JP5092017B2 - 風力発電装置及びナセル旋回方法 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電装置及びナセル旋回方法に関し、特に、風力発電装置のナセルのヨー制御に関する。

風力発電装置のナセルは、風向や風速に合わせて、水平面内における方向を制御する必要がある。このような制御は、一般に、ヨー制御とよばれており、ヨー制御を行う機構は、一般に、ヨー制御機構と呼ばれる。ヨー制御機構は、典型的には、ナセルを所望の方向に旋回させるための駆動力を発生するヨー駆動装置と、ナセルが所望の方向に向けられた後、該ナセルを当該方向に固定するヨーブレーキとを備えて構成される。ヨー駆動装置としては、最も典型的には、ヨーモータと減速機とでタワーに設けられた歯車に噛合するピニオンギアを駆動する構成の駆動機構が使用される。このような風力発電装置は、例えば、米国特許出願公報ＵＳ２００８／０１３１２７９Ａ１に開示されている。また、ヨーブレーキとしては、最も一般的には、油圧ブレーキが用いられる。ヨーブレーキとして油圧ブレーキを用いた風力発電装置は、例えば、特開２００６−３０７６５３号公報に開示されている。

一般的に、ヨー駆動装置は、５０年に一度しか発生しないような突発的な強風（５０年ガスト、例えば風速３５ｍ／ｓ以上）に対してもナセルの旋回が可能な駆動力を発生できるように設計される。これは、いかなる強風が発生した場合でも、風車ロータを風上に向けることができるようにするためである。風力発電装置は、一般に、風車ロータが風上にあると風荷重が最も小さくなるので、強風時における風荷重を低減するためには風車ロータを風上に向けることが望ましい。５０年ガストに対してもナセルの旋回が可能な駆動力を発生するように設計しておけば、ほとんど全ての場合に風車ロータを風上に向けて風荷重の低減を実現できる。

ここで、発明者の検討によれば、５０年ガストのような突発的な強風が発生する頻度は、通常求められる２０年の風車寿命において非常に稀であり、上記のようなヨー制御機構の仕様は、通常運転に対してはオーバースペックとなっている。このようなヨー制御機構の仕様は、コストの上昇につながるため好ましくない。そこで、発明者は、ヨー制御機構の駆動力を低減し、突発的な風外力が発生した場合にはナセルが旋回できないことを許容する設計を検討している。

しかしながら、ヨー駆動装置の駆動力を低減すると、風車ロータを風上に向けるためにナセルを旋回させている間に瞬間的な非定常風が発生した場合にヨーモータが損傷する可能性がある。詳細には、ナセルを旋回させている間に５０年ガストのような瞬間的な非定常風が発生すると、旋回トルクが不足することによってナセルが瞬時に押し戻されることがある。このとき、ナセルが瞬間的に高速で旋回する。ヨーモータの駆動力は一般に減速機を介してナセルに伝えられるため、ナセルが瞬間的に高速で旋回すると、ヨーモータが過回転により損傷する可能性がある。

米国特許出願公報ＵＳ２００８／０１３１２７９Ａ１ 特開２００６−３０７６５３号公報

したがって、本発明の目的は、ナセルが強風によって押し戻されることによるヨーモータの損傷を有効に防ぐための技術を提供することにある。

本発明の一の観点では、風力発電装置が、風車ロータが搭載されたナセルと、ナセルをヨー旋回させる駆動力を発生するヨー駆動装置と、ナセルの旋回を制動する制動力を発生する制動機構と、ヨー駆動装置と制動機構とを制御する制御装置と、風速を測定する風速測定装置とを備えている。制御装置は、ヨー駆動装置によってナセルを旋回させている間に風速に基づいて高風速状態の発生を検知した場合、高風速状態の発生を検知したことに応答して制動機構によってナセルに制動力を与える。一実施形態では、制御装置は、ナセルの旋回中に高風速状態の発生を検知しない場合、ナセルに制動力を与えないように制動機構を制御する

このとき、ヨー駆動装置が発生する駆動トルクＭｚｔ_ＡＬＬと、制動機構が発生するブレーキトルクＭｚｔ_ＢＲＫは、５０年ガストによりナセルに作用するトルク（の絶対値）｜Ｍｚｔ｜_ＭＡＸに対して、下記関係：
Ｍｚｔ_ＡＬＬ−Ｍｚｔ_ＢＲＫ＜｜Ｍｚｔ｜_ＭＡＸ＜Ｍｚｔ_ＡＬＬ＋Ｍｚｔ_ＢＲＫ，
が成立するように調節されていることが好ましい。

一実施形態では、当該風力発電装置が、更に、風によるナセルの急旋回を検知する急旋回検知装置を備えている。この場合、ナセルの旋回中にナセルの急旋回を検知したとき、制御装置は、高風速状態の発生を検知したことに応答して与えられた制動力よりも高い制動力をナセルに与えるように制動機構を制御することが好ましい。

ヨー駆動装置は、ヨーモータと、ヨーモータが発生するトルクを用いてナセルを旋回させる旋回機構と、ヨーモータが発生するトルクを制御するトルク制御装置とを備えることが好ましい。

本発明の他の観点では、風力発電装置のナセル旋回方法が、ナセルを旋回させている間に風速を監視する工程と、風速に基づいて高風速状態の発生を検知した場合、高風速状態の発生を検知したことに応答してナセルに制動力を与える工程とを備えている。

本発明によれば、ヨー駆動装置の駆動力を有効に使用することを可能にしながら、ナセルが強風によって押し戻されることによるヨーモータの損傷を有効に防ぐことができる。

本発明の一実施形態の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ヨー制御機構の構成を示す断面図である。 図２のヨー制御機構における内輪、外輪、及びピニオンギアの配置を示す上面図である。 本発明の一実施形態におけるヨー制御機構の制御系の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態におけるヨー制御の一例を示すグラフである。 本発明の他の実施形態におけるヨー制御機構の構成を示す断面図である。 図６のヨー制御機構の構成を示す平面図である。 本発明の更に他の実施形態におけるヨー制御機構の構成を示す概念図である。 ヨーモータとして誘導電動機が使用される場合におけるヨーモータのすべり−出力トルク曲線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。風力発電装置１は、基礎６に立設されるタワー２と、タワー２の上端に設置されるナセル３と、ナセル３に対して回転可能に取り付けられたロータヘッド４と、ロータヘッド４に取り付けられる風車翼５とを備えている。ロータヘッド４と風車翼５とにより、風車ロータが構成されている。風力によって風車ロータが回転すると風力発電装置１は電力を発生し、風力発電装置１に接続された電力系統に電力を供給する。

図２は、ナセル３のヨー制御を行うためのヨー制御機構の構成を示す図である。図２を参照して、ナセル３は、主軸、増速機、発電機その他の発電に使用される機構を搭載するナセル台板１１を備えており、そのナセル台板１１にヨー駆動装置１２が取り付けられている。

タワー２の上端には軸受取付部２１が設けられており、その軸受取付部２１に外輪２２が取り付けられている。加えて、ナセル台板１１の下面に内輪２３が取り付けられている。外輪２２と内輪２３との間には鋼球２４が入れられており、外輪２２と鋼球２４と内輪２３とでヨー旋回輪軸受２５が構成されている。ヨー旋回輪軸受２５により、ナセル台板１１は、水平面内において旋回可能である。外輪２２の外周面には歯面が形成されている。

ヨー駆動装置１２は、ピニオンギア２６と、減速機２７と、ヨーモータ２８と、モータブレーキ２９とを備えている。ピニオンギア２６は、外輪２２の外周面に設けられた歯面と噛み合っており、図３に図示されているように、ピニオンギア２６が回転すると、ナセル３と、ナセル３に取り付けられた内輪２３が旋回する。即ち、外輪２２は、ピニオンギア２６と噛み合う環状の歯車としても機能している。図３には、ピニオンギア２６の回転方向と、ナセル３及び内輪２３の旋回方向との関係が図示されている。図２に戻り、ピニオンギア２６は、減速機２７の出力軸に結合されている。減速機２７は、その入力軸の回転を減速しながら出力軸に伝えるように構成されており、減速機２７の入力軸は、ヨーモータ２８のロータに結合されている。従って、ピニオンギア２６は、減速機２７を介してヨーモータ２８のロータに機械的に結合していることになる。

モータブレーキ２９は、ヨーモータ２８のロータに制動力を与える機能を有している。ヨーモータ２８のロータがピニオンギア２６に機械的に結合されているため、モータブレーキ２９が提供する制動力により、ナセル３のヨー旋回が制動されることになる。一実施形態では、モータブレーキ２９として、励磁のための電流の供給が停止されると作動する無励磁作動型の電磁ブレーキが使用される。モータブレーキ２９としては、励磁のための電流の供給が開始されると動作する形式の電磁ブレーキを使用してもよい。

本実施形態では、ナセル３のヨー旋回を制動する手段として、モータブレーキ２９に加えて、ヨーブレーキ３０が設けられる。ヨーブレーキ３０は、油圧を用いてナセル３のヨー旋回を制動する制動機構であり、ヨーブレーキディスク３１と、ヨーブレーキキャリパー３２とを備えている。ヨーブレーキディスク３１はタワー２に取り付けられており、ヨーブレーキキャリパー３２は、取付ブラケット３３によってナセル台板１１に取り付けられている。ヨーブレーキキャリパー３２は、油圧によって駆動されてヨーブレーキディスク３１を挟み込み、これにより、ナセル３のヨー旋回を制動する。

なお、本実施形態では、ヨー駆動装置１２がナセル台板１１に取り付けられているが、ヨー駆動装置１２がタワー２に取り付けられることも可能である。この場合、内輪２３の内周面に歯面が形成され、その歯面にピニオンギア２６が噛合される。また、ナセル台板１１にヨーブレーキディスク３１が取り付けられ、タワー２にヨーブレーキキャリパー３２が取り付けられることも可能である。

図４は、本実施形態におけるヨー制御機構の制御系の構成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にはヨーブレーキ駆動機構１３と、制御装置１４と、風向風速計１５とが設けられる。ヨーブレーキ駆動機構１３は、油圧によってヨーブレーキキャリパー３２を駆動する。制御装置１４は、風向風速計１５によって計測された風向及び風速に応答して、ナセル３の旋回及び停止を制御する。ナセル３の旋回及び停止の制御は、ヨーモータ２８、モータブレーキ２９、及びヨーブレーキキャリパー３２を操作することによって行われる。

ナセル３を固定する場合（即ち、ナセル３の旋回を行わない場合）、制御装置１４は、モータブレーキ２９及びヨーブレーキキャリパー３２を作動させてナセル３を制動する。

一方、ナセル３を旋回する場合、制御装置１４は、ヨーモータ２８を作動させる。ヨーモータ２８によって発生された駆動力が減速機２７を介してピニオンギア２６に伝えられ、これにより、ナセル３が旋回される。ナセル３を旋回させる場合、基本的には、モータブレーキ２９及びヨーブレーキキャリパー３２が解放される。

ただし、ナセル３の旋回中、制御装置１４は、風向風速計１５によって計測された風速を監視し、高風速状態にあると判断するとモータブレーキ２９及び／又はヨーブレーキキャリパー３２を作動させながらナセル３を旋回させるモード（高風速モード）に移行する。このような制御により、瞬間的な非定常風が発生したときにナセル３が瞬時に押し戻される事態の発生を抑制し、過回転によるヨーモータ２８の損傷が防がれている。高風速状態にある場合にナセル３に与えられる制動力は、ナセル３を固定する場合にナセル３に与えられる制動力よりも小さい。例えば、ナセル３を固定する場合にはモータブレーキ２９及びヨーブレーキキャリパー３２の全てを作動させる一方で、高風速状態にある場合にはヨーブレーキキャリパー３２のみを作動させてもよい。また、高風速状態にある場合にヨーブレーキキャリパー３２が発生する制動力は、ナセル３を固定する場合にヨーブレーキキャリパー３２が発生する制動力と異なっていてもよい。

高風速モードへの移行の判断については、様々なロジックが考えられる。ロジックにおいて考慮するパラメータとしては、平均風速や継続時間が考えられる。例えば、過去の所定時間の平均風速が所定値よりも大きくなった場合に、高風速状態にあると判断してもよい。また、過去の所定時間の最大風速が所定値よりも大きくなった場合に、高風速状態にあると判断してもよい。

このとき、高風速状態が解消されると、モータブレーキ２９及びヨーブレーキキャリパー３２が解放されるモード（通常旋回モード）に移行する。例えば、高風速モードに移行する条件が満たされなくなった場合に通常旋回モードに移行してもよい。また、過去の所定時間の平均風速が設定値を下回る状態が所定時間継続した場合に通常旋回モードに移行してもよい。

図５は、本実施形態におけるヨー制御の例を説明するグラフである。一実施形態では、５０年ガストによってナセル３に与えられるトルク（即ち、設計上想定される最大のトルク）の絶対値を｜Ｍｚｔ｜_ＭＡＸとすると、ヨー駆動装置１２が全体として発生する駆動トルクＭｚｔ_ＡＬＬと高風速状態においてナセル３に与えられるブレーキトルクＭｚｔ_ＢＲＫとは、次の条件を満たすように調節される：
Ｍｚｔ_ＡＬＬ−Ｍｚｔ_ＢＲＫ＜｜Ｍｚｔ｜_ＭＡＸ＜Ｍｚｔ_ＡＬＬ＋Ｍｚｔ_ＢＲＫ．
・・・（１）

例えば、３つのヨー駆動装置１２が設けられる一方で、高風速状態においてナセル３に与えられる制動力（ブレーキトルク）が１つのヨー駆動装置１２が発生するトルクに設定される場合には、次式が成り立つ：
Ｍｚｔ_ＡＬＬ＝３Ｍｚｔ_ＤＲＶ， ・・・（２ａ）
Ｍｚｔ_ＢＲＫ＝Ｍｚｔ_ＤＲＶ． ・・・（２ｂ）
ここで、Ｍｚｔ_ＤＲＶは、１つのヨー駆動装置１２が発生するトルクである。

この場合、１つのヨー駆動装置１２が発生するトルクＭｚｔ_ＤＲＶ（即ち、高風速状態においてナセル３に与えられるブレーキトルク）は、次の条件を満たすように調節される：
２Ｍｚｔ_ＤＲＶ＜｜Ｍｚｔ｜_ＭＡＸ＜４Ｍｚｔ_ＤＲＶ． ・・・（３）
この場合、風によってナセル３に与えられるトルクをＭｚｔとすると、（ａ）Ｍｚｔ＜２Ｍｚｔ_ＤＲＶの場合にはナセル３が旋回し、（ｂ）２Ｍｚｔ_ＤＲＶ＜Ｍｚｔ＜４Ｍｚｔ_ＤＲＶの場合にはナセル３が静止する。いずれの場合でも、ナセル３が風によって押し戻される事態は発生しない。このように、式（１）又は式（３）を満たすようにヨー駆動装置１２が発生するトルク及び高風速状態においてナセル３に与えられるブレーキトルクを調節することにより、ナセル３が押し戻されることによるヨーモータ２８の過回転の発生を抑制することができる。

ここで、本実施形態では、低風速状態（即ち、高風速状態でない状態）においてモータブレーキ２９及びヨーブレーキキャリパー３２を作動させないことに留意されたい。これは、ヨーモータ２８の駆動力を無駄にしないためである。常に、ナセル３に制動力を与える構成では、本来のヨーモータ２８の駆動力のうちの一部しか有効に作用しない。これは、ヨーモータ２８の駆動力を不必要に増大させることになり、好ましくない。ここで、ナセル３が押し戻されることによるヨーモータ２８の過回転の問題は、高風速状態においてのみ発生する。そこで、本実施形態では、高風速状態においてのみモータブレーキ２９及びヨーブレーキキャリパー３２を作動させるので、ヨーモータ２８の駆動力が有効に利用される。

ヨー駆動装置１２の駆動力を一層に減少させたい場合には、
Ｍｚｔ_ＡＬＬ＋Ｍｚｔ_ＢＲＫ＜｜Ｍｚｔ｜_ＭＡＸ， ・・・（４）
となるような設計をしてもよい。ここで、Ｍｚｔ_ＡＬＬはヨー駆動装置１２が全体として発生する駆動トルクであり、Ｍｚｔ_ＢＲＫは、高風速状態においてナセル３に与えられるブレーキトルクであり、｜Ｍｚｔ｜_ＭＡＸは、５０年ガストによってナセル３に与えられるトルク（即ち、設計上想定される最大のトルク）の絶対値である。式（４）の条件を許容するのであれば、ヨー駆動装置１２が発生すべき総トルクを減少させることができるので、ヨー駆動装置１２を小型化し、また、コストを低減することができる。

ただし、式（４）が成り立つようにヨー駆動装置１２が設計される場合には、強風によってナセル３が押し戻されて急旋回する事態が発生しうる。このような事態に対処するためには、ナセル３の急旋回を検知する検知機構を設け、ナセル３の急旋回が検知されたときにはナセル３を固定することが好ましい。図６、図７は、ナセル３の急旋回を検知する検知機構の構成の一例を示す図である。図６、図７に図示されているように、外輪２２の歯面と噛合する急旋回検出歯車４１が設けられ、急旋回検出歯車４１が急旋回検出装置４２に取り付けられている。急旋回検出装置４２は、急旋回検出歯車４１の回転を検出する。

ナセル３が急旋回すると、急旋回検出歯車４１は急速に回転する。制御装置１４は、急旋回検出装置４２によって急旋回検出歯車４１の回転数の急増（即ち、ナセル３の急旋回）を検知すると、モータブレーキ２９とヨーブレーキキャリパー３２とを作動させてナセル３を固定する。ここで、ナセル３の急旋回の検出に応答してナセル３を固定する際にナセル３に与えられるブレーキトルクＭｚｔ_ＢＲＫ＿_ＥＭＧは、高風速状態の検出に応答してナセル３に与えられるブレーキトルク（上述のブレーキトルクＭｚｔ_ＢＲＫ）よりも大きい。ただし、Ｍｚｔ_ＢＲＫ＿_ＥＭＧは、上記の式（１）と同様の条件：
Ｍｚｔ_ＡＬＬ−Ｍｚｔ_{ＢＲＫ＿ＥＭＧ}＜｜Ｍｚｔ｜_ＭＡＸ
＜Ｍｚｔ_ＡＬＬ＋Ｍｚｔ_{ＢＲＫ＿ＥＭＧ}． ・・・（５）
を満足するように設定される。このような動作によれば、ヨー駆動装置１２が式（４）が成立するように設計されている場合でも、ナセル３が押し戻されることによるヨーモータ２８の過回転の発生を抑制することができる。なお、上述には、歯車を用いてナセル３の急旋回を検出する手法が記述されているが、ナセル３の急旋回を検出する機構として様々な機構が使用可能であることは、当業者には理解されよう。

ヨー駆動装置１２が発生する全トルクの減少を許容する場合には、コストを低減するためにヨー駆動装置１２の数を減少させることがある。ヨー駆動装置１２の数の減少は、コストの低減のための有力な手法である。しかしながら、ヨー駆動装置１２の数を減少すると、ナセル３の旋回中にナセル３に風荷重が作用したときにヨー駆動装置１２それぞれに作用する荷重が増大し、その荷重に打ち勝ってヨー旋回を実行するためにヨー駆動装置１２それぞれが出力すべき出力トルクも増大する。このとき、ヨー駆動装置１２のヨーモータ２８としてトルク制御を行わない電動機（例えば、速度制御の誘導電動機）を用いると、ヨーモータ２８の出力限界まで大きなトルクを出力してしまい、ヨー旋回に関連する機構（例えば、外輪２２に設けられた歯面、ピニオンギア２６、及び減速機２７）が機械的に損傷する恐れがある。

ヨーモータ２８の出力トルクが過大になることによるヨー旋回に関連する機構の損傷を防ぐためには、ヨーモータ２８の出力トルクを所定トルク以下に制限するトルク制限機構を設けることが好ましい。トルク制限機構は、機械的機構であっても電気的機構であってもよい。一つの手法は、図８に図示されているように、インバータ４０でヨーモータ２８を駆動すると共に、インバータ４０によってヨーモータ２８のトルク制御を行うことである。

図９は、ヨーモータ２８として誘導電動機を用いる場合のすべりｓと出力トルクの関係を示すグラフである。誘導電動機は、すべりｓ（同期速度から回転子の回転速度を減じた差）が０よりも大きい場合に出力トルクが正になる。本実施形態では、所定の点ａを超えるトルクを出力しようとする場合に、出力トルクが点ａに対応するトルクＴ_ＬＩＭに制限される。このようなトルク制御は、ヨーモータ２８をベクトル制御によって制御することによって実現可能である。

Claims (6)

1. 風車ロータが搭載されたナセルと、
   前記ナセルをヨー旋回させる駆動力を発生するヨー駆動装置と、
   前記ナセルの旋回を制動する制動力を発生する制動機構と、
   前記ヨー駆動装置と前記制動機構とを制御する制御装置と、
   風速を測定する風速測定装置
   とを備え、
   前記制御装置は、前記ヨー駆動装置によって前記ナセルを旋回させている間に前記風速に基づいて高風速状態の発生を検知した時、前記高風速状態の発生を検知したことに応答して前記制動機構によって前記ナセルに制動力を与える
   風力発電装置。
2. 請求項１に記載の風力発電装置であって、
   前記制御装置は、前記ナセルの旋回中に高風速状態の発生を検知しない場合、前記ナセルに制動力を与えないように前記制動機構を制御する
   風力発電装置。
3. 請求項１又は２に記載の風力発電装置であって、
   前記ヨー駆動装置が発生する駆動トルクＭｚｔ_ＡＬＬと、前記制動機構が発生するブレーキトルクＭｚｔ_ＢＲＫは、５０年ガストにより前記ナセルに作用するトルクの絶対値｜Ｍｚｔ｜_ＭＡＸに対して、下記関係：
   Ｍｚｔ_ＡＬＬ−Ｍｚｔ_ＢＲＫ＜｜Ｍｚｔ｜_ＭＡＸ＜Ｍｚｔ_ＡＬＬ＋Ｍｚｔ_ＢＲＫ，
   が成立するように調節されている
   風力発電装置。
4. 請求項１又は２に記載の風力発電装置であって、
   更に、風による前記ナセルの急旋回を検知する急旋回検知装置を備え、
   前記ナセルの旋回中に前記ナセルの急旋回を検知したとき、前記制御装置は、前記高風速状態の発生を検知したことに応答して与えられた制動力よりも高い制動力を前記ナセルに与えるように前記制動機構を制御する
   風力発電装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の風力発電装置であって、
   前記ヨー駆動装置は、
   ヨーモータと、
   前記ヨーモータが発生するトルクを用いて前記ナセルを旋回させる旋回機構と、
   前記ヨーモータが発生する前記トルクを制御するトルク制御装置
   とを備える
   風力発電装置。
6. ナセルを旋回させている間に風速を監視する工程と、
   前記風速に基づいて高風速状態の発生を検知し、前記高風速状態の発生を検知したことに応答して前記ナセルに制動力を与える工程
   とを備える
   風力発電装置のナセル旋回方法。

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