特許 6363123 風車並びにそのヨー制御装置及び運転制御方法

(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】6363123

(24)【登録日】2018年7月6日

(45)【発行日】2018年7月25日

(54)【発明の名称】風車並びにそのヨー制御装置及び運転制御方法

(51)【国際特許分類】

   F03D 7/04 20060101AFI20180712BHJP

【ＦＩ】

   F03D7/04 L

【請求項の数】15

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2016-37018(P2016-37018)

(22)【出願日】2016年2月29日

(65)【公開番号】特開2017-155601(P2017-155601A)

(43)【公開日】2017年9月7日

【審査請求日】2017年1月31日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006208

【氏名又は名称】三菱重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000785

【氏名又は名称】誠真ＩＰ特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】馬場 満也

【審査官】 岩田 健一

(56)【参考文献】

【文献】 欧州特許出願公開第０２９０２６２３（ＥＰ，Ａ１）

【文献】 特開平０３−２２２８７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 Chunyan Dai, Jianhua Yuan，Study on the Prevent Cable Twisting Control Strategy of Wind Turbine Yaw Control System，2013 2nd International Symposium on Instrumentation and Measurement, Sensor Network and Automation (IMSNA)，IEEE，２０１３年１２月２３日，420-424

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０３Ｄ ７／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

風車ロータと、
前記風車ロータを回転可能に支持するナセルと、
前記ナセルを旋回させるように構成されたヨー旋回部と、
風速の大きさを示す風速パラメータに応じて可変である閾値をヨー角の絶対値が超えたとき、前記ヨー角がゼロに近づく方向に前記ナセルを旋回させるヨー巻戻しモードにて前記ヨー旋回部を動作させるように構成されたヨー制御部と、を備える風車であって、
前記閾値は、前記風速パラメータの増加とともに大きくなるとともに、
前記風車の運転中における前記閾値は、前記風車の待機ステートにおける前記閾値よりも大きく設定されることを特徴とする風車。

【請求項2】

前記閾値は、前記風速パラメータの複数の範囲に対応して段階的に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の風車。

【請求項3】

前記閾値は、前記風速パラメータの増加とともに単調増加するように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の風車。

【請求項4】

前記閾値の最大値は、前記ナセルの旋回限界であるハードウェアリミットよりも小さい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車。

【請求項5】

風車ロータと、
前記風車ロータを回転可能に支持するナセルと、
前記ナセルを旋回させるように構成されたヨー旋回部と、
風速の大きさを示す風速パラメータに応じて可変である閾値をヨー角の絶対値が超えたとき、前記ヨー角がゼロに近づく方向に前記ナセルを旋回させるヨー巻戻しモードにて前記ヨー旋回部を動作させるように構成されたヨー制御部と、を備え、
前記閾値は、前記風速パラメータの増加とともに大きくなるとともに、
前記ヨー制御部は、前記ヨー巻戻しモードにて前記ヨー旋回部を制御する場合、
前記風速パラメータが風速下限閾値以下のときに、風向に追従させることなく前記ヨー角を規定角度範囲内まで変化させ、
前記風速パラメータが前記風速下限閾値より大きいときに、前記ヨー角の絶対値が１８０度以下であり、且つ、前記風向に追従するまで前記ヨー角を変化させる
ように構成された
ことを特徴とする風車。

【請求項6】

前記風車の運転中における前記閾値は、前記風車の待機ステートにおける前記閾値よりも大きく設定されることを特徴とする請求項５に記載の風車。

【請求項7】

前記風速パラメータは、風速、前記風車の出力、前記風車ロータの回転数又は前記風車ロータのトルクの少なくとも一つを含む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車。

【請求項8】

前記風速パラメータは、風速、前記風車の出力、前記風車ロータの回転数又は前記風車ロータのトルクの少なくとも一つの規定期間における統計値であ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車。

【請求項9】

請求項１乃至８の何れか一項に記載の風車に用いられるヨー制御装置であって、
風速の大きさを示す風速パラメータに応じて可変である閾値をヨー角の絶対値が超えたとき、前記ヨー角がゼロに近づく方向に前記風車のナセルを旋回させるヨー巻戻しモードにて前記風車のヨー旋回部を動作させるように構成され、
前記閾値は、前記風速パラメータの増加とともに大きくなることを特徴とする風車のヨー制御装置。

【請求項10】

風車ロータと、前記風車ロータを回転可能に支持するナセルと、前記ナセルを旋回させるように構成されたヨー旋回部とを備える風車の運転制御方法であって、
風速の大きさを示す風速パラメータに応じて可変である閾値をヨー角の絶対値が超えたとき、前記ヨー角がゼロに近づく方向に前記ナセルを旋回させるヨー巻戻しモードにて前記ヨー旋回部を動作させるステップを備え、
前記閾値は、前記風速パラメータの増加とともに大きくなるとともに、
前記風車の運転中における前記閾値は、前記風車の待機ステートにおける前記閾値よりも大きく設定される
ことを特徴とする風車の運転制御方法。

【請求項11】

前記閾値は、前記風速パラメータの複数の範囲に対応して段階的に設定されていることを特徴とする請求項１０に記載の風車の運転制御方法。

【請求項12】

前記閾値は、前記風速パラメータの増加とともに単調増加するように設定されていることを特徴とする請求項１０に記載の風車の運転制御方法。

【請求項13】

前記閾値の最大値は、前記ナセルの旋回限界であるハードウェアリミットよりも小さいことを特徴とする請求項１０乃至１２の何れか一項に記載の風車の運転制御方法。

【請求項14】

風車ロータと、前記風車ロータを回転可能に支持するナセルと、前記ナセルを旋回させるように構成されたヨー旋回部とを備える風車の運転制御方法であって、
風速の大きさを示す風速パラメータに応じて可変である閾値をヨー角の絶対値が超えたとき、前記ヨー角がゼロに近づく方向に前記ナセルを旋回させるヨー巻戻しモードにて前記ヨー旋回部を動作させるステップを備え、
前記閾値は、前記風速パラメータの増加とともに大きくなるとともに、
前記ヨー巻戻しモードにて前記ヨー旋回部を制御する場合、
前記風速パラメータが風速下限閾値以下のときに、風向に追従させることなく前記ヨー角を規定角度範囲内まで変化させ、
前記風速パラメータが前記風速下限閾値より大きいときに、前記ヨー角の絶対値が１８０度以下であり、且つ、前記風向に追従するまで前記ヨー角を変化させる
ことを特徴とする風車の運転制御方法。

【請求項15】

前記風車の運転中における前記閾値は、前記風車の待機ステートにおける前記閾値よりも大きく設定されることを特徴とする請求項１０乃至１４の何れか一項に記載の風車の運転制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、風車並びにそのヨー制御装置及び運転制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、風車ロータを支持するナセルを風向に追従してヨー旋回させるようにした風車が知られている。
例えば、特許文献１には、風向センサで検出された風向にナセルが追従するように、ナセルを旋回させるようにした風車が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１５−１６１１７２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、風車の運転中に風向にナセルを追従してヨー旋回させる結果、ナセルのヨー角が大きくなり、例えば、ナセルとタワーとの間にわたって延在するケーブル、配線等の構造物の捻じれが過大になってしまうことがある。このため、ナセルのヨー角を適正な範囲内に収めるために、風車を一旦停止してナセルを巻き戻し方向にヨー旋回させる必要がある。
しかし、ナセルを巻き戻し方向にヨー旋回させる間は、風車の出力を発揮することができず、不経済である。

【0005】

この点、特許文献１には、巻き戻し方向へのヨー旋回が風車の出力に与える影響を低減しながら、ナセルのヨー角を適正な範囲内に収めることについて開示されていない。

【0006】

本発明の少なくとも幾つかの実施形態の目的は、巻き戻し方向へのヨー旋回が風車出力に与える影響を低減しながら、ナセルのヨー角が過大になることを防止可能な風車並びにそのヨー制御装置及び運転制御方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

（１）本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係る風車は、
風車ロータと、
前記風車ロータを回転可能に支持するナセルと、
前記ナセルを旋回させるように構成されたヨー旋回部と、
風速の大きさを示す風速パラメータに応じて可変である閾値をヨー角の絶対値が超えたとき、前記ヨー角がゼロに近づく方向に前記ナセルを旋回させるヨー巻戻しモードにて前記ヨー旋回部を動作させるように構成されたヨー制御部と、を備え、
前記閾値は、前記風速パラメータの増加とともに大きくなる。

【0008】

上記（１）の構成によれば、ヨー巻戻しモードへの遷移の可否を判断する基準であるヨー角の閾値を、風速パラメータの増加とともに大きくしたので、風速が小さくて風車の高い出力を期待できない場合にヨー巻戻しモードへの遷移の頻度を増加させることができる。これにより、風車の高い出力を元々期待できない低風速時にヨー巻戻しモードにてヨー旋回部を動作させることで、風車の高い出力を期待できるような高風速時にヨー巻戻しを行う必要性を低減できる。よって、風車出力に与える影響を低減しながら、ヨー角が過大になることを防止できる。

【0009】

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記閾値は、前記風速パラメータの複数の範囲に対応して段階的に設定される。

【0010】

上記（２）の構成によれば、ヨー巻戻しモードへの遷移の可否を判断する基準であるヨー角の閾値が、風速パラメータの複数の範囲に対応して、風速パラメータの増加とともに大きくなるように段階的に設定されているため、風車出力に与える影響を低減しながら、ヨー角が過大になることを防止できる。

【0011】

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記閾値は、前記風速パラメータの増加とともに単調増加するように設定される。

【0012】

上記（３）の構成によれば、ヨー巻戻しモードへの遷移の可否を判断する基準であるヨー角の閾値が、風速パラメータの増加とともに単調増加するように設定されているため、風車出力に与える影響を低減しながら、ヨー角が過大になることを防止できる。

【0013】

（４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れかの構成において、
前記閾値の最大値は、前記ナセルの旋回限界であるハードウェアリミットよりも小さい。

【0014】

上記（４）の構成によれば、ヨー巻戻しモードへの遷移の可否を判断する基準であるヨー角の閾値の最大値をハードウェアリミットよりも小さく設定したので、風速パラメータによらず、ヨー巻戻しモードでのソフトウェア制御がハードウェアによる保護動作よりも優先的に機能することになる。これにより、ソフトウェア制御とハードウェアによる保護動作との冗長性を維持して、ヨー角が過大になることを確実に防止できる。

【0015】

（５）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（４）の何れかの構成において、
前記ヨー制御部は、前記風速パラメータが閾値以下のときに、前記ヨー巻戻しモードにて前記ヨー旋回部を制御する場合、風向に追従させることなく前記ヨー角を規定角度範囲内まで変化させるように構成される。

【0016】

上記（５）の構成によれば、風向が安定しない程度に風速が小さい場合に、風向に追従させることなく、規定角度範囲内にヨー角が収まるまでヨー巻戻しを行うことにより、ヨー巻戻しを行う間に風向が不安定になっても、ヨー巻戻しモードによるヨー旋回を安定して行うことができる。

【0017】

（６）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（５）の何れかの構成において、
前記風車の運転中における前記閾値は、前記風車の待機ステートにおける前記閾値よりも大きく設定される。

【0018】

上記（６）の構成によれば、ヨー巻戻しモードへの遷移の可否を判断する基準であるヨー角の閾値を風車の状態に応じて異ならせることで、ヨー巻戻しによる風車出力に与える影響の低減と、過大なヨー角の発生防止と、を両立することができる。
すなわち、既に風車が運転中の状態には、ヨー角の閾値を比較的大きく設定することで、ヨー巻戻しの頻度を低下させて、風車出力を確保することができる。一方、風速が低下して風車が待機ステートにあるとき、風車の高い出力を期待できない、または、風車出力をどれほど見込めるか不明であるから、ヨー角の閾値を比較的小さく設定することで、ヨー巻戻しの頻度を増加させて、将来の風車運転再開後におけるヨー巻戻しの必要性を低減することができる。

【0019】

（７）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（６）の何れかの構成において、
前記風速パラメータは、風速、前記風車の出力、前記風車ロータの回転数又は前記風車ロータのトルクの少なくとも一つを含む。
（８）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（６）の何れかの構成において、
前記風速パラメータは、風速、前記風車の出力、前記風車ロータの回転数又は前記風車ロータのトルクの少なくとも一つの規定期間における統計値である。なお、統計値として、平均値を用いてもよい。

【0020】

上記（７）又は（８）の構成によれば、風速、風車出力、風車ロータの回転数又はトルクのような風車出力と関連性のある指標を風速パラメータとして用いることで、風車の高い出力が元々期待できない低風速時において優先的にヨー巻戻しを実施することが可能になる。これにより、風車出力に与える影響を低減しながら、ヨー角が過大になることを防止できる。

【0021】

（９）本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係る風車のヨー制御装置は、
上記（１）乃至（８）の何れかの構成の風車に用いられるヨー制御装置であって、
風速の大きさを示す風速パラメータに応じて可変である閾値をヨー角の絶対値が超えたとき、前記ヨー角がゼロに近づく方向に前記風車のナセルを旋回させるヨー巻戻しモードにて前記風車のヨー旋回部を動作させるように構成され、
前記閾値は、前記風速パラメータの増加とともに大きくなる。

【0022】

上記（９）の構成によれば、ヨー巻戻しモードへの遷移の可否を判断する基準であるヨー角の閾値を、風速パラメータの増加とともに大きくしたので、風速が小さくて風車の高い出力を期待できない場合にヨー巻戻しモードへの遷移の頻度を増加させることができる。これにより、風車の高い出力を元々期待できない低風速時にヨー巻戻しモードにてヨー旋回部を動作させることで、風車の高い出力を期待できるような高風速時にヨー巻戻しを行う必要性を低減できる。よって、風車出力に与える影響を低減しながら、ヨー角が過大になることを防止できる。

【0023】

（１０）本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係る風車の運転制御方法は、
風車ロータと、前記風車ロータを回転可能に支持するナセルと、前記ナセルを旋回させるように構成されたヨー旋回部とを備える風車の運転制御方法であって、
風速の大きさを示す風速パラメータに応じて可変である閾値をヨー角の絶対値が超えたとき、前記ヨー角がゼロに近づく方向に前記ナセルを旋回させるヨー巻戻しモードにて前記ヨー旋回部を動作させるステップを備え、
前記閾値は、前記風速パラメータの増加とともに大きくなる。

【0024】

上記（１０）の方法によれば、ヨー巻戻しモードへの遷移の可否を判断する基準であるヨー角の閾値を、風速パラメータの増加とともに大きくしたので、風速が小さくて風車の高い出力を期待できない場合にヨー巻戻しモードへの遷移の頻度を増加させることができる。これにより、風車の高い出力を元々期待できない低風速時にヨー巻戻しモードにてヨー旋回部を動作させることで、風車の高い出力を期待できるような高風速時にヨー巻戻しを行う必要性を低減できる。よって、風車出力に与える影響を低減しながら、ヨー角が過大になることを防止できる。

【0025】

（１１）幾つかの実施形態では、上記（１０）の方法において、
前記閾値は、前記風速パラメータの複数の範囲に対応して段階的に設定されている。

【0026】

上記（１１）の方法によれば、ヨー巻戻しモードへの遷移の可否を判断する基準であるヨー角の閾値が、風速パラメータの複数の範囲に対応して、風速パラメータの増加とともに大きくなるように段階的に設定されているため、風車出力に与える影響を低減しながら、ヨー角が過大になることを防止できる。

【0027】

（１２）幾つかの実施形態では、上記（１０）の方法において、
前記閾値は、前記風速パラメータの増加とともに単調増加するように設定されている。

【0028】

上記（１２）の方法によれば、ヨー巻戻しモードへの遷移の可否を判断する基準であるヨー角の閾値が、風速パラメータの増加とともに単調増加するように設定されているため、風車出力に与える影響を低減しながら、ヨー角が過大になることを防止できる。

【0029】

（１３）幾つかの実施形態では、上記（１０）乃至（１２）の何れかの方法において、
前記閾値の最大値は、前記ナセルの旋回限界であるハードウェアリミットよりも小さい。

【0030】

上記（１３）の方法によれば、ヨー巻戻しモードへの遷移の可否を判断する基準であるヨー角の閾値の最大値をハードウェアリミットよりも小さく設定したので、風速パラメータによらず、ヨー巻戻しモードでのソフトウェア制御がハードウェアによる保護動作よりも優先的に機能することになる。これにより、ソフトウェア制御とハードウェアによる保護動作との冗長性を維持して、ヨー角が過大になることを確実に防止できる。

【0031】

（１４）幾つかの実施形態では、上記（１０）乃至（１３）の何れかの方法において、
前記風速パラメータが閾値以下のときに、前記ヨー巻戻しモードにて前記ヨー旋回部を制御する場合、風向に追従させることなく前記ヨー角を規定角度範囲内まで変化させる。

【0032】

上記（１４）の方法によれば、風向が安定しない程度に風速が小さい場合に、風向に追従させることなく、規定角度範囲内にヨー角が収まるまでヨー巻戻しを行うことにより、ヨー巻戻しを行う間に風向が不安定になっても、ヨー巻戻しモードによるヨー旋回を安定して行うことができる。

【0033】

（１５）幾つかの実施形態では、上記（１０）乃至（１４）の何れかの方法において、
前記風車の運転中における前記閾値は、前記風車の待機ステートにおける前記閾値よりも大きく設定される。

【0034】

上記（１５）の方法によれば、ヨー巻戻しモードへの遷移の可否を判断する基準であるヨー角の閾値を風車の状態に応じて異ならせることで、ヨー巻戻しによる風車出力に与える影響の低減と、過大なヨー角の発生防止と、を両立することができる。
すなわち、既に風車が運転中の状態には、ヨー角の閾値を比較的大きく設定することで、ヨー巻戻しの頻度を低下させて、風車出力を確保することができる。一方、風速が低下して風車が待機ステートにあるとき、風車の高い出力を期待できない、または、風車出力をどれほど見込めるか不明であるから、ヨー角の閾値を比較的小さく設定することで、ヨー巻戻しの頻度を増加させて、将来の風車運転再開後におけるヨー巻戻しの必要性を低減することができる。

【発明の効果】

【0035】

本発明の少なくとも幾つかの実施形態によれば、風車の高い出力を元々期待できない低風速時にヨー巻戻しモードにてヨー旋回部を動作させることで、風車の高い出力を期待できるような高風速時にヨー巻戻しを行う必要性を低減できる。よって、風車出力に与える影響を低減しながら、ヨー角が過大になることを防止できる。

【図面の簡単な説明】

【0036】

【図1】一実施形態に係る風車の概略的な全体構成図である。

【図2】ヨー角を説明するための図である。

【図3】一実施形態における風速パラメータとヨー角の閾値との関係を示すグラフである。

【図4】他の実施形態における風速パラメータとヨー角の閾値との関係を示すグラフである。

【図5】ソフトウェアリミット及びハードウェアリミットを概念的に示す図である。

【図6】一実施形態に係る風車のヨー制御（ヨー巻戻しモード）を説明するための図である。

【図7】一実施形態に係る風車の運転制御方法（運転ステート）を説明するための図である。

【図8】一実施形態に係る風車の運転制御方法（待機ステート）を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0037】

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

【0038】

最初に、図１を例示しながら、幾つかの実施形態に係る風車１について説明する。なお、図１は、一実施形態に係る風車１の概略的な全体構成図である。
幾つかの実施形態において、風車１は、風車ロータ２と、風車ロータ２を回転可能に支持するナセル８と、ナセル８を旋回させるように構成されたヨー旋回部１０と、を備える。

【0039】

風車１には、ナセル８（風車ロータ２）のヨー角を検出するためのヨー角センサ１１が設けられている。例えば、ヨー角センサ１１は、ヨー旋回部１０のヨー駆動用モータの回転数及び回転方向に基づいて風車ロータ２のヨー角を検出するものであってもよい。
なお、ここで言うヨー角とは、ナセル８とタワー９間の初期のヨー旋回方向の角度（一般に初期はケーブルなどの捻じれがない状態）をゼロ（基準）とし、このゼロ角度から回転した累計のヨー旋回の回転角度を言う（図２参照）。これを計測するセンサをヨー角センサ１１と言う。
さらに、風車１には、風向を測定するための風向計１２、風速を測定するための風速計１３、メインシャフト５の回転数を測定するための回転数センサ１４、メインシャフト５のトルクを測定するためのトルクセンサ１５、または、風車１の出力を測定するための出力センサ１６のうち少なくとも何れかのセンサが設けられていてもよい。

【0040】

風車ロータ２は、少なくとも一枚のブレード３と、ブレード３が取り付けられるハブ４とを含む。風車ロータ２は、主軸受を介してナセル８に支持される。
ナセル８は、タワー９の上端においてヨー方向に旋回可能に支持され、ヨー旋回部１０によって所望の方向に向けられるようになっている。タワー９は、陸上に設置されてもよいし、洋上又は湖上等の水上に設置されてもよい。
なお、図示されるように風車１が風力発電装置である場合、風車ロータ２と共にメインシャフト５が回転し、これらの回転がドライブトレイン６を介して発電機７に入力される。これにより発電機７が駆動されるようになっている。ドライブトレイン６には、例えば風車ロータ２を発電機７に直結したダイレクトドライブ、油圧ポンプ及び油圧モータを備えた油圧トランスミッション、あるいはギヤ式増速機などが用いられる。

【0041】

ヨー旋回部１０は、ナセル８をヨー方向に旋回させるように構成される。すなわち、ヨー旋回部１０によって、ナセル８と共に風車ロータ２もヨー方向に向きが変化する。典型的な風車１では、通常運転時（負荷運転時）におけるヨー旋回部１０は、風向きに応じて風車ロータ２のヨー方向における向きが調整されるように、後述するヨー制御部２０によってヨー角の風向追従制御が行われるようになっている。

【0042】

また、上記風車１は、ヨー旋回部１０を制御するためのヨー制御部２０をさらに備える。
ヨー制御部２０は、ヨー角の絶対値が閾値を超えたとき、ヨー角がゼロに近づく方向にナセル８を旋回させるヨー巻戻しモードにてヨー旋回部を動作させるように構成される。
前記閾値は、風速の大きさを示す風速パラメータに応じて可変であり、風速パラメータの増加とともに大きくなる。

【0043】

ここで風速パラメータとは、風速の大きさを示す指標である。風速パラメータは、風速計１３で測定された風速そのものであってもよいし、風速に相関のある計測値であってもよい。風速パラメータとして用いることができる計測値としては、例えば、回転数センサ１４で計測された風車ロータ２（メインシャフト５）の回転数、トルクセンサ１５で計測された風車ロータ２（メインシャフト５）のトルク、または、出力センサ１６で計測された出力のうち、何れかであってもよい。あるいは、風速パラメータは、風速、風車１の出力、風車ロータ２の回転数又は風車ロータ２のトルクの少なくとも一つの規定期間における統計値（例えば平均値）であってもよい。
これによれば、風速、風車出力、風車ロータ２の回転数又はトルクのような風車出力と関連性のある指標を風速パラメータとして用いることで、風車１の高い出力が元々期待できない低風速時において優先的にヨー巻戻しを実施することが可能になる。これにより、風車出力に与える影響を低減しながら、ヨー角が過大になることを防止できる。

【0044】

図２に示すようにヨー角θとは、ヨー旋回方向において基準方向を０ｄｅｇとしたときの風車ロータ２の角度である。なお、基準方向０ｄｅｇに対して一方の回転方向（図では時計回り）を正とし、他方の回転方向（図では反時計回り）を負とする。
典型的な風車１では、通常、ケーブル旋回が小さくなるように、各風車サイトの主風向を基準方向０ｄｅｇ（ヨー角センサ１１＝０ｄｅｇ）として設定される。

【0045】

上記構成によれば、ヨー巻戻しモードへの遷移の可否を判断する基準であるヨー角の閾値を、風速パラメータの増加とともに大きくしたので、風速が小さくて風車１の高い出力を期待できない場合にヨー巻戻しモードへの遷移の頻度を増加させることができる。これにより、風車１の高い出力を元々期待できない場合にヨー巻戻しモードにてヨー旋回部１０を動作させることで、風車１の高い出力を期待できるような高風速時にヨー巻戻しを行う必要性を低減できる。よって、風車出力に与える影響を低減しながら、ヨー角が過大になることを防止できる。

【0046】

図３は、一実施形態における風速パラメータとヨー角の閾値との関係を示すグラフである。
一実施形態では、上述した閾値は、風速パラメータの複数の範囲に対応して段階的に設定されてもよい。図３に示す例では、風速パラメータは値が小さい方から順に第１範囲〜第３範囲まで範囲が設定されており、これらの範囲にはそれぞれ閾値が対応づけられている。第１範囲に付与された第１閾値（ＴＡ１）が一番小さく、第２範囲に付与された第２閾値（ＴＡ２）、第３範囲に付与された第３閾値（ＴＡ３）と値が大きくなるにつれて大きい閾値が与えられる。
上記構成によれば、ヨー巻戻しモードへの遷移の可否を判断する基準であるヨー角の閾値が、風速パラメータの複数の範囲に対応して、風速パラメータの増加とともに大きくなるように段階的に設定されているため、風車出力に与える影響を低減しながら、ヨー角が過大になることを防止できる。

【0047】

図４は、他の実施形態における風速パラメータとヨー角の閾値との関係を示すグラフである。
他の実施形態では、上述した閾値は、風速パラメータの増加とともに単調増加するように設定されてもよい。なお、図４に示す例において閾値は、風速パラメータの増加に対応して比例的に増加しているが、閾値と風速パラメータとの関係は一次関数に限定されない。すなわち、閾値が風速パラメータの増加とともに単調増加する関係のみを満たしていればよい。また、図４に示す閾値と風速パラメータとの関係において、閾値が一定の領域を含んでいてもよい。
上記構成によれば、ヨー巻戻しモードへの遷移の可否を判断する基準であるヨー角の閾値が、風速パラメータの増加とともに単調増加するように設定されているため、風車出力に与える影響を低減しながら、ヨー角が過大になることを防止できる。

【0048】

図５は、ソフトウェアリミット及びハードウェアリミットを概念的に示す図である。
同図に示す例では、ソフトウェアリミットには、待機ステート用の第１ソフトウェアリミットと、運転ステート用の第２ソフトウェアリミットがある。
幾つかの実施形態では、前記閾値の最大値は、ハードウェアリミットよりも小さい。なお、ハードウェアリミットは、ハードウェアによる物理的な結線で命令（例えば非常停止）を実行するためのリミット値であり、ソフトウェアリミットとは独立して設定されている。例えば、ヨー角センサ１１で検出されたヨー角がハードウェアリミットに達した場合、ヨー制御部２０に異常が発生している可能性がある。そのため、ヨー旋回（ヨー巻戻しを含む）を行わず、風車１を非常停止する。

【0049】

上記構成によれば、ヨー巻戻しモードへの遷移の可否を判断する基準であるヨー角の閾値の最大値をハードウェアリミットよりも小さく設定したので、風速パラメータによらず、ヨー巻戻しモードでのソフトウェア制御がハードウェアによる保護動作よりも優先的に機能することになる。これにより、ソフトウェア制御とハードウェアによる保護動作との冗長性を維持して、ヨー角が過大になることを確実に防止できる。
なお、図５に示すように、ソフトウェアリミットは複数段階設定されていてもよい。あるいは、ソフトウェアリミットは、風車１のステートに応じて選択されるように、複数設定されていてもよい。例えば、第１ソフトウェアリミット（例えば閾値ＴＢ１、ＴＢ２、ＴＢ３）は、風車１が待機ステートである場合に適用され、第２ソフトウェアリミット（例えば閾値ＴＡ１、ＴＡ２、ＴＡ３）は、風車１が運転ステートである場合に適用される。

【0050】

一実施形態において、ヨー制御部２０は、風速パラメータが閾値（以下、下限閾値と称する）以下のときに、ヨー巻戻しモードにてヨー旋回部１０を制御する場合、風向に追従させることなくヨー角を規定角度範囲内まで変化させるように構成される。
これによれば、風向が安定しない程度に風速が小さい場合に、風向に追従させることなく、規定角度範囲内にヨー角が収まるまでヨー巻戻しを行うことにより、ヨー巻戻しを行う間に風向が不安定になっても、ヨー巻戻しモードによるヨー旋回を安定して行うことができる。

【0051】

他の実施形態では、ヨー制御部２０は、風速パラメータが下限閾値よりも大きい場合、ヨー巻戻しモードにてヨー旋回部１０を制御する際に、ヨー巻戻しの間に適切な風向となったら、風車１を風向に追従させる。例えば、図６に示すように、風車１がソフトウェアリミットの４５０°までヨー旋回した後、さらに風向が４５０°以上の方向まで変化した場合、通常運転でヨー旋回するとソフトウェアリミットである４５０°を超えるので、負側へのヨー巻戻しモードに切り替わる。ヨー巻戻しモードではヨー角ゼロまで戻さず、風向に応じた角度で停止し、その位置から再度運転を開始する。

【0052】

また、風車１の運転中における閾値は、風車１の待機ステートにおける閾値よりも大きく設定されてもよい。
上記構成によれば、ヨー巻戻しモードへの遷移の可否を判断する基準であるヨー角の閾値を風車１の状態に応じて異ならせることで、ヨー巻戻しによる風車出力に与える影響の低減と、過大なヨー角の発生防止と、を両立することができる。
すなわち、図５で示したように既に風車１が運転中の状態には、第２ソフトウェアリミットを適用してヨー角の閾値を比較的大きく設定することで、ヨー巻戻しの頻度を低下させて、風車出力を確保することができる。一方、風速が低下して風車が待機ステートにあるとき、風車の高い出力を期待できない、または、風車出力をどれほど見込めるか不明であるから、第１ソフトウェアリミットを適用し、ヨー角の閾値を比較的小さく設定することでヨー巻戻しの頻度を増加させて、将来の風車運転再開後におけるヨー巻戻しの必要性を低減することができる。なお、上記構成において第１ソフトウェアリミットおよび第２ソフトウェアリミットは風速パラメータによって可変であるが、第１ソフトウェアリミットと第２ソフトウェアリミットとの相対的な関係は変わらない。すなわち、風速パラメータが変化しても第１ソフトウェアリミットは第２ソフトウェアリミットよりも小さい。さらに、第２ソフトウェアリミットは、ハードウェアリミットよりも小さい。

【0053】

次に、図７及び図８を参照しながら、幾つかの実施形態に係る風車１の運転制御方法について説明する。なお、以下の説明では、図１で示した符号を適宜用いている。

【0054】

幾つかの実施形態に係る風車１の運転制御方法は、風速の大きさを示す風速パラメータに応じて可変である閾値をヨー角の絶対値が超えたとき、ヨー角がゼロに近づく方向にナセルを旋回させるヨー巻戻しモードにてヨー旋回部を動作させるステップを備える。
また、前記閾値は、風速パラメータの増加とともに大きくなる。

【0055】

上記方法によれば、ヨー巻戻しモードへの遷移の可否を判断する基準であるヨー角の閾値を、風速パラメータの増加とともに大きくしたので、風速が小さくて風車の高い出力を期待できない場合にヨー巻戻しモードへの遷移の頻度を増加させることができる。これにより、風車１の高い出力を元々期待できない場合にヨー巻戻しモードにてヨー旋回部を動作させることで、風車１の高い出力を期待できるような高風速時にヨー巻戻しを行う必要性を低減できる。よって、風車出力に与える影響を低減しながら、ヨー角が過大になることを防止できる。

【0056】

上記方法において、前記閾値は、風速パラメータの複数の範囲に対応して段階的に設定されていてもよいし、前記閾値は、風速パラメータの増加とともに単調増加するように設定されていてもよい。
この方法によれば、ヨー巻戻しモードへの遷移の可否を判断する基準であるヨー角の閾値が、風速パラメータの複数の範囲に対応して、風速パラメータの増加とともに大きくなるように段階的に設定されているため、風車出力に与える影響を低減しながら、ヨー角が過大になることを防止できる。

【0057】

前記閾値の最大値は、前記ナセルの旋回限界であるハードウェアリミットよりも小さい。
この方法によれば、ヨー巻戻しモードへの遷移の可否を判断する基準であるヨー角の閾値の最大値をハードウェアリミットよりも小さく設定したので、風速パラメータによらず、ヨー巻戻しモードでのソフトウェア制御がハードウェアによる保護動作よりも優先的に機能することになる。これにより、ソフトウェア制御とハードウェアによる保護動作との冗長性を維持して、ヨー角が過大になることを確実に防止できる。

【0058】

また、風速パラメータが閾値以下のときに、ヨー巻戻しモードにてヨー旋回部を制御する場合、風向に追従させることなくヨー角を規定角度範囲内まで変化させてもよい。
これにより、風向が安定しない程度に風速が小さい場合に、風向に追従させることなく、規定角度範囲内にヨー角が収まるまでヨー巻戻しを行うことにより、ヨー巻戻しを行う間に風向が不安定になっても、ヨー巻戻しモードによるヨー旋回を安定して行うことができる。

【0059】

風車１の運転中における閾値は、風車１の待機ステートにおける閾値よりも大きく設定される。
この方法によれば、ヨー巻戻しモードへの遷移の可否を判断する基準であるヨー角の閾値を風車の状態に応じて異ならせることで、ヨー巻戻しによる風車出力に与える影響の低減と、過大なヨー角の発生防止と、を両立することができる。
すなわち、図５で示したように既に風車１が運転中の状態には、第２ソフトウェアリミットを適用してヨー角の閾値を比較的大きく設定することで、ヨー巻戻しの頻度を低下させて、風車出力を確保することができる。一方、風速が低下して風車が待機ステートにあるとき、風車の高い出力を期待できない、または、風車出力をどれほど見込めるか不明であるから、第１ソフトウェアリミットを適用し、ヨー角の閾値を比較的小さく設定することでヨー巻戻しの頻度を増加させて、将来の風車運転再開後におけるヨー巻戻しの必要性を低減することができる。

【0060】

図７及び図８に示す風車１の運転制御方法について具体的に説明する。
図７は、一実施形態に係る風車１の運転制御方法を説明するための図であり、運転ステートの場合を例示している。
同図において、ヨー制御部２０には風速パラメータが与えられ、ヨー制御部２０において風速パラメータが第１範囲か否かを判断する（Ｓ１）。風速パラメータが第１範囲内である場合、風速パラメータの第１範囲に対応した閾値ＴＡ１と、ヨー角センサ１１から取得されたヨー角の絶対値とを比較する（Ｓ２）。ヨー角の絶対値が閾値ＴＡ１より大きい場合には、風車１を停止する（Ｓ７）。

【0061】

また、風速パラメータが第２範囲内である場合（Ｓ３）には、風速パラメータの第２範囲に対応した閾値ＴＡ２と、ヨー角センサ１１から取得されたヨー角の絶対値とを比較する（Ｓ４）。ヨー角の絶対値が閾値ＴＡ２より大きい場合には、風車１を停止する（Ｓ７）。
さらに、風速パラメータが第１範囲内でも第２範囲内でもないとき、すなわち第３範囲内である場合（Ｓ５）には、風速パラメータの第３範囲に対応した閾値ＴＡ３と、ヨー角センサ１１から取得されたヨー角の絶対値とを比較する（Ｓ６）。ヨー角の絶対値が閾値ＴＡ３より大きい場合には、風車１を停止する（Ｓ７）。

【0062】

風車１を停止した後、ヨー巻戻しを行う（Ｓ８）。ヨー巻戻しがゼロまで到達しなくても、適切な風向となったら風向追従を開始し（Ｓ９）、風車１を起動させる（Ｓ１０）。

【0063】

図８は、一実施形態に係る風車１の運転制御方法を説明するための図であり、待機ステートの場合を例示している。
同図において、ヨー制御部２０には風速パラメータが与えられ、ヨー制御部２０において風速パラメータが第１範囲か否かを判断する（Ｓ１１）。風速パラメータが第１範囲内である場合、風速パラメータの第１範囲に対応した閾値ＴＢ１と、ヨー角センサ１１から取得されたヨー角の絶対値とを比較し（Ｓ１２）、ヨー角の絶対値が閾値ＴＢ１より大きい場合には、風車１を停止する（Ｓ１７）。

【0064】

また、風速パラメータが第２範囲内である場合（Ｓ１３）には、風速パラメータの第２範囲に対応した閾値ＴＢ２と、ヨー角の絶対値とを比較し（Ｓ１４）、ヨー角の絶対値が閾値ＴＡ２より大きい場合には、風車１を停止する（Ｓ１７）。
さらに、風速パラメータが第３範囲内である場合（Ｓ１５）には、風速パラメータの第３範囲に対応した閾値ＴＢ３と、ヨー角の絶対値とを比較し（Ｓ１６）、ヨー角の絶対値が閾値ＴＢ３より大きい場合には、風車１を停止する（Ｓ１７）。

【0065】

風車１を停止した後、風速パラメータが下限閾値よりも小さいか否かを判定する（Ｓ１８）。風速パラメータが下限閾値よりも小さい場合、ヨー角がゼロに戻るまでヨー巻戻しを行う（Ｓ１９）。一方、風速パラメータが下限閾値以上である場合、ヨー角の絶対値が１８０ｄｅｇ以下となり、且つ、風向追従するまで、ヨー巻戻しを行う（Ｓ２０）。すなわち、風速パラメータが下限閾値以上である場合には、ヨー角の絶対値が１８０ｄｅｇ以下になるとともに風向追従したら、ヨー巻戻しを終了する。

【0066】

上述したように、本発明の少なくとも幾つかの実施形態によれば、風車１の高い出力を元々期待できない場合にヨー巻戻しモードにてヨー旋回部１０を動作させることで、風車の高い出力を期待できるような高風速時にヨー巻戻しを行う必要性を低減できる。よって、風車出力に与える影響を低減しながら、ヨー角が過大になることを防止できる。

【0067】

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

【0068】

例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
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。
例えば、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。
一方、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。

【符号の説明】

【0069】

１ 風車
２ 風車ロータ
３ ブレード
４ ハブ
５ メインシャフト
６ ドライブトレイン
７ 発電機
８ ナセル
９ タワー
１０ ヨー旋回部
１１ ヨー角センサ
１２ 風向計
１３ 風速計
１４ 回転数センサ
１５ トルクセンサ
１６ 出力センサ
２０ ヨー制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】