JP2020020264A - 風力発電装置とその制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
ヨー制御によりヨー偏差角を常にゼロに維持できた時、最も発電量が多くなる。しかし、ナセルの旋回速度よりも風向の変動速度の方が速い場合、ナセル方位角を風向に追従できない。また、風の乱れ度が高い場合、すなわち、風向変動が激しく、ヨー旋回中に風向が逆方向に変わる場合、ヨー制御の応答遅れによりヨー旋回し過ぎて、ヨー偏差角が高い状態でナセルを停止させてしまう。これらの場合、ヨー偏差角をゼロに維持することは困難である。しかし、ナセルの旋回速度を高くし過ぎたり、ヨー偏差角に対して過敏にヨー旋回させると、ナセル旋回機構やナセルの旋回を停止するブレーキ機構の機械的消耗が発生する。この制御方法を用いて、ヨー偏差角を積極的に抑制しようとすると、機械的摩耗が大きくなる恐れがある。
したがって、風の乱れ度に応じてヨー制御のパラメータを調整し、ヨー旋回のし過ぎを防止し得るようヨー制御することが好ましい。しかし、風向測定値から風の乱れ度を算出する場合、風向測定に一般的な矢羽式風向計を用いると、矢羽の慣性の影響で風の乱れ度を精度良く算出するのが困難である。また、慣性の影響がない超音波式等の風向計はコストが高いため好ましくない。
具体的には、風の乱れ度を低コストで精度良く算出してヨー制御することができ、風向変動が激しい場合でもヨー旋回のし過ぎを抑制し、ヨー旋回時の風向に対するナセル方位角の追従性が向上する。また、ヨー旋回のし過ぎを抑制することで、ヨー旋回機構の機械的消耗の必要以上の増加が抑制される。すなわち、風力発電装置の発電性能の向上と機械的消耗の低減を両立させることが可能な風力発電装置とその制御方法を提供できる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
図3は、図1に示す制御装置を構成するヨー制御部の機能を示すブロック線図である。図3に示すように、ヨー制御部300は、ヨー偏差角Δθを求めるヨー偏差角計算部301と、ヨー旋回停止閾値θyを算出するヨー旋回停止閾値算出部310と、ヨー偏差角Δθとヨー旋回停止閾値θyに基づいてヨー旋回の開始/駆動/停止を制御するヨー制御指令Cyを定める制御指令作成部304により構成されている。ヨー旋回停止閾値算出部310は、風の乱れ度計算部302、ヨー旋回閾値計算部303により構成されている。
It=σv/Vwave ・・・(1)
ここで、σvは所定期間における風速の標準偏差、Vwaveは所定期間における風速の平均値である。なお、所定期間をどのように設定すべきかは、各風力発電装置が設置された場所の環境事情、ヨー制御部300の計算能力、ヨー偏差角計算部301で用いるフィルタの設定値、ヨー旋回の駆動速度、ヨー駆動量等に応じて適宜設定されればよいが、ある程度頻度の高い風向変動に対応するよう、大まかには1秒乃至1時間の範囲とするのが好ましい。もしくは、所定期間は10秒乃至10分の範囲とするのがさらに好ましい。
具体的には、ヨー旋回閾値計算部303においては、風の乱れ度Itが小さい場合と大きい場合とで、ヨー旋回停止閾値θyの大きさが変更されるように調整される。例えば、風の乱れ度Itが小さい場合はヨー旋回停止閾値θyを低くし、風の乱れ度Itが大きい場合はヨー旋回停止閾値θyを高くする。
ここで、ヨー旋回閾値計算部303は、ヨー旋回停止閾値θyを逐次出力しなくてもよく、それぞれ任意の周期やタイミングで出力してもよい。
図4に示すように、ステップS401では、ヨー偏差角計算部301がロータ軸角度θrを決定し、次のステップS402に進む。ステップS402では、ヨー偏差角計算部301が風向θwを決定し、次のステップS403に進む。ステップS403では、ヨー偏差角計算部301がロータ軸角度θrと風向θwに基づいてヨー偏差角Δθを決定し、次のステップS406に進む。このように、ステップS401からステップS403までの処理をヨー偏差角計算部301が実行する。
ステップS406では、制御指令作成部304がヨー偏差角Δθとヨー旋回停止閾値θyに基づいてヨー制御指令Cyを決定した後、一連の処理を終了する。
図5は、本実施例に係るヨー制御部300の効果を示す概要図であり、横軸は全て共通の時刻を示す。図5(a)における縦軸は風速Vwと風の乱れ度It、図5(b)における縦軸はヨー旋回停止閾値θy、図5(c)における縦軸はロータ軸角度θrと風向θw、および図5(d)における縦軸はヨー偏差角Δθを示す。図5における破線は、本実施例に係るヨー制御部300を適用しない場合の比較例として、例えば、ヨー旋回停止閾値θyが常に低い場合の結果を示す。一方で、実線が本発明の実施例1に係るヨー制御部300を適用した場合の結果を示している。
このときの風向θwは、図5(c)に示されるように小さい変動を繰り返しつつ、時刻T1を過ぎて+側に大きく急変している。これに応じて本実施例と比較例は時刻T2から1回目のヨー旋回を開始して、ロータ軸角度θrが風向θwに追従している。そして、本実施例では、ヨー旋回停止閾値θyが高いため時刻T3でヨー旋回を停止しているのに対し、比較例ではヨー旋回停止閾値θyが本実施例より低いため、時刻T3よりも遅い時刻T4でヨー旋回を停止している。このとき、風向θwは時刻T3付近から今度は−側へ大きく急変し始めているため、本実施例と比較して比較例は風向θwに対してヨー旋回し過ぎてしまっている。その結果、図5(d)に示されるように、時刻T3過ぎから本実施例より比較例はヨー偏差角Δθが大きい。
したがって、この期間(時刻T3過ぎから時刻T7過ぎまでの期間)の発電出力は本実施例の方が比較例よりも大きくなる。すなわち、本実施例は、年間発電量が比較例よりも高くなることを示している。また、本実施例の方が、ヨー旋回量が少ないため、ヨー旋回機構8の機械的消耗を低減できることを示している。さらに、センサの慣性の影響が少ない構成で風の乱れ度を計算できるため、低コストと高精度の両立も実現している。
本実施例の風力発電装置1は、上述の実施例1のヨー制御部300と同じ構成を有しているが、ヨー旋回停止閾値算出部310における処理が実施例1と異なる。
なお、平均風速Vwaveは、ローパスフィルタに代表される、風速Vwの所定周波数領域のみを通過させるフィルタ(ローパスフィルタ)や、移動平均に代表される、直前の所定期間の値の平均値を利用する統計値を用いて算出しても、フーリエ変換をおこなって算出してもよい。あるいは、ヨー旋回停止閾値算出部310に入力する前に、平均風速Vwaveを算出してもよい。
本実施例の風力発電装置1は、上述の実施例1のヨー制御部300と同じ構成を有しているが、ヨー旋回停止閾値算出部310における処理が実施例1と異なる。
本実施例の風力発電装置1は、上述の実施例1のヨー制御部300と同じ構成を有しているが、ヨー旋回停止閾値算出部310における処理が実施例1と異なる。
It3=α×It+β×It2 ・・・(2)
ここで、αとβはIt3を算出するための比重係数であり、風力発電装置1を設置するサイトの風況に応じて大きさを決定する。It3を用いてヨー旋回停止閾値θyを算出することにより、サイトの風況により適した風の乱れ度を算出できるため、精度よくヨー旋回し過ぎを抑制してヨー偏差角Δθを低減し、発電量を高めることができる。また、風速計か風向計のどちらかが故障しても風の乱れ度を算出できるため冗長性が高い。
以上のように本実施例によれば、風向風速センサのどちらかが故障しても実施例1と同様の発電量向上効果を実現できるため、冗長性を高くすることができる。
本実施例の風力発電装置1は、上述の実施例1のヨー制御部300と同じ構成を有しているが、ヨー旋回停止閾値算出部310における処理が実施例1と異なる。
(1)ヨー制御部300における風の乱れ度計算部302、およびヨー旋回停止閾値計算部304は、制御装置9に代えて、外部の装置に備えてもよい。
(2)本発明で計算したヨー制御のヨー旋回停止閾値θyは、同じサイトにおける他の風力発電装置1や、風況の近しい他サイトの風力発電装置1に適用してもよい。
(3)ヨー制御部300における風の乱れ度計算部302は、風速Vwをはじめとする風況測定値Xwを逐次入力せず、過去に蓄積された風況測定データのみで計算する構成としてもよい。
(4)上述の各実施例においては、風向風速センサ10はナセル5上に設置されているが、この場所に代えて、ナセル5内や風力発電装置1の周辺に設置してもよい。
(5)上述の各実施例において、ヨー旋回停止閾値θyは段階的に値を設定したり、直線や曲線のように連続的に値を設定したりしてもよい。
2…ブレード
3…ハブ
4…ロータ
5…ナセル
6…発電機
7…タワー
8…ヨー旋回機構
9…制御装置
10…風向風速センサ
300,600…ヨー制御部
301…ヨー偏差角計算部
302…風の乱れ度計算部
303…ヨー旋回停止閾値計算部
304…制御指令作成部
310…ヨー旋回停止閾値算出部
605…ヨー旋回停止閾値入力部
Claims (14)
- 風を受けて回転するロータと、前記ロータを回転可能に支持するナセルと、前記ナセルをヨー旋回可能に支持するタワーと、ヨー制御指令に基づいて前記ナセルのヨーを調整する調整装置と、前記調整装置に送る前記ヨー制御指令を定める制御装置とを備える風力発電装置であって、
前記制御装置は、風向風速測定部により測定された値と前記ロータの方向からヨー偏差角を算出するヨー偏差角計算部と、前記風向風速測定部により測定された値から風の乱れ度を算出する風の乱れ度計算部と、前記ヨー偏差角と前記風の乱れ度に基づき前記ヨー制御指令を定める制御指令作成部を備え、
前記制御装置は、風の乱れ度が高い場合、ヨー旋回を早く停止することを特徴とする風力発電装置。 - 請求項1に記載の風力発電装置において、
前記風の乱れ度は、予め前記制御指令作成部に設定されていることを特徴とする風力発電装置。 - 請求項1に記載の風力発電装置において、
前記風の乱れ度は、通信部を介して風力発電装置の外部から設定されることを特徴とする風力発電装置。 - 請求項1に記載の風力発電装置において、
前記制御装置は、前記風の乱れ度に基づいて、ヨー旋回停止閾値を計算するヨー旋回停止閾値計算部を備えることを特徴とする風力発電装置。 - 請求項4に記載の風力発電装置において、
前記風の乱れ度計算部は、前記風向風速測定部により測定された風速から所定の期間における風速の標準偏差及び風速の平均値を求め、前記風速の標準偏差を前記風速の平均値にて除することにより求まる乱流強度を前記風の乱れ度とすることを特徴とする風力発電装置。 - 請求項4に記載の風力発電装置において、
前記風の乱れ度計算部は、前記風向風速測定部により測定された風向から風向の標準偏差を求め、前記風向の標準偏差を前記風の乱れ度とすることを特徴とする風力発電装置。 - 請求項5に記載の風力発電装置において、
前記風の乱れ度計算部は、前記風向風速測定部により測定された風向から風向の標準偏差を求め、
前記ヨー旋回停止閾値計算部は、前記乱流強度に所定の係数を掛けた値と前記風向の標準偏差に所定の係数を掛けた値とを組み合わせたパラメータを求め、前記パラメータを前記風の乱れ度とすることを特徴とする風力発電装置。 - 請求項5乃至請求項7のうち何れか1項に記載の風力発電装置において、
前記ヨー旋回停止閾値計算部は、周波数分析のためにローパスフィルタ若しくはフーリエ変換のいずれかを用いることを特徴とする風力発電装置。 - 請求項4に記載の風力発電装置において、
前記ヨー旋回停止閾値計算部は、
少なくとも、発電出力、ブレードピッチ角、発電機トルク、及びロータ回転速度のうち何れか一つである、風況が変わると変動する前記風力発電装置の状態パラメータを用いて、前記状態パラメータの所定期間における変動量を求め、前記変動量を前記風の乱れ度とすることを特徴とする風力発電装置。 - 風を受けて回転するロータと、前記ロータを回転可能に支持するナセルと、前記ナセルをヨー旋回可能に支持するタワーと、ヨー制御指令に基づいて前記ナセルのヨーを調整する調整装置と、前記調整装置に送る前記ヨー制御指令を定める制御装置とを備える風力発電装置の制御方法であって、
風向風速測定部により測定された値と前記ロータの方向からヨー偏差角を算出し、
前記風向風速測定部により測定された値から風の乱れ度を算出し、
少なくとも前記ヨー偏差角及び風の乱れ度に基づき、風の乱れ度が高い場合、ヨー旋回を早く停止させることを特徴とする風力発電装置の制御方法。 - 請求項10に記載の風力発電装置の制御方法において、
風向風速測定部により測定された風速から所定の期間における風速の標準偏差及び風速の平均値を求め、前記風速の標準偏差を前記風速の平均値にて除することにより求まる乱流強度に基づいて、風の乱れ度を算出することを特徴とする風力発電装置の制御方法。 - 請求項10に記載の風力発電装置の制御方法において、
前記風向風速測定部により測定された風向から風向の標準偏差を求め、前記風向の標準偏差に基づいて、風の乱れ度を算出す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において、
前記風向風速測定部により測定された風向から風向の標準偏差を求め、
前記乱流強度と前記風向の標準偏差とに基づいて、風の乱れ度を算出することを特徴とする風力発電装置の制御方法。 - 請求項13に記載の風力発電装置の制御方法において、
前記乱流強度に所定の係数を掛けた値と前記風向の標準偏差に所定の係数を掛けた値とを組み合わせたパラメータを求め、前記パラメータを前記風の乱れ度とすることを特徴とする風力発電装置の制御方法。
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