JP6227490B2

JP6227490B2 - ダウンウインド型風車及びその停止方法

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Publication number: JP6227490B2
Application number: JP2014137390A
Authority: JP
Inventors: 育男飛永; 荘一郎清木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2014-07-03
Filing date: 2014-07-03
Publication date: 2017-11-08
Anticipated expiration: 2034-07-03
Also published as: EP2963288A1; TW201602456A; JP2016014361A

Description

本発明はダウンウインド型風車及びその停止方法に係り、特に、ブレードのピッチ角を可変にできるダウンウインド型風車及びその停止方法に関する。

風車（風力発電機）は、環境に優しくリスクの少ない発電方法として近年注目を集めているが、一方で発電コストが高く、安全性を確保しながらより一層のコスト削減が求められている。
風車のコスト削減の為には、風車構造部材の軽量化による材料費削減が効果的であり、特にブレードの質量削減は、それを支持するナセル、ナセルを支持するタワーの軽量化にも寄与する為、重要度が高い。ブレードの構造条件は主に空力特性と設計条件より決まるが、設計荷重を低下させることで、ブレード構造の軽量化が図れる。
従来、例えば、特許文献１〜３に記載のように、ピッチ角やヨー角を制御して暴風時の待機形態を工夫することにより暴風時設計荷重を軽減することが提案されている。

特開2006-336505号公報特開2007-64062号公報特開2007-16628号公報

従来は、暴風時の待機形態などを工夫することにより設計荷重を軽減することについて検討されているが、様々な要因で風車を停止する際に、風車が停止する過程で風車（特にブレード）に加わる荷重を低減することについては特に考慮されていない。すなわち、従来、風車を停止する際に、ブレードがフェザー状態になるようにブレードのピッチ角を制御するが、ピッチ角を相対流入角（ブレードに流入する風の相対流入角、以下、単に流入角という）が小さくなる方向に回転させ、流入角がゼロの状態を経由して、最終的にブレードがフェザー状態になるようにしている（最終的にブレードの後縁が風下側に位置している。）。

本発明者らの検討によれば、ダウンウインド型風車を停止する際のブレードのピッチ角の制御を工夫することにより、風車を停止する際にブレードに作用する荷重を低減できることを見出した。

本発明の目的は、ブレードのピッチ角を可変にできるダウンウインド型風車においてピッチ角の制御を工夫することにより風車が停止する過程でブレードに加わる荷重を低減することが可能なダウンウインド型風車及びその停止方法を提供することある。

本発明は、ピッチ角を制御可能なブレードを有するダウンウインド型風車を停止させる際に、ブレードのピッチ角を流入角が大きくなる方向に回転させてブレードがフェザー状態（最終的にブレードの後縁が風上側に位置）になるようにすることを特徴とする。

なお、本明細書では、ブレードのピッチ角を流入角が大きくなる方向に回転させてブレードがフェザー状態になるようにし、ブレードの後縁を風上側に位置させるピッチ角の制御を、ネガティブフェザーと称する。また、本明細書では、通常のフェザー動作、すなわち、ピッチ角を流入角が小さくなる方向に回転させ、流入角がゼロの状態を経由してフェザー状態になるようにし、ブレードの後縁を風下側に位置させるピッチ角の制御を、ポジティブフェザーと称する。

また、本発明は、風車を停止する際のブレードのピッチ角（または風速などピッチ角と相関関係を有する状態量）が所定値を超えるときには、ネガティブフェザーではなくポジティブフェザーとすることを特徴とする。

本発明によれば、ブレードのピッチ角を可変にできるダウンウインド型風車において風車が停止する過程でブレードに加わる荷重（流体力）を低減することが可能となる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明が適用される風車の機器構成と制御対象を示す図。アップウインド型風車のレイアウト図。ダウンウインド型風車のレイアウト図。アップウインド型風車において停止時にポジティブフェザーとした場合にブレードに作用する流体力を説明する図。ダウンウインド型風車において停止時にポジティブフェザーとした場合にブレードに作用する流体力を説明する図。停止時にポジティブフェザーとした場合にブレードに作用する流体力の発生方向を説明する図。ネガティブフェザーにおけるブレードに作用する流体力を説明する図。本発明の実施例１の制御ブロックを示す図。ネガティブフェザーとポジティブフェザーの使い分けを説明する図。本発明の実施例２の制御ブロックを示す図。本発明の実施例３の制御ブロックを示す図。本発明の実施例４の制御ブロックを示す図。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

先ず、図１を用いて、本発明が適用される風車の機器構成と制御対象の一例を説明する。本発明が適用される大型の風力発電機（定格出力100kW以上）は、基本的に無人での自動運転を行い、発電した電力は系統に接続する。
風車は、複数のブレード１、ブレード１が取り付けられたハブ２と、ハブ２に接続された主軸３と、主軸３の回転を増速する増速機４と、増速機４に接続され発電を行う発電機５と、主軸３を回転可能に支持し増速機４や発電機５を収容するナセル６と、ナセル６を回転自在に支持するタワー７を備える。
また、風車は、風向風速計１２、発電機５の回転数を計測する回転数センサ１３、ナセル６のヨー角を計測するヨー角センサ１４などを備え、これらのセンサの出力は、タワー７内に設置された風車制御盤１５に送られる。
風車制御盤１５は、外部からの制御指令や各センサからの出力に基づいて、風車内の制御対象を制御し、風車の無人での自動運転を行う。制御対象としては、ピッチ制御装置９（ピッチ駆動機構８）、ヨー駆動機構１０、電力制御装置１６、主遮断器１７、及び、補機群１９（補機としては例えばロータブレーキ１１や、図示を省略するが油圧ユニットや冷却ユニットなどを含む）などである。ピッチ制御装置９（ピッチ駆動機構８）はブレード１の角度を変更する。ヨー駆動機構１０はナセル６全体の向きを変更する。電力制御装置１６は風車の電力（または回転トルク）を調整する。主遮断器１７は系統との電気的な接続を担う。
また、風車は各センサにより各部の状態を監視しており、風車制御盤１５により異常を検知した場合、又は風車操作員による手動操作（非常停止ボタン１８を押して風車制御盤１５に停止指令）で発電を中止し、停止動作を行う。本発明は、風力発電機の制御に関するものであるが、特に、この停止動作における風車制御盤１５とピッチ制御装置９の制御に関するものである。

次に、本発明に至った経緯について図２Ａ〜図４、図６を用いて詳細に説明する。
本発明はダウンウインド型風車の風車停止時におけるブレードに作用する流体力を低減するものであるが、理解を容易にするために、アップウインド型風車の風車停止時におけるブレードに作用する流体力の状況なども含めて説明する。

先ず、風車（風力発電機）は、ロータ（ブレードとハブ）の位置に応じてロータがタワー７よりも風上側にあるアップウインド型風車（図２Ａ）と、ロータがタワー７よりも風下側にあるダウンウインド型風車（図２Ｂ）に分けることが出来る。一般にはアップウインド型風車が多く用いられているが、風車が大型化した際にブレード１がタワー７と接するリスクの少ないダウンウインド型も注目され、一部で製品化されている。いずれの方式においても、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、ブレード１はタワー７と一定の距離を保つために、ロータ軸の傾斜（チルト角）、ロータ面の傾斜（コーン角）を有している。

次に、図３Ａ〜図３Ｃを用いて、風車停止時に、従来のように、ポジティブフェザーとした場合にブレードに作用する流体力の状況を説明する。

風車の運転時は、アップウインド型風車（図３Ａ）とダウンウインド型風車（図３Ｂ）は共に、ロータ（ブレード）は風と自らの回転により翼周りに発生する揚力・抗力の流体力（図３Ｃ参照）により、回転方向と風下方向に荷重を発生する。同時に、鉛直下向きの重力、コーン角を浅くする方向への遠心力も同時に発生する。各々のベクトルを図示した場合、アップウインド型風車ではロータ面外方向の荷重ベクトルが、流体力（スラスト）・遠心力・重力共に同じ方向を向いている。一方、ダウンウインド型風車では流体力（スラスト）に対して遠心力が逆の面外方向に向くため、これらの力が互いに相殺される。そのため、運転時においてはダウンウインド型風車の方がブレードに作用する荷重が小さくなり、翼の構造設計としては有利である。

しかしながら、風車が停止する場合は逆の関係となる。通常、風車が停止する際には、ピッチ角を相対流入風速が浅くなる方向（ポジティブフェザー方向）に回転させ、揚力を正圧面側に発生させることで、流体力のベクトルを、ロータ進行方向とは逆でかつ、風上側に発生することでブレーキを発生させる（図３Ｃ参照。ブレードのフェザー状態においてブレードの後縁が風下側に位置している。）。この停止時の流体力（スラスト）の向きの変化により、アップウインド型風車（図３Ａ）では流体力と遠心力が相殺されてブレードに作用する荷重が小さくなるのに対して、ダウンウインド型風車（図３Ｂ）では流体力（スラスト）と遠心力の面外方向の向きが同方向になるため、これらが加算されることでブレードに作用する荷重が大きくなる。

これらのために、ダウンウインド型風車は運転時のブレードに作用する荷重がアップウインド型風車よりも小さくなる傾向があるものの、停止時にはアップウインド型風車よりも大きな荷重がブレードに発生するために、翼の設計荷重が低減できず、構造的なメリットが活かせないという課題がある。

そこで、この課題のために、本発明では、風車停止時のピッチ角の回転方向を逆にしてブレードがフェザー状態に移行するようにしている（ネガティブフェザー）。図４を用いてこのネガティブフェザーの際にブレードに作用する流体力を説明する。理解を容易にするため、ポジティブフェザー（Ａ）の際にブレードに発生する流体力も併せて図示している。

ネガティブフェザー（Ｂ，Ｃ）では、ピッチ角を流入角が大きくなる方向に回転させることで、翼を失速させ揚力を低下させ、また抗力を増大させることで、流体力を風下側の面外方向に発生させながらブレーキを掛けるという方法である。流体力が風下側の面外方向に発生するため、ダウンウインド型風車では、ネガティブフェザーにより風車を停止すると、流体力（スラスト）が図３Ｂに図示する流体力（スラスト）とは反対の風下側を向く。したがって、この停止時の流体力（スラスト）の向きの変化により、ダウンウインド型風車では流体力（スラスト）と遠心力が相殺されて停止時にブレードに作用する荷重も小さくなる。これにより、運転時のブレードに作用する荷重がアップウインド型風車よりも小さくなるという構造的なメリットを有するダウンウインド型風車の利点を活かしたまま、停止時にもブレードに作用する荷重を小さくすることができるので、翼の設計荷重を低減することができる。ブレードに作用する荷重を、運転時においても、停止時においても低減させることができ、ブレードの構造強度を下げることが可能になり、ブレードが軽量化できる。また、ブレードの軽量化はそれを支持するナセル、ナセルを支持するタワー、タワーを支持する基礎構造物を軽量化でき、結果として風力発電設備のコスト低減に大きく寄与することができる。

なお、アップウインド型風車では、停止時にネガティブフェザーにすると、逆にブレードに作用する荷重が大きくなる。すなわち、ネガティブフェザーとして、流体力（スラスト）の向きが風下側になると、図３Ａから分かるように、遠心力・重力の面外方向の向きと同方向になるため、これらが加算されることでブレードに作用する荷重が大きくなる。したがって、本発明はダウンウインド型風車に特有な技術思想と言える。

また、本発明者らの検討によれば、上述のネガティブフェザーの制御には次のような課題がある。これを図４における「Ｃネガティブフェザー（定格風速超え）」を参照して説明する。すなわち、風車は風速に応じて最適なピッチ角で運転をするが、風速が風車の定格風速を超えている場合、発電出力を一定に保つために、ピッチ角をフェザー側（流入角が小さくなる側）に変化させ、流体力を減じて風を逃がしながら運転を行う。このピッチ角を大きくした運転状態からネガティブフェザーによる停止動作を行うと、その停止過程で一時的に流体力が増加し（高揚力点を通過し）、回転トルクが増大してしまう。この現象は風車の停止動作においては、過回転を起こすことになる。

そこで、本発明者らは、図６に示すように、風車を停止する際の風車の運転状態において、ネガティブフェザーとポジティブフェザーの制御を使い分けることにより、この課題を解決することを見出した。例えば、ピッチ角が浅い場合、ネガティブフェザー動作を行い、ピッチ角が所定値を超える場合には、ポジティブフェザー動作を行うようにする。
風速が定格風速を超えている場合、上述したように、ピッチ角がフェザー側（流入角が小さくなる側）に変化させられており、風速が定格風速以下におけるピッチ角よりも大きくなっている。すなわち、定格風速よりも十分に高い風速では、上述したように、エネルギーを逃がすためにピッチ角を大きくしている。風速は場所により変わり時間によっても変化し、また、様々な条件により、一概には言えないが、例えば、０〜７°では、ネガティブフェザー動作を行い、７°を超える場合には、ポジティブフェザー動作を行うようにする。言い換えれば、定格風速付近では、ネガティブフェザー動作を行い、定格風速よりも十分高い風速では（ネガティブフェザーを行うことにより過回転の問題が大きくなる場合には）ポジティブフェザー動作を行うものである。

なお、このポジティブフェザー動作時には風速が定格風速を超えて高風速になっている。そのため、ポジティブフェザー動作を行っても風の流入ベクトルがロータ面に対して大きな角度になっている。このため、ポジティブフェザー時に発生する正圧面側の揚力の方向はロータ面に対して浅い角度になる。そのため、ポジティブフェザー時の流体力荷重は、図６の「Ａポジティブフェザー」、すなわち、従来の定格風速以下の運転状態からの停止におけるポジティブフェザー動作時の荷重よりも小さくすることができる。

また、ピッチ角は、風速や風車の回転数を考慮して制御するものであるので、すなわち、風速や風車の回転数はピッチ角と相関関係を有する状態量と言えるので、ピッチ角に代えて風速や風車の回転数を指標としてネガティブフェザーとポジティブフェザーの制御を使い分けるようにすることも可能である。

このように風車停止時のピッチ角の制御を行うことにより、ピッチ角が浅い場合はネガティブフェザー動作でブレードに作用する荷重を増加させることなく風車を停止し、また、定格風速を超えてピッチ角が大きくなっている場合ではポジティブフェザー動作により過回転を発生させずに風車を安全に停止することができる。すなわち、風車ブレードに作用する荷重を、運転時においても、停止時においても低減させることが出来、ブレードの構造強度を下げることが可能になり、ブレードが軽量化できる。また、ブレードの軽量化はそれを支持するナセル、ナセルを支持するタワー、タワーを支持する基礎構造物を軽量化でき、結果として風力発電設備のコスト低減に大きく寄与することができる。

次に本発明のピッチ角制御方法を図５、図７〜９に示す制御ブロック図を用いて説明する。

図５に本実施例の制御ブロック図を示す。本実施例は、風車が停止する際、ネガティブフェザーとポジティブフェザーの使い分けを、各ブレードのピッチ角の平均値が所定の閾値を超えているか否かで決めるようにしたものである。本実施例では３本のブレードを有する風車を前提としている。

風速は空間的および時間的に一様ではなく変動する。例えば、地面に近いところの風速は一般的には弱い。したがって、各ブレードは風速に応じて最適なピッチ角となるように個別に制御されている。本実施例では、各ブレードのピッチ角を計測し、各ピッチ角の平均値を計算する。平均値に対して所定の閾値（例えば７°）を設け、停止動作の際に閾値を越えるか否かで、ネガティブフェザーとポジティブフェザーの使い分けの条件判断を行う。平均ピッチ角が所定の閾値を越えればポジティブフェザー動作で風車を停止し、平均ピッチ角が所定の閾値以下であればネガティブフェザー動作を行う。

図７に本実施例の制御ブロック図を示す。本実施例も３本のブレードを有する風車を前提としている。本実施例は、風車が停止する際、ネガティブフェザーとポジティブフェザーの使い分けを、平均ピッチ角に代えて、各ピッチ角の最大値、又は最小値を判断指標にしたものである。なお、このとき、例えば、ピッチ角が大きいブレードとピッチ角が小さいブレードが混在するが、ピッチ角が大きいブレードも小さいブレードも、ピッチ角の最大値または最小値に基づき同じ制御を行うようにしている。ブレードによってネガティブフェザーとポジティブフェザーを使い分けると風車全体にアンバランスが生じる可能性があるためである。

図８に本実施例の制御ブロック図を示す。本実施例は、風車が停止する際、ネガティブフェザーとポジティブフェザーの使い分けを、平均ピッチ角に代えて、風速を判断指標にしたものである。

図９に本実施例の制御ブロック図を示す。本実施例は、風車が停止する際、ネガティブフェザーとポジティブフェザーの使い分けを、平均ピッチ角に代えて、風車の回転数を判断指標としたものである。風車回転数の場合、風速の場合と異なり、ピッチ角との相関関係が弱い場合がある。風車回転数の場合、ピッチ角が例えば７°程度のとき定格回転数となるような風車に効果的に適用することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加，削除，置換をすることが可能である。

１：ブレード
２：ハブ
３：主軸
４：増速機
５：発電機
６：ナセル
７：タワー
８：ピッチ駆動機構
９：ピッチ制御装置
１０：ヨー駆動機構
１１：ロータブレーキ
１２：風向風速計
１３：回転数センサ
１４：ヨー角センサ
１５：風車制御盤
１６：電力制御装置
１７：主遮断器
１８：非常停止ボタン
１９：補機群

Claims

ピッチ角を制御可能なブレードを有するダウンウインド型風車であって、
前記ピッチ角を制御する制御装置は、
前記ピッチ角をフェザー状態に移行させて前記ブレードに作用する流体力によりブレーキを掛けて前記ダウンウインド型風車を運転状態から停止させる際に、前記ブレードのピッチ角を流入角が大きくなる方向に回転させて前記ブレードがフェザー状態になるように制御することを特徴とするダウンウインド型風車。
請求項１に記載のダウンウインド型風車において、
前記ピッチ角を制御する制御装置は、
前記ダウンウインド型風車を停止する際の前記ブレードのピッチ角または前記ピッチ角と相関関係を有する状態量を判断指標として、前記ピッチ角または前記状態量が所定値を超えるときには、前記ピッチ角を流入角が小さくなる方向に回転させ、流入角がゼロの状態を経由してフェザー状態になるように制御することを特徴とするダウンウインド型風車。
ピッチ角を制御可能なブレードを有するダウンウインド型風車の停止方法であって、
前記ピッチ角をフェザー状態に移行させて前記ブレードに作用する流体力によりブレーキを掛けて前記ダウンウインド型風車を運転状態から停止させる際に、前記ブレードのピッチ角を流入角が大きくなる方向に回転させてブレードがフェザー状態になるようにネガティブフェザー動作を行うことを特徴とするダウンウインド型風車の停止方法。
請求項３に記載のダウンウインド型風車の停止方法において、
前記ダウンウインド型風車を停止する際の前記ブレードのピッチ角または前記ピッチ角と相関関係を有する状態量を判断指標として、前記ピッチ角または前記状態量が所定値を超えるときには、前記ピッチ角を流入角が小さくなる方向に回転させ、流入角がゼロの状態を経由してフェザー状態になるようにポジティブフェザー動作を行うことを特徴とするダウンウインド型
風車の停止方法。
請求項４に記載のダウンウインド型風車の停止方法において、
複数のブレードのピッチ角の平均値を判断指標として前記ネガティブフェザー動作と前記ポジティブフェザー動作の使い分けを行うこと特徴とするダウンウインド型風車の停止方法。
請求項４に記載のダウンウインド型風車の停止方法において、
複数のブレードのピッチ角の最大値を判断指標として前記ネガティブフェザー動作と前記ポジティブフェザー動作の使い分けを行うこと特徴とするダウンウインド型風車の停止方法。
請求項４に記載のダウンウインド型風車の停止方法において、
複数のブレードのピッチ角の最小値を判断指標として前記ネガティブフェザー動作と前記ポジティブフェザー動作の使い分けを行うこと特徴とするダウンウインド型風車の停止方法。
請求項４に記載のダウンウインド型風車の停止方法において、
風速を判断指標として前記ネガティブフェザー動作と前記ポジティブフェザー動作の使い分けを行うこと特徴とするダウンウインド型風車の停止方法。
請求項４に記載のダウンウインド型風車の停止方法において、
風車の回転数を判断指標として前記ネガティブフェザー動作と前記ポジティブフェザー動作の使い分けを行うこと特徴とするダウンウインド型風車の停止方法。