JP5499047B2 - 風力タービン取付け装置のブレードピッチ制御 - Google Patents

風力タービン取付け装置のブレードピッチ制御 Download PDF

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Description

本発明は、風力タービン取付け装置の回転ブレードのピッチ制御の分野に関する。特に、浮遊する風力タービン取付け装置の回転ブレードのピッチ制御に関する。
風力タービン取付け装置は、通常は支持構造の形を呈し、該支持構造は積荷室(nacelle)を備えた長く延びたタワーと支持構造の上端部に取り付けられたロータを備えている。発電機及び関係する電子部品は通常は、積荷室内に位置する。陸地又は海底の何れかに固定された固定ベースの風力タービンは、安定している。しかし、近年、浮遊する風力タービンを開発する要望があり、種々の構造が提案されてきた。１つの例が、風力タービン取付け装置であり、従来の風力タービン構造はプラットフォーム又はいかだ状の構造のような浮力ベースに取り付けられる。他の提案は、「円柱ブイ」タイプの構造である。そのような構造は、長く延びた浮力のある支持構造に形成されて、頂部にロータが取り付けられている。支持構造は一体構造であり、又はその上に標準的なタワーが取り付けられた長く延びた副(sub)構造であり得る。
浮力のある風力タービン取付け装置(installations)は、錨を備えた１又は２以上の係船索によって海底に繋がれ、又は例えば１又は２以上の関節のある(ヒンジ接続された)脚部にて海底に付着されて、所望の取付け位置に保持される。
従来の風力タービンにあっては、ロータブレードのピッチはロータの速度に基づいて制御されて、電力出力を規制する。所定の風速未満(風力タービンの定格風速と呼ばれる)の風で作動するとき、ブレードピッチは最大の電力を供給する角度にて略一定に維持される。対照的に、定格風速以上で作動するときは、ブレードピッチは一定の電力出力を生成し、発電機及び/又は関係する電子部品を損傷する過度の高い電力出力を防ぐように調整される。この一定電力は風力タービンの定格電力と呼ばれる。
定格風速未満で作動しているときは、ブレードピッチは、略一定を維持しているので、ロータに作用する推力は風速に伴って増加する(推力は風速の二乗に略比例する)。対照的に、定格風速以上で作動するときは、ブレードピッチは、増加する風速に伴ってロータ上の推力が減少して、一定の電力出力を生成するように調整される。風速が増加するので、ブレードピッチは増加して、即ち風の方向に更に平行となり、推力を減少する。
実際には、風力タービンは定格風速以上及び未満の両条件で作動する。
定格風速未満で作動したときに、最大の電力出力を生成するように、ブレードピッチは最適な先端(tip)速度比を生成するように設定される。先端速度比λはロータブレードの先端外側が風速によって除される速度として定義され、
λ＝ωＲ/ｕ (１)
と与えられる。ここで、ωはロータの角振動数(ラジアン/秒)であり、Ｒはロータの半径であり、ｕは風速である。最大の電力出力の最適な先端速度比は、約８から１０であり、大部分の風力タービンにおいて、これは実際には約０.４５(０.５９が理論的最大値である)の電力係数Ｃｐを与え、電力Ｐは以下に定義される。
Ｐ＝１/２ρＡＣｐ(λ、β)ｕ３ (２)
ここで、ρは空気密度であり、Ａはロータブレードによって掃引される面積であり、Ｃｐはλとブレードピッチβによって決定される電力係数である。
上記の如く、定格風速以上で作動するとき、一定の電力出力を生成するために、ブレードピッチは一定のロータ速度を生成し、それによって一定の電力出力を生成するように調整される。この方法でブレードピッチを調整することに関する問題は、負の減衰を引き起こすこと、即ち、タービンと風の間の相対速度が増加すると、推力は減少することである。これは、風力タービンのぐらつき又は振動の振幅を大きくする。負の減衰は、風力タービンの全体効率又は電力出力の減少を引き起こし、更に構造ストレスを引き起こす過度の動作を生成し、該構造ストレスは風力タービン構造を損傷し又は弱くし、浮遊する風力タービンの不安定を引き起こす。負の減衰は、高出力タービン(例えば、＞２ＭＷ)に特有の問題である。
固定ベースの風力タービンにて負の減衰は発生する、何故ならタワーの固有曲げ振動の励起により、タービンは前後に振動するからである。風力タービンが風に向かって移動すると、風力タービン上に作用する相対速度は増加し、ロータトルク又はロータ速度を増加する傾向にある。ロータトルク又はロータ速度の増加に応じて、一定の電力出力に上記のピッチ制御を用いると、ブレードピッチ角は、ロータに作用するトルクを減じ、その結果、推力を減じ、それによって一定電力を維持するように調整される。しかし、推力が減少すると、風力タービンの振動に作用する減衰力もまた減じられ、負になる。換言すれば、振動は悪化し、その振幅が増加する。これは、相対風速の更なる変化、更なるブレードピッチの調整をもたらし、振動さえ大きくする。風力タービンが風から遠ざかるように動くと、反対となり、振動の更なる悪化をもたらす。
負の減衰の問題は、図１に示され、上記の標準的なブレードピッチ制御を用いて、２.３ＭＷタービンの風速関数として、推力を示す。１２ｍ/ｓを越える風速の推力は、風速が増加するにつれて減少し、従って負の減衰はこの風速範囲にてシステム内に導入される。
固定ベースの風力タービンにおいて、負の減衰はブレードピッチコントローラの帯域幅を、タワーの第１次曲げモードの固有振動数未満になるまで減少させることにより、阻止され又は最小化される。換言すれば、コントローラはタワーの第１次曲げモードの固有振動数以上の周波数にて、タワーの動きのブレードピッチを調整しない。
しかし、浮遊する風力タービンは曲げモードの他に、振動の他のモードを有し、浮遊する風力タービンの負の減衰に対応する問題をより一層複雑にする。更に、上記の従来技術のシステムは浮遊するタービンの取り付けの最も重要な振動モードに対応していない。
図２は、長く延びた「円柱ブイ」タイプの構成を有する一般的なタイプの浮遊する風力タービン取付け装置の振動の一般的なパワースペクトルである。縦軸上の目盛りは、振動の振幅に比例し、振動のパワーの平方根に比例する。横軸上の目盛りは、振動の周波数であり、Ｈｚである。説明文内の第１線は、標準的なピッチ制御(即ち、ロータ速度に基づいて)が用いられるときに、現れる振動を表す。第２線は、支持構造の曲げモード振動の能動減衰について振動制御が用いられるときに現れる振動を表す(これは以下に記載される)。第３線は、本発明に従ったピッチ制御が用いられるときに現れる振動を表す(これは、後記する)。
パワースペクトルは、４つの主たるピークを有する。４番目のピークだけがまた、固定ベースの風力タービンのパワースペクトルに現れる。最初の３つのピークは、浮遊する風力タービンにのみ見られる。
第１のピークは、約０.００８Ｈｚの周波数で生じ、支持構造の堅い本体の振動に対応し、該振動は係船索の回復効果と結び付いた浮遊する風力タービンのサージ効果によって引き起こされる。これらの振動において、タワーは水平に前後に移動するが、基本的に垂直位置を維持する。このピークのサイズ(即ち、これらの振動におけるエネルギのサイズ)は、ピッチ制御への異なるアプローチによっては影響を受けない。一般に、これらの振動の大きさは、振動が非常に遅いので、重要ではない。従って、これらの振動は負の減衰によって損失を被らない。更に、これらの振動はタワーの大きな構成のストレスをもたらさない。従って、これらの動作は設計者に受け入れられ、これらの周波数でタワーの動きの負の減衰を阻止し又は最小化することを試す必要は無い。
第２のピークは、約０.０３Ｈｚから０.０４Ｈｚの周波数で生じ、支持構造の堅い本体のピッチ振動に対応する(即ち、支持構造の前後の「ノッディング」)。ブレードピッチが一定の電力出力を生成すべく制御されるときは、このピークのサイズ(即ち、これらの振動のサイズ又はエネルギ)は、以前に記載した負の減衰効果故に、劇的に増加し、電力出力内の振動と同様にタワー上の大きな構造ストレスをもたらす。従って、これらの振動の負の減衰を阻止し又は最小化することは望ましい。
極めて広い第３のピークは約０.０５Ｈｚから０.１５Ｈｚの周波数で生じる。これは浮遊する風力タービンの堅い本体の波を引き起こす動作(ピッチと結びつくサージであるが、大部分がピッチである)に対応する。このピークのサイズは、浮遊する風力タービンの形状及び重量分布を修正することにより最小化され得るが、振動が共振せず減衰レベルに非常に敏感ではないので、一般にこれらの周波数でタワー動作の減衰に関する何かをすることは望ましくない。この動作を減衰しようとの試みは普通は、動作の反応に重大な衝撃を与えることなく、大きなタービン力をもたらす。
４番目のピークは、約０.３Ｈｚから０.５Ｈｚの周波数で生じる。上記の如く、これらの振動は、浮遊する及び固定ベースの風力タービンの両方に存在し、支持構造の構造の曲げ振動に対応する。
上記の如く、構造の曲げ振動の負の減衰を阻止し又は最小化すべく、ブレードピッチコントローラの帯域幅は減少して、これらの周波数(即ち、０.３Ｈｚから０.５Ｈｚ)で生じる動作にブレードピッチを調整しない。
しかし、浮遊する風力タービンにおいて、このアプローチは曲げ振動を扱うのに尚、適用される一方、ブレードピッチコントローラの帯域幅が更に減少して、ピッチ内のタワーの堅い本体の振動周波数(即ち、０.０３Ｈｚから０.０４Ｈｚ)を越える周波数にて生じる動作にブレードピッチを調整しなければ、コントローラの帯域幅を著しく減少させ、電力消費、ロータ速度及びロータ推力のような重要な風力タービン特性に関して受け入れがたい性能に帰する結果となる。
従って、浮遊する風力タービン取付け装置内の負の減衰を回避し又は減少すべく、この方法でコントローラの帯域幅を単純に減少させるのは実際的ではない。
最近の多数のメガワット風力タービンの大部分は、比例積分型(ＰＩ)コントローラを用いて、タービンの定格風速以上で作動するときは、ブレードピッチを制御して、一定のロータ速度を生成する。ＰＩコントローラはフィードバックコントローラであって、誤差(ロータ速度の出力及び所望のロータ速度間の差)の重み総和及びその値の積分に基づいて、ブレードピッチを制御し、それによってロータ速度(即ち、ロータの回転周波数)を制御する。ブレードピッチ制御システムが定格電力以上で作動しているときは、発電機のトルクは一般に一定トルク又は一定電力の何れかを生成するように制御される。以下の記載は、一定の電力制御に適用する。しかし、同様のアプローチは、定格電力で発電機トルクを一定に制御する発電機に適用される。
一定のパワー制御について、発電機トルクＭｇｅｎは以下の如く付与される。
Ｍｇｅｎ＝ＰＯ/Ω (３)
ここで、ＰＯはタービンの定格電力であり、Ωはラジアン/秒のロータ速度である。式(３)は定格ロータ速度Ω０周りで線形化され、以下を付与する。
Ｍｇｅｎ＝Ｐｏ/Ωｏ―Ｐｏ/Ωｏ２(Ω―Ωｏ) (４)
風力タービンロータ上の空気力学的トルクＭａｅｒｏは、実際のブレードピッチ角θｏ及び定格ロータ速度Ωｏの周りで線形化されて、以下を付与する。
Figure 0005499047
 定格ロータ速度Ωｏの周りのロータ速度の変化は、実際のブレードピッチ角θｏ周りのブレードピッチ角の変化と比較して、ごく僅かであると考えられる。
次に、ニュートンの第２法則から、ロータの動作の式は以下の如く、付与される。
Figure 0005499047
 ここで、Ｉはロータ及び発電機の慣性モーメントであり、以下の如く、付与される。
Ｉ＝Ｉｒｏｔｏｒ＋ｎ２Ｉｇｅｎ (７)
ここで、ｎはロータと発電機間のギア比であり、θはブレードピッチであって、以下の如く付与される。
θ＝θｏ＋Δθ (８)
ここで、θｏは現在のブレードピッチであり、ΔθはＰＩコントローラによって以下の如く決定される。
Δθ＝θ１＋θｐ (９)
ここで、
Figure 0005499047
 且つ
Figure 0005499047
 ここでＫｐは比例ゲインであり、Ｋ１はＰＩコントローラの積分ゲインであり、φは回転周波数の誤差(Ω―Ωｒｅｆ)である。
これは閉ループ動的システムのロータ速度の以下の動作式に繋がる。
Figure 0005499047
 ここで、
Figure 0005499047
 及び
Figure 0005499047
 ここで、Ｐは電力出力であり、
Figure 0005499047
 ＜０
である。式(１３)の動的システムは、制御パラメータＫｐ及びＫＩの適切な値を選択することにより、確立される。
閉ループシステムの固有振動数ω０、相対減衰ζ及び減衰共振周波数ωｄは、夫々以下に与えられる。
Figure 0005499047
Figure 0005499047
 及び
Figure 0005499047
 一般に、土台が固定した風力タービンの制御システムの設計者は、減衰した共振周波数ωｄをタワーの第１次曲げ周波数未満に維持して、共振を避けようと試みる。一般的な値は、ζ＝０.７であり、ωｄ＝０.６rad/sである。
幾つかの固定ベースの風力タービンの制御システムはまた、振動コントローラを含んで、支持構造の第１次曲げモード振動の動作中の正の減衰を付与する。そのようなシステムの１つの例は、英国特許第２１１７９３３号に開示されている。これらのシステムにおいて、正の減衰が付与されて、存在するあらゆる負の減衰の少なくとも一部は取り消されて、これらの振動の有効な減衰(net damping)を０に近付け、又は略ゼロにする結果となる。或いは、正の減衰は、あらゆる負の減衰を取り消すのと同様に、更なる正の減衰を付与するのに、十分に大きく、これらの振動の有効な正の減衰をもたらす。
振動コントローラは、風力タービン構造の速度の測定に基づき、ブレードピッチを修正し、曲げ振動を減衰する。ブレードピッチの修正は、第１次曲げモードの周波数に対応する周波数とともに風力タービンの動作に付与される。風力タービンの速度は、例えば重力加速度を補正して、加速度計のようなセンサを用いて測定される。測定された速度は、例えば積荷室の水平速度又はそのピッチ速度(即ち、ピッチ内の動き故の積荷室又はタワー上の点の絶対速度)である。
固定ベースの風力タービン用の能動減衰を備えた振動コントローラに関する制御システムの例は、図３に示される。図３の上側の線は、制御システムの能動振動コントローラ部分であり、タワー速度の測定結果を用いて、上記の如く、負の減衰を防ぎ又は最小化する。
システムの残り部分は、標準的なコントローラであって、ロータ速度に基づいて標準的なブレードピッチ制御を行う。
図３において、ｖｎａｃｅｌｌｅは積荷室の速度であり、ｈｃ(ｓ)はロータ速度誤差信号ωｒｅｆとブレードピッチ基準信号βｒｅｆの間の伝達関数であり、ｈｐ(ｓ)は、ブレードピッチ基準信号βｒｅｆと風力タービンロータ速度ωｒの間の伝達関数であり、Ｋｄは振動コントローラのゲインである。
一般に、伝達関数は出力と入力のラプラス変換間の比を、変数ｓの関数としてシステム要素に付与する(ｓは通常は、角振動数のような空間周波数又は時間周波数に関する)。
伝達関数ｈｃ(ｓ)は、ＰＩコントローラの手段によって付与され、その場合、以下のように表される。
ｈｃ(ｓ)＝Ｋｐ＋ＫＩ/ｓ (１９)
ここで、ＫＩ及びＫｐは、上記の如く、夫々ＰＩコントローラの積分ゲイン及び比例ゲインであり、以下の形式を有する。
Figure 0005499047
 及び
Figure 0005499047
 ここで、
Figure 0005499047
 は、負であり、実際のブレードピッチθ０とともに変化する。
コントローラのパラメータの値は、制御システムを所望の帯域幅に従来のように調整することによって決定される。
図３の信号処理ブロックは一般に、或る周波数成分を除去する幾つかの適切なフィルタから構成される。
システムの残り部分については、ループ伝達関数ｈｏ(ｓ)は、以下のように定義される。
ｈｏ(ｓ)＝ｈｃ(ｓ)ｈｐ(ｓ) (２２)
及びロータの回転周波数の表現は、以下に付与される。
Figure 0005499047
 基準信号を追随する制御システムの能力の測定結果は、以下に付与される。
Ｍ(ｓ)＝ｈｏ(ｓ)/(１＋ｈｏ(ｓ)) (２４)
及び所望の基準信号と測定結果の誤差は、以下に付与される。
Ｎ(ｓ)＝１/(１＋ｈｏ(ｓ)) (２５)
周波数領域で式(２４)と(２５)を考えると(即ち、ｓ＝ｊω)、以下が付与される。
Figure 0005499047
 及び式(２４)と(２５)を式(２３)に挿入すると、以下が付与される。
Figure 0005499047
コントローラが、ブレードピッチ基準信号を十分に追随することができるには、コントローラ伝達関数ｈｃ(ｓ)のパラメータは、制御システムの所望の帯域幅内で
Figure 0005499047
 となるように、調整されなければならない。従って、式(２８)と(３０)から、Ｎ(ｓ)が制御システムの帯域幅内にて低い絶対値を有し、Ｎ(ｓ)がシステムの帯域幅内の周波数を用いて応答をｈｐ(ｓ)Ｋｄｖｎａｃｅｌｌｅから抑えるということになる。
換言すれば、ブレードピッチ制御システムの標準的なコントローラ部分の帯域幅内の周波数について、能動的な減衰は抑えられて、標準的なコントローラ部分の帯域幅以上又は該帯域幅近傍の周波数を有する振動について、Ｎ(ｓ)は１近傍の絶対値を有し、これらの振動は能動的に減衰される。
上記の如く、固定ベースの風力タービンにて、ブレードピッチコントローラの制御パラメータは、コントローラの標準部分の帯域幅がタワーの第１曲げモードの固有振動数未満に位置するように調整されて、構造的な曲げ振動の負のダンピングを防ぎ又は最小化する。
更に、図３に示すもののような振動制御部分が配備されて、第１曲げモードの周波数を有する振動に能動的な正の減衰を付与する、何故ならこれらの振動はコントローラのこの部分では抑えられない周波数を有するからである。
また、上記の如く、浮遊する風力タービンはまた、約０.３Ｈｚから１Ｈｚの固有振動数を有する構造的な曲げ振動を有する。しかし、浮遊するタービンはまた、約０.０３Ｈｚから０.０４Ｈｚの周波数の堅い本体の振動を有する。
図３の制御システムが、浮遊する風力タービンに用いられ、ブレードピッチコントローラのパラメータがタワーの第１構造曲げモードの周波数に従って調整されたならば、動作中の減衰寄与Ｎ(ｓ)ｈｐ(ｓ)Ｋｄｖｎａｃｅｌｌｅは、高周波数の構造的な曲げ振動の正の減衰を付与する、何故なら式(２９)に従って、Ｎ(ｓ)の絶対値は、制御システムの標準部分の帯域幅の外側の周波数について、非常に小さな位相のずれを有する約１であるからである。しかし、約０.０３Ｈｚから０.０４Ｈｚの周波数を有するピッチ内の堅い本体の低周波振動の動作中、減衰への寄与は殆ど無い(poor)。これらの周波数は、制御システムの標準的なコントローラ部分の帯域幅内であり、式(２５)に従ってＮ(ｓ)の絶対値は低く、従って、これらの低周波数振動の動作中の減衰は抑えられる。更に、これらの周波数は標準的なコントローラの帯域幅内であり、ピッチにおける支持構造の堅い本体の低周波数振動は、負の減衰に悩まされる。
一目で、同様のアプローチを固定ベースの風力タービン取付け装置に用いられるものに適用して、浮遊する風力タービン取付け装置のピッチ内の堅い本体の振動の負の減衰を克服することが可能であるように見える。このようにして、コントローラのパラメータは、堅い本体の振動に従って調整され、構造の曲げ振動及び構造の堅い本体の振動の両方の負の減衰は、阻止され又は最小化される(何故なら、これらの動きはコントローラの標準部分の帯域幅の外側に位置するからである)。
更に、図３のコントローラの振動コントローラ部分は、式(２９)に従って、Ｎ(ｓ)の絶対値はこれらの周波数に非常に小さな位相ずれを有する約１であるから、堅い本体の振動と構造の曲げ振動の両方に更なる正の減衰を付与する。
しかし、図３のコントローラがこの方法で調整されれば、結局、３０秒以下の期間(即ち、０.０３Ｈｚ以上の周波数を有する)の風速の変化に反応しない非常に遅いブレードピッチコントローラとなる。これは電力生成の変動、シャフトトルク、ロータ速度、ロータ推力等のような重要な風力タービンのパラメータに関して、受け入れ難い性能となる。浮遊する支持構造がまた、波の力に反応して動くので、これは浮遊する風力タービン取付け装置に特有のケースである。従って、浮遊する風力タービンにて、受け入れ可能な風力タービン性能に達するためには、図３のコントローラの標準部分を単に調整して、低周波数のみで作動するのは十分ではない。むしろ、風力タービンの性能を落とすことなく、負の減衰を抑圧し、堅い本体の振動を能動的に減衰することの両方が可能な新たなコントローラが必要とされる。
本発明の発明者らは、複数のブレードを有するロータを支持するタワーを備えた支持構造に形成された浮遊する風力タービン構造用のブレードピッチコントローラを既に開発し、該コントローラは標準的なブレードピッチ制御手段と能動的な減衰手段を備える。このコントローラは、ＷＯ2007/053031号に記載されている。
本発明は、浮遊する風力タービン構造のブレードピッチコントローラに関し、該風力タービン構造は複数のブレードを有するロータを支持する支持構造を備え、コントローラは標準的なブレードピッチ制御手段と能動的な減衰手段を備え、該標準的なブレードピッチ制御手段は、ロータ速度誤差とブレードピッチ間の伝達関数を用いてブレードピッチを制御するように構成され、前記能動的な減衰手段は更に、風力タービン構造上の点の速度に基づいて、ブレードピッチを制御するように構成され、前記能動的な減衰手段は、風力タービン構造上の点の速度を、ロータ速度誤差に変換するように構成され、標準的なブレードピッチ制御手段に用いられた同じ伝達関数は、能動的な減衰手段に用いられて、ロータ速度誤差をブレードピッチの修正に変換する。
そのようなブレードピッチコントローラにおいて、ロータ速度誤差とブレードピッチ間の同じ伝達関数が２回用いられるので、標準的なブレードピッチ制御手段と能動的な減衰手段の両方にて、コントローラのパラメータは、タワーの第１構造曲げモードに従って調整され得るが(即ち、コントローラの帯域幅は減じられる必要が無い)、能動的な減衰の寄与は、堅い本体の低周波数[FG2]については抑えられない。
このように、低周波数の負の減衰が無ければ、堅い本体の振動は最小化され又は阻止され、これらの振動の正の減衰がまた付与され、風力タービンはなお、電力生成内の変化、シャフトトルク、ロータ速度、ロータ推力等のような重要な風力タービンパラメータについて受け入れ可能な性能を提供することができる。
「ロータ速度誤差」の語は、所望のロータ速度と実際のロータ速度間の差を意味する。
「標準的な制御手段」の語は、以前に記載した標準的な制御手段を意味し、ブレードピッチはロータ速度に基づいて調整される。
風力タービン構造上の点の速度は、例えばピッチ速度又は該点の水平速度であり、該点は例えばタワー又は積荷室上に位置する。風力タービン構造上の点の速度は、あらゆる適切な手段によって直に測定され、推察され、計算され又は評価される。本発明は使用されるべき特定の点を特に必要とせず、風力タービン構造上のどこかの点の速度を知ることだけが要求される。好ましくは、点は風力タービン構造上の積荷室に位置している。
コントローラのパラメータの所望される値は、所定の風力タービン取付け装置の構造特性を含む多数の要因に基づく。コントローラのパラメータを調整するには、コントローラのパラメータの初期値は、式(１６)―(１８)と一緒に、支持構造の固有曲げ周波数の理論的知識又は実際上の知識に基づく。連続的に監視された風力タービン応答に基づいて、式(２０)及び(２１)のコントローラゲインは、固有振動数ω０と比較減衰ζを徐々に修正することにより変更される。
好ましくは、コントローラはコントローラのパラメータが遠隔操作によって変更されるように構成される。これにより、コントローラのパラメータは変更し易いことが確実になる。
本発明の好ましい実施例において、能動的な減衰手段は、ピッチによる支持されない堅い本体の自由振動の固有振動数以上の固有振動数とともに、構造上の点の速度変化を除去する。ローパスフィルタは、例えば約０.０４Ｈｚ又は０.０５Ｈｚ以上の周波数と共に構造上の点の速度変化を除去する。好ましくは、このフィルタは、第２次又は第３次のバターワース低域通過フィルタのようなシャープフィルタである。そのようなフィルタは、所望の周波数の振動だけが能動的に減衰され、ロータ速度にあまりに大きな変化を生成しないことを確実にする。
好ましくは、能動的な減衰手段は、風力タービン構造上の点の速度を所望のロータ速度に変換する能動的な減衰ゲイン手段を備える。
好ましくは、能動的な減衰手段はピッチにおける風力タービン構造の堅い本体の振動の負の減衰を減じ又は阻止するように構成される。更に好ましくは、能動的な減衰ゲイン手段は、ピッチにおける風力タービン構造の堅い本体の振動の有効な正の減衰を付与するように構成される。
好ましくは、能動的な減衰手段と標準的なブレードピッチ制御手段の両方に用いられる伝達関数は、比例積分型(ＰＩ)コントローラを用いて実行される。好ましい一実施例において、２つのＰＩコントローラが配備されて、１つは能動的な減衰手段内にあり、１つは標準的なブレードピッチ制御手段内にある。或いは、能動的な減衰手段と標準的なブレードピッチ制御手段の両方に用いられる１つのＰＩコントローラが配備される。
これは、能動的な減衰手段と標準的なブレードピッチ制御手段の両方に用いられる１つだけのＰＩコントローラを備えたこの代替的な実施例は、僅かに単純な構造を有するコントローラを付与する。
ロータブレードのブレードピッチは、全てのロータブレードについてまとめて(即ち、同じ量だけ)調整される。これはブレードピッチを調整する比較的単純な方法を提供する。
或いは、ブレードピッチは、各ロータブレードに別個に調整される。そのようなシステムにおいて、ブレードは別個に調整されて、例えば、風力せん断プロフィールや風速の変化のような要因を不具にする(account for)。
更に、本発明は複数のブレードを有するロータを支持する支持構造を備えた浮遊する風力タービン構造のブレードピッチを制御する方法に関し、該方法は、ロータ速度誤差とブレードピッチ間の伝達関数の出力に基づいてブレードピッチを調整する工程と、更に風力タービン構造上の点の速度に基づいてブレードピッチを調整する工程を備え、風力タービン構造上の点の速度は、ロータ速度誤差に変換されて、該誤差は次に同じ伝達関数を用いてブレードピッチに変換される。
当該技術分野の専門家には明らかなように、伝達関数又は比例積分型コントローラは、通常はソフトウエアの形式で配備される。このように、コントローラはこのソフトウエアを実行するプロセッサを備える。プロセッサは例えばマイクロプロセッサである。
本発明はまた、風力タービン構造に関し、該タービン構造は複数のブレードを有するロータを支持する支持構造、標準的なブレードピッチ制御手段を備えるコントローラ、及び能動的な減衰手段を備え、該標準的なブレードピッチ制御手段はロータ速度誤差とブレードピッチ間の伝達関数を用いてブレードピッチを制御するように構成され、能動的な減衰手段は更に、風力タービン構造上の点の速度に基づいてブレードピッチを制御するように構成され、能動的な減衰手段は構造上の点の速度をロータ速度誤差に変換し、標準的なブレードピッチ制御手段に用いられた同じ伝達関数は能動的な減衰手段に用いられて、ロータ速度誤差をブレードピッチの修正に変換する。
本発明はまた、プロセッサによって実行されたとき、プロセッサに浮遊する風力タービン構造のブレードピッチを制御させる指示を含むソフトウエア製品に関し、該風力タービン構造は複数のブレードを有するロータを支持する支持構造を備え、前記制御はロータ速度誤差とブレードピッチ間の伝達関数の出力に基づいてブレードピッチを調整し、更に風力タービン構造上の点の速度に基づいてブレードピッチを調整することによってなされ、風力タービン構造上の点の速度はロータ速度誤差に変換されて、次に同じ伝達関数を用いてブレードピッチに変換される。
好ましくは、ソフトウエア製品は、物理データキャリアである。
本発明はまた、物理キャリアの形式であるソフトウエア製品を製造する方法に関し、指示をデータキャリアに組み込む工程を有し、該指示はプロセッサによって実行されたとき、プロセッサに浮遊する風力タービン構造のブレードピッチを制御させ、該風力タービン構造は複数のブレードを有するロータを支持する支持構造を備え、前記制御はロータ速度誤差とブレードピッチ間の伝達関数の出力に基づいてブレードピッチを調整し、更に風力タービン構造上の点の速度に基づいてブレードピッチを調整することによってなされ、風力タービン構造上の点の速度はロータ速度誤差に変換されて、次に同じ伝達関数を用いてブレードピッチに変換される。
本発明は、伝達関数に関して記載されてきた。しかし、本発明はロータ速度誤差からブレードピッチの修正を決定するのに用いられるあらゆる手段、機能又は工程に拡張されることは理解されるだろう。
上記の如く、コントローラの能動的な減衰手段は、ピッチによる堅い本体の振動の固有振動数以上の周波数を用いて、構造上の点の速度の変化を除去するローパスフィルタを備え、該フィルタは第２次又は第３次バターワースのローパスフィルタである。そのようなフィルタは、所望の周波数を有する振動のみが能動的に減衰され、ロータ速度に大きな変動を生じないことを確実にする。本発明の発明者にとって、第２次及び第３次のバターワースフィルタがこの用途に特に良く適していることを理解することは自明な工程ではなく、このようにして本発明はまた浮遊する風力タービン構造のブレードピッチコントローラに関し、該浮遊する風力タービン構造は複数のブレードを有するロータを支持する支持構造と、標準的なブレードピッチ制御手段を有するコントローラと、能動的な減衰手段を備え、該標準的なブレードピッチ制御手段は、ロータ速度誤差とブレードピッチ間の伝達関数を用いるブレードピッチを制御するように構成され、能動的な減衰手段は風力タービン構造上の点の速度に基づいてブレードピッチを更に制御するように構成され、能動的な減衰手段は、ローパスの第２次又は第３次バターワースフィルタを備え、該フィルタはピッチによる自由で堅い本体の振動の固有振動数以上の周波数とともに、風力タービン構造上の点の水平速度の変化を除去する。
本発明の好ましい実施例が、例示によってのみ、且つ以下の図面を参照して、記載される。
従来のブレードピッチ制御システムを用いた、２.３ＭＷの浮遊する風力タービンの風速関数としての、ロータ推力のグラフである。 浮遊する風力タービン取付け装置の振動の一般的なパワースペクトルである。 固定ベースの風力タービン用の振動制御を備えたブレードピッチ制御システムの概略図である。 浮遊する風力タービン用の能動減衰を備えたブレードピッチ制御システムの概略図である。 浮遊する風力タービンの２つの代替的なブレードピッチ制御システムの概略図である。 浮遊する風力タービンの２つの代替的なブレードピッチ制御システムの概略図である。 タワー頂部の動きの時間領域シュミレーションのグラフを示し、従来のコントローラ、振動制御を備えた固定ベースのタービンのコントローラ、浮遊するタービンの能動減衰コントローラ及び波のみとを比較している。 タワー頂部の動きの周波数応答のシュミレーションのグラフを示し、従来のコントローラ、振動制御を備えた固定ベースのタービンのコントローラ、浮遊するタービンの能動減衰コントローラ及び波のみとを比較している。 積荷室の幾つかの重要なデータを示すテーブルである。 タワー曲げモーメント(海水面から１７ｍ上)の周波数応答のシュミレーションのグラフを示し、従来のコントローラ、振動制御を備えた固定ベースのタービンのコントローラ、浮遊するタービンの能動減衰コントローラ及び波のみとを比較している。 タワー曲げモーメント(海水面から１７ｍ上)についての幾つかの重要なデータを示す表である。 ロータ推力の時間領域シュミレーションのグラフであり、従来のコントローラ、振動制御を備えた固定ベースのタービンのコントローラ、浮遊するタービンの能動減衰コントローラ及び波のみとを比較している。 ロータ推力の幾つかの重要なデータを示す表である。 ロータ速度対時間のグラフであり、従来のコントローラ、振動制御を備えた固定ベースのタービンのコントローラ、浮遊する風力タービンのコントローラとを比較している。 ロータ速度の幾つかの重要なデータを示す表である。 電力生成対時間のグラフであり、従来のコントローラ、振動制御を備えた固定ベースのタービンのコントローラ、浮遊する風力タービンのコントローラと、電力生成対時間を比較している。 電力生成の幾つかの重要なデータを示す表である。
固定ベースの風力タービンの曲げ振動を能動的に減衰する振動制御を含むブレードピッチ制御システムを示す図３と比較して、図４に示す浮遊する風力タービンのブレードピッチ制御システムは伝達関数ｈｃ(ｓ)を２度用いる。
図４のロータ角度周波数ωｒは、以下のように表される。
Figure 0005499047
 制御パラメータが、タワーの第１の構造的な曲げモードに従って調整されれば、能動的な減衰寄与度(damping contribution)Ｍ(ｓ)Ｋｄｖｎａｃｅｌｌｅは、構造の堅い本体の低周波振動に能動的な減衰を付与する、何故なら式(２６)に従って、Ｍ(ｓ)の絶対値は、約１の絶対値を有し、制御システムの標準部分の帯域幅内の周波数に非常に小さな位相ずれを有する。しかし、Ｍ(ｓ)Ｋｄｖｎａｃｅｌｌｅの減衰寄与度は構造的曲げモードには乏しい、何故ならばこれらの振動は制御システムの帯域幅の外側の周波数を有し、式(２７)に従って、Ｍ(ｓ)はそのような寄与度を抑圧する。それにも拘わらず、構造的な曲げモード振動は通常は図２に示す堅い本体の振動よりも可成り小さいので、構造的な曲げモード振動の正の減衰を付与することは常には必要ではない。或いは、図４に示すコントローラは図３に示すコントローラの能動的な減衰部分(伝達関数ｈｃ(ｓ)を用いない)をも含むように修正され、同様に構造的な曲げモードの能動的な減衰を付与する。
固定ベースの風力タービンについて図３に示すコントローラと浮遊する風力タービンについて図４に示すコントローラとの主たる相違点は、浮遊する風力タービンについて能動的な減衰手段内にコントローラの伝達関数ｈｃ(ｓ)を含むことである。
図３と図４とを比較すると、これらの図の信号処理ブロックは、コントローラ構造の効果が異なること、及び対処する周波数が異なることにより、また異なる。図４に示す浮遊する風力タービン用の能動的な減衰コントローラの信号処理ブロックは、フィルタ周波数を備えたシャープローパスフィルタを用い、該フィルタ周波数は波周波数範囲(０.０５Ｈｚから０.２Ｈｚ)よりも十分下であり、ピッチにおけるタワーの固有振動数(０.０３Ｈｚから０.０４Ｈｚ)よりも十分に上であり、風力タービンの重要なパラメータに関する性能の悪化に繋がる波誘導運動の減衰を避ける。換言すれば、フィルタ周波数は、約０.０４Ｈｚから０.０５Ｈｚである。
反対に、図３に示す固定ベースの風力タービン用の振動コントローラの信号処理ブロックは、そのようなローパスフィルタを備えていない、何故なら該ブロックは振動コントローラによって用いられる信号部分、即ち波よりも高い周波数を有する第１のタワー曲げモード周りのタワー動作を除去するからである。しかし、固定ベースの風力タービンの振動コントローラがそのようなローパスフィルタを有さないことは許容される、何故なら該コントローラは波誘導運動を不具にする必要はないからである。
図３及び図４に示す能動的な減衰ゲインＫｄの値は、通常は２つの場合(固定ベース及び浮遊)について異なり、パラメータに用いられる正確な値は、従来のコントローラ調整によって見出される。
本発明のブレードピッチコントローラの実施例は、図５(a)に示される。図５(a)において、上のボックスは能動的な減衰手段を含み、該減衰手段は積荷室のピッチの速度、入力のような積荷室の速度の測定結果を取り込み、信号処理ブロック及びローパスフィルタブロック、能動的な減衰ゲイン、ＰＩコントローラを備える。
ローパスフィルタは、シャープフィルタであり、タワーの自由で、ピッチにて堅い本体の振動の固有振動数に対応した周波数を有する動作を通過させ、波誘導運動(約０.０５Ｈｚから０.２Ｈｚ)の周波数に対応した周波数を有する動作を停止する。第２次又は第３次バターワースローパスフィルタは、これについて両方とも適切なオプションである。
能動的な減衰ゲインは、積荷室の水平速度の測定結果をロータ速度誤差に変換する。
ＰＩコントローラは、ロータ速度誤差を伝達関数ｈｃ(ｓ)に基づいてブレードピッチの調整に変換する。
浮遊する風力タービンのブレードピッチコントローラの代替的であるが均等な実施例は、図５(b)に示される。図５(a)と図５(b)に示す実施例の間の唯一の差は、図５(b)では、１つだけのコントローラが用いられるが、その入力がコントローラの標準部分と能動的な減衰部分の両方から来ると、図５(a)に示す実施例のようなあたかも２つのＰＩコントローラが用いられるように結果は同じである。
図６―図１６は、浮遊する風力タービンに用いられたとき、以下のコントローラの効果を示す幾つかのシュミレーション結果を示す。
―能動的な減衰がない標準的なブレードピッチコントローラ
―固定ベースの風力タービンの構造的な曲げモード振動を能動的に減衰するのを振動制御するコントローラ
―浮遊する風力タービンの堅い本体の振動を能動的に減衰するのを制御するコントローラ
これらの場合はまた、風がタービンに作用せず、動作は波力のみによるだけ(波だけ)である場合と比較される。
シュミレーションは、以下の動作条件で実行された。１７ｍ/ｓの風速、１０％の乱流強さ、５ｍの大きな波高さ、及び１２ｓの波スペクトルの特性ピーク期間である。風の乱流強さは、標準偏差と風速の平均値の比として定義される。
浮遊する風力タービンの能動的な減衰手段は、０.０５Ｈｚのローパスフィルタ周波数を有する第３次バターワースフィルタ、Ｋｄ＝０.２の能動的な減衰ゲイン、及び伝達関数ｈｃ(ｓ)を含むＰＩコントローラを含んでいた。固定ベースの風力タービンの振動制御手段は、バターワースフィルタとＫｄ＝０.５の能動的な減衰ゲインを含んでいた。３つ全てのコントローラは、閉ループ内で一定の電力出力を付与する同じＰＩコントローラを用いた。ωｂ及びζの値は、夫々０.６１５９rad/sと０.７であり、ゼロブレードピッチにてＫｐ＝２.８６１５及びＫｌ＝１.７００４を与えた。
良好なコントローラにおいて、ロータ速度、電力生成及びロータスラスト力のような重要な風力タービンパラメータに小さな標準偏差を有することが好ましく、ロータ速度、電力生成の平均値はそれらの定格値と一致すべきである。ロータ速度について、最大値は過大であれば所定の限度未満であることは、タービンを停止させることはまた重要である。許容された最大のロータ速度は、これらのシュミレーションに用いられる２.３ＭＷタービンについて約２.１rad/sである。
図６は上に挙げられた各場合について、時間関数として風力タービンタワーの頂部の動作の大きさを示す。図８に示すように、タワーの頂部動作の平均値は、３つのコントローラの各々について比較可能である。平均値は主にタービン上の平均的な(mean)風推力によって制御される。しかし、この振幅の標準偏差は、能動的な減衰を備えた浮遊する風力タービン用のコントローラが用いられると、可成り小さい。
図７は、タワー頂部の動きの動作振幅の二乗に比例するスペクトルを示し、周波数の関数としてプロットされる。予測通り、ピッチにおける浮遊する風力タービンの自由で堅い本体の振動の周波数に対応する周波数(約０.０３Ｈｚから０.０４Ｈｚの周波数)を有するタワー頂部の動作の大きさは、能動的な減衰が用いられない従来のコントローラではなく、能動的な減衰がコントローラに含まれるとき、可成り小さい。所望ならば、波周波数の範囲内の動作はコントローラに影響されないことも見られる。
図９は、上に挙げた４つの場合の各々について、周波数の関数として、海上１７ｍのタワー曲げモーメントを示す。浮遊する風力タービン用のコントローラが用いられるとき、浮遊する風力タービンの堅い本体の振動に対応する周波数での動作について、タワー上の曲げモーメントの大きさは、従来のコントローラ又は固定ベースの風力タービン用のコントローラが用いられるときよりも可成り小さく、ピッチにて浮遊する風力タービンの堅い本体の振動に、能動的な減衰は付与されない。平均値と標準偏差は、図１０に与えられる。浮遊する風力タービン用のコントローラが用いられるとき、標準偏差は従来のコントローラ又は固定ベースの風力タービン用のコントローラが用いられるときよりも可成り小さい。
図１１は、上に挙げた各３つのコントローラが用いられるとき、時間の関数としてロータ推力を示す。平均と標準偏差は、図１２で与えられる。ロータ推力の標準偏差は、浮遊する風力タービン用のコントローラが用いられるとき、僅かに大きくなる。
図１３は、上に挙げた各３つのコントローラが用いられるときの、時間関数としてロータ速度を示す。平均値及び標準偏差は、図１４に与えられる。ロータ速度の標準偏差は、浮遊する風力タービン用のコントローラが使用されるとき、僅かに大きい。更に、如何なる場合にも、所望の最大ロータ速度は超えないことは注目すべきである。
図１５は、上に挙げた各３つのコントローラが用いられるときの、時間関数として電力生成を示す。平均値及び標準偏差は、図１６に与えられる。電力生成の標準偏差は、浮遊する風力タービン用のコントローラが使用されるとき、僅かに大きい。シュミレーション結果からの全体により、以下の点が注目される。
―ロータ速度、電力生成及びロータ推力に関する性能は、浮遊する風力タービンに振動型コントローラが用いられるときよりも、従来のコントローラが用いられるときに僅かに良好である。
―浮遊する風力タービン用の能動的な減衰コントローラ(即ち、堅い本体の動作制御用)は、他のコントローラよりもタワー動作及びタワー曲げモーメントに関して可成り良好な性能を付与する。
―浮遊する風力タービン用の能動的な減衰コントローラを用いた浮遊する風力タービンの動作特性は、波のみの場合と非常に近似している。及び
―固定して設置された風力タービン用の振動型コントローラの性能は、従来のコントローラの性能に非常に近似しており、上記で与えられた理論的分析と一致する。
本発明は伝達関数を用いて記載されてきたが、他のあらゆるシステムの関連する数学的表示が用いられることは注目すべきである。更に、伝達関数は線形システムにのみ一般に有効であるが、当該技術分野の専門家は非線形システム(本発明が関係するような)が特定の作動点周り線形値を有する伝達関数によって表されることを理解するだろう。

Claims (27)

  1. 複数のブレードを有するロータを支持する支持構造を備えた浮遊する風力タービン構造のブレードピッチコントローラであって、
    標準的なブレードピッチ制御手段と、
    能動的な減衰手段とを備え、
    標準的なブレードピッチ制御手段は、ロータ速度誤差とブレードピッチ間の伝達関数を用いてブレードピッチを制御するように構成され、前記ロータ速度誤差は、所望のロータ速度と実際のロータ速度間の差であり、
    能動的な減衰手段は更に、風力タービン構造上の点の速度に基づいてロータ速度誤差を決定し、且つ標準的なブレードピッチ制御手段にて用いられる同じ伝達関数を用いて、前記ロータ速度誤差に基づいてブレードピッチの修正を決定するように構成された、ブレードピッチコントローラ。
  2. コントローラのパラメータは、遠隔操作によって変更することができる、請求項１に記載のブレードピッチコントローラ。
  3. 能動的な減衰手段は、ローパスフィルタを備える、請求項１又は２に記載のブレードピッチコントローラ。
  4. ローパスフィルタは、ピッチにおける風力タービン構造の堅い本体の振動の固有振動数以上の周波数と共に、風力タービン構造上の点の速度の変化を除去するように構成された、請求項３に記載のブレードピッチコントローラ。
  5. ローパスフィルタは、０.０５Ｈｚ以上の周波数とともに、風力タービン構造上の点の速度の変化を除去するように構成された、請求項３又は４に記載のブレードピッチコントローラ。
  6. ローパスフィルタは、０.０４Ｈｚ以上の周波数とともに、風力タービン構造上の点の速度の変化を除去するように構成された、請求項３乃至５の何れかに記載のブレードピッチコントローラ。
  7. ローパスフィルタは、シャープフィルタである、請求項３乃至６の何れかに記載のブレードピッチコントローラ。
  8. ローパスフィルタは、第２次又は第３次のバターワースのローパスフィルタである、請求項３乃至７の何れかに記載のブレードピッチコントローラ。
  9. 能動的な減衰手段は、風力タービン構造上の点の速度をロータ速度誤差に変換する能動的な減衰ゲイン手段を備える、請求項１乃至８の何れかに記載のブレードピッチコントローラ。
  10. 能動的な減衰ゲイン手段は、ピッチにて風力タービン構造の堅い本体の振動の負の減衰を減じ又は阻止するように構成される、請求項９に記載のブレードピッチコントローラ。
  11. 能動的な減衰ゲイン手段は、ピッチにて風力タービン構造の堅い本体の振動の有効な正の減衰を提供するように構成された、請求項９又は１０に記載のブレードピッチコントローラ。
  12. 能動的な減衰手段と標準的なブレードピッチ制御手段の両方に用いられる伝達関数は、比例積分型コントローラの形式にて実行される、請求項１乃至１１の何れかに記載のブレードピッチコントローラ。
  13. コントローラは、２つの比例積分型コントローラを備え、１つは能動的な減衰手段であり、１つは標準的なブレードピッチ制御手段である、請求項１１に記載のブレードピッチコントローラ。
  14. コントローラは、能動的な減衰手段と標準的なブレードピッチ制御手段の両方に用いられるように構成された比例積分型コントローラを備える、請求項１２に記載のブレードピッチコントローラ。
  15. ブレードピッチは、各回転ブレードについて別個に調整される、請求項１乃至１４の何れかに記載のブレードピッチコントローラ。
  16. 複数のブレードを有するロータを支持する支持構造を備えた浮遊する風力タービン構造のブレードピッチを制御する方法であって、
    ロータ速度誤差とブレードピッチ間の伝達関数の出力に基づいてブレードピッチを調整する工程であって、前記ロータ速度誤差は、所望のロータ速度と実際のロータ速度間の差である工程と、
    更に風力タービン構造上の点の水平速度に基づいてブレードピッチを調整する工程を有し、
    風力タービン構造上の点の速度に基づいてロータ速度誤差を決定し、次に同じ伝達関数を用いて前記ロータ速度誤差に基づいてブレードピッチの修正を決定する、方法。
  17. ブレードピッチは、所定値以上の周波数を用いて、風力タービン構造上の点の速度変化を調整されるのみである、請求項１６に記載の方法。
  18. 所定値は、ピッチにて構造の堅い本体の振動の固有振動数以上である、請求項１７に記載の方法。
  19. 所定値は、０.０５Ｈｚである、請求項１７又は１８に記載の方法。
  20. 所定値は、０.０４Ｈｚである、請求項１７又は１８に記載の方法。
  21. 風力タービン構造上の点の速度変化は、ローパスフィルタを用いて除去される、請求項１７乃至２０の何れかに記載の方法。
  22. ローパスフィルタは、第２次又は第３次のバターワースのローパスフィルタである、請求項２１に記載の方法。
  23. 構造上の点の速度は、能動的な減衰ゲイン手段を用いてロータ速度誤差に変換される、請求項１６乃至２２の何れかに記載の方法。
  24. 能動的な減衰ゲイン手段は、ピッチにて風力タービン構造の堅い本体の振動の負の減衰を減じ又は阻止するように構成された、請求項２３に記載の方法。
  25. 能動的な減衰ゲイン手段は、ピッチにて風力タービン構造の堅い本体の振動の有効な正の減衰を付与する、請求項２３又は２４に記載の方法。
  26. 能動的な減衰手段及び標準的なブレードピッチ制御手段の両方に用いられる伝達関数は、比例積分型コントローラの形式で実行される、請求項１６乃至２５の何れかに記載の方法。
  27. 請求項１乃至１５の何れかに記載のブレードピッチコントローラを備え、又は請求項１６乃至２６の何れかに記載の方法で制御される浮遊する風力タービン取付け装置。
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