JP5460865B2 - 再生可能なエネルギ源による変動エネルギ流れからエネルギを抽出する方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、変動エネルギ流れを供給する、風力エネルギまたは潮力エネルギなどの再生可能なエネルギ源からエネルギを抽出する方法および装置の分野に関する。

風力発電機（ＷＴＧ）および潮流発電機などの再生可能エネルギ装置は、重要性を増している、ＡＣ配電網用の電力源である。そのような装置は、風力タービンまたは潮力タービンのロータなどのエネルギ抽出機構の遅い入力回転数を、発電機を駆動するための速い出力回転数に変える、ギヤボックスの形態の変速機を従来から採用している。そのようなギヤボックスは、不具合が発生しやすく、保守、および交換または修理に費用がかかるため、設計および製造が難しい。

再生可能エネルギ装置を設計する際の別の課題は、あらゆる状況において、エネルギ抽出機構により、最適な量のエネルギを抽出することである。最も効果的な装置は、これを、ブレードを一定のピッチ角に保持し、ほぼ全動作範囲にわたって、風速または水速に比例してブレード回転数を変えて、概ね一定の「周速比」を維持することにより達成する。コスト効率のよい再生可能エネルギ装置に必要な規模のギヤボックスは、常に一定のギヤ比であり、そのため、ＡＣ配電網に電力を供給するのに、複雑で障害が発生しやすい電子式の電力変換が必要とされる。

大規模であっても、流体作動機械を使用した変速機を可変変速比にすることは可能であり、したがって、再生可能エネルギ装置用のそのような静油圧式変速機を構築することが提案された。そのような静油圧式変速機はまた、ギヤボックスよりも軽量かつ頑強であり、別の方法で同じ機能を行うダイレクトジェネレータドライブ（ｄｉｒｅｃｔ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｄｒｉｖｅ）よりも軽量であり、それにより、電気を生成する全体コストを削減する。米国特許第４５０３６７３号明細書（Ｓｃｈａｃｌｅ）は、モータ吐出量を全体として変えて、圧力対ロータ回転数の相関関係に従って油圧を制御する、複数のポンプによって駆動される複数の可変容量型モータを開示した。国際公開第２００７ ０５３０３６号パンフレット（Ｃｈａｐｐｌｅ）も同様に、定容量型ポンプによって駆動される可変容量型モータを開示したが、モータ吐出量は、測定した風速に応じて制御される。

一方、再生可能エネルギ装置への入力動力は、突風および乱流のために秒単位で予測することができない。これは、配電網への電力出力の望ましくない変動をもたらす。このために、ポンプとモータとの間に接続された流体貯蔵器を使用し、流体貯蔵器において、余分なエネルギの秒単位の蓄積および取り出しを行うようにポンプおよび／またはモータを制御することが提案された。

電子整流式ポンプ（すなわち、ポンプ１回転ごとに流体の吐出量を変え、ひいては、ロータにかかるトルクを変えるために、個々の作動チャンバが機能を停止できるポンプ）を含むＷＴＧを設けることは公知である。測定した風速に対するロータ回転数の所望の比率を維持するようにロータトルクを制御することができ、一方、流体貯蔵器（一般的には、圧力容器、またはフライホイール、または真空貯蔵器）内の圧力を一定に維持するように、（モータと機能的に等価の）タービンまたはモータをそれぞれ制御することができる。米国特許第４４９６８４７号明細書は、必要な場合にポンプをタービンから分離し、それによって圧力を上昇させて、ロータの超過回転を阻止するよう装置を制御する制限弁をさらに開示した。米国特許第４２８００６１号明細書（Ｌａｗｓｏｎ−Ｔａｎｃｒｅｄ）は、ロータ回転数の二乗に基づいてポンプ吐出量を制御し、圧力を一定に維持するようにモータを制御し、流体貯蔵器が加重式水撃ポンプである別のＷＴＧを開示した。米国特許第４２７４０１０号明細書（Ｌａｗｓｏｎ−Ｔａｎｃｒｅｄ）は、動力の利用可能性に応じて、発電機／モータを間欠的に作動および停止させる能力についてさらに開示した。

電子整流式ポンプと、エネルギ貯蔵器としての油圧アキュムレータとを有するＷＴＧを設けることも公知である。アキュムレータは、安価で信頼性のあるエネルギ貯蔵器であるが、それらの流体圧力は、動作時にきわめて広範囲に変わらなければならない。したがって、アキュムレータエネルギ貯蔵器を含み、一方で、あらゆる状況において、最適な量のエネルギを抽出するために最適周速比を維持するＷＴＧに（圧力を制御してロータに作用するトルクを調整するか、またはモータを制御して所定の圧力を維持する）他の先行技術の制御方法を適用することはできない。

先行技術の静油圧式ＷＴＧのさらなる問題は、流体作動機械の効率が動作圧力とともに変化するので、制御方法が、最適圧力近辺以外の圧力で動作することを要求した場合に、エネルギが不必要に浪費される恐れがあることである。

本発明は、上記問題の１つまたは複数に対処し、静油圧式変速機と、安価で信頼性のあるエネルギ貯蔵装置とを含む再生可能エネルギ装置の制御方法を提供することを目的とし、この制御方法は、あらゆる状況においてエネルギを効率よく抽出できると同時に、自然発生するものよりも変動の少ないエネルギ出力を可能にする。

本発明の第１の態様によれば、再生可能なエネルギ源による変動エネルギ流れからエネルギを抽出するエネルギ抽出装置を動作させる方法が提供され、この装置は、回転シャフトによって駆動される油圧ポンプと、再生可能なエネルギ源によって駆動される回転シャフトと、負荷を駆動する油圧モータと、油圧ポンプの出口および油圧モータの入口と流体連通する少なくとも１つの低圧マニホルドおよび高圧マニホルドとを含み、油圧ポンプおよび油圧モータはそれぞれ、容積が周期的に変わる複数の作動チャンバと、各作動チャンバと各マニホルドとの間で作動流体の正味吐出量を調整する複数の弁とを含み、各作動チャンバに対応する少なくとも１つの弁は電子制御式弁であり、前記電子制御式弁は、作動チャンバ容積の各サイクル時に、各前記作動チャンバによって吐出される作動流体の量を選択し、それにより、各油圧ポンプおよび油圧モータによる作動流体の正味吐出量を調整するように動作し、この方法は、高圧マニホルド内の圧力を測定することと、前記回転シャフトにかかるトルクを調整するように、前記測定した圧力に応じて、油圧ポンプによる作動流体の正味吐出量を選択することと、高圧マニホルド内の圧力が、可変である最適条件の方に向かうように、少なくとも油圧モータによる作動流体の正味吐出量を選択することとを特徴とする。

本発明の第１の態様の方法に従って制御されるエネルギ抽出装置は、高圧マニホルドと流体連通する弾性変形可能な流体保持体を含むのが好ましい。

最適条件は、最適圧力または最適圧力範囲とすることができる。通常、最適条件（圧力または圧力範囲）は、変動エネルギ流れの測定した１つまたは複数の特性に応じて変えられる。一方で、最適条件（圧力または圧力範囲）は、再生可能なエネルギ源の測定した１つまたは複数の特性に応じて変えることもできる。

最適条件（圧力または圧力範囲）は、油圧ポンプ、油圧モータ、弾性変形可能な流体保持体、または負荷の１つまたは複数の特性を考慮して変えることもできる。

方法は、変動エネルギ流れまたは再生可能なエネルギ源の未来の特性を予測し、予測した未来の特性に応じて、最適条件（圧力または圧力範囲）を変えることを含むことができる。これには、変動エネルギ流れ、または再生可能なエネルギ源、または受け入れるエネルギに関する１つまたは複数の測定を行うことが含まれ得る。

最適条件（圧力または圧力範囲）は通常、回転シャフトから負荷への動力伝達効率を最適化するように選択される。最適条件（圧力または圧力範囲）は、エネルギ抽出装置の寿命を最適化するように選択することができる。最適条件（圧力または圧力範囲）は、変動エネルギ流れからのエネルギ抽出率が低い最小量（圧力または圧力範囲のの下端）から、変動エネルギ流れからのエネルギ抽出率が高い最大量（圧力または圧力範囲の上端）まで増大するのが好ましい。最小圧力（または圧力範囲の中の最小量）は、ゼロでないことがあり得る。最小圧力（または圧力範囲の中の最小量）は、低圧力マニホルドの圧力と少なくとも等しいことがあり得、または最小圧力（または圧力範囲の中の最小量）は、低圧力マニホルドの圧力よりも大きいこともあり得る。

少なくとも所定の範囲の圧力に対して、最適条件（圧力または圧力範囲）は、ポンプによって回転シャフトにかけられるトルクとは無関係であることがあり得る。

最適条件（圧力または圧力の範囲）は、１つまたは複数の因子（例えば、変動エネルギ流れの、測定した１つまたは複数の特性および／または再生可能なエネルギ源の、測定した１つまたは複数の特性）に応じて制御され、作動流体の温度は、同じ因子の一部またはすべてに応じて制御されるのが好ましい。作動流体の温度は、選択された最適条件（圧力または圧力の範囲）に応じて制御されることがあり得る。作動流体の温度は、選択された最適条件（圧力または圧力の範囲）が低い場合に、より高くなるように制御され、選択された最適条件（圧力または圧力の範囲）が高い場合に、より低くなるように制御されるのが好ましい。

本発明の第２の態様によれば、再生可能なエネルギ源による変動エネルギ流れからエネルギを抽出するエネルギ抽出装置を動作させる方法が提供され、その装置は、回転シャフトによって駆動される油圧ポンプと、再生可能なエネルギ源によって駆動される回転シャフトと、負荷を駆動する油圧モータと、油圧ポンプの出口、油圧モータの入口、および弾性変形可能な流体保持体と流体連通する少なくとも１つの低圧マニホルドおよび高圧マニホルドとを含み、油圧ポンプおよび油圧モータはそれぞれ、周期的に容積が変化する複数の作動チャンバと、各作動チャンバと各マニホルドとの間で作動流体の正味吐出量を調整する複数の弁とを有し、各作動チャンバに対応する少なくとも１つの弁は電子制御式の弁であり、前記電子制御式弁は、作動チャンバ容積の各サイクル時に、各前記作動チャンバによって吐出される作動流体の量を選択し、それによって、各油圧ポンプおよび油圧モータによる作動流体の正味吐出量を調整するように動作し、その方法は、高圧マニホルド内の圧力を測定することと、前記回転シャフトにかかるトルクを調整するように、前記測定した圧力に応じて、油圧ポンプによる作動流体の正味吐出量を選択することと、負荷に向かうエネルギ流を平滑化するように、油圧モータによる作動流体の正味吐出量を選択することと、高圧マニホルド内の圧力を調整して許容可能な圧力範囲内に維持するように、油圧モータによる作動流体の正味吐出量をさらに選択することとを特徴とする。弾性変形可能な流体保持体は、作動流体の差分を受け入れ、出力する、すなわち、油圧ポンプによる、高圧マニホルドへの作動流体の出力流量が、油圧モータによる、高圧マニホルドからの作動流体の受け入れ流量よりも多い場合、流体保持体は、作動流体を受け入れてこれを蓄積し、油圧ポンプによる、高圧マニホルドへの作動流体の出力流量が、高圧マニホルドからの作動流体の受け入れ流量よりも少ない場合、流体保持体は、蓄積した作動流体を出力する。

エネルギ抽出装置は通常、空気または水の流れなどの再生可能なエネルギ源からエネルギを抽出する、風力発電機（ＷＴＧ）または潮流発電機などのタービンである。抽出されるエネルギ流は通常分刻みで変動し、本発明の恩恵がない場合、負荷へのエネルギ流れを変動させることになる。比較的平滑なエネルギ出力を生成する再生可能エネルギ抽出装置は、出力が変動するものよりも、生成するエネルギに対する価格を高くすることが可能であり、またはより容易にエネルギ網に接続することができる。負荷は通常発電機であるが、ポンプ、ファン、またはコンプレッサであってもよい。様々な負荷を別の時間で接続することができる。

弾性変形可能な流体保持体は通常、一端に加圧窒素または他のガスが充填されたガス充填オレオ空気圧式アキュムレータ、所定の長さの鋼併用ゴムホース、または流体空間であり、あるいは、装置による油圧流体の蓄積が増大するのに伴い油圧流体の圧力が高くなる、加圧油圧流体を蓄積するのに適した別の装置であってもよい。したがって、弾性変形可能な流体保持体は、弾性変形可能な容器（例えば、弾性変形可能な流体貯蔵器）、または弾性変形可能な導管であってもよい。流体保持体は弾性変形可能であるので、（流体を保持できる）可変の空間を有し、前記空間は、弾性変形可能な流体保持体内に保持された流体の圧力で大きく変化する。弾性変形可能な流体保持体は、ハウジングなどの剛性体内に配置することができる。弾性変形可能な複数の流体保持体があってもよい。それぞれは、異なる弾性特性を有してよい。例えば、弾性変形可能な流体保持体がアキュムレータの場合、それぞれは、異なるガスを充填でき、かつ／または異なる圧力で充填することができる。複数の油圧ポンプおよび／または複数の油圧モータがあってよい。高圧マニホルドおよび低圧マニホルドとは、マニホルド内の相対作動圧力を指し、それらの絶対作動圧力ではない。高圧マニホルド内の流体圧力は通常可変であり、低圧マニホルド内の流体圧力よりも５０〜３５０Ｂａｒ高い。低圧マニホルド内の流体圧力は通常、大気圧よりも若干高く、例えば、２〜５Ｂａｒであるが、ほぼ大気圧であってもよい。低圧ポンプおよび圧力逃がし弁は、低圧マニホルドを作動流体の貯蔵器に接続することができ、低圧マニホルドと流体連通する、低圧の弾性変形可能な流体保持体があってもよい。

作動流体の正味吐出量を選択するとは、必要とされる、単位シャフト回転当たりの正味吐出量を満たすように、１つまたは複数の作動チャンバの個々の正味吐出量を選択するか（前記シャフトは、選択された作動チャンバに対応するシャフトである）、または単位シャフト回転当たりの流体の正味吐出量を決める作動チャンバの数量と、これらの前記作動チャンバの正味吐出量とを選択することを指す。したがって、正味吐出量は、（吐出される流体の量が、前記シャフト回転数に応じて故意に選択されない限り）シャフト回転数とは無関係である。正味吐出量は通常、選択された１つまたは複数の作動チャンバの個々の正味吐出量の角度平均した、または時間平均した総計であり、短期間にわたって角度平均した、または時間平均した総計は、必要とされる正味吐出量に向かって収束する。

作動流体の正味吐出量を選択するとは、作動チャンバ容積の個々のサイクルに同期する、作動チャンバに対応した少なくとも１つの電子制御式弁を能動的に制御して、所定量の流体のうちの選択された正味吐出量を高圧マニホルドに出入りさせることを指す。正味吐出量に至らない流体流れが発生することがある。例えば、空転サイクル時に、流れは、作動チャンバから流れ出ることができ、同じ量が、正味吐出量がないまま作動チャンバに戻ることができる。

作動流体の正味吐出量は、同時に動作するすべての作動チャンバが、流体の吐出によって達成できる、必要とされる正味吐出量を満足させるように、各個々の作動チャンバに対してサイクルごとに選択されるのが好ましい。ポンプの作動チャンバの必要とされる正味吐出量により、回転シャフトにかかる正味トルクが決まるのが好ましい。モータの作動チャンバの必要とされる正味吐出量は、負荷に作用する正味トルクまたは正味動力か、あるいは高圧マニホルドからの流体の吐出量に比例するのが好ましい。

トルクを調整するとは、再生可能なエネルギ源またはエネルギ抽出装置の１つまたは複数の測定パラメータの関数であり得るトルク需要関数に従って、油圧ポンプによる作動流体の正味吐出量を選択することを指す。トルク需要関数は、回転シャフトの回転数または変動エネルギ流れの動力の関数であり得る。トルク需要関数により、ポンプの複数の作動チャンバによって回転シャフトにかけられる時間平均正味トルクを規定することができる。油圧ポンプによる作動流体の正味吐出量は、トルク需要関数、１つまたは複数の測定パラメータ、および測定圧力に応じて選択されるのが好ましい。活動状態にあるポンプの作動チャンバによって回転シャフトにかけられる時間平均正味トルクが、トルク需要関数を満たすように、作動流体の正味吐出量が、各個別の作動チャンバに対してサイクルごとに選択されることが好ましい。作動チャンバによって回転シャフトにかけられるトルクは、作動チャンバに対応する少なくとも１つの電子制御式弁を能動的に制御することでサイクルごとに選択されて、作動チャンバ容積の個々のサイクルに同期した、前記作動チャンバの加圧、および作動チャンバによる回転シャフトへのトルクの伝達を引き起こすことが好ましい。

高圧マニホルド内の圧力を調整するとは、油圧ポンプまたは油圧モータによる作動流体の正味吐出量に対する油圧ポンプまたは油圧モータの他方による作動流体の正味吐出量を選択して、弾性変形可能な流体保持体に蓄積される流体の量を増減させ、それにより、目標圧力または目標圧力範囲に向けて、高圧マニホルド内の作動流体の圧力をそれぞれ増減させることを指す。弾性変形可能な流体保持体内に蓄積される流体の量を増減させ、それにより、高圧マニホルド内の作動流体の圧力を目標圧力に向けて変化させるように、油圧ポンプと油圧モータとの正味吐出量需要間の差を選択することで、高圧マニホルド内の圧力を調整することが可能である。油圧ポンプまたは油圧モータにより高圧マニホルドに出入りする作動流体の正味吐出量を変え、一方、油圧ポンプまたは油圧モータの他方により高圧マニホルドに出入りする流体の正味吐出量を実質的に変えず、それにより、弾性変形可能な流体保持体内に蓄積される流体の量を変えて、弾性変形可能な流体保持体に蓄積される流体の量を所望の量に向けて制御することで、高圧マニホルド内の圧力を調整することが可能である。

許容可能な圧力範囲には、第１の範囲と、第１の範囲よりも高いか、もしくは低いかのいずれかが、または第１の範囲よりも高いものも低いものもある１つまたは複数の第２の範囲とが含まれることが好ましく、高圧マニホルド内の圧力は、圧力が第２の範囲または各第２の範囲内にある場合により強力に制御される。第２の範囲には、第１の範囲より下の下側の第２の範囲が含まれるのが好ましい。下側の第２の範囲は、ゼロ圧力から第１の範囲の下限値にわたることが好ましい。第２の範囲には、第１の範囲より上の上側の第２の範囲が含まれることが好ましい。上側の第２の範囲は、第１の範囲の上限値から、使用時に分かる最大圧力を超えるまでにわたるのが好ましい。許容可能な圧力範囲、第１の範囲、第２の範囲、下側の第２の範囲、および／または上側の第２の範囲の広さは可変であり得る。

高圧マニホルド内の圧力を変化させると、油圧モータによる作動流体の正味吐出量は、第１の範囲において圧力変化によって変わるよりも、第２の範囲、または各第２の範囲において、同じ大きさの圧力変化に応答してより大量に変わるので、圧力は、第１の範囲よりも第２の範囲または各第２の範囲において強力に制御され得る。より大量とは、２倍、５倍、または１０倍大きいことであり得る。圧力調整の利得は、第１の範囲よりも第２の範囲において、例えば、上記のより大量だけ高くすることができる。油圧モータによる作動流体の正味吐出量を高圧マニホルド内の圧力に応じて選択することが可能であり、油圧モータによる作動流体の選択された正味吐出量は、第１の範囲よりも第２の範囲において、高圧マニホルド内の所与の圧力変化に対して、より大量に変化する。

圧力調整の強さは、圧力が第２の範囲の中をさらに進むにつれて次第に大きくなるのが好ましい。圧力調整の利得は、圧力が第２の範囲の中をさらに進むにつれて次第に大きくなることが可能である。

高圧マニホルド内の圧力は、圧力が第１の範囲内にある場合、実質的に規制されないのが好ましい。例えば、油圧モータによる作動流体の正味吐出量は、第１の範囲内の任意の圧力において、第１の範囲内の他の任意の圧力と比較して、２０％、１０％、５％、または１％以下だけ変えられることがあり得る。油圧モータによる作動流体の正味吐出量は、変動エネルギ流れが変動していない、すなわち、平滑な場合に、高圧マニホルド内の圧力が、第１の範囲の上端または下端の圧力から、目標圧力または目標圧力範囲の５％以内に収束するのに１分、２分、５分、または１０分よりも長くかかるような程度でだけ変わることが可能である。

高圧マニホルド内の圧力が第１の範囲内にある場合、モータによる作動流体の正味吐出量は、高圧マニホルド内の圧力に作用するその流量の影響を考慮することなく選択されることが可能である。高圧マニホルド内の圧力が第１の範囲内にある場合、モータによる作動流体の正味吐出量は、高圧マニホルド内の圧力とは無関係に、または実質的に無関係に選択されることが可能である。

高圧マニホルド内の圧力は、目標（通常は最適）圧力または目標圧力範囲に向かって調整されるのが好ましい。目標圧力または目標圧力範囲は、第１の範囲、第１の範囲の一部、または第１の範囲内の特定の圧力とすることができる。圧力は、第１の範囲内にある場合に、目標圧力または目標圧力範囲に向かって調整されるのが好ましい。圧力は、第２の範囲内または各第２の範囲内にある場合に、目標圧力または目標圧力範囲に向かって調整されるのが好ましい。

高圧マニホルド内の圧力は、第１の範囲内よりも第２の範囲内または各第２の範囲内にある場合に、目標圧力または目標圧力範囲に向かって強力に調整されるのが好ましい。

目標圧力または目標圧力範囲は可変であるのが好ましい。目標圧力または目標圧力範囲は、連続的に変えてよいし、または周期的に、例えば、分ごと、時間ごと、日ごと、月ごとに変えてもよい。目標圧力または目標圧力範囲は、例えば、事象に応じて実行される計算に対応して自動的に、または、例えば、ユーザインターフェイスを通じたユーザ入力に対応して手動で変えることができる。

この方法は、変動エネルギ流れ、油圧ポンプ、油圧モータ、弾性変形可能な流体保持体、または負荷のうちの１つまたは複数の特性、あるいはそれらの任意の組み合わせに応じて、高圧マニホルド内の目標圧力または目標圧力範囲を選択することを含む。目標圧力は、１つまたは複数の動作変量、例えば、変動エネルギ流れの１つまたは複数の特性の目標圧力関数とすることができる。

しきい値を超える、または高圧マニホルド内の圧力にしきい値から外れさせる速度で、変動エネルギ源からエネルギが流入することを予測して、目標圧力または目標圧力範囲を変えることが好ましい。しきい値を超える、または高圧マニホルド内の圧力にしきい値から外れさせる速度で、変動エネルギ源からエネルギが流入することを予測して、目標圧力または目標圧力範囲を低くすることが好ましい。その低くすることは、しきい値を超える速度、または高圧マニホルド内の圧力にしきい値を超えさせる速度で、変動エネルギ源からエネルギが流入する少し前（例えば、１分未満前）に、またはかなり前（例えば、１時間より前）に行うことができる。低くすることは、油圧モータによる作動流体の正味吐出量を選択することで行うことができる。

許容可能な圧力範囲は可変であるのが好ましい。許容可能な圧力範囲は、１つまたは複数の動作変量、例えば、変動エネルギ流れの１つまたは複数の特性の関数とすることが可能である。変動エネルギ流れの１つまたは複数の特性には、変動エネルギ流れの平均、ピーキネス（ｐｅａｋｉｎｅｓｓ）、突風性、または頂点間範囲が含まれ得る。許容可能な圧力範囲は、例えば、計算に対応して自動的に、または、例えば、ユーザインターフェイスを通じたユーザ入力に対応して手動で変えることができる。

圧力が（固定または可変の）しきい値を超える場合、回転シャフトを通して油圧ポンプに伝達されるトルクを低減する対策が取られるのが好ましい。圧力がしきい値を超える場合、再生可能なエネルギ源は、再生可能なエネルギ源によって回転シャフトに伝達されるトルクを低減するように制御されるのが好ましい。圧力が（固定または可変の）しきい値を超える場合、油圧ポンプによる作動流体の正味吐出量が低減されるのが好ましい。圧力が（固定または可変の）しきい値を超える場合、この方法は、変動エネルギ源からより少ないエネルギを抽出するように、エネルギ抽出装置を再設定することを含むのが好ましい。エネルギ抽出装置がタービンの場合、エネルギ抽出装置を再設定することには、タービンに変動エネルギ源からより少ないエネルギを抽出させるために、ブレードのピッチを変える、ブレードをフェザリングする、機械式ブレーキをかける、または油圧式ブレーキをかけることのうちの１つまたは複数が含まれ得る。

油圧ポンプによって回転シャフトにかけられるトルクは、回転シャフトの現在の回転速度、および回転シャフトの回転速度の変化率のうちの１つまたは複数を含む関数に従って調整されるのが好ましい。油圧ポンプによって回転シャフトにかけられるトルクは、回転シャフトの回転数の二乗の関数に実質的に従って、少なくとも１つの一定の周速比範囲内で調整されるのが好ましい。特に、変動エネルギ流れが変わる場合に、油圧ポンプによって回転シャフトにかけられるトルクを、現在の回転速度でシャフトにかけられる空気力学的に最適なトルクと、変動エネルギ流れの実際の状態でシャフトにかけられる最適トルクの間の誤差の関数によって調整することが可能である。油圧ポンプによって回転シャフトにかけられるトルクを、回転シャフトの回転速度の変化率の関数によって調整することが可能である。ブレードのピッチは、一定の周速比範囲内で一定であるのが好ましい。

許容可能な圧力範囲は、回転シャフトの現在の回転速度、または変動エネルギ流れの特性の１つまたは複数を含む関数に従って変えられるのが好ましい。許容可能な圧力範囲は、回転シャフトの回転数の二乗の関数に従って変えられるが好ましい。許容可能な圧力範囲は、変動エネルギ流れの１つまたは複数の特性の関数に従って変えられるのが好ましい。

作動流体の圧縮もしくは漏れ、または作動流体の流れによって引き起こされるエネルギ損失のうちの１つまたは複数を補償するように、前記電子制御式弁の動作を調整することが可能である。各作動チャンバによる吐出のために選択される容積は、流体圧力よって引き起こされる作動流体の圧縮もしくは漏れ、または作動流体の流れによって引き起こされるエネルギ損失のうちの１つまたは複数を補償するように調整されることが好ましい。それぞれのまたはいくつかの作動チャンバの稼働率は、流体圧力よって引き起こされる作動流体の圧縮もしくは漏れ、または作動流体の流れによって引き起こされるエネルギ損失のうちの１つまたは複数を補償するように調整されるのが好ましい。

この方法は、平滑化計算を実行することを含むのが好ましい。平滑化計算は、エネルギ抽出装置によって変動流れから抽出されるエネルギを計算するステップと、それの平滑化版を計算するステップと、前記平滑化版に対応した、油圧モータによる作動流体の正味吐出量を選択するステップとを含むのが好ましい。油圧モータによる作動流体の正味吐出量は、前記平滑化版と同量のエネルギ流れを負荷に供給するように選択されるのが好ましい。平滑化計算は、目標圧力と測定圧力との間の差分を計算するステップと、平滑化関数を前記差分に適用するステップと、前記平滑化関数の出力に対応した、油圧モータによる作動流体の正味吐出量を選択するステップとを含むことが可能である。平滑化関数は、積分器、ローパスフィルタ、およびスルーレートのうちの１つまたは複数を含むのが好ましい。

モータによる作動流体の正味吐出量は、負荷に伝達されるエネルギを平滑化するように調整されるので、負荷に伝達されるエネルギは、再生可能なエネルギ源から流れ込んだ変動エネルギの平均流れとほぼ一致する。したがって、負荷に伝達されるエネルギは、変動エネルギ流れほど変動しない。

変動エネルギ流れは、少なくとも１つの平均化期間において、平均流れを２０％、４０％、または５０％超えるピーク流れを有することがある。変動エネルギ流れは、少なくとも１つの平均化期間において、平均流れよりも２０％、４０％、または５０％を超えて低い最小流れを有することがある。

負荷への平滑化エネルギ流れは安定していることが好ましい。平滑化エネルギ流れは、少なくとも１つの平均化期間において、平均流れを５％、１０％、または２０％超えないピーク流れを有するのが好ましい。定常エネルギ流れは、少なくとも１つの平均化期間において、平均流れよりも５％、１０％、または２０％以下だけ低い最小流れを有するものであるのが好ましい。

平滑化エネルギ流れは、同じ平均化期間にわたって、対応する変動エネルギ流れの最大相対変化率の１／３、１／５、または１／１０を超えない最大相対変化率を有するのが好ましい。流れの最大相対変化率は、その流れの平均値に対する、長期にわたる最大瞬間変化率である。

平滑化エネルギ流れは、その平均値からの偏差が、変動エネルギ流れの、それ自体の平均値からの偏差の１／３、１／５、または１／１０以下であるのが好ましい。

好ましくは、前記平均化期間は１０分未満、例えば、５分であるが、３０分、１時間、または１日未満であってもよい。平均化期間の間の平均流れは、この平均流れ（例えば、対応する変動エネルギ流れから得られる定常エネルギ流れか、対応する変動エネルギによって駆動されるか、または生じる定常エネルギ流れか、あるいは対応する変動エネルギ流れを吸収する定常エネルギ流れ）に関連する、対応する変動エネルギ流れの同じ平均期間の間の平均流れと実質的に同じであるのが好ましい。

エネルギ抽出装置は、電子制御式弁を作動チャンバ容積のサイクルに同期した関係で能動的に制御して、各作動チャンバによって吐出される作動流体の正味吐出量を調整するコントローラを含むのが好ましい。コントローラは、１つのプロセッサ、または分散処理型とすることができる複数のプロセッサを有することができる。

油圧ポンプおよび油圧モータはそれぞれ、作動チャンバを周期的に駆動する、または作動チャンバによって周期的に駆動される回転可能なシャフトを含むのが好ましい。シャフトは偏心カムシャフトであるのが好ましく、シャフトはリングカムを含むことができる。油圧ポンプは、ポンプとしてのみ機能でき、油圧モータは、モータとしてのみ機能できる。あるいは、油圧ポンプまたは油圧モータは、別の動作モードでモータまたはポンプのいずれかとして機能することができる。

各作動チャンバは、作動チャンバ容積の各サイクルで、チャンバが作動流体の正味吐出を行う活動サイクル、またはチャンバが作動流体の正味吐出を行わない空転サイクルを実行するように動作可能であるのが好ましい。各作動チャンバは、活動サイクル時に複数の作動流体量の１つ（例えば、所定の範囲の作動流体量）を吐出するように動作可能であることがあり得る。前記量の範囲は不連続であってよく、例えば、作動流体量の範囲には、正味流体吐出量が実質的にない第１の最小値から、最大で作動チャンバの最大正味流体吐出量の２５％または４０％の第１の最大値までと、次いで、作動チャンバの最大正味流体吐出量の少なくとも６０％または７５％の第２の最小値から、作動チャンバの最大正味流体吐出量のほぼ１００％の第２の最大値までとにわたる範囲があり得る。これは、例えば、作動チャンバ容積の膨張または圧縮行程の中間部で弁を開く、または閉じることができないほど、動作中の作動流体圧力が十分に高かったり、あるいは、量の範囲を連続させて動かすことで、作動チャンバ、作動チャンバの弁、または各流体作動機械の他の部品が損傷を受けるほど、流体流れが十分に速かったりする場合に行うことができる。

「能動的に制御する」とは、電力を消費し、例えば、単に弁の前後の圧力差に応答して弁を開閉するなどの受動的な応答に限らない制御機構によって、コントローラが、少なくとも何らかの状況において、弁の状態に影響を及ぼすのを可能にすることを指す。「能動的制御」などの関連用語は適宜解釈されるべきである。それでもなお、弁は、受動的手段により開閉するように動作可能であることも好ましい。弁は通常、吸入行程時などに、作動チャンバ内の圧力低下により受動的に開く。例えば、弁は、少なくとも一部のサイクル時に、圧力差により受動的に開き、サイクルの一部中に、コントローラの能動的制御によって選択的に閉じることができ、かつ／または開くことができる。弁はまた、付勢手段によって付勢されて開くか、または付勢されて閉じるのが好ましい。弁は、能動的制御によって第１の状態から第２の状態に移ることができ、バイアス手段によって第２の状態から第１の状態に移ることができるのが好ましい。第１または第２の状態の一方は閉じた状態であり、他方は開いた状態であるのが好ましい。

「能動的に制御する」（および「能動的制御」などの関連用語）とは、コントローラが、弁に、開く、閉じる、開いたまま、および／または閉じたままのうちの１つまたは複数を選択的に行わせるように動作できる可能性を含む。コントローラは、作動サイクルの一部中に、弁の状態に影響を及ぼすことしかできないことがある。例えば、コントローラは、作動チャンバ内の圧力がかなりある場合に、作動サイクルのほとんどで、圧力差に抗して低圧弁を開くことができない場合がある。通常、コントローラは、直接的に弁か、または半導体スイッチなどの弁ドライバのいずれかに制御信号を送ることで弁を能動的に制御する。制御信号を送るとは、弁の意図された状態（例えば、開閉）を示す信号、または弁の状態が変えられるべきであることを（例えば、弁が開閉されるべきであることを）示すパルス、または弁の状態が維持されるべきであることを示すパルスを送ることを含む。コントローラは、連続的に信号を送り、弁の状態を変えるために、信号を止めるか、または変更することができる。弁には、電流を供給することにより開いた状態に保たれ、電流を切ることにより能動的に閉じる、通常は閉じていてソレノイドで開く形の弁が含まれ得る。

「作動チャンバ容積のサイクルに同期した関係」とは、コントローラによる弁の能動的制御のタイミングが、作動チャンバの容積サイクルの位相に対応して決まることを意味する。その結果、各流体作動機械は通常、位置センサなどの作動チャンバ位相測定手段を含む。例えば、作動チャンバ容積のサイクルが、シャフトの回転に機械的に関連している場合、各流体作動機械は、シャフト位置センサ、およびオプションとしてシャフト回転数センサを含むことが好ましく、コントローラは、シャフト位置センサからシャフト位置信号を受け取り、オプションで前記シャフト回転数センサからシャフト回転数信号を受け取るように動作可能である。複数の作動チャンバを含む実施形態では、異なる作動チャンバの容積サイクル間で位相差がある場合、コントローラは通常、個々の作動チャンバの位相を特定するように動作可能である。

油圧ポンプまたは油圧モータの作動チャンバによる流体の選択された正味吐出量が十分に少ない場合、作動チャンバ容積の１つまたは複数のサイクル時に、流体を吐出するよう動作可能な１つまたは複数の作動チャンバが余る、すなわち、作動チャンバが存在しなくても、または動作しなくても、それでも油圧ポンプ機械または油圧モータ機械は、作動チャンバ容積の活動サイクルの全体周波数を変えることなく、需要を満たすのに十分な流体を吐出できるのが好ましい。油圧ポンプまたは油圧モータの作動チャンバによる流体の選択された正味吐出量が十分少ない場合、選択された吐出量を供給するのに利用可能な作動チャンバの少なくとも１つによって吐出される流体の選択された量は、作動チャンバ容積の少なくとも一部のサイクルに対して実質的にゼロであるのが好ましい。一部の実施形態では、油圧ポンプまたは油圧モータの作動チャンバによる流体の選択された正味吐出量が十分少ない場合、選択された吐出量を供給するのに利用可能な作動チャンバの少なくとも１つは、作動チャンバ容積の少なくとも一部のサイクルに対して空転サイクルを行う。一部の実施形態では、作動チャンバは、複数の作動流体量の１つを吐出するように動作可能であり、油圧ポンプまたは油圧モータの作動チャンバによる流体の選択された正味吐出量が十分少ない場合、利用可能な作動チャンバの少なくとも１つによって吐出される流体の選択された量は、作動チャンバの前記少なくとも１つが吐出するよう動作可能な、作動流体の最大量未満である。

本発明の第３の態様によれば、再生可能なエネルギ源による変動エネルギ流れからエネルギを抽出するエネルギ抽出装置を動作させる方法が提供され、この装置は、回転シャフトによって駆動される油圧ポンプと、再生可能なエネルギ源によって駆動される回転シャフトと、負荷を駆動する油圧モータと、油圧ポンプの出口、油圧モータの入口、および弾性変形可能な流体保持体と流体連通する少なくとも１つの低圧マニホルドおよび高圧マニホルドとを含み、油圧ポンプおよび油圧モータはそれぞれ、容積が周期的に変わる複数の作動チャンバと、各作動チャンバと各マニホルドとの間で作動流体の正味吐出量を調整する複数の弁とを含み、各作動チャンバに対応する少なくとも１つの弁は電子制御式弁であり、前記電子制御式弁は、作動チャンバ容積の各サイクル時に、各前記作動チャンバによって吐出される作動流体の量を選択し、それにより、各油圧ポンプおよび油圧モータによる作動流体の正味吐出量を調整するように動作し、この方法は、油圧ポンプによって前記回転シャフトにかけられるトルクを調整するように、油圧ポンプによる作動流体の正味吐出量を選択することと、負荷への動力伝達量を平滑化するように、油圧モータによる作動流体の正味吐出量を選択することと、弾性変形可能な流体保持体が、必要に応じて、高圧マニホルドから作動流体を受け入れ、高圧マニホルドに作動流体を出力することと、許容可能な圧力範囲内にあるように高圧マニホルド内の圧力を調整することとを特徴とする。

本発明の第４の態様によれば、再生可能なエネルギ源による変動エネルギ流れからエネルギを抽出するエネルギ抽出装置を動作させる方法が提供され、この装置は、回転シャフトによって駆動される油圧ポンプと、再生可能なエネルギ源によって駆動される回転シャフトと、負荷を駆動する油圧モータと、油圧ポンプの出口、油圧モータの入口、および弾性変形可能な流体保持体と流体連通する少なくとも１つの低圧マニホルドおよび高圧マニホルドとを含み、油圧ポンプおよび油圧モータはそれぞれ、容積が周期的に変わる複数の作動チャンバと、各作動チャンバと各マニホルドとの間で作動流体の正味吐出量を調整する複数の弁とを含み、各作動チャンバに対応する少なくとも１つの弁は電子制御式弁であり、前記電子制御式弁は、作動チャンバ容積の各サイクル時に、各前記作動チャンバによって吐出される作動流体の量を選択し、それにより、各油圧ポンプおよび油圧モータによる作動流体の正味吐出量を調整するように動作し、この方法は、前記回転シャフトにかけられるトルクを調整するように、油圧ポンプによる作動流体の正味吐出量を選択することと、負荷に定常エネルギ流れを供給するように、油圧モータによる作動流体の正味吐出量を選択することと、弾性変形可能な流体保持体が、必要に応じて、変動エネルギ流れと定常エネルギ流れとの間の差分と同量の作動流体を高圧マニホルドから受け入れ、高圧マニホルドに出力することと、高圧マニホルド内の圧力を調整して許容可能な圧力範囲内に維持するように、油圧モータによる作動流体の正味吐出量を選択することとを特徴とする。

本発明の第５の態様によれば、再生可能なエネルギ源による変動エネルギ流れからエネルギを抽出するエネルギ抽出装置を動作させる方法が提供され、この装置は、回転シャフトによって駆動される油圧ポンプと、再生可能なエネルギ源によって駆動される回転シャフトと、負荷を駆動する油圧モータと、油圧ポンプの出口、油圧モータの入口、および弾性変形可能な流体保持体と流体連通する少なくとも１つの低圧マニホルドおよび高圧マニホルドとを含み、油圧ポンプおよび油圧モータはそれぞれ、容積が周期的に変わる複数の作動チャンバと、各作動チャンバと各マニホルドとの間で作動流体の正味吐出量を調整する複数の弁とを含み、各作動チャンバに対応する少なくとも１つの弁は電子制御式弁であり、前記電子制御式弁は、作動チャンバ容積の各サイクル時に、各前記作動チャンバによって吐出される作動流体の量を選択し、それにより、各油圧ポンプおよび油圧モータによる作動流体の正味吐出量を調整するように動作し、この方法は、高圧マニホルド内の圧力を測定することと、前記回転シャフトにかけられるトルクを調整するように、前記測定した圧力に応じて油圧ポンプによる作動流体の正味吐出量を選択することと、弾性変形可能な流体保持体が、必要に応じて、変動エネルギ流れと油圧モータを通るエネルギ流れとの間の差分と同量の作動流体を高圧マニホルドから受け入れ、高圧マニホルドに出力することと、第１の圧力範囲において、負荷に平滑化したエネルギ流れを供給するように、前記測定した圧力に応じて、油圧モータによる作動流体の正味吐出量を選択し、少なくとも１つの第２の圧力範囲において、第１の圧力範囲に向かって圧力を調整するように、前記測定した圧力に応じて、油圧モータによる作動流体の正味吐出量を選択することとを特徴とする。

本発明の第６の態様によれば、再生可能なエネルギ源による変動エネルギ流れからエネルギを抽出するエネルギ抽出装置を動作させる方法が提供され、この装置は、回転シャフトによって駆動される油圧ポンプと、再生可能なエネルギ源によって駆動される回転シャフトと、負荷を駆動する油圧モータと、油圧ポンプの出口、油圧モータの入口、および弾性変形可能な流体保持体と流体連通する少なくとも１つの低圧マニホルドおよび高圧マニホルドとを含み、油圧ポンプおよび油圧モータはそれぞれ、容積が周期的に変わる複数の作動チャンバと、各作動チャンバと各マニホルドとの間で作動流体の正味吐出量を調整する複数の弁とを含み、各作動チャンバに対応する少なくとも１つの弁は電子制御式弁であり、前記電子制御式弁は、作動チャンバ容積の各サイクル時に、各前記作動チャンバによって吐出される作動流体の量を選択し、それにより、各油圧ポンプおよび油圧モータによる作動流体の正味吐出量を調整するように動作し、この方法は、高圧マニホルド内の圧力を測定することと、前記回転シャフトにかけられるトルクを調整するように、前記測定した圧力に応じて、油圧ポンプによる作動流体の正味吐出量を選択することと、前記測定した圧力を許容可能な圧力範囲に維持するように、油圧モータによる作動流体の正味吐出量を選択する第１順位の動作を実行することと、定常エネルギ流れを負荷に供給するように、前記測定した圧力に応じて、油圧モータによる作動流体の正味吐出量を選択する第２順位の動作を実行することとを特徴とする。

第１順位および第２順位の動作を異なる時間に実行することが可能である。第１順位の動作と第２順位の動作との間のバランスを可変にして、第１順位および第２順位の動作の両方を同時に実行することも可能である。

許容可能な圧力範囲には、第１の範囲と、第１の範囲よりも高いか、または低いかのいずれかの１つまたは複数の第２の範囲とが含まれることが好ましく、第２順位の動作は、測定した圧力が第１の圧力範囲内にある場合にのみ実行されるか、または測定した圧力が１つまたは複数の第２の範囲内にある場合よりも第１の圧力範囲内にある場合に強力に実行される。測定した圧力が第１の圧力範囲内にある場合より、第２の圧力範囲または各第２の圧力範囲内にある場合に、第１順位の動作を実行するか、またはより強力に実行し、第２順位の動作を実行しないか、またはあまり強力に実行しないことが好ましい。

方法は、油圧モータによる作動流体の正味吐出量が、前記測定した圧力を目標（通常は最適）圧力、または目標圧力範囲に向かって調整するように選択される第３順位の動作を実行することを含むことがあり得る。

第３順位の動作は、測定した圧力が第１の圧力範囲内にある場合にのみ実行されるか、または測定した圧力が１つまたは複数の第２の範囲内にある場合よりも第１の圧力範囲内にある場合に強力に実行される。

本発明の最初の６つの態様のいずれか１つに関して説明したオプションとしての特徴は、本発明の最初の６つの態様の任意のもののオプションとしての特徴となる。

本発明の第７の態様によれば、再生可能なエネルギ源による変動エネルギ流れからエネルギを抽出するエネルギ抽出装置が提供され、この装置は、コントローラと、回転シャフトによって駆動される油圧ポンプと、再生可能なエネルギ源によって駆動される回転シャフトと、負荷を駆動する油圧モータと、油圧ポンプの出口、油圧モータの入口、および弾性変形可能な流体保持体と流体連通する少なくとも１つの低圧マニホルドおよび高圧マニホルドと、高圧マニホルド内の圧力を測定する圧力センサとを有し、油圧ポンプおよび油圧モータはそれぞれ、周期的に容積が変化する複数の作動チャンバと、各作動チャンバと各マニホルドとの間で作動流体の正味吐出量を調整する複数の弁とを有し、各作動チャンバに対応する少なくとも１つの弁は電子制御式の弁であり、前記電子制御式弁は、作動チャンバ容積の各サイクル時に、各前記作動チャンバによって吐出される作動流体の量を選択し、それによって、各油圧ポンプおよび油圧モータによる作動流体の正味移動流量を調整するようにコントローラで制御可能であり、コントローラは、エネルギ抽出装置に、本発明の最初の６つの態様のいずれか１つの方法に従って動作させるように動作可能である。

コントローラは、１つのプロセッサ（例えば、マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラ）、または（分散処理型とすることができる）複数のプロセッサを有することができる。通常、プロセッサまたは各プロセッサは、プログラムを格納したコンピュータ可読記憶媒体と電気的に接続され、このプログラムは使用時に実行され、それによって、コントローラが本発明の最初の６つの態様のいずれか１つの方法に従ってエネルギ抽出装置を動作させる。

その結果、本発明は、第８の態様で、プログラムコード命令を含むコンピュータ可読記憶媒体に及び、このプログラムコード命令は、本発明の第７の態様によるエネルギ抽出機械のコントローラによって実行された場合に、エネルギ抽出機械に本発明の第１から第６の態様のいずれか１つの方法を行わせる。

本発明の実施形態が、添付の図面を参照して以下に説明される。

配電網に接続され、本発明を具現化した風力発電機を示している。 図１の風力発電機で使用する油圧モータを示している。 図１の風力発電機で使用するポンプの断面図を示している。 本発明を実行するアルゴリズムの１つの時間ステップの計算ステップを示している。 本発明を実行するアルゴリズムの１つの時間ステップの計算ステップを示している。 本発明を実行するコントローラ内の信号流れの概略図である。 トルクと回転数との間の特に好ましい関係を示している。 特に好ましい利得関数を示している。 いくつかの別の目標圧力関数を示している。

図１は、エネルギ抽出装置として機能し、配電網（１０１）に接続された風力発電機（ＷＴＧ、１００）の形態の本発明の例示的な実施形態を示している。ＷＴＧは、タワー（１０５）に回転可能に取り付けられ、総称的にロータ（１１０）として公知の３つのブレード（１０９）を支持するハブ（１０７）が取り付けられたナセル（１０３）を含む。ナセルの外部に取り付けられた風速計（１１１）は、測定した風速信号（１１３）をコントローラ（１１２）に供給する。ナセルにあるロータ回転数センサ（１１５）は、（回転シャフトの現在の回転速度である）ロータ回転数信号（１１７）をコントローラに供給する。システムの一例では、風に対する各ブレードの迎え角は、ピッチアクチュエータ（１１９）で変えることができ、ピッチアクチュエータは、ピッチ操作信号とピッチ検出信号（１２１）とをコントローラとやりとりする。本発明は、ピッチアクチュエータのないＷＴＧに適用することもできる。

ハブは、ロータシャフトとして機能し、ロータ回転方向（１２７）に回転するロータシャフト（１２５）を介してポンプ（１２９）に直接連結されている。ポンプは図３を参照して説明するタイプが好ましく、図２を参照して説明するタイプが好ましい油圧モータ（１３１）に流体接続している。ポンプと油圧モータとの間の流体接続は、それらの高圧ポートおよび低圧ポートにそれぞれ接続された高圧マニホルド（１３３）および低圧マニホルド（１３５）によってなされ、流れを制限する介在弁がないという意味で直接的である。ポンプおよび油圧モータは、高圧マニホルドおよび低圧マニホルドがポンプと油圧モータとの間に形成され、かつこれらの内部に形成されるように、互いに直接取り付けられるのが好ましい。装入ポンプ（１３７）は、貯蔵器（１３９）から、低圧アキュムレータ（１４１）に接続された低圧マニホルドに流体を連続的に汲み上げる。低圧逃がし弁（１４３）は、低圧マニホルドから熱交換器（１４４）を経由して貯蔵器に流体を戻し、この熱交換器は、作動流体の温度に影響を及ぼすように機能でき、熱交換器制御線（１４６）を介してコントローラで制御可能である。平滑化アキュムレータ（１４５）は、ポンプと油圧モータとの間で高圧マニホルドに接続されている。（ともに弾性変形可能な流体保持体として機能する）第１の高圧アキュムレータ（１４７）および第２の高圧アキュムレータ（１４９）は、それぞれ第１の分離弁（１４８）および第２の分離弁（１５０）を介して高圧マニホルドに接続されている。第１および第２の高圧アキュムレータは、様々な予圧を有することができ、さらに広範な予圧を有するさらなる高圧アキュムレータがあってもよい。第１および第２の分離弁の状態は、それぞれ第１の分離弁信号（１５１）および第２の分離弁信号（１５２）を通じて、コントローラによって設定される。高圧マニホルド内の流体圧力は、圧力センサ（１５３）で測定され、この圧力センサは、高圧マニホルド圧力信号（１５４）をコントローラに供給する。圧力センサは、オプションで流体温度を測定することもでき、流体温度信号をコントローラに供給する。高圧逃がし弁（１５５）は、高圧マニホルドと低圧マニホルドとを接続している。

油圧モータは、負荷となる発電機（１５７）に発電機シャフト（１５９）を介して連結されている。発電機は、接触器（１６１）を介して配電網に接続され、この接触器は、発電機および接触器コントローラ（１６３）から接触器制御信号（１６２）を受け取り、発電機を配電網に選択的に接続するか、または発電機を配電網から切り離すように動作することができる。発電機および接触器コントローラは、電気供給センサ（１６８）および発電機出力センサ（１７０）によってそれぞれ測定された電気供給信号（１６７）および発電機出力信号（１６９）から電圧、電流、および周波数の測定データを受け取り、それらをコントローラ（１１２）に送り、コントローラからの発電機および接触器制御信号（１７５）に基づいて、界磁電圧発電機制御信号（１６５）を調整することにより発電機の出力を制御する。

ポンプおよびモータは、それらのそれぞれのシャフトの瞬間的な回転角度位置および回転数と、油圧油の温度および圧力とをコントローラに知らせ、コントローラは、それらのそれぞれの弁の状態をポンプ動作信号およびポンプシャフト信号（１７１）、ならびにモータ動作信号およびモータシャフト信号（１７３）によって設定する。コントローラは、電力増幅器（１８０）を使用して、ピッチ操作信号、分離弁信号、ポンプ動作信号、およびモータ動作信号を増幅する。

図２は、シリンダ（２０４）の内面とピストン（２０６）とによって画定される容積を有する（文字Ａ〜Ｈによって個別に示される）複数の作動チャンバ（２０２）を含む、電子整流式油圧ポンプ／モータの形態の油圧モータ（１３１）を示しており、ピストンは、回転可能なシャフト（２０８）によって、偏心カム（２０９）を介して駆動され、作動チャンバの容積を周期的に変えるために、シリンダ内で往復運動をする。回転可能なシャフトは、発電機シャフト（１５９）に強固に連結され、これとともに回転する。油圧モータは、同じシャフトによって、軸方向に離間した偏心カムを介して駆動される、同様に離間した複数の作動チャンバ群を含むことができる。シャフト位置および回転数センサ（２１０）は、シャフトの瞬間的な回転角度位置および回転数を測定し、（モータ動作およびモータシャフト信号１７３の一部である）信号線（２１１）を経由してコントローラ（１１２）に知らせて、コントローラが各作動チャンバのサイクルの瞬間的な位相を特定するのを可能にする。コントローラは通常、使用時に、格納されたプログラムを実行するマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラである。コントローラは、分散処理型とすることができ、コントローラの全機能の一部を個別に実行する複数のマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラの形態をとることができる。

作動チャンバには、それぞれ電子駆動式面封止ポペット弁（２１４）の形態の低圧弁（ＬＰＶ）が付属し、ポペット弁は、それらの対応する作動チャンバの方に内側を向き、作動チャンバから低圧導管（２１６）に延びるチャネルを選択的に封鎖するように動作することができ、低圧導管は通常、使用時に流体の正味の供給源または吸収体として機能し、１つまたはいくつかの作動チャンバ、または、図に示すように、実際にすべての作動チャンバを、ＷＴＧの低圧マニホルド（１３５）に流体的に接続された低圧ポート（２１７）に接続することができる。ＬＰＶは、通常は開いていてソレノイドで閉じる形の弁であり、作動チャンバ内の圧力が、低圧マニホルド内の圧力以下である場合に、すなわち、吸入行程時に受動的に開いて、作動チャンバを低圧マニホルドと流体連通させるが、作動チャンバを低圧マニホルドと流体連通させないように、（モータ動作およびモータシャフト信号１７３の一部である）ＬＰＶ制御線（２１８）経由のコントローラの能動的制御によって選択的に閉じることもできる。あるいは、通常は閉じていてソレノイドで開く形の弁などの電子制御可能な弁を採用することもできる。

作動チャンバには、それぞれ圧力作動式吐出弁の形態の高圧弁（ＨＰＶ）（２２０）がさらに付属する。ＨＰＶは、作動チャンバから外側に開き、作動チャンバから高圧導管（２２２）に延びるチャネルを封鎖するように動作することができ、高圧導管は、使用時に流体の正味の供給源または吸収体として機能し、１つまたはいくつかの作動チャンバ、または図に示すように、実際にすべての作動チャンバを、高圧マニホルド（１３３）と流体連通する（油圧モータの入口である）高圧ポート（２２４）に接続することができる。ＨＰＶは、作動チャンバ内の圧力が高圧マニホルド内の圧力を超えた場合に受動的に開く、通常は閉じていて圧力で開く逆止弁として機能する。ＨＰＶはまた、対応する作動チャンバ内の圧力によってＨＰＶが開くと、コントローラが（モータ動作およびモータシャフト信号１７３の一部である）ＨＰＶ制御線（２２６）を経由して、開いた状態を選択的に保持できる、通常は閉じていてソレノイドによって開く逆止弁として機能する。通常ＨＰＶは、コントローラにより、高圧マニホルド内の圧力に打ち勝って開くことはできない。ＨＰＶはさらに、高圧マニホルド内に圧力が存在するが、作動チャンバ内に存在しない場合に、コントローラの制御によって開くことができ、または、例えば、弁が、国際公開第２００８／０２９０７３号パンフレットもしくは国際公開第２０１０／０２９３５８号パンフレットに開示した方法によるタイプであり、かつこれらの方法に従って動作する場合に部分的に開くこともできる。

例えば、この参照により、それらの内容を本明細書に援用する欧州特許第０ ３６１ ９２７号明細書、欧州特許第０ ４９４ ２３６号明細書、および欧州特許第１ ５３７ ３３３号明細書に記載した標準動作モードでは、コントローラは、対応する作動チャンバのサイクルにおいて、１つまたは複数のＬＰＶを最小容積点になる少し前に能動的に閉じ、低圧マニホルドへの流路を閉じることで、作動チャンバ内の流体が圧縮行程の残りの部分で圧縮されるようにし、油圧モータによる高圧マニホルドからの流体の正味吐出量を選択する。対応するＨＰＶは、ＨＰＶの前後の圧力が等しくなると開き、少量の流体が、対応するＨＰＶから送り出される。次いで、コントローラは、通常は、対応する作動チャンバのサイクルにおいて最大容積に近くなるまで、対応するＨＰＶを開いた状態に能動的に保持し、高圧マニホルドから流体を流入させ、回転可能なシャフトにトルクをかける。オプションのポンプモードでは、コントローラは、通常は、対応する作動チャンバのサイクルにおける最大容積点の近くで、１つまたは複数のＬＰＶを能動的に閉じ、低圧マニホルドへの流路を閉じて、次の圧縮行程時に、対応するＨＰＶから流体を送り出す（しかし、ＨＰＶを開いた状態に能動的に保持しない）ことで、油圧モータによる高圧マニホルドへの液体の正味吐出量を選択する。コントローラは、流れを生成するか、またはシャフトトルクもしくは動力を発生させて、選択された正味吐出量を満足させるように、ＬＰＶの閉鎖およびＨＰＶの開放の回数およびシーケンスを選択する。コントローラは、ＬＰＶを閉じるか、または開いた状態に保持するかをサイクルごとに判断すると同時に、変化する作動チャンバ容積に対応してＨＰＶを閉じる位相を精密に変え、それにより、高圧マニホルドから低圧マニホルドへの、またはその逆の流体の正味吐出量を選択するように動作可能である。

ポート（２１７、２２４）の矢印は、モータモードでの流体流れを示し、ポンプモードでは、流れは反対になる。圧力逃がし弁（２２８）は、油圧モータを損傷から保護することができる。

図３は、電子整流式弁を有するポンプ（１２９）の一部（３０１）を概略的な形態で示している。ポンプは、半径方向配置の、多数の同じ作動チャンバ（３０３）で構成され、それらのうちの３つだけが、図３に部分的に示されている。各作動チャンバは、シリンダ（３０５）の内面とピストン（３０６）とによって画定される容積を有し、ピストンは、リングカム（３０７）によってローラ（３０８）を介して駆動され、作動チャンバの容積を周期的に変えるために、シリンダ内で往復運動をする。リングカムは、シャフト（３２２）に取り付けられたセグメントに分割することができ、このシャフトは、ロータシャフト（１２５）に堅固に連結されている。２つ以上の、半径方向に配置された作動チャンバ群をシャフトに沿って軸方向に配置することができる。リングカムの周囲の圧力よりも高い、低圧マニホルド、ひいては作動チャンバ内の流体圧力が、または、代替案として、スプリング（図示せず）が、ローラをリングカムと接触した状態に保持する。シャフト位置および回転数センサ（３０９）は、シャフトの瞬間的な回転角度位置および回転数を測定し、（ポンプ動作およびポンプシャフト信号１７１の一部である）電気接続体（３１１）を経由してコントローラ（１１２）に知らせて、コントローラが各個別の作動チャンバのサイクルの瞬間的な位相を特定するのを可能にする。コントローラは通常、使用時に、格納されたプログラムを実行するマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラである。コントローラは、分散処理型することができ、コントローラの全機能の一部を個別に実行する複数のマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラの形態をとることができる。

各作動チャンバは、作動チャンバの方に内側を向き、作動チャンバから低圧導管（３１４）に延びるチャネルを選択的に封鎖するように動作可能な電子駆動式面封止ポペット弁（３１３）の形態の低圧弁（ＬＰＶ）を含み、低圧導管は通常、（ポンプモードにおいて）使用時に流体の正味の供給源（または、モータの場合は吸収体）として機能する。低圧導管は、低圧マニホルド（１３５）に流体的に接続されている。ＬＰＶは、通常は開いていてソレノイドで閉じる形の弁であり、吸入行程時、作動チャンバ内の圧力が低圧導管内の圧力未満の場合に受動的に開いて、作動チャンバを低圧マニホルドと流体連通させるが、作動チャンバを低圧マニホルドと流体連通させないように、（ポンプ動作およびポンプシャフト信号１７１の一部である）ＬＰＶ制御信号（３１５）によるコントローラの能動的制御によって選択的に閉じることもできる。あるいは、通常は閉じていてソレノイドで開く形の弁などの電子制御可能な弁を採用することもできる。

作動チャンバは、圧力作動式吐出弁の形態の高圧弁（ＨＰＶ、３１７）をさらに含む。ＨＰＶは、作動チャンバから外側に向き、作動チャンバから高圧導管（３１９）に延びるチャネルを封鎖するように動作することができ、高圧導管は、使用時に流体の正味の供給源または吸収体として機能し、高圧マニホルド（１３３）と流体連通している。ＨＰＶは、作動チャンバ内の圧力が高圧マニホルド内の圧力を超えた場合に受動的に開く、通常は閉じていて圧力で開く逆止弁として機能する。ＨＰＶはまた、ＨＰＶが作動チャンバ内の圧力によって開くと、コントローラが（ポンプ動作およびポンプシャフト信号１７１の一部である）ＨＰＶ制御信号（３２１）によって開いた状態を選択的に保持できる、通常は閉じていてソレノイドによって開く逆止弁として機能することもできる。ＨＰＶは、高圧マニホルド内に圧力が存在するが、作動チャンバ内に存在しない場合に、コントローラの制御によって開くことができ、または、部分的に開くこともできる。

先行技術（例えば、欧州特許第０ ３６１ ９２７号明細書、欧州特許第０ ４９４ ２３６号明細書、および欧州特許第１ ５３７ ３３３号明細書）に記載した標準動作モードでは、コントローラは、通常は、対応する作動チャンバのサイクルにおける最大容積点の近くで、１つまたは複数のＬＰＶを能動的に閉じ、低圧マニホルドへの流路を閉じて、次の圧縮行程時に、対応するＨＰＶから流体を送り出すことで、油圧ポンプによる高圧マニホルドへの液体の正味吐出量を選択する。コントローラは、流れを生成するか、またはシャフト（３２２）にトルクをかけて、選択された正味吐出量を満足させるように、ＬＰＶを閉鎖する回数およびシーケンスを選択する。コントローラは、ＬＰＶを閉じるか、または開いた状態に保持するかをサイクルごとに判断すると同時に、変化する作動チャンバ容積に対応してＬＰＶを閉じる位相を精密に変え、それにより、低圧マニホルドから高圧マニホルドへの流体の正味吐出量を選択するように動作可能である。

図４は、本発明を実施し、コントローラ（１１２）内で実行される制御アルゴリズム（４００）の演算の１つの時間ステップを示している。

最初に図４ａを参照すると、ステップＳ１で、ロータ回転数Ｗ_ｒをロータ回転数信号（１１７）から計算する。あるいは、ポンプとロータとは、ロータシャフトで直接連結されているので、ポンプの回転数を測定してもよい。ステップＳ２で、ロータ回転数からトルク目標Ｔ_ｄを計算する。

ここで、ステップＳ２をより詳細に示している図４ｂを参照すると、ステップＳ２ａで、図６を参照してより詳細に説明される現在のロータ回転数Ｗ_ｒの関数から、空気力学的に理想的なロータトルクＴ_ｉが得られる。ステップＳ２ｂで、通常０．９〜１であり、風の状態およびブレードの経時的な空気力学的変化に応じて使用時に変わり得る理想トルクスケール係数ＭでＴ_ｉを調整する。Ｍ＜１としたことで、ポンプは平均風速に対する理想値よりも小さいトルクを発生させ、それにより、平均風速に対する理想値よりも若干速く回転する。したがって、ＷＴＧは、凪時に（Ｍ＝１の場合よりも）空気力学上の最適性に劣るが、突風時は最適性が高い。入手可能な動力は、凪時よりも突風時の方がはるかに大きいので、取り込み率の変動が大きいにもかかわらず、ＷＴＧは、全体としてより多くのエネルギを取り込む。

アルゴリズムはまた、ロータが風速の急激な変化に、より綿密に追従し、それによって、突風および凪時でさえ、風から最大動力を抽出するように、ポンプによってロータにかけられるトルクを調整することができる。ステップＳ２ｃで、回転数Ｗ_ｒの変化率からロータ加速度ａ_ｒを求める。ステップＳ２ｄで、前の時間ステップでポンプによってロータにかけられた（ポンプの選択された正味吐出量と高圧マニホルド内の測定した圧力とから分かる）トルクＴ_{ｄ（ｐｒｅｖ）}と、ロータ、ポンプ、およびロータシャフトを合わせた慣性Ｊ_{ｒｏｔｏｒ＋ｐｕｍｐ}を加速する正味トルクとの合計である空気力学的トルクＴ_ａｅｒｏ（現時点で風によってロータにかけられる実際のトルクの大きさ）を得る。ステップＳ２ｅで、アルゴリズムは、ポンプトルクより上の余分なトルクＴ_{ｅｘｃｅｓｓ}、すなわち、ロータ、ロータシャフト、およびポンプを（正の場合に）加速するか、または（負の場合に）減速すると予測されるトルクを計算する。ステップＳ２ｆには、Ｔ_{ｅｘｃｅｓｓ}にフィードフォワード利得Ｇを乗じてＴ_{ｆｅｅｄｆｏｒｗａｒｄ}を計算することが含まれる。（例えば、進みまたは遅れコントローラなどのより複雑なフィードフォワード関数を使用して、風速の追跡をさらにそれ以上向上させることができる）。ステップＳ２ｇで、最大動力を取り込むための理想トルクＴ_ｉにＴ_{ｆｅｅｄｆｏｒｗａｒｄ}を加えて、ロータ回転数および風速が最適周速比に適合した場合に、最大動力を抽出しながら、ロータ回転数が風速に正確に追従するのを可能にするために、ポンプによってロータにかけられるべきトルク需要Ｔ_ｄを得る。

図４ａに戻って、ステップＳ３で、Ｔ_ｄを（ＨＰ圧力信号１５４から得た）高圧マニホルドの測定した圧力で除してポンプ需要Ｄ_ｐｕｍｐを算出する。ポンプ需要は、ポンプの選択された正味吐出量であり、上記の態様でポンプのＬＰＶ（および可能な場合にＨＰＶ）を選択的に動作させるために、コントローラによって使用される制御アルゴリズムの出力（４０２）である。

ステップＳ４で、コントローラは、変動エネルギ流れ内の動力Ｐｏｗｅｒ_{ｒｏｔｏｒ}を計算する。これは、いくつかの異なる方法で行うことができ、例えば、既知のポンプ回転速度、ポンプの選択された正味吐出量、および高圧マニホルド内の圧力を使用して、油圧動力出力を計算するか、または既知のロータ回転速度および推定した空気力学的トルクＴ_ａｅｒｏを使用して、機械動力出力を計算する。

ステップＳ６で、Ｐｏｗｅｒ_{ｒｏｔｏｒ}に対して平滑化モジュール、例えば、一次ローパスフィルタを実行することで、変動エネルギ流れの平滑化版Ｐｏｗｅｒ_{ｍｏｔｏｒ}を計算する。設計者は、ＷＴＧおよび状況に適した平滑化アルゴリズムを選択することができる。平滑化版は、油圧モータによる作動流体の正味吐出量を計算する基本をなし、高圧マニホルド内の圧力に作用するその流量の影響を考慮せずに、すなわち、その流量とは無関係に選択される。

ステップＳ７でヘッドルーム（ｈｅａｄｒｏｏｍ）トルクＴ_ｈを計算する。ヘッドルームトルクは、予期しない突風または風の強まり時にロータ回転数を適切に制御するために、「突然の通知」でポンプがロータシャフトにかけることができなければならない最小トルクを規定する。（ヘッドルームトルクは、ポンプの回転数の関数であり、その特性は、後で図６を参照して詳細に説明される）。

ロータトルクは、ポンプの、１回転当たりの選択された正味吐出量（この正味吐出量には、作動チャンバの数量および容積によって決まる設計限界がある）と、高圧マニホルドの圧力との産物であるため、必要なトルクヘッドルームからＰ_ｍｉｎの下限値が分かる。ステップＳ８で、高圧マニホルドの最小圧力Ｐ_ｍｉｎがＴ_ｈから計算され、許容可能な圧力範囲の下限値を規定する。さらに、平滑化（または、第１および第２のアキュムレータ）の最小予圧Ｐ_{ａｃｃ，ｍｉｎ}により、それ未満では、所望の動作を達成するための、高圧マニホルド内のコンプライアンスが不十分な可能性がある、Ｐ_ｍｉｎに対するさらなる下限値がもたらされる。Ｐ_ｍｉｎ、したがって許容可能な圧力範囲は、両方の下限値より高くなければならない。

ステップＳ９で、高圧マニホルドの最小圧力Ｐ_ｍｉｎ、（許容可能な圧力範囲の上限値である）前記マニホルドの設計上の最大圧力Ｐ_ｍａｘ、および変動エネルギ流れまたはそれの平滑化版のいずれかを使用して、図７を参照して説明する関数に従い圧力コントローラ利得Ｋ_ｐを計算する。

ステップＳ１０で、図８を参照して説明する関数に従って、ＷＴＧの最適動作点、ＷＴＧの動作範囲限界、または必要最小圧力のうちの１つまたは複数から目標圧力Ｐ_ｄを計算する。

ステップＳ１１で、アルゴリズムは、モータの正味吐出量の標準値（モータ需要）Ｄ_ｎを計算する。標準モータ需要は、モータ回転数信号２１１、ＨＰ圧力信号（１５４）、およびＰｏｗｅｒ_{ｍｏｔｏｒ}から計算される（Ｄ_ｎ＝Ｐｏｗｅｒ_{ｍｏｔｏｒ}／Ｗ_{ｍｏｔｏｒ}／Ｐ_ｓ）である。

ステップＳ１２で、アルゴリズムは、測定圧力と目標圧力Ｐ_ｄとの差分に圧力コントローラ利得Ｋ_ｐを乗じて、モータ需要補正Ｄ_ｂを計算する。

アルゴリズムの最後のステップＳ１３は、標準モータ需要Ｄ_ｎと需要補正Ｄ_ｂとを足し合わせることで、モータの正味吐出量（モータ需要）Ｄ_{ｍｏｔｏｒ}を計算する。モータ需要は、上記の態様でモータの弁を選択的に動作させるために、コントローラによって使用される制御アルゴリズムの出力（４０４）である。

使用時、アルゴリズムは繰り返して実行される。
ＷＴＧが突風を受ける場合の図１のＷＴＧの制御における本発明の動作例が以下に説明される。

ＷＴＧが突風の影響を受ける前に、ロータは、ほぼ空気力学的最適回転数で回転している。（Ｍが、例えば、０．９７の場合、ロータは空気力学的最適条件よりも若干速く回転するので、ロータはすでに少し速く回転していて、それによって目前に迫ったまたは他の突風をより効率的に取り込む）。高圧マニホルド圧力Ｐ_ｓは、安定した風力および他の状態に関して求めた（目標圧力である）所望の最適圧力Ｐ_ｄに等しい。

突風がＷＴＧに当たると、突風は、ハブにかかるトルクを、前の時間ステップでポンプによってかけられたトルクＴ_ｄよりも大きくするので、ロータは加速することになる。コントローラは、ステップＳ２ｃに従って、ロータのこの加速度ａ_ｒを計算し、ステップＳ２ｄに従って、加速度ａ_ｒから風による空気力学的トルクＴ_ａｅｒｏを推定する。ステップＳ２ｅ、Ｓ２ｆ、Ｓ２ｇを使用して、コントローラは必要とされるポンプトルクＴ_ｄを計算する。利得が、例えば、約０．３の場合、ＭＴ_ｉからＴ_{ｆｅｅｄｆｏｒｗａｒｄ}を減ずるために、ポンプ需要Ｔ_ｄは小さくなる。Ｄ_ｐｕｍｐが減る（ステップ３）ということは、突風のない場合よりも少ない流体がポンプによって吐出され、小さいトルクがかかることを意味する。したがって、ロータは、Ｇ＝０の場合よりも速く加速され、それによって、（一定の周速比範囲内で）先端速度を風速に素速く合わせて、突風から最大動力を抽出する。

コントローラは、理想ロータトルクＭＴｉ（または、推定空気力学的トルクＴ_ａｅｒｏ）および現在のロータ回転数から変動エネルギ流れＰｏｗｅｒ_{ｒｏｔｏｒ}を計算する（ステップＳ４）。Ｐｏｗｅｒ_{ｍｏｔｏｒ}は、ステップＳ６に関連して前述したように、ローパスフィルタを用いて余分な計算結果を除去することで算出される。ローパスフィルタを使用することで、突風がＷＴＧに影響を及ぼした直後に、先行技術のＷＴＧとは対照的に、モータ動力（したがって、発電機の電気出力）は、風力が増し、ポンプ出力が低下したにもかかわらず突風の直前と実質的に同じになる。

高圧マニホルドへの流体の移送が低下したために、流体が、第１および第２のアキュムレータから抽出されて、モータの駆動に寄与する。流体が抽出されるときに高圧マニホルド圧力Ｐ_ｓは低下しており、Ｐ_ｓが最適圧力Ｐ_ｄ未満に低下したときに、次の時間ステップで、所望のポンプトルク需要Ｔ_ｄを維持するために、Ｄ_ｐｕｍｐを増大させる。ポンプトルク需要を滑らかに変化させることで、ブレードの寿命が延びるし、またはブレードをより安価にすることも可能になる。

ロータ回転数は、短時間で上昇して風速に適合する。このとき、ポンプ需要Ｔ_ｄは、理想トルクＭＴ_ｉと合致し、ポンプは、突風の動力を最大限に抽出する。ローパスフィルタにより、Ｐｏｗｅｒ_{ｍｏｔｏｒ}がさらにゆっくりと増えるので、余分な流体はポンプによって移送され、第１および第２のアキュムレータに蓄積されて、圧力Ｐ_ｓを上昇させる。通常Ｐ_ｓは、最適圧力Ｐｄよりも高くなる。したがって、Ｐ_ｓは、第１の圧力範囲内に実質的に規制されない。

突風が弱まると、逆のプロセスが起こる。コントローラは、ロータの減速を検出し、新たな風速に合わせるために、ポンプトルクを増やしてロータを遅くし、そのプロセスにおいて、余ったエネルギがアキュムレータに蓄積され、圧力Ｐ_ｓはさらに上昇する。突風が弱まった後、コントローラのローパスフィルタにより、Ｐｏｗｅｒ_{ｍｏｔｏｒ}がゆっくり小さくなり、流体がアキュムレータから抽出され、圧力Ｐ_ｓが最適圧力Ｐ_ｄに向かって戻る。Ｐ_ｓとＰ_ｄとの間に違いが残った場合、圧力コントローラ５２９は、モータ需要Ｄ_{ｍｏｔｏｒ}を若干上下に調整して、それらの最終的な収束を保証する。

突風がＷＴＧに当たると、圧力Ｐ_ｓは、Ｐ_ｍｉｎにおいて許容可能な圧力範囲の下限に隣接した、下側の第２の範囲に入るほど大きく落ち込むことがあり得る。この場合に、圧力フィードバックコントローラ利得Ｋ_ｐが高くなり、圧力フィードバックコントローラ５２９は、より強力な補正Ｄ_ｂを設定して、モータ需要Ｄ_{ｍｏｔｏｒ}を小さくし、それによって、Ｐ_ｓがＰ_ｍｉｎに達するのを回避する。発電機の電気出力は小さくなるが、タービンの損傷が回避される。

突風がＷＴＧに当たった後、または突風が通り過ぎると、圧力Ｐ_ｓは、Ｐ_ｍａｘにおいて許容可能な圧力範囲の上限に近接した、上側の第２の範囲に入るほど大きく上昇することがあり得る。この場合に、圧力フィードバックコントローラ利得Ｋ_ｐが高くなり、圧力フィードバックコントローラ５２９は、より強力な補正Ｄ_ｂを設定して、モータ需要Ｄ_{ｍｏｔｏｒ}を大きくし、それによって、Ｐ_ｓがＰ_ｍａｘに達するのを回避する。発電機の電気出力は大きくなるが、タービンの損傷が回避される。

その結果、先行技術のＷＴＧよりもはるかに円滑に電気を生成する。アキュムレータにより、ＷＴＧの出力電力をブレードへの瞬間的な入力動力の時間平均版にすることが可能になる。

ローパスフィルタの時定数は、油圧アキュムレータおよびポンプの容量、ならびにＷＴＧの設置現場の風の状態と関係がある。時定数は、例えば、突風または凪が９０％経過した後に、あるいは動作時間の少なくとも９５％の間、圧力が第１の範囲から外れないのに十分なだけ長く選択されるのが好ましい。ローパスフィルタの挙動は、変動エネルギ流れの特徴である変化する風の状態に応じて、使用時に調整することができる。予測される突風または凪のエネルギが増大する場合（例えば、風速が速い、または風が突風状態を伴う方向から吹く場合）、ローパスフィルタの機能は弱められて、油圧モータは突風に素速く対応し、高圧マニホルドの圧力は、あまり高く上昇しないのが好ましい。コントローラは、圧力を第１の範囲内に保ちながら、発電機電力出力の変動を最も小さくする最適フィルタパラメータを学習するアルゴリズムを使用することができる。コントローラは、例えば、突風または凪が９０％経過した後に、あるいは動作時間の少なくとも９５％の間、圧力が第１の圧力範囲から外れないのに十分なだけ長い最適フィルタパラメータセットを導出することができる。

図５は、図４の実行流れ図と等価な、本発明を実施する際の信号流れの概略図を示している。ロータ回転数測定値（１１７）を使用して、図６に関連して定義される関数（６００）に従って理想トルクＴ_ｉを計算する。理想トルクは、理想トルクスケール係数Ｍを乗じて調整されて、調整された理想トルク（ＭＴ_ｉ）が得られる。理想トルクスケール係数Ｍは、ゼロから１の間の任意の数値とすることができ、通常は０．９〜１である。ポンプトルクを若干小さくすることにより、ロータは、突風時に、より素速く加速することが可能になるので、理想トルク関数（６００）から得られたポンプトルクを調整しなかった場合よりも多くの動力が取り込まれる。スケール係数により、凪時に、ロータはよりゆっくりと減速するので、その最適動作点から外れて動作するが、突風に追従したことで入手できる動力増加分は、凪時の準最適動作による動力損失よりも大きい。

トルク目標Ｔ_ｄは、調整された理想トルクとトルクフィードバックコントローラ（５０７）の出力との間の差分である。トルクフィードバックコントローラは、現在のトルク目標と、ロータの角加速度ａ_ｒにエネルギ抽出装置の回転の慣性モーメントＪを乗じて得られる加速トルクとの合計である推定空気力学的トルクＴ_ａｅｒｏを計算する。トルクフィードバックコントローラの出力は、推定空気力学的トルクと調整された理想トルクとの間の差分Ｔ_{ｅｘｃｅｓｓ}であり、次いで、この出力にフィードバック利得Ｇを乗じて、フィードバックトルクＴ_{ｆｅｅｄｂａｃｋ}を得る。フィードバック利得はゼロ以上の任意の数とすることができ、ゼロ値は、トルクフィードバックコントローラを無効にするように作用する。トルクフィードバックコントローラ（５０７）は、加速の場合に、調整された理想トルクＭＴ_ｉからトルクを減じて、トルク目標Ｔ_ｄを若干小さくし、減速の場合に、調整された理想トルクにトルクを加えて、トルク目標Ｔ_ｄを若干大きくすることで、エネルギ抽出装置の加速および減速に対応する。これは、入力エネルギの変化に対する応答において、ロータが、調整された理想トルク制御単独の場合よりも速く加減速することを可能にし、ひいては、総エネルギ取り込み量をより多くすることを可能にする。

ポンプ需要推定（５１７）は、トルク目標を、加圧した油圧流体の測定圧力（Ｐ_ｓ、１５４）で除することによって計算される。ポンプ需要推定は、圧力リミッタ（５１８）によって修正することができ、この圧力リミッタは、ＰＩＤタイプのコントローラとすることができ、その出力は、コントローラのポンプ需要出力Ｄ_ｐｕｍｐ（４０２）である。圧力リミッタは、ポンプに求められる流体移送量を修正することにより、許容可能な範囲内に、すなわち、ＷＴＧを安全運転するための最大レベル未満に圧力を保つように機能する。圧力制限は、例えば、極端な突風時にタービンがその定格回転数を超えて動作するのを防止するために、高圧逃がし弁（１５５）を通るエネルギを散逸させるのが望ましい一部の動作モードにおいて無効にすることができ、または使用時に変更することもできる。

コントローラは、ロータ回転数Ｗ_ｒと調整された理想トルクＭＴ_ｉとの産物から変動エネルギ流れＰｏｗｅｒ_{ｒｏｔｏｒ}を計算する。（あるいは、これは、コントローラにとって入手可能な油圧情報、すなわち、ポンプの回転速度、ポンプの選択された正味吐出量、および高圧マニホルド内の圧力から計算することができる）。

一次ローパスフィルタの形態の平滑化モジュール（５２５）は、Ｐｏｗｅｒ_{ｒｏｔｏｒ}を平滑化して、モータ伝達動力Ｐｏｗｅｒ_{ｍｏｔｏｒ}を出力する。Ｐｏｗｅｒ_{ｍｏｔｏｒ}を、測定した油圧モータ回転数Ｗ_{ｍｏｔｏｒ}および加圧油圧流体の圧力Ｐ_ｓで除して、標準モータ需要Ｄｎが得られる。

モータ伝達動力は、圧力フィードバックコントローラ（５２９）に目標圧力Ｐ_ｄを供給する目標圧力関数（８０２、８１２、８２０）に通知し、次に、圧力フィードバックコントローラは、比例利得Ｋ_ｐを使用してモータ需要補正Ｄ_ｂを計算する。Ｋ_ｐは、現在の圧力Ｐ_ｓが、（高圧マニホルドの最大圧力Ｐ_ｍａｘ、および最小圧力Ｐ_ｍｉｎによって画定される）許容可能な圧力範囲内、ならびに第１および第２の範囲内にある位置に基づいて、図７を参照してより詳細に説明される利得スケジュール関数（７００）に従い計算される。最小圧力は、ロータ回転数の関数（５３４）であるヘッドルームトルクＴ_ｈを最大ポンプ需要Ｄ_ｍａｘで除することによって計算される。ヘッドルームトルク関数は、図６を参照してより詳細に説明される。出力油圧モータ需要Ｄ_{ｍｏｔｏｒ}（５４０）は、標準モータ需要Ｄ_ｎおよびモータ需要補正Ｄ_ｂの合計である。

本発明が、圧力フィードバックコントローラ（５２９）用の比例コントローラおよび平滑化モジュール（５２５）用の一次ローパスフィルタを用いて示された。代替の実施形態を構成することも可能である。例えば、圧力フィードバックコントローラは、積分利得の低い比例積分コントローラ（ＰＩコントローラ）とすることができ、平滑化モジュールおよび標準モータ需要Ｄ_ｎは完全に削除される。通常、比例積分コントローラは、入力に対する出力の追従性を高めるために、コントローラ候補セットから選択されるが、驚くべきことに、本発明人は、積分利得が十分低い場合に、コントローラは、変動エネルギ流れを平滑化し、平滑化されたモータ需要補正Ｄ_ｂを作り出すように働くことを発見した。

図６は、理想トルクＴ_ｉを求めるためにステップＳ２ａで使用されるロータ回転数（Ｗ_ｒ、５９９）の関数（６００）として、空気力学的に理想的なロータトルク（Ｔ、５９８）を示し、ポンプは、ロータにかかるトルクを理想トルクに基づいて調整する。ＷＴＧが動きだす始動速度まで風速が上昇すると、コントローラは、ピッチアクチュエータ（１１９）への適切なピッチ操作信号（１２１）によってブレードのフェザリングを解除し、すべての機械式ブレーキを解放する。最小回転数未満（６０１、すなわち、図６の区間Ｉ）では、理想トルクは実質的にゼロであり、タービンは、ポンプが任意のトルクをかけることがなければ、最小回転数まで加速する。区間ＩＩで、トルクプロフィールが増大すると、コントローラは、増強した力をかけてタービン回転数を安定させるようにポンプに指令を出す。固定ブレードピッチのＷＴＧにとっての最適トルクが、風速またはロータ回転数の二乗の関数であることは公知である。（一定の周速比範囲に相当する）区間ＩＩＩでは、理想トルク曲線はこの最適プロフィールに従い、コントローラは、ピッチアクチュエータへの適切なピッチ操作信号によって、ブレードをそれらの（一定の）最適な空気力学的ピッチに調整する。区間ＩＶで、タービンはその最大動作回転数に近くなり、トルク曲線は、最大圧力にある供給源のトルク（定格トルク）に至るまで急勾配の線形関数になる。区間ＩＶの意図は、基本的に一定の回転数より上で、トルクをその最大値（６０３）まで上げることによって、タービンの回転数を制限することである。区間Ｖに関しては、供給源はその最大トルク出力に達し、タービンはその最大回転数になる。この領域では、コントローラは、ピッチアクチュエータへの適切なピッチ操作信号によってタービン回転数を能動的に制御し、ポンプは、一定の（最大の）出力トルクを供給する。

ヘッドルームトルク曲線（６１０）が点線で図に示されている。ヘッドルームトルクは、区間ＩＩＩでは、最適タービントルクから一定量ずれた二次関数として示されているが、ロータ回転数よりほかの変量に従属することさえできる別の関数であってもよい。この曲線の本発明への適用およびＰ_ｍｉｎの計算については、図４を参照して説明した。ヘッドルームトルク曲線は、例えば、経験した過去の状態または現在の状態に基づく、突風または凪に関する予測など、変化する風の状態に応じて、使用時に調整することができる。

図７は、圧力Ｐ（７０２）の関数として、典型的な圧力フィードバックコントローラ利得Ｋ_ｐ（７００）を示している。パラメータＰ_ｍｉｎは、前述のように、ロータ回転数とともに変わるので、図７は、低回転数（７０４）での特性Ｋ_ｐ関数および高回転数（７０６）での特性Ｋ_ｐ関数を示している。このように、（Ｐ_ｍｉｎからＰ_ｍａｘの範囲によって画定される）許容可能な圧力範囲は、回転シャフトの現在の回転速度で変わる。

油圧流体の圧力がＰ_ｍｉｎ（７０８、７１０）未満であると、コントローラ利得は、最大利得Ｋ_ｍａｘ（７１２）に設定される。高圧マニホルド内の最大圧力Ｐ_ｍａｘより上でもＫ_ｐは高く、この例では、同様にＫ_ｍａｘであるが、他の任意の高利得値を選択してもよい。したがって、圧力が許容可能な範囲から外れると、モータ正味吐出量Ｄ_{ｍｏｔｏｒ}は、圧力が許容可能な範囲内に入るように強力に制御される。

Ｐ_ｍｉｎとＰ_ｍａｘとの間にあるが、どちらの方にも延びない第１の範囲（７１６）で、コントローラ利得は、ゼロではないが、圧力が実質的に規制されないように十分に小さいＫ_ｍｉｎ（７１８）で一定になっている。これには、圧力が第１の範囲内にあるときに、圧力が、引き続き目標圧力に収束しようとしながら、第１および第２のアキュムレータ内にエネルギを吸収するか、またはそれらからエネルギを抽出するために広範囲に変わることができる、言い換えると、モータによる作動流体の正味吐出量が、高圧マニホルド内の圧力とは無関係に選択されるという利点がある。第２の範囲の上側部分（７２０）および下側部分（７２２）では、Ｋ_ｐは、Ｋ_ｍｉｎからＫ_ｍａｘまで線形に増加する。したがって、圧力調整の強さは、圧力が限界値Ｐ_ｍｉｎまたはＰ_ｍａｘに接近するにつれて、すなわち、第２の範囲内をさらに進むにつれて次第に高くなる。これには、圧力を許容可能な範囲内に維持するために、モータの正味吐出量Ｄ_{ｍｏｔｏｒ}がより強力に制御されるので、使用時に圧力がこれらの限界値のいずれかに達する可能性が小さくなるという利点がある。

図８は、本発明で実施され得る目標圧力関数のタイプ例を示している。目標圧力関数は、変動エネルギ流れＰｏｗｅｒ_{ｒｏｔｏｒ}またはそのローパスフィルタ処理版Ｐｏｗｅｒ_{ｍｏｔｏｒ}（８００）の関数である、圧力フィードバックコントローラ（５２９）用の目標圧力（５２８）を規定し、関数の形は、説明したように、様々な変量から決まる。

鎖線（８０２）は、第１の目標関数を示しており、目標圧力は、ゼロ動力から第１の動力（８０６）にわたる第１の領域（Ｉ）において、一定の最小圧力Ｐ_{ａｃｃ，ｍｉｎ}と同じか、または少し大きく、第４の動力（８１０）から最大定格動力Ｐｏｗｅｒ_{ｍｏｔｏｒ，ｍａｘ}にわたる第５の領域（Ｖ）において、一定の最大圧力Ｐ_ｍａｘ（８０８）に等しく、第１の領域と第５の領域との間でＰｏｗｅｒ_{ｍｏｔｏｒ}に対して線形に増加する。

最小予圧Ｐ_{ａｃｃ，ｍｉｎ}は、それ未満では、高圧マニホルドに流体的に接続されるコンプライアンスが不十分である、すなわち、平滑化または第１もしくは第２のアキュムレータの予圧未満である、圧力に対する下限値である。最大圧力Ｐ_ｍａｘは、部品の寿命を考慮した、加圧油圧流体の許容可能な最大作動圧力と高圧逃がし弁（１５５）の設定とに関係する。したがって、目標圧力は、変動エネルギ流れ、油圧ポンプまたはモータ、およびアキュムレータの特性に対応する。

第１の目標圧力関数は、高動力状態で（すなわち、第５の領域Ｖで）、ポンプがロータに最大トルクをかけるのに十分な圧力を保証するという利点をもたらす。第１の目標圧力関数は、ロータ内の運動エネルギが小さい第１の領域（Ｉ）において、圧力が、引き続き最小許容可能圧力Ｐ_ｍｉｎを維持しながら、ポンプの個々の作動チャンバの作動によって吸収される相対エネルギが、ＷＴＧのブレードまたは他の部品に過度のトルクをかけるのに不十分であるように、十分に低く維持されることを保証するという利点をさらにもたらす。

第２の目標圧力関数は、実線（８１２）で示されている。この間数は、領域１、Ｖでは第１の目標圧力関数と同様であるが、第２の動力（８１４）から第３の動力（８１６）にわたって目標圧力が最適圧力Ｐ_ｏｐｔ（８１８）である第３の領域（ＩＩＩ）と、第１の動力から第２の動力、および第３の動力から第４の動力にそれぞれわたる第２の領域（ＩＩ）および第４の領域（ＩＶ）とをさらに含み、第２の領域（ＩＩ）および第４の領域（ＩＶ）では、隣接する領域間の目標圧力を滑らかに変化させている。

最適圧力Ｐ_ｏｐｔは、ポンプおよびモータ（および他のすべての油圧部品）が全体として最適な油圧効率で動作する圧力である。Ｐ_ｏｐｔは、実験、シミュレーションもしくは計算、またはそれらの任意の組み合わせから得ることができる。ポンプおよび／またはモータは、設計者によって選択され得るＰ_ｏｐｔで、最適効率となるように設計することが可能である。したがって、目標圧力は、変動エネルギ流れ、油圧ポンプ、および油圧モータの特性に対応する。

第２の目標圧力関数は、ＷＴＧの伝動装置が、可能な限り最適圧力で動作し、ひいては、エネルギの生産性が最大化されることを保証するという利点をもたらす。

第３の目標圧力関数は、点線（８２０）で示されている。この間数は、ＷＴＧの作動動力伝達レベルの大部分にわたって、最大ではなく最小システム圧力に近い目標圧力を規定する。第３の目標圧力関数の利点は、アキュムレータが通常、突風からエネルギを受け入れるために利用できる収容力を最大限にし、さらに、振動および／または騒音を低減するのに、またはＷＴＧの寿命を長くするのに望ましい、高圧ではなくて高い流体流量でＷＴＧを動作させる低い充填状態にあることである。

実施される特定の目標圧力関数は、他のパラメータ、例えば、外部源からの伝達動力推定値、ＷＴＧの部品の推定寿命および効率、ＷＴＧを始動または停止する必要性、あるいは、ＷＴＧの他の任意の所望動作モードなどに対応して、秒単位で換えることができる。例えば、風速があまり変動していない場合、コントローラは、圧力が油圧効率に対して常に最適化されるように第２の目標圧力関数（８１２）を選択し、それに対して、風が突風性の場合、コントローラは、第１および第２のアキュムレータが突風のエネルギを吸収できるように第３の目標圧力関数（８２０）を選択する。したがって、目標圧力は、高圧マニホルド内の圧力にしきい値を超えさせる（上側の第２の範囲（７２０）に入らせる）速度で、エネルギが変動エネルギ源から流入することを予測して変えられる（低くされる）。他の例では、第３の目標圧力関数は、漏れをあまり深刻なものにせず、さらに、大きな障害にあまりつながりそうもないより低い圧力を維持するので、ＷＴＧコントローラは、小さな漏れの検出に応答して、第２の目標圧力関数（８１２）より勝る第３の目標圧力関数（８２０）を選択することができる。コントローラは、当然、目標圧力関数のいずれかを互いに融合させて、任意の状態または場所に向けて最適化した無数の改良版を作ることができる。

コントローラはまた、熱交換器（１４４）を制御することができ、したがって、作動流体の温度を調整することができる。コントローラは、（通常は作動チャンバのシリンダとピストンとの間での）作動流体漏れによるものと、（通常はポンプおよびモータの弁、ならびにポンプとモータとを接続する導管を通る）流動損失によるものとを合わせた油圧エネルギ損失を最小限にする最適化関数に従い、現時点の目標圧力に基づいて作動流体温度を設定する。通常では、作動流体の粘度は、高い方の温度で低下する。通常、漏れ損失は、より高い動作圧力で急激に増大するので、コントローラは、作動流体をより低い温度（すなわち、より高い流体粘度）に調整し、それに対して、流動損失は、低い方の圧力での発生が支配的であるので、コントローラは、作動流体をより高い温度（すなわち、より低い流体粘度）に調整する。

本発明の範囲に包含されるさらなる修正及び変更が当業者に明らかになるであろう。

Claims (14)

1. 再生可能なエネルギ源による変動エネルギ流れからエネルギを抽出するエネルギ抽出装置を動作させる方法であり、前記装置は、回転シャフトによって駆動される油圧ポンプと、再生可能なエネルギ源によって駆動される前記回転シャフトと、負荷を駆動する油圧モータと、前記油圧ポンプの出口および前記油圧モータの入口と流体連通する少なくとも１つの低圧マニホルドおよび高圧マニホルドとを含み、前記油圧ポンプおよび油圧モータはそれぞれ、容積が周期的に変わる複数の作動チャンバと、各作動チャンバと各マニホルドとの間で作動流体の正味吐出量を調整する複数の弁とを含み、各作動チャンバに対応する少なくとも１つの弁は電子制御式弁であり、前記電子制御式弁は、作動チャンバ容積の各サイクル時に、各前記作動チャンバによって吐出される作動流体の量を選択し、それにより、各前記油圧ポンプおよび前記油圧モータによる前記作動流体の正味吐出量を調整するように動作する方法であって、
   前記高圧マニホルド内の圧力を測定することと、前記回転シャフトにかかるトルクを調整するように、前記測定した圧力に応じて、前記油圧ポンプによる前記作動流体の正味吐出量を選択することと、前記高圧マニホルド内の圧力が、可変である最適条件の方に向かうように、少なくとも前記油圧モータによる前記作動流体の正味吐出量を選択することとを特徴とする、方法。
2. 前記最適条件は、最適圧力または最適圧力範囲である、請求項１に記載のエネルギ抽出装置を動作させる方法。
3. 前記最適条件は、前記変動エネルギ流れの、測定した１つまたは複数の特性に応じて変えられる、請求項１または請求項２に記載のエネルギ抽出装置を動作させる方法。
4. 前記最適条件は、前記再生可能なエネルギ源の、測定した１つまたは複数の特性に応じて変えられる、請求項１〜３のいずれか一項に記載のエネルギ抽出装置を動作させる方法。
5. 前記最適条件は、前記油圧ポンプ、前記油圧モータ、または前記負荷の１つまたは複数の特性を考慮して変えられる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記変動エネルギ流れまたは前記再生可能なエネルギ源の未来の特性を予測し、前記予測した未来の特性に応じて、前記最適条件を変えることを含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記最適条件は、前記回転シャフトから前記負荷への動力伝達効率を最適化するように選択される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 少なくとも所定の範囲の圧力に対して、前記最適条件は、前記ポンプによって前記回転シャフトにかけられるトルクとは無関係である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記エネルギ抽出装置は、前記高圧マニホルドと流体連通する弾性変形可能な流体保持体をさらに含み、前記最適条件は、前記弾性変形可能な流体保持体の１つまたは複数の特性を考慮して変えられる、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 少なくとも所定の範囲の圧力に対して、前記最適条件は、前記エネルギ抽出装置の寿命を最適化するように選択される、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記選択された最適圧力は、前記変動エネルギ流れからのエネルギ抽出率が低い最小量から、前記変動エネルギ流れからのエネルギ抽出率が高い最大量まで増大する、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記作動流体の温度は、前記選択された最適条件に応じて制御される、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 再生可能なエネルギ源による変動エネルギ流れからエネルギを抽出するエネルギ抽出装置であって、コントローラと、回転シャフトによって駆動される油圧ポンプと、再生可能なエネルギ源によって駆動される前記回転シャフトと、負荷を駆動する油圧モータと、前記油圧ポンプの出口および前記油圧モータの入口と流体連通する少なくとも１つの低圧マニホルドおよび高圧マニホルドと、前記高圧マニホルド内の圧力を測定する圧力センサとを有し、前記油圧ポンプおよび油圧モータはそれぞれ、周期的に容積が変化する複数の作動チャンバと、各作動チャンバと各マニホルドとの間で作動流体の正味吐出量を調整する複数の弁とを有し、各作動チャンバに対応するすくなくとも１つの弁は電子制御式の弁であり、前記電子制御式弁は、作動チャンバ容積の各サイクル時に、各前記作動チャンバによって吐出される作動流体の量を選択し、それによって、各前記油圧ポンプおよび前記油圧モータによる前記作動流体の正味吐出量を調整するようにコントローラで制御可能であり、前記コントローラは、請求項１〜１２のいずれか一項の方法に従って前記エネルギ抽出装置を動作させるように機能する
    エネルギ抽出装置。
14. エネルギ抽出機械の前記コントローラによって実行される場合に、前記エネルギ抽出機械に請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法を実行させるプログラムコード命令を含むコンピュータ可読記憶媒体。

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