(57)【要約】      （修正有）【課題】高信頼度の風力発電システムを提供する。【解決手段】タワー上のナセルにより回転するブレードを支持すると共に風車制御装置により制御される風力発電装置と、ウィンドファーム内の風況を正確に計測する計測装置と、通信手段を介して前記風車制御装置および前記計測装置に接続される中央装置から構成され、前記中央装置は前記計測装置が計測した風況を基準として、前記風力発電装置の設置位置における風況を絶対風況として推定し、推定した絶対風況を、前記通信手段を介して前記風力発電装置の前記風車制御装置に伝送し、前記風車制御装置は、前記中央装置から取得した絶対風況を用いて発電制御することを特徴とする高信頼度の風力発電システム。【選択図】図５
2020007921.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タワー上のナセルにより回転するブレードを支持すると共に風車制御装置により制御される風力発電装置と、ウィンドファーム内の風況を正確に計測する計測装置と、通信手段を介して前記風車制御装置および前記計測装置に接続される中央装置から構成され、
前記中央装置は、前記計測装置が計測した風況を基準として、前記風力発電装置の設置位置における風況を絶対風況として推定し、推定した絶対風況を、前記通信手段を介して前記風力発電装置の前記風車制御装置に伝送し、
前記風車制御装置は、前記中央装置から取得した絶対風況を用いて発電制御することを特徴とする風力発電システム。
【請求項２】
請求項１に記載の風力発電システムであって、
前記風車制御装置は、前記中央装置から得た絶対風況における絶対風向を目標値としてヨーを旋回させることを特徴とする風力発電システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の風力発電システムであって、
前記風車制御装置は、前記中央装置から取得した絶対風況における絶対風向θｗに対し、絶対風向θｗとナセル軸との間の角度である風向偏差θｅ、並びに自身に予め設定されている角度である主風向設定値θｐｒｅｄを加味して校正ナセル方向θｎを算出し前記校正ナセル方向θｎを補正値としてヨー過旋回を監視することを特徴とする風力発電システム。
【請求項４】
請求項１から請求項３の何れか１項に記載の風力発電システムであって、
前記風車制御装置は、前記中央装置から取得した絶対風況における流入風速から、前記流入風速の時の前記風力発電装置における発電出力の理論値と、前記風力発電装置で計測した発電出力から、前記ナセルが風エネルギーに正対できていないと判断することを特徴とする風力発電システム。
【請求項５】
請求項１から請求項３の何れか１項に記載の風力発電システムであって、
前記風車制御装置は、前記中央装置から取得した絶対風況における流入風速から、前記流入風速の時の前記風力発電装置におけるナセル荷重の理論値と、前記風力発電装置で計測したナセル荷重から、前記ナセルが風エネルギーに正対できていないと判断することを特徴とする風力発電システム。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載の風力発電システムであって、
前記風車制御装置は、前記ナセルが風エネルギーに正対できていないと判断した場合に前記風力発電装置で計測したナセル荷重のベクトルに基づいてヨー旋回させることを特徴とする風力発電システム。
【請求項７】
請求項６に記載の風力発電システムであって、
前記風車制御装置は、前記風力発電装置で計測したナセル荷重のベクトルに基づきヨー旋回させる時のヨー旋回補正量を微少角度に設定し、段階的な複数回の試行を行うことを特徴とする風力発電システム。
【請求項８】
請求項６に記載の風力発電システムであって、
前記風車制御装置は、前記ヨー旋回について、この後ヨー旋回が停止する度に絶対風向が解明されるまで繰り返し実施することを特徴とする風力発電システム。
【請求項９】
請求項６から請求項８の何れか１項に記載の風力発電システムであって、
前記風車制御装置は、前記ヨー旋回の過程において、特定の絶対風向帯域からの風エネルギーに、縦列風や立地環境に起因して前記流入風速が高くなった際に風速乱流度が大きくなり風力発電装置の疲労荷重を著しく増大させるなど好ましくない要素が含まれていると想定された場合においては、ナセルを風エネルギーに正対させることはせず、当該帯域外に避難させた上で最大限の発電出力が得られるよう、かつ、前記ナセル荷重が許容範囲内に収束するよう、発電制御することを特徴とする風力発電システム。
【請求項１０】
請求項７に記載の風力発電システムであって、
前記風車制御装置は、前記風力発電装置で計測したナセル荷重のベクトルに基づきヨー旋回させる時のヨー旋回補正量を、ナセルの左右方向共に固定値としたことを特徴とする風力発電システム。
【請求項１１】
請求項７に記載の風力発電システムであって、
前記風車制御装置は、前記風力発電装置で計測したナセル荷重のベクトルに基づきヨー旋回させる時のヨー旋回補正量を、ナセル方向の測定誤差の実績または特性から学習した上で、ヨー旋回の方向に応じて動的に変動させることを特徴とする風力発電システム。
【請求項１２】
請求項７に記載の風力発電システムであって、
前記風車制御装置は、前記風力発電装置で計測したナセル荷重のベクトルに基づきヨー旋回させる時のヨー旋回補正量を、前記流入風速の時の前記風力発電装置における発電出力の理論値と、前記風力発電装置で計測した発電出力の偏差量に応じて動的に変動させることを特徴とする風力発電システム。
【請求項１３】
請求項７に記載の風力発電システムであって、
前記風車制御装置は、前記風力発電装置で計測したナセル荷重のベクトルに基づきヨー旋回させる時のヨー旋回補正量を、前記流入風速の時の前記風力発電装置における発電出力の理論値と、前記風力発電装置で計測した発電出力の偏差量が発生してから前記偏差量が解消されるまでの期間に応じ動的に変動させることを特徴とする風力発電システム。
【請求項１４】
請求項７に記載の風力発電システムであって、
前記風車制御装置は、前記風力発電装置で計測したナセル荷重のベクトルに基づきヨー旋回させる時のヨー旋回補正量を、前記流入風速の時の前記風力発電装置におけるナセル荷重の理論値と、前記風力発電装置で計測したナセル荷重の偏差量に応じて動的に変動させることを特徴とする風力発電システム。
【請求項１５】
請求項７に記載の風力発電システムであって、
前記風車制御装置は、前記風力発電装置で計測したナセル荷重のベクトルに基づきヨー旋回させる時のヨー旋回補正量を、前記流入風速の時の前記風力発電装置におけるナセル荷重の理論値と、前記風力発電装置で計測したナセル荷重の偏差量が発生してから前記偏差量が解消されるまでの期間に応じ動的に変動させることを特徴とする風力発電システム。
【請求項１６】
請求項７に記載の風力発電システムであって、
前記風車制御装置は、前記風力発電装置で計測したナセル荷重のベクトルに基づきヨー旋回させる時のヨー旋回補正量が一定の基準を超過して増大した場合、前記風力発電装置のナセル方向計に何らかの異常が発生しているものと見做して前記ナセル方向計の交換を推奨するための警報を発生させ、関係者に周知することを特徴とする風力発電システム。
【請求項１７】
請求項３に記載の風力発電システムであって、
前記風車制御装置は、前記校正ナセル方向と前記風力発電装置で計測したナセル方向を比較し一定の基準を超過して乖離していた場合、前記ナセル方向計に何らかの異常が発生しているものと見做して前記ナセル方向計の交換を推奨するための警報を発生させ、関係者に周知することを特徴とする風力発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は風力発電システムに係り、特に風力発電装置の発電出力性能の向上および疲労荷重の低減さらにはヨー過旋回の防止を目的とした風力発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
地球環境問題あるいはエネルギー安全保障問題等を背景として、風力発電／太陽光発電／潮流発電／地熱発電をはじめとした再生可能エネルギーの導入量が著しく増大している。中でも風力発電は、経済合理性に優れ同時に短中期的にも導入効果が大きく且つ発電効率が比較的高い処から、一般的には最も有望な再生可能エネルギーの１つとして認識されている。
【０００３】
風力発電は、風力発電装置が自身のヨーを旋回させて風エネルギーを取り込み、それにより自身のブレード及びドライブトレインを回転させ、このときの回転エネルギーを増速機により増幅させた上で自身の発電機により電気エネルギーに変換することで実現する。
【０００４】
風力発電において、顧客または系統管理者等の経営層が最も重要視している要素の１つとして挙げられるのは風力発電装置の発電出力性能である。風力発電装置の発電出力性能を、現状の風力発電装置システム構成のままコストを掛けず飛躍的に向上させるためには、風力発電装置が最適に風エネルギーを取り込めるようにするための何らかの制御上の施策が必要となる。
【０００５】
大多数の一般的な風力発電装置は自身のナセル後方上面に風向風速計を、同ヨー近傍にナセル方向計を具備しており、それらにより測定された風向偏差（ナセル方向と絶対風向との偏差である風力発電装置にとっての相対風向）及びナセル方向を主要根拠として自身のヨーを旋回させることによって、アップウィンド型の風力発電装置であればナセル前方から、また、ダウンウィンド型の風力発電装置であればナセル後方から、可能な限り風向に正対させた状態にした上で風エネルギーを取り込めるようにしている。
【０００６】
然るに、ナセル方向計はギヤ及びアブソリュートエンコーダをはじめとした回転体から構成されており、風力発電装置の発電運転もしくは外部環境などに起因した振動や汚損に伴い経年劣化し易く、結果として精密な制御が必要とされるヨー旋回においては許容できない程度の測定誤差や誤作動が惹起してしまうという構造上の致命的脆弱性を有している。このため、前記問題を根本的に解決しない限り、風力発電装置の発電出力性能を持続的に向上させることは事実上不可能であると見做されていた。
【０００７】
上記点に関連して、特許文献１には「ヨー駆動機構および風向計およびナセル方向計を具備した風力発電装置であって、前記ナセル方向計が正常である場合は前記ナセル方向計により測定されたナセル方向および前記風向計により測定された風向偏差に基づいてヨー旋回方向を決定し、一方で前記ナセル方向計が異常となった場合は、ナセル方向推定部により算出されたナセル方向推定値および前記風向計により測定された風向偏差に基づいてヨー旋回方向を決定することを特徴とし、前記ナセル方向推定部は、ヨー旋回速度およびヨー旋回時間に基づいて算出される所定期間におけるヨー旋回移動量と、所定期間開始時点におけるナセル方向とに基づいて所定期間終了時点におけるナセル方向推定値を算出し、更に、ＳＣＡＤＡから、前記風力発電装置と風況の類似性を有している他風力発電装置の健全なナセル方向計により測定された校正ナセル方向を受信した場合は、前記ナセル方向推定値を前記校正ナセル方向に基づいて適切に補正した上で発電制御する」ための手法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１５−１６１１７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１には、風力発電装置が具備しているナセル方向計が異常となった場合においては、ナセル方向推定部によってヨー旋回速度およびヨー旋回時間に基づいて算出される所定期間におけるヨー旋回移動量と、所定期間開始時点におけるナセル方向とに基づいて所定期間終了時点におけるナセル方向推定値を算出し、更に、ＳＣＡＤＡ（Ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒｙ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ａｎｄ  Ｄａｔａ  Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ）から風況の類似性を有している他風力発電装置の健全なナセル方向計により測定された校正ナセル方向を受信した場合においては、前記ナセル方向推定値を前記校正ナセル方向に基づいて適切に補正した上で発電制御するための手法が記載されているが、本手法の要素となる前記ヨー旋回速度を算出するためには、ヨー駆動機構の挙動が不安定となる加速時および減速時の過渡状態を考慮しなければならず、また、風況やヨー駆動機構の経年劣化をはじめとした外乱の影響を考慮しなければならないため、論理的に正確な前記ヨー旋回速度を算出することは非常に困難な問題である。
【００１０】
もし、前記ヨー旋回速度を正確に算出できたとしても、前記ナセル方向計が異常となる直前のナセル方向には既に故障等に伴う測定誤差が少なからず含まれている可能性が大であるため、前記ヨー旋回速度および前記ナセル方向に基づいて算出される前記ナセル方向推定値には、精密な制御が必要とされるヨー旋回においては許容できない程度の測定誤差が含まれているものと容易に推定できる。
【００１１】
また、ナセル方向推定値を補正するための校正ナセル方向はＳＣＡＤＡが風況の類似性を有している他風力発電装置の健全なナセル方向計により測定されたナセル方向に基づき算出したものであるが、立地環境の異なる各々風力発電装置における風況が厳密な意味において相違あること既に自明であるため、前記校正ナセル方向には精密な制御が必要とされるヨー旋回においては許容できない程度の測定誤差が含まれているものと容易に推定できる。
【００１２】
つまり、特許文献１に記載の手法はナセル方向計が異常となった場合においてもナセル方向計を代替品と交換するまでの限定された過渡的な期間においてのみ、風力発電装置の稼働率および信頼性の双方を可能な限り維持するためのものであり、風力発電装置の発電出力性能を持続的に向上させるためのものではないと見做すことができる。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
以上のことから、本発明においては「タワー上のナセルにより回転するブレードを支持すると共に風車制御装置により制御される風力発電装置と、ウィンドファーム内部の風況を正確に計測する計測装置と、通信手段を介して前記風車制御装置および前記計測装置に接続される中央装置から構成され、前記中央装置は、前記計測装置が計測した風況を基準として前記風力発電装置の設置位置における風況を絶対風況として推定し、推定した絶対風況を、前記通信手段を介して前記風力発電装置の前記風車制御装置に伝送し、前記風車制御装置は、前記中央装置から取得した絶対風況を用いて発電制御することを特徴とする高信頼度の風力発電システム」としたものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、高信頼度の風力発電システムを得ることができる。
【００１５】
具体的には、一般的な風力発電装置システム構成に対して本発明の発電制御手法を実装するだけで絶対風向を追及できるようになり、多額の追加コストを掛けることなく最大限度の風エネルギーを取り込めるようになるため、風力発電装置の発電出力性能を向上させ、かつ、定常的な風エネルギーの偏流状態に起因した風力発電装置の疲労荷重を低減させ、更には、ナセル方向計の測定誤差や誤作動に起因したヨー過旋回を防止することができる。
【００１６】
加えて、学習機能によってヨー旋回補正量の精度を向上させることができるようになるため、また、パワーカーブ偏差あるいはナセル荷重偏差に基づいてヨー旋回補正量を最適化できるようになるため、より少ない時間で絶対風向を追及できるようになる。
【００１７】
その上、ナセル方向計の代替品への交換推奨を事前に関係者に対して周知できるようになるため、代替品を手配するまでのリードタイムはじめとして様々な現地作業に関連する条件により風力発電装置の稼働率を低減させてしまうことがなくなる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】風力発電装置の外観側面例を示す図。
【図２】風力発電装置の外観正面例を示す図。
【図３】風力発電装置１００がアップウィンド型風力発電装置である場合の風エネルギーの概念を示す図。
【図４】風力発電装置とその監視制御装置により構成された風力発電システム２００の構成例を示す図。
【図５】図４の風力発電システム２００における制御内容を示すフローチャート。
【図６ａ】発電出力計により測定された発電出力と流入風速の関係を示すパワーカーブの例を示す図。
【図６ｂ】ナセル振動計により測定されたナセル荷重と流入風速の関係を示す図。
【図７】校正ナセル方向を算出することについて説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下図面を参照して本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００２０】
本発明に係る風力発電装置の外観構成例を図１及び図２に示している。図１は外観側面図であり図２は外観正面図である。
【００２１】
これらの図に示しているように、風力発電装置１００は自身のヨー１０７を旋回させて風エネルギーを取り込み、それにより自身のブレード１０１及びドライブトレイン１０５を回転させ、このときの回転エネルギーを増速機１０９によって増幅させた上で、自身の発電機１０６により電気エネルギーに変換している。ブレード１０１およびハブ１０２およびナセル１０３およびヨー１０７はタワー１０８によって支持されている。
【００２２】
風車制御装置１４０は、ハブ１０２或いはナセル１０３或いはタワー１０８のうち何れかの内部に設置されている。風車制御装置１４０は発電機１０６の近傍に設置されている発電出力計および風向風速計１０４、ハブ１０２の内部に設置されているピッチ油圧シリンダ位置計、ヨー１０７の近傍に設置されているナセル方向計とナセル振動計などにより測定された数値に基づいて、主にヨー１０７およびブレード１０１および発電機１０６を制御している。
【００２３】
図３は、風力発電装置１００がアップウィンド型風力発電装置である場合の、風エネルギーの概念を示しておりナセル１０３を上部から俯瞰したときのハブ１０２及びブレード１０１に加わる風向ごとの風エネルギーを示している。ナセル１０３は正対する風エネルギーを受ける場合以外に、左右の前斜方向からの風エネルギーを受ける場合もあり、正対する場合に比べて発電効率が低下する。このことから、ナセル１０３は常に風エネルギーの正対位置に保持されるのが良い。
【００２４】
図４は、風力発電装置１００と、その監視制御装置により構成された風力発電システム２００の構成例を示す図であり、複数台の風力発電装置１００によってウィンドファーム１３２を形成する例を示しているが、本発明は単数台の風力発電装置１００に対しても、同様に適用可能である。
【００２５】
図４の複数台の風力発電装置１００を総合的に監視制御する監視制御装置は、中央装置であるＳＣＡＤＡ１３１と、計測装置であるＭＥＴ１３３と、個別の風力発電装置１００に設置されたローカルな制御装置である風車制御装置１４０により構成されている。このため、ＳＣＡＤＡ１３１はスイッチングハブおよびＬＡＮ１３５を介して、ＭＥＴ１３３および個別の風力発電装置１００と接続されている。また、ＳＣＡＤＡ１３１はルータおよびＷＡＮ１３６を介して、顧客１３７および系統管理者１３８と接続されており、適宜風力発電システム２００の状況を報告し、顧客１３７または系統管理者１３８からの要望を風力発電システム２００の運転に反映させている。
【００２６】
図４のＭＥＴ１３３は、ヨーやブレード等の可動部がなく、風向風速計１３４や温湿度計／大気圧計／降雨計などのセンサのみを具備し、ウィンドファーム１３２内部の正確な風況観測を主目的とした計測装置である。
図１および図２の風力発電装置１００に設置されたナセル方向計は、ギヤおよびアブソリュートエンコーダをはじめとした回転体による機械機構を具備しており、風力発電装置１００の発電運転に起因した振動や汚損による経年劣化の恐れのある構造となっているが、ＭＥＴ１３３は風力発電装置１００とは異なり、ヨー１０７やブレード１０１等の可動部を具備していないため、係る劣化要因を排除した正確な計測装置であると言える。
【００２７】
また、ＭＥＴ１３３は例えばウィンドファーム１３２内部に設置され、当該設置位置における風況観測情報として絶対風向および風速を正確に把握することが可能であり、これらの絶対風向および風速はサイトキャリブレーションを通して個別の風力発電装置１００の絶対風向および流入風速に変換される。なお、本書におけるサイトキャリブレーションとは、個々の風力発電装置１００とＭＥＴ１３３の位置関係から導出された双方風況観測情報の関連性をルックアップテーブルもしくは数式で明示されたものとして定義する。
【００２８】
ＳＣＡＤＡ１３１は、個別の風力発電装置１００の発電運転情報およびＭＥＴ１３３で計測した風況観測情報をＬＡＮ１３５経由で取得し、また、自身の演算結果を各種指令値として生成しＬＡＮ１３５経由で個別の風力発電装置１００に送信している。
【００２９】
さらに、ＳＣＡＤＡ１３１は、顧客１３７もしくは系統管理者１３８からの任意の要求を遠隔からＷＡＮ１３６経由で取得した場合、自身の記憶装置に蓄積している多種情報の中から要求に適合した情報を選別し読み出した上で返信する。また、顧客１３７もしくは系統管理者１３８からの要求を取得しなかった場合、自身の異常もしくは個別の風力発電装置１００の異常もしくはＭＥＴ１３３の異常等を検出した際に、各種異常を顧客１３７もしくは系統管理者１３８に対して能動的に連絡すべくＷＡＮ１３６経由で送信している。
【００３０】
図５は、図４の風力発電システム２００における制御内容を示すフローチャートである。このフローチャートは、中央装置を構成するＳＣＡＤＡ１３１内の計算機と、ローカルな制御装置である風車制御装置１４０の間における一連の処理手順を示している。
【００３１】
図５のフローチャートは、ＳＣＡＤＡ１３１側と風車制御装置１４０側で表されている。まず、ＳＣＡＤＡ１３１側の処理ステップＳ１００において、ＳＣＡＤＡ１３１はＭＥＴ１３３が具備している風向風速計１３４により測定された風況観測情報（絶対風向および風速）を取得する。なお、図示はしていないが、ＳＣＡＤＡ１３１は個別の風力発電装置１００から、その発電運転情報を別途入手している。
【００３２】
次に処理ステップＳ１０１においてサイトキャリブレーションを実行する。このサイトキャリブレーションに基づいて、個々の風力発電装置１００の設置位置における絶対風況（絶対風向および流入風速）を算出している。
【００３３】
これはＭＥＴ１３３が計測した風況を、風力発電装置１００の発電運転に起因した外乱など各種悪影響を受けない絶対的な正しい風況と考え、これを基準としてＭＥＴ１３３の設置位置と個々の風力発電装置１００の設置位置との間での地理的状況などを考慮して、個々の風力発電装置１００の設置位置における風況を、この位置での絶対風況（絶対風向および流入風速）として推定したものである。従って、ＭＥＴ１３３側から推定された個々の風力発電装置１００の設置位置における絶対風況と、個々の風力発電装置１００で計測された風況とは相違しているものと考えられる。本発明ではＭＥＴ１３３側から推定された個々の風力発電装置１００の設置位置における絶対風況を用いて、個々の風力発電装置１００の制御を実行するものである。
【００３４】
処理ステップＳ１０２では、サイトキャリブレーション結果である個々の風力発電装置１００の設置位置における絶対風況（絶対風向および流入風速）を、個々の風力発電装置１００に送信し、個々の風力発電装置１００は処理ステップＳ２００においてこれを受信する。
【００３５】
風力発電装置１００内では、風車制御装置１４０が、処理ステップＳ２０１において、自身に与えられた絶対風向を目標値としてヨー１０７を旋回させる。絶対風向を目標値とするヨー１０７の旋回は、また、処理ステップＳ２０２およびＳ２０３において過旋回していないか監視される。
【００３６】
まず処理ステップＳ２０２において、絶対風向と、風向風速計１０４により測定された風向偏差、更には、自身に予め設定されている主風向設定値（風力発電装置建設時に定められるタワー下とナセル内とを接続する各種ケーブルの捻れのないナセル方向を０ｄｅｇとした際の方角）から、自身の校正ナセル方向を算出する。なお、この場合の算出手法については図７を用いて後述する。その後、処理ステップＳ２０３において算出された校正ナセル方向に基づき、ナセル方向計により測定されたナセル方向を補正する。
【００３７】
最後に処理ステップＳ２０４において、風車制御装置１４０における制御結果についての状況報告を作成してＳＣＡＤＡ１３１側に送信し、ＳＣＡＤＡ１３１はこの報告を処理ステップＳ１０３において受領する。
【００３８】
図５で示したように、個々の風力発電装置１００はＭＥＴ１３３を用いたサイトキャリブレーション結果が反映された、個々の風力発電装置１００における絶対風況（絶対風向および流入風速）に基づいて、ヨー１０７の旋回とナセル方向を決定している。
【００３９】
次に図７を用いて、校正ナセル方向を算出することについて説明する。図７の例では、ナセル位置を起点として、概ね北東方向にナセル軸が位置することを例示している。
【００４０】
この図では、サイトキャリブレーション結果である絶対風向θｗと、風向風速計により測定された風向偏差θｅと、自身に予め設定されている主風向設定値θｐｒｅｄ等を記載している。なお、絶対風向θｗは真北を０ｄｅｇとした際の風向の方角、風向偏差θｅは絶対風向θｗとナセル軸との間の角度、主風向設定値θｐｒｅｄは自身に予め設定されている角度である。ここでは、校正ナセル方向θｎを（１）式により求める。
校正ナセル方向θｎ（ｄｅｇ）＝絶対風向θｗ（ｄｅｇ）＋風向偏差θｅ（ｄｅｇ）−
主風向設定値θｐｒｅｄ（ｄｅｇ）・・・（１）
（１）式によれば、校正ナセル方向はＳＣＡＤＡ１３１から与えられた絶対風向θｗに対して、変動要因あるいは初期設定要因である風向偏差θｅや主風向設定値θｐｒｅｄを加味して算出された補正値であり、この校正ナセル方向に基づいてヨー過旋回を監視することになる。このように本発明においては、絶対風況を用いてナセル方向を補正する。
【００４１】
この結果、本発明によれば、信頼性が乏しい計測部材であったナセル方向計について、これを使用せずとも（１）式の校正ナセル方向に基づいてヨー過旋回を監視することで、その信頼度低下を補うことが可能であり、かつ、構成部材の削減を図ることができる。
【００４２】
つまり、発電出力計および風向風速計１０４およびナセル方向計およびナセル振動計のほかヨー１０７やブレード１０１など一般的なシステム構成を具備した単数台または複数台の風力発電装置１００と、ヨー１０７やブレード１０１等の可動部がなく、風向風速計１３４や温湿度計／大気圧計／降雨計などのセンサのみを具備し、ウィンドファーム内部の正確な風況観測を主目的としたＭＥＴ１３３と、単数台または複数台の風力発電装置１００の発電運転情報およびＭＥＴ１３３の風況観測情報を集中管理するＳＣＡＤＡ１３１を具備した風力発電システム２００であって、ＳＣＡＤＡ１３１は、ＭＥＴ１３３が具備する風向風速計１３４により測定された風況観測情報（絶対風向および風速）を取得し、サイトキャリブレーションにより各風力発電装置１００の絶対風況（絶対風向および流入風速）を算出して各風力発電装置１００に送信し、各風力発電装置１００は前記絶対風向を目標値としてヨー１０７を旋回させる。また前記絶対風向と、風向風速計１０４により測定された風向偏差と、自身に予め設定されている主風向設定値から（１）式に基づいて自身の校正ナセル方向を算出し、ナセル方向計により測定されたナセル方向を補正する。
【００４３】
本発明の実施例１によれば、一般的な風力発電装置システム構成に対して本発明の発電制御手法を実装するだけで絶対風向を追及できるようになり、多額の追加コストを掛けることなく最大限度の風エネルギーを取り込めるようになるため、風力発電装置の発電出力性能を向上させ、かつ、定常的な風エネルギーの偏流状態に起因した風力発電装置の疲労荷重を低減させ、更には、ナセル方向計の測定誤差や誤作動に起因したヨー過旋回を防止することができる。
【実施例２】
【００４４】
実施例１では、絶対風向を目標値として発電制御する手法について説明した。この手法では、（１）式により算出された校正ナセル方向θｎを正しいものとして運用を行うが、長年の運用の中では何らかの誤差を含み、校正ナセル方向θｎの算出根拠とした絶対風向θｗが実際の絶対風向から外れた不正な状況になることが想定される。
【００４５】
実施例２では、実施例１の風力発電システムを前提としながら誤差が生じた場合の検知と改善を提案する。本発明では、ヨー１０７の旋回に関して基本的にはＳＣＡＤＡ１３１側から与えられた絶対風向θｗを目標値としてヨー１０７を旋回させれば良いが、さらに以下の観点を取り入れる。
【００４６】
流入風速から風エネルギー正対時の理論上の発電出力を算出し、発電出力計により測定された実際の発電出力と比較して乖離していた場合はナセル１０３が風エネルギーに完全に正対できていないと判断して、ナセル振動計により測定されたナセル荷重のベクトルに基づいてヨー１０７を左右に旋回させる。なお、この絶対風向を追及するためのヨー旋回補正は、この後ヨー旋回が停止する度に絶対風向が解明されるまで繰り返される。
【００４７】
図６ａは、発電出力計により測定された発電出力と流入風速の関係を示す図の例を示しており、特性１１１は個々の風力発電装置１００の発電出力と流入風速の関係であり事前に作成された理論上の特性である。これに対し特性１１２は個々の風力発電装置１００の発電出力と流入風速の関係を示す実際の特性である。ＳＣＡＤＡ１３１から得られた当該風力発電装置１００における流入風速ＷＳ１の時の発電出力計により測定された発電出力Ｐは、実特性１１２上のＰ２であり、理論特性１１１上の発電出力Ｐ１と相違する。このことから、Ｐ１−Ｐ２が所定値以上であることをもって、ナセル１０３が風エネルギーに完全に正対できていないと判断する。
【００４８】
図６ａからナセル１０３が風エネルギーに完全に正対できていないと判断された場合においては、ナセル振動計により測定されたナセル荷重のベクトルに基づいてヨー１０７を左右に旋回させる。
【００４９】
このときのヨー旋回補正量を、左右方向共に例えば５ｄｅｇとすることで、風向風速計１０４に頼ることなく適切に補正されたナセル方向に基づいて絶対風向を追及できるようになる。ここで言うヨー旋回補正量とは、要するに微少角度を設定したものである。絶対風向が解明され、正対位置を特定するために、微少角度とすることにより少しずつ動かし、何度かの繰り返しを経て正対位置を探索し決定するというものである。なお、微少角度をどのような考え方で定めるのが良いのかについて、以降の実施例において複数事例を紹介するが、何れの場合においても一度に補正するのではなく、段階的に複数回の試行を経て辿り着く方式とする。
【００５０】
本発明の実施例２によれば、発電出力の観点を取り入れてヨー旋回補正を実施し、絶対風向を追及できるようになるため、風力発電装置の発電出力性能と共に機器信頼性を向上させることができる。
【実施例３】
【００５１】
実施例３では、実施例２の風力発電システムにおいて、ナセル１０３が風エネルギーに完全に正対できていないと判断するための根拠として、発電出力ではなく「ナセル荷重」を採用する。
【００５２】
具体的には、流入風速から風エネルギー正対時の理論上のナセル荷重を算出し、ナセル振動計により測定された実際のナセル荷重と比較して乖離していた場合はナセル１０３が風エネルギーに完全に正対できていないと判断し、ナセル振動計により測定されたナセル荷重のベクトルに基づいてヨー１０７を左右に旋回させる。尚、この絶対風向を追及するためのヨー旋回補正は、この後ヨー旋回が停止する度に絶対風向が解明されるまで繰り返される。
【００５３】
図６ｂは、ナセル振動計により測定されたナセル荷重と流入風速の関係を示す図の例を示しており、特性１２１は個々の風力発電装置１００のナセル荷重と流入風速の関係であり事前に作成された理論上の特性である。これに対して特性１２２は個々の風力発電装置１００のナセル荷重と流入風速の関係を示す実際の特性である。ＳＣＡＤＡ１３１から得られた当該風力発電装置１００における流入風速ＷＳ１の時のナセル振動計により測定されたナセル荷重Ｗは、実特性１２２上のＷ２であり理論特性１２１上のナセル荷重Ｗ１と相違する。このことから、Ｗ２−Ｗ１が所定値以上であることをもって、ナセル１０３が風エネルギーに完全に正対できていないと判断する。
【００５４】
図６ｂからナセル１０３が風エネルギーに完全に正対できていないと判断された場合においては、ナセル振動計により測定されたナセル荷重のベクトルに基づいてヨー１０７を左右に旋回させる。
【００５５】
本発明の実施例３によれば、ナセル荷重の観点を取り入れてヨー旋回補正を実施して、絶対風向を追及できるようになるため、風力発電装置の発電出力性能と共に機器信頼性を向上させることができる。
【実施例４】
【００５６】
実施例４では、実施例１から実施例３の風力発電システムにおいて、各風力発電装置１００が絶対風向を追及する過程で、特定の絶対風向の帯域からの風エネルギーに、縦列風や立地環境に起因して流入風速が高くなった際に風速乱流度が大きくなる場合に対応する。なお、特定の絶対風向の帯域とは、例えば絶対風向３０〜６０ｄｅｇの範囲内の風エネルギーには縦列風に起因した風速乱流度が大きくなる傾向が顕著である、等のような特殊な帯域のことである。
【００５７】
このような状況では、風力発電装置１００の疲労荷重を著しく増大させるなど好ましくない要素が含まれていると想定されることから、当該帯域内ではナセル１０３を風エネルギーに正対させることはせず、当該帯域外に避難させた上で最大限度の発電出力が得られるよう、かつ、ナセル荷重が許容範囲内に収束するよう、風力発電装置１００を発電出力および流入風速および風向偏差およびナセル方向およびナセル荷重に基づき発電制御する。
【００５８】
本発明の実施例４によれば、ブレード１０１およびナセル１０３およびタワー１０８および増速機１０９をはじめとした風力発電装置１００の主要部位に対し、悪影響を及ぼし得る場面から回避できるようになるため、風力発電装置１００の機器信頼性を向上させることができる。
【実施例５】
【００５９】
実施例５では、実施例２から実施例４の風力発電装置において、各風力発電装置１００が絶対風向を追及するためのヨー旋回補正量について、ナセル方向測定誤差の実績または特性から学習した上で、右方向は６ｄｅｇ、左方向は４ｄｅｇとして最適化することで、より高い精度で絶対風向を追及できるようになる。
【００６０】
本発明の実施例５によれば、前記ヨー旋回補正量の精度を向上させ最適化できるようになるため、より少ない時間で絶対風向を追及できるようになる。
【実施例６】
【００６１】
実施例６では、実施例２から実施例４の風力発電装置において、各風力発電装置１００が絶対風向を追及するためのヨー旋回補正量について、図６ａのパワーカーブ偏差量に応じて最適化することで、より高い精度で絶対風向を追及できるようになる。
【００６２】
本発明の実施例６によれば、前記ヨー旋回補正量の精度を向上させ最適化できるようになるため、より少ない時間で絶対風向を追及できるようになる。
【実施例７】
【００６３】
実施例７では、実施例２から実施例４の風力発電装置において、各風力発電装置１００が絶対風向を追及するためのヨー旋回補正量について、図６ａのパワーカーブ偏差が発生してから同偏差が解消されるまでの期間に応じて最適化することで、より高い精度で絶対風向を追及できるようになる。
【００６４】
本発明の実施例７によれば、前記ヨー旋回補正量の精度を向上させ最適化できるようになるため、より少ない時間で絶対風向を追及できるようになる。
【実施例８】
【００６５】
実施例８では、実施例２から実施例４の風力発電装置において、各風力発電装置１００が絶対風向を追及するためのヨー旋回補正量について、風力発電装置のナセル荷重偏差量に応じて最適化することで、より高い精度で絶対風向を追及できるようになる。
【００６６】
本発明の実施例８によれば、前記ヨー旋回補正量の精度を向上させ最適化できるようになるため、より少ない時間で絶対風向を追及できるようになる。
【実施例９】
【００６７】
実施例９では、実施例２から実施例４の風力発電装置において、各風力発電装置１００が絶対風向を追及するためのヨー旋回補正量について、風力発電装置のナセル荷重偏差が発生してから同偏差が解消されるまでの期間に応じて最適化することで、より高い精度で絶対風向を追及できるようになる。
【００６８】
本発明の実施例９によれば、前記ヨー旋回補正量の精度を向上させ最適化できるようになるため、より少ない時間で絶対風向を追及できるようになる。
【実施例１０】
【００６９】
実施例１０では、実施例２から実施例４の風力発電装置において、各風力発電装置１００が絶対風向を追及するためのヨー旋回補正量が一定の基準を超過して著しく増大した場合においては、ナセル方向計に何らかの異常が発生しているものと見做してナセル方向計の交換を推奨するための警報を発生させ、関係者に周知する。
【００７０】
本発明の実施例１０によれば、ナセル方向計の代替品への交換推奨を事前に関係者に周知できるようになるため、代替品を手配するまでのリードタイムはじめとして様々な現地作業に関連する条件により風力発電装置の稼働率を低減させてしまうことがなくなる。
【実施例１１】
【００７１】
実施例１１では、校正ナセル方向とナセル方向計により測定されたナセル方向とを比較して一定の基準を超過して乖離していた場合においては、ナセル方向計に何らかの異常が発生しているものと見做してナセル方向計の交換を推奨するための警報を発生させ、関係者に周知する。
【００７２】
本発明の実施例１１によれば、ナセル方向計の代替品への交換推奨を事前に関係者に周知できるようになるため、代替品を手配するまでのリードタイムはじめとして様々な現地作業に関連する条件により風力発電装置の稼働率を低減させてしまうことがなくなる。
【符号の説明】
【００７３】
１００：風力発電装置
１０１：ブレード
１０２：ハブ
１０３：ナセル
１０４：風向風速計
１０５：ドライブトレイン
１０６：発電機
１０７：ヨー
１０８：タワー
１０９：増速機
１１１：発電出力理論値
１１２：発電出力測定値
１１３：発電出力偏差量
１２１：ナセル荷重理論値
１２２：ナセル荷重測定値
１２３：ナセル荷重偏差量
１３１：ＳＣＡＤＡ
１３２：ウィンドファーム
１３３：ＭＥＴ
１３４：風向風速計
１３５：ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）
１３６：ＷＡＮ（Ｗｉｄｅ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）
１３７：顧客
１３８：系統管理者
１４０：風車制御装置
２００：風力発電システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７】
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