特開 2024-119553 乱流風況判定装置、乱流風況判定方法および乱流風況判定プログラム

(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】P2024119553

(43)【公開日】2024-09-03

(54)【発明の名称】乱流風況判定装置、乱流風況判定方法および乱流風況判定プログラム

(51)【国際特許分類】

   F03D 17/00 20160101AFI20240827BHJP

   F03D 7/04 20060101ALI20240827BHJP

【ＦＩ】

F03D17/00

F03D7/04 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023026543

(22)【出願日】2023-02-22

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100120031

【弁理士】

【氏名又は名称】宮嶋 学

(74)【代理人】

【識別番号】100107582

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 毅

(74)【代理人】

【識別番号】100150717

【弁理士】

【氏名又は名称】山下 和也

(72)【発明者】

【氏名】山田 敏雅

(72)【発明者】

【氏名】小林 孝士

(72)【発明者】

【氏名】野沢 亨介

(72)【発明者】

【氏名】薬師 宏治

(72)【発明者】

【氏名】池田 史晃

【テーマコード（参考）】

3H178

【Ｆターム（参考）】

3H178AA03

3H178AA40

3H178AA43

3H178AA51

3H178BB05

3H178BB41

3H178BB59

3H178BB65

3H178DD52Z

3H178DD55X

3H178EE02

3H178EE17

3H178EE23

3H178EE40

(57)【要約】

【課題】乱流風況を適切に容易に判定することができる乱流風況判定装置を提供する。
【解決手段】実施の形態による乱流風況判定装置は、所定の判定時間が経過する間に複数回取得された風速値に基づいて風速変動率を算出し、風速変動率が変動率閾値以上である回数を示すカウント数を算出するカウント部と、判定時間が経過した後、カウント数が第１カウント閾値以上であるか否かを判定する乱流判定部と、を備えている。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

所定の判定時間が経過する間に複数回取得された風速値に基づいて風速変動率を算出し、前記風速変動率が変動率閾値以上である回数を示すカウント数を算出するカウント部と、
前記判定時間が経過した後、前記カウント数が第１カウント閾値以上であるか否かを判定する乱流判定部と、
を備えた、乱流風況判定装置。

【請求項2】

前記乱流判定部により前記カウント数が前記第１カウント閾値以上であると判定された場合、風力発電設備に出力抑制指令を発する出力抑制指令部を更に備えた、
請求項１に記載の乱流風況判定装置。

【請求項3】

出力抑制指令部は、
出力抑制指令値を決定する指令値決定部と、
前記指令値決定部により決定された前記出力抑制指令値を、前記風力発電設備の風力発電制御装置に発信する指令値発信部と、を含む、
請求項２に記載の乱流風況判定装置。

【請求項4】

前記指令値決定部は、風速に基づく値を変数として設定された複数の出力抑制プリセット値のうちのいずれかの出力抑制プリセット値を前記出力抑制指令値と決定し、
前記変動率閾値は、前記出力抑制プリセット値毎に設定され、
前記カウント部は、前記風速変動率が、対応する前記変動率閾値以上である回数を示す前記カウント数を前記変動率閾値毎に算出し、
前記乱流判定部は、各々の前記カウント数が前記第１カウント閾値以上であるか否かを判定する、
請求項３に記載の乱流風況判定装置。

【請求項5】

前記指令値決定部は、前記第１カウント閾値以上である前記カウント数に対応する前記出力抑制プリセット値のうち前記風力発電設備の発電出力を最も低下させることができる前記出力抑制プリセット値を前記出力抑制指令値と決定する、
請求項４に記載の乱流風況判定装置。

【請求項6】

前記出力抑制指令部が前記風力発電設備に前記出力抑制指令を発した後、前記出力抑制指令を解除する解除指令部を更に備え、
前記解除指令部は、前記カウント部に処理を実行させて得られた前記カウント数が、前記第１カウント閾値以下である第２カウント閾値よりも小さいと判定された場合、前記出力抑制指令を解除する、
請求項２または３に記載の乱流風況判定装置。

【請求項7】

所定の判定時間が経過する間に複数回取得された風速値に基づいて風速変動率を算出し、前記風速変動率が変動率閾値以上である回数を示すカウント数を算出するステップと、
前記判定時間が経過した後、前記カウント数が第１カウント閾値以上であるか否かを判定するステップと、
を備えた、乱流風況判定方法。

【請求項8】

乱流風況判定方法をコンピュータに実行させる乱流風況判定プログラムであって、
前記乱流風況判定方法は、
所定の判定時間が経過する間に複数回取得された風速値に基づいて風速変動率を算出し、前記風速変動率が変動率閾値以上である回数を示すカウント数を算出するステップと、
前記判定時間が経過した後、前記カウント数が第１カウント閾値以上であるか否かを判定するステップと、
を備えた、乱流風況判定プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施の形態は、乱流風況判定装置、乱流風況判定方法および乱流風況判定プログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

将来の主要電源と言われている風力発電設備は、山岳地帯の高原や尾根などに設置される場合がある。この場合、事業計画に見合った発電電力量を見込める風況が期待できる地点が選択される。山岳地帯では、発電電力量を見込める風速を得やすく、とりわけ、風速が増大し得る気圧配置が続くような地点は、風力発電設備の設置に好適である。一方、周囲の地形によっては、台風などの接近がなくても風が乱れて乱流風況を形成する場合がある。

【0003】

このような乱流風況下では、風車ブレードに不均一な風荷重が頻繁に与えられる。このため、風車の過速度保護トリップまたはナセル振動保護トリップなどの一般的な保護機構が動作し、運転と停止が繰り返される。停止後には再起動されるが、再起動過程では、運転が不安定になりやすい。そして、不安定な運転を乱流風況下で繰り返すことになる。このため、風力発電設備の機器に損傷を与える恐れがある。例えば、ナセルに内蔵された変速機の寿命、または風車の回転を発電機に伝達するロータを支持する主軸受の寿命などが短くなり得る。

【0004】

このことに対処するためには、乱流風況下で風力発電設備の発電出力を抑制することが考えられる。このため、乱流風況を適切に判定することが望まれている。このことは、風力発電設備に限られることではなく、安全性を確保するという観点で、鉄道または道路などの交通機関においてもニーズがある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第３９６２６４５号公報

【特許文献2】特許第６４２１１３４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

実施の形態は、このような点を考慮してなされたものであり、乱流風況を適切に容易に判定することができる乱流風況判定装置、乱流風況判定方法および乱流風況判定プログラム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】

【0007】

実施の形態による乱流風況判定装置は、所定の判定時間が経過する間に複数回取得された風速値に基づいて風速変動率を算出し、風速変動率が変動率閾値以上である回数を示すカウント数を算出するカウント部と、判定時間が経過した後、カウント数が第１カウント閾値以上であるか否かを判定する乱流判定部と、を備えている。

【0008】

実施の形態による乱流風況判定方法は、所定の判定時間が経過する間に複数回取得された風速値に基づいて風速変動率を算出し、風速変動率が変動率閾値以上である回数を示すカウント数を算出するステップと、判定時間が経過した後、カウント数が第１カウント閾値以上であるか否かを判定するステップと、を備えている。

【0009】

実施の形態による乱流風況判定プログラムは、乱流風況判定方法をコンピュータに実行させるプログラムである。乱流風況判定方法は、所定の判定時間が経過する間に複数回取得された風速値に基づいて風速変動率を算出し、風速変動率が変動率閾値以上である回数を示すカウント数を算出するステップと、判定時間が経過した後、カウント数が第１カウント閾値以上であるか否かを判定するステップと、を備えている。

【発明の効果】

【0010】

実施の形態によれば、乱流風況を適切に容易に判定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、本実施の形態による風力発電設備を示す模式図である。

【図2】図２は、図１に示す風力発電設備を制御するウィンドファーム制御システムを示す図である。

【図3】図３は、本実施の形態による風力発電設備の乱流風況判定装置を示すブロック図である。

【図4】図４は、風速変動を示すイメージ図である。

【図5】図５は、風速推定値および風速変動率に応じて設定された第１変動率閾値のマトリクスを示す図である。

【図6】図６は、風速推定値および風速変動率に応じて算出されるカウント数のマトリクスを示す図である。

【図7】図７は、風速推定値および風速変動率に応じて設定された出力抑制プリセット値のマトリクスを示す図である。

【図8】図８は、風速推定値を説明するための図である。

【図9】図９は、風速推定値および風速変動率に応じて設定された第２変動率閾値のマトリクスを示す図である。

【図10】図１０は、本実施の形態による風力発電設備の乱流風況判定方法を示すフローチャートである。

【図11】図１１は、図１０のステップＳ１０をより詳細に示すフローチャートである。

【図12】図１２は、図１０のステップＳ３０をより詳細に示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、図面を参照して、本実施の形態による乱流風況判定装置、乱流風況判定方法および乱流風況判定プログラムについて説明する。

【0013】

本実施の形態においては、乱が流風況判定装置、乱流風況判定方法および乱流風況判定プログラムが風力発電設備に適用される例について図１～図９を用いて説明する。ここではまず、風力発電設備について図１を用いて説明する。風力発電設備は、山岳地帯などの地上に設置されていてもよいが、このことに限られることはなく、洋上に設置されていてもよい。なお、乱流という用語は、流体力学などで用いられる乱流という用語ではなく、単に風が比較的乱れていることを意味する用語として用いている。

【0014】

図１に示すように、風力発電設備１は、鉛直方向に細長に延びるタワー２と、タワー２に支持されたナセル３と、ナセル３に回転可能に設けられた風車４と、を含んでいる。ナセル３内に、風車４の回転によって発電を行う発電機５が内蔵されている。ナセル３は、タワー２の長手軸に対して垂直な面内で回転可能に構成されている。

【0015】

風車４は、ロータ６に連結されたハブ４ａと、ハブ４ａに連結された３つのブレード４ｂと、を含んでいる。ハブ４ａと各ブレード４ｂは、ロータ６とともに一体に回転するように構成されている。なお、ブレード４ｂの個数は３つに限られることはなく、任意である。

【0016】

ロータ６は、変速機７を介して上述した発電機５に連結されていてもよい。この場合、変速機７は、ロータ６の回転速度を増速して発電機５に回転を伝達する。発電機５は、変速機７から伝達された回転エネルギを用いて発電を行う。ロータ６は、軸受８を介してナセル３回転可能に支持されている。ロータ６の回転は、変速機７を介さずに、発電機５に直接的に伝達されてもよい。

【0017】

図１に示すように、ナセル３の上部に、風況検出器９が設けられている。風況検出器９は、風速風向計とも称される。風況検出器９は、風速値と風向を含む風況を計測する。風況検出器９が検出する風向は、風況検出器９が位置する水平面において風速値が最大となる方向を示す。その方向に沿う風速値と風向が風況検出器９により検出される。検出された風速値および風向を含む風況は、後述する風力発電制御装置１０に検出信号として送信される。

【0018】

ナセル３内に、風力発電制御装置１０（図２参照）が内蔵されていてもよい。あるいは、風力発電制御装置１０は、ナセル３の外部に設置されていてもよい。風力発電制御装置１０は、風力発電設備１の運転を制御する。風力発電制御装置１０は、後述する風力発電設備１の乱流風況判定装置３０とは別体の装置として構成されていてもよい。

【0019】

このように構成された風力発電設備１は、ウィンドファームに設置されている。図２に示すように、ウィンドファームには、複数の上述した風力発電設備１が設置されている。１つの風力発電設備１が、１つの風力発電制御装置１０で制御される。各風力発電設備１の風力発電制御装置１０は、ウィンドファーム内のネットワーク２１を介して、ウィンドファーム制御装置２０に接続されている。ウィンドファーム制御装置２０は、ウィンドファーム内の各風力発電制御装置１０の上位制御装置であり、各風力発電制御装置１０を制御するように構成されている。

【0020】

ウィンドファーム制御装置２０には、エンジニアリング端末装置２２が接続されていてもよい。エンジニアリング端末装置２２は、後述する閾値等の各種パラメータ等を調整可能になっている。パラメータは、オペレータが、エンジニアリング端末装置２２を利用して調整可能になっていてもよい。パラメータの調整は、統計的演算を利用して自動的に行われてもよい。この場合、図２に示すように、ウィンドファーム制御装置２０に統計演算装置２３が接続されて、統計演算装置２３が、パラメータの自動調整を行ってもよい。エンジニアリング端末装置２２は、制御に必要な情報を入力可能になっていてもよい。エンジニアリング端末装置２２は、後述する乱流風況判定装置３０の判定結果および出力抑制指令値等が表示可能になっていてもよい。

【0021】

次に、本実施の形態による風力発電設備の乱流風況判定装置３０について図３を用いて説明する。

【0022】

乱流風況判定装置３０は、風力発電設備１の周囲に乱流風況が発生しているか否かを判定する装置である。乱流風況判定装置３０は、上述したウィンドファーム制御装置２０とは別体に構成されていてもよく、またはウィンドファーム制御装置２０に組み込まれていてもよい。この場合、乱流風況判定装置３０は、各々の風力発電設備１の周囲に乱流風況が発生しているか否かを判定し、乱流風況が発生したと判定された風力発電設備１に対して個別に、出力抑制指令を発するようにしてもよい。あるいは、乱流風況判定装置３０は、上述した風力発電制御装置１０とは別体に構成されていてもよく、または風力発電制御装置１０に組み込まれていてもよい。この場合、乱流風況判定装置３０は、対応する風力発電設備１の周囲に風況が発生した場合に当該風力発電設備１に、出力抑制指令を発するようにしてもよい。

【0023】

図３に示すように、乱流風況判定装置３０は、通信部３１と、記憶部３２と、演算部３３と、を含んでいる。

【0024】

通信部３１は、上述した風力発電制御装置１０とネットワーク２１を介して通信可能に構成されている。通信部３１は、無線で風力発電制御装置１０と通信可能であってもよく、有線で風力発電制御装置１０と通信可能であってもよい。

【0025】

記憶部３２は、任意の情報を記憶するように構成されていてもよい。記憶部３２には、風況検出器９により検出された風速値が、風力発電制御装置１０および通信部３１を介して、検出信号として送信される。送信された風速値は、検出時間と関連付けられて記憶部３２に記憶されて、風速値データが構築される。記憶部３２には、風力発電制御装置１０を介することなく、風況検出器９から風速値が送信されるようにしてもよい。記憶部３２には、後述する乱流風況判定プログラムが記憶されていてもよい。記憶部３２には、風況検出器９により検出された風向が記憶されてもよい。

【0026】

図３に示すように、演算部３３は、乱流風況が発生しているか否かを判定するための演算処理を実行するように構成されている。演算部３３は、カウント部４０と、乱流判定部５０と、出力抑制指令部６０と、解除指令部７０と、を含んでいてもよい。各部の機能は、例えば、上述した記憶部３２に格納されたコンピュータプログラムを実行することで実現されてもよい。このプログラムは乱流風況判定プログラムの一例であり、記録媒体から乱流風況判定装置３０にインストールされていてもよい。

【0027】

カウント部４０は、所定の乱流判定時間が経過する間に複数回取得された風速値に基づいて風速変動率を算出するとともに、算出された風速変動率が第１変動率閾値以上である回数を算出する。風速変動率が第１変動率閾値以上である回数をカウント数と称して以下説明する。

【0028】

ここで、図４を用いて風速変動について説明する。風速変動は、複数の周期の変動が重なった変動と考えることができる。基本的には、空気の粘性および慣性力等の影響により、大きな変動の周期は長くなる。一方、短い周期の変動は振幅が小さくなり、風車４のブレード４ｂに与える影響も大きくならないと考えられる。しかしながら、乱流風況が発生している場合には、この短い周期の変動の振幅が大きくなり得る。一般的な判定方法として、平均風速を算出して乱流の発生の有無を判定するという方法が知られている。しかしながら、この方法を用いる場合、算出された平均風速の妥当性に問題があり、乱流の発生の有無を適切に判定することが困難になり得る。

【0029】

そこで本実施の形態においては、乱流判定時間が経過する間に風速変動が比較的激しくなった回数を算出して、算出されたカウント数を利用して乱流の発生の有無を判定する。乱流判定時間は、特に限られることはなく任意に設定されてもよいが、実際の風況に応じて乱流判定精度を向上できるように任意に調整されてもよい。風速変動は、乱流判定時間中の任意の時間間隔における風速変動であってもよい。この時間間隔は、特に限られることはなく任意に設定されてもよいが、乱流風況判定装置３０の演算部３３の演算周期および通信周期より長くなるように設定されてもよい。また、時間間隔は、実際の風況に応じて乱流判定精度を向上できるように任意に調整されてもよい。時間間隔は、乱流判定時間を複数に区切った時間枠が連続するように設定されていてもよい。この場合、乱流判定時間は、時間間隔の整数倍となり、連続する時間枠は互いにオーバーラップしない。しかしながら、このことに限られることはなく、時間間隔は、オーバーラップするように設定された時間枠であってもよい。

【0030】

図３を用いて、カウント部４０についてより具体的に説明する。カウント部４０は、初期化部４１と、風速取得部４２と、変動率算出部４３と、変動率判定部４４と、加算部４５と、経過時間判定部４６と、を含んでいてもよい。

【0031】

初期化部４１は、カウント数を初期化する。より具体的には、カウント数Ｆ（ｖ）にゼロ（０）が代入される。

【0032】

風速取得部４２は、風速値を取得する。風速値は、上述した記憶部３２に記憶された風速値データから取得されてもよい。あるいは、風速取得部４２は、風力発電制御装置１０および通信部３１を介して風況検出器９から、現在の風速値を取得してもよい。風速取得部４２は、乱流判定時間が経過する間に、上述した時間間隔で風速値を取得してもよい。

【0033】

変動率算出部４３は、風速取得部４２により取得された風速値に基づいて風速変動率を算出する。より具体的には、変動率算出部４３は、乱流判定時間が経過する間に、上述した時間間隔で風速変動率を算出してもよい。

【0034】

上述した時間間隔の開始時刻ｔ_ａにおける風速値をｖ_ａ、終了時刻ｔ_ｂにおける風速値をｖ_ｂとすると、風速変動率Δｖ／ｖは、以下のように表される。

【数1】

【0035】

変動率判定部４４は、変動率算出部４３により算出された風速変動率が、第１変動率閾値以上であるか否かを判定する。第１変動率閾値は、乱流判定精度を向上できるように任意に調整されてもよい。

【0036】

加算部４５は、変動率判定部４４により風速変動率が第１変動率閾値以上であると判定された場合、風速変動率が第１変動率閾値以上である回数を示すカウント数に１を加算する。

【0037】

より具体的には、風速変動率が第１変動率閾値Ｄ_Ｓ１以上である場合、以下に示すように、カウント数Ｆ（ｖ）に１が加算される。

【数2】

【0038】

一方、算出された風速変動率が、第１変動率閾値Ｄ_Ｓ１よりも小さい場合、以下に示すようにカウント数Ｆ（ｖ）には１が加算されずに、現状の値が維持される。

【数3】

【0039】

経過時間判定部４６は、カウント部４０により処理が開始されてから乱流判定時間が経過したか否かを判定する。乱流判定時間が経過していないと判定された場合、風速取得部４２、変動率算出部４３、変動率判定部４４および加算部４５による処理が再度実行される。そして、乱流判定時間が経過するまで、風速取得部４２、変動率算出部４３、変動率判定部４４および加算部４５による処理が繰り返される。乱流判定時間が経過したと判定された場合、カウント部４０による処理が終了する。

【0040】

乱流判定部５０は、乱流判定時間が経過した後、風速変動率が第１変動率閾値以上である回数を示すカウント数が、第１カウント閾値以上であるか否かを判定する。カウント数が第１カウント閾値以上である場合、乱流風況が発生していると判定される。

【0041】

より具体的には、乱流判定時間が経過した時点での最終的なカウント数Ｆ（ｖ）が、第１カウント閾値Ｃ_１以上であるか否かが判定される。Ｆ（ｖ）は、乱流判定時間が経過するまでの間に、風速変動率が第１変動率閾値以上である回数の積算値になっている。

【数4】

【0042】

ここで、カウント部４０および乱流判定部５０の処理についてより詳細に説明する。

【0043】

カウント部４０は、後述する図７に示す出力抑制プリセット値毎に、カウント数Ｆ（ｖ）を算出してもよい。すなわち、出力抑制プリセット値は、後述する風速推定値および風速変動率を変数としてｍ×ｎ個設定されており、出力抑制プリセット値毎に、図５に示すように、ｍ×ｎ個の第1変動率閾値Ｄ_Ｓ１が設定さている。カウント部４０は、風速変動率が、対応する第1変動率閾値以上である回数を示すカウント数を第１変動率閾値毎に算出する。各第1変動率閾値Ｄ_Ｓ１に対応させて、図６に示すように、ｍ×ｎ個のカウント数Ｆ（ｖ）が算出されてもよい。この場合、上述した式（２）および式（３）において、カウント数Ｆ（ｖ）は、式（１）により算出された風速変動率を用いて、第1変動率閾値Ｄ_Ｓ１毎に算出される。第１変動率閾値に対応するカウント数は、風速推定値および風速変動率が等しくなっている。第１変動率閾値に対応する出力抑制プリセット値も同様であり、カウント数に対応する出力抑制プリセット値も同様である。

【0044】

より具体的には、変動率判定部４４による風速変動率が第1変動率閾値以上であるか否かの判定は、第1変動率閾値Ｄ_Ｓ１毎に行われる。その判定結果に基づいて、加算部４５により、上述した式（２）に示すように、カウント数Ｆ（ｖ）に１が加算されたり、上述した式（３）に示すように、カウント数Ｆ（ｖ）に１が加算されなかったりする。経過時間判定部４６により乱流判定時間が経過するまで、上述した処理が繰り返される。

【0045】

乱流判定時間経過後、乱流判定部５０は、各々のカウント数Ｆ（ｖ）が、第１カウント閾値以上であるか否かを判定する。各カウント数の判定に用いる第１カウント閾値は、一定の値であってもよい。図６に示す全てのカウント数が第1カウント閾値以上であると判定される可能性があるが、図６に示す全てのカウント数が第1カウント閾値よりも小さいと判定される可能性がある。あるいは、図６に示す全てのカウント数のうちの一部のカウント数が、第1カウント閾値以上であり、残りのカウント数が、第1カウント閾値よりも小さいと判定される可能性もある。

【0046】

出力抑制指令部６０は、乱流判定部５０によりカウント数が第１カウント閾値以上であると判定された場合、風力発電設備１の出力抑制指令を発する。出力抑制指令部６０は、上述した各カウント数Ｆ（ｖ）のうちの少なくとも１つのカウント数が第１カウント閾値以上であると判定された場合に出力抑制指令を発してもよい。出力抑制指令部６０は、指令値決定部６１と、指令値発信部６２と、を含んでいてもよい。

【0047】

指令値決定部６１は、風力発電設備１の風力発電制御装置１０に発信するための出力抑制指令値を決定する。指令値決定部６１は、風速に基づく値を変数として設定された複数の出力抑制プリセット値のうちのいずれかの出力抑制プリセット値を出力抑制指令値として決定してもよい。風速に基づく値は、後述する風速推定値および風速変動率の少なくとも１つを含んでいてもよい。本実施の形態においては、出力抑制プリセット値は、風速推定値および風速変動率の両方を変数として設定されている。出力抑制指令値は、通常運転時の発電出力値を低下させる割合を示す数値であってもよい。

【0048】

図７には、出力抑制指令値の候補となる複数の出力抑制プリセット値を成分とするマトリクスが示されている。横軸は風速推定値を示し、縦軸は風速変動率を示している。風速推定値および風速変動率を変数として複数の出力抑制プリセット値が設定されている。指令値決定部６１は、複数の出力抑制プリセット値のうちのいずれかの出力抑制プリセット値を出力抑制指令値と決定する。このことは、出力抑制プリセット値をＰ_ＳＥＴとすると、出力抑制指令値Ｐ_ＤＭＤは、以下の式（５）のように表される。

【数5】

ここで、

【数6】

は、風速推定値を示す。

【0049】

図７に示す出力抑制プリセット値は、風速推定値が大きくなるにしたがって大きい値となるように設定されていてもよい。風速推定値が比較的大きい出力抑制プリセット値を出力抑制指令値と決定した場合、風力発電設備１の発電出力を、比較的大きく、低減することができる。出力抑制プリセット値は、風速変動率が大きくなるにしたがって大きい値となるように設定されていてもよい。風速変動率が比較的大きい出力抑制プリセット値を出力抑制指令値と決定した場合、風力発電設備１の発電出力を、比較的大きく、低減することができる。

【0050】

風速推定値について説明する。風速推定値は、統計モデルにより算出されてもよい。統計モデルは、リアルタイム制御に適用するためのモデルであってもよく、例えば、自己回帰モデルであってもよい。

【0051】

風速推定値の代わりに、風速の移動平均値を用いることも考えられる。しかしながら、図８に示すように、風速値が長い周期で上昇するような風況では、移動平均値を規定する時間間隔の初期の風速値は小さい。例えば、図８に示すΔｔの時間間隔では、時刻ｔ_ｃにおける風速値は、時刻ｔ_ｄにおける風速値よりも小さくなる。このため、移動平均値は小さくなり、その後も、図８に破線で示す移動平均値カーブのように、小さい値で推移する。これに対して風速推定値は、風速値が上昇していることを加味した値となるため、精度良く風速値を推定することができる。このため、図８に１点鎖線で示す風速推定値カーブのように、移動平均値カーブよりも大きい値で推移する。時間間隔を短くすれば、移動平均値と風速推定値との差を小さくできる可能性はあるが、時刻によっては、その差が大きくなる可能性がある。例えば、図８の時刻ｔ_ｄにおける移動平均値ｖ_ａｖｅと風速推定値ｖ_ｓｔａとの差は比較的大きい。このため、移動平均値ではなく、風速推定値を用いることにより、出力抑制指令値を精度良く決定することができる。

【0052】

指令値決定部６１は、第１カウント閾値以上であると判定されたカウント数に対応する複数の出力抑制プリセット値のうち、風力発電設備１の発電出力を最も低下させることができる出力抑制プリセット値を出力抑制指令値として決定してもよい。一例として、図６に示す全てのカウント数のうちの一部のカウント数が第1カウント閾値以上であり、残りのカウント数が、第1カウント閾値よりも小さい場合について説明する。この場合、第1カウント閾値以上であるカウント数に対応する出力抑制プリセット値のうち、発電出力を最も低下させることができる出力抑制プリセット値が、出力抑制指令値として決定される。このことにより、乱流判定時間において最も強い乱流風況に対応する出力抑制指令値を決定することができる。このため、風力発電設備１の発電出力を、最も強い乱流風況に応じて低下させることができ、風車４のブレード４ｂに掛かる風荷重を効果的に低減することができる。第１カウント閾値以上であるカウント数が１つのみである場合、このカウント数に対応する出力抑制プリセット値が、出力抑制指令値として決定されてもよい。

【0053】

指令値発信部６２は、指令値決定部６１により決定された出力抑制指令値を、風力発電設備１の風力発電制御装置１０に発信する。この出力抑制指令値に基づいて、風力発電制御装置１０は、風力発電設備１の発電出力を抑制する。

【0054】

解除指令部７０は、出力抑制指令部６０が風力発電設備１の風力発電制御装置１０に出力抑制指令を発した後、カウント部４０に処理を実行させて得られたカウント数が、第２カウント閾値よりも小さいと判定された場合、出力抑制指令を解除する。解除指令部７０は、解除判定部７１と、解除指令信号発信部７２と、を含んでいてもよい。

【0055】

解除指令部７０は、カウント部４０に上述した処理を実行させる。より具体的には、上述した初期化部４１、風速取得部４２、変動率算出部４３、変動率判定部４４、加算部４５および経過時間判定部４６に処理を実行させる。この際、変動率判定部４４による風速変動率の判定には、第１変動率閾値の代わりに第２変動率閾値が用いられてもよい。第２変動率閾値は、第１変動率閾値よりも小さくてもよいが、等しくてもよい。第２変動率閾値は、乱流判定精度を向上できるように任意に調整されてもよい。

【0056】

加算部４５では、風速変動率が第２変動率閾値Ｄ_Ｓ２以上である場合、以下に示すように、カウント数Ｆ（ｖ）に１が加算される。

【数7】

【0057】

一方、算出された風速変動率が、第２変動率閾値Ｄ_Ｓ２よりも小さい場合、以下に示すようにカウント数Ｆ（ｖ）には１が加算されずに、現状の値が維持される。

【数8】

【0058】

経過時間判定部４６は、カウント部４０により処理が開始されてから所定の解除判定時間が経過したか否かを判定する。解除判定時間が経過していないと判定された場合、風速取得部４２、変動率算出部４３、変動率判定部４４および加算部４５による処理が再度実行される。そして、解除判定時間が経過するまで、風速取得部４２、変動率算出部４３、変動率判定部４４および加算部４５による処理が繰り返される。解除判定時間は、乱流判定時間と等しくてもよいが、異なっていてもよい。解除判定時間が経過したと判定された場合、カウント部４０による処理が終了する。

【0059】

解除判定部７１は、風速変動率が第２変動率閾値以上である回数を示すカウント数が、第２カウント閾値よりも小さいか否かを判定する。カウント数が第２カウント閾値よりも小さい場合、乱流風況が発生していないと判定される。第２カウント閾値は、第１カウント閾値よりも小さくてもよく、等しくてもよい。

【0060】

より具体的には、解除判定時間が経過した時点でのカウント数Ｆ（ｖ）が、第２カウント閾値Ｃ_２よりも小さいか否かが判定される。カウント数Ｆ（ｖ）は、解除判定時間が経過するまでの間に、風速変動率が第２変動率閾値以上である回数の積算値になっている。

【数9】

【0061】

解除指令信号発信部７２は、解除判定部７１によりカウント数が第２カウント閾値よりも小さいと判定された場合、出力抑制指令部６０による出力抑制指令を解除するための解除指令信号を発信する。解除指令信号は、風力発電制御装置１０に発信される。

【0062】

解除指令部７０がカウント部４０にカウント数を算出させる場合にも、上述した出力抑制プリセット値毎にカウント数Ｆ（ｖ）が算出されてもよい。この場合、全てのカウント数Ｆ（ｖ）に対して、解除指令部７０による処理が実行されてもよい。

【0063】

第２変動率閾値Ｄ_Ｓ２は、図９に示すように、上述した出力抑制プリセット値毎に設定されている。各第２変動率閾値は、対応する第１変動率閾値よりも小さい値であってもよい。カウント部４０は、風速変動率が対応する第2変動率閾値よりも小さい回数を示すカウント数を出力抑制プリセット値毎に算出する。各第２変動率閾値Ｄ_Ｓ２に対応させて、ｍ×ｎ個のカウント数Ｆ（ｖ）が算出されてもよい。この場合、上述した式（６）および式（７）において、カウント数Ｆ（ｖ）は、風速変動率を用いて第２変動率閾値Ｄ_Ｓ２毎に算出される。

【0064】

より具体的には、変動率判定部４４による風速変動率が第２変動率閾値よりも小さいか否かの判定は、第２変動率閾値Ｄ_Ｓ２毎に行われる。その判定結果に基づいて、加算部４５により、上述した式（６）に示すように、カウント数Ｆ（ｖ）に１が加算されたり、上述した式（７）に示すように、カウント数Ｆ（ｖ）に１が加算されなかったりする。経過時間判定部４６により解除判定時間が経過するまで、上述した処理が繰り返される。

【0065】

解除判定時間経過後、解除判定部７１により、各々のカウント数Ｆ（ｖ）が、第２カウント閾値よりも小さいか否かを判定する。各カウント数の判定に用いる第２カウント閾値は、一定の値であってもよい。この場合、解除判定処理を行った全てのカウント数が第２カウント閾値よりも小さいと判定される可能性があるが、全てのカウント数が第２カウント閾値以上であると判定される可能性がある。あるいは、解除判定処理を行った全てのカウント数のうちの一部のカウント数が、第２カウント閾値よりも小さく、残りのカウント数が、第２カウント閾値よりも小さいと判定される可能性もある。

【0066】

全てのカウント数が第２カウント閾値よりも小さいと判定された場合の解除指令信号発信部７２の処理について説明する。この場合、解除指令信号発信部７２は、指令値発信部６２が発信した出力抑制指令値を解除するための解除指令信号を発信する。このことにより、出力抑制指令が解除される。

【0067】

全てのカウント数が第２カウント閾値以上であると判定された場合の解除指令信号発信部７２の処理について説明する。この場合、解除指令信号発信部７２は、解除指令信号を発信しない。このことにより、出力抑制指令が継続される。

【0068】

全てのカウント数の一部のカウント数が第２カウント閾値以上であると判定された場合の解除指令信号発信部７２の処理について説明する。この場合、解除指令信号発信部７２は、指令値発信部６２が発信した出力抑制指令値Ｐ_ＳＥＴを解除するための解除指令信号を発信する。この際、解除指令信号発信部７２は、第２カウント閾値以上であると判定されたカウント数Ｆ（ｖ）に対応する出力抑制プリセット値Ｐ_ＳＥＴを、出力抑制指令値として風力発電制御装置１０に発信する。複数のカウント数Ｆ（ｖ）が第２カウント閾値以上であると判定された場合、対応する出力抑制プリセット値Ｐ_ＳＥＴのうち風力発電設備１の発電出力を最も低下させることができる出力抑制プリセット値を出力抑制指令値として風力発電制御装置１０に発信する。このことにより、最も強い乱流風況に応じた出力抑制指令が解除判定時間が経過するときに解除された場合であっても、依然として残っている比較的弱い乱流風況に応じた出力抑制指令を行うことができる。このため、出力抑制が全面的に解除されることを防止でき、出力抑制をきめ細かく制御することができる。

【0069】

次に、本実施の形態による乱流風況判定方法について図１０～図１２を用いて説明する。

【0070】

図１０に示すように、まず、ステップＳ１０として、乱流判定時間が経過する間に複数回取得された風速値に基づいて風速変動率を算出するとともに、算出された風速変動率が第１変動率閾値以上である回数（カウント数Ｆ（Ｖ））を算出する。ステップＳ１０は、乱流風況判定装置３０のカウント部４０が実行する処理ステップである。ステップＳ１０は、図１１に示すように、以下のステップＳ１１～ステップＳ１７を含んでいてもよい。

【0071】

まず、ステップＳ１１として、初期化部４１によって各カウント数Ｆ（ｖ）が初期化される。より具体的には、カウント数Ｆ（ｖ）にゼロ（０）が代入される。

【0072】

ステップＳ１１の後、ステップＳ１２として、風速取得部４２により風速値が取得される。取得された風速値は、記憶部３２に記憶されてもよい。

【0073】

ステップＳ１２の後、ステップＳ１３として、変動率算出部４３により風速変動率Δｖ／ｖが算出される。

【0074】

ステップＳ１３の後、ステップＳ１４として、変動率判定部４４により、風速変動率Δｖ／ｖが第１変動率閾値Ｄ_Ｓ１以上であるか否かが第１変動率閾値毎に判定される。風速変動率が第１変動率閾値以上である場合、ステップＳ１５において、対応するカウント数Ｆ（ｖ）に１が加算され、ステップＳ１７に移行する。一方、ステップＳ１４において、風速変動率が第１変動率閾値よりも小さい場合、ステップＳ１６において、対応するカウント数Ｆ（ｖ）に１は加算されず、ステップＳ１７に移行する。

【0075】

ステップＳ１７として、経過時間判定部４６により、カウント部４０の処理が開始されてから乱流判定時間が経過したか否かが判定される。乱流判定時間が経過していないと判定された場合、上述したステップＳ１２に戻り、上述したステップＳ１２～ステップＳ１６の処理が実行される。

【0076】

ステップＳ１７において、経過時間判定部４６により乱流判定時間が経過していると判定された場合、ステップＳ１８に移行する。

【0077】

ステップＳ１８として、乱流判定部５０により、各カウント数Ｆ（ｖ）が、第１カウント閾値Ｃ_１以上であるか否かが判定される。全てのカウント数が第１カウント閾値よりも小さいと判定された場合、上述したステップＳ１１に戻り、カウント部４０の処理、より具体的にはステップＳ１２～ステップＳ１７の処理が実行される。

【0078】

図１０に示すように、ステップＳ１８において少なくとも１つのカウント数が第１カウント閾値以上であると判定された場合、ステップＳ２０に移行する。

【0079】

ステップＳ２０として、出力抑制指令部６０により、風力発電設備１の出力抑制指令が発せられる。ステップＳ２０は、乱流風況判定装置３０の出力抑制指令部６０が実行する処理ステップである。ステップＳ２０は、図１０に示すように、以下のステップＳ２１およびステップＳ２２を含んでいてもよい。

【0080】

まず、ステップＳ２１として、指令値決定部６１により、風力発電設備１の風力発電制御装置１０に発信するための出力抑制指令値が決定される。ステップＳ１８において第１カウント閾値以上であると判定されたカウント数に対応する出力抑制プリセット値から出力抑制指令値が決定されてもよい。複数のカウント数が第１カウント閾値以上であると判定された場合、対応する複数の出力抑制プリセット値のうち発電出力を最も低下させることができる出力抑制プリセット値が、出力抑制指令値として決定されてもよい。

【0081】

ステップＳ２１の後、ステップＳ２２として、指令値発信部６２により、出力抑制指令値が風力発電設備１の風力発電制御装置１０に発信される。この場合、風力発電制御装置１０は、受信した出力抑制指令値で、風力発電設備１の通常運転時の発電出力値を低下させる。このことにより、風力発電設備１は出力抑制指令を受けて、発電出力が低下する。

【0082】

ステップＳ２２の後、ステップＳ３０として、カウント部４０に処理を実行させて得られたカウント数が、第２カウント閾値よりも小さいと判定された場合、出力抑制指令が解除される。すなわち、ステップ３０として、解除判定時間が経過する間に複数回取得された風速値に基づいて風速変動率を算出するとともに、算出された風速変動率が第２変動率閾値以上である回数（カウント数Ｆ（ｖ））を算出する。ステップＳ３０は、乱流風況判定装置３０の解除指令部７０が上述したカウント部４０に処理を実行させる処理ステップである。ステップＳ３０は、図１２に示すように、以下のステップＳ３１～ステップＳ３７を含んでいてもよい。

【0083】

まず、ステップＳ３１として、上述したステップＳ１１と同様にして、初期化部４１によって各カウント数が初期化される。

【0084】

ステップＳ３１の後、ステップＳ３２として、上述したステップＳ１２と同様にして、風速取得部４２により風速値が取得される。

【0085】

ステップＳ３２の後、ステップＳ３３として、上述したステップＳ１３と同様にして、変動率算出部４３により風速変動率Δｖ／ｖが算出される。

【0086】

ステップＳ３３の後、ステップＳ３４として、上述したステップＳ１４と同様にして、変動率判定部４４により、風速変動率Δｖ／ｖが第２変動率閾値Ｄ_Ｓ２以上であるか否かが第２変動率閾値毎に判定される。風速変動率が第２変動率閾値以上である場合、ステップＳ３５において、対応するカウント数Ｆ（ｖ）に１が加算され、ステップＳ３７に移行する。一方、ステップＳ３４において、風速変動率が第２変動率閾値よりも小さい場合、ステップＳ３６において、対応するカウント数Ｆ（ｖ）に１は加算されず、ステップＳ３７に移行する。

【0087】

ステップＳ３７として、上述したステップＳ１７と同様にして、経過時間判定部４６により、カウント部４０の処理が開始されてから解除判定時間が経過したか否かが判定される。解除判定時間が経過していないと判定された場合、上述したステップＳ３２に戻り、上述したステップＳ３２～ステップＳ３６の処理が実行される。

【0088】

ステップＳ３７において、経過時間判定部４６により乱流判定時間が経過していると判定された場合、ステップＳ３８に移行する。

【0089】

ステップＳ３８として、解除判定部７１により、上述したカウント数Ｆ（ｖ）が、第２カウント閾値（Ｃ_２）よりも小さいか否かが判定される。全てのカウント数が第２ウント閾値以上であると判定された場合、上述したステップＳ３１に戻り、カウント部４０の処理、より具体的にはステップＳ３２～ステップＳ３７の処理が実行される。

【0090】

図１２に示すように、ステップＳ３８において少なくとも１つのカウント数が第２カウント閾値よりも小さいと判定された場合、ステップＳ３９に移行する。

【0091】

ステップＳ３９として、解除指令信号発信部７２により、風力発電設備１の出力抑制指令を解除するための解除指令信号が発信される。

【0092】

全てのカウント数が第２カウント閾値よりも小さい場合、出力抑制指令が解除される。解除指令信号は風力発電制御装置１０に送信される。この場合、風力発電制御装置１０は、受信した解除指令信号で、風力発電設備１の発電出力値を通常時の発電出力値に戻す。このことにより、風力発電設備１は、通常時の発電を行うことができる。

【0093】

全てのカウント数の一部のカウント数が第２カウント閾値よりも小さく、残りのカウント数が第２カウント閾値以上であると判定された場合について説明する。この場合、指令値発信部６２が発信した出力抑制指令値を解除するための解除指令信号が発信される。そして、上述したように、第２カウント閾値以上であるカウント数に対応する出力抑制プリセット値が、出力抑制指令値として風力発電制御装置１０に発信される。複数のカウント数が第２カウント閾値以上であると判定された場合、対応する複数の出力抑制プリセット値のうち発電出力を最も低下させることができる出力抑制プリセット値が、出力抑制指令値として発信されてもよい。

【0094】

ステップＳ３９の後には、上述したステップＳ１０に戻り、上述した各ステップの処理が実行されて、乱流風況判定が継続されてもよい。このような乱流風況判定方法は、風力発電設備１の運転が継続している間、実行され続けてもよい。運転を停止する際に、乱流風況判定方法の実行を停止してもよい。

【0095】

このように本実施の形態によれば、乱流判定時間が経過する間に複数回取得された風速値に基づいて風速変動率が算出され、風速変動率が変動率閾値以上である回数が算出される。乱流判定時間が経過した後、風速変動率が変動率閾値以上である回数を示すカウント数が、第１カウント閾値以上であるか否かが判定される。このことにより、乱流判定時間中に、比較的激しい風速変動が、ある程度の頻度で発生したか否かに基づいて、乱流の発生の有無を適切に判定することができる。また、乱流強度を分析したり、複雑な演算を行ったりすることを不要にでき、乱流の判定に用いる風速値の演算を簡略化することができる。この結果、乱流風況を適切に容易に判定することができる。

【0096】

また、本実施の形態によれば、乱流判定部５０によりカウント数が第１カウント閾値以上であると判定された場合、風力発電設備１に出力抑制指令が発せられる。このことにより、乱流風況が発生した場合、風力発電設備１の発電出力を低下させることができる。このため、乱流風況によって風車４のブレード４ｂにかかる荷重を低減することができ、風力発電設備１の損傷が発生することを抑制することができる。

【0097】

また、本実施の形態によれば、風力発電設備１に出力抑制指令が発せられた後、風速変動率が変動率閾値以上である回数を示すカウント数が、第２カウント閾値よりも小さいと判定された場合、風力発電設備１への出力抑制指令が解除される。このことにより、乱流風況の発生が途切れた場合には、風力発電設備１の発電出力を通常時の発電出力に戻すことができる。このため、発電機会が逸失されることを抑制することができる。

【0098】

なお、上述した本実施の形態においては、少なくとも１つのカウント数が第１カウント閾値以上であると判定された場合、全てのカウント数に対して解除指令部７０による処理が行われる例について説明した。しかしながら、本実施の形態は、このことに限られることはない。例えば、第１カウント閾値以上であると判定されたカウント数については、解除指令部７０による処理が実行されてもよい。第１カウント閾値よりも小さいと判定されたカウント数については、解除指令部７０ではなく、カウント部４０および乱流判定部５０による処理が実行されてもよい。

【0099】

また、上述した本実施の形態においては、加算部４５が、風速変動率が第１変動率閾値Ｄ_Ｓ１以上である場合、カウント数Ｆ（ｖ）に１を加算し、カウント数が積算される例について説明した。しかしながら、本実施の形態は、このことに限られることはない。例えば、カウント数は、乱流判定時間が経過した後に、第１変動率閾値以上であった回数を合算することにより算出されてもよい。

【0100】

また、上述した本実施の形態においては、乱流風況判定装置３０、乱流風況判定方法および乱流風況プログラムが、風力発電設備１に適用される例について説明した。しかしながら、本実施の形態は、このことに限られることはない。例えば、鉄道または道路などの交通機関で、乱流風況判定装置３０、乱流風況判定方法および乱流風況プログラムが用いられてもよい。この場合、乱流判定部５０によりカウント数が第１カウント閾値以上であると判定された場合、乱流風況が発生している旨を、管理システム上に表示したり、アラームを発したりしてもよい。また、この場合、ナセル３に設けられた風況検出器９の代わりとして、風速を検出することができる任意の機器が用いられてもよい。

【0101】

また、上述した本実施の形態においては、ステップＳ３０として、風速変動率が第２変動率閾値以上である回数（カウント数Ｆ（ｖ））を算出する例について説明した。しかしながら、本実施の形態は、このことに限られることはない。例えば、風速変動率が第２変動率閾値以上であるカウント数を算出することに加えて、風速変動率が第３変動率閾値以上であるカウント数を算出してもよい。第３変動率閾値は、上述した出力抑制プリセット値毎に設定されていてもよい。各第３変動率閾値は、対応する第２変動率閾値よりも小さい値であってもよい。

【0102】

例えば、第２変動率閾値を用いて算出されたカウント数の全てが、第２カウント閾値よりも小さい場合、出力抑制指令が解除される。この場合、第２カウント閾値以上であるカウント数は存在しないため、風力発電設備１の発電出力値は通常時の発電出力値に戻る。そこで、第３変動率閾値を用いて算出されたカウント数が、第３カウント閾値よりも小さいか否かが判断されてもよい。第３カウント閾値は、第２カウント閾値よりも小さくてもよく、等しくてもよい。第３変動率閾値を用いて算出されたカウント数の一部のカウント数が第３カウント閾値以上であると判定された場合、第３カウント閾値以上であるカウント数に対応する出力抑制プリセット値が、出力抑制指令値として風力発電制御装置１０に発信されてもよい。複数のカウント数が第３カウント閾値以上であると判定された場合、対応する複数の出力抑制プリセット値のうち発電出力を最も低下させることができる出力抑制プリセット値が、出力抑制指令値として発信されてもよい。このことにより、依然として残っている比較的弱い乱流風況に応じた出力抑制指令を行うことができる。このため、出力抑制が全面的に解除されることを防止でき、出力抑制をきめ細かく制御することができる。

【0103】

更に、第２変動率閾値を用いたカウント数の算出および第３変動率閾値を用いたカウント数の算出に加えて、第４変動率閾値を用いてカウント数を算出し、上述と同様の処理を行ってもよい。この場合、出力抑制をより一層きめ細かく制御することができる。第４変動率閾値は、上述した出力抑制プリセット値毎に設定されていてもよい。各第４変動率閾値は、対応する第３変動率閾値よりも小さい値であってもよい。

【0104】

以上述べた実施の形態によれば、乱流風況を適切に容易に判定することができる。

【0105】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、当然のことながら、本発明の要旨の範囲内で、これらの実施の形態を、部分的に適宜組み合わせることも可能である。

【符号の説明】

【0106】

１：風力発電設備、１０：風力発電制御装置、３０：乱流風況判定装置、４０：カウント部、５０：乱流判定部、６０：出力抑制指令部、６１：指令値決定部、６２：指令値発信部、７０：解除指令部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】