JP2008527226A - 多重化冗長制御システムを有する風力タービン、及び風力タービンの制御方法 - Google Patents

Abstract

制御下の機材を有する風力タービン（１）が提示されており、これは、風力タービンの上記主要構成部品（５、７、９）の１つ又は複数のための少なくとも１つの制御システム（１４、１４Ａ、１４Ｂ）を有する。制御システム（１４Ａ）は、上記制御下の機材の同一のものを制御する少なくとも１つのさらなる制御システム（１４Ｂ）によって多重化される。制御機構、方法及びその使用も提示されている。
【選択図】 図２

Description

［発明の背景］
本発明は、請求項１の前文に従った風力タービン、制御機構、風力タービンの制御下の同一機材を制御する少なくとも１つのさらなる制御システムによって多重化される制御システムを制御する方法、及びその使用に関する。

［関連技術の説明］
風力タービンは、長年にわたって苛酷且つ変化する気候に直面し、それでも高い信頼性を示すように設計されている。従来では、風力タービンの通常の使用状態で必要とされるものに比べて或る程度大きめに風力タービンを設計することにより、信頼性が達成されてきた。

苛酷な気候状況、又は電力系統又は風力タービンロータの制御の損失等の故障中の過大な力に対処するために、たとえばタワー、風力タービンブレード及びブレーキングシステムを大きめにすることができる。

しかしながら、最新の大型風力タービンの風力タービン構成部品の運搬及び取り扱いがますます難題になっている。したがって、構成部品を大きめにすることは、材料コストが高くなることと共に、運搬及び取り扱い中の寸法及び重量に関して重大な問題である。

従来では、風力タービン内に或る種類の構成部品を複数設けることも既知である。冗長性は、重大な機械応力に直面する構成部品、たとえば油圧ピッチアクチュエータに特に使用される。主構成部品が故障した後、補修員が到着するまでの短期間、その追加された構成部品が仕事負荷を引き受け、したがって、風力タービンの有用性及び信頼性を高めることができる。しかしながら、或る種類の構成部品を複数にすることは、風力タービン構成部品の材料コストと共に寸法及び重量に関する上記問題を変化又は解決するものではない。

本発明の目的は、建造すべき風力タービンの重量効率及びコスト効率をより高めることができる技術を確立することである。

［発明］
本発明は、風力タービンであって、制御システムを、制御下の上記機材の同一機材を制御する少なくとも１つのさらなる制御システムによって多重化される、風力タービンに関する。

これにより、従来技術の上記欠点を伴わない風力タービンが確立される。システムレベルで機能性を確保することにより、制御下の機材の制御における単一破損可能点をなくすことが有利である。風力タービンの安全レベルを、したがって信頼性を高めることで、異なった風力タービン構成部品を、極端な負荷用に設計するのではなく、通常の使用及び疲労に合わせて設計することが可能である。

たとえば、制御の損失による危険なロータの速度超過の危険等の故障の危険が大幅に低減するので、風力タービンタワーを「標準サイズの」材料堅さで設計することができる。風力タービンの「標準サイズの」タワー及び他の構造の構成部品の材料節約は、２５％を超えるであろう。

「制御下の機材」及び「主要構成部品」という表現は、特に風力タービンの風力タービンブレード、（ある場合は）ギヤ、及び発電機として理解されるべきである。

「制御システム」という表現は、主要構成部品の監督及び制御を行うシステムであって、そうするのに必要な構成部品を含むシステムとして理解されるべきである。

本発明の一態様では、上記制御下の機材は、風力タービンブレード等の風力タービンの主要構成部品である。

本発明の一態様では、上記制御システムは、同時且つ互いに独立的に動作している。これにより、１つの制御システムが故障することに関係なく、主要構成部品を継続的に制御することができる。したがって、風力タービンは、故障したシステムを取り替えることができるまで、発電し続けることができる、又は制御状態で停止させることができる。

本発明の一態様では、上記制御システムは、相互依存監督状態で同時に動作している。これにより、主要構成部品の有利な制御において、制御システムが一緒に働くようにすることができる。

本発明の一態様では、上記制御下の機材は、少なくとも１枚のピッチ又はアクティブストール風力タービンブレードを有する。各ブレードのピッチ機構は、ロータの唯一のブレーキシステムでもあるので、大型風力タービンブレードに関連させて本発明を使用することが有利である。

本発明の一態様では、上記少なくとも１枚の風力タービンブレードは、２枚又は３枚のブレードを有する風力タービンの一部である。１枚のブレードの制御の損失は、風力タービンロータ自体を停止させる能力の損失を生じ得るため、２枚ブレード風力タービンに関連させて本発明を使用することは、特に有利である。

本発明の一態様では、上記風力タービンは、ティータ角センサを備えるティータ機構を有する。

本発明の一態様では、上記制御システムは、上記ピッチ又はアクティブストール風力タービンブレード用の監督システムを備える。

本発明の一態様では、上記制御システムの１つは、ピッチ並びに／又はティータ構成部品、たとえばブレード負荷センサ、ピッチ位置センサ、方位センサ及び／若しくはティータ角センサ等のセンサ、ピッチアクチュエータ及び／若しくはティータアクチュエータ等のアクチュエータ、無停電電源装置を含む電源装置、並びに／又はマイクロコンピュータ等のコントローラを有する。これにより、システムの構成部品が多重化されるので、いずれのタイプの故障も致命的にならず、したがって、１つ又は複数の残りの制御システムが、風力タービンの通常制御を継続する、又は少なくとも制御状態で風力タービンを停止させることが確実にできる。

本発明の一態様では、上記制御システムの１つの内部のセンサは、当該制御システムのさらなるシステム内の対応するセンサの位置と異なった位置に配置される。これにより、たとえば、制御システムのセンサへの雷撃によるピッチ風力タービンブレード等の風力タービン構成部品の一部の破損が、さらなる制御システムのセンサに自動的に影響を与えることがないことが保証される。

本発明の一態様では、風力タービンは、３つ以上の制御システム、たとえば３つ又は４つの制御システムを有する。風力タービンの必要な信頼性を達成するために、さらなる制御システムの数は、システムの破損の危険性によって決まるであろう。その数は、たとえば風力タービンのタイプ、２枚又は３枚ブレード形、風力タービンの設置場所、雷雨の頻度、及びたとえば、沖合風力タービン等の風力タービンの接近容易性によって決められてもよい。

本発明の一態様では、風力タービンは少なくとも２つの制御システムを有し、当該システムの１つ又は複数の構成部品が、少なくとも２つ又は３つの、たとえば３つ以上のピッチ構成部品、ティータ構成部品及び／又はコントローラによって多重化されることを特徴とする。

本発明の一態様では、上記制御システムは、多数の中央コントローラを有する。これにより、コントローラを保護された安全な環境内に位置付けることがより容易である。

本発明の一態様では、上記制御システムは、多数の分散コントローラ、たとえば風力タービンハブ、主軸、風力タービンブレードの根元及び／又はブレードの内部に分散されたコントローラを有する。これにより、制御下の１つの機材の分散コントローラが故障した場合でも、これら制御システムは働き続けるので、当該制御システムの信頼性を高めることができる。制御下の他の機材の分散コントローラは、故障したコントローラから制御を引き継ぐことができ、たとえば、１枚のブレードのコントローラは、１枚のブレードの雷撃によって生じるそのブレードのコントローラの故障により、２枚のブレードの制御システムを制御するであろう。

本発明の一態様では、上記制御システムは、構成部品間が個別ケーブル等のケーブルによって接続される。これにより、異なった組の間に個別の接続回路が確立され、このようにして制御システムの高い信頼性がさらに向上する。

本発明の一態様では、制御システムは、たとえば銅ケーブル及び／又は光ファイバ通信ケーブル、ブルートゥース接続等の無線及び／又は無線通信接続を使用した通信バスシステムによって接続される。個別の接続回路、光ファイバ通信ケーブル及び／又は無線通信を使用することにより、雷撃後の故障を防ぐためにより高い信頼性を特に保証する。

本発明の一態様では、上記制御システムは、部分的又は完全に同一のシステムである。これにより、制御システムの共通安全レベルを高めることができる。

本発明の一態様では、上記制御システムは、多重化冗長システムである。これにより、発明の有利な実施の形態が達成される。

本発明はまた、少なくとも２枚の風力タービンブレードを有する風力タービンロータ用の制御機構に関し、当該機構は、同一の風力タービンブレード又は風力タービンブレードの同一部分を制御する複数の制御システムを有し、当該複数の制御システムの少なくともコントローラは、制御中の風力タービンブレード又は風力タービンブレードの同一部分に分散され、また、上記制御システムは接続されている。

これにより、機構は分散しているが接続されているコントローラを有し、それにより、制御機構は、１つ又は複数のコントローラの故障に関係なく、風力タービンブレードを制御し続けることができるので、風力タービンロータの制御の安全性を高めることが可能である。

本発明の一態様では、上記コントローラは、１つ又は複数のマイクロプロセッサを有する。

本発明の一態様では、上記制御システムは、たとえば銅ケーブル及び／又は光ファイバ通信ケーブル、ブルートゥース接続等の無線及び／又は無線通信接続を使用した通信バスシステムによって接続される。バスシステムにより、いずれのデータも制御システム及びコントローラ間で確実に共有することができる。これにより、風力タービンロータ内のいずれのブレードも、制御システム及びコントローラの一部の故障に関係なく、制御状態に置かれることが保証される。

本発明の一態様では、上記コントローラは、風力タービンハブ、主軸、風力タービンブレードの根元及び／又はブレードの内部に分散される。コントローラを制御下の機材の近傍に局所的に位置付けることにより、制御機構のより簡単且つより信頼できる構成が達成される。

本発明はまた、請求項１〜１８のいずれか１項に記載の風力タービンの制御下の同一機材を制御する少なくとも１つのさらなる制御システムによって多重化される制御システムを制御する方法に関する。

本発明の一態様では、上記制御システムは、同時且つ互いに独立的に、又は制御通信の交信によって相互依存状態で動作する。これにより、本発明の有利な実施の形態が達成される。

本発明の一態様では、制御通信は、上記制御システムを接続する通信バスシステムで転送される。本発明のさらなる態様では、上記通信は、中央コントローラ又は分散コントローラ間において通信バスシステムで転送される。これにより、本発明の有利な実施の形態が達成される。

本発明はまた、気候状況等の苛酷な状況又は電力系統の損失中の風力タービンの緊急停止に関連する、風力タービンの使用、制御機構及び方法に関する。

次に、図面を参照しながら本発明を説明する。

［詳細な説明］
図１は、タワー２と、タワーの上部に据えられた風力タービンナセル３とを備える最新の風力タービン１を示す。風力タービンロータのブレード５が、ナセルの前部から延出する低速シャフトを介してナセルに連結されている。

図示のように、一定レベルを超える風がロータを始動させ、それが風に対して垂直方向に回転できるようにする。当業者には既知のように、回転運動が電力に変換され、それは通常、伝達グリッドに供給される。

図２は、制御下の機材、すなわち風力タービンブレード５、ギヤ９及び発電機７を概略的に示す。制御下の機材は、本発明による風力タービンの制御システム１４によって監督且つ制御される。風力タービンは、風力タービンブレード５、ギヤ９及び発電機７を連結する低速及び高速軸１０、８をさらに有する。ティータ機構により、風力タービンブレードを垂直面に対して傾斜させることができる。

制御システム１４は、風力タービンの通常使用及び停止中、風力タービンブレード５等の制御下の機材の任意のものを監督且つ制御するであろう。

本発明によれば、制御システム１４は、制御下の同一の機材を監督且つ制御する少なくとも１つのさらなる制御システム１４Ｂによって多重化される第１の制御システム１４Ａを有する。

制御システム１４Ａ、１４Ｂは好ましくは、構成的に同一のシステムであり、同一機能を実行する。それらは、制御下の同一機材の監督及び制御において、同時且つ互いに独立的に動作するであろう。

図３は、３枚ブレード形風力タービンの中央制御システムを概略的に示す。

この図は、いかにして風力タービンブレードが制御システムから中央制御され、制御システム内の構成部品とブレードとの間の通信が通信バスで行われるかを示す。通信バスは、配線式接続、たとえば銅ケーブル及び／又は光ファイバ通信ケーブルを使用する通信バスシステムであることができる。さらに、通信バスは、制御システム間のブルートゥース接続等の無線及び／又は無線通信接続を含んでもよい。通信バスは、たとえば標準ＬＡＮ技法を使用してもよい。

制御システムの個別構成部品とブレードとの間の接続は、個別又は共通ケーブル、たとえば、電力を各関連構成部品に伝達する別個の電力ケーブルによって確立されるであろう。

図４は、図３の中央制御システムをさらに詳細に示し、ここでは、制御システム１４Ａ、１４Ｂが、３枚ブレード形風力タービンの一部である。

各組の制御システム１４Ａ、１４Ｂは、制御下の関連機材内の制御システムセンサからデータを収集し、制御下の関連機材を制御する制御システム構成部品に制御データを伝達する等、データの収集、処理及び伝達を行う１つ又は複数のマイクロコントローラ１７、μＣｔｒｌＡ、μＣｔｒｌＢを有する。

制御システムセンサ及び構成部品の例は、１つの風力タービンブレード５に関するピッチ位置センサ及びブレード負荷センサと共にピッチアクチュエータである。ブレード構造は、すべてのブレード５で複製される。

さらに、制御システム１４Ａ、１４Ｂの各組は、データをブレードマイクロコントローラ１７に伝達する方位センサ１５を有してもよい。

制御システム１４Ａ、１４Ｂの組の２つのマイクロコントローラ１７は、専用の個別電源装置１６から給電され、各電源装置は、無停電電源装置ＵＰＳ Ａ、ＵＰＳ Ｂを含む。２つの無停電電源装置は、制御システムに給電し、且つたとえば電力線への直接的な雷撃によって発生する停電時に風力タービンを制御して停止させることができる。

異なった組の制御システムセンサを互いの近傍に位置付けてもよく、たとえば、１つのブレード負荷センサを次のブレード負荷センサに隣接させるが、好ましくは風力タービンブレード５上の同一位置に置かない。

図５は、２枚ブレード型風力タービンでの図３の中央制御システムを示す。

図５の制御システム１４Ａ、１４Ｂの構成は、図４のシステムにほぼ対応する。ブレードが１枚少ないという状況は、複数の制御システム故障に続く結果として風力タービンが破損することを防止する安全レベルを高めるために、３つ以上の同一の制御システム、たとえば、３つ又は４つの制御システムの使用を提案するであろう。

本発明による制御システムは、風力タービンブレード以外の他の主要構成部品に関連して使用されてもよい。制御システムはたとえば、発電機の監視及び制御に関連しても使用され、それにより、制御システム故障に続く結果として発電機が損傷作業状態に決して直面しないようにすることができる。

図６は、３枚ブレード型風力タービンの分散制御システムを含む制御機構を概略的に示す。

この図は、いかにして各風力タービンブレードが、各ブレードに局所的に位置付けられた制御システムから制御されるかを示す。制御システム内の構成部品とブレードとの間の通信は、たとえば、図３に関連して述べた通信バスに対応する通信バスで実行される。

図７は、２枚ブレード型風力タービンの分散制御システムを含む制御機構を詳細に示す。

この図は、いかにして各ブレードの制御システムを、たとえばセンサ、コントローラ、及び無停電電源装置を含む電源装置に関して、多重化するかを示す。コントローラは、ローカルエリアネットワークＬＡＮ内に接続され、それにより、相互の機能の通信及び監視を行うことができる。

図８は、２枚ブレード型風力タービン内の分散制御システムを含む制御機構の別の実施形態を示す。

この図のコントローラは、ＬＡＮ内の通信バスによって接続され、それにより、本図のコントローラ１、コントローラ２及びコントローラのような多重化コントローラを確立する。

本発明による風力タービンは、すべての風力タービンを中央制御ステーションに接続している風力パークの一部でもよく、中央制御ステーションは、故障した制御システム等の風力タービンからの故障メッセージに対して、たとえばその風力タービンに補修員又は停止信号を送ることによって応答する。

制御システムを備える風力タービンの特定の例を参照しながら、本発明を以上に例示してきた。システムは、使用時、又は１つの制御信号の故障時、たとえば緊急停止時の停止処理中に、風力タービンを制御することができる。しかしながら、本発明は、上記の特別な例に制限されないで、特許請求の範囲に明言された本発明の範囲内で多種多様に構成し、且つ変化させることができることを理解されたい。

風力タービンロータ内に３枚の風力タービンブレードを有する最新の大型風力タービンを示す図である。 本発明による風力タービンの概略的な断面図である。 ３枚ブレード形風力タービンの中央制御システムの概略図である。 図３の制御システムをさらに詳細に示す図である。 ２枚ブレード形風力タービンの場合の図３の制御システムを詳細に示す図である。 ３枚ブレード形風力タービンの分散制御システムを含む制御機構の概略図である。 ２枚ブレード形風力タービンの分散制御システムを含む制御機構を詳細に示す図である。 ２枚ブレード形風力タービンの分散制御システムを含む制御機構の別の実施形態を示す図である。

符号の説明

１ 風力タービン又は風力タービンシステム
２ 風力タービンタワー
３ 風力タービンナセル
４ 風力タービンハブ
５ 風力タービンブレード
６ ロータ
７ 発電機
８ 高速軸
９ ギヤ
１０ 低速軸
１１ ティータ機構
１２ 風力タービンブレードのピッチ機構
１３ ヨー機構
１４ 風力タービンブレードの制御システム
１４Ａ、１４Ｂ 制御システム及びさらなる制御システム
１５ ２組の方位センサ
１６ ２組の無停電電源装置を含む電源装置
１７ ２組のマイクロコントローラ
１８ ２組のティータ角センサ

Claims (30)

1. 制御下の機材（５、７、９）と、
   該主要構成部品（５、７、９）の１つ又は複数のための制御システム（１４、１４Ａ、１４Ｂ）と
   を有する風力タービン（１）であって、
   該制御システム（１４Ａ）は、該制御下の機材の同一のものを制御する少なくとも１つのさらなる制御システム（１４Ｂ）によって多重化されることを特徴とする、風力タービン。
2. 風力タービン（１）であって、前記制御下の機材は、風力タービンブレード等の前記風力タービンの主要構成部品（５、７、９）であることを特徴とする、請求項１に記載の風力タービン。
3. 風力タービン（１）であって、前記制御システム（１４Ａ、１４Ｂ）は、同時且つ互いに独立的に動作していることを特徴とする、請求項１又は２に記載の風力タービン。
4. 風力タービン（１）であって、前記制御システム（１４Ａ、１４Ｂ）は、相互依存監督状態で同時に動作していることを特徴とする、請求項１又は２に記載の風力タービン。
5. 風力タービン（１）であって、前記制御下の機材は、少なくとも１枚のピッチ又はアクティブストール風力タービンブレード（５）を有することを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の風力タービン。
6. 風力タービン（１）であって、前記少なくとも１枚の風力タービンブレード（５）は、２枚又は３枚のブレードを有する風力タービンの一部であることを特徴とする、請求項５に記載の風力タービン。
7. 風力タービン（１）であって、前記制御システム（１４Ａ、１４Ｂ）は、前記ピッチ又はアクティブストール風力タービンブレード（５）用の監督システムを含むことを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の風力タービン。
8. 風力タービン（１）であって、ティータ角センサ（１８）を備えるティータ機構を有することを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の風力タービン。
9. 風力タービン（１）であって、前記制御システム（１４Ａ、１４Ｂ）の１つは、ピッチ並びに／又はティータ構成部品、たとえばブレード負荷センサ、ピッチ位置センサ、方位センサ及び／若しくはティータ角センサ（１８）等のセンサ、ピッチアクチュエータ及び／若しくはティータアクチュエータ等のアクチュエータ、無停電電源装置を含む電源装置（１６）、並びに／又はマイクロコンピュータ(１７)等のコントローラを有することを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の風力タービン。
10. 風力タービン（１）であって、前記制御システムの１つ（１４Ａ）の内部のセンサは、前記制御システムのさらなるシステム（１４Ｂ）内の対応するセンサの位置と異なった位置に配置されることを特徴とする、請求項９に記載の風力タービン。
11. 風力タービン（１）であって、３つ以上の制御システム（１４Ａ、１４Ｂ）、たとえば３つ又は４つの制御システムを有することを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の風力タービン。
12. 風力タービン（１）であって、少なくとも２つの制御システム（１４Ａ、１４Ｂ）を有し、該システムの１つ又は複数の構成部品が、少なくとも２つ又は３つの、たとえば３つ以上のピッチ構成部品、ティータ構成部品及び／又はコントローラによって多重化されることを特徴とする、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の風力タービン。
13. 風力タービン（１）であって、前記制御システム（１４Ａ、１４Ｂ）は、多数の中央コントローラを有することを特徴とする、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の風力タービン。
14. 風力タービン（１）であって、前記制御システム（１４Ａ、１４Ｂ）は、多数の分散コントローラ、たとえば風力タービンハブ、主軸、風力タービンブレードの根元及び／又は該ブレードの内部に分散されたコントローラを有することを特徴とする、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の風力タービン。
15. 風力タービン（１）であって、前記制御システム（１４Ａ、１４Ｂ）は、前記構成部品間が個別ケーブル等のケーブルによって接続されることを特徴とする、請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の風力タービン。
16. 風力タービン（１）であって、前記制御システム（１４Ａ、１４Ｂ）は、たとえば銅ケーブル及び／又は光ファイバ通信ケーブル、ブルートゥース接続等の無線及び／又は無線通信接続を使用する通信バスシステムによって接続されることを特徴とする、請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の風力タービン。
17. 風力タービン（１）であって、前記制御システム（１４Ａ、１４Ｂ）は、部分的又は完全に同一のシステムであることを特徴とする、請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の風力タービン。
18. 風力タービン（１）であって、前記制御システム（１４Ａ、１４Ｂ）は、多重化冗長システムであることを特徴とする、請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の風力タービン。
19. 少なくとも２枚の風力タービンブレードを有する風力タービンロータ用の制御機構であって、同一の風力タービンブレード又は該風力タービンブレードの同一部分を制御する複数の制御システム（１４Ａ、１４Ｂ）を有し、該複数の制御システム（１４Ａ、１４Ｂ）の少なくともコントローラ（１７）は、制御中の前記風力タービンブレード又は該風力タービンブレードの同一部分に分散され、また、前記制御システム（１４Ａ、１４Ｂ）は接続されている、制御機構。
20. 前記コントローラ（１７）は、１つ又は複数のマイクロプロセッサを有する、請求項１９に記載の制御機構。
21. 前記制御システム（１４Ａ、１４Ｂ）は、たとえば銅ケーブル及び／又は光ファイバ通信ケーブル、ブルートゥース接続等の無線及び／又は無線通信接続を使用する通信バスシステムによって接続される、請求項１９又は２０に記載の制御機構。
22. 前記コントローラは、風力タービンハブ、主軸、前記風力タービンブレードの根元及び／又は該ブレードの内部に分散される、請求項１９乃至２１のいずれか１項に記載の制御機構。
23. 請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の風力タービン（５）の制御下の同一機材を制御する少なくとも１つのさらなる制御システムによって多重化される制御システムを制御する方法。
24. 前記制御システムは、同時且つ互いに独立的に動作している、請求項２３に記載の方法。
25. 前記制御システムは、同時に、且つ制御通信の交信によって相互依存状態で動作している、請求項２３又は２４に記載の方法。
26. 前記制御通信は、前記制御システムを接続する通信バスシステムで転送される、請求項２３乃至２５のいずれか１項に記載の方法。
27. 前記制御通信は、中央コントローラ又は分散コントローラ間において通信バスシステムで転送される、請求項２６に記載の方法。
28. 気候状況等の苛酷な状況又は電力系統の損失中の前記風力タービン（１）の緊急停止に関連する、請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の風力タービンの使用。
29. 気候状況等の苛酷な状況又は電力系統の損失中の前記風力タービン（１）の緊急停止に関連する、請求項１９乃至２２のいずれか１項に記載の制御機構の使用。
30. 気候状況等の苛酷な状況又は電力系統の損失中の前記風力タービン（１）の緊急停止に関連する、請求項２３又は２７に記載の方法の使用。

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