JPS6345509B2 - - Google Patents
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- JPS6345509B2 JPS6345509B2 JP10271379A JP10271379A JPS6345509B2 JP S6345509 B2 JPS6345509 B2 JP S6345509B2 JP 10271379 A JP10271379 A JP 10271379A JP 10271379 A JP10271379 A JP 10271379A JP S6345509 B2 JPS6345509 B2 JP S6345509B2
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Classifications
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- F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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- F03D7/00—Controlling wind motors
- F03D7/02—Controlling wind motors the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
- F03D7/022—Adjusting aerodynamic properties of the blades
- F03D7/0224—Adjusting blade pitch
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- F03D—WIND MOTORS
- F03D7/00—Controlling wind motors
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- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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- H02P9/04—Control effected upon non-electric prime mover and dependent upon electric output value of the generator
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、ピツチ角可変の複数個の羽根を備え
風力により駆動される水平軸回転翼を有し、風の
エネルギーを発電に利用するエネルギー変換シス
テム用の制御システムに係り、特に、作動の安定
性を確保しかつ風からのエネルギー捕捉を最適化
するように風力タービンの羽根ピツチ角を自動的
に調節する閉ループ制御システムに係る。風力タ
ービンの回転翼は、電力系統に電力を供給するべ
く接続される同期発電機を駆動する。この風力タ
ービン用の制御システムは、突風および乱流の影
響を最小にとどめて所望の電気周波数および位相
を保つように、また回転翼羽根および他の機械的
部分へのひずみを減ずるように、羽根ピツチ角を
急速に調節するべく構成されている。
風力により駆動される水平軸回転翼を有し、風の
エネルギーを発電に利用するエネルギー変換シス
テム用の制御システムに係り、特に、作動の安定
性を確保しかつ風からのエネルギー捕捉を最適化
するように風力タービンの羽根ピツチ角を自動的
に調節する閉ループ制御システムに係る。風力タ
ービンの回転翼は、電力系統に電力を供給するべ
く接続される同期発電機を駆動する。この風力タ
ービン用の制御システムは、突風および乱流の影
響を最小にとどめて所望の電気周波数および位相
を保つように、また回転翼羽根および他の機械的
部分へのひずみを減ずるように、羽根ピツチ角を
急速に調節するべく構成されている。
最近のエネルギー危機および化石燃料の価格高
騰に伴い、自然風に応答して回転しエネルギーを
生ずる大規模風力タービンの意義が見直され、そ
の開発が行われている。風力タービンの回転翼羽
根の直径は91.50ｍに達し、電気エネルギーに変
換されたときの出力はメガワツトのオーダーに達
する。風力タービンのなかにはその出力が直接的
に機械装置を駆動するのに用いられるものもある
が、たいていの場合は回転エネルギーがいつたん
電気エネルギーに変換されてから各種の利用に供
される。
騰に伴い、自然風に応答して回転しエネルギーを
生ずる大規模風力タービンの意義が見直され、そ
の開発が行われている。風力タービンの回転翼羽
根の直径は91.50ｍに達し、電気エネルギーに変
換されたときの出力はメガワツトのオーダーに達
する。風力タービンのなかにはその出力が直接的
に機械装置を駆動するのに用いられるものもある
が、たいていの場合は回転エネルギーがいつたん
電気エネルギーに変換されてから各種の利用に供
される。
風力タービンの主要な問題は、特に風力タービ
ンが大きな電力系統に接続された同期発電機を駆
動しているとき、予測不可能な突風および乱流の
存在下に電気出力の位相および周波数を適切に制
御するという問題である。風速が高いときには、
わずかな乱流によつても、同期発電機の同期はず
れを惹起するような大きさの軸トルクの変動が生
じ得る。
ンが大きな電力系統に接続された同期発電機を駆
動しているとき、予測不可能な突風および乱流の
存在下に電気出力の位相および周波数を適切に制
御するという問題である。風速が高いときには、
わずかな乱流によつても、同期発電機の同期はず
れを惹起するような大きさの軸トルクの変動が生
じ得る。
この問題を克服するための試みとして、ピツチ
角可変の回転翼羽根が、選択された作動パラメー
タたとえば風速、回転翼速度および出力に応答し
て羽根角を調節する高速作動の制御システムを備
えた風力タービンに用いられている。この形式の
代表的な制御システムは1978年６月15日付の米国
特許出願第916320号、第916321号および第916329
号に開示されている。要約すれば、ここに引用し
た公知の制御システムでは、発電機がオフライン
であるかオンラインであるかに関係して速度ある
いは出力を一定に保つように回転翼羽根ピツチ角
の閉ループ制御が行われ、また始動および停止の
間は回転翼羽根ピツチ角の開ループ制御が行われ
る。
角可変の回転翼羽根が、選択された作動パラメー
タたとえば風速、回転翼速度および出力に応答し
て羽根角を調節する高速作動の制御システムを備
えた風力タービンに用いられている。この形式の
代表的な制御システムは1978年６月15日付の米国
特許出願第916320号、第916321号および第916329
号に開示されている。要約すれば、ここに引用し
た公知の制御システムでは、発電機がオフライン
であるかオンラインであるかに関係して速度ある
いは出力を一定に保つように回転翼羽根ピツチ角
の閉ループ制御が行われ、また始動および停止の
間は回転翼羽根ピツチ角の開ループ制御が行われ
る。
本発明は、上に引用した風力タービン用制御シ
ステムを改良して、すぐれた動的特性および過渡
応答特性が得られる回転翼羽根ピツチ角制御シス
テムを開示するものである。本発明によれば、始
動および停止の間にそれぞれ回転翼の加速率およ
び減速率の閉ループ制御を行うこと、すべての閉
ループ作動モードに対して単一の積分回路を用い
ており、積分回路の行き過ぎを防止するため積分
回路の前に変化率制限回路が設けられており、積
分回路が最大および最小羽根角停止回路を備えて
おり、最小羽根角停止値が回転翼速度および風速
の関数として可変であること、オンライン作動時
の出力制御のために閉ループ軸トルク制御を行つ
ており、軸トルク制御部が比例・積分・微分制御
回路を有し、この回路で軸トルクの変化率が回転
翼速度と発電機速度との差から合成されることに
よつて、風力タービンの作動の改良が達成され
る。
ステムを改良して、すぐれた動的特性および過渡
応答特性が得られる回転翼羽根ピツチ角制御シス
テムを開示するものである。本発明によれば、始
動および停止の間にそれぞれ回転翼の加速率およ
び減速率の閉ループ制御を行うこと、すべての閉
ループ作動モードに対して単一の積分回路を用い
ており、積分回路の行き過ぎを防止するため積分
回路の前に変化率制限回路が設けられており、積
分回路が最大および最小羽根角停止回路を備えて
おり、最小羽根角停止値が回転翼速度および風速
の関数として可変であること、オンライン作動時
の出力制御のために閉ループ軸トルク制御を行つ
ており、軸トルク制御部が比例・積分・微分制御
回路を有し、この回路で軸トルクの変化率が回転
翼速度と発電機速度との差から合成されることに
よつて、風力タービンの作動の改良が達成され
る。
したがつて本発明の一つの目的は、いくつかの
選択された作動条件に応答して風力タービンの羽
根角を調節する風力タービン用の改良されたピツ
チ角制御システムを提供することである。
選択された作動条件に応答して風力タービンの羽
根角を調節する風力タービン用の改良されたピツ
チ角制御システムを提供することである。
本発明の他の目的は、始動および停止の過渡期
間中に羽根のひずみおよび軸トルクの変動を最小
にとどめるように閉ループ制御により羽根角を調
節する風力タービン用の電子式ピツチ角制御シス
テムを提供することである。
間中に羽根のひずみおよび軸トルクの変動を最小
にとどめるように閉ループ制御により羽根角を調
節する風力タービン用の電子式ピツチ角制御シス
テムを提供することである。
本発明の別の目的は、同期発電機がオフライン
のときには速度を調節し、また同期発電機がオン
ラインのときにはトルクを調節する風力タービン
用の閉ループ電子式ピツチ角制御システムを提供
することである。
のときには速度を調節し、また同期発電機がオン
ラインのときにはトルクを調節する風力タービン
用の閉ループ電子式ピツチ角制御システムを提供
することである。
本発明の他の目的は、閉ループ制御のすべての
作動モードに対して単一の積分回路を用いた制御
システムを提供することである。
作動モードに対して単一の積分回路を用いた制御
システムを提供することである。
本発明の別の目的は、積分回路の行き過ぎを防
止し得るように積分回路の前に変化率制限回路を
用いた制御システムを提供することである。
止し得るように積分回路の前に変化率制限回路を
用いた制御システムを提供することである。
本発明の他の目的は、回転翼速度および風速の
関数として形成された可変の最小値で羽根角を停
止させるための回路を電子式積分回路に付加した
制御システムを提供することである。
関数として形成された可変の最小値で羽根角を停
止させるための回路を電子式積分回路に付加した
制御システムを提供することである。
本発明の別の目的は、オンライン時のトルク制
御用として比例・積分・微分補償回路を用い、ま
たオフライン時の速度制御用として比例・積分補
償回路を用いた制御システムを提供することであ
る。
御用として比例・積分・微分補償回路を用い、ま
たオフライン時の速度制御用として比例・積分補
償回路を用いた制御システムを提供することであ
る。
本発明によれば、二枚羽根、水平軸、可変ピツ
チの風力タービン回転翼が低速結合軸、昇速用歯
車箱および高速軸を介して、回転エネルギーを交
流電力に変換して電力系統に供給する同期発電機
に連結されている。電子式制御システムが、回転
翼羽根のピツチを変更する閉ループ油圧式ピツチ
変更機構に対して基準羽根角信号を与える。風力
タービンの始動および停止の間は、加速率および
減速率を安全なレベルに保つように羽根角の閉ル
ープ積分制御が行われる。オフライン作動の間
は、閉ループ速度制御によつて、所望の速度を保
すように羽根角が調節される。オンライン作動の
間は、閉ループ軸トルク制御によつて、同期発電
機の出力電力を所望のレベルに保つように羽根角
が調節される。軸トルク制御には比例・積分・微
分補償回路が用いられており、軸トルクの変化率
は回転翼速度と発電機速度との差から合成され
る。速度制御には比例・積分補償回路が用いられ
ている。
チの風力タービン回転翼が低速結合軸、昇速用歯
車箱および高速軸を介して、回転エネルギーを交
流電力に変換して電力系統に供給する同期発電機
に連結されている。電子式制御システムが、回転
翼羽根のピツチを変更する閉ループ油圧式ピツチ
変更機構に対して基準羽根角信号を与える。風力
タービンの始動および停止の間は、加速率および
減速率を安全なレベルに保つように羽根角の閉ル
ープ積分制御が行われる。オフライン作動の間
は、閉ループ速度制御によつて、所望の速度を保
すように羽根角が調節される。オンライン作動の
間は、閉ループ軸トルク制御によつて、同期発電
機の出力電力を所望のレベルに保つように羽根角
が調節される。軸トルク制御には比例・積分・微
分補償回路が用いられており、軸トルクの変化率
は回転翼速度と発電機速度との差から合成され
る。速度制御には比例・積分補償回路が用いられ
ている。
本発明の独特な特徴は、電子式閉ループ制御部
の各々に対して共通の電子式積分回路が用いられ
ており、各ループ内に積分回路トラツキング用の
回路を必要としないことである。他の重要な特徴
は、不安定性の原因となる積分回路の行き過ぎを
防止するため、ピツチ変更機構のスリユーレート
と等しいかそれよりもわずかに小さく設定された
変化率制限値を有する変化率制限回路が積分回路
の前に用いられていることである。積分回路には
最大および最小羽根角停止回路が設けられてお
り、最小羽根角停止値は可変であり、回転翼速度
対風速比の関数として形成される。
の各々に対して共通の電子式積分回路が用いられ
ており、各ループ内に積分回路トラツキング用の
回路を必要としないことである。他の重要な特徴
は、不安定性の原因となる積分回路の行き過ぎを
防止するため、ピツチ変更機構のスリユーレート
と等しいかそれよりもわずかに小さく設定された
変化率制限値を有する変化率制限回路が積分回路
の前に用いられていることである。積分回路には
最大および最小羽根角停止回路が設けられてお
り、最小羽根角停止値は可変であり、回転翼速度
対風速比の関数として形成される。
本発明による制御システムはデイジタル・エレ
クトロニクスを用いて実施するのに特に適してい
るが、アナログ電子回路の使用も可能である。
クトロニクスを用いて実施するのに特に適してい
るが、アナログ電子回路の使用も可能である。
以下、図面により本発明の実施例を説明する。
第１図には、正反対の方向に延びる二つの同一
の回転翼羽根１０（典型的な合計直径は30.5ない
し91.50ｍ）が塔１２に取付けられている代表的
な風力タービンが示されている。機械的構成要
素、制御装置および発電装置はナセル１４に内蔵
されている。風力タービンの構造はよく知られて
おり、ここで詳細に説明する必要はない。また、
効率向上のためには羽根を卓越風の方向に向ける
ための片揺れ制御を必要とするが、これもよく知
られているので、説明を省略する。
の回転翼羽根１０（典型的な合計直径は30.5ない
し91.50ｍ）が塔１２に取付けられている代表的
な風力タービンが示されている。機械的構成要
素、制御装置および発電装置はナセル１４に内蔵
されている。風力タービンの構造はよく知られて
おり、ここで詳細に説明する必要はない。また、
効率向上のためには羽根を卓越風の方向に向ける
ための片揺れ制御を必要とするが、これもよく知
られているので、説明を省略する。
第２図に示されているように、タービン回転翼
羽根１０は低速結合軸１８、歯車箱２０および高
速結合軸２２を介して同期発電機２４に連結され
たハブ１６に取付けられている。歯車箱２０は同
期発電機２４の磁極の数およびその所望の交流出
力周波数に関係した比率で軸１８の回転速度を高
める。発電機２４からの電気的出力は導線２６、
スイツチ２８および導線３０を経て負荷に供給さ
れる。この負荷は電力系統であつてよく、電力は
送電線を経て遠隔地点に送られる。スイツチ２８
は、発電機２４からの出力が電力系統と同期した
状態で発電機を電力系統に投入する通常の位相お
よび周波数同期化回路により生じて信号線３２上
に現われる信号により閉じられる。スイツチ２８
の状態すなわちシステムのオンライン／オフライ
ン状態を示す信号が信号線３４を経て羽根ピツチ
角制御装置３６に与えられている。線３４上の信
号はデイジタル信号であつてもアナログの電圧あ
るいは電流信号であつてもよく、発電機がオフラ
インのときは“０”、発電機がオンラインのとき
は“１”とする。
羽根１０は低速結合軸１８、歯車箱２０および高
速結合軸２２を介して同期発電機２４に連結され
たハブ１６に取付けられている。歯車箱２０は同
期発電機２４の磁極の数およびその所望の交流出
力周波数に関係した比率で軸１８の回転速度を高
める。発電機２４からの電気的出力は導線２６、
スイツチ２８および導線３０を経て負荷に供給さ
れる。この負荷は電力系統であつてよく、電力は
送電線を経て遠隔地点に送られる。スイツチ２８
は、発電機２４からの出力が電力系統と同期した
状態で発電機を電力系統に投入する通常の位相お
よび周波数同期化回路により生じて信号線３２上
に現われる信号により閉じられる。スイツチ２８
の状態すなわちシステムのオンライン／オフライ
ン状態を示す信号が信号線３４を経て羽根ピツチ
角制御装置３６に与えられている。線３４上の信
号はデイジタル信号であつてもアナログの電圧あ
るいは電流信号であつてもよく、発電機がオフラ
インのときは“０”、発電機がオンラインのとき
は“１”とする。
羽根ピツチ角制御装置３６は風力タービン制御
システムの心臓部であり、あとで第３図ないし第
８図により詳細に説明する。要約すれば、制御装
置３６は、所望の風力タービン作動レベルを示す
信号と実際の風力タービン作動パラメータを測定
するセンサからの信号とを受けており、閉ループ
の電子式制御回路を用いて閉ループの電気・油圧
式ピツチ変更機構３８を介して羽根のピツチ角を
調節する。制御装置３６は所望あるいは基準の羽
根角信号BRを形成し、この信号は線４０を経て
ピツチ変更機構３８に与えられる。電気・油圧式
ピツチ変更機構３８は電気的な羽根角基準信号
BRを、で示されている実際の羽根角に変換する。
システムの心臓部であり、あとで第３図ないし第
８図により詳細に説明する。要約すれば、制御装
置３６は、所望の風力タービン作動レベルを示す
信号と実際の風力タービン作動パラメータを測定
するセンサからの信号とを受けており、閉ループ
の電子式制御回路を用いて閉ループの電気・油圧
式ピツチ変更機構３８を介して羽根のピツチ角を
調節する。制御装置３６は所望あるいは基準の羽
根角信号BRを形成し、この信号は線４０を経て
ピツチ変更機構３８に与えられる。電気・油圧式
ピツチ変更機構３８は電気的な羽根角基準信号
BRを、で示されている実際の羽根角に変換する。
制御装置３６に必要な作動データを与えるた
め、フイードバツク・センサが風力タービン内の
選択された個所に配置されている。トランスデユ
ーサ４６はハブ１６に取付けられており、回転翼
速度NRを示す信号を線４８上に与える。同様な
トランスデユーサ５０は同期発電機２４内の軸に
取付けられており、発電機速度NGを示す信号を
線５２上に与える。たとえば通常のストレンゲー
ジであるトランスデユーサ５４は軸２２あるいは
そのかわりに軸１８あるいは歯車箱２０のなかの
軸に取付けられており、軸トルクＱを示す信号を
線５６上に与える。図示には示されていないが、
発電機の出力電力あるいは電流を軸トルクのかわ
りにアナログ的に検出することもできる。線４
８，５２および５６上の信号の各々は制御装置３
６に入力として与えられている。
め、フイードバツク・センサが風力タービン内の
選択された個所に配置されている。トランスデユ
ーサ４６はハブ１６に取付けられており、回転翼
速度NRを示す信号を線４８上に与える。同様な
トランスデユーサ５０は同期発電機２４内の軸に
取付けられており、発電機速度NGを示す信号を
線５２上に与える。たとえば通常のストレンゲー
ジであるトランスデユーサ５４は軸２２あるいは
そのかわりに軸１８あるいは歯車箱２０のなかの
軸に取付けられており、軸トルクＱを示す信号を
線５６上に与える。図示には示されていないが、
発電機の出力電力あるいは電流を軸トルクのかわ
りにアナログ的に検出することもできる。線４
８，５２および５６上の信号の各々は制御装置３
６に入力として与えられている。
また制御装置３６には、アナログ形式の電圧レ
ベルもしくはデイジタル形式のワードとして複数
個の一定あるいは可変の基準信号が与えられてい
る。基準信号源はブロツク５８内に示されている
回転翼速度基準源NRREFならびにブロツク６０
および６２内にそれぞれ示されている回転翼加速
率限界NRAC LIMおよび回転翼減速率限界NR
DC LIMであり、これらの基準信号は信号線６
４，６６および６８を経て制御装置３６に与えら
れている。始動・停止スイツチ７０は、風力ター
ビンを始動させる“１”信号とそれを停止させる
“０”信号とを信号線７２を経て制御装置３６に
与える。NRREF信号はシステム内の他の部分
（図示せず）から供給してもよい。
ベルもしくはデイジタル形式のワードとして複数
個の一定あるいは可変の基準信号が与えられてい
る。基準信号源はブロツク５８内に示されている
回転翼速度基準源NRREFならびにブロツク６０
および６２内にそれぞれ示されている回転翼加速
率限界NRAC LIMおよび回転翼減速率限界NR
DC LIMであり、これらの基準信号は信号線６
４，６６および６８を経て制御装置３６に与えら
れている。始動・停止スイツチ７０は、風力ター
ビンを始動させる“１”信号とそれを停止させる
“０”信号とを信号線７２を経て制御装置３６に
与える。NRREF信号はシステム内の他の部分
（図示せず）から供給してもよい。
風速VWは風速センサ７４により検出され、そ
れを示す信号は線７６を経て制御装置３６に与え
られる。風速センサ７４の動特性は、瞬時風速で
はなく平均風速を示す風速信号を線７６上に与え
るように選定されている。
れを示す信号は線７６を経て制御装置３６に与え
られる。風速センサ７４の動特性は、瞬時風速で
はなく平均風速を示す風速信号を線７６上に与え
るように選定されている。
図面には示されていないが、上記のほかに線間
電圧、油圧、油面、油温、軸受温度、振動および
発電機電圧を含む主要パラメータの検出および表
示が風力タービン制御システムにより行われてよ
い。また故障時の緊急停止装置もシステムの一部
として設けられていてよい。デイジタル・エレク
トロニクスを用いた制御システムでは、これらの
機能の付加が一層簡単であり、また手動指令を受
入れて実行するようなプログラムを容易に作成す
ることができる。
電圧、油圧、油面、油温、軸受温度、振動および
発電機電圧を含む主要パラメータの検出および表
示が風力タービン制御システムにより行われてよ
い。また故障時の緊急停止装置もシステムの一部
として設けられていてよい。デイジタル・エレク
トロニクスを用いた制御システムでは、これらの
機能の付加が一層簡単であり、また手動指令を受
入れて実行するようなプログラムを容易に作成す
ることができる。
風力タービンに対する制御装置３６は４種類の
モードで作動する。第１の制御モードは始動モー
ドであり、風力タービンおよび発電機が有用な出
力を生じ得る値に平均風速が達したときに始動を
行う。羽根は、回転翼および発電機を定格速度条
件に加速するトルクを生じ得るように、そのフエ
ザ（90゜）位置から低ピツチに向かつて動かされ
なければならない。その際、羽根の失速あるいは
大きな加速ひずみが同時に生ずることがあつては
ならない。
モードで作動する。第１の制御モードは始動モー
ドであり、風力タービンおよび発電機が有用な出
力を生じ得る値に平均風速が達したときに始動を
行う。羽根は、回転翼および発電機を定格速度条
件に加速するトルクを生じ得るように、そのフエ
ザ（90゜）位置から低ピツチに向かつて動かされ
なければならない。その際、羽根の失速あるいは
大きな加速ひずみが同時に生ずることがあつては
ならない。
第２の制御モードはオフライン速度制御モード
である。発電機の速度が所望の出力周波数を生ず
るのに必要な値に増大すると、羽根角を制御する
ことにより所望の速度を保つように速度制御が行
われる。この速度制御は、同期発電機の同期投入
を可能とするように同期発電機と電力系統との間
の位相関係を調節する役割をもする。NRREF信
号がこの目的で変更され得る。位相調節のために
用いられる速度制御の一例は米国特許出願第
916221号に記載されている。理論的には発電機速
度を制御することも回転翼速度を制御することも
可能であるが、回転翼速度を制御するほうが容易
である。
である。発電機の速度が所望の出力周波数を生ず
るのに必要な値に増大すると、羽根角を制御する
ことにより所望の速度を保つように速度制御が行
われる。この速度制御は、同期発電機の同期投入
を可能とするように同期発電機と電力系統との間
の位相関係を調節する役割をもする。NRREF信
号がこの目的で変更され得る。位相調節のために
用いられる速度制御の一例は米国特許出願第
916221号に記載されている。理論的には発電機速
度を制御することも回転翼速度を制御することも
可能であるが、回転翼速度を制御するほうが容易
である。
第３の制御モードはオンライン出力制御モード
である。いつたん発電機が所望の周波数を生ずる
速度に達し、かつ発電機位相が電力系統の位相に
適合するように調節されると、発電機は電力系統
に接続される。その後、回転翼羽根のピツチ角
は、発電機により供給される電力を所望のレベル
に保つように制御される。風速が高いときには、
回転翼は定格電力の何倍もの電力を生じさせる能
力がある。平均風速の高い範囲における乱流によ
る風速変動は著しい擾乱を生ずるので、乱流条件
の間の出力変動を最小にとどめるように急速なピ
ツチ制御を行う必要がある。出力制御は軸トルク
を測定することによつて行われる。速度がオンラ
イン作動の間はほぼ一定であるから、軸トルクは
出力の直接的な尺度となる。出力制御に用いるこ
とのできる他のパラメータとして発電機の電流あ
るいは電力がある。
である。いつたん発電機が所望の周波数を生ずる
速度に達し、かつ発電機位相が電力系統の位相に
適合するように調節されると、発電機は電力系統
に接続される。その後、回転翼羽根のピツチ角
は、発電機により供給される電力を所望のレベル
に保つように制御される。風速が高いときには、
回転翼は定格電力の何倍もの電力を生じさせる能
力がある。平均風速の高い範囲における乱流によ
る風速変動は著しい擾乱を生ずるので、乱流条件
の間の出力変動を最小にとどめるように急速なピ
ツチ制御を行う必要がある。出力制御は軸トルク
を測定することによつて行われる。速度がオンラ
イン作動の間はほぼ一定であるから、軸トルクは
出力の直接的な尺度となる。出力制御に用いるこ
とのできる他のパラメータとして発電機の電流あ
るいは電力がある。
第４の制御モードは停止モードである。システ
ムをなんらかの理由で停止させるとき、羽根角を
その90゜フエザ位置に向かつて増大させなければ
ならない。もし羽根角をあまりに急速に増大させ
ると、過大な減速トルクが生ずる。
ムをなんらかの理由で停止させるとき、羽根角を
その90゜フエザ位置に向かつて増大させなければ
ならない。もし羽根角をあまりに急速に増大させ
ると、過大な減速トルクが生ずる。
第２図の羽根角制御装置３６は第３図にブロツ
ク図で示されている。ブロツク７８として示され
ている回転翼速度制御部は入力として線７６上の
平均風速信号VW、線６４上の回転翼速度基準信
号NRREFおよび線４８上の回転翼速度信号NRな
らびに線７２上の始動／停止信号を受入れる。回
転翼速度制御部（第４図に詳細に示す）は回転翼
速度羽根角変化率信号B〓Nを生じ、この信号は信
号線８０を経て最大値選択回路８２に与えられ
る。
ク図で示されている。ブロツク７８として示され
ている回転翼速度制御部は入力として線７６上の
平均風速信号VW、線６４上の回転翼速度基準信
号NRREFおよび線４８上の回転翼速度信号NRな
らびに線７２上の始動／停止信号を受入れる。回
転翼速度制御部（第４図に詳細に示す）は回転翼
速度羽根角変化率信号B〓Nを生じ、この信号は信
号線８０を経て最大値選択回路８２に与えられ
る。
ブロツク８４として示されている加速制御部は
入力として線６６上の回転翼加速制限信号NRAC
LIMおよび線４８上の回転翼速度信号NRを受入
れて、加速羽根角変化率信号B〓Aを生じ、この信
号は信号線８６を経て最大値選択回路８２に与え
られる。加速制御部８４は第５図に詳細に示され
ている。
入力として線６６上の回転翼加速制限信号NRAC
LIMおよび線４８上の回転翼速度信号NRを受入
れて、加速羽根角変化率信号B〓Aを生じ、この信
号は信号線８６を経て最大値選択回路８２に与え
られる。加速制御部８４は第５図に詳細に示され
ている。
最大値選択回路８２は、羽根角減少の最も遅い
変化率あるいは羽根角増大の最も高い変化率を生
じさせようとする線８０あるいは８６上の羽根角
変化率信号、すなわち羽根ピツチ角を90゜フエザ
に関してその最大値に保とうとする羽根角変化率
を選択する。選択された羽根角変化率信号は信号
線８８を経て最小値選択回路９０に与えられる。
選択された線８８上の羽根角信号はB〓MXで示され
ている。
変化率あるいは羽根角増大の最も高い変化率を生
じさせようとする線８０あるいは８６上の羽根角
変化率信号、すなわち羽根ピツチ角を90゜フエザ
に関してその最大値に保とうとする羽根角変化率
を選択する。選択された羽根角変化率信号は信号
線８８を経て最小値選択回路９０に与えられる。
選択された線８８上の羽根角信号はB〓MXで示され
ている。
最小値選択回路９０のもう一つの入力として、
ブロツク９４として示されている減速制御部によ
り生じた信号線９２上の減速羽根角変化率信号
B〓Dが与えられている。減速制御部９４は入力信
号として線６８上の回転翼減速制限信号N〓RDC
LIMおよび線４８上の回転翼速度信号NRを受入
れている。速度制御部９４は第５図に一層詳細に
示されている。
ブロツク９４として示されている減速制御部によ
り生じた信号線９２上の減速羽根角変化率信号
B〓Dが与えられている。減速制御部９４は入力信
号として線６８上の回転翼減速制限信号N〓RDC
LIMおよび線４８上の回転翼速度信号NRを受入
れている。速度制御部９４は第５図に一層詳細に
示されている。
最小値選択回路９０は羽根角減少の最も速い変
化率を生じさせる線８８あるいは９２上の羽根角
変化率信号を選択する。最小値選択回路９０から
の出力は信号線９５上に現われる最小変化率信号
B〓MNであり、この信号はモード選択回路９６に入
力として与えられる。
化率を生じさせる線８８あるいは９２上の羽根角
変化率信号を選択する。最小値選択回路９０から
の出力は信号線９５上に現われる最小変化率信号
B〓MNであり、この信号はモード選択回路９６に入
力として与えられる。
モード選択回路９６の入力としては、信号線９
８上の軸トルク羽根角変化率信号B〓Qも与えられ
ている。この信号はブロツク１００として示され
ている軸トルク制御部により生ずる。軸トルク制
御部は入力信号として線７６上の平均風速信号
WW、線５６上の軸トルク信号QS、線４８上の回
転翼速度信号NRおよび線５２上の発電機速度信
号NGを受入れている。軸トルク制御部１００は
第６図に一層詳細に示されている。
８上の軸トルク羽根角変化率信号B〓Qも与えられ
ている。この信号はブロツク１００として示され
ている軸トルク制御部により生ずる。軸トルク制
御部は入力信号として線７６上の平均風速信号
WW、線５６上の軸トルク信号QS、線４８上の回
転翼速度信号NRおよび線５２上の発電機速度信
号NGを受入れている。軸トルク制御部１００は
第６図に一層詳細に示されている。
さらにモード選択回路９６の入力として、第２
図の同期発電機２４がスイツチ２８を介して電力
系統に接続されているか否かを示す線３４上のオ
フライン／オンライン信号が与えられている。モ
ード選択回路９６については後で第７図で一層詳
細に説明するが、この回路は、同期発電機がオフ
ラインのときは線９５上の最小羽根角変化率信号
を選択し、また同期発電機がオンラインのときは
線９８上の軸トルク羽根角変化率信号B〓Qを選択
する。選択された信号は羽根角基準変化率信号
B〓Rとして示されており、信号線１０２を経て電
子式積分回路１０４に入る。この積分回路は入力
信号として線４８上の回転翼速度信号NRおよび
線７６上の平均風速信号VWも受入れている。積
分回路１０４については後で第８図により一層詳
細に説明するが、この回路は、モード選択回路９
６からの出力を積分して、出力として、第２図に
も示されているように、線４０上に羽根角基準信
号BRを生ずる。
図の同期発電機２４がスイツチ２８を介して電力
系統に接続されているか否かを示す線３４上のオ
フライン／オンライン信号が与えられている。モ
ード選択回路９６については後で第７図で一層詳
細に説明するが、この回路は、同期発電機がオフ
ラインのときは線９５上の最小羽根角変化率信号
を選択し、また同期発電機がオンラインのときは
線９８上の軸トルク羽根角変化率信号B〓Qを選択
する。選択された信号は羽根角基準変化率信号
B〓Rとして示されており、信号線１０２を経て電
子式積分回路１０４に入る。この積分回路は入力
信号として線４８上の回転翼速度信号NRおよび
線７６上の平均風速信号VWも受入れている。積
分回路１０４については後で第８図により一層詳
細に説明するが、この回路は、モード選択回路９
６からの出力を積分して、出力として、第２図に
も示されているように、線４０上に羽根角基準信
号BRを生ずる。
第３図を参照して、始動指令が与えられると、
デイジタル信号“１”が信号線７２上に現われ、
回転翼速度制御部７８内の速度基準信号NRREF
が零からその定格値へ変更される。そして速度制
御部７８は線８０上に大きな負の羽根角変化率
B〓Nを指令する。このとき加速制御部８４は代数
的に一層大きい負の羽根角変化率B〓Aを指令する。
最大値選択回路８２はB〓A、すなわち羽根角減少
の最も遅い変化率を生じさせる羽根角変化率、を
選択する。減速制御部９４は、始動の間、正の羽
根角変化率を指令し、また最小値選択回路９０も
B〓Aすなわち加速羽根角変化率を選択する。シス
テムがオフラインで作動しているので、モード選
択回路９６はB〓Aを積分回路１０４に通す。
デイジタル信号“１”が信号線７２上に現われ、
回転翼速度制御部７８内の速度基準信号NRREF
が零からその定格値へ変更される。そして速度制
御部７８は線８０上に大きな負の羽根角変化率
B〓Nを指令する。このとき加速制御部８４は代数
的に一層大きい負の羽根角変化率B〓Aを指令する。
最大値選択回路８２はB〓A、すなわち羽根角減少
の最も遅い変化率を生じさせる羽根角変化率、を
選択する。減速制御部９４は、始動の間、正の羽
根角変化率を指令し、また最小値選択回路９０も
B〓Aすなわち加速羽根角変化率を選択する。シス
テムがオフラインで作動しているので、モード選
択回路９６はB〓Aを積分回路１０４に通す。
回転翼速度が増大するにつれて、信号線８０上
のB〓Nの値が増大し（負の値の絶対値が減少し）、
ついにはB〓Aの値を超過する。この時点で最大値
選択回路８２はB〓Nを選択する。B〓Nの値は線９２
上のB〓Dよりもまだ低いので、最小値選択回路９
０はB〓Nの値をモード選択回路９６を経て積分回
路１０４に通す。いまシステムは回転翼速度制御
のもとに作動しており、風速一定の定常状態で
B〓Nは零に近接し、B〓Aはある負の値をとり、また
B〓Dはある正の値をとる。
のB〓Nの値が増大し（負の値の絶対値が減少し）、
ついにはB〓Aの値を超過する。この時点で最大値
選択回路８２はB〓Nを選択する。B〓Nの値は線９２
上のB〓Dよりもまだ低いので、最小値選択回路９
０はB〓Nの値をモード選択回路９６を経て積分回
路１０４に通す。いまシステムは回転翼速度制御
のもとに作動しており、風速一定の定常状態で
B〓Nは零に近接し、B〓Aはある負の値をとり、また
B〓Dはある正の値をとる。
いま風力タービンを停止する指令が与えられる
と、線７２上の停止信号、デイジタル信号“０”、
により回転翼速度制御部内の基準速度信号はその
定格値から零へ変更される。いま回転翼速度制御
部７８は、加速制御部８４により指令される変化
率よりもはるかに大きい正の羽根角変化率を指令
する。いま最大値選択回路８２はB〓Nを選択する。
しかし、この値も減速制御部により指令される変
化率B〓Dよりもはるかに大きい、したがつて最小
値選択回路９０はB〓Dを選択し、この信号をモー
ド選択回路９６を経て積分回路１０４に通す。い
ま風力タービンは減速制御部９４の制御のもとに
停止する。
と、線７２上の停止信号、デイジタル信号“０”、
により回転翼速度制御部内の基準速度信号はその
定格値から零へ変更される。いま回転翼速度制御
部７８は、加速制御部８４により指令される変化
率よりもはるかに大きい正の羽根角変化率を指令
する。いま最大値選択回路８２はB〓Nを選択する。
しかし、この値も減速制御部により指令される変
化率B〓Dよりもはるかに大きい、したがつて最小
値選択回路９０はB〓Dを選択し、この信号をモー
ド選択回路９６を経て積分回路１０４に通す。い
ま風力タービンは減速制御部９４の制御のもとに
停止する。
オンライン作動に対しては、信号線３４上の信
号によりモード選択回路９６が、軸トルク制御部
１００により指令される羽根角変化率B〓Qを積分
回路１０４に通す。
号によりモード選択回路９６が、軸トルク制御部
１００により指令される羽根角変化率B〓Qを積分
回路１０４に通す。
第３図に示されている４種類の制御回路ならび
にモード選択回路９６および変化率制限付き積分
回路１０４の動特性については第４図ないし第８
図を参照して説明する。
にモード選択回路９６および変化率制限付き積分
回路１０４の動特性については第４図ないし第８
図を参照して説明する。
第４図には第３図の回転翼速度制御部７８の詳
細が示されている。線７２上の始動／停止信号は
線６４上の速度基準信号NRREFと一緒に乗算器
１１０に与えられている。
細が示されている。線７２上の始動／停止信号は
線６４上の速度基準信号NRREFと一緒に乗算器
１１０に与えられている。
始動／停止信号は速度基準信号に対する乗数で
あり、風力タービンを始動したいときはデイジタ
ル信号“１”として線７２上に現われ、また風力
タービンを停止したいときはデイジタル信号
“０”として線７２上に現われる。デイジタル信
号“１”が線７２上に現われているときには、乗
算器１１０が線６４上のNRREF信号を出力線１
１２に通して、加算点１１４に一つの入力として
与える。加算点１１４には、もう一つの入力とし
て線４８上の回転翼速度信号NRが与えられてい
る。線１１２上の回転翼基準速度信号は加算点１
１４において線４８上の実際回転翼速度信号と比
較され、速度誤差信号は信号線１１６上に現われ
る。線１１６上の速度誤差信号は補償回路１１８
を通過して、信号線１２０を経て乗算器１２２に
与えられる。補償回路１１８はアナログ形態で示
されている進み・遅れ回路網を含んでいる。ゲイ
ンK2は一定であり、手動で調節可能な制御ゲイ
ンを表わしている。乗算器１２２にはもう一つの
入力として、平均風速の関数として形成された信
号線１２４上の可変ゲインKSが与えられている。
線７６上の風速信号VWは、風速の関数として可
変ゲインKSを形成する関数発生回路１２６に与
えられている。可変ゲインを用いることは、回転
翼トルクが羽根角とともに変化する空気力学的非
線形特性を補償するために望ましい。関数発生回
路１２６で形成された線１２４上の可変ゲインは
乗算器１２２において線１２０上の速度制御信号
に対する乗数として用いられる。乗算器１２２の
出力は信号線８０上の回転翼速度羽根角変化率信
号B〓Nである。
あり、風力タービンを始動したいときはデイジタ
ル信号“１”として線７２上に現われ、また風力
タービンを停止したいときはデイジタル信号
“０”として線７２上に現われる。デイジタル信
号“１”が線７２上に現われているときには、乗
算器１１０が線６４上のNRREF信号を出力線１
１２に通して、加算点１１４に一つの入力として
与える。加算点１１４には、もう一つの入力とし
て線４８上の回転翼速度信号NRが与えられてい
る。線１１２上の回転翼基準速度信号は加算点１
１４において線４８上の実際回転翼速度信号と比
較され、速度誤差信号は信号線１１６上に現われ
る。線１１６上の速度誤差信号は補償回路１１８
を通過して、信号線１２０を経て乗算器１２２に
与えられる。補償回路１１８はアナログ形態で示
されている進み・遅れ回路網を含んでいる。ゲイ
ンK2は一定であり、手動で調節可能な制御ゲイ
ンを表わしている。乗算器１２２にはもう一つの
入力として、平均風速の関数として形成された信
号線１２４上の可変ゲインKSが与えられている。
線７６上の風速信号VWは、風速の関数として可
変ゲインKSを形成する関数発生回路１２６に与
えられている。可変ゲインを用いることは、回転
翼トルクが羽根角とともに変化する空気力学的非
線形特性を補償するために望ましい。関数発生回
路１２６で形成された線１２４上の可変ゲインは
乗算器１２２において線１２０上の速度制御信号
に対する乗数として用いられる。乗算器１２２の
出力は信号線８０上の回転翼速度羽根角変化率信
号B〓Nである。
風力タービン速度制御は発電機速度を制御する
ことによつても回転翼速度を制御することによつ
ても行うことができる。しかし、回転翼速度を制
御するほうが有利である。なぜならば、発電機速
度の制御により速応性のある制御を行うために
は、長い回転翼の遅れを補償するだけでなく、回
転翼および発電機の慣性を連結する軸のスチフネ
スにより生ずる共振を補償するための二次進み補
償を可能とする補償回路網が必要になるからであ
る。風力タービンでは、この二次進み補償が発電
機速度ではなく回転翼速度を検出することにより
自動的に行われる。速度制御のために回転翼速度
を検出すれば、速応性のある速度制御を行うため
に回転翼の遅れに対する進み補償を行うだけでよ
い。
ことによつても回転翼速度を制御することによつ
ても行うことができる。しかし、回転翼速度を制
御するほうが有利である。なぜならば、発電機速
度の制御により速応性のある制御を行うために
は、長い回転翼の遅れを補償するだけでなく、回
転翼および発電機の慣性を連結する軸のスチフネ
スにより生ずる共振を補償するための二次進み補
償を可能とする補償回路網が必要になるからであ
る。風力タービンでは、この二次進み補償が発電
機速度ではなく回転翼速度を検出することにより
自動的に行われる。速度制御のために回転翼速度
を検出すれば、速応性のある速度制御を行うため
に回転翼の遅れに対する進み補償を行うだけでよ
い。
第５図には第３図の加速制御部８４および減速
制御部９４を複合した回路の詳細が示されてい
る。線４８上の回転翼速度信号NRは、ブロツク
内に記入された伝達関数を有する微分回路網１２
８に与えられる。微分回路網１２８から信号線１
３０上に現われる出力信号は回転翼速度の変化率
N〓Rに比例している。この線１３０上の信号は加
算点１３２において線６６上の回転翼速度加速制
限信号N〓RAC LIMと比較される。両信号の差、
加速誤差信号、は信号線１３６を経て加速制御ゲ
イン１３８に与えられて、信号線８６上に加速羽
根角変化率信号B〓Aを生ずる。信号線１３０上の
回転翼速度変化率信号N〓Rはまた加算点１３４に
おいて信号線６８上の回転翼速度減速制限信号
N〓RDC LIMと比較され、両信号の差は信号線１
４０を経て減速制御ゲイン１４２に与えられて、
信号線９２上に減速羽根角変化率信号B〓Dを生ず
る。加速および減速の間、羽根角は一定の回転翼
加速率あるいは減速率を保つように制御される。
加速および減速制限信号は、定格トルクのほぼ
100％の加速トルクにより生ずる加速度を計算す
ることによつて定められる。加速および減速制御
部は回転翼トルクの値を始動の際は＋100％の値
に、また停止の際は−100％の値に制限し、それ
によつてこれらの作動モードの間の羽根のひずみ
を最小にとどめる。空気力学的なトルク変化から
回転翼加速までの伝達関数に長い遅れが存在しな
いので、簡単な積分制御で十分であり、微分回路
１２８の時定数T3はノイズ除去のために用いら
れている。
制御部９４を複合した回路の詳細が示されてい
る。線４８上の回転翼速度信号NRは、ブロツク
内に記入された伝達関数を有する微分回路網１２
８に与えられる。微分回路網１２８から信号線１
３０上に現われる出力信号は回転翼速度の変化率
N〓Rに比例している。この線１３０上の信号は加
算点１３２において線６６上の回転翼速度加速制
限信号N〓RAC LIMと比較される。両信号の差、
加速誤差信号、は信号線１３６を経て加速制御ゲ
イン１３８に与えられて、信号線８６上に加速羽
根角変化率信号B〓Aを生ずる。信号線１３０上の
回転翼速度変化率信号N〓Rはまた加算点１３４に
おいて信号線６８上の回転翼速度減速制限信号
N〓RDC LIMと比較され、両信号の差は信号線１
４０を経て減速制御ゲイン１４２に与えられて、
信号線９２上に減速羽根角変化率信号B〓Dを生ず
る。加速および減速の間、羽根角は一定の回転翼
加速率あるいは減速率を保つように制御される。
加速および減速制限信号は、定格トルクのほぼ
100％の加速トルクにより生ずる加速度を計算す
ることによつて定められる。加速および減速制御
部は回転翼トルクの値を始動の際は＋100％の値
に、また停止の際は−100％の値に制限し、それ
によつてこれらの作動モードの間の羽根のひずみ
を最小にとどめる。空気力学的なトルク変化から
回転翼加速までの伝達関数に長い遅れが存在しな
いので、簡単な積分制御で十分であり、微分回路
１２８の時定数T3はノイズ除去のために用いら
れている。
第６図には第３図のオンライン軸トルク制御部
１００の詳細が示されている。トルク基準信号
QREFは線７６上の平均風速信号VWの関数とし
て関数発生回路１４４において形成され、信号線
１４６を経て加算点１４８に一つの入力として与
えられる。このトルク基準信号は加算点１４８に
おいて信号線５６上の実際トルク信号QSと比較
される。この加算点からの出力、すなわちトルク
誤差を示す信号、は信号線１５０を経て動的補償
回路１５２に入り、そこでトルク誤差信号にゲイ
ンがかけられ、また遅れが与えられる。ここで補
償されたトルク誤差信号は信号線１５４を経て加
算点１５６に一つの入力として与えられる。軸ト
ルクの微分値は近似的に式（NR−NG／歯車比）
により、すなわち回転翼と発電機との間のねじれ
定数により与えられる。この式の計算は第６図の
回路で行われる。線４８上の回転翼速度NRが加
算点１５８に一つの入力として与えられている。
信号線５２上の発電機速度信号NGは除算回路１
６０に与えられており、そこで発電機速度が回転
翼と発電機との間の歯車比に等価な数により除算
される。したがつて、線１６２上に現われる信号
は、もしトルクが存在しなければ、回転翼速度に
等価である。線１６２上の信号は加算点１５８に
もう一つの入力として与えられる。両信号は加算
点１５８において比較され、信号線１６１に回転
翼速度と発電機速度との差を示す信号を生ずる。
この信号は軸トルクの微分値に比例している。こ
の信号は動的補償回路１６３および信号線１６４
を経て加算点１５６に与えられ、そこで、補償さ
れた軸トルク微分信号が線１５４上の遅れたトル
ク誤差信号に加算される。ブロツク１６３内の進
み補償回路はその出力を速度誤差および遅れ時定
数T1による速度誤差の変化率の関数とする。速
度誤差は軸トルクの微分値Q〓Sに比例しているの
で、ブロツク１６３からの出力は軸トルクの一次
微分値Q〓Sおよび二次微分置Q¨Sに関係している。
ブロツク１６３からの線１６４上の出力信号とブ
ロツク１５２内の遅れ回路を通つた線１５４上の
軸トルク誤差信号とが加算点１５６において加算
されると、その出力信号はQS，Q〓SおよびQ¨Sの関
数となる。この出力信号が積分回路１０４（第３
図）において積分されると、軸トルク信号に対す
る比例、積分および微分制御ゲインが得られる。
１００の詳細が示されている。トルク基準信号
QREFは線７６上の平均風速信号VWの関数とし
て関数発生回路１４４において形成され、信号線
１４６を経て加算点１４８に一つの入力として与
えられる。このトルク基準信号は加算点１４８に
おいて信号線５６上の実際トルク信号QSと比較
される。この加算点からの出力、すなわちトルク
誤差を示す信号、は信号線１５０を経て動的補償
回路１５２に入り、そこでトルク誤差信号にゲイ
ンがかけられ、また遅れが与えられる。ここで補
償されたトルク誤差信号は信号線１５４を経て加
算点１５６に一つの入力として与えられる。軸ト
ルクの微分値は近似的に式（NR−NG／歯車比）
により、すなわち回転翼と発電機との間のねじれ
定数により与えられる。この式の計算は第６図の
回路で行われる。線４８上の回転翼速度NRが加
算点１５８に一つの入力として与えられている。
信号線５２上の発電機速度信号NGは除算回路１
６０に与えられており、そこで発電機速度が回転
翼と発電機との間の歯車比に等価な数により除算
される。したがつて、線１６２上に現われる信号
は、もしトルクが存在しなければ、回転翼速度に
等価である。線１６２上の信号は加算点１５８に
もう一つの入力として与えられる。両信号は加算
点１５８において比較され、信号線１６１に回転
翼速度と発電機速度との差を示す信号を生ずる。
この信号は軸トルクの微分値に比例している。こ
の信号は動的補償回路１６３および信号線１６４
を経て加算点１５６に与えられ、そこで、補償さ
れた軸トルク微分信号が線１５４上の遅れたトル
ク誤差信号に加算される。ブロツク１６３内の進
み補償回路はその出力を速度誤差および遅れ時定
数T1による速度誤差の変化率の関数とする。速
度誤差は軸トルクの微分値Q〓Sに比例しているの
で、ブロツク１６３からの出力は軸トルクの一次
微分値Q〓Sおよび二次微分置Q¨Sに関係している。
ブロツク１６３からの線１６４上の出力信号とブ
ロツク１５２内の遅れ回路を通つた線１５４上の
軸トルク誤差信号とが加算点１５６において加算
されると、その出力信号はQS，Q〓SおよびQ¨Sの関
数となる。この出力信号が積分回路１０４（第３
図）において積分されると、軸トルク信号に対す
る比例、積分および微分制御ゲインが得られる。
加算点１５６からの出力信号は信号線１６６を
経て乗算器１６８に与えられ、そこで信号線１７
０上の可変ゲイン信号KQにより乗算される。可
変ゲイン信号は線７６上の平均風速信号VWの関
数として関数発生回路１７２において形成され
る。乗算器１６８からの出力信号は線９８上の軸
トルク羽根角変化率信号Ｂ〓Qである。可変ゲイン
および乗算器１６８を用いることは回転翼の非線
形の空気力学的特性を補償するために望ましい。
第６図に示された制御モードによつて、電力制御
ループ内に存在するオンラインねじれ共振を補償
する二次進み補償が事実上行われる。この共振は
主として回転翼の慣性と回転翼・発電機軸間の等
価ねじれ定数とにより決定される。微分ゲインは
この共振を減衰させるのに有効である。
経て乗算器１６８に与えられ、そこで信号線１７
０上の可変ゲイン信号KQにより乗算される。可
変ゲイン信号は線７６上の平均風速信号VWの関
数として関数発生回路１７２において形成され
る。乗算器１６８からの出力信号は線９８上の軸
トルク羽根角変化率信号Ｂ〓Qである。可変ゲイン
および乗算器１６８を用いることは回転翼の非線
形の空気力学的特性を補償するために望ましい。
第６図に示された制御モードによつて、電力制御
ループ内に存在するオンラインねじれ共振を補償
する二次進み補償が事実上行われる。この共振は
主として回転翼の慣性と回転翼・発電機軸間の等
価ねじれ定数とにより決定される。微分ゲインは
この共振を減衰させるのに有効である。
発電機が大きな電力系統に接続されていると
き、発電機速度はほぼ一定であるから、線５２上
の発電機速度信号NGはシステム特性にほとんど
関係なく発電機速度の一定の同期値により置換さ
れ得る。
き、発電機速度はほぼ一定であるから、線５２上
の発電機速度信号NGはシステム特性にほとんど
関係なく発電機速度の一定の同期値により置換さ
れ得る。
第７図には第３図のモード選択回路９６の好ま
しい実施例が示されている。線３４上のオフライ
ン／オンライン信号は加算点１７４および乗算器
１７６に与えられている。オフライン／オンライ
ン信号は第２図のスイツチ２８により形成され、
同期発電機がオフラインのときは“０”であり、
また同期発電機がオンラインすなわち電力系統に
接続されているときは“１”である。加算点１７
４には信号線１７８上の“１”または“０”信号
も与えられている。加算点１７４からの出力信号
は信号線１８０を経て乗算器１８２に与えられ
る。最小羽根角変化率信号B〓MNも線９４から乗算
器１８２に与えられている。乗算器１８２からの
出力信号は線１８４を経て加算点１８６に一つの
入力として与えられている。乗算器１７６にはも
う一つの入力として信号線９８上のトルク羽根角
変化率信号B〓Qも与えられている。乗算器１７６
からの出力信号は信号線１８８を経て加算点１８
６に第二の入力として与えられている。加算点１
８６からの出力信号は基準羽根角変化率信号B〓R
として線１０２上に現われる。
しい実施例が示されている。線３４上のオフライ
ン／オンライン信号は加算点１７４および乗算器
１７６に与えられている。オフライン／オンライ
ン信号は第２図のスイツチ２８により形成され、
同期発電機がオフラインのときは“０”であり、
また同期発電機がオンラインすなわち電力系統に
接続されているときは“１”である。加算点１７
４には信号線１７８上の“１”または“０”信号
も与えられている。加算点１７４からの出力信号
は信号線１８０を経て乗算器１８２に与えられ
る。最小羽根角変化率信号B〓MNも線９４から乗算
器１８２に与えられている。乗算器１８２からの
出力信号は線１８４を経て加算点１８６に一つの
入力として与えられている。乗算器１７６にはも
う一つの入力として信号線９８上のトルク羽根角
変化率信号B〓Qも与えられている。乗算器１７６
からの出力信号は信号線１８８を経て加算点１８
６に第二の入力として与えられている。加算点１
８６からの出力信号は基準羽根角変化率信号B〓R
として線１０２上に現われる。
もし制御システムが同期発電機のオフライン状
態で作動しているならば、“０”信号が信号線３
４上に現われて、加算点１７４において“１”信
号と比較される。この加算点からの出力信号は信
号線１８０上の“１”信号となり、したがつて線
９４上の最小羽根角変化率信号B〓MNが１により乗
算される。したがつて乗算器１８２から線１８４
上に生ずる出力信号は線９４上の最小羽根角変化
率信号に正確に等しい。同時に線３４上の“０”
信号が乗算器１７６に与えられ、したがつて線１
８８上に現われる信号は“０”信号となる。した
がつて、線１０２上の出力信号は線９４上の信号
に正確に等しい。
態で作動しているならば、“０”信号が信号線３
４上に現われて、加算点１７４において“１”信
号と比較される。この加算点からの出力信号は信
号線１８０上の“１”信号となり、したがつて線
９４上の最小羽根角変化率信号B〓MNが１により乗
算される。したがつて乗算器１８２から線１８４
上に生ずる出力信号は線９４上の最小羽根角変化
率信号に正確に等しい。同時に線３４上の“０”
信号が乗算器１７６に与えられ、したがつて線１
８８上に現われる信号は“０”信号となる。した
がつて、線１０２上の出力信号は線９４上の信号
に正確に等しい。
もし同期発電機がオンライン状態にあれば、線
３４上に現われている“１”信号が加算点１７４
において線１７８上の“１”信号により相殺され
るので、線１８０を経て乗算器１８２に与えられ
る信号は“０”となり、その結果、線１８４上に
現われる信号は“０”となる。同時に、線３４上
の“１”信号が線１８８上の信号を線９８上の信
号と正確に等しくし、また線１０２上の出力信号
を線９８上のトルク羽根角変化率信号B〓Qと等し
くする。
３４上に現われている“１”信号が加算点１７４
において線１７８上の“１”信号により相殺され
るので、線１８０を経て乗算器１８２に与えられ
る信号は“０”となり、その結果、線１８４上に
現われる信号は“０”となる。同時に、線３４上
の“１”信号が線１８８上の信号を線９８上の信
号と正確に等しくし、また線１０２上の出力信号
を線９８上のトルク羽根角変化率信号B〓Qと等し
くする。
第３図に示されているような単一の共通積分回
路１０４がすべての制御モードに対して用いられ
ている。第８図には最大および最小位置停止機能
を有する変化率制限付き積分回路の好ましい実施
例がブロツク図で示されている。第８図を参照す
ると、基準羽根角変化率信号B〓Rは信号線１０２
から変化率制限回路１９０に与えられ、次いで信
号線１９２を経て加算点１９４に与えられてい
る。加算点１９４からの出力信号は信号線１９６
を経て積分回路１９８に与えられている。変化率
信号B〓Rの積分により羽根角基準信号BRが信号線
４０上に得られる。変化率制限回路１９０内の変
化率制限値は油圧式ピツチ変更ループのスリユー
レート能力と等しいかそれよりも小さい値に設定
されている。したがつて、もし羽根角基準変化率
信号B〓Rがピッチ変更機構のスリユーレート能力
よりも大きければ、変化率制限回路１９０はその
出力信号を、ピツチ変更機構のスリユーレート能
力よりも決して大きくない値に制限することにな
る。このように変化率を制限することは、積分回
路１９８の行き過ぎ（オーバートラベリング）を
防止するために重要である。もし変化率制限回路
が設けられていなければ、ピツチ変更機構のスリ
ユーレート能力を超過するB〓Rを生じ得るような
大きな乱流が積分回路に行き過ぎを生じさせるこ
とになる。すなわち、基準羽根角BRと実際羽根
角との間の誤差が大きくなる。このような場合に
は甚だしい不安定性が惹起される。変化率制限回
路はこの不安定性の生起を防止する。
路１０４がすべての制御モードに対して用いられ
ている。第８図には最大および最小位置停止機能
を有する変化率制限付き積分回路の好ましい実施
例がブロツク図で示されている。第８図を参照す
ると、基準羽根角変化率信号B〓Rは信号線１０２
から変化率制限回路１９０に与えられ、次いで信
号線１９２を経て加算点１９４に与えられてい
る。加算点１９４からの出力信号は信号線１９６
を経て積分回路１９８に与えられている。変化率
信号B〓Rの積分により羽根角基準信号BRが信号線
４０上に得られる。変化率制限回路１９０内の変
化率制限値は油圧式ピツチ変更ループのスリユー
レート能力と等しいかそれよりも小さい値に設定
されている。したがつて、もし羽根角基準変化率
信号B〓Rがピッチ変更機構のスリユーレート能力
よりも大きければ、変化率制限回路１９０はその
出力信号を、ピツチ変更機構のスリユーレート能
力よりも決して大きくない値に制限することにな
る。このように変化率を制限することは、積分回
路１９８の行き過ぎ（オーバートラベリング）を
防止するために重要である。もし変化率制限回路
が設けられていなければ、ピツチ変更機構のスリ
ユーレート能力を超過するB〓Rを生じ得るような
大きな乱流が積分回路に行き過ぎを生じさせるこ
とになる。すなわち、基準羽根角BRと実際羽根
角との間の誤差が大きくなる。このような場合に
は甚だしい不安定性が惹起される。変化率制限回
路はこの不安定性の生起を防止する。
積分回路１９８は最大および最小位置停止機能
を有する。デイジタル電子式制御システムでは、
これらの停止機能はデイジタル・ワードによつて
実行される。積分回路の最大停止はフエザあるい
は90゜位置に相当し、またその最小停止は回転翼
速度対風速比λの関数として形成された変数であ
る。再び第８図を参照すると、λは線４８上の回
転翼速度信号NRを線７６上の平均風速信号VWに
より除算する除算回路２００で計算される。除算
回路２００から信号線２０２に現われる出力信号
は速度比λである。関数発生回路２０４は線２０
２上の速度比λを受入れ、その関数として最小羽
根角信号MIN Ｂを形成して信号線２０６に与え
る。関数発生回路２０４のブロツク内に記入され
ている関数関係は最大回転翼トルクに相当する羽
根角を定めることによつて得られる。
を有する。デイジタル電子式制御システムでは、
これらの停止機能はデイジタル・ワードによつて
実行される。積分回路の最大停止はフエザあるい
は90゜位置に相当し、またその最小停止は回転翼
速度対風速比λの関数として形成された変数であ
る。再び第８図を参照すると、λは線４８上の回
転翼速度信号NRを線７６上の平均風速信号VWに
より除算する除算回路２００で計算される。除算
回路２００から信号線２０２に現われる出力信号
は速度比λである。関数発生回路２０４は線２０
２上の速度比λを受入れ、その関数として最小羽
根角信号MIN Ｂを形成して信号線２０６に与え
る。関数発生回路２０４のブロツク内に記入され
ている関数関係は最大回転翼トルクに相当する羽
根角を定めることによつて得られる。
線２０６上の最小羽根角信号は回路２１０に与
えられている。回路２１０には信号線４０上の羽
根角基準信号BRも入力として与えられている。
積分回路の最大および最小停止を実行する回路２
１０は、羽根角基準信号BRが90゜よりも大きいと
きあるいは最小羽根角よりも小さいときはいつで
も信号線２１２上に高レベルの出力信号を与え
る。回路２１０の出力信号は、羽根角が最小制限
値と最大制限値との間にあるときには零である。
信号線２１２上の高レベルの負帰還信号は加算点
１９４において線１０２上の信号と比較され、積
分回路１９８への入力を形成して、線４０上の積
分回路出力が限界値を超過するのを防止する。
えられている。回路２１０には信号線４０上の羽
根角基準信号BRも入力として与えられている。
積分回路の最大および最小停止を実行する回路２
１０は、羽根角基準信号BRが90゜よりも大きいと
きあるいは最小羽根角よりも小さいときはいつで
も信号線２１２上に高レベルの出力信号を与え
る。回路２１０の出力信号は、羽根角が最小制限
値と最大制限値との間にあるときには零である。
信号線２１２上の高レベルの負帰還信号は加算点
１９４において線１０２上の信号と比較され、積
分回路１９８への入力を形成して、線４０上の積
分回路出力が限界値を超過するのを防止する。
第８図で回路２１０のブロツク内に示されてい
る最小羽根角は線２０６を経て与えられた最小羽
根角の関数としての変数である。最小羽根角信号
の形成は低い風速における始動時のみ行われる。
高い風速における始動時には、第３図の加速制御
部８４により望まれる変化率で回転翼を加速する
のに十分な風力が存在する。この加速率はほぼ
6.5％速度／秒である。これらの条件のもとに、
加速制御部が始動過程を司どり、最小羽根角制限
は行われない。非常に低い風速における始動時に
は、所望の変化率で回転翼を加速するのに十分な
風力が存在しない。これらの条件のもとでは、最
小羽根角制限が行われ、最大の（しかし100％以
下の）加速トルクが生ぜしめられる。閉ループ加
速制御と電子式積分回路内の可変最小羽根角停止
との組合わせによつて、始動中の回転翼の失速が
防止され、また回転翼が、最大可能な変化率では
あるが、すべての風の条件下に100％の加速トル
クに相当する変化率よりも決して速くない変化率
で加速することが保証される。
る最小羽根角は線２０６を経て与えられた最小羽
根角の関数としての変数である。最小羽根角信号
の形成は低い風速における始動時のみ行われる。
高い風速における始動時には、第３図の加速制御
部８４により望まれる変化率で回転翼を加速する
のに十分な風力が存在する。この加速率はほぼ
6.5％速度／秒である。これらの条件のもとに、
加速制御部が始動過程を司どり、最小羽根角制限
は行われない。非常に低い風速における始動時に
は、所望の変化率で回転翼を加速するのに十分な
風力が存在しない。これらの条件のもとでは、最
小羽根角制限が行われ、最大の（しかし100％以
下の）加速トルクが生ぜしめられる。閉ループ加
速制御と電子式積分回路内の可変最小羽根角停止
との組合わせによつて、始動中の回転翼の失速が
防止され、また回転翼が、最大可能な変化率では
あるが、すべての風の条件下に100％の加速トル
クに相当する変化率よりも決して速くない変化率
で加速することが保証される。
風力タービン用の制御システムをその好ましい
実施例について説明してきたが、特許請求の範囲
に示されている本発明の範囲から逸脱することな
く変更が行われ得ることは明らかである。
実施例について説明してきたが、特許請求の範囲
に示されている本発明の範囲から逸脱することな
く変更が行われ得ることは明らかである。
第１図は代表的な風力タービンの構成図であ
る。第２図は羽根ピツチ角制御部を含む風力ター
ビン発電システムの構成図である。第３図は第２
図の羽根ピツチ角制御部の詳細を示すブロツク図
である。第４図は第３図の回転翼速度制御部のブ
ロツク回路図である。第５図は第３図の加速およ
び減速制御部のブロツク回路図である。第６図は
第３図の軸トルク制御部のブロツク回路図であ
る。第７図は第３図のモード選択回路のブロツク
回路図である。第８図は第３図の積分回路のブロ
ツク回路図である。 １０〜回転翼羽根、１２〜塔、１４〜ナセル、
１６〜ハブ、１８〜低速軸、２０〜歯車箱、２２
〜高速軸、２４〜同期発電機、２８〜スイツチ、
３６〜羽根ピツチ角制御部、３８〜ピツチ変更機
構、４６〜回転翼速度トランスデユーサ、５０〜
発電機速度トランスデユーサ、５４〜軸トルクト
ランスデユーサ、５８〜回転翼速度基準信号源、
６０〜回転翼加速変化率制限信号源、６２〜回転
翼減速変化率制限信号源、７０〜始動／停止スイ
ツチ、７４〜風速センサ、７８〜回転翼速度制御
部、８２〜最大値選択回路、８４〜加速制御部、
９０〜最小値選択回路、９４〜減速制御部、９６
〜モード選択回路、１００〜軸トルク制御部、１
０４〜積分回路、１１０〜乗算器、１１４〜加算
点、１１８〜補償回路、１２２〜乗算器、１２６
〜関数発生回路、１２８〜微分回路、１３２，１
３４〜加算点、１３８〜加速制御ゲイン回路、１
４２〜減速制御ゲイン回路、１４４〜関数発生回
路、１４８〜加算点、１５２〜補償回路、１５
６，１５８〜加算点、１６０〜除算回路、１６３
〜補償回路、１６８〜乗算器、１７２〜関数発生
回路、１７４〜加算点、１７６，１８２〜乗算
器、１８６〜加算点、１９０〜変化率制限回路、
１９４〜加算点、１９８〜積分回路、２００〜除
算回路、２０４〜関数発生回路、２１０〜積分停
止回路。
る。第２図は羽根ピツチ角制御部を含む風力ター
ビン発電システムの構成図である。第３図は第２
図の羽根ピツチ角制御部の詳細を示すブロツク図
である。第４図は第３図の回転翼速度制御部のブ
ロツク回路図である。第５図は第３図の加速およ
び減速制御部のブロツク回路図である。第６図は
第３図の軸トルク制御部のブロツク回路図であ
る。第７図は第３図のモード選択回路のブロツク
回路図である。第８図は第３図の積分回路のブロ
ツク回路図である。 １０〜回転翼羽根、１２〜塔、１４〜ナセル、
１６〜ハブ、１８〜低速軸、２０〜歯車箱、２２
〜高速軸、２４〜同期発電機、２８〜スイツチ、
３６〜羽根ピツチ角制御部、３８〜ピツチ変更機
構、４６〜回転翼速度トランスデユーサ、５０〜
発電機速度トランスデユーサ、５４〜軸トルクト
ランスデユーサ、５８〜回転翼速度基準信号源、
６０〜回転翼加速変化率制限信号源、６２〜回転
翼減速変化率制限信号源、７０〜始動／停止スイ
ツチ、７４〜風速センサ、７８〜回転翼速度制御
部、８２〜最大値選択回路、８４〜加速制御部、
９０〜最小値選択回路、９４〜減速制御部、９６
〜モード選択回路、１００〜軸トルク制御部、１
０４〜積分回路、１１０〜乗算器、１１４〜加算
点、１１８〜補償回路、１２２〜乗算器、１２６
〜関数発生回路、１２８〜微分回路、１３２，１
３４〜加算点、１３８〜加速制御ゲイン回路、１
４２〜減速制御ゲイン回路、１４４〜関数発生回
路、１４８〜加算点、１５２〜補償回路、１５
６，１５８〜加算点、１６０〜除算回路、１６３
〜補償回路、１６８〜乗算器、１７２〜関数発生
回路、１７４〜加算点、１７６，１８２〜乗算
器、１８６〜加算点、１９０〜変化率制限回路、
１９４〜加算点、１９８〜積分回路、２００〜除
算回路、２０４〜関数発生回路、２１０〜積分停
止回路。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 複数個のピツ角可変の回転翼羽根を有する回
転翼と該回転翼によつて駆動され交流電流負荷に
選択的に接続される発電機を含む電力発生用風力
タービンに於ける前記回転翼羽根のピツチ角を制
御する制御システムにして、 前記風力タービンの始動中前記回転翼羽根に与
えられるべきピツチ角の変化率を示す第一の信号
であつて前記回転翼の回転速度の時間による微分
に依存する第一の信号を発生する加速制御部８４
と、 前記風力タービンが始動されたが前記発電機は
未だ前記負荷に接続されていないとき前記回転翼
羽根に与えられるべきピツチ角の変化率を示す第
二の信号であつて前記回転翼の実際の回転速度と
前記回転翼の回転を前記負荷の周波数に同期させ
るための基準回転速度との間の差に依存する第二
の信号を発生する回転翼速度制御部７８と、 前記発電機が前記負荷に接続されているとき前
記回転翼羽根に与えられるべきピツチ角の変化率
を示す第三の信号であつて前記回転翼の実際の回
転速度と前記負荷の周波数との間の差に依存し前
記負荷に合せて前記回転翼の回転を制御するため
の第三の信号を発生する軸トルク制御部１００
と、 前記風力タービンを停止する際前記回転翼羽根
に与えられるべきピツチ角の変化率を示す第四の
信号であつて前記回転翼の回転速度の時間による
微分に依存する第四の信号を発生する減速制御部
９４と、 前記風力タービンの始動の初期には前記第一の
信号が選択され、前記風力タービンの始動の後期
には前記第二の信号が選択され、前記風力タービ
ンの電力発生運転中には前記第三の信号が選択さ
れ、前記風力タービンの停止過程中には前記第四
の信号が選択されるよう、前記回転翼羽根のピツ
チ制御のために前記第一〜第四の信号の何れかを
選択する選択回路８２，９０と、 前記選択回路より前記第一〜第四の信号の何れ
かを受取り、この受取つた信号を積分して前記回
転翼羽根のピツチ角の変化量を示す第五の信号を
発生する積分回路１０４と、 前記積分回路より前記第五の信号を受取り、こ
の信号に応じて前記回転翼羽根のピツチ角を変え
るピツチ変更機構３８と、 を有することを特徴とする制御システム。
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|---|---|---|---|
| US05/934,658 US4193005A (en) | 1978-08-17 | 1978-08-17 | Multi-mode control system for wind turbines |
Publications (2)
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|---|---|
| JPS5529085A JPS5529085A (en) | 1980-03-01 |
| JPS6345509B2 true JPS6345509B2 (ja) | 1988-09-09 |
Family
ID=25465874
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP10271379A Granted JPS5529085A (en) | 1978-08-17 | 1979-08-10 | Multiimode control system for windddriven turbine |
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|---|---|
| US (1) | US4193005A (ja) |
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