JP2017044088A

JP2017044088A - 風力発電システム

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Publication number: JP2017044088A
Application number: JP2015165359A
Authority: JP
Inventors: 了仁小畑; Norihito Kobata; 啓角谷; Hiromu Kakuya
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2015-08-25
Filing date: 2015-08-25
Publication date: 2017-03-02
Anticipated expiration: 2035-08-25
Also published as: JP6581435B2

Abstract

【課題】
制御性能が高い風力発電システムを提供することを目的とする。
【解決手段】
上記課題を解決すべく、風を受けて回転する複数のブレード１０１と、ブレード１０１毎に設けられ、ブレード１０１のピッチ角を調節する複数のピッチアクチュエータ１０７と、ピッチアクチュエータ１０７に送るピッチ角指令値を演算するピッチ角制御装置１０８とを備え、ピッチ角制御装置１０８は、各ブレード１０１間のピッチ角の動特性のばらつきが小さくなるように、各ブレード１０１のピッチ角指令値を調整することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、風力発電システムに関するものであり、特に複数ブレードを有する風力発電システムのピッチ動特性に関する。

従来、風力発電システムは、風を受けて回転する複数のブレードと、各ブレードのピッチ角を変更するためのピッチアクチュエータを有しており、風速等に基づいて各ピッチ角を変更するピッチ角制御が一般的に行われている。ブレードのピッチ角を変化させると、風力エネルギーにより回転トルクに変換する際の変換効率を変化させることができる。この風力からトルクへの変換効率が最も高いピッチ角を、ファインと呼び、最も変換効率の低いピッチ角をフェザーと呼んでいる。ブレードのピッチ角毎の空力性能は、ブレードへ流入する相対風速とブレードを構成する翼素の幾何形状で決定されるため、ピッチ角を変更することで風から取得するエネルギー量を調整し、風力発電システムの回転速度、発電出力、荷重等を制御することができる。

一方、風力発電システムは、複雑に変化する環境下で長時間（通常２０年間程度）使用されるため、ピッチ角を変更するピッチアクチュエータ等の駆動機器の動特性が、経年劣化や故障等の要因により変化する可能性がある。そして風から取得するエネルギー量を調節するピッチ角の動特性の変化は、上述の風車発電システム全体の制御性能を劣化させ、出力変動や荷重変動を増大させる問題があった。

このような問題に対し、特許文献１には、風速に応じて決定される複数の領域別に、風車の動特性モデルを同定する同定部と、前記同定部によって同定された動特性モデルを前記領域毎に監視する監視部とを具備する風車の動特性監視装置、が開示されている。さらに、前記監視部は、前記運転領域毎に、前記同定部によって同定された動特性モデルにおける所定の動特性パラメータの時系列変化を監視し、該動特性パラメータの時系列変化に基づいて風車の制御パラメータの調整が必要であるか否かを判断する風車の動特性監視装置、が開示されている。この発明によれば、経年変化等が発生した場合にも、該動特性パラメータの時系列変化に基づいて風車の制御パラメータの調整することが可能となり、制御性能を維持することができる。

ＷＯ２００９／１５３８６６

風力発電システムは、ピッチ角の動特性に時系列の変化が生じた際にも、変化が軽微な場合などでは風力発電システムが発電運転を続ける場合がある。その際にも出力変動や荷重変動を抑制し得る制御性能を確保するための対策を行っておくことが好ましい。

ここで、複数ブレードを有する風力発電システムにおいては、出力変動や荷重変動等を抑制するために、各ブレード毎にピッチアクチュエータを備え、ピッチ角をそれぞれ個別に制御する独立ピッチ制御技術が知られている。具体的には、例えば、風力発電システムへ流入する風速は、地表の影響による鉛直方向の速度差（以下、ウインドシア特性と記す）や、ブレードを所定高に支持するためのタワーの影響（以下、タワーシャドウ特性と記す）により、ブレードの回転面内で風速分布が一様ではないため、ブレードの回転角（以下、アジマス角と記す）毎に各ブレードのピッチ角を変化させる技術が知られている。

このウインドシア特性やタワーシャドウ特性に対する独立ピッチ制御は、時々刻々と変化するアジマス角に対して、ピッチ角を目標の角度へ変化させる必要があるため、ピッチ角速度やピッチ角加速度等のピッチ角動特性が制御性能向上には重要となる。この点、上記特許文献１では、ピッチ角等の動特性パラメータの時系列変化に基づいて風車の制御パラメータの調整することは記載されているが、単一の風車における複数のブレード間のピッチ角動特性に着目したものではなく、更なる制御性能向上の余地が認められる。そこで、本発明では、制御性能が高い風力発電システムを提供することを目的とする。

上記問題を解決するために、本発明の風力発電システムは、風を受けて回転する複数のブレードと、前記ブレード毎に設けられ、前記ブレードのピッチ角を調節する複数のピッチアクチュエータと、前記ピッチアクチュエータに送るピッチ角指令値を演算するピッチ角制御装置とを備え、前記ピッチ角制御装置は、前記各ブレード間のピッチ角の動特性のばらつきが小さくなるように、各前記ブレードのピッチ角指令値を調整することを特徴とする。

本発明によれば、制御性能が高い風力発電システムを提供することが可能になる。

本発明の一実施形態に係る風力発電システム１００の概略構成を示す斜視図である。本発明の実施例１の風力発電システム１００のコントローラ１０８に実装されるピッチ角制御の概要を示すブロック線図である。本発明の実施例１の風力発電システム１００のピッチ角補正量２０６を決定する手順を示したフローチャートである。本発明の実施例１におけるピッチ角動特性検出手段２０２が動特性を検出するために用いる基本信号の一例と、それに対する各ピッチ角の応答の例を示す図である。本発明の実施例２の風力発電システム１００のコントローラ５００に実装されるピッチ角制御の概要を示すブロック線図である。本発明の実施例２に係る風力発電システム１００のアジマス角を説明するための図である。本発明の実施例２において、各ブレードを略同一のアジマス角へ配置し、ピッチ角動特性の検出を行う手順を表すフローチャートを示している。本発明の実施例２の風力発電システム１００に流入する風速のタワーシャドウ特性を示した図である。本発明の実施例３の風力発電システム１００のコントローラ９００に実装されるピッチ角制御の概要を示すブロック線図である。本発明の実施例３において、各ブレードを略同一のアジマス角へ配置し、ピッチ角動特性の検出を行う手順を表すフローチャートを示している。本発明の実施例３において、ブレード１０１ａが、アジマス角が０degの位置に配置されている状態を示した図である。本発明の実施例４において、各ブレードのアジマス角に対する基本ピッチ角指令値を示した図である。本発明の実施例４において、各ブレードのピッチ角応答の時系列データを示す図である。本発明の実施例４において、各ブレードのアジマス角に対するピッチ角の平均プロファイルを示す図である。

複数のブレードを有する風力発電システムにおいては、ブレードの回転面内で平均的な空力荷重のバランスを取るためには、アジマス角に対するピッチ角やピッチ角速度、ピッチ角加速度などに代表されるピッチ角動特性が、各ブレード間で略一致していることが望ましい。そして、ピッチ角の動特性に時系列の変化が生じた際に、出力変動や荷重変動を抑制するためには、各ブレード間のピッチ角動特性のばらつきを、小さくするように調整することが制御性能を向上させる上で好ましい。

以下説明する各実施例によれば、各ブレード間のピッチ角動特性にばらつきが発生した際にも、制御性能を向上させることができる。それにより、ブレード回転面内の荷重アンバランスを抑制でき、例えば風力発電システム構成部品に生じる疲労荷重を軽減することも可能になる。

以下、図面を用いて、本発明の実施形態について具体的に説明する。尚、下記はあくまでも実施例であって、本発明の実施態様が下記実施例に限定されることを意図するものではない。

（全体構成）
まず、図１を用いて、本願に係る風力発電システムの第１の実施形態の全体構成を説明する。

図１は、第１の実施形態の風車１００の概略構成を示す。本実施形態の風車１００は、ロータ１０３と、ナセル１０４、タワー１０５を主に備える。タワー１０５はナセル１０４を回転可能に支持し、ナセル１０４とロータ１０３の荷重を支持する。タワー１０５により、ブレード１０１は所定の高さに支持される。ロータ１０３は、３枚のブレード１０１ａ〜１０１ｃと各ブレードを接続支持するハブ１０２から構成される。ブレードが風を受けることにより、ロータ１０３が回転し、発電機１０６を回転させることにより、風エネルギーから電力を生成することができる。

ブレード１０１ａ〜１０１ｃはブレードとハブ１０２の位置関係、すなわちピッチ角と呼ぶブレードの角度を変更可能なピッチアクチュエータ１０７ａ〜１０７ｃ（図１には１０７ａのみ図示する）をそれぞれ備えている。このようにピッチアクチュエータをブレード毎に有しているため、各ブレードのピッチ角を個別に変化させることができる。即ち独立ピッチ制御が可能である。ピッチアクチュエータ１０７は、具体的には、例えば電動モータと歯車を組み合わせたものや油圧シリンダとリンク機構によるもので実現される。ピッチアクチュエータはピッチ角制御装置として働くコントローラからのピッチ角指令値に基づいてブレードのピッチ角を変化させる。

なお、ブレードやピッチアクチュエータはそれぞれ個別のものを区別しないときは、１０１、１０７と記載し、指定する時のみ、１０１ａ、１０７ａというようにアルファベットを用いて区別する。また、後述するピッチ角指令値等も同じく区別するときのみアルファベットを符号の末尾につける事により区別する。

ピッチアクチュエータ１０７を用いてブレード１０１のピッチ角度を変更することにより、風から取得するエネルギー量を変更できる。これにより、広い風速領域においてロータ１０３の回転速度を制御しながら、風車１００の発電電力及び荷重を制御することができる。また、ピッチ角を個別に変化させることが可能となるため、ウインドシア特性やタワーシャドウ特性による荷重を低減することができる。

また風力発電システム１００は、コントローラ１０８を備えている。コントローラ１０８は、風速や発電機回転速度、出力等をそれぞれ計測するセンサ（図では省略）の出力に基づき、発電機１０６とピッチアクチュエータ１０７を調節することで風力発電システムの回転速度、出力、荷重等を制御する。即ち、ピッチ角制御装置として機能する。

図１ではコントローラ１０８はナセル１０４またはタワー１０５の外部に設置される形態にて図示されているが、これだけに限ったものではなく、ナセル１０４の内部またはタワー１０５の内部またはそれ以外の所定位置、或いは風車１００の外部に設置される形態であっても良い。また図１では風力発電システム１００に対して、一つのコントローラ１０８を示しているが、一つのコントローラで複数の風力発電システムを制御しても良い。

以上の構成に置いて、図２から図４を用いて、コントローラ１０８のうち、本発明の実施例１に係る風力発電システム１００のピッチ角制御部分について説明する。

図２は、本発明の実施例１における風力発電システム１００のコントローラ１０８に実装されるピッチ角制御部分の処理概要を示すブロック線図である。コントローラ１０８は、
基本ピッチ角指令値演算手段２０１、ピッチ角動特性検出手段２０２、ピッチ角特性調整手段２０３、加算部２０４を有する。

基本ピッチ角指令値演算手段２０１は、発電出力、発電機回転速度又は風車構成部品の荷重等の現在の制御量と、設定目標値が一致するように、各ブレードのピッチ角の共通の指令値である基本ピッチ角指令値２０５を演算する。演算は例えば、公知のＰＩＤ制御等により実現することができる。

ピッチ角動特性検出手段２０２は、各ブレードのピッチ角動特性をそれぞれ検出する。そして検出した各ブレードのピッチ角動特性を、ピッチ角動特性調整手段２０３へ出力する。なお、図２では、各ブレードそれぞれに対するピッチ角動特性検出手段を設けているが、共通のピッチ角動特性検出手段を用いて、各ブレードのピッチ角動特性を検出しても良い。

ピッチ角動特性調整手段２０３は、ピッチ角動特性検出手段２０２が検出した各ブレードのピッチ角動特性を比較し、各ブレード間のピッチ角動特性のばらつきを把握する。そしてばらつきが小さくなるように、各ブレードに対するピッチ角指令値を修正するピッチ角補正値２０６を演算し、加算部２０４へ出力する。

加算部２０４は、ピッチ角補正値２０６を基本ピッチ角指令値２０５に加算（もしくは減算）することにより、最終的な個別のピッチ角指令値２０７を演算する。各ピッチ角指令値２０７は、ピッチ角を変化させる為のピッチアクチュエータ１０７へ出力し、ピッチアクチュエータ１０７は、ピッチ角指令値２０７に基づき、ピッチ角を変化させる。

図３は、ピッチ角動特性検出手段２０２により各ブレードのピッチ角動特性を検出し、その動特性に基づいてピッチ角動特性調整手段２０３がピッチ角補正値２０６を決定する手順を示したフローチャートであり、ステップＳ３０１〜Ｓ３０７の７つのステップから成る。

図４は、横軸に時間、縦軸にピッチ角を取ったピッチ角の時系列変化のグラフを示しており、ピッチ角動特性検出手段２０２が動特性を検出するために用いる基本信号の一例と、それに対する各ピッチ角の応答の例を示す図である。

図３に示すように、ピッチ角動特性検出手段２０２は、ピッチ角動特性を取得するためにまずステップＳ３０１にて、各ブレードのピッチアクチュエータ１０７へ基本信号を入力し、それに対する応答をステップＳ３０２により測定することにより、各ブレードのピッチ角の動特性を検出する。動特性の例としては、具体的にはアジマス角に対するピッチ角、ピッチ角速度またはピッチ角加速度等が該当する。

基本信号の例として、例えば、図４のＴ１において４０１に示すようなステップ状のピッチ角目標値を与える。そして、図４は、基本信号４０１に対する、１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃの各ブレードの応答の例として図４の４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃを示す。これらの応答の計測はピッチ角を計測するためのピッチ角エンコーダー等のセンサを用いて計測することができる。

次に、計測した各ピッチ角の動特性を、図３のステップＳ３０３にて比較することにより、各ブレード間のピッチ角動特性のばらつきを調べる。そして、ステップＳ３０４では、ピッチ角動特性のばらつきを小さくするように、ピッチ角指令値の補正量２０６を決定する。この補正量２０６を用いて、ステップＳ３０５、ステップＳ３０６において再度、基本信号の入力と動特性の検出を行い、Ｓ３０７で各ブレード間のピッチ角動特性のばらつきの低減を確認する。ばらつきが低減できない場合は、ステップＳ３０３へ戻り、ステップＳ３０４におけるピッチ角指令値の補正量の決定方法等を変更し、最終的にばらつきが低減する補正量２０６を決定する。そして、この補正量２０６を用いて、基本ピッチ角指令値２０５を補正することにより、各ブレード間のピッチ角動特性のばらつきを小さくすることができる。

ここで、更に各ブレード間のピッチ角動特性のばらつきを小さくする際に、基準となるピッチ角動特性の選択方法について述べる。

本実施例では、３枚のブレードを有しているため、３枚のうちの何れかのピッチ角動特性に他の２つのピッチ角動特性を合わせる事により、各ブレード間のピッチ角動特性のばらつきを小さくしても良い。これによりピッチ角動特性調整手段２０３での演算量が減少し、調整がさらに容易になる。

さらに３枚のブレードのピッチ角動特性のうち、ピッチ角動特性が最も鈍いものに、他の２つの動特性を一致させてもよい。ここで、「ピッチ角動特性が最も鈍い」というのは、例えば、動特性を検出する際の基本信号に対する応答が最も悪いことを含む。更に具体的に、「ピッチ角動特性が最も鈍い」ことを、ピッチ角動特性を表す物理量の大小にて判断することもできる。図４の基本信号に対して、例えば動特性を表す物理量としてピッチ角速度を用いると、基本信号に対する応答のうち、ピッチ角速度が最も小さい４０２ｃの応答、すなわちブレード１０１ｃのピッチ角動特性が「最も鈍い」ものとなる。

動特性検出時において、各ブレードのピッチ角動特性の中で最も鈍くなったものは、その要因がピッチアクチュエータ等の駆動装置の機械的な劣化や故障である場合、ピッチ角動特性を「良く」（ここでの「良い」は「鈍い」の反意語である）することは通常困難である。この点から、ピッチ角動特性のうち、ピッチ角動特性が最も鈍いものに、他の２つの動特性を一致させることにより、効率的に各ブレード間のピッチ角の動特性を小さくできる。

また、各ブレードのピッチ角の動特性を表す物理量を比較し、この物理量が最大または最小であるブレードのピッチ角と他のブレードのピッチ角の物理量の差が小さくなるように、他のブレードのピッチ角指令値を調整してもよい。

これにより、例えば動特性を表す物理量が大きい方がより動特性が鈍い場合にも対応できる。さらに経年によってピッチ角動特性が「良い」方向へ変化する場合 (例えば、ブレード構成部材の破損等により質量が減少し、ピッチ角速度が大きくなる等)、にも対応することができる。

各ブレードのピッチ角の動特性を表す物理量の平均値を算出し、この平均値と自身に関する物理量の差が最も小さいブレードのピッチ角と、他のブレードのピッチ角の前記物理量の差が小さくなるように、他のブレードのピッチ角指令値を調整してもよい。

上記で用いた基本信号は、基本信号自体を変更しても良い。さらに、基本信号の種類や特性によって、ピッチ角動特性を検出するために用いる応答を指定しても良い。また、ピッチ角の変化開始位置である現在ピッチ角θsと、目標ピッチ角θeの差が大きい時と小さい時でピッチ角の応答を参照する箇所を変えても良い。これは例えば図４の４０２ａの特性に注目すると、ピッチ角がθsからθ１へ変化する間に注目すると、ピッチ角速度が加速しており、ピッチ角がθ１からθ２へ変化する際には、ピッチ角速度が比較的一定であり、ピッチ角がθ２からθｅへ変化する際は、ピッチ角速度が減速している。このように、注目する所定のピッチ角間を変化させることで、異なる物理量の特性を把握することができ、一つの基本信号に対して、複数の動特性を検出することができる。そして各ブレード間のピッチ角動特性のばらつきを精度よく把握することができる。

ピッチ角の変化量（移動距離）が大きい時は、図４に示すθ１〜θ２の間が長く、上述の加減速の領域（θｓからθ１、θ２〜θｅ）に注目することを予め決めておくことで、より簡素にピッチ角動特性を把握することができる。「ピッチ角の変化量が大きい時」とは、具体的にはピッチ角がフルファインやフルフェザーから変化する時である。

上述の、基準となるピッチ角動特性の選択方法は、一度目のばらつき補正でばらつきが低減しないとステップＳ３０７で判定され、ステップＳ３０４へ戻ってきた際に、選択方法を変更してもよい。これにより、ピッチ角動特性の変化の状態やその要因に応じて、各ブレード間のピッチ角動特性のばらつきを小さくする事ができる。

次に、図５から図８を用いて、本発明の実施例２に係る風力発電システム１００について説明する。

図５は、実施例２におけるコントローラ５００を示している。コントローラ５００は、実施例１のコントローラ１０８に、更にアジマス角検出手段５０１を追加したものである。また、更に記録媒体等で構成されるピッチ角動特性記憶手段５０２を備える。その他の構成は同様のため説明を省略する。

ここで、アジマス角とはブレードの回転角を意味し、図６に示すようにブレードと風力発電システムの鉛直方向（図中ｚ方向）の間の角度を意味する。また本実施例では、同図のようにブレードが最上部に達した時のアジマス角φは０degとし、ブレードが最下部に達した時のアジマス角φは１８０degとする。

実施例２では、アジマス角検出手段５０１が各ブレードのアジマス角をそれぞれ検出し、ピッチ角動特性検出手段２０２へ出力する。アジマス角の検出は、具体的には、例えば回転軸にロータリーエンコーダーを設け、その出力により検出することができる。そして、ピッチ角動特性検出手段２０２は、各ブレードを略同一のアジマス角へ配置し、各ブレードのピッチ角動特性の検出を行う。各ブレードを所望のアジマス角へ配置するためには、具体的には、風のエネルギーをピッチ角により制御することにより可能となる。またブレードを所望のアジマス角で固定するには、回転軸にブレーキ等を設ける事により、可能となる。

また、ピッチ角動特性記憶手段５０２は、各ブレードについて、同時点及び／又は異なる時点に置いて取得した複数のピッチ角動特性を記憶しておくことができる。

図７には、実施例２において、コントローラ５００が、各ブレードを順次所定のアジマス角へ配置し、各ブレードのピッチ角動特性の検出を行う手順を表すフローチャートを示している。

ここで図７に従ってピッチ角動特性の検出の手順を説明する。まずステップＳ７０１において、各ブレードのピッチ角動特性の検出を行うアジマス角φiを決定する。次に、ステップＳ７０２で、アジマス角φiへブレード１０１ａを配置する。ステップＳ７０３では、アジマス角φiにブレード１０１ａを配置した状態で、前述の基本信号の入力により各ブレードのピッチ角動特性の検出を行う。同様に、ステップＳ７０４では、ブレード１０１ｂをアジマス角φiへ配置し、ステップＳ７０５にて各ブレードのピッチ角動特性の検出を行う。最後にステップＳ７０６にて、ブレード１０１ｃをアジマス角φiへ配置し、ステップＳ７０７にて、各ブレードのピッチ角動特性の検出を行う。そして、検出されたピッチ角動特性は、ピッチ角動特性記憶手段５０２により記憶され、記憶されたピッチ角動特性をピッチ角動特性調整手段２０３が、比較することにより、ピッチ角補正値２０６を演算する。

なお上述の「アジマス角φiへ配置する」という表現は、ブレードを厳密にアジマス角φiへ配置することを意味するものではなく、あくまでアジマス角φiと略一致しておればよく、アジマス角φi周辺の所定の角度範囲に入っていれば良い。

実施例２では、ピッチ角動特性の検出を行うアジマス角を指定することにより、同じブレードの動特性検出を複数回行う際にも、各検出毎で重力等によりブレードに生じる荷重が略同一となり、重力の影響によるピッチ角動特性の検出誤差を減ずることができる。さらに、３枚の各ブレードをそれぞれ略同一のアジマス角φiへ配置して各ブレードのピッチ角動特性の検出を行うため、各ブレード間のピッチ角動特性検出時の重力の影響による検出誤差を減ずることができる。これにより、より高精度に各ブレード間のピッチ角動特性のばらつきを把握することができる。

ここで図８を用いて、更に、動特性を検出するアジマス角φiの選択方法について述べる。

図８は、図６に示すＡ−Ａ’のｚ軸と直交する平面の断面図を示した図である。図８(ａ)には、タワーの風上側に、ピッチ角動特性の検出対象であるブレードを配置した場合、図８（ｂ）には、タワーの風下側に、ピッチ角動特性の検出対象であるブレードを配置した場合の、ブレードに流入する風速分布、すなわち前述のタワーシャドウ特性を示す概略図である。この時、図８に示しているブレード１０１は、アジマス角φが略１８０degの位置にある。図中の白抜き矢印は風向を、黒矢印は図中８０１ａ、８０１ｂで示す鉛直方向断面の風速分布を表している。

図８によれば、タワー１０５の影響によるタワーシャドウ特性から、アジマス角が略１８０degの位置にある場合、図８の（ａ）、（ｂ）どちらの場合においても、その他のアジマス角にブレードが配置されているときよりも、ブレードへ流入する風速が小さくなる。したがって検出対象のブレード１０１が、風向き方向でタワー１０５と重なる際（すなわち、アジマス角が略１８０degに位置しているとき）に、ピッチ角動特性を検出することにより、ピッチ角動特性検出時の風速の影響を特に抑える事ができる。さらに、図８（ｂ）に示すように、タワー１０５の風下側にブレード１０１を配置すると、タワー１０５の死水域にブレード１０１が位置することとなり、更に風速の影響を抑制することができる。そして図７のステップＳ７０１において、動特性を検出するアジマス角φiを、１８０degでかつタワー１０５の風下側に位置することで、更に風速の影響を抑制することができ、さらに高精度に各ブレード間のピッチ角動特性のばらつきを把握することができる。
また、本実施例の風力発電システムは、３枚のブレードを有しており、各ブレードはロータ１０３面内で等間隔に配置している。そのため、図７の手順でピッチ角動特性を検出すると、３枚の各ブレードそれぞれについて、３枚の各ブレードがいずれもφiになった時に検出するため、アジマス角φi、φi＋１２０deg、φi＋２４０degの３か所でのピッチ角動特性を取得することができる。より一般に、ブレード枚数をＮ枚とすると、３６０÷Ｎ degごとに、ブレードをＮ回移動させて動特性を検出すると、各ブレードが互いに同じ位置でピッチ角動特性を検出することができる。

そして、コントローラ５００が、ピッチ角動特性記憶手段５０２を備えているため、取得した複数のピッチ角動特性を記憶することができる。またピッチ角動特性調整手段２０３は、複数のピッチ角動特性により、一層正確に各ブレード間のピッチ角動特性のばらつきを把握することができる。

実施例２に示すピッチ角動特性の検出方法は、ブレード１０１をある所定のアジマス角に固定して実施するため、風力発電システム１００はピッチ角動特性検出時に発電運転を停止しなければならない。ただし、風力発電システムは、常時稼働しているわけではなく、風況等に応じて、発電運転を行わずに待機している時間がある。したがって、実施例２に記載のピッチ角動特性検出方法は、風況等の要因により発電運転を行っていない時に、ピッチ角動特性の検出を行うことが考えられる。これにより、ピッチ角動特性を検出するために発電運転を停止することなく、発電量を低下することなく、ピッチ角動特性を検出することができる。

次に、図９から図１１を用いて、本発明の実施例３に係る風力発電システム１００について説明する。

図９には、実施例３のコントローラ９００を示している。コントローラ９００は、実施例２におけるコントローラ５００に、更に風速検出手段９０１を追加している。その他の構成は同様のため説明を省略する。

風速検出手段９０１は、風力発電システムへ流入する風速を推定することができる。具体的な例としては、レーザードップラー風速計等により、風速を推定することができる。ここで風速検出手段９０１は、コントローラ９００の一部として記載しているが、これに限ったものではなく、例えば、他の風力発電システムに搭載された風速計により風速を推定しても良い。

図１０には、実施例３において、コントローラ９００が、各ブレードを略同一のアジマス角へ配置し、さらに風速検出手段９０１が検出した風速がある風速範囲（Ｖa＜Ｖｉ＜Ｖｂ）にあるときに、各ブレードのピッチ角動特性の検出を行う手順を表すフローチャートを示している。

ここで図１０に従って、実施例３におけるピッチ角動特性の検出の手順を説明する。まずステップＳ１００１において、各ブレードのピッチ角動特性の検出を行うアジマス角φiを決定する。次に、ステップＳ１００２で、アジマス角φiへブレード１０１ａを配置する。次に、ステップＳ１００３では、風速検出手段９０１が検出する風速Ｖｉがある風速範囲（Ｖa＜Ｖｉ＜Ｖｂ）にあるかどうかを判断する。そして、Ｖa＜Ｖｉ＜Ｖｂの条件を満たした場合に、ピッチ角動特性検出手段２０２は、各ブレードのピッチ角動特性を取得する。同様の動作を、ステップＳ１００５ではブレード１０１ｂをアジマス角φiへ配置し、ステップＳ１００８ではブレード１０１ｃをアジマス角φiへ配置し、ピッチ角動特性の検出を行う。そして、検出されたピッチ角動特性は、ピッチ角動特性記憶手段５０２により記憶され、記憶されたピッチ角動特性をピッチ角動特性調整手段２０３が比較することにより、ピッチ角補正値２０６を演算する。

図１１は、上述の手順のうち、ステップＳ１００１にて動特性を検出するアジマス角φiをφi=０degと決定し、ブレード１０１ａが、アジマス角φi=０degに配置されている状態を示している。

本実施例では、風速検出手段９０１を有し、風速検出手段９０１が検出した風速が、ある風速範囲の条件を満たした際に、ピッチ角動特性を検出するため、所定の風速範囲においてブレードが空力荷重を受けている状態においてピッチ角動特性を検出することができる。これにより、ピッチ角動特性をより現実の制御使用時に近い状態で検出することができる。さらに、図１１に示すように、動特性を検出するアジマス角φiを０degとしているため、各ブレードは、ピッチ角動特性の検出時に風の影響を大きく受ける位置に積極的に配置されている。本実施例では風速検出手段９０１を有しており、ブレードがより風の影響を受けて、風速に応じて空力荷重が発生するアジマス角へブレードを配置しているので、風速に対するピッチ角動特性の検出精度を向上することができる。

また風速検出手段９０１を有しているため、上述とは逆に、風が弱く、無風に近いタイミングで各ブレードのピッチ角動特性を検出することにより、風の影響を小さくしてピッチ角動特性を検出することも可能となる。

次に、図１２から図１４を用いて、本発明の実施例４に係る風力発電システム１００について説明する。

実施例１から実施例３では、風力発電システム１００の発電運転が停止しているときに各ブレードのピッチ角動特性を検出することに焦点を当てたが、本実施例では、風力発電システム１００が発電運転している最中にピッチ角動特性を検出することを考える。

上述の実施例１乃至３の風力発電システム１００において、本実施例では、基本ピッチ角指令値演算手段２０１が、例えば、ウインドシア特性等の特性を考慮して、図１２に示すようなアジマス角に対する基本ピッチ角指令値２０５を各ブレードのピッチ角指令値２０７として出力する。そして、この基本ピッチ角指令値を所定の時間において変化させずに出力する。

図１３には、図１２に対応するピッチ角指令値２０７の各ブレードピッチ角の時系列の応答の一例を示す。各ブレードのピッチ角指令値が、任意の時刻で同じになる様に固定しているため、各ブレードのピッチ角の時系列の変化は、各ブレードが放射上に取り付けられている間の角度分だけ（本実施例ではブレードは３枚であるから１２０degとなる）位相差を持つ形で、略同じ波形となる。これらの波形が完全に同じ波形とならないのは、各ブレードピッチ角動特性のばらつきに起因する。

そこで、図１３に示すような、各ブレードのピッチ角の時系列の変化を所定の時間観測し、この時系列データを用いて、アジマス角に対するピッチ角の平均プロファイルを求める。図１４に、各ブレードのアジマス角に対するピッチ角の平均プロファイルの一例を示す。この各ブレードのアジマス角に対するピッチ角の平均プロファイルのばらつきは、各ブレード間のピッチ角動特性のばらつきに相当するものであるから、これらのプロファイルを取得することで、風力発電システム１００が発電運転を行っている最中においても、各ブレード間のピッチ角動特性のばらつきを検出し、上述のピッチ角動特性調整手段により、ばらつきを小さくすることができる。

１００：風力発電装置
１０１：ブレード
１０２：ハブ
１０３：ロータ
１０４：ナセル
１０５：タワー
１０６：発電機
１０７：ピッチアクチュエータ
１０８：コントローラ
２０１：基本ピッチ角指令値演算手段
２０２：ピッチ角動特性検出手段
２０３：ピッチ角動特性調整手段
２０４：加算部
２０５：基本ピッチ角指令値
２０６：ピッチ角補正値
２０７：ピッチ角指令値

Claims

風を受けて回転する複数のブレードと、
前記ブレード毎に設けられ、前記ブレードのピッチ角を調節する複数のピッチアクチュエータと、
前記ピッチアクチュエータに送るピッチ角指令値を演算するピッチ角制御装置とを備え、
前記ピッチ角制御装置は、前記各ブレード間のピッチ角の動特性のばらつきが小さくなるように、各前記ブレードのピッチ角指令値を調整することを特徴とする風力発電システム。
請求項１に記載の風力発電システムであって、前記ピッチ角制御装置は、動特性が最も鈍いブレードのピッチ角と他のブレードのピッチ角の動特性の差が小さくなるように、前記他のブレードのピッチ角指令値を調整することを特徴とする風力発電システム。
請求項１に記載の風力発電システムであって、
前記ピッチ角制御装置は、前記各ブレードのピッチ角の動特性を表す物理量を比較し、前記物理量が最大または最小であるブレードのピッチ角と他のブレードのピッチ角の前記物理量の差が小さくなるように、前記他のブレードのピッチ角指令値を調整することを特徴とする風力発電システム。
請求項１に記載の風力発電システムであって、前記ピッチ角制御装置は、前記各ブレードのピッチ角の動特性を表す物理量の平均値を算出し、前記平均値と前記物理量の差が最も小さいブレードのピッチ角と、他のブレードのピッチ角の前記物理量の差が小さくなるように、前記他のブレードのピッチ角指令値を調整することを特徴とする風力発電システム。
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の風力発電システムであって、
前記動特性は、アジマス角に対するピッチ角、ピッチ角速度またはピッチ角加速度のいずれかであることを特徴とする風力発電システム
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の風力発電システムであって、
前記ピッチ角制御装置は、検出対象の前記ブレードが所定のアジマス角に位置しているときに前記動特性を検出することを特徴とする風力発電システム。
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の風力発電システムであって、
前記ブレードを所定の高さに支持するタワーを備えており、
前記ピッチ角制御装置は、検出対象のブレードが風向き方向で前記タワーと重なる際に前記動特性を検出することを特徴とする風力発電システム。
請求項７に記載の風力発電システムであって、
前記ピッチ角制御装置は、検出対象の前記ブレードが前記タワーの風下側に位置しているときに前記動特性を検出することを特徴とする風力発電システム。
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の風力発電システムであって、
前記ピッチ角制御装置は、前記各ブレードが所定のアジマス角の範囲内に位置しているときに前記動特性を検出することを特徴とする風力発電システム。
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の風力発電システムであって、
前記ピッチ角制御装置は、前記ブレードのピッチ角が所定の角度間を変化するときに前記動特性を検出することを特徴とする風力発電システム。
請求項１０に記載の風力発電システムであって、
前記ピッチ角制御装置は、前記ブレードのピッチ角がフルフェザーからファイン方向、又は／及びフルファインからフェザー方向の位置へ変化するときに、所定の角度間における前記動特性を検出することを特徴とする風力発電システム。
請求項１に記載の風力発電システムであって、
前記ピッチ角制御装置は前記動特性として、前記各ブレードのアジマス角に対するピッチ角の平均プロファイルを取得し、前記ブレード間の前記平均プロファイルのばらつきが小さくなるように、各前記ブレードのピッチ角指令値を調整することを特徴とする風力発電システム。
請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の風力発電システムであって、前記ピッチ角制御装置は、風速が所定の範囲にあるときに前記動特性を検出することを特徴とする風力発電システム。