(57)【要約】  【課題】  風力発電装置を停止させる場合であっても、電力系統への急激な負荷の変動が少なく、完全に停止するまで十分に発電運転が可能な高効率な風力発電装置およびその制御方法を提供する。  【解決手段】  電力系統に接続される風力発電装置であって、風を受けて回転するロータと、前記ロータの回転により発電する発電機と、前記ロータの回転を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、風車が計測している風速が所定の閾値を超えた場合、前記ロータの回転を停止する動作を開始し、当該停止動作開始から３０分以上掛けて前記ロータの回転を停止させることを特徴とする。【選択図】  図３
2020002859.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力系統に接続される風力発電装置であって、
風を受けて回転するロータと、
前記ロータの回転により発電する発電機と、
前記ロータの回転を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、風車が計測している風速が所定の閾値を超えた場合、前記ロータの回転を停止する動作を開始し、当該停止動作開始から３０分以上掛けて前記ロータの回転を停止させることを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の風力発電装置であって、
前記制御装置は、前記停止動作開始から１時間以上掛けて前記ロータの回転を停止させることを特徴とする風力発電装置。
【請求項３】
請求項１に記載の風力発電装置であって、
前記制御装置は、前記停止動作開始から６時間以上掛けて前記ロータの回転を停止させることを特徴とする風力発電装置。
【請求項４】
請求項１に記載の風力発電装置であって、
前記制御装置は、前記停止動作開始後、第１の回転数低下率で前記ロータの回転数を低下させ、所定の時間経過後、前記第１の回転数低下率よりも低い第２の回転数低下率で前記ロータの回転数を低下させることを特徴とする風力発電装置。
【請求項５】
請求項１に記載の風力発電装置であって、
前記ロータの回転を前記発電機に伝達するドライブトレインと、
前記ドライブトレインを制動する制動装置と、を備え、
前記制動装置により前記ドライブトレインを制動することで前記ロータの回転を停止させることを特徴とする風力発電装置。
【請求項６】
請求項１に記載の風力発電装置であって、
前記ロータを構成するブレードのピッチ角を変えるピッチ制御装置を備え、
前記ピッチ制御装置により前記ブレードのピッチ角を変えることで前記ロータの回転を停止させることを特徴とする風力発電装置。
【請求項７】
電力系統に接続される風力発電装置の制御方法であって、
前記風力発電装置の風車が計測している風速が所定の閾値を超えた場合、ロータの回転を停止する動作を開始し、当該停止動作開始から３０分以上掛けて前記ロータの回転を停止させることを特徴とする風力発電装置の制御方法。
【請求項８】
請求項７に記載の風力発電装置の制御方法であって、
前記停止動作開始から１時間以上掛けて前記ロータの回転を停止させることを特徴とする風力発電装置の制御方法。
【請求項９】
請求項７に記載の風力発電装置の制御方法であって、
前記停止動作開始から６時間以上掛けて前記ロータの回転を停止させることを特徴とする風力発電装置の制御方法。
【請求項１０】
請求項７に記載の風力発電装置の制御方法であって、
前記停止動作開始後、第１の回転数低下率で前記ロータの回転数を低下させ、所定の時間経過後、前記第１の回転数低下率よりも低い第２の回転数低下率で前記ロータの回転数を低下させることを特徴とする風力発電装置の制御方法。
【請求項１１】
請求項７に記載の風力発電装置の制御方法であって、
前記ロータの回転を発電機に伝達するドライブトレインを制動することで前記ロータの回転を停止させることを特徴とする風力発電装置の制御方法。
【請求項１２】
請求項７に記載の風力発電装置の制御方法であって、
前記ロータを構成するブレードのピッチ角を変えることで前記ロータの回転を停止させることを特徴とする風力発電装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電装置およびその制御方法に係り、特に、風力発電装置の停止方法に適用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電装置は、風向や風速などの風況が安定した場所を選んで設置することで、昼夜を問わず比較的安定な発電が可能である。また、風力発電装置には風速に関して運転範囲が設計上定められている。これは風速が高いと一般的に風車に作用する荷重が増大する為、機器保護のためである。また、最近では風力発電装置の規模や台数が拡大しているため、系統に対する安定性の配慮も望まれる。
【０００３】
このような状況で問題になるのが、洋上のような風速がほぼ均一に分布しているエリアで多くの風車を同エリアに導入した場合に風速が運転範囲の風速を超えて停止動作に一斉に入ることであり、系統に過大な擾乱を与えることになる。
【０００４】
風速が風車の運転範囲を超えた場合、通常停止で風車は運転を停止する。通常停止とは、比較的短時間で、出力をゼロに低下させていく。従って、これが大規模ウィンドファームで発生した場合、短時間のうちに大きな負荷変動を生じ、電力系統に急激な変動を与えてしまう。
【０００５】
本技術分野の背景技術として、例えば特許文献１のような技術がある。特許文献１には、本来停止させる必要のない不要な風力発電システムの停止処理を抑制し、必要以上の発電電力の低下を低減する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−１２７４６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、従来の停止動作（通常停止）では、電力系統に急激な変動を与えてしまうため、安定した電力供給が困難である。
【０００８】
また、発電出力を下げて運転を継続する場合も、大規模ウィンドファームで発生した場合、同様に短期間で大きな負荷変動を生じさせてしまう。
【０００９】
一方、シャットダウン動作をせずに発電運転を継続すると、風力発電装置（風車）に大きな荷重を与えてしまうため、風力発電装置（風車）への荷重の抑制は行う必要がある。例えば、大規模ウィンドファーム全体で風車の出力をコントロールする場合、停止動作の順番待ちの風車は大きな荷重を受け続けることになり、ブレードの破損や風車の倒壊といった事故も懸念される。
【００１０】
あるいは、ウィンドファーム全体の監視制御装置を準備し、順番に風車を停止させて系統への影響を最小化するという考えもある。しかしこの場合は、前述の全体監視制御装置が必要であり、発電所システムの複雑化を引き起こす。
【００１１】
また、運転範囲風速上限（カットアウト値）近傍での発電運転のような状態は、発電事業者にとっては、発電により収益を上げる機会でもあるため、止むを得ずシャットダウン動作に移行する場合であっても、完全に停止するまでは、なるべく長く発電運転を継続させたいという要求もある。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、風力発電装置を停止させる場合であっても、電力系統への急激な負荷の変動が少なく、完全に停止するまで十分に発電運転が可能な高効率な風力発電装置およびその制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の課題を解決するために、本発明は、電力系統に接続される風力発電装置であって、風を受けて回転するロータと、前記ロータの回転により発電する発電機と、前記ロータの回転を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、風車が計測している風速が所定の閾値を超えた場合、前記ロータの回転を停止する動作を開始し、当該停止動作開始から３０分以上掛けて前記ロータの回転を停止させることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明は、電力系統に接続される風力発電装置の制御方法であって、前記風力発電装置の風車が計測している風速が所定の閾値を超えた場合、ロータの回転を停止する動作を開始し、当該停止動作開始から３０分以上掛けて前記ロータの回転を停止させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、風力発電装置を停止させる場合であっても、電力系統への急激な負荷の変動が少なく、完全に停止するまで十分に発電運転が可能な高効率な風力発電装置およびその制御方法を実現することができる。
【００１６】
また、多数の風車を導入したウィンドファームにおいても、個々の風車を制御する全体監視制御が不要になり、システムが簡素で信頼性の高い発電所の構築が可能である。
【００１７】
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】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係る風力発電装置の概略構成図である。
【図２】従来の風力発電装置の停止方法を概念的に示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る風力発電装置の停止方法を概念的に示す図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るウィンドファームの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明を省略する。
【実施例１】
【００２０】
先ず、図１を参照して、本発明が適用される風力発電装置（風車）の構成と制御対象機器の一例を説明する。図１に示すように、風力発電装置（風車）１０の回転部は、複数のブレード１ａおよびそれを中央で連結するハブ１ｂからなるロータ１と、ロータ１の回転トルク（動力）を伝達するドライブトレイン（回転軸）２と、ドライブトレイン（回転軸）２の動力よりエネルギーを取り出す発電機３の回転部を備えている。
【００２１】
複数のブレード１ａおよびハブ１ｂで構成されるロータ１が風を受けて回転し、ロータ１の回転トルク（動力）をドライブトレイン（回転軸）２により発電機３へ伝達し、発電運転が行われる。発電機３は発電機トルクが可変な構造となっている。
【００２２】
図１では、ドライブトレイン２として回転軸のみが示されているが、増速機（ギアボックス）を設ける場合でも本発明は適用可能である。また、ドライブトレイン２には回転トルク（動力）を制動するブレーキ４および回転速度を検出する回転速度センサ５が設置されている。
【００２３】
制御装置６は、回転速度センサ５の読み取り値などを元に、ブレーキ４にON/OFF指令や発電機３にトルク指令を出すことが可能である。また、制御装置６は、回転速度センサ５の読み取り値（回転速度）やそれに基づき算出した回転加速度などを元に、ブレーキ４にON/OFF指令を出すタイミングや発電機３にトルク指令を出すタイミングを制御することが可能である。
【００２４】
つまり、制御装置６は回転速度センサ５の読み取り値などに基づき、ブレーキ４へのON/OFF指令や発電機３へのトルク指令により、ドライブトレイン２に加わるブレーキ力とそれを付加するタイミングを制御することができる。なお、ここでいうブレーキ力とは、ブレーキ４による制動力の他、発電機３の発電機トルク（負荷）も含む。
【００２５】
発電機３は電力系統に接続されており、発電した電力を電力系統に送電している。上記の回転部はナセル７内に設けられており、ナセル７はタワー８により水平面内を風向変化に合わせて回転可能に支持されている。
【００２６】
なお、図１には図示していないが、ハブ１ｂに対するブレード１ａの角度（ピッチ角）を可変なピッチ制御機構を設けて、風車のブレード１ａの角度（ピッチ角）を調整することで、風車（ロータ１）が受ける風の量を調整し、風車（ロータ１）の回転速度を制御することも可能である。
【００２７】
次に、図２および図３を参照して、本実施例の風力発電装置の制御方法について説明する。図２は、本発明を分かり易くするために比較例として示す従来の一般的な風力発電装置の停止方法を示している。
【００２８】
従来の風力発電装置（風車）では、風車が運転範囲風速上限（カットアウト値）に達した後、図２に示すようなノーマルシャットダウンという停止動作で風車を停止させる。回転速度センサ５により読み取ったロータ１（ドライブトレイン２）の回転数が、所定の運転範囲風速上限（カットアウト値）の近傍に近づいた場合、或いは、その所定値を超えた場合、制御装置６は風車の停止動作を開始する。停止動作開始後、通常は１５秒から１分程で風車（ロータ１）の回転を完全に停止させ、アイドリング状態にする。図２に示す従来のノーマルシャットダウンでは、１５秒から１分という短時間で急激に風車（ロータ１）の回転を停止させるため、発電機３での発電も急激に停止し、電力系統に急激な変動を与える恐れがある。
【００２９】
そこで、本実施例では、図３に示すように、停止動作開始後、従来よりも非常に長い時間を掛けて風車（ロータ１）の回転数を徐々に低下させる制御を行う。具体的には、図３に示すように、停止動作開始から風車（ロータ１）が完全に停止するまで３０分以上の時間を掛けて回転数を落としていく。（以降、スローシャットダウンとも呼ぶ。）
つまり、制御装置６は、風車（風向風速計９）が計測している風速（或いは、ロータ１の回転数）が所定の閾値（運転範囲風速上限：カットアウト値）を超えた場合、ブレーキ４によるドライブトレイン（回転軸）２の制動やピッチ制御機構によるブレード１ａのピッチ角調整により、ロータ１の回転を停止する動作を開始し、当該停止動作開始から３０分以上掛けてスローシャットダウンによりロータ１の回転を停止させる。
【００３０】
なお、この停止時間は、風況や風力発電装置（風車）の規模にもよるが、長ければ長い程、電力系統への急激な影響を抑制することができる。従って、例えば１時間、６時間、或いは、それ以上の時間を設定して停止動作を行ってもよい。
【００３１】
また、図３では、停止動作開始直後は時間（ｔ）に対する回転数の変化（低下量）の傾きθ１（第１の傾斜／回転数低下率）を、所定の時間経過後の傾きθ２（第２の傾斜／回転数低下率）よりも大きくなるように停止動作を制御している。つまり、停止動作開始直後、最初にやや大きめの出力低下とトルク低下を行い、その後緩やかに出力と回転数を絞っていく。
【００３２】
制御装置６は、停止動作開始後、第１の回転数低下率（図３のθ１）でロータ１の回転数を低下させ、一定の（所定の）時間が経過後、第１の回転数低下率（θ１）よりも低い第２の回転数低下率（図３のθ２）でロータ１の回転数を低下させる。
【００３３】
これにより、風車が運転範囲風速上限（カットアウト値）に達した後、風車（ロータ１）の回転数を一定の回転数まで急速に低下させることで、風車（ロータ１）に掛かる応力を迅速に抑制することができ、ブレードの破損や風車の倒壊といった事故の可能性を低減することができる。
【００３４】
以上説明したように、本実施例の風力発電装置およびその制御方法によれば、風車が運転範囲風速上限（カットアウト値）に達して、止むを得ず風力発電装置（風車）を停止させる場合であっても、電力系統への急激な負荷の変動が少なく、完全に停止するまで十分に発電運転を行うことができる。
【００３５】
なお、図３において、風車（ロータ１）の停止動作中または停止後に、風速が運転範囲風速上限（カットアウト値）よりも低下した場合は、制御装置６によりブレーキ４或いは発電機３の発電機トルク（負荷）によるドライブトレイン（回転軸）２の制動を解除し、風車（ロータ１）の発電運転を再開するように制御してもよい。
【実施例２】
【００３６】
図４を参照して、実施例２のウィンドファームの制御方法について説明する。図４は複数の風力発電装置１０から構成されるウィンドファーム１１を示している。ウィンドファーム１１を構成する各風力発電装置１０は、中央監視棟（監視システム）１２によりそれぞれ監視（モニタリング）と運転制御が行われる。
【００３７】
上述したように、従来のシャットダウン動作（ノーマルシャットダウン）では、１５秒から１分という短時間で急激に風車（ロータ１）の回転を停止させるため、発電機３での発電も急激に停止し、電力系統に急激な変動を与えてしまう。特に、図４のような風力発電装置１０の台数が多い大規模なウィンドファームでは、ウィンドファームを構成する複数の風力発電装置１０が風況の急変により一斉に停止動作を開始した場合、ウィンドファーム全体が電力系統に急激な変動を与える恐れがある。
【００３８】
そこで、図４に示すような大規模なウィンドファームにおいても、ウィンドファームを構成する複数の風力発電装置１０のそれぞれを、図３に示すスローシャットダウンによる停止動作を行う。
【００３９】
これにより、中央監視棟（監視システム）１２によるウィンドファームの制御に障害があったとしても、１基（１台）毎に急激な発電出力の変動を抑制することができるため、ウィンドファーム１１に連結される電力系統への影響を最小限に抑えながら、ウィンドファーム１１全体、或いは、一部の風力発電装置１０の停止動作を行うことができる。
【００４０】
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。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００４１】
１…ロータ、１ａ…ブレード、１ｂ…ハブ、２…ドライブトレイン（回転軸）、３…発電機、４…ブレーキ、５…回転速度センサ、６…制御装置、７…ナセル、８…タワー、９…風向風速計、１０…風力発電装置（風車）、１１…ウィンドファーム、１２…中央監視棟（監視システム）。
【図１】
2020002859.tif 000003
【図２】
2020002859.tif 000004
【図３】
2020002859.tif 000005
【図４】
2020002859.tif 000006