JP5107271B2

JP5107271B2 - 風力発電装置及びそのブレードピッチ角制御方法並びにプログラム

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Publication number: JP5107271B2
Application number: JP2009000989A
Authority: JP
Inventors: 健太郎林; 浩之細谷; 雅之橋本
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2009-01-06
Filing date: 2009-01-06
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2029-01-06
Also published as: JP2010159646A

Description

本発明は、風力発電装置及びそのブレードピッチ角制御方法並びにプログラムに関するものである。

従来、風力発電装置の風車ブレードが回転する際の音が大きく、騒音となることが問題となっている。風車の騒音の主な要因には、翼端渦による騒音と翼面に発生する乱流境界層による騒音があり、これらの要因を考慮して風車ブレードからの騒音レベルを下げる方法が提案されている。例えば、風力発電装置の翼の回転数を下げることにより翼への流入速度を下げ、空力音を低減する方法が有効であることが知られている。また、回転数を下げずに空力音を低減する方法としては、例えば、翼への流入迎角を下げるという方法が知られている。

特開２００４−２９３５２７号公報

しかしながら、従来の方法では、風力発電装置の回転数を下げるとトルクが大きくなり、増速機や軸系部品の重量増加となることから発電効率が悪くなるという問題点があった。また、翼への流入迎角を下げると、風力発電の効率が大幅に低下するという問題点があった。

本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、発電効率の性能低下を抑制しながら風力発電の騒音を低減することのできる風力発電装置及び風力発電装置の制御方法並びにプログラム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、複数の風車ブレードと、該風車ブレードのピッチ角を個別に制御するブレードピッチ角制御手段を備える風力発電装置であって、前記ブレードピッチ角制御手段は、風速、発電機の回転数、または出力要求のうち少なくともいずれか１つに基づいて決定された目標ピッチ角と各前記風車ブレードの実ピッチ角とから前記風車ブレード毎に第１ピッチ角指令値を算出する指令値算出手段と、前記風車ブレードの回転速度と予め設定されている所定の観測地点から前記風車ブレードまでの距離とをパラメータとした関数を備え、該関数を用いて騒音の指標値を風車ブレード毎に算出し、該騒音の指標値が、所定の閾値以上である風車ブレードに対して、その風車ブレードの該第１ピッチ角指令値をフェザー側に補正するための既定のピッチ角補正値を出力する補正値出力手段と、前記指令値算出手段によって算出された第１ピッチ角指令値と、前記補正値出力手段によって出力されたピッチ角補正値とに基づいて、各前記風車ブレードの第２ピッチ角指令値をそれぞれ算出するピッチ角算出手段とを具備することを特徴とする風力発電装置を提供する。

このような構成によれば、ブレードピッチ角制御手段が備える指令値算出手段においては、風速、発電機の回転数、または出力要求のうち少なくともいずれか１つに基づいて決定された目標ピッチ角と各前記風車ブレードの実ピッチ角とから風車ブレード毎の第１ピッチ角指令値が算出され、補正値出力手段において、風車ブレードの回転速度と観測地点からの距離とから騒音の指標値が風車ブレード毎に算出される。続いて、この騒音指標値が所定の閾値以上であった風車ブレードに対しては、予め設定されているピッチ角補正値を出力する。ここでピッチ角補正値は、当該風車ブレードの第１ピッチ角指令値をフェザー側に補正するための値である。そして、ピッチ角算出手段においては、指令値算出手段によって算出されたそれぞれの風車ブレードの第１ピッチ角指令値と補正値出力手段によって出力されたそれぞれの風車ブレードに対する補正指令値とに基づいて、各風車ブレードの第２ピッチ角指令値が算出される。

このように、回転速度と観測地点からの距離とから算出される騒音の指標値に基づいて第１ピッチ角指令値をフェザー側に補正するので、騒音を最も発する風車ブレードのピッチ角をフェザー側に制御することができ、騒音を低減させることが可能となる。

また、第１ピッチ角指令が補正される風車ブレードは、回転速度及び観測地点からの距離に依存する騒音の指標値が所定の閾値以上の風車ブレードに限られるので、その他の風車ブレード、即ち、騒音の指標値が所定の閾値より小さい風車ブレードについては、補正されることなく、指令値算出手段によって算出された第１ピッチ角指令値によってピッチ角が制御されることとなる。
このように、第１ピッチ角指令値がフェザー側に補正される風車ブレードの台数を制限するので、全ての風車ブレードのピッチ角をフェザー側に制御して騒音を低下させる場合と比較すると、風車の性能の低下を抑制することができる。

本発明は、複数の風車ブレードと、該風車ブレードのピッチ角を個別に制御するブレードピッチ角制御手段を備える風力発電装置であって、前記ブレードピッチ角制御手段は、前記風車ブレードの回転速度と予め設定されている所定の観測地点から前記風車ブレードまでの距離とをパラメータとした関数を備え、該関数を用いて騒音の指標値を風車ブレード毎に算出し、該騒音の指標値が所定の閾値以上である風車ブレードに対して、その風車ブレードのピッチ角をフェザー側に補正するための既定のピッチ角補正値を出力する補正値出力手段と、風速、発電機の回転数、または出力要求のうち少なくともいずれか１つに基づいて決定された目標ピッチ角を算出し、該目標ピッチ角を前記補正値出力手段から与えられたピッチ角補正値によって補正し、補正後の目標ピッチ角と各前記風車ブレードの実ピッチ角とから前記風車ブレード毎にピッチ角指令値を算出する指令値算出手段とを具備することを特徴とする風力発電装置を提供する。

このような構成によれば、ブレードピッチ角制御手段が備える補正値出力手段において、風車ブレードの回転速度と観測地点からの距離とから騒音の指標値が風車ブレード毎に算出される。続いて、この騒音指標値が所定の閾値以上であった風車ブレードに対しては、予め設定されているピッチ角補正値を指令値算出手段に出力する。指令値算出手段においては、風速、発電機の回転数、または出力要求のうち少なくともいずれか１つに基づいて決定された目標ピッチ角を算出し、目標ピッチ角を補正値出力手段から与えられたピッチ角補正値によって補正し、補正後の目標ピッチ角と各風車ブレードの実ピッチ角とから風車ブレード毎のピッチ角指令値が算出される。算出されたピッチ角指令値は、フェザー側に補正するための値である。

このように、回転速度と観測地点からの距離とから算出される騒音の指標値に基づいて目標ピッチ角をフェザー側に補正するので、騒音を最も発する風車ブレードのピッチ角をフェザー側に制御することができ、騒音を低減させることが可能となる。

また、目標ピッチ角が補正される風車ブレードは、回転速度及び観測地点からの距離に依存する騒音の指標値が所定の閾値以上の風車ブレードに限られるので、その他の風車ブレード、即ち、騒音の指標値が所定の閾値より小さい風車ブレードについては、補正されることがない。
このように、目標ピッチ角がフェザー側に補正される風車ブレードの台数を制限するので、全ての風車ブレードのピッチ角をフェザー側に制御して騒音を低下させる場合と比較すると、風車の性能の低下を抑制することができる。

上記風力発電装置は、前記補正値出力手段において、前記関数は、波動方程式の近似式であることとしてもよい。

このように、波動方程式を近似した関数を用いて騒音の指標値が算出されるので、騒音の指標値を簡便に、かつ、精度よく算出することができる。

上記風力発電装置は、前記補正値出力手段において、前記所定の閾値は、風車の大きさや風車が設置される環境に応じて設定されていてもよい。

このように、補正指令値出力手段は、風車の大きさや風車が設置される環境に基づく騒音レベルの閾値に基づいてピッチ角の補正を行うか否かを判定するので、環境に応じた風車ブレードのピッチ角補正を行うことができる。

本発明は、複数の風車ブレードと、該風車ブレードのピッチ角を個別に制御する風力発電装置のブレードピッチ角制御方法であって、風速、発電機の回転数、または出力要求のうち少なくともいずれか１つに基づいて決定された目標ピッチ角と各前記風車ブレードの実ピッチ角とから前記風車ブレード毎に第１ピッチ角指令値を算出する過程と、前記風車ブレードの回転速度と予め設定されている所定の観測地点から前記風車ブレードまでの距離とをパラメータとした関数を備え、該関数を用いて騒音の指標値を風車ブレード毎に算出し、該騒音の指標値が所定の閾値以上である風車ブレードに対して、その風車ブレードの該第１ピッチ角指令値をフェザー側に補正するための既定のピッチ角補正値を出力する過程と、前記第１ピッチ角指令値と、前記ピッチ角補正値とに基づいて、各前記風車ブレードの第２ピッチ角指令値をそれぞれ算出する過程とを有することを特徴とする風力発電装置を提供する。

本発明は、複数の風車ブレードと、該風車ブレードのピッチ角を個別に制御する風力発電装置のブレードピッチ角制御プログラムであって、風速、発電機の回転数、または出力要求のうち少なくともいずれか１つに基づいて決定された目標ピッチ角と各前記風車ブレードの実ピッチ角とから前記風車ブレード毎に第１ピッチ角指令値を算出する処理と、前記風車ブレードの回転速度と予め設定されている所定の観測地点から前記風車ブレードまでの距離とをパラメータとした関数を備え、該関数を用いて騒音の指標値を風車ブレード毎に算出し、該騒音の指標値が所定の閾値以上である風車ブレードに対して、その風車ブレードの該第１ピッチ角指令値をフェザー側に補正するための既定のピッチ角補正値を出力する処理と、前記第１ピッチ角指令値と、前記ピッチ角補正値とに基づいて、各前記風車ブレードの第２ピッチ角指令値をそれぞれ算出する処理とをコンピュータに実行させるための風力発電装置のブレードピッチ角制御プログラムを提供する。

本発明は、複数の風車ブレードと、該風車ブレードのピッチ角を個別に制御する風力発電装置のブレードピッチ角制御方法であって、前記風車ブレードの回転速度と予め設定されている所定の観測地点から前記風車ブレードまでの距離とをパラメータとした関数を用いて騒音の指標値を風車ブレード毎に算出し、該騒音の指標値が所定の閾値以上である風車ブレードに対して、その風車ブレードのピッチ角をフェザー側に補正するための既定のピッチ角補正値を出力する過程と、風速、発電機の回転数、または出力要求のうち少なくともいずれか１つに基づいて決定された目標ピッチ角を算出し、該目標ピッチ角をピッチ角補正値によって補正し、補正後の目標ピッチ角と各前記風車ブレードの実ピッチ角とから前記風車ブレード毎にピッチ角指令値を算出する過程とを有する風力発電装置のブレードピッチ角制御方法を提供する。

本発明は、複数の風車ブレードと、該風車ブレードのピッチ角を個別に制御する風力発電装置のブレードピッチ角制御プログラムであって、前記風車ブレードの回転速度と予め設定されている所定の観測地点から前記風車ブレードまでの距離とをパラメータとした関数を用いて騒音の指標値を風車ブレード毎に算出し、該騒音の指標値が所定の閾値以上である風車ブレードに対して、その風車ブレードのピッチ角をフェザー側に補正するための既定のピッチ角補正値を出力する処理と、風速、発電機の回転数、または出力要求のうち少なくともいずれか１つに基づいて決定された目標ピッチ角を算出し、該目標ピッチ角をピッチ角補正値によって補正し、補正後の目標ピッチ角と各前記風車ブレードの実ピッチ角とから前記風車ブレード毎にピッチ角指令値を算出する処理とをコンピュータに実行させるための風力発電装置のブレードピッチ角制御プログラムを提供する。

本発明によれば、風力発電装置の性能低下を抑制しながら騒音を低減することができるという効果を奏する。

本発明に係る風力発電装置の概略構成を示す図である。アジマス角度を説明するための図である。本発明に係るブレードピッチ角制御部の概略構成を示すブロック図である。目標ピッチ角設定部が備える関数式について説明するための平均風速と目標ピッチ角との関係の一例を示した図である。時間と騒音の関係の一例を示した図である。風力発電装置の第１風車ブレードのピッチ角補正を行う場合の時間と騒音との関係の一例を示した図である。アジマス角と風力発電装置の出力エネルギとの関係の一例を示した図である。本発明の変形例に係るブレードピッチ角制御部の概略構成を示すブロック図である。

以下に、本発明に係る風力発電装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係る風力発電装置の概略構成を示した図である。本実施形態に係る風力発電装置は、固定速方式、可変速方式の風力発電装置のいずれでもよい。
図１に示されるように風力発電装置１は、３枚の風車ブレード１０、風車ロータ１１、発電機１２、電力変換器１６、風速計３０、回転速度検出部３１、アジマス角度検出部３２、ピッチ角検出部３３、ヨー角検出部３４、及びピッチ角駆動機構４０を備えている。

図１に示されるように、３枚の風車ブレード１０は風車ロータ１１に取り付けられており、風車ロータ１１の主軸には、発電機１２が連結されている。発電機１２は、電力変換器１６と接続されており、さらに、電力変換器１６は電力系統１７と接続されている。
発電機１２は、例えば、かご形誘導発電機等である。また、発電機１２と電力変換器１６との間、及び電力変換器１６と電力系統１７との間は、例えば、３相の電力線により接続されている。

風車ブレード１０の付近には、風速を計測する風速計３０が設けられている。発電機１２と電力変換器１６とを接続する電力線には、回転速度検出部３１、アジマス角度検出部３２、ピッチ角検出部３３、及びヨー角検出部３４が設けられている。また、回転速度検出部３１、アジマス角度検出部３２、ピッチ角検出部３３、及びヨー角検出部３４は、例えば、ローターヘッド内部またはナセル内部に設けられている。

風速計３０は、計測した風速ｖをブレードピッチ角制御部（ブレードピッチ角制御手段）２０に出力する。

アジマス角度検出部３２は、風車ブレード毎のアジマス角度φを検出し、ブレードピッチ角制御部２０に出力する。アジマス角度とは、図２に示されるように、風車ブレードの回転面において、所定の基準と風車ブレードとのなす角をいい、本実施形態では、風車ブレードが最上部に位置したときを基準としている。従って、風車ブレードが風車の最上部に位置したときのアジマス角度は０°、最下部に位置したときのアジマス角度は１８０°である。
アジマス角度検出部３２は、所定の時間間隔で第１風車ブレード、第２風車ブレード、第３風車ブレードのアジマス角度φ_１、φ_２、φ_３を検出し、ブレードピッチ角制御部２０に出力する。例えば、アジマス角度は、回転軸に設けられたロータリーエンコーダの出力から求めることができる。

回転速度検出部３１は、所定の時間間隔で風車ブレードの回転速度Ｍｏを検出し、回転速度Ｍｏをブレードピッチ角制御部２０に出力する。
ピッチ角検出部３３は、所定の時間間隔で第１風車ブレード、第２風車ブレード、第３風車ブレードのピッチ角ｗ_１、ｗ_２、ｗ_３を検出し、各実ピッチ角ｗをブレードピッチ角制御部２０に出力する。
ヨー角検出部３４は、所定の時間間隔で風車のヨー角Ψを検出し、ブレードピッチ角制御部２０に出力する。

ブレードピッチ角制御部２０は、風速ｖ、回転速度Ｍｏ、アジマス角度φ、ヨー角Ψ、及び実ピッチ角ｗ等に基づいて、ピッチ角を設定し、このピッチ角を第２ピッチ角指令値θとして出力する。なお、このブレードピッチ角制御部２０の詳細については後述する。

ピッチ角駆動機構４０は、ブレードピッチ角制御部２０から入力される第２ピッチ角指令値θに基づき風車ブレード１０のピッチ角を駆動するもので、その構造等は従来のものと同等であり、例えば、モータや油圧シリンダなどが用いられている。
上述した発電機１２及びピッチ角駆動機構４０は、例えば、風車ロータ１１の後方、つまり、図１において風車ロータ１１の右側に設置される図示しないロータヘッド内部またはナセル内部に配置されるものである。また、風速計３０は、例えば、このナセルの外壁に取り付けられるものである。

このように構成された風力発電装置において、風力エネルギは、風車ロータ１１に取り付けられた３枚の風車ブレード１０と風車ロータ１１とを回転させる。この回転力が主軸により発電機１２に伝達され、風車ロータ１１に連結されている発電機１２を駆動させる。これにより、発電機１２は発電し、３相交流電力を出力する。この３相交流電力は、電力変換器１６により、電力系統１７に適した周波数等に調整された後、電力系統１７に出力される。

次に、本実施形態に係るブレードピッチ角制御部２０の構成について詳細に説明する。
ブレードピッチ角制御部２０は、例えば、コンピュータであり、図示しないＣＰＵ（中央演算装置）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等から構成されている。後述の各種機能を実現するための一連の処理の過程は、プログラムの形式でＲＯＭ等に記録されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、後述の各種機能が実現される。
図３は、ブレードピッチ角制御部２０の概略構成を示すブロック図である。図３に示されるようにブレードピッチ角制御部２０は、指令値算出部（指令値算出手段）２１、補正値出力部（補正値出力手段）２２、及びピッチ角算出部（ピッチ角算出手段）２３を備えて構成されている。

指令値算出部２１は、目標ピッチ角設定部２１１、ＰＩ制御器２１２とを備えて構成されており、風速に応じた目標ピッチ角と各風車ブレードの実ピッチ角とから風車ブレード毎に第１ピッチ角指令値θ_１１、θ_１２、θ_１３を算出する。

目標ピッチ角設定部２１１は、風速計３０から入力された風速ｖの情報に基づいて、目標ピッチ角を設定する。この目標ピッチ角設定部２１１は、例えば、図４に示すような風速ｖの情報（例えば、１分間における平均の風速）と目標ピッチ角との関係から導出される関数式を算出する関数発生器を備えており、この関数式に風速計３０から入力される平均風速を代入することにより目標ピッチ角を算出する。このように、設定された目標ピッチ角は、ＰＩ制御器２１２に入力される。

なお、本実施形態においては、目標ピッチ角は１分間の平均風速に基づいて算出していたが、これに限定されない。例えば、平均風速でなく、瞬時風速を用いても良いし、または、１分よりも長い時間における平均風速を用いるようにしてもよいこととする。さらに、採用される風速は、適宜設定できることとしてもよい。

また、本実施形態においては、目標ピッチ角は関数発生器により設定されることとしていたが、これに限定されない。例えば、関数式による目標ピッチ角の算出手法に代えて、図４に示したようなテーブルを備えておき、このテーブルを参照することにより、目標ピッチ角を設定することとしてもよい。

ＰＩ制御器２１２は、ピッチ角検出部３３（図１参照）から入力される実ピッチ角ｗ_１、ｗ_２、ｗ_３と、前段の目標ピッチ角設定部２１１により算出された目標ピッチ角とに基づいて、各風車ブレードの第１ピッチ角指令値を設定する。具体的には、ＰＩ制御器２１２は、目標ピッチ角と実ピッチ角との差分を算出し、この差分に基づいて比例積分（ＰＩ）演算を行う。これにより、各風車ブレードの第１ピッチ角指令値θ_１１、θ_１２、θ_１３を算出し、ピッチ角算出部２３に出力する。

補正値出力部２２は、距離設定部２２１及び騒音指標値算出部２２２を備えており、指令値算出部２１により算出された第１ピッチ角指令値を補正するためのピッチ角補正値を算出する。

距離設定部２２１は、アジマス角度検出部３２（図１参照）から検出されたアジマス角度φ及びヨー角検出部３４（図１参照）から検出されたヨー角Ψに基づいて、観測地点から風車ブレードまでの距離を検出し、後段の騒音指標値算出部２２２に出力する。
具体的には、距離設定部２２１は、予め設定されている所定の観測地点Ａ、風車ブレードのアジマス角度φ、ヨー角Ψ、及び観測地点Ａと風車ブレードとの距離Ｒｅが対応付けられたテーブルを備えている。
距離設定部２２１は、アジマス角度検出部３２において検出された各風車ブレードのアジマス角度φ_１、φ_２、φ_３が入力されると、自身の持つ上記テーブルを参照し、入力されたアジマス角度に対応する距離Ｒｅ_１、Ｒｅ_２、Ｒｅ_３の情報を取得し、これらを騒音指標値算出部２２２に出力する。

騒音指標値算出部２２２は、風車ブレードの回転速度Ｍｏと距離設定部２２１から入力された距離Ｒｅの情報とをパラメータとした関数を備えている。騒音指標値算出部２２２は、該関数を用いて風車ブレード毎に騒音の指標値を算出し、騒音の指標値が所定の閾値以上である風車ブレードに対して、その風車ブレードの第１ピッチ角指令値をフェザー側に補正する補正値を算出する。

例えば、上記関数とは波動方程式の近似式であり、以下の（１）式で示される。（１）式は、観測地点Ａにおける音圧ｐ^±（騒音の指標値）を示している。（１）式において、Ｒｅは観測地点Ａと風車ブレードとの距離ベクトル、Ｍｏは速度ベクトル、θはＲｅとＭｏの各ベクトルが成す角度、Ｐｏは密度、ｔは時刻、Ｃｏは音速、ｑｏ´は騒音源のレベル（湧き出し分布の係数の微分）を示す。

これによって算出された各風車ブレードの騒音の指標値ｐ^±は、図５のように示される。図５は、横軸に時間、縦軸に騒音量を示している。

続いて、騒音指標値算出部２２２は、算出された騒音の指標値ｐ^±と所定の閾値Ｔｈとを比較し、騒音の指標値ｐ^±が所定の閾値Ｔｈを超えているか否かを判定する。
風車ブレードの騒音の指標値ｐ^±が所定の閾値Ｔｈを超えている場合には、その風車ブレードに対して、前段で算出された第１ピッチ角指令値を補正するピッチ角補正値を各風車ブレード毎に出力する。ここで、出力されるピッチ角補正値θ_２１、θ_２２、θ_２３は、騒音指標値算出部２２２に予め登録されている値であり、例えば、０°から１０°以内である。
また、騒音の指標値ｐ^±が、所定の閾値Ｔｈを超えていない場合には、特にピッチ角補正値は出力されない。

例えば、第１から第３の３枚の風車ブレードの騒音の指標値ｐ_１ ^±、ｐ_２ ^±、ｐ_３ ^±のうち、所定の閾値Ｔｈを超える騒音の指標値ｐ^±がｐ_１ ^±のみであった場合には、第１風車ブレードのみに対してピッチ角の補正を行う指令を出力し、他の２枚の風車ブレードに対しては、特に何もしない。このように補正がされた後の騒音の指標値ｐ_１ ^±は、図６のように示される。図６は、横軸に時間、縦軸に騒音量を示している。
また、図７は横軸にアジマス角、縦軸に出力エネルギを示している。図７に示されるように、出力エネルギは、３枚の風車ブレードが所定のアジマス角となる箇所だけ低減している。このように、閾値Ｔｈを超える風車ブレードのみのピッチ角を補正するので、風力発電装置としての出力エネルギの低減量は、３枚の風車ブレードのうち、１枚の風車ブレードの出力エネルギ低減分で済むこととなる。

より具体的には、１枚の風車ブレードのみに対してピッチ角が補正される場合とは、観測地点からの距離が最も近い位置にある風車ブレードのみがピッチ角制御されるような場合である。

ピッチ角算出部２３は、指令値算出部２１によって算出された第１ピッチ角指令値θ_１１、θ_１２、θ_１３と、補正値出力部２２によって出力されたピッチ角補正値θ_２１、θ_２２、θ_２３とに基づいて、各風車ブレードを個別に制御するための第２ピッチ角指令値θ_１、θ_２、θ_３をそれぞれ算出する。
具体的には、第１ピッチ角指令値θ_１１、θ_１２、θ_１３と、各風車ブレードに対して設定されたピッチ角補正値θ_２１、θ_２２、θ_２３とを加算することにより、第２ピッチ角指令値θ_１、θ_２、θ_３を得る。そして、各風車ブレードに対応して個別に得られた第２ピッチ角指令値θ_１、θ_２、θ_３を各風車ブレードのピッチ角駆動機構４０（図１参照）に出力する。

次に、このようなブレードピッチ角制御部２０の作用を説明する。
まず、目標ピッチ角設定部２１１には、風速に基づいて最適なピッチ角を得るための関数式、或いはテーブルなどが備えられている。目標ピッチ角設定部２１１において、風速計３０から入力された風速と、目標ピッチ角設定部２１１に備えられた関数式又はテーブル等とから目標ピッチ角が設定され、ＰＩ制御器２２２に出力される。また、ピッチ角検出部３３により検出された各風車ブレードの実ピッチ角は、ＰＩ制御器２２２に入力される。ＰＩ制御器２２２において、前段から入力された目標ピッチ角と実ピッチ角の差分が算出され、この差分に基づいて比例積分（ＰＩ）演算が行われることにより第１ピッチ角指令値が算出される。算出された第１ピッチ角指令値は、ピッチ角算出部２３に出力される。

続いて、補正値出力部２２の距離設定部２２１には、観測地点、風車ブレードのアジマス角度φ、ヨー角Ψ、観測地点から風車ブレードまでの距離Ｒｅとを対応付けるテーブルが備えられている。距離設定部２２１において、距離設定部２２１に備えられたテーブル等が参照され、アジマス角度検出部３２から入力されたアジマス角度に対応する距離Ｒｅが、騒音指標値算出部２２２に出力される。

騒音指標値算出部２２２には、騒音の指標値を算出する関数が備えられている。騒音指標値算出部２２２において、指令値算出部２１から入力された第１ピッチ角指令値と、距離設定部２２１から入力された距離Ｒｅの情報と、回転速度検出部３１から入力された風車ブレードの回転速度Ｍｏとに基づいて、騒音指標値算出部２２２の備える関数によって騒音の指標値ｐ^±が算出される。さらに、騒音指標値算出部２２２において、騒音の指標値ｐ^±が、所定の閾値Ｔｈを超えているか否かが判定される。騒音の指標値ｐ^±が所定の閾値Ｔｈを超えている場合には、その風車ブレードに対してピッチ角算出部２３にピッチ角補正値が出力される。また、騒音の指標値ｐ^±が所定の閾値Ｔｈを超えていない場合には、特に何も出力されない。

ピッチ角算出部２３において、各風車ブレードの第１ピッチ角制御値とピッチ角補正値とが加算され、第２ピッチ角指令値が算出される。算出された風車ブレード毎の第２ピッチ角指令値は、ピッチ角駆動機構４０に出力される。ピッチ角駆動機構４０において、各風車ブレードは、ピッチ角算出部２３から取得した各風車ブレードの第２ピッチ角指令値のピッチ角分、空力出力が減少するフェザー側に制御される。

以上説明してきたように、本実施形態に係る風力発電装置によれば、各風車ブレードの実ピッチ角と風速に応じた目標ピッチ角とで、風車ブレード毎の第１ピッチ角指令値を算出する。また、風車ブレードの回転速度及び観測地点と風車ブレードとの間の距離とに基づいて算出される騒音の指標値が所定の閾値を超えているか否かに基づいて、風車ブレード毎にピッチ角補正値が決定される。このように算出された第１ピッチ角指令値は、ピッチ角補正値によって補正され、第２ピッチ角指令値として、ピッチ角駆動を制御するピッチ角駆動機構４０に出力される。

これにより、第２ピッチ角指令値は風車ブレード毎に算出されるので、騒音を低減させるための制御は風車ブレード毎に行われることとなる。観測地点において、最も音が大きく聞こえる位置となる風車ブレード（例えば、観測地点から最も近い距離になる風車ブレード）のみに対してピッチ角の補正が行われ、他の風車ブレードには補正が行われない場合には、３枚の風車ブレードを一様に同じピッチ角補正をする場合と比較して、出力エネルギの低減分は、１／３となる。このように、出力エネルギの低減を抑制することが可能となる。

また、ピッチ角補正値を算出する過程において、観測する地点や風車ブレードの回転速度をパラメータとして使用するので、これらのパラメータに応じて、第１ピッチ角指令値の補正を行うか否かの判定結果が変動する。つまり、風車ブレードのピッチ角が補正される風車ブレードのアジマス角度の範囲は、観測地点や回転速度に応じて変更されることとなる。これにより、風力発電装置の稼働状況や観測地点の場所に応じた出力エネルギの低減を抑制できるとともに、効果的な騒音の低減が可能となる。

〔変形例〕
なお、本実施形態に係る風力発電装置において、風速に基づいて設定される目標ピッチ角と各風車ブレードの実ピッチ角とから風車ブレード毎に第１ピッチ角指令値を算出し、この第１ピッチ角指令値を、補正値出力部２２により算出されたピッチ角補正値によって補正することにより、第２ピッチ角指令値を出力することとしていたが、これに限られない。例えば、図８に示されるように、風速に基づいて設定される目標ピッチ角を、補正値出力部２２により算出されたピッチ角補正値によって補正し、補正された目標ピッチ角と各風車ブレードの実ピッチ角とをＰＩ制御することにより、各風車ブレードのピッチ角指令値を出力することとしてもよい。

また、本実施形態に係る風力発電装置において、指令値算出部２１は風速ｖに応じて目標ピッチ角を設定することとしていたが、これに限定されない。例えば、指令値算出部２１は目標ピッチ角を、発電機回転数に応じて設定されることとしてもよいし、出力要求に応じて設定することとしてもよい。

なお、本実施形態に係る風力発電装置において、複数の風車ブレードの枚数は３枚としていたが、風車ブレードの枚数は特に限定されない。

また、本実施形態に係る風力発電装置において、ピッチ角補正値は所定の閾値Ｔｈを超えたか否かに応じて予め登録されている値を出力することとしていたが、これに限定されない。例えば、所定の閾値Ｔｈを超える度合いに応じて、出力する所定の角度を複数設けることとしてもよい。

また、本実施形態に係る風力発電装置において、観測地点は所定の１つの地点であることとしていたが、これに限定されない。例えば、民家や町等の任意の地点を観測地点とすることとしてもよい。

また、騒音の指標値ｐ^±と比較する所定の閾値Ｔｈは、風車の大きさや風車が設置される環境に応じて設定するとよい。

１０風車ブレード
１１風車ロータ
１２発電機
２０ブレードピッチ角制御部
２１指令値算出部
２２補正値出力部
２３ピッチ角算出部
４０ピッチ角駆動機構
２１１目標ピッチ角設定部
２１２ＰＩ制御器
２２１距離設定部
２２２騒音指標値算出部

Claims

複数の風車ブレードと、該風車ブレードのピッチ角を個別に制御するブレードピッチ角制御手段を備える風力発電装置であって、
前記ブレードピッチ角制御手段は、
風速、発電機の回転数、または出力要求のうち少なくともいずれか１つに基づいて決定された目標ピッチ角と各前記風車ブレードの実ピッチ角とから前記風車ブレード毎に第１ピッチ角指令値を算出する指令値算出手段と、
前記風車ブレードの回転速度と予め設定されている所定の観測地点から前記風車ブレードまでの距離とをパラメータとした関数を備え、該関数を用いて騒音の指標値を風車ブレード毎に算出し、該騒音の指標値が所定の閾値以上である風車ブレードに対して、その風車ブレードの該第１ピッチ角指令値をフェザー側に補正するための既定のピッチ角補正値を出力する補正値出力手段と、
前記指令値算出手段によって算出された第１ピッチ角指令値と、前記補正値出力手段によって出力されたピッチ角補正値とに基づいて、各前記風車ブレードの第２ピッチ角指令値をそれぞれ算出するピッチ角算出手段と
を具備することを特徴とする風力発電装置。
複数の風車ブレードと、該風車ブレードのピッチ角を個別に制御するブレードピッチ角制御手段を備える風力発電装置であって、
前記ブレードピッチ角制御手段は、
前記風車ブレードの回転速度と予め設定されている所定の観測地点から前記風車ブレードまでの距離とをパラメータとした関数を備え、該関数を用いて騒音の指標値を風車ブレード毎に算出し、該騒音の指標値が所定の閾値以上である風車ブレードに対して、その風車ブレードのピッチ角をフェザー側に補正するための既定のピッチ角補正値を出力する補正値出力手段と、
風速、発電機の回転数、または出力要求のうち少なくともいずれか１つに基づいて決定された目標ピッチ角を算出し、該目標ピッチ角を前記補正値出力手段から与えられたピッチ角補正値によって補正し、補正後の目標ピッチ角と各前記風車ブレードの実ピッチ角とから前記風車ブレード毎にピッチ角指令値を算出する指令値算出手段と
を具備することを特徴とする風力発電装置。
前記補正値出力手段において、前記関数は、波動方程式の近似式であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の風力発電装置。
前記補正値出力手段において、前記所定の閾値は、風車の大きさや風車が設置される環境に応じて設定されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の風力発電装置。
複数の風車ブレードと、該風車ブレードのピッチ角を個別に制御する風力発電装置のブレードピッチ角制御方法であって、
風速、発電機の回転数、または出力要求のうち少なくともいずれか１つに基づいて決定された目標ピッチ角と各前記風車ブレードの実ピッチ角とから前記風車ブレード毎に第１ピッチ角指令値を算出する過程と、
前記風車ブレードの回転速度と予め設定されている所定の観測地点から前記風車ブレードまでの距離とをパラメータとした関数を備え、該関数を用いて騒音の指標値を風車ブレード毎に算出し、該騒音の指標値が所定の閾値以上である風車ブレードに対して、その風車ブレードの該第１ピッチ角指令値をフェザー側に補正するための既定のピッチ角補正値を出力する過程と、
前記第１ピッチ角指令値と、前記ピッチ角補正値とに基づいて、各前記風車ブレードの第２ピッチ角指令値をそれぞれ算出する過程と
を有するブレードピッチ角制御方法。
複数の風車ブレードと、該風車ブレードのピッチ角を個別に制御する風力発電装置のブレードピッチ角制御プログラムであって、
風速、発電機の回転数、または出力要求のうち少なくともいずれか１つに基づいて決定された目標ピッチ角と各前記風車ブレードの実ピッチ角とから前記風車ブレード毎に第１ピッチ角指令値を算出する処理と、
前記風車ブレードの回転速度と予め設定されている所定の観測地点から前記風車ブレードまでの距離とをパラメータとした関数を備え、該関数を用いて騒音の指標値を風車ブレード毎に算出し、該騒音の指標値が所定の閾値以上である風車ブレードに対して、その風車ブレードの該第１ピッチ角指令値をフェザー側に補正するための既定のピッチ角補正値を出力する処理と、
前記第１ピッチ角指令値と、前記ピッチ角補正値とに基づいて、各前記風車ブレードの第２ピッチ角指令値をそれぞれ算出する処理と
をコンピュータに実行させるためのブレードピッチ角制御プログラム。
複数の風車ブレードと、該風車ブレードのピッチ角を個別に制御する風力発電装置のブレードピッチ角制御方法であって、
前記風車ブレードの回転速度と予め設定されている所定の観測地点から前記風車ブレードまでの距離とをパラメータとした関数を用いて騒音の指標値を風車ブレード毎に算出し、該騒音の指標値が所定の閾値以上である風車ブレードに対して、その風車ブレードのピッチ角をフェザー側に補正するための既定のピッチ角補正値を出力する過程と、
風速、発電機の回転数、または出力要求のうち少なくともいずれか１つに基づいて決定された目標ピッチ角を算出し、該目標ピッチ角をピッチ角補正値によって補正し、補正後の目標ピッチ角と各前記風車ブレードの実ピッチ角とから前記風車ブレード毎にピッチ角指令値を算出する過程と
を有するブレードピッチ角制御方法。
複数の風車ブレードと、該風車ブレードのピッチ角を個別に制御する風力発電装置のブレードピッチ角制御プログラムであって、
前記風車ブレードの回転速度と予め設定されている所定の観測地点から前記風車ブレードまでの距離とをパラメータとした関数を用いて騒音の指標値を風車ブレード毎に算出し、該騒音の指標値が所定の閾値以上である風車ブレードに対して、その風車ブレードのピッチ角をフェザー側に補正するための既定のピッチ角補正値を出力する処理と、
風速、発電機の回転数、または出力要求のうち少なくともいずれか１つに基づいて決定された目標ピッチ角を算出し、該目標ピッチ角をピッチ角補正値によって補正し、補正後の目標ピッチ角と各前記風車ブレードの実ピッチ角とから前記風車ブレード毎にピッチ角指令値を算出する処理と
をコンピュータに実行させるためのブレードピッチ角制御プログラム。