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技術 風力発電システムとその制御方法

出願人 株式会社日立製作所
発明者 角谷啓
出願日 2018年9月12日 (2年2ヶ月経過) 出願番号 2018-170248
公開日 2020年3月19日 (8ヶ月経過) 公開番号 2020-041498
状態 未査定
技術分野 発電機の制御
主要キーワード 所定風速 動揺制御 風速領域 風車タワー ピッチアクチュエータ ブロック線 利用発電 ブレードピッチ角
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図面 (13)

課題

追加コストを不要としながら、風速がV2からV3の条件でナセルピッチ角度振動を十分に抑制できる風力発電システムを提供する。

解決手段

ピッチ角度を変更可能なブレードを有する風力発電システムの制御装置を備え、制御装置は、ブレードのブレードピッチ角度指令値を与える発電機回転速度制御部と、ブレードのブレードピッチ角度指令値を与える電力制御部と、発電機回転速度に応じた発電機トルクとすべく発電機トルク指令値を定める発電機トルク制御部を備え、発電機回転速度制御部と電力制御部が与えるブレードピッチ角度指令値の和によりブレードピッチ角度を制御するとともに、発電機トルク制御部は、ナセル近傍の風速を示すナセル風速に基づき、発電機が発生するトルクである発電機トルクの可変の下限値を決定し、発電機トルク制御部が与える発電機トルク指令値を可変の下限値以上に調整することを特徴とする風力発電システム。

概要

背景

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、ロータ回転速度運転範囲可変とする可変速運転を実施している。

上記可変速制御は風力発電システムの発電電力を調整できる有効な手段であるが、当該風力発電システムが洋上に浮かべられる土台(以下、浮体)に設置された場合には、浮体の前後方向の角度(以下、ナセルピッチ角度)の固有振動励起させる、すなわち共振が発生する場合がある。この振動は一般的にネガティブダンピング現象と呼ばれている。

ネガティブダンピング現象の発生原因は、上記可変速制御によるブレードピッチ角度の操作である。ロータ回転速度(または発電機回転速度)を定格値に保持するようにブレードピッチ角度を操作することが、ナセルピッチ角度の固有振動を励起するように、ロータが風から前後方向に受ける力であるスラスト力増減させてしまうためである。対策が施されなければナセルピッチ角度の振動振幅が増加し、タワーや他構造物荷重増加、疲労蓄積に繋がる。

上記ネガティブダンピング現象を抑制する手段として、特許文献1「風力発電装置およびそのアクティブ制振方法並びに風車タワー」が知られている。特許文献1の手法は、これを要約すると、「ナセルに取り付けられ、該ナセルの振動の加速度を検出する加速度計と、前記加速度計により検出された加速度に基づき、前記ナセルの振動を打ち消すように前記風車ブレードにスラスト力を発生させるための該風車ブレードのピッチ角を算出する」ものである。

またナセルピッチ角度の振動励起を低減する手段として、特許文献2に開示の「風力発電装置及びその運転制御方法」が知られている。特許文献2の手法は、これを要約すると、「風力発電装置1は、風力発電装置1に作用する現在の風速を取得するための現在風速取得部24と、風車前方の計測位置で風速計測を行って、現在から所定時間経過後にブレード2に作用する将来の風速を計測するための風速計測器20と、少なくとも前記現在の風速および前記将来の風速に基づいて、現在から前記所定時間経過するまでの間の風速を予測するための風速予測部(36、56)と、予測された風速に基づいて風力発電装置1の運転制御を行う」ものである。

概要

追加コストを不要としながら、風速がV2からV3の条件でナセルピッチ角度の振動を十分に抑制できる風力発電システムを提供する。ピッチ角度を変更可能なブレードを有する風力発電システムの制御装置を備え、制御装置は、ブレードのブレードピッチ角度指令値を与える発電機回転速度制御部と、ブレードのブレードピッチ角度指令値を与える電力制御部と、発電機回転速度に応じた発電機トルクとすべく発電機トルク指令値を定める発電機トルク制御部を備え、発電機回転速度制御部と電力制御部が与えるブレードピッチ角度指令値の和によりブレードピッチ角度を制御するとともに、発電機トルク制御部は、ナセル近傍の風速を示すナセル風速に基づき、発電機が発生するトルクである発電機トルクの可変の下限値を決定し、発電機トルク制御部が与える発電機トルク指令値を可変の下限値以上に調整することを特徴とする風力発電システム。

目的

本発明では、追加コストを不要としながら、風速がV2からV3の条件でナセルピッチ角度の振動を十分に抑制できる風力発電システムとその制御方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

ピッチ角度を変更可能なブレードを有すると共に風を受けて回転するロータと、前記ロータの回転エネルギーを用いて発電する発電機をナセル内に備える風力発電システムであって、前記風力発電システムに含まれる機器を制御する制御装置を備え、前記制御装置は、第1と第2の風速で定まる風速範囲外において固定の発電機目標回転速度に、また第1と第2の風速で定まる風速範囲内において可変の発電機目標回転速度に発電機回転速度帰還制御し、前記ブレードのブレードピッチ角度指令値を与える発電機回転速度制御部と、第3の風速以上の風速範囲において固定の目標発電電力に、また少なくとも第2の風速と第3の風速で定まる風速範囲内において可変の目標発電電力に発電電力を帰還制御し、前記ブレードのブレードピッチ角度指令値を与える電力制御部と、発電機回転速度に応じた発電機トルクとすべく発電機トルク指令値を定める発電機トルク制御部を備え、前記発電機回転速度制御部と前記電力制御部が与えるブレードピッチ角度指令値の和によりブレードピッチ角度を制御するとともに、前記発電機トルク制御部は、前記第2の風速と第3の風速で定まる風速範囲内である場合に、前記ナセル近傍の風速を示すナセル風速に基づき、前記発電機が発生するトルクである発電機トルクの可変の下限値を決定し、前記発電機トルク制御部が与える発電機トルク指令値を前記可変の下限値以上に調整することを特徴とする風力発電システム。

請求項2

請求項1に記載の風力発電システムであって、前記第2の風速は発電機定格回転速度に至る風速であり、前記第3の風速は定格発電電力に至る風速であることを特徴とする風力発電システム。

請求項3

請求項1または請求項2に記載の風力発電システムであって、発電機トルクの可変の前記下限値は、ナセル風速が大きいほど大きい値の下限値とされていることを特徴とする風力発電システム。

請求項4

請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の風力発電システムであって、前記発電機トルク制御部は、発電機回転速度に応じた発電機トルクとすべく発電機トルク指令を与えるフィードバック制御部と、前記ナセル近傍の風速を示すナセル風速に基づき、前記発電機が発生するトルクである発電機トルクの可変の下限値を決定する発電機トルク下限値演算部と、前記フィードバック制御部からの発電機トルク指令および前記発電機トルク下限値演算部からの発電機トルクの可変の下限値のうち、大きな値を示すほうを発電機トルク指令として選択する発電機トルク指令値選択部を備えることを特徴とする風力発電システム。

請求項5

請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の風力発電システムであって、前記制御装置は、前記ナセルの適宜位置に設置され、前記ナセル風速を計測する風速センサ出力信号に基づいて前記ナセル風速を決定することを特徴とする風力発電システム。

請求項6

請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の風力発電システムであって、発電運転時ロータ位置がナセルよりも風下に配置するダウンウィンド型であることを特徴とする風力発電システム。

請求項7

請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の風力発電システムであって、風力発電システムは、洋上に浮かべられた土台である浮体上に設置されることを特徴とする風力発電システム。

請求項8

請求項7に記載の風力発電システムであって、前記制御装置は、ナセルピッチ角度に基づいてブレードピッチ角度指令値を決定する浮体動揺先生制御部を備え、前記発電機回転速度制御部と前記電力制御部と前記浮体動揺制御部が与えるブレードピッチ角度指令値の和によりブレードピッチ角度を制御することを特徴とする風力発電システム。

請求項9

ピッチ角度を変更可能なブレードを有すると共に風を受けて回転するロータと、前記ロータの回転エネルギーを用いて発電する発電機をナセル内に備える風力発電システムの制御方法であって、第1と第2の風速で定まる風速範囲外において固定の発電機目標回転速度に、また第1と第2の風速で定まる風速範囲内において可変の発電機目標回転速度に発電機回転速度を帰還制御し、前記ブレードについての第1のブレードピッチ角度指令値を与え、第3の風速以上の風速範囲において固定の目標発電電力に、また少なくとも第2の風速と第3の風速で定まる風速範囲内において可変の目標発電電力に発電電力を帰還制御し、前記ブレードについての第2のブレードピッチ角度指令値を与え、発電機回転速度に応じた発電機トルクとすべく発電機トルク指令値を定め、第1と第2のブレードピッチ角度指令値の和によりブレードピッチ角度を制御するとともに、前記第2の風速と第3の風速で定まる風速範囲内である場合に、前記ナセル近傍の風速を示すナセル風速に基づき、前記発電機が発生するトルクである発電機トルクの可変の下限値を決定し、前記発電機トルク指令値を前記可変の下限値以上に調整することを特徴とする風力発電システムの制御方法。

技術分野

0001

本発明は、風力発電システムとその制御方法係り、特に、浮体に発生する前後方向の振動を好適に低減する風力発電システムとその制御方法に関する。

背景技術

0002

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。

0003

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、ロータ回転速度運転範囲可変とする可変速運転を実施している。

0004

上記可変速制御は風力発電システムの発電電力を調整できる有効な手段であるが、当該風力発電システムが洋上に浮かべられる土台(以下、浮体)に設置された場合には、浮体の前後方向の角度(以下、ナセルピッチ角度)の固有振動励起させる、すなわち共振が発生する場合がある。この振動は一般的にネガティブダンピング現象と呼ばれている。

0005

ネガティブダンピング現象の発生原因は、上記可変速制御によるブレードピッチ角度の操作である。ロータ回転速度(または発電機回転速度)を定格値に保持するようにブレードピッチ角度を操作することが、ナセルピッチ角度の固有振動を励起するように、ロータが風から前後方向に受ける力であるスラスト力増減させてしまうためである。対策が施されなければナセルピッチ角度の振動振幅が増加し、タワーや他構造物荷重増加、疲労蓄積に繋がる。

0006

上記ネガティブダンピング現象を抑制する手段として、特許文献1「風力発電装置およびそのアクティブ制振方法並びに風車タワー」が知られている。特許文献1の手法は、これを要約すると、「ナセルに取り付けられ、該ナセルの振動の加速度を検出する加速度計と、前記加速度計により検出された加速度に基づき、前記ナセルの振動を打ち消すように前記風車ブレードにスラスト力を発生させるための該風車ブレードのピッチ角を算出する」ものである。

0007

またナセルピッチ角度の振動励起を低減する手段として、特許文献2に開示の「風力発電装置及びその運転制御方法」が知られている。特許文献2の手法は、これを要約すると、「風力発電装置1は、風力発電装置1に作用する現在の風速を取得するための現在風速取得部24と、風車前方の計測位置で風速計測を行って、現在から所定時間経過後にブレード2に作用する将来の風速を計測するための風速計測器20と、少なくとも前記現在の風速および前記将来の風速に基づいて、現在から前記所定時間経過するまでの間の風速を予測するための風速予測部(36、56)と、予測された風速に基づいて風力発電装置1の運転制御を行う」ものである。

先行技術

0008

特許第4599350号
特開2013−177885号公報

発明が解決しようとする課題

0009

特許文献1に開示された技術を適用することで、上記ネガティブダンピング現象を低減することが可能である。ただし、特許文献1に開示の技術を適用しても、所定の風速条件下ではナセルピッチ角度の振動を低減できないという新たな課題がある。

0010

また特許文献2に開示の手段を用いることで、将来の風況を予測し、ブレードピッチ角度を調整できることから、上述のフィードバック制御応答性が低い課題を解決することができる。ただし、特許文献2に開示の手段を実現するためには、ロータ前面の風況を把握する手段を追加設置する必要があることから、追加コストを要する。

0011

以下、本発明における解決すべき課題について、図1から図6を用いて詳細に説明する。本発明は、図1から図6に記載の事項基礎とし、その一部を改良したものであることから、後述する本発明の説明図面である図7から図12を、図1から図6と対比することで、本発明の理解を容易にしている。

0012

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。

0013

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。

0014

ブレード2の各々には、ブレード2とハブ3の位置関係、すなわちブレードピッチ角度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8を備えている。ピッチアクチュエータ8を用いてブレード2のブレードピッチ角度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。

0015

図1の風力発電システム1では、ナセル5はタワー9上に設置されており、タワー9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9に支持される。タワー9は、基部(図では省略)に設置され、地上、洋上、浮体等の所定位置に設置される。

0016

ナセル5に設置される発電機6は、タワー9内(またはナセル5内)に設置されるパワーコンディショニングシステム7によって発生するトルクが制御され、ロータ4の回転トルクを制御することができる。

0017

また、風力発電システム1はコントローラ10を備えている。コントローラ10は発電機6の回転速度を計測する回転速度センサ11と、ナセルの加速度またはナセルピッチ角度を計測するナセルピッチ角度センサ12と、ナセル近傍の風速を計測する風速センサ13と、パワーコンディショニングシステム7にて発電電力を計測する電力センサ14から信号を得、最終的にピッチアクチュエータ8と発電機6に制御信号を与え、これを制御している。

0018

より具体的には後述するように、コントローラ10は発電機6の回転速度を計測する回転速度センサ11と、パワーコンディショニングシステム7の電力センサ14にて計測する発電電力に基づき、コントローラ10が発電機6とピッチアクチュエータ8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。また、コントローラ10は、ナセルの加速度またはナセルピッチ角度を計測するセンサ12に基づき、ピッチアクチュエータ8を調整することで、ナセルピッチ角度の振動を低減する。なお、ナセル5上にはナセル近傍の風速を計測する風速センサ13が設置され、コントローラ10に入力される。

0019

図1ではコントローラ10はナセル5またはタワー9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9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。また、パワーコンディショニングシステム7がタワー9内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の所定位置に設置される形態であっても良い。

0020

次に、図2から図5を用いてコントローラ10に実装される運転制御手段について説明する。

0021

図2は、コントローラ10に実装される従来の運転制御手段の概要を示すブロック線図である。図2に示す運転制御手段は、可変速制御部21と浮体動揺制御部22により構成されている。可変速制御部21は、発電電力と発電機回転速度に基づいてブレードピッチ角度指令値を決定するブレードピッチ角度制御部23と、発電機回転速度に基づいて発電機トルク指令値を決定する発電機トルク制御部24を備える。また、浮体動揺制御部22はナセルピッチ角度に基づいてブレードピッチ角度指令値を決定する。浮体動揺制御部22の別形態として、ナセルの加速度を入力する形態もあるが、以下では、上述のようにナセルピッチ角度を入力として用いる形態を例に取って説明する。さらにコントローラ10では、可変速制御部21と浮体動揺制御部22が決定するブレードピッチ角度指令値を加算し、最終的なブレードピッチ角度指令値を決定する。

0022

図3は、可変速制御部21内の従来のブレードピッチ角度制御部23の概要を示すブロック線図である。ブレードピッチ角度制御部23は、発電機回転速度制御部23aと、電力制御部23bより構成される。発電機回転速度制御部23aは、発電機回転速度に基づいてブレードピッチ角度指令値を決定し、電力制御部23bは、発電電力に基づいてブレードピッチ角度指令値を決定し、2つの値を加算することで、ブレードピッチ角度制御部23の最終的なブレードピッチ角度指令値を決定する。なお、発電機回転速度制御部23aおよび電力制御部23bは、フィードバック制御の処理内容を備えている。

0023

図4は、可変速制御部21の従来の発電機トルク制御部24の概要を示すブロック線図である。発電機トルク制御部24は発電機回転速度に基づいてフィードバック制御により発電機トルク指令値を決定する。

0024

図5は、図2から図4に示すコントローラ10に実装される運転制御手段によって得られる風力発電システム1の特性を示す。図5横軸は風速、縦軸は図上方より発電電力、発電機回転速度、およびブレードピッチ角度を示す。図5において上方が、発電電力が高い、発電機回転速度が高い、ブレードピッチ角度がフェザー、を示す。

0025

図3に示したブレードピッチ角度制御部23内の発電機回転速度制御部23aは、発電機回転速度のほかに風速の情報も取り入れており、図5中段に示すように、風速V0からV1の条件で発電機回転速度をΩ1に保持し、風速V1からV2の条件で発電機回転速度をΩ1からΩ2へ増加させ、風速V2以上の条件では発電機回転速度をΩ2に保持する。ここで、上述のように発電機回転速度制御部23aがフィードバック制御の処理構造を備える場合には、風速V2以上の条件で発電機回転速度をΩ2に保持するようにブレードピッチ角度指令値をフェザー側に操作する。そのため、発電機回転速度制御部23aのみで構成された場合には、図5中の点線に示すようにブレードピッチ角度が風速V2以上でフェザー側に動作する。

0026

ブレードピッチ角度指令値をフェザー側に操作したことにより、ロータが受ける風力エネルギーが低下するために、発電電力がP1に制限されてしまう。このような発電電力制限を抑制するべくブレードピッチ角度制御部23内には発電機回転速度制御部23aのほかに電力制御部23bが設けられており、電力制御部23bは発電機回転速度がΩ2に保持され、かつ発電電力が定格Prated未満の場合に、ロータが受ける風力エネルギーを低下させないように、ブレードピッチ角度をファイン側に保持するようにブレードピッチ角度指令値を出力する。これによってブレードピッチ角度制御部23は、図5のブレードピッチ角度の実線に示すように、風速がV2からV3の条件でブレードピッチ角度をファイン側であるθfに保持する。

0027

以上の図2から図4に示したコントローラ10に実装される従来の運転制御手段の構成、並びに図5運転特性から明らかなように、コントローラ10は、可変速制御部21内の発電機回転速度制御部23aにより第1と第2の風速で定まる風速範囲内において変化する発電機目標回転速度に発電機回転速度を帰還制御し、第1と第2の風速で定まる風速範囲外において所定の発電機回転速度に固定する速度制御を実行し、可変速制御部21内の電力制御部23bにより発電機定格回転速度に相当する第2の風速と発電機定格電力に相当する第3の風速で定まる風速範囲において電力を目標電力に帰還制御し、第3の風速以上の風速範囲において電力を一定に保持する電力制御を実行すべく、ブレードピッチ角指令値を定めたものである。また発電機トルク制御部24により発電機回転速度に応じた発電機トルクとすべく発電機トルク指令値を定めたものである。

0028

上述のように図3のブレードピッチ角度制御部23に発電機回転速度制御部23aのほかに電力制御部23bを備えることで、風速V3以上の条件でのみブレードピッチ角度がフェザー側へ大きく動作するものとすることができる。このことから、上記ネガティブダンピング現象は風速V3以上で発生する。浮体動揺制御部22は風速条件に関わらず、ナセルピッチ角度に基づいて実行されるが、風速V3以上の条件で特に効果を発揮し、ナセルピッチ角度の振動を低減できる。

0029

上述のように浮体動揺制御部22はネガティブダンピング現象の低減に効果的であるが、風速がV2からV3の条件で発生するナセルピッチ角度の振動を低減できないという課題がある。

0030

この理由は、制御間の干渉である。ブレードピッチ角度指令値を演算する制御部は、発電機回転速度制御部23a、電力制御部23b、および浮体動揺制御部22の3つがあり、風速がV2からV3の条件では3者の指令値が加算される。このとき、3者の要求を同時に満たすブレードピッチ角度を決定できない場合がある。特に、3つの制御部はフィードバック制御に基づくものであることから、発電機回転速度およびナセルピッチ角度の応答に対するブレードピッチ角度の応答が遅くなる。これが原因で最適値の決定に時間を要し、ブレードピッチ角度の変動が発生することでナセルピッチ角度の振動が発生する。

0031

また、風速に対するブレードピッチ角度の特性は、図5に示すように風速V2以下ではθfに保持されると述べたが、風速の急峻な増加がある場合には発電機回転速度制御部23aの効果が大きくなることで、ブレードピッチ角度が変化し、これがブレードピッチ角度の周期的な振動の引き金になる場合がある。その様子を、図6を利用して説明する。

0032

図6は、ナセルピッチ角度の変動を示すタイムチャートである。図6の横軸は時刻、縦軸は図上方より風速、発電機回転速度、発電機トルク、発電電力、ブレードピッチ角度、およびナセルピッチ角度を示す。図6は図上方が、風速が高い、発電機回転速度が高い、発電機トルクが高い、ブレードピッチ角度がフェザー、ナセルピッチ角度が後方、を示す。

0033

図6は時刻t0から時刻t1の時間範囲における各値を示しており、まず時刻t0以降において風速は急速に上昇し風速V2以上になっているが風速V3には至らず風速V2と風速V3の範囲内で変動している。また発電機回転速度も定格回転速度を意味するΩ2の前後で変動を繰り返しており、発電電力も定格電力Pratedには至っていない。このとき、図2制御装置が定める発電機トルク、ブレードピッチ角度、およびナセルピッチ角度は図6に示す変動をしている。

0034

図6によればタイムチャート初期に発生した風速の急激な増加に応じて発電機回転速度が変動し、これに伴ってブレードピッチ角度が大きく変化する。このブレードピッチ角度の変化により、ロータが受けるスラスト力が変化することで、ナセルピッチ角度が変化を開始し、固有振動が励起される。この振動を抑制するために発電機回転速度制御部23aと浮体動揺制御部22がブレードピッチ角度に指令すると共に、電力制御部23bからもブレードピッチ角度指令値が出力される。しかしながら、これら3つのブレードピッチ角度が加算されることで、それぞれの指令成分が打ち消しあう、または増幅されるため、発電機回転速度の収束性やナセルピッチ角度の固有振動の収束性を悪化させる。

0035

そこで本発明では、追加コストを不要としながら、風速がV2からV3の条件でナセルピッチ角度の振動を十分に抑制できる風力発電システムとその制御方法を提供することを目的としている。

課題を解決するための手段

0036

上記課題を解決するために、本発明は、「ピッチ角度を変更可能なブレードを有すると共に風を受けて回転するロータと、ロータの回転エネルギーを用いて発電する発電機をナセル内に備える風力発電システムであって、風力発電システムに含まれる機器を制御する制御装置を備え、制御装置は、第1と第2の風速で定まる風速範囲外において固定の発電機目標回転速度に、また第1と第2の風速で定まる風速範囲内において可変の発電機目標回転速度に発電機回転速度を帰還制御し、ブレードのブレードピッチ角度指令値を与える発電機回転速度制御部と、第3の風速以上の風速範囲において固定の目標発電電力に、また少なくとも第2の風速と第3の風速で定まる風速範囲内において可変の目標発電電力に発電電力を帰還制御し、ブレードのブレードピッチ角度指令値を与える電力制御部と、発電機回転速度に応じた発電機トルクとすべく発電機トルク指令値を定める発電機トルク制御部を備え、発電機回転速度制御部と電力制御部が与えるブレードピッチ角度指令値の和によりブレードピッチ角度を制御するとともに、発電機トルク制御部は、第2の風速と第3の風速で定まる風速範囲内である場合に、ナセル近傍の風速を示すナセル風速に基づき、発電機が発生するトルクである発電機トルクの可変の下限値を決定し、発電機トルク制御部が与える発電機トルク指令値を可変の下限値以上に調整することを特徴とする風力発電システム」としたものである。

0037

また本発明は、「ピッチ角度を変更可能なブレードを有すると共に風を受けて回転するロータと、ロータの回転エネルギーを用いて発電する発電機をナセル内に備える風力発電システムの制御方法であって、第1と第2の風速で定まる風速範囲外において固定の発電機目標回転速度に、また第1と第2の風速で定まる風速範囲内において可変の発電機目標回転速度に発電機回転速度を帰還制御し、ブレードについての第1のブレードピッチ角度指令値を与え、第3の風速以上の風速範囲において固定の目標発電電力に、また少なくとも第2の風速と第3の風速で定まる風速範囲内において可変の目標発電電力に発電電力を帰還制御し、ブレードについての第2のブレードピッチ角度指令値を与え、発電機回転速度に応じた発電機トルクとすべく発電機トルク指令値を定め、第1と第2のブレードピッチ角度指令値の和によりブレードピッチ角度を制御するとともに、第2の風速と第3の風速で定まる風速範囲内である場合に、ナセル近傍の風速を示すナセル風速に基づき、発電機が発生するトルクである発電機トルクの可変の下限値を決定し、発電機トルク指令値を可変の下限値以上に調整することを特徴とする風力発電システムの制御方法」としたものである。

発明の効果

0038

本発明によれば、風速条件に依存して発生するナセルピッチ角度の振動を低減することができる。

0039

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。

図面の簡単な説明

0040

本発明を適用可能な風力発電システム全体の概略構成を示す図。
風力発電システム1のコントローラ10に実装される従来の運転制御手段の処理概要を示すブロック線図。
可変速制御部21内の従来のブレードピッチ角度制御部23の概要を示すブロック線図。
可変速制御部21の従来の発電機トルク制御部24の概要を示すブロック線図。
図2から図4に示すコントローラ10に実装される運転制御手段によって得られる風力発電システム1の特性を示す図。
従来における風速、発電機回転速度、発電機トルク、発電電力、ブレードピッチ角度、およびナセルピッチ角度の変動を示すタイムチャート。
コントローラ10に実装する本発明の実施例に係る運転制御手段の処理概要を示すブロック線図。
ナセル風速利用発電機トルク制御部32の処理概要を示すブロック線図。
発電機トルク下限値演算部32aにおいて、ナセル風速Vnから発電機トルク下限値Tqを決定するための特性を示した図。
本発明の実施例に係る運転制御手段を適用した場合の風力発電システム1における風速と発電電力、発電機回転速度、および発電機トルク指令値の関係を示す図。
本発明の実施形態に係る風力発電システム1の所定風速条件における風速、発電電力、発電機回転速度、発電機トルク、発電電力、ブレードピッチ角度、およびナセルピッチ角度の変動を示すタイムチャート。
本発明の実施例に係る運転制御手段32の処理概要を示すフローチャー

0041

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。

0042

以下、図7から図12を用いて本発明の実施例について説明する。なお本発明による運転制御手段の構成をごく簡便に先行的に説明すると、従来の図2の発電機トルク制御部24が、本発明においては図7のナセル風速利用発電機トルク制御部32に変更されている。ナセル風速利用発電機トルク制御部32の具体的な構成やソフトウェア図8図12に例示されている。

0043

本発明適用の前提となる風力発電システム1の概略構成は図1と同様のため説明を省略する。

0044

図7は、コントローラ10に実装する本発明の実施例に係る運転制御手段の処理概要を示すブロック線図である。図7の運転制御手段は、可変速制御部21および浮体動揺制御部22を備えており、図2に示した従来の運転制御手段に対応する部分を示している。

0045

このうち可変速制御部21は、ブレードピッチ角度制御部23およびナセル風速利用発電機トルク制御部32を備えており、発電電力、発電機回転速度、風速およびナセル風速に基づいてブレードピッチ角度指令値および発電機トルク指令値を決定する。図2に示す構成と異なる点は、発電機トルク制御部24が、ナセル風速に基づいて発電機トルク指令値を決定するナセル風速利用発電機トルク制御部32へと変更されたことである。

0046

ブレードピッチ角度制御部23は図3に示す構成と同様であるため、説明を省略する。また、浮体動揺制御部22も図2に示すものと同様であるため、説明を省略する。

0047

なおここで、図3に示したブレードピッチ角度制御部23における機能を簡便に述べると、これは「第1の風速V1以下において発電機回転速度を第1の回転速度Ω1に維持し、第1の風速V1以上の第2の風速V2以上において発電機回転速度を第1の回転速度Ω1以上の第2の回転速度Ω2に維持し、第1の風速V1と第2の風速V2の間では発電機回転速度を第1の回転速度Ω1と第2の回転速度Ω2の間で発電機回転速度目標値とすべく発電機回転速度を帰還制御して第1のブレードピッチ角指令値を定める発電機回転速度制御部23aと、発電機回転速度が第2の回転速度Ω2に保持され、かつ発電電力が定格電力未満の場合に、第2の風速V2と発電電力が定格電力であるときの第3の風速V3の間で、ロータが受ける風力エネルギーを低下させないように、ブレードピッチ角度をファイン側に保持するように第2のブレードピッチ角度指令値を出力する電力制御部23bを備え、第1のブレードピッチ角指令値と第2のブレードピッチ角度指令値の和をブレードピッチ角指令値としてブレードピッチ角を制御する」ものであるということができる。

0048

また図4に示した従来の発電機トルク制御部24における機能は「発電機回転速度に基づいてフィードバック制御により発電機トルク指令値を決定する」ものである。

0049

これに対し本発明の発電機トルク制御部32は、ナセル風速を監視し、第2の風速V2と第3の風速V3の期間での発電機トルク指令値をナセル風速が大なるほど大きな可変の下限値以上となるように運用するものである。これにより、定格回転速度到達時以降における複数の制御部間の干渉による制御不安定を解消するものである。

0050

ナセル風速利用発電機トルク制御部32は、直接または間接的に計測したナセル風速に基づき、発電機トルク指令値を演算する。

0051

図8は、ナセル風速利用発電機トルク制御部32の処理概要を示すブロック線図である。ナセル風速利用発電機トルク制御部32は、図4の発電機トルク制御部24と対比すると、フィードバック制御部24a以外に、発電機トルク下限値演算部32a、および発電機トルク指令値選択部32bを備えている。

0052

フィードバック制御部24aは、発電機回転速度に基づいて発電機トルク指令値1を決定する部分であり、図4に示す上述の構成と同様であるため、説明を省略する。

0053

発電機トルク下限値演算部32aは、直接的または間接的に計測したナセル風速に基づき、発電機トルク指令値2を決定する。発電機トルク下限値演算部32aでの処理概要について、図9を用いて説明する。

0054

図9は、発電機トルク下限値演算部32aにおいて、ナセル風速Vnから発電機トルク下限値Tqを決定するための特性を示した図である。図9に示すように、発電機トルク下限値Tqはナセル風速Vnに応じて決定される。この例では、発電機トルク下限値Tqをナセル風速Vn1(=V2)のときに発電機トルク下限値Tq1とし、ナセル風速Vn2(=V3)のときに発電機トルク下限値Tq2とする。この間は一次関数とする。

0055

なお発電機トルク下限値演算部32aの処理形態はこれに限ったものではなく、ナセル風速Vnの増加に従って発電機トルク下限値Tqを増加させ、かつ、ナセル風速Vnの減少に従って発電機トルク下限値Tqを減少させる処理であれば、二次関数であっても良いし、他の関数の形態、またはテーブルなどを利用する形態であっても良い。

0056

図8に示す発電機トルク指令値選択部32bは、ナセル風速Vnに基づき、フィードバック制御部24aが決定する発電機トルク指令値1と、発電機トルク下限値演算部32aが決定する発電機トルク下限値を比較選択し、ナセル風速利用発電機トルク制御部32の出力として発電機トルク指令値に格納する。

0057

より具体的には、風速V2に相当するナセル風速Vn1未満かつ風速V3に相当するナセル風速Vn2以上の領域では発電機トルク指令値に発電機トルク指令値1を格納し、ナセル風速がVn1以上からVn2未満では、発電機トルク指令値1が発電機トルク下限値よりも大きい場合は発電機トルク指令値に発電機トルク指令値1を格納し、発電機トルク指令値1が発電機トルク下限値よりも小さい場合には発電機トルク指令値に発電機トルク下限値を格納する。

0058

つまり、ナセル風速Vn1からVn2の範囲内では、発電機トルク指令値1と発電機トルク下限値のうちより大きい値を発電機トルク指令値とし、ナセル風速Vn1からVn2の範囲外では、発電機トルク指令値1を発電機トルク指令値としたものである。また別な言い方をすると、定格回転速度到達後、定格電力到達前の状態では、発電機トルク指令値が発電機トルク下限値以上となるように制限をかけたものであるということができる。

0059

なお、本発明の実施形態では、図7に示すナセル風速は、図1に示すナセル5上に設置した風速センサ13の出力に基づいて決定する。風速センサ13の出力をそのまま利用しても良いし、ローパスフィルタなどフィルタ処理を施した値であっても良いし、これに限定するものではない。要は定格回転速度到達時以降、定格電力到達に亘る期間が特定できるものであればよい。

0060

図10は、本発明の実施例に係る運転制御手段を適用した場合の風力発電システム1における風速と発電電力、発電機回転速度、および発電機トルク指令値の関係を示す図である。図10の横軸は風速であり、縦軸は図上方より発電電力、発電機回転速度、および発電機トルク指令値を示す。図10の縦軸は図上方が、発電電力が高い、発電機回転速度が高い、発電機トルク指令値が高い、を示す。

0061

図9に示す、ナセル風速と発電機トルクの特性を実現することにより、風速がV2からV3に至る範囲において発電機トルクが不足気味である場合には、図10下段に示す発電機トルク指令値が、風速がV2からV3においてTq1からTq2へ連続的に変化する特性を備えることになる。また風速がV2からV3に至る範囲において発電機トルクが十分な値である場合には、フィードバック制御部24aが決定する発電機トルク指令値1がそのまま発電機トルク指令値として採用される。なお、風速V2未満、かつ風速V3以上ではこれまで同様に、本発明の実施例を適用しない場合と同様のフィードバック制御部24aが出力する値を採用する。これにより、図10上段と中段に示すように、風速V3まで発電電力と発電機回転速度を変化させる特性を実現する。

0062

図11を用いて、本発明の実施例を適用した場合の風力発電システム1の応答について説明する。図11は、本発明の実施例に係る風力発電システム1の所定風速条件における風速、発電電力、発電機回転速度、発電機トルク、発電電力、ブレードピッチ角度、およびナセルピッチ角度の変化概略を示すタイムチャートである。図の横軸は時間を示し、縦軸は図上方より風速、発電機回転速度、発電機トルク、発電電力、ブレードピッチ角度、ナセルピッチ角度、をそれぞれ示す。図上方が風速が高い、発電機回転速度が高い、発電機トルクが高い、発電電力が高い、ブレードピッチ角度がフェザー、ナセルピッチ角度が後方、を示す。なお、図11には、図6に示した本発明の実施例を適用しない場合のタイムチャート概要を点線にて示し、実線にて本発明の実施形態を適用した場合のタイムチャートを示す。

0063

図11は、図6と同様に時刻t0から時刻t1の時間範囲における各値を示しており、まず時刻t0以降において風速は急速に上昇し風速V2以上になっているが風速V3には至らず風速V2と風速V3の範囲内で変動している。

0064

本発明によれば、風速が風速V2と風速V3の間にあるこの状態において、ナセル風速利用発電機トルク制御部32が最初に作動する。ナセル風速利用発電機トルク制御部32は、従来装置であるフィードバック制御部24aの出力と、本発明により追加された発電機トルク下限値演算部32aの出力を、発電機トルク指令値選択部32bにおいて比較し、風速がV2からV3に至る範囲において発電機トルクが不足気味である図11の状態においては、発電機トルク下限値演算部32aの出力を選択する。この結果、図10下段に示す発電機トルク指令値が、風速がV2からV3においてTq1からTq2へ連続的に変化する特性を備えていることから、この時間区間の当初に急速に発電機トルクを増大させるように作用する。

0065

本発明の実施例を適用することにより、風速に応じて変化するナセル風速(図では省略)が変化し、それに基づいて発電機トルクを変化させる。これにより、本風速条件にてロータに入力する風力エネルギーの変化が発電機トルクにて吸収されるため、発電機回転速度がほぼ一定に制御される。これはブレードピッチ角度に指令値を出力する制御部が2つに変化することで、制御間の干渉に伴うブレードピッチ角度の変動を抑制することも貢献している。発電機回転速度の変動を低減することにより、ロータに加わるスラスト力の急変を抑制することで、ナセルピッチ角度の振動を低減することができる。なお、発電電力は本発明の実施例の適用如何に関わらず大きく変化しないが、ナセルピッチ角度の振動に伴う変動成分を低減できる。

0066

図12は、本発明に係る運転制御手段におけるナセル風速利用発電機トルク制御部32の処理概要を示すフローチャートである。

0067

処理ステップS01ではナセル風速Vnを計算し、処理ステップS02に進む。処理ステップS02ではナセル風速VnがVn2以上かつVn3未満であるか否かを判定し、正(Yes)の場合は処理ステップS03に進み、否(No)の場合は処理ステップS06に進む。処理ステップS06では発電機トルク指令値1を演算し、処理ステップS07へ進む。処理ステップS07では発電機トルク指令値に発電機トルク指令値1を格納し、一連の動作を終了する。

0068

処理ステップS03ではナセル風速に基づいて発電機トルク下限値を決定し、処理ステップS04に進む。処理ステップS04では発電機トルク指令値1と発電機トルク下限値の大小を比較し、発電機トルク指令値1が発電機トルク下限値よりも小さい場合には処理ステップS05に進み、処理ステップS05において発電機トルク指令値に発電機トルク下限値を格納して一連の動作を終了する。

0069

処理ステップS04において、発電機トルク指令値1が発電機トルク下限値よりも大きい場合には、処理ステップS07へ進み、上述のように処理ステップS07において発電機トルク指令値に発電機トルク指令値1を格納した後、一連の動作を終了する。

0070

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、風速条件に依らずナセルピッチ角度の固有振動の励起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。

実施例

0071

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。

0072

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:パワーコンディショニングシステム
8:ピッチアクチュエータ
9:タワー
10:コントローラ
11:回転速度センサ
12:ナセルピッチ角度センサ
13:風速センサ
14:電力センサ

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