(57)【要約】シャットダウン時の風車ロータの空力アンバランスをより低減して風車の最大荷重をより低減し、装置の低重量化・低コスト化を図り得る風力発電装置およびその翼ピッチ角制御方法を提供する。各風車ブレードの翼ピッチ角に共通の基準ピッチ角指令値を生成する基準ピッチ角制御部１１と、各風車ブレードに固有の独立ピッチ角指令値を生成する独立ピッチ角生成部１３と、各独立ピッチ角指令値にそれぞれ独立ピッチ角ゲインを掛ける乗算器２１〜２３と、ゲイン生成部１４と、乗算器２１〜２３出力に基準ピッチ角指令値を加算して、各風車ブレードに固有のピッチアクチュエータ３１〜３３にそれぞれ供給する加算器２４〜２６と、を備え、シャットダウンを行う際、ゲイン生成部１４により該シャットダウン前の所定独立ピッチ角ゲインが第１設定時間後にゼロとなるよう独立ピッチ角ゲインを調整する。
2011096088.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数枚の風車ブレードの翼ピッチ角に共通の基準ピッチ角指令値を生成する基準ピッチ角生成手段と、
各風車ブレードに固有の独立ピッチ角指令値を生成する独立ピッチ角生成手段と、
前記独立ピッチ角生成手段の各独立ピッチ角指令値にそれぞれゲインを掛ける乗算手段と、
シャットダウンを行う際に、該シャットダウン前の所定ゲインが第１設定時間後にゼロとなるよう前記ゲインを調整するゲイン生成手段と、
前記乗算手段による乗算結果にそれぞれ前記基準ピッチ角指令値を加算して、各風車ブレードに固有のピッチアクチュエータにそれぞれ供給する加算手段と、
を有する風力発電装置。
【請求項２】
前記ゲイン生成手段は、ｎ次の減少関数またはそれらの組み合わせに基づき前記ゲインを調整する請求項１に記載の風力発電装置。
【請求項３】
前記ゲイン生成手段は、シャットダウン前の所定ゲインをシャットダウン開始から前記第１設定時間よりも小さい第２設定時間までの間、維持することを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
【請求項４】
前記第１設定時間または前記第２設定時間は、当該風力発電装置の発電出力、風車ロータの回転数または前記基準ピッチ角指令値に基づき設定される請求項１に記載の風力発電装置。
【請求項５】
複数枚の風車ブレードの翼ピッチ角に共通の基準ピッチ角指令値を生成する基準ピッチ角生成ステップと、
各風車ブレードに固有の独立ピッチ角指令値を生成する独立ピッチ角生成ステップと、
前記独立ピッチ角生成手段の各独立ピッチ角指令値にそれぞれゲインを掛ける乗算ステップと、
シャットダウンを行う際に、該シャットダウン前の所定ゲインが第１設定時間後にゼロとなるよう前記ゲインを調整するゲイン生成ステップと、
前記乗算ステップによる乗算結果にそれぞれ前記基準ピッチ角指令値を加算して、各風車ブレードに固有のピッチアクチュエータにそれぞれ供給する加算ステップと、
を有する風力発電装置の翼ピッチ角制御方法。
【請求項６】
前記ゲイン生成ステップは、ｎ次の減少関数またはそれらの組み合わせに基づき前記ゲインを調整する請求項５に記載の風力発電装置の翼ピッチ角制御方法。
【請求項７】
前記ゲイン生成ステップは、シャットダウン前の所定ゲインをシャットダウン開始から前記第１設定時間よりも小さい第２設定時間までの間、維持する請求項５に記載の風力発電装置の翼ピッチ角制御方法。
【請求項８】
前記第１設定時間または前記第２設定時間は、当該風力発電装置の発電出力、風車ロータの回転数または前記基準ピッチ角指令値に基づき設定される請求項５に記載の風力発電装置の翼ピッチ角制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は独立ピッチ角制御方式の風力発電装置およびその翼ピッチ角制御方法に係り、特に、シャットダウン時の風車ロータの空力アンバランスをより低減して風車の設計制約となる最大荷重をより低減し、装置の低重量化・低コスト化を図り得る風力発電装置およびその翼ピッチ角制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
風力発電装置に使用されるプロペラ型風車は、図２に示すように、複数枚の風車ブレード（通常３枚であり、本明細書では３枚の風車ブレードを持つ構成について説明する）を備え、風況に応じて所定の回転速度と出力を得るよう翼ピッチ角の制御が行われる。また、近年の風車では、風車ブレードの翼長の拡大に伴って、翼ピッチ角制御に独立ピッチ角制御が実装されるようになってきている（例えば特許文献１など）。これは全ての風車ブレードに対して同一の基準ピッチ角指令値に、各風車ブレードのアジマス角または荷重等に応じて算出される風車ブレード毎に独立な独立ピッチ角指令値を加算し、該加算値に基づき翼ピッチ角を制御するものである。この独立ピッチ角制御により、ロータ面外荷重（風車ロータの回転面に垂直な荷重）の変動量を低減することができ、風車の疲労寿命を延長することができる。【０００３】
ところで、警報検知などの際には、風車ブレードの翼ピッチ角を急速に閉じて風車を速やかに停止させるためにシャットダウン制御が行われる。上記独立ピッチ角制御を実装した風車においてシャットダウン制御を行う場合、シャットダウン開始時にも各風車ブレードの翼ピッチ角は異なる状態にあり、この状態から全ての風車ブレードについて同一ピッチレートで翼ピッチ角を閉じていく（即ち、翼ピッチ角を風向きと平行になるようフェザリングする）制御が行われることとなる。この場合、シャットダウン制御中は、各風車ブレードの翼ピッチ角がアジマス角または荷重の大きさとは無関係に、互いに異なる状態で風車ロータが回転し、空力アンバランスが風車ロータに生じることとなる。この空力アンバランスによって風車全体に生じる過大荷重は風車の設計制約の一つともなっており、空力アンバランスの低減が望まれていた。【０００４】
このような問題に対して、特許文献２では次のような制御手法を提案している。翼ピッチ角が最もファイン側にあった風車ブレード（第１翼とする）については規定の最大ピッチレートで翼ピッチ角を閉じていき、他方、フェザー側にあった他の風車ブレードについては、第１翼の翼ピッチ角が追いつくまで最大ピッチレートよりも小さいピッチレートで翼ピッチ角を閉じていく。そして翼ピッチ角が第１翼の翼ピッチ角と同じになった後は該第１翼と同一のビッチレートで翼ピッチ角を閉じていき、３枚の風車ブレードの翼ピッチ角を速やかに一致させてフェザリングする（風車を停止させる）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２０１９５２号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２００９／１４８２８６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した特許文献２に開示された技術においては、シャットダウン開始後の各風車ブレードの翼ピッチ角が一致するまでの期間においては、それぞれの翼ピッチ角をアジマス角または荷重の大きさとは無関係な所定のピッチレートで閉じていくので、各風車ブレードの翼ピッチ角の差に起因した空力アンバランスが風車ロータに生じうる。したがって、空力アンバランスによって風車全体に生じる過大荷重が風車の設計制約として残ることとなる。この過大荷重は機械部品の強度設計に反映され、装置の重量アップやコストアップにつながるという事情があった。【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、シャットダウン時の風車ロータの空力アンバランスをより低減して風車の設計制約となる最大荷重をより低減し、装置の低重量化・低コスト化を図り得る風力発電装置およびその翼ピッチ角制御方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用する。
本発明の第１態様は、複数枚の風車ブレードの翼ピッチ角に共通の基準ピッチ角指令値を生成する基準ピッチ角生成手段と、各風車ブレードに固有の独立ピッチ角指令値を生成する独立ピッチ角生成手段と、前記独立ピッチ角生成手段の各独立ピッチ角指令値にそれぞれゲインを掛ける乗算手段と、シャットダウンを行う際に、該シャットダウン前の所定ゲインが第１設定時間後にゼロとなるよう前記ゲインを調整するゲイン生成手段と、前記乗算手段による乗算結果にそれぞれ前記基準ピッチ角指令値を加算して、各風車ブレードに固有のピッチアクチュエータにそれぞれ供給する加算手段と、を備える風力発電装置である。【０００９】
本態様によれば、シャットダウンを行う際、ゲインの調整により独立ピッチ角指令値（絶対値）を徐々に小さくすることで各翼のピッチ角を一致させてフェザリングを行うことができる。また、シャットダウン開始後もゲインがゼロになるまでの一定時間、独立ピッチ角制御が継続されるので、シャットダウン開始後も各翼のピッチ角の差が各翼に作用するロータ面外の荷重の差と対応させることができる。これにより、風車ロータの空力アンバランスを増加させることなく、より低減することができる。その結果として、風車の設計制約となる最大荷重をより低減し、装置の低重量化・低コスト化を図り得る風力発電装置を実現することができる。【００１０】
前記態様では、前記ゲイン生成手段は、ｎ次の減少関数またはそれらの組み合わせに基づき前記ゲインを調整するようにしてもよい。【００１１】
本態様によれば、独立ピッチ角ゲインの減少レートを時間推移に伴って可変設定することができ、風況、運転状況、装置規模、或いは警報等の起因の種別等々、様々なシチュエーションにも柔軟に対応してシャットダウン制御を行うことができる。
なお、ここでｎは１以上の整数である。【００１２】
前記態様では、前記ゲイン生成手段は、シャットダウン前の所定ゲインをシャットダウン開始から前記第１設定時間よりも小さい第２設定時間までの間、維持するようにしてもよい。【００１３】
また、前記態様では、前記第１設定時間または前記第２設定時間は、当該風力発電装置の発電出力、風車ロータの回転数または前記基準ピッチ角指令値に基づき設定されるようにしてもよい。【００１４】
第１設定時間の設定はゲインの減少レートの設定と等価であり、第２設定時間の設定はゲインの減少開始タイミングの設定と等価である。このように、ゲインの減少開始タイミングや減少レートを、当該風力発電装置の発電出力、風車ロータの回転数または基準ピッチ角指令値に基づいて設定することにより、風況、運転状況、装置規模、或いは警報等の起因の種別等々、様々なシチュエーションにも柔軟に対応してシャットダウン制御を行うことができる。【００１５】
本発明の第二態様は、複数枚の風車ブレードの翼ピッチ角に共通の基準ピッチ角指令値を生成する基準ピッチ角生成ステップと、各風車ブレードに固有の独立ピッチ角指令値を生成する独立ピッチ角生成ステップと、前記独立ピッチ角生成手段の各独立ピッチ角指令値にそれぞれゲインを掛ける乗算ステップと、シャットダウンを行う際に、該シャットダウン前の所定ゲインが第１設定時間後にゼロとなるよう前記ゲインを調整するゲイン生成ステップと、前記乗算ステップによる乗算結果にそれぞれ前記基準ピッチ角指令値を加算して、各風車ブレードに固有のピッチアクチュエータにそれぞれ供給する加算ステップと、を備える風力発電装置の翼ピッチ角制御方法である。【００１６】
本態様によれば、シャットダウンを行う際、ゲインの調整により独立ピッチ角指令値（絶対値）を徐々に小さくすることで各翼のピッチ角を一致させてフェザリングを行うことができる。また、シャットダウン開始後もゲインがゼロになるまでの一定時間、独立ピッチ角制御が継続されるので、シャットダウン開始後も各翼のピッチ角の差は各翼に作用するロータ面外の荷重の差と対応させることができる。これにより、風車ロータの空力アンバランスを増加させることなく、より低減することができる。その結果として、風車の設計制約となる最大荷重をより低減し、装置の低重量化・低コスト化を図り得る風力発電装置の翼ピッチ角制御方法を実現することができる。【００１７】
前記態様では、前記ゲイン生成ステップは、ｎ次の減少関数またはそれらの組み合わせに基づき前記ゲインを調整するようにしてもよい。【００１８】
本態様によれば、独立ピッチ角ゲインの減少レートを時間推移に伴って可変設定することができ、風況、運転状況、装置規模、或いは警報等の起因の種別等々、様々なシチュエーションにも柔軟に対応してシャットダウン制御を行うことができる。
なお、ここでｎは１以上の整数である。【００１９】
前記態様では、前記ゲイン生成ステップは、シャットダウン前の所定ゲインをシャットダウン開始から前記第１設定時間よりも小さい第２設定時間までの間、維持するようにしてもよい。【００２０】
また、前記態様では、前記第１設定時間または前記第２設定時間は、当該風力発電装置の発電出力、風車ロータの回転数または前記基準ピッチ角指令値に基づき設定されるようにしてもよい。【００２１】
本態様によれば、ゲインの減少開始タイミングや減少レートを、当該風力発電装置の発電出力、風車ロータの回転数または基準ピッチ角指令値に基づいて設定することにより、風況、運転状況、装置規模、或いは警報等の起因の種別等々、様々なシチュエーションにも柔軟に対応してシャットダウン制御を行うことができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、シャットダウンを行う際、シャットダウン開始後も風車ロータの空力アンバランスを増加させることなく、より低減することができる。結果として、風車の設計制約となる最大荷重をより低減し、装置の低重量化・低コスト化を図り得る風力発電装置の翼ピッチ角制御方法を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態に係る風力発電装置における翼ピッチ角制御部の概略構成を示すブロック図である。
【図２】本発明が適用される風車の概略構成を示す斜視図である。
【図３】図２の風車ブレード部分を示し、アジマス角を説明する部分正面図である。
【図４】本実施形態の風力発電装置における翼ピッチ角制御における基準ピッチ角指令値の時間的推移を示すグラフである。
【図５】本実施形態の風力発電装置における翼ピッチ角制御における独立ピッチ角ゲインの時間的推移を示すグラフである。
【図６】本実施形態の風力発電装置における翼ピッチ角制御における独立ピッチ角指令値の時間的推移を示すグラフである。
【図７】本実施形態の風力発電装置における翼ピッチ角制御におけるピッチ角の時間的推移を示すグラフである。
【図８】第１従来例の翼ピッチ角制御における基準ピッチ角指令値の時間的推移を示すグラフである。
【図９】第１従来例の翼ピッチ角制御における独立ピッチ角ゲインの時間的推移を示すグラフである。
【図１０】第１従来例の翼ピッチ角制御における独立ピッチ角指令値の時間的推移を示すグラフである。
【図１１】第１従来例の翼ピッチ角制御におけるピッチ角の時間的推移を示すグラフである。
【図１２】第２従来例の翼ピッチ角制御における基準ピッチ角指令値の時間的推移を示すグラフである。
【図１３】第２従来例の翼ピッチ角制御における独立ピッチ角ゲインの時間的推移を示すグラフである。
【図１４】第２従来例の翼ピッチ角制御における独立ピッチ角指令値の時間的推移を示すグラフである。
【図１５】第２従来例の翼ピッチ角制御におけるピッチ角の時間的推移を示すグラフである。
【図１６】第１変形例の独立ピッチ角ゲインの時間的推移を例示する説明図である。
【図１７】第２変形例の独立ピッチ角ゲインの時間的推移を例示する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の風力発電装置およびその翼ピッチ角制御方法の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。ここでまず、本発明が適用される風車の概要について図２を参照して説明しておく。
【００２５】
本発明の風力発電装置が適用されるプロペラ型風車は、図２に示されるように、風車ロータに取り付けられた３枚の風車ブレード、即ち風車ブレード１、風車ブレード２および風車ブレード３を備えている。風車ロータは円筒状タワー４の上部に設置されたナセル内の増速機に連結されている。プロペラ型風車は、３枚の風車ブレード１，２，３が風を受けて風車ロータと共に回転し、増速機によって増速した後に発電機を駆動して発電することにより風力エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。
〔実施形態〕
【００２６】
図１は本発明の一実施形態に係る風力発電装置における翼ピッチ角制御部の概略構成を示すブロック図である。
図１において、本実施形態の風力発電装置の翼ピッチ角制御部部１０は、基準ピッチ角制御部１１、独立ピッチ角制御部１２、減算器２０、乗算器２１，２２，２３、加算器２４，２５，２６、第１翼ピッチアクチュエータ３１、第２翼ピッチアクチュエータ３２および第３翼ピッチアクチュエータ３３を備えて構成されている。
【００２７】
基準ピッチ角制御部１１は、特許請求の範囲にいう基準ピッチ角生成手段に該当し、３枚の風車ブレード１，２，３の翼ピッチ角に共通の基準ピッチ角指令値を生成する。回転速度および発電出力の設定値と現在の制御量との偏差が減算器２０により求められ、基準ピッチ角指令値１５は、この偏差に基づき生成される。
【００２８】
また、独立ピッチ角制御部１２には、独立ピッチ角生成部（独立ピッチ角生成手段）１３およびゲイン生成部１４が備えられている。独立ピッチ角生成部１３は、アジマス角や荷重等の計測値に基づき各風車ブレード１，２，３に固有の独立ピッチ角指令値を生成する。ここで、アジマス角は、図３に示すように、風車ブレードが鉛直方向（ｚ方向）となす角度をいう。基準とする風車ブレードが風車の最上部に位置するときアジマス角は０°、最下部に位置するときアジマス角は１８０°である。
【００２９】
独立ピッチ角生成部１３における独立ピッチ角指令値の生成手法については、特に限定されることなく、公知技術を適用すればよい。例えば、計測したアジマス角に基づき、風速、空気密度および発電出力に応じて独立ピッチ角指令値を生成する手法が特開２００５−８３３０８号公報などに開示されており、また、計測した荷重に基づき独立ピッチ角指令値を生成する手法が特開２００３−１１３７６９号公報や特開２００５−３２５７４２号公報などに開示されている。
【００３０】
また、ゲイン生成部１４は、シャットダウンを行う際に、該シャットダウン前の所定の独立ピッチ角ゲイン（＝１）が第１設定時間後にゼロとなるよう独立ピッチ角ゲイン１６を調整する。本発明の特徴的な構成は、乗算器２１，２２，２３により、独立ピッチ角生成部１３で生成した各翼毎の独立ピッチ角指令値にゲイン生成部１４が生成する独立ピッチ角ゲイン１６を掛け合わせて、第１翼ピッチ角指令値１７、第２翼ピッチ角指令値１８および第３翼ピッチ角指令値１９を生成する点にある。
【００３１】
独立ピッチ角ゲイン１６は通常運転時には１である。このとき独立ピッチ角生成部１３で生成した翼毎の独立ピッチ角指令値がそのまま第１翼ピッチ角指令値１７、第２翼ピッチ角指令値１８および第３翼ピッチ角指令値１９となる。またシャットダウンを行う際には、独立ピッチ角ゲイン１６は１次の減少関数に基づき徐々に減少していき、シャットダウン開始から第１設定時間が経過した時点でゼロとなる。つまり、シャットダウン開始から第１設定時間までの間に、第１翼ピッチ角指令値１７、第２翼ピッチ角指令値１８および第３翼ピッチ角指令値１９は、独立ピッチ角生成部１３で生成した翼毎の独立ピッチ角指令値からゼロに徐々に絞り込まれていくこととなる。
【００３２】
さらに、乗算器２１，２２，２３それぞれの出力である第１翼ピッチ角指令値１７、第２翼ピッチ角指令値１８および第３翼ピッチ角指令値１９に、それぞれ加算器２４，２５，２６により基準ピッチ角制御部１１が生成する基準ピッチ角指令値１５が足し合わされて、それぞれ第１翼ピッチアクチュエータ３１、第２翼ピッチアクチュエータ３２および第３翼ピッチアクチュエータ３３に供給される。
【００３３】
ここで、第１翼ピッチアクチュエータ３１、第２翼ピッチアクチュエータ３２および第３翼ピッチアクチュエータ３３はそれぞれ風車ブレード１，２，３に固有のピッチアクチュエータであり、例えば油圧シリンダや電動モータにより駆動する。
【００３４】
次に、以上のような構成要素を備えた風力発電装置の翼ピッチ角制御方法について、図４〜図１５を参照して説明する。ここで、図４〜図７は本実施形態の風力発電装置における翼ピッチ角制御を説明するものである。図８〜図１１は第１従来例における翼ピッチ角制御を説明するものである。図１２〜図１５は第２従来例における翼ピッチ角制御を説明するものである。また、図４、図８および図１２はシャットダウン開始前後の基準ピッチ角指令値１５の時間的推移を示すグラフである。図５、図９および図１３はシャットダウン開始前後の独立ピッチ角ゲイン１６の時間的推移を示すグラフである。図６、図１０および図１４はシャットダウン開始前後の第１翼ピッチ角指令値１７、第２翼ピッチ角指令値１８および第３翼ピッチ角指令値１９の時間的推移を示すグラフである。図７、図１１および図１５はシャットダウン開始前後の各翼のピッチ角の時間的推移を示すグラフである。また、図５、図９および図１３を除く各図において、縦軸はそれぞれの翼ピッチ角に応ずるものであるが、グラフの上方側がフェザー側に該当し、グラフの下方側がファイン側に該当する。
【００３５】
なお、第２従来例は特許文献２の技法を本実施形態の風力発電装置の構成に当てはめたものであり、第１従来例は特許文献２の技法が適用されていない公知技法（例えば特許文献１など）を本実施形態の風力発電装置の構成に当てはめたものである。なお、第１従来例および第２従来例には独立ピッチ角ゲイン自体が存在しないが、本実施形態との対比のために示したものである。
【００３６】
まず、シャットダウン開始前の通常運転時における独立ピッチ角制御について、（代表的に）図４〜図７を参照して説明する。なお、通常運転時には本実施形態、第１従来例および第２従来例は同一の制御が行われるものと仮定する。
【００３７】
通常運転時には、基準ピッチ角制御部１１により３枚の風車ブレード１，２，３の翼ピッチ角に共通の基準ピッチ角指令値１５が生成される。図４ではシャットダウン開始前の２０［sec］という短い時間であることから一定値として例示されている。また、このときゲイン生成部１４から出力される独立ピッチ角ゲイン１６は、図５に示すように独立ピッチ角ゲイン＝１である。
【００３８】
また、独立ピッチ角生成部１３により、アジマス角や荷重等の計測値に基づき各風車ブレード１，２，３に固有の独立ピッチ角指令値（第１翼ピッチ角指令値１７、第２翼ピッチ角指令値１８および第３翼ピッチ角指令値１９）が生成される（図６参照）。なお、図６では各翼の独立ピッチ角指令値の時間変化を余弦として例示しているが、分かり易さのために定常風（時間的、平面的に一様な風速）を想定したものであり、厳密には実際のものとは異なる。
【００３９】
また、図４の基準ピッチ角指令値１５および図６の各翼の独立ピッチ角指令値がそれぞれ足し合わされて、それぞれ各翼の第１翼ピッチアクチュエータ３１、第２翼ピッチアクチュエータ３２および第３翼ピッチアクチュエータ３３に供給され、各翼のピッチ角は図７に示す如くなる。このような独立ピッチ角制御により、ロータ面外荷重（風車ロータの回転面に垂直な荷重；図２においてｘ方向にかかる荷重）の変動量を低減することができる。
【００４０】
次に、シャットダウン開始後のシャットダウン制御時における独立ピッチ角制御について、第１従来例、第２従来例、本実施形態の順に説明する。
まず第１従来例では、シャットダウン制御時に、基準ピッチ角指令値は風車ロータの停止を目的として、図８に示すように、各翼同一の一定ピッチレートでフルフェザー角度まで制御される。また、独立ピッチ角生成部１３による各翼の独立ピッチ角指令値の生成は、シャットダウン開始と同時に停止され（図１０参照）、独立ピッチ角ゲインも１から０に即座に切り替わることとなる（図９参照）。
【００４１】
また、シャットダウン開始時には、各風車ブレードの翼ピッチ角は相対的にずれた関係にあるが、第１従来例のシャットダウン制御では、この翼ピッチ角の相対的にずれた関係を維持したまま、基準ピッチ角指令値に基づくフェザリングが行われることとなる（図１１参照）。したがって、シャットダウン制御中に各風車ブレードの翼ピッチ角が（荷重の大きさとは無関係に）異なった状態で風車ロータが回転し、空力アンバランスが風車ロータに生じることとなる。
【００４２】
次に、第２従来例でも、図１２に示すように、第１従来例と同様に、基準ピッチ角指令値は各翼同一の一定ピッチレートでフルフェザー角度まで制御される。また、独立ピッチ角生成部１３による各翼の独立ピッチ角指令値の生成も、シャットダウン開始と同時に停止され（図１４参照）、独立ピッチ角ゲインも１から０に即座に切り替わることとなる（図１３参照）。
【００４３】
また、シャットダウン開始時には、各風車ブレードの翼ピッチ角は相対的にずれた関係にあるが、第２従来例のシャットダウン制御では、翼ピッチ角が最もファイン側にあった風車ブレード（図１４では第２翼）を規定の最大ピッチレートでフェザリングさせ、フェザー側にあった他の風車ブレード（図１４では第１翼および第３翼）については第２翼の翼ピッチ角が追いつくまで最大ピッチレートよりも小さいピッチレートでフェザリングさせる。そして第１翼および第３翼の翼ピッチ角が第２翼の翼ピッチ角と同じになった後は最大ピッチレートでフェザリングさせる。これによって、これら３枚の風車ブレードの翼ピッチ角を速やかに一致させてフェザリングする。
【００４４】
図１５に示すように、第２従来例のシャットダウン制御では、シャットダウン開始後の各風車ブレードの翼ピッチ角が一致するまでの期間（図１５では略１２sec間）においては、それぞれの翼ピッチ角を荷重の大きさとは無関係な所定のピッチレートで閉じていっており、各風車ブレードの翼ピッチ角の差に起因した空力アンバランスが風車ロータに生じうる。
【００４５】
これら第１従来例および第２従来例に対して、本実施形態では、シャットダウン制御時に、基準ピッチ角指令値は風車ロータの停止を目的として、図４に示すように、各翼同一の一定ピッチレートでフルフェザー角度まで制御される。
【００４６】
また、独立ピッチ角生成部１３による各翼の独立ピッチ角指令値の生成は、シャットダウン開始後もシャットダウン開始前と同様に継続されるが、１次の減少関数に基づき徐々に減少する独立ピッチ角ゲイン１６（図５参照）との掛け合わせにより、徐々にゼロに絞り込まれていく（図６参照）。なお、図５ではゲイン生成部１４における第１設定時間を１０secとしている。
【００４７】
また、シャットダウン開始時には、各風車ブレードの翼ピッチ角は相対的にずれた関係にあるが、本実施形態のシャットダウン制御では、図７に示すように、シャットダウン開始時点から各風車ブレードの翼ピッチ角が基準ピッチ角指令値１５に一致するまでの期間（図７では１０sec間）においても、徐々に減少しつつも独立ピッチ角制御が継続される。これにより、シャットダウン開始後にも各翼のピッチ角の差が各翼に作用するロータ面外の荷重の差と対応することとなり、風車ロータの空力アンバランスを増加させることなく、従来と比較してより低減することができる。
【００４８】
以上説明したように、本実施形態の風力発電装置およびその翼ピッチ角制御方法では、各風車ブレードの翼ピッチ角に共通の基準ピッチ角指令値１５を生成する基準ピッチ角制御部１１と、各風車ブレードに固有の独立ピッチ角指令値を生成する独立ピッチ角生成部１３と、各独立ピッチ角指令値にそれぞれ独立ピッチ角ゲイン１６を掛けて第１翼ピッチ角指令値１７、第２翼ピッチ角指令値１８および第３翼ピッチ角指令値１９を生成する乗算器２１〜２３と、ゲイン生成部１４と、乗算器２１〜２３出力にそれぞれ基準ピッチ角指令値１５を加算して、各風車ブレードに固有のピッチアクチュエータ３１〜３３にそれぞれ供給する加算器２４〜２６と、を備え、シャットダウンを行う際、ゲイン生成部１４により該シャットダウン前の所定独立ピッチ角ゲインが第１設定時間後にゼロとなるよう独立ピッチ角ゲインを調整するようにしている。
【００４９】
このように、シャットダウンを行う際、独立ピッチ角ゲイン１６の調整により独立ピッチ角指令値（絶対値）を徐々に小さくする第１翼ピッチ角指令値１７、第２翼ピッチ角指令値１８および第３翼ピッチ角指令値１９を生成することによって各翼のピッチ角を一致させてフェザリングを行うが、シャットダウン開始後も独立ピッチ角制御が一定時間継続される。したがって、シャットダウン開始後の各翼のピッチ角の差は各翼に作用するロータ面外の荷重の差と対応しており、風車ロータの空力アンバランスを増加させることなく、従来と比較してより低減することができる。その結果として、風車の設計制約となる最大荷重をより低減し、装置の低重量化・低コスト化を図り得る風力発電装置およびその翼ピッチ角制御方法を実現することができる。
【００５０】
また、独立ピッチ角ゲイン１６がゼロになるまで間は荷重の変動が低減するため、風車の疲労荷重の低減効果がシャットダウン開始後も継続して得られ、風車の疲労寿命をより延長することができるという効果も奏する。
〔第１変形例〕
【００５１】
以上説明した実施形態においては、シャットダウンを行う際、ゲイン生成部１４によりシャットダウン前の所定独立ピッチ角ゲインが第１設定時間後にゼロとなるよう独立ピッチ角ゲイン１６を調整するようにし、シャットダウン開始と同時に独立ピッチ角ゲイン１６の減少も開始したが、シャットダウン前の所定独立ピッチ角ゲインをシャットダウン開始から第２設定時間（第２設定時間は第１設定時間よりも少ない。）までの間維持し、第２設定時間から第１設定時間までの間に独立ピッチ角ゲインが徐々に減少するよう調整してもよい。
【００５２】
図１６に、本変形例の独立ピッチ角ゲイン１６の時間的推移Ｇ１を例示する。図１６のＧ１では、第２設定時間Ｔ１を４ｓｅｃとし、第１設定時間を１２secとし、第２設定時間から第１設定時間までの間を１次の減少関数に基づき徐々に減少させる例を示している。
【００５３】
また、以上の説明では第１設定時間および第２設定時間Ｔ１を単に時間で設定することとしたが、これら第１設定時間および第２設定時間Ｔ１を、風力発電装置の発電出力、風車ロータの回転数または基準ピッチ角指令値に基づいて設定するようにしてもよい。
【００５４】
第２設定時間Ｔ１については、発電出力、風車ロータの回転数または基準ピッチ角指令値の閾値を予め設定しておき、発電出力、風車ロータの回転数または基準ピッチ角指令値１５が該閾値に達したときに、独立ピッチ角ゲインの減少を開始するようにしてもよい。
【００５５】
また、第１設定時間の設定は独立ピッチ角ゲイン１６の減少レートの設定と等価である。この第１設定時間については、発電出力、風車ロータの回転数または基準ピッチ角指令値に応じた第１設定時間の対応表を予め用意しておき、シャットダウン時の発電出力、風車ロータの回転数または基準ピッチ角指令値１５に応じて設定してもよい。
【００５６】
このように、独立ピッチ角ゲイン１６の減少開始タイミングや減少レートを、風力発電装置の発電出力、風車ロータの回転数または基準ピッチ角指令値に基づいて設定することにより、風況、運転状況、装置規模、或いは警報等の起因の種別等々、様々なシチュエーションにも柔軟に対応してシャットダウン制御を行うことができる。
〔第２変形例〕
【００５７】
また、以上説明した実施形態および第１変形例においては、シャットダウンを行う際、ゲイン生成部１４により独立ピッチ角ゲイン１６を１次の減少関数に基づき徐々に減少させたが、ｎ次の減少関数（例えば２次減少関数）またはそれらの組み合わせに基づき独立ピッチ角ゲインを調整するようにしてもよい。
【００５８】
図１７に、本変形例の独立ピッチ角ゲイン１６の時間的推移Ｇ２を例示する。図１７のＧ２では、独立ピッチ角ゲイン１６が１から０．５までの間を楕円関数に基づき、独立ピッチ角ゲインが０．５から０までの間を逆関数に基づき、徐々に減少させる例を示している。
【００５９】
このように、独立ピッチ角ゲイン１６の減少レートを時間推移に伴って可変設定可能とすることにより、風況、運転状況、装置規模、或いは警報等の起因の種別等々、様々なシチュエーションにも柔軟に対応してシャットダウン制御を行うことができる。
【００６０】
以上、本発明の実施形態およびその変形例について図面を参照して詳述したが、本発明はこれら実施形態およびその変形例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。例えば、風車ブレードの枚数は３枚に限られるものではなく、２枚または４枚以上であっても良い。
【符号の説明】
【００６１】
１，２，３  風車ブレード
４  タワー
１１  基準ピッチ角制御部（基準ピッチ角生成手段）
１２  独立ピッチ角制御部
１３  独立ピッチ角生成部（独立ピッチ角生成手段）
１４  ゲイン生成部（ゲイン生成手段）
２０  減算器
２１，２２，２３  乗算器（乗算手段）
２４，２５，２６  加算器（加算手段）
３１  第１翼ピッチアクチュエータ
３２  第２翼ピッチアクチュエータ
３３  第３翼ピッチアクチュエータ
【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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【手続補正書】
【提出日】平成24年7月30日(2012.7.30)
【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】請求項５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項５】
複数枚の風車ブレードの翼ピッチ角に共通の基準ピッチ角指令値を生成する基準ピッチ角生成ステップと、
各風車ブレードに固有の独立ピッチ角指令値を生成する独立ピッチ角生成ステップと、
前記独立ピッチ角生成ステップの各独立ピッチ角指令値にそれぞれゲインを掛ける乗算ステップと、
シャットダウンを行う際に、該シャットダウン前の所定ゲインが第１設定時間後にゼロとなるよう前記ゲインを調整するゲイン生成ステップと、
前記乗算ステップによる乗算結果にそれぞれ前記基準ピッチ角指令値を加算して、各風車ブレードに固有のピッチアクチュエータにそれぞれ供給する加算ステップと、
を有する風力発電装置の翼ピッチ角制御方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
本発明の第二態様は、複数枚の風車ブレードの翼ピッチ角に共通の基準ピッチ角指令値を生成する基準ピッチ角生成ステップと、各風車ブレードに固有の独立ピッチ角指令値を生成する独立ピッチ角生成ステップと、前記独立ピッチ角生成ステップの各独立ピッチ角指令値にそれぞれゲインを掛ける乗算ステップと、シャットダウンを行う際に、該シャットダウン前の所定ゲインが第１設定時間後にゼロとなるよう前記ゲインを調整するゲイン生成ステップと、前記乗算ステップによる乗算結果にそれぞれ前記基準ピッチ角指令値を加算して、各風車ブレードに固有のピッチアクチュエータにそれぞれ供給する加算ステップと、を備える風力発電装置の翼ピッチ角制御方法である。
【国際調査報告】
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