JP2019143584A - 風力発電装置とその制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
ヨー制御によりヨー偏差角を常にゼロに維持できた時、最も発電量が多くなる。しかし、ナセルの旋回速度よりも風向の変動速度の方が速い場合、ナセル方位角を風向に追従できない。また、風向の変動頻度が高く、ヨー旋回中に風向が逆方向に変わる場合、ヨー制御の応答遅れによりヨー偏差角が高い状態でナセルを停止させてしまう。これらの場合、ヨー偏差角をゼロに維持することは困難である。しかし、ナセルの旋回速度を高くし過ぎたり、ヨー偏差角に対して過敏にヨー旋回させると、ナセル旋回機構やナセルの旋回を停止するブレーキ機構の機械的消耗が発生する。この制御方法を用いて、ヨー偏差角を積極的に抑制しようとすると、機械的摩耗が大きくなる恐れがある。
そこで、本発明は、ヨー偏差角を低減して発電量を向上しつつ、機械的消耗を抑制し得る風力発電装置とその制御方法を提供する。
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、前記ナセルをヨー旋回可能に支持するタワーと、ヨー制御指令に基づいて前記ナセルのヨーを調整する調整装置と、前記調整装置に送る前記ヨー制御指令を定める制御装置とを備える風力発電装置の制御方法であって、測定された風向と前記ロータの方向からヨー偏差角を算出し、少なくとも前記ヨー偏差角に基づき、風況の乱れ度が高い場合、ヨー旋回の駆動速度を高くすることを特徴とする。
具体的には、ある程度高い頻度の風向変動が多い場合、ヨー駆動速度を速くすることで、ヨー旋回中の風向に対するナセル方位角の追従性が向上する。また、ある程度高い頻度の風向変動が少ない場合、ヨー駆動速度を速くしないことで、ヨー旋回機構の機械的消耗の増加を抑制する。したがって、機械的消耗の増加を抑制しつつ、風向への追随性の向上により発電性能が向上する。さらに、ヨー偏差角が低減することで、風力発電装置へのラジアル荷重も低減し、機械的消耗を低減できる。よって、風力発電装置の発電性能の向上と機械的消耗の低減を両立させることが可能な風力発電装置とその制御方法を提供できる。
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。
図3は、図1に示す制御装置を構成するヨー制御部の機能を示すブロック線図である。図3に示すように、ヨー制御部300は、ヨー偏差角Δθを求めるヨー偏差角計算部301と、ヨー旋回の駆動速度Vyを算出する駆動速度算出部310と、ヨー偏差角Δθと駆動速度Vyに基づいてヨー旋回の開始/駆動/停止を制御するヨー制御指令Cyを定める制御指令作成部305により構成されている。駆動速度算出部310は、データ蓄積部302、データ分析部303、駆動速度計算部304により構成されている。
図4と図5は、風向θwの蓄積データを周波数分析した結果の一例を示している。図4と図5の横軸は周波数、縦軸は周波数に基づく風向の変動量を表す風向成分θfの大きさを示している。
図4は、風向変動が比較的小さい期間の周波数分析結果の一例を示しており、風向成分θfが小さな値を示している点に特徴がある。図5は、図4よりも風向変動が比較的大きい期間の周波数分析結果の一例を示しており、風向成分θfが大きな値を示している点に特徴がある。
風向の蓄積データを周波数分析した後、得られた所定の期間における周波数成分の平均値もしくは合計値を計算し、風況の特徴データを求める。
具体的には駆動速度計算部304においては、風向成分θfが小さい図4の傾向を示す特徴データが小さい場合と、風向成分θfが大きい図5の傾向を示す特徴データが大きい場合とで、駆動速度Vyの大きさが変更されるように調整される。例えば風向成分θfが小さい図4の場合は駆動速度Vyを低くし、風向成分θfが大きい図5の場合は駆動速度Vyを高くする。
このとき、風向成分θfが小さい場合、すなわち、ある程度高い頻度の風向変動が少ない場合、駆動速度Vyを高くすることによる発電量の向上効果よりも機械的消耗の増加効果の方が高くなるため、駆動速度Vyを低くすることが好ましい。一方で、風向成分θfが大きい場合、すなわち、ある程度高い頻度の風向変動が多い場合、駆動速度Vyを高くすることによる発電量の向上効果が機械的消耗の増加効果よりも高くなるため、駆動速度Vyを高くすることが好ましい。以上が駆動速度Vyの調整方法の理由である。
図6に示すように、ステップS601では、ヨー偏差角計算部301がロータ軸角度θrを決定し、次のステップS602に進む。ステップS602では、ヨー偏差角計算部301が風向θwを決定し、次のステップS603に進む。ステップS603では、ヨー偏差角計算部301がロータ軸角度θrと風向θwに基づいてヨー偏差角Δθを決定し、次のステップS604に進む。このように、ステップS601からステップS603までの処理をヨー偏差角計算部301が実行する。
ステップS607では、制御指令作成部305がヨー偏差角Δθと駆動速度Vyに基づいてヨー制御指令Cyを決定した後、一連の処理を終了する。
図7は、実施例1に係るヨー制御部300の効果を示す概要図であり、横軸は全て共通の時刻を示す。図7の上段における縦軸はロータ軸角度θrと風向θw、図7の中段における縦軸はヨー偏差角Δθ、および図7の下段における縦軸は発電出力Peを示す。図7における破線は、本実施例に係るヨー制御部300を適用しない場合の比較例として、例えば、駆動速度Vyが常に低い場合の結果を示す。一方で、実線が本発明の実施例1に係るヨー制御部300を適用した場合の結果を示している。
Iref=Vv/Vave ・・・(1)
駆動速度算出部910を構成する駆動速度計算部904は、特徴データである乱流強度Irefに基づき、駆動速度Vyを決定する。ここで、ある程度高い頻度の風況変動が多い場合、すなわち、乱流強度Irefが高い場合、駆動速度Vyを高くする。また、ある程度高い頻度の風況変動が少ない場合、すなわち、乱流強度Irefが低い場合、駆動速度Vyを低くする。
本実施例の風力発電装置1は、上述の実施例1のヨー制御部300と同じ構成を有しているが、データ分析部303と駆動速度計算部304とにおける処理が異なる。
これは、実施例1における風向θwの周波数成分の平均値および合計値と、本実施例における風向θwの標準偏差σには正の相関があり、風向変動が激しい場合は風向θwの標準偏差σが大きく、風向変動が穏やかな場合は風向θwの標準偏差σが小さくなるためである。
駆動速度算出部1010を構成する駆動速度計算部1004は、実施例1と同様に、特徴データに基づき、駆動速度Vyを決定するが、平均風速Vwaveが低く発電していないとき、及び/又は、平均風速Vwaveが高く定格出力に達している場合、駆動速度Vyを低い値とする。これは、平均風速Vwaveが低く発電していない場合、および平均風速Vwaveが高く定格出力に達している場合は、駆動速度Vyを高くして風向θwに対するナセル方位角の追従性を高くすると、発電量は向上しない若しくは向上が少ないのに対し、ヨー旋回速度が増加することで機械的消耗が増加するためである。
本実施例の風力発電装置1は、上述の実施例5のヨー制御部1000と同じ構成を有しているが、駆動速度計算部1004における処理が実施例5と異なる。
(1)ヨー制御部300、800、900、1000におけるデータ蓄積部302、データ分析部303、および駆動速度計算部304は、制御装置9に代えて、外部の装置に備えてもよい。
(2)本発明で計算したヨー制御の駆動速度Vyは、同じサイトにおける他の風力発電装置1や、風況の近しい他サイトの風力発電装置1に適用してもよい。
(3)ヨー制御部300、800、900、1000におけるデータ蓄積部302は、風向θwをはじめとする風況データを逐次入力せず、過去に蓄積された風況データのみを保持する構成としてもよい。
(4)上述の各実施例においては、風向風速センサ10はナセル5上に設置されているが、この場所に代えて、ナセル5内や風力発電装置1の周辺に設置してもよい。
(5)上述の各実施例において、駆動速度Vyは段階的に値を設定したり、直線や曲線のように連続的に値を設定したりしてもよい。
2…ブレード
3…ハブ
4…ロータ
5…ナセル
6…発電機
7…タワー
8…ヨー旋回機構
9…制御装置
10…風向風速センサ
300,800,900,1000…ヨー制御部
301…ヨー偏差角計算部
302,902,1002…データ蓄積部
303,903,1003…データ分析部
304,904,1004…駆動速度計算部
305…平均化処理部
306…制御指令作成部
310,910,1010…駆動速度算出部
806…駆動速度入力部
Claims (12)
- 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、前記ナセルをヨー旋回可能に支持するタワーと、ヨー制御指令に基づいて前記ナセルのヨーを調整する調整装置と、前記調整装置に送る前記ヨー制御指令を定める制御装置とを備える風力発電装置であって、
前記制御装置は、風向風速測定部により測定された風向と前記ロータの方向からヨー偏差角を算出するヨー偏差角計算部と、前記ヨー偏差角に基づき前記ヨー制御指令を定める制御指令作成部を備え、
前記制御指令作成部は、風況の乱れ度が高い場合、ヨー旋回の駆動速度を高くすることを特徴とする風力発電装置。 - 請求項1に記載の風力発電装置において、
前記駆動速度は、予め前記制御指令作成部に設定されていることを特徴とする風力発電装置。 - 請求項1に記載の風力発電装置において、
前記駆動速度は、通信部を介して風力発電装置の外部から設定されることを特徴とする風力発電装置。 - 請求項1に記載の風力発電装置において、
前記制御装置は、前記駆動速度を計算する駆動速度算出部を備えることを特徴とする風力発電装置。 - 請求項4に記載の風力発電装置において、
前記駆動速度算出部は、前記風向風速測定部により測定された風向を周波数分析し周波数成分を求め、所定の周波数領域の前記周波数成分の値に基づいて、駆動速度を算出することを特徴とする風力発電装置。 - 請求項4に記載の風力発電装置において、
前記駆動速度算出部は、前記風向風速測定部により測定された風速から所定の期間における風速の標準偏差及び風速の平均値を求め、前記風速の標準偏差を前記風速の平均値にて除することにより求まる乱流強度に基づいて、駆動速度を算出することを特徴とする風力発電装置。 - 請求項4に記載の風力発電装置において、
前記駆動速度算出部は、前記風向風速測定部により測定された風向から風向の標準偏差を求め、前記風向の標準偏差に基づいて、駆動速度を算出することを特徴とする風力発電装置。 - 請求項5に記載の風力発電装置において、
前記駆動速度算出部は、周波数分析のためにローパスフィルタ若しくはフーリエ変換のいずれかを用いることを特徴とする風力発電装置。 - 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、前記ナセルをヨー旋回可能に支持するタワーと、ヨー制御指令に基づいて前記ナセルのヨーを調整する調整装置と、前記調整装置に送る前記ヨー制御指令を定める制御装置とを備える風力発電装置の制御方法であって、
測定された風向と前記ロータの方向からヨー偏差角を算出し、
少なくとも前記ヨー偏差角に基づき、風況の乱れ度が高い場合、ヨー旋回の駆動速度を高くすることを特徴とする風力発電装置の制御方法。 - 請求項9に記載の風力発電装置の制御方法において、
前記測定された風向を周波数分析し周波数成分を求め、所定の周波数領域の前記周波数成分の値に基づいて、駆動速度を算出することを特徴とする風力発電装置の制御方法。 - 請求項9に記載の風力発電装置の制御方法において、
測定された風速から所定の期間における風速の標準偏差及び風速の平均値を求め、前記風速の標準偏差を前記風速の平均値にて除することにより求まる乱流強度に基づいて、駆動速度を算出することを特徴とする風力発電装置の制御方法。 - 請求項9に記載の風力発電装置の制御方法において、
前記測定された風向から風向の標準偏差を求め、前記風向の標準偏差に基づいて、駆動速度を算出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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