JP2008286156A - 風力発電装置および風力発電装置のヨー旋回駆動方法 - Google Patents

風力発電装置および風力発電装置のヨー旋回駆動方法 Download PDF

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Abstract

【課題】ヨー駆動装置の完全または部分削減およびナセル内における消費電力の低減を可能とすること。
【解決手段】 各風車翼の荷重を計測する荷重計測センサ９と、各荷重計測センサ９によって計測された各風車翼の荷重を座標変換することにより、風車タワー軸まわりのモーメントを算出するモーメント算出部３１と、モーメント算出部３１によって算出されたモーメントを相殺するための基準指令値に対して、ヨーまわり制御指令値を加算することにより、風車タワー軸まわりの角度指令値を算出する成分指令値設定部３２と、風車タワー軸まわりの角度指令値に基づいて、各風車翼のピッチ角度指令値を設定するピッチ角度指令設定部３３とを具備する風力発電装置を提供する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、風力発電装置および風力発電装置のヨー旋回駆動方法に関するものである。
風力発電装置は、風車タワーの上端に風車、及び、風車により回転駆動される発電機を有する風車発電ユニットがヨー回転可能に設けられ、風車が正面より風力を受けるよう、風向きに応じて風車発電ユニットが風車タワーに対してヨー旋回（略水平面上の旋回）するように構成されている。
上記風力発電装置においては、リングギアをタワー側に固定配置するとともに、該リングギアと噛合するピニオンを風車発電ユニット側に配置し、このピニオンをヨーモータによって回転駆動することにより、風車発電ユニットのヨー旋回駆動が行われている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−２８９１４９号公報
ところで、近年、風車の大型化に伴い、上記ヨーモータやリングギア等が大型化している。ヨーモータは、ナセルのヨー旋回駆動のために頻繁に起動されるが、大型化されることにより、更なる消費電力の増大を招くこととなる。
また、ナセルの小型化・軽量化を図る場合には、上記ヨーモータ等の構成の小型化・軽量化が重要な課題となる。
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、ナセル内における消費電力の低減ならびにナセルの小型化を可能とする風力発電装置および風力発電装置のヨー旋回駆動方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、各風車翼の荷重を計測する荷重計測手段と、前記荷重計測手段によって計測された各風車翼の荷重を座標変換することにより、風車タワー軸まわりのモーメントを算出するモーメント算出手段と、前記モーメント算出手段によって算出された前記モーメントを相殺するための基準指令値に対して、ヨーまわり制御指令値を加算することにより、前記風車タワー軸まわりの角度指令値を算出する成分指令値設定手段と、前記風車タワー軸まわりの角度指令値に基づいて、各風車翼のピッチ角度指令値を設定するピッチ角度指令設定部とを具備する風力発電装置を提供する。
各風車翼に係る風車タワー軸まわりの荷重を相殺するための基準指令値に対して、ヨーまわり制御指令値が加算されて角度指令値が算出され、この角度指令値に基づいて各風車翼のピッチ角度指令値が設定されるので、ヨーまわり制御指令値に応じて風車翼に発生するモーメントを利用して、ナセルを風車タワー軸まわり（ヨーまわり）に旋回させることが可能となる。このように、各風車翼のピッチ角度を制御することにより、空気力を用いてナセルを旋回させるので、ヨーモータの小型化および使用頻度の低減を図ることが可能となる。この結果、ナセルの軽量化を図ることができるとともに、ヨーモータによる電力消費を抑制することが可能となる。また、ヨーモータを不要とすることも可能であり、この場合には、ナセルの更なる小型化・軽量化が可能となるとともに、電力消費の更なる低減を図ることができる。
上記風力発電装置において、前記ヨーまわり制御指令値は、風向きに応じて与えられることとしてもよい。
このように、風向きに応じたヨーまわり制御指令値を与えることにより、風向きに対して適切な方向にナセルを回動させることが可能となる。
上記風力発電装置において、前記ヨーまわり制御指令値は、例えば、風向偏差に基づいて設定される。
本発明は、各風車翼の荷重をそれぞれ計測する過程と、各風車翼の荷重を座標変換することにより、風車タワー軸まわりのモーメントを算出する過程と、前記モーメントをゼロにするための基準指令値に対して、ヨーまわり制御指令値を加算することにより、前記風車タワー軸まわりの角度指令値を算出する過程と、前記風車タワー軸まわりの角度指令に基づいて、各風車翼のピッチ角度指令を設定する過程とを有する風力発電装置のヨー旋回駆動方法を提供する。
本発明によれば、ナセル内における消費電力の低減ならびにナセルの小型化を図ることができるという効果を奏する。
以下に、本発明に係る風力発電装置および風力発電装置のヨー旋回駆動方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る風力発電装置の概略構成を示したブロック図である。
図１に示されるように、風力発電装置１は、風車タワー２と、風車タワー２の上端に設置されるナセル３と、略水平な軸線まわりに回転可能にしてナセル３に設けられるロータヘッド４とを有している。ロータヘッド４には、その回転軸線まわりに放射状にして複数枚の風車翼５が取り付けられている。この結果、ロータヘッド４の回転軸線方向から風車翼５に当たった風の力が、ロータヘッド４を回転軸線まわりに回転させる動力に変換されるようになっている。なお、本実施形態では、３枚の風車翼５を備える場合について説明する。
ナセル３の外周面適所（たとえば上部等）には、周辺の風速値を測定する風速計７と、風向を測定する風向計８とが設置されている。また、各風車翼５には、それぞれの風車翼５における荷重を計測するための荷重計測センサ（例えば光ファイバセンサ）９が設けられている。
上記風向計８は、風向偏差を計測し、風向偏差を計測値として出力するものである。また、荷重計測センサ９は、例えば、風車翼５の歪みを計測し、この歪み量に応じて荷重を計測するものである。
ナセル３の内部には、図２に示すように、ロータヘッド４と同軸の増速機１０を介して連結された発電機１１が設置されている。すなわち、ロータヘッド４の回転を増速機１０で増速して発電機１１を駆動することにより、発電機１１より発電機出力が得られるようになっている。更に、ナセル３内部には、風車の運転制御を行う風車制御装置２０、及び風車制御装置２０からの制御信号を受けて、各風車翼のピッチ角度を変化させる可変ピッチ機構２１が設けられている。
風車制御装置２０には、各荷重計測センサ９によって計測された各風車翼５の荷重計測値、風向計８によって計測される風向偏差、並びに風速計７によって計測される風速が入力されるようになっている。風車制御装置２０は、これらの入力情報に基づいて各風車翼５のピッチ角度を設定し、設定したピッチ角度に応じた制御信号を可変ピッチ機構２１に出力する。可変ピッチ機構２１は、風車制御装置２０から与えられる制御信号に基づいて各風車翼５のピッチ角度をそれぞれ変化させる。
図３は、上記風車制御装置２０が備えるピッチ角度制御に関する制御ブロックを示した図である。図３に示されるように、風車制御装置２０は、モーメント算出部３１、成分指令値設定部３２、ピッチ角度指令設定部３３、ヨーまわり制御指令値設定部３４を備えている。
上記モーメント算出部３１は、各荷重計測センサ９によって計測された各風車翼５の荷重Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３を座標変換することにより、図４に示されるｚ軸まわりのモーメントＭｚおよびｙ軸まわりのモーメントＭｙを算出する。図４に示されるように、ｚ軸は、風車タワー２の主軸に平行な軸線であり、ｘ軸はロータヘッド４の回転軸であり、ｙ軸はｚ軸およびｘ軸に直交する軸線である。
モーメント算出部３１は、モーメントＭｙ，Ｍｚを算出すると、これらを成分指令値設定部３２に出力する。成分指令値設定部３２は、モーメント算出部３１によって算出されたモーメントＭｚ，Ｍｙに基づいてｙ軸に関する角度指令値θｙとｚ軸に関する角度指令値θｚとを設定する。
具体的には、成分指令値設定部３２は、ｙ軸まわりのモーメントＭｙを相殺する基準指令値を求め、この基準指令値をｙ軸まわりの角度指令値θｙとする。また、成分指令値設定部３２は、ｚ軸まわりのモーメントＭｚを相殺する基準指令値を求め、更に、この基準指令値に対してヨーまわり制御指令値設定部３４から入力されるヨーまわり制御指令値Ｍｚ´を加算し、この値をｚ軸まわりの角度指令値θｚ´とする。成分指令値設定部３２は、角度指令値θｙ、θｚ´をピッチ角度指令設定部３３に出力する。
ピッチ角度指令設定部３３は、入力された角度指令値θｙ，θｚ´を座標変換することにより、各風車翼５のピッチ角度指令θ１，θ２，θ３を設定し、これらを可変ピッチ機構２１に出力する。これにより、可変ピッチ機構２１により各風車翼５のピッチ角度がピッチ角度指令θ１，θ２，θ３に基づいて変化させられる。この結果、各風車翼５における荷重が低減されるとともに、ヨーまわり制御指令値Ｍｚ´に応じた量だけ、ナセル３がｚ軸まわりに回動させられることとなる。
次に、上述したヨーまわり制御指令値設定部３４について図５を参照して説明する。図５は、ヨーまわり制御指令値設定部３４により実行される処理の手順を示したフローチャートである。なお、図５に示される処理は、所定時間間隔で繰り返し実行されるものとする。
ヨーまわり制御指令値設定部３４は、風向計８から入力される風向偏差の過去所定期間の平均を算出する（ステップＳＡ１）。続いて、ステップＳＡ１において算出した平均風向偏差が予め設定されている閾値よりも大きいか否かを判定する。この結果、平均風向偏差が閾値以下であった場合には、ナセル３が風向に対して好ましい方向を向いていると判断し、ナセル３のヨー旋回駆動を行わずに、当該処理を終了する。
一方、平均風向偏差が閾値を超えていた場合には、ナセル３が風向に対して最適な方向とされていないと判断し、ステップＳＡ３において、ヨーまわり設定指令値を設定する。具体的には、ヨーまわり制御指令値設定部３４は、予め保有しているヨーまわり制御指令値テーブルを参照し、ステップＳＡ１において算出された平均風向偏差と風速計７から入力される風速とで特定されるヨーまわり制御指令値を取得する。図６にヨーまわり制御指令値テーブルの一例を示す。図６に示されるように、ヨーまわり制御指令値テーブルには、風速と平均風向偏差との組に対応付けられてヨーまわり制御指令値がそれぞれ設定されている。ヨーまわり制御指設定部３４は、取得したヨーまわり制御指令値を成分指令値設定部３２に出力する。
これにより、風速と風向と応じて設定されたヨーまわり制御指令値がｚ軸まわりの基準指令値に対して加算されることで、ヨーまわり制御指令値に応じた量だけ、ナセル３をｚ軸まわりに旋回させることが可能となる。
以上、説明してきたように、本実施形態に係る風力発電装置１によれば、ヨーまわり制御指令値Ｍｚ´に応じた量のモーメントを各風車翼５に発生させ、このモーメントを利用してナセル３を風車タワー２の主軸まわりに旋回させることが可能となる。このように、各風車翼５のピッチ角度を制御することにより、空気力を利用してナセル３を旋回させるので、ナセル３内に配置されているヨーモータ（図示略）の小型化を図ることが可能となる。また、ヨーモータの使用頻度を低減させることが可能となり、消費出力の低減を図ることが可能となる。
なお、上述した実施形態においては、ヨーまわり制御指令値設定部３４が、ヨーまわり制御指令値テーブルからヨーまわり制御指令値を取得することとしたが、これに代えて、平均風向偏差と風速とをパラメータとした演算式をヨーまわり制御指令値設定部３が有しており、この演算式に平均風向偏差および風速を代入することにより、ヨーまわり制御指令値を得ることとしてもよい。
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
本発明の一実施形態に係る風力発電装置の全体構成例を示す図である。 ナセル内の概略構成を示した図である。 本発明の一実施形態に係る風車制御装置が備えるピッチ角度制御に関する制御ブロックを示した図である。 ｚ，ｙ，ｚ軸の定義を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係るヨーまわり制御指令値設定部により実行される処理の手順を示したフローチャートである。 ヨーまわり制御指令値テーブルの一例を示した図である。
符号の説明
１ 風力発電装置
２ 風車タワー
３ ナセル
４ ロータヘッド
５ 風車翼
７ 風速計
８ 風向計
９ 荷重計測センサ
１０ 増速機
１１ 発電機
２０ 風車制御装置
２１ 可変ピッチ
３１ モーメント算出部
３２ 成分指令値設定部
３３ ピッチ角度指令設定部
３４ ヨーまわり制御指令値設定部

Claims (4)

  1. 各風車翼の荷重を計測する荷重計測手段と、
    前記荷重計測手段によって計測された各風車翼の荷重を座標変換することにより、風車タワー軸まわりのモーメントを算出するモーメント算出手段と、
    前記モーメント算出手段によって算出された前記モーメントを相殺するための基準指令値に対して、ヨーまわり制御指令値を加算することにより、前記風車タワー軸まわりの角度指令値を算出する成分指令値設定手段と、
    前記風車タワー軸まわりの角度指令値に基づいて、各風車翼のピッチ角度指令値を設定するピッチ角度指令設定部と
    を具備する風力発電装置。
  2. 前記ヨーまわり制御指令値は、風向きに応じて与えられる請求項１に記載の風力発電装置。
  3. 前記ヨーまわり制御指令値は、風向偏差に基づいて設定される請求項１に記載の風力発電装置。
  4. 各風車翼の荷重をそれぞれ計測する過程と、
    各風車翼の荷重を座標変換することにより、風車タワー軸まわりのモーメントを算出する過程と、
    前記モーメントをゼロにするための基準指令値に対して、タワー軸まわり制御指令値を加算することにより、前記風車タワー軸まわりの角度指令値を算出する過程と、
    前記風車タワー軸まわりの角度指令値に基づいて、各風車翼のピッチ角度指令値を設定する過程と
    を有する風力発電装置のヨー旋回駆動方法。
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