JP2008184932A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】風速計の測定値に関する異常の有無を監視することにより、カットアウト制御をより一層正確に実施できる風力発電装置を提供する。
【解決手段】支柱上に設置されたナセル３に、風車翼５を取り付けたロータヘッド４に連結されて一体に回転する主軸と、該主軸の回転を増速して出力する増速機１０と、該増速機１０の出力によって駆動される発電機１１と、風速計７の測定値が所定値以上となる強風時にカットアウト制御を実施する制御部２０とを備えている風力発電装置において、制御部２０が、風車翼５の翼ピッチ角度及び発電機１１の出力の関係から得られる推定風速値と、風速計７の測定値との間に所定値以上の差を生じた場合に風速計異常と判断する。
【選択図】図１

Description

本発明は、自然エネルギーの風を回転力に変換する風車を用いて発電を行う風力発電装置に関する。

従来、自然エネルギーである風力を利用して発電を行う風力発電装置が知られている。この種の風力発電装置は、支柱上に設置されたナセルに、風車翼を取り付けたロータヘッドと、このロータヘッドと一体に回転するよう連結された主軸と、風車翼に風力を受けて回転する主軸を連結した増速機と、増速機の軸出力によって駆動される発電機とを設けたものである。このように構成された風力発電装置においては、風力を回転力に変換する風車翼を備えたロータヘッド及び主軸が回転して軸出力を発生し、主軸に連結された増速機を介して回転数を増速した軸出力が発電機に伝達される。このため、風力を回転力に変換して得られる軸出力を発電機の駆動源とし、発電機の動力として風力を利用した発電を行うことができる。

上述した従来の風力発電装置においては、風速計で測定した風速値の信号に応じて起動及び停止の制御を自動的に行っている。
特に、上述した風速値が所定値以上となる強風時には、装置保護のために風車翼のピッチ角度を変化させて発電を停止するカットアウト制御が行われている。（たとえば、特許文献１参照）
特開２００４−８４５２７号公報

ところで、上述したカットアウト制御を正確に行うためには、風速計の測定値が重要になる。すなわち、風速計に何らかの異常が生じた場合には、実際の風速と風速計の測定値との間に大きな誤差を生じるため、正確なカットアウト制御を実施できなくなる。
ここで、風速計の異常に関する具体例をあげると、たとえば寒冷地の豪雪地帯に設置した風力発電装置の場合、風速計の風速検出部分等に着氷することで実際の風速より低い測定値が出力されることがある。このような測定値の誤差は、カットアウト制御の実施が必要となるような強風を過小評価することを意味しているため好ましくない。

このような背景から、風速計の測定値に関する異常の有無を監視する手段を設けることにより、カットアウト制御をより一層正確に実施することが望まれる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、風速計の測定値に関する異常の有無を監視することにより、カットアウト制御をより一層正確に実施できる風力発電装置を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
支柱上に設置されたナセルに、風車翼を取り付けたロータヘッドに連結されて一体に回転する主軸と、該主軸の回転を増速して出力する増速機と、該増速機の出力によって駆動される発電機と、風速計の測定値が所定値以上となる強風時にカットアウト制御を実施する制御部と、を備えている風力発電装置において、
前記制御部が、前記風車翼の翼ピッチ角度及び前記発電機の出力の関係から得られる推定風速値と、前記風速計の測定値との間に所定値以上の差を生じた場合に風速計異常と判断することを特徴とするものである。

このような本発明の風力発電装置によれば、制御部が、風車翼の翼ピッチ角度及び発電機の出力の関係から得られる推定風速値と、風速計の測定値との間に所定値以上の差を生じた場合に風速計異常と判断するので、風速計の異常を確実に検出することができる。

上記の発明において、前記制御部は、前記風速計異常を判断する際に外気温度の検出値を用いることが好ましく、これにより、低外気温時に生じる風速計への着氷に起因した風速計異常を確実に検出することができる。

上記の発明において、前記制御部は、前記風速計異常と判断した際にカットアウト制御を実施することが好ましく、これにより、風力発電装置のカットアウト制御を確実に実施する可能になる。

上述した本発明の風力発電装置によれば、カットアウト制御を実施する風速計の測定値に関する異常を確実に検出することにより、特に、着氷等により実際の風速値より小さな測定値が出力されるような風速計の異常時においても、カットアウト制御を確実に実施して風力発電装置を強風から保護することができる。

以下、本発明に係る風力発電装置の一実施形態を図面に基づいて説明する。
風力発電装置１は、図２に示すように、基礎６上に立設される支柱２と、支柱２の上端に設置されるナセル３と、略水平な軸線周りに回転可能にしてナセル３に設けられるロータヘッド４とを有している。
ロータヘッド４には、その回転軸線周りに放射状にして複数枚の風車翼５が取り付けられている。この結果、ロータヘッド４の回転軸線方向から風車翼５に当たった風の力が、ロータヘッド４を回転軸線周りに回転させる動力に変換されるようになっている。

ナセル３の外周面適所（たとえば上部等）には、周辺の風速値を測定する風速計７と、風向を測定する風向計８と、避雷針９とが設置されている。
ナセル３の内部には、ロータヘッド４と同軸の増速機１０を介して連結された発電機１１が設置されている。すなわち、ロータヘッド４の回転を増速機１０で増速して発電機１１を駆動することにより、発電機１１より発電機出力Ｗが得られるようになっている。

風力発電装置１の適所には、図１に示すように、各種運転制御を行うための制御部２０が設けられている。この制御部２０の制御には、風速計７の測定値に基づいて実施される発電の起動・停止、風速計７の測定値が所定値以上となる強風時に実施されるカットアウト制御が含まれている。
制御部２０には、風速計７で測定した風速Ｖの出力信号と、発電機１１で発電した発電機出力Ｗを検出した出力信号と、適所に設置した外気温度センサ１２で測定した外気温度Ｔの出力信号とが入力される。

さらに、制御部２０は、可変ピッチ機構３０の制御が可能に接続されている。この可変ピッチ機構３０は、風車翼５のピッチ角度を風速等の諸条件に応じて適宜変化させるための機構である。また、この可変ピッチ機構３０は、強風時に制御部２０が出力するカットアウト信号２１を受けた場合には、風車翼５のピッチ角度を変化させることでロータヘッド４の回転を停止させるカットアウト制御の動作も実施可能とされる。

上述した制御部２０は、風速計７の測定値で風速Ｖが所定値Ｖｃ以上となる強風時にカットアウト制御を実施するとともに、風車翼５の翼ピッチ角度及び発電機１１の出力Ｗの関係から得られる推定風速値Ｖａと、風速計７の測定値である風速Ｖとの間に所定値ΔＶ以上の差を生じた場合に風速計異常と判断する。
以下、制御部２０における風速計異常の判断過程について、図３のフローチャートに基づいて具体的に説明する。

最初のステップＳ１において、風力発電機１が運転されて発電を行っている。このような発電中には、ステップＳ２で風速計７により風速Ｖを測定して制御部２０に入力することにより、風速Ｖが常時監視されている。
ステップＳ２の風速監視と同時に、ステップＳ３では、発電機１１の発電機出力Ｗを測定して制御部２０に入力する。この発電機出力Ｗは、風車翼５のピッチ角度αを変化させる可変ピッチ機構３０の制御に使用される。すなわち、可変ピッチ機構３０は、発電機出力Ｗの測定値に基づいて風車翼５のピッチ角度αを最適値に変化させる。

ステップＳ３で得られた発電機出力Ｗ及びピッチ角度αは、次のステップＳ４で推定風速Ｖａを算出するために使用される。この推定風速Ｖａは、たとえば図４に示すグラフに基づいて算出される。このグラフは、縦軸を発電機出力Ｗ、横軸を風速Ｖとして、風車翼５の特性を示したものであり、風速Ｖにより得られる発電機出力Ｗが翼ピッチ角度α毎に示されている。従って、発電機出力Ｗ及びピッチ角度αが分かれば風速Ｖを逆算できるため、この逆算で得られた風速を推定風速Ｖａと定義する。すなわち、発電機出力Ｗ及びピッチ角度αに加えて風速計７が正常であれば、風速計７で測定した風速Ｖと推定風速Ｖａとが略一致することとなる。なお、風車翼５の特性には、風車の運転が可能となる上限風速を意味するカットアウト風速値Ｖｃが定められている。

そこで、次のステップＳ５では、風速Ｖと推定風速値Ｖａとの差を算出し、その絶対値が所定値ΔＶ以上（｜Ｖ−Ｖｓ｜≧ΔＶ）に大きくなるか否かを判断する。この結果、風速Ｖ及び推定風速値Ｖａの差の絶対値がΔＶ以上に大きいＹＥＳの場合には、次のステップＳ６に進んで風速計７に何らかの異常が生じたものと判断する。すなわち、風速計７から入力された風速Ｖの風が吹いている運転状況において、実際に入力された発電機出力Ｗが、風力発電装置１の風車翼５をピッチ角度αにして運転した場合に図４のグラフから得られる計算上の発電機出力と異なる場合には、風速計７に異常が生じて不正確な測定値を出力していると考えられる。

従って、風速計７に異常が生じたまま風力発電装置１の運転を継続すると、重大なトラブルを引き起こすことが懸念されるため、次のステップＳ７に進んでカットアウト信号を出力する。このようにしてカットアウト信号が出力されると、可変ピッチ機構３０が動作して翼ピッチ角度αをフェザーリング角度に変化させる。この結果、風のエネルギーを逃がすことにより、ロータヘッド４の回転数及び発電機出力Ｗは徐々に低下し、最終的には待機（カットアウトのリセット待ち）状態となる。
このように、制御部２０が、翼ピッチ角度α及び発電機出力Ｗの関係から得られる推定風速値Ｖａと、風速計７の測定値である風速Ｖとの間に所定値ΔＶ以上の差を生じた場合に風速計異常と判断するので、風速計７の異常を確実に検出することができる。

上述した制御部２０は、適所に設けた外気温度センサ１２で測定した外気温度Ｔを使用することにより、着氷に起因して生じる風速計７の異常を認識することができる。以下、図５に示す変形例のフローチャートに基づいて、制御部２０が着氷による風速計７の異常を判断する制御を具体的に説明する。なお、上述した図３のフローチャートと同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この制御では、上述したステップＳ２における風速Ｖの監視、ステップＳ３における翼ピッチ角度αの監視と同時に、ステップＳ１１において外気温度センサ１２により外気温度Ｔを監視している。

ステップＳ１１で得られた外気温度Ｔは、上述したステップＳ５で風速Ｖ及び推定風速値Ｖａの差の絶対値がΔＶ以上に大きいと判断したＹＥＳの場合、ステップＳ１２において所定値以下の低温か否かの判断をする。この結果、外気温度Ｔが所定値以下の低温であるＹＥＳの場合には、次のステップＳ１３に進み、風速計７が着氷による異常の状態にあると判断する。すなわち、外気温度Ｔがたとえば氷点下となるような低温では、風速計７に雪や氷が付着する着氷に起因して異常が生じた確率が高いと判断することができる。換言すれば、制御部２０は、風速計７の異常を判断する際に外気温度Ｔの検出値を用いることにより、低外気温時に生じる風速計７への着氷に起因した風速計異常を確実に検出することができる。
このような判断により、次のステップＳ７では、外気温度Ｔが所定値より高いＮＯの場合と同様に、カットアウト信号を出力する。なお、ステップＳ７のカットアウト信号出力後については、上述した図３の場合と同じである。

上述した本発明の風力発電装置１によれば、カットアウト制御を実施する風速計７の測定値である風速Ｖに関する異常を確実に検出できるようになり、特に、外気温度Ｔの条件を加えることで着氷等により実際の風速値より小さな測定値（風速Ｖ）が出力されるような風速計７の異常時においても、カットアウト制御を確実に実施して風力発電装置１を強風から保護することができる。すなわち、カットアウト風速以上の強風時に確実にカットアウト制御を行うことにより、風力発電機１における機械的なストレスが低減される。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

本発明に係る風力発電装置の一実施形態を示す要部のブロック図である。 風力発電装置の全体構成例を示す図である。 図１の制御部における風速計の異常判断を示すフローチャートである。 風速Ｖと発電機出力Ｗとの関係を翼ピッチ角度毎に示す風車翼の特性を示すグラフである。 図３の変形例を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 風力発電装置
２ 支柱
３ ナセル
４ ロータヘッド
５ 風車翼
７ 風速計
１１ 発電機
１２ 外気温度センサ
２０ 制御部
３０ 可変ピッチ機構

Claims (3)

1. 支柱上に設置されたナセルに、風車翼を取り付けたロータヘッドに連結されて一体に回転する主軸と、該主軸の回転を増速して出力する増速機と、該増速機の出力によって駆動される発電機と、風速計の測定値が所定値以上となる強風時にカットアウト制御を実施する制御部と、を備えている風力発電装置において、
   前記制御部が、前記風車翼の翼ピッチ角度及び前記発電機の出力の関係から得られる推定風速値と、前記風速計の測定値との間に所定値以上の差を生じた場合に風速計異常と判断することを特徴とする風力発電装置。
2. 前記制御部は、前記風速計異常を判断する際に外気温度の検出値を用いることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
3. 前記制御部は、前記風速計異常と判断した際にカットアウト制御を実施することを特徴とする請求項１または２に記載の風力発電装置。

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