(57)【要約】風力発電装置（１０）は、風車翼に作用する力を用いてナセル（１６）をヨー方向に旋回させる風力発電装置（１０）であって、ナセル（１６）のヨー方向の旋回を制動させるヨーブレーキ装置（３２）と、ナセル（１６）の旋回速度θ’が所定範囲内となるようにヨーブレーキ装置（３２）を制御する制御装置（３６）を備える。従って、風力発電装置（１０）は、ナセル（１６）の旋回速度を一定にすることができる。
2013057836.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風車翼に作用する力を用いてナセルをヨー方向に旋回させる風力発電装置であって、
前記ナセルのヨー方向の旋回を制動させる制動手段と、
前記ナセルの旋回速度が所定範囲内となるように前記制動手段を制御する制御手段と、
を備えた風力発電装置。
【請求項２】
前記制動手段は、板状のブレーキディスク及び該ブレーキディスクを圧接する複数のブレーキパッドを有し、前記旋回速度が所定範囲内となるように前記ブレーキパッドが前記ブレーキディスクへ作用させる圧力及び前記ブレーキディスクを圧接するブレーキパッドの数の少なくとも一方が制御される請求項１記載の風力発電装置。
【請求項３】
前記ナセルのヨー方向の旋回速度を測定する測定手段
を備え、
前記制御手段は、前記測定手段によって測定された前記旋回速度と前記所定範囲内における予め定められた前記旋回速度との差分に基づいて、前記旋回速度が前記所定範囲外とならないように、前記制動手段に対する制御指令値を生成する請求項１記載の風力発電装置。
【請求項４】
前記旋回速度の所定範囲は、秒速０．２５度から秒速０．３０度である請求項１記載の風力発電装置。
【請求項５】
風車翼に作用する力を用いてナセルをヨー方向に旋回させ、前記ナセルのヨー方向の旋回を制動させる制動手段を備える風力発電装置のヨー旋回制御方法であって、
前記ナセルの旋回速度が所定範囲内となるように前記制動手段を制御する
風力発電装置のヨー旋回制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電装置及び風力発電装置のヨー旋回制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電装置は、風車翼を備えたロータヘッドが風力を受けて回転し、この回転を増速機により増速するなどして、発電機を駆動することにより発電する。また、風車翼を備えたロータヘッドは、タワー（支柱）の上部に設置されたナセル内の増速機及び発電機と主軸を介して連結されているので、ロータヘッドの向きを常に変動する風向きに合わせる（ロータ回転面を風向に正対させる）ために、例えばアップウインド型の風力発電装置では、ナセルをタワー上でヨー旋回（略水平面上の旋回）させてロータヘッドの正面から風を受ける必要がある。【０００３】
従来の風力発電装置では、ナセルをヨー方向に旋回させるためにヨー駆動装置が搭載されている風力発電装置がある。ヨー駆動装置は、例えば図６に示されるように、ヨーモータ１００の駆動力によって、ロータヘッドの回転面が風向に追従して正対するようにナセル１０２をヨー旋回させる。なお、図中の符号１０２ａはナセル台板、１０４はタワー、１０６は駆動歯車、１０８は固定歯車、１１０は転がり軸受、１１２はヨーブレーキ装置であるが、転がり軸受１０８に代えて滑り軸受を採用してもよい。【０００４】
また、上述したヨー駆動装置は、風力発電装置の大型化に伴い、ヨーモータや駆動系歯車等も大型化することとなる。このようなヨー駆動装置の大型化は、ナセル台板の複雑化やメンテナンススペースに関する要求が増すことから、ナセルの小型化や軽量化を妨げる原因となる。
そこで、特許文献１には、各風車翼に作用するタワー軸まわりの荷重を相殺するための基準指令値に対して、ヨーまわり制御指令値を加算した角度指令値を算出し、この角度指令値に基づいて各風車翼のピッチ角度指令値を設定する風力発電装置が記載されている。すなわち、特許文献１に記載の風力発電装置は、各風車翼の荷重を計測して風車翼毎にピッチ角度を制御し、風車翼に作用する空気力を用いてナセルを旋回させるようにしたので、ヨー駆動装置を用いることなくナセルを旋回させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２８６１５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ヨー駆動装置によってナセルをヨー方向に旋回させる風力発電装置では、風向や風速に関係なく、任意のヨー角度にナセルを向けることができる。
一方、特許文献１のように、ヨー駆動装置を備えず、風車翼毎にピッチ角度を制御することで、風車翼に作用する力を用いてナセルをヨー方向に旋回させる風力発電装置は、作動（オン）又は非作動（オフ）が切り替えられるヨーブレーキ装置のブレーキ力によって、旋回するナセルを任意のヨー角度に向けていた。【０００７】
しかし、風車翼に作用する力を用いてナセルをヨー方向に旋回させる風力発電装置は、風車翼が受ける風力が大きいため、ナセルに伝わるヨー回転方向の作用力が大きくなる場合、ブレーキ装置を作動させてもブレーキが滑り、ナセルの向きが意図しない方向を向くおそれがあった。【０００８】
また、実際のヨーモーメント（タワー軸周りのモーメント）は、一定ではなく乱れており、例えば１Ｎ（１回転につき１回の変動）から３Ｎ（１回転につき３回（３枚翼の風力発電装置の場合）の変動）の周期で図７に示されるような変動を繰り返している。そして、ヨーモーメントの平均値Ｍyaw-aは、変動幅ΔＭyawに比較して小さい（Ｍyaw-a<<ΔＭyaw)という傾向がある。このことは、ナセルを左右に旋回させる大きなモーメントが、短い周期で繰り返し生じることを示している。ところが、風車翼に作用する力を用いてナセルをヨー方向に旋回させる風力発電装置では、ヨーモーメントの乱れに応じて風車翼毎のピッチ角度を短い周期で変更させ、ナセルの旋回速度（角速度）を一定にすることが困難であった。【０００９】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、風車翼に作用する力を用いてナセルをヨー方向に旋回させる構成であっても、ナセルの旋回速度を一定にすることができる、風力発電装置及び風力発電装置のヨー旋回制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第一態様に係る風力発電装置は、風車翼に作用する力を用いてナセルをヨー方向に旋回させる風力発電装置であって、前記ナセルのヨー方向の旋回を制動させる制動手段と、前記ナセルの旋回速度が所定範囲内となるように前記制動手段を制御する制御手段と、を備える。【００１１】
上記構成によれば、風力発電装置は、風車翼に作用する力を用いてナセルをヨー方向に旋回させ、制動手段によってナセルのヨー方向の旋回を制動させる。
そして、制御手段によって、ナセルの旋回速度が所定範囲内となるように制動手段が制御される。制御手段は、ナセルの旋回速度が所定範囲外の場合、制動手段により強いブレーキ力を生じさせナセルの旋回速度を遅くし、旋回速度を所定範囲内とする。このため、ナセルに伝わるヨー回転方向の作用力が大きくなっても、ナセルの旋回速度は、所定範囲内で変化することとなるので、ナセルの向きが急激に変化することが防止される。なお、旋回速度が所定範囲とは、旋回速度の平均が許容範囲内であること、又は旋回速度が所定の下限値及び上限値内であること等をいう。【００１２】
従って、本構成によれば、ナセルの旋回速度が所定範囲内となるように制動手段が制御されるので、風車翼に作用する力を用いてナセルをヨー方向に旋回させる風力発電装置であっても、ナセルの旋回速度を一定にすることができる。【００１３】
上記第一態様では、前記制動手段が、板状のブレーキディスク及び該ブレーキディスクを圧接する複数のブレーキパッドを有し、前記旋回速度が所定範囲内となるように前記ブレーキパッドが前記ブレーキディスクへ作用させる圧力及び前記ブレーキディスクを圧接するブレーキパッドの数の少なくとも一方が制御されることが好ましい。【００１４】
上記構成によれば、制動手段は、旋回速度が所定範囲内となるようにブレーキパッドがブレーキディスクへ作用させる圧力及びブレーキディスクを圧接するブレーキパッドの数の少なくとも一方が制御される。すなわち、制動手段は、単純なオン、オフ制御がされるのではなく、旋回速度に応じてブレーキ力が制御されることとなるので、本構成は、精度高く旋回速度を制御することができる。【００１５】
上記第一態様では、前記ナセルのヨー方向の旋回速度を測定する測定手段
を備え、前記制御手段が、前記測定手段によって測定された前記旋回速度と前記所定範囲内における予め定められた前記旋回速度との差分に基づいて、前記旋回速度が前記所定範囲外とならないように、前記制動手段に対する制御指令値を生成することが好ましい。【００１６】
上記構成によれば、制動手段に対する制御指令値は、測定手段によって測定された旋回速度と所定範囲内における予め定められた旋回速度との差分に基づいて、ナセルの旋回速度が前記所定範囲外とならないように生成される。例えば、測定手段によって測定されたナセルの旋回速度が所定範囲より速い場合、制御指令値は、旋回速度を小さくするために、制動手段に大きなブレーキ力を生じさせる値となる。【００１７】
従って、本構成によれば、より確実にナセルの旋回速度を一定にすることができる。【００１８】
上記第一態様では、前記旋回速度の所定範囲が、秒速０．２５度から秒速０．３０度であることが好ましい。【００１９】
上記構成によれば、ナセルの旋回速度を秒速０．２５度から秒速０．３０度とすることによって、機械的に無理なく、かつ風向に対する追従性を保ちつつナセルがヨー方向に急激に旋回することを抑制できる。【００２０】
本発明の第二態様に係る風力発電装置のヨー旋回制御方法は、風車翼に作用する力を用いてナセルをヨー方向に旋回させ、前記ナセルのヨー方向の旋回を制動させる制動手段を備える風力発電装置のヨー旋回制御方法であって、前記ナセルの旋回速度が所定範囲内となるように前記制動手段を制御する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、風車翼に作用する力を用いてナセルをヨー方向に旋回させる構成であっても、ナセルの旋回速度を一定にすることができる、という優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態に係る風力発電装置の外観図である。
【図２】本発明の実施形態に係るナセルのヨー旋回を制動させるための構成図である。
【図３】ナセルに作用する力の流れを示した模式図である。
【図４】本発明の実施形態に係るナセルの旋回速度の平均と許容範囲、並びに下限値及び上限値内を示すグラフである。
【図５】本発明の実施形態に係る制御装置のヨーブレーキ装置に対する制御に関する機能を示した機能ブロック図である。
【図６】ヨー駆動装置を用いてナセルを旋回させる風力発電装置の構成図である。
【図７】ヨーモーメントの時間変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る風力発電装置１０の外観図である。
図１に示す風力発電装置１０は、基礎１２上に立設されるタワー（支柱）１４と、タワー１４の上端に設置されるナセル１６と、略水平な軸線周りに回転可能にしてナセル１６に設けられるロータヘッド１８とを有している。
【００２４】
ロータヘッド１８には、その回転軸線周りに放射状にして複数（本実施形態では、一例として３つ）の風車翼２０が取り付けられている。これにより、ロータヘッド１８の回転軸線方向から風車翼２０に当たった風の力が、ロータヘッド１８を回転軸線周りに回転させる動力に変換され、該動力が発電機によって電力に変換される。なお、風車翼２０は、風向きに対して回動可能なようにロータヘッド１８に連結されており、風車翼２０のピッチ角度が変化可能とされている。
【００２５】
本実施形態に係る風力発電装置１０は、各風車翼２０の荷重を計測して風車翼２０毎にピッチ角度を制御し、風車翼２０に作用する力を用いてナセル１６をヨー方向に旋回（以下、「ヨー旋回」という。）させる。すなわち、ナセル１６をヨー旋回させるためのヨー駆動装置は備えられていない。
【００２６】
図２は、本実施形態に係るナセル１６のヨー旋回を制動させるための構成図である。
【００２７】
ナセル１６は、転がり軸受３０を介してタワー１４に対して旋回可能に支持されている。そして、風力発電装置１０は、ナセル１６のヨー旋回を制動させるヨーブレーキ装置３２が設けられている。
【００２８】
ヨーブレーキ装置３２は、板状のブレーキディスク３２ａ及びブレーキディスク３２ａを圧接する複数のブレーキパッド３２ｂを有している。一例として、ブレーキディスク３２ａはタワー１４の内周に設けられ、ブレーキパッド３２ｂはナセル台板１６ａの下方に、ナセル１６のヨー旋回の旋回軸線から等距離に等間隔で複数設けられる。そして、ブレーキパッド３２ｂは、油圧によって駆動し、ブレーキディスク３２ａを上下から挟むことによってブレーキディスク３２ａと圧接する。ブレーキパッド３２ｂがブレーキディスク３２ａを圧接することによって、ヨー旋回しているナセル１６に制動トルクが加えられ、ナセル１６のヨー旋回が減速される。
ヨーブレーキ装置３２は、ナセル台板１６ａの上面に設けられたヨーブレーキ制御装置３４によって制御される。
【００２９】
ヨーブレーキ制御装置３４は、ナセル台板１６ａの上面に設けられた制御装置３６（例えばＰＬＣ（programmable logic controller））から出力されるブレーキ指令値に基づいて、ブレーキパッド３２ｂがブレーキディスク３２ａに作用させる圧力や、ブレーキディスク３２ａを圧接するブレーキパッド３２ｂの数を制御し、ヨーブレーキ装置３２のブレーキ力を変動させる。
制御装置３６には、風力発電装置１０の運転データ、ブレーキパッド３２ｂがブレーキディスク３２ａに作用させる圧力を示す圧力データ、及びナセル１６のヨー方向の旋回速度（角速度）を測定する旋回速度センサ３８から出力される回転角度データ等の各種情報が入力され、入力された情報を用いてブレーキ指令値を生成する。なお、角速度を測定する旋回速度センサ３８の替わりに、角加速度を測定する角加速度センサを設け、測定した角加速度に基づいて角速度を検出してもよい。
【００３０】
次に、ヨーブレーキ装置３２による制動トルクＭYBと、風車翼２０に作用してナセル１６に伝わるヨー回転方向の作用力（以下、「ナセル回転力ＭZtt」という。）と、ナセル１６がヨー旋回する旋回速度θ’との関係について説明する。なお、θ’はヨー角度θの１回微分（速度）を示し、θ”はヨー角度θの２回微分（加速度）を示す。
【００３１】
図３は、ナセル１６に作用する力の流れを示した模式図である。
ヨーブレーキ装置３２は、ブレーキ指令値に基づいて、ブレーキパッド３２ｂがブレーキディスク３２ａに圧接することにより生じるブレーキ力ＦYＢを発生させる。これにより、下記（１）式に示されるように、ブレーキ力ＦYＢとブレーキパッド３２ｂからヨー旋回の中心軸線までの距離ｒ（図２参照）に応じた、制動トルクＭYBがナセル１６に作用する。
ＭYB＝ＦYB×ｒ  ・・・（１）
【００３２】
さらに、ナセル１６には、風車翼に作用するモーメント及び独立ピッチ制御により作用するモーメントの合力が作用する。なお、独立ピッチ制御とは、風力発電装置１０に対するロータ面全体の風速分布や風向を考慮した風車翼２０のピッチ動作により、翼根荷重や翼根荷重の変動を低減させる制御である。
上記合力と、ナセル１６に設けられている転がり軸受３０等の摩擦力（軸受摩擦）との差が、ナセル回転力ＭZttとなる。
そして、ナセル回転力ＭZttと制動トルクＭYBとの差が、ナセル１６を旋回させる。ナセル１６には回転力と制動力の差に応じてイナーシャ（慣性力）が働き、イナーシャに応じた旋回速度θ'でナセル１６は旋回することとなる。これら力（旋回力、モーメント、回転力）が作用することにより、ナセル１６には運動方程式に従った旋回速度θ'が生じることになる。
【００３３】
ここで、ナセル回転力ＭZtt＞制動トルクＭYBとなる場合は、ナセル１６のヨー角度θは変化し、ナセル１６の旋回速度θ’はθ’＞０となって増加し、ナセル１６の旋回角加速度θ”はθ”＞０となる。一方、ナセル回転力ＭZtt＜制動トルクＭYBとなる場合は、ナセル１６のヨー角度θは一定となり、ナセル１６の旋回速度θ’及び旋回角加速度θ”はθ’＝θ”＝０となる。このように、ヨーブレーキ装置３２による制動トルクＭYBを適切に制御しなければ、ナセル１６はヨー方向に加速しながら回転し続けるか、止まってしまうこととなる。すなわち、ナセル１６にナセル回転力ＭZttが作用している場合は、ナセル１６は旋回速度θ’が一定（略一定）となることが好ましい。
【００３４】
そこで、本実施形態に係る風力発電装置１０は、制御装置３６によってナセル１６の旋回速度θ’が所定範囲内となるようにヨーブレーキ装置３２が制御される。
【００３５】
制御装置３６は、ナセル１６の旋回速度θ’が所定範囲より速い場合、ヨーブレーキ装置３２により強いブレーキ力を生じさせてナセル１６の旋回速度θ’を遅くし、旋回速度θ’を所定範囲内とする。このため、ナセル１６に伝わるヨー回転方向の作用力が大きくなっても、ナセル１６の旋回速度θ’は、所定範囲内で変化することとなるので、ナセル１６の向きが急激に変化することが防止される。
一方、ナセル１６の旋回速度θ’が所定範囲より遅い場合、制御装置３６は、ヨーブレーキ装置３２のブレーキ力を弱めさせてナセル１６の旋回速度θ’を速くし、旋回速度θ’を所定範囲内とする。
【００３６】
なお、本実施形態では、ナセル１６の旋回速度θ’の所定範囲を、図４に示されるように、ナセル１６の旋回速度平均値θ'aが許容範囲Δθ'a内であるとする。旋回速度平均値θ'aの許容範囲Δθ'aは、秒速０．２５度から秒速０．３０度の範囲が好ましい。この範囲であれば、機械的に無理なく、かつ風向に対する追従性を保ちつつナセル１６がヨー方向に急激に旋回することを抑制できる。
また、ナセル１６の旋回速度θ’の所定範囲は、旋回速度θ’の予め定められた下限値θ'min及び上限値内θ'maxとされてもよい。
【００３７】
図５は、制御装置３６のヨーブレーキ装置３２に対する制御に関する機能を示した機能ブロック図である。
【００３８】
図５に示されるように、制御装置３６は、予め定められた旋回平均速度設定値、及び旋回速度センサ３８によって測定された旋回速度測定値が減算器４０へ入力され、旋回平均速度設定値と旋回速度測定値との差分が算出される。そして、減算器４０から出力された差分は、ブレーキ指令値生成部４２へ入力される。
【００３９】
ブレーキ指令値生成部４２は、入力された差分に応じて、ヨーブレーキ装置３２を制御するためのブレーキ指令値を生成し、ヨーブレーキ制御装置３４へ出力する。
【００４０】
ブレーキ指令値生成部４２は、例えば、ブレーキ指令値を以下のようにして、ナセル１６のヨー方向の向きが風の変動に追従可能な所定時間間隔毎に生成する。
【００４１】
まず、ブレーキ指令値生成部４２は、入力された差分が許容範囲Δθ'a内であるか否かを判定し、許容範囲Δθ'a内である場合は、ブレーキ指令値を変更しない。
【００４２】
ブレーキ指令値生成部４２は、入力された差分が許容範囲Δθ'a外である場合には、該差分に応じたブレーキ力をヨーブレーキ装置３２が発生するように、ブレーキ指令値を生成し、ヨーブレーキ制御装置３４へ出力する。
具体的には、ブレーキパッド３２ｂがブレーキディスク３２ａへ作用させる圧力及びブレーキディスク３２ａを圧接するブレーキパッド３２ｂの数を、旋回平均速度設定値と旋回速度測定値との差分に応じて示したテーブル情報が、予め作成され、不図示の記憶手段に記憶される。そして、ブレーキ指令値生成部４２は、入力された差分に応じた、ブレーキパッド３２ｂがブレーキディスク３２ａへ作用させる圧力及びブレーキディスク３２ａを圧接するブレーキパッド３２ｂの数を記憶手段に記憶されたテーブル情報から読み出し、ブレーキ指令値として生成し、ヨーブレーキ制御装置３４へ出力する。
ヨーブレーキ制御装置３４は、ブレーキ指令値により示された数のブレーキパッド３２ａに対して、ブレーキ指令値に示された圧力を生じさせるように作動油の油圧を制御する。
【００４３】
これにより、ヨーブレーキ装置３２によってナセル１６に作用する制動トルクは、差分が許容範囲Δθ'aよりも大きい場合にはより大きくなり、差分が許容範囲Δθ'aよりも小さい場合にはより小さくなる。従って、ヨーブレーキ装置３２は、従来のような単純なオン、オフ制御がされるのではなく、ナセル１６の旋回速度θ'に応じてブレーキ力が制御されることとなるので、ナセル１６の旋回速度θ’は、許容範囲Δθ'a内となるように精度高く制御される。
【００４４】
以上説明したように、本実施形態に係る風力発電装置１０は、風車翼２０に作用する力を用いてナセル１６をヨー方向に旋回させる風力発電装置１０であって、ナセル１６のヨー方向の旋回を制動させるヨーブレーキ装置３２と、ナセル１６の旋回速度θ’が所定範囲内となるようにヨーブレーキ装置３２を制御する制御装置３６を備える。従って、本実施形態に係る風力発電装置１０は、ナセル１６の旋回速度θ’を一定にすることができる。
【００４５】
以上、本発明を、上記実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に多様な変更または改良を加えることができ、該変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
【００４６】
例えば、上記実施形態では、ブレーキ指令値が、ブレーキパッド３２ｂがブレーキディスク３２ａへ作用させる圧力及びブレーキディスク３２ａを圧接するブレーキパッド３２ｂの数を示す形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、ブレーキ指令値が、ブレーキパッド３２ｂがブレーキディスク３２ａへ作用させる圧力のみを示す形態、又はブレーキ指令値が、ブレーキディスク３２ａを圧接するブレーキパッド３２ｂの数のみを示す形態としてもよい。
【００４７】
ブレーキパッド３２ｂがブレーキディスク３２ａへ作用させる圧力のみを示すブレーキ指令値の形態では、ヨーブレーキ制御装置３４は、複数のブレーキパッド３２ｂ全てを同時にブレーキパッド３２ｂへ圧接させ、全てのブレーキパッド３２ｂの作動油の油圧を同様に変化させることによって、ブレーキ力を制御する。一方、ブレーキディスク３２ａを圧接するブレーキパッド３２ｂの数のみを示すブレーキ指令値の形態では、ヨーブレーキ制御装置３４は、ブレーキディスク３２ａに圧接するブレーキパッド３２ｂ全ての作動油の油圧を同じとし、ブレーキディスク３２ａに圧接するブレーキパッド３２ｂの数を変化させることによって、ブレーキ力を制御する。
【００４８】
また、上記実施形態では、ブレーキ指令値生成部４２は、記憶手段に記憶されたテーブル情報を用いて、ブレーキ指令値を生成する形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、ブレーキ指令値生成部４２は、予め定められた演算式を用いてブレーキ指令値を生成する形態としてもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１０    風力発電装置
２０    風車翼
３２    ヨーブレーキ装置
３２ａ  ブレーキディスク
３２ｂ  ブレーキパッド
３６    制御装置
３８    旋回速度センサ
【図１】
2013057836.tif 000003
【図２】
2013057836.tif 000004
【図３】
2013057836.tif 000005
【図４】
2013057836.tif 000006
【図５】
2013057836.tif 000007
【図６】
2013057836.tif 000008
【図７】
2013057836.tif 000009
【国際調査報告】
2013057836.tif 000010
2013057836.tif 000011
2013057836.tif 000012
2013057836.tif 000013