JP2019074088A - 風力発電装置の制御システム、風力発電装置、及び制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】風況変化に対する追従性が高く、効率的に最適点で運転し、発電電力量を向上させることができる風力発電装置の制御システム、風力発電装置、及び制御方法を提供することを目的とする。【解決手段】タワー部３と、複数の風車部５と、支持部材４とを備え、複数の風車部は第１風車部（風車部５Ａ）と第２風車部（風車部５Ｂ）を有する風力発電装置１の制御システムであって、第１風車部及び第２風車部の所定のパラメータにおいて、略同時に、それぞれ極性の異なる摂動を現在の設定値に対して加える摂動付加部と、摂動を加えた後において、第１風車部及び第２風車部の各々における発電出力を測定する測定部６と、現在の設定値における発電出力の勾配を算出する勾配算出部と、第１風車部及び第２風車部における所定のパラメータの現在の設定値を、勾配が上昇する方向に補正する補正部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、風力発電装置の制御システム、風力発電装置、及び制御方法に関するものである。

風力発電装置は、一つのタワー部に対して一つのみの風車部が設置された構成（シングルロータ式）が一般的であるが、一つのタワー部に対して複数の風車部が設置された、いわゆるマルチロータ式風力発電装置も知られている。マルチロータ式風力発電装置では、風車部の合計受風面積が大きくなり、一つのタワー部から得られる発電電力量（出力）が大きくなる。

下記の特許文献１及び２には、マルチロータ式風力発電装置に関する技術が開示されている。

国際公開第２０１７／１０８０５７号 独国特許発明第１０２０１２０２００５２号明細書

従来のシングルロータ式の風力発電装置において、周囲の風の状況（風況）の変化に合わせて風力発電装置の各パラメータ（例えば、翼のピッチ角）の最適点（発電出力が最大となるパラメータの値）を探索する方法として、同時摂動確率近似法（以下「ＳＰＳＡ」という。）が用いられている。しかしながら、シングルロータ式の風力発電装置にＳＰＳＡを適用して最適点を探索する方法では、極性の異なる摂動を付加するために所定の制御周期における２周期分を費やしてデータを取得しなければならず、取得したデータに基づいて最適点の探索を行うため、最適点を速やかに探索することが困難であった。

また、風況は時々刻々変化するため、最適点の探索に時間を要すると、風況変化に対する追従性を高めることができなかった。

また、マルチロータ式風力発電装置においては、一つのタワー部に対して複数の風車部が設けられているため、風力発電装置１基分の発電能力が高い。このため、マルチロータ式風力発電装置において、風況の変化への追従性の向上と、効率的に最適点で運転できることが望まれている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、風況変化に対する追従性が高く、効率的に最適点で運転し、発電電力量を向上させることができる風力発電装置の制御システム、風力発電装置、及び制御方法を提供することを目的とする。

本発明の第１態様は、タワー部と、ロータと、前記ロータに設けられた翼と、前記ロータの回転力によって発電する発電機とをそれぞれ有する複数の風車部と、前記タワー部と接続され、前記複数の風車部を支持する支持部材と、を備え、前記複数の風車部は第１風車部と第２風車部を有する風力発電装置の制御システムであって、前記第１風車部及び前記第２風車部の所定のパラメータにおいて、略同時に、それぞれ極性の異なる摂動を現在の設定値に対して加える摂動付加部と、摂動を加えた後において、前記第１風車部及び前記第２風車部の各々における発電出力を測定する測定部と、前記現在の設定値における発電出力の勾配を算出する勾配算出部と、前記第１風車部及び前記第２風車部における前記所定のパラメータの前記現在の設定値を、前記勾配が上昇する方向に補正する補正部と、を備える風力発電装置の制御システムである。

上記のような構成によれば、複数の風車部は、ロータと、ロータに設けられた翼と、ロータの回転力によって発電する発電機をそれぞれ有し、各風車部は、タワー部と接続された支持部材によって支持される。これにより、タワー部には、支持部材を介して複数の風車部が設置される。そのため、各風車部は、比較的風の状況が近い環境（風況）下に配置され、同一方向の風を受けて回転し発電する。また、第１風車部及び第２風車部の所定のパラメータにおいてそれぞれ極性の異なる摂動を加え、摂動を加えたことによって変化した第１風車部及び第２風車部の発電出力を測定し、測定した発電出力に基づいて発電電力の現在の設定値における勾配を近似的に算出し、算出した勾配が上昇する方向に現在の設定値を補正することとしている。このため、第１風車部及び第２風車部の両方において、所定のパラメータをより最適点に設定することができ、全体の発電量を向上させることができる。また、第１風車部と第２風車部にそれぞれ極性の異なる摂動を略同時に加えることで、現在の設定値を補正するための勾配を迅速かつ効率的に取得することができるため、所定のパラメータにおける現在の設定値を速やかに補正することが可能である。このため、風の変動に対する追従性が向上し、より最適に風力発電装置による発電を行うことが可能である。

上記制御システムにおいて、前記測定部では、摂動が加えられた後における前記第１風車部及び前記第２風車部の各々において、測定した前記発電出力の平均値を算出することとしてもよい。

上記のような構成によれば、摂動が加えられた後における第１風車部及び第２風車部の各々において、測定した発電出力の平均値を算出する。このため、第１風車部及び第２風車部のそれぞれに複数の風車部が含まれていても、所定のパラメータにおける現在の設定値を効率的に補正することが可能である。

上記制御システムにおいて、前記摂動付加部は、前記第１風車部及び前記第２風車部の前記所定のパラメータに対して加える摂動の極性を、所定の制御周期毎および／または前記所定のパラメータ毎においてランダムに設定することとしてもよい。

上記のような構成によれば、第１風車部及び第２風車部に対して加える摂動の極性を、所定の制御周期毎および／または所定のパラメータ毎においてランダムに設定する。これにより、摂動の極性をランダムに設定しない場合と比較して、局所解に陥りにくくなり、最適解を効率的に探索することができる。つまり、計算の効率性と探索能力の両方を向上させることができる。

上記制御システムにおいて、前記所定のパラメータは、前記翼のピッチ角、前記風車部のヨー角、及びロータ回転数制御の最適化係数の少なくともいずれか１つであることとしてもよい。

上記のような構成によれば、翼のピッチ角、風車部のヨー角、及びロータ回転数制御の最適化係数の少なくともいずれか１つをパラメータとして用いる。翼のピッチ角、風車部のヨー角、及びロータ回転数制御の最適化係数は、発電出力を制御することができるパラメータであるため、効率的に補正を行い、より最適に風力発電装置による発電を行うことができる。

本発明の第２態様は、タワー部と、ロータと、前記ロータに設けられた翼と、前記ロータの回転力によって発電する発電機とをそれぞれ有する複数の風車部と、前記タワー部と接続され、前記複数の風車部を支持する支持部材と、上記の制御システムと、を備える風力発電装置である。

本発明の第３態様は、タワー部と、ロータ、前記ロータに設けられた翼、及び前記ロータの回転力によって発電する発電機をそれぞれ有する複数の風車部と、前記タワー部と接続され前記複数の風車部を支持する支持部材と、を備え、前記複数の風車部は第１風車部と第２風車部を有する風力発電装置の制御方法であって、前記第１風車部及び前記第２風車部の所定のパラメータにおいて、略同時に、それぞれ極性の異なる摂動を現在の設定値に対して加える摂動付加工程と、摂動を加えた後において、前記第１風車部及び前記第２風車部の各々における発電出力を測定する測定工程と、前記現在の設定値における発電出力の勾配を算出する勾配算出工程と、前記第１風車部及び前記第２風車部における前記所定のパラメータの前記現在の設定値を、前記勾配が上昇する方向に補正する補正工程と、を有する風力発電装置の制御方法である。

本発明によれば、風況変化に対する追従性が高く、効率的に最適点で運転し、発電電力量を向上させることができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る風力発電装置の概略構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電装置における制御部が備える機能を示した機能ブロック図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電装置における制御部による最適化処理のフローチャートを示した図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電装置の変形例における制御部による最適化処理のフローチャートを示した図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電装置の概略構成を示す図である。

以下に、本発明に係る風力発電装置の制御システム、風力発電装置、及び制御方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る制御システムを備えた風力発電装置１の概略構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態に係る風力発電装置１は、タワー部３と、支持部材４と、風車部５と、測定部６と、制御部７とを主な構成として備えている。風力発電装置１は、発生した電力を電力系統へ送電するために系統連系されており、陸上又は洋上に設置される。なお、風力発電装置１は、電力系統以外にも、直接的に工場やその他設備へ、又は蓄電設備へ電力供給することとしてもよい。なお、本実施形態における風力発電装置１は、２台の風車部５を備えるマルチロータ式の風力発電装置１として説明するが、風車部５の数はこれに限られず適宜変更可能である。以下の説明では、各風車部５を区別して説明する場合には、風車部５Ａ、５Ｂとし、各風車部５を区別しない場合には単に符号５を付す。また、風車部５が２台以上の場合には、第１風車部と第２風車部とにグループ分けることで、以下に説明する風車部５が２台（５Ａ、５Ｂ）設けられた場合と同様の処理を適用することが可能である。なお、風車部５が２台以上設けられる場合については、後段の変形例にて説明する。また、風車部５が２台（５Ａ、５Ｂ）の場合には、風車部５Ａを第１風車部、風車部５Ｂを第２風車部と解釈すればよい。

タワー部３は、一方向に長い構造を有し、軸方向が設置面に対して垂直方向となるようにタワー部３の基礎部が設置面に設けられる。タワー部３は、例えば１本の円柱状部材でもよいし、複数の長尺状部材が組み合わされて構成されてもよい。
支持部材４は、例えば一方向に長い部材であり、一端側である基部がタワー部３と接続され、他端側である先端側において風車部５を支持する。１本の支持部材４に、１台の風車部５が設置される場合、風車部５と同数の支持部材４がタワー部３に接続される。支持部材４は、円柱状等の長尺状部材でもよいし、複数の部材が組み合わされたトラス構造を有する部材でもよい。また、支持部材４は、圧縮力を主に負担する長尺状部材と、引張力を負担するワイヤ部材などから構成されてもよい。

風車部５は、ナセルと、ナセルに収容されるロータ及び発電機と、ロータの先端に設置されたロータヘッドと、ロータヘッドに設けられた複数枚（例えば３枚）の翼などを有する。

ナセルは、支持部材４の上部又は下部に設置され、内部にロータや、増速機、発電機などを備える。ナセルの一端側には、ロータヘッドが設けられる。ロータは、ほぼ水平な軸線周りに回転可能である。ロータの一端側は、ロータヘッドに接続され、ロータの他端側は、例えば直接的に発電機に接続され、又は、増速機若しくは油圧ポンプ・油圧モータを介して発電機に接続される。発電機は、ロータが軸周りに回転することによって生じる回転力によって駆動し発電する。

翼は、ロータヘッドにおいて、放射状に複数枚取り付けられる。複数枚の翼は、風を受けることによって、ロータを中心にして回転する。翼は、ピッチ制御用の旋回輪軸受を介してロータヘッドに接続され、翼長方向に延在する翼軸周りに回動可能である。これにより、翼のピッチ角が調整される。

ナセルは、支持部材４に対して略水平面上で旋回して、ロータヘッドの方向を風向きに合わせ、翼の回転面を風向きに正対させる。ナセルが略水平面上で旋回することをヨー（yaw）旋回という。ナセルは、ナセルと支持部材４に接続されたヨー旋回輪軸受を介して旋回する。

測定部６は、各風車部５の発電出力を測定する。具体的には、測定部６は、制御部７によって摂動が加えられた後（各風車部５の発電出力が変化した後）の各風車部５の発電出力を測定する。そして、測定部６は、各風車部５の発電出力の測定結果を制御部７における勾配算出部２２へ出力する。なお、本実施形態では、測定部６は発電出力を測定する場合について説明するが、発電出力と相関関係のある他の物理量（例えば、発電機の回転数）であってもよい。

制御部７は、各風車部５の所定のパラメータにおいて、それぞれ極性の異なる摂動を現在の設定値に対して加えることで、各風車部５の発電出力の変化さる。そして、各風車部５の変化後の発電出力から発電出力の勾配を算出し、勾配が上昇する方向（発電出力が向上する方向）に該現在の設定値を補正する。所定のパラメータは、翼のピッチ角、風車部５のヨー角、及びロータ回転数制御の最適化係数の少なくともいずれか１つである。本実施形態では、ピッチ角を所定のパタメータとした場合に限定して説明するが、他のパラメータについても同様に処理を行うことができる。

また、本実施形態では、ピッチ角を所定のパタメータとした場合に限定して説明するため、発電出力の勾配とは、２次元空間における勾配となるが、上記パラメータのうち、２つ以上を同時に用いる場合には、発電出力の勾配を、３次元空間又は４次元空間等と拡張することで同様に処理を行うことができる。なお、複数のパラメータを同時に用いることで、より効果的に風力発電装置１の運転における最適点を探索することが可能である。また、所定のパラメータにおける現在の設定値とは、所定の制御周期における制御開始直前または開始時における所定のパラメータの設定値であり、例えば、風力発電装置１における上位制御装置によって設定された値等である。具体的には、後述するように、所定の制御周期における制御開始タイミングにおいて制御部７の動作が開始されるが、該制御開始タイミングにおいて、例えば、所定のパラメータであるピッチ角がθｋ度であるときには、現在の設定値はθｋ度となる。なお、所定の制御周期とは、例えば１０分程度であるが、風況が短時間に変化しやすい地域に風力発電装置１を設置する場合や、特に風況の変化への追従性と高めたい等の場合には、適宜短くすることも可能である。また、制御に係る消費電力を節約する等の場合には、所定の制御周期を長くすることも可能である。

制御部７は、例えば、図示しないＣＰＵ（中央演算装置）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等のメモリ、及びコンピュータ読み取り可能な記録媒体等かを備えている。後述の各種機能を実現するための一連の処理の過程は、プログラムの形式で記録媒体等に記録されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、後述の各種機能が実現される。

図２は、制御部７が備える機能を示した機能ブロック図である。図２に示されるように、制御部７は、摂動付加部２１と、勾配算出部２２と、補正部２３とを備えている。

摂動付加部２１は、風車部５Ａ及び風車部５Ｂの所定のパラメータにおいて、略同時に、それぞれ極性の異なる摂動を現在の設定値に対して加える。具体的には、摂動付加部２１は、風車部５Ａ及び風車部５Ｂにおける現在のピッチ角の設定値θｋに対して、風車部５Ａと風車部５Ｂで互いに極性が反対である摂動（Δθｋ及び−Δθｋ）を加える。例えば、風車部５Ａのピッチ角をθｋ＋Δθｋとし、風車部５Ｂのピッチ角をθｋ−Δθｋとする。翼ピッチ角制御機構８Ａ、８Ｂは、風車部５Ａ、５Ｂ毎に設けられ、翼のピッチ角を制御する。なお、翼ピッチ角制御機構８Ａ、８Ｂは、風車部５における翼が接続された回転部に設けられる。摂動付加部２１は、風車部５Ａ及び風車部５Ｂのそれぞれの翼ピッチ角制御機構８Ａ、８Ｂへ、指令角として現在の設定値に摂動を加えた値（θｋ＋Δθｋ、θｋ−Δθｋ）を与える。指令角は、例えば電圧や電流、通信等によって摂動付加部２１から翼ピッチ角制御機構へ与えられる。翼ピッチ角制御機構８Ａ、８Ｂは、指令角とピッチ角の計測値とが一致するようにフィードバック制御を行う。翼ピッチ角制御機構では、油圧アクチュエータや電動アクチュエータ等を用いて風車部５のピッチ角を制御する。

摂動（Δθｋ及び−Δθｋ）の大きさ（絶対値）は、風車部５の発電出力の変化が測定できること、及び最適点まで速やかに収束すること等を考慮して設定される。なお、摂動（Δθｋ及び−Δθｋ）の大きさ（絶対値）については、固定値としてもよいし、例えば、最適化処理の繰り返し回数に応じて小さくなる変数としてもよい。また、風車部５Ａ及び風車部５Ｂに対して摂動を略同時に加えるとは、所定の制御周期における所定のタイミングで風車部５Ａ及び風車部５Ｂの両方の摂動を加え、所定のパラメータを変化させることを意味する。また、摂動の極性は、各風車部５に対応させて固定としてもよいし、制御周期毎にランダムに決定することとしてもよい。

なお、本実施形態では、摂動の極性を制御周期毎にランダムに決定する場合について説明する。また、パラメータを複数用いた場合には、各パラメータに加える摂動の極性は、パラメータ毎に固定としてもよいし、制御周期毎にランダムに決定することとしてもよい。風車部５Ａ及び風車部５Ｂの所定のパラメータに対して加える摂動の極性を、所定の制御周期毎および／または所定のパラメータ毎においてランダムに設定することで、摂動の極性をランダムに設定しない場合と比較して、局所解に陥りにくくなり、最適解を効率的に探索することができる。

勾配算出部２２は、現在の設定値における発電出力の勾配を算出する。具体的には、勾配算出部２２には、摂動付加部２１によって摂動が加えられた後において測定部６によって測定された風車部５Ａ及び風車部５Ｂの発電出力が入力される。そして、勾配算出部２２は、風車部５Ａ及び風車部５Ｂの発電出力と、摂動付加部２１によって加えた摂動に基づいて、現在のピッチ角の設定値θｋにおける発電出力の勾配を近似的に算出する。勾配の算出については、例えば、以下の（１）式を用いて算出される。

（１）式における、θｋは現在のピッチ角の設定値、Δθｋは摂動、ｆ（θｋ＋Δθｋ・ｓ）及びｆ（θｋ−Δθｋ・ｓ）は、それぞれ風車部５Ａ及び風車部５Ｂにおける摂動を加えた後の発電出力の測定値を表している。また、ｓは、１又は−１をランダムにとり得る変数であり、摂動の極性を決定している。なお、ｓは、摂動付加部２１における摂動を加える処理が行われる前に１又は−１のいずれかが決定される。ｇ（θｋ）は、現在のピッチ角の設定値θｋまわりにおける発電出力の勾配の近似値である。なお、（１）式は、同時摂動確率近似法（ＳＰＳＡ）を示している。（１）式で算出された勾配は、補正部２３へ出力される。

補正部２３は、風車部５Ａ及び風車部５Ｂにおける所定のパラメータの現在の設定値を、発電出力における勾配が上昇する方向に補正する。具体的には、補正部２３は、風車部５Ａ及び風車部５Ｂにおける現在のピッチ角の設定値θｋを、風車部５Ａ及び風車部５Ｂの発電出力が増加する方向に補正（更新）する。現在のピッチ角における設定値θｋの補正については、例えば、以下の（２）式を用いて行う。

（２）式におけるａ_ｋとは、勾配ｇ（θｋ）に基づいて現在のピッチ角の設定値θｋを補正するための定数である。ａ_ｋは、予め実験により又はシミュレーション等により、ピッチ角の設定値が効率的かつ迅速に最適点に収束するように設定される。補正部２３において、（２）式により現在のピッチ角における設定値θｋの補正が行われると、風車部５Ａ及び風車部５Ｂのピッチ角はθ_ｋ＋１に設定されるため、風車部５Ａ及び風車部５Ｂはより大きな発電量を出力することができる運転状態となる。なお、（２）式におけるａ_ｋについては、固定値に限られず、例えば、最適化処理の繰り返し回数に応じて小さくなる変数としてもよい。

次に、上述の制御部７による最適化処理について図３を参照して説明する。図３に示すフローは、所定の制御周期において繰り返し実行される。

まず、風車部５Ａ及び風車部５Ｂに対して、互いに極性の反対の摂動を加える（Ｓ１０１）。次に、風車部５Ａ及び風車部５Ｂの発電出力を測定する（Ｓ１０２）。

次に、測定した風車部５Ａ及び風車部５Ｂの発電出力を用いて、発電出力の勾配を算出する（Ｓ１０３）。そして、算出した勾配に基づいて、ピッチ角の設定値を補正（更新）する（Ｓ１０４）。

このように、図３に示す最適化処理が繰り返し行われることによって、発電出力が最大となるパラメータ（例えば、ピッチ角）の最適点を効率的に探索することができる。また、マルチロータ型の風力発電装置１では、風況の略等しい風車部５を複数台備えているため、極性の異なる摂動を与えたときの発電電力の変動を並列処理で評価することができる。このため、より速やか（少ない繰り返し回数）に最適点を探索することができる。

また、ロータ回転数制御の最適化係数に対して摂動を与える場合についても同様に適用することができる。
ロータ回転数制御機構９Ａは、摂動付加部２１の指示を受けて風車部５Ａのロータ回転数を制御する。同様に、ロータ回転数制御機構９Ｂは、摂動付加部２１の指示を受けて風車部５Ｂのロータ回転数を制御する。なお、ロータ回転数制御機構９Ａ、９Ｂは、各風車部５において設けられている。摂動付加部２１は、風車部５Ａ及び風車部５Ｂにおける現在のロータ回転数制御の最適化係数の設定値Ｇｋに対して、風車部５Ａと風車部５Ｂで互いに極性が反対である摂動を加えた値（Ｇｋ＋ΔＧｋ、Ｇｋ−ΔＧｋ）を算出する。そして、発電出力の勾配を算出し、ロータ回転数制御の最適化係数の設定値を補正（更新）する。摂動付加部２１は、ロータ回転数制御機構９Ａ及びロータ回転数制御機構９Ｂに対して、現在のロータ回転数制御の最適化係数の設定値に摂動を加えた値（Ｇｋ＋ΔＧｋ、Ｇｋ−ΔＧｋ）を指令値としてロータ回転数制御機構９Ａ、９Ｂに与える。そして、ロータ回転数制御機構９Ａ及びロータ回転数制御機構９Ｂは、摂動が加えられたロータ回転数制御の最適化係数を用いて発電電力指令を算出し、現在の発電電力が発電電力指令と一致するように、発電機の電圧や電流を制御し、風車部５Ａのロータの回転数、及び風車部５Ｂのロータの回転数を制御する。なお、発電電力指令は、最適化係数とロータ回転数を２乗した値とを掛けることにより推定される。

次に、本実施形態に係る風力発電装置１の制御システムの変形例について説明する。上記の一実施形態では、風車部５を２台設ける場合について説明したが、本変形例では、風車部５を２台以上備える場合について説明する。なお、以下の説明では、一例として、風車部５を４台（５Ａ−５Ｄ）備える場合について説明する。

風車部５を２台以上設ける場合については、設けられた風車部５を、少なくとも１台を有する第１風車部と、少なくとも１台を有する第２風車部とにグループ分けを行う。例えば、風車部を４台（５Ａ−５Ｄ）備える場合（不図示）には、風車部５Ａ及び５Ｂを第１風車部とし、風車部５Ｃ及び５Ｄを第２風車部とする。グループ分けについては、風況がより近い風車部同士を同じグループとすることが好ましい。なお、第１風車部及び第２風車部のグループ分けについては適宜変更可能である。

本変形例における摂動付加部２１は、第１風車部（風車部５Ａ及び５Ｂ）及び第２風車部（風車部５Ｃ及び５Ｄ）の所定のパラメータにおいて、略同時に、それぞれ極性の異なる摂動を現在の設定値に対して加える。具体的には、第１風車部及び第２風車部における現在のピッチ角の設定値θｋに対して、第１風車部と第２風車部で互いに極性が反対である摂動（Δθｋ及び−Δθｋ）を加える。例えば、第１風車部（風車部５Ａ及び５Ｂ）のピッチ角をθｋ＋Δθｋとし、第２風車部（風車部５Ｃ及び５Ｄ）のピッチ角をθｋ−Δθｋとする。

本変形例における測定部６は、摂動が加えられた後における第１風車部及び第２風車部の各々において、測定した発電出力の平均値を算出する。具体的には、測定部６は、摂動が加えられた後における風車部５Ａ−５Ｄのそれぞれの発電出力を測定し、第１風車部及び第２風車部ごと、すなわち、風車部５Ａ及び５Ｂの発電出力の平均値及び風車部５Ｃ及び５Ｄの発電出力の平均値を算出して、算出した各平均値を制御部７（勾配算出部２２）へ出力する。

次に、本変形例の制御部７による最適化処理について図４を参照して説明する。図４に示すフローは、所定の制御周期において繰り返し実行される。

まず、第１風車部（風車部５Ａ及び５Ｂ）及び第２風車部（風車部５Ｃ及び５Ｄ）に対して、互いに極性の反対の摂動を加える（Ｓ２０１）。次に、第１風車部（風車部５Ａ及び５Ｂ）及び第２風車部（風車部５Ｃ及び５Ｄ）の発電出力を測定する（Ｓ２０２）。

次に、第１風車部（風車部５Ａ及び５Ｂ）及び第２風車部（風車部５Ｃ及び５Ｄ）ごとに発電出力の平均値を算出する（Ｓ２０３）。

次に、算出した第１風車部（風車部５Ａ及び５Ｂ）及び第２風車部（風車部５Ｃ及び５Ｄ）の発電出力の平均値を用いて、発電出力の勾配を算出する（Ｓ２０４）。そして、算出した勾配に基づいて、ピッチ角の設定値を補正（更新）する（Ｓ２０５）。

このようにすることで、風車部５を２台以上設ける場合についても最適化処理を行うことが可能となる。また、第１風車部及び第２風車部で発電出力を平均化しているため、例えば、第１風車部に含まれる風車部が経年劣化等によって発電電力がばらつく場合であっても、所定のパラメータにおける現在の設定値を効率的に補正することが可能である。

図５は、ヨー角に対して摂動を与える場合を示す図である。図５を用いて、ヨー角に対して摂動を与える場合について説明する。図５の風力発電装置では、地面から略同一高さに、タワー部３を介して両側に２つの風車部１０Ａ、１０Ｂが設けられ、さらに高い位置にタワー部３を介して両側に２つの風車部１０Ｃ、１０Ｄが略同一の高さに設けられている。ここで、風車部１０Ａ及び風車部１０Ｂを第１風車部１１Ａとし、風車部１０Ｃ及び風車部１０Ｄを第２風車部１１Ｂとする。ヨー角制御機構１２Ａ、１２Ｂは、第１風車部１１Ａ及び第２風車部１１Ｂのヨー角を制御する。すなわち、ヨー角制御機構１２Ａ、１２Ｂは、タワー部３と、第１風車部１１Ａにおける支持部材４との接続箇所に設けられている。第１風車部１１Ａ及び第２風車部１１Ｂは、ヨー角制御機構により、それぞれタワー部３を軸として該軸周りにヨー角が制御可能とする。この場合、摂動付加部２１は、第１風車部１１Ａ及び第２風車部１１Ｂにおける現在のヨー角の設定値φｋに対して、第１風車部１１Ａと第２風車部１１Ｂで互いに極性が反対である摂動を加えた値（φｋ＋Δφｋ、φｋ−Δφｋ）を指令角として与える。そして、発電出力の勾配を算出し、ヨー角の設定値を補正（更新）する。具体的には、摂動付加部２１は、ヨー角制御機構１２Ａに第１風車部１１Ａのヨー角の指令値を通知し、ヨー角制御機構１２Ｂに第２風車部１１Ｂのヨー角の指令値を通知する。ヨー角制御機構１２Ａ、１２Ｂは、第１風車部１１Ａ及び第２風車部１１Ｂの計測されたヨー角が通知されたヨー角の指令値に一致するように制御する。ヨー角制御機構１２Ａ、１２Ｂは、第１風車部１１Ａ及び第２風車部１１Ｂのヨー角を回転させるために電動モータ等を用いる。また、ヨー角は、支持部材４とタワー３との間に設けられたセンサにより計測される。

以上説明したように、本実施形態に係る風力発電装置の制御システム、風力発電装置、及び制御方法よれば、複数の風車部５は、ロータと、ロータに設けられた翼と、ロータの回転力によって発電する発電機をそれぞれ有し、各風車部５は、タワー部３と接続された支持部材４によって支持される。これにより、タワー部３には、支持部材４を介して複数の風車部５が設置される。そのため、各風車部５は、比較的風の状況が近い環境（風況）下に配置され、同一方向の風を受けて回転し発電する。また、第１風車部（図１の例では風車部５Ａ、上記変形例の場合には、風車部５Ａ−５Ｂ）及び第２風車部（図１の例では風車部５Ｂ、上記変形例の場合には、風車部５Ｃ−５Ｄ）の所定のパラメータにおいてそれぞれ極性の異なる摂動を加え、摂動を加えたことによって変化した第１風車部及び第２風車部の発電出力を測定し、測定した発電出力に基づいて発電電力の現在の設定値における勾配を近似的に算出し、算出した勾配が上昇する方向に現在の設定値を補正することとしている。このため、第１風車部及び第２風車部の両方において、所定のパラメータをより最適点に設定することができ、全体の発電量を向上させることができる。また、第１風車部と第２風車部にそれぞれ極性の異なる摂動を同時に加えることで、現在の設定値を補正するための勾配を迅速かつ効率的に取得することができるため、所定のパラメータにおける現在の設定値を速やかに補正することが可能である。このため、風の変動に対する追従性が向上し、より最適に風力発電装置１による発電を行うことが可能である。

また、第１風車部及び第２風車部に対して加える摂動の極性を、所定の制御周期毎においてランダムに設定する。これにより、摂動の極性をランダムに設定しない場合と比較して、局所解に陥りにくくなり、最適解を効率的に探索することができる。つまり、計算の効率性と探索能力の両方を向上させることができる。

つまり、本実施形態に係る風力発電装置１では、風況変化に対する追従性が高く、効率的に最適点で運転し、発電電力量を向上させることができる。

本発明は、上述の実施形態のみに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々変形実施が可能である。

１ ：風力発電装置
３ ：タワー部
４ ：支持部材
５（５Ａ−５Ｄ、１０Ａ−１０Ｄ）：風車部
６ ：測定部
７ ：制御部
８Ａ、８Ｂ ：翼ピッチ角制御機構
９Ａ、９Ｂ ：ロータ回転数制御機構
１１Ａ ：第１風車部
１１Ｂ ：第２風車部
１２Ａ、１２Ｂ：ヨー角制御機構
２１ ：摂動付加部
２２ ：勾配算出部
２３ ：補正部

Claims (6)

1. タワー部と、
   ロータと、前記ロータに設けられた翼と、前記ロータの回転力によって発電する発電機とをそれぞれ有する複数の風車部と、
   前記タワー部と接続され、前記複数の風車部を支持する支持部材と、
   を備え、前記複数の風車部は第１風車部と第２風車部を有する風力発電装置の制御システムであって、
   前記第１風車部及び前記第２風車部の所定のパラメータにおいて、略同時に、それぞれ極性の異なる摂動を現在の設定値に対して加える摂動付加部と、
   摂動を加えた後において、前記第１風車部及び前記第２風車部の各々における発電出力を測定する測定部と、
   前記現在の設定値における発電出力の勾配を算出する勾配算出部と、
   前記第１風車部及び前記第２風車部における前記所定のパラメータの前記現在の設定値を、前記勾配が上昇する方向に補正する補正部と、
   を備える風力発電装置の制御システム。
2. 前記測定部では、摂動が加えられた後における前記第１風車部及び前記第２風車部の各々において、測定した前記発電出力の平均値を算出する請求項１に記載の風力発電装置の制御システム。
3. 前記摂動付加部は、前記第１風車部及び前記第２風車部の前記所定のパラメータに対して加える摂動の極性を、所定の制御周期毎および／または前記所定のパラメータ毎においてランダムに設定する請求項１又は２に記載の風力発電装置の制御システム。
4. 前記所定のパラメータは、前記翼のピッチ角、前記風車部のヨー角、及びロータ回転数制御の最適化係数の少なくともいずれか１つである請求項１から３のいずれか１項に記載の風力発電装置の制御システム。
5. タワー部と、
   ロータと、前記ロータに設けられた翼と、前記ロータの回転力によって発電する発電機とをそれぞれ有する複数の風車部と、
   前記タワー部と接続され、前記複数の風車部を支持する支持部材と、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の風力発電装置の制御システムと、
   を備える風力発電装置。
6. タワー部と、ロータ、前記ロータに設けられた翼、及び前記ロータの回転力によって発電する発電機をそれぞれ有する複数の風車部と、前記タワー部と接続され前記複数の風車部を支持する支持部材と、を備え、前記複数の風車部は第１風車部と第２風車部を有する風力発電装置の制御方法であって、
   前記第１風車部及び前記第２風車部の所定のパラメータにおいて、略同時に、それぞれ極性の異なる摂動を現在の設定値に対して加える摂動付加工程と、
   摂動を加えた後において、前記第１風車部及び前記第２風車部の各々における発電出力を測定する測定工程と、
   前記現在の設定値における発電出力の勾配を算出する勾配算出工程と、
   前記第１風車部及び前記第２風車部における前記所定のパラメータの前記現在の設定値を、前記勾配が上昇する方向に補正する補正工程と、
   を有する風力発電装置の制御方法。
   
   

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