JP2002048050A

JP2002048050A - 風力発電装置のピッチ角制御方法及びその装置

Info

Publication number: JP2002048050A
Application number: JP2000238476A
Authority: JP
Inventors: Kazunari Ide; 和成井手; Shinji Arinaga; 真司有永; Yuji Matsunami; 雄二松浪; Yohachiro Watabe; 洋八郎渡部
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2000-08-07
Filing date: 2000-08-07
Publication date: 2002-02-15

Abstract

(57)【要約】【課題】風速変動による風力発電機の発電出力変動を抑
制する風力発電装置のピッチ角制御方法及びその装置に
関し、応答遅れなく発電出力変動を抑圧する。【解決手段】風力発電装置（１）の発電電力からフィー
ドバック値を演算するステップ（３０）と、風力発電装
置（１）が受ける風速値から、発電電力の変動を予測
し、変動を抑圧するフィードフォワード値を演算するス
テップ（３２）と、フィードバック値とフィードフォワ
ード値とにより、ブレード（１１）のピッチ角指令値を
生成するステップ（３３）とを有する。風車の動特性を
補償するため、流入風速から発電機出力、ピッチ角から
発電機出力までの伝達特性をモデル化し、計測又は推定
した流入風速に対し、発電機出力を定格出力に制御する
ために必要なピッチ角を算出することにより、風車発電
機出力の出力変動（定格出力からのずれ）を小さくでき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する分野】本発明は、風力により発電する風
力発電装置のピッチ角制御方法及びその装置に関し、特
に、風車ブレードのピッチ角を制御して、風速変動によ
る発電電力の変動を抑制するための風力発電装置のピッ
チ角制御方法及びその装置に関する。

【０００２】風力発電装置は，風速の変動により発電電
力が変動する。その変動に２種類あり、風車の受風領域
内の風速分布変化によりロータ回転数の３倍の周波数
（ロータが３ブレードの場合）で変動するものと、長周
期の風速変動によるものである。前者の変動は系統側の
電圧変動をもたらし、後者は周波数変動をもたらすた
め、電力系統への風力発電装置導入の阻害要因になって
いる。これら電力の変動を抑える必要がある。

【０００３】

【従来の技術】風力発電装置の電力変動を抑える制御方
法として、風車のブレードのピッチ角を、風車発電出力
が一定となるように、制御する方法が使用されている。

【０００４】図１４、図１５は、従来の風車発電装置の
ピッチ角制御装置の構成図である。図１４に示すよう
に、風力発電装置１は、複数の風車ブレード（翼）１１
を有するロータ１０を有する。風車ブレード１１は、例
えば、３つ設けられる。ロータ１０は、増速機１２を介
し風車発電機１３に接続される。従って、風車ブレード
１１が受風して、ロータ１０が回転し、ロータ１０の回
転により、風車発電機１３を回転して、発電（ＡＣ）が
行われる。

【０００５】ロータ１０には、ブレード１１のピッチ角
を可変にするためのピッチ駆動機構（図示せず）が設け
られている。風車制御器２０は、風車発電機出力と定格
出力（発電機指令）Ｒｅｆとの誤差からフィードバック
値（ピッチ角指令値）を演算するフィードバック演算部
（出力制御則）３０を有する。フィードバック演算部３
０は、誤差のＰＩＤ制御系で構成され、発電出力が定格
出力に一致するように、ピッチ角を調整する。

【０００６】これにより、風車ブレード１１のピッチ角
を変化し、風車ブレード１１への風の流入角を変化し
て、風速変化に対し、風車出力を制御するものである。
即ち、発電出力の状態フィードバック制御は、実際の発
電出力でフィードバック制御するため、発電出力の変動
防止に直接寄与する。

【０００７】しかし、風速変動に対する応答遅れがあ
る。即ち、風速変動に対し、発電出力が変動するまで時
間遅れがある他に、大きな（例えば、２０ｍ）の風車ブ
レード１１を駆動するのに、時間遅れがある。このた
め、フィードバック制御だけでは、充分な制御効果が得
られず、突風等には、発電出力が定格値を越えることは
避けられない。

【０００８】この定格出力に抑えるため、図１５に示す
ように、風車発電装置１のブレード１１の後流のナセル
１５上に、風車の風向、風速を検出する風向風速計（ナ
セル風速計）１４が設けられている。風車制御器（制御
演算部）２０は、前述のフィードバック演算部３０と、
風速計１４の計測風速値から発電出力が定格出力以下に
なるようなフィードフォワード値（ピッチ角指令値）演
算する風速演算部（風速プログラム）３１と、両ピッチ
角指令値の内、発電出力を抑えるピッチ角指令値を選択
し、ピッチ駆動機構を駆動する選択部３２とを有する。

【０００９】風速プログラム３１は、発電出力指令値を
得るために必要なピッチ角と風速の関係を関数として格
納しておき、風速計１４からの風速に応じて、ピッチ角
指令値を出力する。これにより、風速変化に対し、発電
出力が定格値以上になることを抑える制御を採用してい
た。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】この従来のフィードフ
ォワード制御方法は、ナセル風速計１４の計測値の１秒
間の最大風速値から、その最大値で定格出力となるピッ
チ角を算出する思想である。即ち、風車の静的な性能計
算により、風車出力が定格を越えないようなピッチ角を
算出するものである。このため、風車出力が定格を越え
ないように、抑えることはできるが、風車出力を定格出
力に一定に制御することが出来ないという問題がある。

【００１１】又、ブレード（翼）１１の後流で風速を計
測すると、ブレード１１の回転により風が増減速する。
この変動周期が１秒間程度となるため、ブレード１１の
影響を除去して、定格に抑えるため、１秒間の最大値を
使用していた。更に、定格に抑えるためには、風速が一
旦下がっても、次の瞬間に風速が吹き上がる可能性があ
るため、風速が下がったからといって、すぐには、ピッ
チ角を出力を上げる側に制御することは好ましくない。
このため、１秒間の最大値を使用していた。この理由に
よっても、風車出力が定格を越えないように、抑えるこ
とはできるが、風車出力を定格出力に一定に制御するこ
とが出来なかった。

【００１２】従って、本発明の目的は、風速を有効に利
用して、風車出力の変動を抑圧するための風車発電装置
のピッチ角制御方法及びその装置を提供するにある。

【００１３】又、本発明の他の目的は、フィードバック
制御系の応答の遅れを、風速のフィードフォワード制御
で補償して、風車出力変動を抑圧するための風車発電装
置のピッチ角制御方法及びその装置を提供するにある。

【００１４】更に、本発明の他の目的は、風速から風車
出力変動を予見し、フィードフォワード制御で、風車出
力変動を抑圧するための風車発電装置のピッチ角制御方
法及びその装置を提供するにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の風力発電装置の
ブレードのピッチ角を制御するピッチ角制御方法は、前
記風力発電装置の発電電力からフィードバック値を演算
するステップと、前記風力発電装置が受ける風速値か
ら、前記発電電力の変動を予測し、変動を抑圧するフィ
ードフォワード値を演算するステップと、前記フィード
バック値と前記フィードフォワード値とにより、前記ブ
レードのピッチ角指令値を生成するステップとを有す
る。

【００１６】本発明では、風車の動特性を補償するた
め、流入風速から発電機出力、ピッチ角から発電機出力
までの伝達特性をモデル化し、計測又は推定した流入風
速に対し、発電機出力を定格出力に制御するために必要
なピッチ角を算出することにより、風車発電機出力の出
力変動（定格出力からのずれ）を小さくできる。

【００１７】又、本発明では、前記フィードフォワード
値を演算するステップは、前記フィードバック値に応じ
て、前記演算のための係数を補正するステップを有する
ことにより、広い運転範囲で、風車発電機出力の出力変
動（定格出力からのずれ）を小さくできる。

【００１８】更に、本発明では、前記フィードフォワー
ド値を演算するステップは、前記風速値と前記ブレード
のピッチ角とに応じて、前記演算のための係数を選択す
るステップを有することにより、広い運転範囲で、風車
発電機出力の出力変動（定格出力からのずれ）を小さく
できる。

【００１９】更に、本発明では、前記フィードフォワー
ド値を演算するステップは、前記発電出力と前記ブレー
ドのピッチ角とから前記風速値を推定するステップを有
することにより、風速計を設けることなく、風速値をえ
ることができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明を、第１の実施の形
態、第２の実施の形態、第３の実施の形態、他の実施の
形態の順で説明する。

【００２１】［第１の実施の形態］図１は、本発明の第
１の実施の形態の風車発電装置のピッチ角制御装置のブ
ロック図である。図中、図１４で示したものと同一のも
のは、同一の記号で示してある。

【００２２】図１に示すように、風力発電装置１は、複
数の風車ブレード１１を有するロータ１０を有する。風
車ブレード１１は、例えば、３つ設けられる。ロータ１
０は、増速機１２を介し風車発電機１３に接続される。
従って、風車ブレード１１が受風して、ロータ１０が回
転する。ロータ１０の回転は、増速機１２で増速され、
風車発電機１３を回転して、発電（ＡＣ）が行われる。

【００２３】ロータ１０には、ブレード１１のピッチ角
を可変にするためのピッチ駆動機構（図示せず）が設け
られている。又、ロータ１０には、ブレード１１の前方
で風速を検出する風速計１６が設けられている。風速計
１６は、例えば、ピトー管等が好適である。

【００２４】ピッチ角制御器２０は、風車発電機出力と
定格出力（発電機指令）Ｒｅｆとの誤差からフィードバ
ック値（ピッチ角指令値）を演算するフィードバック演
算部（出力制御則）３０を有する。フィードバック演算
部３０は、周知の誤差のＰＩＤ制御系で構成され、発電
出力が定格出力に一致するように、ピッチ角を調整す
る。

【００２５】本発明のピッチ角制御装置２０は、更に、
風速計１６の計測風速値から風車の動特性により、風車
出力の変動値を予見し、変動を抑えるピッチ角指令値を
演算する予見制御部３２と、フィードバック制御系に、
予見制御部３２のピッチ角指令値をフィードフォワード
値として導入するための加算部３３とを有する。尚、ピ
ッチ角制御装置２０は、ＣＰＵ，ＤＳＰ等のマイクロプ
ロセッサで構成されことが望ましく、各部３０、３２、
３３は、プログラムにより、実現される。

【００２６】予見制御部３２は、風車の動特性を補償す
るため、流入風速から発電機出力、ピッチ角から発電機
出力までの伝達特性をモデル化し、計測又は推定した流
入風速に対し、発電機出力を定格出力に制御するために
必要なピッチ角を算出する伝達特性（関数）を有する。

【００２７】次に、図２乃至図５により、予見制御部３
２の具体的構成について、説明する。図２は、予見制御
部３２の風車線形モデル図であり、図３乃至図５は、図
２の伝達特性の説明図である。

【００２８】図２は、風速ｖｌ０＝１２．５ｍ／ｓ、ピ
ッチ角θｌ０＝−１０°、発電機出力Ｐｇ０＝５１５ｋ
Ｗ近傍における風車線形モデル図であり、Ｐθ（ｓ）
は、ピッチ角θｌ（ピッチ角−１０°）から発電機出力
ＰGlまでの伝達特性、Ｐｖ（ｓ）は、風車の流入風速ｖ
ｌ（流入風速−１２．５）から発電機出力ＰGlまでの伝
達特性である。

【００２９】図３乃至図５で後述するように、Ｐθ
（ｓ）、Ｐｖ（ｓ）は、近似的に下記（１）、（２）式
で表される。

【００３０】

【数１】

【００３１】図２のモデル図から、発電機出力ＰＧｌ
は、下記（３）式で表現される。Ｐｖ（ｓ）ｖｌ＋Ｐθ（ｓ）θｌ＝ＰＧｌ（３）（３）式から、流入風速の変化分ｖｌの出力変動ＰＧｌ
への影響を打ち消すためのピッチ角θｌは、下記（４）
式で計算される。

【００３２】

【数２】

【００３３】式（４）から風速の変化分ｖｌ（ｖ−ｖｌ
０）を打ち消すために必要なピッチ角変化分θＦＦ（＝
θｌ＝θ−θｌ０）は、次式（５）乃至（７）で計算で
きる。

【００３４】

【数３】

【００３５】従って、予見制御部３２は、計測風速値ｖ
から式（７）により、風速の変化分ｖｌ（ｖ−ｖｌ０）
を打ち消すために必要なピッチ角変化分θＦＦ（フィー
ドフォワード値）を演算する。

【００３６】次に、式（１）のピッチ角指令値から発電
機出力までの伝達関数Ｐθ（ｓ）について、図３及び図
４により、説明する。図３は、ピッチ制御系のブロック
図である。即ち、ピッチ角指令値と実ピッチ角との誤差
を制御電流に変換するゲインをＫｐＧで、制御電流を実
ピッチ角に変換するゲインをＫｐ／ｓで表したモデルで
ある。

【００３７】従って、ピッチ角指令値から実ピッチ角ま
での伝達特性Ｋθ１は、Ｋｐ・ＫｐＧ＝ｐ１と置いて、
下記（８）式の一次遅れ系で表される。Ｋθ１＝ｐ１／（ｓ＋p１）（８）次に、実ピッチ角から風車発電機出力までの伝達特性Ｋ
θ２は、シュミレーションにより求める。図４の点線
は、風車の詳細なモデルを用いた周波数特性（周波数対
大きさ、位相）のシュミレーション結果である。即ち、
実ピッチ角からθｌ＝−１０を引いた値から、発電機出
力からＰＧ０＝５１５を引いた値までの伝達特性であ
る。図４の実線は、シュミレーション計算結果から得ら
れた周波数特性を下記（９）式で示される１次遅れ系で
近似した場合の周波数特性である。Ｋθ２＝Ｋθ’／（ｓ＋ｐ２）（９）風車の制御帯域は、１Ｈｚ以下であるため、図４の点線
で示す特性を、式（９）の一次遅れ系（実線）で近似す
ることは、妥当である。

【００３８】以上より、ピッチ角指令値から発電機出力
までの伝達関数Ｐθは、下記（１０）式で示されるか
ら、式（８）、式（９）を（１０）式に代入し、式（１
１）、（１２）に変形される。

【００３９】

【数４】

【００４０】式（１２）において、下記式（１３）、
（１４）、（１５）と置くと、式（１）が得られる。

【００４１】

【数５】

【００４２】次に、流入風速から風車発電機出力までの
伝達特性Ｐｖは、シュミレーションにより求める。図５
の点線は、流入風速から風車発電機出力の風車の詳細な
モデルを用いた周波数特性（周波数対大きさ、位相）の
シュミレーション結果である。即ち、流入風速からｖｌ
＝１２．５を引いた値から、発電機出力からＰＧ０＝５
１５を引いた値までの伝達特性である。図５の実線は、
シュミレーション計算結果から得られた周波数特性を前
述の式（２）式で示される１次遅れ系で近似した場合の
周波数特性である。

【００４３】一般的な風のスペクトルは、１Ｈｚ以下に
集中しているため、図５の点線で示す特性を、式（２）
の一次遅れ系（実線）で近似することは、妥当である。

【００４４】このように、予見制御部３２の予見制御と
して、風車の動特性を補償するため、流入風速から発電
機出力、ピッチ角から発電機出力までの伝達特性をモデ
ル化し、計測又は推定した流入風速に対し、発電機出力
を定格出力に制御するために必要なピッチ角を算出する
伝達特性（関数）を導出したことにより、風車発電機出
力の出力変動（定格出力からのずれ）を小さくできる。

【００４５】又、風速計１６をブレード１１の前方に配
置することにより、予見制御に適した風速データを取得
できるため、より精度の良い予見制御が可能となる。

【００４６】［第２の実施の形態］図６は、本発明の第
２の実施の形態の風車発電装置のピッチ角制御装置のブ
ロック図である。図中、図１及び図１４で示したものと
同一のものは、同一の記号で示してある。

【００４７】図６に示すように、図１と同様に、風力発
電装置１は、複数の風車ブレード１１を有するロータ１
０を有する。風車ブレード１１は、例えば、３つ設けら
れる。ロータ１０は、増速機１２を介し風車発電機１３
に接続される。従って、風車ブレード１１が受風して、
ロータ１０が回転する。ロータ１０の回転は、増速機１
２で増速され、風車発電機１３を回転して、発電（Ａ
Ｃ）が行われる。

【００４８】ロータ１０には、ブレード１１のピッチ角
を可変にするためのピッチ駆動機構（図示せず）が設け
られている。又、ロータ１０には、ブレード１１の前方
で風速を検出する風速計１６が設けられている。風速計
１６は、例えば、ピトー管等が好適である。

【００４９】ピッチ角制御器２０は、風車発電機出力と
定格出力（発電機指令）Ｒｅｆとの誤差からフィードバ
ック値（ピッチ角指令値）を演算するフィードバック演
算部（出力制御則）３０を有する。フィードバック演算
部３０は、周知の誤差のＰＩＤ制御系で構成され、発電
出力が定格出力に一致するように、ピッチ角を調整す
る。

【００５０】本発明のピッチ角制御装置２０は、更に、
風速計１６の計測風速値から風車の動特性により、風車
出力の変動値を予見し、変動を抑えるピッチ角指令値を
演算する学習機能を有する予見制御部３４と、フィード
バック制御系に、予見制御部３４のピッチ角指令値をフ
ィードフォワード値として導入するための加算部３３と
を有する。尚、ピッチ角制御装置２０は、ＣＰＵ，ＤＳ
Ｐ等のマイクロプロセッサで構成されことが望ましく、
各部３０、３４、３３は、プログラムにより、実現され
る。

【００５１】学習機能を有する予見制御部３４は、風車
の動特性を補償するため、流入風速から発電機出力、ピ
ッチ角から発電機出力までの伝達特性を線形モデル化
し、計測又は推定した流入風速に対し、発電機出力を定
格出力に制御するために必要なピッチ角を算出する伝達
特性（関数）を有し、且つ伝達特性を可変にする。

【００５２】この予見制御部３４は、図１の予見制御に
学習機能が設けられている。前述のように、流入風速の
変動による発電機出力の変動を抑えるためのピッチ角指
令値θＦＦは、（７）式で演算できる。この式（７）
は、ある風速ｖｌ０と、ピッチ角θｌ０の周りでの線形
モデル（図２乃至図５）を基に導出されている。風車の
動特性は、運転状態（主に、風速、ピッチ角度）により
異なるため、ある１点でのモデル化では充分でない。

【００５３】そこで、計測した又は推定した流入風速に
対して発電機出力を定格出力に制御するためのピッチ角
指令値を求める伝達特性を学習型予見制御により、補正
する。これにより、幅広い運転状態において、風車発電
機の出力変動の低減が可能となる。

【００５４】次に、図７乃至図９により、学習型予見制
御部３４の具体的構成について、説明する。図７は、学
習型予見制御系の構成図であり、図８は、学習型予見制
御部３４のブロック図、図９は、学習型予見制御部３４
の他の実施の形態のブロック図である。

【００５５】図７に示すように、学習型予見制御部３４
は、フィードバック演算部３０の出力であるピッチ角指
令値θＦＢから前述の所定のピッチθｌ０を差し引く加
算部３４−３と、計測された流入風速から所定の風速ｖ
ｌ０を差し引く加算部３４−２と、加算部３４−３の出
力である設定モデルからの差分に応じて、伝達特性を学
習補正する学習型予見制御アルゴリズム部３４−１とを
有する。

【００５６】この学習型予見制御アルゴリズム部３４−
１を、図８により、説明する。先ず、式（７）の伝達特
性の各係数を、下記（１６）式乃至（１８）式のａ０，
ａ１，ａ２と置く。

【００５７】

【数６】

【００５８】ピッチ角指令値θＦＦは、各係数ａ０，ａ
１，ａ２を、その時点の制御信号で更新される計数Ｗ
０，Ｗ１，Ｗ２で重み付けした伝達関数と、風速差分
（ｖ−ｖｌ０）とから下記式（１９）により演算する。

【００５９】

【数７】

【００６０】Ｗ０，Ｗ１，Ｗ２の更新アルゴリズムは、
ピッチ角のフィードバック成分θＦＢを用いて、下記式
（２０）乃至（２２）で表される。

【００６１】

【数８】

【００６２】これをブロック線図で示したものが、図８
である。この学習型フィードフォワード制御自体は、例
えば、文献「船舶操縦運動の学習フィードフォワード制
御方式の実用化に関する研究（１）」（日本造船学会論
文集、第１８０号、ｐ７０５−７１２）等で周知であ
り、詳細な説明を省略する。

【００６３】図９は、図６の学習型予見制御部３４の他
の実施の形態のブロック図である、図７乃至図８では、
伝達関数のモデルは、平衡点（ｖｌ０，θｌ０）近傍の
動きを表現したものであり、これを学習制御により、補
正するものであった。図９の実施の形態は、流入風速と
ピッチ角により、モデル自体を変えて、運転状態により
適応できるようにした。

【００６４】式（７）の風速の変動分を打ち消すために
必要なピッチ角変化分θＦＦは、下記式（２３）で表現
される。

【００６５】

【数９】

【００６６】ここで、式２３の各係数ａ０（ｖｉ，θ
ｊ），ａ１（ｖｉ，θｊ），ａ２（ｖｉ，θｊ）は、前
述と同様に、下記式（２４）乃至式（２６）で定義され
る。

【００６７】

【数１０】

【００６８】ここで、ｖｉ，ｉ＝１，……ｎは、式
（２）の伝達関数を作成する流入風速のケースを示して
おり、ｎ＝１であれば、流入風速に関しては、伝達関数
を変化させないことを意味する。同様に、θｉ，ｉ＝
１，……ｎは、式（１）の伝達関数を作成するピッチ角
のケースを示しており、ｎ＝１であれば、ピッチ角に関
しては、伝達関数を変化させないことを意味する。

【００６９】従って、図９に示すように、（ｖ，θ）に
応じた係数ａ０（ｖｉ，θｊ），ａ１（ｖｉ，θｊ），
ａ２（ｖｉ，θｊ）を格納する変換テーブル３４−４を
設けることにより、前述の図８の更新アルゴリズムは不
要となる。このテーブルにより求めた係数ａ０（ｖｉ，
θｊ），ａ１（ｖｉ，θｊ），ａ２（ｖｉ，θｊ）によ
り、式（１９）の演算を行い、ピッチ角指令値θＦＦを
計算する。

【００７０】ここでは、ａｋ（ｖｉ，θｊ）を、（ｖ、
θ）に最も近い値を（ｖｉ，θｊ）として決定している
が、その他に、補間計算により、（ｖ，θ）に対応する
ａｋ（ｖ，θ）を求めることもできる。又、テーブル選
択に使用する流入風速とピッチ角は、時々刻々変化する
値を用いても良く、例えば、１秒間の平均値を使用して
も良い。

【００７１】このように、学習型予見制御部３４の予見
制御として、風車の動特性を補償するため、流入風速か
ら発電機出力、ピッチ角から発電機出力までの伝達特性
をモデル化し、計測又は推定した流入風速に対し、発電
機出力を定格出力に制御するために必要なピッチ角を算
出する伝達特性（関数）を導出し、伝達関数を運転状態
により、補正したことにより、広い運転範囲で、風車発
電機出力の出力変動（定格出力からのずれ）を小さくで
きる。

【００７２】［第３の実施の形態］図１０は、本発明の
第３の実施の形態の風車発電装置のピッチ角制御装置の
ブロック図である。図中、図１、図６及び図１４で示し
たものと同一のものは、同一の記号で示してある。

【００７３】図１０に示すように、図１、図６と同様
に、風力発電装置１は、複数の風車ブレード１１を有す
るロータ１０を有する。風車ブレード１１は、例えば、
３つ設けられる。ロータ１０は、増速機１２を介し風車
発電機１３に接続される。従って、風車ブレード１１が
受風して、ロータ１０が回転する。ロータ１０の回転
は、増速機１２で増速され、風車発電機１３を回転し
て、発電（ＡＣ）が行われる。

【００７４】ロータ１０には、ブレード１１のピッチ角
を可変にするためのピッチ駆動機構（図示せず）が設け
られている。ピッチ角制御器２０は、風車発電機出力と
定格出力（発電機指令）Ｒｅｆとの誤差からフィードバ
ック値（ピッチ角指令値）を演算するフィードバック演
算部（出力制御則）３０と、図６の構成の学習型予見制
御部３４とを有する。フィードバック演算部３０は、周
知の誤差のＰＩＤ制御系で構成され、発電出力が定格出
力に一致するように、ピッチ角を調整する。

【００７５】本実施例のピッチ角制御装置２０は、更
に、風車発電機出力とブレードの実ピッチ角から風速を
推定する風速推定部３５とノッチフィルタ３６とを有す
る。尚、ピッチ角制御装置２０は、ＣＰＵ，ＤＳＰ等の
マイクロプロセッサで構成されことが望ましく、各部３
０、３４、３３、３５、３６は、プログラムにより、実
現される。

【００７６】従来のナセル風速計１４では、ブレード１
１の後流風速を計測しているため、流入風速に対して時
間遅れをもつばかりか、ブレード１１の回転によりある
部分では増速、ある部分では、減速された風速が検出さ
れ、この風速値を予見制御に利用すると、正確な制御が
困難である。

【００７７】このため、風車の性能計算（流入風速、ピ
ッチ角、発電機出力の静的関係）を用いることにより、
風車への流入風速を推定する。この風速推定部３５を、
図１１により説明する。図１１は、ピッチ角をパラメー
タとした風速［ｍ／ｓ］と、発電機出力［ｋＷ］との関
係のシュミレーション結果である。

【００７８】図１１より、ピッチ角と発電機出力とが判
れば、流入風速を求めることができる。風速推定部３５
は、ピッチ角と発電機出力とに対する流入風速を格納す
るテーブルで構成される。

【００７９】次に、ノッチフィルタ３６について、図１
２により説明する。発電機出力が変動する原因として、
流入風速の乱れだけでなく、３枚のブレード（翼）１１
がタワーを横切る際に発生する翼回転数の３倍成分の変
動がある。従って、発電機出力の信号から、その影響を
除去しないと、風の乱れにより引き起こされた出力変動
を検出することができない。このため、発電機出力信号
から翼回転数の３倍成分を除去するため、ノッチフィル
タ３６を設けている。そして、ノッチフィルタ３６の出
力から風速推定部３５が、性能計算により風速推定を行
い、精度の高い風速推定を実現する。

【００８０】図１２は、ノッチフィルタ３６の周波数特
性図である。ここでは、定格翼回転数が約３２．５［ｒ
ｐｍ］の風車を例に説明すると、回転数の３倍成分は、
翼回転数が約３２．５［ｒｐｍ］であることから、約
１．６２５［Ｈｚ］となる。予見制御での制御帯域がＤ
Ｃ〜１．０Hzと近い成分であるため、回転数の３倍成分
の除去に使用するフィルタの特性により、発電機出力信
号の位相が遅れる心配がある。そこで、本実施の形態で
は、低次で充分な帯域カット特性が得られることから、
図１２の周波数特性の２次のノッチフィルタを使用す
る。

【００８１】このように、風速推定を行うため、風速計
を設けることなく、正確な風速値が得られる。尚、翼が
３枚あるため、３倍の周波数成分の変動が出るため、翼
が２枚なら、２倍の成分の変動であり、ノッチフィルタ
は２倍成分を除去する。

【００８２】図１３は、図１０の構成において、予見制
御をオフした場合と、オンした場合との時間軸上での風
速、風車機出力、ロータ回転数、ピッチ角指令値のシュ
ミレーション結果である。図１３より明らかな如く、予
見制御をオンした場合には、風車機出力の変動が低減さ
れている。

【００８３】［他の実施の形態］風車発電装置を、他の
構成、例えば、２枚のブレードをもつもの等のものにも
適用できる。

【００８４】以上、本発明を実施の形態により説明した
が、本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形が可能
であり、これらを本発明の技術的範囲から排除するもの
ではない。

【００８５】

【発明の効果】風車の動特性を補償するため、流入風速
から発電機出力、ピッチ角から発電機出力までの伝達特
性をモデル化し、計測又は推定した流入風速に対し、発
電機出力を定格出力に制御するために必要なピッチ角を
算出することにより、風車発電機出力の出力変動（定格
出力からのずれ）を小さくできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の風車発電装置のピ
ッチ角制御系統図である。

【図２】図１の予見制御部の風車モデルの説明図であ
る。

【図３】図２のモデルのピッチ制御系のブロック図であ
る。

【図４】図３のブロックの第１の伝達特性図である。

【図５】図３のブロックの第２の伝達特性図である。

【図６】本発明の第２の実施の形態の風車発電装置のピ
ッチ角制御系統図である。

【図７】図６の学習型予見制御部の構成図である。

【図８】図７の学習型予見制御部のブロック図である。

【図９】図７の他の学習型予見制御部のブロック図であ
る。

【図１０】本発明の第３の実施の形態の風車発電装置の
ピッチ角制御系統図である。

【図１１】図１０の風速推定部の説明図である。

【図１２】図１０のノッチフィルタの特性図である。

【図１３】本発明による効果を説明するシュミレーショ
ン結果の説明図である。

【図１４】従来技術の説明図である。

【図１５】他の従来技術の説明図である。

【符号の説明】

１風車発電装置１０ロータ１１ブレード１２増速機１３発電機１４、１６風速計２０ピッチ角制御装置３０フィードバック演算部３２、３４予見制御部３３加算部３５風速推定部３６ノッチフィルタ

フロントページの続き (72)発明者松浪雄二長崎県長崎市飽の浦町１番１号三菱重工業株式会社長崎造船所内 (72)発明者渡部洋八郎長崎県長崎市大谷町３番５号株式会社菱研テック内Ｆターム(参考） 3H078 AA02 AA26 BB04 CC03 CC13 CC22 CC52 CC63 CC73

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】風力発電装置のブレードのピッチ角を制御
するピッチ角制御方法において、前記風力発電装置の発電電力からフィードバック値を演
算するステップと、前記風力発電装置が受ける風速値から、前記発電電力の
変動を予測し、変動を抑圧するフィードフォワード値を
演算するステップと、前記フィードバック値と前記フィ
ードフォワード値とにより、前記ブレードのピッチ角指
令値を生成するステップとを有することを特徴とする風
力発電装置のピッチ角制御方法。
【請求項２】前記フィードフォワード値を演算するステ
ップは、前記フィードバック値に応じて、前記演算のための係数
を補正するステップを有することを特徴とする請求項１
の風力発電装置のピッチ角制御方法。
【請求項３】前記フィードフォワード値を演算するステ
ップは、前記風速値と前記ブレードのピッチ角とに応じて、前記
演算のための係数を選択するステップを有することを特
徴とする請求項１の風力発電装置のピッチ角制御方法。
【請求項４】前記フィードフォワード値を演算するステ
ップは、前記発電出力と前記ブレードのピッチ角とから前記風速
値を推定するステップを有することを特徴とする請求項
１の風力発電装置のピッチ角制御方法。
【請求項５】風力発電装置のブレードのピッチ角を制
御するピッチ角制御装置において、前記風力発電装置の発電電力からフィードバック値を演
算する第１の演算部と、前記風力発電装置が受ける風速値から、前記発電電力の
変動を予測し、変動を抑圧するフィードフォワード値を
演算する第２の演算部と、前記フィードバック値と前記フィードフォワード値とに
より、前記ブレードのピッチ角指令値を生成する生成部
とを有することを特徴とする風力発電装置のピッチ角制
御装置。
【請求項６】前記第２の演算部は、前記フィードバック値に応じて、前記演算のための係数
を補正することを特徴とする請求項５の風力発電装置の
ピッチ角制御装置。
【請求項７】前記第２の演算部は、前記風速値と前記ブレードのピッチ角とに応じて、前記
演算のための係数を選択することを特徴とする請求項５
の風力発電装置のピッチ角制御装置。
【請求項８】前記第２の演算部は、前記発電出力と前記ブレードのピッチ角とから前記風速
値を推定することを特徴とする請求項５の風力発電装置
のピッチ角制御装置。