JP6421134B2 - 風力発電装置及びその運転方法 - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1には、風速が臨界風速(critical wind velocity)以上の高風速域において風力運転装置を継続して運転するための方法が開示されている。特許文献1に記載の運転方法では、風速が臨界風速以上の高風速域において、風車翼のピッチ角を制御することにより、風速に応じて出力を不連続に減少させることが開示されている。
この点において、特許文献1に記載の風力発電装置では、風車翼の荷重を抑制する際に、地形などの周囲環境を考慮することについては何ら記載されていない。
風車翼を有する風車ロータを含む風力発電装置の運転方法であって、
前記風車ロータが受ける風の風向を取得するステップと、
前記風車ロータが受ける風の風速又は前記風速の乱れ度の指標の少なくとも一方を取得するステップと、
前記風速又は前記乱れ度の指標の前記少なくとも一方が閾値以上であるか否かに基づいて、通常運転モードと、前記通常運転モードよりも前記風車翼に作用する荷重が小さい1以上の荷重抑制運転モードと、を含む複数の運転モードから前記風力発電装置の運転モードを選択するステップと、を備え、
前記風速又は前記乱れ度の指標の前記少なくとも一方の前記閾値は、前記風向に応じて可変である。
一方、ロータ面内における風速分布は、風力発電装置の周囲の環境(例えば周囲の地形や周囲に配置された他の風力発電装置)の影響を受ける。このため、同一の風速及び風速の乱れ度であっても、風向によって、風車翼の荷重又は変動荷重が変化し得る。
この点、上記(1)の方法では、風速又は風速の乱れ度の指標の閾値を風向に応じて可変としたので、風速又は風速の乱れ度の閾値を風向によらず一定とする場合に比べて、運転モードを風向に応じてより適切に選択することができる。これにより、例えばロータ面内におけるウインドシアが大きい傾向にある特定の風向では、風速又は風速の乱れ度の指標の閾値を比較的小さく設定することで、該特定の風向における風車翼の荷重又は変動荷重を適切に低減することができる。よって、風車の構成部品に作用する荷重を低減し、風車翼のタワーへの接触や風車翼等の損傷の発生を適切に抑制することができる。一方、例えばロータ面内におけるウインドシアが小さい傾向にある他の風向では、風速又は風速の乱れ度の指標の閾値を比較的大きく設定することで、該特定の風向において、風力発電装置の発電の機会を増やすことができる。
前記風速又は前記乱れ度の指標を取得するステップでは、前記乱れ度の指標を少なくとも取得し、
前記風力発電装置の前記風向が第1範囲内である場合における、前記乱れ度の指標の前記閾値をXthとしたとき、前記風向が、前記第1範囲以外の少なくとも一部の範囲である第2範囲である場合における、前記乱れ度の指標の前記閾値はk×Xth(但し、0≦k<1)である。
ロータ面内における風速分布の乱れは、風向(ナセル方位)に応じて異なる場合がある。この点、上記(2)の方法では、風向が第1範囲とは異なる第2範囲内にある場合において、乱れ度の指標の閾値を、第1範囲での閾値Xthよりも小さい閾値k×Xth(但し、0≦k<1)としている。よって、風向が第2範囲内にある場合に、第1範囲内にある場合に比べて、乱れ度が比較的小さい場合であっても荷重抑制運転モードが選択され得る。このように、第1範囲の閾値Xthを基準としてこれをk倍して第2範囲の閾値k×Xthを設定することで、ロータ面内における風速分布の乱れが大きくなる傾向を有する風向の範囲(第2範囲)において比較小さい閾値を設定することができ、これにより、風力発電装置の運転モードをより適切に選択することができる。
前記第2範囲は、前記風力発電装置の周囲の風力発電装置又は前記風力発電装置を取り巻く地形により、前記第1範囲に比べて風車ロータに向かう風の気流の乱れが大きくなる範囲である。
上記(3)の方法によれば、風力発電装置の周囲の風力発電装置又は風力発電装置を取り巻く地形により、第1範囲に比べて風車ロータに向かう風の気流の乱れ(例えば、ウインドシア、斜流、又は渦の発生等)が大きくなる範囲を第2範囲としている。よって、風車ロータに向かう風の気流の乱れが比較的大きい第2範囲において比較小さい閾値が設定されるので、これにより風力発電装置の運転モードをより適切に選択することができる。
前記風速又は前記乱れ度の指標を取得するステップでは、前記風速と前記乱れ度の指標との両方を取得し、
前記運転モードを選択するステップでは、前記風速又は前記乱れ度の指標の少なくとも一方が閾値以上である場合に、前記1以上の荷重抑制運転モードの何れかを選択する。
上記(4)の方法によれば、風速が閾値以上である場合又は風速の乱れ度の指標のうち、何れか一方でも閾値以上である場合に荷重抑制運転モードを選択する。このように、風車翼の荷重又は変動荷重に関する複数の指標に基づいて運転モードを選択することで、風車翼に作用する荷重をより効果的に低減することができる。よって、風車の構成部品に作用する荷重を低減して、風車翼のタワーへの接触や風車翼等の損傷の発生をより効果的に抑制しながら、風力発電装置の発電の機会を増やすことができる。
前記風車翼に作用する荷重を取得するステップをさらに備え、
前記運転モードを選択するステップでは、さらに、前記荷重が閾値以上であるか否かに基づいて、前記複数の運転モードから前記風力発電装置の運転モードを選択する。
上記(5)の方法によれば、風速又は風速の乱れ度の指標が閾値以上であるか否かに加えて、風車翼に作用する荷重が閾値以上であるか否かに基づいて、風力発電装置の運転モードを選択する。このように、風車翼の荷重又は変動荷重に関する複数の指標及び風車翼に作用する荷重に基づいて運転モードを選択することで、風車翼に作用する荷重をより効果的に低減することができる。よって、風車の構成部品に作用する荷重を効果的に低減して、風車翼のタワーへの接触や風車翼等の損傷の発生をより効果的に抑制しながら、風力発電装置の発電の機会を増やすことができる。
前記風速又は前記乱れ度の指標を取得するステップでは、前記風速及び前記乱れ度の指標を取得し、
前記運転モードを選択するステップでは、少なくとも前記乱れ度の指標が閾値以上であるか否かに基づいて、前記風力発電装置の運転モードを選択し、
前記乱れ度の指標の閾値は、前記風速に応じて可変である。
上記(6)の方法では、風速の乱れ度の指標の閾値を風速に応じて可変としたので、風速と風速の乱れ度との組み合わせに応じた風速の乱れ度の指標の閾値に基づいて運転モードを選択するので、風車翼に作用する荷重又は変動荷重をより効果的に低減することができる。よって、風車の構成部品に作用する荷重を低減して、風車翼のタワーへの接触や風車翼等の損傷の発生をより効果的に抑制しながら、風力発電装置の発電の機会を増やすことができる。
例えば、風速の乱れ度が比較的大きくても風速が比較的小さければ、又は、風速が比較的大きくても風速の乱れ度が比較的小さければ、風車翼の荷重が、風車翼のタワーへの接触や風車翼等の損傷の発生に影響しない程度のレベルのものである場合がある。上記(6)の方法によれば、このような場合に、抑制運転モードを必要以上に選択することなく通常運転モードを選択することができ、風力発電装置の総発電量を向上させることができる。
前記乱れ度の指標は前記風速の時系列データの標準偏差であり、
前記風速の標準偏差の閾値は、前記風速が規定値未満の第1範囲及び前記風速が前記規定値以上の第2範囲において、それぞれ異なる前記風速の1次関数で表現され、
前記第1範囲における閾値を規定する前記風速の1次関数の切片は、前記第2範囲における閾値を規定する前記風速の1次関数の切片よりも大きく、
前記第1範囲における閾値を規定する前記風速の1次関数の傾きは負であり、前記第2範囲における閾値を規定する前記風速の1次関数の傾きは正である。
上記(7)の方法では、第1範囲における標準偏差の閾値を規定する風速の1次関数は、前記第2範囲における閾値を規定する前記風速の1次関数に比べて、切片が大きい。また、第1範囲における標準偏差の閾値を規定する風速の1次関数の傾きは負であるのに対し、第2範囲における閾値を規定する前記風速の1次関数の傾きは正である。このため、前記標準偏差の閾値を、風車翼の変動荷重により直接的に影響する風速の乱れ強度(=(風速の時系列データの標準偏差)/(風速の時系列データの平均値))の閾値に換算したとき、当該閾値は、比較的低風速域の第1範囲において風速が小さくなるにしたがって急激に大きくなる一方、比較的高風速域の第2範囲において風速が大きくなるにしたがって緩やかに減少する。
よって、比較的低風速域の第1範囲では、風速が小さくなるほど乱れ強度の閾値が急増するため、低風速時において通常運転モードを選択する機会が増えて、風力発電装置の発電量を確保することができる。一方、比較的高風速域の第2範囲では、風速が大きくなるほど乱れ強度の閾値が緩やかに減少するため、高風速時において抑制運転モードを選択する機会が増えて、風車翼のタワーへの接触や風車翼等の損傷の発生を適切に抑制することができる。
前記1以上の荷重抑制運転モードでは、前記通常運転モードでの運転時に比べて、前記風車ロータの回転数を低くし、または、前記風車翼のピッチ角をフェザー側にすることにより、前記通常運転モードよりも前記荷重を抑制する。
上記(8)の方法によれば、荷重抑制運転モードにおいて、通常運転モードでの運転時に比べて、風車ロータの回転数を低くし、又は、風車翼のピッチ角をフェザー側にすることにより、通常運転モードよりも風車翼の荷重を抑制することができる。これにより、風車の構成部品に作用する荷重を低減して、風車翼のタワーへの接触や風車翼等の損傷の発生を抑制しながら、風力発電装置の発電の機会を増やすことができる。
前記1以上の荷重抑制運転モードは、第1荷重抑制運転モードと、前記第1荷重抑制運転モードに比べて、前記風車ロータの回転数を低くし、または、前記風車翼のピッチ角をフェザー側にすることにより、前記第1荷重抑制運転モードよりも前記荷重を抑制した第2荷重抑制運転モードと、を含む。
上記(9)の方法によれば、荷重抑制運転モードは、第1荷重抑制運転モードと、第1荷重抑制運転モードよりも荷重を抑制した第2荷重抑制運転モードとを含む。このように、複数の荷重抑制運転モードを設けることで、風車翼の荷重、及び、風車ロータの回転数又は風車翼のピッチ角に応じて段階的に風車翼の荷重を抑制することが可能となり、風力発電装置の発電の機会を増やすことができる。
風車翼を有する風車ロータと、
前記風車ロータが受ける風の風向を取得するための風向センサと、
前記風車ロータが受ける風の風速を取得するための風速センサと、
前記風速センサで取得した前記風速又は前記風速から算出した前記風速の乱れ度の指標の少なくとも一方が閾値以上であるか否かに基づいて、通常運転モードと、前記通常運転モードよりも前記風車翼に作用する荷重が小さい1以上の荷重抑制運転モードと、を含む複数の運転モードから風力発電装置の運転モードを選択するように構成された運転モード選択部と、を備え、
前記風速又は前記乱れ度の指標の前記少なくとも一方の前記閾値は、前記風向センサで取得した前記風向に応じて可変である。
一方、ロータ面内における風速分布は、風力発電装置の周囲の環境(例えば周囲の地形や周囲に配置された他の風力発電装置)の影響を受ける。このため、同一の風速及び風速の乱れ度であっても、風向によって、風車翼の荷重又は変動荷重が変化し得る。
この点、上記(10)の構成では、風速又は風速の乱れ度の指標の閾値を風向に応じて可変としたので、風速又は風速の乱れ度の閾値を風向によらず一定とする場合に比べて、運転モードを風向に応じてより適切に選択することができる。これにより、例えばロータ面内におけるウインドシアが大きい傾向にある特定の風向では、風速又は風速の乱れ度の指標の閾値を比較的小さく設定することで、該特定の風向における風車翼の荷重又は変動荷重を適切に低減することができる。よって、風車の構成部品に作用する荷重を低減し、風車翼のタワーへの接触や風車翼等の損傷の発生を適切に抑制することができる。一方、例えばロータ面内におけるウインドシアが小さい傾向にある他の風向では、風速又は風速の乱れ度の指標の閾値を比較的大きく設定することで、該特定の風向において、風力発電装置の発電の機会を増やすことができる。
前記風力発電装置の前記風向が第1範囲内である場合における、前記乱れ度の指標の前記閾値をXthとしたとき、前記風向が、前記第1範囲以外の少なくとも一部の範囲である第2範囲である場合における、前記乱れ度の指標の前記閾値はk×Xth(但し、0≦k<1)である。
ロータ面内における風速分布の気流の乱れは、風向(ナセル方位)に応じて異なる場合がある。この点、上記(11)の構成では、風向が第1範囲とは異なる第2範囲内にある場合において、乱れ度の指標の閾値を、第1範囲での閾値Xthよりも小さい閾値k×Xth(但し、0≦k<1)としている。よって、風向が第2範囲内にある場合に、第1範囲内にある場合に比べて、乱れ度が比較的小さい場合であっても荷重抑制運転モードが選択され得る。このように、第1範囲の閾値Xthを基準としてこれをk倍して第2範囲の閾値k×Xthを設定することで、ロータ面内における風速分布の乱れが大きくなる傾向を有する風向の範囲(第2範囲)において比較小さい閾値を設定することができ、これにより、風力発電装置の運転モードをより適切に選択することができる。
前記第2範囲は、前記風力発電装置の周囲の風力発電装置又は前記風力発電装置を取り巻く地形により、前記第1範囲に比べて風車ロータに向かう風の気流の乱れが大きくなる範囲である。
上記(12)の構成によれば、風力発電装置の周囲の風力発電装置又は風力発電装置を取り巻く地形により、第1範囲に比べて風車ロータに向かう風の気流の乱れ(例えば、ウインドシア、斜流、又は渦の発生等)が大きくなる範囲を第2範囲としている。よって、風車ロータに向かう風の気流の乱れが比較的大きい第2範囲において比較小さい閾値が設定されるので、これにより風力発電装置の運転モードをより適切に選択することができる。
前記運転モード選択部は、少なくとも前記乱れ度の指標が閾値以上であるか否かに基づいて、前記風力発電装置の運転モードを選択するように構成され、
前記乱れ度の指標の閾値は、前記風速に応じて可変である。
上記(13)の構成では、風速の乱れ度の指標の閾値を風速に応じて可変としたので、風速と風速の乱れ度との組み合わせに応じた風速の乱れ度の指標の閾値に基づいて運転モードを選択するので、風車翼に作用する荷重又は変動荷重をより効果的に低減することができる。よって、風車の構成部品に作用する荷重を低減して、風車翼のタワーへの接触や風車翼等の損傷の発生をより効果的に抑制しながら、風力発電装置の発電の機会を増やすことができる。
例えば、風速の乱れ度が比較的大きくても風速が比較的小さければ、又は、風速が比較的大きくても風速の乱れ度が比較的小さければ、風車翼の荷重が、風車翼のタワーへの接触や風車翼等の損傷の発生に影響しない程度のレベルのものである場合がある。上記(13)の構成によれば、このような場合に、抑制運転モードを必要以上に選択することなく通常運転モードを選択することができ、風力発電装置の総発電量を向上させることができる。
前記風力発電装置は、前記運転モードに基づいて前記風力発電装置の運転を制御するための運転制御部をさらに備え、
前記運転制御部は、前記1以上の荷重抑制運転モードでは、前記通常運転モードでの運転時に比べて、前記風車ロータの回転数を低くし、または、前記風車翼のピッチ角をフェザー側にすることにより、前記通常運転モードよりも前記荷重を抑制するように構成される。
上記(14)の構成によれば、荷重抑制運転モードにおいて、通常運転モードでの運転時に比べて、風車ロータの回転数を低くし、又は、風車翼のピッチ角をフェザー側にすることにより、通常運転モードよりも風車翼の荷重を抑制することができる。これにより、風車の構成部品に作用する荷重を低減して、風車翼のタワーへの接触や風車翼等の損傷の発生を抑制しながら、風力発電装置の発電の機会を増やすことができる。
前記1以上の荷重抑制運転モードは、第1荷重抑制運転モードと、前記第1荷重抑制運転モードに比べて、前記風車ロータの回転数を低くし、または、前記風車翼のピッチ角をフェザー側にすることにより、前記第1荷重抑制運転モードよりも前記荷重を抑制した第2荷重抑制運転モードと、を含む。
上記(15)の構成によれば、荷重抑制運転モードは、第1荷重抑制運転モードと、第1荷重抑制運転モードよりも荷重を抑制した第2荷重抑制運転モードとを含む。このように、複数の荷重抑制運転モードを設けることで、風車翼の荷重、及び、風車ロータの回転数又は風車翼のピッチ角に応じて段階的に風車翼の荷重を抑制することが可能となり、風力発電装置の発電の機会を増やすことができる。
図1は、一実施形態に係る風力発電装置の構成を示す概略図である。同図に示すように、風力発電装置1は、少なくとも1本の風車翼2及びハブ3で構成される風車ロータ5と、ハブ3に連結されるメインシャフト6と、風車ロータ5の回転エネルギーにより駆動される発電機10と、を備える。メインシャフト6と発電機10とはドライブトレイン8を介して接続されており、風車ロータ5の回転エネルギーは、メインシャフト6及びドライブトレイン8を介して発電機10に伝達されるようになっている。
また、風力発電装置1は、メインシャフト6、ドライブトレイン8、発電機10等の各種機器を収容するためのナセル7と、ナセル7を支持するタワー9と、を備える。風車ロータ5は、ナセル7によって回転可能に支持されている。なお、ハブ3は、スピナ(ハブカバー)4によって覆われていてもよい。
風力発電装置1は、海上に設置される洋上風力発電装置であってもよいし、陸上に設置された陸上風力発電装置であってもよい。
荷重センサ12は、例えば、風車翼2の翼根部2aに取り付けられた歪センサを含み、該歪センサにより取得される歪データに基づいて風車翼2に作用する荷重を算出するように構成されていてもよい。なお、風車翼2の翼根部2aとは、風車翼2のハブ3側の端部を構成している構造部分のことであり、風車翼2からハブ3へ伝達される曲げモーメントを負担する。
風車ロータ5が複数の風車翼2で構成される場合、荷重センサ12は、複数の風車翼2の各々に設けられ、それぞれの風車翼2に作用する荷重を取得するように構成されていてもよい。
風力発電装置1は、風力発電装置1の運転を制御するためのコントローラ20をさらに備える。図2に示すように、一実施形態に係るコントローラ20は、乱れ度指標算出部21と、運転モード選択部22と、運転制御部26と、を備える。
乱れ度指標算出部21は、風速センサ14で取得された風速に基づいて、風速の乱れ度の指標を算出するように構成される。なお、風速の乱れ度の指標については後で説明する。
運転モード選択部22は、風速センサ14により取得される風車ロータ5が受ける風の風速、乱れ度指標算出部21により算出される乱れ度の指標、又は、荷重センサ12により取得された翼荷重度に基づいて、風力発電装置1の運転モードを複数の運転モードから選択するように構成される。
運転制御部26は、運転モード選択部22により選択された運転モードに基づいて、風力発電装置1の運転を制御するように構成される。
上述の風速の乱れ度の指標Iを取得するステップ(S205)では、乱れ度指標算出部21により、ステップS202で取得した風速に基づいて、風速の乱れ度の指標Iを算出するようにしてもよい。
また、風力発電装置1の運転モードを選択するステップ(S106〜S116又はS208〜S216)では、運転モード選択部22により実行されてもよい。
以降、本明細書において、第1荷重抑制運転モード及び第2荷重抑制運転モードを、それぞれ、第1抑制モード及び第2抑制モードと表記する場合がある。
運転モードを選択するステップでは、まず、運転モード選択部22は、ステップS102で取得した風速Vに基づいて、あるいは、ステップS205で取得した乱れ度の指標Iに基づいて、各運転モードについてのフラグの成立条件が満たされているかを判定し、成立条件が満たされている何れかの運転モードのフラグをONとする(S106又はS207)。
このように、ステップS106〜S116又はS207〜S216では、通常運転モード(Mode0)、第1抑制モード(Mode1)、及び、第2抑制モード(Mode2)のうち、フラグの成立条件が満たされた運転モードのフラグがONとされ、このフラグに対応する運転モードが選択される。
一実施形態において、運転モードを判定するステップ(S207)では、運転モード選択部22は、乱れ度の指標I(ステップS205で取得した乱れ度の指標I)を閾値と比較し(S302)、乱れ度に指標Iが閾値以上である場合に荷重抑制運転モードの何れかのフラグをONとし、乱れ度に指標Iが閾値未満である場合に通常運転モードのフラグをONとする(S304〜S312)。
例えば、通常運転モードでの目標回転数(rpm)がΩ0である場合、荷重抑制運転モードでの目標回転数をΩ1(ただし、Ω1<Ω0)としてもよい。
例えば、2つの(2段階の)荷重抑制運転モードを設ける場合、通常運転モードでの目標回転数をΩ0とし、第1抑制モードでの目標回転数をΩ1(ただし、Ω1<Ω0)とし、第2抑制モードでの目標回転数をΩ2(ただし、Ω2<Ω1)としてもよい。
図6は、一実施形態における風力発電装置の運転モードとロータ回転数(目標回転数)との関係示すグラフである。図6のグラフにおいて、横軸は時間tを示し、縦軸は、ロータ回転数(目標回転数)及び運転モードを示す。
通常運転モードでの運転時、時刻t1にて、上述のステップS106〜S116又はステップS207〜S216において、例えばI≧I1が成立して第1抑制モード(Mode1)が選択されると、目標回転数がΩ1に設定され、運転制御部26はロータ回転数がΩ1となるように、風力発電装置1の運転を制御する。
第1抑制モードでの運転時、時刻t2にて、上述のステップS106〜S116又はステップS207〜S216において、例えばI≧I2が成立して第2抑制モード(Mode2)が選択されると、目標回転数がΩ2に設定され、運転制御部26はロータ回転数がΩ2となるように、風力発電装置1の運転を制御する。
第1抑制モードでの運転時、時刻t4にて、上述のステップS106〜S116又はステップS207〜S216において、例えばI<I1が成立して通常運転モードが選択されると、目標回転数がΩ0に設定され、運転制御部26はロータ回転数がΩ0となるように、風力発電装置1の運転を制御する。
例えば、通常運転モードと第1抑制モードとの間での運転モードの移行時にはロータ回転数を比較的速やかに変更するとともに、第1抑制モードと第2抑制モードとの間での運転モードの移行時にはロータ回転数を比較的ゆっくりと変更するようにしてもよい。
これは、通常運転モードを比較的速やかに第1抑制モードに移行することにより風車翼2に作用する荷重を速やかに抑制するとともに、第1抑制モードを比較的緩やかに第2抑制モードに移行することにより、風力発電装置1を構成する機器を保護するためである。
なお、幾つかの実施形態では、上述した図3のフローチャートに示す運転方法において、風速Vの閾値が風向に応じて可変である。以下においては、図3のフローチャートに示す運転方法を前提として、風速Vの閾値を風向に応じて可変とする場合について説明する。
すなわち、風速に基づき運転モードのフラグを判定するステップS106(図3参照)において、現在の運転モードよりも翼荷重が抑制された運転モードを選択するか否かの判定においては、風速Vを閾値V1_on又はV2_onと比較することによって、各運転モードが選択される。
また、カットアウト風速Vcoは、風速が該カットアウト風速Vco以上となったときに風力発電装置1を停止するための設定値である。カットアウト風速Vcoは、実施形態に係る運転モード(すなわち、荷重抑制運転モードあるいは通常運転モード)の選択のための風速Vの閾値とは別に設定されていてもよい。
すなわち、風速に基づき運転モードのフラグを判定するステップS106(図3参照)において、現在の運転モードよりも翼荷重が抑制されていない運転モード(通常運転モードよりの運転モード)を選択するか否かの判定においては、風速Vを閾値V1_off又はV2_offと比較することによって、各運転モードが選択される。
図8の極座標における角度は風向(風車ロータ5に向かって吹く風の風上側の方角)を示し、例えば、0°は北、90°は東、180°は南、270°は西を示す。
また、図8の極座標において、半径方向における中心O(風力発電装置1の設置点O)からの距離は、風速の大きさを示す。
また、破線で形成される円は、カットアウト風速Vcoを示す。図8において、カットアウト風速Vcoは、風向によらず全方位において一定である。
このゾーン1及びゾーン2は、例えば、風力発電装置1の周囲の地形や周囲に配置された他の風力発電装置等の周囲の環境の影響を受け、風車ロータ5の回転面内における風速分布が乱れやすく、ウインドシアが大きい傾向にある風速範囲である。
一方、ゾーン1及びゾーン2以外の風向においては、ゾーン1及びゾーン2における上述の閾値V1_on、V2_on、及びVt_onよりも大きな値の閾値であるカットアウト風速Vcoが設定されているのみであり、通常運転モード及び荷重抑制運転モードを含む運転モードの移行を判定するための風速Vの閾値は設定されていない。
一方、ロータ面内におけるウインドシアが小さい等、風車ロータ5に向かう風の気流の乱れが小さい傾向にあるゾーン1及びゾーン2以外の風向では、風速Vの閾値(図8の例ではカットアウト風速Vco)を比較的大きく設定することで、ゾーン1及びゾーン2以外の風向において、風力発電装置1の発電の機会を増やすことができる。
図8に示す例では、ゾーン1の風向範囲は、ゾーン2の風向範囲よりもウインドシアが大きくなる傾向を有する。そして、通常運転モードから第1抑制モード、第1抑制モードから第2抑制モード、及び、第2抑制モードから停止モードへの移行を判定するための風速の閾値は、ゾーン1においてはそれぞれV1_on(z1)、V2_on(z1)及びV1_t(z1)であり、ゾーン2においてはそれぞれV1_on(z2)、V2_on(z2)及びV1_t(z2)であるとともに、ゾーン1における各閾値は、ゾーン2における各閾値よりも小さい(すなわち、例えばV1_on(z1)<V1_on(z2)である)。
なお、幾つかの実施形態では、上述した図4のフローチャートに示す運転方法において、風速の乱れ度の指標Iの閾値が風向に応じて可変である。以下においては、図4のフローチャートに示す運転方法を前提として、風速の乱れ度の指標Iの閾値を風向に応じて可変とする場合について説明する。
一実施形態では、風速の乱れ度を示す指標Iとして、規定期間Tにおける風速Vの時系列データの標準偏差σを用いることができる。また、一実施形態では、風速の乱れ度を示す指標Iとして、規定期間Tにおける風速Vの乱れ強度TIを用いることができる。乱れ強度TIは、規定期間Tにおける風速Vの時系列データの標準偏差σ及び風速Vの時系列データの平均(平均風速)Vmを用いて、次の式(1)で表せる。
TI=σ/Vm …(1)
すなわち、風速の乱れ度の指標Iは、規定期間Tにおける風速Vに基づいて算出される。
一方、風車ロータ5に向かう風の気流の乱れは、風力発電装置1の周囲の環境(例えば周囲の地形や周囲に配置された他の風力発電装置)の影響を受けるため、同一の風速の乱れ度であっても、風向によって、風車翼2の荷重又は変動荷重が変化し得る。
そこで、風速の乱れ度を示す指標Iの閾値を風向に応じて可変とすることで、風速の乱れ度の閾値を風向によらず一定とする場合に比べて、運転モードを風向に応じてより適切に選択することができる。これにより、例えばロータ面内におけるウインドシアが大きい傾向にある特定の風向では、風速の乱れ度の指標Iの閾値を比較的小さく設定することで、該特定の風向における風車翼の荷重又は変動荷重を適切に低減して、風車翼2のタワー9への接触や風車翼2等の損傷の発生を適切に抑制することができる。一方、例えばロータ面内におけるウインドシアが小さい傾向にある他の風向では、風速の乱れ度の指標の閾値Iを比較的大きく設定することで、該特定の風向において、風力発電装置1の発電の機会を増やすことができる。
図9の極座標における角度は風向(風車ロータ5に向かって吹く風の風上側の方角)を示し、例えば、0°は北、90°は東、180°は南、270°は西を示す。
図9の極座標おいて、風速の乱れ度の指標Iの閾値は太い実線で示されており、図9の極座標において、半径方向における中心O(風力発電装置1の設置点O)からの距離は、風速の乱れ度の指標Iの大きさを示す。
また、図9の極座標において、半径方向における中心O(風力発電装置1の設置点O)からの距離は、風速の大きさをも示し、Vcoは風速Vcoを示す。図9において、カットアウト風速Vcoは、風向によらず全方位において一定である。
そして、風力発電装置1の周囲の地形や周囲に配置された他の風力発電装置等の周囲の環境の影響により、ゾーン4及びゾーン5は、ゾーン3にくらべて風車ロータ5の回転面内における風速分布が乱れやすく、ウインドシアが大きい傾向にある風速範囲である。また、ゾーン5は、ゾーン4よりも、風車ロータ5の回転面内における風速分布が乱れやすく、ウインドシアが大きい傾向にある風速範囲である。
また、ゾーン4よりもウインドシアが大きいゾーン5において、ゾーン4での閾値0.8×Xthより小さな閾値0.6×Xthを設定することで、より効果的に、特定の風向における風車翼の荷重又は変動荷重を適切に低減して、風車翼2のタワー9への接触や風車翼2等の損傷の発生を適切に抑制することができる。
即ち、風速の乱れ度の指標Iと風速Vとの組み合わせにより、風速の乱れ度の指標Iの閾値が決定されるようになっている。
図10は、一実施形態に係る風速の乱れ度の指標Iの閾値と風速Vの関係を示すグラフである。 図10において、横軸は平均風速Vmを示し、縦軸は上述した乱れ強度TI(=σ/Vm)を示す。図10に示す例では、風速の乱れ度の指標Iの閾値が平均風速Vmに応じて可変である。
なお、後で説明する図11〜図14に示す例においても、同様に、カットアウト風速Vcoよりも風速が大きい領域においては、乱れ強度TIによらず、風速に基づいて停止モードが選択されるようになっている。
また、図10において、乱れ強度TIの閾値TItは、第1抑制モードと停止モードのいずれを選択するかの判定をするための閾値である。該閾値TItは、図10のグラフにおける第1抑制モード(Mode1)の領域と、停止モード(高乱流)の領域との境界線により規定される。該境界線は、任意の点P4〜P6を直線によって結ぶことによって取得してもよい。点P4〜P6は、文献調査により決定してもよいし、実験又は経験に基づいて決定してもよい。
図10に示した例のように、風速の乱れ度の指標Iの閾値を風速(平均風速Vm)に応じて適切に可変とすることで、このような場合に、抑制運転モードを必要以上に選択することなく通常運転モードを選択することができ、風力発電装置1の総発電量を向上させることができる。
図11において、横軸は平均風速Vmを示し、縦軸は上述した乱れ強度TI(=σ/Vm)を示す。図12において、横軸は平均風速Vmを示し、縦軸は上述した風速Vの標準偏差σを示す。
図11及び図12に示す例においては、風速の乱れ度の指標I(図11における平均風速Vm及び図12における標準偏差σ)の閾値が平均風速Vmに応じて可変である。
図12のグラフにおいては、通常運転モード(Mode0)と、第1抑制モード(Mode1)と、停止モードとを含む運転モードから運転モードを選択するための標準偏差σの閾値σ1_1、σ1_2、σt_1、及びσt_2が示されている。
なお、図11のグラフと図12のグラフは同等のグラフであり、図11の乱れ強度TIのグラフに平均風速Vmを乗算することによって、図12の標準偏差σのグラフを得ることができる。あるいは、図12の標準偏差σのグラフを平均風速Vmで除算することによって、図11の乱れ強度TIのグラフを得ることができる。
ここで、Vm(P7)は、標準偏差σの閾値σ1_1とσ1_2の交点P7における平均風速であるとともに、上述した乱れ強度TIの閾値TI1_1とTI1_2の交点P7における平均風速である。
σ1_1=k1Vm+c1 ・・・(2)
σ1_2=k2Vm+c2 ・・・(3)
ここで、k1及びc1は、σ1_1のグラフの傾き及び切片であり、k2及びc2は、σ1_2のグラフの傾き及び切片である。
そして、図12のグラフを見ればわかるように、範囲R1_1(第1範囲)における閾値σ1_1を規定する風速の1次関数(上記式(2)で表される関数)の切片c1は、範囲R1_2(第2範囲)における閾値σ1_2を規定する風速の1次関数(上記式(3)で表される関数)の切片c2よりも大きく、範囲R1_1(第1範囲)における閾値σ1_1を規定する1次関数(上記式(2)で表される関数)の傾きk1は負であり、範囲R1_2(第2範囲)における閾値σ1_2を規定する1次関数(上記式(3)で表される関数)の傾きk2は正である。
そして、図11に示される乱れ強度の閾値TI1_1及びTI1_2は、比較的低風速域の範囲R1_1(第1範囲)において平均風速Vmが小さくなるにしたがって急激に大きくなる一方、比較的高風速域の範囲R1_2(第2範囲)において平均風速Vmが大きくなるにしたがって緩やかに減少する。
図11においては、範囲Rt_1(第1範囲)における乱れ強度TIの閾値TIt_1、及び、範囲Rt_2(第2範囲)における乱れ強度TIの閾値TIt_2がそのような閾値である。また、図12においては、においては、範囲Rt_1(第1範囲)における標準偏差σの閾値σt_1、及び、範囲Rt_2(第2範囲)における標準偏差σの閾値σt_2がそのような閾値である。
すなわち、図12に示される風速の標準偏差σの閾値は、風速(平均風速Vm)が規定値V(P8)未満の範囲Rt_1(第1範囲)及び風速が規定値V(P8)以上の範囲Rt_2(第2範囲)において、それぞれ異なる風速(平均風速Vm)の1次関数で表現され、範囲Rt_1(第1範囲)における閾値を規定する風速の1次関数の切片は、範囲Rt_2(第2範囲)における閾値を規定する風速の1次関数の切片よりも大きく、範囲Rt_1(第1範囲)における閾値を規定する風速の1次関数の傾きは負であり、範囲Rt_2(第2範囲)における閾値を規定する風速の1次関数の傾きは正である。
なお、Vm(P8)は、標準偏差σの閾値σt_1とσt_2の交点P8における平均風速であるとともに、上述した乱れ強度TIの閾値TIt_1とTIt_2の交点P8における平均風速である。
図13及び図14のグラフにおける横軸及び縦軸は、それぞれ、図11及び図12のグラフの横軸及び縦軸と同様のものを示す。
図13のグラフにおいては、乱れ強度TIの閾値TI1_1、TI1_2、TI2_1、TI2_2、TIt_1及びTIt_2がそのような閾値である。また、図14のグラフにおいては、平均風速の標準偏差σの閾値σ1_1、σ1_2、σ2_1、σ2_2、σt_1及びσt_2がそのような閾値である。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
また、本明細書において、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
また、本明細書において、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
2 風車翼
2a 翼根部
3 ハブ
5 風車ロータ
6 メインシャフト
7 ナセル
8 ドライブトレイン
9 タワー
10 発電機
12 荷重センサ
14 風速センサ
16 風向センサ
20 コントローラ
21 度指標算出部
22 運転モード選択部
26 運転制御部
Claims (13)
- 風車翼を有する風車ロータを含む風力発電装置の運転方法であって、
前記風車ロータが受ける風の風向を取得するステップと、
前記風車ロータが受ける風の風速又は前記風速の乱れ度の指標の少なくとも一方を取得するステップと、
前記風速又は前記乱れ度の指標の前記少なくとも一方が閾値以上であるか否かに基づいて、通常運転モードと、前記通常運転モードよりも前記風車翼に作用する荷重が小さい1以上の荷重抑制運転モードと、を含む複数の運転モードから前記風力発電装置の運転モードを選択するステップと、を備え、
前記風速又は前記乱れ度の指標の前記少なくとも一方の前記閾値は、前記風向に応じて可変であり、
前記風速又は前記乱れ度の指標を取得するステップでは、前記乱れ度の指標を少なくとも取得し、
前記風力発電装置の前記風向が第1範囲内である場合における、前記乱れ度の指標の前記閾値をXthとしたとき、前記風向が、前記第1範囲以外の少なくとも一部の範囲である第2範囲である場合における、前記乱れ度の指標の前記閾値はk×Xth(但し、0≦k<1)であり、
前記風向の前記第2範囲は、前記風向の前記第1範囲に比べて、前記風車ロータのロータ面内における風速分布の乱れが大きくなる傾向を有する
ことを特徴とする風力発電装置の運転方法。 - 前記第2範囲は、前記風力発電装置の周囲の風力発電装置又は前記風力発電装置を取り巻く地形により、前記第1範囲に比べて前記風車ロータに向かう風の気流の乱れが大きくなる範囲であることを特徴とする請求項1に記載の風力発電装置の運転方法。
- 前記風速又は前記乱れ度の指標を取得するステップでは、前記風速と前記乱れ度の指標との両方を取得し、
前記運転モードを選択するステップでは、前記風速又は前記乱れ度の指標の少なくとも一方が閾値以上である場合に、前記1以上の荷重抑制運転モードの何れかを選択する
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の風力発電装置の運転方法。 - 前記風車翼に作用する荷重を取得するステップをさらに備え、
前記運転モードを選択するステップでは、さらに、前記荷重が閾値以上であるか否かに基づいて、前記複数の運転モードから前記風力発電装置の運転モードを選択する
ことを特徴とする請求項1乃至3の何れか一項に記載の風力発電装置の運転方法。 - 風車翼を有する風車ロータを含む風力発電装置の運転方法であって、
前記風車ロータが受ける風の風向を取得するステップと、
前記風車ロータが受ける風の風速又は前記風速の乱れ度の指標の少なくとも一方を取得するステップと、
前記風速又は前記乱れ度の指標の前記少なくとも一方が閾値以上であるか否かに基づいて、通常運転モードと、前記通常運転モードよりも前記風車翼に作用する荷重が小さい1以上の荷重抑制運転モードと、を含む複数の運転モードから前記風力発電装置の運転モードを選択するステップと、を備え、
前記風速又は前記乱れ度の指標の前記少なくとも一方の前記閾値は、前記風向に応じて可変であり、
前記風向が第1範囲内である場合における前記閾値に比べ、前記風向が、前記第1範囲以外の少なくとも一部の範囲である第2範囲内である場合における前記閾値は小さく設定され、
前記風向の前記第2範囲は、前記風向の前記第1範囲に比べて、前記風車ロータに向かう風の気流の乱れが大きくなる傾向を有し、
前記風速又は前記乱れ度の指標を取得するステップでは、前記風速及び前記乱れ度の指標を取得し、
前記運転モードを選択するステップでは、少なくとも前記乱れ度の指標が閾値以上であるか否かに基づいて、前記風力発電装置の運転モードを選択し、
前記乱れ度の指標の閾値は、前記風速に応じて可変である
ことを特徴とする風力発電装置の運転方法。 - 前記乱れ度の指標は前記風速の時系列データの標準偏差であり、
前記風速の標準偏差の閾値は、前記風速が規定値未満の第1範囲及び前記風速が前記規定値以上の第2範囲において、それぞれ異なる前記風速の1次関数で表現され、
前記第1範囲における閾値を規定する前記風速の1次関数の切片は、前記第2範囲における閾値を規定する前記風速の1次関数の切片よりも大きく、
前記第1範囲における閾値を規定する前記風速の1次関数の傾きは負であり、前記第2範囲における閾値を規定する前記風速の1次関数の傾きは正である
ことを特徴とする請求項5に記載の風力発電装置の運転方法。 - 前記1以上の荷重抑制運転モードでは、前記通常運転モードでの運転時に比べて、前記風車ロータの回転数を低くし、または、前記風車翼のピッチ角をフェザー側にすることにより、前記通常運転モードよりも前記荷重を抑制することを特徴とする請求項1乃至6の何れか一項に記載の風力発電装置の運転方法。
- 前記1以上の荷重抑制運転モードは、第1荷重抑制運転モードと、前記第1荷重抑制運転モードに比べて、前記風車ロータの回転数を低くし、または、前記風車翼のピッチ角をフェザー側にすることにより、前記第1荷重抑制運転モードよりも前記荷重を抑制した第2荷重抑制運転モードと、を含むことを特徴とする請求項1乃至7の何れか一項に記載の風力発電装置の運転方法。
- 風車翼を有する風車ロータと、
前記風車ロータが受ける風の風向を取得するための風向センサと、
前記風車ロータが受ける風の風速を取得するための風速センサと、
前記風速センサで取得した前記風速から算出した前記風速の乱れ度の指標が閾値以上であるか否かに基づいて、通常運転モードと、前記通常運転モードよりも前記風車翼に作用する荷重が小さい1以上の荷重抑制運転モードと、を含む複数の運転モードから風力発電装置の運転モードを選択するように構成された運転モード選択部と、を備え、
前記乱れ度の指標の前記閾値は、前記風向センサで取得した前記風向に応じて可変であり、
前記風力発電装置の前記風向が第1範囲内である場合における、前記乱れ度の指標の前記閾値をXthとしたとき、前記風向が、前記第1範囲以外の少なくとも一部の範囲である第2範囲である場合における、前記乱れ度の指標の前記閾値はk×Xth(但し、0≦k<1)であり、
前記風向の前記第2範囲は、前記風向の前記第1範囲に比べて、前記風車ロータのロータ面内における風速分布の乱れが大きくなる傾向を有する
ことを特徴とする風力発電装置。 - 前記第2範囲は、前記風力発電装置の周囲の風力発電装置又は前記風力発電装置を取り巻く地形により、前記第1範囲に比べて前記風車ロータに向かう風の気流の乱れが大きくなる範囲であることを特徴とする請求項9に記載の風力発電装置。
- 風車翼を有する風車ロータと、
前記風車ロータが受ける風の風向を取得するための風向センサと、
前記風車ロータが受ける風の風速を取得するための風速センサと、
前記風速センサで取得した前記風速又は前記風速から算出した前記風速の乱れ度の指標の少なくとも一方が閾値以上であるか否かに基づいて、通常運転モードと、前記通常運転モードよりも前記風車翼に作用する荷重が小さい1以上の荷重抑制運転モードと、を含む複数の運転モードから風力発電装置の運転モードを選択するように構成された運転モード選択部と、を備え、
前記風速又は前記乱れ度の指標の前記少なくとも一方の前記閾値は、前記風向センサで取得した前記風向に応じて可変であり、
前記風向が第1範囲内である場合における前記閾値に比べ、前記風向が、前記第1範囲以外の少なくとも一部の範囲である第2範囲内である場合における前記閾値は小さく設定され、
前記風向の前記第2範囲は、前記風向の前記第1範囲に比べて、前記風車ロータに向かう風の気流の乱れが大きくなる傾向を有し、
前記運転モード選択部は、少なくとも前記乱れ度の指標が閾値以上であるか否かに基づいて、前記風力発電装置の運転モードを選択するように構成され、
前記乱れ度の指標の閾値は、前記風速に応じて可変である
ことを特徴とする風力発電装置。 - 前記運転モードに基づいて前記風力発電装置の運転を制御するための運転制御部をさらに備え、
前記運転制御部は、前記1以上の荷重抑制運転モードでは、前記通常運転モードでの運転時に比べて、前記風車ロータの回転数を低くし、または、前記風車翼のピッチ角をフェザー側にすることにより、前記通常運転モードよりも前記荷重を抑制するように構成された
ことを特徴とする請求項9乃至11の何れか一項に記載の風力発電装置。 - 前記1以上の荷重抑制運転モードは、第1荷重抑制運転モードと、前記第1荷重抑制運転モードに比べて、前記風車ロータの回転数を低くし、または、前記風車翼のピッチ角をフェザー側にすることにより、前記第1荷重抑制運転モードよりも前記荷重を抑制した第2荷重抑制運転モードと、を含むことを特徴とする請求項9乃至12の何れか一項に記載の風力発電装置。
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