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JPH0758066B2 - 可変速度風力タ−ビン装置 - Google Patents
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JPH0758066B2 - 可変速度風力タ−ビン装置 - Google Patents

可変速度風力タ−ビン装置

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JPH0758066B2
JPH0758066B2 JP61270809A JP27080986A JPH0758066B2 JP H0758066 B2 JPH0758066 B2 JP H0758066B2 JP 61270809 A JP61270809 A JP 61270809A JP 27080986 A JP27080986 A JP 27080986A JP H0758066 B2 JPH0758066 B2 JP H0758066B2
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は風力タービンに係り、特に速度可変形風力ター
ビンに関する。
従来の技術 本発明はディバレンタイン他により発明され、本出願人
により本願の優先権主張日と同日に出願された米国特許
出願「可変速度風力タービンのトルク制御」で開示され
た教示内容及び特許請求の範囲の一部を使用する。
定速及び速度可変形の種々の風力機が公知である。通
常、タービン発電機は周波数が一定な電力回線に直接に
接続される構成のため定速風力タービンが主流になって
いる。可変速度風力タービンはパワー出力の周波数が変
化してしまうため回線に直接接続することができない。
このため発電機と回線との間には周波数変換器を介在さ
せて周波数変換をしてやる必要がある。かかる周波数変
換器としてはサイクロコンバータや整流器−インバータ
を始め様々な技術が公知である。
あらゆるタイプのモータに使用できるサイリスタやシリ
コン制御整流器（SCR）などの電子速度制御技術が開発
されている。風力エネルギー理論家は速度調整可能交流
駆動を逆向きにも使用できることを見出した。すなわ
ち、速度調整可能駆動は通常の如く一定周波数の交流を
供給して周波数が可変な交流に変換しこの交流によって
モータを駆動するかわりに、交流発電機から周波数が変
化する交流を周波数変換器に供給して一定周波数の交流
に変換し、これを電力回線に供給するようにすることも
可能である。
発明が解決しようとする問題点 風力エネルギー理論で周知の如く、入来する風の運動エ
ネルギーは風の吹いている領域の大きさ，密度，及び風
速の３乗に従って変化する。その際エネルギーの59％以
上を取出すことはできないことが示されており、この最
大値を目標に風力タービンの性能係数CDが定められる。
この性能係数は個々の機械の空力的特性、特に羽根先端
の接続速度に対するタービンに入来する風の風速の比と
して定義される先端速度比に関係している。この比をロ
ータ速度を風速に追従させてやることにより一定に維持
することができれば風力タービンの効率は非常に高くで
きる。さらに、可変速度タービンは一時的にエネルギー
を貯えることも可能である。すなわち、風速の遷移を速
度変化中に統合することができる。かかる場合、風力タ
ービンの制御は発電機トルクの電気的な調整に基いたも
のでなければならない。
米国特許第4,400,659号はサイクロンコンバータを使用
した可変速度風力タービンを開示している。発電機は一
定の電圧で一定周波数の交流を供給する。これは、一定
出力を得るためには電流は一例でなければならないこと
を意味し、トルもまた一定に保たれなければならないで
あろうことを示唆している。もし風速が増大すると、エ
キサイターは電圧を下げるために電界強度を減少させ、
出力制御器は電流とトルクを一定に維持し、速度は上昇
するがエネルギー出力の増加は生じない。更に、速度が
上昇しすぎないように、ブレードピッチ（又はヨー）制
御器の使用が必要である。単に発電機の出力を出力上限
に一定に維持することは速度の過度の上昇を生じること
が理解されるであろう。従って、速度を制御するように
作用するピッチ制御は、発電機制御器を単に出力制限器
として作用させることを可能にする。
本発明の目的は、発電機のエアギャップ中で生じるトル
クを電気的に調節することにより、発電機が接続される
風力タービンの速度をその出力効率が最適となるように
制御できる可変速度風力タービンを提供することであ
る。また、本発明の他の目的は、風力タービンの速度が
速度限界を越えないようにタービンのピッチを電気的に
制御することのできる可変速度風力タービンを提供する
ことである。
問題点を解決するための手段 本発明はタービンによって駆動される交流発電機よりな
り、周波数の変化する交流を一定周波数の交流に変換し
て電力回線に供給する周波数変換器に周波数の変化する
交流電気出力が接続される構成の可変速度風力タービン
システムを提供する。この可変速度風力タービン制御装
置は感知された発電機速度信号及び感知された発電機出
力電力信号に応じて発電機トルクコマンド信号を周波数
変換器に供給し、この周波数変換器は電力回線に供給さ
れる電力レベルを制御することによって発電機エアギャ
ップ中のトルクを制御する。
本発明による可変速度風力タービン制御装置は感知され
た発電機速度信号と比較される速度基準信号を感知され
た出力電力信号に応じて供給する速度制御装置を含む。
速度基準信号と感知された発電機速度信号との差をあら
わす差信号は積分されて周波数変換器の発電機トルクコ
マンド信号を形成する。
本発明による周波数変換器は風力タービン用に適合され
たサイクロコンバータあるいは整流器−インバータパッ
ケージを含んでもよい。サイクロコンバータでもあるい
は整流器インバータパッケージのいずれでもトリガ回路
が風力タービン制御装置からのトルクコマンド信号に応
答してトルクコマンド信号の大きさに対応したタイミン
グでシリコン制御整流器（SCR）トリガ信号を出力す
る。周波数変換器はサイクロコンバータを使用している
場合は周波数の変化する交流を直接にSCRに給電し、ま
た整流コンバータを使用する場合は直流リンクによって
SCRを給電する。SCRはいずれにせよSCRトリガ信号に応
答する。トリガ信号のタイミングは周波数変換器によっ
て変換される電力の大きさ、従って回線へ供給される電
力の大きさを制御する。その結果、発電機ステータとロ
ータとの間のエアギャップトルクが可変速度風力タービ
ン制御装置により与えられる発電機トルクコマンド信号
によって効果的に制御される。その際、実際には可変速
度風力タービン制御装置は発電機速度と発電機出力電力
との関係を規定するある関数に従って発電機速度制御を
行なう。この関数は速渡制御の際風力タービンが風力タ
ービン出力係数対速度比最適性能曲線の実質的に頂上で
動作するように決定された関数であり、これにより効率
が向上する。その際、タービンの先端の速度は風速に対
して一定の関係を維持するように制御されるため速度比
は一定に保たれる。
本発明による可変速度タービン制御装置は感知された発
電機速度信号に応じて制振信号を出力する微分制御装置
をも含む。この制振信号は発電機トルクコマンド信号と
加算されて特定の選択されたねじれモード振動を制振す
る。
本発明による可変速度風力タービン制御装置は発電機速
度基準スケジュール（関数発生器）を含み、これにより
感知された発電機の出力電力信号に応じて速度基準信号
と感知された出力電力信号との関係をあらわす関数に従
って発電機速度基準信号が出力される。また上記可変速
度風力タービン制御装置は上記速度基準信号及び感知さ
れた速度信号に応じてこれらの大きさの差に対応した大
きさの差信号を形成する加算接続点を含む。かかる差信
号は発電機トルクコマンド信号を与える積分制御装置に
供給される。所定の限界トルクより下ではトルクコマン
ド信号は風力タービンを実質的に出力係数対速度比最適
性能曲線の頂点で動作させ、その結果タービンロータは
実質的に所定の一定速度比で動作される。上記所定の限
界トルクを超えるような速度に風速が増加すると発電機
トルクコマンド信号はタービンロータを所定の速度限界
までの範囲で上記一定速度比に対応するよりも大きな速
度で動作させる。
本発明においてはまた発電機のトルクコマンド信号が風
力タービンを所定の限界トルクよりも上でかつ所定の速
度限界に達するよりも下の範囲で実質的に出力係数対速
度比最適性能曲線上で動作させることにより発電機出力
が最大化される。
本発明による速度可変風力タービン制御装置は感知した
タービンロータ速度に応じて空力トルクコマンド信号を
出力し、空力トルクの変化を生ぜしめて該風力タービン
が所定の速度限界以下で運転されている場合には所定の
空気力を得、またタービンロータ速度を上記速度限界以
上に上昇させるような強い風速が加わっている場合はタ
ービンロータを実質的に上記速度限界値に維持する。勿
論、かかる場合には風力タービンシステムは空力トルク
信号に応じて指示された空力トルクの変化を実行する電
子油圧空力トルク制御装置を含まねばならない。
本発明による可変速度風力タービン制御装置は所定のト
ルク限界にトルク値を一定に保った状態で前記トルク限
界を超えて出力電力を増大させる発電機トルクコマンド
信号を供給し、またさらに風速が増大してもロータ推力
を一定に保持する空力トルクコマンド信号を出力する。
また本発明による可変速度風力タービン制御装置は所定
のトルク限界を超えて出力電力を増大させる発電機トル
コマンド信号を供給し、また風力タービン推力を限定し
てタワーの構築費用及び風力タービン駆動システムの費
用を得られるエネルギー捕獲量の向上に対して最適化す
る空力トルクコマンド信号を供給する。
本発明による可変速度風力タービン制御装置はタービン
ロータ速度基準信号供給手段と、タービンロータ速度基
準信号及び感知されたタービンロータ速度信号の大きさ
の差に対応した大きさの差信号に応答して空力トルクコ
マンド信号を出力する積分制御装置とを含む。
本発明による前記空力トルクコマンド信号を出力する積
分制御装置は感知された発電機電力出力信号及び感知さ
れたタービンロータ速度信号に応じて有効完全円板速度
をあらわす速度信号を計算して出力する計算機と、ター
ビンロータ速度及び計算された風速信号に応じてロータ
速度及び計算された風速信号の大きさの比に対応する大
きさの速度比信号を出力する別の計算機手段と、前記速
度比信号に応じて停止時及び通常動作あるいは始動時に
それぞれ空力トルクコマンド信号の大きさを制限する空
力トルクコマンド信号最大値制限信号及び最小値制限信
号を出力する上限及び下限手段とを含む。
本願で開示し特許を請求する可変速度風力タービンシス
テムは風力タービンエネルギー源の効率を向上させるの
に特に効果的な手段を提供する。これは発電機出力電力
と出力電力の増大をもたらす望ましい発電機運転速度に
対応した発電機速度との間に関数関係を規定することで
達成される。これは実際には速度比の値を出力係数が最
大化されるような値に一定に維持するように発電機速度
を調整してやることで達成される。従来の風力タービン
に伴う速度が固定されることに起因する制限は本願に開
示の制御システム関数を使用することにより克服され
る。この発電機速度を調整して出力係数を最大化する方
法は風力からエネルギーを得るのに非常に効果的であ
る。
本発明による上記の、また他の目的、特徴及び利点は以
下図面を参照して行なう最良の実施例の詳細な説明より
明らかとなろう。
実施例 第１図は本発明による可変速度風力タービン10を示す。
タービンロータ軸は一端にハブ14を有し、またハブに取
付けられた少なくとも一の羽根16を有する。タービンロ
ータ軸の他端はギヤボックス18の低速度端20に結合され
ている。このギヤボックス18の高速度端26には交流発電
機22の発電機ロータ軸24が結合される。発電機ロータは
タービンロータトルク（QS）により駆動される。発電機
は入力タービンロータトルクに対抗するエアギャップト
ルク（QE）を発生する。この交流発電機はライン28を介
して周波数の変化する交流を周波数変換器30に供給し、
この変換器30で上記周波数の変化する交流は一定周波数
の交流に変換され、ライン32を経て電力回線34に供給さ
れる。
可変速度風力タービン制御装置36はデジタルプロセッサ
37を含み、このプロセッサはさらにCPU38と、バス42を
インターフェースするI/Oユニット40とを含む。信号プ
ロセッサはまたROMユニット44及びRAMユニット46,及び
その他のハードウェア（図示せず）をも含む。信号プロ
セッサのI/Oユニットは発電機軸の速度に応答する速度
感知器50により感知されてライン48に供給される発電機
速度信号（NG）に応答する。またI/Oユニット40はライ
ン28を経て周波数変換器に供給される電力の大きさに応
答する出力電力感知器54により感知されたライン52上の
出力電力信号（PE）にも応答する。可変速度風力タービ
ン制御装置36は信号プロセッサにより感知した出力電力
に対する発電機速度の関係を規定する所定の関数に従っ
て発電機のエアギャップトルクがとるべき値を求め、効
率を最大化する。このレベルが求められると信号プロセ
ッサはそのI/Oユニット40からライン56へ発電機トルク
コマンド信号を出力し、これを周波数変換器へ送る。
周波数変換器は例えばサイクロコンバータや直流リンク
により結合された整流器−インバータ対でよい。これら
の、また他の周波数変換器はいずれも公知のものでよ
く、従って詳細な説明は省略する。電子変換器は周波数
変換器を通って送られる電力を制御するのに位相制御さ
れたSCRを使用する。これはSCRゲートの導通位相角を利
用回線の位相に対して制御することにより有効電力及び
無効電力を制御することで行なわれる。そこで、周波数
変換器内にはトルクコマンド信号に応答して周波数変換
器内にあるSCRのトリガパルスを生じるトリガ回路（図
示せず）が設けられるのが普通である。周波数変換器及
びトリガ回路は周知であり、詳細な説明は省略する。
またロータ制御装置57を設けて所定の限界トリガ以上で
空力的なトルク制御を行なって推力を制限するようにし
てもよい。これはピッチあるいはヨー制御によってもよ
い。空力トルクコマンド信号は信号プロセッサからライ
ン57aを経てロータ制御装置57へ送られる。
第２図は第１図と非常に類似しているが、ロータ制御装
置57が省略されている点が相異しており、また本発明の
中心的教示の理解を助けるため可変速度風力タービン制
御装置がシステムレベルフォーマットとして示されてい
る。第２図において、可変速度風力タービン制御装置は
第１図の場合と同じく感知した速度及び出力電力信号
NG,PEに応答し、同じくトルクコマンド信号がライン56
を経由して周波数変換器30に供給される。信号プロセッ
サハードウェアは機能ブロックに分けて示されており、
本発明要旨による制御方法がより完全に示されている。
ルックアップ表を含むスケジュール（関数発生器）58は
ライン52上の感知された出力電力信号に応答する。この
スケジュール中には感知された出力電力信号とこの出力
電力信号に対応して定まる発電機速度基準信号値との値
の関数関係が含まれている。速度基準信号（NREF）はラ
イン60へ出力されて加算接続点62に送られ、ここでライ
ン60上の速度基準信号とライン48上の感知された発電機
速度信号との間で比較がなされる。ライン64上の差信号
は積分器66で積分されてライン56上にトルクコマンド信
号を出力し、この信号は周波数変換器30に送られる。こ
のように、信号プロセッサ中のCPU38は第１図及び第２
図に示す如く、ルックアップ表を含む第１図中のROM44
と協働して発電機が発生している出力電力レベルを感知
し、この感知した出力電力レベルに基いて効率が最大に
なる発電機の速度を求める（あらかじめプログラムされ
ているルックアップ表ROM44、あるいはスケジュール58
を参照して）作用をなすのがわかる。これに基いて速度
基準信号がスケジュールにより発生され、この速度基準
信号が感知された発電機速度信号と比較される。この比
較により求められた差は積分されてトルクコマンド信号
を形成し、このトルクコマンド信号は周波数変換器に送
られて電力回線34へ送られる電力を制御し、同時に交流
発電機のエアギャップトルクを制御する。
第３図は風力タービン機械の性能図であり、一般に速度
比として知られている性能係数と先端速度比との関係を
示す。速度固定形の風力タービンは風速が様々に変化す
るため性能図の頂点で運転を行なうことは不可能であ
る。一方速度可変形の風力タービンでは速度比は先端速
度を風速に追従させることにより最大の性能係数に対応
する値に維持することができる。そこで可変速度風力タ
ービンでは最大の効率を達成するには速度比を性能係数
が最大化される値に維持できるように設計する必要があ
る。この速度比が第３図中に点Ａ−Ｂ（70）として示す
点に相当する。
第４図は発電機の速度を調節して速度比を性能係数が最
大になるような値に維持するのに使われる、発電機出力
電力に対する発電機速度基準信号の関係をあらわすグラ
フである。第４図はまた出力電力をトルク限度（Ｂ）に
対応する点74を超えて増大させる際の発電機の速度調整
方法を示している。点71の点72（Ａ）から点74（Ｂ）へ
到る軌跡は所定のトルク限度以下の領域における様々な
電力レベルにおいて最大の効率を与える速度比を維持す
るような望ましい発電機速度に対応している。点72と74
（A,B）の間での運転は第３図中の点70での動作に対応
している。このように、所望の速度比が一定でまた対応
する性能係数も最大値に固定されている場合発電機の出
力電力とその電力を得るに必要な発電機速度との関係が
計算できる。すなわち、出力は風速の３乗に比例しまた
発電機速度は風速に比例するので出力電力は発電機速度
の３乗に比例するしまた発電機速度は出力電力の三乗根
に比例することになる。このように、第４図において点
72から点74へ点71の軌跡に沿ってなされる感知電力に対
する発電機速度の調整を指示するマップが得られる。こ
のマップはまた間接的に風速をもあらわす。このように
発電機の出力電力を感知して第４図の関数関係を参照す
ることにより、速度比を所望の値に維持するに必要な発
電機速度が直接に求められ、その結果効率が自動的に最
大化される。
出願人により同時に出願されたディバレンタイン他の発
明になる米国特許出願「化変速度風力タービンのトルク
制御」には限界トルク点74を超える領域でエネルギーの
捕獲を向上させる方法及び装置が開示されまた特許請求
されている。この方法及び装置は上記出願中に完全に記
載されているので本願では本願の説明に必要な範囲内で
その一般的原理の概略のみを記載する。上記明細書で開
示した可変速度風力タービン制御装置においてディバレ
ンタイン他は点74（Ｂ）と速度限界ないし出力限界であ
る点76（Ｃ）との間の領域で発電機速度を点78の軌跡に
沿って制御することを教示している。その結果、発電機
の空気ギャップでのトルクを一定に維持してもロータ速
度は増加することが許容され、第３図の性能マップ中に
おいて点70から点76へ到る間に点80の軌跡に沿って状態
を変化させることによりエネルギー捕獲効率を最大化す
ることができる。第３図よりわかるように、トルク限界
を超えると速度比が増大するにつれて性能係数が低下す
る。その際も点70で示される最大効率は維持できないも
のの、点80の軌跡はかかる状況下で可能な最大の効率を
あらわす。第４図を参照するに、点78の軌跡は第３図の
点80の軌跡に対応しており、所定の風速に対して可能な
最良の発電機速度の制御をあらわしている。
第５図は可変速度風力タービンモデルの概略的ブロック
系統図であるが、このタービン中には本発明によるター
ビン制御装置が含まれている。風力タービン発電機のト
ルク限界より下では第５図の制御装置は第１図及び第２
図の周波数変換器と同様な発電機トルク制御装置82によ
って発電機トルクを制御する動作をなす。トルク限界を
超えるとピッチ又はヨー変化制御装置176が動作しはじ
め、空力的負荷を変化させることにより正味のトルクに
影響を与える。この空力的負荷制御装置176はトルク限
界より上の領域で出力を変化させて捕獲エネルギーを最
大にする一方、大きな風速が加わっている状態において
負荷推力を制限する。
前記トルク限界より下では第２図のスケジュール58と類
似のスケジュール86がライン88上の発電機によって生じ
ている出力電力レベルをあらわす感知出力電力信号に応
答する。前記スケジュールは通常ライン90上の発電機速
度基準信号を出力してモード選択ユニット92へ送る。ユ
ニット92はまたライン94上の、始動時において風速に対
して適当なタービン速度である発電機最大速度を指示す
る発電機最大速度基準信号にも応答する。タービン速度
が上記の発電機最大速度に達するとモード選択ユニット
92はライン90上の信号に応答するように切換わる。発電
機トルク制御が「オンライン」で行なわれている場合モ
ード選択ユニット92はライン94上の発電機速度基準信号
を加算接続点96へ送る。この加算接続点96はまたライン
102上のモデル化速度信号として示す実際の発電機のロ
ータ速度に対して応答する発電機ロータ速度感知器100
により感知されてライン98に出力される発電機ロータ速
度信号にも応答する。ライン104上の加算された信号は
ライン108上に補償された信号を出力して速度制限器110
へ送るダイナミックリード補償回路106に供給される。
この速度制限器は通常の如く設計上の要求を満足するた
めに発電機トルクが別に制限されていれば不必要であ
る。ライン112上に出力された速度制限された信号はラ
イン116上の最小トルク信号とライン118上の最大トルク
信号によって制限されている積分器114に供給される。
ライン120上の積分信号は発電機トルク制御装置82にコ
マンドないし基準信号として出力される。発電機トルク
制御装置82はライン122上の発電機トルク信号に示すよ
うに発電機エアギャップ中にトルク応答を生ずる。ライ
ン122上の発電機トルク信号はトルク制御装置82によっ
て誘起される実際のトルク応答の電気的モデルと考える
ことができる。以下の議論においてはタービン発電機を
モデルとして扱うが、このモデルは実際のタービン発電
機システムをあらわしている。ライン122に出力された
発電機トルク信号はギヤボックスのタービン側端におけ
るトルクをあらわすライン126上のタービン軸トルク信
号とモデル化接続点124において加算される。接続点124
における加算の結果ライン128に発電機ロータの正味ト
ルクをあらわす信号が出力される。このライン128上の
正味トルク信号は積分器130に供給されて積分及びスケ
ールされその結果ライン102に発電機速度信号が出力さ
れる。この発電機速度信号はまた接続点132へ供給され
てライン134上のタービンロータ速度信号と加算されラ
イン136に速度差信号が形成される。この速度差信号は
積分器138へ出力され、この積分器138からはライン126
にタービン軸トルク信号が出力される。接続点140はラ
イン126上のタービン軸トルク信号とライン142上の風に
よってタービンに加えられるトルクをあらわす風力トル
ク信号とを加算する。また接続点140ではさらにライン1
44上のピッチ変化に起因するタービンロータトルクの変
化をあらわす信号も加算される。その結果ライン146に
出力されるロータに全体的に作用しているトルク不平衡
をあらわす正味トルク信号は積分器148に供給され、積
分器148はライン134にロータ速度信号を出力する。この
ライン134上のロータ速度信号はライン152に感知ロータ
速度信号を出力するロータ速度感知器150によって感知
される。ライン152上の感知ロータ速度信号は接続点154
に送られ、ここでライン156上のロータ速度基準信号な
いしコマンド信号と加算される。モード選択器158はタ
ービが前記トルク限界に到達するとライン160上の速度
基準信号をNR(REF)としてライン156に供給する。またモ
ード選択器158は始動時及び停止時の間ライン162及び16
4上の信号によりライン160上の通常動作信号をそれぞれ
置換えることでライン156に速度基準信号を供給する。
ライン166上の誤差信号は利得及びリード捕獲回路168に
供給され、ライン170上の補償された信号が積分器172に
供給される。積分器はライン174にピッチ変化基準信号
ないしコマンド信号を出力してこれをピッチ変化制御装
置176へ送る。ピッチ変化制御装置176は指示されたピッ
チ変化を実行しライン178上のモデル化信号で示したよ
うにピッチ変化を出力する。ロータトルク微分変化装置
180により示すように、ピッチ変化により誘起されたロ
ータトルクの変化は（ピッチ変化に応じて）ライン144
に対応するトルク変化信号を生じ、このトルク変化信号
は前記の如く接続点140へ送られる。
積分器172はそれぞれ制限回路186,188から供給されるラ
イン182上の最小ピッチ制限信号（空力トルクコマンド
信号下限信号βMIN）とライ184上の最大ピッチ制限信号
（空力トルクコマンド信号上限信号βMAX）とにより制
限される。制限回路186は停止中に使われ、また制限回
路188は始動時及び低風速状態で使われる。かかる制限
回路はライン152上の感知ロータ速度信号及びライン88
上の電力出力信号に応答する計算機回路192により計算
されてライン190に供給される速度比信号に応答する。
この計算機回路192はかかる２つの入力信号の値に基い
て速度比を計算する。計算機手段は感知された発電機電
力出力信号及び感知されたタービンロータ速度信号に応
じて有効完全円板風速をあらわす風速信号を計算して出
力する。このため計算機192内にはタービンロータ速度
及び計算された風速信号に応答してロータ速度及び風速
信号の大きさの比に対応した大きさの速度比信号を出力
する別の手段が設けられる。
実際には速度比計算には通常風力感知器、あるいは例え
ば第５図においてライン178上のピッチ変化信号に感応
する感知器（図示せず）などのヨーピッチ変化感知器な
どにより供給される、実際の風速に対する何らかの基準
が必要となる。かかる信号は図示した信号の他に、ある
いはそのかわりに必要とされるが、簡単のため図中では
省略した。
第５図の機能ブロック及び風力タービン発電機モデルを
含む図は第１図により完全な形で示したハードウェア部
品をあらわしており、またこの構成は等価なハードウェ
アあるいはソフトウェアにより本発明教示を実施すべく
容易に適合できるのが理解されよう。
第６図は第１図あるいは第２図の風力タービンに使用さ
れて所定のねじれモード振動を制振する制御回路200を
示している。この制振回路は第１図あるいは第２図のラ
イン48上の感知された発電機速度信号に応答する別名ウ
ォッシュアウトフィルタあるいは高域波器として知ら
れる遅れ時間にわたる微分装置よりなり、ライン202上
に制振信号を出力する。このライン202上の制振信号は
ライン56上のトルクコマンド信号に応答する加算接続点
204へ供給される。ライン206上の増強されたトルクコマ
ンド信号は周波数変換器30へ供給され、所定の選択され
たねじれモードを抑制するのに使われる。高域波器中
の微分信号は今の場合ライン202上の増強信号を低周波
域で除去する役割を果たす。勿論、第６図中に示した周
波数変換器30は第１図及び第２図の周波数変換器に対応
し、第５図の発電機トルク制御装置82と同等なものであ
り、また同様な制振回路は第５図の実施例でも使用可能
であることに注意すべきである。
以上、本発明を最良の実施例について説明したが、本発
明の思想及び要旨内で様々な変形，省略，追加が可能で
ある。
本発明による可変速度風力タービンはタービンにより駆
動される交流発電機から供給される周波数の変化する交
流電流を一定周波数の交流電流に変換して電力回線に供
給する周波数変換器を含む。周波数変換器は典型的には
電子サイクロコンバータあるいは整流器−インバータで
あり、交流発電機から回線へ送られる電力を制御する作
用も行なう。その際周波数変換器によって発電機ステー
タとロータとの間のエアギャップトルクが制御される。
タービン速度はエアギャップトルクを感知された発電機
速度と感知された発電機出力電力との間を規定する関係
に従って正確に制御され、これにより効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明による可変速度風力タービンの概略的ブ
ロック系統図、第２図は第１図中の可変速度風力タービ
ン制御装置をより詳細に示す第１図と同様なブロック系
統図、第３図は性能係数PRと先端速度比VRとの関係を示
す、風力タービンの性能図、第４図は発電機速度の制御
に使われる発電機電力出力と所定の発電機速度基準信号
との関係をあらわすグラフ、第５図は本発明による可変
風力タービンの概略的ブロック系統図、第６図は第１図
あるいは第２図における風力タービンで使用する制振回
路を示す図である。 10……タービン、12……タービンロータ軸、14……ハ
ブ、16……羽根、18……ギヤボックス、20……ギヤボッ
クス低速度端、22……交流発電機、24……発電機ロータ
軸、26……ギヤボックス高速度端、28,32,48,52,56,57
a,60,64,88,90,94,98,102,104,108,112,116,118,120,12
2,126,128,134,136,142,144,146,152,156,160,162,164,
166,170,174,178,182,184,190,202,206……ライン、30
……周波数変換器、34……電力回線、36……風力タービ
ン制御装置、38……CPU、40……I/Oユニット、42……バ
ス、44……ROM、46……RAM、50……速度感知器、54……
出力電力感知器、57……ロータ制御装置、58,86……ス
ケジュール（関数発生器）、62,96……加算接続点、66,
114,130,138,148,172……積分器、70……点（Ａ−
Ｂ）、71,72,74,76,78,80……点、82……発電機トルク
制御装置、92,158……モード選択器、100……発電機ロ
ータ速度感知器、106……ダイナミックリード補償回
路、110……速度制限器、124,132,140,154,204……接続
点、150……ロータ速度感知器、168……リード補償回
路、176……ピッチ変化制御装置、180……ロータトルク
微分変化装置、186,188……制限回路、192……計算機回
路。
フロントページの続き (72)発明者 カーミット アイバン ハーナー アメリカ合衆国 コネティカット 06095 ウィンザー ダイアナ レーン ７番地 (72)発明者 ユージーン ディー ディバレンチン アメリカ合衆国 コネティカット 06082 エンフィールド パークウェイ ドライ ブ ８番地 (72)発明者 ヘンリー ステファン ヒーリー アメリカ合衆国 コネティカット 06002 ブルームフィールド ハンプトン レー ン 32番地 (56)参考文献 特開 昭55−29085（ＪＰ，Ａ)

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】最適出力係数対速度比性能曲線を有する可
    変速度風力タービン装置であって： 少なくとも一の羽根が取付けられたハブ（14）を一端に
    有するタービンロータ軸（12）と； タービンロータ軸（12）の他端に低速度端（20）が取り
    付けられているギヤボックス（18）と； 発電機（22）と、一定の周波数の電力を供給する周波数
    変換器（30）と、ギヤボックス（18）の高速度端（26）
    に取り付けられた発電機ロータ軸（24）とを有し、出力
    ライン（32）に一定周波数の交流を出力する発電装置
    （22,30）と； 発電機速度及び発電機出力電力を感知してこれらをあら
    わす感知信号（NG,PE）を出力する感知手段（50,54）
    と； 発電機速度及び発電機出力電力をあらわす感知信号
    （NG,PE）に応じて発電機トルクコマンド信号
    （QE(REF)）を出力する可変速度風力タービン制御装置
    （36）とよりなり； 可変速度風力タービン制御装置（36）により供給される
    トルクコマンド信号（QE(REF)）は、発電機速度を発電
    機速度信号（NG）と発電機出力電力信号（PE）との関係
    を規定する関数に従って制御して風力タービンを風力タ
    ービンの出力係数（CP）対速度比（VR）最適性能曲線の
    実質的に頂点（70）で動作させ； 発電機（22）はその出力ライン（28）に周波数の変化す
    る交流を供給し； 周波数変換器（30）は、発電装置の出力ライン（32）に
    接続され、発電機の交流出力に応じて周波数の変化する
    交流を周波数一定の交流に変換し、また発電機トルクコ
    マンド信号（QE(REF)）に応じて自身を流れる電力の大
    きさを制御することにより発電機トルクの制御を実行す
    ることを特徴とする可変速度風力タービン装置。
  2. 【請求項２】可変速度風力タービン制御装置（36）は、
    感知された発電機速度信号（NG）に応じて制振信号を出
    力する高域濾波器（200）と； 発電機トルクコマンド信号と制振信号に応じて増大され
    た発電機トルクコマンド信号を周波数変換器（30）へ供
    給して所定の選択されたねじれモード振動を制振する加
    算接続点（204）とを含むことを特徴とする特許請求の
    範囲第１項記載の風力タービン装置。
  3. 【請求項３】可変速度風力タービン制御装置（36）は信
    号プロセッサ（37）を含み、該信号プロセッサ（37）は 感知された発電機出力電力信号（PE）に応じて発電機速
    度基準信号（NREF）を速度基準信号対感知出力電力信号
    関数に基いて出力する発電機速度基準信号発生器（58）
    と； 発電機速度基準信号（NREF）の大きさと感知された発電
    機速度信号（NG）の大きさとの差に対応した大きさの差
    信号に応じて発電機トルクコマンド信号（QE(REF)）を
    出力し、このコマンド信号により、（ａ）所定の発電機
    限界出力電力信号に対応する所定の限界トルクより下で
    は風力タービンを出力係数対速度比最適性能曲線の実質
    的に頂点（70）で動作させ、またその際タービンロータ
    を実質的に所定の一定速度比で動作させ、（ｂ）上記所
    定の限界トルクを超えると速度が所定の速度限界に達す
    るまでの間タービンロータを上記一定速度比で定まるよ
    りも大きな速度で動作させる積分制御装置（66）とを含
    むことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の風力タ
    ービン装置。
  4. 【請求項４】発電機トルクコマンド信号（QE(REF))は前
    記所定の限界トルクを超えると速度限界に達するまでの
    間、風力タービンを実質的に出力係数対速度比最適性能
    曲線に沿って動作させることを特徴とする特許請求の範
    囲第１項記載の風力タービン装置。
  5. 【請求項５】該感知手段はタービンロータ速度を感知し
    て感知したタービンロータ速度をあらわすタービンロー
    タ速度信号（NR）を出力するロータ速度感知器（150）
    を含み；また可変速度風力タービン制御装置（36）はタ
    ービンロータ速度信号（NR）及び発電機電力出力信号
    （PE）に応じて空力トルクの変化を命令する空力トルク
    コマンド信号（β）を出力して、（ａ）風力タービンが
    所定の速度限界以下で動作されている状態では所定の選
    択された空気力を発生し、（ｂ）また風速が強くてター
    ビンロータ速度が前記所定の速度限界を超えて増加され
    るような場合にもタービンロータを所定速度限界値に実
    質的に維持する手段（176）を含み；また風力タービン
    装置はさらに空力トルクコマンド信号（β）に応答する
    電気油圧空力トルク制御装置を含み、これによって空力
    トルクコマンド信号（β）の変化に応じてタービンロー
    タの空力トルクが変化されることを特徴とする特許請求
    の範囲第１項記載の風力タービン装置。
  6. 【請求項６】空力トルクコマンド信号（β）によって風
    力タービンが、前記所定限界トルクよりも上だか前記所
    定の速度限界には達していない範囲において所定の出力
    係数対速度比最適性能曲線上で実質的に動作されている
    間、発電機トルクコマンド信号（QE(REF)）は一定のま
    まであることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
    風力タービン装置。
  7. 【請求項７】可変速度風力タービン制御装置（36）は： タービンロータ速度基準信号（NR(REF)）を出力する手
    段（158）と； タービンロータ速度基準信号（NR(REF)）の大きさと感
    知されたタービンロータ速度信号（NR）の大きさとの差
    に対応した大きさの差信号に応じて空力トルクコマンド
    信号（β）を出力する積分制御装置（172,176）を含む
    ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の風力ター
    ビン装置。
  8. 【請求項８】積分制御装置は： 感知された発電機出力電力信号（PE）及び感知されたタ
    ービンロータ速度信号（NR）に応じて有効完全円板風速
    をあらわす風速信号を計算して出力する計算機手段（19
    2）と； タービンロータ速度信号（NR）及び計算された風速信号
    に応じてロータ先端速度の大きさと風速信号の大きさと
    の比に対応した大きさの速度比信号を出力する手段（19
    2）と； 速度比信号に応じて停止時における空力トルクコマンド
    信号（β）の大きさを制限する空力トルクコマンド信号
    上限信号（βMAX）を出力する上限手段（188）と； 速度比信号に応じて通常動作時及び始動時における空力
    トルクコマンド信号（β）の大きさを制限する空力トル
    クコマンド信号下限信号（βMIN）を出力する下限手段
    （186）とを含むことを特徴とする特許請求の範囲第７
    項記載の風力タービン装置。
JP61270809A 1985-11-18 1986-11-13 可変速度風力タ−ビン装置 Expired - Lifetime JPH0758066B2 (ja)

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