JP2026003473A - Wind power generation device and method for controlling wind power generation device - Google Patents
Wind power generation device and method for controlling wind power generation deviceInfo
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Abstract
【課題】ヨー制御時に強風を受けても、各機器に過大な荷重、負荷が発生し、機器が損傷することを防ぎつつ、風向きへの追従性を確保し、設備利用率を向上する。
【解決手段】
本発明の風力発電装置は、ロータと、ロータを支持するナセルと、ナセルをヨー旋回可能に支持するタワーと、ナセルをヨー旋回させる駆動装置と、ナセルのヨー旋回を制動する制動装置と、風向風速計と、風向風速計が計測した風況に基づいて駆動装置および制動装置を制御する制御装置とを備え、ロータをナセルに対して風下に配設して発電するダウンウィンド型の風力発電装置であって、制御装置は、風況が所定の条件を満たしたとき、発電を継続しつつ前記制動装置を解除してフリーヨー状態とし、フリーヨー状態においてヨー旋回速度が第一の閾値より小さい状態が所定の時間継続したとき、駆動装置を起動することを特徴とする。
【選択図】図5
[Problem] To prevent damage to equipment due to excessive loads and stresses on each device even when subjected to strong winds during yaw control, while ensuring wind direction tracking and improving facility utilization rate.
[Solution]
The wind turbine generator of the present invention is a downwind type wind turbine generator that generates power by arranging the rotor downwind of the nacelle, and comprises a rotor, a nacelle that supports the rotor, a tower that supports the nacelle so that it can yaw, a drive device that causes the nacelle to yaw, a braking device that brakes the yaw rotation of the nacelle, a wind vane and anemometer, and a control device that controls the drive device and braking device based on the wind conditions measured by the anemometer. When the wind conditions satisfy predetermined conditions, the control device releases the braking device to enter a free yaw state while continuing to generate power, and when the yaw rotation speed in the free yaw state remains smaller than a first threshold for a predetermined period of time, the control device starts the drive device.
[Selected figure] Figure 5
Description
本発明は、風力発電装置及び風力発電装置の制御方法に関する。 The present invention relates to a wind turbine generator and a method for controlling a wind turbine generator.
一般的な風力発電装置においては、ロータすなわち複数のブレードとハブが風を最大限に受けるために、タワー頂部とナセルとの連結部にヨー駆動装置を設け、ロータの向きの制御すなわちヨー制御を行なっている。ヨー制御は、風向きとロータの向きに偏差が生じた場合、ヨー駆動装置により、ロータ面を風の方向に正対させる制御を行う。ヨー制御の際、風速や風向の急変が起こると、風荷重によって各機器に過大な荷重、負荷が発生し、機器の損傷を招く場合がある。 In typical wind turbines, a yaw drive unit is installed at the connection between the top of the tower and the nacelle to control the rotor's orientation, i.e., yaw control, so that the rotor (i.e., the multiple blades and hub) receives maximum wind force. Yaw control involves using the yaw drive unit to orient the rotor face directly toward the wind when there is a deviation between the wind direction and the rotor's orientation. During yaw control, if there is a sudden change in wind speed or direction, the wind load can place excessive loads on each piece of equipment, potentially resulting in damage to the equipment.
特許文献1には、地上や船上等の設置面に立設された支柱と、水平旋回方向に旋回自在に支持されたナセルと、複数の翼を備えて風力により回転せしめられるロータと、前記ナセル内に納められて前記ロータと接続する発電機とを備えた風車本体と、前記風車本体を旋回させる回動駆動機構と、風車本体の旋回を抑制するブレーキ装置とを備え、翼が受けた風力により発電機が接続されたロータが回転する風車の運転方法において、少なくとも前記ロータがダウンウィンド(風下)側となるまで前記風車本体を旋回させ、その後風車本体の旋回を風向きに自然追従させる技術が記載されている。 Patent Document 1 describes a method for operating a wind turbine comprising a support erected on an installation surface such as the ground or a ship, a nacelle supported so as to be rotatable in a horizontal direction, a rotor equipped with multiple blades that is rotated by wind force, a generator housed within the nacelle and connected to the rotor, a rotation drive mechanism for rotating the wind turbine body, and a brake device for suppressing the rotation of the wind turbine body. The method involves rotating the rotor connected to the generator due to wind force received by the blades, and then rotating the wind turbine body until the rotor is at least on the downwind side, after which the rotation of the wind turbine body is allowed to naturally follow the wind direction.
しかしながら、特許文献1に記載された技術はロータが風上側を向いた状態で発電するアップウインド型風力発電装置を対象としたものであり、ロータをダウンウィンド(風下)側に移行させた後に発電することを想定していない。発電中のダウンウィンド型風力発電装置において、特許文献1に記載の技術を用いて風車本体の旋回を風向きに自然追従させると、風向きへの追従が安定せず設備利用率が低下する場合がある。 However, the technology described in Patent Document 1 is intended for upwind wind turbines that generate power with the rotor facing upwind, and does not anticipate generating power after the rotor is moved downwind. In a downwind wind turbine that is generating power, if the technology described in Patent Document 1 is used to cause the rotation of the wind turbine body to naturally follow the wind direction, the wind direction tracking may become unstable, resulting in a decrease in capacity utilization.
機器の損傷を防ぐ(長寿命)ダウンウィンド型風力発電装置の制御方法を確立し、風力発電装置の設備利用率を向上することが望まれる。 It is desirable to establish a control method for downwind wind power generation equipment that prevents damage to the equipment (long life) and improves the utilization rate of wind power generation equipment.
本発明の目的は、ヨー制御時に強風を受けても、各機器に過大な荷重、負荷が発生し、機器が損傷することを防ぎつつ、風向きへの追従性を確保し、設備利用率を向上することが可能な風力発電装置及び風力発電装置の制御方法を提供することにある。 The object of the present invention is to provide a wind turbine generator and a control method for such a generator that can ensure wind direction tracking and improve facility utilization, while preventing excessive loads and damage to each piece of equipment even when subjected to strong winds during yaw control.
本発明の風力発電装置は、ロータと、前記ロータを支持するナセルと、前記ナセルをヨー旋回可能に支持するタワーと、前記ナセルをヨー旋回させる駆動装置と、前記ナセルのヨー旋回を制動する制動装置と、風向風速計と、前記風向風速計が計測した風況に基づいて前記駆動装置および前記制動装置を制御する制御装置と、を備え、前記ロータを前記ナセルに対して風下に配設して発電するダウンウィンド型の風力発電装置であって、前記制御装置は、風況が所定の条件を満たしたとき、発電を継続しつつ前記制動装置を解除してフリーヨー状態とし、フリーヨー状態においてヨー旋回速度が第一の閾値より小さい状態が所定の時間継続したとき、前記駆動装置を起動することを特徴とする。 The wind turbine generator of the present invention comprises a rotor, a nacelle supporting the rotor, a tower supporting the nacelle so that it can yaw, a drive unit for yaw-rotating the nacelle, a braking unit for braking the yaw rotation of the nacelle, an anemometer, and a control device for controlling the drive unit and the braking unit based on wind conditions measured by the anemometer. It is a downwind-type wind turbine generator that generates power with the rotor positioned downwind of the nacelle, and is characterized in that, when wind conditions meet predetermined conditions, the control device releases the braking unit to enter a free-yaw state while continuing power generation, and activates the drive unit when the yaw rotation speed in the free-yaw state remains below a first threshold for a predetermined period of time.
又は、本発明の風力発電装置の制御方法は、ロータと、前記ロータを支持するナセルと、前記ナセルをヨー旋回可能に支持するタワーと、前記ナセルをヨー旋回させる駆動装置と、前記ナセルのヨー旋回を制動する制動装置と、風向風速計と、を備える風力発電装置の制御方法であって、前記風向風速計が計測した風況が所定の条件を満たしたとき、発電を継続しつつ前記制動装置を解除してフリーヨー状態とし、フリーヨー状態においてヨー旋回速度が第一の閾値より小さい状態が所定の時間継続したとき、前記駆動装置を起動することを特徴とする。 Alternatively, the present invention provides a control method for a wind turbine generator comprising a rotor, a nacelle supporting the rotor, a tower supporting the nacelle so that it can yaw, a drive unit for yaw-rotating the nacelle, a braking unit for braking the yaw rotation of the nacelle, and an anemometer, characterized in that when the wind conditions measured by the anemometer satisfy predetermined conditions, the braking unit is released to enter a free-yaw state while continuing power generation, and when the yaw rotation speed in the free-yaw state remains below a first threshold for a predetermined period of time, the drive unit is started.
本発明によると、ヨー制御時に強風を受けても、各機器に過大な荷重、負荷が発生し、機器が損傷することを防ぎつつ、風向きへの追従性を確保し、設備利用率を向上することが可能な風力発電装置及び風力発電装置の制御方法を提供することができる。 This invention provides a wind turbine generator and a control method for a wind turbine generator that can prevent excessive loads and damage to each piece of equipment, even when subjected to strong winds during yaw control, while ensuring wind direction tracking and improving equipment utilization rate.
本発明の実施例による風力発電装置について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本明細書で用いる図面において、同一の又は対応する構成要素には同一の符号を付け、これらの構成要素については繰り返しの説明を省略する場合がある。 A wind turbine generator according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that in the drawings used in this specification, identical or corresponding components will be designated by the same reference numerals, and repeated explanations of these components may be omitted.
図1は、本実施例に係る風力発電装置の全体概要を示す図である。図1に示すように、風力発電装置1は、ダウンウィンド型であり、図示上で左から右への風によりブレード2が回転し発電する。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。 Figure 1 is a diagram showing the overall outline of a wind turbine generator according to this embodiment. As shown in Figure 1, the wind turbine generator 1 is a downwind type, and generates electricity by rotating blades 2 due to wind blowing from left to right in the figure. It is equipped with a rotor 4 consisting of multiple blades 2 and a hub 3 to which the blades 2 are connected. Note that there may be only one blade 2. The rotor 4 is connected to a nacelle 6 via a rotating shaft (not shown), and the position of the blades 2 can be changed by rotating the rotor 4.
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。 Furthermore, each blade 2 can be rotated around its vertical axis by a blade rotation mechanism 5 to change its angle (pitch angle). A nacelle 6 rotatably supports the rotor 4. The nacelle 6 is equipped with a generator 7. When the blades 2 catch wind, the rotor 4 rotates, and this rotational force rotates the generator 7 to generate electricity, and a power converter 8 adjusts the rotational speed of the rotor 4 and the power of the wind turbine generator 1. In this embodiment, the nacelle 6 is installed on a tower 9, and can yaw around the vertical axis by a yaw rotation mechanism 10 (also called a yaw adjustment device).
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6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。 The control device 20 controls the generator 7, blade rotation mechanism 5, and yaw rotation mechanism 10 based on the wind direction θw and wind speed Vw detected by the wind direction and speed sensor 11, which detects wind direction and speed. In this embodiment, the wind direction and speed sensor 11 is assumed to be a low-cost, common sensor with an arrow-type wind vane and a cup-type anemometer, but it may also be a lidar such as a Doppler lidar, or an ultrasonic anemometer. The wind direction and speed sensor 11 may also be attached to the wind power generation device, such as the nacelle 6 or tower, or may be attached to a separate structure from the wind power generation device, such as a mast.
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)、駆動装置(ヨーモータ)、制動装置(ヨーモータのモータ軸まわりに設置された電磁ブレーキ、ヨー旋回軸まわりに設置された油圧ブレーキ等のヨーブレーキ)等から構成されている。ヨーモータの回生、電磁ブレーキや油圧ブレーキの制御によって、ヨー旋回を制動することが可能に構成されている。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。 The yaw rotation mechanism 10 is composed of a yaw bearing, yaw gear (gear for yaw rotation), drive unit (yaw motor), braking unit (a yaw brake such as an electromagnetic brake installed around the motor shaft of the yaw motor or a hydraulic brake installed around the yaw rotation axis), etc. It is configured to be able to brake yaw rotation by controlling the regeneration of the yaw motor and the electromagnetic and hydraulic brakes. It is equipped with a pitch actuator that can change the angle of the blades 2 relative to the hub 3, a power converter that controls the active power and reactive power output by the generator 7, and sensors that detect electrical or mechanical signals, etc., in appropriate positions. The wind turbine shown in Figure 1 is a downwind type that generates electricity using wind blowing from the nacelle 6 toward the blades 2.
図2は、本実施例に係る風力発電装置の上面図である。図1の上面図(平面図)であり、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。 Figure 2 is a top view (plan view) of the wind turbine generator according to this embodiment. It is a top view (plan view) of Figure 1, and illustrates the relationship between the wind direction relative to a predetermined reference direction defined as θw, the direction of the rotor rotation axis relative to the predetermined reference direction defined as θr, and the yaw deviation angle, which is the deviation angle from the wind direction θw to the rotor axis angle θr, defined as Δθ.
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6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。 Here, the "predetermined reference direction" refers to, for example, north being set as 0°. Note that the reference direction is not limited to north and can be set arbitrarily. Note that the wind direction θw may be a value acquired at each measurement cycle, an average direction over a predetermined period, a direction filtered through a filter that passes only a predetermined frequency range, or a direction calculated based on the surrounding wind distribution. Furthermore, the rotor shaft angle θr may be the direction in which the rotor rotation axis faces, the direction of the nacelle 6, or a value measured by an encoder on the yaw rotation unit. The yaw rotation mechanism 10 is controlled by the control device 20 so that the yaw deviation angle Δθ is reduced.
図3は、本実施例の風力発電装置の制御装置のブロック図である。つまり、図1に示す制御装置20を構成するヨー制御部100の機能を示すブロック図である。図3に示すように、ヨー制御部100は、ヨー偏差角Δθを求めるヨー偏差角算出部101と、ヨー偏差角Δθに基づいてヨー旋回の開始/駆動/停止を制御するヨー制御指令を定めるヨー制御指令部102により構成されている。 Figure 3 is a block diagram of the control device for the wind turbine generator of this embodiment. That is, it is a block diagram showing the functions of the yaw control unit 100 that constitutes the control device 20 shown in Figure 1. As shown in Figure 3, the yaw control unit 100 is made up of a yaw deviation angle calculation unit 101 that calculates the yaw deviation angle Δθ, and a yaw control command unit 102 that determines a yaw control command that controls the start/drive/stop of yaw rotation based on the yaw deviation angle Δθ.
ヨー偏差角算出部101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、ヨー偏差角算出部101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や、移動平均に代表される、直前の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。 The yaw deviation angle calculation unit 101 determines the yaw deviation angle Δθ based on the rotor shaft angle θr and the wind direction θw. As shown in Figure 2, this yaw deviation angle Δθ is the difference between the wind direction θw and the rotor shaft angle θr, and indicates how far the rotor shaft deviates from the wind direction. Here, the wind direction θw is not limited to a value detected by the wind direction and wind speed sensor 11 installed on the nacelle, but may use a value installed on the ground or elsewhere. Furthermore, the yaw deviation angle calculation unit 101 may use a filter, such as a low-pass filter, that passes only a specified frequency range of the yaw deviation angle Δθ, or a statistical value, such as a moving average, that uses the average value of values over a specified period of time. Alternatively, it may perform a Fourier transform.
ヨー制御指令部102は、風況(風速、風向)に基づいてヨー旋回機構10を制御する。例えばヨー偏差角Δθが所定の閾値以上(所定の条件の一例)になったとき、ヨー旋回指令をONにし、ヨー制御動作を開始する。ヨー制御動作を開始すると、ヨー制御指令部102は、ヨー偏差角Δθが小さくなるように、ロータ軸角度θrの目標角θpを設定し、ヨーモータやヨーブレーキを制御する。目標角θpとしては、例えば直前の所定期間の風向θwの平均値や、該平均値を利用する統計値を用いる。ヨーモータやヨーブレーキの制御によってロータ軸角度θrと目標角θpとの差が所定の閾値を下回った場合、ヨー制御指令部102はヨー旋回指令を終了し(ヨー旋回指令OFF)、ヨー旋回が停止するようヨーモータやヨーブレーキを制御する。このとき、ヨー旋回指令のON、OFFの切替の際に参照する所定の閾値は異なる値を設定してもよい。 The yaw control command unit 102 controls the yaw rotation mechanism 10 based on wind conditions (wind speed and direction). For example, when the yaw deviation angle Δθ exceeds a predetermined threshold (an example of a predetermined condition), it turns on the yaw rotation command and initiates yaw control operation. Once yaw control operation is initiated, the yaw control command unit 102 sets a target angle θp for the rotor shaft angle θr and controls the yaw motor and yaw brake so that the yaw deviation angle Δθ decreases. For example, the target angle θp may be the average value of the wind direction θw over the previous predetermined period, or a statistical value utilizing this average value. If the difference between the rotor shaft angle θr and the target angle θp falls below a predetermined threshold due to control of the yaw motor or yaw brake, the yaw control command unit 102 terminates the yaw rotation command (turns off the yaw rotation command) and controls the yaw motor or yaw brake to stop yaw rotation. In this case, the predetermined threshold referenced when switching the yaw rotation command on or off may be set to a different value.
また、本実施例に係るヨー制御指令部102は、ロータ軸角度θrの時系列データから、ロータ軸角度θrの時間変化率であるヨー角速度ωを算出する。ヨー制御指令部102は、目標角θpおよびヨー角速度ωに基づいてヨーモータ、ヨーブレーキを制御する。以降、ヨー角速度ωは、ロータ軸角度θrから目標角θpに近づく回転方向のときを正の値とする。ヨー制御指令部102によるヨーモータ、ヨーブレーキの制御の詳細については後記する。 The yaw control command unit 102 according to this embodiment also calculates the yaw angular velocity ω, which is the time rate of change of the rotor shaft angle θr, from the time-series data of the rotor shaft angle θr. The yaw control command unit 102 controls the yaw motor and yaw brake based on the target angle θp and the yaw angular velocity ω. Hereinafter, the yaw angular velocity ω is defined as a positive value when the rotation direction approaches the target angle θp from the rotor shaft angle θr. Details of the control of the yaw motor and yaw brake by the yaw control command unit 102 will be described later.
図4を参照して、一般的な風力発電装置の発電中のヨー制御動作について説明する。図4は一般的な風力発電装置のヨー制御動作を示すフローチャートである。 The yaw control operation of a typical wind turbine generator during power generation will be described with reference to Figure 4. Figure 4 is a flowchart showing the yaw control operation of a typical wind turbine generator.
図4に示すように、ヨー旋回指令がONになると、ヨー制御指令部は、ステップS11に示すようにヨーブレーキをOFFにするよう制御する(ステップS11)。ヨーブレーキをOFFにしてから所定の時間(例えば1.0sec)が経過した後、ヨー制御指令部102はヨーモータをONにし、風向きとロータの向きが正対するように駆動モータを制御する(ステップS12)。ヨー制御指令部102はヨー旋回指令がOFFになるまでヨーモータONを継続し(ステップS14)、ヨー旋回指令がOFFとなれば(ステップS13)、ヨーモータをOFFに、ヨーブレーキをONとし(ステップS15)、ヨー制御動作は終了する。 As shown in FIG. 4, when the yaw rotation command is turned ON, the yaw control command unit controls the yaw brake to be turned OFF (step S11), as shown in step S11. After a predetermined time (e.g., 1.0 sec) has elapsed since the yaw brake was turned OFF, the yaw control command unit 102 turns the yaw motor ON and controls the drive motor so that the rotor's direction is aligned with the wind direction (step S12). The yaw control command unit 102 keeps the yaw motor ON until the yaw rotation command is turned OFF (step S14). When the yaw rotation command is turned OFF (step S13), the yaw motor is turned OFF and the yaw brake is turned ON (step S15), and the yaw control operation ends.
ところで、風力発電装置は、ヨーモータによるヨー制御動作中に強風を受けると、風荷重によって各機器に過大な荷重、負荷が発生し、機器の損傷を招く場合がある。そこで、実施例1の風力発電装置は、過大な荷重、負荷が発生する状況でのヨーモータによるヨー制御動作を避けるように構成される。 However, if a wind turbine generator is subjected to strong winds while performing yaw control using the yaw motor, the wind load can cause excessive loads on each piece of equipment, potentially resulting in damage to the equipment. Therefore, the wind turbine generator of Example 1 is configured to avoid yaw control using the yaw motor in situations where excessive loads are occurring.
図5は、本実施例の風力発電装置のヨー制御動作のフローチャートを示す図である。図5を用い、本実施例に係る風力発電装置の発電中のヨー制御動作について説明する。 Figure 5 is a flowchart showing the yaw control operation of the wind turbine generator of this embodiment. Using Figure 5, we will explain the yaw control operation during power generation of the wind turbine generator of this embodiment.
図5に示すように、ヨー制御指令部は、ヨー旋回指令がONになると、ヨーブレーキをOFFにするよう制御する(ステップS201)。従来のヨー制御と異なり、本実施例のヨー制御方式においては、ヨー制動手段をOFFとしてから、所定の条件(ステップS203の説明にて後記する)を満たさない限り駆動モータをONにしない。これによりナセルは風の力によりヨー旋回される(フリーヨー状態)。ヨー旋回指令がONになっている間(ステップS202、NO)、ヨー制御指令部はヨー角速度ωに基づいてヨーモータ、ヨーブレーキを制御する。 As shown in Figure 5, when the yaw rotation command is ON, the yaw control command unit controls the yaw brake to be turned OFF (step S201). Unlike conventional yaw control, in the yaw control method of this embodiment, after the yaw braking means is turned OFF, the drive motor is not turned ON unless a predetermined condition (described later in the explanation of step S203) is met. This causes the nacelle to yaw rotate due to the force of the wind (free yaw state). While the yaw rotation command is ON (step S202, NO), the yaw control command unit controls the yaw motor and yaw brake based on the yaw angular velocity ω.
ヨー角速度ωが所定の閾値ωLを下回った場合(ステップS203、ω<ωL)、ヨー制御指令部はステップS204に進む。閾値ωLとしては、ナセルのヨー旋回がほぼ停止していると判断されるような値が用いられ、例えば0.2deg/sが用いられる。ヨー角速度ωが負、すなわちナセルが目標角θpに対して反対方向に回転し始めた場合(ステップS204、Yes)、ヨー制御指令部はステップS206に進み、ヨーモータをON(起動)にする。ヨーモータをONにした後、ヨー制御指令部102はステップS202に戻る。このように構成することで、例えば一時的な突風によりナセルが逆方向に旋回してしまう場合に、風向への追従性を高めることができる。 If the yaw angular velocity ω falls below a predetermined threshold ωL (step S203, ω< ωL ), the yaw control command unit proceeds to step S204. As the threshold ωL, a value is used that determines that the yaw rotation of the nacelle has almost stopped, for example, 0.2 deg/s. If the yaw angular velocity ω is negative, that is, if the nacelle has started to rotate in the opposite direction to the target angle θp (step S204, Yes), the yaw control command unit proceeds to step S206 and turns on (starts) the yaw motor. After turning on the yaw motor, the yaw control command unit 102 returns to step S202. With this configuration, it is possible to improve the ability to follow the wind direction, for example, when a temporary gust of wind causes the nacelle to rotate in the opposite direction.
ヨー角速度ωが0以上のとき、すなわちナセルのヨー旋回が停止若しくはごく低速になっている場合(ステップS204、Nо)、ステップS205に進む。ヨー旋回が停止若しくはごく低速になっている状態が所定の時間継続した場合(ステップS205、Yes)、ヨー制御指令部はステップS206に進み、ヨーモータをONにする。
所定の時間としては、風によりナセルがヨー旋回方向に加速するのに十分な時間を設定することが望ましい。所定の時間継続した場合にのみヨーモータをONにすることで、加速段階や不安定な風況下でのヨーモータ起動を抑制し、各機器に過大な負荷が生じることを防ぐことができる。
If the yaw angular velocity ω is equal to or greater than 0, i.e., if the yaw rotation of the nacelle has stopped or is at an extremely low speed (No in step S204), the process proceeds to step S205. If the state in which the yaw rotation has stopped or is at an extremely low speed continues for a predetermined time (Yes in step S205), the yaw control command unit proceeds to step S206 and turns on the yaw motor.
The predetermined time is preferably set to a time sufficient for the wind to accelerate the nacelle in the yaw rotation direction. By turning on the yaw motor only after the predetermined time has passed, activation of the yaw motor during the acceleration phase or in unstable wind conditions can be suppressed, preventing excessive loads on each device.
ヨーモータを起動、ONにした後、ヨー制御指令部はステップS202に戻る。ヨー旋回が停止若しくはごく低速になっている状態が所定の時間継続しなかった場合(ステップS205、No)、ヨー制御指令部はヨーモータを動作させずにステップS202に戻る。このように構成することで、例えば風による旋回力が十分ではなく、ヨー偏差角Δθが所定の閾値を下回る前にヨー旋回が停止してしまった場合にも、ヨーモータを起動し風向へ追従させることができる。 After starting and turning on the yaw motor, the yaw control command unit returns to step S202. If the yaw rotation does not remain stopped or at a very low speed for a predetermined period of time (step S205, No), the yaw control command unit returns to step S202 without operating the yaw motor. By configuring it in this way, the yaw motor can be started to follow the wind direction even if, for example, the turning force caused by the wind is insufficient and the yaw rotation stops before the yaw deviation angle Δθ falls below a predetermined threshold.
ステップS203の説明に戻ると、ステップS203において、ヨー角速度ωが所定の閾値ωHより大きくなった場合、ヨー制御指令部102はヨーモータの回生動作やヨーブレーキの起動により、ヨー角速度ωがωHを下回るようにヨー旋回を制動する(ステップS207)。ヨー角速度ωがωHを下回ると(ステップS208、Yes)、ヨー制御指令部102はヨーモータ、ヨーブレーキをOFFにしヨー旋回の制動を停止し(ステップS209)、ステップS202に戻る。閾値ωHとしては、例えば従来のヨー旋回速度の設定値(0.6deg/s)や、各機器における許容旋回速度(3.8deg/s)を用いることができる。ステップS203において、ヨー角速度ωが所定の範囲内に収まる場合(ωL≦ω≦ωH)、ヨー制御指令部102はステップS202に戻る。 Returning to the explanation of step S203, if the yaw angular velocity ω becomes larger than a predetermined threshold ωH in step S203, the yaw control command unit 102 brakes the yaw rotation by regenerating the yaw motor or activating the yaw brake so that the yaw angular velocity ω becomes less than ωH (step S207). If the yaw angular velocity ω becomes less than ωH (step S208, Yes), the yaw control command unit 102 turns off the yaw motor and the yaw brake to stop braking the yaw rotation (step S209), and returns to step S202. As the threshold ωH , for example, a conventional yaw rotation speed setting value (0.6 deg/s) or an allowable rotation speed (3.8 deg/s) for each device can be used. If the yaw angular velocity ω falls within a predetermined range ( ωL ≦ ω≦ ωH ) in step S203, the yaw control command unit 102 returns to step S202.
ヨー旋回指令がOFFになると(ステップS202、Yes)、ヨー制御指令部102はヨーモータをOFFに、ヨーブレーキをONにし、ヨー旋回動作を停止させ(ステップS210)、ヨー制御動作を終了する。 When the yaw rotation command is turned OFF (step S202, Yes), the yaw control command unit 102 turns OFF the yaw motor and turns ON the yaw brake, stopping the yaw rotation operation (step S210), and ending the yaw control operation.
本実施例に開示した制御動作によれば、ヨー制御動作中に強風を受けても、フリーヨー状態を活用することで、風荷重によって各機器に過大な荷重、負荷が発生し、機器が損傷することを防ぐことができる。更にヨー角速度に応じてヨー制御動作を実行することで、風向きが不安定な場合でも風向きへの追従性を確保し、設備利用率を向上させることができる。 The control operation disclosed in this embodiment makes use of the free yaw state, even when strong winds are encountered during yaw control operation, and prevents excessive loads and stresses on each piece of equipment due to wind loads, which could result in damage to the equipment. Furthermore, by performing yaw control operation according to the yaw angular velocity, it is possible to ensure wind direction tracking even when the wind direction is unstable, thereby improving equipment utilization rate.
なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記の実施例は、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、本発明は、必ずしも説明した全ての構成を備える態様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る。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、削除したり、他の構成を追加・置換したりすることが可能である。 The present invention is not limited to the above-described examples, and various modifications are possible. For example, the above-described examples have been described in detail to clearly explain the present invention, and the present invention is not necessarily limited to embodiments that include all of the described configurations. Furthermore, it is possible to replace part of the configuration of one example with the configuration of another example. It is also possible to add the configuration of another example to the configuration of one example. It is also possible to delete part of the configuration of each example, or to add or replace other configurations.
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、
100…ヨー制御部、
101…ヨー偏差角算出部、
102…ヨー制御指令部、
θr…ロータ軸角度、
θw…風向、
Δθ…ヨー偏差角、
ω…ヨー角速度
1...wind power generation device,
2...Blade,
3...hub,
4...rotor,
5...Blade rotation mechanism,
6... Nacelle,
7... Generator,
8...power converter,
9...Tower,
10... Yaw rotation mechanism,
11...wind direction and speed sensor,
20...control device,
100...Yaw control unit,
101... Yaw deviation angle calculation unit,
102...Yaw control command unit,
θr: rotor shaft angle,
θw...Wind direction,
Δθ: yaw deviation angle,
ω: Yaw angular velocity
Claims (6)
前記制御装置は、
前記風況が所定の条件を満たしたとき、発電を継続しつつ前記制動装置を解除してフリーヨー状態とし、
前記フリーヨー状態においてヨー旋回速度が第一の閾値より小さい状態が所定の時間継続したとき、前記駆動装置を起動することを特徴とする風力発電装置。 a rotor, a nacelle supporting the rotor, a tower supporting the nacelle so that the nacelle can yaw rotate, a drive device for yaw rotating the nacelle, a braking device for braking the yaw rotation of the nacelle, a wind vane and anemometer, and a control device for controlling the drive device and the braking device based on wind conditions measured by the wind vane and anemometer, wherein the rotor is disposed downwind of the nacelle to generate power,
The control device
When the wind conditions satisfy predetermined conditions, the braking device is released to enter a free-yaw state while continuing to generate power,
The wind turbine generator is characterized in that, when a state in which the yaw rotation speed in the free yaw state is smaller than a first threshold value continues for a predetermined time, the drive device is started.
前記制御装置は、前記風況に基づいてヨー旋回の目標角を設定し、前記フリーヨー状態において前記ナセルが前記目標角とは逆方向に旋回したとき、前記所定の時間が継続する前に前記駆動装置を起動することを特徴とする風力発電装置。 The wind turbine generator according to claim 1,
the control device sets a target angle for yaw rotation based on the wind conditions, and when the nacelle rotates in the direction opposite to the target angle in the free yaw state, starts the drive device before the predetermined time period continues.
前記制御装置は、前記フリーヨー状態においてヨー旋回速度が前記第一の閾値より大きい第二の閾値より大きいとき、前記駆動装置および/又は前記制動装置を制御しヨー旋回速度を低下させることを特徴とする風力発電装置。 The wind turbine generator according to claim 1,
The wind turbine generator is characterized in that, when the yaw rotation speed in the free yaw state is greater than a second threshold value that is greater than the first threshold value, the control device controls the drive device and/or the braking device to reduce the yaw rotation speed.
前記風向風速計が計測した風況が所定の条件を満たしたとき、発電を継続しつつ前記制動装置を解除してフリーヨー状態とし、
前記フリーヨー状態においてヨー旋回速度が第一の閾値より小さい状態が所定の時間継続したとき、前記駆動装置を起動することを特徴とする風力発電装置の制御方法。 A control method for a wind turbine generator including a rotor, a nacelle supporting the rotor, a tower supporting the nacelle so that the nacelle can yaw, a drive device for yaw rotating the nacelle, a braking device for braking the yaw rotation of the nacelle, and a wind vane and anemometer,
When the wind conditions measured by the anemometer satisfy predetermined conditions, the braking device is released to enter a free-yaw state while continuing to generate power,
A control method for a wind turbine generator, comprising starting the drive device when a state in which the yaw rotation speed in the free yaw state is smaller than a first threshold value continues for a predetermined time.
前記風況に基づいてヨー旋回の目標角を設定し、前記フリーヨー状態において前記ナセルが前記目標角とは逆方向に旋回したとき、前記所定の時間が継続する前に前記駆動装置を起動することを特徴とする風力発電装置の制御方法。 The method for controlling a wind turbine generator according to claim 4,
a control method for a wind turbine generator, characterized in that a target angle for yaw rotation is set based on the wind conditions, and when the nacelle rotates in a direction opposite to the target angle in the free yaw state, the drive unit is started before the predetermined time period continues.
前記フリーヨー状態においてヨー旋回速度が前記第一の閾値より大きい第二の閾値より大きいとき、前記駆動装置および/又は前記制動装置を制御しヨー旋回速度を低下させることを特徴とする風力発電装置の制御方法。 The method for controlling a wind turbine generator according to claim 4,
A control method for a wind turbine generator, characterized in that when the yaw rotation speed in the free yaw state is greater than a second threshold value that is greater than the first threshold value, the drive device and/or the brake device are controlled to reduce the yaw rotation speed.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2024101443A JP2026003473A (en) | 2024-06-24 | 2024-06-24 | Wind power generation device and method for controlling wind power generation device |
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