JP5705152B2 - 風力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、風車ブレードが風を受けることにより生じるトルクを発電機で電力に変換する風力発電装置に関する。

近年の環境意識の高まりを受け、環境に優しいクリーンなエネルギへの需要が高まっている。そのようなクリーン・エネルギを代表するもののひとつに風力発電がある。風力発電では、風の力をトルクに変換し、そのトルクを使用して発電するので、環境への負荷が少ない（例えば、特許文献１参照）。

風力発電装置は一般に自然環境下に設置され、基本的には不規則な風エネルギを動力として稼動するので、風力発電装置の構成要素には比較的大きく変動するトルクがかかる。このようなトルクの変動は風力発電装置の構成要素の寿命を縮めうる。
そこで従来では、例えば風速の変化に対しては風車ブレードの角度を変えるピッチ制御によって衝撃の軽減が図られている。

特表２００８−５４６９４８号公報

このような状況の下、本発明者は以下の課題を認識した。
トルク変動の要因には上記の風速の変化の他にウインドシアがある。ウインドシアが発生しているなかで風車ブレードが回転することにより、トルク変動が生じうる。このトルク変動により風力発電装置の構成要素に機械的負荷がかかりうる。

従来のピッチ制御は、風速の時間的な変化に対応するための制御なので、ウインドシアに起因するトルク変動には非力である。

また、一般に風車ブレードの回転数に応じたトルク変動をピッチ制御で軽減することは難しい。ピッチ制御の応答は風車ブレードの回転よりも遅いからである。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は風車ブレードが風を受けることにより生じるトルクの変動による構成要素への機械的負荷を低減できる風力発電装置の提供にある。

本発明のある態様は風力発電装置に関する。この風力発電装置は、風車ブレードが風を受けることにより生じるトルクを発電機で電力に変換する風力発電装置であって、風車ブレードから発電機へのトルクの伝達の経路上に設けられた増速機と、増速機を支持する支持部材と、を備える。支持部材の剛性は、風車ブレードから発電機に至る動力伝達系の固有振動数が、風車ブレードの回転数と風車ブレードのブレード枚数との積の自然数倍および風車ブレードの回転数から外れるよう設定される。

この態様によると、回転数に応じたトルク変動を軽減できる。

本発明の別の態様もまた、風力発電装置である。この装置は、風車ブレードが風を受けることにより生じるトルクを電力に変換する発電機と、発電機を支持する支持部材と、を備える。支持部材の剛性は、風車ブレードから発電機に至る動力伝達系の固有振動数が、風車ブレードの回転数と風車ブレードのブレード枚数との積の自然数倍および風車ブレードの回転数から外れるよう設定される。

この態様によると、回転数に応じたトルク変動を軽減できる。

なお、以上の要素の任意の組み合わせや、本発明の要素や表現を装置、方法、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、風車ブレードが風を受けることにより生じるトルクの変動による、風力発電装置の構成要素への機械的負荷を低減できる。

第１の実施の形態に係る風力発電装置の側面図である。 図２（ａ）、（ｂ）は、風車ブレードが風を受けることにより生じるトルクの変動を示す図である。 第１の実施の形態に係る風力発電装置のナセルの内部を示す模式図である。 第１の実施の形態に係る風力発電装置の増速機の正面図である。 図４に示される増速機の右側の支持機構の斜視図である。 図４に示される増速機の右側の支持機構の側面図である。 図４の制御部の機能および構成を示すブロック図である。 図８（ａ）、（ｂ）は、第１の実施の形態に係る風力発電装置の増速機の模式的な正面図である。 シミュレーションにより求められた、動力伝達系の固有振動数とトルクアームの剛性との関係を示すグラフである。 風力発電装置におけるトルクについての例示的なキャンベル線図である。 第２の実施の形態に係る風力発電装置の増速機の左側の支持機構の断面図である。 図１１のＡ−Ａ線断面図である。 第３変形例に係る風力発電装置の増速機の左側の支持機構の断面図である。

以下、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図面における部材の寸法は、理解を容易にするために適宜拡大、縮小して示される。また、各図面において実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係る風力発電装置１の側面図である。風力発電装置１は、基礎６上に立設される支柱２と、支柱２の上端に設置されるナセル３と、該ナセル３に対して回転自在に組付けられたロータヘッド４と、を備える。ロータヘッド４には、複数枚（例えば、３枚）の風車ブレード（風車翼とも称される）５が取り付けられている。風力発電装置１はいわゆる定速運転風車であり、風車ブレード５の回転数が所定の定格回転数に達した後、風車ブレード５が当該定格回転数で回転するよう構成される。

図２（ａ）、（ｂ）は、風車ブレード５が風を受けることにより生じるトルクの変動を示す図である。図２（ａ）はトルクの周波数スペクトルであり、図２（ｂ）はトルクの時系列データである。本発明者は、図２（ａ）、（ｂ）に代表されるトルクのデータを解析することにより、軽減すべきトルクの変動には大きくは以下の２種類があることに想到した。

（１）風車ブレード５の回転によるトルク変動
このトルク変動は、定常的すなわち周波数が略一定となることが多い。例えば図２（ａ）の周波数スペクトルでは、風車ブレード５の定格回転数に対応する１次成分３０、３次成分３２、６次成分３４にピークが見られる。１次成分３０は定格回転数を略中心とする。３次成分３２は定格回転数とブレード枚数（＝３）との積を略中心とし、６次成分３４は定格回転数とブレード枚数（＝３）との積の２倍を略中心とする。なお、２次成分や４次成分にピークが見られないのは、風車ブレード５が略３回対称である（すなわち、１２０度回転させると自らと重なる）ことから理解される。

本発明者は風車ブレード５の回転数とトルク変動との以下の関係を見出した。風車ブレード５の回転数をＮ、風車ブレードのブレード枚数をｎ、Ｐを自然数とするとき、トルクの周波数スペクトルには、ＮおよびｎＮＰにピークが現れる傾向にある。このようなピークはウインドシアに起因して発生する。すなわち、風力発電装置１の受風面において風速が均一でないことに起因してトルクが変動し、そのようなトルクの変動はＮおよびｎＮＰにおけるピークとして現れる。
トルク変動と系の固有振動数とが重なると、共振が発生して風力発電装置１の構成要素への機械的負荷がさらに高まる虞がある。

（２）突風等による突発的なトルク変動
例えば図２（ｂ）の時系列データでは、上記の１次成分３０や３次成分３２や６次成分３４に対応する細かいトルク変動の他に、より長いタイムスパンのトルク変動が見られる。特に図２（ｂ）の破線で囲まれる部分３６、３８、４０では、１０秒から２０秒程度の立ち上がり時間でトルクが増加している。

本実施の形態に係る風力発電装置１では、上記２種類のトルク変動による増速機の構成要素への機械的負荷を効果的に低減すべく、以下の３つのアプローチが採用される。

（甲）増速機を支えるトルクアームにアクチュエータを導入し、トルクに応じてアクチュエータをアクティブに制御する。このアプローチによると、主に突風等による突発的なトルク変動による機械的負荷が低減される。

（乙）定常変動用および突発変動用の２種類のトルク変動軽減手段を導入する。このアプローチによると、軽減すべきトルクの変動には上記の２種類があるという本発明者の認識に基づき、よりきめ細やかなトルク変動軽減制御が可能となる。必要なときに必要な制御を行うという思想である。

（丙）トルクアームとナセル３との間に弾性体を設けて風車ブレード５の回転によるトルク変動そのものを減衰させるまたは低減する。合わせて、風車ブレード５の回転と風車ブレード５から発電機に至る動力伝達系とが共振しないように弾性体の剛性を決定する。弾性体の剛性は、動力伝達系の固有振動数が、
（Ａ）風車ブレード５の回転数（Ｎ）、および
（Ｂ）風車ブレード５の回転数と風車ブレード５のブレード枚数との積の自然数倍（ｎＮＰ）、
から外れるよう設定される。

より具体的には、トルクの周波数スペクトルにおいて、定格回転数を略中心とするピークに対応する周波数範囲および定格回転数とブレード枚数との積の自然数倍を略中心とするピークに対応する周波数範囲に固有振動数が入らないように、弾性体の剛性を決定する。ピークに対応する周波数範囲はピークの半値全幅(full width at half maximum、FWHM)であってもよい。

図２（ａ）の例では、動力伝達系の固有振動数が１次成分３０に対応する周波数範囲の下限以下となるよう、または、動力伝達系の固有振動数４２が１次成分３０に対応する周波数範囲の上限と３次成分３２に対応する周波数範囲の下限との間となるよう、または、動力伝達系の固有振動数４４が３次成分３２に対応する周波数範囲の上限と６次成分３４に対応する周波数範囲の下限との間となるよう、弾性体の剛性を決定する。このアプローチによると、主に風車ブレード５の回転による定常的なトルク変動による機械的負荷が低減される。

図３は、ナセル３の内部を示す模式図である。風力発電装置１は、風車ブレード５が風７を受けることにより生じるトルクＱｆを発電機２０で電力に変換する。増速機１０は動力伝達系に含まれ、風車ブレード５から発電機２０へのトルクの伝達の経路上に設けられる。ロータヘッド４と増速機１０とは入力シャフト１２によって機械的に接続されており、入力トルクＱｉｎ（＝トルクＱｆ）は入力シャフト１２の回転の形で増速機１０に入力される。

増速機１０と発電機２０とは出力シャフト１４によって機械的に接続されている。増速機１０は出力シャフト１４を、入力シャフト１２を介して入力される入力トルクＱｉｎよりも低い出力トルクＱｏｕｔおよび入力シャフト１２の回転数よりも高い回転数で、回転させる。
発電機２０は、出力シャフト１４の回転を使用して発電する。

入力トルクＱｉｎと出力トルクＱｏｕｔとの差分（Ｑｉｎ−Ｑｏｕｔ）は、増速機１０の本体を入力シャフト１２の周りで回転させようとする本体トルクＱｂを発生させる。したがって、風力発電装置１は、増速機１０をナセル３に対して機械的に支持する支持機構１００を有し、この支持機構１００は本体トルクＱｂに耐える、すなわちナセル３からの反力を増速機１０に伝達する。

支持機構１００は、増速機１０を入力シャフト１２側から見たときに増速機１０の左右にそれぞれ取り付けられている第１アーム１１０および第２アーム１１２と、第１アーム１１０とナセル３との間に直列に設けられた第１ブッシュ１０２および第１アクチュエータ１０４と、第２アーム１１２とナセル３との間に直列に設けられた第２ブッシュ１０６および第２アクチュエータ１０８と、を含む。

第１ブッシュ１０２および第２ブッシュ１０６は、動力伝達系にかかるトルク変動のうちウインドシアに基づいて発生するトルク変動を軽減する軽減手段を構成する。第１ブッシュ１０２、第２ブッシュ１０６はいずれも衝撃吸収のためにゴムなどの比較的剛性の低い材料により形成される。上記の通り、ブッシュの剛性は、動力伝達系の固有振動数が、定格回転数とブレード枚数との積の自然数倍および定格回転数から外れるよう設定される。

第１アクチュエータ１０４および第２アクチュエータ１０８は、動力伝達系にかかるトルク変動のうちウインドシアに起因しないトルク変動を軽減する軽減手段を構成する。第１アクチュエータ１０４および第２アクチュエータ１０８は協働して入力シャフト１２に対する増速機１０の姿勢を制御可能に構成される。

風力発電装置１に設けられた制御部１１４は、トルクＱｆの大きさに関連する情報に基づいて、入力シャフト１２の回転の向きにしたがって増速機１０が傾くよう第１アクチュエータ１０４、第２アクチュエータ１０８を制御する。第１アクチュエータ１０４、第２アクチュエータ１０８はいずれも、油圧シリンダ、空気シリンダなどのリニアアクチュエータであってもよい。

図４は、増速機１０の正面図である。図５は、図４に示される増速機１０の右側の支持機構の斜視図である。図６は、図４に示される増速機１０の右側の支持機構の側面図である。

第１アーム１１０には第１加速度計１２０が取り付けられ、第２アーム１１２には第２加速度計１２２が取り付けられている。第１加速度計１２０、第２加速度計１２２はそれぞれ第１アーム１１０、第２アーム１１２の加速度を測定する。これらの加速度計で測定される加速度は、第１アクチュエータ１０４や第２アクチュエータ１０８からの寄与分を除けば、測定時のトルクＱｆの大きさを反映した値となる。すなわち、基本的にはトルクＱｆが大きくなると測定される加速度も大きくなり、トルクＱｆが小さくなると測定される加速度も小さくなる。

増速機１０の右側の支持機構について、第１アーム１１０の一端は増速機１０本体に取り付けられ、他端には入力シャフト１２に沿った方向（以下、主軸方向と称す）に沿って離間した２つの矩形のリング部１１０ａ、１１０ｂが設けられている。矩形のリング状の部材である第１ブッシュ保持部１１６の内周面１１６ａ側には、２つの矩形のリング部１１０ａ、１１０ｂのそれぞれの底辺部分１１０ａａ、１１０ｂａが挿通される。

第１ブッシュ保持部１１６の内周面１１６ａ側において、各底辺部分１１０ａａ、１１０ｂａは、上下２つの第１ブッシュ１０２によって挟まれている。２つの第１ブッシュ１０２は第１ブッシュ保持部１１６の内周面１１６ａに取り付けられている。第１ブッシュ保持部１１６は合計４つの第１ブッシュ１０２を保持する。増速機１０の左側の支持機構についても同様に、合計４つの第２ブッシュ１０６を保持する第２ブッシュ保持部１１８が設けられる。

第１アクチュエータ１０４および第２アクチュエータ１０８は入力シャフト１２に対して実質的に対称となるよう配置されている。第１アクチュエータ１０４および第２アクチュエータ１０８は、制御部１１４による制御の結果、互いに逆向きに駆動される。すなわち、第１アクチュエータ１０４が第１ブッシュ保持部１１６を鉛直上向きに動かすとき、第２アクチュエータ１０８は第２ブッシュ保持部１１８を鉛直下向きに動かす。この場合、増速機１０は正面から見て入力シャフト１２の周りで反時計回りに傾く。

増速機１０がどちら周りに傾くかは入力シャフト１２の回転の向きにしたがう。すなわち、第１アクチュエータ１０４および第２アクチュエータ１０８は、入力シャフト１２が正面から見て時計回り（反時計回り）に回転する場合は増速機１０を時計回り（反時計回り）に傾かせる。

図５および図６を参照すると、第１アクチュエータ１０４は第１前方アクチュエータ１０４ａと第１後方アクチュエータ１０４ｂとを含み、主軸方向に沿って離間した２箇所で第１ブッシュ保持部１１６を支持する。第１前方アクチュエータ１０４ａは増速機１０の正面側で第１ブッシュ保持部１１６をナセル３に対して支持し、第１後方アクチュエータ１０４ｂは増速機１０の背面側で第１ブッシュ保持部１１６をナセル３に対して支持する。第１ブッシュ保持部および第１ブッシュを第１アームの一部と見ると、第１アームの他端は第１アクチュエータ１０４に取り付けられ、第１アクチュエータ１０４は入力シャフト１２に沿って離間した２箇所で第１アームを支持していると言える。第２アクチュエータ１０８も同様の構成を有する。

図７は、制御部１１４の機能および構成を示すブロック図である。ここに示す各ブロックは、ハードウエア的には、マイコンやコンピュータのＣＰＵ（central processing unit）をはじめとする素子や機械装置で実現でき、ソフトウエア的にはコンピュータプログラム等によって実現されるが、ここでは、それらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックはハードウエア、ソフトウエアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、本明細書に触れた当業者には理解されるところである。

制御部１１４は、測定結果取得部１３０と、風速取得部１３２と、モード選択部１３４と、傾斜駆動部１３６と、を含む。
測定結果取得部１３０は、第１加速度計１２０および第２加速度計１２２から加速度の測定結果を取得する。
風速取得部１３２は、風力発電装置１の周囲にメッシュ状に配置された風速計によって測定された風速を取得する。

モード選択部１３４は、測定結果取得部１３０によって取得された加速度の測定結果および風速取得部１３２によって取得された風速のうちの少なくともひとつに基づいて、第１アクチュエータ１０４および第２アクチュエータ１０８の制御モードを選択する。制御モードは、トルクＱｆの突発的な増加に対応する突発トルク用制御モードと、定常運転時の定常トルク用制御モードと、を含む。

特にモード選択部１３４は、測定された加速度から、第１アクチュエータ１０４や第２アクチュエータ１０８による寄与分を除去する。モード選択部１３４は、そのように処理された加速度の大きさと、所定の加速度しきい値と、を比較する。モード選択部１３４は、前者が後者より大きい場合は突発トルク用制御モードを選択し、そうでない場合は定常トルク用制御モードを選択する。この比較の際、モード選択部１３４は測定された風速に基づく補正を行ってもよい。加速度しきい値はトルクＱｆのトルクしきい値Ｑｔｈに対応し、アクチュエータによる寄与分が除去された加速度の大きさが加速度しきい値よりも大きい場合は、トルクＱｆの大きさがトルクしきい値Ｑｔｈを超える場合に対応する。

傾斜駆動部１３６は、モード選択部１３４において突発トルク用制御モードが選択された場合、第１加速度計１２０および第２加速度計１２２によって測定された加速度の向きから入力シャフト１２の回転の向きを特定する。傾斜駆動部１３６は、特定された回転の向きにしたがうよう（「入力シャフト１２の回転の向きと同一方向に増速機１０が傾くように」、あるいは「トルクが低減される方向に」と言い換えることもできる）、第１アクチュエータ１０４、第２アクチュエータ１０８それぞれの駆動の向きを決定する。例えば、特定された入力シャフト１２の回転の向きが増速機１０の正面から見て時計回り（反時計回り）の場合、第１アクチュエータ１０４の駆動の向きを鉛直下向き（鉛直上向き）、第２アクチュエータ１０８の駆動の向きを鉛直上向き（鉛直下向き）、に決定する。傾斜駆動部１３６は、各アクチュエータを決定された向きに所定の速さで駆動する。第１アクチュエータ１０４の駆動の速さは第２アクチュエータ１０８の駆動の速さと同等に設定される。
なお、風車ブレード５の回転の向きが決まっている場合、傾斜駆動部１３６は回転の向きを都度特定する必要はない。この場合、傾斜駆動部１３６はそのように決まっている回転の向きにしたがうよう、第１アクチュエータ１０４、第２アクチュエータ１０８それぞれの駆動の向きを決定してもよい。

各アクチュエータには伸縮量の限界値に基づく伸縮量の上限値が設定されている。傾斜駆動部１３６は、第１アクチュエータ１０４の伸縮量および第２アクチュエータ１０８の伸縮量のうちの少なくとも一方が対応する上限値に達すると、第１アクチュエータ１０４および第２アクチュエータ１０８を、そのときの伸縮量が維持されるよう制御する。

傾斜駆動部１３６は、モード選択部１３４において定常トルク用制御モードが選択された場合、第１アクチュエータ１０４および第２アクチュエータ１０８を制御しない。すなわち傾斜駆動部１３６は第１アクチュエータ１０４および第２アクチュエータ１０８を無制御状態とする。この無制御状態では、第１アクチュエータ１０４および第２アクチュエータ１０８は、入力シャフト１２の周りでの増速機１０の本体の回転に対する緩衝作用を有する。例えば、油圧シリンダや空気シリンダは制御されていない状態では外力に対して弾性的に応答する。第１アクチュエータ１０４および第２アクチュエータ１０８はこのようなシリンダの弾性を使用して緩衝作用を実現してもよい。

また、突発トルク用制御モードから定常トルク用制御モードに切り替わると、第１アクチュエータ１０４および第２アクチュエータ１０８は平衡位置すなわち伸縮量がゼロの位置に戻ろうとする。

以上のように構成された風力発電装置１の動作について説明する。
図８（ａ）、（ｂ）は、増速機１０の模式的な正面図である。図８（ａ）は定常トルク用制御モードすなわちトルクＱｆ＜トルクしきい値Ｑｔｈのときの増速機１０の状態を示し、図８（ｂ）は突発トルク用制御モードすなわちトルクＱｆ≧トルクしきい値Ｑｔｈのときの増速機１０の状態を示す。

定常トルク用制御モードでは第１アクチュエータ１０４および第２アクチュエータ１０８はそれぞれ無制御状態（動かないように固定された状態）にあり、平衡位置で第１アーム１１０および第２アーム１１２を支持する。第１アクチュエータ１０４および第２アクチュエータ１０８の緩衝作用により、本体トルクＱｂの変動は和らげられる。言い換えると、無制御状態の第１アクチュエータ１０４および第２アクチュエータ１０８は、本体トルクＱｂに対するローパスフィルタとして作用する。

突発トルク用制御モードでは、入力シャフト１２の回転の向きにしたがって増速機１０が傾くよう、第１アクチュエータ１０４および第２アクチュエータ１０８が駆動される。図８（ｂ）の例では入力シャフト１２は時計回りに回転しているので、第１アクチュエータ１０４は所定の速さで縮み第２アクチュエータ１０８は同じ速さで伸びる。その結果、増速機１０は入力シャフト１２を中心として時計回りに傾く。

本実施の形態に係る風力発電装置１によると、トルクＱｆが大きくなると入力シャフト１２の回転の向きにしたがって増速機１０が傾く。これにより、トルクＱｆの増大による増速機１０の動力伝達系に作用するトルクの増大を抑えることができる。その結果、増速機１０の寿命を延ばすことができる。

一般的に、風力発電装置の風車ブレードには、「風速や風向が変化する風」が瞬間的に強くかかることがある。例えば、強い突風が風車ブレードにかかると、増速機の各要素には瞬間的に強い加速トルクがかかる。しかしながら、増速機の先には高速で回転する発電機が負荷として連結されているため、増速機の各要素は、慣性によりこの加速トルクに瞬時に追随して回転速度を増大させることができない。結果として、加速トルクの立ち上りが急峻の場合は、各要素にこの急峻に立ち上がる加速トルクが、（恰も静止している各要素に対してかかるように）瞬間的にそっくりかかってしまうことになる。

そこで、本実施の形態に係る風力発電装置１は、第１加速度計１２０、第２加速度計１２２の測定結果に基づいて、突発トルク用制御モードおよび定常トルク用制御モードのうちから使用すべき制御モードを選択する。上記のような加速トルクの立ち上がりが発生すると、風力発電装置１は突発トルク用制御モードを選択する。突発トルク用制御モードでは入力シャフト１２の回転の向きに合わせて増速機１０本体が傾く。したがって、そのように増速機１０本体が傾いた分だけ増速機１０の各要素にかかる加速トルクを低減できる。

また、本実施の形態に係る風力発電装置１では、風力発電装置１の周囲に設けられた風速計によって測定された風速に基づいて第１アクチュエータ１０４、第２アクチュエータ１０８が制御される。したがって、より正確なアクチュエータの制御が可能となる。

また、本実施の形態に係る風力発電装置１では、各アクチュエータは入力シャフト１２に沿って離間した２箇所で対応するブッシュ保持部を支持する。したがって、入力シャフト１２の曲げ、特に入力シャフト１２を鉛直面に沿って揺動させようとする外力に対する耐性が向上する。

また、本実施の形態に係る風力発電装置１では、突発トルク用制御モードにおいて伸びまたは縮んだアクチュエータは、定常トルク用制御モードにおいて元の平衡位置に戻ろうとする。したがって、アクチュエータの伸縮量には限界があるという状況において、より効率的に突発的なトルクの変動を抑えることができる。

また、本実施の形態に係る風力発電装置１では、ブッシュの剛性は、動力伝達系の固有振動数が、トルクの周波数スペクトルのピークに対応する周波数範囲に入らないよう設定される。したがって、風車ブレード５の回転と動力伝達系との共振を抑えることができる。その結果、動力伝達系にかかる機械的負荷を低減して動力伝達系の寿命を延ばすことができる。

また、本実施の形態に係る風力発電装置１は、動力伝達系にかかるトルク変動のうちウインドシアに基づいて発生するトルク変動を軽減する手段および動力伝達系にかかるトルク変動のうちウインドシアに起因しないトルク変動を軽減する手段の両方を備える。したがって、トルクの定常変動および突発変動の両方に好適に対応できる。また両者を適宜使い分けることにより、よりきめ細やかなトルク変動軽減制御が可能となる。

（第２の実施の形態）
第１の実施の形態では、風力発電装置１が定速運転風車である場合について説明した。第２の実施の形態に係る風力発電装置はいわゆる可変速運転風車であり、通常運転中、風速等によって風車ブレード５の回転数が変化するよう構成される。

図９は、シミュレーションにより求められた、動力伝達系の固有振動数とトルクアームの剛性との関係を示すグラフである。図９に示されるように、動力伝達系の固有振動数はトルクアームの剛性に比較的大きく依存する。したがって、トルクアームの剛性を変えることで固有振動数を比較的精度良く制御することが可能となる。

図１０は、風力発電装置におけるトルクについての例示的なキャンベル線図である。図１０は特に３枚翼の風力発電装置についてのものである。第１の実施の形態に係る風力発電装置１のような定速運転風車の場合、風力発電装置の起動時、風車ブレードの回転数は０から定格回転数Ｎａまで比較的速く上昇する（矢印３０２）。その後、回転数は定格回転数Ｎａ付近で安定する（矢印３０４）。この場合、トルクアームの剛性は、動力伝達系の固有振動数ｆｄが、定格回転数Ｎａとブレード枚数との積（３Ｎａ）とその積の２倍（６Ｎａ）との間の値ｆ３になるよう設定される。回転数の上昇中に固有振動数ｆｄが高次成分（６Ｎや１２Ｎ）と重なることがあっても、回転数の上昇速度は大きいので、共振によるトルク変動の増大は比較的限定的である。そこで、回転数に応じてトルクアームの剛性をアクティブに変更する必要性は比較的低く、固有振動数ｆｄを回転数によらない値に設定できる。これにより、ウインドシアに基づいて発生するトルク変動を軽減する手段の構成を簡易化できる。

第２の実施の形態に係る風力発電装置のような可変速運転風車の場合、通常運転中に回転数が比較的大きく変動しうる（矢印３０６）。したがって、固有振動数を回転数によらずに一定とすると、場合によっては固有振動数が高次成分と重なる状態が比較的長く継続しうる。そこで、第２の実施の形態に係る風力発電装置は、風車ブレード５の回転数を計測し、トルクアームの剛性を、動力伝達系の固有振動数ｆｖが計測された回転数とブレード枚数との積の自然数倍および計測された回転数から外れるよう制御する。

図１０の例では、回転数が０からＮｂの範囲にある場合は固有振動数ｆｖをｆ１とする。このとき、ｆ１＞１２Ｎｂである。回転数がＮｂからＮｃの範囲にある場合は固有振動数ｆｖをｆ２とする。このとき、ｆ１＞ｆ２＞６Ｎｃである。回転数がＮｃからＮａの範囲にある場合、固有振動数ｆｖをｆ３とする。

図１１は、第２の実施の形態に係る風力発電装置の増速機の左側の支持機構の断面図である。図１１の断面は主軸方向に直交する。図１２は、図１１のＡ−Ａ線断面図である。図１１および図１２には示されていないが、風力発電装置は風車ブレード５の回転数を計測する回転速度計を備える。回転速度計は例えば増速機の入力シャフトまたは出力シャフトに取り付けられてもよい。回転速度計は公知の回転計測技術を使用して構成されてもよい。

第２アーム２１２の一端は増速機本体に取り付けられ、他端には矩形のリング部２１２ａが設けられている。矩形のリング部２１２ａの底辺部分２１２ａａは第２ブッシュ保持部２１８の内周面側に挿通される。第２ブッシュ保持部２１８の内周面側において、底辺部分２１２ａａは支持部材によって支持されている。支持部材は複数、例えば６つ、の部分支持部に分割されており、各部分支持部は並列に（または個別に）底辺部分２１２ａａを支持するよう構成される。

第１部分支持部２４８は、分割ブッシュ２３０と、分割ブッシュ２３０と底辺部分２１２ａａとに介在する状態切替部２４６と、を含む。状態切替部２４６は制御部（不図示）からの指令により、第１部分支持部２４８の状態を、増速機の支持に関与する支持状態と、そうでないすなわち増速機の支持に関与しない不支持状態との間で切り替える。

状態切替部２４６は、分割ブッシュ２３０に対して固定された固定部２４２と、固定部２４２と底辺部分２１２ａａとに介在する可動部２４４と、制御部からの指令により可動部２４４を出し入れする剛性切替アクチュエータ２５０と、を有する。可動部２４４が剛性切替アクチュエータ２５０によって引き抜かれた場合、分割ブッシュ２３０は第２アーム２１２からナセル３へ力を伝達しなくなる。可動部２４４が剛性切替アクチュエータ２５０によって挿入された場合、分割ブッシュ２３０は第２アーム２１２からナセル３へ力を伝達し、分割ブッシュ２３０の剛性は第２アーム２１２の剛性に寄与する。
他の５つの部分支持部は第１部分支持部２４８と同様に構成される。
風力発電装置の増速機の右側の支持機構は左側の支持機構と同様に構成される。すなわち、第２の実施の形態では合計１２の部分支持部が存在する。

制御部は、支持部材の剛性を、動力伝達系の固有振動数ｆｖが、回転速度計によって計測された回転数と風車ブレード５のブレード枚数との積の自然数倍および回転速度計によって計測された回転数から外れるよう制御する。特に制御部は、支持状態となる部分支持部の個数を制御することによって支持部材の剛性を離散的に制御する。

例えば図１０に示されるような固有振動数ｆｖの回転数に対する変化を実現するために、制御部は、回転速度計によって計測された回転数が０からＮｂの範囲にあるときは１２個全ての部分支持部を支持状態とする。制御部は、計測された回転数がＮｂからＮｃの範囲にあるときは２つの部分支持部の可動部を引き抜いて不支持状態とし、支持状態にある部分支持部の数を１０とする。制御部は、計測された回転数がＮｃからＮａの範囲にあるときは６つの部分支持部の可動部を引き抜いて不支持状態とし、支持状態にある部分支持部の数を６とする。

本実施の形態に係る風力発電装置では、支持部材の剛性を、動力伝達系の固有振動数ｆｖがトルクの周波数スペクトルのピークに対応する周波数範囲に入らないよう、アクティブに設定する。したがって、特に可変速運転風車について、風車ブレード５の回転と動力伝達系との共振を抑えることができる。その結果、動力伝達系にかかる機械的負荷を低減して動力伝達系の寿命を延ばすことができる。

以上、実施の形態に係る風力発電装置の構成および動作について説明した。これらの実施の形態は例示であり、それらの各構成要素の組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

また、実施の形態同士の組み合わせも可能である。すなわち、第２の実施の形態における第２ブッシュ保持部２１８とナセル３との間に、第１の実施の形態における第２アクチュエータ１０８を設けてもよい。この場合、ウインドシアに基づいて発生するトルク変動を軽減するアクティブな軽減手段およびウインドシアに起因しないトルク変動を軽減するアクティブな軽減手段が設けられる。

第１の実施の形態では、傾斜駆動部１３６は、モード選択部１３４において定常トルク用制御モードが選択された場合、第１アクチュエータ１０４および第２アクチュエータ１０８を制御しない場合について説明したが、これに限られない。例えば、傾斜駆動部は、モード選択部１３４において定常トルク用制御モードが選択された場合でも、入力シャフト１２の回転の向きにしたがって増速機１０が傾くよう第１アクチュエータ１０４、第２アクチュエータ１０８を制御してもよい。この場合、傾斜駆動部１３６は、突発トルク用制御モードにおいてアクチュエータを駆動する速さよりも小さな速さでアクチュエータを駆動してもよい。すなわち、モードの違いはアクチュエータを駆動する速さの違いであってもよい。

第１の実施の形態では、増速機１０の支持機構１００にアクチュエータを導入する場合について説明したが、これに限られない。例えば、いわゆるギアレスの風力発電装置の場合、ロータヘッドと発電機とが入力シャフトで直結される。このような風力発電装置にも本実施の形態の技術的思想を適用できる。第１変形例に係る風力発電装置は、風車ブレードが風を受けることにより生じるトルクを電力に変換し、入力シャフトの回転の形でトルクが入力される発電機と、入力シャフトに対する発電機の姿勢を制御可能なアクチュエータと、風車ブレードが風を受けることにより生じるトルクの大きさに関連する情報に基づいて、入力シャフトの回転の向きにしたがって発電機が傾くようアクチュエータを制御する制御部と、を備える。本変形例によると、トルクＱｆの増大による発電機の動力伝達系に作用するトルクの増大を抑えることができる。その結果、発電機の寿命を延ばすことができる。

第２変形例に係るギアレスの風力発電装置は、風車ブレードが風を受けることにより生じるトルクを電力に変換する発電機と、発電機を支持する支持部材と、を備える。支持部材の剛性は、風車ブレードから発電機に至る動力伝達系の固有振動数が、風車ブレードの回転数と風車ブレードのブレード枚数との積の自然数倍および風車ブレードの回転数から外れるよう設定される。この場合、風車ブレードの回転と動力伝達系との共振を抑制できる。
なお、第２の実施の形態の技術的思想をギアレスの風力発電装置に適用してもよい。

第１の実施の形態では、各アクチュエータは主軸方向に沿って離間した２箇所で対応するブッシュ保持部を支持する場合について説明したが、これに限られず、１箇所でもよいし、アクチュエータは主軸方向に沿って離間した３箇所以上で対応するブッシュ保持部を支持してもよい。

第１の実施の形態では、第１加速度計１２０、第２加速度計１２２を使用して加速度を測定する場合について説明したが、これに限られず、トルクＱｆの大きさに関連する情報を測定すればよい。例えば、加速度計の代わりに変位計を設けてもよく、またはロードセルなどの荷重センサを設けてもよい。あるいはまた、入力シャフト１２に例えば摩擦型のトルク計を取り付けてもよい。このトルク計により測定される入力トルクＱｉｎはトルクＱｆそのものまたはトルクＱｆとの関連性が比較的高い量である。

第１の実施の形態では、モード選択部１３４は、測定された風速を加速度比較の際の補正のために使用する場合について説明したが、これに限られない。例えば、モード選択部は、測定された風速からトルクＱｆを予測してもよい。モード選択部は、予測されたトルクＱｆとトルクしきい値Ｑｔｈとを比較し、前者が後者より大きい場合は突発トルク用制御モードを選択し、そうでない場合は定常トルク用制御モードを選択してもよい。

第１の実施の形態では、制御部１１４は加速度の大きさと加速度しきい値との大小関係に基づいて第１アクチュエータ１０４、第２アクチュエータ１０８を制御する場合について説明したが、これに限られない。例えば、制御部はトルクＱｆの大きさに応じてアクチュエータの伸縮量や駆動の速さを決めてもよい。

第１の実施の形態では、第１アーム１１０に第１加速度計１２０が取り付けられ、第２アーム１１２に第２加速度計１２２が取り付けられている場合について説明したが、これに限られず、加速度計は支持機構の任意の箇所に取り付けられてもよい。

第１の実施の形態では、ブッシュおよびアクチュエータはアームとナセルとの間に直列に設けられる場合について説明したが、これに限られず、例えばブッシュを設けなくてもよく、あるいはまたブッシュおよびアクチュエータはアームとナセルとの間に並列に設けられてもよい。

図１３は、第３変形例に係る風力発電装置の増速機の左側の支持機構の断面図である。図１３の断面は主軸方向に直交する。左側の支持機構は、第２アーム４１２とナセル３との間に並列に設けられた第２ブッシュ４０６および第２アクチュエータ４０８を含む。第２ブッシュ保持部４１８は第２ブッシュ４０６を保持し、第２ブッシュ４０６とナセル３とに介在する。

第２の実施の形態では、剛性切替アクチュエータ２５０は可動部２４４を出し入れする場合について説明したが、これに限られず、剛性切替アクチュエータは分割ブッシュを出し入れしてもよい。

１ 風力発電装置、 ２ 支柱、 ３ ナセル、 ４ ロータヘッド、 ５ 風車ブレード、 ６ 基礎、 １０ 増速機、 １２ 入力シャフト、 ２０ 発電機、 １００ 支持機構、 １０２ 第１ブッシュ、 １０４ 第１アクチュエータ、 １０６ 第２ブッシュ、 １０８ 第２アクチュエータ、 １１０ 第１アーム、 １１２ 第２アーム、 １１４ 制御部。

Claims (6)

1. 風車ブレードが風を受けることにより生じるトルクを発電機で電力に変換する風力発電装置であって、
   前記風車ブレードから前記発電機へのトルクの伝達の経路上に設けられた増速機と、
   前記増速機を支持する支持部材と、を備え、
   前記支持部材の剛性は、前記風車ブレードから前記発電機に至る動力伝達系の固有振動数が、前記風車ブレードの回転数と前記風車ブレードのブレード枚数との積の自然数倍および前記風車ブレードの回転数から外れるよう設定されることを特徴とする風力発電装置。
2. 本風力発電装置は、前記風車ブレードの回転数が所定の定格回転数に達した後、前記風車ブレードが当該定格回転数で回転するよう構成され、
   前記支持部材の剛性は、前記動力伝達系の固有振動数が、定格回転数と前記風車ブレードのブレード枚数との積の自然数倍および定格回転数から外れるよう設定されることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
3. 前記風車ブレードの回転数を計測する計測部と、
   前記支持部材の剛性を、前記動力伝達系の固有振動数が、前記計測部によって計測された回転数と前記風車ブレードのブレード枚数との積の自然数倍および前記計測部によって計測された回転数から外れるよう制御する剛性制御部と、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
4. 前記支持部材は、前記増速機の支持に関与する第１状態ないしそうでない第２状態をとるよう構成された部分支持部を複数含み、
   前記剛性制御部は、第１状態をとる部分支持部の個数を制御することによって前記支持部材の剛性を制御することを特徴とする請求項３に記載の風力発電装置。
5. 前記支持部材の剛性は、前記動力伝達系の固有振動数が、前記風車ブレードの回転数と前記風車ブレードのブレード枚数との積とその積の２倍との間になるよう設定されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の風力発電装置。
6. 風車ブレードが風を受けることにより生じるトルクを電力に変換する発電機と、
   前記発電機を支持する支持部材と、を備え、
   前記支持部材の剛性は、前記風車ブレードから前記発電機に至る動力伝達系の固有振動数が、前記風車ブレードの回転数と前記風車ブレードのブレード枚数との積の自然数倍および前記風車ブレードの回転数から外れるよう設定されることを特徴とする風力発電装置。

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