JP2026003473A - 風力発電装置及び風力発電装置の制御方法 - Google Patents

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

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。

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。

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。

特開２００７－１４６８５８号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 本実施例に係る風力発電装置の上面図である。 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。 一般的な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。 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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

ヨー角速度ωが所定の閾値ω_Ｌを下回った場合（ステップＳ２０３、ω＜ω_Ｌ）、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。

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。

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。

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ω_Ｈ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ω_Ｈ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ω_Ｈ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ω_Ｈ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（ω_Ｌ≦ω≦ω_Ｈ）、ヨー制御指令部１０２はステップＳ２０２に戻る。

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。

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。

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。

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

Claims (6)

1. 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、
   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。
2. 請求項１に記載の風力発電装置において、
   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。
3. 請求項１に記載の風力発電装置において、
   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。
4. 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、
   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。
5. 請求項４に記載の風力発電装置の制御方法において、
   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。
6. 請求項４に記載の風力発電装置の制御方法において、
   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。