JP2018059450A - 風力発電装置または風力発電装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】風速の急激な変化を検出した場合に、ピッチ制御の安定性を確保し、装置の荷重増大を防いで信頼性を向上させる風力発電装置または風力発電装置の制御方法を提供することを目的とする。
【解決手段】風を受けて回転するブレードと、ブレードのピッチ角を調整するピッチ駆動装置と、ブレードまたはブレードの回転に連動して回転する機器における回転速度が定格回転速度を維持する様にピッチ角制御をしている際に、風速の所定量以上の増加を検知した場合、ピッチ角のファイン方向への動きを抑制する指令値をピッチ駆動装置に出力する制御装置１００を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、風力発電装置または風力発電装置の制御方法に係り、特にロータの過回転を抑制する風力発電装置に関する。

近年、環境保護の面から、二酸化炭素の排出による地球温暖化や、化石燃料の枯渇等が問題視されている。そこで、化石燃料を使用せず、また、二酸化炭素の排出を抑えられる発電装置として、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を利用した発電装置が注目を浴びている。

再生可能エネルギーを利用した発電装置の中では、太陽光発電装置が一般的であるが、日射によって直接的に出力が変化するため、出力変動が大きく、夜間は発電できない。それに対して風力発電装置は、風速や風向などの風況が安定した場所を選んで設置することで、昼夜を問わず比較的安定な発電が可能である。また、陸上よりも高風速で風況変化が少ない洋上に設置することも可能であるため、注目されている。

風況変化の少ない場所に設置された風力発電装置でも、天候の悪化等によって風向や風速が大幅に変化する場合があり、そのような場合でも極力安定した発電を継続する必要がある。このような風向や風速が大幅に変化する場合にも、風を受けるブレードのピッチ角を変化させて風を受ける量を変化させて、風力発電装置のロータや発電機等の回転系の回転速度や発電量を一定に保つような制御がおこなわれている。この回転速度制御では、定格回転速度を超えて過回転になると、装置に過大な負荷を与えることになる。さらに、過回転状態が継続して回転速度が所定値を超えると、装置保護のためのシャットダウン動作に移行して発電を継続できなくなるため、一般的にピッチ角制御は応答速度が高めに設定されている。
また、洋上に風車を設置する場合には、日本のような水深の深い場所が多い地域では、浮体を海底に係留してその上に風力発電装置を設置する浮体式が必須となる。浮体式では波や風によって浮体の振動が発生するため、ピッチ角制御で風によって受ける力を変化させて浮体の振動を抑制する振動抑制制御が行われており、ピッチ角制御には高い応答性が求められる。

このようなピッチ角制御で問題になるのが、突風のような風速の急激な変化が発生する場合であり、ピッチ角制御の応答性が高いためにピッチ角の変化が振動的になり、一旦フェザー（風を逃がす）側に変化したピッチ角が過渡応答でファイン（風を受ける）側に戻り、風速が高い状態で風を多く受けることで、装置荷重の許容値を超える急激な増大が発生する可能性がある。また、ピッチ角制御の過渡応答で過回転も発生しやすくなり、装置保護のためのシャットダウン動作に移行して発電を継続できなくなることも考えられる。

このような風速の急激な変化に対して、例えば特許文献１では、「風車ブレードのピッチ角を制御するブレードピッチ角制御手段を具備する風力発電装置であって、前記ブレードピッチ角制御手段は、出力を検出する出力検出手段により検出された前記出力が、過出力であるかを判断するための過出力閾値以上か否かを判定する判定手段と、前記出力が前記過出力閾値以上であった場合に、前記ブレードのピッチ角を空力出力が減少するフェザー側に設定するとともに、このピッチ角を所定の期間保持させるピッチ角設定手段とを具備する風力発電装置。」が開示されている。

特開２００６−２３３９１２号公報

しかしながら、特許文献１の風車の風力発電装置では、ピッチ角の目標値が急激に変化するため、ピッチ角制御が不安定になる可能性がある。また、安全性を確保するためには余裕を持ってピッチ角をフェザー側に設定する必要があり、その分発電効率が低下することになる。

本発明の目的は、風速の急激な変化を検出した場合に、ピッチ制御の安定性を確保し、装置の荷重増大を防いで信頼性を向上させる風力発電装置または風力発電装置の制御方法を提供することにある。

上記課題を解決する為に、本発明に係る風力発電装置は、風を受けて回転するブレードと、前記ブレードのピッチ角を調整するピッチ駆動装置と、前記ブレードまたは前記ブレードの回転に連動して回転する機器における回転速度が定格回転速度を維持する様にピッチ角制御をしている際に、風速の所定量以上の増加を検知した場合、前記ピッチ角のファイン方向への動きを抑制する指令値を前記ピッチ駆動装置に出力する制御装置を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る風力発電装置の制御方法は、風を受けて回転すると共に、ピッチ角を調整可能なブレードを備える風力発電装置の制御方法であって、前記ブレードまたは前記ブレードの回転に連動して回転する機器における回転速度が定格回転速度を維持する様にピッチ角制御をしている際に、風速の所定量以上の増加を検知した場合、前記ピッチ角のファイン方向への動きを抑制することを特徴とする。

本発明によれば、風速の急激な変化を検出した場合に、ピッチ制御の安定性を確保し、装置の荷重増大を防いで信頼性を向上させる風力発電装置または風力発電装置の制御方法を提供することが出来る。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施形態に係る風力発電装置の構成概要を示す図である。 風力発電装置における発電電力、発電機回転速度、発電機トルク、およびピッチ角の関係の一例を示す概略図である。 実施例１に係る風力発電装置のピッチ角制御部の概要を示すブロック図である。 実施例１に係るピッチ角速度制限部の入出力の関係の一例を示す概略図である。 実施例１に係るピッチ角速度制限部での風速変化検出信号およびピッチ角速度制限値の時間変化の一例を示す概略図である。 実施例１に係る本発明適用有無における風速、風速変化率、風速変化検出信号、回転速度、ピッチ角度およびタワー荷重の関係を示す概略図である。 実施例２に係る風力発電装置のピッチ角制御部の概要を示すブロック図である。 実施例２に係るピッチ角速度制限部での風速変化検出信号およびピッチ角速度制限値の時間変化の一例を示す概略図である。 実施例２に係る本発明適用有無における風速、発電電力、風速変化検出信号、回転速度、ピッチ角度およびタワー荷重の関係を示す概略図である。 本発明の一実施形態に係る浮体式風力発電装置の構成概要を示す図である。 実施例３に係る風力発電装置のピッチ角制御部の概要を示すブロック図である。 実施例３に係るピッチ角速度演算部での抑制ゲインの作用の一例を示す概略図である。 実施例３に係るピッチ角速度演算部での風速変化検出信号および抑制ゲインの時間変化の一例を示す概略図である。 実施例３に係る本発明適用有無における風速、風速変化検出信号、回転速度、ピッチ角度およびタワー荷重の関係を示す概略図である。

以下、本発明の実施例を、図面を参照して説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。

図１から図６を用いて、実施例１における風力発電装置について説明する。図１は、本発明を適用可能な風力発電装置全体の概略構成図である。

図１の風力発電装置１は、回転軸（図では省略）を有するハブ２と、ハブ２に取付けられた複数のブレード３とで構成される、回転可能なロータ４を備えている。ロータ４は、図示しない回転軸を介してナセル５により回転可能に支持されており、ロータ４の回転力をナセル５内の発電機６に伝達するようになっている。ブレード２が風を受けることでロータ４が回転し、ロータ４の回転力で発電機６を回転させて電力を発生させている。なお、ナセル５上には風向や風速を計測する風向風速センサ７が備えられている。

発電機６内には、発電機トルクを調整可能な発電機トルク調整装置８を備えており、発電機トルクを変更することで、ロータ４や発電機６の回転速度や風力発電装置１の発電電力を制御することが可能である。また、発電機６内には、回転速度を検出するための回転速度センサ９や、発電機が出力する有効電力を計測する電力センサ（図では省略）等も備えられている。

個々のブレード３は、風に対するブレード３の角度（ピッチ角）を調整可能なピッチ角調整装置１０を備えており、このピッチ角を変更することによりブレード３の受ける風力（風量）を調整して、風に対するロータ４の回転エネルギーを変更するようになっている。これにより、広い風速領域において回転速度及び発電電力を制御することが可能となっている。

風力発電装置１において、ナセル５はタワー１１上に設置されており、タワー１１に対して回転可能な機構（図では省略）を有している。タワー１１は、ハブ２やナセル５を介してブレード３の荷重を支持するようになっており、地上または洋上等の所定位置に設置された基部（図では省略）に固定されている。

風力発電装置１はコントローラ１２を備えており、回転速度センサ９から出力される回転速度、風向風速センサ７から出力される風向及び風速、発電機６から出力される発電電力等に基づいてコントローラ１２で発電機トルク調整装置８とピッチ角調整装置１０を調整することで、風力発電装置１の発電電力や回転速度を調整する。

図１では、コントローラ１２はナセル５またはタワー１１の外部に設置するように図示されているが、ナセル５またはタワー１１の内部に配置してもよく、風力発電装置１の外部に設置することも可能である。

図２に、風力発電装置１の発電動作概要を示す。図２は、風速に対する発電電力、発電機の回転速度、発電機トルクおよびピッチ角の関係を示しており、この図を用いて風力発電装置１の発電動作概要を説明する。各グラフの横軸は風速を示し、右側に行くほど風速が速くなる。また、各グラフの縦軸は上方に行くほど発電電力、回転速度、発電機トルクの各値が大きくなることを示している。ピッチ角に関しては、上方がフェザー（風を逃がす）側、下方がファイン（風を受ける）側となる。

発電は、ロータ４の回転を開始するカットイン風速Ｖinから回転を停止するカットアウト風速Ｖoutの範囲で行われ、風速Ｖｄまでは風速の増加に伴って発電電力値も増加するが、それ以上の風速では発電電力は一定となる。

コントローラ１０では、カットイン風速Ｖinから風速Ｖaまでは回転速度が一定（Ｗlow）になるように発電機トルクを制御し、回転速度が定格回転速度Ｗrat以下となる風速Ｖaから風速Ｖbまでの範囲では、風速に対する発電電力が最大になるように回転速度から発電機トルクを算出して制御を行う。風速Ｖbを超えて回転速度が定格回転速度Ｗratに達したら、定格回転速度Ｗratを維持するように発電機トルク及びピッチ角を制御する。基本的には、発電電力を確保するために、発電機トルクの制御を行う。発電機トルクの制御では、風速Ｖbから風速Ｖdの範囲で、風速に応じて発電機トルクを定格発電機トルクＱratになるまで変化させ、風速Ｖdからカットアウト風速Ｖoutまでの範囲では、定格発電機トルクＱratを保持し、その間の発電電力は定格発電電力Pratとなる。

ピッチ角の制御では、風速Ｖcまではピッチ角をファイン側Θminに保持し、風速ＶcからカットアウトＶoutの範囲で、風速に応じてピッチ角をファイン側Θminからフェザー側Θmaxまで変化させる。ただし、図２の例においては、風速Ｖcから風速Ｖdの範囲で発電機トルクとピッチ角の制御をオーバラップさせているが、これはＶc＝Ｖdとしてオーバラップをなくし、発電機トルクの制御とピッチ角の制御を独立に実行させるようにしてもよい。

本発明は、図２に示すような風速Ｖc以上でピッチ角制御によってブレード３またはブレード３の回転に連動して回転する機器について一定回転速度Ｗratを維持する様に、（発電）運転を行っている際に、急激な風速の増大を検出して、ピッチ角のファイン側への動きを抑制することで、ピッチ角制御が振動的になることによる荷重増大を防止するものである。

図３は、本発明の実施例１における風力発電装置１のピッチ角制御部の一例の概要を示すブロック図である。実施例１のピッチ角制御装置１００は、コントローラ１２内に設けられており、減算部１０１、ピッチ角速度演算部１０２、ピッチ角速度制限部１０３、ピッチ角演算部１０４、風速変化検出部１０５から構成される。

減算部１０１では、入力される目標回転速度と回転速度の偏差を算出し、ピッチ角速度演算部１０２に入力し、ピッチ角速度演算部１０２では、入力された偏差からピッチ角速度を算出してピッチ角速度制限部１０３に入力する。ピッチ角速度制限部１０３では、ピッチ角調整装置１０の能力等によって決定されるピッチ角速度の制限値以下になるように、入力されたピッチ角速度を制限し、制限済みピッチ角度速度を出力する。ピッチ角演算部１０４では、制限済みピッチ角速度を積分してピッチ角度に変換し、ピッチ角指令値として出力する。風速変化検出部１０５では、入力される風速から風速の変化率を算出して、その値が閾値以上になった場合に、所定期間Ｔrを含めてピッチ角速度制限部１０３に入力する風速変化検出信号をＯＮにする。なお、風速の変化率が閾値を超えている間は所定期間Ｔrを更新するようになっており、風速の変化率が閾値を超えている期間に所定期間Ｔrを加えた期間、風速変化検出信号はＯＮになる。ここで所定期間Ｔｒを加えているのは、閾値を超えなくなった後も所定の期間ファイン側への動きを抑制することで、ピッチ角制御を安定化させ、過渡応答が発生する可能性を低減するためである。また、ピッチ角のファイン方向への動きを抑制している所定期間中に、再度風速の所定量以上の増加を検知した場合には、再度風速の所定量以上の増加を検知した時点から所定期間を開始する様にし、所定期間Ｔｒを更新する。ピッチ角速度制限部１０３では、風速変化検出信号がＯＮの間、ファイン側制限値を通常の値より０に近い値に変更して、ピッチ角のファイン側への動きを抑制する。

図４に、実施例１におけるピッチ角速度制限部１０３の入出力の関係の一例を示す。図４の横軸はピッチ角速度入力であり、縦軸は制限済みピッチ角速度出力を示す。風速変化検出信号がＯＮの間、ファイン側制限値が大幅に０に近い値に変更される。なお、風速変化検出信号がＯＮの間のファイン側制限値は、０に設定することも可能であり、０に近い値に設定するほど風を余分に逃がす設定になるため荷重低減の効果が高くなるが、その分発電効率が低下するため、荷重低減と発電効率を両立させるように、例えば通常制限値の１／２〜１／４に設定するのが好ましい。

図５に、実施例１におけるピッチ角速度制限部１０３でのピッチ角速度制限値の時間変化の一例を示す。図５の横軸は時刻を示し、縦軸は図上方から風速変化検出信号及びピッチ角速度制限値となる。通常はファイン側制限値とフェザー側制限値は、ほぼ同じ値に設定されているが、風速が増大して(時刻Ｔ1からＴ4の間)、風速変化率が閾値を超えている期間（時刻Ｔ2からＴ3の間）及びその後の所定期間Ｔr（時刻Ｔ3からＴ5の間）は、風速変化検出信号がＯＮになり、ファイン側制限値が大幅に０に近い値に変更される。

図６は、実施例１における発明の効果を示す概要図である。図６の横軸は時刻Ｔを示し、縦軸は図上方より風速、風速変化率、風速変化検出信号、回転速度、ピッチ角およびタワー荷重を示す。また、図６の回転速度、ピッチ角およびタワー荷重に示す破線は、本実施例を適用しない場合の結果であり、実線が本実施例を適用した場合の結果を示している。

図６は、時刻Ｔ1からＴ4の間に風速が増大していく例であり、風速の変化に伴って時刻Ｔ2からT3の期間において風速変化率が閾値を超えている。また、風速増大に伴って回転速度が上昇するため、回転速度を一定(Ｗrat)に保つようにピッチ角制御が行われている。本実施例を適用しない場合には、ピッチ角制御の応答性によってピッチ角の変化が振動的になり、一旦フェザー（風を逃がす）側に変化したピッチ角が過渡応答でファイン（風を受ける）側に戻り、風速が高い状態で風を多く受けることで、装置荷重の急激な増大が発生している。

それに対して、本実施例を適用した場合には、風速変化率が閾値を超えている期間（時刻Ｔ2からＴ3の間）及びその後の所定期間Ｔr（時刻Ｔ3からＴ5の間）は風速変化検出信号がＯＮになり、ピッチ角のファイン側の移動が抑制されるため風を逃がすことができ、ピッチ角及び回転速度の変動を抑えて、装置荷重の増大を防ぐことが可能になる。

風速変化率の閾値に関しては、小さな値に設定すると安全は確保できるが、風速変化検出信号が頻繁にＯＮになって、発電効率が低下するため、適切な値を設定する必要があり、例えば１秒間の風速増大を０．５〜１ｍ／ｓ程度に設定するのが好ましい。また、ピッチ角のファイン側の移動が抑制される所定期間Ｔrについても、長くするほど安定性が増すが、発電効率が低下する。本実施例の十分な効果を得るには、ピッチ角の振動が複数周期分含まれるように設定する必要があるため、例えば３〜５周期に設定するのが好ましい。

図７から図９を用いて、実施例２における風力発電装置について説明する。なお、実施例１と重複する点については詳細な説明を省略する。

図７は、本実施例の実施例２における風力発電装置１のピッチ角制御部の一例の概要を示すブロック図である。実施例２のピッチ角制御装置２００は、コントローラ１２内に設けられており、減算部１０１、ピッチ角速度演算部１０２、ピッチ角速度制限部２０３、ピッチ角演算部１０４、風速変化検出部２０５から構成される。なお、減算部１０１、ピッチ角速度演算部１０２及びピッチ角演算部１０４は、実施例１のピッチ制御装置１００の同一部分と同じである。

風速変化検出部２０５では、発電電力が閾値以上になった場合に、所定期間Ｔrの間風速変化検出信号をＯＮにする。なお、発電電力が閾値を超えている間は所定期間Ｔrを更新するようになっている。実際には、発電電力が閾値を超えている期間は風速変化検出信号をＯＮ1に、その後の所定期間Ｔrは風速変化検出信号をＯＮ2に設定する。ピッチ角速度制限部２０３は、実施例１のピッチ制御装置１００のピッチ角速度制限部１０３とほぼ同様に動作するが、風速変化検出信号がＯＮ2の間、ファイン側制限値が連続的に変化する点が異なる。

実施例1では、風速自体で風速の変化を検出していたが、実際の風速の検出値は短時間の変動が大きいため、一般に時間平均値を使用しており、風速変化率を安定して算出するためには特に平均時間を長くするする必要があるため、その分検出が遅れる恐れがある。そこで実施例２では、風速の急速な増大によって、回転速度制御の追従遅れが発生して発電電力も増大する点に着目し、発電電力が閾値以上になることで風速の変化を検出するようにしている。なお、発電電力の閾値は、荷重低減と発電効率を両立させるように、例えば定格発電電力＋３〜５％程度に設定するようにする。

図８に、実施例２におけるピッチ角速度制限部２０３でのピッチ角速度制限値の時間変化の一例を示す。図８の横軸は時刻を示し、縦軸は図上方から風速変化検出信号及びピッチ角速度制限値となる。通常はファイン側制限値とフェザー側制限値は、ほぼ同じ値に設定されているが、風速が増大して(時刻Ｔ1からＴ4の間)、発電電力が閾値を超えて風速変化検出信号はＯＮ1になっている期間（時刻Ｔ2からＴ3の間）はファイン側制限値が大幅に０に近い値に変更され、その後の風速変化検出信号がＯＮ2になっている所定期間Ｔr（時刻Ｔ3からＴ5の間）は、風速変化検出信号がＯＮ1での値からスロープ状に連続的に一定割合で変化し、時刻Ｔ5で通常の値に戻る。このようにすることで、ピッチ角制御の安定性や連続性を確保しつつ、発電効率の改善を図ることができる。

図９は、実施例２における発明の効果を示す概要図である。図９の横軸は時刻Ｔを示し、縦軸は図上方より風速、発電電力、風速変化検出信号、回転速度、ピッチ角およびタワー荷重を示す。また、図９の発電電力、回転速度、ピッチ角およびタワー荷重に示す破線は、本実施例を適用しない場合の結果であり、実線が本実施例を適用した場合の結果を示している。

図９は、時刻Ｔ1からＴ4の間に風速が増大していく例であり、風速の変化に伴って時刻Ｔ2からＴ3の期間において発電電力が閾値を超えている。また、風速増大に伴って回転速度が上昇するため、回転速度を一定(Ｗrat)に保つようにピッチ角制御が行われている。本実施例を適用しない場合には、ピッチ角制御の応答性によってピッチ角の変化が振動的になり、一旦フェザー（風を逃がす）側に変化したピッチ角が過渡応答でファイン（風を受ける）側に戻り、風速が高い状態で風を多く受けることで、装置荷重の急激な増大が発生している。

それに対して、本実施例を適用した場合には、発電電力が閾値を超えている期間（時刻Ｔ2からＴ3の間）風速変化検出信号がＯＮ1になり、その後の所定期間Ｔr（時刻Ｔ3からＴ5の間）は風速変化検出信号がＯＮ2になることで、ピッチ角のファイン側の制限値が変化して移動が抑制されるため、風を逃がすことでピッチ角及び回転速度の変動を抑えて、装置荷重の増大を防ぐことが可能になる。

なお、図８では、風速変化検出信号がＯＮ2の間ファイン側制限値をスロープ状に変化させているが、これは曲線状や階段状に変化さえるようにしてもよく、風速変化検出信号がＯＮ1の時点から変化させるようにすることもできる。

図１０から図１４を用いて、実施例３における風力発電装置について説明する。なお、実施例１と重複する点については詳細な説明を省略する。

図１０は、実施例３において本実施例を適用可能な浮体式風力発電装置全体の概略構成図である。風力発電装置２１は、タワー１１内に傾斜角度センサ２２を設けている部分以外は、実施例１の風力発電装置１と同じであり、傾斜角度センサ２２から出力される傾斜角度はコントローラ１２に入力される。風力発電装置２１は浮体２３上に設置されており、浮体２３は、多方向に延ばされた複数の係留索２４によって洋上の所定位置に係留されている。

実施例３は、水深の深い洋上で風力発電を行うために、係留した浮体上に風力発電装置を設置する、浮体式風力発電装置を対象としている。浮体式風力発電装置では、風や波によって浮体が振動するため、コントローラ１２では、傾斜角度センサ２２から出力される傾斜角度が一定になるようにピッチ角を操作する、浮体振動抑制制御を行うようになっている。

図１１は、本実施例の実施例３における風力発電装置２１のピッチ角制御部の一例の概要を示すブロック図である。実施例３のピッチ角制御装置３００は、コントローラ１２内に設けられており、減算部１０１、ピッチ角速度演算部３０２、ピッチ角速度制限部３０３、ピッチ角演算部１０４、風速変化検出部３０５、減算部３０６、浮体振動抑制演算部３０７、加算部３０８から構成される。なお、減算部１０１及びピッチ角演算部１０４は、実施例１のピッチ制御装置１００の同一部分と同じである。

減算部１０１では、目標回転速度と回転速度の偏差を算出し、ピッチ角速度演算部３０２に入力し、ピッチ角速度演算部３０２では、入力された偏差から回転速度制御用のピッチ角速度を算出して出力する。減算部３０６では、入力される目標傾斜角度と傾斜角度の偏差を算出し、浮体振動抑制演算部３０７に入力し、浮体振動抑制演算部３０７では、入力された偏差から浮体振動抑制制御のためのピッチ角速度を算出して出力する。加算部３０８では、ピッチ角速度演算部３０２からのピッチ角速度と、浮体振動抑制演算部３０７からのピッチ角速度を加算して、ピッチ角速度制限部３０３に入力する。ピッチ角速度制限部３０３では、ピッチ角調整装置１０の能力等によって決定されるピッチ角速度の制限値以下になるように、入力されたピッチ角速度を制限し、制限済みピッチ角度速度を出力する。ピッチ角演算部１０４では、制限済みピッチ角速度を積分してピッチ角度に変換し、ピッチ角指令値として出力する。なお、ピッチ角速度制限部３０３では、実施例１におけるピッチ角速度制限部１０３や実施例２におけるピッチ角速度制限部２０３とは異なり、ファイン側制限値は一定で変化させない。上記構成にすることで、浮体振動抑制制御に影響を与えることなく、回転速度制御に関するピッチ角のファイン側への動きを抑制することができる。

風速変化検出部３０５では、回転速度が閾値以上になった場合に、所定期間Ｔrの間ピッチ角速度演算部３０２に入力する風速変化検出信号をＯＮにする。実施例３では、風速の急速な増大によって、回転速度制御の追従遅れが発生して回転速度も増大する点に着目し、回転速度が閾値以上になることで風速の変化を検出するようにしている。回転速度の閾値は、荷重低減と発電効率を両立させるように、例えば定格回転速度(Ｗrat)＋３〜５％程度に設定するようにする。なお、回転速度が閾値を超えている間は所定期間Ｔrを更新するようになっている。実際には、発電電力が閾値を超えている期間は風速変化検出信号をＯＮ1に、所定期間Ｔrは風速変化検出信号をＯＮ2に設定する。ピッチ角速度演算部３０２では、ピッチ速度演算値に対して、ピッチ動作を抑制するための抑制ゲインを掛けて出力するようになっている。抑制ゲインは、フェザー側移動に対応するフェザー側抑制ゲインＫfeと、ファイン側移動に対応するファイン側抑制ゲインＫfiとに分かれており、通常はどちらも１（抑制なし）に設定されている。また、風速変化検出信号がＯＮの間、フェザー側抑制ゲインＫfeは変化しないが、ファイン側抑制ゲインＫfiは、通常の値より小さな値（＜１）に変更され、ピッチ角のファイン側への動きを抑制する。

図１２に、実施例３におけるピッチ角速度演算部３０２での抑制ゲインの作用の一例を示す。図１２の横軸はピッチ角速度演算値であり、縦軸は抑制ゲインで抑制されたピッチ角速度出力値を示す。風速変化検出信号がＯＮの間、ファイン側抑制ゲインＫfiが１より小さな値に変更されて、ファイン側ピッチ角速度出力が制限される。なお、風速変化検出信号がＯＮの間のファイン側抑制ゲインＫfiは、０に設定することも可能であり、０に近い値に設定するほど風を余分に逃がす設定になるため荷重低減の効果が高くなるが、その分発電効率が低下するため、荷重低減と発電効率を両立させるように、例えば１／２〜１／４に設定する。

図１３に、実施例３におけるピッチ角速度演算部３０２での抑制ゲインの時間変化の一例を示す。本実施例においては、ピッチ角速度抑制部３０３ではなく、ピッチ角速度演算部３０２を用いてファイン側抑制ゲインＫfiを決定している。図１３の横軸は時刻を示し、縦軸は図上方から風速変化検出信号及び抑制ゲインとなる。通常はファイン側抑制ゲインＫfiとフェザー側抑制ゲインＫfeは１に設定されているが、風速が増大して(時刻Ｔ1からＴ4の間)、回転速度が閾値を超えて風速変化検出信号はＯＮ1になっている期間（時刻Ｔ2からＴ3の間）はファイン側抑制ゲインＫfiが１より小さい値に変更されて保持され、その後の風速変化検出信号がＯＮ2になっている所定期間Ｔr（時刻Ｔ3からＴ5の間）は、風速変化検出信号がＯＮ1での値から曲線状に変化し、時刻Ｔ5で通常の値（１）に戻る。このようにすることで、ピッチ角制御の安定性や連続性を確保しつつ、発電効率の改善を図ることができる。なお、風速変化検出信号がＯＮ2の間のファイン側抑制ゲインＫfiの変化は、スロープ状や階段状にすることもでき、風速変化検出信号がＯＮ1の値を保持するようするようにしてもよい。また、風速変化検出信号がＯＮ1の時点から変化させるようすることもできる。

図１４は、実施例３における発明の効果を示す概要図である。図１４の横軸は時刻を示し、縦軸は図上方より風速、風速変化検出信号、回転速度、ピッチ角およびタワー荷重を示す。また、図１４の回転速度、ピッチ角およびタワー荷重に示す破線は、本実施例を適用しない場合の結果であり、実線が本実施例を適用した場合の結果を示している。

図１４は、時刻Ｔ1からＴ4の間に風速が増大していく例であり、風速の変化に伴って時刻Ｔ2からＴ3の期間において回転速度が閾値を超えている。また、風速増大に伴って回転速度が上昇するため、回転速度を一定(Ｗrat)に保つようにピッチ角制御が行われている。本実施例を適用しない場合には、ピッチ角制御の応答性によってピッチ角の変化が振動的になり、一旦フェザー（風を逃がす）側に変化したピッチ角が過渡応答でファイン（風を受ける）側に戻り、風速が高い状態で風を多く受けることで、装置荷重の急激な増大が発生している。

それに対して、本実施例を適用した場合には、回転速度が閾値を超えている期間（時刻Ｔ2からＴ3の間）風速変化検出信号がＯＮ1になり、その後の所定期間Ｔr（時刻Ｔ3からＴ5の間）は風速変化検出信号がＯＮ2になることで、ピッチ角のファイン側の制限値が変化して移動が抑制されるため、風を逃がすことでピッチ角及び回転速度の変動を抑えて、装置荷重の増大を防ぐことが可能になる。

なお、回転速度は、発電機６に備えられた回転速度センサ９以外にも、ロータ４で測定することができ、また、ロータ４に備えられたブレード３の回転位置（アジマス角）を検出するセンサ出力（図では省略）の角度値から算出することも可能である。傾斜角度センサ２２の設置位置についても、タワー１１に限定されるわけではなく、浮体２３自体や浮体２３と連動して動作する位置であればよく、例えばナセル５内に設置することも可能である。

また、本実施例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実施例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。

１，２１…風力発電装置、２…ハブ、３…ブレード、４…ロータ、５…ナセル、６…発電機、７…風向風速計、８…発電機トルク調整装置、９…回転速度センサ、１０…ピッチ角調整装置、１１…タワー、１２…コントローラ、２２…傾斜角度センサ、２３…浮体、２４…係留索、１００，２００，３００…ピッチ角制御装置、１０１，３０６…減算部、１０２，３０２…ピッチ角速度演算部、１０３，２０３，３０３…ピッチ角速度制限部、１０４…ピッチ角演算部、１０５，２０５，３０５…風速変化検出部、３０７…浮体振動抑制演算部、３０８…加算部。

Claims (10)

1. 風を受けて回転するブレードと、
   前記ブレードのピッチ角を調整するピッチ駆動装置と、
   前記ブレードまたは前記ブレードの回転に連動して回転する機器における回転速度が定格回転速度を維持する様にピッチ角制御をしている際に、風速の所定量以上の増加を検知した場合、前記ピッチ角のファイン方向への動きを抑制する指令値を前記ピッチ駆動装置に出力する制御装置を備えることを特徴とする風力発電装置。
2. 請求項１に記載の風力発電装置であって、
   前記ピッチ角のファイン方向への動きを風速が所定量以上増加している間及び風速の所定量以上増加終了後の所定期間抑制することを特徴とする風力発電装置。
3. 請求項２に記載の風力発電装置であって、
   前記所定期間は、前記ピッチ角のファイン方向への動きの抑制時に生ずるピッチ角振動の３〜５周期であることを特徴とする風力発電装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の風力発電装置であって、
   風速の増加に関する前記所定量は、１秒間の風速変化が０．５〜１ｍ／Ｓの範囲内に設定されることを特徴とする風力発電設備
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の風力発電装置であって、
   前記ピッチ角のファイン方向への動きを抑制する際の前記指令値は、通常時の制限値の１／２〜１／４の範囲内に設定されることを特徴とする風力発電設備
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の風力発電装置であって、
   風速の上昇速度または風速変化に連動して変化する検出値が所定値以上に上昇した場合に、前記風速の所定量以上の増加と検知することを特徴とする風力発電装置。
7. 請求項６に記載の風力発電装置であって、
   前記上昇速度または風速変化に連動して変化する前記検出値は前記ブレードまたは前記機器における回転速度であり、
   前記回転速度が所定値を超えたことで、前記風速の所定量以上の増加と検知することを特徴とする風力発電装置。
8. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載の風力発電装置であって、
   前記ピッチ角のファイン方向への動きを抑制している期間中に、再度風速の所定量以上の増加を検知した場合には、再度風速の所定量以上の増加を検知した時点から前記ピッチ角のファイン方向への動きを抑制する期間を開始することを特徴とする風力発電装置。
9. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載の風力発電装置であって、
   前記制御装置は、前記所定期間中において、前記ピッチ駆動装置への指令値がファイン方向の値の場合に、前記指令値に対するゲインあるいは速度制限値を通常の状態より下げることを特徴とする風力発電装置。
10. 風を受けて回転すると共に、ピッチ角を調整可能なブレードを備える風力発電装置の制御方法であって、
    前記ブレードまたは前記ブレードの回転に連動して回転する機器における回転速度が定格回転速度を維持する様にピッチ角制御をしている際に、風速の所定量以上の増加を検知した場合、前記ピッチ角のファイン方向への動きを抑制することを特徴とする風力発電装置の制御方法。

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