JP2017155601A - 風車並びにそのヨー制御装置及び運転制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】風車は、風車ロータと、前記風車ロータを回転可能に支持するナセルと、前記ナセルを旋回させるように構成されたヨー旋回部と、風速の大きさを示す風速パラメータに応じて可変である閾値をヨー角の絶対値が超えたとき、前記ヨー角がゼロに近づく方向に前記ナセルを旋回させるヨー巻戻しモードにて前記ヨー旋回部を動作させるように構成されたヨー制御部と、を備え、前記閾値は、前記風速パラメータの増加とともに大きくなる。
【選択図】 図7
Description
例えば、特許文献1には、風向センサで検出された風向にナセルが追従するように、ナセルを旋回させるようにした風車が開示されている。
しかし、ナセルを巻き戻し方向にヨー旋回させる間は、風車の出力を発揮することができず、不経済である。
風車ロータと、
前記風車ロータを回転可能に支持するナセルと、
前記ナセルを旋回させるように構成されたヨー旋回部と、
風速の大きさを示す風速パラメータに応じて可変である閾値をヨー角の絶対値が超えたとき、前記ヨー角がゼロに近づく方向に前記ナセルを旋回させるヨー巻戻しモードにて前記ヨー旋回部を動作させるように構成されたヨー制御部と、を備え、
前記閾値は、前記風速パラメータの増加とともに大きくなる。
前記閾値は、前記風速パラメータの複数の範囲に対応して段階的に設定される。
前記閾値は、前記風速パラメータの増加とともに単調増加するように設定される。
前記閾値の最大値は、前記ナセルの旋回限界であるハードウェアリミットよりも小さい。
前記ヨー制御部は、前記風速パラメータが閾値以下のときに、前記ヨー巻戻しモードにて前記ヨー旋回部を制御する場合、風向に追従させることなく前記ヨー角を規定角度範囲内まで変化させるように構成される。
前記風車の運転中における前記閾値は、前記風車の待機ステートにおける前記閾値よりも大きく設定される。
すなわち、既に風車が運転中の状態には、ヨー角の閾値を比較的大きく設定することで、ヨー巻戻しの頻度を低下させて、風車出力を確保することができる。一方、風速が低下して風車が待機ステートにあるとき、風車の高い出力を期待できない、または、風車出力をどれほど見込めるか不明であるから、ヨー角の閾値を比較的小さく設定することで、ヨー巻戻しの頻度を増加させて、将来の風車運転再開後におけるヨー巻戻しの必要性を低減することができる。
前記風速パラメータは、風速、前記風車の出力、前記風車ロータの回転数又は前記風車ロータのトルクの少なくとも一つを含む。
(8)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(6)の何れかの構成において、
前記風速パラメータは、風速、前記風車の出力、前記風車ロータの回転数又は前記風車ロータのトルクの少なくとも一つの規定期間における統計値である。なお、統計値として、平均値を用いてもよい。
上記(1)乃至(8)の何れかの構成の風車に用いられるヨー制御装置であって、
風速の大きさを示す風速パラメータに応じて可変である閾値をヨー角の絶対値が超えたとき、前記ヨー角がゼロに近づく方向に前記風車のナセルを旋回させるヨー巻戻しモードにて前記風車のヨー旋回部を動作させるように構成され、
前記閾値は、前記風速パラメータの増加とともに大きくなる。
風車ロータと、前記風車ロータを回転可能に支持するナセルと、前記ナセルを旋回させるように構成されたヨー旋回部とを備える風車の運転制御方法であって、
風速の大きさを示す風速パラメータに応じて可変である閾値をヨー角の絶対値が超えたとき、前記ヨー角がゼロに近づく方向に前記ナセルを旋回させるヨー巻戻しモードにて前記ヨー旋回部を動作させるステップを備え、
前記閾値は、前記風速パラメータの増加とともに大きくなる。
前記閾値は、前記風速パラメータの複数の範囲に対応して段階的に設定されている。
前記閾値は、前記風速パラメータの増加とともに単調増加するように設定されている。
前記閾値の最大値は、前記ナセルの旋回限界であるハードウェアリミットよりも小さい。
前記風速パラメータが閾値以下のときに、前記ヨー巻戻しモードにて前記ヨー旋回部を制御する場合、風向に追従させることなく前記ヨー角を規定角度範囲内まで変化させる。
前記風車の運転中における前記閾値は、前記風車の待機ステートにおける前記閾値よりも大きく設定される。
すなわち、既に風車が運転中の状態には、ヨー角の閾値を比較的大きく設定することで、ヨー巻戻しの頻度を低下させて、風車出力を確保することができる。一方、風速が低下して風車が待機ステートにあるとき、風車の高い出力を期待できない、または、風車出力をどれほど見込めるか不明であるから、ヨー角の閾値を比較的小さく設定することで、ヨー巻戻しの頻度を増加させて、将来の風車運転再開後におけるヨー巻戻しの必要性を低減することができる。
幾つかの実施形態において、風車1は、風車ロータ2と、風車ロータ2を回転可能に支持するナセル8と、ナセル8を旋回させるように構成されたヨー旋回部10と、を備える。
なお、ここで言うヨー角とは、ナセル8とタワー9間の初期のヨー旋回方向の角度(一般に初期はケーブルなどの捻じれがない状態)をゼロ(基準)とし、このゼロ角度から回転した累計のヨー旋回の回転角度を言う(図2参照)。これを計測するセンサをヨー角センサ11と言う。
さらに、風車1には、風向を測定するための風向計12、風速を測定するための風速計13、メインシャフト5の回転数を測定するための回転数センサ14、メインシャフト5のトルクを測定するためのトルクセンサ15、または、風車1の出力を測定するための出力センサ16のうち少なくとも何れかのセンサが設けられていてもよい。
ナセル8は、タワー9の上端においてヨー方向に旋回可能に支持され、ヨー旋回部10によって所望の方向に向けられるようになっている。タワー9は、陸上に設置されてもよいし、洋上又は湖上等の水上に設置されてもよい。
なお、図示されるように風車1が風力発電装置である場合、風車ロータ2と共にメインシャフト5が回転し、これらの回転がドライブトレイン6を介して発電機7に入力される。これにより発電機7が駆動されるようになっている。ドライブトレイン6には、例えば風車ロータ2を発電機7に直結したダイレクトドライブ、油圧ポンプ及び油圧モータを備えた油圧トランスミッション、あるいはギヤ式増速機などが用いられる。
ヨー制御部20は、ヨー角の絶対値が閾値を超えたとき、ヨー角がゼロに近づく方向にナセル8を旋回させるヨー巻戻しモードにてヨー旋回部を動作させるように構成される。
前記閾値は、風速の大きさを示す風速パラメータに応じて可変であり、風速パラメータの増加とともに大きくなる。
これによれば、風速、風車出力、風車ロータ2の回転数又はトルクのような風車出力と関連性のある指標を風速パラメータとして用いることで、風車1の高い出力が元々期待できない低風速時において優先的にヨー巻戻しを実施することが可能になる。これにより、風車出力に与える影響を低減しながら、ヨー角が過大になることを防止できる。
典型的な風車1では、通常、ケーブル旋回が小さくなるように、各風車サイトの主風向を基準方向0deg(ヨー角センサ11=0deg)として設定される。
一実施形態では、上述した閾値は、風速パラメータの複数の範囲に対応して段階的に設定されてもよい。図3に示す例では、風速パラメータは値が小さい方から順に第1範囲〜第3範囲まで範囲が設定されており、これらの範囲にはそれぞれ閾値が対応づけられている。第1範囲に付与された第1閾値(TA1)が一番小さく、第2範囲に付与された第2閾値(TA2)、第3範囲に付与された第3閾値(TA3)と値が大きくなるにつれて大きい閾値が与えられる。
上記構成によれば、ヨー巻戻しモードへの遷移の可否を判断する基準であるヨー角の閾値が、風速パラメータの複数の範囲に対応して、風速パラメータの増加とともに大きくなるように段階的に設定されているため、風車出力に与える影響を低減しながら、ヨー角が過大になることを防止できる。
他の実施形態では、上述した閾値は、風速パラメータの増加とともに単調増加するように設定されてもよい。なお、図4に示す例において閾値は、風速パラメータの増加に対応して比例的に増加しているが、閾値と風速パラメータとの関係は一次関数に限定されない。すなわち、閾値が風速パラメータの増加とともに単調増加する関係のみを満たしていればよい。また、図4に示す閾値と風速パラメータとの関係において、閾値が一定の領域を含んでいてもよい。
上記構成によれば、ヨー巻戻しモードへの遷移の可否を判断する基準であるヨー角の閾値が、風速パラメータの増加とともに単調増加するように設定されているため、風車出力に与える影響を低減しながら、ヨー角が過大になることを防止できる。
同図に示す例では、ソフトウェアリミットには、待機ステート用の第1ソフトウェアリミットと、運転ステート用の第2ソフトウェアリミットがある。
幾つかの実施形態では、前記閾値の最大値は、ハードウェアリミットよりも小さい。なお、ハードウェアリミットは、ハードウェアによる物理的な結線で命令(例えば非常停止)を実行するためのリミット値であり、ソフトウェアリミットとは独立して設定されている。例えば、ヨー角センサ11で検出されたヨー角がハードウェアリミットに達した場合、ヨー制御部20に異常が発生している可能性がある。そのため、ヨー旋回(ヨー巻戻しを含む)を行わず、風車1を非常停止する。
なお、図5に示すように、ソフトウェアリミットは複数段階設定されていてもよい。あるいは、ソフトウェアリミットは、風車1のステートに応じて選択されるように、複数設定されていてもよい。例えば、第1ソフトウェアリミット(例えば閾値TB1、TB2、TB3)は、風車1が待機ステートである場合に適用され、第2ソフトウェアリミット(例えば閾値TA1、TA2、TA3)は、風車1が運転ステートである場合に適用される。
これによれば、風向が安定しない程度に風速が小さい場合に、風向に追従させることなく、規定角度範囲内にヨー角が収まるまでヨー巻戻しを行うことにより、ヨー巻戻しを行う間に風向が不安定になっても、ヨー巻戻しモードによるヨー旋回を安定して行うことができる。
上記構成によれば、ヨー巻戻しモードへの遷移の可否を判断する基準であるヨー角の閾値を風車1の状態に応じて異ならせることで、ヨー巻戻しによる風車出力に与える影響の低減と、過大なヨー角の発生防止と、を両立することができる。
すなわち、図5で示したように既に風車1が運転中の状態には、第2ソフトウェアリミットを適用してヨー角の閾値を比較的大きく設定することで、ヨー巻戻しの頻度を低下させて、風車出力を確保することができる。一方、風速が低下して風車が待機ステートにあるとき、風車の高い出力を期待できない、または、風車出力をどれほど見込めるか不明であるから、第1ソフトウェアリミットを適用し、ヨー角の閾値を比較的小さく設定することでヨー巻戻しの頻度を増加させて、将来の風車運転再開後におけるヨー巻戻しの必要性を低減することができる。なお、上記構成において第1ソフトウェアリミットおよび第2ソフトウェアリミットは風速パラメータによって可変であるが、第1ソフトウェアリミットと第2ソフトウェアリミットとの相対的な関係は変わらない。すなわち、風速パラメータが変化しても第1ソフトウェアリミットは第2ソフトウェアリミットよりも小さい。さらに、第2ソフトウェアリミットは、ハードウェアリミットよりも小さい。
また、前記閾値は、風速パラメータの増加とともに大きくなる。
この方法によれば、ヨー巻戻しモードへの遷移の可否を判断する基準であるヨー角の閾値が、風速パラメータの複数の範囲に対応して、風速パラメータの増加とともに大きくなるように段階的に設定されているため、風車出力に与える影響を低減しながら、ヨー角が過大になることを防止できる。
この方法によれば、ヨー巻戻しモードへの遷移の可否を判断する基準であるヨー角の閾値の最大値をハードウェアリミットよりも小さく設定したので、風速パラメータによらず、ヨー巻戻しモードでのソフトウェア制御がハードウェアによる保護動作よりも優先的に機能することになる。これにより、ソフトウェア制御とハードウェアによる保護動作との冗長性を維持して、ヨー角が過大になることを確実に防止できる。
これにより、風向が安定しない程度に風速が小さい場合に、風向に追従させることなく、規定角度範囲内にヨー角が収まるまでヨー巻戻しを行うことにより、ヨー巻戻しを行う間に風向が不安定になっても、ヨー巻戻しモードによるヨー旋回を安定して行うことができる。
この方法によれば、ヨー巻戻しモードへの遷移の可否を判断する基準であるヨー角の閾値を風車の状態に応じて異ならせることで、ヨー巻戻しによる風車出力に与える影響の低減と、過大なヨー角の発生防止と、を両立することができる。
すなわち、図5で示したように既に風車1が運転中の状態には、第2ソフトウェアリミットを適用してヨー角の閾値を比較的大きく設定することで、ヨー巻戻しの頻度を低下させて、風車出力を確保することができる。一方、風速が低下して風車が待機ステートにあるとき、風車の高い出力を期待できない、または、風車出力をどれほど見込めるか不明であるから、第1ソフトウェアリミットを適用し、ヨー角の閾値を比較的小さく設定することでヨー巻戻しの頻度を増加させて、将来の風車運転再開後におけるヨー巻戻しの必要性を低減することができる。
図7は、一実施形態に係る風車1の運転制御方法を説明するための図であり、運転ステートの場合を例示している。
同図において、ヨー制御部20には風速パラメータが与えられ、ヨー制御部20において風速パラメータが第1範囲か否かを判断する(S1)。風速パラメータが第1範囲内である場合、風速パラメータの第1範囲に対応した閾値TA1と、ヨー角センサ11から取得されたヨー角の絶対値とを比較する(S2)。ヨー角の絶対値が閾値TA1より大きい場合には、風車1を停止する(S7)。
さらに、風速パラメータが第1範囲内でも第2範囲内でもないとき、すなわち第3範囲内である場合(S5)には、風速パラメータの第3範囲に対応した閾値TA3と、ヨー角センサ11から取得されたヨー角の絶対値とを比較する(S6)。ヨー角の絶対値が閾値TA3より大きい場合には、風車1を停止する(S7)。
同図において、ヨー制御部20には風速パラメータが与えられ、ヨー制御部20において風速パラメータが第1範囲か否かを判断する(S11)。風速パラメータが第1範囲内である場合、風速パラメータの第1範囲に対応した閾値TB1と、ヨー角センサ11から取得されたヨー角の絶対値とを比較し(S12)、ヨー角の絶対値が閾値TB1より大きい場合には、風車1を停止する(S17)。
さらに、風速パラメータが第3範囲内である場合(S15)には、風速パラメータの第3範囲に対応した閾値TB3と、ヨー角の絶対値とを比較し(S16)、ヨー角の絶対値が閾値TB3より大きい場合には、風車1を停止する(S17)。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
2 風車ロータ
3 ブレード
4 ハブ
5 メインシャフト
6 ドライブトレイン
7 発電機
8 ナセル
9 タワー
10 ヨー旋回部
11 ヨー角センサ
12 風向計
13 風速計
14 回転数センサ
15 トルクセンサ
16 出力センサ
20 ヨー制御部
Claims (15)
- 風車ロータと、
前記風車ロータを回転可能に支持するナセルと、
前記ナセルを旋回させるように構成されたヨー旋回部と、
風速の大きさを示す風速パラメータに応じて可変である閾値をヨー角の絶対値が超えたとき、前記ヨー角がゼロに近づく方向に前記ナセルを旋回させるヨー巻戻しモードにて前記ヨー旋回部を動作させるように構成されたヨー制御部と、を備え、
前記閾値は、前記風速パラメータの増加とともに大きくなることを特徴とする風車。 - 前記閾値は、前記風速パラメータの複数の範囲に対応して段階的に設定されていることを特徴とする請求項1に記載の風車。
- 前記閾値は、前記風速パラメータの増加とともに単調増加するように設定されていることを特徴とする請求項1に記載の風車。
- 前記閾値の最大値は、前記ナセルの旋回限界であるハードウェアリミットよりも小さいことを特徴とする請求項1乃至3の何れか一項に記載の風車。
- 前記ヨー制御部は、前記風速パラメータが閾値以下のときに、前記ヨー巻戻しモードにて前記ヨー旋回部を制御する場合、風向に追従させることなく前記ヨー角を規定角度範囲内まで変化させるように構成されたことを特徴とする請求項1乃至4の何れか一項に記載の風車。
- 前記風車の運転中における前記閾値は、前記風車の待機ステートにおける前記閾値よりも大きく設定され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車。
- 前記風速パラメータは、風速、前記風車の出力、前記風車ロータの回転数又は前記風車ロータのトルクの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項1乃至6の何れか一項に記載の風車。
- 前記風速パラメータは、風速、前記風車の出力、前記風車ロータの回転数又は前記風車ロータのトルクの少なくとも一つの規定期間における統計値であることを特徴とする請求項1乃至6の何れか一項に記載の風車。
- 請求項1乃至8の何れか一項に記載の風車に用いられるヨー制御装置であって、
風速の大きさを示す風速パラメータに応じて可変である閾値をヨー角の絶対値が超えたとき、前記ヨー角がゼロに近づく方向に前記風車のナセルを旋回させるヨー巻戻しモードにて前記風車のヨー旋回部を動作させるように構成され、
前記閾値は、前記風速パラメータの増加とともに大きくなることを特徴とする風車のヨー制御装置。 - 風車ロータと、前記風車ロータを回転可能に支持するナセルと、前記ナセルを旋回させるように構成されたヨー旋回部とを備える風車の運転制御方法であって、
風速の大きさを示す風速パラメータに応じて可変である閾値をヨー角の絶対値が超えたとき、前記ヨー角がゼロに近づく方向に前記ナセルを旋回させるヨー巻戻しモードにて前記ヨー旋回部を動作させるステップを備え、
前記閾値は、前記風速パラメータの増加とともに大きくなることを特徴とする風車の運転制御方法。 - 前記閾値は、前記風速パラメータの複数の範囲に対応して段階的に設定されていることを特徴とする請求項10に記載の風車の運転制御方法。
- 前記閾値は、前記風速パラメータの増加とともに単調増加するように設定されていることを特徴とする請求項10に記載の風車の運転制御方法。
- 前記閾値の最大値は、前記ナセルの旋回限界であるハードウェアリミットよりも小さいことを特徴とする請求項10乃至12の何れか一項に記載の風車の運転制御方法。
- 前記風速パラメータが閾値以下のときに、前記ヨー巻戻しモードにて前記ヨー旋回部を制御する場合、風向に追従させることなく前記ヨー角を規定角度範囲内まで変化させることを特徴とする請求項10乃至13の何れか一項に記載の風車の運転制御方法。
- 前記風車の運転中における前記閾値は、前記風車の待機ステートにおける前記閾値よりも大きく設定されることを特徴とする請求項10乃至14の何れか一項に記載の風車の運転制御方法。
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