JP5819286B2 - 風力タービン装置の波動エネルギの抽出 - Google Patents

Description

本発明は浮体式風力タービンの技術分野に関するものである。本発明は、とくに波浪誘発動揺から得られるエネルギを最大化させる、浮体式風力タービン用の制御システムに関するものである。

風力タービン装置は、通常細長いタワーを有している支持構造体により形成されており、この支持構造体の上側端部にはナセルとロータとが取り付けられている。発電機およびそれに関連する電子機器はナセル内に位置しているのが一般的であるが、これらが支持構造体の基部の如き他の場所に設けられるようになしてあってもよい。

陸地または海底のいずれかへ固定される基板固定型風力タービンは周知技術である。しかしながら、最近、浮体式風力タービンの開発の必要性が生じ、さまざまな構造が提案されている。一例としては、従来の風力タービン装置がプラットフォームまたはいかだ状の構造体の如き浮揚性のある基板に取り付けられる風力タービン装置が挙げられる。他に提案されているものとしては、「円柱ブイ」タイプの構造体が挙げられる。このような構造体は、細長い浮揚性のある支持構造体の先端にロータが取り付けられたものから形成される。支持構造体は、単一構造体であってもよいし、または、細長い副構造体（たとえば、従来の円柱ブイ）に標準的なタワーを取り付けたものであってもよい。

浮体式風力タービン装置は、それらを所望の設置位置に保持するために、アンカーを備えた１つ以上の係船索によって海底へつなぎ止められるようになしてあってもよいし、たとえば１つ以上の間接（ヒンジ）を有する脚部により海底に取り付けられるようになしてあってもよい。

従来の風力タービンでは、ロータスピード（ｒｏｔｏｒ ｓｐｅｅｄ）がパワー出力を調節するために制御されていた。これをどのように実施するかは、風速が、タービンのいわゆる定格風速を超えているかまたは下回っているかに依存して異なる。ある与えられた風力タービンおよび風速において、空力パワーは、タービンのパワー係数ＣＰに依存する。これは、羽根ピッチ角βおよび周速比λの関数である。後者は、ロータ羽根の外側の先端の移動速度を風速で割ったものとして定義されている。すべてのタービンが固有の最適周速比（Ｃ_Ｐが最大となる）を有しており、それは通常８と１０との間にある。

タービンの定格風速は最大出力を発生させることができる最も低い風速のことである。定格風速未満の風で動作している場合、制御目標はパワー出力を最大化することであり、したがって、パワー係数を最大限に大きくしなければならない。これは、周速比の最適値に相当する。このオペレーションレジームは、最大パワーレジームとして知られている。

周速比は、羽根ピッチ角を調節してタービンにより生じる空力トルクを変えることにより最適化されてもよいし、または、ロータが受ける発電機の負荷トルクを調節することによって最適化されてもよい。後者の構成の方が好ましい。というのは、後者の方は、羽根ピッチを最小（β＝０）ピッチ角（すなわち、最も粗い角度）にセットすることを可能とし、そのことにより、パワー係数Ｃ_Ｐを最大化させるからである。ある与えられた羽根ピッチ角では、タービンに加えられるパワー係数を最大化するトルクがロータ角速度の平方に比例することを示すことが可能である。

それとは対照的に、定格風速を超えて動作している場合、羽根ピッチは、発電機および／またはそれに付随する電子機器を破損しうる過剰に高パワーの出力を回避するために、風速の変動にかかわらず一定のパワー出力を発生させるように調節される。この一定の力がその風力タービンの定格出力と呼ばれる。したがって、風速が上昇すると、一定のパワーを維持すべく空力トルクを小さくするために、羽根ピッチが大きく、すなわち風方向に対してより平行になるようにされる。発電機のトルクが可変な場合、タービンがその最大設計速度に到達しても、パワーを上昇させることを可能とするために、発電機のトルクを大きくすることができる。事実、発電機にスムーズにパワーを生産させるために定格風速を超えたところでピッチおよび発電機トルクの両方を変更することが可能であるとともに一般的に行われていることである。発電機トルクＴ_Ｇは、Ｔ_Ｇ＝Ｐ_Ｇ／ω_Ｇに従って通常制御される。この式で、Ｐ_Ｇｍａｘは最大（または、定格）発電機パワーであり、ω_Ｇは発電機スピードである。

浮体式風力タービンは、それらに対する流れ、風および波の作用により著しく動揺する。とくに波は、約０．０５〜０．２Ｈｚの周波数でタワーを動揺させる。これらは剛体運動（ピッチとうねり、ほとんどピッチ）である。通常、この振動のサイズは、浮体式風力タービンの幾何学形状および重量分布を修正することにより最小化されるようになしてある。

しかしながら、風力タービンによって波からエネルギを抽出することができることが認識されている。ＷＯ２００５／０２１９６１に記載されているように、タービンが、波浪誘発動揺のための減衰機構（ｄａｍｐｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）として働くので、波からエネルギを抽出することができる。波から抽出されるエネルギ量は、風力タービンの羽根が、ロータ羽根に対して、風の瞬間速度に関連してどのように制御されるかに依存して異なる。具体的にいえば、相対風速の増大につれて推力係数およびパワー係数が大きくなるように、羽根ピッチをタワーの動揺に応じて制御することが提案されている。（推力係数の増大は、より大きな推力がロータ領域に作用することを意味している）。また、本出願は、システムが波と共振して振動すれば最大のエネルギを抽出できることを指摘している。

明らかなように、このように波動エネルギを抽出することは、定格風速未満で動作しているとき（最大パワーレジーム）のみで有益である。風速が定格風速よりも高い場合、風エネルギだけで最大出力パワーを得ることができる。

従来のタービン制御との関係で先に記載したように、この領域では、最適先端速度を維持する（したがって、パワー係数を最大化する）ために、羽根ピッチではなく発電機トルクを調節することが望ましい。最適トルク値がロータ速度の関数であるので、従来のコントローラを用いて定常状態でそれを得ることができる。しかしながら、そのようなコントローラでは、相対風速の変化とトルクの調節との間に著しい遅れが生じる。このことは公知の制御システムに内在するものである。というのは、風速の変化からそれに対応するロータスピードの変化（測定される）までに大きな時定数が存在する。第１に、風速の変化とそれが引き起こす空力トルクの変化との間に遅れが生じ、第２に、ロータの慣性モーメントが大きいので、空力トルクの変化とそれが引き起こすロータスピードの変化との間に遅れが生じる。

これらの時定数は従来の風力タービン制御では重大な欠点ではない。というのは、連続した大きな風速の変化がはるかに長い時間にわたって生じるのが普通だからである。しかしながら、組み合わした時定数は、波浪誘発振動の周期よりも著しく大きいので、波浪誘発動揺からのエネルギ抽出を最大化するために従来のトルクコントローラを用いることはできない。事実、そのような従来の制御システムを用いると入手可能な波動エネルギのほぼ半分を損失する結果となることを示すことができる。

本発明によれば、浮体式風力タービン用のコントローラは風力タービンに当該風力タービンの波浪誘発動揺からエネルギを抽出させるように構成されており、波浪誘発動揺に応じてロータスピードが変わるようにロータに加えられる負荷機器のトルクを制御することにより、タービンのロータスピードを制御するように構成されている。

本発明にかかるコントローラが、負荷機器のトルクを制御することによりタービンを制御するので、羽根ピッチをその最適な値に設定することができ、よって、羽根ピッチを相対的な風速における波浪誘発変化に応じて変えなければならないような従来の技術システムに比べてより大きなパワー出力が可能となる。したがって、本発明は、驚くべきことに、適切に設計されたトルクコントローラをこの用途に用いることができるという認識に立脚したものである。したがって、波から発生するエネルギの量を著しく増大させることができる。

羽根ピッチの最適値は、通常その最小ピッチ角（本明細書では０度と記載されている）のことであり、これは、タービンのパワー係数Ｃ_Ｐの最大値に通常相当する。したがって、本発明の１つの好ましい形態では、羽根ピッチβは、その最小の設定値に設定されるか、または、ほぼその設定値に設定される。しかしながら、実施形態によっては、パワー出力を最大化するおよび／またはスムーズな制御を促進するために、羽根ピッチのなんらかの（通常、小さな）調節が有益な場合もある。

本発明にかかるコントローラは、浮体式風力タービン構造体が波浪誘発振動により振動中、タービンのロータスピードが実質的にその最適周速比を維持しうるように構成されている。したがって、それが、この風速比を提供するための所望のロータスピード（ω_ｒｅｆ）を決定し、それに応じて負荷機器のトルクを従って調節するようになしてあることが好ましい。このことを羽根ピッチ角をその最適値に設定する間に達成することが可能なので、それは、タービンをその最適パワー係数で作動させることを可能とすることによってタービンの出力パワーを最大化させることを可能とする。

好ましくは、コントローラは、タービンの（波浪誘発）動揺を示す入力に基づいてトルクを制御するようになしてある。このことは、構造体のタワーの先端速度に基づく入力信号をコントローラに提供することにより達成することができる。これは、直接に測定された速度

であることが最も便利である。このように、発電機トルクを求める場合に、タワーの動揺がコントローラによって考慮に入れられるようになしてあってもよい。

最も好ましくは、タワーの波浪誘発動揺に起因する所望のロータ速度のコンポーネント（ここでは、「波コンポーネント（成分）」と呼ぶ）を求めるためにタワー速度信号が用いられる。たとえば、これは、所望の周速比に基づいて求められてもよい。たとえば、ロータ速度の波コンポーネントは、周速比とタワー速度をロータ半径で除算したものとの積から算出しうる。

１つの実施形態では、所望のまたは「基準の」ロータ速度は、波コンポーネントと定常状態（風のみ）コンポーネント（「風コンポーネント（成分）」）との合計として定義される。この基準速度は所望のトルクを計算するために後で用いられるようになしてあってもよい。通常、必要トルクは、基準ロータ速度の平方に比例する。

好ましくは、風コンポーネントは、波に関連しているコンポーネントを削除するためにたとえばローパスフィルターまたはバンドパスフィルターを用いて測定されたロータ速度をフィルター処理することにより得られるようになしてある。その後、このフィルター処理されたコンポーネントはたとえばルックアップテーブルまたは適切な式を用いて所望のトルクの対応するコンポーネントを導出すために後で用いられてもよい。

典型的な実施形態では、コントローラは、必要トルクの２つのコンポーネントを算出するようになしてある。１つは、（フィルター処理された）定常状態速度コンポーネントに基づいたものであり、１つは、ロータ速度の波浪誘発動揺コンポーネントに基づいたものである。これらの２つのコンポーネントは後に合計されて所望のトルク値を提供する。いうまでもなく、前者のコンポーネントは、従来のトルクに基づいたコントローラ（すなわち、波動エネルギを最適化するように設計されていないコントロータ）の方法と類似する方法で得られるようになしてあってもよい。好ましくは、後者のコンポーネントは、比例コントローラ（Ｐ）または比例微分（ＰＤ）コントローラによって求められるようになしてあってもよい。

本発明の１つの実施形態では、コントローラは、所望のロータトルクの上述の２つのコンポーネントを計算するための個別のブランチを有した制御ループを備えている。

好ましくは、第一のブランチはその入力としてロータスピードを有しており、それにローパスフィルター処理を行い、次いで、たとえばフィルター処理されたロータスピードの平方に比例する所望のトルクに基づいて、所望のトルクの対応するコンポーネントを求められるようになしてある。

好ましくは、第二のブランチは、その入力としてロータスピードと基準ロータスピードの間の差（すなわち、所望のロータスピードの波コンポーネントの尺度）を有している。それは、好ましくは比例コントローラまたは比例微分コントローラを用いて所望のトルクの対応するコンポーネントを計算するようになしてある。

２つのブランチの出力が合計されると、トルクの所望の値が算出され、この値がトルクコントローラによってトルクの実際の値と比較され、必要な制御出力が求められるようになしてあってもよい。

したがって、明らかなように、コントローラは、ロータスピードおよびタワー速度を表わす信号のための入力を有するようになしてあってもよい。

他の実施形態では、タワー速度の測定値に加えて、平均風速の推定値であるさらなる入力が用いられる。この場合、ロータ速度の風コンポーネントは、たとえば最適周速比と風速推定値をロータ半径で除算したものとの積として風速推定値から直接求められるようになしてあってもよい。

この実施形態では、トルクの別々のコンポーネントを求める必要はなく、また、コントローラは上述の２つのブランチを有する必要はない。それに代えて、コントローラは、単独の制御ループを有していてもよい。この単独の制御ループでは、実際のロータ速度の値が基準ロータ速度と比較され、その差が、上述のようにたとえば比例コントローラまたは比例微分コントローラを用いて所望のトルク値を求めるために用いられる。

本発明の好ましい形態では、タービンがパワーグリッド（送電網）に接続されている。パワーグリッドにより、タービンがタワーの振動サイクルのある部分において電流を引き込むことができるようになる。実施形態によっては、満足なロータスピードトラッキングを達成するためにこのことが必要となる場合もある。

いうまでもなく、従来のシステムと同様に、本発明は、タービンの定格風速未満の風速で有益ある。いったんその風速を超えると、波からエネルギを得ることに意味がほとんどなくなる。したがって、コントローラは、タービンに周知の方法で一定のパワーレジームで動作させることを可能とするコントローラとともに用いられるようになしてあってもよいし、または、その一部を形成するようになしてあってもよい。したがって、本発明にかかるコントローラは、ある与えられた風速（たとえば、定格風速またはそれに近い値）で上記の（波に関連する）機能を無効にするように構成されてもよい。

また、本発明は、さらに、上述のようなコントローラを備える風力タービン構造体まで包含するものである。

したがって、本発明のさらなる態様によれば、浮体式風力タービン構造体は、その中に取り付けられている風力タービンとコントローラとを有している浮揚性のあるタワーを備えており、風力タービンが、それにトルクを加える負荷機器をドライブするように構成されているとともに、タービンの波浪誘発動揺からエネルギを抽出するように構成されており、波浪誘発動揺に応じてタービンのロータスピードが変わるように負荷機器のトルクを制御することにより、コントローラがタービンのロータスピードを制御するように構成されている。

なお、用語「浮かぶ（ｆｌｏａｔｉｎｇ）」は、構造体の性質、すなわち水塊に浮かぶように設計されたもののことを言及したものであり、それが実際に浮いている否かには関係ない。

この構造体は、いかなる公知の形態を有していてもよいが、上述のような細長い浮揚性のある支持体を有しているタイプであることがとくに好ましい。

負荷機器は、発電機であるのが最も一般的であるが、たとえば液圧式デバイスであってもよい。タービンと負荷機器との間にはある種類のギア装置が通常設けられている。好ましくは、負荷機器は可変トルク発電機である。

好ましくは、コントローラは上述のようなものである。

本発明は、さらにそれに対応する制御方法も包含する。したがって、本発明のさらなる態様によれば、浮体式風力タービンが当該浮体式風力タービンの波浪誘発動揺からエネルギを抽出するように当該浮体式風力タービンを制御する方法は、波浪誘発動揺に応じてロータスピードが変わるようにロータに加えられる負荷機器のトルクを制御することにより、浮体式風力タービンのロータスピードが制御される。

好ましくは、かかる方法は、下記にさらに記載されているように、制御ステップおよび／またはコントローラの使用を有する。

当業者にとって明らかなように、コントローラは通常ソフトウェアの形態で提供される。したがって、コントローラはこのソフトウェアの実行するためのプロセッサーを備えている。たとえば、プロセッサーはマイクロプロセッサーであってもよい。

本発明はさらにソフトウェア製品に関するものであり、このソフトウェア製品はインストラクションを有しており、プロセッサーによって実行されると、浮体式風力タービン構造体が当該浮体式風力タービン構造体の波浪誘発動揺からエネルギを抽出するように、プロセッサーが浮体式風力タービン構造体を制御するように構成されており、波浪誘発動揺に応じてロータスピードが変わるようにロータに加えられる負荷機器のトルクを制御することによって、浮体式風力タービンのロータスピードが制御されるように構成されている。

好ましくは、ソフトウェア製品は物理的データキャリアである。たとえば、ＣＤまたはフロッピー（登録商標）ディスクである。

それに代えてまたはそれに加えて、ソフトウェア製品は、ネットワークを通じて送信される、たとえばインターネットを通じてダウンロードされるインストラクションの形態で提供されるようになしてあってもよい。

本発明によれば、物理的キャリアの形態を有しているソフトウェア製品を製造する方法は、データキャリアにインストラクションを格納することを含んでおり、プロセッサーによって実行されると、浮体式風力タービン構造体が当該浮体式風力タービン構造体の波浪誘発動揺からエネルギを抽出するように、プロセッサーが浮体式風力タービン構造体を制御し、波浪誘発動揺に応じてロータスピードが変わるようにロータに加えられる負荷機器のトルクを制御することにより、浮体式風力タービンのロータスピードが制御される。

下記にさらに詳細に説明されているように、風速が一定であり、波が２ｍの振幅および９秒の周期を有する規則的な波であると仮定した本発明にかかる実施形態に基づくシミュレーション（Ｓｉｍｏ−Ｒｉｆｌｅｘ−Ｈａｗｃ２を用いた）の結果により、波動エネルギ抽出が、従来の制御と比較して、２．４６％〜６．６９％へ増えることが分かる。

下記に、添付の図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を例示のみを意図して記載する。

典型的な風力タービンの風速（１００）、空力トルク（１０１）およびロータスピード（１０２）の無次元値を時間の関数として示すグラフである。 最適な周速比（１０３）で動作する風力タービンのロータスピードを風速の関数として示すとともに、ＨＡＷＣ２（１０４）で実現された典型的な風力タービンの実際のカーブを示すグラフである。 最適な周速比（１０３）で動作する風力タービンの空力パワー基準値を風速の関数として示すとともに、ＨＡＷＣ２（１０４）で実現された典型的な風力タービンの実際のカーブを示すグラフである。 最適な周速比（１０３）で動作する風力タービンの空力パワーを風速の関数として示すとともに、ＨＡＷＣ２（１０４）で実現された典型的な風力タービンの実際のカーブを示すグラフである。 典型的な風力タービンの羽根ピッチ角が０の場合の空力パワー係数を周速比の関数として示すグラフである。 風速が６ｍ／ｓと一定で、タワー動揺正弦波が１．１８ｍ／ｓの速度振幅および９秒の周期を有するシミュレーションにおいて、空力パワーを時間の関数として示すグラフである。 風速が６ｍ／ｓと一定で、タワー動揺正弦波が１．１８ｍ／ｓの速度振幅および９秒の周期を有するシミュレーションにおいて、空力パワーを相対風速の関数として示すグラフである。 従来のトルクコントローラを示すダイアグラムである。 本発明のある実施形態にかかるトルクコントローラを示すダイアグラムである。 本発明の他の実施形態にかかるトルクコントローラを示すダイアグラムである。 図９ａおよび図９ｂのコントローラのための任意選択的なさらなる機能を示すダイアグラムである。 記載の実施形態において用いられうる閉ループ型ロータスピードＰ−コントローラのボード線図である。 従来制御（青）および最適ロータスピード制御（赤）で浮体式風力タービンをシミュレーションした場合のタワー先端速度を示すスナップショットグラフである。 従来の制御（１０５）および最適ロータスピード制御（１０６）で浮体式風力タービンをシミュレーションした場合のロータスピードに加えて、最適ロータスピード基準信号（１０７）を示すスナップショットグラフである。 従来の制御（１０５）および最適のロータスピード制御（１０６）で浮体式風力タービンをシミュレーションした場合の空力パワーを示すスナップショットグラフである。 従来の制御（１０５）および最適のロータスピード制御（１０６）で浮体式風力タービンをシミュレーションした場合の発電機パワーを示すスナップショットグラフである。 本発明のある実施形態にかかるコントローラを備えた風力タービンを示す図である。

まず図１５を参照すると、浮体式風力タービン組立体１が示されている。これは、ナセル３に取り付けられているタービンロータ２を備えている。一方、ナセルは、円柱ブイの形態を有している浮体５の頂部に固定されているタワー４を有する構造体の頂部に取り付けられている。浮体は、１つ以上のアンカーライン７（１つだけが示されている）によって海底へ固定されている。ナセルは発電機を収容しており、この発電機は、従来の方法で減速ギアボックスによりタービンロータに接続されている（これらの部品は図示されていない）。それに代えて、組立体が直動式発電機を有していてもよい。ナセルはさらに制御ユニットを収容している。

風によってロータが回転すると、発電機が周知の方法で電気を発生させる。ロータは可変ピッチ羽根を有している。可変ピッチ羽根のピッチ角βは制御ユニットにより調節可能となしてある。最小ピッチ角設定値は０度位置として定義されている。他の設定値は正の角度によって表わされる。パワー係数に対する最適ピッチ角設定値は０であるが、この値に多少の変化はある。

また、コントローラは、発電機が負荷としてタービンロータ２に加えるトルクを変えるように作用する。したがって、ある与えられたロータスピードでは、風から得られるエネルギ、すなわち発電機からの出力パワーは変わりうる。

羽根ピッチおよび／またはトルクを変えることにより、タービンがそのロータスピードおよび出力パワーの限界値内で動作することが担保されるようになしてある。最大パワーを得ることができる最低風速はタービンの定格風速と呼ばれる。

タービン組立体１は、海（または他の大きな水塊）で浮遊しているため、波浪により誘発されて動揺する（水面上の波９が概略的に示されている）。タービン組立体１が波により励起されて風に対し前後に動くため、タービンの定格風速未満で動作している場合には（定格風速を超える速度でこのようなことをしても有益ではない）、波動エネルギを抽出することが可能となる。浮体式風力タービンに対する風が安定しており、調和運動を仮定した場合、風とタービンとの間の相対速度は次のように書くことができる：
Ｕ_ｒ＝Ｕ_ｗ−Ｕ_Ａｃｏｓ（ωｔ＋θ） （１）
この式で、Ｕ_ｒは相対風速であり、Ｕ_ｗは到来風速であり、Ｕ_Ａは浮体式風力タービンの調和運動の速度振幅であり、ωは調和運動の周波数であり、ｔは時間であり、θは位相角である。パワー係数Ｃ_ｐが一定であると仮定すると、タービンによって提供される空力パワーを次のように表すことができる：

この式で、Ｐはタービンからの空力パワーであり、ρ_ａは空気密度であり、Ａはロータによる掃引（ｓｗｅｅｐ）面積である。（１）を（２）に代入すると、１振動サイクルにつき生成されるエネルギは次のようである。

この式で、Ｔ＝２π／ωは１振動サイクルの周期である。この式によりＥの最大入手可能な値、すなわち出力係数Ｃ_ｐが一定の最大値で維持される値が得られる。Ｃ_ｐは、羽根ピッチβと周速比λとの関数であり（ロータ先端速度を風速で除算したもの、すなわちλ＝ｒω／Ｕ_Ｒ、この式でｒはロータ半径である）、したがって、このことにより、周速比λを一定の最適値で維持するように、調和運動に応じてロータスピードが変わることが必要となる。換言すれば、Ｅの最大値を達成するために、各振動サイクル中、ロータスピードが相対風速の変化に応じて変わらなければならない。

波に誘発される相対風速のことをしばらくの間考えないこととすると、風力タービンは、タービンが定格風速未満で動作している場合、風速の変化に応じて周速比を最適値に（または、少なくとも最適値にできるだけ近い値に）維持するように構成されている。このようにするため、このような可変速度風力タービンの発電機トルクを公知の方法で制御することができる。（通常、このようなオペレーションレジームを最大パワーレジームと呼ぶ。）
タービンの理想的な動作点は、羽根ピッチβが最小である（すなわちβ＝０）、図５に示されているパワー係数カーブの放物線の最上部であり、ここが、本明細書に記載の実施形態で用いられている設定値である。しかしながら、他の実施形態では、オペレーションをさらに最適化するために、最大パワーレジームで動作中、この設定値を僅かに変更するようにしてもよい。

ロータスピードの関数としての最適発電機トルクカーブを次のようにして求めることができる：
パワーＰが角速度とトルクとの積であるので、Ｔ_ＥＬ＝Ｐ／ω_ｔということになり、ロータスピードの関数としてのギアの低速度側に変換される所望のまたは最適な発電機トルクは、次のようにして求められる：

この式で、Ｔ_ＥＬは、損失のない理想的なギアを仮定した場合のギアの低速度側に変換される発電機トルクであり、ω_ｔはロータスピードであり、λ_ｏｐｔは最適周速比であり、ｒはロータ半径である。定数Ｃ_ＥＬは次の式で求められる：

。同様に、ギア比ｎ：１の場合、発電機トルクは、Ｔ_Ｇ＝Ｔ_ＥＬ／ｎおよびω_ｔ＝ω_ｇ／ｎで、ロータによるトルクと関連しているので、ギアの高速度側の発電機速度の関数としての最適発電機トルクは次のように書くことができる：

この式で、ω_ｇは発電機速度であり、ｎはギア比であり、Ｔ_Ｇは、ギアの高速度側の発電機トルクである。定数Ｃ_Ｇは次の式で求められる：

発電機トルクコントローラが（４）および（５）のみに基づく場合、最適周速比は定常状態でのみ到達可能であることは注目に値する。風速の変化からロータスピードの対応する変化までにはある時定数が存在する。したがって、最適周速比は、風速の平均値の近傍でしか達成されない。第１に、風速の変化から空力トルクの変化までの時定数が存在する。第２に、ロータの大きな慣性モーメントに起因して、空力トルクの変化からロータスピードの変化までの時定数が存在する。

図１にはこのことが示されており、６から７ｍ／ｓまで風速のステップについて、風速、空力トルクおよびロータスピードの無次元の過渡値が時間の関数としてプロットされている。時定数の比較を簡単にするため、変数はすべて０と１との間の値をとるように変換されている。空力トルクは１．５秒で定常状態値に達しているが、ロータスピードは８５秒後に定常状態値に達しており、この値は、波浪誘発動揺の典型的な周期よりもはるかに大きいものである。

本発明の実施形態で用いられているタービンは典型的な２．３ＭＷタービンである。図２〜図５には、このようなタービンのパワー係数、周速比、空力パワー、ロータスピードおよび風速の関係、ならびにそれに対応する最適なカーブが示されている。

図２には、最適な周速比で動作するタービンのロータスピードが風速の関数として示されているとともに、そのタービンの実際のカーブが示されている。約８ｍ／ｓの風速を超えるスピードにおける差が大きい理由は、タービンの最大許容ロータスピードの制限によるものであり、この特定のタービンの最大許容ロータスピード制限値は１．７８ｒａｄ／ｓである。

図２に示されているロータスピード制限によりタービンを最適に動作させることができないことの影響が図３の対応するパワー曲線に示されている。約８ｍ／ｓの風速からこのタービンの定格風速まで、最適パワーカーブよりも実際のパワーカーブが下回っていることが分かる。

図４には、ロータスピードの関数としての空力パワーカーブが示されており、このカーブは、式（４）で与えられるようなロータスピードと空力トルクと関係に対応したものである。図５には、周速比の関数としてのパワー係数が示されており、最適周速比が約９であることが分かる。

従来のコントローラとは対照的に、定格風速を下回る風速での波動エネルギの抽出を向上させるために、第一の実施形態にかかる制御ユニットは、上述の式（４）および（５）に記載されるような従来のトルクコントローラに加えて、新規なロータスピードコントローラ部を採用している。この補足部分は、タワー速度に基づくさらなる入力を有しており、このことについては下記にさらに記載されている。

この実施形態にかかる発電機トルクコントローラに用いられる基準信号は次のとおりである：

この式で、ω_ｌｐは、測定されたロータスピードωから導出されるローパスフィルター処理された信号である。ナセルの水平運動の＋方向が＋風向に相当すると仮定すると、タービンが風と同一の方向に向けて移動している時にロータスピードを減らすとことが最適である。

式（６）が２つの速度の合計であることが分かる。１番目は、最適の周速比が達成されていると仮定した場合、ロータ速度のうちの波浪誘発動揺による貢献部分である。２番面は波浪誘発部分ではない部分である。式（７）では、ω_ｌｐはその微分値が０となるぐらい十分に一定である、すなわち波浪誘発動揺によるロータスピードの変化の割合が風速の変動に起因するものよりもはるかに大きいことが仮定されている。

図８に示されている従来のコントローラをまず検討すると、（物理的）システムへの入力が空力トルクＴ_Ａであり、システムからの出力がロータの回転速度ωである。換言すれば、ロータに作用する風が生じる空力トルクによって、ロータが速度ωで動作するようになっている。システムでの測定結果がωである。シャフトの低速渡側に見られた発電機トルクは、Ｔ_Ｇ（先の説明におけるＴ_ＥＬに相当する）であり、測定されたロータスピードの関数Ｔ_Ｇ（ω）として表現／計算することができる。Ｔ_Ｇはコントローラからの出力である。

動的プロセスでは、ロータ加速度

として求められる。この式では、シャフトが堅牢であると仮定され、ニュートンの第二法則が用いられ、Ｊは慣性モーメントである。

第一の実施形態にかかるコントローラは、上述の従来のコントローラの修正版と見なすことができ、図９ａに示されている。明らかなように、従来のトルクリファレンスへのロータスピード入力は、ロータスピードのローパスフィルター処理された測定結果であり、さらなるロータスピード制御ループは、所望の周速比を得るために、ＰＤ（比例微分）コントローラと、タワー先端運動測定値ｘに基づくロータスピード基準軌跡とを有している。

さらに詳細にいえば、先の場合と同様に、物理システムへの入力は空力トルクＴ_Ａである。ロータスピード基準ω_ｒｅｆは上述の方程式（６）により求められる。物理システムからの出力はロータの回転速度ωである。図示されているシステムでの測定結果はロータスピードである。それに加えて、ナセル速度が測定され、ω_ｒｅｆの計算に用いられる。

シャフトの低速側に見られる発電機トルクは、Ｔ_Ｇであり、コントローラからの出力である。発電機トルクは、加えられる２つのコンポーネントからなっている。１番目はロータスピードトラッキングコントローラである、このロータスピードトラッキングコントローラは、ロータスピードがナセルの波浪誘発動揺に従って最適な方法で変わるようなさらなる貢献を従来のコントローラに与える。ロータスピードトラッキングコントローラは、基準速度ω_ｒｅｆと測定されたロータスピードωとの間の差を入力として受ける。その出力は発電機トルク信号である。２番目は、図８の従来のトルクコントローラのように挙動するトルクコントローラである。このコントローラは、波周波数を取り除くローパスフィルター（または、バンドパスフィルター）と、 元のトルクコントローラ機能Ｔ_Ｇ（ω）からなっている。その出力は平均が０である発電機トルク信号である。ロータ加速度

は先の場合と同様である。

図９ｂには、他の実施形態が示されている。この実施形態では、システムへの入力は、（先の場合と同様に）空力トルクＴ_Ａであり、ロータスピード基準値ω_ｒｅｆは次のように求められる：

このシステムからの出力は、ロータの回転速度ωである。システムにおける測定結果は先の場合と同様にロータスピードである。それに加えて、ナセル速度が測定され、平均風速ｈが、推定され、上述の式６ａに従ってω_ｒｅｆを計算するために用いられる。シャフトの低速側に見られる発電機トルクは、Ｔ_Ｇであり、コントローラからの出力である。ロータスピードトラッキングコントローラは、基準速度と測定されたロータスピードとの間の差を入力として受ける。その出力は発電機トルク信号である。

上述の実施形態では、発電機のダイナミックスがロータのダイナミックスと比べて速いので、発電機トルクが、トルクコントローラからの実際の出力である指示された発電機トルクと同一であると仮定している（これは一般的な仮定である）。しかしながら、変形実施形態では、発電機のダイナミックスが考慮に入れられる。考慮に入れるため、図９ｃのブロックダイヤグラムで示されているものが、図９ａおよび図９ｂに示されているコントローラ出力と発電機トルクとの間に接続される。

上述のコントローラの性能、とくに図９ａのバージョンについて検討する。図９ａおよび図９ｂに記載の従来のトルクコントローラ部がスピードトラッキングコントローラに影響を与えることはないと仮定している。というのは、２つのコントローラが異なる周波数領域で動作するからである。従来のトルクコントローラからの貢献は、このコントローラが、フィルター周波数が波周波数領域を下回るローパスフィルターで処理されたロータスピードに基づくものであるので、ゆっくり変わっていくと仮定されている。一方、ロータスピードトラッキングコントローラは所望の周速比を得るために波周波数領域で動作するように設計されている。この理由のため、図９ａのコントローラの従来のトルクコントローラ部は、ローパスフィルター処理されたロータスピードの近傍でのスピードトラッキングコントローラを検討する次の説明では無視される。

図９ａのＰＤコントローラは次の伝達関数で表すことができる：
ｈ_ＰＤ（ｓ）＝Ｋ_ｐ＋Ｋ_Ｄｓ （７）
この式で、Ｋ_ＰおよびＫ_Ｄは、それぞれ対応して比例ゲインおよび微分ゲインである。ゆっくり変わっていく影響を無視することにより、図９ａの閉鎖システムのダイナミックスを表すことができる：

この式で、Ｊはロータおよび発電機の慣性モーメントであり、Ｔ_{Ａ＿ｄｙｎ}は、空力トルクの動的部分である。 さらに、システムの動的部分の伝達関数は次のように求められる：

基準信号に追従する制御システムの能力を表わす伝達関数は次のようになる：

所望の基準信号と測定結果との間の誤差を表わす伝達関数は次のようになる：

上述のような実施形態はＰＤコントローラを有している。式（９）および式（１０）のパラメータＫ_Ｄを０に設定して、次の伝達関数を得ることによって純粋の比例ゲインコントローラを導入することができる：

Ｐ−コントローラを備えたシステムの帯域幅はω_ｏｄＢ＝Ｋ_ｐ／Ｊであり、図１０には、Ｋ_ｐ／Ｊ＝ω_ＯｄＢ＝８．４９における、システムのボードプロットが示されている。

本発明の利点については、波動エネルギ抽出のいくつかの単純化された理論計算を検討することにより明瞭に理解することができる。これらは、図２に記載の実際のパワーカーブおよび図４に記載のパワー係数カーブに基づいたものである。次の３つのケースについて検討する：
● 固定：６ｍ／ｓという一定の風速で動作中の固定基礎風力タービンからのパワー抽出
● 実際：６ｍ／ｓという最適なロータスピードに対応する一定のロータスピードでタービンが動作するという仮定の下で、６ｍ／ｓという一定の風速で、振幅が１．１８ｍ／ｓおよび周期が９秒である正弦波で表されるタワー先端速度（これは、Ｓｉｍｏ−Ｒｉｆｌｅｘ−Ｈａｗｘ２シミュレーションにおける２ｍの振幅および９秒の周期を有する波のケースに相当する）で動作中に浮体式風力タービンからのパワーの抽出
● 最適：図２の実際のパワーカーブに従ってタービンが所望の周速比で動作するという仮定の下で、６ｍ／ｓのという一定の風速で、振幅１．１８ｍ／ｓおよび周期が９秒である正弦波で表されるタワー先端速度で動作中に浮体式風力タービンからパワー抽出
図５および図６には、それぞれ対応して、時間関数としておよび相対風速の関数として３つの異なるケースについてのパワー計算の結果が示されており、また、表１には、いくつかの重要な値が示されている。式（２）を用いると、速度振幅が１．１８ｍ／ｓの場合、空力エネルギのうちの波動抽出部分が５．８０％であると推定されることに留意されたい（これは、表１における、最適ロータスピード制御での浮体式風力タービンの計算結果に相当する）。

図６には、固定風力タービン（線１０８）、最適周速比で動作する浮体式風力タービン（線１０９）、および、平均風速に対応するロータスピードで動作するより現実的な浮体式風力タービン（線１１０）についての空力パワーが示されている。最適周速比およびより典型的な周速比で動作中の空力パワーの平均値がそれぞれ対応して線１１１および線１１２で示されている。

図７には、固定風力タービン（線１０８）、最適周速比で動作する浮体式風力タービン（線１０９）、および平均風速に対応するロータスピードで動作するより現実的な浮体式風力タービン（線１１０）についての空力パワーが示されている。最適周速比およびより典型的な周速比で動作中の空力パワーの平均値がそれぞれ対応して線１１１および線１１２で示されている。

表１：空力パワーの簡単な計算

シミュレーション研究
このセクションのシミュレーションは、コンクリートのハルタワー（ｈｕｌｌ ｔｏｗｅｒ）構造体および２．３ＭＷタービンとＳｉｍｏ−Ｒｉｆｌｅｘ−Ｈａｗｃ２解析ツールとを組み合わせて実行されている。

シミュレーションの環境条件は、風速が６ｍ／ｓで一定、波が、振幅２ｍ、周期９秒の規則的な波である。

このセクションのシミュレーションは、図１０のボード線図をプロットするために用いられたのと同一のパラメータを有するロータスピードトラッキングコントロール用のＰ−コントローラを用いて実行された。

図１１には、従来のトルクコントローラおよび最適ロータスピード制御用のトルクコントローラをそれぞれ備えた浮体式風力タービンについてのタワー先端速度のスナップショットがプロットされている。タービン運動がコントローラの選択に著しく影響されないことを理解することができる。

図１２には、対応するロータスピードが最適ロータスピード基準信号とともにプロットされている。従来のコントローラを用いると、波動に対する反応が非常に小さく、また、ロータスピードが最適ロータスピード基準信号に対して位相がずれているということが分かる。このことは、本明細書の簡単な計算の「実際の」カーブにおける仮定が妥当であることを示している。最適ロータスピードトラッキングコントローラを用いると、ロータスピードが最適ロータスピード信号をたどっている（ｆｏｌｌｏｗ）ことが明らかである。

図１３には、２つのコントローラを用いた場合の空力パワーのスナップショットが示されており、次の表２には、発電機パワーについての重要なデータが、固定式風力タービンと比較しながら示されている。

表２：Ｓｉｍｏ−Ｒｉｆｌｅｘ−Ｈａｗｃ２での発電機パワーの重要データ

図１４には、発電機パワーのシミュレーションスナップショットが示されており、表２（上）には、重要な比較データが示されている。変動するサイクルの部分のグリッドからもエネルギを抽出するように、最適ロータスピードトラッキングコントローラが大きなトルク貢献を必要とすることが分かる。表１で示されている増加した空力パワーについての簡単な計算の結果がＳｉｍｏ−Ｒｉｆｌｅｘ−Ｈａｗｃ２を用いた数値シミュレーションついて見出された表２の増加した発電機パワーの計算結果とよく一致していることに留意されたい。

Claims (26)

1. 浮体式風力タービン用のコントローラであって、
   前記コントローラが前記浮体式風力タービンに前記浮体式風力タービンの波浪誘発動揺からエネルギを抽出させるように構成されており、
   波浪誘発動揺に応じてロータスピードが変わるように、前記タービンのタワー速度に基づいてロータに加えられる負荷機器のトルクを制御することにより、前記コントローラが前記浮体式風力タービンの前記ロータスピードを制御するように構成されてなる、コントローラ。
2. 前記コントローラが、波浪誘発動揺に応じて前記ロータスピードが変わるように、前記タービンのタワー速度に基づいて前記ロータに加えられる前記負荷機器の前記トルクを制御するために、前記浮体式風力タービンの定格風速で前記コントローラの機能を無効にするように構成されている、請求項１に記載のコントローラ。
3. 前記コントローラが、波浪誘発振動時であってかつ前記浮体式風力タービンの制御中、前記浮体式風力タービンの羽根ピッチを実質的にその最小設定値に維持することを可能にするように構成されてなる、請求項１又は２に記載のコントローラ。
4. 前記コントローラが、前記浮体式風力タービンの構造体が波浪誘発振動で動揺中、前記浮体式風力タービンのロータスピードが実質的にその最適周速比を維持しうるように構成されてなる、請求項１乃至３のいずれかに記載のコントローラ。
5. 前記浮体式風力タービンの動揺を示す入力に基づいてトルクを制御するように構成されてなる、請求項１乃至４のうちのいずれか一項に記載のコントローラ。
6. 前記入力の信号は、前記構造体のタワー先端速度に基づくものである、請求項５に記載のコントローラ。
7. 前記タワー先端速度に基づく前記入力の信号が、所望の周速比に基づいて、前記タワーの波浪誘発動揺に起因する所望のロータ速度のコンポーネントを求めるために用いられてなる、請求項６に記載のコントローラ。
8. 所望の基準ロータ速度が、前記波浪誘発動揺の前記コンポーネントと定常状態の風コンポーネントとの合計として定義され、所望のトルクを計算するために用いられてなる、請求項７に記載のコントローラ。
9. 前記コントローラが、必要トルクの２つのコンポーネントを計算するように構成され、１つがローパスフィルター処理されたロータ速度の風コンポーネントに基づくものであり、１つはロータ速度の波浪誘発動揺コンポーネントに基づくものであり、これら二つのコ
   ンポーネントが合計されて所望のトルク値が提供されてなる、請求項８に記載のコントローラ。
10. 第一のブランチと第二のブランチとを有する制御ループを備えており、
    前記第一のブランチが、その入力として前記タービンの前記ロータスピードを有し、それに対してローパスフィルター処理が施され、このフィルター処理された値を用いて所望のトルクの対応するコンポーネントが得られるように構成されており、
    前記第二のブランチが、その入力として前記ロータスピードと基準ロータスピードとの間の差を有し、比例コントローラまたは比例微分コントローラを用いて所望のトルクの対応するコンポーネントを計算するように構成されており、
    これら二つのブランチの出力を合計して所望のトルクの値が求められるように構成されてなる、請求項１乃至９のうちのいずれか一項に記載のコントローラ。
11. 前記コントローラが、タワー速度の測定値および平均風速の推定値を表わす信号の入力を有してなる、請求項１乃至５のうちのいずれか一項に記載のコントローラ。
12. 単一の制御ループを備えており、実際のロータ速度の値が基準ロータ速度と比較され、
    前記基準ロータ速度が前記タワー速度と前記平均風速とに基づくものであり、比例コントローラまたは比例微分コントローラを用いて所望のトルク値を求めるために、前記差が用いられてなる、請求項１１に記載のコントローラ。
13. 請求項１乃至１２のうちのいずれか一項に記載のコントローラを備えてなる風力タービン。
14. 浮体式風力タービン構造体であって、
    それに取り付けられる風力タービンとコントローラとを有している浮揚性のあるタワーを備えており、
    前記風力タービンが、それにトルクを加える負荷機器をドライブするように構成れているとともに、前記タービンの波浪誘発動揺からエネルギを抽出するように構成されており、
    波浪誘発動揺に応じて前記タービンのロータスピードが変わるように、前記タービンのタワー速度に基づいて前記負荷機器のトルクを制御することにより、前記コントローラが、前記タービンの前記ロータスピードを制御するように構成されてなる、浮体式風力タービン構造体。
15. 浮体式風力タービンが該浮体式風力タービンの波浪誘発動揺からエネルギを抽出するように前記浮体式風力タービンを制御する方法であって、
    波浪誘発動揺に応じてロータスピードが変わるように、前記タービンのタワー速度に基づいてロータに加えられる負荷機器のトルクを制御することにより、前記浮体式風力タービンの前記ロータスピードが制御される、方法。
16. 波浪誘発動揺に応じて前記ロータスピードが変わるように、前記タービンのタワー速度に基づいて前記ロータに加えられる前記負荷機器の前記トルクを制御するために、前記浮体式風力タービンの定格風速で前記機能を無効にする、請求項１５に記載の方法。
17. 波浪誘発振動時であってかつ前記浮体式風力タービンの制御中、前記浮体式風力タービンの羽根ピッチが実質的にその最小設定値に維持される、請求項１５又は１６に記載の方法。
18. 前記浮体式風力タービンが波浪誘発振動による動揺中、前記浮体式風力タービンの前記ロータスピードが実質的にその最適周速比に維持されうる、請求項１５乃至１７に記載の方法。
19. 前記浮体式風力タービンの動揺を示す入力に基づいてトルクが制御される、請求項１５乃至１８のうちのいずれか一項に記載の方法。
20. 前記入力の信号が、前記構造の前記タワー先端速度に基づくものである、請求項１９に記載の方法。
21. 前記タワー先端速度に基づく前記入力の信号が、所望の周速比に基づいて、前記タワーの波浪誘発動揺に起因する所望のロータ速度のコンポーネントを求めるために用いられる、請求項２０に記載の方法。
22. 所望の基準ロータ速度が、前記波浪誘発動揺の前記コンポーネントと定常状態の風コンポーネントの合計として定義され、所望のトルクを計算するために用いられる、請求項２１に記載の方法。
23. 前記方法が、必要トルクの２つのコンポーネントを計算することを含み、１つがローパスフィルター処理されたロータ速度の風コンポーネントに基づくものであり、１つはロータ速度の波浪誘発動揺コンポーネントに基づくものであり、これら二つのコンポーネントが合計されて所望のトルク値が提供される、請求項２１に記載の方法。
24. 第一のブランチおよび第二のブランチを有する制御ループを提供することと、
    前記タービンの前記ロータスピードを前記第一のブランチに入力することと、
    それに対してローパスフィルター処理を施すことと、
    このフィルター処理された値を用いて所望のトルクの対応するコンポーネントを得ることと、
    前記ロータスピードと基準ロータスピードとの間の差を前記第二のブランチに入力することと、
    比例コントローラまたは比例微分コントローラを用いて所望のトルクの対応するコンポーネントを計算することと、
    これら二つのブランチの出力を合計して所望のトルクの値を求めることと
    を含む、請求項１５乃至１９のうちのいずれか一項に記載の方法。
25. タワー速度の測定値および平均風速の推定値を表わす信号を入力することを含む、請求項１５乃至１９のうちのいずれか一項に記載の方法。
26. 前記タワー速度および前記平均風速に基づく基準ロータ速度と実際のロータ速度の値とが比較される制御ループを提供することと、
    比例コントローラまたは比例微分コントローラを用いて所望のトルク値を求めるために、前記差を用いることと
    を含む、請求項２５に記載の方法。

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