JP2014084870A

JP2014084870A - 発電システムを動作させる際に使用するシステムおよび方法

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Publication number: JP2014084870A
Application number: JP2013216873A
Authority: JP
Inventors: William Ridgway Robert; ロバート・ウィリアム・リッジウェイ; Minesh Ashok Shah; ミネッシュ・アショク・シャー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2012-10-23
Filing date: 2013-10-18
Publication date: 2014-05-12
Anticipated expiration: 2033-10-18
Also published as: US20140110940A1; EP2725222A2; US8916988B2; JP6362844B2; EP2725222B1; EP2725222A3

Abstract

【課題】タービンが緊急または急ブレーキ措置が行なわれる故障状態になることを実質的に阻止する制御システムを提供する。
【解決手段】制御システムは、タービン制御装置６０を含んでおり、少なくとも複数のタービンブレードに対するピッチ制御コマンドを表す第１の信号と、タービンブレードに対するピッチ制御コマンドを表す第２の信号を生成することように構成する。第１のピッチ制御装置４０は、タービン制御装置に結合され、第１のピッチ制御装置は、第１の信号を受信し、第１の信号の受信に応答してタービンブレードに対してピッチ制御コマンドを実施する。第２のピッチ制御装置４４は、タービン制御装置および第１のピッチ制御装置に結合され、第２のピッチ制御装置は、第２の信号を受信し、第１のピッチ制御装置がピッチ制御コマンドを実施することができない場合、タービンブレードに対してピッチ制御コマンドを実施するように構成されている。
【選択図】図２

Description

本発明の分野は一般に発電システムに関し、より詳細には発電システムを動作させる際に使用するシステムおよび方法に関する。

少なくとも一部の既知の発電システムは、風力タービンなどのタービンを含むことで電力を生成している。例えば少なくとも一部の既知の風力タービンは、風の運動学的エネルギーを電気エネルギーに変換する。既知の風力タービンは、風が当たると回転する１つまたは複数のブレードを含んでいる。各々のタービンブレードを横切る風の流れは、浮力を生成し、回転を誘発し、トルクを与えることで電力を生成する。

少なくとも一部の既知の風力タービンは、ピット制御システムなどの少なくとも１つの制御システムを含んでいる。ピッチ制御システムは、複数の制御装置を含む場合があり、これらは、互いに通信することで風力タービンの構成要素を制御する。あるタイプの制御装置は、ピッチ制御装置であり、少なくとも一部の既知の風力タービンは、複数のピッチ制御装置を含み、これらの装置は各々のブレードにそれぞれ結合されることで、各々のブレードのピッチ角を変化させることができる。より具体的には、容易に動作を向上させるために、各々のピッチ制御装置は、既存の風の条件に基づいておよび／または所望される発電に応じて各々のブレードを所望の動作ピッチ角にすることができる。各々のピッチ制御装置はまた、各々のブレードを非動作またはフェザリング位置に回転させることで、風からブレードに誘発される浮力の大きさを容易に削減することができる。ブレードはまた、フェザリングされることで、例えば風が強い状況または風力タービンが故障した状況において風力タービンの損傷を回避することもできる。

別のタイプの制御装置は、タービン制御装置であり、これは風力タービンシステムに関してマスター制御装置として機能することができる。例えば既知のタービン制御装置は、各々のピッチ制御装置を制御することができる。このような構成において、タービン制御装置は、各々のピッチ制御装置にコマンドまたは制御メッセージを送出し、これに応じてピッチ制御装置は、これらのコマンドまたは制御メッセージを各々のブレードに対して実施する。例えばタービン制御装置は、各々のピッチ制御装置にコマンドを送出することで、各々のブレードを規定された位置に回転させることができる。

しかしながら既知のピッチ制御装置およびタービン制御装置は、互いとの周期的な通信損失を被る場合がある。さらに既知にピッチ制御装置および／またはタービン制御装置は、少なくとも１つの制御装置が動作不良になったとき、誤作動になる、あるいは不具合を生じる可能性がある。このような１つの制御装置の通信損失および／または動作不良によって、望ましくない結果が生じる可能性がある。例えば、たった１つのピッチ制御装置と、タービン制御装置の間に通信損失が生じただけで、および／またはたった１つの構成要素が動作不良になっただけで、既知の風力タービンは故障状態になり、急ブレーキ措置が行なわれ、機械的ブレーキ作用を介して、および／または電池式のブレーキ措置によって、全ての関連するロータブレードが停止される。例えば機械的ブレーキ作用が停止されるタービンに適用される場合があり、ブレードをフェザリングすることによってブレードが停止される場合もある（すなわち、風から外れたブレード）。このような措置は、風力タービンシステムに望ましくない大きさの負荷を誘発する可能性があり、経時的に風力タービンの動作寿命を縮める恐れがある。タービンおよび対応する構造体の望ましくない負荷に加えて、緊急ブレーキはまた、タービンの利用度にも悪影響を与え、これにより発電（すなわち風力タービンの値）を低下させる。

米国特許第３７８６６９５号明細書

一実施形態において、制御システムが提供される。制御システムは、タービン制御装置を含んでおり、これは、少なくとも複数のタービンブレードに対する複数のピッチ制御コマンドを表す第１の信号と、タービンブレードに対するピッチ制御コマンドを表す第２の信号を生成するように構成されている。第１のピッチ制御装置が、タービン制御装置に結合され、第１のピッチ制御装置は、第１の信号を受信し、第１の信号の受信に応じて、各々のタービンブレードに対するピッチ制御コマンドを実施するように構成されている。第２のピッチ制御装置が、タービン制御装置および第１のピッチ制御装置に結合され、第２のピッチ制御装置は、第２の信号を受信し、第１のピッチ制御装置がピッチ制御コマンドを実施することができない場合、各々のタービンブレードに対してピッチ制御コマンドを実施するように構成されている。

別の実施形態において、発電システムが提供される。発電システムはタービンを含んでおり、これは少なくとも一方向に回転するように構成された複数のブレードを含んでいる。制御システムがタービンに結合され、制御システムは、タービン制御装置を含んでおり、これは、少なくともブレードに対する複数のピッチ制御コマンドを表す第１の信号と、ブレードに対するピッチ制御コマンドを表す第２の信号を生成するように構成されている。第１のピッチ制御装置が、タービン制御装置に結合され、第１のピッチ制御装置は、第１の信号を受信し、第１の信号の受信に応じて、各々のブレードにピッチ制御コマンドを実施するように構成されている。第２のピッチ制御装置が、タービン制御装置および第１のピッチ制御装置に結合され、第２のピッチ制御装置は、第２の信号を受信し、第１のピッチ制御装置がピッチ制御コマンドを実施することができない場合、各々のブレードに対してピッチ制御コマンドを実施するように構成されている。

さらに別の実施形態において、発電システムを動作させるための方法が提供される。タービン制御装置によって、少なくとも複数のタービンブレードに対する複数のピッチ制御コマンドを表す第１の信号と、タービンブレードに対するピッチ制御コマンドを表す第２の信号が、生成される。第１の信号は、タービン制御装置に結合された第１のピッチ制御装置に送信され、第１のピッチ制御装置は、第１の信号の受信に応じて、各々のタービンブレードに対してピッチ制御コマンドを実施するように構成されている。第２の信号は、タービン制御装置および第１のピッチ制御装置に結合された第２のピッチ制御装置に送信され、第２のピッチ制御装置は、第１のピッチ制御装置がピッチ制御コマンドを実施することができない場合、各々のタービンブレードに対してピッチ制御コマンドを実施するように構成されている。

一例の発電システムの側部概略図である。図１に示される発電システムと共に使用することができる一例の制御システムのブロック図である。

本明細書に記載される例示的なシステムおよび方法は、風力タービンなどのタービンを使用する少なくとも一部の既知の発電システムに関連する少なくとも一部の既知の欠点を克服する。本明細書に記載される実施形態は、第１のまたは一次ピッチ制御装置、および二次またはバックアップピッチ制御装置とを含む制御システムを含んでおり、各々のピッチ制御装置が、同一のタービンブレードに対してピッチ制御コマンドを実施する。より具体的には、一例の制御システムは、タービン制御装置を含んでおり、これは、ピッチ制御コマンドを表す信号をメインおよびバックアップピッチ制御装置の両方に送信する。したがって、メインピッチ制御装置は、ピッチ制御コマンドの信号を複数のモータ駆動装置に送信することでタービンブレードを調整し、その一方でメインピッチ制御装置が動作不良である、および／またはモータ駆動装置と通信することができない場合、バックアップピッチ制御装置が、ピッチ制御コマンドの信号をモータ駆動装置に送信することも可能である。その結果、タービンが緊急または急ブレーキ措置が行なわれる故障状態になることが実質的に阻止されるため、発電システムは動作し続けることになる。したがってタービンに対する望ましくない大きさの負荷が実質的に回避され、タービンの動作寿命が、悪影響を受けなくなる。これに加えて、緊急ブレーキ措置の実施が回避されるため、タービンの利用度は、不利な影響を受けず、発電が低下することもない。

図１は、タービン１１を含む一例の発電システム１０を示している。より具体的には一例の実施形態では、タービン１１は風力タービンである。一例の実施形態は、発電システムを示しているが、本開示は、発電システムに限定されるものではなく、当業者は、現行の開示が任意の他のタイプのシステムに関連して使用される場合もあることを理解するであろう。さらに一例の実施形態は、風力タービンを含んでいるが、本発明は、任意の１つの特定のタイプのタービンに限定されるものではなく、当業者は、現行の開示が、他のタービンシステムに関連して使用される場合もあることを理解するであろう。

一例の実施形態では、風力タービン１１は、タワー１２と、タワー１２に結合されたナセル１４と、ナセル１４に結合されたハブ１６と、ハブ１６に結合された少なくとも１つのブレード１８とを含む。より具体的には一例の実施形態では、風力タービン１１は、３つのブレード１８を含んでいる。代替として、風力タービン１１は、発電システム１０が、本明細書に記載せるように機能することを可能にする任意の数のブレードを含むこともある。一例の実施形態では、タワー１２は、ナセル１４、ハブ１６およびブレード１８に対する支持を提供するように構成されている。タワー１２は、当分野で知られる任意の好適な高さと構造であってよく、これにより発電システム１０が本明細書に記載されるように機能することを可能にする。本明細書で使用される場合、用語「結合する」は、構成要素同士の直接の機械的、熱による、通信によるおよび／または電気による接続に限定されるものではなく、複数の構成要素同士の間接的な機械的、熱による、通信によるおよび／または電気による接続も含む場合があることに留意されたい。

ナセル１４は、タワー１２に結合され、ナセル１４は、ブレード１８によって提供される回転エネルギーを電気に変換するのに使用される構成要素（図示せず）を収容する。ナセル１４は、当分野で知られた任意の好適な方法によって構築されてよい。一例の実施形態では、ハブ１６がナセル１４に結合されることで、少なくとも１つのブレード１８に対する回転可能な筐体を提供する。ハブ１６は、当分野で知られた任意の好適な方法によって構築されてよい。

一例の実施形態では、ブレード１８はまた、ハブ１６に結合されることで、各々のブレード１８は、風がブレード１８に当たる際、回転軸２２を中心として回転可能である。一例の一実施形態において、各々のブレード１８は、地面に対してほぼ垂直に配向される。さらに各々のブレード１８は、ほぼ同一の回転面内を回転し、それぞれが、タワー１２の中心線軸２０にほぼ平行である。各々のブレード１８は、当分野で知られた任意の好適な方法によって構築されてよい。一例の実施形態において、制御システム（図１には示されていない）は、タービン１１に結合される。より具体的には、一例の実施形態において、制御システムは、タービン１１に対するピッチ制御システムである。

動作中、風がブレード１８に当たるとき、ブレード１８がハブ１６を中心として回転し、ブレード１８によって風の運動学的エネルギーが回転エネルギーに変換される。より具体的には、ブレード１８が回転することによって、ナセル１４の中の変速機（図示せず）を回転させる。ナセル１４の中に収容された発電機（図示せず）が、電気を生成する。ケーブル組立体が、電気を電力網（図示せず）または他の出力先に送達することができる。以下により詳細に記載するように、風力タービン１１の動作中、制御システムが、タービンのピッチを制御することによって、発電システム１０を動作させることで、タービン１１が、急ブレーキ措置が行なわれる故障状態になることが実質的に阻止される。したがって、風力タービン１１に誘発される望ましくない大きさの負荷がほぼ回避され、タービン１１の動作寿命が悪影響を受ける可能性がない。これに加えて、緊急ブレーキ措置の実施が回避されるため、タービン１１の利用度が悪影響を受けず、発電が低下することもない。

図２は、発電システム１０（図１に示される）と共に使用することができる一例の制御システム３０を示している。一例の実施形態では、制御システム３０は、ハブ１６（図１に示される）の中に収容される構成要素、ナセル１４（図１に示される）、ブレード１８（図１に示される）および／またはタワー１２（図１に示される）を含む。より具体的には、一例の実施形態では、制御システム３０は、第１または一次ピッチ制御装置４０を含んでおり、これはハブ１６の中に収容され、例えばブレード１８のピッチ角（図示せず）および／または相対的な位置（図示せず）を制御する。一例の実施形態では、ピッチ制御装置４０は、マイクロプロセッサを含んでいる。代替の一実施形態では、ピッチ制御装置４０は、プログラマブル論理制御装置（ＰＬＣ）、マイクロコントローラ、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）またはピッチ制御装置４０を本明細書に記載されるように動作させることが可能な任意の他の好適なプログラマブル回路を含む場合もある。本明細書で使用される場合、用語「制御する」は、これだけに限定するものではないが、１つまたは複数の対象の構成要素の監視および監督を行なうことによって実施されるコマンドを送出する、ならびに／あるいはその動作を指示することを含む。用語「制御する」はまた、例えばフィードバックループ規制などの規制するタイプの制御も含む。

一次ピッチ制御装置４０は、少なくとも１つのピッチまたはモータ駆動装置４２に結合される。より具体的には、一例の実施形態では、一次ピッチ制御装置４０は、３つのモータ駆動装置４２に結合され、各々のモータ駆動装置４２は、それぞれのモータ４３に結合される。一例の実施形態では、３つのモータ４３が示されており、各々のモータ４３は、１つのブレード１８に結合されることで、各のモータ４３は、例えば油圧式、電気式または歯車駆動式の手段を使用して各々のブレード１８を回転させることができる。あるいは制御システム３０が、任意の他の数のモータ４３を含む場合もある。

一次ピッチ制御装置４０は、それぞれのモータ駆動装置４２およびそれぞれのモータ４３を介して各ブレード１８に結合されることで、一次ピッチ制御装置４０は、モータ駆動装置４２および／またはモータ４３に選択式に信号を送信することができる。例えば一次ピッチ制御装置４０はモータ４３に選択式に信号を送信することで、モータ駆動装置４２またはバックアップ電池６４からの動力がモータ４３を動作させることができる。一次ピッチ制御装置４０とモータ駆動装置４２および／またはモータ４３間で様々な接続を利用することができる。このような接続には、限定するものではないが、電気導体、例えば推奨規格(ＲＳ)２３２またはＲＳ-４８５などのローレベルシリアルデータ接続、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）、ＣＡＮおよびイーサネット(登録商標）グローバルデータ（ＥＮＤ）、フィールドバス、プロセスフィールドバス（ＰＲＯＦＩＢＵＳ（登録商標））、電気電子技術者協会（ＩＥＥＥ（登録商標））１３９４などのハイレベルシリアルデータ接続、またはＩＥＥＥ（登録商標）１２８４またはＩＥＥＥ（登録商標）４８８などのパラレルデータ接続、ＢＬＵＥＴＯＯＴＨ（登録商標）などのショートレンジの無線通信チャネルならびに／あるいは無線または有線のいずれかのプライベート（例えばアクセス不能な外部の発電システム１０）ネットワーク接続などが含まれる。ＩＥＥＥは、ニューヨーク州、ニューヨーク、電気電子技術者協会の登録商標である。ＢＬＵＥＴＯＯＴＨは、ワシントン州、カークランドのＢｌｕｅｔｏｏｔｈＳＩＧ社の登録商標である。ＰＲＯＦＩＢＵＳは、アリゾナ州、スコッツデールのＰｒｏｆｉｂｕｓＴｒａｄｅＯｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎの登録商標である。例えば一例の実施形態において、ピッチ制御装置４０は、通信ネットワーク５０を介してモータ駆動装置４２および／またはモータ４３と通信する。

一例の実施形態において、制御システム３０は、二次またはバックアップピッチ制御装置４４を含んでおり、これもまたハブ１６の中に収容され、これもまた例えばブレード１８のピッチ角および／または相対的な位置を制御する。一例の実施形態において、バックアップピッチ制御装置４４は、マイクロプロセッサを含む。代替の一実施形態において、バックアップピッチ制御装置４４は、ＦＰＧＡ、マイクロコントローラ、ＰＬＣまたはバックアップピッチ制御装置４４を本明細書に記載されるように動作させることが可能な任意の他の好適なプログラマブル回路を含む場合もある。

バックアップピッチ制御装置４４は、一次ピッチ制御装置４０に結合される。これに加えて、バックアップピッチ制御装置４４はまた、それぞれのモータ駆動装置４２およびそれぞれのモータ４３を介して各々のブレード１８に結合されることで、バックアップピッチ制御装置４４はモータ駆動装置４２および／またはモータ４３に選択式に信号を送信することができる。バックアップピッチ制御装置４４とモータ駆動装置４２および／またはモータ４３間で様々な接続を利用することができる。このような接続には、限定するものではないが、電気導体、例えば規格案段階 (ＲＳ) ２３２またはＲＳ-４８５などのローレベルシリアルデータ接続、ＵＳＢ、フィールドバス、プロセスフィールドバス（ＰＲＯＦＩＢＵＳ（登録商標））または電気電子技術者協会（ＩＥＥＥ（登録商標））１３９４などのハイレベルシリアルデータ接続、ＩＥＥＥ（登録商標）１２８４またはＩＥＥＥ（登録商標）４８８などのパラレルデータ接続、ＢＬＵＥＴＯＯＴＨ（登録商標）などのショートレンジの無線通信チャネルならびに／あるいは無線または有線のいずれかのプライベート（例えばアクセス不能な外部の発電システム１０）ネットワーク接続などが含まれる。例えば一例の実施形態において、バックアップピッチ制御装置４４は、通信ネットワーク５２を介してモータ駆動装置４２および／またはモータ４３と通信する。

制御システム３０はまた、タワー１２の中に収容されるタービン制御装置６０も含んでいる。あるいはタービン制御装置６０は、タービン１１の他の部分、例えばナセル１４の中に配置される場合もある。タービン制御装置６０は、一次ピッチ制御装置４０およびバックアップピッチ制御装置４４に結合される。さらに一例の実施形態において、タービン制御装置６０は、タービン１１および制御システム３０のマスター制御装置として動作するように構成されており、制御アルゴリズムを実行するように構成されたコンピュータまたは他のプロセッサを含む場合もある。本明細書で使用される場合、用語「プロセッサ」は、任意のプログラマブルシステムを含んでおり、これは、システムおよびマイクロコントローラ、縮小命令セット回路（ＲＩＳＣ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、本明細書に記載される機能を果たすことが可能なＰＬＣおよび任意の他の回路を含んでいる。上記の例は、単なる例示であるため、いずれにしても用語プロセッサの定義および／または意味を限定することは意図されていない。

タービン制御装置６０は、通信ネットワークを介して他の制御装置に信号を送信することによって、タービン１１の他の制御装置を制御することができる。例えばタービン制御装置６０は、通信ネットワーク５０および５２を介して、ピッチ制御装置４０および４４にそれぞれコマンド信号を送信することによって、ピッチ制御装置４０および４４を制御することができる。タービン制御装置６０はまた、他の風力タービン（図示せず）または風力発電所管理システム（図示せず）と通信する場合もあり、エラー処理および動作の最適化を行なうこともある。さらにタービン制御装置６０は、ＳＣＡＤＡ（監視、制御およびデータ収集）プログラムを実行する場合もある。

制御システム３０はまた、タービン制御装置６０と、ピッチ制御装置４０および４４に結合された接続デバイス６１を含んでいる。一例の実施形態において、接続デバイス６１は、タービン制御装置６０と、ピッチ制御装置４０および４４間で通信することが可能なスリップリングである。例えば通信ネットワーク５０および５２は、接続デバイス６１を使用することで、シリアル通信プロトコルまたは別の通信プロトコル、例えば電力線ブロードバンド（ＢＰＬ）を介して、タービン制御装置６０から各々のピッチ制御装置４０および４４に信号を伝えたり送信し易くすることができる。赤外線または発光ダイオード（ＬＥＤ）などの非接触通信が使用される場合もある。

各々のモータ駆動装置４２およびモータ４３は、例示の一実施形態において、少なくとも１つのバックアップ電池６４に結合される。各々のバックアップ電池６４は、例えば通信損失などの場合に、ハブ１６、ナセル１４およびタワー１２構成要素の中の構成要素にバック電力を供給する電池（図示せず）を含むことができる。さらに例示の一実施形態において、各々のバックアップ電池６４は、通信モジュール（図示せず）を含んでおり、これはピッチ制御装置４０および４４ならびに／あるいはタービン制御装置６０に結合されることで、各々のバックアップ電池６４が、通信ネットワーク５４を介して、ピッチ制御装置４０および４４ならびに／あるいはタービン制御装置６０と通信することができる。例えば各々のバックアップ電池６４は、タービン制御装置６０に各々のそれぞれの電池の充電状態を伝えることができる。

さらにナセル１４は、ブレーキ（図示せず）または変速機（図示せず）を含むことができる。例えば変速機は、ブレード１８の回転によって駆動されるメインロータシャフト（図示せず）の回転を増大させることができることにより、発電機（図示せず）の速度を上げることができる。ブレーキは、故障または他のエラー状況が起った場合に発電機および／またはタービンの動作を緊急停止させる能力を与える。例えばタービン制御装置６０は、信号を送信することでピッチ制御装置４０および４４に対してブレーキを使用することができる。ピッチ制御装置４０および４４は、通信ネットワーク５４を介して、他の構成要素、例えばモータ４３などに制動信号を送信することができる。

動作中、ブレード１８の回転によって、メインロータシャフトが回転し、その結果発電機によって電気が生じる。タービン制御装置６０は、例えばブレードおよび／またはハブセンサ（図示せず）を使用して、ブレード１８の回転速度および負荷を監視する。風速がタービン１１の定格回転速度を超えた場合、例えばタービン制御装置６０は、ブレード１８に対するピッチ制御コマンドを表す信号を生成することができ、この信号をアナログ形式またはデジタル形式のいずれかで制御装置４０および４４に送信する。より具体的には一例の一実施形態では、タービン制御装置６０は、各々がそれぞれの同一のピッチ制御コマンドを表す少なくとも２つの信号を生成することで、ブレード１８のピッチ角を増減することによって、風によってブレード１８に誘発される浮力を必要に応じて増減し易くすることができる。タービン制御装置６０は、通信ネットワーク５０を介して一方の信号を一次ピッチ制御装置４０を送信し、通信ネットワーク５２を介して他方の信号をバックアップピッチ制御装置４４に送信する。タービン制御装置６０は、両方の信号を同時に各々のピッチ制御装置４０および４４に送信することができる。あるいはタービン制御装置６０は、各々の信号を異なるときに各々のピッチ制御装置４０および４４に送信する場合もある。例えば一次ピッチ制御装置４０は、バックアップピッチ制御装置４４より前に信号を受信することができる。

一次ピッチ制御装置４０がピッチ制御コマンドを表す信号を受信する際、一次ピッチ制御装置４０は、各々のモータ駆動装置４２にアナログ形態またはデジタル形態で信号を送信することによって、ピッチ制御コマンドを実施する。各々のモータ駆動装置４２が信号を受信する際、各々のモータ駆動装置４２が、この信号を処理する。例えば各々のモータ駆動装置４２は、アナログまたはデジタル形式の信号を動力信号に変換することができる。各々のモータ駆動装置４２はその後、この動力信号を各々のモータ４３に送信することで、各々のモータ４３は、それぞれのブレード１８に動力を与え、ピッチ制御コマンドにおいて指定された大きさだけブレード１８を回転させることができる。例えばブレード１８は、一次ピッチ制御装置４０によって指定された特定のピッチ角まで回転させることができる。

一例の実施形態において、制御システム３０は、タービン制御装置６０と一次ピッチ制御装置４０間で通信するために少なくとも部分的に通信ネットワーク５０に依拠している。しかしながら通信ネットワーク５０にエラーが発生し易い場合、あるいは一次ピッチ制御装置４０および／またはタービン制御装置６０の１つまたは複数の構成要素にエラーが発生し易い、または欠陥がある場合、タービン制御装置６０と一次ピッチ制御装置４０間の通信損失、ならびに／あるいは一次ピッチ制御装置４０と、各々のモータ駆動装置４２間の通信損失が生じる可能性がある。したがって一次ピッチ制御装置４０は、ピッチ制御コマンドを実施することができない。本明細書で使用される場合、用語「通信損失」は、各々の構成要素間での信頼できない、または破損したデータならびに／あるいは制御通信状況を含んでおり、また例えばハードウェアの故障、ソフトウェアの故障および／またはネットワークの故障などの通信不良、ならびに構成要素間の不安定な通信も含まれる。例えば通信損失は、通信ネットワーク５０および５２からの信号またはデータのパケットの１つまたは複数の損失または破損に起因する、あるいは通信ネットワーク５０および５２における１つまたは複数の信号の信号強度の増減に起因する場合がある。本明細書で使用される場合、「通信損失」はまた、２つの構成要素間の電力損失に起因する場合もある。さらに通信損失は、ピッチ制御装置４０および４４、タービン制御装置６０ならびに／あるいは通信ネットワーク５０および５２で使用される他の構成要素の故障が原因で生じる場合もある。

ピッチ制御コマンドを実施するのに一次ピッチ制御装置４０を利用できない場合、制御システム３０はバックアップピッチ制御装置４４を利用することで、タービン１１が、急ブレーキ措置が実施される故障状態になるのを実質的に阻止する。例えば同一のピッチ制御コマンドがタービン制御装置６０によってバックアップピッチ制御装置４４に送信されるため、バックアップピッチ制御装置４４を介してこのピッチ制御コマンドを各々のモータ駆動装置４２に送信することができ、これにより各々のモータ駆動装置４２がそれぞれのモータ４３に信号を送信することで、ピッチ制御コマンドによって指定された大きさだけブレード１８を回転させることができる。

さらに一例の実施形態において、各々のモータ駆動装置４２は、例えばこれに限定するものではないがエラーメッセージ、過度に遅延したメッセージ、範囲外のメッセージまたは不正なメッセージなどの通信損失に起因する種々の要因に基づいて、一次ピッチ制御装置４０またはバックアップピッチ制御装置４４から選択式に信号を受信するように構成される。例えば、一例の実施形態において、一次ピッチ制御装置４０が、タービン制御装置６０に伴う通信問題または損失を検知することで、各々のモータ駆動装置４２および／または一次ピッチ制御装置４０が応答しなくなる場合がある。その結果、バックアップピッチ制御装置４４が、各々のモータ駆動装置４２にピッチ制御コマンド信号を供給し、このピッチ制御コマンドを実施するためにバックアップピッチ制御装置４４が選択されたことの信号をタービン制御装置６０に送信する。あるいは各々のモータ駆動装置４２が、一次ピッチ制御装置４０から通信問題または損失を検知するように構成される場合もある。その結果、モータ駆動装置４２は、バックアップピッチ制御装置４４からピッチ制御コマンド信号を受信し、制御パラメータを実施するためにバックアップピッチ制御装置４４が選択されたことの信号をピッチ制御装置４０および４４の各々に送信する。あるいはタービン制御装置６０は、発電システム１０および／または制御システム３０を本明細書に記載されるように機能させることが可能な任意の他の好適な方法によって信号を送信する場合もある。例えば一実施形態において、タービン制御装置６０は、タービン制御装置６０が受信する通信問題および／またはフィードバック信号に基づいて、どのピッチ制御装置を使用するかを決定することができる。

別の実施形態において、制御システム３０は、各々のモータ駆動装置４２がバックアップピッチ制御装置４４から最初に信号を受信するようにすることで、バックアップピッチ制御装置４４は、各々のモータ駆動装置４２に信号を送信することによってピッチ制御コマンドを実施する。このような一実施形態では、制御システム３０は、タービン制御装置６０と、バックアップピッチ制御装置４４間で通信するために、少なくとも部分的に通信ネットワーク５２に依拠している。しかしながら通信ネットワーク５２にエラーが発生し易い場合、あるいはバックアップピッチ制御装置４４および／またはタービン制御装置６０の１つまたは複数の構成要素にエラーが発生し易い、または欠陥がある場合、タービン制御装置６０とバックアップピッチ制御装置４４間の通信損失、ならびに／あるいはバックアップピッチ制御装置４４と、各々のモータ駆動装置４２間に通信損失が生じる可能性がある。したがって、バックアップピッチ制御装置４４はピッチ制御コマンドを実施することができない。制御装置３０はこのとき、一次ピッチ制御装置４０を利用することで、タービン１１が急ブレーキ措置が実施される故障状態になるのを実質的に阻止する。より具体的には、同一のピッチ制御コマンドがタービン制御装置６０によって一次ピッチ制御装置４０に送信されるため、一次ピッチ制御装置４０を介してピッチ制御コマンドを各々のモータ駆動装置４２に送信することができ、これにより各々のモータ駆動装置４２がそれぞれのモータ４３に信号を送信することで、制御コマンドによって指定された大きさだけブレード１８を回転させることができる。

このような一実施形態において、例えばバックアップピッチ制御装置４４が、タービン制御装置６０に伴う通信問題または損失を検知することで、各々のモータ駆動装置４２および／またはバックアップピッチ制御装置４４が応答しなくなる場合がある。その結果、一次ピッチ制御装置４０が、各々のモータ駆動装置４２にピッチ制御コマンド信号を供給し、一次ピッチ制御装置４０がピッチ制御コマンドを実施するために選択されたことの信号をタービン制御装置６０に送信する。あるいは各々のモータ駆動装置４２が、バックアップピッチ制御装置４４からの通信問題または損失を検知するように構成される場合もある。このとき各々のモータ駆動装置４２は、一次ピッチ制御装置４０からピッチ制御コマンド信号を受信し、一次ピッチ制御装置４０がピッチ制御コマンドを実施するために選択されたことをピッチ制御装置４０および４４の各々に送信する。あるいはタービン制御装置６０は、発電システム１０および／または制御システム３０が本明細書に記載されるように機能することを可能にする任意の他の好適な方法によって信号を送信する場合もある。

一実施形態において、タービン制御装置６０は、一次ピッチ制御装置４０にコマンド信号を送信することもあり、一次ピッチ制御装置４０が、コマンド信号をモータ駆動装置４２に送信する。コマンド信号を受信した後、各々のモータ駆動装置４２は、一次ピッチ制御装置４０に信号を送信することによって応答することができ、この応答信号は、コマンド信号が受信され、適切に応答されたことを表している（すなわちフィードバック信号）。一次ピッチ制御装置４０はその後、全ての通信が、一次ピッチ制御装置４０および／またはモータ駆動装置４２によって受信されたことの信号をタービン制御装置６０に送信することができる。タービン制御装置６０によって全く信号が受信されない、あるいはタービン制御装置６０によってエラー信号が受信された場合、このときタービン制御装置６０は、バックアップピッチ制御装置４４に切り替えることができる。バックアップ制御の場合、タービン制御装置６０は、コマンド信号をバックアップピッチ制御装置４４に送信することができ、バックアップピッチ制御装置４４が、各々のモータ駆動装置４２にコマンド信号を送信する。コマンド信号を受信した後、各々のモータ駆動装置４２が、バックアップピッチ制御装置４４に信号を送信することによって応答することができ、この応答信号は、コマンド信号が受信され、適切に応答されたことを表している（すなわちフィードバック信号）。バックアップピッチ制御装置４４はその後、全ての通信が、バックアップピッチ制御装置４４および／またはモータ駆動装置４２によって受信され適切に応答されたことの信号をタービン制御装置６０に送信することができる。タービン制御装置６０によって全く信号が受信されない、あるいはタービン制御装置６０によってエラー信号が受信された場合、このときタービン制御装置６０は、一次ピッチ制御装置４０に切り替えることができる。タービン制御装置６０は、バックアップピッチ制御装置４４から同様のフィードバック信号を受信することができ、その場合タービン制御装置６０は、一次ピッチ制御装置４０にコマンド信号を送信することができる。

例えば風力タービンなどのタービンを使用する既知の発電システムと比較すると、本明細書に記載される実施形態は、タービンの動作寿命が実質的に悪影響を受けないようにする制御システムを提供する。制御システムは、第１または一次ピッチ制御装置と、二次またはバックアップピッチ制御装置を含んでおり、各々が、タービンブレードに対するピッチ制御コマンドを実施する。より具体的には、一例の制御システムは、ピッチ制御コマンドを表す信号をメインおよびバックアップピッチ制御装置の両方に送信するタービン制御装置を含む。したがって、メインピッチ制御装置は、ピッチ制御コマンドの信号を複数のモータ駆動装置に送信することでタービンブレードを調整することができ、バックアップピッチ制御装置もまた、メインピッチ制御装置が動作不良である、および／またはモータ駆動装置と通信することができない場合に、ピッチ制御コマンドの信号をモータ駆動装置に送信することが可能である。その結果、タービンが急ブレーキ措置が行なわれる故障状態になるのが実質的に回避されるため、発電システムが動作を続けることになる。したがって一例の制御システムによって、タービンの動作寿命が悪影響を受けないようにし、タービンの利用度を改善させることができる。

本明細書に記載されるシステムおよび方法の技術的効果には、（ａ）タービン制御装置によって、少なくとも複数のタービンブレードに対する複数のピッチ制御コマンドを表す第１の信号と、複数のタービンブレードに対するピッチ制御コマンドを表す第２の信号を生成すること、（ｂ）タービン制御装置に結合された第１のピッチ制御装置に第１の信号を送信し、第１のピッチ制御装置が、第１の信号の受信に応答して、複数のタービンブレードに対して複数のピッチ制御コマンドを実施するように構成されていること、および（ｃ）タービン制御装置および第１のピッチ制御装置に結合された第２のピッチ制御装置に第２の信号を送信し、第２のピッチ制御装置が、第１のピッチ制御装置がピッチ制御コマンドを実施することができない場合、複数のタービンブレードに対して複数のピッチ制御コマンドを実施するように構成されていることのうちの少なくとも１つが含まれている。

システムおよび方法の例示の一実施形態が、上記に詳細に記載される。システムおよび方法は、本明細書に記載される特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろシステムの構成要素および／または方法のステップは、本明細書に記載される他の構成要素および／またはステップとは独立してかつ別々に利用される場合もある。例えばシステムは、他のシステムや方法と組み合わせて使用されることもあり、本明細書に記載されるシステムと共にのみ実施されるとは限られていない。むしろ一例の実施形態は、多くの他の用途に関連して実施し利用することができる。

本明細書の種々の実施形態の特殊な特徴は、一部の図面においては示され、他の図面では示されない場合があるが、これは単に簡便にするためである。本発明の原理に従って、図面のいずれの特徴も、任意の他の図面のいずれの特徴とも組み合わせて参照される、および／または特許請求されてよい。

この書面による記載は、本発明を開示することを目的とした最適な態様を含む例を使用しており、また任意の装置またはシステムを作製し使用すること、ならびに任意の採用された方法を実行することを含め、当業者が本発明を実施することができるようにするものである。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義されており、当業者が思い付く他の例を含むことができる。このような他の例は、それらが特許請求の範囲の文字通りの言い回しと相違ない構造上の要素を含む場合、あるいはそれらが特許請求の範囲の文字通りの言い回しと非実質的な相違点を有する等価な構造上の要素を含む場合、特許請求の範囲の範囲内にあることが意図されている。

以下に本発明の代表的な実施態様を挙げる。
［実施態様１］少なくとも複数のタービンブレードに対する複数のピッチ制御コマンドを表す第１の信号と、前記複数のタービンブレードに対する前記複数のピッチ制御コマンドを表す第２の信号を生成するように構成されたタービン制御装置と、
前記タービン制御装置に結合され、前記第１の信号を受信し、前記第１の信号の受信に応じて、前記複数のタービンブレードの各々に対して前記複数のピッチ制御コマンドを実施するように構成された第１のピッチ制御装置と、
前記タービン制御装置および前記第１のピッチ制御装置に結合され、前記第２の信号を受信し、前記第１のピッチ制御装置が前記複数のピッチ制御コマンドを実施することができない場合、前記複数のタービンブレードの各々に対して前記複数のピッチ制御コマンドを実施するように構成された第２のピッチ制御装置とを備える制御システム。
［実施態様２］前記タービン制御装置が、
前記第１のピッチ制御装置および前記第２のピッチ制御装置の少なくとも一方から複数のフィードバック信号を受信し、
前記複数のフィードバック信号に基づいて、前記第１の信号および前記第２の信号の一方をいつ前記第１のピッチ制御装置と、前記第２のピッチ制御装置にそれぞれ送信するかを決定するように構成される、実施態様１記載の制御システム。
［実施態様３］前記第１のピッチ制御装置および前記第２のピッチ制御装置に各々結合された複数のモータ駆動装置をさらに備え、前記複数のモータ駆動装置がそれぞれ、前記第１の信号と前記第２の信号の一方を選択式に受信する、実施態様１記載の制御システム。
［実施態様４］前記複数のモータ駆動装置の各々が、通信損失に基づいて前記第１の信号と前記第２の信号の一方を選択式に受信する、実施態様３記載の制御システム。
［実施態様５］前記第１および第２のピッチ制御装置の各々が、前記第１のピッチ制御装置と前記第２のピッチ制御装置のどちらが、前記複数のピッチ制御コマンドを実施するかを決定するように構成される、実施態様１記載の制御システム。
［実施態様６］前記第１および第２のピッチ制御装置の各々が、前記１および第２のピッチ制御装置の各々と、前記タービン制御装置と複数のモータ駆動装置の少なくとも一方の間の通信の評価に基づいて前記決定を行なうように構成される、実施態様５記載の制御システム。
［実施態様７］前記第１のピッチ制御装置と前記第２のピッチ制御装置の少なくとも一方が、前記実施の決定を表す信号を前記タービン制御装置に送信する、実施態様６記載の制御システム。
［実施態様８］少なくとも一方向に回転するように構成された複数のブレードを備えるタービンと、
前記タービンに結合された制御システムであって、
少なくとも複数のブレードに対する複数のピッチ制御コマンドを表す第１の信号と、前記複数のブレードに対する前記複数のピッチ制御コマンドを表す第２の信号を生成するように構成されたタービン制御装置と、
前記タービン制御装置に結合され、前記第１の信号を受信し、前記第１の信号の受信に応じて、前記複数のタービンブレードの各々に対して前記複数のピッチ制御コマンドを実施するように構成された第１のピッチ制御装置と、
前記タービン制御装置および前記第１のピッチ制御装置に結合され、前記第２の信号を受信し、前記第１のピッチ制御装置が前記複数のピッチ制御コマンドを実施することができない場合、前記複数のタービンブレードの各々に対して前記複数のピッチ制御コマンドを実施するように構成された第２のピッチ制御装置とを備える制御システムとを備える発電システム。
［実施態様９］前記タービン制御装置が、前記第１のピッチ制御装置および前記第２のピッチ制御装置の少なくとも一方から複数のフィードバック信号を受信し、
前記複数のフィードバック信号に基づいて、前記第１の信号および前記第２の信号の一方をいつ前記第１のピッチ制御装置と、前記第２のピッチ制御装置にそれぞれ送信するかを決定するように構成される、実施態様８記載の発電システム。
［実施態様１０］前記制御システムが、前記第１のピッチ制御装置および前記第２のピッチ制御装置に各々の結合された複数のモータ駆動装置をさらに備え、前記複数のモータ駆動装置がそれぞれ、前記第１の信号と前記第２の信号の一方を選択式に受信する、実施態様８記載の発電システム。
［実施態様１１］前記複数のモータ駆動装置の各々が、通信損失に基づいて前記第１の信号と前記第２の信号の一方を選択式に受信する、実施態様１０記載の発電システム。
［実施態様１２］前記第１および第２のピッチ制御装置の各々が、前記第１のピッチ制御装置と前記第２のピッチ制御装置のどちらが、前記複数のピッチ制御コマンドを実施するかを決定するように構成される、実施態様８記載の発電システム。
［実施態様１３］前記第１および第２のピッチ制御装置の各々が、前記１および第２のピッチ制御装置の各々と、前記タービン制御装置と複数のモータ駆動装置の少なくとも一方の間の通信の評価に基づいて前記決定を行なうように構成される、実施態様１２記載の発電システム。
［実施態様１４］前記第１のピッチ制御装置と前記第２のピッチ制御装置の少なくとも一方が、前記実施の決定を表す信号を前記タービン制御装置に送信する、実施態様１３記載の発電システム。
［実施態様１５］発電システムを動作させるための方法であって、
タービン制御装置によって、少なくとも複数のタービンブレードに対する複数のピッチ制御コマンドを表す第１の信号と、前記複数のタービンブレードに対する前記ピッチ制御コマンドを表す第２の信号を生成するステップと、
前記第１の信号を前記タービン制御装置に結合された第１のピッチ制御装置に送信し、前記第１のピッチ制御装置が、前記第１の信号の受信に応じて、前記複数のタービンブレードの各々に対して前記複数のピッチ制御コマンドを実施するように構成されるステップと、
前記第２の信号を、前記タービン制御装置および前記第１のピッチ制御装置に結合された第２のピッチ制御装置に送信し、前記第２のピッチ制御装置が、前記第１のピッチ制御装置が前記複数のピッチ制御コマンドを実施することができない場合、前記複数のタービンブレードの各々に対して前記複数のピッチ制御コマンドを実施するように構成されるステップとを含む方法。
［実施態様１６］前記第２の信号を送信するステップが、前記第１の信号と同時に前記第２のピッチ制御装置に前記第２の信号を送信するステップをさらに含む、実施態様１５記載の方法。
［実施態様１７］前記第１のピッチ制御装置と前記第２のピッチ制御装置に各々結合された複数のモータ駆動装置によって、前記第１の信号と前記第２の信号の一方を選択式に受信するステップをさらに含む、実施態様１５記載の方法。
［実施態様１８］前記第１の信号と前記第２の信号の一方を選択式に受信するステップが、通信損失に基づいて前記第１の信号と前記第１の信号の一方を選択式に受信するステップをさらに含む、実施態様１７記載の方法。
［実施態様１９］前記複数のモータ駆動装置の各々によって前記第１の信号および前記第２の信号を処理するステップをさらに含む、実施態様１７記載の方法。
［実施態様２０］前記処理された第１の信号と、前記処理された第２の信号の一方を前記複数のタービンブレードの１つにそれぞれ結合された複数のモータに送信するステップをさらに含む、実施態様１９記載の方法。

１０発電システム
１１風力タービン
１２タワー
１４ナセル
１６ハブ
１８ブレード
２０中心線軸
２２回転軸
３０制御システム
４０一次ピッチ制御装置
４２モータ駆動装置
４３モータ
４４バックアップピッチ制御装置
５０通信ネットワーク
５２通信ネットワーク
５４通信ネットワーク
６０タービン制御装置
６１接続デバイス
６４バックアップ電池

Claims

少なくとも複数のタービンブレードに対する複数のピッチ制御コマンドを表す第１の信号と、前記複数のタービンブレードに対する前記複数のピッチ制御コマンドを表す第２の信号を生成するように構成されたタービン制御装置と、
前記タービン制御装置に結合され、前記第１の信号を受信し、前記第１の信号の受信に応じて、前記複数のタービンブレードの各々に対して前記複数のピッチ制御コマンドを実施するように構成された第１のピッチ制御装置と、
前記タービン制御装置および前記第１のピッチ制御装置に結合され、前記第２の信号を受信し、前記第１のピッチ制御装置が前記複数のピッチ制御コマンドを実施することができない場合、前記複数のタービンブレードの各々に対して前記複数のピッチ制御コマンドを実施するように構成された第２のピッチ制御装置とを備える制御システム。
前記タービン制御装置が、
前記第１のピッチ制御装置および前記第２のピッチ制御装置の少なくとも一方から複数のフィードバック信号を受信し、
前記複数のフィードバック信号に基づいて、前記第１の信号および前記第２の信号の一方をいつ前記第１のピッチ制御装置と、前記第２のピッチ制御装置にそれぞれ送信するかを決定するように構成される、請求項１記載の制御システム。
前記第１のピッチ制御装置および前記第２のピッチ制御装置に各々結合された複数のモータ駆動装置をさらに備え、前記複数のモータ駆動装置がそれぞれ、前記第１の信号と前記第２の信号の一方を選択式に受信する、請求項１記載の制御システム。
前記複数のモータ駆動装置の各々が、通信損失に基づいて前記第１の信号と前記第２の信号の一方を選択式に受信する、請求項３記載の制御システム。
前記第１および第２のピッチ制御装置の各々が、前記第１のピッチ制御装置と前記第２のピッチ制御装置のどちらが、前記複数のピッチ制御コマンドを実施するかを決定するように構成される、請求項１記載の制御システム。
前記第１および第２のピッチ制御装置の各々が、前記１および第２のピッチ制御装置の各々と、前記タービン制御装置と複数のモータ駆動装置の少なくとも一方の間の通信の評価に基づいて前記決定を行なうように構成される、請求項５記載の制御システム。
前記第１のピッチ制御装置と前記第２のピッチ制御装置の少なくとも一方が、前記実施の決定を表す信号を前記タービン制御装置に送信する、請求項６記載の制御システム。
少なくとも一方向に回転するように構成された複数のブレードを備えるタービンと、
前記タービンに結合された制御システムであって、
少なくとも複数のブレードに対する複数のピッチ制御コマンドを表す第１の信号と、前記複数のブレードに対する前記複数のピッチ制御コマンドを表す第２の信号を生成するように構成されたタービン制御装置と、
前記タービン制御装置に結合され、前記第１の信号を受信し、前記第１の信号の受信に応じて、前記複数のタービンブレードの各々に対して前記複数のピッチ制御コマンドを実施するように構成された第１のピッチ制御装置と、
前記タービン制御装置および前記第１のピッチ制御装置に結合され、前記第２の信号を受信し、前記第１のピッチ制御装置が前記複数のピッチ制御コマンドを実施することができない場合、前記複数のタービンブレードの各々に対して前記複数のピッチ制御コマンドを実施するように構成された第２のピッチ制御装置とを備える制御システムとを備える発電システム。
前記タービン制御装置が、前記第１のピッチ制御装置および前記第２のピッチ制御装置の少なくとも一方から複数のフィードバック信号を受信し、
前記複数のフィードバック信号に基づいて、前記第１の信号および前記第２の信号の一方をいつ前記第１のピッチ制御装置と、前記第２のピッチ制御装置にそれぞれ送信するかを決定するように構成される、請求項８記載の発電システム。
前記制御システムが、前記第１のピッチ制御装置および前記第２のピッチ制御装置に各々の結合された複数のモータ駆動装置をさらに備え、前記複数のモータ駆動装置がそれぞれ、前記第１の信号と前記第２の信号の一方を選択式に受信する、請求項８記載の発電システム。