JP4764422B2 - 風力タービンの制御および調節方法 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電設備を制御および調節方法、ならびに風力発電設備そのものに関する。

風力発電設備の出力を大きくすると同時に、風速が大きいときの荷重を制限する風力発電設備の運転方法が、独国特許出願公開第ＤＥ １９５ ３２ ４０９ Ａ１号（特許文献１）から知られている。この目的のため、風力発電設備の出力が、所定の安全（ｃｕｔ‐ｏｕｔ）風速の時点において、風力発電設備の回転子の動作回転速度を制限することによって低減される。この公知の風力発電設備においては、この臨界速度に達したときに風力発電設備が完全には停止されるのではなく、流入速度が臨界速度値を超えると直ぐに、風力発電設備の動作回転速度が強制的に低下させられる。これにより、風力発電設備の運転が、通例の「安全速度」を超えても続けられ、したがって出力曲線がより高い風速まで伸び、風力発電設備のエネルギー出力ならびに電力網への適合性が改善される。

ピッチ制御付きの回転子ブレードを有する風力発電設備が、欧州特許出願公開第ＥＰ １ ２８６ ０４９ Ａ２号（特許文献２）から知られている。風力発電設備への荷重を低減するため、風力発電設備に静止の駐機位置（a park position）が設けられている。この風力発電設備は、回転子ブレードの調節を能動的に制御することによって、駐機位置に安定化される。例えば、乱気流によって回転子ブレードが駐機位置から外れる場合、制御の作用が、この外れに対抗すべく機能する。この目的のため、回転子ブレードの調節範囲が、通常の回転子の回転方向と反対のトルクを生み出すことができるように広げられている。

安全速度を超えるとナセルが所定のアジマス位置へと動かされる風力発電設備の制御方法であって、同時に回転子ブレードが、このアジマス位置のためのフラグ位置へと動かされる制御方法が、独国特許第ＤＥ １００ ５８ ０７６ Ｃ２号から知られている。この制御プロセスは、とくにはアジマスブレーキおよび回転子ブレーキを省略しており、流入する風が、風下の回転子を風の抵抗が最も少ない位置に自動的に設定する。この公知の方法は、フラグ位置へと動かされた回転子ブレードに合わせてアジマス位置を設定することで、主たる風向に対する追跡の必要性をなくしている。
独国特許第ＤＥ １９７ １７ ０５９ Ｃ１号が、ナセルについて２つの駐機位置を有している風力発電設備を記載している。第１の駐機位置においては、ナセルが風上の方向を向き、回転子ブレードが、後縁を越えて流れを受ける。第２の駐機位置においては、ナセルが、風力発電設備の塔の風下の位置へと動かされ、回転子ブレードが、前縁を越えて流れを受ける。第２の位置において、ナセルは機械的に解放され、風向の変化に追従させられる。

本発明の目的は、風力発電設備の制御方法であって、風速が大きいときに風力発電設備に加わる荷重を小さくするとともに、電力系統が停止した場合にも風力発電設備への連続的供給が保証される制御方法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の特徴を有する方法によって達成される。好都合な設計が、従属請求項に記載されている。

本発明の方法は、ナセルと、少なくとも１つの回転子ブレードと、電源とを有している風力発電設備の制御および調節にもとづいている。ナセルのアジマス角(azimuth angle）を調節することができる。１つの回転子ブレードまたは複数の回転子ブレードが、いずれの場合も、それらの長手軸を中心として調節可能であり、この調節は、ピッチ調節として知られている。本発明による方法においては、スピニング・モードにおいて、制御ユニットが、測定された風速が所定の速度値を超えるとき、前記ナセルのための角度位置および前記少なくとも１つの回転子ブレードのための１つ以上の変位角を、測定された風速および風向の値から決定する。所定の速度値を超えることからもたらされる風力発電設備のこの動作モードにおいて、制御ユニットが、アジマスおよびピッチの調節のための目標角度を計算する。この所定の角度の調節が、アジマス駆動部およびピッチ駆動部によって設定されるが、どちらの駆動部も、電源によって供給を受けている。制御ユニットは、設定すべき角度を、少なくとも１つの回転子ブレードが所定の回転速度の範囲内の回転速度で回転するように決定する。本発明は、強風時に、設備に加わる力がより小さくなりかつ／または電力を補助発電機によって生み出し続けることができるよう、本発明による動作モードにおいて回転が連続的に生じるべきであるという前提にもとづいている。本発明による方法は、２つの基本的な用途を有している。電力が例えば主たる電源または何らかの他のやり方によって供給されている１つの場合には、風速が高くなると風力発電設備がスピニング・モードに入るよう、例えば安全速度の範囲にある高い所定の速度値が選択される。そのようにされるとき、回転子は、拘束されるのではなく、より低い回転速度で回転を続けることができる。本発明による方法の第２の用途は、主たる電源または主たる電源への接続が故障しており、発電機によって生成される電気をもはや供給することができず、風力発電設備の消費部が持続的な供給を受けられない場合である。この場合、本発明による方法を、通常の風条件においても使用することができるよう、きわめて低い所定の速度が選択される。この場合、風力発電設備が、所定の回転速度の範囲内の回転速度で回転でき、スピニング・モードにおける供給に必要な電力を生成する。

好ましい設計においては、制御ユニットが、少なくとも前記計算したアジマス角と、例えば実際の回転速度、風向、および風速の値といった他の変数とに依存して、少なくとも１つの回転子ブレードのための変位角についての目標値を決定する。測定された風向、または風向が変化する場合には特定の主たる風向において、ピッチ角が、少なくとも所定のアジマス角度の目標値および／または実際の回転速度値を許容するように決定される。

すでに上述した本発明による方法の変種においては、当該風力発電設備が接続されてなる電源系統を通じて、電力が供給されている。この場合、風力発電設備の例えば制御ユニット、駆動部、測定センサ類、通信装置などといった消費部のための充分な電源が存在しており、非常および補助の供給は不要である。したがって、スピニング・モードへの移行は、相応に高い所定の風速についての値が超えられたときに生じ、所定の速度値（ｖ_１ ^＊）は、おおむね当該風力発電設備の安全速度に相当する。

第２の設計は、スピニング・モードのための所定の回転速度の範囲において電力を供給するように設計された補助発電機であって、入力軸を回転子によって駆動される軸のうちの１つへと接続して有する補助発電機を用意する。本発明による方法のこの設計においては、補助発電機が、スピニング・モードにおいて回転子の回転から、供給のために必要な電気を得る。所定の回転速度の範囲は、好ましくは、当該風力発電設備の通常動作の回転速度に比べ、より低い回転速度である。あるいは、所定の回転速度の範囲が、当該風力発電設備の通常動作の場合の回転速度であってもよい。この場合、好ましくは、通常の動作のために意図された発電機が、補助発電機として機能することができる。

補助発電機は、好ましくは、当該風力発電設備の電気消費部の少なくともいくつかへと持続的に供給を行なうことができるように構成されている。

当該風力発電設備へと接続された電力網の喪失の場合に、補助発電機が当該風力発電設備の消費部の少なくともいくつかへと供給を行なうことができるよう、風速についての所定の値が、低い値に設定される。ここで、所定の値は、おおむね当該風力発電設備の起動速度（ｃｕｔ‐ｉｎ）に相当する。好ましくは、制御ユニットが、当該風力発電設備において供給を受ける電気消費部の電力の要求に依存して、少なくとも１つの回転子ブレードのための変位角についての目標値を決定する。

同様に、前記目的は、本発明に従い、風力発電設備そのものによって達成される。風力発電設備が、ナセル、少なくとも１つの回転子ブレード、および制御ユニットを有している。ナセルの角度配向を、少なくとも１つのアジマス駆動部によって調節することができる。風力発電設備の１つまたは複数の回転子ブレードの角度位置を、それぞれ１つまたは複数のピッチ駆動部によって長手方向を中心として調節することができる。制御ユニットが、風速および風向についての測定値を受け取って、それらを処理することができる。所定の風速を上回ると、スピニング・モードにおいて駆動部が、ナセルおよび少なくとも１つの回転子ブレードが制御ユニットによって前もって定められた好ましくは風に向かう角度位置へと設定されるように制御され、これによって少なくとも１つの回転子ブレードが、調節された角度位置において所定の範囲内の回転速度で回転する。本発明による風力発電設備には、好ましくは、電力を供給すべく少なくとも１つの回転子ブレードによって所定の回転速度の範囲で駆動される発電機が設けられ、この発電機が、電気消費部の少なくともいくつか、とくには制御ユニット、風センサ、アジマス駆動部、およびピッチ駆動部へと供給を行なう。

以下では、本発明の方法について考えられる３つの設計を説明するため、３つのフローチャートを参照する。

最初に図１を参照すると、本発明による方法が、処理ステップ１０にて初期化される。後続の照会１２において、制御ユニットが、測定した風速についての値ｖが、風速についての所定の値ｖ_１ ^＊よりも大きいか否かを分析する。測定による風速値は、瞬時値であってよく、あるいは風速の短時間の変動を補償するため、或る時間区間にわたって平均された値であってもよい。ここで、風速についての所定の値ｖ_１ ^＊は、好ましくは、ほぼ、強い風の力ゆえにもはや通常の動作を行なうことができない風力発電設備の通例の安全速度の大きさである。

測定された風速ｖが、風速についての所定の限界値ｖ_１ ^＊を超えている場合、制御ユニットは、次のステップ１４において、アジマス角についての目標値α＿ｔａｒｇｅｔ、および回転子ブレードのピッチ角についての目標値ψ＿ｔａｒｇｅｔを計算する。回転子ブレードについて均等な荷重を達成するため、好ましくは、すべての回転子ブレードが、同じピッチ位置に設定される。ここで、目標値α＿ｔａｒｇｅｔおよびψ＿ｔａｒｇｅｔは、ステップ１６において制御ユニットによって設定される所定の目標値の関数として、風力発電設備が現在の回転速度からより低い回転速度値へと減速されるように計算される。その結果、風力発電設備は、より低いが所定の回転速度で回転する。この所定の回転速度を安定させる目的でコントローラを設けることができるが、図１には示されていない。角度αおよびψにて達成される回転速度が、所定の回転速度間隔からより速く、またはより遅く外れている場合には、回転速度を所望の回転速度の範囲に戻す趣旨で、制御の動作が続けられる。この方法においては、ナセルは、風に向けられたままに保たれる。

図１に示した方法の特有の利点は、風力発電設備を嵐の最中でも安定に保つことができるより低い回転速度でのスピニング・モードで構成される。回転子の低速回転によって、風力発電設備を損傷させる可能性がある入射する風または嵐から生まれる応力および力が、防止される。また、回転子ブレードの回転は、急激な突風がもはや問題でないことを意味している。スピニング・モードは、風力発電設備の安定性を向上させ、したがって風力発電設備を、それに合わせて構成することが可能になる。

図２は、制御付きのスピニング・モードのさらなる応用を示しており、初期化１８に続いて、照会２０が、風力発電設備へと接続された電気の供給のための電源系統が、利用可能であるか否かを確認する。電源系統が利用可能である場合、さらに詳しく後述するように、方法ステップ２２において、例えばやはり図１に示した方法にて、さらなる制御または調節を続けることができる。電源系統が故障している場合、ステップ２４が、測定された風速ｖが、所定の最小風速ｖ_２ ^＊よりも大きいか否かを確認する。ここで、最小風速ｖ_２ ^＊は、補助発電機によって風から風力発電設備内の電気消費部へと電力を供給できるような大きさとされている。測定された風速ｖが、風速についての所定の最小値以下である場合、電源喪失の場合に風力発電設備を保護するために必要なステップが、ステップ２６において開始される。それらには、回転子ブレードのフラグ位置への調節、制御ユニットの保全および停止、非常用電源の起動、などが挙げられる。

しかしながら、電力喪失の場合に風から得ることができる力が、回転子に接続された補助発電機にとって風力発電設備のための充分な電気を生み出すために充分であるならば、制御ユニットは、風力発電設備が、ステップ３０において設定される所定の角度αおよびψの関数として、補助発電機に適した回転速度で動作するよう、ステップ２８においてアジマス角およびピッチ角についての目標値を決定する。電源故障の場合に回転子によって駆動される補助発電機を使用することで、風力発電設備を外部の電源から独立したままにすることができ、あるいは風力発電設備が、接続された補助系統から入手できる電気消費部へと供給するための充分な動力を手にすることができ、したがって持続的な土台にもとづいて適切に機能を続けることができる。

図３は、これら２つの方法のとくに好ましい組み合わせを示している。図３に示した方法においては、ステップ３２におけるこの方法の初期化に続いて、まずステップ３４において照会が、電源および発電機によって生成される通常の電力のそれぞれから電力を供給できるか否かについて行なわれる。

照会３４が、充分な電力供給を利用できることを示している場合、次いで次のステップ３６が、測定された風速が所定の値ｖ_１ ^＊を超えているか否かを確認する。そうでない場合、この方法のこの部分は、分岐３８を経由して初期の位置へと引き返し、最大の出力を実現するための風力発電設備の通常の制御または調節を、続けることができる（図示されていない）。

反対に、測定された風速ｖが所定の値ｖ_１ ^＊を超えているならば、アジマス角およびピッチ角についての第１の目標値（α＿ｔａｒｇｅｔ＿１、およびψ＿ｔａｒｇｅｔ＿１）が、ステップ４０において計算される。これらの角度は、方法ステップ４２にて設定される角度の関数として、風力発電設備が所定の範囲の回転速度へと減速されるように、制御ユニットによって決定される。角度α＿１およびψ＿１が、風力発電設備が強力な風（ｖ＞ｖ_１ ^＊）で回転する安定なスピニング・モードを達成する。

一方で、照会３４が電源が故障していると判断したとき、ステップ４４が、風速が補助発電機によって充分な電気を供給するために充分高いか否かを、照会する。そうでない場合、風力発電設備を保護するための適切な非常手段が、図２の方法と同様に、ステップ４６において開始される。

一方で、照会４４が、風が風力発電設備への供給のための電気を補助発電機から得るために充分強いとの結果をもたらすとき、アジマス角およびピッチ角についての対応する目標値（α＿ｔａｒｇｅｔ＿２、ψ＿ｔａｒｇｅｔ＿２）が、ステップ４８において計算される。方法ステップ５０において設定される角度に従い、補助発電機が、電気を電力網へと供給することなく、風力発電設備を動作させるための充分な電気を生成する。

分かりやすくするため、風力発電設備のための制御付きのスピニング・モードについての上述の例は、アジマス角およびピッチ角の制御のみを説明している。ここでは、風力発電設備が、或る長さの時間の後に所定の範囲の回転速度へと切り替わることを仮定している。しかしながら、所定の範囲の回転速度を、例えば回転速度についての実際の値を測定して、角度についての目標値を決定するときにそれを考慮することによって、さらに調節することが可能である。

所定の風速値ｖ_１ ^＊を超えたときに制御付きのスピニング・モードへと切り替わる本発明による方法についてのフローチャートである。 電源喪失の場合に制御付きのスピニング・モードへと切り替わる本発明による方法の手順の流れである。 第１の風速値ｖ_１ ^＊を超えた場合、および電源喪失の場合の両者において、風力発電設備の消費部へと供給を行なうために制御付きのスピニング・モードへと切り替わる制御方法である。

Claims (9)

1. 方位角であるアジマス角によって変位可能なナセルと、
   少なくとも１つの回転子ブレードを該回転子ブレードの長手軸を中心として変位可能に有している回転子と、
   電源と、
   前記ナセルのアジマス角度位置および前記回転子ブレードの変位角度を制御するスピニング・モードのための動作モードを有している制御ユニットと
   を有している風力発電設備を制御および調節するための方法であって、
   前記制御ユニットが、
   （ii) 風速が起動速度を超えており、かつ当該風力発電設備へと接続された電源系統または該電力系統への接続が故障している場合に、スピニング・モードの動作モードへと切り替わるステップ、
   制御ユニットが、風速および風向の測定値（ｖ）から前記ナセルのためのアジマス角度位置（α）を決定するとともに、
   前記回転子が該設定位置において所定の回転速度の範囲内の回転速度にて回転するよう、前記少なくとも１つの回転子ブレードのための１つ以上の変位角度（ψ）を決定するステップ、および
   前記電源によって供給を受けている少なくとも１つのアジマス駆動部が、前記ナセルを前記制御ユニットによって決定されたアジマス角度位置（α）へと設定し、
   前記電源によって供給を受けている少なくとも１つのピッチ駆動部が、前記少なくとも１つの回転子ブレードを前記制御ユニットによって決定された変位角度（ψ）へと設定し、前記回転子へと接続された補助発電機が、当該風力発電設備へと接続された電源系統が故障したときに当該風力発電設備の電気消費部の少なくともいくつかへと電力を供給するステップ
   を含んでいる方法。
2. 方位角であるアジマス角によって変位可能なナセルと、
   少なくとも１つの回転子ブレードを該回転子ブレードの長手軸を中心として変位可能に有している回転子と、
   電源と、
   前記ナセルのアジマス角度位置および前記回転子ブレードの変位角度を制御するスピニング・モードのための動作モードを有している制御ユニットと
   を有している風力発電設備を制御および調節するための方法であって、
   前記制御ユニットが、
   （i）風速が安全速度を超えており、かつ電力が当該風力発電設備へと接続された電源系統を通じて供給されている場合、
   または
   （ii） 風速が起動速度を超えており、かつ当該風力発電設備へと接続された電源系統または該電力系統への接続が故障している場合
   のうち少なくともいずれか1つ以上の場合に、スピニング・モードの動作モードへと切り替わるステップ、
   制御ユニットが、風速および風向の測定値（ｖ）から前記ナセルのためのアジマス角度位置（α）を決定するとともに、
   前記回転子が該設定位置において所定の回転速度の範囲内の回転速度にて回転するよう、前記少なくとも１つの回転子ブレードのための１つ以上の変位角度（ψ）を決定するステップ、および
   前記電源によって供給を受けている少なくとも１つのアジマス駆動部が、前記ナセルを前記制御ユニットによって決定されたアジマス角度位置（α）へと設定し、
   前記電源によって供給を受けている少なくとも１つのピッチ駆動部が、前記少なくとも１つの回転子ブレードを前記制御ユニットによって決定された変位角度（ψ）へと設定し、前記回転子へと接続された補助発電機が、当該風力発電設備へと接続された電源系統が故障したときに当該風力発電設備の電気消費部の少なくともいくつかへと電力を供給するステップ
   を含んでいる方法。
3. 前記制御ユニットが、少なくとも前記計算したアジマス角および／または実際の回転速度値に依存して、前記少なくとも１つの回転子ブレードのための変位角についての目標値を決定することを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記所定の回転速度の範囲が、当該風力発電設備の通常動作における回転速度よりも低い回転速度であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記所定の回転速度の範囲が、当該風力発電設備の通常動作の最中に生じる回転速度であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
6. 通常動作のために設計され、使用される発電機が、補助発電機として設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記補助発電機が、当該風力発電設備の電気消費部の少なくともいくつかへと供給を行なうように構成されており、前記消費部が、少なくとも制御ユニット、風センサ、アジマス駆動部、およびピッチ駆動部を含んでいることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記制御ユニットが、当該風力発電設備において供給を受ける電気消費部の電力の要求に依存して、前記少なくとも１つの回転子ブレードのための変位角についての目標値を決定することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記回転子の持続的回転が、スピニング・モードの動作モードにおいて続くことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。

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