JP5079094B2 - 風車の制御装置及び制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電用の風車の制御に係り、特に警報によるシャットダウンシーケンス時の制御に関するものである。

図１は、風力発電装置に使用されるプロペラ型風車の構成例を示す側面図である。風車１１は、地面に対して固定された支柱１２と、支柱１２の上部に支持されたナセル１３を備える。ナセル１３の一端にロータヘッド１４が取り付けられる。ロータヘッド１４には、複数枚の風車ブレード１５が取り付けられる。風車ブレード１５は通常３枚であり、本明細書でも３枚の風車ブレード１５を持つ構成について説明するが、異なる枚数の風車ブレード１５の場合にも本明細書の説明を適用することができる。制御部１６は、風況に応じて所定の回転速度と出力を得るように風車ブレード１５の翼ピッチ角の制御を行う。また、警報検知などの際には、風車ブレード１５の翼ピッチ角を急速に閉じて風車１１を速やかに停止させるためにシャットダウン制御が行われる。

風車は、外部要因によって通常の条件から逸脱した場合に、その外部要因が無くなるまでのあいだ停止する必要がある。例えば風速が所定の条件を上回った場合や、温度、湿度、系統の周波数の変動が所定の基準を上回った場合、電圧に異常が発生した場合、地震などによる振動が発生した場合などに、それらを検知して警報を発信するセンサに応答して、安全のために風車は停止される。

風車の停止は、以下のように行われる。風車の通常運転中には、風車は風力を電力に変換する。発生した電力は系統電力と周波数等の特性が同じ電力に変換され、複数の風車が属するウインドファーム全体で纏められて、系統電源に連系される。

運転中に何らかの警報が発生すると、その警報を示す信号に応答して、風車の風力発電機能を完全に停止するための一連の制御からなるシャットダウンシーケンスが開始される。シャットダウンシーケンスにおいては風車の回転に制動力を与えるブレーキが作動し、ピッチのフェザリング動作が開始して、ピッチがファイン側からフェザリング位置に向って動作する。その動作の結果、風車の回転数が次第に低下する。風車の回転数が所定の基準を下回ると、風車はウインドファームの電力系統から遮断されて解列される。風車が解列され、そのピッチがフェザリング位置になった状態でシャットダウンが完了する。

特許文献１には、系統電圧低下、あるいは系統側電力変換器において過電流が発生した場合における風力発電システムの制御方法が記載されている。

特開２００８−２８３７４７号公報

しかしながら、上記特許文献１の方法では、ウインドファームの或る風車について警報が発生したとき、その風車はシャットダウンシーケンスに入るように制御されて解列され、一旦停止される。外部要因による軽微な警報など一過性の警報の場合は、シャットダウンシーケンス中に警報要因が復旧し、警報が解除されている場合がある。そのような場合、風車のシャットダウンが一旦完了した後に、警報を自動リセットし、風車の起動が行われるが、風車停止時間が長い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、風車のシャットダウンによる稼働率の低下を抑制する制御装置及び制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の第１の態様は、警報を示す信号を取得する警報取得部と、風車のフェザリングを開始してから停止するまでの一連の動作をシャットダウンシーケンスとして記憶するシャットダウンシーケンス記憶部と、警報を示す信号に応答して、シャットダウンシーケンスを開始するシャットダウン開始部と、シャットダウンシーケンスの途中で警報が解除されたとき、シャットダウンシーケンスを中止して風車のブレードのピッチ角度がファインとなるように制御する復旧制御を行う復旧部とを備える風車の制御装置である。

このように、シャットダウンシーケンスを中止してブレードのピッチ角度がファインにもどるように制御する事で、シャットダウン完了まで行いリセットしてから風車の起動を開始する従来の技術に比べて、風車停止時間を短くすることができる。

上記態様においては、復旧制御において風車が解列されていたとき、ブレードのピッチ角度がファインに近づくように制御を開始した後、風車の回転数が所定の併入基準を上回ったときに風車を併入する風車の制御装置としてもよい。

上記態様の更に他の側面において、シャットダウンシーケンスは、風車のフェザリングを開始し、次いで風車の回転数が所定の基準を下回ったら風車の解列を行い、次いで風車の制御を停止する風車の制御装置としてもよい。

本発明の第２の態様は、警報を示す信号を取得する工程と、警報を示す信号に応答して、風車のフェザリングを開始してから停止するまでの一連の動作を示すシャットダウンシーケンスを開始する工程と、シャットダウンシーケンスの途中で警報が解除されたとき、シャットダウンシーケンスを中止して風車のブレードのピッチ角度がファインとなるように制御する復旧制御を行う制御方法である。

上記態様においては、風車の制御方法は、復旧制御において風車が解列されていたとき、ブレードのピッチ角度がファインに近づくように制御を開始した後、風車の回転数が所定の併入基準を上回ったときに風車を併入する制御方法としてもよい。

上記態様の更に他の側面において、シャットダウンシーケンスは、風車のフェザリングを開始し、次いで風車の回転数が所定の基準を下回ったら風車の解列を行い、次いで風車を停止する制御方法としてもよい。

本発明によれば、風車のシャットダウンによる風車停止時間を短くでき、ウインドファームの稼働率の低下を抑制するという効果を奏する。

図１は、風車の外観を示す。 図２は、従来の風車の状態遷移図である。 図３は、本発明の実施形態における風車の制御装置を示す。 図４は、本発明の実施形態における風車の状態遷移図である。 図５は、本発明の実施形態におけるシャットダウンから警報解除後の運転復帰までを示す閾値とシーケンスフローである。 図６は、本発明の実施形態における警報発生から警報解除までの期間を含む前後の運転制御因子の経時変化則を示すタイミングチャートである。

以下、図面を参照して本発明に係る警報要因解除時の風車の制御装置及び制御方法の実施形態について説明する。本実施形態における制御装置及び制御方法は、図１に例示される構成の風車に適用することができる。まず本発明を説明するための従来の風車の起動及び復旧時の制御の一例を説明する。

図２は、風車の状態遷移図である。風車は、停止して制御から外された状態（Ｓ１０１）から、待機状態（Ｓ１０２）に移行する。起動を指令する信号を受信すると、風車は起動される（Ｓ１０３）。起動中に外部要因の検知結果に基づいて軽微な警報を示す警報信号が発生すると、風車はシャットダウンシーケンス（Ｓ１０５）に入る。風車の起動が正常に行われると、風車はピッチがファイン側に向けて駆動されて運転される（Ｓ１０４）。起動中に外部要因の検知結果に基づいて警報を示す警報信号が発生すると、風車はシャットダウンシーケンス（Ｓ１０５）に入る。シャットダウン中に警報信号が発生すると、シャットダウンが完了した後、風車は待機状態（Ｓ１０２）に入り、起動の指令を待つ。

軽微な警報など一過性のものは、警報要因が復旧していれば風車の再運転が可能である。そのため、風車の停止時間をより少なくして稼働率を向上させることが可能である。

図３は、そのような稼働率の向上を可能とする本発明の実施形態における風車の制御装置を示す。風車１１の制御部１６に搭載される制御装置１は、警報取得部２と、シャットダウンシーケンス記憶部３と、シャットダウン開始部４と、復旧部５とを備える。これらの各部は、記憶装置に格納されたプログラムをＣＰＵが読み込んで実行することによって実現される機能ブロックである。警報取得部２は、警報を示す信号を取得し、その警報信号に応答して風車のシャットダウンを指令する信号を生成する。本実施形態においては、短時間で復旧できる可能性がある軽微な外部要因が発生したときに警報信号が発生される。

シャットダウンシーケンス記憶部３は、シャットダウンを指令する信号に応答して行われるシャットダウンシーケンス（又はトリップシーケンス）を記憶する。シャットダウンシーケンスは以下のように行われる。通常運転時の風車は、その羽根のピッチが風力を最も効率的にトルクに変換できるファイン側となるように制御されている。風力によって風車が回転し、風車の発電機はその回転によって電力を生成する。その電力は系統電源と同種の電力に変換される。ウインドファームに属する複数の風車のうち通常の運転を行っている風車はウインドファームの電力系統に併入されており、その電力はウインドファーム全体で纏められて系統電源に連系される。

シャットダウンシーケンスが開始されると、フェザリングが開始され、ピッチがフェザリング角度に向って制御される。フェザリングに伴って風車の回転数が低下する。更に、以下のようにして風車に制動力が与えられる。風車はその回転に制動力を与える油圧系統を備える。通常運転時には油圧系統に電力が供給されている。その電力により電磁弁が油圧ブレーキを開放状態に制御し、ブレーキが効いていない状態となる。解列の後、その油圧系統に対する電力の供給が遮断される。電磁弁に電力の供給が停止されると、アキュムレータの油がブレーキに供給されて油圧ブレーキが効いた状態となり、風車の回転に一定の制動力が掛けられる。

シャットダウンシーケンス開始部４は予め第１の回転数の基準値を記憶しており、風車の回転数が所定の基準を下回ると、その風車の発電機の電力系統をウインドファームの風車群が生成する電力の系統から遮断する解列を行う。このような制御の他に、シャットダウンシーケンスが開始されると即時に解列する制御が採用される場合もある。

解列が行われ、風車は油圧ブレーキによって回転が抑制された状態で回転するか又は停止する。この回転が抑制された状態で回転するか停止する状態が、後述する図４のＳ１等で言う「停止」であり、風車の発電機が制御系や電力系から遮断された状態である。

シャットダウンシーケンス記憶部３は以上の例のようなシャットダウンの手順を記憶する。警報取得部２が警報信号を取得すると、シャットダウンシーケンス開始部４は警報信号に応答してシャットダウンシーケンスを開始する。制御装置１は、シャットダウンシーケンス記憶部３の情報に基づいて、風車のフェザリングを開始してから停止するまでの一連の動作を自動的にシーケンシャルに行う。

復旧部５は、シャットダウンシーケンスの途中で前記警報が解除されたとき、シャットダウンシーケンスを中止して復旧制御を行う。図５は、復旧部５の動作を示す。シャットダウン中に、復旧部５は警報信号の状態を監視している（Ｓ１０）。警報要因が復旧しない間、復旧部は待機処理を行う（Ｓ１１ＮＯ）。警報要因が復旧すると（Ｓ１１ＹＥＳ）、ピッチのフェザリングを停止する。この時点で、ピッチをファイン側に動かす制御を開始してもよい（Ｓ１２）。風車の発電機が系統に併入していることが併入・解列フラグによって認識されると（Ｓ１３ＹＥＳ）、復旧部５は風車を運転ステートに移行させる（Ｓ１４）。

風車の発電機が系統から解列されていることが併入・解列フラグによって認識されると（Ｓ１３ＮＯ）、復旧部５は風車を起動ステートに移行させ（Ｓ１５）、ピッチをファイン側に向うように制御する（Ｓ１６）。それに伴って風車の回転数は次第に上昇する。風車の回転数が所定の併入回転数に達するまで、復旧部５は待機処理をする（Ｓ１７ＮＯ）。風車の回転数が併入回転数に達すると（Ｓ１７ＹＥＳ）、復旧部５は風車を系統に併入する（Ｓ１８）。この制御により運転ステートへの移行が完了する（Ｓ１９）。

次に、図４の状態遷移図と図６のタイミングチャートとを参照して、本実施形態における制御について説明する。この例においては、警報が発生すると風車は即時に解列される。風車が停止した状態（Ｓ１）から待機状態（Ｓ２）に移行し、更に起動されて（Ｓ３）運転状態となる（Ｓ４）までの制御は、図２で説明した参考例と同様である。更に、シャットダウンが完了した後で警報が解除された場合も同様に、図４の経路Ｐ１で示すように、待機状態に制御される（Ｓ２）。図６において、時刻ｔ０からｔ１までは運転状態を示す。この状態では、警報信号は出力されていない。ピッチ角はファイン側の角度を取る。回転数は風力に応じて概ね決まる。風車を制動するための危急電磁弁には電力が供給され、制動力がかかっていない状態に制御される。風車は風力を受けてトルクを生成し、発電機はそのトルクを電力に変換する。

図６の時刻ｔ１において停電等の警報信号が発生し、図３の警報取得部２が警報信号を取得する。シャットダウン開始部４は警報信号をトリガーとしてシャットダウンシーケンスを開始する（Ｓ５）。風車はウインドファームの電力系統から即時に解列される。ピッチ角がフェザリング側に向けて制御される。更に、危急電磁弁が電源から遮断されることによって危急ブレーキが作動し、風車の回転に制動力が与えられる。その結果、回転数が次第に低下する。

時刻ｔ２においてシャットダウンシーケンスを実行している間に警報が解除されると、図４の経路Ｐ２を通って起動状態（Ｓ３）に向けて制御される。復旧部５は、シャットダウンシーケンスを中断し、起動シーケンスに入る。起動シーケンスにおいて、危急電磁弁に電力が供給されて制動が停止される。ブレードのピッチがファイン側に向けて制御される。風車の回転数が次第に上昇する。時刻ｔ３において回転数が所定の基準（併入回転数）を上回ると、復旧部５は風車をウインドファームの電力系統に併入し、風車は運転状態（Ｓ４）となる。

以上の例では警報時に即時解列されたが、警報時に回転数が所定の基準を下回ってから解列する制御においては、風車が解列される前に警報が解除される場合がある。その場合、復旧部５は、図４の経路Ｐ３を経由して風車を運転状態（Ｓ４）に移行させる。

以上に説明した制御により、例えば人が常時監視していない風車においても、警報時の高速自動再起動が可能となる。更に、通常のシャットダウンシーケンスに復旧処理を追加することによって実現できるため、容易に導入することができる。また無停電電源装置を利用する必要が無い制御であるため、ＰＬＣ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）起動不良問題などのリスクを避けることができる。

以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。上記実施の形態に様々な変更を行うことが可能である。例えば、上記実施形態を互いに組み合わせることが可能である。

１ 制御装置
２ 警報取得部
３ シャットダウンシーケンス記憶部
４ シャットダウン開始部
５ 復旧部
１１ 風車
１２ 支柱
１３ ナセル
１４ ロータヘッド
１５ 風車ブレード
１６ 制御部

Claims (6)

1. 警報を示す信号を取得する警報取得部と、
   風車のフェザリングを開始してから停止するまでの一連の動作をシャットダウンシーケンスとして記憶するシャットダウンシーケンス記憶部と、
   前記警報を示す信号に応答して、前記シャットダウンシーケンスを開始するシャットダウン開始部と、
   前記シャットダウンシーケンスの途中で前記警報が解除されたとき、前記シャットダウンシーケンスを中止して前記風車のブレードのピッチ角度がファインとなるように制御する復旧制御を行う復旧部
   とを具備する風車の制御装置。
2. 請求項１に記載された風車の制御装置であって、
   前記復旧制御において前記風車が解列されていたとき、前記ブレードのピッチ角度がファインに近づくように制御を開始した後、前記風車の回転数が所定の併入基準を上回ったときに前記風車を併入する
   風車の制御装置。
3. 請求項１又は２に記載された風車の制御装置であって、
   前記シャットダウンシーケンスは、前記風車のフェザリングを開始し、次いで前記風車の回転数が所定の基準を下回ったら前記風車の解列を行い、次いで前記風車の制御を停止する動作である
   風車の制御装置。
4. 警報を示す信号を取得する工程と、
   前記警報を示す信号に応答して、風車のフェザリングを開始してから停止するまでの一連の動作を示すシャットダウンシーケンスを開始する工程と、
   前記シャットダウンシーケンスの途中で前記警報が解除されたとき、前記シャットダウンシーケンスを中止して前記風車のブレードのピッチ角度がファインとなるように制御する復旧制御を行う工程
   とを有する風車の制御方法。
5. 請求項４に記載された風車の制御方法であって、
   更に、前記復旧制御において前記風車が解列されていたとき、前記ブレードのピッチがファインに近づくように制御を開始した後、前記風車の回転数が所定の併入基準を上回ったときに前記風車を併入する工程
   を更に有する風車の制御方法。
6. 請求項４又は５に記載された風車の制御方法であって、
   前記シャットダウンシーケンスは、前記風車のフェザリングを開始し、次いで前記風車の回転数が所定の基準を下回ったら前記風車の解列を行い、次いで前記風車の制御を停止する動作である
   風車の制御方法。

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