WO2014102945A1 - 制御装置及び方法並びにプログラム、それを備えた浮体式風力発電装置 - Google Patents

制御装置及び方法並びにプログラム、それを備えた浮体式風力発電装置 Download PDF

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和成 井手
崇俊 松下
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Definitions

  • the present invention relates to a control device, a method, a program, and a floating wind power generator equipped with the program.
  • Patent Document 1 does not describe a control method in the case where wind flows in from the lateral direction with respect to the rotating surface of the windmill blade, and it cannot eliminate the wind direction deviation with respect to the rotation axis of the windmill blade. There was a problem.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and a control device and method and program capable of efficiently converting wind energy into electric energy according to the wind direction, and a floating wind turbine generator having the control device and method.
  • the purpose is to provide.
  • a yaw driving device that yaw-rotates the nacelle with respect to a tower having a nacelle provided with a rotor head that rotates by receiving wind power from a plurality of windmill blades, and drives the wind turbine blades
  • a control device for a floating wind power generator comprising a pitch angle control unit for controlling the pitch angle
  • the nacelle and the tower are arranged such that a signal detected by a first sensor for detecting a wind direction deviation with respect to a vertical direction of the rotating surface of the windmill blade is an angle within a predetermined range from a vertical direction of the rotating surface of the windmill blade.
  • the pitch angle control unit is controlled by a pitch angle command value calculated based on a signal detected from a second sensor that detects a relative angle of the second sensor and a third sensor that detects a yaw angle from a reference position of the tower. And it is a control apparatus of the floating type wind power generator which controls the said yaw drive apparatus by the yaw drive command value calculated based on the signal detected from the said 2nd sensor and the said 3rd sensor.
  • the signal detected by the first sensor that detects the wind direction deviation with respect to the vertical direction of the rotating surface of the windmill blade is set to an angle within a predetermined range from the vertical direction of the rotating surface of the windmill blade.
  • a pitch angle control unit based on a pitch angle command value calculated based on signals detected from a second sensor that detects a relative angle between the nacelle and the tower and a third sensor that detects a yaw angle from the reference position of the tower. Is controlled, and the yaw drive device is controlled by the yaw drive command value calculated based on the signals detected from the second sensor and the third sensor.
  • a control apparatus for a floating wind turbine generator which includes a pitch angle control unit that controls a pitch angle by driving a wind turbine blade and has a tilt angle that is an angle between a horizontal plane and a main shaft.
  • a signal detected by a fourth sensor that detects a turbine pitch angle which is an angle between a vertical axis with respect to a horizontal plane and a tower provided with a nacelle provided with a rotor head that rotates by receiving wind power from a plurality of wind turbine blades.
  • a control device for a floating wind power generator that controls the pitch angle control unit with a pitch angle command value that controls the pitch angle of each wind turbine blade such that the angle is within a predetermined range.
  • the fourth sensor detects a turbine pitch angle that is an angle between a vertical axis with respect to a horizontal plane and a tower provided with a nacelle provided with a rotor head that rotates by receiving wind power on a plurality of wind turbine blades.
  • the pitch angle of each wind turbine blade is controlled by the pitch angle command value so that the detected signal becomes an angle within a predetermined range.
  • the floating wind power generator to which the control device is applied may include a floating structure foundation floating on the ocean and a tower installed on the foundation.
  • the control device of the invention it is possible to accurately and efficiently convert wind energy into electric energy by considering the inertia of the rotor and the inertia of the tower and the floating body.
  • the floating wind turbine generator to which the control device is applied may be provided with a tower floating on the ocean.
  • a third aspect of the present invention is a wind farm including any of the control devices described above and a floating wind power generator.
  • a yaw drive device that yaw-turns the nacelle with respect to a tower having a nacelle provided with a rotor head that rotates by receiving wind power from a plurality of windmill blades, and drives the windmill blades And a pitch angle control unit for controlling a pitch angle, and a signal detected by a first sensor that detects a wind direction deviation with respect to a vertical direction of a rotating surface of the wind turbine blade. Detects a relative angle between the nacelle and the tower so that the angle is within a predetermined range from the vertical direction of the rotating surface of the wind turbine blade, and detects a yaw angle from a reference position of the tower.
  • the pitch angle control unit is controlled by a pitch angle command value calculated based on a signal detected from the third sensor, and based on signals detected from the second sensor and the third sensor.
  • the yaw drive command value calculated is a control method of the floating wind turbine generator for controlling the yaw driving device.
  • a yaw driving device that yaw-rotates the nacelle with respect to a tower having a nacelle provided with a rotor head that rotates by receiving wind power from a plurality of windmill blades, and drives the windmill blades.
  • a control program for a floating wind turbine generator that includes a pitch angle control unit that controls the pitch angle, and a signal detected by a first sensor that detects a wind direction deviation with respect to a vertical direction of the rotating surface of the wind turbine blade.
  • the pitch angle control unit is controlled by a pitch angle command value calculated based on a signal detected from the third sensor, and a signal detected from the second sensor and the third sensor
  • the yaw drive command value calculated Zui providing a control program of the floating wind turbine generator for controlling the yaw driving device.
  • a control method for a floating wind turbine generator that includes a pitch angle control unit that controls a pitch angle by driving a wind turbine blade and has a tilt angle that is an angle between a horizontal plane and a main shaft.
  • a signal detected by a fourth sensor that detects a turbine pitch angle which is an angle between a vertical axis with respect to a horizontal plane and a tower provided with a nacelle provided with a rotor head that rotates by receiving wind power from a plurality of wind turbine blades.
  • a control method for a floating wind turbine generator that controls the pitch angle control unit with a pitch angle command value that controls the pitch angle of each wind turbine blade such that the angle is within a predetermined range.
  • a control program for a floating wind turbine generator that includes a pitch angle control unit that controls a pitch angle by driving a wind turbine blade and has a tilt angle that is an angle between a horizontal plane and a main shaft.
  • a signal detected by a fourth sensor that detects a turbine pitch angle which is an angle between a vertical axis with respect to a horizontal plane and a tower provided with a nacelle provided with a rotor head that rotates by receiving wind power from a plurality of wind turbine blades.
  • Is a control program for a floating wind turbine generator that controls the pitch angle control unit with a pitch angle command value that controls the pitch angle of each wind turbine blade so that the angle falls within a predetermined range.
  • FIG. 1 It is a figure showing a schematic structure of a floating type wind power generator concerning a 1st embodiment of the present invention.
  • the top view of the floating type wind power generator concerning a 1st embodiment is shown.
  • the functional block diagram of the control apparatus which concerns on 1st Embodiment is shown. It is an operation
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a windmill (floating wind turbine generator) 1 according to a first embodiment of the present invention.
  • the wind turbine 1 includes a foundation 11 having a floating structure floating on the sea surface 5, a tower 12 installed on the foundation, and a nacelle 13 installed at the upper end of the tower 12.
  • a rotor head 14 provided in the nacelle 13 so as to be rotatable around an axis, a yaw driving device 17, a pitch angle control unit 18, an anemometer (first sensor) 16, a second sensor a, and a third sensor b and the control device 10.
  • the foundation 11 is connected to the seabed 3 via the mooring cable 4.
  • Three wind turbine blades 15 are attached to the rotor head 14 radially around the rotation axis thereof.
  • the force of the wind striking the wind turbine blades 15 from the direction of the rotation axis of the rotor head 14 is converted into power for rotating the rotor head 14 around the rotation axis, and this power is generated by a power generation facility (illustrated) provided in the wind turbine 1. (Omitted) is converted into electrical energy.
  • a surface formed by the wind turbine blade 15 when the wind turbine blade 15 rotates around the rotation axis is defined as a rotation surface of the wind turbine blade 15.
  • the rotor head 14 is provided with a control device 10 that controls the operation of the wind turbine 1 by controlling the pitch angle of the wind turbine blade 15 by rotating the wind turbine blade 15 around the axis of the wind turbine blade 15 according to the wind condition. It has been.
  • the nacelle 13 is provided with a wind speed anemometer 16.
  • the wind speed and anemometer 16 measures the wind speed and the wind direction deviation with respect to the vertical direction of the rotating surface of the wind turbine blade, and outputs the measurement result to the control device 10.
  • a yaw driving device 17 is provided at a portion where the tower 12 is connected to the nacelle 13.
  • the yaw drive device 17 causes the nacelle 13 to yaw based on the yaw drive command value acquired from the control device 10.
  • the pitch angle control unit 18 controls the pitch angles of the three wind turbine blades 15 attached to the rotor head 14.
  • a wind turbine provided with three wind turbine blades 15 will be described as an example.
  • the number of wind turbine blades 15 is not limited to three and may be two or three. There may be more, and there is no particular limitation.
  • the second sensor a detects the relative angle between the nacelle 13 and the tower 12.
  • the third sensor b detects the yaw angle from the reference position of the tower 12.
  • the third sensor b detects the yaw angle from the reference position of the foundation 11 as the basic yaw angle.
  • FIG. 2 shows a top view of the wind turbine 1 according to the present embodiment.
  • the right side of FIG. 2 is the reference position (reference orientation) of the foundation 11, a deviation of the foundation 11 from the reference position is detected as a foundation yaw angle z from the reference position of the tower 12 (third sensor). b).
  • the deviation between the rotation axis of the rotor head 14 and the wind direction is detected as a wind direction deviation x (wind speed anemometer 16).
  • the relative angle between the nacelle 13 and the tower 12 is detected as the turbine yaw angle y based on the difference between the rotation axis of the rotor head 14 and the reference position of the foundation 11 (second sensor a).
  • the control device 10 based on the information on the wind direction deviation x, the turbine yaw angle y, the basic yaw angle z, and the wind speed, pitch angle command values for driving each of the three wind turbine blades 15. And a yaw drive command value are determined. Specifically, the control device 10 determines whether the signal (wind direction deviation x) detected by the anemometer 16 is an angle within a predetermined range from the vertical direction of the rotating surface of the wind turbine blade 15.
  • the pitch angle control unit 18 is controlled by the pitch angle command value calculated based on the detected signal (turbine yaw angle y) and the signal (basic yaw angle z) detected from the third sensor b, and the second sensor
  • the yaw drive device 17 is controlled by the yaw drive command value calculated based on the signals detected from a and the third sensor b.
  • the angle within the predetermined range is preferably in the vicinity of 0 ° from the direction of the rotation axis of the wind turbine blade 15, more preferably in the direction of the rotation axis (that is, 0 °).
  • the control device 10 outputs a pitch angle command value that causes the rotation surface of the wind turbine blade 15 to face the wind direction and a yaw drive command value that directs the tower 12 toward the reference position.
  • the wind speed anemometer 16 detects the wind direction deviation x from the rotation axis and outputs it to the control device 10 (step SA1 in FIG. 4).
  • the relative angle between the nacelle 13 and the tower 12 is detected as the turbine yaw angle y by the second sensor a, and is output to the control device 10 (step SA2 in FIG. 4).
  • the basic yaw angle z is detected by the third sensor b and output to the control device 10 (step SA3 in FIG. 4).
  • step SA4 It is determined whether or not the wind direction deviation x is an angle larger than a predetermined range A from the vertical direction of the rotating surface of the wind turbine blade 15 (rotational axis direction of the rotor head 14) (step SA4 in FIG. 4). If it is determined that the angle is an angle, a yaw drive device stop command for stopping the yaw drive device is output (step SA11 in FIG. 5), and the process proceeds to step SA9 in FIG.
  • Step SA5 When it is determined that the wind direction deviation x is larger than the predetermined range A from the vertical direction of the rotating surface of the wind turbine blade 15, an aerodynamic torque command in the yaw direction is calculated to make the wind direction deviation x within the predetermined range.
  • a pitch angle command value ⁇ ′ of each wind turbine blade 15 for making the wind direction deviation x within a predetermined range is calculated (step SA6 in FIG. 4).
  • Information on the pitch angle command value ⁇ ′ of each wind turbine blade 15 for setting the wind direction deviation x within a predetermined range is added to the pitch angle command value ⁇ t determined from the pitch angle target value determined based on the wind speed and output.
  • Step SA7 in FIG. 5 the pitch angle command value ⁇ for driving the pitch angle control unit 18 is determined.
  • a yaw drive command value (for example, direction, speed, etc.) of the yaw drive device 17 determined based on the aerodynamic torque command in the yaw direction is calculated (step SA8 in FIG. 5).
  • the pitch angle command value ⁇ is output to the pitch angle control unit 18 (step SA9 in FIG. 5), the yaw drive command value is output to the yaw drive device 17 (step SA10 in FIG. 5), and this process ends.
  • the pitch angle control unit 18 controls the pitch angle of each wind turbine blade 15 based on the pitch angle command value ⁇ , and the yaw drive device 17 turns the nacelle 13 based on the yaw drive command value.
  • the wind direction deviation x with respect to the vertical direction of the rotating surface of the wind turbine blade 15 is obtained.
  • Turbine yaw angle which is a relative angle between the nacelle 13 and the tower 12, so that the signal detected by the anemometer 16 for detecting the wind speed is in the direction perpendicular to the rotation surface of the wind turbine blade 15 (wind direction deviation 0 ° with respect to the rotation axis).
  • the pitch angle control unit uses the pitch angle command value calculated based on the signals detected from the second sensor a that detects y and the third sensor b that detects the basic yaw angle z from the reference position of the tower 12.
  • the yaw driving device is controlled by the yaw driving command value that is controlled and calculated based on the signals detected from the second sensor a and the third sensor b.
  • the yaw control by the yaw driving device and the pitch angle control of the wind turbine blade 15 are combined to generate the rotational torque in the yaw direction to control the yaw angle of the rotating surface of the wind turbine blade 15.
  • the tower 11 of the windmill 1 has been described as being provided on the foundation 11.
  • the present invention is not limited to this, and the spar type floating wind power generator in which the foundation 11 is not provided. It may be applied.
  • the spar type floating wind power generator tends to turn the tower 12 with yaw control, the rotation of the wind turbine blade of the spar type floating power generator can be achieved by applying the present invention. The surface can be directed more reliably in the wind direction.
  • the control device for a floating wind turbine generator according to the present embodiment differs from the first embodiment in that the wind turbine blade has a tilt angle.
  • the control device of the present embodiment will not be described with respect to the points common to the first embodiment, and different points will be mainly described.
  • FIG. 6 shows a schematic configuration of a windmill (floating wind turbine generator) 1 ′ according to the present embodiment.
  • the windmill 1 ′ includes a foundation 11 having a floating structure floating on the ocean, a tower 12 installed on the foundation, a nacelle 13 installed on the upper end of the tower 12, and a substantially horizontal axis. And a rotor head 14 provided in the nacelle 13, a pitch angle control unit 18, a fourth sensor d, and a control device 10 ′.
  • the foundation 11 is connected to the seabed 3 via the mooring cable 4.
  • Three wind turbine blades 15 are attached to the rotor head 14 radially around the rotation axis thereof.
  • the force of the wind striking the wind turbine blades 15 from the direction of the rotation axis of the rotor head 14 is converted into power for rotating the rotor head 14 around the rotation axis, and this power is generated by a power generation facility (illustrated) provided in the wind turbine 1. (Omitted) is converted into electrical energy.
  • a surface formed by the wind turbine blade 15 when the wind turbine blade 15 rotates around the rotation axis is defined as a rotation surface of the wind turbine blade 15.
  • the windmill 1 ′ according to the present embodiment has a tilt angle (for example, 5 degrees) that is an angle between the horizontal plane and the rotation axis of the rotor head 14. Minutes, the rotation surface is facing up.
  • the control device 10 ′ is configured so that the signals detected by the fourth sensor d that detects the turbine pitch angle, which is the angle between the vertical axis with respect to the horizontal plane and the tower 12, become an angle within a predetermined range.
  • the pitch angle control unit 18 is controlled by a pitch angle command value for controlling the pitch angle.
  • the angle in the predetermined range is preferably that the turbine pitch angle from the vertical axis to the horizontal plane toward the rotation surface of the wind turbine blade 15 of the tower 12 is equal to the tilt angle, that is, the rotation axis of the rotor head 14 is horizontal. Is equivalent to
  • the fourth sensor detects the turbine pitch angle, which is the angle between the vertical axis with respect to the horizontal plane and the tower 12 (step SB1 in FIG. 8).
  • the turbine pitch angle deviation which is the deviation between the turbine pitch angle at which wind is most efficiently received and the detected turbine pitch angle, is estimated (step SB2 in FIG. 8), and the time average processing of the turbine pitch angle deviation is performed. (Step SB3 in FIG. 8). It is determined whether or not the turbine pitch angle deviation after the time averaging process is larger than the predetermined range B (step SB4 in FIG. 8). If the turbine pitch angle deviation is determined to be equal to or smaller than the predetermined range, the step in FIG. Proceed to SB8.
  • an aerodynamic torque command in the pitch direction for calculating the turbine pitch angle deviation to an angle within the predetermined range is calculated (step SB5 in FIG. 8).
  • the pitch angle command value ⁇ ′ of each wind turbine blade 15 is calculated based on the aerodynamic torque command in the pitch direction (step SB6 in FIG. 8).
  • the pitch angle command value ⁇ t determined from the pitch angle target value determined based on the wind speed and the output of the pitch angle command value ⁇ ′ of each wind turbine blade 15 for making the turbine pitch angle deviation within a predetermined range.
  • the pitch angle command value ⁇ for driving the pitch angle control unit 18 is determined.
  • the pitch angle command value ⁇ is output to the pitch angle control unit 18 (step SB8 in FIG. 8), and this process ends.
  • the angle between the vertical axis and the tower 12 with respect to the horizontal plane is controlled by the pitch angle command value so that the signal detected by the fourth sensor for detecting the turbine pitch angle is an angle within a predetermined range.
  • the wind energy can be efficiently converted into electric energy by moving the pitch angle of the wind turbine blade 15 independently, generating a moment, and suppressing the deviation between the rotating surface of the wind turbine blade 15 and the wind direction.

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Abstract

　風向に応じて、風エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換すること。風車翼（１５）の回転面の垂直方向に対する風向偏差を検出する第１センサ（１６）により検出される信号が、風車翼（１５）の回転面の垂直方向から所定範囲内の角度となるように、ナセル（１３）とタワー（１２）の相対角度を検出する第２センサ（ａ）と、タワー（１２）の基準位置からのヨー角度を検出する第３センサ（ｂ）とから検出された信号に基づいて算出されるピッチ角指令値によりピッチ角制御部（１８）を制御し、第２センサ（ａ）と第３センサ（ｂ）とから検出された信号に基づいて算出されるヨー駆動指令値によりヨー駆動装置１７を制御する浮体式風力発電装置（１）の制御装置（１０）である。

Description

制御装置及び方法並びにプログラム、それを備えた浮体式風力発電装置
　本発明は、制御装置及び方法並びにプログラム、それを備えた浮体式風力発電装置に関するものである。
　従来、洋上に設けられる風力発電装置において、風を受ける方向に風車翼の回転面の向きを制御する技術が提案されている。
　例えば、下記特許文献１では、浮体式洋上風力発電装置において、基礎のヨー角と、タービンとタワーの相対角（ヨー角）とを検出し、基礎のヨー角を低減させるようにヨー駆動装置を制御する技術が提案されている。
米国特許第８０５３９１６号明細書
　しかしながら、上記特許文献１の方法では、風車翼の回転面に対して横方向から風が流入した場合における制御方法が記載されておらず、風車翼の回転軸に対する風向偏差をなくすことができないという問題があった。
　本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、風向に応じて、風エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換することのできる制御装置及び方法並びにプログラム、それを備えた浮体式風力発電装置を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
　本発明の第１の態様は、複数の風車翼に風力を受けて回転するロータヘッドが設けられるナセルを上端に備えるタワーに対して前記ナセルをヨー旋回させるヨー駆動装置と、前記風車翼を駆動してピッチ角を制御するピッチ角制御部とを具備する浮体式風力発電装置の制御装置であって、
　前記風車翼の回転面の垂直方向に対する風向偏差を検出する第１センサにより検出される信号が、前記風車翼の回転面の垂直方向から所定範囲内の角度となるように、前記ナセルと前記タワーの相対角度を検出する第２センサと、前記タワーの基準位置からのヨー角度を検出する第３センサとから検出された信号に基づいて算出されるピッチ角指令値により前記ピッチ角制御部を制御し、前記第２センサと前記第３センサとから検出された信号に基づいて算出されるヨー駆動指令値により前記ヨー駆動装置を制御する浮体式風力発電装置の制御装置である。
　このような構成によれば、風車翼の回転面の垂直方向に対する風向偏差を検出する第１センサにより検出される信号が、風車翼の回転面の垂直方向から所定範囲内の角度となるように、ナセルとタワーの相対角度を検出する第２センサと、タワーの基準位置からのヨー角度を検出する第３センサとから検出された信号に基づいて算出されるピッチ角指令値によりピッチ角制御部が制御され、第２センサと第３センサとから検出された信号に基づいて算出されるヨー駆動指令値によりヨー駆動装置が制御される。
　このように、ヨー駆動装置と風車翼のピッチ角制御とを組み合わせ、風車翼の回転面のヨー角度制御をすることで、風車翼の回転面と風向の偏差とを小さく抑え、風エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換することができる。
　本発明の第２の態様は、風車翼を駆動してピッチ角を制御するピッチ角制御部を具備し、水平面と主軸との間の角度であるチルト角を有する浮体式風力発電装置の制御装置であって、水平面に対する垂直軸と複数の風車翼に風力を受けて回転するロータヘッドが設けられるナセルを上端に備えるタワーとの角度であるタービンピッチ角を検出する第４センサにより検出される信号が、所定範囲内の角度となるように、各前記風車翼のピッチ角を制御するピッチ角指令値によって前記ピッチ角制御部を制御する浮体式風力発電装置の制御装置である。
　このような構成によれば、水平面に対する垂直軸と複数の風車翼に風力を受けて回転するロータヘッドが設けられるナセルを上端に備えるタワーとの角度であるタービンピッチ角を検出する第４センサにより検出される信号が所定範囲内の角度になるように、各風車翼のピッチ角がピッチ角指令値によって制御される。
　このように、風車翼のピッチ角を独立に動かし、モーメントを発生させることにより、風車翼の回転面と風向の偏差を小さく抑える場合には、風エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換することができる。
　上記制御装置が適用される前記浮体式風力発電装置は、洋上に浮かぶ浮体構造の基礎と、前記基礎上に設置されるタワーとを設けることとしてもよい。
　風車翼が風を受け、風車翼に接続されるロータに力がかかるので、ヨー駆動装置によってナセルを回動させても、タワーの設置される基礎が回ってしまうことが推定されるが、本発明の制御装置によれば、ロータのイナーシャ及びタワーと浮体とのイナーシャを考慮することにより、正確に、風エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換する制御ができる。
　上記制御装置が適用される前記浮体式風力発電装置は、洋上に浮かぶタワーを設けることとしてもよい。
　基礎を有しないスパー型の浮体式風力発電装置の場合には、基礎を有する浮体式風力発電装置と比較して安定性の面で劣るが、本発明の制御装置によれば、スパー型の浮体式風力発電装置であっても、風エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換する制御を行うことができる。
　本発明の第３の態様は、上記いずれかに記載の制御装置と、浮体式風力発電装置とを備えたウィンドファームである。
　本発明の第４の態様は、複数の風車翼に風力を受けて回転するロータヘッドが設けられるナセルを上端に備えるタワーに対して前記ナセルをヨー旋回させるヨー駆動装置と、前記風車翼を駆動してピッチ角を制御するピッチ角制御部とを具備する浮体式風力発電装置の制御方法であって、前記風車翼の回転面の垂直方向に対する風向偏差を検出する第１センサにより検出される信号が、前記風車翼の回転面の垂直方向から所定範囲内の角度となるように、前記ナセルと前記タワーの相対角度を検出する第２センサと、前記タワーの基準位置からのヨー角度を検出する第３センサとから検出された信号に基づいて算出されるピッチ角指令値により前記ピッチ角制御部を制御し、前記第２センサと前記第３センサとから検出された信号に基づいて算出されるヨー駆動指令値により前記ヨー駆動装置を制御する浮体式風力発電装置の制御方法である。
　本発明の第５の態様は、複数の風車翼に風力を受けて回転するロータヘッドが設けられるナセルを上端に備えるタワーに対して前記ナセルをヨー旋回させるヨー駆動装置と、前記風車翼を駆動してピッチ角を制御するピッチ角制御部とを具備する浮体式風力発電装置の制御プログラムであって、前記風車翼の回転面の垂直方向に対する風向偏差を検出する第１センサにより検出される信号が、前記風車翼の回転面の垂直方向から所定範囲内の角度となるように、前記ナセルと前記タワーの相対角度を検出する第２センサと、前記タワーの基準位置からのヨー角度を検出する第３センサとから検出された信号に基づいて算出されるピッチ角指令値により前記ピッチ角制御部を制御し、前記第２センサと前記第３センサとから検出された信号に基づいて算出されるヨー駆動指令値により前記ヨー駆動装置を制御する浮体式風力発電装置の制御プログラムを提供する。
　本発明の第６の態様は、風車翼を駆動してピッチ角を制御するピッチ角制御部を具備し、水平面と主軸との間の角度であるチルト角を有する浮体式風力発電装置の制御方法であって、水平面に対する垂直軸と複数の風車翼に風力を受けて回転するロータヘッドが設けられるナセルを上端に備えるタワーとの角度であるタービンピッチ角を検出する第４センサにより検出される信号が、所定範囲内の角度となるように、各前記風車翼のピッチ角を制御するピッチ角指令値によって前記ピッチ角制御部を制御する浮体式風力発電装置の制御方法である。
　本発明の第７の態様は、風車翼を駆動してピッチ角を制御するピッチ角制御部を具備し、水平面と主軸との間の角度であるチルト角を有する浮体式風力発電装置の制御プログラムであって、水平面に対する垂直軸と複数の風車翼に風力を受けて回転するロータヘッドが設けられるナセルを上端に備えるタワーとの角度であるタービンピッチ角を検出する第４センサにより検出される信号が、所定範囲内の角度となるように、各前記風車翼のピッチ角を制御するピッチ角指令値によって前記ピッチ角制御部を制御する浮体式風力発電装置の制御プログラムである。
　本発明によれば、風向に応じて、風エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換することができるという効果を奏する。
本発明の第１の実施形態に係る浮体式風力発電装置の概略構成を示す図である。 第１の実施形態に係る浮体式風力発電装置の上面図を示している。 第１の実施形態に係る制御装置の機能ブロック図を示している。 第１の実施形態に係る制御装置の動作フローである。 第１の実施形態に係る制御装置の動作フローの続きである。 本発明の第２の実施形態に係る浮体式風力発電装置の概略構成を示す図である。 チルト角を説明するための図である。 第２の実施形態に係る制御装置の動作フローである。
　以下に、本発明に係る制御装置及び方法並びにプログラム、それを備えた浮体式風力発電装置の実施形態について、図面を参照して説明する。
〔第１の実施形態〕
　図１は、本発明の第１の実施形態に係る風車（浮体式風力発電装置）１の概略構成を示した図である。
　風車１は、図１に示されるように、海面５の洋上に浮かぶ浮体構造の基礎１１と、基礎上に設置されるタワー１２と、タワー１２の上端に設置されるナセル１３と、略水平な軸線周りに回転可能にしてナセル１３に設けられるロータヘッド１４と、ヨー駆動装置１７と、ピッチ角制御部１８と、風速風向計（第１センサ）１６と、第２センサａと、第３センサｂと、制御装置１０とを有している。また、基礎１１は、海底３と係留索４を介して接続されている。ロータヘッド１４には、その回転軸線周りに放射状に３枚の風車翼１５が取り付けられている。これにより、ロータヘッド１４の回転軸線方向から風車翼１５に当たった風の力が、ロータヘッド１４を回転軸線周りに回転させる動力に変換され、この動力が風車１に設けられた発電設備（図示略）によって電気エネルギーに変換されるようになっている。また、風車翼１５が回転軸線周りに回転した場合の風車翼１５によって形成される面を風車翼１５の回転面とする。
　また、ロータヘッド１４には、風況に合わせ、風車翼１５の軸線回りに風車翼１５を回転させて風車翼１５のピッチ角等を制御し、風車１の運転を制御する制御装置１０が設けられている。ナセル１３には、風速風向計１６が設けられている。風速風向計１６は、風速と、風車翼の回転面の垂直方向に対する風向偏差とを測定し、測定結果を制御装置１０に出力する。
　また、タワー１２のナセル１３との接続部分には、ヨー駆動装置１７が設けられている。ヨー駆動装置１７は、制御装置１０から取得するヨー駆動指令値に基づいて、ナセル１３をヨー旋回させる。また、ピッチ角制御部１８は、ロータヘッド１４に取り付けられる３枚の風車翼１５のそれぞれのピッチ角を制御する。
　なお、本実施形態では、３枚の風車翼１５が設けられた風車を例に適用して説明するが、風車翼１５の数は３枚に限られることなく、２枚の場合や、３枚より多くてもよく、特に限定するものではない。
　第２センサａは、ナセル１３とタワー１２の相対角度を検出する。
　第３センサｂは、タワー１２の基準位置からのヨー角度を検出する。本実施形態においては、タワー１２は基礎１１に設けられているので、第３センサｂは、基礎１１の基準位置からのヨー角度を基礎ヨー角として検出することとする。
　ここで、図２は、本実施形態に係る風車１の上面図を示している。
　図２の紙面右側を、基礎１１の基準位置（基準方位）とした場合に、基準位置からの基礎１１のずれが、タワー１２の基準位置からの基礎ヨー角ｚとして検出される（第３センサｂ）。また、ロータヘッド１４の回転軸と風向との偏差を風向偏差ｘとして検出される（風速風向計１６）。ナセル１３とタワー１２の相対角度は、ロータヘッド１４の回転軸と基礎１１の基準位置のずれとによりタービンヨー角ｙとして検出される（第２センサａ）。
　制御装置１０は、図３に示されるように、風向偏差ｘ、タービンヨー角ｙ、基礎ヨー角ｚ、及び風速の情報に基づいて、３枚の風車翼１５のそれぞれを駆動させるピッチ角指令値と、ヨー駆動指令値とを決定する。具体的には、制御装置１０は、風速風向計１６により検出される信号（風向偏差ｘ）が、風車翼１５の回転面の垂直方向から所定範囲内の角度となるように第２センサａから検出された信号（タービンヨー角ｙ）と第３センサｂから検出された信号（基礎ヨー角ｚ）とに基づいて算出されるピッチ角指令値によりピッチ角制御部１８を制御し、第２センサａと第３センサｂとから検出された信号に基づいて算出されるヨー駆動指令値によりヨー駆動装置１７を制御する。所定範囲内の角度は、好ましくは、風車翼１５の回転軸方向から０°付近の範囲であり、より好ましくは回転軸方向（つまり、０°）である。換言すると、制御装置１０は、風車翼１５の回転面を風向に正対させるようなピッチ角指令値と、タワー１２を基準位置方向に向けるようなヨー駆動指令値を出力する。
　次に、本実施形態に係る風力発電システム１の作用について、図１から図４を参照して説明する。
　ロータヘッド１４の回転軸線方向から風車翼１５に風が当たると、風速風向計１６により回転軸からの風向偏差ｘが検出され、制御装置１０に出力される（図４のステップＳＡ１）。第２センサａにより、ナセル１３とタワー１２の相対角度がタービンヨー角ｙとして検出され、制御装置１０に出力される（図４のステップＳＡ２）。第３センサｂにより、基礎ヨー角ｚが検出され、制御装置１０に出力される（図４のステップＳＡ３）。風向偏差ｘが、風車翼１５の回転面の垂直方向（ロータヘッド１４の回転軸方向）から所定範囲Ａより大きい角度であるか否かが判定され（図４のステップＳＡ４）、所定範囲内の角度であると判定された場合には、ヨー駆動装置を停止させるヨー駆動装置停止指令が出力され（図５のステップＳＡ１１）、図５のステップＳＡ９に進む。
　風向偏差ｘが、風車翼１５の回転面の垂直方向から所定範囲Ａより大きい角度であると判定された場合には、風向偏差ｘを所定範囲内にするためのヨー方向の空力トルク指令が演算される（図４のステップＳＡ５）。また、風向偏差ｘを所定範囲内にするための各風車翼１５のピッチ角指令値θ´が演算される（図４のステップＳＡ６）。風向偏差ｘを所定範囲内にするための各風車翼１５のピッチ角指令値θ´の情報が、風速や出力に基づいて決定されるピッチ角目標値から決定されるピッチ角指令値θｔに加算され（図５のステップＳＡ７）、ピッチ角制御部１８を駆動させるピッチ角指令値θが決定される。
　ヨー方向の空力トルク指令に基づいて決定されるヨー駆動装置１７のヨー駆動指令値（例えば、向き、速度等）が演算される（図５のステップＳＡ８）。ピッチ角指令値θがピッチ角制御部１８に出力され（図５のステップＳＡ９）、ヨー駆動指令値がヨー駆動装置１７に出力され（図５のステップＳＡ１０）、本処理を終了する。
　ピッチ角制御部１８は、ピッチ角指令値θに基づいて各風車翼１５のピッチ角を制御し、ヨー駆動装置１７は、ヨー駆動指令値に基づいてナセル１３を旋回させる。
　以上説明してきたように、本実施形態に係る制御装置１０及び方法並びにプログラム、それを備えた風車１（浮体式風力発電装置）によれば、風車翼１５の回転面の垂直方向に対する風向偏差ｘを検出する風速風向計１６により検出される信号が、風車翼１５の回転面の垂直方向（回転軸に対する風向偏差０°）となるように、ナセル１３とタワー１２の相対角度であるタービンヨー角ｙを検出する第２センサａと、タワー１２の基準位置からの基礎ヨー角ｚを検出する第３センサｂとから検出された信号に基づいて算出されるピッチ角指令値によりピッチ角制御部が制御され、第２センサａと第３センサｂとから検出された信号に基づいて算出されるヨー駆動指令値によりヨー駆動装置が制御される。
　このように、ヨー駆動装置によるヨー制御と風車翼１５のピッチ角制御とを組み合わせ、ヨー方向の回転トルクを発生させて風車翼１５の回転面のヨー角度制御をする。これにより、浮体式風力発電装置のようにタワー１２が海底等に固定されておらず、ヨー駆動装置によりヨー制御をしてもタワー１２と基礎１１とが旋回してしまう場合であっても、風車翼１５の回転面と風向の偏差とを小さく抑え、風エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換することができる。
　なお、本実施形態においては、風車１のタワー１２が基礎１１に備えられていることとして説明していたが、これに限定されず、基礎１１が設けられないスパー型の浮体式風力発電装置に適用されることとしてもよい。なお、スパー型の浮体式風力発電装置の方が、ヨー制御に伴ってタワー１２が旋回しやすい傾向にあるので、本発明を適用することにより、スパー型の浮体式発電装置の風車翼の回転面をより確実に風向に向けることができる。
〔第２の実施形態〕
　次に、本発明の第２の実施形態について、図６を用いて説明する。
　本実施形態に係る浮体式風力発電装置の制御装置は、風車翼がチルト角を有している点で、上記第１の実施形態と異なる。以下、本実施形態の制御装置について、第１の実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。
　図６は、本実施形態に係る風車（浮体式風力発電装置）１´の概略構成を示している。
　風車１´は、図６に示されるように、洋上に浮かぶ浮体構造の基礎１１と、基礎上に設置されるタワー１２と、タワー１２の上端に設置されるナセル１３と、略水平な軸線周りに回転可能にしてナセル１３に設けられるロータヘッド１４と、ピッチ角制御部１８と、第４センサｄと、制御装置１０´を有している。また、基礎１１は、海底３と係留索４を介して接続されている。ロータヘッド１４には、その回転軸線周りに放射状に３枚の風車翼１５が取り付けられている。これにより、ロータヘッド１４の回転軸線方向から風車翼１５に当たった風の力が、ロータヘッド１４を回転軸線周りに回転させる動力に変換され、この動力が風車１に設けられた発電設備（図示略）によって電気エネルギーに変換されるようになっている。また、風車翼１５が回転軸線周りに回転した場合の風車翼１５によって形成される面を風車翼１５の回転面とする。本実施形態に係る風車１´は、図７に示されるように、水平面とロータヘッド１４の回転軸線との間の角度であるチルト角（例えば、５度）を有しており、チルト角の分、回転面が上向きになっている。
　制御装置１０´は、水平面に対する垂直軸とタワー１２との角度であるタービンピッチ角を検出する第４センサｄにより検出される信号が、所定範囲内の角度となるように、各風車翼１５のピッチ角を制御するピッチ角指令値によってピッチ角制御部１８を制御する。所定範囲の角度は、好ましくは、水平面に対する垂直軸からタワー１２の風車翼１５の回転面方向へのタービンピッチ角がチルト角に等しくなることであり、即ち、ロータヘッド１４の回転軸が水平となることに相当する。
　次に、本実施形態に係る風力発電システム１の作用について、図８を参照して説明する。
　ロータヘッド１４の回転軸線方向から風車翼１５に風が当たると、第４センサにより、水平面に対する垂直軸とタワー１２との角度であるタービンピッチ角が検出される（図８のステップＳＢ１）。最も効率的に風を受けられるタービンピッチ角と、検出されたタービンピッチ角との偏差であるタービンピッチ角偏差が推定され（図８のステップＳＢ２）、タービンピッチ角偏差の時間平均処理がなされる（図８のステップＳＢ３）。時間平均処理後のタービンピッチ角偏差が、所定範囲Ｂより大きいか否かが判定され（図８のステップＳＢ４）、タービンピッチ角偏差が所定範囲以下と判定された場合には、図８のステップＳＢ８に進む。
　タービンピッチ角偏差が、所定範囲Ｂより大きいと判定された場合には、タービンピッチ角偏差を所定範囲内の角度にするためのピッチ方向の空力トルク指令が演算される（図８のステップＳＢ５）。また、ピッチ方向の空力トルク指令に基づいて、各風車翼１５のピッチ角指令値θ´が演算される（図８のステップＳＢ６）。タービンピッチ角偏差を所定範囲内にするための各風車翼１５のピッチ角指令値θ´の情報が、風速や出力に基づいて、決定されるピッチ角目標値から決定されるピッチ角指令値θｔに加算され（図８のステップＳＢ７）、ピッチ角制御部１８を駆動させるピッチ角指令値θが決定される。ピッチ角指令値θがピッチ角制御部１８に出力され（図８のステップＳＢ８）、本処理を終了する。
　以上説明してきたように、本実施形態に係る制御装置１０及び方法並びにプログラム、それを備えた風車（浮体式風力発電装置）１´によれば、水平面に対する垂直軸とタワー１２との角度であるタービンピッチ角を検出する第４センサにより検出される信号が所定範囲内の角度になるように、各風車翼１５のピッチ角がピッチ角指令値によって制御される。
　このように、風車翼１５のピッチ角を独立に動かし、モーメントを発生させ、風車翼１５の回転面と風向の偏差を小さく抑えることにより、風エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換することができる。
１、１´　風車
１０、１０´　制御装置
１６　風速風向計（第１センサ）
１７　ヨー駆動装置
１８　ピッチ角制御部
ａ　第２センサ
ｂ　第３センサ
ｄ　第４センサ

Claims (9)

  1. 　複数の風車翼に風力を受けて回転するロータヘッドが設けられるナセルを上端に備えるタワーに対して前記ナセルをヨー旋回させるヨー駆動装置と、前記風車翼を駆動してピッチ角を制御するピッチ角制御部とを具備する浮体式風力発電装置の制御装置であって、
    　前記風車翼の回転面の垂直方向に対する風向偏差を検出する第１センサにより検出される信号が、前記風車翼の回転面の垂直方向から所定範囲内の角度となるように、前記ナセルと前記タワーの相対角度を検出する第２センサと、前記タワーの基準位置からのヨー角度を検出する第３センサとから検出された信号に基づいて算出されるピッチ角指令値により前記ピッチ角制御部を制御し、前記第２センサと前記第３センサとから検出された信号に基づいて算出されるヨー駆動指令値により前記ヨー駆動装置を制御する
    浮体式風力発電装置の制御装置。
  2. 　風車翼を駆動してピッチ角を制御するピッチ角制御部を具備し、水平面と主軸との間の角度であるチルト角を有する浮体式風力発電装置の制御装置であって、
    　水平面に対する垂直軸と複数の風車翼に風力を受けて回転するロータヘッドが設けられるナセルを上端に備えるタワーとの角度であるタービンピッチ角を検出する第４センサにより検出される信号が、所定範囲内の角度となるように、各前記風車翼のピッチ角を制御するピッチ角指令値によって前記ピッチ角制御部を制御する
    浮体式風力発電装置の制御装置。
  3. 　前記浮体式風力発電装置は、洋上に浮かぶ浮体構造の基礎と、前記基礎上に設置されるタワーとを設ける請求項１または請求項２に記載の浮体式風力発電装置の制御装置。
  4. 　前記浮体式風力発電装置は、洋上に浮かぶタワーを設ける請求項１または請求項２に記載の浮体式風力発電装置の制御装置。
  5. 　請求項１から請求項４のいずれかに記載の制御装置と、浮体式風力発電装置とを備えたウィンドファーム。
  6. 　複数の風車翼に風力を受けて回転するロータヘッドが設けられるナセルを上端に備えるタワーに対して前記ナセルをヨー旋回させるヨー駆動装置と、前記風車翼を駆動してピッチ角を制御するピッチ角制御部とを具備する浮体式風力発電装置の制御方法であって、
    　前記風車翼の回転面の垂直方向に対する風向偏差を検出する第１センサにより検出される信号が、前記風車翼の回転面の垂直方向から所定範囲内の角度となるように、前記ナセルと前記タワーの相対角度を検出する第２センサと、前記タワーの基準位置からのヨー角度を検出する第３センサとから検出された信号に基づいて算出されるピッチ角指令値により前記ピッチ角制御部を制御し、前記第２センサと前記第３センサとから検出された信号に基づいて算出されるヨー駆動指令値により前記ヨー駆動装置を制御する
    浮体式風力発電装置の制御方法。
  7. 　複数の風車翼に風力を受けて回転するロータヘッドが設けられるナセルを上端に備えるタワーに対して前記ナセルをヨー旋回させるヨー駆動装置と、前記風車翼を駆動してピッチ角を制御するピッチ角制御部とを具備する浮体式風力発電装置の制御プログラムであって、
    　前記風車翼の回転面の垂直方向に対する風向偏差を検出する第１センサにより検出される信号が、前記風車翼の回転面の垂直方向から所定範囲内の角度となるように、前記ナセルと前記タワーの相対角度を検出する第２センサと、前記タワーの基準位置からのヨー角度を検出する第３センサとから検出された信号に基づいて算出されるピッチ角指令値により前記ピッチ角制御部を制御し、前記第２センサと前記第３センサとから検出された信号に基づいて算出されるヨー駆動指令値により前記ヨー駆動装置を制御する
    浮体式風力発電装置の制御プログラム。
  8. 　風車翼を駆動してピッチ角を制御するピッチ角制御部を具備し、水平面と主軸との間の角度であるチルト角を有する浮体式風力発電装置の制御方法であって、
    　水平面に対する垂直軸と複数の風車翼に風力を受けて回転するロータヘッドが設けられるナセルを上端に備えるタワーとの角度であるタービンピッチ角を検出する第４センサにより検出される信号が、所定範囲内の角度となるように、各前記風車翼のピッチ角を制御するピッチ角指令値によって前記ピッチ角制御部を制御する
    浮体式風力発電装置の制御方法。
  9. 　風車翼を駆動してピッチ角を制御するピッチ角制御部を具備し、水平面と主軸との間の角度であるチルト角を有する浮体式風力発電装置の制御プログラムであって、
    　水平面に対する垂直軸と複数の風車翼に風力を受けて回転するロータヘッドが設けられるナセルを上端に備えるタワーとの角度であるタービンピッチ角を検出する第４センサにより検出される信号が、所定範囲内の角度となるように、各前記風車翼のピッチ角を制御するピッチ角指令値によって前記ピッチ角制御部を制御する
    浮体式風力発電装置の制御プログラム。
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