JP5334721B2 - タワー振動を減衰する方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、タワー振動を減衰する方法および装置に関する。殊に、本発明は頂部にナセルが設けられている風力タービンのタワーに関する。

風力タービンタワーが振動していると、タワーの運動が生じることになる。これにより大きな負荷が生じ、この負荷はウィンドタワーに取り付けられているヨー系、風力タービンナセル内の歯車、またタワー自体に作用する。

この作用をタワー振動のいわゆる「アクティブダンピング（active damping）」によって、すなわちタワー振動を能動的に減衰することによって低減することが公知である。

特許文献１には、制御トルクに基づいて振動を減衰するための手段が開示されている。風力タービン用の振動減衰系がタワーに取り付けられている。この振動減衰系は振動ダンパを有し、この振動ダンパはトルクを制御するために可変の信号を使用する。可変の信号は発電機の速度を基礎としている。

タワー振動を処理するための別の手段として、タワーの運動によって惹起される余剰の力に耐えるには十分な強度を有するように関連する機械構造を設計することが考えられる。

さらには、関連する尖った部品は摩損や破損に起因して頻繁に交換されなければならない。

US 7,309,930 B2

本発明の課題は、風力タービンのタワー振動を減衰するための改善された方法および装置を提供することである。

方法に関する課題は、電力基準信号が制御に使用される前に、この電力基準信号に可変の電力オフセット信号を加え、可変の電力オフセット信号は電力基準信号の平均値を基礎とし、且つタワーの周波数を基礎とすることによって解決される。

また装置に関する課題は、電力コントローラと変換器との間に合算ユニットが設けられており、この合算ユニットは、電力基準信号が変換器の制御に使用される前に、この電力基準信号に可変の電力オフセット信号が加えられるように電力コントローラおよび変換器と接続されており、可変の電力オフセット信号は電力基準信号の平均値を基礎とし、且つタワーの周波数を基礎とすることによって解決される。

タワー振動を減衰するための本発明の方法によれば、回転がタワーの頂部に配置されている発電機によって電力に変換される。電力は変換器によって交流電流から直流電流に変換され、再び交流電流に変換される。供給された電力を制御するために電力基準信号が使用される。電力基準信号が制御に使用される前に、この電力基準信号には可変の電力オフセット信号が加えられる。可変の電力オフセット信号は電力基準信号の平均値を基礎としており、またタワーの並列（side-by-side）振動も基礎としている。

本発明によれば、タワーのトルクが別の電力によって発振されるように電力調整点が変更される。この電力はタワー振動と同じ周波数を示すが、適合された位相シフトを示す。位相シフトは、タワー振動が低減されるように適合されており、典型的には１８０°の位相シフトが使用される。

有利な実施形態においては、タワー振動またはタワー揺動がＧセンサにより測定される。このセンサをタワーの頂部または風力タービンのナセル内などに配置することができる。

センサの信号はフィルタリングされ、最適化された位相シフトを得るために遅延される。続いてこの位相シフトされた信号は平均電力基準信号と乗算され、タワー振動の減衰に使用されるべき信号の電力が平均電力基準信号でスケーリングされることが保証される。

電力基準信号が変換器の制御に使用される前に、この電力基準信号に減衰信号が加えられる。

有利な実施形態においては、乗算により形成された信号がソフトサチュレータ（soft-saturator）機能によって飽和される。このような信号の飽和は信号の振幅が大きくなりすぎないことを保証するために実施される。信号の振幅が大きくなりすぎると風力タービンが損傷するか、風力タービンにおける大きな負荷が惹起される虞がある。ソフトサチュレーションによってタワー周波数の高調波が回避される。

上述の従来技術においては、発電機の速度信号がタワー振動を減衰するための制御系の重要な部分である。平均電力が低減されており、且つ回転速度が一定である場合には、電力基準信号の減衰に関して特許文献１に記載されているような基準としてのトルクが使用されることによって、減衰された電力基準信号と平均電力基準信号の関係性が強くなってしまう。これによって電線網における高フリッカーレベルが生じる。これとは異なり、本発明によれば電線網においてより低いフリッカーレベルが問題なく得られる。

本発明による乗算によって電力基準信号を調整することにより達成される改善は、調整された電力基準信号が平均電力信号との一定の関係を示すことである。

タワー振動を減衰するための本発明による方法のブロック図を示す。 図１に関連する、ソフトサチュレータ機能を実施するための実施例を示す。

図１によれば、風力タービンのナセルは風を受けて回転する複数のブレードＢＬを有している。結果として生じる回転は発電機またはモータＭに作用し、生じた回転は電力に変換される。

周波数変動ＡＣ電力は、接続されている電線網に適合させるために静的な周波数に変換される。この変換は変換器ＣＯＮＶによって行われる。この変換器ＣＯＮＶは発電機コンバータおよび電線網インバータの組合せからなる。

発電機コンバータは交流電流を直流電流に変換する。電線網インバータは直流電流を、接続されている電線網に適合されている周波数を有する交流電流に再び変換する。

電力コントローラＰＷＣは回転から得られた電力を定格電力値に調整するために使用される。この制御は変換器ＣＯＮＶに供給される電力基準信号PowerRefを用いて実施される。

定格電力値に達すると、電力基準信号PowerRefは一定に維持される。

電力コントローラＰＷＣの電力基準信号PowerRefは合算ユニットＳＵＭを介して変換器ＣＯＮＶに供給される。電力基準信号PowerRefは変換器ＣＯＮＶに到達する前に、合算ユニットＳＵＭによって修正される。つまり電力基準信号PowerRefは第１の入力信号として合算ユニットＳＵＭに供給される。

電力基準信号PowerRefは、修正に関して、合算ユニットＳＵＭに対する第２の入力信号を形成するためにも使用される。

電力基準信号PowerRefはローパスフィルタＬＰＦにも供給される。ローパスフィルタＬＰＦは選択された期間に依存して平均電力値ＭＰＶを算出する。一般的に数秒の期間が使用される。

算出された平均電力値ＭＰＶは入力信号として第１の乗算ユニットＭＵＬ１に供給される。

加速度計ＡＣＣが設けられており、この加速度計ＡＣＣはタワーの振動信号を測定するために使用される。例えばこのために、タワーの頂部に配置されているか、風力タービンのナセル内に配置されている、いわゆる「Ｇセンサ」を使用することができる。

しかしながらこの振動信号は雑音のような他の信号による干渉を受けているので、測定された振動信号から干渉信号を除去するためにフィルタリングおよび位相調整ユニットＦＰＡが使用されるべきである。

したがって、加速信号Ａｃｃ＿Ｘおよびタワー周波数信号ＴｗｒＦｒｑが測定され、フィルタリングおよび位相調整ユニットＦＰＡのフィルタセッティングおよび遅延セッティングの調整に使用される。

続いてフィルタリングおよび位相調整ユニットＦＰＡはダンプゲインユニットＤＧに対する入力信号として使用されるべき出力信号を形成する。

ダンプゲインユニットＤＧは、後に必要とされる計算のために使用される振幅を有する加速信号Ａｃｃ＿Ｘを表す信号を形成するための入力信号の振幅調整に使用される。

これにより目下のタワー周波数ＡＴＦが得られ、この目下のタワー周波数ＡＴＦは入力信号として第１の乗算ユニットＭＵＬ１に供給される。

第１の乗算ユニットＭＵＬ１は出力信号としてのタワー振動信号ＴＯＳを算出する。このタワー振動信号ＴＯＳは、以下に説明するようないわゆる「ソフトサチュレータ機能」を実施するソフトサチュレートユニットＳｓによって飽和される。飽和の結果、出力信号PowerOffsetが「ソフトサチュレート」ユニットによって形成される。

ソフトサチュレート機能は利得を有し、この利得は０と１の間で動的に調整される。タワー振動信号ＴＯＳのピーク値が所定の飽和限界に達すると、利得が低減される。つまり出力信号PowerOffsetは飽和限界以下に維持される。

タワー振動信号ＴＯＳのピーク値が低減されると、利得は再び段階的に動的に高められる。

ソフトサチュレート機能については下記において図２を参照しながら説明する。

電力基準信号PowerRefおよび出力信号PowerOffsetが合算ユニットＳＵＭによって合算され、修正された電力基準信号PowerRefAdjが形成され、変換器ＣＯＮＶに供給される。

この調整された電力基準信号PowerRefAdjは上記のような変換器ＣＯＮＶの制御に使用される。

図２は、図１に関連する、ソフトサチュレート機能を実施するための実施例を示す。

第２の乗算ユニットＭＵＬ２の出力信号ＯＳＳは入力信号としてサチュレーションユニットＳＡＴに供給される。このサチュレーションユニットＳＡＴは、出力信号ｏｕｔｓとなる信号の最大レベルを規定するために信号ＯＳＳを飽和させる。

信号ＯＳＳと信号ｏｕｔｓの差分信号ＤＩＦＦは第１の偏差ユニットＤＥＶ１によって算出される。続いて、差分信号ＤＩＦＦの絶対値が算出され、その数値が係数「Ｋ」と乗算され、ステアリング信号ＳＳが算出される。

係数Ｋはどれ程の速さで信号ＯＳＳが低減されるべきかを表す。

ステアリング信号ＳＳは信号ＯＳＳの飽和を表す。

ステアリング信号ＳＳは入力信号として第２の偏差ユニットＤＥＶ２に供給される。解放時間ＲＴも別の入力信号として第２の偏差ユニットＤＥＶ２に供給される。

第２の偏差ユニットＤＥＶ２の出力信号は基準値ＲＷを選択するために使用され、この基準値ＲＷはメモリユニットＭＥＭを介して、入力信号として第２の乗算ユニットＭＵＬ２に供給され、且つ入力信号として第２の偏差ユニットＤＥＶ２にフィードバックされる。

第２の偏差ユニットＤＥＶ２は上述の入力信号間の差分を算出する。

基準値ＲＷは通常の場合「１」となる。サチュレーションユニットＳＡＴが信号ＯＳＳをクリップする場合には、基準値ＲＷは「０」に向かって変化する。

上述のループに基づき、基準値ＲＷにより低減された信号ＯＳＳが生じる。基準値ＲＷはサチュレーションユニットＳＡＴ内での信号ＯＳＳのクリッピングを回避するために使用される。

Claims (13)

1. タワー振動を減衰する方法であって、
   タワーの頂部に設けられている発電機（Ｍ）によって回転を電力に変換し、
   前記電力を変換器（ＣＯＮＶ）によって交流電流から直流電流に変換し、該直流電流を再び交流電流に変換し、
   前記変換器（ＣＯＮＶ）は供給された電力の制御に電力基準信号（PowerRef）を使用する、タワー振動を減衰する方法において、
   前記電力基準信号（PowerRef）が制御に使用される前に、該電力基準信号（PowerRef）に可変の電力オフセット信号（PowerOffset）を加え、
   前記可変の電力オフセット信号（PowerOffset）は前記電力基準信号（PowerRef）の平均値を基礎とし、且つ前記タワーの並列振動を基礎とすることを特徴とする、タワー振動を減衰する方法。
2. 前記可変の電力オフセット信号（PowerOffset）を、前記電力基準信号（PowerRef）の平均値を表す第１の信号（ＭＰＶ）と、前記タワーの並列振動を表す第２の信号（ＡＴＦ）との乗算によって算出する、請求項１記載の方法。
3. 前記電力基準信号（PowerRef）の平均値（ＭＰＶ）を選択された期間に依存して算出する、請求項１または２記載の方法。
4. 前記タワーの並列振動（ＡＴＦ）を、
   前記タワーの振動信号の測定によって、
   前記振動信号からの干渉信号の除去によって、および、
   干渉のない信号の振幅の調整によって決定する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 前記可変の電力オフセット信号（PowerOffset）を、該可変の電力オフセット信号（PowerOffset）が前記電力基準信号（PowerRef）に加えられる前にクリッピングなく飽和させる、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. ソフトサチュレーションを、
   前記電力基準信号（PowerRef）の平均値を表す第１の信号（ＭＰＶ）と前記タワーの並列振動を表す第２の信号（ＡＴＦ）の乗算によってタワー振動信号（ＴＯＳ）を算出し、
   前記タワー振動信号（ＴＯＳ）と乗算される利得係数を選択し、
   前記タワー振動信号（ＴＯＳ）のピーク値が所定の飽和限界に達すると、前記利得係数を動的に低減することによって実施し、
   前記可変の電力オフセット信号（PowerOffset）を前記飽和限界以下に維持する、請求項５記載の方法。
7. 風力タービンのタワー振動を減衰する、請求項１記載の方法。
8. 請求項１から７までのいずれか１項記載の方法によりタワー振動を減衰する装置であって、
   回転を電力に変換する発電機（Ｍ）と、
   前記発電機（Ｍ）と接続されており、且つ周波数変動ＡＣ電力を、接続されている電線網に適合された静的な周波数ＡＣ電力に変換する変換器（ＣＯＮＶ）と、
   前記変換器（ＣＯＮＶ）に接続されている電力コントローラ（ＰＷＣ）とを有し、該電力コントローラ（ＰＷＣ）の電力基準信号（PowerRef）が前記回転から得られた電力を定格電力値に調整するために前記変換器（ＣＯＮＶ）の制御に使用される、タワー振動を減衰する装置において、
   前記電力コントローラ（ＰＷＣ）と前記変換器（ＣＯＮＶ）との間に合算ユニット（ＳＵＭ）が設けられており、該合算ユニット（ＳＵＭ）は、前記電力基準信号（PowerRef）が前記変換器（ＣＯＮＶ）の制御に使用される前に、該電力基準信号（PowerRef）に可変の電力オフセット信号（PowerOffset）が加えられるように前記電力コントローラ（ＰＷＣ）および前記変換器（ＣＯＮＶ）と接続されており、
   前記可変の電力オフセット信号（PowerOffset）は前記電力コントローラ（ＰＷＣ）の前記電力基準信号（PowerRef）の平均値（ＭＰＶ）を基礎とし、且つ前記タワーの並列振動（ＡＴＦ）を基礎とすることを特徴とする、タワー振動を減衰する装置。
9. 前記電力コントローラ（ＰＷＣ）は第１の乗算器（ＭＵＬ１）と接続されており、該第１の乗算器（ＭＵＬ１）は、前記電力コントローラ（ＰＷＣ）の前記電力基準信号（PowerRef）の平均値と、前記タワーの並列振動とを乗算することによって前記可変の電力オフセット信号（PowerOffset）を算出する、請求項８記載の装置。
10. 前記電力コントローラ（ＰＷＣ）はフィルタリング用のユニット（ＬＰＦ）を介して前記第１の乗算器（ＭＵＬ１）と接続されており、前記フィルタリング用のユニット（ＬＰＦ）は所定の期間に依存して、前記電力基準信号（PowerRef）の前記平均値を算出する、請求項９記載の装置。
11. 加速度計（ＡＣＣ）が設けられており、該加速度計（ＡＣＣ）は前記タワーの振動信号を測定するために使用され、
    フィルタリングおよび位相調整用のユニットが設けられており、該フィルタリングおよび位相調整用のユニットは前記加速度計（ＡＣＣ）と接続されており、且つ測定された前記振動信号から干渉信号を除去し、
    ダンプゲインユニットが設けられており、該ダンプゲインユニットは前記フィルタリングおよび位相調整用のユニットと接続されており、且つ前記タワーの並列振動（ＡＴＦ）を表す干渉のない前記振動信号の振幅を調整し、
    前記ダンプゲインユニットは前記第１の乗算器（ＭＵＬ１）と接続されており、且つ乗算によって前記可変の電力オフセット信号（PowerOffset）を算出する、請求項８または９記載の装置。
12. サチュレーションユニットが前記第１の乗算器（ＭＵＬ１）と前記合算ユニット（ＳＵＭ）との間に設けられており、該サチュレーションユニットは、前記可変の電力オフセット信号（PowerOffset）が前記変換器（ＣＯＮＶ）の制御に使用される前に、クリッピングなく前記可変の電力オフセット信号（PowerOffset）を飽和させる、請求項８から１１までのいずれか１項記載の装置。
13. 前記タワーには風力タービンまたはナセルが設けられている、請求項８から１２までのいずれか１項記載の装置。

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