WO2013058106A1 - 風力発電装置及びその方法並びにプログラム - Google Patents

風力発電装置及びその方法並びにプログラム Download PDF

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有永　真司
明 八杉
崇俊 松下
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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 power generator, a method thereof, and a program for suppressing a load applied to a main shaft system when, for example, a drop in system voltage occurs.
  • a wind turbine blade of a wind turbine generator receives wind and a rotor having the wind turbine blade rotates, whereby an eccentric load is applied to the main spindle system rotating through the rotor, and torsional vibration is generated.
  • a method for suppressing torsional vibration has been studied.
  • a torsional vibration component of a shaft system between a generator and a wind turbine blade is detected based on a change in the rotational speed of the generator, and a current is adjusted in accordance with the torsional vibration component, whereby torsion is performed.
  • Techniques for suppressing vibration have been proposed.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and it is possible to suppress a load applied to a main shaft system and prevent mechanical damage when a low-voltage event occurs in a power system. And its method and program.
  • a first aspect of the present invention is a rotor having a plurality of windmill blades, a generator driven by the rotation of the rotor, and a pitch angle for controlling the pitch angle of the windmill blades according to the rotational speed of the generator. And a pitch angle control means for outputting a command value, wherein the pitch angle control means transmits the rotation of the rotor to the generator when the voltage of the power system becomes a predetermined value or less.
  • This is a wind turbine generator that outputs the pitch angle command value so as to suppress torsional vibration generated in the main shaft system.
  • the rotor having a plurality of wind turbine blades, the generator driven by the rotation of the rotor, and the pitch angle command value of the wind turbine blades according to the rotational speed of the generator.
  • the wind turbine blade suppresses torsional vibration generated in the main shaft system that transmits the rotation of the rotor to the generator when the voltage of the power system becomes a predetermined value or less.
  • the pitch angle is controlled as follows. As described above, when the voltage drop on the power system side occurs, the pitch angle of the wind turbine blade is controlled so as to suppress the torsional vibration, so that the torsional vibration generated when the generator is stopped can be reliably suppressed. As a result, when a voltage drop occurs, the load applied to the main spindle system can be reduced, and mechanical damage to the gear box, gears, bearings, etc. can be prevented.
  • a pitch angle correction amount for suppressing torsional vibration by aerodynamic torque which is calculated by differentiating the value of the rotational speed of the generator when the voltage of the power system becomes a predetermined value or less.
  • the pitch angle control means determines the pitch angle command value based on the pitch angle correction amount. Since the pitch angle correction amount is calculated based on the rotational speed, even if torsional vibration occurs and the rotational speed fluctuates, the torsional vibration is caused by the damping effect of the aerodynamic torque corresponding to the rotational speed after the fluctuation. Can be reliably reduced.
  • the pitch angle control means of the wind turbine generator includes a first pitch angle control value determined from a difference between the rotational speed of the generator and a rated rotational speed, and a difference between the output power and the rated power of the generator. It is preferable to determine the pitch angle command value based on the provisional pitch angle command value determined based on the determined second pitch angle control value and the pitch angle correction amount.
  • a rotor having a plurality of windmill blades, a generator driven by the rotation of the rotor, and a pitch angle for controlling the pitch angle of the windmill blades according to the rotational speed of the generator.
  • the control method of the wind turbine generator that outputs the pitch angle command value.
  • a rotor having a plurality of wind turbine blades, a generator driven by the rotation of the rotor, and a pitch angle for controlling the pitch angle of the wind turbine blades according to the rotational speed of the generator.
  • a control program for a wind turbine generator that outputs a command value, which suppresses torsional vibration generated in a main shaft system that transmits the rotation of the rotor to the generator when the voltage of the power system becomes a predetermined value or less.
  • a control program for a wind turbine generator for causing a computer to execute a process of outputting the pitch angle command value.
  • the present invention has an effect that when a low voltage event of the power system occurs, a load applied to the spindle system can be suppressed and damage can be prevented.
  • the wind turbine generator 10 of the present embodiment includes a wind turbine rotor 11, a wind turbine blade 12, a speed increaser 14, a generator system 15, a pitch angle control mechanism 17, a main control unit 19, and torsional vibration.
  • a suppression unit (torsional vibration suppression means) 40 is provided and is connected to the power system 13. Further, the wind turbine rotor 11, the speed increaser 14, the generator system 15 and the like are connected by a main shaft 16.
  • a plurality of wind turbine blades 12 attached to the wind turbine rotor 11 receive wind energy, rotate together with the wind turbine rotor 11, and are accelerated by the speed increaser 14, and then drive the power generator in the generator system 15 to generate power.
  • the wind power generator of this embodiment is a variable speed rotation control type wind power generator, and uses a wound-type induction generator or a synchronous generator as a generator.
  • an AC-DC-AC link system is used in which the output of the generator is once converted to DC and then converted into AC again by an inverter.
  • Main controller 19 determines and outputs active power command P *, reactive power command Q *, and pitch angle command ⁇ * based on generator rotational speed ⁇ measured from generator system 15.
  • the pitch angle control mechanism 17 controls the pitch angle of the windmill blade 12 based on the pitch angle command ⁇ *, and its structure is the same as the conventional one.
  • Torsional vibration suppression unit 40 (details will be described later) outputs a pitch angle correction amount for calculating pitch angle command value ⁇ * based on voltage information of power system 13 and the value of generator speed ⁇ . To do.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating a schematic configuration of the torsional vibration suppressing unit 40 and the pitch angle control unit 20 and the power control unit 30 included in the main control unit 19. Switching of the connection of the switching unit 42 is controlled by the control unit 41.
  • the control unit 41 connects the switching unit 42 to the 0 side when the voltage of the power system 13 is greater than a predetermined value (for example, 0.5 pu) (that is, the torsional vibration suppression unit 40 and the pitch angle control unit 20 are connected to each other).
  • a predetermined value for example, 0.5 pu
  • the switching unit 42 is connected to the torsional vibration suppressing unit 40 side.
  • the torsional vibration suppressing unit 40 corrects the pitch angle so as to suppress the torsional vibration by the aerodynamic torque Tin calculated by differentiating the value of the generator rotational speed ⁇ when the voltage of the power system 13 becomes a predetermined value or less. Output quantity.
  • the torsional vibration suppression unit 40 is D control (Derivative Control) and differentiates the generator rotational speed ⁇ and applies a predetermined gain to output a pitch angle correction amount.
  • the derivative of the generator rotational speed ⁇ is represented as the torque T.
  • the pitch angle correction amount is calculated and fed back to the pitch angle control unit 20. Accordingly, in the pitch angle control unit 20 described later, the provisional pitch angle command value is corrected with a pitch angle correction amount that suppresses torsional vibration by the aerodynamic torque Tin, so that the pitch angle command value is determined.
  • the torsional vibration according to the generator rotational speed ⁇ can be suppressed.
  • control unit 41 switches the switching unit 42 based on the voltage drop of the power system 13, but is not limited to this.
  • the control unit 41 detects the voltage of the generator and generates power.
  • the voltage drop of the machine may be regarded as a drop in the system voltage, and the switching unit 42 may be switched based on the voltage drop of the generator.
  • the power control unit 30 includes a switch 33, a first subtractor 34, a first PI control unit 35, a power limiting unit 36, and a power setting calculation unit 37.
  • the switch 33, the first subtractor 34, the first PI controller 35, the power limiter 36, and the power setting calculator 37 each perform a calculation step for each clock cycle of the system clock used in the main controller 19. By executing, the active power command P * and the reactive power command Q * are determined and output.
  • the switch 33 switches between the minimum rotation speed ⁇ min and the rated rotation speed ⁇ max according to the generator rotation speed ⁇ , and selects one of them as the power control rotation speed command ⁇ P *. Specifically, the switching device 33 sets the power control rotational speed command ⁇ P * to the minimum rotational speed ⁇ min when the generator rotational speed ⁇ is less than or equal to a predetermined value, and the generator rotational speed ⁇ is less than the predetermined value. If larger, the power control rotation speed command ⁇ P * is set to the rated rotation speed ⁇ max.
  • the first subtractor 34 calculates a deviation ⁇ P by subtracting the power control rotation speed command ⁇ P * from the generator rotation speed ⁇ .
  • the power limiting unit 36 determines the power command lower limit Pmin and the power command upper limit Pmax for the PI control of the first PI control unit 35 based on the generator rotational speed ⁇ and the pitch angle command ⁇ *, and outputs the information. Further, the power limiting unit 36 outputs information on the rated power Prated to the subtracter 22 of the pitch angle control unit 20.
  • the first PI control unit 35 performs PI control in response to the deviation ⁇ P while limiting the active power command P * to the power command lower limit Pmin or more and the power command upper limit Pmax or less, and determines the active power command P *.
  • the power setting calculation unit 37 generates a reactive power command Q based on the active power command P * generated by the first PI control unit 35 and the power factor command that specifies the power factor of the AC power output from the wind turbine generator 10. * Is calculated, and active power command P * and reactive power command Q * are output.
  • the pitch angle control unit 20 determines and outputs a pitch angle command value that is a pitch angle command value of the wind turbine blade 12 according to the generator rotational speed ⁇ .
  • the pitch angle control unit 20 also generates torsional vibrations generated in the main shaft system that transmits the rotation of the wind turbine rotor 11 to the generator when the voltage of the power system 13 is a predetermined value or less (for example, 0.5 pu or less). The pitch angle is controlled to suppress this.
  • the pitch angle control unit 20 has a first pitch angle control value determined from the difference between the generator rotational speed ⁇ and the rated rotational speed, and a second pitch angle determined from the difference between the output power of the generator and the rated power.
  • the pitch angle command value is determined based on the temporary pitch angle command value determined based on the control value and the pitch angle correction amount output from the torsional vibration suppression unit 40.
  • the pitch angle control unit 20 includes a second subtracter 21, a third subtracter 22, a second PI control unit 23, a third PI control unit 24, an adder 25, and a pitch angle determination unit 26.
  • the second subtracter 21, the third subtracter 22, the second PI control unit 23, the third PI control unit 24, the adder 25, and the pitch angle determination unit 26 are clocks of a system clock used in the main controller 19.
  • a pitch angle command ⁇ * is determined and output by executing a calculation step for each cycle.
  • the subtractor 21 calculates the deviation ⁇ by subtracting the pitch control rotational speed command ⁇ * from the generator rotational speed ⁇ .
  • the pitch control rotational speed command ⁇ * coincides with the rated rotational speed ⁇ max, and therefore the deviation ⁇ represents the difference between the generator rotational speed ⁇ and the rated rotational speed ⁇ max.
  • the second PI control unit 23 performs PI control in response to the deviation ⁇ , and calculates a pitch angle command basic value (first pitch angle control value) ⁇ in *.
  • the pitch angle command basic value ⁇ in is determined such that the generator rotational speed ⁇ is controlled to the rated rotational speed ⁇ max.
  • the third subtracter 22 calculates the deviation ⁇ P by subtracting the rated power Prated from the active power command P *.
  • the third PI control unit 24 performs PI control in response to the deviation ⁇ P, and calculates a correction value (second pitch angle control value) ⁇ *.
  • the adder 25 adds the pitch angle command basic value ⁇ in * and the correction amount ⁇ * to calculate a temporary pitch angle command ⁇ ′ that is a temporary pitch angle command value.
  • the second PI control unit 23 may undesirably discard aerodynamic energy to be extracted as electric power by adjusting the generator rotational speed ⁇ to the rated rotational speed ⁇ max. Therefore, in the present embodiment, the third PI control unit 24 calculates the correction value ⁇ * in response to the difference between the rated power Prated and the active power command P *, and the temporary pitch angle command ⁇ ′ is calculated based on the correction value ⁇ *. It has been corrected.
  • the pitch angle ⁇ is determined to be smaller than ⁇ in *, that is, the pitch angle ⁇ is on the finer side. By such control, the pitch angle ⁇ is suppressed from becoming the feather side immediately before the active power command P * reaches the rated power Prated. After the active power command P * reaches the rated power Prated, the deviation ⁇ P becomes 0 and the correction value ⁇ * also becomes 0.
  • the pitch angle determining unit 26 determines the pitch angle command value ⁇ * by adding the provisional pitch angle command value ⁇ ′ and a pitch angle correction amount that suppresses torsional vibration by aerodynamic torque.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating a control process when the voltage of the power system 13 decreases in the wind turbine generator 10 according to the present embodiment.
  • the voltage of the power system 13 is detected by the torsional vibration suppressing unit 40, and it is determined whether or not the voltage of the power system 13 is equal to or lower than a predetermined value (step SA1).
  • step SA1 the process of step SA1 is repeated, and the torsional vibration suppression unit 40 subsequently determines whether or not the voltage of the power system 13 has decreased at a predetermined time interval. judge.
  • the control unit 41 controls the switching unit 42, and the torsional vibration suppressing unit 40 and the pitch angle control unit 20 are connected ( Step SA2).
  • the torsional vibration suppression unit 40 calculates and outputs a pitch angle correction amount that suppresses the torsional vibration by the aerodynamic torque Tin based on the generator rotational speed ⁇ .
  • a temporary pitch angle command value ⁇ ′ is calculated based on the generator rotational speed ⁇ , the rated rotational speed ⁇ max, the rated output Prated, and the active power command P *.
  • the pitch angle determining unit 26 and the pitch angle correction amount acquired from the torsional vibration suppressing unit 40 and the temporary pitch acquired from the adder 25 are used.
  • a pitch angle command value ⁇ * is determined and output based on the angle command value ⁇ ′ (step SA4). Based on the determined pitch angle command value ⁇ *, the wind turbine blade 12 is controlled to suppress torsional vibration (step SA5).
  • the pitch angle control when the system voltage decreases and the generator output decreases, the torsional vibration is suppressed by the aerodynamic torque according to the generator rotational speed.
  • a pitch angle command value is output with a correct pitch angle as a correction amount.
  • the rotor 11 having a plurality of windmill blades 12, the generator driven by the rotation of the rotor 11, and the generator
  • the pitch angle control unit 20 that controls the pitch angle of the windmill blade 12 in accordance with the rotational speed ⁇
  • the pitch angle is controlled to suppress.
  • the pitch angle of the wind turbine blade 12 is controlled so as to suppress the torsional vibration, so that the torsional vibration can be reliably suppressed.
  • system 13 can be reduced, and mechanical damages, such as a gear box, a gear, a bearing, can be prevented.
  • the pitch angle correction amount that suppresses the torsional vibration by the aerodynamic torque which is calculated based on the generator rotational speed ⁇ , is output, the torsional vibration is generated and the rotational speed fluctuates.

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Abstract

　電力系統の低電圧事象が発生した場合に、主軸系にかかる荷重を抑制し、損傷を防ぐこと。複数の風車ブレード（１２）を有するロータ（１１）と、ロータ（１１）の回転により駆動される発電機と、発電機回転数ωに応じて風車ブレード（１２）のピッチ角を制御するピッチ角制御部とを備え、ピッチ角制御部は、電力系統（１３）の電圧が所定値以下となった場合に、ロータ（１１）の回転を発電機システム（１５）に伝達する主軸系に発生するねじり振動を抑制するようにピッチ角を制御する。

Description

風力発電装置及びその方法並びにプログラム
　本発明は、例えば、系統電圧の低下が発生した場合に、主軸系にかかる荷重を抑制する風力発電装置及びその方法並びにプログラムに関する。
　従来、風力発電装置の風車ブレードが風を受け、風車ブレードを有するロータが回転することにより、ロータを介して回転する主軸系に偏心荷重がかかり、ねじり振動が発生することが知られており、ねじり振動を抑制する方法が検討されている。
　例えば、特許文献１には、発電機の回転速度の変化に基づいて、発電機と風車ブレード間の軸系のねじり振動成分を検出し、そのねじり振動成分に応じて電流調整することで、ねじり振動を抑制する技術が提案されている。
特開２００５－４５８４９号公報
　しかしながら、上記特許文献１に記載された技術では、発電機が稼働している場合に回転数が上昇するとトルクが増大するので、さらなる回転数の上昇を抑える減衰効果があるが、電力系統の電圧が所定値以下となり発電機出力が低下すると、負荷がなくなり発電機の減衰効果が効かないため、ねじり振動を抑制することができず、ギヤボックス、ギヤ、軸受等の機械側の荷重が増大するという問題があった。
　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、電力系統の低電圧事象が発生した場合に、主軸系にかかる荷重を抑制し、機械的損傷を防ぐことができる風力発電装置及びその方法並びにプログラム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、本発明は以下の手段を採用する。
　本発明の第一の態様は、複数の風車ブレードを有するロータと、前記ロータの回転により駆動される発電機と、前記発電機の回転数に応じて前記風車ブレードのピッチ角を制御するピッチ角指令値を出力するピッチ角制御手段とを備える風力発電装置であって、前記ピッチ角制御手段は、電力系統の電圧が所定値以下となった場合に、前記ロータの回転を前記発電機に伝達する主軸系に発生するねじり振動を抑制するように前記ピッチ角指令値を出力する風力発電装置である。
　上記第一の態様に係る風力発電装置によれば、複数の風車ブレードを有するロータと、ロータの回転により駆動される発電機と、発電機の回転数に応じて風車ブレードのピッチ角指令値を制御するピッチ角制御手段とを備える風力発電装置において、電力系統の電圧が所定値以下となった場合に、風車ブレードは、ロータの回転を発電機に伝達する主軸系に発生するねじり振動を抑制するようにピッチ角制御される。
　このように、電力系統側の電圧低下が生じた場合に、ねじり振動を抑制するように風車ブレードをピッチ角制御するので、発電機が停止されることにより発生するねじり振動を確実に抑制できる。これにより、電圧低下発生時において、主軸系にかかる荷重を低減でき、ギヤボックス、ギヤ、軸受等の機械的損傷を防ぐことができる。
　上記風力発電装置において、電力系統の電圧が所定値以下となった場合に、前記発電機の回転数の値を微分して算出される、空力トルクによりねじり振動を抑制するためのピッチ角補正量を出力するねじり振動抑制手段を具備し、前記ピッチ角制御手段は、前記ピッチ角補正量に基づいて前記ピッチ角指令値を決定することが好ましい。
　ピッチ角補正量は回転数に基づいて算出されるので、ねじり振動が発生し回転数が変動している場合であっても、変動後の回転数に対応する空力トルクによる減衰効果によって、ねじり振動を確実に低減することができる。
　上記風力発電装置の前記ピッチ角制御手段は、前記発電機の回転数と定格回転数との差から決定される第１ピッチ角制御値と、前記発電機の出力電力と定格電力との差から決定される第２ピッチ角制御値とに基づいて決定される仮の前記ピッチ角指令値、及び前記ピッチ角補正量に基づいて、前記ピッチ角指令値を決定することが好ましい。
　本発明の第二の態様は、複数の風車ブレードを有するロータと、前記ロータの回転により駆動される発電機と、前記発電機の回転数に応じて前記風車ブレードのピッチ角を制御するピッチ角指令値を出力する風力発電装置の制御方法であって、電力系統の電圧が所定値以下となった場合に、前記ロータの回転を前記発電機に伝達する主軸系に発生するねじり振動を抑制するように前記ピッチ角指令値を出力する風力発電装置の制御方法である。
　本発明の第三の態様は、複数の風車ブレードを有するロータと、前記ロータの回転により駆動される発電機と、前記発電機の回転数に応じて前記風車ブレードのピッチ角を制御するピッチ角指令値を出力する風力発電装置の制御プログラムであって、電力系統の電圧が所定値以下となった場合に、前記ロータの回転を前記発電機に伝達する主軸系に発生するねじり振動を抑制するように前記ピッチ角指令値を出力する処理をコンピュータに実行させるための風力発電装置の制御プログラムである。
　本発明は、電力系統の低電圧事象が発生した場合に、主軸系にかかる荷重を抑制し、損傷を防ぐことができるという効果を奏する。
本発明の一実施形態に係る風力発電装置の概略構成を示した図である。 ピッチ角制御部と電力制御部とねじり振動抑制部との機能を展開して示した機能ブロック図である。 図１の風力発電装置の動作フローである。 ねじり振動抑制部を使用した場合と使用しない場合とのねじりトルクの推移を示した図である。
　以下に、本発明に係る風力発電装置及びその方法並びにプログラムの実施形態について、図面を参照して説明する。
　図１に示されるように、本実施形態の風力発電装置１０は、風車ロータ１１、風車ブレード１２、増速機１４、発電機システム１５、ピッチ角制御機構１７、主制御部１９、及びねじり振動抑制部（ねじり振動抑制手段）４０を備えており、電力系統１３と接続されている。また、風車ロータ１１、増速機１４、発電機システム１５等は、主軸１６によって接続されている。
　風車ロータ１１に取り付けられた複数枚の風車ブレード１２が、風力エネルギーを受けて風車ロータ１１と共に回転し、増速機１４によって増速した後、発電機システム１５内の発電機を駆動して発電することにより風力エネルギーを電気エネルギーに変換している。なお、本実施形態の風力発電装置は、可変速回転制御方式の風力発電装置であり、発電機として巻線形誘導発電機または同期発電機等を利用する。なお、同期発電機を利用した構成では、発電機の出力を一旦直流に変換して再びインバータによって交流に変換するＡＣ－ＤＣ－ＡＣリンク方式を用いる。
　主制御装置１９は、発電機システム１５から測定された発電機回転数ωに基づいて、有効電力指令Ｐ＊、無効電力指令Ｑ＊、及びピッチ角指令β＊を決定し、出力する。
　ピッチ角制御機構１７は、ピッチ角指令β＊に基づいて、風車ブレード１２のピッチ角を制御するもので、その構造等は従来のものと同等である。
　ねじり振動抑制部４０（詳細は後述する）は、電力系統１３の電圧情報と、発電機回転数ωの値とに基づいて、ピッチ角指令値β＊を算出するためのピッチ角補正量を出力する。
　図２は、ねじり振動抑制部４０、及び主制御部１９に含まれるピッチ角制御部２０と電力制御部３０の概略構成を示すブロック図である。
　切替部４２の接続の切り替えは、制御部４１により制御される。
　制御部４１は、電力系統１３の電圧が所定値（例えば、０．５ｐｕ）より大きい場合に、切替部４２を０側に接続させ（つまり、ねじり振動抑制部４０とピッチ角制御部２０とを接続させない）、電力系統１３の電圧が所定値（例えば、０．５ｐｕ）以下となった場合に、切替部４２をねじり振動抑制部４０側と接続させる。
　ねじり振動抑制部４０は、電力系統１３の電圧が所定値以下となった場合に、発電機回転数ωの値を微分して算出される空力トルクＴｉｎによりねじり振動を抑制するようなピッチ角補正量を出力する。具体的には、ねじり振動抑制部４０は、Ｄ制御（Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ；微分制御）であり、発電機回転数ωを微分し、所定のゲインをかけることにより、ピッチ角補正量を出力する。
　ここで、発電機回転数ωはトルクＴ（＝Ｔｉｎ－Ｔｏｕｔ）の積分によって表わされる（下記（１）式参照）ことから、発電機回転数ωの微分は、トルクＴとして表わされる。また、Ｔｉｎは空力トルク、Ｔｏｕｔは電気トルク、τは慣性モーメントとすると、下記（２）式が成立する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
  
　電力系統１３の電圧が所定値以下となり低電圧が発生した場合には、電気トルクＴｏｕｔ＝０となることから、ねじり振動抑制部４０は、空力トルクＴｉｎによりねじり振動を抑制するようなピッチ角をピッチ角補正量として算出し、ピッチ角制御部２０にフィードバックする。これにより、後段で説明するピッチ角制御部２０において、仮のピッチ角指令値が、空力トルクＴｉｎによりねじり振動を抑制するようなピッチ角補正量で補正されてピッチ角指令値が決定されるので、発電機回転数ωに応じたねじり振動を抑制することができる。
　また、本実施形態においては、制御部４１は、電力系統１３の電圧低下に基づいて、切替部４２を切り替えることとするが、これに限定されず、例えば、発電機の電圧を検出し、発電機の電圧低下を系統電圧の低下としてみなし、発電機の電圧低下に基づいて切替部４２を切り替えることとしてもよい。
　電力制御部３０は、切替器３３、第１減算器３４、第１ＰＩ制御部３５、パワー制限部３６、及び電力設定計算部３７を備えている。また、切替器３３、第１減算器３４、第１ＰＩ制御部３５、パワー制限部３６、及び電力設定計算部３７は、主制御装置１９において使用されるシステムクロックのクロックサイクル毎にそれぞれ演算ステップを実行することにより、有効電力指令Ｐ＊及び無効電力指令Ｑ＊を決定し、出力する。
　切替器３３は、発電機回転数ωに応じて、最小回転数ωｍｉｎと定格回転数ωｍａｘとを切り替え、選定されたいずれか一方を電力制御回転数指令ωＰ＊とする。具体的には、切替器３３は、発電機回転数ωが所定値以下である場合に、電力制御回転数指令ωＰ＊を最小回転数ωｍｉｎに設定し、発電機回転数ωが所定値よりも大きい場合には、電力制御回転数指令ωＰ＊を定格回転数ωｍａｘに設定する。
　第１減算器３４は、発電機回転数ωから電力制御回転数指令ωＰ＊を減じて偏差ΔωＰを算出する。
　パワー制限部３６は、発電機回転数ω及びピッチ角指令β＊に基づいて、第１ＰＩ制御部３５のＰＩ制御に対する電力指令下限Ｐｍｉｎ及び電力指令上限Ｐｍａｘを決定し、それらの情報を出力する。また、パワー制限部３６は、ピッチ角制御部２０の減算器２２に対し、定格電力Ｐｒａｔｅｄの情報を出力する。
　第１ＰＩ制御部３５は、有効電力指令Ｐ＊を電力指令下限Ｐｍｉｎ以上、電力指令上限Ｐｍａｘ以下に制限の下、偏差ΔωＰに応答してＰＩ制御を行い、有効電力指令Ｐ＊を決定する。
　電力設定計算部３７は、第１ＰＩ制御部３５によって生成された有効電力指令Ｐ＊と、風力発電装置１０から出力される交流電力の力率を指定する力率指令とに基づいて無効電力指令Ｑ＊を算出し、有効電力指令Ｐ＊と無効電力指令Ｑ＊とを出力する。
　ピッチ角制御部２０は、発電機回転数ωに応じて風車ブレード１２のピッチ角の指令値であるピッチ角指令値を決定し、出力する。また、ピッチ角制御部２０は、電力系統１３の電圧が所定値以下（例えば、０．５ｐｕ以下）となった場合に、風車ロータ１１の回転を発電機に伝達する主軸系に発生するねじり振動を抑制するようにピッチ角を制御する。
　ピッチ角制御部２０は、発電機回転数ωと定格回転数との差から決定される第１ピッチ角制御値と、発電機の出力電力と定格電力との差から決定される第２ピッチ角制御値とに基づいて決定される仮のピッチ角指令値、及びねじり振動抑制部４０から出力されるピッチ角補正量に基づいて、ピッチ角指令値を決定する。
　具体的には、ピッチ角制御部２０は、第２減算器２１、第３減算器２２、第２ＰＩ制御部２３、第３ＰＩ制御部２４、加算器２５、及びピッチ角決定部２６を備えている。また、第２減算器２１、第３減算器２２、第２ＰＩ制御部２３、第３ＰＩ制御部２４、加算器２５、及びピッチ角決定部２６は、主制御装置１９において使用されるシステムクロックのクロックサイクル毎にそれぞれ演算ステップを実行することによりピッチ角指令β＊を決定し、出力する。
　減算器２１は、発電機回転数ωからピッチ制御回転数指令ωβ＊を減じて偏差Δωβを算出する。ピッチ制御回転数指令ωβ＊は、定格回転数ωｍａｘに一致しており、従って、偏差Δωβは、発電機回転数ωと定格回転数ωｍａｘとの差を表している。
　第２ＰＩ制御部２３は、偏差Δωβに応答してＰＩ制御し、ピッチ角指令基礎値（第１ピッチ角制御値）βｉｎ＊を算出する。ピッチ角指令基礎値βｉｎは、発電機回転数ωが定格回転数ωｍａｘに制御されるように決定される。
　第３減算器２２は、有効電力指令Ｐ＊から定格電力Ｐｒａｔｅｄを減じて偏差ΔＰを算出する。
　第３ＰＩ制御部２４は、偏差ΔＰに応答してＰＩ制御し、補正値（第２ピッチ角制御値）Δβ＊を算出する。
　加算器２５は、ピッチ角指令基礎値βｉｎ＊と補正量Δβ＊とを加算して仮のピッチ角指令値である仮ピッチ角指令β´を算出する。
　第２ＰＩ制御部２３は、発電機回転数ωを定格回転数ωｍａｘに調整することにより、電力として取り出すべき空力エネルギーを不所望に捨ててしまう場合がある。そこで、本実施形態では、定格電力Ｐｒａｔｅｄと有効電力指令Ｐ＊との差に応答して第３ＰＩ制御部２４によって補正値Δβ＊を算出し、この補正値Δβ＊によって仮ピッチ角指令β´を補正している。
　補正値Δβ＊は、有効電力指令Ｐ＊が定格電力Ｐｒａｔｅｄよりも小さい場合に、即ち、偏差ΔＰ（＝Ｐ＊－Ｐｒａｔｅｄ）が負であると、仮ピッチ角指令β´がピッチ角指令基礎値βｉｎ＊よりも小さくなるように、即ち、ピッチ角βがよりファイン側になるように決定される。このような制御により、有効電力指令Ｐ＊が定格電力Ｐｒａｔｅｄに到達する直前では、ピッチ角βがフェザー側になることが抑制される。有効電力指令Ｐ＊が定格電力Ｐｒａｔｅｄに到達した後は、偏差ΔＰは０となり、補正値Δβ＊も０となる。
　ピッチ角決定部２６は、仮のピッチ角指令値β´と空力トルクによりねじり振動を抑制するようなピッチ角補正量とを加算することにより、ピッチ角指令値β＊を決定する。
　図３は、本実施形態にかかる風力発電装置１０において、電力系統１３の電圧が低下した場合の制御の過程を示すフローチャートである。
　風力発電装置１０では、ねじり振動抑制部４０により電力系統１３の電圧が検出され、電力系統１３の電圧が所定値以下となったか否かが判定される（ステップＳＡ１）。系統電圧が所定値以下になっていないと判断された場合には、ステップＳＡ１の処理を繰り返し、引き続きねじり振動抑制部４０において、所定の時間間隔で電力系統１３の電圧が低下したか否かを判定する。
　ステップＳＡ１で電力系統１３の電圧が所定値以下と判定された場合には、制御部４１によって切替部４２が制御され、ねじり振動抑制部４０とピッチ角制御部２０とが接続状態とされる（ステップＳＡ２）。
　また、電力系統の低電圧事象が検出されると、ねじり振動抑制部４０において、発電機回転数ωに基づいた空力トルクＴｉｎによりねじり振動を抑制するピッチ角補正量が算出され出力される。（ステップＳＡ３）
　加算器２５において、発電機回転数ω、定格回転数ωｍａｘ、定格出力Ｐｒａｔｅｄ、及び有効電力指令Ｐ＊に基づいて仮ピッチ角指令値β´が算出される。また、ねじり振動抑制部４０とピッチ角制御部２０とが接続状態にされると、ピッチ角決定部２６において、ねじり振動抑制部４０から取得したピッチ角補正量と加算器２５から取得した仮ピッチ角指令値β´とに基づいて、ピッチ角指令値β＊が決定され、出力される（ステップＳＡ４）。決定されたピッチ角指令値β＊に基づいて、風車ブレード１２が制御されることにより、ねじり振動が抑制される（ステップＳＡ５）。
　次に、ねじり振動抑制部４０を使用しないで、ピッチ角制御される場合のねじりトルクの推移と、上述した本実施形態に係るねじり振動抑制部４０によるピッチ角制御が実施される場合のねじりトルクの推移の一例について、以下に図４を用いて説明する。
　図４のオリジナル線に示されるように、風車ブレード１２は、ねじり振動抑制部４０を使用しないでピッチ角制御される場合には、時刻ｔ１において、系統電圧の低下が発生すると、発電機が停止され、発電機が発電している期間にはあったねじり振動を抑えるような減衰効果がなくなり、系統電圧の低下が発生した当初ほど大きなねじり振動が発生する。
　これに対し、本実施形態に係るピッチ角制御においては、系統電圧の低下が発生し、発電機出力が低下した場合には、発電機回転数に応じて、空力トルクによりねじれ振動を抑制するようなピッチ角を補正量として加味してピッチ角指令値が出力される。これにより、図４の太線（改善１）で示されるように、時刻ｔ１において、系統電圧の低下が発生した場合であっても、オリジナル線と比較して、ねじり振動を低減させることができる。
　以上説明してきたように、本実施形態に係る風力発電装置１０及びその方法並びにプログラムによれば、複数の風車ブレード１２を有するロータ１１と、ロータ１１の回転により駆動される発電機と、発電機回転数ωに応じて風車ブレード１２のピッチ角を制御するピッチ角制御部２０とを備える風力発電装置１０において、電力系統１３の電圧が所定値以下となった場合に、主軸系のねじり振動を抑制するようにピッチ角制御される。
　このように、電力系統側の電圧低下が生じた場合に、ねじり振動を抑制するように風車ブレード１２をピッチ角制御するので、ねじり振動を確実に抑制できる。これにより、電力系統１３の電圧低下発生時における風車ブレード１２にかかる荷重を低減でき、ギヤボックス、ギヤ、軸受等の機械的損傷を防ぐことができる。また、発電機回転数ωに基づいて算出される、空力トルクによりねじれ振動を抑制するようなピッチ角補正量が出力されるので、ねじり振動が発生し、回転数が変動している場合であっても、変動後の回転数に対応する空力トルクに基づいて制御することができる。
１０　風力発電装置
１３　電力系統
１６　主軸
２０　ピッチ角制御部
２６　ピッチ角決定部
３０　電力制御部
４０　ねじり振動抑制部（ねじり振動抑制手段）

Claims (5)

  1. 　複数の風車ブレードを有するロータと、前記ロータの回転により駆動される発電機と、前記発電機の回転数に応じて前記風車ブレードのピッチ角を制御するピッチ角指令値を出力するピッチ角制御手段とを備える風力発電装置であって、
    　前記ピッチ角制御手段は、電力系統の電圧が所定値以下となった場合に、前記ロータの回転を前記発電機に伝達する主軸系に発生するねじり振動を抑制するように前記ピッチ角指令値を出力する風力発電装置。
  2. 　前記電力系統の電圧が所定値以下となった場合に、前記発電機の回転数の値を微分して算出される、空力トルクによりねじり振動を抑制するようなピッチ角補正量を出力するねじり振動抑制手段を具備し、
    　前記ピッチ角制御手段は、前記ピッチ角補正量に基づいて前記ピッチ角指令値を決定する請求項１に記載の風力発電装置。
  3. 　前記ピッチ角制御手段は、前記発電機の回転数と定格回転数との差から決定される第１ピッチ角制御値と、前記発電機の出力電力と定格電力との差から決定される第２ピッチ角制御値とに基づいて決定される仮の前記ピッチ角指令値、及び前記ピッチ角補正量に基づいて、前記ピッチ角指令値を決定する請求項２に記載の風力発電装置。
  4. 　複数の風車ブレードを有するロータと、前記ロータの回転により駆動される発電機とを具備し、前記発電機の回転数に応じて前記風車ブレードのピッチ角を制御するピッチ角指令値を出力する風力発電装置の制御方法であって、
    　電力系統の電圧が所定値以下となった場合に、前記ロータの回転を前記発電機に伝達する主軸系に発生するねじり振動を抑制するように前記ピッチ角指令値を出力する風力発電装置の制御方法。
  5. 　複数の風車ブレードを有するロータと、前記ロータの回転により駆動される発電機とを具備し、前記発電機の回転数に応じて前記風車ブレードのピッチ角を制御するピッチ角指令値を出力する風力発電装置の制御プログラムであって、
    　電力系統の電圧が所定値以下となった場合に、前記ロータの回転を前記発電機に伝達する主軸系に発生するねじり振動を抑制するように前記ピッチ角指令値を出力する処理をコンピュータに実行させるための風力発電装置の制御プログラム。
    　
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