JP2005061300A

JP2005061300A - 水平軸風車及びその制御方法

Info

Publication number: JP2005061300A
Application number: JP2003291490A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Yoshida; 茂雄吉田
Original assignee: Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2003-08-11
Filing date: 2003-08-11
Publication date: 2005-03-10
Anticipated expiration: 2023-08-11
Also published as: JP4340496B2

Abstract

【課題】風速変動が大きい環境下においても、ロータの過回転や出力低下を効果的に抑制することができ、定格出力の安定的な取得を実現させることができる水平軸風車と、この水平軸風車の制御方法と、を提供する。
【解決手段】ピッチ角可変のブレードを有するロータ４を備え、ロータ４の回転速度を所定の目標値に収束させるように風速変動に応じてブレードのピッチ角を変更する水平軸風車１において、風加速度を算出する手段と、算出された風加速度に基づいて前記目標値を変更する手段と、を備える。また、ロータ４の回転速度を所定の目標値に収束させるように風速変動に応じてブレードのピッチ角を変更する水平軸風車１の制御方法において、水平軸風車１に吹き付ける風の加速度を算出し（風加速度算出工程Ｓ２０）、算出された風加速度に基づいて前記目標値を変更する（目標値変更工程Ｓ３１、Ｓ４１）。
【選択図】図２

Description

本発明は、水平軸風車及びその制御方法に関する。

現在、風速変動に応じてロータのブレードのピッチ角制御を行うことによりロータの回転速度を変更する、いわゆる可変速ピッチ制御風車が実用化されている。このような可変速ピッチ制御風車においては、変動風下においても定格出力を取得するために、ロータの回転速度の目標値を定格最低回転速度よりも若干高めの値（一定値）に設定し、ロータの回転速度がこの目標値に収束するようにピッチ角を制御している（例えば、非特許文献１参照。）。

従来のピッチ角制御方法としては、設定したロータの回転速度の目標値（一定値）と、ロータの実際の回転速度と、の偏差をゼロに近付けるための比例・積分（又は微分）ゲインを用いてフィードバックを行ってピッチ角を制御する方法（ＰＩ（又はＰＩＤ）フィードバック制御）が採用されている。
Heier、"Wind Energy Conversion Systems"、米国、John Wiley&Sons Ltd、１９９８、p.３６２

ところで、我が国のように丘陵地等の起伏の大きい地帯に水平軸風車が設置される場合には、水平軸風車に吹き付ける風の速度がきわめて大きく変動するため、ロータの過回転や出力低下の頻度が高くなる。このため、ロータの回転速度の目標値を一定値に設定し、この一定値にロータの実際の回転速度を収束させる従来のピッチ角制御方法を採用しても、定格出力を安定的に取得することが困難であった。

また、大きい風速変動に対応させる目的で、ピッチレート（単位時間あたりのピッチ角の変化量）を大きくするための駆動装置を採用することも考えられるが、かかる駆動装置はサイズと重量が大きくなり、コストも増加する。また、ピッチ角を高速で頻繁に変化させるために駆動装置が短期間で消耗し、耐用期間が短くなることが予想される。

本発明の課題は、風速変動が大きい環境下においても、ロータの過回転や出力低下を効果的に抑制することができ、定格出力の安定的な取得を実現させることができる水平軸風車と、この水平軸風車の制御方法と、を提供することである。

以上の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、ピッチ角可変のブレードを有するロータを備え、前記ロータの回転速度を所定の目標値に収束させるように風速変動に応じて前記ブレードのピッチ角を変更する水平軸風車において、前記水平軸風車に吹き付ける風の加速度を算出する風加速度算出手段と、前記風加速度算出手段で算出された風加速度に基づいて、前記目標値を変更する目標値変更手段と、を備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の水平軸風車において、前記風加速度算出手段は、前記ロータの回転速度、前記ブレードのピッチ角、及び、前記水平軸風車の発電量に基づいて、前記水平軸風車に吹き付ける風の加速度を算出することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の水平軸風車において、前記目標値変更手段は、前記風加速度算出手段で算出された風加速度が第１閾値（＞０）を超えた場合に、前記ロータの回転速度の目標値を所定の基準値より低い値に変更する一方、前記風加速度算出手段で算出された風加速度が第２閾値（＜０）未満となった場合に、前記ロータの回転速度の目標値を所定の基準値より高い値に変更することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、ピッチ角可変のブレードを有するロータを備え、前記ロータの回転速度を所定の目標値に収束させるように風速変動に応じて前記ブレードのピッチ角を変更する水平軸風車の制御方法において、前記水平軸風車に吹き付ける風の加速度を算出する風加速度算出工程と、前記風加速度算出工程で算出された風加速度に基づいて、前記目標値を変更する目標値変更工程と、を備えることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の水平軸風車の制御方法において、前記風加速度算出工程では、前記ロータの回転速度、前記ブレードのピッチ角、及び、前記水平軸風車の発電量に基づいて、前記水平軸風車に吹き付ける風の加速度を算出することを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項４又は５に記載の水平軸風車の制御方法において、前記目標値変更工程では、前記風加速度算出手段で算出された風加速度が第１閾値（＞０）を超えた場合に、前記ロータの回転速度の目標値を所定の基準値より低い値に変更する一方、前記風加速度算出手段で算出された風加速度が第２閾値（＜０）未満となった場合に、前記ロータの回転速度の目標値を所定の基準値より高い値に変更することを特徴とする。

請求項１又は４に記載の発明によれば、風速の変動状況を示す風加速度を算出し、この風加速度に基づいてロータの回転速度の目標値を変更することができる。そして、変更された目標値にロータの回転速度を収束させるように、風速変動に応じてブレードのピッチ角を変更する。すなわち、風速の変動状況を示す風加速度に基づいてロータの回転速度の目標値を変更しながら、逸早く制御を行うので、ピッチ操舵開始時期（ピッチ角の変更開始時期）を早めることができる。この結果、ロータの過回転や出力低下を効果的に抑制することができる。

例えば、風加速度が正である場合（風速が増加している場合）に、ロータの回転速度の目標値を所定の基準値より低い値に変更することにより、ロータの回転速度の過剰な増加を抑制することができる。一方、風加速度が負である場合（風速が低減している場合）に、ロータの回転速度の目標値を所定の基準値より高い値に変更することにより、ピッチ操舵開始時期を早めて、ロータの回転速度の過剰な低減を抑制することができる。このため、ロータの回転速度の変動幅を小さくして、ロータの過回転を抑制することができる。そして、ロータ過回転に起因したロータ停止に伴う出力低下や、ロータの回転速度低減に伴う出力低下を抑制することができる。

また、請求項１又は４に記載の発明によれば、ロータの回転速度の変動幅を小さくすることができるので、ブレードのピッチ角の変化量を小さくすることができる。この結果、ピッチ角を変化させる駆動装置の耐用期間を延ばすことができる。

請求項２又は５に記載の発明によれば、水平軸風車の運転状態に係る情報（ロータの回転速度、ブレードのピッチ角、発電量等）に基づいて、ロータに流入する風速の変化率（風加速度）を算出する。そして、この風加速度に基づいて目標値を変更し、変更された目標値にロータの回転速度が収束するようにブレードのピッチ角を変更するので、ロータの回転速度の増減に対して制御するよりも、早い時期から操舵開始することが可能となる。

請求項３又は６に記載の発明によれば、計測された風加速度が第１閾値（＞０）を超えた場合（風速の増加率が特定の割合を超えた場合）に、ロータの回転速度の目標値を所定の基準値より低い値に変更するので、ロータの回転速度の過剰な増加を抑制することができる。一方、計測された風加速度が第２閾値（＜０）未満となった場合（風速の減少率が特定の割合を超えた場合）に、ロータの回転速度の目標値を所定の基準値より高い値に変更するので、ピッチ操舵開始時期が早くなり、ロータの回転速度の過剰な低減を抑制することができる。

本発明によれば、計測された風加速度に基づいてロータの回転速度の目標値を変更し、変更した目標値にロータの回転速度を収束させるようにブレードのピッチ角を制御するので、ピッチ操舵開始時期を早めることができ、風速変動が大きい環境下においても、ロータの過回転や出力低下を効果的に抑制することができる。この結果、定格出力を安定的に取得することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図を用いて詳細に説明する。

まず、図１を用いて、本実施の形態に係る水平軸風車１の構成について説明する。水平軸風車１は、所定位置に設置されるタワー２、タワー２の頂部に取り付けられたナセル３、ナセル３に軸支され略水平方向に延在する（図示されていない）主軸、主軸に取り付けられたロータ４、等を備えて構成されている。水平軸風車１は、ロータ４の回転速度が６０rpm〜７２rpmの範囲内（定格回転速度域）にあるときに定格出力（１００ｋＷ）を得ることが可能な可変速型風車である。

ナセル３の外部には、ロータ４に吹き付ける風の速度（風速）を計測する風速計が設けられている。また、ナセル３の内部には、ロータ４のブレードのピッチ角を変更するためのピッチ可変機構、ロータ４の回転速度を計測する回転速度センサ、ブレードのピッチ角を計測するピッチ角センサ、水平軸風車１の出力（発電量）を計測する出力センサ、水平軸風車１全体を統合制御する制御器、等が設けられている。

制御器には、回転速度センサにより計測されたロータ４の回転速度情報と、ピッチ角センサにより計測されたブレードのピッチ角情報と、出力センサにより計測された出力情報と、が入力されるようになっている。そして、制御器は、これら回転速度情報、ピッチ角情報及び出力情報に基づいて、水平軸風車１に吹き付ける風の速度（風速）を所定時間間隔で推算する。さらに、制御器は、所定時間間隔で推算した複数の風速の変分に基づいて風加速度を算出する。すなわち、制御器は、本発明における風加速度算出手段である。

また、制御器は、ロータ４の回転速度の目標値と、ロータ４の実際の回転速度と、の偏差をゼロに近付けるためのフィードバック制御を行ってブレードのピッチ角を制御する。本実施の形態においては、前記した目標値の基準値を、定格最低回転速度（６０rpm）より若干高い「６３rpm」に設定している。また、ピッチレートを「±１０deg／s」に設定している。

また、制御器は、算出された風加速度に基づいて、予め設定されたロータ４の回転速度の目標値を所定の範囲内で変更する。すなわち、制御器は、本発明における目標値変更手段である。

本実施の形態においては、算出された風加速度が第１閾値（２ｍ／ｓ²）を超えた場合（風速の増加率が特定の割合を超えた場合）に、ロータ４の回転速度の目標値を、前記した基準値より低い下限値（６０rpm）に変更することとした。なお、目標値の下限値である「６０rpm」は、ロータ４の定格最低回転速度である。一方、算出された風加速度が第２閾値（−２ｍ／ｓ²）未満である場合（風速の減少率が特定の割合を超えた場合）に、ロータ４の回転速度の目標値を、前記した基準値より高い上限値（６６rpm）に変更することとした。

次に、図２のフローチャートを用いて、本実施の形態に係る水平軸風車１のロータ４の回転速度制御動作について説明する。

まず、水平軸風車１の制御器は、各種制御プログラムを起動させて運転を開始する。制御器は、運転の初期段階においては、ロータ４の実際の回転速度を予め設定した目標値（基準値：６３rpm）に収束させるように、風速変動に応じてブレードのピッチ角を制御する。

また、水平軸風車１の制御器は、運転開始と同時に、回転速度センサによるロータ４の回転速度の計測と、ピッチ角センサによるブレードのピッチ角の計測と、出力センサによる水平軸風車１の発電量（出力）の計測と、を開始する（運転情報計測工程：Ｓ１０）。

次いで、水平軸風車１の制御器は、運転情報計測工程Ｓ１０で取得した回転速度情報、ピッチ角情報及び出力情報に基づいて所定時間間隔で風速を推算し、推算した複数の風速の変分に基づいて風加速度を算出する（風加速度算出工程：Ｓ２０）。

次いで、水平軸風車１の制御器は、風加速度算出工程Ｓ２０で算出された風加速度が第１閾値（２ｍ／ｓ²）を超えているか否かを判定する（第１次加速度判定工程：Ｓ３０）。第１次加速度判定工程Ｓ３０で風加速度が第１閾値を超えていると判定された場合には、制御器は、ロータ４の回転速度の目標値を基準値（６３rpm）から下限値（６０rpm）に変更し（目標値下方修正工程：Ｓ３１）、その後、ピッチ角制御工程Ｓ５０に移行する。目標値下方修正工程は、本発明における目標値変更工程である。

第１次加速度判定工程Ｓ３０で風加速度が第１閾値以下であると判定された場合には、制御器は、風加速度が第２閾値（−２ｍ／ｓ²）未満であるか否かを判定する（第２次加速度判定工程：Ｓ４０）。第２次加速度判定工程Ｓ４０で風加速度が第２閾値未満であると判定された場合には、制御器は、ロータ４の回転速度の目標値を基準値（６３rpm）から上限値（６６rpm）に変更し（目標値上方修正工程：Ｓ４１）、その後、ピッチ角制御工程Ｓ５０に移行する。目標値上方修正工程は、本発明における目標値変更工程である。

第２次加速度判定工程Ｓ４０で風加速度が第２閾値以上であると判定された場合には、制御器は、ロータ４の回転速度の目標値を基準値（６３rpm）のまま変更することなく、ピッチ角制御工程Ｓ５０に移行する。ピッチ角制御工程Ｓ５０において、制御器は、ロータ４の実際の回転速度を、予め設定した目標値（基準値）又は変更後の目標値（下限値又は上限値）に収束させるように、風速変動に応じてブレードのピッチ角を制御する。

以上説明した実施の形態に係る水平軸風車１においては、風速の変動状況を示す風加速度を算出し、この風加速度に基づいてロータ４の回転速度の目標値を変更することができる。そして、変更された目標値にロータの回転速度を収束させるように、風速変動に応じてブレードのピッチ角を変更する。すなわち、風速の変動状況を示す風加速度に基づいてロータ４の回転速度の目標値を変更しながら、逸早く制御を行うので、ピッチ操舵開始時期を早めることができる。この結果、ロータの過回転や出力低下を効果的に抑制することができる。

具体的には、風加速度が第１閾値（２ｍ／ｓ²）を超えた場合（風速の増加率が特定の割合を超えた場合）に目標値を下限値（６０rpm）に変更することにより、ロータ４の回転速度の過剰な増加を抑制することができる。一方、風加速度が第２閾値（−２ｍ／ｓ²）未満である場合（風速の減少率が特定の割合を超えた場合）に目標値を上限値（６６rpm）に変更することにより、ピッチ操舵開始時期を早めて、ロータ４の回転速度の過剰な低減を抑制することができる。このため、ロータ４の回転速度の変動幅を小さくして、ロータ４の過回転を抑制することができる。そして、ロータ４の過回転に起因したロータ４の停止に伴う出力低下や、ロータ４の回転速度低減に伴う出力低下を抑制することができる。

また、ロータ４の回転速度の変動幅を小さくすることができるので、ブレードのピッチ角の変化量を小さくすることができる。この結果、ピッチ角を変化させるピッチ角可変機構の耐用期間を延ばすことができる。

また、以上の実施の形態に係る水平軸風車１においては、風車の運転状態に係る情報（ロータ４の回転速度、ブレードのピッチ角、発電量）に基づいて、実際の風況を的確に表す風加速度を算出する。そして、この風加速度に基づいて目標値を変更し、変更された目標値にロータ４の回転速度が収束するようにブレードのピッチ角を変更するので、ロータ４の回転速度の増減に対して制御するよりも、早い時期から操舵開始することが可能となる。

なお、以上説明した実施の形態においては、風車の運転状態に係る情報（ロータ４の回転速度、ブレードのピッチ角及び発電量）を参照して風加速度を算出した例を示したが、風加速度の算出方法は、これに限られるものではない。例えば、ナセル３の外部に取り付けられた風速計で計測した風速情報に基づいて風加速度を算出し、この算出した風加速度に基づいてロータ４の回転速度の目標値を変更することもできる。

また、以上の実施の形態においては、ロータ４の回転速度の目標値を「６０rpm」（下限値）、「６３rpm」（基準値）、「６６rpm」（上限値）と３種類に設定し、目標値変更の判定基準となる風加速度の第１・第２閾値を「±２ｍ／ｓ²」と設定した例を示したが、これら目標値や第１・第２閾値は、水平軸風車１の性能に応じて適宜変更することができる。また、以上の実施の形態においては、風加速度の情報に基づいて、ロータ４の回転速度の目標値を基準値から下限値（上限値）に非連続的に変更する例を示したが、ロータ４の回転速度の目標値を、風加速度の関数として連続的に変更するようにしてもよい。

本発明の実施の形態に係る水平軸風車の概念図である。本発明の実施の形態に係る水平軸風車のロータの回転速度制御動作を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１水平軸風車
４ロータ
Ｓ２０風加速度算出工程
Ｓ３１目標値下方修正工程（目標値変更工程）
Ｓ４１目標値上方修正工程（目標値変更工程）

Claims

ピッチ角可変のブレードを有するロータを備え、前記ロータの回転速度を所定の目標値に収束させるように風速変動に応じて前記ブレードのピッチ角を変更する水平軸風車において、
前記水平軸風車に吹き付ける風の加速度を算出する風加速度算出手段と、
前記風加速度算出手段で算出された風加速度に基づいて、前記目標値を変更する目標値変更手段と、
を備えることを特徴とする水平軸風車。
前記風加速度算出手段は、
前記ロータの回転速度、前記ブレードのピッチ角、及び、前記水平軸風車の発電量に基づいて、前記水平軸風車に吹き付ける風の加速度を算出することを特徴とする請求項１に記載の水平軸風車。
前記目標値変更手段は、
前記風加速度算出手段で算出された風加速度が第１閾値（＞０）を超えた場合に、前記ロータの回転速度の目標値を所定の基準値より低い値に変更する一方、前記風加速度算出手段で算出された風加速度が第２閾値（＜０）未満となった場合に、前記ロータの回転速度の目標値を所定の基準値より高い値に変更することを特徴とする請求項１又は２に記載の水平軸風車。
ピッチ角可変のブレードを有するロータを備え、前記ロータの回転速度を所定の目標値に収束させるように風速変動に応じて前記ブレードのピッチ角を変更する水平軸風車の制御方法において、
前記水平軸風車に吹き付ける風の加速度を算出する風加速度算出工程と、
前記風加速度算出工程で算出された風加速度に基づいて、前記目標値を変更する目標値変更工程と、
を備えることを特徴とする水平軸風車の制御方法。
前記風加速度算出工程では、
前記ロータの回転速度、前記ブレードのピッチ角、及び、前記水平軸風車の発電量に基づいて、前記水平軸風車に吹き付ける風の加速度を算出することを特徴とする請求項４に記載の水平軸風車の制御方法。
前記目標値変更工程では、
前記風加速度算出手段で算出された風加速度が第１閾値（＞０）を超えた場合に、前記ロータの回転速度の目標値を所定の基準値より低い値に変更する一方、前記風加速度算出手段で算出された風加速度が第２閾値（＜０）未満となった場合に、前記ロータの回転速度の目標値を所定の基準値より高い値に変更することを特徴とする請求項４又は５に記載の水平軸風車の制御方法。