JP2008075521A - 風力発電システムおよびその運転方法 - Google Patents

風力発電システムおよびその運転方法 Download PDF

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Abstract

【課題】風力発電システムにおいて、ローターとナセル間のスリップリングが故障した場合でも、確実にピッチ角制御を行う手段を提供する。
【解決手段】風力発電システムのローターの内部に、ピッチ角制御器と補助電源、回転速度検出器を設置する。スリップリングの故障の際や、断線の際はピッチ角制御器が内部でピッチ角指令を作成し、ピッチ角を制御する。
【選択図】図４

Description

本発明は、風力発電システムおよびその運転方法に関する。
従来、風力発電システムに利用される水平軸型風車は、複数枚（多くの場合は３枚）のブレードを備え、風速に応じてブレードのピッチ角を変化させることにより、ローターの回転速度を変化させ、ブレードのエネルギー変換効率を制御している。風力発電システムはブレードのピッチ角を変化させる機構として、ピッチ角制御器とシステム制御器、電源設備を備える。システム制御器は、風速計から得られた風速測定値や、回転速度検出器から得られた回転速度検出値、風力発電システムの運転状態などの状態量に基づきピッチ角指令を作成し、ピッチ制御器にピッチ角指令を送る。また電源設備には、系統事故により系統電圧が低下した場合、ピッチ角制御器及びシステム制御器に電力を供給するために補助電源設備を備え、系統事故中であってもシステム制御器からの指令によってピッチ角制御を可能にする。以上の内容は例えば特許文献１に示されている。
ＷＯ ２００４／０６７９５８
ピッチ角制御器は、ローターと呼ばれる回転体内に設置される。一方システム制御器はナセルまたはタワー内部に設置される。そのためピッチ角制御器にピッチ角信号伝送し、かつピッチ角制御器の動作電力を供給するためには、スリップリングを介することが必要となる。スリップリング部の故障の際は、ピッチ角制御器へピッチ角指令が伝送されず、また電力供給が不可能となる。同様な事態は、ピッチ角信号伝送線の断線、電力伝送線の断線時にも起こりうる。このような場合、ローターの回転速度が制御できないため、風力発電システムの回転速度が上昇してしまうという問題がある。
本発明の望ましい実施態様においては、風力発電システムのローターの内部に、ピッチ角制御器と補助電源、回転速度検出器を設置する。スリップリングの故障の際や、断線の際はピッチ角制御器内部でピッチ角指令を作成し、ピッチ角を制御する。
本発明によれば、より確実にピッチ角制御を行えるため、風力発電システムの過回転を防止することができる。
本発明のその他の目的と特徴は、以下に述べる実施例の中で明らかにする。
本発明の望ましい実施例においては、風力発電システムのローターの内部に、ピッチ角制御器と補助電源を設置する。ピッチ角制御器が風力発電システムの状態量に基づいて内部でピッチ角指令を作成し、作成したピッチ角指令に従ってピッチ角を制御する。また、ローター内部の補助電源が、ピッチ角制御器に電力を供給する。
まず、本発明の風力発電システムの実施例１による構成について図１を用いて説明する。風力発電システムは、ブレード１１により風を受け、風のエネルギーを回転エネルギーに変換する。回転エネルギーはブレード１１が接続しているハブ１２を回転させる。なお、ブレード１１とハブ１２を含む回転部分を、ローター１と呼ぶ。ローター１の回転はシャフト２１を介して増速ギヤ２２に伝達される。増速ギヤ２２はローター１の回転速度を発電機２３に適した回転速度に変換する。図１では発電機２３として二次励磁発電機を示している。二次励磁発電機では固定子巻き線に電力系統が、回転子巻き線に電力変換器が、スリップリングを介して接続される。本発明は、発電機２３が永久磁石型発電機、誘導発電機２３ａであっても利用可能である。
図２は、本発明の他の実施例による風力発電システムの構成図であり、発電機２３として永久磁石型発電機、誘導発電機を用いた場合の適用例を示す。ローター１の回転エネルギーは、発電機２３で電気エネルギーに変換された後、電力変換器３１に伝えられる。電力変換器３１は、発電機２３から出力される交流電力の周波数、電圧、位相、電力を制御する。風力発電システムの発電電力である電気エネルギーは、トランス４、遮断器５を介して、電力系統６に送電される。
ブレード１１はピッチ角制御が可能であり、ブレードの角度を調整することにより、風力発電システムの発電電力、回転速度を制御することが可能である。
図３は、本発明の一実施例による風力発電システムのピッチ角制御機構の構成図である。本実施例によれば、ローター１の内部に、ピッチ角制御器１１１、第二の補助電源１１２、第二の入力電源異常検出器１１３を配置する。また、ナセル内部には、システム制御器２１１、第一の補助電源２１２、第一の入力電源異常検出器２１３、低圧電源２１６を配置する。なお、システム制御器２１１、第一の補助電源２１２、第一の入力電源異常検出器２１３、低圧電源２１６はタワー３内に配置されても良い。ピッチ角制御器１１１は、ブレードの角度を変えるモータ、および電動モータの回転量を制御する制御部、電動モータに電力を送る電力変換部で構成される。第二の補助電源は、ナセル側から供給される電力を受電したのち、ピッチ角制御器１１１に電力を供給する。第二の補助電源１１２は、内部にバッテリーを備え、電力の供給が無くても、短時間の間はピッチ角制御器１１１に電力を供給することが可能である。
ナセル２にあるシステム制御器２１１は、風速の測定値や、ローター回転速度検出値などの状態量から、システム制御器２１１内部に保存したデータテーブルを参照して、適切なピッチ角を出力する。第一の補助電源２１２は、低電圧源２１６から供給される電力を受電したのち、システム制御器２１１に電力を供給する。低電圧源は、風力発電システムが接続される電力系統の高電圧（ＡＣ６．６ｋＶ、ＡＣ６６ｋＶ、ＡＣ２２ｋＶ，ＡＣ７７ｋＶなど）を、変圧器を介して低電圧（ＡＣ１００Ｖ，ＡＣ２００Ｖ、ＡＣ４００Ｖ等）に変換したものである。ナセル２からローター１内への電力、ピッチ角指令の伝送は、スリップリング７を介して行われる
図４は、本発明の一実施例によるピッチ角制御器の構成図である。通常の発電運転時は、ピッチ角制御器１１１はシステム制御器２１１からのピッチ角指令を受け、ピッチ角が指令値に一致するようにモータを回転させ、ピッチ角を制御する。しかしながら、電気ノイズなどにより、システム制御器２１１からのピッチ角指令が正しく受信できない場合が想定される。また、スリップリング７の故障などにより、ピッチ角指令が伝送されない場合、さらに、システム制御器２１１の故障により、正常なピッチ角指令値が受信できない場合も想定される。このような場合には、以下のような手順に従って、ピッチ角制御器１１１がピッチ角を制御する。まず、ピッチ角制御器１１１のピッチ角指令受信エラー検出部１１１０ａｃが、正しくピッチ角信号を受信していないと判断した場合、ピッチ角制御器１１１は内部でピッチ角指令を作成する。例えば、電気ノイズなどによる一時的な受信エラーであると判断した場合は、ピッチ角制御器１１１は、直前に正常受信したピッチ角指令と同じ値のピッチ角指令を作成する。ピッチ角制御器１１１は、システム制御器２１１からのピッチ角指令には従わず、内部で作成したピッチ角指令を選択し、ピッチ角を変化させる。一方、断線やスリップリング７の故障、システム制御器２１１の故障など、長期にわたってピッチ角指令が受信できないと判断したとする。この場合は、ピッチ角制御器１１１は、内部メモリーに保存しているピッチ角指令のデータテーブルを参照し、ブレードが徐々にフェザー状態に移行するピッチ角指令を出力する。なお、フェザー状態とは、前記ブレード１１の少なくとも一つ、好ましくはブレード１１の全てのピッチ角を制御可能な最小値にすることにより、ブレード１１の角度が風向きと平行に近くなった状態のことを示す。ブレード１２をフェザー状態にすることにより、ローター１は風から受ける入力トルクを小さくすることができる。そのため、風力発電システムが発電を停止し、ローター１の回転を停止させる場合は、一般にブレード１２をフェザー状態にさせる。なお、ローター１の回転速度が大きい時、ブレード１２を急激にフェザー状態に移行させると、ブレード１２およびローター１に多大な負荷がかかる。そのため、フェザー状態への移行は、ピッチ角を時間的に緩やかに変化させ、徐々にローター１の回転速度を低下させることが望ましい。ピッチ角制御器１１１は、システム制御器２１１からのピッチ角指令には従わず、内部で作成したピッチ角指令選択することによりを、ピッチ角を徐々にフェザー状態に変化させる。ピッチ角制御器１１１は、ピッチ角が完全にフェザー状態になったあとは、フェザー状態のまま、正しいピッチ角指令値が受信できるまで待機する。
以上の例は、ピッチ角指令が受信できない場合であったが、ピッチ角制御器１１１への電力の供給が途絶えた場合にも、同様の動作をする。ピッチ角制御器１１１への電力供給は、システム制御器２１１からのピッチ角指令と同様に、スリップリング７を介して行われる。そのため、スリップリング７の故障時には、ピッチ角制御器への制御電源が途絶える。第二の補助電源は、短時間の間しかピッチ角制御器に電力を供給できないため、第二の補助電源の電力供給が途絶えたあとは、ピッチ角制御器はシステム制御器からのピッチ角指令に応答することができず、ピッチ角の制御が不能となる。同様な事態は、電力系統の事故時にも起こりうる。例えば、風力発電システムが接続している電力系統で、落雷などの事故が起こった場合、電力系統の電圧が著しく低下することがあり、ローター１内に電力を供給できなくなる。このようにスリップリング７の故障や電力系統の異常により、ローター１内への電力供給が滞った場合には、ピッチ角制御器１１１は以下のように動作する。まず、ローター１内の第二の入力電源異常検出器１１３は、供給電力の電圧が基準値より低下したことを検出した場合、電圧低下信号をピッチ角制御器１１１と第二の補助電源１１２に送る。第二の補助電源は、内部に蓄積した電力からの電力供給動作に切り替える。ピッチ角制御器１１１は、電圧低下信号を受信した後、内部メモリーに保存している時間的に緩やかにフェザー状態に移行するピッチ角指令を出力する。ピッチ角制御器１１１は、システム制御器２１１からのピッチ角指令よりも優先的に、内部で作成したピッチ角指令に従ってピッチ角を変化させる。ピッチ角制御器１１１は、ピッチ角をフェザー状態に変化させ、待機状態に移行する。
図５は、系統電圧低下時におけるピッチ角制御方法の別の構成例である。
本構成例では、通常運転時においては低圧電源２１６がピッチ角制御器１１１の電力変換部１１１０ｂに電力を供給する。系統の電圧低下時にはピッチ角制御器１１１は次のように動作する。まず、電圧低下を第二の入力電源異常検出器１１３が検出し、電圧低下信号を出力する。リレー１１１０ａｇは電圧低下信号を受信すると、低圧電源２１６から電力変換部１１１０ｂに供給する電力を遮断する。電力変換部１１１０ｂには第二の補助電源１１２が電力を供給するため、電圧低下時においてもピッチ角制御が可能である。一方、電力変換部１１１０ｂは電圧低下信号を受信すると、システム制御器からのピッチ角指令には応答せず、ピッチ角がフェザー状態になる向きにモーター１１１０ｃを回転させる。リミットスイッチ１１１０ａｅは、ピッチ角がある値以下になるとリレー１１１０ａｄを操作させるように設定されてる。このためピッチ角が、フェザー状態近傍のある値以下になると、リレー１１１０ａｄが動作し電力変換部１１１０ｂへの電力供給が遮断される。これによりモーター１１１０ｃは回転を停止し、ピッチ角がフェザー状態近くで固定される。以上のような構成をとることにより、電圧低下時においてもより安全にピッチ角をフェザー状態に変化させることができる。
なお、ローター１内への電力供給が滞った場合において、ピッチ角制御を正しく行うためには、第二の補助電源１１２に、最低でもピッチ角をフェザー状態に変化させるのに必要な電力が蓄積されていることが必要となる。そのため、第二の補助電源１１２の充電率が、あらかじめ設定した値以下である場合は、風力発電システムは発電状態に移行しないことが望ましい。また、この運転方法は、必要最小限の蓄電電力を確保できるため、補助電源の小型化につながる。
同様な運転方法は、第一の補助電源２１２にも適用される。電力系統の事故により、制御電源の供給が滞った場合、第一の補助電源２１２は、最低でもシステム制御器２１１が風力発電システムを待機状態に移行させるのに必要な電力を蓄積していることが必要となる。そのため、第２の補助電源２１２の充電率が、あらかじめ設定した値以下である場合は、風力発電システムは発電状態に移行しない。
なお、第一の補助電源と第二の補助電源は内部に蓄電池、コンデンサ、電気二重層キャパシタ、燃料電池のいずれかを備える、あるいは蓄電池、コンデンサ、電気二重層キャパシタ、燃料電池の複数の組み合わせで構成されても良い。
以上の動作を行うことにより、ローター１内に、正しいピッチ角指令が伝達できなかった場合、あるいは制御電力の供給ができなかった場合においても、ピッチ角制御が可能となる。これにより、より確実なピッチ角制御が可能となる。
本発明の実施例２が、実施例１と異なる点は、風力発電システムがローター内に回転速度検出器を備えることである。
従来、電力系統の事故による系統電圧の低下時には、風力発電システムを電力系統から解列することが許されていた。しかしながら、近年、風力発電システムの連系量の増大により、この規制が変わりつつある。例えば、ウィンドファームのように、単機容量が５００ｋＷ〜数ＭＷの容量を持つ風力発電システムが、数十〜数百台規模で一箇所に設置されると、その総発電容量は数百ＭＷに達する。このような大規模な風力発電施設は、電力系統においては、従来の火力発電所や、水力発電所などの大型発電施設と同様に扱う必要がある。電力系統の一時的な電圧低下時に、このような大規模風力発電施設が電力系統から解列することは、電力系統にとっては、大型発電施設を失うことに等しい。そのため、一時的な電圧低下時に風力発電システムが電力系統から解列すると、電力系統の事故解除時に、電力系統が正常な状態に戻るのが困難になり、広い地域における停電へとつながってしまう。
すでに、多くの風力発電システムが導入されている欧州では、このような事態を想定した、風力発電システム系統連系のためのガイドラインが作成されている。それによると、風力発電システムは、電力系統の事故により系統電圧が低下している場合でも、一定時間の間は系統に連系した状態を維持しなければならない。さらに、系統事故が解除された後は、風力発電システムは短時間のうちに事故前の発電状態に戻ることが求められる。
従来のように、系統事故時に風力発電システムが解列できる場合は、風力発電システムはピッチ角をフェザーの状態にし、ローター１の回転を停止する必要がある。これには実施例１に示した構成をとれば良い。しかしながら、欧州のガイドラインのように、系統事故時にも解列が許されず、かつ系統復帰後に発電状態に移行しなければならない場合は、風力発電システムのローター１の回転速度を、系統電圧の低下中にあっても発電可能な範囲内に維持しておく必要がある。
図６は、本発明の実施例２による風力発電システムのピッチ角制御機構の構成図で、この構成をとることにより、系統事故中の回転速度維持制御を可能とする。まず、風力発電システムのローター１ａの内部に、ピッチ角制御器１１１ａ、第二の補助電源１１２ａ、第二の入力電源異常検出器１１３ａ、第二の回転速度検出器１１４ａを配置する。また、ナセル２内部には、システム制御器２１１ａ、第一の補助電源２１２ａ、第一の入力電源異常検出器２１３ａ、低圧電源２１６ａ、第一の回転速度検出器２１５ａを配置する。なお、システム制御器２１１ａ、第一の補助電源２１２ａ、第一の入力電源異常検出器２１３ａ、低圧電源２１６ａはタワー３内に配置されても良い。
系統事故以前の通常の発電状態においては、ピッチ角制御器１１１ａは、システム制御器２１１ａの作成したピッチ角指令に従ってピッチ角を変化させる。なおシステム制御２１１ａは、風速計２１４ａにより測定された風速の測定値と、回転速度検出器２１５ａによって検出された回転速度検出値を用いて、ピッチ角指令を作成する。
電力系統の事故により系統電圧が低下した場合は、風力発電システムは、以下の動作を行う。まず、ナセル２内においては、第一の入力電源異常検出器２１２ａが事故による電圧低下を検出し、システム制御器２１１ａと第一の補助電源２１２ａに電圧低下信号を送る。第一の補助電源２１２ａは、電圧低下により低圧電源２１６ａからの電力供給ができなくなるため、内部に蓄電した電力をシステム制御器２１１ａやその他の検出器、制御器に供給する。
図７は、本発明の実施例２によるピッチ角制御器の構成図である。ローター内１ａの動作について、図７を用いて説明する。第二の入力電源異常検出器１１３ａは、事故による電圧低下を検出し、ピッチ角制御器１１１ａと第二の入力電源異常検出器１１２ａに電圧低下信号を送る。ピッチ角制御器１１１ａは、電圧低下信号を受信することにより、システム制御器２１１ａが送るピッチ角指令には応答せず、内部のピッチ角指令作成部１１１ａａａでピッチ角指令を作成する。ピッチ角制御器１１１ａは内部ピッチ角指令に従って、ピッチ角を変化させる。
系統事故中においては、系統電圧が低下しているため、系統に全ての発電電力を供給することができない。そのため、系統に供給できなかったエネルギーがローターの回転エネルギーとして蓄えられる。系統事故中であっても、事故前と同じ角度にピッチ角を維持すると、ローター１への風の入力エネルギーが減少しないため、ローターの回転速度が上昇する。回転速度の上昇が大きな場合には、発電機が運転可能な回転速度領域を超えてしまい、系統事故復帰時に発電状態への移行ができなくなる。逆に、系統事故中に急速に風速が弱まった場合、ローターの回転速度が減少する。回転速度の減少が大きく、運転可能な回転速度領域を超えてしまった場合には、系統事故復帰時に発電状態への移行ができなくなる。
系統事故復帰時に発電状態に復帰するためには、ローターの回転速度を発電可能な範囲内に制御しておくことが望ましい。回転速度を維持するピッチ角指令作成部１１１ａａａの例として図８が挙げられる。
図８は、本発明の実施例２によるピッチ角指令作成部を説明するグラフであり、横軸が回転速度ω［ｒａｄ／ｓｅｃ］、縦軸が対応するピッチ角指令α［°］を示す。発電可能な回転速度の下限をωＬ、上限をωＨで表す。また、事故中に回転速度を維持したい領域として、ωａ＜ω＜ωｂなる回転速度の領域を定める。それぞれの回転速度にはωＬ＜ωａ＜ωｂ＜ωＨなる関係がある。第二の回転速度検出器の回転速度検出値ωに、ωＬ＜ω＜ωａの関係がある場合は、回転速度が発電可能領域以下になるのを防ぐため、ブレードのピッチ角を増加させる。逆にωｂ＜ω＜ωＨの領域では、回転速度が発電可能領域以上になるのを防ぐため、ピッチ角指令をフェザー方向に変化させる。ωａ＜ω＜ωｂの領域では、回転速度に比例してピッチ角指令を緩やかに変化させる。このような構成をとることにより、ブレードの回転速度を運転可能な範囲内に維持することが可能となる。
図９、図１０は、本発明の実施例２によるピッチ角指令作成部を説明するグラフその２およびその３であり、回転速度検出値からピッチ角指令を作成するピッチ角制御器１１１ａのピッチ角指令作成部１１１ａａａとして、これらに示す方法を用いても良い。
系統事故復帰時には、ナセル３内においては、入力電源異常検出器が事故復帰を検出し、システム制御器２１１ａに電圧低下解除信号を送る。ローター１ａ内においては、第二の入力電源異常検出器が事故復帰を検出し、ピッチ角制御器１１１ａに解除信号を送る。ピッチ角制御器１１１ａは、システム制御器２１１ａが送るピッチ角指令に従ってピッチ角を変化させ、事故前の発電状態に移行する。
なお、系統事故の継続時間が長い場合には、系統連系のガイドラインに従って、風力発電システムを解列しなければならない。そのため、ピッチ角制御器１１１ａが電圧低下信号を受けてから一定時間以上経過した後は、ピッチ角制御器１１１ａは、前述した回転速度維持制御をやめ、フェザー位置になるピッチ角指令を内部メモリーのデータテーブルから参照し、ピッチ角をフェザー状態に変化させる。
以上、ローター内とナセル内に、二重に回転速度検出器を設置することによる、系統事故時運転の利点について説明した。しかしながら、回転速度検出器二重化は、その他の利点も生む。以下でこの利点について説明する。
通常の発電運転時には、ピッチ角制御器１１１ａはシステム制御器２１１ａからのピッチ角指令に従ってピッチ角を変化させている。例えば、ナセル側の第一の回転速度検出器２１５ａが、故障により回転速度ωを誤検出することが考えられる。システム制御器２１１ａは、この誤った回転速度検出値に従ってピッチ角指令を作成するため、作成されたピッチ角指令も誤ったものとなる。このため回転速度を維持することができない。
図１１は、本発明の実施例２によるピッチ角制御器の他の構成図であり、ローター１内にも回転速度検出器１１４bを設置することにより、上記の回転速度を維持することができないような事態を避ける事ができる。つまり、ローター１内部に設置された第二の回転速度検出器１１４ｂの回転速度検出値が、回転速度上限値超過検出器１１１ｂａｃによって、発電可能な回転速度の上限値を上回っていると判断されたとする。この場合には、ピッチ角制御器１１１ｂは、システム制御器からのピッチ角指令には応答せず、内部のピッチ角指令作成部１１１ｂａａで作成したピッチ角指令に従って、ピッチ角を制御する。この際、内部で作成したピッチ角指令値は回転速度の上昇を抑えるため、フェザー状態のピッチ角指令であることが望ましい。この操作を行うことにより、ローター１の回転速度の過度な上昇を抑制することができる。
なお、従来のナセル２内に設置される回転速度検出器２１５（２１５ａ)は、エンコーダである。本実施例のローター１内に接続された回転速度検出器１１４ａ（１１４ｂ）は、回転速度検出器１１４ａ（１１４ｂ）を固定するローター自体が回転するため、従来の回転速度検出器とは異なった方式が必要となる。以下、ローター内の回転速度検出器１１４ａ（１１４ｂ）の構成例について説明する。
図１２は、本発明の実施例２によるローター内の回転速度検出器の１つ目の構成例である。１つ目のローター内回転速度検出器１１４ａ（１１４ｂ）の実施例は、光電センサを用いる方法である。図に示すように、ハブ１２の内部に光電センサ１２１を取り付け、また、ナセル２のハブ側断面に、円周上になるようにドグ１２２を設置する。光電センサ１２１は、反射率の違いからドグ１２２の位置を検出する。このような構成をとることにより、単位時間内に検出されるドグ１２２の個数から、ローター１の回転速度を検出することができる。
図１３は、本発明の実施例２によるローター内の回転速度検出器の２つ目の構成例は、近接センサ１２３を用いる方法である。図に示すようにハブ１２の内部に近接センサ１２３を取り付け、また、ナセル２のハブ側断面に、円周上になるようにドグ１２４を設置する。近接センサ１２３は、ドグ１２４までの距離の違いからドグ１２４の位置を検出する。このような構成をとることにより、単位時間内に近接センサ１２３が検出するドグ１２４の個数から、ローター１の回転速度を検出することができる。
ローター内回転速度検出器の３つ目の構成例はひずみセンサを用いる方法である。これは、ハブ１２、あるいはブレード１１にひずみセンサを取り付け、ローター１の回転によって生じる回転加速度によるブレード１１あるいはハブ１２のひずみを測定するものである。ひずみの大きさは、回転速度によって決まるため、測定したひずみから、ローター１の回転速度を求める。
ローター内回転速度検出器１１の４つ目の構成例は、ジャイロセンサを用いる方法である。これは、ジャイロセンサをハブ１２内に設置する。ジャイロセンサは回転速度を測定することができるので、ローター１の回転速度を直接検出できる。
図１４は、本発明の実施例２によるローター内の回転速度検出器の５つ目の構成例であり、加速度センサを用いる方法である。図１４に示すように、ハブ１２の内壁上に、極性およびＤＣ成分が検出可能な加速度センサ１２５ａ，１２５ｂを、直角に二個配置する。回転の中心軸から加速度センサまでの距離をｒとしたとき、図１４中の加速度センサ及び加速度センサが計測する半径方向の加速度Ｇ１及びＧ２、および検出点に置けるローター回転による加速度Ｇは、式（１）〜（３）のように表される。
Ｇ１＝Ｇ＋ｇ・ｃｏｓθ………………………………………………………………（１）
Ｇ２＝Ｇ＋ｇ・ｓｉｎθ………………………………………………………………（２）
Ｇ＝ｒω２………………………………………………………………………………（３）
ここで、ｇは重力加速度、θは加速度センサと重力加速度の方向がなす角度である。式変形により、θをＧ１およびＧ２から式（５）のように求めることができる。
Ｇ１−Ｇ２＝ｇ・（ｃｏｓθ−ｓｉｎθ）
＝ｇ・√２・ｓｉｎ（θ−π／４）………………………………………（４）
Figure 2008075521
式（１）と（２）より、ローターの回転速度ωが式（７）のように計算できる。
Ｇ＝ｒω２＝Ｇ１−ｇ・ｃｏｓθ……………………………………………………（６）
Figure 2008075521
以上のように、２つの加速度センサ２１５ａ、２１５ｂにより、ローター１の回転速度ωを検出することができる。
図１５は、本発明の実施例２によるローター内の回転速度検出器の６つ目の構成例であり、エンコーダを用いる方法である。図１５に示すように、スリップリング７部分の端部の一部をエンコーダ１２６として利用する。これにより回転速度検出が可能となる。
図１６は、本発明の実施例２によるローター内の回転速度検出器の７つ目の構成例であり、ガバナ装置を用いる方法である。ガバナ装置の形態は様々であるが、例えば、図１６に示すように、ハブ１２内の回転中心にガバナ装置１２７を取り付ける。遠心力によりガバナ装置１２７のバネ１２７ａの長さが変わるため、バネ１２７ａの長さを測定することで回転速度を測定することができる。
図１７は、本発明の実施例２によるローター内の回転速度検出器の８つ目の構成例であり、複数の転倒スイッチを用いた方法である。図１７に示すように、シャフト２１の周りに複数の転倒スイッチ１２８を設ける。転倒スイッチ１２８は、転倒スイッチ１２８が重力方向対に対してなす角度が、ある値以上になったときにＯＮ信号を出力し、それ以外はＯＦＦ信号を出力するものである。転倒スイッチ１２８の位置と、スイッチのＯＮのタイミングを測定することにより、ローター１の回転速度の測定が可能となる。
図１８は、本発明の実施例２によるローター内の回転速度検出器の９つ目の構成例であり、やじろべえ（Balancer）とエンコーダを用いた方法である。図１８に示すように、シャフト２１にやじろべえ部１２０１を設け、シャフト２１の先端部にエンコーダ１２９を設ける。やじろべえ部１２０１は、ベアリング１２０１ａによりシャフト２１とは独立に動作し、また錘１２０１ｂにより、常に重力方向を向く。そのため、やじろべえ部１２０１とナセル２との相対位置は、常に固定となる。エンコーダ１２９の非回転部を、やじろべえ部１２０１の一部と接続する。この様な構造をとることにより、エンコーダ１２９を用いてローター１の回転速度を測定することが可能となる。
図１９は、本発明の実施例２によるローター内の回転速度検出器の１０ヶ目の構成例であり、距離センサを用いる方法である。図１９に示すように、ローター１の外周部に複数個の距離センサ１２０２を設ける。距離センサ１２０２はレーザー光を用いて、あるいは超音波を用いて、距離センサ１２０２と地面との距離を測定する。距離センサ１２０２の測定距離信号は、センサが地面を向いた瞬間に最短となるため、距離センサ１２０２が地面を向いた瞬間を検出できる。複数のセンサが地面を向いた時間間隔を測定することにより、ローター１の回転速度を測定できる。
以上に示した方法により、ハブ１２内の第二の回転速度検出器１１４ａ、１１４ｂにより、ハブ１２の回転速度が検出できる。この回転速度検出値を用いることにより、正しいピッチ角指令が伝達できなかった場合でも、ピッチ角制御による回転速度の制御が可能となる。これにより、より確実なピッチ角制御が可能となり、ローター１の過回転を防止することができる。
図２０は、本発明の実施例３による風力発電システムの構成図である。本実施例の特徴は、ナセル内のシャフト端に回転速度検出器が接続され、回転速度検出値信号を、シャフト内の配線を介してローター１内に伝達する構成を備えている。
本実施例では、図２０に示すように、ナセル２内のシャフト２１の端にエンコーダ１２９を設置する。本発明ではスリップリングを介さずに回転速度検出値をローター１内部に伝達するため、従来のエンコーダ１２９とは異なった設置方法をとる。従来の構成ではエンコーダ１２９の回転部分がシャフト２１に対して固定され、固定部分がナセル２に対して固定される。本実施例ではこれとは逆に、エンコーダ１２６の回転部分がナセル２に対して固定され、固定部分がシャフト２１に対して固定される。エンコーダ１２６の固定部分に接続されている信号線と、電力線はシャフト内の配線２１０に接続される。このように回転速度検出器を前記ピッチ角制御器と同一回転速度の部分にとりつけることで、エンコーダ１２６の電力と、エンコーダ１２６によって検出された回転速度検出値は、スリップリングを介することなくローター１とナセル２間を伝達することが可能となる。
以上に示した構成を用いることにより、スリップリングの故障により正しいピッチ角指令が伝達できなかった場合でも、ピッチ角制御による回転速度の制御が可能となる。これにより、より確実なピッチ角制御が可能となり、ローター１の過回転を防止することができる。
図２１は、本発明の実施例４による風力発電システムのピッチ角制御機構の構成図である。本実施例の特徴は、ローターの回転速度検出器が、ローターの内部にのみ設置される点である。
本実施例によれば、ローター１ｃの内部に、ピッチ角制御器１１１ｃ、第二の補助電源１１２ｃ、第二の入力電源異常検出器１１３ｃ、回転速度検出器１１５ｃを配置する。また、ナセル１ｃ内部には、システム制御器２１１ｃ、第一の補助電源２１２ｃ、第一の入力電源異常検出器２１３ｃ、低圧電源２１６ｃを配置する。なお、システム制御器２１１ｃ、第一の補助電源２１２ｃ、入力電源異常検出器２１３ｃ、低圧電源２１６ｃはタワー内に配置されても良い。ローター１ｃとナセル２ｃ間の電気信号や、電力の伝達はスリップリング７ｃを介して行われる。
以下に、ピッチ角制御の方法について説明する。ピッチ角制御器１１１ｃは、ローター１ｃ内部にある回転速度検出器１１５ｃより、ローター１ｃの回転速度検出値を受ける。また、ナセル２ｃに取り付けら得た風速計２１４ｃの信号により、風速の測定値をスリップリング７ｃを介してナセル側から受信する。ピッチ角制御器１１１ｃは得られた回転速度検出値と風速測定値からピッチ角指令を作成し、ピッチ角を変化させる。
システム制御器２１１ｃは、ローター１ｃ側の回転速度検出器１１５ｃによる回転速度検出値を、スリップリング７ｃを介して受信する。システム制御器は、得られた速度信号を電力変換器に位相、速度信号として渡す。電力変換器は、得られた位相、速度信号に応じて発電機の電力を制御する。
スリップリング７ｃの故障により、ピッチ角制御器１１１ｃが風速計２１４ｃの風速測定値を受信できなかった場合は、ピッチ角制御器１１１ｃがフェザーとなる角度のピッチ角指令を作成し、ピッチ角をフェザー状態に変化させる。同様に、第二の入力電源異常検出器１１３ｃが系統事故を検出した際は、ピッチ角制御器１１１ｃがローター１ｃ内部で測定したロータ−回転速度検出値に基づき、実施例２で示した方式でピッチ角を制御する。
以上のような構成をとることにより、スリップリング７ｃの故障の際にも、ローター側の回転速度の制御が容易となる。そのため、風力発電システムのローターの過回転を防止することができる。
図２２は、本発明の実施例５による風力発電システムのピッチ角制御機構の構成図である。本実施例では、風力発電システムのローターの内部にのみ回転速度検出器を設ける。図２２において、ローター１ｄの回転速度は、ローター内の回転速度検出器１１５ｄによって測定される。ピッチ角制御器１１１ｄは、ローター１ｄ内で測定された回転速度と、スリップリング７ｄを介して伝送される風速計２１４ｄの風速測定値から、ピッチ角指令を作成する。
一方、発電機側の回転速度は、電力変換器３１ｄがおこなっている速度センサレス制御によって得られた回転速度を用いる。
以上のような構成をとることにより、ローター１ｄ、ナセル２ｄ間で、回転速度検出値やピッチ角指令を伝達する必要が無くなる。そのためスリップリングの故障時においても、より確実にローター１ｄの回転速度制御が行えるようになる。
本発明の実施例１による風力発電システムの構成図。 本発明の実施例１による風力発電システムの他の構成図。 本発明の実施例１による風力発電システムのピッチ角制御機構の構成図。 本発明の実施例１によるピッチ角制御器の構成図。 本発明の実施例のピッチ角制御の別の構成例図。 本発明の実施例２による風力発電システムのピッチ角制御機構の構成図。 本発明の実施例２によるピッチ角制御器の構成図。 本発明の実施例２によるピッチ角指令作成部を説明するグラフ。 本発明の実施例２によるピッチ角指令作成部を説明するグラフその２。 本発明の実施例２によるピッチ角指令作成部を説明するグラフその３。 本発明の実施例２によるピッチ角制御器の他の構成図。 本発明の実施例２によるローター内の回転速度検出器の構成例１。 本発明の実施例２によるローター内の回転速度検出器の構成例２。 本発明の実施例２によるローター内の回転速度検出器の構成例５。 本発明の実施例２によるローター内の回転速度検出器の構成例６。 本発明の実施例２によるローター内の回転速度検出器の構成例７。 本発明の実施例２によるローター内の回転速度検出器の構成例８。 本発明の実施例２によるローター内の回転速度検出器の構成例９。 本発明の実施例２によるローター内の回転速度検出器の構成例１０。 本発明の実施例３による風力発電システムの構成図。 本発明の実施例４による風力発電システムのピッチ角制御機構の構成図。 本発明の実施例５による風力発電システムのピッチ角制御機構の構成図。
符号の説明
１，１ａ，１ｃ，１ｄ…ローター、１１，１１ａ…ブレード、１１１，１１１ａ〜１１１ｄ…ピッチ角制御器、１１１０ａ，１１１ａａ，１１１ｂａ…ピッチ角制御器制御部、１１１０ａａ，１１１ａａａ，１１１ｂａａ…ピッチ角制御器ピッチ角指令作成部、１１１０ａｂ，１１１ａａｂ，１１１ｂａｂ…切り替え器、１１１０ａｃ…ピッチ角指令受信エラー検出部、１１１０ａｄ…リレー、１１１０ａｅ…リミットスイッチ、１１１０ａｆ…整流器、１１１０ａｇ…リレー、１１１ｂａｃ…回転速度上限値超過検出器、１１１０ｂ，１１１ａｂ，１１１ｂｂ…ピッチ角制御器電力変換部、１１１０ｃ，１１１ａｃ，１１１ｂｃ…ピッチ角制御器モータ、１１２，１１２ａ，１１２ｃ，１１２ｄ…第二の補助電源、１１３，１１３ａ，１１３ｃ，１１３ｄ…第二の入力電源異常検出器、１１４ａ，１１４ｂ…第二の回転速度検出器、１１５ｃ，１１５ｄ…回転速度検出器、１２，１２ａ…ハブ、１２１…光電センサ、１２２…ドグ、１２３…近接センサ、１２４…ドグ、１２５ａ…第二の加速度センサ、１２５ｂ…第一の加速度センサ、１２６…エンコーダ、１２７…ガバナ装置、１２７ａ…バネ、１２８…転倒スイッチ、１２９…エンコーダ、１２０１…やじろべい部、１２０１ａ…ベアリング、１２０１ｂ…錘、１２０２…距離センサ、２，２ａ，２ｃ，２ｄ…ナセル、２１，２１ａ…シャフト、２１０…シャフト内の配線、
２１１，２１１ａ〜２１１ｄ…システム制御器、２１２，２１２ａ，２１２ｃ，２１２ｄ…第一の補助電源、２１３，２１３ａ，２１３ｃ，２１３ｄ…第一の入力電源異常検出器、２１４，２１４ａ，２１４ｃ，２１４ｄ…風速計、２１５，２１５ａ…回転速度検出器、２１６，２１６ａ，２１６ｃ，２１６ｄ…低圧電源、２２，２２ａ…増速ギヤ、２３…二次励磁発電機、２３ａ…永久磁石発電機および誘導発電機、３，３ａ…タワー、３１，３１ａ，３１ｄ…電力変換器、４，４ａ…連系トランス、５，５ａ…遮断器、６，６ａ，６ｃ，６ｄ…電力系統、７，７ａ，７ｃ，７ｄ…スリップリング、８，８ａ，８ｃ，８ｄ…降圧トランス。

Claims (17)

  1. 風力発電システムであって、ピッチ角制御器と、システム制御器と、第一の補助電源とを備え、前記システム制御器は前記風力発電システムの状態量からピッチ角指令を作成する機能を備え、前記第一の補助電源の電源入力は電力系統に接続され、前記第一の補助電源の電源出力が前記システム制御器の電源入力に接続された風力発電システムにおいて、前記風力発電システムは第二の補助電源を備え、前記ピッチ角制御器はピッチ角指令に従ってピッチ角を変化させる機能と前記風力発電システムの状態量からピッチ角指令を作成する機能を備え、前記第二の補助電源の電源入力は電力系統に接続され、前記第二の補助電源の電源出力は前記ピッチ角制御器の電源入力に接続され、前記ピッチ角制御器は前記状態量に基づき、システム制御器で作成したピッチ角指令値と前記ピッチ角制御器内部で作成したピッチ角指令を切り替える手段を持つことを特徴と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において、前記システム制御器と前記第一の補助電源は前記風力発電システムのナセルまたはタワーの内部に設置され、前記ピッチ角制御器と前記第二の補助電源は前記風力発電システムのローターの内部に設置されることを特徴と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において、前記ピッチ角制御器が前記システム制御器で作成したピッチ角指令の受信エラーを検出する検出機能を備え、受信エラーを検出した場合は、前記ピッチ角制御器内部で作成したピッチ角指令を選択することを特徴とする風力発電システム。
  4. 請求項１に記載の風力発電システムにおいて、前記第二の補助電源への電力供給が絶たれたときは、前記第二の補助電源が前記ピッチ角制御器に電力を供給し、前記ピッチ角制御器が前記ピッチ角制御器内部で作成したピッチ角指令を選択することを特徴と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において、ナセルまたはタワーの内部に第一の入力電源異常検出器を備え、ローターの内部に第二の入力電源異常検出器を備え、前記第一の入力電源異常検出器または前記第二の入力電源異常検出器が系統の事故を検出した際には、前記第一の補助電源が前記システム制御器に電力を供給し、前記第二の補助電源が前記ピッチ角制御器に電力を供給し、前記ピッチ角制御器が前記ピッチ角制御器内部で作成したピッチ角指令を選択することを特徴とす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において、前記風力発電システムのローターの内部に、ローターの回転速度を検出する回転速度検出器を備えることを特徴とする風力発電システム。
  7. 請求項６に記載の風力発電システムにおいて、ナセルまたはタワーの内部に第一の入力電源異常検出器を備え、ローターの内部に第二の入力電源異常検出器を備え、前記第一の入力電源異常検出器または前記第二の入力電源異常検出器が系統事故による電源電圧の低下を検出した際には、前記ピッチ角制御器が前記回転速度検出器からの回転速度検出値に応じてピッチ角指令を作成し、前記ピッチ角制御器内部で作成したピッチ角指令を選択することにより、ローターの回転速度をあらかじめ規定した範囲内に収めることを特徴とする風力発電システム。
  8. 請求項６に記載の風力発電システムにおいて、系統の事故があらかじめ定められた期間以上継続した場合は、前記ピッチ角制御器がブレードをフェザー状態にするピッチ角指令を作成し、前記ピッチ角制御器内部で作成したピッチ角指令を選択して、ピッチ角をフェザー状態にすることを特徴とする風力発電システム。
  9. 請求項８に記載の風力発電システムにおいて、前記ピッチ角制御器がブレードを時間的に緩やかにフェザー状態にするピッチ角指令を作成し、前記ピッチ角制御器内部で作成したピッチ角指令を選択して、ピッチ角を時間的に緩やかにフェザー状態にすることを特徴とする風力発電システム。
  10. 請求項６に記載の風力発電システムにおいて、ローター内の前記回転速度検出器の回転速度検出値が、あらかじめ定められた範囲を逸脱した場合は、前記ピッチ角制御器内部で作成したピッチ角指令を選択することを特徴とする風力発電システム。
  11. 請求項１に記載の風力発電システムにおいて、前記第一の補助電源と前記第二の補助電源の充電率が、あらかじめ規定した値より大きいときにのみ、風力発電システムが発電運転状態に移行することを特徴とする風力発電システム。
  12. 請求項１に記載の風力発電システムにおいて、前記第一の補助電源と前記第二の補助電源が、蓄電池あるいはコンデンサあるいは電気二重層キャパシタあるいは燃料電池のいずれかひとつ、または組み合わせによって構成されることを特徴とする風力発電システム。
  13. 風力発電システムであって、ローターの回転速度を測定する回転速度検出器がローターの内部と、ナセルまたはタワーの内部とにあることを特徴とする風力発電システム。
  14. 請求項５に記載の風力発電システムにおいて、前記風力発電システムの前記ローターの回転を前記ナセル内に伝達し、かつ前記ピッチ角制御器と同一回転速度で回転する回転体のナセル内部分にローターの回転速度を検出する回転速度検出器を備え、前記回転速度検出器によって測定された回転速度を、前記回転体内の配線を通して、前記ローター内の前記ピッチ角制御器に伝達することを特徴とする風力発電システム。
  15. 風力発電システムであって、ローターの内部にのみ回転速度検出器を備え、ピッチ角制御器が前記回転速度検出器の回転速度検出値からピッチ角指令を作成し、ピッチ角を制御することを特徴とする風力発電システム。
  16. 風力発電システムであって、前記風力発電システムのローターの内部に回転速度検出器を備え、前記風力発電システムのローターの回転速度を前記回転速度検出器で検出し、前記風力発電システムの発電機の回転速度を、前記風力発電システムの電力変換器の速度センサレス制御によって測定することを特徴とする風力発電システム。
  17. 風力発電システムの運転方法であって、前記風力発電システムはすくなくともピッチ角制御器と、システム制御器と、第一の補助電源と、第二の補助電源とを備え、前記ピッチ角制御器はピッチ角指令に従ってピッチ角を変化させる機能と、前記風力発電システムの状態量に基づいてピッチ角指令を作成する機能を備え、前記システム制御器は前記状態量に基づいてピッチ角指令を作成する機能を備え、前記第一の補助電源の電源入力は電力系統に接続され、前記第一の補助電源の電源出力は前記システム制御器の電源入力に接続され、前記第二の補助電源の電源入力は電力系統に接続され、前記第二の補助電源の電源出力は前記ピッチ角制御器の電源入力に接続され、前記ピッチ角制御器が前記システム制御器で作成したピッチ角指令に従ってピッチ角を変化させる第一の運転モードと、前記ピッチ角制御器が前記ピッチ角制御器内部で作成したピッチ角指令に従ってピッチ角を変化させる第二の運転モードをもち、前記システム制御器が風力発電システムの状態量に基づいて前記２つの運転モードを切り替えることを特徴とする風力発電システムの運転方法。
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