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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2020-193565(P2020-193565A)
(43)【公開日】2020年12月3日
(54)【発明の名称】風力発電装置とその制御方法
(51)【国際特許分類】
   F03D 7/04 20060101AFI20201106BHJP
【FI】
   F03D7/04 K
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】OL
【全頁数】13
(21)【出願番号】特願2019-97554(P2019-97554)
(22)【出願日】2019年5月24日
(71)【出願人】
【識別番号】000005108
【氏名又は名称】株式会社日立製作所
(74)【代理人】
【識別番号】110000350
【氏名又は名称】ポレール特許業務法人
(72)【発明者】
【氏名】吉村 正利
(72)【発明者】
【氏名】大竹 悠介
【テーマコード(参考)】
3H178
【Fターム(参考)】
3H178AA04
3H178AA40
3H178AA43
3H178BB65
3H178DD32X
3H178DD42X
3H178DD55X
3H178EE02
3H178EE13
3H178EE18
3H178EE23
(57)【要約】
【課題】
発電量低下を抑制しつつ、風向急変による荷重過大を抑制することが可能な風力発電装置とその制御方法を提供する。
【解決手段】
風力発電装置1は、ブレード2を備えるロータ4、ブレード旋回機構5、ナセル6、発電機7、発電機7の発電量やトルクを調整する電力変換器8、タワー9、発電調整指令に基づいてブレード旋回機構5と電力変換器8に送る制御指令を定める制御装置20を備える。制御装置20は、風向とロータ4の方向からヨー偏差角を算出するヨー偏差角計算部301と、ヨー偏差角に基づき発電調整指令を定める発電調整指令作成部303を備え、発電調整指令作成部303は、ヨー偏差角が大きい場合に発電出力が小さくなるように調整し、ヨー偏差角がさらに大きくなると発電を所定期間停止するように発電調整指令を作成する。
【選択図】 図4
【特許請求の範囲】
【請求項1】
翼を備え風を受けて回転するロータと、前記ロータを回転可能に支持するナセルと、前記ナセルをヨー旋回可能に支持するタワーと、発電調整指令に基づいて発電出力を調整する調整装置と、前記調整装置に送る前記発電調整指令を定める制御装置とを備える風力発電装置であって、
前記制御装置は、風向と前記ロータの回転軸の方向からヨー偏差角を算出するヨー偏差角計算部と、風速から発電調整量を算出する発電調整量計算部と、前記ヨー偏差角と前記発電調整量に基づき前記発電調整指令を作成する発電調整指令作成部を備え、
前記発電調整指令作成部は、前記ヨー偏差角が第一閾値を超えた場合、前記発電調整量に応じて定格発電出力より発電出力を小さくし、前記ヨー偏差角が前記第一閾値より大きい第二閾値を超えた場合、発電を所定時間停止もしくは前記発電調整量に応じた発電出力よりさらに発電出力を小さくするように前記発電調整指令を作成することを特徴とする風力発電装置。
【請求項2】
請求項1に記載の風力発電装置において、
前記発電調整指令作成部は、前記ヨー偏差角が前記第一閾値を下回ったとき、ただちに前記発電調整指令の出力を終了しないことを特徴とする風力発電装置。
【請求項3】
請求項1または2に記載の風力発電装置において、
前記第一閾値と前記第二閾値は、前記風速もしくは前記発電出力が高くなるにしたがって値が低くなるように前記発電調整指令作成部に設定されることを特徴とする風力発電装置。
【請求項4】
請求項1または2に記載の風力発電装置において、
第二閾値決定部を備え、前記第二閾値決定部は前記発電出力に基づき前記第二閾値を決定し、決定された前記第二閾値は前記発電調整指令作成部に設定されることを特徴とする風力発電装置。
【請求項5】
請求項1または2に記載の風力発電装置において、
前記発電調整量と前記第一閾値と前記第二閾値は、予め前記発電調整指令作成部に設定されていることを特徴とする風力発電装置。
【請求項6】
請求項1または2に記載の風力発電装置において、
前記発電調整量と前記第一閾値と前記第二閾値は、通信部を介して風力発電装置の外部から前記発電調整指令作成部に設定されることを特徴とする風力発電装置。
【請求項7】
請求項1または2に記載の風力発電装置において、
前記制御装置は、請求項1に記載の発電調整量計算部に代えて、発電出力、翼のピッチ角、発電機トルク、またはロータ回転速度に代表される、風況が変わると変動する前記風力発電装置の状態パラメータを求め、前記状態パラメータもしくは前記状態パラメータの所定期間における変動量に基づいて、前記発電調整量を計算する発電調整量計算部を備えることを特徴とする風力発電装置。
【請求項8】
翼を備えて風を受けて回転するロータと、翼の旋回機構と、ナセルと、前記ナセルの旋回機構と、タワーとを備えた風力発電装置の制御方法であって、
風向と前記ロータの回転軸の方向との差分であるヨー偏差角が第一閾値を超えた場合、前記翼の旋回機構を駆動して前記翼のピッチ角をフェザー側に動作して発電出力を継続し、
前記ヨー偏差角が第一閾値より大きい第二閾値を超えた場合、前記翼の旋回機構を駆動して前記翼のピッチ角をさらにフェザー側に動作して発電出力を継続するかフェザー状態として前記風力発電装置を停止することを特徴とする風力発電装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、風力発電装置とその制御方法に係り、特に、風力発電装置の発電量低下を最小限にしつつ、風向急変による荷重過大を抑制することが可能な風力発電装置とその制御方法に関する。
【背景技術】
【0002】
水平軸型の風力発電装置では、風車ロータを搭載するナセルを垂直軸まわりに旋回させるヨー旋回機構が備わっている。風力発電装置は、風車ロータの回転軸の方位角(以下、ナセル方位角と呼ぶ)と風向との偏差角を表す風向偏差(以下、ヨー偏差角と呼ぶ)が生じた場合、ロータの受風面積の減少により発電効率が低下するのを防ぐため、ヨー旋回機構を制御してヨー偏差角をなくすように動作することが知られている。
【0003】
風向が緩やかに変動した場合、ヨー制御によりナセル方位角が風向に十分追従できる。一方、風向が急変した場合は、ヨー制御による風向追従が間に合わず、ヨー偏差角が過大となり風車に作用する荷重も過大となる。この過大荷重を抑制する方法として、例えば、ヨー偏差角の値がある閾値以上のとき、風車を停止する方法が特許文献1に記載されている。他にも、ヨー偏差角の値がある閾値以上のとき、ピッチ角をフェザー側に近づけて荷重を緩和する方法が特許文献2に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2017−089575号公報
【特許文献2】特開2016−160878号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
特許文献1に開示された方法では、風向急変のたびに風車が停止するため、一定期間発電することができない。特に、風向急変が一過性で、すぐに元の方位に風向が戻る場合、風車が停止してすぐにヨー偏差角が小さくなるため、荷重が過大にならないのに風車を停止する時間が多くなってしまう。
【0006】
また、特許文献2に開示された方法では、風向急変の変動速度が速かったり変動量が多かったりした場合、ピッチ角の制御による荷重の緩和が間に合わず、荷重過大により風車が故障する可能性がある。
【0007】
そこで本発明は、発電量低下を抑制しつつ、風向急変による荷重過大を抑制することが可能な風力発電装置とその制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記課題を解決するために本発明は特許請求の範囲に記載の構成とするものである。
本発明の具体的な構成例としては、
例えば、翼を備え風を受けて回転するロータと、前記ロータを回転可能に支持するナセルと、前記ナセルをヨー旋回可能に支持するタワーと、発電調整指令に基づいて発電出力を調整する調整装置と、前記調整装置に送る前記発電調整指令を定める制御装置とを備える風力発電装置であって、
前記制御装置は、風向と前記ロータの回転軸の方向からヨー偏差角を算出するヨー偏差角計算部と、風速から発電調整量を算出する発電調整量計算部と、前記ヨー偏差角と前記発電調整量に基づき前記発電調整指令を作成する発電調整指令作成部を備え、
前記発電調整指令作成部は、前記ヨー偏差角が第一閾値を超えた場合、前記発電調整量に応じて定格発電出力より発電出力を小さくし、前記ヨー偏差角が前記第一閾値より大きい第二閾値を超えた場合、発電を所定時間停止もしくは前記発電調整量に応じた発電出力よりさらに発電出力を小さくするように前記発電調整指令を作成する風力発電装置である。
【0009】
また、本発明の他の具体的な構成例としては、
翼を備えて風を受けて回転するロータと、翼の旋回機構と、ナセルと、前記ナセルの旋回機構と、タワーとを備えた風力発電装置の制御方法であって、
風向と前記ロータの回転軸の方向との差分であるヨー偏差角が第一閾値を超えた場合、前記翼の旋回機構を駆動して前記翼のピッチ角をフェザー側に動作して発電出力を継続し、
前記ヨー偏差角が第一閾値より大きい第二閾値を超えた場合、前記翼の旋回機構を駆動して前記翼のピッチ角をさらにフェザー側に動作して発電出力を継続するかフェザー状態として前記風力発電装置を停止することを特徴とする風力発電装置の制御方法である。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、風向急変のたびに風車が停止することなく、発電量の低下を抑えることができる。また、風向急変の変動速度が速かったり変動量が多かったりした場合には、風車を停止して荷重過大による風車の故障を防ぐことができる。すなわち、発電量低下を抑制しつつ、風向急変による荷重過大を抑制することが可能な風力発電装置とその制御方法を提供できる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
図1】本発明の一実施例に係る実施例1の風力発電装置の全体概略構成を示す側面図である。
図2図1に示す風力発電装置の上面図(平面図)である。
図3図1に示す風力発電装置の制御装置を構成する発電調整部の機能を示すブロック線図である。
図4図3に示す発電調整部の処理概要を示すフローチャートである。
図5】実施例1に係る発電調整部の効果を示す概要図である。
図6】本発明の他の実施例に係る実施例2の発電調整部の機能を示すブロック線図である。
図7】本発明の他の実施例に係る実施例7の発電調整部の機能を示すブロック線図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、図面を用いて本発明の実施例について説明する。
【実施例1】
【0013】
図1は、本発明の一実施例に係る実施例1の風力発電装置の全体概略構成を示す側面図である。図1に示すように、風力発電装置1は、複数のブレード2と、ブレード2を接続するハブ3とで構成されるロータ4を備える。なお、ブレード2は単数でも良い。ロータ4は、ナセル6に回転軸(図示省略)を介して連結されており、回転することでブレード2の位置を変更可能である。また、各ブレード2はブレード旋回機構5によってブレードの垂直軸まわりに回転させて角度(ピッチ角)を変更可能である。ナセル6は、ロータ4を回転可能に支持している。ナセル6は、発電機7を備え、ブレード2が風を受けることでロータ4が回転し、その回転力が発電機7を回転させることで電力を発生させ、電力変換器8によってロータ4の回転速度や風力発電装置1の電力を調整する。ナセル6は、本実施例では、タワー9上に設置されており、ヨー旋回機構10(ヨー調整装置とも称される)によって垂直軸まわりにヨー旋回可能である。
【0014】
制御装置20は、風向と風速とを検出する風向風速センサ11から検出した風向θwや、風速Vwに基づいて、発電機7、ブレード旋回機構5、およびヨー旋回機構10を制御する。風向風速センサ11は、風向計が矢羽式で風速計がカップ式である低コストで一般的なものを本実施例では想定しているが、ドップラーライダーなどのライダー(Lidar)や超音波風向風速計等であってもよい。また、風向風速センサ11は、ナセルやタワー等の風力発電装置に取り付けられていてもよいし、風力発電装置とは別構造物でマスト等に取り付けられていてもよい。
【0015】
なお、ヨー旋回機構10は、ヨーベアリングやヨーギア(ヨー旋回用歯車)、ヨー旋回モータ、ヨーブレーキ等から構成されている。また、ハブ3に対するブレード2の角度を変更可能なピッチアクチュエータ、発電機7が出力する有効電力や無効電力を制御する電力変換器や、電気的信号または機械的信号を検出するセンサ等を適宜位置に備えている。また、図1に示す風力発電装置は、ナセル6からブレード2に向かう風向の風で発電するダウンウィンド式であるが、ブレード2からナセル6に向かう風向の風で発電するアップウィンド式であってもよい。
【0016】
図2は、図1の上面図(平面図)である。所定の基準方向となす風向をθw、所定の基準方向となすロータ回転軸の方向をθr、風向θwからロータ軸角度θrまでの偏差角であるヨー偏差角をΔθと定義し、これらの関係を図示している。ここで、「所定の基準方向」とは、例えば、北を0°として基準方向とする。なお、北に限らず基準となる方向を任意に設定しても良い。なお、風向θwは、計測周期ごとに取得された値であってもよいし、所定期間の平均方向であってもよいし、所定周波数領域のみを通過させるフィルタを介した方向であってもよいし、周辺の風況分布に基づき算出された方向であってもよい。また、ロータ軸角度θrは、ロータ回転軸の向く方向であってもよいし、ナセルの方向であってもよいし、ヨー旋回部のエンコーダにより計測された値等であってもよい。ヨー旋回機構10は、ヨー偏差角Δθが小さくなるように制御装置20により制御される。
【0017】
図3から図5を用いて、本実施例に係る風力発電装置1の制御装置20を構成する発電調整部300について説明する。
図3は、図1に示す制御装置20を構成する発電調整部の機能を示すブロック線図である。図3に示すように、発電調整部300は、ヨー偏差角Δθを求めるヨー偏差角計算部301と、発電調整量Paを算出する発電調整量計算部302と、ヨー偏差角Δθと発電調整量Paに基づいて風力発電装置1の発電調整指令Cpを定める発電調整指令作成部303により構成されている。
【0018】
このうちヨー偏差角計算部301は、ロータ軸角度θrと風向θwに基づき、ヨー偏差角Δθを決定する。このヨー偏差角Δθは図2に示すように、風向θwとロータ軸角度θrの差分であり、ロータ軸が風向からどれくらいずれているかを示す。ここで、風向θwはナセル6に設置された風向風速センサ11から検出した値に限定せず、地面や他の場所に設置された値を利用するものであってもよい。また、ヨー偏差角計算部301は、ローパスフィルタに代表される、ヨー偏差角Δθの所定周波数領域のみを通過させるフィルタ(ローパスフィルタ)や、移動平均に代表される、所定期間の値の平均値を利用する統計値を用いたものであってもよい。あるいはフーリエ変換をおこなうものであってもよい。
【0019】
発電調整量計算部302は、風向風速センサ11から検出した風速Vwに基づき、発電調整量Paを出力する。具体的には、発電調整量計算部302においては、風速Vwが低い場合と高い場合とで、発電調整量Paの大きさが変更されるように調整される。例えば、風速Vwが低い場合は、発電調整量Paを0ないし小さくし、風速Vwが高い場合は発電調整量Paを大きくする。
【0020】
ここで、発電調整量Paの調整方法の理由について説明する。まず、風速Vwが低い場合、風力発電装置1にかかる荷重は小さい。従って、ヨー偏差角Δθが大きくても、風力発電装置1に過大な荷重がかかって故障する恐れが低い。そのため、発電調整量Paを0ないし低くし、できるだけ発電出力を高くすることが好ましい。一方、風速Vwが高い場合、風力発電装置1にかかる荷重が大きい。従って、ヨー偏差角Δθが大きいと、風力発電装置1に過大な荷重がかかって故障する恐れが高い。そのため、発電調整量Paを高くし、定格発電出力よりも発電出力を小さくして荷重を抑制することが好ましい。以上が発電調整量Paの調整方法の理由である。
【0021】
発電調整指令作成部303は、ヨー偏差角Δθと発電調整量Paに基づき、発電調整指令Cpを決定する。ヨー偏差角Δθが第一閾値θ1より大きくなった場合、発電調整量Paの分だけ発電出力を抑制するための発電調整指令Cpがブレード旋回機構5と電力変換器8に出力される。本実施例ではブレード旋回機構5と電力変換器8は発電出力を調整する調整装置である。発電調整指令Cpを受け、発電出力を抑制するように、ブレード旋回機構5と電力変換器8が動作する。例えば、ブレード旋回機構5を駆動してブレード2のピッチ角をフェザー側になるようにして発電出力を小さくする。その状態において、ヨー偏差角Δθが第一閾値θ1より小さくなった場合、発電出力を通常量に戻すための発電調整指令Cpがブレード旋回機構5と電力変換器8に出力され、ヨー偏差角Δθが第一閾値θ1より大きい第二閾値θ2より大きくなった場合、風力発電装置1を停止するための発電調整指令Cpがブレード旋回機構5と電力変換器8に出力される。例えば、ブレード旋回機構5を駆動してブレード2のピッチ角をフェザー状態として発電出力を停止(風力発電装置1を停止)する。
【0022】
ここで、第一閾値θ1と第二閾値θ2の設定理由について説明する。まず、第一閾値θ1は、第二閾値θ2より十分小さくし、風向θwが第一閾値θ1を超えて第二閾値θ2に到達するまでに、発電出力Pを調整して荷重を抑制できることが好ましい。一方、第一閾値θ1が小さいほど、発電出力Pを調整する期間が長くなり、風力発電装置1の発電量が低下するため、第一閾値θ1はできるだけ大きい値が好ましい。次に、第二閾値θ2は、風力発電装置1にかかる荷重が過大にならない値に設定し、ヨー偏差角Δθが第二閾値θ2を超えたら速やかに風力発電装置1を停止させることにより、過大な機械的負荷や故障を防ぐことが好ましい。一方、第二閾値θ2が小さいほど、風力発電装置1を停止する回数が増加して発電量が低下するため、第二閾値θ2はできるだけ大きい値が好ましい。
【0023】
なお、発電調整量計算部302における風速Vwに対する発電調整量Pa、および発電調整指令作成部303における第一閾値θ1と第二閾値θ2をどのように設定すべきかは、各風力発電装置が設置された場所の環境事情、風力発電装置1の各部の強度、発電調整部300の計算能力、ヨー偏差角計算部301で用いるフィルタの設定値、風力発電装置1の発電出力変化率の許容値、ブレードピッチ角回転速度または/およびヨー駆動速度量等に応じて適宜設定されればよい。ただし、風速Vwに対する発電調整量Paは、ある程度高い荷重に対応するよう、大まかには定格発電出力の50%までの範囲とするのが好ましい。もしくは、定格発電出力の20%までの範囲とするのがさらに好ましい。また、第一閾値θ1は、ある程度高い荷重に対応しつつ、風車をできるだけ停止させないよう、大まかには第二閾値θ2の50%ないし90%までの範囲とするのが好ましい。もしくは、第二閾値θ2の70%ないし80%までの範囲とするのがさらに好ましい。また、第二閾値θ2は、風力発電装置1を過大な荷重で故障させず、かつ、できるだけ停止させないよう、大まかには20度ないし100度の範囲とするのが好ましい。もしくは、30度ないし90度までの範囲とするのがさらに好ましい。
【0024】
図4は、図3に示す発電調整部300の処理概要を示すフローチャートである。
図4に示すように、ステップS401では、ヨー偏差角計算部301が風向θwとロータ軸角度θrを取得し、次のステップS402に進む。ステップS402では、ヨー偏差角計算部301がロータ軸角度θrと風向θwに基づいてヨー偏差角Δθを決定し、次のステップS403に進む。このように、ステップS401からステップS402までの処理をヨー偏差角計算部301が実行する。
【0025】
ステップS401からステップS402までの処理と平行して、ステップS403では、発電調整量計算部302が風速Vwを取得し、次のステップS404に進む。ステップS404では、発電調整量計算部302が風速Vwに基づいて発電調整量Paを決定し、次のステップS405に進む。このようにステップS403からステップS404までの処理を発電調整量計算部302が実行する。
【0026】
ステップS405では、発電調整指令作成部303がヨー偏差角Δθと第一閾値θ1に基づいてヨー偏差角Δθが第一閾値θ1より大きいか否かを判定し、ヨー偏差角Δθが第一閾値θ1より大きい場合は次のステップS406に進み、ヨー偏差角Δθが第一閾値θ1より小さい場合は一連の処理を終了する。
【0027】
ステップS406では、発電調整指令作成部303がヨー偏差角Δθと第二閾値θ2に基づいてヨー偏差角Δθが第二閾値θ2より大きいか否かを判定し、ヨー偏差角Δθが第二閾値θ2より小さい場合は次のステップS407に進み、ヨー偏差角Δθが第二閾値θ2より大きい場合は次の別ステップS408に進む。
【0028】
ステップS407では、発電調整指令作成部303が発電調整量Paに基づいて発電調整指令Cpを決定し、次のステップS409に進む。
【0029】
ステップS408では、発電調整指令作成部303が風力発電装置1が発電停止するように発電調整指令Cpを決定し、次のステップS409に進む。
【0030】
ステップS409では、発電調整指令Cpを風力発電装置1の制御装置20のブレード旋回機構5と電力変換器8の制御指令作成部に出力し、一連の処理を終了する。なお、ブレード旋回機構5と電力変換器8の制御指令作成部は発電出力指令に基づきブレード旋回機構5と電力変換器8を制御するもので、その構成は従来のものと基本的に変わらないので詳細な説明は省略する。発電調整指令Cpは補正値として制御指令作成部に出力される。
【0031】
次に、本実施例の効果を明確化するため、比較例の動作と合わせて概要を説明する。
図5は、実施例1に係る発電調整部300の効果を示す概要図であり、横軸は全て共通の時刻を示す。図5の(a)における縦軸は風向θwとロータ軸角度θr、図5の(b)における縦軸はヨー偏差角Δθ、図5の(c)における縦軸は風速Vwと発電調整量Pa、および図5の(d)における縦軸は発電出力Pを示す。図5の(a)、(b)及び(d)における破線は、本実施例に係る発電調整部300を適用しない場合の比較例を示す。一方で、実線が本発明の実施例1に係る発電調整部300を適用した場合の結果を示している。
【0032】
図5の(c)及び(d)に示すように、本実施例では、定格出力Prが出力できる風速状態のときに発電調整が行われる。定格出力Prが出力できない風速状態の場合には、風力発電装置1への荷重が少ないので本実施例を適用する必要性が小さいからである。ただし、風力発電装置1への荷重低減をより徹底する場合には、定格出力Prよりも小さな出力のときにも本実施例を適用しても良い。
【0033】
図5の(a)に示されるように、風向θwは時刻T1まで変動が穏やかで、時刻T1を過ぎて+側に大きく急変した後、―側に大きく急変し、時刻T6以降は変動が穏やかである。このとき、本実施例と比較例は時刻T2から1回目のヨー旋回を開始して、ロータ軸角度θrが風向θwに追従している。そして、図5の(b)に示されるように、本実施例はヨー偏差角Δθが時刻T3で第一閾値θ1を超えたときに、図5の(d)に示されるように、発電出力Pが調整されて定格出力Prより値が小さくなる。このとき、実施例1で発電出力Pが調整される量は、図5の(c)に示される発電調整量Paから決定される。
【0034】
そして、時刻T3を過ぎても風向θwの+側への急変が続いているため、図5の(b)に示されるように、時刻T4でヨー偏差角Δθが従来閾値θ0を超えてしまい、比較例は荷重抑制のため風力発電装置1の発電を停止する。その結果、図5の(d)に示されるように、比較例は時刻T4以降、発電出力が零となる。
【0035】
一方、実施例1は風車停止となる閾値が第二閾値θ2であるため、図5の(b)に示されるように、時刻T4でヨー偏差角Δθが従来閾値θ0を超えても発電を継続している。そして、実施例1は時刻T5でヨー偏差角Δθが第一閾値θ1を下回るため、図5の(d)に示されるように、発電調整を終了し、本来の発電出力Pに戻っている。図5の(b)に示されるように、時刻T5以降は実施例1のヨー偏差角Δθが第一閾値θ1を超えないため、本来の発電出力Pを維持し続けている。
【0036】
したがって、発電調整期間(時刻T3過ぎから時刻T5過ぎまでの期間;ヨー偏差角Δθが第一閾値θ1を超えている期間)の発電出力Pは本実施例の方が比較例よりも少し小さくなるが、時刻T4で比較例が発電を停止した後は本実施例のほうが発電出力Pが大きい。すなわち、本実施例は、年間発電量が比較例よりも高くなることを示している。また、本実施例の方は、荷重が設定限界を超えて発電を停止する閾値を超えないため、風力発電装置1に加わる荷重が小さいことを示している。
【0037】
以上のように、本実施例によれば、精度よく計算したヨー偏差角に応じた制御により、発電停止回数と時間を低減して発電量を向上しつつ、荷重を抑制し機械的寿命を延伸し得る風力発電装置とその制御方法を提供することが可能となる。具体的には、風速センサで検出した風速Vwを用いて、発電調整量Paを計算する。そして、風向センサで検出した風向θwとロータ軸角度θrを用いてヨー偏差角Δθを計算し、ヨー偏差角Δθがある程度高くなり、設定した第一閾値θ1を超えると、発電調整量Paに応じて発電出力Pを調整する。さらに、ヨー偏差角Δθが第一閾値θ1を超えて第二閾値θ2を超えると、風力発電装置の発電を所定期間停止する。このように、ヨー偏差角Δθに応じて発電出力Pを定格出力Prより小さくすることで、風力発電装置にかかる過大な荷重を抑制しつつ、発電性能を向上させることができる。なお、ヨー偏差角Δθが第二閾値θ2を超えて風力発電装置の発電を停止する期間は、各風力発電装置の運用基準によるが、例えば60秒程度であり、ヨー偏差角Δθが第二閾値θ2を下回って直ぐに発電を再開することにより風力発電装置に過度な負荷がかからないようにする。また、風力発電装置の発電を停止する所定期間は固定期間とは限らない。
【実施例2】
【0038】
図6は、本発明の他の実施例に係る実施例2の発電調整部の機能を示すブロック線図である。本実施例では、発電調整量Paが過去の経験若しくは計算により求めた値を固定設定値として予め制御装置20に設定されオフラインで運用する点が、上述の実施例1と異なる。その他の構成は上述の実施例1と同様である。また、図6では実施例1と同様の構成要素に同一符号を付している。
【0039】
図6に示す本実施例の発電調整部600は、ヨー偏差角Δθを求めるヨー偏差角計算部301と、ヨー偏差角Δθと発電調整量Pa、第一閾値θ1、及び第二閾値θ2に基づいて風力発電装置1の発電を制御する発電調整指令Cpを定める発電調整指令作成部303により構成されており、実施例1における発電調整量計算部302を備えていない。発電調整指令作成部303に与えられる発電調整量Pa、第一閾値θ1、及び第二閾値θ2は、予め発電調整部600を構成する発電調整指令作成部303にプリセットされ、あるいは適宜のタイミングで発電調整量及び閾値入力部604により外部から設定される。発電調整量及び閾値入力部604はキーボード等の入力装置であって、作業員により入力されてもよい。
【0040】
上述の実施例1に示した発電調整量計算部302の機能は、風力発電装置1とは別の場所に設けられた解析装置内に構成されており、例えば風力発電装置建設前の研究、設計段階において求めた環境条件から、予め当該風力発電装置の典型的な風況での発電調整量Pa、第一閾値θ1、及び第二閾値θ2を算出し、発電調整部600内にプリセット値として組み込んでおくものである。典型的な風況とは、例えば季節毎に、あるいは夕方とか朝方とか毎に、または風速毎に準備され、適宜の条件で切り替え使用してもよい。
【0041】
あるいは、上述の実施例1に示した発電調整量計算部302の機能は、風力発電装置1とは別の場所に設けられた解析装置内に構成されており、例えば風力発電装置を設置後の運用段階において、観測した環境条件から、当該風力発電装置の典型的な風況での発電調整量Pa、第一閾値θ1、及び第二閾値θ2を算出し、通信部を備えた発電調整量及び閾値入力部604を介して発電調整部600内の発電調整指令作成部303に与えるものである。この場合に、発電調整量Pa、第一閾値θ1、及び第二閾値θ2の設定は、現場の風況に応じてオンライン的に即時に対応する形式のものではなく、オフラインで求めておいた値を適宜のタイミングで与えて運用する。
【0042】
以上のように本実施例によれば、風力発電装置1に解析装置を設ける必要が無く、既存の風力発電装置に対して大きな改修なく本発明の制御を搭載するように更新でき、最適化された発電調整量と閾値に基づく制御を行うことができる。
【実施例3】
【0043】
次に、本発明の他の実施例に係る実施例3の風力発電装置1について説明する。
本実施例の風力発電装置1は、上述の実施例1の発電調整部300と同じ構成を有しているが、発電調整指令作成部303における処理が実施例1と異なる。
【0044】
本実施例の発電調整指令作成部303では、上述の実施例1と同様に、ヨー偏差角Δθが第一閾値θ1を超えたときに発電調整指令Cpを出力する。そして、本実施例の発電調整指令作成部303では、発電調整中にヨー偏差角Δθが第一閾値θ1を下回ったときは、すぐに発電調整指令Cpの出力を終了するのではなく、さらにヨー偏差角Δθが一定量小さくなるか、一定時間経過した後に発電調整指令Cpの出力を終了する。これは、ヨー偏差角Δθが第一閾値θ1を頻繁に上下するような風況の場合に、発電調整指令を頻繁に出力/終了して風力発電装置1の機械的磨耗が増加するのを防ぐためである。
以上のように本実施例によれば、実施例1と同様の発電量を向上させる効果を、より機械的損傷を少なくしつつ実施できる。
【実施例4】
【0045】
次に、本発明の他の実施例に係る実施例4の風力発電装置1について説明する。
本実施例の風力発電装置1は、上述の実施例1の発電調整部300と同じ構成を有しているが、発電調整量計算部302における処理が実施例1と異なる。
【0046】
本実施例の発電調整量計算部302では、上述の実施例1と異なり、風速Vwの代わりに、風力発電装置1の発電出力P、ブレードピッチ角γp、発電機トルクTg、またはロータ回転速度ωrに代表される、風速等の風況が変わると変動する風力発電装置1のパラメータのいずれか一つ以上を入力値とする。そしてこのパラメータの値に基づいて発電調整量Paを算出する。これにより、風向風速センサにおける風速センサ部分が故障した場合でも、本発明の効果を実現することできる。
【0047】
以上のように本実施例によれば、風向風速センサの状態によらず実施例1と同様の発電量向上効果を実現できるため、冗長性を高くすることができる。
【実施例5】
【0048】
次に、本発明の他の実施例に係る実施例5の風力発電装置1について説明する。
本実施例の風力発電装置1は、上述の実施例1の発電調整部300と同じ構成を有しているが、発電調整指令作成部303における処理が実施例1と異なる。
【0049】
本実施例の発電調整指令作成部303では、上述の実施例1と同様に、ヨー偏差角Δθが第一閾値θ1を超えたときに発電調整指令Cpを出力するが、発電調整中にヨー偏差角Δθが第二閾値θ2を上回ったときは、発電を停止しない程度に発電出力を低減させる。言い換えれば、ヨー偏差角Δθが第一閾値θ1を超えたときの発電調整量に応じた発電出力よりさらに発電出力を小さくする。これは、ヨー偏差角Δθが第二閾値θ2を頻繁に超えるほど激しい風況の場合、発電の一定期間停止の繰り返しによる発電量低下を抑制するとともに、発電停止に伴う各装置の起動・停止回数の増加を抑制するのを防ぐためである。なお、第一閾値θ1と第二閾値θ2との間に第三閾値θ3を設けて、ヨー偏差角Δθが第三閾値θ3を超えたときに第一閾値θ1を超えたときの発電調整量に応じた発電出力よりさらに発電出力を小さくし、ヨー偏差角Δθが第二閾値θ2を超えたときに発電を停止するようにしても同様な効果が得られる。
【0050】
以上のように本実施例によれば、実施例1と同等以上の発電量を向上させる効果を、より機械的負荷を少なくしつつ実施できる。
【実施例6】
【0051】
次に、本発明の他の実施例に係る実施例6の風力発電装置1について説明する。
本実施例の風力発電装置1は、上述の実施例1の発電調整部300と同じ構成を有しているが、発電調整指令作成部303における処理が実施例1と異なる。
【0052】
本実施例の発電調整指令作成部303では、上述の実施例1と同様に第一閾値θ1と第二閾値θ2を設定するが、風速もしくは発電出力が高くなるにしたがって、第一閾値θ1と第二閾値θ2を低くする点が異なる。これは、風速や発電出力が高いほど風力発電装置1にかかる荷重が大きくなるため、風速が高い場合に風力発電装置に過大な荷重がかかるのを防ぐためである。また、風速が低い場合、風力発電装置1にかかる荷重が小さいため、第一閾値θ1と第二閾値θ2を高くすることで不必要な発電調整を防ぎ、発電出力を高めることができる。
【0053】
以上のように本実施例によれば、実施例1と同等以上の発電量を向上させる効果を、より機械的負荷を少なくしつつ実施できる。
【実施例7】
【0054】
次に、本発明の他の実施例に係る実施例7の風力発電装置1について説明する。
図7は、本発明の他の実施例に係る実施例7の発電調整部の機能を示すブロック線図である。本実施例では、発電調整指令作成部303では、上述の実施例1と同様に第一閾値θ1を設定するが、第二閾値θ2を発電出力Pの大きさに基づき第二閾値決定部701において第二閾値を決定して発電調整指令作成部303に入力する点が、上述の実施例1と異なる。その他の構成は上述の実施例1と同様である。また、図7では実施例1と同様の構成要素に同一符号を付している。
【0055】
ヨー偏差角Δθが第一閾値θ1を超えたときに発電調整を行うことにより発電出力Pが小さくなる。発電出力Pが小さいときには風力発電装置1への荷重が小さくなるので、同じ風速Vwでも第二閾値θ1を大きく設定しても良いことになる。すなわち、本実施例では、第一閾値θ1に基づく発電調整後の発電出力Pに基づき第二閾値θ2の大きさを可変としている。発電出力Pが小さくなる程、第二閾値θ2は高くなるように決定される。なお、第二閾値決定部701に入力されるパラメータは発電出力Pと等価なパラメータを用いても良い。例えば、発電調整指令Cpを入力としても良い。
【0056】
本実施例によれば第二閾値θ2を高くすることで発電停止の回数を少なくすることができ、発電出力をさらに高めることができる。
【0057】
本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上述した実施例は本発明を理解しやすく説明するために例示したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、図中に示した制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上で必要な全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際にはほとんど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
【0058】
上述の実施例に対して可能な変形として、例えば以下のようなものが挙げられる。
(1)発電調整部300における発電調整量計算部302、および発電調整指令作成部303は、制御装置20に代えて、外部の装置に備えてもよい。
(2)上述の実施例で計算した発電調整量Paは、同じサイトにおける他の風力発電装置1や、風況の近しい他サイトの風力発電装置1に適用してもよい。
(3)発電調整部300における発電調整量計算部302は、風速Vwを逐次入力せず、過去に蓄積された風速測定データや、風速と相関のある発電出力Pを代わりに用いて計算する構成としてもよい。
(4)上述の各実施例においては、風向風速センサ11はナセル6上に設置されているが、この場所に代えて、ナセル6内や風力発電装置1の周辺に設置してもよい。
(5)上述の各実施例において、第一閾値θ1と第二閾値θ2は風速や発電出力に応じて段階的に値を設定したり、直線や曲線のように連続的に値を設定したりしてもよい。
(6)上述の各実施例において、ヨー偏差角Δθの代わりにヨー偏差角の変化率Δθdtに基づいて発電調整の判定をしてもよい。ヨー偏差角の変化率Δθdtが大きい場合には、風向急変の変動速度がはやかったり変動量が大きいことを意味するので、ヨー偏差角Δθの場合と同様な効果を期待できる。なお、本明細書においてヨー偏差角Δθはヨー偏差角の変化率Δθdtを含むものと捉えることができる。
【符号の説明】
【0059】
1…風力発電装置、2…ブレード、3…ハブ、4…ロータ、5…ブレード旋回機構、6…ナセル、7…発電機、8…電力変換器、9…タワー、10…ヨー旋回機構、11…風向風速センサ、20…制御装置、300,600,700…発電調整部、301…ヨー偏差角計算部、302…発電調整量計算部、303…発電調整指令作成部、604…発電調整量及び閾値入力部、701…第二閾値決定部。
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7