JP5097729B2

JP5097729B2 - 水平軸風車

Info

Publication number: JP5097729B2
Application number: JP2009040237A
Authority: JP
Inventors: 茂雄吉田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-02-24
Filing date: 2009-02-24
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2029-02-24
Also published as: JP2010196520A

Description

本発明は、ティータドロータを有した水平軸風車のティータ角制御に関する。

従来、１枚翼又は２枚翼のロータにおいてロータ面外方向にシーソー運動を許すティータドロータを採用した水平軸風車が実用化されている。図１０に示すのは２枚翼のティータドロータの例である。このティータドロータ９１は、主軸９２に取付けられるハブ９３と、ハブ９３に取付けられるブレード９４，９４とを備えて構成される。ハブ９３、及びブレード９４，９４は主軸９２とともに回転する。ハブ９３は、主軸９２の回転軸と略垂直に交わるとともにロータ回転面に存在するティータ軸Ａ回りに主軸９２に対し矢印Ｂのようにロータ９１を回動自在にするヒンジを構成し、ダンパー９５を有してティータ軸Ａ回りにロータ９１に加わる荷重に応じた角度の変位を許すものである。この変位をティータ角と呼ぶ。主軸９２は略水平方向に延在してナセル（図示せず）に回転自在に支持される。一般に、主軸は水平に対する角度（ティルト角）を持って設置され、ナセルはタワーによってヨー回転自在に支持される。

一方、ブレードのピッチ角を制御する手段を有した水平軸風車も利用されている。２枚翼以上の場合に、１枚のブレード毎独立してピッチ角を制御する技術も利用されている。特許文献１には、ブレードのアジマス角を検出してブレード毎にピッチ角を制御する技術が記載されている。

特許文献２には、ブレードのピッチ制御装置と、ナセルのヨー角制御装置とを有した水平軸風車が記載されている。同文献記載の風車においては、風向風速計の検出値に基づきピッチ制御装置、ヨー角制御装置を制御する。

特許文献３には、ロータの方位角に応じて主軸のティルト角を変化させる機構を有した水平軸風車が記載されている。

特開２００５−８３３０８号公報特開２００７‐２８５２１４号公報特開２００３‐３５２４９号公報

本発明は以上の従来技術に鑑みてなされたものであって、主軸（ナセル）のヨー角制御装置、主軸（ナセル）のティルト角制御装置を用いることなく、一定の範囲においてロータ回転面のヨー角又は／及び上下角を制御でき、風向変化に対応することができるティータドロータを有した水平軸風車を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、ティータドロータと、
前記ティータドロータを軸支する主軸と、
前記ティータドロータのアジマス角を計測するアジマス角計測手段と、
前記ティータドロータのティータ角を計測するティータ角計測手段と、
前記アジマス角計測手段の計測値及び前記ティータ角計測手段の計測値に基づき前記ティータ角をサイクリックに制御して前記ティータドロータのロータ回転面を傾動制御するティータ角制御手段とを備える水平軸風車である。

請求項２記載の発明は、風向に対する前記主軸のヨー角を計測するヨー角計測手段と、
前記ヨー角計測手段の計測値、前記アジマス角計測手段の計測値及び前記ティータ角計測手段の計測値に基づき、風に対する前記ロータ回転面のヨー角を算出する演算手段とを備え、
前記ティータ角制御手段は、前記演算手段の算出するヨー角に基づき前記ロータ回転面をヨー軸回りに傾動制御する請求項１に記載の水平軸風車である。

請求項３記載の発明は、前記ティータ角制御手段は、前記演算手段の算出するヨー角を減少させるように前記ロータ回転面をヨー軸回りに傾動制御する請求項２に記載の水平軸風車である。

請求項４記載の発明は、前記ティータドロータに進入する風の吹上角を計測する吹上角計測手段と、
前記吹上角計測手段の計測値、前記主軸がティルト角を有する場合は前記主軸のティルト角、前記アジマス角計測手段の計測値及び前記ティータ角計測手段の計測値に基づき、風に対する前記ロータ回転面の上下角を算出する演算手段とを備え、
前記ティータ角制御手段は、前記演算手段の算出する上下角に基づき前記ロータ回転面を上下に傾動制御する請求項１に記載の水平軸風車である。

請求項５記載の発明は、前記ティータ角制御手段は、前記演算手段の算出する上下角を減少させるように前記ロータ回転面を上下に傾動制御する請求項４に記載の水平軸風車である。

請求項６記載の発明は、前記ティータドロータのブレードのピッチ角を駆動するピッチ角駆動装置を備え、
前記ティータ角制御手段は、前記ピッチ角駆動装置に指令を与えて前記ティータドロータをサイクリックにピッチ制御することにより前記ロータ回転面を傾動制御する請求項１に記載の水平軸風車である。

本発明によれば、アジマス角計測値及びティータ角計測値に基づきティータドロータのティータ角をサイクリックに制御してティータドロータのロータ回転面を傾動制御するので、主軸（ナセル）のヨー角制御装置、主軸（ナセル）のティルト角制御装置を用いることなく、ロータ回転面が主軸に対して傾動可能な範囲においてロータ回転面のヨー角又は／及び上下角を制御できるという効果がある。

風に対するロータ回転面のヨー角を検知する構成を搭載することにより、ロータ回転面が主軸に対して傾動可能な範囲において、ヨー軸回りの風向変化にロータ回転面を追従制御することも可能となる。すなわち、一定範囲の小さな風向変化であれば、主軸（ナセル）のヨー角制御装置を発動させることなく、ロータ回転面を主軸に対して傾動させることでロータ回転面を風に対して正対するように又は正対に近づくように制御することもでき、これにより発電効率の向上と疲労荷重の低減を図ることができる。また、主軸（ナセル）のヨー角制御装置の稼動頻度を減少させてその使用寿命を延ばすことができる。
また、ロータ回転面を風に対して背くように傾動させることも可能である。

風に対するロータ回転面の上下角を検知する構成を搭載することにより、ロータ回転面が主軸に対して傾動可能な範囲において、上下の風向変化にロータ回転面を追従制御することも可能となる。すなわち、主軸（ナセル）のティルト角制御装置を設けなくとも、一定範囲の小さな上下の風向変化であれば、ロータ回転面を主軸に対して傾動させることで、例えば複雑地形における吹上角変化や浮体式洋上風車における風車全体のピッチ角変化に対応してロータ回転面を風に対して正対するように又は正対に近づくように制御することができ、これにより発電効率の向上と疲労荷重の低減を図ることができる。なお、風車全体のピッチ角変化は、風車に搭載される吹上角計測手段の傾き変化を伴うから、吹上角計測手段の計測値に反映される。
また、ロータ回転面を風に対して背くように傾動させることも可能である。

ティータ角をサイクリックに制御する手段としては、ブレードのピッチ角制御装置によるサイクリックピッチ制御を適用することができるが、他の手段によってもよい。

パラメータの定義のための回転軸方向から見たティータドロータの模式図である。パラメータの定義のためのティータ軸方向から見たティータドロータの模式図である。パラメータの定義のための横から見たティータドロータの模式図である。パラメータの定義のための横から見たティータドロータの模式図である。パラメータの定義のための上から見たティータドロータの模式図である。パラメータの定義のための上から見たティータドロータの模式図である。本発明一実施形態に係る水平軸風車に搭載される制御装置の演算・制御内容を示したブロックである。本発明例と比較例のシミュレーションに係る３枚翼風車のピッチ角変化、及びコレクティブ・ピッチの変化を示したグラフである。本発明例と比較例のシミュレーションに係るヨートルク変化曲線を示したグラフである。２枚翼のティータドロータの中心部の側面図である。

以下に本発明の一実施形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。

以下に説明するようにティータドロータを有した水平軸風車において、風向変化に従ってティータ角の変動を伴うロータ回転面の傾動制御が行われる。
本水平軸風車は、ブレードがハブに取付けられてなるティータドロータと、ティータ軸ヒンジを介してハブに接続される主軸と、主軸によりティータドロータを回転自在に軸支するナセルと、ナセルをヨー回転自在に支持するタワーとを備えて構成される。
また本水平軸風車は、ティータドロータのアジマス角、ティータ角を計測する手段として、アブソリュートエンコーダやポテンションメータなどを備える。本水平軸風車は、風向に対する主軸のヨー角を計測するヨー角計測手段としてナセル上に設置される風向計、ティータドロータに進入する風の吹上角を計測する吹上角計測手段として三次元超音波風速計などを備える。
さらに本水平軸風車は、ティータドロータのブレードのピッチ角を駆動するピッチ角駆動装置と、各計測装置及びピッチ角駆動装置に接続される制御装置とを備える。制御装置はティータ角制御手段及び演算手段を構成する。

図１から図６を参照して各パラメータにつき説明する。図１は、回転軸方向から見たティータドロータの模式図、図２は、ティータ軸方向から見たティータドロータの模式図、図３及び図４は、横から見たティータドロータの模式図である。図５及び図６は、上から見たティータドロータの模式図である。

図１〜図６において、ＴＲはティータドロータ、ＤはティータドロータＴＲの回転面を示す。図３及び図４において、ＷＵは吹上風向を示す。図１に示すようにφはティータドロータＴＲのアジマス角である。
図２に示すようにβはティータドロータＴＲのティータ角であり、ＭＡは主軸、ＲＡはティータドロータＴＲの垂直軸である。図３に示すように、ティータ角βがゼロのとき、主軸ＭＡとロータ垂直軸ＲＡは一致する。
図３及び図４に示すように、水平基準線ＴＨは吹上角γがゼロとなる風向き方向を示す。水平基準線ＴＨは原則的に水平線に一致するが、浮体式洋上風車等の非固定式風車にあっては変動する。非固定式風車にあっては、水平基準線ＴＨの変動によっても計測上吹上角γが増減する。
図３に示すように、α_０は主軸ＭＡのティルト角である。
図４に示すように、αは水平基準線ＴＨに対するロータ回転面Ｄの上下角であり、ロータ垂直軸ＲＡが水平基準線ＴＨに一致するとき０と定義する。α_０，αはロータの風を受ける面が下向きのとき負と定義する。Δαは、吹上風向ＷＵに対するロータ回転面Ｄの上下角であり、ロータ垂直軸ＲＡが吹上風向ＷＵに一致するとき０と定義する。

ナセル上に設置される風向計は、図５に示す風向ＷＤに対する主軸ＭＡのヨー角ψを計測する。図６に示すように、Δψは風向ＷＤに対するロータ垂直軸ＲＡのヨー角である。

図７は、本水平軸風車に搭載される制御装置の演算・制御内容を示したブロックである。図７においてＷＴＧは、制御装置ＣＴを除く風力発電機の全体を示すブロックであり、ティータドロータの水平軸風車、各計測装置及びピッチ角駆動装置が含まれる。制御装置ＣＴのみ別ブロックで示す。制御装置ＣＴは、風力発電機ＷＴＧに搭載された計測装置からアジマス角φ、ティータ角β、ヨー角ψ、吹上角γを取得する。

まず制御装置ＣＴは、ブロックＢ１内に示す数式の通りに計算して、計測装置から入力された（φ，β）の回転座標系の値を固定座標系の値（ψ_Ｒ，α）に変換する。
次に、制御装置ＣＴは、ブロックＢ１で算出した（ψ_Ｒ，α）と、計測装置から入力された（ψ，γ）を用いて、ブロックＢ２内に示す数式の通りに計算して、（Δψ，Δα）を算出する。
制御装置ＣＴは、ブロックＢ２で算出した（Δψ，Δα）にローパスフィルタＬＰＦを適用する。なお、必要に応じてローパスフィルタＬＰＦに代えてバンドパスフィルタ等、他のタイプのフィルタを用いても良い。
制御装置ＣＴは、ローパスフィルタＬＰＦを通過した（Δψ_Ｌ，Δα_Ｌ）を用いて、ブロックＢ３内に示す数式の通りに計算して、ＰＩ制御によりゲイン（Ｋ_ψ，Ｋ_α）を算出する。ゲイン（Ｋ_ψ，Ｋ_α）は、差動ピッチ指令値の振幅、すなわち、ティータドロータＴＲのブレードをサイクリックピッチ制御する際のピッチの振幅を示す。なお、ＰＩ制御に限らず例えばＰＩＤ制御を適用しても良い。
制御装置ＣＴは、ブロックＢ３で算出した（Ｋ_ψ，Ｋ_α）と、計測装置から入力されたφと、計測系、ピッチ駆動系の遅れ等を補償してアジマス角φに対する位相を調整するために設定されるタイミングオフセット量φ_０を用いて、アジマス角φに対応したブレードの差動ピッチ制御指令値（e_Ｄαｎ，e_Ｄψｎ）を算出し、風力発電機ＷＴＧに搭載されたピッチ角駆動装置に出力する。なお、アジマス角φとの位相をＰＩ制御やＰＩＤ制御により調整するように構成すればタイミングオフセット量φ_０を用いずに制御することもできる。

以上のようにして制御装置ＣＴは、ピッチ角駆動装置に指令を与えてティータドロータＴＲをサイクリックにピッチ制御する。これによりティータドロータＴＲのティータ角もサイクリックに動作しロータ回転面Ｄが傾動する。以上により制御装置ＣＴは、風向に対して正対するようにロータ回転面Ｄを傾動制御する。

図８、図９は、定格出力２ＭＷの風力発電機における３枚翼の風車を、所定条件下、上記制御内容に従って制御した場合の本発明と比較例のシミュレーション例を示す。
図８において横軸がアジマス角、縦軸がピッチ角で、ＣＶはコレクティブ・ピッチの変化を、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３は各ブレードのピッチ角の変化を示している。
本発明例及び比較例において、風速13［m/s］、吹上角8［deg］、ウィンドシア0.14の定常風を想定した。かかる条件に対し本発明例においては制御装置ＣＴがゲイン（Ｋ_ψ，Ｋ_α）、すなわち差動ピッチ指令値の振幅を0.5［deg］と算出した場合を想定した。各ブレードは、図８の曲線Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の通りにサイクリックピッチ制御される。この場合のロータが受けるヨートルクの解析結果は、図９中のヨートルク変化曲線Ｔｃｙにより示される。この本発明例の結果と、サイクリックピッチ制御を行わない場合とを比較するために、各ブレードのピッチが一斉に変化曲線ＣＶの通りに変化し、差動変化しない場合を比較例として想定した。すなわち、本比較例は、サイクリックピッチ制御されない点で本発明例と異なり、コレクティブ・ピッチの変化、その他の条件は本発明例と共通である。本比較例のロータが受けるヨートルクの解析結果は、図９中のヨートルク変化曲線Ｔｃｖにより示される。本比較例のヨートルク変化曲線Ｔｃｖに対して、本発明例のヨートルク変化曲線Ｔｃｙは約150［ｋＮｍ］下回った。

以上のことからわかるように、本発明を適用することにより、ロータ回転面Ｄを上下、左右に傾動させることにより風に正対させて、ヨートルクを低減することができる。

以上の実施形態は、ロータ回転面Ｄの風への正対制御、風向変化への追従制御を例としているので（Δψ，Δα）を減少させるように制御したが、本発明はこれに限定されない。例えば（Δψ，Δα）をゼロでない一定に保持する制御、増大させる制御を適用することも可能である。

以上の実施形態においては、ロータ回転面Ｄのヨー角制御及び上下角制御を行ったが、いずれか一方の制御のみを実施してもよい。ロータ回転面Ｄのヨー角制御を行わない場合は、ヨー角に関する計測から駆動指令までの制御系統は、本発明を実施するためには必要とされない。また、ロータ回転面Ｄの上下角制御を行わない場合は、上下角に関する計測から駆動指令までの制御系統は、本発明を実施するためには必要とされない。

Ａティータ軸
ＣＴ制御装置
Ｄロータ回転面
ＬＰＦローパスフィルタ
ＭＡ主軸
ＲＡロータ垂直軸
Ｔｃｖヨートルク変化曲線（比較例）
Ｔｃｙヨートルク変化曲線（本発明例）
ＴＨ水平基準線
ＴＲティータドロータ
ＷＤ風向
ＷＴＧ風力発電機
ＷＵ吹上風向
β ティータ角
γ 吹上角
φ アジマス角
ψ ヨー角

Claims

ティータドロータと、
前記ティータドロータを軸支する主軸と、
前記ティータドロータのアジマス角を計測するアジマス角計測手段と、
前記ティータドロータのティータ角を計測するティータ角計測手段と、
前記アジマス角計測手段の計測値及び前記ティータ角計測手段の計測値に基づき前記ティータ角をサイクリックに制御して前記ティータドロータのロータ回転面を傾動制御するティータ角制御手段とを備える水平軸風車。
風向に対する前記主軸のヨー角を計測するヨー角計測手段と、
前記ヨー角計測手段の計測値、前記アジマス角計測手段の計測値及び前記ティータ角計測手段の計測値に基づき、風に対する前記ロータ回転面のヨー角を算出する演算手段とを備え、
前記ティータ角制御手段は、前記演算手段の算出するヨー角に基づき前記ロータ回転面をヨー軸回りに傾動制御する請求項１に記載の水平軸風車。
前記ティータ角制御手段は、前記演算手段の算出するヨー角を減少させるように前記ロータ回転面をヨー軸回りに傾動制御する請求項２に記載の水平軸風車。
前記ティータドロータに進入する風の吹上角を計測する吹上角計測手段と、
前記吹上角計測手段の計測値、前記主軸がティルト角を有する場合は前記主軸のティルト角、前記アジマス角計測手段の計測値及び前記ティータ角計測手段の計測値に基づき、風に対する前記ロータ回転面の上下角を算出する演算手段とを備え、
前記ティータ角制御手段は、前記演算手段の算出する上下角に基づき前記ロータ回転面を上下に傾動制御する請求項１に記載の水平軸風車。
前記ティータ角制御手段は、前記演算手段の算出する上下角を減少させるように前記ロータ回転面を上下に傾動制御する請求項４に記載の水平軸風車。
前記ティータドロータのブレードのピッチ角を駆動するピッチ角駆動装置を備え、
前記ティータ角制御手段は、前記ピッチ角駆動装置に指令を与えて前記ティータドロータをサイクリックにピッチ制御することにより前記ロータ回転面を傾動制御する請求項１に記載の水平軸風車。