JP4778015B2 - 風力タービンを制御するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、風力タービンを制御するための方法と、風力タービンを制御するための制御装置を備えた風力タービンとに関するものである。

制御器を備えた風力タービンは、何年も前から一般に知られており、今では首尾よく配備されている。この制御器は、とくに、風力タービンのエネルギ生成量に対して大きな影響を及ぼす。

風力タービンの絶え間ない進歩は、それらを複雑な装置とするところとなり、最適な運転を可能にするために、多くのパラメータ及び設定の相互調整を行わなければならなくなっている。

風力タービンの高度の複雑さと、それらを発展させ精密化する上で必要とされる膨大な費用により、かかる風力タービンを購入するには、かなりの大金を必要とする。このような費用は、風力タービンが、その稼動期間に得られる営業収入から、投資の償却に加えて、最大量の利益を生み出すことを可能にする場合に限り受け入れられることができるということは容易に理解することができる。

しかしながら、この利益は、風力タービンの電力生成量と密接不可分に連係している。これが、当然理解できるように、電力生成量の最大化がとくにこのようなタービンの所有者及び／又はオペレータにとって高い優先度をもつ理由である。

他方、すべての電力生成プロセスにおいて一般に、そして風力タービンの複雑さ及びそれらの寸法を前提とすれば、理想値からの逸脱は避けることができない。それゆえ、許容限界が、このような逸脱がなお受け入れ可能であると考えられる範囲として特定される。

このような逸脱が実際に受け入れることができるか否かについての問題にかかわりなく、それらは常に、最適な装置からの逸脱による電力生成量の損失を意味する。

本発明の目的は、最初に記述した種類の風力タービン及び方法を改良して、とくに風の力学的エネルギの電気エネルギへの変換において、すなわちロータ、ドライブトレーン（drive train）及び発電機において、変更の結果として、電力生成量の損失（losses of yield）を可能な限り最小化することである。

この目的は、最初に記述された種類の方法を、少なくとも１つの操作設定（operational setting）が、予め規定された限界内で変更されるといった手法で達成される。本発明は、許容範囲（tolerance）は既知の範囲内で移動し、したがってこの許容範囲内で、ブレードピッチ角（blade pitch angle）、方位角位置（azimuth position）、発電機トルクなどの少なくとも１つの操作設定の変更（variation）が最適な設定をもたらすにちがいないといった理解に基づいている。より具体的には、上記の目的を達成するために、本発明の第１の視点により、
（ａ）ロータブレードのピッチ角又は方位角又は発電機のトルクを、操作パラメータとして、予め規定された限界内で予め規定することができる時間間隔で変更すること、
（ｂ）各変更の段階において、
（ｃ）風力タービンの操作を操作パラメータの初期値で開始すること、
（ｄ）風力タービンの電力生成量に関し、
（ｄ−１）電力生成量が増加する場合、操作パラメータ値の変更を第１の方向において続け、又は
（ｄ−２）電力生成量が減少する場合、操作パラメータ値をその初期値に戻し、かつ、操作パラメータ値の変更を第２の方向において続けること、
（ｅ）次いで、
（ｅ−１）前記変更中に検出される電力生成量が操作開始時の電力生成量より大きい場合、最大電力生成量に対応する操作パラメータ値を次の変更の段階のための初期値として使用し、又は
（ｅ−２）前記変更中に検出される電力生成量が操作開始時の電力生成量以下の場合、該操作開始時の電力生成量に対応する操作パラメータ値を次の変更の段階のための初期値として使用することを特徴とする風力タービンを制御する方法が提供される（形態１・弟１基本構成）。
上記の方法において、上記時間間隔を、予め規定することができる周囲条件及び／又は操作条件に応じて変更することが好ましい（形態２）。
上記の方法において、上記操作パラメータ値の変更を、初期値から始まり１つの方向に、又は反対向きの２つの方向に連続的に、予め規定された量で行うことが好ましい（形態３）。
上記の方法において、上記操作パラメータ値の変更を、操作パラメータ値の変化が外部因子により引き起こされた後で実施することが好ましい（形態４）。
上記の方法において、上記操作パラメータ値の変更を、操作パラメータ値が変化させられた後、予め規定された期間で実施することが好ましい（形態５）。
上記の方法において、変更された操作パラメータ値、その変更の量及び方向を蓄積し及び／又は分析することが好ましい（形態６）。
上記の方法において、上記操作パラメータ値の変更の量を、第１の速度でもって増加させ、第２の速度でもって減少させることが好ましい（形態７）。
上記の方法において、上記第１の速度が上記第２の速度より小さいことが好ましい（形態８）。
上記の方法において、上記操作パラメータ値の変更を最大電力生成量に達した後に中止し、該操作パラメータ値を該最大電力生成量に対応する操作パラメータ値に維持することが好ましい（形態９）。
上記の方法において、先行する変更の段階において電力生成量の増加をもたらす操作パラメータ値の変更の方向を、該変更のための方向として用いることが好ましい（形態１０）。
上記の方法において、電力生成量が減少したときに上記操作パラメータ値の変更の方向を逆転させることが好ましい（形態１１）。
上記の方法において、上記操作パラメータ値の変更の方向の逆転の後で電力生成量の減少が生じた後、該操作パラメータ値の変更を終了させることが好ましい（形態１２）。
上記の方法において、更に、ロータブレードの先端速度比を操作パラメータ値の変更と同時に検出し、該ロータブレードの先端速度比に基づき発電機トルクを調整することが好ましい（形態１３）。
更に、上記の目的を達成するために、本発明の第２の視点において、
ロータと、
該ロータに接続された発電機と、
発電機及び／又はロータのロータブレードのピッチなどの該風力タービンの特定の部分を制御するための、及び／又は、風に対するロータの姿勢を設定するための制御器とを含んでいる、上記のいずれかの方法を実施するための風力タービンが提供される（形態１４・第２基本構成）。
上記の風力タービンにおいて、上記制御器が、少なくとも１つのマイクロプロセッサ又はマイクロコントローラと記憶装置とを含んでいることが好ましい（形態１５）。

操作設定の一定の変更（constant variation）が最終的により大きい電力生成量（yield）の損失（loss）を生じさせるといった状況を回避するため、これらの変更は予め決めることができる時間間隔で実施され、これにより最適な設定が見出されたときには、この後これが予め決められた期間維持される。

本発明のとくに好ましい１つの実施態様においては、時間間隔は、予め規定することができる周囲条件及び／又は操作条件に応じて変更され、これにより比較的一様なもしくは乱れた風の流れ又は風向きの変化などといった特定の局所的条件が考慮されることができる。

本発明のとくに好ましい１つの実施態様においては、変更は、操作設定の変化が外部因子によって引き起こされた後、同時に実施される。もし時間が十分に短かければ、操作設定は予め規定された設定を超えて変更され、もし必要であれば最適な設定が見出されるまで反対方向に予め決められた量だけ戻される。この手順は過渡振動（transient oscillation）と非常によく似ている。なお、変更された設定、変更の量及び方向が蓄積され及び／又は分析されてもよい。

本発明にかかる方法のとくに好ましい実施態様では、最適電力生成量についての変更された設定と初期設定との間の差が定量化（quantify）され、上記の定量化された差が、外部因子に応じた操作設定のこの後に続く変化（changes）及び／又は変更（variations）で考慮される。このようにして、変更に必要な時間、ひいては最大電力生成量に到達する時間を短縮することができる。

本発明のとくに好ましい実施態様においては、本発明にかかる風力タービンは該方法を実行するのに適した制御器を有している。この制御器は、マイクロプロセッサ又はマイクロコントローラと記憶装置とを有している。
本発明のその他の有利な実施態様は下位請求項に記載されている。

以下、図面を参照しつつ、本発明の１つの可能な実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明にかかる風力タービンを制御するための方法の基本原理を示している。この図において、時間ｔはｘ軸にプロットされている。ｙ軸の上部は、例えばナセル（nacelle）の方位角（α）ひいては風力タービンのロータの方位角などといった操作設定の変更をプロットするのに用いられ、下部は電力曲線の形態における電力生成量（電力生成率）の変更を、明瞭化のため単純化した形態で示している。

上側の曲線によれば、時刻ｔ１で開始位置からの操作設定の変更がまず正方向に正弦波形で始まり、時刻ｔ２で最大値に到達し、時刻ｔ３で初期値に戻っていることが分かる。この後、変更は反対方向に継続され、時刻ｔ４で最大に達し、時刻ｔ５で再び初期値に復帰している。

かかる変更時に電力生成量の増加が生じれば、操作設定は、これに従って修正され、これにより風力タービンはより大きい電力量を生成する。

下側の曲線は、操作設定に依存する電力生成量（power yield）の変化を示している。時刻ｔ１、すなわち上記変更が始まったときから、電力生成量は、時刻ｔ２で最大の変更値に到達するまで減少する。設定が初期値に戻るときに（ｔ３）、電力生成量は再び増加し、時刻ｔ３で初期値に到達する。この例では、変更の方向が逆転したときに、電力生成量も減少し、時刻ｔ４で最小値に到達し（すなわち、電力生成量の減少が最大）、時刻ｔ５で初期値に復帰する。この挙動は、風力タービンの初期設定が最適であったということを明白に示している。

予め規定された時間間隔（interval）が経過した後、予め規定された時刻に（この例ではｔ６）、この手順が繰り返されることができる。
上記手順においては、一方における電力生成量の増加の可能性と、他方における最適な設定からの変更によって引き起こされる電力生成量の減少との間に競合（competition）が生じる。

図２には、このような電力生成量の減少を低減するための１つのオプション（option）が示されている。この図においても、時間はｘ軸にプロットされ、ｙ軸において上側の曲線は操作設定の変更をあらわし、下側の曲線は電力生成量の変化をあらわしている。

操作設定が変更されたとき、初期値からの立ち上がりは正弦波形であるが、頂点値に到達した後では信号増加のエッジ（edge）は鋭くなり、値が可能な限り迅速に初期値に復帰する結果となっている。時刻ｔ１と時刻ｔ２との間の時間間隔は、図１と比べて、実質的には変わりはない。しかしながら、時刻ｔ２と時刻ｔ３との間の時間間隔はかなり短くなっている。理想的な場合、時刻ｔ２と時刻ｔ３との間の時間間隔はゼロとなり、第１の近似では少なくとも、時刻ｔ２と時刻ｔ３との間の時間間隔における電力生成量の減少もまた非常に小さくなる結果となるであろう。

負の半波（negative half-wave）に対しても同じ挙動が繰り返され、同様に正弦波形である立ち上がりエッジが、時刻ｔ３と時刻ｔ４との間に生じる。他方、初期設定への再度の復帰は、時刻ｔ４と時刻ｔ５との間の期間に、可能な限りの鋭さで生じる。したがって、これに関連して（in relation）、電力生成量の減少はほぼ半減する。予め規定された時間間隔の後、この変更の手順（sequence）の繰り返しが、時刻ｔ６で始まる。変更の範囲（許容範囲）内で各設定が実現されることができ、該変更における各半波の正弦波形の増加曲線でもって評価されることができることを前提とすれば、この実施の形態は、変更それ自体の効率を変えることなく、変更によって引き起こされる電力生成量の損失を低減する。

図３は、操作設定の変更の結果生じる電力生成量損失がなお一層低減される、本発明のさらなる実施の形態を示している。ｘ軸及びｙ軸は、その他の図と同一の変数をあらわしている。これらの曲線においても、操作設定の変更は時刻ｔ１で始まる。

図示された具体例においては、電力生成量は、同時に最大値まで増加する。もし変更量がさらに増加すれば、電力生成量は低下する（decline）。すなわち、最大電力生成量ひいては最適な操作設定を超えている。この理由により、変更量の増加は中止され、設定は、電力最大生成量が実現されたところに戻される。

これは、上側の曲線に「オーバーシュート（overshoot）」を生じさせる結果となる。
なぜなら、最大電力生成量に到達した後、もちろんこの後操作設定が最大電力生成量となる値に調整される前に、まず低下する電力生成量を検出することが必要だからである。これは、時刻ｔ４までに起こり、最大電力生成量がすでに見出されているので、もはや反対方向への変更は必要とされない。予め規定された時間間隔の後、時刻ｔ５で、操作設定の変更が始まり、時刻ｔ６で最大変更量に到達し、時刻ｔ７までに初期値に戻る。これは、電力生成量の損失を招く結果となっているので、この場合は、反対方向への変更が実施され、時刻ｔ８でのオーバーシュートの後、時刻ｔ９で最大電力生成量が確立され、対応する設定が維持される。

図４には、本発明のもう１つの実施の形態が示されている。ここでも、ｘ軸は時間軸であり、ｙ軸は操作設定の変更をあらわすのに用いられている。前記の方法と比べて、ここでの主な違いは、前の変更段階（phase）で電力生成量を増加させる結果となる方向が、今回の変更のための初期方向として選択されることである。

時刻ｔ１で操作設定の変更が始まり、時刻ｔ２で最大値に到達し、時刻ｔ３で初期値に戻る。想定された例では、電力生成量の増加が起こらなかったという事実により、変更が逆に、すなわち反対方向に実施される。時刻ｔ４で最大電力生成量に到達し、短いオーバーシュートの後、この最大値が維持される。

予め規定された時間間隔の後、時刻ｔ５で、操作設定が、再びいわゆる「輪番で（by rotation）」変更される。そして、初期方向は、前の変更段階で電力生成量が増加した方向と同じ方向である。なお、前回は負の半波である。時刻ｔ６で再び最大電力生成量に到達し、この設定が維持される。このようにして、正の半波（positive half-wave）で生じる電力生成量の損失が完全に排除されている。

もう１つの時間間隔の後、時刻ｔ７で再び操作設定の変更が始まる。今度は、変更は負の半波で始まる。なぜなら、これは前の変更段階で電力生成量が増加したからである。この場合、後者（latter）は再発生しないものと仮定され、このため時刻ｔ８で最大値に到達し、時刻ｔ９で初期値に復帰する。ここでは、変更の方向が逆転され、その結果負の半波に正の半波が続き、時刻ｔ１０で最大電力生成量に到達し、各設定値が上記レベルに維持される。

時刻ｔ１１でもう１つの変更段階が始まる。前の変更段階では正の半波で電力生成量が増加しているので、今回は正の半波である。時刻ｔ１２で最大電力生成量に到達し、時刻ｔ１３で設定が初期設定に戻る。この例では、時刻ｔ１４で最大電力生成量に到達しているという事実により該設定が維持され、次の変更段階が負の半波で始まる結果となる。

図５は本発明のさらに改良された実施の形態を示している。この図においても、ｘ軸は時間軸である。他方、ｙ軸の上部は操作設定における変化をあらわすのに用いられ、下部は電力生成量の変化を示すのに用いられている。本発明にかかる方法のこの実施の形態においては、電力生成量の減少は変更の結果さらに低減される。これは、本発明にかかる方法でもって達成され、ここでは、電力生成量の減少が検出されたときに変更の方向が逆転させられる。変更の方向の逆転の後、電力生成量の減少が再発生した場合、変更は停止される。

図５においては、時刻ｔ１で変更が正の半波で始まり、時刻ｔ２で最大電力生成量に到達する。短い「オーバーシュート」の後（ｔ３）、時刻ｔ４で最大電力生成量が設定され、時刻ｔ５で新たな変更が始まるまで、予め規定された期間、該設定が維持される。

ここで、新たな変更は正の半波で始まる。しかしながら、図５に示すように、時刻ｔ６で電力生成量の損失はすでに明らかとなっている。この理由により、変更の方向が逆転させられ、時刻ｔ７で操作設定の変更が負の半波で始まる。時刻ｔ８で最大電力生成量に到達し、短いオーバーシュートの後（ｔ９）、時刻ｔ１０でこの設定が維持される。もう１つの予め規定された時間間隔の後、時刻１１で再び操作設定期間が変更される。

前の変更段階における負の半波が電力生成量を増加させているので、今回の変更段階も負の半波で始まる。時刻ｔ１２までに、後者の変化の方向が電力生成量の減少となっていることが検出され、このため変更の方向が逆転させられる。その結果、時刻ｔ１３で再び初期値に到達し、正の半波が始まる。

時刻ｔ１４で後者の変更の方向が電力生成量の損失を引き起こしていることが検出され、変更が停止される。時刻ｔ１５で操作設定は初期設定に戻されている。

この実施の形態の主要な利点を示すために、予め規定された変更の範囲（Ｔ）が、初期設定に対して両方向について図中に示されている。操作設定についての変更の大きさが非常に小さいことにより、電力生成量の減少もこの変更の範囲に対して非常に少なくなっている。それゆえ、初期操作設定がすでに最適な設定である場合は、電力生成量の損失が無視できる。

本発明が可能にしている、避けることができない製造及び組み立ての許容誤差の均等化（equalisation）に加えて、本発明が提案する方法はまた、風向きなどの周囲の操作条件が変化し、この変化が風力タービンの制御器の許容誤差の範囲内で与えられるとき、電力生成量の増加が実現されることを可能にする。例えば、風向きが少量変化するだけであれば、風向きの変換の結果としての方位角の設定は起動（activate）されないであろう。それにもかかわらず、流れ角の軽微な変化は、電力生成量の軽微な損失を生じさせる結果となる。本発明にかかる方法を応用することにより、この損失は、方位角の設定が定期的に変更されたときにバランスアウト（balance out）されることができる。

組み立ての結果生じる欠陥を補償することも可能である。組み立て時における欠陥に起因する風向計（wind vane）による表示誤差は、例えば、本発明にかかる制御器により補償され、誤差は風力タービンの制御器の許容誤差の範囲内となる。このようにして、正しくないデータを出力する風向計により生じる最適化されていないエネルギ生成量を最適化することが可能となる。

本発明は、好ましく、一群の操作パラメータの設定と合わせて用いられてもよい。好ましいパラメータは、ピッチの設定（ロータブレードピッチ角の設定）、方位角の設定（ロータの設定）及び発電機トルクを規定するための発電機の励起電流である。

風の条件に依存して、非常に多くの多種多様のパラメータ設定のための一群のパラメータが存在し、一群のパラメータは、表の形態で格納されることができる。この後測定される風の速度に基づいて、最適な先端速度比（風の速度に対するロータブレードの先端速度の比）が、最大エネルギ生成量を得るために特定のタイプの風力タービンに導入されることができる。なお、ロータブレードの先端速度比は、操作設定の変更と同時に検出される。ロータパラメータが既知である結果、上記の風の速度におけるトルクが既知であるので、最適な発電機トルクが上記の表の明細事項に基づいて計算されることができる。

もし、発電機トルクが先端速度比に対して調整されなければ、不具合が生じる。発電機トルクが低すぎると、先端速度比が増加し、ロータは望ましくない方法で加速する。なぜなら、風は適正な量のエネルギを供給しているからである。逆に、発電機トルクが高すぎると、ロータも大幅に規制され、ロータがあまりにも低速となり、風から最大限可能なエネルギを抽出することができなくなる。しかしながら、発電機トルクは励起電流のレベルに直接比例するので、風力タービンに影響を及ぼし、最適化するための設定が導かれることができる。

本発明を応用することにより得られるもう１つのオプションは、方位角が調整されることができ、その結果左右の振れ角（yaw angle）が可及的に低く保持され、ブレードのピッチ角が最大トルクを実現するように設定されることができ、ひいては風から最大のエネルギを抽出するように設定されることができることである。

本発明の基本原理を示すタイミングチャートである。 基本原理の改良版を示すタイミングチャートである。 なお一層改良された、本発明にかかる方法の変形例を示す図である。 さらに最適化された方法を示す図である。 電力生成量を最大化するために、さらに最適化された、本発明にかかる方法を示す図である。

符号の説明

α ナセルの方位角、 Ｐ 電力生成量、 ｔ 時間、 ｔ１〜ｔ１５ 時刻。

Claims (15)

1. （ａ）ロータブレードのピッチ角又は方位角又は発電機のトルクを、操作パラメータとして、予め規定された限界内で予め規定することができる時間間隔で変更すること、
   （ｂ）各変更の段階において、
   （ｃ）風力タービンの操作を操作パラメータの初期値で開始すること、
   （ｄ）風力タービンの電力生成量に関し、
   （ｄ−１）電力生成量が増加する場合、操作パラメータ値の変更を第１の方向において続け、又は
   （ｄ−２）電力生成量が減少する場合、操作パラメータ値をその初期値に戻し、かつ、操作パラメータ値の変更を第２の方向において続けること、
   （ｅ）次いで、
   （ｅ−１）前記変更中に検出される電力生成量が操作開始時の電力生成量より大きい場合、最大電力生成量に対応する操作パラメータ値を次の変更の段階のための初期値として使用し、又は
   （ｅ−２）前記変更中に検出される電力生成量が操作開始時の電力生成量以下の場合、該操作開始時の電力生成量に対応する操作パラメータ値を次の変更の段階のための初期値として使用すること
   を特徴とする
   風力タービンを制御する方法。
2. 上記時間間隔を、予め規定することができる周囲条件及び／又は操作条件に応じて変更すること
   を特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 上記操作パラメータ値の変更を、初期値から始まり１つの方向に、又は反対向きの２つの方向に連続的に、予め規定された量で行うこと
   を特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 上記操作パラメータ値の変更を、操作パラメータ値の変化が外部因子により引き起こされた後で実施すること
   を特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の方法。
5. 上記操作パラメータ値の変更を、操作パラメータ値が変化させられた後、予め規定された期間で実施すること
   を特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 変更された操作パラメータ値、その変更の量及び方向を蓄積し及び／又は分析すること
   を特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の方法。
7. 上記操作パラメータ値の変更の量を、第１の速度でもって増加させ、第２の速度でもって減少させること
   を特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の方法。
8. 上記第１の速度が上記第２の速度より小さいこと
   を特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 上記操作パラメータ値の変更を最大電力生成量に達した後に中止し、該操作パラメータ値を該最大電力生成量に対応する操作パラメータ値に維持すること
   を特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の方法。
10. 先行する変更の段階において電力生成量の増加をもたらす操作パラメータ値の変更の方向を、該変更のための方向として用いること
    を特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の方法。
11. 電力生成量が減少したときに上記操作パラメータ値の変更の方向を逆転させること
    を特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つに記載の方法。
12. 上記操作パラメータ値の変更の方向の逆転の後で電力生成量の減少が生じた後、該操作パラメータ値の変更を終了させること
    を特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 更に、
    ロータブレードの先端速度比を操作パラメータ値の変更と同時に検出し、該ロータブレードの先端速度比に基づき発電機トルクを調整すること
    を特徴とする請求項１〜１２のいずれか１つに記載の方法。
14. 請求項１〜１３のいずれか１つに記載の方法を実施するための風力タービンであって、 ロータと、
    該ロータに接続された発電機と、
    発電機及び／又はロータのロータブレードのピッチなどの該風力タービンの特定の部分を制御するための、及び／又は、風に対するロータの姿勢を設定するための制御器とを含んでいる風力タービン。
15. 上記制御器が、少なくとも１つのマイクロプロセッサ又はマイクロコントローラと記憶装置とを含んでいること
    を特徴とする請求項１４に記載の風力タービン。

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