JP2018017198A - 風力発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】浮体姿勢を安定化可能な風力発電システムを提供する。【解決手段】ピッチ角度を変更可能なブレード２を有し、風を受けて回転するロータ４と、ロータ４の回転エネルギーを用いて発電する発電機６を備える風力発電システム１であって、風力発電システム１に含まれる機器を制御する制御装置１０を備え、制御装置１０は、発電機６の回転速度が定格に至る風速以上かつ定格発電電力に至る風速以下である場合に、風力発電システム１に加わる風速に基づいて、発電機６に指令する発電機トルクをフィードフォワード制御して入力エネルギーの変化を調整することを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、風力発電システムに係り、特に、浮体に発生する前後方向の振動を好適に低減する風力発電システムに関する。

近年、二酸化炭素の排出量増加を起因とする地球温暖化や、化石燃料の枯渇によるエネルギー不足が懸念されており、二酸化炭素排出の低減や、エネルギー自給率の向上が求められている。これらの実現のためには、二酸化炭素を排出せず、輸入に依存する化石燃料を利用することなく、風力や太陽光などの自然から得られる再生可能エネルギーにて発電が可能な発電システムの導入が有効である。

再生可能エネルギーを利用した発電システムの中でも、太陽光発電システムのように日射による急峻な出力変化をしない風力発電システムは、比較的安定した発電出力ができる発電システムとして注目されている。また、地上と比較して、風速が高く、風速変化が少ない洋上に設置する風力発電システムも有力な発電システムとして注目されている。なお、風力発電システムはロータのエネルギー変換効率が風速に応じて異なることから、ロータ回転速度の運転範囲を可変とする可変速運転を実施している。

上記可変速制御は風力発電システムの発電電力を調整できる有効な手段であるが、当該風力発電システムが洋上に浮かべられる土台（以下、浮体）に設置された場合には、浮体の前後方向の角度（浮体の場合のナセルピッチ角度）の固有振動を励起させる、すなわち共振が発生する場合がある。この振動は一般的にネガティブダンピング現象と呼ばれている。ネガティブダンピング現象の発生原因は、上記可変速制御によるブレードピッチ角度の操作である。ロータ回転速度（または発電機回転速度）を定格値に保持するようにブレードピッチ角度を操作することが、ナセルピッチ角度の固有振動を励起するように、ロータが風から前後方向に受ける力であるスラスト力を増減させてしまうためである。対策が施されなければナセルピッチ角度の振動振幅が増加し、タワーや他構造物の荷重増加、疲労蓄積に繋がる。

上記ネガティブダンピング現象を抑制する手段として、特許文献１に「風力発電装置およびそのアクティブ制振方法並びに風車タワー」が開示されている。要約すると、「ナセルに取り付けられ、該ナセルの振動の加速度を検出する加速度計と、前記加速度計により検出された加速度に基づき、前記ナセルの振動を打ち消すように前記風車ブレードにスラスト力を発生させるための該風車ブレードのピッチ角を算出」する手段である。

特許第4599350号公報

風力発電システムでは、発電機またはロータの回転速度が定格に維持され始める風速と発電電力が定格に維持され始める風速が異なり、発電機またはロータが定格回転速度に維持され始める風速の方が定格発電電力に維持され始める風速よりも小さい。そして、発電機回転速度制御のみが行われる場合、本来の定格発電電力に至る前にブレードのピッチ角をフェザー側へ移行させ始めることになってしまうため、電力制御も併せて行い、定格発電電力に至るまでは風からの入力エネルギーを最大限に確保すべく、ブレードのピッチ角をファイン側で固定し続ける様にしている。

ここで、発電機回転速度制御と電力制御の両者の関係については、発電機が定格回転速度に維持され始める風速以下では、発電機回転速度及び発電電力の双方が大きくしようとするため、互いに同じ方向の（ファイン側の）ピッチ角を志向することになる。また、定格発電電力に維持され始める風速以上では、発電機回転側及び発電電力の双方が値を維持しようとするため、やはり互いに同じ方向のピッチ角を志向することになる。一方で、定格回転速度に維持され始める風速と定格発電電力に維持され始める風速の間の風速領域では、発電機回転速度を維持しつつ、発電電力を大きくする必要があり、双方でおよそ異なる方向のピッチ角を志向することになる。

特許文献１に記載された様な風車ブレードのピッチ角の制御を通じてナセルの振動低減は、風速とは無関係に行われるが、上記の様に定格回転速度に維持され始める風速と定格発電電力に維持され始める風速の間の風速領域では、同じブレードのピッチ角を通じて行える制御の自由度が他の風速領域と比較して小さく、振動低減には改善の余地が認められることを発明者は知見として把握した。そこで本発明では、定格発電電力に至る風速以下で、かつ、発電機回転速度が定格に至る風速以上の領域における振動抑制を図ることができる風力発電システムまたは風力発電システムの運転方法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、本発明に係るピッチ角度を変更可能なブレードを有し、風を受けて回転するロータと、前記ロータの回転エネルギーを用いて発電する発電機を備える風力発電システムであって、前記風力発電システムに含まれる機器を制御する制御装置を備え、前記制御装置は、前記発電機の回転速度が定格に至る風速以上かつ定格発電電力に至る風速以下である場合に、前記風力発電システムに加わる風速に基づいて、前記発電機に指令する発電機トルクをフィードフォワード制御して入力エネルギーの変化を調整することを特徴とする。

また、本発明に係る風力発電システムの運転方法は、ピッチ角度を変更可能なブレードを有し、風を受けて回転するロータと、前記ロータの回転エネルギーを用いて発電する発電機を備える風力発電システムの運転方法であって、前記発電機の回転速度が定格に至る風速以上かつ定格発電電力に至る風速以下である場合に、前記風力発電システムに加わる風速に基づいて、前記発電機に指令する発電機トルクをフィードフォワード制御して入力エネルギーの変化を調整することを特徴とする。

本発明によれば、定格発電電力に至る風速以下で、かつ、発電機回転速度が定格に至る風速以上の領域における振動抑制を図ることができる風力発電システムまたは風力発電システムの運転方法を提供することが可能になる。

本発明を実施しない場合の風力発電システム１の構成概要を示す図である。 本発明を実施しない場合の風力発電システム１のコントローラ１０に実装される運転制御手段の処理概要を示すブロック線図である。 本発明を実施しない場合の運転制御手段２３に実装される運転制御手段の処理概要を示すブロック線図である。 本発明を実施しない場合の運転制御手段２４に実装される運転制御手段の処理概要を示すブロック線図である。 本発明を実施しない場合の風力発電システム１の風速と発電電力、発電機回転速度、およびブレードピッチ角度の関係を示す概略図である。 本発明を実施しない場合の風力発電システム１の所定風速条件における風速、発電電力、発電機回転速度、発電機トルク、発電電力、ブレードピッチ角度、およびナセルピッチ角度の変化概略を示すタイムチャートである。 本発明を実施しない場合の風力発電システム１の風速と発電電力、発電機回転速度、および発電機トルクの関係を示す概略図である。 本発明の第１の実施形態に係るコントローラ１０に実装される運転制御手段の処理概要を示すブロック線図である。 本発明の第１の実施形態に係るコントローラ１０に実装される運転制御手段３２の処理概要を示すブロック線図である。 本発明の第１の実施形態に係るコントローラ１０に実装される運転制御手段３２ａの処理概要を示すブロック線図である。 本発明の第１の実施形態に係る風力発電システム１の所定風速条件における風速、発電電力、発電機回転速度、発電機トルク、発電電力、ブレードピッチ角度、およびナセルピッチ角度の変化概略を示すタイムチャートである。 本発明の第１の実施形態に係る運転制御手段３２の処理概要を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施形態に係る風力発電システム１において、コントローラ１０の処理内でナセル風速が演算できない場合での、風速と発電電力、および発電機回転速度の関係を示す概略図である。 本発明の第２の実施形態に係る風力発電システム１の構成概要を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るコントローラ１０に実装されるナセル風速演算手段の処理概要を示すブロック線図である。 本発明の第２の実施形態に係るコントローラ１０に実装されるナセル風速演算手段の処理における、ブレード変形量とナセル風速の関係を示す概略図である。 本発明の第３の実施形態に係る風力発電システム１の構成概要を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係るコントローラ１０に実装されるナセル風速演算手段の処理概要を示すブロック線図である。 本発明の第３の実施形態に係るコントローラ１０に実装されるナセル風速演算手段の処理における、タワー変形量とナセル風速の関係を示す概略図である。 本発明の第４の実施形態に係るコントローラ１０に実装されるナセル風速演算手段の処理概要を示すブロック線図である。

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。

[参考例]
まず、図１を用いて、本発明を適用可能な風力発電システム全体の概略構成について説明する。

図１の風力発電システム１は、複数のブレード２と、複数のブレード２を接続するハブ３とで構成されるロータ４を備える。ロータ４はナセル５に回転軸（図１では省略する）を介して連結されており、回転することでブレード２の位置を変更可能である。ナセル５はロータ４を回転可能に支持している。ナセル５は発電機６を適宜位置に備える。ブレード２が風を受けることによりロータ４が回転し、ロータ４の回転力が発電機６を回転させることで電力を発生することができる。

ブレード２の各々には、ブレード２とハブ３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８を備えている。ピッチアクチュエータ８を用いてブレード２のピッチ角を変更することにより、風に対するロータ４の回転エネルギーを変更できる。これにより、広い風速領域においてロータ４の回転速度を制御しながら、風力発電システム１の発電電力を制御することができる。

図１の風力発電システム１では、ナセル５はタワー９上に設置されており、タワー９に対して回転可能に支持されている。ハブ３やナセル５を介してブレード２の荷重がタワー９に支持される。タワー９は、基部（図では省略）に設置され、地上、洋上、浮体等の所定位置に設置される。

ナセル５に設置される発電機６は、タワー９内（またはナセル５内）に設置されるパワーコンディショニングシステム７によって発生するトルクが制御され、ロータ４の回転トルクを制御することができる。

また、風力発電システム１はコントローラ１０を備えており、発電機６の回転速度を計測する回転速度センサ１１と、パワーコンディショニングシステム７にて計測する発電電力に基づき、コントローラ１０が発電機６とピッチアクチュエータ７を調整することで、風力発電システム１が出力する電力を調整する。また、コントローラ１０は、ナセルの加速度またはナセルピッチ角度を計測するセンサ１２に基づき、ピッチアクチュエータ７を調整することで、ナセルピッチ角度の振動を低減する。なお、ナセル５上にはナセル近傍の風速を計測する風速センサ１３が設置され、コントローラ１０に入力される。ここで、ナセル近傍の風速を計測することを例に説明しているが、これは風速計は通常ナセル上に配置されることが多く、結果的にナセル近傍（言い換えると風速計設置位置の近傍）における風速の風速を検出することになるためである。風力発電システムに加わる風速であれば、ナセル近傍の風速であるナセル風速に限定されずに用いることが可能である。

ここで、センサ１２の出力であるナセルピッチ角度は、水平面から垂直方向を基準とした角度であっても良いし、所定条件下の角度を基準とした角度であっても良い。風力発電システム１が陸上に設置される場合は、上記垂直方向を基準としても良いし、無風時のナセルの状態を基準角度としても良い。また、風力発電システム１が浮体台上に設置される場合には、水平面に対する垂直方向を基準角度としても良いし、無風時かつ波高が低い条件下でのナセルの状態を基準角度としても良い。

図１ではコントローラ１０はナセル５またはタワー９の外部に設置される形態にて図示されているが、これに限ったものではなく、ナセル５またはタワー９の内部またはそれ以外の所定位置、または風力発電システム１の外部に設置される形態であっても良い。また、パワーコンディショニングシステム７がタワー９内に設置される形態にて図示されているが、これに限ったものではなく、ナセル５の所定位置に設置される形態であっても良い。

次に、図２から図５を用いてコントローラ１０に実装される制御手段について述べる。

図２は、コントローラ１０に実装される運転制御手段の概要を示すブロック線図である。図２に示す運転制御手段は、可変速制御部２１と浮体振動制御部２２により構成される。可変速制御部２１は、発電電力と発電機回転速度に基づいてブレードピッチ角度指令値を決定するブレードピッチ角度制御部２３と、発電機回転速度に基づいて発電機トルク指令値を決定する発電機トルク制御部２４を備える。また、浮体振動制御部２２はナセルピッチ角度に基づいてブレードピッチ角度指令値を決定する。浮体振動制御部２２の別形態として、ナセルの加速度を入力する形態もあるが、以下では、上述のようにナセルピッチ角度を入力として用いる形態を例に取って説明する。さらにコントローラ１０では、可変速制御部２１と浮体振動制御部２２が決定するブレードピッチ角度指令値を加算し、最終的なブレードピッチ角度指令値を決定する。

図３は、可変速制御部２１のブレードピッチ角度制御部２３の概要を示すブロック線図である。ブレードピッチ角度制御部２３は、発電機回転速度制御部２３ａと、電力制御部２３ｂより構成される。発電機回転速度制御部２３ａは、発電機回転速度に基づいてブレードピッチ角度指令値を決定し、電力制御部２３ｂは、発電電力に基づいてブレードピッチ角度指令値を決定する。２つの値を加算することで、ブレードピッチ角度制御部２３の最終的なブレードピッチ角度指令値を決定する。なお、発電機回転速度制御部２３ａおよび電力制御部２３ｂは、フィードバック制御の処理内容を備えている。

図４は、可変速制御部２１の発電機トルク制御部２４の概要を示すブロック線図である。発電機トルク制御部２４は発電機回転速度に基づいてフィードバック制御により発電機トルク指令値を決定する。

図５は、図２から図４に示すコントローラ１０に実装される運転制御手段によって得られる風力発電システム１の特性を示す。図５の横軸は風速、縦軸は図上方より発電電力、発電機回転速度、およびブレードピッチ角度を示す。図５において上方が、発電電力が高い、発電機回転速度が高い、ブレードピッチ角度がフェザー、を示す。

可変速制御２１の発電機回転速度制御部２３により、図５中段に示すように、風速V₀からV₁の条件で発電機回転速度をΩ₁に保持し、風速V₁からV₂の条件で発電機回転速度をΩ₁からΩ₂へ増加させ、風速V₂以上の条件では発電機回転速度をΩ₂に保持する。ここで、上述のように発電機回転速度制御部２３がフィードバック制御の処理構造を備える場合には、風速V₂以上の条件で発電機回転速度をΩ₂に保持するようにブレードピッチ角度指令値をフェザー側に操作する。そのため、発電機回転速度制御部２３のみで構成された場合には、図５中の点線に示すようにブレードピッチ角度が風速V₂以上でフェザー側に動作する。これにより、ロータが受ける風力エネルギーが低下するために、発電電力がP₁に制限されてしまう。このような発電電力制限を抑制するべく電力制御部２３ｂが設けられており、発電機回転速度がΩ₂に保持され、かつ発電電力が定格P_rated未満の場合に、ロータが受ける風力エネルギーを低下させないように、ブレードピッチ角度をファイン側に保持するようにブレードピッチ角度指令値を出力する。これによって、図５のブレードピッチ角度の実線に示すように、風速がV₂からV₃の条件でブレードピッチ角度をファイン側であるθ_fに保持する。

上述のように電力制御部２３ｂを備えることで、風速V₃以上の条件でブレードピッチ角度がフェザー側へ大きく動作する様になる。このことから、上記ネガティブダンピング現象は風速V₃以上で発生する。浮体振動制御部２２は風速条件に関わらず、ナセルピッチ角度に基づいて実行されるが、風速V₃以上の条件で特に効果を発揮し、ナセルピッチ角度の振動を低減できる。

上述のように浮体振動制御部２２はネガティブダンピング現象の低減に効果的であるが、風速がV₂からV₃の条件で発生するナセルピッチ角度の振動を低減できないという課題がある。

この理由は、制御間の干渉である。ブレードピッチ角度指令値を演算する制御部は、発電機回転速度制御部２３ａ、電力制御部２３ｂ、および浮体振動制御部２２の３つがあり、風速がV₂からV₃の条件では３者の指令値が加算される。このとき、３者の要求を同時に満たすブレードピッチ角度を決定できない場合がある。特に、３つの制御部はフィードバック制御に基づくものであることから、発電機回転速度およびナセルピッチ角度の応答に対するブレードピッチ角度の応答が遅くなる。これが原因で最適値の決定に時間を要し、ブレードピッチ角度の変動が発生することでナセルピッチ角度の振動が発生する。

また、風速に対するブレードピッチ角度の特性は、図５に示すように風速V₂以下ではθ_fに保持されると述べたが、風速の急峻な増加がある場合には発電機回転速度制御部２３ａの効果が大きくなることで、ブレードピッチ角度が変化し、これがブレードピッチ角度の周期的な振動の引き金になる場合がある。その様子を図６を利用して説明する。

図６は、ナセルピッチ角度の変動を示すタイムチャートである。図６の横軸は時刻、縦軸は図上方より風速、発電機回転速度、発電機トルク、発電電力、ブレードピッチ角度、およびナセルピッチ角度を示す。図６は図上方が、風速が高い、発電機回転速度が高い、発電機トルクが高い、ブレードピッチ角度がフェザー、ナセルピッチ角度が後方にそれぞれ対応する。タイムチャート初期に発生した風速の急激な増加に応じて発電機回転速度が変動し、これに伴ってブレードピッチ角度が大きく変化する。このブレードピッチ角度の変化により、ロータが受けるスラスト力が変化することで、ナセルピッチ角度が変化を開始し、固有振動が励起される。この振動を抑制するために発電機回転速度制御部２３aと浮体振動制御部２２がブレードピッチ角度に指令すると共に、電力制御部２３ｂからもブレードピッチ角度指令値が出力される。しかしながら、本方式の下では、これら３つのブレードピッチ角度が加算されることで、それぞれの指令成分が打ち消しあう、または増幅されるため、発電機回転速度の収束性やナセルピッチ角度の固有振動の収束性を悪化させる。

〔第１の実施形態〕
以下、図７から図１１を用いて本発明の第１の実施例について説明する。尚、本発明適用の前提となる風力発電システム１の概略構成は図１と同様のため説明を省略する。

図７は、コントローラ１０に実装する本発明の第１の実施形態に係る運転制御手段の処理概要を示すブロック線図である。本運転制御手段は、可変速制御部３１および浮体振動制御部２２を備える。

可変速制御部３１は、ブレードピッチ角度制御部２３およびナセル風速利用発電機トルク制御部３２を備えており、発電電力、発電機回転速度、およびナセル風速に基づいてブレードピッチ角度指令値および発電機トルク指令値を決定する。図２に示す構成と異なる点は、発電機トルク制御部が、ナセル風速を用いて発電機トルク指令値を決定する処理へと変更されたことである。ブレードピッチ角度制御部２３は図３に示す構成と同様であるため、説明を省略する。また、本発明の第１の実施形態に係る運転制御手段を構成する浮体振動制御部２２も図２に示すものと同様であるため、説明を省略する。

ナセル風速利用発電機トルク制御部３２は、直接または間接的に計測したナセル風速に基づき、発電機トルク指令値を演算する。

図８は、ナセル風速利用発電機トルク制御部３２の処理概要を示すブロック線図である。ナセル風速利用発電機トルク制御部３２は、フィードバック制御部２４ａ、フィードフォワード制御部３２ａ、および発電機トルク指令値選択部３２ｂを備えている。

フィードバック制御部２４ａは、発電機回転速度に基づいて発電機トルク指令値１を決定する部分であり、図２４に示す上述の構成と同様であるため、説明を省略する。

フィードフォワード制御部３２ａは、直接的または間接的に計測したナセル風速に基づき、発電機トルク指令値２を決定する。本制御部での処理概要を図９を用いて説明する。

図９は、フィードフォワード制御部３２ａにおいて、ナセル風速から発電機トルク指令値２を決定するための特性を示した図である。図９に示すように、発電機トルク指令値２はナセル風速を用いた一次関数にて決定される。また、フィードフォワード制御部３２ａの処理形態はこれに限ったものではなく、ナセル風速の増加に従って発電機トルク指令値２を増加させ、かつ、ナセル風速の減少に従って発電機トルク指令値２を減少させる処理であれば、二次関数であっても良いし、他の関数の形態、またはテーブルなどを利用する形態であっても良い。検出したナセル風速に基づいたフィードフォワード制御を行い、風から受ける入力エネルギーの変化を調整する。

図８に示す発電機トルク制御部３２ｂは、ナセル風速に基づき、フィードバック制御部２４ａが決定する発電機トルク指令値１と、フィードフォワード制御部３２ａが決定する発電機トルク指令値２を選択し、ナセル風速利用発電機トルク制御部３２の出力として発電機トルク指令値に格納する。より具体的には、風速V₂に相当するナセル風速Vn₂未満かつ風速V₃に相当するナセル風速Vn₃以上では発電機トルク指令値に発電機トルク指令値１を格納し、ナセル風速がVn₂以上からVn₃未満では発電機トルク指令値に発電機トルク指令値２を格納する。

なお、本発明の第１の実施形態では、図７に示すナセル風速は、図１に示すナセル５上に設置した風速センサ１３の出力に基づいて決定する。風速センサ１３の出力をそのまま利用しても良いし、ローパスフィルタなどフィルタ処理を施した値であっても良いし、これに限定するものではない。

図１０は、本発明の第１の実施形態に係る運転制御手段を適用した場合の風力発電システム１における風速と発電電力、発電機回転速度、および発電機トルク指令値の関係を示す図である。図１０の横軸は風速であり、縦軸は図上方より発電電力、発電機回転速度、および発電機トルク指令値を示す。図１０の縦軸は図上方が、発電電力が高い、発電機回転速度が高い、発電機トルク指令値が高いことにそれぞれ対応する。図９に示す、ナセル風速と発電機トルクの特性を実現することにより、図１０下段に示す発電機トルク指令値が、風速がV₂からV₃においてTq₁からTq₂へ連続的に変化する特性を備える。即ち、ナセル風速が増加するにしたがって発電機トルク指令値を増加させ、ナセル風速が低下するにしたがって発電機トルク指令値を低下させる。なお、風速V₂未満、かつ風速V₃以上ではこれまで同様に、本発明の第１の実施形態を適用しない場合と同様のフィードバック制御部２４ａが出力する値を採用する。これにより、図１０の上段と中段に示すように、風速V₃まで発電電力と発電機回転速度（V₂以降一定）を変化させる特性を実現する。

図１１を用いて、本発明の第１の実施形態を適用した場合の風力発電システム１の応答について説明する。図１１は、本発明の第１の実施形態に係る風力発電システム１の所定風速条件における風速、発電電力、発電機回転速度、発電機トルク、発電電力、ブレードピッチ角度、およびナセルピッチ角度の変化概略を示すタイムチャートである。図の横軸は時間を示し、縦軸は図上方より風速、発電機回転速度、発電機トルク、発電電力、ブレードピッチ角度、ナセルピッチ角度、をそれぞれ示す。図上方が風速が高い、発電機回転速度が高い、発電機トルクが高い、発電電力が高い、ブレードピッチ角度がフェザー、ナセルピッチ角度が後方、にそれぞれ対応する。なお、図１１には、図６に示した本発明の第１の実施形態を適用しない場合のタイムチャート概要を点線にて示し、実線にて本発明の第１の実施形態を適用した場合のタイムチャートを示す。

風力発電システム１ではブレードピッチ角度、発電機トルク、およびヨー角度を調整することで、ブレードが受けるスラスト力を調整できる。この中でも、ヨー角度は動作に時間を要するため、本願が対象とするナセルピッチ角度の振動の低減に有効活用することができない。また、ブレードピッチ角度を利用する手段として、特許文献１にて公開された手段がある。これに対し、本発明の第１の実施形態は、発電機トルクを操作することでナセルピッチ角度の振動を低減することを狙う。本発明の第１の実施形態を適用することにより、風速に応じて変化するナセル風速（図では省略）が変化し、それに基づいて発電機トルクを変化させる。これにより、本風速条件にてロータに入力する風力エネルギーの変化が発電機トルクにて吸収されるため、発電機回転速度がほぼ一定に制御される。これはブレードピッチ角度に指令値を出力する制御部が２つに変化することで、制御間の干渉に伴うブレードピッチ角度の変動を抑制することも貢献している。発電機回転速度の変動を低減することにより、ロータに加わるスラスト力の急変を抑制することで、ナセルピッチ角度の振動を低減することができる。なお、発電電力は本発明の第１の実施形態の適用如何に関わらず大きく変化しないが、ナセルピッチ角度の振動に伴う変動成分を低減できる。

図１２は、本発明に係る運転制御手段におけるナセル風速利用発電機トルク制御部３２の処理概要を示すフローチャートである。

ステップＳ０１ではナセル風速Vnを計算し、ステップＳ０２に進む。ステップＳ０２ではナセル風速Vnがナセル風速がVn₂以上かつVn₃未満であるか否かを判定し、正（ｙｅｓ）の場合はステップＳ０３に進み、否（ｎｏ）の場合はステップＳ０５に進む。ステップＳ０３ではナセル風速に基づいて発電機トルク指令値１を決定し、ステップＳ０４に進む。ステップＳ０４では発電機トルク指令値に発電機トルク指令値１を格納し、一連の動作を終了する。ステップＳ０５では発電機トルク指令値２を演算し、ステップＳ０６に進む。ステップＳ０６では発電機トルク指令値に発電機トルク指令値２を格納し、一連の動作を終了する。

なお、上述では本発明の第１の実施形態では，コントローラ１０の処理において、ナセル風速Vnが演算可能な場合について説明しているがこれに限ったものではない。例えば、風速センサ１３が故障し、コントローラ１０の処理でナセル風速Vnが演算できなかった場合には、上述のナセル風速に応じた発電機トルクの調整ができなくなる。この場合の対応手段を図１３を用いて説明する。

図１３は、コントローラ１０の処理においてナセル風速Vnが演算できない場合での風速と発電電力の関係を示す。ナセル風速Vnの入力情報がなくとも発電運転は停止させず運転を継続する。図１３の横軸は風速を、縦軸は図上方より発電電力、および発電機回転速度を示し、図上方が発電電力が高、発電機回転速度が高、を示す。また、図中において、点線はナセル風速Vnが演算できる場合を、実線はナセル風速Vnが演算できない場合をそれぞれ示す。

コントローラ１０の処理においてナセル風速Vnが演算できない場合には、ピッチ角度をファイン側に保持しながら発電機の回転速度が定格に至る風速で発生可能な発電機トルクの値に発電機トルク指令値を制限する様にする。具体的には、発電電力Pを風速V₂以上の風速、すなわち発電機回転速度が定格値Ω₂に達する発電電力P₁に制限する。これにより、上述のナセル風速Vnがナセル風速がVn₂以上かつVn₃未満での振動を抑制できる。

〔第２の実施形態〕
次に、図１４から図１６を用いて、本発明の第２の実施形態について説明する。

図１４は、本発明の第２の実施形態に係る風力発電システム１の構成概要を示す図である。図１と異なり、ブレード変形量センサ５０を各ブレードに備えており、センサによって検出された信号がコントローラ１０に入力される。このブレード変形量センサ５０は風から受けるスラスト力によって発生するブレードの変形量を計測できるセンサである。

本発明の第２の実施形態に係る運転制御手段は第１の実施形態と同様のため説明を省略する。 第１の実施形態との違いは、ナセル風速の決定方法である。

図１５に、ナセル風速の決定方法概要を示すブロック線図を示す。本発明の第２の実施形態の運転制御手段は、ナセル風速演算部1を備えており、ブレード変形量センサ５０の出力であるブレード変形量に基づいてナセル風速を決定する。ブレード変形量は風から受けるスラスト力によって定まるものであるため、風速計の様にブレード変形量を用いることが出来る。

図１６に、ブレード変形量BLからナセル風速Vnの演算方法を示す。図１６の横軸はブレード変形量BLを、縦軸はナセル風速Vnを示す。図１６のように、ブレード変形量BLとナセル風速Vnが比例する形態を取るが、これに限ったものではなく、ブレード変形量BLに基づいて多項式や指数関数などに従ってナセル風速Vnが増加する形態であってもよい。

本発明の第２の実施形態を適用した場合のタイムチャートおよびフローチャートは第１の実施形態と同様のため、説明を省略する。

〔第３の実施形態〕
次に、図１７から図１９を用いて、本発明の第３の実施形態について説明する。

図１７は、本発明の第３の実施形態に係る風力発電システム１の構成概要を示す図である。図１および図１４と異なり、タワー変形量センサ６０をタワーに備えており、コントローラ１０に入力される。このタワー変形量センサ６０は風から受けるスラスト力によって発生するタワーの変形量を計測できるセンサである。

本発明の第３の実施形態に係る運転制御手段は前記各実施形態と同様のため説明を省略する。 前記各実施形態との違いは、ナセル風速の決定方法である。

図１８に、ナセル風速の決定方法概要を示すブロック線図を示す。本発明の第３の実施形態の運転制御手段は、ナセル風速演算部２を備えており、タワー変形量センサ５０の出力であるタワー変形量に基づいてナセル風速を決定する。タワー変形量も第２の実施形態におけるブレード変形量と同じく、風から受けるスラスト力によって定まるものであるため、風速計の様にタワー変形量を用いることが出来る。

図１９に、タワー変形量TLからナセル風速Vnの演算方法を示す。図１９の横軸はタワー変形量TLを、縦軸はナセル風速Vnを示す。図１９のように、タワー変形量TLとナセル風速Vnが比例する形態を取るが、これに限ったものではなく、タワー変形量TLに基づいて多項式や指数関数などに従ってナセル風速Vnが増加する形態であってもよい。

本発明の第３の実施形態を適用した場合のタイムチャートおよびフローチャートは第１および第２の実施形態と同様のため、説明を省略する。

〔第４の実施形態〕
次に、図２０を用いて、本発明の第４の実施形態について説明する。

本発明の第４の実施形態は前記各実施形態の風力発電システム１のいずれにも適用できるものであるため、構成概要の説明を省略する。

本発明の第４の実施形態に係る運転制御手段は前記各実施形態と同様のため説明を省略する。前記各実施形態との違いは、ナセル風速の決定方法である。

図２０に、ナセル風速の決定方法概要を示すブロック線図を示す。本発明の第４の実施形態の運転制御手段は、ナセル風速演算部３を備えており、信号Ａ、ヨー誤差、およびナセルピッチ角度に基づいてナセル風速を決定する。信号Ａとは上述の風速センサ１３の出力、またはブレード変形量センサ５０の出力、またはタワー変形量センサ６０の出力のいずれかである。これに限ったものではなく、いずれかまたは複数であっても良い。信号Ａと共にヨー誤差やナセルピッチ角度を利用することにより、風に対するロータ面の角度を調整することにより、より正確なナセル風速を決定することができる。即ち、ナセル風速の検出結果は、風速計或いはブレードやタワー等が受けるスラスト力によるが、ロータ面が傾くことで実際の風速からずれた方向成分が検出されることに繋がる。よって、その様なずれを補正するべく、ヨー誤差（水平面内のずれを考慮）やナセルピッチ角（鉛直方向からのずれを考慮）も併せて用いる様にしている。

本発明の第４の実施形態を適用した場合のタイムチャートおよびフローチャートは第１、第２、および第３の実施形態と同様のため、説明を省略する。

以上説明したように、各実施例の風力発電システムおよびその運転方法により、風速条件に依らずナセルピッチ角度の固有振動の励起を抑制することができる。これにより、風力発電システムの信頼性向上、長寿命化、発電効率の向上などを図ることができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…風力発電システム、２…ブレード、３…ハブ、４…ロータ、５…ナセル、６…発電機、７…パワーコンディショニングシステム、８…ピッチアクチュエータ、９…タワー、１０…コントローラ、１１…回転速度センサ、１２…ナセルピッチ角度センサ、１３…風速センサ、５０…ブレード変形量計測センサ、６０…タワー変形量計測センサ。

Claims (10)

1. ピッチ角度を変更可能なブレードを有し、風を受けて回転するロータと、
   前記ロータを回転可能に支持するナセルと、
   前記ロータの回転エネルギーを用いて発電する発電機を備える風力発電システムであって、
   前記風力発電システムに含まれる機器を制御する制御装置を備え、
   前記制御装置は、前記発電機の回転速度が定格に至る風速以上かつ定格発電電力に至る風速以下である場合に、
   前記風力発電システムに加わる風速に基づいて、前記発電機に指令する発電機トルクをフィードフォワード制御して入力エネルギーの変化を調整す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、
   前記制御装置は、前記風速の増加にしたがって前記発電機トルクの指令値を増加させると共に、前記風速の低下にしたがって前記発電機トルクの指令値を低下させることを特徴とする風力発電システム。
3. 請求項１または２に記載の風力発電システムであって、
   前記制御装置は、前記風速を計測する風速センサの出力信号に基づいて前記風速を決定することを特徴とする風力発電システム。
4. 請求項１または２に記載の風力発電システムであって、
   前記制御装置は、前記ブレードの変形量を計測するセンサの出力信号に基づいて前記風速を決定することを特徴とする風力発電システム。
5. 請求項１または２に記載の風力発電システムであって、
   前記制御装置は、前記ナセルを設置するタワーの変形量を計測するセンサの出力信号に基づいて前記風速を決定することを特徴とする風力発電システム。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の風力発電システムであって、
   前記制御装置は、前記風速を、前記ロータの風向に対する前記ナセル方向の差を示すヨー誤差または前記ナセルの水平面からの傾斜角度のうち少なくともいずれかに基づいて補正することを特徴とする風力発電システム。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載の風力発電システムであって、
   前記制御装置は、前記風速が入力されない場合に、前記ピッチ角度をファイン側に保持しながら前記発電機の回転速度が定格に至る風速で発生可能な発電機トルクの値に前記発電機トルクの指令値を制限することを特徴とする風力発電システム。
8. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載の風力発電システムは、発電運転時の前記ロータの位置が前記ナセルよりも風下に配置するダウンウィンド型であることを特徴とする風力発電システム。
9. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載の風力発電システムは、
   洋上に浮かべられた土台である浮体上に設置されることを特徴とする風力発電システム。
10. ピッチ角度を変更可能なブレードを有し、風を受けて回転するロータと、
    前記ロータの回転エネルギーを用いて発電する発電機を備える風力発電システムの運転方法であって、
    前記発電機の回転速度が定格に至る風速以上かつ定格発電電力に至る風速以下である場合に、
    前記風力発電システムに加わる風速に基づいて、前記発電機に指令する発電機トルクをフィードフォワード制御して入力エネルギーの変化を調整することを特徴とする風力発電システムの運転方法。
    

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