JP4327195B2 - 回転速度に従った風力発電プラントのトルクおよびピッチ制御のための方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転速度に従った風力発電プラントのトルクおよびピッチ制御／調節のための方法に関する。この方法は、ピッチ制御付きの風力発電プラントにおいて、回転速度に応じて発電機トルクの最適基準値を決定するのにように機能する。

風力発電プラントは、風の吹く条件において、制御システムによって、起動風回転速度（ｓｔａｒｔ‐ｕｐ ｗｉｎｄ ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ ｓｐｅｅｄ）から起動され、機械的な過負荷を防止するため、高い風速、すなわち遮断風回転速度（ｓｈｕｔ‐ｏｆｆ ｗｉｎｄ ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ ｓｐｅｅｄ）において、再び遮断される。風速は、例えば、風速計によって検出され、あるいは回転子の回転速度および生み出された電力から計算される。

可変の回転速度で動作するピッチ制御付きの風力発電プラントが知られている。ピッチ制御の際、各回転子羽根板の羽根板ピッチが、羽根板の長手軸を中心として調節される。異なる羽根板ピッチにおいて、それぞれの回転子羽根板が、異なるトルクを風から収集する。

風力発電プラントの制御／調節において、２つの動作モードの間で区別を行うことが知られている。第１の動作モードは、部分負荷運転（ｐａｒｔｉａｌ ｌｏａｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）と称され、トルクを設定することによって回転速度が規定される。第２の動作モードは、全負荷運転（ｆｕｌｌ ｌｏａｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）であり、ピッチを調節することによって回転速度が規定される。

風力発電プラントによって最適な出力を達成するため、部分負荷範囲におけるプラントの回転速度は、回転子の周回転速度（ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ ｓｐｅｅｄ）と風速との間の最適比（λ_ｏｐｔ）に設定される。したがって、回転子羽根板が、回転子軸に最高の駆動トルクを生み出す羽根板角度に設定される。回転子の回転速度は、部分負荷範囲においては、発電機および／または変換器において生成される逆トルクによって設定される。

公称の風速において、発電機において最大の逆トルクに到達した場合、発電機トルクをさらに増すことによって回転速度を動作点に維持することは、もはや不可能である。したがって、システムの過負荷は、羽根板の空気力学的効率の悪化として回避され、これらの羽根板が最適なピッチから外れるように動かされる。また、このプロセスについての専門用語は、「トゥー・ピッチ（ｔｏ ｐｉｔｃｈ）」である。このように、回転子の回転速度は、最大の発電機トルクに達した後は、羽根板のピッチによって左右される。

巻線形誘導発電機を有する可変速の風力発電プラントが、特許文献１から知られている。この公知の風力発電プラントを運転するため、トルク・コントローラおよびトルク・コントローラと別個に動作するピッチ・コントローラが知られている。
ヨーロッパ特許公報 ＥＰ １ ００７ ８４４ Ｂ１

本発明の技術的目的は、回転速度に応じて風力発電プラントのトルクおよびピッチを制御するための方法であって、きわめて高い出力をもたらす方法を提供することにある。

本発明によれば、この目的が、請求項１の特徴を備える方法によって達成される。好都合な実施の形態が、従属請求項の主題を構成している。

本発明による方法は、トルクおよびピッチを回転速度に応じて制御するように機能する。この点に関し、制御が、所定の特性曲線に従って実行される。特性曲線が、回転子の回転速度に応じた発電機トルクの基準値、すなわち発電機へと加えられるトルクについての基準値を、あらかじめ定めている。次いで、この発電機についての基準値が、相応の制御システムによって設定または調節される。この望まれる基準値を達成するため、制御システムが、発電機によって受け取られる力および回転子羽根板のピッチの両者を変化させる。制御システムを、自動制御システムとして構成してもよい。第１の部位においては、風力発電プラントが部分負荷運転にあるとき、第１の回転速度（ｎ_１）に至るまで、トルクが調節される。第２の部位が第１の部位に隣接しており、やはり部分負荷運転において、前記第１の所定の回転速度（ｎ_１）から第２の回転速度（ｎ_２）まで、トルクが調節される。第３の部位では、全負荷運転において、前記第２の回転速度（ｎ_２）よりも大きい回転速度について、ピッチが調節される。第４の部位では、全負荷運転において、第３の回転速度（ｎ_３）よりも大きく前記第２の回転速度（ｎ_２）よりも小さい回転速度について、やはりピッチが調節される。第５の部位では、部分負荷運転において、制御がそれまでに特性曲線の前記第４の部位に従って実行されていた場合に、前記第３の回転速度（ｎ_３）よりも小さい回転速度について、トルクが調節される。本発明による方法は、制御がそれまでに第４の部位に従って実行されていた場合にのみ生じる部分負荷運転におけるトルクの調節を有している。したがって、本発明の方法においては、第２の回転速度（ｎ_２）と第３の回転速度（ｎ_３）との間の回転速度範囲において、部分負荷運転へと変化する代わりに、全負荷運転におけるピッチの調節が、さらに実行される。回転子の回転速度がさらに低下すると、好ましくは最小のピッチに達するときに、部分負荷運転において第５の部位に従ってトルクが調節され、制御システムが、線形な様相で第２または第１の部位へと復帰する。

とくに好ましくは、特性曲線の第４の部位に従った制御が、回転子羽根板のピッチが所定の値を超えている場合に実行される。したがって、本発明による方法においては、全負荷運転において、ｎ_２とｎ_３との間の回転速度において、所定の最小ピッチを超えているか否かが監視される。このピッチを超えている場合、部分負荷運転への速やかな復帰を回避するために充分な運動「エネルギー」が、回転子羽根板に依然として存在している。さらに、ピッチの調節も、したがって第２の回転速度ｎ_２よりも低い回転速度において実行される。特性曲線は、第４の部位において分岐している。最小ピッチは、好ましくは、０．５°よりも大きく、かつ５°よりも小さい。とくに好ましい実施の形態においては、ピッチのサイズが、１°〜３°の間である。

ｎ_２よりも低い回転速度において、依然としてピッチが充分に大きい場合、制御システムが全負荷運転にとどまってピッチの調節が行われ、次いで制御システムが部分負荷運転に復帰する。このために、好ましくはトルクが減じられ、第２の部位の回転速度が存在するまで回転速度が高められる。特性曲線において、特性曲線の第４および第５の部位での全負荷運転から、部分負荷についての特性曲線の第２の部位へと復帰がなされる位置が、以下では、特性曲線の第６の部位と称される。

特性曲線の第４の部位において全負荷運転を続けることで、部分負荷運転へと戻る切り換えが後になってのみ生じ、したがって風力発電プラントをより長く全負荷で運転できるという利点が提供される。

本発明による方法においては、特性曲線の第１の部位において、回転速度が所定の回転速度値ｎ_１に達するまで、トルクが回転速度の上昇とともに高められる。好ましくは、特性曲線の第２の部位において、トルクが、第１の部位よりも急激に、回転速度の上昇とともに高められる。第３の部位においては、トルクは一定の値に調節される。第５の回転速度ｎ_５から、回転速度の上昇とともに、好都合にトルクの低下が引き起こされる。トルクの低下によって、風力発電プラントの高い回転速度における過負荷が回避される。

好ましくは、特性曲線の第４の部位において、ピッチが実質的に一定のトルク値へと調節される。好都合なことに、特性曲線の第５の部位においては、特性曲線の第１の部位に比べてトルクがより迅速に上昇し、したがって低い回転速度の風力発電プラントを、全負荷運転から第１の特性曲線へと戻すことができる。第２の部位における特性曲線の上昇は、回転速度の小さな増加にてトルクが大きく増加することを意味しているが、風力発電プラントを可能な限り早く全負荷運転で駆動できるよう、起動後に部分負荷運転を超えて可能な限り速やかに全負荷運転へと到達する目的に機能する。

本発明による方法においては、第３の回転速度ｎ_３が、第１の回転速度ｎ_１よりも大きく、第４の回転速度ｎ_４が、第１の回転速度ｎ_１よりも小さい。

本発明による方法を、１つの図面を参照して以下でさらに詳しく説明する。

ただ１つの図が、特徴的なフィールド調節（ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ）を備える風力発電プラントの制御挙動の一連の特性曲線を示している。この特徴的なフィールド調節は、発電機回転速度１２に従って発電機トルク１４が適用される第１の部位（参照番号１０によって特定されている）を有している。この特性曲線の部位１０の第１の起動部１６においては、発電機トルクが、線形な様相で回転速度とともに増加する。第１の起動部１６に第１の部位の第２の部分１８が隣接しているが、第２の部分１８においては、トルクが回転速度に線形な様相では追従していない。いずれにせよ、トルクは、第１の回転速度値ｎ_１まで増加する。特性曲線の第１の部位の第２の部分においては、発電機トルクの調節が、風から得られる力についての理想特性曲線に従って実行される。回転速度と力との間の数学的関係は、以下の式からもたらされる。

力についての上述の関係は、回転速度に応じて、制御システムの技術的設計に従って継続的に計算することができ、あるいはテーブルに保存することができる。風から得られる力と発電機出力との間の物理的関係を使用することで、ｎ_４〜ｎ_１の間の回転速度値の範囲において、最大の出力が常に適用されるよう保証される。

特性曲線の第２の部位２０は、上記第１の回転速度値に隣接している。特性曲線の第２の部位２０においては、トルクが、トルクについての公称値Ｍ_ｎまで急速に上昇する。したがって、回転速度は、値ｎ_１から第２の回転速度値ｎ_２まで増加する。したがって、第２の回転速度値ｎ_２は、風力発電プラントについての公称の回転速度ｎ_ｎと同じであってよく、あるいはより小さくてもよい。特性曲線の隣接部位２２においては、調節がピッチ角度について実行される全負荷運転が存在している。特性曲線のこの第３の部位２２は、ｎ_２を上回る回転速度に当てはまる。第５の回転速度ｎ_５を超えると、回転子へと加わるトルクが、ピッチの調節によって減らされる。風力発電プラントの出力は、トルクおよび回転速度に比例するため、特性曲線の第３の部位においてｎ_５を超えると、出力の低下が生じる。

特性曲線の第４の部位２４は、特性曲線の第３の部位２２に隣接している。該当の回転速度範囲は、回転速度値ｎ_２およびｎ_３によって特徴付けられている。全負荷運転が、特性曲線のこの第４の部位に存在するが、プラントの起動の際には、これらの回転速度であっても全負荷運転は未だ生じていない。

回転速度が値ｎ_３を過ぎて低下すると、トルクが、特性曲線の第５の部位２６に沿って減らされる。この低減は、実質的に線形な様相で実行される。特性曲線は、回転速度値ｎ_４において、特性曲線の第１の部位１０へと復帰する。しかしながら、特性曲線の第５の部位２６に沿っての回転速度値ｎ_４への到達は、特性曲線の第４および第５の部位２４，２６において、回転子羽根板のピッチが例えば２°である所定の最小値を依然として超えているか否かが連続的に監視されているため、理論上でしか生じない。ピッチについての最小値が超えられていない場合、すなわち全負荷運転において、その間の期間に最小値よりも小さい程度にまでピッチが減じられた場合、制御システムが特性曲線の第６の部位２８または２９に沿って、第１および／または第２の特性曲線からの値に到達するまで復帰する。したがって、特性曲線の第５の部位２６は、曲線の値の包絡線を形成し、そこから制御システムは、特性曲線の第６の部位２８を経由して全負荷運転から部分負荷運転へと復帰する。特性曲線の他の部位とは対照的に、特性曲線の第６の部位２８，２９は、その絶対的な位置が固定されておらず、負の勾配および特性曲線の第５の部位２６にある出発位置によって定められる。特性曲線の第５の部位２６にある出発位置は、ピッチについての最小値によって定められる。例えば、図においては、特性曲線の２つの分岐２８および２９が示されており、これらに沿って部分負荷運転への復帰がなされる。

本発明による方法において使用される特性曲線は、ヒステリシスを有しており、これが風力発電プラントの出力の改善をもたらす。この点に関し、特性曲線の第３の部位２２から特性曲線の第４の部位２４への移行が重要である。特性曲線の第４の部位２４に従った制御が、範囲［ｎ_３，ｎ_２］からの回転速度について、所定の最小角度を超える調節角度が存在している場合に行われることが、ここに定められる。好ましくは、２°の最小角度が定められる。したがって、回転速度の低下時に２°以上のピッチが依然として存在しているならば、制御システムは、純粋な回転速度制御のように特性曲線の第２の部位２０に復帰することはせず、全負荷運転を保って第４の部位２４へと切り換わる。この背景は、システムが、最大トルクの発生を続けるために、回転子の運動において蓄えられた運動エネルギーを使用する点にある。全負荷運転のための下限ｎ_３に達した場合にのみ、制御システムは、第５の部位に従って部分負荷運転へと復帰し、トルクが減じられる。部分負荷運転への復帰のためのピッチの最小値は、特性曲線の第４の部位への分岐のために用意された最小角度と、必ずしも同一ではない。

本発明に係る方法における風力発電プラントの制御挙動の特性曲線を示す図である。

符号の説明

１０ … 第１の部位
２０ … 第2の部位
２２ … 第3の部位
２４ … 第４の部位
２６ … 第5の部位
２８、２９ … 第６の部位

Claims (12)

1. 特性曲線に従い、回転速度に応じて風力発電プラントのトルクおよびピッチを制御／調節するための方法であって、
   ・第１の部位（１０）における部分負荷運転において、第１の所定の回転速度（ｎ_１）まで、トルクが調節され、
   ・第２の部位（２０）における部分負荷運転において、前記第１の回転速度（ｎ_１）から第２の回転速度（ｎ_２）まで、トルクが調節され、
   ・第３の部位（２２）における全負荷運転において、前記第２の回転速度（ｎ_２）よりも大きい回転速度について、回転子羽根板の少なくとも１つのピッチが調節され、
   ・第４の部位（２４）における全負荷運転において、制御がそれまでに前記第３の部位（２２）に従って実行されていた場合に、前記第２の回転速度（ｎ_２）よりも小さく第３の回転速度（ｎ_３）よりも大きい回転速度について、回転子羽根板の少なくとも１つのピッチが調節され、
   ・第５の部位（２６）における部分負荷運転において、制御がそれまでに前記第４の部位（２４）に従って実行されていた場合に、前記第３の回転速度（ｎ_３）よりも小さい回転速度について、トルクが調節される
   方法。
2. 特性曲線の第４の部位および第５の部位（２６）において、最小ピッチを越える場合に、制御システムが特性曲線の第６の部位（２８、２９）を経由して特性曲線の第１または第２の部位（１８、２０）へと復帰することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 特性曲線の第６の部位（２８、２９）において、トルクが回転速度に従って減じられることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 特性曲線の第４の部位が、回転子羽根板のピッチが全負荷運転における所定の最小値を超えている場合に生じることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記ピッチの所定の最小値が、０．５°よりも大きく５°よりも小さいことを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記ピッチの所定の値が、１°よりも大きく３°よりも小さいことを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 特性曲線の第１の部位（１０）において、トルクが、回転速度が所定の回転速度値（ｎ_２）に達するまで回転速度とともに高くなることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 特性曲線の第２の部位（２０）において、トルクが、第１の部位よりも急激に、回転速度とともに高くなることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 第３の部位において、所定の回転速度（ｎ_５）まで、調節が一定の値へと行われることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 特性曲線の第３の部位において、前記回転速度（ｎ_５）を超えると、回転速度が増加するとトルクが低下することを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 特性曲線の第５の部位（２６）において、トルクが、第１の部位（１０）よりも急激に、回転速度とともに高くなることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記第３の回転速度（ｎ_３）が、前記第２の回転速度（ｎ_２）よりも小さいことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。

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