JP2019090375A - 風力発電システム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】風力発電システムのブレードピッチ角度の変動を抑制する風力発電システム及びその運転方法を提供する。【解決手段】ブレード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、ロータを回転可能に支持するナセルと、ロータの回転エネルギーを用いて発電する発電機と、ブレードピッチ角度を制御する制御装置を備える風力発電システムであって、制御装置は、風速を推定する風速推定手段と、風速とブレードピッチ角度の定常特性との関係を示すブレードピッチ角度モデルと、風速推定手段で推定した風速に基づいてブレードピッチ角度モデルからブレードピッチ角度の第１の指令値を決定するフィードフォワード制御部を備えることを特徴とする風力発電システム。【選択図】図２

Description

本発明は、風力発電システム及びその運転方法に係り、特に、浮体式洋上風力発電システムのブレードピッチ角度を調整するピッチアクチュエータの負荷変動を好適に低減することができる風力発電システム及びその運転方法に関する。

近年、二酸化炭素の排出量増加を起因とする気候変動や、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場合がある。この振動現象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

特許文献１に記載の手段を適用することにより、上記ネガティブダンピング現象を抑制することができる。ただし、ブレードピッチ角度を利用してナセルピッチ角度の変化を抑制するが、ブレードピッチ角度はシステムが出力する発電電力を調整する役割も担うことから、特許文献１に記載の手段を利用した場合には、ブレードピッチ角度が２つ制御によって指令される。

その結果、２つの制御同士が相反するブレードピッチ角度の指令値を決定した場合に、各制御の目的を満足できないため、それぞれの制御がさらに指令値を大きくする現象、すなわち制御間の干渉、が発生する場合がある。

この現象によってブレードピッチ角度の動作振幅が拡大（発散）したり、発散まで至らずとも、ブレードピッチ角度の変化が大きくなり、ブレードピッチ角度を操作するピッチアクチュエータの負荷変動が増大したりする課題があ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、風力発電システムのブレードピッチ角度の変動を抑制する風力発電システム及びそ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、本発明においては「ブレード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、ロータを回転可能に支持するナセルと、ロータの回転エネルギーを用いて発電する発電機と、ブレードピッチ角度を制御する制御装置を備える風力発電システムであって、制御装置は、風速を推定する風速推定手段と、風速とブレードピッチ角度の定常特性との関係を示すブレードピッチ角度モデルと、風速推定手段で推定した風速に基づいてブレードピッチ角度モデルからブレードピッチ角度の第１の指令値を決定するフィードフォワード制御部を備えることを特徴とする風力発電システム」としたものである。

また本発明は、「ブレード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、ロータを回転可能に支持するナセルと、ロータの回転エネルギーを用いて発電する発電機の備える風力発電システムの運転方法であって、風速とブレードピッチ角度の定常特性との関係を記憶し、推定した風速で定まるブレードピッチ角度の指令値に応じてブレードのブレードピッチ角度を先行的に定めることを特徴とする風力発電システムの運転方法」としたものである。

本発明によれば、風力発電システムのブレードピッチ角度の変動を抑制することができる。

本発明を適用可能な風力発電システム全体の概略構成例を示す図。 コントローラ１０に実装する運転制御手段の第１の構成例を示すブロック線図。 フィードフォワード制御部２３に実装されるブレードピッチ角度モデルを示す概略構成例を示す図。 風力発電システム１の定常特性を示す概略図。 コントローラ１０に実装する運転制御手段の第２の構成例を示すブロック線図。 第１の風速推定部６１を示すブロック線図。 第２の風速推定部７１を示すブロック線図。 第３の風速推定部８１を示すブロック線図。 コントローラ１０に実装する運転制御手段の第３の構成例を示すブロック線図。 図２に示す運転制御手段の処理概要を示すフローチャート。 図５に示す運転制御手段の処理概要を示すフローチャート。 図９に示す運転制御手段の処理概要を示すフローチャート。 本発明に係る先行制御であるフィードフォワード制御部２３を備えない運転制御手段とした場合のブレードピッチ角度の変化の様子を示すタイムチャート。 本発明に係る先行制御であるフィードフォワード制御部２３を備えた場合のブレードピッチ角度の変化の様子を示すタイムチャート。

以下、図面を用いて、本発明の実施例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、本発明の実施例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。

以下、本発明の実施例について具体的に説明する。

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を適宜の位置に備える。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７を備えている。ピッチアクチュエータ７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８上に設置されており、タワー８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８に支持される。タワー８は、浮体部９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８内（またはナセル５内、または浮体部９内）に設置されるパワーコンディショニングシステム（図では省略）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、ロータ４の回転角度を計測する回転角度センサ１１が出力する信号と、パワーコンディショニングシステムにて計測する発電電力に基づいて、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、風速を計測可能な風速センサ１２と、ナセル近傍の風向を計測可能な風向センサ１３に基づき、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の運転状態を制御する。

さらに、コントローラ１０は、ナセル５の前後加速度を示すナセルピッチ加速度またはナセルの前後傾斜角度を示すナセルピッチ角度を計測する傾斜角度センサ１４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。

ここで、風速センサ１２は、ナセル５の近傍の風速を直接計測可能なセンサであっても良いし、ナセル５の前方であり、風上方向の遠方の風速を計測可能なセンサであっても良い。また、傾斜角度センサ１４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８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８または浮体部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。

図２は、コントローラ１０に実装する運転制御手段の第１の構成例を示すブロック線図である。なお、図２に示すブロック線図はブレードピッチ角度を制御する部分を抽出したものであって、コントローラ１０の処理内容はこれに限ったものではなく、発電機６を制御する手段も備えられている。

図２に示すコントローラ１０の運転制御手段は、回転速度制御部２１、ナセル振動制御部２２、フィードフォワード制御部２３、および加算部２４、２５を備えており、求めたブレードピッチ角度指令値ＰＢをピッチアクチュエータ７に与え、ピッチアクチュエータ７を制御する。

回転速度制御部２１は、回転角度センサ１１の出力信号であるアジマス角度から決定される発電機回転速度Ｓに基づいてブレードピッチ角度指令値ＰＢ_Ｓを決定し、発電電力を調整するためのロータ４の回転速度を制御する。

ナセル振動制御部２２は、ナセルピッチ角度θを計測するセンサ１４の出力信号である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ＰＢ_Θを決定し、ナセルピッチ角度の振動を抑制する。

フィードフォワード制御部２３は、風速Ｖに基づいてブレードピッチ角度指令値ＰＢ_Ｖを決定し、回転速度制御部２１とナセル振動制御部２２の干渉を抑制する。

なお、本発明の実施例１では、回転速度制御部２１が決定するブレードピッチ角度指令値ＰＢ_Ｓ、ナセル振動制御部２２が決定するブレードピッチ角度指令値ＰＢ_Θ、およびフィードフォワード制御部２３が決定するブレードピッチ角度指令値ＰＢ_Ｖは、複数あるブレード２のすべてに同様に指令される値を示す。

加算部２４では、回転速度制御部２１が決定するブレードピッチ角度指令値ＰＢ_Ｓと、ナセル振動制御部２２が決定するブレードピッチ角度指令値ＰＢ_Θを加算する。

加算部２５では、加算部２４の出力結果とフィードフォワード制御部２３が決定するブレードピッチ角度ＰＢ_Ｖを加算し、ピッチアクチュエータ７へ出力するブレードピッチ角度指令値ＰＢを決定する。

このようにして、最終的にピッチアクチュエータ７に与えられるブレードピッチ角度指令値ＰＢは、回転速度制御部２１、ナセル振動制御部２２、フィードフォワード制御部２３からのブレードピッチ角度指令値ＰＢ_Ｓ、ＰＢ_Θ、ＰＢ_Ｖの合成値として定められる。図２の例での合成は、重みづけなどを考慮しない単純加算とされている。

図２に示すコントローラ１０の運転制御手段について、回転速度制御部２１とナセル振動制御部２２は、夫々の目標信号に対してそれぞれのフィードバック信号（発電機回転速度Ｓ、ナセルピッチ角度θ）を入手し、その偏差に対して比例積分演算などを実行して、ブレードピッチ角度指令値ＰＢ_Ｓ、ＰＢ_Θを定めたものである。このため、これらの出力は、目標信号とフィードバック信号の偏差に応じて、時系列的に変動する信号となっている。

これに対し、フィードフォワード制御部２３は、入力である風速Ｖに応じて所定の値を出力する関数発生器で構成されている。

この結果、コントローラ１０の最終出力であるブレードピッチ角度指令値ＰＢは、フィードフォワード制御部２３の出力ＰＢ_Ｖにより先行的に定められ、先行制御で収束しなかった部分が発電機回転速度Ｓあるいはナセルピッチ角度θの変動として検知され、回転速度制御部２１とナセル振動制御部２２の出力ＰＢ_Ｓ、ＰＢ_Θが補うという形式で制御が行われている。

図３は、フィードフォワード制御部２３に実装されるブレードピッチ角度モデルを示す概略例を示す図である。ブレードピッチ角度モデルは、風速Ｖに対してフィードフォワード制御部２３が出力するブレードピッチ角度指令値ＰＢ_Ｖを示す特性を与える関数発生器により実現されている。この特性Ｌ０は、風速Ｖが所定の値に達するまでは一定値を与え、風速Ｖが所定の値以上になると飽和的に増加する傾向を示すものとされている。

図４は、風速Ｖに対する発電電力Ｐと発電機回転速度Ｓとブレードピッチ角度βの関係を示した図である。この図においてブレードピッチ角度βは、風力発電システム１の定常特性Ｌ１を示している。

この図４によれば、定常特性Ｌ１によるブレードピッチ角度βは、発電電力Ｐが定格値Ｐｒａｔｅｄに達するときの風速Ｖ３（定格風速）までは一定値βｆであり、風速Ｖ３以上の状態では飽和的に増加するものとなる。ブレードピッチ角度βと風速の間における上記特性Ｌ１は、いわゆる風力発電システム１の定常特性である。また風力発電システム１の起動段階においては、カットイン風速Ｖ０から発電機は発電電力を上げ始め、速度Ｖ１に達すると発電機回転速度がＳ１から上昇し始める。その後風速がＶ２に達すると発電機回転速度はＳ２に保持され、さらに速度Ｖ３において発電電力Ｐが定格値Ｐｒａｔｅｄに達する。

図３のフィードフォワード制御部２３に実装されるブレードピッチ角度モデルにおける特性Ｌ０は、図４に示す風力発電システム１の定常特性Ｌ１と一致するものであっても良いし、図４の定常特性Ｌ１に基づいて変更するものであっても良い。例えば実運用上、定常特性Ｌ１は点線で示す特性Ｌ２のようになることから、ブレードピッチ角度モデルにおける特性Ｌ０は特性Ｌ２のようにされていてもよい。

また、図３に示すブレードピッチ角度モデルは風速Ｖで検索するテーブルとしてフィードフォワード制御部２３またはコントローラ１０に保存されるものであっても良いし、風速Ｖを引数とした関数としてフィードフォワード制御部２３またはコントローラ１０に保存されるものであっても良い。

上記した図３に示すブレードピッチ角度モデルは、風速が上昇するに従って、風速の所定値以下の場合には、ブレードが最もエネルギー変換効率が高いブレードピッチ角度を保持し、風速が所定値よりも大きい場合には、風速の上昇に応じてブレードピッチ角度が上昇する特性とされたものである。

以上説明した事項からも明らかなように、本発明の課題である「風力発電システムにおいてブレードピッチ角度の変動を抑制する」という目的は、フィードフォワード制御の採用により実現されている。さらにこの課題は、フィードフォワード制御に加えて回転速度制御と、ナセル振動制御のいずれか一方または双方を備える場合においても達成が可能である。

前記ナセルの傾斜状態に基づいて前記ブレードピッチ角度の指令値を決定する傾斜角度制御手段
図５は、コントローラ１０に実装される運転制御手段の第２の構成例であり、３つの制御部２１、２２、２３が決定するブレードピッチ角度指令値ＰＢ_Ｓ、ＰＢ_Θ、ＰＢ_Ｖに重みを乗算する形態の処理概要を示すブロック線図である。

図２に示すブロック線図と異なる点は、回転速度制御部２１、ナセル振動制御部２２のそれぞれが決定するブレードピッチ角度指令値ＰＢ_Ｓ、ＰＢ_Θに対して、ゲイン５４、５５をそれぞれ乗算した結果を、加算部５７にて加算し、その結果とフィードフォワード制御部２３が決定するブレードピッチ角度指令値ＰＢ_Ｖにゲイン５６を乗算した結果を、加算部５８にて加算したものを、ピッチアクチュエータ７に指令したことである。ゲイン５４、５５、５６にて回転速度制御部２１、ナセル振動制御部２２、フィードフォワード制御部２３が決定するブレードピッチ角度ＰＢ_Ｓ、ＰＢ_Θ、ＰＢ_Ｖの重み、すなわち効果度合いを調整することができる。これにより、広い運転条件に対して適切なブレードピッチ角度指令値を決定することができる。

図２、図５のフィードフォワード制御部２３は、風速Ｖを入力としてブレードピッチ角度ＰＢ_Ｖを定めているが、この場合に風速Ｖは図６、図７、図８に示す風速推定部により求めることができる。

図６は、第１の風速推定部６１を示すブロック線図である。ここでは、ナセル５の適宜位置に設置された風速センサの出力信号に基づき、フィードフォワード制御部２３に入力する風速Ｖを決定する。

図７は、第２の風速推定部７１を示すブロック線図である。ここでは、ナセル５の適宜位置に設置された風速センサ、および風向センサの出力信号に基づき、フィードフォワード制御部２３に入力する風速Ｖを推定する。

図８は、第３の風速推定部８１を示すブロック線図である。ここでは、センサ前方の遠方の風速を計測可能なＬｉＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）を利用し、ＬｉＤＡＲの出力信号に基づいて、フィードフォワード制御部２３に入力する風速Ｖを決定する。

図９は、コントローラ１０に実装する運転制御手段の第３の構成例を示すブロック線図であり、フィードフォワード制御部９１が自身の特性を調整可能な機能を備える。

図２に示すブロック線図と異なる点は、フィードフォワード制御部９１が蓄積データを利用してその特性を調整できる機能を備えることである。蓄積データとは図では省略するが、図４に示す定常特性Ｌ１を所定期間のデータで平均化したものであっても良い。蓄積データを利用し、図３に示すブレードピッチ角度モデルを更新し、風況や環境に合わせて制御を調整する。また、図３に示すブレードピッチ角度モデルが乱流強度に基づいて変化する場合には、蓄積した乱流強度とブレードピッチ角度の定常特性の変化に基づいて、所定のゲインを図３のブレードピッチ角度モデルに乗算するものであっても良い。

なお図２の運転制御手段の第１の構成例に対して、図５、図９の第２、第３の構成例を説明したがこれに限ったものではなく、図６の重みが一部のみに利用されているものであっても良いし、図６と図９の機能の双方を持ち合わせた形態であっても良い。

図１０は、図２に示す運転制御手段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、回転速度制御部２１によるブレードピッチ角度指令値ＰＢ_Ｓを決定してステップＳ０２に進む。

ステップＳ０２ではナセル振動制御部２２によるブレードピッチ角度指令値ＰＢ_Θを決定してステップＳ０３に進む。

ステップＳ０３では風速Ｖを決定し、ステップＳ０４に進む。ステップＳ０４では、フィードフォワード制御部２３によるブレードピッチ角度指令値ＰＢ_Ｖを決定し、ステップＳ０５へ進む。

ステップＳ０５では回転速度制御部２１とナセル振動制御部２２が決定したブレードピッチ角度指令値を加算するとともに、その結果にフィードフォワード制御部２３が決定したブレードピッチ角度指令値ＰＢ_Ｓ、ＰＢ_Θ、ＰＢ_Ｖをさらに加算し、一連の動作を終了する。

図１１は、図５に示す運転制御手段の処理概要を示すフローチャートであり、３つの制御部が決定するブレードピッチ角度指令値に重みを乗算するときの処理概要を示すフローチャートである。

ステップＳ１１では回転速度制御部２１によるブレードピッチ角度指令値ＰＢ_Ｓを決定してステップＳ１２に進む。

ステップＳ１２ではナセル振動制御部２２によるブレードピッチ角度指令値ＰＢ_Θを決定してステップＳ１３に進む。

ステップＳ１３では風速Ｖを決定し、ステップＳ１４に進む。ステップＳ１４では、フィードフォワード制御部２３によるブレードピッチ角度指令値ＰＢ_Ｖを決定し、ステップＳ１５へ進む。

ステップＳ１５では、３つの制御部が決定したブレードピッチ角度指令値にゲインを乗算することで、各ブレードピッチ角度指令値ＰＢ_Ｓ、ＰＢ_Θ、ＰＢ_Ｖに重み付けを行い、ステップＳ０１６へ進む。

ステップＳ１６では、回転速度制御部２１とナセル振動制御部２２が決定したブレードピッチ角度指令値ＰＢ_Ｓ、ＰＢ_Θに対して重み付けした結果を加算するとともに、その結果にフィードフォワード制御部２３が決定したブレードピッチ角度指令値ＰＢ_Ｖに重み付けした結果をさらに加算し、一連の動作を終了する。

図１２は、図９に示す運転制御手段の処理概要を示すフローチャートであり、フィードフォワード制御部９１が自身の特性を調整可能な機能を備えるときの処理概要を示すフローチャートである。

ステップＳ２１では回転速度制御部２１によるブレードピッチ角度指令値ＰＢ_Ｓを決定してステップＳ２２に進む。

ステップＳ２２ではナセル振動制御部２２によるブレードピッチ角度指令値ＰＢ_Θを決定してステップＳ２３に進む。

ステップＳ２３では風速Ｖを決定し、ステップＳ２４に進む。ステップ２４では、蓄積データに基づいてフィードフォワード制御部９１の特性を調整してステップＳ２５へ進む。

ステップＳ２５では、フィードフォワード制御部９１によるブレードピッチ角度指令値ＰＢ_Ｖを決定し、ステップＳ２６へ進む。ステップＳ２６では回転速度制御部２１とナセル振動制御部２２が決定したブレードピッチ角度指令値ＰＢ_Ｓ、ＰＢ_Θを加算するとともに、その結果にフィードフォワード制御部９１が決定したブレードピッチ角度指令値ＰＢ_Ｖをさらに加算し、一連の動作を終了する。

以下、図１３、図１４を用いて、本発明の実施例に係るブレードピッチ角度の動作の様子を比較して示す。

まず図１３は、本発明に係る先行制御であるフィードフォワード制御部２３を備えない運転制御手段とした場合のブレードピッチ角度の変化の様子を示すタイムチャートである。

図２の運転制御手段において、回転速度制御部２１とナセル振動制御部２２のみによる制御を想定しているので、図１３のタイムチャートは、横軸に時間を採用し、縦軸は図上方より風速Ｖ、回転速度制御部２１によるブレードピッチ角度指令値ＰＢ_Ｓ、ナセル振動制御部２２によるブレードピッチ角度指令値ＰＢ_Θ、およびブレードピッチ角度指令値ＰＢを採用して示している。なお、以下の記載では、時刻ＴＢからＴＣにて、風速Ｖが急激に上昇した場合を想定する。

まず時刻ＴＡからＴＢの間では、風速Ｖは低く、一定を保持しているものとする。このとき、ロータ回転速度およびナセル前後傾斜角度の偏差はほぼゼロの状態であり、結果として回転速度制御部２１によるブレードピッチ角度指令値ＰＢ_Ｓとナセル振動制御部２２によるブレードピッチ角度指令値ＰＢ_Θとブレードピッチ角度指令値ＰＢは、一定値とされている。

これに対し、時刻ＴＢからＴＣでは、風速Ｖの急上昇により、ロータに入力する風力エネルギーが増加するため、ロータ回転速度およびナセル前後傾斜角度が変化する。その変化に応じて、回転速度制御部２１およびナセル振動制御部２２は風速の急変に伴う変化を吸収すべく、ブレードピッチ角度を動作させるための指令値ＰＢ_Ｓ、ＰＢ_Θをそれぞれ決定する。この場合に、回転速度制御部２１およびナセル振動制御部２２の双方はフィードバック制御であるために、それぞれがロータ回転速度およびナセル前後傾斜角度の応答に応じてブレードピッチ角度指令値ＰＢ_Ｓ、ＰＢ_Θを決定することとなる。また最終的に運転制御手段は、その合成信号を指令値ＰＢとしてピッチアクチュエータ７を調整する。

この方式によれば、２つのフィードバック制御部２１、２２は、それぞれの観点からブレードピッチ角度の最適値を探索しながらシステムが動作するため、最終的に定まる運転制御手段としてのブレードピッチ角度指令値ＰＢが収束するまでに長い時間を要する場合がある。特に、２つのフィードバック制御部２１、２２の間で、上述のような制御干渉が生じた場合には、それぞれのフィードバック制御部２１、２２が指令する値同士が相殺しあうことから、２つのフィードバック制御部２１、２２がさらに大きなブレードピッチ角度指令値を出力することがある。これにより、ブレードピッチ角度の変動が大きくなり、収束までに時間を要することとなる。

図１４は、本発明に係る先行制御であるフィードフォワード制御部２３を備えた場合のブレードピッチ角度の変化の様子を示すタイムチャートである。

図２の運転制御手段に示すように、回転速度制御部２１とナセル振動制御部２２とフィードフォワード制御部２３による制御を行うので、図１４のタイムチャートは、横軸に時間を採用し、縦軸は図上方より風速Ｖ、回転速度制御部２１によるブレードピッチ角度指令値ＰＢ_Ｓ、ナセル振動制御部２２によるブレードピッチ角度指令値ＰＢ_Θ、フィードフォワード制御部２３によるブレードピッチ角度指令値ＰＢｖ、およびブレードピッチ角度指令値ＰＢを採用して示している。なお、以下の記載でも図１３と同様に、時刻ＴＢからＴＣにて、風速Ｖが急激に上昇した場合を想定する。

まず時刻ＴＡからＴＢの間では、風速Ｖは低く、一定を保持しているものとする。このとき、ロータ回転速度およびナセル前後傾斜角度の偏差はほぼゼロの状態であり、結果として回転速度制御部２１によるブレードピッチ角度指令値ＰＢ_Ｓとナセル振動制御部２２によるブレードピッチ角度指令値ＰＢ_Θとフィードフォワード制御部２３によるブレードピッチ角度指令値ＰＢｖとブレードピッチ角度指令値ＰＢは、一定値とされている。

これに対し、時刻ＴＢからＴＣでは、風速Ｖの急上昇により、ロータに入力する風力エネルギーが増加するため、ロータ回転速度およびナセル前後傾斜角度が変化するが、図２の運転制御手段ではフィードバック信号を取り扱う、従って時間遅れを伴う制御系である回転速度制御部２１、ナセル振動制御部２２が応動する前に、関数発生器で構成されたフィードフォワード制御部２３による先行的な制御が実行され、ブレードピッチ角度ＰＢをその時の風速Ｖに応じて所定の値にいち早く変化させてしまう。

図３に示したフィードフォワード制御部２３の特性Ｌ０が、図４に示す定常特性Ｌ１、Ｌ２に応じて定められている場合には、その時の風速に見合うブレードピッチ角度ＰＢが概ね確保可能であり、仮に先行制御で収束しなかった部分が発電機回転速度Ｓあるいはナセルピッチ角度θの変動として検知され、回転速度制御部２１とナセル振動制御部２２の出力ＰＢ_Ｓ、ＰＢ_Θが発生したとしても、先行的な安定性確保により、偏差信号自体が小さいものであり、干渉が生じたとしてもその影響は軽微である。

以上説明した本発明の実施例を適用した場合には、風速Ｖに基づくブレードピッチ角度モデルを利用したフィードフォワード制御部２３を備えるため、各風速においてブレードピッチ角度が収束すべき値を出力する。これにより、回転速度制御部２１およびナセル振動制御部２２がフィードバック制御で探索する範囲を狭くすることができるため、ブレードピッチ角度指令値ＰＢが収束しやすくなる。その結果、ブレードピッチ角度の変動を低減できることで、風力発電システムの動作を安定化させるだけでなく、ブレードピッチアクチュエータの負荷を低減できることになる。

以上説明した本発明の実施例によれば、浮体式洋上風力発電システムの発電電力やナセルピッチ角度振動を抑制しながら、フィードフォワード制御を追加することにより、ロータ回転速度を調整する制御とナセルピッチ角度振動を抑制する制御とが決定する操作量を減少させることで、ロータ回転速度を調整する制御とナセルピッチ角度振動を抑制する制御との制御干渉を抑制することができる。

より具体的には、風速に基づくブレードピッチ角度モデルを備えたフィードフォワード制御を備えることで、所定風速における風力発電システムが最終的に調整すべき最適なブレードピッチ角度をフィードフォワード制御より供給することで、フィードバック制御部が担う最適なブレードピッチ角度の探索の負荷を軽減することができ、並行設置された複数のフィードバック制御部の干渉が抑制できる。これにより、並行設置されたフィードバック制御部の出力の過剰操作や相殺がなくなることで、ブレードピッチ角度の大きな変動を抑制することができる。

結果として、ブレードピッチ角度を調整するピッチアクチュエータの負荷変動を抑制す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。

本発明は種々の形態の風力発電システムに適用が可能である。例えば風力発電システムは、ロータがナセルよりも風下に配置して運転するダウンウィンド型であってもよい。さらには、洋上に浮かべられる浮体構造物上に設置された浮体式洋上風力発電システムであってもよい。

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：ピッチアクチュエータ
８：タワー
９：浮体部
１０：コントローラ
１１：回転角度センサ
１２：風速センサ
１３：風向センサ
１４：ナセルピッチ角度センサ
２１：回転速度制御部
２２：ナセル振動制御部
２３：フィードフォワード制御部

Claims (11)

1. ブレード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と、前記ブレードピッチ角度を制御する制御装置を備える風力発電システムであって、
   前記制御装置は、風速を推定する風速推定手段と、風速と前記ブレードピッチ角度の定常特性との関係を示すブレードピッチ角度モデルと、前記風速推定手段で推定した風速に基づいて前記ブレードピッチ角度モデルからブレードピッチ角度の第１の指令値を決定するフィードフォワード制御部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、
   前記ブレードピッチ角度モデルは、
   前記風速が上昇するに従って、前記風速の所定値以下の場合には、前記ブレードが最もエネルギー変換効率が高い前記ブレードピッチ角度を保持し、前記風速が前記所定値よりも大きい場合には、前記風速の上昇に応じて前記ブレードピッチ角度が上昇する特性とされていることを特徴とする風力発電システム。
3. 請求項１または請求項２に記載の風力発電システムであって、
   前記制御装置は、
   ロータ回転速度とその目標値との差分に基づいて前記ブレードピッチ角度の第２の指令値を決定する回転速度制御部と、前記ナセルの傾斜状態に基づいて前記ブレードピッチ角度の第３の指令値を決定するナセル振動制御部、のいずれか一方、または双方を備えており、
   前記フィードフォワード制御部が決定するブレードピッチ角度の第１の指令値に、前記回転速度制御部が決定するブレードピッチ角度の第２の指令値、または、前記ナセル振動制御部が決定するブレードピッチ角度の第３の指令値、のいずれか一方、または双方を加算することで、
   前記ブレードを調整するブレードピッチ角度の指令値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３に記載の風力発電システムであって、
   ブレードピッチ角度についての前記第１の指令値、前記第２の指令値、前記第３の指令値は、乗算される重み係数の配分を調整して加算されることを特徴とする風力発電システム。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の風力発電システムであって、
   前記風速推定手段は、前記ナセル上の適宜位置に設置された風速センサの出力に基づいて、
   前記風速を推定することを特徴とする風力発電システム。
6. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の風力発電システムであって、
   前記風速推定手段は、前記ナセル上の適宜位置に設置された風速センサと前記ナセル上の適宜位置に設置された風向センサの出力とに基づいて、
   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。
7. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の風力発電システムであって、
   前記風速推定手段は、前記ナセル上の適宜位置に設置され、前記ロータ前面の風上方向の遠方の風速を推定可能な装置が決定する出力に基づいて、
   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。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の風力発電システムであって、
   前記ブレードピッチ角度モデルは、風力発電システムの運転データに基づいて逐次更新されることを特徴とする風力発電システム。
9. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の風力発電システムであって、
   風力発電システムは、前記ロータが前記ナセルよりも風下に配置して運転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。
10. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の風力発電システムであって、
    風力発電システムは、洋上に浮かべられる浮体構造物上に設置された浮体式洋上風力発電システムであることを特徴とする風力発電システム。
11. ブレード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の備える風力発電システムの運転方法であって、
    風速と前記ブレードピッチ角度の定常特性との関係を記憶し、推定した風速で定まる前記ブレードピッチ角度の指令値に応じて前記ブレードのブレードピッチ角度を先行的に定め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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