JP6430221B2

JP6430221B2 - 風力発電装置

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Publication number: JP6430221B2
Application number: JP2014237274A
Authority: JP
Inventors: 啓角谷; 了仁小畑; 荘一郎清木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2014-11-25
Filing date: 2014-11-25
Publication date: 2018-11-28
Anticipated expiration: 2034-11-25
Also published as: JP2016098744A

Description

本発明は、風力発電装置に関するものであり、ブレードのピッチ角度を好適に調整する技術に関する。

近年、二酸化炭素の排出による地球温暖化や、化石燃料の枯渇が懸念されており、二酸化炭素の排出量の低減や、化石燃料への依存度の低下が求められている。二酸化炭素の排出量の低減や、化石燃料への依存度の低下を図るためには、風力や太陽光などの自然から得られる再生可能エネルギーを利用した発電システムの導入が有効である。上記再生可能エネルギーを利用した発電システムの中でも、風力発電システムは太陽光発電システムと異なり、日射による直接的な出力変化を受けないことから、比較的安定な発電システムとして注目されている。また、地上と比較して、風速が高く、風速変化が少ない洋上に設置する風力発電システムも有力な発電システムとして注目されている。

ここでブレードに発生する荷重変動の低減を考慮したものとして例えば特許文献１に開示された技術がある。特許文献１には、ブレードの荷重変動に影響を及ぼす所定のパラメータ、アジマス角度、およびピッチ角度指令値がお互いに関連づけられて格納されている記憶手段と、ブレード毎のアジマス角度を検出するアジマス角度検出手段と、所定のパラメータを検出するパラメータ検出手段と、アジマス角度検出手段によって検出された所定のパラメータとによって選出されるピッチ角度指令値をブレード毎にそれぞれ記憶手段から取得する指令値取得手段と、指令値取得手段によって取得されたピッチ角度指令値と風力発電装置の出力情報により求められる各ブレード共通の共通ピッチ角度指令値とに基づいて、ブレードピッチ角度を制御するためのピッチ角度制御指令値を生成するピッチ角度制御指令値生成手段とを具備することを特徴とするブレードピッチ角度制御装置、が開示されている。また、記憶手段に格納されているピッチ角度指令値は、風力発電装置の設置場所におけるウィンドシア特性が反映される技術、が開示されている。特に、鉛直方向の風速差（以下、ウィンドシア特性）によって発生するブレードの荷重変動を低減するために、予め記憶していたピッチ角度指令値を用いて最終的なピッチ角度制御指令値を決定する。より具体的には、ナセルより上側にブレードが位置するアジマス角度において、ピッチ角度をフェザー側へ調整することで、風速が高い領域でのブレードの荷重を低減すると共に、ナセルより下側にブレードが位置するアジマス角度において、ピッチ角度をファイン側へ調整することで、風速が低い領域でのブレードに加わる荷重を増加させる。

また、ヨー旋回制御方法として、例えば特許文献２に開示された技術がある。該特許文献２には、アジマス角が略９０度及び／または略２７０度にて、前後のアジマス角でのピッチ角よりもファイン側またはフェザー側のピッチ角とされるヨー旋回制御方法が記載されている。

特開2005-83308号公報 WO2011‐92810号公報

風力発電システムの構築にあたり、風力発電システムを構成するブレードの荷重変動を低減する必要がある。特に、ブレードのアジマス角がタワー近傍に位置する際に、タワーによって引き起こされる風速の低下（以下、タワーシャドウ特性）に伴って発生するブレード荷重の急変、およびドライブトレイン荷重の急変を低減する必要がある。ブレードの荷重変動が大きい場合には、ブレードに振動が発生する場合がある。機器の信頼性を高める上では、荷重変動への対策を行っておくのが好ましいと言える。

また、特許文献２では、単にヨー旋回力が大きくなる様なピッチ角度への制御を考えているに過ぎず、例えばブレードが１回転する上で生ずる振動などは考慮していない。信頼性を高める上ではなるべく振動低減が図れる方が好ましい。

本発明では、高信頼の風力発電装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明に係る風力発電装置は、風を受けて回転するブレードと、前記ブレードの荷重を支持するタワーと、前記ブレードを支持すると共に、前記タワーに対して回転可能に支持されるナセルと、を備え、前記ブレードのピッチ角を調整可能な風力発電装置であって、前記ブレードが前記タワーのタワーシャドウに位置する際における前記ピッチ角が、フェザー側へ調整されており、風向きと前記ナセルの方向に生ずるミスアライメントを減らす方向へ前記ナセルに風からの力が生ずる様に、フェザー側への前記調整と連続して前記ブレードのフェザー側への調整を行うことを特徴とする。

本発明によれば、高信頼の風力発電装置を提供することが可能になる。

実施例に係る風力発電装置の概略構成図である。実施例に係り、タワーシャドウに起因するブレード荷重急変を抑制する風力発電装置の制御方法を示すブロック線図である。タワーシャドウによるブレードの荷重変動を低減する手法を適用した場合の実施例説明図である。実施例１に係る風力発電装置の制御方法を示すブロック線図である。実施例１に係るピッチ角度追加補正手段の処理概要を示すブロック線図である。風向とナセル方位を示す概要図である。アジマス角度範囲における４つの象限を説明する図である。実施例１に係る第２象限ピッチ角度追加補正値及び第３象限ピッチ角度追加補正値とアジマス角度の関係を示す概略図である。実施例１に係るピッチ角度追加補正手段を適用しない場合と、左旋回方向のヨー旋回モーメントを発生させる様に適用した場合のそれぞれにおける選択フラグ、ピッチ角度追加補正値、およびピッチ角度指令値に対するアジマス角度の関係を示す概略図である。図９において右旋回方向のヨー旋回モーメントを発生させる様にした場合の図である。実施例に係るピッチ角度追加補正手段において、第２象限ピッチ角度追加補正値最大値または第３象限ピッチ角度追加補正値最大値とミスアライメントの関係を示す概略図である。実施例に係るピッチ角度追加補正手段において、第２象限ピッチ角度追加補正期間または第３象限ピッチ角度追加補正期間とミスアライメントの関係を示す概略図である。実施例１に係るピッチ角度追加補正手段の処理概要を示すフローである。実施例２に係る風力発電装置の制御方法を示すブロック線図である。実施例２に係るピッチ角度追加補正手段の入力情報である風車の位置情報とそれぞれの風向情報を示す概略図である。実施例２に係るピッチ角度追加補正手段の処理概要を示すブロック線図である。実施例３に係るピッチ角度追加補正手段の処理概要を示すブロック線図である。実施例３に係る第１象限〜第４象限の各ピッチ角度追加補正値とアジマス角度の関係を示す概略図である。実施例３に係るピッチ角度追加補正手段を適用しない場合と、左旋回方向のヨー旋回モーメントを発生させる様に適用した場合のそれぞれにおける選択フラグ、ピッチ角度追加補正値、およびピッチ角度指令値に対するアジマス角度の関係を示す概略図である。図１９において右旋回方向のヨー旋回モーメントを発生させる様にした場合の図である。実施例３に係るピッチ角度追加補正手段の処理概要を示すフローである。

以下、図面を用いて、本発明の実施形態について具体的に説明する。尚、下記はあくまでも実施例であって、本発明の実施態様が下記実施例に限定されることを意図するものではない。
《本願の実施形態の概略構成》
まず、図１を用いて、本願に係る風力発電装置の実施形態の概略構成について説明する。

図１は、本願の風力発電装置１の全体の概略構成を示す。実施例で説明する風力発電装置１は、複数のブレード２と、複数のブレード２を接続するハブ３とで構成されるロータ４を備える。ロータ４は図１では省略するがナセル６に回転軸を介して連結されており、回転することでブレード２の位置を変更可能である。ナセル６はロータ４を回転可能に支持している。ブレード２が風を受けることによりロータ４が回転し、図では省略するが、例えばナセルに備えられた発電機を回転させることで電力を発生することができる。ブレード２の各々にはブレード２とハブ３の位置関係、すなわちピッチ角と呼ぶブレードの角度、を変更可能なピッチアクチュエータ５を備えている。ピッチアクチュエータ５を用いてブレード２のピッチ角を変更することにより、風に対するロータの回転エネルギーを変更できる。これにより、広い風速領域においてロータ４の回転速度を制御しながら、風力発電装置１の発電電力を制御することができる。

本実施例では、ブレード２の各々がピッチアクチュエータを備えており、個々のブレード２のピッチ角を単独で（独立して）調整可能である。ナセル６はタワー７上に設置されており、タワー７に対して回転可能に支持されている。本実施例では、ハブ３やナセル６を介してブレード２の荷重がタワー７に支持される。タワー７は、基部（図では省略）に設置され、地上または洋上等の所定位置に設置される。また、風力発電装置１はコントローラ９を備えており、センサ１０の出力信号であるセンサ出力に基づいてピッチアクチュエータ５を調整することで、タワーシャドウによるブレードの荷重の急変を低減するピッチ角度補正制御手段４０１とブレードのピッチ角度の調整によってヨー旋回モーメントを発生させるピッチ角度追加補正手段がプログラムの形態で実装されている。また、ロータ４の回転角度であるアジマス角度を検出するためのアジマス角度検出用センサ８を備えている。図１ではコントローラ９はナセル６またはタワー７の外部に設置される形態にて図示されているが、これだけに限ったものではなく、ナセル６またはタワー７の内部またはそれ以外の所定位置、または風力発電装置１の外部に設置される形態であっても良い。ここで、タワーシャドウは、タワーの影響により風速が急激に低下するアジマス角度を指すものとする。風向き方向について、タワーと一致する位置が最も影響を受け易いが、タワーの影響により風速が急激に低下するアジマス角度は実際には必ずしもその位置に制限されない。また、ブレードがタワーよりも風下を通過するダウンウインド方式の風力発電装置の方がタワーシャドウの影響を受け易く本発明の適用が好適であるが、ブレードがタワーよりも風上を通過するアップウインド方式の風力発電装置でも、少なからずその影響を受けるので、本発明を適用することでの効果が期待できる。以下、実施例ではダウンウインドの場合を例に説明する。

《本願の実施形態におけるピッチ角度補正手段》
まず、図２および図３を用いて、風力発電装置１のコントローラ９に実装され、タワーシャドウによるブレード荷重変化を緩慢化するピッチ角補正手段の一例について説明する。当該ピッチ角補正手段の補正値が加算されて、ブレード２がタワー７のタワーシャドウに位置する際におけるピッチ角がフェザー側へ調整される。

図２は、本願の実施形態における風力発電装置１のコントローラ９に実装されるピッチ角度制御手段の概要を説明するブロック線図を示す。

ピッチ角度制御手段は、ピッチ角度補正手段４０１と、加算部４０６により構成される。

ピッチ角度指令基本値θ₀は、図には明記しないが、風力発電装置１のロータ４の回転速度や、図には明記しないが、ナセル６の適宜位置に備えられる発電機のトルク発生状態に応じてピッチ角度を制御する可変速制御部により決定される。

ピッチ角度補正手段４０１は、センサ出力とアジマス角度φ に基づいて、ピッチ角度補正値dθ_TS を決定する。センサ出力は図には明記しないが、ブレード２やロータ４の軸の荷重変化や振動を検出可能なセンサであっても良い。ピッチ角度補正手段４０１は図には明記しないが、センサ出力の大きさに基づいてピッチ角度補正値dθ_TS を決定するような比例制御などに基づくものであっても良いし、テーブルなど予め決められた特性に基づくものであっても良い。ピッチ角度補正値dθ_TS はアジマス角度φの適宜期間にてピッチ角度補正値dθ_TS の大きさを決定するものであっても良い。

加算部４０６では、ピッチ角度指令基本値θ₀とピッチ角度補正値dθ_TSを加算し、ピッチ角度指令値θに値をセットする。

図３は、ピッチ角度補正手段４０１を適用しない場合と適用した場合の風力発電装置１の挙動の違いを示す図である。図３の横軸はアジマス角度φを示し、縦軸は図上方より、ブレードピッチ角度、ブレード基部の荷重、およびブレード基部荷重の変化を示す。ブレードピッチ角度における図上方がフェザー、ブレード基部における図上方が荷重大、ブレード基部の荷重変化における図上方が荷重変化大にそれぞれ該当する。また、破線がピッチ角度補正手段４０１を適用しない場合を示し、実線がピッチ角度補正手段４０１を適用した場合を示す。

破線のピッチ角度補正手段４０１を適用しない場合では、ブレードピッチ角度の補正がないため、ブレードのアジマス角度φがタワー近傍となるφ₁からφ₂の期間において、ブレード基部の荷重が大きく低下するため、結果としてブレード基部の荷重変化が大きく正負に変化する。

これに対して、実線のピッチ角度補正手段４０１を適用した場合では、ブレードピッチ角度をアジマス角度φがφ_p1からφ_p2の期間、即ちタワーシャドウに位置する際に、本補正を考慮しない場合のピッチ角度よりもフェザー側へ調整することにより、ブレード基部の荷重変化を緩慢化する。これにより、ブレードやドライブトレインの振動を低減できる。

《本願の第１の実施形態におけるピッチ角度追加補正手段》
次に、図４から図１３を用いて、本願の第１の実施形態のピッチ角度追加補正手段５００の動作一例について説明する。

図４は、本願の実施形態における風力発電装置１のコントローラ８に実装されるピッチ角度補正手段４０１と、ブレードのピッチ角度を調整することでヨー旋回モーメントを発生させるピッチ角度追加補正手段５００の概要を説明するブロック線図を示す。図４は、図２と同様に、可変速制御に係るピッチ角度制御部分のみを示す。

ピッチ角度追加補正手段５００は、風向ψ_W 、ナセル方位ψ_N 、およびアジマス角度φに基づき、ピッチ角度追加補正値dθ_M を決定する。決定されたピッチ角度追加補正値dθ_M は加算部５０６により、ピッチ角度指令基本値θ₀とピッチ角度補正値dθ_TSの加算結果であるθ_B に対して加算され、ピッチ角度指令値θとして決定される。なお、図４に示すピッチ角度補正手段４０１は図２と同様のため、ここでの詳細説明を省略する。

図５は、本願の第１の実施形態であるピッチ角度追加補正手段５００の処理概要を示すブロック線図である。

ピッチ角度追加補正手段５００は、ミスアライメント演算部５０１、第２象限ピッチ角度追加補正値演算部５０２、第３象限ピッチ角度補正値演算部５０３、選択フラグ演算部５０４、およびピッチ角度追加補正値選択部５０５により構成される。

ミスアライメント演算部５０１は風向ψ_W およびナセル方位ψ_N に基づき、ミスアライメントdψ を決定する。図６にその処理の一例を示す。風向ψ_W およびナセル方位ψ_N が例えば、絶対的な北方向を基準とした方向を角度で示すものであり、ミスアライメントdψは風向ψ_Wからナセル方位ψ_Nを差し引いた結果として決定されるものであっても良いし、これに限ったものではない。

第２象限ピッチ角度追加補正値演算部５０２、および第３象限ピッチ角度追加補正値演算部５０３は、ミスアライメントdψおよびアジマス角度φに基づいて、それぞれ第２象限ピッチ角度追加補正値dθ_M2、および第３象限ピッチ角度追加補正値dθ_M3を決定する。

ここで、第２象限や第３象限は、図７に示すようにアジマス角度φにて決定される期間を示す。以下、本明細書では、ブレード２がアジマス角上で頂点に位置する際を０degと設定し、第１象限はアジマス角度φが０degから９０degの期間を示し、第２象限はアジマス角度φが９０deg から１８０degの期間を示し、第３象限はアジマス角度φが１８０degから２７０degの期間を示し、第４象限はアジマス角度φが２７０degから３６０degを示している。

図８は、アジマス角度φに対する第２象限ピッチ角度追加補正値dθ_M2、および第３象限ピッチ角度追加補正値dθ_M3の一例を示す図である。図８に示す例では、アジマス角度φが１８０度を基準とした反時計回りのdφ_M2 の期間において、第２象限ピッチ角度追加補正値dθ_M2の最大値が|dθ_M2|となるよう調整される。また、アジマス角度φが１８０度を基準とした時計回りのdφ_M3 の期間において、第３象限ピッチ角度追加補正値dθ_M3の最大値が|dθ_M3|となるよう調整される。それぞれの補正値の最大値および期間はこれに限ったものではなく、アジマス角度φの基準を変更したり、最大値を一部期間で保持するような調整形態であっても良い。

選択フラグ演算部５０４は、ミスアライメントdψに基づき、選択フラグを決定する。一例としては、ミスアライメントdψが正、すなわち本実施例では左旋回のヨー旋回が必要である場合は、選択フラグに０をセットし、ミスアライメントdψが負、すなわち本実施例では右旋回のヨー旋回が必要である場合は、選択フラグに１をセットする。ミスアライメントの方向（ここでの制御上は、dψの符号）に応じて第２象限または第３象限のいずれかにおいて、タワーシャドウ通過時のフェザー側への調整と連続してフェザー側への調整を行う。

ピッチ角度追加補正値選択部５０５は、第２象限ピッチ角度追加補正値dθ_M2、および第３象限ピッチ角度追加補正値dθ_M3、および選択フラグに基づいて、ピッチ角度追加補正値dθ_M を演算する。選択フラグが０の場合はピッチ角度追加補正値dθ_Mに第２象限ピッチ角度追加補正値dθ_M2をセットし、選択フラグが１の場合は、ピッチ角度追加補正値dθ_Mに第３象限ピッチ角度追加補正値dθ_M3をセットする。

図９は、本願の第１の実施形態であるピッチ角度追加補正手段５００を適用しない場合と、適用した場合に左旋回モーメントを発生させる際の動作概要を示す図である。図９の横軸はアジマス角度φを示し、縦軸は選択フラグ、ピッチ角度追加補正値dθ_M、およびピッチ角度指令値θをそれぞれ示す。選択フラグにおける図上方が１、ピッチ角度追加補正値dθ_Mにおける図上方がフェザー、ピッチ角度指令値θにおける図上方がフェザーを示す。図９において、点線がピッチ角度追加補正を実施しない場合、すなわち左旋回のヨー旋回モーメントを発生させない場合を示し、実線がピッチ角度追加補正を実施する場合を示す。本実施例では、風向きとナセル３の方向にミスアライメントdψが生じている場合には、ミスアライメントdψの大きさを減らす方向へ、ブレード２を介してナセル３に風からの力が生ずる様に、フェザー側への調整と連続してブレード２のフェザー側への調整を行っている。タワーシャドウを考慮した補正や本補正を考慮しない場合の位置にフェザー側から戻る前に、引き続きフェザー側への調整を行うことでピッチ角調整頻度を減らしている。

タワーシャドウの影響を軽減するためにブレード２のピッチ角度をフェザー方向へ操作する調整に加えて、タワーシャドウ通過時におけるフェザー側への調整とは連続しないアジマス角度（例えばアジマス角度９０degや２７０deg）でのフェザー方向またはファイン方向へのピッチ角度操作を付加した場合には、ロータ１回転におけるピッチ角度動作が頻繁となる（具体的には、少なくともアジマス角度９０deg、１８０deg、および２７０deg等の３回のピッチ角度操作を要する）。ましてや当該ロータ回転での発電出力を低下させないようにするためには、出力調整以外の制御に関する上記３つのアジマス角度でのピッチ角度操作は早急に終了させる必要があり、これがピッチ角度のフェザー方向およびファイン方向への頻繁な調整に繋がる。ピッチ角度の頻繁な調整に際しては、ブレード２に振動が発生する場合があり、ブレード２やロータ軸などの劣化進行などに繋がりやすい。本実施例では、その様な頻繁な調整を回避するべく、タワーシャドウ通過時のフェザー側への調整と連続してブレード２のフェザー側への調整を行う様にしている。

ピッチ角度追加補正を実施しない場合では、ピッチ角度補正手段４０１によるタワーシャドウによるブレードやドライブトレインの振動を低減するためのピッチ角度補正が、アジマス角度φが１８０度を近傍で適用される。

これに対し、左旋回のヨー旋回モーメントを発生させる場合（実線）には、選択フラグが０にセットされるため、ピッチ角度追加補正値dθ_Mに第３象限ピッチ角度追加補正値dθ_M3がセットされる。これにより、アジマス角度φが１８０度から２７０度の期間である第３象限において調整されるピッチ角度追加補正値dθ_Mがピッチ角度指令値θに反映され、ピッチ角度指令値θがタワー近傍よりも第３象限においてフェザー方向に調整される期間が増える。

図９に示す例では、第３象限にてピッチ角度指令値がフェザー側に追加補正されることにより、ロータが風から受けるスラスト力が第３象限にて減少され、左旋回のヨー旋回モーメントを発生させることができる。

図９の例ではピッチ角度指令値θが滑らかに変化する例を示すが、これに限ったものではなく、ピッチ角度指令値θの変化速度が一定値を保持するものであっても良いし、ピッチ角度指令値θが一定の値を保持するようなものであっても良い。

図１０は、本願の第１の実施形態であるピッチ角度追加補正手段５００を適用しない場合と、適用した場合に右旋回モーメントを発生させる際の動作概要を示す図である。図１０の横軸はアジマス角度φを示し、縦軸は選択フラグ、ピッチ角度追加補正値dθ_M、およびピッチ角度指令値θをそれぞれ示す。選択フラグにおける図上方が１、ピッチ角度追加補正値dθ_Mにおける図上方がフェザー、ピッチ角度指令値θにおける図上方がフェザーを示す。図１０において、点線がピッチ角度追加補正を実施しない場合、すなわち右旋回のヨー旋回モーメントを発生させない場合を示し、実線がピッチ角度追加補正を実施する場合を示す。この場合にも、風向きとナセル３の方向にミスアライメントdψが生じている場合には、ミスアライメントdψの大きさを減らす方向へ、ブレード２を介してナセル３に風からの力が生ずる様に、フェザー側への調整と連続してブレード２のフェザー側への調整を行っている。

ピッチ角度追加補正を実施しない場合では、ピッチ角度補正手段４０１によるタワーシャドウによるブレードやドライブトレインの振動を低減するためのピッチ角度補正が、アジマス角度φが１８０度を近傍で適用される。これは図９と同様である。

これに対し、右旋回のヨー旋回モーメントを発生させる場合（実線）には、選択フラグが１にセットされるため、ピッチ角度追加補正値dθ_Mに第２象限ピッチ角度追加補正値dθ_M2がセットされる。これにより、アジマス角度φが９０度から１８０度の期間である第２象限において調整されるピッチ角度追加補正値dθ_Mがピッチ角度指令値θに反映され、ピッチ角度指令値θがタワー近傍よりも第２象限においてフェザー方向に調整される期間が増える。

図１０に示す例では、第２象限にてピッチ角度指令値がフェザー側に追加補正されることにより、ロータが風から受けるスラスト力を第２象限にて減少されることで、右旋回のヨー旋回モーメントを発生させることができる。

図１０の例ではピッチ角度指令値θが滑らかに変化する例を示すが、これに限ったものではなく、ピッチ角度指令値θの変化速度が一定値を保持するものであっても良いし、ピッチ角度指令値θが一定の値を保持するようなものであっても良い。

図１１は、ミスアライメントdψに対する、第２象限ピッチ角度追加補正値最大値|dθ_M2|、または第３象限ピッチ角度追加補正値最大値|dθ_M3|の関係の一例を示す図である。図１１の例では、ミスアライメントdψの大きさに応じて第２象限ピッチ角度追加補正値最大値|dθ_M2|、または第３象限ピッチ角度追加補正値最大値|dθ_M3|をフェザー側へ調整する調整量を大きくしている。特に、ここでは、単調増加特性を備えたものを示しているがこれに限ったものではなく、２次曲線などの特性に従ったものであっても良いし、実験やシミュレーションによって予め決められたテーブルに従うものであっても良い。図１１に示すような特性に従い、第２象限ピッチ角度追加補正値演算部５０２、および第３象限ピッチ角度追加補正値演算部５０３にてそれぞれのピッチ角度追加補正値を決定する。

図１２は、ミスアライメントdψに対する、第２象限ピッチ角度追加補正期間dφ_M2、または第３象限ピッチ角度追加補正期間dφ_M3の関係の一例を示す図である。図１２の例では、ミスアライメントdψの大きさに応じて第２象限ピッチ角度追加補正期間dφ_M2、または第３象限ピッチ角度追加補正期間dφ_M3をフェザー側へ調整する調整期間を長くしている。特に、ここでは調整期間が単調増加する特性を備えたものであるがこれに限ったものではなく、２次曲線などの特性に従ったものであっても良いし、実験やシミュレーションによって予め決められたテーブルに従うものであっても良い。図１２に示すような特性に従い、第２象限ピッチ角度追加補正値演算部５０２、および第３象限ピッチ角度追加補正値演算部５０３にてそれぞれのピッチ角度追加補正期間を決定する。

尚、図１１と図１２に示す制御は必ずしも択一的ではなく、併せて用いることも可能である。

図１３は、本願の第１の実施形態であるピッチ角度追加補正手段５００の処理概要を示すフローチャートである。

ステップS１３０１では、ミスアライメントdψを決定する。続くステップS１３０２では第２象限ピッチ角度追加補正値dθ_M2を決定する。ステップS１３０３では第３象限ピッチ角度追加補正値dθ_M3を決定する。続いてステップS１３０４では、ミスアライメントdψの符号に基づく条件判断処理であり、ミスアライメントdψが負であれば、右旋回のヨー旋回モーメントを発生させると判断し、ステップS１３０５に処理を進め、ミスアライメントdψが正であれば、左旋回のヨー旋回モーメントを発生させると判断し、ステップS１３０６に処理を進める。ステップS１３０５では、右旋回のヨー旋回モーメントを発生させるために、第２象限ピッチ角度補正値dθ_M2をピッチ角度追加補正値dθ_Mにセットし、一連の処理を終了する。また、ステップS１３０６では、左旋回のヨー旋回モーメントを発生させるために、第３象限ピッチ角度補正値dθ_M3をピッチ角度追加補正値dθ_Mにセットし、一連の処理を終了する。

本実施例によれば、タワーシャドウによるブレード荷重およびドライブトレイン荷重の急激な変化を緩和可能であると共に、ピッチ角度操作に伴うブレード振動を低減することが可能である。また、ヨーアクチュエータ駆動に必要な動力を風から得ているので、駆動に必要な電力を低減可能である。

以下では、図１４から図１７を用いて、本願に係る風力発電装置の第２の実施形態について説明する。

本願の第２の実施形態の風力発電装置の概略構成は、第１の実施形態と同様に図１に示す構成であるため、詳細説明を省略する。

図１４は、風力発電装置１のコントローラ９に実装されるピッチ角度制御手段の処理概要を示すブロック線図である。図１４のピッチ角度制御手段は、図には明記しないが、ナセル６の適宜位置に備えられる発電機の回転速度と発電機トルクに応じてピッチ角度を調整する可変速制御にて決定されるピッチ角度指令基本値θ₀に対し、ピッチ角度補正手段４０１、および、ピッチ角度追加補正手段１５００から出力される値を、加算部４０６、および加算部１５０６によってそれぞれ加算することにより、ピッチ角度指令値θを演算する。

ピッチ角度補正手段４０１は、タワーシャドウによって発生するブレードやドライブトレインの振動を低減するために、ブレードのアジマス角度φがタワー近傍となる角度において、ピッチ角度をフェザー側へ操作するためのピッチ角度補正値dθ_TSを演算するものであり、第１の実施形態と同様であるため、詳細説明を省略する。

ピッチ角度追加補正手段１５００は、風向ψ_W、ナセル方位ψ_N、アジマス角度φ、周辺の風力発電装置の配置情報、および、周辺の風力発電装置の風情報に基づいて、ピッチ角度追加補正値dθ_Mを演算する。

ここで、周辺の風力発電装置の配置、および、周辺の風力発電装置の風向の情報の一例を図１５を用いて説明する。風力発電装置は、通常単機ではなく、複数台が一つのサイトに設置されてウィンドファームを形成する。即ち、ある風力発電装置に着目した際、周辺には他に風力発電装置が存在する。ここでは、そうした周辺の風力発電装置が与える影響に着目している。

図１５は、風力発電装置１と風力発電装置２が適宜位置にて配置されている様子を、上空からみた概略図を示す。周辺の風力発電装置の配置情報とは、風力発電装置１に定義された座標系Σ₁に基づき、位置ベクトルAによって定義される風力発電装置２の位置と、風力発電装置２のナセル方位の情報を含む。周辺の風力発電装置の配置情報はこれに限ったものではなく、風力発電装置２のタワーの傾斜角度や、ピッチ角度の情報を含むものであっても良い。

また、周辺の風力発電装置の風情報とは、風力発電装置２の風向ψ_W2や風速を含んでいる。周辺の風力発電装置の風情報は、これに限ったものではなく、風の乱流強度、３次元的な風の方向、を含むものであっても良い。

なお、図１５では、２台の風力発電装置のみ記載しているが、これに限らず、２台以上の配置情報や風情報であっても良いことは勿論である。

図１６は、本願の第２の実施形態であるピッチ角度追加補正手段１５００の処理概要を示すブロック線図である。

ピッチ角度追加補正手段１５００はミスアライメント演算部５０１、第２象限ピッチ角度追加補正値演算部１６０１、第３象限ピッチ角度補正値演算部１６０２、選択フラグ演算部５０４、およびピッチ角度追加補正値選択部５０５により構成される。

ミスアライメント演算部５０１、選択フラグ演算部５０４、および、ピッチ角度追加補正値選択部５０５は、第１の実施形態を示す図５と同様であるため、詳細説明を省略する。

第２象限ピッチ角度追加補正値演算部１６０１、および第３象限ピッチ角度追加補正値演算部１６０２は、ミスアライメントdψ、アジマス角度φ、周辺の風力発電装置の配置情報、および、周辺の風力発電装置の風情報（風向や風速など）、に基づいて、それぞれ第２象限ピッチ角度追加補正値dθ_M2、および第３象限ピッチ角度追加補正値dθ_M3を決定する。第１の実施形態と異なる点は、第２象限ピッチ角度追加補正手段１６０１と、第３象限ピッチ角度追加補正手段１６０２の入力が増加している点である。周辺の風力発電装置の配置情報と周辺の風力発電装置の風情報を利用することで、一部風力発電装置の風下に位置する様な関係となる風力発電装置において、風速や乱流強度がロータ左右、上下にて異なる場合があることから、このような条件に応じて、第２象限ピッチ角度追加補正値dθ_M2や第３象限ピッチ角度追加補正値dθ_M3を決定する。

尚、第２象限および第３象限は、第１の実施形態と同様に、図７に示すアジマス角度φにて定義されるものであり、詳細説明を省略する。

また、本願の第２の実施形態におけるピッチ角度追加補正手段１５００の処理概要を示すフローチャートは、第１の実施形態におけるピッチ角度追加補正手段５００のフローチャートを示す図１３と同様であるため、詳細説明を省略する。

本実施例においても、タワーシャドウによるブレード荷重およびドライブトレイン荷重の急激な変化を緩和可能であると共に、ピッチ角度操作に伴うブレード振動を低減することが可能である。また、ヨーアクチュエータ駆動に必要な動力を風から得ているので、駆動に必要な電力を低減可能である。

また、周辺の風力発電装置の配置情報と周辺の風力発電装置の風情報を利用することで、一部風力発電装置の風下に位置する様な関係となる風力発電装置において、風速や乱流強度がロータ左右、上下にて異なる場合にもより正確に制御を行うことが出来る。

以下では、図１７から図２１を用いて、本願に係る風力発電装置の第３の実施形態について説明する。

本願の第３の実施形態の風力発電装置の概略構成は、第１の実施形態と同様に図１に示す構成であるため、詳細説明を省略する。

風力発電装置１のコントローラ９に実装されるピッチ角度制御手段の処理概要は、第１の実施形態のピッチ角度制御手段の処理概要と同様に、図４に示すブロック線図と同様であるため、詳細説明を省略する。

第１の実施形態と第３の実施形態との違いは、図４に示すピッチ角度追加補正手段５００の処理内容に相当する箇所である。図１７は、本願の第３の実施形態に係るピッチ角度追加補正手段２５００の処理概要を示すブロック線図である。

第３の実施形態に係るピッチ角度追加補正手段２５００は、ミスアライメント演算部５０１、第２象限ピッチ角度追加補正値演算部５０２、第３象限ピッチ角度補正値演算部５０３、第１象限ピッチ角度補正値演算部１７０１、第４象限ピッチ角度追加補正値演算部１７０２、選択フラグ演算部５０４、およびピッチ角度追加補正値選択部１７０３により構成される。

ミスアライメント演算部５０１、第２象限ピッチ角度追加補正値演算部５０２、第３象限ピッチ角度追加補正値演算部５０３、および、選択フラグ演算部５０４は、第１の実施形態を示す図５と同様であるため、詳細説明を省略する。

第３の実施形態に係るピッチ角度追加補正手段２５００では、ヨー旋回モーメントを発生させるために、第２象限および第３象限でのピッチ角度の追加補正に加えて、更に第１象限および第４象限でのピッチ角度の追加補正を付加することによって、ヨー旋回モーメントを発生させる。

第１象限ピッチ角度追加補正値演算部１７０１、および第４象限ピッチ角度追加補正値演算部１７０２は、第２象限ピッチ角度追加補正値演算部５０２、および第３象限ピッチ角度追加補正値演算部１７０２と同様に、ミスアライメントdψおよびアジマス角度φに基づいて、それぞれ第１象限ピッチ角度追加補正値dθ_M1、および第４象限ピッチ角度追加補正値dθ_M4を決定する。

図１８に、第２象限ピッチ角度追加補正値dθ_M2、第３象限ピッチ角度追加補正値dθ_M3、第１象限ピッチ角度追加補正値dθ_M1、および第４象限ピッチ角度追加補正値dθ_M4、のアジマス角度φに対する関係の一例を示す。図１８の横軸はアジマス角度φを示し、縦軸はそれぞれ、第２象限ピッチ角度追加補正値dθ_M2、第３象限ピッチ角度追加補正値dθ_M3、第１象限ピッチ角度追加補正値dθ_M1、および第４象限ピッチ角度追加補正値dθ_M4を示す。各象限のピッチ角度追加補正値dθ_M1〜dθ_M4について、図上方がフェザー側、下方がファイン側を示す。

図１８における第２象限ピッチ角度追加補正値dθ_M2、第３象限ピッチ角度追加補正値dθ_M3は、第１の実施形態に係る図８に示すものと同様であるため、詳細説明を省略する。

第１の実施形態にて説明した第２象限ピッチ角度追加補正値dθ_M2、第３象限ピッチ角度追加補正値dθ_M3と同様に、第１象限ピッチ角度追加補正値演算部１７０１は第１象限ピッチ角度追加補正値dθ_M1の補正最大値|dθ_M1|、および補正期間dφ_M1をミスアライメントdψに基づいて変化させる。第１の実施形態と異なる点は、第１象限ピッチ角度追加補正値dθ_M1はピッチ角度の追加補正をフェザー側でなくファイン側に操作するものである。図１８の例では第１象限ピッチ角度追加補正値dθ_M1をアジマス角度φに応じて第１象限にて滑らかに変化させているが、これに限ったものではなく、第１象限ピッチ角度追加補正値dθ_M1が一定速度で変化させたり、一定の値を保持する期間を備えていたりしても良い。

第４象限ピッチ角度追加補正値演算部１７０２は第４象限ピッチ角度追加補正値dθ_M4の補正最大値|dθ_M4|、および補正期間dφ_M4をミスアライメントdψに基づいて変化させる。第１の実施形態と異なる点は、第４象限ピッチ角度追加補正値dθ_M4はピッチ角度の追加補正をフェザー側でなくファイン側に操作するものである。図１８の例では第４象限ピッチ角度追加補正値dθ_M4をアジマス角度φに応じて第４象限にて滑らかに変化させているが、これに限ったものではなく、第４象限ピッチ角度追加補正値dθ_M4が一定速度で変化させたり、一定の値を保持する期間を備えていたりしても良い。

図１９は、第３の実施形態に係るピッチ角度追加補正手段２５００により、左旋回のヨー旋回モーメントを発生させる場合のピッチ角度追加補正の一例を示す。ここでは、第２象限でフェザー側への調整を行う際に第４象限に位置するブレード２はファイン側へ調整を行う様にしている。

図１９の横軸はアジマス角度φを示し、縦軸は図上方より、選択フラグ、ピッチ角度追加補正値dθ_M、およびピッチ角度指令値θを示す。図上方より、選択フラグについて、図上方が１（右旋回）、ピッチ角度追加補正値dθ_Mについて、図上方がフェザー側、ピッチ角度指令値θについて、図上方がフェザー側を示す。また、破線がピッチ角度追加補正手段２５００を適用しない場合を示し、実線がピッチ角度追加補正手段２５００を適用した場合を示す。

第３の実施形態に係るピッチ角度追加補正手段２５００を適用しない場合は、ピッチ角度追加補正を実施しないため、アジマス角度φが１８０度付近でピッチ角度指令値θをフェザー側に操作し、タワーシャドウによるブレードやドライブトレインの振動を低減する。これに対して、第３の実施形態に係るピッチ角度追加補正手段２５００を適用した場合は、選択フラグが０（左旋回）に決定され、これに応じて、ピッチ角度追加補正値dθ_Mは、図１８に示す第３象限ピッチ角度追加補正値dθ_M3と第１象限ピッチ角度追加補正値dθ_M1が選択され、それぞれ第３象限ではフェザー側、第１象限ではファイン側へ調整される。このピッチ角度追加補正値dθ_Mによって補正されることによって、ピッチ角度指令値θは第３象限にてフェザー側に変化、すなわちタワーシャドウの影響を低減するピッチ角度補正に追加してフェザー側へ補正し、第１象限ではファイン側に変化する。第３象限にてフェザー側へ補正することで、ロータが第３象限で受ける風によるスラスト力が減少すると共に、第１象限にてファイン側へ補正することで、ロータが第４象限で受ける風によるスラスト力が増加することによって、左旋回のヨー旋回モーメントを発生させることができ、かつ、発電量の増加も期待できる。

図２０は、第３の実施形態に係るピッチ角度追加補正手段２５００により、右旋回のヨー旋回モーメントを発生させる場合のピッチ角度追加補正の一例を示す。図２０の横軸はアジマス角度φを示し、縦軸は図上方より、選択フラグ、ピッチ角度追加補正値dθ_M、およびピッチ角度指令値θを示す。図上方より、選択フラグについて、図上方が１（右旋回）、ピッチ角度追加補正値dθ_Mについて、図上方がフェザー側、ピッチ角度指令値θについて、図上方がフェザー側を示す。また、破線がピッチ角度追加補正手段４０１を適用しない場合を示し、実線がピッチ角度追加補正手段２５００を適用した場合を示す。ここでは、第３象限でフェザー側への調整を行う際に第１象限に位置するブレード２はファイン側へ調整を行う様にしている。

第３の実施形態に係るピッチ角度追加補正手段２５００を適用しない場合は、ピッチ角度追加補正を実施しないため、アジマス角度φが１８０度付近でピッチ角度指令値θをフェザー側に操作し、タワーシャドウによるブレードやドライブトレインの振動を低減する。これに対して、第３の実施形態に係るピッチ角度追加補正手段２５００を適用した場合は、選択フラグが１（右旋回）に決定され、これに応じて、ピッチ角度追加補正値dθ_Mは、図１８に示す第２象限ピッチ角度追加補正値dθ_M2と第４象限ピッチ角度追加補正値dθ_M4が選択され、それぞれ第２象限ではフェザー側、第４象限ではファイン側へ調整される。このピッチ角度追加補正値dθ_Mによって補正されることによって、ピッチ角度指令値θは第２象限にてフェザー側に変化、すなわちタワーシャドウの影響を低減するピッチ角度補正に追加してフェザー側へ補正し、第４象限ではファイン側に変化する。第２象限にてフェザー側へ補正することで、ロータが第２象限で受ける風によるスラスト力が減少すると共に、第４象限にてファイン側へ補正することで、ロータが第４象限で受ける風によるスラスト力が増加することによって、右旋回のヨー旋回モーメントを発生させることができる。

図２１は、本願の第３の実施形態であるピッチ角度追加補正手段２５００の処理概要を示すフローチャートである。

ステップS２２０１では、ミスアライメントdψを決定する。続くステップS２２０２では第２象限ピッチ角度追加補正値dθ_M2を決定する。ステップS２２０３では第３象限ピッチ角度追加補正値dθ_M3を決定する。ステップS２２０４では第１象限ピッチ角度追加補正値dθ_M1を決定する。ステップS２２０５では第４象限ピッチ角度追加補正値dθ_M4を決定する。続いてステップS２２０６では、ミスアライメントdψの符号に基づく条件判断処理であり、ミスアライメントdψが負であれば、右旋回のヨー旋回モーメントを発生させると判断し、ステップS２２０７に処理を進め、ミスアライメントdψが正であれば、左旋回のヨー旋回モーメントを発生させると判断し、ステップS２２０８に処理を進める。ステップS２２０７では、右旋回のヨー旋回モーメントを発生させるために、第２象限ピッチ角度補正値dφ_M2および第４象限ピッチ角度補正値dφ_M4の双方を用いてピッチ角度追加補正値dθ_Mにセットし、一連の処理を終了する。また、ステップS２２０８では、左旋回のヨー旋回モーメントを発生させると判断し、第３象限ピッチ角度補正値dφ_M3と第１象限ピッチ角度補正値dφ_M1の双方を用いてピッチ角度追加補正値dθ_Mにセットし、一連の処理を終了する。

尚、本願が請求する範囲は上記に限ったものではなく、適用される風力発電装置は、タワーが地面または海底に設置される着床式の風力発電装置であっても良いし、海域に浮かべた土台部分に設置される浮体式の風力発電装置であっても良い。

１風力発電装置
２ブレード
３ハブ
４ロータ
５ピッチアクチュエータ
６ナセル
７タワー
８アジマス角度検出用センサ
９コントローラ
１０センサ
４０１ピッチ角度補正手段
４０２ピッチ角度補正最大値演算部
４０３ピッチ角度補正開始アジマス角度演算部
４０４ピッチ角度補正終了アジマス角度演算部
４０５ピッチ角度補正値演算部
４０６加算部

Claims

風を受けて回転するブレードと、前記ブレードの荷重を支持するタワーと、
前記ブレードを支持すると共に、前記タワーに対して回転可能に支持されるナセルと、を備え、
前記ブレードのピッチ角を調整可能な風力発電装置であって、
前記ブレードが前記タワーのタワーシャドウに位置する際における前記ピッチ角が、フェザー側へ調整されており、
風向きと前記ナセルの方向に生ずるミスアライメントを減らす方向へ前記ナセルに風からの力が生ずる様に、フェザー側への前記調整と連続して前記ブレードのフェザー側への調整を行うことを特徴とする風力発電装置。
請求項１に記載の風力発電装置であって、
前記ブレードがアジマス角上でブレードが頂点に位置する際を０degとした時に、
前記アジマス角度が０degから９０degにおける前記ブレードの位置を第１象限とし、
前記アジマス角度が９０deg から１８０deg における前記ブレードの位置を第２象限とし、
前記アジマス角度が１８０degから２７０degにおける前記ブレードの位置を第３象限とし、
前記アジマス角度が２７０degから３６０degにおける前記ブレードの位置を第４象限とした場合、
前記ミスアライメントの方向に応じて前記第２象限または前記第３象限のいずれかにおいて、前記ブレードが前記タワーの前記タワーシャドウに位置する際における前記ピッチ角をフェザー側へ調整する調整と連続して、前記風向きと前記ナセルの方向に生ずる前記ミスアライメントを減らす方向へ前記ナセルに風からの力が生ずる様に前記ピッチ角のフェザー側への調整を行うことを特徴とする風力発電装置。
請求項２に記載の風力発電装置であって、
該風力発電装置の周辺に設置される他の風力発電装置の配置、及び前記他の風力発電装置における風向に基づいて、
前記第２象限または前記第３象限のいずれかにおいて、前記ブレードが前記タワーの前記タワーシャドウに位置する際における前記ピッチ角をフェザー側へ調整する調整と連続して、前記風向きと前記ナセルの方向に生ずる前記ミスアライメントを減らす方向へ前記ナセルに風からの力が生ずる様に前記ピッチ角のフェザー側への調整を行うことを特徴とする風力発電装置。
請求項２または３に記載の風力発電装置であって、
前記ミスアライメントの大きさに応じて、前記第２象限または前記第３象限のピッチ角を、前記ブレードが前記タワーの前記タワーシャドウに位置する際における前記ピッチ角をフェザー側へ調整する調整と連続して、前記風向きと前記ナセルの方向に生ずる前記ミスアライメントを減らす方向へ前記ナセルに風からの力が生ずる様にフェザー側へ調整する調整量を大きくすることを特徴とする風力発電装置。
請求項２ないし４のいずれか１項に記載の風力発電装置であって、
前記ミスアライメントの大きさに応じて、前記第２象限または前記第３象限におけるピッチ角を、前記ブレードが前記タワーの前記タワーシャドウに位置する際における前記ピッチ角をフェザー側へ調整する調整と連続して、前記風向きと前記ナセルの方向に生ずる前記ミスアライメントを減らす方向へ前記ナセルに風からの力が生ずる様にフェザー側へ調整する調整期間を長くすることを特徴とする風力発電装置。
請求項２ないし５のいずれか１項に記載の風力発電装置であって、
前記ブレードは複数設けられていると共に、複数の該ブレードのピッチ角は独立して調整可能であり、
前記第２象限で前記ブレードが前記タワーの前記タワーシャドウに位置する際における前記ピッチ角をフェザー側へ調整する調整と連続して、前記風向きと前記ナセルの方向に生ずる前記ミスアライメントを減らす方向へ前記ナセルに風からの力が生ずる様に前記ピッチ角のフェザー側への調整を行う際に前記第４象限に位置する前記ブレードはファイン側へ調整を行うことを特徴とする風力発電装置。
請求項２ないし５のいずれか１項に記載の風力発電装置であって、
前記ブレードは複数設けられていると共に、複数の該ブレードのピッチ角は独立して調整可能であり、
前記第３象限で前記ブレードが前記タワーの前記タワーシャドウに位置する際における前記ピッチ角をフェザー側へ調整する調整と連続して、前記風向きと前記ナセルの方向に生ずる前記ミスアライメントを減らす方向へ前記ナセルに風からの力が生ずる様に前記ピッチ角のフェザー側への調整を行う際に前記第１象限に位置する前記ブレードはファイン側へ調整を行うことを特徴とする風力発電装置。