特許 6187935 浮体式洋上風力発電施設の制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6187935

(24)【登録日】2017年8月10日

(45)【発行日】2017年8月30日

(54)【発明の名称】浮体式洋上風力発電施設の制御装置

(51)【国際特許分類】

   F03D 7/04 20060101AFI20170821BHJP

   F03D 1/06 20060101ALI20170821BHJP

   F03D 9/30 20160101ALI20170821BHJP

【ＦＩ】

   F03D7/04 E

   F03D7/04 K

   F03D1/06 A

   F03D9/30

【請求項の数】15

【全頁数】22

(21)【出願番号】特願2013-541642(P2013-541642)

(86)(22)【出願日】2012年11月2日

(86)【国際出願番号】JP2012007057

(87)【国際公開番号】WO2013065323

(87)【国際公開日】20130510

【審査請求日】2015年9月17日

(31)【優先権主張番号】特願2011-242805(P2011-242805)

(32)【優先日】2011年11月4日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】501204525

【氏名又は名称】国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100098545

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 伸一

(74)【代理人】

【識別番号】100087745

【弁理士】

【氏名又は名称】清水 善廣

(74)【代理人】

【識別番号】100106611

【弁理士】

【氏名又は名称】辻田 幸史

(74)【代理人】

【識別番号】100111006

【弁理士】

【氏名又は名称】藤江 和典

(74)【代理人】

【識別番号】100116241

【弁理士】

【氏名又は名称】金子 一郎

(72)【発明者】

【氏名】井上 俊司

(72)【発明者】

【氏名】南 佳成

【審査官】 鈴木 貴雄

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／０１４０４２０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１０／０７６５５７（ＷＯ，Ａ２）

【文献】 特表２０１０−５０１７７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００９−５１３８８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−３５１０８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１０／１２２３１６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１０−１９６５２０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０３Ｄ １／００ − ８０／８０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

風により回転するローターを有した浮体式洋上風力発電施設において、
前記ローターのブレードピッチを制御するブレードピッチ制御手段と、
浮体の運動を検出する浮体運動検出手段と、
風速を検出する風速検出手段とを備え、
弱風領域、中風領域、及び強風領域によって異なる制御を行う制御モードを有し、
前記風速検出手段の検出結果に基づいて、前記弱風領域、前記中風領域若しくは前記強風領域のいずれであるか、又は前記弱風領域若しくは前記強風領域のどちらであるかを特定し、
風の弱い前記弱風領域において、前記浮体運動検出手段の検出結果に基づき前記ブレードピッチ制御手段で前記ローターの前記ブレードピッチを制御したことを特徴とする浮体式洋上風力発電施設の制御装置。

【請求項2】

前記浮体運動検出手段は、前記浮体の傾斜を検出する傾斜検出手段であることを特徴とする請求項１に記載の浮体式洋上風力発電施設の制御装置。

【請求項3】

前記浮体運動検出手段は、２以上の自由度を検出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の浮体式洋上風力発電施設の制御装置。

【請求項4】

発電機の出力を制御する発電機出力制御手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１から請求項３のうちの１項に記載の浮体式洋上風力発電施設の制御装置。

【請求項5】

前記ローターの回転軸を収納したナセルを有し、
前記ナセルのヨーイングを検出するヨーイング検出手段をさらに備え、
前記ブレードピッチ制御手段が前記ヨーイング検出手段の検出結果に基づいて前記ローターの前記ブレードピッチを回転位置に応じて制御したことを特徴とする請求項１から請求項４のうちの１項に記載の浮体式洋上風力発電施設の制御装置。

【請求項6】

前記ブレードピッチ制御手段は、前記浮体運動検出手段の前記検出結果に基づいて前記ブレードピッチ制御手段の制御目標値を設定する目標設定部を有したことを特徴とする請求項１から請求項５のうちの１項に記載の浮体式洋上風力発電施設の制御装置。

【請求項7】

前記ブレードピッチ制御手段は、前記浮体運動検出手段の前記検出結果に基づいて前記ブレードピッチ制御手段の制御ゲインを調節する制御ゲイン調節部を有したことを特徴とする請求項１から請求項６のうちの１項に記載の浮体式洋上風力発電施設の制御装置。

【請求項8】

風の弱い前記弱風領域において、前記ブレードピッチ制御手段が前記浮体運動検出手段の前記検出結果に基づき前記ローターの前記ブレードピッチを制御し、前記弱風領域において、前記発電機出力制御手段が前記ローターの回転状態に基づいて前記発電機の出力を制御したことを特徴とする請求項４、又は請求項４を引用する請求項５から請求項７のうちの１項に記載の浮体式洋上風力発電施設の制御装置。

【請求項9】

風により回転するローターを有した浮体式洋上風力発電施設において、
前記ローターのブレードピッチを制御するブレードピッチ制御手段と、
浮体の運動を検出する浮体運動検出手段とを備え、
前記浮体運動検出手段の検出結果と前記ローターの回転状態の検出結果に基づき、前記浮体運動検出手段の前記検出結果と前記ローターの回転状態の前記検出結果の重み付けを行い前記ブレードピッチ制御手段で前記ローターの前記ブレードピッチを制御したことを特徴とする浮体式洋上風力発電施設の制御装置。

【請求項10】

前記ブレードピッチ制御手段は、前記浮体運動検出手段の前記検出結果に基づいて前記ブレードピッチ制御手段の制御目標値を設定する目標設定部を有したことを特徴とする請求項９に記載の浮体式洋上風力発電施設の制御装置。

【請求項11】

前記ブレードピッチ制御手段は、前記浮体運動検出手段の前記検出結果に基づいて前記ブレードピッチ制御手段の制御ゲインを調節する制御ゲイン調節部を有したことを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載の浮体式洋上風力発電施設の制御装置。

【請求項12】

発電機の出力を制御する発電機出力制御手段をさらに備え、
前記目標設定部が、前記浮体運動検出手段の前記検出結果に基づいて前記発電機出力制御手段の目標回転数を設定変更したことを特徴とする請求項１０に記載の浮体式洋上風力発電施設の制御装置。

【請求項13】

発電機の出力を制御する発電機出力制御手段をさらに備え、
前記目標設定部が、前記浮体運動検出手段の前記検出結果に基づいて、前記発電機出力制御手段の目標出力設定値を設定変更したことを特徴とする請求項１０に記載の浮体式洋上風力発電施設の制御装置。

【請求項14】

前記浮体運動検出手段の前記検出結果としての揺動角に応じ、前記目標回転数あるいは前記目標出力設定値を設定変更したことを特徴とする請求項１２または請求項１３に記載の浮体式洋上風力発電施設の制御装置。

【請求項15】

前記ブレードピッチ制御手段が前記浮体運動検出手段あるいは前記浮体の周囲の海象状態を検出するために備えた海象検出手段の検出結果に基づいて前記ローターの前記ブレードピッチをフィードフォワード制御したことを特徴とする請求項９から請求項１４のうちの１項に記載の浮体式洋上風力発電施設の制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、風速変化や波浪外力に応じて発生する浮体式洋上風力発電施設の運動を抑制する浮体式洋上風力発電施設の制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

自然エネルギーを利用した発電方法として、洋上の風を利用して発電を行う洋上風力発電が注目されている。その中でも浮体式風力発電は、外洋の強く安定した風を利用することが出来る発電方法として注目されている。
しかし、この浮体式洋上風力発電は洋上に浮いた浮体上で風力発電を行うものである。このため、風速変化や波浪外力に応じて、浮体にかかる荷重の変化が生じる。そして、この荷重の変化によって発生する浮体の運動により、発電に用いられている風車に対する相対風速の変化が誘起される。相対風速が変化する結果、浮体式洋上風力発電施設の発電機の出力に変化が生じる。なお、浮体式洋上風力発電施設における浮体の運動は、陸上の風力発電施設とは異なり、周期が長い大きな運動（揺動）となる。

【0003】

風力発電施設において生じる各種変化を制御することを目的として、種々の提案がなされている（特許文献１〜４）。
特許文献１には、風車の振動を抑制または制御することを目的として、検出した振動成分の周波数および位相を解析し、解析された位相と逆位相の周波数変化が風車に生じるように、発電機のステータコイルに流れる電流値およびブレードのピッチ角を制御する構成が記載されている。しかし、これは陸上の風力発電施設に関するものであり、浮体式洋上風力発電施設に関するものではない。

【0004】

特許文献２には、水上風力発電装置において、浮体構造物の揺動、振動を抑え、発電効率の変化を抑えることを目的として、風力、風向、波の伝播方向、波の伝播速度、波の高さ、および浮体構造物の姿勢について計測した計測値を基にして、浮体構造物に傾斜や捩れなどを生じさせる原因となる風車を特定し、特定された風車のローターのロータブレーキまたは傾角を制御する構成が記載されている。

【0005】

特許文献３には、海底に固定された海上風力発電プラントにおいて、プラントの早期故障を回避することを目的として、プラントの臨界固有振動数を常に決定し、固定強度の変化に応じて禁止共振範囲の置き換えを行う構成が記載されている。
また、特許文献４には、発電用風力タービンシステムにおいて、風力タービンの取り付けられた塔の一次共振振動数を減衰させることができ、且つ定格トルクまたは力を維持するように、乱流に起因するトルクまたは動力の変化を最小化することを目的として、ブレード角の調整をする構成が開示されている。しかし、文献３および文献４は、浮体運動の結果として生じる発電機の出力の変化に関するものではない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００７−２０５２２５号公報

【特許文献2】特開２００５−３５１０８７号公報

【特許文献3】特表２００３−５３０５１８号公報

【特許文献4】特開昭５８−１７８８８４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

特許文献２に記載の水上風力発電装置は、複数の風車を備えた浮体風力発電装置に関するものであり、浮体構造物の揺動、振動の原因を特定するために、多くの要因を測定する必要がある。また、発電機の出力の安定化は浮体構造物の揺動、振動を減衰させた結果として間接的なものであり、風車の調整手段が直接発電機の制御にもかかわるものではない。
そこで、本発明は、簡単な構成により浮体の揺動を低減させ、発電機の出力を安定化させた上で最大の効率を得ることができる浮体式洋上風力発電施設の制御装置を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0008】

請求項１に記載の本発明の浮体式洋上風力発電施設の制御装置は、風により回転するローターを有した浮体式洋上風力発電施設において、前記ローターのブレードピッチを制御するブレードピッチ制御手段と、浮体の運動を検出する浮体運動検出手段と、風速を検出する風速検出手段とを備え、弱風領域、中風領域、及び強風領域によって異なる制御を行う制御モードを有し、前記風速検出手段の検出結果に基づいて、前記弱風領域、前記中風領域若しくは前記強風領域のいずれであるか、又は前記弱風領域若しくは前記強風領域のどちらであるかを特定し、風の弱い前記弱風領域において、前記浮体運動検出手段の検出結果に基づき前記ブレードピッチ制御手段で前記ローターの前記ブレードピッチを制御したことを特徴とする。この構成によれば、ブレードピッチを制御することによりローターの回転により生じる力を変化させて、風速変化及び波浪外力によって生じる浮体の運動を抑制でき、発電機の出力を安定させることができる。また、従来、制御目標値として発電機の回転数制御のみが用いられていた弱風領域において、浮体式洋上風力発電施設の運動を抑制することができる。また、浮体の運動に加えて風速検出手段の検出結果を用いてブレードピッチを制御できる。

【0009】

請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の浮体式洋上風力発電施設の制御装置において、前記浮体運動検出手段は、前記浮体の傾斜を検出する傾斜検出手段であることを特徴とする。この構成によれば、風速変化及び波浪外力による浮体の傾斜を増幅させず、また浮体の傾斜による発電機の出力の変動を減少させることができる。

【0010】

請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２に記載の浮体式洋上風力発電施設の制御装置において、前記浮体運動検出手段は、２以上の自由度を検出することを特徴とする。この構成によれば、場合によっては６自由度で揺動する浮体式洋上風力発電施設において、少なくとも２以上の自由度の浮体の動きに対してブレードピッチを制御することで、風速変化及び波浪外力によって生じる浮体の運動を抑制でき、発電機の出力を安定させることができる。

【0011】

請求項４に記載の本発明は、請求項１から請求項３のうちの１項に記載の浮体式洋上風力発電施設の制御装置において、発電機の出力を制御する発電機出力制御手段をさらに備えたことを特徴とする。この構成によれば、ブレードピッチに加えて発電機の出力を制御することができる。

【0012】

請求項５に記載の本発明は、請求項１から請求項４のうちの１項に記載の浮体式洋上風力発電施設の制御装置において、前記ローターの回転軸を収納したナセルを有し、前記ナセルのヨーイングを検出するヨーイング検出手段をさらに備え、前記ブレードピッチ制御手段が前記ヨーイング検出手段の検出結果に基づいて前記ローターの前記ブレードピッチを回転位置に応じて制御したことを特徴とする。この構成によれば、ナセルのヨーイングを抑制することができる。ここで「ブレードピッチを回転位置に応じて制御した」とは、各ブレードが所定の位置に達したときに所定のブレードピッチとなるように制御すること、あるいは各ブレードが所定の位置で所定のブレードピッチとなるように予め制御をすること等をいう。

【0013】

請求項６に記載の本発明は、請求項１から請求項５のうちの１項に記載の浮体式洋上風力発電施設の制御装置において、前記ブレードピッチ制御手段は、前記浮体運動検出手段の前記検出結果に基づいて前記ブレードピッチ制御手段の制御目標値を設定する目標設定部を有したことを特徴とする。この構成によれば、浮体運動を踏まえた上でブレードピッチ制御手段の制御目標値を設定することができる。

【0014】

請求項７に記載の本発明は、請求項１から請求項６のうちの１項に記載の浮体式洋上風力発電施設の制御装置において、前記ブレードピッチ制御手段は、前記浮体運動検出手段の前記検出結果に基づいて前記ブレードピッチ制御手段の制御ゲインを調節する制御ゲイン調節部を有したことを特徴とする。この構成によれば、浮体運動に応じてブレードピッチ制御手段の制御ゲインを調節することができる。

【0015】

請求項８に記載の本発明は、請求項４、又は請求項４を引用する請求項５から請求項７のうちの１項に記載の浮体式洋上風力発電施設の制御装置において、風の弱い前記弱風領域において、前記ブレードピッチ制御手段が前記浮体運動検出手段の前記検出結果に基づき前記ローターの前記ブレードピッチを制御し、前記弱風領域において、前記発電機出力制御手段が前記ローターの回転状態に基づいて前記発電機の出力を制御したことを特徴とする。
この構成によれば、回転数や周期などの回転状態に基づいて、発電機の出力を制御することができる。

【0016】

請求項９に記載の本発明の浮体式洋上風力発電施設の制御装置は、風により回転するローターを有した浮体式洋上風力発電施設において、前記ローターのブレードピッチを制御するブレードピッチ制御手段と、浮体の運動を検出する浮体運動検出手段とを備え、前記浮体運動検出手段の検出結果と前記ローターの回転状態の検出結果に基づき、前記浮体運動検出手段の前記検出結果と前記ローターの回転状態の前記検出結果の重み付けを行い前記ブレードピッチ制御手段で前記ローターの前記ブレードピッチを制御したことを特徴とする。この構成によれば、ブレードピッチを制御することによりローターの回転により生じる力を変化させて、風速変化及び波浪外力によって生じる浮体の運動を抑制でき、発電機の出力を安定させることができる。また、ブレードピッチ制御に複数の検出結果を用いることができる。また、ブレードピッチ制御をより適切なものとすることができる。

【0017】

請求項１０に記載の本発明は、請求項９に記載の浮体式洋上風力発電施設の制御装置において、前記ブレードピッチ制御手段は、前記浮体運動検出手段の前記検出結果に基づいて前記ブレードピッチ制御手段の制御目標値を設定する目標設定部を有したことを特徴とする。この構成によれば、浮体運動を踏まえた上でブレードピッチ制御手段の制御目標値を設定することができる。

【0018】

請求項１１に記載の本発明は、請求項９又は請求項１０に記載の浮体式洋上風力発電施設の制御装置において、前記ブレードピッチ制御手段は、前記浮体運動検出手段の前記検出結果に基づいて前記ブレードピッチ制御手段の制御ゲインを調節する制御ゲイン調節部を有したことを特徴とする。この構成によれば、浮体運動に応じてブレードピッチ制御手段の制御ゲインを調節することができる。

【0019】

請求項１２に記載の本発明は、請求項１０に記載の浮体式洋上風力発電施設の制御装置において、発電機の出力を制御する発電機出力制御手段をさらに備え、前記目標設定部が、前記浮体運動検出手段の前記検出結果に基づいて前記発電機出力制御手段の目標回転数を設定変更したことを特徴とする。この構成によれば、浮体運動に応じて目標回転数を適切に設定変更し、浮体運動が生じている状態で発電機の出力効率が最大となる回転数にすることができる。

【0020】

請求項１３に記載の本発明は、請求項１０に記載の浮体式洋上風力発電施設の制御装置において、発電機の出力を制御する発電機出力制御手段をさらに備え、前記目標設定部が、前記浮体運動検出手段の前記検出結果に基づいて、前記発電機出力制御手段の目標出力設定値を設定変更したことを特徴とする。この構成によれば、浮体運動に応じて目標出力設定値を適切に設定変更し、発電機が最大となる回転数にすることができる。

【0021】

請求項１４に記載の本発明は、請求項１２または請求項１３に記載の浮体式洋上風力発電施設の制御装置において、前記浮体運動検出手段の前記検出結果としての揺動角に応じ、前記目標回転数あるいは前記目標出力設定値を設定変更したことを特徴とする。この構成によれば、浮体運動による揺動角を考慮して、発電機の回転数または出力を制御することができる。

【0022】

請求項１５に記載の本発明は、請求項９から請求項１４のうちの１項に記載の浮体式洋上風力発電施設の制御装置において、前記ブレードピッチ制御手段が前記浮体運動検出手段あるいは前記浮体の周囲の海象状態を検出するために備えた海象検出手段の検出結果に基づいて前記ローターの前記ブレードピッチをフィードフォワード制御したことを特徴とする。この構成によれば、海象状態の急激な変化をふまえてブレードピッチを制御することができる。

【発明の効果】

【0023】

本発明の浮体式洋上風力発電施設の制御装置によれば、風速変化及び波浪外力によって生じる浮体の運動を抑制でき、浮体式洋上風力発電施設の発電機の出力を安定化させた中で効率を最大に得ることが可能である。

【0024】

浮体運動検出手段を、浮体の傾斜を検出する傾斜検出手段とした場合には、風速変化及び波浪外力による浮体の傾斜を増幅させず、また浮体の傾斜による発電機の出力の変動を減少させることができる。

【0025】

浮体運動検出手段で２以上の自由度を検出する場合には、場合によっては６自由度で揺動する浮体式洋上風力発電施設において、少なくとも２以上の自由度の浮体の動きに対してブレードピッチを制御することで、風速変化及び波浪外力によって生じる浮体の運動を抑制でき、発電機の出力を安定させることができる。

【0026】

風速検出手段の検出結果に基づいてブレードピッチを制御する場合には、浮体の運動に加えて風速をもブレードピッチ制御に用いることができるから、浮体の運動制御と発電機の出力の制御をより精緻なものとすることができる。

【0027】

発電機出力制御手段をさらに備えた場合には、ブレードピッチに加え発電機出力を制御できるから、発電機の回転数や出力をより精密に制御することができる。

【0028】

ナセルとヨーイング検出手段をさらに備え、ローターのブレードピッチを回転位置に応じて制御する場合には、ナセルのヨーイングを抑制して発電機の出力をより安定化させ、効率を向上させることが可能である。

【0029】

浮体運動検出手段の検出結果に基づいて制御目標値を設定する目標設定部を備えた場合には、浮体運動を踏まえた制御目標値に基づいて制御できるから、浮体の運動を抑制し発電機の出力を安定化させた中で、より適切な制御によって効率を向上させることが可能となる。

【0030】

制御ゲイン調節部を有する場合には、浮体運動に応じてブレードピッチ制御手段の制御ゲインを調節できるから、浮体の運動の抑制と、発電機の出力を安定化させた中で効率を向上させることが可能となる。

【0031】

弱風領域においてローターのブレードピッチを制御する場合には、弱風領域においても浮体の揺動を抑制し、発電機の出力をより安定化させた中で効率を向上させ発電品質を向上させることが可能である。さらにローターの回転状態に基づいて発電機の出力を制御する構成とすれば、浮体の運動の抑制と、揺動抑制による発電品質向上に加えて、ローターの回転状態を踏まえて発電効率を向上させることが可能である。

【0032】

ブレードピッチの制御において検出結果を重み付けする場合には、浮体の運動の抑制と発電品質の向上の制御を重み付けして、より精密に制御を行うことが可能である。

【0033】

目標回転数または目標出力設定値を設定変更する場合には、発電機の出力を安定化した上で効率向上を図ることが可能である。この場合、揺動角に応じ、目標回転数あるいは目標出力設定値を設定変更する構成とすれば、簡単な構成で浮体の運動を検出し、浮体の運動の抑制と発電品質の向上が図れる。

【0034】

海象検出手段の検出結果に基づいてフィードフォワード制御する場合には、海象状態の急激な変化に対応してブレードピッチを制御することができるから、浮体の運動を予測して抑制し、発電機の出力を安定化させた中で効率を最大に得ることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0035】

【図1】本発明の第１の実施形態による制御装置を備えた浮体式洋上風力発電施設の概略構成を示す正面図

【図2】（ａ）風力発電施設の浮体揺動を説明する浮体式洋上風力発電施設の側面図、（ｂ）（ａ）に示す揺動に伴う発電機の出力の変化を示すグラフ

【図3】風速と発電機の出力および風速と発電機回転数との関係を示す発電機のタービン性能曲線のグラフ

【図4】図３の領域（１）のタービン性能曲線のうち、（ａ）揺動角が所定値未満の場合における目標回転数のグラフ、（ｂ）揺動角が所定値以上の場合における目標回転数を示すグラフ

【図5】図３の領域（１）における制御系の概略を示すブロック図

【図6】図３の領域（２）のタービン性能曲線のうち、（ａ）揺動角が所定値未満の場合における目標回転数のグラフ、（ｂ）揺動角が所定値以上の場合における目標回転数を示すグラフ

【図7】図３の領域（２）における制御系の概略を示すブロック図

【図8】（ａ）図３の領域（３）における目標出力のグラフ、（ｂ）目標出力と揺動に伴う発電機の出力の変化を示すグラフ

【図9】図３の領域（３）における制御系の概略を示すブロック図

【図10】本発明の第１の実施形態による制御装置を備えた浮体式洋上風力発電施設の概略構成を示すブロック図

【図11】図１０に示すブロック図の要部詳細ブロック図

【図12】本発明の第２の実施形態による浮体式洋上風力発電施設の概略構成を示す斜視図

【図13】本発明の第２の実施形態による浮体式洋上風力発電施設の構造を示す要部側面図

【図14】本発明の第３の実施形態による浮体式洋上風力発電施設の概略構成を示す斜視図

【図15】本発明の第４の実施形態による浮体式洋上風力発電施設の概略構成を示す上面図

【符号の説明】

【0036】

１０、４０、５０ 浮体式洋上風力発電施設
１１ ローター
１２ ５２ 浮体
１３ ブレード
１４ ブレード駆動手段（ブレードピッチ制御手段）
１５ 浮体運動検出手段（傾斜検出手段）
１６ 波高センサ（海象検出手段）
１７ 風速計（風速検出手段）
１８、５１ ナセル
１９ 回転軸
２０ 発電機制御手段（発電機出力制御手段）
２１ ブレードピッチ制御手段
２２ ターゲットスケジューラ（目標設定部）
２３ ゲインスケジューラ（制御ゲイン調節部）
２４ フィードフォワード制御手段
２５ 発電機
３１ 海象状態検出手段（海象検出手段）
４６、４８、５５ ヨーイング検出手段

【発明を実施するための形態】

【0037】

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について、図１〜図１１を参酌して以下に説明する。
図１は本実施形態による制御装置を備えた浮体式洋上風力発電施設の概略構成を示す正面図である。本実施形態の浮体式洋上風力発電施設１０は、いわゆる浮体を海面に浮かべたスパー型のものであり、同図に示すように、ローター１１と浮体１２とから構成される。ローター１１は、複数のブレード１３、ブレード１３のピッチを変更するブレード駆動手段１４、回転軸１９を内部に有するナセル１８、及び回転軸１９が接続された発電機（図示せず）を有する。
浮体式洋上風力発電施設１０は、浮体１２の運動を検出する浮体運動検出手段１５、波高センサ（海象検出手段）１６、風速計（風速検出手段）１７を備えている。

【0038】

複数のブレード１３は、ブレード駆動手段１４を介して回転軸１９に取り付けられている。本実施の形態のローター１１は３枚のブレード１３を備えている。ブレード１３が風を受けることにより回転軸１９が回転して、ナセル１３内に設けられている発電機によって発電を行う。ブレード１３のピッチを変更することで、ローター１１の回転により生じる前後（図１の手前と奥）方向の力を変化させることができる。

【0039】

ここでブレード１３のピッチすなわちブレードピッチとは、回転面に対するブレード１３の角度をいう。ナセル１８内に設けられたブレード駆動手段１４によりブレード１３を駆動してブレード１３の回転軸１９への取付角を変更することにより、ブレードピッチを変更する。ブレード駆動手段１４としては、例えば電気や油圧を動力とする一般的に用いられるアクチュエータを挙げることができる。

【0040】

本実施形態では、ローター１１として、地面に対して水平な回転軸１９を備えたいわゆる水平軸型風車を示したが、地面に対して垂直な回転軸を備えたいわゆる縦型風車を用いることもできる。

【0041】

浮体１２は、その一部が海面Ｐの下に位置し、その浮力によって浮体式洋上風力発電施設１０を海面Ｐ上に設置するものである。浮体１２は、その全体が海面Ｐ下に位置する海面下部分１２Ａと、その一部が海面下に位置し大半の部分が海面Ｐ上に位置するタワー部１２Ｂとを備えている。図１では省略しているが、浮体１２は、係留索を介して海底のアンカーに係留されている。

【0042】

浮体運動検出手段１５は、浮体１２の運動（揺動）を検出するものであり、ローリング、ピッチング、ヨーイング、ヒービング、サージング、スウェイングの６自由度の内、少なくとも２以上の自由度を検出することが好ましい。特に、浮体運動検出手段１５は、少なくとも傾斜検出手段として浮体１２の傾斜（揺動角θ）を検出し、その時間的な変化から浮体１２の傾斜運動を検出する。傾斜運動の検出に必要な時間計測や処理手段は、浮体運動検出手段（傾斜検出手段）１５と一体的に設けることも、また別体の回路として設けることもできる。
ここで、傾斜検出手段は、浮体１２の傾斜運動としてのピッチングを直接あるいは間接的に少なくとも検出する。一般的な浮体運動検出手段１５は、例えば、ジャイロセンサー、傾斜計、加速度計、ＧＰＳを単独で、又は同種又は異種を組み合わせて構成することができる。また、浮体運動検出手段１５を２次元センサーとすることにより、ピッチングのみならず浮体１２の傾斜運動としてのローリングを直接あるいは間接的に検出することができる。この２次元の浮体運動を検出するには１次元センサーを２個組み合わせて構成することができる。また、ヨーイング、ヒービング、サージング、スウェイングと言った他の浮体運動を検出するには、専用の浮体運動検出手段を設けるか、例えば機能的に傾斜検出手段と兼ねることのできるジャイロセンサー等を用いることもできる。
本実施形態では、浮体運動検出手段１５は、浮体１２の重心位置（海面下部分１２Ａ）、浮体１２の作業入り口付近（タワー部１２Ｂ）、ならびにナセル１８の３箇所に取り付けられている。作業入り口付近に取り付けることにより、浮体運動検出手段１５のメンテナンスが容易になる。

【0043】

浮体運動検出手段１５として加速度計を用いる場合、例えば、高さの異なる位置に取り付けられた複数の加速度計により測定された加速度に基づいて、浮体１２の揺動角を検出することができる。
具体的には、浮体運動検出手段１５で検出された検出値の時間的な変化を測定し、直接制御入力として利用したり、重心位置と浮体運動検出手段１５取り付け位置の距離とかけ合わせることで浮体１２の揺動レベル（揺動角）を推定し制御に利用する。

【0044】

波高センサ１６は、海面Ｐにおける波の高さを測定するものであり、例えば、レーザ式波高計、超音波式波高計、容量式波高計、レーダー式波高計等を用いることができる。なお、本実施形態では、波高センサ１６が浮体１２に設けられている構成について説明したが、波高センサ１６は必ずしも浮体１２に取り付けられている必要はない。例えば、浮体式洋上風力発電施設１０とは別体の波高センサを用い、有線または無線の通信手段を用いて測定結果を浮体式洋上風力発電施設１０に送信する構成としてもよい。

【0045】

風速計１７は、風向を伴ったベクトルとして風速を検出するものであり、例えば、風杯型風速計、風車型風速計、超音波式風速計などを用いることができる。

【0046】

図２（ａ）は風力発電施設の浮体揺動を説明する浮体式洋上風力発電施設の側面図であり、図２（ｂ）は（ａ）に示す揺動に伴う発電機の出力の変化を示すグラフである。図２（ａ）に示すように、風速の変化や海面Ｐにおける波浪による外力により、浮体１２にかかる荷重が変化して、同図に両側矢印を用いて示したように、浮体式洋上風力発電施設１０の前後（図では左右）に運動（揺動）が生じる。

【0047】

浮体１２に揺動が生じると、揺動に起因してローター１１にあたる風の相対風速に変化が生じる。例えば、図２（ａ）に片側矢印で示した風速Ｖが一定であったとしても、浮体１２が前方向に揺動（ピッチング）する際には（両側矢印のＡ方向への運動）相対風速が風速Ｖよりも大きくなり、後方向に揺動する際には（両側矢印のＢ方向への運動）相対風速が風速Ｖよりも小さくなる。この結果、図２（ｂ）に示すように、時間の経過に伴って発電機の出力が変動する。

【0048】

浮体式洋上風力発電施設１０は、浮体運動検出手段１５の検出結果に基づいて、ブレード駆動手段１４によりブレード１３のブレードピッチを変更する。例えば、図２（ａ）に示すように浮体１２が前後方向に揺動（ピッチング）する際には、１サイクルの浮体１２の運動の中で、ブレード駆動手段１４によりブレード１３のブレードピッチの変更も１サイクルが行われる。
これによりローター１１に生じる力を変化させて、浮体１２の揺動を低減させることができる。図２（ａ）（ｂ）において、実線は、浮体１２の大きい揺動と発電機の出力の変化を示しており、破線は浮体１２の小さい揺動と発電機の出力の変化を示している。ブレード駆動手段１４によりブレード１３のブレードピッチを変更することで、破線で示すように浮体１２の揺動を小さくすることができる。浮体１２の揺動を抑制して揺動角θを小さくすることにより、発電機の出力を安定させ、電力の品質を向上させることができる。また、浮体１２がローリングする場合は、浮体運動検出手段１５が傾斜（揺動角θ’）の２次元的な動きを検出してブレード駆動手段１４によりブレード１３のブレードピッチを変更する。また、ピッチングとローリングが組み合わさった浮体12の運動の場合は、２次元的な動きを考慮して最適にブレード駆動手段１４によりブレード１３のブレードピッチを制御する。更に、ヨーイング、ヒービング、サージング、スウェイングと言った浮体の運動を考慮して最適にブレード駆動手段１４によりブレード１３のブレードピッチを制御することもできる。
なお、浮体１２の揺動周期は、通常は０．１〜０．３Ｈｚであり、地上や浜辺に設置される固定式の風力発電施設のタワー（構造的には浮体１２に相当）の1Ｈｚ以上の振動周期とは、数値的な範囲が異なっている。

【0049】

図３は風速と発電機の出力、および風速と発電機回転数との関係を示す発電機のタービン性能曲線のグラフである。同図の横軸は風速を示しており、太い実線で示した上側に位置するグラフでは縦軸が発電機の回転数を示しており、細い実線で示した下側に位置するグラフでは縦軸が発電機の出力を示している。

【0050】

浮体式洋上風力発電施設１０は、風速の大きさによって３つの異なるモードでの制御を行う。図３に示すように、縦の破線で区切った（１）〜（３）で示す各領域に対応して、制御モード（１）〜（３）があり、下記のとおり風速の大きさに基づいてモードの切替を行う。
モード（１）発電機の最大回転数に到達する前
発電機のタービンの最大出力係数Ｃｐｍａｘに合わせて発電機の回転数を制御する（発電機の負荷変更、ブレードのピッチ角固定）
モード（２）発電機の最大回転数に達した後、発電機の定格出力に達する前
発電機の回転数が一定になるように制御する（ブレードのピッチ角変更）
モード（３）発電機の定格出力に達した後
発電機の出力が一定になるように制御する（ブレードのピッチ角変更）

【0051】

なお、本発明では、適宜、発電機の最大回転数に到達する前の風速領域を弱風領域といい、発電機の最大回転数に達した後、発電機の定格出力に達するまでの風速領域を中風領域といい、発電機の定格出力に達した後の領域を強風領域という。なお、発電機の定格出力に達する前を弱風領域、定格出力に達した以降を強風領域と定義することも場合によっては可能である。

【0052】

浮体式洋上風力発電施設１０は、ローター１１の回転数、発電機の出力以外に、浮体運動検出手段１５により浮体１２の揺動角θもモニターしている。浮体１２の揺動角θが大きくなった場合は、風速計１７により測定された風速に基づいて特定されるモード毎に、ブレード駆動手段１４によりブレード１３のピッチ角制御を実施して、浮体１２の運動を低減させる。これにより、発電機の出力変化を抑制して、電力品質を向上することができる。

【0053】

図４は、図３の領域（１）のタービン性能曲線を示しており、（ａ）は揺動角が所定値未満の場合における目標回転数のグラフであり、（ｂ）は揺動角が所定値以上の場合における目標回転数を示すグラフである。

【0054】

浮体運動検出手段１５により検出された浮体１２の揺動角θが所定値未満である場合、浮体１２の揺動による発電機の出力変化（図２参照）が電力の品質および発電効率に与える影響は大きくない。そこで、この場合、図４（ａ）に示すように、図３のモード（１）と同様、発電効率が最大となる回転数Ｃｐｍａｘを目標回転数（目標値）として発電機の負荷を変化させる制御を行う。

【0055】

対して、浮体運動検出手段１５により検出された浮体１２の揺動角θが所定値以上である場合、浮体１２の揺動による出力の変化が電力の品質低下および発電効率に与える影響は大きい。そこで、この場合、図４（ｂ）に示すように、図３におけるモード（１）とは異なり、目標回転数をＣｐｍａｘよりも低く設定変更した上、発電機の負荷を変化させる制御に加えて、ブレードピッチ制御手段２１により浮体１２の揺動の抑制制御を行う。
なお、発電機制御手段２０やブレードピッチ制御手段２１などの制御手段は、例えば、制御に用いられる各種情報が記録された記憶手段および演算処理装置により構成される。

【0056】

図５は、図３の領域（１）における制御系の概略を示すブロック図である。同図に示すように、浮体式洋上風力発電施設１０は、制御手段として、発電機制御手段２０とブレードピッチ制御手段２１を備えている。発電機制御手段２０は、目標回転数Ｎｄに基づいて発電機トルクＴｒｑを変化させることにより、発電システム３０を構成する発電機２５におけるタービンの回転数Ｎを制御するものである。発電システム３０からは発電機２５のタービンの回転数Ｎがフィードバックされる。回転数Ｎは発電機25の軸に取り付けられた回転数検出手段２８で検出するが、発電機25の軸はローター１１の回転軸１９と直結されているため、ローター１１の回転数Ｎと実質的には同一の値である。

【0057】

ブレードピッチ制御手段２１は、浮体運動検出手段１５により検出された揺動角θが所定値以上である場合に、発電システム３０を構成するブレード駆動手段１４によりブレードピッチ角β_θを変化させて浮体１２の揺動を抑制し、発電機２５の出力を安定化するものである。発電システム３０からブレードピッチ制御手段２１へ揺動角θがフィードバックされる。

【0058】

上述したように浮体運動検出手段１５により検出された揺動角θが所定値以上である場合に、ブレードピッチ制御手段２１によるブレードピッチ角β_θを変化させる制御がなされる。上記所定値は、要求される電力品質に応じて、適宜設定すればよい。また、ブレードピッチ制御手段２１が常にブレードピッチ角β_θを制御することとしてもよい。この点は、後述する、中風領域および強風領域における制御でも同様である。

【0059】

発電機制御手段２０が、発電効率が最大となる回転数Ｃｐｍａｘを得るために用いる目標回転数Ｎｄよりも低い回転数に設定変更することにより、すなわち目標回転数Ｎｄを、揺動していない状態での発電効率が最大となる回転数よりも低く設定変更することにより、所定の揺動角θ以上の浮体運動が生じている状態において、変動する発電機２５の効率の平均値を最大とし、また発電機２５の出力変動幅を最小とすることができる。これにより、電力品質を向上させることができる。

【0060】

図６は、図３の領域（２）のタービン性能曲線を示しており、（ａ）は揺動角が所定値未満の場合における目標回転数のグラフであり、（ｂ）は揺動角が所定値以上の場合における目標回転数を示すグラフである。

【0061】

図６（ａ）に示すように、浮体運動検出手段１５により検出された浮体１２の揺動角θが所定値未満である場合、浮体１２の揺動による出力変化が電力の品質および発電効率に与える影響は大きくない。そこで、この場合、図３のモード（２）と同様、Ｃｐｍａｘを目標回転数としてブレードピッチを変化させる制御を行う。

【0062】

図６（ｂ）に示すように、浮体運動検出手段１５により検出された浮体１２の揺動角θが所定値以上である場合、浮体１２の運動による出力の変化が電力の品質低下および発電効率に与える影響が大きい。そこで、図３のモード（２）とは異なり、目標回転数をＣｐｍａｘよりも低く設定変更した上、発電機２５の負荷を変化させる制御に加えて、ブレードピッチ制御手段２１により浮体１２の揺動を抑制する。

【0063】

図７は図３の領域（２）における制御系の概略を示すブロック図である。同図に示すように、浮体式洋上風力発電施設１０は、制御手段として、発電機制御手段２０とブレードピッチ制御手段２１を備えている。領域（２）（中風領域）においては、発電機２５の回転数Ｎが最大回転数に達している（図３参照）。このため発電機制御手段２０は、回転数Ｎを最大回転数に維持する手段としてブレードピッチを変化させる。発電システム３０からは発電機２５のタービンの回転数Ｎがフィードバックされる。回転数Ｎは発電機25の軸に取り付けられた回転数検出手段２８で検出するが、発電機25の軸はローター１１の回転軸１９と直結されているため、ローター１１の回転数Ｎと実質的には同一の値である。

【0064】

ブレードピッチ制御手段２１は、領域（１）（弱風領域）と同様に機能するものである。しかし、領域（２）（中風領域）では、弱風領域とは異なり、ブレードピッチが発電機制御手段２０による発電機２５の回転数Ｎを制御する手段としても用いられている。そこで、領域（１）とは異なり、発電機制御手段２０からの出力β_Ｎとブレードピッチ制御手段２１からの出力β_θが加算された後に発電システム３０に出力され、発電機２５およびブレード駆動手段１４の制御に用いられる。このように、発電機制御手段２０およびブレードピッチ制御手段２１からの出力に基づいて、ブレード駆動手段１４によりローター１１のブレード角を制御する。これにより浮体１２の揺動を抑えると共に、発電機２５の回転数Ｎを制御して、浮体式洋上風力発電施設１０の発電機２５の出力を安定化させた中で発電効率を最大とすることが可能となる。

【0065】

発電システム３０におけるブレードピッチの制御は、β_Ｎとβ_θとの重み付けを行って加算した結果に基づいて行うこととしてもよい。重み付けは、浮体運動検出手段１５により検出された揺動角θや風速Ｖなどに基づいて行うことができる。例えば、電力品質の安定性（出力の安定性）を重視する場合、揺動角θが所定値未満のときにはβ_Ｎのみに基づいて発電システム３０を制御し、揺動角θが所定値以上のときにはβ_θのみに基づいて制御することとしてもよい。また、発電効率を重視する場合、発電機２５の発電効率への影響が大きくなる揺動角θを所定値として、揺動角θが所定値未満のときにはβ_θのみに基づいて発電システム３０を制御し、揺動角θが所定値以上のときにはβ_Ｎのみに基づいて制御することとしてもよい。無論、β_Ｎ、β_θに適切な重み付け係数を掛けて双方の出力に基づいて制御することもできる。

【0066】

図８（ａ）は、図３の領域（３）のタービン性能曲線のうち揺動角が所定値未満の場合および揺動角が所定値以上の場合における目標定格出力のグラフである。
浮体運動検出手段１５により検出された浮体１２の揺動角θ（図２参照）が所定値未満である場合、浮体１２の揺動による出力の変化が電力の品質低下に与える影響は大きなものではない。そこで、図８（ａ）に破線で示すように、発電機２５が定格出力となるように制御することで、発電効率を良好にすることができる。

【0067】

対して、浮体運動検出手段１５により検出された浮体１２の揺動角θが所定値以上である場合、浮体１２の運動による出力の変化が電力の品質低下に与える影響は大きい。そこで、図３のモード（３）とは異なり、ブレードピッチ制御手段２１により浮体１２の揺動を抑制する。これにより、揺動による電力の出力変化を抑制し、電力品質を向上させることができる。

【0068】

図８（ｂ）は目標出力と揺動に伴う発電機の出力の変化を示すグラフである。浮体１２が揺動している場合に定格出力を目標出力とすると、浮体１２が揺動して相対風力が大きくなったときに発電機２５の定格出力を超えるおそれがある。そこで、所定値以上の揺動角θが検出された場合、定格出力よりも低い値が目標出力となるように設定を変更する。これにより、定格出力を超えた状態で発電機２５が運転されることを防いで、浮体式洋上風力発電施設１０の安全性を向上させることができる。

【0069】

図９は、図３の領域（３）における制御系の概略を示すブロック図である。同図に示すように、浮体式洋上風力発電施設１０は制御手段として、発電機制御手段２０およびブレードピッチ制御手段２１を備えている。領域（３）（強風領域）においては、発電機２５の回転数Ｎが最大回転数に達し、発電機２５の出力Ｐが定格出力に達している（図３参照）。そこで、発電機２５の定格出力を目標出力Ｐｄとして設定する。また、発電機制御手段２０は、発電機２５の出力Ｐを定格出力に維持するための手段としてブレードピッチを変化させる。発電システム３０からは、発電機２５の出力Ｐがフィードバックされる。なお、発電機２５の出力Ｐは、出力検出手段29により検出される。

【0070】

ブレードピッチ制御手段２１は、領域（１）（弱風領域）と同様の機能を有するものである。しかし、強風領域ではブレードピッチが発電機制御手段２０による発電機２５の出力Ｐを制御する手段としても用いられている。このため、領域（２）同様、発電機制御手段２０からの出力β_Ｐとブレードピッチ制御手段２１からの出力β_θが加算されて、発電システム３０に出力される。両者の加算においては、領域（２）（中風領域）同様、重み付けすることとしてもよい。このように、発電機制御手段２０からの出力β_Ｐとブレードピッチ制御手段２１からの出力β_θに基づいて、ブレード駆動手段１４によりローター１１のブレード角を制御する。これにより浮体１２の揺動を抑えると共に発電機２５の出力Ｐを制御することができるから、浮体式洋上風力発電施設１０の発電機２５の出力Ｐを安定化させた中で発電効率を最大にすることが可能となる。

【0071】

浮体式洋上風力発電施設１０の制御手段について、図１０を参酌して以下に説明する。
図１０は本実施形態の浮体式洋上風力発電施設の制御系の概略構成を示すブロック図である。同図に示すように、浮体式洋上風力発電施設１０は、既に説明した発電機制御手段２０、ブレードピッチ制御手段２１に加えて、ターゲットスケジューラ（目標設定部）２２、ゲインスケジューラ（制御ゲイン調整部）２３、フィードフォワード制御手段２４、および海象の状態を総合的に把握する海象状態検出手段３１を備えている。

【0072】

ターゲットスケジューラ２２は、弱風領域、中風領域および強風領域のうちどの領域に属するかにより、制御モードを切換えて、目標回転数Ｎｒｅｆまたは目標出力Ｐｒｅｆを変更する。例えば、発電機２５のタービン性能曲線のグラフ（図３参照）に対応した情報のテーブルが記憶された記憶手段と演算処理装置とを用いてターゲットスケジューラ２２を構成することができる。

【0073】

ターゲットスケジューラ２２が制御モードを切換えるトリガ（きっかけ）としては、発電システム３０の風速計１７（図１参照）により測定された風速Ｖおよび／または発電機２５の回転数Ｎを用いることができる。ターゲットスケジューラ２２により、風速Ｖおよび回転数検出手段２８で検出される発電機２５の回転数Ｎに応じた適切な制御モードに自動的に切換えて制御を行うことができる。また、各制御モードにおいて、目標回転数Ｎｒｅｆまたは目標出力Ｐｒｅｆを変更するトリガとしては、揺動角θが用いられる。

【0074】

ターゲットスケジューラ２２には、発電システム３０から、回転数検出手段２８で検出される発電機２５の回転数Ｎ、出力検出手段２９で検出される出力Ｐ、風速計１７で検出される風速Ｖ、浮体運動検出手段１５による揺動角θ、及びヨーイング検出手段４６で検出されるヨー角ψがフィードバックされる。フィードバックされたこれら出力は、制御モードに応じて用いられる。弱風領域および中風領域においては、制御目標値として目標回転数Ｎｒｅｆが用いられるから、回転数Ｎがフィードバック制御に用いられる（図５、７参照）。強風領域においては、制御目標値として目標出力Ｐｒｅｆが用いられるから、出力Ｐがフィードバック制御に用いられる（図９参照）。

【0075】

また、揺動角θは、ゲインスケジューラ２３を介してブレードピッチ制御手段２１に出力され、全領域においてブレードピッチ制御に用いられる。なお、ブレードピッチ制御手段２１による制御は、揺動角θが所定値以上となることをトリガとして開始する構成としてもよい。

【0076】

ゲインスケジューラ２３は、発電機制御手段２０およびブレードピッチ制御手段２１における入力に対する出力の比である制御ゲインを調節するものである。ゲインスケジューラ２３による制御は、例えばＰＩＤ制御などのような一般的に用いられる方式を用いることができる。ゲインスケジューラ２３は、フィルタ２６’を通した浮体運動検出手段１５による揺動角θの検出結果に基づいて、ブレードピッチ制御手段２１の制御ゲインを調節する。これによりブレード駆動手段１４がローター１１のブレードピッチを変化させて、浮体１２の揺動による発電機２５の出力変化を抑制する。

【0077】

フィードフォワード制御手段２４は、フィルタ２６とフィードフォワード制御システム２７とを備えている。そして、海象状態検出手段３１により検出された浮体１２の周囲の海象状態を発電機制御手段２０およびブレードピッチ制御手段２１の制御に反映させるものである。フィルタ２６は、海象状態検出手段３１により検出された海象に対応した信号から各種ノイズを取り除くものである。フィードフォワード制御システム２７は、海象状態検出手段３１により検出された外乱を予測して、発電機制御手段２０およびブレードピッチ制御手段２１の制御に反映させるものである。

【0078】

海象状態検出手段３１は、浮体１２の回りの周囲の海象状態を検出するものである。海象状態としては、例えば、波高、波向き、波周期、流速、流向などが挙げられる。なお、海象状態検出手段３１は、浮体１２とは別体のものとして構成することもできる。また、別体とする場合、例えば、無線や有線の通信手段を介して、浮体式洋上風力発電施設１０に海象状態を送信する構成としてもよい。

【0079】

海象状態検出手段３１により検出された海象は、フィードフォワード制御手段２４を介してブレード駆動手段１４および発電機２５の制御に用いられる。すなわち、図１０に示すように、発電機制御手段２０は、発電システム３０からのフィードバック信号およびゲインスケジューラ２３からの信号に加えて、フィードフォワード制御手段２４からの信号をも制御に用いる。

【0080】

フィードフォワード制御では、海象状態検出手段３１の検出結果に基づいて浮体運動を予測して予め必要な制御量を計算することが可能である。アクチュエータとしてのブレード駆動手段１４の応答時間等に起因する制御時間の遅れがあると、フィードフォワード制御することによって逆に浮体揺動を増幅することもある。そこで、フィードバック制御によってロバスト性を確保しながら、フィードフォワード制御で出力変動に対する速応性を向上させている。

【0081】

図１１は、図１０に示すブロック図の要部詳細ブロック図である。
図１０に示すフィードフォワード制御システム２７は、発電機制御手段２０の出力に対してトルク変化量△Ｔｑを出力する回転数補正部と、ブレードピッチ制御手段２１の出力に対してブレードピッチ変化量△βを出力するブレードピッチ補正部からなる。

【0082】

回転数補正部は、ローター１１及び浮体１２の運動モデル部２７ａとＰＩＤ制御部２７ｂとを有する。
ローター及び浮体の運動モデル部２７ａは、あらかじめ計算された応答関数を有しており、海象状態検出手段３１からの直前の波高、波向計測データＨｗ（ｔ）と、発電システム３０からの直前の発電機２５の回転数Ｎ及び浮体運動検出手段１５により検出される直前の揺動角θが入力されることで、回転数偏差△Ｎを出力する。

【0083】

ＰＩＤ制御部２７ｂでは、回転数偏差△Ｎが入力され、Ｐ制御、ＰＩ制御、ＰＤ制御又はＰＩＤ制御を行うことでトルク変化量△Ｔｑを出力する。
ブレードピッチ補正部は、ローター１１及び浮体１２の運動モデル部２７ｃとＰＩＤ制御部２７ｄとブレードピッチ変化量変換部２７ｅを有する。

【0084】

ローター１１及び浮体１２の運動モデル部２７ｃは、あらかじめ計算された応答関数を有しており、海象状態検出手段３１からの直前の波高、波向計測データＨｗ（ｔ）と、発電システム３０からの直前の発電機２５の回転数Ｎ及び浮体運動検出手段１５により検出される直前の揺動角θが入力されることで、出力偏差△Ｐを出力する。ＰＩＤ制御部２７ｄでは、出力偏差△Ｐが入力され、Ｐ制御、ＰＩ制御、又はＰＩＤ制御を行うことでトルク変化量△Ｔｑを出力する。ブレードピッチ変化量変換部２７ｅでは、トルク変化量△Ｔｑが入力され、ブレードピッチ変化量△βを出力する。

【0085】

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態について、図１２及び図１３を参酌して以下に説明する。
図１２は本実施形態による浮体式洋上風力発電施設の概略構成を示す斜視図、図１３は本実施形態による浮体式洋上風力発電施設の構造を示す要部側面図である。
本実施形態では、ローター１１の回転軸１９を収納したナセル１８のヨーイングを検出するヨーイング検出手段４６を備えている。
なお、ナセル１８のヨーイングを検出し、検出結果に基づいてローター１１のブレードピッチを回転位置に応じて制御することに関係する構成以外の部分は、第１の実施形態と同様である。

【0086】

浮体式洋上風力発電施設４０は、浮体１２が係留索４２を介して海底Ｂのアンカー４３に係留されたものである。なお、浮体１２の下から出ている線は送電線４４である。

【0087】

浮体式洋上風力発電施設４０は、風により回転するローター１１と、ローター１１の回転軸１９を収容するナセル１８と、ナセル１８を水面に対して回動自在に支持する回動座軸受４５を有した浮体１２と、ナセル１８の水面に対する回動揺動であるヨーイングを検出するヨーイング検出手段４６を備えている。

【0088】

ローター１１は、複数のブレード１３が放射状に設けられているハブ４７と、ハブ４７に連結された回転軸１９とを備えている。回転軸１９は、ナセル１８内に回転可能に軸支されており、ローター１１が風を受けることにより回転軸１９が回転して、ナセル１８内に設けられている発電機（図示しない）によって発電を行う。

【0089】

ナセル１８は、浮体１２の上部に設けられている回動座軸受４５により、海面Ｐに対して回動自在に支持されている。これにより、ナセル１８の回動によって風向の変化に応じて回転軸１９の方向を変化させて、ローター１１の回転面を風に正対させることができる。

【0090】

ヨーイング検出手段４６は、ローター１１が回転している際、波浪により鉛直方向の力が加わったときなどにナセル１８に生じる回動揺動（ヨーイング）を検出するものである。なお、本実施形態では浮体１２にヨーイング検出手段４６を設けているが、ナセル１８側にヨーイング検出手段４６を設ける構成としても良い。ヨーイング検出手段４６としては、例えば、ジャイロセンサー等を用いることができる。

【0091】

ブレード駆動手段１４は、ヨーイング検出手段４６の検出結果に基づいて、回転位置に応じてブレード１３毎に個別に変化するようにブレード１３を駆動する。たとえば、図１２のローター１１の回転面Ｌに二点鎖線で示した回転位置Ａと回転位置Ｂにおけるブレードピッチをブレード１３毎に個別に制御
することにより、同図にTで示したヨーイングを抑制することができる。

【0092】

（第3の実施形態）
図１４は、第３の実施形態による浮体式洋上風力発電施設の概略構成を示す斜視図である。同図に示すように、浮体式洋上風力発電施設５０は、ナセル５１と浮体５２とを一体にして、ナセル５１が浮体５２に対して回動しないように構成したものである。浮体５２は、水に浮くものであって、その上端にはナセル５１が固定されており、その下端が回動手段５３を介して海底Ｂのアンカー５４に繋がれている。回動手段５３は、浮体５２が風向Ｗの変化に応じて回動可能となるように浮体５２をアンカー５４に繋ぐものである。

【0093】

浮体５２に設けられているヨーイング検出手段５５は、ヨーイング検出手段４６同様、浮体５２（ナセル５１）のヨーイングを検出するものである。浮体式洋上風力発電施設５０は、ヨーイング検出手段５５の検出結果に基づいて、浮体式洋上風力発電施設４０同様の手段によりヨーイングを抑制する。
なお、浮体５２は係留索等の他の係留方式を併用して係留することもできる。

【0094】

（第４の実施形態）
図１５は、第４の実施形態による浮体式洋上風力発電施設の概略構成を示す上面図である。
この第４の実施形態は、図１に示す浮体式洋上風力発電施設において、タワー部１２Bからナセル１５が回動自在に支持されて風の方向にローター１１が正対するように構成されている場合に、ナセル１５にもヨーイング検出手段４８を組み込んでいるものである。
浮体式洋上風力発電施設の場合、陸上や浜辺に設置されるタワーが固定された風力発電施設と異なり、風の方向と浮体１２の揺動する方向が異なる場合が多い。このような場合に、浮体１２の運動を考慮することに加え、ローター１１の向き、すなわちナセル１５の浮体１２に対するヨー角を考慮して、あるいはヨーイング運動を考慮して、更にブレード駆動手段１４によりブレード１３のブレードピッチを制御することができる。これにより、更に浮体式洋上風力発電施設の発電機の出力を安定化させたり、効率を向上させることが可能となる。

【産業上の利用可能性】

【0095】

本発明は、浮体式洋上風力発電施設における浮体の運動の抑制と発電品質や安全性を向上させるための制御装置として利用することができる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】