JP2020041498A - 風力発電システムとその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】追加コストを不要としながら、風速がＶ２からＶ３の条件でナセルピッチ角度の振動を十分に抑制できる風力発電システムを提供する。【解決手段】ピッチ角度を変更可能なブレードを有する風力発電システムの制御装置を備え、制御装置は、ブレードのブレードピッチ角度指令値を与える発電機回転速度制御部と、ブレードのブレードピッチ角度指令値を与える電力制御部と、発電機回転速度に応じた発電機トルクとすべく発電機トルク指令値を定める発電機トルク制御部を備え、発電機回転速度制御部と電力制御部が与えるブレードピッチ角度指令値の和によりブレードピッチ角度を制御するとともに、発電機トルク制御部は、ナセル近傍の風速を示すナセル風速に基づき、発電機が発生するトルクである発電機トルクの可変の下限値を決定し、発電機トルク制御部が与える発電機トルク指令値を可変の下限値以上に調整することを特徴とする風力発電システム。【選択図】図８

Description

本発明は、風力発電システムとその制御方法に係り、特に、浮体に発生する前後方向の振動を好適に低減する風力発電システムとその制御方法に関する。

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（以下、ナセルピッチ角度）の固有振動を励起させる、すなわち共振が発生する場合がある。この振動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「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」が知られている。特許文献１の手法は、これを要約すると、「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」ものである。

またナセルピッチ角度の振動励起を低減する手段として、特許文献２に開示の「風力発電装置及びその運転制御方法」が知られている。特許文献２の手法は、これを要約すると、「風力発電装置１は、風力発電装置１に作用する現在の風速を取得するための現在風速取得部２４と、風車前方の計測位置で風速計測を行って、現在から所定時間経過後にブレード２に作用する将来の風速を計測するための風速計測器２０と、少なくとも前記現在の風速および前記将来の風速に基づいて、現在から前記所定時間経過するまでの間の風速を予測するための風速予測部（３６、５６）と、予測された風速に基づいて風力発電装置１の運転制御を行う」ものである。

特許第４５９９３５０号 特開２０１３−１７７８８５号公報

特許文献１に開示された技術を適用することで、上記ネガティブダンピング現象を低減することが可能である。ただし、特許文献１に開示の技術を適用しても、所定の風速条件下ではナセルピッチ角度の振動を低減できないという新たな課題がある。

また特許文献２に開示の手段を用いることで、将来の風況を予測し、ブレードピッチ角度を調整できることから、上述のフィードバック制御の応答性が低い課題を解決することができる。ただし、特許文献２に開示の手段を実現するためには、ロータ前面の風況を把握する手段を追加設置する必要があることから、追加コストを要する。

以下、本発明における解決すべき課題について、図１から図６を用いて詳細に説明する。本発明は、図１から図６に記載の事項を基礎とし、その一部を改良したものであることから、後述する本発明の説明図面である図７から図１２を、図１から図６と対比することで、本発明の理解を容易にしている。

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、すなわちブレードピッチ角度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８を備えている。ピッチアクチュエータ８を用いてブレード２のブレードピッチ角度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９上に設置されており、タワー９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９に支持される。タワー９は、基部（図では省略）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９内（またはナセル５内）に設置されるパワーコンディショニングシステム７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を備えている。コントローラ１０は発電機６の回転速度を計測する回転速度センサ１１と、ナセルの加速度またはナセルピッチ角度を計測するナセルピッチ角度センサ１２と、ナセル近傍の風速を計測する風速センサ１３と、パワーコンディショニングシステム７にて発電電力を計測する電力センサ１４から信号を得、最終的にピッチアクチュエータ８と発電機６に制御信号を与え、これを制御している。

より具体的には後述するように、コントローラ１０は発電機６の回転速度を計測する回転速度センサ１１と、パワーコンディショニングシステム７の電力センサ１４にて計測する発電電力に基づき、コントローラ１０が発電機６とピッチアクチュエータ８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、ナセルの加速度またはナセルピッチ角度を計測するセンサ１２に基づき、ピッチアクチュエータ８を調整することで、ナセルピッチ角度の振動を低減する。なお、ナセル５上にはナセル近傍の風速を計測する風速センサ１３が設置され、コントローラ１０に入力される。

図１ではコントローラ１０はナセル５またはタワー９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。また、パワーコンディショニングシステム７がタワー９内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の所定位置に設置される形態であっても良い。

次に、図２から図５を用いてコントローラ１０に実装される運転制御手段について説明する。

図２は、コントローラ１０に実装される従来の運転制御手段の概要を示すブロック線図である。図２に示す運転制御手段は、可変速制御部２１と浮体動揺制御部２２により構成されている。可変速制御部２１は、発電電力と発電機回転速度に基づいてブレードピッチ角度指令値を決定するブレードピッチ角度制御部２３と、発電機回転速度に基づいて発電機トルク指令値を決定する発電機トルク制御部２４を備える。また、浮体動揺制御部２２は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を決定する。浮体動揺制御部２２の別形態として、ナセルの加速度を入力する形態もあるが、以下では、上述のようにナセルピッチ角度を入力として用いる形態を例に取って説明する。さらにコントローラ１０では、可変速制御部２１と浮体動揺制御部２２が決定するブレードピッチ角度指令値を加算し、最終的なブレードピッチ角度指令値を決定する。

図３は、可変速制御部２１内の従来のブレードピッチ角度制御部２３の概要を示すブロック線図である。ブレードピッチ角度制御部２３は、発電機回転速度制御部２３ａと、電力制御部２３ｂより構成される。発電機回転速度制御部２３ａは、発電機回転速度に基づいてブレードピッチ角度指令値を決定し、電力制御部２３ｂは、発電電力に基づいてブレードピッチ角度指令値を決定し、２つの値を加算することで、ブレードピッチ角度制御部２３の最終的なブレードピッチ角度指令値を決定する。なお、発電機回転速度制御部２３ａおよび電力制御部２３ｂは、フィードバック制御の処理内容を備えている。

図４は、可変速制御部２１の従来の発電機トルク制御部２４の概要を示すブロック線図である。発電機トルク制御部２４は発電機回転速度に基づいてフィードバック制御により発電機トルク指令値を決定する。

図５は、図２から図４に示すコントローラ１０に実装される運転制御手段によって得られる風力発電システム１の特性を示す。図５の横軸は風速、縦軸は図上方より発電電力、発電機回転速度、およびブレードピッチ角度を示す。図５において上方が、発電電力が高い、発電機回転速度が高い、ブレードピッチ角度がフェザー、を示す。

図３に示したブレードピッチ角度制御部２３内の発電機回転速度制御部２３aは、発電機回転速度のほかに風速の情報も取り入れており、図５中段に示すように、風速Ｖ_０からＶ_１の条件で発電機回転速度をΩ_１に保持し、風速Ｖ_１からＶ_２の条件で発電機回転速度をΩ_１からΩ_２へ増加させ、風速Ｖ_２以上の条件では発電機回転速度をΩ_２に保持する。ここで、上述のように発電機回転速度制御部２３aがフィードバック制御の処理構造を備える場合には、風速Ｖ_２以上の条件で発電機回転速度をΩ_２に保持するようにブレードピッチ角度指令値をフェザー側に操作する。そのため、発電機回転速度制御部２３aのみで構成された場合には、図５中の点線に示すようにブレードピッチ角度が風速Ｖ_２以上でフェザー側に動作する。

ブレードピッチ角度指令値をフェザー側に操作したことにより、ロータが受ける風力エネルギーが低下するために、発電電力がＰ_１に制限されてしまう。このような発電電力制限を抑制するべくブレードピッチ角度制御部２３内には発電機回転速度制御部２３aのほかに電力制御部２３ｂが設けられており、電力制御部２３ｂは発電機回転速度がΩ_２に保持され、かつ発電電力が定格Ｐ_{ｒａｔｅｄ}未満の場合に、ロータが受ける風力エネルギーを低下させないように、ブレードピッチ角度をファイン側に保持するようにブレードピッチ角度指令値を出力する。これによってブレードピッチ角度制御部２３は、図５のブレードピッチ角度の実線に示すように、風速がＶ_２からＶ_３の条件でブレードピッチ角度をファイン側であるθ_ｆに保持する。

以上の図２から図４に示したコントローラ１０に実装される従来の運転制御手段の構成、並びに図５の運転特性から明らかなように、コントローラ１０は、可変速制御部２１内の発電機回転速度制御部２３aにより第１と第２の風速で定まる風速範囲内において変化する発電機目標回転速度に発電機回転速度を帰還制御し、第１と第２の風速で定まる風速範囲外において所定の発電機回転速度に固定する速度制御を実行し、可変速制御部２１内の電力制御部２３ｂにより発電機定格回転速度に相当する第２の風速と発電機定格電力に相当する第３の風速で定まる風速範囲において電力を目標電力に帰還制御し、第３の風速以上の風速範囲において電力を一定に保持する電力制御を実行すべく、ブレードピッチ角指令値を定めたものである。また発電機トルク制御部２４により発電機回転速度に応じた発電機トルクとすべく発電機トルク指令値を定めたものである。

上述のように図３のブレードピッチ角度制御部２３に発電機回転速度制御部２３aのほかに電力制御部２３ｂを備えることで、風速Ｖ_３以上の条件でのみブレードピッチ角度がフェザー側へ大きく動作するものとすることができる。このことから、上記ネガティブダンピング現象は風速Ｖ_３以上で発生する。浮体動揺制御部２２は風速条件に関わらず、ナセルピッチ角度に基づいて実行されるが、風速Ｖ_３以上の条件で特に効果を発揮し、ナセルピッチ角度の振動を低減できる。

上述のように浮体動揺制御部２２はネガティブダンピング現象の低減に効果的であるが、風速がＶ_２からＶ_３の条件で発生するナセルピッチ角度の振動を低減できないという課題がある。

この理由は、制御間の干渉である。ブレードピッチ角度指令値を演算する制御部は、発電機回転速度制御部２３ａ、電力制御部２３ｂ、および浮体動揺制御部２２の３つがあり、風速がＶ_２からＶ_３の条件では３者の指令値が加算される。このとき、３者の要求を同時に満たすブレードピッチ角度を決定できない場合がある。特に、３つの制御部はフィードバック制御に基づくものであることから、発電機回転速度およびナセルピッチ角度の応答に対するブレードピッチ角度の応答が遅くなる。これが原因で最適値の決定に時間を要し、ブレードピッチ角度の変動が発生することでナセルピッチ角度の振動が発生する。

また、風速に対するブレードピッチ角度の特性は、図５に示すように風速Ｖ_２以下ではθ_ｆに保持されると述べたが、風速の急峻な増加がある場合には発電機回転速度制御部２３ａの効果が大きくなることで、ブレードピッチ角度が変化し、これがブレードピッチ角度の周期的な振動の引き金になる場合がある。その様子を、図６を利用して説明する。

図６は、ナセルピッチ角度の変動を示すタイムチャートである。図６の横軸は時刻、縦軸は図上方より風速、発電機回転速度、発電機トルク、発電電力、ブレードピッチ角度、およびナセルピッチ角度を示す。図６は図上方が、風速が高い、発電機回転速度が高い、発電機トルクが高い、ブレードピッチ角度がフェザー、ナセルピッチ角度が後方、を示す。

図６は時刻ｔ０から時刻ｔ１の時間範囲における各値を示しており、まず時刻ｔ０以降において風速は急速に上昇し風速Ｖ_２以上になっているが風速Ｖ_３には至らず風速Ｖ_２と風速Ｖ_３の範囲内で変動している。また発電機回転速度も定格回転速度を意味するΩ_２の前後で変動を繰り返しており、発電電力も定格電力Pratedには至っていない。このとき、図２の制御装置が定める発電機トルク、ブレードピッチ角度、およびナセルピッチ角度は図６に示す変動をしている。

図６によればタイムチャート初期に発生した風速の急激な増加に応じて発電機回転速度が変動し、これに伴ってブレードピッチ角度が大きく変化する。このブレードピッチ角度の変化により、ロータが受けるスラスト力が変化することで、ナセルピッチ角度が変化を開始し、固有振動が励起される。この振動を抑制するために発電機回転速度制御部２３ａと浮体動揺制御部２２がブレードピッチ角度に指令すると共に、電力制御部２３ｂからもブレードピッチ角度指令値が出力される。しかしながら、これら３つのブレードピッチ角度が加算されることで、それぞれの指令成分が打ち消しあう、または増幅されるため、発電機回転速度の収束性やナセルピッチ角度の固有振動の収束性を悪化させる。

そこで本発明では、追加コストを不要としながら、風速がＶ_２からＶ_３の条件でナセルピッチ角度の振動を十分に抑制できる風力発電システムとその制御方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明は、「ピッチ角度を変更可能なブレードを有すると共に風を受けて回転するロータと、ロータの回転エネルギーを用いて発電する発電機をナセル内に備える風力発電システムであって、風力発電システムに含まれる機器を制御する制御装置を備え、制御装置は、第1と第２の風速で定まる風速範囲外において固定の発電機目標回転速度に、また第1と第２の風速で定まる風速範囲内において可変の発電機目標回転速度に発電機回転速度を帰還制御し、ブレードのブレードピッチ角度指令値を与える発電機回転速度制御部と、第３の風速以上の風速範囲において固定の目標発電電力に、また少なくとも第２の風速と第３の風速で定まる風速範囲内において可変の目標発電電力に発電電力を帰還制御し、ブレードのブレードピッチ角度指令値を与える電力制御部と、発電機回転速度に応じた発電機トルクとすべく発電機トルク指令値を定める発電機トルク制御部を備え、発電機回転速度制御部と電力制御部が与えるブレードピッチ角度指令値の和によりブレードピッチ角度を制御するとともに、発電機トルク制御部は、第２の風速と第３の風速で定まる風速範囲内である場合に、ナセル近傍の風速を示すナセル風速に基づき、発電機が発生するトルクである発電機トルクの可変の下限値を決定し、発電機トルク制御部が与える発電機トルク指令値を可変の下限値以上に調整す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、「ピッチ角度を変更可能なブレードを有すると共に風を受けて回転するロータと、ロータの回転エネルギーを用いて発電する発電機をナセル内に備える風力発電システムの制御方法であって、第1と第２の風速で定まる風速範囲外において固定の発電機目標回転速度に、また第1と第２の風速で定まる風速範囲内において可変の発電機目標回転速度に発電機回転速度を帰還制御し、ブレードについての第１のブレードピッチ角度指令値を与え、第３の風速以上の風速範囲において固定の目標発電電力に、また少なくとも第２の風速と第３の風速で定まる風速範囲内において可変の目標発電電力に発電電力を帰還制御し、ブレードについての第２のブレードピッチ角度指令値を与え、発電機回転速度に応じた発電機トルクとすべく発電機トルク指令値を定め、第１と第２のブレードピッチ角度指令値の和によりブレードピッチ角度を制御するとともに、第２の風速と第３の風速で定まる風速範囲内である場合に、ナセル近傍の風速を示すナセル風速に基づき、発電機が発生するトルクである発電機トルクの可変の下限値を決定し、発電機トルク指令値を可変の下限値以上に調整することを特徴とする風力発電システムの制御方法」としたものである。

本発明によれば、風速条件に依存して発生するナセルピッチ角度の振動を低減することができる。

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。

本発明を適用可能な風力発電システム全体の概略構成を示す図。 風力発電システム１のコントローラ１０に実装される従来の運転制御手段の処理概要を示すブロック線図。 可変速制御部２１内の従来のブレードピッチ角度制御部２３の概要を示すブロック線図。 可変速制御部２１の従来の発電機トルク制御部２４の概要を示すブロック線図。 図２から図４に示すコントローラ１０に実装される運転制御手段によって得られる風力発電システム１の特性を示す図。 従来における風速、発電機回転速度、発電機トルク、発電電力、ブレードピッチ角度、およびナセルピッチ角度の変動を示すタイムチャート。 コントローラ１０に実装する本発明の実施例に係る運転制御手段の処理概要を示すブロック線図。 ナセル風速利用発電機トルク制御部３２の処理概要を示すブロック線図。 発電機トルク下限値演算部３２ａにおいて、ナセル風速Ｖ_ｎから発電機トルク下限値Ｔｑを決定するための特性を示した図。 本発明の実施例に係る運転制御手段を適用した場合の風力発電システム１における風速と発電電力、発電機回転速度、および発電機トルク指令値の関係を示す図。 本発明の実施形態に係る風力発電システム１の所定風速条件における風速、発電電力、発電機回転速度、発電機トルク、発電電力、ブレードピッチ角度、およびナセルピッチ角度の変動を示すタイムチャート。 本発明の実施例に係る運転制御手段３２の処理概要を示すフローチャー。

以下、図面を用いて、本発明の実施形態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、本発明の実施態様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、図７から図１２を用いて本発明の実施例について説明する。なお本発明による運転制御手段の構成をごく簡便に先行的に説明すると、従来の図２の発電機トルク制御部２４が、本発明においては図７のナセル風速利用発電機トルク制御部３２に変更されている。ナセル風速利用発電機トルク制御部３２の具体的な構成やソフトウェアは図８、図１２に例示されている。

本発明適用の前提となる風力発電システム１の概略構成は図１と同様のため説明を省略する。

図７は、コントローラ１０に実装する本発明の実施例に係る運転制御手段の処理概要を示すブロック線図である。図７の運転制御手段は、可変速制御部２１および浮体動揺制御部２２を備えており、図２に示した従来の運転制御手段に対応する部分を示している。

このうち可変速制御部２１は、ブレードピッチ角度制御部２３およびナセル風速利用発電機トルク制御部３２を備えており、発電電力、発電機回転速度、風速およびナセル風速に基づいてブレードピッチ角度指令値および発電機トルク指令値を決定する。図２に示す構成と異なる点は、発電機トルク制御部２４が、ナセル風速に基づいて発電機トルク指令値を決定するナセル風速利用発電機トルク制御部３２へと変更されたことである。

ブレードピッチ角度制御部２３は図３に示す構成と同様であるため、説明を省略する。また、浮体動揺制御部２２も図２に示すものと同様であるため、説明を省略する。

なおここで、図３に示したブレードピッチ角度制御部２３における機能を簡便に述べると、これは「第１の風速Ｖ_１以下において発電機回転速度を第１の回転速度Ω_１に維持し、第１の風速Ｖ_１以上の第２の風速Ｖ_２以上において発電機回転速度を第１の回転速度Ω_１以上の第２の回転速度Ω_２に維持し、第１の風速Ｖ_１と第２の風速Ｖ_２の間では発電機回転速度を第１の回転速度Ω_１と第２の回転速度Ω_２の間で発電機回転速度目標値とすべく発電機回転速度を帰還制御して第１のブレードピッチ角指令値を定める発電機回転速度制御部２３ａと、発電機回転速度が第２の回転速度Ω_２に保持され、かつ発電電力が定格電力未満の場合に、第２の風速Ｖ_２と発電電力が定格電力であるときの第３の風速Ｖ_３の間で、ロータが受ける風力エネルギーを低下させないように、ブレードピッチ角度をファイン側に保持するように第２のブレードピッチ角度指令値を出力する電力制御部２３ｂを備え、第１のブレードピッチ角指令値と第２のブレードピッチ角度指令値の和をブレードピッチ角指令値としてブレードピッチ角を制御する」ものであるということができる。

また図４に示した従来の発電機トルク制御部２４における機能は「発電機回転速度に基づいてフィードバック制御により発電機トルク指令値を決定する」ものである。

これに対し本発明の発電機トルク制御部３２は、ナセル風速を監視し、第２の風速Ｖ_２と第３の風速Ｖ_３の期間での発電機トルク指令値をナセル風速が大なるほど大きな可変の下限値以上となるように運用するものである。これにより、定格回転速度到達時以降における複数の制御部間の干渉による制御不安定を解消するものである。

ナセル風速利用発電機トルク制御部３２は、直接または間接的に計測したナセル風速に基づき、発電機トルク指令値を演算する。

図８は、ナセル風速利用発電機トルク制御部３２の処理概要を示すブロック線図である。ナセル風速利用発電機トルク制御部３２は、図４の発電機トルク制御部２４と対比すると、フィードバック制御部２４ａ以外に、発電機トルク下限値演算部３２ａ、および発電機トルク指令値選択部３２ｂを備えている。

フィードバック制御部２４ａは、発電機回転速度に基づいて発電機トルク指令値１を決定する部分であり、図４に示す上述の構成と同様であるため、説明を省略する。

発電機トルク下限値演算部３２ａは、直接的または間接的に計測したナセル風速に基づき、発電機トルク指令値２を決定する。発電機トルク下限値演算部３２ａでの処理概要について、図９を用いて説明する。

図９は、発電機トルク下限値演算部３２ａにおいて、ナセル風速Ｖ_ｎから発電機トルク下限値Ｔｑを決定するための特性を示した図である。図９に示すように、発電機トルク下限値Ｔｑはナセル風速Ｖ_ｎに応じて決定される。この例では、発電機トルク下限値Ｔｑをナセル風速Ｖ_ｎ１（＝Ｖ２）のときに発電機トルク下限値Ｔｑ１とし、ナセル風速Ｖ_ｎ２（＝Ｖ３）のときに発電機トルク下限値Ｔｑ２とする。この間は一次関数とする。

なお発電機トルク下限値演算部３２ａの処理形態はこれに限ったものではなく、ナセル風速Ｖ_ｎの増加に従って発電機トルク下限値Ｔｑを増加させ、かつ、ナセル風速Ｖ_ｎの減少に従って発電機トルク下限値Ｔｑを減少させる処理であれば、二次関数であっても良いし、他の関数の形態、またはテーブルなどを利用する形態であっても良い。

図８に示す発電機トルク指令値選択部３２ｂは、ナセル風速Ｖ_ｎに基づき、フィードバック制御部２４ａが決定する発電機トルク指令値１と、発電機トルク下限値演算部３２ａが決定する発電機トルク下限値を比較選択し、ナセル風速利用発電機トルク制御部３２の出力として発電機トルク指令値に格納する。

より具体的には、風速Ｖ_２に相当するナセル風速Ｖｎ_１未満かつ風速Ｖ_３に相当するナセル風速Ｖｎ_２以上の領域では発電機トルク指令値に発電機トルク指令値１を格納し、ナセル風速がＶｎ_１以上からＶｎ_２未満では、発電機トルク指令値１が発電機トルク下限値よりも大きい場合は発電機トルク指令値に発電機トルク指令値１を格納し、発電機トルク指令値１が発電機トルク下限値よりも小さい場合には発電機トルク指令値に発電機トルク下限値を格納する。

つまり、ナセル風速Ｖｎ_１からＶｎ_２の範囲内では、発電機トルク指令値１と発電機トルク下限値のうちより大きい値を発電機トルク指令値とし、ナセル風速Ｖｎ_１からＶｎ_２の範囲外では、発電機トルク指令値１を発電機トルク指令値としたものである。また別な言い方をすると、定格回転速度到達後、定格電力到達前の状態では、発電機トルク指令値が発電機トルク下限値以上となるように制限をかけたものであるということができる。

なお、本発明の実施形態では、図７に示すナセル風速は、図１に示すナセル５上に設置した風速センサ１３の出力に基づいて決定する。風速センサ１３の出力をそのまま利用しても良いし、ローパスフィルタなどフィルタ処理を施した値であっても良いし、これに限定するものではない。要は定格回転速度到達時以降、定格電力到達に亘る期間が特定できるものであればよい。

図１０は、本発明の実施例に係る運転制御手段を適用した場合の風力発電システム１における風速と発電電力、発電機回転速度、および発電機トルク指令値の関係を示す図である。図１０の横軸は風速であり、縦軸は図上方より発電電力、発電機回転速度、および発電機トルク指令値を示す。図１０の縦軸は図上方が、発電電力が高い、発電機回転速度が高い、発電機トルク指令値が高い、を示す。

図９に示す、ナセル風速と発電機トルクの特性を実現することにより、風速がＶ_２からＶ_３に至る範囲において発電機トルクが不足気味である場合には、図１０下段に示す発電機トルク指令値が、風速がＶ_２からＶ_３においてＴｑ_１からＴｑ_２へ連続的に変化する特性を備えることになる。また風速がＶ_２からＶ_３に至る範囲において発電機トルクが十分な値である場合には、フィードバック制御部２４ａが決定する発電機トルク指令値１がそのまま発電機トルク指令値として採用される。なお、風速Ｖ_２未満、かつ風速Ｖ_３以上ではこれまで同様に、本発明の実施例を適用しない場合と同様のフィードバック制御部２４ａが出力する値を採用する。これにより、図１０の上段と中段に示すように、風速Ｖ_３まで発電電力と発電機回転速度を変化させる特性を実現する。

図１１を用いて、本発明の実施例を適用した場合の風力発電システム１の応答について説明する。図１１は、本発明の実施例に係る風力発電システム１の所定風速条件における風速、発電電力、発電機回転速度、発電機トルク、発電電力、ブレードピッチ角度、およびナセルピッチ角度の変化概略を示すタイムチャートである。図の横軸は時間を示し、縦軸は図上方より風速、発電機回転速度、発電機トルク、発電電力、ブレードピッチ角度、ナセルピッチ角度、をそれぞれ示す。図上方が風速が高い、発電機回転速度が高い、発電機トルクが高い、発電電力が高い、ブレードピッチ角度がフェザー、ナセルピッチ角度が後方、を示す。なお、図１１には、図６に示した本発明の実施例を適用しない場合のタイムチャート概要を点線にて示し、実線にて本発明の実施形態を適用した場合のタイムチャートを示す。

図11は、図６と同様に時刻ｔ０から時刻ｔ１の時間範囲における各値を示しており、まず時刻ｔ０以降において風速は急速に上昇し風速Ｖ_２以上になっているが風速Ｖ_３には至らず風速Ｖ_２と風速Ｖ_３の範囲内で変動している。

本発明によれば、風速が風速Ｖ_２と風速Ｖ_３の間にあるこの状態において、ナセル風速利用発電機トルク制御部３２が最初に作動する。ナセル風速利用発電機トルク制御部３２は、従来装置であるフィードバック制御部２４ａの出力と、本発明により追加された発電機トルク下限値演算部３２ａの出力を、発電機トルク指令値選択部３２ｂにおいて比較し、風速がＶ_２からＶ_３に至る範囲において発電機トルクが不足気味である図１１の状態においては、発電機トルク下限値演算部３２ａの出力を選択する。この結果、図１０下段に示す発電機トルク指令値が、風速がＶ_２からＶ_３においてＴｑ_１からＴｑ_２へ連続的に変化する特性を備えていることから、この時間区間の当初に急速に発電機トルクを増大させるように作用する。

本発明の実施例を適用することにより、風速に応じて変化するナセル風速（図では省略）が変化し、それに基づいて発電機トルクを変化させる。これにより、本風速条件にてロータに入力する風力エネルギーの変化が発電機トルクにて吸収されるため、発電機回転速度がほぼ一定に制御される。これはブレードピッチ角度に指令値を出力する制御部が２つに変化することで、制御間の干渉に伴うブレードピッチ角度の変動を抑制することも貢献している。発電機回転速度の変動を低減することにより、ロータに加わるスラスト力の急変を抑制することで、ナセルピッチ角度の振動を低減することができる。なお、発電電力は本発明の実施例の適用如何に関わらず大きく変化しないが、ナセルピッチ角度の振動に伴う変動成分を低減できる。

図１２は、本発明に係る運転制御手段におけるナセル風速利用発電機トルク制御部３２の処理概要を示すフローチャートである。

処理ステップＳ０１ではナセル風速Ｖｎを計算し、処理ステップＳ０２に進む。処理ステップＳ０２ではナセル風速ＶｎがＶｎ_２以上かつＶｎ_３未満であるか否かを判定し、正（Ｙｅｓ）の場合は処理ステップＳ０３に進み、否（Ｎｏ）の場合は処理ステップＳ０６に進む。処理ステップＳ０６では発電機トルク指令値１を演算し、処理ステップＳ０７へ進む。処理ステップＳ０７では発電機トルク指令値に発電機トルク指令値１を格納し、一連の動作を終了する。

処理ステップＳ０３ではナセル風速に基づいて発電機トルク下限値を決定し、処理ステップＳ０４に進む。処理ステップＳ０４では発電機トルク指令値１と発電機トルク下限値の大小を比較し、発電機トルク指令値１が発電機トルク下限値よりも小さい場合には処理ステップＳ０５に進み、処理ステップＳ０５において発電機トルク指令値に発電機トルク下限値を格納して一連の動作を終了する。

処理ステップＳ０４において、発電機トルク指令値１が発電機トルク下限値よりも大きい場合には、処理ステップＳ０７へ進み、上述のように処理ステップＳ０７において発電機トルク指令値に発電機トルク指令値１を格納した後、一連の動作を終了する。

以上説明したように、本実施例の風力発電システムおよびその運転方法により、風速条件に依らずナセルピッチ角度の固有振動の励起を抑制することができる。これにより、風力発電システムの信頼性向上、長寿命化、発電効率の向上などを図ることができる。

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。

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：パワーコンディショニングシステム
８：ピッチアクチュエータ
９：タワー
１０：コントローラ
１１：回転速度センサ
１２：ナセルピッチ角度センサ
１３：風速センサ
１４：電力センサ

Claims (9)

1. ピッチ角度を変更可能なブレードを有すると共に風を受けて回転するロータと、前記ロータの回転エネルギーを用いて発電する発電機をナセル内に備える風力発電システムであって、
   前記風力発電システムに含まれる機器を制御する制御装置を備え、
   前記制御装置は、第1と第２の風速で定まる風速範囲外において固定の発電機目標回転速度に、また第1と第２の風速で定まる風速範囲内において可変の発電機目標回転速度に発電機回転速度を帰還制御し、前記ブレードのブレードピッチ角度指令値を与える発電機回転速度制御部と、第３の風速以上の風速範囲において固定の目標発電電力に、また少なくとも第２の風速と第３の風速で定まる風速範囲内において可変の目標発電電力に発電電力を帰還制御し、前記ブレードのブレードピッチ角度指令値を与える電力制御部と、発電機回転速度に応じた発電機トルクとすべく発電機トルク指令値を定める発電機トルク制御部を備え、前記発電機回転速度制御部と前記電力制御部が与えるブレードピッチ角度指令値の和によりブレードピッチ角度を制御するとともに、
   前記発電機トルク制御部は、前記第２の風速と第３の風速で定まる風速範囲内である場合に、前記ナセル近傍の風速を示すナセル風速に基づき、前記発電機が発生するトルクである発電機トルクの可変の下限値を決定し、前記発電機トルク制御部が与える発電機トルク指令値を前記可変の下限値以上に調整す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、
   前記第２の風速は発電機定格回転速度に至る風速であり、前記第３の風速は定格発電電力に至る風速であ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、
   発電機トルクの可変の前記下限値は、ナセル風速が大きいほど大きい値の下限値とされていることを特徴とする風力発電システム。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の風力発電システムであって、
   前記発電機トルク制御部は、発電機回転速度に応じた発電機トルクとすべく発電機トルク指令を与えるフィードバック制御部と、前記ナセル近傍の風速を示すナセル風速に基づき、前記発電機が発生するトルクである発電機トルクの可変の下限値を決定する発電機トルク下限値演算部と、前記フィードバック制御部からの発電機トルク指令および前記発電機トルク下限値演算部からの発電機トルクの可変の下限値のうち、大きな値を示すほうを発電機トルク指令として選択する発電機トルク指令値選択部を備え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、
   前記制御装置は、前記ナセルの適宜位置に設置され、前記ナセル風速を計測する風速センサの出力信号に基づいて前記ナセル風速を決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５のいずれか１項に記載の風力発電システムであって、
   発電運転時のロータ位置がナセルよりも風下に配置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。
7. 請求項１から請求項６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、洋上に浮かべられた土台である浮体上に設置されることを特徴とする風力発電システム。
8. 請求項７に記載の風力発電システムであって、
   前記制御装置は、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を決定する浮体動揺先生制御部を備え、前記発電機回転速度制御部と前記電力制御部と前記浮体動揺制御部が与えるブレードピッチ角度指令値の和によりブレードピッチ角度を制御することを特徴とする風力発電システム。
9. ピッチ角度を変更可能なブレードを有すると共に風を受けて回転するロータと、前記ロータの回転エネルギーを用いて発電する発電機をナセル内に備える風力発電システムの制御方法であって、
   第1と第２の風速で定まる風速範囲外において固定の発電機目標回転速度に、また第1と第２の風速で定まる風速範囲内において可変の発電機目標回転速度に発電機回転速度を帰還制御し、前記ブレードについての第１のブレードピッチ角度指令値を与え、第３の風速以上の風速範囲において固定の目標発電電力に、また少なくとも第２の風速と第３の風速で定まる風速範囲内において可変の目標発電電力に発電電力を帰還制御し、前記ブレードについての第２のブレードピッチ角度指令値を与え、発電機回転速度に応じた発電機トルクとすべく発電機トルク指令値を定め、第１と第２のブレードピッチ角度指令値の和によりブレードピッチ角度を制御するとともに、
   前記第２の風速と第３の風速で定まる風速範囲内である場合に、前記ナセル近傍の風速を示すナセル風速に基づき、前記発電機が発生するトルクである発電機トルクの可変の下限値を決定し、前記発電機トルク指令値を前記可変の下限値以上に調整することを特徴とする風力発電システムの制御方法。

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