JP6554368B2 - 風力発電システムまたは風力発電システムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電システムまたは風力発電システムの制御方法に係り、特にタワータワー等の振動制御可能なものに関する。

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。特に、システム全体を支える構造物であるタワーの振動は、構成部品への振動に繋がる場合がある。

ここで、風力発電システムのタワー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に開示されたタワー振動制御手段がある。特許文献１には、「翼ピッチ角指令に基づき風車ブレードのピッチ角を制御するピッチ角制御機構を備えた風力発電装置であって、ナセルに取り付けられ、該ナセルの振動の加速度を検出する加速度計と、前記加速度計により検出された加速度に基づき、前記ナセルの振動を打ち消すように前記風車ブレードにスラスト力を発生させるための外風車ブレードのピッチ角を算出して翼ピッチ角指令を前記ピッチ角制御機構に出力するアクティブ制振手段を有する風力発電装置」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、ナセルに設置された加速度計にて計測した加速度に基づいてブレードのピッチ角度を調整し、風力発電システムが風から受けるスラスト力を制御することで、タワー振動を低減することができる。

ＷＯ０５／８３２６６号公報

風力発電システムが出力する発電電力を制御するために、風力発電システムに備えられる制御装置は、ブレードのピッチ角度と発電機のトルクを調整する。発電電力の制御は一般的に可変速制御と呼ばれている。この可変速制御は、ブレードのピッチ角度の調整により、主に、ロータの回転速度を制御すると共に、発電機のトルクを制御することで、発電電力を制御する。

上述の通り、特許文献１に記載のタワー振動制御手段はタワー振動を低減するために、ブレードのピッチ角度を制御する。そのため、上記タワー振動制御手段を上記可変速制御と並行して運用する際には、両手段の干渉が課題となる。

本発明では、タワー振動制御が可変速制御と干渉しないようにする風力発電システムまたは風力発電システムの制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る風力発電システムは、可変速制御可能な風力発電システムであって、風を受けて回転するブレードと、前記ブレードの回転エネルギーを電力に変換する発電機と、前記ブレードの荷重を支持するタワーと、ピッチ角度目標値に基づいて前記ブレードのピッチ角度を調整する調整装置と、前記調整装置に送るピッチ角度目標値を定める制御装置を備え、前記制御装置は、タワー振動制御手段を有しており、前記タワー振動制御手段が決定する前記タワーの振動を制御する前記ピッチ角度の調整幅であるピッチ角度調整幅を用いて前記ピッチ角度目標値を決定し、前記ピッチ角度調整幅は、風速に基づいて決定され、カットイン風速からカットアウト風速の範囲内に含まれる第１の風速及び第２の風速について、第１の風速よりも第２の風速が高いとした際に、前記カットイン風速から前記第１の風速の間の風速において前記タワーの振動を制御する前記ピッチ角度調整幅である第１のピッチ角度調整幅が、前記第２の風速から前記カットアウト風速の間の風速において前記タワーの振動を制御する前記ピッチ角度調整幅である第２のピッチ角度調整幅よりも大きく、前記第１の風速から前記第２の風速の間の風速において前記タワーの振動を制御する前記ピッチ角度調整幅である第３のピッチ角度調整幅が、前記第１のピッチ角度調整幅よりも小さく、かつ前記第２のピッチ角度調整幅よりも大きくなる様に各ピッチ角度調整幅を決定することを特徴とする。

また、本発明に係る風力発電システムの制御方法は、風を受けて回転するブレードと、前記ブレードの荷重を支持するタワーと、ピッチ角度目標値に基づいて前記ブレードのピッチ角度を調整する調整装置を備え、可変速制御可能な風力発電システムの制御方法であって、前記タワーの振動を制御する前記ピッチ角度の調整幅であるピッチ角度調整幅を用いて前記ピッチ角度目標値を決定し、前記ピッチ角度調整幅を、風速に基づいて決定し、 風速の増加に伴って、前記ピッチ角度調整幅の制限範囲を小さくすることを特徴とする。

本発明によれば、タワー振動制御が可変速制御と干渉しないようにする風力発電システムまたは風力発電システムの制御方法を提供することが可能になる。

実施例に係る風力発電システム１の構成概要を示す図。 実施例１の風力発電システム１における発電電力、発電機回転速度、発電機トルク、およびピッチ角度の関係を示す概略図。 本発明の実施例１における風力発電システム１のコントローラ９に実装される風力発電システム制御手段１０１の処理概要を示すブロック線図。 実施例１に係る風速と風速に基づく制御ゲイン調整手段３０２から出力されるタワー振動制御手段の制御ゲインの関係の一例を示す概略図。 実施例１に係る風速とタワー振動制御手段３０４の出力であるピッチ角度調整幅の絶対値の関係の一例を示す概略図。 実施例１に係る風速とタワー振動制御手段３０４の出力であるピッチ角度調整幅の絶対値の関係の他の一例を示す概略図。 実施例１に係る風力発電システム制御手段１０１を適用有無における風速、発電機回転速度、発電電力、およびタワー傾斜角度の関係を示す概略図。 実施例１に係る風力発電システム制御手段１０１の処理概要を示すフローチャート。 本発明の実施例２における風力発電システム１のコントローラ９に実装される風力発電システム制御手段１０２の処理概要を示すブロック線図。 実施例２に係る風速と入力値制限手段９０５から出力されるピッチ角度制限値の関係の一例を示す概略図。 実施例２に係る風力発電システム制御手段１０２の処理概要を示すフローチャート。 本発明の実施例３における風力発電システム１のコントローラ９に実装される風力発電システム制御手段１０３の処理概要を示すブロック線図。 実施例２に係る風速と風速に基づく制御ゲイン調整手段１２０４から出力される可変速制御手段のピッチ角度制御手段に関する制御ゲインの関係の一例を示す概略図。 実施例２に係る風速と風速に基づく制御ゲイン調整手段１２０４から出力される可変速制御手段の発電機トルク制御手段に関する制御ゲインの関係の一例を示す概略図。 実施例３に係る風力発電システム制御手段１０３の処理概要を示すフローチャート。 本発明の実施例４における風力発電システム１のコントローラ９に実装される風力発電システム制御手段１０４の処理概要を示すブロック線図。 実施例４に係る風力発電システム制御手段１０４の処理概要を示すフローチャート。 本発明の実施例５における風力発電システム１のコントローラ９に実装される風力発電システム制御手段１０５の処理概要を示すブロック線図。 実施例５に係る風力発電システム制御手段１０５の処理概要を示すフローチャート。 本発明に係る風力発電システム１が浮体構造物を備えた場合の構成概要を示す図。

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。

初めに、風力発電システムの概略構成等について図１および図２を用いて説明する。 まず、図１を用いて、本発明を適用可能な風力発電システム全体の概略構成について説明する。

図１の風力発電システム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１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７を備えている。ピッチアクチュエータ７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、風力発電システム１の発電電力を制御することができる（可変速制御）。

図１の風力発電システム１では、ナセル５はタワー８上に設置されており、タワー８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８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、風力発電システム１はコントローラ９を備えており、ナセル５の水平面からの傾斜角度や傾斜加速度を計測するナセル傾斜情報計測センサ１０や、例えばナセル上に配置されてナセル５近傍の風速を計測する風速センサ（図では省略）、発電機の回転速度を計測する回転センサ（図では省略）に基づき、コントローラ９が発電機６とピッチアクチュエータ７を調整することで、風力発電システム１が出力する電力を調整する。

なお、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１ではコントローラ９はナセル５またはタワー８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８の内部またはそれ以外の所定位置、または風力発電システム１の外部に設置される形態であっても良い。

ここで、図２を用いて風力発電システム１の発電動作概要について説明する。図２は風速に対する、発電電力、発電機回転速度、発電機トルク、およびピッチ角度の関係を示す概要図である。図２の横軸は風速を示し、縦軸の上方側は上から順に、発電電力が高いこと、発電機回転速度が高いこと、発電機トルクが高いこと、ピッチ角度がフェザー側であることをそれぞれ示す。

まず、発電電力Pに注目すると、カットイン風速v_inからカットアウト風速v_outの範囲で発電電力を変化させるが、風速v_dまでは風速vの増加に伴い発電電力Pを増加させるが、風速v_dからカットアウト風速v_outまでは発電出力Pを一定とする。

このような風速vに対する発電電力Pの特性に従って運転するために、コントローラ９は下記のように発電機回転速度ω、発電機トルクQ、およびブレード２のピッチ角度Θを調整する。

コントローラ９は発電機回転速度ωを、カットイン風速v_inから風速v_aまでは同期回転速度ω_lowに保持し、風速v_aから風速v_bまでは風速vに伴って増加し、風速v_bからカットアウト風速v_outまで定格回転速度ω_ratedに保持する。また、コントローラ９は発電機トルクQをカットイン風速v_inから風速v_dまでは風速vの増加に従って定格トルクQ_ratedまで増加し、風速v_dからカットアウト風速v_outまでは定格トルクQ_ratedに保持する。発電機回転速度ωと発電機トルクQを上記のように調整するために、コントローラ９はロータ４が受ける風力エネルギーを調整するためにブレード２のピッチ角度Θをカットイン風速v_inから風速v_bまでファイン側のピッチ角度に保持し、風速v_bからカットアウト風速v_outまでは風速vの増加に伴い、ピッチ角度Θを増加させる。

ここで、タワー振動制御を可変速制御と並行して運用する際には、両手段の干渉が課題となる。具体的には、ブレードのピッチ角度が干渉した場合には、可変速制御がタワー振動制御手段の効果を妨害したり、逆にタワー振動制御が可変速制御の効果を妨害したりする。

特に、ピッチ角度の変化がロータに入力するエネルギーへの変化に対する感度が大きい風速が高い条件下において、タワー振動制御手段が、風速が低い条件と同様にピッチ角度を制御すると、可変速制御手段が必要とするピッチ角度から大きく動作させることで、当該風速で最大の発電電力を発生させるための風力エネルギーをロータが受けることができなくなり、結果としてロータの回転変動や発電電力の変動を招く場合がある。上記を鑑みると、可変速制御手段による発電動作に干渉しないタワー振動制御手段の適用が好ましい。

各実施例は、図２に示した風力発電システム１の発電運転の際に、ナセル５（またはタワー８）に発生する前後方向の振動（以下、タワー振動）を低減するタワー振動制御手段について主として説明しており、風速vに基づいて風力発電システム１の制御手段を調整する機能を備えることで、タワー振動を励起せず、適切にタワー振動を低減するものである。特に、コントローラ９が備えるタワー振動制御手段が決定するタワー振動を制御する調整幅を風速に基づいて決定する様にしている。そして、この調整幅を用いてピッチ角度目標値を決定している。

更に、風速が増加するに従ってタワー振動制御手段の制御ゲインを減少させたり、可変速制御手段におけるピッチ角度制御手段やトルク制御手段の制御ゲインを増加させたりすることにより、可変速制御手段に対するタワー振動制御手段の効果の割合を減少させることも可能である。以下、図面を用いて各実施例について更に説明する。

図３から図８を用いて、本発明の実施例１に係る風力発電システム制御手段１０１について説明する。

図３は、本発明の実施例１における風力発電システム１のコントローラ９に実装される風力発電システム１０１の処理概要を示すブロック線図である。実施例１の風力発電システム１０１は、可変速制御手段３０１、風速に基づく制御ゲイン調整手段３０２、タワー振動制御手段３０３、および加算部３０４、により構成される。

可変速制御手段３０１は、発電機回転速度ωに基づき、発電機トルク目標値Q*および可変速制御手段によるピッチ角度調整幅Θ*_VSCを決定する。この可変速制御手段３０１は、図２に示した風力発電システム１の運転特性を実現できるように、発電機トルク目標値Q*と可変速制御手段によるピッチ角度調整幅Θ*_VSCを決定する。

風速に基づく制御ゲイン調整手段３０２は、風速vに基づき、タワー振動制御手段の制御ゲインG_TVCを決定する。実施例１では、図では省略するが、後述するタワー振動制御手段３０３が比例項により構成される比例制御に基づくことを想定する。ただし、これに限ったものではなく、タワー振動制御手段３０３は積分項や微分項を備えたものであっても良いし、タワー傾斜情報の所定周波数領域のみを通過させるフィルタを利用するものであってもよい。

図４は、実施例１に係る風速に基づく制御ゲイン調整手段３０２の特性概要の一例を示す図である。図４の横軸は風速、縦軸は風速に基づく制御ゲイン調整手段３０２が決定するタワー振動制御手段の制御ゲインG_TVCを示し、縦軸上方が制御ゲインが大きいことを示す。

風速に基づく制御ゲイン調整手段３０２はカットイン風速v_inから風速v₁まではタワー振動制御手段の制御ゲインG_TVCを一定に保持し、風速v₁から風速v₂の風速範囲ではタワー振動制御手段の制御ゲインG_TVCを風速vの増加に伴って減少させ、風速v₂からカットアウト風速v_outではタワー振動制御手段の制御ゲインG_TVCを一定に保持する。図４に示す通り、タワー振動制御手段の制御ゲインG_TVCの特性は、風速vが増加するに従って減少する特性である。

ただし、風速に基づく制御ゲイン調整手段３０２の特性はこれに限ったものではなく、一定に保持する期間を保有しない特性であっても良いし、階段状に減少させる特性や、風速vの高次の曲線に近似した特性であっても良い。減少の仕方として、次の様に考えることが可能である。即ち、カットイン風速からカットアウト風速の範囲内に含まれる第１の風速及び第２の風速を規定した場合（但し、第１の風速よりも第２の風速が高いものとする）、１）カットイン風速から第１の風速の間の風速においてタワーの振動を制御する第１の調整幅が、第２の風速からカットアウト風速の間の風速においてタワーの振動を制御する第２の調整幅よりも小さく、２）第１の風速から第２の風速の間の風速においてタワーの振動を制御する第３の調整幅が、第１の調整幅よりも小さく、かつ第２の調整幅よりも大きくなる様に各調整幅を決定しても良い。第１の風速を例えば図４におけるv₁とし、第２の風速を風速v₂とすると、その間の風速における制御ゲインは、v₁における制御ゲインとし、v₂における制御ゲインとの間の値となっている。

タワー振動制御手段３０３は、タワー振動情報、および図４に示す特性に基づくタワー振動制御手段の制御ゲインG_TVC、に基づき、タワー振動制御手段によるピッチ角度調整幅Θ*_TVCを決定する。ここで、タワー振動制御手段３０３の入力であるタワー傾斜情報は図には明記しないが、タワー８の前後方向の傾斜角度であっても良いし、更にはタワーに限られず、ナセル５の前後方向の加速度であっても良い。以下では、タワー８の前後方向の傾斜角度（以下、タワー傾斜角度）として説明する。

図４に示すタワー振動制御手段の制御ゲインG_TVCの特性を備えることにより、タワー振動制御手段３０３が決定するタワー振動制御手段によるピッチ角度調整幅Θ*_TVCは図５に示すような特性を備える。

図５は、風速vに対するタワー振動制御手段によるピッチ角度調整幅の絶対値|Θ*_TVC|を示す。図上方がタワー振動制御手段によるピッチ角度調整幅の絶対値|Θ*_TVC|が大きいことを示す。カットイン風速v_inから風速v₁まではタワー振動制御手段によるピッチ角度調整幅の絶対値|Θ*_TVC|を一定に保持し、風速v₁から風速v₂の風速範囲ではタワー振動制御手段によるピッチ角度調整幅の絶対値|Θ*_TVC|を風速vの増加に伴って減少させ、風速v₂からカットアウト風速v_outではタワー振動制御手段によるピッチ角度調整幅の絶対値|Θ*_TVC|を一定に保持する（ここでは、零より大の例を示している）。図５に示す通り、タワー振動制御手段によるピッチ角度調整幅の絶対値|Θ*_TVC|の特性は、風速vが増加するに従って減少する特性である。

ただし、タワー振動制御手段３０３の特性はこれに限ったものではなく、一定に保持する期間を保有しない特性であっても良いし、階段状に減少させる特性や、風速vの高次の曲線に近似した特性であっても良い。

図６は図5と同様に風速に対するタワー振動制御手段によるピッチ角度調整幅の絶対値|Θ*_TVC|の特性の別の一例を示した図である。図5と図６の違いは、風速v₂からカットアウト風速v_outにおいて、タワー振動制御手段によるピッチ角度調整幅の絶対値|Θ*_TVC|を零とする特性を備えることである。このように、タワー振動制御手段３０３の特性は、例えば所定値を超えた場合に、高風速時にタワー振動制御手段によるピッチ角度調整幅の絶対値|Θ*_TVC|を零とする特性を備えるものであっても良い。そして、所定値が発電運転範囲に収まる様に、カットイン風速よりも大きく、カットアウト風速よりも小さくしている。

また、加算部３０４では、可変速制御手段によるピッチ角度調整幅Θ*_VSCとタワー振動制御手段によるピッチ角度調整幅Θ*_TVCとを加算し、ピッチ角度目標値Θ*を決定する。即ち、コントローラ９はタワー振動制御手段３０３が決定するタワー８の振動を制御する調整幅を用いてピッチ角度目標値Θ*を決定している。尚、本実施例では、ピッチ角度目標値Θ*はピッチアクチュエータ７へ送信される指令値と一致することを想定するが、これに限らず、例えばピッチ角度目標値Θ*の前回値を加算していく処理を備えていたり、ピッチ角度目標値Θ*の速度をピッチアクチュエータ７へ送信したりするものであっても良い。

ここで、図４、図5および図６のような特性を備える理由は下記の通りである。ロータ４が風から後方へ押しやる方向へ受ける力（以下、スラスト力）は風速vの2乗に、スラスト係数を乗算することで得られることが知られている。このスラスト係数は風速vにほぼ比例する特性を備えることから、結果として、スラスト力は風速vの3乗に比例する特性を備える。このため、風速vの増加に従ってスラスト力が増加するが、ブレード２のピッチ角度の感度は風速vの増加に従って増加することとなる。

タワー振動制御手段を適用する際には、上記特性を考慮したピッチ角度の調整を要する。タワー振動制御手段で決定されるピッチ角度調整幅Θ*_TVCは、風速vが低い状態での所定タワー傾斜状態でのピッチ角度の調整幅Ａに対し、同一のタワー傾斜状態において風速vが高い場合に同一のピッチ角度の調整幅Ｂとすると、上述の通り風速vが高い方がピッチ角度に対するスラスト力の感度が大きいため、大きくスラスト力を減少させることで、タワー傾斜状態を大きく変化させる。タワー振動制御手段３０３はタワー振動を低減するために適用される手段であるが、上述のようなスラスト力を考慮しない場合には、タワー振動を適切に低減することができない場合がある。

図７は、実施例1に係る風力発電システム制御手段１０１の効果を示す概要図である。図７の横軸は時間を示し、縦軸は図上方より風速v、発電機回転速度ω、発電電力P、およびタワー傾斜角度Ψを示す。縦軸の上方側は、上から順に風速vが高いこと、発電機回転速度ωが高いこと、発電電力Pが高いこと、タワー傾斜角度Ψが後方側であることをそれぞれ示す。図７は風速vが図２に示す風速v_cからカットアウト風速v_outの範囲内において、時刻t₂から時刻t₃の間に増加し、時刻t₃から時刻t₄までは増加した状態を維持する条件を想定した例である。なお、図７に示す破線は本発明に係る風力発電システム制御手段１０１のタワー振動制御手段３０３を適用しない場合（風速に応じてタワー振動制御手段で決定されるピッチ角度調整幅Θ*_TVCを変更しない場合）の結果を示し、実線が本実施例に係る風力発電システム制御手段１０１のタワー振動制御手段３０３を適用した場合の結果を示す。

本実施例に係る風力発電システム制御手段１０１のタワー振動制御手段３０３を適用しない場合（風速に応じてタワー振動制御手段で決定されるピッチ角度調整幅Θ*_TVCを変更しない場合）には、t₁から時刻t₂の間では発電回転速度ωおよび発電電力Pを一定に保持できており、タワー傾斜角度Ψも一定値に保持できている。ただし、時刻t₂から時刻t₃の間の風速の増加に伴い、タワー傾斜角度Ψが振動を開始する。タワー振動を低減するべく、ブレード２のピッチ角度も変化が大きくなるため、結果として、ロータ４に入力する風力エネルギーが変動することとなり、発電機回転速度ωおよび発電電力Pも変動することとなる。この結果は、可変速制御手段３０１とタワー振動制御手段３０３が双方共にブレード２のピッチ角度を調整するために起こる現象であり、複数の制御手段における干渉を示すものである。

これに対し、実線で示す、本発明に係る風力発電システム制御手段１０１のタワー振動制御手段３０３を適用した場合には、風速vに基づいてタワー振動制御によるピッチ角度調整幅Θ*_TVCを適切に調整することにより、制御手段間の干渉を抑制している。よって、タワー傾斜角度Ψの振動、発電機回転速度ωおよび発電電力Pの変動をいずれも抑制することができ、安定した発電電力の出力が可能である。

図８は実施例１に係る風力発電システム制御手段１０１の処理概要を示すフローチャートである。

ステップＳ８０１では、風速vを決定し、次のステップに進む。ステップＳ８０２では、風速に基づく制御ゲイン調整手段３０２において、風速vに基づいてタワー振動制御手段３０３の制御ゲインG_TVCを決定し、次のステップに進む。ステップＳ８０３では、発電機回転速度ωを決定し、次のステップに進む。ステップＳ８０４では、可変速制御手段３０１において、発電機回転速度ωに基づいて発電機トルク目標値Q*を決定し、次のステップに進む。ステップＳ８０５では、可変速制御手段３０１において、発電機回転速度ωに基づいて可変速制御手段によるピッチ角度調整幅Θ*_VSCを決定し、次のステップに進む。ステップＳ８０６では、タワー振動情報であるタワー傾斜角度Ψを決定し、次のステップに進む。ステップＳ８０７では、タワー振動制御手段３０３において、風速vに基づいてタワー振動制御手段の制御ゲインG_TVCおよびタワー振動情報であるタワー傾斜角度Ψに基づき、タワー振動制御手段によるピッチ角度調整幅Θ*_TVCを決定し、次のステップに進む。ステップＳ８０８では、加算部３０４において、可変速制御手段によるピッチ角度調整幅Θ*_VSCとタワー振動制御手段によるピッチ角度調整幅Θ*_TVCとを加算し、ピッチ角度目標値Θ*を決定した後、一連の処理を終了する。尚、タワー傾斜角度Ψに基づいてタワー振動制御手段によるピッチ角度調整幅を決定しているが、これに限られるものでなく、例えばタワーやナセルの加速度等に基づいて振動制御する振動制御手段にも適用が可能である。以降の各実施例においても同様である。

次に、図９から図１１を用いて、本発明の実施例２に係る風力発電システム制御手段１０１について説明する。

図９は、本発明の実施例２における風力発電システム１のコントローラ９に実装される風力発電システム１０２の処理概要を示すブロック線図である。実施例２の風力発電システム１０２は、可変速制御手段９０１、風速に基づく制限値調整手段９０２、タワー振動制御手段９０３、入力値制限手段９０４、および加算部９０５、により構成される。

可変速制御手段９０１は、実施例１で説明した可変速制御手段３０１と同様のため説明を省略する。

風速に基づく制限値調整手段９０２は、風速vに基づき、ピッチ角度制限値ΘL_TVCを決定する。図１０は、実施例２に係る風速に基づく制限値調整手段９０２の特性概要の一例を示す図である。図１０の横軸は風速、縦軸は風速に基づく制限値調整手段９０２が決定するピッチ角度制限値ΘL_TVCを示し、縦軸上方がピッチ角度制限値が大きいことを示す。

風速に基づく制限値調整手段９０２はカットイン風速v_inから風速v₁まではピッチ角度制限値ΘL_TVCを一定に保持し、風速v₁から風速v₂の風速範囲ではピッチ角度制限値ΘL_TVCを風速vの増加に伴って減少させ、風速v₂からカットアウト風速v_outではピッチ角度制限値ΘL_TVCを一定に保持する。図１０に示す通り、ピッチ角度制限値ΘL_TVCの特性は、風速vが増加するに従って減少する特性である。

ただし、風速に基づく制限値調整手段９０２の特性はこれに限ったものではなく、一定に保持する期間を保有しない特性であっても良いし、階段状に減少させる特性や、風速vの高次の曲線に近似した特性であっても良い。また、カットアウト風速v_outに近い風速からカットアウト風速v_outの風速範囲にて、ピッチ角度制限値ΘL_TVCを零とするものであっても良い。

タワー振動制御手段９０３は、タワー振動情報であるタワー傾斜角度Ψに基づいて、タワー振動制御手段によるピッチ角度基本調整幅Θ0*_TVCを決定する。図には明記しないが、実施例１にて説明したタワー振動制御手段と同様に、比例項に基づくものや、フィルタを利用したものであっても良い。ただし、実施例１と異なり、その制御ゲインを調整する機能を必ずしも持たなくとも良い。

入力値制限手段９０４は、風速に基づく制限値調整手段９０２が決定したピッチ角度制限値ΘL_TVCおよびタワー振動制御手段によるピッチ角度基本調整幅Θ0*_TVCに基づき、タワー振動制御手段によるピッチ角度調整幅Θ*_TVCを決定する。入力値制限手段９０４の一例を式１に示す。式１は入力値制限手段９０５の処理概要を示す関係式である。

ピッチ角度制限値ΘL_TVCの絶対値|ΘL_TVC|とタワー振動制御手段によるピッチ角度基本調整幅Θ0*_TVCの絶対値|Θ0*_TVC|を比較することで、タワー振動制御手段によるピッチ角度調整幅Θ*_TVCを決定する処理を実行する。具体的には、タワー振動制御手段によるピッチ角度基本調整幅Θ0*_TVCの絶対値|Θ0*_TVC|が、ピッチ角度制限値ΘL_TVCの絶対値|ΘL_TVC|よりも小さい場合には、タワー振動制御手段によるピッチ角度調整幅Θ*_TVCにタワー振動制御手段によるピッチ角度基本調整幅Θ0*_TVCを格納し、逆の場合には、タワー振動制御手段によるピッチ角度調整幅Θ*_TVCにピッチ角度制限値ΘL_TVCを格納する。即ち、絶対値が小さいほうの値を格納する。故に本実施例では、風速の増加に伴って、タワー振動制御手段９０３が決定する調整幅の制限範囲が小さくなる様にされている。

実施例２においても、実施例１と同様に、風速vの増加に伴って、タワー振動制御手段によるピッチ角度調整幅Θ*_TVCを減少させる特性を備えることができる。本実施例では、コントローラ９はピッチ角度目標値Θ*を決定するに際し、タワー振動制御手段９０３が決定するタワー８の振動を制御する調整幅Θ0*_TVCをピッチ角度制限値ΘL_TVCとの比較の為に用いている。また、加算部９０５は、実施例１の加算部３０３と同様の処理を実行するため、詳細説明を省略する。

なお、実施例２に係る風力発電システム制御手段１０２の効果は、実施例１にて説明した図７と同様のため、詳細説明を省略する。

図１１は実施例２に係る風力発電システム制御手段１０２の処理概要を示すフローチャートである。

ステップＳ１１０１では、風速vを決定し、次のステップに進む。ステップＳ１１０２では、風速に基づく制限値調整手段９０２において、風速vに基づいてピッチ角度制限値ΘL_TVCを決定し、次のステップに進む。ステップＳ１１０３では、発電機回転速度ωを決定し、次のステップに進む。ステップＳ１１０４では、可変速制御手段９０１において、発電機回転速度ωに基づいて発電機トルク目標値Q*を決定し、次のステップに進む。ステップＳ１１０５では、可変速制御手段９０１において、発電機回転速度ωに基づいて可変速制御手段によるピッチ角度調整幅Θ*_VSCを決定し、次のステップに進む。ステップＳ１１０６では、タワー振動情報であるタワー傾斜角度Ψを決定し、次のステップに進む。ステップＳ１１０７では、タワー振動制御手段９０３において、タワー傾斜角度Ψに基づき、タワー振動制御手段によるピッチ角度基本調整幅Θ0*_TVCを決定し、次のステップに進む。ステップＳ１１０８では、入力値制限手段９０４において、ピッチ角度制限値ΘL_TVCおよびタワー振動制御手段によるピッチ角度基本調整幅Θ0*_TVCに基づいて、タワー振動制御手段によるピッチ角度調整幅Θ*_TVCを決定し、次のステップに進む。ステップＳ１１０９では、加算部９０５において、可変速制御手段によるピッチ角度調整幅Θ*_VSCとタワー振動制御手段によるピッチ角度調整幅Θ*_TVCとを加算し、ピッチ角度目標値Θ*を決定した後、一連の処理を終了する。

次に、図１２から図１５を用いて、本発明の実施例３に係る風力発電システム制御手段１０３について説明する。

図１２は、本発明の実施例３における風力発電システム１のコントローラ９に実装される風力発電システム１０３の処理概要を示すブロック線図である。実施例３の風力発電システム１０３は、可変速制御手段１２０１、風速に基づく制御ゲイン調整手段１２０２、タワー振動制御手段１２０３、および加算部１２０４、により構成される。

可変速制御手段１２０１は、発電機回転速度ωに基づき、発電機トルク目標値Q*および可変速制御手段によるピッチ角度調整幅Θ*_VSCを決定する。この可変速制御手段１２０１は、図２に示した風力発電システム１の運転特性を実現できるように、発電機トルク目標値Q*と可変速制御手段によるピッチ角度調整幅Θ*_VSCを決定する。

実施例３においては、可変速制御手段１２０１における、発電機トルク目標値Q*および可変速制御手段によるピッチ角度調整幅Θ*_VSCの演算処理は、比例項と積分項から構成される比例積分制御により構成されるものとする。ただし、これに限ったものではなく、微分項を追加した比例積分微分制御に基づくものであっても良い。なお、後述する可変速制御手段の制御ゲインにより、上記比例項または積分項、またはその両方を調整可能な機能を備えるものを想定する。

風速に基づく制御ゲイン調整手段１２０２は、風速vに基づき、可変速制御手段の制御ゲインを決定する。その例を図１３および図１４を用いて説明する。

図１３は、実施例３に係る風速に基づく制御ゲイン調整手段１２０２の特性概要の一例を示す図である。図１３の横軸は風速、縦軸は風速に基づく制御ゲイン調整手段１２０２が決定する値が、可変速制御手段のピッチ角度制御に関する制御ゲインGω_VSCを示し、縦軸上方が制御ゲインが大きいことを示す。

風速に基づく制御ゲイン調整手段１２０２はカットイン風速v_inから風速v₁までは可変速制御手段のピッチ角度制御に関する制御ゲインGω_VSCを一定に保持し、風速v₁から風速v₂の風速範囲では可変速制御手段のピッチ角度制御に関する制御ゲインGω_VSCを風速vの増加に伴って増加させ、風速v₂からカットアウト風速v_outでは可変速制御手段のピッチ角度制御に関する制御ゲインGω_VSCを一定に保持する。図１３に示す通り、可変速制御手段のピッチ角度制御に関する制御ゲインGω_VSCの特性は、風速vが増加するに従って増加する特性である。

ただし、風速に基づく制御ゲイン調整手段１２０２の特性はこれに限ったものではなく、一定に保持する期間を保有しない特性であっても良いし、階段状に減少させる特性や、風速vの高次の曲線に近似した特性であっても良い。

さらに図１４は、実施例３に係る風速に基づく制御ゲイン調整手段１２０２の特性概要の別の例を示す図である。図１４の横軸は風速、縦軸は風速に基づく制御ゲイン調整手段１２０２が決定する値が、可変速制御手段の発電機トルク制御に関する制御ゲインGQ_VSCを示し、縦軸上方が制御ゲインが大きいことを示す。

風速に基づく制御ゲイン調整手段１２０２はカットイン風速v_inから風速v₁までは可変速制御手段の発電機トルク制御に関する制御ゲインGQ_VSCを一定に保持し、風速v₁から風速v₂の風速範囲では可変速制御手段の発電機トルク制御に関する制御ゲインGQ_VSCを風速vの増加に伴って増加させ、風速v₂からカットアウト風速v_outでは可変速制御手段の発電機トルク制御に関する制御ゲインGQ_VSCを一定に保持する。図１３に示す通り、可変速制御手段の発電機トルク制御に関する制御ゲインGQ_VSCの特性は、風速vが増加するに従って増加する特性である。

ただし、風速に基づく制御ゲイン調整手段１２０２の特性はこれに限ったものではなく、一定に保持する期間を保有しない特性であっても良いし、階段状に増加させる特性や、風速vの高次の曲線に近似した特性であっても良い。但し、該図に示す様に、必ずしも常に増加し続けることは必要とせず、例えば所定の範囲では一定値となっていても良い。

また、図１３および図１４はそれぞれ、可変速制御手段２の中でも、ピッチ角度制御と発電機トルク制御に関わる制御ゲインを各々備える例を示したが、これに限るものではなく、図１３と図１４を組合せたもの、すなわち、風速に基づく制御ゲイン調整手段１２０２が、可変速制御手段１２０１におけるピッチ角度制御および発電機トルク制御の双方の制御ゲインを調整するものであっても良い。

タワー振動制御手段１２０３は、実施例２で説明したタワー振動制御手段９０３と同様の処理を実行するため詳細説明を省略する。

加算部１２０４は、実施例１で説明した加算部３０４と同様であるため、説明を省略する。

図１５は実施例３に係る風力発電システム制御手段１０３の処理概要を示すフローチャートである。

ステップＳ１５０１では、風速vを決定し、次のステップに進む。ステップＳ１５０２では、風速に基づく制御ゲイン調整手段１２０２において、風速vに基づいて可変速制御手段の制御ゲインを決定し、次のステップに進む。ステップＳ１５０３では、発電機回転速度ωを決定し、次のステップに進む。ステップＳ１５０４では、可変速制御手段１２０１において、発電機回転速度ωおよび可変速制御手段の制御ゲインに基づいて、発電機トルク目標値Q*を決定し、次のステップに進む。ステップＳ１５０５では、可変速制御手段１２０１において、発電機回転速度ωおよび可変速制御手段の制御ゲインに基づいて可変速制御手段によるピッチ角度調整幅Θ*_VSCを決定し、次のステップに進む。ステップＳ１５０６では、タワー振動情報であるタワー傾斜角度Ψを決定し、次のステップに進む。ステップＳ１５０７では、タワー振動制御手段１２０３において、タワー振動情報であるタワー傾斜角度Ψに基づき、タワー振動制御手段によるピッチ角度調整幅Θ*_TVCを決定し、次のステップに進む。ステップＳ１５０８では、加算部１２０４において、可変速制御手段によるピッチ角度調整幅Θ*_VSCとタワー振動制御手段によるピッチ角度調整幅Θ*_TVCとを加算し、ピッチ角度目標値Θ*を決定した後、一連の処理を終了する。

次に、図１６および図１７を用いて、本発明の実施例４に係る風力発電システム制御手段１０４について説明する。

図１６は、本発明の実施例４における風力発電システム１のコントローラ９に実装される風力発電システム１０４の処理概要を示すブロック線図である。実施例４の風力発電システム１０４は、可変速制御手段１６０１、風速に基づく制御ゲイン調整手段１６０２、タワー振動制御手段１６０３、および加算部１６０４、により構成される。本構成は、実施例１と実施例３の構成を組み合わせたものである。

可変速制御手段１６０１は、実施例３で説明した可変速制御手段１２０１と同様のため、詳細説明を省略する。風速に基づく制御ゲイン調整手段１６０２は、風速vに基づき、可変速制御手段の制御ゲイン、およびタワー振動制御手段の制御ゲインG_TVCの両方を演算する。風速vに基づく可変速制御手段の制御ゲインの決定については、実施例３と同様に、可変速制御手段のピッチ角度制御に関する制御ゲインGω_VSC、または可変速制御手段の発電機トルク制御に関する制御ゲインGQ_VSCの一方のみを決定するものであっても良いし、その両方を決定するものであっても良い。詳細については実施例３で説明済みのため省略する。また、風速vに基づくタワー振動制御手段の制御ゲインG_TVCの決定については、実施例１で説明したものと同様であるため、詳細説明を省略する。タワー振動制御手段１６０３は、実施例１で説明したタワー振動制御手段３０３と同様のため、詳細説明を省略する。加算部１６０４についても、上述の３つの実施例と同様のため、説明を省略する。

図１７は実施例４に係る風力発電システム制御手段１０４の処理概要を示すフローチャートである。

ステップＳ１７０１では、風速vを決定し、次のステップに進む。ステップＳ１５０２では、風速に基づく制御ゲイン調整手段１６０２において、風速vに基づいて可変速制御手段の制御ゲインを決定し、次のステップに進む。ステップＳ１７０３では、風速に基づく制御ゲイン調整手段１６０２において、風速vに基づいてタワー振動制御手段の制御ゲインG_TVCを決定し、次のステップに進む。ステップＳ１７０４では、発電機回転速度ωを決定し、次のステップに進む。ステップＳ１７０５では、可変速制御手段１６０１において、発電機回転速度ωおよび可変速制御手段の制御ゲインに基づいて、発電機トルク目標値Q*を決定し、次のステップに進む。ステップＳ１７０６では、可変速制御手段１７０１において、発電機回転速度ωおよび可変速制御手段の制御ゲインに基づいて可変速制御手段によるピッチ角度調整幅Θ*_VSCを決定し、次のステップに進む。ステップＳ１７０７では、タワー振動情報であるタワー傾斜角度Ψを決定し、次のステップに進む。ステップＳ１７０８では、タワー振動制御手段１６０３において、タワー振動制御手段の制御ゲインG_TVCおよびタワー振動情報であるタワー傾斜角度Ψに基づき、タワー振動制御手段によるピッチ角度調整幅Θ*_TVCを決定し、次のステップに進む。ステップＳ１７０９では、加算部１６０４において、可変速制御手段によるピッチ角度調整幅Θ*_VSCとタワー振動制御手段によるピッチ角度調整幅Θ*_TVCとを加算し、ピッチ角度目標値Θ*を決定した後、一連の処理を終了する。

次に、図１８および図１９を用いて、本発明の実施例５に係る風力発電システム制御手段１０５について説明する。

図１８は、本発明の実施例５における風力発電システム１のコントローラ９に実装される風力発電システム１０５の処理概要を示すブロック線図である。実施例５の風力発電システム１０５は、可変速制御手段１８０１、風速に基づく制御ゲイン調整手段１８０２、タワー振動制御手段１８０３、入力値制限手段１８０４、および加算部１８０５、により構成される。本実施例の構成は、実施例２と実施例３を組み合わせたものである。

可変速制御手段１８０１は、実施例３で説明した可変速制御手段１２０１と同様のため、詳細説明を省略する。

風速に基づく制御ゲイン調整手段１８０２は、風速に基づき、可変速制御手段の制御ゲインおよびピッチ角度制限値ΘL_TVCを決定する。可変速制御手段の制御ゲインの決定方法については、実施例３の風速に基づく制御ゲイン調整手段１２０２と同様のため、詳細説明を省略する。また、ピッチ角度制限値ΘL_TVCについても実施例２で説明した風速に基づく制御値調整手段９０２と同様のため、詳細説明を省略する。タワー振動制御手段１８０３は、実施例２で説明したタワー振動制御手段９０３と同様のため詳細説明を省略する。 入力値制限手段１８０４は、実施例２で説明した入力値制限手段９０４と同様のため説明を省略する。加算部１８０５は、上述の４つの実施例と同様のため、説明を省略する。

図１９は、実施例５に係る風力発電システム制御手段１０５の処理概要を示すフローチャートである。

ステップＳ１９０１では、風速vを決定し、次のステップに進む。ステップＳ１９０２では、風速に基づく制御ゲイン調整手段１８０２において、風速vに基づいて可変速制御手段の制御ゲインを決定し、次のステップに進む。ステップＳ１９０３では、風速に基づく制御ゲイン調整手段１８０２において、風速vに基づいてピッチ角度制限値ΘL_TVCを決定し、次のステップに進む。ステップＳ１９０４では、発電機回転速度ωを決定し、次のステップに進む。ステップＳ１９０５では、可変速制御手段１８０１において、発電機回転速度ωおよび可変速制御手段の制御ゲインに基づいて、発電機トルク目標値Q*を決定し、次のステップに進む。ステップＳ１９０６では、可変速制御手段１８０１において、発電機回転速度ωおよび可変速制御手段の制御ゲインに基づいて可変速制御手段によるピッチ角度調整幅Θ*_VSCを決定し、次のステップに進む。ステップＳ１９０７では、タワー振動情報であるタワー傾斜角度Ψを決定し、次のステップに進む。ステップＳ１９０８では、タワー振動制御手段１８０３において、タワー振動情報であるタワー傾斜角度Ψに基づき、タワー振動制御手段によるピッチ角度基本調整幅Θ0*_TVCを決定し、次のステップに進む。ステップＳ１９０９では、入力値制限手段１８０４において、ピッチ角度制限値ΘL_TVCおよびタワー振動制御手段によるピッチ角度基本調整幅Θ0*_TVCにもとづいて、タワー振動制御手段によるピッチ角度調整幅Θ*_TVCを決定し、次のステップに進む。ステップＳ１９１０では、加算部１８０４において、可変速制御手段によるピッチ角度調整幅Θ*_VSCとタワー振動制御手段によるピッチ角度調整幅Θ*_TVCとを加算し、ピッチ角度目標値Θ*を決定した後、一連の処理を終了する。

なお、本発明が請求する範囲は上記に限ったものではない。具体的には、図1に示す風力発電システム１は設置形態を明記していないが、地面または海底に設置される着床式の風力発電システムであっても良い。また、図２０に示すように、洋上に浮かべられる浮体構造物１１の上に設置される構成を備えるものであっても良い。

１：風力発電システム
２：ブレード
３：ハブ
４：ロータ
５：ナセル
６：発電機
７：ピッチアクチュエータ
８：タワー
９：コントローラ
１０：タワー傾斜情報計測センサ
１１：浮体構造物

Claims (12)

1. 可変速制御可能な風力発電システムであって、
   風を受けて回転するブレードと、
   前記ブレードの回転エネルギーを電力に変換する発電機と、
   前記ブレードの荷重を支持するタワーと、
   ピッチ角度目標値に基づいて前記ブレードのピッチ角度を調整する調整装置と、
   前記調整装置に送るピッチ角度目標値を定める制御装置を備え、
   前記制御装置は、タワー振動制御手段を有しており、前記タワー振動制御手段が決定する前記タワーの振動を制御する前記ピッチ角度の調整幅であるピッチ角度調整幅を用いて前記ピッチ角度目標値を決定し、
   前記ピッチ角度調整幅は、風速に基づいて決定され、
   カットイン風速からカットアウト風速の範囲内に含まれる第１の風速及び第２の風速について、第１の風速よりも第２の風速が高いとした際に、
   前記カットイン風速から前記第１の風速の間の風速において前記タワーの振動を制御する前記ピッチ角度調整幅である第１のピッチ角度調整幅が、前記第２の風速から前記カットアウト風速の間の風速において前記タワーの振動を制御する前記ピッチ角度調整幅である第２のピッチ角度調整幅よりも大きく、
   前記第１の風速から前記第２の風速の間の風速において前記タワーの振動を制御する前記ピッチ角度調整幅である第３のピッチ角度調整幅が、前記第１のピッチ角度調整幅よりも小さく、かつ前記第２のピッチ角度調整幅よりも大きくなる様に各ピッチ角度調整幅を決定す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、風速が所定値を超えた場合に、前記ピッチ角度調整幅を零とすることを特徴とする風力発電システム。
3. 請求項２に記載の風力発電システムであって、
   前記所定値は、カットイン風速よりも大きく、カットアウト風速よりも小さいことを特徴とする風力発電システム。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の風力発電システムであって、
   風速の増加に伴って、前記タワー振動制御手段の制御ゲインを減少させることを特徴とする風力発電システム。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の風力発電システムであって、
   風速の増加に伴って、前記タワー振動制御手段が決定するピッチ角度調整幅の制限範囲を小さくすることを特徴とする風力発電システム。
6. 請求項５に記載の風力発電システムであって、
   前記制御装置は、風速に基づいてピッチ角度制限値を決定する制限値調整手段を有し、
   前記タワー振動制御手段が決定するピッチ角度調整幅の絶対値と、前記ピッチ角度制限値の絶対値の小さい方の値を用いて前記ピッチ角度目標値を定めることを特徴とする風力発電システム。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載の風力発電システムであって、
   前記制御装置は、発電電力を制御する可変速制御手段を有し、
   風速の増加に伴って、前記可変速制御手段の制御ゲインを増加させ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、
   風速の増加に伴って、前記可変速制御手段の前記発電機のトルクの制御ゲインを増加させることを特徴とする風力発電システム。
9. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載の風力発電システムであって、更に前記タワーの荷重を支持する浮体構造物を備えることを特徴とする風力発電システム。
10. 風を受けて回転するブレードと、
    前記ブレードの荷重を支持するタワーと、
    ピッチ角度目標値に基づいて前記ブレードのピッチ角度を調整する調整装置を備え、可変速制御可能な風力発電システムの制御方法であって、
    前記タワーの振動を制御する前記ピッチ角度の調整幅であるピッチ角度調整幅を用いて前記ピッチ角度目標値を決定し、
    前記ピッチ角度調整幅を、風速に基づいて決定し、
    風速の増加に伴って、前記ピッチ角度調整幅の制限範囲を小さくすることを特徴とする風力発電システムの制御方法。
11. 請求項１０に記載の風力発電システムの制御方法であって、
    風速の増加に伴って、発電電力を制御する可変速制御の制御ゲインを増加させることを特徴とする風力発電システムの制御方法。
12. 請求項１１に記載の風力発電システムの制御方法であって、
    風速の増加に伴って、可変速制御における発電機トルクの制御ゲインを増加させ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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