JP2017089575A - 風力発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成で高精度な計測が実現可能な風力発電システムを提供する。【解決手段】上記課題を解決するべく、風を受けて回転するブレードを有するロータを備え、ロータの回転エネルギーを用いて発電する風車１０１と、風向または風速に依存して変化すると共に風向または風速以外の測定値から決定された風車の制御値２０３と風車における風向または風速を検出する風情報計測器２１１で求めた風向または風速から決定した比較値とを比較する演算装置を備え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、特に制御値と計測した風況情報との比較を行うものである。

風力発電装置の制御に用いる情報として、風車のローター面での風速値や風向値を把握する手段としては、実際にローターブレードに直接風速計や風向計を設置して実測する(特許文献1)の手法がある。あるいは、光の散乱を用いて風車の風上での風速分布を計測する手法(特許文献２)や、ドップラーレーダを用いるもの(特許文献３)などがある。

特開2014-47742号公報 特開2013-177885号公報 特開2002-152975号公報

特許文献1では、回転するブレードの先端付近に風速風向センサを設置するため、装置のコストの上昇や耐久性への考慮が課題となる。加えて、周囲環境の風速と比較し格段に大きい、回転するブレードの速度ベクトル分を適切に補正する必要がある。特許文献２及び３においては、風の速度ベクトルの空間分布を求めるLidar(LIght Detection and Ranging)やRadar(RAdio Detection and Ranging)の装置のコストや周囲環境へ漏えいする光や電磁波等に対する考慮が必要となる。いずれの計測手段においても計測の為に付加する機器を簡素にしつつ、高精度に計測する上では必ずしも充分ではない。本発明では、簡素な構成で高精度な計測が実現可能な風力発電システ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、本発明に係る風力発電システムでは、風を受けて回転するブレードを有するロータを備え、前記ロータの回転エネルギーを用いて発電する風車と、風向または風速に依存して変化すると共に風向または風速以外の測定値から決定された前記風車の制御値と前記風車における風向または風速を検出する風情報計測器で求めた風向または風速から決定した比較値とを比較する演算装置を備えることを特徴とする。

本発明によれば、簡素な構成で高精度な計測が実現可能な風力発電システムを提供することが可能になる。

複数の方式による同一の制御値算出の概要を示す図 複数の方式によりピッチ角を算出しその偏差をとる方式の概要を示す図 風速計による風速値と風車制御によるピッチ角(ピッチ角A)との相関 風速計による風速値からのピッチ角推定の例 ピッチ角Aとピッチ角Bとの偏差とYawエラーとの相関 風車保護への適用例 風向計によるYawエラー過大保護動作との比較 ピッチ角Aとピッチ角Bとの偏差を風車制御に用いる例 Yawエラー過大判定の改良例 乱流の程度による閾値の変更 浮体の並進・回転の補正 風車全体図

以下、本発明を実施する上で好適な実施例について図面を用いて説明する。

[各種測定値・制御値の関係]
風車の動作において計測される各種測定値もしくは制御値は、それぞれ独立ではなく、互いに相関を保ちながら動作している。これは、適切な制御を実現するために必要であり、かつそれらの測定値や制御値が風車の動作を決定する主要な入力である風速の変動を起因に、関連を保ちつつ変化するためである。

よって、風向または風速に依存して変化すると共に風情報を計測する機器である風向計または風速計以外の測定値から決定された風車の制御値と、風向計や風速計などのセンサによる測定値は、平時には関連性を保ちつつ変動する。一方、入力の条件によっては、上記関連性が崩れる場合がある。この関連性の崩れの程度を用いると、風車の状態に関する新たな指標を得ることができる。本実施例では、こうした関連性に着目している。

[制御値と制御値の推定値の関係]
図1は、複数の方式により、同一の風車制御値を算出する手順の概要を示す図である。また図12には風車101全体図を示している。風車101は、風の入力を受けることで回転するブレード1及びブレード1と共に回転し、ブレード1の中心に配置されるハブ2を有するロータと、ロータの回転エネルギーを用いて発電する発電機を有している。発電機に関しては、図示を省略しているが、タワー4に対して略水平面内に回転可能に設けられると共に、ブレードを回転可能に軸支するナセル3内に例えば配置される。ナセル3とタワー4との間にはタワー4に対するナセル3の回転を行うヨーアクチュエータが設けられている。この時の風車や連結される発電機の動作は、風車本体のピッチ制御102によりピッチ角やロータ回転数発電機トルク等がおよその関連性を保った状態で、風速の増減に従い変動する。風車制御値x 103は、風車本体のピッチ制御102により制御される値あるいは左記制御の結果として観測される測定値である。風力発電機に関連する制御値や測定値は、上記風車本体のピッチ制御102の結果あるいは風車そのものの物理的特性（例えば、Ｃｐ値、或いは翼型やロータ径などの緒元）に従い、相互に相関がある。左記性質により、風車の現在の制御モードに依存し適切な相関関係を選択することで、例えばセンサ111により検出した物理値から、風車制御値x 103に対応する風車制御値xの推定値113をセンサ値→制御値変換112を用い、算出できる場合がある。これら、風車制御値x 103と風車制御値xの推定値113との偏差を比較機能を備える演算装置104により算出すれば、左記出力である偏差の値105が得られる。演算装置自体は風車内部または外部のいずれに配置されていても良い。風車の運転状態が典型的な状態であれば、センサ値→制御値変換112による風車制御値xの推定が精度よく行えるため、偏差の値105は小さくなる。逆に上記典型的な状態から外れる場合、偏差の値105は大きくなる。典型的でない場合として具体的には、横風が流入する場合や風の分布が一様でない場合が挙げられる。この性質を用い、上記偏差の値105を用いれば、風車の状態に関連する指標を得ることができる。

[ピッチ角における具体例]
次に図2を用い、前述した方式をより具体的に説明する。同図の例では、複数の方式により算出する制御値xとしてピッチ角を用いている。まず風を受けて風車101のロータが回転する。このとき、大型の風力発電機として一般的な可変速可変ピッチの水平軸風車では、定格風速以上で、ロータ回転数が一定、発電機トルク一定となるようピッチ角を制御するモードに入る。そこで、制御値ｘとして選択する出力をピッチ角A203とする。次に、センサ（風情報計測器）として風速計211を使用する。風速計211は、例えばナセル上に設置したものでも、風車本体から離れた箇所に設置したものでも良いが、風車に流入する風の状態をよく反映する箇所のものが望ましい。次に、風速計211により計測した風速値214を用い、風速→ピッチ角変換部212にて、風速値からピッチ角に変換する演算を行う。この演算結果をピッチ角B213とする。この演算には、前述のように風車の動作において計測される各種測定値もしくは制御値が、互いに相関を保ちながら動作する性質を利用する。

図3に風速計による風速値と風車制御によるピッチ角(ピッチ角A)との相関の例を示す。この相関を用い、近似曲線を生成することで、風速計の風速値から、ピッチ角を推定する。図3の分布形状に着目すると、密度濃く分布しているプロットがある一方で、薄く分布しているプロットも存在する。上記薄いプロットは、典型的な運転状態から外れる状態であると予想されるが、本実施例では、上記典型的な状態から外れるサンプル点に着目し、係る外れたサンプル点の中から、風車の状態に関連する新たな指標を抽出するものである。

次に、図4を用いて、風速計による風速値からピッチ角(ピッチ角B)を推定した例を示す。同図においては、図2と同一の信号(測定値、制御値)には、同一の符号を付している。図4の如く、風車制御の結果として決定されたピッチ角(ピッチ角A) 203と、風速計による風速値214から推定したピッチ角B(213)とは、多くの場合良い一致を示すが、乖離がみられる場所も散在する。

以上が図2における風速→ピッチ角変換部212の動作の流れと根拠である。続いて、ピッチ角A203とピッチ角B213との偏差205をとる。このピッチ角A203とピッチ角B213の偏差205の絶対値は、風車が典型的な状態であれば、小さい値をとる（図３の濃いプロットに示す様に良い相関を示す）。一方、典型的な状態から外れる場合、大きな値をとる。典型的な状態とは、例えば風車のローター面に正面から一様に近い風が流入する場合である。

図5にピッチ角Aとピッチ角Bとの偏差205とYaw（ヨー）エラーとの相関を示す。同図で横軸がピッチ角Aとピッチ角Bとの偏差205で、縦軸はYawエラーである。水平軸風車のYawエラーとは、ナセルとタワー間の回転軸におけるナセルの指向方向（大まかに言うならば、ロータとタワーとの間の方向）と、風車に流入する風向を水平面へ投影した方向との差である。

図5のような相関を示す理由は下記のように考えられる。まずピッチ角Aの算出に関し、可変速可変ピッチの水平軸風車では定格風速以上で、ローター回転数一定、発電機トルク一定となるようピッチ角を変化させる制御を行う。この制御は、風速計などの風速センサからの入力とは独立に行われる。いわば、風車が巨大な風速計となっている状態であり、ピッチ角(ピッチ角A)は、風速の変動に伴いローター回転数や発電機トルクが一定の条件を満たすように変化する。ここでもし、Yawエラーがあると、同じ風速でローター面の正面から風が流入した場合と比較し、流入するエネルギが少なくなる。よって対応してピッチ角は浅くなり(言い換えるならば、ファイン側になり)、風速が小さくなった場合に相当するピッチ角になる。これは即ち、流入するエネルギが少なくなった要因を風速が小さくなったことに起因する様に誤認することに基づく。実際は、風速が小さくなった訳ではなく、ヨーエラーに伴い、風のベクトルのうち、ロータに正対する成分が小さくなったに過ぎず、横風成分は残った状態にある。風車においては、ローター面の大きさやヨーアクチュエータと言ったYaw軸の駆動機構の機械的/構造的制約から、応答時間が長く生じ、頻繁に瞬時に変動の大きな風向に合わせることが困難である。一方、風速計は比較的頻繁かつ瞬時に変動の大きな風向に合わせることが可能である。これは小型である故(プロペラ式など)、あるいは原理的に水平面内の風向に関し指向性がない(風杯式など)ためである。加えてそもそも機械的制約を受けにくいもの(超音波式など)もある。従って、風速計による風速値は、風速計の正面から風を受けた場合の値を比較的良く反映していると仮定できる。よって風速計からの風速値から変換したピッチ角Bは、ピッチ角Aのように浅くならない(ファイン側にならない)。従ってYawエラーがあると、ピッチ角Aとピッチ角Bとの差（の絶対値）が増大する。

上記性質を利用し、ピッチ角Aとピッチ角Bとの偏差205を、風車の保護に応用した例を図6に示す。同図は最も簡略化した構成である。同構成では、ピッチ角Aとピッチ角Bとの偏差205に対し、閾値判定302にて、閾値303との大小関係を判定し、その結果305をもって、Yawエラー過大による風車の保護動作開始のトリガの１つとする。同図の例では、ピッチ角Aとピッチ角Bとの偏差205に対し積分器(あるいはローパスフィルタ処理)を挿入せずに閾値判定を行っているが、これはピッチ角Aとピッチ角Bとの偏差205が風向計による風向の計測値と比較し、時間変動が小さいためである。もちろん閾値判定302への入力の前に、205に対し積分処理やローパスフィルタ処理を施し、より安定的な判定を行っても良い。上記場合は判定の安定性と応答時間とのトレードオフを考慮するのが好ましい。

図7に風向計による風向に基づいたYawエラー過大保護動作との比較を示す。同図は、従来の風向計によるYawエラー値(ナセル正面に対する風向の差)を計測し、Yawエラー過大による保護動作を行った場合の各種測定値の時間変化を示す。更に左記プロットに加え、本実施例で示したピッチ角Aとピッチ角Bとの偏差205のプロットを追加している。同図において、淡い実線414が風向計によるYawエラー値(ナセル正面に対する風向の差)で、今回はその絶対値をプロットしている。点線214は風速計による風速値、濃い実線205はピッチ角Aとピッチ角Bとの偏差である。同図横軸において、時刻412は、風向計のみのデータを用いた場合のYawエラー過大による停止判定のタイミング、同じく時刻413は風向計のみのデータを用いた場合にYawエラー過大の程度が甚だしい場合の停止判定のタイミングである。これらは、風向計によるYawエラー値414(の平滑値)が図示しない所定の値に到達し、かつ風速計による風速値214(の平滑値)が、図示しない所定の値を超過したか否かで判定する。413での判定閾値は、412の判定閾値と比較し、風向計によるYawエラー値414に対する閾値と風速計による風速値214の閾値の少なくとも一方が大きい(いずれも図示はしていない)。風向計によるYawエラー値414や、風速値214が、412や413のみの時点において小さいように見えるが、これらは平滑処理による時間遅れによるものである。実際には、時間的に先行するある期間で高値が継続した結果、平滑値が若干おくれて閾値に到達する等の動作となる。尚、実際にはセンサ情報の収集周期や制御・通信等でも遅れが加算される。ここで、本実施例で示したピッチ角Aとピッチ角Bとの偏差のプロット205に着目すると、時刻413はおろか、時刻412のタイミングに達する前の、十分に早い時期(t1)415をもって、判定閾値303を超過している。左記超過のタイミングは同図の(t1)415である。t1以降205のプロットは、継続的に高値をとっており、迅速かつ安定した判定を行いうることを示唆していると考える。これは、本実施例で示したピッチ角Aとピッチ角Bとの偏差205が、ローター面全体が受けている風の状態、特にローター面全体が受けているYawエラーの状態を代表しているためである。よってローター面全体を含むような大きな傾向として、風向きが急変するケースを、より高い確率で検出することができる。ここで従来の風向計によるYawエラー値について考察すると、風向計によるYawエラー値は平時より変動が大きいため、時間積分処理やローパスフィルタ処理によって、ノイズの除去を行わなければならない。よって早いタイミングでヨー制御を行うのは困難である。加えて、風向計によって観測できる風向は、例えばナセル上の風向計の設置位置での風向値であり、必ずしも風車のローター面全体での風向を計測できているわけではない。実際、図7に示す例によれば、時刻412のタイミングの少し前のt1において、風向計によるYawエラー値414が小さくなり、Yawエラーの値が今後減少していくかの様などちらかと言うと誤判定をまねきかねない値の変化を呈している。一方同じt1において、本実施例で示したピッチ角Aとピッチ角Bとの偏差のプロット205は、安定して高値を維持しており、風車全体としては、Yawエラーが増えていることをより精確に検知できている。よって、本実施例で示したピッチ角Aとピッチ角Bとの比較結果（具体的には偏差205）を用いて風車機器の制御を行えば、Yawエラー過大による風車の保護動作を、より精確に、かつ早いタイミングで開始できるため、風車の疲労の蓄積を軽減できる。風車の疲労損傷度は変動応力の高次の累乗に比例するため、たとえ少ない頻度でも、大きな応力が印加される可能性がある状態を未然に回避することは有用である。尚、風車機器の制御としては例えば、ヨー誤差過大によるシャットダウン、ヨー誤差のオフセットの補正、風向計による風向計測値の置き換え、または風向計測値の精度を補うものなどが挙げられる。

また、風向の変化は、平均的には高い高度の場所から先に開始する。これは上空の方が平均風速が高いことによる。よって、ローター面の上端付近は、ナセルに設置した風向計より先に風向の変化の影響を受け始めるため、本実施例の方式を用いると、その観点からも風向計を用いる場合より迅速にYawエラーを検出できる可能性がある。ローター面全体での検出と言う意味では、例えばナセル上などの一点に集約された場所の風況を測定する風向風速計よりもより広範な範囲での風況変化を検出できることに繋がり、より多様な特性を把握し得る。

本実施例によれば、風向または風速に依存して変化する一方で、風向または風速以外の測定値から決定された風車制御値（具体的にはピッチ角制御値）と、風車における風向計や風速計で求めた風向または風速から決定した比較値との差を用いることで、風車のローター面における風の分布に関係する量を得ることができる。ローター面全体をあたかもセンサの様に用いることで、簡素な構成で高精度な測定を行うことができる。

図8にYawエラー過大判定の実施例を示す。本実施例では、風向計を用いたYawエラー過大判定結果460と、実施例１で説明したピッチ角Aとピッチ角Bとの偏差205を閾値判定した判定結果305を論理演算するものである。図8に示す例では具体的には論理和演算442している。本構成により、迅速なYawエラー過大の判定ができる。論理和演算442を含めた種々の演算は一つの演算装置で行っても良く、また複数の演算装置に分けて行っても良い。

風向計を用いたYawエラー過大判定結果460の算出の仕方について説明する。風向計411からの風向値に対し、時間平均処理(D2)421をかける。時間平均としては、積分演算、ローパスフィルタ処理、移動平均化処理など、変動成分を除去し低い周波数のトレンドを取得できる手法であれば、任意のものでよい。次に時間平均結果に対し、閾値(d2)422をもって閾値判定423を行い、論理積441への入力の一つを構成する。

次に、風速に関する処理で、風速計211からの風速値に対し、時間平均処理431をかける。時間平均の処理手法は前述の風向に関するものと同様に積分でもローパスフィルタでもよい。風向における時間平均処理と種類を合わせる必要もない。次に時間平均結果に対し、閾値432をもって閾値判定433を行い、論理積441へのもう一つの入力とする。更に論理積441からの出力に対し、同様に時間平均処理 451を加えた後、閾値(a2)452で閾値判定453を行い、Yawエラー過大判定結果460を出力する。Yawエラー過大の判定に、風速値を加えているのは、弱風では風車の構造に影響を与えにくく、疲労防止のための停止を行う必要がないためである。本実施例では、上記の様に求めたYawエラー過大判定結果460を実施例１で説明した判定結果305に論理和演算する。

尚、論理積441から後段の時間平均処理451と閾値判定処理453は、論理積441から前段の風向と風速に関する時間平均処理と閾値の設定によっては省略でき、直接論理積441の出力を判定結果としてもよい。尚、図中のV2は風速における時間平均処理の時定数、例えば一時遅れ演算の時定数等である。同じくv2は風速における時定数による平均処理後の値を閾値判定する場合の閾値である。また図中のD2は風向における時間平均処理の時定数、例えば一時遅れ演算の時定数等である。同じくd2は風向における時定数による平均処理後の値を閾値判定する場合の閾値である。更に、図中のA2は論理積441における時間平均処理の時定数、例えば一時遅れ演算の時定数等である。同じくa2は論理積441における時定数による平均処理後の値を閾値判定する場合の閾値である。尚、風向の時間平均処理は、Yawエラーの検出のため、絶対値をとってから平均化しても，正負各々の値を平均化してもよい。正負各々平均化した場合，閾値の絶対値を正負で異なる値に設定しても良い。これは，風力発電機は，ローターの回転方向やチルト各等の影響で非対称性をもつためである。

判定基準としては、システム構成により上記以外の判定要因に加える場合が考えられるが、上記の例では本質を損なわないので省略し、風向と風速の主要な要因のみで説明している。

尚、風速計211は、同図では風速→ピッチ角変換部212への入力用と時間平均処理431への入力用とで共用としているが、各々独立の風速計を用いても良い。風速→ピッチ角変換部212と従来の時間平均処理431とで各々必要となる風速計測の精度や風速計の形式が異なる場合に独立の風速計を用いる方が有利である。例えば時間平均処理431への入力としては、Yawエラー過大判定時に一定風速以上か否かを判定する場合には、その判定ができる程度の精度があれば良い場合もある。もちろん風速値に応じ、Yawエラー過大判定の閾値を可変とする場合は、それに対応する必要はある。風速計は、風杯式やプロペラ式、超音波式等の種類に応じ、時間応答の速度や、回転面に対する斜め方向の風に対する特性の違いがある。よって，風速計211を別個に設けた場合、風速計の設置位置における周囲障害物との関係や風況の違い、周囲の風車による後流の影響などを考慮し、適切な種類を選択することが、可能となる。

尚、上記では演算として、論理和演算442を用いる場合を例にして説明したが、論理積とするとYawエラー過大判定の誤判定率を低減しやすい構成となる。論理積を用いる場合、303、432、422、452の少なくとも１つの判定閾値を低めに設定してもよい。左記低めの閾値設定によりYawエラーが過大であるにも関わらず未検出となってしまうリスクを低減できる。論理積演算の実施箇所として、図8の論理和演算442をそのまま論理和から論理積に置き換える方法以外に、論理積441を3入力の論理積として判定結果305の出力を論理積441へ入力する方法がある。この場合、時間平均処理451の時定数や閾値452を適切に変更してもよい。一例として、より短い時定数の時間平均処理あるいはより低い閾値へ変更する。これは、判定要因として、判定結果305が新たに加わったため、信頼性が向上していることにより、長い時間平均処理や高めの閾値により誤検出を低減する必要性が低減したこと、および判定結果305の判定の迅速性を生かすためである。

図9はピッチ角Aとピッチ角Bとの偏差205を用い、種々の風車機器制御に用いる風向計の風向値を補正する例である。風向計411からの風向値について、偏差205を用いて風向計の風向値のずれを補正する。まず偏差205は、Yawエラー方向決定206を用いて、Yawエラーの方向を判定する。Yawエラーの方向とは、ローター面へ流入している風向が、ローター面全体で平均的に右側へのずれか、左側へのずれかを示す極性である。左記極性の判定の一例として、ブレード毎のピッチ角制御を用い、アジマス角が天頂付近でのピッチ角と最下方付近でのピッチ角に微小変動を付加した場合に生じるロータトルクの微小変動の極性から判定する等がある。左記微小変動の極性はロータ回転方向，ピッチに印加する変動の極性，およびYawエラーの方向で変わる。全の二者は既知のため，Yawエラーの方向がわかる。また、実際にナセルの方向を変化させ、偏差205の増減をみても良い。左記ナセルの回転は減耗を考慮し回数の制限があるため、逆回転させる必要が生じた場合は、Yaw回転停止後、回転により運動を生じる構造物の反動の時定数を考慮したタイミングで逆回転を行えば，若干始動トルクを軽減できる。左記のような種々の対策を重ね、機械的ストレスの低減を図る。Yawエラーの方向を決定後、にてピッチ角偏差量からYawエラーに換算する（215）。左記換算には、図5に示した相関関係を用いる。左記換算値を用い207にて風向計からの風向値を補正する。この補正方法には、上記方式以外に、風向計411よりの風向値と、ピッチ角の偏差205からの風向のずれかを風向選択部208で選択的に使用する方式としても良い。上記選択に伴い、風車全般制御100側では、入力値が風向値そのものか、風向の偏差量かの切り替えを図示しない経路を用いて行う。尚、風車全般制御100とは、単体もしくは複数の風車の制御全般を行う機能であり、風車本体のブレードのピッチ角制御102および同図のその他の処理部も広義には含んでいる。本明細書では風車全般制御100として含まれうる機能のうち、一部を100の枠外に記述し、その他の部分を便宜的に100の枠として示している。実施例１で説明した比較機能を備える演算装置104と風車全般制御を行う装置は同じ装置として構成しても良く、また別の独立した装置として設けても良い。
風向選択部208における選択の指示は、選択調整機構210にて行う。左記機構では、風向計からの図示しない入力を用い、風向の変動が大きい場合に、ピッチ角の偏差205を用いる制御に選択を変更するための指示を風向選択部208宛てに出力する。また、二者択一的な選択以外に、加重した平均を行う風向加重調整部209としてもよい。本実施例のように、ピッチ角の偏差205を風車の制御に用いることにより、風向計により風向を検知する場合と比較し、風車のローター面全体で受けている風の状況に応じた制御が可能となる。例えば、風向計を用いたYaw軸の制御の場合、風向計の設置されている場所での風向しか観測できないため、局所的な風向によるYaw軸の制御となる。この場合、広大なローター面の他の部分での風向の状況に応じた制御とならない。例えば、風向計がナセル上に設置されていたとすると、ナセルから離れた、ローター面の上端付近での風向の状況を反映した制御とはなりにくい。また、ウィンドファームのように、多数の風車が比較的近接して設置されている場合、風上の風車による後流が、自風車のナセル付近以外のローター面の一部にかかり続ける状況が生じうる。左記状況を風向計では検知することはできない。一方、本発明の方式では、ローター面全体での風の状況に応じピッチ角の偏差が変動するため、上記状態を検知できる可能性がある。ローター面の一部に後流がかかり続けている状態では、Yawエラー過大のケースと異なり、偏差205の増大後に、遅れて風向その他の状況が変化することはない。よって、上記状態がしょうじれば，後流あるいは地形的要因によりローター面の一部に乱流が流入していると判定できる。この場合、最大出力を落とす運用をする等で、風車への疲労の蓄積を防止できる。一方、Yawエラーの検出に関し、風向の変化が、平均的には上空側から始まるという性質を利用すると、シャットダウン以外の対策をとることが可能となる。例えばピッチ角の偏差205の増加による風向の変化の兆候を検出した時点で、Yaw軸の制御を開始すれば、Yawエラー過大によるシャットダウン動作を実施せずに済む。このような制御は，風向計による風向の変化の開始を待ってからでは間に合わない場合がある。上記制御により、シャットダウンと起動に関する時間を要する一連のシーケンスを踏まずに発電を継続できる。加えて、横風による風車への疲労の蓄積を未然に防止できる。加えて、シャットダウンと起動を省略できると、ローターへのスラストの印加解除と再印加を省略できることになり、浮体式風車ではタワーの揺動による疲労の蓄積の防止につながる。尚、風車機器の制御としてはヨー誤差過大によるシャットダウンの他、例えば、ヨー誤差のオフセットの補正、風向計による風向計測値の置き換え、または風向計測値の精度を補う（或いは補正する）ものなどが挙げられる。

次に、図10を用い、乱流の程度による閾値の変更の例を示す。同図は、図8の構成において、乱流指標算出手段331を追加し、乱流指標算出値によりピッチ角の偏差の判定閾値303を調整するものである。

乱流指標算出手段331では、風速値の時系列での変化の度合いや場合により風向計411による風向の測定値を用い、乱流の程度を判定する。通常の状態で乱流の程度が大きい場合、判定閾値303を増加させる。逆に乱流の程度が小さい場合、逆に判定閾値303を減少させる。同手法により、乱流が生じている場合などのYawエラー過大の誤警報を低減できる。逆に乱流の程度が小さい場合、閾値を下げることでYawエラー過大の判定時間を短縮できる。乱流指標算出手段331における乱流の程度の指標としては、風速の変動成分に関するRMS(Root Mean Square：根平均二乗)値をとる手法などがある。その他乱流の指標として風向変動のRMS値を用いても良い。これは、風車の周囲の地形や障害物の配置状況によって、乱流の程度が変化することがあるためである。例えば、ある方向からの風では、風上方向に山岳その他の風を乱す地形や人工物があり、乱れが大きい風が流入することが予め分かっている場合判定閾値303を増加させることで、誤警報を低減できる。過去の観測結果から乱流の程度が大きい傾向が判明している場合も同様である。逆に遠方まで海面が続いており、風の乱れが少ない場合、判定閾値303を下げることができる。判定閾値303を下げると，平時は風が安定している環境に設置されている風車でのYawエラーの検出感度を向上できる。左記により，寒冷前線の通過やガストフロントの発生等を，迅速に判定ができる。逆に、風の乱れが大きい風向から風が流入している場合、判定閾値303を増加させることで、誤判定率を低減できる。

判定閾値303の変更に、上記例では、風速計や風向計からの計測値に基づいた乱流の指標を用いたが、風の鉛直成分に着目した図示しない指標を用いても良い。ピッチ角Aとピッチ角Bとの偏差205は、風向が水平面内の成分をもって変動した場合に、Yawエラーと良い相関を示す。一方実際の風向の成分は、上記水平面内のみならず、鉛直方向の成分も含んでいる。そこで、図示しない風の鉛直成分を検出する手段（風の鉛直成分検出手段）を用い、上記の対策を行うことで、Yawエラー過大状態の検出に関し、高精度化が実現できる。具体的には、ピッチ角Aとピッチ角Bとの偏差205が主として風の鉛直成分に依存する場合、判定閾値303を調整する。左記調整は，風の鉛直成分を検出する手段からの鉛直成分の情報に基づき行う。鉛直成分が多い場合、判定閾値303を大きくすることで、Yawエラー過大と判定してしまう誤判定を防止する。風の鉛直成分検出時，Yawエラー判定を完全に抑制してしまうのではなく，判定閾値303を大きくしつつ維持するのは、風向の鉛直成分といえども風車の疲労損傷度に関係しうるためである。しかし水平方向に生じるYawエラーのように、継続的に、かつ大きな角度誤差を生じうる場合と異なり、風の鉛直成分に関し、継続的に高値をとる確率は相対的に小さいと考えられる。これは、鉛直方向の風は、風の進行方向に対し、少なくとも一方の面が地面や水面であり、逃げ場がないためである。従って、風車の大きさや強度によっては，閾値判定302と論理和演算442の間に論理和などのゲートを設け、ピッチ角の偏差を用いた判定結果305そのものを、抑制してしまう方法もある。この様に風車の周囲の環境に応じてピッチ角の偏差の判定閾値303を可変とすることで、誤警報を低減しつつ迅速な判定が出来るようになる。

次に図11を用い、浮体式の洋上風力発電機に本実施例を適用する場合の例を示す。洋上風力発電機のうち、海底に強固に固定されていない浮体式の場合、風やロータ等の回転体の運動に伴う作用で、浮体そのものが、並進運動、回転運動を起こす。例えば、Yaw軸まわりの浮体の回転運動は、ナセル上で観測される風向、及びピッチ角Aとピッチ角Bとの偏差から算出したYawエラーに重畳されて観測される。よって、本実施例では、浮体並進・回転検出センサ342にて、Yaw軸まわりの回転を検出し、上記重畳された誤差を補正してヨー誤差の判定を行う。補正は風向計の出力に対するものと、ピッチ角からのYawエラー換算値の双方に行うが、後者の場合、ピッチ角A203におこなっても、ピッチ角Aとピッチ角Bとの偏差205に行ってもよい。浮体の回転の検出は、ジャイロセンサにて行っても、方位センサによって行っても良い。ジャイロセンサを用いた場合、磁性体である可能性の高い風車と浮体構造物の着磁の影響が少ない。方位センサを用いた場合、安価なレートジャイロを用いた場合に生じやすい誤差の累積がない。よって，長時間、補正を継続しても方位のリセット等の動作が不要である。ジャイロセンサや方位センサ双方に得失があるため、両者を組み合わせて、特性を改善するなどしてもよい。上記補正の例は、Yaw軸まわりの回転であったが、ナセルを支持するタワーの傾き、および上記傾きによるナセルの姿勢や運動を補正してもよい。浮体のYaw軸以外の軸を含んだ回転に関する補正では、Pitch軸に関する回転が最も風速値への影響が大きい。尚Pitch軸とは、船や飛行機の姿勢に関する一般的な回転軸であり、ロータブレードピッチではない。具体的にはローター面が転倒する方向の回転軸である。浮体式の風力発電機では、ローター面が風を受けたスラスト力により、相当程度傾く。例えば発電停止などの状態の変化時、スラスト力の除去によるタワー傾斜の自律的回復でナセルが相当程度変位する。左記状況では，ナセル上で観測される風速に有意に影響する程度の回転が起こる。これらの回転の検出は、浮体に設置したジャイロセンサで行っても、ナセルに設置した加速度センサを用いて行っても良い。またタワーに設置した傾斜センサを用いてもよい。また、三次元磁気センサを用いても良い。これらのセンサ群は、前述の如く得失があるため、単一のセンサのみではなく、複数のセンサの情報を組み合わせ、適宜累積誤差の補正等を実施しても良い。

以上示した実施例では、ピッチ角制御のモードとなる風速値以上の場合の例を示しているが、カットイン風速以上かつピッチ角制御モードとなる風速以下の場合でも同様である。上記風速域では、ローター回転数と発電機トルクとの関係から典型的な風速値を算出し、風速計による風速値との偏差を算出することによって、上記全ての実施例と同様の機能を実現できる。

1 ブレード
2 ハブ
3 ナセル
4 タワー
100 風車全般制御
101 風車
102 風車本体のピッチ制御
103 風車の制御値x
104 偏差の算出
105 偏差の値
111 センサ
112 センサ値→制御値変換
113 風車の制御値xの推定値
203 風車制御の結果として決定されたピッチ角(ピッチ角A)
205 ピッチ角Aとピッチ角Bとの偏差
206 Yawエラー方向決定
207 風向補正
208 風向選択
209 風向加重調整
210 選択/調整機構
211 風速計
212 風速→ピッチ角変換部
213 風速計の風速値から推定したピッチ角(ピッチ角B)
214 風速計による風速値
215 ピッチ角偏差量からのYawエラー換算
302 閾値判定
303 閾値
305 閾値判定結果
331 乱流指標算出手段
342 浮体並進・回転検出センサ
411 風向計
412 Yawエラー閾値1による停止処理開始タイミング
413 Yawエラー閾値2による停止処理開始タイミング
414 風向計によるYawエラー値(ナセル正面に対する風向の差の絶対値)
415 ピッチ角の偏差を用いたYawエラー超過判定による停止処理開始タイミング
421 時間平均処理
422 閾値
423 閾値判定
431 時間平均処理
432 閾値
433 閾値判定
441 論理積演算
442 論理和演算
451 時間平均処理
452 閾値
453 閾値判定
460 従来方式のYawエラー過大判定結果
461 改良後のYawエラー過大判定結果1
462 改良後のYawエラー過大判定結果2

Claims (9)

1. 風を受けて回転するブレードを有するロータを備え、前記ロータの回転エネルギーを用いて発電する風車と、
   風向または風速に依存して変化すると共に風向または風速以外の測定値から決定された前記風車の制御値と前記風車における風向または風速を検出する風情報計測器で求めた風向または風速から決定した比較値とを比較する演算装置を備えることを特徴とする風力発電システム
2. 請求項１に記載の風力発電システムであって、
   前記制御値は前記ブレードのピッチ角であることを特徴とする風力発電システム
3. 請求項２に記載の風力発電システムであって、
   前記ピッチ角及び前記比較値との比較結果を用いて風車機器制御を行うことを特徴とする風力発電システム
4. 請求項３に記載の風力発電システムであって、
   前記風車機器制御は、ヨー誤差過大によるシャットダウン、ヨー誤差のオフセットの補正、風向計による風向計測値の補正または風向計による風向計測値との置換のいずれかであることを特徴とする風力発電システム
5. 請求項２ないし４のいずれか１項に記載の風力発電システムであって、
   前記比較した結果と所定の閾値とを比較して閾値判定を行い、
   前記閾値判定の結果と風向計を用いたヨー誤差過大判定結果とを論理演算することを特徴とする風力発電システム
6. 請求項５に記載の風力発電システムであって、
   乱流指標算出手段または風の鉛直成分検出手段を備え、
   乱流の程度または風の鉛直成分の情報に基づいて前記閾値の値を調整することを特徴とする風力発電システム
7. 請求項６に記載の風力発電システムであって、
   前記乱流の程度が大きい場合または前記鉛直成分が多い場合、前記閾値の値を大きくすることを特徴とする風力発電システム
8. 請求項６または７に記載の風力発電システムであって、
   前記乱流の程度が小さい場合または前記鉛直成分が少ない場合、前記閾値の値を小さくすることを特徴とする風力発電システム
9. 請求項２ないし８のいずれか１項に記載の風力発電システムであって、
   前記風車は、前記ロータを回転可能に支持するナセルと、前記ナセルを回転可能に支持するタワーを備え、
   更に前記風車を水上に支持する浮体と、
   前記タワーまたは前記浮体に配置されて前記タワーまたは前記浮体の並進、回転または傾きの少なくともいずれかを検出するセンサを備え、
   ヨー誤差の判定時に前記センサの出力を用いることを特徴とする風力発電システム
   

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