JP2007530856A - 風力発電所の軸方向の動力変化を減少させる方法 - Google Patents

Abstract

ローターの軸方向の力の変化を連続的に減少させ、したがって、ローターブレードおよび塔の疲労負荷を減少し、一方でジェネレータに結果として生じる発電力は、ほとんど影響を受けず、ドライブギア、ジェネレータおよびパワーグリッドの制限に関して許容可能な限度の範囲内で維持される方法。浮動的な発電所の運動に能動的に対処するためにローターの軸方向の力を使用する方法。浮動的な発電所の運動に能動的に対処するためにローターの軸方向の力を使用する前記方法。その方法は、塔（４）の垂直軸（１２）の周りの回転力が制御され、ピッチ角および個別的なロータブレード上の力と関連した周期的変化で対処する方法もまた記載する。方法は、異なる高さ（垂直の風剪断力）における異なる風速の結果として各々の個別的なブレード上の空力が変化し、ローター平面（水平な風剪断力）に水平な方向が減少することができる方法を記載する。
【選択図】図１

Description

本発明は、塔の上のローターの推力が目標値の範囲内で、かつ風力発電所の平均発電力が顕著な度合いで影響を受けないように制御され、保たれるような、風力発電所において自分自身の長手方向の軸の周りのローターブレードの角度を調整する方法に関する。これは、ローターブレードおよび塔上の負荷変化が減少し、このことにより、これらの多量に搭載された構成要素の疲労を本質的に減少させる利点を有する。

この特許出願において、以下の定義が使われる：
１）瞬間最大風速は、特定の時刻で測定される瞬間最大風速として定義される。
２）平均または平均化された風速は、特定の期間の瞬間最大風速の平均またはほぼ平均として定義される。この期間は一般的に３秒より長く、通常１０分から１時間の範囲であるが、それはまたより長くなる可能性がある。風速が風力タービンを制御するために用いられる場合、このような測定値のスケーリングまたは端数は、また、この定義によって適用される。
３）この特許出願のピッチ角は、この角度の固定された開始位置と関連して、それ自体の長手方向の軸の周りのローターブレードの堅固な本体のねじれとして定義される。ブレードを一方に傾けることによって、提供される瞬間最大風速のローター上の力は、変化することができる。
４）ローターの軸方向の力は、ミル・ハウジングの方へローターから転送され、ローター軸の回転軸に沿って、本質的に導かれる推力として定義される。この力は、ローターブレードからの風向の全体の推力から構成され、風力発電所の動作の間の異なる時間において正および負であってもよい。
５）名目上の風速は、風力発電所が最初に完全な発電力を達成する風速として定義される。これは、一般的に１２〜１４ ｍ／ｓの範囲である。
６）変換装置ユニットは、風／ローターブレードの回転からエネルギーを電力または他の機械的な動力に生成または転換するユニットである。このユニットは一般的に、ジェネレータ、機械的なポンプ、ギア・ユニット等である。

以下の説明において、「ジェネレータ」という用語がほとんどの場合使われるが、ここで言及されるように、ジェネレータが適切な変換装置ユニットのいかなるタイプにも置き換えられることが可能であることは、明らかである。

水中深くに、大きい市販の水平に軸のある風力タービンを土台に配置することが可能なことは望ましい。これは、高い平均風速を有する領域へのアクセスを得るため、風力開発の潜在性領域を増加させること、およびオイルおよびガス設備に近接して、風力を用いて電気をこれらに提供できるようにウィンドパークを建設することが可能であるため望ましい。

深海において、浮動的な構造は、塔および土台のサイズおよびコストを制限するために都合が良い。
この種類の浮動的な構造は最初に、浮動的な構造上の運動パターンおよび応力を制御する２つのタイプの力に影響を受ける。これらは、構造の浮動的な部分に対する波の力、および、本願明細書においてローターの軸方向の力として参照される風からのローター上の推力である。

地面または海底に固定される陸地上または浅瀬における風力発電所のため、構造に作用している支配的な力は通常、重力に加えて、風からのローター上の推力である。

大きい風力発電所（一般的に１ＭＷ以上の発電力を有する）では、最大限の発電力（名目上の発電力）を達成するために必要であるより高い風速のため、設備の名目上の発電力に等しい、一定の出力パワーを提供するローターの制御に使われる２つの主なタイプの調整メカニズムが、今日存在する。

方法のうちの１つは、ローターブレードの失速調整である。この方法は、ブレードを風に変えるので、翼外形に対する相関的な風の迎え角は増加し、ローターブレードは失速する。すなわち、風は徐々にその上昇力を失い、層状であるローターブレードを横切る流動は乱流になる。したがって、過剰なエネルギーが放出される。

他の調整方法はブレードのピッチ調整であり、それによってブレードは失速調整のそれの反対方向において回されるので、風は翼外形に対して相関的な風の迎え角を減少することによって放出される。したがって、ローターブレードの上昇力は減少され、より少ないエネルギーが風から取り戻される。

本発明は、本出願においてピッチ調整と呼ばれるこの２番目の調整方法に関する。

大きいローターの直径の場合、垂直におよび水平におけるローター領域全体の風速の変化は大きくなりがちである。これによって、風向のブレードの個別的な推力が制御されず、便宜上調整されない場合、より小さい設備の時よりも大きなブレードにおいての疲労の問題が生じる可能性がある。与えられた時間での風速（垂直軸の周りの）が、ローターの一方が対向するもう一方より本質的に大きい場合、風からローターを回す大きいモーメントがまた生じる可能性がある。上記の通りにピッチ調整を含む従来技術において、名目上の風速以上の風速のためのローター回転数／分は調整されるので、角速度（ラジアンの回転速度）によって逓倍されるローター・トルクに等しいローター出力は、できる限り風力発電所の名目上の発電力に常に等しいように保たれる。これを達成するため、制御装置は連続的にローターブレードのピッチ角を制御する。出力およびローターの軸方向の力は、風速の変化の機能としての非線形値である。風速が変化し、ローターからの出力がローターブレードを傾けることによって一定に保たれる場合、ローターの軸方向の力は同時に変化する。ローターの軸方向の力（風向の推力）は、したがって大きい変化を有する可能性がある。これらの力変化によって、ブレードおよび塔の構造上の大きな疲労負荷が生じ、多くの場合、これらの構造要素のための必要な大きさにすることができる。

これを図示するため、従来技術のピッチ調整の効果を見ることができる。瞬間最大風速は、名目上の風速（例えば１３ｍ／ｓ）からそれを２倍（２６ｍ／ｓ）したものに増加し、一方でローターの出力および回転速度が一定に保たれる場合、ブレードのピッチ変化は、ローター出力がより高い風速に増加するのを妨げるため、約２０°になる。ブレードのこのピッチ変化の結果は、ローターの軸方向の力（風向の推力）は、同時にほぼ半分にされ、ブレードおよび塔の構造上の疲労負荷の原因となることである。

例えば、気象状況が１０分で１９ｍ／ｓの平均風速である時、出力が一定に保たれる場合、風速のこのような変動は一般的に、ブレードおよびローターの全体の軸方向の力の大きい変化を伴って起こる。軸方向の力の類似した変動は、従来技術によるピッチ調整が使われる場合、名目上の風速より上で大きなまたは小さい範囲まですべての平均風速で起こる。ローターの空力の瞬間的なトルクおよびジェネレータ・トルク間において、特定の遅延が常に存在する。これは、最初にローター、ドライブギアおよびジェネレータの慣性の力による。

従来技術によるピッチ調整が回転速度またはジェネレータ出力の測定値を利用するので、ピッチ調整は、瞬間的なローターの軸方向の力を含んでローターに作用している瞬間的な力に関して不正確でありかつ遅延する。これは、瞬間最大風速の不意の減少のため、ローターブレードは過度に大きいブレード・ピッチ角を有し、ローターの軸方向の力は急激に減少し、マイナスにさえなることを意味する。上記例のための、２６ｍ／ｓから１３ｍ／ｓへの風速の不意の減少の場合で、ピッチ調整が十分に急速に変わらない場合、これは５０％の２６ｍ／ｓでの風の名目上の軸方向の力から、−３０％の１３ｍ／ｓでの名目上の軸方向の力、すなわち風の反対方向までのローターの瞬間的な空力の軸方向の力の減少という結果を導く可能性がある。合わせて、これは８０％の名目上のローターの軸方向の力の変化を意味する。遅延されたピッチ制御を原因として生じる軸方向の力のこのような大きい変動は、特により高い平均風速において問題になる。これはまた、低い年間平均風速のために必要な大きさにされるローターブレードが、高い年間平均風速を有する位置のために使われることができないことを意味する。風向のブレードの推力の大きい変化のために起こる増加する疲労負荷のため、高い平均風速を有する領域に意図されるローターブレードは、より強く必要な大きさにされなければならない。これは、より費用がかかり、より重いブレードを意味する可能性がある。高い平均風速を有する位置は、より多くの運転時間を有するという事実はまた、ローターブレードのための疲労強度の必要条件を増加させる。

浮動的な風力発電所のため、増加した風即は、（名目上の風速より上の風速のための）ピッチ調整により生じるローターの軸方向の力を減少するという上記の効果はまた、風力発電所の運動パターンに対するマイナスの効果を有する可能性がある。塔およびローターが風へ移動する場合、ローターに対する相関的な風速は増加し、ピッチ調整が一定の出力を維持しようとするので、風に対して交替で塔の動きを増加させて、ローター推力の減少を生じる。逆に、塔およびローターが風と同じ方向に戻る場合、ローターに対する相関的な風速は減少し、従来技術において、ブレードは、ジェネレータへの名目上の出力を維持するために自動的に傾斜される（回される）。これは、ローター推力の増加を交替に生じ、その旋回は、風の方向において塔の動きを増加させる。従来技術のピッチ調整が使われる場合、これの結果は、塔の運動の余分な励振および増大である。これは、浮動的な風力塔の疲労負荷の大きい増加を導くことが発見された。

米国特許Ｎｏ．４，２０１，５１４は、風速の変化に関して個別のローターブレードのピッチ角を調整する方法を記載する。調整は、どのようにローター軸の周りの個別のブレードの風速を変える際に一定のトルクが自動的に保たれるかを記載する。これは、上記の通り他の従来技術に関してのものと同じ効果を有する。すなわち、ブレードの回転方向の方向、換言すれば風向に対して垂直に作用しブレードを回転させる力は、一定に保たれる。これの副作用は、他の従来技術において上記の通り、風向のブレードの推力が同様に異なるということである。したがってこの従来技術は、ローター・トルクを一定に保つ試みが実行される場合、ローターブレード上の推力が変化するので、ブレードおよび塔の疲労と同じ効果を有する。

本発明の目的は、従来技術の不都合を克服することである。

以下に記載する方法において、従来技術の不都合は、改善または取り除かれた。

本発明の一実施例において、方法は変換装置ユニットからなる風力発電所の出力を制御するために提供され、ここにおいて、変換装置ユニットの出力パワーが与えられた範囲である場合、ローターブレードのピッチ角は、個別にまたは集合的に風向におけるローターブレードの推力の変化を最小化するために変わり、変換装置ユニットの出力パワーがこの範囲の外側にある場合、ローターブレードのピッチ角は、この範囲の中に出力パワーを導くために変わる。

本発明の他の一実施例において、風向のローターブレードの推力の変化は、風向のローターブレードの推力のために算出されたターゲット値の方へ調整することによって最小化される、風向における推力のためのターゲット値は、異なる平均風速に対して異なる。

発明のさらにもう１つの実施例において、風向のローターブレードの推力のためのターゲット値は、与えられた一定の期間にわたる平均変換装置ユニット出力またはローター速度に関して調整される。
発明のさらに別の実施例において、風向のローターブレードの推力のための所定のターゲット値は、前もって定義され、与えられた平均風速に関連がある。

本発明の一実施例において、風向のローターブレードの推力は、ジェネレータ回転抵抗モーメントおよび／またはローター制動装置の調整によりローター回転数／分を変えることによってさらに調整される。

さらに別の態様では、風向のローターブレードの瞬間的な推力は、ブレードの幾何学的屈折の測定、ジェネレータ・トルクの測定、および／または、ブレードまたは複数のブレードのピッチ角の同時的な測定と共にジェネレータ出力の測定によって、および／または、ピッチ・ベアリングにおいて後方に傾くブレードの取り付け、またはブレードの成形のいずれかによる、ピッチ・ベアリングの回転軸の周りのブレードのピッチ・モーメントの測定または使用によって、ストレインゲージ、風速測定によって直接または間接的に決定されるので、ブレード上の風の衝突位置は、ローターの回転方向に関して、ピッチ・ベアリングの回転軸の後にある。

一実施例において、ローターブレードのピッチ角は、風力発電所のための方向エラーを最小化するために追加的に変えられる。

一実施例において、与えられた範囲の外にある場合、方向エラーは修正される。

本発明の他の一実施例において、ローターブレードのピッチ角は、異なる回転位置のために異なって調整される。

一実施例において、ローターブレードのピッチ角は、個別に調整されておよび／または互いから独立している。

実施例において、本質的に風向に対して垂直な平面の風のフィールドは、ローターの回転方向に関して前にあるローターブレードまたは複数のブレード上に作用する風速の直接または間接的に測定された値を用いて予測される。

一実施例において、風向のローターブレードの推力は、ローターブレードのピッチ角を調整することによって風力発電所の塔の運動を妨げるために能動的に用いられる。

本発明の一実施例において、１つまたはそれ以上の風速計／風圧計は、風力発電所上の適切な位置または立地において配置されるので、風速の空間的分配は記録されることができ、異なる風速計間の補間は、ローターの掃引領域全体の風の分配の画像を形成するために作成されることができる。これは、本質的に異なる高さおよび本質的に異なる水平姿勢で風速計を配置することによって実行される。瞬間最大風速のこの空間的分配は、それから個別にローターブレードのピッチを調整するために用いることができ、任意に、すべてのブレードは集合的にピッチ調整されてもよい。

本質的に風向に対して垂直である平面の風のフィールドは、ローターの回転方向に関して前にあるローターブレードまたは複数のブレードに作用する風力の直接または間接的に測定された値を用いて予測されることができる。

ローターは、塔の風下に都合よく配置されてもよいので、それがローターに影響を与える前に、風速計は風速を記録する。加えて、与えられたブレードにおけるローターの回転方向に関して前にあるブレード上の推力の直接または間接的に測定された値は、与えられたブレードが移動するフィールドにおいて風を予測するために用いられる。このように、ブレードの最適ピッチ角は前もって算出されることができるので、ローターブレードの空力およびピッチ反応の間にほとんど遅延がない。したがって、瞬間最大風速の不意の変化は、予測されることができる。風上に載置された風速計とローターおよび風速の垂直の平面との間の水平な距離を用いて、実際の風速がローターにおいて起こるまで測定が実行される時の時間遅れが算出されることができる。ピッチ調整を制御する制御装置は、すべてのこれらの測定へのアクセスが提供され、ブレードのピッチ角を最適化するため、この情報をいかなる与えられた時間で使用することができる。したがって、従来技術ピッチ調整が十分に急速に生じないために、瞬間最大風速の不意の瞬間的な減少と関連して起こる特に大きいローターの軸方向の力の減少を避けることは可能である。

風力発電所の名目上の風速より上の瞬間最大風速のために、ブレードは最初は回転するので、ローター上の軸方向の力は減少する。これは、減少またはピッチ反応なしによってローターの回転速度を増加させることによって対処され、一方で、ローターの回転速度を増加させるのに役立つ制御装置からの入力によって、同時にジェネレータ・トルクは、任意に減少する。ローターの軸方向の力およびジェネレータの出力はそれから、小さい風速の増加の範囲内の最適ピッチ角で、ほぼ一定に保たれる。約１０％の風増加で、この方法による回転速度は、不変のローターの軸方向の力およびジェネレータに対する不変の出力の両方を得るため、約１０％増加しなければならない。ピッチ角も同時に、変わらなければならない。瞬間最大風速の減少がある場合、類似した方法が使われるが、その場合ローターの回転速度は減少し、一方で、ジェネレータ・トルクは任意に同時に、制御装置からの入力に従って増加する。

瞬間最大風速のより大きい変化のため、以下のことが実行される：ピッチ調整の更新頻度より長い期間、例えば１０分にわたって測定される平均風速と比較して瞬間最大風速の減少がある場合、純粋な出力‐制御ピッチ調整が使われる時よりも、ブレードのピッチ角は少なく変化する。これの結果は、ローターの軸方向の力が不変のままであるが、ジェネレータへの出力が名目上の出力よりわずかに少ないということである。風速の１０％の減少は、約１０％の出力を減少し、一方でローターの軸方向の力は不変のままである。

同様に、風速の１０％の増加は、純粋な出力‐制御ピッチ調整が使われる時よりも、ブレードのピッチ角のより小さい変化が生じる。これの結果は、ローターの軸方向の力が不変のままであるが、ジェネレータへの出力が名目上の出力よりわずかに大きいということである。瞬間最大風速の１０％の増加は、出力パワーを約１０％増加させ、一方で、ローターの軸方向の力は不変のままである。

上記を記載された２つの出力を結合することによって、全体の結果は、ローターの軸方向の力が変わらずに、瞬間最大風速は一般的に＋／−２０％変化することができるということである。付随するジェネレータ出力変化が短期的であり、ジェネレータの評価される動力周辺で変動するので、平均ジェネレータ出力はほぼ不変である、換言すれば、名目上の出力（評価される動力）に対する同等であり、一方で、与えられた平均風速の軸方向の力は、一定またはほぼ一定に保たれ、一般的に瞬間最大風速の＋／−２０％の変化で保たれる。

与えられた平均風速のため、ジェネレータの名目上の出力に対応するローターの軸方向の力（ターゲット値）が算出されることができる。平均値周辺のジェネレータ出力変化のための許容可能な最大量および最小限値は、前もってプログラムされることができ、ピッチ制御ユニットはそれから、最適な瞬間的なピッチ角を算出するので、ローターの軸方向の力は前記算出されたターゲット値周辺で可能な限り一定に保たれ、一方で、ジェネレータ出力は前もってプログラムされたバンド幅の範囲内で維持される。

ローターの軸方向の力のための算出されたターゲット値は、それゆえに、異なる平均風速で変化する。各々の平均風速の範囲内で、ピッチ調整を使用して軸方向の力をほぼ一定にさせる試みが実行される。平均風速は、例えば、最後の１０分で平均である。任意に、予め算出された値が、与えられた平均風速間隔、例えば、０．１ｍ／ｓの差異の間隔に分割される軸方向の力のターゲット値のために使われる可能性がある。

＋／−２０％を超える瞬間最大風速の変化のため、ピッチ調整は、上記の通り典型的にほぼ＋／−１０％以上のジェネレータ出力を変化させないことを優先して実行されることができる。瞬間最大風速のこのような大きい変化において、ローターの軸方向の力が変化し始めるが、これらの場合この変化は、従来技術によるピッチ調整のために本質的に少ない。

長い一定の期間、例えば平均１０分にわたる風速の平均値が瞬間最大風速変化よりもずっと少ない変化であるので、記載された方法は、ローターの軸方向の力変化は相当に減少し、それは、塔およびローター上の疲労負荷に対する肯定的な効果を有することを保証する。

ローターの軸方向の力が異なる値によってこのように能動的に制御される場合、これは、例えば、その運動で反位相における塔に力を適用するために使われることができるので、塔の運動は、弱められる。

塔の運動は、例えば、加速度計を使用して記録されることができる。

これは、風向のローターブレードの個別的な力を制御することによって実行されることができるので、与えられた時間での各々の個別のブレードの物理的な位置にしたがってブレードの個別のピッチ角を周期的に変えることによって、風からローターおよび／またはナセルおよび／または塔を回転させようとするいかなるトルクにも対処され、減少され、または取り除かれ、その結果ローター上の軸方向の力は、必要に応じて、ローターの垂直軸の一方または他方においてより大きい。与えられたローターブレードが塔の垂直軸の１つの側面を通過する場合、ピッチ角は例えば０.５°増加し、および、同じブレードが反対側を通過する場合、ピッチ角は対応して減少する。それゆえに、これは全体のローター出力、または全体のローターの軸方向の力にいかなる効果も有する必要はない。余分な周期的な隣接ピッチ誤差は、全体のローターの軸方向の力を制御するため、上記の方法によって算出されたピッチ角のみの上に置かれる。この記載された周期的なピッチ調整はまた、能動的にローターを制御するために用いることができるので、浮動的な設備の場合、風力発電所の一部または任意に全体は、風向と関連して所望の位置において保たれることができる。したがって、従来技術によれば、ミル・ハウジングが風と関連する所望の位置で浮動的な設備の塔に非回転可能に載置される場合、ミル・ハウジング、または、任意に塔全体を回転させるモーターを除去、または、サイズまたは数を減少することが可能である。

さらに、各々の個別のブレード上の風の方向の推力変化は、風の方向においてブレードの瞬間的な推力を制御するため、上記の方法によってピッチ角を変えることによって減少することができる。ブレードは、それからその軌道のその位置、および、異なる位置またはローターの掃引領域周辺での風速の測定値に関して個別に制御されることができる。

測定された軸方向の力は、記載された方法によって与えられた時間において、最適ピッチ角の計算のため、ピッチ制御ユニットに記録され、含まれる。

ローターの軸方向の力を算出するため、測定された風速およびピッチ角をただ使用する代わりに、他の直接的なまたは間接的ないくつかの方法が使われることができる。

ブレードがピッチ・ベアリングにおいて後方に傾いて取り付けられるので、換言すれば、ブレードの長手方向の軸は、ピッチ・ベアリング軸からわずかに逸脱するので、ブレードの長手方向の軸は、ローター回転軸と交差せず、その後起こるピッチ・モーメントがブレード・ピッチ制御系を通じて油圧を経て測定されることができ、軸方向の力は、それから算出されることができる；
または、ブレードおよび／またはローターの主軸および／または風力発電所の他の部分のストレインゲージを用いて算出される。

または、間接的にブレードのピッチ角を測定する、およびローター・トルクを直接測定、または例えばジェネレータ・トルク、出力などの他のパラメータを記録することによって算出され、そして対応するローターの軸方向の力は、機械的なまたは電子的な測定システムを用いてブレードの屈折を測定することによって、算出されることができる。

添付の図面において図示される好適な方法の非制限的な例の説明は、以下に続く。

水平なまたほぼ水平なローター軸１１を有する風力発電所１は、一緒にローター２を形成する１つまたはそれ以上ローターブレード１から構成されている。ここで、調整されたまたは個別にローターブレードは、自分自身の長手方向の軸の周り、または、ジェネレータ（図示せず）へのローター２の出力を制御するため、本質的に自分自身の長手方向の軸１４の周りを最初に回転する（傾斜する）。またここで、ローター軸は、ミル・ハウジング３において固定され、ローター軸は動力伝達装置（ギア）を経て、任意にジェネレータに連結される。ローターブレードのピッチ調整は、与えられた時間においてピッチ角で必要とされる変化の量を示すピッチ・モーターに信号を伝達する異なる記録された操作上の情報風力測定などに基づいて、ピッチ制御装置によって実行される。

ミル・ハウジングは、固定的に陸地９に載置される塔４、または海底８、浮動している装置の一部、または、それ自体が海底８上のアンカー７に任意に１つまたはそれ以上のアンカー連結６を有する浮動装置を構成するものに載置される可能性がある。アンカー・システム６、７の設計は、記載された方法のためには重要ではない。

以下に記載する方法の目的のうちの１つは、従来技術と比較してローターの軸方向の力の変化を減少させ、一方で、ジェネレータに結果として生じる出力がほとんど影響を受けない、またはドライブギア、ジェネレータおよび動力グリッドの制限の関係で許容可能な限度の範囲内で維持されるようにすることである。浮動する風力発電所の運動に能動的に対処するため、ローターの軸方向の力を使用する方法もまた発明の目的である。さらに、塔の垂直軸１２の周りで回転力を制御し、それに対処するため、全体の回転サイクルを通じて各々の個別のブレード上で、異なる高さ（垂直の風の剪断）およびローター平面（水平な風剪断）に水平な並列方向で異なる風速から生じる空力の変化を減少するために記載された方法は、本発明の目的である。

１つまたはそれ以上の風速計５は、風力発電所１上の適切な位置または複数の位置において配置されるので、風速の空間的分配は、都合よく記録され、異なる風速計間の補間は、ローターの掃引領域を横切る風の分配の画像を形成するために作成されることができる。これは、本質的に異なる高さにおいて、本質的に異なる水平姿勢で風速計を配置することによって実行されることができる。瞬間最大風速のこの空間的分配は、それから個別にロータブレードのピッチを調整するために用いることができ、任意に、すべてのブレードは、集合的にピッチ調整される。

ローター２は塔４の風下に都合よく配置される可能性があるので、それがローターに影響を与える前に、風速計が風速を記録する。このように、ブレードの最適ピッチ角は、前もって算出されることができるので、空力およびローターブレードのピッチ反応の間にほとんど遅延はない。したがって、瞬間最大風速の不意の変化は、予測されることができる。風上に載置された風速計およびローターの垂直の平面、および風速間の水平な距離によって、実際の測定された風速の効果がローターにおいて起こるまでの測定が作成された時からの時間遅れが算出されることができる。ピッチ調整を制御する制御装置（図示せず）は、すべてのこれらの測定への与えられたアクセスであり、いかなる与えられた時間にでもブレード１３のピッチ角を最適化するため、この情報を使用することができる。したがって、従来技術のピッチ調整が時間遅れを有するので、瞬間最大風速の不意の瞬間的な減少を起こす特に大きいローターの軸方向の力の減少を避けることは可能である。

平均速度が、風力発電所１のための名目上の風速より上にあり、瞬間的な風速がそれから与えられた平均風速を越えて増加する場合において、この方法によるローター２の回転速度は、従来技術と比較して減少するピッチ反応によって増加し、一方でジェネレータ・トルクは、任意に同時に、制御装置からの入力に従って減少し、それはまたローター２の回転速度を増加させるのに役立つ。一般にローターの軸方向の力が、増加した与えられたローター出力のための回転数／分を増加させるので、ブレードの中で回転させているピッチから生じる減少したローターの軸方向の力は、増加する瞬間的な風速に応答して、補われる。結果は、小さい風速の増加において、ローターの軸方向の力およびジェネレータの出力の両方は、ローターの回転速度を増加させることによって、最適ピッチ角ほぼ一定に保たれることができる。約１０％の風の増加では、この方法による回転速度は、不変のローターの軸方向の力およびジェネレータへの不変の出力を得るため、１０％増加するはずである。ピッチ角は、同時に変わらなければならない。瞬間最大風速の減少がある場合、類似した方法が使われるが、その場合、ジェネレータ・トルクは任意に、同時に制御装置から入力に従って増加するのに対して、ローターの回転速度は減少する。

瞬間最大風速のより大きい変化のため、以下のことが実行される：より長い一定の期間、例えば１０分間にわたって、計量される平均風速と比較して、ピッチ調整の頻度を更新することよりも、瞬間最大風速の減少がある場合、純粋に出力が制御されたピッチ調整が使われる場よりも、ブレードのピッチ角は少なく変化する。この結果は、ローターの軸方向の力は不変のままであるが、ジェネレータへの出力は名目上の出力よりわずかに少ないことである。ローターの軸方向の力が不変のままであるのに対して、風速の１０％の減少は約１０％の出力を減少させる。

同様に、瞬間最大風速の１０％の増加のために、ブレードのピッチ角のより小さい変化は、純粋に出力制御されたピッチ調整が使われる場合よりも多く生じられる。これの結果は、ローターの軸方向の力は不変のままであるが、ジェネレータへの出力は名目上の出力よりもわずかに大きいということである。瞬間最大風速の１０％の増加は、約１０％の出力の増加を提供し、一方で、ローターの軸方向の力が不変のままである。上記に記載した２つの出力を結合することによって、全体の結果は、ローターの軸方向の力が変化することなく、瞬間最大風速が一般的に＋／−２０％で変化することができるということになる。付随するジェネレータ出力変化が短期的であり、風力発電所の名目上の出力またはジェネレータの定格動力周辺で変動するので、平均ジェネレータ出力は、ほぼ不変である、換言すれば、名目上の出力（定格動力）に等しい、一方で、与えられた平均風速の軸方向の力は、一定またはほぼ一定に、一般的に瞬間最大風速の＋／−２０％の変化で保たれることができる。

与えられた平均風速およびローター回転速度において、ジェネレータの名目上の出力に対応するローターの軸方向の力（ターゲット値）は、算出されることができる。平均値の周囲のジェネレータ出力変化のための許容可能な最大および最小値は、前もってプログラムされることができ、（瞬間最大風速に応答して）ピッチ制御ユニットはそれから、最適な瞬間的なピッチ角を算出するので、ローターの軸方向の力は、前記算出されたターゲット値周辺で可能な限り一定に保たれ、一方で、ジェネレータ出力は、前もってプログラムされたバンド幅の範囲内で維持される。

ローターの軸方向の力のために算出されたターゲット値は、異なる平均風速によって変化する。各々の平均風速の範囲内で、それからピッチ調整を使用して、この軸方向の力をこのターゲット値周辺でほぼ一定に保ち続ける試みが実行される。平均風速は、例えば、最後の１０分で平均である。任意に、与えられた平均風速間隔のため（例えば、０．１ｍ／ｓ違いの間隔に分割される）、軸方向の力のターゲット値のために予め算出された値が使われる可能性がある。

上記の通り約＋／−２０％過剰の瞬間最大風速変化のため、ピッチ調整は、記載されるように、ジェネレータ出力を＋／−１０％の典型的なバンド幅より変化させないことを優先して実行されることができる。瞬間最大風速のこのような大きい変化において、ローターの軸方向の力がまた変わり始めるが、これらの場合、この変化は、従来技術によるピッチ調整よりも本質的に少ない。

より長い一定の期間、例えば平均１０分のにわたる風速の平均値は、瞬間最大風速の変化よりも少なく変化するので、記載された方法は、ローターの軸方向の力変化が相当に減少し、塔およびローター上の疲労負荷に対する肯定的な効果を有することを保証する。

上記と同じ方法はまた、与えられた平均値周辺で能動的にローターの軸方向の力を調整するために用いることができる。ローターの軸方向の力が異なる値で能動的にこのように制御される場合、これが使われることができる、例えば、力をその運動で反位相の塔１に適用するので、塔の運動は弱められる。これは、特に浮動的な風力発電所のために都合が良い。

制御装置はこの場合また、塔の運動へのアクセスを有する。塔の運動は、例えば加速度計または他の適切な測定方法を使用して記録されることができる。

さらに、軸方向の力は同様の方法で、風からローターを回転させようとするいかなる力にも対処するため、能動的に使われることができる。これは、風向においてローターブレードの個別の力を制御することによって実行されることができるので、風からローターおよび／またはミル・ハウジングおよび／または塔を回転させようとトルクは、与えられた時間に各々の個別的なブレードの物理的な位置にしたがって、ブレードの個別的なピッチ角を周期的に変えることによって、対処され、減少され、または取り除かれ、その結果、ローター上の軸方向の力は、必要に応じて、ローターの垂直軸の１つの側面または他の側面においてより大きい。与えられたローターブレードが塔の垂直軸の１つの側面を通過する場合、ピッチ角は、例えば０.５°増加し、同じブレードが反対側を通過する場合、ピッチ角は対応して減少する。それゆえに、これは、全体のローター出力または全体のローターの軸方向の力にいかなる効果も有する必要はない。余分な周期的隣接ピッチ誤差は、全体のローターの軸方向の力を制御するため、上記の方法によって算出されたピッチ角の上に置かれる。この記載された周期的ピッチ調整はまた、能動的にローター２を制御するために用いることができるので、浮動的な設備の場合、風力発電所の一部または任意に全体は、風向と関連して所望の位置において保たれることができる。したがって、従来技術によって、ミル・ハウジング３または任意に全体の塔５を回転させるサイズまたはモーターの数を除去または減少させることは可能であり、結果において、風と関連する所望の位置で、ミル・ハウジングは、回転不可能に浮動的な設備の塔に載置される。

さらに、各々の個別のブレード（一緒にローター軸方向の力を構成する）上のフラップ方向（通常ほぼ風向と同じである）の推力変化は、風向のブレードの瞬間的な推力を制御するため、上記の方法でピッチ角を変えることによって減少する。ブレードはそれから、異なる位置のローターの掃引領域の中または周辺で、その軌道の位置、および、風速の直接または間接的に測定された値に関して個別に制御されることができる。

測定されたまたは算出された軸方向の力は、記載された方法によって、記録され、与えられた時間での最適ピッチ角の計算のためのピッチ制御ユニットを含む。

ローターの軸方向の力を算出するために測定された風速およびピッチ角をただ使用する代わりに、他の直接的または間接的ないくつかの方法を使うことができる。

ブレード１３がピッチ・ベアリング１０において後方に傾いて取り付けられる、すなわち、ブレードの長手方向の軸１４は、ピッチ・ベアリング軸からわずかに逸脱するので、ブレードの長手方向の軸１４は、ローター回転軸１１と交差せず、それから起こるピッチのモーメントは、ブレード・ピッチ制御系により油圧を経て測定されることができ、各々の個別のブレードのための風向のローターブレード推力は、それから算出されることができる；または、
ブレード１３および／またはローターの主軸および／または風力発電所の他の部分上のストレインゲージを用いて算出することができる；または
ブレード１３のピッチ角を間接的に測定する、および、ローター２のトルクを直接測定する、または、例えばジェネレータ・トルク、出力などの他のパラメータを記録することにより、ローターの対応するローターの軸方向の力は算出することができる。

それは、機械的または電子的な測定システムを使用してブレードの屈折を測定することによって、算出することができる。

発明の方法の実施例は、フローチャートによって図４において図示される。方法は、ローター速度またはジェネレータの任意の出力パワーが名目上の値の＋／−１０％の範囲内であるかどうかを決定することによって、例においてジェネレータの瞬間的な／瞬間のローター速度、または、任意の出力パワーは、風力発電所のための名目上の値の範囲の中であるかどうかの４０の決定に基づいている。

瞬間的な／瞬間のローターの速度、任意にジェネレータの出力パワーがその範囲の中である場合、軸方向の力のためのターゲット値へ調整することによって、ローターの軸方向の力の変化、任意に個別の風向の各々のブレードの推力を最小化する試みが実行される。４４において、与えられた時間ｔ、例えば最後の１０分のための平均のローター速度または平均ジェネレータ出力パワーは、風力発電所の名目上の出力の上または下であることがそれから決定される。これによれば、ローターの軸方向の力のためのターゲット値は、４５、４６において調整される。前述したように、軸方向の力のための新規なターゲット値は、ジェネレータの平均出力の増減が要求されるかどうかを決める軸方向の力のためのターゲット値が徐々に増加または減少して、例えば１０分の与えられた一定の期間ｔにおける軸方向の力の平均値に基づいて算出されることができる。ローターの軸方向の力のためのターゲット値はまた、平均風速に関連して任意に前もって算出された値である。ローター軸方向の力の瞬時値は、それから４７において、４５／４６において達成されるように軸方向の力のためのターゲット値と比較され、ローターブレード・ピッチ角は、それからこの比較にしたがって４８および４９において変えられる。

他方では、４０で算出されるように瞬間的な／瞬間のローター速度またはジェネレータの任意の出力パワーが与えられた範囲の外にある場合、ローター速度またはジェネレータの任意の平均出力パワーを所望の範囲、例えば、名目上の値の＋／−１０％の範囲内に導くため、従来技術に記載されているものと同じ方法でピッチ角を調整することによってこの範囲の中に収める試みが実行される。ピッチ角は、瞬間的な／瞬間のローター速度またはジェネレータの任意の出力パワーは、所望の範囲の上または下にあるかどうかの４１の計算にしたがって４２／４３において調整される。このように、ピッチ角は、遅く変化するターゲット値の方へ調整した一定のローターの軸方向の力を維持する趣旨で最初に調整され、従来技術と異なって、ピッチ角は、ジェネレータ出力パワーまたはローター速度を所望の範囲に導くのに必要な範囲に調整されるだけである。したがって、調整が付随する大きいローターの軸方向の力変化を有して、ジェネレータ出力のために一定の値の方へ生じる場合、従来技術よりもより小さい調節装置およびより小さいローター軸方向の力変化が存在する。

図４の例において、ローターブレードのピッチ角は、集合的にすべてのローターブレード、または、各々の個別のローターブレードのいずれかで調整されることができる。各々の個別のローターブレードを調整することが可能であるシステムのため、風力発電所のための方向の情報は、安定性のある位置に風力発電所を保つ趣旨で、上述したモーメントに加えて、考慮されることができる。この情報５０は、図のステップ４７において考慮される。図５は、この方向の情報を提供するステップを詳細に図示する。

ステップ５１において、凹所（α）は算出または記録され、ここで、αはブレードの回転位置であり、換言すれば、それは各々の個別のローターブレードがどこで回転するかを記載する。ステップ５２において、風向と関連する風力発電所の方向の方向エラーが与えられた範囲の外、この場合＋／−５°にあるかどうかが決定される。方向エラーが範囲の中である場合、動作は実行されないが、方向エラーが範囲の外にある場合、塔のための回転メカニズムは任意に起動し、方向エラーがどの側面上の範囲にあるかにしたがって、信号は５５、５６において算出される。５５または５６において提供される情報は、ローター軸方向の力変化に関して、ピッチ角、任意に風向の各々の個別のブレードの推力を調整するために提供される制御信号に上に配置される。方向エラー情報は、回転位置についての情報から構成される、換言すれば、ピッチ角はその瞬間的な回転位置によって各々のブレードのために個別に調整される。これは、風向の各々の個別のブレードの推力は、異なる回転位置のために異なって調整されるので、風力発電所のための方向エラーに対処する力の効果が得られるということを意味する。

塔４の風下に取り付けられる水平にまたはほぼ水平に取り付けられたローター軸１１を有する可能性があるローター２を有する浮動的な風力発電所１を示す。この図はまた、ミル・ハウジング３、風速計５、アンカー連結６およびアンカー７を示す。 陸地の上、または、浅瀬において位置する、塔４の中で風上に取り付けられる水平にまたはほぼ水平に取り付けられたローター軸１１を有するローター２を有する風力発電所１を示す。この図はまた、ミル・ハウジング３および風速計５を示す。 陸地上にまたは浅瀬において位置する、または、水に浮いて、それらの長手方向の軸の周りでまたは、ピッチ・ベアリング１０を有して本質的にそれらの長手方向の軸１４の周りで回転可能に取り付けられるローターブレード１３を有する風力発電所１を示す。 本発明の方法を図示する工程系統図である。 本発明の方法の任意の部分のための工程系統図である。

Claims (12)

1. 変換装置ユニットからなる風力発電所の出力を制御する方法であって、前記変換装置ユニットの前記出力パワーが与えられた範囲である場合、ローターブレードのピッチ角は、前記風向の個別または集合的な前記ローターブレードの前記推力における変化を最小化することに関連して変わり、前記変換装置の前記出力パワーがこの範囲の外側にある場合、前記ローターブレードの前記ピッチ角は、前記出力を前記範囲の中に導くように変わることを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、前記風向における前記ローターブレードの前記推力の変化の最小化は、前記風向の前記ローターブレードの前記推力のために算出されたターゲット値の方へ調整することによって実行され、前記風向の前記推力のための前記ターゲット値は、異なる平均風速のために異なることを特徴とする方法。
3. 請求項２に記載の方法であって、前記風向の前記ローターブレードの前記推力のための前記ターゲット値は、与えられた一定の期間にわたる平均変換装置ユニット出力またはローター速度に関して調整されることを特徴とする方法。
4. 請求項２に記載の方法であって、前記風向の前記ローターブレードの前記推力のための前記ターゲット値は、あらかじめ定義され、与えられた平均風速に関連があることを特徴とする方法。
5. 請求項１に記載の方法であって、前記風向の前記ローターブレードの前記推力は、前記ジェネレータ回転抵抗モーメントおよび／またはローター制動装置を調整することで前記ローター回転数／分を変えることによって、加えて調整されることを特徴とする方法。
6. 請求項１に記載の方法であって、前記風向の前記ローターブレードの前記瞬間的な推力は、前記ブレードの幾何学的屈折を測定する、前記ジェネレータ・トルクを測定する、および／または、前記ブレードまたはブレードの前記ピッチ角の同時の測定と共に前記ジェネレータ出力を測定する、および／または、前記ピッチ・ベアリングにおいて後方に傾いている前記ブレードを取り付ける、または前記ブレードを成形することのいずれかによって前記ピッチ・ベアリングの前記回転軸の周りの前記ブレードの前記ピッチ・モーメントを測定または使用することにより、ストレインゲージ、風速測定装置によって直接または間接的に決定されることができるので、前記ブレードの前記衝突位置は、前記ローターの前記回転方向に関して、前記ピッチ・ベアリングの前記回転軸の後にあることを特徴とする方法。
7. 請求項１に記載の方法であって、前記ローターブレードの前記ピッチ角は、前記風力発電所のための方向エラーの最小化に関して加えて変えられることを特徴とする方法。
8. 請求項７に記載の方法であって、前記方向エラーは、それが与えられた範囲外にある場合、修正されることを特徴とする方法。
9. 請求項１に記載の方法であって、前記ローターブレードの前記ピッチ角は、異なる回転位置のため異なって調整されることを特徴とする方法。
10. 請求項１に記載の方法であって、前記ローターブレードの前記ピッチ角は、個別に調整されるおよび／または互いから独立していることを特徴とする方法。
11. 請求項１に記載の方法であって、前記風方向に対してほぼ垂直である平面の前記風の領域は、前記ローターの前記回転方向に関して前部にある前記ローターブレードまたはブレードに作用する前記風速の直接または間接的に測定された値を用いて予測されることを特徴とする方法。
12. 請求項１に記載の方法であって、前記風方向の前記ローターブレードの前記推力は、前記ローターブレードの前記ピッチ角を調整することによって、前記風力発電所塔の運動に能動的に対処するために用いられることを特徴とする方法。