JP2011521142A - 風力タービンの駆動伝達系のねじれ振動を低減させる方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、風力タービンの駆動伝達系のねじれ振動をグリッド損失が生じる場合に低減させる方法に関するものである。本方法によれば、前記グリッド損失が生じた後に、制動トルクを前記駆動伝達系に、前記駆動伝達系のねじれ共振周波数の関数として決定される期間に亘って加える。

Description

本発明は、風力タービンの制御方法に関する。更に正確には、本発明は、グリッド損失が生じる場合の風力タービンの制御方法に関する。

最新の風力タービンは、電気を電力グリッドに供給するために広く使用されている。この種類の風力タービンは普通、複数のブレードを持つロータを備える。これらのブレードを持つロータは、風がこれらのブレードに作用している状態で回転を始める。ロータ軸の回転により、発電機ロータを直接駆動する（「直接駆動」）か、または増速機を使用することにより駆動することができる。

正常運転中、風力タービンの回転速度は、磁気トルクが発電機に作用し、空力トルクがロータに作用することにより制御される。更に、制動システムが普通、予測される。

風力タービンのロータに作用する空力トルクを制御する種々の方法が知られている。「ピッチ調整式」風力タービンでは、ロータブレード群を、これらのブレードの長手軸の回りに回転させることにより、風がこれらのブレードに衝突する角度を制御することができる。「受動失速」調整式風力タービンでは、風速が速くなって所定の風速を超えるとブレードの失速が自動的に生じる。空力トルクがこれにより抑制される。

制動システムは普通、低速回転軸に、または高速回転軸に機械的に作用する。また、発電機に電気的に作用する制動システムも知られている。ピッチ調整式風力タービンでは、フェザーリング位置に対するブレード群のピッチを用いて、風力タービンの回転速度を低下させる。風力タービンが完全に停止するようにするために、またはタービンを、当該タービンの静止時状態に保持するために、（機械式）ブレーキのみが使用される。

前に述べたように、正常作動中は、風力タービンの回転速度は、とりわけ、発電機に作用する磁気トルクにより制御される。駆動伝達系の構成要素（ロータ軸、または低速回転軸、増速機、高速回転軸、発電機）は、ロータに作用する空力トルク、および発電機に作用する磁気トルクの影響を受けている状態では、弾性変形する。潜在エネルギーがこの弾性変形部分に蓄積される。グリッド損失が生じると、発電機で生成される磁気トルクが急激に失われ、駆動伝達系の潜在エネルギーが運動エネルギーに変換される。その結果、駆動伝達系がねじれ振動の影響を受ける。これらの振動は、特に増速機に大きなダメージを及ぼす可能性があり、増速機の寿命を大幅に短縮する可能性がある。

従来技術においては、グリッド損失を低減し、ねじれ振動を低減させる種々の方法が知られている。国際公開公報第ＷＯ２００７／０８２６４２号には、ロータブレードのピッチ角を小さくし、続いて、機械式ブレーキを高速回転軸に掛けることにより、グリッド損失に対処する方法が記載されている。国際公開公報第ＷＯ２００４／０９８９６８号には、グリッド故障時の制動方法が記載されている。制動装置は、高速回転軸に作用する。ブレーキの油圧は、風力タービンが完全に停止するようになるまで制御される。当該装置、及び当該装置の制御方法は、特に「失速調整式」風力タービンに使用されるように適合させている。国際公開公報第ＷＯ０３／０４０５５６号には、ねじれ振動を防止することを目的に、風力タービンの回転速度を低下させる方法が記載されている。この方法では、ブレーキの減速トルクは、所定の時間系列で、風力エネルギー変換器の固有周波数に基づいて調整される。米国特許第６，２５４，１９７号には、代替の油圧制動システム及びその制御方法が記載されている。記載されている特定の方法では、まず、空力ブレーキ（ブレードの可動先端部）を作用させ、１５秒の期間が経過した後に、機械式ブレーキを作用させる。

従来技術による方法は複雑であるのでコストが高く付く。その上、これらの方法は、必ずしも満足の行く結果をもたらしていない。従って、グリッド損失が生じる場合の風力タービンの制御であって、確実であり、かつ今日の風力タービンに容易に適用することができる制御の方法を改善する必要がある。

国際公開公報第ＷＯ２００７／０８２６４２号 国際公開公報第ＷＯ２００４／０９８９６８号 国際公開公報第ＷＯ０３／０４０５５６号 米国特許第６，２５４，１９７号

本発明は、この目標を達成することを目的としている。この目標は、請求項１に記載の方法により達成される。更に別の有利な実施形態は、従属請求項に記載される。

グリッド損失が生じる場合、駆動伝達系に、前記駆動伝達系のねじれ共振周波数の関数として決定される期間に亘って制動トルクを加える。風力タービンの駆動伝達系は、各駆動伝達系に固有の、従って風力タービンの各タイプに固有のねじれ共振周波数を有する。グリッド損失が生じると、発電機の磁気トルクが消滅し、駆動伝達系が、当該駆動伝達系のねじれ共振周波数である周波数で振動し始める。従って、ブレーキ作動期間を決定するに当たり、この周波数を考慮に入れる必要がある。従って、本発明を実施するには、駆動伝達系の共振周波数を求め、この共振周波数の関数として所望のブレーキ作動期間を決定し（計算し）、グリッド損失が生じた後、決定されたブレーキ作動期間に亘ってブレーキを効かせる。

好ましくは、前記期間を更に、グリッド損失が生じる時点と前記制動トルクを加える時点との間に発生する遅延の関数として決定する。ねじれ振動を低減させることによる最適結果を得るために、グリッド損失が生じた直後の期間であって、低速回転軸のトルクが小さくなる期間にのみブレーキを作動させる、すなわち駆動伝達系を「逆方向に駆動する」期間にのみ作動させる必要がある。低速回転軸のトルクが大きくなるときにブレーキを効かせると、結果的にねじれ振動が大きくなってしまう可能性がある。従って、好ましくは、グリッド損失が生じる時点と制動トルクを加える時点との間に発生する遅延も考慮に入れて、ブレーキ作動期間を決定する。このように、この好適な方法によれば、本発明を実施するために、駆動伝達系の共振周波数を求め、グリッド損失が生じる時点と制動トルクを加える時点との間で発生する遅延を求め、次に、所望のブレーキ作動期間を、これらの２つのパラメータの関数として決定し（計算し）、グリッド損失が生じた後、決定されたブレーキ作動期間に亘ってブレーキを効かせる。

好ましくは、ブレーキは、実質的には、グリッド損失が検出された直後に効かせる。

いずれの制動システムも本発明による方法において使用することができ、各制動システムは、固有の最短反応時間を持つことになる。制動システムがグリッド損失に対して、より短時間で反応するほど、駆動伝達系を逆方向に駆動しながらも制動トルクを加えることができる時間が長くなる。

好ましくは、前記期間を最大許容期間の５０％〜１００％となるように決定し、前記最大許容期間は、前記駆動伝達系のねじれ共振周期の１／２周期から、グリッド損失が生じる前記時点と前記制動トルクを加える前記時点との間に発生する前記遅延を差し引いた値として決定される。

更に好ましくは、前記期間を前記最大許容期間の７０％〜１００％となるように決定し、最も好ましくは、前記最大許容期間の８０％〜１００％となるように決定する。

別の表現をすると、前記期間は理想的には、前記駆動伝達系のねじれ共振周期の１／２周期から、グリッド損失が生じる前記時点と前記制動トルクを加える前記時点との間に発生する前記遅延を差し引いた値よりも若干小さい値として選択される、すなわち最大ブレーキ作動期間は、以下の数式に従って決定される：

ｔ_{ｍａｘ＿ｂｒａｋｅ}＝０．５・ｔ_{ｒｅｓｏｎａｎｃｅ＿ｐｅｒｉｏｄ＿ｐｏｗｅｒ＿ｔｒａｉｎ}−ｔ_{ｄｅｌａｙ}

前に述べたように、ねじれ振動を低減させることによる最適結果を得るためには、ブレーキは、グリッド損失が生じた直後の期間であって、低速回転軸のトルクが小さくなる期間、すなわち駆動伝達系を「逆方向に駆動する」期間にのみ作動させる必要がある。駆動伝達系は、最初のねじれ共振周期の最初の１／２周期中に逆方向に駆動される。理想的には、ブレーキはこの全時間に亘って作動させる必要がある。しかしながら、制動システムは反応すると必ず遅延を伴う。従って、この遅延（グリッド損失が生じる時点と制動トルクを加える時点との間の時間）を、この１／２振動周期から差し引いて最大ブレーキ作動期間を決定する必要がある。このように、この数式が、最大ブレーキ作動期間を与える。ブレーキは理想的には、この最大ブレーキ作動期間内で出来る限り長く作動させる（当該ブレーキの効果を最大限に発揮させる）。

好ましくは、前記ブレーキ作動期間は約０．４秒である。約０．４秒のブレーキ作動期間は、ねじれ振動を十分に低減させるためには十分長いと同時に、低速回転軸のトルクが継続的に低減されるためには非常に短い。

好ましくは、前記制動トルクを１回の短い期間中に加える。ブレーキを解除した後、ブレーキを再び作動させてねじれ振動を更に低減させる必要はない。

好ましくは、前記ブレーキから加える前記制動トルクは、グリッド損失が生じる時点の風速を考慮に入れて決定される。更に好ましくは、前記制動トルクは、ロータに作用する空力トルクを考慮に入れて決定される。別の構成として、前記制動トルクは、グリッド損失が生じる前記時点で発電機によって生成される電力を考慮に入れて決定される。最大の利用可能な制動トルクを加えることにより最も有利な結果が必ずしも達成される訳ではない。そうではなく、本方法において使用されることになる最適制動トルクが存在する。

風力タービンの作動中、大きな影響を及ぼす風速が普通、測定される。従って、最適制動トルクを決定するには、グリッド損失が生じる時点の風速を考慮に入れる。

最適制動トルクを更に正確に決定するために、グリッド損失が生じる時点の空力トルクを考慮に入れる。当該時点の空力トルクは、風速によって変わるだけでなく、例えばブレードのピッチ角によって変わる。更に好ましくは、最適制動トルクは、ブレーキ作動期間、グリッド損失が生じる前記時点と前記制動トルクを加える前記時点との間に発生する前記遅延、及びグリッド損失が生じる前記時点の前記空力トルクを考慮に入れて決定される。これは、次の数式：Ｍ_{ｂｒａｋｅ．ｏｐｔ}＝κ・Ｍ_ａｅｒｏを使用して表現することができる。

この数式では、Ｍ_{ｂｒａｋｅ．ｏｐｔ}は、最適制動トルクであり、Ｍ_ａｅｒｏは、グリッド損失が生じる時点でロータに作用する空力トルクである。κは、各風力タービンタイプに関してブレーキ作動期間に応じて、かつグリッド損失が生じる前記時点と前記制動トルクを加える前記時点との間に発生する前記遅延に応じて決定される係数である。このように、κは、固有値を各風力タービンタイプに対応して有することになる。

厄介な問題として、風力タービンは普通、空力トルクを直接測定するシステムを備えていない。この問題を解決するために、電力を測定し、次に、空力トルクを次の数式を使用して求めることができる：

この数式では、Ｍ_{ａｅｒｏ＿ＨＳＳ}は、高速回転軸に伝達される（空力）トルクであり、Ｐ_{ｅｌｅｃｔｒ}は、グリッド損失が生じる時点で発電機によって生成される電力であり、ω_ＨＳＳは、高速回転軸の回転速度である。この数式は、空力トルクの極めて正確な推定値を与える。従って、グリッド損失が生じる時点で発電機によって生成される電力（この電力はいずれにしても、今日の風力タービン内で測定される）を用いることは、最適制動トルクを決定するための良好な手段である。

結論として、最適制動トルクは、グリッド損失が生じる時点でロータに作用する空力トルクを考慮に入れて決定することができる。本方法における中間ステップでは、空力トルクを上の数式を使用して推定することができる。別の構成として、最適制動トルクは、グリッド損失が生じる時点で発電機によって生成される電力を測定することにより直接決定される。

選択肢として、ブレーキは、グリッド損失が、風速が高速になる時点で生じる場合にのみ作動させる。これにより、このシステムの複雑さが低減されて、コストを更に低減することができる。この選択肢は、低風速時のねじれ振動の影響が、許容できないダメージをもたらすことはないと判断される場合に特に好ましい。

別の選択肢では、本制動方法を、風速に関係なく、グリッド損失が生じるときには必ず適用する。当該システムは更に複雑になるが、その理由は、更に複雑な制御アルゴリズムが必要になるからである。しかしながら、ねじれ振動は、グリッド損失が生じるどのような状況においても低減させることができるので有利である。

好ましくは、ピッチ制御システムを前記風力タービンに設け、前記ピッチ制御システムを更に、実質的には、グリッド損失が生じた直後に作動させることにより、前記ブレーキを解除した後に、ロータブレードのピッチ制御を行なって前記風力タービンの回転速度を更に低下させる。機械式ブレーキは駆動伝達系に対して、ピッチ制御システムが作用するよりも、より直接的に作用する。このように、機械式ブレーキは、ねじれ振動を直ぐに低減させるために、より適している。ブレーキを解除した後、風力タービンの回転速度を更に低下させるためにピッチ制御システムのみが必要となる。グリッド損失が生じる場合、両方のシステムを作動させる。機械式ブレーキ及びブレードのピッチ制御を組み合わせると、ねじれ振動を大幅に低減させることができ、かつ風力タービンの正しい静止を保証することができる。ブレーキは、風力タービンが最終的に完全に静止するようになるためにのみ、またはタービンを、当該タービンの静止時状態に保持するためにのみ再使用される。

どの種類のブレーキも、基本的に、本方法において使用することができる。有利な点として、風力タービンが完全に静止するようにするために設けられるブレーキは、グリッド損失が生じる場合の本発明による制動方法においても使用される。ブレーキを別に組み込む必要はない。

基本的に、いずれの形態の作動機構（油圧機構、電気機構など）も制動システムに使用することができる。しかしながら、当該システムは、グリッド損失が生じる場合に作動する必要がある。これは、当該システムが、電力がグリッドから供給されていない状態で作動する機能を有する必要があることを意味する。制動システムが電気式である場合にバッテリを設けることが考えられる。風力タービンが油圧ブレーキを備える場合、油液容器を設けることを考えてもよい。

本発明の更に別の可能な実施形態、及びこれらの実施形態の利点は、図を参照しながら説明される。

図１は、本発明による方法を適用することができる制動システムを備える風力タービンである。 図２は、グリッド損失が風速７ｍ／ｓのときに生じた後のロータ軸のねじれ振動のシミュレーションである。 図３は、グリッド損失が生じた後の２秒間の図２の詳細図である。 図４は、グリッド損失が風速１２ｍ／ｓのときに生じた後のロータ軸のねじれ振動のシミュレーションである。 図５は、グリッド損失が生じた後の２秒間の図４の詳細図である。 図６は、グリッド損失が風速２５ｍ／ｓのときに生じた後のロータ軸のねじれ振動のシミュレーションである。 図７は、グリッド損失が風速７ｍ／ｓのときに生じた後のロータ軸のねじれ振動のシミュレーションを、本発明による方法が適用される異なる制動トルクに対応して示している。 図８は、グリッド損失が風速１２ｍ／ｓのときに生じた後のロータ軸のねじれ振動のシミュレーションを、本発明による方法が適用される異なる制動トルクに対応して示している。

図１を参照すると、風力タービンの模式図が示されている。ロータ１０は複数のブレードを備える。これらのブレードは、ロータ軸（低速回転軸とも表記される）１２に取り付けられる。増速機１１はロータ軸の回転運動を高速回転軸１３の回転運動に変換する。ブレーキディスク１４は、高速回転軸に取り付けられる。油圧ブレーキが参照番号１５で示される。この図には、本発明による方法に使用することができる制動システムの可能な実施形態が示されている。しかしながら、基本的には、いずれの形態のブレーキも本発明による方法に適用することができる。

高速回転軸１３によって、発電機１６のロータが回転するようになる。発電機によって生成される電気は、参照番号１７により一括で示される適切な電気部品群を介して電力グリッド１８に供給される。参照番号１９は、ブレード群のピッチ制御システムを示しており、このピッチ制御システムはこれらのブレードを、これらのブレードの長手軸の回りに回転させることができる。本発明による方法では、ピッチ制御システムは必要ではない。しかしながら、当該ピッチ制御システムを設けることが好ましい。

図２は、風力タービンの駆動伝達系のねじれ振動のシミュレーション結果を示している。グリッド損失は、ｔ＝５で生じる。グリッド損失が生じる時点で大きな影響を及ぼす風速は７ｍ／ｓである。駆動伝達系のねじれ振動を２つの異なる場合に対応して示している。第１の場合（図２の点線）では、制動トルクは働かない、すなわちブレーキは作動していない。ねじれ振動の振幅は非常に大きく、振動は非常に緩やかにしか消滅しないことが分かる。第２の場合（図２の実線）では、制動トルクが、グリッド損失が生じた後、０．０５秒の遅延を伴って、０．４秒の期間に亘って働く。ブレーキはグリッド損失が生じた後、出来る限り速やかに作動することが好ましい。０．０５秒の遅延をシミュレーションに使用したが、その理由は、この遅延が制動システムの最短反応時間であると推定されたからである。

本発明による方法では、ブレーキ作動期間は必ずしも０．４秒である必要はない。有利な結果は、異なるブレーキ作動期間（請求項の範囲に含まれる）で達成することもできる。

図２から、制動トルクを１回だけの短い期間に亘って働かせるだけで、ねじれ振動の振幅を大幅に小さくすることができることが分かる。更に、かつこの結果として、ねじれ振動がより速やかに消滅する。

図３は、図２におけるシミュレーションと同じシミュレーションの結果を示しているが、グリッド損失が生じた後の最初の２秒間を更に詳細に示している。

図４及び５は、風速が１２ｍ／ｓであることを除き、同様のシミュレーションを示している。また、この場合、グリッド損失がｔ＝５で生じ、０．４秒のブレーキ作動期間が、０．０５秒の遅延を伴って続いている。同様の結果が得られる。本発明による方法を適用すると、ねじれ振動が小さくなる。図４及び５の結果を図２及び３の結果と比較すると、ねじれ振動の振幅に関して、風速１２ｍ／ｓでの振幅が風速７ｍ／ｓでの振幅よりも大きいことが明らかである。

図６は、グリッド損失が風速２５ｍ／ｓのときに生じる場合のねじれ振動を示している。ここでも同じように、ねじれ振動の低減を本発明による方法を用いて達成する様子（図６の実線）を示している。

異なる風速において結果として得られるねじれ振動の振幅は変化している。より速い風速では、ねじれ振動はより大きくなるので、駆動伝達系部品群に加わる可能性のあるダメージも、より大きくなる。従って、コスト低減が最も重要な目的である場合には、高風速が大きな影響を及ぼす時点でグリッド損失が生じる場合にしか制動方法を実行しないという選択を行なうことができる。グリッド損失がより遅い風速で生じる場合、ブレーキは作動させず、ねじれ振動が、より長い時間に亘って継続することになる。これは、特定の場合において、許容できるものとして見なすことができる。

しかしながら、これが、許容できるものとして見なされない場合、制動方法は、グリッド損失が生じるときには必ず、高風速時及び低風速時の両方において実行することができる。

図７は、グリッド損失が風速７ｍ／ｓのときに生じた後の駆動伝達系のねじれ振動のシミュレーション結果を、本発明による方法が適用される異なる制動トルクに対応して示している。この図から、最も有利な結果が必ずしも、最大制動トルクを加えて達成される訳ではないことが分かる。ねじれ振動は、３０００Ｎ．ｍの制動トルクを加える場合には、４０００Ｎ．ｍの制動トルクを加える場合と比較して小さくなっている。

図８は、グリッド損失が風速１２ｍ／ｓのときに生じた後の駆動伝達系のねじれ振動のシミュレーション結果を、本発明による方法が適用される異なる制動トルクに対応して示している。

図７及び８は、本発明による方法を適用するに当たり、特定の最適制動トルクが存在することを示している。制動トルクを大きくしてこの最適値を超えるようになると、ねじれ振動が最適状態におけるよりも大きくなる。本発明による方法では、制動トルクを、風速を考慮に入れて決定することが好ましい。グリッド損失が生じる時点でロータに作用する空力トルクを考慮に入れて最適制動トルクを決定することが更に好ましい。

Claims (15)

1. 風力タービンの駆動伝達系のねじれ振動をグリッド損失が生じる場合に低減させる方法であって、
   前記グリッド損失が生じた後に、制動トルクを前記駆動伝達系に、前記駆動伝達系のねじれ共振周波数の関数として決定される期間に亘って加えることを特徴とする、方法。
2. 前記期間を更に、グリッド損失が生じる時点と前記制動トルクを加える時点との間に発生する遅延の関数として決定することを特徴とする、請求項１に記載のねじれ振動低減方法。
3. 前記制動トルクを、実質的にはグリッド損失が生じた直後に加えることを特徴とする、請求項１〜２のいずれか１項に記載のねじれ振動低減方法。
4. 前記期間を最大許容期間の５０％〜１００％となるように決定し、
   前記最大許容期間が、前記駆動伝達系のねじれ共振周期の１／２周期から、グリッド損失が生じる前記時点と前記制動トルクを加える前記時点との間に発生する前記遅延を差し引いた値として決定されることを特徴とする、請求項２又は３に記載のねじれ振動低減方法。
5. 前記期間を前記最大許容期間の７０％〜１００％となるように決定し、好ましくは、前記最大許容期間の８０％〜１００％となるように決定することを特徴とする、請求項４に記載のねじれ振動低減方法。
6. 前記期間は約０．４秒であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のねじれ振動低減方法。
7. 前記制動トルクを１回の期間中に加えることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載のねじれ振動低減方法。
8. 前記駆動伝達系に加える前記制動トルクを、グリッド損失が生じる前記時点の風速を考慮に入れて決定することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載のねじれ振動低減方法。
9. 前記駆動伝達系に加える前記制動トルクを、グリッド損失が生じる前記時点でロータに作用する空力トルクを考慮に入れて決定することを特徴とする、請求項８に記載のねじれ振動低減方法。
10. 前記駆動伝達系に加える前記制動トルクを、グリッド損失が生じる前記時点で発電機によって生成される電力を考慮に入れて決定することを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載のねじれ振動低減方法。
11. 前記駆動伝達系に加える前記制動トルクを、グリッド損失が生じる前記時点と前記制動トルクを加える前記時点との間に発生する前記遅延、及びブレーキ作動期間も考慮に入れて決定することを特徴とする、請求項８，９，又は１０に記載のねじれ振動低減方法。
12. 前記グリッド損失が所定の最低風速を超える風速のときに生じる場合にのみ、前記制動トルクを加えることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のねじれ振動低減方法。
13. グリッド損失が生じるときに風速が大きな影響を及ぼすかどうかに関係なく、前記制動トルクを加えることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載のねじれ振動低減方法。
14. 前記風力タービンのブレードのピッチ制御システムを更に、実質的にはグリッド損失が生じた直後に作動させることにより、前記ブレーキを解除した後に、ロータブレードのピッチ制御を行なって前記風力タービンの回転速度を更に低下させることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１項に記載のねじれ振動低減方法。
15. 前記制動トルクが前記駆動伝達系の高速回転軸に作用することを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか１項に記載のねじれ振動低減方法。

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