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JP2003113769A - ブレードピッチ角度制御装置および風力発電装置 - Google Patents

ブレードピッチ角度制御装置および風力発電装置

Info

Publication number
JP2003113769A
JP2003113769A JP2001307786A JP2001307786A JP2003113769A JP 2003113769 A JP2003113769 A JP 2003113769A JP 2001307786 A JP2001307786 A JP 2001307786A JP 2001307786 A JP2001307786 A JP 2001307786A JP 2003113769 A JP2003113769 A JP 2003113769A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
blade
pitch angle
blades
stress
control device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP2001307786A
Other languages
English (en)
Inventor
Shinji Arinaga
真司 有永
Hidehiko Idaka
英彦 伊高
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Heavy Industries Ltd filed Critical Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority to JP2001307786A priority Critical patent/JP2003113769A/ja
Publication of JP2003113769A publication Critical patent/JP2003113769A/ja
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
  • Wind Motors (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 複数枚のブレードを個別にピッチ角度制御し
てブレード間の空力差をなくし、各ブレードの推力やモ
ーメントの差をなくすことができるブレードピッチ角度
制御装置を提供する。 【解決手段】 複数枚のブレードを有する風車におい
て、回転速度および出力の設定値と現在の制御量との差
から複数枚のブレードのピッチ角度を共通に制御する信
号を生成する共通制御信号生成手段と、複数枚のブレー
ドに個別に設けたアクチュエータにかかる荷重をそれぞ
れ計測するブレード毎のアクチュエータ荷重計測手段
と、この計測結果からそれぞれのブレードの空力を推定
するブレード毎の空力推定手段と、この推定結果から前
記複数のブレード間の空力差を算出して各ブレード毎の
補正信号を生成する空力差算出・補正信号生成手段とを
具備し、前記補正信号と前記共通制御信号との和の信号
によって前記各ブレードのピッチ角度を制御することを
特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、風力発電装置に
関し、特に風車のブレードピッチ角度を制御するブレー
ドピッチ角度制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】風力発電装置に使用されるプロペラ型風
車は、図３に外観図を示すように複数枚（通常は３枚な
ので、以下３枚のブレードとして説明する）のブレード
からなり、風況に応じて所定の回転速度と出力を得るよ
うにブレードピッチ角度を制御している。ブレードピッ
チ角度制御のための駆動部は、油圧シリンダまたは電動
モータによって駆動されるが、リンク機構により３枚の
ブレードが連結されており、３枚のブレードは図４に示
すように回転速度および出力の設定値と現在の制御量と
の差から共通制御信号を生成し、各ブレードが常に同一
のピッチ角度になるように制御される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところが風車への流入
風速は、地表の影響および風車を支持するタワーの影響
によりブレード旋回領域で一様の風速分布ではないた
め、各ブレードの空力出力の瞬時値が異なる。この空力
出力の瞬時値のアンバランスにより風車は３枚ブレード
の場合、回転速度の３倍の周波数の出力変動を生じてし
まうという課題があった。
【０００４】さらに、各ブレードに生じる推力やモーメ
ントが異なるため、回転速度の３倍の周波数で図３のブ
レード旋回範囲のうち水平方向のｙ軸および垂直方向の
ｚ軸周りのモーメントが生じ、３枚のブレードを同一ピ
ッチ角度で制御する方法ではこれらの出力変動や荷重変
動を抑制することができないので、機械部品の強度を上
げる必要を生じ、装置の重量アップやコストアップに繋
がってしまうという課題があった。
【０００５】本発明はこのような背景の下になされたも
ので、複数枚のブレードを個別にピッチ角度制御してブ
レード間の空力差をなくし、各ブレードの推力やモーメ
ントの差をなくすことができるブレードピッチ角度制御
装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、複数枚のブレードを有する風車において、回転速度
および出力の設定値と現在の制御量との差から複数枚の
ブレードのピッチ角度を共通に制御する信号を生成する
共通制御信号生成手段と、前記複数枚のブレードに個別
に設けたアクチュエータにかかる荷重をそれぞれ計測す
るブレード毎のアクチュエータ荷重計測手段と、該アク
チュエータ荷重計測手段の計測結果からそれぞれのブレ
ードの空力を推定するブレード毎の空力推定手段と、該
ブレード毎の空力推定手段の推定結果から前記複数のブ
レード間の空力差を算出して各ブレード毎の補正信号を
生成する空力差算出・補正信号生成手段とを具備し、前
記空力差算出・補正信号生成手段によって生成されたブ
レード毎の補正信号と前記共通制御信号生成手段によっ
て生成された共通制御信号との和の信号によって前記各
ブレードのピッチ角度を制御することを特徴とするブレ
ードピッチ角度制御装置を提供する。
【０００７】この発明によれば、各ブレード毎に設けた
アクチュエータにかかる荷重からそれぞれのブレードの
空力を推定し、ブレード間の空力差を算出してブレード
毎の補正信号を生成し、この補正信号と複数枚のブレー
ドを共通に制御する信号との和の信号によって各ブレー
ドのピッチ角度を制御することによって、各ブレード間
の空力出力のアンバランスを低減することができ、ブレ
ード枚数倍の周波数変動を低減することができる。
【０００８】請求項２に記載の発明は、複数枚のブレー
ドを有する風車において、回転速度および出力の設定値
と現在の制御量との差から複数枚のブレードのピッチ角
度を共通に制御する信号を生成する共通制御信号生成手
段と、前記複数枚のブレードに個別に設けた応力計測手
段と、該応力計測手段の計測結果からそれぞれのブレー
ドのフラット方向応力を分離するブレード毎のフラット
応力分離手段と、該ブレード毎のフラット応力分離手段
の出力結果から前記複数のブレード間の応力差を算出し
て各ブレード毎の補正信号を生成する応力差算出・補正
信号生成手段とを具備し、前記応力差算出・補正信号生
成手段によって生成されたブレード毎の補正信号と前記
共通制御信号生成手段によって生成された共通制御信号
との和の信号によって前記各ブレードのピッチ角度を制
御することを特徴とするブレードピッチ角度制御装置を
提供する。
【０００９】この発明によれば、各ブレード毎に個別に
設けた応力計測手段によって応力計測を行ってフラット
方向の応力値を分離し、ブレード間の応力差を算出して
ブレード毎の補正信号を生成し、この補正信号と複数枚
のブレードを共通に制御する信号との和の信号によって
各ブレードのピッチ角度を制御することによって、各ブ
レード間の空力出力のアンバランスを低減することがで
き、回転速度のブレード枚数倍の周波数変動を低減する
ことができる。
【００１０】請求項３に記載の発明は、請求項２記載の
ブレードピッチ角度制御装置において、前記応力計測手
段による応力の計測は、ブレードの根元に貼付した歪ゲ
ージによって行うことを特徴とする。
【００１１】請求項４に記載の発明は、請求項２記載の
ブレードピッチ角度制御装置において、前記応力計測手
段による応力の計測は、ブレードの根元に貼付した磁歪
センサによって行うことを特徴とする。
【００１２】請求項５に記載の発明は、請求項２記載の
ブレードピッチ角度制御装置において、前記応力計測手
段による応力の計測は、ブレードの根元に貼付した光フ
ァイバ歪計によって行うことを特徴とする。
【００１３】請求項３ないし５の発明によれば、請求項
２記載のブレードピッチ角度制御装置において、応力の
計測手段としてブレードの根元に貼付した歪ゲージ、磁
歪センサまたは光ファイバ歪計を使用することによって
ブレードピッチ角度の制御に必要な応力測定を行うこと
ができる。
【００１４】請求項６に記載の発明は、請求項１から５
のいずれか記載のブレードピッチ角度制御装置におい
て、前記アクチュエータは、油圧シリンダによるブレー
ドピッチ角度制御機構であることを特徴とする。
【００１５】請求項７に記載の発明は、請求項１から５
のいずれか記載のブレードピッチ角度制御装置におい
て、前記アクチュエータは、電動モータによるブレード
ピッチ角度制御機構であることを特徴とする。
【００１６】請求項６または７の発明によれば、請求項
１から５のいずれか記載のブレードピッチ角度制御装置
において、個々のブレードに装着され、ブレードピッチ
角度を制御するアクチュエータとして油圧シリンダまた
は電動モータを使用することによってそれぞれのブレー
ドピッチ角度を個別に制御して空力差を低減することが
できる。また、請求項１記載のブレードピッチ角度制御
装置において、個々のブレードに装着され、ブレードピ
ッチ角度を制御するアクチュエータとして油圧シリンダ
または電動モータを使用することによってアクチュエー
タにかかる荷重を計測することができ、以後のピッチ角
度制御を精度よく行うことができ、ブレード間の空力差
を低減することができる。
【００１７】請求項８に記載の発明は、請求項１から７
のいずれか記載のブレードピッチ角度制御装置を備える
ことを特徴とする風力発電装置を提供する。
【００１８】請求項８の発明によれば、ブレードピッチ
角度制御装置により、複数枚のブレードを個別にピッチ
角度制御してブレード間の空力差をなくし、各ブレード
の推力やモーメントの差をなくすことができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、この発明の一実施の形態に
ついて図を参照しながら説明する。図１はこの発明の一
実施の形態による風車のブレードピッチ角度制御装置の
構成を示すブロック図である。この図において、符号１
０は回転速度および出力の設定値と現在の制御量との差
から第１から第３の３枚のブレードのピッチ角度を共通
に制御する信号を生成する共通制御信号生成手段であ
り、従来はこの信号によって３枚のブレードのピッチ角
度を共通に制御していたものである。
【００２０】第１ブレード、第２ブレードおよび第３ブ
レードにそれぞれ装着されているブレードピッチ角度制
御のためのアクチュエータ（不図示）にかかる荷重を計
測するアクチュエータ荷重計測手段２１、２２および２
３を設け、それぞれのアクチュエータにかかる荷重を計
測する。計測した荷重から空力を推定する空力推定手段
３１、３２および３３により推定した空力出力を空力差
算出・補正信号生成手段４０に入力する。空力差算出・
補正信号生成手段４０では、３枚のブレードの空力差を
算出し、第１ブレード、第２ブレードおよび第３ブレー
ドの補正信号を生成して出力する。
【００２１】第１ブレードの補正信号と前記共通制御信
号生成手段１０で生成した共通制御信号とを加算し、こ
の出力を第１ブレード制御信号としてブレードピッチ角
度を制御する。第２ブレードおよび第３ブレードについ
てもそれぞれのブレードの補正信号と前記共通制御信号
生成手段１０で生成した共通制御信号とを加算し、この
出力を第１ブレード制御信号および第２ブレード制御信
号としてそれぞれのブレードのピッチ角度を制御する。
【００２２】次に、この発明の他の実施の形態について
図を参照しながら説明する。図２はこの発明の他の実施
の形態による風車のブレードピッチ角度制御装置の構成
を示すブロック図である。この図において、符号１０は
回転速度および出力の設定値と現在の制御量との差から
第１から第３の３枚のブレードのピッチ角度を共通に制
御する信号を生成する共通制御信号生成手段であり、従
来はこの信号によって３枚のブレードのピッチ角度を共
通に制御していたものである。
【００２３】第１ブレード、第２ブレードおよび第３ブ
レードにそれぞれかかる応力を計測する応力計測手段５
１、５２および５３を設け、それぞれのブレードにかか
る応力を計測する。計測した応力からフラット方向の応
力を分離するフラット応力分離手段６１、６２および６
３により分離した応力を応力差算出・補正信号生成手段
７０に入力する。応力差算出・補正信号生成手段７０で
は、３枚のブレードの応力差を算出し、第１ブレード、
第２ブレードおよび第３ブレードの補正信号を生成して
出力する。
【００２４】第１ブレードの補正信号と前記共通制御信
号生成手段１０で生成した共通制御信号とを加算し、こ
の出力を第１ブレード制御信号としてブレードピッチ角
度を制御する。第２ブレードおよび第３ブレードについ
てもそれぞれのブレードの補正信号と前記共通制御信号
生成手段１０で生成した共通制御信号とを加算し、この
出力を第１ブレード制御信号および第２ブレード制御信
号としてそれぞれのブレードのピッチ角度を制御する。
【００２５】図３を参照して既述したように、風車への
流入風速は、地表の影響および風車を支持するタワーの
影響によりブレード旋回領域で一様の風速分布ではない
ため、各ブレードの空力出力の瞬時値が異なる。この空
力出力の瞬時値のアンバランスにより風車は３枚ブレー
ドの場合、回転速度の３倍の周波数の出力変動を生じて
しまい、また、各ブレードに生じる推力やモーメントが
異なるため、回転速度の３倍の周波数で図３のブレード
旋回範囲のうち水平方向のｙ軸および垂直方向のｚ軸周
りのモーメントが生じ、３枚のブレードを同一ピッチ角
度で制御する方法ではこれらの出力変動や荷重変動を抑
制することができないが、上述の２つの実施の形態によ
る補正を行えば、各ブレードにかかる空力を常に同一値
に制御することができ、空力出力のアンバランスを低減
することができる。
【００２６】以上、本発明の実施の形態の動作を図面を
参照して詳述してきたが、本発明はこの実施の形態に限
られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の
設計変更等があっても本発明に含まれる。たとえば、風
車のブレードの枚数は３枚に限られるものではなく、２
枚または４枚以上であってもよい。
【００２７】
【発明の効果】これまでに説明したように、本発明によ
れば以下に示す効果が得られる。請求項１の発明によれ
ば、各ブレード毎に設けたアクチュエータにかかる荷重
からそれぞれのブレードの空力を推定し、ブレード間の
空力差を算出してブレード毎の補正信号を生成し、この
補正信号と複数枚のブレードを共通に制御する信号との
和の信号によって各ブレードのピッチ角度を制御するこ
とによって、各ブレード間の空力出力のアンバランスを
低減することができ、ブレード枚数倍の周波数変動を低
減することができる。
【００２８】請求項２の発明によれば、各ブレード毎に
個別に設けた応力計測手段によって応力計測を行ってフ
ラット方向の応力値を分離し、ブレード間の応力差を算
出してブレード毎の補正信号を生成し、この補正信号と
複数枚のブレードを共通に制御する信号との和の信号に
よって各ブレードのピッチ角度を制御することによっ
て、各ブレード間の空力出力のアンバランスを低減する
ことができ、回転速度のブレード枚数倍の周波数変動を
低減することができる。
【００２９】請求項３ないし５の発明によれば、請求項
２記載のブレードピッチ角度制御装置において、応力の
計測手段としてブレードの根元に貼付した歪ゲージ、磁
歪センサまたは光ファイバ歪計を使用することによって
ブレードピッチ角度の制御に必要な応力測定を行うこと
ができる。
【００３０】請求項６または７の発明によれば、請求項
１から５のいずれか記載のブレードピッチ角度制御装置
において、個々のブレードに装着され、ブレードピッチ
角度を制御するアクチュエータとして油圧シリンダまた
は電動モータを使用することによってそれぞれのブレー
ドピッチ角度を個別に制御して空力差を低減することが
できる。また、請求項１記載のブレードピッチ角度制御
装置において、個々のブレードに装着され、ブレードピ
ッチ角度を制御するアクチュエータとして油圧シリンダ
または電動モータを使用することによってアクチュエー
タにかかる荷重を計測することができ、以後のピッチ角
度制御を精度よく行うことができ、ブレード間の空力差
を低減することができる。
【００３１】請求項８の発明によれば、ブレードピッチ
角度制御装置により、複数枚のブレードを個別にピッチ
角度制御してブレード間の空力差をなくし、各ブレード
の推力やモーメントの差をなくすことができ、これによ
って安定した出力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施の形態によるブレードピッチ
角度制御装置の構成を示すブロック図。
【図２】 本発明の他の実施の形態によるブレードピッ
チ角度制御装置の構成を示すブロック図。
【図３】 風車の外観図。
【図４】 従来の技術によるブレードピッチ角度制御装
置の構成を示すブロック図。
【符号の説明】
１…第１ブレード ２…第２ブレード ３…第３ブレード ４…タワー １０…共通制御信号生成手段 ２１、２２、２３…アクチュエータ荷重計測手段 ３１、３２、３３…空力推定手段 ４０…空力差算出・補正信号生成手段 ５１、５２、５３…応力計測手段 ６１、６２、６３…フラット方向応力分離手段 ７０…応力差算出・補正信号生成手段
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F051 AA00 AB03 AB05 AB09 AC01 BA01 3H078 AA02 AA26 BB04 BB15 CC02 CC54 CC57 CC65 CC66

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 複数枚のブレードを有する風車におい
    て、 回転速度および出力の設定値と現在の制御量との差から
    複数枚のブレードのピッチ角度を共通に制御する信号を
    生成する共通制御信号生成手段と、 前記複数枚のブレードに個別に設けたアクチュエータに
    かかる荷重をそれぞれ計測するブレード毎のアクチュエ
    ータ荷重計測手段と、 該アクチュエータ荷重計測手段の計測結果からそれぞれ
    のブレードの空力を推定するブレード毎の空力推定手段
    と、 該ブレード毎の空力推定手段の推定結果から前記複数の
    ブレード間の空力差を算出して各ブレード毎の補正信号
    を生成する空力差算出・補正信号生成手段とを具備し、
    前記空力差算出・補正信号生成手段によって生成された
    ブレード毎の補正信号と前記共通制御信号生成手段によ
    って生成された共通制御信号との和の信号によって前記
    各ブレードのピッチ角度を制御することを特徴とするブ
    レードピッチ角度制御装置。
  2. 【請求項２】 複数枚のブレードを有する風車におい
    て、 回転速度および出力の設定値と現在の制御量との差から
    複数枚のブレードのピッチ角度を共通に制御する信号を
    生成する共通制御信号生成手段と、 前記複数枚のブレードに個別に設けた応力計測手段と、 該応力計測手段の計測結果からそれぞれのブレードのフ
    ラット方向応力を分離するブレード毎のフラット応力分
    離手段と、 該ブレード毎のフラット応力分離手段の出力結果から前
    記複数のブレード間の応力差を算出して各ブレード毎の
    補正信号を生成する応力差算出・補正信号生成手段とを
    具備し、前記応力差算出・補正信号生成手段によって生
    成されたブレード毎の補正信号と前記共通制御信号生成
    手段によって生成された共通制御信号との和の信号によ
    って前記各ブレードのピッチ角度を制御することを特徴
    とするブレードピッチ角度制御装置。
  3. 【請求項３】 前記応力計測手段による応力の計測は、
    ブレードの根元に貼付した歪ゲージによって行うことを
    特徴とする請求項２記載のブレードピッチ角度制御装
    置。
  4. 【請求項４】 前記応力計測手段による応力の計測は、
    ブレードの根元に貼付した磁歪センサによって行うこと
    を特徴とする請求項２記載のブレードピッチ角度制御装
    置。
  5. 【請求項５】 前記応力計測手段による応力の計測は、
    ブレードの根元に貼付した光ファイバ歪計によって行う
    ことを特徴とする請求項２記載のブレードピッチ角度制
    御装置。
  6. 【請求項６】 前記アクチュエータは、油圧シリンダに
    よるブレードピッチ角度制御機構であることを特徴とす
    る請求項１から５のいずれか記載のブレードピッチ角度
    制御装置。
  7. 【請求項７】 前記アクチュエータは、電動モータによ
    るブレードピッチ角度制御機構であることを特徴とする
    請求項１から５のいずれか記載のブレードピッチ角度制
    御装置。
  8. 【請求項８】 請求項１から７のいずれか記載のブレー
    ドピッチ角度制御装置を備えることを特徴とする風力発
    電装置。
JP2001307786A 2001-10-03 2001-10-03 ブレードピッチ角度制御装置および風力発電装置 Withdrawn JP2003113769A (ja)

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