(57)【要約】  支持塔（２０２）の頂部に取り付けた風力タービン内の可変速発電機用のタービン制御システムである。送風タービンは、風力エネルギを発電機（２３０）に印加する駆動トルクへ変換する。制御システムは、タービン支持塔位置センサ（２０４）と、また他の塔加速度センサ及び速度センサを含む。通風流推定器（２０８）は、計測された挙動と発電機回転速度（２１６）とブレードピッチ角度（２１２）とを用い、タービンのロータの被掃引領域と塔挙動を踏まえて風速を予測する。予測された風速と挙動はタービン制御システムにて使用し、適切にその動作点を調整し、コントローラを調整し、ロータ回転速度を制御し、塔の発振を減衰させる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体流に応答する動きを有する構造体に使用する流体流推定器であって、
構造体位置を含む入力と、
前記入力を用いて推定流体流を算出する推定器とを備える、ことを特徴とする流体流推定器。
【請求項２】
支持構造体上に取り付けた流体流タービンのタービン制御装置で、前記構造体が前記流体流に応答する位置を有する前記装置であって、
少なくとも一つの支持構造体位置センサと、
前記少なくとも一つの支持構造体位置センサに接続した流体流推定器で、前記検出された支持構造体位置を用いて推定流体流を算出する前記流体流推定器とを備える、ことを特徴とするタービン制御装置。
【請求項３】
流体流に応じた位置を有する支持構造に取り付けられ、前記流体流に応じたブレードを用いて流体流エネルギを発電機ロータに印加する駆動トルクへ変換する流体流タービンのタービン制御装置であって、
計測された位置出力を有する少なくとも一つのタービン支持構造体位置センサと、
ロータ速度出力を有するロータ速度センサと、
ブレードパラメータ出力を有するブレードパラメータセンサと、
前記少なくとも一つの被計測位置出力、前記ロータ速度出力、前記ブレードパラメータ出力に接続した流体流推定器であって、前記出力を用いて前記ロータの被掃引領域全域で流体流を推定する前記流体流推定器とを備える、ことを特徴とするタービン制御装置。
【請求項４】
前記検出されたブレードパラメータはブレードピッチ間隔とブレード長のうち１以上であり、前記ロータ速度は流体流推定に応じてブレードピッチ角度とブレード長のうち１以上を変更することで調整する、請求項３記載の装置。
【請求項５】
前記検出されたブレードパラメータはブレードピッチ角度とブレード長のうち１以上であり、前記支持構造体の動きは流体流推定に応じてブレードピッチ角度とブレード長のうち１以上を変更することで減衰させる、請求項３記載の装置。
【請求項６】
流体流に応じた位置を有する支持塔の頂部に取り付けられ、流体流に応じたブレードを用いて流体流エネルギを発電機ロータに印加する駆動トルクへ変換する流体流タービンのタービン制御装置であって、
流体流推定器と、
前記流体流推定器に供給する塔位置出力を有する前記塔位置センサと、
ブレードピッチ角度センサであって、そのピッチ角度出力を前記流体流推定器に供給する前記センサと、
ロータ速度センサであって、そのロータ速度出力を前記流体流推定器に供給する前記センサとを備え、
前記流体流推定器が推定流体流と推定塔挙動出力とを、前記タービン制御器とタービン動作ダンパとに供給し、
前記推定流体流出力、推定塔挙動出力、ピッチ角度出力、ロータ速度制御を用い、前記ロータ速度を変更して前記塔挙動を減衰させる少なくとも一つの制御出力を生成するロータ速度制御器及び塔挙動ダンパをさらに備える、ことを特徴とするタービン制御装置。
【請求項７】
前記ロータ速度制御器は、前記ロータ速度を調整するようロータブレードピッチ角度とブレード長のうち１以上を調整する、請求項６記載のタービン制御装置。
【請求項８】
前記塔挙動ダンパは、塔挙動を減衰させるようブレードピッチ角度とブレード長のうち１以上を調整する、請求項６記載のタービン制御装置。
【請求項９】
流体流に応じた位置を有する支持塔の頂部に取り付けられ、流体流に応じたブレードにより回動するロータを含む流体流タービンのためのタービン制御装置であって、
塔位置センサと、  前記被計測塔位置を用いて算出した推定流体流を有する前記塔位置センサに接続した流体流推定器と、
前記流体流推定器に接続したタービン制御器で、前記タービン制御器の出力が前記流体流推定に応じてタービンロータ速度制御を実行する少なくとも一つの指令である前記タービン制御器とを備える、ことを特徴とする装置。
【請求項１０】
出力がブレードピッチ角度とブレード長のうち１以上であるブレードパラメータセンサをさらに備え、
前記ブレードパラメータセンサ出力を前記タービン制御器への入力とした、請求項９記載の装置。
【請求項１１】
タービンロータ速度制御を実行する前記指令がブレードパラメータを変更する、請求項９記載の装置。
【請求項１２】
前記ブレードパラメータはブレードピッチ角度とブレード長のうち１以上である、請求項１１記載の装置。
【請求項１３】
流体流に応じた位置を有する支持構造体に使用するための流体流推定方法であって、
支持構造体位置を検出するステップと、
前記支持構造体位置を用いて推定流体流速を算出するステップとを含む、ことを特徴とする流体流推定方法。
【請求項１４】
流体流に応じた位置を有する支持構造体により所定位置に保持され、流体流に応じたブレードを用いて流体流エネルギを発電機ロータに印加する駆動トルクへ変換する流体流タービンのための制御装置に使用する流体流推定方法であって、
支持構造体位置を検出するステップと、
支持構造体位置を用いて推定流体流を算出するステップと、
前記推定流体流を用いて前記タービンを制御するステップとを含む、ことを特徴とする方法。
【請求項１５】
流体流に応答する位置を有する支持構造体により所定場所に保持する流体流タービンの制御方法であって、
Ａ．前記支持構造体位置と前記ロータ速度とブレードパラメータとを検出するステップと、
Ｂ．前記検出した支持構造体位置、ロータ速度、ブレードパラメータを用いて推定流体流を算出するステップと、
Ｃ．前記流体流推定に応答してタービンロータ速度を制御するステップとを含む、ことを特徴とする方法。
【請求項１６】
前記ステップＣにおいて、ブレードパラメータを変化させることで前記タービンの回転速度を制御する、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記ステップＡにおいて、前記検出されたブレードパラメータはブレードピッチ角度とブレード長のうち１以上であり、前記ステップＣにおいて、前記タービンロータ速度はブレードピッチ角度とブレード長のうち１以上を変化させることで制御する、請求項１５記載の方法。
【請求項１８】
流体流に応答する位置を有する支持構造体により所定位置に保持され、流体流に応じたブレードを有するロータを含む流体流タービンのタービン制御方法であって、
Ａ．被計測支持構造体位置を用いて推定流体流を算出するステップと、
Ｂ．前記流体流推定に応じてタービンロータ速度を制御するステップとを含む、ことを特徴とする方法。
【請求項１９】
前記ステップＡは，前記算出ステップにおいてロータ速度とブレードピッチ角度とブレード長のうち１以上の使用を含む、請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記ステップＢは、前記ロータ速度を調整するようブレードピッチ角度とブレード長のうち１以上を調整する、請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
前記ステップＢは、支持構造体の挙動を減衰させるようロータブレードピッチ角度とブレード長のうち１以上を調整する、請求項１９記載の方法。
【請求項２２】
前記流体流に応答する位置を有する支持塔により所定位置に保持され、前記流体流に応じたロータを含む流体流タービンの制御方法であって、
Ａ．初期流体流速度と塔挙動とを推定するステップと、
Ｂ．塔挙動とロータ回転速度を検出し、検出されたパラメータを生成するステップと、
Ｃ．前記検出されたパラメータと前記流体流と塔挙動の先の推定値とを用いて流体流推定器により流体流速度と塔挙動とを推定するステップと、
Ｄ．推定流体流速度を用いて少なくとも一つの所望の制御出力を算出するステップと、
Ｅ．前記少なくとも一つの所望の制御出力を前記タービンに対する指令として送信するステップとを含む、ことを特徴とする方法。
【請求項２３】
前記流体流タービンは前記ロータが回動させる発電機を含み、前記ロータが前記流体流に応答するブレードを有し、前記タービンはブレードピッチ角度を調整され、
前記ステップＢが、前記ブレードピッチ角度の検出を含み、
前記ステップＤが、前記検出されたロータ速度と検出されたブレードピッチ角度、推定塔挙動、推定流体流速度を用いた所望のブレードピッチ角度の算出と、所望のロータ速度の算出と、所望の発電機トルクの算出とを含み、
前記ステップＥの所望の制御出力が、ロータブレードピッチアクチュエータに対する指令として前記所望のブレードピッチ角度を含み、かつ発電機トルクアクチュエータに対する指令として所望の発電機トルクを含む、請求項２２記載の方法。
【請求項２４】
前記流体流タービンは前記ロータが回動させる発電機を含み、前記ロータが前記流体流に応答するブレードを有し、前記タービンはブレード長が調整され、
前記ステップＢが、前記ブレード長の検出を含み、
前記ステップＤが、前記検出されたロータ速度、検出されたブレード長、推定塔挙動、推定流体流速度を用いて、所望のブレード長所の算出と、所望のロータ速度の算出と、所望の発電機トルクの算出とを含み、
前記ステップＥの所望の制御出力が、ロータブレード長アクチュエータに対する指令として前記所望のブレードピッチ長を含み、かつ発電機トルクアクチュエータに対する指令として所望の発電機トルクを含む、請求項２２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は風力タービンに係り、より詳しくは、本発明はロータブレードを回動させるためのパワーを与える風によって駆動されるロータを有する風力タービン用の通風流推定器に関する。
【背景技術】
【０００２】
大半の既存のタービンは、一定速度で動作する。ロータが、誘導発電機等の発電機を一定の回転速度で駆動する。定周波電気ユーティリティ送電系統との直接連結には、一定速度の動作が要求される。他のより最新の風力タービンは可変速で動作して直流電力を生成し、それをコンバータが付属電力送電系統に同期した交流電力へ変える。
【０００３】
定速タービンは、ロータ回転速度の増加を検出して増大する風速に適応し、続いて生成される電力を増加させるようになっている。これがロータにかかる負荷トルクを増大させ、それを増速させないようにする。これが不十分である場合、或いは受容不能の電力変動を引き起こす場合は、ロータブレードのピッチが、風がもたらすロータトルクを低減するよう切り替えられる。ロータ速度が送電系統と協調しない場合、電力は発生しない。
【０００４】
可変速タービンは全ての風速において電力を発生するが、構成要素に過度のストレスを及ぼすことなく最適電力を生成する各風速において好都合な動作点を有する。風速が増大するにつれ動作点に追従させるように、これらのタービンはロータ速度を検出し、制御のために負荷トルクとロータブレードピッチとを用いる。
【０００５】
ロータ速度における変化の検出に基づく制御戦略は、風の変化とロータの速度変化との間の本質的な時間ずれが原因でその有効性が制限される。通風流の直接的な情報は風力タービンのより良好な制御に対する中心をなし、通風流を推定して時間の経過とともにそれを追尾する手段が改善された制御を与える。この分野における現行の特許群には、ロータ回転速度やブレードピッチ角度や風トルクや発電機トルクを組み合わせて風速を推定するＨｏｌｌｅｙ（特許文献１と特許文献２）のものが含まれる。
【０００６】
通風流を正確に追尾するには、風力タービンのロータブレードが掃引する領域全域にわたる平均的な通風流を割り出す必要がある。ブレードが掃引する領域近くに組み込まれた気圧計は平均風速を正確に計測することはできない。何故ならこれらが一カ所で風速を計測するのに対し、風速はブレードが掃引する領域全域で変化するからである。さらに、ブレードが風パターンを変更して風からエネルギを奪い、ブレード背後のセンサは前部の風を反映しないことになる。
【０００７】
ロータ速度と電気出力電力を計測することで、風速の大雑把な推定値が得られる。風以外の力がこれらのパラメータに影響を及ぼすため、本方法は十分に正確ではない。
【０００８】
タービンの制御に加え、塔の振動を減衰させることが望ましい。塔は、その構造とロータブレードに対する風に応じて動く。塔の挙動は本来軽く減衰させられるが、実質的に発振することがある。塔の寿命は、付随する機械的可撓性により縮められる。
【０００９】
Ｈａｒｎｅｒ等に対する米国特許（特許文献３）は、ロータブレード角度を修正して乱気流の風において定格トルクや電力を維持する制御装置を有する塔装着風力タービンパワー発電システムを開示している。制御器がブレード角度指令要素を供給し、これが予測挙動信号に応じて塔の主共振周波数を空気力学的に減衰させるようにタービンロータ角度を調整する。推定動作信号は、濾波したブレード角度基準信号の関数として、ロータ軸に平行な塔の分析的に予測された長手方向の挙動を示す。
【００１０】
Ｋｏｓ等に対する米国特許（特許文献４）は、ロータ近傍の風力タービン発電機システムの支持塔上に配置する加速度計を開示している。加速度計は、ロータ回転軸の方向の塔加速度を示す挙動信号を供給する。この信号は、帯域濾波フィルタを通過する。トルク／電力制御ブレードピッチ角度基準信号が、風の乱気流に応じた定トルク／電力向けに生成される。帯域濾波された加速度計信号はブレード基準信号に加算され、ピッチ変更機構を介してロータブレードのピッチ角度の制御に用いられる。これが、風の乱気流に応じた定トルク／電力向けに選択され、ブレード角度を変調することで、塔への追加の能動的な空気力学的減衰をもたらす。
【００１１】
Ｈｏｌｌｅｙの特許（特許文献１と特許文献２）は風速を推定するが、それは塔計測値に由来するものではない。
【００１２】
Ｋｏｓ等とＨａｒｎｅｒ等の特許（特許文献４と特許文献３）は、帯域濾波或いは他の簡単なフィルタを介して被計測加速度を用いる塔減衰に関連するに過ぎない。塔計測値から風速を推定する試みは、全くなされていない。
【００１３】
【特許文献１】米国特許第５，１５５，３７５号明細書
【特許文献２】米国特許第５，２８９，０４１号明細書
【特許文献３】米国特許第４，４３５，６４７号明細書
【特許文献４】米国特許第４，４２０，６９２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
流れに応じて動く際に、塔や水中係留索等のタービン支持構造体の挙動を用い、通風流や水の流れを推定し追尾する風や水の流れの推定器を含むタービン制御システムを提供することが望ましい。流れ推定器の結果を次いでタービン制御システム内で使用し、その動作点を適切に調整し、コントローラを調整し、ロータ回転速度を制御し、支持構造体の振動を減衰させる。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、風や水の流れに関して水平軸において静止保持した支持構造体上にタービンを取り付けた発電システムに関する。タービンは、ロータハブに接続したロータを含む。このロータは、可調整ピッチ角度付きの主ブレード部を有する。主ブレードには、調整装置を接続した伸長部を持たせることができる。モータが、伸長ブレードを主ブレード部に対する後退位置からロータを多かれ少なかれ風にさらすより伸長させた位置へ動かす。
【００１６】
ロータ回転速度とブレードピッチ角度と共に支持構造体の被計測挙動を用いて風や水の流れを推定し追尾する流体流推定器を含むタービン制御システムを提供する。流体流推定器をタービン制御システム内で使用してその動作点を適切に調整し、コントローラを調整（比例、積分、微分、ＰＩＤ、状態空間等）し、支持構造体の発振を減衰させる。
【００１７】
本発明の一つの態様によれば、推定器は単に流体及び／又は支持構造体のモニタとしてのコントローラを用いることなく使用することができる。
【００１８】
本発明のさらなる態様によれば、ロータ速度は流体流に従って制御する。
【００１９】
本発明のさらなる態様によれば、ロータ速度は流体流の変化によらず一定に保たれる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図面を参照し、本発明を詳細に説明することにする。
【００２１】
これら図面では、図面中の同様の符号は同様の要素を表す。図面中の寸法の異なる構成要素は実寸や或いは厳密な寸法比としてはおらず、見た目の明確さと説明目的に合わせ図示してあることを理解されたい。
【００２２】
ここで、本発明を塔に取り付けて通風流により駆動されるタービンに関して説明する。本発明原理は、係留され、駆動され、かつ／又は支持構造体がケーブルやロッド等である空気或いは水に浮揚する装置にも適用される。この種装置の一例が、２０００年７月１８日に特許付与されたＤｅｈｌｓｅｎ等の米国特許第６，０９１，１６１号に開示されている。
【００２３】
図１は、風力発電装置を示す。風力発電装置は、地面に固定１０４した丈の高い塔構造１０２の頂部に取り付けたタービン１００内に収容された発電機を含む。タービン１００は、ヨー制御機構により水平面内でかつ優勢な風の通り道中に保持してある。タービンは、風に応答して回転する可変ピッチブレード１０６，１０８，１１０付きのロータを有する。各ブレードはタービン１００を駆動するロータ軸に取り付けたブレード基部を有しており、かつ、ブレードピッチ角度を制御可能であり及び／又は可変径ロータとするために長さを変えることができるブレード伸長部１１４を有している。ロータ径はブレード伸長部を伸長或いは収縮させ、低速時にはロータを完全に伸長させ、流速の増加に合わせてロータを収縮させてロータにかかるすなわち作用する負荷が設定限界を超えないよう制御することができる。ブレードの一部だけを伸長できるようにして、そのピッチとブレード全体が変えられるようにしてもよい。
【００２４】
発電装置は風の通り道内にある塔構造体により保持し、タービン１００が通風流に整列して水平に所定場所に保持されるようにしてある。タービン１００内の発電機はロータにより駆動されて電気を生成し、他のユニット及び／又は電力送電系統へ中継する電力搬送ケーブルに接続してある。
【００２５】
従来のロータは、回転ハブで結合させた固定長のブレードを用いている。これらのブレードは、主に高流速における電力制限用に入来する通風流に対する衝突角度を変更すべく可変ピッチ（それらの長手方向軸周りに選択的に回動可能）とすることができる。代わりに、これらのブレードは固定ピッチとするか或いは失速調整とすることができ、その際、風速が或る公称値を大幅に上回った際にブレード揚力すなわち電力捕捉は降下する。固定径付きの可変ピッチや失速調整ロータブレードは、共に当該分野において公知である。
【００２６】
本発明は、風力エネルギを電気エネルギへ変換する上でより大きな効率を得るべく風力タービンを動作させる方法及びコントローラを提供するものである。コントローラは風力タービンを制御し、風速と塔挙動の情報を用いて可変風速を補償し、またそれは塔挙動を減衰させる塔挙動ダンパを含んでいる。
【００２７】
風力はタービン軸に対しトルクを供給し、このトルクは風速とロータ速度とブレードピッチ角度と長さとの関数である。風速は変化するため、このトルクは可変である。回転軸は、発電機に接続したパワー伝達機構を回動させる。パワー伝達機構は、発電機を回転させる回転速度を増大させる歯車を有する。発電機は、生成電力を電気ユーティリティ送電系統と互換性のある電力へ変換する電力コンバータを含む。
【００２８】
図２は、ピッチ角度調整風力タービン用の制御システムを示すブロック線図である。本発明は、ピッチ角度調整（例えば、失速調整）をしていない風力タービンへの応用もまた有するが、その場合にはピッチ角度は、制御システムによる算出時に一定とする。本発明はまた、米国特許６，７２６，４３９号に記載されているような可伸長ロータブレードを用いる風力タービンへ応用することもできる。
【００２９】
気流或いは水流２００が、塔２０２とロータブレード２３６に対し力を作用する。塔２０２上に位置する塔頂部センサ２０４が、通風流推定器２０８に対し出力２０６を供給する。他の塔パラメータ２１０もまた、通風流推定器２０８へ入力される。
【００３０】
ブレードパラメータ（例えば、ブレード長及び／又はブレードピッチ角度）センサ２１２が可伸長ロータブレードを用いる風力タービンに関するロータブレード角度及び／又はブレード長を検出する。長さ／ピッチ角度出力２１４は、ブレード長／ピッチ角度センサ２１２により通風流推定器２０８へ供給される。ロータ速度センサ２１６がロータ速度を検出し、その出力を通風流推定器２０８へ供給する。
【００３１】
通風流推定器２０８は、推定通風流２２０、塔位置２２１、速度２２２をタービン制御器と塔挙動ダンパ２２４へ供給する。他のタービンパラメータ２２６もまた、タービン制御器と塔挙動ダンパ２２４へ入力される。推定通風流入力２２０と塔位置入力２２１と速度入力２２２とブレード長／ピッチ計測値２１４とロータ速度計測値２１８とを用いることで、タービン制御器２２４は所望の発電機トルク指令２２８を発電機２３０の電気コンバータ部分へ出力し、所望のブレード長／ピッチ指令２３２（或いは複数の指令）をロータブレード長／ピッチアクチュエータ２３４へ出力する。ロータブレード長／ピッチアクチュエータ２３４が、ロータブレード２３６のブレード長／ピッチ角度を制御する。
【００３２】
ブレード長制御器が実装されている場合、所望のブレード長指令２３２がロータブレード長アクチュエータ２２４へ送信される。ロータブレード長アクチュエータ２３４が、ロータブレード２３６の長さを制御する。
【００３３】
ブレード長制御器とブレードピッチ制御器が共に実装されている場合、所望のブレード長とブレードピッチ指令２３２が共にその個別アクチュエータ２３４へ送信される。ロータブレード長アクチュエータ２３４はそこで、ロータブレード２３６の長さとピッチの両方を制御する。
【００３４】
発電機２３０は電気コンバータ２３８に接続してあり、これが線間電圧或いは電力係数の実時間制御を行う。発電機２３０からの電力出力２４０は、ユーティリティ電力送電系統へ送電される。トルク指令２２８は電力生成の変更に使用され、またロータ回転速度にも影響を及ぼす。
【００３５】
動作方法
図３を参照するに、同図は本発明実施方法のフローチャートである。このフローチャートは、ブロック３００にて始まる。先ず、ブロック３０２において、初期の通風流、塔位置、速度を推定する。ブロック３０４において、一括して「検出されたパラメータ」と呼ばれる、ロータ回転速度、ブレードピッチ角度、塔位置が検出される。
【００３６】
ブロック３０６において、通風流と塔位置と速度を、検出されたパラメータと、ブロック３０２又はブロック３０６による以前のパスからの先の通風流や塔挙動の推定値とを用いて通風流推定器により推定する。
【００３７】
ブロック３０８において、ブロック３０６からの推定通風流を用いて所望のロータ回転速度を算出する。
【００３８】
ブロック３１０において、検出されたロータ回転速度、検出されたブレードピッチ角度、推定塔速度、推定塔位置、推定通風流、所望ロータ回転速度を用いて所望ブレードピッチ角度と発電機トルクとを算出し、所望ロータ回転速度を達成し塔挙動を減衰させる。
【００３９】
ブロック３１０には記載していないが、ブレード長が単独で或いはブレードピッチ角度と組み合わせて変えることができることは当業者には理解されよう。そうであれば、検出されたロータ回転速度、検出されたブレード長、推定塔速度、推定通風流、所望発電機トルク、所望ロータ回転速度を用いて所望ブレード長を算出し、所望ロータ回転速度を達成し塔速度を減衰させる。
【００４０】
最後に、ブロック３１２において、所望のブレードピッチ角度指令をロータブレードピッチアクチュエータへ送信し、所望の発電機指令（トルク等）を電気コンバータへ送信する。フローはブロック３０４へ復帰し、このサイクルは連続的に反復される。
【００４１】
ブロック３１２には記載していないが、当業者はブレード長は単独で或いはブレードピッチ角度と組み合わせて変えることができることを理解しよう。このような場合には、ブロック３１２において、所望のブレード長指令をロータブレード長アクチュエータへ送信し、所望の発電機指令を発電機へ送信する。フローはブロック３０４へ戻り、このサイクルが連続的に反復される。
【００４２】
代わりに、発電機回転速度を検出し、介在歯車の明細を明らかにした後、ロータ回転速度の目安として使用する。
【００４３】
タービン動力学
タービンの単純化数学モデルは、下記により与えられる。
塔加速度：
【数１】
2009501871.tif 000003
【００４４】
塔速度：
【数２】
2009501871.tif 000004
【００４５】
塔位置：
【数３】
2009501871.tif 000005
【００４６】
ロータ回転速度：
【数４】
2009501871.tif 000006
【００４７】
発電機回転速度：
【数５】
2009501871.tif 000007
【００４８】
ロータ−発電機軸巻き上げ角度：
【数６】
2009501871.tif 000008
【００４９】
ここで、
ρ            既知の空気密度、
Ａ            既知の回転ディスク面積
ｍtower       既知の塔実効質量
θwind        風の向き
Ｖwind        θwind方向の風の速度
Ψturbine     既知のタービン方向
Ｒ            既知の回転半径
ωtower       既知の塔挙動の基本周波数
ζtower       既知の塔挙動の減衰比
ＣT［，］     既知の塔に対する風力スラストの空気力学
Ｉr           既知のロータ慣性モーメント
Ｉg           既知の発電機慣性モーメント
ωdrive       既知の駆動伝動機構の挙動の基本周波数
ζdrive       既知の駆動伝動機構の挙動の減衰比
ＣQ［，］     既知のロータに対する風力トルクの空気力学
Ｑg           選択対象である発電機トルク
δ            選択対象である全てのブレードのピッチ角度
である。
【００５０】
ＶwindとΨturbineとθwindの三つは、常に下記の組み合わせ
【数７】
2009501871.tif 000009
【００５１】
となることが見て取れ、その結果Ｖwindとθwindをタービン動力学から個別に推定することはできない。しかしながら、ｓwindは推定することができる。Ｖwindは、θwindとΨturbineが下記の如く入手可能である場合にのみ、割り出し可能である。
【数８】
2009501871.tif 000010
【００５２】
風速は、平均して、突風と環境の力により影響を受ける量を徐々に変化する。風速をモデル化する単純な手法は、単純にその変化率を時変統計変数と考えることである。
【数９】
2009501871.tif 000011
【００５３】
ここで、ΔwindSpeedRateは突風と環境の影響を表すゼロ平均ガウス白色ノイズ系列である。このモデルは、風速がほぼ一定であるが突風と環境により影響されると記述する。このモデルに基づく推定器は、風速ｓwind（ｔ）を直接推定することになる。
【００５４】
別のより複雑なモデルは、通常風速は一定ではなく、そのどんな変化も時間内に相関する（それが変化し始めると、それは同じ方向に変化し続けるようである）ことを認識するものとなろう。
【数１０】
2009501871.tif 000012
【００５５】
ここで、ΔwindSpeedAccelerationは、突風と環境による影響を表すゼロ平均ガウス白色ノイズ系列である。このモデルはほぼ一定であるも突風と環境により影響を受ける風速の変化率（風加速度）を記述するものである。本モデルに基づく推定器は、風速変化率
【数１１】
2009501871.tif 000013
と風速ｓwind（ｔ）とを推定する。
【００５６】
他の通風流モデルは、第１次と第２次の動力学を有するモデル通風流が有色ノイズ等により駆動されることを含むと考えられる。ここで用語通風流は、風速とより高次の導関数及び自然周波数と減衰係数を含むありとあらゆる風モデルのパラメータと変数を記述するために使用される。
【００５７】
風の塔動力学と塔計測値
より簡単な通風流モデルを用いることで、塔と通風流の動力学は結合された統計的差分方程式により記述される。
【数１２】
2009501871.tif 000014
【００５８】
ここで、塔加速度強制関数は、
【数１３】
2009501871.tif 000015
【００５９】
で表され、ｘ＝［ｖ  ｐ  ｓ］Tは状態であり、ロータの回転速度はＣT（）項中、二つの間のあらゆるかみ合わせた明細を明らかにした後の同様のより一般的に計測した発電機回転速度により置換する。この近似は、ロータ軸の巻き上げ角度を無視する。
【００６０】
先ず、塔加速度の計測値を含ませる。何故ならそれはしばしば振動を監視すべくタービン上で計測されるからである。
【数１４】
2009501871.tif 000016
【００６１】
静止動作点
【数１５】
2009501871.tif 000017
に関するこれらの式を線形化し、
【数１６】
2009501871.tif 000018
【００６２】
からの状態摂動の線形モデルは、
【数１７】
2009501871.tif 000019
【００６３】
となり、ここでａwは、動作点において評価したｗに対するａtower（）の偏導関数である。このシステムの可観測性行列は、
【数１８】
2009501871.tif 000020
【００６４】
となり、ここで第２列と第３列は線形関連（III＝ａsII／ａp）し、行列が依然として十分な階数（３、状態数）をもたないことを示す。状態ベクトルは、塔加速度計測値だけから推定はできない。
【００６５】
塔速度計測値を追加し、
【数１９】
2009501871.tif 000021
を得る。ここで、第２列と第３列は線形関係にあり、可観測性行列は十分な階数を持たない。状態ベクトルは、塔加速度と速度計測値だけでは推定できない。
【００６６】
位置さえ計測できれば、
【数２０】
2009501871.tif 000022
となる。
【００６７】
可観測性行列は、十分な階数を有する。状態ベクトルはここで可観測であり、塔位置計測値単独で推定することができる。
【００６８】
塔の動きを用いた風速推定は、塔位置計測値を必要とする。塔加速度や速度を追加し、ノイズの多い環境において推定精度と応答性と頑強さを改善する。
【００６９】
センサ群
センサ支持構造体位置は、Ｔｏｐｃｏｎ社や他の製造業者から等の実時間運動学的能力を有する市販の差動型全地球測位受信機を用いセンチメートル精度でもって計測される。これらの装置は、多数のタービン近傍で単一の固定され較正された受信機と各支持構造体上の受信機とを用いる。支持構造体の位置は、較正場所について差分的に判定される。
【００７０】
より廉価な位置センサは塔である支持構造体頂部に装着する傾斜センサであり、その信号は塔位置の目安である。何故なら塔は前後に移動しながら傾斜するからである。一般に、これらの装置は０．０１度の反復可能性を有する。塔が高さＨの剛体構造であるとするならば、その水平位置は、微小な傾斜角度について
Δ＝Ｈsin（θtilt）
≒Ｈθtilt
となる。実際は、塔は剛体ではなく、位置と傾斜角度との間の関係がその屈曲動力学の説明となる。
【００７１】
傾斜センサはどれも重力の方向を探索することで動作し、これは塔加速度により下式の如く崩され変形する。
【数２１】
2009501871.tif 000023
ここで、ｇは重力加速度である。この崩れ変形への対処には、二つの方法が存在する。最も単純には、被計測加速度がゼロとなり、報告された実際の傾斜角度が一致するまで、待機することである。サンプリング時に加速度は殆どゼロとはならないため、傾斜角度の獲得を発信する装備は加速度ゼロクロス検出器を使用することになる筈である。この仕方が、不定期の位置判定を生み出す。
【００７２】
加速度の崩れに対処する第２の方法は、計測加速度オフセット項ａtower／ｇを減算するものである。この方式が、全ての位置判定を使用可能とする。
【００７３】
他の位置センサは、レーザ式や他の光学式距離計を含む。
【００７４】
支持構造体速度は、市販のドップラー式レーダーやレーザ式センサやソナーや固定ターゲット付きＲＦシステムを用いて計測する。
【００７５】
支持構造体加速度は、０．０１５ｍ／ｓ2ＲＭＳ（二乗平均）ノイズ下限を有するＰＣＨエンジニアリング社製のＰＣＨ１０２６等の幾つかの市販の加速度計を用い計測する。
【００７６】
ケーブルにより保持した水中や空気よりも軽量のタービン等の被係留装置である支持構造体では、係留索等のケーブルパラメータを計測することで位置を判定或いは置換することができる。
【００７７】
塔計測値に基づく通風流と塔挙動の推定
推定器は、数学モデルに基づく状態推定器である。それは、最小二乗か極配置かカルマンかＨ∞か動作点近傍で線形化するかしない他の種である。ここで、動作点線形化を用いないカルマンフィルタ手法を例示する。
【００７８】
カルマンフィルタは、システムの過去、現在、未来の状態の最適推定を演繹する時間系列計測値を処理する計算機用アルゴリズムである。このフィルタは、その状態の動きと状態についての計測値とモデル及びデータの統計的不確実性とを特徴付けるモデルを使用する。風モデルの離散統計特性が与えられると、離散カルマンフィルタはそれを解く論理的な手法となる。
【００７９】
以前の差分モデルは下記の如く修正される。
【数２２】
2009501871.tif 000024
【００８０】
ここで、（）*は計測値を意味し、通常計測される塔加速度ａ*towerは塔速度状態を駆動するために用いられる。このことが、数学的かつ実装上の好都合な線形時間変数状態モデルに役立つ。推定器のデータとコンピュータコードの実施は本来的に期間Ｔをもって離散しており、システムの離散状態変数モデルが必要とされる。すなわち、
【数２３】
2009501871.tif 000025
【００８１】
ここで、加速度計測値ノイズΔａが含まれ，離散時間統計変数σa2が加速度計測値ノイズ、σwindSpeedRate2が風加速度状態ノイズであるとすると、Ｅ［ΔｘΔｘT］はΔｘΔｘT（統計的状態ノイズ項Δｘの共分散）の期待値となる。加速度ノイズは加速度センサの精度仕様により与えられ、風の加速度ノイズの変動はフィルタの応答を調整するよう選択される。
【００８２】
このモデルの可観測性への吟味が、推定器において加速度と位置の両方が必要であることを示している。高率の加速度計測値と恐らくは間欠的な位置計測値（例えば、傾斜センサに対するゼロクロス）を取得する単純さが与えられると、二つの線形計測値モデルが用いられる。加速度だけが入手可能であるときと、加速度と位置の両方が収集されるときである。恐らく間欠的な位置データは全状態補正に使用されるのに対し、通常入手可能な加速度データは位置更新の間を円滑に穴埋め（内挿）する。加速度が得られさえすれば、計測値スカラーは、
【数２４】
2009501871.tif 000026
となる。位置もまた利用可能である場合、計測ベクトルは、
【数２５】
2009501871.tif 000027
となる。
【００８３】
フィルタは、状態ベクトルの先の濾波値ｘとその共分散の情報（その値の統計的な不確実性）とを用い、どのような状態と計測値が、次のデータ時間となるであろうかを推定することで動作開始する。すなわち、
【数２６】
2009501871.tif 000028
それらの共分散
【数２７】
2009501871.tif 000029
とともに。
【００８４】
もし、加速度測定値のみが存在するなら
【数２８】
2009501871.tif 000030
であるが、ここでΔｓは偏微分項の推定に用いる摂動である。加速とまた同様に位置計測値が存在する場合、そのときは
【数２９】
2009501871.tif 000031
【００８５】
となり、ここでσp2は位置センサ精度仕様により与えられる位置計測値変動である。一つの時間ステップだけ前向きに予測すると、その時点での計測値を収集し、次の如く状態の濾波（補正）に使用し、
【数３０】
2009501871.tif 000032
を得る。
【００８６】
これは、各データの到着に合わせ先へ続く。少数の状態変数（３個）が与えられるので、これらの行列演算は取るに足らないものとなる。アルゴリズムを開始するに、状態及びその共分散の初期推定値を用意しなければならない。すなわち、ｘ（０）とＰxfiltered（０）である。
【００８７】
計測値予測はａ*tower（ｔi）を使用するが、状態補正値がａ*tower（ｔi+1）を用い、次の予測値もまたａ*tower（ｔi+1）を使用することに留意されたい。理論的には、状態伝搬ステップと状態補正ステップにおけるこの計測値の混合は従来のカルマンアルゴリズム導出前提に反するものであるが、実際にはそれは何ら影響はしない。
【００８８】
さもなくば、非線形計測式を動作点周りで線形化し、得られた二つの定常状態Ｋ’ｓ（一つは加速度のみで、一つは加速度と位置とである）を予め算出し、共分散の伝搬を強いられることなく使用する。
【００８９】
代わりに、塔速度を計測値として加速度を置換し、位置更新の間を充たす。
【００９０】
代わりに、風加速度や他の動力学モデル項を含む通風流からなるより複雑なモデルを使用する。
【００９１】
シュミレーション結果
乱気流条件における風力タービンが図４にシュミレーションしてあり、ここでは風速、ピッチ、トルク、発電機／ロータ動力学、塔動力学がシュミレーションパラメータをプロットした９個のグラフに図示してある。また、ゼロ交差加速時に選択した間欠傾斜センサ位置データが図示してある。タービンは、ブレードピッチを制御することで発電機の毎分回転数を調整する単純な比例・積分補償器を用いる閉ループ制御状態にあり、発電機トルクはピッチと発電機の毎分回転数とによるテーブル指数に従って選択される。
【００９２】
図５は、塔加速度と塔速度と塔位置と風速ごとに実際の検出パラメータ対推定値をプロットした４個のグラフを含む。
【００９３】
図６は、実際の風速と推定風速をプロットしたグラフである。
【００９４】
コントローラ
タービンの動力学の式は改善されたタービン制御と塔挙動減衰のための風速及び塔挙動の推定値を用い、コントローラに対する礎を提供する。通風流と塔挙動に対するタービンの応答を記述し、従来の（比例・積分や比例・積分・微分等の）帰還制御システム設計技術を、ブレードピッチ／長さと発電機トルクとを適切に修正することで、通風流を変更し、塔挙動を変更し、ロータ回転速度を変更し、さらに塔挙動を減衰させるのに適合する入力及びコマンド出力を有するコントローラの設計に応用する。さもなくば、コントローラはその中に埋設した推定器を備える状態空間形とする。
【００９５】
本願明細書に使用する用語「支持構造の動き」と「塔挙動」が位置、速度、加速度、その他の挙動表現を含むことは、当業者には理解されたい。
【００９６】
本願明細書に使用する「支持構造」が、水或いは空気より軽い装置により係留された装置をケーブルが保持する係留索等の構造を含むことは、当業者には理解されたい。
【００９７】
本願明細書に使用する用語「通風流」と「流体流」が、他の流体流動力学モデルが使用する風速値と流速値以外（これに限定はされないが、加速度や相関値等）を含むことは、当業者には理解されたい。
【００９８】
コントローラは風速自体を使用はしないが、流体流推定処理期間中に割り出された支持構造体の動力学を使用することは、当業者には理解されよう。
【００９９】
本発明は、その好適な実施形態を参照して具体的に図示し説明してきたが、本発明範囲から逸脱することなく、形態ならびに詳細における前述の及び他の変形が可能であることは、当業者には理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】本発明を実施する風力発電装置を示す図である。
【図２】本発明を実施するタービン制御システムのブロック線図である。
【図３】本発明を実施する方法のフローチャートである。
【図４】シュミレーションしたパラメータをプロットした９個のグラフからなる図である。
【図５】実測パラメータ値対推定値をプロットした４個のグラフからなる図である。
【図６】実際の風速と推定風速とをプロットしたグラフを示す図である。
【図１】
2009501871.tif 000033
【図２】
2009501871.tif 000034
【図３】
2009501871.tif 000035
【図４】
2009501871.tif 000036
【図５】
2009501871.tif 000037
【図６】
2009501871.tif 000038
【手続補正書】
【提出日】平成18年8月10日(2006.8.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体流に応じた位置を有する構造体上に装着した、流体流タービンと共に使用する装置であって、
前記構造体の位置情報を受ける入力と、
前記構造体位置情報を用いて推定流体流を算出する推定器とを備える、ことを特徴とする装置。
【請求項２】
支持構造体（１０２）上に装着した流体流タービン（１００）のための制御装置であって、前記構造体が前記流体流に応答する位置を有し、前記タービン（１００）をブレード（１０６，１０８，１１０）付きのロータに結合した前記装置において、
前記支持構造体の位置出力（２０６）を有する少なくとも一つの支持構造体位置センサ（２０４）と、
前記少なくとも一つの支持構造体位置センサ（２０４）に接続された流体流推定器（２０８）であって、前記支持構造体位置出力（２０６）を用いて前記ロータの被掃引領域全域で推定流体流（２２０）を算出する前記流量推定器とを備える、ことを特徴とする制御装置。
【請求項３】
前記流体流推定器（２０８）に接続されたタービン制御器（２２４）であって、その出力が前記流体流推定に応答して少なくともタービンロータ速度制御を実行する前記タービン制御器（２２４）をさらに備える、請求項２記載の制御装置。
【請求項４】
前記タービンロータ速度制御器（２２４）がブレードパラメータ（２３２）を変更し、該ブレードパラメータがブレードピッチ角度とブレード長のうち１以上である、請求項３記載の装置。
【請求項５】
ロータ速度出力（２１８）を有するロータ速度センサ（２１６）と、
ブレードパラメータ出力（２１４）を有するブレードパラメータセンサ（２１２）とをさらに備え、
前記流体流推定器（２０８）はさらに前記ロータ速度出力（２１８）と前記ブレードパラメータ出力（２１４）とに接続されており、前記流体流推定器が前記出力を用いて前記流体流（２２０）を推定する、請求項２乃至４のいずれか１項記載の装置。
【請求項６】
前記検出されたブレードパラメータはブレードピッチ角度とブレード長（２１４）のうち１以上であり、前記ロータ速度は流体流推定に応答してブレードピッチ角度とブレード長（２３２）のうち１以上を変更することで調整する、請求項５記載の装置。
【請求項７】
前記検出されたブレードパラメータはブレードピッチ角度とブレード長のうち１以上であり、前記支持構成体挙動が、流体流推定に応答してブレードピッチ角度とブレード長のうち１以上を変更することで減衰する、請求項５記載の装置。
【請求項８】
ロータが支持構造体（２０２）上に装着してあってタービンに結合されており、前記構造体が前記流体流（２００）に応じた位置を有する、前記ロータの被掃引領域全域で流体流を推定する方法であって、
Ａ．前記支持構造体における空間的位置を検出（２０４）するステップと、
Ｂ．前記検出した空間的位置（２０６）を用いて推定流体流を算出（２０８）するステップとを含む、ことを特徴とする方法。
【請求項９】
Ｃ．前記推定流体流を用いて前記タービンを制御（２２８，２３２）するステップをさらに含む、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記ステップＣが、タービンロータ速度の制御（２２８，２３２）を含む、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記タービンロータ速度が、ブレードパラメータ（２３２）を変更することで制御される、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
ブレードピッチ角度とブレード長のうち１以上であるブレードパラメータを検出（２１２，２１４）し、
前記タービンロータ速度が、ブレードピッチ角度とブレード長のうち１以上を変更することで制御（２３２）される、請求項１０記載の方法。
【請求項１３】
前記ステップＡがさらに、ロータ速度（２１６）とブレードパラメータ（２１２）の検出し、
前記算出するステップ（２０８）で、ロータ速度とブレードピッチ角度とブレード長のうち１以上を用いることを含む、請求項１０記載の方法。
【請求項１４】
前記ステップＣにおいて、前記ロータ速度を調整するようにロータブレードピッチ角度とブレード長のうち１以上が調整（２３４）される、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記ステップＣで、前記支持構成体挙動を減衰させるようロータブレードピッチ角度とブレード長のうち１以上が調整（２３４）される、請求項１３記載の方法。
【請求項１６】
前記支持構造体は支持塔（２０２）であり、前記方法がさらに
前記ステップＡの前に、初期の流体流速度と塔挙動とを推定（３０２）するステップと、
前記ステップＡにおいて、塔挙動とロータ回転速度とを追加的に検出（３０４）し、検出パラメータを生成するステップと、
前記ステップＢにおいて、前記検出パラメータと、流体流や塔挙動の先の推定値とを用いて流体流推定器により塔挙動を追加的に推定（３０６）するステップとを含み
前記ステップＣが、
Ｄ．推定流体流速度を用いて少なくとも一つの所望の制御出力を算出（３０８）するステップと、
Ｅ．前記少なくとも一つの所望の制御出力を前記タービンに対する指令として送信（３１２）するステップとを含む、ことを特徴とする方法。
【請求項１７】
前記流体流タービンは前記ロータが回動させる発電機を含み、前記ロータが前記流体流に応答するブレードを有し、前記タービンはブレードピッチ角度を調整され、
前記ステップＡが、前記ブレードピッチ角度の検出を含み、
前記ステップＤが、前記検出されたロータ速度、検出されたブレードピッチ角度、推定塔挙動、推定流体流速度を用いて所望のブレードピッチ角度の算出と、所望のロータ速度の算出と、所望の発電機トルクの算出とを含み、
前記ステップＥの所望の制御出力が、ロータブレードピッチアクチュエータに対する指令として前記所望のブレードピッチ角度を含み、かつ発電機トルクアクチュエータに対する指令として所望の発電機トルクを含む、請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記流体流タービンは前記ロータが回動させる発電機を含み、前記ロータが前記流体流に応答するブレードを有し、前記タービンはそのブレード長が調整され、
前記ステップＡが、前記ブレード長の検出を含み、
前記ステップＤが、前記検出されたロータ速度、検出されたブレード長、推定塔挙動、推定流体流速度を用いて、所望のブレード長の算出と、所望のロータ速度の算出と、所望の発電機トルクの算出とを含み、
前記ステップＥの所望の制御出力が、ロータブレード長アクチュエータに対する指令として前記所望のブレード長を含み、かつ発電機トルクアクチュエータに対する指令として所望の発電機トルクを含む、請求項１６記載の方法。
【国際調査報告】
2009501871.tif 000039
2009501871.tif 000040
2009501871.tif 000041