JP2020067023A - Wind power generation system - Google Patents

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卓巳 只野
Takumi TADANO
卓巳 只野
順弘 楠野
Yoshihiro Kusuno
順弘 楠野
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Abstract

To provide a wind power generation system including an operation control unit, which can improve blade aerodynamic performance in consideration of a blade deformation amount, and suppress deterioration in power generation efficiency in consideration of actual machine operation.SOLUTION: A wind power generation system comprises a plurality of blades whose pitch angle can be changed by a pitch angle drive device, a rotor that receives wind at the blades and rotates, and a power generator that uses the rotational energy of a rotor to generate power. The wind power generation system comprises a pitch angle command value calculation unit that obtains a pitch angle command value in consideration of a deformation amount of the blade, and is configured to change a pitch angle by giving the pitch angle command value of the pitch angle command value calculation unit to the pitch angle drive device.SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

本発明は、風力発電システムに係り、特に、ブレード変形量増大による発電効率の低下を低減する風力発電システムに関する。   The present invention relates to a wind power generation system, and more particularly to a wind power generation system that reduces a decrease in power generation efficiency due to an increase in blade deformation amount.

近年、二酸化炭素の排出量増加による地球温暖化や、化石燃料の枯渇によるエネルギー不足が問題視されている。そこで、二酸化炭素の排出量を低減し、化石燃料を使用しない発電システムとして、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システムの導入が注目を浴びている。   In recent years, global warming due to an increase in carbon dioxide emissions and energy shortage due to depletion of fossil fuels have been regarded as problems. Therefore, as a power generation system that reduces carbon dioxide emissions and does not use fossil fuels, the introduction of a power generation system that uses renewable energy obtained from nature such as wind power and sunlight has attracted attention.

再生可能エネルギーを利用した発電システムの中では、太陽光発電システムが一般的であるが、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、風力発電システムは、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。   Among the power generation systems using renewable energy, a solar power generation system is generally used, but the output directly changes due to solar radiation, so the output changes greatly and it is not possible to generate power at night. On the other hand, the wind power generation system is capable of relatively stable power generation day and night by selecting and installing in a place where the wind conditions such as wind speed and direction are stable.

一般的な大型風力発電システムでは、ピッチ角度を調整するためのピッチ駆動装置と発電機トルクを調整するための電力変換器を備えており、ピッチ角度と発電機トルクを調整することにより、任意の風速域で発電電力を最大化するように制御を実施している。   A general large-scale wind power generation system is equipped with a pitch drive device for adjusting the pitch angle and a power converter for adjusting the generator torque, and by adjusting the pitch angle and the generator torque, any The control is implemented to maximize the generated power in the wind speed range.

上記、制御方法の1つとして、例えば特許文献1がある。特許文献1では、少なくとも風車翼に流入する風の風速および風向の計測情報を入力する計測情報入力処理ステップと、前記計測情報入力処理ステップで、入力された計測情報およびトルクを算出するための予め記憶されたデータに基づいて、各翼素に実際に発生している発生トルクおよび各翼素において想定される、各翼素の半径位置、重量および角速度の積で算出される最適トルクを算出するトルク算出処理ステップと、前記トルク算出処理ステップにおいて算出された発生トルクと最適トルクとを比較するトルク比較処理ステップと、前記トルク比較処理ステップで比較された結果に基づいて、発生トルクと最適トルクの差を小さくするように、気流発生装置、ピッチ角度駆動機構、ヨー角度駆動機構の特徴に対応してそれぞれを個々に制御することができる。これによって、風力発電システムの発電効率の向上を図る技術が開示されている。   As one of the above control methods, there is, for example, Patent Document 1. In Patent Document 1, at least a measurement information input processing step of inputting measurement information of a wind speed and a wind direction of a wind flowing into a wind turbine blade, and in advance for calculating the input measurement information and torque in the measurement information input processing step. Based on the stored data, calculate the generated torque that is actually generated in each blade element and the optimum torque that is assumed in each blade element and is calculated by the product of the radial position, weight and angular velocity of each blade element. A torque calculation processing step, a torque comparison processing step of comparing the generated torque calculated in the torque calculation processing step with the optimum torque, and a generated torque and the optimum torque based on the result of the comparison in the torque comparison processing step. In order to reduce the difference, each of them is individually selected according to the features of the airflow generator, pitch angle drive mechanism, and yaw angle drive mechanism. It is possible to control. A technique for improving the power generation efficiency of the wind power generation system by this is disclosed.

特許第5323133号Patent No. 5323133

近年、風力発電システムは、大型化による発電電力の向上が求められており、これに伴いブレードの長翼化が進んでいる。特にダウンウィンド風車では、風下側にブレードが取付けられており、風荷重によって風下側にブレードがたわむため、タワー衝突の危険性が少ない。そのため、アップウィンド風車に対して、ブレードを柔構造化することで、長翼化(以下、長翼ブレードと呼ぶ)させることが可能である。   2. Description of the Related Art In recent years, wind power generation systems have been required to improve their generated power by increasing their size, and along with this, the blades have become longer. Particularly in a downwind wind turbine, the blade is attached to the leeward side, and the blade bends to the leeward side due to the wind load, so there is less risk of collision with the tower. Therefore, it is possible to make the upwind wind turbine long blades (hereinafter referred to as long blades) by making the blades flexible.

特許文献1に開示されている技術を適用することで、風速、ロータまたは発電機の回転速度に応じ、ブレード空力性能を考慮したピッチ角度で運転し、発電効率を向上させることが可能である。   By applying the technique disclosed in Patent Document 1, it is possible to operate at a pitch angle in consideration of blade aerodynamic performance according to the wind speed, the rotation speed of the rotor or the generator, and improve the power generation efficiency.

しかし、発電効率の向上を可能にする長翼ブレードでは、ブレードの変形量が大きくなる可能性がある。ブレード空力性能は、風速、回転速度、および、翼変形量によって決定される流入相対風速とブレード根本のピッチ角度によって決まる。剛構造ブレードの場合、翼変形量がないため、風速と回転速度が決まると、空力性能を最大化するピッチ角度は一意に定まる。しかし、柔構造ブレードの場合、流入相対風速に翼変形量(たわみとねじれ)の影響を考慮し、空力性能を最大化するピッチ角度を導出する必要がある。そのため、流入相対風速が同一であっても、剛構造ブレードと柔構造ブレードでは、空力性能を最大化するピッチ角度は異なることとなる。   However, with a long blade blade capable of improving power generation efficiency, the amount of deformation of the blade may increase. The blade aerodynamic performance is determined by the wind speed, the rotation speed, and the inflow relative wind speed determined by the blade deformation amount and the pitch angle of the blade root. In the case of a rigid structure blade, since there is no blade deformation amount, once the wind speed and rotation speed are determined, the pitch angle that maximizes aerodynamic performance is uniquely determined. However, in the case of a flexible structure blade, it is necessary to derive the pitch angle that maximizes aerodynamic performance by considering the effect of blade deformation (deflection and twist) on the relative inflow wind speed. Therefore, even if the inflow relative wind speed is the same, the rigid structure blade and the flexible structure blade have different pitch angles that maximize aerodynamic performance.

したがって、長翼ブレードに特許文献1を適用した場合、翼変形量の少ない剛構造ブレードに適用した場合に比べて、空力性能を最大化するピッチ角度が翼変形量によって変化することを考慮できない。そのため、発電効率が低下するピッチ角度に調整する可能性がある。また、アジマス角を入力値に利用しないことから、標高が高くなるほど風速が大きくなるウィンドシアの効果を考慮できない。さらに、ダウンウィンド風車における、タワーの影響によりタワー近傍で風速が減少するタワーシャドウの効果を考慮できない。   Therefore, when Patent Document 1 is applied to the long blade, it is not possible to consider that the pitch angle that maximizes aerodynamic performance is changed depending on the blade deformation amount, as compared to the case where the blade is applied to a rigid structure blade having a small blade deformation amount. Therefore, the pitch angle may be adjusted to reduce the power generation efficiency. In addition, since the azimuth angle is not used as the input value, the effect of wind shear that the wind speed becomes higher as the altitude becomes higher cannot be considered. Furthermore, in the downwind wind turbine, it is not possible to consider the effect of the tower shadow that the wind speed decreases near the tower due to the influence of the tower.

したがって、回転1周期中における風速変化の影響を考慮できず、発電効率の低下、および、翼振動の増加を生じる可能性がある。また、風力発電システムの解析モデルによる数値解析データと、実機の特性との誤差が大きい場合、さらに発電効率が低下する可能性がある。   Therefore, the influence of the change in wind speed during one rotation cycle cannot be taken into consideration, which may cause a decrease in power generation efficiency and an increase in blade vibration. Further, if the error between the numerical analysis data of the analysis model of the wind power generation system and the characteristics of the actual machine is large, the power generation efficiency may be further reduced.

以上のことから本発明の目的は、翼変形量の考慮によるブレード空力性能の向上、および、実機運転を考慮することによって発電効率の低下を抑制する運転制御部を備えた風力発電システムを提供することである。   From the above, the object of the present invention is to improve the blade aerodynamic performance by considering the blade deformation amount, and to provide a wind power generation system provided with an operation control unit that suppresses a decrease in power generation efficiency by considering the actual machine operation. That is.

上記課題を解決するために、本発明は、「ピッチ角度駆動装置によりピッチ角度を変更可能な複数のブレードと、ブレード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備える風力発電システムであって、ブレードの変形量を考慮したピッチ角度指令値を求める変形量考慮ピッチ角度指令値算出部を備え、変形量考慮ピッチ角度指令値算出部のピッチ角度指令値をピッチ角度駆動装置に与えピッチ角度を変更することを特徴とする風力発電システム」のように構成したものである。   In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides, "a plurality of blades whose pitch angle can be changed by a pitch angle drive device, a rotor which receives wind from the blades to rotate, and a power generation which generates electric power using rotational energy of the rotor. A wind power generation system including a machine, comprising a deformation amount consideration pitch angle command value calculation unit for obtaining a pitch angle command value considering the deformation amount of a blade, and changing the pitch angle command value of the deformation amount consideration pitch angle command value calculation unit. A wind power generation system characterized by changing the pitch angle given to the pitch angle driving device ".

本発明によれば、ブレード変形量を考慮したピッチ角度指令値、さらに、実機運転データを基にピッチ角度指令値を補正することによって、発電効率の向上または荷重の低減を可能にする制御装置を備えた風力発電システムを提供することができる。   According to the present invention, a pitch angle command value in consideration of the amount of blade deformation, further, by correcting the pitch angle command value based on the actual machine operation data, a control device capable of improving the power generation efficiency or reducing the load. A provided wind power generation system can be provided.

本発明を適用可能な一般的な風力発電システム全体の概略構成例を示図。The figure which shows the schematic structural example of the whole general wind power generation system to which this invention can be applied. 風力発電システム1のコントローラ11に実装される運転制御部の処理概要を示すブロック線図。The block diagram which shows the processing outline of the operation control part mounted in the controller 11 of the wind power generation system 1. 可変速制御部21内のピッチ角度制御部22の概要を示すブロック線図。FIG. 3 is a block diagram showing an outline of a pitch angle control unit 22 in the variable speed control unit 21. 風力発電システム1の風速、発電電力、回転速度、発電機トルク、および、ピッチ角度の関係を示す概略図。Schematic which shows the relationship of the wind speed of the wind power generation system 1, generated electric power, rotation speed, generator torque, and a pitch angle. 本発明の実施例1に係る変形量考慮ピッチ角度指令値算出部100のブロック線図。3 is a block diagram of a deformation amount consideration pitch angle command value calculation unit 100 according to the first embodiment of the present invention. FIG. 本発明の実施例1に係る解析モデル101とその入力の関係を示すブロック線図。FIG. 3 is a block diagram showing the relationship between the analysis model 101 and its input according to the first embodiment of the present invention. 本発明の実施例1に係る解析モデル101を予め作成するためのフローを示す図。The figure which shows the flow for creating the analysis model 101 which concerns on Example 1 of this invention beforehand. 本発明の実施例1に係る変形量考慮ピッチ角度指令値算出部100の学習器102とその入力の関係を示すブロック線図。The block diagram which shows the relationship of the learning device 102 of the deformation amount consideration pitch angle command value calculation part 100 which concerns on Example 1 of this invention, and its input. 本発明の実施例1に係るコントローラ11に実装されるより広い風速領域での運転制御部の処理概要を示すブロック線図。3 is a block diagram showing an outline of processing of an operation control unit mounted in the controller 11 according to the first embodiment of the present invention in a wider wind speed range. FIG. 変形考慮ピッチ角度に対応した発電機トルクの解析モデル101を予め作成するためのフローチャート。The flowchart for creating beforehand the analytical model 101 of the generator torque corresponding to a deformation consideration pitch angle. 風力発電システム1における、あるブレード断面の翼素に流入する相対風速に対する迎角と、ピッチ角度と初期ねじれ角の関係を説明するための図。The figure for demonstrating the angle of attack with respect to the relative wind speed which flows into the blade element of a certain blade cross section in the wind power generation system 1, and the relationship of a pitch angle and an initial twist angle. 風力発電システム1における、あるブレード断面の翼素に流入する相対風速に対する迎角と、ピッチ角度、初期ねじれ角、および、翼変形の関係を説明するための図。The figure for demonstrating the relationship of the attack angle with respect to the relative wind speed which flows into the blade element of a certain blade cross section in the wind power generation system 1, a pitch angle, an initial helix angle, and blade deformation. 風力発電システム1における、翼変形により、あるブレード断面での空力性能の低下を説明するための図。The figure for demonstrating degradation of aerodynamic performance in a certain blade section by blade deformation in wind power generation system 1. 本発明の実施例1に係る運転制御部を適用した場合と、適用しない場合における風速と回転方向に加わる力との関係を説明するための図。The figure for demonstrating the relationship between the wind speed and the force added to a rotation direction when the operation control part which concerns on Example 1 of this invention is applied, and when not applied. 本発明の実施例2に係る風力発電システムの運転制御部を示すブロック線図。The block diagram which shows the operation control part of the wind power generation system which concerns on Example 2 of this invention. 本発明の実施例3に係る風力発電システムの運転制御部を示すブロック線図。The block diagram which shows the operation control part of the wind power generation system which concerns on Example 3 of this invention. 本発明の実施例4に係る風力発電システムの運転制御部を示すブロック線図。The block diagram which shows the operation control part of the wind power generation system which concerns on Example 4 of this invention. 本発明の実施例5に係る風力発電システムの運転制御部を示すブロック線図。The block diagram which shows the operation control part of the wind power generation system which concerns on Example 5 of this invention. 本発明の実施例6に係る風力発電システムの運転制御部を示すブロック線図。The block diagram which shows the operation control part of the wind power generation system which concerns on Example 6 of this invention. 学習器102に関連する一連の処理を示すフローチャート。The flowchart which shows a series of processes relevant to the learning device 102.

以下、本発明の実施例について、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記し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In each drawing, the same components are designated by the same reference numerals, and detailed description of overlapping portions will be omitted.

実施例1の説明を行うにあたり、ここではまず図1から図4を用いて従来の一般的な風力発電プラントの構成と制御手法について説明し、その後図5から図14を用いて実施例1の説明を行うことにする。   In describing the first embodiment, first, the configuration and control method of a conventional general wind power generation plant will be described with reference to FIGS. 1 to 4, and then the first embodiment will be described with reference to FIGS. 5 to 14. I will explain.

図1は、本発明を適用可能な一般的な風力発電システム全体の概略構成例を示している。   FIG. 1 shows a schematic configuration example of a general wind power generation system to which the present invention can be applied.

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。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の回転力がナセル5内の発電機6を回転させることで電力を発生することができる。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。   The wind power generation system 1 of FIG. 1 includes a rotor 4 including a plurality of blades 2 and a hub 3 that connects the plurality of blades 2. The rotor 4 is connected to the nacelle 5 via a rotary shaft (not shown in FIG. 1), and the position of the blade 2 can be changed by rotating the rotor 4. The nacelle 5 rotatably supports the rotor 4. When the blade 2 receives wind, the rotor 4 rotates, and the rotational force of the rotor 4 rotates the generator 6 in the nacelle 5 to generate electric power. A wind direction wind speed sensor 7 for measuring the wind direction and the wind speed is provided on the nacelle 5.

個々のブレード2には、風に対するブレード2の角度(ピッチ角度)を調整可能なピッチ角度駆動装置8を備えている。ピッチ角度駆動装置8を用いて、ピッチ角度を変更することでブレード2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ことができる。これによって、広い風速領域において回転速度および発電電力を制御することが可能となっている。   Each blade 2 is provided with a pitch angle drive device 8 capable of adjusting the angle (pitch angle) of the blade 2 with respect to the wind. By using the pitch angle drive device 8, the wind energy (air volume) received by the blade 2 can be adjusted by changing the pitch angle to change the rotational energy of the rotor 4 with respect to the wind. This makes it possible to control the rotation speed and the generated power in a wide wind speed range.

風力発電システム1において、ナセル5はタワー9上に設置されており、タワー9に対して回転可能な機構(図では省略)を有している。タワー9は、ハブ2やナセル5を介してブレード2の荷重を支持するようになっており、地上、洋上、浮体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。   In the wind power generation system 1, the nacelle 5 is installed on the tower 9 and has a mechanism (not shown) rotatable with respect to the tower 9. The tower 9 supports the load of the blade 2 via the hub 2 and the nacelle 5, and is fixed to a base (not shown) installed at a predetermined position on the ground, offshore, or in a floating body.

発電機6は、タワー9内に設置される電力変換器10によって、発電機が発生するトルク(以下、発電機トルクと呼ぶ)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。   The power generator 10 installed in the tower 9 controls the torque generated by the power generator (hereinafter, referred to as “generator torque”), so that the power generator 6 can control the rotation torque of the rotor 4.

また、風力発電システム1はコントローラ11を備えており、発電機6の回転速度を計測する回転速度センサ12から出力される回転速度と、発電機6の発電機トルクに基づき、コントローラ11で発電機6とピッチ角度駆動装置8を調整することで、風力発電システム1の発電電力や回転速度を調整する。   Further, the wind power generation system 1 includes a controller 11, and the controller 11 generates a generator based on the rotation speed output from the rotation speed sensor 12 that measures the rotation speed of the generator 6 and the generator torque of the generator 6. By adjusting 6 and the pitch angle driving device 8, the generated power and the rotation speed of the wind power generation system 1 are adjusted.

なお、コントローラ11は、例えば、制御盤またはSCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)が用いられる。また、コントローラ11は、例えば図示しないCPU(Central Processing Unit)などのプロセッサ、各種プログラムを格納するROM、演算過程のデータを一時的に格納するRAM、外部記憶装置などの記憶装置にて実現されると共に、CPUなどのプロセッサがROMに格納された各種プログラムを読み出し実行し、実行結果である演算結果をRAMまたは外部記憶装置に格納する。   The controller 11 is, for example, a control panel or a SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition). Further, the controller 11 is realized by a processor such as a CPU (Central Processing Unit) (not shown), a ROM that stores various programs, a RAM that temporarily stores the data of the calculation process, and a storage device such as an external storage device. At the same time, a processor such as a CPU reads and executes various programs stored in the ROM, and stores the operation result, which is the execution result, in the RAM or the external storage device.

ブレード2は、例えばロータ径100m以上とすることができる。また、ロータ径180m以上にする場合、特に柔構造に対応する制御による効果が大きい。また、ブレード2は、回転面から各翼素が形状的に初期ねじれを有するが、発電運転時に風により加わる力によりそこから0.2°以上ねじれが生じるように、ブレード2のウェブやスパーキャップ等を設計することができる。また、発電運転時に0.5°以上ねじれが生じる柔構造ブレードである場合、本実施例制御により特に顕著な効果が得られる。   The blade 2 may have a rotor diameter of 100 m or more, for example. Further, when the rotor diameter is 180 m or more, the effect of the control corresponding to the flexible structure is particularly large. Further, in the blade 2, each blade element has a shape initial twist from the surface of rotation, but the web and spar cap of the blade 2 are twisted so that a twist of 0.2 ° or more occurs from the force applied by wind during power generation operation. Etc. can be designed. Further, in the case of the flexible structure blade which is twisted by 0.5 ° or more during the power generation operation, the control of the present embodiment provides a particularly remarkable effect.

図2に、コントローラ11に実装される運転制御部のブロック線図を示す。図2に示す運転制御部である可変速制御部21は、発電機トルクの目標値と計測値の偏差と発電機回転速度の目標値と計測値の偏差に基づいて、フィードバック制御によりピッチ角度指令値を決定するピッチ角度制御部22を備える。また可変速制御部21は、発電機回転速度の目標値と計測値の偏差に基づいて、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発電機トルク制御部23を備える。なお、ピッチ角度指令値は、ブレード2ごとに設置されている図1のピッチ角度駆動装置8に与えられてそれぞれのピッチ角を調整し、発電機トルク指令値は図1の発電機6(ここでは電力変換器10も含むものとする)に与えられて発電機トルクが調整される。   FIG. 2 shows a block diagram of the operation control unit mounted on the controller 11. The variable speed control unit 21, which is the operation control unit shown in FIG. 2, controls the pitch angle by feedback control based on the deviation between the target value and the measured value of the generator torque and the deviation between the target value and the measured value of the generator rotation speed. A pitch angle control unit 22 that determines a value is provided. The variable speed control unit 21 also includes a generator torque control unit 23 that determines a generator torque command value by feedback control based on the deviation between the target value of the generator rotation speed and the measured value. The pitch angle command value is given to the pitch angle drive device 8 of FIG. 1 installed for each blade 2 to adjust each pitch angle, and the generator torque command value is set to the generator 6 of FIG. Then, the electric power converter 10 is also included) to adjust the generator torque.

図3は、可変速制御部21内のピッチ角度制御部22の概要を示すブロック線図である。ピッチ角度制御部22は、回転速度制御部22aと、トルク制御部22bより構成される。回転速度制御部22aは、発電機回転速度の目標値と計測値の偏差に基づいて、フィードバック制御によりピッチ角度指令値を決定する。また、トルク制御部22bは、発電機トルクの目標値と計測値の偏差に基づいて、フィードバック制御によりピッチ角度指令値を決定する。これら2つの値を加算することで、ピッチ角度制御部22の最終的なピッチ角度指令値を決定する。   FIG. 3 is a block diagram showing an outline of the pitch angle control unit 22 in the variable speed control unit 21. The pitch angle control unit 22 includes a rotation speed control unit 22a and a torque control unit 22b. The rotation speed control unit 22a determines the pitch angle command value by feedback control based on the deviation between the target value of the generator rotation speed and the measured value. Further, the torque control unit 22b determines the pitch angle command value by feedback control based on the deviation between the target value of the generator torque and the measured value. By adding these two values, the final pitch angle command value of the pitch angle control unit 22 is determined.

図4に、図2と図3に示すコントローラ11に実装される運転制御部によって得られる風力発電システム1の特性を示す。   FIG. 4 shows characteristics of the wind power generation system 1 obtained by the operation control unit mounted on the controller 11 shown in FIGS. 2 and 3.

図4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度の関係を示している。各グラフの横軸は風速を示し、右側に行くほど風速は速くなる。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。ピッチ角度に関しては、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)側を示している。   FIG. 4 shows the relationship between the generated power, the rotation speed of the generator, the generator torque, and the pitch angle with respect to the wind speed. The horizontal axis of each graph shows the wind speed, and the wind speed increases toward the right side. In addition, the vertical axis of each graph indicates that the generated power, the rotation speed, and the generator torque increase as they go upward. Regarding the pitch angle, the upper side indicates the feather side (to release the wind) and the lower side indicates the fine side (to receive the wind).

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までは風速の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ように制御される。   Power generation is performed within a range from a cut-in wind speed Vin at which rotation of the rotor 4 starts to a cut-out wind speed Vout at which rotation of the rotor 4 is stopped. Up to the wind speed Vd, the generated power value increases as the wind speed increases. The generated power is controlled to be constant at wind speed.

コントローラ11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、風速Vaから風速Vbまでは例えば風速に比例する回転速度となるように発電機トルクを制御する。ここまでの段階は、図2の発電機トルク制御部23により発電機トルク指令値を与えることで制御実行される。   The controller 11 controls the generator torque so that the rotation speed is constant (Wlow) from the cut-in wind speed Vin to the wind speed Va, and generates power from the wind speed Va to the wind speed Vb such that the rotation speed is proportional to the wind speed, for example. Control machine torque. The steps up to this point are controlled and executed by giving a generator torque command value by the generator torque control unit 23 in FIG.

また風速Vbに至り、回転速度が定格回転速度Wratに達したら、風速Vb以上の風速状態では定格回転速度Wratを維持するように発電機トルクおよびピッチ角度を制御する。この段階では図2のピッチ角制御部22と発電機トルク制御部23が協同的に作動している。例えばピッチ角制御部22が作動した結果としてピッチ角度指令値が変化してロータ4の回転数、強いては発電機回転速度が変動し、発電機トルク制御部23が回転数を一定とすべく発電機トルク指令値を変更するといったプロセスが実行されることで、定格回転速度Wratを維持するように発電機トルクおよびピッチ角度が制御されている。   When the wind speed reaches the wind speed Vb and the rotation speed reaches the rated rotation speed Wrat, the generator torque and the pitch angle are controlled so as to maintain the rated rotation speed Wrat in the wind speed state equal to or higher than the wind speed Vb. At this stage, the pitch angle control unit 22 and the generator torque control unit 23 shown in FIG. 2 are operating cooperatively. For example, as a result of the operation of the pitch angle control unit 22, the pitch angle command value changes, the rotation speed of the rotor 4, and thus the generator rotation speed fluctuates, and the generator torque control unit 23 generates power to keep the rotation speed constant. By executing the process of changing the machine torque command value, the generator torque and the pitch angle are controlled so as to maintain the rated rotation speed Wrat.

上記コントローラ11による制御において、基本的には、発電機トルクの制御は発電電力を確保するために行う。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を保持する。   In the control by the controller 11, basically, the generator torque control is performed to secure the generated power. In controlling the generator torque, the generator torque is changed in the range from the wind speed Vb to the wind speed Vd until it reaches the rated generator torque Qrat according to the wind speed, and in the range from the wind speed Vd to the cutout wind speed Vout, the rated generator is set. Hold the torque Qrat.

ピッチ角度の制御では、風速Vcまではピッチ角度をファイン角θminに保持し、風速Vcからカットアウト風速Voutの範囲で、風速に応じてピッチ角度をファイン側θminからフェザー側θmaxまで変化させる。ただし、図4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度の制御をオーバーラップさせているが、これをVc=Vdとしてオーバーラップをなくし、発電機トルクの制御とピッチ角度の制御を独立に実行させるようにしてもよい。   In the control of the pitch angle, the pitch angle is maintained at the fine angle θmin up to the wind speed Vc, and the pitch angle is changed from the fine side θmin to the feather side θmax in the range from the wind speed Vc to the cutout wind speed Vout according to the wind speed. However, in the example of FIG. 4, the control of the generator torque and the pitch angle is overlapped in the range from the wind speed Vc to the wind speed Vd, but this is set as Vc = Vd to eliminate the overlap and control the generator torque. You may make it control a pitch angle independently.

本発明は、上記の図1から図4において説明した風力発電システムを前提とし、ブレード2の変形による発電効率の低下または翼振動の増加をピッチ角度の調整により防止するものである。   The present invention is based on the wind power generation system described with reference to FIGS. 1 to 4 described above, and is intended to prevent a decrease in power generation efficiency or an increase in blade vibration due to deformation of the blade 2 by adjusting the pitch angle.

本発明の実施例1では、特に発電効率の向上が求められる、カットイン風速Vinから風速Vdのような風速領域における、ブレードの変形による発電効率の低下または翼振動の増加をピッチ角度の調整により防止する。   In the first embodiment of the present invention, particularly in the wind speed region such as the cut-in wind speed Vin to the wind speed Vd where the improvement of the power generation efficiency is required, the decrease of the power generation efficiency due to the deformation of the blade or the increase of the blade vibration is adjusted by adjusting the pitch angle. To prevent.

図5に本発明の実施例1に係る変形量考慮ピッチ角度指令値算出部100のブロック線図を示す。図5に示すように、変形量考慮ピッチ角度指令値算出部100は、解析モデル101および学習器102を備える。また、風速計測部103により風速を計測し、ロータまたは発電機の回転速度計測部(回転速度計測部)104により発電機の回転速度を計測し、ヨー誤差計測部105により風向に対するヨー誤差を計測し、ナセル傾斜角計測部106によりナセル傾斜角を計測し、アジマス角計測部107によりアジマス角を計測し、発電電力計測部108により発電電力を計測し、翼変形量計測部109により翼変形量を計測して、計測されたこれらの計測信号110を変形量考慮ピッチ角度指令値算出部100に入力する。   FIG. 5 shows a block diagram of the deformation amount consideration pitch angle command value calculation unit 100 according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5, the deformation amount consideration pitch angle command value calculation unit 100 includes an analysis model 101 and a learning device 102. In addition, the wind speed measurement unit 103 measures the wind speed, the rotation speed measurement unit (rotation speed measurement unit) 104 of the rotor or the generator measures the rotation speed of the generator, and the yaw error measurement unit 105 measures the yaw error with respect to the wind direction. Then, the nacelle tilt angle measuring unit 106 measures the nacelle tilt angle, the azimuth angle measuring unit 107 measures the azimuth angle, the generated power measuring unit 108 measures the generated power, and the blade deformation amount measuring unit 109 measures the blade deformation amount. Is measured and these measured signals 110 are input to the deformation amount consideration pitch angle command value calculation unit 100.

計測信号110を与えられた解析モデル101からは、予めシミュレーションにより算出済みの変形量考慮ピッチ角度指令値が出力される。学習器102では、計測信号110に基づいて、運転中にピッチ角度指令値を出力する関数を学習し、この関数による変形量考慮ピッチ角度指令値が出力される。   From the analysis model 101 given the measurement signal 110, the deformation amount consideration pitch angle command value calculated in advance by simulation is output. The learning device 102 learns a function that outputs a pitch angle command value during operation based on the measurement signal 110, and outputs a deformation amount consideration pitch angle command value by this function.

図5に本発明の実施例1に係る変形量考慮ピッチ角度指令値算出部100は、変形量考慮ピッチ角度指令値の算出部として、2つの算出部(解析モデル101と学習器102)を備えているが、これらは条件S10に示すように当初準備された解析モデル101の特性を学習器102の経験に応じて補正する関係とされる、あるいは条件S11に示すように初期状態の解析モデル101の出力に学習器102の経験を反映した出力を加味することで、現状の運転状態に即した最適なピッチ角度指令値とすることができる。   In FIG. 5, a deformation amount consideration pitch angle command value calculation unit 100 according to the first embodiment of the present invention includes two calculation units (analysis model 101 and learning device 102) as a deformation amount consideration pitch angle command value calculation unit. However, these are in a relationship of correcting the characteristics of the initially prepared analysis model 101 according to the experience of the learning device 102 as shown in condition S10, or as shown in condition S11, the analysis model 101 in the initial state. By adding the output reflecting the experience of the learning device 102 to the output of the above, it is possible to obtain the optimum pitch angle command value in accordance with the current operating state.

なお変形量考慮ピッチ角度指令値算出部100により算出されたピッチ角度指令値は、ブレードごとに求められて各ブレードのピッチ角度駆動装置8に直接与えられ、あるいは図2の可変速制御部21が与えるブレードごとのピッチ角度指令値にそれぞれ加算されて図1のピッチ角度駆動装置8に与えられる。   The pitch angle command value calculated by the deformation amount consideration pitch angle command value calculation unit 100 is obtained for each blade and directly given to the pitch angle drive device 8 of each blade, or the variable speed control unit 21 of FIG. It is added to the pitch angle command value given to each blade and given to the pitch angle driving device 8 in FIG.

図6は、解析モデル101とその入力の関係をブロック線図で示している。図6に示すように、解析モデル101には、計測信号110のうち、風速計測部103、ロータまたは発電機の回転速度計測部(回転速度計測部)104、ヨー誤差計測部105、ナセル傾斜角計測部106、および、アジマス角計測部107による計測信号を状態信号111として入力し、予め記憶された翼変形量を考慮したピッチ角度指令値(変形量考慮ピッチ角度指令値)を出力する。   FIG. 6 is a block diagram showing the relationship between the analysis model 101 and its inputs. As shown in FIG. 6, the analysis model 101 includes, in the measurement signal 110, a wind speed measurement unit 103, a rotor or generator rotational speed measurement unit (rotational speed measurement unit) 104, a yaw error measurement unit 105, and a nacelle inclination angle. The measurement signals from the measuring unit 106 and the azimuth angle measuring unit 107 are input as a state signal 111, and a pitch angle command value (deformation amount consideration pitch angle command value) that considers the blade deformation amount stored in advance is output.

図7は、変形量考慮ピッチ角度指令値を出力する解析モデルを予め作成するためのフローチャートである。処理ステップS100にて、風速、回転速度、ヨー誤差、ナセル傾斜角、アジマス角の各パラメータを入力する。   FIG. 7 is a flowchart for creating in advance an analysis model that outputs a deformation amount-considering pitch angle command value. In process step S100, parameters such as wind speed, rotation speed, yaw error, nacelle inclination angle, and azimuth angle are input.

処理ステップS101にて、ピッチ角度の初期値を入力する。処理ステップS102にて、処理ステップS100と処理ステップS101の入力値に基づき、各翼素での変形量と空力性能をブレードの空力及び物理モデルにより算出する。   In process step S101, the initial value of the pitch angle is input. In processing step S102, the deformation amount and aerodynamic performance of each blade element are calculated based on the input values of processing step S100 and processing step S101 by the aerodynamic and physical model of the blade.

処理ステップS103にて、空力性能を最大化するピッチ角度が算出されたか否かを判定し、算出されていない場合、処理ステップS101でピッチ角度の値を変更した後、処理ステップS102の処理を再び実施する。これにより、同一パラメータに対して、変形量を考慮した空力性能を最大化するピッチ角度が探索されることとなる。   In processing step S103, it is determined whether or not a pitch angle that maximizes aerodynamic performance has been calculated. If not calculated, the value of the pitch angle is changed in processing step S101, and then the processing of processing step S102 is performed again. carry out. As a result, a pitch angle that maximizes aerodynamic performance considering the deformation amount is searched for for the same parameter.

処理ステップS104にて、取りうる計測情報が網羅されたか否かを判定し、網羅されていない場合、処理ステップS100〜S103の処理を再び実行する。これにより、風車の運転状態を網羅したパラメータに対して、変形量を考慮した空力性能を最大化するピッチ角度が探索されることとなる。   In processing step S104, it is determined whether or not possible measurement information is covered, and if not, the processing of processing steps S100 to S103 is executed again. As a result, the pitch angle that maximizes the aerodynamic performance in consideration of the deformation amount is searched for with respect to the parameters that cover the operating state of the wind turbine.

処理ステップS105にて、風車の運転状態を網羅したパラメータに対して、変形量を考慮した空力性能を最大化するピッチ角度の解析モデルを作成する。   In process step S105, an analysis model of a pitch angle that maximizes aerodynamic performance in consideration of a deformation amount is created for parameters that cover the operating state of the wind turbine.

なお、発電効率の向上が求められる、カットイン風速Vinから風速Vdのような風速領域における空力性能の最大化は、ブレード全体の回転方向に加わるトルクまたは力を最大化、ブレード全体の回転方向に加わる力とブレード全体のスラスト方向に加わる力の商を最大化、ブレード全体の揚力を最大化、または、ブレード全体の揚力と抗力の商を最大化することを示す。   It should be noted that maximizing aerodynamic performance in a wind speed region from the cut-in wind speed Vin to the wind speed Vd, which requires improvement in power generation efficiency, maximizes torque or force applied in the rotation direction of the entire blade, and maximizes torque in the rotation direction of the entire blade. It indicates maximizing the quotient of the applied force and the force of the entire blade in the thrust direction, maximizing the lift of the entire blade, or maximizing the quotient of the lift and drag of the entire blade.

また、ブレードの荷重低下が求められる風速Vd以上のような発電運転時、または、暴風時の発電待機時における空力性能の最大化は、ブレード全体の回転方向に加わる力とブレード全体のスラスト方向に加わる力の商を最大化、ブレード全体のスラスト方向に加わる力を最小化、ブレード全体の揚力と抗力の商を最大化、または、ブレード全体の抗力を最小化することを示す。   In addition, the maximum aerodynamic performance during power generation operation such as wind speed Vd or more where a reduction in blade load is required, or during power generation standby during windstorm is to maximize the force applied in the rotational direction of the entire blade and the thrust direction of the entire blade. Shows that the quotient of applied force is maximized, the force applied in the thrust direction of the entire blade is minimized, the quotient of lift and drag of the entire blade is maximized, or the drag of the entire blade is minimized.

したがって、計測条件に基づいて解析モデルから参照される、変形量考慮ピッチ角度は、風速領域に応じて変更することも可能である。   Therefore, the deformation amount consideration pitch angle, which is referred to by the analysis model based on the measurement condition, can be changed according to the wind speed region.

解析モデル101の実現形態は、関数の形態、及び、テーブル参照型であってもよい。関数は、解析及び過去動作によるデータによって、内挿及び外装などのフィッティング手法もしくは、機械学習によって作成される。これによって、解析モデルの情報量削減が可能となる。しかし、近似誤差が伴う可能性がある。テーブル参照型は、多数のデータを格納することによって、近似誤差を低減することが可能である。しかし、解析モデルの情報量が増大する。   The realization form of the analysis model 101 may be a function form or a table reference type. The function is created by a fitting method such as interpolation and exterior or machine learning based on the data obtained by the analysis and the past operation. This makes it possible to reduce the information amount of the analysis model. However, there may be some approximation error. The table reference type can reduce approximation error by storing a large amount of data. However, the amount of information in the analysis model increases.

解析モデル101をテーブル参照型で構成した場合に、図6の例では風速と回転速度とヨー誤差とナセル傾斜角とアジマス角の5つを入力パラメータとし、ピッチ角度指令値を出力とする5次元のテーブルとなる。なおピッチ角度指令値は、一定値ばかりでなく、所定幅を有する値であってもよい。5次元のテーブル形式の解析モデル101は、図7のフローを事前実行することにより構成され、実運用時には同一時刻に入力した5つの入力パラメータで定まるピッチ角度指令値を出力する。なおテーブル上に5つのパラメータで定まる1つの値が存在しない場合には、適宜の補間処理あるいは多くの入力パラメータで定まる近似値を選択するなどによりピッチ角度指令値を求める処理を実行するものとすることができる。   When the analysis model 101 is configured as a table reference type, in the example of FIG. 6, a five-dimensional configuration in which five parameters of wind speed, rotation speed, yaw error, nacelle inclination angle and azimuth angle are used as input parameters and a pitch angle command value is output. Will be the table. The pitch angle command value is not limited to a constant value and may be a value having a predetermined width. The five-dimensional table format analysis model 101 is configured by executing the flow of FIG. 7 in advance, and outputs the pitch angle command value determined by the five input parameters input at the same time during actual operation. When there is no one value defined by the five parameters in the table, the process for obtaining the pitch angle command value is executed by appropriate interpolation processing or selecting an approximate value defined by many input parameters. be able to.

上記したように、図6、図7に示すところの解析モデル101は、図7の手法により解析モデル101のモデル特性を設定しておき、現況に応じた計測信号110を入力して解析モデル101を参照し変形量を考慮したピッチ角度指令値としたものである。   As described above, in the analysis model 101 shown in FIGS. 6 and 7, the model characteristics of the analysis model 101 are set by the method of FIG. 7 and the measurement signal 110 according to the current state is input to the analysis model 101. Is used as the pitch angle command value in consideration of the deformation amount.

図8は、本発明の実施例1に係る変形量考慮ピッチ角度指令値算出部100の学習器102とその入力の関係を示すブロック線図を示している。   FIG. 8 is a block diagram showing the relationship between the learning device 102 of the deformation amount consideration pitch angle command value calculation unit 100 and its input according to the first embodiment of the present invention.

図8に示すように、学習器102は、解析モデル101と同様に、風速計測部103により風速を計測し、ロータまたは発電機の回転速度計測部(回転速度計測部)104により発電機の回転速度を計測し、ヨー誤差計測部105により風向に対するヨー誤差を計測し、ナセル傾斜角計測部106によりナセル傾斜角を計測し、アジマス角計測部107によりアジマス角を計測し、これらの計測信号を状態信号111として入力する。   As shown in FIG. 8, the learning device 102 measures the wind speed by the wind speed measurement unit 103 and rotates the generator by the rotation speed measurement unit (rotation speed measurement unit) 104 of the rotor or the generator, as in the analysis model 101. The velocity is measured, the yaw error with respect to the wind direction is measured by the yaw error measuring unit 105, the nacelle tilt angle is measured by the nacelle tilt angle measuring unit 106, and the azimuth angle is measured by the azimuth angle measuring unit 107. It is input as the status signal 111.

また、評価信号決定部114において評価信号112を得るために、アジマス角計測部107によるアジマス角と、発電電力計測部108による発電電力と、翼変形量計測部109による翼変形量についての計測信号を使用する。   Further, in order to obtain the evaluation signal 112 in the evaluation signal determination unit 114, a measurement signal about the azimuth angle by the azimuth angle measurement unit 107, the generated power by the generated power measurement unit 108, and the blade deformation amount by the blade deformation amount measurement unit 109. To use.

評価信号112の算出過程において、翼変形量計測部109による計測信号を、翼振動速度演算部113によって、翼振動速度を導出する。翼振動速度演算部109では、例えば、計測したひずみや変位を微分するとによって速度を導出することが可能である。または、計測したひずみや変位の2回微分により、加速度を導出してもよい。または、計測したひずみや変位をそのまま用いることも可能である。   In the process of calculating the evaluation signal 112, the blade vibration velocity calculation unit 113 derives the blade vibration velocity from the measurement signal from the blade deformation amount measurement unit 109. The blade vibration velocity calculation unit 109 can derive the velocity by differentiating the measured strain or displacement, for example. Alternatively, the acceleration may be derived by twice differentiating the measured strain or displacement. Alternatively, it is possible to use the measured strain and displacement as they are.

ウィンドシア、タワーシャドウの影響により、アジマス角に応じて、翼振動速度が増大する可能性がある。また、実際の運転では風速に乱流が伴うため、風速変動の影響により、さらに翼振動速度が増大する可能性もある。特に、長翼ブレードでは、翼振動速度の増大が顕著になる可能性がある。   Due to the effects of wind shear and tower shadow, the blade vibration speed may increase depending on the azimuth angle. Further, in actual operation, the wind speed is accompanied by turbulence, so that the blade vibration speed may further increase due to the influence of the wind speed fluctuation. In particular, with a long blade, the blade vibration speed may be significantly increased.

そこで、図8に示す評価信号決定部114では、アジマス角および/または翼振動速度の大きさに応じ、評価信号として発電電力および/または翼振動速度を用いるのかを決定する機能を有する。例えばタワー近傍のアジマス角では翼振動速度を評価信号112として用いることができる。また、翼振動速度が任意の閾値以上となった場合には、翼振動速度を評価信号112として用いることができ、閾値以下であれば発電電力のみを評価信号112として用いてもよい。これにより、学習器102では、翼振動速度の影響を考慮でき、発電電力の向上に加え、ブレードの荷重も適正化することが可能となる。   Therefore, the evaluation signal determination unit 114 shown in FIG. 8 has a function of determining whether to use the generated power and / or the blade vibration speed as the evaluation signal according to the magnitude of the azimuth angle and / or the blade vibration speed. For example, at the azimuth angle near the tower, the blade vibration speed can be used as the evaluation signal 112. Further, when the blade vibration speed is equal to or higher than an arbitrary threshold value, the blade vibration speed can be used as the evaluation signal 112, and when the blade vibration speed is equal to or lower than the threshold value, only the generated power may be used as the evaluation signal 112. As a result, in the learning device 102, the influence of the blade vibration speed can be considered, and in addition to the improvement of the generated power, the load of the blade can be optimized.

これら状態信号111および評価信号112に基づき、学習器102では、強化学習(Reinforcement Learning)によって、状態信号111に対し評価信号112を改善するピッチ角度指令値を出力する関数を学習する。強化学習は、例えば、風力発電システムのような制御対象などの環境から得られる状態信号を用いて、現状態から将来までに得られる評価信号の期待値が最大となるように、環境への操作信号を生成する学習方法である。なお、強化学習のアルゴリズムには、例えばQ学習、深層強化学習、Actor−Criticなどの公知の技術を利用できる。   Based on the state signal 111 and the evaluation signal 112, the learning device 102 learns a function that outputs a pitch angle command value that improves the evaluation signal 112 with respect to the state signal 111, by reinforcement learning (Reinforcement Learning). Reinforcement learning is, for example, using a state signal obtained from the environment such as a controlled object such as a wind power generation system, so that the expected value of the evaluation signal obtained from the present state to the future is maximized. This is a learning method for generating a signal. As the algorithm for reinforcement learning, known techniques such as Q-learning, deep reinforcement learning, and actor-critical can be used.

なお、解析モデル101が関数の形態である場合には、解析モデル101の関数、および/または、学習器102で強化学習によって学習した関数を更新してもよい。また、解析モデル101が、テーブル参照型である場合には、学習器102で強化学習によって学習した関数を更新し、解析モデル101より出力するピッチ角度指令値に、学習器から出力するピッチ角度指令値を補正値として加算し、最終的なピッチ角度指令値として演算する。これにより、解析モデル101が解析による数値誤差を伴う場合でも、実際の計測データに基づき、学習器102により、ピッチ角度指令値を補正することで、変形考慮ピッチ角度に制御することができる。   When the analysis model 101 is in the form of a function, the function of the analysis model 101 and / or the function learned by the reinforcement learning by the learning device 102 may be updated. If the analysis model 101 is of the table reference type, the function learned by the reinforcement learning by the learning device 102 is updated, and the pitch angle command value output from the analysis model 101 is changed to the pitch angle command output from the learning device. The values are added as correction values, and the final pitch angle command value is calculated. As a result, even if the analysis model 101 is accompanied by a numerical error due to analysis, the learner 102 corrects the pitch angle command value based on the actual measurement data, so that the pitch angle can be controlled in consideration of the deformation.

図8に示した本発明の実施例1に係る変形量考慮ピッチ角度指令値算出部100の学習器102は、要するに風速と回転速度とヨー誤差とナセル傾斜角とアジマス角の5つを入力パラメータとして、基本的には時々刻々の5つの入力パラメータを用いた図7の処理によりその時々のモデル(時間別モデルということにする)を構成して変形量考慮ピッチ角度指令値を得るとともに、他方において評価信号決定部114で定めた評価信号112を用いて上記の時間別モデルを取捨選択する。そのうえで、選択した適切と考えられる時間別モデル群から解析モデル101に対応する学習モデルを形成する。この一連の処理はいわゆる強化学習の考え方を利用して実現されている。   The learning device 102 of the deformation amount-considered pitch angle command value calculation unit 100 according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 8 has five input parameters: wind speed, rotation speed, yaw error, nacelle inclination angle, and azimuth angle. As a general rule, the model of each time (hereinafter referred to as a time-based model) is configured by the processing of FIG. In, the above-mentioned time-based models are selected using the evaluation signal 112 determined by the evaluation signal determination unit 114. Then, a learning model corresponding to the analysis model 101 is formed from the selected time-based model group considered to be appropriate. This series of processing is realized by utilizing the concept of so-called reinforcement learning.

図20には、学習器102に関連する一連の処理がフローチャートとして記載されている。図20の最初の処理である処理ステップS200では、風速、回転速度、ヨー誤差、ナセル傾斜角、アジマス角の各パラメータを入力する。続いて処理ステップS201では、評価信号決定部114で定めた評価信号を入力する。なおこの前提としてはアジマス角、発電電力、翼変形量の入力、ならびに翼振動速度の算出処理が実施され、評価信号を決定する処理がなされているものとする。   In FIG. 20, a series of processes related to the learning device 102 is described as a flowchart. In process step S200, which is the first process in FIG. 20, parameters such as wind speed, rotation speed, yaw error, nacelle tilt angle, and azimuth angle are input. Subsequently, in processing step S201, the evaluation signal determined by the evaluation signal determination unit 114 is input. As a premise, it is assumed that the azimuth angle, the generated power, the blade deformation amount are input, and the blade vibration velocity is calculated and the evaluation signal is determined.

処理ステップS202では、ピッチ角度の操作方法を学習するが、ここでの処理内容が先に述べた「風速と回転速度とヨー誤差とナセル傾斜角とアジマス角の5つを入力パラメータとして、基本的には時々刻々の5つの入力パラメータを用いた図7の処理によりその時々のモデル(時間別モデルということにする)を構成して変形量考慮ピッチ角度指令値を得るとともに、他方において評価信号決定部114で定めた評価信号112を用いて上記の時間別モデルを取捨選択する。そのうえで、選択した適切と考えられる時間別モデル群から解析モデル101に対応する学習モデルを形成する」ことに相当している。したがって、この処理によれば同一入力の時に学習により求めたピッチ角度指令値と、解析モデル101により求めたピッチ角度指令値との間の差分に応じた補正情報S10が求められている。   In the processing step S202, a method for operating the pitch angle is learned, but the processing content here is basically the same as the above-mentioned "basic speed, rotation speed, yaw error, nacelle inclination angle, and azimuth angle. Is configured to obtain a deformation-amount-pitch angle command value by configuring a model at each time (to be referred to as a time-dependent model) by the processing of FIG. The time-based models are selected using the evaluation signal 112 determined by the unit 114. Then, a learning model corresponding to the analysis model 101 is formed from the selected time-based model group that is considered to be appropriate ”. ing. Therefore, according to this processing, the correction information S10 is obtained according to the difference between the pitch angle command value obtained by learning when the same input is made and the pitch angle command value obtained by the analysis model 101.

処理ステップS203では、解析モデル101が関数形式であるか否かを判断し、関数の場合には処理ステップS204の処理に移行し、そうでない場合には処理ステップS207の処理に移行する。   In processing step S203, it is determined whether or not the analysis model 101 is in the functional form, and if it is a function, the processing proceeds to processing step S204, and if not, the processing proceeds to processing step S207.

処理ステップS204では、解析モデル101の関数を、学習により求めたピッチ角度指令値と、解析モデル101により求めたピッチ角度指令値との間の差分に応じた補正情報S10により更新し、処理ステップS205で解析モデル101により求めたピッチ角度指令値を出力し、結果として処理ステップS206においてピッチ角度を制御する。   In processing step S204, the function of the analysis model 101 is updated by the correction information S10 according to the difference between the pitch angle command value obtained by learning and the pitch angle command value obtained by the analysis model 101, and processing step S205 The pitch angle command value obtained by the analysis model 101 is output, and as a result, the pitch angle is controlled in processing step S206.

処理ステップS207では、学習器102によりモデルを構築し、処理ステップS208では学習器102におけるモデルからピッチ角度指令値(この場合には学習器と解析モデル出力の差分を出力)を出力して処理ステップS209で解析モデル101により求めたピッチ角度指令値に加算して出力し、結果として処理ステップS206においてピッチ角度を制御する。   In processing step S207, the model is constructed by the learning device 102, and in processing step S208, the pitch angle command value (in this case, the difference between the learning device and the analysis model output is output) from the model in the learning device 102 and the processing step. In S209, the pitch angle command value obtained by the analysis model 101 is added and output, and as a result, the pitch angle is controlled in processing step S206.

なお、カットイン風速Vinから風速Vdのような低風速領域のみの運転であれば、図5の変形量考慮ピッチ角度指令値算出部100のみでピッチ角度を調整することが可能である。またより広い風速領域での運転を考慮する場合には、図9に示すように、風力発電システム1のピッチ角度制御部22の指令値に、変形考慮ピッチ角度指令値算出部100より算出した指令値を加算することで、最終的なピッチ角度指令値を決定してもよい。ここで、ピッチ角度制御部22は、ピッチ角度指令値を回転速度制御部22aからの指令値とトルク制御部22bからの指令値を加算して算出しても良いし、回転速度制御部22aのみに基づいて、ピッチ角度指令値を算出しても良い。なお図9は、本発明の実施例1に係るコントローラ11に実装されるより広い風速領域での運転制御部の処理概要を示すブロック線図である。   If the operation is performed only in the low wind speed region such as the cut-in wind speed Vin to the wind speed Vd, the pitch angle can be adjusted only by the deformation amount consideration pitch angle command value calculation unit 100 in FIG. Further, when considering operation in a wider wind speed region, as shown in FIG. 9, the command value of the pitch angle control unit 22 of the wind power generation system 1 is a command calculated by the deformation-considered pitch angle command value calculation unit 100. The final pitch angle command value may be determined by adding the values. Here, the pitch angle control unit 22 may calculate the pitch angle command value by adding the command value from the rotation speed control unit 22a and the command value from the torque control unit 22b, or only the rotation speed control unit 22a. The pitch angle command value may be calculated based on Note that FIG. 9 is a block diagram showing an outline of the processing of the operation control unit in the wider wind speed region which is mounted on the controller 11 according to the first embodiment of the present invention.

上記したように、図8に示すところの学習器102は、学習により変形量を考慮したピッチ角度指令値を求めているが、この利用法に関しては、先述したように条件S10に示すように解析モデル101のモデル特性を補正する方式に利用してもよいし、条件S11に示すように初期状態のままの解析モデル101の出力に学習後の学習器102の出力として解析モデル101の出力との間の差分を補填する形式で利用してもよい。   As described above, the learning device 102 shown in FIG. 8 obtains the pitch angle command value in consideration of the deformation amount by learning, but regarding this usage method, the analysis is performed as shown in the condition S10 as described above. It may be used for the method of correcting the model characteristics of the model 101, or as shown in the condition S11, the output of the analysis model 101 in the initial state and the output of the analysis model 101 as the output of the learning device 102 after learning are used. You may use it in the form which compensates for the difference between.

図10は、変形考慮ピッチ角度に対応した発電機トルクの解析モデル101を予め作成するためのフローチャートである。   FIG. 10 is a flowchart for creating in advance an analytical model 101 of the generator torque corresponding to the deformation-considered pitch angle.

図10では、処理ステップS106にて、風速、回転速度、ヨー誤差、ナセル傾斜角、アジマス角、ピッチ角度のパラメータを入力する。処理ステップS107にて、発電電力と発電機トルクを算出する。   In FIG. 10, parameters of wind speed, rotation speed, yaw error, nacelle tilt angle, azimuth angle, and pitch angle are input in processing step S106. In processing step S107, the generated electric power and the generator torque are calculated.

処理ステップS108にて、取りうる計測情報が網羅されたか否かを判定し、網羅されていない場合、処理ステップS106と処理ステップS107の処理を再び実行する。これにより、風車の運転状態を網羅したパラメータに対して、発電機トルクが探索されることとなる。処理ステップS109にて、風車の運転状態を網羅したパラメータに対して、変形量考慮ピッチ角度に対応した発電機トルクを、前記ピッチ角度を格納した解析モデルに追加して格納することで、解析モデル108としてもよい。   In processing step S108, it is determined whether or not possible measurement information has been covered. If not, the processing of processing step S106 and processing step S107 is executed again. As a result, the generator torque is searched for the parameters that cover the operating state of the wind turbine. In processing step S109, the generator model torque corresponding to the deformation amount consideration pitch angle is additionally stored in the analysis model storing the pitch angle for the parameters covering the operating state of the wind turbine to store the analysis model. It may be 108.

図11は、風力発電システム1における、あるブレード断面の翼素に流入する相対風速に対する迎角と、ピッチ角度、初期ねじれ角の関係を説明するための図である。図11に示すように、翼115の回転による回転速度ωと風速Vによる相対風速Wが、翼115に流入する。翼115の回転面と翼弦長のなす角は、ピッチ角度θpとブレードの初期ねじれ角θsの和(θp+θs)である。また、相対風速Wと翼弦長のなす角が翼の迎角α0となる。   FIG. 11: is a figure in the wind power generation system 1 for demonstrating the relationship of the angle of attack with respect to the relative wind speed which flows into the blade element of a certain blade cross section, a pitch angle, and an initial twist angle. As shown in FIG. 11, the rotational speed ω due to the rotation of the blade 115 and the relative wind speed W due to the wind speed V flow into the blade 115. The angle formed by the rotational surface of the blade 115 and the chord length is the sum of the pitch angle θp and the initial twist angle θs of the blade (θp + θs). Further, the angle formed by the relative wind speed W and the chord length is the attack angle α0 of the blade.

また、図12は、図11において、変形量が生じた場合の関係を説明するための図である。翼115に変形量が生じた場合、図12に示すように、相対風速の変化、および、回転面と翼弦長のなす角にねじれφが加わり、翼115の迎角はα1に変化する。   Further, FIG. 12 is a diagram for explaining the relationship when a deformation amount occurs in FIG. 11. When the blade 115 is deformed, as shown in FIG. 12, the relative wind speed changes, and the twist φ is added to the angle formed by the rotating surface and the chord length, and the angle of attack of the blade 115 changes to α1.

図13は、風力発電システム1において、変形量が生じた場合のあるブレード断面の迎角と空力性能(断面空力性能)との関係を示す図である。したがって、図13に示すように、α0からα1に変化するため、翼115の断面空力性能が低下する。ここで、断面空力性能は、翼115の揚力、回転方向に加わるトルク、力、または、翼115の回転方向に加わる力とスラスト方向に加わる力の商である。   FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the angle of attack of the blade cross section and the aerodynamic performance (cross-sectional aerodynamic performance) in the case where a deformation amount occurs in the wind power generation system 1. Therefore, as shown in FIG. 13, since α0 changes to α1, the cross-sectional aerodynamic performance of blade 115 deteriorates. Here, the cross-sectional aerodynamic performance is the quotient of the lift force of the blade 115, the torque and force applied in the rotation direction, or the force applied in the rotation direction of the blade 115 and the force applied in the thrust direction.

図14は、本発明の実施例1に係る変形量考慮ピッチ角度指令値算出部100を適用した場合と、適用しない場合における風速と回転方向に加わる力との関係の1例を示す図である。図14に示すように、データベース適用前の回転方向に加わる力116に対して、データベース適用後の回転方向に加わる力117は、平均で約10%向上することが可能となる。   FIG. 14 is a diagram showing an example of the relationship between the wind speed and the force applied in the rotation direction when the deformation amount consideration pitch angle command value calculation unit 100 according to the first embodiment of the present invention is applied and when it is not applied. . As shown in FIG. 14, the force 117 applied in the rotational direction after applying the database can be improved by about 10% on average with respect to the force 116 applied in the rotational direction before applying the database.

本発明の実施例1を適用した場合、変形量考慮ピッチ角度に制御することが可能であり、さらに、実機運転データを活用してピッチ角度指令値を更新または補正することで、発電電力の向上または荷重の低減が可能である。   When the first embodiment of the present invention is applied, it is possible to control the pitch angle considering the deformation amount, and further, by utilizing the actual machine operation data to update or correct the pitch angle command value, the power generation is improved. Alternatively, the load can be reduced.

図5に示した実施例1の変形量考慮ピッチ角度指令値算出部100において、解析モデル101あるいは学習器102を上記のように構成することの物理的な意義、及び効果を整理すると以下のようである。   In the deformation amount consideration pitch angle command value calculation unit 100 of the first embodiment shown in FIG. 5, the physical significance and effect of configuring the analysis model 101 or the learning device 102 as described above are summarized as follows. Is.

風速計測部103と、回転速度計測部104の出力を活用することによって、変形量を考慮した空力性能を最大化するピッチ角度(翼変形考慮ピッチ角度)に調整することが可能である。   By utilizing the outputs of the wind speed measurement unit 103 and the rotation speed measurement unit 104, it is possible to adjust the pitch angle (blade deformation consideration pitch angle) that maximizes aerodynamic performance in consideration of the deformation amount.

さらに、ヨー誤差計測部105を活用することによって、風力発電システム1が風向と正対していない場合に生じる翼変形考慮ピッチ角度に調整することが可能である。   Furthermore, by utilizing the yaw error measuring unit 105, it is possible to adjust the blade deformation-considered pitch angle that occurs when the wind power generation system 1 is not directly facing the wind direction.

また、ナセル傾斜角計測部106を活用することによって、風力発電システム1が浮体に設置された場合に、ロータ4が前後に傾いた場合に生じる翼変形考慮ピッチ角度に調整することが可能である。   Further, by utilizing the nacelle inclination angle measuring unit 106, when the wind turbine generator system 1 is installed in a floating body, it is possible to adjust to a blade angle considering the blade deformation that occurs when the rotor 4 tilts back and forth. .

風速計測部103は、ナセル5近傍の風速を計測しているため、ウィンドシアと呼ばれる、標高が高くなるほど風速が大きくなる効果を考慮できない。さらに、ダウンウィンド方式風車におけるタワーシャドウと呼ばれるタワー通過後のタワー近傍の風速が低下する効果は考慮できない。そこで、アジマス角計測部107を活用することによって、ウィンドシアとタワーシャドウによる回転1周期中の風速変化が考慮できる。したがって、回転1周期中の翼変形考慮ピッチ角度に調整することが可能となる。この場合、各ブレードを独立ピッチ制御とすることができる。   Since the wind speed measuring unit 103 measures the wind speed in the vicinity of the nacelle 5, it is not possible to consider the effect called wind shear, which increases the wind speed as the altitude increases. Furthermore, the effect of the wind speed near the tower after passing the tower, which is called tower shadow in the downwind type wind turbine, cannot be considered. Therefore, by utilizing the azimuth angle measuring unit 107, it is possible to consider the change in wind speed during one rotation cycle due to wind shear and tower shadow. Therefore, it is possible to adjust the pitch angle to consider blade deformation during one rotation cycle. In this case, each blade can be controlled independently.

翼変形量計測部109は、例えば、光ファイバセンサやひずみゲージなどによって計測することが可能である。具体的な光ファイバセンサの例として、特開2018−145899号に記載の技術を利用できる。光源から光を照射し、ブレードに配置された光ファイバセンサにおいて、ブレードのひずみの変化量に対応した波長を有する光を、光ファイバケーブルを介して検出器に反射する。検出器は伝達された反射光の波長を検出し、検出した反射光は、光強度をひずみに変換することで、波長に対応するひずみ量に変換することができる。   The blade deformation amount measuring unit 109 can measure, for example, an optical fiber sensor or a strain gauge. As a specific example of the optical fiber sensor, the technique described in JP-A-2018-145899 can be used. Light is emitted from a light source, and in an optical fiber sensor arranged on the blade, light having a wavelength corresponding to the amount of change in strain of the blade is reflected by a detector via an optical fiber cable. The detector detects the wavelength of the transmitted reflected light, and the detected reflected light can be converted into the amount of strain corresponding to the wavelength by converting the light intensity into strain.

なおここで、風速計測部103、回転速度計測部104、ヨー誤差計測部105、ナセル傾斜角計測部106、発電電力計測部108、翼変形量計測部109から変形量考慮ピッチ角度指令値算出部100に入力される値は、各計測部の出力信号と一致するものであっても良いし、所定の時定数を設定したフィルタ処理を施した値であっても良い。   In addition, here, from the wind speed measurement unit 103, the rotation speed measurement unit 104, the yaw error measurement unit 105, the nacelle inclination angle measurement unit 106, the generated power measurement unit 108, and the blade deformation amount measurement unit 109 to the deformation amount consideration pitch angle command value calculation unit. The value input to 100 may be the same as the output signal of each measuring unit, or may be a value that has been subjected to filter processing with a predetermined time constant set.

なお本発明の運転制御部を構成するにあたり、実際には計算システムを採用してソフトウェアにより実現するのが実用的である。このため、図2のコントローラ11内の可変速制御部21の機能(ピッチ角度制御部22、発電機トルク制御部23)、あるいは図5の変形量考慮ピッチ角度指令値算出部100の機能などは計算機システムによりソフトウェアにより実現されている。実施例では主要な機能の一部についてのソフトウェアを図7、図8、図9、図10などに例示している。その全てが例示されているわけではないが、ここに例示されない部分も同様にソフトウェア化されて実現されていることは言うまでもない。また計測器あるいは、その出力を加工する変換機能の部分においてもソフトウェア処理とすることができる。   When configuring the operation control unit of the present invention, it is practical to actually adopt a calculation system and implement it by software. Therefore, the function of the variable speed control unit 21 (pitch angle control unit 22, generator torque control unit 23) in the controller 11 of FIG. 2 or the function of the deformation amount consideration pitch angle command value calculation unit 100 of FIG. It is realized by software by the computer system. In the embodiment, software for some of the main functions is illustrated in FIG. 7, FIG. 8, FIG. 9, FIG. Not all of them are illustrated, but it goes without saying that parts not illustrated here are also realized by software. Further, software processing can also be performed in the measuring instrument or the conversion function portion for processing the output thereof.

図15を用いて、本発明の実施例2に係る風力発電システムについて説明する。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。   A wind power generation system according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Note that detailed description of points that are the same as those of the first embodiment will be omitted.

図15は、本発明の実施例2に係る風力発電システムの運転制御部を示すブロック線図である。実施例1と異なり、計測信号110では、アジマス角補正値生成部200を備えており、アジマス角の補正値が変形量考慮ピッチ角度指令値算出部100に入力され、ピッチ角度指令値が算出される構成をとる。   FIG. 15: is a block diagram which shows the operation control part of the wind power generation system which concerns on Example 2 of this invention. Unlike the first embodiment, the measurement signal 110 includes the azimuth angle correction value generation unit 200, and the correction value of the azimuth angle is input to the deformation amount consideration pitch angle command value calculation unit 100 to calculate the pitch angle command value. Take a configuration.

アジマス角補正値生成部200は、例えば、アジマス角計測部107からの値に、ピッチ角度駆動装置の時定数に回転速度計測部104による回転速度を乗じた値を加算することによって、ピッチ角度指令値算出から実際にピッチ角度指令値に到達するまでのアジマス角の位相が進む影響を補正したアジマス角を算出する。このとき、時定数の2倍や3倍の値に回転速度を乗じてもよい。   The azimuth angle correction value generation unit 200 adds, for example, a value obtained by multiplying the value from the azimuth angle measurement unit 107 by the time constant of the pitch angle driving device multiplied by the rotation speed of the rotation speed measurement unit 104 to obtain the pitch angle command. The azimuth angle is calculated by correcting the influence of the advance of the phase of the azimuth angle from the value calculation to the actual reaching of the pitch angle command value. At this time, the rotational speed may be multiplied by a value that is twice or three times the time constant.

本発明の実施例2を適用した場合、アジマス角計測時刻でのピッチ角度指令値と、実際にピッチ角度指令値に到達した時刻で算出すべきピッチ角度指令値のずれを補正することで、発電効率の低下を抑制することが可能である。   When the second embodiment of the present invention is applied, power is generated by correcting the deviation between the pitch angle command value at the azimuth angle measurement time and the pitch angle command value to be calculated at the time when the pitch angle command value is actually reached. It is possible to suppress a decrease in efficiency.

図16を用いて、本発明の実施例3について説明する。なお、実施例1および実施例2と重複する点については詳細な説明を省略する。   A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Note that detailed description of points that are the same as those of the first and second embodiments will be omitted.

図16は、本発明の実施例3に係る風力発電システムの運転制御部を示すブロック線図である。実施例1および実施例2と異なり、ピッチ角度駆動装置の逆モデル300を備えており、逆モデルにより補正したピッチ角度指令値を、実施例1および実施例2におけるピッチ角度指令値に加算することで、最終的なピッチ角度指令値を決定する。逆モデルは、解析及び過去動作のデータによる機械学習によってピッチ角度駆動装置の逆伝達関数を求めることで作成する。   FIG. 16: is a block diagram which shows the operation control part of the wind power generation system which concerns on Example 3 of this invention. Unlike the first and second embodiments, an inverse model 300 of the pitch angle driving device is provided, and the pitch angle command value corrected by the inverse model is added to the pitch angle command value in the first and second embodiments. Then, the final pitch angle command value is determined. The inverse model is created by obtaining the inverse transfer function of the pitch angle driving device by analysis and machine learning based on the past operation data.

本発明の実施例3を適用した場合、ピッチ角度指令値の算出時刻から実際にピッチ角度指令値に到達する時刻までに、計測情報が変動することによって生じる、到達時刻の計測情報により算出されるピッチ角度指令値と、到達時刻における実際のピッチ角度との誤差を逆モデルの活用により補正することで、発電効率の低下を抑制することが可能である。   When the third embodiment of the present invention is applied, it is calculated by the measurement information of the arrival time, which is caused by the variation of the measurement information from the time when the pitch angle command value is calculated to the time when the pitch angle command value is actually reached. By correcting the error between the pitch angle command value and the actual pitch angle at the arrival time by utilizing the inverse model, it is possible to suppress the decrease in power generation efficiency.

図17を用いて、本発明の実施例4に係る風力発電システムの運転制御部について説明する。本発明の実施例4に関わるピッチ角度運転制御部は、実施例1〜実施例3と同様のため、説明を省略する。   The operation control unit of the wind power generation system according to the fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The pitch angle operation control unit according to the fourth embodiment of the present invention is the same as in the first to third embodiments, and thus the description thereof will be omitted.

実施例4では、実施例1〜実施例3と異なり、ピッチ角度計測部400を備え、前記計測部に加えて、ピッチ角度計測部400の計測情報に基づき、解析モデル101より発電機トルク指令値を算出する。   In the fourth embodiment, unlike the first to third embodiments, the pitch angle measuring unit 400 is provided, and in addition to the measuring unit, based on the measurement information of the pitch angle measuring unit 400, a generator torque command value from the analysis model 101. To calculate.

学習器102でも、同様に前記計測部に加えて、ピッチ角度計測部400による計測信号と、前記評価信号に基づき、発電機トルク指令値を出力する関数を更新し、発電機トルク指令値を補正する。   Similarly, in the learning device 102, the function for outputting the generator torque command value is updated based on the measurement signal from the pitch angle measurement unit 400 and the evaluation signal in addition to the measurement unit, and the generator torque command value is corrected. To do.

なお、発電機トルク指令値は、解析モデル101より算出した値のみを用いても良いし、発電機トルク制御部23より算出した値に、解析モデル101より算出した値を加算して最終的な発電機トルク指令値を決定しても良い。   As the generator torque command value, only the value calculated by the analysis model 101 may be used, or the value calculated by the analysis model 101 may be added to the value calculated by the generator torque control unit 23 to obtain the final value. The generator torque command value may be determined.

本発明の実施例4を適用した場合、変形量考慮ピッチ角度指令値での運転に対応した発電機トルクに調整することで、発電効率の低下を抑制することが可能である。   When the fourth embodiment of the present invention is applied, it is possible to suppress a decrease in power generation efficiency by adjusting the generator torque corresponding to the operation with the deformation amount consideration pitch angle command value.

図18を用いて、本発明の実施例5に係る風力発電システムの運転制御部について説明する。実施例1〜実施例4と異なり、発電運転モードと発電待機モードを切り替えることができるモード切替え機能500を備え、これによって発電運転時と発電待機時で、計測情報に基づいて参照する変形量考慮ピッチ角度を変更する。   The operation control unit of the wind turbine generator system according to the fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Different from the first to fourth embodiments, a mode switching function 500 capable of switching between the power generation operation mode and the power generation standby mode is provided, whereby the deformation amount referred to based on the measurement information during the power generation operation and the power generation standby is considered. Change the pitch angle.

また、発電待機時には、ロータまたは発電機の回転は停止するため、計測情報に回転速度計測部および発電電力計測部は不要となる。   In addition, since the rotation of the rotor or the generator is stopped during the power generation standby, the rotation speed measurement unit and the generated power measurement unit are not necessary for the measurement information.

発電待機時には、スラスト方向に加わる力を最小化するようなピッチ角度を解析モデルより参照する。学習器102では、前記計測情報の状態信号と翼振動速度の評価信号に基づき、翼振動速度を改善するピッチ角度指令値を出力する関数を更新する。   During power generation standby, the pitch angle that minimizes the force applied in the thrust direction is referenced from the analytical model. The learning device 102 updates the function for outputting the pitch angle command value for improving the blade vibration speed based on the state signal of the measurement information and the evaluation signal of the blade vibration speed.

本発明の実施例5を適用した場合、発電待機時において変形量考慮ピッチ角度に制御することで、ブレードに加わる荷重を低減することが可能である。   When the fifth embodiment of the present invention is applied, it is possible to reduce the load applied to the blade by controlling the pitch angle considering the deformation amount during the power generation standby.

図19を用いて、本発明の実施例6に係る風力発電システムの運転制御部について説明する。なお、実施例1〜実施例5と重複する点については詳細な説明を省略する。   The operation control unit of the wind turbine generator system according to the sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Note that detailed description of points that are the same as those of the first to fifth embodiments will be omitted.

実施例6においては、変形考慮ピッチ角度指令値算出部100からの指令値と、ピッチ角度制御部22の指令値の加算部に重みつけ演算部600を有し、重みをつけて加算する。これにより、風によるエネルギーの入力を調節する風速の高い定格運転近傍の領域において、変形考慮ピッチ角度の近傍にピッチ角度を制御して発電電力低下を抑制できる。このときの加算方法は、例えば(1)式により決定する。   In the sixth embodiment, a weighting calculation unit 600 is provided in the addition unit of the command value from the deformation-considered pitch angle command value calculation unit 100 and the command value of the pitch angle control unit 22, and weighting is performed for addition. As a result, in the region near the rated operation where the wind speed is high to adjust the energy input by the wind, the pitch angle can be controlled in the vicinity of the deformation-considered pitch angle to suppress a decrease in generated power. The addition method at this time is determined, for example, by the equation (1).

Figure 2020067023
Figure 2020067023

ここで、kは重み係数、θip_demは、i番目のブレードにおける最終的に決定したピッチ角度指令値、θp_convはピッチ角度制御部の指令値、θip_optは変形量考慮ピッチ角度指令値算出部100からの指令値である。kは、風速の計測値V、ピッチ角度が増加し始める風速V、既存制御に対する発電電力の向上率が正、かつ、最小となる風速Vによって下記式により導出する。なお、VとVは事前に性能評価結果を基に演算しておく。 Here, k is a weighting coefficient, θ ip_dem is a finally determined pitch angle command value for the i-th blade, θ p_conv is a command value of the pitch angle control unit, and θ ip_opt is a deformation amount-considering pitch angle command value calculation unit. It is a command value from 100. k is derived from the following equation based on the measured value V of the wind speed, the wind speed V 1 at which the pitch angle begins to increase, and the wind speed V 2 at which the improvement rate of the generated power with respect to the existing control is positive and is the minimum. Note that V 1 and V 2 are calculated in advance based on the performance evaluation result.

Figure 2020067023
Figure 2020067023

導出したkによって、風速V未満では変形考慮ピッチ角度に制御する。また、風速V以上、かつ、風速V未満では変形考慮ピッチ角度から既存指令値へ重みkで加算させ、風速V以上では、既存指令値に制御する。 Based on the derived k, the pitch angle is controlled so as to be considered when the wind speed is lower than V 1 . When the wind speed is V 1 or more and less than the wind speed V 2 , the existing command value is added to the existing command value from the deformation-considered pitch angle, and when the wind speed is V 2 or more, the existing command value is controlled.

以上の実施例を通じて、本発明においては、「ブレードの変形量を考慮したピッチ角度指令値を求める変形量考慮ピッチ角度指令値算出部を備え、変形量考慮ピッチ角度指令値算出部のピッチ角度指令値をピッチ角度駆動装置に与えピッチ角度を変更することを特徴とする風力発電システム」ということができる。   Through the above embodiment, in the present invention, “a deformation amount considering pitch angle command value calculating unit for obtaining a pitch angle command value considering the deformation amount of the blade is provided, and a pitch angle command of the deformation amount considering pitch angle command value calculating unit is provided. A wind power generation system characterized by changing the pitch angle by giving a value to the pitch angle driving device.

さらにピッチ角度の推定手法に関して、「風速、ロータまたは発電機の回転速度、アジマス角の状態信号と、アジマス角および/または翼振動速度に基づき評価信号として決定した発電電力および/または翼振動速度を学習器に入力し、学習器は、状態信号に対する評価信号を改善するピッチ角度指令値を推定し、推定したピッチ角度指令値に基づき、ピッチ角度を制御する」ものということができる。   Furthermore, regarding the pitch angle estimation method, “the wind speed, the rotation speed of the rotor or the generator, the azimuth angle state signal, and the generated power and / or the blade vibration speed determined as the evaluation signal based on the azimuth angle and / or the blade vibration speed are calculated. It is input to the learning device, and the learning device estimates the pitch angle command value for improving the evaluation signal for the state signal, and controls the pitch angle based on the estimated pitch angle command value. "

また学習器の利用手法としては、初期状態に設定された解析モデルのモデル特性を補正する方式、解析モデルとの間の差分を補正する方式などが適用可能である。   As a method of using the learning device, a method of correcting the model characteristics of the analysis model set in the initial state, a method of correcting the difference between the analysis model and the like can be applied.

また学習器などで求めた変形考慮ピッチ角度指令値の利用手法については、直接ブレード2のピッチ角度駆動装置8に与えてもよいし、コントローラ11の出力に加算する形で与えるものであってもよい。   Regarding the method of using the deformation-considered pitch angle command value obtained by the learning device or the like, it may be directly given to the pitch angle driving device 8 of the blade 2 or added to the output of the controller 11. Good.

その他、変形考慮ピッチ角度指令値算出部100を構成するにあたり、種々の構成を採用可能であり、また現況に応じて各種の対応を採用することが可能である。   In addition, in constructing the deformation-considered pitch angle command value calculation unit 100, various configurations can be adopted, and various measures can be adopted depending on the current situation.

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…風向風速センサ、8…ピッチ角度駆動装置、9…タワー、10…電力変換器、11…コントローラ、12…回転速度センサ、21…可変速制御部、22…ピッチ角度制御部、22a…回転速度制御部、22b…トルク制御部、23、発電機トルク制御部、100…変形考慮ピッチ角度指令値算出部、101…解析モデル、102…学習器、103…風速計測部、104…回転速度計測部、105…ヨー誤差計測部、106…ナセル傾斜角計測部、107…アジマス角計測部、108…発電電力計測部、109…翼変形量計測部、110…計測信号、111…状態信号、112…評価信号、113…翼振動速度演算部、114…評価信号決定部、115…翼、116…翼変形考慮ピッチ角度指令値算出部適用前の回転方向に加わる力、117…翼変形考慮ピッチ角度指令値算出部適用後の回転方向に加わる力、200…アジマス角補正値生成部、300…逆モデル、400…ピッチ角度計測部、500…モード切替部、600…重みつけ演算部 1 ... Wind power generation system, 2 ... Blade, 3 ... Hub, 4 ... Rotor, 5 ... Nacelle, 6 ... Generator, 7 ... Wind direction wind speed sensor, 8 ... Pitch angle drive device, 9 ... Tower, 10 ... Power converter, 11 ... Controller, 12 ... Rotational speed sensor, 21 ... Variable speed control part, 22 ... Pitch angle control part, 22a ... Rotational speed control part, 22b ... Torque control part, 23, Generator torque control part, 100 ... Deformation consideration pitch Angle command value calculation unit, 101 ... Analysis model, 102 ... Learner, 103 ... Wind speed measurement unit, 104 ... Rotation speed measurement unit, 105 ... Yaw error measurement unit, 106 ... Nacelle tilt angle measurement unit, 107 ... Azimuth angle measurement unit , 108 ... Generated power measurement unit, 109 ... Blade deformation amount measurement unit, 110 ... Measurement signal, 111 ... Status signal, 112 ... Evaluation signal, 113 ... Blade vibration speed calculation unit, 114 ... Evaluation signal determination unit, 1 5 ... Wing, 116 ... Force applied in rotation direction before application of blade deformation consideration pitch angle command value calculation unit 117 ... Force applied in rotation direction after application of blade deformation consideration pitch angle command value calculation unit, 200 ... Azimuth angle correction value Generation unit, 300 ... Inverse model, 400 ... Pitch angle measurement unit, 500 ... Mode switching unit, 600 ... Weighting calculation unit

Claims (15)

ピッチ角度駆動装置によりピッチ角度を変更可能な複数のブレードと、前記ブレード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備える風力発電システムであって、
前記ブレードの変形量を考慮したピッチ角度指令値を求める変形量考慮ピッチ角度指令値算出部を備え、前記変形量考慮ピッチ角度指令値算出部の前記ピッチ角度指令値を前記ピッチ角度駆動装置に与えピッチ角度を変更することを特徴とする風力発電システム。
A plurality of blades whose pitch angle can be changed by a pitch angle drive device, a rotor that receives wind from the blades to rotate, and a wind power generation system that includes a generator that generates electric power by using rotational energy of the rotor,
The pitch angle command value calculation unit for obtaining a pitch angle command value considering the deformation amount of the blade is provided, and the pitch angle command value of the deformation amount consideration pitch angle command value calculation unit is given to the pitch angle drive device. A wind power generation system characterized by changing a pitch angle.
請求項1に記載の風力発電システムであって、
前記変形量考慮ピッチ角度指令値算出部は、風力発電システムにおける計測信号と前記変形量を考慮したピッチ角度指令値との関係をモデル化した解析モデルと、風力発電システムにおける前記計測信号を用いた学習により前記変形量を考慮したピッチ角度指令値を求める学習器を備えることを特徴とする風力発電システム。
The wind power generation system according to claim 1,
The deformation amount consideration pitch angle command value calculation unit uses an analysis model modeling the relationship between the measurement signal in the wind power generation system and the pitch angle command value in consideration of the deformation amount, and the measurement signal in the wind power generation system. A wind power generation system comprising a learning device for obtaining a pitch angle command value in consideration of the deformation amount by learning.
請求項2に記載の風力発電システムであって、
前記解析モデルの特性を前記学習器の学習経験に応じて補正し、風力発電システムにおける前記計測信号を補正した前記解析モデルに与えたときの前記ピッチ角度指令値を前記ピッチ角度駆動装置に与えることを特徴とする風力発電システム。
The wind power generation system according to claim 2,
Correcting the characteristics of the analysis model according to the learning experience of the learning device, and giving the pitch angle command value to the pitch angle drive device when the measurement signal in the wind power generation system is given to the corrected analysis model. A wind power generation system.
請求項2に記載の風力発電システムであって、
前記解析モデルからの前記ピッチ角度指令値と、前記学習器からの前記ピッチ角度指令値の和を前記ピッチ角度駆動装置に与えることを特徴とする風力発電システム。
The wind power generation system according to claim 2,
A wind power generation system, wherein the pitch angle command value from the analysis model and the sum of the pitch angle command value from the learning device are given to the pitch angle drive device.
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、
発電機トルクと発電機回転数をそれぞれの目標値に制御すべくピッチ角度指令値を定めるピッチ角度制御部を備え、前記ピッチ角度制御部からのピッチ角度指令値および前記変形量考慮ピッチ角度指令値算出部からのピッチ角度指令値を前記ピッチ角度駆動装置に与えピッチ角度を変更することを特徴とする風力発電システム。
The wind power generation system according to any one of claims 1 to 4,
A pitch angle control unit that determines a pitch angle command value to control the generator torque and the generator rotation speed to respective target values is provided, and the pitch angle command value from the pitch angle control unit and the deformation amount consideration pitch angle command value. A wind power generation system, wherein a pitch angle command value from a calculation unit is given to the pitch angle drive device to change the pitch angle.
請求項2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、
前記変形量考慮ピッチ角度指令値算出部は、風速、ロータまたは発電機の回転速度、アジマス角の状態信号と、前記アジマス角および/または翼振動速度に基づき評価信号として決定した発電電力および/または翼振動速度を前記学習器に入力し、
前記学習器は、前記状態信号に対する評価信号を改善するピッチ角度指令値を推定し、推定したピッチ角度指令値に基づき、前記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。
The wind power generation system according to any one of claims 2 to 4,
The deformation amount-considering pitch angle command value calculation unit is a wind speed, a rotation speed of a rotor or a generator, a state signal of an azimuth angle, and generated electric power and / or determined as an evaluation signal based on the azimuth angle and / or blade vibration speed. Input the blade vibration speed to the learning device,
The wind power generation system, wherein the learning device estimates a pitch angle command value that improves an evaluation signal for the state signal, and controls the pitch angle based on the estimated pitch angle command value.
請求項6に記載の風力発電システムであって、
前記変形量考慮ピッチ角度指令値算出部は、前記状態信号に基づき、予め算出されたブレード変形量を考慮したピッチ角度制御情報を記憶した前記解析モデルからピッチ角度制御情報を出力し、
前記学習器によって、前記解析モデルを改善または前記解析モデルによるピッチ角度制御情報を補正することにより、演算されたピッチ角度指令値に基づき、前記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。
The wind power generation system according to claim 6,
The deformation amount consideration pitch angle command value calculation unit, based on the state signal, outputs the pitch angle control information from the analysis model storing the pitch angle control information considering the blade deformation amount calculated in advance,
A wind power generation system, wherein the learning device improves the analysis model or corrects pitch angle control information based on the analysis model to control the pitch angle based on a calculated pitch angle command value.
請求項6または請求項7に記載の風力発電システムであって、
前記変形量考慮ピッチ角度指令値算出部は、発電を開始する第一の風速以上、かつ、定格発電にいたる第2の風速以下の場合に、前記解析モデルから取得した、前記ブレードの回転方向に加わる力若しくはトルクを最大化するように演算されたピッチ角度指令値に基づき、前記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。
The wind power generation system according to claim 6 or 7, wherein
The deformation amount consideration pitch angle command value calculation unit, in the case of a first wind speed or higher for starting power generation and a second wind speed or lower up to rated power generation, acquired from the analysis model, in the rotational direction of the blade. A wind power generation system, wherein the pitch angle is controlled based on a pitch angle command value calculated so as to maximize the applied force or torque.
請求項6から請求項8のいずれかに記載の風力発電システムであって、
前記ロータまたは発電機の回転速度の目標値と計測値の偏差を入力値に利用して、ピッチ角度制御情報を算出するフィードバック制御部を備え、
前記変形量考慮ピッチ角度指令値算出部からのピッチ角度指令値と、前記フィードバック制御部によるピッチ角度制御情報に基づき、演算されたピッチ角度指令値により、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。
The wind power generation system according to any one of claims 6 to 8,
Using a deviation between the target value and the measured value of the rotation speed of the rotor or the generator as an input value, a feedback control unit for calculating pitch angle control information is provided,
Wind power characterized by controlling the pitch angle by the calculated pitch angle command value based on the pitch angle command value from the deformation amount consideration pitch angle command value calculation unit and the pitch angle control information by the feedback control unit. Power generation system.
請求項6から請求項9のいずれか1項に記載の風力発電システムであって、
発電機トルクの目標値と計測値の偏差を入力値に利用して、ピッチ角度制御情報を算出するフィードバック制御部を備え、
前記変形量考慮ピッチ角度指令値算出部からの前記ピッチ角度指令値と、前記フィードバック制御部によるピッチ角度制御情報に基づき、演算されたピッチ角度指令値により、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。
The wind power generation system according to any one of claims 6 to 9,
Using a deviation between the target value of the generator torque and the measured value as an input value, a feedback control unit for calculating pitch angle control information is provided,
The pitch angle is controlled by the calculated pitch angle command value based on the pitch angle command value from the deformation amount consideration pitch angle command value calculation unit and the pitch angle control information by the feedback control unit. Wind power system.
請求項6から請求項10のいずれか1項に記載の風力発電システムであって、
前記ロータまたは発電機の回転速度にピッチ角度駆動装置の時定数を乗じた値を前記アジマス角に加算し、加算値を前記解析モデルまたは/および学習器の状態信号として利用することを特徴とする風力発電システム。
The wind power generation system according to any one of claims 6 to 10,
A value obtained by multiplying the rotational speed of the rotor or the generator by the time constant of the pitch angle driving device is added to the azimuth angle, and the added value is used as a status signal of the analysis model and / or the learning device. Wind power system.
請求項6から請求項11のいずれか1項に記載の風力発電システムであって、
前記ピッチ角度指令値を、ピッチ角度駆動装置の逆伝達関数より作成される逆モデルによって補正したピッチ角度指令値に基づき、ピッチ角度を調整することを特徴とする風力発電システム。
The wind power generation system according to any one of claims 6 to 11,
A wind power generation system, wherein the pitch angle is adjusted based on a pitch angle command value obtained by correcting the pitch angle command value by an inverse model created from an inverse transfer function of a pitch angle drive device.
請求項9または請求項10に記載の風力発電システムであって、
前記解析モデルまたは/および学習器によるピッチ角度制御情報と、前記フィードバック制御部によるピッチ角度制御情報を、重み付け演算部によって演算されたピッチ角度指令値に基づき、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。
The wind power generation system according to claim 9 or claim 10,
The pitch angle control information by the analysis model and / or the learning device and the pitch angle control information by the feedback control unit are controlled based on the pitch angle command value calculated by the weighting calculation unit. Wind power system.
請求項7から請求項13のいずれかに記載の風力発電システムであって、
発電運転モードと発電待機モードを切り替えるモード切替部を備え、前記発電待機モード時には風速の計測情報に基づき、前記解析モデルから取得した、前記ブレードのスラスト方向荷重を最小化するように演算されたピッチ角度制御情報に基づき、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。
The wind power generation system according to any one of claims 7 to 13,
A pitch is calculated so as to minimize the thrust direction load of the blade, which is obtained from the analysis model based on the measurement information of the wind speed in the power generation standby mode, including a mode switching unit that switches between the power generation operation mode and the power generation standby mode. A wind power generation system characterized by controlling a pitch angle based on angle control information.
請求項1から請求項14のいずれかに記載の風力発電システムであって、
前記ブレードが柔構造であることを特徴とする風力発電システム。
The wind power generation system according to any one of claims 1 to 14,
A wind power generation system, wherein the blade has a flexible structure.
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