JP2566953B2 - 可変速度風力タ−ビン発電機の制御方法及び制御装置 - Google Patents

可変速度風力タ−ビン発電機の制御方法及び制御装置

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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は風力タービンに係り、特に速度可変形風力タ
ービンに関する。
従来の技術 本発明はディバレンタイン他により発明され、本出願
人により1985年11月18日に出願された米国特許出願第79
9,046号「可変素度風力タービンのトルク制御」及びド
ーマン他により発明され、本出願人により1985年11月18
日に出願された米国特許出願第799,045号「可変速度風
力タービン」で開示された教示内容及び特許請求の範囲
の一部を使用する。
定速及び速度可変形の種々の風力タービン発電機が公
知である。通常、かかるタービン発電機は周波数が一定
な電力線路に直接に接続される構成のため定速風力ター
ビンが主に使われている。可変速度風力タービンは発電
機出力の周波数が変化してしまうため線路に直接接続す
ることができない。このためには発電機と線路との間に
周波数変換器を介在させて周波数変換をしてやる必要が
ある。かかる周波数変換器としてはサイクロコンバータ
や整流器−インバータを始め様々な技術が公知である。
しかし、かかる技術は風力タービン技術の分野では一般
的に使用されていない。
一方、可変速度モータ駆動技術の分野ではどのタイプ
のモータにも使用できるサイリスタやシリコン制御整流
器（SCR）などの電子速度制御技術が開発されている。
風力エネルギー理論家は速度調整可能交流駆動装置を逆
向きにも使用できることを見出した。すなわち、速度調
整可能駆動装置を通常の如く一定周波数の交流を周波数
が可変な交流に変換しこの交流によってモータを駆動す
るように使うかわりに、交流発電機から周波数が変化す
る交流を周波数変換器に供給して一定周波数の交流に変
換し、これを電力線路に供給するように使うことも可能
である。
ところで、風力エネルギー理論で周知の如く、入来す
る風の運動エネルギーは風の吹いている領域の大きさ，
密度，及び風速の３乗に従って変化する。その際エネル
ギーの59％以上を取出すことはできないことが示されて
おり、この最大値を目標に風力タービンの性能係数CDが
定められる。この性能係数CDは個々の風力タービン機械
の空力的特徴、特に羽根先端の接線速度に対するタービ
ンに入来する風の風速の比として定義される速度比に関
係している。この速度比をロータ速度を風速に追従させ
ることにより一定に維持することができれば風力タービ
ンの効率は非常に高くできる。さらに、可変速度タービ
ンは一時的にエネルギーを貯えることも可能である。す
なわち、風速の遷移を速度変化としてとり込むことがで
きる。
発明が解決しようとする問題点 本願の冒頭で引用した特許出願は風力タービンの性能
を最大限に引き出すために発電機トルクを電気的に調整
して速度制御する制御方式を有する可変速度風力タービ
ンを開示している。この先願に記載の可変速度風力ター
ビンでは発電機トルクを電気的に調整することにより発
電機速度及びタービンロータ速度が制御され、空力性能
が最大化される。このために可変速度風力タービンには
可変速度風力タービン制御装置が設けられ、この可変速
度風力タービン制御装置は感知された発電機速度信号及
び感知された発電機出力電力信号に応じて発電機トルク
コマンド信号を周波数変換器に供給し、この周波数変換
器はトルクコマンド信号に応じて電力線路に供給される
電力レベルを制御することによって発電機エアギャップ
中のトルクを制御する。その際、風力タービン制御装置
には感知された出力電力信号が発電機から供給され、制
御装置は発電機出力電力とこの出力電力に対応した最大
空力性能を得るに必要なあるいは最大スルーブットエネ
ルギーを得るのに必要な発電機速度ないしタービンロー
タ速度の関係を与えるルックアップ表を参照する動作を
行なう。この可変速度風力タービン制御装置は感知され
た発電機速度信号と対照される速度基準信号を生成す
る。さらに、この速度基準信号と感知された発電機速度
信号との差をあらわす差信号が積分されることにより周
波数変換器へ供給される発電機トルクコマンド信号が形
成され出力される。
可変速度風力タービン制御装置により与えられる発電
機トルクコマンド信号は発電機ステータとロータとの間
のエアギャップトルクを効果的に制御する。その際、実
際の可変速度風力タービン制御装置は低風速状態におい
ては発電機速度と発電機出力電力との関係を規定するル
ックアップ表中に記憶されたある関係に従って発電機速
度制御を行なう。この関数は速度制御の結果風力タービ
ンが風力タービン出力係数対速度比最適性能曲線の実質
的に頂上で動作するように決定された関数であり、これ
によりタービンの効率が向上する。
一方、風速が所定の限界トルクに対応する値を超えて
上昇すると発電機トルクコマンド信号によって発電機ト
ルクが実質的に一定に維持され発電機およびタービンロ
ータは前記速度比一定の条件に対応する発電機速度及び
タービンロータ速度よりも大きい速度で動作されるよう
になる。ただし、所定の速度限界を超えることはない。
発電機トルクを一定に維持する発電機トルクコマンド信
号は発電機の出力電力が最大になるように空力トルクを
別に制御することなく使用できるのが好ましい。この場
合、風力タービンは実質的に出力係数対速度比最適性能
曲線に沿って動作され、タービンロータ速度は所定の速
度限界以下の範囲で所定の限界トルクに対応する速度を
超えて増大する。ところが、上記の風力タービン装置で
はタービンの動作速度域内において風力タービン装置に
共振が生じる一定の速度域が存在する。この共振は特定
の臨界速度で特に著しくなり重大な結果を招来する可能
性のある振動を生じる。
本発明の目的は可変速度風力タービン発電機において
前記臨界速度における共振を回避する方法及び装置を提
供するにある。
問題点を解決するための手段 要約すると、本発明方法によれば風力タービンが過大
な振動を生じる臨界速度に停留して動作されることが防
止される。本発明は臨界速度近傍を除いて発電機出力電
力を所定の変化率で増大させる方法及び装置を開示す
る。この所定の変化率は臨界速度近辺でより遅い変化率
に切換えられ臨界速度での継続的動作が回避される。出
力電力が臨界点を超えて増減すると速度コマンド信号が
わざと不連続にされる。その結果臨界速度を通過する際
速度が急に変化するが、これに伴って出力電力も変化す
る。速度が臨界速度よりも下の領域で所定の遅い変化率
で増大している場合に臨界速度の直前で速度コマンド信
号が高レベルに切換えられると速度が急に増加して風力
タービンの動作点は臨界点を速やかに通過する。ただし
出力電力は低下する。同様に、速度が臨界速度よりも上
の領域で所定の遅い変化率で減少している場合に臨界速
度の直前で速度コマンド信号が低レベルに切換えられる
と速度が急に減少して風力タービンの動作点は臨界点を
速やかに通過する。この場合はそれに伴って出力電力が
増加する。
本発明では発電機のトルクをタービンロータ先端の速
度が風速に対して以下の如くなるように制御する。すな
わち、所定のトルク限界を超えると発電機のトルクはタ
ービンロータの先端が前記一定速度比で規定される値よ
り大きいが前記所定限界速度よりは低いある範囲の速度
で動くように制御される。その際タービンロータの速度
は一般に速度コマンド信号を介して制御され発電機出力
に対して所定の変化率で例えば直線的に増加させらる
が、その経路は後述する如く一部変化させられている。
本発明はまた臨界速度の近傍を除いてタービンのロー
タ速度を発電機出力電力と共に所定の変化率で例えば直
線的に増加させる風力タービン発電機装置及びその動作
方法を提供する。この装置及び方法では例えば前記所定
の変化率が直線的である場合、ロータ速度及び発電機出
力を前記臨界速度を超えて増減させる際臨界速度の直上
及び直下において前記変化率を低目に設定する。その
際、速度コマンド信号が臨界速度における共振を回避す
るため不連続にされ、臨界速度を通過する際速度及び出
力電力が急激に変化させられる。
本発明による風力タービン装置はさらにタービンロー
タ速度が前記臨界速度の直下で増加しつつある状態で速
度コマンド信号が高レベルに切換えられた場合タービン
ロータ速度が急速に増大して出力電力は一時的に低下す
るが臨界速度点を速やかに通過する特徴を有する。本発
明装置はまた同様にタービンロータ速度が臨界速度点の
直上で減少しつつある状態で速度コマンド信号が低レベ
ルに切換えられた場合もタービンロータ速度が急激に低
下し、出力電力は一時的に増大するが臨界速度点を速や
かに通過する特徴を有する。
本発明による風力タービン発電機装置ではタービンの
ロータ速度は臨界速度よりも下の第１の低速度限界値に
達するまでは所定の変化率で増加させられる。この第１
の低速度限界値は第１の発電機出力境界値に一致する。
この時点で前記所定の変化率は減少されロータは第２の
出力境界値に達するまで下側の低変化率ラインに沿って
速度が増大される。この第２の出力境界値は前記臨界速
度の直下の第２の低速度限界値に対応する。この時点で
例えば突風などによりロータ速度がさらに増大すると速
度コマンド信号が臨界速度より上の速度値に対応するレ
ベルに即座に切換えられる。その結果ロータの速度は発
電機のエアギャップトルクが減少することにより急激に
増大し臨界速度点を速やかに通過する。同時に発電機出
力もある程度低下するが、これは急速な速度変化を可能
にするためにやむを得ない。この時点以後は速度コマン
ド信号で規定されるロータ速度が以前と同じ所定変化率
で直線的に増加される。ただし、ロータ速度を表わす動
作点は上側の低変化率ラインに沿って移動する。さらに
ロータ速度が増大すると発電機出力は前記第２の出力境
界値に再び到達し、さらに以後速度コマンド信号により
選択された変化率で出力が増加し始める。その後ロータ
速度が低下して上側の低変化率ラインと前記所定変化率
ラインとの交点に達すると変化率は再び変化し上側の低
変化率ラインに従って動作点が移動する。ロータ速度が
さらに低下すると動作点は第１の出力境界値に対応する
臨界速度点のすぐ上の第３の速度減退値に達する。さら
に速度が低下して臨界速度を通過すると動作点がコマン
ド信号レベルの変化に対応して下側の低変化率ライン上
へ移り、前と同様な過程がくりかえされる。
本発明は風力タービンの望ましくない振動を回避する
のに有用な方法及び手段を提供する。本発明方法は最大
効率を与える速度変化ライン上に風力タービン発電機装
置の動作点を維持すると同時に速度コマンド信号により
望ましくない臨界速度における動作を生じるような変化
率が出現するのを回避することができる。
本発明の他の目的，特徴及び利点は図面を参照して行
なう以下の詳細な説明より明らかとなろう。
実施例 第１図は本発明による可変速度風力タービン10を示
す。タービンロータ軸12は一端にハブ14を有し、またハ
ブに取付けられた少なくとも一の羽根16を有する。ター
ビンロータ軸の他端はギヤボックス18の低速度端20に結
合されている。このギヤボックス18の高速度端26には交
流発電機22の発電機ロータ軸24が結合される。発電機ロ
ータはタービンロータトルク（QS）により駆動される。
発電機は入力タービンロータトルクに対抗するエアギャ
ップトルク（QE）を発生する。この交流発電機はライン
28を介して周波数の変化する交流を周波数変換器30に供
給し、この変換器30で上記周波数の変化する交流は一定
周波数の交流に変換され、ライン32を経て電力線路34に
供給される。
可変速度風力タービン制御装置36はデジタルプロセッ
サ37を含み、このプロセッサはさらにCPU38と、バス42
をインターフェースするI/Oユニット40とを含む。プロ
セッサ37はまたROMユニット44及びRAMユニット46,及び
その他のハードウェア（図示せず）をも含む。プロセッ
サ37のI/Oユニットは発電機軸の速度に応答する速度感
知器50により感知されてライン48に供給される発電機速
度信号（NG）に応答する。勿論、実際の速度測定は適当
な信号スケーリングを行なって他の領域で例えば軸12上
で行なってもよい。これについては後で詳しく説明す
る。またI/Oユニット40はライン28を経て周波数変換器
に供給される電力の大きさに応答する出力電力感知器54
により感知されたライン52上の出力電力信号（PE）にも
応答する。ただし、発電機から出力される周波数の変化
する交流出力のみが出力電力の大きさをあらわす唯一の
信号源であるわけではない。可変速度風力タービン制御
装置36は信号プロセッサにより感知した出力電力に対す
る発電機速度の関係を規定する所定の関数に従って発電
機のエアギャップトルクがとるべき値を求め、効率を最
大化する。このレベルが求められると信号プロセッサは
そのI/Oユニット40からライン56へ発電機トルクコマン
ド信号を出力し、これを周波数変換器へ送る。
周波数変換器は例えばサイクロコンバータや直流リン
クにより結合された整流器−インバータ対でよい。これ
らの、また他の周波数変換器はいずれも公知のものでよ
く、従って詳細な説明は省略する。電子変換器は周波数
変換器を通って送られる電力を制御するのに位相制御さ
れたSCRを使用する。これはSCRゲートの導通位相角を線
路の位相に対して制御することにより有効電力及び無効
電力を制御することで行なわれる。そこで、周波数変換
器内にはトルクコマンド信号に応答して周波数変換器内
にあるSCRのトリガパルスを生じるトリガ回路（図示せ
ず）が設けられるのが普通である。周波数変換器及びト
リガ回路は公知であり、詳細な説明は省略する。
またロータ制御装置57を設けて所定の限界トルク以上
で空力的なトルク制御を行なって推力を制限するように
してもよい。これはピッチあるいはヨー制御によっても
よい。
第２図は第１図と非常に類似してあるが、本発明の中
心的教示の理解を助けるため可変速度風力タービン制御
装置が簡略化されたシステムレベルフォーマットとして
示されている。第２図において、可変速度風力タービン
制御装置は感知された速度及び出力電力信号48,52に応
答し、ライン56上の同じトルクコマンド信号を周波数変
換器30に供給する。また低域波器52bがライン52a上の
波出力電力信号をスケジュール（関数発生器）58に供
給する。ライン162上のタービンロータ速度信号もまた
スケジュール58に供給される。第１図のプロセッサハー
ドウェアは機能ブロックに分けて示されており、本発明
教示による制御方法をより完全に示す。第１図のスケジ
ュール58はデジタル装置でありルックアップ表を含み、
ライン52a上の感知され波された出力電力信号，ライ
ン52上の感知された出力電力信号、及びライン162上の
感知されたタービンロータ速度信号に応答する。このス
ケジュール中には感知された出力電力信号とこの出力電
力信号に応答して定まる発電機速度基準信号（コマンド
信号）値の間の関数関係が含まれている。感知出力電力
信号に応じた速度基準信号（NREF）はライン60へ出力さ
れて加算器62に送られ、ここでライン60上の速度基準信
号とライン48上の感知された発電機速度信号との間で比
較がなされる。ライン64上の差信号は積分器66で積分さ
れてライン56上にトルクコマンド信号を出力し、この信
号は周波数変換器30に送られる。このように、第１図の
信号プロセッサ中のCPU38は例えばルックアップ表を含
むROM44と協働して発電機が発生している出力電力レベ
ルを感知し、この感知した出力電力レベルに基いて効率
が最大になる発電機の速度を求める（あらかじめプログ
ラムされているルックアップ表ROM44、あるいはスケジ
ュール58を参照して）作用をなすのがわかる。これに基
いて速度基準信号がスケジュールにより発生され、この
速度基準信号が感知された発電機速度信号と比較され
る。この比較により求められた差は積分されてトルクコ
マンド信号を形成し、このトルクコマンド信号は周波数
変換器に送られて電力線路34へ送られる電力を制御し、
同時に交流発電機のエアギャップトルクを制御する。
第３図は風力タービン機械の性能図であり、一般に速
度比として知られている性能係数（CP）と先端速度比
（VR）との関係を示す。速度固定形の風力タービンは風
速が様々に変化するため性能図の頂点で運転を行なうこ
とは不可能である。一方速度可変形の風力タービンでは
速度比は先端速度を風速に追従させることにより最大の
性能係数に対応する値に維持することができる。そこで
可変速度風力タービンでは最大の効率を達成するには速
度比を性能係数が最大化される値に維持できるように設
計する必要がある。この速度比が第３図中に点Ａ−Ｂ
（70）として示す点に相当する。
第４図は発電機の速度を調節して速度比を性能係数が
最大になるような値に維持するのに使われる、第３図の
点70に対応したライン71に沿った発電機出力電力に対す
る発電機速度基準信号の関係をあらわすグラスである。
第４図はまたトルクが一定に維持されている状態におけ
る発電機速度増加過程を示している。前記一定トルク及
び一定速度比における動作ではトルク限界点74（Ｂ）を
超えると空力制御（ピッチ又はヨー）を行なう必要があ
る。
点71の点72（Ａ）から点74（Ｂ）へ到る軌跡は所定の
トルク限度以下の領域における様々な電力レベルにおい
て最大の効率を与える速度比を維持するような望ましい
発電機速度に対応している。点72と74（A,B）の間での
運転は第３図中の点70で動作に対応している。このよう
に、所望の速度比が一定でまた対応する性能係数も最大
値に固定されている場合発電機の出力電力とその電力を
得るに必要な発電機速度との関係が計算できる。すなわ
ち、出力は風速の３乗に比例し、また発電機速度は風速
に比例するので出力電力は発電機速度の３乗に比例し、
また発電機速度は出力電力の三乗根に比例することにな
る。このように、第４図において点72から点74へ点71の
軌跡に沿ってなされる感知電力に対する発電機速度の調
整を指示するマップが得られる。このマップはまた間接
的に風速をもあらわす。このように発電機の出力電力を
感知して第４図の関数関係を参照することにより、速度
比を所望の値に維持するのに必要な発電機速度が直接に
求められ、その結果効率が自動的に最大化される。
出願人により出願されたドーマン他の発明になる米国
特許出願第799,045号「可変速度風力タービン」にはか
かる制御方法が開示されまた特許請求されている。この
出願では点Ｂを超えるとピッチ及びヨーを変化させて空
力トルクを変調することにより一定速度比動作が一定ト
ルク状態で継続される。
米国特許出願「可変速度風力タービンのトルク制御」
においてディバレンタイン他は限界トルク点74を超えた
領域でピッチあるいはヨー制御を行なうことなく発電機
速度を軌跡78に沿って制御することによる風力エネルギ
ーの捕捉効率を向上させる方法を開示している。この方
法及びそのための装置は上記特許出願明細書中に詳細に
記載されているので本明細書ではその基本的原理のみを
説明する。
上記特許出願明細書で開示した可変速度風力タービン
制御装置においてディバレンタイン他は点74（Ｂ）と速
度限界ないし出力限界である点76（Ｃ）との間の領域で
発電機速度を点78の軌跡に沿って制御することを教示し
ている。その結果、発電機の空気ギャップでのトルクを
一定に維持してもロータ速度は増加することができ、第
３図の性能マップ中において点70から点76へ到る間に点
80の軌跡に沿って状態を変化させることによりエネルギ
ー捕獲効率を最大化することができる。第３図よりわか
るように、トルク限界を超えると速度比が増大するにつ
れて性能係数が低下する。その際も点70で示される最大
効率は維持できないものの、点80の軌跡はかかる状況下
で可能な最大の効率をあらわす。第４図を参照するに、
点78の軌跡は第３図の点80の軌跡に対応しており、所定
の風速に対して可能な最良の発電機速度の制御をあらわ
している。
第５図は横軸に実際の発電機出力の定格出力値に対す
る割合をパーセントで示し縦軸に望ましい発電機速度を
示したグラフである。第５図は第４図のグラフと似てい
るが臨界速度領域近傍の関係を本発明の教示に従って変
化させてある。
第４図に関連して説明したように、第５図の発生機速
度は点90（Ａ）から点92（Ｂ）までの間は軌跡88に沿っ
て変化させられ速度比は性能係数が最大になる値で一定
に維持される。しかし、第５図の方法ではトルク限界値
92（Ｂ）を超えて発電機出力を増大させる場合、発電機
速度は第４図の場合とは異なった経路に従って変化させ
れられる。すなわち本発明では軌跡94,100,102,及び104
はトルク限界（Ｂ）を超えた領域において第４図におけ
る如く一直線状には並ばず点110（Ｐ）と点112（Ｔ）と
の間で偏移することによりタービンが指示臨界素度113
（SR CRIT）に対応する臨界速度（NT（CRIT））で運転
されることが回避される。本発明では点110（Ｐ）から
点120（Ｒ）に到る軌跡100は風力タービンに共振を生じ
る臨界速度（NT（CRIT））での運転を回避するように選
択されている。軌跡100は第５図に示す通りである必要
はなく臨界素度を避けるような経路であればどんなもの
でもよい。従って無数の経路が可能であるが以下の説明
ではかかる経路の一を取り上げる。ただし、本発明はこ
の特定の一の経路に限定されるものではない。
風力タービン発電機装置がその動作点が軌跡100に沿
うように運転されている場合に感知出力電力の波値が
所定限界値121（PE3）を超えまた感知器158（第１図）
からライン162に出力される感知されたタービンロータ
速度信号が所定限界値12b（SRLO）を超えると速度基準
信号値は軌跡100から軌跡104へ遷移し、点124（Ｓ）と
点112（Ｔ）の間においての軌跡104に沿った速度基準信
号が選択される。勿論、この遷移を生じるのにタービン
ロータ速度信号のかわりに適当な低域波器で波され
た発電機ロータ信号を使用してもよいことは自明であ
る。軌跡100上の点Ｒ及び軌跡104上の点Ｒ′は同一風速
における２つの異なった定常運転条件をあらわしてい
る。
点Ｒから点Ｒ′の破線101に沿って動作点を指定する
コマンド信号が遷移すると実際の発電機ロータ速度は第
２図の積分器66で決まる速度で新たな動作点へ移行す
る。速度コマンド信号はタービン速度が所定速度限界値
121d（SRHI2）以下である限り、あるいは所定速度限界
値121e（SRHI）以上である限りまた感知出力電力が所定
限界値121a（PEO）及びPE3の間にある限りタービン動作
点が軌跡104上にのるように決定される。波感知出力
が点112（Ｔ）に対応する値PE3を超えタービンロータ速
度が所定値121d（SRHI2）を超えると速度基準信号は点1
12（Ｔ）から126（Ｃ）へ至る軌路102に沿った点112よ
り上の動作点を指定する。点126（Ｃ）は所定の速度な
いし出力限界値をあらわす。
軌跡104上で風力タービン発電機が運転されている際
にタービン速度が所定値121e（SRHI）より下りまた波
感知出力電力がレベルPEOよりも下ると動作点は点124
（Ｓ）から軌跡100上の点128（Ｓ′）の破線105に沿っ
て直ちに変化する。
第１図及び第２図の可変速度風力タービン制御装置36
は第１図のプロセッサ37中に速度回避論理又は機能部分
を有している。命令はROM44中に記憶されRAM46,CPU38,
バス42,I/Oユニット40及び第１図に示したその他の要素
の協働により実行される。プロセッサ37が第５図の速度
回避技術を実行する際の各ステップを第６図及び第７図
に示す。第６図及び第７図はそれぞれ状態遷移図及び第
１図プロセッサで使用される言語で書かれてROM中に記
憶されているフローチャートを示す。この言語自体は本
発明の開示に関係ないので特に説明しない。
第６図は第５図の過程をわかりやすく示すための状態
マシンの状態遷移図である。
速度回避論理は４種類の動作状態に分けられる。これ
らの状態を区別するのに２つの２進フラグ，フラグ１及
びフラグ２が以下の如く使われる。
フラグ１ フラグ２ 状 態 ０ ０ １ ０ １ ２ １ ０ ３ １ １ ４ 状態１ 140は第５点の点110（Ｐ）よりも下の領域す
なわちラインＡ−Ｂ−Ｐに沿った動作に対応する。状態
２ 142はラインＰ−R,すなわち点110及び120の間の軌
跡100に沿った動作に対応する。状態３ 144はラインＳ
−Ｔ、すなわち点124及び112の間の軌跡104に沿った動
作に対応する。さらに状態４ 146はラインＴ−Ｃ、す
なわち点112と126の間の軌跡102に沿った動作に対応す
る。
状態間の遷移は感知されたタービンロータ速度及び発
電機の波出力電圧値の関数として生じ、これを状態間
のラベルを付されたラインで表現する。
第６図の状態140,142,144,及び146は第５図中のそれ
ぞれの軌跡の近傍に丸で囲んだ番号としても表示されて
いる。従って状態１ 140は軌跡88の近傍及び軌跡94の
近傍で丸で囲んで示されており、状態２ 142は同様に
軌跡100の近傍で丸で囲んで示されている。また状態３
144及び状態４ 106もそれぞれ軌跡104及び102の近傍
において丸で囲んで示されている。
第６図を再び参照するに、遷移ライン150は状態１ 1
40から状態２ 142への遷移をあらわしているが、この
遷移は風力タービンのロータ速度が所定値SRLO2を超え
た場合にのみ生じる。第１図の速度感知器158がライン1
62へタービンロータ速度信号（N1）を出力しこの信号は
プロセッサ37のI/Oユニット40へ供給される。タービン
ロータは発電機ロータよりも応答が遅いため発電機ロー
タの過渡的速度変動に起因する望ましくない状態遷移は
生じにくい。そこでこの場合はタービンロータの別の速
度感知器を設けるのが望ましい。
第５図では様々な速度限界値、例えばSRHI2,SRHI,SRC
RIT,SRLO及びSRLO2をタービンロータ速度軸上で示して
あるが、同じ速度限界値は歯数比の補正を行なって発電
気速度軸上に示してもよい。
状態１においては第１図のプロセッサ37が第５図の軌
跡88及び94すなわちラインＡ−Ｂ−Ｐに沿った発電機速
度基準信号を計算する。状態２では点110から点120（点
Ｐから点Ｒ）までの間点100の軌跡に沿って発電機速度
基準信号が計算される。状態１から状態２への遷移が生
じた後フラグ番号はゼロから１へ変化するがフラグ１は
ゼロのままである。
状態２から状態３への遷移は遷移ライン170であらわ
される。この遷移はタービンロータ速度がSRLO以上でま
た波された感知発電機出力電力値がPE3よりも大であ
る場合にのみ生じる。状態３では発電機速度基準信号が
第５図中の軌跡104を使って計算される。状態２へ戻る
遷移はタービンロータ速度がSRHI如何でありまた波さ
れた感知発電機出力電力値がPEO以下である場合に生じ
る。かかる状態２の戻る遷移をライン172で示す。状態
３ではフラグ１の状態は１でありまたフラグ２の状態は
ゼロである。
状態２から状態３への遷移には発電機出力電力を犠牲
にしたロータ速度の加速が伴う。その結果例えば突風な
どのエネルギーをタービン速度の増加という形で一時的
に貯えることが可能になる。同様に、例えば風速が突然
低下してもロータ速度の低下に伴って発電機出力が増大
される。しかし、かかる遷移が感知電力及び感知及び感
知発電機速度信号に基いて厳密に生じるようにされる場
合は状態２と３の間でサイクリングを生じてしまう。例
えば始めに遷移105を行なう際ロータ速度を低下させる
発電機出力電力パルスの値がPE3を超えると状態２から
状態３へ戻る遷移が直ちに生じてしまう。この種のサイ
クリングを防ぐため判定過程において感知発電機出力電
力の波値が実際の感知発電機出力電力及び発電機速度
信号値ではなく応答のより遅いタービンロータ速度と組
合わせて使用される。電力信号波器の周波数特性は低
域一次ラグタイム一定波器のものと同じである。
感知タービンロータ速度がSIHI2を超えると３ 144か
ら状態４ 146への遷移がライン174で示す如く行なわれ
る。状態４ 146において速度基準信号は第５図中点112
及び126の間の軌跡102を使って計算される。風速が減少
すると状態４ 146から状態3144へ戻る遷移がライン176
で示す如く実行されるがこれは感知タービンロータ速度
SRHI2より小になった場合にのみ生じる。状態４ 146で
はフラグ１及び２はいずれも１に設定されている。
第６図の状態遷移は第１図に示す専用プロセッサ37な
どのデジタルコンピュータ中に記憶されたプログラムに
従って実行される。プログラムはプロセッサ37として使
用するCPUの種類に応じた言語が使われる。これらの詳
細は公知であり本願では特に使用しない。一般に第７図
のフローチャートあるいは第６図の状態遷移図に基いて
プログラムを書下すことが十分に可能である。
第７図のフローチャートでは状態遷移動作はエントリ
ポイント200より開始され次いでステップ202で可変値PE
FILTが第１図ライン52上の信号PEを波する電力波器
の信号出力値に等しい値に更新される。この信号PEは前
記の状態２と３との間のサイクリングを防ぐために波
がなされる。
次いで判定ステップ204が実行されたFLAG1の現在値が
判別される。これがゼロであると「状態マシン」は状態
１又は２になっている。そのうちのどちらの状態である
かを判定するため次いでステップ206が実行されフラグ
２の状態が判別される。これがゼロであると状態は状態
１になっており発電機出力電力の現在値如何により第５
図中軌跡88又は94に沿って第２図中加算点62に供給され
る速度基準信号が形成される。この計算を第７図中のス
テップ208に示す。ステップ208での計算の後ステップ21
0でタービンロータ速度が下限速度限界値SRLO2以上であ
るか否かが判定される。その結果速度が第５図の点110
（Ｐ）を超えて増加しているか否かが判定される。判定
結果が否であれば動作はラインＡ−Ｂ−Ｐに沿って続け
られステップ212で主プログラムへの復帰がなされる。
一方速度が点110を超えていれば状態は状態２へ遷移し
ておりステップ214でフラグ２が１にセットされて主プ
ログラムへの復帰がなされる。
状態２に遷移すると第７図のサブルーチンにおいてス
テップ206の判定ブロックでの判定結果が否となり状態
は状態２になっていることが示される。そこで速度基準
信号がステップ216で第５図の軌跡100に沿って計算され
る。
次いで判定ステップ218が実行されタービンロータ速
度がSRLO以上かつ発電機出力電力がレベルPE3以上であ
るか否かが判定される。否である場合状態はまだ状態２
でありさらにステップ220でタービンロータ速度がSRLO2
より下に落ちているか否かが判定される。速度がこの値
より下がっている場合はフラグ２はゼロに戻され状態１
へ戻ったことが示される。一方、否であればステップ21
2を経由して主プログラムへの復帰がなされる。ステッ
プ218でタービンロータ速度及び波発電機出力電力は
所定限界より大であることが判定されると状態３への遷
移が生じておりフラグ１及び２がステップ224で設定さ
れた後ステップ212で復帰がなされる。
一方ステップ200でプログラムが第７図サブレーチン
に入った後、ステップ202で変数PEFILTが更新され、さ
らにステップ204でFLAG1がゼロでないことが示され、さ
らに判定ステップ226で状態が状態３であるか状態４で
あるかが判定される。フラグ２がゼロであると状態は３
であり速度基準信号がステップ228で第５図中軌跡104に
沿って計算される。
次いで判断ステップ230が実行されタービンロータ速
度がSRH1如何かつPEFILTがPEO以下であるか否かが判定
される。否であれば判定ステップ232でロータ速度がSRH
I2以上であるか否かが判定されその結果が否であれば動
作点はまだ状態３になったままである。一方、ロータ速
度がSRHI2以上であれば状態は状態４になっておりフラ
グ２がステップ234で１にセットされる。否であればス
テップ212を介した主プログラムへの復帰が実行でき
る。
ステップ230での判定の結果タービンロータ速度と発
電機出力電力の波値が所定限度であることが示された
場合状態２へ戻ることが指示されステップ236でフラグ
１がゼロに戻されフラグ２が１に戻される。この後ステ
ップ212を経て主プログラムへの復帰がなされる。
ステップ226でフラグ２がゼロでないことが判定され
ると動作点は状態４にあり、ステップ238において第５
図の軌跡を使って速度基準信号が計算される。状態がま
だ状態４にあるか否かを判別する判定がステップ240で
タービンロータ速度がSRHI2より小か否かを判定するこ
とによりなされる。この結果が否であれば状態はまだ状
態４にあり、ステップ212を介して主プログラムへの復
帰がなされる。一方、タービンロータ速度がSRHI2より
小であれば状態は状態３に戻っておりフラグ２はステッ
プ242でゼロに戻り、さらにステップ212を介して主プロ
グラムへ動作が復帰する。
以上、本発明を最良の実施態様について説明したが本
発明要旨内で様々な変形や変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
第１図は可変風力タービン発電機及びその制御装置の概
略的ブロック図、第２図は制御装置の構成をより詳細に
示した第１図と同様なブロック図、第３図は性能係数PR
（CP）との速度比VRとの関係を示す性能マップを示す
図、第４図は発電機速度制御に使用される発電機出力電
力と所定発電機速度基準信号との関係を示すグラフ、第
５図は本発明による臨界速度回避技術を使用した場合の
発電機速度制御を示す第４図と同様なグラフ、第６図は
本発明による風力タービン発電機の動作を概略的に説明
するための状態遷移図、第７図は本発明により臨界速度
回避技術をデジタルコンピュータを使って実施する際の
サブルーチンのフローチャートである。 10……風力タービン、12……タービンロータ軸、14……
ハブ、16……羽根、18……ギヤボックス、20……ギヤボ
ックス低速度端、22……交流発電機、24……発電機ロー
タ軸、26……ギヤボックス高速度端、28,32,48,52,56,6
0,64,150,162……ライン、30……周波数変換器、34……
電力送電線路、36……可変速度風力タービン制御装置、
37……プロセッサ、38……CPU、40……I/Oユニット、42
……バス、44……RUM、46……RAM、50,158……速度感知
器、54……出力電力感知器、57……ロータ制御装置、58
……スケジュール（関数発生器）、62……加算器、66…
…積分器、70……点Ａ−Ｂ、71,78,80,88,94,100,102,1
04……軌跡、72,90……点Ａ、74,92……点Ｂ、76,126…
…点Ｃ、101,105……遷移経路、110……点Ｐ、112……
点Ｔ、113……臨界速度、121,121a……感知出力電力
波信号限界値、121b,121c,121d,121e……タービンロー
タ速度限界値、124……点Ｓ、128……点Ｓ′、140……
状態1,142……状態２、144……状態３、126……状態
４。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−73599（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】可変速度風力タービン発電機を高効率で制
    御する際に臨界速度での動作を回避するための制御方法
    であって： 風力タービン発電機の出力電力を感知して該出力電圧の
    大きさをあらわす波出力電力信号をライン（52a）に
    出力し； 発電機ロータ速度を感知して発電機ロータ信号の大きさ
    をあらわす速度信号をライン（48）に出力し； 第１及び第２の電力レベル（121a、121）の間の波出
    力電力信号の大きさと、第１の速度限界値は第２の速度
    限界値よりも小さく各々は臨界速度よりも小さい一対の
    選択された第１及び第２の速度限界値（121c、121b）の
    間のタービンロータ速度とに対し、該第１及び第２の速
    度限界値（121c,121b）の間で速度コマンド信号計算値
    対出力電極信号曲線（100）の傾きが該第１の速度限界
    値（121c）よりも下の傾きとは異なるような該速度コマ
    ンド信号計算値対出力電力信号曲線（88、94、100、10
    2、104）に従って、ライン（60）上の速度コマンド信号
    を計算し； 第２及び第１の電力レベル（121、121a）の間の波出
    力電力信号の大きさと、第３の速度限界値は第４の速度
    限界値よりも小さく各々が臨界速度よりも大きい一対の
    選択された第３及び第４の速度限界値（121d、121e）の
    間のタービンロータ速度とに対し、該第３及び第４の速
    度限界値（121d,121e）の間の速度コマンド信号計算値
    対出力電力信号曲線（104）の傾きは該第３の速度限界
    値（121d）よりも上の傾きとは異なるような該速度コマ
    ンド信号計算値対出力電力信号曲線（88、94、100、10
    2、104）に従って、ライン（60）上の速度コマンド信号
    を計算する段階よりなることを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】可変速度風力タービン発電機の効率を向上
    させまたは臨界速度を避けて動作するように制御する制
    御装置であって： 風力タービンロータ又は発電機ロータ速度に応答して感
    知タービン発電機速度信号をライン（48、162）上に出
    力する速度感知器（50、158）と； 発電機電力出力に応じて感知出力電力信号をライン（5
    2）に出力する電力感知器（54）と； 該感知出力電力信号に応じて該感知出力電力信号の一次
    ラグタイム一定波作用を行なって波出力電力信号を
    ライン（52a）に出力する低域波手段（52b）と； ライン（48、162）上の感知速度信号、ライン（52）上
    の感知出力電力信号及びライン（52a）上の波出力電
    力信号に応答し、 限界速度付近で第１及び第２の出力電力レベル（121a、
    121）の間の波電力信号の大きさと、第１の速度限界
    値は第２の速度限界値よりも小さく各々は臨界速度より
    も小さい一対の選択された第１及び第２の速度限界値
    （121）ｃ、121b）の間の速度とに対し、該第１及び第
    ２の速度限界値（121c、121b）の間で速度コマンド信号
    計算値対波出力電力信号曲線（100）の傾きが該第１
    の速度限界値（121c）よりも下の傾きとは異なるような
    速度コマンド信号計算値対波出力電力信号曲線に従っ
    て、ライン（60）上の速度コマンド信号を計算して出力
    し、 該第１及び第２の出力電力レベル（121a、121）の間の
    波電力信号の大きさと、第３の速度限界値は第４の速
    度限界値よりも小さく各々は臨界速度よりも大きい一対
    の選択された第３及び第４の速度限界値（121e、121d）
    の間の速度とに対し、該第３及び第４の速度限界値の間
    で該速度コマンド信号計算値対波出力電力信号曲線
    （104）の傾きが該第４の速度限界値（121d）よりも上
    の傾きとは異なるような該速度コマンド信号計算値対
    波出力電力信号曲線に従って、ライン（60）上の速度コ
    マンド信号を計算して出力する手段（58）と、 ライン（60）上の該速度コマンド信号及びライン（48、
    162）上の感知タービン発電機速度信号に応じて発電機
    トルクを制御する風力タービン発電機トルク制御信号を
    ライン（56）に出力する手段（62、66）とを含むコント
    ローラ（36）とよりなることを特徴とする装置。
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