JP6147335B2 - 少なくとも１つの風力タービンブレードのピッチ角を制御するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、風力タービン上のロータにおける少なくとも１つの風力タービンブレードのピッチ角を制御するための方法および装置に関する。

風力タービンでは、ブレードのピッチ角を制御することが不可欠である。従来の風力タービンは、複数のブレード、通常、３つのブレードを備えるロータと、スピナとを有する。いくつかのタービンモデル、いわゆるピッチ調整タービンでは、これらのブレードのピッチ角は、実際の風条件に応じて、ピッチ機構によって、機械的かつ動的に調節されることができる。動作において、風力タービンの制御システムは、風力タービンの最適性能を保証するために、ブレードのピッチ角を調節または制御する。これは、ロータの回転速度を動作限界内に保ち、風力タービンの摩耗を最小限にするためである。高風速または低風速等の特定の状況下では、風力タービンは、ロータを完全に停止するか、または、ロータの低旋回速度を少なくとも保証するかのいずれかによって、運転が休止され得る。これは、ブレードの迎角が風から逸らされるように、ブレードのピッチ角を調節／制御することによって行われることができる。

公知のピッチ調整風力タービンは、ブレードのピッチを制御する制御システムを有する。このシステムは、タービン風センサによって測定された風速に基づいてピッチ角を制御する。ロータの背後のナセル上に設置された風速計は、風速を測定するために使用される一般的方法の例である。しかしながら、風センサのこの位置は、風力タービンの動作において、風向計が、ロータを通過した後の風を測定するので、理想からかけ離れている。測定は、したがって、ロータによって生成される乱流ならびにナセルによって生じる他の空気力学的影響によって著しく影響される。加えて、建物、木々、および、近隣の風力タービンも、風速示度に有意に影響を及ぼす。これは、風向計が、正しくない情報を風力タービン制御システムに伝達することを意味する。現在使用されているナセル風速計はさらに、ウインドシア等の潜在的に損傷を及ぼす風現象と、潜在的に損傷を及ぼす風傾斜角とを検出不可能である。これは、風速、ウインドシア、および、ロータの風傾斜角の可能な限り信頼性のある情報を有することが望ましいので、不利点である。

さらに、風力タービンが、１つよりも多くのブレードを有する場合（従来、３つのブレードを有する）、ブレードのブレードピッチは、相互に独立して制御されることができる。

さらに、ＬｉＤＡＲを使用して、風力タービンの風上の風速を確立し、その情報を使用して、風力タービンを制御することが公知である。欧州特許第０９７０３０８号は、風力タービンの前の気流速度を決定するために使用されるＬｉＤＡＲ等のレーザ風速計システムを有する風力タービンを開示している。加えて、風力タービンの前で決定された気流速度が、風力タービンブレードのピッチを制御するために使用されることができることを開示している。

ＬｉＤＡＲ制御風力タービンの例は、欧州特許第２０２５９２９号Ａ２に開示される。これは、ＬｉＤＡＲからの測定に基づいて、ブレードのピッチングを制御するための方法について説明している。ＬｉＤＡＲは、風力タービンハブに搭載され、ハブの前の平面場の所定の部分内の風速の成分を測定するように構成される。

前述の文書に開示されるようなＬｉＤＡＲを使用する場合、風速は、風力タービンの前の実質的距離、少なくとも２０メートルにおいて測定される。しかしながら、風向および風速は、この距離内で変化する。その結果、ＬｉＤＡＲによって測定される風速の成分は、ブレードに実際に衝突する風速の成分と異なる。その結果、ブレードは、最適にはピッチ制御されない。

さらに、雨または雪の場合、ＬｉＤＡＲは、信頼性のある情報が引き出され得ないほど、レーザ光線が雨滴または雪片によって遮断および／または妨害されるので、風速を測定することができない。情報が引き出され得ないと、ブレードは、正確にピッチ制御されることができない。

欧州特許第０９７０３０８号明細書 欧州特許第２０２５９２９号Ａ２明細書

前述の先行技術を踏まえ、本発明の目的は、風を測定することによって得られる信頼性のあるデータに基づいて、ピッチ角を制御するための方法および装置を提供することである。

この目的は、風力タービン上のメインシャフトに接続されたロータにおける少なくとも１つの風力タービンブレードのピッチ角を制御するための方法を用いて達成されることができ、本方法は、風上にあり、水平であり、かつ、メインシャフトの方向と整列させられた風ベクトルの第１の成分と、風上にあり、かつ、風ベクトルの第１の成分に直交する風ベクトルの第２の成分とを決定するステップを含み、風ベクトルの第１の成分および風ベクトルの第２の成分は、ロータに搭載された少なくとも１つの超音波センサの使用によって決定され、ピッチ角は、風ベクトルの第１の成分および風ベクトルの第２の成分に基づいて制御される。

提示される方法を使用することによって、ブレードは、ブレードに衝突する実際の風に対して最適にピッチ付けされ、かつ、あらゆる天候条件において最適にピッチ付けされることができる。超音波センサは、２つの変換器を備えることができ、その変換器間で超音波信号が伝送され、超音波信号について進行時間を測定し、かつ、変換器間の距離を知ることによって、風速を決定することが可能である。

風上は、風力タービンの前にある風として理解されるべきであり、風力タービンに対して風上の風の流動は、風力タービンによって実質的に改変されない。風力タービンの風上／前にある風を使用することによって、ブレードが最適に制御され得ることを保証することが可能である。

当業者は、ブレードが風力タービンタワーに当たらないことを保証するために、風力タービンのメインシャフトが傾けられ得ることを理解する。したがって、水平かつメインシャフトの方向と整列させられるとは、実質的に水平であり、かつ、メインシャフトの方向と実質的に整列させられると理解されるべきである。さらに、ロータブレードによって画定される平面に直交する方向として解釈され得る。

風ベクトルは、風速を記述するベクトルである風速ベクトルとして理解されるべきである。ある例では、風ベクトルの第１の成分は、ｘ−成分として理解され、風ベクトルの第２の成分は、ｙ−成分およびｚ−成分によって画定される平面におけるベクトルである。

風ベクトルの第１の成分および第２の成分は、参照によって全体が援用される欧州特許第１７３３２４１号Ｂ１に開示されるようなスピナ風速計によって決定されることができる。スピナ風速計は、風力タービンのロータに固定された少なくとも１つのセンサと、ロータの角度位置を決定することができる角度センサとを有することができる。次いで、回路が、少なくとも１つのセンサの出力と角度センサの出力との間の関係を、風力タービンによって経験される風の速度および方向に変換することが可能である。言い換えると、スピナ風速計は、ロータ平面の前において、直接的に、風速を３次元で決定することができる。

決定は測定であり得るが、少なくとも１つのセンサからの出力を測定する場合、出力は、風ベクトルの成分を決定するために処理される必要があることが、理解されるべきである。

ＬｉＤＡＲがウインドシアおよび風傾斜角を決定することができない一方、スピナ風速計は、両方を決定することができるので、スピナ風速計は、ＬｉＤＡＲの使用に優るいくつかの利点を有する。加えて、ＬｉＤＡＲは、複数の他の不利点を有する。ＬｉＤＡＲは、振動に対して耐性がない繊細な器具である。これらは、レーザを使用し、雨、みぞれ、および、雪、または、任意の他の降水下では、それらがレーザビームを遮るので、動作することができない。さらに、レーザは、空気中に懸濁粒子が存在しない場合には後方散乱が生成され得ないので、動作することが不可能である。これらの不利点は、スピナ風速計を使用することによって克服される。さらに、ＬｉＤＡＲの価格は、スピナ風速計および付随するソフトウェアと比較して相対的に高く、その結果、ハードウェア要件は、スピナ風速計と比較して、動作するＬｉＤＡＲについては実質的に大きくなる。

好ましくは、本方法は、風上にあり、かつ、風ベクトルの第１の成分および風ベクトルの第２の成分に直交する風ベクトルの第３の成分を決定するステップをさらに含み、ピッチ角は、風ベクトルの第３の成分に基づいてさらに制御される。第３の成分を使用することによって、完全な３次元風ベクトルが、ピッチ角を制御するときに考慮されることができる。

ある実施形態では、風ベクトルの第１の成分および第２の成分は、風上に位置付けられた少なくとも１つの超音波センサの使用によって決定される。そのようなセンサは、前述のように、スピナ風速計の一部であるセンサであることができる。風上は、前述のように理解されるべきであり、例えば、風上に位置付けられるセンサは、風上に面する側のスピナまたはブレードに位置付けられることができる。言い換えると、風上は、ブレードによって画定される平面の前として理解されることができる。

ある実施形態では、ピッチ角は、風ベクトルの第１成分の平均、および／または、風ベクトルの第２の成分の平均に基づいて制御され、好ましくは、平均は、１分、５分、１０分、１５分、または、２０分の周期にわたる。風ベクトルの第２の成分に応じて、第１の成分および第２の成分の平均は、風力タービンのヨー誤差、または、風傾斜角を与えることができる。風力タービンロータが適切に整列させられない場合、風力タービンは、ヨー誤差を有する（風が、側方に角度付けられる）。風傾斜角は、風が水平の上方または下方の角度で来るかどうかと、それがメインシャフトの方向と実質的に整列させられているかどうかを示す。言い換えると、（例えば、スピナ風速計によって測定される）風傾斜角および／またはヨー誤差は、次いで、風力タービンブレードのピッチ制御のための制御パラメータとして使用されることができる。

好ましくは、ピッチ角は、風ベクトルの第１の成分の乱流、および／または、風ベクトルの第２の成分の乱流に基づいて制御される。１次元における乱流は、その次元における速度の変動である。風ベクトル（風速）の成分、例えばｘ−成分は、下記のように、平均値および速度変動を使用して記述されることができる。

。式中、

は、ｘ方向における風速の平均値であり、ｖ′_ｘは、ｘ方向における風速の変動である。乱流は、風速の変動に等しい。したがって、風ベクトルの第１の成分の乱流は、ｖ′_ｘとして理解されることができる。（好ましくは、スピナ風速計によって）測定される乱流のリアルタイム測定を使用することによって、風力タービンは、乱流が所定の値を超える場合、負荷軽減モードに置かれることができる。負荷軽減モードは、負荷を軽減するためにブレードをピッチ付けすることであり得る。乱流に基づいて調整する場合、必要であるときに風力タービンの電力出力を低減することのみを行い、それによって、平均エネルギー出力を増加させ、風力タービンのコントローラがクリティカルなセクタを個々に管理するようにプログラミングされる必要性を排除し、さらに、多くのタービンモデルにとって問題であるナセル位置の正確な測定の必要性を排除することを保証する。

ある実施形態では、ピッチ角は、風ベクトルの第１の成分の急激な変化、および／または、風ベクトルの第２の成分の急激な変化に基づいて制御され、急激な変化は、３秒の時間スケールにわたって５０％よりも大きい風ベクトルの変化、および／または、１分の時間スケールにわたって７ｍ／ｓよりも大きい変化である。風の急激な変化は、しばしば、非常に高い突風レベル（ｇｕｓｔ ｌｅｖｅｌ）と関連付けられる。風の急激な変化に基づくピッチの制御は、風力タービンコントローラが、適切な措置を取ることにより風力タービンへの損傷を及ぼす負荷を回避することを可能にする。これは、ブレードのピッチングを制御し、ある場合には、ロータを停止させ得る。

好ましくは、ピッチ角は、風ベクトルの第１の成分と風ベクトルの第２の成分との間の相関のスペクトル分解に基づいて制御され、好ましくは、風ベクトルの第１の成分と風ベクトルの第２の成分との間の相関は、ウインドシア測定を構成する。風ベクトルの第１の成分と風ベクトルの第２の成分との間の相関のスペクトル分解によって、好ましくは、さらに、風ベクトルの第１の成分と風ベクトルの第３の成分との間の相関のスペクトル分解によって、異なる分離（ｓｅｐａｒａｔｉｏｎｓ）に関するウインドシアの信頼性のある情報が、得られる。その結果、ブレードピッチの制御は、例えば負荷軽減および／または電力出力最適化を介して、改善されることができる。これは、風ベクトルを

の３つの成分に分解することによって行われることができる。式中、

は、それぞれ、ｘ、ｙ、ｚ方向における風速の平均値であって、ｖ′_ｘ、ｖ′_ｙ、ｖ′_ｚは、それぞれ、ｘ、ｙ、ｚ方向における風速の変動である。風ベクトルの第１の成分は、ｖ_ｘであることができ、風ベクトルの第２の成分は、ｖ_ｚであることができ、風ベクトルの第３の成分は、ｖ_ｙであることができる。ここで、座標系は、

および

がゼロであって、

のみ非ゼロ値を有するように選ばれることができる。これが行われる場合、ｖ′_ｘとｖ′_ｚとの間の相関が、決定されることができる。それが大きい場合、ｘｚ−平面に大きな風勾配が存在し、それが小さい場合、ｘｚ−平面における風勾配は小さい。ｖ_ｘが水平でありかつメインシャフトの方向と整列させられている風速であり、かつ、ｖ_ｘが垂直風速である場合、相関ｖ′_ｘとｖ′_ｚは、ウインドシアのサイズに関する測定値を与える。ウインドシアは、次いで、下記のように、相関ｖ′_ｘとｖ′_ｚのスペクトル分解から決定されることができる。スケールｌが、ロータの直径（例えば、１００メートル）に等しくあり得るように選ばれることができる。このスケールは、

の凍結乱流のテイラーの仮説を使用することによって、周波数ｆに変換されることができる。ｆを中心とする帯域通過フィルタが、次いで、使用され、ｖ′_ｘとｖ′_ｚとの相関をフィルタリングすることができ、それによって、信号の分散ｖａｒ（ＢＰ）が、決定されることができる。最後に、高さ距離ｌにわたるウインドシアが、

として決定されることができる。定数Ｃは、フィルタの帯域幅に依存し、実験的に決定されることができる。類似の方式で、風勾配が、任意の所望の平面において決定されることができる。

有利には、ピッチ角は、決定された風ベクトルの第１の成分および／または決定された風ベクトルの第２の成分が所定の値を上回るかまたは下回る場合、ロータが停止させられるように、制御される。風力タービンは、風速が、所定の動作値（例えば、風速、風傾斜角、乱流、風の急激な変化、および／または、ウインドシア）を上回るかまたは下回るとき等の、所定の風条件下においてロータの回転を停止させるために、ブレードをピッチ付けすることができる。これは、風力タービンの電力出力の最適化と組み合わせられて、摩耗を最小限にし、かつ、風力タービンに損傷を及ぼすことを防止するように行われる。

好ましくは、風ベクトルの第１の成分および風ベクトルの第２の成分は、ロータの風上４０メートル未満、好ましくは１０メートル未満、好ましくは１メートル未満で決定される。可能な限りロータに近接して、風ベクトルを決定し、好ましくは測定することが、好ましい。ロータから離れて風が決定されるほど、風がロータ上のブレードに到達する前に大きな変化が生じている確率が、高くなる。これは、乱流、風傾斜角、および、ウインドシアを測定する場合に、それらが地面条件または風に対する他の障害物に応じて変動するので、特に重要である。例えば、風力タービンが別の風力タービンの後に続く場合、乱流、風傾斜角、および、ウインドシアが、１０メートル未満の間隔にわたって、有意に変化し得る。風ベクトルの第１の成分および風ベクトルの第２の成分の測定は、前述のように、スピナ風速計を使用して行われることができる。

ＬｉＤＡＲは、風力タービンの前のかなりの距離において、少なくとも１０メートルにおいて風条件を決定する。これは、来る風の条件に対して風力タービンを構成するための時間遅延を与えるので、有利であると考えられる。しかしながら、風条件は、実質的に、５０メートルにわたって変化し、ブレードが非最適角度でピッチ付けされ、最適に制御されるとは言えない風力タービンをもたらし得る。

この不利点を克服するために、スピナ風速計が、使用されることができる。ここでは、風ベクトルの成分は、ロータの前１メートル未満で決定される。したがって、ピッチ角は、とりわけ、ブレードに実際に当たる風ベクトルに応じて調節されることができる。ＬｉＤＡＲと比較した場合の不利点は、来る風に対してピッチが調節され得る時間遅延は存在しないことである。しかしながら、スピナ風速計を使用することによって、風力タービンは、風力タービンに当たる実際の負荷に対して調節されることができ、これは、ＬｉＤＡＲによって少なくとも部分的に制御される風力タービンと比較した場合の利点である。

有利には、風ベクトルの第１の成分は、１つ、２つ、または、３つのセンサによって決定され、かつ／または、風ベクトルの第２の成分は、１つ、２つ、または、３つのセンサによって決定される。これは、風ベクトルの第１の成分および風ベクトルの第２の成分の決定をより容易にする。さらに、センサが故障した場合、風力タービンの動作は、残りのセンサを用いて継続することができる

本発明はまた、風力タービン上のメインシャフトに接続されたロータにおける少なくとも１つの風力タービンブレードのピッチ角を制御するための装置に関し、その装置は、ロータに搭載された少なくとも１つの超音波センサであって、風上にあり、水平であり、かつ、メインシャフトの方向と整列させられた風ベクトルの第１の成分と、風上にあり、かつ、風ベクトルの第１の成分に直交する風ベクトルの第２の成分とを決定するように適合させられる、少なくとも１つの超音波センサと、風ベクトルの第１の成分および風ベクトルの第２の成分に基づいてピッチ角を制御するための手段とを備える。

好ましい実施形態では、スピナ装置は、前述のように、スピナ風速計を備える。スピナ風速計は、風ベクトルの第１の成分および風ベクトルの第２の成分を決定するように適合させられることができる。

有利には、少なくとも１つの超音波センサは、風上にあり、かつ、風ベクトルの第１の成分および風ベクトルの第２の成分に直交する風ベクトルの第３の成分を決定するようにさらに適合させられ、ピッチ角を制御するための手段は、風ベクトルの第３の成分にさらに基づく。

本装置は、上記で開示されている方法のいずれかを行うように適合させられることができることが、理解されるべきである。

本発明はまた、前述の装置を備え、かつ／または、前述の方法のいずれかを行う風力タービンに関することができる。
本明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
風力タービン上のメインシャフトに接続されたロータにおける少なくとも１つの風力タービンブレードのピッチ角を制御するための方法であって、前記方法は、
・風上にあり、水平であり、かつ、前記メインシャフトの方向と整列させられた前記風ベクトルの第１の成分と、
・風上にあり、かつ、前記風ベクトルの前記第１の成分に直交する前記風ベクトルの第２の成分と
を決定するステップを含み、
前記風ベクトルの前記第１の成分および前記風ベクトルの前記第２の成分は、前記ロータに搭載された少なくとも１つの超音波センサの使用によって決定され、前記ピッチ角は、前記風ベクトルの前記第１の成分および前記風ベクトルの前記第２の成分に基づいて制御される、方法。
（項目２）
前記方法は、
・風上にあり、かつ、前記風ベクトルの前記第１の成分および前記風ベクトルの前記第２の成分に直交する前記風ベクトルの第３の成分
を決定するステップをさらに含み、
前記ピッチ角は、前記風ベクトルの前記第３の成分に基づいてさらに制御される、項目１に記載の方法。
（項目３）
前記風ベクトルの前記第１の成分および前記第２の成分は、風上に位置付けられた少なくとも１つの超音波センサの使用によって決定される、前記項目のいずれかに記載の方法。
（項目４）
前記ピッチ角は、前記風ベクトルの前記第１の成分の平均、および／または、前記風ベクトルの前記第２の成分の平均に基づいて制御され、好ましくは、前記平均は、１分、５分、１０分、１５分、または、２０分の周期にわたる、前記項目のいずれかに記載の方法。
（項目５）
前記ピッチ角は、前記風ベクトルの前記第１の成分の乱流、および／または、前記風ベクトルの前記第２の成分の乱流に基づいて制御される、前記項目のいずれかに記載の方法。
（項目６）
前記ピッチ角は、前記風ベクトルの前記第１の成分の急激な変化、および／または、前記風ベクトルの前記第２の成分の急激な変化に基づいて制御され、
急激な変化は、３秒の時間スケールにわたって５０％よりも大きい前記風ベクトルの変化、および／または、１分の時間スケールにわたって７ｍ／ｓよりも大きい変化である、
前記項目のいずれかに記載の方法。
（項目７）
前記ピッチ角は、前記風ベクトルの前記第１の成分と前記風ベクトルの前記第２の成分との間の相関のスペクトル分解に基づいて制御され、好ましくは、前記風ベクトルの前記第１の成分と前記風ベクトルの前記第２の成分との間の相関は、ウインドシア測定を構成する、前記項目のいずれかに記載の方法。
（項目８）
前記ピッチ角は、前記風ベクトルの前記第１の成分と前記風ベクトルの前記第３の成分との間の相関のスペクトル分解に基づいて制御され、好ましくは、前記風ベクトルの前記第１の成分と前記風ベクトルの前記第３の成分との間の相関は、ウインドシア測定を構成する、項目２〜７のいずれかに記載の方法。
（項目９）
前記ピッチ角は、前記風ベクトルの決定された第１の成分、および／または、前記風ベクトルの決定された第２の成分が、所定の値を上回るかまたは下回る場合、前記ロータが停止させられるように制御される、前記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１０）
前記風ベクトルの前記第１の成分および前記風ベクトルの前記第２の成分は、前記ロータの風上４０メートル未満、好ましくは１０メートル未満、好ましくは１メートル未満で決定される、前記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１１）
前記風ベクトルの前記第１の成分は、１つ、２つ、または、３つの超音波センサによって決定され、かつ／または、前記風ベクトルの前記第２の成分は、１つ、２つ、または、３つの超音波センサによって決定される、前記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１２）
風力タービン上のメインシャフトに接続されたロータにおける少なくとも１つの風力タービンブレードのピッチ角を制御するための装置であって、前記装置は、
前記ロータに搭載された少なくとも１つの超音波センサであって、前記少なくとも１つの超音波センサは、
・風上にあり、水平であり、かつ、前記メインシャフトの方向と整列させられた前記風ベクトルの第１の成分と、
・風上にあり、かつ、前記風ベクトルの前記第１の成分に直交する前記風ベクトルの第２の成分と
を決定するように適合させられる、少なくとも１つの超音波センサと、
前記風ベクトルの前記第１の成分および前記風ベクトルの前記第２の成分に基づいて、前記ピッチ角を制御するための手段と
を備える、装置。
（項目１３）
前記少なくとも１つの超音波センサは、
・風上にあり、かつ、前記風ベクトルの前記第１の成分および前記風ベクトルの前記第２の成分に直交する前記風ベクトルの第３の成分
を決定するようにさらに適合させられ、前記ピッチ角を制御するための前記手段は、前記風ベクトルの前記第３の成分にさらに基づく、項目１２に記載の装置。
（項目１４）
前記少なくとも１つの超音波センサは、風上に位置付けられる、項目１２〜１３のいずれかに記載の装置。
（項目１５）
項目１２〜１４のいずれかに記載の装置を備え、かつ／または、項目１〜１１に記載の方法のいずれかを使用する風力タービン。

本発明は、添付の図面を参照して、より詳細に下記で説明される。

図１は、本発明の実施形態によって制御されるブレードを有する風力タービンの概略図である。

図２は、本発明の実施形態によって制御されるブレードを有する風力タービンの概略図である。 図３は、ウインドシアのグラフを示す。

発明の詳しい説明
図１は、タワー２およびナセル３を有する風力タービン１を示す。ナセル３には、ロータ４が、搭載される。ロータ４は、ハブの周囲の流動を流線形にするために、スピナ８が上に搭載されたハブに接続された３つのブレード５Ａ、５Ｂ、５Ｃを有する。ハブは、スピナの内側に位置し、図には示されない。ハブは、メインシャフト（図示せず）に接続される。メインシャフトは、ブレード５Ａ、５Ｂ、５Ｃがタワー２と接触しないことを保証するために、水平に対して数度だけ上向きに角度付けられる。

ブレード５Ａ、５Ｂ、５Ｃのピッチは、それぞれ、ピッチドライブ６Ａ、６Ｂ、６Ｃによって制御される。ピッチドライブ６Ａ、６Ｂ、６Ｃは、スピナの内側に位置し、ブレード５Ａ、５Ｂ、５Ｃが回転させられ得るように、メインシャフトに接続されるハブとブレードを接続する。ピッチドライブ６Ａ、６Ｂ、６Ｃは、風力タービン１上のセンサからデータを収集する風力タービン制御７と接続される。風力タービン制御７は、風力タービンブレード５Ａ、５Ｂ、５Ｃのブレードピッチの動作のための制御パラメータを決定する。１つの実施形態では、風力タービン制御７は、加えて、風力タービン１の制御のための他のパラメータを制御する。別の実施形態では、風力タービン１は、風力タービン動作の異なる部品を制御する複数の制御ユニットを有する。

スピナ風速計が、風力タービン１に取り付けられ、スピナ風速計の例は、欧州特許第１７２２２４１号Ｂ１に開示される。下記は、スピナ風速計の簡単な説明である。

スピナ８上には、３つの超音波気流速度センサ９Ａ、９Ｂ、９Ｃが、搭載される。それらは、風測定がスピナの境界の上方で行われるように搭載される。この実施形態では、３つのセンサが使用されるが、１つもしくは２つまたは任意の数のセンサを使用することも可能であることが、注記される。超音波センサ９Ａ、９Ｂ、９Ｃの使用によって、風ベクトルの成分を決定する場合、測定は、スピナの回転によって補償されなければならない。

風力タービン１はさらに、ロータの角度位置を測定することができる角度センサ（図示せず）と、超音波センサ９Ａ、９Ｂ、９Ｃおよび角度センサの出力の間の関係を風力タービン１によって経験される風の速度および方向に変換することができる回路１０とを備える。言い換えると、風ベクトルの成分を決定することができ、例えば、風上にあり、水平であり、かつ、メインシャフトの方向と整列させられた風ベクトルの第１の成分と、風上にあり、かつ、風ベクトルの第１の成分に直交する風ベクトルの第２の成分と、風上にあり、かつ、風ベクトルの第１の成分および風ベクトルの第２の成分に直交する風ベクトルの第３の成分を決定することができる。

スピナ８は、関連エリアに球形の形状を有し、その結果、回路１０は、空気がどのようにその周囲を流動するかを決定するために、その知識を使用することができる。この知識は、超音波センサ９Ａ、９Ｂ、９Ｃの位置と組み合わせられ、その回転が任意の所望の方向における風を決定することを可能にする。

説明されるスピナ風速計を使用することによって、風を全３次元において決定することが可能である。したがって、完全な風ベクトルが、決定されることができ、その結果、ウインドシア、乱流、風の急激な変化、ヨー誤差、および、風傾斜角が、決定されることができる。

本発明は、以前のピッチ制御とは対照的に、風条件の不正確な値を与えるか、または、既知の不正確性を補償するために数学的モデルによって修正されるかのいずれかである測定に、ある程度、部分的に基づくことが、注記される。両例では、決定された風条件は、少なくとも全動作条件において、正確というわけではない。

さらに、ロータの風上の風条件は、例えば、風力タービン１が、地形における丘または変化の近傍またはその丘または変化に位置付けられる場合、数メートルにわたって変化し得、さらに、近隣の他の風力タービンまたは木々によって影響を受けることが、注記される。したがって、可能な限りロータに近接して風条件を決定し、風は、ブレード５Ａ、５Ｂ、５Ｃに当たる前に、改変されないことが、好ましい。

図２では、デカルト座標系が、示され、ｘ−軸は、水平であり、タービンのメインシャフトの方向と整列させられ、したがって、風ベクトルの第１の成分の方向であると理解されることができる。ｚ−軸は、垂直かつｘ−軸に直交する。ｙ−軸は、水平かつｘ−軸およびｚ−軸に直交する。風ベクトルの第２の成分は、ｙ−軸およびｚ−軸によって画定される平面にあると見なされることができる。ある例では、風ベクトルの第２の成分は、ｚ−軸の方向にある。風ベクトルの第３の成分は、風ベクトルの第１の成分および第２の成分の両方に直交し、したがって、ｙ−軸およびｚ−軸によって画定される平面にあると理解されることができる。ある例では、風ベクトルの第３の成分は、ｙ−軸の方向にある。

ウインドシアは、風ベクトルのｘ成分および風ベクトルのｚ成分の測定の間の相関のスペクトル分解によって決定されることができる。風ベクトルは、

の３つの成分に分解される（レイノルズ分解）、式中、ｖ′_ｘ、ｖ′_ｙ、ｖ′_ｚは、ゼロの平均値を有する。図３は、ウインドシアのグラフを示す。スケールｌにわたるウインドシアを決定するために、空中粒子１１の垂直変動が、検討される。垂直変動が正であるとき、空中粒子は、ＡからＢに移動し、ｖ′_ｘへの負の寄与を与える。反対に、垂直変動が負であるとき、空中粒子は、ＡからＣに移動し、ｖ′_ｘに対する正の寄与が存在する。その結果、相関ｃｏｒｒ（ｖ′_ｘ，ｖ′_ｚ）は、負であり、かつ、風勾配が大きい場合に大きくなり、風勾配が小さい場合に小さくなる。スケールｌからのｃｏｒｒ（ｖ′_ｘ，ｖ′_ｚ）への寄与は、

の凍結乱流のテイラーの仮説を使用することによって、スケールｌを周波数に変換することによって決定されることができる。帯域通過フィルタが、次いで、周波数ｆを中心とするｃｏｒｒ（ｖ′_ｘ，ｖ′_ｚ）信号をフィルタリングするように適合させられることができる。その信号の分散ｖａｒ（ＢＰ）が、次いで、決定されることができる。高さｌにわたるウインドシアは、式

を使用して決定されることができる。定数Ｃは、実験的に決定されることができる。
参照リスト：
１ 風力タービン
２ タワー
３ ナセル
４ ロータ
５ ブレード
６ ピッチドライブ
７ 風力タービン制御
８ スピナ
９ 超音波気流速度センサ
１０ 回路
１１ 空中粒子

Claims (10)

1. 風力タービン上のメインシャフトに接続されたロータにおける少なくとも１つの風力タービンブレードのピッチ角を制御するための方法であって、前記方法は、
   ・風上にあり、水平であり、かつ、前記メインシャフトの方向と整列させられた風ベクトルの第１の成分と、
   ・風上にあり、かつ、前記風ベクトルの前記第１の成分に直交する前記風ベクトルの第２の成分と
   を決定するステップを含み、
   前記風ベクトルの前記第１の成分および前記風ベクトルの前記第２の成分は、前記ロータに搭載された少なくとも１つの超音波センサの使用によって決定され、
   それにより、前記ピッチ角は、前記風ベクトルの前記第１の成分および前記風ベクトルの前記第２の成分に基づいて制御され、
   前記方法は、
   ・風上にあり、かつ、前記風ベクトルの前記第１の成分および前記風ベクトルの前記第２の成分に直交する前記風ベクトルの第３の成分
   を決定するステップをさらに含み、それにより、前記ピッチ角は、前記風ベクトルの前記第３の成分に基づいてさらに制御され、
   前記ピッチ角は、前記風ベクトルの前記第１の成分の乱流、および／または、前記風ベクトルの前記第２の成分の乱流に基づいて制御され、
   前記ピッチ角は、前記風ベクトルの前記第１の成分と前記風ベクトルの前記第２の成分との間の相関のスペクトル分解に基づいて制御される、方法。
2. 前記風ベクトルの前記第１の成分および前記第２の成分は、風上に位置付けられた少なくとも１つの超音波センサの使用によって決定される、請求項１に記載の方法。
3. 前記ピッチ角は、前記風ベクトルの前記第１の成分の平均、および／または、前記風ベクトルの前記第２の成分の平均に基づいて制御される、請求項１〜２のいずれか一項に記載の方法。
4. 前記ピッチ角は、前記風ベクトルの前記第１の成分の急激な変化、および／または、前記風ベクトルの前記第２の成分の急激な変化に基づいて制御され、
   急激な変化は、３秒の時間スケールにわたった５０％よりも大きい前記風ベクトルの変化、および／または、１分の時間スケールにわたった７ｍ／ｓよりも大きい変化である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記ピッチ角は、前記風ベクトルの前記第１の成分と前記風ベクトルの前記第３の成分との間の相関のスペクトル分解に基づいて制御される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記風ベクトルの前記第１の成分および前記風ベクトルの前記第２の成分は、前記ロータの風上４０メートル未満で決定される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記風ベクトルの前記第１の成分は、１つ、２つ、または、３つの超音波センサによって決定され、かつ／または、前記風ベクトルの前記第２の成分は、１つ、２つ、または、３つの超音波センサによって決定される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 風力タービン上のメインシャフトに接続されたロータにおける少なくとも１つの風力タービンブレードのピッチ角を制御するための装置であって、前記装置は、
   前記ロータに搭載された少なくとも１つの超音波センサであって、前記少なくとも１つの超音波センサは、
   ・風上にあり、水平であり、かつ、前記メインシャフトの方向と整列させられた風ベクトルの第１の成分と、
   ・風上にあり、かつ、前記風ベクトルの前記第１の成分に直交する前記風ベクトルの第２の成分と
   を決定するように適合させられる、少なくとも１つの超音波センサと、
   前記風ベクトルの前記第１の成分および前記風ベクトルの前記第２の成分に基づいて、前記ピッチ角を制御するための手段と
   を備え、
   前記少なくとも１つの超音波センサは、
   ・風上にあり、かつ、前記風ベクトルの前記第１の成分および前記風ベクトルの前記第２の成分に直交する前記風ベクトルの第３の成分
   を決定するようにさらに適合させられ、前記ピッチ角を制御するための手段は、前記風ベクトルの前記第３の成分にさらに基づき、
   前記ピッチ角は、前記風ベクトルの前記第１の成分の乱流、および／または、前記風ベクトルの前記第２の成分の乱流に基づいて制御され、
   前記ピッチ角は、前記風ベクトルの前記第１の成分と前記風ベクトルの前記第２の成分との間の相関のスペクトル分解に基づいて制御される、装置。
9. 前記少なくとも１つの超音波センサは、風上に位置付けられる、請求項８に記載の装置。
10. 請求項８〜９のいずれか一項に記載の装置を備え、かつ／または、請求項１〜７に記載の方法のいずれかを使用する風力タービン。
    

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