JP5022102B2 - 風力発電装置、風力発電システムおよび風力発電装置の発電制御方法 - Google Patents

風力発電装置、風力発電システムおよび風力発電装置の発電制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、風力発電装置、風力発電システムおよび風力発電装置の発電制御方法に関し、特に、装置コストの増大を招くことなくより適正な風向を得て、風力発電装置の発電制御に供することにより、発電性能を向上させるとともに、風車の疲労荷重を低減することができる風力発電装置、風力発電システムおよび風力発電装置の発電制御方法に関するものである。
一般に、風力発電装置では、ナセル上に設置された風速計および風向計を用いて風速および風向の計測を行い、運転制御における制御パラメータとして使用している。しかし、これらの風速および風向は、ロータ下流側で計測されているため、風速は減速したもの、また風向は偏流したものが流入することになり、計測精度に問題がある。
そこで、例えば特開平１１−１５９４３６号公報に開示の「風力発電システム」などでは、電波を利用したドップラーレーダを用いて、風力発電装置のロータ前方の風ベクトルを測定し、その風ベクトルから風力発電装置の出力値を予測し、該予測出力値に基づいて、電力系統側発電機の出力制御を行う手法が提案されている。
特開平１１−１５９４３６号公報
上述した特許文献１に開示された技術においては、計測精度を改善するべく、ドップラーレーダを用いて風力発電装置前方の風ベクトルを測定しているが、このようなドップラーレーダや超音波方式風速計等は高価であり、コスト的に問題がある。
また、風速については、ロータ下流に設置された低コストの風速計を使用する場合でも、別途行うキャリブレーション結果を用いて補正する手法が提案されているが、風向に関しては、これまで補正が行われてこなかった。そのため、特に、ナセル方位を調整してブレード回転面を風向に追従させるヨー角制御を行う場合には、偏流後の風向データに基づいているため、ブレード回転面が真の風向に向けられておらず、十分な出力が得られていない可能性がある。また、偏流した状態で運転を続けることは、風車変動荷重の増大を招くため、健全性確保の観点から好ましくないという事情があった。
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、装置コストの増大を招くことなく、より適正な風向を得て、風力発電装置の発電制御に供することにより、発電性能を向上させるとともに、風車の疲労荷重を低減することができる風力発電装置、風力発電システムおよび風力発電装置の発電制御方法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、ナセルに設置された風速計および風向計と、前記ナセルの方位を制御するヨー角制御機構とを備えた風力発電装置であって、当該風力発電装置の運転時における発電出力、前記風速計により測定された風速に基づき推定される流入風速、並びに、前記風向計により測定された風向と前記ナセルの方位との差である風向偏差のデータセットを逐次蓄積するデータ蓄積手段と、前記データ蓄積手段による蓄積データの統計解析を行って、各流入風速における発電出力の風向偏差に対する分布曲線を求め、該分布曲線がピークとなる風向偏差を前記風向計の補正値とし、流入風速毎の前記風向計の補正値を記憶する分析手段と、前記風向計による風向を前記流入風速毎の前記風向計の補正値で補正し、該補正後の風向を制御パラメータとして使用して発電制御を行う制御手段とを具備する風力発電装置を提供する。
本発明によれば、運転時に随時蓄積される蓄積データに基づいて風向の補正を行うので、装置コストの増大を招くことなくより適正な風向を得ることができ、また、補正した風向を用いて発電制御を行うことしたので、発電性能を向上させることが可能となる。
本発明は、ナセルに設置された風速計および風向計と、前記ナセルの方位を制御するヨー角制御機構とを備えた風力発電装置であって、前記ヨー角制御機構により、所定時間毎に、ターゲットとする風向に対して所定量ずつ前記ナセルの方位を段階的に変化させ、前記ターゲット風向と前記ナセル方位との差である風向偏差を変化させる学習モードで当該風力発電装置を運転させる学習モード制御手段と、前記学習モードの当該風力発電装置の運転時における発電出力、前記風速計により測定された風速に基づき推定される流入風速、並びに、前記風向偏差のデータセットを逐次蓄積するデータ蓄積手段と、前記データ蓄積手段による蓄積データの統計解析を行って、各流入風速における発電出力の風向偏差に対する分布曲線を求め、該分布曲線がピークとなる風向偏差を前記風向計の補正値とし、流入風速毎の前記風向計の補正値を記憶する分析手段と、通常運転時に、前記風向計による風向を前記流入風速毎の前記風向計の補正値で補正し、該補正後の風向を制御パラメータとして使用して発電制御を行う制御手段とを具備する風力発電装置を提供する。
本発明によれば、運転時に随時蓄積される蓄積データに基づいて風向の補正を行うので、装置コストの増大を招くことなくより適正な風向を得ることができ、また、補正した風向を用いて発電制御を行うことしたので、発電性能を向上させることが可能となる。さらに、別途学習モードによる運転制御を設けて強制的に風向偏差を変化させてデータ収集を行うので、より短期間で風向計の補正値を得ることができる。
上記風力発電装置において、前記制御手段は、前記風向計による風向と前記ナセルの方位との差である風向偏差に前記流入風速毎の前記風向計の補正値を加えた補正風向偏差に基づくヨー角指令を前記ヨー角制御機構に出力するヨー角制御手段を具備することとしてもよい。
このように、補正した風向を用いてヨー角制御を行うことしたので、発電性能を向上させることができるとともに、風車の疲労荷重を低減することができる。
上記風力発電装置において、前記データ蓄積手段は、運転時におけるタワー軸回りのモーメント、前記ヨー角制御機構におけるヨーモータの消費電力、或いは発電出力にＦＦＴ処理を施したときのパワースペクトルにおける回転周波数のＮ倍成分のいずれかと、前記流入風速と、前記風向偏差とのデータセットを逐次蓄積し、前記分析手段は、前記データ蓄積手段による蓄積データの統計解析を行って、各流入風速における前記タワー軸回りのモーメント、前記ヨーモータの消費電力、或いは前記発電出力のパワースペクトルの回転周波数のＮ倍成分のいずれかの風向偏差に対する分布曲線を求め、該分布曲線がピークまたはアンダーピークとなる風向偏差を前記風向計の補正値とし、流入風速毎の前記風向計の補正値を記憶することとしてもよい。
本発明は、各々がナセルに設置された風速計および風向計と、前記ナセルの方位を制御するヨー角制御機構とを備えた複数台の風力発電装置と、該複数台の風力発電装置の運転を集中管理する中央制御装置とを備える風力発電システムであって、前記中央制御装置は、特定の風力発電装置または特定の複数台の風力発電装置の運転時における発電出力、前記風速計により測定された風速に基づき推定される流入風速、並びに、前記風向計により測定された風向と前記ナセルの方位との差である風向偏差のデータセットを逐次蓄積するデータ蓄積手段と、前記データ蓄積手段による蓄積データの統計解析を行って、各流入風速における発電出力の風向偏差に対する分布曲線を求め、該分布曲線がピークとなる風向偏差を前記風向計の補正値とし、流入風速毎の前記風向計の補正値を記憶する分析手段とを具備し、各前記風力発電装置は、前記風向計による風向を前記流入風速毎の前記風向計の補正値で補正し、該補正後の風向を制御パラメータとして使用して発電制御を行う制御手段をそれぞれ具備する風力発電システムを提供する。
本発明は、各々がナセルに設置された風速計および風向計と、前記ナセルの方位を制御するヨー角制御機構とを備えた複数台の風力発電装置と、該複数台の風力発電装置の運転を集中管理する中央制御装置とを備える風力発電システムであって、前記中央制御装置は、特定の風力発電装置または特定の複数台の風力発電装置において、前記ヨー角制御機構により、所定時間毎に、ターゲットとする風向に対して所定量ずつ前記ナセルの方位を段階的に変化させ、前記ターゲット風向と前記ナセル方位との差である風向偏差を変化させる学習モードで該特定の風力発電装置または特定の複数台の風力発電装置を運転させる学習モード制御手段と、前記学習モードの特定の風力発電装置または特定の複数台の風力発電装置の運転時における発電出力、前記風速計により測定された風速に基づき推定される流入風速、並びに、前記風向偏差のデータセットを逐次蓄積するデータ蓄積手段と、前記データ蓄積手段による蓄積データの統計解析を行って、各流入風速における発電出力の風向偏差に対する分布曲線を求め、該分布曲線がピークとなる風向偏差を前記風向計の補正値とし、流入風速毎の前記風向計の補正値を記憶する分析手段とを具備し、各前記風力発電装置は、通常運転時に、前記風向計による風向を前記流入風速毎の前記風向計の補正値で補正し、該補正後の風向を制御パラメータとして使用して発電制御を行う制御手段をそれぞれ具備する風力発電システムを提供する。
このような風力発電システムによれば、運転時に随時蓄積される蓄積データに基づいて風向の補正を行うので、装置コストの増大を招くことなくより適正な風向を得ることができ、また、補正した風向を用いて発電制御を行うことしたので、発電性能を向上させることが可能となる。
上記風力発電システムにおいて、前記制御手段は、前記風向計による風向と前記ナセルの方位との差である風向偏差に前記流入風速毎の前記風向計の補正値を加えた補正風向偏差に基づくヨー角指令を前記ヨー角制御機構に出力するヨー角制御手段を具備することとしてもよい。
補正した風向を用いてヨー角制御を行うことしたので、発電性能を向上させることができるとともに、風車の疲労荷重を低減することができる。
上記風力発電システムにおいて、前記データ蓄積手段は、運転時におけるタワー軸回りのモーメント、前記ヨー角制御機構におけるヨーモータの消費電力、或いは発電出力にＦＦＴ処理を施したときのパワースペクトルにおける回転周波数のＮ倍成分のいずれかと、前記流入風速と、前記風向偏差とのデータセットを逐次蓄積し、前記分析手段は、前記データ蓄積手段による蓄積データの統計解析を行って、各流入風速における前記タワー軸回りのモーメント、前記ヨーモータの消費電力、或いは前記発電出力のパワースペクトルの回転周波数のＮ倍成分のいずれかの風向偏差に対する分布曲線を求め、該分布曲線がピークまたはアンダーピークとなる風向偏差を前記風向計の補正値とし、流入風速毎の前記風向計の補正値を記憶することとしてもよい。
本発明は、ナセルに設置された風速計および風向計と、前記ナセルの方位を制御するヨー角制御機構とを備えた風力発電装置の発電制御方法であって、当該風力発電装置の運転時における発電出力、前記風速計により測定された風速に基づき推定される流入風速、並びに、前記風向計により測定された風向と前記ナセルの方位との差である風向偏差のデータセットを逐次蓄積するデータ蓄積工程と、前記データ蓄積工程による蓄積データの統計解析を行って、各流入風速における発電出力の風向偏差に対する分布曲線を求め、該分布曲線がピークとなる風向偏差を前記風向計の補正値とし、流入風速毎の前記風向計の補正値を記憶する分析工程と、前記風向計による風向を前記流入風速毎の前記風向計の補正値で補正し、該補正後の風向を制御パラメータとして使用して発電制御を行う制御工程とを有する風力発電装置の発電制御方法を提供する。
本発明によれば、運転時に随時蓄積される蓄積データに基づいて風向の補正を行うので、装置コストの増大を招くことなくより適正な風向を得ることができ、また、補正した風向を用いて発電制御を行うことしたので、発電性能を向上させることが可能となる。
本発明は、ナセルに設置された風速計および風向計と、前記ナセルの方位を制御するヨー角制御機構とを備えた風力発電装置の発電制御方法であって、前記ヨー角制御機構により、所定時間毎に、ターゲットとする風向に対して所定量ずつ前記ナセルの方位を段階的に変化させ、前記ターゲット風向と前記ナセル方位との差である風向偏差を変化させる学習モードで当該風力発電装置を運転させる学習モード制御工程と、前記学習モードの当該風力発電装置の運転時における発電出力、前記風速計により測定された風速に基づき推定される流入風速、並びに、前記風向偏差のデータセットを逐次蓄積するデータ蓄積工程と、前記データ蓄積ステップによる蓄積データの統計解析を行って、各流入風速における発電出力の風向偏差に対する分布曲線を求め、該分布曲線がピークとなる風向偏差を前記風向計の補正値とし、流入風速毎の前記風向計の補正値を記憶する分析工程と、通常運転時に、前記風向計による風向を前記流入風速毎の前記風向計の補正値で補正し、該補正後の風向を制御パラメータとして使用して発電制御を行う制御工程とを有する風力発電装置の発電制御方法を提供する。
本発明によれば、運転時に随時蓄積される蓄積データに基づいて風向の補正を行うので、装置コストの増大を招くことなくより適正な風向を得ることができ、また、補正した風向を用いて発電制御を行うことしたので、発電性能を向上させることが可能となる。さらに、別途学習モードによる運転制御を設けて強制的に風向偏差を変化させてデータ収集を行うので、より短期間で風向計の補正値を得ることができる。
上記風力発電装置の発電制御方法において、前記制御工程は、前記風向計による風向と前記ナセルの方位との差である風向偏差に前記流入風速毎の前記風向計の補正値を加えた補正風向偏差に基づくヨー角指令を前記ヨー角制御機構に出力するヨー角制御工程を有することとしてもよい。
本発明によれば、補正した風向を用いてヨー角制御を行うことしたので、発電性能を向上させることができるとともに、風車の疲労荷重を低減することができる。
上記風力発電装置の発電制御方法において、前記データ蓄積工程は、運転時におけるタワー軸回りのモーメント、前記ヨー角制御機構におけるヨーモータの消費電力、或いは発電出力にＦＦＴ処理を施したときのパワースペクトルにおける回転周波数のＮ倍成分のいずれかと、前記流入風速と、前記風向偏差とのデータセットを逐次蓄積し、前記分析工程は、前記データ蓄積工程における蓄積データの統計解析を行って、各流入風速における前記タワー軸回りのモーメント、前記ヨーモータの消費電力、或いは前記発電出力のパワースペクトルの回転周波数のＮ倍成分のいずれかの風向偏差に対する分布曲線を求め、該分布曲線がピークまたはアンダーピークとなる風向偏差を前記風向計の補正値とし、流入風速毎の前記風向計の補正値を記憶することとしてもよい。
本発明によれば、運転時に随時蓄積される蓄積データに基づいて風向の補正を行うので、装置コストの増大を招くことなくより適正な風向を得ることができる。
また、補正した風向を用いて発電制御を行うことしたので、発電性能を向上させることが可能となる。
更に、補正した風向を用いてヨー角制御を行うことしたので、発電性能を向上させることができるとともに、風車の疲労荷重を低減することができるという効果を奏する。
以下、本発明の風力発電装置、風力発電システムおよび風力発電装置の発電制御方法の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
〔第１の実施形態〕
図１および図２は本発明の第１の実施形態に係る風力発電装置の構成図である。図１は全体の概略構成図であり、図２は図１に示した制御装置の詳細構成図である。
図１において、第１の実施形態の風力発電装置は、風速計５、風向計６、風車ロータ１１、風車ブレード１２、増速機１４、発電機システム１５、ピッチ角制御機構１７、ヨー角制御機構１８および制御装置２０を備えて構成されている。なお、同図中、２はタワー、３はナセルである。
風車ロータ１１に取り付けられた複数枚の風車ブレード１２が風力エネルギを受けて風車ロータ１１とともに回転し、増速機１４によって増速した後、発電機システム１５内の発電機を駆動して発電することにより風力エネルギを電気エネルギに変換している。なお、本実施形態の風力発電装置は、可変速回転制御方式の風力発電装置であり、発電機として巻線形誘導発電機または同期発電機等を利用する。なお、同期発電機を利用した構成では、発電機の出力を一旦直流に変換して再びインバータによって交流に変換するＡＣ−ＤＣ−ＡＣリンク方式を用いる。
風速計５および風向計６は、ナセル３上で風車ロータ１２の下流側に設置されている。また、ピッチ角制御機構１７は、制御装置２０のピッチ角制御部２２（図２参照）からのピッチ角指令θｐに基づき風車ブレード１２のピッチ角を制御するもので、その構造等は従来のものと同等である。また、ヨー角制御機構１８は、制御装置２０のヨー角制御部２３（図２参照）からのヨー角指令θｙに基づきナセル３の方位を制御するもので、その構造等は従来のものと同等である。
次に、上記制御装置２０は、図２に示すように、運転制御部３０と、流入風速推定部２４と、データ蓄積部２５と、分析部２６と、風向補正テーブル２７とを主な構成として備えている。上記運転制御部３０は、発電機出力制御部２１、ピッチ角制御部２２およびヨー角制御部２３を主な構成として備えている。
流入風速推定部２４は、別途行うキャリブレーション結果を用いて、風速計５で計測した風速Ｖｗを補正し、補正後の風速を流入風速Ｗｓとして出力する。
また、データ蓄積部２５は、当該風力発電装置の運転時における発電出力Ｐ、風速計５により測定された風速Ｖｗに基づき推定される流入風速Ｗｓ、並びに、風向計６により測定された風向θｗとナセル３の方位との差である風向偏差のデータセットを逐次蓄積する。
分析部２６は、データ蓄積部２５による蓄積データについて統計解析を行い、各流入風速Ｗｓにおける発電出力Ｐの風向偏差に対する分布曲線を求め、該分布曲線がピークとなる風向偏差を風向計６の補正値θｄとし、流入風速Ｗｓ毎の風向計６の補正値θｄを風向補正テーブル２７に記憶する。なお、蓄積データから分布曲線を求める統計解析手法は、特に限定されることなく、一般に用いられている手法を用いればよい。
運転制御部（制御手段）３０は、風向計６による風向を流入風速毎の前記風向計の補正値で補正し、該補正後の風向を制御パラメータとして使用して発電制御を行う。
発電機出力制御部２１は、従来用いられている手法、例えばフィードバック制御やフィードフォワード制御等を使用すればよく、例えば、空気密度ρに基づき最適ゲインを求め、該最適ゲインおよび発電機回転速度ωに基づき、発電量を指示する発電出力指令Ｐｄを発電機システム１５に出力する。
ピッチ角制御部２２は、従来用いられている手法を使用すれば良く、例えば、流入風速Ｗｓに対して最大出力を与えるピッチ角を求め、空気密度ρでこれを補正し、補正後のピッチ角をピッチ角指令θｐとしてピッチ角制御機構１７に出力する。
ヨー角制御部２３は、風向計６により計測した風向θｗとナセル３の方位との差である風向偏差に流入風速Ｗｓ毎の風向計の補正値θｄを加えた補正風向偏差に基づくヨー角指令θｙを生成し、該ヨー角指令θｙをヨー角制御機構１８に出力する。
次に、以上の構成要素を備えた本実施形態の風力発電装置における発電制御方法について、図３から図５を参照して説明する。ここで、図３は、流入風速に対する発電出力Ｐ、回転数Ωおよびピッチ角θｐの変化を説明する説明図であり、図４は、各流入風速Ｗｓ１〜Ｗｓ４における発電出力Ｐの風向偏差に対する分布曲線を例示する説明図であり、図５は、データ蓄積部２５および分析部２６による風向補正テーブル２７の作成と、ヨー角制御部２３によるヨー角制御を説明する説明図である。
一般に、風力発電装置では、風向の変動に対してはナセル３の方位を制御（ヨー角制御）し、風速の変動に対しては回転速度を制御することで安定且つ効率よく発電できるように制御している。また、図３に示すように、風力発電装置では、発電能力（定格出力）限られているため、一定速度を超える風が吹いたときには、発電出力（回転速度）を制御する必要があり、風車ブレード１２のピッチ角の制御で回転速度制御を行っている。つまり、定格出力に満たない比較的弱風時には発電効率が向上するように、また定格出力に達し得る比較的強風時には発電効率が低下するようにピッチ角制御を行って、発電出力の制御を行っている。
また、上述したように、ヨー角制御では、ナセル３の方位を調整して風車ブレード１２の回転面を風向に追従させるが、風車ロータ１２の下流側に設置された風向計６による風速、即ち偏流後の風向に基づいているため、風車ブレード１２の回転面が真の風向に向けられていない。
つまり、図４に示すように、流入風速Ｗｓ４における発電出力の風向偏差に対する分布曲線で、発電出力がピークとなる風向偏差はゼロではなく、例えばマイナス方向にΔθだけずれた風向偏差となる。風車ブレード１２の回転面が真の風向に向けられるときに発電出力は最大となることから、この風向偏差のずれ量Δθが偏流による風向計６の誤差であり、風向計６のオフセット量としてとらえることができる。なお、図４に示すように、流入風速Ｗｓが速くなれば偏流による影響度合いも大きくなることから、流入風速Ｗｓが速いほど風向偏差のずれ量Δθは大きくなる。
次に、図５を参照してより具体的に説明する。まず、データ蓄積部２５により、当該風力発電装置の運転時における発電出力Ｐと、流入風速推定部２４により推定された流入風速Ｗｓと、風向計６により測定された風向θｗとナセル３の方位との差である風向偏差とによるデータセットを逐次蓄積していく。ある流入風速について、蓄積データを発電出力Ｐ対風向偏差の平面上にプロットすれば、例えば、枠内図に示すような分布が得られる。この分布に沿った分布曲線を分析部２６の統計解析によって求め、該分布曲線がピークとなる風向偏差（ずれ量Δθ）を風向計６の補正値θｄとする。この一連の処理を全ての流入風速Ｗｓについて行って、各流入風速Ｗｓに対する風向計６の補正値θｄを風向補正テーブル２７に記憶する。
一方、ヨー角制御部２３では、流入風速推定部２４から出力された（現時点の）流入風速Ｗｓに基づき風向補正テーブル２７を参照して、風向計６の補正値θｄを得る。また他方で、風向計６により計測した風向θｗと、ナセル３の方位との差をとって風向偏差を求め、これをオフセット指令とする。該オフセット指令に風向計の補正値θｄを加えて補正した風向偏差を修正オフセット指令（ヨー角指令θｙ）として、ヨー角制御機構１８に出力する。
以上説明したように、本実施形態の風力発電装置および風力発電装置の発電制御方法では、データ蓄積部２５により、当該風力発電装置の運転時における発電出力Ｐ、風速計５により測定された風速に基づき推定される流入風速Ｗｓ、並びに、風向計６により測定された風向θｗとナセル３の方位との差である風向偏差のデータセットを逐次蓄積し、該蓄積データの統計解析を分析部２６により行って、各流入風速における発電出力の風向偏差に対する分布曲線を求める。
更に、該分布曲線がピークとなる風向偏差を風向計６の補正値θｄとし、流入風速毎の風向計の補正値を風向補正テーブル２７記憶し、運転制御部３０において、風向計６による風向Ｖｗを流入風速Ｗｓ毎の風向計の補正値θｄで補正し、該補正後の風向を制御パラメータとして使用して発電制御を行う。
特に、運転制御部３０のヨー角制御部２３では、風向計６による風向とナセル３の方位との差である風向偏差に流入風速Ｗｓ毎の風向計６の補正値θｄを加えた補正風向偏差に基づくヨー角指令θｙをヨー角制御機構１８に出力するようにしている。
このように、運転時に随時蓄積される蓄積データに基づいて風向の補正を行うので、装置コストの増大を招くことなく、より適正な風向を得ることができる。また、補正した風向を用いてヨー角制御を行うことしたので、発電性能を向上させることができるとともに、風車の疲労荷重を低減することができる。
また、風向計６の誤差の原因である偏流の大きさは、風力発電装置本体だけでなく、流入風速や、サイト周辺の地形、また設置状況によっては周辺の風力発電装置の影響も受ける可能性がある。このため、風向計６のオフセット量は逐次変化することとなり、最適な事前調整は困難である。そこで、所定周期で定期的に分析部２６を繰り返すことにより、風向補正テーブル２７には常に最適な補正値を保持することができ、継続して発電性能を向上させることができる。
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態に係る風力発電装置および風力発電装置の発電制御方法について説明する。第２の実施形態の風力発電装置の構成は、上述した第１の実施形態に係る風力発電装置等と略同様の構成を備えるが、制御装置２０に学習モード制御部を備える点で異なる。
第１の実施形態では運転中に風向補正テーブル２７の作成・更新を行っていたのに対し、本実施形態の風力発電装置および風力発電装置の発電制御方法では、通常運転とは別の学習モードによる運転を行って風向補正テーブル２７を作成するものである。
すなわち、学習モード制御部では、ヨー角制御機構１８により、所定時間毎に、ターゲットとする風向に対して所定量ずつナセル３の方位を段階的に変化させ、ターゲット風向とナセル３の方位との差である風向偏差を変化させる学習モードで当該風力発電装置を運転させる。
また、データ蓄積部２５では、学習モードの当該風力発電装置の運転時における発電出力Ｐ、風速計５により測定された風速に基づき推定される流入風速Ｗｓ、並びに、風向偏差のデータセットを逐次蓄積する。分析部２６では、第１の実施形態と同様に、蓄積データの統計解析を行って、各流入風速Ｗｓにおける発電出力Ｐの風向偏差に対する分布曲線を求め、該分布曲線がピークとなる風向偏差を風向計の補正値θｄとし、流入風速毎の風向計の補正値を風向補正テーブル２７に記憶する。
次に、本実施形態の風力発電装置における発電制御方法について、図６を参照して説明する。ここで、図６は、データ蓄積部２５および分析部２６による風向補正テーブル２７の作成と、ヨー角制御部２３によるヨー角制御を説明する説明図である。
まず、学習モード制御部により、学習モードで当該風力発電装置を運転し、ヨー角制御機構１８により、所定時間毎に、ターゲットとする風向に対して所定量ずつナセル３の方位を段階的に変化させ、ターゲット風向とナセル３の方位との差である風向偏差を変化させる。
次に、データ蓄積部２５により、当該風力発電装置の学習モード運転時における発電出力Ｐと、流入風速推定部２４により推定された流入風速Ｗｓと、風向計６により測定された風向θｗとナセル３の方位との差である風向偏差とによるデータセットを逐次蓄積していく。
ある流入風速について、蓄積データを発電出力Ｐ対風向偏差の平面上にプロットすれば、例えば、枠内図に示すような分布が得られる。この分布に沿った分布曲線を分析部２６の統計解析によって求め、該分布曲線がピークとなる風向偏差（ずれ量Δθ）を風向計６の補正値θｄとする。この一連の処理を全ての流入風速Ｗｓについて行って、各流入風速Ｗｓに対する風向計６の補正値θｄを風向補正テーブル２７に記憶する。
一方、ヨー角制御部２３では、流入風速推定部２４から出力された（現時点の）流入風速Ｗｓに基づき風向補正テーブル２７を参照して、風向計６の補正値θｄを得る。また他方で、風向計６により計測した風向θｗと、ナセル３の方位との差をとって風向偏差を求め、これをオフセット指令とする。該オフセット指令に風向計の補正値θｄを加えて補正した風向偏差を修正オフセット指令（ヨー角指令θｙ）として、ヨー角制御機構１８に出力する。
なお、学習モードで風向補正テーブル２７を作成した後、一定時間、ヨー角制御部２３によるヨー角制御を行って、修正オフセット指令（ヨー角指令θｙ）がほぼゼロになるかどうかの確認を行うことが好ましい。ほぼゼロになれば適正な風向補正テーブル２７が得られたとして学習モードを終了して良いが、ゼロにならなければ適正な風向補正テーブル２７が得られていないので、再度、学習モードによる風向補正テーブル２７の作成を試みる。
以上説明したように、本実施形態に係る風力発電装置および風力発電装置の発電制御方法では、学習モード制御部により、ヨー角制御機構１８を用いて、所定時間毎に、ターゲットとする風向に対して所定量ずつナセル３の方位を段階的に変化させ、ターゲット風向とナセル３の方位との差である風向偏差を変化させる学習モードで当該風力発電装置を運転させ、データ蓄積部２５により、学習モードの当該風力発電装置の運転時における発電出力Ｐ、風速計５により測定された風速に基づき推定される流入風速Ｗｓ、並びに、風向計６により測定された風向θｗとナセル３の方位との差である風向偏差のデータセットを逐次蓄積する。
そして、該蓄積データの統計解析を分析部２６により行って、各流入風速における発電出力の風向偏差に対する分布曲線を求め、該分布曲線がピークとなる風向偏差を風向計６の補正値θｄとし、流入風速毎の風向計の補正値を風向補正テーブル２７記憶し、運転制御部３０により、風向計６による風向Ｖｗを流入風速Ｗｓ毎の風向計の補正値θｄで補正し、該補正後の風向を制御パラメータとして使用して発電制御を行う。
特に、運転制御部３０のヨー角制御部２３では、風向計６による風向とナセル３の方位との差である風向偏差に流入風速Ｗｓ毎の風向計６の補正値θｄを加えた補正風向偏差に基づくヨー角指令θｙをヨー角制御機構１８に出力するようにしている。
このように、学習モード時に随時蓄積される蓄積データに基づいて風向の補正を行うので、装置コストの増大を招くことなくより適正な風向を得ることができる。また、補正した風向を用いてヨー角制御を行うことしたので、発電性能を向上させることができるとともに、風車の疲労荷重を低減することができる。
また、別途学習モードによる運転制御を設けて強制的に風向偏差を変化させてデータ収集を行うので、自然に任せてデータ収集を行う第１の実施形態に比べ、短期間で必要となるデータを蓄積できるので、短期間の内に風向補正テーブル２７を作成することができ、特に、サイト立ち上げ時の初期設定に有効である。
〔第３の実施形態〕
次に、図７は本発明の第３の実施形態に係る風力発電システムの構成図である。図７において、本実施形態の風力発電システムは、Ｍ台の風力発電装置１−１〜１−Ｍを備えたウィンドファームであり、Ｍ台の風力発電装置１−１〜１−Ｍの運転を集中管理する中央制御装置１００を備えている。
各風力発電装置１−１〜１−Ｍの概略構成は第１の実施形態および第２の実施形態と同様に、図１で示される構成を持つが、制御部１３０−１〜１３０−Mの詳細構成は、図２に示した発電機出力制御部２１、ピッチ角制御部２２およびヨー角制御部２３を備えた運転制御部３０と、流入風速推定部２４を少なくとも備えていればよく、その他の構成要素は不要である。
また、中央制御装置１００は、送受信部１０１、データ蓄積部１２５、分析部１２６、風向補正テーブル１２７および学習モード制御部１２８を備えた構成である。
本実施形態の風力発電システムでは、中央制御装置１００の学習モード制御部１２８により、特定の風力発電装置または特定の複数台の風力発電装置を選定し、該風力発電装置において、ヨー角制御機構１８により、所定時間毎に、ターゲットとする風向に対して所定量ずつナセルの方位を段階的に変化させ、ターゲット風向とナセル方位との差である風向偏差を変化させる学習モードで該風力発電装置を運転させる。
そして、データ蓄積部１２５により、学習モードの運転時における発電出力Ｐ、風速計５により測定された風速に基づき推定される流入風速Ｗｓ、並びに、風向偏差のデータセットを、特定の風力発電装置または特定の複数台の風力発電装置から逐次受信して蓄積し、分析部１２６により、蓄積データの統計解析を行って、各流入風速Ｗｓにおける発電出力Ｐの風向偏差に対する分布曲線を求める。更に、該分布曲線がピークとなる風向偏差を風向計６の補正値とし、流入風速毎の風向計６の補正値を風向補正テーブル１２７に記憶する。
なお、特定の複数台の風力発電装置を選定してデータ収集する場合には、複数台の風力発電装置から逐次受信するデータセットを単に重畳して１つの蓄積データを作る。また、各風力発電装置１−１〜１−Ｍの制御部１３０−１〜１３０−Ｍ（発電機出力制御部２１、ピッチ角制御部２２およびヨー角制御部２３を備えた運転制御部３０）が行う運転制御は、第１の実施形態および第２の実施形態と同様であるが、風向補正テーブルを参照する際は、中央制御装置１００内の風向補正テーブル１２７まで読みに行くことになる。
また、風向補正テーブルのデータ容量は小さいので、各風力発電装置１−１〜１−Ｍの制御部１３０−１〜１３０−Ｍ内に風向補正テーブルを備えて、中央制御装置１００により風向補正テーブル１２７を作成した後に、各風力発電装置１−１〜１−Ｍに一括送信するようにしても良い。
一般に、ウィンドファームでは、周辺の風力発電装置の影響を受けないように、一定の間隔で風力発電装置が配置されるので、１台または数台の風力発電装置を選定して、より効率的に風向補正テーブル１２７を作成することができる。
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、具体的な構成はこれら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、蓄積データにおいて、発電出力Ｐの代わりにタワー軸回りのモーメントを用いても良い。また、蓄積データにおいて、発電出力Ｐの代わりにヨー角制御機構１８におけるヨーモータの消費電力を用いても良い。これらを用いる場合、分析部２６は、データ蓄積部２５による蓄積データの統計解析を行って、各流入風速におけるタワー軸回りのモーメントまたはヨーモータの消費電力のいずれかの風向偏差に対する分布曲線を求め、該分布曲線がピークとなる風向偏差を風向計６の補正値θｄとし、流入風速毎の風向計６の補正値を風向補正テーブル２７に記憶することになる。
また、蓄積データにおいて、発電出力Ｐの代わりに、発電出力にＦＦＴ処理を施したときのパワースペクトルにおける回転周波数のＮ倍成分を用いても良い。ここで、Ｎは風車ブレード１２の翼の数であり、３本の場合には、回転周波数のパワースペクトルの３倍成分である。この場合、分析部２６は、データ蓄積部２５による蓄積データの統計解析を行って、各流入風速における発電出力のパワースペクトルの回転周波数のＮ倍成分の風向偏差に対する分布曲線を求め、該分布曲線がアンダーピークとなる風向偏差を風向計６の補正値θｄとし、流入風速毎の風向計６の補正値を風向補正テーブル２７に記憶することになる。
さらに、第１の実施形態から第３の実施形態においては、ピッチ角制御および発電機出力制御を独立して行う可変速回転制御方式の風力発電装置の構成に適用した例を示したが、運転（試験運転を含む）中に、風向θｗおよび風速Ｖｗに対する発電量Ｐ、タワー軸回りのモーメントＭｚ、或いはヨー角制御機構におけるヨーモータの消費電力等のデータを蓄積可能な構成の風力発電装置であれば、どのような方式のものであっても良い。
本発明の第１の実施形態に係る風力発電装置の全体の概略構成図である。 図１に示した制御装置の詳細構成図である。 流入風速に対する発電出力、回転数およびピッチ角の変化を設営する説明図である。 各流入風速における発電出力の風向偏差に対する分布曲線を例示する説明図である。 データ蓄積部および分析部による風向補正テーブルの作成と、ヨー角制御部によるヨー角制御を説明する説明図である。 データ蓄積部および分析部による風向補正テーブルの作成と、ヨー角制御部によるヨー角制御を説明する説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る風力発電システムの構成図である。
符号の説明
２，２−１〜２−Ｍ タワー
３，３−１〜３−Ｍ ナセル
５ 風速計
６ 風向計
１１ 風車ロータ
１２ 風車ブレード
１４ 増速機
１５ 発電機システム
１７ ピッチ角制御機構
１８ ヨー角制御機構
２０，１３０−１〜１３０−Ｍ 制御部
２１ 発電機出力制御部
２２ ピッチ角制御部
２３ ヨー角制御部
２４ 流入風速推定部
２５，１２５ データ蓄積部
２６，１２６ 分析部
２７，１２７ 風向補正テーブル
１２８ 学習モード制御部
３０ 運転制御部
１−１〜１−Ｍ 風力発電装置
１００ 中央制御装置
１０１ 送受信部

Claims (12)

  1. ナセルに設置された風速計および風向計と、前記ナセルの方位を制御するヨー角制御機構とを備えた風力発電装置であって、
    当該風力発電装置の運転時における発電出力、前記風速計により測定された風速に基づき推定される流入風速、並びに、前記風向計により測定された風向と前記ナセルの方位との差である風向偏差のデータセットを逐次蓄積するデータ蓄積手段と、
    前記データ蓄積手段による蓄積データの統計解析を行って、各流入風速における発電出力の風向偏差に対する分布曲線を求め、該分布曲線がピークとなる風向偏差を前記風向計の補正値とし、流入風速毎の前記風向計の補正値を記憶する分析手段と、
    前記風向計による風向を前記流入風速毎の前記風向計の補正値で補正し、該補正後の風向を制御パラメータとして使用して発電制御を行う制御手段と
    を具備する風力発電装置。
  2. ナセルに設置された風速計および風向計と、前記ナセルの方位を制御するヨー角制御機構とを備えた風力発電装置であって、
    前記ヨー角制御機構により、所定時間毎に、ターゲットとする風向に対して所定量ずつ前記ナセルの方位を段階的に変化させ、前記ターゲット風向と前記ナセル方位との差である風向偏差を変化させる学習モードで当該風力発電装置を運転させる学習モード制御手段と、
    前記学習モードの当該風力発電装置の運転時における発電出力、前記風速計により測定された風速に基づき推定される流入風速、並びに、前記風向偏差のデータセットを逐次蓄積するデータ蓄積手段と、
    前記データ蓄積手段による蓄積データの統計解析を行って、各流入風速における発電出力の風向偏差に対する分布曲線を求め、該分布曲線がピークとなる風向偏差を前記風向計の補正値とし、流入風速毎の前記風向計の補正値を記憶する分析手段と、
    通常運転時に、前記風向計による風向を前記流入風速毎の前記風向計の補正値で補正し、該補正後の風向を制御パラメータとして使用して発電制御を行う制御手段と
    を具備する風力発電装置。
  3. 前記制御手段は、前記風向計による風向と前記ナセルの方位との差である風向偏差に前記流入風速毎の前記風向計の補正値を加えた補正風向偏差に基づくヨー角指令を前記ヨー角制御機構に出力するヨー角制御手段を具備する請求項１または請求項２に記載の風力発電装置。
  4. 前記データ蓄積手段は、運転時におけるタワー軸回りのモーメント、前記ヨー角制御機構におけるヨーモータの消費電力、或いは発電出力にＦＦＴ処理を施したときのパワースペクトルにおける回転周波数のＮ倍成分のいずれかと、前記流入風速と、前記風向偏差とのデータセットを逐次蓄積し、
    前記分析手段は、前記データ蓄積手段による蓄積データの統計解析を行って、各流入風速における前記タワー軸回りのモーメント、前記ヨーモータの消費電力、或いは前記発電出力のパワースペクトルの回転周波数のＮ倍成分のいずれかの風向偏差に対する分布曲線を求め、該分布曲線がピークまたはアンダーピークとなる風向偏差を前記風向計の補正値とし、流入風速毎の前記風向計の補正値を記憶する請求項１から請求項３のいずれかに記載の風力発電装置。
  5. 各々がナセルに設置された風速計および風向計と、前記ナセルの方位を制御するヨー角制御機構とを備えた複数台の風力発電装置と、該複数台の風力発電装置の運転を集中管理する中央制御装置とを備える風力発電システムであって、
    前記中央制御装置は、
    特定の風力発電装置または特定の複数台の風力発電装置の運転時における発電出力、前記風速計により測定された風速に基づき推定される流入風速、並びに、前記風向計により測定された風向と前記ナセルの方位との差である風向偏差のデータセットを逐次蓄積するデータ蓄積手段と、
    前記データ蓄積手段による蓄積データの統計解析を行って、各流入風速における発電出力の風向偏差に対する分布曲線を求め、該分布曲線がピークとなる風向偏差を前記風向計の補正値とし、流入風速毎の前記風向計の補正値を記憶する分析手段と
    を具備し、
    各前記風力発電装置は、
    前記風向計による風向を前記流入風速毎の前記風向計の補正値で補正し、該補正後の風向を制御パラメータとして使用して発電制御を行う制御手段をそれぞれ具備する風力発電システム。
  6. 各々がナセルに設置された風速計および風向計と、前記ナセルの方位を制御するヨー角制御機構とを備えた複数台の風力発電装置と、該複数台の風力発電装置の運転を集中管理する中央制御装置とを備える風力発電システムであって、
    前記中央制御装置は、
    特定の風力発電装置または特定の複数台の風力発電装置において、前記ヨー角制御機構により、所定時間毎に、ターゲットとする風向に対して所定量ずつ前記ナセルの方位を段階的に変化させ、前記ターゲット風向と前記ナセル方位との差である風向偏差を変化させる学習モードで該特定の風力発電装置または特定の複数台の風力発電装置を運転させる学習モード制御手段と、
    前記学習モードの特定の風力発電装置または特定の複数台の風力発電装置の運転時における発電出力、前記風速計により測定された風速に基づき推定される流入風速、並びに、前記風向偏差のデータセットを逐次蓄積するデータ蓄積手段と、
    前記データ蓄積手段による蓄積データの統計解析を行って、各流入風速における発電出力の風向偏差に対する分布曲線を求め、該分布曲線がピークとなる風向偏差を前記風向計の補正値とし、流入風速毎の前記風向計の補正値を記憶する分析手段とを具備し、
    各前記風力発電装置は、
    通常運転時に、前記風向計による風向を前記流入風速毎の前記風向計の補正値で補正し、該補正後の風向を制御パラメータとして使用して発電制御を行う制御手段をそれぞれ具備する風力発電システム。
  7. 前記制御手段は、前記風向計による風向と前記ナセルの方位との差である風向偏差に前記流入風速毎の前記風向計の補正値を加えた補正風向偏差に基づくヨー角指令を前記ヨー角制御機構に出力するヨー角制御手段を具備する請求項５または請求項６に記載の風力発電システム。
  8. 前記データ蓄積手段は、運転時におけるタワー軸回りのモーメント、前記ヨー角制御機構におけるヨーモータの消費電力、或いは発電出力にＦＦＴ処理を施したときのパワースペクトルにおける回転周波数のＮ倍成分のいずれかと、前記流入風速と、前記風向偏差とのデータセットを逐次蓄積し、
    前記分析手段は、前記データ蓄積手段による蓄積データの統計解析を行って、各流入風速における前記タワー軸回りのモーメント、前記ヨーモータの消費電力、或いは前記発電出力のパワースペクトルの回転周波数のＮ倍成分のいずれかの風向偏差に対する分布曲線を求め、該分布曲線がピークまたはアンダーピークとなる風向偏差を前記風向計の補正値とし、流入風速毎の前記風向計の補正値を記憶する請求項５から請求項７のいずれかに記載の風力発電システム。
  9. ナセルに設置された風速計および風向計と、前記ナセルの方位を制御するヨー角制御機構とを備えた風力発電装置の発電制御方法であって、
    当該風力発電装置の運転時における発電出力、前記風速計により測定された風速に基づき推定される流入風速、並びに、前記風向計により測定された風向と前記ナセルの方位との差である風向偏差のデータセットを逐次蓄積するデータ蓄積工程と、
    前記データ蓄積工程による蓄積データの統計解析を行って、各流入風速における発電出力の風向偏差に対する分布曲線を求め、該分布曲線がピークとなる風向偏差を前記風向計の補正値とし、流入風速毎の前記風向計の補正値を記憶する分析工程と、
    前記風向計による風向を前記流入風速毎の前記風向計の補正値で補正し、該補正後の風向を制御パラメータとして使用して発電制御を行う制御工程と
    を有する風力発電装置の発電制御方法。
  10. ナセルに設置された風速計および風向計と、前記ナセルの方位を制御するヨー角制御機構とを備えた風力発電装置の発電制御方法であって、
    前記ヨー角制御機構により、所定時間毎に、ターゲットとする風向に対して所定量ずつ前記ナセルの方位を段階的に変化させ、前記ターゲット風向と前記ナセル方位との差である風向偏差を変化させる学習モードで当該風力発電装置を運転させる学習モード制御工程と、
    前記学習モードの当該風力発電装置の運転時における発電出力、前記風速計により測定された風速に基づき推定される流入風速、並びに、前記風向偏差のデータセットを逐次蓄積するデータ蓄積工程と、
    前記データ蓄積ステップによる蓄積データの統計解析を行って、各流入風速における発電出力の風向偏差に対する分布曲線を求め、該分布曲線がピークとなる風向偏差を前記風向計の補正値とし、流入風速毎の前記風向計の補正値を記憶する分析工程と、
    通常運転時に、前記風向計による風向を前記流入風速毎の前記風向計の補正値で補正し、該補正後の風向を制御パラメータとして使用して発電制御を行う制御工程と
    を有する風力発電装置の発電制御方法。
  11. 前記制御工程は、前記風向計による風向と前記ナセルの方位との差である風向偏差に前記流入風速毎の前記風向計の補正値を加えた補正風向偏差に基づくヨー角指令を前記ヨー角制御機構に出力するヨー角制御工程を有する請求項９または請求項１０に記載の風力発電装置の発電制御方法。
  12. 前記データ蓄積工程は、運転時におけるタワー軸回りのモーメント、前記ヨー角制御機構におけるヨーモータの消費電力、或いは発電出力にＦＦＴ処理を施したときのパワースペクトルにおける回転周波数のＮ倍成分のいずれかと、前記流入風速と、前記風向偏差とのデータセットを逐次蓄積し、
    前記分析工程は、前記データ蓄積工程における蓄積データの統計解析を行って、各流入風速における前記タワー軸回りのモーメント、前記ヨーモータの消費電力、或いは前記発電出力のパワースペクトルの回転周波数のＮ倍成分のいずれかの風向偏差に対する分布曲線を求め、該分布曲線がピークまたはアンダーピークとなる風向偏差を前記風向計の補正値とし、流入風速毎の前記風向計の補正値を記憶する請求項９から請求項１１のいずれかに記載の風力発電装置の発電制御方法。
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