JP2014163312A - 風力発電装置、風力発電装置の制御装置及び制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】風力発電装置の制御装置は、各々の翼に作用する荷重に基づいて回転軸に作用する鉛直軸周りのMznモーメントを演算するためのMznモーメント演算部と、Mznモーメントから、少なくとも基本周波数成分と定常成分とからなる基本Mzn成分を抽出するための基本Mzn成分抽出部と、回転軸に作用する回転軸周りのMxnモーメントの鉛直方向成分である補正用Mzn成分を演算するための補正用Mzn成分演算部と、基本Mzn成分と補正用Mzn成分との差であるMzn偏差に基づいて、各々の翼のピッチ角の調整量を決定するためのピッチ角調整量決定部とを有する。
【選択図】 図3
Description
風力発電装置においては、翼が受ける風が時間的及び空間的に一様ではないため、翼に対し、回転軸を傾動させるようなモーメント(傾動モーメント)が加わることがある。
本発明の少なくとも一実施形態は、翼の根元に作用する変動荷重が抑制され、耐久性が向上した風力発電装置、該風力発電装置の制御装置及び制御方法を提供することを目的とする。
タワーと、
前記タワーによって支持されたナセルと、
前記ナセルによって水平軸に対し傾斜した状態で回転可能に支持された回転軸と、
前記回転軸に対し、前記回転軸の半径方向に沿う軸周りのピッチ角を調整可能に取り付けられた少なくとも2本の翼と、
各々の前記翼のピッチ角を調整可能なピッチ駆動機構と、
前記ピッチ駆動機構による前記ピッチ角の調整量を決定するように構成された制御装置と
を備え、
前記制御装置は、
各々の前記翼に作用する荷重に基づいて前記回転軸に作用する鉛直軸周りのMznモーメントを演算するためのMznモーメント演算部と、
前記Mznモーメントから、少なくとも前記回転軸の回転数に対応する基本周波数成分と定常成分とからなる基本Mzn成分を抽出するための基本Mzn成分抽出部と、
前記回転軸に作用する前記回転軸周りのMxnモーメントの鉛直方向成分である補正用Mzn成分を演算するための補正用Mzn成分演算部と、
前記基本Mzn成分と前記補正用Mzn成分との差であるMzn偏差を演算し、前記Mzn偏差に基づいて、各々の前記翼のピッチ角の調整量を決定するためのピッチ角調整量決定部と
を有する。
PI制御の場合、一般的に、制御量が正弦波状又は余弦波状に周期的に変動するとき、ある程度までしか偏差を小さくすることができない。ゲインを大きくすれば、偏差をより小さくすることが可能であるが、ゲインを大きすぎると、制御が不安定になってしまう。翼に作用する荷重は、正弦波状又は余弦波状に周期的に変動する成分を含んでおり、PI制御のみでは、翼に作用する荷重の周期的な変動成分をある程度までしか小さくすることができない。
この構成では、周期変動伝達関数を用いてピッチ角の調整量を決定することにより、翼に作用する荷重が周期変動成分を含んでいても、周期変動成分を確実に小さくすることができる。
一般的に、翼が2本の場合、3本の場合に比べて力学的にバランスが悪く、ジャイロモーメント等に起因する大きな変動荷重が回転軸等に作用しやすい。
この点、基本Mzn成分と補正用Mzn成分との差であるMzn偏差に基づいてピッチ角の調整量を決定するようにした上記構成では、翼が2本であっても、変動荷重が有効に低減される。
各々の前記翼に作用する荷重に基づいて前記回転軸に作用する水平軸周りのMynモーメントを演算するためのMynモーメント演算部と、
前記Mynモーメントから、少なくとも前記回転軸の回転数に対応する基本周波数成分と定常成分とからなる基本Myn成分を抽出するための基本Myn成分演算部と、
前記回転軸に作用するジャイロモーメントの水平方向成分である補正用Myn成分を演算するための補正用Myn成分演算部とを更に有し、
前記ピッチ角調整量決定部は、前記基本Myn成分と前記補正用Myn成分との差であるMyn偏差を演算し、前記Mzn偏差及び前記Myn偏差に基づいて、各々の前記翼のピッチ角の調整量を決定可能である。
この構成では、周期変動伝達関数を用いてピッチ角の調整量を決定することにより、翼に作用する荷重が周期変動成分を含んでいても、周期変動成分を確実に小さくすることができる。
タワーと、
前記タワーによって支持されたナセルと、
前記ナセルによって水平軸に対し傾斜した状態で回転可能に支持された回転軸と、
前記回転軸に対し、前記回転軸の半径方向に沿う軸周りのピッチ角を調整可能に取り付けられた少なくとも2本の翼と、
各々の前記翼のピッチ角を調整可能なピッチ駆動機構と
を備える風量発電装置の制御方法であって、
各々の前記翼に作用する荷重に基づいて前記回転軸に作用する鉛直軸周りのMznモーメントを演算するMznモーメント演算工程と、
前記Mznモーメントから、前記回転軸の回転数に対応する基本周波数成分と定常成分とからなる基本Mzn成分を抽出する基本Mzn成分抽出工程と、
前記回転軸に作用する前記回転軸周りのMxnモーメントの鉛直方向成分である補正用Mzn成分を演算する補正用Mzn成分演算工程と、
前記基本Mzn成分と前記補正用Mzn成分との差であるMzn偏差を演算し、前記Mzn偏差に基づいて、各々の前記翼のピッチ角の調整量を決定する調整量決定工程と
を備える。
この構成では、周期変動伝達関数を用いてピッチ角の調整量を決定することにより、翼に作用する荷重が周期変動成分を含んでいても、周期変動成分を確実に小さくすることができる。
各々の前記翼に作用する荷重に基づいて前記回転軸に作用する水平軸周りのMynモーメントを演算するMynモーメント演算工程と、
前記Mynモーメントから、前記回転軸の回転数に対応する基本周波数成分よりも高い周波数の高調波成分を除去し、前記基本周波数成分と定常成分とからなる基本Myn成分を抽出する基本Myn成分抽出工程と、
前記回転軸に作用するジャイロモーメントに起因して前記回転軸に作用する水平軸周りの補正用Myn成分を演算する補正用Myn成分演算工程とを更に備え、
前記調整量決定工程において、前記基本Myn成分と前記補正用Myn成分との差であるMyn偏差を演算し、前記Mzn偏差及び前記Myn偏差に基づいて、各々の前記翼のピッチ角の調整量を決定する。
この構成では、周期変動伝達関数を用いてピッチ角の調整量を決定することにより、翼に作用する荷重が周期変動成分を含んでいても、周期変動成分を確実に小さくすることができる。
タワーと、
前記タワーによって支持されたナセルと、
前記ナセルによって水平軸に対し傾斜した状態で回転可能に支持された回転軸と、
前記回転軸に対し、前記回転軸の半径方向に沿う軸周りのピッチ角を調整可能に取り付けられた少なくとも2本の翼と、
各々の前記翼のピッチ角を調整可能なピッチ駆動機構と
を備える風量発電装置の制御装置であって、
各々の前記翼に作用する荷重に基づいて前記回転軸に作用する鉛直軸周りのMznモーメントを演算するためのMznモーメント演算部と、
前記Mznモーメントから、少なくとも前記基本周波数成分と定常成分とからなる基本Mzn成分を抽出するための基本Mzn成分抽出部と、
前記回転軸に作用する前記回転軸周りのMxnモーメントの鉛直方向成分である補正用Mzn成分を演算するための補正用Mzn成分演算部と、
前記基本Mzn成分と前記補正用Mzn成分との差であるMzn偏差を演算し、前記Mzn偏差に基づいて、各々の前記翼のピッチ角の調整量を決定するためのピッチ角調整量決定部と
を備える。
幾つかの実施形態では、増速機構24は遊星歯車機構からなる。
また幾つかの実施形態では、回転軸14が、増速機構24を介さずに発電機26に直接連結される。
幾つかの実施形態では、2本以上の翼16は、第1翼16a及び第2翼16bの2本の翼からなり、第1翼16a及び第2翼16bは、T字状のハブ28を介して回転軸14に連結されている。ピッチ駆動機構18は、第1翼ピッチ駆動機構18aと第2翼ピッチ駆動機構からなり、第1翼ピッチ駆動機構18aは、第1翼16aとハブ28との連結部に設けられ、第2翼ピッチ駆動機構18bは、第2翼16bとハブ28との連結部に設けられている。
図2〜4に示したように、Xk軸、Yk軸及びZk軸は相互に直交している。Xk軸は、タワー10の前後方向に沿って水平方向に延びている。Yk軸は、タワー10の左右(方向(幅方向)に沿って水平方向に延びている。Zk軸は鉛直方向に延びている。
Xn軸、Yn軸及びZn軸は相互に直交している。Xn軸は回転軸14に沿っており、チルト角に対応して水平方向に対し傾斜している。Yn軸はタワー10の幅方向に沿って水平方向に延びている。Zn軸は、チルト角に対応して鉛直方向に対し傾斜している。
図5に示したように、幾つかの実施形態では、制御システムは、制御装置20とセンサ群とを有し、制御装置20は、センサ群によって測定されたデータに基づいて、ピッチ駆動機構18を制御する。
幾つかの実施形態では、センサ群は、タワー振動計31、アジマス角センサ32、及び、翼荷重センサ34を有する。
幾つかの実施形態では、センサ群は、タワー振動計31に代えて、ナセル12に作用する少なくとも2方向の荷重を検出するためのナセル振動計33を有する(図1参照)。ナセル振動計33は、ナセル12に設置され、ナセル12の前後方向及び左右方向の振動を計測可能な振動計からなる。
幾つかの実施形態では、第1翼荷重センサ16a及び第2翼荷重センサ16bは、ハブ28に取り付けられる。
また幾つかの実施形態では、センサ群は、風力発電装置周辺の風向を測定するための風向センサ37と、ヨー駆動機構30に内蔵されたヨー角センサ38を有する。ヨー角センサ38は、ナセル12のヨー角を測定するためのセンサである。
基本Myn成分演算部46は、Mynモーメント演算部42によって演算されたMynモーメントから、少なくとも回転軸14の回転数に対応する基本周波数成分と定常成分とからなる基本Mzn成分を抽出する(基本Myn成分演算工程)。
補正用Myn成分演算部50は、回転軸14に作用するジャイロモーメントの水平方向成分である補正用Myn成分を演算する(補正用Myn演算工程)。
Myn偏差演算部54は、基本Myn成分と補正用Myn成分との差であるMyn偏差を演算する(Myn偏差演算工程)。
ピッチ角調整量決定部56は、Mzn偏差及びMyn偏差に基づいて、各々の翼16(16a,16b)のピッチ角の調整量を決定可能である(ピッチ角調整量決定工程)。
具体的には、図6に示したように、制御装置20には、データとして、アジマス角、第1翼16aの根元に作用する荷重(第1翼荷重)、第2翼16bの根元に作用する荷重(第2翼荷重)、ナセル12のヨー角、タワー10の前後方向の振動、及び、タワー10の左右方向の振動が入力される。
なお、式(1)及び式(2)中、Fは、アジマス角であり、Mmは、翼16の根元の荷重の変動成分の振幅、M01は第1翼16aの根元の荷重の定常成分、M02は第2翼16bの根元の荷重の定常成分であり、Pは円周率であり、Dは定数である。M01及びM02は、翼16(16a,16b)やハブ28の重量や重心位置のアンバランスに起因して各翼16(16a,16b)の根元に作用する荷重を表している。
幾つかの実施形態では、ナセル12が回転可能であるため、ナセル12のヨー角も入力され、成分合成分解部64は、ヨー角も考慮して、合成及び分解を実行する。
また幾つかの実施形態では、制御装置20は、補正用Myn成分演算部50を構成するMynLPF(Mynローパスフィルタ)66bを有する。MynLPF66bは、成分合成分解部64によって演算された補正用Myn成分から、高周波のノイズ成分を除去する。
また、制御装置20は、Myn偏差演算部54を構成するMyn減算器68bを有し、Myn減算器68bは、基本Myn成分と補正用Myn成分との差であるMyn偏差を演算する。
MznPI制御器70aは、Mzn偏差が小さくなるように、換言すれば、Mzn偏差が零に近付くように、固定座標系におけるピッチ角の操作量を演算する比例積分制御器である。
また、MynPI制御器70bは、Myn偏差が小さくなるように、換言すれば、Myn偏差が零に近付くように、固定座標系におけるピッチ角の操作量を演算する比例積分制御器である。
かくして決定された第1翼16aのピッチ角の調整量及び第2翼16bのピッチ角の調整量に基づいて、第1翼ピッチ駆動機構18a及び第2翼ピッチ駆動機構18bが第1翼16a及び第2翼16bのピッチ角をそれぞれ調整する。
換言すれば、翼16(16a,16b)の根元に作用する荷重と、翼16(16a,16b)の根元以外に作用する荷重を用いてチルト角を調整することにより、ナセル12やタワー10に作用する変動荷重のうち、翼16(16a,16b)の回転数に対応する基本周波数の2倍の周波数の成分(2P成分)とともに、基本周波数の成分(1P)も低減することができる。このように、2P成分及び1P成分の両方を低減することにより、タワー10やナセル12に作用する疲労荷重を低減することができ、風力発電装置の耐久性が向上する。
また、式(2)の右辺における第3項(MmcosD,MmsinD)は、ほぼ定常とみなすことができる成分(定常成分)を表している。この定常成分は、Mmの情報、即ち翼16(16a,16b)の根元に作用する荷重の変動振幅に関する情報を含んでおり、定常成分を補償することで、ナセル12やタワー10に作用する2P成分の変動荷重成分も低減することができる。
この点、基本Mzn成分と補正用Mzn成分との差であるMzn偏差に基づいてピッチ角の調整量を決定するようにした上記構成では、翼16が2本であっても、変動荷重が有効に低減される。
ジャイロモーメントは、回転する回転軸14が傾動した場合に発生する。例えば、ヨー角の調整によりナセル12が鉛直軸の周りで回転した場合に、鉛直軸及び回転軸14と直交する軸の周りで傾動させるように回転軸14に作用する。ジャイロモーメントが発生すると、翼16(16a,16b)と回転軸14とを連結する連結部等に大きな変動荷重が加わってしまう。このような変動荷重は、連結部等の寿命を確保するために低減されることが望ましい。
従って、この構成によれば、ヨー角の調整によりジャイロモーメントが作用しても、ピッチ角を調整することにより、ジャイロモーメントに起因する変動荷重を抑制することができる。
この点、上記した幾つかの実施形態の風力発電装置では、周期変動伝達関数を用いてピッチ角の調整量を決定することにより、翼16(16a,16b)に作用する荷重が周期変動成分を含んでいても、周期変動成分を確実に小さくすることができる。
12 ナセル
14 回転軸
16 翼
16a 第1翼
16b 第2翼
18 ピッチ駆動機構
20 制御装置
22 軸受
24 増速機構
24a 油圧ポンプ
24b 油圧モータ
26 発電機
28 ハブ
30 ヨー駆動機構
31 タワー荷重センサ
32 アジマス角センサ
33 ナセル振動計
34 翼荷重センサ
34a 第1翼荷重センサ
34b 第2翼荷重センサ
36 ピッチ角センサ
36a 第1翼ピッチ角センサ
36b 第2翼ピッチ角センサ
37 風向センサ
38 ヨー角センサ
40 Mznモーメント演算部
42 Mynモーメント演算部
44 基本Mzn成分演算部
46 基本Myn成分演算部
48 補正用Mzn成分演算部
50 補正用Myn成分演算部
52 Mzn偏差演算部
54 Myn偏差演算部
56 ピッチ角調整量決定部
58 ヨー角調整量決定部
Claims (14)
- タワーと、
前記タワーによって支持されたナセルと、
前記ナセルによって水平軸に対し傾斜した状態で回転可能に支持された回転軸と、
前記回転軸に対し、前記回転軸の半径方向に沿う軸周りのピッチ角を調整可能に取り付けられた少なくとも2本の翼と、
各々の前記翼のピッチ角を調整可能なピッチ駆動機構と、
前記ピッチ駆動機構による前記ピッチ角の調整量を決定するように構成された制御装置と
を備える風量発電装置において、
前記制御装置は、
各々の前記翼に作用する荷重に基づいて前記回転軸に作用する鉛直軸周りのMznモーメントを演算するためのMznモーメント演算部と、
前記Mznモーメントから、少なくとも前記回転軸の回転数に対応する基本周波数成分と定常成分とからなる基本Mzn成分を抽出するための基本Mzn成分抽出部と、
前記回転軸に作用する前記回転軸周りのMxnモーメントの鉛直方向成分である補正用Mzn成分を演算するための補正用Mzn成分演算部と、
前記基本Mzn成分と前記補正用Mzn成分との差であるMzn偏差を演算し、前記Mzn偏差に基づいて、各々の前記翼のピッチ角の調整量を決定するためのピッチ角調整量決定部と
を有することを特徴とする風力発電装置。 - 前記ピッチ角調整量決定部は、前記Mzn偏差及び周期変動伝達関数を用いて前記ピッチ角の調整量を決定可能である
ことを特徴とする請求項1に記載の風力発電装置。 - 少なくとも2方向における前記タワーの振動を計測可能な振動計と、
前記ナセルのヨー角を調整可能なヨー駆動機構とを更に備え、
前記補正用Mzn成分演算部は、前記振動計によって計測された前記タワーの振動及び前記ナセルのヨー角に基づいて、前記補正用Mzn成分を演算可能である
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の風力発電装置。 - 少なくとも2方向における前記ナセルの振動を計測可能な振動計を更に備え、
前記補正用Mzn成分演算部は、前記振動計によって計測された前記ナセルの振動に基づいて、前記補正用Mzn成分を演算可能である
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の風力発電装置。 - 前記翼は2本の翼からなることを特徴とする請求項1乃至5の何れか一項に記載の風力発電装置。
- 前記制御装置は、
各々の前記翼に作用する荷重に基づいて前記回転軸に作用する水平軸周りのMynモーメントを演算するためのMynモーメント演算部と、
前記Mynモーメントから、少なくとも前記回転軸の回転数に対応する基本周波数成分と定常成分とからなる基本Myn成分を抽出するための基本Myn成分演算部と、
前記回転軸に作用するジャイロモーメントの水平方向成分である補正用Myn成分を演算するための補正用Myn成分演算部とを更に有し、
前記ピッチ角調整量決定部は、前記基本Myn成分と前記補正用Myn成分との差であるMyn偏差を演算し、前記Mzn偏差及び前記Myn偏差に基づいて、各々の前記翼のピッチ角の調整量を決定可能である
ことを特徴とする請求項1に記載の風力発電装置。 - 前記ピッチ角調整量決定部は、前記Mzn偏差及び前記Myn偏差の各々に周期変動伝達関数を用いて前記ピッチ角の調整量を決定可能である
ことを特徴とする請求項7に記載の風力発電装置。 - タワーと、
前記タワーによって支持されたナセルと、
前記ナセルによって水平軸に対し傾斜した状態で回転可能に支持された回転軸と、
前記回転軸に対し、前記回転軸の半径方向に沿う軸周りのピッチ角を調整可能に取り付けられた少なくとも2本の翼と、
各々の前記翼のピッチ角を調整可能なピッチ駆動機構と
を備える風量発電装置の制御方法において、
各々の前記翼に作用する荷重に基づいて前記回転軸に作用する鉛直軸周りのMznモーメントを演算するMznモーメント演算工程と、
前記Mznモーメントから、前記回転軸の回転数に対応する基本周波数成分と定常成分とからなる基本Mzn成分を抽出する基本Mzn成分抽出工程と、
前記回転軸に作用する前記回転軸周りのMxnモーメントの鉛直方向成分である補正用Mzn成分を演算する補正用Mzn成分演算工程と、
前記基本Mzn成分と前記補正用Mzn成分との差であるMzn偏差を演算し、前記Mzn偏差に基づいて、各々の前記翼のピッチ角の調整量を決定する調整量決定工程と
を備えることを特徴とする風力発電装置の制御方法。 - 前記調整量決定工程において、前記Mzn偏差及び周期変動伝達関数を用いて前記ピッチ角の調整量を決定する
ことを特徴とする請求項8に記載の風力発電装置の制御方法。 - 前記風力発電装置は、前記ナセルのヨー角を調整可能なヨー駆動機構を更に備え、
前記補正用Mzn成分演算部は、少なくとも2方向における前記タワーの振動及び前記ナセルのヨー角に基づいて、前記補正用Mzn成分を演算可能である
ことを特徴とする請求項8又は9に記載の風力発電装置の制御方法。 - 前記補正用Mzn成分演算部は、少なくとも2方向における前記ナセルの振動に基づいて、前記補正用Mzn成分を演算可能である
ことを特徴とする請求項8又は9に記載の風力発電装置の制御方法 - 各々の前記翼に作用する荷重に基づいて前記回転軸に作用する水平軸周りのMynモーメントを演算するMynモーメント演算工程と、
前記Mynモーメントから、前記回転軸の回転数に対応する基本周波数成分よりも高い周波数の高調波成分を除去し、前記基本周波数成分と定常成分とからなる基本Myn成分を抽出する基本Myn成分抽出工程と、
前記回転軸に作用するジャイロモーメントに起因して前記回転軸に作用する水平軸周りの補正用Myn成分を演算する補正用Myn成分演算工程とを更に備え、
前記調整量決定工程において、前記基本Myn成分と前記補正用Myn成分との差であるMyn偏差を演算し、前記Mzn偏差及び前記Myn偏差に基づいて、各々の前記翼のピッチ角の調整量を決定する
ことを特徴とする請求項1に記載の風力発電装置の制御方法。 - 前記調整量決定工程において、前記Mzn偏差、前記Myn偏差及び周期変動伝達関数を用いて前記ピッチ角の調整量を決定する
ことを特徴とする請求項12に記載の風力発電装置の制御方法。 - タワーと、
前記タワーによって支持されたナセルと、
前記ナセルによって水平軸に対し傾斜した状態で回転可能に支持された回転軸と、
前記回転軸に対し、前記回転軸の半径方向に沿う軸周りのピッチ角を調整可能に取り付けられた少なくとも2本の翼と、
各々の前記翼のピッチ角を調整可能なピッチ駆動機構と
を備える風量発電装置の制御装置において、
各々の前記翼に作用する荷重に基づいて前記回転軸に作用する鉛直軸周りのMznモーメントを演算するためのMznモーメント演算部と、
前記Mznモーメントから、少なくとも前記基本周波数成分と定常成分とからなる基本Mzn成分を抽出するための基本Mzn成分抽出部と、
前記回転軸に作用する前記回転軸周りのMxnモーメントの鉛直方向成分である補正用Mzn成分を演算するための補正用Mzn成分演算部と、
前記基本Mzn成分と前記補正用Mzn成分との差であるMzn偏差を演算し、前記Mzn偏差に基づいて、各々の前記翼のピッチ角の調整量を決定するためのピッチ角調整量決定部と
を備えることを特徴とする風力発電装置の制御装置。
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