JP2013087703A - 風力発電装置及びその方法並びにプログラム - Google Patents

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Abstract

【課題】電力系統の低電圧事象が発生した場合に、主軸系にかかる荷重を抑制し、損傷を防ぐこと。
【解決手段】複数の風車ブレード１２を有するロータ１１と、ロータ１１の回転により駆動される発電機と、発電機回転数ωに応じて風車ブレード１２のピッチ角を制御するピッチ角制御部とを備え、ピッチ角制御部は、電力系統１３の電圧が所定値以下となった場合に、ロータ１１の回転を発電機システム１５に伝達する主軸系に発生するねじり振動を抑制するようにピッチ角を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、系統電圧の低下が発生した場合に、主軸系にかかる荷重を抑制する風力発電装置及びその方法並びにプログラムに関するものである。
従来、風力発電装置の風車ブレードが風を受け、風車ブレードを有するロータが回転することにより、ロータを介して回転する主軸系に偏心荷重がかかり、ねじり振動が発生することが知られており、ねじり振動を抑制する方法が検討されている。
例えば、特許文献１には、発電機の回転速度の変化に基づいて、発電機と風車ブレード間の軸系のねじり振動成分を検出し、そのねじり振動成分に応じて電流調整することで、ねじり振動を抑制する技術が提案されている。
特開２００５−４５８４９号公報
しかしながら、上記特許文献１に記載された技術では、発電機が稼働している場合に回転数が上昇するとトルクが増大するので、さらなる回転数の上昇を抑える減衰効果があるが、電力系統の電圧が所定値以下となり発電機出力が低下すると、負荷がなくなり発電機の減衰効果が効かないため、ねじり振動を抑制することができず、ギヤボックス、ギヤ、軸受等の機械側の荷重が増大するという問題があった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、電力系統の低電圧事象が発生した場合に、主軸系にかかる荷重を抑制し、機械的損傷を防ぐことができる風力発電装置及びその方法並びにプログラム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、複数の風車ブレードを有するロータと、前記ロータの回転により駆動される発電機と、前記発電機の回転数に応じて前記風車ブレードのピッチ角を制御するピッチ角指令値を出力するピッチ角制御手段とを備える風力発電装置であって、前記ピッチ角制御手段は、電力系統の電圧が所定値以下となった場合に、前記ロータの回転を前記発電機に伝達する主軸系に発生するねじり振動を抑制するように前記ピッチ角指令値を出力する風力発電装置を提供する。
このような構成によれば、複数の風車ブレードを有するロータと、ロータの回転により駆動される発電機と、発電機の回転数に応じて風車ブレードのピッチ角指令値を制御するピッチ角制御手段とを備える風力発電装置において、電力系統の電圧が所定値以下となった場合に、風車ブレードは、ロータの回転を発電機に伝達する主軸系に発生するねじり振動を抑制するようにピッチ角制御される。
このように、電力系統側の電圧低下が生じた場合に、ねじり振動を抑制するように風車ブレードをピッチ角制御するので、発電機が停止されることにより発生するねじり振動を確実に抑制できる。これにより、電圧低下発生時において、主軸系にかかる荷重を低減でき、ギヤボックス、ギヤ、軸受等の機械的損傷を防ぐことができる。
上記風力発電装置において、電力系統の電圧が所定値以下となった場合に、前記発電機の回転数の値を微分して算出される、空力トルクによりねじり振動を抑制するためのピッチ角補正量を出力するねじり振動抑制手段を具備し、前記ピッチ角制御手段は、前記ピッチ角補正量に基づいて前記ピッチ角指令値を決定することが好ましい。
ピッチ角補正量は回転数に基づいて算出されるので、ねじり振動が発生し回転数が変動している場合であっても、変動後の回転数に対応する空力トルクによる減衰効果によって、ねじり振動を確実に低減することができる。
上記風力発電装置の前記ピッチ角制御手段は、前記発電機の回転数と定格回転数との差から決定される第１ピッチ角制御値と、前記発電機の出力電力と定格電力との差から決定される第２ピッチ角制御値とに基づいて決定される仮の前記ピッチ角指令値、及び前記ピッチ角補正量に基づいて、前記ピッチ角指令値を決定することが好ましい。
本発明は、複数の風車ブレードを有するロータと、前記ロータの回転により駆動される発電機と、前記発電機の回転数に応じて前記風車ブレードのピッチ角を制御するピッチ角指令値を出力する風力発電装置の制御方法であって、電力系統の電圧が所定値以下となった場合に、前記ロータの回転を前記発電機に伝達する主軸系に発生するねじり振動を抑制するように前記ピッチ角指令値を出力する風力発電装置の制御方法を提供する。
本発明は、複数の風車ブレードを有するロータと、前記ロータの回転により駆動される発電機と、前記発電機の回転数に応じて前記風車ブレードのピッチ角を制御するピッチ角指令値を出力する風力発電装置の制御プログラムであって、電力系統の電圧が所定値以下となった場合に、前記ロータの回転を前記発電機に伝達する主軸系に発生するねじり振動を抑制するように前記ピッチ角指令値を出力する処理をコンピュータに実行させるための風力発電装置の制御プログラムを提供する。
本発明は、電力系統の低電圧事象が発生した場合に、主軸系にかかる荷重を抑制し、損傷を防ぐことができるという効果を奏する。
本発明の一実施形態に係る風力発電装置の概略構成を示した図である。 ピッチ角制御部と電力制御部とねじり振動抑制部との機能を展開して示した機能ブロック図である。 図１の風力発電装置の動作フローである。 ねじり振動抑制部を使用した場合と使用しない場合とのねじりトルクの推移を示した図である。
以下に、本発明に係る風力発電装置及びその方法並びにプログラムの実施形態について、図面を参照して説明する。
図１に示されるように、本実施形態の風力発電装置１０は、風車ロータ１１、風車ブレード１２、増速機１４、発電機システム１５、ピッチ角制御機構１７、主制御部１９、及びねじり振動抑制部（ねじり振動抑制手段）４０を備えており、電力系統１３と接続されている。また、風車ロータ１１、増速機１４、発電機システム１５等は、主軸１６によって接続されている。
風車ロータ１１に取り付けられた複数枚の風車ブレード１２が、風力エネルギーを受けて風車ロータ１１と共に回転し、増速機１４によって増速した後、発電機システム１５内の発電機を駆動して発電することにより風力エネルギーを電気エネルギーに変換している。なお、本実施形態の風力発電装置は、可変速回転制御方式の風力発電装置であり、発電機として巻線形誘導発電機または同期発電機等を利用する。なお、同期発電機を利用した構成では、発電機の出力を一旦直流に変換して再びインバータによって交流に変換するＡＣ−ＤＣ−ＡＣリンク方式を用いる。
主制御装置１９は、発電機システム１５から測定された発電機回転数ωに基づいて、有効電力指令Ｐ＊、無効電力指令Ｑ＊、及びピッチ角指令β＊を決定し、出力する。
ピッチ角制御機構１７は、ピッチ角指令β＊に基づいて、風車ブレード１２のピッチ角を制御するもので、その構造等は従来のものと同等である。
ねじり振動抑制部４０（詳細は後述する）は、電力系統１３の電圧情報と、発電機回転数ωの値とに基づいて、ピッチ角指令値β＊を算出するためのピッチ角補正量を出力する。
図２は、ねじり振動抑制部４０、及び主制御部１９に含まれるピッチ角制御部２０と電力制御部３０の概略構成を示すブロック図である。
切替部４２の接続の切り替えは、制御部４１により制御される。
制御部４１は、電力系統１３の電圧が所定値（例えば、０．５ｐｕ）より大きい場合に、切替部４２を０側に接続させ（つまり、ねじり振動抑制部４０とピッチ角制御部２０とを接続させない）、電力系統１３の電圧が所定値（例えば、０．５ｐｕ）以下となった場合に、切替部４２をねじり振動抑制部４０側と接続させる。
ねじり振動抑制部４０は、電力系統１３の電圧が所定値以下となった場合に、発電機回転数ωの値を微分して算出される空力トルクＴｉｎによりねじり振動を抑制するようなピッチ角補正量を出力する。具体的には、ねじり振動抑制部４０は、Ｄ制御（Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ；微分制御）であり、発電機回転数ωを微分し、所定のゲインをかけることにより、ピッチ角補正量を出力する。
ここで、発電機回転数ωはトルクＴ（＝Ｔｉｎ−Ｔｏｕｔ）の積分によって表わされる（下記（１）式参照）ことから、発電機回転数ωの微分は、トルクＴとして表わされる。また、Ｔｉｎは空力トルク、Ｔｏｕｔは電気トルク、τは慣性モーメントとすると、下記（２）式が成立する。
Figure 2013087703
電力系統１３の電圧が所定値以下となり低電圧が発生した場合には、電気トルクＴｏｕｔ＝０となることから、ねじり振動抑制部４０は、空力トルクＴｉｎによりねじり振動を抑制するようなピッチ角をピッチ角補正量として算出し、ピッチ角制御部２０にフィードバックする。これにより、後段で説明するピッチ角制御部２０において、仮のピッチ角指令値が、空力トルクＴｉｎによりねじり振動を抑制するようなピッチ角補正量で補正されてピッチ角指令値が決定されるので、発電機回転数ωに応じたねじり振動を抑制することができる。
また、本実施形態においては、制御部４１は、電力系統１３の電圧低下に基づいて、切替部４２を切り替えることとするが、これに限定されず、例えば、発電機の電圧を検出し、発電機の電圧低下を系統電圧の低下としてみなし、発電機の電圧低下に基づいて切替部４２を切り替えることとしてもよい。
電力制御部３０は、切替器３３、第１減算器３４、第１ＰＩ制御部３５、パワー制限部３６、及び電力設定計算部３７を備えている。また、切替器３３、第１減算器３４、第１ＰＩ制御部３５、パワー制限部３６、及び電力設定計算部３７は、主制御装置１９において使用されるシステムクロックのクロックサイクル毎にそれぞれ演算ステップを実行することにより、有効電力指令Ｐ＊及び無効電力指令Ｑ＊を決定し、出力する。
切替器３３は、発電機回転数ωに応じて、最小回転数ωｍｉｎと定格回転数ωｍａｘとを切り替え、選定されたいずれか一方を電力制御回転数指令ωＰ＊とする。具体的には、切替器３３は、発電機回転数ωが所定値以下である場合に、電力制御回転数指令ωＰ＊を最小回転数ωｍｉｎに設定し、発電機回転数ωが所定値よりも大きい場合には、電力制御回転数指令ωＰ＊を定格回転数ωｍａｘに設定する。
第１減算器３４は、発電機回転数ωから電力制御回転数指令ωＰ＊を減じて偏差ΔωＰを算出する。
パワー制限部３６は、発電機回転数ω及びピッチ角指令β＊に基づいて、第１ＰＩ制御部３５のＰＩ制御に対する電力指令下限Ｐｍｉｎ及び電力指令上限Ｐｍａｘを決定し、それらの情報を出力する。また、パワー制限部３６は、ピッチ角制御部２０の減算器２２に対し、定格電力Ｐｒａｔｅｄの情報を出力する。
第１ＰＩ制御部３５は、有効電力指令Ｐ＊を電力指令下限Ｐｍｉｎ以上、電力指令上限Ｐｍａｘ以下に制限の下、偏差ΔωＰに応答してＰＩ制御を行い、有効電力指令Ｐ＊を決定する。
電力設定計算部３７は、第１ＰＩ制御部３５によって生成された有効電力指令Ｐ＊と、風力発電装置１０から出力される交流電力の力率を指定する力率指令とに基づいて無効電力指令Ｑ＊を算出し、有効電力指令Ｐ＊と無効電力指令Ｑ＊とを出力する。
ピッチ角制御部２０は、発電機回転数ωに応じて風車ブレード１２のピッチ角の指令値であるピッチ角指令値を決定し、出力する。また、ピッチ角制御部２０は、電力系統１３の電圧が所定値以下（例えば、０．５ｐｕ以下）となった場合に、風車ロータ１１の回転を発電機に伝達する主軸系に発生するねじり振動を抑制するようにピッチ角を制御する。
ピッチ角制御部２０は、発電機回転数ωと定格回転数との差から決定される第１ピッチ角制御値と、発電機の出力電力と定格電力との差から決定される第２ピッチ角制御値とに基づいて決定される仮のピッチ角指令値、及びねじり振動抑制部４０から出力されるピッチ角補正量に基づいて、ピッチ角指令値を決定する。
具体的には、ピッチ角制御部２０は、第２減算器２１、第３減算器２２、第２ＰＩ制御部２３、第３ＰＩ制御部２４、加算器２５、及びピッチ角決定部２６を備えている。また、第２減算器２１、第３減算器２２、第２ＰＩ制御部２３、第３ＰＩ制御部２４、加算器２５、及びピッチ角決定部２６は、主制御装置１９において使用されるシステムクロックのクロックサイクル毎にそれぞれ演算ステップを実行することによりピッチ角指令β＊を決定し、出力する。
減算器２１は、発電機回転数ωからピッチ制御回転数指令ωβ＊を減じて偏差Δωβを算出する。ピッチ制御回転数指令ωβ＊は、定格回転数ωｍａｘに一致しており、従って、偏差Δωβは、発電機回転数ωと定格回転数ωｍａｘとの差を表している。
第２ＰＩ制御部２３は、偏差Δωβに応答してＰＩ制御し、ピッチ角指令基礎値（第１ピッチ角制御値）βｉｎ＊を算出する。ピッチ角指令基礎値βｉｎは、発電機回転数ωが定格回転数ωｍａｘに制御されるように決定される。
第３減算器２２は、有効電力指令Ｐ＊から定格電力Ｐｒａｔｅｄを減じて偏差ΔＰを算出する。
第３ＰＩ制御部２４は、偏差ΔＰに応答してＰＩ制御し、補正値（第２ピッチ角制御値）Δβ＊を算出する。
加算器２５は、ピッチ角指令基礎値βｉｎ＊と補正量Δβ＊とを加算して仮のピッチ角指令値である仮ピッチ角指令β´を算出する。
第２ＰＩ制御部２３は、発電機回転数ωを定格回転数ωｍａｘに調整することにより、電力として取り出すべき空力エネルギーを不所望に捨ててしまう場合がある。そこで、本実施形態では、定格電力Ｐｒａｔｅｄと有効電力指令Ｐ＊との差に応答して第３ＰＩ制御部２４によって補正値Δβ＊を算出し、この補正値Δβ＊によって仮ピッチ角指令β´を補正している。
補正値Δβ＊は、有効電力指令Ｐ＊が定格電力Ｐｒａｔｅｄよりも小さい場合に、即ち、偏差ΔＰ（＝Ｐ＊−Ｐｒａｔｅｄ）が負であると、仮ピッチ角指令β´がピッチ角指令基礎値βｉｎ＊よりも小さくなるように、即ち、ピッチ角βがよりファイン側になるように決定される。このような制御により、有効電力指令Ｐ＊が定格電力Ｐｒａｔｅｄに到達する直前では、ピッチ角βがフェザー側になることが抑制される。有効電力指令Ｐ＊が定格電力Ｐｒａｔｅｄに到達した後は、偏差ΔＰは０となり、補正値Δβ＊も０となる。
ピッチ角決定部２６は、仮のピッチ角指令値β´と空力トルクによりねじり振動を抑制するようなピッチ角補正量とを加算することにより、ピッチ角指令値β＊を決定する。
図３は、本実施形態にかかる風力発電装置１０において、電力系統１３の電圧が低下した場合の制御の過程を示すフローチャートである。
風力発電装置１０では、ねじり振動抑制部４０により電力系統１３の電圧が検出され、電力系統１３の電圧が所定値以下となったか否かが判定される（ステップＳＡ１）。系統電圧が所定値以下になっていないと判断された場合には、ステップＳＡ１の処理を繰り返し、引き続きねじり振動抑制部４０において、所定の時間間隔で電力系統１３の電圧が低下したか否かを判定する。
ステップＳＡ１で電力系統１３の電圧が所定値以下と判定された場合には、制御部４１によって切替部４２が制御され、ねじり振動抑制部４０とピッチ角制御部２０とが接続状態とされる（ステップＳＡ２）。
また、電力系統の低電圧事象が検出されると、ねじり振動抑制部４０において、発電機回転数ωに基づいた空力トルクＴｉｎによりねじり振動を抑制するピッチ角補正量が算出され出力される。（ステップＳＡ３）
加算器２５において、発電機回転数ω、定格回転数ωｍａｘ、定格出力Ｐｒａｔｅｄ、及び有効電力指令Ｐ＊に基づいて仮ピッチ角指令値β´が算出される。また、ねじり振動抑制部４０とピッチ角制御部２０とが接続状態にされると、ピッチ角決定部２６において、ねじり振動抑制部４０から取得したピッチ角補正量と加算器２５から取得した仮ピッチ角指令値β´とに基づいて、ピッチ角指令値β＊が決定され、出力される（ステップＳＡ４）。決定されたピッチ角指令値β＊に基づいて、風車ブレード１２が制御されることにより、ねじり振動が抑制される（ステップＳＡ５）。
次に、ねじり振動抑制部４０を使用しないで、ピッチ角制御される場合のねじりトルクの推移と、上述した本実施形態に係るねじり振動抑制部４０によるピッチ角制御が実施される場合のねじりトルクの推移の一例について、以下に図４を用いて説明する。
図４のオリジナル線に示されるように、風車ブレード１２は、ねじり振動抑制部４０を使用しないでピッチ角制御される場合には、時刻ｔ１において、系統電圧の低下が発生すると、発電機が停止され、発電機が発電している期間にはあったねじり振動を抑えるような減衰効果がなくなり、系統電圧の低下が発生した当初ほど大きなねじり振動が発生する。
これに対し、本実施形態に係るピッチ角制御においては、系統電圧の低下が発生し、発電機出力が低下した場合には、発電機回転数に応じて、空力トルクによりねじれ振動を抑制するようなピッチ角を補正量として加味してピッチ角指令値が出力される。これにより、図４の太線（改善１）で示されるように、時刻ｔ１において、系統電圧の低下が発生した場合であっても、オリジナル線と比較して、ねじり振動を低減させることができる。
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１０及びその方法並びにプログラムによれば、複数の風車ブレード１２を有するロータ１１と、ロータ１１の回転により駆動される発電機と、発電機回転数ωに応じて風車ブレード１２のピッチ角を制御するピッチ角制御部２０とを備える風力発電装置１０において、電力系統１３の電圧が所定値以下となった場合に、主軸系のねじり振動を抑制するようにピッチ角制御される。
このように、電力系統側の電圧低下が生じた場合に、ねじり振動を抑制するように風車ブレード１２をピッチ角制御するので、ねじり振動を確実に抑制できる。これにより、電力系統１３の電圧低下発生時における風車ブレード１２にかかる荷重を低減でき、ギヤボックス、ギヤ、軸受等の機械的損傷を防ぐことができる。また、発電機回転数ωに基づいて算出される、空力トルクによりねじれ振動を抑制するようなピッチ角補正量が出力されるので、ねじり振動が発生し、回転数が変動している場合であっても、変動後の回転数に対応する空力トルクに基づいて制御することができる。
１０ 風力発電装置
１３ 電力系統
１６ 主軸
２０ ピッチ角制御部
２６ ピッチ角決定部
３０ 電力制御部
４０ ねじり振動抑制部（ねじり振動抑制手段）

Claims (5)

  1. 複数の風車ブレードを有するロータと、前記ロータの回転により駆動される発電機と、前記発電機の回転数に応じて前記風車ブレードのピッチ角を制御するピッチ角指令値を出力するピッチ角制御手段とを備える風力発電装置であって、
    前記ピッチ角制御手段は、電力系統の電圧が所定値以下となった場合に、前記ロータの回転を前記発電機に伝達する主軸系に発生するねじり振動を抑制するように前記ピッチ角指令値を出力する風力発電装置。
  2. 前記電力系統の電圧が所定値以下となった場合に、前記発電機の回転数の値を微分して算出される、空力トルクによりねじり振動を抑制するようなピッチ角補正量を出力するねじり振動抑制手段を具備し、
    前記ピッチ角制御手段は、前記ピッチ角補正量に基づいて前記ピッチ角指令値を決定する請求項１に記載の風力発電装置。
  3. 前記ピッチ角制御手段は、前記発電機の回転数と定格回転数との差から決定される第１ピッチ角制御値と、前記発電機の出力電力と定格電力との差から決定される第２ピッチ角制御値とに基づいて決定される仮の前記ピッチ角指令値、及び前記ピッチ角補正量に基づいて、前記ピッチ角指令値を決定する請求項２に記載の風力発電装置。
  4. 複数の風車ブレードを有するロータと、前記ロータの回転により駆動される発電機とを具備し、前記発電機の回転数に応じて前記風車ブレードのピッチ角を制御するピッチ角指令値を出力する風力発電装置の制御方法であって、
    電力系統の電圧が所定値以下となった場合に、前記ロータの回転を前記発電機に伝達する主軸系に発生するねじり振動を抑制するように前記ピッチ角指令値を出力する風力発電装置の制御方法。
  5. 複数の風車ブレードを有するロータと、前記ロータの回転により駆動される発電機とを具備し、前記発電機の回転数に応じて前記風車ブレードのピッチ角を制御するピッチ角指令値を出力する風力発電装置の制御プログラムであって、
    電力系統の電圧が所定値以下となった場合に、前記ロータの回転を前記発電機に伝達する主軸系に発生するねじり振動を抑制するように前記ピッチ角指令値を出力する処理をコンピュータに実行させるための風力発電装置の制御プログラム。


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