng)車葉片上產(chǎn)生消除前述機(jī)艙振動(dòng)的推力的該風(fēng)車葉片的傾角的控制步驟。
根據(jù)本發(fā)明，在主動(dòng)式減振步驟中，利用速度推算步驟，根據(jù)加速度計(jì)檢測(cè)出的加速度，求出速度，利用控制步驟，根據(jù)該速度計(jì)算用來(lái)使風(fēng)車葉片上產(chǎn)生消除機(jī)艙振動(dòng)的推力的該風(fēng)車葉片的傾角。如上所述，由于可利用速度推算步驟及控制步驟這種簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式減振步驟，因而能以低成本實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電裝置的減振。
在本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電裝置的主動(dòng)式減振方法中，前述速度推算步驟優(yōu)選對(duì)前述加速度計(jì)檢測(cè)出的加速度積分，計(jì)算速度。
由于可通過(guò)速度推算步驟去除高頻段的噪聲，因而作為主動(dòng)式減振步驟，可進(jìn)行穩(wěn)定而有效的減振控制。
在本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電裝置的主動(dòng)式減振方法中，前述控制步驟優(yōu)選具有使前述速度推算步驟輸出的速度相位提前預(yù)定量的相位超前補(bǔ)償步驟，根據(jù)該相位超前補(bǔ)償后的速度，計(jì)算前述傾角。
在本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電裝置的主動(dòng)式減振方法中，前述控制步驟優(yōu)選具有使前述相位超前補(bǔ)償步驟輸出的速度相位滯后預(yù)定量的相位滯后補(bǔ)償步驟，根據(jù)該相位滯后補(bǔ)償后的速度，計(jì)算前述傾角。
根據(jù)本發(fā)明，控制步驟中具有使速度推算步驟輸出的速度相位提前預(yù)定量的相位超前補(bǔ)償步驟，控制步驟中具有使相位超前補(bǔ)償步驟輸出的速度相位滯后預(yù)定量的相位滯后補(bǔ)償步驟，根據(jù)該相位滯后補(bǔ)償后的速度，計(jì)算傾角。這樣一樣，由于可以補(bǔ)償加速度計(jì)輸出的相位滯后，并可以減少高頻段的噪聲，因而可進(jìn)行穩(wěn)定而有效的減振控制。
在本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電裝置的主動(dòng)式減振方法中，前述控制步驟優(yōu)選具有對(duì)于前述速度推算步驟推算出的速度，使用比例控制、比例積分控制、比例積分微分控制、線性二次調(diào)節(jié)器的控制，以及線性二次高斯調(diào)節(jié)器的控制中的任意一種控制的補(bǔ)償步驟，根據(jù)前述補(bǔ)償后的速度，計(jì)算前述傾角。
由此即可進(jìn)行穩(wěn)定而有效的減振控制。
在本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電裝置的主動(dòng)式減振方法中，前述主動(dòng)式減振步驟優(yōu)選具有將前述風(fēng)車葉片的傾角或前述風(fēng)車葉片傾角的角速度限制在預(yù)定范圍內(nèi)的限制步驟。
根據(jù)本發(fā)明，可以降低傾角控制機(jī)構(gòu)的疲勞，還可以防止因參數(shù)設(shè)定錯(cuò)誤等引起的問(wèn)題，并且，當(dāng)把減振用翼傾角指令限制在比輸出控制用翼傾角指令小很多的范圍內(nèi)的情況下，可減輕或防止因兩種指令值的干涉造成的影響。
本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電裝置適合應(yīng)用于風(fēng)車塔架。
通過(guò)將本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電裝置用于風(fēng)車塔架，可大幅度降低主動(dòng)式減振的應(yīng)用和運(yùn)作成本，能以低成本實(shí)現(xiàn)風(fēng)車塔架的減振。此外，由于不使用現(xiàn)有的AMD等重物及該重物用的致動(dòng)器，因而并不伴隨機(jī)艙重量的增大，也不必提高風(fēng)車塔架的強(qiáng)度，能以低成本實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電裝置，不必使用現(xiàn)有的AMD等的重物及該重物用的致動(dòng)器，利用加速度計(jì)、主動(dòng)式減振器以及傾角控制機(jī)構(gòu)即可抑制振動(dòng)。這樣一來(lái)，可大幅度降低主動(dòng)式減振控制的應(yīng)用與運(yùn)作成本，具有能夠以低成本實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電裝置減振的效果。


圖1是本發(fā)明的一種實(shí)施方式的風(fēng)力發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)圖。
圖2是用于說(shuō)明作用于風(fēng)車葉片上的力的說(shuō)明圖。
圖3是舉例說(shuō)明相對(duì)于風(fēng)速變化，推力和傾角關(guān)系的說(shuō)明圖。
圖4中的圖4(a)是風(fēng)車塔架的示意圖，圖4(b)是將風(fēng)車塔架作為機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行模型化時(shí)的說(shuō)明圖。
圖5是本發(fā)明的一種實(shí)施方式中的主動(dòng)式減速振控制系統(tǒng)的方框圖。
圖6是舉例說(shuō)明主動(dòng)式減振器的控制器結(jié)構(gòu)的方框圖。
圖7是舉例說(shuō)明圖6所示的限制器的控制內(nèi)容的流程圖。
圖8是舉例說(shuō)明圖6所示的限制器的控制內(nèi)容的流程圖。
圖9是將主動(dòng)式減振控制系統(tǒng)組裝入輸出控制系統(tǒng)時(shí)的控制系統(tǒng)的方框圖。
圖10是說(shuō)明風(fēng)力發(fā)電裝置的輸出及風(fēng)速間的特性的說(shuō)明圖。
圖11是舉例說(shuō)明有無(wú)主動(dòng)式減振器的主動(dòng)式減振時(shí)，塔架系統(tǒng)中的振動(dòng)振幅的頻率特性的說(shuō)明圖。
具體實(shí)施例方式
下面參照附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電裝置及其主動(dòng)式減振方法以及風(fēng)車塔架的實(shí)施方式。
圖1是本發(fā)明的一種實(shí)施方式的風(fēng)力發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)圖。在該圖中，本實(shí)施方式的風(fēng)力發(fā)電裝置通過(guò)配置風(fēng)力發(fā)電裝置的機(jī)械性部分10、主動(dòng)式減振器20、傾角控制器30以及減法器40而構(gòu)成。首先，簡(jiǎn)要說(shuō)明本實(shí)施方式的風(fēng)力發(fā)電裝置中的各種構(gòu)成要素。
風(fēng)力發(fā)電裝置的機(jī)械部分10將風(fēng)車轉(zhuǎn)子11、風(fēng)車葉片12，機(jī)艙13、以及風(fēng)速計(jì)16作為主要構(gòu)成要素。上述機(jī)艙13具有加速機(jī)14、發(fā)電機(jī)15以及加速度計(jì)17。
在該風(fēng)力發(fā)電裝置的機(jī)械部分10中，安裝在風(fēng)車轉(zhuǎn)子11上的多個(gè)風(fēng)車葉片12接受風(fēng)能，與風(fēng)車轉(zhuǎn)子11一起旋轉(zhuǎn)，由加速機(jī)14加速后，通過(guò)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)15進(jìn)行發(fā)電，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能。圖1中采用配置了加速機(jī)14的結(jié)構(gòu)，但也可以是不用加速機(jī)14的直接驅(qū)動(dòng)方式。
作為本實(shí)施方式的風(fēng)力發(fā)電裝置的特征的加速度計(jì)17設(shè)置在機(jī)艙13內(nèi)部靠近塔架中心部的位置上，檢測(cè)機(jī)艙13前后方向的振動(dòng)的加速度。
此外，傾角控制器30根據(jù)風(fēng)速計(jì)16測(cè)定的風(fēng)速v、風(fēng)車轉(zhuǎn)子11的轉(zhuǎn)速N或該風(fēng)力發(fā)電裝置的輸出P，計(jì)算出用來(lái)使該風(fēng)力發(fā)電裝置的輸出P達(dá)到預(yù)定值的風(fēng)車葉片12的傾角，將其作為輸出控制用翼傾角指令θ*輸出。采用該傾角控制的輸出控制至令為止一直在進(jìn)行，本實(shí)施方式的傾角控制器30也與現(xiàn)有的裝置相同。
此外，主動(dòng)式減振器20根據(jù)加速度計(jì)17檢測(cè)出的加速度，計(jì)算出用來(lái)使風(fēng)車葉片上產(chǎn)生消除機(jī)艙13的振動(dòng)的推力的該風(fēng)車葉片12的傾角，將此作為減振用翼傾角δθ*輸出。
并且，減法器(加法器)40使來(lái)自傾角控制器30的輸出控制用翼傾角指令θ*與來(lái)自主動(dòng)式減振器20的減振用翼傾角指令δθ*重疊，將其作為翼傾角指令提供給傾角控制機(jī)構(gòu)。此處的傾角控制機(jī)構(gòu)(未圖示)是根據(jù)翼傾角指令控制風(fēng)車葉片12的傾角的裝置，其結(jié)構(gòu)等與現(xiàn)有的裝置相同。
下面詳細(xì)說(shuō)明主動(dòng)式減振器20的具體結(jié)構(gòu)，以及利用主動(dòng)式減振器20減少風(fēng)力發(fā)電裝置以及風(fēng)車塔架振動(dòng)的主動(dòng)式減振方法。
首先，參照?qǐng)D2及圖3，說(shuō)明主動(dòng)式減振方法的基本思路。圖2表示從風(fēng)車葉片12(參照?qǐng)D1)的前端部向根部觀察時(shí)的風(fēng)車葉片12的截面，是用來(lái)說(shuō)明作用于風(fēng)車葉片12上的力的說(shuō)明圖。并且，在該圖中，風(fēng)車葉片的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)閺挠业阶螅瑢L(fēng)力發(fā)電裝置或風(fēng)車塔架的振動(dòng)方向設(shè)定為上下(x)方向。此外，圖3是舉例說(shuō)明從6m/s到24m/s的風(fēng)速v分別與推力和傾角的關(guān)系的說(shuō)明圖。
如圖2所示，在風(fēng)車運(yùn)轉(zhuǎn)期間，提升力L和阻力D作用于風(fēng)車葉片。阻力D作為推力作用于風(fēng)車塔架的機(jī)艙13(參照?qǐng)D1)的前后方向。另一方面，如圖3所示，推力的大小因風(fēng)速和傾角而改變。因此，如果以某種控制規(guī)則控制傾角，使風(fēng)車塔架的機(jī)艙13的前后方向上的推力發(fā)生改變，就有可能在某種程度上控制風(fēng)車塔架的機(jī)艙13在前后方向上的振動(dòng)。本發(fā)明正是著眼于此點(diǎn)，下面說(shuō)明該傾角的控制方法。
圖4(a)是風(fēng)車塔架的示意圖，圖4(b)是將風(fēng)車塔架作為機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行模型化時(shí)的說(shuō)明圖。也就是說(shuō)，在圖4(a)中，示意性地表示通過(guò)在風(fēng)車塔架的機(jī)艙3內(nèi)設(shè)置加速度計(jì)17，檢測(cè)位移x的加速度(d2x/dt2)。此外，正如圖4(b)所示，風(fēng)車塔架可用質(zhì)量m的物體、彈簧常數(shù)k的彈簧、以及粘性阻力c的減震器進(jìn)行模型化。
在該機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)中，若將從平衡狀態(tài)開(kāi)始的位移設(shè)為x，則物體振動(dòng)的方程式為式(1)mx··+cx·+kx=f+Δf---(1)]]>此處的f+Δf是作用于物體的力，Δf是通過(guò)主動(dòng)式減振器20的傾角控制動(dòng)作附加性地施加的力。
若將式(1)變形則可獲得式(2)。
x··+cmx·+kmx=1m(f+Δf)---(2)]]>此處若將系統(tǒng)的固有振動(dòng)頻率ωn以及衰減率ξ按下述設(shè)置，改寫式(2)，則可獲得式(5)ωn＝(k/m)1/2(3)ζ＝c/2(mk)1/2(4) 此外，若將式(5)進(jìn)行拉普拉斯變換，則可獲得式(6)。
s2X(s)+2ζωnsX(s)+ωn2X(s)＝(1/m)F(s)(6)根據(jù)式(6)，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)G(s)可用式(7)給出。
G(s)＝X(s)/F(s)＝(1/m)/(s2+2ζωns+ωn2) (7)在式(7)這種二次頻率應(yīng)答特性中，根據(jù)式(3)、(4)可知，雖然可以利用質(zhì)量m及彈簧常數(shù)k的變化改變系統(tǒng)的固有振動(dòng)頻率ωn，但對(duì)于衰減率ξ，較之質(zhì)量m及彈簧常數(shù)k的變化的影響，粘性阻力c的變化的影響更大。
另一方面，在式(1)中，可通過(guò)將附加性地施加的力Δf設(shè)置為例如Δf=-Dpx·---(8)]]>從而式(1)可改寫為式(9)。
mx··+(C+Dp)x·+kx=f---(9)]]>也就是說(shuō)，通過(guò)將由主動(dòng)式減振器20的傾角控制動(dòng)作附加性地施加的力Δf設(shè)定為式(8)，即可通過(guò)增加式(9)的一次項(xiàng)中的+Dp部分，將衰減率ξ改變?yōu)楦蟮闹担M(jìn)一步加快振動(dòng)衰減，還可在頻率應(yīng)答特性中進(jìn)一步抑制固有振動(dòng)頻率ωn的增益的峰值，抑制振動(dòng)振幅。
根據(jù)以上說(shuō)明的主動(dòng)式減振方法的基本思路，下面詳細(xì)說(shuō)明用于主動(dòng)式減振控制的具體結(jié)構(gòu)及其動(dòng)作。圖5中示出本實(shí)施方式中的主動(dòng)式減振控制系統(tǒng)的方框圖。
在圖5中，標(biāo)號(hào)51是根據(jù)減法器40輸出的翼傾角指令，驅(qū)動(dòng)風(fēng)車葉片12，控制傾角的傾角致動(dòng)器。傾角致動(dòng)器51具體而言可通過(guò)油壓汽缸或電動(dòng)馬達(dá)等實(shí)現(xiàn)，但此處從機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)的角度考慮，以一次滯后系統(tǒng)進(jìn)行模型化。
此外，標(biāo)號(hào)52是計(jì)算風(fēng)車運(yùn)轉(zhuǎn)期間作用于風(fēng)車葉片上的推力的葉片系統(tǒng)。如圖2所示，由于風(fēng)車塔架的機(jī)艙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將其相加后輸出。此外，關(guān)于阻力D引起的推力，在風(fēng)車葉片12的傾角和推力之間具有圖3所示的特性。因此，推力可看作與傾角成反比例，可通過(guò)將基于可用其直線近似獲得的斜率的Kb作為增益的放大器53求出。
標(biāo)號(hào)55是將風(fēng)車塔架作為機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行模型化的塔架系統(tǒng)。傳遞函數(shù)用式(7)求出，但在主動(dòng)式減振系統(tǒng)中，由于用加速度計(jì)17檢測(cè)出加速度(d2x/dt2)后乘以反饋，因而用式(7)乘以S2后的傳遞函數(shù)來(lái)進(jìn)行模型化。而該模型是只有一次振動(dòng)模式的模型。
上述傾角致動(dòng)器51、葉片系統(tǒng)52以及塔架系統(tǒng)55雖是現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電裝置具有的結(jié)構(gòu)，但本實(shí)施方式中構(gòu)成為在其中附加了檢測(cè)作為塔架系統(tǒng)55的輸出的加速度的加速度計(jì)17、生成用來(lái)使風(fēng)車塔架的機(jī)艙13的前后方向上的推力改變的減振用翼傾角指令δθ*的主動(dòng)式減振器20，以及為了使從主動(dòng)式減振器20獲得的減振用翼傾角指令δθ*與從傾角控制器30輸出的輸出控制用翼傾角指令重疊而進(jìn)行δθ*-θ*運(yùn)算的減法器40，構(gòu)成反饋環(huán)。
加速度計(jì)17因在輸出中有相位滯后，因而以1次滯后系統(tǒng)進(jìn)行模型化。此外，在主動(dòng)式減振器20中，如式(8)中設(shè)定的那樣，將速度(dx/dt)乘以Dp的結(jié)果作為通過(guò)主動(dòng)式減振器20的傾角控制動(dòng)作附加性地施加的力，因而構(gòu)成為具有對(duì)加速度進(jìn)行積分后求取速度的積分器21，以及具有傳遞函數(shù)Gc(s)的控制器22。
也就是說(shuō)，通過(guò)設(shè)置在機(jī)艙13內(nèi)部的加速度計(jì)17，測(cè)量機(jī)艙13前后方向上的加速度(1次振動(dòng)模式)，將該測(cè)量出的加速度輸入主動(dòng)式減振器20，利用積分器21進(jìn)行的積分運(yùn)算，計(jì)算出機(jī)艙13前后方向上的速度。在主動(dòng)式減振器20的控制器22中，根據(jù)計(jì)算出的速度，計(jì)算用來(lái)獲得減振效果的減振用翼傾角指令δθ*。由主動(dòng)式減振器20求出的減振用翼傾角指令δθ*可通過(guò)減法器40重疊到由傾角控制器30(參照?qǐng)D1)求出的輸出控制用翼傾角指令θ*上。在傾角致動(dòng)器51中，根據(jù)該重疊后的翼傾角指令，驅(qū)動(dòng)風(fēng)車葉片12，控制傾角角度。通過(guò)該傾角角度控制，控制該風(fēng)力發(fā)電裝置的輸出，并且，與傾角相對(duì)應(yīng)的推力還起到抑制風(fēng)車塔架的機(jī)艙13前后方向上的振動(dòng)的作用，具有加速振動(dòng)衰減的功能。
如上所述，在本實(shí)施方式中，可通過(guò)將減振用翼傾角指令δθ*重疊到輸出控制用翼傾角指令θ*上，同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸出控制以及減振控制。而計(jì)算速度的積分器21并非只進(jìn)行積分運(yùn)算，由于其具有相對(duì)抑制高頻段，加強(qiáng)低頻段的頻率特性，因而還具有削減高頻段的噪聲的功用。
而積分器的結(jié)構(gòu)并不局限于完全積分(1/s)，也可以是具有與此相同功能的濾波器(例如1次滯后要素等)或適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)推算器(同一及最小次元觀測(cè)器及卡爾曼濾波器(Kalman filter))等。
下面參照?qǐng)D6(a)及圖6(b)說(shuō)明主動(dòng)式減振器20的控制器22的具體結(jié)構(gòu)及動(dòng)作。圖6(a)及圖6(b)均為舉例說(shuō)明主動(dòng)式減振器20的控制器22的結(jié)構(gòu)的方框圖。
在圖6(a)中，控制器22(a)通過(guò)配置相位超前補(bǔ)償器62、相位滯后補(bǔ)償器63，放大器64以及限制器65而構(gòu)成。
如上所述，由于加速度計(jì)17的輸出中存在相位滯后，因而通過(guò)相位超前補(bǔ)償器62調(diào)整相位。相位超前補(bǔ)償器62如圖中所示，具有(1+sαT1)/(1+sT1)的相位超前系統(tǒng)的傳遞函數(shù)(此處為α＜1)。
此外，由于通過(guò)相位超前補(bǔ)償器62，高頻段的噪聲被放大，作為對(duì)應(yīng)措施，附加了相位滯后補(bǔ)償器63，相對(duì)抑制高頻段且加強(qiáng)低頻段。相位滯后補(bǔ)償器63如圖中所示，具有(1+sαT2)/(1+sT2)的相位滯后系統(tǒng)的傳遞函數(shù)(此處為α＞1)。如上所述，在主動(dòng)式減振器20的控制器22中，由于通過(guò)配置相位超前補(bǔ)償器62以及相位滯后補(bǔ)償器63這兩種濾波器，補(bǔ)償加速度計(jì)17輸出的相位滯后，還可降低高頻段的噪聲，因而可進(jìn)行穩(wěn)定而有效的減振控制。
此外，根據(jù)式(8)的設(shè)定，放大器64構(gòu)成為具有增益Dp的傳遞函數(shù)。此處的增益Dp優(yōu)選根據(jù)模擬及實(shí)驗(yàn)等的結(jié)果進(jìn)行設(shè)定。
而控制器22(參照?qǐng)D5)的結(jié)構(gòu)并不局限于上述相位補(bǔ)償器，還可通過(guò)諸如比例控制器、比例積分控制器、比例積分微分控制器、LQ調(diào)節(jié)器(線性二次調(diào)節(jié)器)、LQG調(diào)節(jié)器(線性二次高斯調(diào)節(jié)器)等實(shí)現(xiàn)。
并且，由于如果過(guò)于頻繁地進(jìn)行減振用翼傾角指令δθ*的傾角控制，會(huì)使傾角控制機(jī)構(gòu)因過(guò)度動(dòng)作而產(chǎn)生疲勞，因此，通過(guò)設(shè)置限制器65(參照?qǐng)D6(a)、(b))對(duì)減振用翼傾角指令δθ*加以限制(例如±1[deg])，可減輕傾角控制機(jī)構(gòu)的疲勞。
具體而言，當(dāng)圖6所示的放大器64的輸出(下文稱之為“傾角指令”)比預(yù)先設(shè)定的最小傾角小的情況下，(圖7的步驟SA1中為“是”)，則將最小傾角或大于最小傾角的預(yù)定傾角作為最終的控制用翼傾角指令δθ*輸出(圖7的步驟SA2)。另一方面，當(dāng)傾角指令大于等于最小傾角的情況下(圖7的步驟SA1中為“否”)，判斷是否大于傾角指令預(yù)先設(shè)定的最大傾角(圖7的步驟SA3)。
當(dāng)結(jié)果為傾角指令大于最大傾角的情況下(圖7的步驟SA3中為“是”)，將最大傾角或小于最大傾角的預(yù)定傾角作為最終的減振用翼傾角指令δθ*輸出(圖7的步驟SA4)。另外，當(dāng)該傾角指令小于等于最大傾角的情況下(圖7的步驟SA3中為“否”)，將該傾角指令作為最終的減振用翼傾角指令δθ*輸出(圖7的步驟SA5)。
此外，如上所述，也可以不限制放大器64(參照?qǐng)D6(a)、(b))的輸出本身，而可以將該輸出的變化率、換言之，將傾角角度的角速度限制在一定范圍內(nèi)(例如±0.6[deg/sec])。
具體而言，如圖8所示，首先根據(jù)放大器64(參照?qǐng)D6)的輸出的前次值(下文稱之為“傾角指令的前次值”)和此次值(下文稱之為“傾角指令的此次值”)，計(jì)算出變化率(步驟SB1)，判斷該變化率是否小于預(yù)先設(shè)定的最小變化率(步驟SB2)。當(dāng)結(jié)果為變化率小于預(yù)先設(shè)定的最小變化率的情況下(步驟SB2中為“是”)，將在傾角指令的前次值上加上了最小變化率的值作為最終的減振用翼傾角指令δθ*輸出(步驟SB3)。
另一方面，當(dāng)變化率大于等于最小變化率的情況下(步驟SB2中為“否”)，判斷變化率是否大于預(yù)先設(shè)定的最大變化率步驟(SB4)。當(dāng)結(jié)果為變化率大于最大變化率的情況下(步驟SB4中為“是”)將在傾角指令的前次值上加上了最大變化率的值作為最終的減振用翼傾角指令δθ*輸出(步驟SB5)。另一方面，當(dāng)變化率小于等于最大變化率的情況下(步驟SB4中為“否”)，將傾角指令的此次值作為最終的減振用翼傾角指令δθ*輸出(步驟SB6)。
如上述說(shuō)明所示，通過(guò)限制減振用翼傾角指令δθ*或傾角指令δθ*的變化率，可防止出現(xiàn)因減振控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定錯(cuò)誤等原因，風(fēng)車塔架的振動(dòng)反而增大等問(wèn)題。
并且，由于減振用翼傾角指令δθ*限制在比輸出控制用翼傾角指令θ*小很多的范圍內(nèi)，因而可減輕或防止因兩種指令值的干涉造成的影響。
此外，在圖6(b)所示的控制器22b中，在控制器22a的相位超前補(bǔ)償器62的前段附加二次振動(dòng)性的補(bǔ)償器61而構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)更高精度的控制。
在以上的說(shuō)明中，是以用硬件構(gòu)成主動(dòng)式減振器20，輸出減振用翼傾角指令δθ*加以說(shuō)明的，但也可以作為能依次實(shí)施各種構(gòu)成要素的子程序而構(gòu)成。在此情況下，積分器20被轉(zhuǎn)換為積分步驟(速度推算步驟)，控制器22轉(zhuǎn)換為控制步驟，此外，控制器22內(nèi)的各種構(gòu)成要素也分別被置換為相位超前補(bǔ)償步驟、相位滯后補(bǔ)償步驟、限制步驟等，這些步驟變成可在所謂控制器內(nèi)部的CPU、MPU或DSP上執(zhí)行的子程序。
下面，圖9表示將采用上述主動(dòng)式減振器20的主動(dòng)式減振控制系統(tǒng)組裝入可用現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電裝置實(shí)現(xiàn)的傾角控制器30(參照?qǐng)D1)的輸出控制系統(tǒng)中時(shí)的控制系統(tǒng)的框圖，對(duì)采用傾角控制器30進(jìn)行的輸出控制加以簡(jiǎn)要說(shuō)明。
在圖9中，傾角控制器配置了減法器31、32、風(fēng)速控制器33、轉(zhuǎn)速控制器34、輸出控制器35、以及選擇器36。
風(fēng)速控制器33根據(jù)風(fēng)速計(jì)16測(cè)量的風(fēng)速v[m/s]求出翼傾角指令θv后輸出。并且，轉(zhuǎn)速控制器34根據(jù)風(fēng)車轉(zhuǎn)子11的轉(zhuǎn)速N[rpm]，計(jì)算出實(shí)現(xiàn)預(yù)定轉(zhuǎn)速(目標(biāo)值)N*的翼傾角指令θN后輸出。并且，輸出控制器35根據(jù)該風(fēng)力發(fā)電裝置的輸出P[kW]，計(jì)算出實(shí)現(xiàn)預(yù)定輸出(目標(biāo)值)P*的翼傾角指令θP后輸出。
此外，在選擇器36中，選擇風(fēng)速控制器33、轉(zhuǎn)速控制器34以及輸出控制器35各自求出的翼傾角指令θv、θN以及θP中的最小值(選擇最小值)，即選擇輸出最小的翼傾角指令，作為輸出控制用翼傾角指令θ*輸出。此外，通常情況下，風(fēng)車發(fā)電裝置的輸出P[kW]和風(fēng)速v[m/s]的特性與圖10所示的說(shuō)明圖相同。在達(dá)到額定輸出、額定風(fēng)速之前實(shí)施基于風(fēng)速v[m/s]的控制，達(dá)到額定輸出、額定風(fēng)速之后，則實(shí)施基于風(fēng)車轉(zhuǎn)子11的轉(zhuǎn)速N(rpm)或風(fēng)力發(fā)電裝置的輸出P[kW]的控制。
而根據(jù)傾角控制器30的傾角范圍則具有從窄距(fine pitch)(約-20[deg]，此時(shí)轉(zhuǎn)速大)到順槳(feather)(約-104[deg]，此時(shí)轉(zhuǎn)速小)的廣大控制范圍。
下面以模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果為例，說(shuō)明本實(shí)施方式的風(fēng)力發(fā)電裝置及其主動(dòng)式減振方法的效果。圖11表示有無(wú)主動(dòng)式減振器20(參照?qǐng)D1)進(jìn)行的主動(dòng)式減振時(shí)，塔架系統(tǒng)55(參照?qǐng)D5)中的振動(dòng)振幅的頻率特性。在塔架系統(tǒng)55的固有振動(dòng)頻率附近，振動(dòng)振幅明顯受到抑制。另外，由于預(yù)先已掌握塔架系統(tǒng)55的固有振動(dòng)頻率，因而通過(guò)設(shè)定與固有振動(dòng)頻率相對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)的參數(shù)，即可進(jìn)行更加恰當(dāng)?shù)臏p振控制。
如上述說(shuō)明所述，在本實(shí)施方式的風(fēng)力發(fā)電裝置及其主動(dòng)式減振方法中，如圖1所示，通過(guò)安裝在機(jī)艙13內(nèi)的加速度計(jì)17檢測(cè)該機(jī)艙13的振動(dòng)的加速度，在主動(dòng)式減振器20(主動(dòng)式減振步驟)中，根據(jù)該加速度，計(jì)算出用來(lái)使風(fēng)車葉片12上產(chǎn)生消除機(jī)艙13振動(dòng)的推力的該風(fēng)車葉片12的傾角，將此作為減振用翼傾角指令δθ*輸出。另一方面，在傾角控制器30(傾角控制步驟)中，計(jì)算出用來(lái)使輸出達(dá)到預(yù)定值的風(fēng)車葉片12的傾角，將此作為輸出控制用翼傾角指令θ*輸出。并通過(guò)減法器40(加法步驟)使輸出控制用翼傾角指令θ*與減振用翼傾角指令δθ*重疊后，根據(jù)該重疊后的翼傾角指令，控制風(fēng)車葉片的傾角。
由于為了控制輸出而控制傾角是早已被廣泛采用的技術(shù)，因而只要在現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電裝置中附加安裝加速度計(jì)17、主動(dòng)式減振器20(主動(dòng)式減振步驟)以及減法器40(加法步驟)即可實(shí)現(xiàn)本實(shí)施方式。也就是說(shuō)，由于安裝十分簡(jiǎn)單，因而可大幅度降低主動(dòng)式減振控制的應(yīng)用與運(yùn)作成本，能以低成本實(shí)現(xiàn)減少風(fēng)力發(fā)電裝置的振動(dòng)。此外，由于使減振用翼傾角指令δθ*與輸出控制用翼傾角指令θ*重疊后，實(shí)施傾角控制，因而可同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸出控制及減振控制。
在本實(shí)施方式的風(fēng)力發(fā)電裝置及其主動(dòng)式減振方法中，如圖1所示，在主動(dòng)式減振器20(主動(dòng)式減振步驟)中，用積分器21(積分步驟)對(duì)加速度計(jì)檢測(cè)的加速度進(jìn)行積分后，求出速度，通過(guò)控制器22(控制步驟)，根據(jù)該速度，計(jì)算出用來(lái)使風(fēng)車葉片上產(chǎn)生消除機(jī)艙振動(dòng)的推力的該風(fēng)車葉片的傾角。如上所述，根據(jù)本發(fā)明，由于可用積分器21(積分步驟)以及控制器22(控制步驟)這樣簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式減振器20(主動(dòng)式減振步驟)，因而能夠以低成本實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電裝置的減振。此外，由于可通過(guò)積分器21(積分步驟)去除高頻段的噪聲，因而可進(jìn)行穩(wěn)定而有效的減振控制。
根據(jù)本實(shí)施方式的風(fēng)力發(fā)電裝置及其主動(dòng)式減振方法，如圖1、圖6(a)及圖6(b)所示，在控制器22(控制步驟)中具有使積分器21(積分步驟)輸出的速度相位提前預(yù)定量的相位超前補(bǔ)償器62(相位超前補(bǔ)償步驟)、以及使相位超前補(bǔ)償器62(相位超前補(bǔ)償步驟)輸出的速度相位滯后預(yù)定量的相位滯后補(bǔ)償器63(相位滯后補(bǔ)償步驟)，根據(jù)該相位滯后補(bǔ)償后的速度，計(jì)算出傾角。由此，由于可以補(bǔ)償加速度計(jì)輸出的相位滯后并降低高頻段的噪聲，因而可進(jìn)行穩(wěn)定而有效的減振控制。
根據(jù)本實(shí)施方式的風(fēng)力發(fā)電裝置及其主動(dòng)式減振方法，如圖6(a)及圖(b)所示，由于在控制器22(控制步驟)中具有將計(jì)算出的傾角限制在預(yù)定范圍內(nèi)的限制器65(限制步驟)而構(gòu)成，因而可以降低傾角控制機(jī)構(gòu)的疲勞，并可以防止由于參數(shù)設(shè)定錯(cuò)誤等引起的問(wèn)題，并且，當(dāng)把減振用翼傾角指令δθ*限制在比輸出控制用翼傾角指令θ*小很多的范圍內(nèi)的情況下，可減輕或防止由于兩種指令值的干涉造成的影響。
上面參照附圖詳述了本發(fā)明的實(shí)施方式，但具體結(jié)構(gòu)并不局限于該實(shí)施方式，也包含不脫離本發(fā)明主旨的范圍內(nèi)的設(shè)計(jì)變更。
在上述實(shí)施方式的說(shuō)明中，詳細(xì)介紹了風(fēng)力發(fā)電裝置及其主動(dòng)式減振方法，但也可將本實(shí)施方式的風(fēng)力發(fā)電裝置及其主動(dòng)式減振方法直接用于風(fēng)車塔架。在此情況下，除具有上述效果外，還有下述效果。也就是說(shuō)，由于不使用現(xiàn)有的AMD之類的重物及該重物用的致動(dòng)器，因此不必增加機(jī)艙13的重量，也不必提高風(fēng)車塔架自身的強(qiáng)度，因而能以低成本實(shí)現(xiàn)。
此外，在實(shí)施方式中，通過(guò)傾角控制進(jìn)行輸出控制，但也可用于采用其它輸出控制的風(fēng)力發(fā)電裝置或風(fēng)車塔架。不過(guò)在此情況下，需要新增加控制風(fēng)車葉片12的傾角的傾角控制機(jī)構(gòu)。
并且，在實(shí)際運(yùn)用中，出于提高可靠性及安全性的觀點(diǎn)考慮，也可采用下述結(jié)構(gòu)及方法。
例如，為了實(shí)現(xiàn)失效安全(fail-safe)，在機(jī)艙13內(nèi)部使兩個(gè)加速度計(jì)長(zhǎng)期工作，在主動(dòng)式減振控制中僅使用一方的檢測(cè)結(jié)果，當(dāng)其中的某一方故障的情況下，使主動(dòng)式減振控制自動(dòng)停止。
此外，當(dāng)減振控制系統(tǒng)的參數(shù)(主要是反饋增益Gc(s))的設(shè)定值不恰當(dāng)?shù)那闆r下，例如，當(dāng)標(biāo)號(hào)倒轉(zhuǎn)，或設(shè)定為超過(guò)允許范圍的高增益等情況下，很可能產(chǎn)生減振控制系統(tǒng)不穩(wěn)定，風(fēng)車塔架(機(jī)艙13)的振動(dòng)增大的情況，但也可以想到(利用加速度計(jì)17等)自動(dòng)探測(cè)出此種狀態(tài)，使主動(dòng)式減振控制自動(dòng)停止的方法。
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)力發(fā)電裝置，具有根據(jù)翼傾角指令控制風(fēng)車葉片傾角的傾角控制機(jī)構(gòu)，其特征在于，具有加速度計(jì)，安裝在機(jī)艙內(nèi)，檢測(cè)該機(jī)艙振動(dòng)的加速度；和主動(dòng)式減振裝置，根據(jù)前述加速度計(jì)檢測(cè)出的加速度，計(jì)算出用來(lái)使前述風(fēng)車葉片上產(chǎn)生消除前述機(jī)艙振動(dòng)的推力的該風(fēng)車葉片的傾角，將翼傾角指令輸出到前述傾角控制機(jī)構(gòu)。
2.一種風(fēng)力發(fā)電裝置，具有根據(jù)翼傾角指令控制風(fēng)車葉片傾角的傾角控制機(jī)構(gòu)，其特征在于，具有加速度計(jì)，安裝在機(jī)艙內(nèi)，檢測(cè)該機(jī)艙振動(dòng)的加速度；主動(dòng)式減振裝置，根據(jù)前述加速度計(jì)檢測(cè)出的加速度，計(jì)算出用來(lái)使前述風(fēng)車葉片上產(chǎn)生消除前述機(jī)艙振動(dòng)的推力的該風(fēng)車葉片的傾角，輸出減振用翼傾角指令；傾角控制裝置，根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)車轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，或該風(fēng)力發(fā)電裝置的輸出，計(jì)算出用來(lái)使該風(fēng)力發(fā)電裝置的輸出達(dá)到預(yù)定值的前述風(fēng)車葉片的傾角，將輸出控制用翼傾角指令輸出；和加法裝置，向前述傾角控制機(jī)構(gòu)提供使來(lái)自前述傾角控制裝置的輸出控制用翼傾角指令與來(lái)自前述主動(dòng)式減振裝置的減振用翼傾角指令重疊后的翼傾角指令。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電裝置，其特征在于，前述主動(dòng)式減振裝置具有速度推算裝置，根據(jù)前述加速度計(jì)檢測(cè)出的加速度，推算速度；和控制裝置，根據(jù)前述速度推算裝置輸出的速度，計(jì)算出用來(lái)使前述風(fēng)車葉片上產(chǎn)生消除前述機(jī)艙振動(dòng)的推力的該風(fēng)車葉片的傾角。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的風(fēng)力發(fā)電裝置，其特征在于前述速度推算裝置通過(guò)對(duì)前述加速度計(jì)檢測(cè)出的加速度積分，計(jì)算速度。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的風(fēng)力發(fā)電裝置，其特征在于前述控制裝置具有使前述速度推算裝置輸出的速度相位超前預(yù)定量的相位超前補(bǔ)償裝置，根據(jù)該相位超前補(bǔ)償后的速度，計(jì)算前述傾角。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的風(fēng)力發(fā)電裝置，其特征在于前述控制裝置具有使前述相位超前補(bǔ)償裝置輸出的速度相位滯后預(yù)定量的相位滯后補(bǔ)償裝置，根據(jù)該相位滯后補(bǔ)償后的速度，計(jì)算前述傾角。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的風(fēng)力發(fā)電裝置，其特征在于前述控制裝置具有將前述速度推算裝置推算的速度作為輸入的比例控制器、比例積分控制器、比例積分微分控制器、線性二次調(diào)節(jié)器以及線性二次高斯調(diào)節(jié)器中的任意一種，計(jì)算前述傾角。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電裝置，其特征在于前述主動(dòng)式減振裝置具有將前述風(fēng)車葉片的傾角或前述風(fēng)車葉片的傾角的角速度限制在預(yù)定范圍內(nèi)的限制裝置。
9.一種風(fēng)力發(fā)電裝置的主動(dòng)式減振方法，上述風(fēng)力發(fā)電裝置具有根據(jù)翼傾角指令控制風(fēng)車葉片傾角的傾角控制機(jī)構(gòu)；以及安裝在機(jī)艙內(nèi)，檢測(cè)該機(jī)艙振動(dòng)的加速度的加速度計(jì)，其特征在于，上述主動(dòng)式減振方法具有下述步驟根據(jù)前述加速度計(jì)檢測(cè)出的加速度，計(jì)算出用來(lái)使前述風(fēng)車葉片上產(chǎn)生消除前述機(jī)艙振動(dòng)的推力的該風(fēng)車葉片的傾角，將翼傾角指令輸出到前述傾角控制機(jī)構(gòu)的主動(dòng)式減振步驟。
10.一種風(fēng)力發(fā)電裝置的主動(dòng)式減振方法，上述風(fēng)力發(fā)電裝置具有根據(jù)翼傾角指令控制風(fēng)車葉片傾角的傾角控制機(jī)構(gòu)；以及安裝在機(jī)艙內(nèi)，檢測(cè)該機(jī)艙振動(dòng)的加速度的加速度計(jì)，其特征在于，上述主動(dòng)式減振方法具有下述步驟根據(jù)前述加速度計(jì)檢測(cè)出的加速度，計(jì)算出用來(lái)使前述風(fēng)車葉片上產(chǎn)生消除前述機(jī)艙振動(dòng)的推力的該風(fēng)車葉片的傾角，輸出減振用翼傾角指令的主動(dòng)式減振步驟；根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)車轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速或該風(fēng)力發(fā)電裝置的輸出，計(jì)算用來(lái)使該風(fēng)力發(fā)電裝置的輸出達(dá)到預(yù)定值的前述風(fēng)車葉片的傾角，將輸出控制用翼傾角指令輸出的傾角控制步驟；和向前述傾角控制機(jī)構(gòu)提供用來(lái)使前述傾角控制步驟中的輸出控制用翼傾角指令與前述主動(dòng)式減振步驟中的減振用翼傾角指令重疊的翼傾角指令的加法步驟。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的風(fēng)力發(fā)電裝置的主動(dòng)式減振方法，其特征在于，前述主動(dòng)式減振步驟具有根據(jù)前述加速度計(jì)檢測(cè)出的加速度，推算速度的速度推算步驟；和根據(jù)前述速度推算步驟推算出的速度，計(jì)算出用來(lái)使前述風(fēng)車葉片上產(chǎn)生消除前述機(jī)艙振動(dòng)的推力的該風(fēng)車葉片的傾角的控制步驟。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的主動(dòng)式減振方法，其特征在于前述速度推算步驟對(duì)前述加速度計(jì)檢測(cè)出的加速度積分，計(jì)算速度。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的風(fēng)力發(fā)電裝置的主動(dòng)式減振方法，其特征在于，前述控制步驟具有使前述速度推算步驟推算的速度相位提前預(yù)定量的相位超前補(bǔ)償步驟，根據(jù)該相位超前補(bǔ)償后的速度，計(jì)算前述傾角。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的風(fēng)力發(fā)電裝置的主動(dòng)式減振方法，其特征在于前述控制步驟具有使前述相位超前補(bǔ)償步驟輸出的速度相位滯后預(yù)定量的相位滯后補(bǔ)償步驟，根據(jù)該相位滯后補(bǔ)償后的速度，計(jì)算前述傾角。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的風(fēng)力發(fā)電裝置的主動(dòng)式減振方法，其特征在于前述控制步驟具有對(duì)于前述速度推算步驟推算的速度，實(shí)施使用比例控制、比例積分控制、比例積分微分控制、線性二次調(diào)節(jié)器的控制，以及使用線性二次高斯調(diào)節(jié)器的控制中的任意一種控制的補(bǔ)償步驟，根據(jù)前述補(bǔ)償后的速度，計(jì)算前述傾角。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述的風(fēng)力發(fā)電裝置的主動(dòng)式減振方法，其特征在于前述主動(dòng)式減振步驟具有將前述風(fēng)車葉片的傾角或前述風(fēng)車葉片傾角的角速度限制在預(yù)定范圍內(nèi)的限制步驟。
17.一種具有風(fēng)力發(fā)電裝置的風(fēng)車塔架，其特征在于，上述風(fēng)力發(fā)電裝置具有傾角控制機(jī)構(gòu)，根據(jù)翼傾角指令，控制風(fēng)車葉片的傾角；加速度計(jì)，安裝于機(jī)艙內(nèi)，檢測(cè)該機(jī)艙振動(dòng)的加速度；主動(dòng)式減振裝置，根據(jù)前述加速度計(jì)檢測(cè)的加速度，計(jì)算用來(lái)使前述風(fēng)車葉片上產(chǎn)生消除前述機(jī)艙振動(dòng)的推力的該風(fēng)車葉片的傾角，將翼傾角指令輸出到前述傾角控制機(jī)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供能夠以低成本減少風(fēng)力發(fā)電裝置或風(fēng)車塔架振動(dòng)的風(fēng)力發(fā)電裝置及其主動(dòng)式減振方法和風(fēng)車塔架。利用安裝在機(jī)艙(13)中的加速度計(jì)(17)檢測(cè)該機(jī)艙(13)的振動(dòng)，在主動(dòng)式減振器(20)中根據(jù)該加速度計(jì)算出用來(lái)使風(fēng)車葉片(12)上產(chǎn)生消除機(jī)艙(13)振動(dòng)的推力的該風(fēng)車葉片(12)的傾角，將此作為減振用翼傾角指令δθ
文檔編號(hào)F03D7/04GK1906409SQ20048004065
公開(kāi)日2007年1月31日 申請(qǐng)日期2004年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月27日
發(fā)明者若狹強(qiáng)志, 井手和成, 林義之, 柴田昌明 申請(qǐng)人:三菱重工業(yè)株式會(huì)社