JP6997049B2 - 風力発電装置とその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電装置とその制御方法に係り、風力発電装置の機械的消耗の増加を最小限にしつつ、発電性能を向上させることが可能な風力発電装置と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まわりに旋回させるヨー旋回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の方位角（以下、ナセル方位角と称する）と風向との偏差角を表す風向偏差（以下、ヨー偏差角と称する）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、ヨー旋回機構を制御してヨー偏差角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、特許文献２、特許文献３に記載される技術が知られている。

特開２０１０―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。風況には、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偏差角が所定の閾値を超えた場合に、ヨー偏差角がゼロになるようにナセルをヨー旋回させる。
ヨー制御によりヨー偏差角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、ナセルの旋回速度よりも風向の変動速度の方が速い場合、ナセル方位角を風向に追従できない。また、風の乱れ度が高い場合、すなわち、風向変動が激しく、ヨー旋回中に風向が逆方向に変わる場合、ヨー制御の応答遅れによりヨー旋回し過ぎて、ヨー偏差角が高い状態でナセルを停止させてしまう。これらの場合、ヨー偏差角をゼロに維持することは困難である。しかし、ナセルの旋回速度を高くし過ぎたり、ヨー偏差角に対して過敏にヨー旋回させると、ナセル旋回機構やナセルの旋回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、ヨー偏差角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に開示される方法では、特に風の乱れ度が高く、風向変動が激しい場合、ヨー旋回し過ぎてしまい、ヨー旋回後のヨー偏差角を十分抑制できない。したがって、ヨー偏差角を十分低減できないため発電性能が低下するのみならず、ヨー旋回のし過ぎにより機械的消耗が必要以上に増加する可能性がある。
したがって、風の乱れ度に応じてヨー制御のパラメータを調整し、ヨー旋回のし過ぎを防止し得るようヨー制御することが好ましい。しかし、風向測定値から風の乱れ度を算出する場合、風向測定に一般的な矢羽式風向計を用いると、矢羽の慣性の影響で風の乱れ度を精度良く算出するのが困難である。また、慣性の影響がない超音波式等の風向計はコストが高いため好ましくない。

そこで、本発明は、低コストで精度良く算出した風の乱れ度に応じてヨー制御により、ヨー偏差角を低減して発電量を向上しつつ、機械的消耗の必要以上の増加を抑制し得る風力発電装置とその制御方法を提供する。

上記課題を解決するため、本発明に係る風力発電装置は、風を受けて回転するロータと、前記ロータを回転可能に支持するナセルと、前記ナセルをヨー旋回可能に支持するタワーと、ヨー制御指令に基づいて前記ナセルのヨーを調整する調整装置と、前記調整装置に送る前記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、前記制御装置は、風向風速測定部により測定された値と前記ロータの方向からヨー偏差角を算出するヨー偏差角計算部と、前記風向風速測定部により測定された値から風の乱れ度を算出する風の乱れ度計算部と、前記ヨー偏差角と前記風の乱れ度に基づき前記ヨー制御指令を定める制御指令作成部を備え、前記制御装置は、風の乱れ度が高い場合、ヨー旋回を早く停止することを特徴とする。

また、本発明に係る風力発電装置の制御方法は、風を受けて回転するロータと、前記ロータを回転可能に支持するナセルと、前記ナセルをヨー旋回可能に支持するタワーと、ヨー制御指令に基づいて前記ナセルのヨーを調整する調整装置と、前記調整装置に送る前記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の制御方法であって、風向風速測定部により測定された値と前記ロータの方向からヨー偏差角を算出し、前記風向風速測定部により測定された値から風の乱れ度を算出し、少なくとも前記ヨー偏差角及び風の乱れ度に基づき、風の乱れ度が高い場合、ヨー旋回を早く停止させることを特徴とする。

本発明によれば、低コストで精度良く算出した風の乱れ度に応じてヨー制御により、ヨー偏差角を低減して発電量を向上しつつ、機械的消耗の必要以上の増加を抑制し得る風力発電装置とその制御方法を提供することが可能となる。
具体的には、風の乱れ度を低コストで精度良く算出してヨー制御することができ、風向変動が激しい場合でもヨー旋回のし過ぎを抑制し、ヨー旋回時の風向に対するナセル方位角の追従性が向上する。また、ヨー旋回のし過ぎを抑制することで、ヨー旋回機構の機械的消耗の必要以上の増加が抑制される。すなわち、風力発電装置の発電性能の向上と機械的消耗の低減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を提供できる。
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。

本発明の一実施例に係る実施例１の風力発電装置の全体概略構成を示す側面図である。 図１に示す風力発電装置の上面図（平面図）である。 図１に示す制御装置を構成するヨー制御部の機能を示すブロック線図である。 図３に示すヨー制御部の処理概要を示すフローチャートである。 実施例１に係るヨー制御部の効果を示す概要図であり、図５（ａ）は風速と風の乱れ度の時間変化を、図５（ｂ）はヨー旋回停止閾値の時間変化を、図５（ｃ）は風向とロータ軸角度の時間変化を、図５（ｄ）はヨー偏差角の時間変化を示す図である。 本発明の他の実施例に係る実施例２のヨー制御部の機能を示すブロック線図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例について説明する。

図１は、本発明の一実施例に係る実施例１の風力発電装置の全体概略構成を示す側面図である。図１に示すように、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、ヨー旋回機構８（調整装置とも称される）によって垂直軸まわりにヨー旋回可能である。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、ヨー旋回機構８を制御する。風向風速センサ１０は、風向計が矢羽式で風速計がカップ式である低コストで一般的なものを本実施例では想定しているが、Ｌｉｄａｒ（例えば、ドップラーライダー）や超音波風向風速計等であってもよく、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、ヨー旋回機構８は、ヨーベアリングやヨーギア（ヨー旋回用歯車）、ヨー旋回モータ、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制御する電力変換器や、電気的信号または機械的信号を検出するセンサ等を適宜位置に備えている。また、図１は、ナセル５からブレード２に向かう風向の風で発電するダウンウィンド式であるが、ブレード２からナセル５に向かう風向の風で発電するアップウィンド式であってもよい。

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からロータ軸角度θｒまでの偏差角であるヨー偏差角をΔθと定義し、これらの関係を図示している。ここで、「所定の基準方向」とは、例えば、北を０°として基準方向とする。なお、北に限らず基準となる方向を任意に設定しても良い。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、所定周波数領域のみを通過させるフィルタを介した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、ロータ軸角度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、ヨー旋回部のエンコーダにより計測された値等であってもよい。

図３から図５を用いて、本実施例に係る風力発電装置１の制御装置９を構成するヨー制御部３００について説明する。
図３は、図１に示す制御装置を構成するヨー制御部の機能を示すブロック線図である。図３に示すように、ヨー制御部３００は、ヨー偏差角Δθを求めるヨー偏差角計算部３０１と、ヨー旋回停止閾値θｙを算出するヨー旋回停止閾値算出部３１０と、ヨー偏差角Δθとヨー旋回停止閾値θｙに基づいてヨー旋回の開始／駆動／停止を制御するヨー制御指令Ｃｙを定める制御指令作成部３０４により構成されている。ヨー旋回停止閾値算出部３１０は、風の乱れ度計算部３０２、ヨー旋回閾値計算部３０３により構成されている。

このうちヨー偏差角計算部３０１は、ロータ軸角度θｒと風向θｗに基づき、ヨー偏差角Δθを決定する。このヨー偏差角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５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、ヨー偏差角計算部３０１は、ローパスフィルタに代表される、ヨー偏差角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のヨー旋回停止閾値算出部３１０を構成する風の乱れ度計算部３０２は、風向風速センサ１０から検出した風速Ｖｗに代表される風況測定値Ｘｗに基づき、所定の期間の風況データの変動を表す風の乱れ度Ｉｔを出力する。本実施例では、ロータ回転軸の方向の風の乱れの大きさと、ロータ回転軸と水平な直角方向の風の乱れの大きさに正の相関があることを利用して、風速Ｖｗを風の乱れ度Ｉｔの算出に用いる。風の乱れ度Ｉｔを計算する手法の一例として、ここでは統計分析手法を用いて、以下の式（１）に示すように乱流強度で設定される。
Ｉｔ＝σｖ／Ｖｗａｖｅ ・・・（１）
ここで、σｖは所定期間における風速の標準偏差、Ｖｗａｖｅは所定期間における風速の平均値である。なお、所定期間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、ヨー制御部３００の計算能力、ヨー偏差角計算部３０１で用いるフィルタの設定値、ヨー旋回の駆動速度、ヨー駆動量等に応じて適宜設定されればよいが、ある程度頻度の高い風向変動に対応するよう、大まかには１秒乃至１時間の範囲とするのが好ましい。もしくは、所定期間は１０秒乃至１０分の範囲とするのがさらに好ましい。

この所定期間の範囲は、ヨー制御によって低減できるヨー偏差角Δθの周波数領域に相当している。すなわち、範囲の上限は、風向風速センサ１０の構造やノイズに起因する誤差の影響が現れる高周波数成分を除去することを目的として上記の値が好ましい。また、範囲の下限は、ヨー旋回停止閾値θｙの値の違いによる影響が少なくなる低周波数成分を除去することを目的として上記の値が好ましい。

図３に示すヨー旋回停止閾値算出部３１０を構成するヨー旋回閾値計算部３０３は、風の乱れ度Ｉｔに基づき、ヨー旋回を停止する閾値θｙを決定する。
具体的には、ヨー旋回閾値計算部３０３においては、風の乱れ度Ｉｔが小さい場合と大きい場合とで、ヨー旋回停止閾値θｙの大きさが変更されるように調整される。例えば、風の乱れ度Ｉｔが小さい場合はヨー旋回停止閾値θｙを低くし、風の乱れ度Ｉｔが大きい場合はヨー旋回停止閾値θｙを高くする。

ここで、ヨー旋回停止閾値θｙの調整方法の理由について説明する。まず、ヨー旋回停止閾値θｙが低い場合、風向θｗにナセル方位がほぼ正対したときにヨー旋回を停止するため、ヨー旋回を停止した瞬間のヨー偏差角Δθｙが非常に小さい。しかし、ヨー旋回中もしくはヨー旋回直後にヨー旋回方向と逆方向に風向θｗが大きく変動する場合、ヨー旋回し過ぎることになるため、ヨー旋回開始時とは逆方向のヨー偏差角Δθｙが増大してしまい発電量が少なくなる。一方、ヨー旋回停止閾値θｙが高い場合、風向θｗにナセル方位が正対する前にヨー旋回を停止するため、ヨー旋回を停止した瞬間のヨー偏差角Δθｙはまだ残っている。しかし、ヨー旋回中もしくはヨー旋回直後にヨー旋回方向と逆方向に風向θｗが大きく変動する場合、ヨー旋回のし過ぎを抑制することになるため、ヨー旋回開始時とは逆方向のヨー偏差角Δθｙが小さく発電量が多くなる。さらに、ヨー旋回量が少なくなるため、ヨー旋回機構８の機械的消耗が低減する。

このとき、風の乱れ度Ｉｔが小さい場合、すなわち、ある程度風向変動が激しくない場合、ヨー旋回中もしくはヨー旋回直後にヨー旋回方向と逆方向に風向θｗが大きく変動することが少ないため、ヨー旋回停止閾値θｙを低くすることが好ましい。一方で、風の乱れ度Ｉｔが大きい場合、すなわち、ある程度風向変動が激しい場合、ヨー旋回中もしくはヨー旋回直後にヨー旋回方向と逆方向に風向θｗが大きく変動することが多いため、ヨー旋回停止閾値θｙを高くすることが好ましい。以上がヨー旋回停止閾値θｙの調整方法の理由である。

このように本実施例では、ヨー旋回停止閾値算出部３１０は、風向風速センサ１０から検出した風速Ｖｗに基づいて風の乱れ度Ｉｔを計算し、これに基づいてヨー旋回停止閾値θｙを作成（算出）している。
ここで、ヨー旋回閾値計算部３０３は、ヨー旋回停止閾値θｙ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。

制御指令作成部３０４は、ヨー偏差角Δθとヨー旋回停止閾値θｙに基づき、ヨー制御指令Ｃｙを決定する。ヨー偏差角Δθが大きくなった場合、ヨー旋回を開始するためのヨー制御指令Ｃｙがヨー旋回機構８に出力される。それを受け、ヨー偏差角Δθを減らす方向にナセル５をヨー旋回させるように、ヨー旋回機構８が動作する。そして、ヨー旋回している状態で、ヨー偏差角Δθが小さくなった場合、ヨー旋回を停止するためのヨー制御指令Ｃｙがヨー旋回機構８に出力される。

図４は、図３に示すヨー制御部３００の処理概要を示すフローチャートである。
図４に示すように、ステップＳ４０１では、ヨー偏差角計算部３０１がロータ軸角度θｒを決定し、次のステップＳ４０２に進む。ステップＳ４０２では、ヨー偏差角計算部３０１が風向θｗを決定し、次のステップＳ４０３に進む。ステップＳ４０３では、ヨー偏差角計算部３０１がロータ軸角度θｒと風向θｗに基づいてヨー偏差角Δθを決定し、次のステップＳ４０６に進む。このように、ステップＳ４０１からステップＳ４０３までの処理をヨー偏差角計算部３０１が実行する。

ステップＳ４０１からステップＳ４０３までの処理と平行して、ステップＳ４０４では、ヨー旋回停止閾値算出部３１０を構成する風の乱れ度計算部３０２が風速Ｖｗに代表される風況測定値Ｘｗに基づいて風の乱れ度Ｉｔを決定し、次のステップＳ４０５に進む。ステップＳ４０５では、ヨー旋回停止閾値算出部３１０を構成するヨー旋回停止閾値計算部３０３がヨー旋回停止閾値θｙを決定し、次のステップＳ４０６に進む。このようにステップＳ４０４からステップＳ４０５までの処理をヨー旋回停止閾値算出部３１０が実行する。
ステップＳ４０６では、制御指令作成部３０４がヨー偏差角Δθとヨー旋回停止閾値θｙに基づいてヨー制御指令Ｃｙを決定した後、一連の処理を終了する。

次に、本実施例の効果を明確化するため、比較例の動作と合わせて概要を説明する。
図５は、本実施例に係るヨー制御部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５（ａ）における縦軸は風速Ｖｗと風の乱れ度Ｉｔ、図５（ｂ）における縦軸はヨー旋回停止閾値θｙ、図５（ｃ）における縦軸はロータ軸角度θｒと風向θｗ、および図５（ｄ）における縦軸はヨー偏差角Δθを示す。図５における破線は、本実施例に係るヨー制御部３００を適用しない場合の比較例として、例えば、ヨー旋回停止閾値θｙが常に低い場合の結果を示す。一方で、実線が本発明の実施例１に係るヨー制御部３００を適用した場合の結果を示している。

図５（ａ）に示されるように、風速Ｖｗは時刻Ｔ１まで変動が穏やかで、時刻Ｔ１から時刻Ｔ９まで変動が激しく、時刻Ｔ９以降は変動が穏やかである。このとき、本実施例で計算される風の乱れ度Ｉｔは時刻Ｔ１からＴ９まで高い。したがって、図５（ｂ）に示されるように、比較例のヨー旋回停止閾値θｙは常に低いのに対して、本実施例のヨー旋回停止閾値θｙは時刻Ｔ１から時刻Ｔ９の間高くなる。
このときの風向θｗは、図５（ｃ）に示されるように小さい変動を繰り返しつつ、時刻Ｔ１を過ぎて＋側に大きく急変している。これに応じて本実施例と比較例は時刻Ｔ２から１回目のヨー旋回を開始して、ロータ軸角度θｒが風向θｗに追従している。そして、本実施例では、ヨー旋回停止閾値θｙが高いため時刻Ｔ３でヨー旋回を停止しているのに対し、比較例ではヨー旋回停止閾値θｙが本実施例より低いため、時刻Ｔ３よりも遅い時刻Ｔ４でヨー旋回を停止している。このとき、風向θｗは時刻Ｔ３付近から今度は－側へ大きく急変し始めているため、本実施例と比較して比較例は風向θｗに対してヨー旋回し過ぎてしまっている。その結果、図５（ｄ）に示されるように、時刻Ｔ３過ぎから本実施例より比較例はヨー偏差角Δθが大きい。

そして、時刻Ｔ４を過ぎても風向θｗの－側への急変が続いているため、比較例では時刻Ｔ５で２回目のヨー旋回を開始し、時刻Ｔ８でヨー旋回を停止している。それに対し、本実施例では、時刻Ｔ５より遅い時刻T６で２回目のヨー旋回を開始し、時刻Ｔ８より早い時刻Ｔ７でヨー旋回を停止している。このとき、図５（ｄ）に示されるように、本実施例は１回目にヨー旋回し過ぎていないため、２回目のヨー旋回時も比較例よりヨー偏差角Δθが小さい。
したがって、この期間（時刻Ｔ３過ぎから時刻Ｔ７過ぎまでの期間）の発電出力は本実施例の方が比較例よりも大きくなる。すなわち、本実施例は、年間発電量が比較例よりも高くなることを示している。また、本実施例の方が、ヨー旋回量が少ないため、ヨー旋回機構８の機械的消耗を低減できることを示している。さらに、センサの慣性の影響が少ない構成で風の乱れ度を計算できるため、低コストと高精度の両立も実現している。

以上のように、本実施例によれば、低コストで精度良く算出した風の乱れ度に応じてヨー制御をし、ヨー偏差角を低減して発電量を向上しつつ、機械的消耗の必要以上の増加を抑制し得る風力発電装置とその制御方法を提供することが可能となる。具体的には、風速センサで検出した風速Ｖｗを用いて風の乱れ度Ｉｔを計算し、風の乱れ度Ｉｔが高い場合は、ヨー旋回停止閾値θｙを高くするとヨー旋回のし過ぎを抑制できる機会が多くなり、発電量が向上するためヨー旋回停止閾値θｙを高くする。また、風の乱れ度Ｉｔが低い場合は、ヨー旋回停止閾値θｙを高くしてヨー旋回のし過ぎを抑制する効果よりも、ヨー旋回停止閾値θｙを低くして風向θｗに追従させる効果の方が高くなるため、ヨー旋回停止閾値θｙを低くする。このように風況に応じてヨー旋回停止閾値θｙを可変することで、機械的消耗の増加を抑制しつつ、風力発電装置の発電性能を向上させることができる。

また、風力発電装置に過大な荷重がかからないようにすることを目的とし、ヨー偏差角Δθが過大になった場合、すぐに発電を抑制あるいは中止する機能が風力発電装置に備えられていることがある。本実施例は比較例よりもヨー旋回速度が高く、風向θｗへの追従性が良いためヨー偏差角Δθが過大になりにくい。したがって、ヨー偏差角Δθが過大になって発電が抑制または中止される機会が減るため、発電量の向上に効果がある。

図６は、本発明の他の実施例に係る実施例２のヨー制御部の機能を示すブロック線図である。本実施例では、ヨー旋回停止閾値θｙが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点が、上述の実施例１と異なる。その他の構成は上述の実施例１と同様である。また、図６では実施例１と同様の構成要素に同一符号を付している。

上述の実施例１では、図３および図４に示したように、ヨー旋回停止閾値算出部３１０は、毎制御周期、或は適宜のタイミングでヨー旋回停止閾値θｙを算出し更新する構成とした。これに対し、図６に示す本実施例のヨー制御部６００は、ヨー偏差角Δθを求めるヨー偏差角計算部３０１と、ヨー偏差角Δθとヨー旋回停止閾値θｙに基づいてヨー旋回の開始／駆動／停止を制御するヨー制御指令Ｃｙを定める制御指令作成部３０４により構成されており、ヨー旋回停止閾値θｙを算出するヨー旋回停止閾値算出部３１０を備えていない。制御指令作成部３０４に与えられるヨー旋回停止閾値θｙは、予めヨー制御部６００を構成する制御指令作成部３０４にプリセットされ、あるいは適宜のタイミングでヨー旋回停止閾値入力部６０５により外部から設定される。ヨー旋回停止閾値入力部６０５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。

上述の実施例１に示したヨー旋回停止閾値算出部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ヨー旋回停止閾値θｙを算出し、ヨー制御部６００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、例えば季節毎に、あるいは夕方とか朝方とか毎に、または風の乱れ度毎に準備され、適宜の条件で切り替え使用してもよい。

あるいは、上述の実施例１に示したヨー旋回停止閾値算出部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ヨー旋回停止閾値θｙを算出し、通信部を備えたヨー旋回停止閾値入力部６０５を介してヨー制御部６００内の制御指令作成部３０４に与えるものである。この場合に、ヨー旋回停止閾値θｙ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。

以上のように本実施例によれば、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、最適化された駆動速度に基づく制御を行うことができる。

次に、本発明の他の実施例に係る実施例３の風力発電装置１について説明する。
本実施例の風力発電装置１は、上述の実施例１のヨー制御部３００と同じ構成を有しているが、ヨー旋回停止閾値算出部３１０における処理が実施例１と異なる。

本実施例のヨー旋回停止閾値算出部３１０では、上述の実施例１と同様に、風況測定値Ｘｗとして風速Ｖｗを入力するが、風の乱れ度Ｉｔの他に、所定の期間の平均風速Ｖｗａｖｅを計算する。ここで、平均風速Ｖｗａｖｅが高い場合、風の乱れ度Ｉｔが高いときもヨー旋回停止閾値θｙを低くする。これは、風速Ｖｗが高い場合は風の乱れ度Ｉｔが高くても、地形によってはヨー旋回し過ぎる風況が少ない場合を鑑みて、発電量の向上効果を高めるためである。同様に、平均風速Ｖｗａｖｅが低い場合も、風の乱れ度Ｉｔが高いときにヨー旋回停止閾値θｙを低くする。

以上のように本実施例によれば、実施例１と同様の発電量を向上させる効果を、様々な地形に対応させることが可能となる。
なお、平均風速Ｖｗａｖｅは、ローパスフィルタに代表される、風速Ｖｗ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て算出しても、フーリエ変換をおこなって算出してもよい。あるいは、ヨー旋回停止閾値算出部３１０に入力する前に、平均風速Ｖｗａｖｅを算出してもよい。

次に、本発明の他の実施例に係る実施例４の風力発電装置１について説明する。
本実施例の風力発電装置１は、上述の実施例１のヨー制御部３００と同じ構成を有しているが、ヨー旋回停止閾値算出部３１０における処理が実施例１と異なる。

本実施例のヨー旋回停止閾値算出部３１０では、上述の実施例１と異なり、風況測定値Ｘｗとして風速Ｖｗに代えて風向θｗに基づいて風の乱れ度Ｉｔ２を計算し、風の乱れ度Ｉｔ２に基づいてヨー旋回停止閾値θｙを算出する。本実施例の風の乱れ度Ｉｔ２を計算する手法の一例として、ここでは統計分析手法を用いて、所定期間における風向θｗの標準偏差σｗとする。このとき、本発明の課題である矢羽式風向計の慣性が風の乱れ度の計算精度に与える悪影響を低減するため、風の乱れ度Ｉｔ２から慣性の影響を除く補正値を加える、或いは、発電量が向上するＩｔ２とヨー旋回停止閾値θｙの関係を予め求めておくことが好ましい。これにより、風速Ｖｗに基づく乱流強度と比較して、ヨー偏差角Δθとより直接的な関係にある風向θｗに基づく風向標準偏差で風の乱れ度を算出するため、精度よくヨー旋回し過ぎを抑制してヨー偏差角Δθを低減し、発電量を高めることができる。

以上のように本実施例によれば、実施例１と同様の発電量を向上させる効果を、より精度よく実現することが可能となる。

次に、本発明の他の実施例に係る実施例５の風力発電装置１について説明する。
本実施例の風力発電装置１は、上述の実施例１のヨー制御部３００と同じ構成を有しているが、ヨー旋回停止閾値算出部３１０における処理が実施例１と異なる。

本実施例のヨー旋回停止閾値算出部３１０では、上述の実施例１と異なり、風況測定値Ｘｗとして風速Ｖｗと風向θｗに基づき、風の乱れ度Ｉｔ３を計算し、風の乱れ度Ｉｔ３に基づいてヨー旋回停止閾値θｙを算出する。本実施例の風の乱れ度Ｉｔ３は、式（１）で計算した風の乱れ度Ｉｔと、上述の実施例４で示した風の乱れ度Ｉｔ２を組み合わせた以下の式（２）の値を用いる。
Ｉｔ３＝α×Ｉｔ＋β×Ｉｔ２ ・・・（２）
ここで、αとβはＩｔ３を算出するための比重係数であり、風力発電装置１を設置するサイトの風況に応じて大きさを決定する。Ｉｔ３を用いてヨー旋回停止閾値θｙを算出することにより、サイトの風況により適した風の乱れ度を算出できるため、精度よくヨー旋回し過ぎを抑制してヨー偏差角Δθを低減し、発電量を高めることができる。また、風速計か風向計のどちらかが故障しても風の乱れ度を算出できるため冗長性が高い。
以上のように本実施例によれば、風向風速センサのどちらかが故障しても実施例１と同様の発電量向上効果を実現できるため、冗長性を高くすることができる。

次に、本発明の他の実施例に係る実施例６の風力発電装置１について説明する。
本実施例の風力発電装置１は、上述の実施例１のヨー制御部３００と同じ構成を有しているが、ヨー旋回停止閾値算出部３１０における処理が実施例１と異なる。

本実施例のヨー旋回停止閾値算出部３１０では、上述の実施例１と異なり、風況測定値Ｘｗに代えて、風力発電装置１の発電出力Ｐｏ、ブレードピッチ角γｐ、発電機トルクＴｇ、またはロータ回転速度ωｒに代表される、風況が変わると変動する風力発電装置１のパラメータのいずれか一つ以上を入力値とする。そしてこのパラメータの所定期間における変動量を計算し、計算した変動量を風の乱れ度としてヨー旋回停止閾値θｙを算出する。これにより、風向風速センサが故障した場合でも、本発明の効果を実現することできる。

以上のように本実施例によれば、風向風速センサの状態によらず実施例１と同様の発電量向上効果を実現できるため、冗長性を高くすることができる。

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、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。実際にはほとんど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

上述の実施例に対して可能な変形として、例えば以下のようなものが挙げられる。
（１）ヨー制御部３００における風の乱れ度計算部３０２、およびヨー旋回停止閾値計算部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ヨー旋回停止閾値θｙ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）ヨー制御部３００における風の乱れ度計算部３０２は、風速Ｖｗをはじめとする風況測定値Ｘｗを逐次入力せず、過去に蓄積された風況測定データのみで計算する構成としてもよい。
（４）上述の各実施例においては、風向風速センサ１０はナセル５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。
（５）上述の各実施例において、ヨー旋回停止閾値θｙは段階的に値を設定したり、直線や曲線のように連続的に値を設定したりしてもよい。

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…ヨー旋回機構
９…制御装置
１０…風向風速センサ
３００，６００…ヨー制御部
３０１…ヨー偏差角計算部
３０２…風の乱れ度計算部
３０３…ヨー旋回停止閾値計算部
３０４…制御指令作成部
３１０…ヨー旋回停止閾値算出部
６０５…ヨー旋回停止閾値入力部

Claims (14)

1. 風を受けて回転するロータと、前記ロータを回転可能に支持するナセルと、前記ナセルをヨー旋回可能に支持するタワーと、ヨー制御指令に基づいて前記ナセルのヨーを調整する調整装置と、前記調整装置に送る前記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、
   前記制御装置は、風向風速測定部により測定された値と前記ロータの方向からヨー偏差角を算出するヨー偏差角計算部と、前記風向風速測定部により測定された値から風の乱れ度を算出する風の乱れ度計算部と、前記ヨー偏差角と前記風の乱れ度に基づきヨー旋回の開始／駆動／停止を制御する前記ヨー制御指令を定める制御指令作成部を備え、
   前記制御指令作成部において前記ヨー制御指令は、風の乱れ度が高い場合、風の乱れ度が小さい場合に比べて前記ヨー旋回の停止を早くするように定められることを特徴とする風力発電装置。
2. 請求項１に記載の風力発電装置において、
   前記風の乱れ度は、予め前記制御指令作成部に設定されていることを特徴とする風力発電装置。
3. 請求項１に記載の風力発電装置において、
   前記風の乱れ度は、通信部を介して風力発電装置の外部から設定されることを特徴とする風力発電装置。
4. 請求項１に記載の風力発電装置において、
   前記制御装置は、前記風の乱れ度に基づいて、ヨー旋回停止閾値を計算するヨー旋回停止閾値計算部を備えることを特徴とする風力発電装置。
5. 請求項４に記載の風力発電装置において、
   前記風の乱れ度計算部は、前記風向風速測定部により測定された風速から所定の期間における風速の標準偏差及び風速の平均値を求め、前記風速の標準偏差を前記風速の平均値にて除することにより求まる乱流強度を前記風の乱れ度とすることを特徴とする風力発電装置。
6. 請求項４に記載の風力発電装置において、
   前記風の乱れ度計算部は、前記風向風速測定部により測定された風向から風向の標準偏差を求め、前記風向の標準偏差を前記風の乱れ度とすることを特徴とする風力発電装置。
7. 請求項５に記載の風力発電装置において、
   前記風の乱れ度計算部は、前記風向風速測定部により測定された風向から風向の標準偏差を求め、
   前記ヨー旋回停止閾値計算部は、前記乱流強度に所定の係数を掛けた値と前記風向の標準偏差に所定の係数を掛けた値とを組み合わせたパラメータを求め、前記パラメータを前記風の乱れ度とすることを特徴とする風力発電装置。
8. 請求項５乃至請求項７のうち何れか１項に記載の風力発電装置において、
   前記ヨー旋回停止閾値計算部は、周波数分析のためにローパスフィルタ若しくはフーリエ変換のいずれかを用いることを特徴とする風力発電装置。
9. 請求項４に記載の風力発電装置において、
   前記ヨー旋回停止閾値計算部は、
   少なくとも、発電出力、ブレードピッチ角、発電機トルク、及びロータ回転速度のうち何れか一つである、風況が変わると変動する前記風力発電装置の状態パラメータを用いて、前記状態パラメータの所定期間における変動量を求め、前記変動量を前記風の乱れ度とすることを特徴とする風力発電装置。
10. 風を受けて回転するロータと、前記ロータを回転可能に支持するナセルと、前記ナセルをヨー旋回可能に支持するタワーと、ヨー制御指令に基づいて前記ナセルのヨーを調整する調整装置と、前記調整装置に送る前記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の制御方法であって、
    風向風速測定部により測定された値と前記ロータの方向からヨー偏差角を算出し、
    前記風向風速測定部により測定された値から風の乱れ度を算出し、
    少なくとも前記ヨー偏差角及び風の乱れ度に基づきヨー旋回の開始／駆動／停止を制御する前記ヨー制御指令を定め、
    風の乱れ度が高い場合、風の乱れ度が小さい場合に比べて前記ヨー旋回の停止を早くするように定められた前記ヨー制御指令を前記調整装置に送ることを特徴とする風力発電装置の制御方法。
11. 請求項１０に記載の風力発電装置の制御方法において、
    風向風速測定部により測定された風速から所定の期間における風速の標準偏差及び風速の平均値を求め、前記風速の標準偏差を前記風速の平均値にて除することにより求まる乱流強度に基づいて、風の乱れ度を算出することを特徴とする風力発電装置の制御方法。
12. 請求項１０に記載の風力発電装置の制御方法において、
    前記風向風速測定部により測定された風向から風向の標準偏差を求め、前記風向の標準偏差に基づいて、風の乱れ度を算出することを特徴とする風力発電装置の制御方法。
13. 請求項１１に記載の風力発電装置の制御方法において、
    前記風向風速測定部により測定された風向から風向の標準偏差を求め、
    前記乱流強度と前記風向の標準偏差とに基づいて、風の乱れ度を算出することを特徴とする風力発電装置の制御方法。
14. 請求項１３に記載の風力発電装置の制御方法において、
    前記乱流強度に所定の係数を掛けた値と前記風向の標準偏差に所定の係数を掛けた値とを組み合わせたパラメータを求め、前記パラメータを前記風の乱れ度とすることを特徴とする風力発電装置の制御方法。

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