JP6463288B2 - 風力発電システムおよび風力発電システムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電システムおよびその制御方法に係り、特に、ドライブトレインの制振方法に適用して有効な技術に関する。

化石燃料の枯渇問題や地球温暖化問題、エネルギーミックスの観点より、再生可能エネルギーに対する社会的要求が高まっている。風力発電システムは再生可能エネルギーの中では比較的コストが低く、世界的に導入が進められている。

風力発電システムに求められる要求のひとつとして、系統事故時の対応がある。系統事故による電圧低下時間が短い場合には運転を継続することが求められ、長い場合には安全に発電を停止することが求められる。

ところで、風力発電システムの通常の発電時には、ドライブトレインの回転速度は、風からの入力トルクと発電機による負荷トルクがおおよそ釣り合うことでほぼ一定に保たれている。

系統事故などで発電機の負荷トルクが急激に低下すると、風からの入力トルクとの間にアンバランスが生じ、ドライブトレインの回転速度は上昇する。回転速度が上昇し過ぎると発電機や増速器などの機器が破損する恐れがある。

ドライブトレインの回転速度の上昇を緩和するために、一般的に、風車のブレードをフェザリングすることで風からの入力トルクを低減したり、ドライブトレインに設置されたブレーキを作用させることで負荷トルクを補ったり、系統電圧が短時間で回復した際には発電機トルクを再び上げるなどにより、回転速度の上昇を抑制する対策が採られる。特に、系統事故直後においては、ブレードのピッチングの応答は比較的遅いため、ブレーキや発電機による負荷トルクを増大させることが有効となる。

本技術分野の背景技術として、特許文献１のような技術がある。特許文献１には、突風によりロータの回転数が予め設定された制限値を越えた場合に機械的なブレーキを作動させることで、ロータトルクの急激な降下により生じるドライブトレインの強いねじり振動を制御する技術が開示されている。

特表２００９−５２３２０８号公報

系統事故などで発電機の負荷トルクが急激に低下した際には、上記ドライブトレイン全体の回転速度の上昇に加え、ドライブトレインの軸ねじり振動が発生する。従来の手法では、ドライブトレイン全体の回転速度上昇を抑えるために、なるべく早くブレーキや発電機トルクを上昇させる手法が採られるが、タイミングによっては軸ねじり振動を増幅し、瞬間的に回転速度が上昇することで機器の破損に繋がる恐れがある。

例えば、上記特許文献１では、図３ｇに示されているように、機械的なブレーキの介入によりねじり振動全体がシフトする一方、タイミングによっては振幅が増幅しているのがわかる。

そこで、本発明の目的は、タイミングを計ってブレーキの制動力や発電機トルクを印加することでドライブトレインの軸ねじり振動を効果的に抑制し、信頼性の高い風力発電システムおよびその制御方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、電力系統に接続される風力発電システムであって、前記風力発電システムは、風を受けて回転するロータと、前記ロータの動力を伝達するドライブトレインと、前記ドライブトレインに加わるブレーキ力を制御する制御装置と、前記ドライブトレインの回転を制動するブレーキと、前記ドライブトレインから伝達される動力により発電運転し、発電機トルクを可変な発電機と、前記ドライブトレインの回転速度を検出する回転速度センサと、を備え、前記制御装置は、前記電力系統に電圧低下が発生し、当該電圧低下が所定時間内に復帰した場合、前記回転速度センサの計測値に応じて、前記ブレーキおよび前記発電機のいずれの制御がより効果的であるかを判定し、当該判定結果に基づき、前記ドライブトレインに生じる振動を打ち消すように前記ブレーキの制動タイミングおよび前記発電機トルクの変更タイミングの少なくとも何れか一方を制御し、前記発電機への通常のトルク指令値に前記ドライブトレインに生じる振動を打ち消すようなトルク指令値成分を重畳させることを特徴とする。

また、本発明は、電力系統に接続される風力発電システムの制御方法であって、前記電力系統に電圧低下が発生し、当該電圧低下が所定時間内に復帰した場合、前記風力発電システムのドライブトレインの回転速度に応じて、ブレーキおよび発電機のいずれの制御がより効果的であるかを判定し、当該判定結果に基づき、前記ドライブトレインに生じる振動を打ち消すように前記ブレーキの制動タイミングおよび前記発電機の発電機トルクの変更タイミングの少なくとも何れか一方を制御し、前記発電機への通常のトルク指令値に前記ドライブトレインに生じる振動を打ち消すようなトルク指令値成分を重畳させることを特徴とする。

本発明によれば、系統事故などにより発電機トルクが急変した際に、ドライブトレインの振動を効果的に抑制することで発電機や増速器などの機器の損傷を防ぐことが可能となる。

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。

本発明の一実施形態に係る風力発電システム全体の概略図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電システムの制御方法を示す図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電システムの制御方法を示す図である。 系統事故後のドライブトレインのねじり振動による発電機回転速度および発電機回転加速度の時間的推移を示す図である。 通常運転時の風力発電システムの制御方法を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電システムの制御方法を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電システムの制御方法を示すフローチャートである。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明を省略する。

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。風車の回転部は、複数のブレードおよびそれを中央で連結するハブからなるロータ１と、ロータの回転トルク（動力）を伝達するドライブトレイン２と、ドライブトレイン２の動力よりエネルギーを取り出す発電機３の回転部を備えている。ロータ１が風を受けて回転し、ロータ１の回転トルク（動力）をドライブトレイン２により発電機３へ伝達し、発電運転が行われる。発電機３は発電機トルクが可変な構造となっている。

図１では、ドライブトレイン２として回転軸のみが示されているが、増速機（ギアボックス）を設ける場合でも本発明は適用可能である。また、ドライブトレイン２には回転トルク（動力）を制動するブレーキ４および回転速度を検出する回転速度センサ５が設置されている。

制御装置６は、回転速度センサ５の読み取り値などを元に、ブレーキ４にON/OFF指令や発電機３にトルク指令を出すことが可能である。また、制御装置６は、回転速度センサ５の読み取り値（回転速度）やそれに基づき算出した回転加速度などを元に、ブレーキ４にON/OFF指令を出すタイミングや発電機３にトルク指令を出すタイミングを制御することが可能である。

つまり、制御装置６は回転速度センサ５の読み取り値などに基づき、ブレーキ４へのON/OFF指令や発電機３へのトルク指令により、ドライブトレイン２に加わるブレーキ力とそれを付加するタイミングを制御することができる。なお、ここでいうブレーキ力とは、ブレーキ４による制動力の他、発電機３の発電機トルク（負荷）も含む。

発電機３は電力系統に接続されており、発電した電力を電力系統に送電している。上記の回転部はナセル７内に設けられており、ナセル７はタワー８により水平面内を風向変化に合わせて回転可能に支持されている。

本発明は系統事故などにより発電機トルクが急変した際に、ドライブトレインの振動を抑制するために考案されたものである。系統事故については、系統電圧が短時間（例えば１秒以内）で復帰し発電を継続する場合（FRT: Fault Ride-Through）や系統電圧がより長期間（例えば数分或いは更に長期間など）に及ぶ所謂グリッドロスの場合も含んでいる。

本発明は、電力系統の電圧低下以後で電圧が復帰してから所定の時間（例えば、数秒間）経過する迄の間の制御に関するものであり、従来の系統接続時にドライブトレインの振動を打ち消すようにトルク指令を出すドライブトレインダンパ制御とは異なる。

本発明者らの検討によれば、ドライブトレイン２のねじり振動を効果的に抑制するためには振動している発電機側にトルク（ブレーキ力）を加えるタイミングが重要となる。ドライブトレイン２の回転速度が加速しているときにトルクを加えると振動を抑制することが可能であるが、逆に回転速度が減速しているときにトルクを加えると振動を増幅させ、最悪の場合には発電機３や増速器などの機器が破損する恐れがある。

系統電圧が短時間で回復し発電を継続するFRT制御（Fault Ride-Through）においては、発電機のトルクを適切なタイミングで上昇させることが有効である。タイミングについては後述のようにタイマーで設定する方法も有効であるが、FRT制御時に系統電圧変化は風車建設サイトの系統特性やその時の事象に応じ変化することが考えられるため、自動的に調整されることが望ましい。

本発明者らが考える最適の解は、回転速度の計測値をフィードバック制御することでドライブトレインの振動を打ち消すトルク成分を算出し、それを電力を復帰させるためのトルク上昇に重畳的に付加することで最終的な発電機トルク指令値とすることである。

図２に本発明による風力発電システムの系統電圧復帰時の制御方法を示す。図２はFRT時の発電機トルクの時系列変化を示しており、系統電圧が回復し発電機トルクを上昇させる際に、線形に上昇させる通常動作（図２の点線）と、それにドライブトレインダンパの指令値を重畳的に付加して上昇させる本発明の動作（図２の実線）を示している。

図２に示すように、系統事故が発生した後、所定の系統電圧低下期間経過後に系統電圧が復帰した場合、電力復帰制御に移行する。その際、実線で示すようにドライブトレインに生じる振動を打ち消すようにブレーキ４の制動タイミングや発電機３の発電機トルクのトルク値及び変更タイミングを制御する。

なお、ブレーキ４の制動タイミングと発電機３の発電機トルクの変更タイミングを同時に制御することによりドライブトレインの振動を打ち消すトルク成分を付加してもよく、いずれか一方のタイミング制御により振動を打ち消すトルク成分を付加してもよい。いずれの制御がより効果的であるかをドライブトレイン２の回転速度の計測値に応じて制御装置６で判定する。

電力復帰制御後、通常運転制御に移行するが、通常運転制御においては図２の実線で示すようなドライブトレインダンパによるトルク指令値を付加した運転制御を行う。

図５Ａ乃至図６を用いて、上記で説明した風力発電システムの制御方法を説明する。図５Ａは風力発電システムの通常運転時の制御方法を示すブロック図であり、図５Ｂは本発明による風力発電システムの制御方法を示すブロック図である。また、図６は本発明による風力発電システムの制御方法を示すフローチャートである。

電力系統事故が発生した場合（ステップＳ１）、ステップＳ２へ移行し、系統電圧値を判定する。系統電圧の電圧低下が所定値未満の場合（ここでは１０％未満）、通常の電圧変動の範囲内と判断し、ステップＳ７へ移行し、通常運転を継続する。一方、電圧低下が所定値以上の場合（ここでは、１０％以上）、系統異常と判断し、ステップＳ３へ移行する。

ステップＳ３では、系統電圧低下の継続時間を判定する。系統電圧低下の継続時間が予め設定した設定値（例えば、数秒間）以上の場合は、FRT制御は不可能であるため、電力系統の停電と判断し（ステップＳ４）、風車を停止（ステップＳ５）する。一方、系統電圧低下の継続時間が予め設定した設定値未満の場合は、本発明による制御、すなわち回転速度の計測値をフィードバック制御することによりドライブトレインの振動を打ち消すトルク成分を算出し、通常の電力復帰制御によるトルク値に重畳的に付加することで、電力復帰制御を行う。（ステップＳ６）
系統電力の電力回復後（ステップＳ７）、通常運転制御へ移行し（ステップＳ８）、通常運転制御を継続する。

以上説明したように、本実施例によれば、自動的に適切なタイミングで発電機トルクを制御することができるため、系統事故などにより発電機トルクが急変した際に、ドライブトレインの振動を効果的に抑制することができ、発電機や増速器などの機器の損傷を防ぐことができる。

図３を用いて、実施例２の風力発電システムの制御方法について説明する。図３はFRT時の発電機トルクの時系列変化を示しており、系統電圧が低下しているときに発電機トルクを０とする通常動作（図３の点線）と、できる限りトルクを残す本実施例の動作（図３の実線）を示している。

系統事故時のドライブトレインの振動を抑制するためには、図３のように系統事故発生直後の発電機トルク減少量をできるだけ小さくして、ドライブトレインに加わる衝撃力を抑えることが有効である。本発明者らの検討によれば、その目的のためには以下の２つの方法が有効である。

１つ目は、系統事故時に系統に残電圧がある場合には、その残電圧に応じた発電機トルクを発生させ、それにより発生した電力は系統に流す方法がある。例えば、系統電圧が系統事故前の５０％残っている場合には、発電機トルクを系統事故前の５０％を出力するといった具合である。その結果、系統事故前後での発電機トルクの差を小さくすることが可能となる。

２つ目は、発電機に電力消費機器を電気的に接続しておき、系統事故発生時に電力消費機器で消費される電力分のトルクを発電機で発生させる方法である。これは、上記の系統電圧の残量に応じた発電機トルクを発生させる方法と併用することも可能であるが、特に系統電圧が０となった場合でも発電機トルクを発生させられるという点でメリットが大きい。

図４を用いて、実施例３の風力発電システムの制御方法について説明する。系統事故後のドライブトレインのねじり振動による発電機回転速度および発電機回転加速度の時間的推移を示す図である。

タイミング良くドライブトレインの振動側にトルクを印加する方法としては、実施例１の回転速度の読み取り値をフィードバックする方法に加えて、予めタイマーを設定しておくことが考えられる。発電機トルクは指令に対する応答が比較的早いため、実施例１のような読み取り値による自動制御が有効であるが、特にブレーキは応答が比較的遅いため、タイミングを予め設定しておくことも有効である。ブレーキのタイミングを調整する方法としては、ブレーキ指令のタイミングを調整する方法と、ブレーキ応答を調整する方法の２通りがある。

本発明者らの検討によれば、振動部の負荷トルクを増加させる、すなわち発電機トルクを上げるまたはブレーキを掛けるのは回転加速度が正の時に、振動部の負荷トルクを低減させる、すなわち発電機のトルクを下げるまたはブレーキを解除するのは回転加速度が負の時に実施すると、振動が抑制されることが分かった。これは、トルクは加速度を変化させることからも明らかである。

系統事故により時刻０に負荷トルクがステップ的に解放され、その後トルク変化がなく、また減衰もないとすると、ドライブトレインの回転速度および回転加速度は図４に示すように変化する。

このため、回転加速度が正のとき、すなわち、ドライブトレインの固有振動数（固有周期）の整数倍の±１／４周期において負荷トルクを加えると振動が抑制される。特に回転加速度が大きい時刻、すなわち固有周期の整数倍の時刻に負荷トルクを加えると効果が大きい。

一方、回転加速度が負のとき、すなわちドライブトレインの固有振動数（固有周期）の整数＋１／２倍の±１／４周期において負荷トルクを解放すると振動が抑制される。特に回転加速度が小さい時刻、すなわち固有周期の整数＋１／２倍の時刻に負荷トルクを解放すると効果が大きい。

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…ロータ、２…ドライブトレイン（回転軸）、３…発電機、４…ブレーキ、５…回転速度センサ、６…制御装置、７…ナセル、８…タワー。

Claims (14)

1. 電力系統に接続される風力発電システムであって、
   前記風力発電システムは、風を受けて回転するロータと、
   前記ロータの動力を伝達するドライブトレインと、
   前記ドライブトレインに加わるブレーキ力を制御する制御装置と、
   前記ドライブトレインの回転を制動するブレーキと、
   前記ドライブトレインから伝達される動力により発電運転し、発電機トルクを可変な発電機と、
   前記ドライブトレインの回転速度を検出する回転速度センサと、を備え、
   前記制御装置は、前記電力系統に電圧低下が発生し、当該電圧低下が所定時間内に復帰した場合、
   前記回転速度センサの計測値に応じて、前記ブレーキおよび前記発電機のいずれの制御がより効果的であるかを判定し、
   当該判定結果に基づき、前記ドライブトレインに生じる振動を打ち消すように前記ブレーキの制動タイミングおよび前記発電機トルクの変更タイミングの少なくとも何れか一方を制御し、
   前記発電機への通常のトルク指令値に前記ドライブトレインに生じる振動を打ち消すようなトルク指令値成分を重畳させることを特徴とする風力発電システム。
2. 請求項１に記載の風力発電システムであって、
   前記制御装置は、前記電圧低下の復帰後、前記ドライブトレインの回転速度が上昇する際、前記ドライブトレインに減速トルクが加わるように前記ブレーキ力を制御することを特徴とする風力発電システム。
3. 請求項１または２に記載の風力発電システムであって、
   前記制御装置は、前記電圧低下の復帰後、前記ドライブトレインの回転速度が下降する際、前記ドライブトレインに増速トルクが加わるように前記ブレーキ力を制御することを特徴とする風力発電システム。
4. 請求項１に記載の風力発電システムであって、
   前記風力発電システムは、前記ドライブトレインから伝達される動力により発電運転し、発電機トルクを可変な発電機を備え、
   前記制御装置は、前記電圧低下時の系統電圧値に応じて、前記発電機トルクを制御することを特徴とする風力発電システム。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の風力発電システムであって、
   前記風力発電システムは、前記発電機と電気的に接続される電力消費機器を備え、
   前記発電機により生じた電力を前記電力消費機器で消費することにより発電機トルクを発生させることを特徴とする風力発電システム。
6. 請求項１に記載の風力発電システムであって、
   前記制御装置は、前記ドライブトレインの固有振動数に基づき、前記電力系統の電圧低下から所定時間経過後に前記ドライブトレインに減速トルクを付加することを特徴とする風力発電システム。
7. 請求項６に記載の風力発電システムであって、
   前記所定時間は、前記ドライブトレインの振動開始からねじり振動の整数周期の前後１／４周期以内であることを特徴とする風力発電システム。
8. 請求項７に記載の風力発電システムであって、
   前記所定時間は、前記ドライブトレインの振動開始からねじり振動の１周期の前後１／４周期以内であることを特徴とする風力発電システム。
9. 請求項１に記載の風力発電システムであって、
   前記制御装置は、前記ドライブトレインの固有振動数に基づき、前記電力系統の電圧低下から所定時間経過後に前記ドライブトレインに増速トルクを付加することを特徴とする風力発電システム。
10. 請求項９に記載の風力発電システムであって、
    前記所定時間は、前記ドライブトレインの振動開始からねじり振動の整数周期＋１／２周期の前後１／４周期以内であることを特徴とする風力発電システム。
11. 請求項１０に記載の風力発電システムであって、
    前記所定時間は、前記ドライブトレインの振動開始からねじり振動の１．５周期の前後１／４周期以内であることを特徴とする風力発電システム。
12. 電力系統に接続される風力発電システムの制御方法であって、
    前記電力系統に電圧低下が発生し、当該電圧低下が所定時間内に復帰した場合、
    前記風力発電システムのドライブトレインの回転速度に応じて、ブレーキおよび発電機のいずれの制御がより効果的であるかを判定し、
    当該判定結果に基づき、前記ドライブトレインに生じる振動を打ち消すように前記ブレーキの制動タイミングおよび前記発電機の発電機トルクの変更タイミングの少なくとも何れか一方を制御し、
    前記発電機への通常のトルク指令値に前記ドライブトレインに生じる振動を打ち消すようなトルク指令値成分を重畳させることを特徴とする風力発電システムの制御方法。
13. 請求項１２に記載の風力発電システムの制御方法であって、
    前記電圧低下の復帰後、前記ドライブトレインの回転速度が上昇する際、当該ドライブトレインに減速トルクが加わるように前記ブレーキのブレーキ力を制御することを特徴とする風力発電システムの制御方法。
14. 請求項１２または１３に記載の風力発電システムの制御方法であって、
    前記電圧低下の復帰後、前記ドライブトレインの回転速度が下降する際、当該ドライブトレインに増速トルクが加わるように前記ブレーキのブレーキ力を制御することを特徴とする風力発電システムの制御方法。

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