JP4394422B2

JP4394422B2 - 水平軸風車及びその制御方法

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Publication number: JP4394422B2
Application number: JP2003387923A
Authority: JP
Inventors: 茂雄吉田
Original assignee: Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2003-11-18
Filing date: 2003-11-18
Publication date: 2010-01-06
Anticipated expiration: 2023-11-18
Also published as: JP2005147047A

Description

本発明は、水平軸風車及びその制御方法に関する。

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。
特開平１０−３３９２５９号公報（第３頁、第１図）

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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）。

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τ_ref（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）。

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τ_ref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。

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τ_ref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）。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本発明の実施の形態に係る水平軸風車の概念図である。本発明の実施の形態に係る水平軸風車の回転速度と出力との関係を示すグラフである。本発明の実施の形態に係る水平軸風車のロータの回転速度制御動作を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

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

Claims

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水平軸風車。
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請求項１に記載の水平軸風車。
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水平軸風車の制御方法。
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請求項３に記載の水平軸風車の制御方法。
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水平軸風車の制御方法。