JP5318454B2 - 風力タービンの運転方法及び風力タービン - Google Patents

Description

本発明は、風力タービンの運転方法、特に高風速及び高乱流レベルの状況で風力タービンを運転する方法に関する。本発明は更に風力タービンにも関する。

風力タービンの運転時、高風速及び高乱流レベルの状況が生じ、風力タービンの負荷、特に風力タービンの動翼の負荷が大きくなる場合がある。かかる条件下で、風力タービンの損傷、特に風力タービンの動翼の損傷を回避するには、風力タービンに対する風力荷重を低減せねばならない。強風力条件下で風力タービンにかかる風力荷重を低減させる既存のプロセスは、風速が１つ以上の閾値を超えると、単純に風力タービンを運転停止させるものである。従って、例えば風速が約１０分間にわたって約２５ｍ／秒の値を超え、又は約３０秒間にわたって約２８ｍ／秒の値を超え、又は風速が約１秒間にわたって約３２ｍ／秒の値を超えると、風力タービンは運転停止される。

しかし、風力タービンの風力荷重は、一般に風速のみならず、乱流に関する記述子としての乱流強度に応じても発生する。概略的には、風速と乱流は静的風力荷重を規定し、ある特定の風速に関し、乱流は疲れ風力荷重を規定する。突風が約１秒間にわたり約３２ｍ／秒の風速に達すると風力タービンが運転停止される、規定の基準を満たすと風力タービンを運転停止する既存のプロセスは、部分的に乱流を考慮したものである。しかし、単一の突風だけに基づいて乱流の判断を行うのは概してあまりにも単純化しすぎる。

従って、風力タービンのオン／オフ調節の既存のプロセスによれば、仮に多くの風力タービンが動作中であって、特に乱流荷重が十分に安全限界の範囲内にあるため、送電線網に対する電力出力を維持することが可能であったとしても、疾強風状態の間、強い風速のために全領域の全ての風力タービンを運転停止させて、これらの風力タービンにかかる風力荷重を低減させることになる可能性がある。

特許文献１には、風力タービンに過荷重をかける恐れがある風速に達すると、風力タービンの電力並びにロータの動作速度を連続して低下させる風力タービンの運転方法が開示されている。風力タービンの電力及び動作速度を、風速又は付随する流速の上昇に応じて低下させる。この方法によれば、強風による影響を受ける風力タービンの電力出力が部分的に低下させるだけであるため、風力タービンの全領域にわたる運転停止を回避できる。しかし、この方法では、乱流、従って風力タービンの荷重を決定する重要なパラメータが考慮されていない。

特許文献２には、所定の値を超える変数に応答してロータ速度及び／又は発電機の電力を低下させる風力タービン及び風力タービンの運転方法が開示されている。変数には、例えばタービンの主軸の水平方向に対する風向、風の乱流又はタービンの構成部品に取り付けられた１つ以上のセンサによって検知される他の変数がある。

特許文献３には、局地的条件及び気象条件に応じて生じるタービンの現在の荷重及び／又は応力の直接的又は間接的定量化に利用される測定値を検出するためのセンサ手段を含む風力発電所のための制御システムが開示されている。前記検出手段の下流には、公称風速範囲内の風の場合と強い風速の場合の両方において、現在の運転条件下における最適な経済的効率を達成するために、風力発電所の最適化条件において必要な電力低下を制限することを目的とした働きをする電子信号処理システムが設けられている。

特許文献４には、流動媒体のフローデータを処理及び／又は予測するための方法が開示されている。媒体の１つの位置又は様々な位置で連続して逐次測定された、媒体の速度に関して特徴を示す少なくとも１つの流れパラメータの値から、各後続流れパラメータに関する予測値を生成するための局所的に一定の位相空間モデルに基づく非線形決定論的予測手順を施される、時系列が形成され、更新される。予測値が流速の差し迫った変化に関する特徴を示す場合には、所定の制御信号が発生する。とりわけ風力発電機の場合、風速計が絶えず風速を測定する。それから導き出される風速又は風量は、風速の現在の測定値とある期間にわたる平均との偏差と同様、所定の参照基準と比較される特性予測値を作成するために処理を受ける。比較中に、予測された突風が確認されると、風力発電機は減速状態で運転される。
欧州特許第０８４７４９６号明細書 米国特許出願公開第２００７／００１８４５７号明細書 米国特許出願公開第２００３／０１２７８６２号明細書 米国特許出願公開第２００３／０１６０４５７号明細書

本発明の目的は、特に強風条件において風力タービンの不必要な運転停止をなるべく回避できるようにして、冒頭で述べた方法及び風力タービンを提供することにある。

この目的は、本発明によれば風力タービンに影響する風力荷重を低減すべく、少なくとも平均風速からの風速の偏差に基づき風力タービンのロータの回転速度及び／又は送電線網に対する風力タービンの電力出力を低下させ、かつ平均風速からの風速の偏差が閾値に達するかそれを超えると、平均風速からの風速の偏差に応じて風力タービンのロータの回転速度及び／又は電力出力を低下させる風力タービンの運転方法により実現される。

本発明の方法によれば、風速だけでなく、例えばある特定時間期間にわたる平均としての又は時間経過につれて急激に低下する平均風速からの風速の偏差も、風力荷重を低減させるため、風力タービンのロータの回転速度及び／又は電力出力を低下させねばならないか否か、又は風力タービンを運転停止せねばならないか否かを判断するための値として用いると望ましい。それによって発明者が認識したのは、平均風速からの風速の偏差が風の状態の結果として生じる風力荷重の比較的正確な記述子であるということである。従って平均風速からの風速の偏差は、比較的優れた判断基準である。更に、判断基準として平均風速からの風速の偏差を用いると、何回かにわたる単一の突風によるロータの回転速度及び／又は送電線網への電力出力の低下や不必要な風力タービンの運転停止さえ回避可能となる。本発明の方法では、風速又は付随する流速のみを取扱う方法に比べ、更にロータの回転速度及び／又は送電線網への電力出力を必要になる前に低下させるのを回避できる。本発明の方法は平均速度からの風速の偏差を取り扱うので、風力タービンは、特に疾強風条件下で、ロータの回転速度及び／又は電力出力の低下が生じるまでロータの公称回転速度及び／又は公称電力出力でより長く運転することが可能になる。その結果、平均速度からの風速の偏差値を連続的又は離散的に求めることができる。

低下開始に関する上述の閾値は、概して適格な閾値である。閾値は、特定タイプの風力タービンに合わせてそれぞれ決定するのが望ましい。例えばコンピュータシミュレーションや現場計測により、十分な閾値を決定することが可能である。

平均風速からの風速の偏差と、ロータの回転速度及び／又は送電線網への電力出力の低下との関数関係は、風力タービンの各形式に適応させつつ、風力タービンの操作者が決定又は規定できる。風力タービンのロータの回転速度及び／又は電力出力は、平均風速からの風速の偏差がある特定の閾値又はそれ以上になると、平均風速からの風速の偏差に応じ風力タービンのロータの回転速度の公称値及び／又は電力出力の公称値から低下させるとよい。

平均風速からの風速の偏差は、従って、本発明の変形実施形態の１つによれば風速の明確に定義された標準偏差である。

本発明のもう１つの変形実施形態によれば、平均風速からの風速の偏差を、平均風速と瞬時風速を考慮して繰返し求める。平均風速からの風速の偏差は、下記方程式による偏差の和として求めるのが望ましい。
Ｄ_n＝Ｃ×ｎｕｍ（Ｖ_inst,n−Ｖ_av,n）＋（１−Ｃ）×Ｄ_n-1 （１）
Ｖ_av,n＝Ｃ×Ｖ_inst,n＋（１−Ｃ）×Ｖ_av,n-1 （２）
ここで、
Ｄ_n はｎ番目の計算ステップにおける偏差の和、
Ｄ_n-1 はその前の計算ステップにおける偏差の和、
Ｖ_av,n はｎ番目の計算ステップにおける平均風速、
Ｖ_av,n-1 はその前の計算ステップにおける平均風速、
Ｖ_inst,n はｎ番目の計算ステップにおける瞬間風速、
Ｃ は０と１の間の数である定数、そして
ｎｕｍ は数値である。

従って、平均風速からの風速の偏差は、例えば厳密に標準偏差の数学的定義に従って又は更新された偏差の和として連続して又は離散的に求めることができる。従って、定数Ｃは各形式の風力タービンに適応させるのが望ましい指数関数的平均定数となし得る。上述のように、標準偏差又は偏差の和が規定の閾値に達するか又はそれを超えると、ロータの回転速度及び／又は電力出力が低下する。

本発明のもう１つの発展形態では、風力タービンのロータの回転速度及び／又は電力出力を、例えば平均風向からの風向の偏差等の少なくとももう１つの気象パラメータを考慮して低下させる。平均風向からの風向の偏差は、風向の標準偏差として決定できる。

本発明の実施形態の１つによれば、少なくとも１つの荷重値又は損傷因子を決定する。特に荷重値は、少なくとも、平均風速からの風速の偏差、即ち風速の標準偏差、選択的に風速の平均値及び／又は平均風向からの風向の偏差、即ち風向の標準偏差及び／又は適用可能な他の関連気象パラメータを含む適切な気象パラメータの関数として決定する。

荷重値と少なくとも１つの気象パラメータとの関係は、空力弾性コンピュータシミュレーション及び／又は荷重の現場計測の結果として予め決定することが望ましい。

荷重値と少なくとも１つの気象パラメータの関係は、調整プロセスにおいて少なくとも１つの変換器により得られる少なくとも１つの測定値に基づき決定することもできる。調整プロセスは、少なくとも１つの変換器により得られる測定値に基づく現在及び／又は記憶されている荷重情報を用い、前記関係を自己調整又は自己決定する一種の学習プロセスである。変換器は、例えば加速度計又は歪みゲージとなし得る。一般に、複数のこうした変換器は、例えば適切な測定値を得るため風力タービンの動翼に取り付けられる。

本発明の実施形態の１つでは、荷重値が荷重閾値に達するかそれを超えると、風力タービンのロータの回転速度及び／又は電力出力を低下させる。荷重値がある特定の荷重閾値に達するかそれを超えると、風力タービンのロータの回転速度及び／又は電力出力を、前述の気象パラメータの１つ以上から導き出した荷重値に応じ、風力タービンのロータの回転速度の公称値及び／又は電力出力の公称値から低下させるのが望ましい。

本発明の目的は、例えば解説の方法の１つを実行するように調整されたタービンコントローラ等の計算機を含む風力タービンによっても達成できる。タービンコントローラ又はタービンコントローラの記憶装置には、解説の方法の１つを実行するための各コンピュータプログラム又は各コンピュータプログラムモジュールが含まれている。

本発明について、以下では図面を参照して更に詳述する。

図１と２は、本発明による風力タービン１の概略を異なる図で示す。タービン１は、タワー２、ナセル３及び３ピッチ制御動翼５を備えたハブ４を含むロータからなる。発電機１０と風力タービンコントローラ６の形態の計算機がナセル３内部に配置されている。更に風力タービン１は、瞬間風速と風向を測定するための測定装置７を含む。タービンコントローラ６と測定装置７は、互いに電気的に接続されている。従って風力タービンコントローラ６は、測定装置７から瞬間風速及び風向を絶えず受信する。風力タービンコントローラ６は、例えば発電機１０及び動翼５のピッチコントローラ、ロータブレーキ、ヨーシステム等の風力タービン１の他の装置（図示せず）にも電気的に接続されている。

風力タービンコントローラ６の記憶装置又は風力タービンコントローラ６は、特に風速及び乱流レベルが高い状況における風力タービン１の運転の制御方法又は制御アルゴリズムに関するプログラム又は１つ又は幾つかのプログラムモジュールを含んでいる。風力タービンコントローラ６が、特にこの制御プログラム又はこれらのプログラムモジュールによって動作するか、或いはこの制御プログラム又はこれらのプログラムモジュールが強風条件下にある風力タービンコントローラ６にロードされる。

風速と乱流強度の高い条件下で、風力タービン１、特に風力タービン１の動翼５に対する風力荷重は急激に増大する。従って風力タービン１に対する風力荷重は低減させるが、風力タービン１の不必要な又はあまりに早い運転停止は回避することが必須である。即ち従来の装備又は調整された風力タービンの場合、全乱流荷重が十分に安全限界内にあるため、それらの多くが送電線網への電力供給を維持することが可能でも、既に強い平均風速下での何回かにわたる単一の突風の結果として運転停止になることがよくあった。

風力タービンコントローラ６により実行する本発明の方法によれば、強風条件下での風力タービン１の運転、調整及び／又は制御は、測定装置７により測定した平均又は瞬間風速だけでなく、本発明では平均風速からの風速の偏差にも基づくことになる。従って、風速は測定装置７で測定し、平均風速からの風速の偏差はタービンコントローラ６により計算する。プログラムされたタービンコントローラ６は、風速の数学的に明確な標準偏差を計算するのが望ましい。しかし、風力タービンコントローラ６は、下記の方程式に従って偏差の和も繰返し計算することが可能である。
Ｄ_n＝Ｃ×ｎｕｍ（Ｖ_inst,n−Ｖ_av,n）＋（１−Ｃ）×Ｄ_n-1 （１）
Ｖ_av,n＝Ｃ×Ｖ_inst,n＋（１−Ｃ）×Ｖ_av,n-1 （２）
ここで、
Ｄ_n はｎ番目の計算ステップにおける偏差の和、
Ｄ_n-1 はその前の計算ステップにおける偏差の和、
Ｖ_av,n はｎ番目の計算ステップにおける平均風速、
Ｖ_av,n-1 はその前の計算ステップにおける平均風速、
Ｖ_inst,n はｎ番目の計算ステップにおける瞬間風速、
Ｃ は０と１の間の数である定数、そして
ｎｕｍ は数値である。

本発明の本実施形態の場合、風速の標準偏差又は偏差の和Ｄ_nが、偏差の適格な閾値に達するか又はそれを超えると、ロータの最大回転速度及び／又は風力タービン１の送電線網に対する最大電力出力を、風速の標準偏差又は偏差の和Ｄ_nに応じて公称値から低下させる。このロータの回転速度及び／又は電力出力の低下の結果として、風力タービン１に対する風力荷重が低減するが、風力タービン１は依然として運転状態にある。風速の標準偏差又は偏差の和を利用することで、ロータの回転速度及び／又は電力出力の公称値からのあまりに早すぎる低下や、風力タービン１のあまりに早すぎる運転停止及び／又は不必要な運転停止を回避することができる。十分な閾値の決定又は規定は、例えばコンピュータシミュレーションを用いた理論的検討の結果や、例えば調整プロセス中に動翼５に取り付けられ、風力タービンコントローラ６に電気的に接続された、例えば加速度計８及び／又は歪みゲージ９等の変換器を用いた実験現場計測の結果となし得る。例えば動翼５の加速度又は曲げモーメントの形をとる動翼５の風力荷重は、変換器の値に基づき、様々な風の条件下において風力タービンコントローラ６によって決定又は検討でき、同時に計算した風速の標準偏差又は偏差の和と比較できる。この比較結果に基づき、十分な閾値の決定、規定又は選択が可能になる。

また、平均風速からの風速の偏差と、ロータの回転速度の低下及び／又は送電線網に対する電力出力の低下との関数関係は、平均風速からの風速の偏差と風力タービンにかかる風力荷重の関係を考慮した理論的検討及び／又は実験計測の結果となし得る。

図３は、特に平均風速からの風速の偏差が規定の閾値に達するか又はそれを超える場合の、各々風速の標準偏差の関数或いは偏差の和の関数として、各場合における風力タービン１のロータの回転速度の特性線及び電力出力の特性線を典型例として示す。本実施形態の場合、ロータの回転速度及び電力出力を連続して低下させる。しかし、段階的に低下させることもできる。

本発明のもう１つの発展形態では、少なくとも１つの荷重値又は損傷因子が、例えば少なくとも平均風速からの風速の偏差、即ち風速の標準偏差を含み、風速の平均値、平均風向からの風向の偏差、即ち風向の標準偏差、適用可能なら更に他の関連気象パラメータをも含み得る適切な気象パラメータの関数として決定する。

本発明の本実施形態では、荷重値が適格な閾荷重値に達するかそれを超えると、ロータの最大回転速度及び／又は風力タービン１の送電線網への最大電力出力を、荷重値に応じて公称値から低下させる。荷重値に基づくロータの回転速度及び／又は最大電力出力の低下は、図３の如く連続的な場合もあれば、段階的な低下もある。前述の同等の方法では、風力タービン１のロータの回転速度及び／又は送電線網に対する電力出力、従って風力タービン１に対する風力荷重が低下するが、風力タービン１は依然として運転状態にある。従ってロータの回転速度及び／又は電力出力の公称値からのあまりに早い低下や、風力タービン１のあまりに早い運転停止及び／又は不必要な運転停止を回避し得る。

荷重値と少なくとも１つの気象パラメータの関係は、空力弾性シミュレーション又は荷重の現場計測の結果として予め決定できる。例えば動翼５の加速度又は曲げモーメントの形をとる動翼５の風力荷重は、加速度計８及び／又は歪みゲージ９等の変換器で得られる測定値に基づき、様々な風の条件下において風力タービンコントローラ６によって決定又は検討でき、測定装置７の測定値から導き出され、同時に決定される気象パラメータと比較可能である。従って、少なくとも１つの気象パラメータに関連して様々な荷重値を決定し、又は少なくとも１つの気象パラメータの関数として荷重値を決定することもできる。この関係も、風力タービンコントローラ６による自己調整又は学習プロセスの結果となし得る。実際には、風力タービンコントローラ６には、例えばある特定の荷重値がある特定の気象パラメータに属するか、又は風速の標準偏差、風速の平均値、風向の標準偏差及び選択的に風の変動性を記述する他の気象パラメータ等の様々な気象パラメータの特定の組又は組合せに属するルックアップテーブルを含むことができる。

十分な閾荷重値の決定や規定は、同じく、例えばコンピュータシミュレーションを用いた理論的検討又は実験現場計測の結果とすることができる。

同様に、荷重値とロータの回転速度の低下及び／又は送電線網への電力出力の低下との関数関係は理論的検討及び／又は実験現場計測の結果となし得る。

風力タービン１のロータ回転速度の低下及び／又は送電線網への電力出力の低下は、動翼５のブレードピッチ角の変更で実現できる。ピッチ制御は、風力タービンコントローラ６又は風力タービンコントローラ６と連絡をとるピッチコントローラにより実施し得る。

一般に、加速度計８及び歪みゲージ９の形態をなす変換器は、調整又は学習プロセス中に基準荷重値を収集すべく動翼５に取り付けられるだけである。風力タービンの通常運転中は、こうした変換器が動翼に取り付けられることはない。

本発明は、強風条件下での風力タービンのロータの回転速度及び／又は風力タービンの送電線網に対する電力出力の低下が、風速のみならず、平均風速からの風速の偏差と、場合により風力荷重に直接影響するその他の気象パラメータにも基づくという利点がある。本発明によれば、ある地域の独立型風力タービン又はウインドファームの風力タービンが同じ瞬間に運転停止になるのを回避できる。このため、送電線網に対する風力の最大通過率に関する限界が増し、送電線網における予備電力の需要が減少する結果となる。強い風速での完全運転停止が減少するので、送電線網に対する風力タービンの全エネルギ又は電力出力が増大することになる。

風力タービンの概略を示す正面図である。 図１の風力タービンの側面図である。 平均風速からの風速の偏差又は荷重値の関数として各場合における風力タービンのロータの回転速度の特性線及び送電線網に対する電力出力の特性線を示す概略図である。

符号の説明

１ 風力タービン、２ タワー、３ ナセル、４ ハブ、５ 動翼、６ 風力タービンコントローラ、７ 測定装置、８ 加速度計、９ 歪みゲージ、１０ 発電機

Claims (13)

1. 風力タービン（１）の運転方法であって、
   前記風力タービン（１）に影響する風力荷重を低減するため、少なくとも下記の方程式に従って求める平均風速からの風速の偏差の和Ｄ _ｎ に基づいて前記風力タービン（１）のロータ（４，５）の回転速度及び前記風力タービン（１）の電力出力の少なくとも一方を低下させることを含み、
   前記偏差の和Ｄ _ｎ が閾値に達するか又はそれを超えると、当該偏差の和Ｄ _ｎ に応じて前記ロータ（４，５）の回転速度及び前記風力タービン（１）の電力出力の少なくとも一方を低下させることを特徴とする方法。
   Ｄ_ｎ＝Ｃ×ｎｕｍ（Ｖ_{ｉｎｓｔ，ｎ}−Ｖ_ａｖ，ｎ）＋（１−Ｃ）×Ｄ_ｎ−１
   Ｖ_ａｖ，ｎ＝Ｃ×Ｖ_{ｉｎｓｔ，ｎ}＋（１−Ｃ）×Ｖ_{ａｖ，ｎ−１}
   ここで、
   Ｄ_ｎ はｎ番目の計算ステップにおける偏差の和、
   Ｄ_ｎ−１ はその前の計算ステップにおける偏差の和、
   Ｖ_ａｖ，ｎ はｎ番目の計算ステップにおける平均風速、
   Ｖ_{ａｖ，ｎ−１} はその前の計算ステップにおける平均風速、
   Ｖ_{ｉｎｓｔ，ｎ} はｎ番目の計算ステップにおける瞬間風速、
   Ｃ は０と１の間の数である定数、そして
   ｎｕｍは数値である。
2. 前記平均風速からの風速の偏差を標準偏差として求めることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記平均風速からの風速の偏差を、平均風速及び瞬間風速を考慮して繰返し求めることを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 前記ロータ（４，５）の回転速度及び前記風力タービン（１）の電力出力の少なくとも一方を、少なくとももう１つの気象パラメータを考慮して低下させることを特徴とする請求項１から３の１つに記載の方法。
5. 前記少なくとももう１つの気象パラメータが平均風向からの風向の偏差であることを特徴とする請求項４記載の方法。
6. 前記平均風向からの風向の偏差を標準偏差として求めることを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 少なくとも１つの荷重値を求めることを特徴とする請求項１から６の１つに記載の方法。
8. 前記荷重値と少なくとも１つの気象パラメータの関係をシミュレーション及び荷重の現場計測のいずれか又は両方によって求めることを特徴とする請求項７記載の方法。
9. 前記荷重値と少なくとも１つの気象パラメータの関係を、調整プロセスにおいて少なくとも１つの変換器（８，９）によって得られる少なくとも１つの測定値に基づいて求めることを特徴とする請求項７又は８記載の方法。
10. 前記変換器が加速度計（８）又は歪みゲージ（９）であることを特徴とする請求項９記載の方法。
11. 前記荷重値が閾荷重値に達するか又はそれを超えると、前記ロータ（４，５）の回転速度及び前記風力タービン（１）の電力出力の少なくとも一方を低下させることを特徴とする請求項７から１０の１つに記載の方法。
12. 前記ロータ（４，５）の回転速度及び前記風力タービン（１）の電力出力の少なくとも一方を、前記荷重値に応じて低下させることを特徴とする請求項７から１１の１つに記載の方法。
13. 請求項１から１２の１つに記載の方法を実行するように調整された計算機（６）を含む風力タービン。

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