JP5079092B2 - 風力発電装置及びその起動方法 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電装置に関し、特に、風力発電装置を起動する手順の最適化に関する。

風力発電装置の起動において留意すべきことの一つは、風力発電装置を電力系統に並列して系統連系を開始する際に、電力系統に悪影響（例えば、電力系統の電圧の低下）を及ぼさないことである。電力系統に悪影響を及ぼさないための技術としては、例えば、ソフトスタータを用いる技術が知られており、このような技術は、例えば、特開２００５−３９９２４号公報に開示されている。

風力発電装置の起動において考慮すべきパラメータの一つが、発電機回転数（又は風車回転数）である。発電機回転数が適切な回転数（併入回転数と呼ばれる）に制御された状態で電力系統に並列することは、電力系統に悪影響を及ぼさないために有効な手段である。

発電機回転数を併入回転数にまで上昇させるためには、風車翼のピッチ角をファインピッチ角に設定する必要がある。ただし、風車の回転数は徐々に増大させていく必要があるため、実際には、ピッチ角を徐々にフェザーピッチ角からファインピッチ角まで増大させる手法が取られる。典型的な手順の一つは、下記の通りである。図５を参照して、まず、ピッチ角が所定の待機ピッチ角θｗａｉｔに設定される。この状態で風車回転数が所定の回転数（待機回転数）まで昇速したら、ピッチ角が所定のピッチレートでファインピッチ角θｆｉｎｅまで増大される。その後、風車回転数が併入回転数に到達したら風力発電装置が電力系統に並列される。なお、図５に示す例では、ピッチ角がファインピッチ角θｆｉｎｅに到達した後に電力系統に並列しているが、ピッチ角がファインピッチ角θｆｉｎｅに到達する前に併入回転数に至ることもある。

しかしながら、このような手法では、回転数追従が遅い場合に、風車翼への流入風速に対してピッチ角が過剰な迎角となり、風車翼が失速状態になることがある。例えば、ピッチ角を待機回転数から増大させ始めた後に風速が弱まった場合や、着氷により、翼の空力性能低下、重量増加、アンバランスが生じた場合には、回転数追従の遅れが生じ得る。風車翼が失速状態になると、回転が上昇できなくなり起動が失敗してしまう。この場合、起動手順を再度最初から行わなくてはならず、運用上問題である。

特開２００５−３９９２４号公報

したがって、本発明の目的は、風力発電装置の起動時において風車翼が失速状態に至ることを防止し、安定な風力発電装置の起動を実現することにある。

本発明の一の観点では、風力発電装置の起動方法が、風車翼のピッチ角をフェザーピッチ角からファインピッチ角まで増大させるステップを具備する。風車翼のピッチ角を増大させるステップは、
記憶部に記憶された、フェザーピッチ角より大きくファインピッチ角より小さい第１〜第ｎピッチ角（ｎ≧２）と、第１〜第ｎピッチ角にそれぞれに対応する第１〜第ｎ回転数条件とに基づいて、ピッチ角が第１〜第ｎピッチ角のうちの第ｉピッチ角に到達したときに風車回転数又は発電機回転数のいずれかである制御対象回転数が第ｉ回転数条件を満足するかを判定するステップと、
ピッチ角が第ｉピッチ角に到達したときに制御対象回転数が第ｉ回転数条件を満足していない場合、ピッチ角を第ｉ−１ピッチ角又はフェザーピッチ角まで減少させるステップと、
ピッチ角が第ｉピッチ角に到達したとき制御対象回転数が第ｉ回転数条件を満足している場合、ピッチ角を第ｉ＋１ピッチ角まで又はファインピッチ角まで増大させるステップ
とを備えている。

このような手順による風力発電装置の起動方法によれば、風車翼のピッチ角をファインピッチ角まで増大させる過程において風車／発電機回転数が充分に増大していない場合にはピッチ角が低減されるため、風車翼が失速状態に至ることを防止し、安定な風力発電装置の起動を実現することができる。

本発明の他の観点では、風力発電装置が、ピッチ角が可変である風車翼を備える風車ロータと、風車ロータに結合された発電機と、ピッチ角を制御するための制御部とを備えている。制御部は、フェザーピッチ角より大きくファインピッチ角より小さい第１〜第ｎピッチ角（ｎ≧２）と、第１〜第ｎピッチ角にそれぞれに対応する第１〜第ｎ回転数条件とを記憶する記憶部を備えている。制御部は、風車翼のピッチ角をフェザーピッチ角からファインピッチ角まで増大するように制御する。風車翼のピッチ角をファインピッチ角まで増大させる制御において、制御部は、ピッチ角が第１〜第ｎピッチ角のうちの第ｉピッチ角に到達したとき風車回転数又は発電機回転数のいずれかである制御対象回転数が第ｉ回転数条件を満足するかを判定する。制御部は、ピッチ角が第ｉピッチ角に到達したとき制御対象回転数が第ｉ回転数条件を満足していない場合、ピッチ角を第ｉ−１ピッチ角又はフェザーピッチ角まで減少させ、ピッチ角が第ｉピッチ角に到達したとき制御対象回転数が第ｉ回転数条件を満足している場合、ピッチ角を第ｉ＋１ピッチ角まで又はファインピッチ角まで増大させる。

このような風力発電装置は、風車翼のピッチ角をファインピッチ角まで増大させる過程において風車／発電機回転数が充分に増大していない場合にはピッチ角が低減されるため、風車翼が失速状態に至ることを防止し、安定な風力発電装置の起動を実現することができる。

本発明によれば、風力発電装置の起動時において風車翼が失速状態に至ることを防止し、安定な風力発電装置の起動を実現することができる。

本発明の一実施形態における風力発電装置の構成を示す側面図である。 本発明の一実施形態における風力発電装置の制御系の構成の例を示すブロック図である。 本発明の一実施形態におけるピッチ角−回転数テーブルの内容の例を示すブロック図である。 本発明の一実施形態における風力発電装置の起動手順の一例を示すグラフである。 風力発電装置の起動時におけるピッチ角の制御の一例を示すグラフである。

図１は、本発明の一実施形態における風力発電装置１の構成を示す側面図である。本実施形態の風力発電装置１は、タワー２と、タワー２の上に搭載されたナセル３とを備えている。ナセル３には発電機５と増速機６とが搭載されている。発電機５のロータのシャフトは、増速機６を介して風車ロータ７のシャフト７ａに機械的に連結されている。風車ロータ７は、シャフト７ａに接続されたハブ８と、ハブ８に取り付けられた風車翼９を備えている。風車翼９のピッチ角θは図示しないピッチ駆動機構１１にて可変である。

図２は、本実施形態における風力発電装置１の制御系の構成の例を示すブロック図である。本実施形態では、風力発電装置１の制御系が、ピッチ駆動機構１１と、回転数センサ１２と、ピッチ制御装置１３とを備えている。ピッチ駆動機構１１は、ピッチ制御装置１３による制御に応答して風車翼９のピッチ角θを制御する。図２には、風車翼９とピッチ駆動機構１１とは１つずつしか図示されていないが、実際には、複数の（典型的には３枚の）風車翼９が設けられ、ピッチ駆動機構１１が風車翼９のそれぞれに対応して設けられる。回転数センサ１２は、発電機５のロータの近傍に設けられ、発電機回転数Ｎ（即ち、発電機５のロータの回転数）を計測する。ピッチ制御装置１３は、回転数センサ１２によって得られた発電機回転数Ｎに応答してピッチ駆動機構１１を動作させ、これにより、風車翼９のピッチ角を制御する。なお、図２には、本実施形態において行われる風力発電装置１の起動手順に関連する要素のみが図示されているが、図２に図示されている以外にも様々な装置が風力発電装置１の制御に関係していることは当業者には自明的であろう。

ピッチ制御装置１３には、ピッチ角−回転数テーブル１４が格納されている。図３は、ピッチ角−回転数テーブル１４の内容の例を示す図である。本実施形態では、ピッチ角−回転数テーブル１４には、判定ピッチ角θ１〜θ５と、判定ピッチ角θ１〜θ５のそれぞれに対応する発電機判定回転数Ｎ１〜Ｎ５が記述されている。ここで、判定ピッチ角θ１〜θ５とは、発電機回転数Ｎの判定が行われる風車翼９のピッチ角θであり、発電機判定回転数Ｎｉとは、風車翼９のピッチ角θが対応する判定ピッチ角θｉになった時点における発電機回転数Ｎの最低許容回転数である。加えて、ピッチ角−回転数テーブル１４には、ファインピッチ角θｆｉｎｅと、併入回転数Ｎｉｎの値が記述されている。ここで、判定ピッチ角θ１〜θ５と発電機判定回転数Ｎ１〜Ｎ５とについては、下記の関係が成立する：
θｆｔｈ＜θ１＜θ２＜θ３＜θ４＜θ５＜θｆｉｎｅ，
Ｎ１＜Ｎ２＜Ｎ３＜Ｎ４＜Ｎ５＜Ｎｉｎ．
ここで、θｆｔｈは、フェザーピッチ角である。ピッチ角−回転数テーブル１４に記述されている判定ピッチ角θ１〜θ５と発電機判定回転数Ｎ１〜Ｎ５とが、後述の風力発電装置１の起動手順において使用される。ピッチ角−回転数テーブル１４は、一度ピッチ制御装置１３の記憶部に記憶させておけば、その後は、記憶されたピッチ角−回転数テーブル１４を風力発電装置１の起動毎に共通に使用可能である。ただし、風力発電装置１の起動毎に、ピッチ角−回転数テーブル１４がピッチ制御装置１３に与えられてもよい。

以下では、本実施形態における風力発電装置１の起動手順を説明する。
まず、本実施形態における風力発電装置１の起動手順の概要を説明する。本実施形態では、風車翼９のピッチ角θが、段階的にフェザーピッチ角θｆｔｈからファインピッチ角θｆｉｎｅに増加される。そして、風車翼９のピッチ角θの増加の各段階で発電機回転数Ｎが監視される。風車翼９のピッチ角θが判定ピッチ角θｉになったときに発電機判定回転数Ｎｉで定まる発電機回転数条件（本実施形態では、発電機判定回転数Ｎｉを超過しているという条件）を満足しない場合には、風車翼９のピッチ角θが前の段階の判定ピッチ角（判定ピッチ角θ（ｉ−１））又はフェザーピッチ角θｆｔｈに減少される。ここで、風車翼９のピッチ角θが判定ピッチ角θ１になったときに発電機回転数Ｎが発電機判定回転数Ｎ１よりも低い場合には、風車翼９のピッチ角θがフェザーピッチ角θｆｔｈに戻され、起動が停止される。一方、風車翼９のピッチ角θが判定ピッチ角θｉになったときに発電機判定回転数Ｎｉに到達している場合には、風車翼９のピッチ角θが次の段階の判定ピッチ角θ（ｉ＋１）又はファインピッチ角θｆｉｎｅに増加される。風車翼９のピッチ角θがファインピッチ角θｆｉｎｅまで増加された状態で発電機回転数Ｎが併入回転数Ｎｉｎに到達すると、風力発電装置１が電力系統に接続され、風力発電装置１の電力系統への系統連系が達成される。

以下では、風力発電装置１の起動手順の具体的な一例を説明する。図４は、本実施形態における風力発電装置１の起動手順、詳細には、風車翼９のピッチ角θの制御の例を示すグラフである。

まず、風車ロータ７が停止した状態にあるとする（時刻ｔ１）。ピッチ制御装置１３は、風速が所定の起動開始風速を超えたことを検知すると、風車ロータ７のブレーキを解除すると共に風車翼９のピッチ角θをフェザーピッチ角θｆｔｈから増加し始める。すると、風車ロータ７が風力により回転し始める。風車翼９のピッチ角θは判定ピッチ角θ１まで増加される。本実施形態では、ピッチ角θを増大させる速さは所定の一定値に設定される。

風車翼９のピッチ角θが判定ピッチ角θ１に到達すると（時刻ｔ２）、ピッチ制御装置１３は、発電機回転数Ｎが発電機判定回転数Ｎ１を超えているかを判断する。この判断を行う間、風車翼９のピッチ角θは、判定ピッチ角θ１に保持される。所定の待ち時間ｔｗが経過するまでに発電機回転数Ｎが発電機判定回転数Ｎ１を超えていることが検知されると、ピッチ制御装置１３は、風車翼９のピッチ角θを判定ピッチ角θ１から増加させ始める。一方、所定の待ち時間ｔｗが経過しても発電機回転数Ｎが発電機判定回転数Ｎ１を超えない場合には、ピッチ制御装置１３は、風車翼９のピッチ角θを判定ピッチ角θ１からフェザーピッチ角θｆｔｈに戻す。図４の例では、発電機回転数Ｎが発電機判定回転数Ｎ１を超えていると判断され（時刻ｔ３）、ピッチ制御装置１３は、風車翼９のピッチ角θを判定ピッチ角θ１から判定ピッチ角θ２に増加させる。

風車翼９のピッチ角θが判定ピッチ角θ２に到達すると（時刻ｔ４）、ピッチ制御装置１３は、発電機回転数Ｎが発電機判定回転数Ｎ２を超えているかを判断する。この判断を行う間、風車翼９のピッチ角θは判定ピッチ角θ２に保持される。図４の例では、待ち時間ｔｗが経過しても発電機回転数Ｎが発電機判定回転数Ｎ２を超えていないと判断され（時刻ｔ５）、ピッチ角θが前の段階の判定ピッチ角θ１まで減少される（時刻ｔ６）。

風車翼９のピッチ角θが再び判定ピッチ角θ１に到達すると（時刻ｔ７）、ピッチ制御装置１３は、発電機回転数Ｎが発電機判定回転数Ｎ１を超えているかを判断する。この判断を行う間、風車翼９のピッチ角θは、判定ピッチ角θ１に保持される。図４の例では、発電機回転数Ｎが発電機判定回転数Ｎ１を超過していると判断され（時刻ｔ７）、ピッチ角θが再び判定ピッチ角θ２まで増大される。

風車翼９のピッチ角θが再び判定ピッチ角θ２に到達すると（時刻ｔ８）、ピッチ制御装置１３は、発電機回転数Ｎが発電機判定回転数Ｎ２を超えているかを判断する。図４の例では、風車翼９のピッチ角θが判定ピッチ角θ２に到達した時点で発電機回転数Ｎが発電機判定回転数Ｎ２を超えていると判断され、ピッチ角θが次の段階の判定ピッチ角θ３まで増大される（時刻ｔ９）。

以下、ピッチ角θがファインピッチ角θｆｉｎｅに到達するまで、ピッチ角θを段階的に増加させる手順が同様にして繰り返される。風車翼９のピッチ角θがファインピッチ角θｆｉｎｅに到達した状態で発電機回転数Ｎが併入回転数Ｎｉｎに到達すると、風力発電装置１が電力系統に接続され、風力発電装置１の電力系統への系統連系が達成される。

以上に説明された本実施形態の風力発電装置１の起動手順では、発電機回転数Ｎが風車翼９のピッチ角θの増加に追随している場合にはピッチ角θが増加される一方で、発電機回転数Ｎがピッチ角θの増加に追随しない場合にピッチ角θが減少される。しかも、本実施形態の起動手順は、複雑な制御アルゴリズムを必要としない。このように、本実施形態の起動手順では、簡単な制御アルゴリズムによって風力発電装置１の起動時において風車翼９が失速状態に至ることを防止し、風力発電装置１の安定な起動を実現することができる。

本実施形態の風力発電装置１の起動手順では、発電機回転数Ｎが風車翼９のピッチ角θの増加に追随しない場合、風車翼９のピッチ角θはファインピッチ角θｆｉｎｅに到達しない。このことは、逆に、異常検出の手法としても利用できる。発電機回転数Ｎが風車翼９のピッチ角θの増加に追随しない場合としては、例えば、風速が低いこと、及び、着氷等により風車翼９の性能が劣化したことが想定される。そこで、起動開始風速を適正な値に設定することで、風車翼９の性能の劣化（例えば、着氷）を簡易的に検出することができる。

より具体的には、まず、風速が所定の起動開始風速を超えたことを検知すると、風力発電装置１の起動が開始される。より具体的には、風車ロータ７のブレーキを解除すると共に風車翼９のピッチ角θをフェザーピッチ角θｆｔｈから増加し始める。すると、風車ロータ７が風力により回転し始める。そして、ピッチ制御装置１３は、上述の手順により、風車翼９のピッチ角θを段階的に増加させようとする。

風力発電装置１の起動の開始からの経過時間が所定時間になっても発電機回転数Ｎが併入回転数Ｎｉｎに到達しない場合、ピッチ制御装置１３は、風速を考慮して風車翼９の性能の劣化の有無を判断する。風速が低い場合（典型的には風速が所定の基準値より低い場合）、ピッチ制御装置１３は、風速低下による回転数低下と判断する。この場合、風車翼９のピッチ角θをフェザーピッチ角θｆｔｈに戻して風力発電装置１を、一旦、待機状態に戻す。一方、風速が高い場合（典型的には風速が所定の基準値より低い場合）、ピッチ制御装置１３は、着氷等により風車翼の性能劣化が発生していると判断する。風車翼９の性能劣化が発生していると判断した場合、ピッチ制御装置１３は、風車翼９の性能の劣化が発生したことを示すアラームを出力する。アラームは、表示装置に表示されてもよいし、警報音として出力されてもよいし、他の報知手段（例えば、警報ランプ）によって出力されてもよい。

経過時間の起算時は、様々に定義され得る。例えば、風車ロータ７が風力により回転し始めた時刻とすることができ、また、ピッチ角θのフェザーピッチ角θｆｔｈからの増加が開始された時刻とすることができる。風速が所定の起動開始風速を超えたことに応答して経過時間が起算されれば、どのような定義であってもよい。

なお、以上には、本発明の具体的な実施形態が様々に説明されているが、本発明は、上述の実施形態に限定して解釈されてはならない。例えば、発電機回転数Ｎの代わりに風車ロータ７の回転数（風車回転数）が制御に使用されてもよい。風車回転数は、基本的には、発電機回転数Ｎに対応しているためである。

Claims (4)

1. 風車翼のピッチ角をフェザーピッチ角からファインピッチ角まで増大させるステップ
   を具備し、
   前記ピッチ角を増大させるステップは、
   記憶部に記憶された、前記フェザーピッチ角より大きく前記ファインピッチ角より小さい第１〜第ｎピッチ角（ｎ≧２）と、前記第１〜第ｎピッチ角にそれぞれに対応する第１〜第ｎ回転数条件とに基づいて、前記ピッチ角が前記第１〜第ｎピッチ角のうちの第ｉピッチ角に到達したときに風車回転数又は発電機回転数のいずれかである制御対象回転数が前記第ｉ回転数条件を満足するかを判定するステップと、
   前記ピッチ角が前記第ｉピッチ角に到達したときに前記制御対象回転数が前記第ｉ回転数条件を満足していない場合、前記ピッチ角を前記第ｉ−１ピッチ角又は前記フェザーピッチ角まで減少させるステップと、
   前記ピッチ角が前記第ｉピッチ角に到達したとき前記制御対象回転数が前記第ｉ回転数条件を満足している場合、前記ピッチ角を前記第ｉ＋１ピッチ角まで又は前記ファインピッチ角まで増大させるステップ
   とを備える
   風力発電装置の起動方法。
2. 請求項１に記載の風力発電装置の起動方法であって、
   風速が所定の起動開始風速を超えたことに応答して起算される経過時間が所定時間になっても前記制御対象回転数が所定の併入回転数に到達しない場合、アラームを出力するステップ
   を更に具備する
   風力発電装置の起動方法。
3. ピッチ角が可変である風車翼を備える風車ロータと、
   前記風車ロータに結合された発電機と、
   前記ピッチ角を制御するための制御部
   とを備え、
   前記制御部は、フェザーピッチ角より大きくファインピッチ角より小さい第１〜第ｎピッチ角（ｎ≧２）と、前記第１〜第ｎピッチ角にそれぞれに対応する第１〜第ｎ回転数条件とを記憶する記憶部を備え、
   前記制御部は、前記風車翼の前記ピッチ角を前記フェザーピッチ角から前記ファインピッチ角まで増大するように制御し、
   前記ピッチ角を前記ファインピッチ角まで増大させる制御において、前記制御部は、前記ピッチ角が第１〜第ｎピッチ角のうちの第ｉピッチ角に到達したとき風車回転数又は発電機回転数のいずれかである制御対象回転数が前記第ｉ回転数条件を満足するかを判定し、前記ピッチ角が前記第ｉピッチ角に到達したとき前記制御対象回転数が前記第ｉ回転数条件を満足していない場合、前記ピッチ角を前記第ｉ−１ピッチ角又は前記フェザーピッチ角まで減少させ、前記ピッチ角が前記第ｉピッチ角に到達したとき前記制御対象回転数が前記第ｉ回転数条件を満足している場合、前記ピッチ角を前記第ｉ＋１ピッチ角まで又は前記ファインピッチ角まで増大させる
   風力発電装置。
4. 請求項３に記載の風力発電装置であって、
   前記制御部は、風速が所定の起動開始風速を超えたことに応答して経過時間を起算し、前記経過時間が所定時間になっても前記制御対象回転数が所定の併入回転数に到達しない場合、アラームを出力する
   風力発電装置。

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