JP4109994B2 - 空気密度に依存する電力制御 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電装置の運転管理のための制御装置を有する風力発電装置と、運転管理のための制御装置を有する風力発電装置の制御方法とに関するものである。

風力発電装置は、風に含まれる運動エネルギの一部を電気エネルギに変換する。このため、風力発電装置は、風から運動エネルギを取り出して回転エネルギに変換するロータを有している。

特許文献１は、風力発電装置と、その操作方法とを開示している。この装置ないしは方法においては、運転管理システムは、センサに基づいて、風力発電装置のところで、空気密度の存在下で、空気密度の減少でもって、風力発電装置を高レベルで運転停止させる速度を設定する。それゆえ、通常レベルの空気密度である場合は、運転停止速度は、その予め決められた値を想定（assume）し、運転停止速度は空気密度が低いときには高くなる。

風力発電装置の制御装置内には、該風力発電装置の制御手段が、風速に依存する、求められたロータ速度に基づいて関連する発電機の電力を求めることを可能にする電力特性を格納している。風力発電装置が生成することが予定されている発電機の電力は、必要な励起電力を生じさせ、次にはこれから発電機のモーメントを生じさせる。この必要な発電機のモーメントを生成するために、ロータは、そのドライブトレーン（drive train）により、少なくともその回転モーメント生じさせなければならない。

風力発電装置の電力Ｐは、風力発電装置のロータの周回路を流れるエネルギの量に対応し、次の式にしたがって、ロータの円形表面の面積に対応する横断面の面積Ｆに応じて上昇する。
Ｐ＝１／２ρｖ^３Ｆ［Ｗ］
独国特許出願公開第１９８４４２５８号明細書

任意の風速ｖと、ロータの予め決められた円形表面の面積Ｆとから、上記の式は、空気密度ρについてのエネルギ量の依存性を与える。もしエネルギの量があまりにも低いと、ロータは上記モーメントを付与することができず、したがって、過度に高い発電機のモーメントのゆえに、ロータ速度は低下する。

本発明の目的は、最大限可能なエネルギ量となるように、すなわち最大限可能な電力を常時生成することができるように、風力発電装置の運転を最適化することである。

本発明の目的は、請求項１に記載された特徴を有する方法と、請求項２に記載された特徴を有する風力装置ないしは風力発電装置（wind power installation）とによって達成される。

従前の風力発電装置においては、特徴曲線（characteristic curve）に加えて、高速運転変数λ（high-speed running variable）も予め決められている。ここで、高速運転変数は、風速とロータブレードの先端部の周速の指数（quotient）とに対応する。すでに説明したとおり、電力特性（power characteristic）が、対応する空気密度に整合（match）しないときには、制御装置内で固定されている高速運転変数λには偏差（deviation）が生じる。

本発明においては、制御装置は、風力発電装置の建設位置の高さ及び／又は風力発電装置の高さ、すなわち風力発電装置の位置における周囲の空気密度を計算に入れる（考慮する）。

本発明は、空気密度は、高さが増加するのに伴って低下するといった知見に基づいている。計測基準（reference scale）は、常に、海面位置であるノーマルゼロ（ＮＺ）である。風力発電装置がＮＺより高いところに建設される場合、その位置が高いほど、これに伴って空気密度が低くなり、これに伴って風に含まれるエネルギが少なくなる。

本発明においては、ＮＺからの風力発電装置の建設位置の高さを計算に入れているが、これは、この低い空気密度が電力特性に考慮されるということを意味するので、とくに有利である。このように、ロータ速度と任意の高速運転変数λとに関連づけられた、風力発電装置によって生成されるべき電力は、適切に順応（adapt）される（すなわち、低減される）。このため、制御装置により導入される励起電力によって、発電機のモーメントは、ロータによって与えられるトルクを超えることはない。このように、電力特性により確立（establish）される効率のレベルが維持され、風から最大のエネルギを取り出すことができる。

本発明のとくに好ましい実施態様においては、風力発電装置の建設位置の高さ及び／又は風力発電装置の高さは、順応されることができる。すなわち、適切なパラメータが、スイッチや配置パラメータなどの適切な設定手段によりやりとりされる、位置とは独立した制御を行うことができる。

本発明の好ましい発展形においては、風力発電装置は、空気密度を検出するための測定装置、とくに好ましくは空気の圧力と温度とを検出するための測定装置を備えている。空気密度は、これらの２つの項目のデータから決定することができる。このように、制御装置が、測定装置によって取得されたデータからこれらのパラメータを自動的に求めるのに伴って、パラメータの設定を先行させる（forego）ことが可能となる。

好ましい実施の形態においては、制御装置は、少なくとも１つのマイクロプロセッサを備えている。このため、風力発電装置の制御は、制御ソフトウエアに基づいて実行することができる。

さらに、本発明の目的は、次の特徴を備えた方法によって達成される。
ａ）空気密度が検出される。
ｂ）空気密度から誘導され、空気密度に相当する（represent）信号が制御装置に伝送される。
ｃ）運転管理において制御装置によって空気密度が考慮される。

ステップａ）において、空気の圧力及び温度を検出することができ、ステップｂ）において、予め決められたアルゴリズムに従って、空気密度に相当する信号を空気の圧力及び温度から誘導することができる。
本発明の有利な発展形は、従属請求項に記載されている。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を、より詳しく説明する。添付の図面は、本発明にかかる風力発電装置の単純化されたブロック回路図を示している。

図１は、ロータ１０と、発電機１２と、ロータと発電機との間の動力伝達部１４（force transmission）と、空気の圧力を検出するための装置１６と、温度を検出するための装置１８と、マイクロプロセッサを有する制御装置２０とを備えた風力発電装置を示している。

空気の圧力を検出するための装置１６は、接続手段２２（connection）により制御装置２０に接続されている。温度を検出するための装置１８は、接続手段２４により制御装置２０に接続されている。そして、ロータの速度（回転速度）は、接続手段２６により制御装置２０に伝送されるようになっている。これらの接続手段としては、例えば、流電接続手段（galvanic connection）又は無線接続手段などのその他の適切な接続手段を用いることができる。

伝送された情報の項目（item）から、制御装置２０は、予め決められた電力データに基づいて、発電機によって供給されるべき電力を求め（ascertain）、接続手段２８により、発電機１２に供給される励起電力を操作する（influence）。

ここで、制御装置２０の運転モードは、次の手法で予め決定することができる。すなわち、空気の圧力又は温度の変化から求めることができる空気密度の変化は、それらが予め決められた量を超えたとき、及び／又は、これらの変化が予め決められた時間で求められたときにだけ、制御装置２０によって考慮される。

空気密度を検出することに代えて、各位置（site）において、空気密度に関連する値を予め決めておくことも可能であるということが理解されるであろう。ここで、例えば、風力発電装置又は風力発電装置のロータハブのＮＺからの高さを考慮してもよい。対応する仕様（manner）において、予め決められた高さにおける対応する空気密度に関連する平均値を予め決め、これを制御装置に格納しておくことも可能である。したがって、本発明では、風力発電装置の各電力特性もまた、風力発電装置の位置において対応する空気密度に適合させられることになる。これは、風力発電装置の効率のレベルを、常に、最大限可能な値に維持することを可能にする。とくに、空気密度がかなりの程度で変動するとき、又は風力発電装置がＮＺから数百メートルの位置に建設されているときには、たとえ電力特性が最初にＮＺから００の高さの位置で求められた場合でも、常に、最大限可能な値に維持することを可能にする。

本発明にかかる風力発電装置の単純化されたブロック回路図である。

符号の説明

１０ ロータ、１２ 発電機、１４ 動力伝達部、１６ 空気の圧力を検出するための装置、１８ 温度を検出するための装置、２０ 制御装置、２２ 接続手段、２４ 接続手段、２６ 接続手段、２８ 接続手段。

Claims (6)

1. 発電機を備えた風力発電装置の制御方法であって、
   風力発電装置の位置で空気密度データを測定するステップと、
   発電機に供給される励起電力を、発電機のモーメントがロータによって与えられるトルクを超えることがないように、測定された空気密度データに依存して設定することにより、風力発電装置の発電機を制御するステップとを含むことを特徴とする方法。
2. 発電機と、
   風力発電装置の発電機の運転管理のための制御装置と、
   風力発電装置の位置で空気密度データを検出する手段とが設けられている風力発電装置であって、
   上記制御装置が、検出された空気密度データを処理するとともに、発電機に供給される励起電力を、発電機のモーメントがロータによって与えられるトルクを超えることがないように、検出された空気密度データに依存して設定するようになっていることを特徴とする風力発電装置。
3. 空気密度データを検出する上記手段に、空気密度を検出するための測定装置（１６、１８）が設けられ、該測定装置が制御装置（２０）に接続されていることを特徴とする、請求項２に記載の風力発電装置。
4. 上記測定装置（１６、１８）が、風力発電装置の位置における空気の圧力（１６）及び温度（１８）を検出するための少なくとも１つの装置を備えていることを特徴とする、請求項３に記載の風力発電装置。
5. それぞれの空気密度に対応する値又はデータが、入力手段により予め決定可能であり、かつ制御装置内に格納されるようになっていることを特徴とする、請求項２〜４のいずれか１つに記載の風力発電装置。
6. 上記制御装置が、空気密度データを風力発電装置の制御プログラムとともに処理するマイクロプロセッサを備えていることを特徴とする、請求項２〜５のいずれか１つに記載の風力発電装置。

Images