專利名稱：風(fēng)力發(fā)電裝置和風(fēng)力發(fā)電裝置的風(fēng)向估計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電裝置，特別涉及追隨風(fēng)向而可變地控制導(dǎo)流罩(nacelle)的 朝向的風(fēng)力發(fā)電裝置。
背景技術(shù)：
頂風(fēng)(up wind)式的風(fēng)力發(fā)電裝置是在支柱上設(shè)置的導(dǎo)流罩上，設(shè)置了安裝了葉 片的旋轉(zhuǎn)頭(rotor head)和由旋轉(zhuǎn)頭的軸輸出驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)的裝置。在這樣構(gòu)成的風(fēng)力 發(fā)電裝置中，由于葉片接受風(fēng)力，葉片和旋轉(zhuǎn)頭旋轉(zhuǎn)，并傳遞給發(fā)電機(jī)。因此，將風(fēng)力變換為 旋轉(zhuǎn)力而得到的軸輸出被作為發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)源，并且可以進(jìn)行作為發(fā)電機(jī)的動(dòng)力而利用了 風(fēng)力的發(fā)電。另外，在這種風(fēng)力發(fā)電裝置中，由于發(fā)電輸出根據(jù)風(fēng)速和風(fēng)向而變動(dòng)，所以在美國(guó) 專利第6320272號(hào)說明書(專利文獻(xiàn)1)中，公開了使用激光(> 一W)式風(fēng)速計(jì)來估計(jì)風(fēng) 速，并掌握風(fēng)力發(fā)電裝置的發(fā)電性能的技術(shù)。而且，在這種風(fēng)力發(fā)電裝置中，為了最大限度地充分利用風(fēng)能，在導(dǎo)流罩上部設(shè)置 風(fēng)向計(jì)，并進(jìn)行方位控制，使得導(dǎo)流罩正面朝向由該風(fēng)向計(jì)檢測(cè)出的主風(fēng)向。但是，由于風(fēng)向計(jì)被設(shè)置在導(dǎo)流罩的上部，即被設(shè)置在葉片的后方，所以對(duì)于風(fēng)向 位于葉片的尾流。因此，由于葉片的旋轉(zhuǎn)而風(fēng)向變化，風(fēng)向計(jì)檢測(cè)出的主風(fēng)向和吹到葉片上 的實(shí)際的主風(fēng)向之間產(chǎn)生偏差，其結(jié)果，風(fēng)力發(fā)電裝置在與實(shí)際的主風(fēng)向偏差了的狀態(tài)下 進(jìn)行發(fā)電。由于風(fēng)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)能對(duì)應(yīng)于風(fēng)向的偏差而降低，所以存在風(fēng)力發(fā)電裝置的發(fā)電 輸出因風(fēng)向的偏差而降低的問題。而且，還存在由于風(fēng)向的偏差而對(duì)風(fēng)力發(fā)電裝置施加偏 載荷的問題。現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)1 美國(guó)專利第6320272號(hào)說明書

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的技術(shù)問題本發(fā)明是為解決上述問題而完成的，其目的是提供能夠進(jìn)行方位控制，使導(dǎo)流罩 朝向?qū)τ趯?shí)際的風(fēng)向的正面的風(fēng)力發(fā)電裝置。解決課題的手段為了解決上述課題，本發(fā)明采用以下的手段。本發(fā)明的一個(gè)方式是風(fēng)力發(fā)電裝置，追隨風(fēng)向而可變地控制導(dǎo)流罩的朝向，包括 風(fēng)向檢測(cè)單元，檢測(cè)主風(fēng)向；風(fēng)向假設(shè)單元，通過假設(shè)風(fēng)向偏移值，即規(guī)定的風(fēng)速中的所述 主風(fēng)向和實(shí)際的風(fēng)向的實(shí)際風(fēng)向的偏差，假設(shè)實(shí)際風(fēng)向；平均發(fā)電輸出計(jì)算單元，計(jì)算所述 被假設(shè)的實(shí)際風(fēng)向中的規(guī)定時(shí)間的平均發(fā)電輸出；以及實(shí)際風(fēng)向估計(jì)單元，將對(duì)于所述被 假設(shè)的風(fēng)向偏移值的所述平均發(fā)電輸出近似為二次曲線，將該近似的二次曲線中的所述平均發(fā)電輸出為最大時(shí)的風(fēng)向偏移值估計(jì)為實(shí)際的偏移值，從而估計(jì)實(shí)際風(fēng)向。而且，本發(fā)明的另一個(gè)方式是風(fēng)向估計(jì)方法，用于追隨風(fēng)向而可變地控制導(dǎo)流罩 的朝向的風(fēng)力發(fā)電裝置，包括檢測(cè)主風(fēng)向的步驟；通過假設(shè)風(fēng)向偏移值，即規(guī)定的風(fēng)速中 的所述主風(fēng)向和實(shí)際的風(fēng)向的實(shí)際風(fēng)向的偏差，假設(shè)實(shí)際風(fēng)向的步驟；計(jì)算所述被假設(shè)的 實(shí)際風(fēng)向中的規(guī)定時(shí)間的平均發(fā)電輸出的步驟；以及將對(duì)于所述被假設(shè)的風(fēng)向偏移值的所 述平均發(fā)電輸出近似為二次曲線，將該近似的二次曲線中的所述平均發(fā)電輸出為最大時(shí)的 風(fēng)向偏移值估計(jì)為實(shí)際的偏移值，從而估計(jì)實(shí)際風(fēng)向的步驟。按照上述的本發(fā)明的方式，由于風(fēng)向檢測(cè)單元檢測(cè)到的主風(fēng)向和實(shí)際上吹到風(fēng)力 發(fā)電裝置的風(fēng)的風(fēng)向即實(shí)際風(fēng)向產(chǎn)生偏差，所以假設(shè)作為該偏差的風(fēng)向偏移值。另外，風(fēng)向 偏移值由于風(fēng)力發(fā)電裝置的葉片的轉(zhuǎn)速而變化。特別是，在本實(shí)施方式中的風(fēng)力發(fā)電裝置 那樣葉片的轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)于風(fēng)速的變化而變化的風(fēng)力發(fā)電裝置中，將風(fēng)速和葉片的轉(zhuǎn)速視為相 對(duì)應(yīng)的關(guān)系，在假設(shè)風(fēng)向偏移值時(shí)，將估計(jì)對(duì)象決定為規(guī)定的風(fēng)速。該規(guī)定的風(fēng)速可以任意 地決定。因此，在規(guī)定的風(fēng)速中，在假設(shè)檢測(cè)到的主風(fēng)向和實(shí)際風(fēng)向上存在偏差的狀態(tài)，即， 根據(jù)檢測(cè)到的主風(fēng)向和風(fēng)向偏移值假設(shè)實(shí)際風(fēng)向，在為規(guī)定的風(fēng)速并且假設(shè)的實(shí)際風(fēng)向中 的假設(shè)規(guī)定時(shí)間的平均發(fā)電輸出。這里的規(guī)定時(shí)間可以任意地決定。根據(jù)計(jì)算出的平均 發(fā)電輸出，例如使用最小二乘法或者梯度法等將相對(duì)于風(fēng)向偏移值的平均發(fā)電輸出近似為 二次曲線，將在該二次曲線中平均發(fā)電輸出為最大時(shí)的風(fēng)向偏移值估計(jì)為實(shí)際的風(fēng)向偏移 值，通過將其加到主風(fēng)向，估計(jì)實(shí)際風(fēng)向。發(fā)明的效果這樣，按照本發(fā)明，通過估計(jì)吹到風(fēng)力發(fā)電裝置的實(shí)際的風(fēng)向，可以進(jìn)行方位控 制，使得導(dǎo)流罩朝向?qū)τ趯?shí)際的主風(fēng)向的正面，風(fēng)力發(fā)電裝置的發(fā)電性能提高。


圖1是表示本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電裝置的概略結(jié)構(gòu)的方框圖。圖2是表示本發(fā)明的第1實(shí)施方式的風(fēng)向估計(jì)處理的流程圖。圖3是表示本發(fā)明的第1實(shí)施方式的風(fēng)向計(jì)的檢測(cè)風(fēng)向、實(shí)際風(fēng)向和風(fēng)向偏移的 關(guān)系的說明圖。圖4是表示圖2的流程圖的步驟S33的子程序的流程圖。圖5A是在本發(fā)明的第1實(shí)施方式中，表示生成近似曲線的步驟的說明圖。圖5B是在本發(fā)明的第1實(shí)施方式中，表示生成近似曲線的步驟的說明圖。圖5C是在本發(fā)明的第1實(shí)施方式中，表示生成近似曲線的步驟的說明圖。圖5D是在本發(fā)明的第1實(shí)施方式中，表示生成近似曲線的步驟的說明圖。圖5E是在本發(fā)明的第1實(shí)施方式中，表示生成近似曲線的步驟的說明圖。圖6是表示本發(fā)明的第2實(shí)施方式的風(fēng)向估計(jì)處理的流程圖。圖7是在本發(fā)明的第2實(shí)施方式中，表示生成近似曲線的步驟的說明圖。圖8是表示使用本發(fā)明的風(fēng)向估計(jì)方法計(jì)算出的風(fēng)向偏移值的表的參考例的圖。標(biāo)號(hào)說明10 導(dǎo)流罩11 風(fēng)向計(jì)
20運(yùn)算單元
21CPU
22ROM
23RAM
24存儲(chǔ)裝置
25風(fēng)向假設(shè)單元
26平均發(fā)電輸出計(jì)算單元
27實(shí)際風(fēng)向估計(jì)單元
具體實(shí)施例方式以下，參照附圖，說明本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電裝置的各實(shí)施方式。第1實(shí)施方式圖1是表示本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電裝置的概略結(jié)構(gòu)的方框圖。如圖1所示，風(fēng)力發(fā)電 裝置在導(dǎo)流罩10的上部具有作為風(fēng)向檢測(cè)部件的風(fēng)向計(jì)11，該風(fēng)向計(jì)檢測(cè)吹到風(fēng)力發(fā)電 裝置的風(fēng)向，將檢測(cè)到的風(fēng)向輸出到運(yùn)算單元20。運(yùn)算單元20是進(jìn)行用于估計(jì)實(shí)際風(fēng)向的運(yùn)算的單元，具有執(zhí)行各種運(yùn)算處理的 CPU (中央運(yùn)算處理單元)21 ；存儲(chǔ)基本程序等的只讀存儲(chǔ)器即ROM (Read Only Memory) 22 ； 起到CPU21的工作區(qū)域的作用的作為自由讀寫的存儲(chǔ)器的RAM (Random Access Memory，隨 機(jī)存儲(chǔ)器)23 ；以及存儲(chǔ)程序或各種數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)裝置M。而且，運(yùn)算單元20具有作為風(fēng)向假設(shè)部件的風(fēng)向假設(shè)單元25 ；作為平均發(fā)電輸 出計(jì)算部件的平均發(fā)電輸出計(jì)算單元26 ；以及作為實(shí)際風(fēng)向估計(jì)部件的實(shí)際風(fēng)向估計(jì)單 元27。風(fēng)向假設(shè)單元25通過假設(shè)風(fēng)向偏移值，即規(guī)定的風(fēng)速中的主風(fēng)向和作為實(shí)際的風(fēng)向 的實(shí)際風(fēng)向的偏差，而假設(shè)實(shí)際風(fēng)向。平均發(fā)電輸出計(jì)算單元26計(jì)算假設(shè)的實(shí)際風(fēng)向中的 規(guī)定時(shí)間的平均發(fā)電輸出。實(shí)際風(fēng)向估計(jì)單元27將對(duì)于假設(shè)的風(fēng)向偏移值的平均發(fā)電輸 出近似為二次曲線，通過將近似的二次曲線中的平均發(fā)電輸出成為極大時(shí)的風(fēng)向偏移值估 計(jì)為實(shí)際的偏移值來估計(jì)實(shí)際風(fēng)向。風(fēng)向假設(shè)單元25、平均發(fā)電輸出計(jì)算單元沈、實(shí)際風(fēng)向估計(jì)單元27都是通過 CPU21執(zhí)行規(guī)定的R0M22中存儲(chǔ)的處理程序而實(shí)現(xiàn)的處理單元，對(duì)于其處理在后敘述。接著，說明本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電裝置中的風(fēng)向估計(jì)方法的處理步驟。圖2是表示本 實(shí)施方式的風(fēng)向估計(jì)方法的處理步驟的流程圖。在步驟S31中，首先選擇成為在估計(jì)風(fēng)向時(shí)的對(duì)象的風(fēng)速Va。這是因?yàn)椋趯?shí)際風(fēng) 向和主風(fēng)向的偏差，即本實(shí)施方式的風(fēng)力發(fā)電裝置那樣，葉片的轉(zhuǎn)速與風(fēng)速對(duì)應(yīng)那樣的風(fēng) 力發(fā)電裝置中，風(fēng)向偏移值與風(fēng)速對(duì)應(yīng)而有所不同，所以在估計(jì)實(shí)際風(fēng)向時(shí)，需要決定在假 設(shè)風(fēng)向偏移值時(shí)成為對(duì)象的風(fēng)速Va，該風(fēng)速Va可以任意地決定。接著，在步驟S32中，通過 風(fēng)向假設(shè)單元25假設(shè)在步驟S31中選定的風(fēng)速Va中的風(fēng)向偏移值，并根據(jù)它假設(shè)實(shí)際風(fēng) 向。即，如圖3所示，在將風(fēng)向計(jì)11相對(duì)于導(dǎo)流罩的方位基準(zhǔn)軸檢測(cè)的風(fēng)向設(shè)為Wdl、將作 為實(shí)際風(fēng)向和檢測(cè)風(fēng)向的偏差的風(fēng)向偏移值設(shè)為W。時(shí)，導(dǎo)流罩10跟前的實(shí)際風(fēng)向Wd由下 式定義，根據(jù)該式假設(shè)實(shí)際風(fēng)向Wd。公式1
Wd = Wdl-W0風(fēng)向偏移值需要假設(shè)多個(gè)值，以便在之后的步驟值可以近似為二次曲線，在本實(shí) 施方式中，假設(shè)為w。(l) =0° ,W0(2) =+10°，W。(3) =-10°這三個(gè)值。然后，與其對(duì)應(yīng)， 將實(shí)際風(fēng)向分別假設(shè)為Wd(I)、Wd O)、Wd (3)。在下一個(gè)步驟S33中，通過平均發(fā)電輸出計(jì)算單元沈分別計(jì)算在步驟S32中假設(shè) 的實(shí)際風(fēng)向Wd(I)、Wj2)、Wd(3)中的10分鐘的平均發(fā)電輸出。平均發(fā)電輸出的計(jì)算處理 過程為圖2所示的流程圖中的子程序，按照?qǐng)D4所示的流程圖進(jìn)行計(jì)算。S卩，在圖4的步驟 S41中，在追隨由風(fēng)向計(jì)11檢測(cè)出的風(fēng)向而驅(qū)動(dòng)導(dǎo)流罩，風(fēng)力發(fā)電裝置處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，首 先，作為化⑴而測(cè)量風(fēng)速、風(fēng)向、發(fā)電輸出，并且將測(cè)量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)裝置M中。在 下一個(gè)步驟S42中，根據(jù)在步驟S41中測(cè)量出的風(fēng)速、風(fēng)向、發(fā)電輸出的數(shù)據(jù)計(jì)算10分鐘平 均值，并將其存儲(chǔ)在存儲(chǔ)裝置M中。在下一個(gè)步驟S43和步驟S44中，重復(fù)判斷存儲(chǔ)裝置M中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是否為希望 的數(shù)據(jù)，在是希望的數(shù)據(jù)的情況下采用該數(shù)據(jù)，在不是希望的數(shù)據(jù)的情況下不采用該數(shù)據(jù) 的步驟。具體來說，在步驟S43中，判斷被累積的數(shù)據(jù)中10分鐘的平均風(fēng)速是否在步驟S31 中選定的風(fēng)速Va的士0. 5m/s的范圍。在判斷出10分鐘平均風(fēng)速處于Va的士0. 5m/s的 范圍內(nèi)的情況下進(jìn)入下一個(gè)步驟S44。接著，在步驟S44判斷10分鐘的平均風(fēng)向是否在假 設(shè)的實(shí)際風(fēng)向Wd(I) =0°的士 5°的范圍內(nèi)，在判斷出10分鐘的平均風(fēng)向在假設(shè)的實(shí)際 風(fēng)向Wd(I) =0°的士5°的范圍內(nèi)的情況下進(jìn)入下一個(gè)步驟S46，在步驟S46中將這些數(shù) 據(jù)作為計(jì)算平均發(fā)電輸出時(shí)采用的數(shù)據(jù)累積到存儲(chǔ)裝置24。在步驟S43和步驟S44中判斷 出判斷對(duì)象的數(shù)據(jù)在所述范圍外的情況下進(jìn)入下一個(gè)步驟S45，在計(jì)算平均發(fā)電輸出時(shí)不 采用該數(shù)據(jù)。在步驟S47中，判斷在前面的步驟S46中決定采用的、再次存儲(chǔ)在存儲(chǔ)裝置M中 的數(shù)據(jù)數(shù)目是否超過規(guī)定數(shù)N。這里，所謂規(guī)定的數(shù)目N可以任意決定，以便能夠在計(jì)算平 均發(fā)電輸出時(shí)最佳化。在判斷出在計(jì)算平均發(fā)電輸出時(shí)采用的數(shù)據(jù)未存儲(chǔ)規(guī)定數(shù)目的情況 下，返回步驟S41，重復(fù)以后的步驟。在判斷出在計(jì)算平均發(fā)電輸出時(shí)采用的數(shù)據(jù)已存儲(chǔ)了 規(guī)定數(shù)目的情況下，進(jìn)入下一個(gè)步驟S48。在步驟S48中，計(jì)算在步驟S46中累積在存儲(chǔ)裝置M中的N個(gè)平均發(fā)電輸出的值 的平均值，將該平均值作為風(fēng)向偏移值w。(l)，即假設(shè)的實(shí)際風(fēng)向?yàn)閃d(I)時(shí)的平均發(fā)電輸 出Pare (1)，對(duì)W。⑵和W。(3)也執(zhí)行步驟S33的子程序，即圖4的流程圖的處理，計(jì)算Pave (2) 和Pave⑶。返回圖2，在步驟S34中，判斷對(duì)在步驟S32中假設(shè)的全部風(fēng)向偏移值的平均發(fā)電 輸出的計(jì)算是否已結(jié)束。該判斷的結(jié)果，在判斷出對(duì)于全部風(fēng)向偏移值的平均發(fā)電輸出的 計(jì)算尚未結(jié)束的情況下，返回步驟S33，重復(fù)步驟S33的子程序。在判斷出結(jié)束了對(duì)于全 部風(fēng)向偏移值W。(1)、W0 (2)、W0 (3)的平均發(fā)電輸出的計(jì)算的情況下，進(jìn)入下一個(gè)步驟S35， 通過實(shí)際風(fēng)向估計(jì)單元27將對(duì)于假設(shè)的風(fēng)向偏移值W。(1)、W。⑵、W。(3)計(jì)算出的Pare(I)、 Pave(2) ,Pave(3)近似為二次曲線。具體來說，使用最小二乘法或者多項(xiàng)式近似等計(jì)算以下公 式的系數(shù)公式2P ⑴=a0ffo ⑴'+B1W0 (i)+a2
即，如圖5A 圖5E所示，首先在圖5A中將(W。⑴，Pave⑴)，在圖5B中將(W0 (2), Pave(2))，在圖5C中將(W。(3)，Pave(3))依次繪出。然后，根據(jù)這三點(diǎn)，生成圖5D所示的二次 的近似曲線。根據(jù)公式3計(jì)算生成的近似曲線為最大時(shí)的W。(參照?qǐng)D5E)。公式3
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)力發(fā)電裝置，追隨風(fēng)向而可變地控制導(dǎo)流罩的朝向，包括 風(fēng)向檢測(cè)單元，檢測(cè)主風(fēng)向；風(fēng)向假設(shè)單元，通過假設(shè)風(fēng)向偏移值，即規(guī)定的風(fēng)速中的所述主風(fēng)向和實(shí)際的風(fēng)向的 實(shí)際風(fēng)向的偏差，從而假設(shè)實(shí)際風(fēng)向；平均發(fā)電輸出計(jì)算單元，計(jì)算所述被假設(shè)的實(shí)際風(fēng)向中的規(guī)定時(shí)間的平均發(fā)電輸出；以及實(shí)際風(fēng)向估計(jì)單元，將對(duì)于所述被假設(shè)的風(fēng)向偏移值的所述平均發(fā)電輸出近似為二次 曲線，將該近似的二次曲線中的所述平均發(fā)電輸出為最大時(shí)的風(fēng)向偏移值估計(jì)為實(shí)際的偏 移值，從而估計(jì)實(shí)際風(fēng)向。
2.一種風(fēng)向估計(jì)方法，用于追隨風(fēng)向而可變地控制導(dǎo)流罩的朝向的風(fēng)力發(fā)電裝置，包括檢測(cè)主風(fēng)向的步驟；通過假設(shè)風(fēng)向偏移值，即規(guī)定的風(fēng)速中的所述主風(fēng)向和實(shí)際的風(fēng)向的實(shí)際風(fēng)向的偏 差，從而假設(shè)實(shí)際風(fēng)向的步驟；計(jì)算所述被假設(shè)的實(shí)際風(fēng)向中的規(guī)定時(shí)間的平均發(fā)電輸出的步驟；以及 將對(duì)于所述被假設(shè)的風(fēng)向偏移值的所述平均發(fā)電輸出近似為二次曲線，將該近似的二 次曲線中的所述平均發(fā)電輸出為最大時(shí)的風(fēng)向偏移值估計(jì)為實(shí)際的偏移值，從而估計(jì)實(shí)際 風(fēng)向的步驟。
全文摘要
本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電裝置進(jìn)行方位控制，使導(dǎo)流罩朝向?qū)τ趯?shí)際的主風(fēng)向的正面。通過風(fēng)向計(jì)(風(fēng)向檢測(cè)單元)(11)檢測(cè)主風(fēng)向，通過由風(fēng)向假設(shè)部件(風(fēng)向假設(shè)單元)(25)假設(shè)風(fēng)向偏移值，即規(guī)定的風(fēng)速中的所述主風(fēng)向和實(shí)際的風(fēng)向的實(shí)際風(fēng)向的偏差，從而假設(shè)實(shí)際風(fēng)向，通過平均發(fā)電輸出計(jì)算部件(平均發(fā)電輸出計(jì)算單元)(26)計(jì)算被假設(shè)的實(shí)際風(fēng)向中的規(guī)定時(shí)間的平均發(fā)電輸出，并通過實(shí)際風(fēng)向估計(jì)部件(實(shí)際風(fēng)向估計(jì)單元)(27)將對(duì)于被假設(shè)的風(fēng)向偏移值的所述平均發(fā)電輸出近似為二次曲線，將該近似的二次曲線中的平均發(fā)電輸出為最大時(shí)的風(fēng)向偏移值估計(jì)為實(shí)際的偏移值，從而估計(jì)實(shí)際風(fēng)向。
文檔編號(hào)F03D7/04GK102089516SQ20098012717
公開日2011年6月8日 申請(qǐng)日期2009年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月5日
發(fā)明者松下崇俊, 橋本雅之, 若狹強(qiáng)志 申請(qǐng)人:三菱重工業(yè)株式會(huì)社