JP2006233912A - 風力発電装置及びその制御方法並びにブレードピッチ角制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ブレードピッチ角の制御特性を改善することにより、ピッチ角駆動機構の変動負荷を低減させ、ピッチ角駆動機構の不具合発生を抑制することができる風力発電装置及びその制御方法並びにブレードピッチ角制御方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 風車ブレード１０のピッチ角を制御するブレードピッチ角制御部２０を具備する風力発電装置であって、ブレードピッチ角制御部２０は、出力を検出する出力センサ３１により検出された出力Ｐが、過出力であるかを判断するための過出力閾値以上か否かを判定する判定部と、出力が過出力閾値以上であった場合に、ブレードのピッチ角を空力出力が減少するフェザー側に設定するとともに、このピッチ角を所定の期間保持させるピッチ角設定部とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、風力エネルギを電気エネルギに変換する風力発電装置に関する。

風力発電装置は、複数枚の風車ブレードを備える風車を用いて自然風の運動エネルギを機械エネルギに変換して発電機を駆動し、発電機により機械エネルギを電気エネルギに変換しているが、自然風の風速や風向は絶えず変化していることから、状況によっては、風速が過大となって風車や発電機が損傷を受けるおそれがある。
そこで、従来、風力発電装置の風車では、風車の過回転を抑える技術が検討されている。例えば、実公平７−２３５８６号公報（特許文献１）には、最大風速を検知した場合には、その最大風速に対応する風車ブレードのピッチ角を所定期間保持する技術が開示されている。この技術によれば、最大風速に対応するブレードピッチ角を保持している間に、そのピッチ角相応の風速より更に大きな風速の風が到来した場合、現に到来した、より大きな風速と先の最大風速との差に相当するピッチ角だけピッチ角を変化させれば足りることとなるので、応答遅れや大きなピッチ角差のために風車ブレードが過負荷となる不具合を解消することが可能となる。
実公平７−２３５８６号公報（第１−３頁、第１図）

上記特許文献１に開示されているような従来のブレードピッチ角制御では、風速が最大風速以下の範囲においては、風速に基づいて、所定の発電機回転速度と出力とを得るように、ブレードピッチ角度が制御される。この場合、出力変動に基づいて、ブレードピッチ角が過敏に反応し、動作することとなる。そして、このように、頻繁にピッチ角が反応すると、ピッチ角駆動機構への変動負荷が増大し、ピッチ角駆動機構に不具合が生ずるなどの問題があった。

本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、ピッチ角駆動機構の変動負荷を低減させ、ピッチ角駆動機構の不具合発生を抑制することができる風力発電装置及びその制御方法並びにブレードピッチ角制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、風車ブレードのピッチ角を制御するブレードピッチ角制御手段を具備する風力発電装置であって、前記ブレードピッチ角制御手段は、出力を検出する出力検出手段により検出された前記出力が、過出力であるかを判断するための過出力閾値以上か否かを判定する判定手段と、前記出力が前記過出力閾値以上であった場合に、前記ブレードのピッチ角を空力出力が減少するフェザー側に設定するとともに、このピッチ角を所定の期間保持させるピッチ角設定手段とを具備する風力発電装置を提供する。

上記構成によれば、風力発電装置の出力が出力検出手段により検出され、この出力が過出力であるかを判断するための過出力閾値以上であるか否かが判定手段により判定される。この結果、風力発電装置の出力が過出力閾値以上であった場合には、ピッチ角設定手段により、ブレードのピッチ角が空力出力が減少するフェザー側に設定され、このピッチ角が所定の期間保持される。これにより、ブレードピッチ角の変動が所定の期間停止されることとなるので、ブレードピッチ角の変動に起因するピッチ角駆動機構の変動荷重を低減させることが可能となる。

本発明の風力発電装置において、前記ピッチ角設定手段は、前記出力が前記過出力閾値以上であった場合に、前記ブレードのピッチ角を前記風力発電装置の出力に基づいて決定される調整ピッチ角分、フェザー側に設定しても良い。

上記構成によれば、風力発電装置の出力が過出力閾値以上であった場合には、ピッチ角設定手段により、ブレードのピッチ角が風力発電装置の出力に基づいて決定される調整ピッチ角分、フェザー側に設定され、このピッチ角が所定の期間保持されるので、風力発電装置の出力に応じた適切なブレードピッチ角を採用することが可能となる。これにより、ピッチ角駆動機構の変動荷重をより低減させることができる。
ピッチ角設定手段は、例えば、前記出力が前記過出力閾値以上であった場合に、前記風力発電装置の出力が大きい程、大きな値に設定される調整ピッチ角分、前記ブレードのピッチ角をフェザー側に設定する。

本発明の風力発電装置において、前記ピッチ角設定手段は、前記出力に基づいて決定される前記所定の期間において、前記ピッチ角をフェザー側に保持しても良い。

上記構成によれば、風力発電装置の出力が過出力閾値以上であった場合には、ピッチ角設定手段により、風車ブレードのピッチ角がフェザー側に設定され、このピッチ角が、風力発電装置の出力に基づいて決定される所定の期間保持されるので、風力発電装置の出力に応じた適切な保持時間を採用することが可能となる。これにより、ピッチ角駆動機構の変動荷重をより低減させることができる。
前記所定の期間は、例えば、前記出力が大きい程、短く設定すると良い。これは、３５０ｋｗのときよりも４５０ｋｗの方が、ピッチ角をフェザー側に設定する角度が大きいため、長時間保持すると逆に出力低下が大きくなってしまうからである。

本発明は、風速を検出する風速検出手段と、前記風速検出手段によって検出された風速に基づいて風速乱れ度を算出する算出手段と、前記算出手段により算出された前記風速乱れ度が、風速の乱れが大きかを判断するための乱れ閾値以上か否かを判定する判定手段と、前記風速乱れ度が前記乱れ閾値以上であった場合に、風車の運転を所定の期間停止させる運転制御手段とを具備する風力発電装置を提供する。

上記構成によれば、風速が風速検出手段により検出され、この風速に基づいて風速乱れ度が算出手段により算出され、この風力乱れ度が、風速の乱れが大きいことを判断するための乱れ閾値以上か否かが、判定手段により比較される。この結果、風速乱れ度が乱れ閾値以上であった場合に、運転制御手段により、風車の運転、例えば、風車ブレードの回転運転が所定の期間停止される。これにより、風速の乱れ度が大きく、運転と停止とが交互に頻繁に訪れるような風況の場合には、所定の期間、風車の運転を停止することにより、ブレードのピッチ角制御を停止させることが可能となる。この結果、ブレードの駆動系の変動荷重を低減させることができるとともに、風車の運転を安定させることができる。

本発明の風力発電装置において、前記乱れ閾値は、前記風速検出手段によって検出された風速に基づいて決定されても良い。

上記構成によれば、風速の乱れが大きいことを判断するための乱れ閾値は、風速検出手段により検出された風速に基づいて決定されるので、その時々の風況に基づいて、風速の乱れ度が高いか否かを高い精度で判定することが可能となる。

本発明の風力発電装置において、前記運転制御手段は、前記風速乱れ度が前記乱れ閾値以上であった場合に、累積運転期間に基づいて決定される前記所定の期間、前記風車の運転を停止させても良い。

上記構成によれば、風速の乱れ度が大きかった場合には、累積運転期間に基づいて決定される所定の期間、風車の運転、例えば、風車ブレードの回転運転が停止されるので、風力発電装置を構成する各機構などの経年劣化などを考慮した高精度な運転制御を実現することが可能となる。

本発明の風力発電装置において、前記運転制御手段は、前記風速の変動幅が所定の範囲内になった場合に、前記風車の運転を再開させても良い。

上記構成によれば、風速の変動幅が所定の範囲内になった場合に、換言すると、風速が安定したことが確認された場合に、風車の運転を再開させるので、安定した風況下における高効率な運転を実現させることが可能となる。

本発明は、風速を検出する過程と、前記風速に基づいて風速乱れ度を算出する過程と、前記風速乱れ度が、風速の乱れが大きかを判断するための乱れ閾値以上か否かを判定する過程と、前記風速乱れ度が前記乱れ閾値以上であった場合に、風車の運転を所定の期間停止させる過程とを具備する風力発電装置の制御方法を提供する。

上記方法によれば、風速が検出され、この風速に基づいて風速乱れ度が算出され、この風速乱れ度が、風速の乱れが大きいことを示す乱れ閾値以上か否かが判定される。この結果、風速乱れ度が乱れ閾値以上であった場合に、風車の運転、例えば、風車ブレードの回転運転が停止される。これにより、風速の乱れ度が大きく、運転と停止とが交互に頻繁に訪れるような風況の場合には、所定の期間、風車の運転を停止することにより、ブレードのピッチ角制御を停止させることが可能となる。この結果、ブレードの駆動系の変動荷重を低減させることができる。

本発明は、風車ブレードのピッチ角を制御するブレードピッチ角制御方法であって、前記風車ブレードが受けた風力エネルギを電気エネルギに変換する風力発電装置の出力を検出する過程と、前記出力が、過出力であるか否かを判定するための過出力閾値以上か否かを判定する過程と、前記出力が前記過出力閾値以上であった場合に、前記ブレードのピッチ角を風の抵抗が減少するフェザー側に設定するとともに、このピッチ角を所定の期間保持させる過程とを具備するブレードピッチ角制御方法を提供する。

上記方法によれば、風車ブレードが受けた風力エネルギを電気エネルギに変換する風力発電装置の出力が、過出力であるかを判定するための過出力閾値以上か否かが判定され、この結果、出力が過出力閾値以上であった場合に、ブレードのピッチ角が風の抵抗が減少するフェザー側に設定されるとともに、このピッチ角が所定の期間保持される。これにより、ブレードピッチ角の変動が所定の期間停止されることとなるので、ブレードピッチ角の変動に起因するピッチ角駆動機構の変動荷重を低減させることが可能となる。

本発明の風力発電装置及びその制御方法並びにブレードピッチ角制御方法によれば、ピッチ角駆動機構の変動負荷を低減させることが可能となるので、ピッチ角駆動機構の不具合発生を抑制することができるという効果を奏する。

以下、本発明の風力発電装置及びその制御方法並びにブレードピッチ制御方法の実施形態について、〔第１の実施形態〕、〔第２の実施形態〕の順に図面を参照して詳細に説明する。

〔第１の実施形態〕
図１は本発明の第１の実施形態に係る風力発電装置の構成図である。本実施形態に係る風力発電装置は、例えば固定速方式の風力発電装置である。
図１において、複数枚の風車ブレード１０は、風車ロータ１１に取り付けられている。風車ロータ１１の主軸には、発電機１２が連結されている。発電機１２は、例えば、かご形誘導発電機などである。発電機１２は、例えば、３相の電力線により、電力変換器１６に接続されている。電力変換器１６は、３相の電力線により電力系統１７と接続している。

風車ブレード１０の付近には、風速を計測する風速計（風速検出手段）３０が設けられている。発電機１２と電力変換器１６とを接続する電力線には、発電機１２の出力電力を検出する出力センサ（出力検出手段）３１が設けられている。風速計３０により計測された風速ｖ及び出力センサ３１により検出された発電機１２の出力Ｐは、ブレードピッチ角制御部２０に入力される。
ブレードピッチ角制御部２０は、風速ｖや出力Ｐに基づいて、ピッチ角を設定し、このピッチ角をピッチ角指令θとして出力する。なお、このブレードピッチ角制御部２０の詳細については後述する。
ピッチ角駆動機構４０は、ブレードピッチ角制御部２０から入力されるピッチ角指令θに基づき風車ブレード１０のピッチ角を駆動するもので、その構造等は従来のものと同等であり、例えば、モータや油圧シリンダなどが用いられている。
上述した発電機１２及びピッチ角駆動機構４０は、例えば、風車ロータ１１の後方、つまり、図１において風車ロータ１１の右側に設置される図示しないナセルの内部に配置されるものであり、また、風速計３０は、例えば、このナセルの外壁に取り付けられるものである。

このように構成された風力発電装置において、風車ロータ１１に取り付けられた複数枚の風車ブレード１０が風力エネルギを受けて風車ロータ１１と共に回転すると、この回転力が主軸により発電機１２に伝達され、風車ロータ１１に連結されている発電機１２を駆動する。これにより発電機１２は、発電し、３相交流電力を出力する。この３相交流電力は、電力変換器１６を介して電力系統１７に出力される。

次に、本実施形態に係るブレードピッチ角制御部２０の構成について詳細に説明する。
図２は、ブレードピッチ角制御部２０の概略構成を示すブロック図である。
図２に示すように、本実施形態に係るブレードピッチ角制御部（ブレードピッチ角制御手段）２０は、判定部（判定手段）２１とピッチ角設定部（ピッチ角設定手段）２２とを備えている。
判定部２１は、出力センサ３１により検出された発電機１２の出力Ｐと、過出力閾値とを比較し、比較結果を出力する。ピッチ角設定部２２は、判定部２１の比較結果に基づいて、ピッチ角を設定し、設定したピッチ角をピッチ角駆動機構４０（図１参照）に出力する。

次に、このようなブレードピッチ角制御部２０の作用を図３を参照して説明する。
図３は、ブレードピッチ角制御部２０の処理手順を示すフローチャートである。
まず、出力センサ３１（図１参照）により検出された発電機１２の出力Ｐがブレードピッチ角制御部２０内の判定部２１（図２参照）に入力されると、判定部２１は、この出力Ｐが過出力閾値以上であるか否かを判定する（図３のステップＳＡ１）。この結果、出力Ｐが過出力閾値未満であると判定された場合には（ステップＳＡ１において「ＮＯ」）、ピッチ角設定部２２は、通常の処理により最適なピッチ角を設定し（ステップＳＡ２）、設定したピッチ角をピッチ角指令θとしてピッチ角駆動機構４０に出力する（ステップＳＡ３）。

ここで、上記通常の処理とは、以下のようにして求められるものである。
ピッチ角設定部２２は、例えば、風速に基づいて最適なピッチ角を得るための関数式、或いはマップなどを備えており、これらの関数式又はマップなどを用いることにより、ピッチ角を設定する。なお、このようなピッチ角の設定手法については、このような例に限定されず、公知の手法を適用することが可能である。

一方、判定部２１により、出力Ｐが過出力閾値以上であると判定された場合には（ステップＳＡ１において「ＹＥＳ」）、ピッチ角設定部２２は、通常の処理により最適なピッチ角を設定する（ステップＳＡ４）。次に、設定したこの最適なピッチ角を出力に応じて決定される調整ピッチ角分、空力出力が減少するフェザー側に設定し（ステップＳＡ５）、このピッチ角をピッチ角指令θとしてピッチ角駆動機構４０に出力する（ステップＳＡ６）。更に、ピッチ角設定部２２は、このピッチ角指令θを出力Ｐに基づいて決定される所定の期間保持する。例えば、ピッチ角設定部２２は、タイマ機能などを保持しており、自己が上記ピッチ角θを出力してからの経過時間を計時し、ピッチ角θを所定の期間保持したか否かを判定する（ステップＳＡ７）。この結果、所定の期間保持した場合には（ステップＳＡ７において「ＹＥＳ」）、このピッチ角θの出力を解除し、本処理を終了する。
そして、上述したステップＳＡ１からステップＳＡ６の処理を所定の時間間隔で繰り返し実行することにより、出力に応じたピッチ角の制御を実現させる。
なお、上述したステップＳＡ７において、ピッチ角θを保持する期間は、固定期間でもよいし、発電機１２（図１参照）の出力Ｐに応じて適宜決定される期間でも良い。例えば、出力Ｐが大きいほど、この保持期間を短く設定するようにしても良い。

図２に示した上述のブレードピッチ角制御部２０は、例えば、図４に示すような制御ロジックにより実現することが可能である。
図４において、ピッチ角制御装置２０の判定部２１は、複数の比較部３１及び３２を備えて構成されている。また、ピッチ角設定部２２は、ピッチ角を所定の期間保持するための設定保持部２３と、風速に基づいて基準ピッチ角を決定する基準ピッチ角設定部２４と、出力に応じて基準ピッチ角を調整するピッチ角調整部２５と、最終的にピッチ角を決定するピッチ角決定部２６とを備えて構成される。

判定部２１の比較部３１及び４１は、発電機１２（図１参照）の瞬時出力Ｐが、各々に設定されている過出力閾値以上であるか否かを判定し、その判定結果に応じた信号を出力する。例えば、比較部３１には、過出力閾値として３５０ｋＷが設定されており、比較部３２には、過出力閾値として４５０ｋＷが設定されている。各比較部３１及び３２は、発電機１２の出力Ｐが、上記過出力閾値以上であった場合に「Ｈ」信号を、過出力閾値未満であった場合に「Ｌ」信号を出力する。

比較部３１及び３２からの信号は、設定保持部２３が備える各オフディレイ器２３１及び２３２に入力される。各オフディレイ器２３１及び２３２は、判定部２１の各過出力閾値のそれぞれに対応して設けられているとともに、過出力閾値に応じた保持時間が設定されている。ここでは、３５０ｋＷに対応して４０秒が設定されており、また、４５０ｋＷに対応して１０秒が設定されている。このように、過出力閾値が高いほど、保持時間は短く設定されている。オフディレイ器２３１及び２３２は、対応する比較部３１及び３２から「Ｈ」信号が入力されると、それぞれに設定されている所定の保持時間において「Ｈ」信号を継続して出力する。

基準ピッチ角設定部２４は、平均風速、例えば、１分間における平均風速に基づいて、基準ピッチ角を設定する。この基準ピッチ角設定部２４は、例えば、図５に示すような平均風速と基準ピッチ角との関係から導出される関数式を備えており、この関数式に平均風速を代入することにより、基準ピッチ角を算出し、この基準ピッチ角を出力する。ここで、図５に示すように、本実施形態においては、基準ピッチ角の上限値を−１０°としている。
なお、本実施形態では、１分間の平均風速に基づいてピッチ角を算出するようにしているが、採用される風速は、適宜設定することが可能である。例えば、平均ではなく、瞬時風速を用いても良いし、また、１分よりも長い時間における平均風速を用いるようにしても良い。基準ピッチ角設定部２４は、例えば、関数発生器を備えて構成されている。なお、上記関数式による基準ピッチ角の算出手法に代えて、図５に示したようなテーブルを備えており、このテーブルを参照することにより、基準ピッチ角を設定するようにしても良い。

上述したように設定された基準ピッチ角は、ピッチ角調整部２５に入力される。ピッチ角調整部２５は、発電機１２（図１参照）の出力Ｐに応じて、基準ピッチ角を調整する。具体的には、ピッチ角調整部２５は、基準ピッチ角を出力に応じた調整ピッチ角分、フェザー側に設定するものである。ここで、フェザー側とは、空力出力が低減する方向をいい、本実施形態においては、ブレードのピッチ角が−９０°に近くなるほど、風の抵抗が少なくなる。

ピッチ角調整部２５は、例えば、出力に応じてそれぞれ異なる調整ピッチ角を保持しており、基準ピッチ角にこの調整ピッチ角を加算して出力する複数の加算器２５１及び２５２を備えている。ここでは、調整ピッチ角として、出力３５０ｋＷ以上に対して、−５°が設定されており、出力４５０ｋＷ以上に対して、−１０°が設定されている。
出力３５０ｋＷに対応する加算器２５１は、発電機１２の出力Ｐがこの条件を満たす場合には、基準ピッチ角設定部２４から入力された基準ピッチ角に−５°を加算し、これを調整ピッチ角として出力する。
また、出力４５０ｋＷ以上に対応する加算器２５２は、発電機１２の出力Ｐがこの条件を満たす場合に、基準ピッチ角に−１０°を加算し、これを調整ピッチ角として出力する。
なお、上記条件を満たさない場合、例えば、出力Ｐが３５０ｋＷ未満の場合には、基準ピッチ角が、そのまま、調整ピッチ角として出力されることとなる。

ピッチ角決定部２６は、各過出力閾値に対応して設けられるスイッチ２６１及び２６２と、各スイッチにより選択されたピッチ角が入力され、これらのピッチ角の中から１つのピッチ角を選択する選択部２６３と、現時点におけるピッチ角を選択部２６３により選択されたピッチ角に所定の変化率以内で緩やかに変化させるための変化率リミッタとを備えている。

出力３５０ｋＷ以上に対応して設けられているスイッチ２６１には、３５０ｋＷに対応する設定保持期間が設定されているオフディレイ器２３１からの信号が入力されるとともに、ピッチ角の上限閾値である−１０°、並びに、ピッチ角調整部２５１により３５０ｋＷに対応する調整が行われたピッチ角が入力される。
スイッチ２６１は、オフディレイ器２３１からの信号が「Ｌ」の場合には、上限閾値である−１０°を選択し、「Ｈ」の場合には、調整ピッチ角を選択する。

同様に、出力４５０ｋＷ以上に対応して設けられているスイッチ２６２には、４５０ｋＷに対応する設定保持期間が設定されているオフディレイ器２３２からの信号が入力されるとともに、ピッチ角の上限閾値である−１０°、並びに、ピッチ角調整部２５２により４５０ｋＷに対応する調整が行われたピッチ角が入力される。
スイッチ２６２は、オフディレイ器２３２からの信号が「Ｌ」の場合には、上限閾値である−１０°を選択し、「Ｈ」の場合には、調整ピッチ角を選択する。

スイッチ２６１及び２６２の出力は、選択部２６３に入力される。選択部２６３は、入力されたピッチ角の中から最も値が小さいピッチ角を選択し、これを出力する。そして、選択部２６３により選択されたピッチ角は、変化率が所定の割合になるように変化率リミッタ２６４により調整されて、ピッチ角指令θとして図１に示したピッチ角駆動機構４０に出力される。

次に、上記構成からなるブレードピッチ角制御部２０の作用について説明する。
例えば、発電機１２（図１参照）の出力Ｐが３５０ｋＷ以上４５０ｋＷ未満の場合には、判定部２１の比較部３１から「Ｈ」信号がオフディレイ器２３１に出力され、これにより、オフディレイ器２３１から「Ｈ」信号が４０秒間出力される。
一方、判定部２１の比較部３２からは、「Ｌ」信号がオフディレイ器２３２に出力され、これにより、オフディレイ器２３２は、「Ｌ」信号を出力する。

オフディレイ器２３１からの「Ｈ」信号は、スイッチ２６１に入力され、これによりスイッチ２６１は、オフディレイ器２３１から「Ｈ」信号が入力されている期間、すなわち４０秒の期間において、ピッチ角調整部２５の加算器２５１から入力される調整ピッチ角を選択し続け、これを出力する。つまり、スイッチ２６１は、風速に基づいて算出された基準ピッチ角を出力に応じて決定された調整ピッチ角分（本実施形態では、−５°）、フェザー側に設定したピッチ角を４０秒間に渡って選択し、出力する。
一方、オフディレイ器２３２からの「Ｌ」信号は、スイッチ２６２に入力され、これにより、スイッチ２６２は、ピッチ角の上限閾値、すなわち、−１０°を選択し、出力する。

これにより、選択部２６３には、スイッチ２６１から入力される調整ピッチ角と、スイッチ２６２から入力されるピッチ角の上限閾値とが入力される。選択部２６３は、この中から小さいピッチ角を選択して出力する。ここで、本実施形態においては、基準ピッチ角は、図５に示すように、上限が−１０°となるように設定されていることから、ピッチ角がフェザー側に調整されている調整ピッチ角の方が小さいこととなる。従って、スイッチ２６１からの出力である調整ピッチ角が選択部２６３により選択され、この調整ピッチ角が変化率リミッタ２６４により緩やかに変化するピッチ角指令θとして、外部のピッチ角駆動機構４０（図１参照）に出力されることとなる。

同様に、発電機１２（図１参照）の出力が４５０ｋＷ以上であった場合には、判定部２１の比較部３１及び３２から「Ｈ」信号が出力される。この結果、スイッチ２６１により、４０秒間、ピッチ角調整部２５からの調整ピッチ角が選択され、スイッチ２６２により、１０秒間、ピッチ角調整部２５からの調整ピッチ角が選択されることとなる。そして、これらの調整ピッチ角は比較部２６３に入力されることとなる。これにより、最初の１０秒間においては、出力４５０ｋＷに対応して調整された調整ピッチ角が選択され、その後の３０秒間においては、出力３５０ｋＷに対応して調整された調整ピッチ角が選択されることとなる。そして、これらピッチ角は、変化率リミッタ２６４を経由して、ピッチ角指令θとしてピッチ角駆動機構４０（図１参照）に出力される。
これにより、図１に示す風車ブレード１０は、ピッチ角指令θに追従するように変動されることとなり、出力Ｐが過出力の場合には、ピッチ角が通常のピッチ角よりも風の抵抗が低減するフェザー側に動かされ、更に、所定の期間、このピッチ角が保持されることとなる。

次に、上述してきた本実施形態に係る風力発電装置の効果を図６から図９に示す。
図６は、本実施形態に係る風力発電装置におけるピッチ角速度の頻度分布を示した図、図７は、従来の風力発電装置におけるピッチ角速度の頻度分布を示した図、図８は、本実施形態に係る風力発電装置におけるピッチ角加速度の頻度分布を示した図、図９は、従来の風力発電装置におけるピッチ角加速度の頻度分布を示した図である。
これらの図に示されるように、本実施形態に係る風力発電装置では、従来の風力発電装置に比べて、ピッチ角速度及びピッチ角加速度において、０°を中心とする付近における頻度が高く、速度又は加速度が大きい領域における頻度は大幅に減少していることがわかる。これにより、本実施形態に係る風力発電装置によれば、ピッチ角の速度が緩やかに変化しており、ピッチ角駆動機構４０（図１参照）の変動荷重が低減しているといえる。
これにより、ピッチ角駆動機構４０の磨耗も減少していると考えられ、不具合発生率を大幅に低下させることができるといえる。

以上、述べてきたように、本実施形態に係る風力発電装置によれば、発電機１２の出力Ｐが、過出力閾値、例えば、３５０ｋＷ以上であるか否かが判定部２１により判定され、この結果、発電機１２の出力Ｐが過出力閾値以上であった場合には、ピッチ角設定部２２により、ブレードのピッチ角が風の抵抗が減少するフェザー側に設定され、このピッチ角が所定の期間保持される。これにより、ブレードピッチ角の変動が所定の期間停止されることとなるので、ブレードピッチ角の変動に起因するピッチ角駆動機構４０の変動荷重を低減させることが可能となる。

〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態に係る風力発電装置について、図１０を用いて説明する。
本実施形態の風力発電装置では、ブレードピッチ角制御部２０により行われるピッチ角制御が上述した第１の実施形態に係る風力発電装置と異なる。
以下、本実施形態に係るブレードピッチ角制御部２０について説明する。
図１０に示すように、本実施形態に係るブレードピッチ角制御部は、風速乱れ度算出部（算出手段）５１、判定部（判定手段）５２及び運転制御部（運転制御手段）５３を備えて構成されている。

風速乱れ度算出部５１は、例えば、風速計３０（図１参照）により検出された風速ｖに基づいて風速乱れ度を算出する。ここで、風速乱れ度は、風速の変動の程度を示す値であり、例えば、ある時間間隔の風速変動の標準偏差をその平均風速で割った値として算出される。本実施形態では、上記時間間隔として１０分を採用している。
この風速乱れ度としては、ＩＥＣ（風力発電システム第１部−安全基準−、ＩＥＣ６１４００−１）にて定められる乱れ強度ＴＩを採用することが可能である。

判定部５２は、風速乱れ度算出部５１により算出された風速乱れ度が、乱れ閾値以上か否かを判定し、この判定結果を出力する。ここで、乱れ閾値は、例えば、ＩＥＣのＷＧ（ワーキンググループ）により、経験的に統計データから決定された乱れ閾値を採用することが可能である。本実施形態では、例えば、乱れ閾値を０．２に設定している。

運転制御部５３は、判定部５２により、風速乱れ度が乱れ閾値以上であると判定された場合に、風車の運転、例えば、風車ブレード１０の回転運転を所定の期間停止させる。具体的には、運転制御部５３は、図示しない風車の制御装置に対して、所定の期間、風車の運転を停止させる旨を示す運転停止指令を出力する。

次に、上述した構成を備えるピッチ角制御部の作用について、図１１を参照して説明する。
まず、風速乱れ度算出部５１に、風速計３０（図１参照）により検出された風速が入力されると、風速乱れ度算出部５１は、自己が保有する演算式に基づいて、風速乱れ度を算出し、これを出力する（ステップＳＢ１）。
風速乱れ度算出部５１からの風速乱れ度は、判定部５２に入力される。判定部５２は、入力された風速乱れ度が予め設定されている乱れ閾値、本実施形態では、０．２以上であるか否かを判定し、この判定結果を出力する（ステップＳＢ２）。
この判定結果は、運転制御部５３に入力され、風速の乱れ度が乱れ閾値以上であった場合には（ステップＳＢ２において「ＹＥＳ」）、運転制御部５３により風車の制御装置（図示略）に対して、所定の期間、運転停止指令が出力される（ステップＳＢ３）。これにより、風速の乱れ度が乱れ閾値以上であった場合には、所定の期間において、風車の運転が停止されることとなり、ブレードピッチ角の制御についても、同期間において、停止されることとなる。なお、所定の期間は、固定の期間であってもよいし、風速乱れ度に応じて決定される期間であっても良い。また、風速変動が一定の範囲内に収束するなど、所定の条件を満たした場合に、風車の運転を再開させるような制御を行うようにしても良い。

次に、上述した風速乱れ度算出部５１などは、図１２に示すような制御ロジックにより構成することが可能である。
図１２は、本実施形態に係るブレードピッチ角制御部２０の風速乱れ度算出部５１及び判定部５２の一構成例を示す図である。この図に示すように、図１２に示す制御ロジックでは、上述したように、判定部５２が風速乱れ度と乱れ閾値とを比較するのではなく、風速乱れ度に代わって、変動風速の分散を採用している。ここで、変動風速の分散は、風速乱れ度を算出するためのパラメータの１つである。
このように、風速乱れ度ではなく、変動風速の分散に基づいて、風速乱れ度が大きいか否かを判断するため、上述において乱れ閾値として設定されていた０．２に対応する変動風速の分散の閾値を算出する必要が生ずる。そこで、図１２に示す制御ロジックにおいては、判定部５２の前段に、乱れ閾値０．２に対応する変動風速の分散閾値を算出するための分散閾値算出部６０を設けている。そして、判定部５２は、風速に基づいて算出された変動風速の分散が、分散閾値算出部６０により算出された分散閾値以上であるか否かを判定することにより、風速乱れ度が乱れ閾値以上であるか否かを判定する。
以下、図１２に示したブレードピッチ角制御部２０について説明する。

図１２に示すように、本実施形態に係るブレードピッチ角制御部２０の風速乱れ度算出部５１なるものは、瞬時風速が入力されるローパスフィルタ５１１と、ローパスフィルタ５１１の出力と瞬時風速との差分を算出する減算器５１２と、減算器５１２の絶対値を採用する絶対値算出部５１３と、絶対値算出部５１３の出力を２乗する乗算器５１４と、乗算器５１４の出力が入力されるＰＩ制御器５１５とを備えて構成されている。
一方、上記分散閾値算出部６０は、ローパスフィルタ５１１の出力に基づいてＩＥＣに基づく変動風の標準偏差を算出する関数発生器６１と、関数発生器６１の出力を２乗する乗算器６２とを備えている。
上記関数発生器６１は、例えば、以下の（１）式で与えられる関数式を備えており、この関数式にローパスフィルタ５１１から出力された値を入力することにより、乱れ閾値０．２に対する変動風速の標準偏差σの閾値を求める。
σ＝０．０６・（１５＋２・ｖ） （１）
上記（１）式において、ｖは、平均風速である。

次に、上記制御ロジックにおける作用を説明する。
まず、風速計３０（図１参照）により計測された瞬時風速は、ローパスフィルタ５１１に入力され、ローパスフィルタ５１１により、ノイズ成分が除去されて、平均風速に近い風速とされる。このローパスフィルタ５１１を通過した平均風速に近い風速は、風速乱れ度算出部５１の減算器５１２、並びに、分散閾値算出部６０の関数発生器６１に出力される。

上記風速乱れ度算出部５１の減算器５１２には、上記ローパスフィルタ５１１の出力のほか、風速計３０（図１参照）により計測された瞬時風速が直接的に入力される。ここで、図１３に、減算器５１２に入力される瞬間風速の一例、及び、この瞬間風速がローパスフィルタ５１１を通過した後の平均風速に近い風速の一例を示す。
減算器５１２は、入力された瞬間風速と平均風速との差分を算出し、換言すると、風速変動を抽出し、これを出力する。この風速変動は、絶対値算出部５１３に入力される。ここで、図１４に、減算器５１２に入力される風速変動の一例を示す。

絶対値算出部５１３は、風速変動のマイナス分を反転し、出力する。反転後の風速変動は、乗算器５１４に入力される。乗算器５１４は、反転後の風速変動を２乗して出力する。乗算器５１４からの信号は、ＰＩ制御器５１５に入力され、これにより風速変動の２乗の実効値、換言すると、変動風速の分散が算出される。このＰＩ制御器５１５の出力である変動風速の分散は、判定部５２に出力される。図１５に、図１４に示した風速変動に基づいて算出された変動風速の分散を示す。

一方、分散閾値算出部６０においては、関数発生器６１により、ローパスフィルタ５１１から出力された平均風速に近い風速に基づく変動風速の標準偏差σが上述の（１）式に基づいて算出され、この変動風速の標準偏差σが乗算器６２により２乗され、この結果、平均風速から与えられる乱れ強度２．０のときの変動風速の分散閾値が算出される。ここで、図１５に、図１３に示した平均風速に近い風速から与えられる乱れ強度２．０のときの変動風速の分散閾値を示す。この分散閾値は、判定部５２に出力される。

このようにして、判定部５２には、風速乱れ度算出部５１の出力である変動風速の分散と、分散閾値算出部６０の出力である分散閾値とが入力される（図１５参照）。
判定部５２は、両者を比較し、この結果、変動風速の分散が分散閾値以上であった場合には、乱れ度が大きいと判断して、「Ｈ」信号を出力する。一方、変動風速の分散が分散閾値未満であった場合には、乱れ度が小さいと判断して「Ｌ」信号を出力する。この結果、図１６に示すような信号が出力される。
そして、判定部５２の出力は、ＡＮＤ回路７１に入力され、ここで、他の条件、例えば、１分間における発電機１２の平均出力が定格出力の９０％以上、１分間における平均風速が１５ｍ／ｓ以上であるなどの条件を全て満たす場合に、「Ｈ」信号がＡＮＤ回路７１から出力される。そして、ＡＮＤ回路７１の出力が「Ｈ」である場合に、運転制御部５３（図１０参照）により、風車の制御装置に対して運転停止指令が所定の期間に渡って出力される。
これにより、風車の制御装置により、風車の制御、例えば、風車ブレード１０の回転運転が所定の期間（例えば、風速乱れ度が閾値以下になって１時間）に渡り停止され、これにより、ブレードピッチ角の制御についても停止されることとなる。

以上、述べてきたように、本実施形態に係る風力発電装置によれば、風速乱れ度が乱れ閾値以上であった場合に、風車の運転、例えば、風車ブレードの回転運転が所定の期間停止される。これにより、風速の乱れ度が大きく、運転と停止とが交互に頻繁に訪れるような風況の場合には、所定の期間、風車の運転を停止することにより、ブレードのピッチ角制御を停止させることが可能となる。この結果、ピッチ角駆動機構４０の変動荷重を低減させることができるとともに、風車の運転を安定させることができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
第１に、本発明の風力発電装置は、上述した第１の実施形態に係るブレードピッチ角制御部の機能と、第２の実施形態に係るブレードピッチ角制御部とを兼ね備えていても良い。
第２に、上述してきたブレードピッチ角制御部２０は、内部に、コンピュータシステムを有していても良い。この場合、上述したブレードピッチ角制御部２０に関する一連の処理の過程、例えば、図３に示した処理内容、及び図１１に示した処理内容を実現するための処理手順が、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理を実現させる。
例えば、ピッチ角制御部２０における各部の機能は、ＣＰＵ等の中央演算処理装置がＲＯＭやＲＡＭ等の主記憶装置に上記プログラムを読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、実現されるものとしても良い。
ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしても良い。

第３に、第１の実施形態に係るブレードピッチ角制御部において、過出力閾値は複数設けても良く、この閾値は適宜設定変更可能であるものとする。
第４に、上述した第２の実施形態に係る風力発電装置では、風速乱れ度が大きい場合には、風車の運転を停止、例えば、ブレードの回転運転を停止させていたが、これに代わって、ブレードの回転を通常よりも低速となるように運転するようにしてもよい。
第５に、第２の実施形態に係るブレードピッチ角制御部において、運転制御部が風車の運転を停止させる所定の期間は、例えば、風車の累積運転期間に基づいて決定されても良い。
第６に、本発明に係る風力発電装置の構成は、図１に示される構成に限定されることなく、公知の風力発電装置に適用可能なものであり、例えば、可変速型風力発電装置にも適用することが可能である。

本発明の第１の実施形態に係る風力発電装置の概略構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るブレードピッチ角制御部の概略構成を示すブロック図である。 図２に示したブレードピッチ角制御部の作用を示したフローチャートである。 図２に示したブレードピッチ角制御部を実現するための一制御ロジックを示した図である。 図４の基準ピッチ角設定部が備える関数式について説明するための平均風速と基準ピッチ角との関係を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る風力発電装置におけるピッチ角速度の頻度分布を示した図である。 従来の風力発電装置におけるピッチ角速度の頻度分布を示した図である。 本発明の第１の実施形態に係る風力発電装置におけるピッチ角加速度の頻度分布を示した図である。 従来の風力発電装置におけるピッチ角加速度の頻度分布を示した図である。 本発明の第２の実施形態に係るブレードピッチ角制御部の概略構成を示すブロック図である。 図１０に示したブレードピッチ角制御部の作用を示したフローチャートである。 図１０に示したブレードピッチ角制御部を実現するための一制御ロジックを示した図である。 図１２の減算器に入力される瞬時風速と平均風速に近い風速の一例を示した図である。 減算器５１２に入力される風速変動の一例を示した図である。 図１４に示した風速変動に基づいて算出された変動風速の分散を示す図である。 図１２の判定部から出力される信号の一例を示した図である。

符号の説明

１０ 風車ブレード
１１ 風車ロータ
１２ 発電機
２０ ブレードピッチ角制御部
２１ 判定部
２２ ピッチ角設定部
２３ 設定保持部
２４ 基準ピッチ角設定部
２５ ピッチ角調整部
２６ ピッチ角決定部
４０ ピッチ角駆動機構
３０ 風速計
３１ 出力センサ
５１ 風速乱れ度算出部
５２ 判定部
５３ 運転制御部

Claims (9)

1. 風車ブレードのピッチ角を制御するブレードピッチ角制御手段を具備する風力発電装置であって、
   前記ブレードピッチ角制御手段は、
   出力を検出する出力検出手段により検出された前記出力が、過出力であるかを判断するための過出力閾値以上か否かを判定する判定手段と、
   前記出力が前記過出力閾値以上であった場合に、前記ブレードのピッチ角を空力出力が減少するフェザー側に設定するとともに、このピッチ角を所定の期間保持させるピッチ角設定手段と
   を具備する風力発電装置。
2. 前記ピッチ角設定手段は、前記出力が前記過出力閾値以上であった場合に、前記ブレードのピッチ角を前記風力発電装置の出力に基づいて決定される調整ピッチ角分、フェザー側に設定する請求項１に記載の風力発電装置。
3. 前記ピッチ角設定手段は、前記出力に基づいて決定される前記所定の期間において、前記ピッチ角をフェザー側に保持する請求項１又は請求項２に記載の風力発電装置。
4. 風速を検出する風速検出手段と、
   前記風速検出手段によって検出された風速に基づいて風速乱れ度を算出する算出手段と、
   前記算出手段により算出された前記風速乱れ度が、風速の乱れが大きかを判断するための乱れ閾値以上か否かを判定する判定手段と、
   前記風速乱れ度が前記乱れ閾値以上であった場合に、風車の運転を所定の期間停止させる運転制御手段と
   を具備する風力発電装置。
5. 前記乱れ閾値は、前記風速検出手段によって検出された風速に基づいて決定される請求項４に記載の風力発電装置。
6. 前記運転制御手段は、前記風速乱れ度が前記乱れ閾値以上であった場合に、累積運転期間に基づいて決定される前記所定の期間、前記風車の運転を停止させる請求項４又は請求項５に記載の風力発電装置。
7. 前記運転制御手段は、前記風速の変動幅が所定の範囲内になった場合に、前記風車の運転を再開させる請求項４又は請求項５に記載の風力発電装置。
8. 風速を検出する過程と、
   前記風速に基づいて風速乱れ度を算出する過程と、
   前記風速乱れ度が、風速の乱れが大きかを判断するための乱れ閾値以上か否かを判定する過程と、
   前記風速乱れ度が前記乱れ閾値以上であった場合に、風車の運転を所定の期間停止させる過程と
   を具備する風力発電装置の制御方法。
9. 風車ブレードのピッチ角を制御するブレードピッチ角制御方法であって、
   前記風車ブレードが受けた風力エネルギを電気エネルギに変換する風力発電装置の出力を検出する過程と、
   前記出力が、過出力であるか否かを判定するための過出力閾値以上か否かを判定する過程と、
   前記出力が前記過出力閾値以上であった場合に、前記ブレードのピッチ角を風の抵抗が減少するフェザー側に設定するとともに、このピッチ角を所定の期間保持させる過程と
   を具備するブレードピッチ角制御方法。

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