JP2019536936A - 浮体式風力タービン構造用制御システム - Google Patents

Abstract

浮体式風力タービン構造用制御システムその係留部の疲労を低減するために浮体式風力タービン構造のタービンを制御する方法は、風力タービン構造のピッチ運動および風力タービン構造の係留方向に対する風力タービン構造での風向に基づいてタービンを縮小することを含む。オプションで、縮小は、基準位置からの風力タービン構造の変位の程度にさらに基づいてもよい。【選択図】図２

Description

本発明は、浮体式風力タービン構造用制御システムに関する。

風力タービン構造は、通常、ナセルと支持構造の上端に取り付けられたロータとをもった細長いタワーを含む支持構造から成る。発電機と、それに関連する電子機器とは、通常ナセル内にある。

陸上または海底のいずれかに固定されている固定式風力タービンが十分に確立されている。しかし、最近、浮体式風力タービンの開発が望まれており、種々の構造が提案されている。一例は、従来の風力タービン構造が、浮力のあるプラットフォームまたは、いかだ類似構造などの浮体式基礎上に取り付けられている風力タービン構造である。別の提案は、「スパーブイ」型構造である。このような構造は、頂部にロータが取り付けられた細長い浮力のある支持構造から成る。支持構造は一体構造でもよく、または基礎部は、その上に取り付けられた標準的なタワーをもった細長いサブ構造として形成されてもよい。

浮体式風力タービン構造に風速または風流の変化によって生じた力などが作用すると、全体構造が水中で動き回る。これらの動きは、大きな振幅であるが比較的低い周波数を有し得、すなわち、それらは大きな遅い動きである−動きは、タービンそれ自体の回転周波数よりもはるかに低いという意味で低周波である。

風力タービン構造が経験する動きは、直線的な垂直（上下）の動きである「ヒーブ」、直線的な横方向（左右）の動きである「スウェイ」、直線的な縦方向（前後）の動きである「サージ」、その水平（前後）軸の周りの本体の回転である「ロール」、その横（左右）軸の周りの本体の回転である「ピッチ」、およびその垂直軸の周りの本体の回転である「ヨー」として説明される。

浮体式風力タービン構造は、通常、これらの動きを抑制するために、アンカーをもった１つ以上の係留索を介して海底に係留される。浮体式風力タービン用の従来の係留システム設計は、気象海洋設計基準に基づいて定式化された疲労限界状態（ＦＬＳ）および最終限界状態（ＵＬＳ）荷重ケースのシミュレーションに基づいており、関連規格からの対応する安全係数を使用して不確実性を説明する。しかし、安全係数は、気象海洋設計基準からの環境負荷に関連する不確実性を考慮に入れているため、係留は、しばしば実際の稼働状況に合わせて大幅に過大設計される。

一部の設備では、風力タービン構造の浮体式基礎の動きを打ち消すためにスラスタを利用し、それによって係留部に対する負荷を減らすことが提案されている。しかし、係留荷重の不確実性を低減する代替手段または改良手段に対する必要性が依然として存在する。

本発明は、浮体式風力タービン構造のタービンを制御する方法、好ましくは、その係留部の疲労を低減するための方法であって、風力タービン構造の運動、好ましくはピッチ運動、および風力タービン構造の係留方向に対する風力タービン構造での風向に基づいてタービンを縮小すること（ｃｕｒｔａｉｌｉｎｇ）を含む方法を提供する。

風力タービン構造の振動運動と風の方向とは、風力タービン構造の係留構造の疲労寿命に重大な影響を有する２つの要因として確認されている。ピッチ運動は、例えば風速変動および／または波荷重のためにタービンに振動荷重があるときに起こり、それが次に係留部では振動荷重を引き起こす。これらの運動が係留部上に既に大きな負荷と関連して起こる場合、これは係留部の疲労を著しく増やす可能性がある。風向は、係留構造が、どれほど負荷されているかに影響を及ぼす。例えば、不都合な風向は、荷重の大部分を単一の係留索にかけることができるが、より好都合な風向は、それを２つの係留索間に分配することができる。

風力タービン構造の運動（特に風荷重を示し、かつ波荷重にも強く関連するピッチ運動）と運転中の風の方向とを監視し、そして不都合な場合、風力タービンを縮小すること（したがって、風力タービン構造に対する空力推力を減少させること）によって、風力タービン構造の係留部の負荷および疲労を著しく低減し、それによって、その運転可能な寿命を増やすことが可能である。

さらに、タービンは、係留構造が最悪条件では最大出力で最大負荷を受けるように設計される必要がないことを意味する悪条件の間に出力（したがって負荷）を低減できるようになるため、この形態の制御を提供することによって、風力タービン構造の設計段階の間に、より低い安全係数を使用することが可能になり得る。これは、風力タービン構造を構築する際の著しい費用対効果を表し得る。

風力タービン構造は、好ましくは、浮体式基礎と、浮体式基礎から延びるタワーと、タワーに取り付けられたタービンとを備える。タービンは、好ましくは、通常ナセル内に、ロータと発電機とを備える。風力タービン構造は、風力タービン構造から海底まで延びるカテナリー係留部などの係留部を備えて風力タービン構造の位置を維持することができる。

種々の実施形態では、風力タービン構造の（ピッチ）運動および／または風向は、例えば、浮体式風力タービン上または近傍に配置された計器を用いて直接測定することができ、または、例えば風力タービン構造または、その環境の他の測定された特性に基づいて推定することができる。

本明細書で使用されるとき、「縮小すること」という用語は、同じ風速についての通常出力と比較して風力タービンの出力を低減することを指すことを意図している。したがって、タービンを縮小することは、縮小されていない運転に対して、風力タービン構造に加えられる風推力荷重を低減する。縮小方法は、通常、（揚力を低減するために）ロータブレードピッチオフセットを適用すること、または（ロータにより大きな抵抗トルクを適用するために）発電機の抵抗を増やすことを含む。

縮小は、好ましくは、（ピッチ）運動の変動性に基づく。すなわち、その時点で（ピッチ）運動がどれほど変動しているかの何らかの尺度になる。例えば、縮小は、所定期間にわたるピッチ運動の標準偏差に基づいてもよい。好ましくは、期間は、少なくとも１分、そして好ましくは１時間未満である。より好ましくは、期間は５分から１５分の間である。

縮小は、好ましくは、少なくとも（ピッチ）運動ベース成分および／または風向ベース成分を含む。

好ましくは、（ピッチ）運動ベース成分および／または風向ベース成分は、各々一定、例えば、（ピッチ）運動測定値が変動性の閾値レベルを下回る場合、ゼロであり得る。これは、システムの疲労をもたらすのは変動する運動の影響であり、そして最大の運動が最大の疲労をもたらすからである。大きな静的な力は、疲労による損傷を引き起こさないため、必要な縮小は少なくなる。しかし、（ピッチ）運動ベースの縮小および／または風向ベースの縮小以外の縮小が依然として変動性の閾値レベル未満で適用され得ることを理解されたい。例えば、定格速度を超える風速による、または逆流に基づくドリフトによるなどの他の理由による縮小は、ピッチ運動の閾値レベル未満でさえも適用され得る。

（ピッチ）運動ベース成分は、好ましくは、（ピッチ）運動の測定値とともに増加する。より具体的には、（ピッチ）運動ベース成分は、好ましくは、（ピッチ）運動の変動性（例えば、所定期間にわたる（ピッチ）運動の標準偏差）とともに増加する。増加は線形または非線形であってもよい。

風向ベース成分は、好ましくは、係留方向に対して風向とともに少なくとも部分的に線形に増加する。すなわち、風向の少なくとも特定の値について、風向ベース成分は線形に増加する。しかし、他の実施形態では、風向ベース成分は、係留方向に対して風向によって非線形に変動してもよい。

風向ベース成分は、好ましくは、風が一方の係留部の上へ直接風力タービン構造に近づくとき（すなわち、風がそのアンカー端から係留方向と平行な方向にタービンに向けて吹いているとき）、最大値を有し、そして風が２つの隣接係留部間で風力タービンに直接近づくとき、最小値を有する。風が一方の係留部の上へ直接風力タービン構造に近づくとき、その係留部が風荷重の大部分を担うであろう。好ましくは、風向ベース成分は、風が一方の係留部の上へ直接近づくとき各風向について最大値を有し、そして風が２つの係留部間に直接近づくとき各風向について最小値を有する。風向ベース成分は、最大値と最小値との間で風向によって線形に変動してもよい。しかし、一部の実施形態では、変動は非線形であり得る。

この配置は、風が単一の係留部の上へ近づくと、その係留部にかなりの割合の荷重が加えられるが、それが２つの係留部間に近づくと、風荷重が２つの係留部間に分配されるため、各係留部に対する負荷が低くなるという事実を説明する。このように、係留部の荷重が著しく高くなる可能性があるため、風が単一の係留部に負荷しているとき、タービンは縮小されるべきである。

縮小は、浮体式風力タービン構造に対する空力ロータ推力を低減するように、タービンの１つ以上のブレードにブレードピッチオフセットを適用することによって実施することができる。ピッチオフセットは、好ましくは、タービンの所望の出力（例えば、定格風速未満の最大出力、または定格風速を超える定格出力）を達成するためにブレードが通常動作するであろう方向に対するものである。ブレードピッチオフセットは、好ましくは、電力抽出が低減されるように、相対的な空気流に対してブレードを平坦にする。

ブレードピッチオフセットは、少なくとも部分的に以下の式：
β_offset（α_W,η_STD）＝β_{wind_offset}（α_W）＋β_{pitch_offset}（η_STD）
（ここで、β_offsetはブレードピッチオフセット、α_Wは風向、η_STDは所定期間にわたるピッチ運動の標準偏差またはその導出値のいずれかであり、β_{pitch_offset}はη_STDに基づくオフセット、そしてβ_{wind_offset}は風向に基づくオフセットである。）に基づいて決定され得る。

すなわち、ブレードオフセットは、風向によって変動する成分とピッチ運動の標準偏差によって変動する成分とを含む。この成分のほかに、他のブレードピッチ変更も行われ得ることを理解されたい。例えば、定格風速を超える場合には、ブレードピッチ変更を適用して出力を定格出力に制限することもできる。

風向に基づくオフセットは、少なくとも部分的に以下の式：
β_{wind_offset}（α_W）＝β₂｜１−２（（α_W＋α₀）ｍｏｄθ）／θ｜
（ここで、β₂は定数、α₀は定数、そしてθは隣接係留索間の角距離である。）に基づいて決定され得る。

この式は、係留方向に対して風向とともに線形に増減するジグザグ関数を出力する。α₀定数は、好ましくは、風が係留索の上へ直接近づくときに式の最大値が生じるように選択される。

ピッチ運動に基づくオフセットは、少なくとも部分的に以下の式：
β_{pitch_offset}（η_STD）＝β₁（η_STD−η_{STD_0}）／η_{STD_0}
（ここで、η_{STD_0}は定数、β₁は定数である。）に基づいて決定され得る。

したがって、ブレードオフセットは、標準偏差またはその導出値によって線形に変動し得る。導出値は、例えば、所定期間にわたるピッチ運動の標準偏差の最も重く負荷のかかった係留索への投影であり得る。

β_offset（α_W,η_STD）の値は、好ましくは、η_STD＜η_{STD_0}の場合にはゼロに設定される。すなわち、値η_{STD_0}未満では、この成分はブレードオフセットを適用しない。上記のように、小さなピッチ振動は係留部では比較的低レベルの疲労損傷を引き起こすことがわかっているため、これらを考慮して出力を低減する必要はない。

ブレードピッチ変更を適用する代わりに、タービンの発電機によって加えられる抵抗トルクを増加させることによって、すなわちタービンの空力ロータ推力を低減するように、代わりに縮小を達成することができる。これは、機械的に、例えば伝動装置を用いて、または電気的に、例えば発電機からの電流を増やすことによって達成することができる。

風向およびピッチ運動に基づく風力タービンを縮小することに加えて、本方法は、基準位置に対する風力タービン構造の位置に基づいて風力タービンを縮小することをさらに含むことができる。この種のオフセットは、通常、大電流を示す。強風荷重と組み合わされた大電流を条件として、係留部は、増加した疲労荷重を受けやすく、そして、それらの引張破壊荷重点に近づく危険性もある。したがって、大きな位置オフセットの検出はまた、係留部の寿命を延ばすために（すなわち、風力タービンを縮小することによって）タービンに加えられるロータスラスト荷重を低減するべきであることの有用な指標である。

基準位置は、好ましくは、外力が風力タービン構造に作用していない、すなわちゼロ電流負荷およびゼロ風負荷であるときの風力タービン構造の位置である。

風力タービン構造の位置は、Ｎａｖｓｔａｒ全地球測位システム（ＧＰＳ）などの衛星ベース測位システムを用いて、または係留索の平均張力から決定することができる。風力タービン構造についての基準位置は、好ましくは、風力タービン構造の浮体式基礎内にあり、風力タービン構造の導索器レベルにあってもよい。

風力タービン構造の位置に基づく縮小は、風力タービンの周波数でフィルタリングされた位置に基づくことができ、周波数でフィルタリングされた位置は、好ましくは、低域通過フィルタリングされている。例えば、値に低域通過フィルタリングして高周波の成分を除去することができる。低域通過フィルタは、少なくとも１分未満、好ましくは少なくとも５分未満、最も好ましくは少なくとも１０分未満の振動周期を有する周波数を減衰させることができる。これは、波荷重などによる縮小の変動を最小にするためである。代わりに、これは、負荷を、はるかに低い周波数で生じる電流ベースの負荷に制限する。

風力タービンの位置に基づく縮小は、位置ベース成分を含み得る。上記のように、これは、風力タービンの（ピッチ）運動および風力タービンの係留方向に対する風向に基づく縮小と組み合わせることができる。すなわち、縮小は、（ピッチ）運動ベース成分、風向ベース成分、および位置ベース成分を含み得る。

位置ベース成分は、タービンの位置が基準位置から所定の閾値距離よりも大きいときにのみ適用されてもよい。閾値距離は、基準位置からの変位／オフセットの方向に応じて可変であり得る。例えば、許容変位／オフセットは、係留部の歪みによるのではなく、変位／オフセットの一部を係留部の回転によって引き続き引き起こすこととなるため、荷重がいずれかの係留部上で直接引っ張らない場合には、より大きくなり得る。

位置ベース成分は、好ましくは、基準位置からのタービンの距離に比例する少なくとも１つの比例成分を含む。より具体的には、比例成分は、閾値距離を超えるタービンの距離、または閾値距離を超えるタービンの距離からの導出値に比例し得る。

位置ベース成分は、好ましくは、閾値距離を超えるタービンの距離の積分に比例する積分成分、または閾値距離を超えるタービンの距離からの導出値を少なくとも含む。積分制御の使用は、タービンが基準位置の許容距離内に戻るまでブレードオフセットを動的に増加させることを可能にする。

１つ以上の実施形態では、閾値距離を超えるタービンの距離からの導出値は、周波数でフィルタリングされた値であり得る。例えば、値に低域通過フィルタリングして高周波の成分を除去することができる。このように、制御は、主に電流によって引き起こされる、ゆっくり動く位置変化の影響に主に対抗するであろう。

上記のように、係留構造に対する望ましくない負荷を低減することを目的とする縮小のほかに、本方法はさらに、風力タービンの定格風速を超える風速で、わずかに定格出力を生じるように風力タービンを縮小することを含むことができる。この種の制御は、通常すべての風力タービンに見られ、そして上記のさらなる縮小技術のほかに依然として存在すると予想されるであろう。

さらに、定格風速を超える縮小は、好ましくは、風力タービンのほぼ共振周波数でピッチ方向の風力タービン構造の剛体運動を抑制するように縮小を制御することも含む。再び、この種の制御は、負の減衰が、ほぼ共振周波数でピッチ方向のタービン構造の大きな剛体運動をもたらす可能性があるため、負の減衰を打ち消すために、すべての浮体式洋上風力タービン構造に通常見られる。しかし、この種の制御は、主に係留部ではなくタワーの疲労損傷を防ぐために必要である。

浮体式風力タービン構造は、好ましくは、スパー構成を有する。係留部は、好ましくは、浮体式風力タービンから離れて延びるカテナリー係留索を含む。好ましくは、少なくとも３つのカテナリー係留索があり、そして係留索は、好ましくは、風力タービンから等間隔の方向に離れて延びている。

第２の態様から、本発明はまた、いずれか上記請求項の方法に従ってタービンとタービンを制御するように構成されたコントローラとを備える浮体式風力タービン構造を提供することが理解されよう。

本発明はまた、実行されると上記方法に従って浮体式風力タービン構造のタービンをコントローラに制御させるコンピュータ可読命令、ならびに、このようなコンピュータ可読命令を格納する有形のコンピュータ可読媒体を含むコンピュータプログラム製品を提供する。

ここで、本発明の特定の好ましい実施形態を、単に例として、添付の図面を参照して、より詳細に説明する。

風力タービン設備の側面図である。 設備の風力タービンの詳細を示す側面図である。 設備の係留構造の詳細を示す風力タービン設備の斜視図である。 風力タービンにブレードピッチ調整を適用するための第１のコントローラの簡略図である。 風力タービンにブレードピッチ縮小を適用するための第２のコントローラの簡略図である。 例示的な係留構造の方向を示す風力タービンの平面図である。 係留部に許容可能な歪みを付ける変位に対応する風力タービン周りの基準半径を示すグラフである。 最も重く負荷のかかった係留索の張力に対する電流ベースのブレードピッチ制御の影響を示すグラフである。

図１〜３は、洋上浮体式風力タービン設備を示す。浮体式風力タービン構造は、ナセル４を支持するタワー２を備える。ナセル４は、発電機と、それに関連する電子機器とを含み、３つのブレード８を備えるロータ６を支持する。タワー２は、浮体式スパーブイ構造１０上に支持され、そして浮体式スパーブイ構造１０は、３つのアンカーチェーン１２ａ、１２ｂ、１２ｃを含む係留システム１２によって係留される。

現在図示した浮体式風力タービンは、２．３ＭＷのタービン、喫水線上約６５ｍの高さのナセル、約８２ｍのロータ直径、および約６ｍの喫水線での直径を有する。しかし、記載の制御技術は、６〜１２ＭＷの範囲内など、より大型のタービンにも使用することができる。通常、このような浮体式風力タービンは、１００ｍを超える水深で使用されるであろう。

図２に示すように、浮体式構造１０は、古典的なスパーブイ形状すなわち背が高く細い垂直円筒形の柱である。構造１０は、上部円錐体１４と、その周りに平均水位（ＭＷＬ）が存在する移行部１６と、下部円錐体構造１８と、バラスト２２、２４を含むサブ構造２０とを含む。主柱よりも大きな直径の水平な円形板（図示せず）は、底板の一部であり得る。この平板の機能は、減衰および流体力学的慣性を加えることによって本システムの動的性能を調整することである。

バラストは、固定バラスト２２と非固定バラスト２４とを含む。固定バラスト２２は、高密度コンクリートなどの永久バラストおよび／または高密度骨材などのバルクバラストから成る。非固定バラスト２４は、水をタンクに注ぎ込み、タンクから吸い出すことによって調整することができる水バラストであり得る。調整可能バラスト２４は、構造１０の動的特性の一部を調整することを可能にする。例えば、係留索１２内の重心および張力を変えることができ、それが次に、浮体式構造の共振周波数を変えることができる。通常、タービンの固有周期は、共振運動が波力によって励起されないように、２５秒を超えるように調整されるであろう。

係留システム１２は、浮体式構造１０を所望の位置に保持するために使用される。風力タービンでは通常であるように、タワー２の頂部上の発電機は制御可能に回転可能であるため、それは、入ってくる風の方向を向くことができる。したがって、係留システム１２はまた、その上に取り付けられたナセル４が回転するときにタワー２および浮体式構造１０の回転を防ぐように設計されている。

係留システム１２は、３つの係留索１２ａ、１２ｂ、１２ｃを含み、係留索のうちの１つの詳細図を図３に示す。各係留索１２ａ、１２ｂ、１２ｃは、トリプレート２８によってワイヤロープ３０に接続され、それが次にチェーン３２に接続されているブライドル部２６を含む。図示した実施形態では、各係留索１２ａ、１２ｂ、１２ｃは、６００ｍを超えて延びている。

ブライドル部２６は、浮体式構造１０が原位置にあるときに海面下の浮体式構造１０に接続されている通常８４ｍｍのチェーンの２本の別々の線から作られたデルタ形の配置である。ブライドル２６の別々の線は、１２０°離れた点で浮体式構造１０に接続され、ブライドル２６の各線は、隣接するブライドル構造２６の線と同じ点で共有ブラケットによって浮体式構造１０に接続されている。ブライドル２６の別々の線は、デルタ形の配置で浮体式構造１０から共通点（トリプレート２８）まで延びている。ブライドル部２６の長さは、係留システムの適切なヨー剛性を与えるように決定される。図示した例では、ブライドル部２６は、約５０ｍの長さである。

トリプレート２８は、再び、通常約８４ｍｍのチェーンであるアンカーチェーン３２に接続されているワイヤロープ３０に接続されている。各係留索１２ａ、１２ｂ、１２ｃは、浮体式構造１０から海底までカテナリー状に延びている。

風力タービンの制御システムは、（最大出力が達成される最低の風速である）タービンの定格風速を超えて定格出力を維持するためにピッチ制御を使用する標準的な制御システムに基づいている。制御システムは、定格風速を超える負の減衰を防ぐためにブレードピッチを変更するようにも構成されている。

従来の風力タービンでは、ロータブレード８のピッチは、出力を調整するために、ロータ速度に基づいて制御される。定格風速未満の風で運転するとき、ブレードピッチは、最大出力を提供する角度でほぼ一定に保たれる。対照的に、定格風速を超えて運転するとき、ブレードピッチは、一定の出力を生成し、発電機および／または、それに関連する電子機器を損傷する可能性がある過度に高い出力を防ぐために調整される。この一定の出力は風力タービンの定格出力と呼ばれる。

定格風速未満で運転する場合、ブレードピッチがほぼ一定に保たれるため、ロータ６に作用する推力は風速とともに増加する（推力は風速の二乗にほぼ比例する）。これは、タービン推力が正の減衰に寄与し、浮力が平衡位置に向けて作用するため、水中の風力タービン構造の運動が安定していることを意味する。

定格風速を超えて運転する場合、ブレードピッチは、一定の出力を生成するため、風速が増えるほどロータ６への推力が減少するように調整される。ブレードピッチは、風速が増えるにつれて増加し、すなわち推力を低減する風向とより平行にされる。しかし、このようにブレードピッチを調整することに伴う問題は、それが負の減衰を引き起こす可能性があることである。これは、風の方向の風力タービンの振動の振幅を増やす可能性がある。

浮体式風力タービンの負の減衰は、タービン構造が水中で剛体として動く、すなわち前後に「揺らぐ」傾向にあるために生じる。風力タービンが風に向けて動くにつれて、風力タービンに作用する相対風速が増加し、それがロータのトルクまたは速度を増加させる傾向にある。ロータのトルクまたは速度の増加に応答して、一定の出力（すなわち定格風速を超える）について上記ピッチ制御を用いて、ブレードピッチ角がロータに作用するトルクを低減するように調整され、その結果、推力を減らし、それによって一定の力を維持する。しかし、風力タービンに作用する推力が減少するにつれて、平衡位置が変わり、タービンは前方に傾く。これにより、引き続き、相対風速がさらに変化し、ブレードピッチがさらに調整され、動きがさらに大きくなる。風力タービンが風から離れて動くときには、反対のことが当てはまる。

剛体運動に伴う負の減衰の問題は、剛性電池運動の周波数で生じる速度変動を考慮するようにブレード角調整を補正する制御システムを提供することによって防止される。このような機能を提供する２つの例示的なコントローラを図４および５に示す−これらのコントローラは、単に制御システムの基本原理を示しているにすぎず、そして実際には、コントローラはより複雑である。

制御装置は、タービンに対する相対風速の変化に応答して発電機を従来の方法で制御する標準コントローラ部３８を含む。さらに、コントローラは、剛体運動を打ち消すためにタワー速度に基づいてタービンブレードのブレード角に増分を加えるように構成されている運動安定化コントローラ部４４を含む。コントローラ４４のこの第２の部分は、タワー速度に基づいてブレード角増分を決定するスタビライザーによって実現される。

スタビライザー構成要素４４は、その周波数での運動が打ち消されるようにタービンブレードのブレード角を制御することによってタワーの剛体運動を減衰させる。スタビライザーは、タワー速度の変化に伴う信号４５を加速度計または類似品の形態のセンサーから受信することによって作用し、伝達関数を使用して、これをブレード角増分に変える。このスタビライザー４４は、低周波運動、すなわち剛体運動の周波数の運動に応答してブレード角増分を加えるようにのみ作用するように低域通過フィルタを備えている。

コントローラ３６の第１の実施形態の概略図を図４に示す。下部ボックス３８は、入力として基準ロータ速度３９（すなわち定格出力についてのロータ速度）を受け、そして定格出力を維持するように風力タービン４２に標準ブレードピッチ制御を提供するＰＩコントローラ４０を含む従来のブレードピッチ制御システムを示す。上部ボックス４４は、その入力としてピッチ速度などのナセルの速度の測定値を受け、そして能動減衰手段を提供し、信号処理および低域通過フィルタブロック４６および能動減衰ゲイン（Ｋｄ）４８を含む能動減衰手段を提供する。

ブロック４６の低域通過フィルタは、ピッチでのタワーの自由な剛体振動の固有振動数（通常約０．０３から０．０４Ｈｚ）に対応する周波数の信号を通し、波で誘発された運動（通常約０．０５から０．２Ｈｚ）の周波数に対応する周波数の信号を阻止する鋭いフィルタである。これは、２次または３次のバターワース低域通過フィルタである。

能動減衰ゲイン（Ｋｄ）４８は、ナセルの水平速度のフィルタリングされた測定値を運動によるロータ速度誤差に変換する。ＰＩコントローラ４０は、伝達関数を使用して、運動によるロータ速度誤差を含むロータ速度誤差をブレードピッチの補正値に変換する。ブレードピッチの補正値は、負の減衰が誘発されないようにブレードピッチを制御するために風力タービン４２のピッチアクチュエータで使用される。

能動減衰部４４’が別々のＰＩコントローラ５２を含む点で図４に示すコントローラ３６とは異なる代替のコントローラ５０を図５に示す。この場合、能動型および従来型の減衰コントローラ４４ '、３８'からの信号は、それらがブレードピッチ補正値に変換された後に組み合わされる。

本開示によれば、風力タービンのためのコントローラは、係留部に対する過度の負荷を低減するために空力ロータ推力を変更するように、さらに適合させることができる。

概して、以下の技術は、係留システムに対する環境負荷を和らげるために風力タービン縮小方法を利用する。より具体的には、それは、環境負荷に応答して係留システムの静的および動的非線形性の解析に基づいて、上記従来型の風力タービン制御システムにオフセットブレードピッチ角を加えることによる風力タービンの空力推力曲線の変更を含む。

係留システムに対する環境負荷を和らげるために、２つの補完的なコントローラ設計：
１．不都合な風荷重を伴う状況での係留システム内の負荷を低減するために、測定された風向およびピッチ運動の程度に基づいてブレードピッチオフセット角を計算するコントローラ。
２．大きな電流速度を伴う状況での係留システム内の負荷を低減するために、タービンの測定されたＧＰＳ位置に基づいてブレードピッチオフセットを計算するコントローラ。
が開発された。

コントローラ１
コントローラ設計を決定する際に、係留システムの最も損傷した部分の実際の疲労損傷レベルに基づいてブレードピッチオフセット角を計算する基準コントローラが最初に開発された。シミュレーションでは、このデータはコンピュータモデリングソフトウェアから簡単に取得することができる。しかし、係留システムの実際の疲労損傷率を容易に測定することができないため、このようなコントローラは実際には不可能である。

解析の間に、タービンの場所について予想される気象海洋条件に基づいた８８の荷重ケースのシミュレーションを調べた。例示のタービンについて、これらの８８の荷重ケースは、１年当たり０．１％から１年当たり１２％の間の疲労損傷値（Ｄ）を生じた。１年当たりＤ₀＝０．８％未満の値は、許容可能であると考えられ（１２５年の寿命に相当する）、したがって、ゼロブレードピッチオフセットレベルを必要とした。これらは、８８の荷重ケースのうち２４を含んでいた。

ブレードピッチオフセット角β_offsetは、最大ブレードピッチオフセット角、β_offset,MAX＝８°に達するまで、Ｄ₀からＤ_MEANまでの線形曲線で、すべての８８の荷重ケースのうち平均損傷レベルでβ_offset,MEAN＝４°、ＤＭＥＡＮ＝１．２％となるように選択された。
上記は、

として定式化することができる。

コントローラ２
次に、風向α_Wおよびピッチ運動の標準偏差η_5STDに基づいてブレードピッチオフセット角を計算するためのコントローラが開発された。ゼロブレードピッチオフセットレベルは、荷重ケースのうち２４がそれ未満に落ちたピッチ運動の標準偏差η_{5STD_0}＝０．４°に設定された。

コントローラは、風向α_Wについての変動をもった線形ブレードピッチオフセット角戦略β_offset（α_W）を適用するように構成される。関数β_offset（α_W）は、最小線形風向オフセット角β_{offset,DIR_MIN}＝０°から最大線形風向オフセット角、β_{offset,DIR_MAX}＝４°まで、風向α_Wによって線形に変動する。最大オフセットは、風が単一の係留索の上へ直接近づいているときに使用され、そして最小オフセットは、風が２つの係留索間に直接近づいているときに使用される。すなわち、オフセットは、風荷重のすべてが単一の係留索に加えられるときに最大になり、２つの係留索に分割されるときに最小になる。例えば、図６は、３つの係留索１２ａ、１２ｂ、１２ｃを有するタービン係留システム１２を示す。関数β_offset（α_W）は、風向が１５°へ向かっているときにその最初の最大値を有し、風向が７５°へ向かっているときに最初の最小値を有する。

追加の線形ブレードピッチオフセット角戦略はまた、タワーピッチ運動の標準偏差η_5STDについての変動とともに適用され、η_5STD＞η_{5STD_0}＝０．４°について適用された。ブレードピッチオフセット角β_offsetは、最大ブレードピッチオフセット角に達するまで、η_{5STD_0}からの線形曲線で、タワーピッチ運動の２倍の基準標準偏差２η_{5STD_0}で、β_{offset_2}＝５°となるように選択された。

風向およびタワーピッチ運動による複合オフセットを考慮して、最大ブレードピッチオフセット角は、β_{offset_MAX}＝８°となるように再び選択された。例えば、最大値は、非常に高いピッチ偏差またはより低いピッチ偏差のいずれかによってではあるが不都合な風向で達することができる。

上記は、

として定式化することができる。

コントローラ３
ブレードピッチオフセット角の計算に使用される第３の手順は、風向および最も重く負荷のかかった係留索上に投影された角運動の標準偏差の基礎を使用する。

ゼロブレードピッチオフセットレベルは、最も重く負荷のかかった係留索上に投影された角運動の標準偏差η_{PSTD_0}＝０．３５°で計算された。再び、このレベルは、荷重ケースのうち２４がそれ未満に落ちたレベルに対応する。

上記のように、風向α_Wについての変動をもった線形ブレードピッチオフセット角戦略β_offset（α_W）が使用され、関数β_offset（α_W）は、最小線形風向オフセット角β_{offsetDIR_MIN}＝０°から最大線形風向オフセット角β_{offset,DIR_MAX}＝４°まで、再び風向α_Wによって線形に変動する。

次に、最も重く負荷のかかった係留索η_PSTD上に投影された角運動についての変動をもった追加の線形ブレードピッチオフセット角戦略は、η_PSTD＞η_{PSTD_0}＝０．３５°について適用された。ブレードピッチオフセット角β_offsetは、最大ブレードピッチオフセット角に達するまで、η_{5STD_0}からの線形曲線で、タワーピッチ運動の２倍の標準偏差２η_{PSTD_0}で、β_{offset_2}＝５°となるように再び選択された。

再び、風向およびタワーピッチ運動による複合オフセットを考慮して、最大ブレードピッチオフセット角は、β_{offset_MAX}＝８°となるように選択された。

これは、

として定式化することができる。

概して、第２および第３のコントローラ戦略は、大、中、および小のオフセットブレードピッチ角が同じ荷重ケースについてしばしば生じるという意味で、第１の基準コントローラ戦略とよく一致することがわかった。

コントローラ４
第４のコントローラは、電流による係留荷重の変動を考慮し、タービンの測定されたＧＰＳ位置に基づいてブレードピッチオフセットを適用する。

水平基準半径ｒ₀（θ）は、プラットフォームオフセットの所定の方向θに基づいて、タワーの中心の垂直導索器レベル（係留部がタワーに付着するレベル）から定義される。水平基準包絡線ｒ₀（θ）は、ゼロの電流速度をもった定格空力推力でのタワーの位置である。例示的な包絡線を図７に示す。この半径の外側の動きは望ましくなく、そしてコントローラは、追加のブレードピッチオフセット角β_offsetCを適用することによって空力ロータ推力を低減することによって、このような動きに対抗するように設計される。

以下の式では、ｘ_FLおよびｙ_FLは、プラットフォーム上のＧＰＳ測定値とサブ構造：
ｘ_FL＝ｘ_GPS−ｈη₅
ｙ_FL＝ｙ_GPS−ｈη₄，
（ここで、ｈは、プラットフォームの高さから導索器の高さまでの垂直の高さであり、ｘ_GPSおよびｙ_GPSは、プラットフォームの高さでＧＰＳ測定された位置であり、そしてη₄およびη₅は、ＭＲＵによって測定されたサブ構造を基準とする喫水線のロールおよびピッチ運動である。）
を基準とする喫水線でのピッチおよびロール運動のＭＲＵ（ｍｏｔｉｏｎ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｕｎｉｔ）測定値とに基づいて計算できる垂直導索器位置でのタワーの中心の水平位置を与える。

したがって、垂直導索器位置でのタワーの中心の計算された水平半径位置ｒ_mは、

によって決定される。

電流速度のゆっくり変動する性質のため、電流制御には、ゆっくり変動する構成要素のみが重要である。フィルタリングには、３次バターワースフィルタ：

（ここで、ｓは、ラプラス変数であり、そしてω_cは、十分に低い値、例えば１０分の期間：ω_c＝２π／６００に選択されるべきフィルタ周波数である。）を使用することができる。

以下のＰＩコントローラ手順が提案されている：
β_offsetC＝Ｋ_P（θ）Δ_P＋Ｋ_I（θ）Δ_I
（ここで、Ｋ_P（θ）およびＫ_I（θ）は風向によって一般に変動する可能性がある比例および積分動作コントローラゲインである。）、および

さらに、式Δ_Iの積分は、ｒ_mf−ｒ₀（θ）≦０のときは、いつでも０にリセットされなければならない。理想的には、このリセットは、積分器値が所定の時間、例えば２００秒にわたってゼロに減衰するようにソフトに実行される。

コントロール５
第４のコントローラ方式に対する代替案は、多項式関数または指数関数の適用および／または組合せによる積分動作の代わりに、基準半径ｒ₀からの大きな偏差に対する非線形制御動作の適用である。一例が、非線形コントローラ：β_offsetC＝Ｋ_P1（θ）Δ_P＋Ｋ_P2（θ）Δ_P ²である。

結論
提示された２つの補完的なコントローラ設計、すなわちコントローラ４またはコントローラ５と組み合わせたコントローラ２またはコントローラ３は、係留システムに対する環境負荷の影響を和らげることができる。

これらの戦略をもった完全ＦＬＳ（疲労荷重状態）シミュレーション研究では、コントローラは、係留システムの負荷を減らしたが、いくらか出力発生が減った。係留索の寿命の平均約１０％の増加は、対応する１％のコストが減少した生産で達成される。シミュレーションからのデータを図８に示す。図８からわかるように、さもなければ係留システムの疲労寿命を著しく減少させる可能性がある係留索の張力のピークが減少している。しかし、出力発生はわずかに減少している。図８に示す特定のシミュレーションの場合には、係留索の損傷は５６％まで減少したが、出力において７．６％のコストが減少した。

コントローラは、係留設計の間に３つの異なる方法：
１．コントローラは、係留システムの係留設計解析で考慮に入れることができる。
２．環境負荷が予想されるよりも悪い場合には、気象海洋設計基準の不確実性をコントローラによって処理することができるため、コントローラを使用して必要な安全係数を減少させることができる。
３．コントローラと、それらの設定とは、タービンの運転段階の間に動員され得る。設定は、実際の測定された係留索の張力に基づくであろう。それによって、係留索の疲労寿命に関連する不確実性は、設計に使用される推定値と比較して大幅に減少し得る。
に使用することができる。

ロータ推力支援係留設計のためのさらなる方法は、係留システムのヨー剛性要件を低減または除去するために、浮体式風力タービンのヨー運動に対抗するための個々のブレードピッチ制御の適用である。このような方法は、その内容が参照により本明細書に組み込まれている国際公開第２０１４／０９６４１９号明細書に記載されている。そこに記載の技術は、上記の技術と組み合わせて組み込むことができる。これらの技術の個々の影響は、それらが一緒に適用されると増加することがわかっている。

上記の技術は、ブレードピッチオフセットを適用することによって浮体式風力タービンを縮小する一方で、任意の適切な縮小の形態を使用できることが理解されよう。例えば、一実施形態では、発電機トルクを増加させてロータ速度を下げることができる。別の実施形態では、コントローラは、他の場合よりも低い風速で定格風抑制制御を適用するように、ブレードピッチの制御の他の態様で使用される目標定格出力または定格風速を減少させることができる。

さらに、上記の制御システムの一部は、ステップ関数を含むが、風力タービンシステムでの実際の実施では、コントローラは、これらのコントローラに平滑化またはフィルタリングを適用できることが理解されよう。

さらに、コントローラは、単純な線形関数を用いて示されているが、実際には、コントローラは、多項式関数および／または指数関数を組み込むなど、より複雑な非線形制御関数を用いて実施することができる。

Claims (25)

1. 係留部の疲労を低減するために浮体式風力タービン構造のタービンを制御する方法であって、風力タービン構造の運動および風力タービンの係留方向に対する風力タービン構造での風向に基づいてタービンを縮小することを含む方法。
2. 前記縮小が、前記風力タービン構造のピッチ運動の変動性、そして好ましくは、ある期間にわたる前記風力タービン構造の前記ピッチ運動の標準偏差に基づいている、請求項１に記載の方法。
3. 前記縮小のピッチ運動ベース成分および／または前記縮小の風向ベース成分が、ピッチ運動の閾値レベルを下回り一定である、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記縮小が、前記ピッチ運動とともに、そして好ましくは、前記ピッチ運動の標準偏差とともに増加するピッチ運動ベース成分を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記縮小が、風が一方の係留部の上へ直接近づくときに最大値を有し、風が２つの係留部間に直接近づくときに最小値を有する、風向ベース成分を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記縮小が、前記浮体式風力タービン構造上の空力ロータ推力を低減するように、前記タービンの１つ以上のブレードにブレードピッチオフセットを適用することを含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記ブレードピッチオフセットが、以下の式：
   β_offset（α_W，η_STD）＝β_{wind_offset}（α_W）＋β_{pitch_offset}（η_STD）
   （ここで、β_offsetはブレードピッチオフセット、α_wは風向、η_STDは所定期間にわたるピッチ運動の標準偏差、または、その導出値のいずれかであり、β_{pitch_offset}はη_STDに基づくオフセットであり、およびβ_{wind_offset}は風向に基づくオフセットである。）に少なくとも部分的に基づいて決定される、請求項６に記載の方法。
8. 前記風向に基づくオフセットが、以下の式：
   

   

   （ここで、β₂は定数、α₀は定数、θは隣接係留索間の角距離である。）
   に少なくとも部分的に基づいて決定される、請求項７に記載の方法。
9. 前記ピッチ運動に基づくオフセットが、以下の式：
   

   

   （ここで、η_{STD_0}は定数、β₁は定数である。）
   に少なくとも部分的に基づいて決定される、請求項７または８に記載の方法。
10. 前記式β_offset（α_W，η_STD）が、η_STD＜η_{STD_0}の値についてゼロに設定される、請求項７から９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記縮小が、前記浮体式風力タービン構造の空力ロータ推力を低減するように、前記タービンの発電機のトルクを増加させることを含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
12. 基準位置に対する前記風力タービン構造の位置に基づいて前記タービンを縮小することをさらに含む、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記風力タービン構造の位置が、Ｎａｖｓｔａｒ全地球測位システム（ＧＰＳ）などの衛星ベース測位システムを使用して決定される、請求項１２に記載の方法。
14. 前記風力タービン構造の位置が、前記係留索の張力を考慮することによって決定される、請求項１２に記載の方法。
15. 前記風力タービン構造の位置に基づく前記縮小が、前記風力タービン構造の周波数でフィルタリングされた位置に基づいており、前記周波数でフィルタリングされた位置が、低域通過フィルタリングされている、請求項１２から１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記風力タービン構造の位置に基づく前記縮小が、前記風力タービン構造の位置が基準位置からの所定の閾値距離よりも大きいときにのみ適用される位置ベース成分を含む、請求項１２から１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 前記位置ベース成分が、前記基準位置からの前記風力タービン構造の距離、または前記基準位置からの前記風力タービン構造の距離からの導出値、そして好ましくは、前記閾値距離からの前記風力タービン構造の距離に比例する成分を少なくとも含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記位置ベース成分が、前記閾値距離を超える前記風力タービン構造の距離の積分、または閾値距離を超える前記風力タービン構造の距離からの導出値に比例する少なくとも１つの成分を含む、請求項１６または１７に記載の方法。
19. 前記位置ベース成分が、前記閾値距離を超える前記風力タービン構造の距離の多項式関数または指数関数、または前記閾値距離を超える前記風力タービン構造の距離からの導出値に比例する少なくとも１つの成分を含む、請求項１６から１８いずれか一項に記載の方法。
20. 前記タービンの定格風速を超える風速でわずかに定格出力を生じるように前記タービンを縮小することをさらに含む、請求項１から１９のいずれか一項に記載の方法。
21. 前記定格風速を超える縮小が、風力タービン構造のほぼ共振周波数でピッチ方向への風力タービン構造の剛体運動を抑制するように縮小を制御することを含む、請求項２０に記載の方法。
22. 前記係留部が、前記浮体式風力タービン構造から離れて延びる（好ましくは、少なくとも３つの）カテナリー係留索を含む、請求項１から２１のいずれか一項に記載の方法。
23. 前記浮体式風力タービン構造が浮体式スパー構成を有する、請求項１から２２のいずれか一項に記載の方法。
24. 請求項１から２３のいずれか一項に記載の方法に従ってタービンを制御するように構成されたコントローラを備える浮体式風力タービン構造用タービン。
25. 実行されると、請求項１から２３のいずれか一項に記載の方法に従って、コントローラに浮体式風力タービン構造のタービンを制御させるコンピュータ可読命令を含むコンピュータプログラム製品。

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