风力发电装置和风力发电装置的风向估计方法

摘要

本发明的风力发电装置进行方位控制，使导流罩朝向对于实际的主风向的正面。通过风向计(风向检测单元)(11)检测主风向，通过由风向假设部件(风向假设单元)(25)假设风向偏移值，即规定的风速中的所述主风向和实际的风向的实际风向的偏差，从而假设实际风向，通过平均发电输出计算部件(平均发电输出计算单元)(26)计算被假设的实际风向中的规定时间的平均发电输出，并通过实际风向估计部件(实际风向估计单元)(27)将对于被假设的风向偏移值的所述平均发电输出近似为二次曲线，将该近似的二次曲线中的平均发电输出为最大时的风向偏移值估计为实际的偏移值，从而估计实际风向。

说明书

技术领域

本发明涉及风力发电装置，特别涉及追随风向而可变地控制导流罩(nacelle)的朝向的风力发电装置。

背景技术

顶风(up wind)式的风力发电装置是在支柱上设置的导流罩上，设置了安装了叶片的旋转头(rotor head)和由旋转头的轴输出驱动的发电机的装置。在这样构成的风力发电装置中，由于叶片接受风力，叶片和旋转头旋转，并传递给发电机。因此，将风力变换为旋转力而得到的轴输出被作为发电机的驱动源，并且可以进行作为发电机的动力而利用了风力的发电。

另外，在这种风力发电装置中，由于发电输出根据风速和风向而变动，所以在美国专利第6320272号说明书(专利文献1)中，公开了使用激光(レ一ザ)式风速计来估计风速，并掌握风力发电装置的发电性能的技术。

而且，在这种风力发电装置中，为了最大限度地充分利用风能，在导流罩上部设置风向计，并进行方位控制，使得导流罩正面朝向由该风向计检测出的主风向。

但是，由于风向计被设置在导流罩的上部，即被设置在叶片的后方，所以对于风向位于叶片的尾流。因此，由于叶片的旋转而风向变化，风向计检测出的主风向和吹到叶片上的实际的主风向之间产生偏差，其结果，风力发电装置在与实际的主风向偏差了的状态下进行发电。由于风产生的旋转能对应于风向的偏差而降低，所以存在风力发电装置的发电输出因风向的偏差而降低的问题。而且，还存在由于风向的偏差而对风力发电装置施加偏载荷的问题。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：美国专利第6320272号说明书

发明内容

发明要解决的技术问题

本发明是为解决上述问题而完成的，其目的是提供能够进行方位控制，使导流罩朝向对于实际的风向的正面的风力发电装置。

解决课题的手段

为了解决上述课题，本发明采用以下的手段。

本发明的一个方式是风力发电装置，追随风向而可变地控制导流罩的朝向，包括：风向检测单元，检测主风向；风向假设单元，通过假设风向偏移值，即规定的风速中的所述主风向和实际的风向的实际风向的偏差，假设实际风向；平均发电输出计算单元，计算所述被假设的实际风向中的规定时间的平均发电输出；以及实际风向估计单元，将对于所述被假设的风向偏移值的所述平均发电输出近似为二次曲线，将该近似的二次曲线中的所述平均发电输出为最大时的风向偏移值估计为实际的偏移值，从而估计实际风向。

而且，本发明的另一个方式是风向估计方法，用于追随风向而可变地控制导流罩的朝向的风力发电装置，包括：检测主风向的步骤；通过假设风向偏移值，即规定的风速中的所述主风向和实际的风向的实际风向的偏差，假设实际风向的步骤；计算所述被假设的实际风向中的规定时间的平均发电输出的步骤；以及将对于所述被假设的风向偏移值的所述平均发电输出近似为二次曲线，将该近似的二次曲线中的所述平均发电输出为最大时的风向偏移值估计为实际的偏移值，从而估计实际风向的步骤。

按照上述的本发明的方式，由于风向检测单元检测到的主风向和实际上吹到风力发电装置的风的风向即实际风向产生偏差，所以假设作为该偏差的风向偏移值。另外，风向偏移值由于风力发电装置的叶片的转速而变化。特别是，在本实施方式中的风力发电装置那样叶片的转速对应于风速的变化而变化的风力发电装置中，将风速和叶片的转速视为相对应的关系，在假设风向偏移值时，将估计对象决定为规定的风速。该规定的风速可以任意地决定。因此，在规定的风速中，在假设检测到的主风向和实际风向上存在偏差的状态，即，根据检测到的主风向和风向偏移值假设实际风向，在为规定的风速并且假设的实际风向中的假设规定时间的平均发电输出。这里的规定时间可以任意地决定。根据计算出的平均发电输出，例如使用最小二乘法或者梯度法等将相对于风向偏移值的平均发电输出近似为二次曲线，将在该二次曲线中平均发电输出为最大时的风向偏移值估计为实际的风向偏移值，通过将其加到主风向，估计实际风向。

发明的效果

这样，按照本发明，通过估计吹到风力发电装置的实际的风向，可以进行方位控制，使得导流罩朝向对于实际的主风向的正面，风力发电装置的发电性能提高。

附图说明

图1是表示本发明的风力发电装置的概略结构的方框图。

图2是表示本发明的第1实施方式的风向估计处理的流程图。

图3是表示本发明的第1实施方式的风向计的检测风向、实际风向和风向偏移的关系的说明图。

图4是表示图2的流程图的步骤S33的子程序的流程图。

图5A是在本发明的第1实施方式中，表示生成近似曲线的步骤的说明图。

图5B是在本发明的第1实施方式中，表示生成近似曲线的步骤的说明图。

图5C是在本发明的第1实施方式中，表示生成近似曲线的步骤的说明图。

图5D是在本发明的第1实施方式中，表示生成近似曲线的步骤的说明图。

图5E是在本发明的第1实施方式中，表示生成近似曲线的步骤的说明图。

图6是表示本发明的第2实施方式的风向估计处理的流程图。

图7是在本发明的第2实施方式中，表示生成近似曲线的步骤的说明图。

图8是表示使用本发明的风向估计方法计算出的风向偏移值的表的参考例的图。

标号说明

10    导流罩

11    风向计

20    运算单元

21    CPU

22    ROM

23    RAM

24    存储装置

25    风向假设单元

26    平均发电输出计算单元

27    实际风向估计单元

具体实施方式

以下，参照附图，说明本发明的风力发电装置的各实施方式。

【第1实施方式】

图1是表示本发明的风力发电装置的概略结构的方框图。如图1所示，风力发电装置在导流罩10的上部具有作为风向检测部件的风向计11，该风向计检测吹到风力发电装置的风向，将检测到的风向输出到运算单元20。

运算单元20是进行用于估计实际风向的运算的单元，具有：执行各种运算处理的CPU(中央运算处理单元)21；存储基本程序等的只读存储器即ROM(Read Only Memory)22；起到CPU21的工作区域的作用的作为自由读写的存储器的RAM(Random Access Memory，随机存储器)23；以及存储程序或各种数据的存储装置24。

而且，运算单元20具有：作为风向假设部件的风向假设单元25；作为平均发电输出计算部件的平均发电输出计算单元26；以及作为实际风向估计部件的实际风向估计单元27。风向假设单元25通过假设风向偏移值，即规定的风速中的主风向和作为实际的风向的实际风向的偏差，而假设实际风向。平均发电输出计算单元26计算假设的实际风向中的规定时间的平均发电输出。实际风向估计单元27将对于假设的风向偏移值的平均发电输出近似为二次曲线，通过将近似的二次曲线中的平均发电输出成为极大时的风向偏移值估计为实际的偏移值来估计实际风向。

风向假设单元25、平均发电输出计算单元26、实际风向估计单元27都是通过CPU21执行规定的ROM22中存储的处理程序而实现的处理单元，对于其处理在后叙述。

接着，说明本发明的风力发电装置中的风向估计方法的处理步骤。图2是表示本实施方式的风向估计方法的处理步骤的流程图。

在步骤S31中，首先选择成为在估计风向时的对象的风速Va。这是因为，在实际风向和主风向的偏差，即本实施方式的风力发电装置那样，叶片的转速与风速对应那样的风力发电装置中，风向偏移值与风速对应而有所不同，所以在估计实际风向时，需要决定在假设风向偏移值时成为对象的风速Va，该风速Va可以任意地决定。接着，在步骤S32中，通过风向假设单元25假设在步骤S31中选定的风速Va中的风向偏移值，并根据它假设实际风向。即，如图3所示，在将风向计11相对于导流罩的方位基准轴检测的风向设为W_d1、将作为实际风向和检测风向的偏差的风向偏移值设为W_o时，导流罩10跟前的实际风向W_d由下式定义，根据该式假设实际风向W_d。

【公式1】

W_d＝W_d1-W_o

风向偏移值需要假设多个值，以便在之后的步骤值可以近似为二次曲线，在本实施方式中，假设为W_o(1)＝0°，W_o(2)＝+10°，W_o(3)＝-10°这三个值。然后，与其对应，将实际风向分别假设为W_d(1)、W_d(2)、W_d(3)。

在下一个步骤S33中，通过平均发电输出计算单元26分别计算在步骤S32中假设的实际风向W_d(1)、W_d(2)、W_d(3)中的10分钟的平均发电输出。平均发电输出的计算处理过程为图2所示的流程图中的子程序，按照图4所示的流程图进行计算。即，在图4的步骤S41中，在追随由风向计11检测出的风向而驱动导流罩，风力发电装置处于发电状态时，首先，作为W_d(1)而测量风速、风向、发电输出，并且将测量的数据存储在存储装置24中。在下一个步骤S42中，根据在步骤S41中测量出的风速、风向、发电输出的数据计算10分钟平均值，并将其存储在存储装置24中。

在下一个步骤S43和步骤S44中，重复判断存储装置24中存储的数据是否为希望的数据，在是希望的数据的情况下采用该数据，在不是希望的数据的情况下不采用该数据的步骤。具体来说，在步骤S43中，判断被累积的数据中10分钟的平均风速是否在步骤S31中选定的风速Va的±0.5m/s的范围。在判断出10分钟平均风速处于Va的±0.5m/s的范围内的情况下进入下一个步骤S44。接着，在步骤S44判断10分钟的平均风向是否在假设的实际风向W_d(1)＝0°的±5°的范围内，在判断出10分钟的平均风向在假设的实际风向W_d(1)＝0°的±5°的范围内的情况下进入下一个步骤S46，在步骤S46中将这些数据作为计算平均发电输出时采用的数据累积到存储装置24。在步骤S43和步骤S44中判断出判断对象的数据在所述范围外的情况下进入下一个步骤S45，在计算平均发电输出时不采用该数据。

在步骤S47中，判断在前面的步骤S46中决定采用的、再次存储在存储装置24中的数据数目是否超过规定数N。这里，所谓规定的数目N可以任意决定，以便能够在计算平均发电输出时最佳化。在判断出在计算平均发电输出时采用的数据未存储规定数目的情况下，返回步骤S41，重复以后的步骤。在判断出在计算平均发电输出时采用的数据已存储了规定数目的情况下，进入下一个步骤S48。

在步骤S48中，计算在步骤S46中累积在存储装置24中的N个平均发电输出的值的平均值，将该平均值作为风向偏移值W_o(1)，即假设的实际风向为W_d(1)时的平均发电输出P_ave(1)，对W_o(2)和W_o(3)也执行步骤S33的子程序，即图4的流程图的处理，计算P_ave(2)和P_ave(3)。

返回图2，在步骤S34中，判断对在步骤S32中假设的全部风向偏移值的平均发电输出的计算是否已结束。该判断的结果，在判断出对于全部风向偏移值的平均发电输出的计算尚未结束的情况下，返回步骤S33，重复步骤S33的子程序。在判断出结束了对于全部风向偏移值W_o(1)、W_o(2)、W_o(3)的平均发电输出的计算的情况下，进入下一个步骤S35，通过实际风向估计单元27将对于假设的风向偏移值W_o(1)、W_o(2)、W_o(3)计算出的P_ave(1)、P_ave(2)、P_ave(3)近似为二次曲线。具体来说，使用最小二乘法或者多项式近似等计算以下公式的系数a₀、a₁、a₂。

【公式2】

P(i)＝a₀W_o(i)²+a₁W_o(i)+a₂

即，如图5A～图5E所示，首先在图5A中将(W_o(1)，P_ave(1))，在图5B中将(W_o(2)，P_ave(2))，在图5C中将(W_o(3)，P_ave(3))依次绘出。然后，根据这三点，生成图5D所示的二次的近似曲线。根据公式3计算生成的近似曲线为最大时的W_o(参照图5E)。

【公式3】

$W_o\left(i\right)=-\frac{a_1}{2a_0}$

接着，在步骤S37中，将在步骤S36中计算出的W_o作为实际的风向偏移值W_o，应用于公式1，从而估计实际风向W_d，结束风向估计方法的处理。

在本实施方式中将W_o设为了常数，但是也可以将W_o作为风速、转子转速、发电机转速、发电输出等的函数，作为与输入对应地可变的表而提供。而且，虽然示出了假设三个风向偏移值W_o而进行处理的例子，但是不限于此，在平均发电输出的计算中，也不一定需要取10分钟的平均值，能够适当地进行设计变更。而且，在本实施方式中，测量风速、风向、发电输出，并通过根据测量的数据计算平均发电输出来估计了实际风向，但是例如也可以将预先存储的数据用于实际风向的估计。实际风向估计的定时既可以定期地进行，也可以仅在运转开始前进行一次。

这样，按照本发明，通过估计吹到风力发电装置的实际的风向，可以进行方位控制，使得导流罩朝向对于实际的主风向的正面，风力发电装置的发电性能提高。

【第2实施方式】

接着，使用图6、图7说明本发明的第2实施方式。

本实施方式的风力发电装置的结构与第1实施方式相同，但是风向估计方法的处理步骤不同。上述的第1实施方式通过求近似式来生成二次的近似曲线，但是在本实施方式中，对使用梯度法生成近似曲线的处理进行说明。图6是表示本实施方式的风向估计方法的处理步骤的流程图。而且，在以下叙述的本处理步骤中，也预先决定估计风向偏移值W_o的对象速度Va，计算该速度Va中的平均发电输出。

在图6的步骤S51中，通过风向假设单元25决定风向偏移值W_o(i)的初始值W_o(1)，并且在下一个步骤S52中通过平均发电输出计算单元26计算W_o(1)中的平均发电输出P_ave(1)。而且，步骤S52中的平均发电输出的计算与上述第1实施方式中的平均发电输出的计算处理(参照步骤S33)相同，所以省略说明。接着，在下一个步骤S53中，作为i＝2决定下一个风向偏移值W_o(2)，并且在步骤S54中计算W_o(2)的平均发电输出P_ave(2)，进入下一个步骤S55。

在步骤S55中，根据公式4计算先前求出的风向偏移值W_o(1)中的平均发电输出P_ave(1)和风向偏移值W_o(2)中的平均发电输出P_ave(2)的变化量dP/dW。

【公式4】

$\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dW}}=\frac{P_{\mathrm{ave}}\left(2\right)-P_{\mathrm{ave}}\left(1\right)}{W_o\left(2\right)-W_o\left(1\right)}$

在步骤S56中，根据公式5计算下一个风向偏移值W_o(3)。

【公式5】

$W_o\left(2\right)=W_o\left(1\right)-\alpha \frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dW}}$

这里，α是决定W_o的收敛速度的参数，需要在0至1的范围内任意地决定。α如果过小，则至收敛为止的计算次数变多，如果过大，则担心不能收敛，因此，优选使用根据梯度法的经验规则预先决定的值。

而且，在下一个步骤S57，判断是否W_o(3)≈W_o(2)，即，根据公式5计算出的下一个风向偏移值W_o(3)是否为可近似为风向偏移值W_o(2)的程度的值。在该判定中判断为不能近似的情况下，返回步骤S54，重复上述的处理。具体来说，在步骤S54中，计算在步骤S56中算出的下一个风向偏移值W_o(i)中的平均发电输出P_ave(i)，在下一个步骤S55中根据公式6，计算该P_ave(i)和先前计算出的P_ave(i-1)之间的变化量。

【公式6】

$\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dW}}=\frac{P_{\mathrm{ave}}\left(i\right)-P_{\mathrm{ave}}(i-1)}{W_o\left(i\right)-W_o(i-1)}$

然后，在下一个步骤S56中使用这里算出的变化量，根据公式7再次计算下一个风向偏移值W_o(i+1)，在步骤S57中，判断计算出的风向偏移值W_o(i+1)是否为W_o(i+1)≈W_o(i)。

【公式7】

$W_o(i+1)=W_o\left(i\right)-\alpha \frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dW}}$

重复以上的处理，直至判断为W_o(i+1)≈W_o(i)，在判断为W_o(i+1)≈W_o(i)的情况下，在下一个步骤S58，将W_o(i+1)决定为实际风向偏移值W_o。即，根据以上的处理中得到的变化量生成近似曲线，则成为图7那样。这里，如果平均发电输出的变化量为可忽略的极小的值，则成为W_o(i+1)≈W_o(i)，这时，在图7的曲线中P_ave(i)取最大值。因此，将这时的风向偏移值W_o(i+1)判断为实际的风向偏移值W_o，并通过将其应用于公式1，估计实际风向W_d，结束风向估计方法的处理。

这样，按照本发明，通过估计吹到风力发电装置的实际的风向，可以进行方位控制，使得导流罩朝向对于实际的主风向的正面，风力发电装置的发电性能提高。

而且，如图8所示，也可以使用上述的风向估计方法，设定多个风速Va，例如设定Va(1)～Va(4)，对这多个设定的风速的每一个估计实际的风向偏移值，预先作成根据风速可变的表。