WO2012114487A1 - 風力発電装置の制御装置、風力発電装置、及び風力発電装置の制御方法 - Google Patents

風力発電装置の制御装置、風力発電装置、及び風力発電装置の制御方法 Download PDF

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義博 田鍋
智裕 沼尻
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三菱重工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a wind turbine generator control device, a wind turbine generator, and a wind turbine generator control method.
  • a rotor having blades receives wind to rotate, and a generator connected to the rotor via a main shaft generates power by the rotation of the rotor.
  • a load corresponding to the rotation acts on devices such as the main shaft and the gearbox of the wind power generator. Therefore, the wind turbine generator stops power generation when it reaches a predetermined wind speed (cutout wind speed) in order to prevent the load acting on equipment such as the spindle and gearbox from exceeding the predetermined design load. is doing.
  • Patent Document 1 discloses a technique for reducing the output while lowering the rotational speed of the rotor when the wind received by the wind turbine generator reaches a wind speed that causes wear due to overload. .
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and even when the wind received by the wing is strong, the wind force capable of reducing the load acting on the device and suppressing the reduction of the output. It is an object of the present invention to provide a control device for a power generation device, a wind power generation device, and a control method for the wind power generation device.
  • the wind power generator control device, wind power generator, and wind power generator control method of the present invention employ the following means.
  • the control device for a wind turbine generator is a wind turbine generator in which a rotor having blades receives wind to rotate, and a generator connected to the rotor via a main shaft generates power by the rotation of the rotor.
  • a predetermined second wind speed that is smaller than the first wind speed, which is a limit value at which the torque acting on the main shaft may cause wear on the device.
  • the torque acting on the main shaft of the wind power generator in which the rotor having blades receives the wind and rotates, and the generator connected to the rotor via the main shaft generates electric power by the rotation of the rotor is controlled. Is done.
  • the torque acting on the main shaft has a limit value that may increase as the wind received by the blades increases and cause wear on the equipment.
  • the said apparatus is a gearbox etc. other than a main axis
  • the output control means causes the torque to reach the limit value at the first wind speed. Control is performed so that the change in torque differs before and after the second wind speed so as not to exceed.
  • the present invention is based on the above control by the output control means. Even if the first wind speed is exceeded, power generation by the generator can be continued.
  • the present invention can reduce the load acting on the device and suppress the reduction of the output even when the wind received by the wing is strong.
  • the wind turbine generator according to the present invention is a wind turbine generator in which a rotor having blades receives wind to rotate and a generator connected to the rotor via a main shaft generates electric power by rotation of the rotor.
  • the blade receives a wind reaching the first wind speed at which the torque acting on the main shaft becomes a limit value that may cause wear on the equipment, the torque is generated at the first wind speed.
  • Output control means for performing control to vary the torque change before and after the first wind speed so as not to exceed the limit value.
  • the present invention when the blades receive wind that reaches the first wind speed at which the torque acting on the main shaft reaches a limit value, the change in torque is prevented by the output control means so that the torque does not exceed the limit value at the first wind speed. Is controlled before and after the first wind speed. Therefore, the present invention can reduce the load acting on the device and suppress the reduction of the output even when the wind received by the wing is strong.
  • the structure provided with the pitch angle control means which controls the pitch angle of the said blade so that the rotation speed of the said rotor may be kept constant is preferable.
  • the pitch angle of the blade is controlled so as to keep the rotation speed of the rotor constant (for example, constant at the rated rotation speed). It is possible to prevent the rotation speed of the rotor from increasing.
  • the output control means reduce the slope of the change in torque when the wind received by the blades reaches the second wind speed compared to before reaching the second wind speed.
  • the gradient of the change in torque acting on the main shaft is made smaller than before reaching the second wind speed. Can be prevented more reliably.
  • the structure which reduces the said torque by predetermined amount and increases the said torque according to the increase in a wind speed after that is preferable.
  • the torque acting on the main shaft is decreased by a predetermined amount, and then the torque is increased in accordance with the increase in the wind speed. Can be obtained.
  • a wind power generator includes a rotor having blades and rotating by receiving wind, a generator connected to the rotor via a main shaft, and generating electric power by rotation of the rotor, and the control described above An apparatus.
  • the present invention even when the wind received by the wing is strong, it is possible to reduce the load acting on the device and suppress the reduction of the output.
  • the wind power generator control method is a wind power generator in which a rotor having blades receives wind to rotate, and a generator connected to the rotor via a main shaft generates electric power by rotation of the rotor. And when the blade receives a wind that reaches a predetermined second wind speed that is smaller than the first wind speed, which is a limit value at which the torque acting on the main shaft may cause wear on the equipment.
  • the present invention even when the wind received by the wing is strong, it is possible to reduce the load acting on the device and suppress the reduction of the output.
  • the wind power generator control method is a wind power generator in which a rotor having blades receives wind to rotate, and a generator connected to the rotor via a main shaft generates electric power by rotation of the rotor. And when the blade receives a wind reaching the first wind speed at which the torque acting on the main shaft becomes a limit value that may cause wear on the equipment, the torque is reduced at the first wind speed.
  • a second step of stopping power generation by the generator is a wind power generator in which a rotor having blades receives wind to rotate, and a generator connected to the rotor via a main shaft generates electric power by rotation of the rotor. And when the blade receives a wind reaching the first wind speed at which the torque acting on the main shaft becomes a limit value that may cause wear on the equipment, the torque is reduced at
  • the present invention even when the wind received by the wing is strong, it is possible to reduce the load acting on the device and suppress the reduction of the output.
  • the load acting on the device can be reduced and the output can be suppressed from being reduced.
  • FIG. 3 (A) shows the change of the output of the wind power generator with respect to a wind speed
  • FIG.3 (B) is a main axis
  • FIG. 4 (A) shows the change of the rotation speed of the rotor with respect to a wind speed
  • FIG.4 (B) shows the pitch of the blade
  • FIG. 6 (A) shows the change of the output of the wind power generator with respect to a wind speed
  • FIG.6 (B) is a main axis
  • FIG. 1 is an external view of a wind turbine generator 10 according to the first embodiment.
  • the wind power generator 10 shown in FIG. 1 is a so-called variable-speed wind turbine, and can be rotated around a substantially horizontal axis line with a column 14 standing on the foundation 12, a nacelle 16 installed at the upper end of the column 14. And a rotor 18 provided in the nacelle 16.
  • a plurality of blades 20 are attached to the rotor 18 in a radial pattern around the rotation axis thereof. Thereby, the force of the wind which hits the blade
  • the power is converted into electric power by a generator 34 (see FIG. 2) connected to the rotor 18 via the main shaft 30.
  • the blades 20 are connected to the rotor 18 so as to be rotatable according to operating conditions, and the pitch angle of the blades 20 can be changed.
  • the generator 34 includes a power converter including an inverter, a converter, and the like, and the power converter converts the AC power output from the generator 34 into AC power adapted to the frequency of the power system.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing an electrical configuration of the wind turbine generator 10 according to the first embodiment.
  • wind turbine generator 10 power is transmitted to the generator 34 via the speed increaser 32 that increases the rotational speed of the main shaft 30, and the power is converted into electric power by the generator 34.
  • the wind power generation apparatus 10 is electrically connected to the power system (Grid) via the transformer 36, and supplies power converted from power by the generator 34 to the power system.
  • the wind power generator 10 is controlled by a windmill controller 40 provided in the nacelle 16.
  • the windmill control device 40 includes a generator output control unit 42 and a pitch angle control unit 44.
  • the generator output control unit 42 generates an output command value Pdem for controlling the output of the generator 34 and transmits it to the generator 34.
  • the output command value Pdem is determined based on the output request from the power system, the current output of the generator 34, the rotational speed of the rotor 18, the pitch angle of the blades 20, the wind speed, and the like.
  • the generator 34 receives the output command value Pdem, the generator 34 changes the output based on the output command value Pdem.
  • the pitch angle control unit 44 generates a pitch angle command value ⁇ in order to control the pitch angle of the blade 20 and transmits it to a pitch actuator (not shown) that changes the pitch angle built in the rotor 18.
  • the pitch angle command value ⁇ is determined based on the current pitch angle, the wind speed received by the blade 20, the rotational speed of the rotor 18, and the like.
  • the pitch actuator changes the pitch angle of the blade 20 based on the pitch angle command value ⁇ .
  • FIG. 3 is a graph showing various changes with respect to the wind speed of the wind turbine generator 10 according to the first embodiment.
  • the wind speed refers to an average wind speed (for example, an average of 10 minutes).
  • FIG. 3A is a graph showing changes in the output of the wind turbine generator 10 with respect to the wind speed.
  • a solid line shows a change in the output of the wind turbine generator 10 according to the first embodiment with respect to the wind speed
  • a broken line shows a change in the output of the conventional wind turbine generator with respect to the wind speed.
  • FIG. 3B shows a change in torque acting on the main shaft 30 with respect to the wind speed.
  • a solid line indicates a change in the torque of the wind turbine generator 10 according to the first embodiment with respect to the wind speed
  • a broken line indicates a change in the torque of the conventional wind turbine generator with respect to the wind speed.
  • the solid line and broken line shown to FIG. 3 (B) change linearly for a planning line, a fluctuation
  • the wind power generator 10 increases the wind speed and the output of the generator 34 as well.
  • the output of the generator 34 reaches the rated output, the output is kept constant at the rated output.
  • a predetermined wind speed for example, 25 m / s, hereinafter referred to as “cutout wind speed”
  • cutout wind speed a predetermined wind speed
  • An output command value Pdem with output 0 kW was output from the control device 40, and power generation was stopped as indicated by a broken line in FIG.
  • the cutout wind speed at which the power generation of the wind power generator 10 is stopped is caused by the torque acting on the main shaft 30 due to the wind, which causes wear on the equipment (the main shaft 30 and the speed increaser 34, etc.).
  • the size reaches a limit value (hereinafter referred to as “torque limit”) that may be generated.
  • control is performed to vary the torque change before and after the output reduction start wind speed (hereinafter referred to as “torque reduction control”). That is, the wind power generator 10 performs control to reduce (suppress) the increase in torque with respect to the increase in wind speed in a wind speed region that is larger than the rated wind speed and smaller than the cut-out wind speed.
  • the output reduction start wind speed is included in the wind speed region.
  • the output reduction start wind speed Compared to the case of a small wind speed, the slope of the change in torque is reduced.
  • the output of the wind turbine generator 10 begins to decrease below the rated output as shown by the solid line in FIG. .
  • the torque does not reach the torque limit even when the wind speed is higher than the conventional cutout wind speed by performing the torque reduction control. Therefore, even if the wind received by the blades 20 exceeds the conventional cutout wind speed, the wind power generator 10 can continue the power generation although the output is less than the rated output. More power generation can be obtained compared to.
  • the generator output control unit 42 transmits an output command value Pdem for reducing the output of the generator 34 to the generator 34 when the wind speed reaches the output reduction start wind speed.
  • the generator 34 receives the output command value Pdem, the generator 34 controls the magnitude of the magnetic field generated by the field according to the output command value Pdem, thereby reducing the magnitude of the torque.
  • the output reduction start wind speed should just be a wind speed smaller than the conventional cutout wind speed.
  • the output reduction start wind speed when the conventional cutout wind speed is 25 m / s, the output reduction start wind speed is 20 m / s.
  • the wind speed always has a certain fluctuation range. For example, when the wind speed is 25 m / s, the fluctuation range is about 10 to 20 m / s. Therefore, torque reduction control is performed. This is to prevent the maximum instantaneous wind speed from exceeding the conventional cutout wind speed before the torque acting on the main shaft 30 exceeds the torque limit.
  • the output is reduced from the rated output when the output reduction start wind speed is reached, so that the region ⁇ in FIG. 3A is compared to the conventional wind turbine generator. Does not generate corresponding power.
  • the power corresponding to the region ⁇ obtained by the power generation performed at the wind speed larger than the conventional cutout wind speed is larger than the power corresponding to the region ⁇ . For this reason, the wind turbine generator 10 according to the first embodiment can obtain a larger amount of power generation than the conventional wind turbine generator.
  • FIG. 4A shows a change in the rotational speed of the rotor 18 with respect to the wind speed according to the first embodiment
  • FIG. 4B shows a change in the pitch angle of the blade 20 with respect to the wind speed.
  • the solid line shows the change in pitch angle according to the first embodiment with respect to the wind speed
  • the broken line shows the change in the conventional pitch angle with respect to the wind speed.
  • the wind turbine generator 10 controls the pitch angle of the blades 20 so as to keep the rotation speed of the rotor 18 constant before and after torque reduction control. .
  • the rotational speed of the rotor 18 is maintained at the rated rotational speed.
  • the torque reduction control process including the control with respect to the pitch angle performed by the wind turbine controller 40 according to the first embodiment will be described.
  • the torque reduction control process is started so that the wind speed received by the blade 20 reaches the output reduced wind speed.
  • step 100 the wind turbine control device 40 causes the generator output control unit 42 to output the output command value Pdem for reducing the output of the generator 34.
  • the torque acting on the main shaft 30 is reduced and the load on the generator 34 is reduced, so that the rotational speed of the rotor 18 is increased.
  • the rotational speed of the rotor 18 has already reached the rated rotational speed, it is not preferable that the rotational speed of the rotor 18 further increase.
  • the wind turbine control device 40 causes the pitch angle control unit 44 to change the pitch angle to the feather side more than the conventional pitch angle, as shown by the solid line in FIG. 4B.
  • the command value ⁇ is transmitted to the pitch actuator.
  • the pitch actuator changes the pitch angle to the feather side according to the pitch angle command value ⁇ , that is, closes the pitch.
  • the wind turbine generator 10 keeps the rotational speed of the rotor 18 at the rated rotational speed, so that the inertial force of the rotor 18 can be kept high and an increase in torque can be prevented.
  • step 104 it is determined whether or not the wind speed has further increased and has reached the cutout wind speed (30 m / s as an example) according to the first embodiment. If the determination is affirmative, the process proceeds to step 106. If the determination is negative, the process proceeds to step 108.
  • the cutout wind speed according to the first embodiment is higher than the conventional cutout wind speed, and the wind speed at which the torque acting on the main shaft 30 reaches the torque limit when torque reduction control is performed. It is.
  • step 106 the windmill control device 40 causes the generator output control unit 42 to transmit an output command value Pdem that stops power generation to the generator 34.
  • the generator 34 receives the output command value Pdem, the generator 34 stops the power generation and ends the torque reduction control.
  • the pitch angle control unit 44 causes the blades 20 to receive wind and pitch angle command value ⁇ for changing the pitch angle to the most feather side in order to stop the rotation of the rotor 18. You may transmit to an actuator.
  • the pitch actuator changes the pitch angle to the feather side according to the pitch angle command value ⁇ .
  • step 108 it is determined whether or not the wind received by the blade 20 is equal to or lower than the output reduction start wind speed. If the determination is affirmative, the process proceeds to step 110. If the determination is negative, the process returns to step 104.
  • step 110 the windmill control device 40 causes the generator output control unit 42 to transmit the output command value Pdem that increases the output to the rated output to the generator 34.
  • the wind turbine controller 40 causes the pitch angle control unit 44 to transmit the pitch angle command value ⁇ when not performing the torque reduction control to the pitch actuator, and ends the torque reduction control.
  • the blade 20 receives the wind that reaches the output reduction start wind speed in which the torque acting on the main shaft 30 is smaller than the conventional cutout wind speed that becomes the torque limit.
  • torque reduction control is performed so that the change in torque differs before and after the output reduction start wind speed so that the torque does not exceed the torque limit at the conventional cutout wind speed.
  • the slope of the change in torque with respect to the wind speed is compared with that before reaching the output reduction start wind speed. Make it smaller.
  • the wind power generator 10 stops the power generation by the generator 34 when the wind speed further increases and the wind speed reaches a torque limit.
  • the wind turbine generator 10 according to the first embodiment can reduce the load acting on the device and suppress the reduction of the output even when the wind received by the blade 20 is strong. Furthermore, since the wind power generator 10 according to the first embodiment can reduce the load acting on the equipment, there is a margin for the maximum load and fatigue strength on the equipment.
  • the pitch angle of the blades 20 is controlled so as to keep the rotation speed of the rotor 18 constant. It is possible to prevent the number from rising.
  • the configuration of the wind turbine generator 10 according to the second embodiment is the same as that of the wind turbine generator 10 according to the first embodiment shown in FIGS.
  • FIG. 6 is a graph showing various changes with respect to the wind speed of the wind turbine generator 10 according to the second embodiment, and FIG. 6 (A) shows changes in the output of the wind turbine generator 10 with respect to the wind speed. ) Indicates a change in torque acting on the main shaft 30 with respect to the wind speed.
  • the generator output control unit 42 of the wind turbine generator 10 reduces the torque by a predetermined amount when the wind received by the blades 20 reaches the conventional cutout wind speed as shown in FIG. Thereafter, torque reduction control for increasing the torque according to the increase in the wind speed is performed.
  • the generator output control unit 42 outputs an output command value for sharply reducing the output of the generator 34 by a predetermined amount when the wind received by the blades 20 reaches the conventional cutout wind speed. Pdem is output to the generator 34. Thereafter, the generator output control unit 42 outputs an output command value Pdem for gradually decreasing the output to the generator 34.
  • the wind turbine generator 10 according to the second embodiment has no reduction in the amount of power generation corresponding to the region ⁇ shown in FIG. 3A according to the first embodiment, as shown in FIG. Therefore, more output can be obtained from the generator 34.
  • the pitch angle control unit 44 uses a pitch angle command value ⁇ for changing the pitch angle to the feather side more than the conventional pitch angle, as in the first embodiment. Send to.
  • the pitch actuator changes the pitch angle to the feather side according to the pitch angle command value ⁇ , that is, closes the pitch.
  • the wind turbine generator 10 according to the second embodiment keeps the rotational speed of the rotor 18 at the rated rotational speed, so that the inertial force of the rotor 18 can be kept high and an increase in torque can be prevented.
  • the wind power generator 10 stops the power generation by the generator 34.
  • the mode in which the torque reduction control is performed only once after the wind speed reaches the output reduction start wind speed (after the wind speed has reached the conventional cutout wind speed in the second embodiment) has been described.
  • the present invention is not limited to this, and the torque reduction control may be performed a plurality of times before the torque reaches the torque limit.
  • the present invention is not limited to this, and is, for example, curvilinear so as to approach the torque limit. It may be changed to stepwise or stepwise.

Abstract

　風力発電装置は、主軸に作用するトルクがトルクリミットとなる従来のカットアウト風速よりも小さい出力低減開始風速に達する風を翼が受けた場合に、従来のカットアウト風速でトルクがトルクリミットを越えないように、トルクの変化を出力低減開始風速前後で異ならせるトルク低減制御を行う。例えば、風力発電装置は、翼が受ける風が出力低減開始風速に達すると、トルクの変化の傾きを出力低減開始風速に達する前に比べて小さくする。従って、風力発電装置は、翼が受ける風が強い場合であっても、機器へ作用する荷重を低減させると共に、出力の低減を抑制することができる。

Description

風力発電装置の制御装置、風力発電装置、及び風力発電装置の制御方法
　本発明は、風力発電装置の制御装置、風力発電装置、及び風力発電装置の制御方法に関するものである。
　風力発電装置は、翼を有するロータが風を受けて回転し、該ロータと主軸を介して連結されている発電機が該ロータの回転により発電する。ところで、ロータが回転することによって、風力発電装置の主軸や増速機等の機器には、回転に応じた荷重が作用する。そのため、風力発電装置は、主軸や増速機等の機器に作用する荷重が、定められた設計荷重を超えることを防ぐために、予め定められた風速（カットアウト風速）に達すると、発電を停止している。
　ここで、特許文献１には、風力発電装置が受ける風が、過負荷による損耗を与えるような風速に達した場合に、ロータの回転数を下げつつ、出力を低下させる技術が開示されている。
欧州特許第０８４７４９６号明細書
　しかしながら、特許文献１に記載の技術では、風が強い場合に、機器へ作用する荷重を低減させることができるが、そのために出力を低減させるので、強いが風が吹く頻度が高くなると年間の総発電量が減少してしまう。
　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、翼が受ける風が強い場合であっても、機器へ作用する荷重を低減させると共に、出力の低減を抑制することができる風力発電装置の制御装置、風力発電装置、及び風力発電装置の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、本発明の風力発電装置の制御装置、風力発電装置、及び風力発電装置の制御方法は以下の手段を採用する。
　すなわち、本発明に係る風力発電装置の制御装置は、翼を有するロータが風を受けて回転し、該ロータと主軸を介して連結されている発電機が該ロータの回転により発電する風力発電装置の制御装置であって、主軸に作用するトルクが機器に損耗を生じさせる可能性がある限界値となる第１風速よりも小さい予め定められた第２風速に達する風を前記翼が受けた場合に、前記第１風速で前記トルクが前記限界値を越えないように、前記トルクの変化を前記第２風速前後で異ならせる制御を行う出力制御手段、を備える。
　本発明によれば、翼を有するロータが風を受けて回転し、該ロータと主軸を介して連結されている発電機が該ロータの回転により発電する風力発電装置の主軸に作用するトルクが制御される。
　なお、主軸に作用するトルクは、翼が受ける風が上昇すると共に上昇し、機器に損耗を生じさせる可能性がある限界値がある。また、上記機器とは、主軸の他に増速機等である。
　そこで、主軸に作用するトルクが限界値となる第１風速よりも小さい予め定められた第２風速に達する風を翼が受けた場合に、出力制御手段によって、第１風速でトルクが限界値を越えないように、トルクの変化を第２風速前後で異ならせる制御が行われる。
　従来では、トルクが限界値を超える第１風速の風を翼が受けると、機器の損耗を防ぐために、発電機による発電を停止させていたが、本発明は、出力制御手段による上記制御によって、第１風速を超えても発電機による発電を継続させることができる。
　従って、本発明は、翼が受ける風が強い場合であっても、機器へ作用する荷重を低減させると共に、出力の低減を抑制することができる。
　また、本発明に係る風力発電装置の制御装置は、翼を有するロータが風を受けて回転し、該ロータと主軸を介して連結されている発電機が該ロータの回転により発電する風力発電装置の制御装置であって、主軸に作用するトルクが機器に損耗を生じさせる可能性がある限界値となる第１風速に達する風を前記翼が受けた場合に、前記第１風速で前記トルクが前記限界値を越えないように、前記トルクの変化を前記第１風速前後で異ならせる制御を行う出力制御手段、を備える。
　本発明では、主軸に作用するトルクが限界値となる第１風速に達する風を翼が受けた場合に、出力制御手段によって、第１風速でトルクが限界値を越えないように、トルクの変化を第１風速前後で異ならせる制御を行う。
　従って、本発明は、翼が受ける風が強い場合であっても、機器へ作用する荷重を低減させると共に、出力の低減を抑制することができる。
　また、上記構成においては、前記出力制御手段によって前記制御が行われている場合に、前記ロータの回転数を一定に保つように前記翼のピッチ角を制御するピッチ角制御手段を備える構成が好ましい。
　出力制御手段によって上記制御が行われると、発電機に対する負荷が低減されるためロータの回転が速くなる。このため、風力発電装置は、上記制御と共にロータの制御が必要となる。そこで、本発明によれば、出力制御手段によって上記制御が行われた場合に、ロータの回転数を一定（例えば、定格回転数で一定）に保つように翼のピッチ角が制御されるので、ロータの回転数が上昇することを防ぐことができる。
　また、上記構成においては、前記出力制御手段が、前記翼が受ける風が前記第２風速に達すると、前記トルクの変化の傾きを前記第２風速に達する前に比べて小さくする構成が好ましい。
　本発明によれば、翼が受ける風が前記第２風速に達すると、主軸に作用するトルクの変化の傾きを第２風速に達する前に比べて小さくするので、第１風速においてトルクが限界値を超えることをより確実に防ぐことができる。
　また、上記構成においては、前記出力制御手段が、前記翼が受ける風が前記第１風速に達すると、前記トルクを所定量下げ、その後、風速の増加に応じて前記トルクを増加させる構成が好ましい。
　本発明によれば、翼が受ける風が第１風速に達すると、主軸に作用するトルクを所定量下げ、その後、風速の増加に応じて該トルクを増加させるので、発電機からより多くの出力を得ることができる。
　さらに、本発明に係る風力発電装置は、翼を有し、風を受けて回転するロータと、前記ロータと主軸を介して連結され、該ロータの回転により発電する発電機と、上記記載の制御装置と、を備える。
　本発明によれば、翼が受ける風が強い場合であっても、機器へ作用する荷重を低減させると共に、出力の低減を抑制することができる。
　また、本発明に係る風力発電装置の制御方法は、翼を有するロータが風を受けて回転し、該ロータと主軸を介して連結されている発電機が該ロータの回転により発電する風力発電装置の制御方法であって、主軸に作用するトルクが機器に損耗を生じさせる可能性がある限界値となる第１風速よりも小さい予め定められた第２風速に達する風を前記翼が受けた場合に、前記第１風速で前記トルクが前記限界値を越えないように、前記トルクの変化を前記第２風速前後で異ならせる制御を行う第１工程と、さらに風速が上昇し、前記トルクが前記限界値となる第３風速に達すると前記発電機による発電を停止させる第２工程と、を含む。
　本発明によれば、翼が受ける風が強い場合であっても、機器へ作用する荷重を低減させると共に、出力の低減を抑制することができる。
　また、本発明に係る風力発電装置の制御方法は、翼を有するロータが風を受けて回転し、該ロータと主軸を介して連結されている発電機が該ロータの回転により発電する風力発電装置の制御方法であって、主軸に作用するトルクが機器に損耗を生じさせる可能性がある限界値となる第１風速に達する風を前記翼が受けた場合に、前記第１風速で前記トルクが前記限界値を越えないように、前記トルクの変化を前記第１風速前後で異ならせる制御を行う第１工程と、さらに風速が上昇し、前記トルクが前記限界値となる第３風速に達すると前記発電機による発電を停止させる第２工程と、を含む。
　本発明によれば、翼が受ける風が強い場合であっても、機器へ作用する荷重を低減させると共に、出力の低減を抑制することができる。
　本発明によれば、翼が受ける風が強い場合であっても、機器へ作用する荷重を低減させると共に、出力の低減を抑制することができる、という優れた効果を有する。
第１実施形態に係る風力発電装置の外観図である。 第１実施形態に係る風力発電装置の電気的構成図である。 第１実施形態に係る風力発電装置の風速に対する各種変化を示すグラフであり、図３（Ａ）は、風速に対する風力発電装置の出力の変化を示し、図３（Ｂ）は、風速に対する主軸に作用するトルクの変化を示す。 第１実施形態に係る風力発電装置の風速に対する各種変化を示すグラフであり、図４（Ａ）は、風速に対するロータの回転数の変化を示し、図４（Ｂ）は、風速に対する翼のピッチ角の変化を示す。 第１実施形態に係るピッチ角に対する制御を含むトルク低減制御の処理の流れを示すフローチャートである。 第２実施形態に係る風力発電装置の風速に対する各種変化を示すグラフであり、図６（Ａ）は、風速に対する風力発電装置の出力の変化を示し、図６（Ｂ）は、風速に対する主軸に作用するトルクの変化を示す。
　以下に、本発明に係る風力発電装置の制御装置、風力発電装置、及び風力発電装置の制御方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
　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、所謂可変速風車であり、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（本第１実施形態では、一例として３つ）の翼２０が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る。そして、該動力がロータ１８に主軸３０を介して連結されている発電機３４（図２参照）によって電力に変換される。なお、翼２０は、運転条件に応じて回動可能なようにロータ１８に連結されており、翼２０のピッチ角が変化可能とされている。
　なお、発電機３４は、インバータ及びコンバータ等で構成される電力変換器を含み、電力変換器は、発電機３４が出力する交流電力を電力系統の周波数に適合した交流電力に変換する。
　図２は、本第１実施形態に係る風力発電装置１０の電気的構成を示した模式図である。
　風力発電装置１０は、主軸３０の回転数を増速する増速機３２を介して動力が発電機３４に伝達され、発電機３４によって動力が電力に変換される。
　そして、風力発電装置１０は、変圧器３６を介して電力系統（Grid）に電気的に接続されており、発電機３４によって動力から変換された電力を電力系統へ供給する。
　また、風力発電装置１０は、ナセル１６内に備えられている風車制御装置４０によって制御される。
　風車制御装置４０は、発電機出力制御部４２及びピッチ角制御部４４を備えている。
　発電機出力制御部４２は、発電機３４の出力を制御するための出力指令値Pdemを生成し、発電機３４へ送信する。出力指令値Pdemは、電力系統からの出力要求、並びに現在の発電機３４の出力、ロータ１８の回転数、翼２０のピッチ角、及び風速等に基づいて決定される。
　発電機３４は、出力指令値Pdemを受信すると、該出力指令値Pdemに基づいて、出力を変化させる。
　ピッチ角制御部４４は、翼２０のピッチ角を制御するためにピッチ角指令値θを生成し、ロータ１８に内蔵されているピッチ角を変化させるピッチアクチュエータ（不図示）へ送信する。ピッチ角指令値θは、現在のピッチ角、翼２０が受ける風の速度、及びロータ１８の回転数等に基づいて決定される。
　ピッチアクチュエータは、ピッチ角指令値θを受信すると、該ピッチ角指令値θに基づいて、翼２０のピッチ角を変化させる。
　図３は、本第１実施形態に係る風力発電装置１０の風速に対する各種変化を示すグラフである。なお、以下の説明において、風速とは、平均風速（例えば１０分間の平均）のことをいう。
　図３（Ａ）は、風速に対する風力発電装置１０の出力の変化を示すグラフである。図３（Ａ）において、実線が、風速に対する本第１実施形態に係る風力発電装置１０の出力の変化を示し、破線が、風速に対する従来の風力発電装置の出力の変化を示す。
　一方、図３（Ｂ）は、風速に対する主軸３０に作用するトルクの変化を示している。なお、図３（Ｂ）において、実線が、風速に対する本第１実施形態に係る風力発電装置１０のトルクの変化を示し、破線が、風速に対する従来の風力発電装置のトルクの変化を示す。なお、図３（Ｂ）に示す実線及び破線は、計画線のため直線的に変化するが、実際には変動が生じる。
　風力発電装置１０は、図３（Ａ）に示すように、風速が上昇すると共に発電機３４の出力も上昇する。発電機３４の出力は、定格出力に達すると定格出力で一定とされる。
　そして、従来の風力発電装置では、定格出力となっている状態で、翼２０が受ける風が予め定められた風速（例えば２５m/s、以下、「カットアウト風速」という。）に達すると、風車制御装置４０から出力＝０kWとする出力指令値Pdemが出力され、図３（Ａ）の破線に示すように発電を停止していた。
　この理由は、風速が上昇すると共に、主軸３０に作用する荷重（トルク）が上昇するので、この荷重が設計荷重を越えないようにするためである。
　そこで、風力発電装置１０の発電を停止させるカットアウト風速は、図３（Ｂ）に示すように、風によって主軸３０に作用するトルクが機器（主軸３０や増速機３４等）に損耗を生じさせる可能性がある限界値（以下、「トルクリミット」という。）に達する大きさとされている。
　しかし、風力発電装置１０からより多くの発電量（年間の総発電量）を得ることが求められており、より多くの発電量を得る方法の一つとして、風力発電装置１０を停止させるカットアウト風速を、従来のカットアウト風速より大きい風速とすることが考えられる。
　そこで、本第１実施形態に係る風力発電装置１０では、従来のカットアウト風速よりも小さい予め定められた風速（以下、「出力低減開始風速」）に達する風を翼２０が受けた場合に、従来のカットアウト風速でトルクがトルクリミットを越えないように、トルクの変化を出力低減開始風速前後で異ならせる制御（以下、「トルク低減制御」という。）を行う。
　すなわち、風力発電装置１０は、定格風速よりも大きく、かつカットアウト風速よりも小さい風速領域において、風速の増加に対するトルクの増加を小さく（抑制）する制御を行う。なお、出力低減開始風速は、上記風速領域に含まれることとなる。
　具体的には、本第１実施形態に係る風力発電装置１０では、図３（Ｂ）の実線で示されるように、翼２０が受ける風が出力低減開始風速に達すると、出力低減開始風速よりも小さい風速の場合に比べて、トルクの変化の傾きを小さくする。これによって、翼２０が受ける風が出力低減開始風速に達し、トルク低減制御を行うと、風力発電装置１０の出力は、図３（Ａ）の実線で示されるように定格出力以下に減少し始める。
　そして、図３（Ｂ）の実線で示されるように、トルク低減制御を行うことで、従来のカットアウト風速に比べて大きな風速でもトルクはトルクリミットに達しない。そのため、翼２０が受ける風が従来のカットアウト風速を超えた風速となっても、風力発電装置１０は、出力が定格出力以下となるものの、発電を継続することができ、従来の風力発電装置に比べてより多くの発電量を得ることができる。
　なお、発電機出力制御部４２は、風速が出力低減開始風速に達した場合に、発電機３４の出力を低下させる出力指令値Pdemを発電機３４へ送信する。発電機３４は、該出力指令値Pdemを受信すると、該出力指令値Pdemに応じて界磁によって発生する磁界の大きさを制御することで、トルクの大きさを減少させる。
　ここで、出力低減開始風速は、従来のカットアウト風速よりも小さい風速であればよい。出力低減開始風速の一例としては、従来のカットアウト風速を２５m/sとした場合、出力低減開始風速を２０m/sとする。
　この理由は、風速は常にある程度の変動幅を有しており、例えば、風速が２５m/sの場合、その変動幅は十数～二十数m/s程度であるため、トルク低減制御を行う前に、瞬間最大風速が従来のカットアウト風速を超え、主軸３０に作用するトルクがトルクリミットを越えないようにするためである。
　また、本第１実施形態に係る風力発電装置１０では、出力低減開始風速に達した場合に出力を定格出力から低減させるので、従来の風力発電装置に比べて図３（Ａ）における領域αに相当する電力を生成しない。しかし、本第１実施形態に係る風力発電装置１０は、従来のカットアウト風速よりも大きい風速で行う発電により得られる領域βに相当する電力の方が領域αに相当する電力よりも多い。このため、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に比べてより多くの発電量を得ることができる。
　ここで、図４（Ａ）は、本第１実施形態に係る風速に対するロータ１８の回転数の変化を示しており、図４（Ｂ）は、風速に対する翼２０のピッチ角の変化を示している。図４（Ｂ）において、実線が、風速に対する本第１実施形態に係るピッチ角の変化を示し、破線が、風速に対する従来のピッチ角の変化を示す。
　そして、図４（Ａ）に示すように、本第１実施形態に係る風力発電装置１０は、トルク低減制御前後で、ロータ１８の回転数を一定に保つように翼２０のピッチ角を制御する。なお、本第１実施形態では、一例としてロータ１８の回転数を定格回転数に保つ。
　次に図５に示すフローチャートを参照して、本第１実施形態に係る風車制御装置４０が行うピッチ角に対する制御を含むトルク低減制御処理の流れを説明する。なお、トルク低減制御処理は、翼２０が受ける風速が出力低減風速に達する開始される。
　まず、ステップ１００では、上述したように、風車制御装置４０が、発電機３４の出力を低下させるための出力指令値Pdemを発電機出力制御部４２から出力させる。
　これにより、主軸３０に作用するトルクが低減されると共に、発電機３４に対する負荷が減少するため、ロータ１８の回転数は、上昇することとなる。しかし、既にロータ１８の回転数は定格回転数に達しているので、これ以上ロータ１８の回転数が上昇することは好ましくない。
　そこで、次のステップ１０２では、ロータ１８の回転数が定格回転数を超えることを防ぐと共に、回転数を定格回転数で一定とさせる。このために、風車制御装置４０は、ピッチ角制御部４４に、図４（Ｂ）の実線で示されるように、ピッチ角を従来のピッチ角に比べてよりフェザー側へ変化させるためのピッチ角指令値θを、ピッチアクチュエータへ送信する。
　ピッチアクチュエータは、該ピッチ角指令値θを受信すると、ピッチ角をピッチ角指令値θに応じてフェザー側へ変化させる、すなわち、ピッチを閉じる。
　このように、本第１実施形態に係る風力発電装置１０は、ロータ１８の回転数を定格回転数に保つので、ロータ１８の慣性力を高いままに保ちトルクの増加を防ぐことができる。
　次のステップ１０４では、さらに風速が上昇し、本第１実施形態に係るカットアウト風速（一例として３０m/s)に達したか否かを判定し、肯定判定の場合は、ステップ１０６へ移行し、否定判定の場合は、ステップ１０８へ移行する。なお、本第１実施形態に係るカットアウト風速は、従来のカットアウト風速よりも大きい風速であって、トルク低減制御が行われている場合に、主軸３０に作用するトルクがトルクリミットに達する風速である。
　ステップ１０６では、風車制御装置４０は、発電機出力制御部４２に発電を停止させる出力指令値Pdemを発電機３４へ送信させる。発電機３４は、該出力指令値Pdemを受信すると発電を停止させると共に、トルク低減制御を終了する。
　また、これに伴い、ピッチ角制御部４４は、翼２０に風を受け流させ、ロータ１８の回転を停止させるために、ピッチ角を最もフェザー側に変化させるためのピッチ角指令値θをピッチアクチュエータへ送信してもよい。ピッチアクチュエータは、該ピッチ角指令値θを受信すると、該ピッチ角指令値θに応じてフェザー側へピッチ角を変化させる。
　一方、ステップ１０８では、翼２０が受ける風が出力低減開始風速以下となったか否かを判定し、肯定判定の場合は、ステップ１１０へ移行し、否定判定の場合は、ステップ１０４へ戻る。
　ステップ１１０では、風車制御装置４０は、発電機出力制御部４２に出力を定格出力まで上昇させる出力指令値Pdemを発電機３４へ送信させる。
　次のステップ１１２では、風車制御装置４０は、ピッチ角制御部４４にトルク低減制御を行わない場合におけるピッチ角指令値θをピッチアクチュエータへ送信させると共に、トルク低減制御を終了する。
　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、主軸３０に作用するトルクがトルクリミットとなる従来のカットアウト風速よりも小さい出力低減開始風速に達する風を翼２０が受けた場合に、従来のカットアウト風速でトルクがトルクリミットを越えないように、トルクの変化を出力低減開始風速前後で異ならせるトルク低減制御を行う。
　具体的には、本第１実施形態に係る風力発電装置１０は、翼２０が受ける風が出力低減開始風速に達すると、風速に対するトルクの変化の傾きを出力低減開始風速に達する前に比べて小さくする。
　そして、風力発電装置１０は、トルク低減制御を開始した後、さらに風速が上昇し、トルクがトルクリミットとなる風速に達すると発電機３４による発電を停止させる。
　従って、本第１実施形態に係る風力発電装置１０は、翼２０が受ける風が強い場合であっても、機器へ作用する荷重を低減させると共に、出力の低減を抑制することができる。さらに、本第１実施形態に係る風力発電装置１０は、機器へ作用する荷重が低減できるので、機器に対する最大荷重や疲労強度に対して余裕が生じることとなる。
　なお、本第１実施形態に係る風力発電装置１０では、トルク低減制御が行われている場合、ロータ１８の回転数を一定に保つように翼２０のピッチ角を制御するので、ロータ１８の回転数が上昇することを防ぐことができる。
〔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。
　図６は、本第２実施形態に係る風力発電装置１０の風速に対する各種変化を示すグラフであり、図６（Ａ）は、風速に対する風力発電装置１０の出力の変化を示し、図６（Ｂ）は、風速に対する主軸３０に作用するトルクの変化を示す。
　本第２実施形態に係る風力発電装置１０の発電機出力制御部４２は、図６（Ｂ）に示すように翼２０が受ける風が従来のカットアウト風速に達すると、トルクを所定量下げ、その後、風速の増加に応じてトルクを増加させるトルク低減制御を行う。
　このトルク低減制御を行うために、発電機出力制御部４２は、翼２０が受ける風が従来のカットアウト風速に達すると、発電機３４の出力を所定量だけ急峻に減少させるための出力指令値Pdemを発電機３４へ出力する。発電機出力制御部４２は、その後、徐々に出力を減少させるための出力指令値Pdemを発電機３４へ出力する。
　これによって、本第２実施形態に係る風力発電装置１０は、図６（Ａ）に示すように、第１実施形態に係る図３（Ａ）に示す領域αに相当する発電量の低下が無いため、発電機３４からより多くの出力を得ることができる。
　なお、本第２実施形態に係る風力発電装置１０でも、トルク低減制御が行われることによって、主軸３０に作用するトルクが低減されると共に、発電機３４に対する負荷が減少するため、ロータ１８の回転数は、上昇することとなる。そこで、本第２実施形態に係るピッチ角制御部４４は、第１実施形態と同様にピッチ角を従来のピッチ角に比べてよりフェザー側へ変化させるためのピッチ角指令値θを、ピッチアクチュエータへ送信する。
　ピッチアクチュエータは、該ピッチ角指令値θを受信すると、ピッチ角をピッチ角指令値θに応じてフェザー側へ変化させる、すなわち、ピッチを閉じる。これにより、本第２実施形態に係る風力発電装置１０は、ロータ１８の回転数を定格回転数に保つので、ロータ１８の慣性力を高いままに保ちトルクの増加を防ぐことができる。
　そして、翼２０が受ける風が従来のカットアウト風速よりも大きい本第２実施形態に係るカットアウト風速に達すると、風力発電装置１０は、発電機３４による発電を停止させる。
　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、第１実施形態では風速が出力低減開始風速に達した後（第２実施形態では風速が従来のカットアウト風速に達した後）に、トルク低減制御を一度のみ行う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、トルクがトルクリミットに達する前にトルク低減制御を複数回行う形態としてもよい。
　また、上記各実施形態では、トルク低減制御後のトルクを直線的に変化させ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、例えば、トルクリミットに漸近するように曲線的に変化させてもよいし、階段状に段階的に変化させてもよい。
　１０　　風力発電装置
　１８　　ロータ
　２０　　翼
　３０　　主軸
　４０　　風車制御装置
　４２　　発電機出力制御部
　４４　　ピッチ角制御部

Claims (8)

  1. 　翼を有するロータが風を受けて回転し、該ロータと主軸を介して連結されている発電機が該ロータの回転により発電する風力発電装置の制御装置であって、
    　主軸に作用するトルクが機器に損耗を生じさせる可能性がある限界値となる第１風速よりも小さい予め定められた第２風速に達する風を前記翼が受けた場合に、前記第１風速で前記トルクが前記限界値を越えないように、前記トルクの変化を前記第２風速前後で異ならせる制御を行う出力制御手段、
    を備えた風力発電装置の制御装置。
  2. 　翼を有するロータが風を受けて回転し、該ロータと主軸を介して連結されている発電機が該ロータの回転により発電する風力発電装置の制御装置であって、
    　主軸に作用するトルクが機器に損耗を生じさせる可能性がある限界値となる第１風速に達する風を前記翼が受けた場合に、前記第１風速で前記トルクが前記限界値を越えないように、前記トルクの変化を前記第１風速前後で異ならせる制御を行う出力制御手段、
    を備えた風力発電装置の制御装置。
  3. 　前記出力制御手段によって前記制御が行われている場合に、前記ロータの回転数を一定に保つように前記翼のピッチ角を制御するピッチ角制御手段を備える請求項１又は請求項２記載の風力発電装置の制御装置。
  4. 　前記出力制御手段は、前記翼が受ける風が前記第２風速に達すると、前記トルクの変化の傾きを前記第２風速に達する前に比べて小さくする請求項１記載の風力発電装置の制御装置。
  5. 　前記出力制御手段は、前記翼が受ける風が前記第１風速に達すると、前記トルクを所定量下げ、その後、風速の増加に応じて前記トルクを増加させる請求項２記載の風力発電装置の制御装置。
  6. 　翼を有し、風を受けて回転するロータと、
    　前記ロータと主軸を介して連結され、該ロータの回転により発電する発電機と、
    　請求項１又は請求項２記載の制御装置と、
    を備えた風力発電装置。
  7. 　翼を有するロータが風を受けて回転し、該ロータと主軸を介して連結されている発電機が該ロータの回転により発電する風力発電装置の制御方法であって、
    　主軸に作用するトルクが機器に損耗を生じさせる可能性がある限界値となる第１風速よりも小さい予め定められた第２風速に達する風を前記翼が受けた場合に、前記第１風速で前記トルクが前記限界値を越えないように、前記トルクの変化を前記第２風速前後で異ならせる制御を行う第１工程と、
    　さらに風速が上昇し、前記トルクが前記限界値となる第３風速に達すると前記発電機による発電を停止させる第２工程と、
    を含む風力発電装置の制御方法。
  8. 　翼を有するロータが風を受けて回転し、該ロータと主軸を介して連結されている発電機が該ロータの回転により発電する風力発電装置の制御方法であって、
    　主軸に作用するトルクが機器に損耗を生じさせる可能性がある限界値となる第１風速に達する風を前記翼が受けた場合に、前記第１風速で前記トルクが前記限界値を越えないように、前記トルクの変化を前記第１風速前後で異ならせる制御を行う第１工程と、
    　さらに風速が上昇し、前記トルクが前記限界値となる第３風速に達すると前記発電機による発電を停止させる第２工程と、
    を含む風力発電装置の制御方法。
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