JP6058029B2 - 制御装置及び方法並びにプログラム、それを備えた浮体式風力発電装置 - Google Patents
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Description
例えば、下記特許文献1では、浮体式洋上風力発電装置において、基礎のヨー角と、タービンとタワーの相対角(ヨー角)とを検出し、基礎のヨー角を低減させるようにヨー駆動装置を制御する技術が提案されている。
本発明の第1の態様は、複数の風車翼に風力を受けて回転するロータヘッドが設けられるナセルを上端に備えるタワーに対して前記ナセルをヨー旋回させるヨー駆動装置と、前記風車翼を駆動してピッチ角を制御するピッチ角制御部とを具備する浮体式風力発電装置の制御装置であって、
前記風車翼の回転面の垂直方向に対する風向偏差を検出する第1センサにより検出される信号が、前記風車翼の回転面の垂直方向から所定範囲内の角度となるように、前記ナセルと前記タワーの相対角度を検出する第2センサと、前記タワーの基準位置からのヨー角度を検出する第3センサとから検出された信号に基づいて算出されるピッチ角指令値により前記ピッチ角制御部を制御し、前記第2センサと前記第3センサとから検出された信号に基づいて算出されるヨー駆動指令値により前記ヨー駆動装置を制御する浮体式風力発電装置の制御装置である。
このように、ヨー駆動装置と風車翼のピッチ角制御とを組み合わせ、風車翼の回転面のヨー角度制御をすることで、風車翼の回転面と風向の偏差とを小さく抑え、風エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換することができる。
このように、風車翼のピッチ角を独立に動かし、モーメントを発生させることにより、風車翼の回転面と風向の偏差を小さく抑える場合には、風エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換することができる。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る風車(浮体式風力発電装置)1の概略構成を示した図である。
風車1は、図1に示されるように、海面5の洋上に浮かぶ浮体構造の基礎11と、基礎上に設置されるタワー12と、タワー12の上端に設置されるナセル13と、略水平な軸線周りに回転可能にしてナセル13に設けられるロータヘッド14と、ヨー駆動装置17と、ピッチ角制御部18と、風速風向計(第1センサ)16と、第2センサaと、第3センサbと、制御装置10とを有している。また、基礎11は、海底3と係留索4を介して接続されている。ロータヘッド14には、その回転軸線周りに放射状に3枚の風車翼15が取り付けられている。これにより、ロータヘッド14の回転軸線方向から風車翼15に当たった風の力が、ロータヘッド14を回転軸線周りに回転させる動力に変換され、この動力が風車1に設けられた発電設備(図示略)によって電気エネルギーに変換されるようになっている。また、風車翼15が回転軸線周りに回転した場合の風車翼15によって形成される面を風車翼15の回転面とする。
また、タワー12のナセル13との接続部分には、ヨー駆動装置17が設けられている。ヨー駆動装置17は、制御装置10から取得するヨー駆動指令値に基づいて、ナセル13をヨー旋回させる。また、ピッチ角制御部18は、ロータヘッド14に取り付けられる3枚の風車翼15のそれぞれのピッチ角を制御する。
第3センサbは、タワー12の基準位置からのヨー角度を検出する。本実施形態においては、タワー12は基礎11に設けられているので、第3センサbは、基礎11の基準位置からのヨー角度を基礎ヨー角として検出することとする。
ここで、図2は、本実施形態に係る風車1の上面図を示している。
図2の紙面右側を、基礎11の基準位置(基準方位)とした場合に、基準位置からの基礎11のずれが、タワー12の基準位置からの基礎ヨー角zとして検出される(第3センサb)。また、ロータヘッド14の回転軸と風向との偏差を風向偏差xとして検出される(風速風向計16)。ナセル13とタワー12の相対角度は、ロータヘッド14の回転軸と基礎11の基準位置のずれとによりタービンヨー角yとして検出される(第2センサa)。
ロータヘッド14の回転軸線方向から風車翼15に風が当たると、風速風向計16により回転軸からの風向偏差xが検出され、制御装置10に出力される(図4のステップSA1)。第2センサaにより、ナセル13とタワー12の相対角度がタービンヨー角yとして検出され、制御装置10に出力される(図4のステップSA2)。第3センサbにより、基礎ヨー角zが検出され、制御装置10に出力される(図4のステップSA3)。風向偏差xが、風車翼15の回転面の垂直方向(ロータヘッド14の回転軸方向)から所定範囲Aより大きい角度であるか否かが判定され(図4のステップSA4)、所定範囲内の角度であると判定された場合には、ヨー駆動装置を停止させるヨー駆動装置停止指令が出力され(図5のステップSA11)、図5のステップSA9に進む。
ピッチ角制御部18は、ピッチ角指令値θに基づいて各風車翼15のピッチ角を制御し、ヨー駆動装置17は、ヨー駆動指令値に基づいてナセル13を旋回させる。
次に、本発明の第2の実施形態について、図6を用いて説明する。
本実施形態に係る浮体式風力発電装置の制御装置は、風車翼がチルト角を有している点で、上記第1の実施形態と異なる。以下、本実施形態の制御装置について、第1の実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。
風車1´は、図6に示されるように、洋上に浮かぶ浮体構造の基礎11と、基礎上に設置されるタワー12と、タワー12の上端に設置されるナセル13と、略水平な軸線周りに回転可能にしてナセル13に設けられるロータヘッド14と、ピッチ角制御部18と、第4センサdと、制御装置10´を有している。また、基礎11は、海底3と係留索4を介して接続されている。ロータヘッド14には、その回転軸線周りに放射状に3枚の風車翼15が取り付けられている。これにより、ロータヘッド14の回転軸線方向から風車翼15に当たった風の力が、ロータヘッド14を回転軸線周りに回転させる動力に変換され、この動力が風車1に設けられた発電設備(図示略)によって電気エネルギーに変換されるようになっている。また、風車翼15が回転軸線周りに回転した場合の風車翼15によって形成される面を風車翼15の回転面とする。本実施形態に係る風車1´は、図7に示されるように、水平面とロータヘッド14の回転軸線との間の角度であるチルト角(例えば、5度)を有しており、チルト角の分、回転面が上向きになっている。
ロータヘッド14の回転軸線方向から風車翼15に風が当たると、第4センサにより、水平面に対する垂直軸とタワー12との角度であるタービンピッチ角が検出される(図8のステップSB1)。最も効率的に風を受けられるタービンピッチ角と、検出されたタービンピッチ角との偏差であるタービンピッチ角偏差が推定され(図8のステップSB2)、タービンピッチ角偏差の時間平均処理がなされる(図8のステップSB3)。時間平均処理後のタービンピッチ角偏差が、所定範囲Bより大きいか否かが判定され(図8のステップSB4)、タービンピッチ角偏差が所定範囲以下と判定された場合には、図8のステップSB8に進む。
このように、風車翼15のピッチ角を独立に動かし、モーメントを発生させ、風車翼15の回転面と風向の偏差を小さく抑えることにより、風エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換することができる。
10、10´ 制御装置
16 風速風向計(第1センサ)
17 ヨー駆動装置
18 ピッチ角制御部
a 第2センサ
b 第3センサ
d 第4センサ
Claims (9)
- 複数の風車翼に風力を受けて回転するロータヘッドが設けられるナセルを上端に備えるタワーに対して前記ナセルをヨー旋回させるヨー駆動装置と、前記風車翼を駆動してピッチ角を制御するピッチ角制御部とを具備する浮体式風力発電装置の制御装置であって、
前記風車翼の回転面の垂直方向に対する風向の角度差である風向偏差を検出する第1センサにより検出される信号が、前記風車翼の回転面の垂直方向から所定範囲内の角度となるように、前記ナセルと前記タワーの相対角度を検出する第2センサと、前記タワーの基準位置からのヨー角度を検出する第3センサとから検出された信号に基づいて算出されるピッチ角指令値により前記ピッチ角制御部を制御し、前記第2センサと前記第3センサとから検出された信号に基づいて算出されるヨー駆動指令値により前記ヨー駆動装置を制御する
浮体式風力発電装置の制御装置。 - 水平面と主軸との間の角度であるチルト角を有する浮体式風力発電装置の制御装置であって、
水平面に対する垂直軸と複数の風車翼に風力を受けて回転するロータヘッドが設けられる前記ナセルを上端に備えるタワーとの角度であるタービンピッチ角を検出する第4センサにより検出される信号が、所定範囲内の角度となるように、各前記風車翼のピッチ角を制御する前記ピッチ角指令値によって前記ピッチ角制御部を制御する請求項1に記載の浮体式風力発電装置の制御装置。 - 前記浮体式風力発電装置は、洋上に浮かぶ浮体構造の基礎と、前記基礎上に設置されるタワーとを設ける請求項1または請求項2に記載の浮体式風力発電装置の制御装置。
- 前記浮体式風力発電装置は、洋上に浮かぶタワーを設ける請求項1または請求項2に記載の浮体式風力発電装置の制御装置。
- 請求項1から請求項4のいずれかに記載の制御装置と、浮体式風力発電装置とを備えたウィンドファーム。
- 複数の風車翼に風力を受けて回転するロータヘッドが設けられるナセルを上端に備えるタワーに対して前記ナセルをヨー旋回させるヨー駆動装置と、前記風車翼を駆動してピッチ角を制御するピッチ角制御部とを具備する浮体式風力発電装置の制御方法であって、
前記風車翼の回転面の垂直方向に対する風向の角度差である風向偏差を検出する第1センサにより検出される信号が、前記風車翼の回転面の垂直方向から所定範囲内の角度となるように、前記ナセルと前記タワーの相対角度を検出する第2センサと、前記タワーの基準位置からのヨー角度を検出する第3センサとから検出された信号に基づいて算出されるピッチ角指令値により前記ピッチ角制御部を制御し、前記第2センサと前記第3センサとから検出された信号に基づいて算出されるヨー駆動指令値により前記ヨー駆動装置を制御する
浮体式風力発電装置の制御方法。 - 複数の風車翼に風力を受けて回転するロータヘッドが設けられるナセルを上端に備えるタワーに対して前記ナセルをヨー旋回させるヨー駆動装置と、前記風車翼を駆動してピッチ角を制御するピッチ角制御部とを具備する浮体式風力発電装置の制御プログラムであって、
前記風車翼の回転面の垂直方向に対する風向の角度差である風向偏差を検出する第1センサにより検出される信号が、前記風車翼の回転面の垂直方向から所定範囲内の角度となるように、前記ナセルと前記タワーの相対角度を検出する第2センサと、前記タワーの基準位置からのヨー角度を検出する第3センサとから検出された信号に基づいて算出されるピッチ角指令値により前記ピッチ角制御部を制御し、前記第2センサと前記第3センサとから検出された信号に基づいて算出されるヨー駆動指令値により前記ヨー駆動装置を制御する
浮体式風力発電装置の制御プログラム。 - 水平面と主軸との間の角度であるチルト角を有する浮体式風力発電装置の制御方法であって、
水平面に対する垂直軸と複数の風車翼に風力を受けて回転するロータヘッドが設けられる前記ナセルを上端に備えるタワーとの角度であるタービンピッチ角を検出する第4センサにより検出される信号が、所定範囲内の角度となるように、各前記風車翼のピッチ角を制御する前記ピッチ角指令値によって前記ピッチ角制御部を制御する請求項6に記載の浮体式風力発電装置の制御方法。 - 水平面と主軸との間の角度であるチルト角を有する浮体式風力発電装置の制御プログラムであって、
水平面に対する垂直軸と複数の風車翼に風力を受けて回転するロータヘッドが設けられる前記ナセルを上端に備えるタワーとの角度であるタービンピッチ角を検出する第4センサにより検出される信号が、所定範囲内の角度となるように、各前記風車翼のピッチ角を制御する前記ピッチ角指令値によって前記ピッチ角制御部を制御する請求項7に記載の浮体式風力発電装置の制御プログラム。
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