JP4995209B2 - 風力発電装置及び風力発電装置の風向推定方法 - Google Patents

風力発電装置及び風力発電装置の風向推定方法 Download PDF

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Description

本発明は、風力発電装置、特に、風向に追従してナセルの向きを可変制御する風力発電装置に関するものである。
アップウィンド式の風力発電装置は、支柱上に設置されたナセルに、ブレードを取り付けたロータヘッドと、ロータヘッドの軸出力によって駆動される発電機とを設けたものである。このように構成された風力発電装置においては、ブレードが風力を受けることによりブレード及びロータヘッドが回転し、発電機に伝達される。このため、風力を回転力に変換して得られる軸出力を発電機の駆動源とし、発電機の動力として風力を利用した発電を行うことができる。
ところで、この種の風力発電装置では、風速や風向きに応じて発電出力が変動するため、米国特許第６３２０２７２号明細書（特許文献１）には、レーザ式風速計を使用して風速を推定し、風力発電装置の発電性能を把握する技術が開示されている。
また、この種の風力発電装置では、風力エネルギーを最大限に活用するため、ナセル上部に風向計を設置し、この風向計により検出される主風向に対してナセルが正面を向くように方位制御するようになっている。
米国特許第６３２０２７２号明細書
しかしながら、風向計はナセルの上部、すなわち、ブレードの後方に設置されるため、風向きに対してブレードより後流に位置することとなる。このため、ブレードの回転によって風向が変化し風向計が検出する主風向とブレードに当たる実際の主風向との間にずれが生じ、この結果、風力発電装置は実際の主風向きからずれた状態で発電を行うこととなる。風による回転エネルギーは風向のずれに応じて低下するため、風向のずれに起因して風力発電装置の発電出力が低下するという問題がある。また、風向のずれによって風力発電装置に偏荷重がかかるという問題もある。
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、ナセルを実際の主風向に対して正面を向くように方位制御することのできる風力発電装置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。
本発明は、風向に追従してナセルの向きを可変制御する風力発電装置であって、主風向を検出する風向検出手段と、所定の風速における前記主風向と実際の風向である実風向とのずれである風向オフセット値を仮定することにより実風向を仮定する風向仮定手段と、前記仮定された実風向における所定時間の平均発電出力を算出する平均発電出力算出手段と、前記仮定された風向オフセット値に対する前記平均発電出力を二次曲線に近似し、該近似した二次曲線における前記平均発電出力が最大となるときの風向オフセット値を、実際のオフセット値と推定することにより実風向を推定する実風向推定手段と、を備えたことを特徴とする風力発電装置を提供する。
また、本発明は、風向に追従してナセルの向きを可変制御する風力発電装置の風向推定方法であって、主風向を検出するステップと、所定の風速における前記主風向と実際の風向である実風向とのずれである風向オフセット値を仮定することにより実風向を仮定するステップと、前記仮定された実風向における所定時間の平均発電出力を算出するステップと、前記仮定された風向オフセット値に対する前記平均発電出力を二次曲線に近似し、該近似した二次曲線における前記平均発電出力が最大となるときの風向オフセット値を、実際のオフセット値と推定することにより実風向を推定するステップと、を備えたことを特徴とする風力発電装置の風向推定方法を提供する。
本発明によれば、風向検出手段が検出する主風向と実際に風力発電装置にあたる風の風向である実風向にはずれが生じるため、このずれである風向オフセット値を仮定する。ところで、風向オフセット値は、風力発電装置のブレードの回転数によって変化する。特に、本実施の形態における風力発電装置のように風速の変化に応じてブレードの回転数が変化する風力発電装置では、風速とブレードの回転数が対応しているものと見做し、風向オフセット値を仮定する際に、推定対象を所定の風速と定める。この所定の風速は任意に定めることができる。そして、所定の風速において、検出した主風向と実風向とにずれがあると仮定した状態、すなわち、検出した主風向と風向オフセット値とから実風向を仮定し、所定の風速であり、かつ、仮定した実風向において所定時間の平均発電出力を算出する。ここでの所定時間は任意に定めることができる。算出された平均発電出力から、風向オフセット値に対する平均発電出力を、例えば最小二乗法や勾配法等を用いて二次曲線に近似し、この二次曲線において平均発電出力が最大となるときの風向オフセット値を実際の風向オフセット値と推定し、これを主風向に加えることで、実風向を推定する。
このように、本発明によれば、風力発電装置にあたる実際の風向を推定することによって、ナセルを実際の主風向に対して正面を向くように方位制御することができ、風力発電装置の発電性能が向上する。
本発明の風力発電装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態にかかる風向推定処理を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施形態にかかる風向計による検出風向と実風向と風向オフセットとの関係を示す説明図である。 図２のフローチャートのステップＳ３３のサブルーチンを示すフローチャートである。 本発明の第１の実施形態において、近似曲線を生成する手順を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態にかかる風向推定処理を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態において、近似曲線を生成する手順を示す説明図である。 本発明の風向推定方法を用いて算出した風向オフセット値のテーブルの参考例を示す図である。
以下に、本発明に係る風力発電装置の各実施形態について、図面を参照して説明する。
〔第１の実施形態〕
図１は、本発明に係る風力発電装置の概略構成を示したブロック図である。図１に示すように風力発電装置は、ナセル１０上部に風向検出手段としての風向計１１を備え、この風向計が風力発電装置に当たる風の向きを検出し、検出した風向を演算部２０に出力する。
演算部２０は、実風向を推定するための演算を行うものであり、各種演算処理を実行するＣＰＵ（中央演算処理装置）２１、基本プログラム等を記憶する読み出し専用のメモリであるＲＯＭ（Read Only Memory）２２、ＣＰＵ２１の作業領域として機能する読み書き自在のメモリであるＲＡＭ（Random Access Memory）２３、及びプログラムや各種データを記憶する記憶装置２４を備えている。
また、演算部２０は、風向仮定手段としての風向仮定部２５、平均発電出力算出手段としての平均発電出力算出部２６、及び実風向推定手段としての実風向推定部２７を備えている。風向仮定部２５は所定の風速における主風向と実際の風向である実風向とのずれである風向オフセット値を仮定することにより実風向を仮定する。平均発電出力算出部２６は、仮定された実風向における所定時間の平均発電出力を算出する。実風向推定部２７は、仮定された風向オフセット値に対する平均発電出力を二次曲線に近似し、近似した二次曲線における平均発電出力が極大となるときの風向オフセット値を、実際のオフセット値と推定することにより実風向を推定する。
風向仮定部２５、平均発電出力算出部２６、及び実風向推定部２７は、いずれもＣＰＵ２１が所定のＲＯＭ２２に格納された処理プログラムを実行することによって実現される処理部であり、その処理については後述する。
次に、本発明に係る風力発電装置における風向推定方法の処理手順について説明する。図２は、本実施形態に係る風向推定方法の処理手順を示すフローチャートである。
ステップＳ３１において、まず風向を推定する際の対象となる風速Ｖａを選定する。これは、実風向と主風向とのずれ、すなわち、本実施の形態の風力発電装置のようにブレードの回転数が風速に対応するような風力発電装置においては、風向オフセット値は風速に応じて異なるので、実風向を推定する際には、風向オフセット値を仮定する際に対象となる風速Ｖａを定める必要があるためであり、この風速Ｖａは任意に定めることができる。続いてステップＳ３２では、風向仮定部２５によりステップＳ３１で選定した風速Ｖａにおける風向オフセット値を仮定し、これに基づいて実風向を仮定する。すなわち、図３に示すように、ナセルの方位基準軸に対して風向計１１が検出する風向をＷd1、実風向と検出風向のずれである風向オフセット値をＷＯとすると、ナセル１０手前の実風向Ｗdは次の式で定義され、この式に基づいて、実風向Ｗdを仮定する。
Figure 0004995209
風向オフセット値は、後のステップで二次曲線に近似することができるように複数値を仮定する必要があり、本実施の形態においてはＷＯ（1）＝０°、ＷＯ(2)＝＋１０°、ＷＯ(3)＝−１０°として３つの値を仮定する。そして、これに対応して実風向をそれぞれＷｄ(1)、Ｗｄ(2)、Ｗｄ(3)と仮定する。
次のステップＳ３３では、平均発電出力算出部２６によりステップＳ３２で仮定した実風向Ｗｄ(1)、Ｗｄ(2)、Ｗｄ(3)における１０分間の平均発電出力をそれぞれ算出する。平均発電出力の算出処理過程は図２に示すフローチャートの中のサブルーチンであり、図４に示すフローチャートに従って算出される。すなわち、図４のステップＳ４１で、ナセルが風向計１１によって検出された風向に追従して駆動され風力発電装置が発電状態にあるときに、まず、Ｗｄ(1)として、風速、風向、発電出力を測定し、測定したデータを記憶装置２４に記憶する。次のステップＳ４２では、ステップＳ４１で測定した風速、風向、発電出力のデータから１０分平均値を算出し、記憶装置２４に記憶する。
次のステップＳ４３及びステップＳ４４では、記憶装置２４に記憶されたデータが、所望のデータであるか否かを判断し、所望のデータである場合にはそのデータを採用し、所望のデータでない場合はそのデータを採用しないというステップを繰り返す。具体的には、ステップＳ４３で、蓄積されたデータのうち１０分間の平均風速がステップＳ３１で選定した風速Ｖａの±０．５m/sの範囲にあるか否かを判断する。１０分平均風速がＶａの±０．５m/sの範囲にあると判断された場合には次のステップＳ４４に進む。続いて、ステップＳ４４では、１０分間の平均風向が仮定した実風向Ｗｄ(1)＝０°の±５°の範囲にあるか否かを判断し、１０分間の平均風向が仮定した実風向Ｗｄ(1)＝０°の±５°の範囲にあると判断された場合は次のステップＳ４６に進み、ステップＳ４６でこれらのデータを平均発電出力算出の際に採用するデータとして記憶装置２４に蓄積する。ステップＳ４３及びステップＳ４４で、判断対象のデータが前述の範囲外と判断された場合は次のステップＳ４５に進み、このデータを平均発電出力算出の際に採用しない。
ステップＳ４７では、前のステップＳ４６で採用が決定され、再び記憶装置２４に記憶されたデータ数が、所定数Ｎを超えているか否かを判断する。ここで、所定の数Ｎとは、平均発電出力算出の際に最適化できるよう任意に定めることができる。平均発電出力の算出に採用されるデータが所定数記憶されていないと判断された場合には、ステップＳ４１に戻り、以降のステップを繰り返す。平均発電出力の算出に採用されるデータが所定数記憶されたと判断された場合には、次のステップＳ４８へ進む。
ステップＳ４８では、ステップＳ４６で記憶装置２４に蓄積したＮ個の平均発電出力の値の平均値を算出し、この平均値を風向オフセット値ＷＯ(1)、すなわち仮定した実風向がＷｄ(1)のときの平均発電出力Ｐａｖｅ(1)として、ステップＳ３３のサブルーチン、すなわち、図４のフローチャートの処理を、ＷＯ(2)及びＷＯ(3)に対しても実行し、Ｐａｖｅ(2)及びＰａｖｅ(3)を算出する。
図２に戻り、ステップＳ３４では、ステップＳ３２で仮定した全ての風向オフセット値に対する平均発電出力の算出が終了したか否かを判断する。この判断の結果、全ての風向オフセット値に対する平均発電出力の算出が終了していないと判断された場合には、ステップＳ３３に戻り、ステップＳ３３のサブルーチンを繰り返す。全ての風向オフセット値ＷＯ(1)、ＷＯ(2)、ＷＯ(3)に対する平均発電出力の算出が終了したと判断された場合には、次のステップＳ３５に進み、風向推定部２７により、仮定した風向オフセット値ＷＯ(1)、ＷＯ(2)、ＷＯ(3)に対する算出したＰａｖｅ(1)、Ｐａｖｅ(2)、Ｐａｖｅ(3)を二次曲線に近似する。具体的には、最小二乗法または多項式近似などを用いて、以下の式の係数a0，a1，a2を算出する。
Figure 0004995209
すなわち、図５に示すように、まず図５（ａ）で（ＷＯ(1)，Ｐａｖｅ(1)）を、図５（ｂ）で（ＷＯ(2)，Ｐａｖｅ(2)）を、図５（ｃ）で（ＷＯ(3)，Ｐａｖｅ(3)）を順次プロットする。そして、これらの３点に基づいて、図５（ｄ）に示すように二次の近似曲線を生成する。生成した近似曲線が最大となるＷＯを［数３］にて算出する。
Figure 0004995209
続いて、ステップＳ３７で、ステップＳ３６で算出したＷoを実際の風向オフセット値ＷＯとして、［数１］に適用することにより、実風向Ｗｄを推定し、風向推定方法の処理を終了する。
本実施形態ではＷＯを定数としたが，ＷＯを風速，ロータ回転数，発電機回転数，発電出力等の関数とし，入力に応じて可変となるようなテーブルとして与えることも可能である。また、３つの風向オフセット値ＷＯを仮定して処理を行う例を示したが、これに限られることはなく、平均発電出力の算出においても、必ずしも１０分間の平均値を取る必要はなく、適宜設計変更が可能である。さらに、本実施形態では、風速、風向、発電出力を測定し、測定したデータから平均発電出力を算出することで実風向を推定したが、例えば、予め記憶されているデータを実風向の推定に用いてもよい。実風向推定のタイミングは、定期的に行ってもよいし、運転開始前に一度だけ行ってもよい。
このように、本発明によれば、風力発電装置にあたる実際の風向を推定することによって、ナセルを実際の主風向に対して正面を向くように方位制御することができ、風力発電装置の発電性能が向上する。
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について、図６、図７を用いて説明する。
本実施形態の風力発電装置は第１の実施形態とその構成を同一にするが、風向推定方法の処理手順が異なる。上述した第１の実施形態は、近似式を求めることにより二次の近似曲線を生成したが、本実施の形態では、勾配法を用いて近似曲線を生成する処理について説明する。図６は、本実施の形態に係る風向推定方法の処理手順を示すフローチャートである。なお、以下に述べる本処理手順においても、予め風向オフセット値ＷＯを推定する対象速度Ｖａを定め、この速度Ｖａにおける平均発電出力を算出する。
図６のステップＳ５１において、風向仮定部２５により風向オフセット値ＷＯ(i)の初期値ＷＯ(1)を決定し、次のステップＳ５２において、平均発電出力算出部２６によりＷＯ(1)での平均発電出力Ｐａｖｅ(1)を算出する。なお、ステップＳ５２における平均発電出力の算出は、上述した第１の実施の形態における平均発電出力の算出処理（ステップＳ３３参照）と同様であるので、説明を省略する。続いて、次のステップＳ５３で、i=２として次の風向オフセット値ＷＯ(2)を決定し、ステップＳ５４でＷＯ(2)の平均発電出力Ｐａｖｅ(2)を算出し、次のステップＳ５５に進む。
ステップＳ５５では、先に求めた風向オフセット値ＷＯ(1)における平均発電出力Ｐａｖｅ(1)と風向オフセット値ＷＯ(2)における平均発電出力Ｐａｖｅ(2)との変化量ｄＰ／ｄＷを［数４］に基づいて算出する。
Figure 0004995209
ステップＳ５６では、次の風向オフセット値ＷＯ(3)を［数５］に基づいて算出する。
Figure 0004995209
ここでαはＷＯの収束速度を決定付けるパラメータであり、０から１の範囲内で任意に定める必要がある。αは、小さすぎると収束までの計算回数が多くなり、大きすぎると収束できなくなる虞があるため、勾配法の経験則に基づいて予め定めた値を用いることが好ましい。
さらに次のステップＳ５７で、ＷＯ(3)≒ＷＯ(2)であるか、すなわち、［数５］に基づいて算出した次の風向オフセット値ＷＯ(3)が、風向オフセット値ＷＯ(2)と近似できる程度の値か否かを判定する。この判定で近似できないと判断された場合には、ステップＳ５４に戻り、上述の処理を繰り返す。具体的には、ステップＳ５４では、ステップＳ５６で算出された次の風向オフセット値Ｗo(i)における平均発電出力Ｐａｖｅ(i)を算出し、次のステップＳ５５で［数６］に基づいて、このＰａｖｅ(i)と先に算出されたＰａｖｅ(i-1)との間の変化量を算出する。
Figure 0004995209
そして、次のステップＳ５６で、ここで算出された変化量を用い、［数７］に基づいて、再び次の風向オフセット値ＷＯ(i+1)を算出し、ステップＳ５７で、算出された風向オフセット値ＷＯ(i+1)が、ＷＯ(i+1)≒ＷＯ(i)であるか否かを判定する。
Figure 0004995209
以上の処理は、ＷＯ(i+1)≒ＷＯ(i)あると判定されるまで繰り返され、ＷＯ(i+1)≒ＷＯ(i)であると判定された場合には、次のステップＳ５８で、ＷＯ(i+1)を実風向オフセット値ＷＯと決定する。すなわち、以上の処理で得られた変化量から、近似曲線を生成すると図７のようになる。ここで、平均発電出力の変化量が無視できるくらいに極小さい値となれば、ＷＯ(i+1)≒ＷＯ(i)となり、このとき、図７の曲線においてＰａｖｅ(i)が最大値をとる。そこで、このときの風向オフセット値ＷＯ(i+1)を実際の風向オフセット値ＷＯと判断し、[数１]に適用することにより、実風向Ｗｄを推定し、風向推定方法の処理を終了する。
このように、本発明によれば、風力発電装置にあたる実際の風向を推定することによって、ナセルを実際の主風向に対して正面を向くように方位制御することができ、風力発電装置の発電性能が向上する。
なお、図８に示すように、上述した風向推定方法を用い、風速Ｖａを、複数、例えばＶａ(1)〜Ｖａ(4)設定し、この複数設定された風速ごとに実際の風向オフセット値を推定しておき、予め風速に応じて可変となるテーブルを作成しておくこともできる。
１０ ナセル
１１ 風向計
２０ 演算部
２１ ＣＰＵ
２２ ＲＯＭ
２３ ＲＡＭ
２４ 記憶装置
２５ 風向仮定部
２６ 平均発電出力算出部
２７ 実風向推定部

Claims (2)

  1. 風向に追従してナセルの向きを可変制御する風力発電装置であって、
    主風向を検出する風向検出手段と、
    所定の風速における前記主風向と実際の風向である実風向とのずれである風向オフセット値を仮定することにより実風向を仮定する風向仮定手段と、
    前記仮定された実風向における所定時間の平均発電出力を算出する平均発電出力算出手段と、
    前記仮定された風向オフセット値に対する前記平均発電出力を二次曲線に近似し、該近似した二次曲線における前記平均発電出力が最大となるときの風向オフセット値を、実際のオフセット値と推定することにより実風向を推定する実風向推定手段と、
    を備えたことを特徴とする風力発電装置。
  2. 風向に追従してナセルの向きを可変制御する風力発電装置の風向推定方法であって、
    主風向を検出するステップと、
    所定の風速における前記主風向と実際の風向である実風向とのずれである風向オフセット値を仮定することにより実風向を仮定するステップと、
    前記仮定された実風向における所定時間の平均発電出力を算出するステップと、
    前記仮定された風向オフセット値に対する前記平均発電出力を二次曲線に近似し、該近似した二次曲線における前記平均発電出力が最大となるときの風向オフセット値を、実際のオフセット値と推定することにより実風向を推定するステップと、
    を備えたことを特徴とする風力発電装置の風向推定方法。
JP2009000398A 2009-01-05 2009-01-05 風力発電装置及び風力発電装置の風向推定方法 Active JP4995209B2 (ja)

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