(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
浮体構造物または海底に据え付けられるタワーと、
前記タワー先端に設けられる風力タービンと、
前記風力タービンの揺動を検出するセンサと、
前記風力タービンの翼ピッチ角を制御する翼ピッチ可変機構と、
前記風力タービンに設けられる発電機のロータ軸回転数に基づき、前記発電機に対するＰＩ演算を含む出力基本制御を行う発電機トルク制御部と、
前記ロータ軸回転数に基づき、前記翼ピッチ角のＰＩ演算を含むピッチ角基本制御を行う翼ピッチ制御部と、
前記発電機の出力に基づき前記出力基本制御に補正を加える、または／および前記風力タービンの揺動に基づき前記ピッチ角基本制御に補正を加える補正制御部とを備え、
前記補正制御部の制御に適応同定外乱相殺制御が含まれる
ことを特徴とする洋上風力発電装置。
【請求項２】
前記適応同定外乱相殺制御が、少なくとも１以上の所定周波数の変動をターゲットに相殺信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の洋上風力発電装置。
【請求項３】
前記適応同定外乱相殺制御が、発電出力変動に基づいて行われることを特徴とする請求項１または請求項２の何れか一項に記載の洋上風力発電装置。
【請求項４】
前記補正制御部の制御にアクティブダンピング制御が含まれることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の洋上風力発電装置。
【請求項５】
前記アクティブダンピング制御が、前記風力タービンの揺動に基づいて行われることを特徴とする請求項４に記載の洋上風力発電装置。
【請求項６】
前記補正制御部の制御に、周波数解析アルゴリズムによって外乱周波数を特定し、これによる適応同定外乱相殺制御が含まれることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の洋上風力発電装置。
【請求項７】
前記補正制御部の制御に一般波形型適応同定外乱相殺制御が含まれることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の洋上風力発電装置。
【請求項８】
前記洋上風力発電装置は、前記タワーが据え付けられた浮体構造物と、前記浮体構造物の揺動を検出するセンサとを更に備え、前記補正制御部における前記出力基本制御に対する補正が前記発電機の出力に基づき行われる、または／および、前記ピッチ角基本制御に対する補正が、前記風力タービンの揺動、前記浮体構造物の揺動に基づき行われることを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の洋上風力発電装置。
【請求項９】
前記適応同定外乱相殺制御が、前記浮体構造物の揺動に基づいて行われることを特徴とする請求項８に記載の洋上風力発電装置。
【請求項１０】
前記補正制御部の制御に、前記浮体構造物の揺動に基づくアクティブダンピング制御が含まれることを特徴とする請求項８または請求項９の何れか一項に記載の洋上風力発電装置。
【請求項１１】
前記タワーの基部に応力または歪みを検出するセンサが設けられ、前記補正制御部による補正制御が前記応力または歪みに基づいて行われることを特徴とする請求項８〜１０の何れか一項に記載の洋上風力発電装置。
【請求項１２】
浮体構造物または海底に据え付けられるタワーの先端に設けられる風力タービンの制御装置であって、
前記風力タービンの発電機のロータ軸回転数に基づき、前記発電機に対するＰＩ演算を含む出力基本制御を行う発電機トルク制御部と、
前記ロータ軸回転数に基づき、前記風力タービンの翼ピッチ角に対するＰＩ演算を含むピッチ角基本制御を行う翼ピッチ制御部と、
前記発電機の出力に基づき前記出力基本制御に補正を加える、または／および前記風力タービンの揺動に基づき前記ピッチ角基本制御に補正を加える補正制御部とを備え、
前記補正制御部の制御に適応同定外乱相殺制御が含まれる
ことを特徴とする風力タービン制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、洋上における風力発電装置、特に浮体構造物を利用した浮体式洋上風力発電装置および着床式洋上風力装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水平軸型風力タービン発電装置では、風速が定格以上となり、出力が定格電力に達すると、ブレードのピッチ角を制御してロータの回転速度を一定に保ち、出力を一定に維持する制御方法が知られている。しかしこのような制御の下では、タワーの先端に設けられた風力タービンが風が吹いてくる方向に揺動する際、相対風速が大きくなって、ブレードに発生する空力トルク（従って、出力）の増加を抑えるためにピッチ角を調整し、結果的にピッチ角がブレードに掛かるスラスト力を低減するように制御されるため、ブレードによるダンピング効果が低減され、揺動がなかなか減衰しないと言う問題（ネガティブダンピング効果）がある。このような問題に対しては、揺動するタワーの固有振動成分を打ち消すようにピッチ角を補正する方法が提案されている（特許文献１）。また、陸上風車においては、風速の変動により誘起されるナセルの振動を低減させるためにナセルの加速度を検出し、振動を打ち消すように風車ブレードにスラスト力を発生させる構成も知られている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００９−５１３８８１号公報
【特許文献２】特許第４５９９３５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、浮体式洋上風力発電装置の揺動においては、タワーの固有振動成分のみが大きいわけではなく、波浪や風力変動など不規則な外乱による変動も大きい。特に外乱の中でも振幅が大きい周波数帯域の変動や、係留された浮体を含む構造物全体の固有周波数に近い帯域の変動はその影響が大きく、これらを抑制することが求められる。また着床型の洋上風力発電装置の塔は、海底から海上へと延出するため、陸上型に比べ塔の全長が長くなり固有振動数が下がり揺れやすくなり、ガストや乱流などの風速変動、及び波浪などの外乱により振動が発生し易くなる。このように洋上風力発電装置では、陸上風車に比べその振動や揺動がより大きくなり易いため、特許文献２の構成では、制御系の安定性やノイズの影響からゲインを過大にできず、十分に風力タービンの揺動や振動を抑制できない。
【０００５】
本発明は、洋上風力発電装置において、外乱による風力タービンの揺動・振動を効果的に抑え、装置全体の寿命を延ばす、あるいはコストダウンを図ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の洋上風力発電装置は、浮体構造物または海底に据え付けられるタワーと、タワー先端に設けられる風力タービンと、風力タービンの揺動を検出するセンサと、風力タービンの翼ピッチ角を制御する翼ピッチ可変機構と、風力タービンに設けられる発電機のロータ軸回転数に基づき、発電機に対するＰＩ演算を含む出力基本制御を行う発電機トルク制御部と、ロータ軸回転数に基づき、翼ピッチ角のＰＩ演算を含むピッチ角基本制御を行う翼ピッチ制御部と、発電機の出力に基づき出力基本制御に補正を加える、または／および風力タービンの揺動に基づきピッチ角基本制御に補正を加える補正制御部とを備え、補正制御部の制御に適応同定外乱相殺制御が含まれることを特徴としている。
【０００７】
高い変動減衰効果を得るには、適応同定外乱相殺制御が、少なくとも１以上の所定周波数の変動をターゲットに相殺信号を生成することが好ましく、適応同定外乱相殺制御は、発電出力変動に基づいて行われることが好ましい。また補正制御部の制御にアクティブダンピング制御が含まれることが好ましい。またアクティブダンピング制御は、例えば風力タービンの揺動に基づいて行われる。補正制御部の制御が、例えば周波数解析アルゴリズムによって特定される外乱周波数による適応同定外乱相殺制御、あるいは一般波形型適応同定外乱相殺制御を含むことにより、実際に影響の大きい、あるいは時間と共に変化する外乱周波数を特定して揺動減衰効果を得ることができ、また、揺動減衰効果を得る周波数帯域を拡大することができる。
【０００８】
また洋上風力発電装置が、タワーが据え付けられた浮体構造物と、浮体構造物の揺動を検出するセンサとを更に備える場合には、補正制御部における出力基本制御に対する補正が発電機の出力に基づき行われる、または／および、ピッチ角基本制御に対する補正が、風力タービンの揺動、浮体構造物の揺動に基づき行われることが好ましい。適応同定外乱相殺制御は、浮体構造物の揺動に基づいて行われることが好ましく、アクティブダンピング制御は、浮体構造物の揺動に基づいて行われることが好ましい。またタワーの基部など、構造物の中で強度的に厳しい部分に、例えば応力または歪みを検出するセンサを設け、補正制御部による補正制御に応力または歪みによる補正を加えてもよい。これにより揺動による応力または歪みを低減しタワーの耐久性を更に向上することができる。
【０００９】
本発明の風力タービン制御装置は、浮体構造物または海底に据え付けられるタワーの先端に設けられる風力タービンの制御装置であって、風力タービンの発電機のロータ軸回転数に基づき、発電機に対するＰＩ演算を含む出力基本制御を行う発電機トルク制御部と、ロータ軸回転数に基づき、風力タービンの翼ピッチ角に対するＰＩ演算を含むピッチ角基本制御を行う翼ピッチ制御部と、発電機の出力に基づき出力基本制御に補正を加える、または／および風力タービンの揺動に基づきピッチ角基本制御に補正を加える補正制御部とを備え、補正制御部の制御に適応同定外乱相殺制御が含まれることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、浮体構造物または海底に据え付けられる洋上風力発電装置において、外乱による風力タービンの揺動・振動と発電出力の変動を効果的に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態である浮体式洋上風力発電装置の外観を示す側面である。
【図２】第１実施形態の風力タービンにおける発電機出力／ピッチ角制御システムの構成を示すブロック図である。
【図３】補正制御部の構成をより詳細に示すブロック図である。
【図４】変形例の補正制御部の構成をより詳細に示すブロック図である。
【図５】比較例（Ａ）、（Ｂ）と第１実施形態の適応同定外乱相殺制御を用いた実施例（Ｃ〜Ｆ）における回転数変動、浮体構造物の揺動角度変動、発電出力変動の分散値を比較するグラフである。
【図６】比較例（Ａ）、実施例（Ｄ）における浮体構造物の揺動角（傾斜角）、発電出力、回転数の時間軸に沿った変動を示すグラフである。
【図７】適応同定制御の構成例を示すブロック図である。
【図８】周波数解析アルゴリズムを組み込んだ適応同定外乱相殺制御のモデル図である。
【図９】第１実施形態のシミュレーションにおいて仮定された外乱ｄの下での同定対象系の応答ｙｄのスペクトルである。
【図１０】応答ｙｄのシミュレーション結果である。
【図１１】制御対象信号ｙＣＴのシミュレーション結果である。
【図１２】本発明の第２実施形態である着床式洋上風力発電装置の外観を示す側面図である。
【図１３】第２実施形態の風力タービンにおける発電機出力／ピッチ角制御システムの構成を示すブロック図である。
【図１４】第２実施形態のシミュレーションにおいて与えられた外乱としての変動風速の様子を示すグラフである。
【図１５】図１４の外乱のスペクトル分布図である。
【図１６】図１４の外乱が与えられたときの比較例（Ｇ）、（Ｈ）と実施例（Ｉ）におけるナセル部の変位Ｘの変化を示すグラフである。
【図１７】図１４の外乱が与えられたときの比較例（Ｇ）、（Ｈ）と実施例（Ｉ）におけるナセル部の加速度Ａの変化を示すグラフである。
【図１８】図１４の外乱が与えられたときの比較例（Ｇ）、（Ｈ）と実施例（Ｉ）におけるロータ回転数、発電出力の変動の様子を示すグラフである。
【図１９】比較例（Ｇ）、（Ｈ）と第２実施形態の適応同定外乱相殺制御を用いた実施例（Ｉ）における各物理諸量変動の分散値を比較するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態である浮体式洋上風力発電装置の外観を示す側面である。
【００１３】
第１実施形態の浮体式洋上発電装置１０は、浮体（浮遊）構造物１１と、浮体構造物１１のデッキ１２の略中央に直立するタワー１３と、タワー１３の先端に設けられる風力タービン１４から主に構成され、浮体構造物１１は例えば係留索１１Ｍを用いて所定の海域に係留される。
【００１４】
本実施形態において風力タービン１４は、水平軸型であり、発電機本体や制御部を収容するナセル部１５とナセル部１５に軸支されるロータ１６を備える。ナセル部１５は、タワー１３の先端において、その軸に対し回動可能に保持され、ロータ１６の回転軸は、タワー１３の軸に垂直に配置される。ナセル部１５は風向計（図示せず）を備え、ナセル部１５は、ロータ１６をナセル部１５の風上あるいは風下に位置させるように回動する。
【００１５】
浮体構造物１１およびナセル部１５には、加速度センサ１７、１８がそれぞれ設けられ、例えば浮体構造物１１およびナセル部１５それぞれの６自由度（ローリング、ピッチング、ヨーイング、サージング、スウェイング、ヒービング）の加速度が検出される。またタワー１３の基部には、例えば歪み計１９が設けられる。なお、ナセル部１５に設けられる加速度センサ１８は、タワー１３の上端部に設けてもよい。
【００１６】
図２は、風力タービン１４における発電機出力／ピッチ角制御システムの構成を示すブロック図である。
【００１７】
風力タービン１４は、ロータ１６における各ブレード（翼）のピッチ角を制御する翼ピッチ可変機構２０を備える。翼ピッチ可変機構２０は、翼ピッチ制御部２１からの信号を補正制御部２２からの信号で補正したピッチ角指令値に基づいてピッチ角を制御する。
【００１８】
図２においてブロック２３は、浮体構造物１１および係留索１１Ｍからなる係留構造物に対応し、その揺動特性を表し、波や潮流などが外乱として入力される。ブロック２４は、タワー１３とナセル部１５からなる風力タービン構造物に対応し、その揺動特性を表し、風などが外乱として入力される。また、係留構造物２３と、そのデッキ１２に立てられた風力タービン構造物２４は連成運動する。
【００１９】
外乱による係留構造物２３の揺動は、加速度センサ１７を用いて例えば浮体構造物１１に関する６自由度の運動の加速度や変位として検出され、補正制御部２２へ入力される。また、風力タービン構造物２４の揺動は、加速度センサ１８や歪み計１９により検知され、例えばナセル部１５に関する６自由度の運動の加速度や変位、およびタワー１３の基部における応力、歪みなどが算出され補正制御部２２へ入力される。すなわち、補正制御部２２では、これらの値に基づき翼ピッチ制御部２１からの信号を補正するための信号を算出する。
【００２０】
また、風および係留構造物２３の揺動に合わせて揺動する風力タービン１４の運動により、ロータ１６に対する風の相対速度は変化する。したがって、風によりロータ（風車）１６に加わるトルクは、翼ピッチ可変機構２０で設定されたピッチ角で回転するブレードが、（対地）風速からナセルの移動速度を差し引いた相対速度で風を受けることで変動する。このときロータ１６のロータ軸２５には、ロータ１６からのトルクと発電機２６からのトルクが加わり、その回転数が決定される。また、各ブレードは、風から変動するスラスト力を受け、風力タービン構造物のダンピング特性に影響を与える。
【００２１】
発電機２６は発電機トルク制御部２７からの信号を補正制御部２２からの信号で補正して得られるトルク指令値に基づいて制御され、補正制御部２２には発電機２６から発電出力が入力される。すなわち、補正制御部２２は、発電出力の変動に基づいてトルク指令値の補正を行う。なお、発電機トルク制御部２７には回転数指令値とロータ軸２５の回転数（角速度）の偏差が入力される。なお、この偏差は翼ピッチ制御部２１へも入力され、補正前の基本ピッチ角が算出される。
【００２２】
図３は、補正制御部２２の構成をより詳細に示すブロック図である。補正制御部２２は、ナセル部１５の加速度（速度）信号、浮体構造物１１の加速度信号、タワー１３の基部歪み信号に対し適用されるアクティブダンピング制御と、浮体構造物１１の傾き角（姿勢）信号またはタワー１３の基部歪み信号、および発電機２６の発電出力に対して適用される適応同定外乱相殺制御とを組み合わせたものである。
【００２３】
前述したように、発電機トルク制御部２７には、負帰還されるロータ軸２５の回転数に対応するロータ角速度（入力１）と回転数指令として設定されたロータ角速度（入力２）の偏差が入力され、例えばＰＩ（またはＰＩＤ）演算が行われる（出力基本制御）。発電機トルク制御部２７の出力には、補正制御部２２の第２適応同定外乱相殺制御部２８からの補正信号が加え合わされ、トルク指令値として発電機２６へ入力される。このトルク指令値の下、発電機２６から出力される発電機トルク（出力１）は、前述したようにロータ軸２５に作用し、ロータ１６による空力トルクとともにロータ軸２５の回転数を決定する。なお発電機トルクとロータ角速度の積として得られる発電出力は、第２適応同定外乱相殺制御部２８に入力され、発電トルク指令値に加算される相殺（補正）信号が生成される。
【００２４】
また入力１、２の偏差（角速度偏差）は、翼ピッチ制御部２１へも入力され、前述したように、基本ピッチ角が算出される（ピッチ角基本制御）。一方、ナセル部１５の速度（入力３）は、第１浮体揺動制御部２９、浮体構造物１１の加速度（入力４）は、第２浮体揺動制御部３０、タワー１３の基部歪み（入力５）は第３浮体揺動制御部３１へ入力され、アクティブダンピング制御のための信号が生成され、それぞれ基本ピッチ角信号に加算される。なお、アクティブダンピングの極簡単な例としてはＰ（比例）制御を行うことが挙げられるが、Ｐ制御に限定されるものではなく、一般の制御伝達関数を用いることができる。
【００２５】
また、第１実施形態においては、浮体構造物１１の傾き角（入力６）が第１適応同定外乱相殺制御部３２へ入力され、基本ピッチ角信号に加算される相殺（補正）信号が生成される。制御部２９〜３２で生成された補正信号は、翼ピッチ制御部２１からの基本ピッチ角信号に加算され、翼ピッチ可変機構２０へ出力され、ブレードのピッチ角が調整される。第１適応同定外乱相殺制御部３２への入力は、浮体傾き角（入力６）の他に、ナセル速度（入力３）、浮体加速度（入力４）、タワー基部歪（入力５）なども用いることもできる。
【００２６】
本実施形態において、第１、第２適応同定外乱相殺制御部では適応同定手法が用いられる（図７参照）。適応同定手法では、ｎを離散系における時間のステップ番号とし、同定の対象となるシステムｕ（ｎ）への入力をｘ（ｎ）、出力をｄ（ｎ）、対象システムｕ（ｎ）を同定するモデルをｗ（ｎ）、ｗ（ｎ）へｘ（ｎ）を入力したときの出力をｙ（ｎ）とするとき、誤差信号ｅ（ｎ）＝ｄ（ｎ）−ｙ（ｎ）を用いてｗ（ｎ）の係数を、ｗ（ｎ＋１）＝ｗ（ｎ）−μ・ｅ（ｎ）・ｘ（ｎ）と修正することでｅ（ｎ）を０へと近づけ、対象システムｕ（ｎ）をｗ（ｎ）により同定する。なお、ここでμは収束パラメータであり、ｗ、ｘはベクトル量である。
【００２７】
本実施形態の第１、第２適応同定外乱相殺制御部の適応同定外乱相殺制御では、上記適応同定手法を用いて、例えば相殺の対象となる角周波数ωを与え、波浪などによる外乱入力として正弦波形型外乱Ａ・ｓｉｎ（ωｔ＋φ）＝Ａ１・ｓｉｎ（ωｔ）＋Ａ２・ｃｏｓ（ωｔ）を仮定する。そして振幅Ａおよび位相φ、または係数Ａ１、Ａ２を適応同定手法により同定することにより、これを相殺する信号を生成する。
【００２８】
例えば、相殺信号のｓｉｎ、ｃｏｓの係数をＡ１ｃ、Ａ２ｃ、浮体構造物の揺れ角または発電電力に対応する制御対象信号（誤差）をε、収束パラメータ行列をΓとし、
ｘ＝（ｓｉｎ（ωｔ），ｃｏｓ（ωｔ））Ｔ
θ＝（Ａ１ｃ，Ａ２ｃ）Ｔ
とすると、連続系での適応同定外乱相殺アルゴリズムは
ｄθ／ｄｔ＝Γ・ε・ｘ
と表される。すなわち、上記式に基づいて漸次θを更新することで、相殺信号ｙ＝Ａ１ｃ・ｓｉｎ（ωｔ）＋Ａ２ｃ・ｃｏｓ（ωｔ）が求められる。なお、ｘ、θはベクトル量であり、Ｔは転置を表す。また上式のアルゴリズムの拡張型として、以下も可能である。
ｄθ／ｄｔ＝（γ１・ｄε／ｄｔ＋γ２・ε＋γ３・∫εｄｔ−κ・ｙ）・ｘ
ここで、γ１、γ２、γ３、κは収束パラメータである。
【００２９】
なお予め与えられる角周波数としては、外乱のうちの振幅が大きい周波数や、係留構造物２３や風力タービン構造物２４の固有周波数に近い周波数が選択される。本実施形態では、相殺の対象として複数の周波数を設定し、各々の周波数変動を相殺する信号を生成する。例えば、上述のように構造物の固有周波数に対応する揺動の振幅、位相を随時同定し、これを相殺する信号を生成するとともに、振幅変動の特に大きい波浪外力などの周波数に対応する揺動の振幅、位相を随時同定し、これを相殺する信号を生成する。なお対象周波数は、例えば予め実測により求められるか、あるいは構造物の設計値から計算される。
【００３０】
また、影響の大きい外乱周波数を周波数解析などを用いて随時特定し、その周波数に対する適応同定外乱相殺制御を行うことも可能であり、これを上記予め特定した周波数に対する適応同定外乱相殺制御と組み合わせることも可能である。
【００３１】
また変形例として、図４に示すように、一般の外乱波形に対応してシステムの特性を同定し、変動を抑制する信号を作り出す一般波形型適応同定外乱相殺制御を用いることも可能である。例えば、一般波形型適応同定外乱相殺制御部３４に対して、浮体構造物の揺動加速度を入力ｘ、ナセル部１４の速度を制御対象信号（誤差）εとする適応同定を行う。そして、その相殺信号を算出し、他の補正信号と同様に、翼ピッチ制御部２１からの基本ピッチ角信号に加算する。なお、入力ｘとして、浮体構造物の揺動加速度の他に、浮体構造物の速度、傾き角、波浪外乱などを採用してもよく、誤差（制御対象）ｅとしてもナセル速度の他に、ナセル加速度、ナセル変位、タワー基部の歪みなどを採用してもよい。この場合、相殺出力信号をｙ＝θＴ・ｘとして、出力係数θを順次ｄθ／ｄｔ＝Γ・ε・ｘにより更新し、周波数を特定せずに相殺信号を生成できる。
【００３２】
また、波高計、風速計などを設け、これらの計測機器で得られる情報を外乱入力ｘとして用いることも可能である。
【００３３】
以上のように、第１実施形態によれば、複数の周波数に亘る外乱による浮体構造物および風力タービンの揺動を効果的に抑えることができる。また、本実施形態では、風力タービンの揺動を抑えるだけではなく、タワー基部に発生する歪みの低減も考慮しているため、タワー基部に大きな負荷が掛かる浮体構造物を利用した風力発電装置において、その耐久性を向上することができる。
【００３４】
なお、本実施形態では、翼ピッチ制御部や発電機トルク制御部の基本制御にＰＩ制御を用いたが、これらに替えてＰＩＤ制御を用いてもよい。
【００３５】
（第１実施形態の実施例）
次に図５、６に、各制御手法を適用したときの変動抑制効果のシミュレーション結果を示す。図５は、本実施形態の適応同定外乱相殺制御を用いた実施例（Ｃ〜Ｆ）と、発電機２６、翼ピッチ可変機構２０に対する基本制御（ＰＩ制御）、すなわち発電機トルク制御部２７、翼ピッチ制御部２１のみを制御に用いた比較例（Ａ）、比較例（Ａ）の基本制御（ＰＩ制御）に加え、ナセル加速度（速度）をフィードバックして第１浮体揺動制御部２９のアクティブダンピング制御を行う比較例（Ｂ）それぞれにおけるロータ軸２５の回転数変動、浮体構造物１１の揺動角度変動、および発電出力（電力）の変動の大きさを比較して示すグラフであり、縦軸は各制御方法におけるそれぞれの物理量変動の分散（自乗平均）値を比較例（Ａ）の分散値を１００として百分率で示したものである。
【００３６】
なお実施例（Ｃ）は、比較例（Ｂ）の構成に第１適応同定外乱相殺制御部３２による浮体構造物１１の傾き角を対象とした適応同定外乱相殺制御を加えたものであり、実施例（Ｄ）は実施例（Ｃ）の構成に第２適応同定外乱相殺制御部２８による発電機出力を対象とした適応同定外乱相殺制御を加えたものである。また実施例（Ｅ）は実施例（Ｄ）の構成から第１浮体揺動制御部２９によるナセル加速度を用いたアクティブダンピング制御を除いたものである。一方、実施例（Ｆ）は、比較例（Ａ）の基本制御（ＰＩ制御）に、浮体構造物１１の加速度を入力ｘ、ナセル速度を誤差ｅとする一般波形型適応同定外乱相殺制御部３４による適応同定外乱相殺制御を加えたものである。
【００３７】
また、図６は比較例（Ａ）および実施例（Ｄ）における浮体構造物１１の揺動角（傾斜角）、発電機２６の発電出力、ロータ軸２５の回転数の時間軸に沿った変動を示すグラフである。
【００３８】
図５に示されるように、浮体構造物１１の特定周波数の揺動（傾き角）を適応同定外乱相殺制御のターゲットとする実施例（Ｃ）〜（Ｅ）では、何れも比較例（Ａ）の１０％にまで揺動角度の変動が抑えられ、ロータ軸の回転数の変動も６０％未満にまで低減された。また、発電機２６の特定周波数における出力変動も適応同定外乱相殺制御のターゲットとする実施例（Ｄ）、（Ｅ）では、発電出力の変動も１０％にまで低減された。
【００３９】
基本制御（ＰＩ制御）に加えて、ナセル加速度（速度）のフィードバックのみを利用した比較例（Ｂ）に対しても、実施例（Ｄ）、（Ｅ）の発電機２６の出力変動は約１／６にまで低減され、浮体構造物１１の揺動変動についても約１／３にまで低減された。実施例（Ｅ）は、実施例（Ｄ）の構成からナセル加速度（速度）のフィードバック制御のみを取り除いたものなので、適用同定相殺制御は、加速度（速度）フィードバックとの併用なしでも高い変動低減効果を発揮することが分かる。但し、加速度（速度）フィードバックを利用するアクティブダンピング制御は、特定の周波数のみならず、広い範囲の周波数スペクトルを持つ外乱に対しても有効であるので、適用同定相殺制御と併用して用いることが望ましい。
【００４０】
一方、実施例（Ｆ）では、浮体構造物１１の揺動低減効果は比較例（Ａ）の約３５％程度と比較例（Ｂ）と同程度で、特定の周波数をターゲットとする実施例（Ｃ）〜（Ｅ）に比べて低かった。但し、実施例（Ｆ）では、外乱の周波数情報を必要としないので、広い周波数範囲に亘る外乱に対応できる。したがって、特定周波数をターゲットとする実施例（Ｃ）〜（Ｅ）の適応同定外乱相殺制御に、実施例（Ｆ）の一般波形型適応同定外乱相殺制御を組み合わせて利用することで、特定周波数に対して強い減衰効果をもたらしながらも、それ以外の周波数に対しても中程度の減衰効果をもたらす構成が得られる。
【００４１】
次に図８〜図１１を参照して、周波数解析アルゴリズムを組み込んだ適応同定外乱相殺制御を用いた実施例のシミュレーション結果について説明する。
【００４２】
図８は、周波数解析アルゴリズムを組み込んだ適応同定外乱相殺制御のモデル図である。周波数解析アルゴリズムを組み込んだ本実施例の適応同定外乱相殺制御は、図８に示されるように、外乱ｄによる同定対象系４０の応答ｙｄを、ＦＦＴ周波数解析（ＦＦＴ周波数解析アルゴリズム４１）にかけ、外乱ｄに含まれる周波数ｆｉを検出するとともに、検出された周波数ｆｉを正弦波型適応同定系Ｗ（ｓｉｎ，ｃｏｓ）４２に与え、制御対象信号ｙＣＴによって制御信号ｕＢＰを生成し、これを駆動制御系４３に入力して得られる出力ｙＢＰで応答ｙｄを相殺することで最終的な応答ｙＣＴの変動を抑制するものである。
【００４３】
図９は、本シミュレーションにおいて仮定された外乱ｄの下での同定対象系４０の応答ｙｄのスペクトルであり、信号ｙｄをＦＦＴ周波数解析アルゴリズム４１にかけて得られたものである。図９の例では、応答ｙｄに含まれる３個のピーク周波数ｆ１〜ｆ３がＦＦＴ周波数解析アルゴリズム４１において検出された。
【００４４】
図１０、図１１は、応答ｙｄ、制御対象信号ｙＣＴのシミュレーション結果である。最初の５０秒間はＦＦＴ解析のためのデータ収集期間であり、外乱抑制機能は働いていない。データ収集期間終了後には、得られた周波数情報から適応同定外乱相殺系が働き、制御対象信号ｙＣＴが急激に減少した。
【００４５】
以上のように、本実施例の周波数解析アルゴリズム組み込み適応同定外乱相殺手法によれば、外乱中に含まれる周波数の情報が予め得られない場合でも、最終的に抑制機能を働かせることができる。また、外乱の周波数分布が変化する場合でも、これに追随して揺動を抑制することができる。
【００４６】
（第２実施形態）
次に図１２、図１３を参照して本発明の第２実施形態の洋上風力発電装置について説明する。第２実施形態の洋上風力発電装置は着床式であり、図１２にその外観を、図１３にそのシステムブロック図を示す。なお、以下の説明において、第１実施形態と同様の構成に関しては同一参照符号を用いその説明を省略する。
【００４７】
第１実施形態ではタワー１３は、浮体構造物１１のデッキ１２に据え付けられたが、第２実施形態のタワー４４は、海底ＳＢに設置された基礎や海底ＳＢに打ち込まれたパイル（またはジャケット、ポッド等）上に据え付けられる。すなわちタワー４４は、海底ＳＢに片持ち支持され、略鉛直に設置される。タワー４４の先端には、第１実施形態と同様に風力タービン１４が設置される。なお本実施形態では、ナセル部１５に加速度センサ１８、あるいはタワー４４の先端部近傍に加速度センサ４５が設けられる。
【００４８】
図１３のブロック図は、第１実施形態の図２に対応する。上述したように第２実施形態では、タワー４４が海底ＳＢに固定されているため、風力タービン構造物が係留構造物と連成することはない。すなわち、図１３のブロック４６は、タワー４４とナセル部１５からなる風力タービン構造物に対応し、外乱として風、波、潮流の影響を受けるときの風力タービン構造物の振動（揺動）特性を表す。
【００４９】
風力タービン１４の制御系の構成は、基本的に第１実施形態と同様であるが、図２の補正制御部２２における係留構造物２３からの入力に関わる構成がない。そのため図１３では補正制御部２２から係留構造物２３からの入力を除いたものが補正制御部４７として示される。すなわち補正制御部４７におけるアクティブダンピングは、例えば加速度センサ１８または４５の出力を用いたフィードバック制御のみからなり、加速度信号あるいは速度信号に対するＰ（比例）制御が用いられる。なおアクティブダンピングは、Ｐ制御に限定されるものではなく、一般の制御伝達関数を用いてもよい。
【００５０】
また、第２実施形態の適応同定外乱相殺制御には、例えば第１実施形態の図８に示される周波数解析アルゴリズムを組み込んだ適応同定外乱相殺制御が用いられ、上記アクティブダンピングの結果に加算されて翼ピッチ可変機構２０に出力される。すなわち、第２実施形態では、第１実施形態での浮体構造物の揺動加速度に代え、ナセル加速度（速度）を主たる入力（ｙＣＴ）とした適応同定外乱相殺制御が行われる。すなわち、第２実施形態の適応同定外乱相殺制御では、風力タービン構造物４６の振動（揺動）波形における支配的な周波数成分ω（ｒａｄ／ｓ）がＦＦＴ周波数解析アルゴリズム４１（図８）において解析され、風力タービン構造物４６への外乱入力をｄ＝Ａ１・ｓｉｎ（ωｔ）＋Ａ２・ｃｏｓ（ωｔ）として、これを相殺する信号ｕＢＰ＝Ａ１ｃ・ｓｉｎ（ωｔ）＋Ａ２ｃ・ｃｏｓ（ωｔ）が同定される。なお、第２実施形態において同定対象系４０は図１３のブロック４６に対応する。なお、第１実施形態と同様に、第２実施形態においても発電機トルクとロータ角速度の積として得られる発電出力が、図３に示される第２適応同定外乱相殺制御部２８に入力され、発電トルク指令値に加算される相殺（補正）信号が生成される。
【００５１】
（第２実施形態の実施例）
次に図１４〜図１９を参照して、第２実施形態の着床式洋上風力発電装置による変動抑制効果のシミュレーション結果を示す。図１４は、シミュレーションにおいて実施例および比較例のシステムに与えられた風（外乱ｄ）の時間変動を示すもので、曲線Ｖは風速（ｍ／ｓ）を示す。
【００５２】
図１５は、図１４の外乱ｄの下での同定対象系４０（図８）の応答ｙｄのスペクトルであり、信号ｙｄをＦＦＴ周波数解析アルゴリズム４１にかけて得られたものである。図１５の例では、応答ｙｄに含まれるピーク周波数ｆ４等がＦＦＴ周波数解析アルゴリズム４１において検出された。
【００５３】
図１６（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ図１４の変動が与えられたときの比較例（Ｇ）、（Ｈ）のシステムおよび実施例（Ｉ）のシステムにおけるナセル部１５の変位量Ｘ（ｍ）の時間変動を示すグラフであり、図１７（ａ）〜（ｃ）は、加速度Ａ（ｍ／ｓ２）の時間変動を示すグラフである。また図１８（ａ）〜（ｃ）は、それぞれこのときの比較例（Ｇ）、（Ｈ）および実施例（Ｉ）におけるロータ軸２５の回転数Ｎ（ｒｐｍ）および発電出力（電力）Ｐ（ＭＷ）の時間変動を示すグラフである。ここで比較例（Ｇ）は、図１３における発電機２６、翼ピッチ可変機構２０に対する基本制御（ＰＩ制御）、すなわち発電機トルク制御部２７、翼ピッチ制御部２１のみを制御に用いた構成であり、比較例（Ｈ）は、比較例（Ｇ）の構成にナセル加速度の比例フィードバックを行うアクティブダンピングを追加した構成に対応する。なお実施例（Ｉ）では、比較例（Ｈ）の構成に更に本実施形態の適応同定外乱相殺制御を用いている。
【００５４】
図１６、図１７に示されるように、ナセル部１５の変位量Ｘおよび加速度Ａの変動は、比較例（Ｈ）において比較例（Ｇ）の６０％程度にまでに低減し、実施例（Ｉ）においては比較例（Ｈ）の５０％程度にまで、すなわち比較例（Ｇ）の３０％程度にまで低減した。また図１８に示されるように、直接の制御対象ではないロータ回転数や発電出力に関しても、その変動が増大されることがなく、むしろ８０％程度にまで低減された。
【００５５】
次に図１９に、比較例（Ｇ）、（Ｈ）、実施例（Ｉ）におけるロータ回転数Ｎ、発電出力（電力）Ｐ、ナセル加速度Ａ、ナセル速度Ｖ、ナセル変位Ｘの変動量の大きさを比較して示す。縦軸は各比較例、実施例におけるそれぞれの物理量変動の分散（自乗平均）値を比較例（Ｇ）の分散値を１００として百分率で示したものである。
【００５６】
図１９に示されるように、比較例（Ｇ）、（Ｈ）に比べ実施例（Ｉ）においてナセル加速度Ａ、ナセル速度Ｖ、ナセル変位Ｘの変動量が大きく低減していることが分かる。またロータ回転数Ｎ、発電出力（電力）Ｐの変動量に関しても、実施例（Ｉ）の方が低いことが分かる。
【００５７】
以上のように、第２実施形態のように着床式の洋上風力発電装置に本発明の適応同定外乱相殺制御を適用することによりロータ回転数や発電出力に影響を与えることなく、外乱による風力タービンの振動（揺動）を効果的に抑え、装置全体の寿命を延ばすことができ、コストダウンを図ることができる。また本実施形態では、周波数解析アルゴリズムを組み込むことにより、外乱中に含まれる周波数の情報が予め得られない場合や外乱の周波数分布が変化する場合でも、振動（揺動）の抑制機能を働かせることができる。
【００５８】
なお第２実施形態の説明では、適応同定外乱相殺制御に周波数解析アルゴリズムを組み込んだが、第１実施形態と同様に、予め外乱の周波数が特定されている場合には、周波数解析アルゴリズムを省き、特定の周波数を予め与えて相殺信号を同定してもよい。また、第１実施形態において挙げた浮体構造物の揺動を除く様々な外乱を制御に取り入れることも可能である。また周波数解析アルゴリズムに代えて一般波形型適応同定外乱相殺制御を取り入れることも可能である。
【００５９】
また、第１および第２実施形態の補正制御部は、風力タービンの揺動を入力とする第１適応同定外乱相殺制御部３２と、発電機の出力を用いてトルク指令値を補正する第２適応同定外乱相殺制御部２８を含んだが、両実施形態において一方の適応同定外乱相殺制御を省くことも可能である。
【符号の説明】
【００６０】
１０  浮体式洋上発電装置
１１  浮体構造物
１１Ｍ  係留索
１３  タワー
１４  風力タービン
１５  ナセル部
１７  加速度センサ
１８  加速度センサ
１９  歪み計
２０  翼ピッチ可変機構
２１  翼ピッチ制御部
２２  補正制御部
２５  ロータ軸
２６  発電機
２７  発電機トルク制御部
２８  第２適応同定外乱相殺制御部
２９  第１浮体揺動制御部
３０  第２浮体揺動制御部
３１  第３浮体揺動制御部
３２  第１適応同定外乱相殺制御部
４４  タワー
４５  加速度センサ
４６  風力タービン構造物
４７  補正制御部
ＳＢ  海底
【要約】
【課題】浮体構造物または海底に据え付けられる洋上風力発電装置において、外乱による浮体構造物および風力タービンの揺動を効果的に抑える。
【解決手段】浮体構造物または海底に据え付けられるタワーの先端に設けられる風力タービンが備える発電機２６のロータ軸２５の回転数に基づき、発電機２６に対するＰＩ（またはＰＩＤ）演算を含む出力基本制御を発電機トルク制御部２７で行う。ロータ軸２５の回転数に基づき、風力タービンの翼ピッチ角に対するＰＩ（またはＰＩＤ）演算を含むピッチ角基本制御を、翼ピッチ制御部２１で行う。補正制御部２２において、発電機２６の出力に基づき出力基本制御に補正を加える、または／および風力タービンの揺動等に基づきピッチ角基本制御に補正を加える補正信号を生成する。補正制御部２２または４７の制御に適応同定外乱相殺制御を適用する。
【選択図】図２【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６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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