JP2020139427A - 風力発電システム、風量発電システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的簡易な構成で、実機の運転特性に応じたブレードの荷重変動の低減が可能な信頼性の高い風力発電システムを提供する。【解決手段】風を受けて回転するブレードと、前記ブレードの荷重を支持するタワーと、前記ブレードのピッチ角度を制御するピッチ角度制御装置と、風速を測定する風速測定装置と、発電機またはロータの回転速度を測定する回転速度測定装置と、前記ブレードのアジマス角を測定するアジマス角測定装置と、ブレードのピッチ角度、風速、発電機またはロータの回転速度、ブレードのアジマス角から前記ブレードの荷重を算出する荷重演算装置と、前記荷重演算装置で算出したブレードの荷重から前記ブレードのピッチ角度の補正量であるピッチ角度補正量を算出するピッチ角度補正量導出装置と、を備えることを特徴とする。【選択図】 図３

Description

本発明は、風力発電システムに係り、特に、ブレードの荷重変動の低減に有効な風力発電システムの構成とその制御に関する。

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。

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。

ところで、近年、風力発電システムは発電電力を向上させるため大型化（長翼化）している。発電電力の増加に伴い、風力発電システムへの荷重が増加することから、風力発電システムを構成する各種機器の信頼性を高めることが更に重要となる。特に、ブレードの長翼化によって、ブレード変形が増大する可能性があり、ブレードの荷重変動により振動が増加する可能性がある。また、ブレードの荷重変動により、ブレードに疲労が蓄積し、最終的にはブレードの破損に繋がる恐れもある。

ブレードに発生する荷重変動を低減する方法として、例えば、特許文献１のような技術がある。特許文献１には「複数枚のブレードを有する風力発電装置に用いられるブレードピッチ角度制御装置であって、前記ブレードの荷重変動に影響を及ぼす所定のパラメータ、アジマス角度、及びピッチ角度指令値が互いに関連付けられて格納されている記憶手段と、前記ブレード毎のアジマス角度を検出するアジマス角度検出手段と、前記所定のパラメータを検出するパラメータ検出手段と、前記アジマス角度検出手段によって検出された前記ブレード毎のアジマス角度と前記パラメータ検出手段によって検出された所定のパラメータとによって選定されるピッチ角度指令値を前記ブレード毎にそれぞれ前記記憶手段から取得する指令値取得手段と、前記指令値取得手段によって取得された前記ピッチ角度指令値と前記風力発電装置の出力情報により求められる各ブレード共通の共通ピッチ角度指令値とに基づいて、前記ブレードのピッチ角度を個別に制御するためのピッチ角度制御指令値を生成するピッチ角度制御指令値生成手段と、を具備するブレードピッチ角度制御装置」が開示されている。

特開２００５−８３３０８号公報

上記特許文献１では、予め解析で求められたブレード荷重変動を考慮したピッチ角度の記憶部より、風速やアジマス角度に応じて記憶部からピッチ角度指令値を出力することで、ブレードの荷重変動を低減している。

しかしながら、多数のパラメータに対するピッチ角度指令値を制御装置に格納する必要がある。実際には、多数のパラメータに対するピッチ角度指令値を格納できるメモリサイズには制約があり、制御装置のメモリ増加を引き起こし、機器コストの増加に繋がる。

また、予め解析により求められた値が記憶部から読み込まれ、指令値として出力されるため、実機の運転特性とずれが生じた場合に、ピッチ角度指令値を実際の運転特性に応じて調整することが困難である。

そこで、本発明の目的は、比較的簡易な構成で、実機の運転特性に応じたブレードの荷重変動の低減が可能な信頼性の高い風力発電システムとその制御方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、風を受けて回転するブレードと、前記ブレードの荷重を支持するタワーと、前記ブレードのピッチ角度を制御するピッチ角度制御装置と、風速を測定する風速測定装置と、発電機またはロータの回転速度を測定する回転速度測定装置と、前記ブレードのアジマス角を測定するアジマス角測定装置と、ブレードのピッチ角度、風速、発電機またはロータの回転速度、ブレードのアジマス角から前記ブレードの荷重を算出する荷重演算装置と、前記荷重演算装置で算出したブレードの荷重から前記ブレードのピッチ角度の補正量であるピッチ角度補正量を算出するピッチ角度補正量導出装置と、を備えることを特徴とする。

また、本発明は、ブレードのピッチ角度、風速、発電機またはロータの回転速度、ブレードのアジマス角を測定するステップと、前記測定した風速とアジマス角に基づき、ロータの回転１周期中の風速分布を推定するステップと、前記推定した風速分布と、ブレードのピッチ角度、発電機またはロータの回転速度、ブレードのアジマス角に基づき、ブレード荷重を推定するステップと、アジマス角の測定値に対応したブレード荷重推定値と、ブレード荷重の基準値の差分であるブレード荷重変動値を算出するステップと、前記算出したブレード荷重変動値と、ピッチ角度の変化量に対するブレード荷重の変化量に基づき、ピッチ角度補正量を導出するステップと、前記導出したピッチ角度補正量をピッチ角制御部の指令値に加算することで、ピッチ角度指令値を決定するステップと、を有することを特徴とする。

本発明によれば、比較的簡易な構成で、実機の運転特性に応じたブレードの荷重変動の低減が可能な信頼性の高い風力発電システムとその制御方法を実現することができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の適用対象となる風力発電システム全体の概略構成を示す図である。 図１におけるコントローラ１１の処理概要を示すブロック線図である。 本発明の実施例１に係る荷重変動低減ピッチ角度指令値算出部１００の処理概要を示すブロック線図である。 風力発電システムの風速および発電電力、回転速度、発電機トルク、ピッチ角度の関係を概念的に示す図である。 本発明の実施例１に係るコントローラ１１の処理概要（制御方法）を示すフローチャートである。 ピッチ角度の変化量に対するブレード荷重の変化量（感度）の導出方法の一例を示す図である。 本発明の実施例２に係る荷重変動低減ピッチ角度指令値算出部１００の処理概要を示すブロック線図である。 本発明の実施例３に係る荷重変動低減ピッチ角度指令値算出部１００の処理概要を示すブロック線図である。 本発明の実施例３に係るコントローラ１１の処理概要（制御方法）を示すフローチャートである。 本発明の実施例４に係る荷重変動低減ピッチ角度指令値算出部１００の処理概要を示すブロック線図である。 本発明の実施例５に係る荷重変動低減ピッチ角度指令値算出部１００の処理概要を示すブロック線図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。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６を参照して、本発明の実施例１の風量発電システムとその制御方法について説明する。先ず、図１を用いて、本発明の適用対象となる風力発電システム全体の概略構成について説明する。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（図示せず）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。

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。

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（図示せず）を有している。タワー９は、ハブ３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、地上や洋上、或いは、洋上に繋留された浮体の所定位置に設置された基部（図示せず）に固定されている。

発電機６は、例えばタワー９内に設置される電力変換器１０によって、発電機６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。

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。

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。

図２は、コントローラ１１の処理概要を示すブロック線図である。コントローラ１１に実装される可変速制御部２１（運転制御手段）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（角度）制御部２２を備える。また、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。

つまり、本発明の適用対象となる風量発電システム１は、コントローラ１１のピッチ角度制御装置（ピッチ角度駆動装置８）が、発電機６またはロータ４の回転速度の目標値と計測値の偏差および発電機トルクの目標値と計測値の偏差の少なくともいずれか一方に基づいて、ブレード２のピッチ角度を制御する。

図３に本発明の実施例１に係る荷重変動低減ピッチ角度指令値算出部１００のブロック線図を示す。図３に示すように、荷重変動低減ピッチ角度指令値算出部１００は、図２のピッチ角（角度）制御部２２に実装される回転速度制御部２２a、トルク制御部２２ｂを備える。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（角度）制御部２２の最終的なピッチ角度指令値を決定する。

また、荷重変動低減ピッチ角度指令値算出部１００は、後述するように、風向風速センサ７により計測した風速、回転速度センサ１２により計測した回転速度、図１には図示していないピッチ角度センサにより計測したピッチ角度、同様に図１には図示していないアジマス角度センサ（アジマス角測定装置）により計測したアジマス角を入力し、ブレード２の荷重を演算する荷重演算手段１０１と、荷重演算手段１０１で算出したブレード２の荷重に基づいて、荷重変動を低減するピッチ角度調整量を導出する調整量導出手段１０２を備える。なお、ピッチ角度駆動装置８がピッチ角度センサを兼ねてもよい。

そして、ピッチ角（角度）制御部２２により決定したピッチ角度指令値に、調整量導出手段１０２で導出したピッチ角度調整量を加算することで、各ブレード２（ここでは、３枚のブレードを想定して＃１，＃２，＃３とする）のピッチ角度指令値を決定する。

ここで、アジマス角は、ブレード２が風力発電システム１の鉛直方向となす角度をいう。基準とするブレード２が風車の最上部に位置する時にはアジマス角は０°、最下部に位置する時にはアジマス角は１８０°である。

図４に、コントローラ１１に実装される可変速制御部２１（運転制御手段）によって得られる風力発電システム１の特性を示す。図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。

コントローラ１１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およびピッチ角度を制御する。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。

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。但し、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。

本実施例では、カットイン風速Vinからカットアウト風速Voutまでの風速領域における、ブレードの荷重変動をピッチ角度の調整により防止するものである。

上述したように、図３に示す荷重演算手段１０１には風速、回転速度、ピッチ角度、アジマス角を入力し、運転中のブレード荷重を演算する。荷重演算手段１０１により算出したブレード荷重を調整量導出手段１０２に入力し、演算した荷重変動を低減するピッチ角度調整量を、ピッチ角（角度）制御部２２によ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。

次に、コントローラ１１（荷重変動低減ピッチ角度指令値算出部１００）の各手段の機能を図５に示すフローチャートに従い説明する。

先ず、荷重演算手段１０１に、計測された風速、回転速度、ピッチ角度、アジマス角を入力する。（ステップＳ１００）
この時、風速や回転速度などは、上述したように各センサにより実測した計測値をそのまま用いても良いし、所定時間で平均化処理を施した値、所定の時定数を設定したフィルタ処理を施した値などを用いてもよい。なお、これらの入力は一例であり、他にヨー誤差や、ナセル傾斜角なども入力値として用いることも可能である。

次に、風速とアジマス角に基づき、回転１周期中の風速分布を推定する。（ステップＳ１０１）
この時、例えば、鉛直方向で風速が変化するウィンドシアや、ダウンウィンド風車におけるタワー影響による風速低下は、理論式が存在しているため、それぞれ下式（１），（２）で導出することができる。

ここで、Ｖ_ｓｈｒはウィンドシア補正後の風速、Ｚは鉛直方向の座標、Ｚｈｕｂはハブ高での高さ、Ｖｒｅｆは計測した風速、Ｖ_ｓｄｗはタワーシャドウ補正後の風速、ｅとｗは設定パラメータ、ｙは水平方向の座標、ｄはタワー直径である。

なお、タワーシャドウにおける設定パラメータｅとｗは、計算流体力学（CFD：Computational Fluid Dynamics）や実機の特性を考慮して設定することができる。これらは、一例であるため、実機の計測値に合わせ込んだウィンドシアやタワーシャドウの推定値などを用いてもよい。以上により、回転１周期中での風速分布を推定することができる。

従って、荷重演算手段１０１は、風速およびブレード２のアジマス角から算出したウィンドシアまたはタワーシャドウに基づき、ブレード２の荷重を算出するようにしてもよい。

続いて、ステップＳ１０１で推定された風速分布と、回転速度、ピッチ角度、アジマス角に基づき、ブレード荷重を推定する。（ステップＳ１０２）
ブレード荷重の推定方法について説明する。まず、解析を用いて、風速、回転速度、ピッチ角度をパラメータとして、ブレード荷重を取得する。ここで、風速、回転速度、ピッチ角度を入力として、ブレード荷重を出力する関数は、例えば、多項式や応答曲面法、機械学習によって生成した回帰モデルなどにより導出可能である。回帰モデルを用いることにより、風速や回転速度、ピッチ角度、ヨー誤差、ナセル傾斜角などのパラメータを入力としたブレード荷重を出力する関数も導出することができる。

以上により求めた関数に、風速分布と回転速度などを入力することで、任意のアジマス角でのブレード荷重を推定することが可能である。

次に、アジマス角の計測値に対応したステップＳ１０２でのブレード荷重推定値と、ブレード荷重の基準値の差分であるブレード荷重変動値を演算する。（ステップＳ１０３）
ここで、ブレード荷重の基準値は、例えば、ハブ高でのブレード荷重を用いても良いし、ステップＳ１０２で演算したブレード荷重推定値の回転１周期中の平均値を用いても良い。または、任意のアジマス角に対応したブレード荷重推定値を利用しても良い。

続いて、ステップＳ１０３で演算したブレード荷重変動値と、ピッチ角度の変化量に対するブレード荷重の変化量（感度）を用いて、調整量導出手段１０２により、ピッチ角度補正（調整）量を導出する。（ステップＳ１０４）
図６に、ピッチ角度の変化量に対するブレード荷重の変化量（感度）を導出する一例を示す。先ず、解析を用いて、周速比とピッチ角度をパラメータとして、ピッチ角度に対するブレード荷重を取得する。なお、周速比はブレード先端速度と風速の比であるため、風速と回転速度により演算することができる。

次に、周速比をビンで区切って平均的なブレード荷重を求める。そして、図６に示すように、最小二乗法などにより回帰直線を求め、この直線の傾きを求めることで、感度を導出する。なお、この感度は、解析による導出に限定されず、実機の特性に応じて調整することも可能である。

続いて、ステップＳ１０４で得られたピッチ角度補正（調整）量をフィードバック制御部であるピッチ角（角度）制御部２２の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。（ステップＳ１０５）
上記のステップＳ１０１とステップＳ１０２が荷重演算手段１０１で実行され、ステップＳ１０３とステップＳ１０４が調整量導出手段１０２で実行される。以上の処理を各ブレード毎に実施することで、各ブレードの荷重変動を低減することができる。

なお、各風力発電システム１のブレード２に取付けられたひずみセンサなどにより荷重を計測できる場合には、荷重演算手段１０１は、実機で取得した荷重計測値を利用することも可能である。例えば、周速比やピッチ角度、他のパラメータを入力とした計測したブレード荷重を出力する関数を導出することなども可能である。

また、各風力発電システム１のブレード２に取付けられたひずみセンサなどにより荷重を計測できる場合には、調整量導出手段１０２は、実機の計測データを基に感度をオンライン調整し、更新することも可能である。例えば、実機計測データの蓄積後、周速比をビンで区切ってピッチ角度に対する平均的なブレード荷重を求め、回帰直線による傾きから感度を導出するなども可能である。これにより、実機の運転特性に自動的に調節し、荷重変動を効果的に低減することが可能である。

以上説明したように、本実施例の風力発電システム１は、風を受けて回転するブレード２と、ブレード２の荷重を支持するタワー９と、ブレード２のピッチ角度を制御するピッチ角度制御装置（ピッチ角度駆動装置８）と、風速を測定する風速測定装置（風向風速センサ７）と、発電機６またはロータ４の回転速度を測定する回転速度測定装置（回転速度センサ１２）と、ブレード２のアジマス角を測定するアジマス角測定装置と、ブレード２のピッチ角度、風速、発電機６またはロータ４の回転速度、ブレード２のアジマス角からブレード２の荷重を算出する荷重演算装置（荷重演算手段１０１）と、荷重演算装置（荷重演算手段１０１）で算出したブレード２の荷重からブレード２のピッチ角度の補正量であるピッチ角度補正量を算出するピッチ角度補正量導出装置（調整量導出手段１０２）を備えている。

また、ピッチ角度補正量導出装置（調整量導出手段１０２）は、ブレード２との荷重の基準値であるブレード荷重基準値と荷重演算装置（荷重演算手段１０１）により算出したブレード荷重算出値との差分に応じて、ピッチ角度の補正量であるピッチ角度補正量を算出し、ブレード荷重基準値は、ブレード荷重算出値の回転１周期中の平均によって算出される。

また、ピッチ角度補正量導出装置（調整量導出手段１０２）は、ピッチ角度の変化量に対するブレード荷重の変化量に基づいてピッチ角度補正量を算出する。

また、風力発電システム１には、２ブレードの荷重を測定するひずみセンサ（図示せず）が設けられており、ピッチ角度補正量導出装置（調整量導出手段１０２）は、ひずみセンサにより測定したブレード２の荷重とブレード２のピッチ角度に基づき、ピッチ角度補正量をオンラインで調整する。

本実施例によれば、制御装置（コントローラ１１）に格納されるメモリサイズを減らし、簡易な構成によって荷重変動を低減するピッチ角度に制御することが可能である。また、実機計測データを活用した場合には、実機の運転特性を考慮し、荷重変動を低減することが可能である。さらに、制御装置（コントローラ１１）に実装した後でも、実機の運転特性に合わせてピッチ角度補正量をオンラインで調整することも可能である。

図７を参照して、本発明の実施例２の風量発電システムとその制御方法について説明する。図７は本実施例に係る荷重変動低減ピッチ角度指令値算出部１００のブロック線図である。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。

実施例１と異なり、本実施例の荷重変動低減ピッチ角度指令値算出部１００は、アジマス角補正値生成手段２００を備えており、アジマス角の補正値が荷重演算手段１０１に入力される構成をとる。

アジマス角補正値生成手段２００は、例えば、ピッチ角度駆動装置の時定数と回転速度を乗じた値をアジマス角に加算することによって、調整量導出手段１０２により演算されたピッチ角度補正量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。この時、時定数の２倍や３倍の値に回転速度を乗じてもよい。

また、ピッチ角度制御装置（ピッチ角度駆動装置８）の応答速度をアジマス角に基づき調整するようにしてもよい。

本実施例によれば、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、変動荷重を精度よく低減することが可能である。

図８および図９を参照して、本発明の実施例３の風量発電システムとその制御方法について説明する。図８は本実施例に係る荷重変動低減ピッチ角度指令値算出部１００のブロック線図である。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。

実施例１や実施例２と異なり、本実施例の荷重変動低減ピッチ角度指令値算出部１００は、調整量加算判定手段３００を備えている。風速、ピッチ角度と、調整量導出手段１０２によるピッチ角度補正量が調整量加算判定手段３００に入力され、所定の判定条件を基にピッチ角度指令値が導出される構成をとる。

調整量加算判定手段３００の詳細について図９に示すフローチャートを用いて説明する。

先ず、調整量加算判定手段３００に風速、ピッチ角度、調整量導出手段１０２によるピッチ角度補正量を入力する。（ステップＳ３００）
次に、風力発電システム１の発電電力が定格出力以上か否かを判定する。（ステップＳ３０１）この時の判定条件は、例えば風速Vdとしても良いし、ピッチ角度の閾値を設定し、閾値を基に決定しても良い。

風力発電システム１の発電電力が定格出力以上と判定した場合（Ｎｏ）には、ピッチ角度補正量を出力し（ステップＳ３０３）、定格出力未満と判定した場合（Ｙｅｓ）には、例えば、ピッチ角度補正量を０とする。（ステップＳ３０２）
以上説明したように、本実施例の風力発電システム１は、風速およびブレード２のピッチ角度のうち、少なくともいずれか一方に基づき、ピッチ角度補正量をブレード２のピッチ角度制御量に加算するか否かを判定する調整量加算判定装置（調整量加算判定手段３００）を備えている。

本実施例によれば、ピッチ角度補正量の加算条件を定格出力以上となるような領域のみに限定することで、風速Vd以下での発電効率低下を抑制することが可能である。

図１０を参照して、本発明の実施例４の風量発電システムとその制御方法について説明する。図１０は本実施例に係る荷重変動低減ピッチ角度指令値算出部１００のブロック線図である。なお、実施例１から実施例３と重複する点については詳細な説明を省略する。

実施例１から実施例３とは異なり、本実施例の荷重変動低減ピッチ角度指令値算出部１００は、速度制御部４００を備えている。アジマス角度とピッチ角度指令値が速度制御部４００に入力され、ピッチ角度指令値が導出される構成をとる。

速度制御部４００では、タワー近傍のアジマス角度でのピッチ駆動速度を速める。タワー近傍のアジマス角は、ブレードが頂点（最上部）に位置する際を０°とすると、例えばアジマス角度９０°〜２７０°の範囲内で、速度調整を実施するアジマス角φ_１と速度調整を終了するアジマス角φ_２を任意に定義することができる。本実施例ではアジマス角度９０°〜２７０°としたが、他の領域に設定することも可能である。

以上説明したように、本実施例の荷重変動低減ピッチ角度指令値算出部１００は、ブレード２のアジマス角に基づいてピッチ角度制御装置（ピッチ角度駆動装置８）の速度を制御する速度制御装置（速度制御部４００）を備えている。

本実施例によれば、タワー近傍のアジマス角でピッチ駆動装置の速度を速めることで、タワーシャドウに伴う風速の急峻な変化に追従して、変動荷重を低減することができる。

図１１を参照して、本発明の実施例５の風量発電システムとその制御方法について説明する。図１１は本実施例に係る荷重変動低減ピッチ角度指令値算出部１００のブロック線図である。なお、実施例１から実施例４と重複する点については詳細な説明を省略する。

実施例１から実施例４とは異なり、本実施例の荷重変動低減ピッチ角度指令値算出部１００は、重み付き調整量加算判定手段５００を備えている。

本実施例では、重み付き調整量加算判定手段５００において、ピッチ角度補正量に重みをつける。これにより、加算判定時のピッチ角度補正量の急峻な変化を抑制することができる。この時の加算方法は、例えば下式（３）により決定する。

ここで、kは重み係数、θ_(ip_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、θ（ip_cor）は調整量導出手段１０２からのピッチ角度補正量である。

ｋの導出方法を例として風速を用いて説明する。風速の計測値V、風速Vc、風速Vdによって下記式（４）より導出する。なお、本実施例ではVcとVdを基に説明したが、これらの値に限定されず、解析を用いた事前の性能評価結果を基に演算しておくことも可能である。または、ピッチ角度の値に応じて決定することも可能である。

導出したkによって、風速Vc未満ではピッチ角度補正量は出力しない。また、風速Vc以上、かつ、風速Vd未満では重みkでピッチ角度補正量をピッチ角度制御部２２の指令値に加算させ、風速Vｄ以上では、ピッチ角度補正量をピッチ角度制御部２２の指令値に加算する。

なお、本実施例では風速Vcと風速Vdを基に説明したが、これらの値に限定されず、解析を用いた事前の性能評価結果を基に演算しておくことも可能である。また、ピッチ角度や発電出力の値に応じて決定することも可能である。

以上説明したように、本実施例の重み付き調整量加算判定装置（重み付き調整量加算判定手段５００）は、風速測定装置（風向風速センサ７）により測定した風速に基づき、ピッチ角度補正量をブレード２のピッチ角度制御量に加算するか否かを判定する。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。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…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（角度）制御部（フィードバック制御部）、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…荷重変動低減ピッチ角度指令値算出部、１０１…荷重演算手段、１０２…調整量導出手段、２００…アジマス角補正値生成手段、３００…調整量加算判定手段、４００…速度制御部、５００…重み付き調整量加算判定手段。

Claims (15)

1. 風を受けて回転するブレードと、
   前記ブレードの荷重を支持するタワーと、
   前記ブレードのピッチ角度を制御するピッチ角度制御装置と、
   風速を測定する風速測定装置と、
   発電機またはロータの回転速度を測定する回転速度測定装置と、
   前記ブレードのアジマス角を測定するアジマス角測定装置と、
   ブレードのピッチ角度、風速、発電機またはロータの回転速度、ブレードのアジマス角から前記ブレードの荷重を算出する荷重演算装置と、
   前記荷重演算装置で算出したブレードの荷重から前記ブレードのピッチ角度の補正量であるピッチ角度補正量を算出するピッチ角度補正量導出装置と、を備えることを特徴とする風力発電システム。
2. 請求項１に記載の風力発電システムであって、
   風速およびブレードのピッチ角度のうち、少なくともいずれか一方に基づき、前記ピッチ角度補正量を前記ブレードのピッチ角度制御量に加算するか否かを判定する調整量加算判定装置を備えることを特徴とする風力発電システム。
3. 請求項１に記載の風力発電システムであって、
   前記ピッチ角度制御装置は、発電機またはロータの回転速度の目標値と計測値の偏差および発電機トルクの目標値と計測値の偏差の少なくともいずれか一方に基づき、前記ブレードの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。
4. 請求項１に記載の風力発電システムであって、
   前記荷重演算装置は、前記風力発電システムのヨー誤差から前記ブレードの荷重を算出することを特徴とする風力発電システム。
5. 請求項１に記載の風力発電システムであって、
   前記荷重演算装置は、ナセル傾斜角度から前記ブレードの荷重を算出することを特徴とする風力発電システム。
6. 請求項１に記載の風力発電システムであって、
   前記荷重演算装置は、風速および前記ブレードのアジマス角から算出したウィンドシアまたはタワーシャドウに基づき、前記ブレードの荷重を算出することを特徴とする風力発電システム。
7. 請求項１に記載の風力発電システムであって、
   前記荷重演算装置は、入力値に対し、多項式、応答曲面、機械学習のうち、いずれか一つの方法により前記ブレードの荷重を算出することを特徴とする風力発電システム。
8. 請求項１に記載の風力発電システムであって、
   前記ピッチ角度補正量導出装置は、前記ブレードの荷重の基準値であるブレード荷重基準値と前記荷重演算装置により算出したブレード荷重算出値との差分に応じて、前記ピッチ角度の補正量であるピッチ角度補正量を算出し、
   前記ブレード荷重基準値は、前記ブレード荷重算出値の回転１周期中の平均によって算出されることを特徴とする風力発電システム。
9. 請求項１に記載の風力発電システムであって、
   前記ピッチ角度補正量導出装置は、ピッチ角度の変化量に対するブレード荷重の変化量に基づき前記ピッチ角度補正量を算出することを特徴とする風力発電システム。
10. 請求項１に記載の風力発電システムであって、
    前記風力発電システムは、前記ブレードの荷重を測定するひずみセンサを備え、
    前記ピッチ角度補正量導出装置は、前記ひずみセンサにより測定した前記ブレードの荷重と前記ブレードのピッチ角度に基づき、前記ピッチ角度補正量をオンラインで調整することを特徴とする風力発電システム。
11. 請求項１に記載の風力発電システムであって、
    前記ピッチ角度制御装置の時定数または前記ロータの回転速度に基づき前記ブレードのアジマス角を補正するアジマス角補正値生成装置を備えることを特徴とする風力発電システム。
12. 請求項１に記載の風力発電システムであって、
    前記ピッチ角度制御装置の応答速度を前記アジマス角に基づき調整することを特徴とする風力発電システム。
13. 請求項２に記載の風力発電システムであって、
    前記風速測定装置により測定した風速に基づき、前記ピッチ角度補正量を前記ブレードのピッチ角度制御量に加算するか否かを判定する重み付き調整量加算判定装置を備えることを特徴とする風力発電システム。
14. 請求項１１に記載の風力発電システムであって、
    前記ブレードのアジマス角に基づき前記ピッチ角度制御装置の速度を制御する速度制御装置を備えることを特徴とする風力発電システム。
15. ブレードのピッチ角度、風速、発電機またはロータの回転速度、ブレードのアジマス角を測定するステップと、
    前記測定した風速とアジマス角に基づき、ロータの回転１周期中の風速分布を推定するステップと、
    前記推定した風速分布と、ブレードのピッチ角度、発電機またはロータの回転速度、ブレードのアジマス角に基づき、ブレード荷重を推定するステップと、
    アジマス角の測定値に対応したブレード荷重推定値と、ブレード荷重の基準値の差分であるブレード荷重変動値を算出するステップと、
    前記算出したブレード荷重変動値と、ピッチ角度の変化量に対するブレード荷重の変化量に基づき、ピッチ角度補正量を導出するステップと、
    前記導出したピッチ角度補正量をピッチ角制御部の指令値に加算することで、ピッチ角度指令値を決定するステップと、を有することを特徴とする風量発電システムの制御方法。

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