JP2019512057A - 等価風速を特定する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、ブレード角に関して調節可能なロータブレード（１０８）を有するロータ（１０６）を備えた風力発電設備（１００）のロータブレード平面の等価風速を特定する方法であって、風力発電設備（１００）において利用可能な内部電力（Ｐａｖａ,ＤＣ）を、捕捉済み電力（ＰＤＣ）とロータ（１０６）の捕捉済み回転速度（ω）とに依存して、特定するステップと、等価風速（ＶＷｉｎｄ）を、特定済み利用可能内部電力（Ｐａｖａ,ＤＣ）と捕捉済み回転速度（ω）とに依存して、特定するステップと、を備えた、方法に関する。

Description

本発明は、風力発電設備のロータブレード平面の等価風速を特定する方法に関する。更に、本発明は、ロータブレード平面の等価風速を捕捉するように構成された風力発電設備に関し、また、ウインドファームにも関する。

風力発電設備は既知であり、一般的に、動作時にロータ軸を中心にして回転してロータ領域、即ち、円形領域を通るもの、通常、複数のロータブレード、を備えている。風力発電設備は、風からエネルギを生成して、最終的に電流を生成するので、風は、従って、その風速は、風力発電設備にとって非常に重要である。

風力発電設備は、正常な通常の動作時に、例えば、ロータブレードを備えた空力ロータのロータ回転速度に依存する所定の回転速度／電力特性に依存して電力を設定することによって、風速を捕捉せずに済ますことができる。

しかしながら、速度を知ることが必要である、あるいは、少なくとも有用なこともある状況が現在増えてきている。これには、風力発電設備が、例えば、電力グリッド（electric power grid）をサポートするために、その電力に関して制限される必要がある状況も含まれている。この目的には、例えば、電力グリッドにおける周波数のサポート用に調整済み電力を提供する必要があるといった、種々の理由があることもある。したがって、この場合、風力発電設備は、現在の優勢的な風の状態により出力可能である電力よりも少ない電力、すなわち、エネルギを電力グリッドに供給する。このような場合には、電力グリッド（単にグリッドとも呼称される）に給電できたであろうが、上述の低減のために給電することを許されなかった電力についての代償請求が生じることが多い。この代償請求を正確に数量化できるためには、どの程度の風力が実際にあったかが重要である。この代償の算定に加えて、特に、平衡電力を提供するために給電電力を低減する際の電力の低減の正確な数量化が、このサービスを提供するための風力発電設備またはウインドファームの認可の前提条件となることがある。

今まで、単純化の理由で、低減なしに給電されていた、給電の最後の値が、風力発電設備の制限による代償の算定についての基礎としての役割を果たしていた。しかしながら、これは、低減を実施する必要がある期間の長さによっては、不正確な基礎、あるいは、それどころか役に立たない基礎となる。これと比較して改善された１つのオプションは、例えば、通常存在するナセルの風速計によって風速を測定することから成り立っており、それからどの程度の電力を給電できたかを、風力発電設備の特性の情報を用いて、計算する。ここでの問題は、そのような風の測定が比較的に不正確であるということである。この不正確は、風速によっては、そして風の突発性（gustiness）によっても、顕著になり得る。その上重要なことには、風速がロータブレード平面上では一定でない。また、風速の値は、特に高さによっても変わり得る。

風速のそのような偏差または等価風速のそのような偏差は、換言すれば、特に、該当する風力発電設備の対応する電力生成量または可能な電力生成量に割り当てることができ、少なくともそれらの実体的事項に基づいて、分かっている。これらの不正確さは、これらの不正確な値に基づく電力特定に対しても、対応する影響を及ぼす。ある限度内において、例えば、そのような影響を例えば補正係数のような補正値によって補償することが可能な場合がある。しかしながら、このような補正は、その時における経験値に基づいており、風速の捕捉の体系的な欠点を、限られた範囲内でのみ、補償できる。

その結果として、設備の動作を低減しなければ生成可能であったであろうような生成可能電力を十分に正確に特定することは、以前として困難である。特に著しい制限の場合には、そのような電力特定は、全く不正確であるが、しかしながら、そのような場合には、特に厳密に正確であることが必要であり、その理由は、著しい制限の故に、それに対応して高い代償が算定されることがあるからである。

本出願についての優先権出願において、独国特許商標庁は、下記の先行技術である特許文献１を調査した。

米国特許出願公開第２０１１／０２０４６３５号公報

K. E. Johnson, L. Y. Pao, M. J. Balas, L. J. Fingersh: Control of Variable-Speed Wind Turbines - Standard and Adaptive Techniques for Maximizing Energy Capture. IEEE Control Systems Magazine, June 2006, pages 70-81. M. N. Soltani, T. Knudsen, M. Svenstrup, R. Wisniewski, P. Brath, R. Ortega, K. Johnson: Estimation of Rotor Effective Wind Speed: A Comparison. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 21(4), July 2013, pages 1155-1167. R. Ortega, F. Macilla-David, F. Jaramillo: A Globally Convergent Wind Speed Estimator for Windmill Systems. In Proc. 2011 50th IEEE Conference on Decision and Control, Orlando, FL, USA, December 2011, pages 6079-6084. C. M. Verrelli, A. Savoia, M. Mengoni, R. Marino, P. Tomei, L. Zarri: On-Iine Identification of Winding Resistances and Load Torque in Induction Machines. IEEE Transactions on Control Systems Technology, volume 22(4), July 2014.

したがって、本発明は、前述の問題の少なくとも１つに取り組むという目的に基づいている。特に、実現可能で生成可能な電力を、可能な限り正確に、特に従来技術において知られているものよりも正確に特定する解決手段を提供すべきである。少なくとも、今までに知られていたものに関して、代替解決手段を提案すべきである。

本発明に従って、特許請求の範囲の請求項１に記載の方法を提案する。

これは、ブレード角に関して調節可能なロータブレードを有するロータを備えた風力発電設備のロータブレード平面の等価風速を特定することに関する。ロータ平面と呼称することもできるロータブレード平面は、風力発電設備の動作中に、ロータブレードが通る平面である。そうすることにおいて、風が全体のロータブレード平面に対して均一に且つ実質的に垂直に作用する際の風速に対応する風速を特定する。ここでは、これをロータブレード平面の等価風速と呼称する。

この目的のために、第１のステップにおいて、風力発電設備において利用可能な内部電力を特定する。これは、それぞれの時点において、特にＤＣリンクにおける電力として、利用可能な現在の電力である。この場合、以下、単に内部電力または利用可能内部電力とも呼称する、風力発電設備において利用可能なこの内部電力を、捕捉済み電力とロータの捕捉済み回転速度とに依存して、特定する。この点に関して、捕捉済み電力が、風力発電設備において利用可能な内部電力として直接使用されるのではなく、この利用可能内部電力は、捕捉済み電力から、そして更に、ロータの捕捉済み回転速度を考慮して、特定される。

少なくとも説明を単純且つ明瞭にするために、この利用可能内部電力は理想的な定常状態において捕捉済み電力に対応すると仮定できる。特に、この捕捉済み電力は、もし完全な変換器の概念が存在するならば、インバータのＤＣリンクに給電される電力に対応することが望ましい。ここでも、利用可能内部電力は、ＤＣリンクに関連する利用可能電力に対応する。理想化された態様に仮定された定常状態において、即ち、特にロータの回転速度が一定である場合において、これらの２つの電力は互いに対応することがある。実際、このような理想化された状態は、実質的に全く存在せず、せいぜい、場合によっては、単純化された態様に仮定され得るだけである。一方、現実的には、風速は事実上間断なく変動しており、従って、実際に利用可能な電力、即ち、利用可能内部電力にも変動が生じている。これは、回転速度によって、考慮でき、従って、利用可能内部電力を、捕捉済み電力とロータの捕捉済み回転速度とに依存して、特定することを提案する。単に念のために参考として述べるが、ギア付き風力発電設備（geared wind power installation）の場合には、空力ロータの回転速度から発電機のロータの回転速度への適切な変換が実施され得る。従って、これら２つの回転速度のどちらを使用するかは、パラメータ表示の問題である。最新のギア付きでない風力発電設備を使用する場合には、このような検討は省ける。

いずれにしても、次に、等価風速を、この特定済み利用可能内部電力と捕捉済み回転速度とに依存して、特定する。従って、この等価風速の特定のために、今しがた特定された利用可能内部電力と捕捉済み回転速度とを考慮に入れる。従って、特に、この回転速度はこの等価風速の特定に直接組み入れられており、この捕捉済み回転速度に対する依存性は、内部電力がこの捕捉済み回転速度に依存して既に特定されていることによる間接的な依存性とは関係ない。このように、この捕捉済み回転速度は、等価風速を特定することについて、もう一度考慮に入れられる。

この目的のために、風力発電設備の発電機の発電機損失も考慮に入れることが望ましい。特に、このような発電機損失は、特定済み利用可能内部電力に加えられる。従って、この合計は、発電機の入力電力に対応する。異なる表現を用いると、発電機の入力電力から、発電機損失を差し引いたもの、即ち、発電機の損失電力を差し引いたものが、利用可能内部電力の特定の際に、特定される。今、この発電機の入力電力を演算で取得するために、これらの発電機損失を演算で加える。発電機損失に加えて、ここでは別の損失を考慮に入れることも可能であり、これらの別の損失は、空力エネルギを、電気エネルギに、特にここに採用される測定箇所において存在するような形態の電気エネルギに、変換する際に生じる。一例として、これらは、ギアリング（gearing）を含む機械的なドライブトレーン（drive train）の摩擦損失と、交流から直流への変換時における電気損失と、であり得る。しかしながら、最新のギア付きでない風力発電設備においては、これらの損失は無視できることが多く、従って、引き続き、単純化された態様で、発電機損失に注目する。

それに加えて、あるいは、その代わりに、この等価風速を特定するステップにおいて、ロータブレードの少なくとも１つのブレード角を考慮に入れる。必要にして十分であることの多い単純な一般化された場合において、ロータブレードは同期して調節されるので、ロータの全てのロータブレードは同じブレード角を有している。その場合、この１つのブレード角を使用できる。複数のロータブレードのブレード角が個別に調節される場合には、全てのブレード角の相加平均（arithmetic mean）を各々に用いるようにして考慮に入れることができる。

従って、この等価風速を特定するステップにおいて、発電機の入力電力、即ち、利用可能内部電力と発電機損失との合計と、ロータの回転速度と、ブレード角と、を考慮に入れて、等価風速を特定できる。特に、ブレード角も、風から取り出す、あるいは、取り出せる電力の量に影響を及ぼすので、等価風速の特定に含まれる。任意の場合における一実施形態に従えば、ブレード角は、利用可能内部電力の特定については、関係ない。

一実施形態に従って、電力オブザーバを用いて利用可能内部電力を特定し、それに加えて、あるいは、その代わりに、風オブザーバを用いて等価風速を特定することを提案する。従って、この電力オブザーバとこの風オブザーバは、制御理論（control theory）の適用範囲内において状態オブザーバ（state observer）である。これらは、同義語として、それぞれ、電力をオブザーブする、即ち、推定する状態オブザーバとも呼称でき、風速をオブザーブする、即ち、推定する状態オブザーバとも呼称できる。

従って、特に、両方の状態オブザーバが組み合わされる場合には、電力オブザーバは、利用可能内部電力をオブザーブして、これを、風オブザーバに対する入力変数として、あるいは、電力損失の加算によって、修正済み入力変数として、出力して、風オブザーバは、最終的に、出力変数として等価風速を出力する。

風オブザーバは、３つの入力変数、即ち、特定済み利用可能内部電力に捕捉済み又は特定済み発電機損失を加えたものと、捕捉済み回転速度と、少なくとも１つのブレード角と、を有することが望ましい。等価風速のほかに、利用可能電力が風オブザーバについての出力変数として出力され、この利用可能電力は、特に、捕捉済み等価風速の場合における理想的なブレード角と理想的な先端速度比の場合に生じるべきものである。最後に述べるが、一実施形態に従って、現在の先端速度比が第３の出力変数として出力されることも提案する。従って、風オブザーバは、３つの入力変数に基づいて、これらの３つの出力変数を確定できる。特に、先端速度比は、この場合、妥当性（plausibility）に関して、結果を検査するための追加的な情報を提供できる。

特に、ここに提案する状態オブザーバの使用によって、それぞれに根底を成すシステムを、高精度で、単純な態様で、特に、遅延も少ししかないか、あるいは、全くない状態で、考慮に入れることができる。

これらの規定された入力変数と出力変数が分かれば、それ自体、既知である制御理論手法によって、それぞれの状態オブザーバを作成して必要な大きさにすることができる。この発明の一部である１つの重要な態様は、利用可能内部電力が、第１の状態オブザーバによって、特に捕捉済み電力と捕捉済み回転速度とから、特定されることと、第２の状態オブザーバについて、１つの入力変数が、捕捉済み回転速度と共に形成されて、次に、第２の状態オブザーバが、特に、それらから等価風速の所望の大きさを特定することと、から成る。状態オブザーバの使用は、それぞれ、前述の入力変数から前述の出力変数を特定するための、必ずしも唯一の解決手段ではないけれども、この目的のために、提案することが望ましい。

一実施形態に従って、風力発電設備が、ＤＣリンクを有するインバータによって、電力グリッドに給電し、利用可能内部電力がＤＣリンクにおいて利用可能な電力を意味することを提案する。従って、特に、これは、そのようなＤＣリンクを備えた完全な変換器の概念に基づいている。ロータの測定済み回転速度とＤＣリンクに給電される電力とは、利用可能内部電力の特定についての入力変数であることが望ましい。電力オブザーバが使用される限りにおいて、これらの２つの変数は、この電力オブザーバの入力変数を形成する。従って、ＤＣリンクに給電される電力は、利用可能内部電力を特定するために、測定済み回転速度と共に使用されるだけの入力変数である。特に、この測定済み給電電力は、原則として、その結果として、この電力が、次に、最終的な等価風速の特定に、より良く適合化される程度にまで、改善される。

一実施形態に従って、利用可能内部電力を確定するために使用される前述の、又は、新たな電力オブザーバが、次の構造、即ち、
によって定義され、ここで、
Ｊは、ロータと発電機の共通の慣性モーメントを示し、
ωは、発電機の回転速度であり、
ｋ_ωとｋ_Ｔは、該オブザーバのダイナミックス（dynamics）に影響を及ぼすためのパラメータであり、
Ｔ_ｅｌは、電気トルクを示しており、一時的電気蓄積装置に供給される電力Ｐ_ＤＣと回転速度ωとの商として算定され、
Ｔ_ｍｅｃｈは、ロータと発電機の機械トルクを示しており、
オブザーブ済み変数が「^」の符号で示されており、時間についての微分（derivative）がドット（点）で示されており、確定すべき利用可能電力が、オブザーブ済み回転速度
とオブザーブ済み機械トルク
との積として算定される、方法を提案する。

従って、これは、利用可能内部電力を特定でき、特に等価風速の特定のための更なる使用にも良好に適合化できる、状態オブザーバ、即ち、電力オブザーバの具体的な仕様である。ここに提案するこの具体的な電力オブザーバが単純な態様で風力発電設備の対応するダイナミックス（dynamics）を考慮することが確認できる。ここで、発電機の回転速度ωは、ギアリング（gearing）が存在しない場合には、ロータの回転速度に対応し得る。

別の一実施形態に従って、風全体から取り出せて、電力グリッドへの給電に利用可能な電力が、特定済み等価風速から確定されることを提案する。ここでは、ここに説明する実施形態に従って特定された等価風速は、この特定される方法によってその精度が比較的に高く、従って、風力発電設備がスロットリング（throttling）を受けなければ電力グリッドに給電され得たであろう電力を特定するための基礎として機能できるということを利用している。従って、これは、風力発電設備が被スロットリング動作（throttled operation）で動作させられる時に、実施されることが望ましい。しかしながら、このような給電可能な電力の算定は、風力発電設備がスロットリングされない時にも、着手できることが望ましい。その場合、その結果は、実際の現在給電されている電力に対応するべきである。万一、全般的な差分、即ち、例えば、認識できるほどに体系的な偏差、が生じた場合には、これを用いて本方法を補償できる。これは、確定済み等価風速にも当てはまる。既に述べたように、ナセルの風速計によって測定される風速は、短時間で変動しやすく、短期間での平均を取る場合には、風力発電設備の生成電力を表すことがない。特に、風力発電設備がスロットリングされない場合には、算定済み等価風速は、測定済み風速との比較が可能であり、それに基づいて、例えば、補正特性を作成できる。

本発明に従って、ブレード角に関して調節可能であり、ロータブレード平面を通るロータブレードを有するロータを備えている風力発電設備も提案する。この風力発電設備は、ロータブレード平面の等価風速を捕捉するように構成されており、この目的のために、電力オブザベーション手段と風オブザーバ手段とを備えている。電力オブザベーション手段は、風力発電設備において利用可能な内部電力を、捕捉済み電力とロータの捕捉済み回転速度とに依存して、特定するように構成されている。従って、捕捉済み電力とロータの捕捉済み回転速度は、特に電力オブザベーション手段の入力変数である。風オブザーバ手段は、等価風速を、特定済み内部電力と捕捉済み回転速度とに依存して、特定するように構成されている。従って、特に、特定済み内部電力と捕捉済み回転速度は、各々、風オブザーバ手段についての入力変数を形成する。ここで、特に特定済み内部電力は、修正済み変数として構成でき、これに、具体的には、更に発電機損失を初めに付加できる。その代わりに、風オブザーバ手段が、自発的に、発電機損失の付加のような修正を提供することもできる。

この風力発電設備において、上述の実施形態の少なくとも１つに関連して説明された方法が実施されることが望ましい。

本発明に従って、上述の実施形態の少なくとも１つに従う風力発電設備を少なくとも２つ備えたウインドファームも提案する。この点に関して、ウインドファームは、共通のグリッド接続ポイントを介して、一緒に、電力グリッドに給電する複数の風力発電設備のプーリング（pooling）である。ウインドファームの特有の利点は、複数の風力発電設備の電力の共通の給電によって、高い平衡電力を提供することもできる点にある。従って、ウインドファームは、例えば、電力グリッドのオペレータの指定に従って、あるいは、電力グリッドの状態に依存して、比較的高い平衡電力を提供できる。従って、その場合、実際に給電される電力と利用可能電力との間に大きな電力差も生じる。従って、ここでは、可能な限り正確に、利用可能電力と給電電力を特定する、即ち、利用可能電力と給電電力との間の差分を特定することが特に重要である。ここに提案する等価風速の特定は、この目的についての良好な基礎を提供できる。

特に、電力グリッドに給電され得る全体の電力は、風力発電設備によって、各々、個別に算定された値を合計することによって、算定される。

次に、本発明を、添付図面を参照して、代表的な実施形態に基づいて、代表的な態様で、更に詳しく説明する。

風力発電設備を斜視図で概略的に示す図である。 等価風速の特定の根底を成すアルゴリズムを説明するためのブロック図を示す図である。 本発明の一実施形態に従う結果を従来技術の手法と比較するためのグラフを示す図である。 ウインドファームを概略的に示す図である。

図１には、タワー１０２とナセル１０４とを備えた風力発電設備１００が示されている。ナセル１０４には、３枚のロータブレード１０８とスピナー１１０とを備えたロータ１０６が配置されている。動作中、ロータ１０６は、風によって回転運動をさせられて、その結果として、ナセル１０４内の発電機を駆動する。

図４には、代表的な態様における、互いに同じでも異なっていてもよい３つの風力発電設備１００を備えたウインドファーム１１２が示されている。従って、これら３つの風力発電設備１００は、原則として、ウインドファーム１１２の任意の数の風力発電設備を表している。これらの風力発電設備１００は、特に、電気ファームグリッド１１４によって、自己の電力、特に生成済み電流を提供する。各々の場合に生成された個々の風力発電設備１００の電流及び電力が互いに加算されて、通常設けられているトランスフォーマ１１６がファーム内の電圧を増大して、この電圧が、一般的にＰＣＣとも呼称される給電ポイント１１８において、電力グリッド１２０に給電される。図４では、ウインドファーム１１２が単に単純化されて表現されており、例えば、コントローラが当然存在するが、そのようなコントローラも示されていない。更に、単なる別の代表的な実施形態を挙げるとすれば、例えば、ファームグリッド１１４は、別の構成を有することができ、その一例として、各々の風力発電設備１００の出力においてもトランスフォーマが存在していてもよい。

本発明は、風力発電設備（wind power installation）（ＷＰＩ）のロータブレード平面における等価風速を特定する方法と、それに対応する装置とに関する。特に、これは、一実施形態に従って、電力と、ロータの回転速度と、ブレード角とに関する測定データを用いて実施される。

以下に説明する一実施形態は、利用可能な最大電力と、可能な限り正確な実効風速と、の動的特定を一緒に容易にする２つの（制御理論の意味内での）オブザーバの使用に基づいている。

ここに提案する解決手段の用途の主な目標は、利用可能電力を算定すること、即ち、ＷＰＩが、外部規定の結果として自己の電力に関して低減、即ち、限定されなかったとしたら生成できたであろう電力を算定すること、にある。これは、とりわけ、エネルギシステムにおける過周波数（overfrequency）の場合に、ネガティブの（一次的な／二次的な）均衡電力を提示することについて、即ち、特に、ＷＰＩを制限することについて、使用できる。特に、利用可能電力を算定することについて、それに対応する方法の正確さは、決定的な役割を果たすことがある。

非限定とも呼称できる非電力低減動作において、風力発電設備は、各々の風力発電設備タイプについての風速電力特性によって、測定を通じて、正確に特定される現在の風速に依存する電力を生成する。もし風速が正確に分かれば、利用可能電力は、このように、この特性に基づいて特定できる。

従って、各々の動作状態において利用可能電力を特定するための１つのオプションは、一般的に風力発電設備のナセル上に設置されている風速計を用いて風速を測定することから生じるであろう。しかしながら、このような測定は、たとえ最新の超音波風速計を用いて非常に正確に実施できても、前述の用途については、限定された使用だけに限られている。第一に、この風速計は、ロータブレードによって画定される平面の中心部における風速を測定するだけである。現行の風力発電設備における、ナセルから５０ｍ以上の距離に在るブレードの先端における風速は、測定できない。更に、この測定は、風速計の位置がロータブレードの下流に在る結果として、乱気流とシャドーイングとによって影響を及ぼされることがある。従って、ナセルの風速計の測定値は、１０分以上の長時間に亘る平均化の場合にのみ、ＷＰＩの実際の電力値と十分な相関関係を有している。従って、それらは、非特許文献１からも推察できるように、現在利用可能な電力を特定することについては、適していない。

第２のオプションは、風力発電設備の現在の電力（例えば、ＤＣリンクに給電される、完全な変換器を備えた風力発電設備の電力）と、その風力発電設備のブレード角と、から利用可能電力を算定することにある。風力発電設備が、自己の電力に関して、利用可能電力未満に限定される場合、機械的な力の供給を低減することが必要である。これは、ブレード角を増大することによって、実現できる。ブレード角αを増大するときの空力係数（aerodynamic power coefficient）c_p(λ,α)における低減は、この場合、一般的に先端速度比（tip-speed ratio）λに依存する。

仮に、たとえ風速が変動していても、風力発電設備が、既知の電力又は回転速度の調整手段によって、同一の先端速度比で、特に理想的な先端速度比λ_optで、連続的に動作させられているとすれば、特定の最適ブレード角α_optを基準にしてブレード角を増大することによって、安定した電力低減が実現される。もし電力低減効果が各々のブレード角について特定されているならば、利用可能電力を、現在のＷＰＩ電力Ｐ_actと電力低減係数k(α)＝１−c_p(λ_opt,α)／cp(λ_opt,αopt)とから、次の公式に従って、算定できる。

しかしながら、一定の先端速度比を、全ての動作条件の下で、維持することはできない。特に、強い制限の場合には、最適値からの偏差があり得る。ここでは、特に、強い制限の場合に、電力低減係数と、推定される利用可能電力と、の間の反比例の関係のために、想定される電力低減係数における小さな偏差でも、利用可能電力の算定の際には、誤りを招くことがある。

次に、これを解決するアルゴリズムを提案するが、このアルゴリズムは、風速に依存して、それ故、ＷＰＩの全ての動作ポイントにおいて、可能な限り高い信頼度で、利用可能電力を推定できる。

この目的のために、図２に提示する方法を一実施形態に従って提案する。従って、図２は、等価風速Ｖ_Ｗｉｎｄを特定するための、ここに提案するアルゴリズムの、それ故、ここに提案する方法の、ブロックダイアグラム１を示している。

ここでは、特定の測定済み変数に基づいて、その他の測定不可能な値をオブザーブ（observe）する、即ち、推定する２つのオブザーバを使用する。

図２に例示された電力オブザーバ２は、ＤＣリンクに給電されて、且つ、ＤＣリンクにおいて測定される電力Ｐ_ＤＣと、ロータ回転速度ωと、からＤＣリンクにおいて利用可能な電力Ｐ_{ａｖａ,ＤＣ}として、利用可能内部電力を特定する。

従って、回転速度（ω）の変数とＤＣリンクにおける電力（Ｐ_ＤＣ）の変数とは、測定によって捕捉される。もしギアがなければ、発電機の回転速度（ω）は、ロータの回転速度に対応する。このことから、利用可能内部電力Ｐ_{ａｖａ,ＤＣ}は、状態オブザーバ２の支援によって特定され、即ち、算定され、この内部電力は、リンクとの関係で、利用可能な空力
と呼称することも可能であり、即ち、これは、空力から発電機損失を差し引いたものに対応し、そして、場合によっては、摩擦または電流変換損失のような別の損失を更に差し引いたものに対応する。

電力オブザーバは、回転一質量システム（rotating one-mass system）の加速度方程式（acceleration equation）と呼称することもできる次の単純化されたシステム記述に基づくことができる。

この公式において、Ｊは、ＷＰＩの回転質量の慣性モーメントを示し、ωは、ＷＰＩの回転速度を示し、Ｔ_ｍｅｃｈとＰ_ｍｅｃｈは、それぞれ、風によりシャフトに生じるトルクと電力を示し、Ｔ_ｅｌとＰ_ｅｌは、それぞれ、発電機の電気機械トルクと電力を示している。ここで、ドット（点）は、時間に対する変数の微分（derivative）を示している。機械的電力を超える発電機電力が一定時間に亘って取り出されると、その結果として、ＷＰＩは減速する。

電力オブザーバ２について、上述の回転一質量システムの加速度方程式に基づいて、回転速度の状態変数（ω）と機械トルク（Ｔ_ｍｅｃｈ）とを有する、風力発電設備の次の状態空間モデルを設定できる。

ここで使用される変数のうち、機械トルクＴ_ｍｅｃｈは、測定できず、従って、状態オブザーバによって測定データから算定すべきである。更に、回転速度の信号は低解像度と低サンプリングレートでのみ測定されることが多いので、この値についても状態オブザベーション（state observation）を提案する。好適なオブザーバの構造は次のように公式化できるが、更なる説明については非特許文献４を参照されたい。

ここで、回転速度ω及び電気トルク
の測定済み入力変数とは対照的に、オブザーブ済み変数は、「＾」で示されている。Ｐ_ＤＣは、ＤＣリンクに給電される電力である。２つのパラメータｋ_ωとｋ_Ｔは、動的な動作に影響を及ぼし、時間離散的実施の場合、状態オブザーバの安定性にも影響を及ぼし、これらの態様を考慮して、選択する必要がある。

空力
は、回転速度とトルクとの積によって算定される。従って、これは、特定される利用可能内部電力Ｐ_{ａｖａ，ＤＣ}に対応する。

利用可能内部電力Ｐ_{ａｖａ，ＤＣ}を特定するための入力変数は、ＤＣリンクに給電される測定済み電力Ｐ_ＤＣと測定済み風力発電設備回転速度ωである。従って、ＤＣリンクに関する利用可能電力Ｐ_{ａｖａ，ＤＣ}は、出力値である。このオブザーバは重要であり、その理由は、風力発電設備が、ある特定の状況の下では、電力Ｐ_ＤＣが現在利用可能な風力に対応する定常動作ポイントにはなく、その代わりに、この風力発電設備は、通常動作時にほぼ永続的に加速または減速しており、例えば、場合によっては、グリッドサポートのために、エネルギが回転の運動エネルギから得られる通常の回転速度電力特性から逸脱するからである。

発電機の損失Ｐ_ＶＧｅｎが、ＤＣリンクに関する利用可能内部電力Ｐ_{ａｖａ，ＤＣ}に加えられる。これらの損失は、動作時に測定によって特定できるか、あるいは、それぞれの発電機動作ポイントについての特性から（オプションとして、温度測定値を考慮して）推測できる。更に、もし適切であれば、摩擦損失と電流変換損失もそれに加えることができる。このように加えた結果が、簡単にＰ_ａｅｒｏと呼称される、風力発電設備の利用可能な発電機入力電力である。この算定について、最大限の利用可能な入力電力について予測される発電機損失が、現在の発電機損失の代わりに使用されるべきである。

この電力と測定済み風力発電設備回転速度ωと現在のブレード角αとが、第２のオブザーバである風オブザーバ４に対する入力値として使用される。風オブザーバ４は、現在のブレード角αにおける、利用可能電力につながる風速Ｖ_Ｗｉｎｄをオブザーブする。原則として、これは、次の方程式の解ｖに関する。

ここで、Ｐ_ａｅｒｏは、電力オブザーバ２から既知と仮定し、ρは、空気密度を示し、Ａは、ロータ面積を示し、Ｃ_ｐ（λ，α）は、先端速度比λとブレード角αとに依存する電力係数を示している。これは非線形方程式であり、ここで、風速ｖは、直接的にも、先端速度比
（ωは風力発電設備回転速度をｒａｄ／ｓで示し、Ｒは空力ロータの半径を示している）を介して間接的にも、含まれている。これに対する別の解は、非特許文献２から分かる。

この方程式の非線形特性のために、風オブザーバについての基礎として風速を特定することに対する非線形手法が有益であることが判明しており、この点に関しては、「immersion and invariance」という語句の下に挙げられた非特許文献２と非特許文献３を参照されたい。

しかしながら、非特許文献２及び非特許文献３とは対照的に、ここに提案する解決手段において、風オブザーバ４に対する入力変数として使用されるのは、測定済みの風力発電設備の電力ではなく、その代わりに、電力オブザーバ２によって特定された、即ち、算定された利用可能内部電力である。これは、風力発電設備の一時的な動作において（即ち、例えばグリッドサポートのために、エネルギが回転の運動エネルギから得られる強い加速又は減速において）、風オブザーバ４の適正な、少なくとも所望の機能にとって、重要である。

風オブザーバ４は、風力発電設備の利用可能電力Ｐ_ａｖａ（α_opt, λ_opt）も更に出力することが望ましい。これは、理想的なブレード角α_optと理想的な先端速度比λ_optとが設定された場合に、風オブザーバ４によって特定される等価風速Ｖ_Ｗｉｎｄにおいて、風力発電設備によって生成され得る電力である。一例として、これは、等価風速Ｖ_Ｗｉｎｄに基づいて、且つ、規定条件（最適ブレード角α_optと最適先端速度比λ_opt）における、風と生成電力との間の既知の関係を考慮して、算定できる。一例として、この目的のために、適切な特性を記憶できる。更に、風速と回転速度とロータの直径とから算定できる現在の先端速度比λを出力することを提案する。

図３において、ここに提案する電力オブザーバと風オブザーバの結果を、利用可能電力の従来の算定と、比較する。図３に例示された結果の根拠は、ＥｎｅｒｃｏｎＥ-７０Ｅ４タイプの風力発電設備上で測定を実施することによって、形成されており、この風力発電設備を、試験測定ウインドウ（examined measurement window）の最初の３５０秒において一定の１°のブレード角で動作させて、その後、ブレード角を１７.５°に設定している。風速Ｖ_Ｗと、リンクに給電された電力Ｐ_ＤＣとは、測定されている。推定済み風速Ｖ_Ｗｉｎｄは２番目のグラフ内に例示されており、風オブザーバ４に基づいて確定された推定済みの利用可能内部電力Ｐ_{ａｖａ,ＤＣ}は、３番目のグラフ内に描かれている。比較の目的で、従来方法によって捕捉された利用可能電力Ｐ_{ａｖａ,ｃｏｎｖ}も第３のグラフ内に例示されている。

ここに提案する解決手段は、風力エネルギについて、正及び負の平衡エネルギ、即ち、一次的平衡エネルギと二次的平衡エネルギの両方の用途に使用できる。ここでは、特に、改善された正確さが重要であり得る。この解決手段は、第２のナセル風速計の代用として、使用できる。

風速を正確に特定することによって、少なくともこれを高い精度で特定することによって、多数の動作状態における風力発電設備の最大利用可能電力を算定できる。これによって、例えば、風力発電設備またはウインドファームが、自己の電力を、ある値だけ、利用可能電力よりも下に、低減する必要がある場合に提供される負の平衡電力の適正な、あるいは、少なくとも比較的正確な特定が可能になる。更に、例えば安全性に向けられた要件を満たすための第２の風測定アプライアンス（second wind measuring appliance）についての要件は、ハードウェアの代わりにソフトウェアによって、解決してもよい。

ここに提案する解決手段は、少なくとも、既知の解決手段の改善である。風速を特定する基本的な問題は、次の空力の方程式を解くことにある。
ここで、ρは、空気密度を示し、Ａは、同義語としてロータブレード面積とも呼称できるロータ面積を示し、ｖは、風速を示し、Ｃ_ｐ（λ，α）は、先端速度比λとブレード角αとの関数として電力係数を示している。厳密に言えば、この方程式は、発電機ロータにおけるロータの機械的電力を示しているけれども、これは、測定済み電力と、推定済み、即ち、算定済み発電機損失とから概算的に特定でき、従って、ノイズによって悩まされる変数ではあっても、既知と見なすことができる。未知のｖについてこの方程式を解く難しさは、この方程式における変数の二重の入力データ、即ち、
正に（ｖ^３）と先端速度比
とにある（ω_mは、再び、風力発電設備の回転速度をｒａｄ／ｓで表している）。

非特許文献２による数値的に効率的であり、同時に、正確な解は、非特許文献３に示されているように、「immersion and invariance」の原理によるオブザーバによって得られる。この目的のために、次のシステムの状態方程式が実施される。
ここで、
、Ｊは、風力発電設備のロータの慣性モーメントを示し、Ｐ_ｍｅｃｈは、電力オブザーバによって推定される、発電機の利用可能ＤＣ電力と発電機損失とを加えたものを示し、γ>０は、フィルタの調節可能なアダプテーションパラメータ（adaptation parameter）であり、ρは、空気圧を示し、Ａは、ロータ面積を示し、ｒは、ＷＰＩのロータ半径を示している。時間に対する変数
の微分（derivative）は、ドット（点）で示されている。

風オブザーバの出力値は、このシステムの状態方程式の数値解決手段によって算定される。ここで、方程式（３）において算定される変数
は、推定される風速ｖ_Ｗｉｎｄを形成している。次に、推定される先端速度比λは、前述の方程式に従って、測定済み回転速度と推定済み風速から得られる。利用可能電力は、推定される理想的な動作ポイントにおける風力発電設備に生じる損失と、結果としてこの利用可能電力の限定と成り得る予想される技術的または動作的な限定事項と、を考慮して、方程式（１）の解から得られる。

非特許文献３に記載された解決手段に関連してここに記載された風オブザーバの決定的な修正点は、
（方程式（２））の算定についての、独立したオブザーバによって推定される利用可能電力の使用にある。これとは対照的に、非特許文献３においては、風力発電設備は、部分的な負荷範囲内で、常に自己の理想的な動作ポイントの近くで動作させられているという仮定の下で、測定済み電力又は電気トルクが直接使用されている。しかしながら、実際には、風速が変動する場合における、及び、一部で、グリッド周波数サポートのような特定の要件のためにも望まれる、エネルギが回転の運動エネルギから得られる加速処理及び減速処理のために、現行の電力と、最適動作ポイントにおいて達成可能な電力、即ち、風から得られる電力と、の間には、顕著な偏差があるので、空力方程式を解く前に、全ての動作ポイントにおいて正確に風速を特定する目的のために、風オブザーバによる、利用可能電力の独立した特定を提案する。

非特許文献３に提示された解決手段と比べた別の違いは、電力係数Ｃ_ｐ（λ，α）を特定する際に現在のブレード角αを考慮することから成る。これは、風オブザーバを使用して最大可能電力を特定することについて、決定的に重要であり、その理由は、ブレード角が、概して、風力発電設備の下方調整動作時において、理想的なブレード角よりも大きいからである。従って、最大利用可能電力を特定することについては、風オブザーバによって推定される風速と、この風速についての電力係数の算定と、最適ブレード角α_optと、最適先端速度比λ_optと、即ち、Ｃ_ｐ（λ_opt，α_opt）と、推定済み風速及び最適Ｃ_ｐ（λ_opt，α_opt）による空力方程式（１）の解と、が有益である。

従って、強い下方調整の場合に利用可能電力を特定する精度の改善が実現される。

ここに提案する解決手段の特有の利点は、
−可能な場合、風力発電設備が動作している全ての動作ポイントにおいて、利用可能電力を特定すること、
−風力発電設備が、特にグリッドサービスを提供する際に、自己の定常動作ポイントから外れる動作状態を考慮すること、
−センサシステムを新たに設けることなく、ロータ平面において等価風速を特定すること、更に、
−適切な実施の場合に、風力発電設備の回転速度と加速とを高精度で特定すること、
に本質がある場合もある。

Claims (11)

1. ブレード角に関して調節可能なロータブレード（１０８）を有するロータ（１０６）を備えた風力発電設備（１００）のロータブレード平面の等価風速を特定する方法であって、
   前記風力発電設備（１００）において利用可能な内部電力（Ｐ_{ａｖａ,ＤＣ}）を、捕捉済み電力（Ｐ_ＤＣ）と前記ロータ（１０６）の捕捉済み回転速度（ω）とに依存して、特定するステップと、
   前記等価風速（Ｖ_Ｗｉｎｄ）を、前記特定済み利用可能内部電力（Ｐ_{ａｖａ,ＤＣ}）と前記捕捉済み回転速度（ω）とに依存して、特定するステップと、
   を備えた、前記方法。
2. 前記等価風速（Ｖ_Ｗｉｎｄ）を特定する前記ステップにおいて、
   前記ロータブレード（１０８）の１つについての少なくとも１つのブレード角（α）を考慮し、それに加えて、あるいは、その代わりに、
   前記風力発電設備（１００）の発電機の発電機損失と、オプションとして、回転部分の摩擦損失、及び／又は、１つ又は複数の電流変換器の変換損失と、を考慮する、
   請求項１に記載の方法。
3. 電力オブザーバ（２）を用いて前記利用可能内部電力（Ｐ_{ａｖａ,ＤＣ}）を特定し、それに加えて、あるいは、その代わりに、
   風オブザーバ（４）を用いて前記等価風速（Ｖ_Ｗｉｎｄ）を特定する、
   請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記風オブザーバ（４）が、
   前記特定済み利用可能内部電力（Ｐ_{ａｖａ,ＤＣ}）に捕捉済み又は特定済み発電機損失（Ｐ_ＶＧｅｎ）を加えたものと、
   前記捕捉済み回転速度（ω）と、
   少なくとも１つのブレード角（α）と、
   を入力変数として取得し、それに加えて、あるいは、その代わりに、
   前記風オブザベーション手段（４）が、
   前記等価風速（Ｖ_Ｗｉｎｄ）と、
   理想的なブレード角（α）及び理想的な先端速度比の場合における利用可能電力と、
   現在の先端速度比（λ）と、
   を出力変数として出力する、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記風力発電設備（１００）が、ＤＣリンクを有するインバータによって、電力グリッド（１２０）に給電し、前記利用可能内部電力（Ｐ_{ａｖａ,ＤＣ}）が前記ＤＣリンクにおいて利用可能な電力を意味する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記ロータ（１０６）の測定済み回転速度（ω）と、
   前記ＤＣリンクに給電される電力（Ｐ_ＤＣ）と、
   が、前記利用可能内部電力（Ｐ_{ａｖａ,ＤＣ}）を特定するための入力変数として、又は、前記電力オブザーバ（２）についての入力変数として、使用される、
   請求項５に記載の方法。
7. 前記利用可能内部電力（Ｐ_{ａｖａ,ＤＣ}）を確定するために使用される前記、又は、新たな電力オブザーバ（２）が、次の構造、即ち、
   によって定義され、ここで、
   Ｊは、前記ロータと前記発電機の共通の慣性モーメントを示し、
   ωは、前記発電機の回転速度であり、
   ｋ_ωとｋ_Ｔは、該オブザーバのダイナミックス（dynamics）に影響を及ぼすためのパラメータであり、
   Ｔ_ｅｌは、電気トルクを示しており、一時的電気蓄積装置に供給される電力Ｐ_ＤＣと前記回転速度ωとの商として算定され、
   Ｔ_ｍｅｃｈは、前記ロータと前記発電機の機械トルクを示しており、
   オブザーブ済み変数が、「^」の符号で示されており、時間についてのデリバティブが、ドット（点）で示されており、確定すべき利用可能電力が、オブザーブ済み回転速度
   とオブザーブ済み機械トルク
   との積として算定される、
   請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 風全体から取り出せて、前記、又は、新たな電力グリッド（１２０）への給電に利用可能な電力（Ｐ_{ａｖａ,ＤＣ}）が、前記特定される等価風速（Ｖ_Ｗｉｎｄ）から確定される、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. ブレード角（α）に関して調節可能であり、ロータブレード平面を通るロータブレード（１０８）を有するロータ（１０６）を備えており、前記ロータブレード平面の等価風速（Ｖ_Ｗｉｎｄ）を捕捉するように構成された風力発電設備（１００）であって、
   前記風力発電設備において利用可能な内部電力（Ｐ_{ａｖａ,ＤＣ}）を、捕捉済み電力（Ｐ_ＤＣ）と前記ロータ（１０６）の捕捉済み回転速度（ω）とに依存して、特定するように構成された電力オブザベーション手段（２）と、
   前記等価風速（Ｖ_Ｗｉｎｄ）を、前記特定済み内部電力（Ｐ_{ａｖａ,ＤＣ}）と前記捕捉済み回転速度（ω）とに依存して、特定するように構成された風オブザーバ手段（４）と、
   を備えた、前記風力発電設備。
10. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法が実施される、請求項９に記載の風力発電設備（１００）。
11. 請求項９又は１０に記載の風力発電設備（１００）を少なくとも２つ備えたウインドファーム（１１２）であって、特に、前記風力発電設備によって、各々、個別に算定された値を合計することによって、電力グリッドに給電され得る全体の電力の算定が行われる、前記ウインドファーム。