JP6351558B2 - 風力発電装置および風力発電装置の起動方法 - Google Patents

風力発電装置および風力発電装置の起動方法 Download PDF

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Description

本開示は、風力発電装置および風力発電装置の起動方法に関する。
近年、環境保全の観点から風力発電装置の利用が推進されており、風力発電装置を電力系統に安定的に連系させる技術が求められている。
一般的に、風力発電装置の電力系統への併入に際しては、まず風車ロータの近傍に設置された風速計によって風車ロータの周囲風速を計測し、所定時間の平均風速がカットイン風速を超えたらブレードのピッチ角をフェザー側からファイン側へ変化させて風車ロータの回転を開始させ、風力発電装置を起動する。そして、風車ロータの回転数（又は発電機回転数）が併入回転数に達したら、風力発電装置を電力系統に併入するようになっている。
例えば、特許文献１には、ブレードのピッチ角をフェザー側からファイン側へ一定レートで変化させ、発電機回転数が併入回転数を超えた場合にはピッチ角を調整することによって発電機回転数を併入回転数に合わせる方法が記載されている。また、特許文献２には、電力系統への併入前に、ブレードのピッチ角をフェザー側からファイン側へ段階的に変化させて、風車ロータの回転数を上昇させる方法が記載されている。
米国特許出願公開第２００７／０１９４５７４号明細書 特許第５０７９０９２号公報
上述したように、風力発電装置の併入においては、電力系統に悪影響を及ぼさないように、風車ロータの回転数（又は発電機回転数）を併入に適した回転数（併入回転数）に制御した上で発電機を電力系統に併入するようになっている。そして、併入後は、発電機を解列すべき回転数（解列回転数）以上に発電機回転数を維持し、風力発電装置の連系状態を安定的に継続することが望まれている。
しかしながら、風車ロータの回転数が併入条件を満たしていても、風力発電装置を円滑に併入できない場合がある。例えば、発電機回転数は併入回転数に達しているものの風速が比較的低い場合、発電機を併入した直後に発電機回転数が解列回転数以下まで低下し、すぐに解列してしまうことがある。また、遮断器の制御を行う制御装置（例えばＣＣＵ）が電圧、周波数及び振幅の同期を取った上で併入動作を実行する場合、風力発電装置の併入時に高風速で回転数の上昇レートが大きいと、電圧、周波数及び振幅の同期を取ることが困難となり、併入完了に時間を要して併入失敗警報が発信されてしまうことがある。
この点、特許文献１及び２では、発電機を併入回転数まで適切に上げる方法については記載されているが、併入失敗のリスクを低減するための具体的な対策は記載されていない。
本発明の少なくとも幾つかの実施形態は、上述の事情に鑑み、電力系統への併入失敗のリスクを低減し得る風力発電装置および風力発電装置の起動方法を提供することを目的とする。
（１）本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係る風力発電装置は、
風力エネルギーにより電力を生成するための風力発電装置であって、
少なくとも一本のブレードを含む風車ロータと、
前記ブレードのピッチ角を変化させるためのピッチ駆動部と、
前記風車ロータの回転エネルギーによって駆動されるように構成された発電機と、
前記発電機の系統に対する連系状態を切り替えるための遮断器と、
前記風力発電装置を制御するためのコントローラと、を備え、
前記コントローラは、
前記発電機の併入回転数に対応した目標回転数に前記風車ロータの回転数が到達する前に、前記ピッチ角の変化速度を上限値以下に収めるとともに前記風車ロータの回転数を前記目標回転数に維持する一定回転数制御モードにて前記ピッチ駆動部を制御するためのピッチ制御部と、
前記風車ロータの回転数が前記目標回転数に維持された状態で、前記発電機を前記系統に併入するよう前記遮断器に併入指令を与えるように構成された併入指令生成部と、
を含む。
上記（１）の構成では、ピッチ制御部において、発電機の併入前に、風車ロータの回転数を目標回転数に維持する一定回転数制御モードにてピッチ駆動部を制御するようになっている。
これにより、風車ロータの回転数が過度にオーバーシュートすることを回避し、風車ロータの回転数を発電機の併入に適した目標回転数に迅速に調整できる。さらに、回転数上昇過程で併入する場合に比べて、一定回転数に制御された状態での併入は比較的容易であり、併入失敗のリスクを低減できる。
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記ピッチ制御部は、前記風車ロータの停止時から前記一定回転数制御モードによる前記ピッチ駆動部の制御を開始するように構成される。
上記（２）の構成によれば、風車ロータの起動時から併入時まで一定回転数制御モードによってピッチ駆動部の制御を行うようになっているので、簡素化された制御によって、風車ロータを目標回転数まで迅速に上昇させることができる。
（３）他の幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記ピッチ制御部は、
前記風車ロータの停止時から前記回転数が前記目標回転数よりも低い第１回転数閾値に到達するまでの間、規定のピッチスケジュールに従って前記ピッチ角が変化するように前記ピッチ駆動部を制御するとともに、
前記回転数が前記第１回転数閾値以上になったとき前記一定回転数制御モードにより前記ピッチ駆動部を制御するように構成される。
上記（３）の構成によれば、風車ロータの起動時から風車ロータの回転数が第１回転数閾値に到達するまでの間は規定のピッチスケジュールに従ってピッチ駆動部を制御するようになっているので、風力発電装置の風速条件等に応じて適切なピッチスケジュールを設定することによって、風車ロータの回転数を確実に上昇させることができる。
（４）一実施形態では、上記（３）の構成において、
前記ピッチスケジュールは、前記ピッチ角をファイン側に向けて待機ピッチ角まで前記ピッチ角を１以上のピッチレートにて変化させ、該待機ピッチ角に前記ピッチ角が到達したら、前記風車ロータの回転数が前記第１回転数閾値よりも低い第２回転数閾値に到達するまでの間、前記ピッチ角を待機ピッチ角にて一定に維持するように構成される。
上記（４）の構成によれば、待機ピッチ角においてピッチ角を維持し、風車ロータの回転数が確実に追従していることを確認するようになっているので、ピッチ角の変化に対して風車ロータの追従遅れが生じることを防止でき、より確実に風車ロータの回転数を目標回転数まで上昇させることができる。
（５）他の実施形態では、上記（４）の構成において、
前記ピッチスケジュールは、前記風車ロータの回転数が前記第２回転数閾値に到達したら、前記ピッチ角を前記待機ピッチ角からファイン側に向けて１以上のピッチレートにて変化させるように構成される。
上記（５）の構成では、風車ロータの回転数が確実に追従していることを確認した後、さらにピッチレートに沿ってピッチ角を変化させるようになっているので、風車ロータの回転数を確実に且つ迅速に目標回転数まで上昇させることができる。
（６）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（５）の何れかの構成において、
前記コントローラは、前記風力発電装置に作用する風の風速を示すパラメータが第１風速閾値以上であることを含む前記風力発電装置の起動条件が満たされたか否かを判定するように構成された起動条件判定部をさらに含む。
上記（６）の構成によれば、風力発電装置に作用する風の風速を示すパラメータが第１風速閾値以上であることを含む風力発電装置の起動条件が満たされた場合に、風車ロータの制御を開始するようにしている。これにより、風力発電装置を適切なタイミングで起動させることができる。
（７）幾つかの実施形態では、上記（６）の構成において、
前記ピッチ制御部は、
前記パラメータが前記第１風速閾値未満の第２風速閾値以上である場合、前記一定回転数制御モードによる前記ピッチ駆動部の制御を行い、
前記ピッチ角がファイン側のリミット値に達しており、且つ、前記パラメータが前記第２風速閾値未満である場合、前記ピッチ角をフェザー側に変化させるか、または、前記ピッチ角をフェザー側に変化させた後、フルフェザーピッチ角とフルファインピッチ角の間の待機ピッチ角に前記ピッチ角を維持するかの少なくとも一方を実行する
ように構成される。
上記（７）の構成によれば、風速が小さい場合であっても僅かな風力エネルギーを用いて風車ロータを回転させ続けるようにしたので、風車ロータの慣性エネルギーの消失を防ぐことができる。そのため、十分な風速が得られるようになったとき、迅速且つ効率的に風車ロータを目標回転数まで上昇させることができる。
（８）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（７）の何れかの構成において、
前記コントローラは、前記併入指令生成部からの前記併入指令を受けたとき、前記発電機側の電圧、位相および周波数と、前記系統側の電圧、位相および周波数との差が同期可能範囲内に収まったか否かを判定するように構成された同期判定部をさらに含み、
前記遮断器は、前記同期判定部により前記差が前記同期可能範囲内に収まったと判定されたときに閉じられるように構成される。
上記（８）の構成によれば、発電機側の電圧、位相および周波数が適正な値のときに発電機を併入するようにしたので、発電機の併入によって系統側へ悪影響を及ぼすことを防止でき、風力発電装置の円滑な連系が可能となる。
（９）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（８）の何れかの構成において、
前記コントローラは、前記風力発電装置の暖気運転モードで稼働中、前記併入指令生成部からの前記併入指令を出力せず、前記風車ロータを無負荷で回転させる暖気運転モードにて前記風力発電装置を制御するように構成される。
上記（９）の構成によれば、風力発電装置の暖気運転モードにおいては発電機を系統に併入せず、風車ロータを無負荷で回転させて風車ロータの回転エネルギーを暖気運転に用いるようになっている。これにより、風力発電装置の暖気運転を円滑に行うことが可能となる。
（１０）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（８）の何れかの構成において、
前記風車ロータの回転を前記発電機に伝えるためのドライブトレインをさらに備え、
前記ドライブトレインは、
前記風車ロータの回転により駆動され、作動油を昇圧して圧油を生成するように構成された油圧ポンプと、
前記油圧ポンプから供給された前記圧油を用いて前記発電機を駆動するように構成された油圧モータと、
前記油圧ポンプと前記油圧モータとの間に設けられる高圧ライン及び低圧ラインと、
前記油圧モータをバイパスするように前記高圧ラインと前記低圧ラインとに接続されたバイパスラインと、
前記バイパスラインにおける前記作動油の流れを制御するためのバイパス弁と、を含み、
前記コントローラは、前記風力発電装置の前記暖気運転モードでの稼働中、前記バイパス弁を開いて、前記油圧モータを介さずに前記高圧ラインの前記作動油を前記低圧ラインに導くように構成される。
上記（１０）の構成によれば、風力発電装置の暖気運転において、風車ロータの回転エネルギーを油圧ポンプで圧力エネルギーに変換した後、油圧ポンプで生成された高圧ラインの作動油を、油圧モータを介さずに低圧ラインに導くようになっている。そのため、高圧の圧油の圧力エネルギーを、油圧モータでの仕事に用いることなく、温熱エネルギーとして暖気運転に用いることができる。またこの構成においては、既存の設備を用いて、風車ロータの回転エネルギーを温熱エネルギーに変換することができる。
（１１）本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係る風力発電装置の起動方法は、
少なくとも一本のブレードを含む風車ロータと、前記ブレードのピッチ角を変化させるためのピッチ駆動部と、前記風車ロータの回転エネルギーによって駆動されるように構成された発電機と、前記発電機の系統に対する連系状態を切り替えるための遮断器と、を備えた風力発電装置の起動方法であって、
前記発電機の併入回転数に対応した目標回転数に前記風車ロータの回転数が到達する前に、前記ピッチ角の変化速度を上限値以下に収めるとともに前記風車ロータの回転数を前記目標回転数に維持する一定回転数制御モードにて前記ピッチ駆動部を制御するピッチ制御ステップと、
前記風車ロータの回転数が前記目標回転数に維持された状態で、前記発電機を前記系統に併入するよう前記遮断器に併入指令を与える併入指令生成ステップと、
を備える。
上記（１１）の方法によれば、風車ロータの回転数が過度にオーバーシュートすることを回避し、風車ロータの回転数を発電機の併入に適した目標回転数に迅速に調整できる。さらに、回転数上昇過程で併入する場合に比べて、一定回転数に制御された状態での併入は比較的容易であり、併入失敗のリスクを低減できる。
（１２）幾つかの実施形態では、上記（１１）の方法において、
前記ピッチ制御ステップでは、前記風車ロータの停止時から前記一定回転数制御モードによる前記ピッチ駆動部の制御を開始する。
上記（１２）の方法によれば、風車ロータの起動時から併入時まで一定回転数制御モードによってピッチ駆動部の制御を行うようになっているので、簡素化された制御によって、風車ロータを目標回転数まで迅速に上昇させることができる。
（１３）幾つかの実施形態では、上記（１１）の方法において、
前記ピッチ制御ステップでは、
前記風車ロータの停止時から前記回転数が前記目標回転数よりも低い第１回転数閾値に到達するまでの間、規定のピッチスケジュールに従って前記ピッチ角が変化するように前記ピッチ駆動部を制御するとともに、
前記回転数が前記第１回転数閾値以上になったとき前記一定回転数制御モードにより前記ピッチ駆動部を制御する。
上記（１３）の方法によれば、風車ロータの起動時から風車ロータの回転数が第１回転数閾値に到達するまでの間は規定のピッチスケジュールに従ってピッチ駆動部を制御するようになっているので、風力発電装置の風速条件等に応じて適切なピッチスケジュールを設定することによって、風車ロータの回転数を確実に上昇させることができる。
（１４）幾つかの実施形態では、上記（１３）の方法において、
前記風力発電装置に作用する風の風速を示すパラメータが第１風速閾値以上であることを含む前記風力発電装置の起動条件が満たされたか否かを判定する起動条件判定ステップをさらに備える。
上記（１４）の方法によれば、風力発電装置に作用する風の風速を示すパラメータが第１風速閾値以上であることを含む風力発電装置の起動条件が満たされた場合に、風車ロータの制御を開始するようにしている。これにより、風力発電装置を適切なタイミングで起動させることができる。
（１５）他の幾つかの実施形態では、上記（１）の方法において、
前記ピッチ制御ステップは、
前記パラメータが前記第１風速閾値未満の第２風速閾値以上である場合、前記一定回転数制御モードによる前記ピッチ駆動部の制御を行い、
前記ピッチ角がファイン側のリミット値に達しており、且つ、前記パラメータが前記第２風速閾値未満である場合、前記ピッチ角をフェザー側に変化させるか、または、前記ピッチ角をフェザー側に変化させた後、フルフェザーピッチ角とフルファインピッチ角の間の待機ピッチ角に前記ピッチ角を維持するかの少なくとも一方を実行する。
上記（１５）の方法によれば、風速が小さい場合であっても僅かな風力エネルギーを用いて風車ロータを回転させ続けるようにしたので、風車ロータの慣性エネルギーの消失を防ぐことができる。そのため、十分な風速が得られるようになったとき、迅速且つ効率的に風車ロータを目標回転数まで上昇させることができる。
本発明の少なくとも幾つかの実施形態によれば、風車ロータの回転数を迅速に目標回転数まで上昇させることができるとともに、発電機の電力系統への併入失敗のリスクを低減することができる。
一実施形態に係る風力発電装置の概略構成を示すブロック図である。 一実施形態に係る風力発電装置の各パラメータの時系列変化を示すタイムチャートである。 他の実施形態に係る風力発電装置の各パラメータの時系列変化を示すタイムチャートである。 一実施形態に係る油圧トランスミッションの構成図である。 一実施形態に係る風力発電装置の起動方法を概略的に示すフローチャートである。 一実施形態に係る風力発電装置の起動方法の具体例を示すフローチャートである。
以下、添付図面に従って本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
最初に、図１乃至図３を例示しながら、幾つかの実施形態に係る風力発電装置１の全体構成について説明する。なお、図１は、一実施形態に係る風力発電装置１の概略構成を示すブロック図である。図２は、一実施形態に係る風力発電装置の各パラメータの時系列変化を示すタイムチャートである。図３は、他の実施形態に係る風力発電装置の各パラメータの時系列変化を示すタイムチャートである。
図１に示すように、幾つかの実施形態にかかる風力発電装置１は、風力エネルギーにより電力を生成するように構成されている。より具体的には、風力発電装置１は、分散型電源の一つとして、系統（電力系統）１００に連系可能に構成されている。なお、風力発電装置１は、洋上風力発電装置であってもよいし、陸上風力発電装置であってもよい。
幾つかの実施形態において、風力発電装置１は、風車ロータ２と、ピッチ駆動部２０と、発電機７と、遮断器１０と、コントローラ３０と、を備えている。
また、風力発電装置１は、風車ロータ２のブレード３のピッチ角を検出するためのピッチ角センサ２２、風車ロータ２の回転数（ロータ回転数）を検出するための回転数センサ２４、発電機７の回転数（発電機回転数）を検出するための回転数センサ２５、又は、風車ロータ２近傍の風速を計測するための風速計２６の少なくとも一つを、適宜含んでいてもよい。なお、ロータ回転数と発電機回転数とは対応しているため、制御で用いられる回転数としては何れを用いてもよいが、以下の実施形態では主にロータ回転数を用いて制御を行う場合について説明する。但し、実際の制御においてはロータ回転数の替わりに、発電機回転数を用いてもよい。
風車ロータ２は、少なくとも一本のブレード３を含む。なお、風車ロータ２とは、ブレード３が風を受けることによって、ブレード３と共に一体的に回転する部位を含んでもよい。例えば、風車ロータ２は、ハブ４に対して放射状に取付けられた複数のブレード３を含み、ブレード３が風を受けることでブレード３及びハブ４が一体的に回転するように構成される。なお、風車ロータ２は、ブレード３及びハブ４に加えて、ハブ４に接続された主軸５をさらに含んでもよい。
ピッチ駆動部２０は、ブレード３のピッチ角を変化させるように構成される。具体的には、ピッチ駆動部２０は、後述するピッチ制御部３１のピッチ指令に基づいて、ブレード３のピッチ角を変化させるためのピッチアクチュエータである。例えば、ピッチ駆動部２０は、油圧シリンダや空気圧シリンダ等の機械的なアクチュエータであってもよいし、サーボモータ等の電気的なアクチュエータであってもよい。
また、ピッチ駆動部２０はハブ４内に配置されていてもよい。風車ロータ２が複数のブレード３を有する場合、複数のブレード３のそれぞれにピッチ駆動部２０が設けられていてもよい。
発電機７は、風車ロータ２の回転エネルギーによって駆動されるように構成される。発電機７は、誘導発電機であってもよいし、同期発電機であってもよい。
図１に示されるように、風車ロータ２と発電機７との間には、ドライブトレイン６が設けられていてもよい。ドライブトレイン６は、例えば、ギア式増速機であってもよいし、後述する油圧トランスミッション６０であってもよい。あるいは、風車ロータ２と発電機７とが直結された構成（不図示）であってもよい。
遮断器１０は、発電機７の系統１００に対する連系状態を切り替えるように構成される。この遮断器１０は、コントローラ３０によって開閉制御されるようになっている。
なお、発電機７と系統１００との間には、発電機７で発電された電力を変圧するための電力変圧器や、平常時の負荷電流を開閉するための電源開閉器盤などが設けられていてもよい。
コントローラ３０は、風力発電装置１の制御を行うように構成されている。
一実施形態において、コントローラ３０は、ピッチ制御部３１と、併入指令生成部３２と、を含む。
なお、図１に概略的に示す図において、コントローラ３０は、ピッチ制御部３１や併入指令生成部３２等の複数の機能を含んで物理的に一体に構成されているように記載されているが、コントローラ３０は、物理的に離れて配置される複数の装置によって構成されてもよい。例えばコントローラ３０は、図示は省略するが、ナセル内に配置されるＷＴＣコントローラ及びコンバータ制御装置と、ハブ４内に配置されるピッチコントローラと、を含んでいてもよい。
ピッチ制御部３１は、ピッチ駆動部２０を制御することによって、ブレード３のピッチ角を調整するように構成される。具体的には、ピッチ制御部３１は、発電機７の併入回転数に対応した目標回転数に風車ロータ２の回転数が到達する前に、ピッチ角の変化速度を上限値以下に収めるとともに風車ロータ２の回転数を目標回転数に維持する一定回転数制御モード（図２及び図３の一定回転数制御モード（ｂ）参照）にてピッチ駆動部２０を制御するように構成される。また、ピッチ制御部３１は、ピッチスケジュールに沿ってピッチ駆動部２０を制御するようにしてもよい。ここで、ピッチスケジュールモードは、例えば、予め設定された少なくとも一つのピッチレートで、フェザー側からファイン側へ向けてピッチ角を変化させるモードである。さらに、ピッチ制御部３１は、発電機７の併入後におけるピッチ角のファイン側に向かう変化速度を上限値以下に制限するためのピッチレートリミッタを有していてもよい。これにより、発電機７の併入前後において、高風速下においても発電機７が過回転となることを防止し、風力発電装置１の円滑な電力供給を可能とする。
併入指令生成部３２は、風車ロータ２の回転数が目標回転数に維持された状態で、発電機７を系統１００に併入するよう遮断器１０に併入指令を与えるように構成される。
上記構成では、ピッチ制御部３１において、発電機７の併入前に、風車ロータ２の回転数を目標回転数に維持する一定回転数制御モードにてピッチ駆動部２０を制御するようになっている。
これにより、風車ロータ２の回転数が過度にオーバーシュートすることを回避し、風車ロータ２の回転数を発電機７の併入に適した目標回転数に迅速に調整できる。さらに、回転数上昇過程で併入する場合に比べて、一定回転数に制御された状態での併入は比較的容易であり、併入失敗のリスクを低減できる。
幾つかの実施形態では、図２に例示されるように、ピッチ制御部３１は、風車ロータ２の停止時から一定回転数制御モードによるピッチ駆動部２０の制御を開始するように構成される。
上記構成によれば、風車ロータ２の起動時から併入時まで一定回転数制御モードによってピッチ駆動部２０の制御を行うようになっているので、簡素化された制御によって、風車ロータ２を目標回転数まで迅速に上昇させることができる。
他の幾つかの実施形態では、図３に例示されるように、ピッチ制御部３１は、風車ロータ２の停止時から回転数が目標回転数よりも低い第１回転数閾値に到達するまでの間、規定のピッチスケジュールに従ってピッチ角が変化するようにピッチ駆動部を制御するとともに、回転数が第１回転数閾値以上になったとき一定回転数制御モードによりピッチ駆動部を制御するように構成される。
この構成によれば、風車ロータ２の起動時から風車ロータ２の回転数が第１回転数閾値に到達するまでの間は規定のピッチスケジュールに従ってピッチ駆動部２０を制御するようになっているので、風力発電装置１の風速条件等に応じて適切なピッチスケジュールを設定することによって、風車ロータ２の回転数を確実に上昇させることができる。
この場合、ピッチスケジュールは、ピッチ角をファイン側に向けて待機ピッチ角までピッチ角を１以上のピッチレートにて変化させ、該待機ピッチ角にピッチ角が到達したら、風車ロータ２の回転数が第１回転数閾値よりも低い第２回転数閾値に到達するまでの間、ピッチ角を待機ピッチ角にて一定に維持するように構成される。
上記構成によれば、待機ピッチ角においてピッチ角を維持し、風車ロータ２の回転数が確実に追従していることを確認するようになっているので、ピッチ角の変化に対して風車ロータの追従遅れが生じることを防止でき、より確実に風車ロータ２の回転数を目標回転数まで上昇させることができる。
さらにこの場合、ピッチスケジュールは、風車ロータ２の回転数が第２回転数閾値に到達したら、ピッチ角を待機ピッチ角からファイン側に向けて１以上のピッチレートにて変化させるように構成される。
上記構成では、風車ロータ２の回転数が確実に追従していることを確認した後、さらにピッチレートに沿ってピッチ角を変化させるようになっているので、風車ロータ２の回転数を確実に且つ迅速に目標回転数まで上昇させることができる。
上記した風力発電装置１は、以下に示す構成の少なくともいずれかを更に備えていてもよい。
幾つかの実施形態では、コントローラ３０は、起動条件判定部３３または同期判定部３４の少なくとも一方を更に含む。
起動条件判定部３３は、風力発電装置１に作用する風の風速を示すパラメータが第１風速閾値以上であることを含む風力発電装置１の起動条件が満たされたか否かを判定するように構成される。
上記構成によれば、風力発電装置１に作用する風の風速を示すパラメータが第１風速閾値以上であることを含む風力発電装置１の起動条件が満たされた場合に、風車ロータの制御を開始するようにしている。これにより、風力発電装置１を適切なタイミングで起動させることができる。
この場合、ピッチ制御部３１は、パラメータが第１風速閾値未満の第２風速閾値以上である場合、一定回転数制御モードによるピッチ駆動部２０の制御を行う。また、ピッチ制御部３１は、ピッチ角がファイン側のリミット値に達しており、且つ、パラメータが第２風速閾値未満である場合、ピッチ角をフェザー側に変化させるか、または、ピッチ角をフェザー側に変化させた後、フルフェザーピッチ角とフルファインピッチ角の間の待機ピッチ角にピッチ角を維持するかの少なくとも一方を実行するように構成される。
上記構成によれば、風速が小さい場合であっても僅かな風力エネルギーを用いて風車ロータ２を回転させ続けるようにしたので、風車ロータ２の慣性エネルギーの消失を防ぐことができる。そのため、十分な風速が得られるようになったとき、迅速且つ効率的に風車ロータ２を目標回転数まで上昇させることができる。
同期判定部３４は、併入指令生成部３２からの併入指令を受けたとき、発電機７側の電圧、位相および周波数と、系統１００側の電圧、位相および周波数との差が同期可能範囲内に収まったか否かを判定するように構成される。
遮断器は、同期判定部により差が同期可能範囲内に収まったと判定されたときに閉じられるように構成される。
上記構成によれば、発電機７側の電圧、位相および周波数が適正な値のときに発電機７を併入するようにしたので、発電機７の併入によって系統１００側へ悪影響を及ぼすことを防止でき、風力発電装置１の円滑な連系が可能となる。
幾つかの実施形態では、コントローラ３０は、風力発電装置１の暖気運転モードで稼働中、併入指令生成部３２からの併入指令を出力せず、風車ロータ２を無負荷で回転させる暖気運転モードにて風力発電装置１を制御するように構成される。暖機運転モードにて風力発電装置１を制御した後は、併入へ向けて条件を整える運転を行う。
上記構成によれば、風力発電装置１の暖気運転モードにおいては発電機７を系統１００に併入せず、風車ロータ２を無負荷で回転させて風車ロータ２の回転エネルギーを暖気運転に用いるようになっている。これにより、風力発電装置１の暖気運転を円滑に行うことが可能となる。
この暖機運転モードは、図４に示す油圧トランスミッション６０の既存の構成を用いて実行することもできる。
図４は、一実施形態に係る油圧トランスミッション６０の構成図である。
油圧トランスミッション６０は、風車ロータ２の回転を発電機７に伝えるためのドライブトレイン６（図１参照）の一種である。
幾つかの実施形態において、油圧トランスミッション６０は、油圧ポンプ６１と、油圧モータ６２と、油圧ライン６３と、を備えている。
油圧ポンプ６１は、風車ロータ２の回転により駆動され、作動油を昇圧して圧油を生成するように構成される。
油圧モータ６２は、油圧ポンプ６１から供給された圧油を用いて発電機７を駆動するように構成される。
油圧ライン６３は、油圧ポンプ６１と油圧モータ６２との間に設けられる高圧ライン６３Ａ及び低圧ライン６３Ｂと、油圧モータ６２をバイパスするように高圧ライン６３Ａと低圧ライン６３Ｂとに接続されたバイパスライン６３Ｃと、を含む。バイパスライン６３Ｃには、作動油の流れを制御するためのバイパス弁６４が設けられている。
このバイパスライン６３Ｃ及びバイパス弁６４は、通常、高圧ライン６３Ａの作動油（圧油）の圧力を設定圧力以下に保持するために設けられる。すなわち、高圧ライン６３Ａ内の圧力がバイパス弁６４の設定圧力まで上昇すれば、バイパス弁６４が自動的に開いて、バイパスライン６３Ｃを介して低圧ライン６３Ｂに圧油を逃すようになっている。
一実施形態において、バイパスライン６３Ｃ及びバイパス弁６４は暖機運転モードにおいて作動油の圧力エネルギーを温熱エネルギーに変換するために用いられる。この場合、バイパス弁６４は、暖機運転モードにおいて差圧の大きさに関わらず開閉し得るように、開閉制御可能な電磁弁であってもよい。
油圧ポンプ６１の吐出側は、高圧ライン６３Ａによって油圧モータ６２の吸込側に接続されており、油圧ポンプ６１の吸込側は、低圧ライン６３Ｂによって油圧モータ６２の吐出側に接続されている。油圧ポンプ６１から吐出された圧油は、高圧ライン６３Ａを介して油圧モータ６２に流入し、油圧モータ６２を駆動する。油圧モータ６２で仕事を行った作動油（低圧油）は、低圧ライン６３Ｂを介して油圧ポンプ６１に流入して、油圧ポンプ６１で昇圧された後、再び高圧ライン６３Ａを介して油圧モータ６２に流入する。
また、コントローラ３０は、風力発電装置の暖気運転モードでの稼働中（例えば暖機運転指令に応じて）、バイパス弁６４を開いて、油圧モータ６２を介さずに高圧ライン６３Ａの圧油を低圧ライン６３Ｂに導くように構成される。
この構成によれば、風力発電装置１の暖気運転において、風車ロータ２の回転エネルギーを油圧ポンプ６１で圧力エネルギーに変換した後、油圧ポンプ６１で生成された高圧ライン６３Ａの作動油を、油圧モータ６２を介さずに低圧ライン６３Ｂに導くようになっている。そのため、高圧の圧油の圧力エネルギーを、油圧モータでの仕事に用いることなく、温熱エネルギーとして暖気運転に用いることができる。またこの構成においては、既存の設備を用いて、風車ロータ２の回転エネルギーを温熱エネルギーに変換することができる。
さらに、低圧ライン６３Ｂには、作動油中の不純物を除去するオイルフィルタ６６と、作動油を冷却するオイルクーラ６７が設けられていてもよい。なお、オイルクーラ６７は、暖機運転時にバイパスライン６３Ｃから流入する温熱エネルギーを奪わないように、バイパスライン６３Ｃの低圧ライン６３Ｂとの接続部よりも上流側（油圧モータ６２側）に設けられてもよい。あるいは、オイルクーラ（熱交換器）をバイパスライン６３Ｃの低圧ライン６３Ｂとの接続部よりも下流側（油圧ポンプ６１側）に配置し、オイルクーラ６７で回収した温熱エネルギーを暖機運転に用いるようにしてもよい。
また、高圧ライン６３Ａ又は低圧ライン６３Ｂには脈動防止用アキュムレータ（図示略）が設けられていてもよい。
さらに、油圧トランスミッション６０には、オイルタンク６８、補充ライン６９、ブーストポンプ７０、オイルフィルタ７１、返送ライン７２、低圧リリーフ弁７３が設けられていてもよい。
そして、油圧モータ６２からの戻り流れの全部又は一部がこれらのユニットの一つ以上を通過するようにしてもよい。
他の実施形態として、ドライブトレイン６としてギヤ式増速機を用いる場合、暖機運転では、風力エネルギーを発電機７から発電力として取り出すことなく、主軸５に接続された増速機の内部で油を撹拌することによって、風力エネルギーを温熱エネルギーに変換してもよい。
次に、図５及び図６を参照して、幾つかの実施形態に係る風力発電装置１の起動方法について説明する。図５は、一実施形態に係る風力発電装置の起動方法を概略的に示すフローチャートである。図６は、一実施形態に係る風力発電装置の起動方法の具体例を示すフローチャートである。なお、ここでは、適宜、図１に示した符号を用いて説明する。
上述したように、風力発電装置１は、少なくとも一本のブレード３を含む風車ロータ２と、ブレード３のピッチ角を変化させるためのピッチ駆動部２０と、風車ロータ２の回転エネルギーによって駆動されるように構成された発電機７と、発電機７の系統１００に対する連系状態を切り替えるための遮断器１０と、を備えている。
幾つかの実施形態に係る風力発電装置１の起動方法は、ピッチ制御ステップＳ２と、併入指令生成ステップＳ３と、を含む。
また、この風力発電装置１の起動方法は、起動条件判定ステップＳ１又は同期判定ステップＳ４の少なくとも一方を更に含んでいてもよい。
起動ステップＳ１は、風力発電装置１に作用する風の風速を示すパラメータが第１風速閾値以上であることを含む風力発電装置の起動条件が満たされたか否かを判定する。例えば、風速計２６で計測された風速の所定時間の平均値（平均風速）が、予め設定した起動風速よりも大きくなったら風力発電装置１を起動する。これにより、風力発電装置１に作用する風の風速を示すパラメータが第１風速閾値以上であることを含む風力発電装置１の起動条件が満たされた場合に、風車ロータ２の制御を開始するようにしている。これにより、風力発電装置１を適切なタイミングで起動させることができる。
ピッチ制御ステップＳ２は、発電機７の併入回転数に対応した目標回転数に風車ロータ２の回転数が到達する前に、ピッチ角の変化速度を上限値以下に収めるとともに風車ロータ２の回転数を目標回転数に維持する一定回転数制御モードにてピッチ駆動部２０を制御する。
併入指令生成ステップＳ３は、風車ロータ２の回転数が目標回転数に維持された状態で、発電機７を系統１００に併入するよう遮断器１０に併入指令を与える。
上記方法では、風車ロータ２の回転数が過度にオーバーシュートすることを回避し、風車ロータ２の回転数を発電機の併入に適した目標回転数に迅速に調整できる。さらに、回転数上昇過程で併入する場合に比べて、一定回転数に制御された状態での併入は比較的容易であり、併入失敗のリスクを低減できる。
一実施形態では、図２に例示されるように、ピッチ制御ステップＳ２では、風車ロータ２の停止時から一定回転数制御モードによるピッチ駆動部２０の制御を開始する。
この方法によれば、風車ロータ２の起動時から併入時まで一定回転数制御モードによってピッチ駆動部２０の制御を行うようになっているので、簡素化された制御によって、風車ロータ２を目標回転数まで迅速に上昇させることができる。
他の実施形態では、図３に例示されるように、ピッチ制御ステップＳ２では、風車ロータ２の停止時から回転数が目標回転数よりも低い第１回転数閾値に到達するまでの間、規定のピッチスケジュールに従ってピッチ角が変化するようにピッチ駆動部２０を制御するとともに、回転数が第１回転数閾値以上になったとき一定回転数制御モードによりピッチ駆動部２０を制御する。
この方法によれば、風車ロータ２の起動時から風車ロータ２の回転数が第１回転数閾値に到達するまでの間は規定のピッチスケジュールに従ってピッチ駆動部２０を制御するようになっているので、風力発電装置１の風速条件等に応じて適切なピッチスケジュールを設定することによって、風車ロータ２の回転数を確実に上昇させることができる。
一実施形態において、ピッチ制御ステップＳ２は、パラメータが第１風速閾値未満の第２風速閾値以上である場合、一定回転数制御モードによるピッチ駆動部２０の制御を行い、ピッチ角がファイン側のリミット値に達しており、且つ、パラメータが第２風速閾値未満である場合、ピッチ角をフェザー側に変化させるか、または、ピッチ角をフェザー側に変化させた後、フルフェザーピッチ角とフルファインピッチ角の間の待機ピッチ角にピッチ角を維持するか、少なくとも一方を実行する。
この方法によれば、風速が小さい場合であっても僅かな風力エネルギーを用いて風車ロータ２を回転させ続けるようにしたので、風車ロータ２の慣性エネルギーの消失を防ぐことができる。そのため、十分な風速が得られるようになったとき、迅速且つ効率的に風車ロータ２を目標回転数まで上昇させることができる。
図６は、一実施形態に係る風力発電装置１の起動方法の具体例を示すフローチャートである。適宜、図２又は図３を参照しながら説明する。
まず、待機ステートの起動条件判定ステップＳ１（図５参照）において、風速計２６で計測された風速の所定時間における平均風速が、カットイン風速又は第１風速閾値以上であるか否かを判定する。
平均風速が、カットイン風速又は第１風速閾値以上である場合、風力発電装置１の起動指令が発信されて待機ステートから起動ステートに移行する。
起動ステートでは、図２に例示したように一定回転数制御モード（ｂ）でピッチ駆動部２０を制御してピッチ角を変化させるか、あるいは、図３に例示したようにピッチスケジュール制御モードでピッチ駆動部２０を制御してピッチ角を変化させる。これによってブレード３のピッチ角はフェザー側からファイン側へ変化していく。
そして、ロータ回転数が目標回転数（例えば併入回転数または併入回転数に近い回転数）を超えたか否かを判断し、ロータ回転数が目標回転数以上である場合、発電機７側の電圧、位相および周波数と、系統１００側の電圧、位相および周波数との差が同期可能範囲内に収まったか否かを判定する。発電機７側と系統１００側とで同期が取れている場合には、発電機７を系統１００に併入する。
一方、ロータ回転数が目標回転数に満たない場合、ロータ回転数が所定回転数まで低下したか否かを更に判定し、ロータ回転数が所定回転数まで低下している場合には、待機ステートに移行する。ロータ回転数が所定回転数までは低下していない場合は、起動ステートを継続する。
以上説明したように、風車ロータ２の回転数を迅速に目標回転数まで上昇させることができるとともに、発電機７の電力系統１００への併入失敗のリスクを低減することができる。
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。例えば、上述した実施形態のうち複数を適宜組み合わせてもよい。
１ 風力発電装置
２ 風車ロータ
３ ブレード
４ ハブ
５ 主軸
６ ドライブトレイン
７ 発電機
１０ 遮断器
２０ ピッチ駆動部
２２ ピッチ角センサ
２４，２５ 回転数センサ
２６ 風速計
３０ コントローラ
３１ ピッチ制御部
３２ 併入指令生成部
３３ 起動条件判定部
３４ 同期判定部
６０ 油圧トランスミッション
６１ 油圧ポンプ
６２ 油圧モータ
６３ 油圧ライン
６３Ａ 高圧ライン
６３Ｂ 低圧ライン
６３Ｃ バイパスライン
６４ バイパス弁
１００ 系統

Claims (11)

  1. 風力エネルギーにより電力を生成するための風力発電装置であって、
    少なくとも一本のブレードを含む風車ロータと、
    前記ブレードのピッチ角を変化させるためのピッチ駆動部と、
    前記風車ロータの回転エネルギーによって駆動されるように構成された発電機と、
    前記発電機の系統に対する連系状態を切り替えるための遮断器と、
    前記風力発電装置を制御するためのコントローラと、を備え、
    前記コントローラは、
    前記発電機の併入回転数に対応した目標回転数に前記風車ロータの回転数が到達する前に、前記ピッチ角の変化速度を上限値以下に収めるとともに前記風車ロータの回転数を前記目標回転数に維持しようとする一定回転数制御モードにて前記ピッチ駆動部を制御するためのピッチ制御部と、
    前記風車ロータの回転数が前記目標回転数に維持された状態で、前記発電機を前記系統に併入するよう前記遮断器に併入指令を与えるように構成された併入指令生成部と、
    を含み、
    前記ピッチ制御部は、
    前記風車ロータの停止時から前記回転数が前記目標回転数よりも低い第１回転数閾値に到達するまでの間、規定のピッチスケジュールに従って前記ピッチ角が変化するように前記ピッチ駆動部を制御するとともに、
    前記回転数が前記第１回転数閾値以上になったとき前記一定回転数制御モードにより前記ピッチ駆動部を制御する
    ように構成された
    ことを特徴とする風力発電装置。
  2. 前記ピッチスケジュールは、前記ピッチ角をファイン側に向けて待機ピッチ角まで前記ピッチ角を１以上のピッチレートにて変化させ、該待機ピッチ角に前記ピッチ角が到達したら、前記風車ロータの回転数が前記第１回転数閾値よりも低い第２回転数閾値に到達するまでの間、前記ピッチ角を待機ピッチ角にて一定に維持するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
  3. 前記ピッチスケジュールは、前記風車ロータの回転数が前記第２回転数閾値に到達したら、前記ピッチ角を前記待機ピッチ角からファイン側に向けて１以上のピッチレートにて変化させるように構成されたことを特徴とする請求項２に記載の風力発電装置。
  4. 前記コントローラは、前記風力発電装置に作用する風の風速を示すパラメータが第１風速閾値以上であることを含む前記風力発電装置の起動条件が満たされたか否かを判定するように構成された起動条件判定部をさらに含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の風力発電装置。
  5. 前記ピッチ制御部は、前記起動条件の充足に伴う前記風力発電装置の起動開始後、
    前記パラメータが前記第１風速閾値未満の第２風速閾値以上である場合、前記一定回転数制御モードによる前記ピッチ駆動部の制御を行い、
    前記ピッチ角がファイン側のリミット値に達しており、且つ、前記パラメータが前記第２風速閾値未満である場合、前記ピッチ角をフェザー側に変化させるか、または、前記ピッチ角をフェザー側に変化させた後、フルフェザーピッチ角とフルファインピッチ角の間の待機ピッチ角に前記ピッチ角を維持するかの少なくとも一方を実行する
    ように構成されたことを特徴とする請求項４に記載の風力発電装置。
  6. 前記コントローラは、前記併入指令生成部からの前記併入指令を受けたとき、前記発電機側の電圧、位相および周波数と、前記系統側の電圧、位相および周波数との差が同期可能範囲内に収まったか否かを判定するように構成された同期判定部をさらに含み、
    前記遮断器は、前記同期判定部により前記差が前記同期可能範囲内に収まったと判定されたときに閉じられるように構成されたことを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の風力発電装置。
  7. 前記コントローラは、前記風力発電装置の暖気運転モードで稼働中、前記併入指令生成部からの前記併入指令を出力せず、前記風車ロータを無負荷で回転させる暖気運転モードにて前記風力発電装置を制御するように構成されたことを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の風力発電装置。
  8. 風力エネルギーにより電力を生成するための風力発電装置であって、
    少なくとも一本のブレードを含む風車ロータと、
    前記ブレードのピッチ角を変化させるためのピッチ駆動部と、
    前記風車ロータの回転エネルギーによって駆動されるように構成された発電機と、
    前記発電機の系統に対する連系状態を切り替えるための遮断器と、
    前記風力発電装置を制御するためのコントローラと、を備え、
    前記コントローラは、
    前記発電機の併入回転数に対応した目標回転数に前記風車ロータの回転数が到達する前に、前記ピッチ角の変化速度を上限値以下に収めるとともに前記風車ロータの回転数を前記目標回転数に維持しようとする一定回転数制御モードにて前記ピッチ駆動部を制御するためのピッチ制御部と、
    前記風車ロータの回転数が前記目標回転数に維持された状態で、前記発電機を前記系統に併入するよう前記遮断器に併入指令を与えるように構成された併入指令生成部と、
    を含み、
    前記コントローラは、前記風力発電装置の暖気運転モードで稼働中、前記併入指令生成部からの前記併入指令を出力せず、前記風車ロータを無負荷で回転させる暖気運転モードにて前記風力発電装置を制御するように構成され、
    前記風車ロータの回転を前記発電機に伝えるためのドライブトレインをさらに備え、
    前記ドライブトレインは、
    前記風車ロータの回転により駆動され、作動油を昇圧して圧油を生成するように構成された油圧ポンプと、
    前記油圧ポンプから供給された前記圧油を用いて前記発電機を駆動するように構成された油圧モータと、
    前記油圧ポンプと前記油圧モータとの間に設けられる高圧ライン及び低圧ラインと、
    前記油圧モータをバイパスするように前記高圧ラインと前記低圧ラインとに接続されたバイパスラインと、
    前記バイパスラインにおける前記作動油の流れを制御するためのバイパス弁と、を含み、
    前記コントローラは、前記風力発電装置の前記暖気運転モードでの稼働中、前記バイパス弁を開いて、前記油圧モータを介さずに前記高圧ラインの前記作動油を前記低圧ラインに導くように構成されたことを特徴とする風力発電装置。
  9. 少なくとも一本のブレードを含む風車ロータと、前記ブレードのピッチ角を変化させるためのピッチ駆動部と、前記風車ロータの回転エネルギーによって駆動されるように構成された発電機と、前記発電機の系統に対する連系状態を切り替えるための遮断器と、を備えた風力発電装置の起動方法であって、
    前記発電機の併入回転数に対応した目標回転数に前記風車ロータの回転数が到達する前に、前記ピッチ角の変化速度を上限値以下に収めるとともに前記風車ロータの回転数を前記目標回転数に維持しようとする一定回転数制御モードにて前記ピッチ駆動部を制御するピッチ制御ステップと、
    前記風車ロータの回転数が前記目標回転数に維持された状態で、前記発電機を前記系統に併入するよう前記遮断器に併入指令を与える併入指令生成ステップと、
    を備え、
    前記ピッチ制御ステップでは、
    前記風車ロータの停止時から前記回転数が前記目標回転数よりも低い第１回転数閾値に到達するまでの間、規定のピッチスケジュールに従って前記ピッチ角が変化するように前記ピッチ駆動部を制御するとともに、
    前記回転数が前記第１回転数閾値以上になったとき前記一定回転数制御モードにより前記ピッチ駆動部を制御する
    ことを特徴とする風力発電装置の起動方法。
  10. 前記風力発電装置に作用する風の風速を示すパラメータが第１風速閾値以上であることを含む前記風力発電装置の起動条件が満たされたか否かを判定する起動条件判定ステップをさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の風力発電装置の起動方法。
  11. 前記ピッチ制御ステップは、前記起動条件の充足に伴う前記風力発電装置の起動開始後、
    前記パラメータが前記第１風速閾値未満の第２風速閾値以上である場合、前記一定回転数制御モードによる前記ピッチ駆動部の制御を行い、
    前記ピッチ角がファイン側のリミット値に達しており、且つ、前記パラメータが前記第２風速閾値未満である場合、前記ピッチ角をフェザー側に変化させるか、または、前記ピッチ角をフェザー側に変化させた後、フルフェザーピッチ角とフルファインピッチ角の間の待機ピッチ角に前記ピッチ角を維持するかの少なくとも一方を実行する
    ことを特徴とする請求項１０に記載の風力発電装置の起動方法。

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