JP2007064062A - Horizontal axis windmill - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アップウィンド型の水平軸風車における暴風時の待機に関する。 The present invention relates to standby in a storm in an upwind type horizontal axis wind turbine.
周知のように、いわゆる水平軸風車が商業用に広く実用化されている。一般的な水平軸風車は、少なくとも2枚以上のブレードがハブから放射状に取付けられてなるロータと、ハブに接続されるとともに略水平方向に延在された主軸を介してこのロータを軸支するナセルと、略鉛直方向に設置されるとともにナセルをヨー回転自在に支持するタワーとを有して構成される。
加えて、ナセルのヨー回転を自在に駆動制御可能なヨー駆動手段、ヨー回転を制動するヨーブレーキ、ロータの回転を制動する主軸ブレーキ等の制御手段を水平軸風車に設けることも従来より行われている。
また、今日の商業風車のほぼすべては、アップウィンド型の水平軸風車の構成をとっている。アップウィンド型の水平軸風車は、タワーの風上側に配置されたロータが回転して発電する構成の水平軸風車である。
As is well known, so-called horizontal axis wind turbines are widely used for commercial purposes. A general horizontal axis wind turbine supports the rotor via a rotor in which at least two blades are attached radially from a hub, and a main shaft that is connected to the hub and extends in a substantially horizontal direction. It has a nacelle and a tower that is installed in a substantially vertical direction and supports the nacelle in a yaw-rotatable manner.
In addition, it has also been conventionally performed to provide control means such as a yaw driving means that can freely control yaw rotation of the nacelle, a yaw brake that brakes the yaw rotation, and a main shaft brake that brakes the rotation of the rotor in the horizontal axis wind turbine. ing.
Almost all commercial wind turbines today have an upwind horizontal axis wind turbine configuration. The upwind type horizontal axis wind turbine is a horizontal axis wind turbine configured to generate electricity by rotating a rotor disposed on the windward side of the tower.
通常、風車の設計強度は暴風中の待機状態の際に受ける荷重に大きく影響を受ける。暴風時の風車荷重は停電も併発することを想定して設定する必要がある。以下、水平軸風車の待機方法に関する従来技術1〜6について説明する。
Usually, the design strength of a windmill is greatly influenced by the load received during a standby state during a storm. It is necessary to set the windmill load during a storm assuming that a power outage will also occur. Hereinafter,
〔従来技術1〕
従来技術1は、一般的なアップウィンド・ストール制御風車であり、主軸をブレーキで固定して暴風時に待機するものである。待機時にヨーを固定することが基本である。その中にはヨー制御をしてロータを風向きに平行にして、荷重低減を図るものもある。ヨー制御可能であっても、ヨー制御に必要な電源が遮断される場合や、ヨー制御に関するいずれかの機器に故障が生じた場合は、全方位からの暴風を受ける可能性がある。したがって、全方位からの暴風を想定して設計する必要がある。一般にストール制御機の場合、正面ならびに背面からの暴風時に大きな荷重が発生する。
[Prior art 1]
〔従来技術2〕
従来技術2は、一般的なアップウィンド・ピッチ制御機であり、ロータを遊転、ヨーを固定して暴風時に待機するものである。ピッチ制御機の中には、ヨー制御をしてロータを風上に向け、荷重低減を図るものもあるが、これはヨー制御に必要な電源があるとともに、各機器が故障なく機能していることが前提となる。一般にピッチ制御機の場合、横風ならびに斜め前方/後方から暴風時に大きな荷重が発生する。図3に示すモデルAは、従来技術2の待機形態に該当する。
[Prior art 2]
〔従来技術3〕
従来技術3は、アップウィンド・ピッチ制御機であり、全翼のフェザーを確保した後に、ナセル方位角をヨー制御により約180[deg]反転させ、弱いヨーブレーキで保持して暴風時に待機するものである(例えば、非特許文献1参照)。これにより、暴風時にはロータが風下に靡き、タワーへの荷重を軽減することができる。従来技術3の待機形態は外観上、従来技術5と同様である。図3に示すモデルBは、従来技術3及び5の待機形態に該当する。
[Prior art 3]
〔従来技術4〕
従来技術4は、ダウンウィンド風車・ピッチ制御機であり、全翼のフェザーを確保し、ロータを遊転させ、フリーヨーとして暴風時に待機するものである。これにより、暴風時には、ロータが風下に靡き、タワー頂部に作用する荷重を低減できる。従来技術4の待機形態は外観上、本発明実施例及び従来技術6と同様である。図3に示すモデルCは、本発明実施例の待機形態であり、従来技術4及び6の待機形態もこれに該当する。
[Prior Art 4]
〔従来技術5〕
従来技術5は特許文献1に記載され、ダウンウィンド風車・ピッチ制御機であり、全翼のフェザーを確保したのち、ピッチ角を翼1枚ずつ約180[deg]変角して、フリーヨーで暴風時に待機するものである。翼前縁からの風を受ける場合と比較して、後縁から風を受ける場合は最大揚力係数が大幅に減少し、また、ヨー保持トルクも小さいので、その他の部位に発生する荷重も小さくなる。従来技術5の待機形態は外観上、従来技術3と同様である。図3に示すモデルBは、従来技術3及び5の待機形態に該当する。
[Prior art 5]
〔従来技術6〕
従来技術6は特許文献2に記載され、アップウィンド風車・ピッチ制御機であり、全翼のフェザーを確保したのち、ピッチ角を翼1枚ずつ約180[deg]変角して、フリーヨーで暴風時に待機するものである。翼後縁から風を受けることがなくなり、荷重が低減する。超大型機などの低剛性翼の場合に有効である。従来技術6の待機形態は外観上、本発明実施例及び従来技術4と同様である。図3に示すモデルCは、本発明実施例の待機形態であり、従来技術4及び6の待機形態もこれに該当する。
2MWクラスの風車でも、上記の従来技術により、風車のスケールに合わせて上手く設計すれば強度問題は回避できる。しかし、今後、一層大型化が進むと翼の剛性はますます低下し、固有振動数が低くなるため、特に翼後縁付近から暴風を受ける場合にフラッタが発生し翼に大きな荷重が発生しやすくなるという問題が予想される。
以上のような低剛性の翼を持つ場合、従来技術1〜3のアップウィンド型水平軸風車では、暴風時待機形態によらず、翼後縁付近からの暴風を避けることができず、フラッタが発生する可能性が高くなる。発生が予想されるフラッタのモードは下記の二種類である。
失速フラッタ:翼の失速領域では迎角に対する揚力傾斜が負になり、この領域で空力項が負のダンピング効果を与え、不安定傾向を高める。これは捩り剛性の高い翼でも発生する。
曲げ・捩り連成フラッタ:翼は非対称で長大な構造物であるため、曲げに捩りが連成して発生する。特に翼後縁付近からの暴風を受ける場合に翼が荷重を受け曲がるが、これに捩りを連成するため翼に流入する迎角が変化し、不安定傾向になりやすい。これは捩り剛性の高い翼ではほとんど発生しない。
Even with a 2 MW class windmill, the strength problem can be avoided if it is well designed according to the scale of the windmill using the above-mentioned conventional technology. However, as the size of the blade further increases in the future, the rigidity of the blade will further decrease, and the natural frequency will decrease. The problem of becoming is expected.
In the case of having the low-rigid wings as described above, the upwind horizontal axis wind turbines of the
Stall flutter: The lift gradient with respect to the angle of attack becomes negative in the stall region of the wing, and the aerodynamic term gives a negative damping effect in this region, increasing the instability tendency. This occurs even on wings with high torsional rigidity.
Bending / twisting flutter: Since a wing is an asymmetrical and long structure, twisting occurs in bending. In particular, when a storm from the vicinity of the trailing edge of the blade is received, the blade is bent under a load. However, since the torsion is coupled to this, the angle of attack flowing into the blade is changed, and it tends to be unstable. This rarely occurs on wings with high torsional rigidity.
従来技術6のアップウィンド型水平軸風車は、大型化に伴う上記問題に解決を与えたものである。しかし、従来技術6のアップウィンド型水平軸風車は、ブレードのピッチ角をそれぞれ独立に制御する独立ピッチ制御装置ならびに複雑な操舵シーケンスを必要とする。そのため、上記問題の解決は、独立ピッチ制御装置を有し、複雑な操舵シーケンスが可能なアップウィンド型水平軸風車に限定される。
The upwind horizontal axis wind turbine of the
本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、アップウィンド型の水平軸風車において、ブレードのピッチ角をそれぞれ独立に制御する独立ピッチ制御装置の有無、ならびに、複雑な操舵シーケンスの可否に拘わらず、暴風時にロータ及びブレード後縁が風下に靡く待機形態を確保でき、この待機形態によりブレード後縁から暴風を避けてフラッタの発生を低減し、ひいてはブレードその他の暴風時設計荷重を低減することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems in the prior art. In an upwind type horizontal axis wind turbine, the presence / absence of an independent pitch control device for independently controlling the pitch angle of the blade, and complicated steering Regardless of whether or not the sequence is possible, it is possible to secure a standby mode in which the rotor and blade trailing edge winds down in the wind during a storm. This standby mode avoids storms from the blade trailing edge and reduces flutter generation. The object is to reduce the load.
以上の課題を解決するための請求項1記載の発明は、ハブと少なくとも2枚以上のブレードとを有するロータと、
前記ハブに接続された主軸を介して前記ロータを軸支するナセルと、
前記ナセルをヨー回転自在に支持するタワーと、
前記ブレードのピッチ角を制御するピッチ制御装置と、
前記ナセルのヨー回転を制御するヨー制御装置とを備え、
所定値以下の風速時に前記ヨー制御装置の制御により前記ロータを前記タワーより風上に配置し前記ロータの回転を介して風力を利用する運転モードと、前記所定値を超える風速時に前記運転モードに備えて待機する待機モードとを有するアップウィンド型の水平軸風車において、
(1)前記ピッチ制御装置は、すべての前記ブレードをフェザーにする第1ステップと、前記第1ステップ後にすべての前記ブレードを反転フェザーにする第3ステップと、前記第3ステップ後から前記運転モードの復帰まですべての前記ブレードを反転フェザーの状態に保持するステップとからなる制御動作を有し、
(2)前記ヨー制御装置は、前記第3ステップに同期して前記ロータに対する正面風及び背面風を避けた所定のヨー角範囲内に前記ナセルのヨー角を制御する第2ステップと、前記第2ステップ後から前記運転モードの復帰まで風力により前記ナセルに負荷されるヨー軸周りのトルクによるヨー回転を許容する制動値にヨーブレーキを制御するステップとからなる制御動作を有し、
前記待機モードとして、前記(1)(2)の制御動作を実行することを特徴とする水平軸風車である。
The invention according to
A nacelle that pivotally supports the rotor via a main shaft connected to the hub;
A tower that supports the nacelle in a yaw-rotating manner;
A pitch control device for controlling the pitch angle of the blade;
A yaw control device for controlling the yaw rotation of the nacelle,
When the wind speed is less than or equal to a predetermined value, the rotor is placed upwind from the tower under the control of the yaw control device, and wind power is used through rotation of the rotor, and the operation mode is entered when the wind speed exceeds the predetermined value. In an upwind type horizontal axis wind turbine having a standby mode for preparing and waiting,
(1) The pitch control device includes a first step in which all the blades are feathered, a third step in which all the blades are reversed feathers after the first step, and the operation mode after the third step. Holding all the blades in a reverse feather state until the return of
(2) The yaw control device controls a yaw angle of the nacelle within a predetermined yaw angle range that avoids front wind and back wind with respect to the rotor in synchronization with the third step; A control operation comprising a step of controlling the yaw brake to a braking value that allows yaw rotation by the torque around the yaw axis that is loaded on the nacelle by wind force from the second step to the return to the operation mode,
A horizontal axis wind turbine characterized in that the control operations (1) and (2) are executed as the standby mode.
請求項2記載の発明は、前記前記所定のヨー角範囲は、風上に対して+75〜+110[deg]又は−75〜−110[deg]であることを特徴とする請求項1記載の水平軸風車である。
The invention according to
請求項3記載の発明は、前記第3ステップにおいて前記ピッチ制御装置は、すべての前記ブレードを同時に反転フェザーにすることを特徴とする請求項1記載の水平軸風車である。
The invention according to
本発明によれば、風速が所定値を超え、発電等のための風車の運転に備えて待機する時に、第1ステップによりすべてのブレードをフェザーにすることにより、暴風による負荷荷重を低減することができる。この第1ステップによりすべてのブレードの後縁がタワー側を向いた状態となり、その後の第3ステップによりすべてのブレードを反転フェザーにすることにより、ブレードの前縁がタワー側を向いた状態となる。
第2ステップにより、第3ステップに同期してロータに対する正面風及び背面風を避けた所定のヨー角範囲内にナセルのヨー角が制御されるから、ブレードをフェザーの状態からフルフラットを経て反転フェザーにするピッチ変角過程において、ロータの回転軸が風向から逸れている分、暴風によるロータの過回転、暴風による負荷荷重を抑えることができる。
所定のヨー角範囲は、±90[deg]を含む範囲であり、暴風を避けるためには±90[deg]を含みより狭い範囲であることが好ましいが、狭すぎると制御の収束に長い時間を要する。例えば、風上に対して+75〜+110[deg]又は−75〜−110[deg]とすることにより実現でき、十分な暴風回避効果を得ることができる。
以上のように第1〜第3ステップの実行により暴風を避けつつ、ブレードの前縁がタワー側を向いた状態となった後は、運転モードの復帰まですべてのブレードを反転フェザーの状態に保持するとともに、風力によりナセルに負荷されるヨー軸周りのトルクによるヨー回転を許容する制動値にヨーブレーキを制御する。そのため、強風が続く限り、ナセルが横風又は斜め風を受けその風力によりナセルに負荷されるヨー軸周りのトルクが発生し、ロータがタワーの風下に配置されるようにナセルがヨー回転し、ロータをタワーより風下に靡かせることができる。
ロータがタワーより風下に配置されると、既にすべてのブレードの前縁がタワー側を向いた状態にあり、これを保持しているから、すべてのブレードは前縁から風を受けることとなり、フラッタの発生を避けブレードに負荷される荷重を低減することができる。
以上のようにして暴風を避けつつロータ及びブレード後縁が風下に靡く待機形態を確保でき、この待機形態によりブレード後縁からの暴風を避けてフラッタの発生を低減し、ひいてはブレードその他の暴風時設計荷重を低減することができるという効果がある。
According to the present invention, when the wind speed exceeds a predetermined value and when waiting for the operation of the wind turbine for power generation or the like, the load load due to the storm is reduced by making all the blades feather in the first step. Can do. By this first step, the trailing edge of all the blades faces the tower side. By the third step, all the blades are inverted feathers so that the leading edge of the blade faces the tower side. .
In the second step, the nacelle yaw angle is controlled within a predetermined yaw angle range that avoids the front wind and back wind with respect to the rotor in synchronization with the third step. In the process of changing the pitch of the feather, the rotor rotation axis deviates from the wind direction, so that it is possible to suppress the rotor over-rotation due to the storm and the load load due to the storm.
The predetermined yaw angle range is a range including ± 90 [deg], and is preferably a narrower range including ± 90 [deg] in order to avoid a storm, but if it is too narrow, it takes a long time to converge control. Cost. For example, it can be realized by setting +75 to +110 [deg] or −75 to −110 [deg] with respect to the windward, and a sufficient storm avoidance effect can be obtained.
As described above, while performing the first to third steps, avoiding the storm, and after the leading edge of the blade has turned to the tower side, keep all the blades in the inverted feather state until the operation mode returns. At the same time, the yaw brake is controlled to a braking value that allows yaw rotation by the torque around the yaw axis loaded on the nacelle by the wind force. Therefore, as long as the strong wind continues, the nacelle receives a cross wind or a slant wind, generates torque around the yaw axis that is loaded on the nacelle by the wind force, and the nacelle yaw rotates so that the rotor is arranged leeward of the tower. Can be blown downwind from the tower.
When the rotor is placed leeward from the tower, the leading edge of all the blades is already facing the tower side and holds it, so all the blades receive wind from the leading edge and flutter Thus, the load applied to the blade can be reduced.
As described above, it is possible to secure a standby mode in which the rotor and the trailing edge of the blade are leeward while avoiding a storm. This standby mode avoids a storm from the trailing edge of the blade and reduces the occurrence of flutter. There is an effect that the design load can be reduced.
好ましくは、第3ステップにおいてピッチ制御装置は、すべてのブレードを同時に反転フェザーにする。すべてのブレードを迅速に反転フェザーの状態に移行することができるからである。また、独立ピッチ制御装置を有さず、ブレードのピッチ角を一括にしか制御できない風車においても実行可能である。この場合、ピッチ角を1枚ごとに操舵する複雑なシーケンスを必要としない。 Preferably, in the third step, the pitch control device simultaneously turns all the blades into reverse feathers. This is because all the blades can be quickly shifted to the inverted feather state. It can also be implemented in a wind turbine that does not have an independent pitch control device and that can control the pitch angle of the blades only in a lump. In this case, a complicated sequence for steering the pitch angle one by one is not required.
以下に本発明の一実施の形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。図1は、本実施形態のアップウィンド型水平軸風車を上から見た平面図である。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The following is one embodiment of the present invention and does not limit the present invention. FIG. 1 is a plan view of an upwind horizontal axis wind turbine according to this embodiment as viewed from above.
図1に示すように、本実施形態の水平軸風車は、タワー1と、ナセル2と、ハブ3と、3枚のブレード4a〜4cを備える。
ナセル2はハブ3に接続された主軸(図示略)を介してハブ3とブレード4a〜4cからなるロータを軸支する。タワー1は、ナセル2をヨー回転自在に支持する。
また、ナセル2の外面には図示しない風速計及び風向計が取り付けられている。
As shown in FIG. 1, the horizontal axis windmill of this embodiment is provided with the
The
An anemometer and an anemometer (not shown) are attached to the outer surface of the
ナセル2の内側には、図示しない増速機、発電機、および主軸ブレーキなどの動力伝達装置が収納されており、これらの各動力伝達装置には、主軸が連結されている。
Inside the
主軸は、その先端がナセル2の外部に突出しており、この主軸の先端にはロータが、主軸とともに回転するように取り付けられている。
The main shaft has a tip protruding outside the
ロータは、中心部に主軸と連結されたハブ3を有しており、ハブ3の回転方向の周面には、3枚のブレード4a〜4cが放射状に取り付けられている。なお、ブレード4a〜4cの翼形は非対称に形成されている。
The rotor has a
図2(a)は、本実施形態のアップウィンド型水平軸風車に搭載される制御部の構成のうち、本件に関連のある部分を示すブロック図である。
図2(a)に示すように、本実施形態の水平軸風車の制御部は、風向計10、風速計13、制御装置16、ピッチ駆動装置11、ヨー駆動装置14から構成される。制御装置16には、ピッチ制御装置12とヨー制御装置15とが備えられている。
FIG. 2A is a block diagram showing a portion related to the present case in the configuration of the control unit mounted on the upwind type horizontal axis wind turbine of the present embodiment.
As shown in FIG. 2A, the control unit of the horizontal axis wind turbine according to the present embodiment includes an
ヨー駆動装置14は、ナセル2のヨー角を検出し、ヨー回転を駆動するとともに、ヨー回転を制動する図示しないヨーブレーキを備える。ヨー制御装置15は、ヨー駆動装置14に制御信号を与えてナセル2のヨー角を制御する。
The
ピッチ駆動装置11は、ブレード4a〜4cのピッチ角を回転駆動する。ピッチ制御装置12は、ピッチ駆動装置11に制御信号を与え、ブレード4a〜4cのピッチ角を制御する。各ブレード4a〜4cは、少なくとも180度自在に制御される。
ブレード4a〜4cのピッチ制御は、ブレード毎に独立に制御可能なものであっても全ブレード一括にのみ制御可能なものであっても良い。本発明を実施するためには、ブレード毎に独立に制御可能である必要はなく、180度回転できれば全ブレードを一括して制御可能であっても足りる。後者の場合は機械及び制御装置の構成が簡素化される。勿論、ブレード毎に独立に制御可能なものであっても本発明を適用できる。
なお、ピッチ角とは、ハブに対するブレードの取り付け角度であり、本稿では、効率が最大となる角度を0[deg]としている。
The
The pitch control of the
Note that the pitch angle is the angle at which the blade is attached to the hub, and in this paper, the angle at which the efficiency is maximum is 0 [deg].
図2(b)は、ヨー角−ピッチ角平面座標上における過回転存在域とこれを回避する制御ステップとを示した図である。図2(b)に示すように、横軸をヨー角、縦軸をピッチ角とした平面座標上に、風速40[m/sec]の風況下でロータが20[rpm]以上の回転に達する過回転存在域B1,B2が分布する。図2(b)に基づき本実施形態においては、過回転存在域B1,B2を避けた+75〜+110[deg]又は−75〜−110[deg] をヨー角範囲Aと定め、下記のように待機モードを実行する。ヨー角範囲A内においては、如何なるピッチ角でも、過回転に達することはない。
なお、ピッチ角90[deg]ではブレード4a〜4cの後縁がタワー1側を向き、ピッチ角−90[deg]ではブレード4a〜4cの前縁がタワー1側を向く。ヨー角0[deg]では、ロータはタワー1の風上にあり正面から風を受ける。
FIG. 2B is a diagram showing an over-rotation existence area on the yaw angle-pitch angle plane coordinates and a control step for avoiding this. As shown in FIG. 2 (b), the rotor rotates at 20 [rpm] or more under a wind condition of 40 [m / sec] on a plane coordinate with the horizontal axis as the yaw angle and the vertical axis as the pitch angle. The reaching over-rotation existence areas B1 and B2 are distributed. In the present embodiment based on FIG. 2 (b), +75 to +110 [deg] or −75 to −110 [deg] avoiding the over-rotation existence regions B1 and B2 is determined as the yaw angle range A, as follows: Perform standby mode. In the yaw angle range A, no excessive rotation is reached at any pitch angle.
At a pitch angle of 90 [deg], the trailing edges of the
通常、商業用の風力発電においては、機械的強度、発電効率、および安全面を考慮して、発電に適する風速帯域が存在し、その上限であるカットアウト風速を超える風速領域では発電は行わず、暴風を回避するべく、できるだけ風荷重を軽減できる姿勢で待機するように制御される。以下、本実施形態の水平軸風車の運転モード及び待機モードについて説明する。 In general, in wind power generation for commercial use, there is a wind speed band suitable for power generation in consideration of mechanical strength, power generation efficiency, and safety, and power generation is not performed in a wind speed region exceeding the upper limit cut-out wind speed. In order to avoid the storm, the vehicle is controlled to stand by in a posture that can reduce the wind load as much as possible. Hereinafter, the operation mode and standby mode of the horizontal axis windmill of this embodiment will be described.
〔運転モード〕
発電に適する風速帯域では、風向計10により検知した風向に基づきヨー制御装置15が制御してロータをタワー1より風上に配置し、風速計13により検知した風速やロータ回転数などに基づきピッチ制御装置12が適度なピッチ角にブレード4a〜4cを制御しロータが風を受けて回転する。このロータの回転力は、ハブ3に接続された主軸に伝達され、主軸に連結されるとともにナセル2の内部に収納された発電機に伝達されることで、回転運動による運動エネルギーが電気エネルギーに変換される。ヨー駆動装置14はヨー制御装置15からの制御信号を受けてナセル2を回転させるときは、ヨーブレーキを解除するか又は軽くし、ナセル2を一定方向に保持するときは、ヨーブレーキトルクを最大にする。
アップウィンド風車の運転モードにおけるピッチ角、ヨー角の存在域は、およそ図2(b)中における運転領域Rにする。
[Operation mode]
In the wind speed band suitable for power generation, the
The range in which the pitch angle and yaw angle exist in the operation mode of the upwind wind turbine is approximately the operation region R in FIG.
〔待機モード〕
台風などの暴風時に、風速計13によって風速がカットアウト風速(例えば、25[m/sec])を超えたことが検出されると、ピッチ制御装置12がすべてのブレード4a〜4cをフェザーにする(第1ステップS1)。ロータは停止し、発電は中断される。これにより、ブレード4a〜4c及びタワー1に作用する風荷重を軽減する。
(Standby mode)
When the
次に、ヨー制御装置15は、ナセル2を回動させてヨー角範囲A内の一定角に変角し、その一定角ナセル2のヨー角をヨーブレーキで保持する(第2ステップS2)。
次に、ナセル2のヨー角がヨー角範囲A内に保持された状態にて、ピッチ制御装置12は、すべてのブレード4a〜4cを同時に反転フェザーにする(第3ステップS3)。
ピッチ制御装置12は第3ステップS3後から上記運転モードの復帰まですべてのブレード4a〜4cを反転フェザーの状態に保持する。ヨー制御装置15は第2ステップS2後から上記運転モードの復帰まで風力によりナセル2に負荷されるヨー軸周りのトルクによるヨー回転を許容する制動値(制動力)にヨーブレーキを制御する。
この制動値は、ナセル2を一定方向に保持するときの制動値より低く設定する。また、この制動値は、カットアウト風速を超える風を想定したときナセル2が過剰にヨー回転しない程度に高い値とする。この制動値は、ナセル2のヨー回転に応じて変動するものであっても良い。例えば、風力によりナセル2に負荷されるヨー軸周りのトルクが小さくてもナセル2のヨー回転を許容するために小さくされる一方、ナセル2のヨー回転の角速度を一定以下に制限するために大きくされることにより変動してもよい。
Next, the
Next, in a state where the yaw angle of the
The pitch control device 12 holds all the
This braking value is set lower than the braking value when the
ここで、改めて図1を参照しながら、以上の制御動作の実行及びこれに伴う風車の動作につき説明する。
まず、上記第1ステップS1の実行により、図1(a)に示すように、すべてのブレード4a〜4cがフェザーになり、ロータの回転は停止する。
Here, referring to FIG. 1 again, the execution of the above control operation and the wind turbine operation associated therewith will be described.
First, as shown in FIG. 1A, all the
次に、第2ステップS2により、風車は図1(b)に示す姿勢となる。すなわち、ナセル2のヨー角は風向に対してほぼ90[deg]となり、ロータ回転面が風向にほぼ平行である姿勢となる。この姿勢では、ブレードのピッチを切っても大きな揚力は生じない。第2ステップS2においは、ナセル2をどちら側に回転させても良い。図1(b)は、ナセル2を上空から見て時計周りに回転させて+75〜+110[deg]のヨー角範囲Aに収めた状態を示す。時計周りするか反時計回りにするかを予め設定しても良いが、第2ステップS2の開始時に最短でヨー角範囲Aに移行できる回転方向を選んで決定することが好ましい。
Next, by the second step S2, the windmill assumes the posture shown in FIG. That is, the yaw angle of the
次に、第3ステップにより、図1(c)に示すようにブレード4a〜4cが同時に反転フェザーに変角する。この過程において大きな揚力は生じず、ロータを過回転させることなく安全に反転フェザーすることができる。
Next, in the third step, the
その後上記運転モードの復帰まで、反転フェザーの状態が保持され、風力によりナセル2に負荷されるヨー軸周りのトルクによるヨー回転を許容する制動値にヨーブレーキが制御される。風力によりナセル2に負荷されるヨー軸周りのトルクがヨーブレーキトルクより大きければナセル2が回動し、図1(d)に示すようにロータがタワー1の風下側に配置され、ロータがタワー1の風下側に靡く。これにより、ロータ及びブレード4a〜4c後縁が風下に靡く待機形態を確保でき、この待機形態によりブレード後縁からの暴風を避けてフラッタの発生を低減し、ひいてはブレードその他の暴風時設計荷重を低減することができる。
ヨーブレーキの制動値を比較的高く設定することにより、風速がカットアウト風速を超えていても風によるヨートルクの負荷が比較的小さい場合にナセル2をヨー回転せずに待機させることができる。この場合、風向が変わらなければ、図1(c)に示す待機状態が維持される。この場合もロータの過回転は生じず風速が比較的低いことから風車への負荷は小さく抑えられる。ナセル2が風向に追従することなく風向が変わっても、図2(b)を参照すればわかるように過回転存在域B1,B2に入ることはないから、ロータの過回転は生じず風速が比較的低いことから風車への負荷は小さく抑えられる。
一方、ヨーブレーキの制動値を比較的低く設定することにより、風速がカットアウト風速を超えていれば、ナセル2が風向に追従する態様で待機させることができる。
Thereafter, the state of the reverse feather is maintained until the operation mode is restored, and the yaw brake is controlled to a braking value that allows yaw rotation by the torque around the yaw axis loaded on the
By setting the braking value of the yaw brake to be relatively high, the
On the other hand, by setting the braking value of the yaw brake to be relatively low, if the wind speed exceeds the cut-out wind speed, the
風速計13によってカットアウト風速以下の風速が一定期間検出されると、運転モードに復帰する。ヨー制御装置15は、ナセル2を回動させてロータを風上に向かせる。例えば、運転モードに復帰する際に風車が図1(d)の状態にあれば、ヨー制御装置15は、まずナセル2を180[deg]回動させてロータを風上に向かせる。また例えば、運転モードに復帰する際に風車が図1(c)の状態にあれば、ヨー制御装置15は、まずナセル2を反時計周りに90[deg]回動させてロータを風上に向かせる。
When the
さらに、図2(b)のヨー角−ピッチ角平面座標を参照して説明を加える。
座標(ヨー角,ピッチ角)は、運転モード中はおよそ運転領域Rにある。待機モードの第1ステップS1の実行により、座標は点P1又はその周囲に移行する。第1ステップS1はロータに対する風負荷を瞬時に低下させることができるので、カットアウト風速の検出を契機に即座に実行することが好ましい。
Further, a description will be added with reference to the yaw angle-pitch angle plane coordinates of FIG.
The coordinates (yaw angle, pitch angle) are approximately in the operation region R during the operation mode. By executing the first step S1 in the standby mode, the coordinates shift to the point P1 or its surroundings. Since the first step S1 can instantaneously reduce the wind load on the rotor, it is preferable that the first step S1 is executed immediately upon detection of the cutout wind speed.
次に、第2ステップS2の実行により、座標は点P2又はその周囲に移行する。図2(b)を参照すればわかるように、運転領域Rから第2ステップS2を実行しても過回転存在域B1から離れることができる。本実施形態では第1ステップS1の終了後に第2ステップS2を開始する制御フローとしているが、これに拘わらず、第2ステップS2もカットアウト風速の検出を契機に即座に実行しても良い。即ち、第1ステップS1と第2ステップS2とを同時に開始したり、第2ステップS2を第1ステップS1の完了前に開始したりして、双方が同時に進行する期間があるようにしてもよい。 Next, by the execution of the second step S2, the coordinates shift to the point P2 or its surroundings. As can be seen from FIG. 2 (b), even if the second step S2 is executed from the operation region R, it is possible to leave the over-rotation existence region B1. In the present embodiment, the control flow starts the second step S2 after the end of the first step S1, but regardless of this, the second step S2 may also be executed immediately upon detection of the cutout wind speed. That is, the first step S1 and the second step S2 may be started at the same time, or the second step S2 may be started before the completion of the first step S1, so that there is a period in which both proceed simultaneously. .
次に、第3ステップS3の実行により、座標は点P3又はその周囲に移行する。このとき、過回転存在域B1、B2に入らないようにすることが重要であり、さらには過回転存在域B1、B2からできるだけ遠く離れて迂回することが重要である。これを実現するのが第2ステップS2と第3ステップS3との同期である。本実施形態では、第2ステップS2の前半の変角過程でヨー角範囲A内の目標の一定角にナセル2を回動させ、後半の保持過程でその一定角にナセル2の角度をヨーブレーキで固定保持し、この保持過程中に第3ステップS3の全部を実行するという制御フローを採用する。第2ステップS2は第3ステップS3の完了と同時又はその後に終了しヨーブレーキを弱めるものとする。また、ヨー角範囲Aをピッチ角によらず一定の範囲とする。本実施形態によれば、過回転存在域B1、B2から遠く離れて迂回して点P3又はその周囲に移行することができ、好ましい実施形態である。
これに拘わらず、第2ステップS2によるヨー角変化中にも第3ステップS3を実行しても良いし、過回転存在域B1,B2外の領域(さらにはロータ回転がより弱まる領域)を選ぶようにヨー角及びピッチ角を同時に変角して制御してもよい。また、ヨー角範囲Aをピッチ角によって広狭が生じるように定めても良い。第2ステップS2を第3ステップS3の完了のわずか前に終了させヨーブレーキを弱めるようにしてもよい。必要なことは、過回転存在域B1、B2を避けて(好ましくはできるだけ遠く避けて)ヨー角及びピッチ角を点P1又はその周囲の領域から点P3又はその周囲の領域に移行させることであり、本発明は本実施形態に限定されるものではない。過回転存在域B1と過回転存在域B2との間においては、その真中を通すことが好ましい。
Next, by the execution of the third step S3, the coordinates shift to the point P3 or its surroundings. At this time, it is important not to enter the over-rotation existence areas B1 and B2, and it is also important to make a detour as far as possible from the over-rotation existence areas B1 and B2. This is realized by the synchronization of the second step S2 and the third step S3. In the present embodiment, the
Regardless of this, the third step S3 may be executed even during the yaw angle change in the second step S2, or a region outside the over-rotation existence regions B1 and B2 (and a region where the rotor rotation is further weakened) is selected. In this way, the yaw angle and pitch angle may be varied and controlled simultaneously. Further, the yaw angle range A may be determined so as to vary depending on the pitch angle. The second step S2 may be ended slightly before the completion of the third step S3 to weaken the yaw brake. What is required is to avoid the over-rotation existence areas B1 and B2 (preferably avoid as far as possible) and shift the yaw angle and pitch angle from the point P1 or the surrounding area to the point P3 or the surrounding area. The present invention is not limited to this embodiment. It is preferable to pass the middle between the over-rotation existence area B1 and the over-rotation existence area B2.
その後、風力によりナセル2に負荷されるヨー軸周りのトルクによるヨー回転を許容する制動値にヨーブレーキが制御され、風力によりナセル2に負荷されるヨー軸周りのトルクがヨーブレーキトルクより大きければ図2(b)中矢印Dで示すようにナセル2が回動しロータが風下に配置される。ナセル2を回動させる強風が続くとロータが風下に靡くこととなり、図2(b)上でいえばこの風車の座標はおよそ待機領域Wに存し、かかる待機形態で風車は暴風が止むのを待つ。
Thereafter, if the yaw brake is controlled to a braking value that allows yaw rotation by the torque around the yaw axis loaded on the
以上のように本実施形態の水平軸風車によれば、独立ピッチ制御装置、ならびに、複雑な操舵シーケンスがなくても、暴風を避けつつロータ及びブレード後縁が風下に靡く待機形態を確保でき、この待機形態によりブレード後縁からの暴風を避けてフラッタの発生を低減し、ひいてはブレードその他の暴風時設計荷重を低減することができる。 As described above, according to the horizontal axis wind turbine of the present embodiment, even without an independent pitch control device and a complicated steering sequence, it is possible to ensure a standby mode in which the rotor and the blade trailing edge go to the lee while avoiding a storm, With this standby mode, it is possible to avoid the storm from the trailing edge of the blade and reduce the occurrence of flutter, thereby reducing the design load during the storm such as the blade.
暴風時にロータが風下に靡く待機形態となるので、風向きが変化した場合であっても、ロータが風下側に位置するようにナセル2がヨー回転するため、ブレード4a〜4cやタワー1に作用する荷重を逃がしながら負荷を軽減することができる。したがって、例えば、台風などの暴風時において、水平軸風車の姿勢維持のための特別な制御手段を要することなく、ロータがタワー1の風下側に配置され、風によって受ける荷重を最小に抑えることができる。さらに、これによって水平軸風車の設計強度を大幅に緩和することができ、設計の自由度を高めることができ、コストの軽減を図ることができる。
Since the rotor is in a standby mode in which the rotor winds downwind during a storm, even if the wind direction changes, the
また、本実施形態の水平軸風車によれば、例えば、台風などの暴風時に、まず、すべてのブレード4a〜4cのピッチ角をフェザーの状態にすることにより、各ブレード4a〜4cに作用する風による抗力を低減することができる。その結果、ブレード4a〜4cおよびタワー1に作用する荷重を低減することができる。
Further, according to the horizontal axis wind turbine of the present embodiment, for example, in the case of a storm such as a typhoon, first, the wind acting on each
また、ピッチ制御装置12によってフェザーにしたブレード4a〜4cを、ロータに対する正面風及び背面風を避けた所定のヨー角範囲内に移行した上で、ピッチ角を同時に反転フェザーにするため、このようなヨー制御を行わずにロータが正面風又は背面風を受けてしまう可能性を有した状態ですべてのブレードを同時に反転させる場合に対して、ブレード4a〜4cおよびタワー1に過大な荷重が作用する危険をより確実に避けることができる。その結果、ブレード4a〜4cに過度の抗力および揚力が発生することを防止することができ、ロータが過回転になることを効果的に防止することができる。
In addition, since the
翼の大型化を想定し待機形態によるフラッタの発生等を検証するため、通常はフラッタの発生しない直径80m(2MW相当)の風車について、翼剛性を大幅に低下させたモデルA,B,Cを作成した。モデルA,B,Cの条件及び待機姿勢を図3に示す表中に記載した。
モデルA,B,Cのそれぞれに対し、図4に示す風況下でのナセル方位角(図5)、ロータ回転速度(図6)、翼捩れ変位(図7)、翼根フラップ曲げ(図8)、翼根トルク(図9)、ヨートルク(図10)、ヨー水平力(図11)を解析し、グラフ出力した。また、解析結果の要点、分布範囲、評価付けを図3に示す表中に記載した。
In order to verify the occurrence of flutter due to standby mode, assuming that the blades are larger, models A, B, and C with greatly reduced blade rigidity are typically used for wind turbines with a diameter of 80 m (equivalent to 2 MW) that do not generate flutter. Created. The conditions and standby postures of models A, B, and C are shown in the table shown in FIG.
For each of models A, B, and C, the nacelle azimuth angle (FIG. 5), rotor rotational speed (FIG. 6), blade twist displacement (FIG. 7), and blade root flap bending (FIG. 4) shown in FIG. 8) Blade root torque (FIG. 9), yaw torque (FIG. 10), and yaw horizontal force (FIG. 11) were analyzed and output as a graph. Moreover, the main points of the analysis results, the distribution range, and the evaluation are described in the table shown in FIG.
図3に示す表中にも記載するように、モデルAは、従来技術2の待機形態に該当する。モデルBは、従来技術3及び5の待機形態に該当する。モデルCは、本発明実施例の待機形態であり、従来技術4及び6の待機形態もこれに該当する。
As described in the table shown in FIG. 3, the model A corresponds to the standby mode of the
本発明実施例の待機形態であるモデルCは、翼のフラップ曲げ/捩りならびにヨー水平力について良好な荷重軽減効果がある。また、ヨートルクに関しても、通常のアップウィンド機(モデルA)と比較して大幅に改善している。以下に一項目ずつ評価を試みる。 The model C, which is the standby mode of the embodiment of the present invention, has a good load reducing effect with respect to the wing flap bending / twisting and the yaw horizontal force. Further, the yaw torque is greatly improved as compared with a normal upwind machine (model A). The following items are evaluated one by one.
(1)ナセル方位角(図5参照)
基本的にヨーを滑らせるモデルB,Cでは風向に追従している。後縁が風上を向くモデルBでは、前半部(0〜150[sec])で翼の振動があり、ヨーもこれに振られている。
(1) Nacelle azimuth (see Fig. 5)
The models B and C that basically slide the yaw follow the wind direction. In the model B in which the trailing edge faces upwind, the blades vibrate in the first half (0 to 150 [sec]), and the yaw is also swung.
(2)回転速度(図6参照)
ヨーを滑らせるモデルB,Cでは基本的にロータはゆっくり遊転しているが、後縁が風上に向くモデBでは、前半部(0〜150[sec])で翼の振動があり、ロータもこれに振られている。
(2) Rotational speed (see Fig. 6)
In the models B and C that slide the yaw, the rotor basically swings slowly, but in the model B with the trailing edge facing the windward, there is blade vibration in the first half (0 to 150 [sec]). The rotor is also swung to this.
(3)翼捩り変位(図7参照)
翼根トルクとほぼ同様の評価が当てはまる。
(4)翼根フラップ曲げ(図8参照)
全般に、ロータ回転に伴う荷重の揺動がある。モデルBの前半部(0〜150[sec])は短い周期で振動する。
(3) Blade torsional displacement (see Fig. 7)
The same evaluation as the blade root torque applies.
(4) Blade root flap bending (see Fig. 8)
In general, there is a swing of a load accompanying rotor rotation. The first half (0 to 150 [sec]) of model B vibrates with a short period.
(5)翼根トルク(図9参照)
全般に、ロータ回転に伴う荷重の揺動がある。モデルBの前半部(0〜150[sec])やモデルAの200sec付近など、ロータ後縁から暴風を受けている場合に大きなトルクが発生している。通常、ピッチ機構が捩り戻されることは安全上許容できないので、ピッチ機構並びにブレードの構造はこれに耐えるものとする必要がある。
(5) Blade root torque (see Fig. 9)
In general, there is a swing of a load accompanying rotor rotation. A large torque is generated when storms are received from the trailing edge of the rotor, such as the first half of model B (0 to 150 [sec]) and the vicinity of 200 seconds of model A. Usually, since it is unacceptable for the pitch mechanism to be twisted back, the structure of the pitch mechanism and the blade needs to withstand this.
(6)ヨートルク(図10参照)
ヨーを滑らせるモデルB,Cの場合、ヨートルクの振幅は小さく制限され、これを逸脱する場合には、ヨーが滑ることにより荷重を逃がす。モデルB,Cでは、ヨー保持のモデルAの場合と比較して大幅に荷重が低減している。
(6) Yaw torque (See Fig. 10)
In the models B and C that slide the yaw, the amplitude of the yaw torque is limited to a small value, and when it deviates from this, the load is released by the yaw slipping. In the models B and C, the load is significantly reduced as compared with the case of the model A with yaw holding.
(7)ヨー水平力(図11参照)
ヨー水平力はタワーと基礎の設計に大きく寄与する。ヨーを滑らせるモデルB,Cでは基本的に荷重を低減する傾向であるが、後縁から風を受けるモデルBでは大きな振動が発生し、逆に荷重を増やしている。この逆転傾向は、翼剛性が著しく低いときに見られる。
(7) Yaw horizontal force (see Fig. 11)
Yaw horizontal force greatly contributes to the design of towers and foundations. In the models B and C that slide the yaw, there is a tendency to reduce the load basically, but in the model B that receives the wind from the trailing edge, a large vibration is generated and the load is increased. This tendency to reverse is seen when the blade stiffness is significantly low.
1 タワー
2 ナセル
3 ハブ
4a,4b,4c ブレード
1
Claims (3)
前記ハブに接続された主軸を介して前記ロータを軸支するナセルと、
前記ナセルをヨー回転自在に支持するタワーと、
前記ブレードのピッチ角を制御するピッチ制御装置と、
前記ナセルのヨー回転を制御するヨー制御装置とを備え、
所定値以下の風速時に前記ヨー制御装置の制御により前記ロータを前記タワーより風上に配置し前記ロータの回転を介して風力を利用する運転モードと、前記所定値を超える風速時に前記運転モードに備えて待機する待機モードとを有するアップウィンド型の水平軸風車において、
(1)前記ピッチ制御装置は、すべての前記ブレードをフェザーにする第1ステップと、前記第1ステップ後にすべての前記ブレードを反転フェザーにする第3ステップと、前記第3ステップ後から前記運転モードの復帰まですべての前記ブレードを反転フェザーの状態に保持するステップとからなる制御動作を有し、
(2)前記ヨー制御装置は、前記第3ステップに同期して前記ロータに対する正面風及び背面風を避けた所定のヨー角範囲内に前記ナセルのヨー角を制御する第2ステップと、前記第2ステップ後から前記運転モードの復帰まで風力により前記ナセルに負荷されるヨー軸周りのトルクによるヨー回転を許容する制動値にヨーブレーキを制御するステップとからなる制御動作を有し、
前記待機モードとして、前記(1)(2)の制御動作を実行することを特徴とする水平軸風車。 A rotor having a hub and at least two or more blades;
A nacelle that pivotally supports the rotor via a main shaft connected to the hub;
A tower that supports the nacelle in a yaw-rotating manner;
A pitch control device for controlling the pitch angle of the blade;
A yaw control device for controlling the yaw rotation of the nacelle,
When the wind speed is less than or equal to a predetermined value, the rotor is placed upwind from the tower under the control of the yaw control device, and wind power is used through rotation of the rotor, and the operation mode is entered when the wind speed exceeds the predetermined value. In an upwind type horizontal axis wind turbine having a standby mode for preparing and waiting,
(1) The pitch control device includes a first step in which all the blades are feathered, a third step in which all the blades are reversed feathers after the first step, and the operation mode after the third step. Holding all the blades in a reverse feather state until the return of
(2) The yaw control device controls a yaw angle of the nacelle within a predetermined yaw angle range that avoids front wind and back wind with respect to the rotor in synchronization with the third step; A control operation comprising a step of controlling the yaw brake to a braking value that allows yaw rotation by the torque around the yaw axis that is loaded on the nacelle by wind force from the second step to the return to the operation mode,
The horizontal axis wind turbine characterized by executing the control operations (1) and (2) as the standby mode.
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