JP2020051301A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ピッチ角制御においてピッチ角のファイン側制限値を適切に変化させることで、発電電力の低下を防ぎ、回転速度制御をはじめとする複数の制御機能を安定動作させる風力発電装置を提供することを目的とする。【解決手段】風を受けて回転するブレードと、ブレードのピッチ角を調整するピッチ制御装置と、ブレードの受ける風の風速を検出する風速検出手段を備え、ピッチ駆動装置は前記ブレードの回転速度及び風速検出手段で検出される風速に基づいて、ブレードのピッチ角のファイン側制限値をフェザー側に変更する。【選択図】 図４

Description

本発明は、風力発電装置に係り、特にピッチ角制御によって回転速度制御をはじめとする複数の制御機能を安定動作させる風力発電装置に関する。

近年、環境保護の面から、二酸化炭素の排出による地球温暖化や、化石燃料の枯渇等が問題視されている。そこで、化石燃料を使用せず、また、二酸化炭素の排出を抑えられる発電装置として、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を利用した発電装置が注目を浴びている。

再生可能エネルギーを利用した発電装置の中では、太陽光発電装置が一般的であるが、日射によって直接的に出力が変化するため、出力変動が大きく、夜間は発電できない。それに対して風力発電装置は、風速や風向などの風況が安定した場所を選んで設置することで、昼夜を問わず比較的安定な発電が可能である。また、陸上よりも高風速で風況変化が少ない洋上に設置することも可能であるため、注目されている。

一般的な大型風力発電装置では、風を受けるブレードのピッチ角を変化させて風を受ける量を変化させて、風力発電装置のロータや発電機等の回転系の回転速度や発電量を一定に保つような制御がおこなわれている。この回転速度制御では、定格回転速度を超えて過回転になると、装置に過大な負荷を与えることになる。さらに、過回転状態が継続して回転速度が所定値を超えると、装置保護のためのシャットダウン動作に移行して発電を継続できなくなるため、回転速度を安定化する必要がある。

また、洋上に風車を設置する場合には、日本のような水深の深い場所が多い地域では、浮体を海底に係留してその上に風力発電装置を設置する浮体式が必須となる。浮体式では波や風によって浮体の振動が発生するため、ピッチ角制御で風によって受ける力を変化させて浮体の振動を抑制する浮体制振制御が行われている。この浮体制振制御に関しても、浮体の振動が大きくなって所定値を超えると危険なため、発電を停止するようになっているため、重要な機能となっている。

さらに、ピッチ角制御では、ブレードの荷重を低減したりヨー方向の力を発生させたりするために複数のブレードのピッチ角を個別に制御する独立ピッチ制御が行われる。

また、複数の風力発電装置を近接させて設置するウィンドファームでは、風上側の風力発電装置のロータの回転によって、風下側の風況が乱されるウェイクという現象が発生する。ウェイクでは、風速が低下しかつ乱流強度が増大するため、風下側の風力発電装置がウェイクの影響を受ける位置にある場合には、発電電力の減少や疲労強度の増加による寿命の低下が発生することになる。ピッチ角制御は、このようなウェイクの影響を低減するために複数の風力発電装置間の発電状態を制御するファーム制御にも適用されることが考えられる。

上記ピッチ制御では、例えば回転速度制御では、ピッチ角をファイン側にするとロータに受ける風力が増加して回転速度が上昇し、逆にピッチ角をフェザー側にするとロータに受ける風力が低減して回転速度が下降することを前提にしている。また、浮体制振制御やその他の制御においても同様に、上記ピッチ角と風力の関係を前提にして制御するようになっている。ただし、ピッチ角をファイン側に動かしすぎると、上記ピッチ角と風力の関係が逆転する失速領域に入って、ピッチ角制御が正常に動作しなくなる。そこで、一般的な風力発電装置では、通常の運転範囲で最大出力を確保しつつピッチ角と風力の関係が逆転しないように、ピッチ角のファイン側制限値を設定している。

ただし、系統連系時の出力抑制時や上記ウェイク低減のためのファーム制御時には、回転速度を定格回転速度以下に制限して、通常とは異なる運転をする必要が生じる場合がある。その場合には、回転速度に対する風速が通常より高くなる場合が発生するため、ピッチ角に対する失速領域が変化して、通常のファイン側制限値では失速領域での運転が発生して、発電電力が低減したりピッチ角制御が不安定になったりする可能性がある。

このようなピッチ角ファイン側制限値に対して、例えば特許文献１では、「前記リミット値設定部は、前記風向と前記ナセルの向きとの間の前記角度に基づいて前記リミット値を決定するとともに、前記風向と前記ナセルの向きとの間の前記角度が前記閾値Ａ１よりも大きい閾値Ａ２以上であるときに、前記リミット値を、前記角度が前記閾値Ａ１であるときよりもフェザー側に近づけるように構成されたことを特徴とする風力発電設備。」が開示されている。

特許第６３１４１０４号公報

しかしながら、特許文献１の風力発電設備では、荷重低減を目的とし、風向の変化に対してファイン側制限値をさせており、ピッチ角と風力の関係の変化に対しては考慮されておらず、発電電力が低下したりピッチ角制御が不安定になったりする可能性がある。

本発明の目的は、ピッチ角制御においてピッチ角のファイン側制限値を適切に変化させることで、回転速度制御をはじめとする複数の制御機能を安定動作させる風力発電装置を提供することにある。

上記課題を解決する為に、本発明に係る風力発電装置は、風を受けて回転するブレードと、前記ブレードのピッチ角を調整するピッチ制御装置と、前記ブレードの受ける風の風速を検出する風速検出手段を備え、前記ピッチ制御装置は前記ブレードの回転速度及び前記風速検出手段で検出される風速に基づいて、前記ブレードのピッチ角のファイン側制限値をフェザー側に変更することを特徴とする。

本発明によれば、ピッチ角制御においてピッチ角のファイン側制限値を適切に変化させることで、発電電力の低下を防ぎ、回転速度制御をはじめとする複数の制御機能を安定動作させる風力発電装置を提供することが出来る。

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。

一実施形態に係る風力発電装置の構成概要の例を示す図である。 風力発電装置における発電電力、発電機回転速度、発電機トルク、およびピッチ角の関係の一例を示す概略図である。 実施例１に係るブレードの迎角と風力の関係の一例を示す概略図である。 実施例１に係る風力発電装置のピッチ角制御部の一例の概要を示すブロック図である。 実施例１に係る本実施例適用有無におけるピッチ角目標値および発電電力の時間変化の一例を示す概略図である。 一実施形態に係る浮体式風力発電装置の構成概要の例を示す図である。 実施例２に係る風力発電装置のピッチ角制御部の概要の例を示すブロック図である。 実施例２に係る回転速度制御の目標ピッチ角に対するリミッタの入出力の関係の一例を示す概略図である。 実施例２に係る浮体制振制御の目標ピッチ角に対するリミッタの入出力の関係の一例を示す概略図である。

以下、本発明の実施例を、図面を参照して説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。

図１から図５を用いて、実施例１における風力発電装置について説明する。図１は、本実施例を適用可能な風力発電装置全体の構成概要の例を示す図である。

図１の風力発電装置１は、回転軸（図では省略）を有するハブ２と、ハブ２に取付けられた複数のブレード３とで構成される、回転可能なロータ４を備えている。ロータ４は、図示しない回転軸を介してナセル５により回転可能に支持されており、ロータ４の回転力をナセル５内の発電機６に伝達するようになっている。ブレード２が風を受けることでロータ４が回転し、ロータ４の回転力で発電機６を回転させて電力を発生させている。なお、ナセル５上には風向や風速を計測する風向風速センサ７が備えられている。

発電機６内には、発電機トルクを調整可能な発電機トルク調整装置８を備えており、発電機トルクを変更することで、ロータ４や発電機６の回転速度や風力発電装置１の発電電力を制御することが可能である。また、発電機６内には、回転速度を検出するための回転速度センサ９や、発電機が出力する有効電力を計測する電力センサ（図では省略）等も備えられている。

個々のブレード３は、風に対するブレード３の角度（ピッチ角）を調整可能なピッチ角調整装置１０を備えており、このピッチ角を変更することによりブレード３の受ける風力（風量）を調整して、風に対するロータ４の回転エネルギーを変更するようになっている。これにより、広い風速領域において回転速度及び発電電力を制御することが可能となっている。

風力発電装置１において、ナセル５はタワー１１上に設置されており、タワー１１に対して回転可能な機構（図では省略）を有している。タワー１１は、ハブ２やナセル５を介してブレード３の荷重を支持するようになっており、地上または洋上等の所定位置に設置された基部（図では省略）に固定されている。

風力発電装置１はコントローラ１２を備えており、回転速度センサ９から出力される回転速度、風向風速センサ７から出力される風向及び風速、発電機６から出力される発電電力等に基づいてコントローラ１２で発電機トルク調整装置８とピッチ角調整装置１０を調整することで、風力発電装置１の発電電力や回転速度を調整する。

図１では、コントローラ１２はナセル５またはタワー１１の外部に設置するように図示されているが、ナセル５またはタワー１１の内部に配置してもよく、風力発電装置１の外部に設置することも可能である。

図２に、風力発電装置１の発電動作概要の例を示す。図２は、風速に対する発電電力、発電機の回転速度、発電機トルクおよびピッチ角の関係を示しており、この図を用いて風力発電装置１の発電動作概要を説明する。各グラフの横軸は風速を示し、右側に行くほど風速が速くなる。また、各グラフの縦軸は上方に行くほど発電電力、回転速度、発電機トルクの各値が大きくなることを示している。ピッチ角に関しては、上方がフェザー（風を逃がす）側、下方がファイン（風を受ける）側となる。

発電は、ロータ４の回転を開始するカットイン風速Ｖinから回転を停止するカットアウト風速Ｖoutの範囲で行われ、風速Ｖｄまでは風速Ｖ増加に伴って発電電力値も増加するが、それ以上の風速では発電電力は一定となる。

コントローラ１０では、カットイン風速Ｖinから風速Ｖaまでは回転速度が一定（Ｗlow）になるように発電機トルクを制御し、回転速度が定格回転速度Ｗrat以下となる風速Ｖaから風速Ｖbまでの範囲では、風速に対する発電電力が最大になるように回転速度から発電機トルクを算出して制御を行う。風速Ｖbを超えて回転速度が定格回転速度Ｗratに達したら、定格回転速度Ｗratを維持するように発電機トルク及びピッチ角を制御する。基本的には、発電電力を確保するために、発電機トルクの制御を行う。発電機トルクの制御では、風速Ｖbから風速Ｖdの範囲で、風速に応じて発電機トルクを定格発電機トルクＱratになるまで変化させ、風速Ｖdからカットアウト風速Ｖoutまでの範囲では、定格発電機トルクＱratを保持し、その間の発電電力は定格発電電力Pratとなる。

ピッチ角の制御では、風速Ｖcまではピッチ角をファイン側Θminに保持し、風速ＶcからカットアウトＶoutの範囲で、風速に応じてピッチ角をファイン側Θminからフェザー側Θmaxまで変化させる。ただし、図２の例においては、風速Ｖcから風速Ｖdの範囲で発電機トルクとピッチ角の制御をオーバラップさせているが、これはＶc＝Ｖdとしてオーバラップをなくし、発電機トルクの制御とピッチ角の制御を独立に実行させるようにしてもよい。

図３は、実施例１におけるブレードの迎角と風力の関係の一例を示す概略図である。ブレード３に対する風の流入角が迎角であり、ピッチ角や風速と回転速度とで決まる流入角によって変化する。迎角の増大とともにブレードの受ける風力増大するが、一定の値を超えると逆に風力減少する領域(失速領域)になる。そこで一般的には、ピッチ角のファイン側リミットΘminを風力のピークあるいはその近傍に設定し、それよりも迎角が小さくなるΘmin〜Θmaxの範囲で運転するようになっている。ただし、出力制限等によって回転速度が抑制される場合には、高風速時にも回転速度が低く抑えられるため、通常よりも流入角が大きくなって迎角が増大し、失速領域での運転が発生する。失速領域では風力の減少による発電電力の低下や、特性の逆転によるピッチ角制御の不安定化の可能性がある。そこで、本実施例では、風速及び回転速度から風の流入角を求め、流入角に対してファイン側リミットを適切な値Θmin1に変更することで、発電電力の低下やピッチ角制御の不安定化を防ぐようにしている。

なお、上記のように、ファイン側リミット値Θmin1は、風速と回転速度との組み合わせによって変化するが、風速が低下して回転速度が定格以下になる場合には風速と回転速度との関係が所定の範囲に収まるようになるため、ファイン側リミットを当初の値のΘminに戻す。また、出力制限を解除した場合も同様に、風速と回転速度との関係が所定の範囲に戻るため、ファイン側リミットをΘminにする。

図４は、実施例１における風力発電装置１のピッチ角制御部の一例の概要を示すブロック図である。実施例１のピッチ角制御装置１００は、コントローラ１２内に設けられており、回転速度制御部１０１、リミッタ制御部１０２、リミッタ１０３から構成される。

回転速度制御部１０１では、入力された回転速度を目標回転速度に合わせるように目標ピッチ角を算出してリミッタ１０３に入力する。リミッタ制御部１０２では、入力された風速及び回転速度から流入角を求めて、適切なファイン側リミットを決定して、リミッタ１０３に設定する。リミッタ１０３は入力される目標ピッチ角を設定されたリミットで制限し、ピッチ角指令値として出力する。なお、リミッタ制御部１０２では、風速及び回転速度に対するファイン側リミットをあらかじめテーブル化して持たせることも可能である。

図５は、実施例１における発明の効果を示す概要図である。図５の横軸は時刻Ｔを示し、縦軸は図上方より発電電力およびピッチ角指令値を示す。また、図５の破線は、本実施例を適用しない場合の結果であり、実線が本実施例を適用した場合の結果を示している。

本実施例を適用しない場合には、ピッチ角が失速領域に入り、その期間は発電電力が低下している。また、失速領域と通常の動作領域との間の変化時では、ピッチ角の急激な変化が発生しており、荷重が増加して装置寿命を低減させる可能性がある。

それに対して、本実施例を適用した場合には、失速領域に入らないようにピッチ角を制限するため、発電電力は低下していない。また、ピッチ角の急激な変化も発生しておらず、安定したピッチ角制御が可能となっている。

図６から図９を用いて、実施例２における風力発電装置について説明する。なお、実施例１と重複する点については詳細な説明を省略する。
図６は、実施例２において本実施例を適用可能な浮体式風力発電装置全体の構成概要の例を示す図である。風力発電装置２１は、タワー１１内に傾斜角度センサ２２を設けている部分以外は、実施例１の風力発電装置１と同じであり、傾斜角度センサ２２から出力される傾斜角度はコントローラ１２に入力される。風力発電装置２１は浮体２３上に設置されており、浮体２３は、多方向に延ばされた複数の係留索２４によって洋上の所定位置に係留されている。
実施例２は、水深の深い洋上で風力発電を行うために、係留した浮体上に風力発電装置を設置する、浮体式風力発電装置を対象としている。浮体式風力発電装置では、風や波によって浮体が振動するため、コントローラ１２では、傾斜角度センサ２２から出力される傾斜角度が一定になるようにピッチ角を操作する、浮体制振制御を行うようになっている。

図７は、実施例２における風力発電装置２１のピッチ角制御部の一例の概要を示すブロック図である。実施例２のピッチ角制御装置２００は、コントローラ１２内に設けられており、回転速度制御部１０１、リミッタ制御部２０２、リミッタ１０３および２０５、浮体制振制御部２０４、加算部２０６から構成される。なお、回転速度制御部１０１及びリミッタ１０３は、実施例１のピッチ制御装置１００の同一部分と同じである。

回転速度制御部１０１及び浮体制振制御部２０４では、入力された回転速度及び浮体傾斜角を目標値に合わせるように目標ピッチ角をそれぞれ算出し、リミッタ１０３及びリミッタ２０５に入力する。リミッタ制御部２０２では、入力された風速および回転速度から求めた流入角から適切なファイン側リミットを決定する。また、回転速度、浮体傾斜角、回転速度制御及び浮体制振制の目標ピッチ角から運転状態を判断し、運転状態に応じて回転速度制御及び浮体制振制御に対するリミットを個々に決定して、リミッタ１０３及びリミッタ２０５に設定する。リミッタ１０３及びリミッタ２０５は入力された目標ピッチ角を設定されたリミットで制限して、その結果を出力する。加算器２０６では、リミッタ１０３及びリミッタ２０５の出力を加算して、ピッチ角指令値として出力する。

ここで、回転速度制御及び浮体制振制御に対するリミットは、ピッチ角指令値が適切なファイン側リミットΘmin1を超えないように設定する。図８及び図９は、回転速度制御及び浮体制振制御の目標ピッチ角に対するリミッタの入出力の関係の一例を示す概略図である。回転速度制御のファイン側リミットΘmin2を、浮体制振制御の振れ幅(リミット)Θd分フェザー側に設定することで、浮体制振制御を確実に動作させながら、ピッチ角指令値をΘmin1以下に抑えることができる。また、運転状態を監視し、状況に応じて浮体制振制御のリミットΘdを必要最小限の値に変化させることにより、発電電力の低下を防ぎながら、ピッチ角制御の安定化を図ることができる。例えば、浮体の振動が増大した場合には、浮体の振動幅に応じてΘdの幅を広げ、浮体制振制御を十分に動作させて迅速に浮体振動を抑えるようにする。ただし、浮体制振制御のピッチの動きによって風力の一部を逃がすことになるため、Θdを広げるほど発電電力は低下する。そこで、浮体振動が低減したりほとんど発生していない場合には、Θdの幅を狭めるあるいは０にすることで発電電力の確保を図る。

なお、ピッチ角での制御としては、上記記載の回転速度制御や浮体制振制御の他に、独立ピッチ制御やファームのウェイク制御等があるが、これらに対しても本実施例を適用することが可能であり、複数の制御に同時に適用することもできる。

また、本実施例は、出力制限時に限定されるものではなく、失速領域に入るような運転状態になる場合には有効である。

さらに、本実施例では、ナセル５上の風向風速センサ７で検出した風速を使用するようになっているが、これはナセル５以外の場所で計測した風速を使用することもでき、発電電力もしくは発電機トルクと回転速度とから推定される風速を使用することも可能である。

また、本実施例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。

１，２１…風力発電装置、２…ハブ、３…ブレード、４…ロータ、５…ナセル、６…発電機、７…風向風速計、８…発電機トルク調整装置、９…回転速度センサ、１０…ピッチ角調整装置、１１…タワー、１２…コントローラ、２２…傾斜角度センサ、２３…浮体、２４…係留索、１００，２００…ピッチ角制御装置、１０１…回転速度制御部、１０２，２０２…リミッタ制御部、１０３，２０５…リミッタ、２０４…浮体制振制御部、２０６…加算部。

Claims (9)

1. 風を受けて回転するブレードと、
   前記ブレードのピッチ角を調整するピッチ制御装置と、
   前記ブレードの受ける風の風速を検出する風速検出手段を備え、
   前記ピッチ制御装置は前記ブレードの回転速度及び前記風速検出手段で検出される風速に基づいて、前記ブレードの前記ピッチ角のファイン側制限値をフェザー側に変更することを特徴とする風力発電装置。
2. 請求項１に記載の風力発電装置であって、
   前記風速検出手段はナセルに設置した風速計であることを特徴とする風力発電装置。
3. 請求項１ないし２のいずれか１項に記載の風力発電装置であって、
   前記ピッチ制御装置は、前記ブレードの回転速度及び前記風速検出手段で検出される風速に基づいて、前記ブレードの前記ピッチ角のファイン側制限値をフェザー側に変更するとき、風から受ける風力が最大となる前記ピッチ角に変更することを特徴とする風力発電装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の風力発電装置であって、
   前記ピッチ制御装置は、前記ピッチ角の前記ファイン側制限値を、失速領域で発生する前記ピッチ角の急激な変化を避けるように設定することを特徴とする風力発電装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の風力発電装置であって、
   前記ピッチ制御装置は複数の制御機能を備え、
   前記複数の制御機能によるピッチ角指令値の合成値に対して前記ピッチ角の前記ファイン側制限値を適用することを特徴とする風力発電装置。
6. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の風力発電装置であって、
   前記ピッチ制御装置は前記ブレードの回転速度制御を含む複数の制御機能を備え、
   前記複数の制御機能によるピッチ角指令値の合成値に対して前記ピッチ角の前記ファイン側制限値を適用することを特徴とする風力発電装置。
7. 請求項５ないし６のいずれか１項に記載の風力発電装置であって、
   前記ピッチ制御装置は前記複数の制御機能に対する出力調整手段を備え、
   前記出力調整手段は前記出力調整手段の出力合計値が前記ピッチ角の前記ファイン側制限値を超えないように設定されていることを特徴とする風力発電装置。
8. 請求項７に記載の風力発電装置であって、
   前記風力発電装置の状態に基づいて、前記出力調整手段の設定を変更することを特徴とする風力発電装置。
9. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載の風力発電装置であって、
   前記ピッチ制御装置は、前記ブレードの前記ピッチ角のファイン側制限値をフェザー側に変更した後、前記ブレードの回転速度及び前記風速検出手段で検出される風速に基づいて、前記ブレードの前記ピッチ角のファイン側制限値を元のファイン側制限値に変更することを特徴とする風力発電装置。

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