JP6174245B2 - 浮体式風力タービンの傾斜減衰 - Google Patents

Description

本発明は、傾斜減衰に関し、特に、浮体式プラットフォームの傾斜振動の作用を低減させるか、又は取り除くための、浮体式風力タービンに対する傾斜減衰に関する。

風力タービンは、風力タービン内の電気システム及び機械システムを介して、風の運動エネルギーを効率的に電気エネルギーに変換する。通常、風力タービンは、ハブに接続された動翼を備える。ハブはナセルに接続されている。ナセルは、例えば、発電機、変換器、及び駆動軸等のいくつかの電気システム及び機械システムを収容する。通常、ナセルは、ナセル及びこれに伴って動翼がタワーの基礎から適切な高さに位置するように、タワーに取り付けられている。

従来から風力タービンは、陸上において風況が発電に適しているエリアに配置されてきた。陸上風力タービンの場合、風力タービン構造に対する堅固な基盤をもたらすためにタワーの基礎が地面と接している。

しかしながら、特に、風力タービンパークを収容する不動産が限られているか、又は残っているロケーションが単純に風況の観点から不適切ないくつかの国では、陸上風力タービンに対する適切なロケーションが少ないので、代替の解決法が必要とされる。

そのような解決法のうちの１つは、風力タービンパークを沖合に配置することである。例えば、３０メートル未満の水深で、海岸の近くに配置された風力タービンの場合、タワーの基礎は、ここでも風力タービンを支える堅固な基盤をもたらすように、海底に接して設置することができる。しかしながら、更に沖合に配置された風力タービンの場合、物理的に風力タービンの基礎を海底に接して設置することは実質的に不可能であるか、又はコストに起因して阻止される。したがって、これらの沖合風力タービンに関しては、風力タービンが何らかの形態の浮体式プラットフォームに取り付けられることが見込まれる。

沖合風力タービンの制御に関連する問題のうちの１つは、負減衰の現象に関する。正減衰は、システム自体で、振動又は震えが減衰され、すなわち、振動又は震えに抵抗する力が働いてシステムが安定に保たれることを意味する。負減衰は正減衰の反対であり、振動又は震えは一旦始まると増大し、システムを不安定にする。すなわち、負減衰では振動又は震えを増大させる力が働く。

負減衰は、風力タービン、特に、浮体式風力タービンにとって重大な問題である。したがって、風力タービンを制御して傾斜減衰をもたらし、少なくとも部分的に浮体式プラットフォーム傾斜振動によって発生する場合がある負減衰作用を防止するか、又は大幅に低減させることができることが好ましい。

したがって、特許請求される本発明は、上述した問題／不都合点のうちの１つ又は複数に、少なくとも部分的に対処することを目的とする。

本発明の第１の態様によれば、動作点信号を受信することと、少なくともこの受信された動作点信号に基づいてゲインスケジューリングパラメーターを求めることと、入力信号を受信することと、入力信号に基づいて、ナセル速度に比例する信号を生成することと、ナセル速度に比例する信号に、求められたゲインスケジューリングパラメーターを乗算して、傾斜減衰信号を生成することと、を含む方法が提供される。

したがって、１つ又は複数の動作点と、ナセル速度に比例するゲインスケジューリングされた信号とに基づいて、傾斜減衰信号を生成することができる。動作点は、タービン翼のピッチ角、発電機速度、発電機トルク、ローター速度、風速、パワー出力、又は風力タービンにおける任意の他の動作点のうちの１つ又は複数とすることができる。生成された傾斜減衰信号は、浮体式風力タービンに対する、又は浮体式風力タービンに及ぼされる負減衰作用を克服するか、又は実質的に低減させることを可能にすることが有利である。

本方法は、生成された傾斜減衰信号に基づいて、ピッチ要求信号を修正することを更に含むことができる。通常、ピッチ要求信号は、風力タービンコントローラーにより生成され、ピッチ制御システムにより、１つ又は複数の風力タービン翼のピッチ角を設定するのに用いられる。例えば結合器によって、ピッチ要求信号を、生成された傾斜減衰信号により修正することができる。それにより、その結果得られる修正されたピッチ要求信号は、浮体式風力タービンに対する負減衰を補償する。ピッチ制御システムにピッチ要求信号を送信するか、又はもたらして、タービン翼のピッチ角をこれに従って制御することができる。

入力信号はナセル速度信号とすることができる。

入力信号は加速度信号とすることができ、加速度信号は、ナセルに関する加速度測定値を含むことができ、ナセル速度に比例する信号を生成することは、加速度信号を積分することを含むことができ、積分器はアンチワインドアップ漏洩積分器とすることができる。現在、風力タービンのナセル速度を直接測定することは困難であるため、入力信号は、加速度信号とすることができる。この加速度信号は、ナセル速度に比例する信号を生成するために積分することができる。

受信された入力信号をフィルタリングして、浮体式プラットフォームの固有周波数に関連しない周波数成分を除去するか、又は実質的に低減させることを更に含むことができる。

本発明の第２の態様によると、動作点信号を受信することと、少なくともこの受信された動作点信号に基づいてゲインスケジューリングパラメーターを求めることと、浮体式風力タービンの加速度に関連する加速度信号を受信することと、加速度信号に、求められたゲインスケジューリングパラメーターを乗算して、ゲインスケジューリングされた加速度信号を生成することと、生成されたゲインスケジューリングされた加速度信号を浮体式風力タービンのタービンコントローラーに入力することであって、それにより、少なくともこのゲインスケジューリングされた加速度信号及び発電機速度誤差信号に基づいて、タービンコントローラーにより、傾斜減衰成分を含むピッチ要求信号を生成することができるようすることと、を含む方法が提供される。

したがって、１つ又は複数の動作点及びゲインスケジューリングされた加速度信号に基づいて、ピッチ要求信号を生成することができる。このピッチ要求信号は、浮体式風力タービンに対する負減衰作用を補償する。

本方法は、ゲインスケジューリングされた加速度信号に、更なるゲインパラメーターを乗算することであって、更なるゲインパラメーターは、タービンコントローラーにおいて適用される１つ又は複数のゲインに基づくことができることを更に含むことができる。ピッチ要求信号を生成する際にタービンコントローラーに適用され得るゲインを補償するために、以前にゲインスケジューリングされた加速度信号に追加のゲインを適用することができる。代替的に、又は追加的に、ピッチ要求信号を生成するためにタービンコントローラーにより適用され得る１つ又は複数のゲインを補償するように、ゲインスケジューリングパラメーターを修正することができる。

本方法は、ゲインスケジューリングされた加速度信号と、発電機速度誤差信号とを結合することと、結合信号を積分して、ピッチ要求信号を生成することと、を更に含むことができる。

本方法は、生成されたピッチ要求信号と、ゲインスケジューリングされた発電機速度誤差信号とを結合することを更に含むことができる。

本方法は、生成されたピッチ要求信号にゲインパラメーターを乗算することを更に含むことができる。

本方法は、受信された加速度信号をフィルタリングして、浮体式プラットフォームの固有周波数に関連しない周波数成分を除去するか、又は実質的に低減させることを更に含むことができる。

本方法は、動作点信号をフィルタリングするとともに遅延させることを更に含むことができる。

動作点信号はピッチ角信号とすることができる。

ゲインスケジューリングパラメーターを求めるステップは、動作点対ゲインスケジューリングパラメーターの所定のルックアップテーブルから、ゲインスケジューリングパラメーターを特定することを含むことができる。

本発明の第３の態様によると、動作点信号を受信するように構成される第１の入力と、少なくともこの受信された動作点信号に基づいて、ゲインスケジューリングパラメーターを求めるように構成されるゲインスケジューリングコンポーネントと、入力信号を受信するように構成される第２の入力と、入力信号に基づいて、ナセル速度に比例する信号を生成するように構成されるコンポーネントと、を備え、ゲインスケジューリングコンポーネントは、ナセル速度に比例する信号に、求められたゲインスケジューリングパラメーターを乗算して、傾斜減衰信号を生成するように更に構成される装置が提供される。

本発明の第４の態様によると、動作点信号を受信することと、少なくともこの受信された動作点信号に基づいてゲインスケジューリングパラメーターを求めることと、入力信号を受信することと、入力信号に基づいて、ナセル速度に比例する信号を生成することと、ナセル速度に比例する信号に、求められたゲインスケジューリングパラメーターを乗算して、傾斜減衰信号を生成することとを行うように構成される装置が提供される。

本装置は、生成された傾斜減衰信号に基づいてピッチ要求信号を修正するように構成される結合器を更に備えることができる。

入力信号はナセル速度信号とすることができる。

入力信号は加速度信号とすることができ、加速度信号は、ナセルに関連する加速度測定値を含むことができ、ナセル速度に比例する信号を生成するように構成されるコンポーネントは、加速度信号を積分するように構成されるアンチワインドアップ漏洩積分器を備えることができる。

本装置は、受信された入力信号をフィルタリングして、浮体式プラットフォームの固有周波数に関連しない周波数成分を除去するか、又は実質的に低減させるように構成されるフィルターを更に備えることができる。

第１の入力及び第２の入力は、同じ入力とすることも異なる入力とすることもできる。

本発明の第５の態様によると、動作点信号を受信するように構成される第１の入力と、少なくともこの受信された動作点信号に基づいて、ゲインスケジューリングパラメーターを求めるように構成されるゲインスケジューリングコンポーネントと、浮体式風力タービンの加速度に関連する加速度信号を受信するように構成される第２の入力と、なお、ゲインスケジューリングコンポーネントは、加速度信号に、求められたゲインスケジューリングパラメーターを乗算して、ゲインスケジューリングされた加速度信号を生成するように更に構成され、浮体式風力タービンのタービンコントローラーに、ゲインスケジューリングされた加速度信号を送信するように構成される出力であって、それにより、少なくともゲインスケジューリングされた加速度信号及び発電機速度誤差信号に基づいて、タービンコントローラーにより、傾斜減衰成分を含むピッチ要求信号を生成することができるようする、出力とを含む装置が提供される。

本発明の第６の態様によると、動作点信号を受信することと、少なくともこの受信された動作点信号に基づいて、ゲインスケジューリングパラメーターを求めることと、浮体式風力タービンの加速度に関連する加速度信号を受信することと、加速度信号に、求められたゲインスケジューリングパラメーターを乗算して、ゲインスケジューリングされた加速度信号を生成することと、浮体式風力タービンのタービンコントローラーに、生成されたゲインスケジューリングされた加速度信号を入力し、それにより、少なくともこのゲインスケジューリングされた加速度信号及び発電機速度誤差信号に基づいて、タービンコントローラーにより、傾斜減衰成分を含むピッチ要求信号を生成することができるようすること、とを行うように構成される装置が提供される。

本装置は、ゲインスケジューリングされた加速度信号に、更なるゲインパラメーターを乗算するように構成されるゲインコンポーネントであって、更なるゲインパラメーターは、タービンコントローラーにおいて適用される１つ又は複数のゲインに基づくことができる、ゲインコンポーネントを更に備えることができる。

本装置は、ゲインスケジューリングされた加速度信号と、発電機速度誤差信号とを結合するように構成される第１の結合器と、結合信号を積分して、ピッチ要求信号を生成するように構成される積分器とを更に備えることができる。

本装置は、生成されたピッチ要求信号と、ゲインスケジューリングされた発電機速度誤差信号とを結合するように構成される第２の結合器を更に備えることができる。

本装置は、生成されたピッチ要求信号に、ゲインパラメーターを乗算するように構成されるゲインコンポーネントを更に備えることができる。

本装置は、受信された加速度信号をフィルタリングして、浮体式プラットフォームの固有周波数に関連しない周波数成分を除去するか、又は実質的に低減させるように構成されるフィルターを更に備えることができる。

第１の入力及び第２の入力は、同じ入力とすることも異なる入力とすることもできる。

本装置は、動作点信号をフィルタリングし、遅延させるように構成されるフィルターを更に備えることができる。

動作点信号は、ピッチ角信号とすることができる。

ゲインスケジューリングコンポーネントは、動作点対ゲインスケジューリングパラメーターの所定のルックアップテーブルから、ゲインスケジューリングパラメーターを特定するように更に構成することができる。

浮体式風力タービンに対する負減衰作用を有利に除去するか、又は実質的に低減させるために、上記で説明された特徴のうちの任意のもの又は全て、及び／又は様々な態様のうちの任意のもの又は全てを組み合わせることができる。

当業者であれば理解するように、本装置は、多くの異なる方法で、上記で説明された機能及び特徴を実行するように構成することができる。

例えば、本装置は、本発明の態様に関する必要な機能及びタスクのうちの任意のもの又は全てを実行するハードウェア及び／又はソフトウェアによって構成することができる。

ここで、本発明の実施形態が単なる例として、添付図を参照して説明される。

本発明の多くの実施形態に係る浮体式風力タービンの簡略化された概略図である。 本発明の実施形態のうちの多くに係る風力タービンシステムの簡略化されたブロック図である。 本発明の実施形態のうちの多くに係る傾斜減衰コントローラーの簡略化されたブロック図である。 本発明の実施形態のうちの多くに係る簡略化されたブロック図である。 本発明の実施形態のうちの多くに係る簡略化されたゲインスケジューリングマップを示す図である。 本発明の実施形態のうちの多くに係るシステムの簡略化されたブロック図である。

図１を参照すると、通常、浮体式風力タービン１０１は、浮体式プラットフォーム１０２、この浮体式プラットフォームに取り付けられたタワー１０３、及びタワーに取り付けられたナセル１０４を備える。

ナセル１０４は、１つ又は複数のタービンコントローラー１０９（例えば、全負荷コントローラー（ＦＬＣ：Full Load Controller）、及び部分負荷コントローラー（ＰＬＣ：Partial Load Controller）等）を備えることができ、通常、風力タービンが風運動エネルギーを電力出力に変換することを可能にする様々な機械システム、電気システム、及び油圧システム（説明を容易にするために不図示）を収容することができる。

ＦＬＣは、例えば、風力タービンが定格出力で動作しているときの、全負荷での風力タービンの動作を制御するのに用いられるタービンコントローラーを指す。ＰＬＣは、例えば、風力タービンが定格出力未満で動作しているときの、部分負荷での風力タービンの動作を制御するのに用いられるタービンコントローラーを指す。ＦＬＣ及びＰＬＣは、同じタービンコントローラーとすることも、別のタービンコントローラーとすることもできる。下記で説明される実施形態ではＦＬＣが参照されるが、理解されるように、実施形態は、ＰＬＣ、又は本発明の実施形態を実施する目的に適した１つ若しくは複数の他のタービンコントローラーに関することができる。

ハブ１０５はナセル１０４に接続され、１つ又は複数のタービン翼１０６がハブ１０５に取り付けられる。図１に示す例では、浮体式風力タービン１０１は３つのタービン翼１０６を備えるが、理解されるように、浮体式風力タービン１０１は、任意の数のタービン翼１０６を備えることもできる。

ハブ１０５及び／又はナセル１０４は、タービン翼１０６のピッチングを可能にする１つ又は複数のピッチ制御システム１０７、及びナセルのヨーイングを可能にするヨー制御システム１０８を収容するか、又は備えることができる。

浮体式風力タービンに対する負減衰の問題に対処するには、風力タービンが負減衰の作用に対抗するのを可能にする風力タービン翼のピッチ角を求める必要があるということが確認された。

通常、ＦＬＣは、例えば発電機速度誤差に基づいて、ピッチシステムに対するピッチ要求信号を生成する。したがって、風力タービンに対する負減衰の作用に対抗するために、ＦＬＣによって生成されるピッチ要求信号が修正される。

１つの実施形態では、負減衰の問題は、ＦＬＣからのピッチ要求信号を修正するのに用いられる傾斜減衰成分を求めることによって対処される。

更なる実施形態では、入力信号を修正するか、又はＦＬＣにもたらし、その後、ＦＬＣが、追加の入力信号に基づいてピッチ要求信号を生成することによって、同じ問題が対処される。

本質的に、双方の実施形態は、浮体式風力タービンに対する負減衰の作用を除去するか、又は実質的に低減させるピッチ要求信号を生成することによって、負減衰に関する同じ問題に対処する２つの例示的な認識又は実施態様を示す。

したがって、下記で説明される実施形態が別々でも異なるのでもなく、様々な方法で組み合わせ可能であるように、１つの実施形態に関連する特徴は異なる実施形態と組み合わせることができる。

さらに、当業者であれば理解するように、下記で説明される実施態様は例であり、例えば、ゲインコンポーネントの数及び／又はロケーション等において、同等の実施態様及び構成を包含する。

第１の実施形態における浮体式風力タービンに対する負減衰の問題に対処するには、ピッチ要求信号のための傾斜減衰成分を求めるために、タービン制御システムに対して平行経路修正を行い、ゲインスケジューリングされたナセル速度をフィードバックするべきであるということが確認された。

本実施形態に係る風力タービン制御システム２０１の例示的な構造が図２に示される。

風力タービン制御システム２０１は、全負荷コントローラー（ＦＬＣ）２０２、タービンシステム２０３（ピッチ制御システム、ヨー制御システム、及び発電機制御システム等のタービンシステムを含むことができる）、及び傾斜減衰コントローラー（ＴＤＣ）２０４を備えることができる。

図２では、ＴＤＣ２０４が別のコンポーネントとして示されるが、理解されるように、ＴＤＣ２０４は、別のコントローラー、例えばＦＬＣ２０２の一部とすることもできるし、実施形態におけるＴＤＣ２０４の機能性は、風力タービン制御システム２０１内の１つ又は複数のコントローラーの間で分散させることもできる。ＴＤＣ２０４及び機能性は、ハードウェア、ソフトウェア又はそれらの任意の組み合わせにおいて実施することができる。

下記においてより詳細に説明されるように、ＴＤＣ２０４は、タービンシステム２０３から入力信号、例えば、ナセル速度信号２０６を受信する。ＴＤＣ２０４は、出力傾斜減衰信号（ＴＤＳ）２１０を生成する。出力傾斜減衰信号（ＴＤＳ）２１０をゲインスケジューリングして（２０５）、ゲインスケジューリングされたＴＤＳ２１１、例えば、傾斜減衰成分を生成することができる。ゲインスケジューリングされたＴＤＳ２１１は、例えばＦＬＣ２０２によって生成されたピッチ要求信号２１３を修正するのに用いられる。

ＦＬＣ２０２が、ゲインスケジューリングされたＴＤＳ２１１を受信して、ＦＬＣ２０２により生成されたピッチ要求信号２１３を修正するか、又は図２の破線に示されるように、ピッチ要求信号２１３は、ゲインスケジューリングされたＴＤＳ２１１ａによって、ＦＬＣ２０２の後に修正する（２１２）こともできる。

ＦＬＣ２０２は、発電機速度誤差信号２１４を求めるために、発電機の基準速度２０９を受信することもできる。基準速度２０９は、タービン２０３のタービン発電機速度のフィードバック２０８と加算されるか、又は修正される（２０７）。

例えば、ＴＤＣ２０４の機能性をＦＬＣ２０２に組み込むことができ、ＴＤＳ２１０のゲインスケジューリング２０５をＴＤＣ２０４及びＦＬＣ２０５等に組み込むことができるように、図２に示される風力タービン制御システム２０１の構造は構造の一例である。当業者であれば理解するように、本発明を実施するのに、図２に示すエンティティは、風力タービン制御システム２０１の実際の実施態様に応じて組み合わせることもできるし、並び替えることもできる。

上記で説明されたように、ＴＤＣ２０４は、入力信号として、風力タービンのナセルからのナセル速度２０６のフィードバック、又はナセル速度２０６に比例する信号を受信する。ナセル速度は、風力タービン内のセンサーから直接測定することもできるし、例えばナセル加速度から推定することもできる。

現在、ナセル速度を直接測定することは、必要なセンサーがまだ広く入手可能ではないので困難である。したがって、以下の実施形態では、ナセル速度はナセル加速度から推定される。なぜならば、風力タービンは通常１つ又は複数の加速度センサーをナセル内に備えるからである。これにより、以下の実施形態では、ＴＤＣ２０４が受信する入力信号２０６は加速度信号である。

図３は、ＴＤＣ３０１の構造及び実施態様の例を示す。ＴＤＣ３０１は、風力タービンのナセルに配置／搭載された加速度センサーから、加速度測定値を含む少なくとも１つの加速度信号３０２を受信する。

加速度センサーが、固有周波数におけるプラットフォームの加速度のみを測定することが理想的であり、したがって、加速度信号はプラットフォームの固有周波数のみの成分を含む。

しかしながら、加速度センサーはナセルに搭載されるので、通常、加速度信号は１つ又は複数の他のソースからの成分を含む。例えば、追加の成分は、プラットフォームの固有周波数とは異なる波周波数の動き、タワーの震えによる振動、タワーの固有周波数、及び３Ｐ周波数等に起因する場合がある。

したがって、加速度信号がプラットフォームの固有周波数に関連する成分のみを主に含むように、追加の周波数成分を除去するか、又は実質的に低減させることが好ましい。追加の周波数成分を除去するか、又は実質的に低減させるために、例えば１次ローパスフィルターにより、加速度信号３０２をフィルタリングする（３０３）ことができる。

図３に示す例示的な構造では、積分器３１４によって加速度信号３０２を積分する前にこの加速度信号をフィルタリングして、ナセル速度に関連する信号を生成するか、又はナセル速度に比例する信号を生成する。しかしながら、理解されるように、その結果得られる積分器からの信号３１１を代替的にフィルタリングすることができる。

この実施形態では、加速度センサーはナセルに搭載される。しかしながら、理解されるように、加速度センサーは、加速度信号における追加の周波数成分を低減させることができる浮体式プラットフォームに搭載することができる。

加速度信号をフィルタリングするステップ３０３は任意選択であるが、負減衰問題に対抗するためのより効率的なメカニズムをもたらすので好ましい。

図３に戻ると、フィルタリングされた加速度信号３１３にゲインが適用される（３０６）。ゲイン３０５は、例えば、ＦＬＣ又はＴＤＣ３０１により設定されるか、又は予め定められ、及び／又はＦＬＣ又はＴＤＣ３０１から受信することができる。ゲインが高いほど、より減衰を達成することができ、ゲインの値は、最適又は効率的な風力タービンの減衰レベルを達成するように設定されるか、又は予め定められる。ゲインの所定値は、特定の風力タービンと、更にはこの風力タービンが受ける状況とに依存する。ゲイン３０５の所定値は、フィルタリングされた加速度信号３１３に適用される（３０６）。フィルタリングされた加速度信号に、特定の風力タービン及び／又はこのタービンが晒されている状況に依存する所定のゲイン値を乗算するこのステップは、ここでも任意選択であるが、風力タービンの減衰制御性を高めるのに好ましい。

次に、ゲインスケジューリングされ、フィルタリングされた加速度信号３１５を積分器３１４により積分することができる。積分器は、ゲインスケジューリングされ、フィルタリングされた加速度信号３１５とフィードバック信号３０８とを、例えば加算により結合するための結合器３０７を備えることができる。フィードバック信号３０８は、積分器３１４の出力信号３１１に基づいている。積分器３１４の出力をフィードバックとして直接用いることができるが、積分器３１４の出力信号３１１を遅延させ（３１２）、その後ゲインを適用する（３１６）ことで、フィードバック信号３０８を生成することが好ましい。結合器の出力は、飽和ブロック３１０に入力としてもたらすことができる信号３０４である。

加速度信号をもたらす加速度センサーは、センサードリフトの影響を受けやすい場合があるので、この実施形態では、加速度センサーのセンサードリフトを打ち消すか、又は実質的に克服する加速度信号を積分する漏洩積分器（leaky integrator：漏れ積分器）３１４が実装される（適用されるゲインは１未満である）。実装される積分器３１４の漏洩特性は、加速度信号の加速度測定値における定常偏差に起因してＴＤＣ３０１がドリフトするのを防止する。

上記で説明されたように、ＴＤＣ３０１の出力は傾斜減衰信号（ＴＤＳ）であり、傾斜減衰信号を用いて、負減衰作用を補償し、及び／又は負減衰作用に対処するのに適切なピッチ角に風力タービン翼をピッチングすることができるように、タービンコントローラー（例えば、ＦＬＣ）のピッチ要求信号を修正することができる。

通常、風力タービン制御システムは、問題のあるピッチ要求が風力タービンのピッチ制御システムにもたらされないことを確実にするようにピッチ要求を制限するピッチ制限を設定する。修正されたピッチ要求信号（例えば、ＴＤＣからのＴＤＳにより修正された、ＦＬＣからのピッチ要求信号）にピッチ制限を行うことができるが、個々の信号（タービンコントローラーからのピッチ要求信号及びＴＤＳ）にピッチ制限を行うことが好ましいことが確認された。

個々の信号にピッチ制限を行うことの利点は、このピッチ制限によって、ピッチ要求信号に対するＴＤＣの寄与を調節可能な小さな量に明確に制限することができ、いわゆるワインドアップ現象（wind-up occurring：飽和現象）を回避することができ、タービンコントローラー（例えば、ＦＬＣ）に求められる変化又は変更が最小化されることである。

ピッチ制限を適用するために、漏洩積分器３１４は、アンチワインドアップ漏洩積分器３１４として実装することができる。したがって、飽和ブロック３１０は、ピッチ制限の境界を設定するのに用いられる少なくとも１つの傾斜減衰ピッチ制限信号３０９を入力として受信することができる。

単一の傾斜減衰ピッチ制限信号３０９がもたらされると、上限と下限の双方が設定される。例えば、傾斜減衰ピッチ制限信号が５度の場合、上限は正に５度であり、下限は負に５度である。

代替的に、飽和ブロック３１０は、２つの入力傾斜減衰ピッチ制限信号を受信することができる。第１の入力傾斜減衰ピッチ制限信号は上限傾斜減衰ピッチ制限信号であり、第２の入力傾斜減衰ピッチ制限信号は下限傾斜減衰ピッチ制限信号である。上限傾斜減衰ピッチ制限信号及び下限傾斜減衰ピッチ制限信号は、同じ絶対値又は異なる絶対値を有することができる。

傾斜減衰ピッチ制限信号（複数の場合もある）３０９は、ＴＤＣ３０１、ＦＬＣ、又は風力タービン内の、若しくは風力タービンに動作可能に接続された他の任意のコントローラー若しくはデバイスにおいて設定することができる。通常、ピッチ制限は、風力タービンに関して予め定められ、設定される。

積分器３１４の出力は信号３１１であり、信号３１１は、ナセル加速度から求められる推定ナセル速度に対応するか、又は基づいており、例えば、この推定ナセル速度に比例する。

浮体式風力タービンを含む風力タービンは、本質的に非線形システムであり、したがって、ピッチと発電機トルクとの間の関係と、更にはピッチと推力との間の関係とが、風力タービンの１つ又は複数の動作点、例えば、風速、ピッチ角、及び発電機速度等に依存する。

したがって、ＴＤＣから出力された傾斜減衰信号（ＴＤＳ）は、減衰が風力タービンの全ての動作点に関して同じであるように、減衰レベルが風力タービンの動作点に基づいて選択可能であるためにゲインスケジューリングされるべきであることが確認された。これにより、ＴＤＳを調節可能にすることができることが有利である。

図４は、（図３における積分器３１４の出力信号３１１に対応する）積分器４１１の出力信号４０３のゲインスケジューリングを実施するための例示的な構造４０１を示す。構造４０１において、この実施形態ではＴＤＣ４０２内にあるゲインスケジューリングコンポーネント４０４により、信号４０３のゲインスケジューリングが実施される。

しかしながら、理解されるように、信号４０３のゲインスケジューリングは、代替的に、ＦＬＣ４０５内のハードウェア及び／又はソフトウェア、別のゲインスケジューリングコンポーネント／モジュール内のハードウェア及び／又はソフトウェア、又はそれらの任意の組み合わせにより実施することができる。

積分器４１１から出力信号４０３に適用されるゲインスケジューリングは、浮体式風力タービンの１つ又は複数の動作点に基づくことができる。例えば、ゲインスケジューリングは、ピッチ角、発電機速度、ローター速度、風速、及びパワー出力等のうちの１つ又は複数に基づくことができる。ゲインスケジューリングコンポーネント４０４は、動作点に関連するか、又は動作点に基づいている１つ又は複数の動作点信号を入力として受信することができる。これらの動作点信号は、ゲインスケジューリングに用いられる。

この実施形態では、積分器４１１の出力信号４０３のゲインスケジューリングはピッチ／推力マップ（pitch to thrust map：ピッチ対推力マップ）に基づいており、動作点はピッチ角により規定される。図５にその例が示される。この実施形態では、ピッチ／推力ゲインスケジューリングが好ましい。なぜならば、ピッチ／推力ゲインスケジューリングは、風力タービンの全ての動作点にわたって実質的に一定の減衰増加をもたらすからである。しかしながら、理解されるように、ゲインスケジューリングは、１つ又は複数の他のマップ、例えば、ピッチ／発電機トルクマップ、及び／又は他の任意の動作点に基づくことができる。

ピッチ／推力マップは、各浮体式風力タービンに対してオフラインで作成することができる。ここで、ピッチ／推力マップは、風力タービンの各タイプに関して同じであるが、異なるタイプの風力タービンに関しては異なることができる。代替的に又は追加的に、ピッチ／推力マップはオンライン及び／又はリアルタイムで作成することができる。

この例では、ゲインスケジューリングのための動作点はピッチ角に基づいているので、ＴＤＣ４０２のゲインスケジューリングコンポーネント４０４は、フィルタリングされた及び／又は遅延されたピッチ角信号４０９を動作点信号として受信することができる。ピッチ信号は、所定の期間、例えば１０秒間にわたってピッチ角を効率的に平滑化するようにフィルタリングされる。これは、ピッチ／推力マップから求められたゲインスケジューリングパラメーターが、以前の期間にわたるピッチ角に基づくことを確実にして、現在又は所望のピッチ角が用いられる場合に不要な代数ループを生じ得る自己依存を回避するために行われる。

ピッチ角信号は、ピッチシステムから、及びタービンコントローラー（例えば、ＦＬＣ）から受信することができ、ピッチ要求信号を生成するのに用いられる、ＦＬＣにおける積分器の出力等とすることができる。異なる又は更なる動作点がゲインスケジューリングにおいて利用される場合、対応する動作点信号は、関連するシステム又はコントローラーから受信することができる。

次に、図５に示すピッチ／推力マップから、受信されたピッチ角に対応するゲインスケジューリングパラメーターを特定することにより、ゲインスケジューリングパラメーターを求めることができる。

理解されるように、追加的又は代替的に、ピッチ／推力マップは、ルックアップテーブル、又は適切なゲインスケジューリングパラメーターを特定するか、若しくは求めるのを可能にする他の任意の適切なフォーマットとして実施するか、又は作成することができる。

一旦ゲインスケジューリングパラメーターが特定されると、ゲインスケジューリングコンポーネント４０４において、出力信号４０３に、求められたゲインスケジューリングパラメーターが乗算され、ゲインスケジューリングされたＴＤＳ４１０が生成される。

次に、ＴＤＳ４１０を傾斜減衰成分として利用して、ＦＬＣ４０５からのピッチ要求信号４０６を修正することができる。例えば、結合器４０７を介して、ＴＤＳ４１０すなわち傾斜減衰成分と、ＦＬＣ４０５からのピッチ要求信号４０６とを結合して、修正されたピッチ要求信号４０８を生成することができる。この例では、ゲインスケジューリングされたＴＤＳ４１０と、ピッチ要求信号４０６とを、結合器４０７においてこれらの２つの信号を加算することにより結合する。

次に、タービン制御システム、特にピッチシステムに、その結果得られる修正されたピッチ要求信号４０８をもたらすことができる。それにより、タービン翼を適切にピッチングして、浮体式風力タービンの負減衰に対抗することができる。

ナセル速度に基づいて傾斜減衰信号を求め、その後、ピッチ要求信号を修正する前に、ピッチ／推力マップに基づいてこの傾斜減衰信号をゲインスケジューリングすることにより、本発明は、浮体式プラットフォーム傾斜振動がもたらす、ピッチ信号における振動を効率的に除去するか、又は実質的に除去し、それにより風力タービンに対する負減衰作用を打ち消すか、又は実質的に打ち消す。

上記の実施形態では、修正されたピッチ要求信号を求めるか、又は生成するために例示的な実施態様が与えられた。実施態様の構造は、例えば、構造内のゲインステージ（gain stage：利得段）／ゲインコンポーネントのロケーション及び／又は数を変化させて、浮体式風力タービンに対する負減衰作用を克服するか、又は実質的に低減させる傾斜減衰成分を含むピッチ要求信号を生成することにより、同等の構造を包含することができる。

ここで、図６を参照して、本発明の第２の実施形態を説明する。第２の実施形態は、浮体式風力タービンに対する負減衰作用を克服するか、又は実質的に低減させるピッチ要求信号を生成する更なる実施態様である。

図６は、第２の実施形態に係るシステム６０１を示す。ここで、システム６０１は、傾斜減衰コントローラー（ＴＤＣ）６０２を備える。ＴＤＣ６０２は、加速度信号６０４を入力として受信するゲインスケジューリングコンポーネント６０３を含む。加速度信号は、風力タービンのナセルに配置／搭載された加速度センサーからの加速度測定値を含む。

上記で説明されたように、加速度センサーが、固有周波数におけるプラットフォームの加速度のみを測定することが理想的であり、したがって、加速度信号はプラットフォームの固有周波数のみの成分を含む。

しかしながら、加速度センサーはナセルに搭載されるので、通常、加速度信号は１つ又は複数の他のソースからの成分を含む。例えば、追加の成分は、プラットフォームの固有周波数とは異なる波周波数の動き、タワーの震えによる振動、タワーの固有周波数、及び３Ｐ周波数等に起因する場合がある。

したがって、加速度信号がプラットフォームの固有周波数に関連する成分のみを主に含むように、追加の周波数成分を除去するか、又は実質的に低減させることが好ましい。追加の周波数成分を除去するか、又は実質的に低減させるために、例えば１次ローパスフィルターにより、加速度信号６０４をフィルタリングすることができる。

ゲインスケジューリングコンポーネント６０３は、第１の実施形態に関連して上記で説明されたゲインスケジューリングコンポーネントに類似する。したがって、加速度信号６０４に適用されるゲインスケジューリングは、浮体式風力タービンの１つ又は複数の動作点に基づくことができる。例えば、ゲインスケジューリングは、ピッチ角、発電機速度、ローター速度、風速、及びパワー出力等のうちの１つ又は複数に基づくことができる。

この実施形態では、加速度信号６０４のゲインスケジューリングはピッチ／推力マップに基づいており、動作点はピッチ角により規定される。図５にその例が示される。この実施形態では、ピッチ／推力ゲインスケジューリングが好ましい。なぜならば、ピッチ／推力ゲインスケジューリングは、風力タービンの全ての動作点にわたって実質的に一定の減衰増加をもたらすからである。しかしながら、理解されるように、ゲインスケジューリングは、１つ又は複数の他のマップ、例えばピッチ／発電機トルクマップ及び／又は他の任意の動作点に基づくことができる。

上記で第１の実施形態に関連して説明されたように、ゲインスケジューリングに対する動作点はピッチ角に基づいているので、ＴＤＣ６０２のゲインスケジューリングコンポーネント６０３は、フィルタリングされたピッチ信号を入力動作点信号として受信することができる。

次に、図５に示すピッチ／推力マップから、受信されたピッチ角に対応するゲインスケジューリングパラメーターを特定することによりゲインスケジューリングパラメーターを求めることができる。

次に、ゲインスケジューリングコンポーネント６０３において、加速度信号６０４に、求められたゲインスケジューリングパラメーターを乗算して、信号６０６を生成することができる。

下記で説明されるように、この実施形態では、ゲインスケジューリングされた加速度信号は、風力タービンに対する負減衰作用を補償するピッチ要求信号を生成するためにＦＬＣに入力される。ＦＬＣ６０５により又はＦＬＣ６０５において適用され得る１つ又は複数のゲインを補償するために、ＦＬＣにおいて用いられるゲインに応じて、ゲインスケジューリングパラメーターを変更することもできるし、１つ又は複数の追加のゲインステージを適用することもできる。

次に、ＦＬＣ６０５に、ゲインスケジューリングされた信号６０６を入力としてもたらすことができ、それにより、ＦＬＣ６０５は、傾斜減衰成分により修正されるか、又は補償されるピッチ要求信号を生成し、風力タービンに対する負減衰作用を克服するか、又は実質的に低減させることができる。

この実施形態では、信号６０６は結合器６０７に入力される。結合器６０７において、信号６０６と発電機速度誤差６０８とが結合して、結合信号６０９が生成される。したがって、結合信号６０９は、負減衰を補償することができるように風力タービンのナセルの加速度成分を含む。

次に、結合信号６０９は、ＦＬＣ６０５の積分器６１０に入力される。積分器６１０は、現在ＦＬＣにおいて、ピッチ要求信号を求めるか、又は生成するのに通常用いられる積分器と同じ積分器とすることができる。したがって、結合信号６０９は、ＦＬＣ６０５の積分器６１０により積分され、積分器６１０により出力信号６１１が生成される。出力信号６１１は、傾斜減衰成分により修正されるか、又は傾斜減衰成分に対して補償するピッチ要求信号であることが効率的である。

次に、結合器６１４を介して、積分された信号６１１と、信号６１３とを結合することができる。信号６１３は、発電機速度誤差信号６０８にゲイン６１２が乗算されたものである。

次に、結合器６１４から出力された結合信号６１５は、ゲインコンポーネント６１６を介してゲインを受けることができる。その結果得られる信号６１７は、風力タービンの負減衰作用を補償するピッチ要求信号である。風力タービン翼を適切にピッチングして、浮体式風力タービンに対する負減衰作用に対抗するか、又はこの負減衰作用を実質的に低減させるために、ピッチ要求信号がピッチ制御システムにもたらされる。

第２の実施形態は、ピッチ制御システムが、風力タービンに対する負減衰作用に対抗するか、又はこの負減衰作用を実質的に低減させるように浮体式風力タービン翼をピッチングすることができるように、傾斜減衰成分により修正されるか、又は傾斜減衰成分に対して補償するピッチ要求信号を生成するための更なる実施態様を示す。この構成では、様々な信号が組み合わせられ、及び／又はゲインスケジューリングされる。この実施形態において、結合器／ゲインスケジューリングのタイミング及び／又はロケーションは例示的なものであり、当業者であれば、傾斜減衰成分により修正されるか、又は傾斜減衰成分に対して補償する同じピッチ要求信号を取得するために、結合器／ゲインスケジューリングのタイミング及び／又はロケーションが異なり得ることを認識されよう。例えば、ゲインコンポーネント６１２を発電機速度誤差の入力信号において配置することもできるし、追加のゲインコンポーネントを結合器６０７及び／又は積分器６１０の前に実装することもできる。

複数のゲインステージ又はゲインコンポーネントを実装することができることも認識されている。例えば、傾斜減衰コントローラーにおいては、単一のゲイン６０３の代わりに、ＦＬＣ内で適用される１つ又は複数のゲインを補償するための、ゲインスケジューリングコンポーネント６０３の前に又は後に配置された追加のゲインコンポーネントが存在することができる。

したがって、理解されるように、上記で説明された実施形態のうちの任意のものにおいて示された実施態様は、特定の実施態様に限定されない例示的な構成である。なぜならば、これらの構成は、浮体式風力タービンに対する負減衰作用を補償するピッチ要求信号を生成するために多くの同等の構造を含み得るからである。

本発明の実施形態は、プラットフォーム傾斜振動の大きさを低減させることが有利であり、傾斜減衰信号は発電機速度ループがプラットフォーム傾斜振動を引き起こすのを効率的に防止する。

さらに、本発明の実施形態は、浮体式風力タービンの動作を微調整して、負減衰に関する問題を軽減するために、動作点ごとに減衰レベルを設定することを可能にする。

本発明の実施形態を図示及び記載したが、このような実施形態は、単に例として記載されていることが理解される。添付特許請求の範囲により規定される本発明の範囲から逸脱することなく、数多くの変形、変更、及び置換が当業者により想到される。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の趣旨及び範囲内にある全ての変更形態又は均等形態を包含することが意図される。

Claims (16)

1. 動作点信号を受信することと、
   少なくとも前記受信された動作点信号に基づいてゲインスケジューリングパラメーターを求めることと、
   浮体式風力タービンの加速度に関連する加速度信号を受信することと、
   前記加速度信号に、前記求められたゲインスケジューリングパラメーターを乗算して、ゲインスケジューリングされた加速度信号を生成することと、
   前記生成されたゲインスケジューリングされた加速度信号を前記浮体式風力タービンのタービンコントローラーに入力することと、
   少なくとも前記ゲインスケジューリングされた加速度信号及び発電機速度誤差信号に基づいて、前記タービンコントローラーにより、傾斜減衰成分を含むピッチ要求信号を生成することと、を含む方法において、
   前記生成されたピッチ要求信号と、ゲインスケジューリングされた発電機速度誤差信号とを結合する、追加のゲインステージが適用されることを特徴とする方法。
2. 前記ゲインスケジューリングされた加速度信号に、更なるゲインパラメーターを乗算することであって、該更なるゲインパラメーターは、前記タービンコントローラーにおいて適用される１つ又は複数のゲインに基づいていることを更に含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記ゲインスケジューリングされた加速度信号と、前記発電機速度誤差信号とを結合することと、
   前記結合信号を積分して、前記ピッチ要求信号を生成することと、
   を更に含む、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記生成されたピッチ要求信号にゲインパラメーターを乗算することを更に含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記受信された加速度信号をフィルタリングして、浮体式プラットフォームの固有周波数に関連しない周波数成分を除去するか、又は実質的に低減させることを更に含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記動作点信号をフィルタリングするとともに遅延させることを更に含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記動作点信号はピッチ角信号である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記ゲインスケジューリングパラメーターを求めることは、動作点の所定のルックアップテーブルから、前記ゲインスケジューリングパラメーターを特定することを含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 動作点信号を受信するように構成される第１の入力と、
   少なくとも前記受信された動作点信号に基づいて、ゲインスケジューリングパラメーターを求めるように構成されるゲインスケジューリングコンポーネントと、
   浮体式風力タービンの加速度に関連する加速度信号を受信するように構成される第２の入力と、
   前記ゲインスケジューリングコンポーネントは、前記加速度信号に、前記求められたゲインスケジューリングパラメーターを乗算して、ゲインスケジューリングされた加速度信号を生成するように更に構成され、
   前記浮体式風力タービンのタービンコントローラーに、前記ゲインスケジューリングされた加速度信号を送信するように構成される出力であって、少なくとも前記ゲインスケジューリングされた加速度信号及び発電機速度誤差信号に基づいて、前記タービンコントローラーにより、傾斜減衰成分を含むピッチ要求信号を生成することができるようする、出力と、を含む装置であって、
   前記装置は、前記生成されたピッチ要求信号と、ゲインスケジューリングされた発電機速度誤差信号とを結合する結合器を更に含むことを特徴とする装置。
10. 前記ゲインスケジューリングされた加速度信号に、更なるゲインパラメーターを乗算するように構成されるゲインコンポーネントであって、前記更なるゲインパラメーターは、前記タービンコントローラーにおいて適用される１つ又は複数のゲインに基づいている、ゲインコンポーネントを更に備える、請求項９に記載の装置。
11. 前記ゲインスケジューリングされた加速度信号と、前記発電機速度誤差信号とを結合するように構成される第１の結合器と、
    前記結合信号を積分して、前記ピッチ要求信号を生成するように構成される積分器と、
    を更に備える、請求項９又は１０に記載の装置。
12. 前記生成されたピッチ要求信号に、ゲインパラメーターを乗算するように構成されるゲインコンポーネントを更に備える、請求項９〜１１のいずれか１項に記載の装置。
13. 前記受信された加速度信号をフィルタリングして、浮体式プラットフォームの固有周波数に関連しない周波数成分を除去するか、又は実質的に低減させるように構成されるフィルターを更に備える、請求項９〜１２のいずれか１項に記載の装置。
14. 前記動作点信号をフィルタリングし、遅延させるように構成されるフィルターを更に備える、請求項９〜１３のいずれか１項に記載の装置。
15. 前記動作点信号はピッチ角信号である、請求項９〜１４のいずれか１項に記載の装置。
16. 前記ゲインスケジューリングコンポーネントは、動作点の所定のルックアップテーブルから、前記ゲインスケジューリングパラメーターを特定するように更に構成される、請求項９〜１５のいずれか１項に記載の装置。

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