JP6058229B1 - 風車起動アシスト装置 - Google Patents
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Abstract
Description
そこで、例えば、特許文献1には、風車の微風下における回転起動を促進するための起動アシスト制御装置に関する技術が開示されている。
特許文献1では、風車の発電機における回転子の回転を検出する回転子センサから回転子の回転数を取り込み、風車が非回転状態にあり、かつ、この風車停止の状態が一定時間経過しても風車停止が継続している場合には、起動アシスト用電流供給系統をオンとし、風車が風力により一定回転数以上で回転した時に起動アシスト用電流供給系統をオフとするようにしている。また、特許文献1では、回転子の回転数に加えて、風速を制御要素として取り込み、風車が非回転状態にあり、かつ、風速が風車の自己起動風速以上である場合に、起動アシスト用電流供給系統をオンとするようにしている。
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1に係る風車起動アシスト装置100が翼903の回転を起動させるための起動アシストの制御、あるいは、発電の制御を行う風力発電装置の概略構成を説明する図である。
なお、ここでは、風力発電装置は、水平軸型のものを想定している。以下、ここでは、風力発電装置は、単に風車900というものとする。
図1に示すように、風車900は、タワー901上の、風車ナセル902上に、風計測ライダ装置200を備える。
そして、風車900に風が到来することにより、翼903が回転して発電が行われる。
なお、風車起動アシスト装置100は、風車ナセル902の外部に備えられるものであってもよい。
風車900は、起動アシストドライバ9001(図2で後述する)を備え、風車起動アシスト装置100により起動アシストが開始されると、起動アシストドライバ9001が、風車起動アシスト装置100から風車起動の信号を受信し、風車起動の動力を発生させる。風車起動アシスト装置100の構成および動作の詳細については後述する。
風計測ライダ装置200は、図1に示すA方向に、少なくとも2方向のレーザ、すなわち、送信光Bを出力する。ここでは、風計測ライダ装置200は、2方向(以下説明する図2の5a,5b)に、送信光Bを出力するものとする。当該2方向のレーザを、それぞれ、第1のレーザ、第2のレーザとする。
風計測ライダ装置200は、到来風速の各レーザの出射方向5a,5bで射影した成分を視線方向風速Vm1,Vm2として計測する。風車起動アシスト装置100では、当該複数方向の視線方向風速を用いて、数値演算により到来風速Vwindと、ブレード回転軸に対する角度である到来風向φwindを算出する。
なお、到来風速とは、風車ナセル902の前方へ所定距離離れ、水平方向に数十m、垂直方向に風車900のハブの高さを中心とした数十mのボリュームを持った空間における風速場をいう。風車ナセル902の前方へ離れる所定距離とは、例えば、数十m〜数百mを想定しているが、当該所定距離は、風車900の規模や、設置環境により異なる。
視線方向風速Vm1,Vm2、到来風速Vwind、到来風向φwindについては後述する。
図2に示すように、風車起動アシスト装置100は、翼関連値算出部101と、風関連値算出部102と、起動アシスト制御部14と、発電制御部15と、算出結果格納部16とを備える。
翼関連値算出部101は、風計測ライダ装置200の計測値に基づき、翼通過の有無の判定を行い、風計測ライダ装置200が計測した翼通過速度等から翼回転速度の算出等を行う。
翼関連値算出部101は、翼通過判定部10と、翼回転速度算出部11とを備える。
翼通過判定部10は、風計測ライダ装置200から取得した情報に基づき、翼903が、第1のレーザ、あるいは、第2のレーザを通過したかどうか、すなわち、ここでは、翼903が、第1のレーザ、あるいは、第2のレーザを遮ったかどうかを判定する。
翼回転速度算出部11は、翼通過判定部10が、翼回転ありと判断した場合に、風車900の翼903が、第1のレーザ光、あるいは、第2のレーザ光を通過する時点の回転速度を算出する。ここでは、翼903が、第1のレーザ光、あるいは、第2のレーザ光を通過する時点の回転速度を、瞬時翼回転速度というものとする。
また、翼回転速度算出部11は、翼903が第1のレーザ光、または、第2のレーザ光を通過する時点の時間間隔に基づき算出される翼回転の平均速度を算出する。ここでは、翼回転の平均速度を翼回転平均速度というものとする。
この実施の形態1において、翼回転速度とは、翼903が、風車900の風車ナセル902上に設置された風計測ライダ装置200が出力する第1のレーザ光、あるいは、第2のレーザ光を通過する際の速度をいい、瞬時翼回転速度、あるいは、翼回転平均速度を含むものとする。
風関連値算出部102は、到来風速算出部12と、到来風向算出部13とを備える。
到来風速算出部12は、風計測ライダ装置200から、第1のレーザおよび第2のレーザの視線方向風速を取得し、当該複数方向の視線方向風速を用いて到来風速を算出する。
到来風向算出部13は、風計測ライダ装置200から、第1のレーザおよび第2のレーザの視線方向風速を取得し、当該複数方向の視線方向風速を用いて到来風向を算出する。
発電制御部15は、起動アシスト制御部14から出力される起動アシストオフの情報に基づき、風車の発電機905の発電運転モードを制御する。具体的には、風車900が備える発電制御ドライバ9002に、発電動作を切り替える信号を送信する。
なお、この実施の形態1では、図2に示すように、算出結果格納部16は、風車起動アシスト装置100が備えるようにしたが、これに限らず、算出結果格納部16は、風車起動アシスト装置100の外部に備えるようにしいてもよい。
図3は、この発明の実施の形態1に係る風車起動アシスト装置100の動作を説明するフローチャートである。
このステップST301において、風車起動アシスト装置100は、風計測ライダ装置200の計測値に基づき、瞬時翼回転速度ωa,ωb、到来風速Vwind、到来風向φwindを算出する。また、このステップST301において、第1のレーザ光における翼回転の平均速度、第2のレーザ光における翼回転の平均速度をそれぞれ算出する。ここでは、第1のレーザ光における翼回転の平均速度を翼回転平均速度ωavea、第2のレーザ光における翼回転の平均速度を翼回転平均速度ωavebとする。例えば、翼903がi枚であるとすると、翼回転平均速度ωaveaは、i−1枚目の翼903が第1のレーザを通過した時点から、i枚目の翼903が第1のレーザ光を通過するまでの時間における平均的な回転速度を表わす。なお、ここでは、翼903が、第1のレーザ光を通過する時点の瞬時翼回転速度を瞬時翼回転速度ωa、翼903が、第2のレーザ光を通過する時点の瞬時翼回転速度を瞬時翼回転速度ωbとする。
算出された瞬時翼回転速度ωa,ωb、到来風速Vwind、到来風向φwind、翼回転平均速度ωavea,ωavebの情報は、算出結果格納部16に格納される。
当該ステップST301の翼回転速度、到来風速検出プロセスの詳細な動作については後述する。
ステップST302において、瞬時翼回転速度ωaが、予め決められた基準値Ncriより小さい場合(ステップST302の“NO”の場合)、起動アシスト制御部14は、翼903の回転速度が不足していると判断し、ステップST301へ戻る。
なお、この実施の形態1において、ステップST302において瞬時翼回転速度ωaと基準値Ncriとの判定、ステップST303において翼回転平均速度ωaveaと基準値Ncriとの判定と、基準値Ncriに対して瞬時翼回転速度ωaと翼回転平均速度ωaveaとで2回判定を行うのは、誤判定を避けるためである。
瞬時翼回転速度ωaだけでは、瞬時変動の成分のみしか考慮されないため、誤判定の可能性がある。そこで、翼回転平均速度ωaveaと基準値Ncriとの判定も行うことで、誤判定を防ぐ。
起動アシスト制御部14は、ステップST301のプロセスで算出された到来風速Vwindの計測値がゼロより大きいかどうかを判定する(ステップST304)。
ステップST304において、到来風速Vwindの計測値がゼロより大きい場合(ステップST304の“YES”の場合)、起動アシスト制御部14は、第1のレーザを通過するときの瞬時翼回転速度ωa、および、翼回転平均速度ωaveaが基準値以上、かつ、到来風速がゼロより大きいと判断して、起動アシストモードへと移行し、起動アシストモードでの制御を行う(ステップST305)。具体的には、起動アシスト制御部14は、風車900が備える起動アシストドライバ9001に、風車起動の動力を発生させる信号を送信し、風車900の翼903の回転の起動を促進するための起動アシストを開始する。
これにより、風車900の翼903の回転起動が促進される。
ステップST306において、翼回転平均速度ωaveaが、発電モード移行のための基準値N1に到達していない場合(ステップST306の“NO”の場合)、ステップST301に戻る。
すなわち、このステップST308で、発電制御部15が風車の発電機905の発電を制御する発電運転モードへと移行する。
ステップST310において、発電制御をオンにすると、再びステップST301の処理を行い、翼回転平均速度ωavea等を算出すると、ステップST308に戻って、翼回転平均速度ωaveaを監視する。そして、以降の処理を繰り返す。
図4は、図3のステップST301の翼回転速度、到来風速検出プロセスを詳細に説明するフローチャートである。
図5Aに示すように、風車ナセル902上に設置される風計測ライダ装置200は、2方向のレーザ出射方向5a,5bを有し、到来風速Vwindの各レーザ出射方向5a,5bで射影した成分を、それぞれ、視線方向風速Vm1,Vm2(図示省略)として計測する。
図5Aに示すような、翼903と風計測ライダ装置200のレーザ出射方向5a,5bとの配置関係と翼回転方向においては、図5Bの(a),(b),(c),(d)の状態が繰り返される。
翼通過判定部10は、風車900の風車ナセル902上に設置される風計測ライダ装置200から、第2のレーザ光による翼通過レンジ信号を取得する(ステップST401)。なお、翼通過レンジとは、風計測ライダ装置200と翼903の回転面との距離で決まる固定数値であり、当該固定数値は、風計測ライダ装置200において、風計測ライダ装置200を設置する際に予め決められている。
翼通過判定部10は、ステップST401で取得した翼通過レンジ信号における信号対雑音比S0_2と予め設定された閾値SNR0との大小関係を判定し、信号対雑音比S0_2が閾値SNR0以上かどうかを判断する(ステップST402)。
ステップST402において、信号対雑音比S0_2が閾値SNR0以上であった場合(ステップST402の“YES”の場合)、翼通過判定部10は、翼通過ありと判断し、第2のレーザ光の翼通過速度Vhub_5bを、風計測ライダ装置200から取得する(ステップST403)。ここでは、翼903が第2のレーザ光を通過した際の通過速度を、第2のレーザ光の翼通過速度Vhub_5bとする。同様に、翼903が第1のレーザ光を通過した際の通過速度を、第1のレーザ光の翼通過速度Vhub_5aとする。第1のレーザ光の翼通過速度Vhub_5aについては後述する。
風計測ライダ装置200では、2方向のレーザ出射方向5a,5bにおいて翼903の通過によりレーザ光が遮蔽されるとともに、回転する翼903により、最近接レンジにおいて、風速測定時に比較して信号強度が大きな散乱光エコーが受信される。よって、翼通過判定部10は、風計測ライダ装置200から翼通過レンジ信号を取得し、当該取得した翼通過レンジ信号に基づき、翼通過の有無を判定できる。
風車900の制御装置は、ハブ内に備えられ、ピッチ駆動装置(図示省略)に対して、風速に合わせてピッチ角δを変化させるピッチ制御、あるいは、ヨー駆動装置(図示省略)に対して、翼903・ハブ・風車ナセル902の向きを風向きにあわせて回転させるヨー制御を行っている。また、翼半径R、翼回転軸に対してレーザ出射方向がなす角θの情報は、例えば、風計測ライダ装置200が記憶しており、当該風計測ライダ装置200から取得するようにすればよい。なお、レーザ出射方向5aの翼回転軸に対してなす角を+θ、レーザ出射方向5bの翼回転軸に対してなす角を−θとする。
R:翼半径
δ:翼のピッチ角
θ:翼回転軸に対してレーザ出射方向がなす角度
翼903が通過する時間帯、すなわち、回転する翼903によりレーザ光が遮光される時間帯において、翼903のピッチ角δにより翼903での散乱地点と風計測ライダ装置200との距離が時間変化するため、散乱光において、ドップラ速度を生じる。これを利用して、翼回転速度を求めることができる。
例えば、風車900の翼903のピッチ角δ、瞬時翼回転速度ω[rpm]、翼半径Rとした場合、レーザ照射位置での翼通過速度Vhubは以下の式(2)で表わされる。
従って、レーザ出射方向5bに対する最近接距離での視線方向ドップラ速度Vhub_Los_5bの計測値から、上記式(1)によって、翼903が第2のレーザ光を通過したときの瞬時翼回転速度ωb[rpm]を算出することができる。
例えば、n枚翼の風車が一定の瞬時翼回転速度ω[rpm]で回転する場合、1つのレーザ出射方向5aまたは5bにおいて、周期Tでレーザ光の遮蔽が観測される。Tとωとの関係は上記式(6)で表わされる。
翼回転速度算出部11は、上記式(6)を用いて、翼903の回転の平均速度を算出する。ここでは、翼903が、第1のレーザ光、あるいは、第2のレーザ光を通過する時点の翼回転の平均速度を、それぞれ、翼回転平均速度ωavea,ωavebとし、翼回転速度算出部11は、上記式(6)に基づき、翼回転平均速度ωavea,ωavebを算出する。このステップST407では、翼回転速度算出部11は、第2のレーザ光を通過する時点の翼回転の平均速度である翼回転平均速度ωavebを算出する。
なお、レーザ光の遮蔽が観測される周期Tは、例えば、n−1枚目の翼903が第2のレーザ光を通過した時刻から、n枚目の翼903が第2のレーザ光を通過するまでの時刻の差分を演算して算出することができる。
ステップST408〜ステップST414の動作は、ステップST401〜ステップST407において第2のレーザ出射方向5bに対して行った瞬時翼回転速度と翼回転平均速度の算出を、第1のレーザ出射方向5aに対して行うものである。
翼通過判定部10は、ステップST408で取得した翼通過レンジ信号における信号対雑音比S0_1と予め設定された閾値SNR0との大小関係を判定し、信号対雑音比S0_1が閾値SNR0以上かどうかを判断する(ステップST409)。
ステップST409において、信号対雑音比S0_1が閾値SNR0以上であった場合(ステップST409の“YES”の場合)、翼通過判定部10は、翼通過ありと判断し、第1のレーザ光の翼通過速度Vhub_5aを、風計測ライダ装置200から取得する(ステップST410)。
そして、翼回転速度算出部11は、瞬時翼回転速度ωaの平均、すなわち、翼回転平均速度ωaveaを、ステップST411で瞬時翼回転速度ωaを算出した時点の時刻の情報と紐付けて、算出結果格納部16に格納する。なお、算出結果格納部16にすでに翼回転平均速度ωaveaが格納されている場合は、翼回転速度算出部11は、翼回転平均速度ωaveaを最新の状態へ更新する。その後、ステップST419へ進む。
ステップST415〜ステップST418では、風計測ライダ装置200からレーザ出射方向5a,5bの視線方向風速を取得し、風関連値算出部102が、到来風速および到来風向の演算を行う。
なお、ここでは、到来風速算出部12は、上記のとおり、式(7)を用いて到来風速Vwindを算出するものとしたが、風計測ライダ装置200は到来風速をリアルタイム計測できるため、到来風速算出部12は、風計測ライダ装置200から到来風速を取得し、当該取得した到来風速を到来風速Vwindとするようにしてもよい。
ステップST419において、全データを格納している場合(ステップST419の“YES”の場合)、図4の処理を終了し、図3に戻る。
なお、図7,図8において、便宜上、翼903が第1のレーザを通過する時刻tを、古い時間から順にt2,t4,t6、翼903が第2のレーザを通過する時刻tを、古い時間から順にt1,t3,t5とし、t6の時点で起動アシストの制御を開始するかしないかを判断する一例を示している。
また、図7,図8において、中段には、翼回転速度の時系列イメージを示す。図7,図8において、それぞれ、t=t1,t3,t5における第2のレーザ出射方向5bにおける翼回転速度311,313,315を示している。
また、図7,図8において、それぞれ、t=t2,t4,t6における第1のレーザ出射方向5aにおける翼回転速度312,314,316を示している。
また、図7,図8において、風車900の起動アシストを開始する基準となる速度値である翼回転速度Ncri310を示している。
t=t1,t3,t5の時点で第2のレーザ出射方向5bを翼が通過し、t=t2,t4,t6の時点で第1のレーザ出射方向5aを翼が通過する。
なお、図7,図8では、第1のレーザ光における翼回転速度等の情報と、第2のレーザ光における翼回転速度等の情報を両方示すようにしているが、ここでは、図3で説明したように、翼903が第1のレーザを通過するときの最新の瞬時翼回転速度ωa、翼回転平均速度ωaveaと、到来風速Vwindとで、風車900の起動アシストを開始するかどうかを判断するものとする。
風車900の起動アシストを開始する図7の例では、t=t1〜t2の期間での到来風速Vwind321が、時刻の経過とともに到来風速Vwind322,323,324のように増加している。
また、時刻t6で、翼回転速度316、すなわち、瞬時翼回転速度ωaと翼回転平均速度ωaveaとが風車900の起動アシストを開始する基準となる翼回転速度Ncri310を上回り、かつ、到来風速324が非ゼロであるため、風車900の起動アシストを開始する。
時刻t6で、翼回転速度316、すなわち、瞬時翼回転速度ωaと翼回転平均速度ωaveaとが風車900の起動アシストを開始する基準となる翼回転速度Ncri310を上回るものの、到来風速Vwind424がゼロであるため、風車アシストを開始しない。
この発明の実施の形態1において、翼通過判定部10と、翼回転速度算出部11と、到来風速算出部12と、到来風向算出部13と、起動アシスト制御部14と、発電制御部15の各機能は、処理回路91により実現される。すなわち、風車起動アシスト装置100は、風計測ライダ装置200から取得した計測値に基づき起動アシスト制御、または、発電制御を行うための処理回路91を備える。
処理回路91は、図9Aに示すように専用のハードウェアであっても、図9Bに示すようにメモリ92に格納されるプログラムを実行するCPU93であってもよい。
算出結果格納部16は、例えば、HDD94を使用する。なお、これは一例にすぎず、算出結果格納部16は、DVD、メモリ92等によって構成されるものであってもよい。
また、風車900の翼回転検出センサが不要であり、回転検出センサを有さない既設風車にも設置可能である。
これは、定常回転時は、瞬時翼回転速度ωaと瞬時翼回転速度ωbとは、同等であると言えるからである。同等であると言える理由は、第1のレーザ光の出射方向と、第2のレーザ光の出射方向の角度差は、10度〜60度が想定され、各レーザ光に対する翼通過点は、風計測ライダ装置200と翼回転面との距離と同程度と想定されるためである。なお、風計測ライダ装置200と翼回転面との距離は、1m程度である。
一方、風車900の起動時のような、翼回転が非定常状態である非定常回転時には、(最新の瞬時翼回転速度ωa−最新の瞬時翼回転速度ωb)の演算結果の符号により、回転傾向を推定可能であり、当該回転傾向を、アシスト必要性を判断する指標に用いることもできる。
例えば、(ωa−ωb)>0であれば、瞬時翼回転速度が増加傾向であること、(ωa−ωb)<0であれば、瞬時翼回転速度が減少傾向であることが分かり、アシストの必要性を判断する指標の1つとなる。
よって、この実施の形態1に係る風車起動アシスト装置100は、図4で説明したように、瞬時翼回転速度ωaと瞬時翼回転速度ωbのそれぞれを算出し、算出結果格納部16に格納しておくようにする。
風計測ライダ装置200が、3方向以上のレーザ光を出力する場合は、鉛直方向、すなわち、上昇および下降の風速成分も検出できる。
風計測ライダ装置200の設置により、遠方からの到来風を高精度に計測することが可能となるという効果がある。
風計測ライダ装置200は、レーザ光の出射方向、すなわち、視線方向に平行な風速成分を、距離ごとに分離して計測する機能がある。風計測ライダ装置200を風車ナセル902に設置することで、例えば、風車900の前方において、遠隔からの到来風速の風速場を、例えば、風車900の前方の数100mを数10mごとに区切った複数個所等、到来距離ごとにリアルタイムに監視することができる。
従来の風杯型の風速計を遠方に設置した場合、風速計1個につき、1点の風速したモニタできず、到来中の風速変化を精度よく捉えることができない。
また、風車900のハブの高さは、数10mにおよび、地上に設置された風速計では、地上の風速からハブの高さの風速を推定する必要があり、精度の低下が避けられない。
風速計を数10mの高さのマストに設置すれば、ハブの高さの風速の計測も不可能ではないが、マストの設置費用がかかり、また、マストにより風車到来風が乱されて発電効率が低下するという問題が生じる。
さらに、風車900の周囲の風向が変化した場合、到来風向に対向するように風車ナセル902を方位方向に回転させるが、従来の風杯型の風速計の場合、風車900の周囲に複数の風速計を配置する必要があり、上述したとおり、風速計の設置費用がかかるという問題があり、また、複数のマストによる到来風の遮蔽があり発電効率の低下が避けられない。
このような問題に対し、ここでは、風車ナセル902に風計測ライダ装置200を設置するようにしたので、風計測ライダ装置200が、風車900に到来する風速を、高精度に計測でき、また、到来距離ごとにリアルタイムに監視することができるという効果がある。
Claims (3)
- 風車の翼が、当該風車の風車ナセル上に設置された風計測ライダ装置が出力するレーザ光を通過する際の翼回転速度を算出する翼回転速度算出部と、
前記風計測ライダ装置から取得した前記レーザの視線方向風速に基づき到来風速を算出する到来風速算出部と、
前記翼回転速度算出部が算出した翼回転速度と、前記到来風速算出部が算出した到来風速とに基づき、前記翼の回転を起動させるための起動アシストを制御する起動アシスト制御部
とを備えた風車起動アシスト制御装置。 - 前記起動アシスト制御部は、
前記翼回転速度が基準値以上、かつ、前記到来風速がゼロよりも大きい場合に、前記翼の回転の起動を促進するための起動アシストを開始する
ことを特徴とする請求項1記載の風車起動アシスト制御装置。 - 前記翼回転速度算出部が算出する翼回転速度とは、前記翼が前記レーザ光を通過する時点のドップラ速度に基づき算出される瞬時翼回転速度、および、前記翼が前記レーザ光を通過する時点の時間間隔に基づき算出される翼回転の平均速度であり、
前記起動アシスト制御部は、
前記瞬時翼回転速度、および、前記翼回転の平均速度がともに基準値以上、かつ、前記到来風速がゼロよりも大きい場合に、前記起動アシストを開始する
ことを特徴とする請求項1記載の風車起動アシスト制御装置。
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