JP2021025455A - 風車のブレードのピッチ角の制御が可能な風力発電機、制御方法、および制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】風車の空力弾性モデルによりシミュレートしたピッチ角に基づいて制御を行い長寿命化が可能な風力発電機を提供する。【解決手段】風力発電機は、上記風車における第１の風速を測定する第１の測定手段１６と、上記風車の上流の風向および風速を測定して、所定の時間後に上記風車に到達する風の第２の風速を予測する第２の風速測定手段１８と、上記第１の風速に基づいて、上記風車の空力弾性モデルを用いて上記ブレードの第１のピッチ角をシミュレートする第１のシミュレーション部２５と、上記第２の風速に基づいて、上記風車の空力弾性モデルを用いて上記所定の時間後に第２の風速の風による上記ブレードの第２のピッチ角を算出する第２のシミュレーション部２６と、上記第１のピッチ角および第２のピッチ角に基づいて指令ピッチ角を算出する演算部２８と、上記指令ピッチ角により上記ブレードのピッチ角を制御する制御部２９とを備える。【選択図】図３

Description

本発明は、風力発電機に関し、特に風力発電機に流入する風の現在および将来の風速に基づいて空力弾性モデルに基づく演算によりフィードフォワード制御によるブレードのピッチ角の制御技術に関する。

近年、地球温暖化の影響と推察される気候変動が拡大し、強力な台風による水害に加え、ゲリラ豪雨、竜巻等の被害も増加している。竜巻が発生する程ではないが、暴風や突風の発生も増加している。

風力発電機では、風速の変動に対して、一般的にブレードのピッチ角を制御してロータ回転数の変動を抑制している。この制御では、ロータ回転数誤差をエラー信号に用いるＰＩＤフィードバック制御が用いられている。この制御では、風速の変動が大きい場合、例えば突風（ガスト）が発生した場合、風車が突風を受けてからピッチ角制御を行うので、その時間差により、ブレードのフラップ方向曲げ、回転軸へのスラストおよび主軸のねじりモーメントに過大な変動が表れる。これらの変動は、ブレード、主軸およびベアリング等の風力発電機の主要コンポーネントに過大な疲労荷重をもたらし、結果的に寿命が大幅に低減してしまう。

風力発電装置の前方の計測位置で計測した将来の風速と現在の風速とから現在から将来の風速を予測してその風速に基づいてピッチ角により運転制御を行う風力発電装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１３−１７７８８５号公報

しかしながら、特許文献１では、風荷重が風力発電装置に与える影響が無くなるようにフィードフォワード制御器によってピッチ角指令が決定されているが、その伝達関数は具体的に開示されていない。

本発明は、風車における風速と将来流入する風の予測した風速とに基づいて風車の空力弾性モデルによりシミュレートしたピッチ角に基づいて制御を行って長寿命化が可能な風力発電機を提供する。

本発明の一態様によれば、風車のブレードのピッチ角の制御が可能な風力発電機であって、上記風車における第１の風速を測定する第１の風速測定手段と、上記風車の上流の風向および風速を測定して、所定の時間後に上記風車に到達する風の第２の風速を予測する第２の風速測定手段と、上記第１の風速に基づいて、上記風車の空力弾性モデルを用いて上記ブレードの第１のピッチ角をシミュレートする第１のシミュレーション部と、上記第２の風速に基づいて、上記風車の空力弾性モデルを用いて上記所定の時間後に上記第２の風速の風による上記ブレードの第２のピッチ角をシミュレートする第２のシミュレーション部と、上記第１のピッチ角および第２のピッチ角に基づいて指令ピッチ角を算出する演算部と、上記指令ピッチ角により上記ブレードのピッチ角を制御する制御部と、を備える、上記風力発電機が提供される。

上記態様によれば、上記風車における第１の風速と所定の時間後に上記風車に到達する風の予測した第２の風速のそれぞれに基づいて、上記風車の空力弾性モデルを用いて第１のピッチ角および第２のピッチ角をシミュレートし、この第１のピッチ角および第２のピッチ角に基づいて指令ピッチ角を算出してピッチ角制御を行う。第１のピッチ角および第２のピッチ角の両方とも、上記風車の空力弾性モデルを用いたシミュレーションにより算出されているので、指令ピッチ角の妥当性が高く、風力発電機の制御性を向上できる。さらに、第１のピッチ角および第２のピッチ角に基づいて指令ピッチ角を算出して制御することで、ピッチ角のフィードフォワード制御が可能となる。これにより、風速変動時のブレードの曲げ荷重が低減されるのでブレードの疲労損傷を低減でき、これと共に空力スラストが低減されることでロータ軸の支持機構への荷重が低減され、風力発電機の長寿命化を図ることができる。また、ロータ回転数の変化を抑制でき、発電出力を安定化できる。

本発明の他の態様によれば、風力発電機における風車のブレードのピッチ角の制御方法であって、上記風車における第１の風速を測定する第１の風速測定ステップと、上記風車の上流の風向および風速を測定して、所定の時間後に上記風車に到達する風の第２の風速を予測する第２の風速測定ステップと、上記第１の風速に基づいて、上記風車の空力弾性モデルを用いて上記ブレードの第１のピッチ角をシミュレートする第１のシミュレーションステップと、上記第２の風速に基づいて、上記風車の空力弾性モデルを用いて上記第２の風速の風による上記ブレードの第２のピッチ角をシミュレートする第２のシミュレートステップと、上記第１のピッチ角および第２のピッチ角に基づいて指令ピッチ角を算出する第３の演算ステップと、上記指令ピッチ角により上記ブレードのピッチ角を制御する制御ステップと、を含む、上記制御方法が提供される。

上記他の態様によれば、第１の風速と所定の時間後に上記風車に到達する風の予測した第２の風速のそれぞれに基づいて、並行して、風車の空力弾性モデルに基づくオイラー角による座標系で表した連立運動方程式を用いて第１のピッチ角および第２のピッチ角をシミュレートし、シミュレートした第１のピッチ角および第２のピッチ角に基づいて指令ピッチ角を算出してピッチ角制御を行う。第１のピッチ角および第２のピッチ角の両方とも、上記風車の空力弾性モデルを用いたシミュレーションにより算出されているので、指令ピッチ角の妥当性が高く、風力発電機の制御性を向上できる。さらに、第１のピッチ角および第２のピッチ角に基づいて指令ピッチ角を算出して制御することで、ピッチ角のフィードフォワード制御が可能となる。これにより、風速変動時のブレードの曲げ荷重が低減されるのでブレードの疲労損傷を低減でき、これと共に空力スラストが低減されることでロータ軸の支持機構への荷重が低減され、風力発電機の長寿命化を図ることができる。また、ロータ回転数の変化を抑制でき、発電出力を安定化できる。

本発明のその他の態様によれば、風力発電機における風車のブレードのピッチ角の制御プログラムであって、コンピュータに、上記風車における第１の風速を測定する第１の風速測定ステップと、上記風車の上流の風向および風速を測定して、所定の時間後に上記風車に到達する風の第２の風速を予測する第２の風速測定ステップと、上記第１の風速に基づいて、上記風車の空力弾性モデルを用いて上記ブレードの第１のピッチ角をシミュレートする第１のシミュレーションステップと、上記第２の風速に基づいて、上記風車の空力弾性モデルを用いて上記第２の風速の風による上記ブレードの第２のピッチ角をシミュレートする第２のシミュレーションステップと、上記第１のピッチ角および第２のピッチ角に基づいて指令ピッチ角を算出する演算ステップと、上記指令ピッチ角により上記ブレードのピッチ角を制御する制御ステップと、を実行させるための上記制御プログラムが提供される。

本発明の一実施形態に係る風力発電機の概略図である。 ピッチ角駆動部の基本構成図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電機の概略構成を示すブロック図である。 風車の４つの自由度をオイラー角による座標系で表した図である 仮想現在ピッチ角シミュレーション器の概略構成を示すブロック図である。 予測ピッチ角シミュレーション器の概略構成を示すブロック図である。 演算制御部のハードウェア構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電機のピッチ制御方法を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る風力発電機のピッチ制御の計算例を示す図である。 図９に示した計算例と、比較例とを示す図である。

以下、図面に基づいて本発明の一実施形態を説明する。なお、図面間において共通する要素については同じ符号を付し、その要素の詳細な説明の繰り返しを省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係る風力発電機の概略図である。図１を参照するに、風力発電機１０は、タワー１１、ナセル１２、ロータ１３およびブレード１４を有する。風力発電機１０のブレード１４は３枚に限定されず、２枚でもよく、４枚以上でもよい。風力発電機１０は、タワー１１が地上に設置されてもよく、海上に浮上するように設置されてもよく、海底に設置されてもよい。なお、本明細書および特許請求の範囲では、タワー１１、ナセル１２、ロータ１３およびブレード１４からなる構造体を風車と称することもある。

風力発電機１０は、一例としてアップウインドの水平軸型風車として説明する。ブレード１４の基部およびロータ１３には、ブレード１４のピッチ角を変えるためのピッチ角駆動部１５が設けられている。

図２は、ピッチ角駆動部の基本構成図である。図２を参照するに、ピッチ角駆動部１５は、ロータ軸１３ａの軸芯に設けられた空隙部にロッド１５ａが配置され、ロータ軸後端部に配置されたアクチュエータ（不図示）によりロッド１５ａがロータ軸方向に駆動され、この動きをリンク機構部１５ｂでブレード１４のピッチベアリング（インナー側）１４ａに伝えピッチ角βの制御動作を行う。風力発電機１０は、風況が変化した際、特に、ガスト（突風）が発生した際のブレードのピッチ角制御に特徴がある。

図３は、本発明の一実施形態に係る風力発電機の概略構成を示すブロック図である。ブロック図には、ピッチ角制御に関係する要素を示しており、他は図示および説明を省略する。

図３を図１および図２と合わせて参照するに、風力発電機１０は、風向風速計１６と、ライダー１８と、ロータ回転数計測器２２と、演算制御部２３と、ピッチ角駆動部１５とを有する。演算制御部２３は、現在ピッチ角シミュレーション器２５と、予測ピッチ角シミュレーション器２６と、指令ピッチ角演算器２８と、制御器２９とを有する。

風向風速計１６は、ナセル１２上に設けられ、特に限定されないが、例えば風杯風速計、風車型風速計または超音波式風速計を用いることができる。風向風速計１６は、風力発電機１０に到来した風の現在の風速（「サイト風速ｕ_s」と称する。）を測定し、演算制御部２３にサイト風速ｕ_sを送る。

ライダー（ｌｉｄａｒ）１８は、ナセル１２上に設けられ、例えばドップラーライダーを用いることができる。ライダー１８は、ナセル１２の視線方向前方の風向風速分布をレーザの反射光のドップラー効果を用いて測定する。すなわち、ライダー１８は、前方の所定の距離毎に風速および風向を測定し、その風速風向分布から所定時間後の風力発電機１０に到来する風の風速（以下、予測風速ｕ_Fと称する。）を予測する。ライダー１８は、
演算制御部２３に予測風速ｕ_Fを送る。

所定時間は、サイト風速ｕ_sが周期的に変動している場合は、その周期をＴ_wsとすると、所定時間は、０．０１Ｔ_ws以上で０．５Ｔ_ws以下に設定することが、風による空力スラストを効果的に低減できる点で好ましく、０．２Ｔ_ws以上で０．３Ｔ_ws以下に設定することがさらに好ましい。空力スラストは、各ブレード１４に働く曲げ加重のロータ軸方向の成分を合成して得られる軸力である。例えば、周期Ｔ_wsが３６秒の場合、所定時間は１８秒以下に設定することが好ましく、７秒〜１１秒に設定することがさらに好ましい。

所定時間は、制御器２９が風向風速計１６からサイト風速ｕ_sを受信して変動周期を算出してその変動周期に応じて設定できるようにしてもよい。また、ライダー１８が風速の風速風向分布から予測風速ｕ_Fの変動周期を予測して制御器２９に変動周期を送って、制御器２９においてその変動周期に応じて所定時間を設定できるようにしてもよく、制御器２９がライダー１８から予測風速ｕ_Fを受信して変動周期を予測してその変動周期に応じて設定できるようにしてもよい。また、ライダー１８が突風を計測した場合、ライダー１８が制御器２９に突風の到達時間を送って、制御器２９において突風の到達時間に応じて所定時間を可変で設定できるようにしてもよい。

現在ピッチ角シミュレーション器２５は、風向風速計１６から受信したサイト風速ｕ_sに基づいたピッチ角を後述する手法で算出し、仮想現在ピッチ角β_Sとして指令ピッチ角演算器２８に出力する。

予測ピッチ角シミュレーション器２６は、ライダー１８から受信した予測風速ｕ_Fに基づいたピッチ角を後述する手法で算出し、予測ピッチ角β_Fとして指令ピッチ角演算器２８に出力する。

指令ピッチ角演算器２８は、現在ピッチ角シミュレーション器２５から受信した仮想現在ピッチ角β_Sと、予測ピッチ角シミュレーション器２６から受信した予測ピッチ角β_Fとから指令ピッチ角β_Cを算出し、制御器２９に出力する。指令ピッチ角演算器２８は、仮想現在ピッチ角β_Sから予測ピッチ角β_Fへの変化を先取りしてその変化分の一部を低減するように指令ピッチ角β_Cを算出する。例えば、サイト風速ｕ_sが増加している場合であって、予測風速ｕ_Fがサイト風速ｕ_sよりも大きいときは予測ピッチ角β_Fは、仮想現在ピッチ角β_Sよりも大きくなるが、指令ピッチ角演算器２８は、仮想現在ピッチ角β_Sよりも大きく予測ピッチ角β_Fよりも小さい指令ピッチ角β_Cを算出して出力する。指令ピッチ角演算器２８は、例えば、指令ピッチ角β_Cを仮想現在ピッチ角β_Sと予測ピッチ角β_Fとの平均値（すなわち、β_C＝（β_S＋β_F）／２）として算出してもよく、仮想現在ピッチ角β_Sおよび予測ピッチ角β_Fのそれぞれに異なる重みをつけて平均する加重平均値として算出してもよい。

制御器２９は、指令ピッチ角演算器２８から指令ピッチ角β_Cを受信してピッチ角駆動部１５に指令ピッチ角β_Cを出力する。なお、制御器２９は、この指令ピッチ角β_Cを送る直前に送信済みの指令ピッチ角βcpとの偏差分Δβ_C（＝β_C−βcp）を出力してもよい。さらに、偏差分Δβ_Cが予め設定したΔβ_Rよりも小さい場合はピッチ角駆動部１５に偏差分Δβ_Cを出力しないようにすることが好ましい。偏差分Δβ_Cが設定したΔβ_Rよりも小さい場合は偏差分Δβ_Cを駆動する効果が高くなく、かつピッチ角駆動部１５の動作を抑制してピッチ角駆動部１５の耐久性に及ぼす悪影響を回避できる。

制御器２９にロータ回転数計測器２２から実ロータ回転数が入力されるようにしてもよい。制御器２９は、実ロータ回転数が設定した回転数よりも低い場合は、指令ピッチ角β_Cをピッチ角駆動部１５に出力しないようにしてもよい。

ピッチ角駆動部１５は、制御器２９から入力された指令ピッチ角β_Cまたは偏差分Δβ_Cを駆動してブレード１４のピッチ角を変更して、予測風速ｕ_Fと予測した到来する風に適応する。

ロータ回転数計測器２２は、ナセル１２内のロータ軸１３ａの回転数（「実ロータ回転数」とも称する。）を計測し、現在ピッチ角シミュレーション器２５および予測ピッチ角シミュレーション器２６に送られ、制御器２９においても用いられる。

次に現在ピッチ角シミュレーション器２５および予測ピッチ角シミュレーション器２６についてより具体的に説明する。現在ピッチ角シミュレーション器２５は、風向風速計１６により計測したサイト風速ｕ_sに基いて仮想現在ピッチ角β_Sを算出するリアルタイムシミュレータである。予測ピッチ角シミュレーション器２６は、ライダー１８により計測した予測風速ｕ_Fに基いて予測ピッチ角β_Fを算出するリアルタイムシミュレータである。両方のリアルタイムシミュレータは同様のアルゴリズムを用いている。リアルタイムシミュレータは、風車の空力弾性モデルにより、風車の多関節に応じた４つの自由度に対応するオイラー角の座標系を用いて慣性領域についての連立基礎方程式を作成し、ブレード空力特性領域並びにタワーおよびブレード曲振動領域おける外力の併入を行ったものである。

風車の基本特性に最も影響するブレードの挙動は、風車の多関節系として４つの自由度に基づいて表すことができる。この４つの自由度に対応させたオイラー角による座標系を用いて、ラグランジェの方法により風車の運動解析を行って連立運動方程式を作成し、その解を演算により算出する。これにより、通常行われている直交座標系を用いた方法よりも冗長性がなく、数値演算の負荷が大幅に軽減されリアルタイムのシミュレーションが可能となる。

図４は、風車の４つの自由度をオイラー角による座標系で表した図である。図４を図１と合わせて参照するに、βはピッチ角であり、ブレード１４の翼断面のほぼ空力中心線上に設けられた軸回りに翼型の風向に対する迎角を調整する角である。ψはアジマス角であり、ロータ回転軸まわりに回転するロータ１３としてのブレード１４の角である。θはチルト角であり、基準点回りに回頭するロータ回転軸の傾き角（垂直状態をゼロ、下向き正とする。）である。φはヨー角であり、ナセル１２の方位変化に対応する角であり、ロータ回転軸の垂直軸回りの角である。図４中のｕは風速、ａは基準点からロータ回転中心までの距離、ｂはロータ回転中心からブレード重心までの距離を表わす。ブレードの質量をｍ、ロータ回転軸まわりの慣性モーメントをＩ、ピッチ軸まわりの慣性モーメントをＪ、ブレード重心はピッチ軸上にあると仮定する。

風車の慣性領域についての連立基礎方程式を説明する。ヨー（φ）系は、下記式（１）で表される。

チルト（θ）系は、下記式（２）で表される。

アジマス（ψ）系は、下記式（３）で表される。

ピッチ（β）系は、下記式（４）で表される。

上記式（１）〜（４）において、ｇは重力加速度、係数Ｋ_ijのうち、Ｋ₁₁、Ｋ₂₄、Ｋ₃₇、Ｋ_4aは、それぞれ、ヨー（φ）系、チルト（θ）系、アジマス（ψ）系、ピッチ（β）系の主慣性モーメント、Ｋ_*8は遠心力による成分の係数、Ｋ_*3、Ｋ_*6、Ｋ_*9、Ｋ_*b、Ｋ_*c、Ｋ_*dはカップリングした角速度の係数である。より具体的には、ピッチ（β）系の係数は、Ｋ₄₁はＪｃｏｓψｓｉｎθと表され、ヨー角加速度に伴う連成項でブレード位置が垂直の時に最大となる。Ｋ₄₃はＪｃｏｓψｃｏｓθと表され、ヨー角速度とチルト角速度の連成に伴うジャイロモーメントである。Ｋ₄₄は−Ｊｓｉｎψと表され、チルト角加速度に伴う連成項でブレード位置が水平の時に最大となる。Ｋ₄₆は−Ｊｃｏｓψと表され、チルト角速度とアジマス角速度の連成に伴うジャイロモーメントである。Ｋ₄₉は−Ｊｓｉｎψｓｉｎθと表されヨー角速度とアジマス角速度の連成に伴うジャイロモーメントである。Ｋ_4aはＪと表され主慣性モーメントである。

図５は、現在ピッチ角シミュレーション器の機能構成を示すブロック図である。図５を参照するに、現在ピッチ角シミュレーション器２５は、ロータトルク演算器３０と、ロータ回転数演算器３１と、ピッチ角演算器３２とを有する。

ロータトルク演算器３０は、風向風速計１６が計測したサイト風速ｕ_sと、ロータ回転数演算器３１が算出したロータ回転数

と、ピッチ角演算器３２が算出済みの仮想現在ピッチ角β_Sとが入力され、定式化された空力トルク係数ＣqからロータトルクＱ_ASを算出してロータ回転数演算器３１に出力する。

ロータトルクＱ_ASは、下記式（５）のように表される。

ここで、ρは空気の密度、ｕ_sは計測したサイト風速、πは円周率、ｒはロータ半径である。なお、サイト風速ｕ_sをタワー１１の曲げによる風向方向のタワー振動の速度を用いて補正してもよい。

空力トルク係数Ｃqはブレード空力特性領域において、実際の二枚翼ブレードの翼素運動量理論モデル（ＢＥＭ）による解析結果により回帰式として得たものであり、下記式（６）のように表される。

ここで、β_Sはピッチ角演算器３２が算出済みの仮想現在ピッチ角β_Sであり、λは周速比であり、下記式（７）で表される。

ここで、

は、ロータ回転数演算器３１が算出したロータ回転数である。

ロータ回転数演算器３１は、ロータトルク演算器３０が算出したロータトルクＱ_ASが入力され、ロータ回転数および位相を連立基礎方程式におけるアジマス（ψ）系の上記式（３）の積分により算出し、ロータ軸１３ａの捩り剛性および減衰率を考慮して発電電圧および電流を算出し、発電機の出力調整を行ってロータ回転数

を算出してピッチ角演算器３２およびロータトルク演算器３０に出力する。

ピッチ角演算器３２は、ロータ回転数演算器３１から算出したロータ回転数と、ロータ回転数計測器２２が計測した実ロータ回転数とが入力され、連立基礎方程式におけるピッチ（β）系の式（４）の積分において、空力トリムモーメントおよびピッチ角制御モータトルクをダランベールの定理によって反映した演算により仮想現在ピッチ角β_Sを算出して図２に示した指令ピッチ角演算器２８に出力する。ピッチ角演算器３２では、設定したロータ回転数と実ロータ回転数との差をエラー信号とするＰＩＤ制御によりピッチ角制御モータのトルク係数Ｑ_βを算出して、これにより実ロータ回転数が設定したロータ回転数に対して回転数過大の場合は仮想現在ピッチ角β_Sが増加するように、回転数不足の場合は仮想現在ピッチ角β_Sが減少するようにする。このようにして、現在ピッチ角シミュレーション器２５は、風向風速計１６が計測したサイト風速ｕ_sに基づいて仮想現在ピッチ角β_Sを算出する。

図６は、予測ピッチ角シミュレーション器の機能構成を示すブロック図である。図６を図５と合わせて参照するに、予測ピッチ角シミュレーション器２６は、ロータトルク演算器３３と、ロータ回転数演算器３４と、ピッチ角演算器３５とを有する。ロータトルク演算器３３、ロータ回転数演算器３４およびピッチ角演算器３５は、それぞれ図５に示した、ロータトルク演算器３０と、ロータ回転数演算器３１と、ピッチ角演算器３２と同様の演算を行うので同様な事項については詳細な説明を省略する。

ロータトルク演算器３３は、ライダー１８が計測した予測風速ｕ_Fと、ロータ回転数演算器３４が算出したロータ回転数

と、ピッチ角演算器３５が算出済みの予測ピッチ角β_Fとが入力され、図５に示したロータトルク演算器３０と同様にしてロータトルクＱ_AFを算出してロータ回転数演算器３４に出力する。

ロータ回転数演算器３４は、ロータトルク演算器３３が算出したロータトルクＱ_AFが入力され、図５に示したロータ回転数演算器３１と同様にしてロータ回転数

を算出してピッチ角演算器３５およびロータトルク演算器３３に出力する。

ピッチ角演算器３５は、ロータ回転数演算器３４から算出したロータ回転数と、ロータ回転数計測器２２が計測した実ロータ回転数とが入力され、図５に示したピッチ角演算器３２と同様にして予測ピッチ角β_Fを算出して図３に示した指令ピッチ角演算器２８に出力する。

このように、現在ピッチ角シミュレーション器２５および予測ピッチ角シミュレーション器２６は、それぞれ、風向風速計１６により計測したサイト風速ｕ_s、ライダー１８により予測した予測風速ｕ_Fに基づいて、仮想現在ピッチ角β_S、予測ピッチ角β_Fを算出する。現在ピッチ角シミュレーション器２５および予測ピッチ角シミュレーション器２６は、ハードウェアの性能に依存するが、従来よりも負荷が大幅に小さく、それぞれ、サイト風速ｕ_s、予測風速ｕ_Fが入力されると、短時間で、離散化による数値演算手法を用いた場合、例えば１ミリセカンド以下で仮想現在ピッチ角β_S、予測ピッチ角β_Fを算出できる。

図７は、図３に示した演算制御部のハードウェア構成を示す図である。図７を参照するに、演算制御部２３は、ＣＰＵ４０〜４２と、メモリ４３と、送受信インタフェースと、これらを接続するバス４６を有する。演算制御部２３は、さらに、ディスプレイ等の表示部４８、マウスやキーボード等のユーザインタフェース４９を有してもよい。

ＣＰＵ（プロセッサ）４０〜４２は、公知のＭＰＵ（マイクロプロセッサ）を適宜選択できる。ＣＰＵ４０は図３の現在ピッチ角シミュレーション器２５の仮想現在ピッチ角β_Sをシミュレートする演算を実行し、ＣＰＵ４１は図３の予測ピッチ角シミュレーション器２６の予測ピッチ角を算出する演算を実行する。ＣＰＵ４０とＣＰＵ４１とが並列してシミュレートすることにより、リアルタイムのシミュレーションが可能となる。ＣＰＵ４２は、図３の指令ピッチ角演算器２８および制御器２９の演算および制御を行う。後述する一実施形態に係る風力発電機のピッチ角制御方法の各ステップのうち、上記のシミュレーションおよび演算以外のステップをＣＰＵ４２で実行してもよく、他のＣＰＵで実行してもよい。ＣＰＵ４０〜４２の演算過程および演算結果はメモリ４３に記憶することができる。なお、３個のＣＰＵ４０〜４２を用いる代わりに、より多くのＣＰＵを用いてもよく、あるいはコア数が３個以上のＣＰＵを１つ以上用いてもよい。

メモリ４３は、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＲＯＭ（リードオンリーメモリ）であり、独立したチップでもよく、ＣＰＵ４０〜４２に含まれるメモリでもよい。メモリ４３は、現在ピッチ角シミュレーション器２５および予測ピッチ角シミュレーション器２６の演算プログラムを記憶してもよく、指令ピッチ角演算器２８および制御器２９の演算プログラムおよび制御プログラムを記憶してもよい。風力発電機１０において後述する一実施形態に係る風力発電機のピッチ角制御方法の各ステップを実行するプログラムをメモリ４３に記憶してもよい。

送受信インタフェース４４は、演算制御部２３と、風向風速計１６、ライダー１８、ロータ回転数計測器２２、ナセル内の各種制御器および計測器、例えばピッチ角駆動部１５と接続するためのインタフェース回路である。表示部４８は、特に限定されず、公知のディスプレイを用いることができる。表示部４８は、風速、各種の演算結果および指令ピッチ角等を表示できる。

ユーザインタフェース４９は、ユーザの操作用のデバイスのためのインタフェースで、入力用のキーボード（不図示）や操作用のマウス（不図示）等が接続される。

本実施形態の風力発電機１０によれば、サイト風速ｕ_sと予測風速ｕ_Fのそれぞれに基づいて、仮想現在ピッチ角シミュレーション器２５および予測ピッチ角シミュレーション器２６のそれぞれが、風車の空力弾性モデルに基づくオイラー角による座標系で表した連立運動方程式を用いて仮想現在ピッチ角β_Sおよび予測ピッチ角β_Fをシミュレートする。指令ピッチ角演算器２８が仮想現在ピッチ角β_Sおよび予測ピッチ角β_Fに基づいて指令ピッチ角β_Cを算出する。仮想現在ピッチ角β_Sおよび予測ピッチ角β_Fの両方とも、風車の空力弾性モデルを用いたシミュレーションにより算出されているので、指令ピッチ角β_Cの妥当性が高く、風力発電機１０の制御性を向上できる。

また、所定の時間後の予測した予測風速ｕ_Fに基づいてシミュレートした予測ピッチ角β_Fとサイト風速ｕ_sに基づいてシミュレートした仮想現在ピッチ角β_Sとに基づいて指令ピッチ角を算出して制御することで、ピッチ角のフィードフォワード制御が可能となる。これにより、風速変動時のブレード１４の曲げ荷重が低減されるのでブレード１４の疲労損傷を低減でき、これと共に空力スラストが低減されることでロータ軸１３ａの支持機構への荷重が低減され、風力発電機１０の長寿命化を図ることができる。また、ロータ回転数の変化を抑制でき、発電出力を安定化できる。

また、指令ピッチ角演算器２８が仮想現在ピッチ角β_Sから予測ピッチ角β_Fへの変化を抑制するように指令ピッチ角β_Cを算出してピッチ角制御を行う。これにより、風速増加時では、仮想現在ピッチ角β_Sよりも大きくかつ予測ピッチ角β_Fよりも小さい指令ピッチ角β_Cが算出・指令されるので、ブレード１４の曲げ加重が抑制され、空力スラストの減少によってタワー１１の曲げ加重が低減され、ロータ回転数の急激な増加を抑制して発電出力を安定化できる。また、風速が増加直後に急激に減少する場合は、仮想現在ピッチ角β_Sよりも小さくかつ予測ピッチ角β_Fよりも大きい指令ピッチ角β_Cが算出・指令されるので、ロータ回転数の低下を抑制あるいはロータ回転数を増加して発電出力を安定化できる。また、余分なピッチ角の制御が抑制され、ピッチ角制御のための電力が削減される。

図８は、本発明の一実施形態に係る風力発電機のピッチ角制御方法のフローチャートである。図８を参照しつつ、適宜図３、５および６を参照してピッチ角制御方法を説明する。

Ｓ１０１では、風向風速計１６がナセル１２に流入した現在の風速を計測し、サイト風速ｕ_sとして現在ピッチ角シミュレーション器２５に出力する。

Ｓ１１１では、ライダー１８がナセル１２前方の風向と風速を計測し、所定の時間後に流入する風の風速を予想して予測風速ｕ_Fとして予測ピッチ角シミュレーション器２６に出力する。

次いで、現在ピッチ角シミュレーション器２５はＳ１０２〜Ｓ１０６の各ステップを、予測ピッチ角シミュレーション器２６はＳ１１２〜Ｓ１１６の各ステップを並行して実行する。

［仮想現在ピッチ角β_Sの算出］
Ｓ１０２では、現在ピッチ角シミュレーション器２５においてロータトルク演算器３０は、風向風速計１６が計測したサイト風速ｕ_sと、ロータ回転数演算器３１が算出したロータ回転数

と、ピッチ角演算器３２が算出済みの仮想現在ピッチ角β_Sとが入力され、定式化された空力トルク係数Ｃq（上記式（６））からロータトルクＱ_AS（上記式（５））を算出してロータ回転数演算器３１に出力する。なお、空力トルク係数Ｃqおよび算出済みの仮想現在ピッチ角β_Sは初期値をそれぞれ０、０ラジアン（ｒａｄ）としてもよい。

次いで、Ｓ１０３では、ロータ回転数演算器３１は、ロータトルク演算器３０が算出したロータトルクＱ_ASが入力され、ロータ回転数および位相を連立基礎方程式におけるアジマス（ψ）系の上記式（３）の積分により算出し、ロータ軸１３ａの捩り剛性および減衰率を考慮して発電電圧および電流を算出し、発電機の出力調整を行ってロータ回転数

を算出してロータトルク演算器３０に出力する。

次いで、Ｓ１０４では、ロータ回転数演算器３１は、算出したロータ回転数を予め設定した設定ロータ回転数

と比較する。算出したロータ回転数が設定ロータ回転数よりも大きい場合（Ｙｅｓ）はピッチ角演算器３２に算出したロータ回転数を出力し、Ｓ１０５に進む。算出したロータ回転数が設定ロータ回転数以下の場合（Ｎｏ）はＳ１０１に戻る。設定ロータ回転数は、風力発電機１０の発電開始から定格運転に至る過程において、通常の風況ではロータ回転数を増加させるためにピッチ角を０ラジアンに固定する。

次いで、Ｓ１０５では、ピッチ角演算器３２は、ロータ回転数演算器３１から算出したロータ回転数と、ロータ回転数計測器２２が計測した実ロータ回転数とが入力され、連立基礎方程式におけるピッチ（β）系の式（４）の積分において、空力トリムモーメントおよびピッチ角制御モータトルクをダランベールの定理によって反映した演算により仮想現在ピッチ角β_Sを算出する。ピッチ角演算器３２では、設定したロータ回転数と実ロータ回転数との差をエラー信号とするＰＩＤ制御によりピッチ角制御モータのトルク係数Ｑ_βを算出して、これにより実ロータ回転数が設定したロータ回転数よりも高い場合は仮想現在ピッチ角β_Sが増加するように、回転数不足の場合は仮想現在ピッチ角β_Sが減少するようにする。ピッチ角演算器３２は、算出した仮想現在ピッチ角β_Sを指令ピッチ角演算器２８に出力する。

［予測ピッチ角β_Fの算出］
Ｓ１１２では、予測ピッチ角シミュレーション器２６においてロータトルク演算器３３は、ライダー１８が予測した予測風速ｕ_Fと、ロータ回転数演算器３４が算出したロータ回転数

と、ピッチ角演算器３２が算出済みの予測ピッチ角β_Fとが入力され、定式化された空力トルク係数Ｃq（上記式（６））からロータトルクＱ_AF（上記式（５））を算出してロータ回転数演算器３４に出力する。なお、空力トルク係数Ｃqおよび算出済みの仮想現在ピッチ角β_Fは初期値をそれぞれ０、０ラジアンとしてもよい。

次いで、Ｓ１１３では、ロータ回転数演算器３４が、ロータトルク演算器３０が算出したロータトルクＱ_AFが入力され、ロータ回転数および位相を連立基礎方程式におけるアジマス（ψ）系の上記式（３）の積分により算出し、ロータ軸１３ａの捩り剛性および減衰率を考慮して発電電圧および電流を算出し、発電機の出力調整を行ってロータ回転数

を算出してピッチ角演算器３５およびロータトルク演算器３３に出力する。

次いで、Ｓ１１４では、ロータ回転数演算器３４は、算出したロータ回転数がＳ１０４と同様のロータ回転数

と比較する。算出したロータ回転数が設定ロータ回転数よりも大きい場合（Ｙｅｓ）はピッチ角演算器３５に算出したロータ回転数を出力し、Ｓ１１５に進む。算出したロータ回転数が設定ロータ回転数以下の場合（Ｎｏ）は、Ｓ１１１に戻る。

次いで、Ｓ１１５では、ピッチ角演算器３５は、ロータ回転数演算器３４から算出したロータ回転数と、ロータ回転数計測器２２が計測した実ロータ回転数とが入力され、連立基礎方程式におけるピッチ（β）系の式（４）の積分において、空力トリムモーメントおよびピッチ角制御モータトルクをダランベールの定理によって反映した演算により予測ピッチ角β_Fを算出する。ピッチ角演算器３５は、算出した予測ピッチ角β_Fを指令ピッチ角演算器２８に出力する。

［指令ピッチ角の算出］
次いで、Ｓ１２０では、指令ピッチ角演算器２８は、仮想現在ピッチ角β_Sと予測ピッチ角β_Fとにより、指令ピッチ角β_Cを算出する。指令ピッチ角演算器２８は、仮想現在ピッチ角β_Sから予測ピッチ角β_Fへの変化を先取りしてその変化分の一部を低減するように指令ピッチ角β_Cを算出する。指令ピッチ角演算器２８は、例えば、指令ピッチ角β_Cを仮想現在ピッチ角β_Sと予測ピッチ角β_Fとの平均値（すなわち、β_C＝（β_S＋β_F）／２）として算出してもよく、仮想現在ピッチ角β_Sおよび予測ピッチ角β_F。のそれぞれに異なる重みをつけて平均する加重平均値として算出してもよい。

次いで、Ｓ１２１では、指令ピッチ角演算器２８は、指令ピッチ角β_Cを制御器２９を介してピッチ角駆動部１５に出力する。次いで、Ｓ１０１およびＳ１１１に戻る。なお、図示していないが、制御器２９は、実ロータ回転数が設定した回転数よりも低い場合は、指令ピッチ角β_Cをピッチ角駆動部１５に出力しないようにしてもよい。

本実施形態の風力発電機のピッチ角制御方法によれば、サイト風速ｕ_sと予測風速ｕ_Fのそれぞれに基づいて、現在ピッチ角シミュレーション器２５および予測ピッチ角シミュレーション器２６のそれぞれが、Ｓ１０２〜Ｓ１０６と並行して、風車の空力弾性モデルに基づくオイラー角による座標系で表した連立運動方程式を用いてシミュレートした仮想現在ピッチ角β_Sおよび予測ピッチ角β_Fにより、指令ピッチ角演算器２８が仮想現在ピッチ角β_Sから予測ピッチ角β_Fへの変化を先取りしてその変化分の一部を低減するように指令ピッチ角β_Cを算出してピッチ角制御を行う。これにより、風速増加時では、仮想現在ピッチ角β_Sよりも大きくかつ予測ピッチ角β_Fよりも小さい指令ピッチ角β_Cが算出・指令されるので、空力スラストが抑制され、ブレード１４およびタワー１１の曲げ加重が低減され、ロータ回転数の急激な増加を抑制して発電出力を安定化できる。また、風速が増加直後に急激に減少する場合は、仮想現在ピッチ角β_Sよりも小さくかつ予測ピッチ角β_Fよりも大きい指令ピッチ角β_Cが算出・指令されるので、ロータ回転数の低下を抑制あるいはロータ回転数を増加して発電出力を安定化できる。また、余分なピッチ角の制御が抑制され、ピッチ角制御のための電力が削減される。また、仮想現在ピッチ角β_Sおよび予測ピッチ角β_Fの演算が同様の手法で算出されるので、互いの整合性が高く、確実な制御が可能となる。

［計算例］
３枚翼の風力発電機について、風力発電機に到来する風の風速を仮定して、計算例として、本実施形態に係る風力発電機のピッチ角制御を行い、空力スラストおよび発電出力を求めた。風力発電機の代表的なパラメータは以下の通りである。

ロータ半径（ｒ）：１６．５ｍ、ブレード重量（ｍ）：１３５０ｋｇ、ブレード慣性モーメント（Ｉ）：４０００ｋｇｍ²、ブレード慣性モーメント（ピッチ軸まわり）（Ｊ）：１５００ｋｇｍ²、ロータ重量（ｍ_hub）：４０００ｋｇ、ロータ中心とヨー軸との距離（ａ）：１．６ｍ、回転中心とブレード重心との距離（ｂ）：５．５ｍ、タワー高さ（Ｈ）：１８ｍ、ナセル慣性モーメント（Ｉ_N）：５００００ｋｇｍ²、ハブ慣性モーメント（Ｉ_hub）：１２００ｋｇｍ²、定格発電出力：３００ｋＷ。

図９は、本発明の一実施形態に係る風力発電機のピッチ角制御の計算例を示す図であり、（ａ）は仮定したサイト風速、（ｂ）は予測風速、（ｃ）指令ピッチ角、（ｄ）はロータ回転数、（ｅ）は発電出力を示す。

図９（ａ）を参照するに、ナセル１２上に設けられた風向風速計１６が計測したサイト風速ｕ_sを示している。風力発電機に流入する風は突風（ガスト）発生時を想定して、風速が０秒において最小値の７ｍ／ｓから１８秒において最大値の１７ｍ／ｓまで増加し、３６秒において最小値の７ｍ／ｓまで減少するとし、この繰り返しを３６秒の周期で周期的に変化すると仮定した。

図９（ｂ）を参照するに、ライダー１８は、前方の風向数速を計測し６秒後に風車に流入する風速を予測風速ｕ_Fとして予測していたと仮定する。

図９（ｃ）を図９（ａ）および（ｂ）を合わせて参照するに、例えば０秒から３６秒の時間期間の風力発電機の動作を比較すると、０秒から１８秒まで、予測風速ｕ_Fおよびサイト風速ｕ_sの増加に対応するように指令ピッチ角β_Cが０ラジアンから増加している。そして、サイト風速ｕ_sが最大値になる前の１６秒において予測風速ｕ_Fの減少に対応するように指令ピッチ角β_Cが減少し始めている。これは、指令ピッチ角β_Cがサイト風速ｕ_sに基づいて現在ピッチ角シミュレーション器２５が算出した仮想現在ピッチ角β_Sと、図９（ｂ）に示す予測風速ｕ_Fに基づいて予測ピッチ角シミュレーション器２６が算出した予測ピッチ角β_Fとに基づいて指令ピッチ角演算器２８により決定されているからである。これにより、余分なピッチ角の制御を抑制することができる。

図９（ｄ）を参照するに、０秒からサイト風速および予測風速ｕ_Fの増加に対して、ロータ回転数はほぼ一定に保たれていることが分かる。これは、指令ピッチ角β_Cを増加してブレードの揚力の増加が抑制されているからである。２０秒からは指令ピッチ角β_Cを低減してサイト風速および予測風速ｕ_Fの減少に拘わらずロータ回転数が増加していることが分かる。

図９（ｅ）に示すように、サイト風速が増加時に発電出力の減少が抑制され、風速変動時の発電出力の損失が抑制されていることが分かる。さらに、発電出力の定格発電出力である３００ｋＷに近づいていることが分かる。

図１０は、図９に示した計算例と、比較例とを示す図である。比較例として、サイト風速に基づいてピッチ角制御をフィードバック制御で行った例を示している。計算例は黒線で、比較例はグレー線で示す。なお、風速については図９（ａ）および（ｂ）と同様である。図１０（ａ）〜（ｃ）を参照しつつ説明する。

サイト風速の増加時では、図９（ａ）に示した例えば０秒から１８秒において、図１０（ａ）に示すように、計算例の指令ピッチ角は、比較例の指令ピッチ角よりも先行して増加しており、計算例の指令ピッチ角の最大値は、比較例の指令ピッチ角の最大値よりも低減されている。これにより、図１０（ｂ）に示すように、計算例の空力スラストが比較例の空力スラストに対して大幅に低減されている。また、図１０（ｃ）に示すように、計算例の発電出力は比較例の発電出力よりも急激な増加が抑制されていることが分かる。

サイト風速の最大値から減少への移行時では、図９（ａ）に示した例えば１８秒から３６秒において、図１０（ａ）に示すように計算例の指令ピッチ角は、比較例の指令ピッチ角よりも先行して減少しており、計算例の指令ピッチ角は、この期間においても比較例の指令ピッチ角よりもほぼ小さい。図１０（ｃ）に示すように、計算例の発電出力は比較例の発電出力よりも増加して定格運転出力である３００ｋＷに近づいてことが分かる。

以上のことから、計算例では、比較例よりも、ピッチ角の操作量を低減してそのための電力が削減され、空力スラストの最大値が低減されており、風力発電機の主要コンポーネントの荷重変化が抑制される。また、発電出力が定格発電出力からの乖離が低減されている。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。上記実施形態に係る風力発電機１０のピッチ角制御方法を風力発電機１０において実行するプログラムは、通信回線を介して配布してもよく、ＣＤ−ＲＯＭ等の記憶媒体に書き込んで配布してもよい。

１０ 風力発電機
１１ タワー
１２ ナセル
１３ ロータ
１４ ブレード
１５ ピッチ角駆動部
１６ 風向風速計
１８ ライダー
２２ ロータ回転数計測器
２３ 演算制御部
２５ 現在ピッチ角シミュレーション器
２６ 予測ピッチ角シミュレーション器
２８ 指令ピッチ角演算器
２９ 制御器
３０，３３ ロータトルク演算器
３１，３４ ロータ回転数演算器
３２，３５ ピッチ角演算器
４０〜４２ ＣＰＵ
４３ メモリ
４４ 送受信インタフェース

Claims (10)

1. 風車のブレードのピッチ角の制御が可能な風力発電機であって、
   前記風車における第１の風速を測定する第１の風速測定手段と、
   前記風車の上流の風向および風速を測定して、所定の時間後に前記風車に到達する風の第２の風速を予測する第２の風速測定手段と、
   前記第１の風速に基づいて、風車の空力弾性モデルを用いて前記ブレードの第１のピッチ角をシミュレートする第１のシミュレーション部と、
   前記第２の風速に基づいて、前記風車の空力弾性モデルを用いて前記所定の時間後に該第２の風速の風による前記ブレードの第２のピッチ角をシミュレートする第２のシミュレーション部と、
   前記第１のピッチ角および第２のピッチ角に基づいて指令ピッチ角を算出する演算部と、
   前記指令ピッチ角により前記ブレードのピッチ角を制御する制御部と、
   を備える、前記風力発電機。
2. 前記風車の空力弾性モデルは、前記第１および第２のピッチ角を、慣性領域の計算にオイラー角による座標系を導入した運動方程式を含む、請求項１記載の風力発電機。
3. 前記所定の時間は、前記第１の風速または第２の風速が周期的に変動する場合は、その変動周期の０．０１倍以上０．５倍以下に設定される、請求項１または２記載の風力発電機。
4. 前記制御部は、前記第１の風速の変動周期を算出して、該変動周期に応じて前記所定の時間を設定する、請求項３記載の風力発電機。
5. 前記第２の風速測定手段または前記制御部は、前記第２の風速の変動周期を予測し、
   前記制御部は、前記変動周期に応じて前記所定の時間を設定する、請求項３記載の風力発電機。
6. 前記演算部において、前記第１のピッチ角から前記第２のピッチ角への変化分の一部を低減するように前記指令ピッチ角を算出する、請求項１〜５のうちいずれか一項記載の風力発電機。
7. 前記演算部において、前記指令ピッチ角が前記第１のピッチ角と前記第２のピッチ角との平均値である、請求項１〜５のうちいずれか一項記載の風力発電機。
8. 前記制御部は、前記ブレードのピッチ角のフィードフォワード制御を行う、請求項１〜７のうちいずれか一項記載の風力発電機。
9. 風力発電機における風車のブレードのピッチ角の制御方法であって、
   前記風車における第１の風速を測定する第１の風速測定ステップと、
   前記風車の上流の風向および風速を測定して、所定の時間後に前記風車に到達する風の第２の風速を予測する第２の風速測定ステップと、
   前記第１の風速に基づいて、前記風車の空力弾性モデルを用いて前記ブレードの第１のピッチ角をシミュレートする第１のシミュレーションステップと、
   前記第２の風速に基づいて、前記風車の空力弾性モデルを用いて前記所定の時間後に該第２の風速の風による前記ブレードの第２のピッチ角をシミュレートする第２のシミュレートステップと、
   前記第１のピッチ角および第２のピッチ角に基づいて指令ピッチ角を算出する演算ステップと、
   前記指令ピッチ角により前記ブレードのピッチ角を制御する制御ステップと、
   を含む、前記制御方法。
10. 風力発電機における風車のブレードのピッチ角の制御プログラムであって、
    コンピュータに、
    前記風車における第１の風速を測定する第１の風速測定ステップと、
    前記風車の上流の風向および風速を測定して、所定の時間後に前記風車に到達する風の第２の風速を予測する第２の風速測定ステップと、
    前記第１の風速に基づいて、前記風車の空力弾性モデルを用いて前記ブレードの第１のピッチ角をシミュレートする第１のシミュレーションステップと、
    前記第２の風速に基づいて、前記風車の空力弾性モデルを用いて前記所定の時間後に該第２の風速の風による前記ブレードの第２のピッチ角をシミュレートする第２のシミュレーションステップと、
    前記第１のピッチ角および第２のピッチ角に基づいて指令ピッチ角を算出する演算ステップと、
    前記指令ピッチ角により前記ブレードのピッチ角を制御する制御ステップと、
    を実行させるための前記制御プログラム。

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