JP5443629B1 - Offshore wind turbine generator and wind turbine controller - Google Patents

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Abstract

【課題】浮体構造物または海底に据え付けられる洋上風力発電装置において、外乱による浮体構造物および風力タービンの揺動を効果的に抑える。
【解決手段】浮体構造物または海底に据え付けられるタワーの先端に設けられる風力タービンが備える発電機26のロータ軸25の回転数に基づき、発電機26に対するPI(またはPID)演算を含む出力基本制御を発電機トルク制御部27で行う。ロータ軸25の回転数に基づき、風力タービンの翼ピッチ角に対するPI(またはPID)演算を含むピッチ角基本制御を、翼ピッチ制御部21で行う。補正制御部22において、発電機26の出力に基づき出力基本制御に補正を加える、または/および風力タービンの揺動等に基づきピッチ角基本制御に補正を加える補正信号を生成する。補正制御部22または47の制御に適応同定外乱相殺制御を適用する。
【選択図】図2
In an offshore wind power generator installed on a floating structure or on the seabed, the swinging of the floating structure and the wind turbine due to disturbance is effectively suppressed.
Output basic control including PI (or PID) calculation for a generator based on the number of rotations of a rotor shaft of a generator provided in a wind turbine provided at the tip of a floating structure or a tower installed on the seabed. Is performed by the generator torque control unit 27. Based on the rotational speed of the rotor shaft 25, the pitch angle basic control including PI (or PID) calculation for the blade pitch angle of the wind turbine is performed by the blade pitch control unit 21. The correction control unit 22 generates a correction signal for correcting the basic output control based on the output of the generator 26 and / or correcting the basic pitch angle control based on the swing of the wind turbine and the like. Adaptive identification disturbance cancellation control is applied to the control of the correction control unit 22 or 47.
[Selection] Figure 2

Description

本発明は、洋上における風力発電装置、特に浮体構造物を利用した浮体式洋上風力発電装置および着床式洋上風力装置に関する。   The present invention relates to an offshore wind power generator, and more particularly to a floating offshore wind power generator and a floored offshore wind power generator using a floating structure.

水平軸型風力タービン発電装置では、風速が定格以上となり、出力が定格電力に達すると、ブレードのピッチ角を制御してロータの回転速度を一定に保ち、出力を一定に維持する制御方法が知られている。しかしこのような制御の下では、タワーの先端に設けられた風力タービンが風が吹いてくる方向に揺動する際、相対風速が大きくなって、ブレードに発生する空力トルク(従って、出力)の増加を抑えるためにピッチ角を調整し、結果的にピッチ角がブレードに掛かるスラスト力を低減するように制御されるため、ブレードによるダンピング効果が低減され、揺動がなかなか減衰しないと言う問題(ネガティブダンピング効果)がある。このような問題に対しては、揺動するタワーの固有振動成分を打ち消すようにピッチ角を補正する方法が提案されている(特許文献1)。また、陸上風車においては、風速の変動により誘起されるナセルの振動を低減させるためにナセルの加速度を検出し、振動を打ち消すように風車ブレードにスラスト力を発生させる構成も知られている(特許文献2)。   In horizontal axis wind turbine generators, when the wind speed exceeds the rated value and the output reaches the rated power, a control method is known that controls the blade pitch angle to keep the rotor rotation speed constant and keep the output constant. It has been. However, under such control, when the wind turbine provided at the tip of the tower swings in the direction in which the wind blows, the relative wind speed increases and the aerodynamic torque (and therefore the output) generated in the blades The pitch angle is adjusted to suppress the increase, and as a result, the pitch angle is controlled so as to reduce the thrust force applied to the blade, so that the damping effect by the blade is reduced and the oscillation does not attenuate easily ( Negative damping effect). For such a problem, a method of correcting the pitch angle so as to cancel the natural vibration component of the swinging tower has been proposed (Patent Document 1). In addition, in land wind turbines, a configuration is also known in which the acceleration of the nacelle is detected in order to reduce the vibration of the nacelle induced by fluctuations in wind speed, and a thrust force is generated on the windmill blade so as to cancel the vibration (patent) Reference 2).

特表2009−513881号公報Special table 2009-513881 特許第4599350号公報Japanese Patent No. 4599350

しかし、浮体式洋上風力発電装置の揺動においては、タワーの固有振動成分のみが大きいわけではなく、波浪や風力変動など不規則な外乱による変動も大きい。特に外乱の中でも振幅が大きい周波数帯域の変動や、係留された浮体を含む構造物全体の固有周波数に近い帯域の変動はその影響が大きく、これらを抑制することが求められる。また着床型の洋上風力発電装置の塔は、海底から海上へと延出するため、陸上型に比べ塔の全長が長くなり固有振動数が下がり揺れやすくなり、ガストや乱流などの風速変動、及び波浪などの外乱により振動が発生し易くなる。このように洋上風力発電装置では、陸上風車に比べその振動や揺動がより大きくなり易いため、特許文献2の構成では、制御系の安定性やノイズの影響からゲインを過大にできず、十分に風力タービンの揺動や振動を抑制できない。   However, in the swing of a floating offshore wind power generator, not only the natural vibration component of the tower is large, but also fluctuation due to irregular disturbances such as waves and wind fluctuations is large. In particular, fluctuations in a frequency band having a large amplitude among disturbances and fluctuations in a band close to the natural frequency of the entire structure including the moored floating body are greatly affected, and are required to be suppressed. In addition, the tower of the offshore wind power generator tower extends from the bottom of the sea to the sea, so the overall length of the tower is longer and the natural frequency is lower than that of the land type, making it easier to shake, and fluctuations in wind speed such as gust and turbulence. Vibrations are likely to occur due to disturbances such as waves. As described above, since the offshore wind power generator tends to have greater vibrations and fluctuations than the land windmill, the configuration of Patent Document 2 cannot sufficiently increase the gain due to the stability of the control system or the influence of noise, and is sufficient. In addition, it cannot control the vibration and vibration of the wind turbine.

本発明は、洋上風力発電装置において、外乱による風力タービンの揺動・振動を効果的に抑え、装置全体の寿命を延ばす、あるいはコストダウンを図ることを目的としている。   An object of the present invention is to effectively suppress the oscillation and vibration of a wind turbine due to a disturbance in an offshore wind power generator, thereby extending the life of the entire apparatus or reducing the cost.

本発明の洋上風力発電装置は、浮体構造物または海底に据え付けられるタワーと、タワー先端に設けられる風力タービンと、風力タービンの揺動を検出するセンサと、風力タービンの翼ピッチ角を制御する翼ピッチ可変機構と、風力タービンに設けられる発電機のロータ軸回転数に基づき、発電機に対するPI演算を含む出力基本制御を行う発電機トルク制御部と、ロータ軸回転数に基づき、翼ピッチ角のPI演算を含むピッチ角基本制御を行う翼ピッチ制御部と、発電機の出力に基づき出力基本制御に補正を加える、または/および風力タービンの揺動に基づきピッチ角基本制御に補正を加える補正制御部とを備え、補正制御部の制御に適応同定外乱相殺制御が含まれることを特徴としている。   An offshore wind power generator according to the present invention includes a tower installed on a floating structure or the seabed, a wind turbine provided at the tip of the tower, a sensor that detects the swing of the wind turbine, and a blade that controls the blade pitch angle of the wind turbine. A generator torque control unit that performs basic output control including PI calculation for the generator based on the pitch variable mechanism, the rotor shaft rotational speed of the generator provided in the wind turbine, and the blade pitch angle based on the rotor shaft rotational speed. Blade pitch control unit that performs basic pitch angle control including PI calculation, and correction control that corrects basic output control based on generator output, and / or corrects basic pitch angle control based on wind turbine oscillation And an adaptive identification disturbance canceling control is included in the control of the correction control unit.

高い変動減衰効果を得るには、適応同定外乱相殺制御が、少なくとも1以上の所定周波数の変動をターゲットに相殺信号を生成することが好ましく、適応同定外乱相殺制御は、発電出力変動に基づいて行われることが好ましい。また補正制御部の制御にアクティブダンピング制御が含まれることが好ましい。またアクティブダンピング制御は、例えば風力タービンの揺動に基づいて行われる。補正制御部の制御が、例えば周波数解析アルゴリズムによって特定される外乱周波数による適応同定外乱相殺制御、あるいは一般波形型適応同定外乱相殺制御を含むことにより、実際に影響の大きい、あるいは時間と共に変化する外乱周波数を特定して揺動減衰効果を得ることができ、また、揺動減衰効果を得る周波数帯域を拡大することができる。   In order to obtain a high fluctuation attenuation effect, it is preferable that the adaptive identification disturbance cancellation control generates a cancellation signal targeting a fluctuation of at least one or more predetermined frequencies, and the adaptive identification disturbance cancellation control is performed based on the power generation output fluctuation. Are preferred. Further, it is preferable that the control of the correction control unit includes active damping control. The active damping control is performed based on, for example, swinging of a wind turbine. Disturbance that actually has a large influence or changes over time by including adaptive identification disturbance cancellation control based on the disturbance frequency specified by the frequency analysis algorithm, or general waveform type adaptive identification disturbance cancellation control. The oscillation attenuation effect can be obtained by specifying the frequency, and the frequency band for obtaining the oscillation attenuation effect can be expanded.

また洋上風力発電装置が、タワーが据え付けられた浮体構造物と、浮体構造物の揺動を検出するセンサとを更に備える場合には、補正制御部における出力基本制御に対する補正が発電機の出力に基づき行われる、または/および、ピッチ角基本制御に対する補正が、風力タービンの揺動、浮体構造物の揺動に基づき行われることが好ましい。適応同定外乱相殺制御は、浮体構造物の揺動に基づいて行われることが好ましく、アクティブダンピング制御は、浮体構造物の揺動に基づいて行われることが好ましい。またタワーの基部など、構造物の中で強度的に厳しい部分に、例えば応力または歪みを検出するセンサを設け、補正制御部による補正制御に応力または歪みによる補正を加えてもよい。これにより揺動による応力または歪みを低減しタワーの耐久性を更に向上することができる。   Further, when the offshore wind power generator further includes a floating structure on which the tower is installed and a sensor for detecting the swing of the floating structure, the correction for the basic output control in the correction control unit is included in the output of the generator. Preferably, the correction is performed based on the pitch angle basic control, or based on the swing of the wind turbine and the swing of the floating structure. The adaptive identification disturbance canceling control is preferably performed based on the swing of the floating structure, and the active damping control is preferably performed based on the swing of the floating structure. Further, for example, a sensor for detecting stress or strain may be provided in a severe part of the structure such as the base of the tower, and correction by stress or strain may be added to the correction control by the correction control unit. As a result, stress or distortion due to rocking can be reduced and the durability of the tower can be further improved.

本発明の風力タービン制御装置は、浮体構造物または海底に据え付けられるタワーの先端に設けられる風力タービンの制御装置であって、風力タービンの発電機のロータ軸回転数に基づき、発電機に対するPI演算を含む出力基本制御を行う発電機トルク制御部と、ロータ軸回転数に基づき、風力タービンの翼ピッチ角に対するPI演算を含むピッチ角基本制御を行う翼ピッチ制御部と、発電機の出力に基づき出力基本制御に補正を加える、または/および風力タービンの揺動に基づきピッチ角基本制御に補正を加える補正制御部とを備え、補正制御部の制御に適応同定外乱相殺制御が含まれることを特徴としている。   The wind turbine control device of the present invention is a wind turbine control device provided at the tip of a floating structure or a tower installed on the sea floor, and performs PI calculation on the generator based on the rotor shaft rotational speed of the wind turbine generator. A generator torque control unit that performs basic output control including the blade pitch control unit that performs pitch angle basic control including PI calculation for the blade pitch angle of the wind turbine based on the rotor shaft rotational speed, and based on the output of the generator A correction control unit for correcting the output basic control and / or correcting the pitch angle basic control based on the fluctuation of the wind turbine, and the control of the correction control unit includes adaptive identification disturbance canceling control It is said.

本発明によれば、浮体構造物または海底に据え付けられる洋上風力発電装置において、外乱による風力タービンの揺動・振動と発電出力の変動を効果的に抑えることができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fluctuation | variation of a wind turbine's rocking | fluctuation and vibration and electric power generation output by a disturbance can be effectively suppressed in the offshore wind power generator installed in a floating structure or the seabed.

本発明の第1実施形態である浮体式洋上風力発電装置の外観を示す側面である。It is a side view which shows the external appearance of the floating type offshore wind power generator which is 1st Embodiment of this invention. 第1実施形態の風力タービンにおける発電機出力/ピッチ角制御システムの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the generator output / pitch angle control system in the wind turbine of 1st Embodiment. 補正制御部の構成をより詳細に示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of a correction | amendment control part in detail. 変形例の補正制御部の構成をより詳細に示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the correction | amendment control part of a modification in detail. 比較例(A)、(B)と第1実施形態の適応同定外乱相殺制御を用いた実施例(C〜F)における回転数変動、浮体構造物の揺動角度変動、発電出力変動の分散値を比較するグラフである。Variance value of rotational speed fluctuation, fluctuation of fluctuation of floating structure, fluctuation of power generation output in Comparative Examples (A) and (B) and Examples (CF) using the adaptive identification disturbance cancellation control of the first embodiment It is a graph which compares. 比較例(A)、実施例(D)における浮体構造物の揺動角(傾斜角)、発電出力、回転数の時間軸に沿った変動を示すグラフである。It is a graph which shows the fluctuation | variation along the time axis | shaft of the rocking | swiveling angle (inclination angle), power generation output, and rotation speed of the floating structure in a comparative example (A) and an Example (D). 適応同定制御の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of adaptive identification control. 周波数解析アルゴリズムを組み込んだ適応同定外乱相殺制御のモデル図である。It is a model figure of adaptive identification disturbance cancellation control incorporating a frequency analysis algorithm. 第1実施形態のシミュレーションにおいて仮定された外乱dの下での同定対象系の応答ydのスペクトルである。It is the spectrum of the response yd of the system to be identified under the disturbance d assumed in the simulation of the first embodiment. 応答ydのシミュレーション結果である。It is a simulation result of response yd. 制御対象信号yCTのシミュレーション結果である。It is a simulation result of control object signal yCT. 本発明の第2実施形態である着床式洋上風力発電装置の外観を示す側面図である。It is a side view which shows the external appearance of the landing type offshore wind power generator which is 2nd Embodiment of this invention. 第2実施形態の風力タービンにおける発電機出力/ピッチ角制御システムの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the generator output / pitch angle control system in the wind turbine of 2nd Embodiment. 第2実施形態のシミュレーションにおいて与えられた外乱としての変動風速の様子を示すグラフである。It is a graph which shows the mode of the fluctuation | variation wind speed as a disturbance given in the simulation of 2nd Embodiment. 図14の外乱のスペクトル分布図である。It is a spectrum distribution figure of the disturbance of FIG. 図14の外乱が与えられたときの比較例(G)、(H)と実施例(I)におけるナセル部の変位Xの変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the displacement X of the nacelle part in the comparative examples (G) and (H) and Example (I) when the disturbance of FIG. 14 is given. 図14の外乱が与えられたときの比較例(G)、(H)と実施例(I)におけるナセル部の加速度Aの変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the acceleration A of the nacelle part in the comparative examples (G) and (H) and Example (I) when the disturbance of FIG. 14 is given. 図14の外乱が与えられたときの比較例(G)、(H)と実施例(I)におけるロータ回転数、発電出力の変動の様子を示すグラフである。It is a graph which shows the mode of the fluctuation | variation of the rotor rotation speed in the comparative examples (G) and (H) and Example (I) when the disturbance of FIG. 14 is given, and an electric power generation output. 比較例(G)、(H)と第2実施形態の適応同定外乱相殺制御を用いた実施例(I)における各物理諸量変動の分散値を比較するグラフである。It is a graph which compares the dispersion value of each physical quantity fluctuation | variation in Comparative Example (G) and (H) and Example (I) using the adaptive identification disturbance cancellation control of 2nd Embodiment.

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態である浮体式洋上風力発電装置の外観を示す側面である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a side view showing the external appearance of a floating offshore wind turbine generator according to a first embodiment of the present invention.

第1実施形態の浮体式洋上発電装置10は、浮体(浮遊)構造物11と、浮体構造物11のデッキ12の略中央に直立するタワー13と、タワー13の先端に設けられる風力タービン14から主に構成され、浮体構造物11は例えば係留索11Mを用いて所定の海域に係留される。   The floating offshore power generation apparatus 10 of the first embodiment includes a floating body (floating) structure 11, a tower 13 standing upright substantially at the center of the deck 12 of the floating body structure 11, and a wind turbine 14 provided at the tip of the tower 13. Mainly configured, the floating structure 11 is moored in a predetermined sea area using, for example, a mooring line 11M.

本実施形態において風力タービン14は、水平軸型であり、発電機本体や制御部を収容するナセル部15とナセル部15に軸支されるロータ16を備える。ナセル部15は、タワー13の先端において、その軸に対し回動可能に保持され、ロータ16の回転軸は、タワー13の軸に垂直に配置される。ナセル部15は風向計(図示せず)を備え、ナセル部15は、ロータ16をナセル部15の風上あるいは風下に位置させるように回動する。   In the present embodiment, the wind turbine 14 is of a horizontal axis type, and includes a nacelle portion 15 that houses a generator main body and a control unit, and a rotor 16 that is pivotally supported by the nacelle portion 15. The nacelle portion 15 is held at the tip of the tower 13 so as to be rotatable with respect to its axis, and the rotation axis of the rotor 16 is arranged perpendicular to the axis of the tower 13. The nacelle portion 15 includes an anemometer (not shown), and the nacelle portion 15 rotates so that the rotor 16 is positioned on the windward or leeward side of the nacelle portion 15.

浮体構造物11およびナセル部15には、加速度センサ17、18がそれぞれ設けられ、例えば浮体構造物11およびナセル部15それぞれの6自由度(ローリング、ピッチング、ヨーイング、サージング、スウェイング、ヒービング)の加速度が検出される。またタワー13の基部には、例えば歪み計19が設けられる。なお、ナセル部15に設けられる加速度センサ18は、タワー13の上端部に設けてもよい。   The floating structure 11 and the nacelle portion 15 are provided with acceleration sensors 17 and 18, respectively. For example, the acceleration of the floating structure 11 and the nacelle portion 15 with 6 degrees of freedom (rolling, pitching, yawing, surging, swaging, and heaving). Is detected. Further, for example, a strain gauge 19 is provided at the base of the tower 13. The acceleration sensor 18 provided in the nacelle portion 15 may be provided at the upper end portion of the tower 13.

図2は、風力タービン14における発電機出力/ピッチ角制御システムの構成を示すブロック図である。   FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the generator output / pitch angle control system in the wind turbine 14.

風力タービン14は、ロータ16における各ブレード(翼)のピッチ角を制御する翼ピッチ可変機構20を備える。翼ピッチ可変機構20は、翼ピッチ制御部21からの信号を補正制御部22からの信号で補正したピッチ角指令値に基づいてピッチ角を制御する。   The wind turbine 14 includes a blade pitch variable mechanism 20 that controls the pitch angle of each blade (blade) in the rotor 16. The blade pitch variable mechanism 20 controls the pitch angle based on the pitch angle command value obtained by correcting the signal from the blade pitch control unit 21 with the signal from the correction control unit 22.

図2においてブロック23は、浮体構造物11および係留索11Mからなる係留構造物に対応し、その揺動特性を表し、波や潮流などが外乱として入力される。ブロック24は、タワー13とナセル部15からなる風力タービン構造物に対応し、その揺動特性を表し、風などが外乱として入力される。また、係留構造物23と、そのデッキ12に立てられた風力タービン構造物24は連成運動する。   In FIG. 2, a block 23 corresponds to the mooring structure including the floating structure 11 and the mooring line 11 </ b> M and represents the swing characteristics thereof, and waves, tidal currents, and the like are input as disturbances. The block 24 corresponds to the wind turbine structure including the tower 13 and the nacelle portion 15 and represents the swing characteristics thereof, and wind or the like is input as a disturbance. The mooring structure 23 and the wind turbine structure 24 standing on the deck 12 are coupled.

外乱による係留構造物23の揺動は、加速度センサ17を用いて例えば浮体構造物11に関する6自由度の運動の加速度や変位として検出され、補正制御部22へ入力される。また、風力タービン構造物24の揺動は、加速度センサ18や歪み計19により検知され、例えばナセル部15に関する6自由度の運動の加速度や変位、およびタワー13の基部における応力、歪みなどが算出され補正制御部22へ入力される。すなわち、補正制御部22では、これらの値に基づき翼ピッチ制御部21からの信号を補正するための信号を算出する。   The swinging of the mooring structure 23 due to the disturbance is detected as, for example, acceleration or displacement of a six-degree-of-freedom motion with respect to the floating structure 11 using the acceleration sensor 17 and input to the correction control unit 22. Further, the swing of the wind turbine structure 24 is detected by the acceleration sensor 18 and the strain gauge 19, and for example, the acceleration and displacement of the six-degree-of-freedom motion relating to the nacelle portion 15 and the stress and strain at the base portion of the tower 13 are calculated. And input to the correction control unit 22. That is, the correction control unit 22 calculates a signal for correcting the signal from the blade pitch control unit 21 based on these values.

また、風および係留構造物23の揺動に合わせて揺動する風力タービン14の運動により、ロータ16に対する風の相対速度は変化する。したがって、風によりロータ(風車)16に加わるトルクは、翼ピッチ可変機構20で設定されたピッチ角で回転するブレードが、(対地)風速からナセルの移動速度を差し引いた相対速度で風を受けることで変動する。このときロータ16のロータ軸25には、ロータ16からのトルクと発電機26からのトルクが加わり、その回転数が決定される。また、各ブレードは、風から変動するスラスト力を受け、風力タービン構造物のダンピング特性に影響を与える。   Further, the relative speed of the wind with respect to the rotor 16 changes due to the movement of the wind turbine 14 that swings in accordance with the swing of the wind and the mooring structure 23. Therefore, the torque applied to the rotor (windmill) 16 by the wind is such that the blade rotating at the pitch angle set by the blade pitch variable mechanism 20 receives the wind at a relative speed obtained by subtracting the nacelle moving speed from the (ground) wind speed. It fluctuates with. At this time, the torque from the rotor 16 and the torque from the generator 26 are applied to the rotor shaft 25 of the rotor 16 to determine the rotational speed. In addition, each blade receives a thrust force that varies from the wind, and affects the damping characteristics of the wind turbine structure.

発電機26は発電機トルク制御部27からの信号を補正制御部22からの信号で補正して得られるトルク指令値に基づいて制御され、補正制御部22には発電機26から発電出力が入力される。すなわち、補正制御部22は、発電出力の変動に基づいてトルク指令値の補正を行う。なお、発電機トルク制御部27には回転数指令値とロータ軸25の回転数(角速度)の偏差が入力される。なお、この偏差は翼ピッチ制御部21へも入力され、補正前の基本ピッチ角が算出される。   The generator 26 is controlled based on a torque command value obtained by correcting the signal from the generator torque control unit 27 with the signal from the correction control unit 22, and the power generation output from the generator 26 is input to the correction control unit 22. Is done. That is, the correction control unit 22 corrects the torque command value based on the fluctuation of the power generation output. The generator torque control unit 27 receives a deviation between the rotation speed command value and the rotation speed (angular velocity) of the rotor shaft 25. This deviation is also input to the blade pitch control unit 21 to calculate a basic pitch angle before correction.

図3は、補正制御部22の構成をより詳細に示すブロック図である。補正制御部22は、ナセル部15の加速度(速度)信号、浮体構造物11の加速度信号、タワー13の基部歪み信号に対し適用されるアクティブダンピング制御と、浮体構造物11の傾き角(姿勢)信号またはタワー13の基部歪み信号、および発電機26の発電出力に対して適用される適応同定外乱相殺制御とを組み合わせたものである。   FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the correction control unit 22 in more detail. The correction control unit 22 performs active damping control applied to the acceleration (velocity) signal of the nacelle unit 15, the acceleration signal of the floating structure 11, and the base distortion signal of the tower 13, and the inclination angle (posture) of the floating structure 11. The signal or the base distortion signal of the tower 13 and the adaptive identification disturbance cancellation control applied to the power generation output of the generator 26 are combined.

前述したように、発電機トルク制御部27には、負帰還されるロータ軸25の回転数に対応するロータ角速度(入力1)と回転数指令として設定されたロータ角速度(入力2)の偏差が入力され、例えばPI(またはPID)演算が行われる(出力基本制御)。発電機トルク制御部27の出力には、補正制御部22の第2適応同定外乱相殺制御部28からの補正信号が加え合わされ、トルク指令値として発電機26へ入力される。このトルク指令値の下、発電機26から出力される発電機トルク(出力1)は、前述したようにロータ軸25に作用し、ロータ16による空力トルクとともにロータ軸25の回転数を決定する。なお発電機トルクとロータ角速度の積として得られる発電出力は、第2適応同定外乱相殺制御部28に入力され、発電トルク指令値に加算される相殺(補正)信号が生成される。   As described above, the generator torque control unit 27 has a deviation between the rotor angular speed (input 1) corresponding to the rotational speed of the rotor shaft 25 to be negatively fed back and the rotor angular speed (input 2) set as the rotational speed command. For example, PI (or PID) calculation is performed (output basic control). A correction signal from the second adaptive identification disturbance canceling control unit 28 of the correction control unit 22 is added to the output of the generator torque control unit 27 and input to the generator 26 as a torque command value. Under this torque command value, the generator torque (output 1) output from the generator 26 acts on the rotor shaft 25 as described above, and determines the rotational speed of the rotor shaft 25 together with the aerodynamic torque by the rotor 16. The power generation output obtained as the product of the generator torque and the rotor angular velocity is input to the second adaptive identification disturbance cancellation control unit 28, and a cancellation (correction) signal to be added to the power generation torque command value is generated.

また入力1、2の偏差(角速度偏差)は、翼ピッチ制御部21へも入力され、前述したように、基本ピッチ角が算出される(ピッチ角基本制御)。一方、ナセル部15の速度(入力3)は、第1浮体揺動制御部29、浮体構造物11の加速度(入力4)は、第2浮体揺動制御部30、タワー13の基部歪み(入力5)は第3浮体揺動制御部31へ入力され、アクティブダンピング制御のための信号が生成され、それぞれ基本ピッチ角信号に加算される。なお、アクティブダンピングの極簡単な例としてはP(比例)制御を行うことが挙げられるが、P制御に限定されるものではなく、一般の制御伝達関数を用いることができる。   Further, the deviation (angular velocity deviation) of the inputs 1 and 2 is also input to the blade pitch control unit 21 to calculate the basic pitch angle (pitch angle basic control) as described above. On the other hand, the speed of the nacelle 15 (input 3) is the first floating body swing control unit 29, the acceleration of the floating structure 11 (input 4) is the second floating body swing control unit 30, and the base distortion of the tower 13 (input). 5) is input to the third floating body swing control unit 31, and a signal for active damping control is generated and added to the basic pitch angle signal. An extremely simple example of active damping includes P (proportional) control, but is not limited to P control, and a general control transfer function can be used.

また、第1実施形態においては、浮体構造物11の傾き角(入力6)が第1適応同定外乱相殺制御部32へ入力され、基本ピッチ角信号に加算される相殺(補正)信号が生成される。制御部29〜32で生成された補正信号は、翼ピッチ制御部21からの基本ピッチ角信号に加算され、翼ピッチ可変機構20へ出力され、ブレードのピッチ角が調整される。第1適応同定外乱相殺制御部32への入力は、浮体傾き角(入力6)の他に、ナセル速度(入力3)、浮体加速度(入力4)、タワー基部歪(入力5)なども用いることもできる。   In the first embodiment, the tilt angle (input 6) of the floating structure 11 is input to the first adaptive identification disturbance cancellation controller 32, and a cancellation (correction) signal to be added to the basic pitch angle signal is generated. The The correction signals generated by the control units 29 to 32 are added to the basic pitch angle signal from the blade pitch control unit 21 and output to the blade pitch variable mechanism 20 to adjust the pitch angle of the blade. The input to the first adaptive identification disturbance canceling control unit 32 uses not only the floating body tilt angle (input 6) but also the nacelle speed (input 3), the floating body acceleration (input 4), the tower base distortion (input 5), and the like. You can also.

本実施形態において、第1、第2適応同定外乱相殺制御部では適応同定手法が用いられる(図7参照)。適応同定手法では、nを離散系における時間のステップ番号とし、同定の対象となるシステムu(n)への入力をx(n)、出力をd(n)、対象システムu(n)を同定するモデルをw(n)、w(n)へx(n)を入力したときの出力をy(n)とするとき、誤差信号e(n)=d(n)−y(n)を用いてw(n)の係数を、w(n+1)=w(n)−μ・e(n)・x(n)と修正することでe(n)を0へと近づけ、対象システムu(n)をw(n)により同定する。なお、ここでμは収束パラメータであり、w、xはベクトル量である。   In the present embodiment, the first and second adaptive identification disturbance cancellation control units use an adaptive identification method (see FIG. 7). In the adaptive identification method, n is the time step number in the discrete system, the input to the system u (n) to be identified is x (n), the output is d (n), and the target system u (n) is identified. Error signal e (n) = d (n) −y (n) is used, where y (n) is the output when x (n) is input to w (n) and w (n). By modifying the coefficient of w (n) as w (n + 1) = w (n) −μ · e (n) · x (n), e (n) is brought close to 0, and the target system u (n ) Is identified by w (n). Here, μ is a convergence parameter, and w and x are vector quantities.

本実施形態の第1、第2適応同定外乱相殺制御部の適応同定外乱相殺制御では、上記適応同定手法を用いて、例えば相殺の対象となる角周波数ωを与え、波浪などによる外乱入力として正弦波形型外乱A・sin(ωt+φ)=A1・sin(ωt)+A2・cos(ωt)を仮定する。そして振幅Aおよび位相φ、または係数A1、A2を適応同定手法により同定することにより、これを相殺する信号を生成する。   In the adaptive identification disturbance cancellation control of the first and second adaptive identification disturbance cancellation control units of the present embodiment, using the above-described adaptive identification method, for example, an angular frequency ω to be canceled is given, and a sine is input as disturbance input due to waves or the like. It is assumed that the waveform type disturbance A · sin (ωt + φ) = A1 · sin (ωt) + A2 · cos (ωt). Then, the amplitude A and the phase φ or the coefficients A1 and A2 are identified by the adaptive identification method, thereby generating a signal that cancels them.

例えば、相殺信号のsin、cosの係数をA1c、A2c、浮体構造物の揺れ角または発電電力に対応する制御対象信号(誤差)をε、収束パラメータ行列をΓとし、
x=(sin(ωt),cos(ωt))
θ=(A1c,A2c)
とすると、連続系での適応同定外乱相殺アルゴリズムは
dθ/dt=Γ・ε・x
と表される。すなわち、上記式に基づいて漸次θを更新することで、相殺信号y=A1c・sin(ωt)+A2c・cos(ωt)が求められる。なお、x、θはベクトル量であり、Tは転置を表す。また上式のアルゴリズムの拡張型として、以下も可能である。
dθ/dt=(γ1・dε/dt+γ2・ε+γ3・∫εdt−κ・y)・x
ここで、γ1、γ2、γ3、κは収束パラメータである。
For example, the coefficients of sin and cos of the cancellation signal are A1c and A2c, the control target signal (error) corresponding to the swing angle or generated power of the floating structure is ε, the convergence parameter matrix is Γ,
x = (sin (ωt), cos (ωt)) T
θ = (A1c, A2c) T
Then, the adaptive identification disturbance cancellation algorithm in the continuous system is dθ / dt = Γ · ε · x
It is expressed. That is, the cancellation signal y = A1c · sin (ωt) + A2c · cos (ωt) is obtained by gradually updating θ based on the above equation. Note that x and θ are vector quantities, and T represents transposition. As an extension of the above algorithm, the following is also possible.
dθ / dt = (γ1 · dε / dt + γ2 · ε + γ3 · ∫εdt−κ · y) · x
Here, γ1, γ2, γ3, and κ are convergence parameters.

なお予め与えられる角周波数としては、外乱のうちの振幅が大きい周波数や、係留構造物23や風力タービン構造物24の固有周波数に近い周波数が選択される。本実施形態では、相殺の対象として複数の周波数を設定し、各々の周波数変動を相殺する信号を生成する。例えば、上述のように構造物の固有周波数に対応する揺動の振幅、位相を随時同定し、これを相殺する信号を生成するとともに、振幅変動の特に大きい波浪外力などの周波数に対応する揺動の振幅、位相を随時同定し、これを相殺する信号を生成する。なお対象周波数は、例えば予め実測により求められるか、あるいは構造物の設計値から計算される。   As the angular frequency given in advance, a frequency having a large amplitude among disturbances or a frequency close to the natural frequency of the mooring structure 23 or the wind turbine structure 24 is selected. In the present embodiment, a plurality of frequencies are set as cancellation targets, and a signal that cancels each frequency variation is generated. For example, as described above, the amplitude and phase of the oscillation corresponding to the natural frequency of the structure are identified at any time, and a signal that cancels this is generated, and the oscillation corresponding to the frequency of a wave external force having a particularly large amplitude variation. The amplitude and phase of the signal are identified as needed, and a signal that cancels this is generated. The target frequency is obtained, for example, by actual measurement in advance or calculated from the design value of the structure.

また、影響の大きい外乱周波数を周波数解析などを用いて随時特定し、その周波数に対する適応同定外乱相殺制御を行うことも可能であり、これを上記予め特定した周波数に対する適応同定外乱相殺制御と組み合わせることも可能である。   It is also possible to specify a disturbance frequency having a large influence at any time using frequency analysis or the like, and to perform adaptive identification disturbance cancellation control for that frequency, which is combined with the adaptive identification disturbance cancellation control for the previously specified frequency. Is also possible.

また変形例として、図4に示すように、一般の外乱波形に対応してシステムの特性を同定し、変動を抑制する信号を作り出す一般波形型適応同定外乱相殺制御を用いることも可能である。例えば、一般波形型適応同定外乱相殺制御部34に対して、浮体構造物の揺動加速度を入力x、ナセル部14の速度を制御対象信号(誤差)εとする適応同定を行う。そして、その相殺信号を算出し、他の補正信号と同様に、翼ピッチ制御部21からの基本ピッチ角信号に加算する。なお、入力xとして、浮体構造物の揺動加速度の他に、浮体構造物の速度、傾き角、波浪外乱などを採用してもよく、誤差(制御対象)eとしてもナセル速度の他に、ナセル加速度、ナセル変位、タワー基部の歪みなどを採用してもよい。この場合、相殺出力信号をy=θ・xとして、出力係数θを順次dθ/dt=Γ・ε・xにより更新し、周波数を特定せずに相殺信号を生成できる。 As a modification, as shown in FIG. 4, it is also possible to use general waveform type adaptive identification disturbance cancellation control that identifies a system characteristic corresponding to a general disturbance waveform and generates a signal for suppressing fluctuation. For example, the general waveform type adaptive identification disturbance cancellation control unit 34 performs adaptive identification using the swing acceleration of the floating structure as input x and the speed of the nacelle unit 14 as the control target signal (error) ε. Then, the cancellation signal is calculated and added to the basic pitch angle signal from the blade pitch control unit 21 in the same manner as other correction signals. In addition to the swing acceleration of the floating structure, the speed, tilt angle, wave disturbance, etc. of the floating structure may be adopted as the input x, and in addition to the nacelle speed as the error (control target) e, Nacelle acceleration, nacelle displacement, tower base distortion, and the like may be employed. In this case, the cancellation output signal is set to y = θ T · x, and the output coefficient θ is sequentially updated by dθ / dt = Γ · ε · x, so that the cancellation signal can be generated without specifying the frequency.

また、波高計、風速計などを設け、これらの計測機器で得られる情報を外乱入力xとして用いることも可能である。   It is also possible to provide a wave height meter, an anemometer, etc. and use information obtained by these measuring devices as the disturbance input x.

以上のように、第1実施形態によれば、複数の周波数に亘る外乱による浮体構造物および風力タービンの揺動を効果的に抑えることができる。また、本実施形態では、風力タービンの揺動を抑えるだけではなく、タワー基部に発生する歪みの低減も考慮しているため、タワー基部に大きな負荷が掛かる浮体構造物を利用した風力発電装置において、その耐久性を向上することができる。   As described above, according to the first embodiment, the swinging of the floating structure and the wind turbine due to the disturbance over a plurality of frequencies can be effectively suppressed. Further, in the present embodiment, not only suppressing the swing of the wind turbine but also considering the reduction of distortion generated in the tower base, in the wind power generator using a floating structure that applies a large load to the tower base The durability can be improved.

なお、本実施形態では、翼ピッチ制御部や発電機トルク制御部の基本制御にPI制御を用いたが、これらに替えてPID制御を用いてもよい。   In this embodiment, PI control is used for basic control of the blade pitch control unit and the generator torque control unit, but PID control may be used instead.

(第1実施形態の実施例)
次に図5、6に、各制御手法を適用したときの変動抑制効果のシミュレーション結果を示す。図5は、本実施形態の適応同定外乱相殺制御を用いた実施例(C〜F)と、発電機26、翼ピッチ可変機構20に対する基本制御(PI制御)、すなわち発電機トルク制御部27、翼ピッチ制御部21のみを制御に用いた比較例(A)、比較例(A)の基本制御(PI制御)に加え、ナセル加速度(速度)をフィードバックして第1浮体揺動制御部29のアクティブダンピング制御を行う比較例(B)それぞれにおけるロータ軸25の回転数変動、浮体構造物11の揺動角度変動、および発電出力(電力)の変動の大きさを比較して示すグラフであり、縦軸は各制御方法におけるそれぞれの物理量変動の分散(自乗平均)値を比較例(A)の分散値を100として百分率で示したものである。
(Example of the first embodiment)
Next, FIGS. 5 and 6 show the simulation results of the fluctuation suppressing effect when each control method is applied. FIG. 5 shows an example (C to F) using adaptive identification disturbance canceling control of the present embodiment, and basic control (PI control) for the generator 26 and the blade pitch variable mechanism 20, that is, the generator torque control unit 27. In addition to the basic control (PI control) of the comparative example (A) and comparative example (A) using only the blade pitch control unit 21, the nacelle acceleration (velocity) is fed back to control the first floating body swing control unit 29. FIG. 6 is a graph showing a comparison of the magnitudes of fluctuations in the rotational speed of the rotor shaft 25, fluctuations in the swing angle of the floating structure 11, and fluctuations in power generation output (electric power) in each of the comparative examples (B) performing active damping control; The vertical axis shows the variance (root mean square) value of each physical quantity variation in each control method as a percentage with the variance value of Comparative Example (A) as 100.

なお実施例(C)は、比較例(B)の構成に第1適応同定外乱相殺制御部32による浮体構造物11の傾き角を対象とした適応同定外乱相殺制御を加えたものであり、実施例(D)は実施例(C)の構成に第2適応同定外乱相殺制御部28による発電機出力を対象とした適応同定外乱相殺制御を加えたものである。また実施例(E)は実施例(D)の構成から第1浮体揺動制御部29によるナセル加速度を用いたアクティブダンピング制御を除いたものである。一方、実施例(F)は、比較例(A)の基本制御(PI制御)に、浮体構造物11の加速度を入力x、ナセル速度を誤差eとする一般波形型適応同定外乱相殺制御部34による適応同定外乱相殺制御を加えたものである。   The embodiment (C) is obtained by adding adaptive identification disturbance cancellation control for the inclination angle of the floating structure 11 by the first adaptive identification disturbance cancellation control unit 32 to the configuration of the comparative example (B). The example (D) is obtained by adding adaptive identification disturbance cancellation control for the generator output by the second adaptive identification disturbance cancellation control unit 28 to the configuration of the embodiment (C). The embodiment (E) is obtained by removing the active damping control using the nacelle acceleration by the first floating body swing control unit 29 from the configuration of the embodiment (D). On the other hand, in the embodiment (F), the general waveform type adaptive identification disturbance canceling controller 34 in which the acceleration of the floating structure 11 is input x and the nacelle speed is error e in the basic control (PI control) of the comparative example (A). It adds adaptive identification disturbance cancellation control by.

また、図6は比較例(A)および実施例(D)における浮体構造物11の揺動角(傾斜角)、発電機26の発電出力、ロータ軸25の回転数の時間軸に沿った変動を示すグラフである。   FIG. 6 shows fluctuations along the time axis of the swing angle (inclination angle) of the floating structure 11, the power generation output of the generator 26, and the rotational speed of the rotor shaft 25 in the comparative example (A) and the example (D). It is a graph which shows.

図5に示されるように、浮体構造物11の特定周波数の揺動(傾き角)を適応同定外乱相殺制御のターゲットとする実施例(C)〜(E)では、何れも比較例(A)の10%にまで揺動角度の変動が抑えられ、ロータ軸の回転数の変動も60%未満にまで低減された。また、発電機26の特定周波数における出力変動も適応同定外乱相殺制御のターゲットとする実施例(D)、(E)では、発電出力の変動も10%にまで低減された。   As shown in FIG. 5, in Examples (C) to (E) in which the swing (tilt angle) of the specific frequency of the floating structure 11 is the target of adaptive identification disturbance cancellation control, all are comparative examples (A). The fluctuation of the swing angle was suppressed to 10%, and the fluctuation of the rotation speed of the rotor shaft was also reduced to less than 60%. Further, in Examples (D) and (E) in which the output fluctuation at the specific frequency of the generator 26 is also the target of the adaptive identification disturbance cancellation control, the fluctuation in the power generation output is reduced to 10%.

基本制御(PI制御)に加えて、ナセル加速度(速度)のフィードバックのみを利用した比較例(B)に対しても、実施例(D)、(E)の発電機26の出力変動は約1/6にまで低減され、浮体構造物11の揺動変動についても約1/3にまで低減された。実施例(E)は、実施例(D)の構成からナセル加速度(速度)のフィードバック制御のみを取り除いたものなので、適用同定相殺制御は、加速度(速度)フィードバックとの併用なしでも高い変動低減効果を発揮することが分かる。但し、加速度(速度)フィードバックを利用するアクティブダンピング制御は、特定の周波数のみならず、広い範囲の周波数スペクトルを持つ外乱に対しても有効であるので、適用同定相殺制御と併用して用いることが望ましい。   In addition to the basic control (PI control), the output fluctuation of the generator 26 of the embodiments (D) and (E) is about 1 for the comparative example (B) using only the feedback of the nacelle acceleration (speed). / 6 and the fluctuation of the floating structure 11 was also reduced to about 3. Since the embodiment (E) is obtained by removing only the feedback control of the nacelle acceleration (velocity) from the configuration of the embodiment (D), the application identification canceling control has a high fluctuation reduction effect without using it together with the acceleration (velocity) feedback. It can be seen that However, active damping control using acceleration (velocity) feedback is effective not only for specific frequencies but also for disturbances having a wide frequency spectrum. desirable.

一方、実施例(F)では、浮体構造物11の揺動低減効果は比較例(A)の約35%程度と比較例(B)と同程度で、特定の周波数をターゲットとする実施例(C)〜(E)に比べて低かった。但し、実施例(F)では、外乱の周波数情報を必要としないので、広い周波数範囲に亘る外乱に対応できる。したがって、特定周波数をターゲットとする実施例(C)〜(E)の適応同定外乱相殺制御に、実施例(F)の一般波形型適応同定外乱相殺制御を組み合わせて利用することで、特定周波数に対して強い減衰効果をもたらしながらも、それ以外の周波数に対しても中程度の減衰効果をもたらす構成が得られる。   On the other hand, in the example (F), the swing reduction effect of the floating structure 11 is about 35% of the comparative example (A), which is about the same as the comparative example (B), and an example (targeting a specific frequency) It was low compared with C)-(E). However, since the frequency information of the disturbance is not required in the embodiment (F), it can cope with the disturbance over a wide frequency range. Therefore, the adaptive identification disturbance cancellation control of the embodiments (C) to (E) targeting the specific frequency is used in combination with the general waveform type adaptive identification disturbance cancellation control of the embodiment (F), so that the specific frequency is obtained. In contrast, while providing a strong attenuation effect, a configuration that provides a moderate attenuation effect for other frequencies can be obtained.

次に図8〜図11を参照して、周波数解析アルゴリズムを組み込んだ適応同定外乱相殺制御を用いた実施例のシミュレーション結果について説明する。   Next, simulation results of an embodiment using adaptive identification disturbance cancellation control incorporating a frequency analysis algorithm will be described with reference to FIGS.

図8は、周波数解析アルゴリズムを組み込んだ適応同定外乱相殺制御のモデル図である。周波数解析アルゴリズムを組み込んだ本実施例の適応同定外乱相殺制御は、図8に示されるように、外乱dによる同定対象系40の応答ydを、FFT周波数解析(FFT周波数解析アルゴリズム41)にかけ、外乱dに含まれる周波数fiを検出するとともに、検出された周波数fiを正弦波型適応同定系W(sin,cos)42に与え、制御対象信号yCTによって制御信号uBPを生成し、これを駆動制御系43に入力して得られる出力yBPで応答ydを相殺することで最終的な応答yCTの変動を抑制するものである。   FIG. 8 is a model diagram of adaptive identification disturbance cancellation control incorporating a frequency analysis algorithm. As shown in FIG. 8, the adaptive identification disturbance cancellation control of the present embodiment incorporating the frequency analysis algorithm applies the response yd of the identification target system 40 due to the disturbance d to the FFT frequency analysis (FFT frequency analysis algorithm 41), and the disturbance. In addition to detecting the frequency fi included in d, the detected frequency fi is given to the sinusoidal adaptive identification system W (sin, cos) 42 to generate the control signal uBP from the control target signal yCT, and this is used as the drive control system By canceling the response yd with the output yBP obtained by inputting the signal to the output 43, the fluctuation of the final response yCT is suppressed.

図9は、本シミュレーションにおいて仮定された外乱dの下での同定対象系40の応答ydのスペクトルであり、信号ydをFFT周波数解析アルゴリズム41にかけて得られたものである。図9の例では、応答ydに含まれる3個のピーク周波数f1〜f3がFFT周波数解析アルゴリズム41において検出された。   FIG. 9 is a spectrum of the response yd of the identification target system 40 under the disturbance d assumed in this simulation, and is obtained by applying the signal yd to the FFT frequency analysis algorithm 41. In the example of FIG. 9, three peak frequencies f <b> 1 to f <b> 3 included in the response yd are detected by the FFT frequency analysis algorithm 41.

図10、図11は、応答yd、制御対象信号yCTのシミュレーション結果である。最初の50秒間はFFT解析のためのデータ収集期間であり、外乱抑制機能は働いていない。データ収集期間終了後には、得られた周波数情報から適応同定外乱相殺系が働き、制御対象信号yCTが急激に減少した。   10 and 11 show simulation results of the response yd and the control target signal yCT. The first 50 seconds is a data collection period for FFT analysis, and the disturbance suppression function is not working. After the end of the data collection period, the adaptive identification disturbance cancellation system worked from the obtained frequency information, and the control target signal yCT rapidly decreased.

以上のように、本実施例の周波数解析アルゴリズム組み込み適応同定外乱相殺手法によれば、外乱中に含まれる周波数の情報が予め得られない場合でも、最終的に抑制機能を働かせることができる。また、外乱の周波数分布が変化する場合でも、これに追随して揺動を抑制することができる。   As described above, according to the adaptive identification disturbance cancellation method incorporating the frequency analysis algorithm of the present embodiment, even when information on the frequency included in the disturbance cannot be obtained in advance, the suppression function can be finally activated. Further, even when the frequency distribution of the disturbance changes, it is possible to suppress the fluctuation following the change.

(第2実施形態)
次に図12、図13を参照して本発明の第2実施形態の洋上風力発電装置について説明する。第2実施形態の洋上風力発電装置は着床式であり、図12にその外観を、図13にそのシステムブロック図を示す。なお、以下の説明において、第1実施形態と同様の構成に関しては同一参照符号を用いその説明を省略する。
(Second Embodiment)
Next, an offshore wind power generator according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The offshore wind power generator according to the second embodiment is a landing type, and FIG. 12 shows its appearance and FIG. 13 shows its system block diagram. In the following description, the same reference numerals are used for the same configurations as those in the first embodiment, and the description thereof is omitted.

第1実施形態ではタワー13は、浮体構造物11のデッキ12に据え付けられたが、第2実施形態のタワー44は、海底SBに設置された基礎や海底SBに打ち込まれたパイル(またはジャケット、ポッド等)上に据え付けられる。すなわちタワー44は、海底SBに片持ち支持され、略鉛直に設置される。タワー44の先端には、第1実施形態と同様に風力タービン14が設置される。なお本実施形態では、ナセル部15に加速度センサ18、あるいはタワー44の先端部近傍に加速度センサ45が設けられる。   In the first embodiment, the tower 13 is installed on the deck 12 of the floating structure 11, but the tower 44 of the second embodiment is a foundation (or a jacket, Pod etc.). That is, the tower 44 is cantilevered on the seabed SB and is installed substantially vertically. The wind turbine 14 is installed at the tip of the tower 44 as in the first embodiment. In the present embodiment, the acceleration sensor 18 is provided in the nacelle portion 15, or the acceleration sensor 45 is provided near the tip of the tower 44.

図13のブロック図は、第1実施形態の図2に対応する。上述したように第2実施形態では、タワー44が海底SBに固定されているため、風力タービン構造物が係留構造物と連成することはない。すなわち、図13のブロック46は、タワー44とナセル部15からなる風力タービン構造物に対応し、外乱として風、波、潮流の影響を受けるときの風力タービン構造物の振動(揺動)特性を表す。   The block diagram of FIG. 13 corresponds to FIG. 2 of the first embodiment. As described above, in the second embodiment, since the tower 44 is fixed to the seabed SB, the wind turbine structure is not coupled with the mooring structure. That is, the block 46 in FIG. 13 corresponds to the wind turbine structure composed of the tower 44 and the nacelle portion 15 and shows the vibration (swing) characteristics of the wind turbine structure when affected by wind, waves, and tidal currents as disturbances. Represent.

風力タービン14の制御系の構成は、基本的に第1実施形態と同様であるが、図2の補正制御部22における係留構造物23からの入力に関わる構成がない。そのため図13では補正制御部22から係留構造物23からの入力を除いたものが補正制御部47として示される。すなわち補正制御部47におけるアクティブダンピングは、例えば加速度センサ18または45の出力を用いたフィードバック制御のみからなり、加速度信号あるいは速度信号に対するP(比例)制御が用いられる。なおアクティブダンピングは、P制御に限定されるものではなく、一般の制御伝達関数を用いてもよい。   The configuration of the control system of the wind turbine 14 is basically the same as that of the first embodiment, but there is no configuration related to the input from the mooring structure 23 in the correction control unit 22 of FIG. Therefore, in FIG. 13, the correction control unit 22 excluding the input from the mooring structure 23 is shown as the correction control unit 47. That is, the active damping in the correction control unit 47 includes only feedback control using, for example, the output of the acceleration sensor 18 or 45, and P (proportional) control with respect to the acceleration signal or the speed signal is used. Note that active damping is not limited to P control, and a general control transfer function may be used.

また、第2実施形態の適応同定外乱相殺制御には、例えば第1実施形態の図8に示される周波数解析アルゴリズムを組み込んだ適応同定外乱相殺制御が用いられ、上記アクティブダンピングの結果に加算されて翼ピッチ可変機構20に出力される。すなわち、第2実施形態では、第1実施形態での浮体構造物の揺動加速度に代え、ナセル加速度(速度)を主たる入力(yCT)とした適応同定外乱相殺制御が行われる。すなわち、第2実施形態の適応同定外乱相殺制御では、風力タービン構造物46の振動(揺動)波形における支配的な周波数成分ω(rad/s)がFFT周波数解析アルゴリズム41(図8)において解析され、風力タービン構造物46への外乱入力をd=A1・sin(ωt)+A2・cos(ωt)として、これを相殺する信号uBP=A1c・sin(ωt)+A2c・cos(ωt)が同定される。なお、第2実施形態において同定対象系40は図13のブロック46に対応する。なお、第1実施形態と同様に、第2実施形態においても発電機トルクとロータ角速度の積として得られる発電出力が、図3に示される第2適応同定外乱相殺制御部28に入力され、発電トルク指令値に加算される相殺(補正)信号が生成される。   For the adaptive identification disturbance cancellation control of the second embodiment, for example, the adaptive identification disturbance cancellation control incorporating the frequency analysis algorithm shown in FIG. 8 of the first embodiment is used and added to the result of the active damping. It is output to the blade pitch variable mechanism 20. That is, in the second embodiment, adaptive identification disturbance canceling control is performed using the nacelle acceleration (velocity) as the main input (yCT) instead of the swing acceleration of the floating structure in the first embodiment. That is, in the adaptive identification disturbance cancellation control of the second embodiment, the dominant frequency component ω (rad / s) in the vibration (oscillation) waveform of the wind turbine structure 46 is analyzed in the FFT frequency analysis algorithm 41 (FIG. 8). The disturbance input to the wind turbine structure 46 is d = A1 · sin (ωt) + A2 · cos (ωt), and a signal uBP = A1c · sin (ωt) + A2c · cos (ωt) that cancels this is identified. The In the second embodiment, the identification target system 40 corresponds to the block 46 in FIG. As in the first embodiment, in the second embodiment, the power generation output obtained as the product of the generator torque and the rotor angular speed is input to the second adaptive identification disturbance canceling control unit 28 shown in FIG. An offset (correction) signal to be added to the torque command value is generated.

(第2実施形態の実施例)
次に図14〜図19を参照して、第2実施形態の着床式洋上風力発電装置による変動抑制効果のシミュレーション結果を示す。図14は、シミュレーションにおいて実施例および比較例のシステムに与えられた風(外乱d)の時間変動を示すもので、曲線Vは風速(m/s)を示す。
(Example of the second embodiment)
Next, with reference to FIG. 14 to FIG. 19, simulation results of fluctuation suppression effects by the landing-type offshore wind turbine generator of the second embodiment are shown. FIG. 14 shows the time fluctuation of the wind (disturbance d) given to the system of the example and the comparative example in the simulation, and the curve V shows the wind speed (m / s).

図15は、図14の外乱dの下での同定対象系40(図8)の応答ydのスペクトルであり、信号ydをFFT周波数解析アルゴリズム41にかけて得られたものである。図15の例では、応答ydに含まれるピーク周波数f4等がFFT周波数解析アルゴリズム41において検出された。   FIG. 15 is a spectrum of the response yd of the identification target system 40 (FIG. 8) under the disturbance d shown in FIG. In the example of FIG. 15, the peak frequency f4 included in the response yd is detected by the FFT frequency analysis algorithm 41.

図16(a)〜(c)は、それぞれ図14の変動が与えられたときの比較例(G)、(H)のシステムおよび実施例(I)のシステムにおけるナセル部15の変位量X(m)の時間変動を示すグラフであり、図17(a)〜(c)は、加速度A(m/s)の時間変動を示すグラフである。また図18(a)〜(c)は、それぞれこのときの比較例(G)、(H)および実施例(I)におけるロータ軸25の回転数N(rpm)および発電出力(電力)P(MW)の時間変動を示すグラフである。ここで比較例(G)は、図13における発電機26、翼ピッチ可変機構20に対する基本制御(PI制御)、すなわち発電機トルク制御部27、翼ピッチ制御部21のみを制御に用いた構成であり、比較例(H)は、比較例(G)の構成にナセル加速度の比例フィードバックを行うアクティブダンピングを追加した構成に対応する。なお実施例(I)では、比較例(H)の構成に更に本実施形態の適応同定外乱相殺制御を用いている。 16 (a) to 16 (c) show the displacement amount X () of the nacelle portion 15 in the systems of the comparative examples (G) and (H) and the system of the embodiment (I) when the fluctuations in FIG. 14 are given, respectively. FIG. 17A is a graph showing time variation of m), and FIGS. 17A to 17C are graphs showing time variation of acceleration A (m / s 2 ). 18 (a) to 18 (c) show the rotational speed N (rpm) and the power generation output (electric power) P () of the rotor shaft 25 in Comparative Examples (G), (H) and Example (I) at this time, respectively. It is a graph which shows the time fluctuation of (MW). Here, the comparative example (G) has a configuration in which only basic control (PI control) for the generator 26 and the blade pitch variable mechanism 20 in FIG. 13, that is, the generator torque control unit 27 and the blade pitch control unit 21 are used for control. Yes, Comparative Example (H) corresponds to a configuration in which active damping for performing proportional feedback of nacelle acceleration is added to the configuration of Comparative Example (G). In Example (I), the adaptive identification disturbance cancellation control of the present embodiment is further used in the configuration of Comparative Example (H).

図16、図17に示されるように、ナセル部15の変位量Xおよび加速度Aの変動は、比較例(H)において比較例(G)の60%程度にまでに低減し、実施例(I)においては比較例(H)の50%程度にまで、すなわち比較例(G)の30%程度にまで低減した。また図18に示されるように、直接の制御対象ではないロータ回転数や発電出力に関しても、その変動が増大されることがなく、むしろ80%程度にまで低減された。   As shown in FIGS. 16 and 17, the variation of the displacement amount X and the acceleration A of the nacelle portion 15 is reduced to about 60% of the comparative example (G) in the comparative example (H). ) Was reduced to about 50% of Comparative Example (H), that is, about 30% of Comparative Example (G). Further, as shown in FIG. 18, the rotor rotational speed and the power generation output that are not directly controlled objects are not increased, but rather are reduced to about 80%.

次に図19に、比較例(G)、(H)、実施例(I)におけるロータ回転数N、発電出力(電力)P、ナセル加速度A、ナセル速度V、ナセル変位Xの変動量の大きさを比較して示す。縦軸は各比較例、実施例におけるそれぞれの物理量変動の分散(自乗平均)値を比較例(G)の分散値を100として百分率で示したものである。   Next, FIG. 19 shows the magnitudes of fluctuations in the rotor rotational speed N, power generation output (electric power) P, nacelle acceleration A, nacelle speed V, and nacelle displacement X in Comparative Examples (G) and (H) and Example (I). Comparison is shown. The vertical axis represents the dispersion (root mean square) value of each physical quantity variation in each comparative example and example as a percentage with the dispersion value of comparative example (G) being 100.

図19に示されるように、比較例(G)、(H)に比べ実施例(I)においてナセル加速度A、ナセル速度V、ナセル変位Xの変動量が大きく低減していることが分かる。またロータ回転数N、発電出力(電力)Pの変動量に関しても、実施例(I)の方が低いことが分かる。   As shown in FIG. 19, it can be seen that the fluctuation amounts of the nacelle acceleration A, the nacelle velocity V, and the nacelle displacement X are greatly reduced in the embodiment (I) compared to the comparative examples (G) and (H). It can also be seen that the variation in the rotor rotational speed N and the power generation output (electric power) P is lower in the embodiment (I).

以上のように、第2実施形態のように着床式の洋上風力発電装置に本発明の適応同定外乱相殺制御を適用することによりロータ回転数や発電出力に影響を与えることなく、外乱による風力タービンの振動(揺動)を効果的に抑え、装置全体の寿命を延ばすことができ、コストダウンを図ることができる。また本実施形態では、周波数解析アルゴリズムを組み込むことにより、外乱中に含まれる周波数の情報が予め得られない場合や外乱の周波数分布が変化する場合でも、振動(揺動)の抑制機能を働かせることができる。   As described above, by applying the adaptive identification disturbance canceling control according to the present invention to the landing type offshore wind power generator as in the second embodiment, the wind speed due to the disturbance is not affected without affecting the rotor rotational speed and the power generation output. The vibration (swing) of the turbine can be effectively suppressed, the life of the entire apparatus can be extended, and the cost can be reduced. In addition, in this embodiment, by incorporating a frequency analysis algorithm, even if the information of the frequency included in the disturbance cannot be obtained in advance or the frequency distribution of the disturbance changes, the vibration (fluctuation) suppression function is activated. Can do.

なお第2実施形態の説明では、適応同定外乱相殺制御に周波数解析アルゴリズムを組み込んだが、第1実施形態と同様に、予め外乱の周波数が特定されている場合には、周波数解析アルゴリズムを省き、特定の周波数を予め与えて相殺信号を同定してもよい。また、第1実施形態において挙げた浮体構造物の揺動を除く様々な外乱を制御に取り入れることも可能である。また周波数解析アルゴリズムに代えて一般波形型適応同定外乱相殺制御を取り入れることも可能である。   In the description of the second embodiment, the frequency analysis algorithm is incorporated in the adaptive identification disturbance cancellation control. However, as in the first embodiment, when the frequency of the disturbance is specified in advance, the frequency analysis algorithm is omitted and specified. May be given in advance to identify the cancellation signal. Further, various disturbances other than the swinging of the floating structure described in the first embodiment can be incorporated into the control. It is also possible to incorporate general waveform type adaptive identification disturbance cancellation control instead of the frequency analysis algorithm.

また、第1および第2実施形態の補正制御部は、風力タービンの揺動を入力とする第1適応同定外乱相殺制御部32と、発電機の出力を用いてトルク指令値を補正する第2適応同定外乱相殺制御部28を含んだが、両実施形態において一方の適応同定外乱相殺制御を省くことも可能である。   Moreover, the correction control part of 1st and 2nd embodiment is the 1st adaptive identification disturbance cancellation control part 32 which inputs the fluctuation | variation of a wind turbine, and the 2nd which correct | amends a torque command value using the output of a generator. Although the adaptive identification disturbance canceling control unit 28 is included, it is possible to omit one adaptive identification disturbance canceling control in both embodiments.

10 浮体式洋上発電装置
11 浮体構造物
11M 係留索
13 タワー
14 風力タービン
15 ナセル部
17 加速度センサ
18 加速度センサ
19 歪み計
20 翼ピッチ可変機構
21 翼ピッチ制御部
22 補正制御部
25 ロータ軸
26 発電機
27 発電機トルク制御部
28 第2適応同定外乱相殺制御部
29 第1浮体揺動制御部
30 第2浮体揺動制御部
31 第3浮体揺動制御部
32 第1適応同定外乱相殺制御部
44 タワー
45 加速度センサ
46 風力タービン構造物
47 補正制御部
SB 海底
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Floating type offshore power generator 11 Floating structure 11M Mooring line 13 Tower 14 Wind turbine 15 Nacelle part 17 Acceleration sensor 18 Acceleration sensor 19 Strain gauge 20 Blade pitch variable mechanism 21 Blade pitch control part 22 Correction control part 25 Rotor shaft 26 Generator 27 generator torque control unit 28 second adaptive identification disturbance canceling control unit 29 first floating body swing control unit 30 second floating body swing control unit 31 third floating body swing control unit 32 first adaptive identification disturbance canceling control unit 44 tower 45 Acceleration sensor 46 Wind turbine structure 47 Correction control unit SB Submarine

Claims (12)

浮体構造物または海底に据え付けられるタワーと、
前記タワー先端に設けられる風力タービンと、
前記風力タービンの揺動を検出するセンサと、
前記風力タービンの翼ピッチ角を制御する翼ピッチ可変機構と、
前記風力タービンに設けられる発電機のロータ軸回転数に基づき、前記発電機に対するPI演算を含む出力基本制御を行う発電機トルク制御部と、
前記ロータ軸回転数に基づき、前記翼ピッチ角のPI演算を含むピッチ角基本制御を行う翼ピッチ制御部と、
前記発電機の出力に基づき前記出力基本制御に補正を加える、または/および前記風力タービンの揺動に基づき前記ピッチ角基本制御に補正を加える補正制御部とを備え、
前記補正制御部の制御に適応同定外乱相殺制御が含まれる
ことを特徴とする洋上風力発電装置。
A floating structure or a tower installed on the sea floor;
A wind turbine provided at the tip of the tower;
A sensor for detecting the oscillation of the wind turbine;
A blade pitch variable mechanism for controlling a blade pitch angle of the wind turbine;
A generator torque control unit that performs basic output control including PI calculation on the generator based on the rotor shaft rotational speed of the generator provided in the wind turbine;
A blade pitch control unit that performs pitch angle basic control including PI calculation of the blade pitch angle based on the rotor shaft rotational speed;
A correction control unit that corrects the basic output control based on the output of the generator, and / or corrects the basic pitch angle control based on the swing of the wind turbine,
The offshore wind power generator, wherein the control of the correction control unit includes adaptive identification disturbance cancellation control.
前記適応同定外乱相殺制御が、少なくとも1以上の所定周波数の変動をターゲットに相殺信号を生成することを特徴とする請求項1に記載の洋上風力発電装置。   2. The offshore wind turbine generator according to claim 1, wherein the adaptive identification disturbance canceling control generates a canceling signal with a fluctuation of at least one predetermined frequency as a target. 前記適応同定外乱相殺制御が、発電出力変動に基づいて行われることを特徴とする請求項1または請求項2の何れか一項に記載の洋上風力発電装置。   The offshore wind power generator according to claim 1, wherein the adaptive identification disturbance canceling control is performed based on a power generation output fluctuation. 前記補正制御部の制御にアクティブダンピング制御が含まれることを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の洋上風力発電装置。   The offshore wind power generator according to any one of claims 1 to 3, wherein active damping control is included in the control of the correction control unit. 前記アクティブダンピング制御が、前記風力タービンの揺動に基づいて行われることを特徴とする請求項4に記載の洋上風力発電装置。   The offshore wind power generator according to claim 4, wherein the active damping control is performed based on swinging of the wind turbine. 前記補正制御部の制御に、周波数解析アルゴリズムによって外乱周波数を特定し、これによる適応同定外乱相殺制御が含まれることを特徴とする請求項1〜5の何れか一項に記載の洋上風力発電装置。   The offshore wind power generator according to any one of claims 1 to 5, wherein the control of the correction controller includes a disturbance frequency specified by a frequency analysis algorithm and adaptive identification disturbance cancellation control based on the specified disturbance frequency. . 前記補正制御部の制御に一般波形型適応同定外乱相殺制御が含まれることを特徴とする請求項1〜5の何れか一項に記載の洋上風力発電装置。   The offshore wind power generator according to claim 1, wherein the control of the correction control unit includes general waveform type adaptive identification disturbance cancellation control. 前記洋上風力発電装置は、前記タワーが据え付けられた浮体構造物と、前記浮体構造物の揺動を検出するセンサとを更に備え、前記補正制御部における前記出力基本制御に対する補正が前記発電機の出力に基づき行われる、または/および、前記ピッチ角基本制御に対する補正が、前記風力タービンの揺動、前記浮体構造物の揺動に基づき行われることを特徴とする請求項1〜7の何れか一項に記載の洋上風力発電装置。   The offshore wind power generator further includes a floating structure on which the tower is installed, and a sensor that detects a swing of the floating structure, and the correction control unit corrects the basic output control by the generator. 8. The correction according to claim 1, wherein the correction is performed based on an output and / or correction for the pitch angle basic control is performed based on a swing of the wind turbine and a swing of the floating structure. The offshore wind power generator according to one item. 前記適応同定外乱相殺制御が、前記浮体構造物の揺動に基づいて行われることを特徴とする請求項8に記載の洋上風力発電装置。   The offshore wind power generator according to claim 8, wherein the adaptive identification disturbance canceling control is performed based on swinging of the floating structure. 前記補正制御部の制御に、前記浮体構造物の揺動に基づくアクティブダンピング制御が含まれることを特徴とする請求項8または請求項9の何れか一項に記載の洋上風力発電装置。 The correction to the control of the control unit, offshore wind power generator according to any one of claims 8 or claim 9, characterized in that includes based rather active damping control to the rocking of the floating construction. 前記タワーの基部に応力または歪みを検出するセンサが設けられ、前記補正制御部による補正制御が前記応力または歪みに基づいて行われることを特徴とする請求項8〜10の何れか一項に記載の洋上風力発電装置。   11. The sensor according to claim 8, wherein a sensor for detecting stress or strain is provided at a base of the tower, and correction control by the correction control unit is performed based on the stress or strain. Offshore wind power generator. 浮体構造物または海底に据え付けられるタワーの先端に設けられる風力タービンの制御装置であって、
前記風力タービンの発電機のロータ軸回転数に基づき、前記発電機に対するPI演算を含む出力基本制御を行う発電機トルク制御部と、
前記ロータ軸回転数に基づき、前記風力タービンの翼ピッチ角に対するPI演算を含むピッチ角基本制御を行う翼ピッチ制御部と、
前記発電機の出力に基づき前記出力基本制御に補正を加える、または/および前記風力タービンの揺動に基づき前記ピッチ角基本制御に補正を加える補正制御部とを備え、
前記補正制御部の制御に適応同定外乱相殺制御が含まれる
ことを特徴とする風力タービン制御装置。
A wind turbine control device provided at the tip of a floating structure or a tower installed on the sea floor,
A generator torque control unit that performs basic output control including PI calculation on the generator based on the rotor shaft rotational speed of the generator of the wind turbine;
A blade pitch control unit that performs basic pitch angle control including PI calculation for the blade pitch angle of the wind turbine based on the rotor shaft rotational speed;
A correction control unit that corrects the basic output control based on the output of the generator, and / or corrects the basic pitch angle control based on the swing of the wind turbine,
The wind turbine control apparatus, wherein the control of the correction control unit includes adaptive identification disturbance cancellation control.
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