JP4875750B2 - 風車のピッチ角制御装置及びその方法 - Google Patents

Description

本発明は、風車翼のピッチ角を独立に制御する風車のピッチ角制御装置及びその方法に関するものである。

従来、風車の制御では、風速が運転停止となるカットアウト風速以上となった場合や、加速度や過出力等の異常が発生した場合等に、風車を停止させる。この風車停止時には、風車翼のピッチ角度を運転状態の位置からフェザーリングの位置へ動かすことが行われる（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−１６９８４号公報

ところで、各風車翼のピッチ角度を個別に制御する独立ピッチ制御方式を採用している場合、風車停止時において、各風車翼のピッチ角度が一致しているとは限らない。このため、例えば、各風車翼をそれぞれ異なるピッチ角度からフェザーリングの位置へ動かすことも考えられる（図８参照）。このようにそれぞれ異なるピッチ角度からフェザーリングの位置に移動させる場合、それぞれの風車翼の荷重のアンバランスにより、空力荷重が大きくなってしまうという問題があった。

本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、風車停止時において、空力荷重の低減を図ることのできる風車翼のピッチ角制御方法及びその装置並びに風車を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明の第１の態様は、複数の風車翼のピッチ角をそれぞれ独立に制御する独立ピッチ角制御を行う風車のピッチ角制御装置であって、風車停止指令が入力された場合に、各前記風車翼のピッチ角を一致させた後、各前記風車翼のピッチ角をフェザーリング位置に移動させる風車のピッチ角制御装置である。

このように制御することで、風車停止指令が入力された場合に、各風車翼のピッチ角を一致させた状態でフェザーリング位置まで移動させることが可能となる。これにより、ピッチ角のアンバランスによって生ずる空力荷重を低減することができる。

上記風車のピッチ角制御装置において、風車停止指令が入力された場合に、複数の前記風車翼の中から、それらのピッチ角に基づいて代表風車翼を特定し、代表風車翼のピッチ角と他の風車翼のピッチ角とを一致させた後、前記風車翼の各々のピッチ角をフェザーリング位置に移動させることとしてもよい。

このように、複数の風車翼の中から代表風車翼を特定し、この代表風車翼のピッチ角に一致するように、他の風車翼のピッチ角を制御することで、効率的に各風車翼のピッチ角を一致させることが可能となる。

より具体的には、例えば、ピッチ角がフェザーリング位置に最も近い風車翼を代表風車翼として特定することとしてもよい。

このように、ピッチ角がフェザーリング位置に最も近い風車翼を代表風車翼として特定し、この代表風車翼のピッチ角に他の風車翼のピッチ角を合わせこむので、効率的に風車翼のピッチ角をフェザーリング位置に移動させることが可能となる。

上記風車のピッチ角制御装置において、前記代表風車翼のピッチ角の移動速度を前記代表風車翼以外の風車翼のピッチ角の移動速度よりも遅く設定することで、前記風車翼以外の風車翼のピッチ角と前記代表風車翼のピッチ角とを一致させることとしてもよい。

このように、代表風車翼のピッチ角の移動速度を代表風車翼以外の風車翼のピッチ角の移動速度よりも遅くすることで、代表風車翼のピッチ角をフェザーリング位置に近づける制御を行いながら、他の風車翼のピッチ角を代表風車翼のピッチ角に合わせこむことが可能となる。これにより、代表風車翼のピッチ角の移動を停止させる場合に比べて、フェザーリング位置に移動させるまでに要する時間を短縮することが可能となる。

上記風車のピッチ角制御装置において、前記風車翼のピッチ角が揃った後は、前記風車翼の各々を共通のピッチ角制御指令によって制御することにより、前記風車翼の各々をフェザーリング位置に移動させることとしてもよい。

各風車翼のピッチ角が揃った後は、各風車翼のピッチ角を共通のピッチ角指令に基づいて移動させるので、制御を簡素化することができるとともに、各風車翼に対する風力荷重を低減させることができる。

本発明の第２の態様は、上記いずれかの風車のピッチ角制御装置を備える風車である。

本発明の第３の態様は、複数の風車翼のピッチ角をそれぞれ独立に制御する独立ピッチ角制御を行う風車のピッチ角制御方法であって、風車停止指令が入力された場合に、各前記風車翼のピッチ角を一致させた後、各前記風車翼のピッチ角をフェザーリング位置に移動させる風車のピッチ角制御方法である。

本発明によれば、風車停止時において、空力荷重の低減を図ることができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る風車の概略構成を示した図である。 本発明の一実施形態に係る風車のピッチ角制御装置の周辺構成を示した図である。 本発明の一実施形態に係る風車のピッチ角制御装置の動作フローを示した図である。 本発明の一実施形態に係る風車のピッチ角制御方法を適用した場合の各風車翼のピッチ角の時系列変化の一例を示した図である。 本発明の一実施形態に係る風車のピッチ角制御方法を適用した場合の各風車翼のピッチ角の時系列変化の一例を示した図である。 本発明の一実施形態に係る風車のピッチ角制御方法を適用した場合のハブ荷重の一例を示した図である。 各風車翼のピッチ角を一致させずに個別に制御した場合のハブ荷重の一例を示した図である。 各風車翼のピッチ角を一致させずに個別に制御することにより、各風車翼のピッチ角をフェザーリング位置まで移動させたときの各風車翼のピッチ角の時系列変化の一例を示した図である。

符号の説明

１ 風車
３ ナセル
５−１，５−２，５−３ 風車翼
１０ 風車のピッチ角制御装置
１１−１，１１−２，１１−３ 駆動装置

以下に、本発明に係る風車翼のピッチ角制御方法及びその装置並びに風車の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る風車の概略構成を示したブロック図である。図１に示すように、風車１は、基礎６の上に立設される支柱２と、支柱２の上端に設置されるナセル３と、略水平な軸線周りに回転可能にしてナセル３に設けられるロータヘッド４とを有している。ロータヘッド４には、その回転軸線周りに放射状に３枚の風車翼５−１，５−２，５−３が取り付けられている。これにより、ロータヘッド４の回転軸線方向から風車翼５−１，５−２，５−３に当たった風の力が、ロータヘッド４を回転軸線周りに回転させる動力に変換され、この動力が発電機によって電気エネルギーに変換されるようになっている。

本実施形態に係る風車のピッチ角制御装置１０（図２参照）は、例えば、ナセル３内に収容されている。ピッチ角制御装置１０は、例えば、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＡＭ（Random Access
Memory），ＲＯＭ（Read
Only Memory），ＨＤＤ（Hard Disk Drive）などを備えており、ＣＰＵがＨＤＤ等に格納されている制御プログラムをＲＡＭ等に読み出して実行することにより、以下に説明する風車翼のピッチ角制御方法を実現させる。

図２に示すように、風車のピッチ角制御装置１０は、入力情報として各風車翼５−１，５−２，５−３の実ピッチ角を取得し、出力情報として各風車翼のピッチ角指令値θｃｏｍ＋Δθ１，θｃｏｍ＋Δθ２，θｃｏｍ＋Δθ３を出力する。
上記θｃｏｍは、共通ピッチ角であり、各風車翼に対して共通の値となる。また、Δθ１，Δθ２，Δθ３は、各風車翼によって決定される調整量であり、例えば、各風車翼に対する荷重や、風速、風向等の風車の運転環境等に応じて決定される。

ピッチ角指令値θｃｏｍ＋Δθ１は、風車翼５−１のピッチ角を駆動制御する駆動装置１１−１に、ピッチ角指令値θｃｏｍ＋Δθ２は、風車翼５−２のピッチ角を駆動制御する駆動装置１１−２に、ピッチ角指令値θｃｏｍ＋Δθ３は、風車翼５−３のピッチ角を駆動制御する駆動装置１１−３にそれぞれ供給される。これにより、各駆動装置１１−１，１１−２，１１−３が入力されたピッチ角指令値に応じて作動することにより、各風車翼５−１，５−２，５−３のピッチ角が制御される。各駆動装置１１−１，１１−２，１１−３は、それぞれ流体圧シリンダ等を有するアクチュエータ等により構成されている。

このような風車のピッチ角制御装置１０において、風速が運転停止となるカットアウト風速以上となった場合や、加速度や過出力等の異常が発生した場合等には、図示しない他の制御装置において風車停止指令が生成され、風車のピッチ角制御装置１０に入力される。

風車のピッチ角制御装置１０は、この風車停止指令を受け付けると、各風車翼５−１，５−２，５−３をフェザーリング位置に移動させるべく、各風車翼５−１，５−２，５−３に対するピッチ角指令値を算出する。ここで、フェザーリング位置とは、風車翼の翼面が風向きに対してほぼ平行となる位置をいい、このようにすることで、風力の影響を最も受けない状態とすることができる。また、フェザーリング位置は、例えば、風力の影響をほとんど受けない状態とするピッチ角範囲で任意に設定することができ、本実施形態では、一例として１１０°に設定されている。また、本実施形態では、風車翼の翼面が風向きに対して略垂直となる位置、換言すると、最も風を受ける状態をピッチ角２０°と定義している。

以下、風車停止指令が入力された場合における風車翼のピッチ角制御方法について図３を参照して説明する。
まず、風車停止指令が入力されると、ピッチ角制御装置１０は、風車翼５−１，５−２，５−３の実ピッチ角を比較し、各風車翼のピッチ角が略一致しているか否かを判断する（図３のステップＳＡ１）。具体的には、風車翼のピッチ角を２つずつ比較することにより、ピッチ角の差分を算出し、この差分の最大値が予め設定されている基準値未満であるか否かを判断する。

この結果、各風車翼のピッチ角が略一致していなかった場合には（図３のステップＳＡ１において「ＮＯ」）、続いて、実ピッチ角が最もフェザーリング位置に近い風車翼を代表風車翼として特定する（図３のステップＳＡ２）。これにより、実ピッチ角が１１０°に最も近い風車翼が代表風車翼として特定される。
以下、風車翼５−１が代表風車翼として特定された場合を想定して説明する。

続いて、代表風車翼である風車翼５−１に対する調整量Δθ１に、予め設定されている最小調整量Δθ_LOWを設定し、その他の風車翼５−２、５−３に対する調整量Δθ２，Δθ３には、予め設定されている最大調整量Δθ_HIGHを設定することで、各風車翼のピッチ角指令値を決定する（図３のステップＳＡ３）。
このとき、代表風車翼に対するピッチ角の差分が所定の値以下の風車翼については、調整量に最小調整量Δθ_LOWを設定する。このようにすることで、代表風車翼のピッチ角を基準として、ピッチ角がある一定の範囲にある風車翼については、ピッチ角の差分が拡大するのを抑制することができる。

Δθ_HIGHは、例えば、各駆動装置の能力の限界値、或いは、限界値に近い値に設定されていることが好ましい。このような値に設定されていることにより、効率的に、かつ、迅速に代表風車翼以外の風車翼のピッチ角を代表風車翼のピッチ角に一致させることが可能となる。また、最小調整量Δθ_LOWは、最大調整量よりも小さい値に設定されていればよく、例えば、ゼロでもよい。ただし、最小調整量Δθ_LOWをゼロ以外の値に設定することで、代表風車翼のピッチ角をフェザーリング位置に近づける制御を行いながら、他の風車翼のピッチ角を代表風車翼のピッチ角に合わせこむことが可能となり、各風車翼を効率的にフェザーリング位置まで移動させることができる。
本実施形態では、例えば、最小調整量Δθ_LOWは、１（°／ｓ）、最大調整量Δθ_HIGHは７（°／ｓ）に設定されている。

次に、このようにして設定した各風車翼５−１，５−２，５−３のピッチ角指令値をそれぞれの駆動装置１１−１，１１−２，１１−３に出力する（図３のステップＳＡ４）。これにより、これらのピッチ角指令値に基づくピッチ角の制御が各駆動装置１１−１，１１−２，１１−３により行われ、この結果、各風車翼５−１，５−２，５−３の実ピッチ角が変化する。

上述した処理が繰り返し行われることにより、各風車翼５−１，５−２，５−３のピッチ角が略一致すると（ステップＳＡ１において「ＹＥＳ」）、続いて、各風車翼５−１，５−２，５−３の調整量Δθ１〜Δθ３に最大調整量Δθ_HIGHを設定することにより、各風車翼５−１，５−２，５−３に対するピッチ角指令値を共通の値とする（図３のステップＳＡ５）。これにより、各風車翼５−１，５−２，５−３のピッチ角が揃った後においては、各風車翼のピッチ角を同期させて、フェザーリング位置に移動させることが可能となる。また、このときのピッチ角指令値は、駆動装置１１−１，１１−２，１１−３の限界値に近い値に設定されるので、効率的に、かつ、迅速に各風車翼のピッチ角をフェザーリング位置まで移動させることが可能となる。
そして、各風車翼５−１，５−２，５−３のピッチ角がフェザーリング位置（１１０°）に一致したところで（図３のステップＳＡ６において「ＹＥＳ」）、本処理を終了する。

以上説明してきたように、本実施形態に係る風車のピッチ角制御装置及びその方法によれば、風車停止指令が入力された場合に、最もフェザーリング位置に近い（最もファイン側の）風車翼を代表風車翼として特定し、この代表風車翼のピッチ角指令値を他の風車翼のピッチ角指令値に対して小さな値に設定することで、図４に示すように、代表風車翼のピッチ角をゆっくりと移動させるとともに、他の風車翼のピッチ角を速く移動させて代表風車翼のピッチ角に一致させることが可能となる。そして、３枚の風車翼のピッチ角が揃った後は、図５に示すように、共通のピッチ角指令値に基づいて各風車翼のピッチ角を制御することにより、３枚の風車翼を同期してフェザーリング位置まで移動させることが可能となる。

図６に、上述した本実施形態に係る風車のピッチ角制御装置及びその方法によって風車翼のピッチ角を制御した場合のハブの荷重を示す。また、図７に、例えば、図８に示すように、各風車翼のピッチ角を一致させることなく、個別にフェザーリング位置まで移動させた場合のハブの荷重を示す。図６及び図７において、横軸は時間、縦軸はハブ荷重である。このように、図６におけるハブ荷重の最大値は５４５８ｋＮｍであり、図７におけるハブ荷重の最大値は５９５８ｋＮｍであった。この結果から、本実施形態に係る風車のピッチ角制御装置及びその方法を採用することにより、９％の荷重低減効果を得ることができた。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

例えば、本実施形態において、風車停止指令が入力された場合には、各風車翼の共通ピッチ角θｃｏｍをゼロに設定することとしてもよい。共通ピッチ角θｃｏｍをゼロに設定することで、各風車翼を最大調整量θ_HIGHまたは最小調整量θ_LOWにて制御することが可能となる。これにより、代表風車翼の移動速度を更に遅くすることができるので、より速く各風車翼のピッチ角を一致させることが可能となる。

また、本実施形態においては、ピッチ角が最もフェザーリング位置に近い風車翼を代表風車翼として定めたが、これに代えて、他の風車翼を代表風車翼として定め、この代表風車翼に他の風車翼のピッチ角を揃えることとしてもよい。

また、本実施形態では、代表風車翼の調整量を最小調整量に設定し、他の風車翼の調整量を最大調整量に設定したが、この例に限定されず、他の風車翼においてもフェザーリング位置から遠い順に調整量を大きく段階的に設定することとしてもよい。つまり、本発明では、風車翼のピッチ角をフェザーリング位置に移動させる場合に、各風車翼のピッチ角がフェザーリング位置に到達する前において、各風車翼のピッチ角を一致させ、一致させた後においては、各風車翼のピッチ角を同期して移動させることができればよく、風車翼のピッチ角の一致のさせ方等については、任意に選択できるものとする。

Claims (7)

1. 複数の風車翼のピッチ角をそれぞれ独立に制御する独立ピッチ角制御を行う風車のピッチ角制御装置であって、
   風車停止指令が入力された場合に、各前記風車翼のピッチ角を一致させた後、各前記風車翼のピッチ角をフェザーリング位置に移動させる風車のピッチ角制御装置。
2. 風車停止指令が入力された場合に、複数の前記風車翼の中から、ピッチ角に基づいて代表風車翼を特定し、代表風車翼のピッチ角と他の風車翼のピッチ角とを一致させた後、前記風車翼の各々のピッチ角をフェザーリング位置に移動させる請求項１に記載の風車のピッチ角制御装置。
3. ピッチ角がフェザーリング位置に最も近い風車翼を前記代表風車翼として特定する請求項２に記載の風車のピッチ角制御装置。
4. 前記代表風車翼のピッチ角の移動速度を前記代表風車翼以外の風車翼のピッチ角の移動速度よりも遅く設定することで、前記風車翼以外の風車翼のピッチ角と前記代表風車翼のピッチ角とを一致させる請求項３に記載の風車のピッチ角制御装置。
5. 前記風車翼のピッチ角が揃った後は、前記風車翼の各々を共通のピッチ角制御指令によって制御することにより、前記風車翼の各々をフェザーリング位置に移動させる請求項１から請求項４のいずれかに記載の風車のピッチ角制御装置。
6. 請求項１から請求項５に記載の風車のピッチ角制御装置を備える風車。
7. 複数の風車翼のピッチ角をそれぞれ独立に制御する独立ピッチ角制御を行う風車のピッチ角制御方法であって、
   風車停止指令が入力された場合に、各前記風車翼のピッチ角を一致させた後、各前記風車翼のピッチ角をフェザーリング位置に移動させる風車のピッチ角制御方法。

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