JP7386751B2 - 風力発電設備の解析方法及び設計方法 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電設備の解析方法及び設計方法に関する。

風力発電においては、近年、陸上の適地減少や洋上の好風況、主力電源化に向けた大規模開発の必要性等から、洋上ウィンドファームの開発が世界各地で進められている。

洋上風車の開発においては、陸上風車に比べて風車支持物が長くなり風車支持物に加わる荷重が大きくなるため、経済的な設計のためには風車支持物の下部で荷重を低減する必要がある。特にモンスーン地域においては発生する極値風速が高いため、極値風速時の風況および荷重を適切に評価、低減する必要がある。

風車の受風面であるロータを風に正対させるヨー制御は、水平軸風車において発電性能向上や荷重低減という観点で重要な制御の一つである。ヨー制御方式としては、モータを用いて能動的に制御するアクティブヨー制御と、風による力を利用して受動的に制御するパッシブヨー制御がある。ここで、パッシブヨー制御は、ヨーブレーキやダンパを利用して挙動を制御するものを含めるものとする。同等の用語としてフリーヨーがあるが、本件出願においては、制御という言葉との相性を勘案し、パッシブヨー制御と統一して記載することとする。

現在の大型風車は、アクティブヨー制御が主流であるが、イニシャルコスト低減や信頼性の向上といった観点から、ダウンウィンド形態のパッシブヨー制御が検討されている。パッシブヨー制御においては、ヨーの旋回によりジャイロモーメントが発生する等の問題があり、それを適切に評価、低減する事が技術的課題であった。

この点に関して、非特許文献１は、パッシブヨー制御にも適用可能なヨー荷重および挙動を評価する設計ツールＹａｗＤｙｎを開発し、ブレード空力解析における失速ヒステリシスや歪んだ後流補正が重要であることを指摘した。

非特許文献２などは、空力弾性解析と風洞実験の結果より、３枚翼のダウンウィンド風車は、発電時に発電性能をそれほど損なわずに安定して運転でき、また、安定化の向上やヨーミスアライメントの低減には、コーニング角とブレードスウィープが有用であることを指摘した。

Ｈａｎｓｅｎ，Ａ．Ｃ．，Ｙａｗ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｏｆ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ａｘｉｓ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅｓ． Ｆｉｎａｌ Ｒｅｐｏｒｔ， Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，ＮＲＥＬ／ＴＰ－４４２－４８２２，１９９２． Ｖｅｒｅｌｓｔ，Ｄ．Ｒ．ａｎｄ Ｖａｎ Ｗｉｎｇｅｒｄｅｎ，Ｊ－Ｗ．，Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ａ Ｐａｓｓｉｖｅ Ｆｒｅｅ Ｙａｗｉｎｇ Ｄｏｗｎｗｉｎｄ Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅ， ．ＤＴＵ Ｗｉｎｄ Ｅｎｅｒｇｙ，Ｎｏ．００２３（ＥＮ），２０１３．

上記の非特許文献はいずれも、発電時のパッシブヨー制御を主な対象としている。それは一般的に、発電時の方が停止時に比べてロータに加わるスラスト力が大きく、それのロータ左右のアンバランスにより大きなヨーモーメントが発生するため、その安定性が荷重や発電性能に重要となるためである。

一方、近年、発電時はアクティブヨー制御を行うが、強風時に発電を停止して待機する状態（以下“暴風待機時”と呼ぶ）ではパッシブヨー制御により荷重を低減する風車が開発されている。それらの中には、発電時もダウンウィンド形態のものや、発電時はアップウィンド形態であるが暴風待機時のみダウンウィンド形態に移行するものがある。

しかし、停止時のパッシブヨー制御については検討されていない。また、暴風待機時の評価方法としては、アクティブヨー制御については、乱流風使用時に±８ｄｅｇのヨーミスアライメントを考慮して荷重を評価する事が国際基準で規定されているが、パッシブヨー制御については明確な評価方法の記載が無い。

以上のことから本発明においては、主に停止時のパッシブヨー制御の解析方法及び設計方法を提案するものである。

以上のことから本発明においては、「風車の受風面であるロータを風に正対させるヨー制御として、能動的に制御するアクティブヨー制御を実行するためのアクチュエータを有するが、風による力を利用して受動的に制御するパッシブヨー制御を行う風力発電設備の解析方法であって、ヨーの挙動を示す運動方程式におけるヨーイナーシャを求める際に、アクチュエータにおける減速機の減速比及びピニオンギア比を考慮することを特徴とする風力発電設備の解析方法」としたものである。

また本発明においては「風車の受風面であるロータを風に正対させるヨー制御として、能動的に制御するアクティブヨー制御を実行するためのアクチュエータを有するが、風による力を利用して受動的に制御するパッシブヨー制御を行う風力発電設備の設計方法であって、ヨーの挙動を示す運動方程式におけるヨーイナーシャを、アクチュエータにおける減速機の減速比及びピニオンギア比の関数として求めるとともに、パッシブヨー制御時の風力発電設備における風向の変化に対する追従特性の挙動に応じて減速機の減速比及びピニオンギア比を定めることを特徴とする風力発電設備の設計方法」としたものである。

本発明により、ヨーアクチュエータを有する風力発電設備のパッシブヨー制御の解析方法及び設計方法が明らかにされた。

風車の平面図。 風車の側面図。 本発明手法によりパッシブヨー制御時の挙動が正しく求められていることを表す図。 風向とナセル方位角の時歴を示す図。 ナセルヨーイナーシャに対するヨーミスアライメントの１０分間平均値の関係を示す図。 ナセルヨーイナーシャに対するナセル方位角の変化速度の１０分間最大値および最小値の関係を示す図。 ナセルヨーイナーシャに対するフラップ曲げの１０分間最大値の関係を示す図。

以下、本発明の実施例について、図面を用いて説明する。

本発明では、パッシブヨー制御における暴風待機時の評価方法を提案するに際し、特に注意が必要なヨー機構の設定方法を指摘しさらに、上記ヨー機構の設定により増大する場合があるヨーイナーシャについて検討する。

パッシブヨー制御の一般的なメカニズムを図１と図２を用いて説明する。図１は風車の平面図であり、図２は風車の側面図である。

図１の平面図によれば、ナセル４を上部からみた場合に風向１１とナセル方位角１２に偏差１３（ヨーミスアライメント）が生じると、ダウンウィンド形態においては風車のブレード２が風に正対する方向にヨートルク１４が生じる。このヨートルク１４を利用してヨー制御を行うのがパッシブヨー制御である。

図２の側面図にはヨー機構の典型例が示されている。図２によれば、ナセル４はタワー５により回転可能に支持されており、ナセル４はその端部にブレード２を支持し回転するハブ３を回転可能に支持している。またナセル４、さらにはタワー５の一部を利用して各種機器（発電機や変換器など）が設置されているが、本発明ではこの部分に関与しないので図示を省略している。

図２において、円内には風車におけるヨー機構１０を拡大して示している。ヨー機構１０は、ナセル基板２１側とタワー５側をベアリング２９により回転可能に支持している。ナセル基板２１側に固定設置された主な機構はブレーキ２４とロータ２５と減速機２６が同軸上に形成されたアクチュエータ２２であり、アクチュエータ２２の軸はナセル基板２１を貫通して反対側のピニオンギア２７と連結している。

タワー５側にはベアリング２９が固定設置されており、ベアリング２９とピニオンギア２７は、ギアかみ合い部２８を介して連結されている。これによりナセル４がタワー５上で回転可能に支持されているとともに、アクチュエータ２２内のロータ２６の回転により、アクティブヨー制御を可能としている。

またナセル基板２１側とタワー５側の間には、アクチュエータ２２内のブレーキ２２とは別に、ブレーキディスク２３ｂとブレーキキャリパ２３ａによるブレーキ２３を備えており、ナセル４の回転を停止するようにされている。これにより、強風時に発電を停止して待機する状態（以下“暴風待機時”と呼ぶ）では、パッシブヨー制御を可能とする。パッシブヨー制御状態では、ブレーキ２３のブレーキディスク２３ｂとブレーキキャリパ２３ａは押し付けられており、摩擦を伴う滑り状態となる。

これらの図から明らかなように、一般的な風車は、風を受けて揚力を発生させるブレード２と、ブレード２を支持し回転するハブ３と、ハブ３の回転のエネルギーを電力に変換する発電機と、ハブ３を回転可能に支持し前記発電機を格納するナセル４と、ナセル４を回転可能に支持するタワー５と、ナセル４のタワー上での回転を抑えるヨーブレーキ２３と、ナセル４をタワー５上で回転させる回転力を供給するアクチュエータ２２と、アクチュエータ２２の回転力を減速して伝送する減速機２６と、減速機２６の伝送する回転力をタワー５又はナセル４に伝送するピニオンギア２７を主たる構成要素として構成されている。

パッシブヨー制御の評価においては、図１で説明したヨートルク１４によるヨーの挙動を正確に見積もる必要がある。ヨーの挙動を示す運動方程式を（１）式に示す。ここで、Ｔ_ｗｉｎｄは風によるヨートルク、Ｔ_{ｂｒｅａｋｅ}はヨーブレーキトルク、Iはヨーイナーシャ、ωはヨー角加速度である。

（１）式によれば、風によるヨートルクＴ_ｗｉｎｄは自然環境により定まり、ヨー角加速度ωは最終的に定まる結果である。従って、図１のヨー機構１０としては、ヨーブレーキトルクＴ_{ｂｒｅａｋｅ}とヨーイナーシャＩのみが、設備設計段階あるいは解析段階において調整可能な要因であり、これらを最適に設定する必要がある。このうちヨーブレーキトルクＴ_{ｂｒｅａｋｅ}の設定においては、パッシブヨー制御時においてはブレーキ２３が滑ることになるので、ブレーキ２３における摩擦係数や静摩擦を適切に設定する必要がある。

またヨーイナーシャＩの設定においては、ヨーアクチュエータ２２を有する風車の場合には、そのイナーシャを考慮する必要がある。なお、ここでヨーイナーシャＩは、風車における各部のイナーシャの総和であり、本発明は複数要因になるヨーイナーシャＩのうちタワー中心軸周りのヨーアクチュエータロータのイナーシャＩ_{ａｃｔ，ｙａｗ}に着目する。

ナセル４が回転すると、ナセル４に固定されたヨーアクチュエータ２２も回転するが、タワー５は回転しないため、タワー側のギアとヨーアクチュエータ２２のピニオンギア２７が干渉することで、ヨーアクチュエータ２２のロータ２５等が回転することになる。ヨーアクチュエータ２２のロータ２５自体のイナーシャは小さいが、減速機２６やピニオンギア２７があることで、タワー中心軸周りのイナーシャに換算すると大きくなる。換算式を（２）式に示す。

ここで、Ｉ_{ａｃｔ，ｙａｗ}はタワー中心軸周りのヨーアクチュエータロータのイナーシャ、Ｉ_{ａｃｔ，ｍｏｔｏｒ}はモータ軸周りのヨーアクチュエータロータのイナーシャ、Ｃ_{ｄｅｃｅｌ}はヨーアクチュエータ減速機の減速比、Ｃ_{ｐｉｎｉｏｎ}はピニオンギア比、である。（２）式の諸量は、設備設計段階において調整可能な要因である。

なおヨーアクチュエータ２２の減速機２６の減速比Ｃ_{ｄｅｃｅｌ}は一般的に大きく、ヨーアクチュエータ２２のイナーシャは（２）式を考慮するとブレード２やナセル４のイナーシャよりも大きくなり、風車の挙動に影響を与える場合があることに注意が必要である。

また、上記のパッシブヨー制御評価時のヨーイナーシャは、風車支持物の固有振動を検討する際のヨーイナーシャとは異なることにも注意が必要である。タワーのねじれ振動を考慮する際には、（２）式を考慮しないのがよい。

上記（２）式で説明したように、ヨーアクチュエータ２２を有する風車がパッシブヨー制御を行う場合には、ヨーイナーシャが大きくなる可能性が有ることを指摘した。この要因は、ヨーアクチュエータ減速機の減速比Ｃ_{ｄｅｃｅｌ}やピニオンギア比Ｃ_{ｐｉｎｉｏｎ}にある。

このことから本発明においては、ヨーアクチュエータ２２を有する風車がパッシブヨー制御を行う場合の、パッシブヨー制御の解析方法としてはヨーアクチュエータ減速機の減速比及びピニオンギア比を考慮すべきことを提案している。

つまり、風車の受風面であるロータを風に正対させるヨー制御として、能動的に制御するアクティブヨー制御を実行するためのアクチュエータを有するが、風による力を利用して受動的に制御するパッシブヨー制御を行う風力発電設備においては、ヨーの挙動を示す運動方程式を用いて風車の解析や設計を行うにあたり、アクチュエータにおける減速機の減速比及びピニオンギア比を考慮すべきことを本発明においては提案している。

というのも、アクティブヨー制御を行うときにはアクチュエータ出力は減速機及びピニオンギアを介してロータに伝達されるため小さいトルクでヨー制御が可能であるが、そのままパッシブヨー制御に移行するとロータ側から見たときのアクチュエータによる負荷は減速機の減速比及びピニオンギア比の逆倍比による増倍される結果として、減速比及びピニオンギア比の設計次第に応じて風向の変化に対する追従特性が悪化し、あるいは追従がよすぎる結果安定しないことが考えられる。

図３は、本発明手法によりパッシブヨー制御ときの挙動が正しく求められていることを表す図である。図３は横軸に１０分間の平均風速、縦軸に１０分間の平均ヨーミスアライメント１３をとり、●で示す計測値と□で示す推定値（（２）式を反映して（１）式でも止めた推定値）の関係をプロットしたものである。この解析結果によれば、４０ｍ／ｓ未満の低い風速においては，パッシブヨー制御によるヨーの風向追従性が弱いために比較的大きなヨーミスアライメントが発生しているが，風速が高くなるにつれて小さい値に収束している。評価対象とした１３．５～１４．５時では，解析結果は実測値とよく一致している。

このように、（１）式の運動方程式を（２）式の条件を勘案して求める本発明によれば、風車設計段階においてパッシブヨー制御における挙動を正しく高精度に推定する事が可能である。

また実施例１の手法を風車の最適設計に活用可能であることを実施例２として説明する。実施例２によれば、（１）式の運動方程式を（２）式の条件を勘案して風車における各種解析に利用することで各種事象が把握でき、そのうえでこれを踏まえて設計最適化にも貢献することができる。

例えばこの解析によれば、風向とナセル方位角の時歴に関して図４に示すように、ヨーイナーシャが小さいほどナセル方位角の変動が大きく、ナセルヨーイナーシャが１０^９ｋｇｍ^２ではナセル方位角が風向に遅れて追従することが判明した。

またナセルヨーイナーシャに対するヨーミスアライメントの１０分間平均値に関して図５に示すように、ヨーイナーシャが１０^６ｋｇｍ^２までは変化は大きくないが、それ以上ではヨーミスアライメントが増大することが判明した。

またナセルヨーイナーシャに対するナセル方位角の変化速度の１０分間最大値および最小値に関して図６に示すように、ナセル方位角の変化速度はヨーイナーシャ１０^５ｋｇｍ^２における最大値の平均値で正規化した。ヨーイナーシャが大きいほどナセル方位角の変化速度は小さく、１０^８ｋｇｍ^２以上ではほとんど負側には移動していないことが判明した。

ナセルヨーイナーシャに対するフラップ曲げの１０分間最大値に関して図７に示すように、代表値（図中の“Ｔｙｐｉｃａｌ ｖａｌｕｅ”）は、６シードに対して平均を取り、３ブレードに対して最大を取ったものである。数値は、平均ヨーミスアライメントを－８、０、８ｄｅｇとして解析したアクティブヨー制御時の値で正規化した。ヨーイナーシャが大きくなるとヨーミスアライメントが大きくなることで荷重が増大していることが判明した。

さらに、フラップ曲げ以外の荷重は載せていないが、それ以外の主要荷重においてもヨーイナーシャが小さい方が荷重が小さいまたは同等と言う結果となったことが判明した。従って、荷重を楽観的に評価しないという観点において、ヨーアクチュエータのイナーシャを考慮することは重要と言える。また、ナセル方位角の変化速度と荷重にはトレードオフの関係がみられるが、風車の設計においては、両者の適切な点を選択する必要があると考えられる。

実施例２によれば（１）式の運動方程式を（２）式の条件を勘案して風車における各種解析に利用することで、上記したような各種事象が把握できた。従って、そのうえでこれを踏まえて設計最適化にも貢献することができる。

２：ブレード
３：ハブ
４：ナセル
５：タワー
１０：ヨー機構
２１：ナセル基板
１１：風向
１２：ナセル方位角
１３：ヨーミスアライメント
１４：ヨートルク
２３、２４：ブレーキ
２３ｂ：ブレーキディスク
２３ａ：ブレーキキャリパ
２５：ロータ２５
２６：減速機
２７：アクチュエータ
２７：ピニオンギア
２８：ギアかみ合い部
２９：ベアリング

Claims (4)

1. 風車の受風面であるロータを風に正対させるヨー制御として、発電時に能動的に制御するアクティブヨー制御を実行するためのアクチュエータを有するが、暴風待機時に風による力を利用して受動的に制御するパッシブヨー制御を行うとともに、前記アクチュエータ出力は減速機及びピニオンギアを介して前記ロータに伝達される風力発電設備の解析方法であって、
   暴風待機時におけるパッシブヨー制御を、ヨートルクによるヨーの挙動を示す運動方程式により表し、前記運動方程式は風によるヨートルクとヨーブレーキトルクの差が、ヨーイナーシャとヨー角加速度の積で示され、前記ヨーイナーシャは、前記アクチュエータのモータ軸周りのヨーアクチュエータロータのイナーシャに、ヨーアクチュエータ減速機の減速比の二乗及びピニオンギアのギア比の二乗を乗じて求めることを特徴とする風力発電設備の解析方法。
2. 請求項１に記載の風力発電設備の解析方法であって、
   ヨーブレーキトルクの算出に、ブレーキの摩擦係数および静摩擦を考慮することを特徴とする風力発電設備の解析方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の風力発電設備の解析方法であって、
   ロータを指示するタワーのねじれ振動を考慮する際には、前記ヨーイナーシャを求めるときの前記アクチュエータにおける減速機の減速比及びピニオンギアのギア比を考慮しないことを特徴とする風力発電設備の解析方法。
4. 風車の受風面であるロータを風に正対させるヨー制御として、発電時に能動的に制御するアクティブヨー制御を実行するためのアクチュエータを有するが、暴風待機時に風による力を利用して受動的に制御するパッシブヨー制御を行うとともに、前記アクチュエータ出力は減速機及びピニオンギアを介して前記ロータに伝達される風力発電設備の設計方法であって、
   暴風待機時におけるパッシブヨー制御を、ヨートルクによるヨーの挙動を示す運動方程式により表し、前記運動方程式は風によるヨートルクとヨーブレーキトルクの差が、ヨーイナーシャとヨー角加速度の積で示され、前記ヨーイナーシャは、前記アクチュエータのモータ軸周りのヨーアクチュエータロータのイナーシャに、ヨーアクチュエータ減速機の減速比の二乗及びピニオンギアのギア比の二乗を乗じて求めることを特徴とする風力発電設備の設計方法。

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