JP2017106401A

JP2017106401A - 風力発電システムおよび風力発電システムの運転方法

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Publication number: JP2017106401A
Application number: JP2015241888A
Authority: JP
Inventors: 啓角谷; Hiromu Kakuya; 荘一郎清木; Soichiro Kiyoki; 崇白石; Takashi Shiraishi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2015-12-11
Filing date: 2015-12-11
Publication date: 2017-06-15
Anticipated expiration: 2035-12-11
Also published as: TWI683057B; EP3179097A1; JP6559559B2; TW201721017A

Abstract

【課題】タワー共振の影響を低減可能な風力発電システムを提供する。【解決手段】風を受けて回転するロータと、該ロータの回転エネルギーを用いて発電する発電機と、前記発電機の発電機トルク及び前記ロータのロータ回転速度を制御する制御装置とを備え、該制御装置は、ロータ回転速度が上昇して第１のロータ回転速度を越えた場合、発電機トルクを低下させる第１の運転モードＣＭ＝１に移行した後、前記第１の運転モードと連続し、かつロータ回転速度に対する発電機トルクの傾きが前記第１の運転モードと異なる第２の運転モードＣＭ＝２に移行し、ロータ回転速度が低下して第２のロータ回転速度を越えた場合、発電機トルクを上昇させる第３の運転モードＣＭ＝３に移行した後、前記第３の運転モードと連続し、かつロータ回転速度に対する発電機トルクの傾きが前記第３の運転モードと異なる第４の運転モードＣＭ＝４に移行することを特徴とする風力発電システム。【選択図】図５

Description

本発明は、風力発電システムに係り、特に、タワーに発生する共振を好適に低減する風力発電システムに関する。

近年、二酸化炭素の排出量増加を起因とする地球温暖化や、化石燃料の枯渇によるエネルギー不足が懸念されており、二酸化炭素排出の低減や、エネルギー自給率の向上が求められている。これらの実現のためには、二酸化炭素を排出せず、輸入に依存する化石燃料を利用することなく、風力や太陽光などの自然から得られる再生可能エネルギーにて発電が可能な発電システムの導入が有効である。

再生可能エネルギーを利用した発電システムの中でも、太陽光発電システムのように日射による急峻な出力変化をしない風力発電システムは、比較的安定した発電出力ができる発電システムとして注目されている。また、地上と比較して、風速が高く、風速変化が少ない洋上に設置する風力発電システムも有力な発電システムとして注目されている。なお、風力発電システムはロータのエネルギー変換効率が風速に応じて異なることから、ロータ回転速度の運転範囲を可変とする可変速運転を実施している。

風力発電システムを活用して安定的に電力を供給するためには、風力発電システムを構成するブレード、タワー、および、ドライブトレインに発生する振動を低減する技術が必要である。特に、システム全体を支える構造物であるタワーの振動は、構成部品への振動発生に繋がる場合がある。

設置場所によっては台風といった暴風が発生する悪天候や、低気圧による風向の急変などによって発生する風の乱流を起因として、タワーの固有周波数が建造当初より変化する場合がある。この際、上述のロータ回転速度の運転範囲内に、上述のタワー固有周波数が結果的に存在してしまう場合がある。このような状況では、風力発電システムのロータの回転運動がタワー固有周波数と一致し、タワー振動が増加する、すなわちタワー共振が発生する可能性がある。このようなタワー共振は、タワーの振動の振幅を増大させることで、疲労蓄積や最大荷重増大といった悪影響を及ぼす可能性がある。

ここで、風力発電システムのタワーに発生する振動の低減を考慮したものとして、例えば特許文献１に開示された運転制御手段がある。特許文献１には、「タワーの振動を最小限に抑える風力発電の運転方法」が開示されている。

要約すると、「タワー固有周波数がロータ回転速度内に存在し、ロータ回転速度と発電機トルクで規定する平面内において、風速の増加に従って回転速度を増加させた場合、タワー固有周波数以下の回転速度では発電機トルクを該運転制御手段を適用しない場合よりも増加させた運転をした後、タワー固有周波数を通過する際には、ロータ回転速度の増加に対して発電機トルクを低下させる運転をし、ロータ回転速度がタワー固有周波数を越えた後には、該運転制御手段を適用しない場合と比較して発電機トルクを低下させる運転をし、ロータ回転速度の増加に伴って該運転制御手段を適用しない場合の発電機トルクまで発電機トルクを増加させる」手段である。

特許文献１に記載の技術を適用することで、ロータ回転速度がタワー固有周波数と一致する期間が短くなるため、タワー共振の発生を抑制することができる。

欧州特許第２１１３６５９Ｂ１号明細書

上述の通り特許文献１に記載の技術を適用することにより、タワー固有周波数がロータ回転速度の運転範囲内に存在する際に、タワー共振の発生を抑制することが可能である。ただし、特許文献１に開示された技術は、タワー固有周波数近傍をロータ回転速度が通過する際に、ロータ回転速度だけではなく、発電機トルクも同時に変化させるため、入力である風力エネルギーがロータ回転速度の変化のみに利用されないことで、ロータ回転速度とタワー固有周波数が概一致する期間を十分に短縮することができずに、タワー共振を十分に低減できない場合がある。これによって、タワー共振に伴う疲労蓄積や最大荷重増大を十分に低減できない可能性がある。

そこで、本発明では、タワー共振の発生を十分に抑制できる運転制御手段を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明は、風を受けて回転するロータと、前記ロータの荷重を支持するタワーと、前記ロータの回転エネルギーを用いて発電する発電機と、前記発電機の発電機トルク及び前記ロータのロータ回転速度を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、ロータ回転速度が上昇して第１のロータ回転速度を越えた場合、発電機トルクを低下させる第１の運転モードに移行した後、前記第１の運転モードと連続し、かつロータ回転速度に対する発電機トルクの傾きが前記第１の運転モードと異なる第２の運転モードに移行し、ロータ回転速度が低下して第２のロータ回転速度を越えた場合、発電機トルクを上昇させる第３の運転モードに移行した後、前記第３の運転モードと連続し、かつロータ回転速度に対する発電機トルクの傾きが前記第３の運転モードと異なる第４の運転モードに移行することを特徴とする風力発電システムである。

また、本発明は、ロータ回転速度が上昇して第１のロータ回転速度を越えた場合、発電機トルクを低下させる第１の運転モードに移行し、前記第１の運転モードに移行した後、ロータ回転速度に対する発電機トルクの傾きが前記第１の運転モードと異なる第２の運転モードに移行し、ロータ回転速度が低下して第２のロータ回転速度を越えた場合、発電機トルクを上昇させる第３の運転モードに移行し、前記第３の運転モードに移行した後、ロータ回転速度に対する発電機トルクの傾きが前記第３の運転モードと異なる第４の運転モードに移行することを特徴とする風力発電システムの運転方法である。

本発明によれば、使用環境によってタワー固有周波数がロータ回転速度の運転範囲に存在するようになった際にも、タワー共振による疲労蓄積と最大荷重増大を抑制可能な制御装置を備えた風力発電システムを提供することが可能になる。

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。

本発明の一実施形態に係る風力発電システム１の構成概要を示す図である。本発明を実施しない場合の風力発電システム１の運転時におけるロータ４の回転速度と発電機６のトルクの関係を示す概略図である。本発明の一実施形態に係る風力発電システム１のコントローラ９に実装される運転制御手段１０１の処理概要を示すブロック線図である。本発明の一実施形態に係る運転制御手段１０１におけるロータ４の回転速度と発電機６のトルクの関係を示す概略図である。本発明の一実施形態に係る運転制御手段１０１におけるロータ４の回転速度がタワー固有周波数近傍でのロータ４の回転速度と発電機６のトルクの遷移状態を示す概略図である。本発明の一実施形態に係る運転制御手段１０１における風速が上昇してロータ４の回転速度が上昇しながらタワー固有周波数を通過する際のロータ４の回転速度と発電機６のトルクの変化概要を示すタイムチャートである。本発明の一実施形態に係る運転制御手段１０１における風速が下降してロータ４の回転速度が下降しながらタワー固有周波数を通過する際のロータ４の回転速度と発電機６のトルクの変化概要を示すタイムチャートである。本発明の一実施形態に係る運転制御手段１０１における目標値演算部３０１の処理概要を示すフローチャートである。

以下、図面を用いて、本発明の実施形態について具体的に説明する。尚、下記はあくまでも実施例であって、本発明の実施態様が下記実施例に限定されることを意図するものではない。

以下、本発明の実施例について説明するが、その前に本発明適用の前提となる風力発電システムの概略構成、及び制御について図１および図２を用いて説明する。

まず、図１を用いて、本発明を適用可能な風力発電システム全体の概略構成について説明する。

図１の風力発電システム１は、複数のブレード２と、複数のブレード２を接続するハブ３とで構成されるロータ４を備える。ロータ４はナセル５に回転軸（図１では省略する）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。ナセル５はロータ４を回転可能に支持している。ナセル５は発電機６を適宜位置に備える。ブレード２が風を受けることによりロータ４が回転し、ロータ４の回転力が発電機６を回転させることで電力を発生することができる。

ブレード２の各々には、ブレード２とハブ３の位置関係、すなわちピッチ角と呼ぶブレードの角度、を変更可能なピッチアクチュエータ７を備えている。ピッチアクチュエータ７を用いてブレード２のピッチ角を変更することにより、風に対するロータ４の回転エネルギーを変更できる。これにより、広い風速領域においてロータ４の回転速度を制御しながら、風力発電システム１の発電電力を制御することができる。

図１の風力発電システム１では、ナセル５はタワー８上に設置されており、タワー８に対して回転可能に支持されている。ハブ３やナセル５を介してブレード２の荷重がタワー８に支持される。タワー８は、基部（図では省略）に設置され、地上または洋上等の所定位置に設置される。

また、風力発電システム１はコントローラ９を備えており、ロータ４の回転速度を計測する回転速度センサ１０に基づき、コントローラ９が発電機６とピッチアクチュエータ７を調整することで、風力発電システム１が出力する電力を調整する。

なお、風向を計測する風向センサ、発電機が出力する有効電力を計測する電力センサ、などを適宜位置に備えている。

図１ではコントローラ９はナセル５またはタワー８の外部に設置される形態にて図示されているが、これに限ったものではなく、ナセル５またはタワー８の内部またはそれ以外の所定位置、または風力発電システム１の外部に設置される形態であっても良い。

ここで、図２を用いて風力発電システム１の発電動作概要について説明する。ただし、図２は後述する本発明の運転制御手段１０１を適用しない場合の標準的な風力発電システムの概要である。図２はロータ回転速度に対する発電機トルクを示す。横軸はロータ回転速度、縦軸が発電機トルクを示し、横軸右方はロータ回転速度が高い、縦軸上方は発電機トルクが高い状態を示す。

風力発電システム１は、ロータ回転速度をΩ_minからΩ_maxの範囲で運転する。このロータ回転速度の範囲は、一般的に発電機８の動作範囲から決定される。風速の増加に従い、低風速ではΩ_minに保持しながら、発電機トルクを0からTq_Bまで増加させ、発電機トルクがTq_B以上では点CのTq_Cまで、ロータ４のブレードの出力特性が最大、すなわちロータのエネルギー変換効率が最大となるような軌道BCに添って、ロータ回転速度に基づいて発電機トルクを決定する。この際、発電機トルクは下式に従う。

ここで、K_optは軌道BCでの発電機トルクを決定するためのゲインである。発電機トルクがTq_C以上ではロータ回転速度を保持しながら、発電機トルクをTq_maxまで増加させる。

上述のように、風力発電システム１はロータ回転速度を変化させることで、風力エネルギーを効率良く電気エネルギーに変換するような運転を実施する。

次に、図３から図８を用いて風力発電システム１の制御装置（コントローラ９）に実装される運転制御手段１０１について説明する。この運転制御手段１０１は、タワー８の固有周波数が上述のロータ回転速度の運転範囲に存在する場合にも、タワー共振の影響を低減するように、ロータ回転速度がタワー固有周波数を通過する期間を短縮化すること狙っている。なお、以下では図２に示すようにタワー固有周波数Ω_TEがロータ回転速度の運転範囲内に存在することを想定する。

図３は運転制御手段１０１のブロック線図を示す。運転制御手段１０１は目標値演算部３０１、ブレードピッチ角度制御部３０２、および発電機トルク制御部３０３より構成される。

目標値演算部３０１は、ロータ回転速度Ωに基づき、ブレードピッチ角度制御用ロータ回転速度目標値Ω_B*、発電機トルク制御用ロータ回転速度目標値Ω_T*、発電機トルク目標下限値Tq_L*、および発電機トルク目標上限値Tq_H*を演算する。これらの値は、入力であるΩの状態に基づいて変化することで、ロータ回転速度と発電機トルクを上述する所定の軌道に沿うように風力発電システム１を運転する。なお、ロータ回転速度は上述の回転速度センサ１０の出力信号である。

ブレードピッチ角度制御部３０２は、ロータ回転速度Ωとブレードピッチ角度制御用ロータ回転速度目標値Ω_B*に基づき、ブレードピッチ角度目標値θ_demを決定する。詳細説明は省略するが、ロータ回転速度Ωとブレードピッチ角度制御用ロータ回転速度目標値Ω_B*との差分に基づくフィードバック制御により構成され、上記差分の比例、または積分、または微分、またはこれらのいずれかを組み合わせた成分を加算することで、ブレードピッチ角度目標値θ_demを演算するが、これに限ったものではない。

発電機トルク制御部３０３は、発電機トルク制御用ロータ回転速度目標値Ω_T*、発電機トルク目標下限値Tq_L*、発電機トルク目標上限値Tq_H*、およびロータ回転速度Ωに基づいて発電機トルク目標値Tq_demを決定する。上述のブレードピッチ角度制御部３０２と同様に、発電機トルク制御用ロータ回転速度目標値Ω_T*とロータ回転速度Ωとの差分を利用したフィードバック制御により構成される。フィードバック制御により演算された出力の上下限値を発電機トルク目標下限値Tq_L*および発電機トルク目標上限値Tq_H*により調整することで、最終的な発電機トルク目標値Tq_demを決定するが、これに限ったものではない。

図４は本発明に係る運転制御手段１０１によって実現される風力発電システム１の運転状態の軌道を示す。横軸、縦軸はそれぞれロータ回転速度と発電機トルクを示し、横軸右方がロータ回転速度が高い、縦軸上方が発電機トルクが高い運転状態を示す。なお、破線は図２に示した本発明に係る運転制御手段１０１を適用しない場合の運転状態の軌道を示している。

本発明に係る運転制御手段１０１を適用することにより、ロータ回転速度に基づいて、ロータ回転速度がタワー固有周波数Ω_TEより所定値Ω_dだけ低いΩ₁以下では、軌道ABEFに沿うように風力発電システム１を運転する。風速の増加に従い、軌道ABではロータ回転速度をΩ_minとしながら発電機トルクを0からTq_Bまで上昇させる。さらに軌道BEでは上述の式（１）に基づいて、ロータ回転速度をΩ_minからΩ_EFまで、発電機トルクをTq_BからTq_Eまで上昇させる。さらに、軌道EFでは、ロータ回転速度をΩ_EFに保持しながら発電機トルクをTq_EからTq_Fまで上昇させる。なお、軌道EFにおける発電機トルクは、上述の式（１）に沿った発電機トルクの軌道から逸脱した、より大きい値である。

風速が更に増加した場合には、ロータ回転速度をタワー固有周波数Ω_TEから所定値Ω_dだけ大きいΩ₂以上のΩ_GHからΩ_maxの範囲内の軌道GHCDに沿って風力発電システム１を運転する。ここで、上述の所定値Ω_dはシミュレーションや試験によって予めプログラム内に記憶している値を用いても良いし、図には明記しないが、風力発電システム１の状態を計測する各種センサの出力値に基づいて決定するものであっても良い。風速の増加に伴い、軌道GHではロータ回転速度をΩ_GHに保持しながら、発電機トルクをTq_GからTq_Hまで上昇させる。軌道HCでは上述の式（１）に基づいてロータ回転速度をΩ_GHからΩ_maxまで、発電機トルクをTq_HからTq_Cまで上昇させる。軌道CDではロータ回転速度をΩ_maxに保持しながら発電機トルクをTq_CからTq_maxまで上昇させる。なお、軌道GHにおける発電機トルクは、上述の式（１）に沿った発電機トルクの軌道から逸脱した、より小さな値である。

タワー固有周波数Ω_TEは予めシミュレーションや試験にて決定し、プログラムに記憶された値を用いる物であっても良いし、風力発電システム１の状態を計測する各種センサの出力信号に基づいて決定するものであっても良い。

以上では、タワー固有周波数Ω_TEを避けた運転軌道のみ示したが、以下ではΩ_TEを通過する際の別の運転軌道を図５から図７を用いて説明する。なお、以下では複数示す運転状態を運転モード（CM：Control Mode）にて定義する。図４および図５を参照して、風速が増加してロータ回転速度が上昇し、Ω_TEを通過する際の運転モードを第１の運転モード、第２の運転モード（それぞれCM=1、CM=2）とし、風速が低下してロータ回転速度が下降し、Ω_TEを通過する際の運転モードを第３の運転モード、第４の運転モード（それぞれCM=3、CM=4）と定義する。また、軌道ABEFにおける運転モードを第５の運転モード（CM=5）、軌道GHCDにおける運転モードを第６の運転モード（CM=6）と定義する。

図５は上述のCM=1、CM=2、CM=3、およびCM=4における風力発電システム１の運転軌道の概要を示す。横軸、縦軸はそれぞれロータ回転速度および発電機トルクを示し、横軸右方がロータ回転速度が高い、縦軸上方が発電機トルクが高い運転状態を示す。なお、図５は、図４におけるタワー固有周波数Ω_TEの近傍のB’からC’の運転範囲に注目した図である。

以下ではまず、風速が上昇してロータ回転速度が上昇し、タワー固有周波数Ω_TEを通過する場合の運転軌道について説明する。

上述の通りロータ回転速度がΩ₁以下では、軌道B’EFに沿って風力発電システム１を運転する。点F近傍の運転状態より、更に風速が上昇した場合には、発電機トルクがTq_Fに保持され、ロータ回転速度が点F’まで上昇する。ロータ回転速度がΩ₁を越えた際には、風速が更に上昇すると判断し、タワー固有周波数Ω_TEを通過する運転モードへ遷移する。この際、CM=1では発電機トルクをTq_FからTq_Gまで低減させる。その後、CM=2では、発電機トルクをTq_Gに保持することで、ロータ回転速度をΩ_GHまで上昇させる。このようにCM=1にて発電トルクを低減させて、CM=2で発電機トルクを小さい値に保持することで、風力エネルギーがロータ回転速度の変化のみに利用されるために、タワー固有周波数Ω_TEを通過する期間を短縮することができる。

次に、風速が下降してロータ回転速度が下降し、タワー固有周波数Ω_TEを通過する場合の運転軌道について説明する。

上述の通りロータ回転速度がΩ₂以上では、軌道GHC’に沿って風力発電システム１を運転する。点G近傍の運転状態より、更に風速が下降した場合には、発電機トルクがTq_Gに保持され、ロータ回転速度が点G’まで下降する。ロータ回転速度がΩ₂より小さくなった際には、風速が更に下降すると判断し、タワー固有周波数Ω_TEを通過する運転モードへ遷移する。この際、CM=3では発電機トルクをTq_GからTq_Fまで上昇させる。その後、CM=4では、発電機トルクをTq_Fに保持することで、ロータ回転速度をΩ_EFまで下降させる。このようにCM=3にて発電トルクを上昇させて、CM=4で発電機トルクを大きい値に保持することで、風力エネルギーがロータ回転速度の変化のみに利用されるために、タワー固有周波数Ω_TEを通過する期間を短縮することができる。

なお、図５に明示するように、タワー固有周波数Ω_TEを通過する際、ロータ回転速度が上昇する場合と、ロータ回転速度が下降する場合では、その運転軌道が異なることが本発明に係る運転制御手段１０１の特徴である。

上述したように、ロータ回転速度が上昇してΩ₁（第１のロータ回転速度）を越えた場合、発電機トルクを低下させる第１の運転モードCM=1に移行し、第１の運転モードCM=1に移行した後、さらにロータ回転速度に対する発電機トルクの傾きが第１の運転モードCM=1と異なる第２の運転モードCM=2に移行する。

また、ロータ回転速度が低下してΩ₂（第２のロータ回転速度）を越えた場合、発電機トルクを上昇させる第３の運転モードCM=3に移行し、第３の運転モードCM=3に移行した後、さらにロータ回転速度に対する発電機トルクの傾きが第３の運転モードCM=3と異なる第４の運転モードCM=4に移行する。

以下では、図６および図７を用いて、図５に示す運転モード変化時のロータ回転速度と発電機トルクの時間的変化の概略について説明する。

図６は風速が増加し、ロータ回転速度がタワー固有周波数Ω_TEを通過するCM=1およびCM=2の動作概要を示すタイムチャートである。図６の横軸は時刻を示し、縦軸は図上方より風速、ロータ回転速度、発電機トルク、およびブレードピッチ角度を示し、図上方がそれぞれ風速高、ロータ回転速度高、発電機トルク高、ブレードピッチ角度がフェザーを示す。また、図６では本発明に係る運転制御手段１０１を適用した場合を実線で示し、適用しない場合を破線で示す。

以下では図６最上段に示すように、風速が時刻t₀のWS_Eの状態から時刻t₈のWS_Hまで上昇した場合を想定する。

破線で示す本発明に係る運転制御手段１０１を適用しない場合には、風速に応じてロータ回転速度がΩ_EFからΩ_GHまで上昇し、発電機トルクがTq_EからTq_Hまで上昇する。この際、発電機トルクは上述の式（１）に従った値をとる。この場合には、ロータ回転速度がタワー固有周波数Ω_TE近傍であるΩ₁からΩ₂の範囲に滞在する期間が時刻t₂から時刻t₆の期間である。なお、ブレードピッチ角度はθ_fineに保持される。

これに対し、実線で示す本発明に係る運転制御手段１０１を適用した場合は、時刻t₁から時刻t₃の期間でロータ回転速度をΩ_EFに保持し、発電機トルクをTq_EからTq_Fまで上昇させる。時刻t₃から時刻t₄では発電機トルクをTq_Fに保持するため、ロータ回転速度がΩ_EFからΩ₁まで上昇する。ロータ回転速度がΩ₁以上となる時刻t₄以後は発電機トルクをTq_FからTq_Gまで低下させる。これに伴ってロータ回転速度が時刻t₅にてΩ₂まで上昇する。時刻t₅から時刻t₇ではロータ回転速度を以後の運転でΩ_GHに保持するように発電機トルクをTq_Gに保持し、ブレードピッチ角度をθ_fineからθ₁へ一時的に変化させる。さらに、時刻t₇から時刻t₈では発電機トルクをTq_GからTq_Hまで上昇させ、ロータ回転速度をΩ_GHに保持する。

このように本発明に係る運転制御手段１０１を適用することで、ロータ回転速度がタワー固有周波数Ω_TEの近傍であるΩ₁からΩ₂の範囲に滞在する期間が時刻t₄から時刻t₅の期間に短縮されることで、タワー共振の発生を抑制することができる。

図７は風速が低下し、ロータ回転速度がタワー固有周波数Ω_TEを通過するCM=3およびCM=4の動作概要を示すタイムチャートである。図７の横軸は時刻を示し、縦軸は図上方より風速、ロータ回転速度、発電機トルク、およびブレードピッチ角度を示し、図上方がそれぞれ風速高、ロータ回転速度高、発電機トルク高、ブレードピッチ角度がフェザーを示す。また、図７では本発明に係る運転制御手段１０１を適用した場合を実線で示し、適用しない場合を破線で示す。

以下では図７最上段に示すように、風速が時刻t₇のWS_Hの状態から時刻t₁₅のWS_Eまで下降した場合を想定する。

破線で示す本発明に係る運転制御手段１０１を適用しない場合には、風速に応じてロータ回転速度がΩ_GHからΩ_EFまで下降し、発電機トルクがTq_HからTq_Eまで下降する。この際、発電機トルクは上述の式（１）に従った値をとる。この場合には、ロータ回転速度がタワー固有周波数Ω_TE近傍であるΩ₂からΩ₁の範囲に滞在する期間が時刻t₉から時刻t₁₃の期間である。なお、ブレードピッチ角度はθ_fineに保持される。

これに対し、実線で示す本発明に係る運転制御手段１０１を適用した場合は、時刻t₈から時刻t₁₀の期間でロータ回転速度をΩ_GHに保持し、発電機トルクをTq_HからTq_Gまで下降させる。時刻t₁₀から時刻t₁₁では発電機トルクをTq_Gに保持するため、ロータ回転速度がΩ_GHからΩ₂まで下降する。ロータ回転速度がΩ₂以下となる時刻t₁₁以後は発電機トルクをTq_GからTq_Fまで上昇させる。これに伴ってロータ回転速度が時刻t₁₂にてΩ₁まで下降する。時刻t₁₂から時刻t₁₄ではロータ回転速度を以後の運転でΩ_EFに保持するように発電機トルクをTq_Fに保持し、ブレードピッチ角度をθ_fineからθ₂へ一時的に変化させる。さらに、時刻t₁₄から時刻t₁₅では発電機トルクをTq_FからTq_Eまで下降させ、ロータ回転速度をΩ_EFに保持する。

このように本発明に係る運転制御手段１０１を適用することで、ロータ回転速度がタワー固有周波数Ω_TEの近傍であるΩ₂からΩ₁の範囲に滞在する期間が時刻t₁₁から時刻t₁₂の期間に短縮されることで、タワー共振の発生を抑制することができる。

図８は、本発明に係る運転制御手段１０１における目標値演算部３０１の処理概要を示すフローチャートである。

ステップＳ０１ではロータ回転速度がタワー固有周波数Ω_TEより小さい値のΩ₁より小さいか否かを判断し、Ω₁より小さい場合は第５の運転モードを実行すべく、ステップＳ０２に進む。ステップＳ０２ではCMとCMの前回値であるCM0に5をセットしてステップＳ０３に進む。ステップＳ０３では第５の運転モードを実施できるように、ブレードピッチ角度制御用ロータ回転速度目標値および発電機トルク制御用ロータ回転速度目標値にΩ_EFをセットし、発電機トルク目標下限値にTq_opt、発電機トルク目標上限値にTq_FをセットしてステップＳ０４に進む。なお、Tq_optは上述の式（１）にて決定される発電機トルクである。続くステップＳ０４では、CM0にCMをセットして一連の動作を終了する。

ステップＳ０１にてロータ回転速度がΩ₁以上の場合にはステップＳ０５へ進む。ステップ０５ではロータ回転速度がタワー固有周波数Ω_TEより小さい値のΩ₁以上、かつ、タワー固有周波数Ω_TEより大きい値のΩ₂より小さいかを判断し、Ω₁以上かつΩ₂未満である場合には、ステップＳ０６へ進み、Ω₁以上かつΩ₂未満の範囲外である場合には、ステップＳ１２へ進む。以後は、図８のフローチャートに従い、ステップＳ０６からステップＳ１５のいずれかのフローを経て、ステップＳ０４に至り、一連の動作を終了する。

以上説明したように、本実施例の風力発電システムおよびその運転方法により、使用環境によってタワー固有周波数がロータ回転速度の運転範囲に存在するようになった際にも、タワー共振による疲労蓄積と最大荷重増大を抑制することができる。

これにより、風力発電システムの信頼性向上、長寿命化、発電効率の向上などを図ることができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、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、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…風力発電システム、２…ブレード、３…ハブ、４…ロータ、５…ナセル、６…発電機、７…ピッチアクチュエータ、８…タワー、９…コントローラ、１０…回転速度センサ。

Claims

風を受けて回転するロータと、
前記ロータの荷重を支持するタワーと、
前記ロータの回転エネルギーを用いて発電する発電機と、
前記発電機の発電機トルク及び前記ロータのロータ回転速度を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、ロータ回転速度が上昇して第１のロータ回転速度を越えた場合、発電機トルクを低下させる第１の運転モードに移行した後、前記第１の運転モードと連続し、かつロータ回転速度に対する発電機トルクの傾きが前記第１の運転モードと異なる第２の運転モードに移行し、
ロータ回転速度が低下して第２のロータ回転速度を越えた場合、発電機トルクを上昇させる第３の運転モードに移行した後、前記第３の運転モードと連続し、かつロータ回転速度に対する発電機トルクの傾きが前記第３の運転モードと異なる第４の運転モードに移行することを特徴とする風力発電システム。
請求項１に記載の風力発電システムであって、
前記制御装置は、ロータ回転速度が上昇して前記第１のロータ回転速度を越えた場合と、ロータ回転速度が低下して前記第２のロータ回転速度を越えた場合では、異なる発電機トルク及びロータ回転速度を設定することを特徴とする風力発電システム。
請求項１に記載の風力発電システムであって、
前記第２の運転モード及び前記第４の運転モードの少なくともいずれか一方において、発電機トルクを一定に制御することを特徴とする風力発電システム。
請求項１に記載の風力発電システムであって、
前記第１のロータ回転速度及び前記第２のロータ回転速度は、予め設定された数値または前記風力発電システムの状態を計測するセンサの出力値に基づいて設定された数値のいずれかであることを特徴とする風力発電システム。
請求項１に記載の風力発電システムであって、
前記制御装置は、ロータ回転速度が上昇して前記第１のロータ回転速度を越えた場合、前記第１の運転モードに移行する前に、ロータ回転速度を保持しながら発電機トルクを第３または第４の発電機トルク値まで上昇させる第５の運転モードに移行し、
ロータ回転速度が低下して前記第２のロータ回転速度を越えた場合、前記第３の運転モードに移行する前に、ロータ回転速度を保持しながら発電機トルク値を第１または第２の発電機トルク値まで下降させる第６の運転モードに移行することを特徴とする風力発電システム。
請求項１に記載の風力発電システムであって、
前記制御装置は、前記ロータのブレードのピッチ角を制御することでロータ回転速度を制御することを特徴とする風力発電システム。
ロータ回転速度が上昇して第１のロータ回転速度を越えた場合、発電機トルクを低下させる第１の運転モードに移行し、
前記第１の運転モードに移行した後、ロータ回転速度に対する発電機トルクの傾きが前記第１の運転モードと異なる第２の運転モードに移行し、
ロータ回転速度が低下して第２のロータ回転速度を越えた場合、発電機トルクを上昇させる第３の運転モードに移行し、
前記第３の運転モードに移行した後、ロータ回転速度に対する発電機トルクの傾きが前記第３の運転モードと異なる第４の運転モードに移行することを特徴とする風力発電システムの運転方法。
請求項７に記載の風力発電システムの運転方法であって、
ロータ回転速度が上昇して前記第１のロータ回転速度を越えた場合と、ロータ回転速度が低下して前記第２のロータ回転速度を越えた場合では、異なる発電機トルク及びロータ回転速度を設定することを特徴とする風力発電システムの運転方法。
請求項７に記載の風力発電システムの運転方法であって、
前記第２の運転モード及び前記第４の運転モードの少なくともいずれか一方において、発電機トルクを一定に制御することを特徴とする風力発電システムの運転方法。
請求項７に記載の風力発電システムの運転方法であって、
前記第１のロータ回転速度及び前記第２のロータ回転速度は、予め設定された数値または前記風力発電システムの状態を計測するセンサの出力値に基づいて設定された数値のいずれかであることを特徴とする風力発電システムの運転方法。
請求項７に記載の風力発電システムの運転方法であって、
ロータ回転速度が上昇して前記第１のロータ回転速度を越えた場合、前記第１の運転モードに移行する前に、ロータ回転速度を保持しながら発電機トルクを第３または第４の発電機トルク値まで上昇させる第５の運転モードに移行し、
ロータ回転速度が低下して前記第２のロータ回転速度を越えた場合、前記第３の運転モードに移行する前に、ロータ回転速度を保持しながら発電機トルク値を第１または第２の発電機トルク値まで下降させる第６の運転モードに移行することを特徴とする風力発電システムの運転方法。
請求項７に記載の風力発電システムの運転方法であって、
ロータのブレードのピッチ角を制御することでロータ回転速度を制御することを特徴とする風力発電システムの運転方法。