JP2007285214A

JP2007285214A - 風車の制御装置

Info

Publication number: JP2007285214A
Application number: JP2006114370A
Authority: JP
Inventors: Shingo Hayashi; 慎吾林
Original assignee: Nabtesco Corp
Current assignee: Nabtesco Corp
Priority date: 2006-04-18
Filing date: 2006-04-18
Publication date: 2007-11-01

Abstract

【課題】風車の発電機の効率的な運転と風車の損傷防止とを、どのような方向から風が吹いても行えるようにする。
【解決手段】複数の風車２がブレード８ｂのピッチ角を制御するピッチ制御装置３６と、風車２のナセル６のヨー角を制御するヨー制御装置３４とを、備えている。風速及び風向を検出する３つ以上の風向風速計１０を結ぶエリア内に、各風車２が位置している。これら風向風速計１０の検出値に基づいて各風車２のピッチ制御装置３６又はヨー制御装置３４を制御可能とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の風車を制御する風車の制御装置に関する。

風力発電に用いられる風車は、単独で使用されることは少なく、複数台の風車が設置されることが多い。複数台の風車に風が吹くとき、各風車のうち風上にある風車にまず風が吹く。この風の風向や風速を検出し、この検出結果を先頭の風車の後続の風車に、風が到達する前に送り、その風に応じたように風車のヨー角やピッチ角を予め制御しておけば、風車に接続された発電機を効率的に運転することができるし、かつ風車の破損も防止することができる。

そのための技術として特許文献１に開示された技術がある。この技術では、複数台の風車が設置されている状態において、そのうちの１つまたは予め定めた複数の風車に、音波気象探知機システムが設けられている。この探知機システムで検出されたデータによって、この探知機システムが設けられている風車及びそれに後続する別の風車のヨーまたはピッチ制御が行われる。この制御を行うためのデータの伝送には中央制御が利用されている。

特表２００４−５３７０００号公報

特許文献１に開示された技術では、予め定めた方向から風が常に吹く地域において有効である。しかし、風がどのような方向から吹いてくるか常に一定でない地域に、特許文献１の技術を適用しても、風向きによっては、探知機システムがデータを或る風車に送信しようとする前に、その風車に別の方向からの風が吹いている可能性があり、発電機の効率的な運転と風車の損傷とを防止することができなくなる。また、探知機システムは、落雷等により故障することが多く、風車が停止する最多原因の１つであり、発電効率が低下する原因となる。また、特許文献１の技術では、中央制御によってどの風車にデータを伝送するか判断している。中央制御用の装置が多くの風車へのデータの送信を判断しているので、中央制御には高速処理が可能な装置が必要である。さらに、中央制御用の装置が故障すると、全ての風車での発電が停止することになるので、中央制御用の装置は多重化する必要がある。このような高速処理及び多重化のため、コスト高になる。

本発明は、発電機の効率的な運転と風車の損傷防止とを、どのような方向から風が吹いても行えるようにした風車の制御装置を提供することを目的とする。本発明は、これに加えて、低コストで上記の目的を達成することができる風車の制御装置を提供することも目的とする。

本発明の一態様の風車の制御装置では、複数の風車が配置されている。これら風車は、ブレードのピッチ角を制御するピッチ制御装置と、前記各風車のナセルのヨー角を制御するヨー制御装置とを、それぞれ備えている。風速及び風向を検出する風向及び風速検出装置が３つ以上設けられている。これら風向及び風速検出装置を結ぶエリア内に前記各風車が位置するように、前記各風向及び風速検出装置が配置されている。これら風向及び風速検出装置の検出値に基づいて前記各風車のピッチ制御装置又は前記ヨー制御装置が制御可能とされている。

このように構成された風車の制御装置では、３つ以上の風向及び風速検出装置を結ぶエリア内に、複数の風車装置が配置されているので、どのような方向から風が吹いても、風車に突風のような風が到達する前に、風速の変化を検出することができ、発電が効率的に行われ、かつ風車が損傷することを防止できる。

上記の態様の風車の制御装置において、風上に位置する風向及び風速検出装置のみが検出値を風車に対して発信する発信判断部を、風向及び風速検出装置に設けることができる。このように構成すると、各風車は、風上に位置する風向及び風速検出装置の検出値を基にピッチ制御装置もしくはヨー制御装置を制御できる。従って、どのような方向から風が吹いても、その風に対応して各風車のピッチやヨーが制御されるので、発電が効率的に行われ、かつ風車が損傷することを防止できる。また、中央制御が行われていないので、データ伝送の処理が速く、安価である。また、中央制御が行われていないので、全風車が同時に停止することを回避することができる。

上記の態様の風車の制御装置において、前記各風車は、風上に位置する風向及び風速検出装置の検出値を選択して、この選択された検出値を自己のピッチ制御装置若しくはヨー制御装置に供給する選択部を、有するものとすることができる。このように構成すると、各風車は、風上に位置する風向及び風速検出装置からの検出値を選択するので、っこの検出値を参考に自己のピッチ制御装置及びヨー制御装置を制御することができるので、発電が効率的に行われ、かつ風車が損傷することを防止できる。また、風上の風向及び風速検出装置の検出値を選択するので、全ての風向及び風速検出装置の検出値を処理する必要が無く、高速な処理を行うことができる。更に、また、中央制御が行われていないので、データ伝送の処理が速く、安価である。また、中央制御が行われていないので、全風車が同時に停止することを回避することができる。その上、各風車が個別に独立して制御されるので、１台の風車に故障が生じても、或いは風車が増設されても、全体の風車に影響することがない。

前記各風車の少なくとも一部には、受信した検出値を再度発信する発信判断部を備えることができる。このように構成すると、風向及び風速検出装置の検出値を順に全ての風車に伝送することができる。

前記各風向及び風速検出装置の検出値は、風向及び風速検出装置の識別コード、時刻、風速及び風向を含むものとできる。この場合、前記各風車は、予め設定された当該風向及び風速検出装置までの距離と前記検出値とに基づいて、当該風向及び風速検出装置が検出した風の到達時間を予測する演算部を備える。このように構成すると、各風車では、風の到達時間を予測することができるので、その時間までにピッチ角やヨー角の制御を行えば、風車の回転の変動を低減して、発電効率を向上させることができる上に、風車の破損を防止することができる。

風向及び風速検出装置を、前記各風車とは別個に設けることができる。このように構成すると、風が風車に到達する前に、風速及び風向を検知することができるので、風の到達に併せてピッチ角やヨー角を制御することができ、風車の回転の変動を低減して、発電効率を向上させることができる上に、風車の破損を防止することができる。

前記各風車に風向及び風速検出装置を設けることもできる。このように構成すると、風上にある風車の風向及び風速検出装置の検出値に基づき、風の到達に併せて、ピッチ角やヨー角の制御を行うことができる。

前記風車に備えられている風向及び風速検出装置が故障したとき、当該風車に隣接する風向及び風速検出装置の検出値を受信可能とすることもできる。このように構成すると、いずれかの風向及び風速検出装置が故障しても、隣接数風向及び風速検出装置の検出値を用いてピッチ角やヨー角の制御を行うことができるので、全ての風車が停止することはなく、風車での発電を継続することができる。

以上のように、本発明によれば、どのような方向から風が吹いても発電機の効率的な運転と風車の損傷防止とを行える。

本発明の第１の実施形態の風車の制御装置は、図１に示すように、複数台の風車２を有している。これら風車２は、水平軸型のもので、図２に示すように、タワー４の上部に取り付けられている。各風車２は、タワー４の上部に設けたナセル６を有し、その内部に増速機を介して発電機が設けられ、増速機はロータ８の回転軸に結合されている。ロータ８は、ハブ８ａにブレード８ｂを設けたものである。ナセル６は、タワー４の長さ方向に沿う軸の回りに回転可能に、即ちヨー角を変更可能に構成されている。また、各ブレード８ｂは、その面がロータ８の正面方向に対してなす角度を変更可能に、即ちピッチ角変更可能に構成されている。これら風車２は、図１に示すように、一定の距離、例えば数百ｍの間隔をおいて、例えばマトリックス状に配置されている。

全風車２の周囲を囲うように３つ以上、例えば４台の風向風速計１０が、各風車２と距離をおいて、かつ互いに距離をおいて配置されている。これら風向風速計１０も、タワー４とほぼ同じ高さのタワー１２の上部に取り付けられている。従って、風向風速計１０で計測される風向及び風速は、各風車２と同じ高さのものである。

各風車２と各風向風速計１０とは、例えば無線によってネットワークを形成し、各風向風速計１０から各風車２に通信可能に構成され、かつ各風車２間で通信可能に構成されている。これら通信は、特定の制御装置が全ての風向風速計１０及び全ての風車２での通信を制御する中央制御ではなく、個々の機器間で通信が行われている。

図１に示すように各風向風速計１０は、風向を検出する風向検出部１２と、風速を検出する風速検出部１４とを備え、風向検出部１２からの風向検出信号と、風速検出部１４からの風速検出信号とは、検出値生成部１６に供給される。検出値生成部１６では、これら風向検出信号及び風速検出信号に、これらの検出時刻を表す検出時刻信号とを加え、更に各風向風速計に予め割り当てられている識別符号、例えば識別コードを加えて、検出値信号を生成し、発信判断部１８に供給する。

発信判断部１８は、検出値信号中の風向検出信号を基に、検出された風に対して発信判断部１８が設置されている風向風速計１０が風上に位置しているか判断し、風上に位置していると判断されたとき、送受信部２０に対して検出値信号の送信を許可する。或いは、今までと風向または風速が大きく変化した場合にも検出値信号の発信を許可する。発信が許可されると、送受信部２０は、所定の搬送波を検出値信号によって変調して、アンテナ２２から送信する。

各風車２では、アンテナ２４によって受信した風向風速計１０からの信号を送受信部２６によって受信して、検出値信号を復調する。復調された検出値信号は受信選択部２８に供給される。受信選択部２は、検出値信号に含まれる風向風速計１０の識別コードから、自己よりも風上にある風向風速計１０から送信された検出値信号を判別し、判別した検出値信号を演算部３０に供給する。

演算部３０には、自己よりも風上にある風向風速計１０までの距離が予め設定されており、この距離と風速検出信号が表す風速とから、風向風速計１０が測定した風が、当該風車２に到達するまでの時間を算出する。この時間を、検出値に含まれている検出時刻信号が表す検出時刻に加算することによって、風の到達時刻を予測する。そして、この風の到達予測時刻と風向検出信号と風速検出信号とをヨー／ピッチ制御装置３２に供給する。

ヨー／ピッチ制御装置３２では、風向検出信号を基にロータ８が到達予測時刻に風の正面を向くようにヨー駆動装置３４を制御し、かつ風速検出信号を基にロータ８が到達予測時刻に最適な回転をするピッチ角に各ブレード８ｂのピッチを制御するようにピッチ駆動装置３６を制御する。これによって、ロータ８は、風向や風速が変化しても、一定の回転を行える。

受信選択部２８で選択された検出値信号は、発信判断部３８に供給され、風向検出信号から風下に位置する風車２が存在するか判断し、風下に位置する風車２が存在する場合、検出値信号を送受信部２６に再送信させる。これによって、風下の風車２では、この再送信された検出値信号に基づいて、上述したのと同様に受信選択し、演算し、風の到達予測時刻にヨー角及びピッチ角を制御し、更に風下に位置する風車２が存在すれば、検出値信号を再送信する。

従って、図１に矢印で示すように風上にある風向風速計１０からの信号が最も風上にある風車２に伝送され、以後、後続の風車に順に伝送され、各風車２に風が到達するころには、その風に対応してヨー角制御及びピッチ角制御が行われていく。

なお、送受信部２６、受信選択部２８、演算部３０、ヨー／ピッチ制御装置３２、ヨー駆動装置３４及び発信判断部３８はナセル６内に収容され、ピッチ駆動装置３６はロータ８内に収容されている。

第２の実施形態の風車の制御装置は、第１の実施の形態における風向風速計１０を設ける代わりに、図４に示すように、各風車２ａに風向風速計１０ａを備えたものである。他の構成は、第１の実施形態の風車２と同一である。同一部分には、同一符号を付して、その説明を省略する。

各風車２ａにおいて、風向検出部１２及び風速検出部１４が風向及び風速をそれぞれ検出して、風向検出信号及び風速検出信号を検出値生成部１６に供給すると、第１の実施形態の検出値生成部と同様にして、検出値信号が生成される。この検知信号がヨー／ピッチ制御装置３２に供給され、ヨー駆動装置３４及びピッチ駆動装置３６が検出された風に応じたヨー角及びピッチ角に制御を行う。

また、検出値信号は発信判断部３８に供給される。発信判断部３８では、検出された風に対して、この風車２ａが風上に位置しているか判断し、風上に位置していると、送受信部２６及びアンテナ２４を利用して、他の風車２ａに送信する。

他の風車２ａでは、アンテナ２４及び送受信部２６によって受信復調した検出値信号が受信選択部２８に供給され、ここで風上の風車２ａから送信されてきた検出値信号を選択し、演算部３０に供給する。演算部３０では、この風の到達予測時刻を算出し、検出値信号と共にヨー／ピッチ制御装置３２に供給する。ヨー／ピッチ制御装置３２では、風向検出信号を基にロータ８が到達予測時刻に風の正面を向くようにヨー駆動装置３４を制御し、かつ風速検出信号を基にロータ８が到達予測時刻に最適な回転をするピッチ角に各ブレード８ｂのピッチを制御するようにピッチ駆動装置３６を制御する。実際に風が到達した後には、実際にこの風車２ａにおいて検出された風向及び風速を表す風向検出信号及び風速検出信号を含む検出値信号が検出値生成部１６からヨー／ピッチ制御装置３２に供給されているので、この検出値信号に基づいてヨー角及びピッチ角の制御が行われる。また、この検出値信号は、発信判断部３８を介して送受信部２６に供給され、上述したのと同様にして送信され、更に風下位置する風車２ａにおいて、上述したのと同様な処理が行われる。

従って、図５に太い矢印Ａで示すように、風が吹いたとすると、最も風上にある風車で計測された風向及び風速を含む検出値が、後続の３台の風車２ａに細い矢印Ｂによって示すようにそれぞれ伝送され、この伝送された風向及び風速に応じて予めヨー角及びピッチ角の制御が行われる。そして、これら風車２ａで実際に測定された風向及び風速が、これら風車２ａの後続の風車２ａに伝送され、以下、同様にヨー角及びピッチ角の制御が行われる。

なお、各風車２ａにおいて風向風速計１０ａが故障した場合、その風車２ａの近隣の風車２ａから送信されている検出値信号を受信し、これを利用してヨー角及びピッチ角の制御を行う。

上記の第２の実施形態の風車制御装置では、風向風速計１０を設けなかったが、第１の実施の形態と同様に、風向風速計１０を３台以上設けた上に、各風車２ａに風向風速計１０ａを設けるように構成することもできる。この場合、全ての風車２ａに風向風速駅１０ａを設けてもよいが、適当な間隔ごとの風車２ａにのみ風向風速計１０ａを設けることもできる。また、上記の２つの実施の形態では、無線によってネットワークを形成したが、第１の実施の形態では、各風向風速計１０と各風車２との間に伝送線路を敷設し、第２の実施の形態では、各風車２ａ間に伝送線路を敷設することによって、ネットワークを形成してもよい。

本発明の第１の実施形態の風車の制御装置における風車及び風向風速計の配置を示す図である。図１の風車の制御装置に使用されている風車の側面図である。図１の風車の制御装置のブロック図である。本発明の第２の実施形態の風車の制御装置のブロック図である。図４の風車の制御装置における風車の配置を示す図である。

符号の説明

２２ａ風車
６ナセル
８ロータ
１０風向風速計（風向及び風速検出装置）
３４ヨー駆動装置
３６ピッチ駆動装置

Claims

複数の風車が配置され、これら風車が、前記各風車のブレードのピッチ角を制御するピッチ制御装置と、前記各風車のナセルのヨー角を制御するヨー制御装置とを、備えた風車の制御装置において、
風速及び風向を検出する風向及び風速検出装置を３つ以上備え、これら風向及び風速検出装置を結ぶエリア内に前記各風車が位置するように、前記各風向及び風速検出装置を配置し、これら風向及び風速検出装置の検出値に基づいて前記各風車のピッチ制御装置又は前記ヨー制御装置を制御可能とすることを特徴とする風車の制御装置。
請求項１記載の風車の制御装置において、
風上に位置する風向及び風速検出装置のみが検出値を前記風車に対して発信する発信判断部を、前記風向及び風速検出装置が有することを特徴とする風車の制御装置。
請求項１記載の風車の制御装置において、
前記各風車は、風上に位置する風向及び風速検出装置の検出値を選択して、この選択された検出値を自己のピッチ制御装置若しくはヨー制御装置に供給する選択部を、有することを特徴とする風車の制御装置。
請求項１乃至３いずれか記載の風車の制御装置において、
前記各風車の少なくとも一部には、受信した検出値を再度発信する発信判断部を備えることを特徴とする風車の制御装置。
請求項１乃至４いずれか記載の風車の制御装置において、
前記各風向及び風速検出装置の検出値は、風向及び風速検出装置の識別コード、時刻、風速及び風向を含み、前記各風車は、予め設定された当該風向及び風速検出装置までの距離と前記検出値とに基づいて、当該風向及び風速検出装置が検出した風の到達時間を予測する演算部を備えることを特徴とする風車の制御装置。
請求項１乃至５いずれか記載の風車の制御装置において、
前記各風向及び風速検出装置が、前記各風車とは別に設けられていることを特徴とする風車の制御装置。
請求項１乃至６いずれか記載の風車の制御装置において、
前記各風車に風向及び風速検出装置が設けられていることを特徴とする風車の制御装置。
請求項７記載の風車の制御装置において、
前記風車に備えられている風向及び風速検出装置が故障したとき、当該風車に隣接する風向及び風速検出装置の検出値を受信可能とすることを特徴とする風車の制御装置。