JP4394422B2 - Horizontal axis wind turbine and control method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、水平軸風車及びその制御方法に関する。 The present invention relates to a horizontal axis wind turbine and a control method thereof.
現在、風速変動に応じてロータのブレードのピッチ制御を行うことによりロータの回転速度を変更する、いわゆる可変速ピッチ制御風車が実用化されている（例えば、特許文献１参照。）。かかる可変速ピッチ制御風車においては、変動風下においても定格出力を取得するために、定格回転速度域内にロータの目標回転速度を設定し、ロータの実際の回転速度がこの目標回転速度に収束するようにピッチ制御用の駆動装置を制御している。
ところで、風車に吹き付ける風の速度（風速）の変動態様は、風車の設置地点の地形や設置地点周辺に存在する障害物等の影響によって、設置地点毎に異なるのが一般的である。また、同一地点に風車を設置した場合においても、方位毎又は季節毎に風速の変動態様が異なる場合が多い。可変速ピッチ制御風車はこのような風速変動の影響を受け易く、風速の変動態様によってはロータの回転速度の変動量が著しく大きくなるため、ピッチ制御用の駆動装置を駆動してこの変動を抑制する必要がある。 By the way, the variation mode of the speed (wind speed) of the wind blown to the windmill is generally different for each installation point due to the topography of the installation point of the windmill and the influence of obstacles around the installation point. In addition, even when wind turbines are installed at the same point, the variation of wind speed is often different for each direction or for each season. Variable-speed pitch-controlled wind turbines are susceptible to such wind speed fluctuations, and the amount of fluctuation in the rotational speed of the rotor increases significantly depending on the wind speed fluctuation mode. There is a need to.
しかし、ロータの回転速度の変動量が著しく大きくなると駆動装置の駆動量や駆動速度が増大して消費電力が増大するとともに、駆動装置に作用する負荷が増大して耐用期間が短縮される場合があった。 However, when the amount of fluctuation in the rotational speed of the rotor becomes significantly large, the drive amount and drive speed of the drive device increase and power consumption increases, and the load acting on the drive device increases and the service life may be shortened. there were.
このため、従来は、設置地点毎に作業員が制御パラメータを調整することにより、適切なピッチ制御を実現させながら駆動装置の駆動量等を抑制していた。しかし、このような制御パラメータの調整には多大な労力や時間を要するという問題があった。 For this reason, conventionally, an operator adjusts a control parameter for each installation point, thereby suppressing the drive amount of the drive device while realizing appropriate pitch control. However, there is a problem that adjustment of such control parameters requires a great deal of labor and time.
本発明の課題は、適切なピッチ制御を実現させながら駆動装置に作用する負荷を低減させるように自動的に制御態様を調整することができる可変速ピッチ制御型の水平軸風車と、この水平軸風車の制御方法と、を提供することである。 An object of the present invention is to provide a variable-speed pitch control type horizontal axis wind turbine capable of automatically adjusting a control mode so as to reduce a load acting on a driving device while realizing appropriate pitch control, and the horizontal axis And a method for controlling a windmill.
以上の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、ピッチ角可変のブレードを有するロータを備え、所定の定格回転速度域内に設定された目標回転速度に前記ロータの回転速度を収束させるように、風速変動に応じて所定の駆動装置を駆動制御して前記ブレードのピッチ制御を行う水平軸風車において、前記定格回転速度域内に前記目標回転速度と異なる基準回転速度を設定する基準回転速度設定手段と、特定時間内において前記ロータの回転速度が前記基準回転速度を超過する超過時間を計測するとともに前記特定時間に対する前記超過時間の比率を示す基準超過率を算出する基準超過率算出手段と、前記基準超過率が特定最小閾値以上特定最大閾値以下の範囲内に含まれるように前記駆動装置の駆動量及び／又は駆動速度を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the invention described in
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の水平軸風車において、前記制御手段は、前記基準超過率が前記特定最小閾値未満である場合に、前記駆動装置の駆動量及び／又は駆動速度を低減させる一方、前記基準超過率が前記特定最大閾値を超える場合に、前記駆動装置の駆動量及び／又は駆動速度を増加させることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the horizontal axis wind turbine according to the first aspect, when the control excess ratio is less than the specified minimum threshold value, the control unit drives and / or drives the driving device. While the speed is reduced, the drive amount and / or drive speed of the drive device is increased when the reference excess rate exceeds the specified maximum threshold.
請求項３に記載の発明は、ピッチ角可変のブレードを有するロータを備え、所定の定格回転速度域内に設定された目標回転速度に前記ロータの回転速度を収束させるように、風速変動に応じて所定の駆動装置を駆動制御して前記ブレードのピッチ制御を行う水平軸風車の制御方法において、前記定格回転速度域内に前記目標回転速度と異なる基準回転速度を設定する基準回転速度設定工程と、特定時間内において前記ロータの回転速度が前記基準回転速度を超過する超過時間を計測するとともに前記特定時間に対する前記超過時間の比率を示す基準超過率を算出する基準超過率算出工程と、前記基準超過率が特定最小閾値以上特定最大閾値以下の範囲内に含まれるように前記駆動装置の駆動量及び／又は駆動速度を制御する制御工程と、を備えることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, a rotor having a blade with variable pitch angle is provided, and the rotational speed of the rotor is converged to a target rotational speed set within a predetermined rated rotational speed range in accordance with wind speed fluctuations. In a control method for a horizontal axis wind turbine in which a predetermined drive device is driven to control the pitch of the blade, a reference rotational speed setting step for setting a reference rotational speed different from the target rotational speed in the rated rotational speed range, and a specification A reference excess rate calculating step of measuring an excess time during which the rotational speed of the rotor exceeds the reference rotation speed within a time period and calculating a reference excess rate indicating a ratio of the excess time to the specific time; and the reference excess rate And a control step of controlling the drive amount and / or drive speed of the drive device so that is included in a range between the specified minimum threshold value and the specified maximum threshold value. And wherein the Rukoto.
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の水平軸風車の制御方法において、前記制御工程では、前記基準超過率が前記特定最小閾値未満である場合に、前記駆動装置の駆動量及び／又は駆動速度を低減させる一方、前記基準超過率が前記特定最大閾値を超える場合に、前記駆動装置の駆動量及び／又は駆動速度を増加させることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the control method for a horizontal axis wind turbine according to the third aspect, in the control step, when the reference excess rate is less than the specified minimum threshold, the driving amount of the driving device and While the drive speed is reduced, the drive amount and / or drive speed of the drive device is increased when the reference excess rate exceeds the specific maximum threshold.
請求項５に記載の発明は、ピッチ角可変のブレードを有するロータを備え、所定の定格回転速度域内に設定された目標回転速度に前記ロータの回転速度を収束させるように、風速変動に応じて所定の駆動装置を駆動制御して前記ブレードのピッチ制御を行う水平軸風車の制御方法において、特定時間内において前記目標回転速度に対する前記ロータの回転速度の標準偏差を算出する標準偏差算出工程と、前記標準偏差が特定範囲内に含まれるように前記駆動装置の駆動量及び／又は駆動速度を制御する制御工程と、を備えることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, a rotor having a blade with variable pitch angle is provided, and the rotational speed of the rotor is converged to a target rotational speed set within a predetermined rated rotational speed range in accordance with wind speed fluctuations. In a horizontal axis wind turbine control method for controlling the pitch of the blades by driving and controlling a predetermined drive device, a standard deviation calculating step of calculating a standard deviation of the rotational speed of the rotor with respect to the target rotational speed within a specific time; And a control step of controlling a driving amount and / or a driving speed of the driving device so that the standard deviation is included in a specific range.
請求項１又は３に記載の発明によれば、所定の定格回転速度域内に、目標回転速度と異なる基準回転速度を設定する。また、特定時間内においてロータの回転速度が基準回転速度を超過する時間（超過時間）を計測するとともに、特定時間に対する超過時間の比率（基準超過率）を算出する。そして、基準超過率が特定範囲（特定最小閾値以上特定最大閾値以下の範囲）内に含まれるように、駆動装置の駆動量や駆動速度（駆動量等）を自動的に制御する。 According to the first or third aspect of the invention, the reference rotational speed different from the target rotational speed is set within the predetermined rated rotational speed range. In addition, the time during which the rotational speed of the rotor exceeds the reference rotational speed (excess time) within the specified time is measured, and the ratio of the excess time to the specified time (reference excess ratio) is calculated. Then, the drive amount and drive speed (drive amount, etc.) of the drive device are automatically controlled so that the reference excess rate is included in a specific range (a range between a specific minimum threshold value and a specific maximum threshold value).
すなわち、駆動装置の駆動量等が過大となり制御結果が過度に良好になっている場合には、基準超過率が過小となるため、この基準超過率が特定最小閾値以上になるように駆動装置の駆動量等を制御する。また、駆動装置の駆動量等が不足して制御結果が不良となっている場合には、基準超過率が過大となるため、この基準超過率が特定最大閾値以下になるように駆動装置の駆動量等を制御する。 That is, when the drive amount of the drive device is excessive and the control result is excessively good, the reference excess rate is too low. Control the driving amount. In addition, when the drive amount of the drive device is insufficient and the control result is defective, the reference excess rate is excessive, and the drive device drive is performed so that the reference excess rate is less than the specified maximum threshold. Control the amount etc.
この結果、従来のような作業員による制御パラメータ調整（制御態様の調整）が不要となり、多大な労力や時間を要することなく、適切なピッチ制御を実現させながら駆動装置に作用する負荷を低減させるように自動的に制御態様を調整することができる。 As a result, control parameter adjustment (control mode adjustment) by an operator as in the past becomes unnecessary, and the load acting on the drive device is reduced while realizing appropriate pitch control without requiring a great deal of labor and time. Thus, the control mode can be automatically adjusted.
請求項２又は４に記載の発明によれば、基準超過率が特定最小閾値（特定範囲の最小値）未満である場合、すなわち駆動装置の駆動量等が過大となり制御結果が過度に良好になっている場合に、駆動装置の駆動量等を低減させるように制御する。従って、駆動装置に作用する負荷を低減させることができる。 According to the second or fourth aspect of the invention, when the reference excess rate is less than the specified minimum threshold value (the minimum value of the specified range), that is, the drive amount of the drive device becomes excessive and the control result becomes excessively good. If so, control is performed so as to reduce the drive amount of the drive device. Therefore, the load acting on the drive device can be reduced.
また、請求項２又は４に記載の発明によれば、基準超過率が特定最大閾値（特定範囲の最大値）を超える場合、すなわち駆動装置の駆動量等が不足して制御結果が不良となっている場合に、駆動装置の駆動量等を増加させるように制御する。従って、所望のピッチ制御結果を得ることができる。
According to the invention described in
請求項５に記載の発明によれば、特定時間内において、目標回転速度に対するロータの回転速度の標準偏差（目標回転速度を平均値としたロータの回転速度の標準偏差）を算出し、この標準偏差が特定範囲内に含まれるように駆動装置の駆動量等を自動的に制御する。 According to the fifth aspect of the present invention, the standard deviation of the rotational speed of the rotor with respect to the target rotational speed (standard deviation of the rotational speed of the rotor with the target rotational speed as an average value) is calculated within a specific time, and this standard is calculated. The driving amount of the driving device is automatically controlled so that the deviation is included in the specific range.
すなわち、駆動装置の駆動量等が過大となり制御結果が過度に良好になっている場合には、標準偏差が過小となるため、この標準偏差が特定の最小閾値以上になるように駆動装置の駆動量等を制御する。また、駆動装置の駆動量等が不足して制御結果が不良となっている場合には、標準偏差が過大となるため、この標準偏差が特定の最大閾値以下になるように駆動装置の駆動量等を制御する。 In other words, when the drive amount of the drive device is excessive and the control result is excessively good, the standard deviation is excessively small. Therefore, the drive device is driven so that the standard deviation is not less than a specific minimum threshold value. Control the amount etc. In addition, when the drive amount of the drive device is insufficient and the control result is poor, the standard deviation becomes excessive. Therefore, the drive amount of the drive device is set so that the standard deviation is not more than a specific maximum threshold value. Control etc.
この結果、従来のような作業員による制御パラメータ調整（制御態様の調整）が不要となり、多大な労力や時間を要することなく、適切なピッチ制御を実現させながら駆動装置に作用する負荷を低減させるように自動的に制御態様を調整することができる。 As a result, control parameter adjustment (control mode adjustment) by an operator as in the past becomes unnecessary, and the load acting on the drive device is reduced while realizing appropriate pitch control without requiring a great deal of labor and time. Thus, the control mode can be automatically adjusted.
本発明によれば、ロータの回転速度が基準回転速度を超過する時間（超過時間）を計測するとともに、特定時間に対する超過時間の比率（基準超過率）を算出し、この基準超過率が特定範囲内に含まれるように駆動装置の駆動量等を自動的に制御する。又は、特定時間内において目標回転速度に対するロータの回転速度の標準偏差を算出し、この標準偏差が特定範囲内に含まれるように駆動装置の駆動量等を自動的に制御する。従って、多大な労力や時間を要することなく、適切なピッチ制御を実現させながら駆動装置に作用する負荷を低減させるように自動的に制御態様を調整することができる。 According to the present invention, the time during which the rotational speed of the rotor exceeds the reference rotational speed (excess time) is measured, and the ratio of the excess time to the specific time (reference excess ratio) is calculated. The drive amount of the drive device and the like are automatically controlled so as to be included in the inside. Alternatively, the standard deviation of the rotational speed of the rotor with respect to the target rotational speed is calculated within a specific time, and the drive amount of the drive device is automatically controlled so that the standard deviation is included in the specific range. Therefore, it is possible to automatically adjust the control mode so as to reduce the load acting on the driving device while realizing appropriate pitch control without requiring much labor and time.
以下、本発明の実施の形態を、図を用いて詳細に説明する。なお、本実施の形態に係る水平軸風車１は、図２に示すように、ロータ４の回転速度が６０rpm〜７２rpmの範囲内（定格回転速度域Ｓ）にあるときに定格出力（１００ｋＷ）を得ることができる可変速型風車である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. As shown in FIG. 2, the horizontal
まず、図１及び図２を用いて、本実施の形態に係る水平軸風車１の構成について説明する。
First, the configuration of the horizontal
水平軸風車１は、図１に示すように、所定位置に設置されるタワー２、タワー２の頂部に取り付けられたナセル３、ナセル３に軸支され略水平方向に延在する（図示されていない）主軸、主軸に取り付けられたロータ４、等を備えて構成されている。
As shown in FIG. 1, the horizontal
ナセル３の外部には、ロータ４に吹き付ける風の速度（風速）を計測する風速計が設けられている。また、ナセル３の内部には、ロータ４のブレードのピッチ角を変更するためのピッチ制御用の駆動装置、ロータ４の回転速度を計測する回転速度センサ、水平軸風車１全体を統合制御する制御器、等が設けられている。
An anemometer that measures the speed (wind speed) of the wind blown to the rotor 4 is provided outside the nacelle 3. Further, inside the nacelle 3, a pitch control drive device for changing the pitch angle of the blades of the rotor 4, a rotational speed sensor for measuring the rotational speed of the rotor 4, and control for integrated control of the entire horizontal
制御器には、回転速度センサにより計測されたロータ４の回転速度が入力されるようになっている。そして、制御器は、定格回転速度域Ｓ内において、ロータ４の回転速度の目標値（目標回転速度）と、ロータ４の実際の回転速度と、の偏差を零に近付けるようなピッチ制御（フィードバック制御）を行う。 The rotational speed of the rotor 4 measured by the rotational speed sensor is input to the controller. Then, the controller performs pitch control (feedback) such that the deviation between the target value of the rotational speed of the rotor 4 (target rotational speed) and the actual rotational speed of the rotor 4 approaches zero within the rated rotational speed range S. Control).
なお、風速が低くロータ４の回転速度が定格回転速度域Ｓの下限値（６０rpm）に満たない場合には、制御器はブレードのピッチ角を固定して、ロータ４の回転速度に応じて出力を変動させる（図２参照）。また、風速が高くロータ４の回転速度が定格回転速度域Ｓの上限値（７２rpm）を超える場合には、制御器は過回転防止機構を起動させて、風車を停止させる（図２参照）。 When the wind speed is low and the rotational speed of the rotor 4 is less than the lower limit value (60 rpm) of the rated rotational speed range S, the controller fixes the blade pitch angle and outputs according to the rotational speed of the rotor 4. (See FIG. 2). When the wind speed is high and the rotational speed of the rotor 4 exceeds the upper limit value (72 rpm) of the rated rotational speed range S, the controller activates the over-rotation prevention mechanism and stops the windmill (see FIG. 2).
ロータ４の目標回転速度は、定格回転速度域Ｓ内で任意に設定することができるが、定格回転速度域Ｓの上限値寄りに目標回転速度を設定した場合には、前記した過回転防止機構が起動する確率が高くなってしまう。このため、本実施の形態においては、目標回転速度を、定格回転速度域Ｓの下限値寄り（６３rpm）に設定している（図２参照）。 The target rotational speed of the rotor 4 can be arbitrarily set within the rated rotational speed range S. However, when the target rotational speed is set close to the upper limit value of the rated rotational speed range S, the over-rotation preventing mechanism described above is used. Will be more likely to start. For this reason, in the present embodiment, the target rotational speed is set close to the lower limit value (63 rpm) of the rated rotational speed range S (see FIG. 2).
また、制御器は、定格回転速度域Ｓ（６０rpm〜７２rpm）内に、後述する基準超過率を算出する際の基準となる回転速度（基準回転速度）を設定する。すなわち、制御器は、本発明における基準回転速度設定手段を有している。基準回転速度は、目標回転速度に近い値（目標回転速度より若干高い値又は目標回転速度より若干低い値）に設定するのが好ましい。 Further, the controller sets a rotation speed (reference rotation speed) that serves as a reference when calculating a reference excess rate, which will be described later, within the rated rotation speed range S (60 rpm to 72 rpm). That is, the controller has the reference rotational speed setting means in the present invention. The reference rotation speed is preferably set to a value close to the target rotation speed (a value slightly higher than the target rotation speed or a value slightly lower than the target rotation speed).
また、制御器は、特定時間内において、ロータ４の回転速度が基準回転速度を超過する時間（超過時間）を計測するとともに、特定時間に対する超過時間の比率（基準超過率）τを算出する。すなわち、制御器は、本発明における基準超過率算出手段を有している。例えば、特定時間が「３０sec」であって超過時間が「１５sec」である場合には、基準超過率τは「５０％」と算出される。 In addition, the controller measures the time (excess time) that the rotational speed of the rotor 4 exceeds the reference rotational speed within the specified time, and calculates the ratio of excess time to the specified time (reference excess rate) τ. That is, the controller has a reference excess rate calculation means in the present invention. For example, when the specific time is “30 sec” and the excess time is “15 sec”, the reference excess rate τ is calculated as “50%”.
また、制御器は、基準超過率τが特定範囲（特定最小閾値τ1以上特定最大閾値τ2以下の範囲）内に含まれるように、駆動装置の駆動量及び／又は駆動速度を制御する。すなわち、制御器は、本発明における制御手段を有している。 Further, the controller controls the drive amount and / or the drive speed of the drive device so that the reference excess rate τ is included in a specific range (a range from the specified minimum threshold value τ 1 to the specified maximum threshold value τ 2 ). That is, the controller has the control means in the present invention.
具体的には、制御器は、駆動装置の駆動量等を低減させる制御態様（入力重視制御）から、適切なピッチ制御結果（基準超過率τが特定範囲内にあるような制御結果）を得るために駆動装置の駆動量等を増加させる制御態様（出力重視制御）まで、制御態様を段階的に切り替えるための「ピッチ制御パラメータ」を複数記憶している。そして、これら複数の「ピッチ制御パラメータ」の中から適切なものを選択して設定する（パラメータ調整を行う）ことにより、所望の制御態様を実現させることができるようになっている。 Specifically, the controller obtains an appropriate pitch control result (a control result such that the reference excess rate τ is within a specific range) from a control mode (input-oriented control) that reduces the drive amount or the like of the drive device. Therefore, a plurality of “pitch control parameters” for switching the control mode step by step are stored until the control mode (output-oriented control) for increasing the drive amount of the drive device. A desired control mode can be realized by selecting and setting (adjusting parameters) an appropriate one of the plurality of “pitch control parameters”.
そして、制御器は、基準超過率τが特定最小閾値τ1未満の場合（τ＜τ1）に、駆動装置の駆動量等が過大となり制御結果が過度に良好になっていると判断して、「入力重視制御」を実現させるためのパラメータ調整を行って駆動装置の駆動量等を低減させる。一方、制御器は、基準超過率τが特定最大閾値τ2を超える場合（τ2＜τ）に、駆動装置の駆動量等が不足して制御結果が不良となっていると判断して、「出力重視制御」を実現させるためのパラメータ調整を行って駆動装置の駆動量等を増加させる。 Then, when the reference excess rate τ is less than the specific minimum threshold τ 1 (τ <τ 1 ), the controller determines that the drive amount of the drive device is excessive and the control result is excessively good. Then, parameter adjustment for realizing “input-oriented control” is performed to reduce the drive amount of the drive device. On the other hand, when the reference excess rate τ exceeds the specific maximum threshold value τ 2 (τ 2 <τ), the controller determines that the drive amount of the drive device is insufficient and the control result is poor, Parameter adjustment for realizing “output priority control” is performed to increase the driving amount of the driving device.
例えば、「ＰＩＤ制御」を用いて回転速度偏差を零に近付ける場合には、比例ゲインＫｐと積分ゲインＫｉと微分ゲインＫｄとからなるパラメータ群を複数準備し、これら複数のパラメータ群で構成されたテーブル（表１参照）を制御器に記憶させておく。表１において「Level１」は最も入力重視仕様のパラメータ群（Ｋｐ１、Ｋｉ１、Ｋｄ１）であり、「Level５」は最も出力重視仕様のパラメータ群（Ｋｐ５、Ｋｉ５、Ｋｄ５）である。
For example, when the rotational speed deviation is made close to zero using “PID control”, a plurality of parameter groups each including a proportional gain Kp, an integral gain Ki, and a differential gain Kd are prepared, and the plurality of parameter groups are configured. A table (see Table 1) is stored in the controller. In Table 1, “
そして、「level３」のパラメータ群を採用して運転している状態で「駆動量過大（τ＜τ1）」と判断された場合には、制御器は、入力重視側である「level２」のパラメータ群に移行して運転し、この状態で適切なピッチ制御結果が得られた場合には、そのまま運転を続行する。また、「level２」のパラメータ群に移行してもなお「駆動量過大（τ＜τ1）」と判断された場合には、制御器は、「level１」のパラメータ群に移行して運転する。一方、「level３」のパラメータ群を採用して運転している状態で「駆動量過小（τ2＜τ）」と判断された場合には、出力重視側であるパラメータ群に段階的に移行するようにする。
When it is determined that “the driving amount is excessive (τ <τ 1 )” while the operation is performed using the parameter group of “level 3”, the controller sets “
次に、図３のフローチャートを用いて、本実施の形態に係る水平軸風車１のロータ４の回転速度制御動作について説明する。
Next, the rotational speed control operation of the rotor 4 of the horizontal
まず、水平軸風車１の制御器は、運転の初期段階において、予め設定されたピッチ制御パラメータ（初期パラメータ）に従って駆動装置を駆動制御することにより、ロータ４の実際の回転速度を目標回転速度（６３rpm）に収束させるように風速変動に応じてブレードのピッチ角を制御する（初期ピッチ制御工程：Ｓ１）。
First, in the initial stage of operation, the controller of the horizontal
また、制御器は、目標回転速度に近い基準回転速度を定格回転速度域Ｓ（６０rpm〜７２rpm）内に設定する（基準回転速度設定工程：Ｓ２）。本実施の形態においては、基準回転速度を、目標回転速度（６３rpm）より３rpm高い「６６rpm」としている（図２参照）。 Further, the controller sets a reference rotation speed close to the target rotation speed within a rated rotation speed region S (60 rpm to 72 rpm) (reference rotation speed setting step: S2). In the present embodiment, the reference rotation speed is set to “66 rpm”, which is 3 rpm higher than the target rotation speed (63 rpm) (see FIG. 2).
次いで、制御器は、特定時間（例えば３０sec）内において、ロータ４の回転速度が定格回転速度域Ｓにある時間（定格出力時間）を計測し、特定時間に対する定格出力時間の比率（定格出力率τ0）を算出する（定格出力率算出工程：Ｓ３）。そして、制御器は、定格出力率τ0が所定の閾値τref（例えば５０％）以上であるか否かを判定する（定格運転判定工程：Ｓ４）。 Next, the controller measures the time (rated output time) in which the rotational speed of the rotor 4 is within the rated rotational speed range S within a specified time (for example, 30 seconds), and the ratio of the rated output time to the specified time (rated output rate). (τ 0 ) is calculated (rated output rate calculating step: S3). Then, the controller determines whether or not the rated output rate τ 0 is greater than or equal to a predetermined threshold τ ref (for example, 50%) (rated operation determination step: S4).
定格運転判定工程Ｓ４において定格出力率τ0が所定の閾値τref未満であると判定された場合には、制御器は、定格出力率算出工程Ｓ３に戻って制御を続行する。 When it is determined that the rated output rate τ 0 is less than the predetermined threshold τ ref in the rated operation determining step S4, the controller returns to the rated output rate calculating step S3 and continues the control.
一方、定格運転判定工程Ｓ４において、定格出力率τ0が所定の閾値τref以上であると判定された場合には、制御器は、特定時間（例えば３０sec）内においてロータ４の回転速度が基準回転速度（６６rpm）を超過する時間（超過時間）を計測するとともに、特定時間に対する超過時間の比率（基準超過率τ）を算出する（基準超過率算出工程：Ｓ５）。そして、制御器は、算出された基準超過率τが特定最小閾値τ1（例えば１０％）以上であるか否かを判定する（下限判定工程：Ｓ６）。 On the other hand, in the rated operation determination step S4, when it is determined that the rated output rate τ 0 is equal to or greater than the predetermined threshold τ ref , the controller uses the rotational speed of the rotor 4 as a reference within a specific time (for example, 30 seconds). The time exceeding the rotation speed (66 rpm) (excess time) is measured, and the ratio of the excess time to the specific time (reference excess rate τ) is calculated (reference excess rate calculation step: S5). Then, the controller determines whether or not the calculated reference excess rate τ is equal to or greater than a specified minimum threshold value τ 1 (for example, 10%) (lower limit determination step: S6).
下限判定工程Ｓ６において、基準超過率τが特定最小閾値τ1未満であると判定された場合には、制御器は、「入力重視制御」を実現させるためのパラメータ調整を行った後（入力重視調整工程：Ｓ６ａ）、定格出力率算出工程Ｓ３に戻って制御を続行する。 In the lower limit determination step S6, when it is determined that the reference excess rate τ is less than the specific minimum threshold τ 1 , the controller performs parameter adjustment to realize “input emphasis control” (input emphasis). Adjustment step: S6a), returning to the rated output rate calculation step S3 and continuing the control.
一方、下限判定工程Ｓ６において、基準超過率τが特定最小閾値τ1以上であると判定された場合には、制御器は、算出された基準超過率τが特定最大閾値τ2（例えば３０％）以下であるか否かを判定する（上限判定工程：Ｓ７）。 On the other hand, the lower limit in the determination step S6, when the reference over rate tau is determined to be a specific minimum threshold value tau 1 or more, the controller identified calculated reference over rate tau maximum threshold tau 2 (e.g. 30% ) It is determined whether or not (upper limit determination step: S7).
上限判定工程Ｓ７において、基準超過率τが特定最大閾値τ2を超えると判定された場合には、制御器は、「出力重視制御」を実現させるためのパラメータ調整を行った後（出力重視調整工程：Ｓ７ａ）、定格出力率算出工程Ｓ３に戻って制御を続行する。 In the upper limit determination step S7, when it is determined that the reference excess rate τ exceeds the specific maximum threshold τ 2 , the controller performs parameter adjustment for realizing “output priority control” (output priority adjustment). Step: S7a), returning to the rated output rate calculating step S3 and continuing the control.
一方、上限判定工程Ｓ６において、基準超過率τが特定最小閾値τ2以下であると判定された場合には、制御器は、パラメータ調整を行わずに最適ピッチ制御工程Ｓ８に移行して所定のピッチ制御を行う。 On the other hand, when it is determined in the upper limit determination step S6 that the reference excess rate τ is equal to or less than the specific minimum threshold τ 2 , the controller shifts to the optimal pitch control step S8 without performing parameter adjustment and performs a predetermined process. Perform pitch control.
最適ピッチ制御工程Ｓ８においては、制御器は、入力重視調整工程Ｓ６ａで選択・設定された「入力重視制御」用のピッチ制御パラメータ、出力重視調整工程Ｓ７ａで選択・設定された「出力重視制御」用のピッチ制御パラメータ、又は、予め設定された初期パラメータに従ってピッチ制御を行う。その後、制御動作を終了する。 In the optimal pitch control step S8, the controller selects the pitch control parameter for “input emphasis control” selected and set in the input emphasis adjustment step S6a, and “output emphasis control” selected and set in the output emphasis adjustment step S7a. Pitch control is performed according to the pitch control parameter for use or the preset initial parameter. Thereafter, the control operation is terminated.
最適ピッチ制御工程Ｓ８にいたるまでには、下限判定工程Ｓ６、入力重視調整工程Ｓ６ａ、上限判定工程Ｓ７及び出力重視調整工程Ｓ７ａによってパラメータ調整がなされているため、基準超過率τが特定範囲（特定最小閾値τ1以上特定最小閾値τ2以下の範囲）に含まれるようになっている。なお、これら工程群における下限判定工程Ｓ６、入力重視調整工程Ｓ６ａ、上限判定工程Ｓ７及び出力重視調整工程Ｓ７ａは、本発明における制御工程を構成する。 By the time the optimum pitch control step S8 is reached, the parameter adjustment is performed by the lower limit determination step S6, the input emphasis adjustment step S6a, the upper limit determination step S7, and the output emphasis adjustment step S7a. (A range between the minimum threshold value τ 1 and the specific minimum threshold value τ 2 ). Note that the lower limit determination step S6, the input emphasis adjustment step S6a, the upper limit determination step S7, and the output emphasis adjustment step S7a in these process groups constitute a control step in the present invention.
以上説明した実施の形態に係る水平軸風車１においては、制御器により、所定の定格回転速度域Ｓ内に基準回転速度を設定する。また、制御器により、特定時間内においてロータ４の回転速度が基準回転速度を超過する時間（超過時間）を計測するとともに、特定時間に対する超過時間の比率（基準超過率τ）を算出する。
In the horizontal
そして、制御器は、基準超過率τが特定最小閾値τ1未満である場合、すなわち駆動装置の駆動量等が過大となり制御結果が過度に良好になっている場合に、「入力重視制御」を実現させるためのパラメータ調整を行って、駆動装置の駆動量等を低減させるように制御する。 Then, when the reference excess rate τ is less than the specified minimum threshold value τ 1 , that is, when the drive amount of the driving device is excessive and the control result is excessively good, the controller performs “input-oriented control”. Control is performed so as to reduce the driving amount of the driving device by performing parameter adjustment for realizing.
また、制御器は、基準超過率τが特定最大閾値τ2を超える場合、すなわち駆動装置の駆動量等が不足して制御結果が不良となっている場合に、「出力重視制御」を実現させるためのパラメータ調整を行って、駆動装置の駆動量等を増加させるように制御する。 In addition, the controller realizes “output-oriented control” when the reference excess rate τ exceeds the specific maximum threshold value τ 2 , that is, when the control result is poor due to insufficient driving amount of the driving device. Therefore, the control is performed so as to increase the driving amount of the driving device.
この結果、従来のような作業員による制御パラメータ調整が不要となり、多大な労力や時間を要することなく、適切なピッチ制御を実現させながら駆動装置に作用する負荷を低減させるように自動的にピッチ制御パラメータの調整を行うことができる。 As a result, conventional control parameter adjustments by workers are not required, and the pitch is automatically adjusted so as to reduce the load acting on the driving device while realizing appropriate pitch control without requiring much labor and time. Adjustment of control parameters can be performed.
なお、以上の実施の形態においては、ロータ４の定格回転速度域Ｓを「６０rpm〜７２rpm」と設定し、ロータ４の目標回転速度を「６３rpm」と設定した例を示したが、これら定格回転速度域Ｓや目標回転速度の値は、水平軸風車１の性能に応じて適宜変更することができる。
In the above embodiment, the example in which the rated rotational speed region S of the rotor 4 is set to “60 rpm to 72 rpm” and the target rotational speed of the rotor 4 is set to “63 rpm” has been described. The values of the speed region S and the target rotational speed can be changed as appropriate according to the performance of the horizontal
また、以上の実施の形態においては、特定時間内においてロータ４の回転速度が基準回転速度を超過する時間（超過時間）を計測するとともに、特定時間に対する超過時間の比率（基準超過率）τを算出し、この基準超過率τが特定範囲に含まれるように駆動装置の駆動量等を制御した例を示したが、特定時間内（例えば１０分間）において目標回転速度に対するロータ４の回転速度の標準偏差を算出し、この標準偏差の大小に対して駆動装置の駆動量等を制御するようにしても同様の効果を得ることができる。具体的には、特定時間内において一定時間毎にロータ４の回転速度を計測し、目標回転速度を平均値としてこれら計測値の標準偏差を求め、この標準偏差が予め設定された特定範囲に含まれるように、駆動量等を制御するようにする。 In the embodiment described above, the time (excess time) that the rotational speed of the rotor 4 exceeds the reference rotational speed within the specific time is measured, and the ratio (standard excess rate) τ of the excess time to the specific time is calculated. In the above example, the driving amount of the driving device is controlled so that the reference excess rate τ is included in the specific range. However, the rotation speed of the rotor 4 with respect to the target rotation speed within a specific time (for example, 10 minutes) is shown. The same effect can be obtained by calculating the standard deviation and controlling the driving amount of the driving device with respect to the magnitude of the standard deviation. Specifically, the rotational speed of the rotor 4 is measured at regular intervals within a specific time, and the standard deviation of these measured values is obtained with the target rotational speed as an average value, and this standard deviation is included in a preset specific range. As a result, the drive amount is controlled.
また、以上の実施の形態においては、「入力重視制御」から「出力重視制御」まで制御態様を段階的に切り替えるための「ピッチ制御パラメータ」を予め制御器に複数記憶させ、これらの中から適切なものを選択してパラメータ調整を行った例を示したが、「ピッチ制御パラメータ」を連続的な関数で表し、制御態様を連続的に変化させることもできる。 In the above embodiment, a plurality of “pitch control parameters” for switching the control mode in stages from “input-oriented control” to “output-oriented control” are stored in the controller in advance, and an appropriate one of them is selected. Although an example is shown in which parameter adjustment is performed by selecting an object, the “pitch control parameter” can be expressed as a continuous function, and the control mode can be continuously changed.
例えば、比例ゲインＫｐと積分ゲインＫｉと微分ゲインＫｄとからなるピッチ制御パラメータ群を以下の数式のように定め、「ｘ＝ｘｉ」で運転中に「駆動量過大」と判断された場合には、「ｘ」を入力重視側のパラメータ群「ｘｉ−△ｘ」に変更する一方、「ｘ＝
ｘｉ」で運転中に「駆動量過小」と判断された場合には、「ｘ」を出力重視側のパラメータ群「ｘｉ＋△ｘ」に変更する、というように、適切なピッチ制御結果が得られるまでピ
ッチ制御パラメータを変更する。
For example, when a pitch control parameter group composed of a proportional gain Kp, an integral gain Ki, and a differential gain Kd is defined as in the following formula, and “x = xi” is determined as “driving amount excessive” during operation. , “X” is changed to an input-oriented parameter group “xi−Δx”, while “x =
When it is determined that the “driving amount is too small” during the operation at “xi”, an appropriate pitch control result is obtained such as changing “x” to the parameter group “xi + Δx” on the output-oriented side. Change the pitch control parameter until.
１ 水平軸風車
４ ロータ
Ｓ２ 基準回転速度設定工程
Ｓ５ 基準超過率算出工程
Ｓ６ 下限判定工程（制御工程）
Ｓ６ａ 入力重視調整工程（制御工程）
Ｓ７ 上限判定工程（制御工程）
Ｓ７ａ 出力重視調整工程（制御工程）
Ｓ 定格回転速度域
DESCRIPTION OF
S6a Input-oriented adjustment process (control process)
S7 Upper limit determination process (control process)
S7a Output-oriented adjustment process (control process)
S Rated speed range
Claims (5)
前記定格回転速度域内に前記目標回転速度と異なる基準回転速度を設定する基準回転速度設定手段と、
特定時間内において前記ロータの回転速度が前記基準回転速度を超過する超過時間を計測するとともに前記特定時間に対する前記超過時間の比率を示す基準超過率を算出する基準超過率算出手段と、
前記基準超過率が特定最小閾値以上特定最大閾値以下の範囲内に含まれるように前記駆動装置の駆動量及び／又は駆動速度を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする水平軸風車。 A rotor having a blade with variable pitch angle is provided, and a predetermined driving device is driven and controlled in accordance with wind speed fluctuations so that the rotational speed of the rotor is converged to a target rotational speed set within a predetermined rated rotational speed range. In a horizontal axis wind turbine that performs pitch control of the blade,
A reference rotation speed setting means for setting a reference rotation speed different from the target rotation speed in the rated rotation speed range;
A reference excess rate calculating means for measuring an excess time during which the rotation speed of the rotor exceeds the reference rotation speed within a specified time and calculating a reference excess rate indicating a ratio of the excess time to the specified time;
Control means for controlling the drive amount and / or the drive speed of the drive device so that the reference excess rate is included in a range from a specified minimum threshold value to a specified maximum threshold value;
A horizontal axis wind turbine comprising:
前記基準超過率が前記特定最小閾値未満である場合に、前記駆動装置の駆動量及び／又は駆動速度を低減させる一方、前記基準超過率が前記特定最大閾値を超える場合に、前記駆動装置の駆動量及び／又は駆動速度を増加させることを特徴とする請求項１に記載の水平軸風車。 The control means includes
When the reference excess rate is less than the specified minimum threshold, the drive amount and / or driving speed of the drive device is reduced, while when the reference excess rate exceeds the specified maximum threshold, the drive of the drive device is reduced. The horizontal axis wind turbine according to claim 1, wherein the amount and / or the driving speed is increased.
前記定格回転速度域内に前記目標回転速度と異なる基準回転速度を設定する基準回転速度設定工程と、
特定時間内において前記ロータの回転速度が前記基準回転速度を超過する超過時間を計測するとともに前記特定時間に対する前記超過時間の比率を示す基準超過率を算出する基準超過率算出工程と、
前記基準超過率が特定最小閾値以上特定最大閾値以下の範囲内に含まれるように前記駆動装置の駆動量及び／又は駆動速度を制御する制御工程と、
を備えることを特徴とする水平軸風車の制御方法。 A rotor having a blade with variable pitch angle is provided, and a predetermined driving device is driven and controlled in accordance with wind speed fluctuations so that the rotational speed of the rotor is converged to a target rotational speed set within a predetermined rated rotational speed range. In a control method of a horizontal axis wind turbine that performs pitch control of the blades,
A reference rotational speed setting step for setting a reference rotational speed different from the target rotational speed within the rated rotational speed range;
A reference excess rate calculating step of measuring an excess time during which the rotational speed of the rotor exceeds the reference rotation speed within a specific time and calculating a reference excess rate indicating a ratio of the excess time to the specific time;
A control step of controlling the driving amount and / or the driving speed of the driving device so that the reference excess rate is included in a range of a specified minimum threshold value or more and a specified maximum threshold value or less;
A method for controlling a horizontal axis wind turbine, comprising:
前記基準超過率が前記特定最小閾値未満である場合に、前記駆動装置の駆動量及び／又は駆動速度を低減させる一方、前記基準超過率が前記特定最大閾値を超える場合に、前記駆動装置の駆動量及び／又は駆動速度を増加させることを特徴とする請求項３に記載の水平軸風車の制御方法。 In the control step,
When the reference excess rate is less than the specified minimum threshold, the drive amount and / or driving speed of the drive device is reduced, while when the reference excess rate exceeds the specified maximum threshold, the drive of the drive device is reduced. 4. The method of controlling a horizontal axis wind turbine according to claim 3, wherein the amount and / or the driving speed are increased.
特定時間内において前記目標回転速度に対する前記ロータの回転速度の標準偏差を算出する標準偏差算出工程と、
前記標準偏差が特定範囲内に含まれるように前記駆動装置の駆動量及び／又は駆動速度を制御する制御工程と、
を備えることを特徴とする水平軸風車の制御方法。 A rotor having a blade with variable pitch angle is provided, and a predetermined driving device is driven and controlled in accordance with wind speed fluctuations so that the rotational speed of the rotor is converged to a target rotational speed set within a predetermined rated rotational speed range. In a control method of a horizontal axis wind turbine that performs pitch control of the blades,
A standard deviation calculating step of calculating a standard deviation of the rotational speed of the rotor with respect to the target rotational speed within a specific time;
A control step of controlling the drive amount and / or drive speed of the drive device so that the standard deviation is included in a specific range;
A method for controlling a horizontal axis wind turbine, comprising:
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