JP2007205225A - 風力発電装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】防振用の質量体を付加することなく、ロータに負荷されるトルクの変動を制御して風車の振動を抑制又は防止することができる風力発電装置を提供する。
【解決手段】振動の抑制を目的とする風力発電装置は、ロータ３０の回転軸に直交する方向の振動成分を検出する振動センサー５と、その振動成分の周波数及び位相を解析する解析装置６ａと、センサー５の出力値が既定の閾値を超えている時、解析装置により解析された位相と逆位相で、解析装置により解析された周波数又は予め設定された周波数（固有振動数）の変動がロータに生じるように、発電機２及び／又はピッチ角を制御する制御装置とを備える。振動の防止を目的とする風力発電装置は、上記周波数のロータの変動を避けてロータを制御する制御装置を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、風力発電装置の振動制御に関する。
現在、自然風から安定した電力を得る目的で、水平軸型風車を利用した風力発電装置が提案され、実用化されている。かかる水平軸風車は、ハブ及びブレードを有するロータと、ハブに接続された略水平方向に延在する主軸を介して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支持するタワーとを備える。このナセル内に主軸に連結する発電機が備えられて風力発電装置の構成を成し、風を受けて回転するロータの回転エネルギーを電気エネルギーに変換することにより発電する。
かかる風力発電装置においては、適正なロータの回転速度を保つため、風の強弱に応じて発電機から取り出す電気エネルギーを常時制御している。
この制御の過程においてロータのトルクが変動し、加振源となることがある。ロータは細長く剛性の弱いタワーの上にあり、上記トルクの変動による加振がタワーの共振周波数と一致すると風車全体にわたる振動に発達することがある。
このようなロータ回転数制御に基づくトルク変動を原因とするほか、風車の振動は、タワーから出るカルマン渦による加振、増速機、ロータ、発電機、駆動軸間の共振現象、構造物の曲げ、ねじり等による振動等、多岐にわたる振動を原因とする。
特許文献１には、タワーの上端部に質量体、ダンバー装置等から構成される制振装置を設置し、タワーの振動を抑える制振機能を備えた風力発電装置が記載されている。
特開２０００−２０５１０８号公報
しかし、以上の従来技術にあってもさらに次のような問題があった。
特許文献１に記載された風力発電装置では、新たに制振装置を必要とするためコストアップにつながる。また、タワー内に制振装置を設置するため、タワー内を昇り通路として利用している風車において制振装置を設置することができないおそれがあり、逆に、制振装置を設置すればタワー内に通路を設けることができなくなるおそれがある。
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、防振用の質量体を付加することなく、ロータに負荷されるトルクの変動を制御して風車の振動を抑制又は防止することができる風力発電装置を提供することを課題とする。
以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、タワーと、
前記タワーに支持され風力により前記タワーの軸方向と平行でない回転軸周りに回転するロータと、
前記ロータの回転力により駆動される発電機と、
前記ロータの回転軸に直交する方向の振動成分を検出するセンサーと、
前記センサーにより検出した振動成分の周波数及び位相を解析する解析装置と、
前記センサーの出力する信号が予め設定された閾値を超えている時、前記解析装置により解析された位相と逆位相で、前記解析装置により解析された周波数の変動が前記ロータに生じるように前記ロータを制御する制御装置とを備える風力発電装置である。
請求項２記載の発明は、タワーと、
前記タワーに支持され風力により前記タワーの軸方向と平行でない回転軸周りに回転するロータと、
前記ロータの回転力により駆動される発電機と、
前記ロータの回転軸に直交する方向の振動成分を検出するセンサーと、
前記センサーにより検出した振動成分の周波数を解析する解析装置と、
前記ロータに変動を生ぜしめる制御をする場合に、前記センサーの出力する信号が予め設定された閾値を超えている時、前記解析装置により解析された周波数の前記ロータの変動を避けて前記ロータを制御する制御装置とを備える風力発電装置である。
請求項３記載の発明は、タワーと、
前記タワーに支持され風力により前記タワーの軸方向と平行でない回転軸周りに回転するロータと、
前記ロータの回転力により駆動される発電機と、
前記ロータの回転軸に直交する方向の振動成分を検出するセンサーと、
前記センサーにより検出した振動成分の位相を解析する解析装置と、
前記センサーの出力する信号が予め設定された閾値を超えている時、前記解析装置により解析された位相と逆位相で、予め設定された周波数の変動が前記ロータに生じるように前記ロータを制御する制御装置とを備える風力発電装置である。
請求項４記載の発明は、タワーと、
前記タワーに支持され風力により前記タワーの軸方向と平行でない回転軸周りに回転するロータと、
前記ロータの回転力により駆動される発電機と、
前記ロータの回転軸に直交する方向の振動成分を検出するセンサーと、
前記ロータに変動を生ぜしめる制御をする場合に、前記センサーの出力する信号が予め設定された閾値を超えている時、予め設定された周波数の前記ロータの変動を避けて前記ロータを制御する制御装置とを備える風力発電装置である。
請求項５記載の発明は、前記制御装置は、前記発電機及び前記ロータを構成するブレードのピッチ角のうちいずれか一方又は双方を制御することにより前記ロータを制御することを特徴とする請求項１から４のうちいずれか一に記載の風力発電装置である。
請求項１に記載の発明によれば、タワーに支持され風力によりタワーの軸方向と平行でない回転軸周りに回転するロータと、ロータの回転軸に直交する方向の振動成分を検出するセンサーとを備える。
センサーの出力する信号が予め設定された閾値を超えている時、すなわち、ロータの回転軸に直交する方向の振動が一定以上の振動である時に、制御装置の制御により、その振動の位相と逆位相で、同周波数の変動をロータに生ぜしめる。
この変動により、検出した振動を抑制するモーメントをタワーに生ぜしめ、振動を抑制することができる。振動を抑制して所定の発電性能を維持することができる。
請求項２に記載の発明によれば、タワーに支持され風力によりタワーの軸方向と平行でない回転軸周りに回転するロータと、ロータの回転軸に直交する方向の振動成分を検出するセンサーとを備える。
センサーの出力する信号が予め設定された閾値を超えている時、すなわち、ロータの回転軸に直交する方向の振動が一定以上の振動である時に、制御装置の制御により、その振動の周波数のロータの変動を避けてロータを制御する。
この制御により、ロータの変動を加振源とする共振を防止することができる。共振を防止して所定の発電性能を維持することができる。
請求項３，４に記載の発明によれば、共振周波数等の風車毎に求めた特定の周波数を予め制御装置に設定しておくことにより、それぞれ請求項１，２に記載の発明と同様の効果を得ることができる。
ロータの制御は、発電機を制御することにより発電機がロータに与える負荷トルクを制御することによっても可能であるし、ロータを構成するブレードのピッチ角を制御することにより風がロータに与える駆動トルクを調整することによっても可能であり、その双方を制御することでも可能である。ブレードのピッチ角が固定で発電機の負荷を変えられる風力発電装置であれば、発電機を制御することにより、発電機の負荷が固定でブレードのピッチ角を変えられる風力発電装置であれば、ブレードのピッチ角を制御することにより本発明を実施できる。
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。
〔第１実施形態〕
まず、第１実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る風力発電装置１の外観を示す斜視図である。本風力発電装置１は水平軸型風車を利用したものである。風力発電装置１は、タワー１０と、このタワー１０の頂部に取り付けられたナセル２０と、このナセル２０に略水平方向に延在して軸支された（図示されていない）主軸と、この主軸にハブ３１を介して取り付けられたブレード３２ａ、３２ｂとを備えている。
ナセル２０は、その内部に発電機、ギアボックス、制御装置等の各種機器を搭載しており、タワー１０の頂部に回動自在に取り付けられる。
ロータ３０は、主軸の一端に取り付けられたハブ３１と、このハブ３１に取り付けられた２枚のブレード３２ａ、３２ｂとを有するものである。２枚のブレードの風車を示したのは例示であり、ブレードの枚数は何枚でも良い。ハブ３１内にはブレード３２ａ、３２ｂのピッチを駆動するピッチ駆動装置が配置される。
図２に、本実施形態の制御系のブロック図を示す。制御装置４ａが発電機２、ピッチ駆動装置４を制御する。振動センサー５は、ロータ３０の回転軸に直交する方向の振動成分を検出するセンサーで、タワー１０、ナセル２０内、駆動系、ブレード３２ａ、３２ｂ等の上に装着される加速度計、圧電素子、歪ゲージ等により構成される。振動センサー５は、検出した信号を解析装置６ａに出力する。
解析装置６ａは、振動センサー５により検出した振動成分の周波数及び位相を解析するもので、振動センサー５の出力する信号を受け、ＦＦＴ（Ｆast Fourier Transform）による周波数解析と実時間計測による位相解析を行い、振動センサー５の出力する信号、解析した周波数及び位相を制御装置４ａに出力する。
図３に本実施形態の制振制御のフローチャートを示す。振動センサー５の出力する信号が予め設定された閾値を超えている時（ステップＡ１）、解析装置６ａは、振動センサー５の出力する信号に基づき、振動の周波数と位相を解析し、制御装置４ａに出力する（ステップＡ２）。制御装置４ａは、解析装置６ａにより解析された位相と逆位相で、解析装置６ａにより解析された周波数の変動がロータ３０に生じるように発電機２の制御値を決定し（ステップＡ３）、ロータ３０を制御する（ステップＡ４）。
解析装置６ａは、複数の振動が複合している場合は、タワー１０先端部の振動に最も影響を持つ振動成分を抽出してこれを対象に解析する。通常、最も振幅の大きい成分が対象になる。
発電機はロータとステータコイルを有する。発電機のロータは、風車のロータ３０と主軸及び増速機を介して機械的に接続し回転駆動される。ステータコイルに流れる電流を電気的に制御することによってロータ３０に負荷されるトルクを制御することができる。
図４に、風車の模式図を示す。図４に示すように、タワー１０の撓み振動の最大撓み角θをθmaxとする。図４（ａ）の状態から図４（ｂ）の状態に移行する期間は、タワー１０はロータ３０の回転方向Ａと同方向に曲がる。この期間は、発電機２のステータコイルに流れる電流値を下げる。これにより、ロータ３０の負荷トルクが減少し、ロータ３０の負荷トルク減少に伴う反作用が撓み角θを減少させる方向のモーメントとしてタワーに作用し、振動を弱める。
逆に、図４（ｂ）の状態から図４（ａ）の状態に移行する期間は、タワー１０はロータ３０の回転方向Ａと逆方向に曲がる。この期間は、発電機２のステータコイルに流れる電流値を上げる。これにより、ロータ３０の負荷トルクが増大し、ロータ３０の負荷トルク増大に伴う反作用が撓み角θを減少させる方向のモーメントとしてタワーに作用し、振動を弱める。負荷トルクはロータ３０の回転を止めない程度にする。
以上のような発電機２の制御を、発生している振動と同周波数の逆位相に相当する変化の強弱を付けて繰り返すことにより、発生している振動を減衰させる。制御波形は、検出した振動の波形と同一形状である必要はなく、パルス波等の矩形でも良い。
以上の発電機２の制御に代えて、プレードのピッチ角を制御することでも振動を抑制することができる。図４（ａ）の状態から図４（ｂ）の状態に移行する期間は、チッピ角を変角してロータ３０の矢印Ａ方向の回転力を徐々に増大させる。これにより、ロータ３０に与えられる駆動トルクが徐々に増大し、ロータ３０の駆動トルク増大に伴う反作用が撓み角θを減少させる方向のモーメントとしてタワーに作用し、振動を弱める。
逆に、図４（ｂ）の状態から図４（ａ）の状態に移行する期間は、ピッチ角を変角してロータ３０の矢印Ａ方向の回転力を減少させる。これにより、ロータ３０に与えられる駆動トルクが徐々に減少し、ロータ３０の駆動トルク減少に伴う反作用が撓み角θを減少させる方向のモーメントとしてタワーに作用し、振動を弱める。
以上のようなピッチ角の制御を、発生している振動と同周波数の逆位相に相当する変化の強弱を付けて繰り返すことにより、発生している振動を減衰させる。
また、以上の発電機の制御とチッピ角の制御を重ねて実行し、それぞれ制御値を調整して、発生している振動と同周波数の逆位相に相当する変動をロータに繰り返し与えることにより、発生している振動を減衰させる。
振動センサー５の出力する信号が予め設定された閾値を下回るまで上記制振制御を続ける。この制振制御は実時間で行い、極力遅延がないようにする。
〔第２実施形態〕
次に、第２実施形態について説明する。本実施形態は上記第１実施形態と同様の図１及び図２に示した構成で実施可能である。但し、解析装置６ａは周波数のみを解析し出力する構成で足りる。
本実施形態においては以下の防振制御を行う。図５に本実施形態の防振制御のフローチャートを示す。振動センサー５の出力する信号が予め設定された閾値を超えている時（ステップＢ１）、解析装置６ａは、振動センサー５の出力する信号に基づき、振動の周波数を解析し、制御装置４ａに出力する（ステップＢ２）。制御装置４ａは、発電機２の負荷変更、ブレードのピッチ角の変角等のロータ３０に変動を生ぜしめる制御をする場合に解析装置６ａにより解析された周波数のロータ３０の変動を避けるように発電機２又は／及びピッチ駆動装置３の制御値を決定し（ステップＢ３）、ロータ３０を制御する（ステップＢ４）。具体的には、避けるべき周波数を周波数帯域により特定し、その周波数帯域の上位又は下位の周波数で制御する。
ロータ３０に生じる変動が、発生している振動の周波数と異なるため、ロータ３０とタワー１０の共振を避けることができる。例えば、風速の変化に応じた最適化のためにピッチ角又は／及び発電機の負荷を変更したい場合に、振動センサー５の出力する信号が予め設定された閾値を超えていない時は特に制限はないが、振動センサー５の出力する信号が予め設定された閾値を超えている時は、上記のように制御してタワー１０の固有周波数の変動をロータ３０に生じさせないようにする。
振動センサー５の出力する信号が予め設定された閾値を下回るまで上記防振制御を続ける。
〔第３実施形態〕
次に、第３実施形態について説明する。本実施形態は上記第１実施形態と同様の図１に示した構成で実施可能である。図６に制御系のブロック図を示す。ロータ３０、発電機２、ピッチ駆動装置３、振動センサー５は上記第１実施形態と同じであり、制御装置４ｂ、解析装置６ｂについては上記第１実施形態と異なる。
本実施形態における解析装置６ｂは、振動センサー５により検出した振動成分の位相を解析するもので、振動センサー５の出力する信号を受け、実時間計測による位相解析を行い、振動センサー５の出力する信号及び解析した位相を制御装置４ｂに出力する。
制御装置４ｂは、周波数設定部７を含む。 周波数設定部７は制御装置４ｂに備えられる記憶装置に設けられる。周波数設定部７には製造時等に所定の周波数が書き込まれることにより設定される。制御装置４ｂは以下に説明する制振制御を実行する。所定の周波数は、この風車の固有振動数とする。
図７に本実施形態の制振制御のフローチャートを示す。振動センサー５の出力する信号が予め設定された閾値を超えている時（ステップＣ１）、解析装置６ｂは、振動センサー５の出力する信号に基づき、振動の位相を解析し、制御装置４ｂに出力する（ステップＣ２）。制御装置４ｂは、解析装置６ｂにより解析された位相と逆位相で、周波数設定部７に設定されている周波数の変動がロータ３０に生じるように発電機２又は／及びピッチ駆動装置３の制御値を決定し（ステップＣ３）、ロータ３０を制御する（ステップＡ４）。
以上のように、上記第１実施形態が検出して解析した周波数に基づき制御するのに対し、本実施形態は予め設定された周波数に基づいて制御するものであり、その他は上記第１実施形態と同様である。
〔第４実施形態〕
次に、第４実施形態について説明する。本実施形態は上記第１実施形態と同様の図１に示した構成で実施可能である。図８に制御系のブロック図を示す。ロータ３０、発電機２、ピッチ駆動装置３、振動センサー５は上記第１実施形態と同じであり、制御装置４ｃ、については上記第１実施形態と異なる。解析装置は不要である。
制御装置４ｃは、周波数設定部７を含む。 周波数設定部７は制御装置４ｃに備えられる記憶装置に設けられる。周波数設定部７には製造時等に所定の周波数帯域が書き込まれることにより設定される。制御装置４ｃは以下に説明する防振制御を実行する。所定の周波数帯域は、この風車の固有振動数を含むものとする。
図９に本実施形態の制振制御のフローチャートを示す。振動センサー５の出力する信号が予め設定された閾値を超えている時（ステップＤ１）、制御装置４ｃは、周波数設定部７に設定されている周波数帯域のロータ３０の変動を避けるように発電機２又は／及びピッチ駆動装置３の制御値を決定し（ステップＤ２）、ロータ３０を制御する（ステップＤ３）。すなわち、周波数設定部７に設定されている周波数帯域の上位又は下位の周波数でロータ３０を制御する。
以上のように、上記第２実施形態が検出して解析した周波数に基づき制御するのに対し、本実施形態は予め設定された周波数に基づいて制御するものであり、その他は上記第２実施形態と同様である。
本発明の第１〜第４実施形態に係る風力発電装置１の外観を示す斜視図である。 本発明の第１、第２実施形態に係る制御系のブロック図である。 本発明の第１実施形態に係る制振制御のフローチャートである。 本発明の制振制御の原理を説明するための風車の模式図である。 本発明の第２実施形態に係る制振制御のフローチャートである。 本発明の第３実施形態に係る制御系のブロック図である。 本発明の第３実施形態に係る制振制御のフローチャートである。 本発明の第４実施形態に係る制御系のブロック図である。 本発明の第４実施形態に係る制振制御のフローチャートである。
符号の説明
１ 水平軸型風車
２ 発電機
３ ピッチ駆動装置
４ａ，４ｂ，４ｃ 制御装置
５ 振動センサー
６ａ，６ｂ 解析装置
７ 周波数設定部
１０ タワー
２０ ナセル
３０ ロータ
３１ ハブ３２ａ、３２ｂ ブレード

Claims (5)

  1. タワーと、
    前記タワーに支持され風力により前記タワーの軸方向と平行でない回転軸周りに回転するロータと、
    前記ロータの回転力により駆動される発電機と、
    前記ロータの回転軸に直交する方向の振動成分を検出するセンサーと、
    前記センサーにより検出した振動成分の周波数及び位相を解析する解析装置と、
    前記センサーの出力する信号が予め設定された閾値を超えている時、前記解析装置により解析された位相と逆位相で、前記解析装置により解析された周波数の変動が前記ロータに生じるように前記ロータを制御する制御装置とを備える風力発電装置。
  2. タワーと、
    前記タワーに支持され風力により前記タワーの軸方向と平行でない回転軸周りに回転するロータと、
    前記ロータの回転力により駆動される発電機と、
    前記ロータの回転軸に直交する方向の振動成分を検出するセンサーと、
    前記センサーにより検出した振動成分の周波数を解析する解析装置と、
    前記ロータに変動を生ぜしめる制御をする場合に、前記センサーの出力する信号が予め設定された閾値を超えている時、前記解析装置により解析された周波数の前記ロータの変動を避けて前記ロータを制御する制御装置とを備える風力発電装置。
  3. タワーと、
    前記タワーに支持され風力により前記タワーの軸方向と平行でない回転軸周りに回転するロータと、
    前記ロータの回転力により駆動される発電機と、
    前記ロータの回転軸に直交する方向の振動成分を検出するセンサーと、
    前記センサーにより検出した振動成分の位相を解析する解析装置と、
    前記センサーの出力する信号が予め設定された閾値を超えている時、前記解析装置により解析された位相と逆位相で、予め設定された周波数の変動が前記ロータに生じるように前記ロータを制御する制御装置とを備える風力発電装置。
  4. タワーと、
    前記タワーに支持され風力により前記タワーの軸方向と平行でない回転軸周りに回転するロータと、
    前記ロータの回転力により駆動される発電機と、
    前記ロータの回転軸に直交する方向の振動成分を検出するセンサーと、
    前記ロータに変動を生ぜしめる制御をする場合に、前記センサーの出力する信号が予め設定された閾値を超えている時、予め設定された周波数の前記ロータの変動を避けて前記ロータを制御する制御装置とを備える風力発電装置。
  5. 前記制御装置は、前記発電機及び前記ロータを構成するブレードのピッチ角のうちいずれか一方又は双方を制御することにより前記ロータを制御することを特徴とする請求項１から４のうちいずれか一に記載の風力発電装置。
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