JP4619409B2 - 補助発電機を有する風力発電設備およびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転子と、電力を発生すべく回転子によって駆動される発電機とを有する風力発電設備に関する。少なくとも１枚の回転子ブレードが、回転子ハブへと、自身の長手軸を中心にして変位可能に取り付けられている。風力発電設備は、少なくとも１つの消費部のための電力を生成するため、回転子によって駆動される補助発電機を有している。

多段の発電機を有する風力発電設備が、独国特許出願公開第ＤＥ １０２ ３３ ５８９ Ａ１号（特許文献１）から知られている。種々の風速に合わせて選択的に接続されあるいは切り離される種々の発電機段が、風力発電設備に設けられている。発電機の複数段は、幅広い範囲のさまざまな風の強さを、電気を発生するために効率的に利用することを意図している。

回転子ブレードの調節装置が、独国特許第ＤＥ １９６ ４４ ７０５号（特許文献２）から知られている。回転子ブレードの調節において、回転子ブレードが、風力発電設備が停止へと至るある角度位置、すなわちフラグ位置（flag position)へと動かされる。調節装置は、ナセル／回転子に固定的に相互接続されて設置された補助発電機を有しており、この補助発電機が、ナセルに対する回転子の回転運動から電力を導き出す。回転子ブレードが、このようにして導き出された電力によってフラグ位置へと直接回転させられる。

回転子ブレードのアタックアングル（the angle of attack）を調節するための装置であって、非常用電流回路を有している装置が、独国特許第ＤＥ １００ ０９ ４７２ Ｃ２号（特許文献３）から知られている。この非常用電流回路は、この非常用電流回路がオンとなった後にアタックアングルがフラグ位置に設定されるよう、アタックアングルを調節するためのモータへとつながった永久磁石発電機を有している。この結果、回転子の軸の回転速度が高いとき、回転子ブレードの速度も高くなる。

風力発電設備の非回転部分から回転子へと非接触の電力の伝達をもたらす風力発電設備が、独国特許第ＤＥ １０１ ５３ ６４４ Ｃ２号（特許文献４）から知られている。この目的のため、非同期式の機械が風力発電設備に一体化され、その固定子が、風力発電設備の非回転部分へと接続され、その回転子が、回転部分に配置されている。

風力発電設備のための制御装置が、独国特許第ＤＥ ３６８ ７９９号（特許文献５）から知られており、自励式および他励式の発電機が、電圧が自動的に維持され、接続されている消費部の電力消費の変動がカバーされるように、アキュムレータとともに運転されている。

欧州特許出願公開第ＥＰ １ ２８６ ０４９ Ａ２号（特許文献６）から、回転子を低負荷回転位置（駐機位置：park position）に能動的に安定させる安定化装置を有する風力発電設備が知られている。さらに、それが自身のエネルギー供給手段を、とくには風力発電設備の機械ゴンドラに取り付けられた補助風力発電設備の形態で有することが、知られている。

最近の風力発電設備は、回転子ブレードをその長手軸を中心にして調節することができる調節装置、いわゆるピッチ駆動部を有していることが多く、それにより種々の風速に合わせた調節を可能にしている。

そのような風力発電設備を停止させる必要が生じた場合、ピッチ駆動部が、回転子ブレードをフラグ位置へと動かし、すなわち回転子ブレードが、基本的にはそれらの通常の向きに対して直角（９０°）に配置される。この位置において、保持ブレーキによって、あるいは他の安定化手段によって、ロータを恒久的な停止に保つことが可能である。しかしながら、回転子がブレーキによって停止に保たれることはあまりなく、むしろ回転子が風の中で回転し、すなわち回転子へと接続されている発電機などの駆動系も回転し、そのため、発電機が電力系統から切り離される。この状況は、スピニング・モードとして知られている。この場合、風の速度および方向に応じて、例えば毎分１５〜２０回転の範囲にあるようなより大幅に高い風力発電設備の通常動作の回転速度に比べ、毎分数回転の通常でない回転速度が始まる。

動力が断たれた場合であっても、回転子ブレードをフラグ位置に設定できることが、通常は必要とされる。この目的のため、例えば電気式のピッチ駆動装置においてはアキュムレータまたはコンデンサであり、油圧式のピッチ駆動装置においてはアキュムレータであるが、エネルギーの蓄えが通常は設けられ、回転子ブレードをフラグ位置へと１回だけ調節するために必要な動力を供給している。エネルギーの蓄えは、この１回の変位プロセスの後に枯渇するような大きさとされることが多く、通常の動作の回復までは再び蓄えられることがない。独国実用新案第ＤＥ ２００ ２０ ２３２ Ｕ１号（特許文献７）が、回転子ブレードを確実にフラグ位置へと回転させるため、補助発電機の使用を提案している。

電源断の場合に風力発電設備のコントローラへと一時的な供給を行なうため、アキュムレータを基本とする市販の無停電電源装置（ＵＰＳ）が、通常は設けられ、例えば運転システムが適切に停止したこと、および／またはコントローラがオフになったことを知らせる状態信号を遠隔の監視システムを介して送信することができるよう、風力発電設備のコントローラに短い時間期間のあいだ電力を供給するように構成されている。

海洋（沖合）風力発電設備の場合には、風力発電設備が、電力供給系統の停止がより長きにわたった場合に、数日または数週間にわたって重要な構成要素に非常用の動力を供給できることが、さらに必要とされる。この目的のため、ディーゼル発電機を設けることが一般的であり、これに相応の大量のディーゼル機関を供給しなければならない。ディーゼル機関およびディーゼル発電機を故障のない状態に保つために、かなりの維持費が必要であり、とりわけディーゼル機関を、継続的または少なくとも定期的にリサイクルし、特定の間隔で交換しなければならない。このための支出は、かなり大であり、さらには沖合においてディーゼル燃料で動作することは、環境破壊につながる。
独国特許出願公開第ＤＥ １０２ ３３ ５８９ Ａ１号 独国特許第ＤＥ １９６ ４４ ７０５号 独国特許第ＤＥ １００ ０９ ４７２ Ｃ２号 独国特許第ＤＥ １０１ ５３ ６４４ Ｃ２号 独国特許第ＤＥ ３６８ ７９９号 欧州特許出願公開第ＥＰ １ ２８６ ０４９ Ａ２号 独国実用新案第ＤＥ ２００ ２０ ２３２ Ｕ１号

本発明の目的は、停電の場合の非常用電源であって、少ない支出で生み出すことができ、通常の動作において保守があまり必要でなく、環境への危険を呈することがない非常用電源を提供することにある。

この目的は、本発明に従い、請求項１の特徴を有する風力発電設備によって達成される。風力発電設備の好都合な設計が、従属請求項の主題を構成している。この目的は、同様に、請求項２２に記載の制御方法によっても達成される。

本発明による風力発電設備は、回転子、および回転子によって駆動されてとくには電力系統へと供給される目的の電気を生成する発電機を有している。自身の長手軸を中心として回転できる少なくとも１つの回転子ブレードが、回転子ハブへと取り付けられている。回転子によって駆動され少なくとも１つの消費部のための電気を生成する補助発電機が、さらに設けられている。本発明によれば、補助発電機は、フラグ位置へと調節された回転子ブレードについて決まる回転子の回転速度に合わせて設計されている。この回転速度は、通常動作の回転速度よりも低い。とくにはスピニング・モードにおける回転速度において、補助発電機が消費部のための電気を生成する。本発明は、風力発電設備がスピニングにあるとき、補助発電機を動作させるために与えられる低い回転速度を、このやり方で非常用の電源を連続的かつ確実に確保するために利用できるという認識にもとづいている。とくには、さらに数日または数週間継続する停電に合わせて設計されなければならない沖合の風力発電設備の場合に、補助発電機が、信頼できる電源を提供する。風力発電設備を動作モードに維持するために、補助発電機が、回転子ブレードの調節のためのコントローラ、および回転子ブレードのアタックアングルを調節するための少なくとも１つのモータへと、供給を行なう。この設計において、さらに補助発電機が、スピニング・モードにおいて少なくとも１つの回転子ブレードのアタックアングルを制御できるようにし、スピニング・モードにおける風力発電設備の制御および調節された動作をもたらす。回転子ブレードのアタックアングルは、補助発電機の設計が狙いとする回転速度を得るべく、コントローラによって制御される。コントローラが、補助発電機を持続的な低い回転速度で動作させるため、少なくとも１つの回転子ブレードのアタックアングルを制御および／または調節する。好ましくは、それぞれの回転子ブレードに、アタックアングルを調節するためのモータが設けられ、それぞれのモータが、補助発電機によって供給を受けている。この設計は、さらにスピニング・モードにおいてすべての回転子ブレードのアタックアングルを調節できるようにし、種々の状況のもとで調節されたスピニング・モードを保証する。

さらなる好ましい設計においては、補助発電機が、機械ゴンドラの角度（アジマス角）のコントローラ、および機械ゴンドラの角度を調節するためのアジマス駆動部へと、供給を行なう。この設計においては、補助発電機によって、スピニング・モードにおいて機械ゴンドラの向き、したがって風の中の回転子の向きを、特定の方向に向けることができる。そのようにすることで、すでに停止している風力発電設備を、変化する風向に能動的に追従させることができ、たとえ強力な風の中でも、風力発電設備が受ける荷重を小さくすることができる。

ある好ましい発展は、電力供給網の停電の際に、補助発電機を回転子によって動作させるべくスイッチ・オンするためのスイッチ手段を提供する。スイッチ手段は、好ましくは、機械式、油圧式、空気圧式、および／または電気式の構成である。実現可能な１つの設計においては、機械式の連結器が、上記スイッチ手段として設けられ、風力発電設備の通常動作においては開かれており、停電の場合に自動的に閉じる。連結器は、好ましくは時間的に遅れて閉じ、この遅れにより、風によって回転させられる回転子ブレードによって回転速度を前もって低下させることができる。

他の設計においては、連結器が、電気および／または油圧によって開かれ、ばねの作用によって閉じられる。代案として、遠心力のもとで動作して、第１の所定の回転速度を超えたときに開き、第２の所定の回転速度を下回ったときに閉じるスイッチ手段を設けることが、考えられる。ここで、第１の所定の回転速度は、第２の所定の回転速度と同じであっても、異なっていてもよい。

本発明による風力発電設備の実現可能な１つの設計は、ブレーキを備えており、このブレーキが、補助発電機のスイッチ・オンに先立って、補助発電機のために指定された回転速度に達するまで適用される。

実現可能な１つの設計においては、補助発電機が回転子によって連続的に駆動され、電気的なスイッチ手段が、補助発電機のために指定された回転速度に達するまでは、消費部との電気的接続を生み出さない。

上述の設計の続きにおいては、スイッチ手段が、通常動作においては開かれており停電の際に好ましくは時間的に遅れて閉じる接触器を有している。また、スイッチ手段は、補助発電機によって生成された電力を、供給を受ける消費部の求める様相で変換して、直流または交流電流として提供する整流器、変換器、および／または反転器をさらに有している。

同様の好ましい設計においては、補助発電機が、駆動部によって前記回転子へと接続されており、駆動部が、好ましくは、毎分１５回転未満である風力発電設備の回転子の毎分の回転数にて電気を生成すべく補助発電機を動かすための伝達比を有している。例えば、伝達比が、毎分２〜８回転の補助発電機のための回転速度の範囲を有するように構成される。補助発電機を、毎分４〜６回転の回転速度のための伝達比において、充分な電気の供給が確保されるように構成することが、さらに好ましい。きわめて大きな直径を有する将来の風力発電設備も、大幅に低い回転速度において補助発電機で電力を生成することができる。

補助発電機は、好ましくは自励式または常時励起式の構成である。あるいは、励磁用の電力がエネルギーの蓄え、例えばアキュムレータから供給される他励式の発電機を使用してもよい。さらには、実務上の延長として、無停電の電源を保障する少なくとも１つのアキュムレータが風力発電設備に設けられ、このアキュムレータが、補助発電機による供給を受け、とくには停電の場合に充電される。同様に、発電機を、スイッチ手段によって補助発電機として動作させることができるように構成することが、考えられる。

前記の目的は、本発明に従い、風力発電設備を制御するための方法によって同様に達成される。風力発電設備が、少なくとも１つの回転子ブレードを有しており、この回転子ブレードのアタックアングルを、この回転子ブレードの長手軸を中心として調節することができる。この方法は、回転子ブレードが通常の動作に比べて遅い回転速度で回転する動作モードを特徴とする。回転子は、好ましくは上述のとおり、毎分の回転が少ない回転速度を有する一方で、通常動作の際の回転速度は、毎分１５〜２０回転である。

この回転速度の範囲に合わせて構成された補助発電機が、回転子ブレードのアタックアングルを制御するために適用できる電気を生成する。コントローラが、風力発電設備が低い回転速度の動作モードで持続的に駆動されるよう、回転子ブレードのアタックアングルを調節する。これにより、補助発電機が、コントローラおよび回転子ブレードの調節のために駆動部へと、供給を行なう。これによって、アタックアングルの調節を、調節および制御することができる。

以下で、図面を参照しつつ、本発明をさらに詳しく説明する。

図１は、回転子ブレード１を回転子ハブ２へと変位可能に取り付けて有する風力発電設備について、駆動系の概略図を示している。回転子の軸３が、駆動部４へとつながっており、駆動部４の出力軸が、発電機６の発電機軸５を形成している。通常の動作において、風力発電設備は、例えば毎分約１５〜２０回転の回転速度を有しており、これを駆動部４が、発電機６にとって適した回転速度に変換している。当然ながら、歯車なしの駆動系も存在する。

発電機６の出力軸に、自動連結器９が、補助発電機８の発電機軸７へと接続されて設けられている。

図示の駆動系は、以下のように動作する。電力が失われたとき、発電機またはエネルギーの蓄え（図示されていない）によって供給を受ける補助モータが、回転子ブレードをフラグ位置へと回転させる。これにより、風力発電設備は、回転子の回転速度が毎分約４〜６回転であるスピニング・モードへと切り替わる。この回転速度にほぼ近付くと、連結器９が閉じて、回転子によって補助発電機８を駆動することが可能になる。補助発電機８によってもたらされる電気は、数キロワット程度の大きさであるが、電力が失われた場合において、例えばコントローラ、風センサ、ピッチおよびアジマス系統、油圧系統、信号装置、ならびに船舶および航空機のための危険物表示灯、などといった風力発電設備の主要な構成要素へと供給を行なうためには充分である。後述するように、補助発電機８によってもたらされる電力により、スピニング・モードの制御または調節さえ可能である。

図２は、風力発電設備の接続を、ブロック図で示している。通常の動作においては、発電機６にて生成された電気が、閉じた状態のスイッチ１７を通って電力系統へと供給される。例えばコントローラ１３、信号装置および危険物表示灯１４、ならびにアジマス系統１５およびピッチ系統１６といった電気の消費部には、電力系統から‐発電機６から、それぞれ電気が供給されている。

例えば電力供給の断によって、風力発電設備を電力系統から切り離す必要がある場合、スイッチ１７が開かれる。この場合、無停電電源装置１２が、短い時間期間のあいだ消費部、とくにはコントローラ１３ならび信号装置および危険物表示灯１４への供給を引き受ける。さらに、ピッチ系統１６の必要な一部であるピッチ駆動部が、回転子ブレードをフラグ位置に設定する。これに必要な電力は、やはりピッチ系統１６の必要な一部であるエネルギーの蓄えから取られる。回転子ブレードをフラグ位置へと調節することで、回転子の回転速度が低下する。適切な回転速度において、スイッチ１８が投じられ、補助発電機８によって生成された電気が、変換器１１によって消費部にとって適切な交流に変換される。これにより、無停電電源装置１２を再充電することができ、コントローラ１３が、必要に応じて動作を再開して制御の任務を引き受けることができ、さらに信号装置および危険物表示灯１４が、動作することができる。常時閉のスイッチ１９によって、アジマス系統１５およびピッチ系統１６への供給が続けられる。

当然ながら、風力発電設備の構成要素１２〜１６が、補助発電機８によって生成された電力で直接動作することができる場合には、変換器１１を省略することが可能である。

補助発電機８は、風力発電設備の少なくとも１つの回転子ブレードをフラグ位置以外の位置へと調節できるよう、少なくとも風力発電設備のコントローラ１３およびピッチ系統１６への供給、ならびに少なくとも１つのピッチ駆動部への供給を、確保している。スピニング・モードを制御する場合には、回転子の回転速度が、発電機の軸７に補助発電機８の動作にとくに好ましい例えば毎分４００〜５００回転の回転速度をもたらす範囲にあるように、回転子ブレードが調節される。これにより、スピニング・モードの制御、およびエネルギーの一定の供給の達成が可能になる。

補助発電機８は、少なくとも風力発電設備のコントローラ１３、およびアジマス系統、風センサ、アジマス駆動部、ならびに設けられているならば油圧系統へと、電力を供給することができる。風の方向が、とくには風センサによって割り出され、コントローラ１３が、どの方向に風力発電設備を追従させる必要があるかについての入力変数を受け取る。風力発電設備に、風力発電設備を追従させるときに油圧を通す必要があるアジマス・ブレーキが装備されている場合には、油圧システムに動力を供給する必要がある。これにより、風力発電設備を、風力発電設備へと作用する負荷が可能な限り小さくなるよう、吹いている風に追従させて設定することが可能である。とくには、風力発電設備が、回転子が風に向かうように配置される。

無風状態になると、補助発電機８からの供給は、もはや不可能である。この場合、コントローラ１３ならびに信号装置および危険物表示灯１４について、他の供給が必要であり、これは無停電電源装置１２によって引き受けられる。このとき、アジマス系統１５およびピッチ系統１６の動作は不要であり、これらの構成要素が、スイッチ１９を開くことによって供給から切り離される。

コントローラ１３は、風力発電設備の残りの構成要素へと、制御線、ローカルエリア・ネットワーク、または他の接続手段といった手段（図示されていない）によって接続されており、それらを制御するとともに、それらの性能データおよび測定の読み取りを受信する。

現代の風力発電設備のための安全ガイドラインが、動力断によって停止した風力発電設備が、風向の変化するある強さの嵐に、損傷を受けることなく耐えることができることを規定している。風力発電設備が、変化する風向に能動的に追従できる場合、風力発電設備を、限られた荷重にあわせて種々のさまざまな構成要素についてかなりの材料の節約で構成することができ、風力発電設備が、極端な風の状況に損傷なく耐える可能性がより大きくなる。

本発明による風力発電設備の駆動系の概略図である。 補助発電機によって供給を受ける風力発電設備の主要な構成要素を含むブロック図である。

Claims (22)

1. 回転子、
   電力を生成するための発電機、
   回転可能に取り付けられ、アタックアングルを調節すべく自身の長手軸を中心にして変位可能である少なくとも１つの回転子ブレード（１）、および
   少なくとも１つの消費部（１２、１３、１４、１５、１６）のための電力を生成するための補助発電機（８）を有している風力発電設備であって、
   前記補助発電機（８）が、電力供給網の停電の際に、回転子ブレードの調節のためのコントローラと、通常動作の回転速度に比べて低い範囲の回転速度における、少なくとも１つの回転子ブレードのアタックアングルを調節するための駆動部とに供給する電気を生成し、
   前記コントローラが、通常動作の回転速度に比べて低い範囲の回転速度の範囲における持続的動作のために、前記アタックアングルを制御または調節することを特徴とする風力発電設備。
2. それぞれの回転子ブレードに、それぞれアタックアングルを調節するための駆動部が１つ設けられ、該駆動部のそれぞれに、前記補助発電機（８）によって供給を行なうことができることを特徴とする請求項１に記載の風力発電設備。
3. 機械ゴンドラの角度のコントローラ、および前記回転子を備える前記機械ゴンドラの向きを調節するためのアジマス駆動部が設けられており、該アジマス駆動部が、前記補助発電機（８）による電力の供給を受けることを特徴とする請求項１または２に記載の風力発電設備。
4. 電力供給網の停電の場合に、前記補助発電機を前記回転子によって動作させるべくスイッチ・オンするスイッチ手段が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の風力発電設備。
5. 前記スイッチ手段が、機械式、油圧式、空気圧式、および／または電気式の構成であることを特徴とする請求項４に記載の風力発電設備。
6. 通常動作においては開かれており、停電の場合に自動的に閉じる連結器（９）が、前記スイッチ手段として設けられていることを特徴とする請求項５に記載の風力発電設備。
7. 前記連結器（９）が、時間的に遅れて閉じることを特徴とする請求項６に記載の風力発電設備。
8. 前記連結器（９）が、通常動作において、機械式、空気圧式、電気式、および／または油圧式で開かれていることを特徴とする請求項６または７に記載の風力発電設備。
9. 前記連結器が、第１の所定の回転速度を超えたときに自動的に開き、第２の所定の回転速度を下回ったときに自動的に閉じることを特徴とする請求項６または７に記載の風力発電設備。
10. 前記第１の所定の回転速度が、前記第２の所定の回転速度に等しいことを特徴とする請求項９に記載の風力発電設備。
11. 前記第２の所定の回転速度が、前記補助発電機（８）のための回転速度にほぼ相当することを特徴とする請求項９に記載の風力発電設備。
12. ブレーキが設けられており、該ブレーキが、前記補助発電機のスイッチ・オンに先立って、前記補助発電機のために指定された回転速度に達するまで作動することを特徴とする請求項５〜１１のいずれか１項に記載の風力発電設備。
13. 前記補助発電機（８）が、通常動作のあいだ前記回転子によって駆動され、前記消費部（１２、１３、１４、１５、１６）との電気的接続が、前記補助発電機のために指定された回転速度に達したときに生み出されることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の風力発電設備。
14. 前記補助発電機（８）と前記消費部（１２、１３、１４、１５、１６）との電気的接続を生み出すスイッチ手段が設けられ、電気的接続を生み出す前記スイッチ手段は通常動作においては開かれており停電の際に閉じる接触器を有していることを特徴とする請求項１３に記載の風力発電設備。
15. 前記接触器が、時間的に遅れて閉じることを特徴とする請求項１４に記載の風力発電設備。
16. 電気的接続を生み出す前記スイッチ手段が、整流器、変換器、および／または反転器をさらに有していることを特徴とする請求項１４または１５に記載の風力発電設備。
17. 前記補助発電機（８）が、駆動部（４）によって前記回転子へと接続されていることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項に記載の風力発電設備。
18. 前記補助発電機（８）が、自励式または常時励起式の構成であることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか１項に記載の風力発電設備。
19. 前記補助発電機（８）が、他励式の構成であることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか１項に記載の風力発電設備。
20. 前記発電機（６）が、接続された状態において該発電機（６）をスイッチ手段により補助発電機として動作させることができることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか１項に記載の風力発電設備。
21. 無停電の電源として少なくとも１つのアキュムレータがさらに設けられており、該アキュムレータが、消費部として前記補助発電機による供給を受けることを特徴とする請求項１〜２０のいずれか１項に記載の風力発電設備。
22. 少なくとも１つの回転子ブレードを有しており、該回転子ブレードのアタックアングルを該回転子ブレードの長手軸を中心として調節することができる風力発電設備の制御方法であって、
    電力供給網の停電の際に、
    通常の動作に比べて低い回転速度での動作モードにおいて、補助発電機が電力を生成すること、および
    前記低い回転速度での前記補助発電機の持続的動作のために、コントローラが前記回転子ブレードのアタックアングルを調節し、少なくとも該コントローラと前記回転子ブレードを調節するための１つの駆動部とが、前記補助発電機による供給を受けることを特徴とする方法。

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