JP6655202B2 - 風力発電装置と、その制御装置、並びにその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電装置と、その制御装置、並びにその制御方法に関する。

水平軸型の風力発電装置では、風車ロータを搭載するナセルを垂直軸方向に回転させるヨー回転機構が備わっている。風力発電装置は、風車ロータの回転軸（以下、ナセル方位と呼ぶ）と風向との偏差角を表す風向偏差（以下、ヨー角度と呼ぶ）が生じた場合、ロータの受風面積の減少により発電効率が低下するのを防ぐため、ヨー回転機構を制御してヨー角度をなくすように動作することが知られている。これらヨー制御の方法として例えば特許文献１、２、３がある。

特開２０１０ー１０６７２７号公報 米国特許第９２７３６６８号公報 米国公開２０１４／０１５２０１３号公報

ある地点における風向や風速を表す風況は、様々な周期を持つ変動成分を有する。また、時間帯によってもその周期的な変動成分の特徴が異なる。風向変動は、これらの変動成分がランダムに含まれるため、一般的なヨー制御方法は、例えばある所定期間のヨー角度が所定の閾値を超えた場合に、ヨー角度がゼロになるようにナセルをヨー回転させる。

ヨー制御によりヨー角度を常にゼロに維持できた時、最も発電量が多くなる。しかし、ナセルの動作速度よりも風向の変動速度の方が速い場合、制御が完了する前に風向が変わってしまうため、ヨー角度をゼロに維持することは困難である。また、ヨー回転すると、ナセル回転機構やナセルの回転を停止するブレーキ機構の機械的消耗が発生する。この制御方法を用いて、ヨー角度を積極的に抑制しようとすると、機械的摩耗が大きくなる恐れがある。

特許文献１に開示された方法では、特にある地点の風況の乱れ度が高い場合、ヨー旋回によりヨー角度をゼロにした後、逆方向に風向変動が発生して、再度ヨー旋回をすることを頻繁に繰り返すことになる。したがって、ヨーの駆動回数が多くなり機械的消耗が増加するだけでなく、短期間しかヨー角度を抑制できずに発電性能も低下する可能性がある。

ヨー回転の回数を抑制して機械的消耗を抑えること、また、ヨー角度を低減して発電量を向上することを両立できることが望ましい。

以上のことから本発明においては「風を受けて回転するロータと、ロータを回転可能に支持するナセルと、ナセルをヨー回転可能に支持するタワーと、ヨー制御指令に基づいてナセルのヨーを調整する調整装置と、調整装置に送るヨー制御指令を定める制御装置とを備える風力発電装置であって、
制御装置は、風向測定手段によって測定された風向とロータの方向からヨー角度を算出するヨー角度計算手段と、ヨー角度とヨー制御開始閾値とヨー制御終了閾値とに基づきヨー制御指令を定める制御指令作成手段を備え、
開始閾値と終了閾値は極性が同じで終了閾値は開始閾値よりも小さな値であることを特徴とする風力発電装置。」としたものである。

また本発明においては「風力発電装置の制御方法であって、
測定された風向と前記風車のロータ方向からヨー角度を算出し、
ヨー角度がヨー制御開始閾値以上若しくはそれより大きくなった場合にヨー角度を低減する方向に風車のナセルをヨー回転開始させ、
ヨー角度がヨー制御終了閾値以下若しくはそれより小さくなった場合にナセルのヨー回転を終了し、
開始閾値と終了閾値は極性が同じで終了閾値は開始閾値よりも小さな値であることを特徴とする風力発電装置の制御方法。」としたものである。

また本発明においては「風力発電装置の改修方法であって、
風力発電装置が設置された環境で計測されたデータを取得し、
風向データを周波数分析し、
分析結果に基づき、ヨー制御開始閾値若しくはヨー制御終了閾値を算出し、
算出された閾値を前記風力発電装置に設定することを特徴とする風力発電装置の改修方法。」としたものである。

本発明によれば、ヨー回転の回数抑制と、発電性能の向上を両立させることが可能な風力発電装置とその制御方法並びに改修方法を提供できる。

本発明の実施例１に係る風力発電装置の構成概要を示す側面図。 図１の風力発電装置の上面図（平面図）。 本発明の実施例１における風力発電装置１の制御装置９に実装されるヨー制御手段３００の処理概要を示すブロック線図。 風向Θｗの蓄積データを周波数分析した結果の一例を示す図。 風向Θｗの蓄積データを周波数分析した結果の一例を示す図。 実施例１に係るヨー制御手段３００の処理概要を示すフローチャート。 実施例１に係るヨー制御手段３００の効果を示す概要図。 本発明の実施例３における風力発電装置１の制御装置９に実装されるヨー制御手段３００の処理概要を示すブロック線図。 風速Ｖｗの平均値Ｖａｖｅに基づいて、開始閾値Θｔｈｓと終了閾値Θｔｈｅを変化させる特性の一例を示す図。 風速Ｖｗの平均値Ｖａｖｅに基づいて、開始閾値Θｔｈｓと終了閾値Θｔｈｅを変化させる特性の一例を示す図。 本発明の実施例４における風力発電装置１の制御装置９に実装されるヨー制御手段３００の処理概要を示すブロック線図。 実施例５における特徴データを説明するための図。 本発明の実施例２における風力発電装置１の制御装置９に実装されるヨー制御手段３００の処理概要を示すブロック線図。

以下本発明の実施例について図を用いて説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る風力発電装置の構成概要を示す側面図である。

図１に示す風力発電装置１は、複数のブレード２と、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を備え、ブレード２が風を受けることでロータ４が回転し、その回転力が発電機６を回転させることで電力を発生させることができる。

ナセル５は、タワー７上に設置されており、ヨー駆動機構８によって垂直軸方向にヨー回転可能である。制御装置９は、風向と風速とを検出する風向風速センサ１０から検出した風向や、風速Ｖｗに基づいて、ヨー駆動機構８を制御する。風向風速センサ１０は、Ｌｉｄａｒ等であってもよく、ナセルやタワー等の風力発電装置に取り付けられていてもよいし、風車発電装置とは別構造物でマスト等に取り付けられていてもよい。

なお、ヨー駆動機構８は、ヨーベアリングやヨーギア（ヨー駆動用歯車）、ヨー駆動モータ、ヨーブレーキ等から構成されている。また、ハブ３に対するブレード２の角度を変更可能なピッチアクチュエータ、発電機６が出力する有効電力や無効電力を検出する電力センサ等を適宜位置に備えている。

図２は、図１の上面図（平面図）である。所定の基準方向となす風向をΘｗ、所定の基準方向となすロータ回転軸の方向をΘｒ、風向Θｗからロータ回転軸角Θｒまでの偏差角であるヨー角度をΔΘと定義し、これらの関係を図示している。ヨー制御開始閾値Θｔｈｓとヨー制御終了閾値Θｔｈｅは、例えばヨー角度と同様に風向Θｗを基準に設定される。なお、風向Θｗは、計測周期ごとに取得された値であってもよいし、所定期間の平均方向であってもよいし、周辺の風況分布に基づき算出された方向であってもよい。また、ロータ回転軸角Θｒは、ロータ回転軸の向く方向であってもよいし、ナセルの方向であってもよいし、ヨー駆動部のエンコーダにより計測された値等であってもよい。

本発明は、ヨー角度ΔΘが開始閾値Θｔｈｓ以上若しくはそれよりも大きくなったときに制御装置９によりヨー駆動機構８を駆動開始して、ヨー角度ΔΘが終了閾値Θｔｈｅ以下若しくはそれより小さくなるまで制御するものである。この場合に、開始閾値Θｔｈｓが正値である時、終了閾値Θｔｈｅは開始閾値Θｔｈｓよりも小さな正値である関係とされており、開始閾値Θｔｈｓは例えば８度、終了閾値Θｔｈｅは３度である。別な言い方をすると、開始閾値と前記終了閾値は極性が同じで終了閾値は開始閾値よりも小さな値にされている。なお、ヨー制御開始／停止は、単純に閾値を超えていた瞬間に制御開始／停止してもよいし、所定時間超えていた場合に開始／停止してもよいし、複数の計測サンプルの平均を取って平均が超えたタイミングで制御開始／停止してもよい。

本発明者らの知見によれば、その理由を後述するように、終了閾値Θｔｈｅを同極性の範囲に収める（正値であれば負値にしない）ことが、機械的消耗の増加抑止と、発電性能低下防止の観点から重要であることが明らかにされた。

終了閾値Θｔｈｅを同極性の範囲に収めるという本発明の実現に当たり、終了閾値Θｔｈｅを適正な値に定める必要があり、適正値は当該風力発電所設置点の環境における過去の経験値から定めることになるが、制御装置９の構成手法としては、その風力発電所の設置環境における過去経験若しくは計算により求めた設定値を固定設定値として与えられてオフラインで運用することと、時々刻々の風況を反映して風車上オフライン若しくは遠隔地オンラインで計算された可変の設定値を与えられて運用することが考えられる。実施例１においては、設定値を可変に運用する制御装置９を構成することについて説明し、実施例２では過去の経験若しくは計算により求めた設定値を固定設定値として与えられて運用することについて説明する。

図３から図７を用いて、本発明の実施例１に係る風力発電装置１の制御装置９に実装されるヨー制御手段３００について説明する。

図３は、本発明の実施例１における風力発電装置１の制御装置９に実装されるヨー制御手段３００の処理概要を示すブロック線図である。実施例１のヨー制御手段３００は、ヨー角度ΔΘを求めるヨー角度計算手段３０１と、開始閾値Θｔｈｓと終了閾値Θｔｈｅを算出する閾値算出部３１０と、ヨー角度ΔΘと閾値Θｔｈｓ、Θｔｈｅからヨー制御指令Ｃｙを定める制御指令作成手段３０５により構成されている。閾値算出部３１０は、データ蓄積手段３０２、データ分析手段３０３、閾値計算手段３０４により構成されている。

このうちヨー角度計算手段３０１は、ロータ軸角度Θｒと風向Θｗに基づき、ヨー角度ΔΘを決定する。このヨー角度ΔΘは図２に示すように、風向Θｗとロータ軸角度Θｒの差分であり、ロータ軸が風向からどれくらいずれているかを示す。ここで、風向Θｗはナセルに設置された風向風速センサ１０から検出した値に限定せず、地面や他の場所に設置された値を利用するものであってもよい。また、ヨー角度計算手段３０１は、ローパスフィルタに代表される、ヨー角度ΔΘの所定周波数領域のみを通過させるフィルタ（ローパスフィルタ）や、移動平均に代表される、直前の所定期間の値の平均値を利用する統計値を用いたものであってもよい。あるいはフーリエ変換をおこなうものであってもよい。

図３の閾値算出部３１０内のデータ蓄積手段３０２は、風向風速センサ１０から検出した風向Θｗのデータを蓄積し、適宜蓄積した風向Θｗの蓄積データを出力する。なお後述する実施例３においては、さらに風速Ｖｗのデータを蓄積し、適宜蓄積した風向Θｗ、風速Ｖｗの蓄積データを出力する。実施例１では、主として風向Θｗの蓄積データを閾値算出に利用する。

図３の閾値算出部３１０内のデータ分析手段３０３は、風向Θｗの蓄積データに基づき、特徴データを出力する。特徴データを計算する手段として、ここでは蓄積データの周波数分析手法を用いる。

図４と図５は、風向Θｗの蓄積データを周波数分析した結果の一例を示している。図４と図５の横軸は周波数、縦軸は周波数に基づく風向の変動量を表す風向成分Θｆの大きさを示している。便宜上、周波数領域を、低周波数領域、中周波数領域、高周波数領域、および超高周波数領域と区別して表記している。

図４は、長周期の風向変動が比較的多い期間の周波数分析結果の一例を示しており、低周波数領域の風向成分Θｆが大きな値を示している点に特徴がある。図５は、図４よりも短い周期の風向変動が比較的多い期間の周波数分析結果の一例を示しており、中周波数領域の風向成分Θｆが大きな値を示している点に特徴がある。周波数分析をすることにより、所定の期間における周波数成分を含んだ風況の特徴データを取得することができる。

なお低周波数領域、中周波数領域、高周波数領域、および超高周波数領域の各領域をどのように設定すべきかは、各風力発電装置が設置された場所の環境事情、ヨー角度計算手段３０１で用いるフィルタの設定値、開始閾値Θｔｈｓ、および終了閾値Θｔｈｅ等に応じて適宜設定されればよいが、大まかには低周波数領域は１０−５乃至１０−３の範囲、中周波数領域は１０−３乃至２×１０−２の範囲、高周波数領域は２×１０−２乃至１０−１の範囲、および超高周波数領域は１０−１乃至１０−０の範囲とするのがよい。また領域の別の設定案によれば、このうち中周波数領域の設定が最も重要であることから１０−３乃至２×１０−１の範囲を採用するのがよい。

図３の閾値算出部３１０内の閾値計算手段３０４は、特徴データに基づき、ヨー制御の開始閾値Θｔｈｓと終了閾値Θｔｈｅを決定する。開始閾値Θｔｈｓはヨー旋回を開始する閾値であり、終了閾値Θｔｈｅはヨー旋回を終了する閾値である。なお本発明の説明では、標準的な状態では開始閾値Θｔｈｓは例えば８度、終了閾値Θｔｈｅは３度に設定されており、閾値計算手段３０４における特徴データの計算結果に基づき、適宜修正して設定される。

具体的には閾値計算手段３０４においては、低周波数領域の風向成分Θｆが大きい図４の傾向を示す特徴データの場合と、中周波数領域の風向成分Θｆが大きい図５の傾向を示す特徴データの場合とで、開始閾値Θｔｈｓ，終了閾値Θｔｈｅの大きさが変更されるように調整される。例えば低周波数領域の風向成分Θｆが大きい図４の場合には開始閾値Θｔｈｓは７．５度，中周波数領域の風向成分Θｆが大きい図５の場合には開始閾値Θｔｈｓは８．５度とされる。同様に低周波数領域の風向成分Θｆが大きい図４の場合には終了閾値Θｔｈｅは２．５度，中周波数領域の風向成分Θｆが大きい図５の場合には終了閾値Θｔｈｅは３．５度とされる。

このように、低周波数領域の風向成分Θｆが比較的大きい図４の場合は、開始閾値Θｔｈｓと、終了閾値Θｔｈｅとを小さくする。また図５に示すように、中周波数領域の風向成分Θｆが比較的大きい場合は、開始閾値Θｔｈｓと、終了閾値Θｔｈｅとを大きくする。

あるいは他の周波数領域の特徴データとの組み合わせにより、例えば低周波数領域と高周波数領域の風向成分Θｆとが比較的大きい場合は、開始閾値Θｔｈｓを大きくし、終了閾値Θｔｈｅを小さくする。ここで、高周波数領域の風向成分Θｆは、風力発電装置１に加わる荷重を鑑みて、開始閾値Θｔｈｓや終了閾値Θｔｈｅの決定にあまり寄与させない、もしくは考慮しないのが好ましい。また、風力発電装置１の性能では追随できない超高周波数領域の風向成分は、開始閾値Θｔｈｓや終了閾値Θｔｈｅの決定に考慮させないのが好ましい。

このように実施例１では、閾値算出部３１０は、風向測定手段１０からの風向データを周波数分析して周波数成分を求め、所定の周波数領域の周波数成分の合計値をそれぞれの周波数領域ごとに求め、各領域の周波数成分の値に基づいて、開始閾値と終了閾値を作成している。

ここで、閾値計算手段３０４は、開始閾値Θｔｈｓと終了閾値Θｔｈｅを逐次出力しなくてもよく、それぞれ任意の周期やタイミングで出力してもよい。

ヨー制御手段３０５は、ヨー角度ΔΘと開始閾値Θｔｈｓと終了閾値Θｔｈｅに基づき、ヨー制御指令Ｃｙを決定する。ヨー旋回していない状態で、かつ、ヨー角度ΔΘの絶対値が開始閾値Θｔｈｓ以上になった場合、ヨー旋回を開始するためのヨー制御指令Ｃｙがヨー駆動機構８に出力される。それを受け、ヨー角度ΔΘを減らす方向にナセル５をヨー旋回させるように、ヨー駆動機構８が動作する。そして、ヨー旋回している状態で、ヨー角度ΔΘの絶対値が終了閾値Θｔｈｅを下回った場合、ヨー旋回を停止するためのヨー制御指令Ｃｙがヨー駆動機構８に出力される。

図６は、実施例１に係るヨー制御手段３００の処理概要を示すフローチャートである。

図６の処理ステップＳ６０１では、ロータ軸角度Θｒを決定し、次のステップに進む。処理ステップＳ６０２では、風向Θｗを決定し、次のステップに進む。処理ステップＳ６０３では、ロータ軸角度Θｒと風向Θｗに基づいてヨー角度ΔΘを決定し、次のステップに進む。これらの処理ステップＳ６０１からＳ６０３がヨー角度計算手段３０１の処理に対応している。

データ蓄積手段３０２の処理に相当する処理ステップＳ６０４では、時刻に対応する風向Θｗの値を蓄積し、次のステップに進む。データ分析手段３０３に相当する処理ステップＳ６０５では、蓄積データに基づいて特徴データを決定し、次のステップに進む。閾値計算手段３０４に相当する処理ステップＳ６０６では、開始閾値Θｔｈｓと終了閾値Θｔｈｅを決定し、次のステップに進む。これらの処理ステップＳ６０４からＳ６０６が閾値算出部３１０の処理に対応している。

処理ステップＳ６０７では、ヨー旋回中かどうかを判定し、ＮＯ（否該当）であれば処理ステップＳ６０８に進み、ＹＥＳ（該当）であれば処理ステップＳ６１０に進む。処理ステップＳ６０８では、ヨー角度ΔΘが開始閾値Θｔｈｓ以上かどうかを判定し、ＹＥＳであれば処理ステップＳ６０９に進み、ＮＯであれば処理ステップＳ６０１に戻る。処理ステップＳ６０９では、ヨー旋回を開始させるヨー制御指令Ｃｙを決定し、次のステップに進む。処理ステップＳ６１０では、制御指令作成手段３０５において、ヨー角度ΔΘが終了閾値Θｔｈｅ未満かどうかを判定し、ＹＥＳであれば処理ステップＳ６１１に進み、ＮＯであれば処理ステップＳ６０１に戻る。処理ステップＳ６１１では、ヨー旋回を停止させるヨー制御指令Ｃｙを決定した後、一連の処理を終了する。

これらの処理ステップＳ６０７からＳ６１１が制御指令作成手段３０５の処理に対応している。この処理では要するに、ヨー旋回していない状態で、かつ、ヨー角度ΔΘの絶対値が開始閾値Θｔｈｓ以上になった場合、ヨー旋回を開始するためのヨー制御指令Ｃｙをヨー駆動機構８に出力し、それを受け、ヨー角度ΔΘを減らす方向にナセル５をヨー旋回させるように、ヨー駆動機構８が動作する。また、ヨー旋回している状態で、ヨー角度ΔΘの絶対値が終了閾値Θｔｈｅを下回った場合、ヨー旋回を停止するためのヨー制御指令Ｃｙをヨー駆動機構８に出力する。

次に、本実施例の効果を明らかにするため、比較例の動作と合わせて概要を説明する。

図７は、実施例１に係るヨー制御手段３００の効果を示す概要図であり、横軸は全て共通の時刻を示す。図７（ａ）の縦軸はヨー角度ΔΘ、図７（ｂ）の縦軸は発電出力Ｐｅ、および図７（ｃ）の縦軸はロータ軸角度Θｒを示す。図７に示す破線は、本発明に係るヨー制御手段３００を適用しない場合の比較例として例えば、ヨー角度ΔΘがゼロになった時にヨー旋回を終了する場合の結果を示す。一方で、実線が本発明の実施例１に係るヨー制御手段３００を適用した場合の結果を示す。

なお図７の比較結果を算定するに当たり、風況条件として、風向変動がある程度速い周期で頻発する場合を想定した。この風況を周波数分析すると、図５に示すように、中周波数領域の風向成分Θｆが多く、低周波数領域の風向成分Θｆが少ない結果となる。従って、実施例１の開始閾値Θｔｈｓはある程度大きくなり、終了閾値Θｔｈｅは開始閾値Θｔｈｓに近い値をとる。比較例の開始閾値Θｔｈｓは、効果の比較を明確にするため、実施例１と同じ値とする。

図７について（ａ）をみると、ヨー角度ΔΘが正負の開始閾値Θｔｈｓを超えている回数は、実線の実施例１の方が破線の比較例よりも少ない。本風況条件は、風向変動がある程度速い周期で頻発するため、ヨー旋回中に風向Θｗが逆方向に変動し、ヨー旋回終了時にヨー角度ΔΘが逆方向に変動しているパターンが多い。したがって、実施例１は、ヨー角度ΔΘがゼロになる前にヨー旋回を終了するため、ヨー旋回終了時にヨー角度ΔΘが逆方向に変動しても、開始閾値Θｔｈｓを超えにくい。

また、実施例１は、比較例よりもヨー角度ΔΘが開始閾値Θｔｈｓを超えている回数が少ないことから、ヨー角度ΔΘが小さい期間が多くなっていることがわかる。風力発電システムは、ロータが風向Θｗに正対しているほど、つまり、ヨー角度ΔΘが小さいほど発電出力Ｐｅが高くなる。したがって、図７の（ｂ）に示すように、実線の実施例１は破線の比較例よりも発電出力Ｐｅが高い期間が多くなる。つまり、実施例１は、年間発電量が比較例よりも高くなることを示している。

さらに、図７の（ｃ）をみると、実線の実施例１は破線の比較例よりもロータ軸角度Θｒが変動する回数と期間、つまりヨー駆動機構の駆動回数と駆動時間が少ない。これは、図７の（ａ）より、実施例１の方が比較例よりもヨー角度ΔΘが開始閾値Θｔｈｓを超えている回数が少なく、かつ、終了閾値Θｔｈｅを下回る時間が短いためである。

以上のように、本実施例１によれば、場所や時間により風向変動の大きさや周期が異なる場合に、風力発電装置の発電性能の向上と、機械的消耗の低減とを両立させることができる。

なお、閾値計算手段は、複数の周波数領域ごとに少なくとも開始閾値若しくは終了閾値いずれかを設定し、閾値を可変にし、風向により制御を切り替えることもできる。具体的には、風向データの周波数分析結果に基づいて、複数の所定の周波数領域に対して少なくとも開始閾値若しくは前記終了閾値のいずれかを作成しておく。制御指令作成手段は、風向風速計測手段により計測された風向に基づき、ヨー制御開始閾値とヨー制御終了閾値を切り替えて制御する。

次に図１３を用いて本発明の実施例２に係る風力発電装置１について説明する。先にも述べたように実施例２は、過去の経験若しくは計算により求めた値を固定設定値として予め制御装置９に設定されオフラインで運用する。

実施例１の図３、図６において閾値算出部３１０は、毎制御周期、或は適宜のタイミングで開始閾値Θｔｈｓと終了閾値Θｔｈｅを算出し更新する。

これに対し、実施例２のヨー制御手段３００は、図１３に示すようにヨー角度ΔΘを求めるヨー角度計算手段３０１と、ヨー角度ΔΘと開始閾値Θｔｈｓ、終了閾値Θｔｈｅからヨー制御指令Ｃｙを定める制御指令作成手段３０５により構成されており、開始閾値Θｔｈｓと終了閾値Θｔｈｅを算出する閾値算出部３１０を備えていない。制御指令作成手段３０５に与えられる開始閾値Θｔｈｓと終了閾値Θｔｈｅは、予めヨー制御手段３００にプリセットされ、あるいは適宜のタイミングで閾値入力手段３０６により外部から設定される。閾値入力手段３０６はキーボード等の入力装置であって、作業員により入力されてもよい。

閾値算出部３１０の機能は、風力発電所とは別の場所に設けられた解析装置内に構成されており、例えば風力発電所建設前の研究、設計段階において求めた環境条件から、予め当該風力発電所の典型的な風況での開始閾値Θｔｈｓと終了閾値Θｔｈｅを算出し、ヨー制御手段３００内にプリセット値として組み込んでおくものである。典型的な風況とは、例えば季節ごとに、あるいは夕方とか朝方とかの別毎に準備され、適宜の条件で切り替え使用してもよい。

あるいは、閾値算出部３１０の機能は、風力発電所とは別の場所に設けられた解析装置内に構成されており、例えば風力発電所を設置後の運用段階において、観測した環境条件から、当該風力発電所の典型的な風況での開始閾値Θｔｈｓと終了閾値Θｔｈｅを算出し、通信手段を備えた閾値入力手段３０５を介してヨー制御手段３００内の制御指令作成手段３０５に与えるものである。この場合に、開始閾値Θｔｈｓと終了閾値Θｔｈｅの設定は、現場の風況に応じてオンライン的に即時に対応する形式のものではなく、オフラインで求めておいた値を適宜のタイミングで与えて運用する。

予め設定しておく終了閾値Θｔｈｅは、後述する実施例５及び図１２とその説明で言及する値とすることが望ましい。

実施例２により、風車に解析装置を設ける必要が無く、既存の風車に対して大きな改修なく本発明制御を搭載するように更新でき、最適化された閾値に基づく制御を行うことができる。

次に、本発明の実施例３に係る風力発電装置１について説明する。

実施例３の風力発電装置１は、実施例１のヨー制御手段３００に代えて、図８に示すヨー制御手段３００が適用される点で異なる。

図８は、実施例３によるヨー制御手段３００の処理概要を示すブロック線図である。ヨー制御手段３００は、ヨー角度ΔΘを求めるヨー角度計算手段３０１と、開始閾値Θｔｈｓと終了閾値Θｔｈｅを算出する閾値算出部８１０と、ヨー角度ΔΘと閾値Θｔｈｓ、Θｔｈｅからヨー制御指令Ｃｙを定める制御指令作成手段３０５により構成されている。閾値算出部８１０は、データ蓄積手段８０２、データ分析手段８０３、閾値計算手段８０４により構成されている。

実施例３のヨー制御手段３００において、ヨー角度計算手段３０１、および制御指令作成手段３０５は実施例１と同じ構成のものであるが、閾値算出部８１０内の処理において、データ蓄積手段８０２の入力に風向Θｗ以外に風速Ｖｗが新たに加わっている点が新しい。

データ蓄積手段８０２は、風向風速センサ１０から検出した風向Θｗと風速Ｖｗに基づき、風向Θｗと風速Ｖｗの蓄積データを出力する。なお、ここで計測した風速Ｖｗはナセル５に固定された風向風速センサ１０から検出したものであり、その時点でナセル５が向いている方向での風速である。

データ分析手段８０３は、風向Θｗと風速Ｖｗの蓄積データに基づき、特徴データを出力する。この時、特徴データを分析した期間における風速Ｖｗの平均値Ｖａｖｅも、特徴データとして出力する。この場合における風速Ｖｗは、風向Θｗの方向にベクトル計算により求められた風速である。

閾値計算手段８０４は、特徴データである風速Ｖｗの平均値Ｖａｖｅに基づき、ヨー制御の開始閾値Θｔｈｓと終了閾値Θｔｈｅを決定する。このとき、風速Ｖｗの平均値Ｖａｖｅに基づいて、開始閾値Θｔｈｓと終了閾値Θｔｈｅを変化させる特性にする。風速Ｖｗの平均値Ｖａｖｅに基づいて、開始閾値Θｔｈｓと終了閾値Θｔｈｅを変化させる特性の一例について図９、図１０に示している。

図９は、中周波数領域が速い場合などのように、風車に係る横からの荷重を小さくしたい場合、あるいは風速変動が多い山側のサイトで発電量を高くしたいという場合に適した開始閾値Θｔｈｓと終了閾値Θｔｈｅの変化特性例である。この場合には風速Ｖｗの平均値Ｖａｖｅが高いほど、開始閾値Θｔｈｓと終了閾値Θｔｈｅを低減させる傾向に設定する。

図１０は、風速変動が少ない海側のサイトで発電量を高くしたいという場合に適した開始閾値Θｔｈｓと終了閾値Θｔｈｅの変化特性例である。この場合には風速Ｖｗの平均値Ｖａｖｅが高いほど、開始閾値Θｔｈｓと終了閾値Θｔｈｅを増加させる傾向に設定する。

これらの特性は、階段状に減少もしくは増加させる特性や、風速Ｖｗの高次の曲線に近似した特性であってもよい。減少の仕方の一例として、次の場合を考える。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風速Ｖｗｘを規定し、風速Ｖｗｘ未満における開始閾値Θｔｈｓと終了閾値Θｔｈｅを、風速Ｖｗｘ以上における開始閾値Θｔｈｓと第２閾値Θｔｈｅより大きく決定する。

実施例３によれば、ヨー角度ΔΘがある場合、風速Ｖｗの増加に従って風力発電装置１にかかる荷重が大きくなるため、実施例３の風速Ｖｗに基づく閾値特性にすることで、風力発電装置１に過大な荷重がかかるのを防ぐことが可能となる。

風速領域ごとに風向の周波数特性が異なる場合に対応するために、本実施例の風速を鑑みた制御と、実施例１の風向を鑑みた制御を相乗的に実施することができる。

例えば、風速領域ごとに少なくとも開始閾値若しくは終了閾値いずれかを設定しておき、風速ごとに風向周波数領域に基づく制御を変えることもできる。具体的には、風速データから所定期間の平均風速を求め、２つ以上の異なる平均風速が得られた期間における風向データの周波数分析結果に基づいて、２つ以上の異なる平均風速に応じて少なくとも前記開始閾値若しくは前記終了閾値を作成しておく。それに基づき、前記制御指令作成手段は、風速風向計測装置により計測された風速に基づき、ヨー制御開始閾値とヨー制御終了閾値を適宜切り替えて制御することができる。

なお風速の情報を用いる実施例２の制御装置においては、保護的処置として、風速が所定値を超えた場合に、開始閾値と終了閾値のどちらかまたは両方の値を小さくするのがよい。またこのとき、風速についての所定値は、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のがよい。

次に、本発明の実施例４に係る風力発電装置１について説明する。

実施例４の風力発電装置１は、実施例１のヨー制御手段３００と同じ手段を有しているが、データ分析手段３０３と閾値計算手段３０４とにおける処理が異なる。

実施例４のデータ分析手段３０３では、風向Θｗに基づいて、統計分析により所定の期間における風向Θｗの平均値Θａｖｅ、および標準偏差σを計算し、風況の特徴データとして出力する。

閾値計算手段３０４は、統計分析された特徴データに基づいて、ヨー制御の開始閾値Θｔｈｓと終了閾値Θｔｈｅを決定する。ここで、ある所定時間前に統計分析した平均値Θａｖｅと、直前に計算した平均値Θａｖｅとの差が比較的大きい場合は、つまり変化が大きいときは、開始閾値Θｔｈｓと終了閾値Θｔｈｅとを小さくする。

一方、標準偏差σが比較的大きい場合は、開始閾値Θｔｈｓと終了閾値Θｔｈｅとを大きくする。平均値Θａｖｅと標準偏差σとが比較的大きい場合は、開始閾値Θｔｈｓを大きくし終了閾値Θｔｈｅを小さくする。

実施例４のヨー制御手段３００の処理を適用することで、実施例１と同様の効果をより簡便な処理で実現することが出来る。

次に、本発明の実施例５に係る風力発電装置１について説明する。

実施例５の風力発電装置１は、実施例１のヨー制御手段３００に代えて、図１１に示すヨー制御手段３００が適用される点で異なる。

図１１は、実施例５によるヨー制御手段３００の処理概要を示すブロック線図である。ヨー制御手段３００は、ヨー角度ΔΘを求めるヨー角度計算手段３０１と、開始閾値Θｔｈｓと終了閾値Θｔｈｅを算出する閾値算出部９１０と、ヨー角度ΔΘと閾値Θｔｈｓ、Θｔｈｅからヨー制御指令Ｃｙを定める制御指令作成手段３０５により構成されている。閾値算出部９１０は、データ蓄積手段９０２、データ分析手段９０３、閾値計算手段９０４により構成されている。

実施例５のヨー制御手段３００において、ヨー角度計算手段３０１、および制御指令作成手段３０５は実施例１と同じ構成のものであるが、閾値算出部９１０内の処理においてＰｅが新たに加わっている点が新しい。

データ蓄積手段９０２は、風向風速センサ１０から検出した風向Θｗと風速Ｖｗ、ロータ軸角度Θｒ、および発電出力Ｐｅに基づき、風向Θｗと風速Ｖｗ、ロータ軸角度Θｒ、および発電出力Ｐｅの蓄積データを出力する。

データ分析手段９０３は、風向Θｗと風速Ｖｗ、ロータ軸角度Θｒ、および発電出力Ｐｅの蓄積データに基づき、特徴データを出力する。図１２は、実施例５における特徴データを説明するための図である。実施例５における特徴データは、図１２の（ａ）に示すような、横軸をヨー制御の開始閾値Θｔｈｓに対する終了閾値Θｔｈｅの割合、縦軸を発電量Ｐｗｈとした分布曲線、および、図１２の（ｂ）に示すような、横軸をヨー制御の開始閾値Θｔｈｓに対する終了閾値Θｔｈｅの割合、縦軸をヨー駆動回数Ｎｙとした分布曲線である。

まず、図１２の（ａ）に示す分布曲線の作成方法について説明する。所定の期間ｔｘにおいて設定した開始閾値Θｔｈｓｘと終了閾値Θｔｈｅｘとにおける風速Ｖｗｘと発電出力Ｐｅｘに基づき、発電量Ｐｗｈｘを計算する。さらに、異なる所定の期間ｔｙにおいて設定した異なる開始閾値Θｔｈｓｙと終了閾値Θｔｈｅｙとにおける風速Ｖｗｙと発電出力Ｐｅｙに基づき、発電量Ｐｗｈｙを計算する。このようにして、複数の開始閾値Θｔｈｓと終了閾値Θｔｈｅとにおける発電量Ｐｗｈを計算し、図１２の（ａ）に示す分布曲線を作成する。

図１２の（ａ）に示す分布曲線によれば、ヨー制御の開始閾値Θｔｈｓに対する終了閾値Θｔｈｅの割合が０（％）から増大するにつれて発電量Ｐｗｈｘが増大する傾向を示し、１００（％）に近づくにつれて若干発電量Ｐｗｈｘが増大する山状の傾向を示す。

次に、図１２（ｂ）に示す分布曲線の作成方法について説明する。所定の期間ｔｘにおいて設定した開始閾値Θｔｈｓｘと終了閾値Θｔｈｅｘとにおけるロータ軸角度Θｒｘに基づき、ヨー駆動回数Ｎｙｘを計算する。さらに、異なる所定の期間ｔｙにおいて設定した異なる開始閾値Θｔｈｓｙと終了閾値Θｔｈｅｙとにおけるロータ軸角度Θｒｙに基づき、ヨー駆動回数Ｎｙｙを計算する。このようにして、複数の開始閾値Θｔｈｓと終了閾値Θｔｈｅとにおけるヨー駆動回数Ｎｙを計算し、図１２（ｂ）に示す分布曲線を作成する。

図１２の（ｂ）に示す分布曲線によれば、ヨー制御の開始閾値Θｔｈｓに対する終了閾値Θｔｈｅの割合が０（％）から増大するにつれてヨー駆動回数Ｎｙが減少する傾向を示し、１００（％）に近づくにつれてヨー駆動回数Ｎｙが増大する谷状の傾向を示す。

図１２の（ａ）に示す山状の分布曲線と図１２の（ｂ）に示す谷状の分布曲線によれば、発電量Ｐｗｈｘが大きく、かつヨー駆動回数Ｎｙが少なくできる領域（ヨー制御の開始閾値Θｔｈｓに対する終了閾値Θｔｈｅの割合）が存在している。終了閾値Θｔｈｅ２近傍が双方の条件を共に満たす領域である。

閾値計算手段９０４は、特徴データである分布曲線に基づき、ヨー制御の開始閾値Θｔｈｓと終了閾値Θｔｈｅとを決定する。図１２の（ａ）（ｂ）に基づき、開始閾値Θｔｈｓ（例えば５〜１０°）に対して、終了閾値Θｔｈｅをゼロより大きい値に設定する。例えば、発電量Ｐｗｈの向上率の変曲点であり、かつヨー駆動回数Ｎｙが終了閾値ゼロの時より少なくなるΘｔｈｅ１以上に決定する。変曲点であるΘｔｈｅ１は開始閾値の３０％の位置に該当する。特に山岳地帯等、風向変動が比較的大きい環境条件においては、開始閾値Θｔｈｓが８°以上に設定された場合、Θｔｈｅは２．５°以上に設定するとよい。

より望ましくは、最もヨー駆動回数Ｎｙが少なくなる終了閾値Θｔｈｅ２と、最も発電量Ｐｗｈが多くなる終了閾値Θｔｈｅ３との間に、終了閾値Θｔｈｅが決定されることが好ましい。Θｔｈｅ２は開始閾値の７５％に該当する。Θｔｈｅ３は開始閾値の９５％に該当する。特に山岳地帯等、風向変動が比較的大きい環境条件においては、開始閾値Θｔｈｓが８°以上に設定された場合、Θｔｈｅは６°以上７．６°以下に設定すると、機械的消耗の低減と発電量の向上が、よりバランスのとれた制御となる。

実施例５で作成される分布曲線に基づきヨー制御することで、決定しようとする開始閾値Θｔｈｓと終了閾値Θｔｈｅとにおいて、想定される発電量Ｐｗｈとヨー駆動回数Ｎｙをあらかじめ高い精度で知ることが可能となる。ここで、ヨー駆動回数Ｎｙに代えて、同様の効果が得られるヨー駆動時間、あるいは、ヨー駆動回数Ｎｙから計算できる荷重を用いてもよい。

次に、本発明の実施例６に係る風力発電装置１の改修方法について説明する。

本実施例６は、閾値算出部が設けられていない、若しくはヨー制御終了閾値がゼロの固定値で制御されている風力発電装置１に対して、本実施例の制御方法を適用する方法について説明する。
まず、最適な閾値の算出には、風力発電装置が設置された環境で計測された風速風向データを分析することが必要になる。そのため、現地で風速風向を測定し、若しくは風車に設置済み風速風向計で測定されたデータを取得し、風速の確認と、風向の周波数分析をし、最適な閾値を算出する。

次に、既存の風車に接続された閾値入力手段が、すでにＷＴＣの一部に設けられている場合は、他の実施例で説明するようなヨー制御開始閾値より小さくかつゼロより大きいヨー制御終了閾値を設定することで改修できる。また、ネットワークに接続され、ネットワーク経由でヨー制御終了値を設定できる場合は、ネットワーク経由の閾値入力手段により改修することができる。

また、閾値算出部で閾値を算出するために、閾値算出部を新たに設ける場合は、風車の制御装置、若しくはウィンドファームコントローラ、若しくはネットワークで接続されたサーバに閾値算出部を新たに接続し、他の実施例に記載の制御方法を実施できる。

本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上述した実施例は本発明を理解しやすく説明するために例示したものであり、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削除し、若しくは他の構成の追加・置換をすることが可能である。また、図中に示した制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上で必要な全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。上記実施例に対して可能な変形は、例えば以下のようなものである。
（１）ヨー制御手段３００におけるデータ蓄積手段３０２、データ分析手段３０３、および閾値計算手段３０４は、制御装置９に代えて、外部の装置に備えてもよい。
（２）本発明で計算したヨー制御の開始閾値Θｔｈｓと終了閾値Θｔｈｅとは、同じサイトにおける他の風力発電装置１や、風況の近しい他サイトの風力発電装置１に適用してもよい。
（３）ヨー制御手段３００におけるデータ蓄積手段３０２は、風向θｗをはじめとする風況データを逐次入力せず、過去に蓄積された風況データのみを保持する手段であってもよい。
（４）上記各実施例においては、風向風速センサ１０はナセル上に設置されているが、この場所に代えて、ナセル５内や風力発電装置１の周辺に設置してもよい。

本発明の実施例によれば、ある程度速い周期の風向変動が頻発する場合、ヨー旋回の終了閾値を開始閾値に近づけて、ヨー角度がゼロになる前にヨー旋回を止めることで、ヨー旋回後に逆方向に同程度以下の風向変動が発生してもヨー旋回の開始閾値を超えない。したがって、ヨーの駆動回数が減るため、風力発電装置の機械的消耗を低減できる。さらに、ヨー旋回の開始閾値を超えるヨー角度が低減し、風向への追随性も高くなるため発電性能の向上も両立させることが可能である。

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：ヨー駆動機構
９：制御装置
１０：風向風速センサ
３００：ヨー制御手段
３０１：ヨー角度計算手段
３０５：制御指令作成手段
３１０：閾値算出部
３０２、８０２，９０２：データ蓄積手段
３０３、８０３，９０３：データ分析手段
３０４、８０４，９０４：閾値計算手段

Claims (9)

1. 風を受けて回転するロータと、該ロータを回転可能に支持するナセルと、該ナセルをヨー回転可能に支持するタワーとを備える風力発電装置であって、
   前記ナセルは、風向と前記ロータの方向の差の角度であるヨー角度を低減する方向にヨー回転を開始し、前記風向と前記ロータの方向が一致する前であって前記ヨー角度が所定の角度になったときヨー回転を終了し、
   前記所定の角度は、前記風向の変動量の大きさが第一の風向の変動量の大きさのとき、第一の所定の角度であり、前記風向の変動量の大きさが第二の風向の変動量の大きさのとき、第二の所定の角度であり、前記第一の風向の変動量の大きさは前記第二の風向の変動量の大きさより大きく、前記第一の所定の角度は前記第二の所定の角度より大きいことを特徴とする風力発電装置。
2. 風を受けて回転するロータと、該ロータを回転可能に支持するナセルと、該ナセルをヨー回転可能に支持するタワーとを備える風力発電装置の制御方法であって、
   前記ナセルは、風向と前記ロータの方向の差の角度であるヨー角度を低減する方向にヨー回転を開始し、前記風向と前記ロータの方向が一致する前であって前記ヨー角度が所定の角度になったときヨー回転を終了し、
   前記所定の角度は、前記風向の変動量の大きさが第一の風向の変動量の大きさのとき、第一の所定の角度であり、前記風向の変動量の大きさが第二の風向の変動量の大きさのとき、第二の所定の角度であり、
   前記第一の風向の変動量の大きさは前記第二の風向の変動量の大きさより大きく、前記第一の所定の角度は前記第二の所定の角度より大きいことを特徴とする風力発電装置の制御方法。
3. 風を受けて回転するロータと、該ロータを回転可能に支持するナセルと、該ナセルをヨー回転可能に支持するタワーとを備え、
   前記ナセルは、前記ロータの方向が風向に向かう方向にヨー回転を開始し、前記風向と前記ロータの方向が一致する前であって前記ロータの方向と前記風向の差の角度が所定の角度になったときヨー回転を終了する風力発電装置であって、
   前記ナセルは、風向の変動量の大きさが第一の風向の変動量の大きさのとき、前記ロータの方向と前記風向の差の角度を前記所定の角度の内の第一の角度である第一の所定の角度にし、前記風向の変動量の大きさが第二の風向の変動量の大きさのとき、前記ロータの方向と前記風向の差の角度を前記所定の角度の内の第二の角度である第二の所定の角度にし、前記第一の風向の変動量の大きさは前記第二の風向の変動量の大きさより大きく、前記第一の所定の角度は前記第二の所定の角度より大きいことを特徴とする風力発電装置。
4. 請求項３に記載の風力発電装置であって、
   風向を取得する風向計を備えることを特徴とする風力発電装置。
5. 請求項３または請求項４に記載の風力発電装置であって、
   前記ナセルのヨー角度を制御する制御装置を備えることを特徴とする風力発電装置。
6. 風を受けて回転するロータと、該ロータを回転可能に支持するナセルと、該ナセルをヨー回転可能に支持するタワーとを備える風力発電装置の制御装置であって、
   制御装置は、前記ナセルについて、風向と前記ロータの方向の差の角度であるヨー角度を低減する方向にヨー回転を開始させ、前記風向と前記ロータの方向が一致する前であって前記ヨー角度が所定の角度になったときヨー回転を終了とともに、
   前記制御装置は、風向の変動量の大きさが第一の風向の変動量の大きさのとき、前記ヨー角度を前記所定の角度の内の第一の角度である第一の所定の角度にし、前記風向の変動量の大きさが第二の風向の変動量の大きさのとき、前記ヨー角度を前記所定の角度の内の第二の角度である第二の所定の角度にし、
   前記第一の風向の変動量の大きさは前記第二の風向の変動量の大きさより大きく、
   前記第一の所定の角度は前記第二の所定の角度より大きいことを特徴とする風力発電装置の制御装置。
7. 請求項６に記載の風力発電装置の制御装置であって、
   前記風向を風向計から取得することを特徴とする風力発電装置の制御装置。
8. 風を受けて回転するロータと、該ロータを回転可能に支持するナセルと、該ナセルをヨー回転可能に支持するタワーとを備える風力発電装置の制御方法であって、
   前記ナセルは、風向と前記ロータの方向の差の角度であるヨー角度を低減する方向にヨー回転を開始し、前記風向と前記ロータの方向が一致する前であって前記ヨー角度が所定の角度になったときヨー回転を終了し、前記風向の変動量の大きさが第一の風向の変動量の大きさのとき、前記ヨー角度を前記所定の角度の内の第一の角度である第一の所定の角度にし、前記風向の変動量の大きさが第二の風向の変動量の大きさのとき、前記ヨー角度を前記所定の角度の内の第二の角度である第二の所定の角度にし、前記第一の風向の変動量の大きさは前記第二の風向の変動量の大きさより大きく、前記第一の所定の角度は前記第二の所定の角度より大きいことを特徴とする風力発電装置の制御方法。
9. 風を受けて回転するロータと、該ロータを回転可能に支持するナセルと、該ナセルをヨー回転可能に支持するタワーとを備え、
   前記ナセルは、前記ロータの方向が風向に向かう方向にヨー回転を開始し、前記風向と前記ロータの方向が一致する前であって前記ロータの方向と前記風向の差の角度が所定の角度になったときヨー回転を終了する風力発電装置の制御方法であって、
   前記ナセルは、風向の変動量の大きさが第一の風向の変動量の大きさのとき、前記ロータの方向と前記風向の差の角度を前記所定の角度の内の第一の角度である第一の所定の角度にし、前記風向の変動量の大きさが第二の風向の変動量の大きさのとき、前記ロータの方向と前記風向の差の角度を前記所定の角度の内の第二の角度である第二の所定の角度にし、前記第一の風向の変動量の大きさは前記第二の風向の変動量の大きさより大きく、前記第一の所定の角度は前記第二の所定の角度より大きいことを特徴とする風力発電装置の制御方法。

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