(57)【要約】  風力タービン設備、特に、フロートセルと、フロートセルの上方に配置されたタワーと、タワー上に搭載され、風向きに関連して回転可能であり、風力タービンに取り付けられた発電機と、固定具すなわち海底の基礎に接続された固定ライン機構とを備えたフロート式風力タービン設備に関連するタワー振動を減衰する方法。タワーの固有振動数ωeigが、風力タービンの一定の電力範囲又はＲＰＭ範囲でのコントローラの制御に加えて、固有振動が打ち消されるように、タワー速度ドットΔＺに基づいてタービンブレードのブレード角に増分Δβが加えられることにより減衰される。周波数ωeigを有するβの振動は、タワー速度ΔＺとブレード角Δβとの伝達関数Ｈstab（ｓ）を有するスタビライザにより好都合に減衰される。伝達関数Ｈstab（ｓ）は、ループ伝達関数Ｈβ-ΔZ_dot（ｊωeig）・Ｈstab（ｊωeig）＝−ｂであるようなものであり、これは、式（１．２）を意味し、「ｂ」は、タービンブレードのモーメント特性及びスラスト特性に依存する変数である。
2009513881.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力タービン設備、特に、
フロートセルと、
該フロートセルの上方に配置されたタワーと、
該タワー上に搭載され、風向きに関連して回転可能であり、風力タービンに取り付けられた発電機と、
固定具すなわち海底の基礎に接続された固定ライン機構と
を備えたフロート式風力タービン設備に関連するタワーの振動を減衰する方法であって、
前記発電機は、風速に基づいて、好ましくは前記風力タービンの一定の電力範囲又はＲＰＭ範囲においてコントローラにより前記タービンブレードのブレード角を制御することにより制御され、
前記タワーの固有振動数ωeigが、前記風力タービンの前記一定の電力範囲又は前記ＲＰＭ範囲での前記コントローラの制御に加えて、固有振動が打ち消されるように、タワー速度ドットΔＺに基づいて前記タービンブレードの前記ブレード角に増分Δβが加えられることにより減衰されることを特徴とする方法。
【請求項２】
周波数ωeigを有するΔＺの振動は、前記タワー速度ドットΔＺと前記ブレード角Δβとの伝達関数Ｈstab（ｓ）を有するスタビライザにより減衰されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記タワー速度ドットΔＺと前記ブレード角Δβとの前記伝達関数Ｈstab（ｓ）は、ループ伝達関数Ｈβ-ΔZ_dot（ｊωeig）・Ｈstab（ｊωeig）＝−ｂであるようなものであり、
これは、
【数１】
2009513881.tif 000009
を意味し、「ｂ」は、前記ブレードのモーメント特性及びスラスト特性に依存する変数であることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記タワー速度ドットΔＺと前記ブレード角Δβとの間の前記伝達関数Ｈstab（ｓ）は、ループ伝達関数Ｈβ-ΔZ_dot（ｊωeig）・Ｈstab（ｊωeig）＝−１であるようなものであり、
これは、
【数２】
2009513881.tif 000010
を意味することを特徴とする、請求項２または３に記載の方法。
【請求項５】
前記スタビライザには、低周波数において増幅が提供されないこと（ゼロ増幅）を保証するハイパスフィルタが設けられることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記スタビライザには、高周波数において増幅が提供されないこと（ゼロ増幅）を保証するローパスフィルタが設けられることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記スタビライザには、位相補償フィルタが設けられ、
前記スタビライザの位相歪みは、Δβが前記タワーの固有振動数ωeigに起因するドットΔＺの振動を減衰するようなものであるように、前記位相補償フィルタが調整されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記タービンブレードのそれぞれのピッチβは、個々に制御されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本方法は、風力タービン設備、特にフロート式風力タービン設備に関連するタワーの振動を減衰する方法に関する。フロート式風力タービン設備は、フロートセルと、フロートセルの上方に配置されたタワーと、タワー上に搭載され、風向きに関連して回転可能であり、風力タービンに取り付けられた発電機と、固定具すなわち海底の基礎に接続された固定ライン機構とを備える。
【背景技術】
【０００２】
かなり深いところでも使用可能な固定されたフロート式風力タービン設備の開発は、海での風力エネルギーを拡大する分野の利用可能性を強力に高めるであろう。海に配置された風力タービンの現行技術は、水深およそ３０ｍ未満の浅い場所での常設タワーに大幅に制限されている。
【０００３】
水深３０ｍを超える場所への常設は、一般に、技術的な問題及び高コストに繋がる。これは、今までは、水深およそ３０ｍ超が風力タービンの設置にとって技術的且つコスト的に好ましくないと見なされてきたことを意味している。
【０００４】
より深い海でフロート式の解決策を使用すれば、複雑で労働集約的な設置に関連する基礎的な問題及びコストを回避することができる。
【０００５】
フロート式の基礎に搭載された風力タービンは、風及び波からの力により移動するであろう。良好な風力タービンの基本的なデザインは、剛体セルの移動（サージ、スウェイ、ヒーブ、ロール、ピッチ、及びヨー）のシステムの固有周期が、およそ５秒〜２０秒である海の波の周期範囲外であることを保証するであろう。
【０００６】
システムの固有周期に関連して働く力がまだある（うねり、非線形波力、風速の変動、潮力等）。このような力は、許容できない移動を発生させるべきではない場合に大きすぎてはならず、システムは関連する周期を減衰しなければならない。
【０００７】
本発明は、解決策、より正確には、風力タービン設備のタワーの振動を効率的に減衰する方法を表す。シミュレーションテストでもたらされた結果は、本発明による方法を使用して、システムの固有周期に関連して振動がおよそ１０分の１に減衰されたことを示す。
【０００８】
本発明は、添付の独立請求項１に定義された構成を特徴とする。
【０００９】
従属請求項２〜８は、本発明の有利な構成を定義している。
【００１０】
本発明について、例を使用し、添付の図面を参照して以下においてさらに詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
風が風力タービン設備に対して働くと、風からの力が基礎の移動に寄与するであろう。しかし、風力タービンからの力は、タービンがどのように制御されるか、すなわち、タービンブレードのＲＰＭ及びピッチが風速に伴ってどのように変化するかに依存する。制御アルゴリズムは、風速に伴って変化するであろう。陸上ベースの風力タービンの典型的な制御哲学を図１に示す。この図を参照すると、以下のことが分かる。
・開始範囲では、小さな力が風力タービンに対して働く。風力は、移動にわずかな影響しか有さないであろう。移動が風力により影響を受ける場合、およそ可変ＲＰＭ範囲でのようにタービンを制御することが可能である。
・可変ＲＰＭ範囲では、タービンブレードのピッチ角はおよそ一定である。この目的は、タービンに対して瞬間相対風速がある場合はいつでも最大電力を発電できるようにタービンのＲＰＭを制御することである。相対風速は、平均風速と、風速の変動と、タワーの移動（速度）とから成る。これは、風が増大するときにタービンからの電力及びスラストが増大することを意味する。そしてまた、システム（基礎を含む風力タービン）が、ピッチの移動とサージの移動との組み合わせで風に逆らって移動する場合、これにより、必然的に、タービンの風速が増大し、スラストが増大する。これは、減衰力（速度に反して働く力）に等しい。したがって、この風速範囲では、タービンに対する風力は、システムへの正の減衰に寄与するであろう。これは、システムの固有周波数に関連して移動の低減の一因となるであろう。
・一定のモーメント範囲では、タービンの定格電力に達する。次に、通常、およそ一定のＲＰＭが保たれ、タービンブレードのピッチ角を調整することにより、モーメントひいては電力が制御される。この目的は、およそ一定の電力を保つことである。風速が増大すると、ピッチ角が広げられて、モーメントを低減する。これは、風速の増大にもかかわらず、スラストの低減ももたらす。このように、可変ＲＰＭ範囲で発生する結果とは異なり、負の減衰効果という結果をもたらす。標準制御システムは、タービンに対する相対風速の変化に起因するすべての電力変動を調整しようとするであろう。これは、相対速度の変動にもかかわらず、タービンのモーメントが一定に保たれるように、ブレードのピッチ角を変更することにより行われる。これにより、風力タービンは結果的に負のシステム減衰に寄与し、固有周期に関連してタワーの移動を増大させる結果となるであろう。これは、許容できない大きな移動を発生させ得る。
【００１２】
本発明により、風力タービンの制御とシステムの移動の制御との間の負のリンクを回避するために、制御アルゴリズムを変更しなければならないことが分かる。
【００１３】
「一定のモーメント」の範囲で、およそ一定のＲＰＭ及びモーメントを保つことが望ましいが、以下においてさらに詳細に説明する適切なフィルタリング及び制御アルゴリズムを使用して、タービンが、共振に関連する負の減衰を供給することは依然として回避される。実際に、概説する制御哲学は、共振に関連する正の減衰を供給し、それにより、システムの移動を低減するであろう。一方で、本発明による制御哲学により生じる発電量の変動は小さい。これは、数値シミュレーションにより実証されている。さらに、移動の低減は、風力タービン及びタワー構造への負荷の低減に大きく寄与するであろう。
【００１４】
図２は、比例積分制御（ＰＩ）を有するブレード角コントローラの部分及びブレード角βと水平タワー速度との間の伝達関数Ｈβ-ΔZ_dot（ｓ）の概略図を示している。これは、相対速度が変化したときに、タービンの一定の電力を保つために必要なタービンブレード角の変更である。
【００１５】
タワー振動の固有周波数ωeigに等しい周波数を有する振動βは、伝達関数Ｈβ-ΔZ_dot（ｓ）を介して、ωeigの場合のＨβ-ΔZ_dot（ｓ）の振幅及び位相により与えられるタワー速度
【００１６】
【数１】
2009513881.tif 000003
【００１７】
（以下、「ドットΔＺ」と称する）になるであろう。
【００１８】
【数２】
2009513881.tif 000004
【００１９】
が与えられる。
周波数ωeigを有する振動βを減衰するために、ループ伝達関数Ｈβ-ΔZ_dot（ｊωeig）・Ｈstab（ｊωeig）＝−ｂであるようなドットΔＺとΔβとの間の伝達関数Ｈstab（ｓ）を有するスタビライザを設計することが可能である。これは、
【００２０】
【数３】
2009513881.tif 000005
【００２１】
を意味する。
式中、「ｂ」は可変制御増幅器である。これは、タワーの振動の可能な限り最大の減衰を得られることと、同時にタービンブレードのモーメント特性及びスラスト特性に依存する他の固有周波数の不要な励振を回避することとに基づいて選択される。
【００２２】
このような伝達関数は、ブレード角が、タワーの固有周波数と関連して発生する速度変動に応じて調整されないことを保証するであろう。これは、周波数依存減衰を発生させるであろう。タワーの固有周波数と関連して、この減衰は、一定のピッチシステムで発生する減衰に等しいであろう。増幅が増大する場合、減衰をさらに増大させることができる。増幅が低減する場合、減衰は、およそゼロ減衰寄与の限界に達するまで低減されるであろう。
【００２３】
スタビライザが、タワー振動の固有周波数とかなり異なる周波数でβに対して不要な影響を及ぼさないことを保証するためには、Ｈstab（ｓ）がこれらの周波数をフィルタリングするのに必要なフィルタを有することが重要である（後のセクションを参照）。
【００２４】
図３は、ブレード角とタワー速度との伝達関数及びタワーの振動の固有周波数を有する振動を減衰するスタビライザの伝達関数の一例を示している。
【００２５】
図３に示されるシステムをよく見て、左側から入力される信号（ブレード角の振動）をβ0と呼ぶ場合、タワー速度ドットΔＺの式を、以下のように設定することができる。
【００２６】
【数４】
2009513881.tif 000006
【００２７】
タワーの振動の場合、以下の式が得られる。
【００２８】
【数５】
2009513881.tif 000007
【００２９】
ここで、Ｈls（ｓ）は、スタビライザを含む、β0からドットΔＺまでの閉ループの伝達関数である。
【００３０】
所与の周波数ωeigでタワーの振動を減衰するさらなる減衰は、以下の式を満たすことにより設計することができる。
【００３１】
【数６】
2009513881.tif 000008
【００３２】
タワーの振動を低減する、（２．３）の基準に従って設計されあらゆるスタビライザが、安定化に十分な減衰を必ずしもシステムに供給するとは限らないことに留意されたい。したがって、さらに、対象となっているタービンのコントローラパラメータを選択する際にシステムが安定していることを要求する必要がある。
【００３３】
一例は、タワーの振動の固有周波数ωeigがおよそ０．５ラジアン／秒（ｆeig≒０．０７９５Ｈｚ）に等しいこと、すなわち、タワーの振動がおよそ１２．５７ｓの周期を有することに基づいた。固有周波数で振動するタワーの振動を減衰するように製作された本発明によるスタビライザは、次に図４に示されるような伝達関数を有した。
【００３４】
この伝達関数のボード線図を図５に示す。この図は、設計されたスタビライザの周波数応答を示している。矢印は、タワーの動力学の固有周波数に関連する振幅及び位相を定義している。
【００３５】
図６に示される基本図では、スタビライザの解決策が本発明による制御の解決策に含まれ、この図は、スタビライザからの出力信号がタービンのブレード角βを変調するためにどのように設計されるかを示している。
【００３６】
したがって、本発明による解決策の原理は、固有振動が打ち消されるようにタービンブレードのブレード角を制御することにより、タワーの固有振動を減衰させることである。スタビライザは、タワーの振動の固有周波数ωeigの近傍の周波数範囲において、ブレード角に影響する必要があるだけであるように設計される。ハイパスフィルタが、低周波数で増幅が提供されないこと（ゼロ増幅）を保証し、ローパスフィルタが、高周波数で増幅が提供されないこと（ゼロ増幅）を保証する。さらに、追加の減衰Δβ（＋又は−）が、タワーの振動の固有周波数ωeigにより発生するドットΔＺの振動を減衰するようなスタビライザの位相歪みになるように、位相補償フィルタを調整しなければならない。換言すれば、これは、ブレード角が、周波数ωeigを有するタワーの振動を減衰するようにタワー速度ドットΔＺに関連する振幅及び位相により影響されることを意味する。
【００３７】
スタビライザの使用により、スタビライザが使用されない状況と比較して、タワーの固有振動からの影響を大幅に低減して相対風速を受けるタービンになる。さらに、スタビライザが使用される場合、物理的に、タワーの振動ははるかに少ない。
【００３８】
シミュレーションテスト
上述した制御の解決策に基づいて、平均風速１７．４３ｍ／秒及び２０．０４ｍ／秒を有する２つの風の場合で、シミュレーションテストを実施した。これらの速度は、減衰の必要性がこのように高い風速で、すなわち、タービンが一定の電力モードで動作する場合に最も高いため選択された。
【００３９】
図７及び図８は、タワーの振動を減衰するスタビライザがある場合及びない場合の１７．４３ｍ／秒での風のシミュレーションの結果から選択されたものを示している。
【００４０】
図７は、タービンが一定の電力モードで稼働し、スタビライザが使用されない場合に、かなりのタワーの振動があることを示している。これは、グリッドに供給される電力の大きな変動にも繋がる（図８参照）。タワーの振動の高い振幅は、以下のように説明することができる。
【００４１】
一定のＲＰＭ範囲では、風速が増大すると、スラストが低減する。タワーが後方速度をとる場合、タワーが受ける相対風速は低減する。ブレード角（ピッチ）は、モーメントひいては一定の電力を保つように調整（増大）されるであろう。したがって、相対風速が低減するにもかかわらず、スラストも増大するであろう。したがって、タワーが風向きと逆の速度で移動する場合、相対風速が増大するであろう。ブレード角（ピッチ）は、モーメントを低減するように調整（低減）されるであろう。これはスラストも低減するであろう。したがって、このタービン調整方法は、タワーの移動と同じ方向に働くスラストの変動、すなわち負の減衰を発生させるであろう。これは、特に、移動が減衰により制御されるタワーの共振周期近傍でのタワーの振動の増幅に繋がるであろう。これらは、上記のスタビライザが減衰するように設計されたタワーの振動である。問題となっている例では、振動は大きすぎて、タービンが一定の電力モードで稼働している場合であっても、一定の電力を供給することはできない（図８）。
【００４２】
本発明によるスタビライザが使用される場合、図７は、タワーの振動が良好に減衰されることを示し、図８は、電力変動も大幅に低減することを示している。したがって、スタビライザは所望の効果を生み出す。シミュレーションの部分では、タワーの振動の振幅が、スタビライザがない場合の１０ｍ超からスタビライザがある場合の１ｍ未満に低減する。
【００４３】
図９及び図１０は、風速２０．０４ｍ／秒の場合の結果を示している。スタビライザなしの場合、タービンがおよそ一定の電力を供給する（図９）が、タワーの振動が徐々に蓄積されて大きな変動になる（図１０）ことが分かる。スタビライザが使用される場合、タワー速度の大幅な低減が実現されながら、電力はおよそ一定のままである。
【００４４】
図１１は、本発明によるスタビライザを含む風力タービンの概略図を示す。図の凡例：
Ｕt−結果として生じるタービンでの風速
β−ブレード角
Ｔturb−シャフトのタービン側の機械的モーメント
Ｔg−シャフトの発電機側の機械的モーメント
ωt−シャフトのタービン側のＲＰＭ
ωg−シャフトの発電機側のＲＰＭ
ｎg−ヨー変換（本明細書では、これは１に等しい）
ｕf−永久磁石発電機の内部電圧
ｆ1−永久磁石発電機のターミナル電圧の周波数
Ｐs−永久磁石発電機から供給される有効電力
Ｕs−永久磁石発電機のターミナル電圧
Ｕd−ＤＣ中間回路の電圧
ｆn−本線電圧の周波数
Ｑnet−風力タービンからグリッドに供給される無効電力
【００４５】
手短に言えば、スタビライザは、加速度計又は類似のものの形の（図示しない）センサからのタワー速度ドットΔＺの変化に関連する信号を受け取ることにより働く。信号はスタビライザにより「処理」され、スタビライザは、ロータブレードにブレードのピッチ角Δβを変更させて、上述したようにタワーの振動の所望の減衰を達成する新しい信号をコントローラに発する。
【００４６】
本発明は、特許請求の範囲に規定されるように、上述した例に限定されない。したがって、風力タービンのタービンブレードのピッチは、すべてのブレードに対してまとめて、すなわち同じピッチ角βで、又はブレードごとに異なるピッチ角で個々に制御することができる。
【００４７】
さらに、本発明は、フロート式風力タービン設備を対象として特に開発されたが、タワーの柔軟性を、比較的高いフロート式風力タービンタワー設備、又はフロート式風力タービン設備とフレキシブルタワーとの組み合わせに使用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】ＲＰＭ及びロータピッチ制御機構を有する風力タービンの各種ＲＰＭ範囲の図である。
【図２】ブレード角コントローラの部分及び風力タービンロータのブレード角とタワー速度との伝達関数の概略図である。
【図３】ブレード角とタワー速度との伝達関数及びタワー振動の固有周波数を有する振動を減衰するスタビライザの伝達関数を示す図である。
【図４】タワーの固有周波数を有する振動を減衰するように設計されたスタビライザの概略図である。
【図５】図４に示されるように設計されたスタビライザの周波数応答（ボード線図）を示し、矢印は、タワーの動力学の固有周波数に関連する振幅及び位相を定義する図である。
【図６】本発明による制御の解決策に含まれるスタビライザの解決策を示す図である。
【図７】平均風速１７．３４ｍ／秒でグリッドに供給されるタワー上部の水平範囲ΔＺに関連する、スタビライザがある場合及びない場合のシミュレーションテストに基づく図である。
【図８】平均風速１７．３４ｍ／秒でグリッドに供給されるタワー上部の有効電力（ｐｕ）に関連する、スタビライザがある場合及びない場合のシミュレーションテストに基づく図である。
【図９】平均風速２０．０４ｍ／秒でグリッドに供給されるタワー上部の有効電力（ｐｕ）に関連する、スタビライザがある場合及びない場合のシミュレーションテストに基づく図である。
【図１０】平均風速２０．０４ｍ／秒でグリッドに供給されるタワー上部の水平範囲ΔＺに関連する、スタビライザがある場合及びない場合のシミュレーションテストに基づく図である。
【図１１】本発明によるスタビライザを備える風力タービンの概略図である。
【図１】
2009513881.tif 000011
【図２】
2009513881.tif 000012
【図３】
2009513881.tif 000013
【図４】
2009513881.tif 000014
【図５】
2009513881.tif 000015
【図６】
2009513881.tif 000016
【図７】
2009513881.tif 000017
【図８】
2009513881.tif 000018
【図９】
2009513881.tif 000019
【図１０】
2009513881.tif 000020
【図１１】
2009513881.tif 000021
【国際調査報告】
2009513881.tif 000022
2009513881.tif 000023
2009513881.tif 000024
2009513881.tif 000025
2009513881.tif 000026