JP2021110272A - 風力発電装置、制御装置、および風力発電装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発電量を最大化することが可能な風力発電装置を提供する。【解決手段】一実施形態に係る風力発電装置は、タワーと、タワーに回転可能に設置されているナセルと、ナセルの前方で回転可能な少なくとも１枚以上のブレードと、ナセルに互いに離れて設置された複数の風速風向計と、ブレードの回転数を計測する回転数計測部と、回転数計測部で継時的に計測された回転数データを用いて、ブレードから各風速風向計までの距離に基づく計測遅れ時間を同定し、計測遅れ時間を用いて、複数の風速風向計の各々で継時的に計測された風況データを補正する演算部と、補正後の風況データに基づいて、ナセルのヨー角およびブレードのピッチ角を調整する調整部と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、風力発電装置、制御装置、および風力発電装置の制御方法に関する。

風力発電装置（ＷＴＧ：Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）では、より多くの発電量を得るために、風向きや風速の変化に応じてナセルのヨー角およびブレードのピッチ角が調整されている。ヨー角およびピッチ角の調整は、従来、ナセル上面に設置された風向風速計で計測されたデータに基づいて行われている。

特開２００８−２９１７８６号公報

風速風向計は、ブレードの風下側に配置されている。このため、風速風向計で計測された風速データおよび風向データが、実際にブレードの回転面（受風面）に流入する風の風速および風向きと大きく相違する場合がある。

例えば、発電量の増加のために風力発電装置が大型化すると、風速風向計へ流れる風がブレードで遮られ易くなるとともに、風速風向計の設置位置とブレードの設置位置との間の距離が長くなる。この場合、計測誤差が大きくなるため、ブレードの回転面に近い領域での風速風向の変化に応じて、ヨー角およびピッチ角を最適角度に調整することが困難になる。その結果、発電量を最大化することが困難になる。

本発明が解決しようとする課題は、発電量を最大化することが可能な風力発電装置、制御装置、および風力発電装置の制御方法を提供することである。

一実施形態に係る風力発電装置は、タワーと、タワーに回転可能に設置されているナセルと、ナセルの前方で回転可能な少なくとも１枚以上のブレードと、ナセルに互いに離れて設置された複数の風速風向計と、ブレードの回転数を計測する回転数計測部と、回転数計測部で継時的に計測された回転数データを用いて、ブレードから各風速風向計までの距離に基づく計測遅れ時間を同定し、計測遅れ時間を用いて、複数の風速風向計の各々で継時的に計測された風況データを補正する演算部と、補正後の風況データに基づいて、ナセルのヨー角およびブレードのピッチ角を調整する調整部と、を備える。

本実施形態によれば、発電量を最大化することが可能となる。

（ａ）は、第１実施形態に係る風力発電装置の正面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す風力発電装置の側面図である。 第１実施形態に係る風力発電装置の制御構成を示すブロック図である。 アジマス角に対応する風速データの時系列変化を示すグラフである。 第１実施形態に係る風力発電装置１の制御フロー図である。 補正前後の風速データを、ブレードに実際に流入した速度と比較したグラフである。 第２実施形態に係る風力発電装置の鳥瞰図である。 吹上げ角度の定義を示す図である。 第３実施形態に係る風力発電装置の要部の構造を示す断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。下記の実施形態は、本発明を限定するものではない。

（第１実施形態）
図１（ａ）は、第１実施形態に係る風力発電装置の正面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す風力発電装置の側面図である。また、図２は、第１実施形態に係る風力発電装置の制御構成を示すブロック図である。

本実施形態に係る風力発電装置１は、タワー１０と、ナセル１１と、ロータ１２と、上流側風速風向計１５と、下流側風速風向計１６と、支持部材１７、１８と、回転数計測部１９と、制御装置２０と、を備える。以下の説明では、水平な一方向をＸ方向とし、Ｘ方向と同一平面上で直交する向きをＹ方向とし、ＸＹ平面に鉛直な向きをＺ方向とする。

タワー１０は、風力発電装置１の設置場所でほぼＺ方向に延びている。タワー１０の頂上部には、ナセル１１が、Ｚ方向を回転軸として回転可能に設置されている。ナセル１１のＸ方向の前面にはロータ１２が設置されている。

ロータ１２は、いわゆるアップウィンド型の水平軸風車であり、ブレード１３およびハブ１４を有する。ブレード１３は、ハブ１４に設置されている。可能にハブ１４に設置されている。ハブ１４は、ナセル１１の前方でＸ方向を回転軸としてブレード１３を回転させる。本実施形態では、図１（ａ）に示すように、３枚のブレード１３が、回転方向Ｒに１２０°の間隔でハブ１４に設置されているが、ブレード１３の枚数は、少なくとも１枚以上であればよい。

ナセル１１の側面１１ａでは、回転方向Ｒの上流側に位置する上流側風速風向計１５（第１風速風向計）が、支持部材１７に支持されている。また、ナセル１１の側面１１ｂでは、上流側風速風向計１５よりも回転方向Ｒの下流側に位置する下流側風速風向計１６（第２風速風向計）が、支持部材１８に支持されている。側面１１ｂは、側面１１ａに対向するので、上流側風速風向計１５および下流側風速風向計１６は、回転方向Ｒに関して１８０°離れている。

上流側風速風向計１５および下流側風速風向計１６のそれぞれは、互いに隣接した風速計および風向計を有している。この風速計は、例えば、複数のカップに風を受けて水平回転し、その回転速度から風速を計測する回転式風速計、または超音波式の風速計である。一方、風向計は、例えば、矢羽根形風向計である。

ナセル１１内には、回転数計測部１９および制御装置２０が収容されている。回転数計測部１９は、ブレード１３の回転数を計測する。ブレード１３の回転数は、例えば、ブレード１３の回転により発電する発電機の出力に基づいて計測することができるが、回転数の計測方法は特に限定されない。

制御装置２０は、図２に示すように、演算部２１および調整部２２を有する。演算部２１および調整部２２は、複数の電子機器が搭載された制御盤等を含むハードウェアであってもよいし、種々のプログラムで動作するソフトウェアであってもよい。

演算部２１は、時間同定部２１１およびデータ処理部２１２を有する。時間同定部２１１およびデータ処理部２１２は、回転数計測部１９で継時的に計測された回転数データ、上流側風速風向計１５および下流側風速風向計１６の各々で継時的に計測された風況データをインプットデータとし、これらのデータの分析および計算を行う。ここで、風況データは、風速計で計測された風速データおよび風向計で計測された風向データを含むデータである。

調整部２２は、ヨー角調整部２２１およびピッチ角調整部２２２を有する。ヨー角調整部２２１は、演算部２１の計算結果に基づいて、ナセル１１の方位角であるヨー角を調整する。ピッチ角調整部２２２は、演算部２１の計算結果に基づいて、Ｘ方向の回転軸に対するブレード１３の角度であるピッチ角を調整する。

図３は、アジマス角に対応する風速データの時系列変化を示すグラフである。図３では、横軸は、ブレード１３の回転角であるアジマス角である。縦軸は、上流側風速風向計１５および下流側風速風向計１６でそれぞれ計測された風速データである。また、実線は、上流側風速風向計１５の風速データであり、破線は下流側風速風向計１６の風速データである。

図３に示すように、ブレード１３の回転に伴って、風速データは、周期的な変動を繰り返す。また、ブレード１３が、アジマス角０°の位置で上流側風速風向計１５の前方を回転し始めると、風速データは、０°よりもやや遅れたＡ°付近で減速する。これはアジマス角０°からアジマス角Ａ°までのブレード１３の回転に要する時間周期が存在するため、アジマス角０°付近の時にブレード１３の根元部の後流に発生していた減速領域（ウエイク）が到達したものである。下流側風速風向計１６でも、設置位置に応じて、周期的に遅れて同様な風速データの時系列変化が生じる。また、図３に示すように、減速領域（ウエイク領域）を捉えている時間、捉えていない時間の位相がずれて取得されていることがわかる。

以下、図４を参照して、上述した風力発電装置１の制御方法を説明する。図４は、第１実施形態に係る風力発電装置１の制御フロー図である。図４に示す制御フローは、サンプリングしているデータ毎にリアルタイムに行われてもよいし、例えば１０分毎に平均値にて処理してもよい。本実施形態では、リアルタイムにデータを取得した場合について説明する。

まず、演算部２１が、上流側風速風向計１５および下流側風速風向計１６の各々から風況データを取得するとともに、回転数計測部１９から回転数データを取得する（ステップＳ１）。

次に、演算部２１の時間同定部２１１が、回転数データを用いて、ブレード１３から各風速風向計までの距離に基づく計測遅れ時間を同定する（ステップＳ２）。ステップＳ２では、時間同定部２１１は、回転数データに基づいて速度を算出し、算出した速度と、制御装置２０内に予め記憶されている上記距離とを演算して計測遅れ時間を算出する。

次に、データ処理部２１２が、計測遅れ時間を用いて風況データを補正する（ステップＳ３）。ステップＳ３では、例えば、データ処理部２１２は、上流側風速風向計１５および下流側風速風向計１６の設置位置における風速計風速分布ｙを、流入部における風速とロータ回転数を包含した変数ｘにより換算する補正関数y＝ｆ（ｘ）を用いる。この変数ｘには、計測遅れ時間の分だけ遡った風況データが用いられる。

上記補正関数は、ＣＦＤ（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ）などを用いた流体解析により構築してもよいし、実測データを統計的に処理して構築してもよいし、風力発電装置１が稼働後に設置地形によって修正することもよい。また、風況データの補正方法は、上述した補正関数に限定されず、例えば制御装置２０内に設けられたデータベースを用いた方法であってもよい。このデータベースには、例えば、上流側風速風向計１５および下流側風速風向計１６の各々の風況データ毎に、データ補正値が予め規定されている。データ処理部２１２は、計測遅れ時間の分だけ遡った風況データに対応するデータ補正値をデータベースから取得する。

上記のように補正された風況データに基づいて、ヨー角調整部２２１が、ナセル１１のヨー角を調整するとともに、ピッチ角調整部２２２が、ブレード１３のピッチ角を調整する（ステップＳ４）。ステップＳ４では、例えば、ヨー角調整部２２１は、補正後の風向データに基づいてブレード１３の回転面が風向に対向するようにヨー角を調整する。また、ピッチ角調整部２２２は、ブレード１３の揚力が最大となるようにピッチ角を調整する。

図５は、補正前後の風速データを、ブレード１３に実際に流入した速度と比較したグラフである。図５では、横軸は、ブレード１３のアジマス角である。縦軸は、水平方向の風速である。また、実線は、ブレード１３に実際に流入した流入風速である。破線は、上流側風速風向計１５および下流側風速風向計１６の補正後の風速データを平均化した風速である。一点鎖線は、上流側風速風向計１５および下流側風速風向計１６の補正前の風速データを平均化した風速である。

上流側風速風向計１５および下流側風速風向計１６の計測データは、図３に示すように、ブレード１３の回転に伴うウェイクやナセル１１などの構造物の影響により、周期的な変動を含んでいる。しかし、本実施形態では、時間同定部２１１によって、計測時間の遅れの影響が排除される。また、データ処理部２１２によって、構造物などの影響が排除される。その結果、図５に示すように、補正後の風速データは、補正前の風速データに比べて、流入風速に対する正確性が高い。

以上説明した本実施形態によれば、２台の風速風向計を可能な限り離して設置して広い範囲で風況データを計測している。また、風がブレード１３に流入した時間帯に遡った風況データを用いてデータ補正を行っている。これにより、ブレード１３における風の流入状態をより正確に把握できるため、ヨー角およびピッチ角は最適角度に調整される。したがって、発電量を最大化することが可能となる。

なお、本実施形態では、二箇所の風況データを用いているが、風速風向計を三箇所以上に設置してもよい。この場合も、上述した制御フローと同様に、計測遅れ時間を同定し、風況データを補正する。

（第２実施形態）
図６は、第２実施形態に係る風力発電装置の鳥瞰図である。図６では、第１実施形態と同様の構成要素には同じ符号を付し、重複する説明を省略する。

本実施形態に係る風力発電装置２は、上述した第１実施形態に係る風力発電装置１の構成要素に加えて、Ｚ方向（鉛直方向）の風速を計測する風速計３１および風速計３２を備える。風速計３１および風速計３２は、例えば、鉛直方向の風を複数のカップで受けて回転する回転式風速計、または超音波式の風速計である。

風速計３１は、上流側風速風向計１５と同様に、支持部材１７によって、ナセル１１の側面１１ａに設置されている。一方、風速計３２は、下流側風速風向計１６と同様に、支持部材１８によって、ナセル１１の側面１１ｂに設置されている。なお、風速計３１および風速計３２は、支持部材１７、１８とは異なる支持部材に支持されていてもよい。

風速計３１および風速計３２の計測データは、演算部２１に入力される。演算部２１のデータ処理部２１２は、計測データに基づいて吹上げ角度を算出する。ここで、図７を参照して、吹上げ角度を説明する。

図７は、吹上げ角度の定義を示す図である。図７に示すように、吹き上げ角度は、水平風速（ｕ^２+ｖ^２）^１／２と、鉛直方向の風速wとのなす角度αで定義される。ここで、ｕはＸ方向の風速であり、ｖはＹ方向の風速である。風速ｕおよび風速ｙは、上流側風速風向計１５および下流側風速風向計１６でそれぞれ計測される。

吹き上げ角度αの値は、風力発電装置２の設置場所の地形や気候に依存する。吹き上げ角度αが過大に大きくなると、鉛直方向上向きの風荷重がブレード１３に加わるため、ブレード１３が破損し得る。そのため、この吹き上げ角度αの実測値を常時リアルタイムに計測し、ブレード１３の運転制御にフィードバックすることは重要である。

本実施形態では、風速計３１および風速計３２は、Ｚ方向に関してナセル１１などの風況を遮る構造物から離れている。そのため、吹き上げ角度αの実測に必要な鉛直方向の風速wを高精度にリアルタイムで計測することが可能である。

また、本実施形態では、吹き上げ角度αが予め設定された基準値を超えると、ピッチ角調整部２２２が、風向に対して平行なフェザー状態（フェザリング）になるように、ブレード１３のピッチ角を調整する。これにより、ブレード１３の破損を回避することが可能となる。

本実施形態においても、第１実施形態と同様に、風況データは、ナセル１１を挟んでＹ方向で互いに対向する上流側風速風向計１５および下流側風速風向計１６でそれぞれ計測され、風がブレード１３に流入した時間帯に遡って補正される。これにより、ブレード１３における風の流入状態をより正確に把握でき、ヨー角およびピッチ角を最適角度に調整できる。したがって、発電量を最大化することが可能となる。

さらに、本実施形態によれば、故障の原因となる吹き上げ角度αが上昇する現象を早期に検知して、風力発電装置２の故障回避の制御を行うことが可能となる。

（第３実施形態）
図８は、第３実施形態に係る風力発電装置の要部の構造を示す断面図である。図６では、第１実施形態と同様の構成要素には同じ符号を付し、重複する説明を省略する。

図８に示すように、本実施形態に係る風力発電装置３では、支持部材１８が、本体部１８ａおよび延長部１８ｂを有する。本体部１８ａは、ナセル１１の側面１１ｂに取り付けられている。延長部１８ｂは、Ｙ方向にスライド可能に本体部１８ａに取り付けられている。延長部１８ｂの先端部には、下流側風速風向計１６が設置されている。このような構成によって、支持部材１８は、ナセル１１に対して下流側風速風向計１６を離間および近接させるように伸縮可能である。なお、ナセル１１の側面１１ａ側では、支持部材１７が、支持部材１８と同様に伸縮可能であるため、上流側風速風向計１５は、ナセル１１に対してＹ方向に離間および近接することができる。

風速および風向の計測時には、ナセル１１が計測データに与える影響を低減するために、上流側風速風向計１５および下流側風速風向計１６は、ナセル１１からできるだけ離れていることが望ましい。その一方で、上流側風速風向計１５および下流側風速風向計１６のメンテナンス時には、各風速風向計がナセル１１から離れていると作業しにくい。

本実施形態によれば、上述したように、支持部材１７および支持部材１８が、伸縮可能である。そのため、風速および風向の計測時には、各支持部材を伸長することによって、ナセル１１の影響が低減し、その結果、精度の高い風況データを得ることが可能となる。また、メンテナンス時には、各支持部材を収縮することによって、安全かつ簡単なメンテナンスが可能となる。

以上、いくつかの実施形態および変形例を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規なシステムは、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明したシステムの形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要ことに含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。

１〜３：風力発電装置、タワー：ナセル、１１：ナセル、１３：ブレード、１５：上流側風速風向計、１６：下流側風速風向計、１７、１８：支持部材、１９：回転数計測部、２０：制御装置、２１：演算部、２２：調整部

Claims (6)

1. タワーと、
   前記タワーに回転可能に設置されているナセルと、
   前記ナセルの前方で回転可能な少なくとも１枚以上のブレードと、
   前記ナセルに互いに離れて設置された複数の風速風向計と、
   前記ブレードの回転数を計測する回転数計測部と、
   前記回転数計測部で継時的に計測された回転数データを用いて、前記ブレードから各風速風向計までの距離に基づく計測遅れ時間を同定し、前記計測遅れ時間を用いて、前記複数の風速風向計の各々で継時的に計測された風況データを補正する演算部と、
   補正後の風況データに基づいて、前記ナセルのヨー角および前記ブレードのピッチ角を調整する調整部と、
   を備える、風力発電装置。
2. 前記複数の風速風向計は、
   前記ナセルの第１側面側に設置された第１風速風向計と、
   前記ナセルの、前記第１側面に対向する第２側面側に設置された第２風速風向計と、を含む、請求項１に記載の風力発電装置。
3. 前記複数の風速風向計の近傍で、鉛直方向の風速を計測可能な風速計側部をさらに備え、
   前記調整部は、前記風速計側部の計測データに基づいて前記ピッチ角を調整する、請求項１または２に記載の風力発電装置。
4. 前記複数の風速風向計を支持し、前記ナセルに対して離間および近接するように伸縮可能な支持部材をさらに備える、請求項１から３のいずれか１項に記載の風力発電装置。
5. タワーと、前記タワーに回転可能に設置されているナセルと、前記ナセルの前方で回転可能な少なくとも１枚以上のブレードと、前記ナセルに互いに離れて設置された複数の風速風向計と、前記ブレードの回転数を計測する回転数計測部と、を含む風力発電装置を制御する制御装置であって、
   前記回転数計測部で継時的に計測された回転数データを用いて、前記ブレードから各風速風向計までの距離に基づく計測遅れ時間を同定し、前記計測遅れ時間を用いて、前記複数の風速風向計の各々で継時的に計測された風況データを補正する演算部と、
   補正後の風況データに基づいて、前記ナセルのヨー角および前記ブレードのピッチ角を調整する調整部と、
   を備える制御装置。
6. タワーと、前記タワーに回転可能に設置されているナセルと、前記ナセルの前方で回転可能な少なくとも１枚以上のブレードと、前記ナセルに互いに離れて設置された複数の風速風向計と、前記ブレードの回転数を計測する回転数計測部と、を含む風力発電装置の制御方法であって、
   前記回転数計測部で継時的に計測された回転数データを用いて、前記ブレードから各風速風向計までの距離に基づく計測遅れ時間を同定し、
   前記計測遅れ時間を用いて、前記複数の風速風向計の各々で継時的に計測された風況データを補正し、
   補正後の風況データに基づいて、前記ナセルのヨー角および前記ブレードのピッチ角を調整する、
   風力発電装置の制御方法。

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