JP2020153347A - Wind power generator - Google Patents

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JP2020153347A JP2019054951A JP2019054951A JP2020153347A JP 2020153347 A JP2020153347 A JP 2020153347A JP 2019054951 A JP2019054951 A JP 2019054951A JP 2019054951 A JP2019054951 A JP 2019054951A JP 2020153347 A JP2020153347 A JP 2020153347A
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矢澤 義昭
Yoshiaki Yazawa
義昭 矢澤
淳一 杉野
Junichi Sugino
淳一 杉野
啓 角谷
Hiromu Kakuya
啓 角谷
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Hitachi Ltd
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    • Y02E10/70Wind energy
    • Y02E10/72Wind turbines with rotation axis in wind direction

Abstract

To achieve a high speed, accurate, and reliable wind state prediction function by a limited data processing resource of a windmill by using a Lidar for the purpose of improving power generation efficiency and reducing fatigue loading of a wind power generator.SOLUTION: A wind power generator having a tower, a nacelle provided to the tower, and a blade connected to the nacelle is equipped with a Doppler Lidar for detecting a wind speed and a control device in the nacelle. The Doppler Lidar has a function to emit laser beams in a plurality of directions, and measure wind speeds of a plurality of measurement distances along each laser beam in a predetermined measurement time. The control device has a wind speed prediction function to input a dataset that selects a part out of wind speed data measured by the Doppler Lidar, and predict a wind speed at a position of the wind power generator.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、風力発電装置に関する。 The present invention relates to a wind power generator.

風力発電装置は、風速や風向等の風況によって、その稼働効率や、信頼性、寿命等が影響を受ける。そのため、風況予測は重要な課題である。 The operating efficiency, reliability, life, etc. of a wind power generator are affected by wind conditions such as wind speed and direction. Therefore, wind condition forecasting is an important issue.

本技術分野の背景技術として特許文献1がある。特許文献1では、前方風速計測器を備える風力発電装置の運転制御方法であって、前方風速計測器により、風力発電装置の前方遠隔位置における風速を計測するステップと、少なくとも前方風速計測器の変位に基づいて前方風速計測器による計測が行われる前方遠隔位置を特定するステップと、計測された風速と、特定された前方遠隔位置とに基づいて風力発電装置を制御するステップとを備える点が開示されている。 Patent Document 1 is a background technique in this technical field. Patent Document 1 is an operation control method of a wind power generator including a forward wind speed measuring instrument, in which a step of measuring the wind speed at a remote position in front of the wind power generator by the forward wind speed measuring instrument and at least displacement of the forward wind speed measuring instrument. Disclosed that it includes a step of specifying a front remote position where measurement by a forward wind speed measuring instrument is performed based on the above, and a step of controlling a wind power generator based on the measured wind speed and the specified front remote position. Has been done.

特開2013−148058号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-148508

特許文献1に記載のように、前方風速計測器であるナセル搭載のドップラーライダー(以下ライダーと呼ぶ)は、そこから出射されるレーザービームのドップラーシフトから風力発電装置の前方の風況を計測する。風力発電装置の位置での計測値をそのまま制御する方法に比べて、前方風速計測器による前方の風速計測値が風速に従って風力発電装置の位置に到達すると仮定してこれを制御に使うことで制御精度の向上が期待できる。しかしながら、実際の風況は遠方から風力発電装置に到達する間にそのまま伝搬するわけではない。風力発電装置近傍ではローター自身や風車タワーのために風況は複雑に変化し、変化の仕方も風速や時刻によって一様ではない。そこで機械学習を使うことによって、ライダーで計測した遠方風速からローター直前の風速を予測する手法も提案されている。しかしながら、実際の風力発電装置に予測システムを実装する際の制限、特に記憶装置の容量や演算規模、制御応答時間などについては考慮されておらず、最適な精度、速度、コストで風況予測を実現できる予測システムの確立が求められている。 As described in Patent Document 1, a Doppler lidar equipped with a nacelle (hereinafter referred to as a rider), which is a forward wind speed measuring instrument, measures the wind condition in front of the wind power generator from the Doppler shift of the laser beam emitted from the Doppler lidar. .. Compared to the method of controlling the measured value at the position of the wind power generator as it is, it is controlled by assuming that the measured value of the wind speed in front by the forward wind speed measuring instrument reaches the position of the wind power generator according to the wind speed and using this for control. Improvement of accuracy can be expected. However, the actual wind conditions do not propagate as they are while reaching the wind turbine from a distance. In the vicinity of the wind power generator, the wind conditions change in a complicated manner due to the rotor itself and the wind turbine tower, and the way of change is not uniform depending on the wind speed and time. Therefore, a method of predicting the wind speed immediately before the rotor from the distant wind speed measured by the rider by using machine learning has also been proposed. However, the restrictions on implementing the forecasting system in the actual wind power generator, especially the capacity and calculation scale of the storage device, control response time, etc. are not taken into consideration, and the wind condition forecast is made with the optimum accuracy, speed, and cost. There is a need to establish a feasible prediction system.

加えて、洋上に設置された風力発電装置では風と波浪に起因する風力発電装置のタワー傾斜が風速計測に与える影響を除くことが重要である。風速の計測値はタワー傾斜によって静的影響と動的影響を受ける。ここで静的影響とは、タワーが鉛直方向から外れて傾斜することによりライダーから出射されるレーザービームの方向がずれて風速の水平成分が正しく計測できなくなることであり、動的影響とは、タワー傾斜角の変動に伴って風に対してナセルに取り付けられたライダーが相対的に移動するために風速計測値が変動することである。特許文献1では静的影響については記載されているが、動的影響については有効な補正方法が示されておらず、解決手段が求められている。 In addition, for wind turbines installed offshore, it is important to eliminate the effect of wind and wave tower tilt on wind speed measurements. Wind speed measurements are statically and dynamically affected by tower tilt. Here, the static effect means that the direction of the laser beam emitted from the rider shifts due to the tower tilting away from the vertical direction, and the horizontal component of the wind speed cannot be measured correctly. The wind speed measurement value fluctuates because the rider attached to the nacelle moves relative to the wind as the tower inclination angle fluctuates. Patent Document 1 describes the static effect, but does not show an effective correction method for the dynamic effect, and a solution is required.

本発明は、上記背景技術及び課題に鑑み、その一例を挙げるならば、タワーと、タワーに設けられたナセルと、ナセルに接続されたブレードを有する風力発電装置であって、ナセルに風速を検出するドップラーライダーと、制御装置を有し、ドップラーライダーは、レーザービームを複数方向に出射し、各レーザービームに沿って複数の計測距離の風速を所定の計測時間に計測する機能を有し、制御装置は、ドップラーライダーによって計測した風速データの中から一部を選択したデータセットを入力して風力発電装置の位置での風速を予測する風速予測機能を具備する。 In view of the above background technology and problems, the present invention is, for example, a tower, a nacelle provided in the tower, and a wind power generator having a blade connected to the nacelle, and detects the wind speed in the nacelle. It has a Doppler lidar and a control device, and the Doppler lidar has a function of emitting a laser beam in multiple directions and measuring wind speeds of a plurality of measurement distances along each laser beam at a predetermined measurement time, and controls the wind speed. The device is equipped with a wind speed prediction function that predicts the wind speed at the position of the wind power generator by inputting a data set selected from a part of the wind speed data measured by the Doppler lidar.

本発明によれば、最適な精度、速度、コストで風況予測を実現できる風力発電装置を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a wind power generation device capable of realizing wind condition prediction with optimum accuracy, speed, and cost.

実施例1における風力発電装置の風速予測の機能構成図である。It is a functional block diagram of the wind speed prediction of the wind power generation apparatus in Example 1. FIG. 実施例1における風力発電装置の風速予測を説明する図である。It is a figure explaining the wind speed prediction of the wind power generation apparatus in Example 1. FIG. 実施例2おける風力発電装置の風速予測に用いるデータセットの例を示す図である。It is a figure which shows the example of the data set used for the wind speed prediction of the wind power generation apparatus in Example 2. FIG. 実施例2おける風力発電装置の風速予測に用いるデータセットの具体例を示す図である。It is a figure which shows the specific example of the data set used for the wind speed prediction of the wind power generation apparatus in Example 2. FIG. 実施例2おける異なる入力データセットに対する誤差と予測時間の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the error and the estimated time for different input data sets in Example 2. FIG. 実施例3における風力発電装置の傾斜の影響を示す図である。It is a figure which shows the influence of the inclination of the wind power generation apparatus in Example 3. 実施例3における風力発電装置における傾斜の影響を示す図である。It is a figure which shows the influence of the inclination in the wind power generation apparatus in Example 3. 実施例3におけるフィルタ構成による遅延時間の違いを示す図である。It is a figure which shows the difference of the delay time by the filter composition in Example 3. FIG. 実施例4における風力発電装置の傾斜の状況を示す図である。It is a figure which shows the state of inclination of the wind power generation device in Example 4. 実施例5における風力発電装置の風速予測の機能構成図である。It is a functional block diagram of the wind speed prediction of the wind power generation apparatus in Example 5. 実施例6における風力発電装置の風速予測の機能構成図である。It is a functional block diagram of the wind speed prediction of the wind power generation apparatus in Example 6. 従来の風力発電装置の風速予測の機能構成図である。It is a functional block diagram of the wind speed prediction of the conventional wind power generation device.

以下、本発明の実施例につき、図面を用いて説明する。なお、以下では、風力発電装置は風車と記す。 Hereinafter, examples of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following, the wind power generator will be referred to as a wind turbine.

まず、本実施例の前提となる、従来の風車における風速予測による制御の信号の流れについて説明する。図12は従来の風車の風速予測の機能構成図である。図12において、風車10は、風車10の回転数ωgをフィードバック(FB)制御8に入力して得られるFB制御信号θFBと、ライダー5によって計測された風速信号VLによって制御される。FB制御だけで制御される風車に比べて、ライダー計測信号を使うことで精度の高い風車制御が可能になる。 First, the flow of control signals based on wind speed prediction in a conventional wind turbine, which is the premise of this embodiment, will be described. FIG. 12 is a functional configuration diagram of wind speed prediction of a conventional wind turbine. In FIG. 12, the wind turbine 10 is controlled by the FB control signal θFB obtained by inputting the rotation speed ωg of the wind turbine 10 into the feedback (FB) control 8 and the wind speed signal VL measured by the rider 5. Compared to a wind turbine controlled only by FB control, the use of rider measurement signals enables highly accurate wind turbine control.

これに対して、図1は、本実施例における風車の風速予測の機能構成図である。図1において、風車10は、風車10の回転数ωgをフィードバック(FB)制御8に入力して得られるFB制御信号θFBと、フィードフォワード(FF)制御7の出力であるFF制御信号θFFによって制御される。ここで、ライダー5によって計測された風速信号VLが予測システム6に入力され、予測システム6では、学習と予測を行い、風速予測信号VPを出力する。そして、FF制御7は風速予測信号VPが入力されてFF制御信号θFFを出力する。これにより、FB制御8だけで制御される風車に比べて、ライダー計測信号によるFF制御7を使うことでより精度の高い風車制御が可能になる。 On the other hand, FIG. 1 is a functional configuration diagram of wind speed prediction of the wind turbine in this embodiment. In FIG. 1, the wind turbine 10 is controlled by an FB control signal θFB obtained by inputting the rotation speed ωg of the wind turbine 10 into the feedback (FB) control 8 and an FF control signal θFF which is an output of the feedforward (FF) control 7. Will be done. Here, the wind speed signal VL measured by the rider 5 is input to the prediction system 6, and the prediction system 6 performs learning and prediction and outputs the wind speed prediction signal VP. Then, the FF control 7 receives the wind speed prediction signal VP and outputs the FF control signal θFF. As a result, more accurate wind turbine control becomes possible by using the FF control 7 based on the rider measurement signal, as compared with the wind turbine controlled only by the FB control 8.

ここで、高精度の風車制御の実現を目的として実際の風車に予測システムを実装する際には、種々の制限、特に記憶装置の容量や予測における演算規模、さらには制御応答時間などを考慮する必要がある。以下詳細について説明する。 Here, when implementing a prediction system on an actual wind turbine for the purpose of realizing highly accurate wind turbine control, various restrictions, especially the capacity of the storage device, the calculation scale in prediction, and the control response time are taken into consideration. There is a need. Details will be described below.

図2は、本実施例における風車の風速予測を説明する図である。本実施例における風車は、図2(a)に示すように、風況計測装置としてライダー5を備えた風力発電装置であって、少なくとも一本のブレード1と、ブレード1が取り付けられるハブ2、ハブが取付けられたナセル3と、ナセル3を支持するタワー4によって構成される。ブレード1が風を受けることで、ブレード1及びハブ2で構成されるローターが回転してナセル3内に設置された発電機によって発電が行われる。風車に到達する風況を予測する手段としてライダー5がナセル3とライダー計測値を使って風車位置の風況を予測する学習器と予測器からなる風況予測システムが設置される。なお、図2(a)では風の向き20に対してナセル3がブレード1の風上になるようなダウンウィンド型を示したが、ナセルがブレードの風下になるようなアップウィンド型の構成であっても構わない。ライダー5は4つのLOS(Line of Sight)21、22、23、24に沿ってレーザービームを出射し、計測距離R1からR5について各LOSに沿った風速を計測する。ここでLOSや計測距離の数についてはライダーの仕様として異なる値であっても構わない。 FIG. 2 is a diagram for explaining the wind speed prediction of the wind turbine in this embodiment. As shown in FIG. 2A, the wind turbine in this embodiment is a wind power generator equipped with a rider 5 as a wind condition measuring device, and has at least one blade 1 and a hub 2 to which the blade 1 is attached. It is composed of a nacelle 3 to which a hub is attached and a tower 4 that supports the nacelle 3. When the blade 1 receives the wind, the rotor composed of the blade 1 and the hub 2 rotates, and power is generated by the generator installed in the nacelle 3. As a means for predicting the wind condition reaching the wind turbine, a wind condition prediction system including a learner and a predictor for which the rider 5 predicts the wind condition at the position of the wind turbine by using the nacelle 3 and the rider measurement value is installed. In FIG. 2A, a downwind type is shown in which the nacelle 3 is upwind of the blade 1 with respect to the wind direction 20, but an upwind type configuration is used in which the nacelle is downwind of the blade. It doesn't matter if there is. The rider 5 emits a laser beam along four LOS (Line of Sight) 21, 22, 23, 24, and measures the wind speed along each LOS for measurement distances R1 to R5. Here, the LOS and the number of measurement distances may be different values as the rider's specifications.

図2(b)は、予測における入力値と出力値の、位置と時刻の関係の一例を示す。風速予測の精度を向上するためには入力する一定の風況データ数を確保する必要がある。一方で風車に接続されたFF制御、FB制御、予測システムは、コストや設置場所などの観点から予測システムに入力するデータ数に制限がある。この制限に対応するため、図2(b)に入力データの設定例を例示した。ライダー5からは異なる方向のLOS21、22、23、24に計測用のレーザービームが出射される。ここで出射されるレーザービームは、出射方向として1以上の任意の数でよい。また出射方法は連続あってもパルスであってもよい。図2(a)では各複数の計測距離をR1、R2、R3、R4、R5の5点としたが任意の設定でよい。ここでレーザービームは4方向としたので各計測距離について4つの計測値が得られ、レーザービーム出射角度を考慮した4ビームの平均から4ビームの中心方向の風速を求めることができる。 FIG. 2B shows an example of the relationship between the position and the time of the input value and the output value in the prediction. In order to improve the accuracy of wind speed prediction, it is necessary to secure a certain number of wind condition data to be input. On the other hand, the FF control, FB control, and prediction system connected to the wind turbine have a limitation on the number of data to be input to the prediction system from the viewpoint of cost and installation location. In order to cope with this limitation, an example of setting input data is illustrated in FIG. 2 (b). Laser beams for measurement are emitted from the rider 5 to LOS 21, 22, 23, and 24 in different directions. The laser beam emitted here may be any number of 1 or more as the emission direction. Further, the emission method may be continuous or pulsed. In FIG. 2A, each of the plurality of measurement distances is set to 5 points of R1, R2, R3, R4, and R5, but any setting may be used. Since the laser beam is set in four directions, four measured values can be obtained for each measurement distance, and the wind speed in the center direction of the four beams can be obtained from the average of the four beams in consideration of the laser beam emission angle.

図2(b)において、計測距離R1からR5に対して横方向にライダーで計測するタイミングを示す。白丸はライダーによる計測点、黒丸は予測に使うライダー計測点、黒四角は予測点である。図2(b)の計測点は4ビーム中心の値を示している。4ビーム中心の計測値は時間間隔Δtごとに予測システムに向けて出力される。図2(b)では、5つの特定距離とΔtごと5つの時刻での合計25点の計測点を使って距離R1、時刻t+tの風速予測値を得ている。ここで、VR5は測定距離R5での風速、時刻t0は現在時刻とすると、t1=(R5−R1)/VR5はt0から未来に向けての時間であり、したがってt0+t1は風速を予測する時刻である。 FIG. 2B shows the timing of measurement by the rider in the lateral direction with respect to the measurement distances R1 to R5. White circles are measurement points by the rider, black circles are rider measurement points used for prediction, and black squares are prediction points. The measurement points in FIG. 2B show the values at the center of 4 beams. The measured value at the center of the four beams is output to the prediction system every time interval Δt. In FIG. 2B, wind speed prediction values at a distance R1 and a time t 0 + t 1 are obtained using a total of 25 measurement points at five specific distances and five times for each Δt. Here, assuming that VR5 is the wind speed at the measurement distance R5 and time t0 is the current time, t1 = (R5-R1) / VR5 is the time from t0 to the future, and therefore t0 + t1 is the time for predicting the wind speed. is there.

予測に使うライダー計測点は、風車におけるFF制御、FB制御、予測システムの構成、風車の設置された場所、風車が運転される季節等によって風車運転の管理者が設定する必要がある。そこで図1に示すように、予測システム6に入力するデータセットを規定する計測距離、計測時刻等のパラメータを設定するパラメータ設定ユーザインターフェース11を設けて、ここから設定する。また、設定パラメータの確認、予測値の確認、予測値と実測値の比較等の表示機能を有する表示ユーザインターフェース12を設ければ予測に関連するパラメータの妥当性について確認することが可能になる。 The rider measurement point used for prediction needs to be set by the wind turbine operation manager according to the FF control and FB control of the wind turbine, the configuration of the prediction system, the location where the wind turbine is installed, the season in which the wind turbine is operated, and the like. Therefore, as shown in FIG. 1, a parameter setting user interface 11 for setting parameters such as a measurement distance and a measurement time that defines a data set to be input to the prediction system 6 is provided and set from here. Further, if the display user interface 12 having display functions such as confirmation of setting parameters, confirmation of predicted values, and comparison of predicted values and actually measured values is provided, it is possible to confirm the validity of parameters related to prediction.

これにより、ナセル搭載のライダーで計測された前方風況を使って導出した短期未来の風車位置風速予測に基づいて制御信号を生成することで風車のブレード角制御等に対する応答遅延を減少させ制御効果が向上する。具体的には風速予測に基づいて風車のヨー制御、ブレードピッチ制御、トルク制御等を実施することで発電効率が向上し、風車ブレードの疲労荷重が減少して風車の信頼性・寿命を改善できる。 As a result, by generating a control signal based on the short-term future wind turbine position and wind speed prediction derived using the forward wind conditions measured by the rider equipped with the nacelle, the response delay to the blade angle control of the wind turbine is reduced and the control effect is reduced. Is improved. Specifically, by implementing yaw control, blade pitch control, torque control, etc. of the wind turbine based on the wind speed prediction, the power generation efficiency can be improved, the fatigue load of the wind turbine blades can be reduced, and the reliability and life of the wind turbine can be improved. ..

なお、図1で示した、各機能は、ハードウェアとしては一般的な情報処理装置である、制御装置(CPU)と記憶装置を有する装置によって実現される。すなわち、図1における、予測システム6、FF制御7、FB制御8は、記憶装置に格納されたプログラムをCPUが実行することによりそれらの機能を実行する。また、パラメータ設定ユーザインターフェース11は、ユーザからのパラメータ等のデータを入力する装置であり、キーボードやタッチパネル等である。また、表示ユーザインターフェース12は、モニタ等の表示装置である。なお、パラメータ設定ユーザインターフェース11と表示ユーザインターフェース12はタッチパネル等の一体形式としてもよい。 Each function shown in FIG. 1 is realized by a device having a control device (CPU) and a storage device, which is a general information processing device as hardware. That is, the prediction system 6, the FF control 7, and the FB control 8 in FIG. 1 execute their functions by executing the programs stored in the storage device by the CPU. The parameter setting user interface 11 is a device for inputting data such as parameters from the user, such as a keyboard and a touch panel. Further, the display user interface 12 is a display device such as a monitor. The parameter setting user interface 11 and the display user interface 12 may be integrated with a touch panel or the like.

以上のように、本実施例によれば、風車のブレード角度などの制御応答時間を確保して最適な制御が可能となり、風車の発電効率と信頼性を向上できる。また、学習器、予測器、制御器について限られた風車での設備、すなわち、限られた記憶容量、演算速度など、を使って最適な精度、速度、コストで風況予測を実現できる風力発電装置を提供できる。 As described above, according to the present embodiment, the control response time such as the blade angle of the wind turbine can be secured to enable optimum control, and the power generation efficiency and reliability of the wind turbine can be improved. In addition, wind power generation that can realize wind condition prediction with optimum accuracy, speed, and cost using equipment with limited wind turbines for learners, predictors, and controllers, that is, limited storage capacity, calculation speed, etc. Equipment can be provided.

本実施例は、風速予測に用いるライダー計測点の決め方、すなわち入力データセットの規定法について説明する。 This embodiment describes how to determine the rider measurement points used for wind speed prediction, that is, how to specify the input data set.

図3は、本実施例における風車の風速予測に用いるデータセットの例を示す図である。(a)は、入力点を1点とした場合である。すなわち、計測距離R2の時刻tの1点を使って距離R1、時刻t+tの風速予測値を得ている。ここで、VR2を測定距離R2での風速とすると、t1=(R2−R1)/VR2である。この場合、入力データ数が1点であるため記憶容量や演算について予測システムに与える負荷は最も少ないが予測精度を向上するには不利である。(b)は、時刻tにおける異なる計測距離R1、R2、R3、R4、R5における5つの計測距離の風速を入力し、距離R1、時刻t+tの風速予測値を得ている。すなわち、t1=(R5−R1)/VR5である。この場合、1時刻のみの風況の空間分布情報を予測システムに送っており、時間変化情報が予測システムに送れられないので、予測精度の向上にはやや不利である。(c)は、ある時刻におけるR5における1点の風速と別時刻のR2における1点の風速を入力値としている。ここではR5の風速を使って風況は風速に乗って平行移動するという仮定でR2の測定時刻t =(R5−R2)/VR5を決めている。この場合、風況の空間変化と時間変化の情報を入力できるので予測精度向上の点で有利だが2点の間の時間間隔tの設定により精度に差が生ずる。予測システムにおいては時間間隔設定の演算の負荷が増加する。(d)は、時刻と計測距離が異なる4点を入力している。この場合、空間変化と時間変化の情報を入力できるので予測精度向上の点で比較的有利である。 FIG. 3 is a diagram showing an example of a data set used for predicting the wind speed of the wind turbine in this embodiment. (A) is a case where one input point is set. That is, the wind speed prediction value at the distance R1 and the time t 0 + t 1 is obtained by using one point at the time t 0 of the measurement distance R2. Here, assuming that VR2 is the wind speed at the measurement distance R2, t1 = (R2-R1) / VR2. In this case, since the number of input data is one point, the load on the prediction system regarding the storage capacity and the calculation is the smallest, but it is disadvantageous for improving the prediction accuracy. (B) receives the different measurement distances R1, R2, R3, R4, R5 5 single wind speed measurement distance at at time t 0, the distance R1, to obtain a wind speed prediction value at time t 0 + t 1. That is, t1 = (R5-R1) / VR5. In this case, the spatial distribution information of the wind condition for only one time is sent to the prediction system, and the time change information cannot be sent to the prediction system, which is somewhat disadvantageous for improving the prediction accuracy. In (c), the wind speed at one point at R5 at a certain time and the wind speed at one point at R2 at another time are used as input values. Here, the measurement time t 2 = (R5-R2) / VR5 of R2 is determined on the assumption that the wind condition moves in parallel with the wind speed using the wind speed of R5. In this case, since the information on the spatial change and the time change of the wind condition can be input, it is advantageous in terms of improving the prediction accuracy, but the accuracy differs depending on the setting of the time interval t 2 between the two points. In the prediction system, the calculation load of the time interval setting increases. In (d), four points having different times and measurement distances are input. In this case, since information on spatial change and temporal change can be input, it is relatively advantageous in terms of improving prediction accuracy.

図4は、図3(d)の入力データパターンを採用した場合の具体例である。図4(a)は、2点の計測距離をR1=50m、R2=80mとし、2点の計測時刻の間隔を5秒(s)としている。予測時刻と現在時刻tとの差tは実施例1の記載と同様でt =(R2−R1)/VR2=(80−50)/VR2である。風速VR2が10m/sの場合、tは3sとなる。このtの時間内に風車位置での予測をし、それに基づいてブレードピッチ角の制御を開始する。図4(b)は、点の計測距離をR6=240m、R5=200mとし(以下、240&200mと略す)、2点の計測時刻の間隔を5sとしたときの入力データパターンを示す。風速VR6が10m/sの場合、t=(R6−R1)/VR6=(240−50)/10=19sとなる。予測に用いる風速の計測距離を増加するとより先の未来の風速を予測でき、風車の制御のための時間に余裕が生まれるが予測の誤差が大きくなる。この関係を図5に示す。 FIG. 4 is a specific example when the input data pattern of FIG. 3D is adopted. In FIG. 4A, the measurement distances of the two points are R1 = 50 m and R2 = 80 m, and the interval between the measurement times of the two points is 5 seconds (s). The difference t 1 between the predicted time and the current time t 0 is the same as that described in the first embodiment, and t 1 = (R2-R1) / VR2 = (80-50) / VR2. When the wind speed VR2 is 10 m / s, t 1 is 3 s. Within the time of t 1 , the wind turbine position is predicted, and the control of the blade pitch angle is started based on the prediction. FIG. 4B shows an input data pattern when the measurement distances of the points are R6 = 240 m and R5 = 200 m (hereinafter, abbreviated as 240 & 200 m) and the interval between the measurement times of the two points is 5 s. When the wind speed VR6 is 10 m / s, t 1 = (R6-R1) / VR6 = (240-50) / 10 = 19s. By increasing the measurement distance of the wind speed used for prediction, it is possible to predict the wind speed in the future, and there will be more time for controlling the wind turbine, but the prediction error will increase. This relationship is shown in FIG.

図5において、5種類の入力データパターン(80&50m、160&50m、160&120m、240&120m、240&200m)に対して平均絶対予測誤差(MAE)(棒グラフ)と予測時間(折れ線)の関係を図5(a)に示す。また、同じ入力データパターンに対して平均パーセント誤差(MAPE)(棒グラフ)と予測時間(折れ線)の関係を図5(b)に示す。予測時間については計測距離(遠方側)の風速(HWS)を10m/sと20m/sの2ケースについて示している。図5から、計測距離が増大すると予測時間が増加して制御における時間的余裕が確保できる一方で誤差が増加することがわかる。そのため、時間的余裕を優先するか、誤差低減を優先するかを、図1に示した、予測システム6に入力するデータセットを規定する計測距離、計測時刻等のパラメータをユーザインターフェース11で設定することで選択できるようにする。 In FIG. 5, the relationship between the average absolute prediction error (MAE) (bar graph) and the prediction time (line) for five types of input data patterns (80 & 50m, 160 & 50m, 160 & 120m, 240 & 120m, 240 & 200m) is shown in FIG. 5A. .. Further, FIG. 5 (b) shows the relationship between the average percentage error (MAPE) (bar graph) and the predicted time (line) for the same input data pattern. As for the predicted time, the wind speed (HWS) of the measurement distance (far side) is shown for two cases of 10 m / s and 20 m / s. From FIG. 5, it can be seen that as the measurement distance increases, the predicted time increases and the time margin in control can be secured, while the error increases. Therefore, the user interface 11 sets parameters such as the measurement distance and the measurement time that define the data set to be input to the prediction system 6, as shown in FIG. 1, whether to prioritize the time margin or the error reduction. Make it possible to select by.

このように、予測システムに入力するライダー計測値のパターン(計測距離、計測時刻、データ数)を最適化するためのユーザインターフェースを備えることで、風車性能、天候状況、風車設置場所などに特有のパラメータを柔軟に入力、変更することが可能になる。すなわち、ライダー計測点パターン(距離と時刻)を、天候、風車性能などに応じて任意に変化させることができる。 In this way, by providing a user interface for optimizing the pattern of rider measurement values (measurement distance, measurement time, number of data) input to the prediction system, it is unique to wind turbine performance, weather conditions, wind turbine installation location, etc. It is possible to flexibly input and change parameters. That is, the rider measurement point pattern (distance and time) can be arbitrarily changed according to the weather, wind turbine performance, and the like.

本実施例は、風車のタワー傾斜が風速計測に与える影響を考慮した実施例について説明する。 In this embodiment, an embodiment in which the influence of the tower inclination of the wind turbine on the wind speed measurement will be described.

図6は、本実施例における風車の傾斜の影響を示す図である。図6(a)に示すように、浮体構造16に設置された風車は風の他に波によって傾斜してナセルに搭載されたライダー5が移動する。そのため、水平方向風速HWSを求めるのに傾斜の影響を除く補正が必要である。補正には静的補正と動的補正があり、静的補正は傾斜によってライダーから出射されるレーザービームの角度変化に対応するものである。傾斜角が与えられればHWSを計算することができる。動的補正は、タワー傾斜角の変動に伴ってライダーが相対的に移動するために風速計測値が変動することを補正するものである。 FIG. 6 is a diagram showing the influence of the inclination of the wind turbine in this embodiment. As shown in FIG. 6A, the wind turbine installed in the floating structure 16 is tilted by waves in addition to the wind, and the rider 5 mounted on the nacelle moves. Therefore, in order to obtain the horizontal wind speed HWS, it is necessary to make a correction excluding the influence of the inclination. There are static correction and dynamic correction, and the static correction corresponds to the change in the angle of the laser beam emitted from the rider due to the inclination. The HWS can be calculated given the tilt angle. The dynamic correction is to correct the fluctuation of the wind speed measurement value due to the relative movement of the rider as the tower inclination angle fluctuates.

本実施例では動的補正についての方法を提供するものである。図6(b)は風速計測値にタワー傾斜(τ)が与える動的影響を示している。ここでτは実測値に対してローパスフィルタ処理した後の値を示している。ローパスフィルタの必要性と設計については本実施例の後半に示す。異なる計測距離(50m、80m、120m、160m、200m)のライダー計測による風速の時間変化と傾斜の時間変化を重ねて示している。このグラフから各計測距離において風速が同相で変化していることと傾斜角変化の位相が一致していることから、この変化は風況の空間的移動によるものではなく傾斜によるものであることがわかる。風速の同相変化分すなわち傾斜(τ)によるライダーの周速度ω17は、図6(a)に示すように傾斜角がτのとき、ω=(dτ/dt)Lτで表すことができる。ここでLτは、ライダーの周速度を計算する際の傾斜の腕の長さである。すなわち、浮体構造16と風車10の重心からナセル3までの距離である。ライダーの計測値から得られてHWSに上記ωを加えることによって動的補正をすることが可能になる。動的補正を導入することによって振動による風速変動を除くことができ、予測の精度を向上することができる。 In this embodiment, a method for dynamic correction is provided. FIG. 6B shows the dynamic effect of the tower inclination (τ) on the measured wind speed. Here, τ indicates a value after low-pass filtering with respect to the measured value. The necessity and design of the low-pass filter will be shown later in this embodiment. The time change of the wind speed and the time change of the inclination by the rider measurement of different measurement distances (50m, 80m, 120m, 160m, 200m) are shown superimposed. From this graph, since the wind speed changes in phase at each measurement distance and the phase of the inclination angle change matches, it can be said that this change is not due to the spatial movement of the wind condition but due to the inclination. Recognize. The rider's peripheral speed ω17 due to the in-phase change of the wind speed, that is, the inclination (τ) can be expressed by ω = (dτ / dt) Lτ when the inclination angle is τ as shown in FIG. 6A. Here, Lτ is the length of the tilted arm when calculating the peripheral speed of the rider. That is, it is the distance from the center of gravity of the floating structure 16 and the wind turbine 10 to the nacelle 3. Dynamic correction can be performed by adding the above ω to the HWS obtained from the measured value of the rider. By introducing dynamic correction, it is possible to eliminate wind speed fluctuations due to vibration and improve the accuracy of prediction.

先に述べたように図6(b)ではτをローパスフィルタ処理した後の値をプロットしている。順序が逆になるが、図7(a)にローパスフィルタ前の実測値と、ローパスフィルタ処理後の値を合わせて示す。ローパスフィルタはディジタルフィルタを使い、その構成はIIR(Infinite Impulse Response)とし、バイクワッド形式のフィルタを縦続型(cascade form)に接続(接続数を次元と呼ぶ)して次元を変えて(1次元と5次元)フィルタ特性を検討した。図7(a)のローパスフィルタ処理前のプロット(フィルタなし)を見ると±2.5程度の傾斜角センサのノイズによるばらつきがある。動的補正のために図6(a)で示したライダーの移動速度を求めるにはτの時間微分dτ/dtがタワー振動による移動速度を反映するようにフィルタを設計する必要がある。図7(b)に傾斜角の時間微分の計算値を示す。図6(b)で用いたフィルタは5次元である。このような構成のフィルタを用いて処理したτから(dτ/dt)×Lτをもとめて風速計測値を動的に補正することによりタワー傾斜の影響を除いて、風速の予測誤差を低減することが可能になる。 As described above, in FIG. 6B, the values of τ after being low-pass filtered are plotted. Although the order is reversed, FIG. 7A shows the measured value before the low-pass filter and the value after the low-pass filter processing together. A digital filter is used as the low-pass filter, the configuration is IIR (Infinite Impulse Response), and a bike-wad type filter is connected to a cascade form (the number of connections is called a dimension) to change the dimension (one dimension). And 5 dimensions) Filter characteristics were examined. Looking at the plot (without filter) before the low-pass filter processing in FIG. 7A, there is a variation due to noise of the tilt angle sensor of about ± 2.5. In order to obtain the movement speed of the rider shown in FIG. 6A for dynamic correction, it is necessary to design the filter so that the time derivative dτ / dt of τ reflects the movement speed due to the tower vibration. FIG. 7B shows the calculated value of the time derivative of the inclination angle. The filter used in FIG. 6B is five-dimensional. By dynamically correcting the wind speed measurement value by obtaining (dτ / dt) × Lτ from τ processed using the filter having such a configuration, the influence of the tower inclination is removed and the wind speed prediction error is reduced. Becomes possible.

図8は、本実施例におけるフィルタ構成による遅延時間の違いを示す図である。図8に示すように、フィルタの次元が大きくなるに従い、遅延時間も大きくなるので、その遅延時間も考慮して予測することで、より風速予測の精度が向上する。 FIG. 8 is a diagram showing a difference in delay time depending on the filter configuration in this embodiment. As shown in FIG. 8, as the dimension of the filter increases, the delay time also increases. Therefore, the accuracy of wind speed prediction can be further improved by making a prediction in consideration of the delay time.

以上のように、本実施例によれば、風車の傾斜角の動的補正によりライダー計測された風速と実際の風速との乖離が減少して風速予測の精度が向上する。 As described above, according to the present embodiment, the deviation between the wind speed measured by the rider and the actual wind speed is reduced by the dynamic correction of the inclination angle of the wind turbine, and the accuracy of the wind speed prediction is improved.

実施例3で説明した動的補正において、Lτは重要なパラメータとなるがその導出は運転状況に応じて変える必要がある。図6(a)では浮体構造16と風車10の重心からナセル3までの距離をLτとして示しているが、実際には図9に示す様にタワーのベンディングを含めた腕の長さはLτ’となる。そこで風車構造や風車の運転環境に応じたLτを与えるために実施例1、2と同様のユーザインターフェースを設けることで適切な値を入力することができる。 In the dynamic correction described in the third embodiment, Lτ is an important parameter, but its derivation needs to be changed according to the operating conditions. In FIG. 6A, the distance from the center of gravity of the floating structure 16 and the wind turbine 10 to the nacelle 3 is shown as Lτ, but in reality, as shown in FIG. 9, the length of the arm including the bending of the tower is Lτ'. It becomes. Therefore, an appropriate value can be input by providing the same user interface as in Examples 1 and 2 in order to give Lτ according to the wind turbine structure and the operating environment of the wind turbine.

本実施例では、より具体的な、予測システムに入力する風速と傾斜角のデータセットパターンを規定するユーザインターフェースを含む風速予測の機能構成について説明する。 In this embodiment, a more specific functional configuration of wind speed prediction including a user interface that defines a data set pattern of wind speed and inclination angle input to the prediction system will be described.

図10は、本実施例における風速予測の機能構成図である。図10において、図1と同じ機能の構成については同じ符号を付し、その説明は省略する。図10において、予測システム6は学習器14と予測器13から構成され、それぞれに対してライダー5からの風速と、傾斜角センサ15からの傾斜角の計測値が入力される。ここで、予測システム6は、学習器14と予測器13を分離することにより、予測モデルを出力する学習器とリアルタイム予測値を出力する予測器の所要時間の不整合を調整することができる。 FIG. 10 is a functional configuration diagram of wind speed prediction in this embodiment. In FIG. 10, the same reference numerals are given to the configurations having the same functions as those in FIG. 1, and the description thereof will be omitted. In FIG. 10, the prediction system 6 is composed of a learner 14 and a predictor 13, and the wind speed from the rider 5 and the measured values of the tilt angle from the tilt angle sensor 15 are input to each of them. Here, the prediction system 6 can adjust the inconsistency in the required time between the learner that outputs the prediction model and the predictor that outputs the real-time prediction value by separating the learner 14 and the predictor 13.

前記実施例では、ライダーの計測結果をもとに風速を予測するとして説明したが、ライダーは、そこから出射されるレーザービームのドップラーシフトから前方の風速を計測するため、雨や霧等の環境下では、その影響をうけて正確な計測できないという問題がある。本実施例では、その対策について説明する。 In the above embodiment, the wind speed is predicted based on the measurement result of the rider, but since the rider measures the wind speed in front from the Doppler shift of the laser beam emitted from the rider, the environment such as rain and fog Below, there is a problem that accurate measurement cannot be performed due to the influence. In this embodiment, the countermeasures will be described.

図11は、本実施例における風速予測の機能構成図である。図11において、図10と同じ機能の構成については同じ符号を付し、その説明は省略する。図11において、ナセルに設置された例えば3杯式の従来型風速計18を設け、従来型風速計18の風速信号VAと予測システム6の風速予測信号VPがFF制御7に入力されるように構成する。そして、雨や霧の場合は、FF制御7の入力を従来型風速計18の出力に切り替えることで風車運転を継続する。これにより、風車位置の予測風速の代わりに、現在の風速値を使うのでブレードピッチ角の応答遅延には対応できないが、運転は継続できる。 FIG. 11 is a functional configuration diagram of wind speed prediction in this embodiment. In FIG. 11, the same reference numerals are given to the configurations having the same functions as those in FIG. 10, and the description thereof will be omitted. In FIG. 11, for example, a three-cup type conventional anemometer 18 installed in the nacelle is provided so that the wind speed signal VA of the conventional anemometer 18 and the wind speed prediction signal VP of the prediction system 6 are input to the FF control 7. Constitute. Then, in the case of rain or fog, the wind turbine operation is continued by switching the input of the FF control 7 to the output of the conventional anemometer 18. As a result, the current wind speed value is used instead of the predicted wind speed of the wind turbine position, so that the response delay of the blade pitch angle cannot be dealt with, but the operation can be continued.

以上実施例について説明したが、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。また、上記の各構成、機能は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、各構成、機能をソフトウェアで実現する場合、各機能を実現するプログラム、データ、ファイル等の情報は、メモリのみならず、ハードディスク等の記録装置、または、ICカード等の記録媒体におくことができるし、必要に応じて無線ネットワーク等を介してダウンロードし、インストロールすることも可能である。 Although the examples have been described above, the present invention is not limited to the above-mentioned examples, and various modifications are included. For example, the above-described embodiment has been described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and is not necessarily limited to those having all the described configurations. Further, it is possible to replace a part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment, and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment. Further, it is possible to add / delete / replace a part of the configuration of each embodiment with another configuration. Further, each of the above configurations and functions may be realized by hardware, for example, by designing a part or all of them with an integrated circuit. When each configuration and function is realized by software, information such as programs, data, and files that realize each function should be stored not only in the memory but also in a recording device such as a hard disk or a recording medium such as an IC card. It is also possible to download and install it via a wireless network or the like as needed.

1:ブレード、2:ハブ、3:ナセル、4:タワー、5:ライダー、6:予測システム、7:フィードフォワード(FF)制御、8:フィードバック(FB)制御、10:風力発電装置(風車)、11:パラメータ設定ユーザインターフェース、12:表示ユーザインターフェース、13:予測器、14:学習器、15:傾斜角センサ、16:浮体構造、17:振動によるライダーの周速度、18:従来型風速計、20:風車に向かう風の向き、21、22、23、24:ライダーから出射されるレーザービームのLOS(Line of Sight) 1: Blade, 2: Hub, 3: Nasser, 4: Tower, 5: Rider, 6: Prediction system, 7: Feed forward (FF) control, 8: Feedback (FB) control, 10: Wind power generator (wind turbine) , 11: Parameter setting user interface, 12: Display user interface, 13: Predictor, 14: Learner, 15: Tilt angle sensor, 16: Floating structure, 17: Rider peripheral speed due to vibration, 18: Conventional anemometer , 20: Direction of wind toward the wind turbine, 21, 22, 23, 24: LOS (Line of Sight) of the laser beam emitted from the rider

Claims (6)

タワーと、前記タワーに設けられたナセルと、前記ナセルに接続されたブレードを有する風力発電装置であって、
前記ナセルに風速を検出するドップラーライダーと、制御装置を有し、
前記ドップラーライダーは、レーザービームを複数方向に出射し、各レーザービームに沿って複数の計測距離の風速を所定の計測時間に計測する機能を有し、
前記制御装置は、前記ドップラーライダーによって計測した風速データの中から一部を選択したデータセットを入力して前記風力発電装置の位置での風速を予測する風速予測機能を具備することを特徴とする風力発電装置。
A wind power generator having a tower, a nacelle provided on the tower, and blades connected to the nacelle.
The nacelle has a Doppler lidar that detects the wind speed and a control device.
The Doppler lidar has a function of emitting a laser beam in a plurality of directions and measuring wind speeds of a plurality of measurement distances along each laser beam at a predetermined measurement time.
The control device is characterized by having a wind speed prediction function that predicts the wind speed at the position of the wind power generator by inputting a data set selected from a part of the wind speed data measured by the Doppler lidar. Wind power generator.
請求項1に記載の風力発電装置であって、
前記風速予測機能への入力値のデータセットを規定するために1つあるいは複数の計測距離と、1つあるいは複数の計測時刻を指定するユーザインターフェースを具備することを特徴とする風力発電装置。
The wind power generator according to claim 1.
A wind power generator comprising one or a plurality of measurement distances and a user interface for designating one or a plurality of measurement times in order to specify a data set of input values to the wind speed prediction function.
タワーと、前記タワーに設けられたナセルと、前記ナセルに接続されたブレードを有する風力発電装置であって、
前記ナセルに風速を検出するドップラーライダーと、制御装置を有し、
前記ドップラーライダーは、レーザービームを複数方向に出射し、各レーザービームに沿って複数の計測距離の風速を所定の計測時間に計測する機能を有し、
さらに、前記タワーの傾斜角を計測する傾斜角センサを有し、
前記制御装置は、前記傾斜角センサで計測した傾斜角データを使って同時刻に計測した風速を補正することを特徴とする風力発電装置。
A wind power generator having a tower, a nacelle provided on the tower, and blades connected to the nacelle.
The nacelle has a Doppler lidar that detects the wind speed and a control device.
The Doppler lidar has a function of emitting a laser beam in a plurality of directions and measuring wind speeds of a plurality of measurement distances along each laser beam at a predetermined measurement time.
Further, it has an inclination angle sensor that measures the inclination angle of the tower.
The control device is a wind power generation device characterized in that the wind speed measured at the same time is corrected by using the tilt angle data measured by the tilt angle sensor.
請求項3に記載の風力発電装置であって、
前記制御装置は、前記傾斜角による前記レーザービームの傾きと、傾斜角速度から求めた前記ナセル位置の周速度よって、前記ドップラーライダーが計測した風速を補正して前記風力発電装置の位置の水平風速を計算して予測することを特徴とする風力発電装置。
The wind power generator according to claim 3.
The control device corrects the wind speed measured by the Doppler lidar based on the tilt of the laser beam due to the tilt angle and the peripheral speed of the nacelle position obtained from the tilt angular velocity to obtain the horizontal wind speed at the position of the wind power generator. A wind turbine that is characterized by being calculated and predicted.
請求項4に記載の風力発電装置であって、
前記制御装置は、前記タワーの傾斜角の計測値をフィルタ処理する機能と該フィルタ処理による遅延を補正するために前記傾斜角について予測をする機能を具備することを特徴とする風力発電装置。
The wind power generator according to claim 4.
The control device is a wind power generation device having a function of filtering a measured value of an inclination angle of the tower and a function of predicting the inclination angle in order to correct a delay due to the filtering.
請求項4に記載の風力発電装置であって、
前記傾斜角速度からナセル位置の周速度を計算するための傾斜の実効的な腕の長さを指定するユーザインターフェースを具備することを特徴とする風力発電装置。
The wind power generator according to claim 4.
A wind power generator comprising a user interface that specifies an effective arm length of tilt for calculating the peripheral velocity of the nacelle position from the tilt angular velocity.
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