JPWO2012124023A1 - 翼ピッチ制御装置、風力発電装置、及び翼ピッチ制御方法 - Google Patents

Abstract

風力発電装置（１０）は、複数の翼（２０）が回動可能に連結されているロータの回転により発電し、翼（２０）のピッチ角の変化量を示すピッチ角指令値を出力するピッチ角制御部（６２）と、ピッチ角制御部（６２）から出力されたピッチ角指令値に基づいて、翼（２０）のピッチ角を変化させる油圧シリンダ（４８）と、翼根荷重を計測する荷重計測部（６６）を備える。そして、ピッチ角制御部（６２）は、風力発電装置（１０）が受ける風が偏った風速分布であることを示す設定値が予め設定されており、算出したピッチ角指令値が設定値を超える場合にのみ、ピッチ指令制限値を超えてピッチ角指令値を出力する。従って、風力発電装置（１０）は、翼（２０）のピッチ角の駆動装置に通常の風速やそれによって生じる風速分布においては必要以上の負荷をかけることなく、かつ強い風を受けた場合に生じる風速分布に対しても翼根荷重を十分に低減させることができる。

Description

本発明は、翼ピッチ制御装置、風力発電装置、及び翼ピッチ制御方法に関するものである。

風力発電装置は、風速分布(ウィンドシア)や風向を考慮した翼のピッチ動作によって、機器保護のために、翼の付け根に生じる荷重（例えば翼根荷重やモーメント）を低減させたり、該荷重の変動を低減させるために、複数ある翼のピッチ角を独立して制御する独立ピッチ制御が可能とされている機種がある。

ここで、翼のピッチ角を制御するためのピッチ角指令値には、制限が設けられており、特許文献１には、風力発電装置に、発電機の定格出力とロータの定格回転数に対する出力設定値と回転数設定値の大小関係に基づいて、ピッチ角指令値の設定範囲に制限するリミッタを設けることが記載されている。

特開２００２−３３９８５５号公報

このため、独立ピッチ制御を行う場合であっても、ピッチ角指令値に設けられている制限値の範囲内でなければピッチ角を変化させることができない。そのため、例えば、風力発電装置の水平方向や垂直方向に極端なウィンドシア（例えば５０年に一度吹くと想定される極端なウィンドシア)をかける計算において、上記制限値の範囲内のピッチ角の変化では、荷重を低減できないという結果となる場合があった。
なお、ピッチ指令制限値の幅を広くすると、翼のピッチが、広くなった変動幅で常時駆動することとなり、ピッチ角の駆動装置に必要以上の負荷がかかる可能性があり好ましくない。特に、作動油の圧力によってピッチ角を制御する場合は、作動油の温度に許容値を超える過剰な上昇を生じさせる場合がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、翼のピッチ角の駆動装置に通常の風速やそれによって生じる風速分布においては必要以上の負荷をかけることなく、かつ強い風を受けた場合に生じる風速分布に対しても翼に生じる荷重を十分に低減させることができる、翼ピッチ制御装置、風力発電装置、及び翼ピッチ制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の翼ピッチ制御装置、風力発電装置、及び翼ピッチ制御方法は以下の手段を採用する。

すなわち、本発明に係る翼ピッチ制御装置は、各々独立してピッチ角が制御可能とされている複数の翼が連結されているロータの回転により発電する風力発電装置の翼ピッチ制御装置であって、前記ピッチ角の変化量を示す指令値を出力するピッチ角制御手段と、前記ピッチ角制御手段から出力された前記指令値に基づいて、前記ピッチ角を変化させるアクチュエータと、前記翼に生じる荷重を計測する計測手段と、を備え、前記ピッチ角制御手段は、前記風力発電装置が受ける風が偏った風速分布であることを示す設定値が予め設定されており、前記計測手段によって計測された前記荷重又は前記荷重に基づいた値が前記設定値内の場合、所定の制限値内で該荷重に応じた前記指令値を出力し、前記荷重又は前記荷重に基づいた値が前記設定値を超える場合にのみ、該制限値を超えて該荷重に応じた前記指令値を出力する。

本発明によれば、風力発電装置は、各々独立してピッチ角が制御可能とされている複数の翼が連結されているロータの回転により発電する。そして、風力発電装置は、翼のピッチ角の変化量を示す指令値を出力するピッチ角制御手段と、ピッチ角制御手段から出力された該指令値に基づいて、翼のピッチ角を変化させるアクチュエータと、翼に生じる荷重を計測する計測手段と、を備える。

計測手段が測定する翼に生じる荷重は、例えば、翼の付け根に生じる翼根荷重やモーメントである。なお、翼は、風を受けることで翼の付け根に荷重が生じることとなるので、機器保護のために該荷重を低減させる必要がある。なお、保護すべき機器とは、例えば、ナセル台板、前部フレーム、及び翼等である。
また、ピッチ角の変化量を示す指令値には、ピッチ角の駆動装置に必要以上の負荷がかかることを防ぐために、制限値が設けられている。

そこで、ピッチ角制御手段は、風力発電装置が受ける風が偏った風速分布であることを示す設定値が予め設定されており、計測手段によって計測された荷重又は荷重に基づいた値が設定値内の場合、所定の制限値内で該荷重に応じた前記指令値を出力し、荷重又は荷重に基づいた値が設定値を超える場合にのみ、該制限値を超えて該荷重に応じた指令値を出力する。

なお、荷重に基づいた値とは、例えば風力発電装置が翼を３つ備えている場合に荷重を３軸から２軸へ座標変換した値、及び荷重に基づいてピッチ角制御手段が算出した指令値、異なる翼における荷重の差等である。このため、設定値は、荷重、荷重を座標変換した値、荷重に基づいてピッチ角制御手段が算出した指令値、及び異なる翼における荷重の差等に応じて異なる値となる。
これにより、本発明はピッチ角の変化量に制限値を設けたままで、翼のピッチ角の駆動装置に通常の風速（例えば定格風速）以下やそれによって生じる風速分布においてはでは必要以上の負荷をかけることなく、かつ強い風（例えば定格風速よりも強い風）を受けた場合に生じる風速分布に対しても翼に生じる荷重を十分に低減させることができる。

上記構成は、前記ピッチ角制御手段が、前記計測手段によって計測された前記荷重又は前記荷重に基づいた値が前記設定値を超える場合にのみ、前記制限値を緩和させることによって、前記制限値を超えた前記指令値を出力することが好ましい。

これにより、翼のピッチ角の駆動装置に必要以上の負荷をかけることなく、かつ強い風を受けた場合に生じる風速分布に対しても翼に生じる荷重を十分に、容易に低減させることができる。

上記構成は、前記ピッチ角制御手段が、前記計測手段によって計測された前記荷重又は前記荷重に基づいた値が前記設定値を超える場合にのみ、該荷重又は該荷重に基づいた値に応じたゲインを前記指令値に積算することによって、前記制限値を超えた前記指令値を出力することが好ましい。

上記構成は、前記ピッチ角制御手段が、前記計測手段によって計測された前記荷重又は前記荷重に基づいた値が前記設定値を超える場合にのみ、該荷重又は該荷重に基づいた値と該設定値との差に応じた前記ピッチ角の変化量の増分を前記指令値に加算することによって、前記制限値を超えた前記指令値を出力することが好ましい。

上記構成は、前記アクチュエータを、油圧で前記ピッチ角を変化させるアクチュエータとする。

この場合、アクチュエータが油圧で作動する場合であっても、翼に生じる荷重が設定値を超える場合にのみ、制限値を超えてピッチ角の変化量を示す指令値を出力させるので、作動油の温度上昇を招くことなく、かつ強い風を受けた場合に生じる風速分布に対しても翼に生じる荷重を十分に低減させることができる。

また、本発明に係る風力発電装置は、各々独立してピッチ角が制御可能とされている複数の翼と、上記記載の翼ピッチ制御装置と、を備える。

また、本発明に係る翼ピッチ制御方法は、各々独立して複数の翼が連結されているロータの回転により発電し、前記ピッチ角の変化量を示す指令値を出力するピッチ角制御手段と、前記ピッチ角制御手段から出力された前記指令値に基づいて、前記ピッチ角を変化させるアクチュエータと、前記翼に生じる荷重を計測する計測手段と、を備えた風力発電装置の翼ピッチ制御方法であって、前記風力発電装置が受ける風が偏った風速分布であることを示す設定値が予め設定されており、前記計測手段によって計測された前記荷重又は前記荷重に基づいた値が前記設定値内の場合、所定の制限値内で該荷重に応じた前記指令値を出力し、前記荷重又は前記荷重に基づいた値が前記設定値を超える場合にのみ、該制限値を超えて該荷重に応じた前記指令値を出力する。

本発明によれば、翼のピッチ角の駆動装置に通常の風速やそれによって生じる風速分布においては必要以上の負荷をかけることなく、かつ強い風を受けた場合に生じる風速分布に対しても翼に生じる荷重を十分に低減させることができる、という優れた効果を有する。

本発明の第１実施形態に係る風力発電装置の外観図である。 本発明の第１実施形態に係る翼のピッチ角の制御に係る構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態に係る風力発電装置に対する静止座標系のｄ軸及びｑ軸の定義を示す模式図である。 本発明の第１実施形態に係る風力発電装置が受ける風の種々の状態を示した模式図であり、（Ａ）はプラスのｄ軸荷重が生じる場合の風力発電装置に対する風の分布を示し、（Ｂ）はマイナスのｄ軸荷重が生じる場合の風力発電装置に対する風の分布を示し、（Ｃ）はプラスのｑ軸荷重が生じる場合の風力発電装置に対する風の分布を示す。 本発明の第１実施形態に係るピッチ角制御部の電気的構成を示すブロック図である。 （Ａ)は従来の独立ピッチ制御を実行した場合における３軸の翼根荷重の時間変化を示し、（Ｂ)は第１実施形態に係る独立ピッチ制御を実行した場合における３軸の翼根荷重の時間変化を示す。 （Ａ)は従来の独立ピッチ制御を実行した場合におけるｄ軸及びｑ軸のピッチ角指令値を示し、（Ｂ)は第１実施形態に係る独立ピッチ制御を実行した場合におけるｄ軸及びｑ軸のピッチ角指令値を示す。 （Ａ)は従来の独立ピッチ制御を実行した場合における３軸のピッチ角指令値を示し、（Ｂ)は第１実施形態に係る独立ピッチ制御を実行した場合における３軸のピッチ角指令値を示す。 本発明の第２実施形態に係るピッチ角制御部の電気的構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態に係るピッチ角指令値に応じたゲインを示すグラフである。 本発明の第３実施形態に係るピッチ角制御部の電気的構成を示すブロック図である。

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態について説明する。
図１は、本第１実施形態に係る風力発電装置１０の外観図である。
図１に示す風力発電装置１０は、基礎１２上に立設される支柱１４と、支柱１４の上端に設置されるナセル１６と、略水平な軸線周りに回転可能にしてナセル１６に設けられるロータ１８とを有している。

ロータ１８には、その回転軸線周りに放射状にして複数枚（本第１実施形態では３枚）の翼２０がロータ１８に取り付けられている。これにより、ロータ１８の回転軸線方向から翼２０に当たった風の力が、ロータ１８を回転軸線周りに回転させる動力に変換され、該動力が発電機（不図示）によって電力に変換される。なお、翼２０は、風向きに対して回動可能にロータ１８に連結されており、翼２０のピッチ角が各々独立して制御可能とされている。

図２は、本第１実施形態に係る翼２０のピッチ角の制御に係る構成を示すブロック図である。なお、本第１実施形態に係る風力発電装置１０は、翼２０のピッチ角を個別に制御するために一例として油圧が用いられる。

ナセル１６は、オイルタンク４２及び油圧ポンプ４４を備えている。ロータ１８は、各翼２０のピッチ角を独立して制御可能なように、各翼２０に対応した電磁比例方向流量制御弁４６及び油圧シリンダ４８を備えている。そして、オイルタンク４２、油圧ポンプ４４、電磁比例方向流量制御弁４６、及び油圧シリンダ４８は、油圧配管５０によって接続されている。

オイルタンク４２には、作動油が貯蔵されている。作動油は、油圧ポンプ４４によって、吸引及び昇圧され、油圧配管５０を通って回転継手５２及び分配ブロック５４を介して、各翼２０毎に設けられた電磁比例方向流量制御弁４６及び油圧シリンダ４８へ供給される。

回転継手５２は、ナセル１６（固定部）側の油圧配管５０とロータ１８（回転部）側の油圧配管５０を繋ぎ、分配ブロック５４は、各電磁比例方向流量制御弁４６へ作動油を分配する。

また、風力発電装置１０は、風力発電装置１０の全体の制御を司る主制御部６０を備える。主制御部６０は、翼２０毎のピッチ角を制御するためにピッチ角指令値を生成するピッチ角制御部６２、及び発電機の出力を制御するための出力指令値を生成する発電機出力制御部６４を備える。なお、例えば、ピッチ角制御部６２はロータ１８内に設けられ、発電機出力制御部６４はナセル１６内に設けられる。

電磁比例方向流量制御弁４６には、対応する翼２０に応じたピッチ角指令値がピッチ角制御部６２から送信される。そして、電磁比例方向流量制御弁４６は、受信したピッチ角指令値に応じて翼２０のピッチ角を変化させるために、油圧シリンダ４８へ供給する作動油の流量を制御する。

油圧シリンダ４８は、翼２０に連結され、駆動することによって翼２０のピッチ角を変化させる。油圧シリンダ４８に供給された作動油は、電磁比例方向流量制御弁４６が設定した油圧流路及び流量に応じてピストンを左右何れか一方に押圧する。この結果、油圧シリンダ４８のピストンロッド４９に連結された翼２０は、ピストンの移動方向に応じて回動し、ピッチ角指令値に応じたピッチ角に制御される。

また、本第１実施形態に係る風力発電装置１０は、各翼２０に生じる荷重（一例として翼２０の付け根に生じる荷重、以下、「翼根荷重」という。）の大きさを計測する荷重計測部６６（例えば光ファイバセンサを用いた歪み計測による荷重計測を行う手段）が備えられている。荷重計測部６６で計測された各翼２０毎の翼根荷重は、ピッチ角制御部６２へ送信される。ピッチ角制御部６２は、後述するように、受信した各翼２０毎の翼根荷重を用いて、ピッチ角指令値を生成する。

なお、本第１実施形態に係る風力発電装置１０は、独立ピッチ制御が可能とされている。独立ピッチ制御とは、風力発電装置１０に対するロータ面全体の風速分布(ウィンドシア)や風向を考慮した翼２０のピッチ動作により、翼根荷重や翼根荷重の変動を低減させる制御である。

ここで、風速分布は、対数法則によって表わされ、一般的に地上より上空の風速が速い。そのため、回転している翼２０に生じる翼根荷重は、ロータ１８が１回転する間の回転位置によって周期的に変化し、翼２０には、風力発電装置１０の頂点を通過する時に最も大きな翼根荷重が生じる。

また、ロータ面全体は均一な風速を受けず、風向によっても各翼２０に生じる翼根荷重は変化する。そこで、荷重計測部６６によって計測された３つの各翼２０の翼根荷重を回転座標系から静止座標系、さらには３軸から２軸へ変換することによって、図３に示すように風力発電装置１０のロータ面全体が受ける風のエネルギーが、静止座標系の２軸(ｄ軸及びｑ軸)で表される。なお、ｄ軸及びｑ軸とは、翼２０の回転軸に垂直な平面を示す軸であり、例えば、支柱１４と略平行な軸をｄ軸とし、ｄ軸に対して垂直な軸をｑ軸とする。

そして、本第１実施形態に係る風力発電装置１０では、独立ピッチ制御によって翼根荷重を低減させる各翼２０別々のピッチ角指令値を生成する。
なお、独立ピッチ制御によって生成するピッチ角指令値には上限値及び下限値（以下、「ピッチ指令制限値」という。）が設定されている。このピッチ指令制限値は、発電機の出力やコレクティブピッチ角（ロータ１８の回転を定格回転に保つために、各翼２０のピッチ角を同時に同量変えるためのピッチ角）に応じて変化する。

図４は、風力発電装置１０が受ける対数法則に則った風の種々の状態を示している。なお、図４において、矢印で示される風速は、矢印の長さが長いほど風速が速いことを示している。

図４（Ａ）は、プラスのｄ軸荷重（ｄ軸を中心軸とした矢印の向き、すなわち、水平方向に時計回り、具体的には風力発電装置１０を後ろ向きに倒そうとする方向）が生じる場合の風力発電装置１０に対する風の分布を示している。また、図４（Ｂ）は、マイナスのｄ軸荷重（ｄ軸を中心軸とした矢印とは逆の向き、具体的には風力発電装置１０を前のめりに倒そうとする方向）が生じる場合の風力発電装置１０に対する風の分布を示している。

さらに、図４（Ｃ）は、プラスのｑ軸荷重（ｑ軸を中心軸とした矢印の向き、すなわち、垂直方向に対して時計回り）が生じる場合の風力発電装置１０に対する風の分布を示している。

なお、ｄ軸荷重は、風速の対数法則によりプラス側に生じる傾向があり、ｑ軸荷重は、ロータ１８の取り付け位置等によりマイナス側に生じる傾向がある。

そして、ピッチ指令制限値は、ｄ軸荷重及びｑ軸荷重の上記傾向を加味して設定され、例えば、d軸荷重のプラス方向、d軸荷重のマイナス方向、ｑ軸荷重のプラス方向、及びｑ軸荷重のマイナス方向で全て異なってもよいし、各軸のマイナス方向及びプラス方向で同じとされるが、ｄ軸とｑ軸とでは異なってもよい。

しかしながら、風力発電装置１０の水平方向や垂直方向に極端なウィンドシアがかかる場合において、風力発電装置１０が、独立ピッチ制御を行ったとしてもピッチ指令制限値により、ピッチ角指令値の大きさが制限され、十分な荷重低減効果が得られない場合がある。
そこで、十分な荷重低減効果を得るために、ピッチ指令制限値の幅を広くすると、翼２０のピッチが、広くなった変動幅で常時駆動することとなり、ピッチ角の駆動装置に必要以上の負荷がかかる可能性があり好ましくない。特に、本第１実施形態に係る風力発電装置１０のように、作動油の圧力によってピッチ角を制御する場合は、作動油の温度に許容値を超える過剰な上昇が生じる場合がある。

そこで、本第１実施形態に係るピッチ角制御部６２は、独立ピッチ制御を行う場合であって、翼根荷重が予め設定された設定値内の場合、ピッチ指令制限値内で翼根荷重に応じたピッチ角指令値を出力し、翼根荷重が上記設定値を超える場合にのみ、ピッチ指令制限値を超えて翼根荷重に応じたピッチ角指令値を出力する。

図５は、第１実施形態に係るピッチ角制御部６２の電気的構成を示すブロック図である。

ピッチ角制御部６２は、３軸−２軸変換部７０、ピッチ角指令値演算部７２、ピッチ角制限部７８、及び２軸−３軸変換部８０を備える。

３軸−２軸変換部７０は、荷重計測部６６で計測された各翼２０毎の翼根荷重（翼根荷重Ａ，Ｂ，Ｃ）が入力され、該翼根荷重Ａ，Ｂ，Ｃを、上述したｄ軸及びｑ軸で示される静止座標系におけるｄ軸荷重及びｑ軸荷重へ変換する。

３軸−２軸変換部７０による変換後のｄ軸荷重及びｑ軸荷重は、ピッチ角指令値演算部７２へ各々出力される。

ピッチ角指令値演算部７２は、入力されたｄ軸荷重又はｑ軸荷重に基づいて、翼根荷重を低減するための制御アルゴリズム（例えばＰＩ制御）によって、ｄ軸荷重又はｑ軸荷重毎のピッチ角指令値を生成する。

ピッチ角制限部７８は、ピッチ角指令値演算部７２から入力されたピッチ角指令値を入力されたピッチ指令制限値で制限し、２軸−３軸変換部８０へ出力する。

ここで、ピッチ指令制限値は、予め定められたピッチ角変化幅を基準として、発電機の出力に基づいたピッチ指令制限値を算出する制限値算出部８２Ａ、及びコレクティブピッチ角に基づいたピッチ指令制限値を算出する制限値算出部８２Ｂによって決定される。
そして、制限値算出部８２Ａ，８２Ｂによって決定されたピッチ指令制限値は、ピッチ角制限部７８へ出力される。

なお、上述したようにピッチ指令制限値には、上限値と下限値とが定められることとなるが、上限値とは、ｄ軸及びｑ軸のプラス方向にピッチ角を変化させる場合の最大値をいう。一方、下限値とは、ｄ軸及びｑ軸のマイナス方向にピッチ角を変化させる場合の最大値をいう。

２軸−３軸変換部８０は、入力されたピッチ角指令値を各翼２０に対応したピッチ角指令値Ａ，Ｂ，Ｃへ変換し、出力する。

そして、ピッチ角制御部６２は、ｄ軸荷重及びｑ軸荷重に基づいて算出されたピッチ角指令値Ａ，Ｂ，Ｃを対応する電磁比例方向流量制御弁４６へ各々出力する。

さらに、本第１実施形態に係るピッチ角制御部６２は、ピッチ指令制限値を超えて翼根荷重に応じたピッチ角指令値を出力するために、最大値緩和部８４及び最小値緩和部８６を備える。なお、最大値緩和部８４及び最小値緩和部８６には、風力発電装置１０が受ける風が偏った風速分布であることを示す設定値が予め設定されている。

最大値緩和部８４及び最小値緩和部８６には、ピッチ角指令値演算部７２で生成されたピッチ角指令値が入力される。最大値緩和部８４及び最小値緩和部８６は、入力されたピッチ角指令値が上記設定値内であるか否かを判定する。
そして、最大値緩和部８４及び最小値緩和部８６は、ピッチ角指令値が設定値を超えている場合にのみ、制限値算出部８２Ｂから入力されたピッチ角制限値を緩和する。すなわち、最大値緩和部８４は、ピッチ角指令値がプラスの設定値を超えている場合にのみ、ピッチ角制限値の上限値を緩和し、最小値緩和部８６は、ピッチ角指令値がマイナスの設定値を超えている場合に、ピッチ角制限値の下限値を緩和する。設定値は、ｄ軸のプラス方向、ｄ軸のマイナス方向、ｑ軸のプラス方向、及びｑ軸のマイナス方向で各々異なっていてもよし、全て又は一部が同一であってもよい。

なお、ピッチ角制限値の緩和は、ピッチ角制限値に上限値及び下限値を設けない、すなわち、ピッチ角指令値に制限を設けないこと、又は、ピッチ角制限値の上限値及び下限値を予め定められた他の上限値及び下限値に広げることをいう。

次に、従来の独立ピッチ制御によってピッチ角指令値を生成する場合、及び本第１実施形態に係る独立ピッチ制御によってピッチ角指令値を生成する場合についての、シミュレーションにより得られた結果を説明する。

図６（Ａ)は従来の独立ピッチ制御を実行した場合における３軸の翼根荷重Ａ，Ｂ，Ｃの時間変化を示し、図６（Ｂ)は本第１実施形態に係る独立ピッチ制御を実行した場合における３軸の翼根荷重Ａ，Ｂ，Ｃの時間変化を示す。図６（Ａ)，（Ｂ）共に、約７〜１５秒の間において、翼根荷重Ａ，Ｂ，Ｃが大きくなっている。

図７（Ａ），（Ｂ）は、図６（Ａ)，（Ｂ）に示す翼根荷重の時間変化に対応しており、２軸（ｄ軸及びｑ軸）に変換された翼根荷重、並びにｄ軸及びｑ軸のピッチ角指令値を示す。

図７（Ａ)に示す従来の独立ピッチ制御では、ｑ軸の翼根荷重が過大となることに伴い、算出されたｑ軸のピッチ角指令値が、ピッチ指令制限値を超える場合が生じている。そして、ピッチ指令制限値を超えたピッチ角指令値は、ピッチ指令制限値の上限値で制限されている（約７〜１６秒の間）。
一方、図７（Ｂ)に示す本第１実施形態に係る独立ピッチ制御では、ｑ軸の翼根荷重が過大となり、ピッチ角指令値が設定値を超えた場合にのみ（約９〜１３秒の間）、ピッチ指令制限値を超えたピッチ角指令値が出力されている。そして、ｑ軸のピッチ角指令値が設定値を超えなくなると、再び、ピッチ角指令値は、ピッチ指令制限値によって制限されている。

図８（Ａ），（Ｂ）は、図７（Ａ)，（Ｂ）に示すｄ軸及びｑ軸のピッチ角指令値に基づいて算出された３軸のピッチ角指令値Ａ，Ｂ，Ｃを示す。図８（Ａ)は従来の独立ピッチ制御を実行した場合における３軸のピッチ角指令値Ａ，Ｂ，Ｃを示し、図８（Ｂ)は本第１実施形態に係る独立ピッチ制御を実行した場合における３軸のピッチ角指令値Ａ，Ｂ，Ｃを示す。
そして、図８（Ｂ）に示すように、本第１実施形態に係る独立ピッチ制御を実行した場合におけるピッチ角指令値Ａ，Ｂ，Ｃの方が、図８（Ａ）に示す従来の独立ピッチ制御を実行した場合におけるピッチ角指令値Ａ，Ｂ，Ｃに比べて大きな角度となっている。

これにより、本第１実施形態に係る風力発電装置１０は、従来の風力発電装置では低減することができなかった、風速分布についても補償できるようになった。

以上説明したように、本第１実施形態に係る風力発電装置１０は、ピッチ角が制御可能とされている複数の翼２０が連結されているロータ１８の回転により発電し、翼２０のピッチ角の変化量を示すピッチ角指令値を出力するピッチ角制御部６２と、ピッチ角制御部６２から出力されたピッチ角指令値に基づいて、翼２０のピッチ角を変化させる油圧シリンダ４８と、翼根荷重を計測する荷重計測部６６とを備える。そして、ピッチ角制御部６２は、風力発電装置１０が受ける風が偏った風速分布であることを示す設定値が予め設定されており、算出したピッチ角指令値が設定値内の場合、ピッチ指令制限値内でピッチ角指令値を出力し、算出したピッチ角指令値が設定値を超える場合にのみ、ピッチ指令制限値を超えて翼根荷重に応じたピッチ角指令値を出力する。

これにより、本第１実施形態に係る風力発電装置１０は、翼２０のピッチ角の駆動装置に通常の風速やそれによって生じる風速分布においては必要以上の負荷をかけることなく、かつ強い風を受けた場合に生じる風速分布に対しても翼根荷重を十分に低減させることができる。

また、本第１実施形態に係る風力発電装置１０は、ピッチ角指令値が設定値を超える場合にのみ、ピッチ指令制限値を緩和させる。

さらに、本第１実施形態に係る風力発電装置１０は、油圧でピッチ角を変化させるが、翼根荷重が設定値を超える場合にのみ、ピッチ指令制限値を超えてピッチ角指令値を出力させるので、作動油の温度上昇を招くことなく、かつ強い風を受けた場合に生じる風速分布に対しても翼根荷重を十分に低減させることができる。

なお、本第１実施形態に係るピッチ角制御部６２は、作動油の温度を検知し、独立ピッチ制御を行っている場合であって、作動油の温度が所定値を超えた場合に、ピッチ指令制限値を緩和させることを停止してもよい。

〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態について説明する。

なお、本第２実施形態に係る風力発電装置１０の構成は、図１，２に示す第１実施形態に係る風力発電装置１０の構成と同様であるので説明を省略する。

そして、本第２実施形態に係る風力発電装置１０は、ピッチ各指令値演算部７２で生成されたピッチ角指令値が設定値を超える場合にのみ、生成されたピッチ角指令値に応じたゲインをピッチ角制限部７８で制限されたピッチ角指令値に積算することによって、ピッチ指令制限値を超えたピッチ角指令値を出力する。

図９は、本第２実施形態に係るピッチ角制御部６２の電気的構成を示すブロック図である。なお、図９における図５と同一の構成部分については図５と同一の符号を付して、その説明を省略する。

本第２実施形態に係るピッチ角制御部６２は、ピッチ角指令値演算部７２で生成されたピッチ角指令値が入力されるゲイン出力部９０を備える。なお、本第２実施形態に係るピッチ角制御部６２は、第１実施形態に係るピッチ角制御部６２が備えていた最大値緩和部８４及び最小値緩和部８６を備えない。

ゲイン出力部９０は、風力発電装置１０が受ける風が偏った風速分布であることを示す設定値が予め設定されている。そしてゲイン出力部９０は、入力されたピッチ角指令値が上記設定値よりも大きい場合に、図１０に示すようにピッチ角指令値に応じたゲインを出力する。なお、ゲイン出力部９０は、一例として、設定値を第１閾値とし、ピッチ角指令値が設定値を超えると、ピッチ角指令値に応じた１以上の値をゲインとして出力するが、ピッチ角指令値が第２閾値を超えると、ゲインをピッチ角指令値に応じて増加させることなく、一定（図１０の例では２）とする。
また、図１０に示すようなピッチ角指令値に応じたゲインは、例えば、ルックアップテーブルの形式で予め定められてもよいし、予め定められた演算式によってピッチ角指令値に応じて算出されてもよい。

そして、ゲイン出力部９０は、ピッチ角制限部７８へゲインを出力する。ピッチ角制限部７８は、ゲイン出力部９０からのゲインが入力されると、ピッチ角指令値をピッチ指令制限値で制限することなく、該ピッチ角指令値を入力されたゲインで乗算し、その結果を２軸−３軸変換部８０へ出力する。

従って、本第２実施形態に係る風力発電装置１０は、翼２０のピッチ角の駆動装置に必要以上の負荷をかけることなく、強い風を受けた場合でも翼２０に生じる翼根荷重を、容易に低減させることができる。

〔第３実施形態〕
以下、本発明の第３実施形態について説明する。

なお、本第３実施形態に係る風力発電装置１０の構成は、図１，２に示す第１実施形態に係る風力発電装置１０の構成と同様であるので説明を省略する。

そして、本第３実施形態に係る風力発電装置１０は、ピッチ角指令値が設定値を超える場合にのみ、ピッチ角指令値と設定値との差に応じたピッチ角の変化量の増分をピッチ角指令値に加算することによって、ピッチ指令制限値を超えたピッチ角指令値を出力する。

図１１は、本第３実施形態に係るピッチ角制御部６２の電気的構成を示すブロック図である。なお、図１１における図５と同一の構成部分については図５と同一の符号を付して、その説明を省略する。

本第３実施形態に係るピッチ角制御部６２は、ピッチ角指令値演算部７２で生成されたピッチ角指令値が入力される増分算出部９２、及びピッチ角制限部７８と２軸−３軸変換部８０との間に加算器９４を備える。なお、本第３実施形態に係るピッチ角制御部６２は、第１実施形態に係るピッチ角制御部６２が備えていた最大値緩和部８４及び最小値緩和部８６を備えない。

増分算出部９２は、風力発電装置１０が受ける風が偏った風速分布であることを示す設定値が予め設定されている。そして、増分算出部９２は、入力されたピッチ角指令値が上記設定値よりも大きい場合に、該ピッチ角指令値と該設定値との差分である増分値を算出し、該増分値を加算器９４へ出力する。

加算器９４は、ピッチ角制限部７８から入力されたピッチ角指令値に、増分算出部９２から入力された増分値を加算する。そして、加算器は、加算したピッチ角指令値を２軸−３軸変換部８０へ出力する。

すなわち、本第３実施形態に係るピッチ角制御部６２は、ピッチ角指令値演算部７２で生成されたピッチ角指令値をピッチ角制限部７８で制限するものの、ピッチ角指令値が設定値を超える場合に、増分算出部９２で増分値を算出しピッチ角制限部７８で制限されたピッチ角指令値に加算する。このため、本第３実施形態に係るピッチ角制御部６２は、ピッチ角指令値が設定値を超える場合にのみ、ピッチ指令制限値を超えて翼根荷重に応じたピッチ角指令値を出力することとなる。

従って、本第３実施形態に係る風力発電装置１０は、翼２０のピッチ角の駆動装置に必要以上の負荷をかけることなく、強い風を受けた場合でも翼に生じる翼根荷重を、容易に低減させることができる。

以上、本発明を、上記各実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記各実施形態に多様な変更または改良を加えることができ、該変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

例えば、上記各実施形態では、翼２０の付け根に生じる荷重として翼根荷重を計測し、該翼根荷重を３軸から２軸に変換し、ピッチ角指令値を算出する形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。例えば、翼２０の付け根に生じる荷重としてモーメントを計測し、該モーメントを３軸から２軸に変換し、ピッチ角指令値を算出する形態としてもよいし、翼根に生じる荷重又はモーメントを計測によってではなく、ロータ１８の回転数、発電機のトルク、及び翼２０のピッチ角から推定する形態としてもよい。

また、上記各実施形態では、ピッチ角指令値演算部７２によって生成したピッチ角指令値が、風力発電装置１０が受ける風が偏った風速分布であることを示す設定値を超える場合に、制限値を超えたピッチ角指令値を出力する形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。
例えば、測定した翼根荷重そのものが、翼根荷重に対応して設定された設定値を超える場合に、制限値を超えたピッチ角指令値を出力してもよい。また、異なる翼２０における翼根荷重の差が、該差に対応して設定された設定値を超える場合に、制限値を超えたピッチ角指令値を出力してもよい。

また、上記各実施形態では、翼根荷重を３軸から２軸に変換し、ピッチ角指令値を算出する形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、翼根荷重を２軸に変換することなく、３軸としたままでピッチ角指令値を算出する形態としてもよい。

また、上記各実施形態では、翼２０のピッチ角を変化させるアクチュエータとして油圧シリンダを用いる形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、翼２０のピッチ角を変化させるアクチュエータとして電気モータを用いる形態としてもよい。

１０ 風力発電装置
２０ 翼
４８ 油圧シリンダ
６２ ピッチ角制御部
６６ 荷重計測部
８４ 最大値緩和部
８６ 最小値緩和部
９０ ゲイン出力部
９２ 増分算出部

また、ロータ面全体は均一な風速を受けず、風向によっても各翼２０に生じる翼根荷重は変化する。そこで、荷重計測部６６によって計測された３つの各翼２０の翼根荷重を回転座標系から静止座標系、さらには３軸から２軸へ変換することによって、図３に示すように風力発電装置１０のロータ面全体が受ける風のエネルギーが、静止座標系の２軸(ｄ軸及びｑ軸)で表される。なお、ｄ軸及びｑ軸とは、翼２０の回転軸に垂直な平面を示す軸であり、例えば、支柱１４と略平行な軸をｑ軸とし、ｑ軸に対して垂直な軸をｄ軸とする。

最大値緩和部８４及び最小値緩和部８６には、ピッチ角指令値演算部７２で生成されたピッチ角指令値が入力される。最大値緩和部８４及び最小値緩和部８６は、入力されたピッチ角指令値が上記設定値内であるか否かを判定する。
そして、最大値緩和部８４及び最小値緩和部８６は、ピッチ角指令値が設定値を超えている場合にのみ、制限値算出部８２Ｂから入力されたピッチ指令制限値を緩和する。すなわち、最大値緩和部８４は、ピッチ角指令値がプラスの設定値を超えている場合にのみ、ピッチ指令制限値の上限値を緩和し、最小値緩和部８６は、ピッチ角指令値がマイナスの設定値を超えている場合に、ピッチ指令制限値の下限値を緩和する。設定値は、ｄ軸のプラス方向、ｄ軸のマイナス方向、ｑ軸のプラス方向、及びｑ軸のマイナス方向で各々異なっていてもよし、全て又は一部が同一であってもよい。

なお、ピッチ指令制限値の緩和は、ピッチ指令制限値に上限値及び下限値を設けない、すなわち、ピッチ角指令値に制限を設けないこと、又は、ピッチ指令制限値の上限値及び下限値を予め定められた他の上限値及び下限値に広げることをいう。

加算器９４は、ピッチ角制限部７８から入力されたピッチ角指令値に、増分算出部９２から入力された増分値を加算する。そして、加算器９４は、加算したピッチ角指令値を２軸−３軸変換部８０へ出力する。

Claims (7)

1. 各々独立してピッチ角が制御可能とされている複数の翼が連結されているロータの回転により発電する風力発電装置の翼ピッチ制御装置であって、
   前記ピッチ角の変化量を示す指令値を出力するピッチ角制御手段と、
   前記ピッチ角制御手段から出力された前記指令値に基づいて、前記ピッチ角を変化させるアクチュエータと、
   前記翼に生じる荷重を計測する計測手段と、
   を備え、
   前記ピッチ角制御手段は、前記風力発電装置が受ける風が偏った風速分布であることを示す設定値が予め設定されており、前記計測手段によって計測された前記荷重又は前記荷重に基づいた値が前記設定値内の場合、所定の制限値内で該荷重に応じた前記指令値を出力し、前記荷重又は前記荷重に基づいた値が前記設定値を超える場合にのみ、該制限値を超えて該荷重に応じた前記指令値を出力する翼ピッチ制御装置。
2. 前記ピッチ角制御手段は、前記計測手段によって計測された前記荷重又は前記荷重に基づいた値が前記設定値を超える場合にのみ、前記制限値を緩和させることによって、前記制限値を超えた前記指令値を出力する請求項１記載の翼ピッチ制御装置。
3. 前記ピッチ角制御手段は、前記計測手段によって計測された前記荷重又は前記荷重に基づいた値が前記設定値を超える場合にのみ、該荷重又は該荷重に基づいた値に応じたゲインを前記指令値に積算することによって、前記制限値を超えた前記指令値を出力する請求項１記載の翼ピッチ制御装置。
4. 前記ピッチ角制御手段は、前記計測手段によって計測された前記荷重又は前記荷重に基づいた値が前記設定値を超える場合にのみ、該荷重又は該荷重に基づいた値と該設定値との差に応じた前記ピッチ角の変化量の増分を前記指令値に加算することによって、前記制限値を超えた前記指令値を出力する請求項１記載の翼ピッチ制御装置。
5. 前記アクチュエータは、油圧で前記ピッチ角を変化させる請求項１記載の翼ピッチ制御装置。
6. 各々独立してピッチ角が制御可能とされている複数の翼と、
   請求項１記載の翼ピッチ制御装置と、
   を備えた風力発電装置。
7. 各々独立して複数の翼が連結されているロータの回転により発電し、前記ピッチ角の変化量を示す指令値を出力するピッチ角制御手段と、前記ピッチ角制御手段から出力された前記指令値に基づいて、前記ピッチ角を変化させるアクチュエータと、前記翼に生じる荷重を計測する計測手段と、を備えた風力発電装置の翼ピッチ制御方法であって、
   前記風力発電装置が受ける風が偏った風速分布であることを示す設定値が予め設定されており、前記計測手段によって計測された前記荷重又は前記荷重に基づいた値が前記設定値内の場合、所定の制限値内で該荷重に応じた前記指令値を出力し、前記荷重又は前記荷重に基づいた値が前記設定値を超える場合にのみ、該制限値を超えて該荷重に応じた前記指令値を出力する翼ピッチ制御方法。

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