JPS62272899A - 可変速度風力タ−ビン発電機の制御方法及び制御装置 - Google Patents

可変速度風力タ−ビン発電機の制御方法及び制御装置

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JPS62272899A
JPS62272899A JP62102147A JP10214787A JPS62272899A JP S62272899 A JPS62272899 A JP S62272899A JP 62102147 A JP62102147 A JP 62102147A JP 10214787 A JP10214787 A JP 10214787A JP S62272899 A JPS62272899 A JP S62272899A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ３、発明の詳細な説明 産業上の利用分野 本発明は風力タービンに係り、特に速度可変形風力ター
ビンに関する。
従来の技術 本発明はディバレンタイン他により発明され、本出願人
により１９８５年１１月１８日に出ｗＡされた米国特許
出願第７９９．０４６号「可変速度風力タービンのトル
ク制御ｊ及びドーマン仙により発明され、本出願人によ
り１９８５年１１月１８日に出願された米国特許出願第
７９９，０４５号「可変速度風力タービン」で開示され
た教示内容及び特許請求の範囲の一部を使用する。
定速及び速度可変形の種々の風力タービン発電機が公知
である。通常、かかるタービン発電機は周波数が一定な
電力線路に直接に接続される梅成のため定速風力タービ
ンが主に使われている。可変速度風力タービンは発電機
出力の周波数が変化してしまうため線路に直接接続する
ことができない。このためには発電機と線路との間に周
波数変換器を介在させて周波数変換をしてやる必要があ
る。かかる周波数変換器としてはサイクロコンバータや
整流器−インバータを始め様々な技術が公知である。し
かし、かかる技術は風力タービン技術の分野では一般的
に使用されていない。
一方、可変速度モータ駆動技術の分野ではどのタイプの
モータにも使用できるサイリスタやシリコン制御整流器
（ＳＣＲ）などの電子速度制御技術が開発されている。
風力エネルギー理論家は速度調整可能交流駆動装置を逆
向きにも使用できることを見出した。すなわち、速度調
整可能部１１７１装置を通常の如く一定周波数の交流を
周波数が可変な交流に変換しこの交流によってモータを
駆動するように使うかわりに、交流発電機から周波数が
変化する交流を周波数変換器に供給して一定周波数の交
流に変換し、これを電力線路に供給するように使うこと
も可能である。
ところで、風力エネルギー理論で周知の如く、入来する
風の運動エネルギーは風の吹いている領域の大きさ、密
度、及び風速の３乗に従って変化する。その際エネルギ
ーの５９％以上を取出すことはできないことが示されて
おり、この最大値を目標に風力タービンの性能係数ＣＤ
が定められる。
この性能係数ＣＤは個々の風力タービン機械の空力的特
徴、特に羽根先端の接線速度に対するタービンに入来す
る風の風速の比として定義される速度比に関係している
。この速度比をロータ速度を風速に追従させることによ
り一定に維持することができれば風力タービンの効率は
非常に高くできる。さらに、可変速度タービンは一時的
にエネルギーを貯えることも可能である。すなわち、風
速の遷移を速度変化としてとり込むことかできる。
発明が解決しようとする問題点 本願の冒頭で引用した特許出願は風力タービンの性能を
最大限に引き出すために発電機トルクを電気的に調整し
て速度制御する制御方式を有する可変速度風力タービン
を開示している。この先願に記載の可変速度風力タービ
ンでは発電機トルクを電気的に調整することにより発電
機速度及びタービンロータ速度が制御され、空力性能が
最大化される。このために可変速度風力タービンには可
変速度風力タービン制御装置が設けられ、この可変速度
風力タービン制御装置は感知された発電機速度信号及び
感知された発電機出力１七力信号に応じて発電機トルク
コマンド信号を周波数変換器に供給し、この周波数変換
器はトルクコマンド信号に応じて電力線路に供給される
電力レベルを制御することによって発電機エアギャップ
中のトルクを制御する。その際、風ツノタービン制御装
置には感知された出力電力信号が発電別から供給され、
制御装置は発電機出力電力とこの出力電力に対応した最
大空力性能を得るに必要なあるいは最大スルーブツトエ
ネルギーを１ｑるのに必要な発？［速度ないしタービン
ロータ速度の関係を与えるルックアツプ表を参照する動
作を行なう。この可変速度風力タービン制御装置は感知
された発電層速度信号と対照される速度基準信号を生成
する。さらに、この速度基準信号と感知された発電機速
度信号との差をあられす差信号が積分されることにより
周波数変換器へ供給される発電機トルクコマンド信号が
形成され出力される。
可変速度風力タービン制御装置により与えられる発電機
トルクコマンド信号は発電機ステークとロータとの間の
エアギャップトルクを効果的に制御する。その際、実際
の可変速度風力タービン制御装置は低風速状態において
は発電機速度と発電機出力電力との関係を規定するルッ
クアツプ表中に記憶されたある関数に従って発電ｉｎ度
制御を行なう。この関数は速度制御の結果風力タービン
が風力タービン出力係数対速度比最適性能曲線の実質的
に頂上で動作するように決定された関数であり、これに
よりタービンの効率が向上する。
一方、風速が所定の限界トルクに対応する噴を超えて上
昇すると発電機トルクコマンド信号によって発電機トル
クが実質的に一定に維持され発゛電機およびタービンロ
ータは前記速度比一定の条件に対応する発Ｔｉ１ｌ速度
及びタービンロータ速度よりも大きい速度で動作される
ようになる。ただし、所定の速度限界を超えることはな
い。発電機トルクを一定に維持する発電機トルクコマン
ド信号は発電機の出力電力が最大になるように空力トル
クを別に制御することなく使用できるのが好ましい。
この場合、風力タービンは実質的に出力係数対速度比最
適性能曲線に沿って動作され、タービンロータ速度は所
定の速度限界以下の範囲で所定の限界トルクに対応する
速度を超えて増大する。ところが、上記の風力タービン
装置ではタービンの動作速度域内において風力タービン
装置に共振が生じる一定の速度域が存在する。この共振
は特定の臨界速度で特に著しくなり重大な結末を旧来す
る可能性のある振動を生じる。
本発明の目的は可変速度風力タービン発電機において前
記臨界速度における共振を回避する方法及び装置を提供
するにある。
問題点を解決するための手段 要約すると、本発明方法によれば風力タービンが過大な
振動を生じる臨界速度に停留して動作されることが防止
される。本発明は臨界速度近傍を除いて発電機出力電力
を所定の変化率で増大させる方法及び装置を開示する。
この所定の変化率は臨界速度近辺でより遅い変化率に切
換えられ臨界速度での継続的動作が回避される。出力電
力が臨界点を超えて増減すると速度コマンド信号がわざ
と不連続にされる。その結果臨界速度を通過する際速度
が急に変化するが、これに伴って出力電力も変化する。
速度が臨界速度よりも下の領域で所定の遅い変化率で増
大している場合に臨界速度の直前で速度コマンド信号が
高レベルに切換えられると速度が急に増加して風力ター
ビンの動作点は臨界点を速やかに通過する。ただし出力
電力は低下する。同様に、速度が臨界速度よりも上の領
域で所定の遅い変化率で減少している場合に臨界速度の
直前で速度コマンド信号が低レベルに切換えられると速
度が急に減少して風力タービンの動作点は臨界点を速や
かに通過する。この場合はそれに伴って出力電力が増加
する。
本発明で（よ発電へのトルクをタービンロータ先端の速
度が風速に対して以下の如くになるように制御する。す
なわち、所定のトルク限界を超えると発電前の１〜ルク
はタービンロータの先端が前記一定速度比で規定される
値よりは大きいが前記所定限界速度よりは低いある範囲
の速度で動くように制御される。その際タービンロータ
の速度は一般に速度コマンド信号を介して制御され発電
機出力に対して所定の変化率で例えば直線的に増加させ
られるが、その経路は後述する如く一部変化させられて
いる。
本発明はまた臨界速度の近傍を除いてタービンのロータ
速度を発’１２１出力電力と共に所定の変化率で例えば
直線的に増加させる風力タービン発電機装置及びその動
作方法を提供する。この装置及び方法では例えば前記所
定の変化率が直線的である場合、ロータ速度及び発電機
出力を前記臨界速度を超えて増減させる際臨界速度の直
上及び直下において前記変化率を低目に設定する。その
際、速度コマンド信号が臨界速度における共振を回避す
るため不連続にされ、臨界速度を通過する際速度及び出
力電力が急激に変化させられる。
本発明による風力タービン装置はさらにタービンロータ
速度が前記臨界速度の直下で増加しつつある状態で速度
コマンド信号が高レベルに切換えられた場合タービンロ
ータ速度が急速に増大して出ツノ電力は一時的に低下す
るが臨界速度点を速やかに通過する特徴を有する。本発
明装置はまた同様にタービンロータ速度が臨界速度点の
直上で減少しつつある状態で速度コマンド信号が低レベ
ルに切換えられた場合もタービンロータ速度が急激に低
下し、出力電力は一時的に増大するが臨界速度点を速や
かに通過する特徴を有する。
本発明による風力タービン発電機装置ではタービンのロ
ータ速度は臨界速度よりも下の第１の低速度限界値に達
するまでは所定の変化率で増加させられる。この第１の
低速度限界値は第１の発゛准機出力境界値に一致する。
この時点で前記所定の変化率は減少されロータは第２の
出力境界値に達するまで下側の低変化率ラインに沿って
速度が増大される。この第２の出力境界値は前記臨界速
度の直下の第２の低速度限界値に対応する。この時点で
例えば突風などによりロータ速度がさらに増大すると速
度コマンド信号が臨界速度より上の速度１直に対応する
レベルに即座に切換えられる。その結果ロータの速度は
発電機のエアギャップトルクが減少することにより急激
に増大し臨界速度点を速やかに通過する。同時に発電機
出力もある程度低下するが、これは急速な速度変化を可
能にするためにやむを得ない。この時点以後は速度コマ
ンド信号で規定されるロータ速度が以前と同じ所定変化
率で直線的に増加される。ただし、ロータ速度を表わす
動作点は上側の低変化率ラインに沿って移動する。さら
にロータ速度が増大すると発電機出力は前記第２の出力
境界値に再び到達し、さらに以後速度コマンド信号によ
り選択された変化率で出力が増加し始める。その後ロー
タ速度が低下して上側の低変化率ラインと前記所定変化
率ラインとの交点に達すると変化率は再び変化し上側の
低変化率ラインに従って動作点が移動する。
ロータ速度がさらに低下すると動作点は第１の出力境界
値に対応する臨界速度点のすぐ上の第３の速度限界値に
達する。さらに速度が低下して臨界速度を通過すると動
作点がコマンド信号レベルの変化に対応して下側の低変
化率ライン上へ移り、前と同様な過程がくりかえされる
。
本発明は風力タービンの望ましくない振動を回避するの
に有用な方法及び手段を提供する。本発明方法は最大効
率を与える速度変化ライン上に風力タービン発電機装置
の動作点を維持すると同時に速度コマンド信号により望
ましくない臨界速度における動作を生じるような変化率
が出現するのを回避することができる。
本発明の他の目的、特徴及び利点は図面を参照して行な
う以下の詳細な説明より明らかとなろう。
実施例 第１図は本発明による可変速度風力タービン１０を示す
。タービンロータ軸１２は一端にハブ１４を有し、また
ハブに取付けられた少なくとも−の羽根１６を有する。
タービンロータ軸の他端はギヤボックス１８の低速度端
２０に結合されている。このギヤボックス１８の高速度
端２６には交流発電機２２の発電機ロータ軸２４が結合
される。発電機ロータはタービンロータトルク（Ｑｓ　
）により駆動される。発電機は入力タービンロータトル
クに対抗するエアギャップトルク（ＱＥ　）を発生する
。この交流発電機はライン２８を介して周波数の変化す
る交流を周波数変換器３０に供給し、この変換器３０で
上記周波数の変化する交流は一定周波数の交流に変換さ
れ、ライン３２を経て電力線路３４に供給される。
可変速度風力タービン制御装置３６はデジタルプロセッ
サ３７を含み、このプロセッサはさらにＣＰＵ３８と、
バス４２をインターフェースするＩ１０ユニット４０と
を含む。プロセッサ３７はまたＲＯＭユニット４４及び
ＲＡＭユニット４６゜及びその他のハードウェア（図示
せず）をも含む。
プロセッサ３７のＩ１０ユニットは発電機軸の速度に応
答する速度感知器５０により感知されてライン４８に供
給される発電機速度信号（Ｎｃ　）に応答する。勿論、
実際の速度測定は適当な信号スケーリングを行なって他
の領域で例えば軸１２上で行なってもよい。これについ
ては後で詳しく説明する。またＩ１０ユニット４ｏはラ
イン２８を経て周波数変換器に供給される電力の大きさ
に応答する出力電力感知器５４により感知されたライン
５２上の出力電力信号（Ｐε）にも応答する。
ただし、発電機から出力される周波数の変化する交流出
力のみが出力電力の大きさをあらわす唯一の信号源であ
るわけではない。可変速度風力タービン制御装置３６は
信号プロセッサにより感知した出力電力に対する発電機
速度の関係を規定する所定の関数に従って発ｆ［のエア
ギャップトルクがとるべき値を求め、効率を最大化する
。このレベルが求められると信号プロセッサはそのＩ１
０ユニット４０からライン５６へ発電機トルクコマンド
信号を出力し、これを周波数変換器へ送る。
周波数変換器は倒えばサイクロコンバータや直流リンク
により結合された整流器−インバータ対でよい。これら
の、また他の周波数変換器はいずれも公知のものでよく
、従って詳細な説明は省略する。電子変換器は周波数変
換器を通って送られる電力を制御するのに位相制御され
たＳＣＲを使用する。これはＳＣＲゲートの導通位相角
を線路の位相に対して制御することにより有効電力及び
無効電力を制御することで行なわれる。そこで、周波数
変換器内にはトルクコマンド信号に応答して周波数変換
器内にあるＳＣＲのトリガパルスを生じるトリが回路（
図示せず）が設けられるのが導通である。周波数変換器
及びトリガ回路は公知であり、詳細な説明は省略する。
またロータ制御波ｒＪ：ｉ５７を設けて所定の限界トル
ク以上で空力的なトルク制御を行なって推力を制限する
ようにしてもよい。これはピッチあるいはヨー制御によ
ってもよい。
第２図は第１図と非常に類似しているが、本発明の中心
的教示の理解を助けるため可変速度風力タービン制御装
置が筒略化されたシステムレベルフォーマットとして示
されている。第２図において、可変速度風力タービン制
御装置は感知された速度及び出力電力信号４８．５２に
応答し、ライン５６上の同じトルクコマンド信号を周波
数変換器３０に供給する。また低域Ｐ波器５２ｂがライ
ン５２ａ上の一波出力電力信号をスケジュール（関数発
生器）５８に供給するシライン１６２上のタービンロー
タ速度信号もまたスケジュール５８に供給される。第１
図のプロセッサハードウェアは橢能ブロックに分けて示
されており、本発明教示による制御方法をより完全に示
す。第１図のスケジュール５８はデジタル装置でありル
ックアツプ表を含み、ライン５２ａ上の感知され一波さ
れた出力電力信号、ライン５２上の感知された出力電力
信号、及びライン１６２上の感知されたタービンロータ
速度信号に応答する。このスケジュール中には感知され
た出力電力信号とこの出力電力信号に対応して定まる発
電機速度基準信号（コマンド信号）値の間の関数関係が
含まれている。感知出力電力信号に応じた速度基準信号
（ＮＲＥ　Ｆ　）はライン６０へ出力されて加算器６２
に送られ、ここでライン６０上の速度基準信号とライン
４８上の感知された発電機速度信号との間で比較がなさ
れる。ライン６４上の差信号は積分器６６で積分されて
ライン５６上にトルクコマンド信号を出力し、この信号
は周波数変換器３０に送られる。このように、第１図の
信号プロセッサ中のＣＰＵ３８は例えばルックアツプ表
を含むＲＯＭ４４と協働して発電機が発生している出力
電力レベルを感知し、この感知した出力電力レベルに基
いて効率が最大になる発電機の速度を求める（あらかじ
めプログラムされているルックアツプ表ＲＯＭ４４、あ
るいはスケジュール５８を参照して）作用をなすのがわ
かる。これに塁いて速度基準信号がスケジュールにより
発生され、この速度基準信号が感知された発電機速度信
号と比較される。この比較により求められた差は積分さ
れてトルクコマンド信号を形成し、このトルクコマンド
信号は周波数変換器に送られて電力線路３４へ送られる
電力を制御し、同時に交流発電機のエアギャップトルク
を制御する。
第３図は風力タービン機械の性能図であり、一般に速度
比として知られている性能係数（’Ｃｐ）と先端速度比
（ＶＲ）との関係を示す。速度固定形の風力タービンは
風速が様々に変化するため性能図の頂点で運転を行なう
ことは不可能である。
一方速度可変形の風力タービンでは速度比は先端速度を
風速に追従させることにより最大の性能係数に対応する
値に維持することができる。そこで可変速度風力タービ
ンでは最大の効率を達成するには速度比を性能係数が最
大化される値に維持できるように設Ｓ１する必要がある
。この速度比が第３図中に点Ａ−Ｂ　（７０）として示
す点に相当する。
第４図は発電機の速１哀を調節して速度比を性能係数が
最大になるような値に維持するのに使われる、第３図の
点７０に対応したうイン７１に沿った発電機出力電力に
対する発電機速度基準信号の関係をあられすグラフであ
る。第４図はまたトルクが一定に維持されている状態に
おける発電機の速度増加過程を示している。前記一定ト
ルク及び一定速度比における動作では］・ルク限界点７
４（Ｂ）を超えると空力制御（ピッチ又はヨー）を行な
う必要がある。
点７１の点７２（Ａ）から点７４　（Ｂ）へ到る軌跡は
所定の１〜ルク限度以下の領域における様々な電力レベ
ルにおいて最大の効率を与える速度比を維持するような
望ましい発電機速度に対応している。点７２と７４　（
Ａ、Ｂ）の間での運転は第３図中の点７０での動作に対
応している。このように、所望の速度比が一定でまた対
応する性能係数も最大値に固定されている場合発電機の
出力電力とその電力を得るに必要な発電機速度との関係
が計算できる。すなわち、出力は風速の３乗に比例し、
また発電機速度は風速に比例するので出力電力は発電機
速度の３乗に比例し、また発電機速度は出力電力の三乗
根に比例することになる。このように、第４図において
点７２から点７４へ点７１の軌跡に沿ってなされる感知
型ノコに対する発電鏝速度の調整を指示するマツプが得
られる。このマツプはまた間接的に風速をもあられす。
このように発電機の出力電力を感知して第４図の関数関
係を参照することにより、速度比を所望の値に維持する
に必要な発ｆｆ１機速度が直接に求められ、その結果効
率が自動的に最大化される。
出願人により出願されたドーマン他の発明になる米ｌ特
許出願第７９９．０４５号［可変速度風力タービン］に
はかかる制御方法が開示されまた特許請求されている。
この出願では点Ｂを超えるとビッヂ及びヨーを変化させ
て空力トルクを変調することにより一定速度比動作が一
定トルク状態で継続される。
米国特許出願［可変速度風力タービンのトルク制御」に
おいてディバレンタイン伯は限界トルク点７４を超えた
領域でピッチあるいはヨー制御を行なうことなく発電機
速度を軌跡７８に沿って制御することによる風力エネル
ギーの捕捉効率を向上させる方法を開示している。この
方法及びそのための装置は上記特許出願明細書中に詳細
に記載さ、れているので本明細書ではその基本的原理の
みを説明する。
上記特許出願明細書で開示した可変速度風力タービン制
御装置においてディバレンタイン他は点７４（Ｂ）と速
度限界ないし出力限界である点７６（Ｃ）との間の領域
で発電機速度を点７８の軌跡に沿って制御することを教
示している。その結果、発Ｉｆｆの空気ギャップでのト
ルクを一定に維持してもロータ速度は増加することがで
き、第３図の性能マツプ中において点７０から点７６へ
Ｔｌｌる間に点８０の軌跡に沿って状態を変化させるこ
とによりエネルギー捕獲効率を最大化することができる
。第３図よりわかるように、トルク限界を超えると速度
比が増大するにつれて性能係数が低下する。その際も点
７０で示される最大効率は維持できないものの、点８０
の軌跡はかかる状況下で可能な最大の効率をあられす。
第４図を参照するに、点７８の軌跡は第３図の点８０の
軌跡に対応しており、所定の風速に対して可能な最良の
発電機速度の制御をあられしている。
第５図は横軸に実際の発電機出力の定格出力値に対する
割合をパーセントで示し縦軸に望ましい発電機速度を示
したグラフである。第５図は第４図のグラフと似ている
が臨界速度ｆｆｉ域近傍の関係を本発明の教示に従って
変化させである。
第４図に関連して説明したように、第５図の発生機速度
は点９０　（Ａ）から点９２（Ｂ）までの間は軌跡８８
に沿って変化させられ速度比は性能係数が最大になる値
で一定に維持される。しかし、第５図の方法ではトルク
限界点９２（Ｂ）を超えて発電機出力を増大させる場合
、発電機速度は第４図の場合とは異なった経路に従って
変化させられる。すなわち本発明では軌跡９４，１００
゜１０２、及び１０４はトルク限界（Ｂ）を超えた領域
において第４図における如く一直線状には並ばず点１１
０（Ｐ）と点１１２　（Ｔ）との間で〇−移することに
よりタービンが指示臨界速度１１３（ＳＲＣＲＩＴ＞に
対応する臨界速度（ＮＴ（ＣＲＩＴ）’）で運転される
ことが回避される。
本発明では点１１０（Ｐ）から点１２０　（Ｒ）に到る
軌跡１００は風力タービンに共成を生じる臨界速度（Ｎ
Ｔ　（ＣＲＩＴ））での運転を回避するように選択され
ている。軌跡１００は第５図に示す通りである必要はな
く臨界速度を避けるような経路であればどんなものでも
よい。従って無数の経路が可能であるが以下の説明では
かかる経路の−を取り上げる。ただし、本発明はこの特
定の−の経路に限定されるものではない。
風力タービン発電機装置がその動作点が軌跡１００に沿
うように運転されている場合に感知出力電力のＰ波器が
所定限界値１２１　（ＰＥ３）を超えまた感知器１５８
（第１図）からライン１６２に出力される感知されたタ
ービンロータ速度信号が所定限界［１２１ｂ　（ＳＲＬ
○）を超えると速度基準信号値は軌跡１００から軌跡１
０４へ遷移し、点１２４（Ｓ）と点１１２　（Ｔ）の間
においての軌跡１０４に沿った速度基準信号が選択され
る。勿論、この遷移を生じるのにタービンロータ速度信
号のかわりに適当な低域Ｐ波器でびｊ波された発電機ロ
ータ信号を使用してもよいことは自明である。軌跡１０
０上の点Ｒ及び軌跡１０４上の点Ｒ′は同一風速におけ
る２つの異なった定常運転条件をあられしている。
点Ｒから点Ｒ′の破線１０１に沿って動作点を指定する
コマンド信号が遷移すると実際の発電機ロータ速度は第
２図の積分器６６で決まる速度で新たな動作点へ移行す
る。速度コマンド信号はタービン速度が所定速度限界値
１２１ｄ（ＳＲＨｌ２）以下である限り、あるいは所定
速度限界値１２１ｅ（ＳＲＨＩ）以上である限りまた感
知出力電力が所定限界値１２１ａ（ＰＥＯ）及びろＥ３
の間にある限りタービン動作点が軌跡１０４上にのるよ
うに決定される。ろ波感知出力が点１１２（Ｔ）に対応
する値ＰＥ３を超えタービンロータ速度が所定値１２１
ｄ　（ＳＲＨｌ２）を超えると速度基準信号は点１１２
　（Ｔ）から１２６　（Ｃ）へ到る軌路１０２に沿った
点１１２より上の動作点を指定する。点１２６（Ｃ）は
所定の速度ないし出力限界値をあられす。
軌跡１０４上で屓カタービン発電撮が運転されている際
にタービン速度が所定値１２１ｅ（ＳＲＨｌ）より下り
またＰ波感知出力電力がレベルＰＥＯよりも下ると動作
点は点１２４　（Ｓ）から軌跡１００上の点１２８（Ｓ
’）（７）破線１ｏ５１．：沿っで直ちに変化する。
第１図及び第２図の可変速度風力タービン制御装置３６
は第１図のプロセッサ３７中に速度回避論理又は機能部
分を有している。命令はＲＯＭ４４中に記憶されＲＡＭ
４６．ＣＰＩＪ３８．バス４２、Ｉ１０ユニット４０及
び第１図に示したその他の要素の協働により実行される
。プロセッサ３７が第５図の速度回避技術を実行する際
の各ステップを第６図及び第７図に示す。第６図及び第
７図はそれぞれ状態遷移図及び第１図プロセッサで使用
される言語で書かれてＲＯＭ中に記憶されているフロー
チャートを示す。この言語自体は本発明の開示に関係な
いので特に説明しない。
第６図は第５図の過程をわかりやすく示すための状態マ
シンの状態遷移図である。
速度回避論理は４種類の動作状態に分けられる。
これらの状態を区別するのに２つの２准フラグ。
フラグ１及びフラグ２が以下の如く使われる。
フラグ１　　　フラグ２　　　状　　態状態１１４０は
第５点の点１１０（Ｐ）よりも下の領域すなわちライン
八−Ｂ−Ｐに沿った動作に対応する。状ｆ１２　１４２
はうインＰ−Ｒ。
すなわち点１１０及び１２０の間の軌跡１００に沿った
動作に対応する。状態３　１４４はラインＳ−Ｔ、すな
わち点１２４及び１１２の間の軌跡１０４に沿った動作
に対応する。ざらに状ｒＢ４１４６はラインＴ−Ｃ１す
なわち点１１２と１２６の間の軌跡１０２に沿った動作
に対応する。
状態間の遷移は感知されたタービンロータ速度及び発電
機の一波出力電圧値の関数として生じ、これを状態間の
ラベルを付されたラインで表現する。
第６図の状態１４０，１４２，１４４．及び１４６は第
５図中のそれぞれの軌跡の近傍に丸で囲んだ番号として
も表示されている。従って状態１１４０は軌跡８８の近
傍及び軌跡９４の近傍で丸で囲んで示されており、状態
２１４２は同様に軌跡１００の近傍で丸で囲んで示され
ている。
また状態３　１４４及び状態４１０６もそれぞれ軌跡１
０４及び１０２の近傍において丸で囲んで示されている
。
第６図を再び参照するに、遷移ライン１５０は状態１１
４０から状態２１４２への遷移をあられしているが、こ
の遷移は風力タービンのロータ速度が所定１ａｓＲＬＯ
２を超えた場合にのみ生じる。第１図の速度感知器１５
８がライン１６２ヘタ−ビンロータ速度信号（Ｎ１）を
出力しこの信号はプロセッサ３７のＩ１０ユニット４０
へ供給される。タービンロータは発電機ロータよりも応
答が遅いため発電機ロータの過渡的速度変動に起因する
望ましくない状態遷移は生じにくい。そこでこの場合は
タービンロータに別の速度感知器を設けるのが望ましい
。
第５図では様々な速度限界値、例えばＳＲＨＩ２．５Ｒ
Ｈ１，５ＲＣＲＩＴ、５ＲＬＯ及ヒ５ＲＬＯ２をタービ
ンロータ速度軸上で示しであるが、同じ速度限界値は歯
数比の補正を行なって発電機速度軸上に示してもよい。
状態１においては第１図のプロセッサ３７が第５図の軌
跡８８及び９４すなわちラインＡ−Ｂ−Ｐに沿った発電
機速度基準信号を計算する。状態２では点１１０から点
１２０（点Ｐから点Ｒ）までの間点１００の軌跡に沿っ
て発電機速度基準信号が計算される。状態１から状態２
への遷移が生じた後フラグ番号はゼロから１へ変化する
がフラグ１はゼロのままである。
状態２から状態３への遷移は遷移ライン１７０であられ
される。この遷移はタービンロータ速度が５ＲＬＯ以上
でまたＰ波された感知発電機出力電力値がＰＥ３よりも
大である場合にのみ生じる。
状態３では発電機速度基準信号が第５図中の軌跡１０４
を使って計算される。状態２へ戻る遷移はタービンロー
タ速度がＳＲＨＩ以下でありまた２波された感知発電機
出力電力値がＰＥ○以下である場合に生じる。かかる状
態２の戻る遷移をライン１７２で示す。状態３ではフラ
グ１の状態は１でありまたフラグ２の状態はゼロである
。
状態２から状態３への遷移には発電低出力電力を犠牲に
したロータ速度の加速が伴う。その結果例えば突風など
のエネルギーをタービン速度の増加という形で一時的に
貯えることが可能になる。
同様に、例えば風速が突然低下してもロータ速度の低下
に伴って発１１出力が増大される。しかし、かかる遷移
が感知器ノコ及び感知及び感知発電機速度信号に基いて
厳密に生じるようにされる場合は状態２と３の間でサイ
クリングを生じてしまう。
例えば始めに遷移１０５を行なう際ロータ速度を低下さ
せる発電機出力電力パルスの値がＰＥ３を超えると状態
２から状態３へ戻る遷移が直ちに生じてしまう。この種
のサイクリングを防ぐため判定過程において感知発電機
出力電力のび・波性が実際の感知発電機出力電力及び発
電機速度信号値ではなく応答のより遅いタービンロータ
速度と組合わせて使用される。電力信号ｐ波器の周波数
特性は低域−次ラグタイム一定戸波器のものと同じであ
る。
感知タービンロータ速度が５ＲＩ−Ｉ　Ｉ　２を超える
と状態３１４４から状態４１４６への遷移がライン１７
４で示す如く行なわれる。状態４１４６において速度基
準信号は第５図中点１１２及び１２６の間の軌跡１０２
を使って計算される。
風速が減少すると状態４１４６から状態３１４４へ戻る
遷移がライン１７６で示す如く実行されるがこれは感知
タービンロータ速度Ｓ　ＲＨ１２より小になった場合に
のみ生じる。状ｆ１ｍ　４１４６ではフラグ１及び２は
いずれも１に設定されている。
第６図の状態遷移は第１図に示す専用プロセッサ３７な
どのデジタルコンピュータ中に記憶されたプログラムに
従って実行される。プログラムはプロセッサ３７として
使用するＣＰＵの種類に応じた言語が使われる。これら
の詳細は公知であり本願では特に説明しない。一般に第
７図のフローチャートあるいは第６図の状態遷移図に基
いてブログラムを書下すことが十分に可能である。
第７図のフローチャートでは状態遷移動作はエントリポ
イント２００より開始され次いでステップ２０２で可変
値ＰＥＦＩＬＴが第１図ライン５２上の信号ＰＥを２波
する電力ろ波器の信号出力値に等しい値に更新される。
この信号ＰＥは前記の状態２と３との間のサイクリング
を防ぐためにＰ波がなされる。
次いで判定ステップ２０４が実行されＦＬＡＧｌの現在
値が判別される。これがゼロであると「状態マシン」は
状態１又は２になっている。そのうちのどちらの状態で
あるかを判定するため次いでステップ２０６が実行され
フラグ２の状態が判別される。これがピロであると状態
は状態１になっており発電機出力電力の現在値如何によ
り第５図中軌跡８８又は９４に沿って第２図中加算点６
２に供給される速度基準信号が形成される。この計算を
第７図中のステップ２０８に示す。ステップ２０８での
計算の後ステップ２１０でタービンロータ速度が下限速
度限界値５ＲＬＯ２以上であるか否かが判定される。そ
の結果速度が第５図の点１１０（Ｐ）を超えて増加して
いるが否かが判定される。判定結果が否であれば動作は
ラインＡ−Ｂ−Ｐに沿って続けられステップ２１２で主
プログラムへの復帰がなされる。−り速度が点１１０を
超えていれば状態は状態２へ遷移しておりステップ２１
４でフラグ２が１にセットされて主プログラムへの復帰
がなされる。
状態２に遷移すると第７図のサブルーチンにおいてステ
ップ２０６の判定ブロックでの判定結果が否となり状態
は状態２になっていることが示される。そこで速度基準
信号がステップ２１６で第５図の軌跡１００に沿って書
簡される。
次いで判定ステップ２１８が実行されタービンロータ速
度が５ＲＬＯ以上Ｖ発電機出力電力がレベルＰＥ３以上
であるか否かが判定される。否である場合状態はまだ状
態２でありさらにステップ２２０でタービンロータ速度
が５ＲＬＯ２より下に落ちているか否かが判定される。
速度がこの値より下がっている場合はフラグ２はゼロに
戻され状態１へ戻ったことが示される。一方、否であれ
ばステップ２１２を経由して主プログラムへの復帰がな
される。ステップ２１８でタービンロータ速度及びろ波
発電機出力電ノ〕は所定限界より大であることが判定さ
れると状態３への遷移が生じておりフラグ１及び２がス
テップ２２４で設定された後ステップ２１２で復帰がな
される。
一方ステップ２００でプログラムが第７図サブルーチン
に入った後、ステップ２０２で変数ＰＥＦＩＬＴが更新
され、さらにステップ２０４でＦＬＡＧｌがゼロでない
ことが示され、さらに判定ステップ２２６で状態が状態
３であるか状態４であるかが判定される。フラグ２がぜ
口であると状態は３であり速度基準信号がステップ２２
８で第５図中軌跡１０４に沿って計算される。
次いで判断ステップ２３０が実行されタービンロータ速
度が５ＲＨ１以下ＩＬ２ＰＥＦＩＬＴがＰＥＯ以下であ
るか否かが判定される。否であれば判定ステップ２３２
でロータ速度がＳＲＨ１２以上であるか否かが判定され
その結果が否であれば動作点はまだ状態３になったまま
である。一方、ロータ速度がＳＲＨＩ　２以上であれば
状態は状態４になっておりフラグ２がステップ２３４で
１にセットされる。否であればステップ２１２を介した
主プログラムへの復帰が実行される。
ステップ２３０での判定の結果タービンロータ速度と発
電機出力電力のＰ波性が所定限度であることが示された
場合状態２へ戻ることが指示されステップ２３６でフラ
グ１がゼロに戻されフラグ２が１に戻される。この後ス
テップ２１２を経て主プログラムへの復帰がなされる。
ステップ２２６でフラグ２がゼロでないことが判定され
ると動作点は状ｅ！、４にあり、ステップ２３８におい
て第５図の軌跡を使って速度基準信号が計算される。状
態がまだ状態４にあるか否かを判別する判定がステップ
２４０でタービンロータ速度がＳ　ＲＨ１２より小か否
かを判定することによりなされる。この結果が否であれ
ば状態はまだ状態４にあり、ステップ２１２を介して主
プログラムへの復帰がなされる。一方、タービンロー夕
速度がＳＲＨ１２より小であれば状態は状態３に戻って
おりフラグ２はステップ２４２でゼロに戻り、さらにス
テップ２１２を介して主プログラムへ動作が復帰する。
以上、本発明を最良の実施態様について説明したが本発
明要旨内で様々な変形や変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
第１図は可変風力タービン発電−及びその制御ｉ置の概
略的ブロック図、第２図は制御装置の構成をより詳細に
示した第１図と同様なブロック図、第３図は性能係数Ｐ
Ｒ（Ｃｐ　）と速度比ＶＲとの関係を示す性能マツプを
示す図、第４図（よ発電機速度制御に使用される発電機
出力電力と所定発電機速度基準信号との関係を示すグラ
フ、第５図は本発明による臨界速度回避技術を使用した
場合の発電機速度制御を示す第４図と同様なグラフ、第
６図は本発明による風力タービン発電機の動作を概略的
に説明するための状態遷移図、第７図は本発明により臨
界速度回避技術をデジタルコンピュータを使って実施す
る際のサブルーチンのフローチャートである。 １０・・・風力タービン、１２・・・タービンロータ軸
、１４・・・ハブ、１６・・・羽根、１８・・・ギヤボ
ックス、２０・・・ギヤボックス低速度端、２２・・・
交流発電線、２４・・・発電機ロータ軸、２６・・・ギ
ヤボックス高速度端、２８，３２．４８．５２．５６．
６０゜６４．１５０．１６２・・・ライン、３０・・・
周波数変換鼎、３４・・・電力送電線路、３６・・・可
変速度風力タービン制＠装置、３７・・・プロセッサ、
３８・・・ＣＰＵ、４０−１１０１ニツト、４２−ｔ＜
ス、４４・・・ＲＵＭ、４６・・・ＲＡＭ、５０，１５
８・・・速度感知器、５４・・・出力電力感知器、５７
・・・ロータ制御装置、５８・・・スケジュール（関数
発生器）、６２・・・加算器、６６・・・積分器、７０
・・・点Ａ−Ｂ、７１゜７８．８０．８８，９４，１０
０，１０２，１０４・・・軌跡、７２．９０・・・点Ａ
１７４．９２・・・点Ｂ１７６．１２６・・・点Ｃ，１
０１，１０５・・・遷移経路、１１０・・・点Ｐ１１１
２・・・点Ｔ、１１３・・・臨界速度、１２１．１２１
ａ・・・感知出力電力Ｐ波信号限界直、１２１ｂ、１２
１ｃ、１２１ｄ、１２１ｅ・・・タービンロータ速度限
界値、１２４・・・点Ｓ、１２８・・・点Ｓ’、１４０
・・・状態１，１４２・・・状態２．１４４・・・状態
３．１２６・・・状］ぶ４゜特許出願人　ユナイテッド
　テクノロジーズ龜 ”　　　　１ （Ｎｚεに） 襲賎識駐 ｄ−７四口 Ｆ／６５ 手続補正書 昭和６２年　６月　５日 特許庁長官　　黒　ＥＥ　　ＨＪＩ　　ｍ　　ＩＪＱ　
　　　　　　　　）当１、事件の表示 昭和６２年　特許願　第１０２１４７号２、発明の名称 可変速度風力タービン発電機の制御方法及び制御装置３
、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 住　所　アメリカ合衆国　コネティカット　０６１Ｃ）
１ハートフオード　ファイナンシャル　ブラ晋１１番地
名　称　　ユナイテッド　テクノ〔１シーズ　コーポレ
ーション代表者　ステファン　イー　レビス ４、代理人 住　所　〒１０２　　東京都千代田区麹町５丁目７番地
電話０３　（２６３）　３２７１番（代表ン５、補正命
令の日付 −１へ 自発補正 ６、　補正の対象 図面。 ７、補正の内容 図面の’ｅｐａ＜内容に変更なし）を別紙のとおり補充
する。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 （１）可変速度風力タービン発電機を高効率で制御する
    際に臨界速度での動作を回避するための制御方法であっ
    て： ロータ先端速度が風力タービンの所定トルク限界よりも
    下の速度領域で風速に対し一定の速度比に維持されるよ
    うに発電機トルクを制御する段階と； ロータ先端速度を前記所定トルク限界を超えているが所
    定の速度限界又は所定の出力限界よりは下の速度領域で
    前記一定速度比で規定されるよりも大きい速度に制御す
    る段階と； ロータ先端速度が前記臨界速度で動作されることを回避
    するように発電機トルクを制御する段階とよりなること
    を特徴とする方法。 （２）可変速度風力タービン発電機を高効率で制御する
    際に臨界速度での動作を回避するための制御方法であっ
    て： 風力タービン発電機の出力電力を感知して該出力電力の
    大きさをあらわすろ波出力電力信号（５２ａ）を出力し
    ； 発電機ロータ速度を感知して発電機ロータ信号の大きさ
    をあらわす速度信号（４８）を出力し；速度コマンド信
    号（６０）を第１及び第２の出力電力レベル（１２１ａ
    、１２１）及び臨界速度よりも下の第１及び第２の速度
    限界値（１２１ｃ、１２１ｂ）で画成される領域におい
    てタービンロータ速度とろ波出力電力信号との関係を与
    える速度コマンド信号計算値対出力電力信号曲線（８８
    、９４、１００、１０２、１０４）に沿って該速度コマ
    ンド信号計算値対出力電力信号曲線（１００）の傾きが
    該第１及び第２の速度限界値（１２１ａ、１２１）の間
    の区間と該第１の速度限界値（１２１ｃ）よりも下の区
    間とで異なるように計算し； 速度コマンド信号（６０）を該第１及び第２の出力電力
    レベル（１２１、１２１ａ）及び臨界速度よりも上の第
    ３の速度限界値及びそれよりも大きい第４の速度限界値
    （１２１ｅ、１２１ｄ）で画成される領域においてター
    ビンロータ速度とろ波出力電力信号との関係を与える速
    度コマンド信号計算値対出力電力信号曲線（８８、９４
    、１００、１０２、１０４）に沿って該速度コマンド信
    号計算値対出力電力信号曲線（１０４）の傾きが該第３
    及び第４の速度限界値の間の区間と該第４の速度限界値
    （１２１ｄ）よりも上の区間とで異なるように計算する
    段階よりなることを特徴とする方法。 （３）可変速度風力タービン発電機の効率を向上させま
    た臨界速度を避けて動作するように制御する制御装置で
    あって： 風力タービンロータ又は発電機ロータ速度に応答して感
    知タービン発電機速度信号（４８、１６２）を出力する
    速度感知器（５０、１５８）と；発電機電力出力に応じ
    て感知出力電力信号 （５２）を出力する電力感知器（５４）と；該感知出力
    電力信号に応じて該感知出力電力信号の一次ラグタイム
    一定ろ波作用を行なってろ波出力電力信号（５２ａ）を
    出力する低域ろ波手段（５２ｂ）と； 感知速度信号（４８、１６２）、感知出力電力信号（５
    ２）及びろ波出力電力信号（５２ａ）に応じて風力ター
    ビン発電機トルク制御信号（５６）を出力して発電機ト
    ルクを風力タービンのトルク限界より下の領域でタービ
    ンロータの先端が風速に対して一定の所定速度比で動作
    するように制御し、また前記トルク限界を超えた領域で
    発電機トルクを一定に維持しながら前記タービンロータ
    の先端が前記一定速度比で規定されるよりも大きいが所
    定速度限界又は出力限界内で動作するように制御するコ
    ントローラ（３６）とよりなり、発電機トルクは前記ト
    ルク限界を超えた領域で臨界速度で風力タービンが動作
    することがないように制御されることを特徴とする装置
    。 ４）該コントローラは速度コマンド信号（６０）を第１
    及び第２の出力電力レベル（１２１ａ、１２１）及び臨
    界速度よりも下の第１の速度限界値（１２１ｃ）及び臨
    界速度よりも下だが第１の速度限界値よりも大きい第２
    の速度限界値（１２１ｂ）で画成される臨界速度近傍の
    領域においてタービンロータ速度とろ波出力電力信号と
    の関係を与える速度コマンド信号計算値は出力電力信号
    曲線に従って該速度コマンド信号計算値対出力電力信号
    曲線（１００）の傾きが該第１及び第２の速度限界値（
    １２１ａ、１２１）の間の区間と該第１の速度限界値（
    １２１ｃ）よりも下の区間とで異なるように計算して出
    力し； 該コントローラはまた速度コマンド信号（６ａ）を該第
    １及び第２の出力電力レベル（１２１、１２１ａ）及び
    臨界速度よりも上の第３の速度限界値（１２１ｅ）及び
    それよりも大きい第４の速度限界値（１２１ｄ）で画成
    される領域においてタービンロータ速度とろ波出力電力
    信号との関係を与える速度コマンド信号計算値は出力電
    力信号曲線に従って該速度コマンド信号計算値対出力電
    力信号曲線（１０４）の傾きが該第３及び第４の速度限
    界値の間の区間と該第４の速度限界値（１２１ｄ）より
    も上の区間とで異なるように計算して出力することを特
    徴とする特許請求の範囲第３項記載の装置。
JP62102147A 1986-04-28 1987-04-27 可変速度風力タ−ビン発電機の制御方法及び制御装置 Expired - Lifetime JP2566953B2 (ja)

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