JP2019152179A

JP2019152179A - 風力発電装置の制御方法

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Publication number: JP2019152179A
Application number: JP2018039453A
Authority: JP
Inventors: 悠介大竹; Yusuke Otake; 順弘楠野; Yoshihiro Kusuno; 正利吉村; Masatoshi Yoshikawa
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2018-03-06
Filing date: 2018-03-06
Publication date: 2019-09-12
Also published as: WO2019171829A1; TW201938904A

Abstract

【課題】風力発電装置に流入する風向が急激に変化しても、風力発電装置のブレードの根元部等への荷重の増大を防ぐことが可能なこと。【解決手段】本発明の風力発電装置の制御方法は、上記課題を解決するために、ハブとブレードから成り、少なくとも風を受けて回転するロータと、前記ハブに接続された主軸を介して前記ロータを軸支すると共に、その内部に前記主軸に接続された発電機を少なくとも収納するナセルと、該ナセルを支持するタワーとを備えた風力発電装置の運転モードを変更する際に、前記風力発電装置に流入する風向データ及び前記風力発電装置の前記ロータの回転面の向きの情報に基づき前記風力発電装置の運転モードを変更することを特徴とする。【選択図】図５

Description

本発明は風力発電装置の制御方法に係り、特に、風力発電装置に流入する風向が急激に変化した際に好適な風力発電装置の制御方法に関する。

風を受けて発電する風力発電装置における制御方法では、風力発電装置に流入する風向が急激に変化した場合、ヨー制御によって風力発電装置のロータ回転面が風向に対して正対するよう制御する方法が知られている。

しかしながら、風力発電装置のヨーの回転速度には制限があるため、風向の急変が発生した際、ヨー制御が風向の急変に追従できない場合がある。この場合、風力発電装置に対して斜めに風が流入するため、風力発電装置のブレードやヨーベアリングと言った風力発電装置の機械構造物に対し、過大な荷重が発生してしまうといった課題がある。

このような課題に対応すべく、風向に応じて、風力発電装置のピッチ角を制御する方法等が提案されている。

例えば、特許文献１には、風力発電装置の風向に対する風力発電装置のナセル方向の違いに応じてピッチ角を制御する方法が開示されている。

即ち、特許文献１には、風力発電装置の翼を含むロータと、前記ロータを回転可能に支持するためのナセルと、前記ナセルを旋回させるヨー駆動部と、前記風力発電装置の翼のピッチ角を変化させるピッチ駆動部と、を含む風力発電設備の制御方法であって、前記ピッチ駆動部にピッチ角指令値を与えて前記ピッチ駆動部を制御するピッチ制御ステップと、少なくとも前記ロータの回転数に基づいてピッチ角要求値を算出する要求値算出ステップと、少なくとも風向と前記ナセルの向きとの間の角度が閾値Ａ_１以上であるときに、フルファインピッチ角とフルフェザーピッチ角との間のピッチ角をリミット値として設定するリミット値設定ステップと、前記ピッチ角指令値が前記リミット値よりも前記フルファインピッチ角側にある場合、前記リミット値を前記ピッチ角指令値に設定すると共に、前記ピッチ角要求値が前記リミット値である、又は前記フルフェザーピッチ角側にある場合、前記ピッチ角要求値を前記ピッチ角指令値に設定する指令値算出ステップと、を備える風力発電設備の制御方法が記載されている。

特開２０１６−１０６８７８号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載の風力発電設備の制御方法では、風向の急変が特に大きい場合においては、例えば風力発電装置に対して横方向から風が流入する可能性があり、風力発電装置のブレードの根元部等に大きな荷重が発生するといった課題が存在する。

本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、風力発電装置に流入する風向が急激に変化しても、風力発電装置のブレードの根元部等への荷重の増大を防ぐことが可能な風力発電装置の制御方法を提供することにある。

本発明の風力発電装置の制御方法は、上記目的を達成するために、ハブとブレードから成り、少なくとも風を受けて回転するロータと、前記ハブに接続された主軸を介して前記ロータを軸支すると共に、その内部に前記主軸に接続された発電機を少なくとも収納するナセルと、該ナセルを支持するタワーとを備えた風力発電装置の運転モードを変更する際に、前記風力発電装置に流入する風向データ及び前記風力発電装置の前記ロータの回転面の向きの情報に基づき前記風力発電装置の運転モードを変更することを特徴とする。

本発明によれば、風力発電装置に流入する風向が急激に変化しても、風力発電装置のブレードの根元部等への荷重の増大を防ぐことができる。

本発明の風力発電装置の制御方法が適用される風力発電装置の全体構成の概略を示す図である。本発明の風力発電装置の制御方法が適用される風力発電装置と風向の関係を示す模式図である。本発明の風力発電装置の制御方法が適用される風力発電装置における風向の急変の一例を示す模式図である。本発明の風力発電装置の制御方法の実施例１を示す制御ブロック図である。本発明の風力発電装置の制御方法の実施例１を示す制御フロー図である。本発明の風力発電装置の制御方法の実施例１における各種パラメータ変化を示す概略図である。本発明の風力発電装置の制御方法の実施例２を示す制御ブロック図である。本発明の風力発電装置の制御方法の実施例２を示す制御フロー図である。本発明の風力発電装置の制御方法の実施例３を示す制御ブロック図である。本発明の風力発電装置の制御方法の実施例３を示す制御フロー図である。本発明の風力発電装置の制御方法の実施例４を示す制御ブロック図である。本発明の風力発電装置の制御方法の実施例４を示す制御フロー図である。

以下、図示した実施例に基づいて本発明の風力発電装置の制御方法を説明する。なお、各実施例において、同一構成部品には同符号を使用する。

また、本明細書では、本発明の実施例に係る風力発電装置として、ダウンウィンド型の風力発電装置を例に説明するが、アップウィンド型の風力発電装置においても同様に適用できる。また、３枚のブレードとハブにてロータを構成する例を示すが、これに限られず、ロータはハブと少なくとも１枚のブレードにて構成しても良い。

図１から図６を用いて実施例１における風力発電装置の制御方法を説明する。

図１は、本発明の風力発電装置の制御方法が適用される風力発電装置の全体構成図である。

図１に示すように、風力発電装置１は、風を受けて回転するブレード５と、ブレード５を支持するハブ４と、ナセル３及びナセル３を回動可能に支持するタワー２とを備えている。ナセル３内には、ハブ４に接続されハブ４と共に回転する主軸７と、この主軸７に接続され回転速度を増速する増速機８と、増速機８により増速された回転速度で回転子を回転させて発電運転する発電機９とを備えている。ブレード５とハブ４により、ロータ６が構成されている。

ブレード５の回転エネルギーを発電機９に伝達する部位は、動力伝達部と呼ばれ、本実施例では、主軸７及び増速機８が動力伝達部に含まれる。そして、増速機８及び発電機９は、メインフレーム１０上に保持されている。

図１に示すように、タワー２の内部には、電力の周波数を変換する電力変換器１１と、電流の開閉を行うスイッチング用の開閉器及び変圧器など（図示せず）及び制御装置１２とが配置されている。

図１において、電力変換器１１及び制御装置１２は、タワー２の底部に設置されているが、これら機器の設置場所は、タワー２の底部に限定されず風力発電装置１の内部であれば、他の場所に設置される場合も考えられる。

また、ナセル３の上面に、風向データ及び風速データを計測するための風向風速計１３が設置されている。また、制御装置１２としては、例えば、制御盤又はＳＣＡＤＡ（ＳｕｐｅｒｖｉｓｏｒｙＣｏｎｔｒｏｌＡｎｄＤａｔａＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ）が用いられる。

また、ナセル３内には制御器１５が設置されており、この制御器１５は、後述するヨー誤差演算部２１、モード決定部２４、制御決定部２５及びアクチュエータ制御器２７を備えている（後述する実施例２及び４のヨー誤差記憶部２２、変化量計算部２３、実施例３及び４の閾値演算部２６も備えている）。

また、ナセル３の向きはヨー角と称され、風力発電装置１は、このナセル３の向き、即ち、ロータ６の回転面の向きを制御するヨー角制御装置１４を備えている。

図１に示すように、ヨー角制御装置１４は、ナセル３の底面とタワー２の先端部との間に配置され、例えば、図示しない、少なくともアクチュエータ及び当該アクチュエータを駆動するモータより構成される。そして、制御装置１２より信号線を介して出力されるヨー角制御指令に基づき、ヨー角制御装置１４を構成するモータが回転し、アクチュエータが所望量変位することで、所望のヨー角となるようナセル３が回動する。

図２は、本発明の風力発電装置１の制御方法が適用される風力発電装置１と風向の関係を示す模式図である。

図２において、風力発電装置１の向きに相当するナセル方向１６と風向１７の間の偏差を、ヨー誤差１８と呼ぶ。ナセル方向１６は、ヨー角制御装置１４によりヨー誤差１８が小さくなるよう制御されるが、ナセル方向１６の旋回速度は制限があるため、風向１７が急速に変化した場合、ナセル３の旋回が風向１７の変化に追いつけず、ヨー誤差１８が増加してしまうという課題がある。

上記のような、風況の急変としてガストと呼ばれる現象が挙げられる。図３に、そのガストに伴う風向変化の一例を示す。

図３に示すようなガストの場合、風向の急変１９で示すように風向が急激に変化するものの、一定時間後、風向の回復２０で示す通り、変化前の風向に戻るという特徴をもつ。

このようなガストが風力発電装置１に流入した場合、先ず風向の急変１９により風力発電装置１はヨー旋回を開始するが、風向の変化が急激な場合、ヨー旋回が風向の急変１９に追いつかず、ヨー誤差１８が拡大し、風力発電装置１に発生する荷重が増大する。このとき、風力発電装置１を保護するため、ヨー誤差１８が所定値を超えた場合には、風力発電装置１を停止するようにすることも考えられる。

しかしながら、風向の急変後、元の風向に戻るような風向の回復２０が発生する。その際、風向は風向の急変１９の発生前に戻るため、このガストの発生期間のみ風力発電装置１を保護することができれば、風力発電装置１は、通常通り運転を継続することができると考えられる。

そこで、本実施例では、風力発電装置１のヨー制御機構に比べて制御応答の速い制御機構を用いて、風力発電装置１を一時的に縮退運転モードに移行し、ガスト通過時の荷重増加を回避することで、風力発電装置１の停止による発電量の低下を回避しつつ、風力発電装置１を保護するものである。

図４に、本実施例における制御のブロック図を示す。

該図に示す本実施例においては、先ずナセル３上に設置された風向風速計１３により、風力発電装置１に流入する風の風向を計測する。次に、制御器１５に備えられているヨー誤差演算部２１を用いて、風力発電装置１に流入する風向１７とナセル方向１６の偏差であるヨー誤差１８を算出する。次にモード決定部２４において、風力発電装置１の運転モード（通常運転モード、縮退運転モード、停止モード）を決定する。モード決定部２４で決定した運転モードは、ピッチ角や発電機トルク等、各種機器の制御決定部２５に送られ、制御決定部２５において、各アクチュエータの制御法が決定される。最後に制御決定部２５で決定された風力発電装置１の制御法が、各アクチュエータ制御器２７に送られることで、風力発電装置１が制御される。

図５に、本実施例における風力発電装置１の制御フロー図を示す。

先ずＳ１０１にて風向データを風向風速計１３で取得し、Ｓ１０２にて風力発電装置１に対するヨー誤差１８をヨー誤差演算部２１で計算する。次にＳ１０４にてヨー誤差１８が閾値以上であるかをモード決定部２４で判別し、閾値以下である（Ｎｏ）場合は、通常通り運転を継続する。また、Ｓ１０４にて閾値以上とモード決定部２４で判別された（Ｙｅｓ）場合、風力発電装置１はＳ１０５に移行し、縮退運転モードとなる。

この後、再度Ｓ１１１にて風向データを風向風速計１３で再取得し、Ｓ１１２にて風力発電装置１に対するヨー誤差１８をヨー誤差演算部２１で再計算する。そして、Ｓ１１４にて、再度、ヨー誤差１８が閾値以上かモード決定部２４で判別し、閾値以下（Ｎｏ）の場合はＳ１２５にて通常運転モードに復帰する。

また、Ｓ１１４においてもヨー誤差１８が閾値以上（Ｙｅｓ）であった場合、次にＳ１０６にて縮退運転モードの継続時間をモード決定部２４で判別する。縮退運転モードの継続時間が閾値以下であった（Ｎｏ）場合、再度Ｓ１１１に戻り、上記と同様のフローを継続する。一方で、縮退運転モードの継続時間が閾値を上回った（Ｙｅｓ）場合、Ｓ１１５にて停止モードに移行する。

図６に、本発明の制御方法の適用有無における各種パラメータの変化概略図を示す。

該図において、風向変化２８に示す通りのガストが、風力発電装置１に流入した際に本発明を適用した場合、出力変化２９に示す通り、縮退運転モードに移行して風力発電装置１の出力は従来に比べ低下する。その後、風向が縮退運転モード移行前と同方向に回復することで、通常運転モードに復帰し出力も回復する。このとき、荷重変化３０は、本発明の適用により、通常運転モードを継続した場合と比較して、最大荷重が低下することになる（図６から縮退運転モード時の荷重変化３０のピーク（最大荷重）は、従来に比べ本発明が低下しているのが分かる）。

本実施例における風力発電装置１の制御方法の利点は、以下のような点にある。

即ち、本実施例では、風力発電装置１に流入する風向１７に基づいて風力発電装置１の運転モードを変更すること（縮退運転モードの活用）によって、風力発電装置１が得るエネルギー量そのものを低減させることができ、最大荷重の増加を回避することが可能となり、風力発電装置１のブレード５の根元部等への荷重の増大を防ぐことができる。

また、ヨー誤差１８が継続して大きい場合においては、停止モードに移行することで、疲労荷重の増加を回避することが可能となる。加えて、ヨー誤差１８の拡大時に直ぐに停止モードに移行しないことにより、風力発電装置１の起動停止の回数を低減することが可能となり、発電機会損失による発電量低下を低減することができる。

図１から図３及び図７、図８を用いて、実施例２における風力発電装置１の制御方法について説明する。なお、実施例１と重複する点については詳細な説明を省略する。

本実施例における特徴は、縮退運転モードの移行判断に所定時間当たりのヨー誤差１８の変化量を用いる点にある。

図３に示す通り、ガストが風力発電装置１に流入する際には、風向１７の変化は急峻である場合が多い。そのため、より早くガストが風力発電装置１に流入することを予測することが望まれる。そこで、本実施例では、ヨー誤差１８の所定時間における風向１７の変化量が閾値を超えた場合に、縮退運転モードに移行することを特徴とする。

図７に、本実施例における制御のブロック図を示す。

該図に示す本実施例においては、先ずナセル３上に設置された風向風速計１３により、風力発電装置１に流入する風の風向１７を計測する。次にヨー誤差演算部２１を用いて、風力発電装置１に流入する風向１７とナセル方向１６の偏差であるヨー誤差１８を算出する。ここで得られたヨー誤差１８は、制御器１５に備えられているヨー誤差記憶部２２に保管される。このヨー誤差記憶部２２に保管されたヨー誤差１８は、制御器１５に備えられている変化量計算部２３に送られ、ここで所定時間におけるヨー誤差１８の変化量が計算される。

次にモード決定部２４において、ヨー誤差１８の変化量に基づいて、風力発電装置１の運転モード（通常運転モード、縮退運転モード、停止モード）を決定する。モード決定部２４で決定した運転モードは、ピッチ角や発電機トルク等、各種機器の制御決定部２５に送られ、制御決定部２５において各アクチュエータの制御法が決定される。最後に制御決定部２５で決定された風力発電装置１の制御法が各アクチュエータ制御器２７に送られることで、風力発電装置１が制御される。

図８に、本実施例における風力発電装置２の制御フロー図を示す。

先ずＳ１０１にて風向データを風向風速計１３で取得し、Ｓ１０２にて風力発電装置１に対するヨー誤差１８をヨー誤差演算部２１で計算する。次にＳ１０３にて、ヨー誤差１８の変化量を変化量計算部２３で計算する。次にＳ１３４にてヨー誤差１８の変化量が閾値以上であるかをモード決定部２４で判別し、閾値以下である（Ｎｏ）場合は、通常通り運転を継続する。また、Ｓ１３４にて閾値以上（Ｙｅｓ）と判別された場合、風力発電装置１はＳ１０５に移行し、縮退運転モードとなる。

この後、再度Ｓ１１１にて風向データを風向風速計１３で再取得し、Ｓ１１２にて風力発電装置１に対するヨー誤差１８をヨー誤差演算部２１で再計算する。次にＳ１１３にてヨー誤差１８の変化量を変化量計算部２３で再計算する。そして、Ｓ１１９にて、ヨー誤差１８の変化量が閾値以上であるかをモード決定部２４で判定する。

なお、このとき、Ｓ１１９では、ヨー誤差１８が減少傾向となっているかを判別するため、Ｓ１３４とは異なる閾値を用いても良い。

Ｓ１１９において、ヨー誤差１８の変化量が閾値以下（Ｎｏ）の場合は、Ｓ１２５にて通常運転モードに復帰する。また、Ｓ１１９においてもヨー誤差１８の変化量が閾値以上（Ｙｅｓ）であった場合は、次にＳ１０６にて縮退運転モードの継続時間をモード決定部２４で判別する。縮退運転モードの継続時間が閾値以下（Ｎｏ）であった場合、再度Ｓ１１１に戻り、上記と同様のフローを継続する。一方で、縮退運転モードの継続時間が閾値を上回った（Ｙｅｓ）場合、Ｓ１１５にて停止モードに移行する。

本実施例における風力発電装置１の利点は以下のような点にある。

即ち、本実施例では、実施例１と同様な効果が得られることは勿論、ヨー誤差１８の変化量を縮退運転モードへの移行判断に用いることで、より早期にガストの到来を判断することができる。そのため、最大荷重の増加をより早期に回避することが可能となる。また、ヨー誤差１８が継続して大きい場合においては、停止モードに移行することで、疲労荷重の増加を回避することが可能となる。加えて、ヨー誤差１８の拡大時に直ぐに停止モードに移行しないことにより、風力発電装置１の起動停止の回数を低減することが可能となり、発電機会損失によるは通電量低下を削減することができる。

図１から図３及び図９、図１０を用いて、実施例３における風力発電装置１の制御方法について説明する。なお、実施例１及び実施例２と重複する点については詳細な説明を省略する。

本実施例における特徴は、縮退運転モードの移行判断において、ヨー誤差１８の判定閾値を風速によって変更するという点にある。一般的に風速が低い場合に、風向の変動はより大きくなる傾向にあることから、低風速と高風速で同じ閾値を使用した場合、低風速の場合に風向の変動をガストとして誤検知してしまうリスクが高まる。そこで、本実施例では、ヨー誤差１８の判定閾値を風速によって変更させることを特徴とする。

図９に、本実施例における制御のブロック図を示す。

該図に示す本実施例においては、先ずナセル３上に設置された風向風速計１３により、風力発電装置１に流入する風の風向データだけでなく風速データも含めて計測する。次にヨー誤差演算部２１を用いて、風力発電装置１に流入する風向１７とナセル方向１６の偏差であるヨー誤差１８を算出する。並行して、閾値演算部２６にて、計測された風速に応じたヨー誤差１８の閾値を演算する。次にモード決定部２４において、ヨー誤差１８とその閾値に基づいて風力発電装置１の運転モード（通常運転モード、縮退運転モード、停止モード）を決定する。モード決定部２４で決定した運転モードは、ピッチ角や発電機トルク等、各種機器の制御決定部２５に送られ、制御決定部２５において各アクチュエータの制御法が決定される。最後に制御決定部２５で決定された風力発電装置１の制御法が、各アクチュエータ制御器２７に送られることで、風力発電装置１が制御される。

図１０に、本実施例における風力発電装置１の制御フロー図を示す。

先ずＳ１０１にて風向データ及び風速データを風向風速計１３で取得し、Ｓ１０２にて風力発電装置１に対するヨー誤差１８をヨー誤差演算部２１で計算する。また、並行してＳ１２２にてヨー誤差１８の閾値を閾値演算部２６で計算する。次にＳ１０４にてヨー誤差１８が閾値以上であるかをモード決定部２４で判別し、閾値以下である（Ｎｏ）場合は、通常通り運転を継続する。また、Ｓ１０４にて閾値以上とモード決定部２４で判別された（Ｙｅｓ）場合は、風力発電装置１はＳ１０５に移行し、縮退運転モードとなる。

この後、再度Ｓ１１１にて風向データ及び風速データを風向風速計１３で再取得し、Ｓ１１２にて風力発電装置１に対するヨー誤差１８をヨー誤差演算部２１で再計算する。このとき、並行してＳ１３２にてヨー誤差１８の閾値も閾値演算部２６で再計算する。そして、Ｓ１１４にて再度ヨー誤差１８が閾値以上かモード決定部２４で判別し、閾値以下（Ｎｏ）の場合は、Ｓ１２５にて通常運転モードに復帰する。

また、Ｓ１１４においてヨー誤差１８が閾値以上（Ｙｅｓ）であった場合は、次にＳ１０６にて縮退運転モードの継続時間をモード決定部２４で判別する。縮退運転モードの継続時間が閾値以下であった（Ｎｏ）場合、再度Ｓ１１１に戻り、上記と同様のフローを継続する。一方で、縮退運転モードの継続時間が閾値を上回った（Ｙｅｓ）場合、Ｓ１１５にて停止モードに移行する。

即ち、本実施例では、実施例１と同様な効果が得られることは勿論、縮退運転モードへの移行に関して、風速に基づいてその判定閾値を決めるため、より高精度にガストの到来を予測することができる。これにより、最大荷重の増加をより高精度に回避すると共に、誤検知を抑制し、縮退運転の実施に伴う、発電量の低下を抑制することが可能となる。

図１から図３及び図１１、図１２を用いて、実施例４における風力発電装置１の制御方法について説明する。なお、実施例１から実施例３と重複する点については詳細な説明を省略する。

本実施例における特徴は、縮退運転モードの移行判断に使用するヨー誤差１８の変化量の閾値及びその変化量を計算する所定時間を風速に応じて変更する点にある。風速が小さい場合、主風速に対して垂直な方向の変動が相対的に大きくなるため、風向の変動も大きくなる傾向にある。風速が低い場合に、ガストの誤検知を回避するため、評価時間を長くすることや判定閾値を大きくすることが考えられる。そこで、本実施例では、退運転モードの移行判断に使用するヨー誤差１８の変化量の閾値及びその評価時間を風速に応じて変更することを特徴とする。

図１１に本実施例における制御のブロック図を示す。

該図に示す本実施例においては、先ずナセル３上に設置された風向風速計１３により風力発電装置１に流入する風の風向だけでなく風速も計測する。次にヨー誤差演算部２１を用いて、風力発電装置１に流入する風向１７とナセル方向１６の偏差であるヨー誤差１８を算出する。ここで得られたヨー誤差１８は、ヨー誤差記憶部２２に保管される。このヨー誤差記憶部２２に保管されたヨー誤差１８は、変化量計算部２３に送られ、ここで所定時間におけるヨー誤差１８の変化量が計算される。このとき、並行して閾値演算部２６において、風向風速計１３によって得られた風速から、ヨー誤差１８の変化量の閾値及び変化量算出の時間を演算する。次にモード決定部２４において、ヨー誤差１８の変化量とその閾値に基づいて、風力発電装置１の運転モードを決定する。決定した運転モードは、ピッチ角や発電機トルク等、各種機器の制御決定部２５に送られ、制御決定部２５において各アクチュエータの制御法が決定される。最後に制御決定部２５で決定された風力発電装置１の制御法が、各アクチュエータ制御器２７に送られることで風力発電装置１が制御される。

図１２に、本実施例における風力発電装置１の制御フロー図を示す。

先ずＳ１０１にて風向データ及び風速データを風向風速計１３で取得し、Ｓ１０２にて風力発電装置１に対するヨー誤差１８をヨー誤差演算部２１で計算する。このとき、並行してＳ１２２において、得られた風速データから変化量の評価時間とその閾値を閾値演算部２６で演算する。次にＳ１０３にて、ヨー誤差１８の変化量を変化量計算部２３で計算する。次にＳ１３４にてヨー誤差１８の変化量が閾値以上であるかをモード決定部２４で判別し、閾値以下である（Ｎｏ）場合は、通常通り運転を継続する。また、Ｓ１３４にて閾値以上とモード決定部２４で判別された（Ｙｅｓ）場合、風力発電装置１はＳ１０５に移行し、縮退運転モードとなる。

この後、再度Ｓ１１１にて風向データ及び風速データを風向風速計１３で再取得し、Ｓ１１２にて風力発電装置１に対するヨー誤差１８をヨー誤差演算部２１で再計算する。このとき、並行してＳ１４２において、得られた風速データから変化量の評価時間とその閾値を閾値演算部２６で再演算する。次にＳ１１３にて、ヨー誤差１８の変化量を変化量計算部２３で再計算する。そして、Ｓ１１９にて、ヨー誤差１８の変化量が閾値以上であるかをモード決定部２４で判定する。

Ｓ１１９においてヨー誤差１８の変化量が閾値以下（Ｎｏ）の場合は、Ｓ１２５にて通常運転モードに復帰する。

また、Ｓ１１９においてもヨー誤差１８の変化量が閾値以上（Ｙｅｓ）であった場合は、次にＳ１０６にて縮退運転モードの継続時間をモード決定部２４で判別する。縮退運転モードの継続時間が閾値以下であった（Ｎｏ）場合、再度Ｓ１１１に戻り、上記と同様のフローを継続する。一方で、縮退運転モードの継続時間が閾値を上回った（Ｙｅｓ）場合、Ｓ１１５にて停止モードに移行する。

なお、本実施例においては、ヨー誤差１８の計算時間や閾値を逐次再計算する例を示したが、これらの数値には、Ｓ１２２のステップで計算した値を継続して使用しても良い。

図１から図１１を用いて、実施例５における風力発電装置１の制御方法を説明する。なお、実施例１から実施例４と重複する点については詳細な説明を省略する。

実施例５における特徴としては、縮退運転モードへの移行手段として、ピッチ制御を用いる点にある。

風力発電装置１においては、図１に示すように、ハブ４に対して回転（ピッチ角変化）可能にブレード５は設置されている。ここで、ピッチ角とは、ハブ４に対するブレード５の取り付け角を表している。

また、ブレード５を風に対して正対させ、風のエネルギーを高効率に回収できるようピッチ角を変更することをファインにすると呼び、ブレードを風と平行な向きにすることで、風を逃がすようにピッチ角を変更することをフェザーと呼ぶ。

本実施例においては、図５、図８、図１０、図１２におけるＳ１０５のように、風力発電装置１を縮退運転モードに移行する際、ピッチ角は通常運転時の基準制御値よりもフェザー側に変更される。これにより、風力発電装置１の回収するエネルギー量が低下し、発電量が低下するため、風力発電装置１にかかる荷重も低下し、縮退運転モードとなる。このとき、ピッチ角の指令値は固定値であっても、風速等の風況に応じて変更してもよい。

その後、図５、図８、図１０、図１２におけるＳ１２５に示す通り、通常運転に移行した場合に、ピッチ角指令値を通常運転時の基準制御値に戻すことにより、通常運転モードに復帰する。

本実施例における風力発電装置１の制御方法の利点は以下のような点にある。

即ち、本実施例では、縮退運転モードへの移行に関して、ピッチ角の制御を用いるため、風力発電装置１が風から回収するエネルギー量を直接制御できるため、縮退運転モードへの移行を簡易に実施することができる。

図１から図１１を用いて、実施例６における風力発電装置１の制御方法を説明する。なお、実施例１から実施例５と重複する点については詳細な説明を省略する。

実施例６における特徴としては、縮退運転モードへの移行手段として、風力発電装置１のナセル３内に設置された発電機９のトルク制御を活用する点にある。

風力発電装置１が回収するエネルギーは、ロータ６の回転数と発電機９におけるトルクの積として現わされ、通常運転モードにおいては、ロータ６の回転数が、風力発電装置１のブレード５が最も効率よくエネルギーを得られる回転数になるよう、トルクは制御される。

本実施例においては、図５、図８、図１０、図１２におけるＳ１０５のように、風力発電装置１を縮退運転モードに移行する際、トルクの指令値を通常運転時とは異なる値に設定する。このとき、トルク指令値、は通常運転時の基準制御値よりも大きい値と小さい値の双方が考えられる。

具体的には、トルク指令値を通常運転時の基準制御値よりも小さくすることにより、回収するエネルギー量を小さくする手法が考えられる。また、トルク制御値を通常運転時の基準制御値よりも大きくすることにより、ロータ６の回転数を小さくし、風力発電装置１の運転効率を低下させることで、縮退運転モードに移行することも可能である。このとき、トルク制御の指令値は固定値であっても、風速等の風況に応じて変更してもよい。

その後、図５、図８、図１０、図１２におけるＳ１２５に示す通り、通常運転に移行した場合に、トルク指令値を通常運転時の基準制御値に戻すことにより、通常運転モードに復帰する。

即ち、本実施例では、縮退運転モードへの移行に関して、発電機９のトルクの制御を用いるため、制御応答が非常に早いという特徴を持つ。これにより、より早期に縮退運転モードに移行することが可能となり、ヨー誤差の増大に伴う最大荷重の増加をより早期に回避することが可能となる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成を置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…風力発電装置、２…タワー、３…ナセル、４…ハブ、５…ブレード、６…ロータ、７…主軸、８…増速機、９…発電機、１０…メインフレーム、１１…電力変換器、１２…制御装置、１３…風向風速計、１４…ヨー角制御装置、１５…制御器、１６…ナセル方向、１７…風向、１８…ヨー誤差、１９…風向の急変、２０…風向の回復、２１…ヨー誤差演算部、２２…ヨー誤差記憶部、２３…変化量計算部、２４…モード決定部、２５…制御決定部、２６…閾値演算部、２７…アクチュエータ制御器、２８…風向変化、２９…出力変化、３０…荷重変化。

Claims

ハブとブレードから成り、少なくとも風を受けて回転するロータと、前記ハブに接続された主軸を介して前記ロータを軸支すると共に、その内部に前記主軸に接続された発電機を少なくとも収納するナセルと、該ナセルを支持するタワーとを備えた風力発電装置の運転モードを変更する際に、
前記風力発電装置に流入する風向データ及び前記風力発電装置の前記ロータの回転面の向きの情報に基づき前記風力発電装置の運転モードを変更することを特徴とする風力発電装置の制御方法。
請求項１に記載の風力発電装置の制御方法であって、
前記風力発電装置の向きである前記ナセルの方向と前記ロータの回転面の向き（風向）の偏差であるヨー誤差が、予め決められた閾値を超えた場合に、前記風力発電装置の運転モードを変更することを特徴とする風力発電装置の制御方法。
請求項２に記載の風力発電装置の制御方法であって、
前記風力発電装置の運転モードは、通常運転モード、縮退運転モード、停止モードであることを特徴とする風力発電装置の制御方法。
請求項３に記載の風力発電装置の制御方法であって、
前記風向データは、前記ナセル上に設置された風向風速計により計測されると共に、前記ヨー誤差は、前記ナセル内に設置された制御器に備えられているヨー誤差演算部を用いて算出されることを特徴とする風力発電装置の制御方法。
請求項４に記載の風力発電装置の制御方法であって、
前記制御器は、前記ヨー誤差演算部の他に、前記風力発電装置の運転モードを決定するモード決定部、前記風力発電装置の制御法を決定する制御決定部及び前記風力発電装置を制御するアクチュエータ制御器を備え、
前記ヨー誤差演算部で前記ヨー誤差を算出し、次に前記モード決定部で前記風力発電装置の運転モードを決定し、前記モード決定部で決定した運転モードが前記制御決定部に送られ、この制御決定部において前記風力発電装置の制御法を決定し、前記制御決定部で決定された前記風力発電装置の制御法が前記アクチュエータ制御器に送られることで、前記風力発電装置が制御されることを特徴とする風力発電装置の制御方法。
請求項５に記載の風力発電装置の制御方法であって、
前記風力発電装置の制御は、前記風向データを前記風向風速計で取得し（Ｓ１０１）、前記風力発電装置に対する前記ヨー誤差を前記ヨー誤差演算部で計算し（Ｓ１０２）、次に前記ヨー誤差が閾値以上であるかを前記モード決定部で判別し（Ｓ１０４）、前記Ｓ１０４での判別が閾値以下（Ｎｏ）の場合は、通常通り運転（通常運転モード）を継続し、前記Ｓ１０４での判別が閾値以上（Ｙｅｓ）の場合は、前記風力発電装置が前記縮退運転モードに移行し（Ｓ１０５）、この後、前記風向データを前記風向風速計で再取得し（Ｓ１１１）、前記風力発電装置に対する前記ヨー誤差を前記ヨー誤差演算部で再計算し（Ｓ１１２）、そして、再度、前記ヨー誤差が閾値以上か前記モード決定部で判別し（Ｓ１１４）、前記Ｓ１１４での判別が閾値以下（Ｎｏ）の場合は、通常運転モードに復帰し（Ｓ１２５）、前記Ｓ１１４での判別が閾値以上（Ｙｅｓ）の場合は、前記縮退運転モードの継続時間を前記モード決定部で判別し（Ｓ１０６）、前記Ｓ１０６での判別が前記縮退運転モードの継続時間が閾値以下（Ｎｏ）の場合は、再度、前記Ｓ１１１に戻り前記と同様のフローを継続し、前記Ｓ１０６での判別が前記縮退運転モードの継続時間が閾値以上（Ｙｅｓ）の場合は、前記停止モードに移行（Ｓ１１５）することを特徴とする風力発電装置の制御方法。
請求項３に記載の風力発電装置の制御方法であって、
前記ヨー誤差の所定時間における風向の変化量が予め決められた閾値を超えた場合に、前記縮退運転モードに移行することを特徴とする風力発電装置の制御方法。
請求項７に記載の風力発電装置の制御方法であって、
前記風向データは、前記ナセル上に設置された風向風速計により計測されると共に、前記ヨー誤差は、前記ナセル内に設置された制御器に備えられているヨー誤差演算部を用いて算出されることを特徴とする風力発電装置の制御方法。
請求項８に記載の風力発電装置の制御方法であって、
前記制御器は、前記ヨー誤差演算部の他に、前記ヨー誤差が保管されるヨー誤差記憶部、該ヨー誤差記憶部から送られた前記ヨー誤差の所定時間における変化量が計算される変化量計算部、前記ヨー誤差の変化量に基づいて前記風力発電装置の運転モードを決定するモード決定部、前記風力発電装置の制御法を決定する制御決定部及び前記風力発電装置を制御するアクチュエータ制御器を備え、
前記ヨー誤差演算部で前記ヨー誤差を算出し、ここで得られた前記ヨー誤差を前記ヨー誤差記憶部に保管され、このヨー誤差記憶部に保管された前記ヨー誤差は、前記変化量計算部に送られ、該変化量計算部で所定時間における前記ヨー誤差の変化量が計算され、
次に前記モード決定部で前記ヨー誤差の変化量に基づいて前記風力発電装置の運転モードを決定し、前記モード決定部で決定した運転モードが前記制御決定部に送られ、この制御決定部において前記風力発電装置の制御法を決定し、前記制御決定部で決定された前記風力発電装置の制御法が前記アクチュエータ制御器に送られることで、前記風力発電装置が制御されることを特徴とする風力発電装置の制御方法。
請求項９に記載の風力発電装置の制御方法であって、
前記風力発電装置の制御は、前記風向データを前記風向風速計で取得し（Ｓ１０１）、前記風力発電装置に対する前記ヨー誤差を前記ヨー誤差演算部で計算する（Ｓ１０２）と共に、前記ヨー誤差の変化量を前記変化量計算部で計算し（Ｓ１０３）、次に前記変化量計算部で計算した前記ヨー誤差の変化量が閾値以上であるかを前記モード決定部で判別し（Ｓ１３４）、前記Ｓ１３４での判別が閾値以下（Ｎｏ）の場合は、通常通り運転（通常運転モード）を継続し、前記Ｓ１３４での判別が閾値以上（Ｙｅｓ）の場合は、前記風力発電装置が前記縮退運転モードに移行し（Ｓ１０５）、
この後、前記風向データを前記風向風速計で再取得し（Ｓ１１１）、前記風力発電装置に対する前記ヨー誤差を前記ヨー誤差演算部で再計算し（Ｓ１１２）、次に前記ヨー誤差の変化量を前記変化量計算部で再計算し（Ｓ１１３）、そして、前記ヨー誤差の変化量が閾値以下であるかを前記モード決定部で判定し（Ｓ１１９）、前記Ｓ１１９での判定が前記ヨー誤差の変化量が閾値以下（Ｎｏ）の場合は、通常運転モード（通常運転モード）に復帰し（Ｓ１２５）、前記Ｓ１１９での判定が前記ヨー誤差の変化量が閾値以上（Ｙｅｓ）の場合は、前記縮退運転モードの継続時間を前記モード決定部で判別し（Ｓ１０６）、前記Ｓ１０６での判別が前記縮退運転モードの継続時間が閾値以下（Ｎｏ）の場合は、再度、前記Ｓ１１１に戻り前記と同様のフローを継続し、前記Ｓ１０６の判別で前記縮退運転モードの継続時間が閾値以上（Ｙｅｓ）の場合は、前記停止モードに移行（Ｓ１１５）することを特徴とする風力発電装置の制御方法。
請求項３に記載の風力発電装置の制御方法であって、
前記ナセル上に設置された風向風速計により前記風向データ及び前記風力発電装置に流入する風速データが計測され、前記ヨー誤差は、前記ナセル内に設置された制御器に備えられているヨー誤差演算部を用いて前記風向データに応じて算出されると共に、この算出と並行して前記制御器に備えられている閾値演算部を用いて前記風速データに応じて前記ヨー誤差の閾値が算出されることを特徴とする風力発電装置の制御方法。
請求項１１に記載の風力発電装置の制御方法であって、
前記制御器は、前記ヨー誤差演算部及び前記閾値演算部の他に、前記風力発電装置の運転モードを決定するモード決定部、前記風力発電装置の制御法を決定する制御決定部及び前記風力発電装置を制御するアクチュエータ制御器を備え、
前記ヨー誤差演算部で前記風向データに応じて前記ヨー誤差を算出すると共に、この算出と並行して前記閾値演算部を用いて前記風速データに応じて前記ヨー誤差の閾値を算出し、次に前記モード決定部で前記風力発電装置の運転モードを決定し、前記モード決定部で決定した運転モードが前記制御決定部に送られ、この制御決定部において前記風力発電装置の制御法を決定し、前記制御決定部で決定された前記風力発電装置の制御法が前記アクチュエータ制御器に送られることで、前記風力発電装置が制御されることを特徴とする風力発電装置の制御方法。
請求項１２に記載の風力発電装置の制御方法であって、
前記風力発電装置の制御は、前記風向データ及び風速データを前記風向風速計で取得し（Ｓ１０１）、前記風力発電装置に対する前記ヨー誤差を前記ヨー誤差演算部で計算する（Ｓ１０２）と共に、並行して前記ヨー誤差の閾値を前記閾値演算部で計算し（Ｓ１２２）、次に前記ヨー誤差が閾値以上であるかを前記モード決定部で判別し（Ｓ１０４）、前記Ｓ１０４での判別が閾値以下（Ｎｏ）の場合は、通常通り運転（通常運転モード）を継続し、前記Ｓ１０４での判別が閾値以上（Ｙｅｓ）の場合は、前記風力発電装置が前記縮退運転モード（Ｓ１０５）に移行し、
この後、再度、前記風向データ及び風速データを前記風向風速計で再取得し（Ｓ１１１）、前記風力発電装置に対する前記ヨー誤差を前記ヨー誤差演算部で再計算する（Ｓ１１２）と共に、並行して前記ヨー誤差の閾値も前記閾値演算部で再計算し（Ｓ１３２）、そして、再度、前記ヨー誤差が閾値以上であるかを前記モード決定部で判別し（Ｓ１１４）、前記Ｓ１１４での判別が閾値以下（Ｎｏ）の場合は、前記通常運転モードに復帰し（Ｓ１２５）、前記Ｓ１１４での判別が閾値以上（Ｙｅｓ）の場合は、前記縮退運転モードの継続時間を前記モード決定部で判別し（Ｓ１０６）、前記Ｓ１０６での判別が前記縮退運転モードの継続時間が閾値以下（Ｎｏ）の場合は、再度、前記Ｓ１１１に戻り前記と同様のフローを継続し、前記Ｓ１０６での判別が前記縮退運転モードの継続時間が閾値以上（Ｙｅｓ）の場合は、前記停止モードに移行（Ｓ１１５）することを特徴とする風力発電装置の制御方法。
請求項３に記載の風力発電装置の制御方法であって、
前記ナセル上に設置された風向風速計により前記風向データ及び前記風力発電装置に流入する風速データが計測され、前記ヨー誤差は、前記ナセル内に設置された制御器に備えられているヨー誤差演算部を用いて前記風向データに応じて算出されると共に、この算出と並行して前記制御器に備えられている閾値演算部を用いて前記風速データに応じて前記ヨー誤差の変化量の閾値及び変化量の算出時間が算出され、前記ヨー誤差演算部で算出された前記ヨー誤差を前記制御器に備えられているヨー誤差記憶部に保管し、このヨー誤差記憶部に保管された前記ヨー誤差は、前記制御器に備えられている変化量計算部に送られ、該変化量計算部で所定時間における前記ヨー誤差の変化量が計算され、
次に前記制御器に備えられているモード決定部で前記ヨー誤差の変化量とその閾値に基づいて前記風力発電装置の運転モードを決定し、決定した前記運転モードが前記制御器に備えられている制御決定部に送られ、この制御決定部において前記風力発電装置の制御法を決定し、前記制御決定部で決定された前記風力発電装置の制御法が前記制御器に備えられているアクチュエータ制御器に送られることで、前記風力発電装置が制御されることを特徴とする風力発電装置の制御方法。
請求項１４に記載の風力発電装置の制御方法であって、
前記風力発電装置の制御は、前記風向データ及び風速データを前記風向風速計で取得し（Ｓ１０１）、前記風力発電装置に対する前記ヨー誤差を前記ヨー誤差演算部で計算する（Ｓ１０２）と共に、並行して、得られた前記風速データから変化量の計算時間とその閾値を前記閾値演算部で演算し（Ｓ１２２）、次に前記ヨー誤差の変化量を前記変化量計算部で計算し（Ｓ１０３）、前記ヨー誤差の変化量が閾値以上であるかを前記モード決定部で判別し（Ｓ１０４）、前記Ｓ１０４での判別が閾値以下（Ｎｏ）の場合は、通常通り運転（通常運転モード）を継続し、前記Ｓ１０４での判別が閾値以上（Ｙｅｓ）の場合は、前記風力発電装置は前記縮退運転モードに移行し（Ｓ１０５）、
この後、前記風向データ及び風速データを前記風向風速計で再取得し（Ｓ１１１）、前記風力発電装置に対する前記ヨー誤差を前記ヨー誤差演算部で再計算し（Ｓ１１２）、このとき、並行して、得られた前記風速データから変化量の計算時間とその閾値を前記閾値演算部で再演算し（Ｓ１４２）、次に前記ヨー誤差の変化量を前記変化量計算部で再計算し（Ｓ１１３）、そして、前記ヨー誤差の変化量が閾値以上であるかを前記モード決定部で判定し（Ｓ１１９）、前記Ｓ１１９での判定が前記ヨー誤差の変化量が閾値以下（Ｎｏ）の場合は、前記通常運転モードに復帰し（Ｓ１２５）、前記Ｓ１１９での判定が前記ヨー誤差の変化量が閾値以上（Ｙｅｓ）の場合は、前記縮退運転モードの継続時間を前記モード決定部で判別し（Ｓ１０６）、前記Ｓ１０６での判別が前記縮退運転モードの継続時間が閾値以下（Ｎｏ）の場合は、再度、前記Ｓ１１１に戻り前記と同様のフローを継続し、前記Ｓ１０６での判別が前記縮退運転モードの継続時間が閾値以上（Ｙｅｓ）の場合は、前記停止モードに移行（Ｓ１１５）することを特徴とする風力発電装置の制御方法。