JP2013524744A - 電気エネルギーを生成する風力発電機を制御する方法 - Google Patents

Abstract

共通シャフト（３）で回転する空力要素（２）の装置と、少なくとも前記要素（２）に入射する風速を測定するセンサ（４）と、シャフト（３）の回転に関連付けられ、使用点（７）及び／又は電池（８）に供給される電気エネルギーを生成するか、又は機械トルクをシャフト（３）に伝達する交流発電機ユニット（５）と、センサ（４）及び交流発電機（５）に関連付けられ、交流発電機（５）を制御する制御ユニット（６）とを備える種類の、電気エネルギーを生成する風力発電機（１）を制御する方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気エネルギーを生成する風力発電機又は風力タービンの分野に対処する。

好ましくは、本発明は、小型の可変速タービンの部類に属する風力発電機、すなわち、小型タービン（ＳＷＴ−小型風力タービン）を定義するＩＥＣ認可要件に基づく分類を参照すると、２００ｍ^２未満の掃引表面積を有し、０ｋＷ〜約１００ｋＷの電力定格を有する風力タービンに適用される。

現在まで、この範囲の電力定格は、技術的な解決策が比較的確立され、最適化されているメガワットタービンの分野とは異なり、非常に異なる技術を含む。

小型風力発電機は、垂直軸型又は水平軸型、ブレードの数、制御の種類、使用される電気機械電力ユニット及び材料であり得るタービンの構成により異なる。小型風力タービンは一般に、推進要素が水平に位置決めされた軸を駆動するタービンと、駆動される軸が垂直に位置決めされるタービンとに分類される。

前者はより一般的であるが、その主な利点は、低い風速でより容易に開始することができることであるが、プロペラを風向に対して正しく向けるために指向システムを必要とし、場合によっては、雑音が過度に大きい。

垂直軸風力タービンは、性能が風向から独立するため、指向システムを必要とせず、一般に言えば、風があまりに強すぎる場合に減速するためのシステムを必要としない。さらに、本質的に雑音がより小さく、発電機又は交流発電機をタービンの土台に適合することができるため、タービン−交流発電機組立体の重心が低くなる。

垂直軸風力タービン及び水平軸風力タービンの両方において、タービンのエネルギー効率は、定量的に電力曲線、すなわち、風速とタービンにより生成される電力との間に存在する関係により説明される。

タービンの電力曲線は、ＴＳＲ（先端速度比率）又はλ、すなわち、タービンの周辺速度と風が入射する速度との比率と、タービンにより生成される電力との間に存在する関係として定義することもできる。

一般に言えば、サボニウス型タービンでは、ＴＳＲの最大値は１であり、その一方で、ダリウス型タービンでは、ＴＳＲは、タービンの構成に応じて最高で４又は５というより高い値を有し得る。

風力タービンの電力曲線は通常、風力発電地帯内のタービンで実行される経験的測定に基づいて計算され、理論上、電力曲線により、タービンが定義された風状況下で生成することができるエネルギー量を事前に特定することが可能なはずである。

しかし、現実では、実際の作業状況下で、低電力風力タービン、すなわち、定格出力が１００ｋＷ未満である「小型風力タービン」のカテゴリに属する風力タービンにより生成されるエネルギーは、電力曲線に基づく理論上の電力出力よりもはるかに低い。

実際には、低電力タービンの特殊な場合、運動風力エネルギーを電気エネルギーに変換する効率を低減する固有の欠点がある。

第１の欠点は、静止状態からの慣性を克服し、タービンを開始させるために必要な最小風速（ｖ＞３ｍ／ｓ）によるものである。

したがって、この閾値下の風況で潜在的に利用可能なエネルギーは一般に、特定の遷移時間が経過した後まで利用されず、特定の遷移時間はさらには非常に長い時間である場合もある。

別の欠点は、乱流風況でのタービンの効率の低さであり、これは、ローターの動的挙動、すなわち、風況の高速変化中にローターを通常回転状況にするために必要な遷移の持続時間によるものである。そのような遷移は、何秒もの間続き得、乱流又は可変の風況において、この慣性はここでも、生成されるエネルギーの大きな損失として置き換えられる。

これらの要因は、言及されていない他の要因に加えて、実際の電力出力と理論上の電力出力との大きな差に繋がり、したがって、エネルギー生成コストの増大に繋がる。

本発明は、天気状況の測定に基づいて、機械学習プロセスを通して風力発電機の制御を最適化することができる方法を提供することにより、上記欠点を解消するという目的を有する。

別の目的は、強度が限られた、約２ｍ／ｓ〜４ｍ／ｓの風況を利用することができ、したがって、より高いエネルギー効率が可能な風力発電機の制御方法を提供することである。

上記目的は、添付の特許請求の範囲に記載の方法で達成される。当業者は、本発明の好ましい非限定的な実施形態を示す添付図面を参照して、以下の説明から本発明のこれら及び他の目的並びに技術的利点をよりよく理解するであろう。

風力発電機を概略的に示す。 本発明による方法のブロック図を示す。 入射風速の関数として風力発電機の特定の特徴を表す１組のグラフを示す。

添付図面を参照して、風流Ｗが要素２に衝突する際に機械トルクを交流発電機ユニット５に伝達させ、結果として、インバータ９を通して使用点７及び／又は電池ユニット８への給電に使用される電気エネルギーを生成する共通の垂直又は水平軸シャフト３を中心に回転可能な空力要素２を備える電気エネルギーを生成する風力発電機１を制御する方法について説明する。

交流発電機５は、交流発電機に適用される電気負荷を変更可能であるとともに、交流発電機をモータとして駆動可能、すなわち、シャフト３を通して電池８（又はこのために準備されたコンデンサ）に蓄積されたエネルギーを要素２に伝達される機械トルクに変換可能な制御ユニット６によっても制御される。

生成されるエネルギーの変換、伝達、及び蓄積を行う電気回路はそれ自体、本発明の趣旨をなさないため、より詳細に説明しない。

再び図１を参照すると、記載される風力発電機は、ユニット６に接続され、少なくとも、要素２に入射する風速を測定し、好ましくは、風向並びに空気温度及び湿度等のタービンの動作に影響し得る他のパラメータも測定する１つ又は複数のセンサ４を備える。

本発明の第１の態様によれば、本発明は、タービン設置箇所の天気状況をプロファイリングし、天気状況とタービン自体の動作パラメータとの相関を確立して、性能仕様のうちの１つ又は複数を最適化することを含む。

より詳細には、図２に概略的に示されるように、本発明による方法は、実際の天気状況の経時観測に基づいて、例えば、風速及び／又は風向或いは風力発電機の性能仕様のうちの１つ又は複数（効率、最大電力出力等）の有意性を考慮する他の任意のパラメータの測定に基づいて、天気状況にそれぞれ関連付けられたサンプルＣｘとして識別される履歴表Ｔ１を作成すること（ブロックＬ１）を含む。

本発明の方法によれば、連続又は周期的に実行し得るセンサ４の現在の各読み取りには、１つ又は複数の可能な連続天気状況が関連付けられ、これらから、最も可能性が高い予想状況Ｃｓｅｌ（ブロックＬ２）が、時間の経過に伴う履歴的観測に基づいて、すなわち、センサ４の過去の読み取りに基づいて選択される。

有利なことに、サンプルＣｘには、例えば、天気状況の再発と同じ時間表示の再発との恒常性に基づいて、サンプルに対応する天気状況が再発する可能性を特定する予測論理が使用する基準の１つを構成する時間表示（例えば、時刻／日／月／年又は時刻／日）が関連付けられる。

風力発電機の動作中、センサ４の現在の読み取りに基づいて、論理（ブロックＬ２）は次に、このサンプルセットから、連続予想天気状況に合う可能性が最も高い好ましいサンプルＣｓｅｌを選択する。

論理により識別されるサンプルＣｓｅｌに基づいて、本方法は、風力発電機の構成又は一連の動作構成Ｃｏｎｆを変更して（ブロックＬ３）、例えば、交流発電機シャフトに適用されるトルク、ひいてはタービン速度に作用することで、必要とされる性能仕様の最適値を達成する機会を評価するステップを含む。

有利なことに、方法の好ましい実施形態では、機械学習プロセスを通して、表Ｔ１中の値が更新され、且つ／又はサンプルＣｓｅｌが作成される。

本発明の方法により提供される利点の１つは、特徴的な天気状況パラメータの測定値を即座に、すなわち、いかなる遷移期間もなく、風力発電機の最適なパラメータで関連づけて、例えば、効率及び／又は最大電力出力若しくは実際の電力出力等の必要とされる性能仕様を取得可能なことである。

より詳細には、本発明による方法を用いる場合、確率論的基準で、センサにより測定された特定の天気状況が、タービンの構成パラメータを変更又は修正することが有用であるほど十分に長い時間にわたって続くか、それともその持続時間が制限されており、修正が賢明ではないかを区別することが可能である。

したがって、この相関に基づいて、ユニット６は、例えば、エネルギー変換効率及び最大電力出力に関して最適な動作状況を維持するように、インバータ９に適用される電気負荷を変更又は変更しないことにより、交流発電機の動作を制御することが可能である。

例として、風力発電機の１つの特徴的な構成パラメータは、ＴＳＲ（すなわち、要素２の周辺速度と、センサ４により測定される要素２に入射する風速との比率）の関数として表される効率である。そのようにして、風速が変化した場合、ユニット６は、最大効率の条件を満たす要素２の速度を見つけるまで、交流発電機に適用される電気負荷を変更する。

本方法のこの実施形態では、効率及び／又は最大電力出力若しくは実際の電力出力は、確率相関により特定され、ユニット６は、交流発電機の動作を自動的に制御して、季節的な現象又は他の予測不可能な事象により天気状況が変動する場合であっても、最適な作業状況を維持することができる。

本発明の別の有利な態様によれば、制御ユニット６には、センサ４及び交流発電機５が関連付けられて、特に、低強度風況、例えば、２〜５ｍ／ｓ未満の風が存在する場合、センサ４により測定される風速及び／又は風向に従って交流発電機を制御する。

これらの状況下で、センサ４は、風速値Ｖ１をユニット６に送信し、風速値Ｖ１を風力発電機１に関連付けられた、風速の閾値である下限値Ｖ０と比較し、下限値Ｖ０未満では、風力発電機シャフト３が慣性により、風力発電機を開始し、且つ／又はエネルギー変換効率を満足がいくと考えられるレベルに維持するのに十分な回転速度Ｒ０に達することができない

この状況では、本発明によれば、制御論理アルゴリズムに従って、測定される状況が十分に続く可能性が高いと見なされる場合、ユニット６は電力を風力発電機に供給し、すなわち、上記の場合、ユニット６は交流発電機５を駆動して、電池８又はコンデンサにより給電されるモータとして動作させて、シャフト３を、風速発電機の容量に対応する速度Ｒ１まで高速で到達させ、入射する風を利用して、電気エネルギーを生成する。

速度Ｒ１に達すると、交流発電機は再び発電機に切り替えられ、エネルギーを生成し、エネルギーは電池８に蓄積され、且つ／又は使用点７に移される。

図３は、風力予測の生じ得る特別な場合に本発明の方法を用いて制御される風力発電機の動作を概略的に示すとともに、本発明を用いない場合には電気エネルギーが提供されない状況で、風力発電機１がどのようにして、そのようなエネルギーを何とか生成するかを示す。

示される方法の実施形態は、約１０ｍ／ｓまで増大した突風が予測され、約１０秒間続くと予想される場合に適用される。しかし、この方法が、天気パラメータ（この場合、突風の強度及び持続時間）及び風力発電機動作パラメータ（この場合、発電機に適用されるトルク）の任意の生じ得る予測状況に適用可能なことが理解されよう。

より具体的には、
−グラフ（ａ）は風速と時間との関係を示し、
−グラフ（ｂ）は、風速の関数として本発明による方法を用いて得られるタービントルク曲線及び発電機トルク曲線（添え字１）を示し、
−グラフ（ｃ）は、風力発電機の角速度（曲線（ｄ））の関数として最適化される発電機トルクを制御する従来の方法を用いて得られるタービントルク曲線及び発電機トルク曲線（添え字２）を示し、
−グラフ（ｄ）は、本発明による方法（添え字１）又は従来の方法（添え字２）を用いて制御される風力発電機の角速度と時間との関係を示し、
−グラフ（ｅ）は、本発明による方法（添え字１）又は従来の方法（添え字２）を用いて制御される風力発電機の電力と時間との関係を示し、
−グラフ（ｆ）は、本発明による方法（添え字１）又は従来の方法（添え字２）を用いて制御される風力発電機により生成されるエネルギーのエネルギーと時間との関係を示す。

動作中、時間ｔ＝０において、システムは、約９ｍ／ｓの上限値ＶＶ１まで増大し、持続時間ｔ１が約１０秒であり、それから６ｍ／ｓというより低い定常値ＶＶ２に戻る突風を予測する。

曲線（ｂ）は、発電機の抵抗トルクがゼロになり、発電機とタービンとの平衡トルクＣ（Ｖｅ）（曲線（ｂ））に対応する速度Ｖｅに達し、次に、最大電力状況Ｐｍａｘ（Ｖｅ）（曲線（ｅ）の添え字１）に達するまで、風力発電機を急速に加速できる（曲線（ｄ））ことを示す。

所定の値を超える加速を有する突風が予測される場合、発電機の抵抗トルクをゼロに低減することに加えて、制御ユニット６は、交流発電機５をモータとして作動させる。これは、シャフト３を通して機械トルクを空力要素２に伝達し、次に、要素の能動加速を特定する。このようにして、最高速度の突風に関して最適な回転状況に、抵抗トルクをゼロにすることのみよりも短時間で達し、システムが突風の持続時間のより大きな割合にわたって最高効率で動作できるようにする。

突風が終わると、風力発電機の速度が、平衡トルクＣ（Ｖｉ）に対応するより低い値Ｖｉに達するまで、発電機トルク制御は値Ｃ（Ｖｅ）に引き続き維持される。これらの状況下で、制御は、発電機トルク（曲線（ｂ）の添え字１）を、最大電力Ｐｍａｘ（ｖｉ）に対応する値Ｃ（Ｖ１）まで低減させる。

曲線ｂ−ｃ−ｄ−ｅの添え字２で示される従来の場合、発電機トルクは、風力発電機の速度（曲線（ｄ）、添え字１）に対する最大電力（曲線（ｅ）の添え字１）に従う値に従って設定され、したがって、タービンが風速の低減により減速すると、タービントルク値及び発電機トルク値は徐々に、互いに再び近づく（曲線（ｃ）の添え字２）。

Ｊ単位で表されるグラフ（ｆ）は、予測される風況の使用改良により、本発明による方法を用いて取得可能な全体エネルギー利得を示す（添え字１）。

上述された実施形態は、純粋に例示として提供され、本発明の保護範囲から逸脱せずに他の均等な実施形態を想像可能なことが理解されよう。

Claims (11)

1. 共通シャフト（３）で回転する空力要素（２）の装置と、少なくとも前記要素（２）に入射する風速を測定するセンサ（４）と、前記シャフト（３）の回転に関連付けられ、使用点（７）及び／又は電池（８）に供給される電気エネルギーを生成するか、又は機械トルクを前記シャフト（３）に伝達する交流発電機ユニット（５）と、前記センサ（４）に関連付けられた制御ユニット（６）とを備える種類の、電気エネルギーを生成する風力発電機（１）を制御する方法であって、
   −前記センサ（４）の測定に基づいて、前記風力発電機の動作に大きな影響を与える前記風力発電機の設置箇所の天気状況特徴を表すサンプル（Ｃｘ）の履歴表（Ｔ１）を作成するステップと、
   −現在の天気状況の特徴的なパラメータ値を測定するステップと、
   −天気状況の現在値に基づいて、連続予想天気状況を表すサンプル（Ｃｓｅｌ）を、その数（Ｃ１〜Ｃｎ）のうちで最も可能性の高いサンプルとして選択するステップと、
   −１つ又は複数の風力発電機構成パラメータ（Ｃｏｎｆ）に、前記予想天気状況に関連付けられた値を割り当て、前記予想状況に対して風力発電機の動作を最適化するステップと、
   を特徴とする、方法。
2. 前記特徴的な天気状況パラメータは、以下のパラメータ：突風の持続時間、風速、風向、温度、相対湿度、空気密度のうちの１つ又は複数を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記パラメータ（Ｃｏｎｆ）に、前記予想状況に関連付けられた値を割り当てるステップは、前記風力発電機の１つ又は複数の構成パラメータ（Ｃｏｎｆ）と１つ又は複数の取得可能な性能仕様とを相関付けるステップを含む、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記相関付けるステップは、前記要素（２）の周辺速度と前記要素（２）に入射する風速との比率（ＴＳＲ）の関数として、前記風力発電機の電力曲線間の相関を含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記取得可能な性能仕様は、風力発電機の効率、交流発電機の最大電力出力、及び交流発電機の実際の電力出力のうち少なくとも１つを含む、請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の方法。
6. 前記履歴表（Ｔ１）は、経時測定される特徴的な天気状況パラメータの値を定期的な間隔で連続して記憶することにより常時更新される、請求項１〜５のうちいずれか一項に記載の方法。
7. 機械学習プロセスを通して、前記表（Ｔ１）中の値が更新され、且つ／又は前記サンプル（Ｃｓｅｌ）が作成される、請求項１〜６のうちいずれか一項に記載の方法。
8. 前記値を１つ又は複数の風力発電機構成パラメータ（Ｃｏｎｆ）に割り当てるステップは、前記交流発電機に適用される電気負荷及び／又は前記シャフト（３）により伝達される機械トルクを制御することを含む、請求項１〜７のうちいずれか一項に記載の方法。
9. 前記風力発電機に関連付けられた事前設定される下限閾値速度値（Ｖ０）未満の風速（Ｖ１）を測定するステップと、前記交流発電機（５）を通して、前記風力発電機（１）に関連付けられた下限回転閾値（Ｒ０）よりも大きな前記シャフト（３）の回転速度（Ｒ１）を誘導するステップと、を含む、請求項１〜８のうちいずれか一項に記載の方法。
10. 前記下限閾値速度値（Ｖ０）は２ｍ／ｓ〜４ｍ／ｓである、請求項１〜９のうちいずれか一項に記載の方法。
11. 前記交流発電機を制御するステップは、前記交流発電機の前最大電力出力に能動的且つ永久的に追随することを含む、請求項１〜１０のうちいずれか一項に記載の方法。