JP2023165630A - 風力タービン制御 - Google Patents

Abstract

【課題】極端な風の条件で風力タービンを制御および動作させるための方法およびシステムを提供する。
【解決手段】本開示は、風向信号と、風力タービンにおける瞬間風速を示す１つまたは複数の信号とを受信することと、風力タービンにおける風向の変化率と、風力タービンにおける風速の変化率の指標とを決定することとを含む方法に関する。本方法は、決定された風向の変化率および決定された風速の変化率の指示に少なくとも部分的に基づいて、風力タービンのピッチシステムのための制御信号を決定することをさらに含む。本開示はさらに、そのような方法を実施するように構成された風力タービンのための制御システムに関する。本開示はさらに、風力タービンを動作させる方法に関する。
【選択図】図３Ａ

Description

本開示は、風力タービンに関し、より詳細には、風力タービンを制御および動作させるための方法およびシステムに関する。本開示は、特に、極端な風の条件で風力タービンを制御および動作させるための方法およびシステムに関する。

現代の風力タービンは、配電網に電気を供給するために一般的に使用されている。この種の風力タービンは、一般に、タワーと、タワー上に配置されたロータとを備える。典型的にはハブおよび複数のブレードを備えるロータは、ブレードに対する風の影響下で回転するように設定される。回転は、通常はロータシャフトを介して発電機に直接またはギアボックスを介して伝達されるトルクを生成する。このように、発電機は、電力網に供給可能な電気を生成する。

風力タービンハブは、ナセルの前部に回転可能に結合することができる。風力タービンハブは、ロータシャフトに接続することができ、ロータシャフトは、ナセル内のフレームに配置される１つ以上のロータシャフトベアリングを使用して、ナセル内に回転可能に取り付けることができる。ナセルは、例えばギアボックス（存在する場合）および発電機、ならびに風力タービンに応じて、電力変換器などのさらなる構成要素、および補助システムを収容し、保護する、風力タービンタワーの上に配置されたハウジングである。

風力タービンは、通常、風力タービン制御装置（wind turbine controller：風力タービンコントローラ）をさらに備える。風力タービン制御装置は、一般的な状況に基づいて、風力タービンの適切なアクチュエータ設定点を決定するように構成することができる。最新の可変速風力タービンのアクチュエータ設定値は、例えば、発電機トルク及びブレードのピッチ角を含む。ブレードのピッチ角及び発電機トルクの制御を通じて、ロータの速度、並びに電力出力、空気力学的推力及び更なる機械的負荷を制御することができる。制御システムの目的は、一般に、電力出力を最大化すると同時に、風力タービン内の負荷を許容可能なレベルに維持することである。

風力タービンの通常運転または標準運転（Normal or standard operation）は、一般に、風力タービンの運転を支配的な風速の関数として規定する所定の出力曲線（predefined power curve）に沿ったものであってもよい。通常動作は、異なる動作範囲を含む。より低い風速範囲では、目的は、一般に、電力出力を最大にすることである。より高い風速範囲、特に公称風速（nominal wind speed）を超える風速では、風力タービンの動作は、電力出力を所定のレベルに維持しながら、負荷を制御下に保つことに集中する。

前述のように、風力タービン制御装置は、トルクおよびピッチのアクチュエータ設定点（これだけでなく、ヨーなどの他のアクチュエータのアクチュエータ設定点も）を送ることができ、これらは状況に応じて変更することができる。そのような状況は、例えば、平均風速、乱流、ウィンドシア、空気密度、および他の気象条件（average wind speed, turbulence, wind shear, air density and other meteorological conditions）だけでなく、振動、機械的負荷、または構成要素温度など（vibrations, mechanical loading or component temperatures etc.）の内部条件も含み得る。状況はまた、ノイズを低減するための特定の外部要求、保守のための動作の中断、たとえば有効電力の低減の要求のグリッドベースの状況、または低電圧イベント、ゼロ電圧イベント、グリッド周波数の増加などのグリッドイベントを含み得る。

風力タービン制御装置は、様々なセンサから受信した測定変数のセットに基づいて、風力タービンの動作に影響を与えるために様々なシステム（例えば、発電機、ピッチシステム、およびヨーシステムなどである。）に信号を送信するようにプログラムされ得る。センサは、ロータ速度センサ、負荷センサ（歪みゲージまたは加速度計）、風速計、風見鶏など（rotor speed sensor, load sensors (strain gauges or accelerometers), anemometer, weathervane, and others）を含むことができる。

風速および風向の両方は、風力タービンの動作中に連続的に変化し得る。風力タービン制御システムは、異なるアクチュエータのための設定点または他の制御信号を変更することによって、そのような変更に反応（react：応答）することができる。一般に、風力タービン制御設計では、非常に応答性の高い風力タービン制御システム（非常に小さい変化に反応して、アクチュエータの過度の摩耗につながる可能性がある）と、非常にゆっくりと反応する風力タービン制御システム（好ましくない負荷シナリオおよびより少ない電力生産での非効率的な動作につながる可能性がある）とのバランスを見出すことが望まれている。

風条件の特に複雑なシナリオは、風速の変化、特に風速の急速な増加と、同時に風向の変化との組み合わせである。通常の風力タービン運転は、そのようなシナリオでは望ましくない高負荷につながる可能性がある。

本開示の一態様では、風力タービンにおける瞬間風向を示す風向信号を受信するステップと、前記風力タービンにおける瞬間風速を示す１つまたは複数の信号を受信するステップとを含む方法が提供される。本方法は、前記風力タービンにおける風向の変化率および前記風力タービンにおける風速の変化率の指標を決定するステップと、前記決定された風向の変化率および前記決定された風速の変化率の指標に少なくとも部分的に基づいて、前記風力タービンのピッチシステムのための１つまたは複数の制御信号を決定するステップとをさらに含む。

この態様によれば、風向の変化と風速の増加との組み合わせなどの極端な風況に対処するのに特に適した風力タービンを制御するための方法が提供される。風向の変化は、風向に対する風力タービンロータの瞬間的な位置ずれにつながる。これは、ロータ速度の低下または風速の知覚される低下につながり得るが、風力タービンの負荷の増加にもつながり得る。風向の変化率および風速の変化率の指標の両方を監視することによって、風力タービンは、そのような高負荷を回避するように効果的に制御され得る。同時に、負荷及び出力を不必要に低減することを回避することができる。

本開示を通して、「変化率：rate of change」は変数または動作パラメータの一次時間微分（a first order time derivative of a variable or operational paramete）と見なされ得る。可変または動作パラメータは、特に、ロータ速度、風速、および風向（rotor speed, wind speed, and wind direction）のうちの１つであってもよい。

さらなる態様では、風力タービンにおける瞬間風向を示す風向信号（wind direction signal indicative of an instantaneous wind direction）を受信し、風力タービンにおける瞬間風速を示す１つまたは複数の信号（one or more signals indicative of an instantaneous wind speed）を受信するように構成された風力タービンのための制御システムが提供される。制御システムは、風力タービンにおける風向の変化率および風力タービンにおける風速の変化率の指標を決定し、決定された風向の変化率および決定された風速の変化率の指標に少なくとも部分的に基づいて、風力タービンのピッチシステムのための１つまたは複数の制御信号を決定するようにさらに構成される。

さらに別の態様では、風力タービンを運転するための方法が提供される。この方法は、風力タービンにおける風向を測定するステップと、風力タービンにおける風向の変化率を決定するステップと、風力タービンにおける風速またはロータ速度の変化率を決定するステップとを含む。本方法は、風速またはロータ速度の変化率が加速閾値（acceleration threshold）を上回るときに風力タービンへの負荷を低減することをさらに含み、加速閾値は、風向の変化率に少なくとも部分的に基づく。

風力タービンの一実施例の斜視図を概略的に示す。 風力タービンのナセルの一実施例の簡略内部図である。 本発明に係る風車コントローラの制御方法の第１の実施例を示す図である。 本開示による制御方法の別の実施例を示す図である。 本開示による方法において風加速度閾値がどのように決定され得るかを示す図である。 本開示の一実施例による風力タービンを動作させるための方法を概略的に示す図である。

ここで、本発明の実施形態を詳細に参照し、その１つまたは複数の例を図面に示す。各実施例は本発明の説明のために提供されるものであり、本発明を限定するものではない。実際、本発明の範囲または精神から逸脱することなく、本発明において様々な修正および変形を行うことができることは、当業者には明らかであろう。例えば、一実施形態の一部として図示または説明された特徴を別の実施形態と共に使用して、さらに別の実施形態を得ることができる。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物の範囲内に入るような修正および変形を包含することが意図される。

図１は、風力タービン１０の例の斜視図である。この例において、風力タービン１０は、水平軸風力タービンである。あるいは、風力タービン１０は、垂直軸風力タービンであってもよい。この例において、風力タービン１０は、地面１２の支持システム１４から延びるタワー１００と、タワー１００に取り付けられたナセル１６と、ナセル１６に結合されたロータ１８とを含む。ロータ１８は、回転可能なハブ２０と、ハブ２０に結合され、そこから外向きに延びる少なくとも１つのロータブレード２２とを含む。この例において、ロータ１８は３つのロータブレード２２を有する。代替的な実施形態では、ロータ１８は、より多くの又はより少ないロータブレード２２を含む。タワー１００は、支持システム１４とナセル１６の間に空洞（図１に示されていない）を画定するために管状鋼から製造され得る。代替的な実施形態では、タワー１００は、任意の適切な高さを有する任意の適切なタイプのタワーである。代替形態によれば、タワーは、コンクリート製の部分と管状鋼部分とを備えるハイブリッドタワーであってもよい。また、タワーは、部分的または完全な格子タワー（partial or full lattice tower）とすることができる。

ロータブレード２２は、ハブ２０の周りに間隔を空けて配置され、ロータ１８の回転を容易にし、運動エネルギーを風から使用可能な機械エネルギーに、続いて電気エネルギーに伝達することを可能にする。ロータブレード２２は、複数の荷重伝達領域２６においてブレード根元部分２４をハブ２０に結合することによって、ハブ２０に嵌合される。荷重伝達領域２６は、ハブ荷重伝達領域およびブレード荷重伝達領域（両方とも図１に示されていない）を有することができる。ロータブレード２２に誘導された荷重は、荷重伝達領域２６を介してハブ２０に伝達される。

実施例において、ロータブレード２２は、約１５メートル（ｍ）から約９０ｍ以上の範囲の長さを有することができる。ロータブレード２２は、風力タービン１０が本明細書で説明するように機能することを可能にする任意の適切な長さを有することができる。例えば、ブレード長さの限定されない例は、２０ｍ以下、３７ｍ、４８．７ｍ、５０．２ｍ、５２．２ｍ、または９１ｍより長い長さを含む。風が風向２８からロータブレード２２に当たると、ロータ１８はロータ軸３０を中心に回転する。ロータブレード２２が回転して遠心力を受けると、ロータブレード２２も様々な力及びモーメントを受ける。したがって、ロータブレード２２は、中立位置又は非偏向位置（neutral, or non-deflected, position）から偏向位置（deflected position）に偏向及び／又は回転（deflect and/or rotate）することができる。

さらに、ロータブレード２２のピッチ角、すなわち、風向に対するロータブレード２２の向きを決定する角度は、ピッチシステム３２によって変更され、風ベクトルに対する少なくとも１つのロータブレード２２の角度位置を調整することによって、風力タービン１０によって生成される負荷および電力を制御することができる。ロータブレード２２のピッチ軸３４が示されている。風力タービン１０の動作中、ピッチシステム３２は、特に、ロータブレード（の部分）の迎え角（angle of attack）が低減されるように、ロータブレード２２のピッチ角を変更することができ、これは、回転速度の低減を促進し、および／またはロータ１８の失速（stall）を促進する。

この例において、各ロータブレード２２のブレードピッチは、風力タービン制御装置３６又はピッチ制御システム８０によって個別に制御される。あるいは、全てのロータブレード２２のブレードピッチは、この制御システムによって同時に制御することができる。

さらに、この例において、風向２８が変化すると、ナセル１６のヨー方向は、ヨー軸３８を中心に回転して、風向２８に対してロータブレード２２を位置決めすることができる。

この例において、風力タービン制御装置３６は、ナセル１６内に集中しているように示されているが、風力タービン制御装置３６は、風力タービン１０全体、支持システム１４上、ウインドファーム内、および／または遠隔制御センターに分散されたシステムであってもよい。風力タービン制御装置３６は、本明細書に記載の方法および／またはステップを実行するように構成されたプロセッサ４０を含む。さらに、本明細書に記載される他の構成要素の多くは、プロセッサを含む。

本明細書で使用する「プロセッサ」という用語は、当技術分野でコンピュータと呼ばれる集積回路に限定されるものではなく、コントローラ、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）、特定用途向け集積回路、および他のプログラマブル回路（a controller, a microcontroller, a microcomputer, a programmable logic controller (PLC), an application specific, integrated circuit, and other programmable circuits）を広く指し、これらの用語は本明細書では互換的に使用される。プロセッサおよび／または制御システムはまた、メモリ、入力チャネル、および／または出力チャネル（memory, input channels, and/or output channels）を含むことができることを理解されたい。

図２は、風力タービン１０の一部の拡大断面図である。この例において、風力タービン１０は、ナセル１６と、ナセル１６に回転可能に結合されたロータ１８とを含む。より詳細には、ロータ１８のハブ２０は、メインシャフト（主軸）４４、ギアボックス４６、高速シャフト４８、およびカップリング５０によって、ナセル１６内に配置された発電機４２に回転可能に結合される。この例において、メインシャフト４４は、ナセル１６の長手方向軸（図示せず）に対して少なくとも部分的に同軸に配置される。メインシャフト４４の回転は、ロータ１８及びメインシャフト４４の比較的遅い回転運動を高速シャフト４８の比較的速い回転運動に変換することによって、高速シャフト４８をその後に駆動するギアボックス４６を駆動する。後者は、カップリング５０を用いて電気エネルギーを生成するために発電機４２に接続される。さらに、変圧器（トランス）９０および／または適切な電子機器、スイッチ、および／またはインバータをナセル１６内に配置して、発電機４２によって生成された４００Ｖ～１０００Ｖの電圧を有する電気エネルギーを中電圧（１０～３５ＫＶ）を有する電気エネルギーに変換することができる。前記電気エネルギーは、電力ケーブル１６０を介してナセル１６からタワー１００に伝導される。

変圧器９０内のギアボックス４６、発電機４２は、ナセル１６の主支持構造フレームによって支持することができ、任意選択でメインフレーム５２として具現化される。ギアボックス４６は、１つ以上のトルクアーム１０３によってメインフレーム５２に接続されるギアボックスハウジングを含んでもよい。この例において、ナセル１６はまた、主前方支持ベアリング６０および主後方支持ベアリング６２を含む。さらに、発電機４２は、特に、発電機４２の振動がメインフレーム５２に導入され、それによってノイズ放出源を引き起こすことを防止するために、デカップリング支持手段（decoupling support means ：分離支持手段）５４によってメインフレーム５２に取り付けられ得る。

任意選択的に、メインフレーム５２は、ロータ１８およびナセル１６の構成要素の重量によって、ならびに風荷重および回転荷重（wind and rotational loads）によって引き起こされる全荷重を担持し、さらに、これらの荷重を風力タービン１０のタワー１００に導入するように構成される。ロータシャフト４４、発電機４２、ギアボックス４６、高速シャフト４８、カップリング５０、ならびに限定はしないが、サポート５２、ならびに前方支持ベアリング６０および後方支持ベアリング６２を含む任意の関連する締結、サポート、および／または固定デバイスは、駆動列（drive train：ドライブトレイン）６４と呼ばれることがある。

ナセル１６はまた、風向２８に対するロータブレード２２の視点を制御するために、ナセル１６を回転させ、それによってヨー軸３８の周りにロータ１８も回転させるために使用され得るヨー駆動機構５６を含み得る。

ナセル１６を風向２８に対して適切に位置決めするために、ナセル１６はまた、風向計及び風速計を含むことができる少なくとも１つの気象測定システムを含むことができる。気象測定システム５８は、風向２８及び／又は風速を含むことができる情報を風力タービン制御装置３６に提供することができる。この例において、ピッチシステム３２は、ハブ２０内にピッチアセンブリ６６として少なくとも部分的に配置される。ピッチアセンブリ６６は、一以上のピッチ駆動システム６８及び少なくとも１つのセンサ７０を含む。各ピッチ駆動システム６８は、ピッチ軸３４に沿ってロータブレード２２のピッチ角を変調するために、それぞれのロータブレード２２（図１参照）に結合される。３つのピッチ駆動システム６８のうちの１つのみが図２に示されている。

この例において、ピッチアセンブリ６６は、ハブ２０と、それぞれのロータブレード２２をピッチ軸３４の周りに回転させるためのそれぞれのロータブレード２２（図１参照）とに結合された少なくとも１つのピッチベアリング７２を含む。ピッチ駆動システム６８は、ピッチ駆動モータ７４と、ピッチ駆動ギアボックス７６と、ピッチ駆動ピニオン７８とを含む。ピッチ駆動モータ７４は、ピッチ駆動モータ７４がピッチ駆動ギアボックス７６に機械力を与えるように、ピッチ駆動ギアボックス７６に結合される。ピッチ駆動ギアボックス７６は、ピッチ駆動ピニオン７８がピッチ駆動ギアボックス７６によって回転されるように、ピッチ駆動ピニオン７８に結合される。ピッチベアリング７２は、ピッチ駆動ピニオン７８の回転がピッチベアリング７２の回転を引き起こすように、ピッチ駆動ピニオン７８に結合される。

ピッチ駆動システム６８は、風力タービン制御装置３６から１つ以上の信号を受信するとロータブレード２２のピッチ角を調整するために風力タービン制御装置３６に結合される。この例において、ピッチ駆動モータ７４は、ピッチアセンブリ６６が本明細書に記載されるように機能することを可能にする電力および／または油圧システムによって駆動される任意の適切なモータである。あるいは、ピッチアセンブリ６６は、油圧シリンダ、ばね、および／またはサーボ機構などであるがこれらに限定されない任意の適切な構造、構成、配置、および／または構成要素を含むことができる。特定の実施形態では、ピッチ駆動モータ７４は、ハブ２０の回転慣性から抽出されたエネルギー及び／又は風力タービン１０の構成要素にエネルギーを供給する貯蔵エネルギー源（図示せず）によって駆動される。

ピッチアセンブリ６６はまた、特定の優先状況の場合及び／又はロータ１８の速度超過中に、風力タービン制御装置３６からの制御信号に従ってピッチ駆動システム６８を制御するための１つ以上のピッチ制御システム８０を含むことができる。この例において、ピッチアセンブリ６６は、風力タービン制御装置３６から独立してピッチ駆動システム６８を制御するために、それぞれのピッチ駆動システム６８に通信可能に結合された少なくとも１つのピッチ制御システム８０を含む。この例において、ピッチ制御システム８０は、ピッチ駆動システム６８及びセンサ７０に結合される。風力タービン１０の通常動作中、風力タービン制御装置３６は、ピッチ駆動システム６８を制御して、ロータブレード２２のピッチ角を調整することができる。

一実施形態によれば、例えばバッテリ及び電気コンデンサ（battery and electric capacitors）を備える発電機８４が、ハブ２０に又はその中に配置され、センサ７０、ピッチ制御システム８０、及びピッチ駆動システム６８に結合され、これらの構成要素に電源を提供する。この例において、発電機８４は、風力タービン１０の動作中にピッチアセンブリ６６に継続的な電力源を提供する。代替実施形態では、電源８４は、風力タービン１０の電力損失事象中にのみピッチアセンブリ６６に電力を供給する。電力損失事象は、送電網の損失もしくは低下、風力タービン１０の電気システムの誤動作、および／または風力タービン制御装置３６の故障を含むことができる。電力損失事象中、発電機８４は、ピッチアセンブリ６６が電力損失事象中に動作することができるように、ピッチアセンブリ６６に電力を供給するように動作する。

この例において、ピッチ駆動システム６８、センサ７０、ピッチ制御システム８０、ケーブル、及び発電機８４はそれぞれ、ハブ２０の内面８８によって画定されるキャビティ８６内に配置される。代替的な実施形態では、前記構成要素は、ハブ２０の外面に対して位置決めされ、外面に直接的または間接的に結合され得る。

風力タービンを制御するための方法１００の例を示す。方法は、ブロック１１０において、風力タービンにおける瞬間的な風向を示す風向信号を受信することと、ブロック１２０において、風力タービンにおける瞬間的な風速を示す１つ以上の信号を受信することとを含む。方法１００は、ブロック１３０および１４０において、風力タービンにおける風向の変化率および風力タービンにおける風速の変化率の指標を決定することをさらに含む。方法は、ブロック１５０において、風向の決定された変化率および風速の決定された変化率の指示に少なくとも部分的に基づいて、風力タービンのピッチシステムのための１つまたは複数の制御信号を決定することをさらに含む。

このような方法１００は、風力タービン制御システム、例えば図１及び図２を参照して上述したような風力タービン制御装置３６によって実行することができる。

ブロックは特定の順序で示されているが、いくつかのブロック（および方法ステップ）の順序は入れ替えられてもよく、いくつかのブロック（および方法ステップ）は実質的に同時に実行されてよいことは明らかである。また、本方法は、風力タービンの運転中、実質的に連続的に実施することができることも明らかである。測定及び処理の周波数は、例えば、０．１Ｈｚ～２０Ｈｚであってもよい。

図３Ａの個々のブロックを参照する。ブロック１１０において、風向信号が受信され得る。風向信号は、例えば、気象マスト、ナセルに取り付けられた風向計、隣接する風力タービン、又は風力タービンに若しくはその近くに配置されたＬＩＤＡＲ若しくはＳＯＤＡＲから受信することができる。

風向信号は、いくつかの実施例において、ヨー位置ずれ信号であってもよい。すなわち、。-ヨー位置ずれは、風向計測定値および／または荷重測定値（例えば、ヨーシステムにかかる負荷）から導出することができ、知覚された位置ずれに基づいて、風向を決定することができる。風向の絶対値は必ずしも必要ではなく、むしろ風向の相対値、または風向の変化率で十分であり得る。

ブロック１２０において、風速に関する信号は、直接風測定値であってもよい。いくつかの実施例において、瞬間風速を示す信号は、ナセルに取り付けられた風測定システムから、例えば、ナセルに取り付けられた風速計から導出される。あるいは、ＬＩＤＡＲもしくはＳＯＤＡＲ、またはウインドファーム内、例えば隣接する風力タービン内に配置された風速測定システムを使用することができる。風速を測定する代わりに、ロータ速度を測定してもよい。ロータ速度は、風速の指標（indicator of wind speed）とみなすことができる。いくつかの実施例において、風力タービンロータ速度を直接測定してもよく、または発電機ロータ速度を測定してもよい。

いくつかの実施例において、瞬間風速を示す信号は、ロータ速度測定値である。いくつかの実施例において、瞬間風速を示す信号は、風力タービンの出力およびブレードのピッチ角から導出され得る。特に、ロータ速度、ピッチ角、および電力出力の組み合わせ（combination of rotor speed, pitch angle and power output）から、風速の指標（indication of wind speed）を導出することができる。

ブロック１４０において、風速の変化率の指標（indication of a rate of change of wind speed）を決定することができる。これは、例えば、風加速度および／またはロータ速度加速度（wind acceleration and/or rotor speed acceleration）であってもよい。

ブロック１５０において、１つ以上のピッチシステムのための１つ以上の制御信号が決定され、これらのピッチ制御システムに送信される。ピッチシステムの制御信号は、特定のピッチレートを含むことができる。ピッチレートは、「標準」ピッチレート（“standard” pitch rate）よりも高くてもよい。標準的なピッチレートは、本明細書では、通常の標準的な動作、すなわち、定常状態電力曲線（steady state power curve：グリッドイベントがない場合、設定値の減少、特定の高負荷の場合、および他の例外的な状況において、）に従った動作において、変化する風の条件にブレードを調整するために使用されるピッチレートと見なすことができる。

風向の変化と風速の増加との組み合わせが検出された場合、風力タービンの負荷を通常よりも迅速に減少させる必要があり得る。したがって、ピッチレートは、通常よりも高くてもよい。ピッチレートは、本明細書では、正のピッチレート、すなわち、迎え角を低減し、より少ない左を生成する（reduce their angle of attack and generate less left）ためのブレードの回転と見なされ得る。

ブレードへの負荷を低減するためにピッチ制御システムを作動させることは、ロータ速度の低下及び電力出力の低下につながり得る。

例えば、２０２２年４月に施行されたＩＥＣ６４１００（風力タービンに関する国際電気標準会議によって発行された国際規格：International Standard published by the International Electrotechnical Commission regarding wind turbines）は、設計負荷ケース１．４（Design Load Case 1.4）を記載している。設計荷重ケース１．４は、風速の増加（increase in wind speed）と、最大６０°の風向の同時変化（simultaneous change in wind direction of up to 60°）との組み合わせである。そのようなシナリオでは、ブレード及びタワーにかかる負荷は、著しくかつ急速に増加し得る。そのようなシナリオを考慮しない制御戦略では、ロータ速度の減速が最初に注目され得るので、風向の変化の開始は実際にピッチ角の減少につながり得る。定常状態出力曲線に従った「通常の」または標準的な動作では、ロータ速度の減速は、ロータ速度を維持しようとするために、ピッチ角の減少または発電機トルクの減少を引き起こす可能性がある。実際に、突風または比較的急速な風速の増加が生じた場合、風力タービン構成要素に対する負荷は、許容可能なレベルよりも高いレベルに達する可能性がある。

図３Ｂは制御方法の代替例を示す。ブロック１１０，１２０，１３０及び１４０は図３Ａの実施例と同じであるので、これらのブロックの説明を参照することができる。

図３Ｂの実施例において、ブロック１３０での風向の決定された変化率、及びブロック１４０での風速の指標（これもまた、例えばロータ速度または風速自体であってもよい。）の決定された変化率に基づいて、ブロック１６０で、ブレードのうちの１つ以上における最大曲げモーメントに対する閾値（threshold for a maximum bending moment）が変更される。最大曲げモーメントは、ブレードのうちの１つ以上の根元における最大曲げモーメントであってもよい。

ピッチシステムの動作は、一般に、ロータ速度測定値によって決定され、それによって風速に基づくことができる。ピッチ制御には、ブレードへの負荷を制限するという追加の制約が実装され得る。負荷制約は、最大（根元：ルート）曲げモーメントであってもよい。したがって、ピッチシステムは、ブレードのうちの１つ以上の迎え角を減少させるように反応（react to reduce the angle of attack）して、曲げモーメントを最大曲げモーメント閾値未満に維持することができる。動作中の曲げモーメントは、例えば、フラップワイズ式及びエッジワイズ式荷重センサ（flapwise and edgewise load sensors）から導出することができる。

したがって、特定の荷重ケースの識別に反応する一例は、ピッチ制御システムがより迅速に反応するように、最大許容（根元）曲げモーメントを低減することであり得る。ブロック１７０において、ブレードは、実際の曲げモーメントを閾値未満に維持するようにピッチングされ得る。したがって、実施例において、ピッチシステムの制御信号は、風力タービンの１つまたは複数のブレード上の負荷の１つまたは複数の測定値に基づいて決定され得る。

例では、設定点は、ブレードのうちの１つ以上における（根元）曲げモーメントと最大（根元）曲げ閾値との比較に基づいて決定され得る。ピッチシステムの制御信号は、最大（根元）曲げ閾値を含むことができる。

特定の例において、最大根元曲げ閾値は、風速の変化率が加速度閾値を上回るときに調整され得る。特に、加速度閾値は、風向の変化率の関数であってもよい。

図３Ｃは曲げ閾値の低下がトリガされ得るときを示す。風加速度閾値１８０は、風向の変化率の関数として定義することができる。この具体例において、風向速度は、この場合、ヨー位置ずれ角度の変化率として具体化される。また、風の加速の代わりに、ロータの加速を使用してもよいことは明らかである。

風加速度閾値は、ヨーミスアライメント率の第１のレベルに対して第１のレベル１８２に固定することができる。第２の範囲のヨーミスアライメント率（second range of yaw misalignment rate）について、風加速度閾値は、セグメント１８４に沿って実質的に直線的に減少し得る。第２の風加速度閾値（second wind acceleration threshold）１８６は、より高い複数のレベルのヨーミスアライメント率（yaw misalignment rate：ヨー位置ずれ率）に対して確立され得る。

閾値１８０の右側（または閾値を上回る）におけるヨーミスアライメント率と風加速度との組み合わせ（combination of yaw misalignment rate and wind acceleration）が見つかると、ブレードの最大許容曲げモーメント（maximum allowed bending moment）が低減され得る。最大曲げモーメントのそのような低減は、特定の量、特定の割合、および／または特定の速度で低下させることによって実施され得る。閾値１８０の左側または閾値を下回るヨー位置ずれと風加速度との組み合わせが見つかると、最大許容曲げモーメントは通常の定常状態レベル（normal, steady state, level）に維持される。

高負荷から風力タービンを保護するために、より保守的なアプローチをとることができ、代替の閾値１８０を選択することによって風力タービンのエネルギーまたは電力出力を最大化する試みにおいて、より積極的なアプローチをとることができる。理想的には風力加速閾値は、風力タービンが必要に応じて代替の制御戦略を実施し（例えば、ＤＬＣ １．４負荷ケースが実際に発生したときに）、そのような負荷ケースが発生しないときに通常の制御を維持するように選択することができる。

この例において、風（またはロータ）加速度閾値１８０は、風向の変化率の関数として定義され、曲げモーメント閾値は、風（またはロータ）加速度が閾値を上回るときに変更されるが、これは、代替的に、その逆であると見なされてもよいことは明らかであろう。すなわち、風向の変化率の閾値は、風（またはロータ）加速度の関数として定義することができ、風向の変化率が許容されるよりも高いとき、ブレードの曲げモーメント閾値を下げることができる。

曲げモーメント閾値を低下させることによって風向変化と風速変化との組み合わせに対する反応を実施することは、電力出力を可能な限り維持し（ピッチングは、負荷を考慮して必要な場合にのみ発生する）、風力タービン構成要素を損傷することなく負荷を制御下に維持するために十分に迅速に反応するための、特に効果的な方法であることが見出されている。

タワーの底部における曲げ荷重は、特定の風のシナリオに応じて５～１０％減少することが分かった。同様に、ブレード根元曲げモーメントも同様の量だけ減少した。同時に、負荷を制御下に維持するためにブレードのピッチを制御することによって、（不要な）ピッチ活動は、特に定格風速又は公称風速（rated or nominal wind speed）に近い風速において低減された。

さらなる態様では、本明細書に開示される方法のいずれかを実行するように構成された風力タービン用の制御システムが提供される。制御システムは、ピッチ制御システムとは別個の風力タービン中央コントローラであってもよく、又は制御システムは、風力タービン中央コントローラとピッチ制御システムとの組み合わせであってもよい。

風力タービンのための制御システムは、風力タービンにおける瞬間的な風向を示す風向信号を受信し、風力タービンにおける瞬間的な風速を示す１つ以上の信号を受信するように構成され得る。制御システムは、風力タービンにおける風向の変化率および風力タービンにおける風速の変化率の指標を決定し、決定された風向の変化率および決定された風速の変化率の指標に少なくとも部分的に基づいて、風力タービンのピッチシステムのための１つまたは複数の制御信号を決定するようにさらに構成され得る。

前に説明したように、いくつかの実施例において、制御システムは、風力タービンのブレード上の負荷を示す１つ以上の信号を受信し、ブレード上の負荷に基づいてピッチシステムの制御信号を決定するように構成され得る。

特定の例において、制御システムは、ブレード上の曲げモーメントと最大曲げモーメント閾値との比較に基づいて制御信号を決定するように構成することができ、最大曲げモーメント閾値は、風向の変化率及び風速の変化率の関数として決定することができる。

さらに別の態様において、本開示は、タワーと、タワーに回転可能に取り付けられたナセルと、そのような制御システムとを備える風力タービンを提供する。風力タービンは、タワーの長手方向軸の周りにナセルを回転させるためのヨーシステムを含むことができる。前述のように、いくつかの実施例において、ヨー位置ずれは、風向の変化率を導出するために使用され得る。

例では、風力タービンは、風力タービンにおける瞬間的な風向を示す信号を制御システムに提供するためのベーン風速計（vane anemometer）を備えることができる。他の例において、風力タービンは、ＬＩＤＡＲを備えることができ、風の状態（風速、風の乱れなど：wind speed, wind turbulence, or other）は、ＬＩＤＡＲシステムの測定値から導出することができる。さらなる例において、風測定値は、メットマスト（met mast）のような遠隔測定システムから提供され得る。ＬＩＤＡＲは、異なる高さにおける異なる風向を決定することが可能であり得る。ロータ掃引領域（rotor swept area）にわたる風向の変動（「風向：wind veer」）の場合、平均または平均風向を決定することができる。

いくつかの実施例において、風速は、風力タービンの出力、ロータ速度、および１つまたは複数の風力タービンブレードのピッチ角のうちの１つまたは複数に基づいて決定され得る。出力、ロータ速度およびピッチ角は、風力タービンにおいて日常的に測定または制御される制御変数である。これらの変数の組み合わせから、風速のような風況を計算することができる。さらなる例において、風力タービンが受ける負荷を測定して風況（wind condition）を決定することができる。

さらに別の態様では、風力タービンを運転するための方法が提供される。図４に、風力タービンを動作させる方法２００の例を示す。方法は、ブロック２１０において、風向を測定することを含む。方法は、ブロック２２０において、風力タービンにおける風速および／または風力タービンのロータ速度を測定することをさらに含む。

方法は、ブロック２３０において、風力タービンにおける風向の変化率を決定することと、ブロック２４０において、風力タービンにおける風速および／またはロータ速度の変化率を決定することとをさらに含む。本方法は、風速またはロータ速度の変化率が加速閾値を上回るとき、風力タービンへの負荷を低減することをさらに含む。加速度閾値は、風向の変化率に少なくとも部分的に基づくことができる。

図３Ａおよび３Ｂを参照して前述したように、ステップまたはブロックのいくつかの順序は入れ替えられてもよい。方法２００は、風力タービンの動作全体を通して実質的に連続的に実行することができる。

図示の例において、ブロック２５０において、最大（根元）曲げモーメントに対する閾値を変更することによって、風力タービンにかかる負荷を低減することが実施される。ブロック２６０において、ブレードは、確立された最大曲げモーメントの下で（根元）曲げモーメントを維持するようにピッチされ得る。

いくつかの実施例において、最大曲げモーメント閾値は、風速またはロータ速度の変化率が加速度閾値を上回るときに下げられてもよい。

いくつかの実施例において、風力タービンへの負荷を低減することは、通常のピッチレートよりも高いピッチレートで風力タービンのブレードをピッチングすることを含む。

いくつかの実施例において、風力タービンにおける風向を測定することは、ナセルに取り付けられた風向計を使用して風向を測定することを含み得る。風向計の使用の代替案は、本開示全体を通して既に議論されている。

本明細書の開示に関して説明した様々な例示的な論理ブロック、モジュール、およびアルゴリズムステップは、電子ハードウェア、コンピュータソフトウェア、または両方の組合せとして実装され得ることを当業者はさらに諒解されよう。ハードウェアとソフトウェアのこの互換性を明確に示すために、様々な例示的な構成要素、ブロック、モジュール、回路、およびステップについて、上記では概してそれらの機能に関して説明した。そのような機能がハードウェアとして実装されるか、ソフトウェアとして実装されるかは、特定の適用例および全体的なシステムに課される設計制約に依存する。当業者は、説明した機能を特定の適用例ごとに様々な方法で実装し得る。

本明細書の開示に関して説明した様々な例示的な論理ブロック、モジュール、およびアルゴリズムは、１または複数の汎用プロセッサ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、クラウドコンピューティングアーキテクチャ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、プログラマブル論理コントローラ（ＰＬＣ）もしくは他のプログラマブル論理デバイス、個別ゲートもしくはトランジスタ論理、個別ハードウェア構成要素、または本明細書で説明した機能を実行するように設計されたそれらの任意の組合せを用いて実装または実行され得る。汎用プロセッサは、マイクロプロセッサであり得るが、代替的に、プロセッサは、任意の従来のプロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、またはステートマシンであり得る。プロセッサはまた、コンピューティングデバイスの組合せ、たとえば、ＤＳＰとマイクロプロセッサとの組合せ、複数のマイクロプロセッサ、ＤＳＰコアと連携する１つもしくは複数のマイクロプロセッサ、または任意の他のそのような構成として実装され得る。

本開示はまた、本明細書に開示される方法のいずれかを実行するように適合されたコンピューティングシステムに関する。

本開示はまた、実行されると、本明細書に開示される方法のいずれかを実行する命令（コード）を含むコンピュータプログラムまたはコンピュータプログラム製品に関する。

コンピュータプログラムは、ソースコード、オブジェクトコード、部分的にコンパイルされた形態などのコード中間ソースおよびオブジェクトコードの形態、またはプロセスの実装における使用に適した任意の他の形態であり得る。キャリアは、コンピュータプログラムを搬送することができる任意のエンティティまたはデバイスであり得る。

ソフトウェア／ファームウェアで実装される場合、機能は、コンピュータ可読媒体上に記憶されるか、またはコンピュータ可読媒体上の１つもしくは複数の命令もしくはコードとして送信され得る。コンピュータ可読媒体は、ある場所から別の場所へのコンピュータプログラムの転送を容易にする任意の媒体を含む、コンピュータ記憶媒体と通信媒体の両方を含む。記憶媒体は、汎用または専用コンピュータによってアクセスされ得る任意の利用可能な媒体であり得る。例として限定されるものではないが、そのようなコンピュータ可読媒体は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＣＤ／ＤＶＤもしくは他の光ディスク記憶装置、磁気ディスク記憶装置もしくは他の磁気記憶デバイス、または、命令もしくはデータ構造の形態で所望のプログラムコード手段を搬送もしくは記憶するために使用することができ、汎用もしくは専用コンピュータ、または汎用もしくは専用プロセッサによってアクセスすることができる任意の他の媒体を含むことができる。また、任意の接続は、コンピュータ可読媒体と適切に呼ばれる。たとえば、ソフトウェア／ファームウェアが、同軸ケーブル、光ファイバーケーブル、ツイストペア、デジタル加入者回線（ＤＳＬ）、または赤外線、無線、およびマイクロ波などのワイヤレス技術を使用して、ウェブサイト、サーバ、または他のリモートソースから送信される場合、同軸ケーブル、光ファイバーケーブル、ツイストペア、ＤＳＬ、または赤外線、無線、およびマイクロ波などのワイヤレス技術は、媒体の定義に含まれる。本明細書で使用するディスク （ｄｉｓｋ）およびディスク（ｄｉｓｃ）は、コンパクトディスク（ＣＤ）、レーザーディスク（商標）、光ディスク、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、フロッピーディスク（商標）およびＢｌｕ-ｒａｙディスク（商標）を含み、ディスク（ｄｉｓｋ）は、通常、データを磁気的に再生し、ディスク（ｄｉｓｃ）は、データをレーザーで光学的に再生する。上記の組合せも、コンピュータ可読媒体の範囲内に含まれるべきである。

本明細書ではいくつかの実施例のみが開示されているが、その他の代替例、修正例、使用例、および／またはそれらの均等物が可能である。さらに、記載された実施例の全ての可能な組み合わせも網羅される。したがって、本開示の範囲は、特定の例によって限定されるべきではなく、以下の特許請求の範囲の公正な解釈によってのみ決定されるべきである。

１０：風力タービン １２：地面 １４：支持システム １６：ナセル １８：ロータ ２０：ハブ ２２：ロータブレード ２３：基準線 ２４：ブレード根元部分 ２５：ピッチ角 ２６：荷重伝達領域 ２８：風向 ３０：ロータ軸 ３２：ピッチシステム ３４：ピッチ軸 ３６：風力タービン制御装置 ３８：ヨー軸 ４０：プロセッサ ４２：発電機 ４３：通信モジュール ４４：メインシャフト ４６：ギアボックス ４８：高速シャフト ５０：カップリング ５２：メインフレーム ５４：デカップリング支持手段 ５６：ヨー駆動機構 ５８：気象測定システム ６０：主前方支持ベアリング ６２：後方支持ベアリング ６４：駆動列 ６６：ピッチアセンブリ ６８：ピッチ駆動システム ７０：センサ ７２：ピッチベアリング ７８：ピッチ駆動ピニオン ８０：ピッチ制御システム ８４：電源 ８６：キャビティ ８８：内面 ９０：変圧器 １００：タワー １０３：トルクアーム １８０：風加速度閾値 １８２：第１のレベル １８４：セグメント １８６：第２の風加速度閾値

Claims (15)

1. 風力タービンを制御する方法（１００）であって、
   風力タービンにおける瞬間的な風向を示す風向信号を受信するステップ（１１０）と、
   風力タービンにおける瞬間風速を示す１つ以上の信号を受信するステップ（１２０）と、
   風力タービンにおける風向の変化率（１３０）、及び風力タービンにおける風速の変化率の指標（１４０）を決定するステップと、
   決定された風向の変化率および決定された風速の変化率の指標に少なくとも部分的に基づいて、風力タービンのピッチシステムのための１つ以上の制御信号を決定するステップ（１５０）と、
   を含む方法。
2. ピッチシステムの制御信号は、特定のピッチレートを含む、請求項１に記載の方法。
3. 制御信号は、最大負荷の指示を含み、ピッチシステムの設定点は、最大負荷の指示と風力タービンの１つまたは複数のブレード上の負荷の１つまたは複数の測定値との比較に基づいて決定される、請求項１または２に記載の方法。
4. ピッチシステムの設定点は、ブレードのうちの１つ以上における曲げモーメントと最大曲げ閾値との比較に基づいて決定される、請求項３に記載の方法。
5. 最大曲げ閾値は、風速の変化率が加速度閾値（１８０）を上回るときに調整される、請求項４に記載の方法。
6. 加速度閾値（１８０）は、風向の変化率の関数である、請求項５に記載の方法。
7. 瞬間風速を示す信号は、ロータ速度測定値である、請求項１乃至６のいずれかに記載の方法。
8. 瞬間風速を示す信号は、風力タービンの出力及びブレードのピッチ角から導出される、請求項７に記載の方法。
9. 瞬間風速を示す信号が、ナセルに取り付けられた風測定システムから導出される、請求項１乃至６のいずれかに記載の方法。
10. 風力タービンにおける瞬間的な風向を示す信号は、ヨー位置ずれ信号である、請求項１乃至９のいずれかに記載の方法。
11. 瞬間的な風向を示す信号が、ナセルに取り付けられた風向計から得られる、請求項１乃至１０のいずれかに記載の方法。
12. 請求項１乃至１１のいずれかに記載の方法を実行するように構成された風力タービンのための制御システム。
13. タワーと、タワーに回転可能に取り付けられたナセルと、請求項１２に記載の制御システムとを備える風力タービン。
14. 風力タービンにおける瞬間的な風向を示す信号を制御システムに提供するための風向計をさらに備える、請求項１３に記載の風力タービン。
15. ナセルに取り付けられた風速計をさらに備える、請求項１３または１４に記載の風力タービン。