(57)【要約】      （修正有）【課題】ヨー旋回の回数の増大を抑制し、風向が長時間かけて徐々に変化する場合でも風向偏差の大きさを小さくするヨー制御技術を提供する。【解決手段】風向測定手段と、前記旋回機構を制御する制御装置とを具備し、前記制御装置は、風向と前記風車ロータの方向から風向偏差を算出し、下記条件（１）、（２）：（１）前記風向偏差の絶対値が第１閾値以上である状態（又は第１閾値を超える状態）が、所定の第１継続時間の間、継続する（２）前記風向偏差の絶対値が、前記第１閾値よりも大きい第２閾値以上である状態（又は第２閾値を超える状態）が、前記第１継続時間よりも短い第２継続時間の間、継続する、のいずれかが成立した場合に、前記旋回機構によって前記ナセルをヨー旋回させるとともに、現時刻をｔ０、Ｔを所定値としたときに、時刻ｔ０−Ｔから時刻ｔ０における風向の平均値と風車ロータの方向が一致したときに、前記ナセルのヨー旋回を停止させる。【選択図】図６
2010106727.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風車ロータを搭載するナセルと、ナセルをヨー旋回させる旋回機構と、風向を測定する風向測定手段と、前記旋回機構を制御する制御装置とを具備し、
前記制御装置は、前記風向測定手段によって測定された風向と前記風車ロータの方向から風向偏差を算出し、且つ、下記条件（１）、（２）：
（１）前記風向偏差の絶対値が第１閾値以上である状態（又は第１閾値を超える状態）が、所定の第１継続時間の間、継続する。
（２）前記風向偏差の絶対値が、前記第１閾値よりも大きい第２閾値以上である状態（又は第２閾値を超える状態）が、前記第１継続時間よりも短い第２継続時間の間、継続する。
のいずれかが成立した場合に、前記旋回機構によって前記ナセルをヨー旋回させるとともに、
現時刻をｔ０、Ｔを所定値としたときに、時刻ｔ０−Ｔから時刻ｔ０における風向の平均値と風車ロータの方向が一致したときに、前記ナセルのヨー旋回を停止させることを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
風車ロータを搭載するナセルと、ナセルをヨー旋回させる旋回機構と、風向を測定する風向測定手段と、前記旋回機構を制御する制御装置とを具備し、
前記制御装置は、前記風向測定手段によって測定された風向と前記風車ロータの方向から風向偏差を算出し、且つ、下記条件（１）、（２）：
（１）前記風向偏差の絶対値が第１閾値以上である状態（又は第１閾値を超える状態）が、所定の第１継続時間の間、継続する。
（２）前記風向偏差の絶対値が、前記第１閾値よりも大きい第２閾値以上である状態（又は第２閾値を超える状態）が、前記第１継続時間よりも短い第２継続時間の間、継続する。
のいずれかが成立した場合に、前記旋回機構によって前記ナセルをヨー旋回を開始し、
少なくとも、前記ヨー旋回時に成立した前記条件（１）又は（２）の何れかに該当する第１又は第２閾値に相当する角度分、前記ナセルをヨー旋回させることを特徴とする風力発電装置。
【請求項３】
前記制御装置は、前記第１又は第２閾値に相当する分だけ前記ナセルを旋回させ、前記風向偏差の符号がヨー旋回前と逆転しているか否かを判断し、前記風向偏差の符号が逆転しているとヨー旋回を停止し、前記風向偏差の符号が逆転していないと風向偏差がゼロになるまでヨー旋回を継続することを特徴とする請求項２記載の風力発電装置。
【請求項４】
前記制御装置は、前記第１又は第２閾値に相当する分だけ前記ナセルを旋回させ、現時刻をｔ０、Ｔを所定値としたときに、時刻ｔ０−Ｔから時刻ｔ０における風向の平均値と風車ロータの方向との差の符号がヨー旋回前と逆転しているか否かを判断し、前記符号が逆転しているとヨー旋回を停止し、前記風向偏差の符号が逆転していないと前記風向の平均値と風車ロータの方向との差がゼロになるまでヨー旋回を継続することを特徴とする請求項２記載の風力発電装置。
【請求項５】
風車ロータを搭載するナセルと、ナセルをヨー旋回させる旋回機構と、風向を測定する風向測定手段と、前記旋回機構を制御する制御装置とを具備し、
前記制御装置は、（ａ）前記風向測定手段によって測定された風向と前記風車ロータの方向から風向偏差を算出し、（ｂ）現在の風況が、風向がランダムに変化する第１状況と、風向が徐々に変化する第２状況のいずれにあるかを判断し、（ｃ）前記現在の風況が前記第２状況に該当すると判断し、且つ、前記風向偏差の絶対値が所定の第１閾値以上である状態（又は、第１閾値を超える状態）が、所定の第１継続時間だけ継続した場合に、前記第１閾値に相当する分だけ前記ナセルを旋回させてから、前記風向偏差の符号がヨー旋回前と逆転しているか否かを判断し、前記風向偏差の符号が逆転しているとヨー旋回を停止し、前記風向偏差の符号が逆転していないと風向偏差がゼロになるまでヨー旋回を継続する（ｄ）前記現在の風況が前記第１状況に該当すると判断し、且つ、前記風向偏差の絶対値が前記第１閾値よりも大きい第２閾値以上である状態（又は、第２閾値を超える状態）が、前記第１継続時間よりも短い第２継続時間だけ継続した場合に、現時刻をｔ０、Ｔを所定値としたときに、時刻ｔ０−Ｔから時刻ｔ０における風向の平均値と風車ロータの方向が一致するように前記ナセルをヨー旋回させることを特徴とする風力発電装置。
【請求項６】
風車ロータを搭載するナセルと、ナセルをヨー旋回させる旋回機構と、風向を測定する風向測定手段と、前記旋回機構を制御する制御装置とを具備し、
前記制御装置は、前記風向測定手段によって測定された風向と前記風車ロータの方向から、風向偏差を算出し、且つ、現時刻をｔ０とし、Ｔ１は所定値とし、ｔ０−Ｔ１≦ｔｓ≦ｔ０なる時刻ｔｓとした場合に、ｔｓ≦ｔｓ≦ｔ０なる全ての時刻ｔにおいて前記風向偏差が所定条件を満足した場合に、前記ナセルをヨー旋回させるように構成され、
前記所定条件は、
｜Δθ（ｔ）｜≧θＴＨ（ｔｓ）
であることを特徴とする風力発電装置。
（ただし、｜Δθ（ｔ）｜は、各時刻ｔにおける前記風向偏差の絶対値であり、θＴＨ（ｔ）は、ｔ０−Ｔ１≦ｔ≦ｔ０において広義に単調に増加する関数であり、さらに前記θＴＨ（ｔ）の時間に対する導関数ｄθＴＨ（ｔ）／ｄｔが、導関数が定義できない時刻ｔを除きｔ０−Ｔ１≦ｔ≦ｔ０において広義に単調に増加する。）
【請求項７】
風車ロータを搭載するナセルと、ナセルをヨー旋回させる旋回機構と、風向を測定する風向測定手段と、前記旋回機構を制御する制御装置とを具備し、
前記制御装置は、（ａ）前記風向測定手段によって測定された風向と前記風車ロータの方向から風向偏差を算出し、（ｂ）現在の風況が、風向がランダムに変化する第１状況と、風向が徐々に変化する第２状況のいずれにあるかを判断し、（ｃ）現時刻をｔ０とし、Ｔ１は所定値とし、ｔ０−Ｔ１≦ｔｓ≦ｔ０なる時刻ｔｓとした場合に、ｔｓ≦ｔｓ≦ｔ０なる全ての時刻ｔにおいて前記風向偏差が所定条件を満足した場合に、前記ナセルをヨー旋回させるように構成され、
前記所定条件は、前記現在の風況が前記第１状況に該当する場合は、
｜Δθ（ｔ）｜≧θＴＨ１（ｔｓ）
（ただし、｜Δθ（ｔ）｜は、各時刻ｔにおける前記風向偏差の絶対値であり、θＴＨ（ｔ）は、ｔ０−Ｔ１≦ｔ≦ｔ０において広義に単調に増加する関数であり、さらに前記θＴＨ（ｔ）の時間に対する導関数ｄθＴＨ（ｔ）／ｄｔが、導関数が定義できない時刻ｔを除きｔ０−Ｔ１≦ｔ≦ｔ０において広義に単調に増加する。）
であり、前記現在の風況が前記第２状況に該当する場合は、
｜Δθ（ｔ）｜≧θＴＨ２（ｔｓ）
（ただし、｜Δθ（ｔ）｜は、各時刻ｔにおける前記風向偏差の絶対値であり、θＴＨ（ｔ）は、ｔ０−Ｔ１≦ｔ≦ｔ０において広義に単調に増加する関数であり、さらに前記θＴＨ（ｔ）の時間に対する導関数ｄθＴＨ（ｔ）／ｄｔが、導関数が定義できない時刻ｔを除きｔ０−Ｔ１≦ｔ≦ｔ０において広義に単調に減少する。）
であることを特徴とする風力発電装置。
【請求項８】
前記制御装置は、現時刻をｔ０、Ｔを所定値としたときに、時刻ｔ０−Ｔから時刻ｔ０における風向の平均値と風車ロータの方向が一致したときに、前記ナセルのヨー旋回を停止させることを特徴とする請求項６又は７記載の風力発電装置。
【請求項９】
前記制御装置は、前記θＴＨ１（ｔｓ）又はθＴＨ２（ｔｓ）に相当する分だけ前記ナセルを旋回させ、前記風向偏差の符号がヨー旋回前と逆転しているか否かを判断し、前記風向偏差の符号が逆転しているとヨー旋回を停止し、前記風向偏差の符号が逆転していないと風向偏差がゼロになるまでヨー旋回を継続することを特徴とする請求項６又は７記載の風力発電装置。
【請求項１０】
前記制御装置は、現在から所定時間前までの間にヨー旋回を行った回数を計測し、
前記ヨー旋回を行った回数が所定回数よりも少ない場合は、旋回条件を緩和し、
前記ヨー旋回を行った回数が所定回数よりも多い場合は、旋回条件を強化することを特徴とする請求項１〜９何れか１に記載の風力発電装置。
【請求項１１】
風車ロータを搭載するナセルを備えた風力発電装置の制御方法であって、風向を測定するステップと、測定された前記風向と前記風車ロータの方向から風向偏差を算出するステップと、
下記条件（１）、（２）：
（１）前記風向偏差の絶対値が第１閾値以上である状態（又は第１閾値を超える状態）が、所定の第１継続時間の間、継続する。
（２）前記風向偏差の絶対値が、前記第１閾値よりも大きい第２閾値以上である状態（又は第２閾値を超える状態）が、前記第１継続時間よりも短い第２継続時間の間、継続する。
のいずれかが成立した場合に、前記ナセルをヨー旋回させるステップと、
現時刻をｔ０、Ｔを所定値としたときに、時刻ｔ０−Ｔから時刻ｔ０における風向の平均値と風車ロータの方向が一致したときに、前記ナセルのヨー旋回を停止させるステップとを具備する風力発電装置の制御方法。
【請求項１２】
風車ロータを搭載するナセルを備えた風力発電装置の制御方法であって、風向を測定するステップと、測定された前記風向と前記風車ロータの方向から風向偏差を算出するステップと、
下記条件（１）、（２）：
（１）前記風向偏差の絶対値が第１閾値以上である状態（又は第１閾値を超える状態）が、所定の第１継続時間の間、継続する。
（２）前記風向偏差の絶対値が、前記第１閾値よりも大きい第２閾値以上である状態（又は第２閾値を超える状態）が、前記第１継続時間よりも短い第２継続時間の間、継続する。
のいずれかが成立した場合に、少なくとも、前記条件（１）又は（２）の何れか成立した条件に該当する第１又は第２閾値に相当する角度分、前記ナセルをヨー旋回させるステップとを具備する風力発電装置の制御方法。
【請求項１３】
風車ロータを搭載するナセルを備えた風力発電装置の制御方法であって、風向を測定するステップと、測定された前記風向と前記風車ロータの方向から風向偏差を算出するステップと、
現時刻をｔ０とし、Ｔ１は所定値とし、ｔ０−Ｔ１≦ｔｓ≦ｔ０なる時刻ｔｓとした場合に、ｔｓ≦ｔｓ≦ｔ０なる全ての時刻ｔにおいて前記風向偏差が所定条件を満足した場合に、前記ナセルをヨー旋回させるステップとを具備し、
前記所定条件は、
｜Δθ（ｔ）｜≧θＴＨ（ｔｓ）
であることを特徴とする風力発電装置の制御方法。
（ただし、｜Δθ（ｔ）｜は、各時刻ｔにおける前記風向偏差の絶対値であり、θＴＨ（ｔ）は、ｔ０−Ｔ１≦ｔ≦ｔ０において広義に単調に増加する関数であり、さらに前記θＴＨ（ｔ）の時間に対する導関数ｄθＴＨ（ｔ）／ｄｔが、導関数が定義できない時刻ｔを除きｔ０−Ｔ１≦ｔ≦ｔ０において広義に単調に増加する。）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電装置及びその制御方法に関し、特に、風力発電装置のヨー（ｙａｗ）制御に関する。
【０００２】
風力発電装置の効率を向上させるために重要な制御の一つが、風車ロータの向きを風向に合わせて制御するヨー制御である。風力発電装置は、風車ロータが風に対して正面を向くときに最も効率が良くなるから、風車ロータを搭載するナセルを風向に応じてヨー旋回させて、風車ロータの向きを制御する必要がある。ヨー旋回機構やヨー制御技術については、様々な取り組みがなされており、例えば特開２００４−２８５８５８号公報は、レーザ式風向風力計によって風向及び風力を検出し、検出した風向及び風速に基づいてヨー制御を行う技術を開示している。また、特開２００５−１１３８９９号公報は、ナセルをヨー旋回させるための駆動機構の構造を開示している。
【０００３】
風力発電装置のヨー制御において重要な点の一つは、ナセルのヨー旋回の回数をなるべく低減させることである。ナセルは重量が大きいため、ナセルをヨー旋回させる回数が多いと、ナセルを旋回させる旋回機構やナセルの旋回を停止させるブレーキ機構の機械的負荷が増大してしまい、これらの機構の機械的消耗が大きくなる。旋回機構やブレーキ機構の消耗を低減させるためには、ヨー旋回の回数を減らすことが望ましい。
【０００４】
このような要求を満足するために使用される、最も一般的なヨー制御の制御ロジックは、図１８に示されているように、風車方位（即ち、風車ロータの向き）と実際の風向との偏差（風向偏差）の絶対値が所定の閾値よりも大きい状態が、所定の継続時間（例えば２０秒間）だけ続いた場合に、風向偏差がゼロになるように（即ち、風車方位を最新の風向と一致させるように）ナセルをヨー旋回させる制御ロジックである。このような制御ロジックでは、風向偏差の絶対値が閾値を超えない限りヨー旋回は行われないので、閾値を適切に設定することにより、ヨー旋回の回数を少なくすることができる。
【０００５】
このような制御ロジックの一つの問題は、図１９に示されているように、風向が長時間かけて（典型的には数時間かけて）徐々に変化するような状況では、風向偏差の大きさが平均的には小さくならないことである。一般的に、ある地点の風況は、昼間においては乱れ度が高く、風向がランダムに変化するのに対し、夜間においては風向がランダムな変化を示さない場合が多い。言い換えれば、夜間における風況は、しばしば、風向が長時間かけて変化するような変化を示す。上述の制御ロジックによれば、乱れ度が高く、風向がランダムに変化する状況では、風向偏差の大きさが平均的にはゼロに近づく。しかしながら、図１９に示されているように、風向が長時間かけて（典型的には数時間かけて）徐々に変化する場合には（図１９のＡ）、上述の制御ロジックでは、ヨー旋回を繰り返しても（図１９のＢ）風向偏差は一瞬しかゼロにならない（図１９のＣ）。従って、風向偏差の平均的な大きさが小さくならない。これは、風力発電装置の効率を向上させるために好ましくない。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２８５８５８号公報
【特許文献２】特開２００５−１１３８９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、本発明の全体的な目的は、風力発電装置の効率を向上させることにあり、具体的には、本発明の目的は、下記の２つの課題の少なくとも一つを達成することにある。
第１の課題：ヨー旋回の回数の増大を抑制しながら、風向が長時間かけて徐々に変化する場合でも風向偏差の大きさを小さくすることができる風力発電装置のヨー制御技術を提供すること。
第２の課題：風向の過渡的な変化を早期に捉えてヨー旋回を適切なタイミングで行うことにより、風力発電装置の効率を向上させることができる風力発電装置のヨー制御技術を提供すること。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、本発明は、以下に述べられる手段を採用する。その手段の記述には、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］の記載との対応関係を明らかにするために、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号・符号が付記されている。但し、付記された番号・符号は、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲を限定的に解釈するために用いてはならない。
【０００９】
風車ロータ（７）を搭載するナセル（３）と、ナセル（３）をヨー旋回させる旋回機構（４）と、風向を測定する風向測定手段（１０）と、前記旋回機構（４）を制御する制御装置（２１）とを具備し、前記制御装置（２１）は、前記風向測定手段（１０）によって測定された風向と前記風車ロータ（７）の方向から風向偏差を算出し、且つ、下記条件（１）、（２）：
（１）前記風向偏差の絶対値が第１閾値以上である状態（又は第１閾値を超える状態）が、所定の第１継続時間の間、継続する。
（２）前記風向偏差の絶対値が、前記第１閾値よりも大きい第２閾値以上である状態（又は第２閾値を超える状態）が、前記第１継続時間よりも短い第２継続時間の間、継続する。
のいずれかが成立した場合に、前記旋回機構によって前記ナセルをヨー旋回させるとともに、
現時刻をｔ０、Ｔを所定値としたときに、時刻ｔ０−Ｔから時刻ｔ０における風向の平均値と風車ロータ（７）の方向が一致したときに、前記ナセル（３）のヨー旋回を停止させることを特徴とする。
このようにして、所定時間Ｔにおける風向の平均値でヨー旋回停止位置を判定することにより、風向の瞬時の変化によってヨー旋回を停止してしまうことなく、ナセル（３）を適切な位置でヨー旋回を停止することができるため、ヨー旋回停止後の風向偏差を従来より低減することが可能となる。さらに、ヨー旋回停止以降の風向偏差を低減させることにより、次回のヨー旋回開始までの時間を長くし、ヨー旋回回数を抑制することが可能となる。さらに、ヨー旋回回数を抑制しつつも制御性能の向上が達成される。
【００１０】
また、風車ロータ（７）を搭載するナセル（３）と、ナセル（３）をヨー旋回させる旋回機構（４）と、風向を測定する風向測定手段（１０）と、前記旋回機構（４）を制御する制御装置（２１）とを具備し、前記制御装置（２１）は、前記風向測定手段（１０）によって測定された風向と前記風車ロータ（７）の方向から風向偏差を算出し、且つ、下記条件（１）、（２）：
（１）前記風向偏差の絶対値が第１閾値以上である状態（又は第１閾値を超える状態）が、所定の第１継続時間の間、継続する。
（２）前記風向偏差の絶対値が、前記第１閾値よりも大きい第２閾値以上である状態（又は第２閾値を超える状態）が、前記第１継続時間よりも短い第２継続時間の間、継続する。
のいずれかが成立した場合に、前記旋回機構によって前記ナセルをヨー旋回を開始し、少なくとも、前記ヨー旋回時に成立した前記条件（１）又は（２）の何れかに該当する第１又は第２閾値に相当する角度分、前記ナセル（３）をヨー旋回させることを特徴とする。
このようにして、少なくとも、前記ヨー旋回時に成立した前記条件（１）又は（２）の何れかに該当する第１又は第２閾値に相当する角度分、前記ナセル（３）をヨー旋回させることにより、風向の瞬時の変化によってヨー旋回を停止してしまうことなく、ナセル（３）を適切な位置でヨー旋回を停止することができるため、ヨー旋回停止後の風向偏差を低減し、次回のヨー旋回開始までの時間を長くして、ヨー旋回回数を抑制することが可能となる。この制御は特に風の乱れ度が小さい場合に有効である。
【００１１】
また、前記制御装置（２１）は、前記第１又は第２閾値に相当する分だけ前記ナセル（３）を旋回させ、前記風向偏差の符号がヨー旋回前と逆転しているか否かを判断し、前記風向偏差の符号が逆転しているとヨー旋回を停止し、前記風向偏差の符号が逆転していないと風向偏差がゼロになるまでヨー旋回を継続することを特徴とする。
前記制御装置は、前記第１又は第２閾値に相当する分だけ前記ナセルを旋回させ、現時刻をｔ０、Ｔを所定値としたときに、時刻ｔ０−Ｔから時刻ｔ０における風向の平均値と風車ロータの方向との差の符号がヨー旋回前と逆転しているか否かを判断し、前記符号が逆転しているとヨー旋回を停止し、前記風向偏差の符号が逆転していないと前記風向の平均値と風車ロータの方向との差がゼロになるまでヨー旋回を継続することを特徴とする
これにより、さらに適切な位置でヨー旋回を停止することができる。
【００１２】
また、風車ロータ（７）を搭載するナセル（３）と、ナセル（３）をヨー旋回させる旋回機構（４）と、風向を測定する風向測定手段（１０）と、前記旋回機構（４）を制御する制御装置（２１）とを具備し、前記制御装置は、（ａ）前記風向測定手段（１０）によって測定された風向と前記風車ロータ（７）の方向から風向偏差を算出し、（ｂ）現在の風況が、風向がランダムに変化する第１状況と、風向が徐々に変化する第２状況のいずれにあるかを判断し、（ｃ）前記現在の風況が前記第２状況に該当すると判断し、且つ、前記風向偏差の絶対値が所定の第１閾値以上である状態（又は、第１閾値を超える状態）が、所定の第１継続時間だけ継続した場合に、前記第１又は第２閾値に相当する分だけ前記ナセル（３）を旋回させ、前記風向偏差の符号がヨー旋回前と逆転しているか否かを判断し、前記風向偏差の符号が逆転しているとヨー旋回を停止し、前記風向偏差の符号が逆転していないと風向偏差がゼロになるまでヨー旋回を継続する（ｄ）前記現在の風況が前記第１状況に該当すると判断し、且つ、前記風向偏差の絶対値が前記第１閾値よりも大きい第２閾値以上である状態（又は、第２閾値を超える状態）が、前記第１継続時間よりも短い第２継続時間だけ継続した場合に、現時刻をｔ０、Ｔを所定値としたときに、時刻ｔ０−Ｔから時刻ｔ０における風向の平均値と風車ロータ（７）の方向が一致するように前記ナセル（３）をヨー旋回させることを特徴とする。
これにより現在の風況にあわせてヨー旋回の停止制御を行うことができるため、制御性能の向上が達成される。
【００１３】
また、風車ロータ（７）を搭載するナセル（３）と、ナセル（３）をヨー旋回させる旋回機構（４）と、風向を測定する風向測定手段（１０）と、前記旋回機構（４）を制御する制御装置（２１）とを具備し、前記制御装置（２１）は、前記風向測定手段（１０）によって測定された風向と前記風車ロータ（７）の方向から、風向偏差を算出し、且つ、現時刻をｔ０とし、Ｔ１は所定値とし、ｔ０−Ｔ１≦ｔｓ≦ｔ０なる時刻ｔｓとした場合に、ｔｓ≦ｔｓ≦ｔ０なる全ての時刻ｔにおいて前記風向偏差が所定条件を満足した場合に、前記ナセル（３）をヨー旋回させるように構成され、
前記所定条件は、
｜Δθ（ｔ）｜≧θＴＨ（ｔｓ）
であることを特徴とする。
ただし、｜Δθ（ｔ）｜は、各時刻ｔにおける前記風向偏差の絶対値であり、θＴＨ（ｔ）は、ｔ０−Ｔ１≦ｔ≦ｔ０において広義に単調に増加する関数であり、さらに前記θＴＨ（ｔ）の時間に対する導関数ｄθＴＨ（ｔ）／ｄｔが、導関数が定義できない時刻ｔを除きｔ０−Ｔ１≦ｔ≦ｔ０において広義に単調に増加する。
このようにして、関数θＴＨ（ｔ）を用意し、前記所定条件を満たした場合にナセル（３）をヨー旋回させることで、ヨー旋回条件が柔軟に設定され、風向の過渡的な変化を早期に捉えることができ、制御性能が向上する。
【００１４】
また、風車ロータ（７）を搭載するナセル（３）と、ナセル（３）をヨー旋回させる旋回機構（４）と、風向を測定する風向測定手段（１０）と、前記旋回機構（４）を制御する制御装置（２１）とを具備し、前記制御装置は、（ａ）前記風向測定手段（１０）によって測定された風向と前記風車ロータ（７）の方向から風向偏差を算出し、（ｂ）現在の風況が、風向がランダムに変化する第１状況と、風向が徐々に変化する第２状況のいずれにあるかを判断し、（ｃ）現時刻をｔ０とし、Ｔ１は所定値とし、ｔ０−Ｔ１≦ｔｓ≦ｔ０なる時刻ｔｓとした場合に、ｔｓ≦ｔｓ≦ｔ０なる全ての時刻ｔにおいて前記風向偏差が所定条件を満足した場合に、前記ナセル（３）をヨー旋回させるように構成され、
前記所定条件は、前記現在の風況が前記第１状況に該当する場合は、
｜Δθ（ｔ）｜≧θＴＨ１（ｔｓ）
ただし、｜Δθ（ｔ）｜は、各時刻ｔにおける前記風向偏差の絶対値であり、θＴＨ（ｔ）は、ｔ０−Ｔ１≦ｔ≦ｔ０において広義に単調に増加する関数であり、さらに前記θＴＨ（ｔ）の時間に対する導関数ｄθＴＨ（ｔ）／ｄｔが、導関数が定義できない時刻ｔを除きｔ０−Ｔ１≦ｔ≦ｔ０において広義に単調に増加する
であり、前記現在の風況が前記第２状況に該当する場合は、
｜Δθ（ｔ）｜≧θＴＨ２（ｔｓ）
ただし、｜Δθ（ｔ）｜は、各時刻ｔにおける前記風向偏差の絶対値であり、θＴＨ（ｔ）は、ｔ０−Ｔ１≦ｔ≦ｔ０において広義に単調に増加する関数であり、さらに前記θＴＨ（ｔ）の時間に対する導関数ｄθＴＨ（ｔ）／ｄｔが、導関数が定義できない時刻ｔを除きｔ０−Ｔ１≦ｔ≦ｔ０において広義に単調に減少する
であることを特徴とする。
これにより現在の風況にあわせてヨー旋回の開始制御を行うことができるため、制御性能の向上が達成される。
【００１５】
また、前記制御装置は、現時刻をｔ０、Ｔを所定値としたときに、時刻ｔ０−Ｔから時刻ｔ０における風向の平均値と風車ロータの方向が一致したときに、前記ナセルのヨー旋回を停止させることを特徴とする。
また、前記制御装置は、前記θＴＨ１（ｔｓ）又はθＴＨ２（ｔｓ）に相当する分だけ前記ナセルを旋回させ、前記風向偏差の符号がヨー旋回前と逆転しているか否かを判断し、前記風向偏差の符号が逆転しているとヨー旋回を停止し、前記風向偏差の符号が逆転していないと風向偏差がゼロになるまでヨー旋回を継続することを特徴とする。
【００１６】
また、前記制御装置は、現在から所定時間前までの間にヨー旋回を行った回数を計測し、前記ヨー旋回を行った回数が所定回数よりも少ない場合は、旋回条件を緩和し、前記ヨー旋回を行った回数が所定回数よりも多い場合は、旋回条件を強化することを特徴とする。
これにより、ある所定のヨー旋回頻度の上限を維持し、風向偏差を低減させ制御の性能向上が達成される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、風力発電装置の効率を向上させることができる。
より具体的には、本発明によれば、風向が長時間かけて徐々に変化する場合でも風向偏差の大きさを小さくすることができ、且つ、ヨー旋回の回数の増大を抑制できる風力発電装置のヨー制御技術を提供することができる。
また、本発明の他の実施形態によれば、風向の過渡的な変化を早期に捉えてヨー旋回を適切なタイミングで行うことにより、風力発電装置の効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【００１９】
図９は、本発明における風力発電装置１の構成を示す側面図である。風力発電装置１は、タワー２と、タワー２の上端に設けられたナセル３とを備えている。ナセル３は、ヨー方向に旋回可能であり、ナセル旋回機構４によって所望の方向に向けられる。ナセル３には、巻線誘導発電機５とギア６とが搭載されている。巻線誘導発電機５のロータは、ギア６を介して風車ロータ７の回転軸７ａに接合されている。風車ロータ７は、回転軸７ａに接続されたハブ８と、ハブ８に取り付けられたブレード９とを備えている。ナセル３には、更に、風速と風向とを測定する風向風力計１０が設けられている。
【００２０】
図１０は、ナセル旋回機構４の構成の例を示す断面図である。ナセル旋回機構４は、ヨーモータ１１と、減速機１２と、ピニオン１３と、内歯車１４と、ヨーブレーキ機構１５と、ブレーキディスク１６とを備えている。ヨーモータ１１と減速機１２とピニオン１３とヨーブレーキ機構１５は、ナセル３に搭載されており、ナセル３と共に動く。一方、内歯車１４とブレーキディスク１６は、タワー２に固定されている。ヨーモータ１１のロータは、減速機１２を介してピニオン１３に機械的に接続され、更に、ピニオン１３と内歯車１４とが噛み合わされている。ヨーモータ１１に通電されると、ピニオン１３が回転し、ナセル３がヨー旋回する。ナセル３のヨー旋回は、ブレーキ機構１５によって制動される。ヨーブレーキ機構１５のブレーキシュー１７がブレーキディスク１６を挟み込むと、ナセル３のヨー旋回が制動され、又は停止される。
【００２１】
図１１は、ヨー制御の制御系の構成の例を示すブロック図である。本実施形態では、ヨー制御系は、制御装置２１と、モータ駆動装置２２と、ブレーキ機構駆動装置２３とを備えている。モータ駆動装置２２は、制御装置２１からの制御信号に応じて、ヨーモータ１１に駆動電力を供給する。ブレーキ機構駆動装置２３は、制御装置２１からの制御信号に応じて、ブレーキ機構１５のブレーキシュー１７をブレーキディスク１６に挟みつける。制御装置２１は、風向風力計１０によって測定された風速と風向から風車ロータ７の所望方向を決定し、更に、ヨーモータ１１を動作させることによって風車ロータ７が所望方向に向くようにナセル３をヨー旋回させる。更に制御装置２１は、ヨー旋回によって風車ロータ７が所望方向に向くと、ブレーキ機構１５を動作させてヨー旋回を停止させる。
【００２２】
（中間形態１）
図１８を用いて説明した従来の風力発電装置のヨー制御に改良を加えた中間技術を用い、中間形態１におけるヨー制御を行った。該制御について説明する。中間形態１では、風向風力計１０によって測定された風向に応答してヨー制御が行われる。より具体的には、制御装置２１は、下記のようにしてヨー制御を行う。
【００２３】
風向風力計１０は、各時刻における風向を所定のサンプリング間隔で測定し、各時刻の風向を示す風向データを制御装置２１に供給する。風向データでは、風向が所定の基準方向となす角度として定義される。
【００２４】
制御装置２１は、測定された風向データに対してローパスフィルタ処理を行うことにより（最も簡便には、時間的に近接する数個の風向データを平均することにより）、ヨー制御に実際に使用される制御用風向データを生成し、その制御用風向データに示された風向と風車方位の差を風向偏差として算出する。本中間形態１では、風車方位は、風車ロータ７の回転軸７ａの方向が所定の基準方向となす角度として表現される。風向偏差は、正、負、又はゼロのいずれかの値をとるデータであり、中間形態１及び後述する実施形態では、制御用風向データに示された風向から風車方位の角度を減じた値が、風向偏差として定義される。
【００２５】
更に制御装置２１は、算出された風向偏差に応答してモータ駆動装置２２及びブレーキ機構駆動装置２３を制御してナセル３のヨー旋回を行う。本中間形態１では、制御装置２１は下記の２つの条件の少なくとも一方を満足する場合に、風向偏差がゼロになるように（即ち、最新の制御用風向データが示す風向に）ヨー旋回を行う：
（１）風向偏差の絶対値が閾値θＴＨ１以上である（又はθＴＨ１を超える）状態が、Ｔ１秒間継続する。
（２）風向偏差の絶対値が閾値θＴＨ２（＞θＴＨ１）以上である（又はθＴＨ２を超える）状態が、Ｔ２（＜Ｔ１）秒間継続する。
条件（１）は、主として、乱れ度が大きく風向がランダムに変化する状況でのヨー制御に寄与し、条件（２）は、主として、風向が長時間かけて徐々に変化する状況でのヨー制御に寄与することに留意されたい。以下に述べられるように、このような制御ロジックは、ヨー旋回の回数を増大させずに平均の風向偏差の大きさを小さくするために有効である。
【００２６】
図１２は、図１８に示された従来の制御ロジックと、本中間形態１の制御ロジックとによるヨー制御を比較する図である。詳細には、図１２（ａ）は、従来の制御ロジックによる風向偏差の変化を示すグラフであり、具体的には、風向偏差の絶対値が過去の２０秒間、２０度以上の値を示した場合に風向偏差がゼロになるようにナセル３をヨー旋回させる制御ロジックを採用した場合における風向偏差の変化を示している。
【００２７】
一方、図１２（ｂ）は、風向が長時間かけて徐々に変化する状況での本実施形態の制御ロジックによる風向偏差の変化を示すグラフであり、図１２（ｃ）は、乱れ度が大きく風向がランダムに変化する状況での本実施形態の制御ロジックによる風向偏差の変化を示すグラフである。ここにおいて、条件（１）の閾値θＴＨ１は２０度に設定され、継続時間Ｔ１は２０秒に設定され、条件（２）の閾値θＴＨ２は５度に設定され、継続時間Ｔ２は１００秒に設定されている。
【００２８】
図１２（ａ）に示された従来の制御ロジックでは、風向が長時間かけて徐々に変化した場合でも、風向偏差の絶対値が閾値２０度を超えるまでヨー旋回が行われないため、平均の風向偏差が大きくなる。確かに、従来の制御ロジックでも、ヨー旋回を開始する閾値を小さくすれば、（例えば、５度にすれば）平均の風向偏差を低減することができるかもしれないが、このようなアプローチではヨー旋回の回数が増大してしまう。
【００２９】
一方、図１２（ｂ）、（ｃ）に示された本中間形態１の制御ロジックでは、平均の風向偏差の低減と、ヨー旋回の回数の増大の抑制とを同時に実現できる。風向が長時間かけて徐々に変化する状況では、条件（２）を満足することによってヨー旋回が行われる。条件（２）では、閾値θＴＨ２が比較的に小さく設定されているので（図６（ｂ）の例では５度）、平均の風向偏差を小さくできる。加えて、条件（２）の継続時間Ｔ２は、比較的に長く設定されているので、ヨー旋回の回数の増大が抑制される。一方、乱れ度が大きく風向がランダムに変化する状況においては、条件（１）を満足することによってヨー旋回が行われる。条件（１）では、閾値θＴＨ１が比較的に大きく設定されているので、本当に必要がある場合にのみヨー旋回が行われる。従って、ヨー旋回の回数の増大を抑制することができる。
【００３０】
このようにして、中間形態１によって従来より平均の風向偏差の低減と、ヨー旋回の回数の増大の抑制とを同時に実現できたものの、ヨー旋回の停止条件や風向が過渡的に変化する場合のヨー旋回条件において改良の余地があり、さらなる平均の風向偏差の低減と、ヨー旋回の回数の増大の抑制が可能であると考えられる。
【００３１】
（中間形態２）
中間形態２では、現在の風況が、「乱れ度が大きく風向がランダムに変化する状況」（第１状況）と、「風向が長時間かけて徐々に変化する状況」（第２状況）のいずれに該当するかが判断され、この判断に応じて別の制御ロジックが使用される。風力発電装置１の構成は、中間形態１と同様である。
【００３２】
中間形態２では、制御装置２１は、風向風力計１０によって得られた風向データから、下記の制御ロジックによって、上記の２つの状況のいずれにあるかを判断する。制御装置２１は、過去の直近の所定時間（例えば、過去の直近の１分間）の間の平均の風向を、逐次に算出する。そして、制御装置２１は、直近に算出された平均の風向と、その直前に算出された平均の風向との差が所定角度以内である期間が、所定時間だけ継続した場合、現在の風況は、風向が長時間かけて徐々に変化する第２状況であると判断する。そうでない場合、制御装置２１は、現在の風況は、乱れ度が大きく風向がランダムに変化する第１状況であると判断する。図１３に示されているように、このような制御ロジックを使用することにより、ある程度の正確性をもって２つの状況の判別を行うことができる。
【００３３】
また、１日のうちの（あるいは、１年のうちの）特定の期間では、風況が「乱れ度が大きく風向がランダムに変化する状況」にあると判断し、他の特定期間では、風況が「風向が長時間かけて徐々に変化する状況」にあると判断する制御ロジックが使用されてもよい。「乱れ度が大きく風向がランダムに変化する状況」にあると考えられる期間と「風向が長時間かけて徐々に変化する状況」にあると考えられる期間は、過去の観測データから適切に決定することが可能である。このような制御ロジックによれば、上記の状況のいずれにあるかを簡便に判断することができる。
【００３４】
現在の風況が「乱れ度が大きく風向がランダムに変化する状況」にあると判断した場合、制御装置２１は、風向偏差の絶対値が所定の閾値θＴＨ１以上の値（又は、閾値θＴＨ１を超える値）である状態が、所定の継続時間Ｔ１（例えば２０秒間）だけ継続した場合に、風向偏差がゼロになるようにヨー旋回を実行する。
【００３５】
一方、現在の風況が「風向が長時間かけて徐々に変化する状況」にあると判断した場合、制御装置２１は、風向偏差の絶対値が所定の閾値θＴＨ２以上の値（又は、閾値θＴＨ２を超える値）である状態が、所定の継続時間Ｔ２（例えば２０秒間）だけ継続した場合、ヨー旋回の前後で風向偏差の符号が反対になり、且つ、ヨー旋回の後の風向偏差の絶対値が、閾値θＴＨ２と等しくなるようにヨー旋回を実行する。例えば、閾値θＴＨ２が１０度に設定された場合を考えると、風向偏差が＋１０度を超える状態が所定の継続時間Ｔ（例えば２０秒）だけ継続すると、風向偏差が−１０度になるようにヨー旋回が行われる。
【００３６】
図１４（ａ）は、風向が長時間かけて徐々に変化する状況において、本中間形態２の制御ロジックによってヨー制御が行われた場合における、風向と風車方位の関係を示すグラフである。図１４（ａ）のグラフでは、風向の変化が一定であると仮定されている。図１４（ａ）から理解されるように、本実施形態の制御ロジックでは、風向の変化が一定である場合でも、風向偏差（即ち、風向と風車方位の差）が、正の値及び負の値を交互に取る。したがって、風向偏差の平均は、ゼロに近づく。加えて、本実施形態の制御ロジックでは、風向が長時間かけて徐々に変化する状況で使用される閾値θＴＨ２を小さく設定しても、ヨー旋回の回数はそれほど増大しない。なぜなら、本実施形態では、風向が長時間かけて徐々に変化する状況では、風向偏差が、（ゼロと±θＴＨ２との間ではなく）＋θＴＨ２と−θＴＨ２との間で変化するからである。閾値θＴＨ２を小さく設定することは、風向偏差の平均をゼロに近づけるために有効である。
【００３７】
一方、ヨー旋回後の風向偏差がゼロである従来の制御ロジックでは、図１４（ｂ）に示されているように、風向が長時間かけて徐々に変化する状況では風向偏差が常に正になるか、又は、常に負になってしまう。これは、風向偏差の大きさの平均を増大させてしまう。図１４（ｂ）には、風向偏差が常に負である場合が図示されていることに留意されたい。
【００３８】
図１５は、本中間形態２の制御ロジックの、従来の制御ロジックに対する優位性をより明確に説明するグラフであり、詳細には、風向の変化速度が一定であり、且つ、風向偏差の変化幅が本中間形態の制御ロジックと従来の制御ロジックとで同一である場合における、風力発電装置１の効率を示している。風向の変化速度が一定であり、風向偏差の変化幅が同一であるという条件は、本中間形態の制御ロジックと従来の制御ロジックとでヨー旋回の回数が同一であるという観点から決定されていることに留意されたい。より具体的には、図１５は、本中間形態の制御ロジックについては閾値θＴＨ２が１０度に設定されており、従来の制御ロジックについてはヨー旋回を開始する閾値θＴＨが２０度に設定されている場合を図示している。いずれの場合でも、風向偏差の変化幅が２０度で同一であるから、ヨー旋回の回数も同一である。
【００３９】
図１５に示されているように、従来の制御ロジックでは、風向偏差が−２０度とゼロの間で変化するのに対し、本中間形態の制御ロジックでは、風向偏差が−１０度と＋１０度の間で変化する。風力発電装置１の効率は、風向偏差の絶対値が大きくなるに従って急速に低下するから、従来の制御ロジックでは、特に風向偏差が−２０度と−１０度である場合に風力発電装置１の効率が低下してしまう。一方、本中間形態の制御ロジックでは、風向偏差が−１０度と＋１０度の間でしか変化しないから、風力発電装置１の効率の低下は小さい。
【００４０】
従来の制御ロジックでも、ヨー旋回を開始する閾値θＴＨを小さくすれば（例えば、１０度に設定すれば）、風向偏差の大きさの平均は小さくなる。しかしながら、閾値θＴＨを小さくするとヨー旋回の回数が増加してしまう。このように、従来の制御ロジックでは、ヨー旋回の回数の増加の抑制と、風向偏差の絶対値の平均値の減少を両立させることはできない。
【００４１】
以上に説明されているように、本中間形態２の風力発電装置１は、風向が長時間かけて徐々に変化する状況にある場合に、ヨー旋回の前後で風向偏差の符号が反対になり、且つ、ヨー旋回の後の風向偏差の絶対値が閾値θＴＨ２と等しくなるようにヨー旋回が行われる。これにより、ヨー旋回の回数の増加を抑制しつつ、風向偏差の絶対値の平均値を減少させることができる。
【００４２】
本中間形態２において、ヨー旋回の後の風向偏差の絶対値が閾値θＴＨ２とゼロの間の値になるように、ヨー旋回を行うことも可能である。例えば、閾値θＴＨ２が７．５度である場合に、風向偏差が＋７．５度を超える状態が所定の継続時間（例えば２０秒）だけ継続すると、風向偏差が−４度になるようにヨー旋回が行われることも可能である。ただし、風向偏差の絶対値の平均を低減させるためには、ヨー旋回の後の風向偏差の絶対値が、閾値θＴＨ２と等しくなるようにヨー旋回を実行することが好ましい。
【００４３】
また、中間形態１のヨー制御と中間形態２のヨー制御とが組み合わされて実行されることも可能である。より具体的には、中間形態１のヨー制御の条件（２）が成立した場合、ヨー旋回の前後で風向偏差の符号が反対になり、且つ、ヨー旋回の後の風向偏差の絶対値が、閾値θＴＨ２と等しくなるように（又は、風向偏差の絶対値がゼロと閾値θＴＨ２の間の値になるように）ヨー旋回が実行される。条件（１）が成立した場合には、風向偏差がゼロになるようにヨー旋回が実行される。
【００４４】
中間形態１の条件（２）は、「風向が長時間かけて徐々に変化する状況」にあるときに該当すると考えられる。そのため、条件（２）が成立した場合には、ヨー旋回の前後で風向偏差の符号が反対になり、且つ、ヨー旋回の後の風向偏差の絶対値が、閾値θＴＨ２と等しくなるようにヨー旋回が実行されることが好ましい。
【００４５】
このようにして、中間形態２によってさらに平均の風向偏差の低減が達成され風力発電機１の効率向上が達成されるものの、ヨー旋回の停止条件や風向が過渡的に変化する場合のヨー旋回条件において改良の余地があり、さらなる平均の風向偏差の低減と、ヨー旋回の回数の増大の抑制が可能であると考えられる。
【００４６】
（中間形態３）
風向偏差の絶対値が所定の閾値よりも大きい状態が所定の継続時間だけ続いた場合に、ヨー旋回を実行する従来の制御ロジックのもう一つの問題は、風向の過渡的な変化を検知できないことである。図１６（ａ）は、図１８に示された従来の制御ロジックの問題を示すグラフである。従来の制御ロジックでは、風向偏差が閾値を超えない限り、風向偏差の変化は無視されるから、風向偏差の過渡的な変化を検知できない。このため、図１６（ａ）に示されているように、従来の制御ロジックでは、風向が変化し始めてから実際にヨー旋回が行われるまでの時間が長くなり、風向偏差が大きい状態、即ち、風力発電装置１の効率が低下する状態が長時間継続してしまう。
【００４７】
中間形態３では、風向の過渡的な変化を検知してヨー旋回を的確なタイミングで行うような制御ロジックが採用される。より具体的には、中間形態３では、現時刻をｔ０とした場合に、ｔ０−Ｔ≦ｔ≦ｔ０なる全ての時刻ｔについて、下記の条件：
｜Δθ（ｔ）｜≧θＴＨ（ｔ）  ・・・（１ａ）
又は
｜Δθ（ｔ）｜＞θＴＨ（ｔ）  ・・・（１ｂ）
が成立した場合に風向偏差がゼロになるようにヨー旋回を行う制御ロジックが採用される。ここで、｜Δθ（ｔ）｜は、時刻ｔにおける風向偏差の絶対値であり、Ｔは所定値であり、θＴＨ（ｔ）は、ヨー旋回の開始の判断に使用される閾値であり、ｔ０−Ｔ≦ｔ≦ｔ０において広義に単調に増加する関数である。中間形態３では、閾値が、時間と共に増加されることに留意されたい。Ｔは、ヨー旋回の判断に使用される期間の長さに相当している。ここで、「広義に」とは、ｔ０−Ｔ≦ｔ≦ｔ０において、θＴＨ（ｔ）が一定である区間が存在してもいいことを意味している。ただし、θＴＨ（ｔ）は、ｔ０−Ｔ≦ｔ≦ｔ０の全区間で一定であるように設定されてはならない。
【００４８】
このような制御ロジックでは、図１６（ｂ）に示されているように、風向の過渡的な変化を検知してヨー旋回をなるべく早いタイミングで行うことができる。詳細には、中間形態３の制御ロジックでは、ヨー旋回を開始する閾値が時間と共に増加されるから、風向偏差の絶対値がまだ小さい初期期間における風向偏差の変化をヨー旋回の開始の判断において考慮することができる。従って、中間形態の制御ロジックによれば、風向の過渡的な変化を検知してヨー旋回を的確なタイミングで行うことができる。これは、風力発電装置１の効率を向上させるために有効である。
【００４９】
中間形態３では、関数θＴＨ（ｔ）は、次のように設定される：
【数１】
2010106727.tif 000003
ただし、θＴＨは、所定の定数である。この場合、関数θＴＨ（ｔ）のグラフは、図１６（ｂ）に示されているように、円、又は楕円の一部であるような形状になる。式（２）によって定められた関数θＴＨ（ｔ）が、ｔ０−Ｔ≦ｔ≦ｔ０の全区間で（狭義に）単調増加する関数であり、且つ、その導関数ｄθＴＨ（ｔ）／ｄｔがｔ０−Ｔ≦ｔ≦ｔ０の全区間で（狭義に）単調に減少するような関数であることは、当業者には自明的であろう。
【００５０】
他の実施形態では、図１７に示されているように、関数θＴＨ（ｔ）は、
θＴＨ（ｔ）＝θＴＨ  （Ｔ１≦ｔ≦ｔ０）  ・・・（３ａ）
θＴＨ（ｔ）＝ａ（ｔ−Ｔ１）＋θＴＨ  （Ｔ≦ｔ≦Ｔ１）  ・・・（３ｂ）
と設定されてもよい。ここで、ａは正の定数である。式（２）によって定められた関数θＴＨ（ｔ）が、ｔ０−Ｔ≦ｔ≦ｔ０の全区間で広義に単調する関数であり、且つ、その導関数ｄθＴＨ（ｔ）／ｄｔがｔ０−Ｔ≦ｔ≦ｔ０の全区間で広義に単調に減少するような関数であることは、当業者には自明的であろう。
【００５１】
このようにして、中間形態３によって風向の過渡的変化への対応が可能となったものの、ヨー旋回の停止条件において改良の余地があるとともに、中間形態３においては「乱れ度が大きく風向がランダムに変化する状況」でなければ風向の過渡的な変化に対応することが難しく「風向が長時間かけて徐々に変化する状況」についても対応できるよう改良する必要がある。
【実施例１】
【００５２】
実施例１では、前述の中間形態１〜３において課題となっていたヨー旋回の停止条件を改良した技術を利用している。風力発電装置１の構成は中間形態１〜３と同様である。
【００５３】
図１は実施例１における制御装置２１によるヨー旋回制御の手順を示すフローチャートである。図１に従って、実施例１におけるヨー旋回制御について説明する。
【００５４】
ステップＳ１で特定の条件が満たされると、ヨー旋回が開始される。
ステップＳ１における特定の条件について説明する。
風向風力計１０は、各時刻における風向を所定のサンプリング間隔で測定し、各時刻の風向を示す風向データを制御装置２１に供給する。風向データでは、風向が所定の基準方向となす角度として定義される。
【００５５】
更に制御装置２１は、算出された風向偏差に応答してモータ駆動装置２２及びブレーキ機構駆動装置２３を制御してナセル３のヨー旋回を行う。本中間形態１では、制御装置２１は下記の２つの条件の少なくとも一方を満足する場合に、風向偏差がゼロになるように（即ち、最新の制御用風向データが示す風向に）ヨー旋回を行う：
（１）風向偏差の絶対値が閾値θＴＨ１（例えば５度）以上である（又はθＴＨ１を超える）状態が、Ｔ１（例えば１００秒）例えば秒間継続する。
（２）風向偏差の絶対値が閾値θＴＨ２（例えば２０度）（＞θＴＨ１）以上である（又はθＴＨ２を超える）状態が、Ｔ２（例えば２０秒）（＜Ｔ１）秒間継続する。
このステップＳ１におけるヨー旋回の開始条件は前述した中間形態１と同じものである。
【００５６】
ステップＳ１でヨー旋回が開始されると、図１中に破線で示した停止ロジックによりヨー旋回の停止の判断を行う。
停止ロジックにおいては、まずステップＳ２においてヨー旋回を一定時間Δｔだけ継続する。
ステップＳ２でヨー旋回が一定時間Δｔだけ継続されると、ステップＳ３で風向平均値を計算する。ここで風向平均値とは、現時刻をｔ０、Ｔを所定値としたときに、時刻ｔ０−Ｔから時刻ｔ０における風向の平均値であり、前記風向風力計１０が各時刻における風向を所定のサンプリング間隔で測定し、制御装置２１に供給した各時刻の風向を示す風向データを用いて、制御装置２１によって計算される。
【００５７】
ステップＳ３で風向平均値が計算されると、ステップＳ４で風車方位（風車ロータ７の方向）が前記風向平均値以上であるか否かを判断する。
【００５８】
ステップＳ４でＮｏと判断されると、風車方位≧風向平均値となるまでステップＳ２からステップＳ４を繰り返す。
ステップＳ４でＹｅｓと判断されると、ステップＳ５でヨー旋回を停止する。
【００５９】
図２は、従来及び中間技術１〜３におけるヨー旋回停止時における制御ロジックと、本実施例１の制御ロジックとによるヨー制御を比較する図である。詳細には、図２（ａ）は、従来及び中間技術の制御ロジックによる風向及び風車方位の変化を示すグラフであり、具体的には、風向偏差の絶対値が過去の２０秒間、２０度以上の値を示した場合に風向偏差がゼロになるようにナセル３をヨー旋回させる制御ロジックを採用した場合における風向平均値と風車方位の変化を示している。
【００６０】
一方、図２（ｂ）は、本実施例１の制御ロジックによる風向及び風車方位の変化を示すグラフであり、具体的には、風向偏差の絶対値が過去の２０秒間、２０度以上の値を示した場合に前記風向平均値と風車方位との差がゼロになるようにナセル３をヨー旋回させる制御ロジックを採用した場合における風向平均値と風車方位の変化を示している。
【００６１】
図２（ａ）に示された従来又は中間形態の制御ロジックでは、ヨー旋回開始後に風向が瞬間的に変化して風向と風車方位が瞬時に一致した場合においても、ヨー旋回が停止してしまうため、図２（ａ）中に矢印Ｂで示した分の性能ロスが生じ、平均の風向偏差が大きくなる。従来又は中間形態の制御ロジックにおいても、風向の瞬間的な変化がなければ平均の風向偏差が大きくなることはないが、自然の風の瞬間的な変化を防止することはできない。
【００６２】
一方、図２（ｂ）に示された本実施例１の制御ロジックでは、風向平均値と風車方位との差が０となったときにヨー旋回を停止するように制御するため、風向が瞬間的に変化して風向と風車方位が瞬時に一致してもヨー旋回が停止することはなく、ヨー旋回を適切な位置で停止することができる。
【００６３】
なお、図２においては、風向偏差の絶対値が過去の２０秒間、２０度以上の値を示した場合、即ち前記（２）の条件でヨー旋回を開始する例を挙げたが、前記（１）の条件でヨー旋回を開始した場合においてもヨー旋回停止の制御は同じである。
【実施例２】
【００６４】
実施例３では、前述の中間形態１〜３において課題となっていたヨー旋回の停止条件を改良した技術を利用している。風力発電装置１の構成は実施例１と同様である。
【００６５】
図３は実施例２における制御装置２１によるヨー旋回制御の手順を示すフローチャートである。図３に従って、実施例２におけるヨー旋回制御について説明する。
【００６６】
ステップＳ１１で特定の条件が満たされると、ヨー旋回が開始される。
ステップＳ１１における特定の条件については実施例１におけるステップＳ１と同じであるから、説明を省略する。
【００６７】
ステップＳ１１でヨー旋回が開始されると、図３中に破線で示した停止ロジックによりヨー旋回の停止の判断を行う。
停止ロジックにおいては、まずステップＳ１２においてヨー旋回を一定時間Δｔだけ継続する。
ステップＳ１２でヨー旋回が一定時間Δｔだけ継続されると、ステップＳ１３で風車方位（風車ロータ７の方向）が風向以上であるか否かを判断する。
【００６８】
ステップＳ１３でＮｏと判断されると、風車方位≧風向となるまでステップＳ１２、ステップＳ１３を繰り返す。
ステップＳ１４でＹｅｓと判断されると、ステップＳ１４でヨー旋回角度が旋回閾値以上であるか否かを判断する。
ここで旋回閾値とは、前記条件（１）（２）に示したθＴＨ１及びθＴＨ２を表し、条件（１）を満足してヨー旋回が開始された場合はステップＳ４における旋回閾値はθＴＨ１を用いて判断し、条件（２）を満足してヨー旋回が開始された場合はステップＳ４における旋回閾値はθＴＨ２を用いて判断する。
【００６９】
ステップＳ１４でＮｏと判断されると、ステップＳ１４でＹｅｓと判断されるまでステップＳ１２からステップＳ１４を繰り返す。
ステップＳ１４でＹｅｓと判断されると、ステップＳ１５でヨー旋回を停止する。
【００７０】
図４は、従来及び中間技術１〜３におけるヨー旋回停止時における制御ロジックと、本実施例２の制御ロジックとによるヨー制御を比較する図である。詳細には、図４（ａ）は、従来及び中間技術の制御ロジックによる風向及び風車変位の変化を示すグラフであり、具体的には、風向偏差の絶対値が過去の２０秒間、２０度以上の値を示した場合に風向偏差がゼロになるようにナセル３をヨー旋回させる制御ロジックを採用した場合における風向と風車方位の変化を示している。
【００７１】
図４（ｂ）及び図４（ｃ）は、本実施例２の制御ロジックによる風向及び風車変位の変化を示すグラフであり、具体的には、図４（ｂ）は風向偏差の絶対値が過去の２０秒間、２０度以上の値を示した場合にヨー旋回を開始し、２０度ヨー旋回させた時点で風車方位が風向を逆転し、２０度ヨー旋回させた時点でヨー旋回を停止した場合における風向と風車方位の変化を示した図、図４（ｃ）は風向偏差の絶対値が過去の２０秒間、２０度以上の値を示した場合にヨー旋回を開始し、２０度ヨー旋回させた時点で風車方位が風向を逆転していないため、そのままヨー旋回を継続し、風向と風車方位との差がゼロになった時点でヨー旋回させた場合における風向と風車方位の変化を示している。
【００７２】
図４（ａ）に示された従来又は中間形態の制御ロジックでは、ヨー旋回開始後に風向が瞬間的に変化して風向と風車方位が瞬時に一致した場合においても、ヨー旋回が停止してしまうため、図４（ａ）中に矢印Ｂで示した分の性能ロスが生じ、平均の風向偏差が大きくなる。従来又は中間形態の制御ロジックにおいても、風向の瞬間的な変化がなければ平均の風向偏差が大きくなることはないが、自然の風の瞬間的な変化を防止することはできない。
【００７３】
一方、図４（ｂ）及び図４（ｃ）に示された本実施例２の制御ロジックでは、少なくとも前記旋回閾値に相当する分だけはヨー旋回を行うため、ヨー旋回が旋回閾値に到達する前に風向が瞬間的に変化して風向と風車方位が瞬時に一致してもヨー旋回が停止することはなく、ヨー旋回を適切な位置で停止することができる。
なお、実施例２の制御は、「風向が長時間かけて徐々に変化する状況」で適用すると効果的である。
【実施例３】
【００７４】
実施例３では、実施例１及び実施例２で説明した技術を組み合わせ、ヨー旋回をさらに適切な位置で停止するようにしたものである。風力発電装置１の構成は実施例１、２と同様である。
【００７５】
図５は実施例３における制御装置２１によるヨー旋回制御の手順を示すフローチャートである。図５に従って、実施例３におけるヨー旋回制御について説明する。
【００７６】
ステップＳ２１で特定の条件が満たされると、ヨー旋回が開始される。
ステップＳ２１における特定の条件については実施例１におけるステップＳ１と同じであるから、説明を省略する。
【００７７】
ステップＳ２１でヨー旋回が開始されると、図３中に破線で示した停止ロジックによりヨー旋回の停止の判断を行う。
停止ロジックにおいては、まずステップＳ２２においてヨー旋回を一定時間Δｔだけ継続する。
ステップＳ２２でヨー旋回が一定時間Δｔだけ継続されると、ステップＳ２３で風向平均値を計算する。風向平均値については実施例１において説明したのでここでは説明を省略する。
【００７８】
ステップＳ２３で風向平均値が計算されると、ステップＳ２４で風車方位（風車ロータ７の方向）が前記風向平均値以上であるか否かを判断する。
【００７９】
ステップＳ２４でＮｏと判断されると、風車方位≧風向平均値となるまでステップＳ２２から、ステップＳ２４を繰り返す。
ステップＳ２４でＹｅｓと判断されると、ステップＳ２５でヨー旋回角度が旋回閾値以上であるか否かを判断する。
【００８０】
ステップＳ２５でＮｏと判断されると、ステップＳ２５でＹｅｓと判断されるまでステップＳ２２からステップＳ２５を繰り返す。
ステップＳ１４でＹｅｓと判断されると、ステップＳ１５でヨー旋回を停止する。
【００８１】
図６は、従来及び中間技術１〜３におけるヨー旋回停止時における制御ロジックと、本実施例３の制御ロジックとによるヨー制御を比較する図である。詳細には、図６（ａ）は、従来及び中間技術の制御ロジックによる風向及び風車変位の変化を示すグラフであり、具体的には、風向偏差の絶対値が過去の２０秒間、２０度以上の値を示した場合に風向偏差がゼロになるようにナセル３をヨー旋回させる制御ロジックを採用した場合における風向と風車方位の変化を示している。
【００８２】
図６（ｂ）及び図６（ｃ）は、本実施例３の制御ロジックによる風向及び風車変位の変化を示すグラフであり、具体的には、図６（ｂ）は風向偏差の絶対値が過去の２０秒間、２０度以上の値を示した場合にヨー旋回を開始し、２０度ヨー旋回させた時点で風車方位が風向平均値を逆転し、２０度ヨー旋回させた時点でヨー旋回を停止した場合における風向平均値と風車方位の変化を示した図、図６（ｃ）は風向偏差の絶対値が過去の２０秒間、２０度以上の値を示した場合にヨー旋回を開始し、２０度ヨー旋回させた時点で風車方位が風向平均値を逆転していないため、そのままヨー旋回を継続し、風向平均値と風車方位との差がゼロになった時点でヨー旋回させた場合における風向平均値と風車方位の変化を示している。
【００８３】
図６（ａ）に示された従来又は中間形態の制御ロジックでは、ヨー旋回開始後に風向が瞬間的に変化して風向と風車方位が瞬時に一致した場合においても、ヨー旋回が停止してしまうため、図６（ａ）中に矢印Ｂで示した分の性能ロスが生じ、平均の風向偏差が大きくなる。従来又は中間形態の制御ロジックにおいても、風向の瞬間的な変化がなければ平均の風向偏差が大きくなることはないが、自然の風の瞬間的な変化を防止することはできない。
【００８４】
一方、図６（ｂ）及び図６（ｃ）に示された本実施例２の制御ロジックでは、少なくとも前記旋回閾値に相当する分だけはヨー旋回を行うため、ヨー旋回が旋回閾値に到達する前に風向が瞬間的に変化して風向と風車方位が瞬時に一致してもヨー旋回が停止することはなく、さらに、風向平均値を用いているため図６（ｃ）のように旋回閾値以上ヨー旋回を継続する場合において、旋回閾値を超えてヨー旋回を継続しているときに風向が瞬間的に変化して風向と風車方位が瞬時に変化してもヨー旋回が停止することはなく、ヨー旋回を適切な位置で停止することができる。
なお、実施例３の制御は、「風向が長時間かけて徐々に変化する状況」で適用すると効果的である。
【００８５】
実施例１〜３の制御において、実施例１の制御は常に性能向上、ヨー旋回頻度低減に効果的であり、実施例２及び３の制御は「風向が長時間かけて徐々に変化する状況」において特に効果的である。そこで、中間形態２で説明したような現在の風況が、「乱れ度が大きく風向がランダムに変化する状況」（第１状況）と、「風向が長時間かけて徐々に変化する状況」（第２状況）のいずれに該当するか判断する制御ロジックを使用し、現在の風況が第１状況であれば実施例１で説明した制御でヨー旋回を停止し、現在の風況が第２状況であれば実施例２又は３で説明した制御でヨー旋回を停止するようにするとさらに性能向上、ヨー旋回頻度低減の面で効果的である。
【実施例４】
【００８６】
実施例４では、前述の中間形態１〜３において課題となっていた風向の過渡的変化へ対応するためにヨー旋回の開始条件を改良した技術を利用している。風力発電装置１の構成は中間形態１〜３と同様である。
【００８７】
図７（ａ）は、実施例１〜３において用いた制御ロジック示すグラフであり、図７（ｂ）及び図７（ｃ）は実施例４における制御ロジックを示すグラフである。
【００８８】
実施例４では、風向の過渡的な変化を検知してヨー旋回を的確なタイミングで行うような制御ロジックが採用される。
より具体的には、中間形態２で説明したような現在の風況が、「乱れ度が大きく風向がランダムに変化する状況」（第１状況）と、「風向が長時間かけて徐々に変化する状況」（第２状況）のいずれに該当するか判断する制御ロジックにより現在の風況を判断し、現時刻をｔ０とし、Ｔ１は所定値とし、ｔ０−Ｔ１≦ｔｓ≦ｔ０なる時刻ｔｓとした場合に、ｔｓ≦ｔｓ≦ｔ０なる全ての時刻ｔにおいて前記風向偏差が所定条件を満足した場合に、前記ナセルをヨー旋回させる。
前記所定条件は、前記現在の風況が前記第１状況に該当する場合は、
｜Δθ（ｔ）｜≧θＴＨ１（ｔｓ）
ただし、｜Δθ（ｔ）｜は、各時刻ｔにおける前記風向偏差の絶対値であり、θＴＨ（ｔ）は、ｔ０−Ｔ１≦ｔ≦ｔ０において広義に単調に増加する関数であり、さらに前記θＴＨ（ｔ）の時間に対する導関数ｄθＴＨ（ｔ）／ｄｔが、導関数が定義できない時刻ｔを除きｔ０−Ｔ１≦ｔ≦ｔ０において広義に単調に増加する
であり、前記現在の風況が前記第２状況に該当する場合は、
｜Δθ（ｔ）｜≧θＴＨ２（ｔｓ）
ただし、｜Δθ（ｔ）｜は、各時刻ｔにおける前記風向偏差の絶対値であり、θＴＨ（ｔ）は、ｔ０−Ｔ１≦ｔ≦ｔ０において広義に単調に増加する関数であり、さらに前記θＴＨ（ｔ）の時間に対する導関数ｄθＴＨ（ｔ）／ｄｔが、導関数が定義できない時刻ｔを除きｔ０−Ｔ１≦ｔ≦ｔ０において広義に単調に減少する
である。
なお、図７におけるｔｂが前記ｔ０−Ｔ１に相当する。
また、図７（ｂ１）において、点Ａと点Ｂを結ぶ曲線及び点Ａから時間ｔ０まで風向偏差が一定な直線がθＴＨ１（ｔｓ）に相当し、図７（ｃ１）において、点Ａと点Ｂを結ぶ曲線及び点Ａから時間ｔ０まで風向偏差が一定な直線がθＴＨ２（ｔｓ）に相当する。
【００８９】
このような制御ロジックでは、図９（ｂ２）、図９（ｃ２）に示されているように、風向の過渡的な変化を検知してヨー旋回をなるべく早いタイミングで行うことができる。
また、現在の風況が前記第１状況に該当するか、第２状況に該当するかに応じて、図９（ｂ１）、図９（ｂ２）に示したグラフの何れの条件を旋回条件とするか使い分けているので、効率的に風向偏差の大きさを小さくすることができ、且つ、ヨー旋回の回数の増大を抑制することができる。
【実施例５】
【００９０】
実施例５では、現在から所定時間前までの間にヨー旋回を行った回数を計測し、その回数に応じて旋回条件を変化させている。具体的には、ヨー旋回開始時、過去一定時間（例えば１時間）における旋回回数が規定された回数（例えば３回）よりも少ない場合、又はヨー旋回開始時、前回のヨー旋回からの経過時間がある規定された時間（例えば２０分）よりも長い場合には旋回条件を緩和し、ヨー旋回開始時、過去一定時間（例えば１時間）における旋回回数が規定された回数（例えば３回）よりも多い場合、又はヨー旋回開始時、前回のヨー旋回からの経過時間がある規定された時間（例えば２０分）よりも短い場合には旋回条件を強化する。
ここで、旋回条件を緩和するとは、旋回開始条件における時間閾値を短くする又は角度閾値を小さくすることであり、旋回条件を強化するとは、前記時間閾値を長くする又は角度閾値を大きくすることである。
【００９１】
図８は実施例１〜５をまとめた本発明におけるヨー旋回の制御の手順を示すフローチャートである。
図８に従って、本発明のヨー旋回の制御について説明する。
【００９２】
ヨー旋回に関する制御が開始されると、ステップＳ５１で旋回条件Ｘによりヨー旋回を開始する。ここで旋回条件Ｘとは、ヨー旋回を開始するための条件であり、実施例１〜３で説明した条件や、実施例４で説明した条件を用いることができる。
【００９３】
ステップＳ５１でヨー旋回が開始されると、ステップＳ５２で旋回停止ロジックによりヨー旋回の停止の判断を行い、ステップＳ５３でヨー旋回を停止する。ステップＳ５２における旋回停止ロジックは、図１、３、５で説明した実施例１、２、３の旋回停止ロジックの何れを用いることもできる。
【００９４】
ステップＳ５１でヨー旋回が開始されると、ステップＳ５５で前回のヨー旋回停止時間から、今回のヨー旋回開始までの経過時間が規定時間Ｍ以上であるか否か判断する。なお、前記規定時間Ｍは旋回条件ごとに設定される。
ステップＳ５５でＹｅｓと判断されると、ステップＳ５６に進み旋回条件Ｘの時間閾値又は角度閾値を小さくする、即ち旋回条件を緩和する。
ステップＳ５５でＮｏと判断されると、ステップＳ５７に進み旋回条件Ｘの時間閾値又は角度閾値を大きくする、即ち旋回条件を強化する。
【００９５】
ステップＳ５３でヨー旋回が停止され、ステップＳ５６又はステップＳ５７で旋回条件が緩和又は強化されると、該緩和又は強化された旋回条件Ｘ´を新たな旋回条件ＸとしてステップＳ５４で旋回開始の判断を行い、旋回開始の条件を満たすとステップＳ５１に戻って再度ヨー旋回を開始する。
【００９６】
これにより、旋回条件を風況に応じて変化させることができるので、一定以上の旋回頻度を維持し、風力発電装置の性能を最適とすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
風向が長時間かけて徐々に変化する場合でも風向偏差の大きさを小さくすることができ、且つ、ヨー旋回の回数の増大を抑制できる風力発電装置のヨー制御技術として、また、風向の過渡的な変化を早期に捉えてヨー旋回を適切なタイミングで行うことにより、風力発電装置の効率を向上させたヨー制御技術として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】実施例１における制御装置によるヨー旋回制御の手順を示すフローチャートである。
【図２】従来及び中間技術におけるヨー旋回停止時における制御ロジックと、実施例１の制御ロジックとによるヨー制御を比較する図である。
【図３】実施例２における制御装置によるヨー旋回制御の手順を示すフローチャートである。
【図４】従来及び中間技術におけるヨー旋回停止時における制御ロジックと、実施例２の制御ロジックとによるヨー制御を比較する図である。
【図５】実施例３における制御装置によるヨー旋回制御の手順を示すフローチャートである。
【図６】従来及び中間技術におけるヨー旋回停止時における制御ロジックと、本実施例３の制御ロジックとによるヨー制御を比較する図である。
【図７】図７（ａ）は、実施例１〜３において用いた制御ロジック示すグラフであり、図７（ｂ）及び図７（ｃ）は実施例４における制御ロジックを示すグラフである。
【図８】本発明におけるヨー旋回の制御の手順を示すフローチャートである。
【図９】本発明の実施形態における風力発電装置の構成を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態におけるナセル旋回機構の構成を示す断面図である。
【図１１】本発明の第１の実施形態におけるヨー制御系の構成を示すブロック図である。
【図１２】従来の制御ロジックによる風向偏差の変化と、中間形態１の制御ロジックによる風向偏差の変化を示すグラフである。
【図１３】「乱れ度が大きく風向がランダムに変化する状況」と、「風向が長時間かけて徐々に変化する状況」との判別の例を示すグラフである。
【図１４】中間形態２の制御ロジックによる風車方位の変化と、従来の制御ロジックによる風車方位の変化を示すグラフである。
【図１５】風向の変化速度が一定であり、且つ、風向偏差の変化幅が同一である場合において、中間形態の制御ロジックと従来の制御ロジックによって得られる風力発電装置の効率を示すグラフである。
【図１６】従来の制御ロジックにおけるヨー旋回の開始のタイミングと、中間形態３の制御ロジックにおけるヨー旋回の開始のタイミングを示すグラフである。
【図１７】関数θＴＨ（ｔ）の例を示すグラフである。
【図１８】従来の制御ロジックを示すグラフである。
【図１９】従来の制御ロジックの問題を説明するグラフである。
【符号の説明】
【００９９】
１：風力発電装置
２：タワー
３：ナセル
４：ナセル旋回機構
５：巻線誘導発電機
６：ギア
７：風車ロータ
７ａ：回転軸
８：ハブ
９：ブレード
１０：風向風力計
１１：ヨーモータ
１２：減速機
１３：ピニオン
１４：内歯車
１５：ブレーキ機構
１６：ブレーキディスク
１７：ブレーキシュー
２１：制御装置
２２：モータ駆動装置
２３：ブレーキ機構駆動装置
【図１】
2010106727.tif 000004
【図２】
2010106727.tif 000005
【図３】
2010106727.tif 000006
【図４】
2010106727.tif 000007
【図５】
2010106727.tif 000008
【図６】
2010106727.tif 000009
【図７】
2010106727.tif 000010
【図８】
2010106727.tif 000011
【図９】
2010106727.tif 000012
【図１０】
2010106727.tif 000013
【図１１】
2010106727.tif 000014
【図１２】
2010106727.tif 000015
【図１３】
2010106727.tif 000016
【図１４】
2010106727.tif 000017
【図１５】
2010106727.tif 000018
【図１６】
2010106727.tif 000019
【図１７】
2010106727.tif 000020
【図１８】
2010106727.tif 000021
【図１９】
2010106727.tif 000022