JP6436808B2

JP6436808B2 - 風力発電装置とその運転方法

Info

Publication number: JP6436808B2
Application number: JP2015021815A
Authority: JP
Inventors: 啓角谷; 了仁小畑
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2015-02-06
Filing date: 2015-02-06
Publication date: 2018-12-12
Anticipated expiration: 2035-02-06
Also published as: EP3054153B1; JP2016145523A; EP3054153A1

Description

本発明は、風力発電装置とその運転方法に係り、特に発電機トルクを好適に調整する風力発電装置とその運転方法に関する。

近年、二酸化炭素の排出による地球温暖化や、化石燃料の枯渇が懸念されており、二酸化炭素の排出量の低減や、化石燃料への依存度の低下が求められている。これらの実現のためには、二酸化炭素を排出せず、さらに化石燃料を利用せずに発電が可能であり、風力や太陽光などの自然から得られる再生可能エネルギーを利用可能な発電システムの導入が有効である。

再生可能エネルギーを利用した発電システムの中でも、風力発電システムは太陽光発電システムと異なり、日射による直接的な出力変化を受けないことから、比較的安定な発電システムとして注目されている。また、地上と比較して、風速が高く、風速変化が少ない洋上に設置する風力発電システムも有力な発電システムとして注目されている。

風力発電システムを活用して安定的に電力を供給するためには、風力発電システムを構成するブレード、タワー、および、ドライブトレインに発生する振動を低減する技術が必要である。

ここで、風力発電システムのドライブトレインに発生する振動の低減を考慮したものとして、例えば特許文献１に開示された技術がある。特許文献１には、「ナセル内の発電機等の発熱源を冷却するファンが設けられ、ロータの最下点近傍の高さからこれより上方の所定の高さまでタワーの表面に周方向に沿って点在する吸気孔が設けられており、吸気孔と排気ファンとがタワー及びナセルの内空間を介して連通し、排気ファンが吸気孔からの吸気量を発生させる技術」が開示されている。

特許文献１に記載の技術を適用することで、排気ファンの稼働により、吸気孔からタワー周辺の空気が吸い込まれ、これにより、タワー周辺の空気流のタワー表面からの乖離を抑えてタワー後面まで滑らかに回り込ませ、タワー後方における空気速度や圧力の低下が抑制されて、タワー後流とブレードの空力干渉による変動荷重や超低周波騒音などのタワーシャドウ効果が低減される。

特開２００７−００２７７３号公報

風力発電システムの構築にあたり、風力発電システムを構成するドライブトレインの振動を低減する必要がある。ドライブトレインに振動が発生する主要因は、タワーが風を遮ることである。タワーが風を遮ることでタワー近傍の風速が他位置に比べて低下する。これにより、風上から見てブレードがタワーと重なるアジマス角度においてブレードに加わる風エネルギーが低下するため、結果としてブレードが回転するエネルギーが低下、すなわちロータが回転しようとするトルクが低下する。

これに対し、発電機はロータの平均的な回転速度に応じて電気的に発生するトルクである発電機トルクを発生する。ここで、ロータを一定回転速度に保持するように制御するには、ロータから発電機に機械的に入力されるトルクであるロータトルクと発電機トルクが一致する必要がある。しかしながら、上述のように、タワー近傍のアジマス角度においてロータトルクが減少し、ロータが１回転する間にロータトルクが周期的に変動するため、発電機トルクとの間に大きな差分が周期的に発生する。

このトルクの差分がドライブトレインの回転方向の共振周波数と一致する場合に、ドライブトレインに大きな振動を励起する場合がある。上述のようなタワーによる風の遮断によって発生する効果は、一般的にタワーシャドウ効果と呼ばれている。

上記タワーシャドウ効果によるトルクの差分は、ブレードがタワーの風下に配置されるダウンウインド方式の風力発電システムにおいて大きくなる傾向があるが、アップウインド方式においてもブレード後流がタワーに遮られるために同様の効果が生ずることから、いずれの方式においてもドライブトレインの振動低減には、上述のタワーシャドウ効果による弊害を低減することが必須である。

特許文献１を適用することで、タワー近傍の風の流れを改善、風の遮断度合いを低減するため、タワーシャドウ効果を抑制することができる。しかし、タワーとナセルの通気路の変更や、タワー壁面に吸気孔を設けるために追加コストを要する。また、タワーに吸気孔を設ける際には、タワー強度が低下するため、対策としてタワー壁面の増加などの強度増加のために追加コストを要する。上記を鑑みると、追加コストが不要であるドライブトレイン振動低減手段の適用が好ましい。

本発明では、ドライブトレイン振動低減のための追加コスト不要な風力発電装置とその運転方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明においては、風を受けて回転するブレードと、ブレードを支持して風エネルギーを回転エネルギーに変換可能なハブと、ブレードの荷重を支持するタワーと、ブレードを支持すると共にブレードとハブにより構成されるロータがタワーに対して回転可能に支持されるナセルと、ロータの回転エネルギーを電気エネルギーに変換可能な発電機とを備えた風力発電装置であって、ロータから前記発電機に入力されるロータトルクの、ロータが１回転する期間の平均値である平均ロータトルクの絶対値に対し、ロータが１回転する期間内の所定期間において、ロータトルクの絶対値が所定値以上変化する際に、発電機が発生するトルクである発電機トルクを変化させることを特徴とする。

また本発明においては、風を受けて回転するブレードによりロータトルクを受けて駆動され、界磁量を調整されて発電機トルクが決定されて発電を行う発電機を備えた風力発電装置であって、発電機は、前記ロータトルクの低下に合わせて界磁量を弱め界磁に調整されて発電機トルクを低下させることを特徴とする。

また本発明においては、風を受けて回転するブレードによりロータトルクを受けて駆動され、界磁量を調整されて発電機トルクが決定されて発電を行う発電機を備えた風力発電装置の運転方法であって、発電機は、ロータトルクの低下に合わせて界磁量を弱め界磁に調整されて発電機トルクを低下させることを特徴とする。

本発明によれば、ドライブトレイン振動低減のための追加コスト不要な風力発電装置とその運転方法を提供することが可能になる。

本発明に係るコントローラ８の処理機能を示す図。本発明の実施例１における風力発電装置１のコントローラ８に実装される回転変動低減手段８２の処理概要を示すブロック線図。実施例１の発電機トルク補正量ｄｑ_ＦＦ０の決定手段の一例を示す図。実施例１に係る回転変動低減手段における補正フラグ、発電機トルク補正量、および発電機トルク補正値とアジマス角度の関係を示す概略図。実施例１に係る回転変動低減手段の処理概要を示すフローチャート。本発明を適用可能な風力発電装置全体の概略構成を示す図。アジマス角度範囲を説明する図。本発明を適用しない場合の風力発電装置１の挙動を示す図。本発明を適用した場合の風力発電装置１の挙動を示す図。本発明の実施例２における風力発電装置１のコントローラ８に実装される回転変動低減手段８２の処理概要を示すブロック線図。実施例２の発電機トルク補正量ｄｑ_ＦＦ０の決定手段の一例を示す図。実施例２に係る回転変動低減手段の処理概要を示すフローチャート。本発明の実施例３における風力発電装置１のコントローラ８に実装される回転変動低減手段８２の処理概要を示すブロック線図。実施例３の発電機トルク補正量ｄｑ_ＦＦ０の決定手段の一例を示す図。実施例３に係る回転変動低減手段における補正フラグ、発電機トルク補正量、および発電機トルク補正値とアジマス角度の関係を示す概略図。実施例３に係る回転変動低減手段の処理概要を示すフローチャート。本発明の実施例４における風力発電装置１のコントローラ８に実装される回転変動低減手段８２の処理概要を示すブロック線図。実施例４の発電機トルク補正量ｄｑ_ＦＦ０の決定手段の一例を示す図。実施例４に係る回転変動低減手段の処理概要を示すフローチャート。本発明の実施例５における風力発電装置１のコントローラ８に実装される回転変動低減手段８２の処理概要を示すブロック線図。

以下、図面を用いて、本発明の実施形態について具体的に説明する。尚、下記はあくまでも実施例であって、本発明の実施態様が下記実施例に限定されることを意図するものではない。

以下本発明の実施例について説明するが、その前に本発明適用の前提となる風力発電装置の概略構成、及び背景技術、並びに本発明により実現したい制御について図６から図９を用いて説明する。実施例１については、そのあとに図１から図５を用いて説明する。

まず、図６を用いて、本発明を適用可能な風力発電装置全体の概略構成について説明する。

図６の風力発電装置１は、複数のブレード２と、複数のブレード２を接続するハブ３とで構成されるロータ４を備える。ロータ４はナセル５に回転軸（図６では省略する）を介して連結されており、回転することでブレード２の位置を変更可能である。ナセル５はロータ４を回転可能に支持している。ナセル５は発電機６を適宜位置に備える。ブレード２が風を受けることによりロータ４が回転し、ロータ４の回転力が発電機６を回転させることで電力を発生することができる。

ブレード２の各々には、図では省略するが、ブレード２とハブ３の位置関係、すなわちピッチ角と呼ぶブレードの角度、を変更可能なピッチアクチュエータを備えている。ピッチアクチュエータを用いてブレード２のピッチ角を変更することにより、風に対するロータ４の回転エネルギーを変更できる。これにより、広い風速領域においてロータ４の回転速度を制御しながら、風力発電装置１の発電電力を制御することができる。

図６の風力発電装置１では、ナセル５はタワー７上に設置されており、タワー７に対して回転可能に支持されている。ハブ３やナセル５を介してブレード２の荷重がタワー７に支持される。タワー７は、基部（図では省略）に設置され、地上または洋上等の所定位置に設置される。

また、風力発電装置１はコントローラ８を備えており、アジマス角度検出用センサ１０の出力信号に基づいて決定されるロータ４のナセル５に対する相対位置を示すアジマス角度に基づき、発電機に指令する発電機トルク指令値を決定する。さらにコントローラ８には、タワーシャドウ効果によって発生するドライブトレインの振動を低減可能な回転変動低減手段８２がプログラムの形態で実装されている。

風力発電装置１は更に発電機コントローラ９を備えている。コントローラ８にて決定した発電機トルク指令値を発電機コントローラ９に送達し、発電機コントローラ９が発電機６を調整することで、風力発電装置１が出力する電力を調整する。

なお、図には明記しないが、アジマス角度検出用センサ１０と同様に、ナセル５近傍の風速を計測する風速センサ、発電機の回転速度を計測する発電機回転速度センサ、風向を計測する風向センサ、発電機が出力する有効電力を計測する電力センサ、などを適宜位置に備えている。

図６ではコントローラ８および発電機コントローラ９はナセル５またはタワー７の外部に設置される形態にて図示されているが、これに限ったものではなく、ナセル５またはタワー７の内部またはそれ以外の所定位置、または風力発電装置１の外部に設置される形態であっても良い。

ここで、タワーシャドウ効果とは、タワー７の影響によりブレード２に入力される風速が周辺よりも急激に低下する現象を指すものとする。風向き方向について、タワー７とブレード２が一致する位置が最も影響を受け易いが、タワー７の影響により風速が急激に低下するアジマス角度は実際には必ずしもその位置に制限されない。また、ブレード２がタワー７よりも風下を通過するダウンウインド方式の風力発電装置の方がタワーシャドウの影響を受け易く本発明の適用が好適であるが、ブレードがタワーよりも風上を通過するアップウインド方式の風力発電装置でも、少なからずその影響を受けるので、本発明を適用することでの効果が期待できる。以下、実施例ではダウンウインドの場合を例に説明する。

風力発電装置全体の概略構成を示す図６において、コントローラ８は要するに発電機トルク指令値ｑを決定する。なお発電機トルク指令値ｑは、風速に応じてロータ４の回転速度と発電機６の発電機トルクを調整可能とする発電機トルク指令基本値ｑ０に対して各種の補正を加味して得られている。本発明は、発電機トルク指令基本値ｑ０に対する補正を工夫して発電機トルク指令値ｑを得るものであるが、この内容については図１を用いて後述する。

このようにして求められた発電機トルク指令値ｑは、短時間的には一定値と考えてよい。なおコントローラ８で作成された発電機トルク指令値ｑは、発電機コントローラ９に与えられ、最終的には発電機６の界磁量を決定する。

本発明では、発電機トルクとロータトルクの不一致に起因する振動を改良しようとするものであり、発電機トルクが短時間的には一定値であることは先に述べたとおりである。これに対し、ロータトルクは周期的に低減する。以下ロータトルクの周期的低減について図７を用いて説明する。

図７は、アジマス角度Φを説明する概要図である。アジマス角度Φは、風上から風力発電装置１を見た際に、ロータ４が右回転する方向を正とするものであり、ブレード２（２１、２２、２３）の適宜位置を基準とする。図７ではアジマス角度Φは、ブレード２の高さが最も高くなるロータ４の回転位置を基準位置Ｐ０とし、図７の図示右方向の０ｄｅｇから３６０ｄｅｇの範囲で変化する値である。

図８は、本発明を適用しない場合の風力発電装置１の挙動を示す図である。図８の横軸はアジマス角度Φを示し、縦軸は発電機６に加わるトルクｑを示しており、図上方がトルクの正方向を示す。また図８において、実線は発電機６が発生するトルクである発電機トルクｑＧを示し、破線はロータ４が発電機６に加えるトルクであるロータトルクｑＲを示す。なお、図８は短時間における挙動を示しており、発電機回転速度が一定、発電機トルクｑＧが一定となる、例えば風力発電装置１が定格出力運転を実施している場合を想定する。

本発明を適用しない場合には、風力発電装置１からの出力電力を一定に保持するため、発電機トルクｑＧが一定となるように制御する。これに対し、破線で示すロータトルクｑＲは、ブレード２がタワー７と重なるアジマス角度、具体的には６０ｄｅｇ、１８０ｄｅｇ、および３００ｄｅｇの近傍において、タワーシャドウ効果のために、その値が減少する。

図８に示す通り、発電機トルクｑＧとロータトルクｑＲの間に差分が生ずることにより、ロータ４と発電機６とを接続する回転体（シャフト）の回転方向に捻じれが発生し、ロータ４または発電機６の回転速度に変動が発生する。この変動の周波数が、ドライブトレインの共振周波数と一致する場合には、ドライブトレインに共振が発生し、風力発電装置１全体に大きな振動を発生させる。

以上要するに、一定の発電機トルクｑＧに対して、周期的にロータトルクｑＲの不足が生じ、これらの間に差分が生ずることが振動の原因である。このことから本発明においては、ロータトルクｑＲの周期的な不足が避けられないものであるなら、ロータトルクｑＲの変動に合わせて発電機トルクｑＧも変動させ、結果として差分を生じさせないことで、振動の原因を取り除くものである。

図９は、本発明を適用した場合の風力発電装置１の挙動を示す図であり、要するに本発明では、ロータトルクｑＲの変動に合わせて発電機トルクｑＧも変動させ、結果として差分を生じさせないようにしたものである。

以下図９のトルク変更処理を可能とする本発明の制御手法について説明する。図１は本発明に係るコントローラ８の処理機能を示す図である。

図１におけるコントローラ８の処理機能は、風速に応じてロータ４の回転速度と発電機６の発電機トルクを調整可能とする発電機トルク指令基本値ｑ０を決定する可変速制御手段８Ｂと、タワーシャドウ効果によって発生するドライブトレインの振動を低減する発電機トルク指令補正値ｄｑＦＦを与える回転変動低減手段８２と、発電機トルク指令基本値ｑ０から発電機トルク指令補正値ｄｑＦＦを減算して発電機トルク指令ｑを定める減算部８３とで構成されている。なお回転変動低減手段８２と減算部８３を含めて発電機トルク制御手段８Ａと称することがある。

コントローラ８内の上記構成によれば、風速に応じてロータ４の回転速度と発電機６の発電機トルクを調整可能とする可変速制御手段８Ｂにより決定される発電機トルク指令基本値ｑ０に対して、回転変動低減手段８２にて決定される補正値ｄｑＦＦが加算されて、発電機６に送達される発電機トルクの指令値ｑが調整される。なお発電機トルク指令基本値ｑ_０は、発電機回転速度に応じて発電機およびピッチ角度を制御する可変速制御部８Ｂにより決定される。

回転速度低減手段８２は、アジマス角度Φ、風向Ψ_ｗ、およびセンサ出力に基づいて発電機トルク指令基本値ｄｑ_ＦＦを決定する。センサ出力は、風速を計測する風速センサや、発電機回転速度を決定する回転速度センサなどである。センサ出力の内容について、個別実施例の中で詳細に説明する。

また回転速度低減手段８２は、風向Ψ_ｗに基づいてタワーシャドウ効果が大きくなるアジマス角度Φ_ＴＳを決定し、ロータ４のアジマス角度Φが、上記タワーシャドウ効果が大きくなるアジマス角度Φ_ＴＳと一致するタイミングで、発電機トルク指令補正値ｄｑＦＦを出力する。これにより、発電機トルク指令値ｑ_０に対して、減算部８３にて発電機トルク指令基本値ｄｑ_ＦＦより減算し、発電機トルク指令値ｑを決定する。上記アジマス角度Φ_ＴＳの決定手段は、比例制御に基づくものであっても良いし、テーブルなど予め決められた特性に基づくものであっても良い。

以降の実施例に示す回転変動低減手段８２では、周期的に変動する発電機トルクｑＧの指令値（発電機トルク指令値ｑ）を与えるものである。このことを、先に示した図９を用いてより詳細に説明する。

図８と同様に図９の横軸はアジマス角度Φを示し、縦軸は発電機に係るトルクを示す（図上方がトルクの正方向を示す）。図９において、実線は発電機６が発生するトルクである発電機トルクｑＧを示し、破線はロータ４が発電機６に入力するトルクであるロータトルクｑＲを示す。なお、図８と同様に図９は発電機回転速度が一定、発電機トルクｑＧが一定となる、例えば風力発電装置１が定格出力運転を実施している場合を想定する。

本発明に係る回転変動低減手段８２を適用した場合には、風力発電装置１からの出力電力を一定に保持するために一定に保持する発電機トルクｑＧに対し、タワーシャドウ効果が影響を及ぼすアジマス角度Φにおいて、発電機トルクｑＧを減ずるように制御する。具体的には、ブレード２がタワー７と重なるアジマス角度Φ（６０ｄｅｇ、１８０ｄｅｇ、および３００ｄｅｇ）の近傍において、発電機トルクｑＧを減少させる。

実線にて示す発電機トルクｑＧをアジマス角度Φに基づいて減少させることで、風力発電装置１は破線にて示すロータトルクｑＲとの差分が小さくなるように制御される。上述のとおり、発電機トルクｑＧとロータトルクｑＲの差分が発電機回転速度の変動の主要因であることから、本発明に係る回転変動低減手段８２の適用により、ドライブトレインの振動を低減することが可能である。

以下上記本発明思想を具体的に実現するための実施例について説明する。

次に、図２から図５を用いて、本発明の実施例１に係る回転変動低減手段８２の動作一例について説明する。

図２は、本発明の実施例１における風力発電装置１のコントローラ８に実装される回転変動低減手段８２の処理概要を示すブロック線図である。実施例１の回転変動低減手段８２は、補正フラグ演算手段４０１、発電機トルク補正量演算手段４０２、および乗算部４０３、により構成される。なお、実施例１は、図１のセンサ出力が風速センサである場合を示す。

補正フラグ演算手段４０１は、アジマス角度Φ、風向Ψ_Ｗに基づいて、補正フラグＦＬＧを決定する。風向Ψ_Ｗとナセル５の方位が一致している場合には、タワーシャドウ効果はアジマス角度Φが６０ｄｅｇ、１８０ｄｅｇ、および３００ｄｅｇにおいて最も大きくなるため、上記３つのアジマス角度Φを中心として発生するトルク変動を低減できるように補正フラグＦＬＧを決定する。

この補正フラグＦＬＧは、要するにタイミングを表す信号であり、常時は０であるが、上記アジマス角度Φが６０ｄｅｇ、１８０ｄｅｇ、および３００ｄｅｇとなる時点で「１」を出力する周期的なタイミング信号である。上記に対し、風向Ψ_Ｗとナセル５の方位が異なる場合は、タワーシャドウ効果が大きくなるアジマス角度Φが上記３つの値よりずれるため、それに合わせて補正フラグＦＬＧを調整した周期的なタイミング信号とする。

発電機トルク補正量演算手段４０２は、風速ｖ_ｗに基づいて発電機トルク補正量ｄｑ_ＦＦ０を決定する。発電機トルク補正量演算手段４０２は、風速ｖ_ｗの比例制御によって発電機トルク補正量ｄｑ_ＦＦ０を決定するものであっても良いし、予め決められたテーブルなどの特性によって決定するものであっても良い。

図３に、発電機トルク補正量ｄｑ_ＦＦ０の決定手段の一例を示す。ここでは風速に応じて出力する関数発生器を備えた例を示している。関数発生器の特性は、風速ｖ_ｗに基づき、発電機トルク補正量ｄｑ_ＦＦ０が変化する領域や一定を保持する領域を持つものであっても良い。

図２に戻り、乗算部４０３は、補正フラグＦＬＧと発電機トルク補正量ｄｑ_ＦＦ０を乗算した値を発電機トルク指令補正値ｄｑ_ＦＦにセットして次の処理に引き渡す。従って発電機トルク指令補正値ｄｑ_ＦＦは、タイミングの情報と大きさの情報を併せ持つ信号である。単なる周期的な波高値一定のパルス列ではなく、各パルスの時の波高値が、風速に応じて可変に定められることになる。なお、実施例１に係る回転速度変動低減手段８２は、風速ｖ_ｗに基づいて発電機トルク補正量ｄｑ_ＦＦ０をフィードフォワードの形式で決定する制御手段を採用している。

図４は、実施例１に係る回転変動低減手段８２の処理概要を示す概要図である。横軸はアジマス角度Φを示し、縦軸は図上方より、補正フラグＦＬＧ、発電機トルク補正量ｄｑ_ＦＦ０、および発電機トルク指令補正値ｄｑ_ＦＦを示す。なお、図４は、風向Ψ_Ｗとナセル５の方位が一致する場合の処理概要を示す。

補正フラグＦＬＧにはアジマス角度Φが６０ｄｅｇ、１８０ｄｅｇ、および３００ｄｅｇの前後で発電機トルクを調整するように、上記３つのアジマス角度Φよりも期間Φ_ＴＳだけ前の期間において、１がセットされ、それ以外の期間では０がセットされる。これは、発電機トルクの調整が上記３つのアジマス角度Φよりも早い期間に開始され、上記３つのアジマス角度Φにてその調整量がピークを迎えた後に、徐々に低下させるために設定されるものである。このようにして、アジマス角度Φ６０ｄｅｇ、１８０ｄｅｇ、および３００ｄｅｇに先行して、約１０ｄｅｇ程度早めのタイミングからフィードフォワードの形式で補正が実施される。

次に発電機トルク補正量ｄｑ_ＦＦ０は風速ｖ_ｗに基づいて、例えば図３に示す関係に従って、ｄｑ１_ＦＦ０の値がセットされる。発電機トルク指令補正値ｄｑ_ＦＦは補正フラグＦＬＧと発電機トルク補正量ｄｑ_ＦＦ０を乗算された結果が格納される。図４に示す例では、アジマス角度Φが６０ｄｅｇ、１８０ｄｅｇ、および３００ｄｅｇよりも期間Φ_ＴＳだけ前の期間において、発電機トルク指令補正値ｄｑ_ＦＦにｄｑ１_ＦＦ０の値が格納され、上記以外のアジマス角度Φでは、トルク補正を行わないように発電機トルク指令補正値ｄｑ_ＦＦに０が格納される。

図５は、実施例１に係る回転変動低減手段８２の処理概要を示すフローである。最初の処理ステップＳ１１では、アジマス角度Φと風向Ψ_Ｗに基づいて補正フラグＦＬＧを決定し、次の処理ステップＳ１２に進む。続く処理ステップＳ１２では、風速ｖ_ｗに基づいて、発電機トルク補正量ｄｑ_ＦＦ０を決定し、次の処理ステップＳ１３に進む。続く処理ステップＳ１３では、補正フラグＦＬＧと発電機トルク補正量ｄｑ_ＦＦ０に基づいて、発電機トルク指令補正値ｄｑ_ＦＦを決定し、一連の動作を終了する。

以上にて説明した実施例１に係る回転変動低減手段８２を適用することにより、タワーシャドウ効果の影響が大きいアジマス角度においても、ロータトルクと発電機トルクの差分を低減することができるため、タワーシャドウ効果に起因してドライブトレインに発生する振動を低減することができる。

なお、実施例１に係る回転変動低減手段８２は、フィードフォワードの形式で発電機トルクを調整するものである。このことから、タワーシャドウ効果によって発生するトルク差分を低減させる操作を前もって反映させる制御形態であることから、ドライブトレインの振動を高応答、かつ、根本的に低減できるメリットを備える。

次に、図１０から図１２を用いて、実施例２の回転変動低減手段８２について説明する。図１０の実施例２に係る回転変動低減手段８２は、基本的に図２に示すものと同様であるが、センサ出力が風速ｖ_ｗを計測する風速センサと、発電機回転速度ω_Ｇを計測する回転速度センサであることが、図２の実施例１と異なる。

図１０のブロック線図において回転変動低減手段８２は、補正フラグ演算手段４０１、発電機トルク補正量演算手段４０２、発電機トルク補正ゲイン演算部１００１、乗算部１００２、および乗算部４０３、により構成される。図１０において、補正フラグ演算手段４０１、発電機トルク補正量演算手段４０２、および乗算部４０３は上述の図２に示した実施例１と同様であるため、説明を省略する。

新たに追加された発電機トルク補正ゲイン演算手段１００１は、風速ｖ_ｗと発電機回転速度ω_Ｇに基づいて、発電機トルク補正ゲインＫｄｑ_ＦＦを決定する。この発電機トルク補正ゲインＫｄｑ_ＦＦは風速ｖ_ｗと発電機回転速度ω_Ｇをフィードバックし、発電機トルク補正量ｄｑ_ＦＦ０を調整することを目的とした値である。発電機トルク補正ゲインＫｄｑ_ＦＦは乗算部１００２にて発電機トルク補正量ｄｑ_ＦＦ０に乗算され、発電機トルク補正量１ｄｑ_ＦＦ１にセットされる。その後、乗算部４０３にて補正フラグＦＬＧと乗算した結果が、発電機トルク指令補正値ｄｑ_ＦＦに格納される。

図１１は発電機トルク補正ゲイン演算手段１００１の処理の一例を示す図である。発電機トルク補正ゲイン演算手段は、風速ｖ_ｗによって参照される発電機トルク補正ゲインＫｄｑ_ＦＦを備えたテーブルであり、それぞれのゲインは、発電機回転速度ω_Ｇの振動振幅で更新される構成を備える。Ｎ組の値は、独立した値であるが、その中間値は風速ｖ_ｗに応じて直線補完されるものであっても良いし、近似式に従って補完されるものであっても良い。なお、発電機回転速度ω_Ｇの振動振幅は発電機回転速度ω_Ｇをフーリエ変換した結果、特定の周波数成分の振幅に比例して更新するものであっても良い。

実施例２に係る回転変動低減手段８２は、実施例１に係る回転変動手段８２に対して、風速ｖ_ｗと発電機回転速度ω_Ｇをフィードバックする機能を追加している。実施例１に係る回転変動低減手段を利用することでも、タワーシャドウ効果によるドライブトレインの振動を低減可能であるが、経時変化によるトルク差分の変化に対応できない場合がある。

実施例２では発電機回転速度ω_Ｇの振動成分の変化を風速ｖ_ｗに応じて発電機トルク補正量ｄｑ_ＦＦ０を調整することができるため、初期の発電機トルク補正量ｄｑ_ＦＦ０がロータトルクと発電機トルクを一致させるために適切な値でない場合や、経時変化した場合においても、ドライブトレインの振動を適切に低減することができる。

図１２は、実施例２に係る回転変動低減手段８２の処理概要を示すフローである。最初の処理ステップＳ２１では、アジマス角度Φと風向Ψ_Ｗに基づいて補正フラグＦＬＧを決定し、次の処理ステップＳ２２に進む。続く処理ステップ２２では、風速ｖ_ｗに基づいて、発電機トルク補正量ｄｑ_ＦＦ０を決定し、次の処理ステップＳ２３に進む。続く処理ステップＳ２３では、風速ｖ_ｗと発電機回転速度ω_Ｇに基づいて、発電機トルク補正ゲインＫｄｑ_ＦＦを決定し、次の処理ステップＳ２４に進む。続く処理ステップＳ２４では、発電機トルク補正ゲインＫｄｑ_ＦＦと発電機トルク補正量ｄｑ_ＦＦ０に基づいて、発電機トルク補正量１ｄｑ_ＦＦ１を決定し、次の処理ステップＳ２５に進む。続く処理ステップＳ２５では、補正フラグＦＬＧと発電機トルク補正量１ｄｑ_ＦＦ１に基づいて、発電機トルク指令補正値ｄｑ_ＦＦを決定し、一連の動作を終了する。

次に、図１３から図１６を用いて、実施例３の回転変動低減手段８２の動作例について説明する。

図１３の回転変動低減手段８２は、補正フラグ演算手段４０１、発電機トルク補正量２演算手段１３０１、および乗算部４０３により構成される。なお、実施例３は、図２のセンサ出力が発電機６の出力する有効電力を計測する電力センサである場合を示す。なお、補正フラグ演算手段４０１、および乗算部４０３は、実施例１、実施例２と同様の処理を実行するため、説明を省略する。

図１３において発電機トルク補正量２演算手段１３０１は、発電機６が出力する有効電力Ｐに基づいて発電機トルク補正量２ｄｑ_ＦＦ２を決定する。発電機トルク補正量演算手段１３０１は、有効電力Ｐの比例制御によって発電機トルク補正量２ｄｑ_ＦＦ２を決定するものであっても良いし、予め決められたテーブルなどの特性によって決定するものであっても良い。

図１４に、発電機トルク補正量２ｄｑ_ＦＦ２の決定手段の一例として関数発生器を使用した例を示す。有効電力Ｐに基づき、発電機トルク補正量２ｄｑ_ＦＦ２が変化する領域や一定を保持する領域を持つものであっても良い。

乗算部４０３は、補正フラグＦＬＧと発電機トルク補正量２ｄｑ_ＦＦ２を乗算した値を発電機トルク指令補正値ｄｑ_ＦＦにセットして次の処理に引き渡す。

なお、図１３の回転速度変動低減手段８２は、有効電力Ｐに基づいて発電機トルク補正量２ｄｑ_ＦＦ２をフィードフォワードの形式で決定する制御手段を採用している。

図１５は、実施例に係る回転変動低減手段８２の処理概要を示す概要図である。横軸はアジマス角度Φを示し、縦軸は図上方より、補正フラグＦＬＧ、発電機トルク補正量２ｄｑ_ＦＦ２、および発電機トルク指令補正値ｄｑ_ＦＦを示す。なお、図１５は、風向Ψ_Ｗとナセル５の方位が一致する場合の処理概要を示す。

補正フラグＦＬＧにはアジマス角度Φが６０ｄｅｇ、１８０ｄｅｇ、および３００ｄｅｇの前後で発電機トルクを調整するように、上記３つのアジマス角度Φよりも期間Φ_ＴＳだけ前の期間において１がセットされ、それ以外では０がセットされる。これは、発電機トルクの調整が上記３つのアジマス角度Φよりも早い期間に開始され、上記３つのアジマス角度Φにてその調整量がピークを迎えた後に、徐々に低下させるために設定されている。

発電機トルク補正量２ｄｑ_ＦＦ２は有効電力Ｐに基づいて、例えば図１４に示す関係に従って、ｄｑ１_ＦＦ２の値がセットされる。発電機トルク指令補正値ｄｑ_ＦＦは補正フラグＦＬＧと発電機トルク補正量２ｄｑ_ＦＦ２を乗算された結果が格納される。

図１５に示す例では、アジマス角度Φが６０ｄｅｇ、１８０ｄｅｇ、および３００ｄｅｇよりも期間Φ_ＴＳだけ前の期間において、発電機トルク指令補正値ｄｑ_ＦＦにｄｑ１_ＦＦ２の値が格納され、上記以外のアジマス角度Φでは、トルク補正を行わないように発電機トルク指令補正値ｄｑ_ＦＦに０が格納される。

図１６は、実施例３に係る回転変動低減手段８２の処理概要を示すフローである。処理ステップＳ３１では、アジマス角度Φと風向Ψ_Ｗに基づいて補正フラグＦＬＧを決定し、次の処理ステップに進む。続く処理ステップＳ３２では、有効電力Ｐに基づいて、発電機トルク補正量２ｄｑ_ＦＦ２を決定し、次の処理ステップに進む。続く処理ステップＳ３３では、補正フラグＦＬＧと発電機トルク補正量２ｄｑ_ＦＦ２に基づいて、発電機トルク指令補正値ｄｑ_ＦＦを決定し、一連の動作を終了する。

以上にて説明した実施例３に係る回転変動低減手段８２を適用することにより、タワーシャドウ効果の影響が大きいアジマス角度においても、ロータトルクと発電機トルクの差分を低減することができるため、タワーシャドウ効果に起因してドライブトレインに発生する振動を低減することができる。

なお、実施例３に係る回転変動低減手段８２は、フィードフォワードの形式で発電機トルクを調整するものである。このことから、タワーシャドウ効果によって発生するトルク差分を低減させる操作を前もって反映させる制御形態であることから、ドライブトレインの振動を高応答、かつ、根本的に低減できるメリットを備える。

次に、図１７から図１９を用いて、実施例４に係る回転変動低減手段８２について説明する。実施例４の回転変動低減手段８２は、基本的に図２に示すものと同様であるが、センサ出力が有効電力Ｐと発電機回転速度ω_Ｇであることが、他の実施例と異なる。

図１７の回転変動低減手段８２は、補正フラグ演算手段４０１、発電機トルク補正量２演算手段１３０１、発電機トルク補正ゲイン２演算部１７０１、乗算部１７０２、および乗算部４０３、により構成されている。図１７において、補正フラグ演算手段４０１、発電機トルク補正量２演算手段１３０１、および乗算部４０３は上述の他の実施例と同様であるため、説明を省略する。

新たに設けられた発電機トルク補正ゲイン２演算手段１７０１は、有効電力Ｐと発電機回転速度ω_Ｇに基づいて、発電機トルク補正ゲイン２Ｋｄｑ_ＦＦ２を決定する。この発電機トルク補正ゲイン２Ｋｄｑ_ＦＦ２は有効電力Ｐと発電機回転速度ω_Ｇをフィードバックし、発電機トルク補正量２ｄｑ_ＦＦ２を調整することを目的とした値である。発電機トルク補正ゲイン２Ｋｄｑ_ＦＦ２は乗算部１７０２にて発電機トルク補正量２ｄｑ_ＦＦ２に乗算され、発電機トルク補正量３ｄｑ_ＦＦ３にセットされる。その後、乗算部４０３にて補正フラグＦＬＧと乗算した結果が、発電機トルク指令補正値ｄｑ_ＦＦに格納される。

図１８は発電機トルク補正ゲイン２演算手段１７０１の処理の一例を示す図である。この例では有効電力Ｐに対する発電機トルク補正ゲイン２Ｋｄｑ_ＦＦ２を備えたテーブルで実現されている。なおそれぞれのゲインは、発電機回転速度ω_Ｇの振動振幅で更新される構成を備える。Ｎ組の値は、独立した値であるが、その中間値は有効電力Ｐに応じて直線補完されるものであっても良いし、近似式に従って補完されるものであっても良い。なお、発電機回転速度ω_Ｇの振動振幅は発電機回転速度ω_Ｇをフーリエ変換した結果、特定の周波数成分の振幅に比例した値を利用して更新するものであっても良い。

実施例４の回転変動低減手段８２は、実施例３の回転変動手段８２に対して、有効電力Ｐと発電機回転速度ω_Ｇをフィードバックする機能を追加した手段である。実施例３の回転変動低減手段を利用することでも、タワーシャドウ効果によるドライブトレインの振動を低減可能であるが、経時変化によるトルク差分の変化に対応できない場合がある。

実施例４では発電機回転速度ω_Ｇの振動成分の変化を有効電力Ｐに応じて発電機トルク補正量２ｄｑ_ＦＦ２を調整することができるため、初期の発電機トルク補正量２ｄｑ_ＦＦ２がロータトルクと発電機トルクを一致させるために適切な値でない場合や、経時変化した場合においても、ドライブトレインの振動を適切に低減することができる。

図１９は、実施例４の回転変動低減手段８２の処理概要を示すフローである。処理ステップＳ４１では、アジマス角度Φと風向Ψ_Ｗに基づいて補正フラグＦＬＧを決定し、次の処理ステップに進む。続く処理ステップ４２では、有効電力Ｐに基づいて、発電機トルク補正量２ｄｑ_ＦＦ２を決定し、次の処理ステップに進む。続く処理ステップＳ４３では、有効電力Ｐと発電機回転速度ω_Ｇに基づいて、発電機トルク補正ゲイン２Ｋｄｑ_ＦＦ２を決定し、次の処理ステップに進む。続く処理ステップＳ４４では、発電機トルク補正ゲイン２Ｋｄｑ_ＦＦ２と発電機トルク補正量２ｄｑ_ＦＦ２に基づいて、発電機トルク補正量３ｄｑ_ＦＦ３を決定し、次の処理ステップに進む。続く処理ステップＳ４５では、補正フラグＦＬＧと発電機トルク補正量３ｄｑ_ＦＦ３に基づいて、発電機トルク指令補正値ｄｑ_ＦＦを決定し、一連の動作を終了する。

実施例５では、図２０を用いて、発電機トルク制御手段の変形実施例について説明する。

図２０に示す実施例５の発電機トルク制御手段は、実施例１から実施例４において前提とした図２に示す発電機トルク制御手段に対して、回転変動低減手段２（２００１）を追加した構成である。

回転変動低減手段２（２００１）は発電機回転速度ω_Ｇに基づいて、発電機トルク指令値ｑを補正調整する値を決定する手段である。これは発電機トルクを発生させた結果である発電機回転速度の計測値を利用するものであり、フィードバックの形式の発電機トルク補正手段である。この目的も他の実施例と同様に、ドライブトレインの振動を低減する目的で一般的に適用されている手段であり、ドライブトレインダンパー制御と呼ばれている。

上記にて説明した実施例１から実施例４の回変動低減手段８２は、上記ドライブトレインダンパー制御と併用した構成であっても良く、実施例１から実施例４に示すフィードフォワードの形式によって、高応答の振動低減が可能であると共に、上述のドライブトレインダンパー制御により、実際に発生する振動に合わせるフィードバック制御も備えることで、振動低減のロバスト性も確保することができる。

なお、実施例５の回転変動低減手段８２は、上述の実施例１から実施例４と同様であるため、説明は省略する。

なお、本発明が請求する範囲は上記に限ったものではなく、適用される風力発電装置は、タワーが地面または海底に設置される着床式の風力発電装置であっても良いし、海域に浮かべた土台部分に設置される浮体式の風力発電装置であっても良い。

１：風力発電装置
２：ブレード
３：ハブ
４：ロータ
５：ナセル
６：発電機
７：タワー
８：コントローラ
９：発電機コントローラ
１０：センサ
８２：回転変動低減手段
８３：減算部
４０１：補正フラグ演算手段
４０２：発電機トルク補正量演算手段
４０３：乗算部
１００１：発電機トルク補正ゲイン演算手段
１００２：乗算部
１３０１：発電機トルク補正量２演算手段
１７０１：発電機トルク補正ゲイン２演算手段
１７０２：乗算部
２００１：回転変動低減手段２（フィードバック）

Claims

風を受けて回転するブレードと、該ブレードを支持して風エネルギーを回転エネルギーに変換可能なハブと、前記ブレードの荷重を支持するタワーと、前記ブレードを支持すると共に前記ブレードと前記ハブにより構成されるロータが前記タワーに対して回転可能に支持されるナセルと、前記ロータの回転エネルギーを電気エネルギーに変換可能な発電機とを備えた風力発電装置であって、
ロータのナセルに対する相対位置を示すアジマス角度に基づき、発電機に指令する発電機トルク指令値を決定するコントローラと、前記コントローラにて決定した発電機トルク指令値により発電機を調整し、風力発電装置が出力する電力を調整する発電機コントローラを備え、
前記コントローラは、風速に応じてロータの回転速度と発電機の発電機トルクを調整可能とする発電機トルク指令基本値を決定する可変速制御手段と、前記ブレードが前記タワーの風下となって生じるタワーシャドウ効果によって発生するドライブトレインの振動を低減する発電機トルク指令補正値を与える回転変動低減手段と、前記発電機トルク指令基本値から前記発電機トルク指令補正値を減算して前記発電機トルク指令値を定める減算部とで構成され、
前記回転変動低減手段は、ロータのアジマス角度が、タワーシャドウ効果が大きくなるアジマス角度と一致するタイミングで、前記発電機トルク指令補正値を出力するとともに、前記発電機トルク指令補正値の調整量は風速、または、前記発電機が出力する有効電力のいずれか１つに基づき、フィードフォワードの形態により決定することを特徴とする風力発電装置。
請求項１に記載の風力発電装置であって、
前記回転変動低減手段は、風速と発電機回転速度をフィードバックして発電機トルク補正ゲインを決定し、前記発電機トルク指令補正値と前記発電機トルク補正ゲインにより前記発電機トルク指令補正値を定めることを特徴とする風力発電装置。
請求項１に記載の風力発電装置であって、
前記回転変動低減手段は、有効電力と発電機回転速度をフィードバックして発電機トルク補正ゲインを決定し、前記発電機トルク指令補正値と前記発電機トルク補正ゲインにより前記発電機トルク指令補正値を定めることを特徴とする風力発電装置。
風を受けて回転するブレードによりロータトルクを受けて駆動され、前記発電機コントローラにより界磁量を調整されて発電機トルクが決定されて発電を行う発電機を備えた請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の風力発電装置であって、
前記発電機は、前記ロータトルクの低下に合わせて界磁量を弱め界磁に調整されて発電機トルクを低下させることを特徴とする風力発電装置。
風を受けて回転するブレードと、該ブレードを支持して風エネルギーを回転エネルギーに変換可能なハブと、前記ブレードの荷重を支持するタワーと、前記ブレードを支持すると共に前記ブレードと前記ハブにより構成されるロータが前記タワーに対して回転可能に支持されるナセルと、前記ロータの回転エネルギーを電気エネルギーに変換可能な発電機とを備えた風力発電装置の運転方法であって、
前記ロータの前記ナセルに対する相対位置を示すアジマス角度に基づき、発電機に指令する発電機トルク指令値を決定し、決定した発電機トルク指令値により発電機を調整し、風力発電装置が出力する電力を調整し、
風速に応じてロータの回転速度と発電機の発電機トルクを調整可能とする発電機トルク指令基本値を決定し、前記ブレードが前記タワーの風下となって生じるタワーシャドウ効果によって発生するドライブトレインの振動を低減する発電機トルク指令補正値を決定し、前記発電機トルク指令基本値から前記発電機トルク指令補正値を減算して前記発電機トルク指令値を定め、
ロータのアジマス角度が、前記タワーシャドウ効果が大きくなるアジマス角度と一致するタイミングで、前記発電機トルク指令補正値を出力するとともに、前記発電機トルク指令補正値の調整量は風速、または、前記発電機が出力する有効電力のいずれか１つに基づき、フィードフォワードの形態により決定することを特徴とする風力発電装置の運転方法。