JP4925071B2 - 風力発電設備のタワーの振動を減衰する方法 - Google Patents

Description

本発明は、タワーの振動を減衰するために、風力タービン設備、特に、浮体と、浮体の上方に配置されたタワーと、タワーに取り付けられて風向に関して回転可能であり風力タービンが装着された発電機と、海底上の固定具（anchors）すなわち基礎に接続される固定ライン装置とを備える浮体式風力タービン設備を制御する方法に関する。発電機は、風速に基づき、コントローラを用いてタービンブレードのブレード角を制御することによって、好ましくは風力タービンの一定の出力又はＲＰＭ範囲内で制御される。

深い海で使用することのできる、固定された浮体式風力タービンの開発により、海上の風エネルギーを拡大させる分野への取り組みが大きく向上するであろう。海上に位置する風力タービンについての現在の技術は、約３０ｍ未満の浅い水深に永久的に設置されたタワーに限定されている。

３０ｍを超える水深に永久的に設置された装置の場合、その結果として一般的に技術的問題が生じると共に高コストとなる。このため、現在まで、約３０ｍを超える水深は、風力タービンの設置には技術的に及び商業的に好ましくないと見なされてきた。

より深い水深で浮体式である解決策を用いることで、複雑で労働集約的な装置に関係する基本的な問題及び高コストを回避することができる。

浮体式の基礎に搭載された風力タービンは、風及び波からの力により移動するであろう。良好な風力タービンの基本的なデザインは、剛性の浮体の移動（サージ、スウェイ、ヒーブ、ロール、ピッチ、及びヨー）のシステムの固有周期が、およそ５秒〜２０秒である海の波の周期範囲外であることを保証するであろう。

システムの固有周期に関連して働く力がまだある（うねり、非線形波力、風速の変動、潮力等）。このような力は、許容できない移動を発生させるべきではない場合に大きすぎてはならず、システムは関連する周期を減衰しなければならない。

本発明は、風力タービン設備のタワーの振動を効果的に減衰するための解決手段、より正確には方法を提供する。本発明は、添付の独立請求項１に明記されている特徴を特徴とする。

従属請求項２は、本発明に関連した有利な解決手段を示す。

例を用いると共に添付図面を参照して、本発明を以下でさらに詳細に説明する。

ＲＰＭ及びロータピッチ制御を用いる風力タービンの様々なＲＰＭ範囲での図解を示す図である。 従来のブレード角コントローラの部分を示す図である。 ブレード角コントローラと、風力タービンと、風力タービン推定器とを用いるシステムの一般的アウトラインを示す図である。 平均風速１７ｍ／秒、及び有意波高さ３．５ｍで周期９．８秒の不規則の波でのタワーの頂部の水平方向の変位に関する、推定器及び従来の制御を用いたシミュレーション試験に基づく図解を示す図である。 平均風速１７ｍ／秒、及び有意波高さ３．５ｍで周期９．８秒の不規則の波でのロータのスラストに関する、推定器及び従来の制御を用いたシミュレーション試験に基づく図解を示す図である。 平均風速１７ｍ／秒、及び有意波高さ３．５ｍで周期９．８秒の不規則の波でのブレード角に関する、推定器及び従来の制御を用いたシミュレーション試験に基づく図解を示す図である。 平均風速１７ｍ／秒、及び有意波高さ３．５ｍで周期９．８秒の不規則の波でのグリッドに供給される有効電力に関する、推定器と、安定器と、従来の制御とを用いたシミュレーション試験に基づく図解を示す図である。 ロータのスラスト係数と風及びタービン間の相対風速との関係の図解を示す図である。

風が風力タービン設備に作用すると、風からの力が基礎の運動を促す。しかしながら、風力タービンからの力は、風力タービンの制御のされ方、すなわち、風速に伴うタービンブレードのＲＰＭ及びピッチの変わり方に依存する。制御アルゴリズムは、風速によって変わる。陸上の風力タービンに関する通常の制御原理を図１に示す。この図を参照すると、以下のことが分かる。

・起動範囲では、風力タービンに作用する力は小さい。風力は、運動にほとんど影響を与えない。運動が風力の影響を受ける場合、ほぼ可変ＲＰＭ範囲内にあるようにタービンを制御することが可能である。

・可変ＲＰＭ範囲では、タービンブレードのピッチ角はほぼ一定である。目的は、風力タービンに対する瞬間相対風速を考慮して、どの時点でも最大出力を発生させることができるように風力タービンのＲＰＭを制御することである。相対風速は、平均風速と、風速の変化と、タワーの運動（速度）とから成る。これは、風が強くなると、風力タービンからの出力及びスラストが増大することを意味する。さらに、システム（基礎を含む風力タービン）がピッチ及びサージの複合運動で風に対して動く場合、これに伴って風力タービンへの風速が増大すると共にスラストが増大する。これは、減衰力（速度に対して作用する力）に相当する。したがって、この風速範囲では、タービンに対する風力はシステムに正の減衰を与える。これは、システムの固有周期に関連する運動を減らすのに役立つ。

・一定のモーメント範囲では、風力タービンの定格出力に達する。このとき、タービンブレードのピッチ角を制御することによって、ほぼ一定のＲＰＭを維持すると共にモーメントを、したがって出力を制御するのが普通である。目的は、ほぼ一定の出力を維持することである。風速が増大した場合、モーメントを減少させるためにピッチ角が大きくされる。これは、風速が増大しているにもかかわらずスラストの減少ももたらす。可変ＲＰＭ範囲内で起こるものとは異なり、こうした結果として負の減衰効果が生じる。標準的な制御システムは、風力タービンに対する相対風速の変化に起因する全出力変動の調整を試みる。これは、相対速度の変動にもかかわらず、風力タービンのモーメントが一定に保たれるように、ブレードのピッチ角を変えることによって行われる。その結果、風力タービンは負のシステム減衰に寄与することになるため、タワーの運動が大きくなる。これは、許容不可能なほど大きな運動を生み出す可能性がある。

本発明では、風力タービンの制御とシステムの運動との負のリンクを防止するために制御アルゴリズムを変更しなければならないことが分かっている。ほぼ一定のＲＰＭを維持すると共にモーメントを「一定のモーメント」範囲内に維持することが望ましいが、以下でさらに詳細に説明する風力タービン推定器を用いることで、風力タービンは依然として負の減衰を与えることがない。

図２は、比例積分制御（ＰＩ）を用いるブレード角コントローラの部分を示している。ブレード角コントローラへの入力はロータ速度ω_tであり、出力はブレード角βである。これは、相対風速が変わるときに、タービンの一定の出力を維持するためにタービンブレード角において必要な変化である。

図８は、従来のブレード角の制御された風力タービンに関する相対風速とスラスト係数との関係を含む図解を示しており、推力Ｆ_Tは、以下の式で与えられる。

式中、ρは空気の密度、Ａはロータの受風面積、Ｃ_Tは風力タービンのスラスト係数、λは周速比、βは風力タービンのブレード角、ｕ_rは風力タービン及び風間の相対風速である。この図解は、相対風速が定格風速よりも増大すると風力タービンのスラストが減少し得ることを示している。その結果、風力タービンが風を受けて前後に動くときに負の減衰を与えられるようになる。

風力タービンの運動をブレード角コントローラから隠すことができれば、スラスト係数は風力タービンの運動の結果と同じように変わることはなく、風力タービンはシステムに正の減衰を与えるようになる。

風力タービンの運動をブレード角コントローラから隠すために、風力タービンの数値モデルの形態で風力タービン推定器（図３を参照）を用いることが可能である。風力タービン推定器は、測定されたブレード角及び推定された流入風を入力として用いてリアルタイムで実行する。推定されたロータ速度ω_{t_est}は、実際の風力タービンの運動の影響を受けることがなく、実際の風力タービンのブレード角コントローラで入力として用いられる。

風力タービン推定器の基準となる風力タービン数値モデルは、風力タービン及び数値モデルの異なる詳細度ごとに変わる。固定関係に基づく単純な風力タービン数値モデルの一例を以下で説明する。

風から風力タービンに伝達される出力Ｐ_turbは、以下の式で与えられる。

式中、
ｕ_t−風力タービンに対して得られる風速
ρ−空気の密度
Ｃ_P（λ，β）−風力タービンの効率係数
λ−風力タービンの周速比
β−ロータブレード角
ｒ−風力タービンの半径（ロータブレードの長さ）
である。これにより、軸上で以下のタービンモーメントが生じる。

式中、
ω_t−タービンＲＰＭである。

軸のダイナミクスは、以下の３つの式でも表すことができる。

式中、
ω_g−発電機ＲＰＭ
Ｊ_t−風力タービンの慣性モーメント
Ｊ_g−発電機の慣性モーメント
Ｔ_turb−タービンモーメント
Ｔ_EL−発電機の電気カウンタモーメント（electric countermoment）
ｄ_m−軸の減衰
ｋ−軸の剛性
ω_N−公称電気周波数
θ_twist−軸のねじれ角
である。

流入風速は、例えばロータのスラストの測定値と、軸のモーメントの測定値と、ナセルの加速度の測定値とを組み合わせることによって、いくつかの方法を用いて推定することができると仮定される。

タワーの運動をブレード角コントローラから隠す風力タービン推定器は、推定された流入風速ｕ_{t_est}及び実際の（測定された）ブレード角βを入力として用いて、数値モデル（１）〜（５）を用いることによって達成される。モデル（１）〜（５）の残りの量は、アンダーライン付きの「ｅｓｔ」で表すことができる。このとき、風力タービン推定器からの結果（ブレード角コントローラへの入力である）は、推定されたタービンＲＰＭω_{t_est}である。

風力タービン推定器を用いることで、風力タービンは、風力タービン推定器が用いられない状況よりも、タワーの振動からの影響が大幅に少ない相対風速を受けるようになる。さらに、タワーの物理的振動はかなり小さくなる。風力タービン推定器が用いられる場合、ロータのスラストと、ブレード角の変動と、発生する出力の変動とが小さくなる。

シミュレーション試験
上述の制御解決手段に基づき、平均風速１７ｍ／秒の風と、有意波高さ３．５ｍで周期９．８秒の不規則の波とに関してシミュレーション試験を行った。このように高い風速で、すなわち風力タービンを一定の出力モードで運転するときに、減衰が最も必要となるため、この風速を選択した。シミュレーションでは、２つの異なるタービンモデル、すなわち実際の風力タービンを表す詳細モデルと、風力タービン推定器で用いられた単純化モデル（図３）とを用いた。推定された流入風速は、正確な流入風速＋ホワイトノイズである。

図４〜図７は、タワーの振動を減衰するために、風力タービン推定器を用いる場合及び用いない場合の、平均風速１７ｍ／秒の風のシミュレーションから得られた結果の抜粋を示している。

図４は、風力タービンが一定の出力モードで動作しており且つ風力タービン推定器が用いられていない場合に、かなりのタワーの振動があることを示している。これは、ロータのスラスト（図５を参照）と、ブレード角（図６を参照）と、グリッドに供給された出力（図７を参照）との大きな変動ももたらす。従来のコントローラを用いた場合のタワーの振動の大きな振幅は、以下のように説明することができる。

一定のＲＰＭ範囲では、風速が増大するとスラストが減少する。タワーが後退速度を有する場合、タワーが受ける相対風速は低下する。ブレード角（ピッチ）は、モーメントを、したがって一定の出力を維持するために調整（増大）される。それゆえ、相対風速の低下にもかかわらずスラストも増大する。したがって、タワーが風向に対して或る速度で動くと、相対風速が増大する。ブレード角（ピッチ）は、モーメントを減少させるように調整（縮小）される。これによってスラストも減少する。この風力タービンを制御する方法は、こうしてタワー運動と同じ方向に作用するスラストの変化、すなわち負の減衰をもたらす。これにより、特に減衰によって運動が制御されるタワーの共振周期付近で、タワーの運動の増幅が生じる。

本発明による風力タービン推定器が用いられる場合、図４〜図７は、タワーの振動が十分に減衰され、スラストと、ブレード角と、供給された出力との変動も減ることを示している。風力タービン推定器は、こうして所望の効果を生む。

要約すると、風力タービン推定器に基づいた制御（図３を参照）は、タワーの運動がブレード角コントローラから見えないことで負の減衰がシステムに導入されないように働く。これは、推定された流入風速を入力として用いる風力タービン推定器を用いることによって達成される。ブレード角コントローラへの入力は、実際の相対風速に基づく実際の回転速度ではなく、推定された流入風速に基づく推定された回転速度である。本発明は、特許請求の範囲に規定されるように、上述の例に限定されない。したがって、本発明は、タワー自体の可撓性が比較的高い風力タービンタワー、又は浮体式風力タービン設備及び可撓性のタワーの組み合わせにも用いることができる。

Claims (5)

1. タワーの振動を減衰するために、風力タービン設備、特に、浮体と、該浮体の上方に配置されたタワーと、該タワーに取り付けられて風向に関して回転可能であり風力タービンが装着された発電機と、海底上の固定具すなわち基礎に接続される固定ライン装置とを備え、前記発電機は、風速に基づき、ブレード角コントローラを用いてタービンブレードのブレード角を制御することによって、一定の出力又はＲＰＭ範囲内で制御される浮体式風力タービン設備を制御する方法において、
   推定された流入風速を入力として数値モデルを使用して、ロータ速度を推定するステップと、
   前記推定されたロータ速度を前記ブレード角コントローラに入力し、該ブレード角コントローラが前記入力された推定されたロータ速度に基づいてブレード角を制御するステップと
   を含み、
   負の減衰が前記浮体式風力タービン設備に導入されないように、前記ブレード角コントローラからタワーの運動が見えないことを特徴とする方法。
2. 実際に測定されたブレード角も前記数値モデルに入力される、請求項１に記載の方法。
3. 推定された流入風速は、ロータのスラストの測定値と、軸のモーメントの測定値と、ナセルの加速度の測定値とを組み合わせることによって推定される、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記数値モデルはリアルタイムで実行される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記数値モデルは、以下の式に基づき、
   

   

   

   

   

   

   Ｐ _turb は風から風力タービンに伝達される出力であり、Ｕ _t は風力タービンに対して得られる風速であり、ρは空気の密度であり、Ｃ _P （λ，β）は風力タービンの効率係数であり、λは風力タービンの周速比であり、βはロータブレード角であり、ｒは風力タービンの半径であってロータブレードの長さあり、ω _t はタービンＲＰＭであり、ω _g は発電機ＲＰＭであり、Ｊ _t は風力タービンの慣性モーメントであり、Ｊ _g は発電機の慣性モーメントであり、Ｔ _turb はタービンモーメントであり、Ｔ _EL は発電機の電気カウンタモーメントであり、ｄ _m は軸の減衰であり、ｋは軸の剛性であり、ω _N は公称電気周波数であり、θ _twist は軸のねじれ角である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。

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