JP7045294B2

JP7045294B2 - ウィンドファーム

Info

Publication number: JP7045294B2
Application number: JP2018175578A
Authority: JP
Inventors: 悠介大竹; 真一近藤; 順弘楠野
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2018-09-20
Filing date: 2018-09-20
Publication date: 2022-03-31
Anticipated expiration: 2038-09-20
Also published as: EP3855016A4; TWI717000B; WO2020059207A1; EP3855016A1; EP3855016B1; TW202012775A; JP2020045833A

Description

本発明は、複数の風力発電装置が設置されるウィンドファーム及び風力発電装置に係り、特に、ウィンドファーム全体の発電量を向上し得るウィンドファーム及び当該ウィンドファームに設置するのに好適な風力発電装置に関する。

複数の風力発電装置が隣接して設置されているウィンドファームにおいては、風上側に位置する風力発電装置を通過した風車後流（単に、後流とも称される）と呼ばれる風が風下側に位置する風力発電装置に流入する。この風車後流中においては、風力発電装置の発電量が減少する、及び風力発電装置の損傷度が増加するなどの課題が生ずる。このような課題に対応すべく、風上側に位置する風力発電装置のブレードの傾斜角を制御する方法、ロータ回転面の向きを制御する方法などが提案されている。

例えば、特許文献１では、風上側に位置する風力発電装置のブレードの傾斜角（ピッチ角）を制御する方法が開示され、複数の風力発電機（Ｔ１，Ｔｉ－１，Ｔｉ）を備えるウィンドファームにおいて、ウィンドファームの稼働中に風力発電機（Ｔ１，Ｔｉ－１，Ｔｉ）の動作パラメータを最適化目標に従って調節する構成が記載されている。そして、上記最適化目標を、複数の風力発電機（Ｔ１，Ｔｉ－１，Ｔｉ）の全ての個別出力（Ｐｉ）の合計から形成されるウィンドファームの総出力の最大値とする旨開示されている。
また、特許文献２では、少なくとも風を受けて回転するロータとロータの回転面の向きを制御するヨー角制御装置を備える風力発電装置を、複数備えるウィンドファームであって、風向データ及び風上側に位置する風力発電装置のロータの回転面の向きの情報に基づき後流領域を決定し、決定した後流領域及び風下側に位置する風力発電装置の位置情報に基づき、風上側に位置する風力発電装置のロータの回転面の向きを制御する制御装置を備える旨記載されている。

特表２０１０－５２６９６３号公報特開２０１８－０５９４５５号公報

しかしながら、特許文献１に記載されるウィンドファームにおいては、全ての風力発電装置からの情報を集約するためのネットワークや制御パラメータを決定する中央演算装置を新たに導入しなければならず、設備コストの増大を招く虞がある。また、特許文献２に記載されるウィンドファームでは、風向によっては風下側風力発電装置の損傷度は低減できるものの、風上側風力発電装置の大きなヨー駆動が頻発して損傷度の増加を招くとともに、風下側風力発電装置の発電量が大きく低下する可能性がある。

そこで、本発明は、ウィンドファームの中央演算装置を導入することなく、ウィンドファーム全体の発電量を向上し得るウィンドファーム及び風力発電装置を提供する。

上記課題を解決するため、本発明に係るウィンドファームは、少なくとも風を受けて回転するロータと当該ロータの回転面の向きを制御するヨー角制御装置と風力発電装置の運転モードを切り替える制御装置を備える風力発電装置を、複数備え、
風向毎に前記複数の風力発電装置のうち風上側の風力発電装置の前記運転モードを変更するウィンドファームであって、
前記風上側の風力発電装置の制御装置は、
風向データに基づき前記風上側の風力発電装置を通過した風車後流が伝播する領域である風車後流領域を演算し、
前記複数の風力発電装置の位置情報と前記風車後流領域に基づき前記風車後流が流入する風下側の風力発電装置の有無を判定し、
前記風車後流が流入する前記風下側の風力発電装置が存在しない場合、前記風上側の風力発電装置の運転モードとして風車後流の影響を考慮しない通常運転モードを選択し、
前記風車後流が流入する前記風下側の風力発電装置が存在する場合、前記風上側の風力発電装置のヨー角を制御して前記風車後流が流入する前記風下側の風力発電装置を前記風車後流領域外とするために必要な前記風上側の風力発電装置のヨー誤差を演算し、
前記ヨー誤差の絶対値が閾値未満である場合、前記風上側の風力発電装置の運転モードとして前記風車後流が前記風下側の風力発電装置に流入しない後流制御モードを選択して、前記風上側の風力発電装置のヨー誤差が前記演算されたヨー誤差となるヨー角指令値を前記ヨー角制御装置に出力し、
前記ヨー誤差の絶対値が閾値以上である場合、前記風上側の風力発電装置の運転モードとして前記風車後流の影響を低減する縮退運転モードを選択し、
前記縮退運転モード中に、前記風上側の風力発電装置の制御装置は、風向毎に異なるヨー誤差となるように風向に応じてヨー誤差を変化させ、前記風上側の風力発電装置と前記風下側の風力発電装置間の相対方位と一致する風向でヨー誤差を０とするヨー角指令値を算出し、前記風上側の風力発電装置の前記ヨー角制御装置へ出力することを特徴とする。

本発明によれば、ウィンドファームの中央演算装置を導入することなく、ウィンドファーム全体の発電量を向上し得るウィンドファーム及び風力発電装置を提供することが可能となる。
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。

実施例１の風力発電装置の例を示す全体概略構成図である。風力発電装置と風向の関係の例を示す模式図である。ウィンドファームに設置される風上側に位置する風力発電装置と風下側に位置する風力発電装置の関係の例を示す図である。風上側に位置する風力発電装置と風下側に位置する風力発電装置よりなる小規模なウィンドファームの一例を示す上面図である。多数の風力発電装置よりなる大規模なウィンドファームの一例を示す上面図である。風力発電装置を構成するロータの回転面の向きと風向との関係により生ずる風車後流の伝搬方向の例を示す図である。風上側に位置する風力発電装置を構成するロータの回転面の向きの制御の一例を示す図である。制御装置の機能ブロック図の例である。制御装置の処理フローの例を示すフローチャートである。制御装置の機能ブロック図の例である。制御装置の処理フローの例を示すフローチャートである。ヨー誤差の一例を示すグラフである。

本明細書では、本発明の実施形態に係る風力発電装置として、ダウンウィンド型の風力発電装置を例に説明するが、アップウィンド型の風力発電装置においても同様に適用できる。また、３枚のブレードとハブにてロータを構成する例を示すが、これに限られず、ロータはハブと少なくとも１枚のブレードにて構成しても良い。本発明の実施形態に係る風力発電装置を複数隣接して設置するウィンドファームは、洋上、山岳部及び平野部の何れの場所にも設けることができる。
以下、図面を用いて本発明の実施例について説明する。なお、以下に説明する実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている諸要素及びその組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。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は省略する。

図１から図９を用いて実施例１における風力発電装置の制御方法を説明する。図１は、実施例１の風力発電装置の例を示す全体概略構成図である。図１に示すように、風力発電装置２は、風を受けて回転するブレード２３、ブレード２３を支持するハブ２２、ナセル２１、及びナセル２１を回動可能に支持するタワー２０を備える。

ナセル２１内に、ハブ２２に接続されハブ２２と共に回転する主軸２５、主軸２５に接続され回転速度を増速する増速機２７、及び増速機２７により増速された回転速度で回転子を回転させて発電運転する発電機２８を備えている。

また、ブレード２３の設置向きはピッチ角と称され、風力発電装置２は、このピッチ角、すなわち、ブレード２３の向きを制御するピッチ角制御装置３４を備える。ブレード２３の回転エネルギーを発電機２８に伝達する部位は、動力伝達部と呼ばれ、本実施例では、主軸２５、及び増速機２７が動力伝達部に含まれる。そして、増速機２７及び発電機２８は、メインフレーム２９上に保持されており、発電機２８はその動きを制御する発電機制御装置３５を有する。

また、ブレード２３及びハブ２２によりロータ２４が構成される。図１に示すように、タワー２０内部に、電力の周波数を変換する電力変換器３０、電流の開閉を行うスイッチング用の開閉器及び変圧器など（図示せず）、及び制御装置３１が配されている。図１において、電力変換器３０及制御装置３１はタワーの底部に設置されているが、これら機器の設置場所はタワー底部に限定されず、風力発電装置２の内部であれば、他の場所に設置される場合も考えられる。

また、ナセル２１の上面に、風向データ及び風速データを計測するための風向風速計３２が設置されている。制御装置３１として、例えば、制御盤又はＳＣＡＤＡ（ＳｕｐｅｒｖｉＳｏｒｙＣｏｎｔｒｏｌＡｎｄＤａｔａＡｃｑｕｉＳｉｔｉｏｎ）が用いられる。

また、ナセル２１の向きはヨー角と称され、風力発電装置２は、このナセル２１の向き、すなわち、ロータ２４の回転面の向きを制御するヨー角制御装置３３を備える。図１に示すように、ヨー角制御装置３３は、ナセル２１の底面とタワー２０の先端部との間に配され、例えば、図示しない、少なくともアクチュエータ及び当該アクチュエータを駆動するモータより構成される。制御装置３１より信号線を介して出力されるヨー角制御指令に基づき、ヨー角制御装置３３を構成するモータが回転しアクチュエータが所望量変位することで、所望のヨー角となるようナセル２１が回動する。

図２は風力発電装置と風向の関係の例を示す模式図である。風力発電装置２の向きに相当するナセル方向５１と風向５３の間の偏差をヨー誤差５５と呼ぶ。一般的に、ナセル方向５１はヨー角制御装置３３により、ヨー誤差５５が小さくなるよう制御される。

ここで、本実施例に係るウィンドファームについて説明する。図３は、ウィンドファームに設置される風上側に位置する風力発電装置と風下側に位置する風力発電装置の関係の例を示す図である。

図３では、ウィンドファーム１に設置される、風上側に位置する風力発電装置２ａを通過した風が風下側に位置する風力発電装置２ｂへ流入する例を示している。図３に示すように、風上側に位置する風力発電装置２ａを通過した風を風車後流（単に、後流とも称される）と呼ぶ。この風車後流においては、風上側に位置する風力発電装置２ａに流入する前と比較した場合、風向、風速などの風の特性が変化する。この特性の変化は風上側に位置する風力発電装置２ａの運転状態に依存する。ここでいう運転状態とは風力発電装置のブレード２３の傾斜角（ピッチ角）或はロータ２４の回転面の向きを含む。

図４は、風上側に位置する風力発電装置と風下側に位置する風力発電装置よりなる小規模なウィンドファームの一例を示す上面図であり、図５は、多数の風力発電装置よりなる大規模なウィンドファームの一例を示す上面図である。図４は、１基の風上側に位置する風力発電装置２ａ及び１基の風下側に位置する風力発電装置２ｂから構成される小規模なウィンドファーム１の例であり、図５は、１基の風上側に位置する風力発電装置２ａ、１基の風下側に位置する風力発電装置２ｂ、部分的に風車後流の影響を受ける風力発電装置２ｃ、及び多数の風力発電装置２ｄから構成される大規模なウィンドファーム１の例である。ここで言うウィンドファーム１とは、少なくとも２基以上の風力発電装置からなる集合型風力発電所や風力発電装置群を指す。

ウィンドファーム１に設置される風力発電装置２は、風向に対して風上側に位置する風力発電装置２ａ、風下側に位置する風力発電装置２ｂ、部分的に風車後流の影響を受ける風力発電装置２ｃ、及びそれ以外の風力発電装置２ｄに分類され、風向の変化によってこれらの分類も変化する。具体的には、図５の例では、風上側に位置する風力発電装置２ａにより生ずる風車後流が風下側に位置する風力発電装置２ｂに流入しているが、風向の変化によって風下側に位置する風力発電装置２ｂ、風力発電装置２ｃ若しくは風力発電装置２ｄが風上側に位置する風力発電装置２ａと同様の役割を果たす場合や、風上側に位置する風力発電装置２ａ、風力発電装置２ｃ若しくは風力発電装置２ｄが風下側に位置する風力発電装置２ｂと同様の役割を果たす場合もあり得る。

ここで、風車後流（後流）について説明する。風上側に位置する風力発電装置２ａを通過する風は、風上側に位置する風力発電装置２ａを構成するロータ２４の回転の影響により、風向、風速といった風況が変化する。この時変化する風況は、上述の風向、風速に限定されるわけでなく、風の乱れ方である乱流特性や渦の形状など、風に係る全ての物理量が考えられる。図４及び図５に示すように、風車後流（後流）は、風上側に位置する風力発電装置２ａを通過した後、拡がりながら風下側へと流れる。すなわち、風車後流は、拡散しつつ渦流（乱流）を生じさせながら風下側へと伝搬する。このように、拡散しつつ渦流（乱流）を生じさせながら風下側へと風車後流が伝搬する領域を、以下では、風車後流領域（後流領域とも称される）と呼ぶ。図５に示す風下側に位置する風力発電装置２ｂ及び風力発電装置２ｃでは、風車後流領域（後流領域）の外側に位置する風力発電装置２ｄに比べて、発電量が低下し、風下側に位置する風力発電装置２ｂ及び風力発電装置２ｃに蓄積される損傷度が増加する。

図６に、風力発電装置を構成するロータの回転面の向きと風向との関係により生ずる風車後流の伝搬方向の例を示す。図６の上図に示すように、風向に対して風力発電装置２のロータ２４の回転面が正対している場合、風車後流は風向と同じ方向に伝搬し、風車後流領域（後流領域）が形成される。一方、図６の下図に示すように、風力発電装置２のロータ２４の回転面が風向に対して斜めに向いていた場合、風力発電装置２へ流入する風が、ロータ２４の回転面から受ける横方向の力により、風車後流は風向に対して斜めに伝搬し、風向に対し傾いた風車後流領域（後流領域）が形成される。風向とロータ回転面の向きとの偏差、即ちヨー誤差が大きい場合に、後流領域の伝搬方向と風向の偏差も大きくなり、より大きく後流領域の伝搬方向を変化させたい場合、風上側風力発電装置のヨー誤差も大きくする必要がある。

図７に、風上側に位置する風力発電装置２ａを構成するロータ２４の回転面の向きの制御の一例を示す。風上側に位置する風力発電装置２ａに対し、部分的に風車後流の影響を受ける風力発電装置２ｃが存在しない場合、風上側に位置する風力発電装置２ａは通常通り、ロータ２４の回転面が風向に対して正対するよう、ヨー角制御装置３３（図１）によりヨー角を制御する。

これに対し、図７の上図に示すように、風上側に位置する風力発電装置２ａに対し、風車後流が部分的に流入する風力発電装置２ｃ（または風下側に位置する風力発電装置２ｂ）が存在する場合、図７の下図に示すように、風上側に位置する風力発電装置２ａに備えられるヨー角制御装置３３によりヨー角を制御することによって、ロータ２４の回転面の向きを変更する。これにより風車後流の伝搬方向が変更され、風車後流が部分的に流入する風力発電装置２ｃ（または風下側に位置する風力発電装置２ｂ）は、風車後流領域（後流領域）の外側に位置することとなり、風力発電装置２ｃ（または風下側に位置する風力発電装置２ｂ）に対し風車後流が流入することが回避され、風力発電装置２ｃ（または風下側に位置する風力発電装置２ｂ）を風力発電装置２ｄとして運転可能にする。このとき、風上側に位置する風力発電装置２ａのロータ２４の回転面の向きと風向のずれであるヨー誤差が大きくなると、風上側に位置する風力発電装置２ａの損傷度が大きくなる。

そこで、図７の下図に示すような、風力発電装置２ｃ（または風下側に位置する風力発電装置２ｂ）が、風車後流領域（後流領域）の外側に位置する条件となるヨー制御を風上側に位置する風力発電装置２ａで実施たした場合、風上側に位置する風力発電装置２ａのヨー誤差が所定値を上回るリスクがある場合に、風上側に位置する風力発電装置２ａの運転モードを変更し、縮退運転モードとする。ここで縮退運転とは、風力発電装置のピッチ角制御装置３４や発電機制御装置３５により、風力発電装置が風から回収するエネルギーを減らし、常に出力を絞って運転する状態を意味する。これにより、風上側に位置する風力発電装置２ａの発電出力は低下するものの。損傷度の増加は抑制することが可能となる。加えて、風上側に位置する風力発電装置２ａが生成する後流の影響が低減し、風力発電装置２ｃ（または風下側に位置する風力発電装置２ｂ）が受ける後流の影響を低減することが可能となる。これにより、風力発電装置２ｃ（または風下側に位置する風力発電装置２ｂ）の発電量が後流の影響を受けていた場合と比較して回復し、ウィンドファーム全体としての発電量は向上する。

図８に、図１に示す風力発電装置２のタワー２０内に配される制御装置３１の機能ブロック図の例を示し、図９に、図８に示す制御装置の処理フローの例を示すフローチャートを示す。以下に示す制御装置３１は、ウィンドファーム１内に設置される全ての風力発電装置（２ａ～２ｄ）に備えられているが、後述する図８のフローチャートに示す動作は、風上側に位置する風力発電装置２にて実行される。すなわち、ウィンドファーム１内に設置される、風上側に位置する風力発電装置２ａにて実行される。

図８に示すように、制御装置３１は、計測値取得部３１１、風向演算部３１２、後流領域演算部３１３、ヨー角演算部３１４、モード決定部３１５、指令値演算部３１６、入力Ｉ／Ｆ３１７ａ、出力Ｉ／Ｆ３１７ｂ、及び記憶部３１８ａを備え、これらは相互に内部バス３１９にてアクセス可能に接続されている。計測値取得部３１１、風向演算部３１２、後流領域演算部３１３、ヨー角演算部３１４、モード決定部３１５、指令値演算部３１６は、例えば、図示しないＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅＳＳｉｎｇＵｎｉｔ）などのプロセッサ、各種プログラムを格納するＲＯＭ、演算過程のデータを一時的に格納するＲＡＭ、外部記憶装置などの記憶装置にて実現されると共に、ＣＰＵなどのプロセッサがＲＯＭに格納された各種プログラムを読み出し実行し、実行結果である演算結果をＲＡＭ又は外部記憶装置に格納する。なお、説明を解り易くするため、各機能ブロックに分割して示しているが、計測値取得部３１１、風向演算部３１２、後流領域演算部３１３、ヨー角演算部３１４、モード決定部３１５、指令値演算部３１６を、１つの演算部としても良く、また、所望の機能ブロックを統合する構成としても良い。

計測値取得部３１１は、風向風速計３２により計測された風向データ及び風速データを、入力Ｉ／Ｆ３１７ａ及び内部バス３１９を介して取得し、例えば、Ａ／Ｄ変換処理、平滑化処理（ノイズ除去）、或いは正規化処理などを実行する。
記憶部３１８ａは、少なくとも、予め、ウィンドファーム１内における自身（風上側に位置する風力発電装置２ａ）の位置情報及自身のロータ２４の回転面の面積、ウィンドファーム１内に設置される他の風力発電装置（２ｂ～２ｄ）の位置情報及び当該他の風力発電装置（２ｂ～２ｄ）のロータ２４の回転面の面積、風力発電装置運転時のスラスト係数を格納している。なお、ここで、ロータ２４の回転面の面積とは、例えば、ヨー角がゼロ度においてロータ２４の回転面に正対したときの面積であり、タワー２０の面積も含むものとする。また、記憶部３１８ａには、自身（風上側に位置する風力発電装置２ａ）の現在のヨー角（ロータ２４の回転面の向きの情報）、及びブレード２３の形状データ、及びロータ２４の回転速度或はブレード２３のピッチ角も格納されている。

風向演算部３１２は、計測値取得部３１１により処理された風向データを、内部バス３１９を介して取得し、自身（風上側に位置する風力発電装置２ａ）のロータ２４の回転面に流入する風向を決定する。
後流領域演算部３１３は、例えば、風向演算部３１２により決定された風向、計測値取得部３１１により処理された風速データ、記憶部３１８ａに格納される現在のヨー角（ロータ２４の回転面の向きの情報）、及びブレード２３の形状データ並びにロータ２４の回転速度或はブレード２３のピッチ角に基づいて、風車後流領域（後流領域）を演算する。なお、上述の全てのパラメータを用いることに限られず、少なくとも、風向データ、風速データ、及び現在のヨー角（ロータ２４の回転面の向きの情報）のみに基づいて風車後流領域（後流領域）を演算する構成としても良い。また、風向データのみに基づいて風車後流領域（後流領域）を演算する構成としても良い。

ヨー角演算部３１４は、内部バス３１９を介して記憶部３１８ａにアクセスし、記憶部３１８ａより読み出されたウィンドファーム１内に設置される他の風力発電装置（２ｂ～２ｄ）の位置情報及び当該他の風力発電装置（２ｂ～２ｄ）のロータ２４の回転面の面積、及び風車後流演算部３１２により演算された風車後流領域（後流領域）に基づき、風車後流が流入する風力発電装置２ｂもしくは２ｃの有無を判定する。風車後流が流入する風力発電装置２ｂもしくは２ｃが存在する場合、当該風力発電装置２ｂもしくは２ｃの位置情報及びロータ２４の回転面の面積を記憶部３１８ａより読み出し、風力発電装置２ａによって生成される後流が風力発電装置２ｂもしくは２ｃに流入しないよう後流領域を制御した場合の風力発電装置２ａのヨー誤差を演算し、当該情報をヨー角演算部３１４は内部バス３１９を介してモード決定部３１５へ転送する。なお、風車後流が流入する風力発電装置２ｂもしくは２ｃの有無を判定において、他の風力発電装置（２ｂ～２ｄ）の位置情報及び風車後流演算部３１２により演算された風車後流領域（後流領域）のみに基づき判定する構成としても良い。

モード決定部３１５は、ヨー角演算部３１４より転送される自風力発電装置２ａの必要ヨー誤差情報に基づき、風力発電装置２ａの運転モードを後流の影響を考慮しない通常運転モード、後流が風下側風力発電装置２ｂもしくは２ｃに流入しない後流制御モード、風力発電装置２ａの運転を縮退させ後流影響を低減する縮退運転モードの3つのモードから最適な運転モードを選択する。

指令値演算部３１６は、モード決定部３１５により選択された運転モードに対応し、通常運転モードの場合は、後流の影響を考慮しない通常の指令値を、出力Ｉ／Ｆ３１７ｂを介してヨー角制御装置３３、ピッチ角制御装置３４、発電機制御装置３５に出力する。後流制御モードの場合は、記憶部３１８ａより読み出された風車後流が流入する風力発電装置２ｂもしくは２ｃの位置情報及びロータ２４の回転面の面積に基づき、後流を風下側風力発電装置２ｂもしくは２ｃに流入させないための風上側に位置する風力発電装置２ａにおけるロータ２４の回転面の向きを求め、当該ロータ２４の回転面の向きに対応するヨー角制御指令を、出力Ｉ／Ｆを介してヨー角制御装置３３へ出力する。最後に縮退運転モードの場合は、風力発電装置２ａの出力が縮退されるよう、各制御装置の指令値を出力Ｉ／Ｆを介してヨー角制御装置３３、ピッチ角制御装置３４、発電機制御装置３５に出力する。具体的には、ピッチ角制御装置３４に対し、風力発電装置が回収するエネルギー量を減らすよう、ピッチ角を風向に対してより平行に近くなるよう出力Ｉ／Ｆを通じて指令値を出力する。もしくは、発電機制御装置３５に対し、風力発電装置２の回収するエネルギーが小さくなるよう発電機トルクの指令値を出力Ｉ／Ｆを通じて出力する。

次に、制御装置３１の動作について説明する。図９は、図８に示す制御装置の処理フローを示すフローチャートである。図９に示すように、ステップＳ１０１では、計測値取得部３１１は、風向風速計３２により計測された風向データ及び風速データを、入力Ｉ／Ｆ３１７ａ及び内部バス３１９を介して取得し、例えば、Ａ／Ｄ変換処理、平滑化処理（ノイズ除去）、或いは正規化処理などを実行する。そして、計測値取得部３１１は、内部バス３１９を介して風向演算部３１２へ処理後の風向データを転送する。

ステップＳ１０２では、風向演算部３１２は、転送される計測値取得部３１１により処理された風向データに基づき、風上側に位置する風力発電装置２ａ（自身）のロータ２４の回転面に流入する風向を決定する。
ステップＳ１０３では、後流領域演算部３１３は、風向演算部３１２により決定された風向、計測値取得部３１１により処理された風速データ、記憶部３１８ａに格納される現在のヨー角（ロータ２４の回転面の向きの情報）、及びブレード２３の形状データ並びにロータ２４の回転速度或はブレード２３のピッチ角に基づいて、風車後流領域（後流領域）を演算する。

ステップＳ１０４では、モード決定部３１５は、内部バス３１９を介して記憶部３１８ａにアクセスし、記憶部３１８ａより読み出されたウィンドファーム１内に設置される他の風力発電装置（２ｂ～２ｄ）の位置情報及び風車後流演算部３１３により演算された風車後流領域（後流領域）に基づき、風車後流が流入する風力発電装置２ｂもしくは２ｃの有無を判定する。判定の結果、風車後流が流入する風力発電装置２ｂもしくは２ｃが存在しない場合には、風上側に位置する風力発電装置２ａは通常通り、ロータ２４の回転面が風向に対して正対するよう、ヨー角制御装置３３（図１）によりヨー角を制御し処理を終了する（通常運転モード）。一方、判定の結果、風車後流が流入する風力発電装置２ｂもしくは２ｃが存在する場合には、ステップＳ１０５へ進む。

ステップＳ１０５では、ヨー角演算部３１４は、内部バス３１９を介して記憶部３１８ａにアクセスし、記憶部３１８ａより読み出されたウィンドファーム１内に設置される他の風力発電装置（２ｂ～２ｄ）の位置情報及び風車後流演算部３１３により演算された風車後流領域（後流領域）に基づき、風下側に位置する風力発電装置２ｂもしくは２ｃが風上側に位置する風力発電装置２ａが生成する後流領域の外側となる風上側風力発電装置のヨー誤差を演算する。

ステップＳ１０６では、ヨー角演算部３１４によって得られたヨー誤差が閾値以上かを判別する。モード決定部３１５では、ヨー角演算部３１４で得られたヨー誤差に基づいて運転モードを判別する。判別の結果、ヨー誤差の絶対値が閾値未満であった場合は、ステップＳ１０８に進み、後流制御モードへと移行する。一方で、ヨー誤差の絶対値が閾値以上の場合は、ステップＳ１０７に進み、縮退運転モードとなる。

ステップＳ１０７では、縮退運転モードとなり、指令値演算部３１６が縮退運転時の制御指令値を演算し、各制御装置の指令値を出力Ｉ／Ｆ３１７ｂを介してヨー角制御装置３３、ピッチ角制御装置３４、発電機制御装置３５に出力して終了する。

ステップＳ１０８では、指令値演算部３１６は、ヨー角演算部３１４において演算された、風下側に位置する風力発電装置２ｂもしくは２ｃが風上側に位置する風力発電装置２ａが生成する後流領域の外側となる風上側風力発電装置のヨー誤差となるような指令値を出力Ｉ／Ｆを介してヨー角制御装置３３に出力して、処理を終了する。

なお、本実施例では、２基の風力発電装置から構成される小規模なウィンドファーム、及び３基以上の多数の風力発電装置が相互に所定の間隔にて離間しオフセット配置される大規模なウィンドファームを例に説明したが、これに限られるものでは無い。例えば、３基以上の多数の風力発電装置が相互に所定の間隔にて離間し、２次元マトリックス状に設置されるウィンドファームにおいても、同様に適用することが可能である。

以上の通り、本実施例によれば、ウィンドファームの中央演算装置を導入することなく、ウィンドファームの総出力を向上した、ウィンドファーム及び風力発電装置を提供することが可能となる。
具体的には、本実施例によれば、風上側に位置する風力発電装置２ａのロータ２４の回転面の向きを制御し、複数の運転モードを組み合わせることにより、風下側風力発電装置２ｂもしくは２ｃが受ける後流の影響を低減し、ウィンドファームにおける風力発電装置の総出力を向上することが可能となる。また、新たな構造を有する風力発電装置或はその部品を用意する必要がないため、導入が簡便である。また、他の風力発電装置との通信や、ウィンドファーム全体を監視する中央管理システムとの通信が不要なため、各風力発電装置それぞれを単独でウィンドファーム内に容易に導入することが可能となる。

図１０は、他の実施例に係る実施例２の風力発電装置を構成する制御装置の機能ブロック図の例である。本実施例では、風向毎のヨー角指令値や運転モードを解析によって事前評価し、データベース化することで、風力発電装置２の制御装置内における演算量を低減するように構成した点が実施例１と異なる。実施例１と同様の構成要素に同一符号を付し、以下では、実施例１と重複する説明を省略する。

図１０に示すように、制御装置３１は、計測値取得部３１１、風向演算部３１２、データ取得部３２１、指令値出力部３２２、入力Ｉ／Ｆ３１７ａ、出力Ｉ／Ｆ３１７ｂ、及び記憶部３１８bを備え、これらは相互に内部バス３１９にてアクセス可能に接続されている。計測値取得部３１１、風向演算部３１２、データ取得部３２１、指令値出力部３２２は、例えば、図示しないＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅＳＳｉｎｇＵｎｉｔ）などのプロセッサ、各種プログラムを格納するＲＯＭ、演算過程のデータを一時的に格納するＲＡＭ、外部記憶装置などの記憶装置にて実現されると共に、ＣＰＵなどのプロセッサがＲＯＭに格納された各種プログラムを読み出し実行し、実行結果である演算結果をＲＡＭ又は外部記憶装置に格納する。なお、説明を解り易くするため、各機能ブロックに分割して示しているが、計測値取得部３１１、風向演算部３１２、データ取得部３２１、指令値出力部３２２を、１つの演算部としても良く、また、所望の機能ブロックを統合する構成としても良い。

計測値取得部３１１は、風向風速計３２により計測された風向データ及び風速データを、入力Ｉ／Ｆ３１７ａ及び内部バス３１９を介して取得し、例えば、Ａ／Ｄ変換処理、平滑化処理（ノイズ除去）、或いは正規化処理などを実行する。
記憶部３１８bは、少なくとも風向・風速毎の各制御指令値が保存されている。このとき、保存されている指令値は、あらかじめ風力発電装置のレイアウトに基づいて、風向・風速毎の解析によって算出された指令値であり、ヨー角だけでなく、縮退運転時のピッチ角指令値や発電機に対する指令値を含む。

風向演算部３１２は、計測値取得部３１１により処理された風向データを、内部バス３１９を介して取得し、自身（風上側に位置する風力発電装置２ａ）のロータ２４の回転面に流入する風向を決定する。

データ取得部３２１では、計測値取得部３１１と風向演算部３１２により得られた風向、風速を基に記憶部３１８ｂから運転モード及び制御指令値を取得する。

指令値出力部３２２では、データ取得部３２１が記憶部３１８ｂから取得した制御モード及び指令値を出力Ｉ／Ｆを介してヨー角制御装置３３、ピッチ角制御装置３４、発電機制御装置３５に出力する。

ここで、記憶部３１８ｂに記憶された風向、風速毎の指令値の作成方法について説明する。風力発電装置の生成する後流領域は導出方法として、風速や風向の関数として定式化されたモデル式もしくは、風の支配方程式であるナヴィエ・ストークス方程式を数値的に解く方法が挙げられる。前者のモデル式を用いた場合、数値解析が必要ではないため、実施例１で示した通り、制御装置内での計算が可能である。一方で支配方程式を解く方法は計算負荷が高いため、制御装置内での計算は困難であるが、事前に専用のコンピュータ等で解析しデータベース化しとくことで、より高精度な後流領域の評価が可能となる。

以上の通り、本実施例によれば、ウィンドファームの中央演算装置を導入することなく、ウィンドファームの総出力を向上した、ウィンドファーム及び風力発電装置を提供することが可能となる。
具体的には、本実施例によれば、事前に風力発電装置の位置関係から、風向、風速毎の各制御指令値を算出しておくことにより、制御装置３１内での演算量を低減するとともに、より高精度に後流領域を評価することで、ウィンドファーム全体の総発電量をより向上することが期待できる。

本実施例では、風向毎のヨー角指令値が連続的に変化するよう、縮退運転モード中も独自のヨー制御を継続する点が実施例１、実施例２と異なる。実施例１、実施例２と同様の構成要素に同一符号を付し、以下では、実施例１、実施例２と重複する説明を省略する。

本実施例では、実施例１と同様に、図８に示すように、制御装置３１は、計測値取得部３１１、風向演算部３１２、後流領域演算部３１３、ヨー角演算部３１４、モード決定部３１５、指令値演算部３１６、入力Ｉ／Ｆ３１７ａ、出力Ｉ／Ｆ３１７ｂ、及び記憶部３１８ａを備え、これらは相互に内部バス３１９にてアクセス可能に接続されている。計測値取得部３１１、風向演算部３１２、後流領域演算部３１３、ヨー角演算部３１４、モード決定部３１５、指令値演算部３１６は、例えば、図示しないＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅＳＳｉｎｇＵｎｉｔ）などのプロセッサ、各種プログラムを格納するＲＯＭ、演算過程のデータを一時的に格納するＲＡＭ、外部記憶装置などの記憶装置にて実現されると共に、ＣＰＵなどのプロセッサがＲＯＭに格納された各種プログラムを読み出し実行し、実行結果である演算結果をＲＡＭ又は外部記憶装置に格納する。なお、説明を解り易くするため、各機能ブロックに分割して示しているが、計測値取得部３１１、風向演算部３１２、後流領域演算部３１３、ヨー角演算部３１４、モード決定部３１５、指令値演算部３１６を、１つの演算部としても良く、また、所望の機能ブロックを統合する構成としても良い。

次に、制御装置３１の動作について説明する。図１１は、図８に示す制御装置の処理フローを示すフローチャートである。図９に示すように、ステップＳ１０１では、計測値取得部３１１は、風向風速計３２により計測された風向データ及び風速データを、入力Ｉ／Ｆ３１７ａ及び内部バス３１９を介して取得し、例えば、Ａ／Ｄ変換処理、平滑化処理（ノイズ除去）、或いは正規化処理などを実行する。そして、計測値取得部３１１は、内部バス３１９を介して風向演算部３１２へ処理後の風向データを転送する。

ステップＳ１０６では、ヨー角演算部３１４によって得られたヨー誤差が閾値以上かを判別する。モード決定部３１５では、ヨー角演算部３１４で得られたヨー誤差に基づいて運転モードを判別する。判別の結果、ヨー誤差の絶対値が閾値以下であった場合は、ステップＳ１０８に進み、後流制御モードへと移行する。一方で、ヨー誤差の絶対値が閾値以上の場合は、ステップＳ１０７に進み、縮退運転モードとなる。

ステップＳ１０７では、縮退運転モードとなり、指令値演算部３１６が縮退運転時の制御指令値を演算し、各制御装置の指令値を出力Ｉ／Ｆ３１７ｂを介してヨー角制御装置３３ピッチ角制御装置３４、発電機制御装置３５に出力する。

図１２に本実施例におけるヨー誤差のグラフの例を示す。本実施例の特徴として、縮退運転モード中に、風下側風力発電装置２ｂもしくは２ｃの相対方位角と一致する風向でヨー誤差が０となるよう、ヨー誤差を連続的に変化させる点が挙げられる。

本実施例では、実施例１と異なりステップＳ１０７にて、風向毎に異なるヨー誤差となるようヨー角指令値を演算し、ヨー角指令値出力する。

以上の通り、本実施例によれば、ウィンドファームの総出力を向上させるとともに、制御対象となる風上側風力発電装置の信頼性を向上可能なウィンドファーム及び風力発電装置を提供することが可能となる。
具体的には、本実施例によれば、風上側風力発電装置のヨー誤差を連続的に変化させることにより、風上側風力発電装置のヨー駆動回数を縮減することが可能となり、ウィンドファームの信頼性を向上することが可能となる。

本実施例では、縮退運転モードへの移行手段として、ピッチ制御を用いる点に特徴がある。ここでは、実施例１から実施例３と同様の構成要素には同一符号を付し、以下では、実施例１から実施例３と重複する説明を省略して説明する。

風力発電装置２においてハブ２２に対して回転（ピッチ角変化）可能に支持されるブレード２３は設置されている。ここで、ピッチ角とはハブ２２に対するブレード２３の取り付け角を表している。また、ブレード２２を風に対して正対させ、風のエネルギーを高効率に回収できるようピッチ角を変更することをファインにすると呼び、ブレードを風と平行な向きにすることで、風を逃がすようにピッチ角を更することをフェザーと呼ぶ。これにより風力発電装置２はピッチ角制御装置３４によりピッチ角を調整することで、風から回収するエネルギー量を調整し、運転モードを変更することが可能となる。

本実施例では、図９におけるＳ１０７において、風力発電装置を縮退運転モードに移行する際、ピッチ角は通常運転モードにおける基準制御値よりもフェザー側に変更される。これにより、風力発電装置の回収するエネルギー量が低下し、発電量が低下する。これにより、風力発電装置にかかる荷重も低下し、縮退運転モードとなる。このとき、ピッチ角の指令値は固定値であっても、風速等の風況に応じて変更してもよい。一方で、図９におけるＳ１０４もしくはＳ１０６でNoを選択し、通常運転モードもしくは後流制御モードとなった場合、ピッチ角指令値を通常運転時の基準制御値に戻すことで、風力発電装置の回収するエネルギー量は通常通りとなる。

以上の通り、本実施例によれば、ウィンドファームの総出力を向上させるとともに、縮退運転モードへの移行を簡易に実施することができる。
具体的には、縮退運転モードへの移行に関して、ピッチ角の制御を用いるため、風力発電装置が風から回収するエネルギー量を直接制御できるため、縮退運転モードへの移行を簡易に実施することができる。

本実施例では、縮退運転モードへの移行手段として、風力発電装置のナセル内に設置された発電機２８のトルク制御を活用する点にある点に特徴がある。ここでは、実施例１から実施例４と同様の構成要素には同一符号を付し、以下では、実施例１から実施例３と重複する説明を省略して説明する。

風力発電装置か回収するエネルギーはロータ２４の回転数と発電機におけるトルクの積として現わされ、通常運転モードにおいては、ロータ２４の回転数が、風力発電装置のブレード２３が最も効率よくエネルギーを得られる回転数になるよう、トルクは制御される。
本実施例においては、図９におけるＳ１０７のように、風力発電装置を縮退運転モードに移行する際、トルクの指令値を通常運転時とは異なる値に設定する。このとき、トルク指令値は通常運転時の基準制御値よりも大きい値と小さい値の双方が考えられる。具体的には、トルク指令値を通常運転時の基準制御値よりも小さくすることにより、回収するエネルギー量を小さくする手法が考えられる。また、トルク制御値を通常運転時の基準制御値よりも大きくすることにより、ロータの回転数を小さくし、風力発電装置の運転効率を低下させることで、縮退運転モードに移行することも可能である。このとき、トルク制御の指令値は固定値であっても、風速等の風況に応じて変更してもよい。一方で、図９におけるＳ１０４もしくはＳ１０６でNoを選択し、通常運転モードもしくは後流制御モードとなった場合、トルク指令値を通常運転時の基準制御値に戻すことで、風力発電装置の回収するエネルギー量は通常通りとなる。

以上の通り、本実施例によれば、ウィンドファームの総出力を向上したさせるとともに、縮退運転モードへの移行を高速化することができる。
具体的には、本実施例では縮退運転モードへの移行に関して、発電機トルクの制御を用いるため、制御応答が非常に早いという特徴を持つ。これにより、より早期に縮退運転モードに移行することが可能となり、ウィンドファーム全体としての発電量向上が期待できる。

１・・・ウィンドファーム
２・・・風力発電装置
２ａ・・・風上側に位置する風力発電装置
２ｂ・・・風下側に位置する風力発電装置
２ｃ，２ｄ・・・風力発電装置
２０・・・タワー
２１・・・ナセル
２２・・・ハブ
２３・・・ブレード
２４・・・ロータ
２５・・・主軸
２７・・・増速機
２８・・・発電機
２９・・・メインフレーム
３０・・・電力変換器
３１・・・制御装置
３２・・・風向風速計
３３・・・ヨー角制御装置
３４・・・ピッチ角制御装置
３５・・・発電機制御装置
５１・・・ナセル方向
５３・・・風向
５５・・・ヨー誤差
３１１・・・計測値取得部
３１２・・・風向演算部
３１３・・・後流領域演算部
３１４・・・ヨー角演算部
３１５・・・モード決定部
３１６・・・指令値演算部
３１７ａ・・・入力Ｉ／Ｆ
３１７ｂ・・・出力Ｉ／Ｆ
３１８ａ・・・記憶部
３１８ｂ・・・記憶部
３１９・・・内部バス
３２１・・・データ取得部
３２２・・・指令値取得部

Claims

少なくとも風を受けて回転するロータと当該ロータの回転面の向きを制御するヨー角制御装置と風力発電装置の運転モードを切り替える制御装置を備える風力発電装置を、複数備え、
風向毎に前記複数の風力発電装置のうち風上側の風力発電装置の前記運転モードを変更するウィンドファームであって、
前記風上側の風力発電装置の制御装置は、
風向データに基づき前記風上側の風力発電装置を通過した風車後流が伝播する領域である風車後流領域を演算し、
前記複数の風力発電装置の位置情報と前記風車後流領域に基づき前記風車後流が流入する風下側の風力発電装置の有無を判定し、
前記風車後流が流入する前記風下側の風力発電装置が存在しない場合、前記風上側の風力発電装置の運転モードとして風車後流の影響を考慮しない通常運転モードを選択し、
前記風車後流が流入する前記風下側の風力発電装置が存在する場合、前記風上側の風力発電装置のヨー角を制御して前記風車後流が流入する前記風下側の風力発電装置を前記風車後流領域外とするために必要な前記風上側の風力発電装置のヨー誤差を演算し、
前記ヨー誤差の絶対値が閾値未満である場合、前記風上側の風力発電装置の運転モードとして前記風車後流が前記風下側の風力発電装置に流入しない後流制御モードを選択して、前記風上側の風力発電装置のヨー誤差が前記演算されたヨー誤差となるヨー角指令値を前記ヨー角制御装置に出力し、
前記ヨー誤差の絶対値が閾値以上である場合、前記風上側の風力発電装置の運転モードとして前記風車後流の影響を低減する縮退運転モードを選択し、
前記縮退運転モード中に、前記風上側の風力発電装置の制御装置は、風向毎に異なるヨー誤差となるように風向に応じてヨー誤差を変化させ、前記風上側の風力発電装置と前記風下側の風力発電装置間の相対方位と一致する風向でヨー誤差を０とするヨー角指令値を算出し、前記風上側の風力発電装置の前記ヨー角制御装置へ出力することを特徴とするウィンドファーム。
請求項１に記載にウィンドファームであって、
前記複数の風力発電装置の位置情報として、前記複数の風力発電装置間の相対方位と距離を使用することを特徴とするウィンドファーム。
請求項１に記載のウィンドファームであって、
前記縮退運転モードへの移行手段として、前記風上側の風力発電装置のピッチ角を制御することを特徴とするウィンドファーム。
請求項１に記載のウィンドファームであって、
前記縮退運転モードへの移行手段として、前記風上側の風力発電装置のトルクを制御することを特徴とするウィンドファーム。