JP2019031929A - ウィンドファーム制御システム及びウィンドファームの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】急激な風向の変動が瞬時的である場合では、ウィンドファームにおける稼働率を向上し、発電電力量を増加し得るウィンドファーム制御システムを提供する。【解決手段】ウィンドファーム制御システム１は、少なくとも風を受けて回転するロータとナセル２２とナセル２２をヨー回転可能に支持するタワー２１と制御装置３１を備える風力発電装置２を、複数備えるウィンドファーム１００を有する。ウィンドファーム１００に設置される複数の風力発電装置２のうち、風向の急激な変動を検知した一の風力発電装置２の制御装置３１より送信される少なくとも風向計測値及びヨー角計測値より求まるヨー角誤差が、所定の期間において所定の第１の閾値以内か否かを判定し、判定結果に基づき他の風力発電装置２の所定の第１の閾値の変更又はヨー角を含む指令値を他の風力発電装置２の制御装置３１へ送信する。【選択図】 図１

Description

本発明は、複数基の風力発電装置を備えるウィンドファームの制御システムに係り、特に、急激な風向の変動が生じた場合においても、ウィンドファームにおける稼働率を向上し得るウィンドファーム制御システム及びウィンドファームの制御方法に関する。

石油など化石燃料の枯渇が懸念されるようになって久しく、また、地球環境の温暖化対策のために、ＣＯ_２の排出削減が全世界で解決すべき急務の課題となっている。これらの課題の解決を図るために、化石燃料を使用せず、また、ＣＯ_２も排出しない発電の方法として、太陽光発電や風力発電など自然エネルギーを用いた発電の導入が世界中で急速に進行している。
これに伴って、２基以上の風力発電装置からなる風力発電装置群（以下、ウィンドファームと称する）も増加している。風力発電装置の導入量が増加し、基幹電源としての役割を求められるに伴って、ウィンドファーム全体での発電電力量の向上が望まれている。そのため、風力発電装置はロータ面の向きを風向に正対させるヨー角制御（アクティブヨー制御）を行い、発電電力量を向上させている。
例えば、特許文献１には、ウィンドファーム内の検知部で外部環境の危険要素を感知した場合、ウィンドファーム内の風力発電装置に停止指令を送ることで、ウィンドファームの全体システムの故障を未然に防止する技術が提案されている。なお、特許文献１では、外部環境の危険要素が急激な局地的な風向変化に該当する場合は、各風力発電装置のヨーイングシステムを制御して、変化した風向に向けてナセルの正面が位置されるようにナセルの方向を回転させる（アクティブヨー制御する）旨記載されている。

特開２０１５−１２７５２８号公報

低気圧の通過などで風向が急変すると、アクティブヨー制御の追従が間に合わず、急変した風向からの風荷重から風力発電装置を保護するために風力発電装置を停止する保護機能が風力発電装置に搭載されている。しかしながら、風向は風の乱れによって常に変動しており、風向の急変と、短時間で元に戻る風向の変動を区別することは困難である。風向の変動により風力発電装置を停止した場合、風力発電装置の稼働率が低下し、発電電力量が減少する。さらに、ウィンドファーム内の他の風力発電装置も、同様の風向の変動により停止すると、ウィンドファーム全体の稼働率の低下を招く。
特許文献１に記載される構成では、仮に急激な風向の変動が瞬時的に生じた場合（短時間で元に戻る風向の変動）であっても、アクティブヨー制御で対応が困難と判断されると、本来であればウィンドファーム内の他の風力発電装置が稼働し得る場合であっても、ウィンドファーム内の全ての風力発電装置が停止され、発電効率が低下する虞がある。

そこで、本発明は、急激な風向の変動が瞬時的である場合では、ウィンドファームにおける稼働率を向上し、発電電力量を増加し得るウィンドファーム制御システム及びウィンドファームの制御方法を提供する。

上記課題を解決するため、本発明に係るウィンドファーム制御システムは、少なくとも風を受けて回転するロータとナセルと前記ナセルをヨー回転可能に支持するタワーと制御装置を備える風力発電装置を、複数備えるウィンドファームを有し、前記ウィンドファームに設置される複数の風力発電装置のうち、風向の急激な変動を検知した一の風力発電装置の制御装置より送信される少なくとも風向計測値及びヨー角計測値より求まるヨー角誤差が、所定の期間において所定の第１の閾値以内か否かを判定し、判定結果に基づき他の風力発電装置の前記所定の第１の閾値の変更又はヨー角を含む指令値を前記他の風力発電装置の制御装置へ送信することを特徴とする。
また、本発明に係るウィンドファームの制御方法は、少なくとも風を受けて回転するロータとナセルと前記ナセルをヨー回転可能に支持するタワーと制御装置を備える風力発電装置を、複数備えるウィンドファームの制御方法であって、前記ウィンドファームに設置される複数の風力発電装置のうち、風向の急激な変動を検知した一の風力発電装置の制御装置より送信される少なくとも風向計測値及びヨー角計測値より求まるヨー角誤差が、所定の期間において所定の第１の閾値以内か否かを判定し、判定結果に基づき他の風力発電装置の前記所定の第１の閾値の変更又はヨー角を含む指令値を前記他の風力発電装置の制御装置へ送信することを特徴とする。

本発明によれば、急激な風向の変動が瞬時的である場合では、ウィンドファームにおける稼働率を向上し、発電電力量を増加し得るウィンドファーム制御システム及びウィンドファームの制御方法を提供することが可能となる。
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。

本発明の一実施例に係る実施例１のウィンドファーム制御システムの全体概略構成図である。 図１に示すウィンドファーム制御システムであって、ウィンドファーム内に設置される風力発電装置の概略構成を示す図である。 図１に示す全体制御装置の機能を示すブロック線図である。 図３に示す全体制御装置を構成する制御要否判定部における制御要否の判定基準の一例を示すグラフである。 実施例１に係る風力発電装置のヨー角誤差の閾値を高めに変更したときの一例を示すグラフである。 図３に示す全体制御装置を構成する制御要否判定部における制御要否の判定基準の他の一例を示すグラフである。 実施例１に係る風力発電装置のヨー角を変更するように制御したときの一例を示すグラフである。 比較例に係るウィンドファーム内の複数基の風力発電装置の運転状態を示す図である。 実施例１に係るウィンドファーム内の複数基の風力発電装置の運転状態を示す図である。 本発明の他の実施例に係る実施例２のウィンドファーム制御システムの全体概略構成図である。 本発明の他の実施例に係る実施例３のウィンドファーム制御システムの全体概略構成図である。

本明細書では、本発明の実施形態に係るウィンドファーム制御システムを構成するウィンドファーム内に設置される各風力発電装置として、ダウンウィンド型の風力発電装置を一例として説明するが、アップウィンド型の風力発電装置においても同様に適用できる。また、本発明の実施形態に係るウィンドファーム制御システムを構成するウィンドファームは、洋上、山岳部及び平野部の何れの場所にも設けることができる。
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。尚、下記はあくまでも実施の例であって、本発明の適用対象を下記具体的態様に限定することを意図する趣旨ではない。

図１は、本発明の一実施例に係る実施例１のウィンドファーム制御システムの全体概略構成図である。図１に示すように、ウィンドファーム制御システム１は、風力発電装置２ａ及び風力発電装置２ｂを含む複数基の風力発電装置２が設置されたウィンドファーム１００と、各風力発電装置内に設置され、ヨー角指令やトルク指令等を与える制御装置３１（３１ａ，３１ｂ）と、各風力発電装置２の運転・停止状態、風向・風速計測値、及びヨー角等の情報を収集すると共に各制御装置３１に対してヨー角制御指令またはトルク上限値等を送信する全体制御装置１０と、複数の制御装置３１間及び各制御装置３１と全体制御装置１０とを相互に通信可能に接続する通信ネットワーク５を備える。ここで通信ネットワーク５は、有線であるか、無線であるかを問わない。なお、図１に示す例では、白抜き矢印にて示す風２０が発生している場合を想定しており、ウィンドファーム１００内に設置される複数基の風力発電装置のうち、風力発電装置２ａが最も風上側に位置し、風力発電装置２ｂを含む他の風力発電装置２が風下側に位置する場合を示している。
なお以下では、特定の風力発電装置を示す場合に、風上側に位置する風力発電装置２ａ及び風下側に位置する風力発電装置２ｂ、風上側に位置する風力発電装置２ａ内に設置される制御装置３１ａ及び風下側に位置する風力発電装置２ｂ内に設置される制御装置３１ｂと表現する。また、ウィンドファーム１００内に設置される任意の風力発電装置或いは全ての風力発電装置を示す場合には、風力発電装置２及び風力発電装置２内に設置される制御装置３１と表現するものとする。

ここで、ウィンドファーム１００に設置される複数基の風力発電装置２の構成について説明する。図２は、図１に示すウィンドファーム制御システム１であって、ウィンドファーム１００内に設置される風力発電装置２の概略構成を示す図である。図２では説明の便宜上１基の風力発電装置２の構成のみを示すが、ウィンドファーム１００内に設置される他の複数基の風力発電装置２も同様の構成を有する。
図２に示すように、風力発電装置２は、風を受けて回転するブレード２４、ブレード２４を支持するハブ２３、ナセル２２、及びナセル２２を回動可能に支持するタワー２１を備える。ナセル２２内に、ハブ２３に接続されハブ２３と共に回転する主軸２５、主軸２５に連結されるシュリンクディスク２６、シュリンクディスク２６を介して主軸２５に接続され回転速度を増速する増速機２７、及び増速機２７により増速された回転速度で回転子を回転させて発電運転する発電機２８を備えている。ブレード２４の回転エネルギーを発電機２８に伝達する部位は、動力伝達部と称され、本実施例では、主軸２５、シュリンクディスク２６、及び増速機２７が動力伝達部に含まれる。そして、増速機２７及び発電機２８は、メインフレーム２９上に保持されている。また、ブレード２４及びハブ２３によりロータが構成される。図２に示すように、タワー２１内の底部（下部）に、電力の周波数を変換する電力変換器３０、電流の開閉を行うスイッチング用の開閉器及び変圧器（図示せず）、及び制御装置３１等が配されている。

制御装置３１として、例えは、制御盤又はＳＣＡＤＡ（Ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ａｎｄ Ｄａｔａ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ）が用いられる。
本実施例では、３枚のブレード２４とハブ２３にてロータを構成する例を示すが、これに限られず、ロータはハブと少なくとも１枚のブレード２４にて構成しても良い。

風力発電装置２に設置されるセンサ４は、例えば、ブレード２４の根元に設置されブレード２４のピッチ角を計測するピッチ角センサ４ａ、ブレード２４に付加される応力を計測する歪センサ４ｂ、ナセル２２の上部に設置される風向風速計４ｃ、及びナセル２２の方位角を計測するヨー角センサ４ｄを含む。また、図示しないが風力発電装置２に設置されるセンサ４として、例えば、ナセル２２の上部に設置され外気温度を計測する温度計、ナセル２２内の温度を計測する温度計、及びナセル２２内の湿度を計測する湿度計も含まれる。また、更には、図示しない、発電機２８の回転数、発電量などを計測するセンサを含む。なお、上述の全てのセンサを設置する構成に限られるものではない。

制御装置３１（例えば、ＳＣＡＤＡ）は、上述のピッチ角センサ４ａ、歪センサ４ｂ、風向風速計４ｃ、ヨー角センサ４ｄ、及び上述の各種センサ４から信号線を介して計測データを取得し、当該取得された計測データに基づき、ピッチ角、ナセル方位角（ヨー角指令）、発電機回転速度等を適切に制御すると共に、取得された計測データを、通信ネットワーク５を介して、例えば、運転管理センター３内に設置されるサーバ７へ送信する。運転管理センター３内には、更に、サーバ７と通信可能に接続される電子端末６が設置されている。例えばサーバ７は、図１に示した全体制御装置１０として機能する。また、制御装置３１（例えば、ＳＣＡＤＡ）は、取得された計測データを図１に示すウィンドファーム１００を構成する他の風力発電装置２内に設置される制御装置３１へ、通信ネットワーク５を介して送信する。

図３は、図１に示す全体制御装置１０の機能を示すブロック線図である。図３に示すように、全体制御装置１０は、ヨー角誤差異常値判定部１１、制御要否判定部１２、指令値決定部１３、及び荷重疲労演算部１４から構成されている。これら、ヨー角誤差異常値判定部１１、制御要否判定部１２、指令値決定部１３、及び荷重疲労演算部１４は、例えば、図示しないＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などのプロセッサ、各種プログラムを格納するＲＯＭ、演算過程のデータを一時的に格納するＲＡＭ、外部記憶装置などの記憶装置にて実現されると共に、ＣＰＵなどのプロセッサがＲＯＭに格納された各種プログラムを読み出し実行し、実行結果である演算結果をＲＡＭ又は外部記憶装置に格納する。なお、図３では機能毎にブロックにて示すが、これらは上述の通りプログラムにて後述する機能が実現されるものであるため、それぞれ独立したプログラム、或いは、全て又は複数の機能の組み合わせのプログラムを図示しない記憶部に格納する構成としても良い。

ヨー角誤差異常値判定部１１は、図１及び図２に示す各制御装置３１（例えば、ＳＣＡＤＡ）から送信される、風力発電装置２の運転停止情報、風向風速計４ｃにより計測された風向計測値、及びヨー角センサ４ｄにより計測されたヨー角計測値等を、通信ネットワーク５を介して入力信号線群１５より受信する。ヨー角誤差異常値判定部１１は、運転を停止した風力発電装置２が存在する場合には、当該停止した風力発電装置２の風向計測値とヨー角計測値の差分であるヨー角誤差の値が、所定の閾値を超えているか否かを判定する。なお、ここで、ヨー角誤差は、各風力発電装置２内に設置される制御装置３１（例えば、ＳＣＡＤＡ）により、風向風速計４ｃにより計測された風向計測値及びヨー角センサ４ｄにより計測されたヨー角計測値の差分として求められる。求められたヨー角誤差は、上述の通信ネットワーク５及び入力信号線群１５を介してヨー角誤差異常値判定部１１に受信される。

制御要否判定部１２は、ヨー角誤差異常値判定部１１による判定の結果、ヨー角誤差の値が所定の閾値を超えていた場合、停止した風力発電装置２は風向の急変により停止したものと判断する。そして、制御要否判定部１２は、風向風速計４ｃにより計測された風向及び風速の計測値から、荷重疲労演算部１４を用いてウィンドファーム１００内の他の風力発電装置２に疲労が発生する可能性があるかどうかを判定する。例えば、図２に示すように、ブレード２４に付加される応力を計測する歪センサ４ｂを有する場合は、当該歪センサ４ｂにより計測された歪量を荷重疲労演算部１４が荷重に変換し、ウィンドファーム１００内の他の風力発電装置２に疲労が発生する可能性があるか否かを判定する。また、歪センサ４ｂを有しない場合には、荷重疲労演算部１４は、風向風速計４ｃにより計測された風向及び風速の計測値並びに受信されたヨー角誤差、更には、風向のプロファイルの変動（風向変動の時系列データ）に基づき、ウィンドファーム１００内の他の風力発電装置２に疲労が発生する可能性があるか否かを判定する。疲労による破損が生じるか否かは、例えば、風力発電装置２の仕様に基づき判定可能である。なお、荷重疲労発生の演算手法については、既知の手法を用いれば良い。

指令値決定部１３は、制御要否判定部１２によりウィンドファーム１００内の他の風力発電装置２に疲労が発生する可能性があると判定された場合に、風向風速計４ｃにより計測される風向及び風速の計測値から、荷重疲労演算部１４を用いて、ウィンドファーム１００内の他の風力発電装置２の制御方法、すなわち、ヨー角、ピッチ角、発電機トルク等の指令値を演算し、求めたヨー角、ピッチ角、発電機トルク等の指令値を、出力信号線群１６及び通信ネットワーク５を介して対応する各制御装置３１に送信する。

図４は、図３に示す全体制御装置１０を構成する制御要否判定部１２における制御要否の判定基準の一例を示すグラフである。グラフは、最も風上側に位置する風力発電装置２ａに設置される制御装置３１ａ（図１）から通信ネットワーク５及び入力信号線群１５を介して送信される、風力発電装置２ａの稼働停止状態、風速、風向、及びヨー角誤差の時間変化（経時変化）をそれぞれ示している。風力発電装置２ａのヨー角と風向の偏差であるヨー角誤差が、時間ｔ_１にて所定の閾値である第１の閾値Ｔｈ１を超過したことにより、風力発電装置２ａが停止した場合を示している。一度風力発電装置を停止すると、一定の時間停止を継続し、その後再起動する。換言すれば、風力発電装置は、一旦停止されると再稼働（再起動）までに一定の時間を要する。図４のヨー角誤差の時間変化（経時変化）のグラフに示されるように、所定時間Δｔ内に制御装置３１ａより送信されるヨー角誤差が所定の閾値である第１の閾値Ｔｈ１を下回った場合には、本来停止が必要ではない風向の変動と判定し、換言すれば、瞬時的な風向の変動と判定し、ウィンドファーム１００内の他の風力発電装置２に対するヨー角誤差の閾値を高めに補正する。ここで、所定時間Δｔ（ｔ_２−ｔ_１）は、風向の急激な変動が瞬時的なものか、継続的なものかを判断する上で重要となる。例えば、過去の実績データ或いは、風力発電装置２の仕様（設計値）などに基づき、上述の荷重負荷が過負荷となることに因る風力発電装置２を構成するロータの破損或いは損傷が生じ得ないで範囲で適宜設定される。従って、所定時間Δｔ以内にヨー角誤差が所定の閾値である第１の閾値Ｔｈ１を下回れば、他の風力発電装置２を停止することなく、ヨー角制御により継続して他の風力発電装置２を稼働させることができる。

図５は、本実施例に係る風力発電装置のヨー角誤差の閾値を高めに変更したときの一例を示すグラフである。すなわち、全体制御装置１０を構成する制御要否判定部１２が制御要と判定した場合において、ウィンドファーム１００内の他の風力発電装置２である、例えば、風下側に位置する風力発電装置２ｂの制御装置３１ｂ（図１）より送信されるヨー角誤差の閾値を高めに変更したときの一例を示すグラフである。風力発電装置２ｂにおいて、制御によりヨー角誤差の所定の閾値である第１の閾値Ｔｈ１から変更後の第１の閾値Ｔｈ１’に変更されることで、時間ｔ_２で発生する風向の急変ではヨー角誤差は、変更後の第１の閾値Ｔｈ１’を超過せず、風下側に位置する風力発電装置２ｂは停止せずに運転を継続する。なお、図５においてヨー角誤差の所定の閾値が変更後の第１の閾値Ｔｈ１’に変更される時間がｔ_２となっているのは、図１に示すように、ウィンドファーム１００内に設置される風力発電装置の位置に応じて遅れ（制御ディレイ：信号を受信してからの遅れ）が生じるものの時間ｔ_２にて、風下側に位置する風力発電装置２ｂに設置される制御装置３１ｂ（例えば、ＳＣＡＤＡ）が、ヨー角誤差の所定の閾値である第１の閾値Ｔｈ１から変更後の第１の閾値Ｔｈ１’に変更されるようヨー角の制御を開始した場合を例示している。すなわち、図４と図５によるヨー角誤差の時間変化（経時変化）における遅れは、図４に示すヨー角誤差の時間変化（経時変化）が、ウィンドファーム１００内に設置される風力発電装置２のうち、最も風上側に位置する風力発電装置２ａの制御装置３１ａ（他えば、ＳＣＡＤＡ）により演算されたものである。これに対し、図５に示すヨー角誤差の時間変化（経時変化）は、ウィンドファーム１００内に設置される風力発電装置２のうち、風下側に位置する風力発電装置２ｂの制御装置３１ｂ（他えば、ＳＣＡＤＡ）により演算されたものである。従って、風力発電装置２のウィンドファーム１００内における設置位置による遅れ及び制御ディレイが含まれ、図５に示すようなヨー角誤差の時間変化を示すグラフとなる。
なお、ヨー角誤差の所定の閾値である第１の閾値Ｔｈ１は、設計値として、例えば２０°〜３０°の範囲内で適宜設定される。また、変更後の第１の閾値Ｔｈ１’は、例えば４５°に設定される。なお、ヨー角誤差の所定の閾値である第１の閾値Ｔｈ１及び変更後の第１の閾値Ｔｈ１’は、上記の値に限られるものではない。風力発電装置２の設計値或いは仕様に基づき適宜設定すれば良い。

図６は、図３に示す全体制御装置１０を構成する制御要否判定部１２における制御要否の判定基準の他の一例を示すグラフである。図６に示すように、図４と同様に、ウィンドファーム１００内に設置される複数基の風力発電装置２のうち、最も風上側に位置する風力発電装置２ａに設置される制御装置３１ａ（他えば、ＳＣＡＤＡ）により求められるヨー角誤差が、所定の閾値である第１の閾値Ｔｈ１を超過したことで、風力発電装置２ａが停止した状態であるが、図４と異なり、所定時間Δｔ内にヨー角誤差の値が所定の閾値である第１の閾値Ｔｈ１を下回らない状態を示している。このような場合には、実際に風向の急変が発生していると判定し、換言すれば、瞬時的な風向の変動でなく継続的な風向の変動と判定し、ウィンドファーム１００内に設置される他の風力発電装置２、すなわち、風下側に位置する風力発電装置２ｂを含む他の風力発電装置２に対して、疲労が発生する可能性があるものとして、風上側に位置する風力発電装置２ａに設置される制御装置３１ａ（他えば、ＳＣＡＤＡ）より送信された風向及び風速条件に基づいて、風下側に位置する風力発電装置２ｂを含む他の風力発電装置２が運転を継続可能なヨー角、ピッチ角、トルク指令値等の条件を荷重疲労演算部１４が演算する。そして求められた条件を指令値として、出力信号線群１６及び通信ネットワーク５を介して、風下側に位置する風力発電装置２ｂに設置される制御装置３１ｂ及び他の風力発電装置２に設置される制御装置３１へ送信する。

図７は、本実施例に係る風力発電装置のヨー角を変更するように制御したときの一例を示すグラフである。すなわち、図７は、上述のように、全体制御装置１０を構成する制御要否判定部１２が制御要と判定した場合に、ウィンドファーム１００内に設置される風下側に位置する風力発電装置２ｂを含む他の風力発電装置２でヨー角を変更するように制御したときの一例を示すグラフである。風下側に位置する風力発電装置２ｂにおいて、制御によりヨー角が風向に追従し、ヨー各誤差が所定の閾値である第１の閾値Ｔｈ１を超過することなく、風下側に位置する風力発電装置２ｂは停止せずに運転を継続する。他の風力発電装置２についても同様である。なお、ヨー角を風向に追従させたことで、荷重による疲労も防止できる。

図８は、比較例に係るウィンドファーム内の複数基の風力発電装置の運転状態を示す図であり、図９は、本実施例に係るウィンドファーム内の複数基の風力発電装置の運転状態を示す図である。なお、図８及び図９共に、条件として、瞬時的な風向の変動が生じた場合の複数基の風力発電装置の運転状態を示している。
図８では、比較例として従来のウィンドファーム内に設置される、風上側に位置する風力発電装置２ａ、風力発電装置２ｂ１、風力発電装置２ｂ２、及び風力発電装置２ｂ３の運転状態を時系列に示している。図８において、時刻００：０３において、風上側に位置する風力発電装置２ａがヨー角誤差により停止し、その後、同様のヨー角誤差が風力発電装置２ｂ１にて時刻００：０４において発生し停止する。また、時刻００：０６において、ヨー角誤差により風力発電装置２ｂ２が停止し、時刻００：０７において、ヨー角誤差により風力発電装置２ｂ３が停止する。このためウィンドファームの稼働率が低下する。

これに対し、図９は本実施例の上述の制御を適用した場合の運転状態を示しており、時刻００：０３で風上側に位置する風力発電装置２ａがヨー角誤差により停止したときに、上述の全体制御装置１０を構成する制御要否判定部１２が制御要と判定し、風力発電装置２ｂ１、風力発電装置２ｂ２、及び風力発電装置２ｂ３のヨー角誤差の所定の閾値である第１の閾値Ｔｈ１を変更後の第１の閾値Ｔｈ１’に変更することにより、風力発電装置２ｂ１、風力発電装置２ｂ２、及び風力発電装置２ｂ３は、同様の風向変動でも停止せずに運転を継続し、運転状態として稼働状態を維持している。これによりウィンドファーム全体の稼働率が向上できる。

なお、本実施例では全体制御装置１０を、ウィンドファーム１００より離間する位置にある運転管理センター３内に設置されるサーバ７に実装する構成を説明したが、これに限られるものではない。例えば、全体制御装置１０を、ウィンドファーム１００内に設置される各風力発電装置２の制御装置３１に実装する構成としても良い。この場合、一つの制御装置３１がマスターとなり上述の制御を実行し、スレーブである他の制御装置３１に対し、出力信号線群１６及び通信ネットワーク５を介して、ヨー角、ピッチ角、発電機トルク等の指令値を送信する。

以上の通り本実施例によれば、急激な風向の変動が瞬時的である場合では、ウィンドファームにおける稼働率を向上し、発電電力量を増加し得るウィンドファーム制御システム及びウィンドファームの制御方法を提供することが可能となる。
また、本実施例によれば、風力発電装置を構成するロータ等の疲労を低減することも可能となる。

図１０は、本発明の他の実施例に係る実施例２のウィンドファーム制御システムの全体概略構成図である。本実施例では、ウィンドファーム１００の外部に複数台設置される風速及び風向等を計測するセンサ４０を有し、センサ４０により計測された風速及び風向に基づき全体制御装置１０を構成する制御要否判定部１２が処理を実行する点が実施例１と異なる。実施例１と同様の構成要素に同一の符号を付し、以下では実施例１と重複する説明を省略する。

図１０に示すように本実施例に係るウィンドファーム制御システム１ａは、ウィンドファーム１００の外部であって相互に離間する位置に配される複数のセンサ４０を備える。複数のセンサ４０は、信号線を介して全体制御装置１０に接続され、計測される風速及び風向等の風況に関する計測値を全体制御装置１０へ送信する。このような構成とすることで、風２０の風速及び風向の変化は、ウィンドファーム１００内に設置される複数基の風力発電装置２に伝わる前にセンサ４０にて捉えることが可能となる。全体制御装置１０を構成する制御要否判定部１２は、複数のセンサ４０にて計測された風向の計測値、及び、各風力発電装置２に設置される制御装置３１から受信されるヨー角誤差に基づき、上述の実施例１と同様に、いずれかの風力発電装置２で、ヨー角誤差が所定の閾値である第１の閾値Ｔｈ１を超過し、第１の閾値Ｔｈ１を超過した状態が、所定の期間Δｔ継続しているか否かによって、他の風力発電装置２のヨー角誤差の第１の閾値Ｔｈ１を変更後の第１の閾値Ｔｈ１’へ変更するか、または他の風力発電装置２のヨー角、ピッチ角、トルク指令等の条件を荷重疲労演算部１４で演算し、演算結果であるヨー角、ピッチ角、トルク指令等の条件を指令値として当該他の風力発電装置２に設置される制御装置３１へ出力信号線群１６及び通信ネットワーク５を介して送信する。この場合において、上記ヨー角誤差が所定の閾値である第１の閾値Ｔｈ１を超過した風力発電装置２に対しても、全体制御装置１０を構成する制御要否判定部１２は、ヨー角誤差の第１の閾値Ｔｈ１を変更後の第１の閾値Ｔｈ１’へ変更するか、または他の風力発電装置２のヨー角、ピッチ角、トルク指令等の条件を荷重疲労演算部１４で演算し、演算結果であるヨー角、ピッチ角、トルク指令等の条件を指令値として当該風力発電装置２に設置される制御装置３１へ出力信号線群１６及び通信ネットワーク５を介して送信する。

ここで、図１０に示すような風２０の風向である場合、上述の実施例１と同様に、制御要否判定部１２は、最も風上側に位置する風力発電装置２ａで、ヨー角誤差が所定の閾値である第１の閾値Ｔｈ１を超過し、第１の閾値Ｔｈ１を超過した状態が、所定の期間Δｔ継続しているか否かによって、風下側に位置する風力発電装置２ｂを含む他の風力発電装置２のヨー角誤差の第１の閾値Ｔｈ１を変更後の第１の閾値Ｔｈ１’へ変更するか、または風下側に位置する風力発電装置２ｂを含む他の風力発電装置２のヨー角、ピッチ角、トルク指令等の条件を荷重疲労演算部１４で演算し、演算結果である条件を指令値として風下側に位置する風力発電装置２ｂを含む他の風力発電装置２へ送信する。なお、例えば、ウィンドファーム１００が山岳部に設けられている場合においては、山岳部の斜面の形状に依存し、斜面を下から上へと吹き上げる風２０が発生し得る。従って、このような場合、必ずしも最も風上側に位置する風力発電装置２ａ（１番目に位置する風力発電装置）ではなく、風上より２番目に設置される風力発電装置２、例えば、風下側に位置する風力発電装置２ｂで、ヨー角誤差が所定の閾値である第１の閾値Ｔｈ１を超過し、第１の閾値Ｔｈ１を超過した状態が、所定の期間Δｔ継続しているか否かによって、風上側に位置する風力発電装置２ａを含む他の風力発電装置２のヨー角誤差の第１の閾値Ｔｈ１を変更後の第１の閾値Ｔｈ１’へ変更するか、または風上側に位置する風力発電装置２ａを含む他の風力発電装置２のヨー角、ピッチ角、トルク指令等の条件を荷重疲労演算部１４で演算し、演算結果である条件を指令値として当該他の風力発電装置２へ送信する構成となる。

実施例１との相違は、上述のヨー角誤差が所定の閾値である第１の閾値Ｔｈ１を超過した風力発電装置２も、センサ４０により計測された風向計測値とヨー角センサ４ｄにより計測されるヨー角計測値の差分であるヨー角誤差が実際に所定の閾値である第１の閾値Ｔｈ１を超過する前に全体制御装置１０により制御要否を判定できる点にある。これにより、本実施例に係るウィンドファーム制御システム１ａでは、例えば、最も風上側に位置する風力発電装置２ａ自身のヨー角誤差の所定の閾値である第１の閾値Ｔｈ１、ヨー角等も変更することで、ウィンドファーム１００内のいずれの風力発電装置２も停止することなく、運転を継続できる特徴がある。

なお、本実施例では全体制御装置１０を、ウィンドファーム１００より離間する位置にある運転管理センター３内に設置されるサーバ７に実装する構成を説明したが、これに限られるものではない。例えば、全体制御装置１０を、ウィンドファーム１００内に設置される各風力発電装置２の制御装置３１に実装する構成しても良い。この場合、一つの制御装置３１がマスターとなり上述の制御を実行し、スレーブである他の制御装置３１に対し、出力信号線群１６及び通信ネットワーク５を介して、ヨー角、ピッチ角、発電機トルク等の指令値を送信する。

本実施例によれば、実施例１の効果に加え、急激な風向の変動が瞬時的である場合では、ウィンドファーム内に設置される全ての風力発電装置を停止することなく運転継続することが可能となり、更にウィンドファームにおける稼働率を向上することが可能となる。

図１１は、本発明の他の実施例に係る実施例３のウィンドファーム制御システムの全体概略構成図である。本実施例では、ウィンドファーム１００の外部にある他のウィンドファーム２００、または、図示しない太陽光発電所、その他風速及び風向を含む気象情報を計測及び取得し得る施設からの情報を、全体制御装置が入力し、当該入力された情報に基づき全体制御装置を構成する制御要否判定部が処理を実行する点が実施例１と異なる。以下では、他のウィンドファーム２００から入力された情報に基づき全体制御装置を構成する制御要否判定部が処理を実行する場合を一例として説明するが、図示しない太陽光発電所、その他風速及び風向を含む気象情報を計測及び取得し得る施設からの情報を、全体制御装置が入力し、当該入力された情報に基づき全体制御装置を構成する制御要否判定部が処理を実行する場合においても同様である。実施例１と同様の構成要素に同一の符号を付し、実施例１と重複する説明を省略する。

図１１に示すように、本実施例に係るウィンドファーム制御システム１ｂは、他のウィンドファーム２００と信号線を介して接続される全体制御装置１０を備える。全体制御装置１０は、信号線を介して他のウィンドファーム２００により計測された風速及び風向等の計測値を受信する。なお、ウィンドファーム１００及びウィンドファーム２００が相互に離間した位置に設けられている場合、地理的状況によって風況は異なる。従って、他のウィンドファーム２００により計測された風速及び風向等の計測値を用いる場合は、ウィンドファーム１００と同様の風況が存在する環境にある他のウィンドファーム２００による計測値を用いることが望ましい。

全体制御装置１０を構成する制御要否判定部１２は、受信された他のウィンドファーム２００より計測された風速及び風向等の計測値、及び、最も風上側に位置する風力発電装置２ａに設置される制御装置３１ａから受信されるヨー角誤差に基づき処理を実行する。ここで、制御要否判定部１２は、最も風上側に位置する風力発電装置２ａに設置される制御装置３１ａから受信されるヨー角誤差に、運転を停止する所定の閾値である第１の閾値Ｔｈ１よりも低い第２の閾値Ｔｈ２を設け、制御要否の判定に第２の閾値Ｔｈ２を用いる。具体的には、制御要否判定部１２は、信号線を介して他のウィンドファーム２００により計測された風速及び風向等の計測値とヨー角センサ４ｄにより計測されたヨー角計測値の差分であるヨー角誤差が第２の閾値Ｔｈ２を超過した場合、制御要と判定し、風上側に位置する風力発電装置２ａを含む他の風力発電装置２のヨー角誤差の第１の閾値Ｔｈ１を変更後の第１の閾値Ｔｈ１’へ変更するか、または風上側に位置する風力発電装置２ａを含む他の風力発電装置２のヨー角、ピッチ角、トルク指令等の条件を荷重疲労演算部１４で演算し、演算結果である条件を指令値として風上側に位置する風力発電装置２ａを含む他の風力発電装置２の制御装置３１へ送信する。なお、このとき、制御要否判定部１２は、信号線を介して他のウィンドファーム２００により計測された風速及び風向等の計測値とヨー角センサ４ｄにより計測されたヨー角計測値の差分であるヨー角誤差が、運転を停止する所定の閾値である第１の閾値Ｔｈ１を超過した状態が、所定の期間Δｔ継続している場合、指令値決定部１３より出力信号線群１６及び通信ネットワーク５を介して最も風上側に位置する風力発電装置２ａの制御装置３１ａへ運転停止指令を指令値として送信する。これにより、風上側に位置する風力発電装置２ａが停止する以前に、ウィンドファーム１００内に設置される他の風力発電装置２に制御指令を送信することができると共に、風上側に位置する風力発電装置２ａ自身も、第２の閾値Ｔｈ２を超過した時点で、ヨー角誤差の第１の閾値Ｔｈ１を変更後の第１の閾値Ｔｈ１’へ変更、若しくはヨー角、ピッチ角、トルク指令等を変更することで、停止することなく運転を継続することが可能となる。

ウィンドファーム１００の計測情報を、全体制御装置１０により信号線を介して他のウィンドファーム２００に送信することで、他のウィンドファーム２００においても上述のウィンドファーム１００内における制御と同様の制御を行うことが可能となる。

なお、本実施例では全体制御装置１０を、ウィンドファーム１００より離間する位置にある運転管理センター３内に設置されるサーバ７に実装する構成を説明したが、これに限られるものではない。例えば、全体制御装置１０を、ウィンドファーム１００内に設置される各風力発電装置２の制御装置３１に実装する構成しても良い。この場合、一つの制御装置３１がマスターとなり上述の制御を実行し、スレーブである他の制御装置３１に対し、出力信号線群１６及び通信ネットワーク５を介して、ヨー角、ピッチ角、発電機トルク等の指令値を送信する。

以上の通り本実施例によれば、実施例１の効果に加え、ウィンドファーム制御システムによる制御を早期に開始することができ、急激な風向の変動が瞬時的である場合では、ウィンドファーム内に設置される全ての風力発電装置を停止することなく運転継続することが可能となり、更にウィンドファームにおける稼働率を向上することが可能となる。
また、本実施例によれば、他のウィンドファームとの連携も可能となる。

本実施例に係るウィンドファーム制御システムでは、上述の実施例１乃至実施例３において、ウィンドファーム内に設置される風力発電装置２がダウンウィンド型の風力発電装置である場合に限られるものの、ウィンドファーム１００内に設置される風下側に位置する風力発電装置２ｂの制御装置３１ｂ及び他の風力発電装置２の制御装置３１へ全体制御装置１０より送信される指令値（制御指令）は、ヨー角を風向に応じて風見鶏効果により自由に変化させるフリーヨーを含む。これにより、風向の変動が大きい場合に、ヨー角を速やかに風向に追従できると共に、図示しないヨー角制御装置の駆動モーターの負荷を低減することが可能となる。

以上の通り本実施例によれば、実施例１の効果に加え、風向の変動が大きい場合に、ヨー角を速やかに風向に追従させることが可能となる。
また、本実施例によれば、全体制御装置１０より送信される指令値（制御指令）がフリーヨーを含むことにより、ヨー角制御装置の駆動モーターの負荷を低減することが可能となる。

本実施例に係るウィンドファーム制御システムでは、上述の実施例１乃至実施例４において、ウィンドファーム１００内に設置される風下側に位置する風力発電装置２ｂの制御装置３１ｂ及び他の風力発電装置２の制御装置３１へ全体制御装置１０より送信される指令値（制御指令）は、風力発電装置の上述のアクティブヨー制御の追従を高速化し得る指令値を含む。具体的には、全体制御装置１０より送信される指令値（制御指令）として、例えば、アクティブヨー制御を開始する最小のヨー角誤差を小さくする指令値、各風力発電装置２に設置される制御装置３１（例えば、ＳＣＡＤＡ）によりヨー角誤差を演算する際の風向の平均化時間の時定数を短くする、または図示しないヨー角制御装置の駆動モーターの出力を上げる指令値等が用いられる。

以上の通り本実施例によれば、実施例１の効果に加え、アクティブヨー制御の追従を高速化することが可能となる。

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。

１，１ａ，１ｂ…ウィンドファーム制御システム
２…風力発電装置
２ａ…風上側に位置する風力発電装置
２ｂ…風下側に位置する風力発電装置
３…運転管理センター
４ａ…ピッチ角センサ
４ｂ…歪センサ
４ｃ…風向風速計
４ｄ…ヨー角センサ
５…通信ネットワーク
６…電子端末
７…サーバ
１０…全体制御装置
１１…ヨー角誤差異常値判定部
１２…制御要否判定部
１３…指令値決定部
１４…荷重疲労演算部
１５…入力信号線群
１６…出力信号線群
２０…風
２１…タワー
２２…ナセル
２３…ハブ
２４…ブレード
２５…主軸
２６…シュリンクディスク
２７…増速機
２８…発電機
２９…メインフレーム
３０…電力変換器
３１，３１ａ，３１ｂ…制御装置
４０…センサ
１００，２００…ウィンドファーム

Claims (15)

1. 少なくとも風を受けて回転するロータとナセルと前記ナセルをヨー回転可能に支持するタワーと制御装置を備える風力発電装置を、複数備えるウィンドファームを有し、
   前記ウィンドファームに設置される複数の風力発電装置のうち、風向の急激な変動を検知した一の風力発電装置の制御装置より送信される少なくとも風向計測値及びヨー角計測値より求まるヨー角誤差が、所定の期間において所定の第１の閾値以内か否かを判定し、判定結果に基づき他の風力発電装置の前記所定の第１の閾値の変更又はヨー角を含む指令値を前記他の風力発電装置の制御装置へ送信することを特徴とするウィンドファーム制御システム。
2. 請求項１に記載のウィンドファーム制御システムにおいて、
   前記ヨー角誤差が、所定の期間において所定の第１の閾値以内か否かを判定するヨー角誤差異常値判定部と、前記ヨー角誤差異常値判定部による判定結果に基づき前記他の風力発電装置の前記所定の第１の閾値の変更又はヨー角を含む指令値を前記他の風力発電装置の制御装置への送信の要否を判定する制御要否判定部と、を有する全体制御装置を備え、
   前記全体制御装置は、前記ウィンドファームから離間する位置に配され、各風力発電装置の制御装置と通信ネットワークを介して接続されることを特徴とするウィンドファーム制御システム。
3. 請求項１に記載のウィンドファーム制御システムにおいて、
   各風力発電装置の制御装置は、
   前記ヨー角誤差が、所定の期間において所定の第１の閾値以内か否かを判定するヨー角誤差異常値判定部と、前記ヨー角誤差異常値判定部による判定結果に基づき前記他の風力発電装置の前記所定の第１の閾値の変更又はヨー角を含む指令値を前記他の風力発電装置の制御装置への送信の要否を判定する制御要否判定部と、を有し、
   前記各風力発電装置の制御装置は、相互に通信ネットワークを介して接続されることを特徴とするウィンドファーム制御システム。
4. 請求項２又は請求項３に記載のウィンドファーム制御システムにおいて、
   前記制御要否判定部は、前記ヨー角誤差異常値判定部により前記ヨー角誤差が所定の期間において所定の第１の閾値以内と判定された場合、前記他の風力発電装置の前記所定の第１の閾値を当該第１の閾値よりも高い閾値に変更することを特徴とするウィンドファーム制御システム。
5. 請求項２又は請求項３に記載のウィンドファーム制御システムにおいて、
   前記制御要否判定部は、前記ヨー角誤差異常値判定部により前記ヨー角誤差が所定の期間において所定の第１の閾値を超過する状態が継続すると判定された場合、前記ヨー角を含む指令値を前記他の風力発電装置の制御装置へ送信することを特徴とするウィンドファーム制御システム。
6. 請求項５に記載のウィンドファーム制御システムにおいて、
   前記制御要否判定部は、前記ヨー角誤差異常値判定部により前記ヨー角誤差が所定の期間において所定の第１の閾値を超過する状態が継続すると判定された場合、荷重疲労演算部により求められる前記他の風力発電装置が運転継続可能なヨー角とピッチ角及びトルク指令値を含む指令値を前記他の風力発電装置の制御装置へ送信することを特徴とするウィンドファーム制御システム。
7. 請求項４に記載のウィンドファーム制御システムにおいて、
   前記ウィンドファームの外部であって相互に離間する位置に配される複数のセンサを備え、
   前記一の風力発電装置の制御装置は、前記複数のセンサにより計測される少なくとも風向計測値及び前記ヨー角計測値よりヨー角誤差を求めることを特徴とするウィンドファーム制御システム。
8. 請求項５に記載のウィンドファーム制御システムにおいて、
   前記ウィンドファームの外部であって相互に離間する位置に配される複数のセンサを備え、
   前記一の風力発電装置の制御装置は、前記複数のセンサにより計測される少なくとも風向計測値及び前記ヨー角計測値よりヨー角誤差を求めることを特徴とするウィンドファーム制御システム。
9. 請求項４に記載のウィンドファーム制御システムにおいて、
   前記ウィンドファームの外部にある他のウィンドファームと、太陽光発電所と、風速及び風向を含む気象情報を計測及び取得し得る施設のうち、いずれか１つからの風向計測値及び前記ヨー角計測値より前記一の風力発電装置の制御装置がヨー角誤差を求め、
   前記制御要否判定部は、前記所定の第１の閾値よりも低い第２の閾値を前記ヨー角誤差が超過する場合、前記他の風力発電装置の前記所定の第１の閾値を当該第１の閾値よりも高い閾値に変更することを特徴とするウィンドファーム制御システム。
10. 請求項５に記載のウィンドファーム制御システムにおいて、
    前記制御要否判定部が前記他の風力発電装置の制御装置へ送信する指令値は、ヨー角を風向に応じて風見鶏効果により自由に変化させるフリーヨーを含むことを特徴とするウィンドファーム制御システム。
11. 請求項５に記載のウィンドファーム制御システムにおいて、
    前記制御要否判定部が前記他の風力発電装置の制御装置へ送信する指令値は、ヨー制御の追従を高速化し得る指令値を含むことを特徴とするウィンドファーム制御システム。
12. 少なくとも風を受けて回転するロータとナセルと前記ナセルをヨー回転可能に支持するタワーと制御装置を備える風力発電装置を、複数備えるウィンドファームの制御方法であって、
    前記ウィンドファームに設置される複数の風力発電装置のうち、風向の急激な変動を検知した一の風力発電装置の制御装置より送信される少なくとも風向計測値及びヨー角計測値より求まるヨー角誤差が、所定の期間において所定の第１の閾値以内か否かを判定し、判定結果に基づき他の風力発電装置の前記所定の第１の閾値の変更又はヨー角を含む指令値を前記他の風力発電装置の制御装置へ送信することを特徴とするウィンドファームの制御方法。
13. 請求項１２に記載のウィンドファームの制御方法において、
    前記ヨー角誤差が所定の期間において所定の第１の閾値以内と判定された場合、前記他の風力発電装置の前記所定の第１の閾値を当該第１の閾値よりも高い閾値に変更することを特徴とするウィンドファームの制御方法。
14. 請求項１２に記載のウィンドファームの制御方法において、
    前記ヨー角誤差が所定の期間において所定の第１の閾値を超過する状態が継続すると判定された場合、前記ヨー角を含む指令値を前記他の風力発電装置の制御装置へ送信することを特徴とするウィンドファームの制御方法。
15. 請求項１４に記載のウィンドファームの制御方法において、
    前記ヨー角誤差が所定の期間において所定の第１の閾値を超過する状態が継続すると判定された場合、荷重疲労演算部により求められる前記他の風力発電装置が運転継続可能なヨー角とピッチ角及びトルク指令値を含む指令値を前記他の風力発電装置の制御装置へ送信することを特徴とするウィンドファームの制御方法。

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