JP2020002781A - 風力発電装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】極値風速が高い地域に設置された風力発電装置であっても、ロータが受ける風荷重を下げることができること。【解決手段】本発明の風力発電装置の制御方法は、上記課題を解決するために、ハブと３枚のブレードから成るロータと、前記ハブに接続された主軸を介して前記ロータを軸支するナセルと、該ナセルを支持するタワーと、前記ナセルに設置され風速を計測する風速計と、風力発電装置を制御する制御装置とを備え、前記ロータが前記タワーより風下側に配置されるダウンウィンド方式の風力発電装置を制御するに当たって、前記風速計で極値風速が計測された際に、前記ロータを構成する３本の前記ブレードがＹの字を維持するように、３本の前記ブレードのＹの字を維持する指定アジマス角（ブレードの鉛直方向と成す角度）を目標値としたブレードピッチ角のフィードバック制御を、前記制御装置で行うことを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は風力発電装置の制御方法に係り、特に、台風などの極値風速が高い地域に設置されるものに好適な風力発電装置における制御方法に関する。

近年、二酸化炭素の排出量増加を起因する地球温暖化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装置は、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。

通常、風力発電装置は、断面形状が翼型に形成された３枚のブレードがハブから放射状に取り付けられているロータと、ハブに接続されると共に、略水平方向に延在された主軸を介してロータを軸支するナセルと、略鉛直方向に配置されると共に、ナセルを回転自在に支持するタワーとから概略構成されている。

風力発電装置の型式には、ロータがタワーより風上側に配置されるアップウィンド方式と、ロータがタワーより風下側に配置されるダウンウィンド方式がある。

アップウィンド方式は、ブレードがタワーによる風の乱れの影響を受けにくいという利点があるが、高風速時に空力荷重によりブレードが風下側に撓み、ブレードとタワー間のクリアランスが減少するため、ブレードとタワーが接触する危険性がある。

一方、ダウンウィンド方式は、ロータがタワーの風下側に位置するため、ブレードを風向きに合わせるヨー駆動装置の負荷低減が可能であり、また、強風時には、風速が上がるに従いブレードとタワーのクリアランスが拡大する特徴がある。

このようなことから、風力発電装置の市場拡大に伴い、台風などの極値風速が高い地域に、ダウンウィンド方式の風力発電装置の導入が期待されている。

なお、ピッチ角やヨー角を制御して暴風時の待機形態を工夫することにより、暴風時の設計荷重を軽減することが特許文献１、２及び３に記載されている。

特開２００６−３３６５０５号公報 特開２００７−６４０６２号公報 特開２００７−１６６２８号公報

しかしながら、ダウンウィンド方式の風力発電装置を、台風などの極値風速が高い地域に導入するためには、ロータとタワーが極値風速に対して耐えるように、それらの風荷重を下げる必要がある。

特に、風は一般的に地上の風速が低く、高度が高くなると高風速になることが知られており、高い位置にあるロータは高い風荷重を受けることになり、この風荷重を下げることが望まれている。

本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、極値風速が高い地域に設置された風力発電装置であっても、ロータが受ける風荷重を下げることができる風力発電装置の制御方法を提供することにある。

本発明の風力発電装置の制御方法は、上記目的を達成するために、ハブと３枚のブレードから成るロータと、前記ハブに接続された主軸を介して前記ロータを軸支するナセルと、該ナセルを支持するタワーと、前記ナセルに設置され風速を計測する風速計と、風力発電装置を制御する制御装置とを備え、前記ロータが前記タワーより風下側に配置されるダウンウィンド方式の風力発電装置を制御するに当たって、前記風速計で極値風速が計測された際に、前記ロータを構成する３本の前記ブレードがＹの字を維持するように（特に、真下にブレードが風に対しタワーの陰に隠れる）、３本の前記ブレードのＹの字を維持する指定アジマス角（ブレードの鉛直方向と成す角度）を目標値としたブレードピッチ角のフィードバック制御を、前記制御装置で行うことを特徴とする。

本発明によれば、極値風速が高い地域に設置された風力発電装置であっても、ロータが受ける風荷重を下げることができる。

本発明の制御方法が適用される風力発電装置であるダウンウィンド型の風力発電装置を風上側から見た状態の図である。 図１の側面図である。 本発明の風力発電装置の制御方法の実施例１が適用された際のブレードの状態を示す図である。 本発明の風力発電装置の制御方法の実施例１を示すブロック図である。

以下、図示した実施例に基づいて本発明の風力発電装置の制御方法を説明する。なお、各図において、同一構成部品には同符号を使用する。

図１及び図２は、本発明の制御方法が適用される風力発電装置を示し、タワーよりも風下側にロータが配置されるダウンウィンド方式の風力発電装置の例である。

該図に示すように、本実施例の風力発電装置は、断面形状が非対称の翼型に形成された３枚のブレード４ａ、４ｂ、４ｃがハブ２から放射状に取付けられているロータ１０と、ハブ２に接続されると共に、略水平方向に延在された主軸（図示せず）を介してロータ１０を軸支するナセル３と、略鉛直方向に配置されると共に、ナセル３をヨー回転自在に支持するタワー１と、風力発電装置を制御する制御装置７とから概略構成されている。なお、ナセル３の外面には、風速計６や風向計（図示せず）が取り付けられている。

また、ナセル３の内部には、図示しない発電機及び主軸ブレーキなどの動力伝達装置が収納されており、これらの各動力伝達装置には、主軸が連結されている。この主軸は、その先端がナセル３の外部に突出しており、この主軸の先端には、ロータ１０が主軸と共に回転するように取り付けられており、ロータ１０が、中心部に主軸と連結されたハブ２を有し、ハブ２の回転方向の周面には、３枚のブレード４ａ、４ｂ、４ｃが放射状に取り付けられているものである。

また、制御装置７は、ナセル３内に設置されており（ハブ２内やタワー１内に設置されることもある）、風力発電装置の運転、停止やブレード４ａ、４ｂ、４ｃのピッチ角を制御している。

そして、本実施例では、風速計６で平均風速４０ｍ/ｓ以上（上限は、例えば平均風速７０ｍ/ｓ）の極値風速を計測したされた際に、ロータ１０を構成する３本のブレード４ａ、４ｂ、４ｃがＹの字（図３の（ｂ）の状態）を維持するように、３本のブレード４ａ、４ｂ、４ｃのＹの字を維持する指定アジマス角（ブレードの鉛直方向と成す角度：図３の（ｂ）にθ１で表す）を目標値としたブレードピッチ角のフィードバック制御を制御装置７で行うようにしたものである。

即ち、図３の（ａ）に示すように、３本のブレード４ａ、４ｂ、４ｃのうちの１本のブレード４ｂがタワー１と重ならない状態では、３本のブレード４ａ、４ｂ、４ｃのうち最も高い位置にあるブレード４ａの特に先端部は、高い風荷重を受けてしまう。

これに対して、図３の（ｂ）に示すように、３本のブレード４ａ、４ｂ、４ｃのうちの１本のブレード４ｂがタワー１と重なる状態（ブレード４ｂが風に対しタワー１の陰に隠れる状態）では、３本のブレード４ａ、４ｂ、４ｃのうち最も高い位置となるのはブレード４ｃであるが、図３の（ａ）の状態の最も高い位置にあるブレード４ａよりも低くなっている。

そこで、本実施例では、風速計６で平均風速４０ｍ/ｓ以上の極値風速を計測したされた際には、３本のブレード４ａ、４ｂ、４ｃがＹの字（図３の（ｂ）の状態）を維持するように、３本のブレード４ａ、４ｂ、４ｃのＹの字を維持する指定アジマス角θ１を目標値としたブレードピッチ角のフィードバック制御を制御装置７で行うようにしたものである。

また、本実施例では、風力発電装置が待機状態のときには、風力発電装置の運転をインターロックするリミットスイッチ群の一部を無効化することを行っており、また、３枚のブレード４ａ、４ｂ、４ｃの風荷重が最小となるブレードピッチ角を基準角度としている。

また、制御装置７で、ブレード４ａ、４ｂ、４ｃのアクティブヨー制御又は弱アクティブヨー制御を行い、風向計で計測された風向にナセル３を追従させるようにしている。

次に、上述した制御装置７における制御方法について、図４を用いて説明する。

先ず、本モードを開始（Ｓ１）し、目標アジマス角（現状位置から最も近い角度）を決定する（Ｓ２）。この目標アジマス角（Ｓ３）と計測アジマス角（Ｓ４）を比較してアジマス角の偏差を求め（Ｓ５）、そのアジマス角偏差に基づき出力し（Ｓ６）、ブレード４ａ、４ｂ、４ｃのピッチ操作量（Ｓ７）を求める。一方、計測アジマス角（Ｓ４）から現状アジマス角における最も荷重が低くなるブレード４ａ、４ｂ、４ｃの軸ピッチ角を計算し（Ｓ８）、それぞれのブレード４ａ、４ｂ、４ｃの最適フェザー角（Ｓ９、Ｓ１０、Ｓ１１）を求める。

このブレード４ａ、４ｂ、４ｃの最適フェザー角（Ｓ９、Ｓ１０、Ｓ１１）と、上述したブレード４ａ、４ｂ、４ｃのピッチ操作量（Ｓ７）とを加味し、それぞれのブレード４ａ、４ｂ、４ｃにおけるピッチ角指令値（Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４）を求めるものである。

なお、本モードを開始（Ｓ１）した後に、風力発電装置の運転をインターロックするブレード４ａ、４ｂ、４ｃの各軸リミットスイッチ群の一部のバイパス指令が出力される。

このような本実施例による効果について、以下に説明する。

上述した如く、風は地上の風速が低く、高度が高くなると高風速になることが知られており、高い位置にあるロータ１０は高い風荷重を受けることになるが、本実施例のような制御方法とすることにより、上方に２枚のブレード４ａと４ｃがあっても、ブレードの最高高さが、図３の（ａ）の状態よりも低い位置で風を受けることになり、ブレードの受ける風荷重を最小化することができる。つまり、ブレードが受ける風荷重を下げることができる。

また、通常、風力発電装置は、暴風時には発電を停止して待機状態となっているが、この時に、一定以上の風が吹いた場合、ブレード４ａ、４ｂ、４ｃが遊転することが考えられるので、それを回避するために、ハブ２若しくは発電機の回転機構はインターロックされているが、このインターロックしているリミットスイッチを無効化することで、風力発電装置を確実に停止することができる。

また、３枚のブレード４ａ、４ｂ、４ｃの風荷重が最小となるブレードピッチ角を基準角度とすることで、ブレード４ａ、４ｂ、４ｃの荷重増加を抑制することができる。

また、制御装置７で、ブレード４ａ、４ｂ、４ｃのアクティブヨー制御又は弱アクティブヨー制御を行い、風向計で計測された風向にナセル３を追従させることができる。

更に、図３の（ｂ）のように、下側に位置するブレード４ｂは、タワー１と重なりタワー１の陰になるため、風力発電装置全体の投影面積を最小化することができ、これにより、タワー１から地面または下部構造に伝達される荷重を最小化することができる。

なお、上記した実施例は本発明を分かり易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を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…タワー、２…ハブ、３…ナセル、４ａ、４ｂ、４ｃ…ブレード、６…風速計、７…制御装置、１０…ロータ、θ１…アジマス角。

Claims (5)

1. ハブと３枚のブレードから成るロータと、前記ハブに接続された主軸を介して前記ロータを軸支するナセルと、該ナセルを支持するタワーと、前記ナセルに設置され風速を計測する風速計と、風力発電装置を制御する制御装置とを備え、前記ロータが前記タワーより風下側に配置されるダウンウィンド方式の風力発電装置を制御するに当たって、
   前記風速計で極値風速が計測された際に、前記ロータを構成する３本の前記ブレードがＹの字を維持するように、３本の前記ブレードのＹの字を維持する指定アジマス角（ブレードの鉛直方向と成す角度）を目標値としたブレードピッチ角のフィードバック制御を、前記制御装置で行うことを特徴とする風力発電装置の制御方法。
2. 請求項１に記載の風力発電装置の制御方法において、
   ３枚の前記ブレードの１枚が、前記タワーと重なる位置に制御されることを特徴とする風力発電装置の制御方法。
3. 請求項１又は２に記載の風力発電装置の制御方法において、
   前記風力発電装置が待機状態のときには、前記風力発電装置の運転をインターロックするリミットスイッチ群の一部を無効化することを特徴とする風力発電装置の制御方法。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の風力発電装置の制御方法において、
   ３枚の前記ブレードの風荷重が最小となる前記ブレードピッチ角を基準角度とすることを特徴とする風力発電装置の制御方法。
5. 請求項４に記載の風力発電装置の制御方法において、
   前記ナセルは風向計を備えており、前記制御装置で前記ブレードのアクティブヨー制御又は弱アクティブヨー制御を行い、前記風向計で計測された風向に前記ナセルを追従させることを特徴とする風力発電装置の制御方法。

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