JP2007231778A - 風力発電システム、及びその制御方法 - Google Patents

風力発電システム、及びその制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】短いなぎが発生しても出力電力の変動や発電効率の低下が起こりにくい風力発電システムを提供する。
【解決手段】本発明による風力発電システムは、ピッチ角が可変であるブレード（８）を備える風車ロータ（７）と、風車ロータ（７）によって駆動される発電機（５）と、風車ロータ（７）又は発電機（５）の回転数（ω）に応答して、発電機（５）の出力電力とブレード（８）のピッチ角とを制御する制御装置（１９、２２）とを具備する。制御装置（１９、２２）は、回転数（ω）が増大して所定の定格回転数に到達するまでの間、所定の電力−回転数曲線に従って出力電力を制御する第１制御を行い、回転数（ω）が定格回転数を超えたとき出力電力を所定の定格電力に制御する第２制御を行い、制御装置（１９、２２）は、一旦、第２制御を行う状態に設定された後で回転数（ω）が定格回転数よりも小さくなったとき、ピッチ角に応答して第２制御を行う状態を維持し、又は第１制御を行う状態に遷移する。
【選択図】図３

Description

本発明は、風力発電システム、及びその制御方法に関しており、特に、可変速可変ピッチ制御方式を採用する風力発電システムの出力電力及びピッチ角の制御に関する。
風力発電システムの有力な制御方式の一つは、風車ロータの回転数（即ち、発電機の回転数）が可変であり、且つ、ブレードのピッチ角が可変である、可変速可変ピッチ制御方式である。可変速可変ピッチ制御方式は、風からエネルギーをより多く取得することができ、且つ、出力変動が小さいという利点がある。
可変速可変ピッチ制御方式では、発電機の出力電力及びブレードのピッチ角の制御の最適化が重要である。特表２００１−５１２８０４号公報は、磁界オリエンテーション制御によって発電機のトルクを制御する一方、発電機のトルクと独立してピッチ角を制御する制御方法を開示している。開示された制御方法では、発電機の回転数に応答して発電機の目標出力電力がルックアップテーブルを用いて決定され、その目標出力電力から発電機のトルク指令が決定される。このトルク指令に応答して、磁界オリエンテーション制御によって発電機のトルクが制御される。一方、ブレードのピッチ角は、発電機の回転数と目標回転数との偏差に応じたＰＩＤ制御、ＰＩ制御、又はＰＤ制御によって制御される。
風力発電システムの制御における一つの問題は、短いなぎ（transient wind null）が発生した場合、すなわち、風速が短時間だけ低下した場合に対する対応である。風力発電システムは、一般に、風車ロータの回転数が定格回転数以上である場合に定格電力を発生するように設計される。このような風力発電システムでは、短いなぎが発生して風車ロータの回転数が定格回転数よりも小さくなると、出力電力が定格電力よりも小さくなってしまう。これは、出力電力の変動や発電効率の低下を招く。
特表２００１−５１２８０４号公報
従って、本発明の目的は、短いなぎが発生しても出力電力の変動や発電効率の低下が起こりにくい風力発電システムを提供することにある。
具体的には、本発明は、以下に述べられる手段を採用する。その手段の記述には、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］の記載との対応関係を明らかにするために、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号・符号が付加されている。但し、付加された番号・符号は、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲を限定的に解釈するために用いてはならない。
本発明による風力発電システムは、ピッチ角が可変であるブレード（８）を備える風車ロータ（７）と、風車ロータ（７）によって駆動される発電機（５）と、風車ロータ（７）又は発電機（５）の回転数（ω）に応答して、発電機（５）の出力電力とブレード（８）のピッチ角とを制御する制御装置（１９、２２）とを具備する。制御装置（１９、２２）は、回転数（ω）が増大して所定の定格回転数に到達するまでの間、所定の電力−回転数曲線に従って出力電力を制御する第１制御を行い、回転数（ω）が定格回転数を超えたとき出力電力を所定の定格電力に制御する第２制御を行い、制御装置（１９、２２）は、一旦、第２制御を行う状態に設定された後で回転数（ω）が定格回転数よりも小さくなったとき、ピッチ角に応答して第２制御を行う状態を維持し、又は第１制御を行う状態に遷移する。ここで、ピッチ角とは、ブレードの翼弦とロータ回転面のなす角度である。即ち、ピッチ角が小さいと、風車ロータ（７）は、より多くのエネルギーを風から取り出し、ピッチ角が大きいと、風車ロータ（７）は、より少ないエネルギーを風から取り出すことになる。
このような構成の風力発電システムでは、短時間だけしか風速が低下していない場合には、風車ロータ（７）の回転エネルギーを利用することによって出力電力の変動を抑制することができる。これは、本発明の風力発電システムでは、前記回転数（ω）が前記定格回転数よりも小さくなった場合に、出力電力がブレード（８）のピッチ角に応じて所定の定格電力に維持されるからである。ブレード（８）のピッチ角から出力電力を所定の定格電力に維持可能な状態であると判断される場合には出力電力を定格電力に維持することにより、風車ロータ（７）の回転エネルギーが有効に取り出され、出力電力の変動と発電効率の低下とを抑制することができる。
制御装置（１９、２２）は、一旦、第２制御を行う状態に設定された後で回転数（ω）が定格回転数よりも小さくなったとき、ピッチ角が所定のピッチ角よりも大きい場合には前記第２制御を行う状態を維持し、ピッチ角が所定のピッチ角に到達して初めて第１制御を行う状態に遷移することが好ましい。
制御装置（１９、２２）は、風車ロータ（７）又は発電機（５）の回転数（ω）と所定の定格回転数との差、及び出力電力と定格電力との差に応答して前記ピッチ角を制御することが好ましい。
この場合、制御装置（１９、２２）は、出力電力が定格電力よりも小さい場合、ピッチ角が減少されるようにピッチ角を制御することが好ましい。
制御装置（１９、２２）は、ガストを検出した場合、前記回転数（ω）に応答して発電機（５）の出力電力を増加させることが好ましい。
また、当該風力発電システムが、更に、風車ロータ（７）の回転面の向きを旋回させる旋回機構（４）と、風上方向を検出する風向検出器（１０）とを備え、風車ロータ（７）が、ブレード（８）を駆動するピッチ駆動機構（１１、１２）を備えている場合、制御装置（１９、２２）は、ピッチ駆動機構（１１、１２）の故障を検出したとき、風車ロータ（７）の回転面が風上方向から退避されるように旋回機構（４）を制御することが好ましい。
制御装置（１９、２２）は、発電機（５）に接続された電力系統の電圧に応答して発電機（５）から電力系統（１３）に出力される無効電力を制御し、且つ、前記無効電力に応じて前記ピッチ角を制御することが好ましい。
当該風力発電システムが、更に、非常用バッテリ（２８）と、電力系統（１３）から受け取った電力によって非常用バッテリ（２８）を充電する充電装置（２７）とを具備し、風車ロータ（７）が、ブレード（８）を駆動するピッチ駆動機構（１１、１２）を備え、非常用バッテリ（２８）が、発電機（５）に接続された電力系統（１３）の電圧が低下したときにピッチ駆動機構（１１、１２）と制御装置（１９、２２）に電力を供給する場合、制御装置（１９、２２）は、非常用バッテリ（２８）が充電されている間、出力電力を増加させるように出力電力を制御することが好ましい。
本発明による風力発電システムの制御方法は、ピッチ角が可変であるブレード（８）を備える風車ロータ（７）と、風車ロータ（７）によって駆動される発電機（５）とを備える風力発電システムの制御方法である。当該制御方法は、風車ロータ（７）又は発電機（５）の回転数（ω）に応答して、発電機（５）の出力電力と前記ブレード（８）のピッチ角とを制御する制御ステップを具備する。前記制御ステップは、
（Ａ）前記回転数（ω）が増大して所定の定格回転数に到達するまでの間、所定の電力−回転数曲線に従って前記出力電力を制御する第１制御が行うステップと、
（Ｂ）前記回転数（ω）が前記定格回転数を超えたとき前記出力電力を所定の定格電力に制御する第２制御を行うステップと、
（Ｃ）一旦、前記第２制御を行う状態に設定された後で前記回転数（ω）が前記定格回転数よりも小さくなったとき、前記ピッチ角に応答して前記第２制御を行う状態を維持し、又は前記第１制御を行う状態に遷移するステップ
とを備える。
本発明により、短いなぎが発生しても出力電力の変動や発電効率の低下が起こりにくい風力発電システムが提供される。
図１は、本発明の一実施形態における風力発電システム１の構成を示す側面図である。風力発電システム１は、タワー２と、タワー２の上端に設けられたナセル３とを備えている。ナセル３は、ヨー方向に旋回可能であり、ナセル旋回機構４によって所望の方向に向けられる。ナセル３には、巻線誘導発電機５とギア６とが搭載されている。巻線誘導発電機５のロータは、ギア６を介して風車ロータ７に接合されている。
風車ロータ７は、ブレード８と、ブレード８を支持するハブ９とを備えている。ブレード８は、そのピッチ角が可変であるように設けられている。詳細には、図２に示されているように、ハブ９には、ブレード８を駆動する油圧シリンダ１１と、油圧シリンダ１１に油圧を供給するサーボバルブ１２とが収容されている。サーボバルブ１２の開度によって油圧シリンダ１１に供給される油圧が制御され、これにより、ブレード８が、所望のピッチ角に制御される。
図１に戻り、ナセル３には、更に、風速計１０が設けられている。風速計１０は、風速と風向とを測定する。後述されるように、ナセル３は、風速計１０によって測定された風速と風向に応答して旋回される。
図３は、風力発電システム１の構成の詳細を示すブロック図である。本実施形態の風力発電システム１は、２重供給可変速風力タービンシステム（doubly-fed variable speed wind turbine system）の一種である。即ち、本実施形態の風力発電システム１は、巻線誘導発電機５が発生する電力がステータ巻線及びロータ巻線の両方から電力系統１３に出力可能であるように構成されている。具体的には、巻線誘導発電機５は、そのステータ巻線が電力系統１３に直接に接続され、ロータ巻線がＡＣ−ＤＣ−ＡＣコンバータ１７を介して電力系統１３に接続されている。
ＡＣ−ＤＣ−ＡＣコンバータ１７は、能動整流器１４、ＤＣバス１５、及びインバータ１６から構成されており、ロータ巻線から受け取った交流電力を電力系統１３の周波数に適合した交流電力に変換する。能動整流器１４は、ロータ巻線に発生された交流電力を直流電力に変換し、その直流電力をＤＣバス１５に出力する。インバータ１６は、ＤＣバス１５から受け取った直流電力を電力系統１３と同一の周波数の交流電力に変換し、その交流電力を電力系統１３に出力する。巻線誘導発電機５が電力系統１３に出力する出力電力は、能動整流器１４及びインバータ１６によって制御される。
ＡＣ−ＤＣ−ＡＣコンバータ１７は、電力系統１３から受け取った交流電力をロータ巻線の周波数に適合した交流電力に変換する機能も有しており、風力発電システム１の運転の状況によってはロータ巻線を励起するためにも使用される。この場合、インバータ１６は、交流電力を直流電力に変換し、その直流電力をＤＣバス１５に出力する。能動整流器１４は、ＤＣバス１５から受け取った直流電力をロータ巻線の周波数に適合した交流電力に変換し、その交流電力を巻線誘導発電機５のロータ巻線に供給する。
風力発電システム１の制御系は、ＰＬＧ（pulse logic generator）１８と、主制御装置１９と、電圧／電流センサ２０と、コンバータ駆動制御装置２１と、ピッチ制御装置２２と、ヨー制御装置２３とで構成されている。
ＰＬＧ１８は、巻線誘導発電機５の回転数ω（以下、「発電機回転数ω」という。）を測定する。
主制御装置１９は、ＰＬＧ１８によって測定された発電機回転数ωに応答して有効電力指令Ｐ＊、無効電力指令Ｑ＊、及びピッチ指令β＊を生成し、更に、風速計１０によって測定された風速及び風向に応答してヨー指令を生成する。後に詳細に記述されるように、本実施形態の風力発電システム１の特徴の一つは、有効電力指令Ｐ＊及びピッチ指令β＊を生成するための制御アルゴリズムにある。
電圧／電流センサ２０は、巻線誘導発電機５を電力系統１３に接続する電力線に設けられており、電力系統１３の電圧Ｖｇｒｉｄ（系統電圧）と、巻線誘導発電機５から電力系統１３に出力される出力電流Ｉｇｒｉｄとを測定する。
コンバータ駆動制御装置２１は、有効電力指令Ｐ＊、無効電力指令Ｑ＊に応答して電力系統１３に出力される有効電力Ｐと無効電力Ｑを制御する。能動整流器１４及びインバータ１６のパワートランジスタのオンオフを制御する。具体的には、コンバータ駆動制御装置２１は、電圧／電流センサ２０によって測定された電力系統１３の電圧Ｖｇｒｉｄ及び出力電流Ｉｇｒｉｄから、電力系統１３に出力される有効電力Ｐと無効電力Ｑを算出する。更にコンバータ駆動制御装置２１は、有効電力Ｐと有効電力指令Ｐ＊との差、及び無効電力Ｑと無効電力指令Ｑ＊との差に応答してＰＷＭ制御を行ってＰＷＭ信号を生成し、生成されたＰＷＭ信号を能動整流器１４及びインバータ１６に供給する。これにより、電力系統１３に出力される有効電力Ｐと無効電力Ｑが制御される。
ピッチ制御装置２２は、主制御装置１９から送られるピッチ指令β＊に応答して、ブレード８のピッチ角βを制御する。ブレード８のピッチ角βは、ピッチ指令β＊に一致するように制御される。
ヨー制御装置２３は、主制御装置１９から送られるヨー指令に応答して、ナセル旋回機構４を制御する。ナセル３は、ヨー指令によって指示された方向に向けられる。
電力系統１３と巻線誘導発電機５とを接続する電力線には、ＡＣ／ＤＣコンバータ２４が接続されている。このＡＣ／ＤＣコンバータ２４は、電力系統１３から受け取った交流電力から直流電力を生成し、その直流電力を風力発電システム１の制御系、特に、ブレード８のピッチ角βを制御するために使用されるサーボバルブ１２、主制御装置１９、及びピッチ制御装置２２に供給する。
更に、サーボバルブ１２、主制御装置１９、及びピッチ制御装置２２に安定的に直流電力を供給するために、風力発電システム１には、充電装置２７と非常用バッテリ２８とを備えた無停電電源システム２６が設けられている。風力発電システムの規格の要求により、たとえ系統電圧Ｖｇｒｉｄが低下した場合でも、巻線誘導発電機５が電力系統１３に接続された状態が維持される必要がある。このためには、電力系統１３の電圧が低下した場合でもブレード８のピッチ角が適切に制御され、これにより巻線誘導発電機５の回転数が所望値に維持される必要がある。このような要求を満足するために、系統電圧Ｖｇｒｉｄが所定の電圧まで低下した場合、無停電電源システム２６がスイッチ２５によってサーボバルブ１２、主制御装置１９、及びピッチ制御装置２２に接続され、電力が、非常用バッテリ２８からサーボバルブ１２、主制御装置１９、及びピッチ制御装置２２に供給される。これにより、ブレード８のピッチ角の制御が維持される。非常用バッテリ２８は、充電装置２７に接続されている。充電装置２７は、ＡＣ／ＤＣコンバータ２４から供給される直流電力によって非常用バッテリ２８を充電する。
本実施形態の風力発電システム１の特徴の一つは、巻線誘導発電機５の出力電力Ｐの制御の最適化にある。図４は、有効電力指令Ｐ＊と巻線誘導発電機５の回転数ωの間の関係を示すグラフであり、本実施形態の風力発電システム１において行われる出力電力Ｐの制御方法を示している。
発電機回転数ωが最小回転数ωｍｉｎよりも小さい場合、巻線誘導発電機５の有効電力指令Ｐ＊は、０に制御される。最小回転数ωｍｉｎとは、巻線誘導発電機５によって発電が行われる最小の回転数であり、風力発電システム１の特性に応じて決定される。
発電機回転数ωが最小回転数ωｍｉｎよりも大きい場合には、有効電力指令Ｐ＊は、２つの制御モード：最適カーブ制御モードと定格値制御モードから選択された一方の制御モードで制御される。
最適カーブ制御モードでは、有効電力指令Ｐ＊が、下記式：
Ｐｏｐｔ＝Ｋω３， ・・・（１）
で定義される最適化電力値Ｐｏｐｔに一致するように制御される。Ｋは、所定の定数である。風力発電システム１では、出力電力を発電機の回転数の３乗に比例して制御することが最適であることが知られており、第１の制御モードでは、出力電力Ｐが巻線誘導発電機５の発電機回転数ωの３乗に比例するように制御される。
最適カーブ制御モードは、主として、発電機回転数ωが最小回転数ωｍｉｎよりも大きく、定格回転数ωｍａｘよりも小さい範囲で使用される。ここで、定格回転数ωｍａｘとは、巻線誘導発電機５が定常的に運転される回転数である。発電機回転数ωは、ブレード８のピッチ角の制御により、（それが可能である限り）定格回転数ωｍａｘに制御される。
一方、定格値制御モードでは、出力電力Ｐが定格電力Ｐｒａｔｅｄに一致される。定格値制御モードは、主として、発電機回転数ωが定格回転数ωｍａｘ以上の範囲で使用される。定格風速で風が吹いている定常状態では、発電機回転数ωが定格回転数ωｍａｘになるように制御される一方、出力電力Ｐは定格電力Ｐｒａｔｅｄになるように制御される。
本実施形態の風力発電システム１の重要な特性は、定格値制御モードから最適カーブ制御モードへの遷移が、ブレード８のピッチ角βに応じて行われる点にある。発電機回転数ωが増加して定格回転数ωｍａｘに到達した場合には、電力制御が無条件で最適カーブ制御モードから定格値制御モードに遷移する。その一方で、発電機回転数ωが減少して定格回転数ωｍａｘよりも小さくなった場合には、まずピッチ角βが減少され、更にピッチ角βが最小値βｍｉｎになって初めて、電力制御が定格値制御モードから最適カーブ制御モードに遷移される。即ち、有効電力指令Ｐ＊が定格電力Ｐｒａｔｅｄから最適化電力値Ｐｏｐｔに切り換えられる。言い換えれば、ピッチ角βが最小値βｍｉｎに到達しない限り（即ち、ピッチ指令β＊が最小値βｍｉｎに到達しない限り）、有効電力指令Ｐ＊が定格電力Ｐｒａｔｅｄに維持される。ピッチ角βとは、ブレード８の翼弦とロータ回転面のなす角度であるから、ピッチ角βが最小値βｍｉｎであるとは、ピッチ角βがファイン側の限界値に設定され、風車ロータ７の出力係数が最大である場合を意味していることに留意されたい。
ピッチ角βが最小値βｍｉｎに到達するまで出力電力Ｐを定格電力Ｐｒａｔｅｄに維持する制御は、短いなぎが発生した場合における出力電力の変動を抑制し、更に、発電効率の低下を防止するために有利である。上記のような制御では、発電機回転数ωが定格回転数ωｍａｘよりも小さくなっても、それが短時間しか継続されなければ有効電力指令Ｐ＊が定格電力Ｐｒａｔｅｄに維持され、これにより、出力電力Ｐの変動が抑制される。加えて、本実施形態の風力発電システム１では、発電機回転数ωが定格回転数ωｍａｘよりも小さくなったときに、ピッチ角βの減少による風車ロータ７の出力係数の増大ができなくなって初めて出力電力Ｐが定格電力Ｐｒａｔｅｄから減少されるため、風車ロータ７の回転エネルギーが有効に活用され、発電効率を有効に向上させることができる。
ただし、発電機回転数ωが中間回転数ωＭ（＝（ωｍｉｎ＋ωｍａｘ）／２）よりも小さくなった場合には、ピッチ角β（又はピッチ指令β＊）に無関係に、電力制御が定格値制御モードから最適カーブ制御モードに切り換えられる。発電機回転数ωが過小である場合に出力電力Ｐを定格電力Ｐｒａｔｅｄに維持しようとすることは、制御の安定性を保つために好ましくない。
図５は、図４に示されているような制御を実現するための主制御装置１９の構成の例を示すブロック図である。図５は、主制御装置１９の構成の一例を示しているに過ぎず、主制御装置１９はハードウェア、ソフトウェア、及びハードウェアとソフトウェアの組み合わせの何れによって実現されてもよいことに留意されたい。主制御装置１９は、有効電力指令Ｐ＊及び無効電力指令Ｑ＊を生成する電力制御部３１と、ピッチ指令β＊を生成するピッチ制御部３２とを備えている。
電力制御部３１は、選択器３３と、減算器３４と、ＰＩ制御部３５と、パワー制限部３６と、電力設定計算部３７とを備えている。一方、ピッチ制御部３２は、減算器３８と、ＰＩ制御部３９と、減算器４０と、ＰＩ制御部４１と加算器４２を備えている。選択器３３、減算器３４、ＰＩ制御部３５、パワー制限部３６、電力設定計算部３７、減算器３８、ＰＩ制御部３９、減算器４０、ＰＩ制御部４１、及び加算器４２は、主制御装置１９において使用されるクロックに同期してそれぞれに演算ステップを実行し、これにより、有効電力指令Ｐ＊、無効電力指令Ｑ＊、及びピッチ指令β＊が生成される。
詳細には、選択器３３は、発電機回転数ωに応答して、最小回転数ωｍｉｎと定格回転数ωｍａｘとのうちの一方を電力制御回転数指令ωＰ ＊として選択する。より具体的には、選択器３３は、発電機回転数ωが中間回転数ωＭ以下である場合、電力制御回転数指令ωＰ ＊を最小回転数ωｍｉｎに設定し、発電機回転数ωが中間回転数ωＭよりも大きい場合、電力制御回転数指令ωＰ ＊を定格回転数ωｍａｘに設定する。
減算器３４は、発電機回転数ωから電力制御回転数指令ωＰ ＊を減じて偏差ΔωＰを算出する。
ＰＩ制御部３５は、偏差ΔωＰに応答してＰＩ制御を行い、有効電力指令Ｐ＊を生成する。ただし、生成される有効電力指令Ｐ＊の範囲は、パワー制限部３６から供給される電力指令下限Ｐｍｉｎと電力指令上限Ｐｍａｘによって制限される。即ち、有効電力指令Ｐ＊は、電力指令下限Ｐｍｉｎ以上、電力指令下限Ｐｍａｘ以下に制限される。
パワー制限部３６は、発電機回転数ω及びピッチ指令β＊に応答して、ＰＩ制御部３５に供給される電力指令下限Ｐｍｉｎ及び電力指令下限Ｐｍａｘを決定する。パワー制限部３６は、更に、定格電力Ｐｒａｔｅｄをピッチ制御部３２の減算器４０に供給する。後述されるように、パワー制限部３６によって生成される電力指令下限Ｐｍｉｎ、電力指令下限Ｐｍａｘ、及び上述の選択器３３によって決定される電力制御回転数指令ωＰ ＊を適切に決定することにより、図４に示されているような電力制御が行われる。
電力設定計算部３７は、ＰＩ制御部３５によって生成された有効電力指令Ｐ＊と、風力発電システム１から出力される交流電力の力率を指定する力率指令とから無効電力指令Ｑ＊を生成し、有効電力指令Ｐ＊と無効電力指令Ｑ＊とを出力する。上述されているように、有効電力指令Ｐ＊と無効電力指令Ｑ＊は、風力発電システム１から出力される有効電力Ｐ及び無効電力Ｑの制御に使用される。
一方、ピッチ制御部３２の減算器３８は、発電機回転数ωからピッチ制御回転数指令ωβ ＊を減じて偏差Δωβを算出する。ピッチ制御回転数指令ωβ ＊は、定格回転数ωｍａｘに一致しており、従って、偏差Δωβは、発電機回転数ωと定格回転数ωｍａｘとの差を表している。
ＰＩ制御部３９は、偏差Δωβに応答してＰＩ制御を行い、ピッチ指令基礎値βｉｎ ＊を生成する。ピッチ角指令基礎値βｉｎ ＊は、最終的に生成されるピッチ指令β＊を主として支配するが、ピッチ指令β＊に完全に一致するわけではない。ピッチ角指令基礎値βｉｎ ＊は、発電機回転数ωが定格回転数ωｍａｘに制御されるように決定される。
減算器４０は、有効電力指令Ｐ＊から定格電力Ｐｒａｔｅｄを減じて偏差ΔＰを生成し、ＰＩ制御部４１は、偏差ΔＰに応答してＰＩ制御を行い、補正値Δβ＊を生成する。加算器４２は、ピッチ角指令基礎値βｉｎ ＊と補正値Δβ＊とを加算してピッチ指令β＊を生成する。
ピッチ制御部３２の減算器４０、及びＰＩ制御部４１は、発電機回転数ωが定格回転数ωｍａｘまで増加して電力制御が最適カーブ制御モードから定格値制御モードに切り換えられるときに、ピッチ制御部３２が電力制御に不所望に干渉することを抑制する役割を有している。ピッチ制御部３２のＰＩ制御部３９は、発電機回転数ωを定格回転数ωｍａｘに調整しようとする。このため、電力として取り出すべき空力エネルギーが不所望に捨てられてしまう場合がある。そこで、本実施形態では、定格電力Ｐｒａｔｅｄと有効電力指令Ｐ＊との差に応答してＰＩ制御部４１によって補正値Δβ＊を生成し、この補正値Δβ＊によってピッチ指令β＊が補正される。補正値Δβ＊は、有効電力指令Ｐ＊が定格電力Ｐｒａｔｅｄよりも小さい場合に、即ち、偏差ΔＰ（＝Ｐ＊−Ｐｒａｔｅｄ）が負であると、ピッチ指令β＊がピッチ角指令基礎値βｉｎ ＊よりも小さくなるように、即ち、ピッチ角βがよりファイン側になるように決定される。このような制御により、発電機回転数ωが定格回転数ωｍａｘに到達する直前では、ピッチ角βがフェザー側になることが抑制される。発電機回転数ωが定格回転数ωｍａｘに到達した後は, 偏差ΔＰは０となり,補正値Δβ＊も０となる。
図６は、主制御装置１９の電力制御部３１及びピッチ制御部３２の動作を示す表である。以下では、電力制御部３１及びピッチ制御部３２の動作が、以下の５つのケースに分けて説明される。
ケース（１）：発電機回転数ωが最小回転数ωｍｉｎ以上、中間回転数ωＭ（＝（ωｍｉｎ＋ωｍａｘ）／２）以下である場合
この場合、電力制御回転数指令ωＰ ＊は、選択器３３によって最小回転数ωｍｉｎに設定され、更に、電力指令下限Ｐｍｉｎ及び電力指令上限Ｐｍａｘが、それぞれ、０、Ｐｏｐｔ（＝Ｋω３）に設定される。加えて、偏差ΔωＰ（＝ω−ωｍｉｎ）が正であり、且つ、発電機回転数ωが定格回転数ωｍａｘになるように制御されるので、有効電力指令Ｐ＊は、常に電力指令上限Ｐｍａｘに張り付くことになる。電力指令上限ＰｍａｘはＰｏｐｔであるので、結果として、有効電力指令Ｐ＊は、最適化電力値Ｐｏｐｔに設定される。言い換えれば、電力制御は、最適カーブ制御モードに設定される。
この場合、ピッチ指令β＊は、ピッチ制御部３２によって発電機回転数ωが定格回転数ωｍａｘになるように制御されるので、結果として、ピッチ指令β＊は、ファイン側の限界値に、即ち、最小ピッチ角βｍｉｎに設定されることになる。
ケース（２）：発電機回転数ωが、中間回転数ωＭを超えることによって、中間回転数ωＭより大きく定格回転数ωｍａｘよりも小さい範囲に設定された場合
この場合、電力制御回転数指令ωＰ ＊は、選択器３３によって定格回転数ωｍａｘに設定され、更に、電力指令下限Ｐｍｉｎ及び電力指令上限Ｐｍａｘが、それぞれ、Ｐｏｐｔ、Ｐｒａｔｅｄに設定される。この場合、偏差ΔωＰ（＝ω−ωｍａｘ）が負であり、且つ、発電機回転数ωがピッチ制御部３２によって定格回転数ωｍａｘになるように制御されるので、有効電力指令Ｐ＊は、常に電力指令下限Ｐｍｉｎに張り付くことになる。電力指令下限ＰｍａｘはＰｏｐｔであるので、結果として、有効電力指令Ｐ＊は、最適化電力値Ｐｏｐｔに設定される。言い換えれば、電力制御は、最適カーブ制御モードに設定される。
上述された補正値Δβ＊によるピッチ指令β＊の補正は、ケース（２）において有効に機能する。ケース（２）では、有効電力指令Ｐ＊が定格電力Ｐｒａｔｅｄよりも小さいから、偏差ΔＰが負になり、従って、補正値Δβ＊も負になる。よって、ピッチ指令β＊がピッチ角指令基礎値βｉｎ ＊よりも小さくなる、即ち、ピッチ角βがよりファイン側になる。これにより、空力エネルギーが、より有効に電力に変換される。
ケース（３）：発電機回転数ωが定格回転数ωｍａｘ以上である場合
この場合、電力制御回転数指令ωＰ ＊が選択器３３によって定格回転数ωｍａｘに設定され、電力指令下限Ｐｍｉｎ及び電力指令上限Ｐｍａｘが、いずれも、定格電力Ｐｒａｔｅｄに設定される。従って、有効電力指令Ｐ＊は、定格電力Ｐｒａｔｅｄに設定される。言い換えれば、電力制御は、定格値制御モードに設定される。
一方、ピッチ指令β＊は、ＰＩ制御によって発電機回転数ωが定格回転数ωｍａｘになるように制御される。
ケース（４）：発電機回転数ωが、定格回転数ωｍａｘよりも小さくなることによって中間回転数ωＭより大きく定格回転数ωｍａｘよりも小さい範囲に設定され、且つ、ピッチ角βが最小ピッチ角βｍｉｎに到達していない場合
この場合、電力制御回転数指令ωＰ ＊が選択器３３によって定格回転数ωｍａｘに設定される。更に、電力指令下限Ｐｍｉｎが、１演算ステップ前の有効電力指令Ｐ＊と、現演算ステップの電力指令上限Ｐｍａｘとのうちの小さい方に設定され、電力指令上限Ｐｍａｘが定格電力Ｐｒａｔｅｄに設定される。この結果、有効電力指令Ｐ＊は、定格電力Ｐｒａｔｅｄに設定される。言い換えれば、電力制御は、定格回転数ωｍａｘよりも小さくなっても定格値制御モードに維持される。ピッチ角βが最小ピッチ角βｍｉｎに到達しているか否かは、ピッチ指令β＊が最小ピッチ角βｍｉｎに一致しているか否かに基づいて判断される。
一方、ピッチ指令β＊は、ＰＩ制御によって発電機回転数ωが定格回転数ωｍａｘになるように制御される。ケース（４）では、発電機回転数ωが定格回転数ωｍａｘよりも小さいのであるから、ピッチ角βは、ピッチ制御部３２によって減少される。
ケース（５）：発電機回転数ωが、定格回転数ωｍａｘよりも小さくなることによって中間回転数ωＭより大きく定格回転数ωｍａｘよりも小さい範囲に設定され、且つ、ピッチ角βが最小ピッチ角βｍｉｎに到達した場合
この場合、電力制御回転数指令ωＰ ＊は、選択器３３によって定格回転数ωｍａｘに設定され、更に、電力指令下限Ｐｍｉｎ及び電力指令上限Ｐｍａｘが、それぞれ、Ｐｏｐｔ、Ｐｒａｔｅｄに設定される。この場合、偏差ΔωＰ（＝ω−ωｍａｘ）が負であり、且つ、発電機回転数ωがピッチ制御部３２によって定格回転数ωｍａｘになるように制御されるので、有効電力指令Ｐ＊は、常に電力指令下限Ｐｍｉｎに張り付くことになる。電力指令下限ＰｍａｘはＰｏｐｔであるので、結果として、有効電力指令Ｐ＊は、最適化電力値Ｐｏｐｔに設定される。言い換えれば、電力制御は、定格値制御モードから最適カーブ制御モードに切り換えられる。
図７は、本実施形態における風力発電システム１の動作の一例を示すグラフである。風力発電システム１の動作が開始された後、発電機回転数ωが定格回転数ωｍａｘに到達するまで、有効電力指令Ｐ＊は最適化電力値Ｐｏｐｔに設定される（上述のケース（２））。これにより、出力される有効電力Ｐは、発電機回転数ωの増加と共に増加される。発電機回転数ωを定格回転数ωｍａｘに到達させるために、ピッチ指令β＊は最小ピッチ角βｍｉｎに設定される。
発電機回転数ωが定格回転数ωｍａｘを超えると、有効電力指令Ｐ＊は定格電力Ｐｒａｔｅｄに設定される（上述のケース（３））。これにより、出力される有効電力Ｐは、定格電力Ｐｒａｔｅｄに維持される。発電機回転数ωが定格回転数ωｍａｘを超えているので、ピッチ指令β＊が増加し、ピッチ角βがフェザー側に移行する。
短いなぎが発生すると、発電機回転数ωが急減する。ピッチ制御部３２は、発電機回転数ωを定格回転数ωｍａｘに維持しようとして、ピッチ指令β＊を減少させ、これにより、ピッチ角βを減少させる、即ち、ファイン側に移行させる。有効電力指令Ｐ＊は、発電機回転数ωが定格回転数ωｍａｘよりも小さくなってもピッチ角βが最小ピッチ角βｍｉｎに到達しない限り定格電力Ｐｒａｔｅｄに維持される。従って、出力される有効電力Ｐも定格電力Ｐｒａｔｅｄに維持される。
図７の動作では、ピッチ角βが最小ピッチ角βｍｉｎに到達する前に発電機回転数ωが定格回転数ωｍａｘに再度に復帰しており、従って、有効電力Ｐは定格電力Ｐｒａｔｅｄに維持される。このように、本実施形態の風力発電システム１では、短いなぎが発生した場合における出力電力の変動が抑制される。更に、本実施形態の風力発電システム１では、発電機回転数ωが定格回転数ωｍａｘよりも小さくなったときに、ピッチ角βの減少による風車ロータ７の出力係数の増大ができなくなって初めて出力電力Ｐが定格電力Ｐｒａｔｅｄから減少されるため、風車ロータ７の回転エネルギーが有効に活用され、発電効率を有効に向上させることができる。
本実施形態の風力発電システム１は、更に、様々な運転状況に応じた様々な制御方法を実行するように構成されることが好ましい。図８は、様々な運転状況に応じた制御を行う風力発電システム１の好適な構成を示している。
第１に、図８の風力発電システム１では、主制御装置１９は、風速計１０によって計測された風速及び風向によってガスト（突風）の発生を検知する。風速及び風向の代わりに、発電機回転数に基づいてガストの発生を検出してもよい。ガストの発生が検知された場合には、風車ロータ７の回転数が過剰に増大しないように、有効電力指令Ｐ＊が制御される。具体的には、図９に示されているように、風速及び風向によってガストの発生が検知されると（ステップＳ０１）、風車ロータ７の加速度（ロータ加速度）又は風車ロータ７の回転数（ロータ回転数）が監視される。ロータ加速度又はロータ回転数が所定の制限値を超えると（ステップＳ０２）、有効電力指令Ｐ＊が増大される（ステップＳ０３）。有効電力指令Ｐ＊が直前まで定格電力Ｐｒａｔｅｄに制御されていた場合には、有効電力指令Ｐ＊は、定格電力Ｐｒａｔｅｄよりも大きくなるように制御される。これにより、風車ロータ７の回転エネルギーが電気エネルギーに変換されて電力系統１３で消費される。これにより、風車ロータ７が減速される。
また、図８の風力発電システム１は、ブレード８を駆動するピッチ駆動機構に故障が検知された場合には、ナセル旋回機構４によって風車ロータ７の回転面を風上方向から退避させ、これにより、風車ロータ７を停止させるように構成されている。この目的を達成するために、ピッチ制御装置２２が、図２の油圧シリンダ１１及び／又はサーボバルブ１２の故障を検出することができるように構成されている。主制御装置１９は、油圧シリンダ１１及び／又はサーボバルブ１２の故障が検出されると、それに応答してヨー指令を生成する。
図１０は、風車ロータ７の回転面が風上方向から退避される手順を示している。ピッチ制御装置２２によって油圧シリンダ１１及び／又はサーボバルブ１２の故障が検出されると（ステップＳ０６）ピッチ故障信号が活性化される。主制御装置１９は、ピッチ故障信号の活性化に応答してヨー指令をナセル３のヨー角を制御し、これにより、風車ロータ７の回転面を風上方向から退避させる（ステップＳ０７）。風上方向は、風速計１０によって計測された風向によって判断可能である。風車ロータ７の回転面が風上方向から退避されることによって、風車ロータ７に流入する風の風速が減少され、回転トルクが減少される（ステップＳ０８）。この結果、風車ロータ７が減速されて停止される。
加えて、図８の風力発電システム１は、系統電圧Ｖｇｒｉｄの過剰な増加及び減少が発生したときに電力系統１３に供給される無効電力Ｑを制御し、更に、その無効電力Ｑに応じてピッチ制御が行われるように構成されている。図１１は、このような制御の手順を示すフローチャートである。
系統電圧Ｖｇｒｉｄが所定の定格電圧ＶｒａｔｅｄのＸ％を超えた場合（Ｘは、１００よりも大きい所定値）、又は、所定の定格電圧ＶｒａｔｅｄのＹ％よりも小さくなった場合（Ｙは、１００よりも小さい所定値）（ステップＳ１１）、電力制御部３１に与えられる力率指令が修正される（ステップＳ１２）。修正された力率指令は、電力系統１３の制御システムから与えられることが可能であり、また、主制御装置１９自身が系統電圧Ｖｇｒｉｄに応じて力率指令を修正することも可能である。これにより、系統電圧Ｖｇｒｉｄが所定の定格電圧ＶｒａｔｅｄのＸ％を超えた場合には無効電力指令Ｑ＊が減少され、系統電圧Ｖｇｒｉｄが所定の定格電圧ＶｒａｔｅｄのＹ％を超えた場合には無効電力指令Ｑ＊が増加される。風力発電システム１から電力系統１３に供給される皮相電力Ｓは一定であるから、無効電力指令Ｑ＊が減少されるときには有効電力指令Ｐ＊が増加され、無効電力指令Ｑ＊が増加されるときには有効電力指令Ｐ＊が減少されることになる。ＡＣ−ＤＣ−ＡＣコンバータ１７が有効電力指令Ｐ＊及び無効電力指令Ｑ＊に応答して制御されることにより、電力系統１３に供給される無効電力Ｑが制御される（ステップＳ１３）。
無効電力指令Ｑ＊が大きく増大された場合には、有効電力指令Ｐ＊が減少されることになり、これは、風力発電システム１の出力を低下させる。このような不都合を回避するために、無効電力指令Ｑ＊の増大が所定の増加量よりも大きい場合には、ピッチ指令β＊を減少させることにより（即ち、ピッチ指令β＊がファイン側に移行されることにより）、有効電力Ｐが増大される（ステップＳ１５）。
無効電力指令Ｑ＊が大きく減少された場合には、有効電力指令Ｐ＊が増加されることになり、これは、風力発電システム１の出力を不必要に増加させる。このような不都合を回避するために、無効電力指令Ｑ＊の減少が所定の減少量よりも大きい場合には、ピッチ指令β＊を増加せることにより（即ち、ピッチ指令β＊がフェザー側に移行されることにより）、有効電力Ｐが減少される。
更に、図８の風力発電システム１は、非常用バッテリ２８が充電される間、出力する有効電力Ｐを増大するように構成されている。これは、非常用バッテリ２８の充電に使用される電力の分を補償するためである。具体的には、図１２に示されているように、充電装置２７が非常用バッテリ２８の充電を開始すると（ステップＳ２１）、充電装置２７は、充電開始信号を活性化する。主制御装置１９は、充電開始信号の活性化に応答して、有効電力指令Ｐ＊を増加させる（ステップＳ２２）。有効電力指令Ｐ＊の増加量は、非常用バッテリ２８の充電に使用される電力の量と同じに設定される。充電が行われない場合には、ＰＩ制御部３５によって生成された有効電力指令Ｐ＊がＡＣ−ＤＣ−ＡＣコンバータ１７の制御に使用される。
なお、本発明は、上述されている実施形態に限定されて解釈されてはならない。例えば、本実施形態の風力発電システム１は、２重供給可変速風力タービンシステムであるが、本発明は、風車ロータの回転数及びピッチ角の両方が可変である他の形式の風力発電システムにも適用可能である。例えば、本発明は、発電機によって発電された交流電力の全てが、ＡＣ−ＤＣ−ＡＣコンバータによって電力系統の周波数に合わせた交流電力に変換されるような風力発電システムに適用可能である。
また、非常用バッテリ２８の充電は、電力系統から受け取った電力ではなく、発電機から出力される電力によって行われることも可能である。
更に、風車ロータ７の回転数は、発電機回転数ωに依存しているから、発電機回転数ωの代わりに風車ロータ７の回転数を使用してもよいことは、当業者には自明的である。例えば、本実施形態のように、風車ロータ７がギア６を介して巻線誘導発電機５に接続される場合には、風車ロータ７の回転数は、発電機回転数ωに一対一に対応している。また、ギア６の代わりにトロイダル変速機のような無段階変速機が使用される場合でも、発電機回転数ωが風車ロータ７の回転数の増大に伴って増大されるから、発電機回転数ωの代わりに風車ロータ７の回転数を使用することができる。
図１は、本発明の一実施形態における風力発電システムの構成を示す側面図である。 図２は、本実施形態の風力発電システムのピッチ駆動機構の構成を示すブロック図である。 図３は、本実施形態の風力発電システムの構成を示すブロック図である。 図４は、本実施形態の風力発電システムにおいて行われる電力制御の方法を示すグラフである。 図５は、本実施形態の風力発電システムの主制御装置の構成の一例を示すブロック図である。 図６は、本実施形態の風力発電システムの電力制御部及びピッチ制御部の動作を説明する表である。 図７は、本実施形態の風力発電システムの動作の一例を示すグラフである。 図８は、本実施形態の風力発電システムの他の構成を示すブロック図である。 図９は、本実施形態の風力発電システムで行われる好適な制御のフローチャートである。 図１０は、本実施形態の風力発電システムで行われる他の好適な制御のフローチャートである。 図１１は、本実施形態の風力発電システムで行われる更に他の好適な制御のフローチャートである。 図１２は、本実施形態の風力発電システムで行われる更に他の好適な制御のフローチャートである。
符号の説明
１：風力発電システム
２：タワー
３：ナセル
４：ナセル旋回機構
５：巻線誘導発電機
６：ギア
７：風車ロータ
８：ブレード
９：ハブ
１０：風速計
１１：油圧シリンダ
１２：サーボバルブ
１３：電力系統
１４：能動整流器
１５：ＤＣバス
１６：インバータ
１７：ＡＣ−ＤＣ−ＡＣコンバータ
１８：ＰＬＧ
１９：主制御装置
２０：電圧／電流センサ
２１：コンバータ駆動制御装置
２２：ピッチ制御装置
２３：ヨー制御装置
２４：ＡＣ／ＤＣコンバータ
２５：スイッチ
２６：無停電電源システム
２７：充電装置
２８：非常用バッテリ
３１：電力制御部
３２：ピッチ制御部
３３：選択器
３４：減算器
３５：ＰＩ制御部
３６：パワー制限部
３７：電力設定計算部
３８：減算器
３９：ＰＩ制御部
４０：減算器
４１：ＰＩ制御部
４２：加算器

Claims (9)

  1. ピッチ角が可変であるブレードを備える風車ロータと、
    前記風車ロータによって駆動される発電機と、
    前記風車ロータ又は前記発電機の回転数に応答して、前記発電機の出力電力と前記ブレードの前記ピッチ角とを制御する制御装置
    とを具備し、
    前記制御装置は、前記回転数が増大して所定の定格回転数に到達するまでの間、所定の電力−回転数曲線に従って前記出力電力を制御する第１制御を行い、前記回転数が前記定格回転数を超えたとき前記出力電力を所定の定格電力に制御する第２制御を行い、
    前記制御装置は、一旦、前記第２制御を行う状態に設定された後で前記回転数が前記定格回転数よりも小さくなったとき、前記ピッチ角に応答して前記第２制御を行う状態を維持し、又は前記第１制御を行う状態に遷移する
    風力発電システム。
  2. 請求項１に記載の風力発電システムであって、
    前記制御装置は、一旦、前記第２制御を行う状態に設定された後で前記回転数が前記定格回転数よりも小さくなったとき、前記ピッチ角が所定のピッチ角よりも大きい場合には前記第２制御を行う状態を維持し、前記ピッチ角が前記所定のピッチ角に到達して初めて前記第１制御を行う状態に遷移する
    風力発電システム。
  3. 請求項１に記載の風力発電システムであって、
    前記制御装置は、前記回転数と所定の定格回転数との差、及び前記出力電力と前記定格電力との差に応答して前記ピッチ角を制御する
    風力発電システム。
  4. 請求項３に記載の風力発電システムであって、
    前記制御装置は、前記出力電力が前記定格電力よりも小さい場合に前記ピッチ角が減少されるように前記ピッチ角を制御する
    風力発電システム。
  5. 請求項１に記載の風力発電システムであって、
    前記制御装置は、ガストを検出した場合、前記回転数に応答して前記発電機の出力電力を増加させる
    風力発電システム。
  6. 請求項１に記載の風力発電システムであって、
    更に、
    風車ロータの回転面の向きを旋回させる旋回機構と、
    風上方向を検出する風向検出器
    とを備え、
    前記風車ロータは、前記ブレードを駆動するピッチ駆動機構を備え、
    前記制御装置は、前記ピッチ駆動機構の故障を検出したとき、前記風車ロータの回転面が前記風上方向から退避されるように前記旋回機構を制御する
    風力発電システム。
  7. 請求項１に記載の風力発電システムであって、
    前記制御装置は、前記発電機に接続された電力系統の電圧に応答して前記発電機から前記電力系統に出力される無効電力を制御し、且つ、前記無効電力に応じて前記ピッチ角を制御する
    風力発電システム。
  8. 請求項１に記載の風力発電システムであって、
    更に、
    非常用バッテリと、
    前記電力系統から受け取った電力によって前記非常用バッテリを充電する充電装置
    とを具備し、
    前記風車ロータは、前記ブレードを駆動するピッチ駆動機構を備え、
    前記非常用バッテリは、発電機に接続された電力系統の電圧が低下したときに前記ピッチ駆動機構と前記制御装置に電力を供給し、
    前記制御装置は、前記非常用バッテリが充電されている間、前記出力電力を増加させるように前記出力電力を制御する
    風力発電システム。
  9. ピッチ角が可変であるブレードを備える風車ロータと、
    前記風車ロータによって駆動される発電機
    とを備える風力発電システムの制御方法であって、
    前記風車ロータ又は前記発電機の回転数に応答して、前記発電機の出力電力と前記ブレードの前記ピッチ角とを制御する制御ステップ
    を具備し、
    前記制御ステップは、
    （Ａ）前記回転数が増大して所定の定格回転数に到達するまでの間、所定の電力−回転数曲線に従って前記出力電力を制御する第１制御が行うステップと、
    （Ｂ）前記回転数が前記定格回転数を超えたとき前記出力電力を所定の定格電力に制御する第２制御を行うステップと、
    （Ｃ）一旦、前記第２制御を行う状態に設定された後で前記回転数が前記定格回転数よりも小さくなったとき、前記ピッチ角に応答して前記第２制御を行う状態を維持し、又は前記第１制御を行う状態に遷移するステップ
    とを備える
    風力発電システムの制御方法。
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