JP2022065271A - 風力発電装置とその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ナセル旋回回数の増加を抑え、機械的消耗の必要以上の増加を抑制し得る風力発電装置とその制御方法を提供する。【解決手段】風を受けて揚力を発生させるブレードと、ブレードを支持し、回転するハブと、ハブの回転のエネルギーを電力に変換する発電機と、ハブを回転可能に支持し発電機を格納するナセルと、ナセルを回転可能に支持するタワーと、ヨー制御指令に基づいてナセルのヨーを調整する調整装置と、調整装置に送るヨー制御指令を定める制御装置とを備える風力発電装置であって、制御装置は、風の乱れ度に応じて、ナセル旋回開始閾値を調整する機能を持つことを特徴とする風力発電装置。【選択図】図３

Description

本発明は風力発電装置とその制御方法に係り、様々な風力発電装置の設置場所に対応可能かつ、風力発電装置の信頼性及び寿命を向上させることが可能な風力発電装置とその制御方法に関する。

水平軸型の風力発電装置では、風車ロータを搭載するナセルを垂直軸まわりに旋回させるヨー旋回機構が備わっている。風力発電装置は、風車ロータの回転軸の方位角（以下、ナセル方位角と称する）と風向との偏差角を表す風向偏差（以下、ヨー偏差角と称する）が生じた場合、ロータの受風面積の減少により発電効率が低下するのを防ぐため、ヨー旋回機構を制御してヨー偏差角をなくすように動作することが知られている。これらヨー制御の方法として例えば、特許文献１に記載される技術が知られている。

特開２０２０―０２０２６４号公報

ある地点における風向や風速を表す風況は、様々な周期を持つ変動成分を有する。また、時間帯によってもその周期的な変動成分の特徴が異なる。風況には、これらの変動成分がランダムに含まれるため、一般的なヨー制御方法は、例えばある所定期間のヨー偏差角が所定の閾値を超えた場合にナセル旋回を開始し、ヨー偏差角がゼロになる、もしくはヨー偏差角が所定の閾値を下回った場合にナセル旋回を停止させることにより、ヨー偏差角が常にゼロに近くなるようヨーを制御する。

ヨー制御によりヨー偏差角を常にゼロに維持できた時、最も発電量が多くなる。しかし、ナセルの旋回速度よりも風向の変動速度の方が速い場合、ナセル方位角を風向に追従できない。また、頻繁に風向が変化する場合、それに伴いナセル旋回機構が駆動する回数が大幅に増加し、ナセル旋回の支持機構やナセル駆動力となるモータ等の機械的損耗が増加し、風力発電装置の信頼性の低下や寿命の低下につながるリスクが増加するという課題がある。

例えば、特許文献１では、風力発電装置の制御方法であって、風を受けて回転するロータと、前記ロータを回転可能に支持するナセルと、前記ナセルをヨー旋回可能に支持するタワーと、ヨー制御指令に基づいて前記ナセルのヨーを調整する調整装置と、前記調整装置に送る前記ヨー制御指令を定める制御装置とを備える風力発電装置であって、前記制御装置は、風向風速測定部により測定された値と前記ロータの方向からヨー偏差角を算出するヨー偏差角計算部と、前記風向風速測定部により測定された値から風の乱れ度を算出する風の乱れ度計算部と、前記ヨー偏差角と前記風の乱れ度に基づき前記ヨー制御指令を定める制御指令作成部を備え、前記制御装置は、風の乱れ度が高い場合、ヨー旋回を早く停止することを特徴とすると記載されている。

上記特許文献１の風力発電装置の制御方法では、風向変動が激しい場合でもヨー旋回のし過ぎを抑制し、ヨー旋回時の風向に対するナセル方位角の追従性を向上させることが可能であるが、ナセル旋回回数を低減させることができない。

そこで、本発明は、算出した風の乱れ度に応じて、ナセル旋回の開始閾値を調整することにより、ナセルの駆動回数増加を抑制し、機械的消耗の必要以上の増加を抑制し得る風力発電装置とその制御方法を提供する。

上記課題を解決するため、本発明に係る風力発電装置は、「風を受けて揚力を発生させるブレードと、ブレードを支持し、回転するハブと、ハブの回転のエネルギーを電力に変換する発電機と、ハブを回転可能に支持し発電機を格納するナセルと、ナセルを回転可能に支持するタワーと、ヨー制御指令に基づいてナセルのヨーを調整する調整装置と、調整装置に送るヨー制御指令を定める制御装置とを備える風力発電装置であって、制御装置は、風の乱れ度に応じて、ナセル旋回開始閾値を調整する機能を持つことを特徴とする風力発電装置」としたものである。

また本発明に係る風力発電方法は、「風を受けて揚力を発生させるブレードと、ブレードを支持し、回転するハブと、ハブの回転のエネルギーを電力に変換する発電機と、ハブを回転可能に支持し発電機を格納するナセルと、ナセルを回転可能に支持するタワーと、ヨー制御指令に基づいてナセルのヨーを調整する調整装置と、調整装置に送るヨー制御指令を定める制御装置とを備える風力発電装置における風力発電方法であって、制御装置は、風の乱れ度に応じて、ナセル旋回開始閾値を調整する機能を持つことを特徴とする風力発電方法」としたものである。

本発明によれば、算出した風の乱れ度に応じて、ナセル旋回の開始閾値を調整することにより、ナセルの旋回回数増加を抑制し、機械的消耗の必要以上の増加を抑制し得る風力発電装置とその制御方法を提供することが可能となる。

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

本発明の実施例１に係る風力発電装置の全体概略構成例を示す側面図。 図１に示す風力発電装置の上面図（平面図）。 実施例１に係るヨー制御部の機能を示すブロック線図。 実施例１に係る風の乱れ度とナセル旋回開始角度の関係を示す特性図。 図３に示すヨー制御部の処理概要を示すフローチャート。 図４に示すフローチャートにおけるナセル方位角の模式図。 実施例２に係るヨー制御部の機能を示すブロック線図。 実施例３に係るヨー制御部の機能を示すブロック線図。 実施例３に係る風の乱れ度とナセル旋回開始角度の関係を示す特性図。 実施例４に係るヨー制御部の機能を示すブロック線図。

以下、図面を用いて本発明の実施例について説明する。なお本明細書での説明にあたり、本発明の実施形態に係る風力発電装置として、ダウンウィンド型の風力発電装置を例に説明するが、アップウィンド型の風力発電装置においても同様に適用できる。また、３枚のブレードとハブにてロータを構成する例を示すが、これに限られず、ロータはハブと少なくとも１枚のブレードにて構成しても良い。本発明の実施形態に係る風力発電装置を複数隣接して設置するウィンドファームは、洋上、山岳部及び平野部の何れの場所にも設けることができる。

また、以下に説明する実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている諸要素及びその組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。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４を用いて実施例１に係る風力発電装置とその制御方法を説明する。図１は、実施例１の風力発電装置の構成例を示す全体概略構成図である。図１に示すように、風力発電装置２は、風を受けて回転するブレード２３、ブレード２３を支持するハブ２２、ナセル２１、及びナセル２１を回動可能に支持するタワー２０を主たる構成要素として備えている。

このうちナセル２１内には、ハブ２２に接続されハブ２２と共に回転する主軸２５、主軸２５に接続され回転速度を増速する増速機２７、及び増速機２７により増速された回転速度で回転子を回転させて発電運転する発電機２８を備えている。

また、ブレード２３の設置向きはピッチ角と称され、風力発電装置２は、このピッチ角、すなわち、ブレード２３の向きを制御するピッチ角制御装置３４を備える。ブレード２３の回転エネルギーを発電機２８に伝達する部位は、動力伝達部と呼ばれ、本実施例では、主軸２５、及び増速機２７が動力伝達部に含まれる。そして、増速機２７及び発電機２８は、メインフレーム２９上に保持されており、発電機２８はその動きを制御する発電機制御装置３５を有する。

また、ブレード２３及びハブ２２によりロータ２４が構成される。図１に示すように、タワー２０内部に、電力の周波数を変換する電力変換器３０、電流の開閉を行うスイッチング用の開閉器及び変圧器など（図示せず）、及び制御装置３１が配されている。図１において、電力変換器３０及制御装置３１はタワーの底部に設置されているが、これら機器の設置場所はタワー底部に限定されず、風力発電装置２の内部であれば、他の場所に設置される場合も考えられる。

また、ナセル２１の上面に、風向データ及び風速データを計測するための風向風速計３２が設置されている。制御装置３１として、例えば、制御盤又はＳＣＡＤＡ（Ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ａｎｄ Ｄａｔａ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ）が用いられる。

また、ナセル２１の向きはヨー角と称され、風力発電装置２は、このナセル２１の向き、すなわち、ロータ２４の回転面の向きを制御するヨー角制御装置３３を備える。図１に示すように、ヨー角制御装置３３は、ナセル２１の底面とタワー２０の先端部との間に配され、例えば、図示しない、少なくともアクチュエータ及び当該アクチュエータを駆動するモータより構成される。制御装置３１より信号線を介して出力されるヨー角制御指令に基づき、ヨー角制御装置３３を構成するモータが回転しアクチュエータが所望量変位することで、所望のヨー角となるようナセル２１が回動する。

図２は、図１の上面図（平面図）である。所定の基準方向となす風向をθｗ、所定の基準方向となすロータ回転軸の方向をθｒ、風向θｗからロータ軸角度θｒまでの偏差角であるヨー偏差角をΔθと定義し、これらの関係を図示している。ここで、「所定の基準方向」とは、例えば、北を０°として基準方向とする。なお、北に限らず基準となる方向を任意に設定しても良い。なお、風向θｗは、計測周期ごとに取得された値であってもよいし、所定期間の平均方向であってもよいし、所定周波数領域のみを通過させるフィルタを介した方向であってもよいし、周辺の風況分布に基づき算出された方向であってもよい。また、ロータ軸角度θｒは、ロータ回転軸の向く方向であってもよいし、ナセルの方向であってもよいし、ヨー旋回部のエンコーダにより計測された値等であってもよい。

図３は、図１に示すヨー制御装置３３を構成するヨー制御部におけるナセル旋回開始時の機能を示すブロック線図である。図３に示すように、ヨー制御部３００は、ヨー偏差角Δθを求めるヨー偏差角計算部３０１と、ナセル旋回の開始閾値θｓを算出するナセル旋回開始閾値演算部３１０と、ヨー偏差角Δθと別途設定されている予測制御指令値θｙに基づいてヨー旋回の開始／駆動／停止を制御するヨー制御指令Ｃｙを定める制御指令作成部３０５により構成されている。ナセル旋回開始閾値演算部３１０は、データ蓄積部３０２、風の乱れ度計算部３０３、閾値演算部３０４により構成されている。

このうちヨー偏差角計算部３０１は、ロータ軸角度θｒと風向θｗに基づき、ヨー偏差角Δθを決定する。このヨー偏差角Δθは図２に示すように、風向θｗとロータ軸角度θｒの差分であり、ロータ軸が風向からどれくらいずれているかを示す。ここで、風向θｗはナセル５に設置された風向風速センサ１０から検出した値に限定せず、地面や他の場所に設置された値を利用するものであってもよい。また、ヨー偏差角計算部３０１は、ローパスフィルタに代表される、ヨー偏差角Δθの所定周波数領域のみを通過させるフィルタ（ローパスフィルタ）や、移動平均に代表される、直前の所定期間の値の平均値を利用する統計値を用いたものであってもよい。あるいはフーリエ変換をおこなうものであってもよい。

ナセル旋回開始閾値演算部３１０を構成するデータ蓄積部３０２は、風向風速計３２から検出した風速測定値Ｖｗ（以下、単に風速Ｖｗという）のデータを蓄積している。

また、風の乱れ度計算部３０２は、データ蓄積部３０２に蓄積された風速Ｖｗに基づき、所定の期間の風況データの変動を表す風の乱れ度Ｉｔを出力する。本実施例では、風速Ｖｗを風の乱れ度Ｉｔの算出に用いる。風の乱れ度Ｉｔを計算する手法の一例として、ここでは統計分析手法を用いて、以下の式（１）に示すように乱流強度で設定される。
［数１］
Ｉｔ＝σｖ／Ｖｗａｖｅ ・・・（１）
ここで、σｖは所定期間における風速Ｖｗの標準偏差、Ｖｗａｖｅは所定期間における風速Ｖｗの平均値である。なお、所定期間をどのように設定すべきかは、各風力発電装置が設置された場所の環境事情、ヨー制御部３００の計算能力、ヨー偏差角計算部３０１で用いるフィルタの設定値、ヨー旋回の駆動速度、ヨー駆動量等に応じて適宜設定されればよいが、ある程度頻度の高い風向変動に対応するよう、大まかには１秒乃至１時間の範囲とするのが好ましい。もしくは、所定期間は１０秒乃至１０分の範囲とするのがさらに好ましい。

図３に示すナセル旋回開始閾値演算部３１０を構成する閾値演算部３０４は、風の乱れ度Ｉｔに基づきナセル旋回開始を判定する閾値θｓを決定する。具体的には、閾値演算部３０３においては、風の乱れ度Ｉｔに応じて、ナセル旋回開始閾値θｓの大きさが変更されるように調整される。例えば図４に例示するように、風の乱れ度Ｉｔが小さい場合はナセル旋回開始閾値θｓを低くし、風の乱れ度Ｉｔが大きい場合はナセル旋回開始閾値θｓを高くするとともに、風の乱れ度Ｉｔが基準値Ｉｔ０よりも小さい場合は、ナセル旋回開始閾値θｓを一定に保持するような特性Ｌの関係とする。

図５は、図３に示すヨー制御部３００におけるナセル旋回開始時の処理概要を示すフローチャートである。なお、このフローにおいて、処理ステップＳ４０１からＳ４０３は図３のヨー偏差角計算部３０１内の処理に相当し、処理ステップＳ４０５は図３のデータ蓄積部３０２の処理に相当し、処理ステップＳ４０６は図３の乱れ度計算部３０３の処理に相当し、処理ステップＳ４０７は図３の閾値演算部３０４の処理に相当し、処理ステップＳ４０９は図３の制御指令作成部３０５の処理に相当している。

図５に示すように、処理ステップＳ４０１では、ヨー偏差角計算部３０１がロータ軸角度θｒを決定し、次の処理ステップＳ４０２に進む。処理ステップＳ４０２では、ヨー偏差角計算部３０１が風向θｗを決定し、次の処理ステップＳ４０３に進む。処理ステップＳ４０３では、ヨー偏差角計算部３０１がロータ軸角度θｒと風向θｗに基づいてヨー偏差角Δθを決定し、次の処理ステップＳ４０９に進む。このように、処理ステップＳ４０１から処理ステップＳ４０３までの処理をヨー偏差角計算部３０１が実行する。

処理ステップＳ４０１から処理ステップＳ４０３までの処理と平行して、処理ステップＳ４０５では、ナセル旋回開始閾値演算部３１０を構成するデータ蓄積部３０２から、風の乱れ度計算部３０３で使用する風速測定値Ｖｗを抽出する。処理ステップＳ４０６では、風の乱れ度計算部３０３が風速Ｖｗに代表される風速測定値Ｖｗに基づいて風の乱れ度Ｉｔを決定し、次の処理ステップＳ４０７に進む。処理ステップＳ４０５では、ナセル旋回開始閾値演算部３１０を構成する閾値演算部３０４がナセル旋回開始閾値θｓを決定し、次の処理ステップＳ４０９に進む。このように処理ステップＳ４０５から処理ステップＳ４０７までの処理をナセル旋回開始閾値演算部３１０が実行する。

処理ステップＳ４０９では、制御指令作成部３０４がヨー偏差角Δθとナセル旋回開始閾値θｓに基づいてヨー制御指令Ｃｙを決定した後、一連の処理を終了する。

ここで、ナセル旋回開始閾値θｓの算出方法について具体的に説明する。図６は、ナセル旋回開始閾値演算部３１０によるナセル方位角の変化を模式的に表したものである。縦軸が風向及びナセル方位角を表しており、時間帯Ｔ１において風の乱れ度が大きく、時間帯Ｔ２において風の乱れ度が小さかったものとする。

図６中の実線Ｌ１０１が模擬的に示した風向、破線Ｌ１０２がナセル旋回開始閾値演算部３１０を用いずに、常にナセル旋回開始閾値θｓを小さな値で固定した場合のナセル方位角、鎖線Ｌ１０３がナセル旋回開始閾値演算部３１０を用いずに、常にナセル旋回開始閾値θｓを大きな値で固定した場合のナセル方位角、点線Ｌ１０４がナセル旋回開始閾値演算部３１０を用いてナセル旋回開始閾値θｓを調整した場合のナセル方位角を模擬している。

この図は、模擬的に示した風向Ｌ１０１が図示のように、風の乱れ度が大きい時間帯Ｔ１において短周期での増減をするように変動し、風の乱れ度が小さい時間帯Ｔ２において増加傾向を示した場合に、ナセル旋回開始閾値θｓを各様に設定した場合にどのような追従変化をするのかを示したものである。

この例ではまず、ナセル旋回開始閾値θｓが小さい場合、破線Ｌ１０２に示すようにナセルは風の乱れ度（Ｔ１、Ｔ２の期間）に依らず、風向変化に追従してナセル旋回を繰り返し、ヨー偏差角Δθは小さくなるものの、ナセル旋回機構は開始／駆動／停止を繰り返し、特に風の乱れ度が大きい場合には風向変化も頻発するため、ナセルの旋回回数は大きく増加する。

一方、ナセル旋回開始閾値θｓが大きい場合、鎖線Ｌ１０３に示すようにナセルは風の乱れ度（Ｔ１、Ｔ２の期間）に依らず、風向変化にあまり追従しないため、ヨー偏差角Δθが大きくなり、発電量が低下してしまうリスクがある。

これらに対し、ナセル旋回開始閾値θｓを風の乱れ度に応じて調整することにより、点線Ｌ１０４に示すように風の乱れ度が大きい場合（Ｔ１の期間）はナセル旋回開始閾値θｓを大きくすることで、頻発する風向変動に対し、ナセル方位を追従させないことで、ナセル旋回回数の増加を抑制する。一方で、風の乱れ度が小さい場合（Ｔ２の期間）は、ナセル旋回開始閾値θｓを小さくすることで、風向変化に対するナセル方位の追従性を向上させ、発電量の低下を抑制する。

以上のように、本実施例によれば、風の乱れ度に応じてヨー制御をし、風向変動が大きいサイトにおいても、ナセル旋回回数の増加を抑制し得る風力発電装置とその制御方法を提供することが可能となる。

具体的には、風速センサで検出した風速Ｖｗを用いて風の乱れ度Ｉｔを計算し、図４の特性に示すように風の乱れ度Ｉｔが高い場合は、ナセル旋回開始閾値θｓを高くすることでヨー旋回回数の増加を抑制しする。また、風の乱れ度Ｉｔが低い場合は、ナセル旋回開始閾値θｓを小さく、もしくは維持することで風向θｗにナセル方位を追従させるこのように風況に応じてナセル旋回開始委閾値θｓを可変することで、ナセル旋回回数の増加を抑制することで、機械的消耗の増加を抑制することができる。

なお（１）式により風の乱れ度Ｉｔを求めた場合、風の乱れ度Ｉｔが高いということは風の乱れが多いということを表し、風の乱れ度Ｉｔが低いということは風の乱れが少ないということを表していることは言うまでもない。

次に、本発明の実施例２に係る風力発電装置２について説明する。

実施例２の風力発電装置２は、上述の実施例１のヨー制御部３００内の閾値演算部３１０における処理が実施例１と異なる。図７は実施例２におけるヨー制御部３００におけるナセル旋回開始時の機能を示すブロック線図である。

図７に示すように、ヨー制御部３００は、ヨー偏差角Δθを求めるヨー偏差角計算部３０１と、ナセル旋回の開始閾値θｓを算出するナセル旋回開始閾値演算部３１０と、ヨー偏差角Δθと予測制御指令値θｙに基づいてヨー旋回の開始／駆動／停止を制御するヨー制御指令Ｃｙを定める制御指令作成部３０４により構成されている。ナセル旋回開始閾値演算部３１０は、データ蓄積部３０２、風の乱れ度計算部３０３、閾値演算部３０４に加えて、閾値記録部３０６により構成されている。

このうちヨー偏差角計算部３０１は、ロータ軸角度θｒと風向θｗに基づき、ヨー偏差角Δθを決定する。ナセル旋回開始閾値演算部３１０を構成するデータ蓄積部３０２は、風向風速計３２から検出した風速測定値Ｖｗのデータを蓄積している。また、風の乱れ度計算部３０２は、データ蓄積部３０２に蓄積された風速Ｖｗに基づき、所定の期間の風況データの変動を表す風の乱れ度Ｉｔを出力する。

実施例２で追加設置された閾値記録部３０６には、風の乱れ度Itに応じたナセル旋回開始閾値が記録される。閾値演算部３０４は、風の乱れ度Ｉｔと閾値記録部３０６に記録された風の乱れ度とナセル旋回開始閾値に基づき、ナセル旋回開始を判定する閾値θｓを決定する。このとき、閾値記録部３０６の記録データは、風力発電装置やその設置場所に応じて設定されるものであっても、複数の風力発電装置において共通のものを用いてもよい。また、閾値記録部３０６の記録データは風力発電装置の設置前に記録されたものを継続して利用することも可能だが、風力発電装置の運転状況に応じて変更してもよい。また、季節毎、時間帯、天候等に応じて変更してもよい。

以上のように、実施例２によれば、季節、時間帯、天候等の状況に応じて、条件を変更しながらヨー制御をし、常にナセル旋回回数の増加を抑制し得る風力発電装置とその制御方法を提供することが可能となる。

次に、本発明の実施例３に係る風力発電装置２について説明する。

本実施例の風力発電装置２は、上述の実施例１、実施例２のヨー制御部３００における閾値演算部３１０における処理が実施例１、実施例２と異なる。

図８は本実施例におけるヨー制御部３００におけるナセル旋回開始時の機能を示すブロック線図である。図８の予測ヨー制御指令値算出部３１０では、上述の実施例１、実施例２と同様に、風速Ｖｗを入力するが、乱れ度計算部３０３で計算される風の乱れ度Ｉｔの他に、平均風速計算部３０７において平均風速Ｖｗａｖｅを計算する。そして閾値演算部３０４では、風の乱れ度Ｉｔと平均風速Ｖｗａｖｅに基づいて、ナセル旋回開始を判定する閾値θｓを決定する。つまりナセル旋回開始閾値θｓは、風の乱れ度Ｉｔと平均風速Ｖｗａｖｅの２つの変数に応じて決定されている。

図９は、風の乱れ度Ｉｔと平均風速Ｖｗａｖｅの２つの変数に応じて決定されるナセル旋回開始閾値θｓの関係を図４と同じ座標上に記述したものである。実施例３では、図４の関係にある特性Lについて、平均風速Ｖｗａｖｅが高いときには特性L1のように下げて運用し、平均風速Ｖｗａｖｅが低いときには特性L２のように上げて運用したものである。

ここで実施例３では、平均風速Ｖｗａｖｅが高い場合、風の乱れ度Ｉｔが高いときは実施例１と比較してナセル旋回停止閾値θｓを低くしている。この理由は、平均風速Ｖｗａｖｅが高い場合、風の乱れ度Ｉｔが高い場合であっても風向変化が小さくなることにある。このことから、風の乱れ度Ｉｔが高い場合においても、平均風速Ｖｗａｖｅが高い場合は、ナセル旋回開始閾値θｓを実施例１と比較して低くすることにより、ナセル旋回回数の増加を回避しつつ、ヨー偏差角を小さくことが可能となる。

同様に実施例３では、平均風速Ｖｗａｖｅが低い場合、風の乱れ度Ｉｔが低い場合においても実施例１と比較してナセル旋回開始閾値θｓを高くしている。この理由は、平均風速Ｖｗａｖｅが低い場合、風向変化が大きくなる傾向にあり、風の乱れ度Ｉｔが低い場合においても、ナセル旋回回数が増加するリスクが高くなることがあることにある。本実施例では、実施例１比較してナセル旋回開始閾値θｓを高くすることにより、ナセル旋回回数増加のリスクを抑制する。

なお、平均風速Ｖｗａｖｅは、ローパスフィルタに代表される、風速Ｖｗの所定周波数領域のみを通過させるフィルタ（ローパスフィルタ）や、移動平均に代表される、直前の所定期間の値の平均値を利用する統計値を用いて算出しても、フーリエ変換をおこなって算出してもよい。あるいは、予測ヨー制御指令値算出部３１０に入力する前に、平均風速Ｖｗａｖｅを算出してもよい。

以上のように、本実施例３によれば、様々な特性をもつ風力発電装置設置場所において、常にナセル旋回回数の増加を抑制し得る風力発電装置とその制御方法を提供することが可能となる。

次に、本発明の実施例４に係る風力発電装置２について説明する。

本実施例の風力発電装置２は、上述の実施例のヨー制御部３００と同じ構成を有しているが、予測ヨー制御指令値算出部３１０における処理が実施例１と異なる。図１０に本実施例におけるブロック線図を示す。本実施例におけるナセル旋回開始閾値演算部３１０では、実施例１における乱れ度計算部３０３のかわりにデータ分析部３０８を有する。

図１０のデータ分析部３０８は、風速Ｖｗの計測データに基づいてその特徴データを出力する。特徴データを計算する手法として、ここでは蓄積データの周波数分析手法を用いる。

なお特徴データが、風の乱れ度Itに相当するものであることは言うまでもない。要は、風の乱れ度を前述の（１）式により、所定期間における風速Ｖｗの標準偏差Ｖｗａｖｅ/所定期間における風速Ｖｗの平均値として求めたものが実施例１であって、実施例４では風速Ｖｗの計測データに基づいてデータ分析部３０８における蓄積データの周波数分析手法を用いて求めたものであり、これを特徴データと称しているが、この特徴データは(１)式に示す風の乱れ度Itと同じ性向を反映した信号成分を、データ分析により求めたものである。

周波数領域をどのように設定すべきかは、各風力発電装置が設置された場所の環境事情、ヨー制御部３００の計算能力、ヨー偏差角計算部３０１で用いるフィルタの設定値、ヨー旋回の駆動速度、ヨー駆動量等に応じて適宜設定されればよい。

風速の計測データを周波数分析した後、得られた所定の期間における特定範囲内の周波数成分の平均値もしくは合計値を計算し、風況の特徴量Ｆｐを求める。

閾値演算部３０４は、風況の特徴量Ｆｐに基づきナセル旋回開始を判定する閾値θｓを決定する。具体的には、閾値演算部３０３においては、風況の特徴量Ｆｐに応じて、ナセル旋回開始閾値θｓの大きさが変更されるように調整される。例えば、風況の特徴量Ｆｐが小さい場合はナセル旋回開始閾値θｓを低くし、風況の特徴量Ｆｐが大きい場合はナセル旋回開始閾値θｓを高くする。

上記により、ヨー制御に直接影響する特徴力を重点的に抽出して使用することが可能となり、より最適なナセル旋回開始閾値θｓを算出することが可能となる。

以上のように、本実施例によれば、より効率的にナセル旋回回数の増加を抑制し得る風力発電装置とその制御方法を提供することが可能となる。

次に、本発明の実施例５に係る風力発電装置２について説明する。

本実施例の風力発電装置２は、上述の実施例１のヨー制御部３００と同じ構成を有しているが、ヨー旋回開始閾値算出部３１０における処理が実施例１と異なる。

本実施例のヨー旋回開始閾値算出部３１０では、上述の実施例１と異なり、風速測定値Ｖｗに代えて、風力発電装置２において運転中に記録されている発電出力Ｐ、ブレードピッチ角γ、発電機トルクＴｇ、またはロータ回転速度ωｒに代表される、風速変化に応じて変動する風力発電装置２のパラメータのいずれか一つ以上を入力値とする。

次にこれらパラメータの所定期間における変動量等を計算し、得られた変動量を風の乱れ度Ｉｔとして閾値演算部３０４においてナセル旋回開始閾値θｓを算出する。

以上のように、本実施例によれば、風向風速計の故障時においても、常にナセル旋回回数の増加を抑制し得る風力発電装置とその制御方法を提供することが可能となる。

本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上述した実施例は本発明を理解しやすく説明するために例示したものであり、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、図中に示した制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上で必要な全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際にはほとんど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

上述の実施例に対して可能な変形として、例えば以下のようなものが挙げられる。例えば、ヨー制御部３００における予測ヨー制御指令値算出部３１０は、ヨー角制御装置３３に代えて、外部の装置に備えてもよい。本発明で計算したヨー制御のナセル旋回開始閾値θｓは、同じサイトにおける他の風力発電装置２や、風況の近しい他サイトの風力発電装置２に適用してもよい。ヨー制御部３００における風の乱れ度計算部３０３は、風速Ｖｗをはじめとする風速測定値Ｘｗを逐次入力せず、過去に蓄積された風況測定データのみで計算する構成としてもよい。上述の各実施例においては、風向風速計１０はナセル２１上に設置されているが、この場所に代えて、ナセル２１内や風力発電装置２の周辺に設置してもよい。上述の各実施例において、ナセル旋回開始閾値θｓは段階的に値を設定したり、直線や曲線のように連続的に値を設定したりしてもよい。

２：風力発電装置
２０：タワー
２１：ナセル
２２：ハブ
２３：ブレード
２４：ロータ
２５：主軸
２７：増速機
２８：発電機
２９：メインフレーム
３０：電力変換器
３１：制御装置
３２：風向風速計
３３：ヨー角制御装置
３４：ピッチ角制御装置
３５：発電機制御装置
３００：ヨー制御装置
３０１：ヨー偏差角計算部
３０２：データ蓄積部
３０３：乱れ度計算部
３０４：閾値演算部
３０５：制御指令値作成部
３０６：閾値記録部
３０７：平均風速計算部
３０８：データ分析部
３１０：ナセル旋回閾値演算部

Claims (16)

1. 風を受けて揚力を発生させるブレードと、前記ブレードを支持し、回転するハブと、前記ハブの回転のエネルギーを電力に変換する発電機と、前記ハブを回転可能に支持し前記発電機を格納するナセルと、前記ナセルを回転可能に支持するタワーと、ヨー制御指令に基づいて前記ナセルのヨーを調整する調整装置と、前記調整装置に送る前記ヨー制御指令を定める制御装置とを備える風力発電装置であって、
   前記制御装置は、風の乱れ度に応じて、ナセル旋回開始閾値を調整する機能を持つことを特徴とする風力発電装置。
2. 請求項１に記載の風力発電装置であって、
   前記風の乱れ度は、所定期間における風速の標準偏差と所定期間における風速の平均値から求めたものであることを特徴とする風力発電装置。
3. 請求項１に記載の風力発電装置であって、
   前記風の乱れ度は、風速の計測データの蓄積データの周波数分析により求めたものであることを特徴とする風力発電装置。
4. 請求項１に記載の風力発電装置であって、
   前記風の乱れ度は、風速の変化に応じて変動する風力発電装置のパラメータのいずれか一つ以上から求めたものであることを特徴とする風力発電装置。
5. 請求項４に記載の風力発電装置であって、
   前記風速の変化に応じて変動する風力発電装置のパラメータは、風力発電装置において運転中に記録されている発電出力、ブレードピッチ角、発電機トルク、またはロータ回転速度のいずれかであることを特徴とする風力発電装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の風力発電装置であって、
   前記風の乱れが大きい場合に、ナセル旋回開始閾値を高くし、前記風の乱れが小さい場合に、ナセル旋回開始閾値を低くすることを特徴とする風力発電装置。
7. 請求項６に記載の風力発電装置であって、
   前記風の乱れが大きい場合に高めに設定したナセル旋回開始閾値を、平均風速が高いときには下げて設定し、前記風の乱れが小さい場合に低めに設定したナセル旋回開始閾値を平均風速が低いときには上げて設定することを特徴とする風力発電装置。
8. 請求項３に記載の風力発電装置であって、
   前記風の乱れ度は、風速の計測データを周波数分析した後、得られた所定の期間における特定範囲内の周波数成分の平均値もしくは合計値を用いることを特徴とする風力発電装置。
9. 風を受けて揚力を発生させるブレードと、前記ブレードを支持し、回転するハブと、前記ハブの回転のエネルギーを電力に変換する発電機と、前記ハブを回転可能に支持し前記発電機を格納するナセルと、前記ナセルを回転可能に支持するタワーと、ヨー制御指令に基づいて前記ナセルのヨーを調整する調整装置と、前記調整装置に送る前記ヨー制御指令を定める制御装置とを備える風力発電装置における風力発電方法であって、
   前記制御装置は、風の乱れ度に応じて、ナセル旋回開始閾値を調整する機能を持つことを特徴とする風力発電方法。
10. 請求項９に記載の風力発電方法であって、
    前記風の乱れ度は、所定期間における風速の標準偏差と所定期間における風速の平均値から求めたものであることを特徴とする風力発電方法。
11. 請求項９に記載の風力発電方法であって、
    前記風の乱れ度は、風速の計測データの蓄積データの周波数分析により求めたものであることを特徴とする風力発電方法。
12. 請求項９に記載の風力発電方法であって、
    前記風の乱れ度は、風速の変化に応じて変動する風力発電装置のパラメータのいずれか一つ以上から求めたものであることを特徴とする風力発電方法。
13. 請求項１２に記載の風力発電方法であって、
    前記風速の変化に応じて変動する風力発電装置のパラメータは、風力発電装置において運転中に記録されている発電出力、ブレードピッチ角、発電機トルク、またはロータ回転速度のいずれかであることを特徴とする風力発電方法。
14. 請求項９から請求項１３のいずれか１項に記載の風力発電方法であって、
    前記風の乱れが大きい場合に、ナセル旋回開始閾値を高くし、前記風の乱れが小さい場合に、ナセル旋回開始閾値を低くすることを特徴とする風力発電方法。
15. 請求項１４に記載の風力発電方法であって、
    前記風の乱れが大きい場合に高めに設定したナセル旋回開始閾値を、平均風速が高いときには下げて設定し、前記風の乱れが小さい場合に低めに設定したナセル旋回開始閾値を平均風速が低いときには上げて設定することを特徴とする風力発電方法。
16. 請求項１１に記載の風力発電方法であって、
    前記風の乱れ度は、風速の計測データを周波数分析した後、得られた所定の期間における特定範囲内の周波数成分の平均値もしくは合計値を用いることを特徴とする風力発電方法。

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