JP5550501B2

JP5550501B2 - 水平軸風車

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Publication number: JP5550501B2
Application number: JP2010204997A
Authority: JP
Inventors: 茂雄吉田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2010-09-14
Filing date: 2010-09-14
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2030-09-14
Also published as: JP2012062757A

Description

本発明は、水平軸風車のヨー制御に関する。

一般に、水平軸風車は１枚又は２枚以上のブレードがハブから放射状に取付けられてなるロータと、ハブに接続されるとともに略水平方向に延在された主軸を介してこのロータを回転自在に軸支するナセルと、ナセルをヨー回転自在に支持するタワーとを有して構成される。そして主軸に連結する発電機が搭載されて風力発電機が構成されることにより、水平軸風車は風力発電に利用されている。
水平軸風車には、ロータに発電等の仕事をさせるための稼動時に、タワーよりロータを風上側に配置してロータを回転させる形態のアップウィンド型と、タワーよりロータを風下側に配置してロータを回転させる形態のダウンウィンド型とがある。

このような水平軸風車では、風力によりロータを効率よく回転させるためにロータを風向にできるだけ正対させることが重要となる。そのためにタワーに対してナセル従ってロータのヨー角を変角制御するヨー制御が行われる。
ヨー制御は、動力を用いないパッシブヨー制御と、動力を用いて能動的にヨー角を制御するアクティブヨー制御とに分けられる。
パッシブヨー制御としては、例えば、アップウィンド型で小型の風車では、尾翼により風向に対してロータがほぼ正対するようにヨー角を安定化させる技術が用いられていることがある。また、ダウンウィンド型で小型の風車では、ナセルをヨー回転自由にしてロータを風下に靡かせるフリーヨーにより風向に対してロータがほぼ正対するようにヨー角を安定化させる技術が用いられていることがある。

アクティブヨー制御としては、主に中・大型の商業風車において、ナセルに設置された風向計により風向に対するナセル方位角の差（ヨー角）を計測し、この計測値が所定の閾値以内に収束するように、タワーに対してナセルを旋回駆動するヨー駆動装置によりナセルのヨー角を制御する技術が用いられている。
ヨー駆動装置によるヨー角制御は、例えば特許文献１，３，４に記載されている。

また、ヨー駆動装置によらずとも、アクティブヨー制御を行うことができる。ロータのブレードのピッチ角をロータ回転中に回転位相（アジマス角）に応じて変角制御することより、ロータにヨー軸周りのモーメントを発生させることができるから、これを利用してヨー角を制御する。
特許文献１では、ブレードのピッチ角制御によるアクティブヨー制御と、ヨー駆動装置によるアクティブヨー制御とが使い分けられている。
特許文献１記載の発明にあっては、風向きと方位角とのずれが第１の閾値を越えると、そのずれが無くなるようにブレードのピッチ角制御によるアクティブヨー制御を行う。また、風向と方位角とのずれが第２の閾値を越えると、そのずれが無くなるようにヨー駆動装置によるアクティブヨー制御を行う。
特許文献２記載の発明にあっては、歪みゲージなどからなる回転モーメント・センサによってヨー軸回りの回転モーメントを検出し、その回転モーメントの不均衡を補償するようにブレードのピッチ角制御によるアクティブヨー制御を行う。
なお、ブレードのピッチ角制御によるアクティブヨー制御を行うには、複数のブレードは、そのピッチ角を個々独立に制御される必要があるから、ブレードのピッチ角を個々独立に駆動・制御する機械・制御構成が必要となる。

特表２００４−５２０５３１号公報特表２０１０−５０６０８５号公報特開２００８−２６１２４５号公報特開平０３−２２２８７２号公報

本発明は、ブレードのピッチ角制御によるアクティブヨー制御における目標方位角を、風向に対するナセルのヨー角を計測する風向計によらずに決定でき、さらにヨー駆動装置によるアクティブヨー制御に適正に移行できる水平軸風車を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、ブレードとこれを保持するハブとを有するロータと、前記ハブに接続された主軸を介して前記ロータを軸支するナセルとを備え、前記ナセルがヨー回転自在に支持されて構成された水平軸風車において、
前記ブレードのピッチ角をそれぞれ独立に駆動する独立ピッチ駆動装置と、
前記ナセルの方位角を計測するナセル方位角計測装置と、
前記ブレードのアジマス角を計測するアジマス角計測装置と、
前記ナセル方位角計測装置の計測値及び前記アジマス角計測装置の計測値に基づき、前記独立ピッチ駆動装置に各ブレードのピッチ角制御指令値を与えて、当該ブレードのピッチ角を当該アジマス角に応じて変角制御することにより前記ロータにヨー軸周りのトルクを発生させる制御装置と、を備え、
前記制御装置は、パッシブヨー制御時の所定期間における前記ナセル方位角計測装置の計測値の平均値を目標方位角として、前記所定期間経過後に前記トルクにより当該目標方位角と実時間の前記ナセル方位角計測装置の計測値との差が減少するように前記ブレードのピッチ角制御によるアクティブヨー制御を実行する水平軸風車である。

請求項２記載の発明は、前記制御装置により制御されるヨー駆動装置を備え、
前記制御装置は、前記ブレードのピッチ角制御によるアクティブヨー制御時において、前記トルクを発生させるための前記ブレードのアジマス角の変化に応じたピッチ角の変化の大きさが、所定の閾値を超えたか否かを判断し、当該判断により所定の閾値を超えたと判断した場合に、前記ブレードのピッチ角制御によるアクティブヨー制御を中断して、前記ヨー駆動装置にヨー角制御指令値を与えて、前記目標方位角と実時間の前記ナセル方位角計測装置の計測値との差が減少するように前記ヨー駆動装置によるアクティブヨー制御を実行する請求項１に記載の水平軸風車である。
アジマス角の変化に応じたピッチ角の変化の大きさは、例えば、ロータ回転の一周期、すなわち、アジマス角３６０degの変化におけるピッチ角の最大値と最小値との差として計算する。このピッチ角の大きさは、ピッチ角制御指令値に基づき計算したものでもよいし、ピッチ角計測値に基づき計算したものでもよい。

請求項３記載の発明は、前記制御装置は、前記所定の閾値を超えたか否かを判断するにあたり、前記ピッチ角制御指令値に基づいてピッチ角の変化の大きさを計算する請求項２に記載の水平軸風車である。

請求項４記載の発明は、前記ブレードのピッチ角を計測するピッチ角計測装置を備え、
前記制御装置は、前記所定の閾値を超えたか否かを判断するにあたり、前記ピッチ角計測装置の計測値に基づいてピッチ角の変化の大きさを計算する請求項２に記載の水平軸風車である。

本発明によれば、パッシブヨー制御時の所定期間におけるナセル方位角計測装置の計測値の平均値を目標方位角として、ブレードのピッチ角制御によるアクティブヨー制御を実行するので、ブレードのピッチ角制御によるアクティブヨー制御における目標方位角を、風向に対するナセルのヨー角を計測する風向計によらずに決定できるという効果がある。
さらに本件請求項２記載の発明によれば、ブレードのピッチ角制御によるアクティブヨー制御時において、ブレードのアジマス角の変化に応じたピッチ角の変化の大きさが、所定の閾値を超えたか否かを判断し、当該判断により所定の閾値を超えたと判断した場合に、ブレードのピッチ角制御によるアクティブヨー制御を中断して、ヨー駆動装置によるアクティブヨー制御を実行するので、ブレードのピッチ角制御によるアクティブヨー制御が過剰になる前に、ヨー駆動装置によるアクティブヨー制御に適正に移行できるという効果があり、ブレードのピッチ角制御によるアクティブヨー制御とヨー駆動装置によるアクティブヨー制御とを適正に使い分けて、ヨー駆動装置の使用頻度を低減しつつ、ロータを風向に追従させることができる。

本発明一実施形態に係るヨー制御の基本フローを示すフローチャートである。本発明一実施形態に係る独立ピッチ制御によるヨー制御の一例を示すブロック線図である。本発明一実施形態に係るヨー駆動装置によるアクティブヨー制御に移行するための閾値の一例を示すグラフである。本発明一実施形態に係るヨー駆動装置によるアクティブヨー制御における変角ゲインの一例を示すグラフである。浮体式洋上風車のシミュレーションに係る本発明例及び比較例の６００秒間における姿勢角（ロール角（a）、ピッチ角(b)、ヨー角(c)）の変化を示すグラフである。浮体式洋上風車のシミュレーションに係る本発明例及び比較例の５〜２５〔ｍ／ｓ〕の風速域に対する姿勢角（ロール角（a）、ピッチ角(b)、ヨー角(c)）の変化の（平均値＋標準偏差）及び（平均値−標準偏差）の分布を示すグラフである。

以下に本発明の一実施形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。

本水平軸風車は、３枚のブレードを有する水平軸風車である。本水平軸風車は、アップウィンド型又はダウンウィンド型であり、風力発電機として構成される。
本水平軸風車は、ブレードとこれを保持するハブとを有するロータと、ハブに接続された主軸を介してロータを軸支するナセルとを備える。
さらに本水平軸風車には、ブレードのピッチ角をそれぞれ独立に駆動する独立ピッチ駆動装置と、ナセルの方位角を計測するナセル方位角計測装置と、ブレードのアジマス角を計測するアジマス角計測装置と、電動モータによりロータのヨー角を変角駆動するヨー駆動装置と、これらを制御する制御装置とが備えられている。
本水平軸風車を、ナセルがタワーに対してヨー回転自在にして当該タワーに支持された構成としてもよいし、ナセルが浮体上に支持されて浮体ごとヨー回転する浮体式洋上風車としてもよい。したがって、ヨー駆動装置として、タワーに対してロータをナセルとともにヨー回転させる駆動装置や、ロータ及びナセルを浮体ごとヨー回転させる駆動装置の形態が適用され得る。

制御装置は、図１に示すように独立ピッチ制御によるヨー制御Ａと、ヨー駆動装置によるヨー制御Ｃと、判断処理Ｂによるヨー制御Ａとヨー制御Ｃとの切り替え制御を基本アルゴリズムとしたヨー制御を実行する。

まず、独立ピッチ制御によるヨー制御Ａが以下のように実行される。独立ピッチ制御によるヨー制御Ａの具体例は図２のブロック線図に示すとおりである。図２に示す制御対象ブロックＷＴＧに本風車本体、独立ピッチ駆動装置、ナセル方位角計測装置及びアジマス角計測装置が含まれる。
（１）制御装置は、ヨー駆動装置をオフにし、ヨーブレーキがある場合はヨーブレーキを解除又は半制動状態として、ロータが受ける風の風向の変化に従ってナセルのヨー角が追従する状態に保持したパッシブヨー制御を行う。
制御装置は、このパッシブヨー制御を所定期間（例えば、１分間）行って、同期間におけるナセル方位角計測装置の計測するナセル方位角の平均値を計算し、当該平均値を独立ピッチ制御時の目標方位角Ψrefとする。

（２）制御装置は、パッシブ制御期間の終了とともに以下のような独立ピッチ制御によるアクティブヨー制御に移行する。
まず、制御装置は、目標方位角Ψrefと実時間のナセル方位角計測装置の計測値Ψとの差ΔΨ_Dを計算する。
次に制御装置は差ΔΨ_Dに応じて、この差を減少させるための独立ピッチの振幅を規定するゲインＫ_ＹＣを計算する（ブロックＡ１）。本制御例では、比例ゲインＫ_Ｐ、積分時定数Ｔを有するＰＩ制御を適用している。
次に制御装置は、ゲインＫ_ＹＣ及びアジマス角計測装置の計測するアジマス角φから、この差ΔΨ_Dが減少するように独立ピッチ駆動装置に与えるべき各ブレードのピッチ角制御指令値ｅ_ＹＣｎを計算する（ブロックＡ２）。なお、ブロックＡ２においてφ_０は、制御系の遅れを補償するための値である。
独立ピッチ駆動装置にピッチ角制御指令値ｅ_ＹＣｎが入力され、以上の演算に基づく独立ピッチ制御が行われる。かかる制御により、ブレードのピッチ角をアジマス角に応じて変角制御することとなり、ロータにヨー軸周りのトルクを発生させる。いわゆるサイクリックピッチ制御が行われる。このトルクや風の影響によりロータのヨー角が変化する。さらに制御装置は、上記（１）に戻って上記（１）→上記（２）の制御を繰り返す。但し、以下の場合は中断する。

制御装置は、上記（２）の制御中には、判断処理Ｂを行う。判断処理Ｂとして制御装置は、ブレードのアジマス角の変化に応じたピッチ角の変化の大きさが、所定の閾値を超えたか否かを判断する。但し、上記トルクを発生させるためのサイクリックピッチ制御におけるピッチ角の変化を対象とする。全ブレードのピッチ角を一斉に等しく変角させる制御については、上記トルクは生じないからこの制御による変角量を算入しない。
アジマス角の変化に応じたピッチ角の変化の大きさは、ロータ回転の一周期、すなわち、アジマス角３６０degの変化におけるピッチ角の最大値と最小値との差（振幅）として計算する。そして制御装置は、例えば１分間の平均化時間によりこの振幅の平均値を算出して、この平均値が閾値を超えたか否か判断する。本制御における所定の閾値の例を図３に示す。図３に示す閾値はこのときの平均化時間の関数とされる。
ピッチ角の大きさは、ピッチ角制御指令値ｅ_ＹＣｎに基づき計算したものでもよいし、ブレードのピッチ角を計測するピッチ角計測装置を備えておき、同ピッチ角計測装置の計測値に基づき計算したものでもよい。

判断処理Ｂにより所定の閾値を超えたと判断した場合には、制御装置は、ブレードのピッチ角制御によるアクティブヨー制御を中断して、ヨー駆動装置にヨー角制御指令値を与えて、目標方位角と実時間のナセル方位角計測装置の計測値との差が減少するようにヨー駆動装置によるアクティブヨー制御Ｃを実行する。
その際、制御装置はヨー駆動装置により駆動する変角ゲインを、判断処理Ｂで対象とされたピッチ角変化量の平均値に応じて決定する。ピッチ角変化量（振幅）の平均値とヨー駆動装置により駆動する変角ゲインとの関係を図４に示す。制御装置は、この変角ゲインに基づきヨー角制御指令値を算出してヨー駆動装置に与えてヨー角を変角制御する。
かかるアクティブヨー制御Ｃの導入により、ブレードのピッチ角制御によるアクティブヨー制御時のピッチ変角量を低減することができる。

以上のようにして、風向に対するナセルのヨー角を計測する風向計なしでも、ロータを風向に正対させるためのヨー制御が可能となる。また、ヨー駆動装置の使用頻度を低減することができる。

〔シミュレーション〕
以上の実施形態に従った本発明例と、比較例とにつき比較計算したシミュレーション結果を以下に開示する。
本発明例及び比較例ともに、1.5ＭＷの定格発電規模の浮体式洋上風車を想定し、同風車の姿勢角（ロール角、ピッチ角、ヨー角）を計算した。比較例にあっては、ブレードのピッチ角制御によるアクティブヨー制御を行わないものとした。
図５に本発明例及び比較例の６００秒間における姿勢角（ロール角（a）、ピッチ角(b)、ヨー角(c)）の変化が示される。図５のグラフは、平均風速２１〔ｍ／ｓ〕の風況下を想定して計算したものである。同図に示されるように、本発明例にあってはヨー角及びロール角の変化が著しく低減されることが確認できた。
図６に５〜２５〔ｍ／ｓ〕の風速域に対する姿勢角（ロール角（a）、ピッチ角(b)、ヨー角(c)）の変化の（平均値＋標準偏差）及び（平均値−標準偏差）の分布が示される。同図に示されるように、ほぼ全風速域において本発明により姿勢角の変化の抑制効果が得られることが確認できた。

φ アジマス角
Ψ ナセル方位角計測値
Ψref 目標方位角

Claims

ブレードとこれを保持するハブとを有するロータと、前記ハブに接続された主軸を介して前記ロータを軸支するナセルとを備え、前記ナセルがヨー回転自在に支持されて構成された水平軸風車において、
前記ブレードのピッチ角をそれぞれ独立に駆動する独立ピッチ駆動装置と、
前記ナセルの方位角を計測するナセル方位角計測装置と、
前記ブレードのアジマス角を計測するアジマス角計測装置と、
前記ナセル方位角計測装置の計測値及び前記アジマス角計測装置の計測値に基づき、前記独立ピッチ駆動装置に各ブレードのピッチ角制御指令値を与えて、当該ブレードのピッチ角を当該アジマス角に応じて変角制御することにより前記ロータにヨー軸周りのトルクを発生させる制御装置と、を備え、
前記制御装置は、パッシブヨー制御時の所定期間における前記ナセル方位角計測装置の計測値の平均値を目標方位角として、前記所定期間経過後に前記トルクにより当該目標方位角と実時間の前記ナセル方位角計測装置の計測値との差が減少するように前記ブレードのピッチ角制御によるアクティブヨー制御を実行する水平軸風車。
前記制御装置により制御されるヨー駆動装置を備え、
前記制御装置は、前記ブレードのピッチ角制御によるアクティブヨー制御時において、前記トルクを発生させるための前記ブレードのアジマス角の変化に応じたピッチ角の変化の大きさが、所定の閾値を超えたか否かを判断し、当該判断により所定の閾値を超えたと判断した場合に、前記ブレードのピッチ角制御によるアクティブヨー制御を中断して、前記ヨー駆動装置にヨー角制御指令値を与えて、前記目標方位角と実時間の前記ナセル方位角計測装置の計測値との差が減少するように前記ヨー駆動装置によるアクティブヨー制御を実行する請求項１に記載の水平軸風車。
前記制御装置は、前記所定の閾値を超えたか否かを判断するにあたり、前記ピッチ角制御指令値に基づいてピッチ角の変化の大きさを計算する請求項２に記載の水平軸風車。
前記ブレードのピッチ角を計測するピッチ角計測装置を備え、
前記制御装置は、前記所定の閾値を超えたか否かを判断するにあたり、前記ピッチ角計測装置の計測値に基づいてピッチ角の変化の大きさを計算する請求項２に記載の水平軸風車。