(57)【要約】【課題】電力を電力網に供給するのを妨害される風力タービンの回転速度の制御手段であって、ロータの回転速度を示す特徴的な運転パラメータを変化して、該風力タービンのタワーおよびヨーシステムにかかる機械的負荷が低減されるようにする制御手段を提供すること。【解決手段】ロータの実際の回転速度を示す第１の信号を受信するための第１の入力ノードと、該ロータの基準回転速度を示す第２の信号を受信するための第２の入力ノードと、風力タービンの異常運転状況を検出するための検出ユニットと、前記第１の信号と前記第２の信号とに基づいて、前記ロータの回転速度を示す前記風力タービンの特徴的な運転パラメータの基準信号を供給し、比例制御要素と積分制御要素とを有する制御ユニットと、前記異常運転状態の検出に応答して該積分制御要素へキックパルスを送信するパルスジェネレータとを有する、回転速度制御装置。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力網（１９０，２９０）に電力を供給するための風力タービン（１００）のロータ（１１０）の回転速度を制御するための装置（１４０，２４０）において、
・前記ロータ（１１０）の実際の回転速度を示す第１の信号を受信するための第１の入力ノード（２４１）と、
・前記ロータ（１１０）の基準回転速度を示す第２の信号を受け取るための第２の入力ノード（２４２）と、
・前記風力タービン（１００）が電力を前記電力網（１９０，２９０）に供給するのが妨害される異常運転状況を検出するための検出ユニット（２４５）と、
・前記第１の信号と前記第２の信号とに基づいて、前記ロータ（１１０）の回転速度を示す前記風力タービン（１００）の特徴的な運転パラメータの基準信号を供給するための制御ユニット（２５０）であって、比例制御要素（２５４）および積分制御要素（２５６）とを有する制御ユニット（２５０）と、
・前記検出ユニット（２４５）および前記積分制御要素（２５６）に接続され、前記異常運転状況に応答してキックパルス（２６０ａ）を該積分制御要素（２５６）に送信するように構成されたパルスジェネレータ（２６０）
とを有することを特徴とする装置。
【請求項２】
当該装置（１４０，２４０）と前記電力網（１９０，２９０）とを接続するための第３の入力モード（２４３）が設けられており、
前記検出ユニット（２４５）は前記第３の入力モード（２４３）に接続されており、前記電力網（１９０，２９０）において発生した電気的なフェールを検出するように構成されている、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記検出ユニット（２４５）は電圧検出器（２４６）を有する、請求項２記載の装置。
【請求項４】
前記風力タービン（１００）の特徴的な運転パラメータは、前記ロータ（１１０）の少なくとも１つのブレード（１１４）のブレードピッチ角である、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
【請求項５】
前記パルスジェネレータ（２６０）は、反転キックパルス（２６０ｂ）を前記積分制御要素（２５６）へ送信するように構成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
【請求項６】
前記検出ユニット（２４５）に接続されたタイマユニット（２７０）を有し、
前記タイマユニット（２７０）は、当該装置（１４０，２４０）の別の構成要素（２７２，２８０）へ停止コマンド信号を供給するように構成されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
【請求項７】
前記ロータ（１１０）の基準回転速度は
・所定の公称値を有し時間に依存しない回転速度（ＳｐｅｅｄＮｏｍ）であるか、または、
・０値を有し時間に依存しない回転速度（ＳｐｅｅｄＺｅｒｏ）であるか、または、
・前記停止コマンド信号に応答して開始される所定の時間依存性を有する回転速度である、請求項６記載の装置。
【請求項８】
・前記制御ユニット（２５０）は、前記基準回転速度を示す第２の信号から、前記実際の回転速度を示す第１の信号を減算することによって回転速度誤差を得るための減算ユニット（２５２）を有し、
前記回転速度誤差は前記比例制御要素（２５４）および前記積分制御要素（２５６）へ供給される、請求項１から７までのいずれか１項記載の装置。
【請求項９】
発電用の風力タービンにおいて、
・回転軸（１１０ａ）を中心として回転するように設けられたロータ（１１０）であって、該回転軸（１１０ａ）に対して半径方向に延在する少なくとも１つのブレード（１１４）を有するロータ（１１０）と、
・前記ロータ（１１０）の回転運動から電力を生成するために前記ロータ（１１０）に機械的に結合された発電機（１２８）と、
・前記ロータ（１１０）の回転速度を制御するための、請求項１から８までのいずれか１項記載の装置（１４０，２４０）
とを備えていることを特徴とする、風力タービン。
【請求項１０】
前記ロータ（１１０）の回転速度を制御するための装置（１４０，２４０）に接続された割込不可能な電源（１３５）を備えている、請求項９記載の風力タービン。
【請求項１１】
電力を電力網（１９０，２９０）に供給するための風力タービン（１００）のロータ（１１０）の回転速度を制御するための方法において、
・前記ロータ（１１０）の実際の回転速度を示す第１の信号を受け取るステップと、
・前記ロータ（１１０）の基準回転速度を示す第２の信号を受け取るステップと、
・前記風力タービン（１００）が電力を前記電力網（１９０，２９０）に供給するのが妨害される異常運転状況を検出するステップと、
・前記第１の信号および前記第２の信号に基づいて、前記ロータ（１１０）の回転速度を示す前記風力タービン（１００）の特徴的な運転パラメータの基準信号を供給するステップと、
・パルスジェネレータ（２６０）から制御ユニット（２５０）の積分制御要素（２５６）へキックパルス（２６０ａ）を送信するステップと、
・前記キックパルス（２６０ａ）を積分することにより、前記異常運転状況の検出に応答して、前記風力タービン（１００）の特徴的な運転パラメータの基準信号が変化し、該基準信号の変化によって前記ロータ（１１０）が回転速度を変化するようにするステップ
とを有することを特徴とする方法。
【請求項１２】
電力を電力網（１９０，２９０）に供給するための風力タービン（１００）のロータ（１１０）の回転速度を制御するためのコンピュータプログラムにおいて、
制御装置（１４０，２４０）によって実行される場合に請求項１１記載の方法を制御するために構成されていることを特徴とする、コンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電用の風力タービンの分野に属する。とりわけ本発明は、風力タービンのロータの回転速度であって、該風力タービンに接続された電力網に電力を供給するのを妨害される運転状況にある該風力タービンのロータの回転速度を制御するための装置および方法に関する。さらに本発明は、上記の回転速度制御装置を備えた風力タービンと、上記の回転速度制御方法を制御するためのコンピュータプログラムとに関する。
【背景技術】
【０００２】
風力エネルギーはますます、たとえば化石燃料等の他の種類のエネルギー源を補足する実用的な選択肢として、また、このようなエネルギー源に代わる実用的な選択肢としても認識されるようになってきている。しかし、風力タービンの運転の制御は非常に不安定であることが多い。というのも、風力タービンは典型的には、常に変動的な周辺条件にさらされ、これによってたとえば、風力タービンのロータおよびマストに極度の機械的負荷がかかることがあるからだ。
【０００３】
さらに風力タービンの運転は、該風力タービンに接続された電力網のアベイラビリティと電力吸収能力とに大きく依存する。特に、電力網が風力タービンの近傍でフォールトした場合、電力網の電圧は典型的には非常に低くなる。このことにより、風力タービンの発電機が、生成された電力を電力網に供給することができなくなり、その結果として、風力タービンのロータの回転速度が上昇し、危険な過速度状況が生じるリスクが発生する。
【０００４】
過速度状況を回避するために、たとえば、風力タービンが誤差なしの運転状態で運転する場合の最適なブレードピッチ角と異なる角度位置にロータのブレードのピッチ角を設定することにより、該風力タービンの速度制御装置の回転速度を制御することが公知である。したがって、速度制御装置が電力網のフォールトに対して迅速に応答できることが重要である。さらに、電力網に電圧が存在しないときにはブレードピッチ角制御システムが、ブレードピッチ角を一定の速度で変化する非常時モードでのみ運転可能であることにより、風力タービンの運転を緊急停止する必要が生じることがある。しかし、ピッチ調整を一定の速度で行うと、風力タービンのタワーおよびヨーシステムに大きな負荷がかかることになる。
【０００５】
ＥＰ１６５１８６５Ｂ１に、電力網の機能不全の検出に基づいて風力タービンのブレードのピッチを調整する方法が記載されている。これによれば、ピッチを連続的または段階的に調整することにより、風力タービンの電力生成が低減され、該風力タービンの構成要素の過熱が防止されるようにする。
【０００６】
ＥＰ１８１９０２３Ａ２では、電力網が機能不全になった場合、機能不全が解消されると直ちに、または風力タービンが制御されて停止完了するまで、タービンからの電力出力を減衰負荷に切り換えることにより、該風力タービンの構成要素の過熱の問題を解決する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】ＥＰ１６５１８６５Ｂ１
【特許文献２】ＥＰ１８１９０２３Ａ２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
電力を電力網に供給するのを妨害される風力タービンの回転速度の制御手段であって、ロータの回転速度を示す特徴的な運転パラメータを変化して、該風力タービンのタワーおよびヨーシステムにかかる機械的負荷が低減されるようにする制御手段を提供する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この課題は、独立請求項の構成によって解決される。従属請求項に本発明の有利な実施形態が記載されている。
【００１０】
本発明の第１の側面では、電力を電力網に供給するための風力タービンのロータの回転速度を制御するための装置を提供する。本発明による回転速度制御装置は、
（ａ）ロータの実際の回転速度を示す第１の信号を受信するための第１の入力ノードと、
（ｂ）該ロータの基準回転速度を示す第２の信号を受信するための第２の入力ノードと、
（ｃ）風力タービンが電力を電力網に供給するのが妨害される異常運転状況を検出するための検出ユニットと、
（ｄ）前記第１の信号と前記第２の信号とに基づいて、前記ロータの回転速度を示す前記風力タービンの特徴的な運転パラメータの基準信号を供給するための制御ユニットであって、比例制御要素と積分制御要素とを有する制御ユニットと、
（ｅ）前記検出ユニットおよび前記積分制御要素に接続されており、前記異常運転状態の検出に応答して該積分制御要素へキックパルスを送信するように構成されたパルスジェネレータ
とを有する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態による回転速度制御装置を備えた風力タービンを示す。
【図２】風力タービンが電力網へ電力を供給するのが妨害される異常運転状態の検出に応答してキックパルスを積分制御要素へ送信するためのジェネレータを有する回転速度制御装置の回路図である。
【図３】風力タービンに接続された電力網の機能不全の検出に応答して行われる該風力タービンのロータのブレードピッチ角の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本願で開示する回転速度制御装置は、比例積分制御器（ＰＩ制御器）を形成する制御ユニットの積分制御要素へキックパルスを送出することにより、基準信号の変化の時間速度が上昇するという思想を基礎とする。このことは、異常運転状態の検出に応答して行われる基準信号の変化の大きさが、電力網検出ユニットと制御要素の積分制御要素とを接続するパルスジェネレータを有さない公知の速度制御装置と比較して格段に大きくなることを意味する。
【００１３】
自動制御工学の基本原理によれば、基準信号を大きく変化させることにより、風力タービンの特徴的な運転パラメータを変化するための応答時間および適合するための応答時間が格段に低減される。このことは、回転速度制御装置が特徴的な運転パラメータの基準信号を適合してロータの回転速度が相応に適合されるようにすることにより、風力タービンは異常運転状態の検出に対して迅速に応答できるようになることを意味する。このことにより、とりわけ過速度状況に伴う風力タービンの損傷が有効に回避される。
【００１４】
上記のキックパルスは、異常運転状態が検出された直後に積分制御要素に入力することができる。このことにより、回転速度制御装置が異常運転状態の検出に迅速に応答するのが保証される。
【００１５】
異常運転状態は、風力タービンの少なくとも１つの構成要素に関連する状態および／または電力網の状態に関連する状態とすることができる。たとえば、風力によって生成される電力の周波数が、電力網の周波数に対して同調しないことがある。このような離調は、たとえば風力タービン周波数変換器のトリップによって発生する。しかし、風力タービンの別のハードウェアにおいて発生する別のフェールによっても突然、該風力タービンが電力を電力網に供給することができなくなることがある。
【００１６】
上記の回転速度制御装置は、コンピュータプログラムによって実現するか、またはソフトウェアによって実現することができる。また、１つまたは複数の特別な電子回路またはハードウェアによっても回転速度制御装置を実現することができる。さらに、制御システムを混合形態で、すなわちソフトウェアモジュールとハードウェアモジュールとの組み合わせで実現することもできる。
【００１７】
本発明の１つの実施形態によれば、回転速度制御装置はさらに、該回転速度制御装置を電力網に接続するための第３の入力ノードを有する。したがって、（ａ）検出ユニットは第３の入力ノードに接続され、（ｂ）検出ユニットは電力網の電気的なフェールを検出するように構成されている。このことにより、生成した電力を風力タービンが供給できなくなる原因となる電力網の機能不全を、迅速かつ高信頼性で検出することができる。
【００１８】
本発明の別の実施形態では、検出ユニットは電圧検出器を有する。このことにより、電力網の電圧降下を検出ユニットによって容易に検出することができるという利点が得られる。電力網の機能不全の大部分は電圧降下に関連するので、電圧検出器は電力網のどのようなフェールでもほぼ検出することができるようになる。
【００１９】
このことに関しては、電力Ｐは数式Ｐ＝Ｕ＊・Ｉによって、電圧Ｕと電流Ｉとに関連づけられることを述べておく。したがって、電圧Ｕが大きく低減すると、電流Ｉが公称電流まで飽和されてしまうため、電力Ｐも大きく低減する。
【００２０】
電圧検出器は電圧降下しか検出できないわけではないことを述べておく。電圧検出器は電圧ディップを検出することもできる。つまり、電圧検出器は電圧レベルを検出するだけでなく、電圧レベルの変化の時間速度も検出することができる。このようにして、電圧検出器の感度をさらに高くすることができる。このことはとりわけ、電力網の電圧レベルが短時間変動し、その間に生成された電力を風力タービンが供給できない場合に有効である。
【００２１】
すでに上記で述べたように、電力網の電圧が所定の閾値を下回ると、風力タービンは電力網に電力を供給できなくなり、周辺の風流からエネルギーを取り出す能力に関する風力タービンの効率を低減して、過速度状況を回避しなければならなくなる。風力タービンの機械的および／または電気的な仕様外になる過速度状況は、該風力タービンに著しい損傷が与えられる原因となる。したがって、電力網に電圧降下および／または電圧ディップが発生した場合、風力タービンの回転速度が低減されるように該風力タービンの特徴的な運転パラメータを変化しなければならない。
【００２２】
上記の回転速度制御装置により、風力タービンが過速度状況で動作しないようにすることで、風力タービンが異常運転状態に対して行う応答を迅速にするためのキックパルスを有さない公知の回転速度制御装置を使用する場合と比較して、タワー最大曲げモーメントを約５０％低減することができる。さらに、上記の回転速度制御装置を使用すると、ヨーモーメントを約３０％低減することができる。本発明者は、具体的な風力タービンの振舞いの数値シミュレーションにより、上記のキックパルスによって実現されるこのような機械的負荷の改善を示している。
【００２３】
本発明の別の実施形態では、風力タービンの特徴的な運転パラメータは、ロータの少なくとも１つのブレードのブレードピッチ角である。このことにより、ブレードピッチ角を最適なブレードピッチ角と異なる位置に調整するだけで、風力タービンの効率の程度を容易に低減することができるという利点が得られる。
【００２４】
とりわけ、電力網電圧の電圧降下が検出ユニットによって検出された場合、キックパルスがＰＩ制御器の積分制御要素へ送信される。その後にキックパルスの積分が行われることにより、積分器出力は進み、これによってブレードピッチ角の移動は強制的に迅速になる。
【００２５】
ピッチキックを与えることは、大きな負の速度誤差と同じ作用を、この実施形態ではブレードピッチ基準出力を表す基準信号に与えるので、ロータの回転速度をさらに低減して過速度状況を効果的に阻止するように作用する。
【００２６】
本発明の別の実施形態では、パルスジェネレータは積分制御要素に反転キックパルスを送信するように構成されている。検出ユニットによって電力網における電気的なフェールが検出された後に所定の時間間隔内にこの検出された電気的フェールが解消された場合に、このような反転キックパルスをパルスジェネレータによって生成することができる。この所定の時間間隔は、０．０２ｓ〜１０ｓの間とすることができる。たとえば、この所定の時間が１．５ｓを下回る場合、反転ピッチキックを送信することができる。
【００２７】
一般的に言うと、電力網の機能不全が持続するのが短時間だけである場合には、上記の回転速度制御装置は風力タービンの運転を遮断するための停止コマンドを送出しない。その代わり、電力網の状態が通常の状態に戻った場合、上記の反転キックパルスがＰＩ制御器の積分制御要素へ送出される。このことにより、ＰＩ制御器の積分要素は強制的に負の方向に進み、電力網のフォールトが発生した場合に送出されたキックパルスは消去される。
【００２８】
この点に関しては、反転キックパルスが送出された後、上記の回転速度制御装置はなお動作し続けることを述べておく。それゆえ、電力網の機能不全が持続するのが比較的短い時間だけである場合、回転速度制御装置の再始動手順を行う必要がなくなる。
【００２９】
本発明の別の実施形態では、回転速度制御装置はさらにタイマユニットを有し、このタイマユニットは検出ユニットに接続され、該回転速度制御装置の別の構成要素に停止コマンド信号を供給するように構成されている。このことにより、たとえば１００ｍｓの所定の閾値より長い時間にわたって異常運転状態が続いた場合に風力タービンを所定のように遮断できるという利点が得られる。このことにより、風力タービンを後で再始動するのが容易になる。
【００３０】
とりわけこの停止コマンド信号によって、最小ブレードピッチ角を実際のブレードピッチ角で開始して、停止コマンドが開始されてからの時間に依存して該最小ブレードピッチ角を増大することができる。このことにより、風力タービンおよび電力網の双方が、該風力タービンが最大電力を生成できる欠陥無しの動作状態にある場合、約０°のブレードピッチ角が最適なブレードピッチ角であると見なすことができる。このこととは対照的に、９０°のブレードピッチ角は、ロータのブレード角が風向きに対して垂直であることを意味することができる。
【００３１】
さらに、停止コマンド信号によって、回転速度が基準回転速度を下回ると該基準回転速度が０になるまで漸減されるのを開始することができる。このことにより、風力タービンが運転を高信頼性で遮断できるという利点が得られる。このことはとりわけ、ブレードピッチ角の調整に有効である。
【００３２】
基準回転速度を漸減するためには、適切なハードウェア構成要素および／またはソフトウェア構成要素を使用することができる。このような適切な構成要素は、風力タービンの運転状態の制御分野の通常の知識を有する者に周知であるから、本願を簡略化するため、漸減を実施するために使用可能な手段に関しては詳細な説明を行わない。
【００３３】
本発明の別の実施形態では、ロータの基準回転速度は
（ａ）所定の公称値を有し時間に依存しない回転速度であるか、または、
（ｂ）０値を有し時間に依存しない回転速度であるか、または、
（ｃ）前記停止コマンド信号に応答して開始される所定の時間依存性を有する回転速度である。
【００３４】
上記の異なる基準回転速度を表す相応の異なる第２の信号を選択的に、制御可能なスイッチを介して第２の入力ノードに供給することができる。この制御可能なスイッチは、タイマユニットに直接または間接的に接続することができる。
【００３５】
所定の時間依存性とはとりわけ、所定の公称値から開始して０値に近づくランプ関数とすることができる。したがって、任意の連続関数を使用することができる。最も簡略的な関数は、おそらくは一定の勾配を有する関数であろう。このような関数もランプ関数と称することができる。
【００３６】
本発明の別の実施形態では、制御ユニットは、基準回転速度を示す第２の信号から実際の回転速度を示す第１の信号を減算することによって回転速度誤差を得るための減算ユニットを有する。さらに、この回転速度誤差は比例制御要素および積分制御要素にも供給される。このことにより、比例制御要素および／または積分制御要素を１つの電気的変数によって動作させることができるという利点が得られる。したがって、この電気的変数は実際の回転速度誤差を表す。
【００３７】
本発明の別の側面では、発電用の風力タービンを提供する。この風力タービンは、
（ａ）回転軸を中心として回転するロータであって、該回転軸に対して半径方向に延在する少なくとも１つのブレードを有するロータと、
（ｂ）前記ロータの回転運動から電力を生成するために該ロータに機械的に結合された発電機と、
（ｃ）前記ロータの回転速度を制御するための上記の装置
とを有する。
【００３８】
上記の風力タービンの基礎となる思想は、上記の回転速度制御装置を通常の風力タービンに組み込むことにより、ロータの回転速度が相応に適合されるように、特徴的な運転パラメータの基準信号を適合することにより、該風力タービンが異常運転状態の検出に対して迅速に応答できることである。このことにより、とりわけ過速度状況による風力タービンの損傷が有効に回避される。
【００３９】
本発明の１つの実施形態では、風力タービンはさらに、ロータの回転速度を制御するための装置に接続された割込不可能な電源を有する。このことにより上記の回転速度制御装置は、電力網のフォールト時にも風力タービンの運転を制御できるという利点が得られる。
【００４０】
本発明の別の側面では、電力を電力網に供給するための風力タービンのロータの回転速度を制御するための方法を提供する。ここで提供する回転速度制御方法は、
（ａ）ロータの実際の回転速度を示す第１の信号を受信するステップと、
（ｂ）前記ロータの基準回転速度を示す第２の信号を受信するステップと、
（ｃ）風力タービンが電力を前記電力網へ供給するのが妨害される異常運転状況を検出するステップと、
（ｄ）前記第１の信号と前記第２の信号とに基づいて、前記ロータの回転速度を示す前記風力タービンの典型的な運転パラメータの基準信号を供給するステップと、
（ｅ）パルスジェネレータから制御ユニットの積分制御要素へキックパルスを送信するステップと、
（ｆ）前記キックパルスを積分し、前記風力タービンの特徴的な運転パラメータの基準信号が前記異常運転状態の検出に応答して変化し、該基準信号の変化によって前記ロータが回転速度を変化するようにするステップ
とを有する。
【００４１】
上述の回転速度制御方法の基礎となる思想も、キックパルスを積分制御要素へ送信することにより、基準信号の変化の時間速度が格段に上昇することである。したがって、異常運転状態の検出に応答して行われる基準信号の変化の大きさは、積分制御要素をさらに刺激するためにキックパルスを使用しない公知の速度制御手法と比較して格段に大きい。有利には、積分制御要素を制御ユニットの一部とすることができ、この制御ユニットは有利には、さらに比例制御要素も含む。
【００４２】
本発明の別の側面では、電力を電力網に供給するための風力タービンのロータの回転速度を制御するためのコンピュータプログラムを提供する。このコンピュータプログラムは、制御装置によって実行される場合に上記の方法を制御するために構成されている。
【００４３】
ここで使用されているコンピュータプログラムに関する参考文献は、コンピュータシステムが上記の方法の実行を調整するのを制御するための命令を含むプログラム要素および／またはコンピュータ読出し可能な媒体に関する参考文献と同等のものとする。
【００４４】
このコンピュータプログラム要素は、任意の適切なプログラミング言語のコンピュータ読出し可能な命令コードとして構成することができ、たとえばＪＡＶＡ、Ｃ＋＋等のプログラミング言語のコンピュータ読出し可能な命令として構成することができ、コンピュータ読出し可能な媒体（リムーバブルディスク、揮発性メモリまたは不揮発性メモリ、組み込みメモリ／組み込みプロセッサ等）に記憶することができる。この命令コードは、意図された機能を実行するためのコンピュータまたは別の任意のプログラミング可能な装置をプログラミングするために実行することができる。コンピュータプログラムは、たとえばワールドワイドウェブ等のネットワークから入手可能とすることができ、このネットワークからコンピュータプログラムをダウンロードすることができる。
【００４５】
本発明の実施形態は、異なる対象に関連して記載したことに留意されたい。とりわけこれらの実施形態では、方法カテゴリーの請求項に関連して説明しているものと、装置カテゴリーの請求項に関連して説明しているものとがある。しかし当業者であれば、上記および下記の記載から、それ以上特記しなくても、別のカテゴリーの対象に属する特徴のすべての任意の組み合わせの他に付加的に、異なる対象に関する特徴のすべての任意の組み合わせも本願の開示内容と見なされ、とりわけ方法カテゴリーの請求項の特徴と装置カテゴリーの請求項の特徴との組み合わせも本願の開示内容と見なされることを理解することができる。
【００４６】
以下で説明する実施例から、本発明の上述の側面および別の側面を理解することができる。実施例を参照してこれらを説明する。以下では実施例を参照して本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。
【実施例】
【００４７】
各図は概略的なものであることに注意されたい。また、異なる図において、同一の参照番号、または相応の参照番号と最初の数字だけが異なっている参照番号は、それぞれ同じ要素ないし同様の要素を表していることを述べておく。
【００４８】
図１は、本発明の有利な実施形態による風力タービン１００を示す。風力タービン１００はマスト１２０を有し、該マスト１２０は、図中にない基台に取り付けられている。マスト１２０の頂部にはハウジング１２２が配置されている。マスト１２０とハウジングとの間にはロータ角調整装置１２１が設けられており、該ロータ角調整装置１２１は、該マスト１２０の長手方向の延長線に整合された図中にない垂直軸を中心としてハウジング１２２を回転させるように構成されている。ロータ角調整装置１２１を適切に制御することにより、風力タービン１００の運転中にハウジング１２２が現在の風向きに常に適切に整合されることを保証することができる。
【００４９】
風力タービン１００はさらに、３つのブレード１１４を有するロータ１１０を備えている。図１の視点からは、２つのブレード１１４のみが見える。このロータ１１０は、回転軸１１０ａを中心として回転するように設けられている。駆動カラー１１２に取り付けられたブレード１１４は、回転軸１１０ａに対して半径方向に延在する。
【００５０】
駆動カラー１１２とブレード１１４との間にはそれぞれ、ブレード調整装置１１６が設けられている。このブレード調整装置１１６は、各ブレード１１４の長手方向の延長線に対して平行に整合された図中にない軸を中心として各ブレード１１４を回転させることにより、各ブレード１１４のブレードピッチ角を調整するために使用される。前記ブレード調整装置１１６を制御することにより、各ブレード１１４のブレードピッチ角を、現在の風状況に依存して存在する風力から最大風力を取り出せるように調整することができる。
【００５１】
図１から見て取れるように、ハウジング内には、ロータ１１０の複数回の回転を、公知のように発電機１２８に結合されたシャフト１２５のより多くの回数の回転に変換するためにギアボックス１２４が設けられている。さらにたとえば、風力タービン１００を損傷させる可能性のある緊急事態および／または強風状態が発生した場合に該風力タービン１００の運転を停止するために制動部１２６が設けられている。
【００５２】
風力タービン１００はさらに回転速度制御装置１４０も含み、この回転速度制御装置１４０は、図示されていない手法で、運転中にロータ１１０の回転速度を測定する回転速度センサ１１８に接続されている。さらに、ここで説明している実施形態によれば、回転速度制御装置１４０は割込不可能な電源１３５に接続されており、該電源１３５自体は、電力線１３５ａによって電力網１９０に接続されている。別の電力線が発電機１２８と電力網１９０とを接続する。この別の電力線は、分かりやすくするために図１には示されていない。この図示されていない電力線を介して、風力タービン１００によって生成された電力は電力網１９０へ伝送される。
【００５３】
図２に、回転速度制御装置１４０の回路図を示す。この回転速度制御装置には、同図では参照番号２４０を付している。回転速度制御装置２４０は３つの入力ノードを有する。第１の入力ノード２４１は、風力タービンのロータの実際の回転速度を示す信号を受け取るために使用される。第２の入力ノード２４２は、ロータの基準回転速度を示す信号を受け取るために使用される。第３の入力ノード２４３は、装置２４０を電力網２９０に接続するために使用される。電力網２９０は、風力タービンによって生成された電力の供給先である同一の電力網である。
【００５４】
図２から理解できるように、第２の入力ノード２４２に入力される基準信号は、
（ａ）所定の公称値を有し時間に依存しない回転速度（ＳｐｅｅｄＮｏｍ）を表すか、または
（ｂ）０値を有し時間に依存しない回転速度（ＳｐｅｅｄＺｅｒｏ）を表すか、または
（ｃ）速度基準ユニット２４８によって所定の公称値（ＳｐｅｅｄＮｏｍ）から開始して０値（ＳｐｅｅｄＺｅｒｏ）で終了するまで供給される基準速度の漸減を開始するために使用されるトリガ信号であることができる。図２からさらに理解できるように、３つの信号（ａ），（ｂ）または（ｃ）のうち１つを速度基準ユニット２４８へ供給するためにスイッチングユニット２４７が設けられる。前記速度基準ユニット２４８には、トリガ信号（ｃ）が速度基準ユニット２４８へ供給される場合の漸減振舞いを表すランプ関数が記憶されている。
【００５５】
図２からさらに理解できるように、第３の入力ノード２４３に検出ユニット２４５が接続されている。この検出ユニット２４５は、電力網２９０の電圧を検出するように構成された電圧検出器２４６を有する。所定のディップより大きな電圧降下が検出された場合、検出ユニット２４５は、この電圧降下を示す相応の信号を出力する。この信号は、タイマユニット２７０にもパルスジェネレータ２６０にも供給される。
【００５６】
電力網２９０の電圧降下を示すこの信号を受け取ると、その直後にパルスジェネレータ２６０はキックパルス２６０ａを出力し、該キックパルス２６０ａは制御ユニット２５０の積分制御要素２５６へ供給される。制御ユニット２５０にはさらに、比例制御要素２５４が積分制御要素２５６に対して並列に配置されて設けられている。
【００５７】
ここで説明している実施形態では、制御ユニット２５０は、第１の入力ノード２４１を介して供給されたロータの実際の回転速度と、第２の入力ノード２４２を介して供給された該ロータの基準回転速度を示す信号とに基づいて、風力タービンのブレードピッチ角の基準信号を供給するために使用される。減算ユニット２５２を使用して、ロータの実際の回転速度を示す値が、速度基準ユニット２４８によって供給された基準速度から減算される。この減算から得られた速度誤差を表す値は、制御ユニット２５０の比例制御要素２５４および積分制御要素２５６の双方に供給される。比例制御要素２５４の出力と積分制御要素２５６の出力とが加算ユニット２５８によって加算されることにより、第１のピッチ基準信号が生成されて選択ユニット２５６へ供給される。
【００５８】
キックパルスを受け取ることにより、積分制御要素２５６の出力が進む。この出力が進むことにより、ブレードピッチ角は強制的に迅速に移動する。積分制御要素に供給されるキックパルスが制御ユニット２５０のピッチ基準出力に及ぼす作用は、大きな負の速度誤差と同じであることを述べておく。したがってキックパルス２６０ａは、ロータの回転速度を低減するように作用し、風力タービンが過速度状況になることの阻止に寄与する。
【００５９】
図２からさらに理解できるように、タイマユニット２７０は関数発生器２８０に接続されている。電力網２９０のフェールや電圧不足状況が続く時間が、たとえば４秒の所定の時間より長い場合、タイマユニットは停止コマンドを関数発生器２８０にもＡＮＤゲート２７２にも出力する。
【００６０】
ここで説明している実施形態では、ＡＮＤゲート２７２は、実際の速度が公称速度を上回るか否かを検出する比較ユニット２７４から第２の入力を受け取る。そうである場合、速度基準ユニット２４８内の上記のランプ関数がスイッチングユニット２４７によってアクティベートされる。
【００６１】
上記の停止コマンドに応答して関数発生器２８０は、該停止コマンドを受け取った後の時間に依存する最小ピッチ角を示す時間依存関数を出力する。図３に実線で示されたこの関数は、第２のピッチ基準信号を表す。
【００６２】
関数発生器２８０によって出力された出力信号は、選択ユニット２６４にも供給される。選択ユニット２６４は、
（ａ）関数発生器２８０によって供給された第２のピッチ基準信号と、
（ｂ）加算ユニットによって供給された第１のピッチ基準信号
とのうち大きい信号を、最終的なブレードピッチ基準信号（Ｐｉｔｃｈ  ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）として選択する。この最終的なブレードピッチ基準信号（Ｐｉｔｃｈ  ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）は、回転速度制御装置２４０の出力ノード２８８で出力される。
【００６３】
電力網２９０においてフォールトが発生する時間が非常に短い場合、停止コマンドは出力されないことを述べておく。その代わり、電力網２９０の状態が通常に戻った場合、パルスジェネレータ２６０によって反転キックパルス２６０ｂが生成されて送信される。このことにより、制御ユニット２５０の積分制御要素２５６は強制的に負の方向に進み、電力網２９０のフォールトが発生した際にキックパルス２６０ａによって引き起こされて送信されたブレードピッチキックが少なくとも部分的に消去される。
【００６４】
電力網２９０のフェールが発生する時間が比較的長くなっても、回転速度制御装置２４０は動作し続けることができることを述べておく。このことにより、風力タービンが完全に停止しても、回転速度制御装置２４０の再始動手順を行う必要がなくなる。
【００６５】
図３は、風力タービンに接続された電力網の機能不全の検出に応答して行われる該風力タービンのロータのブレードピッチ角の変化を示すグラフである。上記ですでに述べたように、実線は、図２に示された関数発生器２８０によって出力される第２のピッチ基準信号を表す。破線は実際のブレードピッチ角を表す。
【００６６】
電力網のフォールトが検出されると、最小ピッチ角が緩慢に増大される。それと同時に、電力網ドロップ中にピッチキックにより、実際のピッチ角が迅速に増大する。突風によってロータ速度が増大すると、ピッチ角は再び、第２のピッチ基準信号よりも迅速に増大するようになる。ロータ速度が基準速度より迅速に低減すると、ブレードピッチ角の変動は最小停止ピッチ角によって制限される。
【００６７】
図３から見て分かるように、電力網のフォールトが検出された後の最初の７秒間にわたって、最小ブレードピッチ角は比較的緩慢に変化する。７秒が経過すると、最小ブレードピッチ角は、電力網のフォールトが検出されてから約１８秒後に最終的な停止位置に達するまで、より迅速に変動する。
【００６８】
本明細書中、"〜を含む"なる語はそれ以外の要素を有することを排除せず、"１つの"なる語は当該の要素が複数個設けられることを排除しない。また、各実施例について説明した要素は相互に組み合わせることもできる。また、特許請求の範囲の記載に添えられている参照番号はそれぞれの要素を限定するものでないことに注意されたい。
【００６９】
本発明の上記の実施形態を要約すると、以下のようになる：
電力網のフォールトが発生した場合に直ちにキックパルスを生成することにより、積分制御要素２５６は強制的に、ブレードピッチ角を迅速に移動させる。上記の回転速度制御装置および上記の回転速度制御方法の１つの利点は、電力網のフォールトに対して非常に迅速に応答できることである。別の利点は、フォールトが発生した後のある程度の期間にわたって回転速度制御装置が動作し続けられることである。それゆえ、フォールトが続く時間がごく短い場合、回転速度制御装置を再始動するための比較的長時間の再始動手順は必要ない。電力網のフォールトが続く時間が長い場合、回転速度制御装置が動作し続けることにより、風力タービンを制御によって停止できることが保証される。このことにより、風力タービンのタワーおよびヨーシステムにかかる機械的負荷が格段に低減される。
【符号の説明】
【００７０】
１００    風力タービン
１１０    ロータ
１１０ａ  回転軸
１１２    駆動カラー
１１４    ブレード
１１６    ブレード調整装置
１１８    回転速度センサ
１２０    マスト
１２１    ロータ角調整装置
１２２    ハウジング
１２４    ギアボックス
１２５    シャフト
１２６    制動部
１２８    発電機
１３５    割込不可能な電源
１３５ａ  電力線
１４０    回転速度制御装置
【図１】
2010133417.tif 000003
【図２】
2010133417.tif 000004
【図３】
2010133417.tif 000005