JPH06511133A - 変速風力タービン用速度制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は高効率風力タービンに関するものであり、更に詳しく言えば、観測した パラメータおよび指令されたパラメータを基にして回転子速度を調整する変速風 力タービン用の回転子速度制御装置に関するものである。

関連技術の説明 風力タービンは、限られた燃料に依存せず、環境を汚染しないエネルギー源とし て、過去２０年にわたって強い注目を浴びてきた。現在は、カリフォルニアにお ける夏期中のある時期には、パシフィック・ガス・アンド・エレクトリック（Ｐ ａｃｉｆｉｃ　Ｇａｓ　＆　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）はそれのパワーの８％を風から 得ている。風力タービンは、風力発電所を構成する多数の集まりに典型的にまと められる。カリフォルニアにおいて展開されている風が良く吹く場所に加えて、 合衆国内の多くの風が吹（場所が有益な風力発電所の滞在性を秘めているものと して知られている。

はとんどの風力タービンは現在は一定速度で運転している。それらの風力タービ ンの回転子は、誘導発電機のような発電機を一定回転速度で駆動する。合衆国に おいて一般的である６０Ｈｚ発電網のような一定周波数配電網へ直結するために 、低速運転がめられる。

しかし、低速運転には多くの欠点がある。その欠点の重大な１つは効率が低いこ とである。効率低下は、風速が急速に変動する突風状態においてとくに明らかで ある。風が強くなりつつある間に速さを一定に維持するためには、電気的制動と 機械的制動のいずれか、または両方をかけねばならない。風が弱くなりつつ間は 一定速度を維持するためにはエネルギーを加えねばならない。いずれの場合にも 、突風中の風のエネルギーのい（らかが無駄にされる。更に、制動は、信頼度を 低下させて、疲労の開始を早める構造ストレスを駆動列にひき起こす。技術用語 においては、定速タービンは特定の風速におけるエネルギー獲得に対して最適で ある。その点数下およびその点以上の風速においては、エネルギー獲得は最適で はなくなる。

定速風力タービンの欠点に対する解決として変速風力タービンが提案されている 。原理的には、変速風力タービンははるかに高い効率でエネルギー変換できる。

変速機の回転子の速度は風速が高くなると高くなり、小さくなったトルクと機械 的に穏やかな負荷を駆動列を介して供給する。したがって、変速風力タービンは 定速風力タービンより小さいストレスを受け、駆動列設計パラメータをあまり厳 しくする必要がない。変速風力タービンは定速風力タービン型よりも信頼度が高 く、価格が低くな（ではならない。

効率を最適にするためには、変速風力タービンの回転子速度を風速に比例させね ばならない。回転子速度が風速の一次関数であれば極めて望ましい。たとえば、 風速が高くなりつつある期間中は、風速に追従するために回転子速度を高（せね ばならず、風速が低くなりつつある期間中は、回転子はその速度を低くせねばな らない。風が非常にゆっくり変動するならば、可変タービン速度は回転子制御装 置１％しでそれ自身の効率的な運転速度を見つけることができる。しがし、風速 が変動する典型的な突風状態においては、突風の始まりと、突風に応答するため に回転子速度を上昇または降下させるために要する回転子応答時間との間に、十 分な時間遅れが生ずることがある。この時間遅れの間中は、風力タービンは効率 的に運転しない。

したがって、回転子速度と風速の間の最適な関係を維持する制御器を設けること 、すなわち、回転子速度が風速に正確に追従すると有利である。効率を高くする ためには、風速が高くなりつつある期間中は制御器は回転子速度を直ちに高（せ ねばならず、風速が低くなりつつある期間中は、′Ｎ４Ｉｌ器は回転子速度を直 ちに低くせねばならない。そのような制御器は制御装置として安定でなければな らない。しかし、多（の非常に安定な制御装置がそうであるように、その制御器 は、応答が鈍（なくて、迅速中なければならない。また、制御装置はタービンの 、駆動列に加えられる最大許容トルク、回転子にかかる空気力学的推力、および 電気　□装置における電力のような、タービンの物理的限界を許容せねばならな い。

風速に追従するためには、風力タービンの羽根によって掃かれる区域における平 均風速を知る必要がある。平均風速を測定しようという試みにおいては、羽根に よって掃かれる区域の近くに風速計が設置される。しかし、風速計は対象とする 平均風速を正確に測定できない。１つの理由はそれらがただｌが所における風速 を測定できるのに、風速は羽根によって掃かれる円板全体にわたってかなり変動 することがあるからである。多数の風速計は平均風速をより良（測定できること がある。しかしそれらはコスト面で効果的ではな（、かつ十分に正確ではな〜） 。たとえば、風速計は風の流れに対する回転子の変動する妨害作用により影響を 受けることがある。更に、多数のシステムにおいては、現場における信頼性が関 心事になる。

風速情報の代わりとして、別の制御器が出力電力および回転子速度のような置を 測定し、それらの量を用いてトルクを制御している。しかし、それらの量は風に 加えて力を受け、したがって風速を非常におおざっばに測定するだけである。

風力タービンの羽根により掃かれる区域にわたる平均として風速を正確に測定で きるならば有利であろう。効率的な運転を行うために後の時点において平均風速 を予測できるならば、および風速に迅速に追従するために回転子を調整できるな らば一層有利であろう。

発明の４１！要 本発明は、風エネルギーを電気エネルギーへ効率良く変換するために風力タービ ンが風の変動により良く追従できるようにする、可変速度運転するための方法お よび制御器を提供するものである。運転時には、本発明の制御器は、変化する風 速にほぼ追従するように回転子速度を制御することにより、変動する風状態中に 動力を効率良く取り出すことができる。とくに、風速の予測された上昇に追従す るために回転子速度を上昇させられるが、風速の予測された低下に追従するため に回転子速度は低下させられる。後の時点における風速を知ることにより制御器 は希望の運転速度を前もって決定し、かつそれら希望の運転特性が実現されるよ うに回転子速度を制御することを許される。風力タービンに関連して説明するが 、変化する動力を供給する任意の可変速度発電機において、および可変動力を供 給する電気的パラメータにより制御される電動機において、制御器として本発明 はより広い応用を持つ。

本発明によれば、変速発電機用の制御器は、後の時点における動力源から利用で きる動力の置を示す動力パラメータを予測する。この動力パラメータを用〜）て 、後のその時点における回転子速度を選択する。選択された回転子速度を適用す るために、回転子速度を後のその時点におけるほぼ希望の回転子速度に制御する 、好適な実施例におＩＩＮでは、時間的に変動する風があたる区域を有する少な ★とも１つの空気力学的表面を有する風力タービンにより、動力が発電機へ供給 される。したがってその鮭週な実施例においては、動力パラメータは風速である 。

風力タービン用発電機は、変動する動力源とみなすことができる風により回転で きる軸を有する。本発明では、次の時間の進みｔ＋Δｔに供給されるであろう動 力を示すパラメータが予測される。風力タービンの好適な実施例にお０ては、予 測されるパラメータは風速である。この予測されるパラメータを用いて回転子速 度の希望値と制御パラメータを決定する。それらの希望値を基にして、制御パラ メータの実際の値を次の時間の進みｔ＋Δｔのために指令する。風力タービンの 運転中は、以前に予測した値を次の予測に対する基礎値として用いて、以後の各 時間間隔Δｔに対してその過程を繰り返す。

更に詳しくいえば、好適な実施例においては、風力タービン制御器は風観渕器と 、パラメータ・スケジュールと、回転子速度安定器とを含む。それらの構成要素 のおのおのについては順次説明する。

風［制器は、現在の時刻ｔにおける既知のパラメータまたは予測されたパラメー タを基にして、次の時間進みｔ＋Δｔにおける風速と回転子速度を予測する。

風Ｉ［制器により用いられる既知のパラメータまたは予測されたパラメータは負 荷トルクと、現在の風速と、現在の回転子速度とを含む。羽根のピッチ角度が可 変であるならば、そのパラメータは風Ｗ制器によっても用いられる。風１１８２ Ｗｓ器空気力学的トルクを現在の風速と、回転子速度と、その他の空気力学的変 数との関数として計算する。空気力学的トルクから負荷トルクを差し引くことに より正味のトルクを計算する。次の時間進みにおける風速は、正味トルクと、予 測回転子速度と実際の回転子速度の間の差とを含む修正項を用いて、風観制器に より現在の（以前にＰ測された）回転子速度の関数として予測できる。同様に、 現在の（以前に予測された）回転子速度と、正味トルクと、予測回転子速度と実 際の回転子速度の間の差とを含む修正項との関数として、次の時間進みにおける 回転子速度を予測できる。修正項は風速の計算値と回転子速度の計算値を、何回 がの時間刻みの後でほぼ正確な値に集束させる。一定風速の場合には、計算され た風速は、計算された空気力学的トルクが負荷トルクに等しいような値に収束し 、回転子速度は測定された回転子速度に収束する。誤差を零にするためにめられ ている修正の一部だけが各進みにおいて加えられるように修正の大きさが選択さ れるから、観測器のプロセスの安定性が確保される。したがって、計算は繰り返 し進み、風ｗＮ４器の動作中は、風速値と回転子速度値は、最初の値が間違って いても、あるいは風の力が変動するとしても、はぼ正しい値へ迅速に収束する。

更に、風力タービンの回転子が回転している時は、それが動力を発生しているか 否かにかかわらず、風Ｉ［制器は常に有用である。動力が発生されて〜１ないと すると、計算において負荷トルクは常に零にセットされ、風観制器はほぼ正しい 風速値に収束するであろう。風速が動力発生のために十分であるか否かを判定す るためにこの情報は有用である。それは動力発生の開始中にも有用であるから、 風速と回転子速度の正しい初期値を利用できる。

本発明の風力タービン制御器は、風観制器により独立した変数として供給される 風速予測を用いるパラメータ番スケジュールを含む。パラメータ・スケジュール は風力タービンに対する希望の動作特性を実現する値を含む。とくに、スケジュ ールは、希望のトルク、回転子速度およびピッチ角度（ばツチが可変であるなら ば）に対する一連の値を含む。それらの値の全ては風速の関数である。スケジュ ール内の値は設計者により選択されるものであって、制−される特定の風力ター ビンに非常に依存する。スケジュール・カーブに影響するようインプリメンテー ン１ンは風力タービンの空気力学的性質と、構造的制約と、電気的制約と、エネ ルギー変換効率とを含む。

風力タービン制御器は回転子速度安定器も含む。この回転子速度安定器は、次の 時間の進みにおいて指令すべき、基準負荷トルクと呼ばれる、負荷トルクを計算 する。基準負荷トルクを計算するために、回転子速度安定器はパラメータｅスケ ジュールからのトルクと回転子速度を風速予測を基にして用いる。スケジュール からのトルクと、回転子速度誤差を考慮に入れる付加項とを用いて基準トルクを 計算する。風力タービンが可変ピッチ羽根を有するものとすると、回転子速度安 定器は羽根のピッチも制御する。

運転中に指令された基準トルクを達成するために、パワー変換器は発電機内部の 電気的負荷トルクを制御する。そうすると希望の運転カーブに従って回転子速度 が調整されることになる。このようにして、風力タービンをそれの構造限界およ び電気的限界以内で効率的かつ安全に運転させることができる。

本発明に従って変速風車タービンの回転子速度を制御する方法は、次の時間進み ｔ＋Δｔにおいて平均風速を予測することと、回転子速度の希望値と負荷トルク の希望値を選択するために、予測した風速をパラメータ・スケジュールへ加える ことを含む。それらの希望値に従って、負荷トルクとして加える指令基準トルク が選択されるから、実際の回転子速度は希望の回転子速度に達することができる 。

図面の簡単な説明 図１は風力タービン発電機の斜視図である。

図２は風力タービン発電機Ｍ！！装置の好適な実施例のブロック図である。

図３は風速ａｍ機の線図的例図である。

図４はパラメータ・スケジュールの線図的例図である。

図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃは好適な実施例に含まれる希望の動作カーブを示すグラ フである。

図６は回転子速度安定器の線図的例図である。

図７は風力タービン制御器の動作を示す流れ図である。

図８は風力タービン制御器の動作を示す流れ図である。

発明の詳細な説明 図面を参照することにより本発明を最も良く理解できる。図において類似の部品 は全体にわたって類似の参照番号で示す。

本発明の制御装置は、１９９１年２月１日にアールΦディ拳すチャードソン（Ｒ ，Ｄ、Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ）およびダブリュー・エル・アート？ン（Ｗ、Ｌ、 Ｅｒｄｍａｎ）により出願され、本願出願人へ譲渡された、「変速風車タービン （ＶＡＲＩＡＢＬＥ　５ＰＥＥＤ　ＷＩＮＤ　ＴｔＪＲＢＩＮＥ）」と〜１う名 称の同時係属米国特許出願番号０７／６４９，５６７、現在は米国特許第５．ｏ ８３．０３９号に記載されている装置に使用できる。その出願は、この明細書に 記載されて！る回転子速度安定器により供給される基準トルクに適合させるため に、発電機を制御する基準トルク指令装置について説明するものである。

本発明は、電気エネルギーへの風エネルギーの変換効率を高くする、変速風車タ ービンを運転する方法および制御機を提供するものである。全体的な観点から、 この制御器は変動する風速にほぼ追従するために風力タービンを制御する。風速 が高くなることが予測されると、回転子速度を高クシ、風速が低くなることが予 測されると、回転子速度を低くする。風力タービンに関連して説明するが、本発 明は、動力のレベルが変化しながら運転する変速発電機として、または変速電導 機として、より広く応用される。

風力タービン発電機の斜視図が図１に示されている。風力タービンの例が全体と して１０で示されている。この風力タービンは基台１１の上に設置される。風力 タービンｌＯＯ軸１４に１つまたは複数の羽根１２が連結される。風が１６の向 きで吹くと、羽根１２と軸１４は矢印１８の向きに回転する。しかし、他の実施 例においては、効果が等しく、かつ逆にはなるが、回転の向きを矢印１８の向き とは逆にできる。更に、垂直軸風力タービン構成のような、他の風力タービン構 成を、同等の有用性をもって使用できる。

したがって、凰は回転の向き１８のトルクを軸１４へ供給する。供給されるトル クの暖は風速及び回転子速度の関数である。風速は変化するからトルクも変動す る。回転する軸１４は変速機２０を回転させる。その変速機は、矢印２４の向き に回転する発電機の回転子を含む回転子２２の回転速度を高くする。回転子２２ は発電機２６の内部で回転して電力を出カケーブル２８へ供給する。三相６０Ｈ ｚ交流のような選択された種類の電力へ電力を変換するために、電力変換器３０ がケーブル２８へ連結される。そして電力を配電網またはその他の負荷へ供給で きる。

任意の時刻ｔに風により変速機２０を介して回転子２２へ供給されるトルクを「 空気力学的駆動トルク」と名づける。回転子２２の回転速度を「回転子速度」と 名づける。回転子速度を回転子速度センサ３４によりモニタできる。風により供 給される空気力学的駆動トルクに抗して発電するために、発電器２６により矢印 ３６により示されている向きに「負荷トルク」が供給される。「基準」負荷トル クと名づけられる、指令された負荷トルクを従来の手段により発生できるが、発 電機において指令される基準負荷トルクは、本願出願人へ譲渡された上記同時係 属出願に記載されているようにして実現することが好ましい。それは磁界の向き により固定子内部の電圧または電流を制御して基準トルクを達成する。

図２は、変速、ピッチ角度調整風力タービンの制御装置を示すブロック図である 。ピッチ角度調整風力タービンに関連して説明するが、本発明は、風力タービン がピッチ角度調整でない（たとえば、機能停止調整（ｓｔａｌｌ　ｒｅｇｕｒａ ｔｅｄ）応用にも用いられる）。その場合にはピッチ角度は制御装置アルゴリズ ムにおける定数として単に取られる。

図示のように、風速観測器４０は評価した風速を希望の動作パラメータのパラメ ータースケジュール４２へ供給する。風速を基にして、パラメータ・スケジュー ルは希望の回転子速度と、希望の発電機負荷トルクと、希望の羽根ピツチ角度と の値を出力する。それらの希望値は回転子速度安定器４４へ入力される。その回 転−ｒ・速度安定器は検出した回転子速度を回転子速度センサ３４からの入力と しても受ける。回転子速度安定器４４は、トルク指令信号と、羽根ピツチ角度指 令信号とを含む指令信号を出力する。トルク指令信号は変速電力変換器３０へ供 給される。羽根ピツチ角度指令信号は羽根ピッチ−アクチュエータ５０へ供給さ れる。この羽根ピッチ争アクチュエータは羽根１２のピッチ角度を制御する。正 確なピッチ角度を機供するために、羽根ピツチ角度センサ５２が羽根１２のピッ チ角度を検出する。ピッチ角度は羽根ピツチ角度センサ５２により風速ＩＩ測制 器０へ供給される。付加入力が風速ＩＩ潤器４０へ供給される。それらの入力は 回転子速度センサ３４からの検出された回転子速度と、回転子速度安定器４４が らのトルク指令信号とを含む。

以下に風速ＩＩ測制器０と、パラメータースケジュール４２と、回転子速度安定 器４４とについてより詳しく説明する。好適な実施例の詳細な説明の部分におい て数学的変数と数式を用いる。それらの変数の完全なリストおよびそれらの変数 の意味を付録Ａに含める。以下の説明においては、変数ｔ、は現在の時刻（計算 と測定を行う時刻）を指す。１ｔｒｉ」は各予測間隔ごとに１だけ増加する。変 数Δｔは各予測時間間隔を指す。好適な実施例においては、変数Δｔは約５０ミ リ秒である。Δｔはより小さくすることが一般に有利である。しかし、より大き いΔｔが有利であるような用途もいくつかある。

風観制器４０ 図３は風ＩＩＷｓ器４０の構造および動作方法の線図的例示である。風観測！’ １４０からの出力は予測した風速Ｕ　（ｔ、＋Δｔ）と、予測した回転子速度ω Ｒ（ｔ。

＋Δｔ）とを含む。

後で説明する風Ｉ８！洞器４０への入力は従来のセンサまたはその他の信頼でき る情報源により供給される。図１と図３を参照すれば、たとえば風観制器４０へ の入力の１つは発電１１１２６へ加えられる負荷トルクである。変速動力変換器 ３０が、Ｔ、、、として定義されている指令されたトルクを確実に達成できるな らば、その値は風Ｗ制器４０においてＴ、。、Ｉｌとして使用するために適当で ある。しかし、速さと、トルクと、力（速さ×トルクコ力）との間の関係を基に して、変換効率と電気系統における損失を考慮にいれるというような、Ｔ１゜、 、ｌの別の見積もりを風Ｗ制器４０ににより使用することもできる。Ｔ１゜、、 の別の見積もりは変換器の発電機側において回転子速度測定と共に電流測定を利 用して、発電機の向きを用いてトルクを計算することである。第３の方法は発電 機固定子の電流および電圧ならびに回転子速度を測定し、それからそれらの測定 値を固定子基準モデルにより処理してトルクを見積もりするものである。

測定した回転子速度、ωｎ、、、、　（ｔ　、）は光センサのような、従来のセ ンサにより供給でき、測定した羽根ピツチ角度、ζ、、、、（１，）　、も、電 波位置線トランスデユーサのような、従来のセンサにより供給できる。

ボックス６０に示されている、現在の時刻における正味トルクは、風の力により 供給される電気力学的駆動トルク、Ｔ＋＋、、ｄ（ｔ　、）と、負荷トルクＴ１ ゜−ａ（ｔｌ）との間の差として計算される。

Ｔ、、ｔ（ｔｌ）＝Ｔ、＋、ａ（ｔ、）−Ｔｔ、、ａ（ｔｌ）　（１）Ｔ、。、 ａ（ｔ：）の値については先に述べた。Ｔ−、□（ｔｌ）の値は空気力学的駆動 トルクを表す。それは、ボックス６１に示すように、先端部速度比（Ｒω３／Ｕ ）および羽根ピツチ角度（ζ（ｔ））のような、空気力学的に変化する量の関数 である。

ｔｌ　は現在の時間進み Ｕ（ｔ、）　は現在の時間進みに対して以前に予測した風速ｆ１０　は空気力学 的に得られる関数、先端部速度比および変動する空気力学的パラメータ Ｒは回転子半径 ω５（ｔ　）　は好ましくは現在の時間進みに対して予測した観測器回転子速度 （あるいは、測定した回転を速度Ｉ’ｄ、）　Ｒ＋　１１　ａ　＋を使用できる ）Ｔ、：、ａ　（ｔ　、）は風の力により供給されるトルクの見積もりρ　は空 気密度 ζ（ｔ、）　は羽根ピツチ角度 である。

関数ｆ、は空気力学的に得られるものであって、それの形は羽根の寸法及び形に 依存する。羽根の形は、回転子の力性能、構造剛性に対する要求、表面粗さの不 安定さに対して感じないこと、および製造］二の制約のような諸考慮の間で妥協 して選択される。風力タービン羽根の設計法においては、空気力学的効率係数Ｃ ｐはグラウアート（Ｇｌａｕｅｒｔ）羽根要素理論（ニラグルストン（Ｅｇｇｌ ｅｓｔｏｎ）およびスト１ダート（Ｓｔｏｄｄａｒｄ）著「風力タービン技術設 計（Ｗｉｎｄ　Ｔｕｒｂｉｎｅ　Ｅｎｇｉｎｃｅｒｉｎｇ　Ｄｅｓｉｇｎ）Ｊ　 （１９８７）参ＩＩＱ）を用いて典型的に計算される。好適な実施例においては 、関数ｆ＋は２つの独立変数、すなわち、先端部速度比（Ｒω、／Ｕ）および羽 根ピツチ角度ζ、の関数であって、駆動列損失を蛾視すれば（３）式に示されて いるようにして計算され、関数ｆ、は簡単な関係、ｆ、（Ｒω３／Ｕ、ζ）＝π Ｒ２（Ｕ／Ｒω＊）ＣＩ）（Ｒω、ｌ／Ｕ、ζ／）　（３）により与えられる。

ここに、 ｃｐ　は従来の方法に従って計算したタービンの力係数である。

実際には、与えられた風力タービン羽根の設計に対して、関数ｆ１を実験的に決 定することもできる。風観制器４０の目的のために、先端部速度比に関連する指 数と、羽根ピツチ角度ζに関連する指数とに応じて、関数ｆ、の値が二次元アレ イとして蓄積される。それから表にない値は補間により決定される。

式ｌからＴ。、、（ｔｌ）を得たら、次の時間進みＵ（ｔ１＋Δｔ）における風 速を、ボックス６２に示すように、現在の風速Ｕ（ｔｌ）と、修正項、Ｕ（ｔ１ ＋Δｔ）＝Ｕ（ｔｌ）＋に２丁、、ｔ（ｔｌ）＋に３ε＊（ｔｌ）　（４）とか ら予測できる。ここに、 ｔｌ　は現在の時刻 Δｔ　は時間進み Ｕ（ｔ、）　は現在の時間進みに対して予測される風速Ｕ　Ｄ：＋Δｔ）は次の 進みにおける風速の予測■イ３．（１，）　はシステムにおける正味のトルクに ２、Ｋ３　はダイナミック安定性を与えるための一定利得ω＊　（１、）　は現 在の時間進みに対して予測される回転子速度ω８（ｔ１＋Δｔ）は次の時間進み における回転子速度の予測ω＊ｍａ＊＋　は測定した回転子速度 ε＊（１：）　は回転子速度誤差（ω□６．．−ω＊（ｔｌ））である。

式（４）は現在の風速予測Ｕ（ｔ、）　の安定な修正を与える２つの修正項を含 む。第１の修正項においては、正味のトルクＴ、、、ｔへ定数に２が乗ぜられる 。正味のトルクＴゎ、、（ｔｌ）が正であれば、以前の風速予測は高くなる傾向 があり、したがって次の風速予測を第１の修正項だけ減少させる。逆に、正味の トルクＴ１６、（ｔ、）が負であれば、以前の風速予測は低くなる傾向があり、 したがって次の風速予測を第１の修正項だけ増加させる。定数に２は以後の段階 中にアルゴリズムを安定させるために選択される。別の実施例においては、第１ の修正項を正味のトルクＴゎ、ｔのある関数とすることができる。その関数は、 Ｔ、、、、が正であれば正であり、Ｔｏ、が負であれば負である。その関数は、 正味トルクが減少すれば減少し、正味トルクが増加すれば増加する。

別の実施例においては、風速観測器中の正味トルク修正項を風速観測器中差に比 例する修正項で置換できる。この風速ｌ！ｌ差を現在の風速予測り（ｔｌ）と実 際の風速との間の差として定義できる。実際の風速を風速計その他のセンサ手段 により測定できる。この修正の効果は風速測定における不確実さを、以下の節に おいて説明するように、回転子連ａｍｉＭ４ｓ式（５）へ加えられる正味トルク の空気力学的計算における不確実さで釣り合わせることであろう。しかし、以前 の節において説明したように、風速測定における不確実さは空気力学的計算にお ける不確実さと比較して大きい傾向があるから、正味トルク修正項はほとんどの 場合に一層効果的であろう。

第２の修正項は回転子速度誤差に、アルゴリズムを安定させるために選択された 定数に３を乗じたものである。実際の回転子速度が予測したものより低いとする と、以前の風予測は低くなる傾向があるから、第２の修正項は次の風速予測を減 少する。逆に、実際の回転子速度が予測したものより高いとすると、以前の風予 測は高くなる傾向があるから、第２の修正項は次の風速予測を減少する。第１の 修正項と同様に、第２の修正項は、それが適当な特性を有するならば、回転子速 度誤差のある関数にできる。

次の時間進みにおける回転子速度は、ボックス６４に示すように、式０式％（５ ） により予測もできる。ここに、 ωゆ（ｔ、）　は現在の時間進みに対して予測された回転子速度ω、（ｔ、十Δ ｔ）　は次の時間進みにおける回転子速度の予測に、　はダイナミック安定性を 与えるための一定利得Ｉ　は回転子の慣性 である。

式（４）と同様に、式（５）における回転子速度予測は回転子速度誤差を基にし た修正項をａする。別の実施例においては、類似の特性を有する別の関数がこの 修正項を与えることができる。

風速Ｕ　（ｔ、＋Δｔ）と回転子速度（ωパｔ１＋Δｔ））に対する予測が終わ った後で、それらの値を風観制器４０から出力する。

次の時間進みへ移動するために、ボックス６４に示すように、以前に予測した値 が次の進み　ｔ、＋Δｔに対する現在の値となるように増分「ｉ」を１だけ増加 する。計算過程を各時間進みΔｔごとに繰り返す。好適な実施例においては、時 間進みΔｔは５０ミリ秒である。しかし、別の実施例においては、利用できる動 力を計算する状況に応じて、時間進みΔｔをそれより長く、またはそれより短（ できる。風観制器計算を各時間進みΔｔごとに繰り返す。したがって、風速値と 回転子速度値を各時間進みごとに更新する。風ｌｌ１ｌＩＩＩ器の動作中に、予 測した風速値とトルク値は、空気力学的駆動トルクが変動したとしても、はぼ正 しい値へ急速に収束するであろう。

好ましくは、風力タービンＩＯの羽根１２が回転している時は、発電機２６が電 力を発生していようがいまいが、風観制器４ｏは常に動作する。たとえば、電力 が発生されていない場合でも弱い風は回転子２２を回転させることができる。

その場合（「風速検出状態」）には、負荷トルク無しくＴ、、、、＝Ｏ）で、お よび一定ピツチ角度ζで回転子は「自由に回転」する。風速検出状態においては 、計算のために負荷トルク、Ｔ１゜０．を零へ設定し、風観制器はほぼ正確な風 速値へ収束するであろう。風速が高（なって動力発生レベルへ近づくと、動力発 生のために空気力学的駆動トルクが適切であるか否かについて全てを知った上で 判定するためには、風速について知っていることは有用である。電力発生を開始 させるための判定を行う時は、風速Ｕと回転子速度ω７のほぼ正しい初期値を風 ｌ１ｌｌ！２！！１器４０へ供給するために風速について知っていることは有用 である。しかし、風速について知ることは起動のためには重要ではない。初期値 が得られなかったとしても、合理的な推測が適切である。アルゴリズムは数秒以 内（典型的には、１ｏ。

の時間進みより短い）に正しい解答へ収束するであろう。風力タービンが動力を 発生していない状態にある時は、動力発生をいつ開始するかについて決定せねば ならない。その決定は、設定されている基準に従ってコンピュータにより自動的 に行うことができ、あるいは風力タービンの運転をモニタしている担当者により 行うことができる。決定過程は平均風速と、突風中のより高い風速、および突風 の間のなぎ中のより低い風速を考慮に入れることができる。同時に、好適な実施 例においては、次の節で説明するように、平均風速と、起動および停止のための 所定の値を基にして、決定を自動的に行う。

パラメータ番スケジュール４２ 図３を参照する。風観制器４０により供給される風速の予測値、Ｕ　（ｔ＋＋Δ ｔ）がパラメータ・スケジュール４２へ加えられる。好適な実施例におけるパラ メータ拳スケジュール４２を示す図４を参照する。スケジュール４２は風力ター ビンに対する希望の運転特性を含む。好適な実施例においては、パラメータ・ス ケジュール４２は３つの別々のスケジュール、すなわち、希望の回転子速度対風 速スケジュール７０と、希望の負荷トルク対風速スケジュール７２と、希望の羽 根ピツチ角度対風速スケジュール７４とを含む。別の実施例はそれより少ないス ケジュール、またはそれより多いスケジュールを含むことができる。たとえば、 一定ピツチの羽根を有する機能停止調整タービン（ｓｔａｌ　Ｉ−ｒｅｇｕｌａ ｔｅｄｔｕｒｂｉｎ）は、希望の羽根ピツチ角度対風速スケジュール７４を必要 としない。予測風速、Ｕ（し＋Δｔ）は、パラメータ・スケジュール４２から供 給される特定の希望値に組合わされる。この明細書においては希望値を可変記号 の擾に星印「草」を付して示すことにする。

スケジュール４２は運転している風力タービン、すなわち、動力を発生している 風力タービンに対する希望のパラメータを指定する。風が不十分であれば風力タ ービンは動力を発生しない。弱い風の状態、たとえば、Ｏｋｍｐｈと約１６ｋｍ ｐｈ　（ＯｍｐｈとＩＯｍｐｈ）の間の平均風速の場合には、風速は動力発生の ために最低駆動トルクを供給するためには不十分である。風力タービンは単に停 止でき、または自由に回転することを許すことができる。好適な実施例において は、回転子は典型的には弱い風で自由に回転することを許される。自由に回転し ている間は、羽根ピッチは一定角度ζに保たれる。先に述べたように、風１！測 器を用いて自由回転運転中の風速を決定できる。また、風が強すぎる時は、風力 タービン自体を破損から保護するために風力タービンを停止せねばならない。空 気力学的駆動トルクより高い制動トルクを供給することにより風力タービンを停 止でき、羽根が空気力学的トルクを供給しないように羽根を完全にフェザリング することができる。

パラメータ・スケジュール４２において供給される値％　Ｔｌａｍｄ’、ω８′ 、およびζ１、は設計者により予め選択されるものであって、制御される特定の 風力タービンに大きく依存する。スケジュール・カーブ７０．７２．７４に影響 を及ぼす要因は風力タービンの空気力学的層と、構造上の制約と、電気的制約と 、エネルギー変換効率とを含む。図５Ａ、図５Ｂ、図５０は、好適な実施例に対 してパラメータ・スケジュール４２中のカーブとして示されている希望の値を示 すグラフの例である。それらのパラメータを計算する技術が、１９８９年７月１ ０〜１３日に開催されたヨーロッパ風エネルギー会議および展示会（Ｅｕｒｏｐ ｅａｎ　Ｗｉｎｄ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｘｈｉｂ ｉｔｉｏｎ）（ＥＷＥＣ’　９３）における、「変速風車タービンの最適擬似静 止制御（Ｏｐｔｔｍａｌ　Ｑｕａｓｉｓｔａｔｉｃ　Ｃｏｍｔｒｏｌ　ｏｆ　Ｖ ａｒｉａｂｌｅ　５ｐｅｅｄ　Ｗｉｎｄ　Ｔｕｒｂｉｎｅｓ）Ｊと題する出版物 の３４１〜３４４ページの、この発明の発明者であるホリー（Ｈｏ　ｌ　Ｉ　ｅ ｙ）他による論文に記載されている。

とくに、図５Ａは希望回転子速度、（ω３′）対風速Ｕのカーブの例を示し、図 ５Ｂは負荷トルク、（Ｔ、。、′）対風速Ｕのカーブの例を示し、図５Ｃは希望 羽根ピツチ角度、（ζ′）対風速Ｕのカーブの例を示す。

図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃおよび示されている風速領域を一緒に参照する。領域ｌ においては、風速Ｕは低（、動力は発生されていない。領域２においては、非零 の希望トルクにより示されているように、電力が風力タービンにより発生される 。「低い起動速さ」と呼ばれるある風速においては、電力タービンは起動させら れて動力の発生を開始する。低い起動速さは領域１と２の境界、またはその境界 の少し上にあることが好ましい。しかし風速はほとんど決して一定ではない。

その代わりに、風速は常に変化している。ある場合には、変化する風速は領域１ と領域２の間で変動することがある。平均風速が「低い停止速さ」以下まで低下 したとすると、動力発生は自動的に停止する。低い停止速さは領域ｌ内にあり。

低い起動速さより時速約１，６〜３．２ｋｍ（１〜２ｍ、ｐ、ｈ、）低いことが 好ましい。しかし、低い停止速さを平均的にすることなしに瞬時風速が一時的に １１ｉ１域Ｉｔで低トしたとすると、回転子速度ω８□、、が一定であることが 望ましい。実際の動４′１においては、回転ｒを一定の速さで回転させ続けるた めに１度のトルクが配電網から風力タービンへ供給さねないから、実際の回転子 速度ω８７．。

は一定（こ保ｌこれない。

領域２においては、風速は高くなり、希望の回転子速度は風速の直線的に増加す る関数である。また領域２においては、希望トルクは式２により記述される空気 力学的原理に従って増加する。一般に、領域２においては羽根ピツチ角度ζは、 風の力を回転ｒ−へ最適に変換するための角度にされる。ここで説明している実 施例においては、羽根が領域２内に最適に位置させられる時に羽根ピツチ角度が 値零を持つように羽根ピツチ角度を定め、角度が完全フェザ−位置へ向かって増 加するとその羽根ピツチ角度は正であることに７１目されたい。

あるタービン設計においては、回転子速度の１つまたは複数の特定の狭い範囲に おいてタービンが運転させられる時に、破壊的なＷ４造的共振が起きることがあ る。１つまたは複数の特定の狭い範囲のそれらの回転子速度の１つが領域２に含 まれることがある。全体として非常に狭いそれらの速さ範囲内では、希望の回転 ｆ−速度および希望のトルクの値を調整して、それらの速さで長期間運転してい る間の損傷を避けることができる。たとえば、避けられる回転子速度範囲に対応 する風神範囲のド１′分にある、風速の避けられる範囲の丁縁部に希望の回転子 速度を翰持し、Ｉ゛１′分の風速に対するＬＨ部に希望回転子速度を維持するこ とにより、それらの速さを避けることができる。式（３）において用いた空気力 学的原理と同し原理から対応する希望のトルク値を計算する。

領域３においては、基本的な構造」−の制約および電気的な制約が希望の回転子 速度および希望のトルクを制限する。風力タービンの推力限界がカーブに影響を 及ぼす。その推力限界は図１に示されている基台１１と、回転子２２と、羽根１ ２とが耐えられる限界である。領域３においては、推力を減少さゼるために羽根 ビ！チ角度ζを太きくシ、ｆＪ荷トルクの増加は、最適な動力発生のために望ま しいＣ１Ａ）ルク増加より小さい。費用対効果の観つ、がら、推力限界は費用効 果的な風力タービンの設計において持に＠要なことがある。

６０域４においては、領域３におけるように、基本的な構造上の制約および電気 的な制約が希望の回転子速度および希望の負荷トルクを制限する。領域４におい ては、回転子部品の遠心力速さ限界が希望の回転子速度のそれ以上のどのような 増加も実効的に妨害し、図示の例の場合には負荷トルク限界にも同時に到達して いる。したがって、希望の回転子速度ω□′と希望のトルクＴ１゜ａｄ”はこの 領域においては一定である。電力定格をこの機械的速さ限界およびトルク限界に 一致させるように選択する。回転子において駆動トルクへ変換される風の力を減 少するために、風速の増大と共に羽根ピツチ角度ζを増大させる。

風速が領域４内へ増大するにつれて、最終的にはダイナミック負荷状態が機械的 限界と電気的限界を超える。領域５においては、平均風速が「高い停止速さ」以 にに増加しているので、損傷を避けるために風力タービンを停止せねばならない 。しかし、領域４が風速観測器からの瞬間的に評価された風速が平均停止風速以 下、またはそれ以」二になった場合でも領域４はなお継続される。停止速さを平 均としてたとえば１０％超える上限を瞬時風速が超えた場合はタービンは直ちに 停止する。これが「即時停止速さ」として示されている。停止においては、その 停止が高速または低速のいずれで起きたにせよ、典型的には１１８Ｉ測器におい て計算された公称空気力学的トルクより１０％高い制動作用を行う負荷トルクが 発電機により加えられる。ピッチ調整風力タービンの場合には、羽根１２を完全 フェザ−へ瞬時に調整する。好適な実施例においては、領域５に示されているピ ッチ角度ζは完全フェザ−位置より十−分に小さく、たとえば、９０℃完全フェ ザ−に対して３５″〜４０″　である。

図４のパラメータ・スケジュール７０．７２．７４は、ＲＯＭまたはコンピュー タ・メモリの一部のような便利な態様で実現される。好適な実施例においては、 スケツユ−ルア０．７２，７４は、風速により索引される３つの欄を持つ単一の 表として実現される。値の中間で見積もるために直線補間を用いる。パラメータ ・スケジュール７０．７２．７４からの希望の値を回転子速度安定器（図２）へ 供給する。その回転子速度安定器はトルクＴ１゜、と羽根ピツチ角度ζを制御し て、回転子速度をできるだけ小さい誤差で希望値へ接近させる。

回転子速度安定器４４（図６） 回転子速度、ω。“　（ｔ、＋ΔｔＬの希望値と負荷トルク、ＴＩ。、１ｔ（ｔ １＋Δｔ）、の希望値を用いて、回転子速度安定器４４は次の時間進みに対する 負荷トルクＴ、、＋（ｔ１＋Δｔ）を計算する。好適な実施例においては、負荷 トルクＴ１．。

（ｔ　＋Δｔ）は２つの項、希望負荷トルクＴ１゜−ａ（ｔ１＋Δｔ）と、希望 の回転子速度ω８″と予測した回転子速度ω、を考慮に入れた負荷安定性修正項 との和である。すなわち、 Ｔ、、＋（ｔ　＋Δｔ）＝Ｔ、。、ａ’　（ｔ　：＋Δｔ）−に、（ωｐ’（ｔ ：＋Δｔ）−の、（ｔ、＋Δｔ））　（６） とくに、安定性修正項は、希望回転子速度からの予測回転子速度における偏差に 比例する。修正項の関数は次の通りである。回転子速度が高すぎると、それを減 速するためにトルクを増大する。回転子速度が低すぎると、それを増速するため にトルクを減少する。更に、Ｔ、、＋（ｔ、＋Δｔ）が負であると計算されたと すると、それは零として取り扱われる。希望回転子速度ω１が予測回転子速度ω Ｒよりはるかに大きいとすると、負のＴ１６．を計算できる。

指令されたトルクＴ、、、を運転中に達成するために、回転子速度安定器４４は 発電機内部の電気的負荷トルクを制御する。それは希望の運転カーブに従って回 転ｆ速度を調整するという効果を有する。風力タービンが可変ピッチ羽根を含む ものとすると、回転子速度の希望値に合致させるために回転子速度安定器４４は 羽根のピッチ角度ζを制御することもできる。基準羽根ピツチ角度ζ７．、を得 るために、安定性修正項を希望羽根ピツチ角度ζ′へ加えて誤差を修正できる。

ζ　、＋（１＋Δ１）＝ζ′（ｔ１＋Δｔ）−に５（ωア′（ｔ１＋Δｔ）−ω ヨ（ｔ１＋Δｔ））　（７） ■１．．と同様に、羽根ピツチ角度ζ＋ｅＴは希望値と回転子速度誤差とに依存 する。またζ　、、は、領域２における運転に対して定められた最適全出力ピッ チ角度より小さくなることを阻止される。これは、式７から零として計算された 任意の口の（＋ｉを処理することにより達成される。このようにして、特定の風 力タービンの構造的限界と電気的限界以内で、風力タービンを効率的かつ安全に 運転できる。

電力１ｒ変換器３０（図１）は、１９９１年２月１０にアール・ディＯリチャー ドノノ（Ｒ，Ｄ、Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ）およびダブリュー・エル・アートマン （Ｗ、Ｌ、Ｅｒｄｍａｎ）により出願され、本願出願人へ譲渡された、「変速風 車タービン（ＶＡＲＩＡＢＬＥ　５ＰＥＥＤ　ＷＩＮＤ　ＴＵＲＢＩＮＥ）Ｊと いう名称の同時係属米国特許出願一連番号０７／６４９．５６７、現在は米国特 許第５，０８３，０３９号、十分に開示されているトルク制御器を含むことが好 ましい。

その出願に開示されて〜するトルク制御器はど好ましくはないが、本発明の目的 のために別のトルク制御手段を利用できる。その手段は、巻線界磁同期発ｗ１機 または永久磁石同期発電機、通常の電機子直流発電機または界磁制御直流発電機 、二重給電（ｄｏｕｂｌ！／　ｆｅｄ）誘導発電機、および各種の形式の磁気抵 抗切り替え発電機、可変磁気抵抗発電機、または磁気抵抗同期発電機の電力電子 制御を含むが、それらに限定されるものではない。また、変速トルク制御を、原 則として、可変比変速機、従来の低速誘導発電機または定速同期発電機および可 変比変速機用の適切なトルク測定およびサーボ制御手段を用いて変速トルク制御 を行うことができる。

一般に、回転子速度安定器４４は風力タービンの安定な速度制御を行うための手 段を提供するものである。風速が低い場合は、安定性は重要ではなく、速さを維 持するために駆動トルクを要求される時には、回転子速度安定器４４は風力ター ビンが自由に回転することを常に許すことができる。いいかえると、回転子速度 安定器４４は回転子を駆動するためにトルクを加えることはない。カットインよ り十分に高い、より高い速さの場合には、回転子速度安定器４４は回転子速度を 、随意に選択した度合いで徐々に安定させる。風速に乱れが存在する場合には、 それは回転子速度を希望値から随意の小さい大きさだけ偏倚させる。

図７は本発明の方法を１つの面から示す流れ図である。次に時間進みにおいて平 均風速Ｕを予測してＵ　（ｔ、＋Δｔ）を提供する。平均風速Ｕは風により発電 機へ供給される空気力学的駆動トルクを示すことに注目されたい。予測した（） （ｔ　＋Δｔ）を用いて、回転子速度、ω、゛の値と負荷トルクＴ１゜、、′と の希望する値を選択する。それらの希望値に従って、実際の回転子速度が希望の 回転子速度に近づくように、負荷トルクとして発電機へ加える指令トルクＴ７１ ．を選択する。

図８は、好適な実施例の動作方法を示す別の流れ図を示す。発電機が発電を開始 する前に風速Ｕと回転子速度ω７を決定する。次に、正味トルクを見積もり、風 速Ｕと回転子速度ωアを予測する。予測した風速Ｕ（ｔ＋＋Δｔ）を基にして、 希望の負荷トルク、回転子速度、および羽根ピツチ角度を決定する。それから、 希望負荷トルクおよび修正係数で基準負荷トルクを計算する。それから発電機ト ルクを、はぼ指令された負荷トルクに調整する。最後に、（ｔ、＋Δｔ）に予測 した値を時刻ｔ１の現在の値にし、ｉを１だけ増加する。

本発明の要旨すなわち重要な緒特性を逸脱することなしに、本発明を別の特定の 態様で実施できる。説明した実施例はあらゆる面で例示的なものであるだけであ って、限定的なものではなく、シたがって、本発明の範囲は以上の説明によって ではなくて、添付した請求の範囲により示されるものであると考えるべきである 。請求の範囲の意味と均等性の範囲内で考えられる全ての変更はそれらの範囲内 に包含させられるべきものである。

付録Ａ １＋　は現在の時刻 Δｔ　は時間進みの長さ Ｕ（ｔ＋）　は現在の時間進みに対して予測した風速Ｕ（ｔ＋＋Δｔ）は次の時 間進みにおける風速の予測ｆ１０　は変動する空気力学的パラメータに依存する 空気力学的に得られる関数 Ｒは回転子半径 ωｎ−，−（ｔ　１）　は測定した回転子速度ω７（ｔよ）　は現在の時間進み に対して予測したＵ転子速度ωア（１，＋Δｔ）は次の時間進みにおける回転子 速度の予測Ｔ、、、　（ｔ　ｌ）　はシステムにおける正味のトルクの見積もり 丁、。、６（ｔ工）　は既知の制御される負荷トルクＴ、１□　は風の力により 供給されるトルクの見積もりＴ、、、　は指令されたトルク ■　は回転子の慣性 に、、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ、、Ｋ、はダイナミック安定性を与えるための一定利得ρ 　は空気密度 ε、（１＋）　は回転子速度誤差（ω１０１．−ωア（１＋））ζ（ｔ、）　は 羽根ピツチ角度 ζ１．、　は指令された羽根ピツチ角度「寥」　はパラメータ・スケジュールか ら得た値を示す上付き記号特表平６−５ｕｘ３３（１１） ７ＩＩＥ　７ ７Ｉ［８ フロントページの続き （８１）指定国　ＥＰ（ＡＴ、ＢＥ、ＣＨ，ＤＥ。

ＤＫ、ＥＳ、ＦＲ，ＧＢ、ＧＲ，ＩＥ、ＩＴ、ＬＵ、ＭＣ，ＮＬ、ＳＥ）、０Ａ （ＢＦ、ＢＪ、ＣＦ、ＣＧ、Ｃ１、ＣＭ、　ＧＡ、　ＧＮ、　ＭＬ、　ＭＲ，Ｓ Ｎ、　ＴＤ、　ＴＧ）、　ＡＴ、　ＡＵ、　ＢＢ、　ＢＧ、　ＢＲ，ＣＡ、　Ｃ Ｈ，Ｃ３゜ＤＥ、ＤＫ、ＥＳ、ＦＩ、ＧＢ、ＨＵ、ＪＰ、ＫＰ、ＫＲ，ＬＫ、　 ＬＵ、　ＭＧ、　ＭＮ、　ＭＷ、　ＮＬ、　Ｎｏ、　ＰＬ、　ＲＯ，ＲＵ、ＳＤ 、　ＳＥ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．時間的に変化する動力源により供給される駆動トルクで駆動される回転子を 有する変速発電機制御器であって、 以後の時点において動力源から利用できる動力の量を示す動力パラメータを予測 する手段と、 前記下測した動カパラメータに応答して、前記以後の時点における希望回転子速 度を選択する手段と、 前記以後の時点における回転子速度を制御するために、回転子速度がほぼ前記希 望回転子速度であるように選択される、加えるべき制御パラメータを選択する手 段と、 を備える変速発電機制御器。 ２．制御パラメータにより回転子速度を制御するための手段を更に備える請求の 範囲１記載の変速発電機制御器。 ３．制御パラメータを選択する前記手段は、前記以後の時点において発電機へ加 えるべき基準負荷トルクを計算するための手段を更に備える請求の範囲１記載の 変速発電機制御器。 ４．前記基準負荷トルクを発電機へ加える手段を更に備える請求の範囲３記載の 変速発電機制御器。 ５．前記動カパラメータを予測する前記手段は、回転子へ加えられる駆動トルク の量を見積もる手段を更に備える請求の範囲１記載の変速発電機制御器。 ６．検出した回転子速度パラメータを供給する回転子速度センサと、回転子速度 誤差を計算して、その回転子速度誤差を動カパラメータを選択する前記手段へ加 える手段と、 を更に備える請求の範囲５記載の変速発電機制御器。 ７．動カパラメータを予測する前記手段は、回転子へ加えられる正味トルクを見 積もる手段、を更に備え、この手段は、 回転子へ加えられる駆動トルクの量を見積もる手段と、回転子へ加えられる負荷 トルクの量を見積もる手段と、見積もった駆動トルクと見積もった負荷トルクの 間の差を計算する手段と、 を含む請求の範囲１記載の変速発電機制御器。 ８．動力パラメータを予測する前記手段と、希望回転子速度を選択する前記手段 と、制御パラメータ選択を選択する前記手段とを加えて、一連の以後の時点のお のおのにおいて制御器パラメータを供給する手段を更に備える請求の範囲１記載 の変速発電機制御器。 ９．時間的に変化することがある風にあたる区域を有する少なくとも１つの空気 力学的表面を有し、発電機回転子へ加えられる駆動トルクヘ風エネルギーを変換 する風力タービンにおける変速発電機用制御器であって、風にあたる区域の風速 を見積もる手段と、見積もった風速に応じて希望回転子速度を選択する手段と、 回転子速度をほぼ前記希望回転子速度に制御する手段と、を備える風力タービン における変速発電機用制御器。 １０．回転子速度を制御する前記手段は前記以後の時点において発電機へ加える べき基準負荷トルクを計算する手段を更に備える請求の範囲９記載の変速発電機 制御器。 １１．回転子速度を制御する手段は、前記基準負荷トルクを発電機へ加える手段 を更に備える請求の範囲１０記載の変速発電機制御器。 １２．前記風速を予測する前記手段は、回転子へ加えられる駆動トルクの量を見 積もる手段を更に備える請求の範囲９記載の変速発電機制御器。 １３．検出した回転子速度パラメータを供給する回転子速度センサと、回転子速 度誤差を計算する手段と、 前記回転子速度誤差をカパラメータを回転子速度を制御する前記手段へ加える手 段と、 を更に備える変速発電機制御器。 １４．風速を見積もる前記手段は、 回転子へ加えられる正味トルクを見積もる手段、を更に備え、この手段は、 回転子へ加えられる駆動トルクの量を見積もる手段と、回転子へ加えられる負荷 トルクの量を見積もる手段と、見積もった駆動トルクと見積もった負荷トルクの 間の差を計算して、見積もった正味トルクを供給する手段と、を含む請求の範囲 ９記載の変速発電機制御器。 １５．空気力学的表面はピッチ制御機構により選択できるピッチを有し、回転子 速度を制御する前記手段は前記ピッチ制御機構を含む請求の範囲９記載の変速発 電器制御器。 １６．前記風速に依存して基準ピッチ角度を計算する手段と、前記基準ピッチ角 度を加えるためにピッチ制御機構を制御する手段と、を更に備える請求の範囲１ ５記載の変速発電機制御器。 １７．時間的に変化することがある風にあたる区域を有する少なくとも１つの空 気力学的表面を有し、発電機回転子へ加えられる駆動トルクヘ風エネルギーを変 換する風力タービンにおける変速発電機用制御器であって、以後の時点において 前記区域の風速を予測する手段と、予測した風速に応じて、前記以後の時点にお ける希望回転子速度を選択する手段と、 前記以後の時点において回転子速度を制御するために加えるべき、回転子速度が ほぼ前記希望回転子速度であるように選択される制御パラメータを選択する手段 と、 を備える風力タービンにおける変速発電機用制御器。 １８．制御パラメータを選択する前記手段は、前記以後の時点において発電機へ 加えるべき基準負荷トルクを計算するための手段を更に備える請求の範囲１７記 載の変速発電機制御器。 １９．前記基準負荷トルクを発電機へ加える手段を更に備える請求の範囲１８記 載の変速発電機制御器。 ２０．前記風速を予測する前記手段は、回転子へ加えられる駆動トルクの量を見 積もる手段を更に備える請求の範囲１７記載の変速発電機制御器。 ２１．検出した回転子速度パラメータを供給する回転子速度センサと、回転子速 度誤差を計算する手段と、 前記回転子速度誤差をカパラメータを回転子速度を制御する前記手段へ加える手 段と、 を更に備える請求の範囲２０記載の変速発電機制御器。 ２２．風速を予測する前記手段は、 回転子へ加えられる正味トルクを見積もる手段、を更に備え、この手段は、 回転子へ加えられる駆動トルクの量を見積もる手段と、回転子へ加えられる負荷 トルクの量を見積もる手段と、見積もった駆動トルクと見積もった負荷トルクの 間の差を計算して、見積もった正味トルクを供給する手段と、を含む請求の範囲 １７記載の変速発電機制御器。 ２３．以後の時点における平均風速を予測する手段と、前記以後の時点において 予測する風速に依存する希望回転子速度を選択する手段と、 前記回転子の回転速度がほぼ前記希望回転子速度であるように選択きれて、前記 以後の時点において加えるべき基準負荷トルクを、前記予測した風速に応答して 、かつ前記希望回転子速度に依存して選択するトルク選択手段と、を備え、変速 風力タービン発電機の回転子における負荷トルクとは逆向きで、量が風速と共に 時間的に変化するような駆動トルクを風が回転子へ供給する、変速風力タービン 発電機の回転子における負荷トルクを選択するための制御器。 ２４．希望回転子を選択する手段は、希望回転子速度を得るために予測した風速 を加えるパラメータ・スケジュールを含む請求の範囲２８記載の制御器。 ２５．トルク選択手段は希望負荷トルクを得るために予測した風速を加えるパラ メータ・スケジュールを備える請求の範囲２３記載の制御器。 ２６．トルク選択手段は、 安定性修正項を決定する手段と、 発電機へ加えるべき基準負荷トルクを得るために、希望負荷トルクと安定性修正 項を加える手段と、 を更に含む請求の範囲２５記載の制御器。 ２７．安定性修正項を決定する手段は、以後の時点において回転子速度を予測す る手段を備え、かつ予測した回転子速度および希望回転子速度の関数として回転 子速度誤差を決定する手段を備える請求の範囲２５記載の制御器。 ２８．予測手段は、 第１の修正項を決定する手段と、 現在の風速を見積もる手段と、 現在の風速見積もりを第１の修正項へ加えて風速予測を得る手段と、を含む請求 の範囲２５記載の制御器。 ２９．予測手段は第２の修正項を決定する手段を含み、かつ、現在の風速見積も りと、第１の修正項と、第２の修正項とを加え合わせて風速予測を得る手段を更 に含む請求の範囲２８記載の制御器。 ３０．予測手段は風の力により加えられる駆動トルクを決定する手段を含み、第 １の修正項を決定する手段は、駆動トルクの関数として第１の修正項を決定する 手段を含む請求の範囲２８記載の制御器。 ３１．予測手段は、現在の時間進みにおいて風の力により供給される駆動トルク を見積もる手段を含む請求の範囲２３記載の制御器。 ３２．予測手段は、現在の時間進みにおいて回転子における正味のトルクを見積 もる手段を更に含む請求の範囲３１記載の制御器。 ３３．正味のトルクを見積もる手段は、加えられた風速を、加えられた負荷トル クからの駆動トルクから差し引くことを含む請求の範囲３２記載の制御器。 ３４．予測手段は第１の修正項を決定する手段と、現在の風速を見積もる手段と を含み、かつ、現在の風速見積もりを第１の修正項へ加え合わせて風速予測を得 る手段を更に含む請求の範囲３２記載の制御器。 ３５．少なくとも１つの羽根へ力を加える風により駆動され、かつその風により 駆動トルクを加えられる回転子を有する風力タービンのための、羽根にあたる平 均風速を予測する風速観測器であって、回転子速度を示すパラメータを得るため の手段と、現在の時刻における平均風速を見積もる手段と、以後の時点における 平均風速を見積もる手段と、を備える風により駆動される回転子を有する風力タ ーピン用風速観測器。 ３６．風により加えられる駆動トルクを見積もる手段を更に備え、この見積もり 手段は巻き回転子速度と前記見積もった風速に応等する請求の範囲３５記載の風 速観測器。 ３７．回転子へ加えられる正味トルクを見積もる手段、を更に備え、この手段は 、 回転子へ加えられる駆動トルクの量を見積もる手段と、回転子へ加えられる負荷 トルクの量を見積もる手段と、見積もった駆動トルクと見積もった負荷トルクの 間の差を計算して、見積もった正味トルクを供給する手段と、を含む請求の範囲 ３５記載の風速観測器。 ３８．回転子速度を示すパラメータを得るための前記手段と、平均風速を見積も る前記手段と、平均風速を予測する前記手段とを加えて、一連の以後の時点のお のおのにおける平均風速を予測する手段を更に備える請求の範囲３５記載の風速 観測器。 ３９．羽根のピッチ角度を示すパラメータを得るための手段と、風速により加え られる駆動トルクを見積もり、前記回転子速度パラメータと、前記見積もった風 速と、前記ピッチ角度パラメータとに応答する手段と、を更に備える請求の範囲 ８５記載の風速観測器。 ４０．回転子により駆動される変速発電機を含み、かつ、風の力を回転子におけ る駆動トルクヘ変換するための１つまたは複数の空気力学的表面を有する変速風 力タービン用風力タービン制御器であって、空気力学的表面の平均を取られた風 速を見積もり、発電機を効率的に運転させるために風速の見積もりに応じて基準 負荷トルクを選択する前記変速風力タービン用風力タービン制御器において、回 転子速度を検出する手段と、 風速を見積もる手段を含む風速観測器と、希望負荷トルクおよび希望回転子速度 を風速の関数として風力ターピンへ供給する値を含むパラメータ・スケジュール と、希望負荷トルクおよび希望回転子速度を基にして基準負荷トルクを指令する ための手段を含む回転子速度安定器と、を備える変速発電機を含む変速風力ター ビン用風力タービン制御器。 ４１．風速観測器は、 回転子へ加えられる正味トルクを見積もる手段、を更に備え、この手段は、 回転子へ加えられる駆動トルクの量を見積もる手段と、回転子へ加えられる負荷 トルクの量を見積もる手段と、見積もった駆動トルクと見積もった負荷トルクの 間の差を計算して、見積もった正味トルクを供給する手段と、を含む請求の範囲 ４０記載の風力タービン制御器。 ４２．前記風速観測器と、前記パラメータ・スケジュールと、前記回転子速度安 定器とを加えて、時間間隔Δｔだけ隔てられている一連の以後の時点のおのおの における基準負荷トルクを供給する手段を更に備える請求の範囲４０記載の風力 タービン制御器。 ４３．調整可能な空気力学的表面を有する少なくとも１つの空気力学的羽根と、 羽根の空気力学的表面角度を検出するセンサと、空気力学的表面角度を制御する 羽根空気力学的アクチュエータと、空気力学的表面の希望角度を風速の関数とし て供給する値を含むパラメータ・スケジュールと、 空気力学的表面の希望角度および希望回転子速度を基にして空気力学的表面の基 準角度を指令する手段と、 を更に備える請求の範囲４０記載の風力タービン制御器。 ４４．回転子により駆動される変速発電機を含み、かつ、風の力を回転子におけ る駆動トルクヘ変換するための１つまたは複数の空気力学的表面を有する変速風 力タービン用風力タービン制御器であって、空気力学的表面の平均を取られた風 速を予測し、発電機を効率的に運転させるために風速の予測に応じて基準負荷ト ルクを選択する前記変速風力タービン用風力タービン制御器において、回転子速 度を検出する手段と、 現在の時刻ｔｉにおける回転子への駆動トルクを見積もる手段と、以後の時点ｔ ｉ＋Δｔにおける風速を予測する手段と、を含む風速観測器、 希望負荷トルクおよび希望回転子速度を風速の関数として風力タービンへ供給す る値を含むパラメータ・スケジュールと、希望負荷トルクおよび希望回転子速度 を基にして基準負荷トルクを指令するためのプログラム手段を含む回転子速度安 定器と、を備える変速発電機を含む変速風力タービン用風力ターピン制御器。 ４５．風速観測器は、 回転子へ加えられる正味トルクを見積もる手段、を更に備え、この手段は、 回転子へ加えられる駆動トルクの量を見積もる手段と、回転子へ加えられる負荷 トルクの量を見積もる手段と、見積もった駆動トルクと見積もった負荷トルクの 間の差を計算して、見積もった正味トルクを供給する手段と、を含む請求の範囲 ４４記載の風力タービン制御器。 ４６．前記風速観測器と、前記パラメータ・スケジュールと、前記回転子速度安 定器とを加えて、時間間隔Δｔだけ隔てられている一連の以後の時点のおのおの における基準負荷トルクを供給する手段を更に備える請求の範囲４４記載の風力 タービン制御器。 ４７．調整可能なピッチ角度を有する少なくとも１つの空気力学的羽根と、羽根 のピッチ角度を検出するセンサと、ピッチ角度を制御する羽根ピッチアクチュエ ータと、希望の羽根ピッチ角度を風速の関数として供給する値を含むパラメータ ・スケジュールと、 希望の羽根ピッチ角度および希望回転子速度を基にして基準ピッチ角度を指令す る手段と、 を更に備える請求の範囲４４記載の風力タービン制御器。 ４８．（ａ）電力が発生されていない時に弱い風で運転中に風力タービンが回転 することを許す過程と、 （ｂ）回転子速度をモニタする過程と、（ｃ）羽根に風があたる区域に存在する 平均風速の風速見積もりを、前記回転子速度を基にして得る過程と、 （ｄ）以後の時点における風速予測を得る過程と、を備える発電機の回転子を回 転させ、風があたる少なくとも１つの羽根を有する変速風力ターピンを運転する ための風速検出方法。 ４９．以後の時点における風速予測を得る過程（ｄ）を更に備える請求の範囲４ ８記載の風速検出方法。 ５０．一連の以後の時点のおのおのにおける風速予測を得るために過程（ａ）〜 （ｄ）を繰り返す過程（ｅ）を更に備える請求の範囲４８記載の風速検出方法。 ５１．時間間隔にわたる平均風速を得るために前記時間間隔にわたる風速見積も りをモニタする過程（ｄ）を更に備える請求の範囲４８記載の風速検出方法。 ５２．（ｅ）平均風速をモニタする過程と、（ｆ）予め選択した平均風速を超え た時に発電機で発電する過程と、を備える請求の範囲４８記載の風速検出方法。 ５３．（ａ）現在の風速を見積もる過程と、（ｂ）現在の時刻に回転子へ加えら れる駆動トルクの量を見積もる過程と、 （ｃ）前記現在の時刻に見積もられた駆動トルクの前記量に依存して第１の修正 項を計算する過程と、 （ｄ）現在の時刻に対して見積もった風速を前記第１の修正項へ加えて、以後の 時点に対する風速平均を予測する過程と、（ｅ）前記以後の時点において、過程 （ａ）〜（ｄ）を繰り返し、過程（ａ）において、前記以後の時点に対して予測 された風速を、現在の時刻に対する風速見積もりとして加える過程と、 を備える風力タービンの羽根にあたる風の平均を取られた風速を予測する方法。 ５４．過程（ｆ）回転子へ加えられる正味トルクを見積もる、を更に備え、この 過程は、 回転子へ加えられる負荷トルクの量を見積もる過程と、見積もった駆動トルクと 見積もった負荷トルクの差を計算して、見積もった正味トルクを供給する過程と 、 を含み、前記過程（ｃ）は、前記見積もった正味トルクを加えて第１の修正項を 計算することを更に含む請求の範囲５３記載の方法。 ５５．過程（ｆ）過程（ａ）〜（ｅ）を繰り返して、一連の以後の時点のおのお のにおいて平均された風速を予測することを更に備える請求の範囲５３記載の方 法。 ５６．風速により索引される希望運転パラメータのパラメータ・スケジュールを 利用する、変速風力タービンの回転子速度を制御する方法において、（ａ）現在 の時刻における平均風速を見積もる過程と、（ｂ）以後の時点における平均風速 を予測する過程と、（ｃ）希望運転パラメータのスケジュールから希望回転子速 度を選択する過程と、 （ｄ）風力タービンの制御パラメータを供給する過程と、（ｅ）回転子速度が風 速をほぼ追従するように、前記制御パラメータに従って回転子速度を調整する過 程と、 を備える変速風力タービンの回転子速度を制御する方法。 ５７．過程（ｂ）は、 回転子へ加えられる駆動トルクの量を見積もる過程と、回転子へ加えられる負荷 トルクの量を見積もる過程と、見積もった駆動トルクと見積もった負荷トルクの 差を計算して、見積もった正味トルクを供給する過程と、 更に備える請求の範囲５６記載の方法。 ５８．過程（ｆ）過程（ａ）〜（ｅ）を繰り返して、一連の以後の時点のおのお のにおいて平均された風速を調整することを更に備える請求の範囲５３記載の方 法。 ５９．制御パラメータに依存する回転子速度制御と、時間的に変化することがあ る風にあたる区域を有する少なくとも１つの空気力学的表面とを有し、風エネル ギーを発電機回転子へ加えられる駆動トルクヘ変換する風力ターピンで変速発電 機を制御するために制御パラメータを供給する方法であって、（ａ）以後の時間 進みにおいて風にあたる区域の風速平均を予測する過程と、 （ｂ）前記以後の時間進みにおいて予測された前記風速を加えて、前記時間進み に対する希望回転子速度を選択する過程と、（ｃ）前記希望回転子速度が前記以 後の時間進みにおいて近似されるように、前記希望回転子を加えて、前記回転子 速度制御へ加えることができる制御パラメータを選択する過程と、 を備える風力タービンにおいて変速発電機を制御するために制御パラメータを供 給する制御方法。 ６０．前記過程（ａ）風速を予測する、過程は、（ｄ）現在の時刻に風速を見積 もる過程と、（ｅ）現在の時刻に回転子へ加えられる駆動トルクの量を見積もる 過程と、 （ｆ）現在の時刻に見積もられた駆動トルクの前記量に依存する第１の修正項を 計算する過程と、 （ｇ）現在の時刻に見積もられた風速を前記第１の修正項へ加えて、以後の時間 進みに対する風速平均を予測する過程と、を更に備える請求の範囲５９記載の制 御方法。 ６１．前記過程（ａ）風速を予測する過程は、（ｈ）現在の時刻に検出された回 転子速度を検出する過程と、（ｉ）現在の時刻に回転子速度誤差を計算する過程 と、（ｊ）前記回転子速度誤差を基にして第２の修正項を計算する過程と、（ｋ ）過程（ｇ）において予測された風速へ第２の修正項へ加えて、前記以後の時点 に対する風速を予測する過程と、を備える請求の範囲６０記載の制御方法。 ６２．前記過程（ｃ）前記希望回転子速度を加えて制御パラメータを選択する、 は 前記以後の時点において発電機へ加えるべき基準負荷トルクを計算する過程、 を更に備える請求の範囲５９記載の制御方法。 ６８．制御パラメータに依存する回転子速度制御と、時間的に変化することがあ る風にあたる区域を有する少なくとも１つの空気力学的表面とを有し、風エネル ギーを発電機回転子へ加えられる駆動トルクヘ変換する風力タービンにおいて変 速発電機を制御するために制御パラメータを供給する方法であって、（ａ）現在 の時刻における風速を見積もる過程と、（ｂ）現在の時刻における回転子速度を 見積もる過程と、（ｃ）前記風速と前記回転子速度を加えて、現在の時刻に回転 子へ加えられる駆動トルクの量を見積もる過程と、（ｄ）前記見積もった駆動ト ルクを加えて、以後の時点における風にあたる区域の風速平均を予測する過程と 、 （ｅ）前記以後の時点において予測された前記風速を加えて、前記以後の時点に 対する希望回転子速度を選択する過程と、（ｆ）前記希望回転子速度が実際の回 転子速度により近似されるように、前記希望回転子速度を加えて、前記回転子速 度制御へ加えることができる制御パラメータを選択する過程と、 （ｇ）前記以後の時点において、過程（ａ）〜（ｆ）を繰り返し、前記以後の時 点に対して予測された風速を、過程（ａ）における現在の時刻に対する風速見積 もりとして加える過程と、 を備える風力タービンにおいて変速発電機を制御するために制御パラメータを供 給する制御方法。 ６４．各時間間隔ごとに風速予測を更新し、かつ風速を追従するために回転子速 度を各時間間隔ごとに更新するように、過程（ａ）〜（ｆ）の方法を選択した時 間間隔で常に繰り返す請求の範囲６３記載の制御方法。 ６５．（ｈ）現在の時刻に対して予測した駆動トルクの前記量に依存して第１の 修正項を計算する過程と、 （ｉ）現在の時刻に対して見積もった風速を前記第１の修正項へ加えて、前記以 後の時点に対する風速平均を予測する過程と、を更に備える請求の範囲６３記載 の制御方法。 ６６．（ｊ）現在の時刻に検出された回転子速度を検出する過程と、（ｋ）現在 の時刻に回転子速度誤差を、検出きれた回転子速度と予測した回転子速度の差と して計算する過程と、（ｌ）前記回転子速度誤差を基にして第２の修正項を計算 する過程と、（ｍ）過程（ｇ）において予測した風速へ第２の修正項へ加えて、 前記以後の時点に対する風速を予測する過程と、を備える請求の範囲６５記載の 制御方法。 ６７．過程（ｆ）前記希望回転子速度を加えて制御パラメータを選択する過程は 、 （ｈ）前記以後の時点において発電機へ加えるべき基準負荷トルクを計算する過 程、 を更に備える請求の範囲６３記載の制御方法。