JP4494813B2 - 水平軸風車及びその制御方法 - Google Patents

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角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。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、所定の定格回転速度域内に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駆動制御することによりロータのピッチ角を制御している（例えば、非特許文献１参照。）。
Heier、"Wind Energy Conversion Systems"、米国、John Wiley&Sons Ltd、１９９８、p.３６２

ところで、従来の可変速ピッチ制御風車においては、ロータの回転速度が定格回転速度域に達しない場合においては、ロータのピッチ角を一定の値（通常、発電効率が高い角度）に設定している。しかし、定格回転速度域に達しない速度領域においてロータのピッチ角を一定の値に設定して回転速度を上昇させた場合には、以下のような「ロータ回転の不安定化」を招くことがあった。

すなわち、定格回転速度域に達しない速度領域においてロータのピッチ角を一定の値に設定して回転速度を上昇させると、（１）ロータの回転速度が上昇するに従ってロータ効率が増加するため、ロータの回転速度が上がり過ぎることがある。また、（２）ロータの回転速度が上昇して目標回転速度に達したためにフェザー側にピッチ角を変更すると、ロータ効率が増加して回転速度が一時的に上昇することがある。さらに、（３）ロータの回転速度が上昇する途中で風速が急増した場合には、ロータ効率が急減して、ロータの回転速度が急激に減少することがあり、速やかに定格回転速度領域に達しない場合がある。

本発明の課題は、所定の目標回転速度に達しない速度領域においてロータのピッチ制御を先行させることにより、ロータ回転の不安定化を抑制し、速やかに定格運転状態とすることができる水平軸風車及びその制御方法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、前記ロータの回転速度を検出する回転速度センサと、前記回転速度センサで検出された前記ロータの回転速度が、前記目標回転速度を上限値とした有限回転速度域内に含まれる場合に、検出された回転速度よりも高い先行目標回転速度を前記有限回転速度域内であって前記目標回転速度に達しない速度領域に設定する先行目標値設定手段と、前記先行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前記駆動装置を駆動制御する先行制御手段と、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、前記先行目標値設定手段は、前記先行目標回転速度をＮ_pre、前記回転速度検出手段で検出された前記ロータの回転速度をＮ、前記目標回転速度をＮ_max、特定の重み係数をα（０＜α＜１）とした場合に、「Ｎ_pre＝Ｎα＋Ｎ_max（１−α）」なる数式に基づいて前記先行目標回転速度を設定す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、前記ロータの回転速度を検出する回転速度検出工程と、前記回転速度検出工程で検出された前記ロータの回転速度が、前記目標回転速度を上限値とした有限回転速度域内に含まれる場合に、検出された回転速度よりも高い先行目標回転速度を前記有限回転速度域内であって前記目標回転速度に達しない速度領域に設定する先行目標値設定工程と、前記先行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前記駆動装置を駆動制御する先行制御工程と、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、前記先行目標値設定工程では、前記先行目標回転速度をＮ_pre、前記回転速度検出工程で検出された前記ロータの回転速度をＮ、前記目標回転速度をＮ_max、特定の重み係数をα（０＜α＜１）とした場合に、「Ｎ_pre＝Ｎα＋Ｎ_max（１−α）」なる数式に基づいて前記先行目標回転速度を設定することを特徴とする。

請求項１又は請求項３に記載の発明によれば、回転速度センサで検出されたロータの回転速度が、所定の目標回転速度を上限値とした有限回転速度域内に含まれる場合に、検出された回転速度よりも高い「先行目標回転速度」を有限回転速度域内であって前記目標回転速度に達しない速度領域に設定する。そして、この「先行目標回転速度」にロータの回転速度を収束させるように駆動装置を駆動制御する。すなわち、目標回転速度に達しない速度領域に設定された「先行目標回転速度」にロータの回転速度を収束させるように、ロータのピッチ角を「先行して」制御する。従って、定格回転速度域に達しない速度領域において一定ピッチ角で運転した場合に発生し易い「ロータ回転の不安定化」を抑制して、速やかに定格運転状態とすることができる。

請求項２又は請求項４に記載の発明によれば、検出されたロータの回転速度及び目標回転速度に基づき、特定の数式を用いて、容易に「先行目標回転速度」を設定することができる。また、風車の性能、設置場所、使用時期等に応じて、前記数式に含まれる重み係数の値を変更することにより、「先行目標回転速度」の設定態様を自在に変更することができる。従って、種々の環境下において適切なピッチ制御を実現させることができる。

本発明によれば、所定の目標回転速度に達しない速度領域に「先行目標回転速度」を設定し、この「先行目標回転速度」にロータの回転速度を収束させるようにロータのピッチ角を先行して制御するので、ロータ回転の不安定化を抑制し、速やかに定格運転状態とすることができる。

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５８rpm〜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、ブレードのピッチ角を検出するピッチ角センサ、ロータ４の回転速度を検出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。なお、これら駆動装置、ピッチ角センサ、回転速度センサ及び制御器については、図示を省略している。

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。

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、図２に示すように、目標回転速度を定格回転速度域Ｓの下限値寄り（６０rpm）に設定している。

また、制御器は、回転速度センサで検出されたロータ４の回転速度が、前記した目標回転速度（６０rpm）を上限値Ｎ_maxとした有限回転速度域Ａ（図２参照）内に含まれる場合に、検出された回転速度よりも高い「先行目標回転速度」Ｎ_preを有限回転速度域Ａ内に設定する。すなわち、制御器は、本発明における先行目標値設定手段である。なお、有限回転速度域Ａの下限値Ｎ_minは、水平軸風車１の機種等に応じて適宜設定することができる。本実施の形態においては、図２に示すように、有限回転速度域Ａの下限値Ｎ_minを「５０rpm」に設定している。

また、制御器は、前記したように設定された「先行目標回転速度」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先行的なピッチ制御（フィードバック制御）を行う。すなわち、制御器は、本発明における先行制御手段としても機能する。

本実施の形態においては、以下のような数式で「先行目標回転速度」を設定している。
Ｎ_pre＝Ｎα＋Ｎ_max（１−α）
Ｎ_pre：先行目標回転速度
Ｎ：回転速度センサで検出されたロータ４の回転速度
Ｎ_max：有限回転速度域Ａの上限値（目標回転速度）
α：特定の重み係数（０＜α＜１）

例えば、重み係数αを「０．１」に設定すると、ロータ４の回転速度Ｎが「５２rpm」の場合における先行目標回転速度Ｎ_preは、
Ｎ_pre＝５２×０．１＋６０×（１−０．１）＝５９．２
と算出される。一方、重み係数αを「０．９」に設定すると、ロータ４の回転速度Ｎが「５２rpm」の場合における先行目標回転速度Ｎ_preは、
Ｎ_pre＝５２×０．９＋６０×（１−０．９）＝５２．８
と算出されることとなる。

すなわち、重み係数αを「０」に近い値に設定すると、先行目標回転速度Ｎ_preは、有限回転速度域Ａの上限値である従来の目標回転速度Ｎ_max（６０rpm）に近い値に設定される。一方、重み係数αを「１」に近い値に設定すると、先行目標回転速度Ｎ_preは、有限回転速度域Ａの下限値Ｎ_min（５０rpm）に近い値に設定されることとなる。また、前記数式によって設定された先行目標回転速度Ｎ_preは、検出された回転速度Ｎよりも大きい値となる。

また、制御器は、ロータ４の回転速度が有限回転速度域Ａの下限値Ｎ_min（５０rpm）に達しない場合や、ピッチ角センサで検出されたピッチ角θが所定の最大閾値θ_max（一定値）を超える場合に、ブレードのピッチ角θをフラット側の最大閾値θ_maxに設定して、ロータ４の回転速度に応じて出力を変動させる。最大閾値θ_maxとしては、通常、（ロータ４の回転速度が定格回転速度域Ｓに達しない場合の）発電効率が最大となる値を選択するようにする。

また、制御器は、前記した先行的なピッチ制御を経て、ロータ４の回転速度が有限回転速度域Ａの上限値Ｎ_max（６０rpm）を超えた場合には、通常のピッチ制御（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）に移行する。そして、ロータ４の回転速度が定格回転速度域Ｓの上限値（７２rpm）を超えた場合には、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。なお、回転速度の変化率に対しても制御を行う場合には、時間的に早くピッチ制御が開始される。

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。

また、水平軸風車１の制御器は、運転開始と同時に、回転速度センサを介してロータ４の回転速度を検出するとともに、ピッチ角センサを介してロータ４のブレードのピッチ角を検出する（運転情報検出工程：Ｓ１）。運転情報検出工程Ｓ１は、本発明における回転速度検出工程である。そして、制御器は、運転情報検出工程Ｓ１で検出されたピッチ角θが所定の最大閾値θ_max以下であるか否かを判定する（ピッチ角判定工程：Ｓ２）。

ピッチ角判定工程Ｓ２でピッチ角θが所定の最大閾値θ_max以下であると判定された場合には、制御器は、運転情報検出工程Ｓ１で検出されたロータ４の回転速度Ｎが有限回転速度域Ａの下限値Ｎ_min以上であるか否かを判定する（回転速度下限判定工程：Ｓ３）。そして、この回転速度下限判定工程Ｓ３でロータ４の回転速度Ｎが有限回転速度域Ａの下限値Ｎ_min以上であると判定された場合には、制御器は、ロータ４の回転速度Ｎが有限回転速度域Ａの上限値Ｎ_max以下であるか否かを判定する（回転速度上限判定工程：Ｓ４）

回転速度上限判定工程Ｓ４でロータ４の回転速度Ｎが有限回転速度域Ａの上限値Ｎ_max以下であると判定された場合には、前記した数式を用いて、有限回転速度域Ａ内に先行目標回転速度Ｎ_preを設定する（先行目標値設定工程：Ｓ５）。本実施の形態においては、重み係数αを「０．７」に設定しており、例えばロータ４の回転速度Ｎが「５２rpm」の場合には、先行目標回転速度Ｎ_preが
Ｎ_pre＝５２×０．７＋６０×（１−０．７）＝５４．４
と算出されることとなる（図２参照）。

先行目標値設定工程Ｓ５を経た後、制御器は、ロータ４の回転速度Ｎをこの先行目標回転速度Ｎ_pre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（先行制御工程：Ｓ６）。

一方、ピッチ角判定工程Ｓ２でピッチ角θが所定の最大閾値θ_maxを超えると判定された場合、又は、回転速度下限判定工程Ｓ３でロータ４の回転速度Ｎが有限回転速度域Ａの下限値Ｎ_min未満であると判定された場合には、制御器は、ロータ４のブレードのピッチ角θを最大閾値θ_maxに固定する（ピッチ角固定工程：Ｓ７）。

また、回転速度上限判定工程Ｓ４でロータ４の回転速度Ｎが有限回転速度域Ａの上限値Ｎ_maxを超えると判定された場合には、制御器は、通常のピッチ制御を行う。すなわち、ロータ４の回転速度Ｎを通常の目標回転速度Ｎ_max（６０rpm）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（通常制御工程：Ｓ８）。

制御器は、これら先行制御工程Ｓ６、ピッチ角固定工程Ｓ７及び通常制御工程Ｓ８の何れかの工程を経てピッチ制御を終えた後、再び運転情報検出工程Ｓ１に戻って制御を続行する。

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、回転速度センサで検出されたロータ４の回転速度Ｎが、所定の目標回転速度（６０rpm）を上限値Ｎ_maxとした有限回転速度域Ａ内に含まれる場合に、検出された回転速度Ｎよりも高い「先行目標回転速度」Ｎ_preを有限回転速度域Ａ内に設定する。そして、「先行目標回転速度」Ｎ_preにロータ４の回転速度Ｎを収束させるように制御器が駆動装置を駆動制御する。

すなわち、目標回転速度Ｎ_maxに達しない速度領域に設定された「先行目標回転速度」Ｎ_preにロータ４の回転速度Ｎを収束させるように、ロータ４のピッチ角θを「先行して」制御する。従って、定格回転速度域Ｓに達しない速度領域において一定ピッチ角で運転した場合に発生し易い「ロータ回転の不安定化」を抑制して、速やかに定格運転状態とすることができる。

また、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、検出されたロータ４の回転速度Ｎ及び目標回転速度Ｎ_maxに基づき、特定の数式「Ｎ_pre＝Ｎα＋Ｎ_max（１−α）」を用いて、容易に「先行目標回転速度」Ｎ_preを設定することができる。また、水平軸風車１の性能、設置場所、使用時期等に応じて、前記数式に含まれる重み係数α（０＜α＜１）の値を変更することにより、「先行目標回転速度」Ｎ_preの設定態様を自在に変更することができる。従って、種々の環境下において適切なピッチ制御を実現させることができる。

なお、以上説明した実施の形態においては、有限回転速度域Ａの上限値（目標回転速度）Ｎ_maxを「６０rpm」に設定し、有限回転速度域Ａの下限値Ｎ_minを「５０rpm」に設定した例を示したが、これら上限値Ｎ_max及び下限値Ｎ_minは適宜変更することができる。

また、以上説明した実施の形態においては、検出されたロータ４の回転速度Ｎと、目標回転速度Ｎ_maxと、重み係数α（０＜α＜１）と、特定の数式と、を用いて「先行目標回転速度」Ｎ_preを算出した例を示したが、「先行目標回転速度」Ｎ_preの算出方法はこれに限定されるものではない。すなわち、検出されたロータ４の回転速度Ｎが有限回転速度域Ａ内に含まれる場合に、検出された回転速度Ｎよりも高い先行目標回転速度Ｎ_preを有限回転速度域Ａ内に設定することができるものであれば、いかなる方法を採用してもよい。

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
Ａ 有限回転速度域
Ｎ_pre 先行目標回転速度
Ｎ_max 目標回転速度（有限回転速度域の上限値）
Ｎ_min 有限回転速度域の下限値
Ｓ 定格回転速度域
Ｓ１ 運転情報検出工程（回転速度検出工程）
Ｓ５ 先行目標値設定工程
Ｓ６ 先行制御工程

Claims (4)

1. 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、
   前記ロータの回転速度を検出する回転速度センサと、
   前記回転速度センサで検出された前記ロータの回転速度が、前記目標回転速度を上限値とした有限回転速度域内に含まれる場合に、検出された回転速度よりも高い先行目標回転速度を前記有限回転速度域内であって前記目標回転速度に達しない速度領域に設定する先行目標値設定手段と、
   前記先行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前記駆動装置を駆動制御する先行制御手段と、
   を備えることを特徴とする水平軸風車。
2. 前記先行目標値設定手段は、
   前記先行目標回転速度をＮ_pre、前記回転速度検出手段で検出された前記ロータの回転速度をＮ、前記目標回転速度をＮ_max、特定の重み係数をα（０＜α＜１）とした場合に、
   Ｎ_pre＝Ｎα＋Ｎ_max（１−α）
   なる数式に基づいて前記先行目標回転速度を設定することを特徴とする請求項１に記載の水平軸風車。
3. 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、
   前記ロータの回転速度を検出する回転速度検出工程と、
   前記回転速度検出工程で検出された前記ロータの回転速度が、前記目標回転速度を上限値とした有限回転速度域内に含まれる場合に、検出された回転速度よりも高い先行目標回転速度を前記有限回転速度域内であって前記目標回転速度に達しない速度領域に設定する先行目標値設定工程と、
   前記先行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前記駆動装置を駆動制御する先行制御工程と、
   を備えることを特徴とする水平軸風車の制御方法。
4. 前記先行目標値設定工程では、
   前記先行目標回転速度をＮ_pre、前記回転速度検出工程で検出された前記ロータの回転速度をＮ、前記目標回転速度をＮ_max、特定の重み係数をα（０＜α＜１）とした場合に、
   Ｎ_pre＝Ｎα＋Ｎ_max（１−α）
   なる数式に基づいて前記先行目標回転速度を設定す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。

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