(57)【要約】  風力タービンの体系的ヨーミスアライメントを推定する方法を開示する。方法は、複数のヨー動作に対するナセルの回転度を示す、風力タービンからのヨーデータを受信するステップと、複数のヨー動作の各々の前後の、風力タービンのナセルと風向とのアライメントを示す、風力タービンからの性能データを受信するステップとを含む。ヨーデータおよび性能データは、風力タービンの通常動作中に記録され、ヨーデータおよび性能データは、風力タービンの体系的ヨーミスアライメントを推定するように、共に処理される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナセルおよびヨー制御システムを有する、風力タービンの体系的ヨーミスアライメントを推定する方法であって、
・複数のヨー動作に対する前記ナセルの回転度を示す、前記風力タービンからのヨーデータを受信するステップと、
・前記複数のヨー動作の各々の前後の、前記風力タービンの前記ナセルと風向とのアライメントを示す、前記風力タービンからの性能データを受信するステップと、を含む方法において、
前記ヨーデータおよび前記性能データは、前記風力タービンの通常動作中に記録され、前記ヨーデータおよび前記性能データは、前記風力タービンの前記体系的ヨーミスアライメントを推定するように、共に処理されることを特徴とする、方法。
【請求項２】
前記性能データは、次の
・発電機出力、
・前記風力タービンのブレードの回転速度、および／または
・前記風力タービンの前記ブレードのピッチ角
のうちの一つ以上を示すデータを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ヨーデータおよび前記性能データは、少なくとも１２時間、少なくとも２４時間、４８時間、１週間、２週間、１か月、３か月、６か月または１２か月の測定期間記録される、請求項１または２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４】
前記性能データは、前記複数のヨー動作の各々に対して、ヨー動作前後の間の前記性能データの変化を判定するように処理される、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記性能データの変化は、ヨー動作前の前記性能データの一つ以上の値を、前記ヨー動作後の前記性能データの一つ以上の値と比較することによって判定され、前記ヨー動作後の前記性能データの前記一つ以上の値は、前記ヨー動作後の所定の期間内に選択される、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記所定の期間は、前記ヨー動作後０秒から１時間の間、０秒から１０分の間、０秒から５分の間、１秒から１分の間、３秒から４５秒の間または６秒から３０秒の間である、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
複数のデータ点が、各ヨー動作に対して一つ作り出され、各データ点は、前記回転度、前記回転方向、および前記ヨー動作前後の間の前記性能データの変化を指定し、前記複数のデータ点は、前記体系的ヨーミスアライメントを推定するように処理される、請求項４または５に記載の方法。
【請求項８】
前記複数のデータ点は、信頼できないと確信されるデータ点を除去するように構成される、第１フィルタリング機能を使用してフィルタリングされ、その後、前記データ点の残りを、前記体系的ヨーミスアライメントを推定するように処理する、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記それぞれのヨー動作の後に、所定の長さのヨーが発生しない期間が続くかを、各データ点に対して判定し、前記第１フィルタリング機能によって、前記それぞれのヨー動作の後に、前記所定の長さのヨーが発生しない期間が続かない、前記データ点を除去する、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１フィルタリング機能によって、所定の上限を上回る、前記ヨー動作後の性能データ値を有するデータ点を除去する、請求項８または９に記載の方法。
【請求項１１】
前記方法はさらに、
・前記複数のヨー動作の各々に対する、前記風力タービンの周囲気象条件および／または前記動作状態を示す、補助データを受信するステップを含み、
前記複数のデータ点の各々は、前記補助データを使用して事前に処理される、請求項７から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記複数のデータ点は、複数のビンの中にビニングされ、各ビンは、角度の所定の間隔内で回転度を指定するデータ点を包含し、各ビンは、第２フィルタリング機能でフィルタリングされる、請求項７から１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記複数のデータ点は、一つ以上の曲線を前記複数のデータ点に適合させ、前記一つ以上の曲線の特性を計算することによって、前記体系的ヨーミスアライメントを推定するように処理される、請求項７から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記複数のヨー動作の各ヨー動作に対して、前記ヨー制御システムは、第一に、前記絶対的または相対的な風向を推定し、第二に、前記ナセルが前記推定された風向と向かい合うように、前記風力タービンの前記ナセルを回転させるように構成される、請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記ヨーデータおよび前記性能データは、測定期間に対して記録され、前記ヨー制御システムは、前記測定期間中にエネルギー生産を最大化するよう試みるように構成される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
ヨー制御システムを有する風力タービンを取り付ける方法であって、
・前記風力タービンの異なる部品を組み立てるステップと、
・前記風力タービンの動作を開始するステップと、
・請求項１から１５のいずれか一項に記載の方法を使用して、前記風力タービンの前記体系的ヨーミスアライメントを推定するステップと、
・前記ヨー制御システムを補正するように、前記推定される体系的ヨーミスアライメントを使用するステップと、
を含む、方法。
【請求項１７】
風力タービンのヨー制御システムを較正する方法であって、
・請求項１から１５のいずれか一項に記載の方法を使用して、前記風力タービンの前記体系的ヨーミスアライメントを推定するステップと、
・前記ヨー制御システムを較正するように、前記推定される体系的ヨーミスアライメントを使用するステップと、
を含む、方法。
【請求項１８】
風力タービンの欠陥のあるヨー制御システムを特定して、前記欠陥のあるヨー制御システムを補正する方法であって、
・請求項１から１５のいずれか一項に記載の方法を使用して、前記風力タービンの前記体系的ヨーミスアライメントを推定するステップと、
・前記推定される体系的ヨーミスアライメントが、ある特定の閾値を上回る場合、前記ヨー制御システムを補正するステップと、
を含む、方法。
【請求項１９】
風力タービンと、動作可能なように前記風力タービンへ接続される処理部と、を備え、前記処理部は、請求項１から１５のいずれか一項に記載の方法を使用して、前記風力タービンの前記体系的ヨーミスアライメントを推定するように構成される、システム。
【請求項２０】
プログラムコード手段を、データ処理システム上で実行するとき、前記データ処理システムに、請求項１から１５のいずれか一項に記載の方法の前記ステップを実施させるように適応する、前記プログラムコード手段を備える、コンピュータプログラム製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力タービンの体系的ヨーミスアライメントを推定する方法、風力タービンを取り付ける方法、風力タービンのヨー制御システムを較正する方法、および風力タービンの欠陥のあるヨー制御システムを特定して、欠陥のあるヨー制御システムを補正する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力タービンは、風向と直接向かい合うときが最も効率的である。最近の大部分の風力タービンでは、風力タービンを風向と整合させるヨー制御システムを使用する。ヨー制御システムは通常、風力タービンのナセルの向きと風向との差として定義される、相対的な風向を測定／推定するように構成される、一つ以上の風向センサを備える。相対的な風向が、所定の閾値を上回る／下回ると、ヨー制御システムは、ナセルが測定／推定される風向と向かい合うように、風力タービンのナセルの向きを変える。
【０００３】
しかしながら、相対的な風向を正確に測定／推定するのは、難しい作業である。一つ以上の風向センサが、通常、測定値を歪める場合があるロータブレードの後ろに配置されるため、作業はさらにより難しくなる。
【０００４】
米国特許第２００７１８３８８５号は、風力タービンの動作を最適化する方法を開示する。方法は、（ａ）風力タービンの少なくとも一つの制御パラメータを、所定の開始値に調整するステップと、（ｂ）風力タービンの少なくとも一つの応答変数、および風力タービンの周囲条件を示す、少なくとも一つのさらなる変数を測定するステップと、（ｃ）ステップ（ｂ）をＮ回繰り返すステップであって、Ｎは所定の整数であり、少なくとも一つの制御パラメータが、各繰り返しで異なる、ステップと、（ｄ）少なくとも一つの応答変数に対する少なくとも一つの制御パラメータと、周囲条件を示す少なくとも一つのさらなる変数との間の測定した関係を判定するステップと、（ｅ）測定した関係から、応答変数に対する少なくとも一つの制御パラメータの最適値を判定するステップと、（ｆ）少なくとも一つの制御パラメータの設定点を、最適値に調整するステップとを含む。
【０００５】
しかしながら、上で言及した方法には、風力タービンが、生産性を低減する、特別な較正モードに入らなくてはならないという問題がある。さらに、限定された量のデータのみが利用可能であるため、方法の精度が限定される。
【０００６】
それゆえ、体系的ヨーミスアライメントを推定する、単純でより正確な方法を提供することが、問題として残っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第２００７１８３８８５号
【発明の概要】
【０００８】
第１態様によると、本発明は、ナセルおよびヨー制御システムを有する、風力タービンの体系的ヨーミスアライメントを推定する方法に関し、方法は、
・複数のヨー動作に対するナセルの回転度を示す、風力タービンからのヨーデータを受信するステップと、
・複数のヨー動作の各々の前後の、風力タービンのナセルと風向とのアライメントを示す、風力タービンからの性能データを受信するステップと、を含み、
ヨーデータおよび性能データは、風力タービンの通常動作中に記録され、ヨーデータおよび性能データは、風力タービンの体系的ヨーミスアライメントを推定するように、共に処理される。
【０００９】
その結果として、風力タービンの通常動作中に記録されるデータを使用して、風力タービンの体系的ヨーミスアライメントを推定することによって、大量のデータが利用可能になり、それによって、方法の精度を向上させる。これによってさらに、方法において、特定の気象条件下など、特別な状況でのみ発生する効果を考慮することが可能になる。通常動作中に記録されるデータの使用により、さらに、風力タービンが動作する間に、風力タービンの性能を低減する複雑な較正手順を使用することなく、ヨーミスアライメントの検出が可能になる。
【００１０】
ヨーデータは、複数のヨー動作に対してナセルの回転度を指定してもよい。ヨーデータは、好ましくは、ある特定期間内の全ヨー動作に対して、回転度を指定してもよい。ヨーデータは、好ましくはさらに、複数のヨー動作に対して回転方向を指定してもよい。ヨーデータはさらに、例えば、複数のヨー動作の各々に関する日付、時間、分、秒といった、各ヨー動作の時間を指定してもよい。ヨーデータは、風力タービンのヨー制御システムにより生成されてもよい。ヨー制御システムは、メモリ部にヨーデータを保存してもよい。風力タービンは、水平軸風力タービンであってもよい。風力タービンは、主要風向センサおよびバックアップ風向センサを備えてもよく、ヨーデータはさらに、どの男性がある特定のヨー動作に使用されたかを指定する。性能データは、風力から電力へ運動エネルギーを転移させるように、風力タービンの潜在能力を示してもよい。性能データは、ナセルと風向とのアライメントを示すパラメータの値を指定してもよく、パラメータの値は周期的に採取される。性能データはさらに、例えば、各値に関する日付、時間、分、秒など、いつ各値を採取するかを直接または間接的に指定してもよい。
【００１１】
ヨーデータおよび性能データは、処理部で受信されてもよく、処理部は、体系的ヨーミスアライメントを推定するように、ヨーデータおよび性能データを共に処理する。処理部は、風力タービンの中に、または風力タービンから離れて配置されてもよい。
【００１２】
一部の実施形態では、性能データは、次の
・発電機出力、
・風力タービンのブレードの回転速度、および／または
・風力タービンのブレードのピッチ角
のうちの一つ以上を示すデータを含む。
【００１３】
その結果として、標準データを使用することによって、方法は、既存および将来の風力タービン両方に使用されてもよい。
【００１４】
発電機出力は、風力タービンのナセルと風向とのアライメントに関する有効な尺度であり、すなわち、発電機出力は、ナセルが風向と整合するときより、ナセルが風向と整合しないときにより低くなる。発電機出力は、固定採取頻度で周期的に採取されてもよい。固定採取頻度の逆数（採取期間）は、好ましくは、二つのヨー動作間の平均時間より実質的に低くてもよく、一つ以上のサンプルが、ヨー動作前の発電機出力を判定するように使用されてもよく、一つ以上のサンプルが、ヨー動作後の発電機出力を判定するように使用されてもよい。発電機出力および風力タービンのブレードの回転速度の二つは、通常密接に相関するため、発電機出力を使用する代替として、風力タービンのブレードの回転速度を使用してもよい。
【００１５】
しかしながら、発電機出力またはロータブレードの回転速度の使用は、風力タービンが、定格電力を下回って動作しているときのみ機能するであろう。定格電力に到達すると、風力タービンは通常、ピッチ制御システムを使用して、風力タービンブレードのピッチを変更して、風力タービンブレードの負荷を低減する。しかしながら、これによって、高風速条件下において、ピッチ角をナセルと風向とのアライメントの尺度として使用することが可能になり、すなわち、ナセルが風向と整合しないとき、ピッチ角は、ナセルが風向と整合するときよりも、最大電力点に近くなる。
【００１６】
一部の実施形態では、ヨーデータおよび性能データは、少なくとも２４時間、４８時間、１週間、２週間、１か月、３か月、６か月または１２か月の測定期間記録される。
【００１７】
その結果として、体系的ヨーミスアライメントのより正確な推定を取得することができる。長い測定期間によって、不十分な信号対雑音比（ＳＮＲ）を有したデータを使用することが可能になり、特別な気象条件など、ヨー制御システムの性能に影響する場合がある外部要因から、少なくとも適正に独立して推定を行うことが可能になる。
【００１８】
風力タービンのヨー制御システムは、風力タービンのナセルを、測定期間に検出した風向と、最適に整合させるように構成されてもよく、すなわち、各ヨー動作に対して、ヨー制御システムは、第一に風向を推定し、第二に、ナセルが推定された風向と向かい合うように、風力タービンのナセルを回転させるように構成されてもよい。
【００１９】
一部の実施形態では、複数のヨー動作の各ヨー動作に対して、ヨー制御システムは、第一に、絶対的または相対的な風向を推定し、第二に、ナセルが推定された風向と向かい合うように、風力タービンのナセルを回転させるように構成される。
【００２０】
相対的な風向は、風力タービンのナセルの向きと、風向との差として定義される。相対的な風向は、異なる精度で判定されてもよく、例えば、相対的な風向により、オフセットの度合いを指定してもよく、または単純に、風が風力タービンのナセルの右側または左側のどちらから来ているかを指定してもよい。
【００２１】
一部の実施形態では、ヨーデータおよび性能データは、測定期間記録され、ヨー制御システムは、測定期間中にエネルギー生産を最大化するよう試みるように構成される。
【００２２】
ヨー制御システムは、好ましくは、風力タービンの不必要な摩耗をもたらすことなく、エネルギー生産の最大化を試みるように構成され、例えば、ヨー制御システムは、風力タービンの可動部品の一部をすり減らさないために、ヨー動作の回数を制限するよう試みてもよい。
【００２３】
一部の実施形態では、風力タービンは、通常動作中、設計パラメータ内で動作している。
【００２４】
一部の実施形態では、性能データは、複数のヨー動作の各々に対して、ヨー動作前後の性能データの変化を判定するように処理される。
【００２５】
その結果として、複数のヨー動作の各々の間の、風力タービンの性能への影響が推定されてもよい。
【００２６】
ヨー動作前後の性能データの変化は、正規化されてもよく、例えば、性能データが発電機出力である場合、電力の変化は、方程式１に示す通り、ヨー運動後の電力との差で分割することによって正規化されてもよい。
【００２７】
【数１】
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【００２８】
これによって、より広い範囲の風速から、データを使用することが可能になるであろう。
【００２９】
一部の実施形態では、性能データの変化は、ヨー動作前の性能データの一つ以上の値を、ヨー動作後の性能データの一つ以上の値と比較することによって判定され、ヨー動作後の性能データの一つ以上の値は、ヨー動作後の所定の期間内に選択される。
【００３０】
その結果として、ヨー動作の後、定常状態に到達したことが保証されてもよい。
【００３１】
一部の実施形態では、所定の期間は、０秒から１時間の間、０秒から１０分の間、０秒から５分の間、１秒から１分の間、３秒から４５秒の間または６秒から３０秒の間である。
【００３２】
一部の実施形態では、複数のデータ点が、各ヨー動作に対して一つ作り出され、各データ点は、回転度、回転方向、およびヨー動作前後の性能データの変化を指定し、複数のデータ点は、体系的ヨーミスアライメントを推定するように処理される。
【００３３】
その結果として、利用可能なデータを使用する効果的な手段が提供される。
【００３４】
一部の実施形態では、複数のデータ点は、信頼できないと確信されるデータ点を除去するように構成される、第１フィルタリング機能を使用してフィルタリングされ、その後、データ点の残りを、体系的ヨーミスアライメントを推定するように処理する。
【００３５】
その結果として、方法の精度を向上することができる。
【００３６】
一部の実施形態では、それぞれのヨー動作の後に、所定の長さのヨーが発生しない期間が続くかを、各データ点に対して判定し、第１フィルタリング機能によって、それぞれのヨー動作の後に、所定の長さのヨーが発生しない期間が来ない、データ点を除去する。
【００３７】
ヨー動作の後、短期間で別のヨー動作が続く場合、性能データの変化の検出は、正しくない場合がある。それゆえ、それらのデータ点をフィルタリングして取り除くことによって、方法の全体精度を向上することができる。
【００３８】
ヨーが発生しない期間は、少なくとも５秒、１０秒、３０秒または４５秒であってもよい。
【００３９】
一部の実施形態では、第１フィルタリング機能によって、所定の下限を下回る、ヨー動作後の性能データ値を有するデータ点を除去する。
【００４０】
性能データ値が「低い」ときは、風速が低いことを意味する。非常に低い風速下において、ヨー制御システムは、適切に機能しない場合があり、そのため、結果生じるデータには雑音が多くなるであろう。それゆえ、それらのデータ点を除去することによって、方法の全体精度を向上することができる。
【００４１】
一部の実施形態では、第１フィルタリング機能によって、所定の上限を上回る、ヨー動作後の性能データ値を有するデータ点を除去する。
【００４２】
性能データ値が「高い」ときは、風速が高いことを意味する。性能データが発電機出力を示すデータを含み、風力タービンが定格電力付近で動作するとき、ヨー動作の影響が適切に推定されない場合がある。
【００４３】
一部の実施形態では、方法はさらに次の
・複数のヨー動作の各々に対する、風力タービンの周囲気象条件および／または動作状態を示す、補助データを受信するステップ
を含み、複数のデータ点の各々は、補助データを使用して事前に処理される。
【００４４】
周囲気象条件の例は、ウインドシア、風の方向転換、周囲の乱気流および／または風速である。風力タービンの動作状態の例は、複数のヨー動作の各々に使用される特定の風向センサ、すなわち、主要風向センサまたはバックアップセンサであってもよい。
【００４５】
一部の実施形態では、補助データは、複数のヨー動作の各々に対して推定される風速を示す。
【００４６】
風速は、風力タービン上に配置される風速センサによって推定されてもよく、または発電機出力から推論されてもよい。
【００４７】
一部の実施形態では、前処理には、補助データに基づくデータ点の位置の調整、および／または補助データに基づきデータ点を除去するかの判定を含む。
【００４８】
その結果として、方法は、周囲気象条件、または風力タービンの動作状態がデータ点上に有してもよい、既知の影響を考慮してもよい。例として、体系的ヨーミスアライメントは
風速に依存してもよい。それゆえ、体系的ヨーミスアライメントと風速との間の依存性の推定が既知の場合、データ点は、それを考慮するように調整されてもよい。代替として、推定された風速が事前に判定された間隔内でないときに、それぞれのヨー動作が発生した場合、すべてのデータ点を除去してもよい。
【００４９】
一部の実施形態では、複数のデータ点は、複数のビンの中にビニングされ、各ビンは、角度の所定の間隔内で回転度を指定するデータ点を包含し、各ビンは、第２フィルタリング機能でフィルタリングされる。
【００５０】
その結果として、外れ値が効果的に特定されて除去されてもよく、方法の精度を向上することができる。
【００５１】
第２フィルタリング機能はメディアンフィルタであってもよい。メディアンフィルタは単純に、各ビンの中央値を出力してもよく、いくつかの値が各ビンの中央値に最も近いか、またはいくつかの値の平均が、各ビンの中央値に最も近くなる。
【００５２】
一部の実施形態では、複数のデータ点は、一つ以上の曲線を複数のデータ点のうちの少なくともいくつかに適合させ、一つ以上の曲線の特性を計算することによって、体系的ヨーミスアライメントを推定するように処理される。
【００５３】
一つ以上の曲線の特性は、一つ以上の曲線の最大値（ｘ座標）の場所、または最大値の場所に関係する特性であってもよい。
【００５４】
一部の実施形態では、特性は、曲線の最大値の場所、または曲線の傾きである。
【００５５】
第２態様によると、本発明は、ヨー制御システムを有する、風力タービンを取り付ける方法に関し、方法は、
・風力タービンの異なる部品を組み立てるステップと、
・風力タービンの動作を開始するステップと、
・発明の第１態様に関連して説明した通りの方法を使用して、風力タービンの体系的ヨーミスアライメントを推定するステップと、
・ヨー制御システムを補正するように、推定される体系的ヨーミスアライメントを使用するステップと、
を含む。
【００５６】
一部の実施形態では、風力タービンは、体系的ヨーミスアライメントを推定する前に、少なくとも３か月、６か月、１年、２年、５年または１０年の期間動作している。
【００５７】
第３態様によると、本発明は、風力タービンのヨー制御システムを較正する方法に関し、
・発明の第１態様に関連して開示した通りの方法を使用して、風力タービンの体系的ヨーミスアライメントを推定するステップと、
・ヨー制御システムを較正するように、推定される体系的ヨーミスアライメントを使用するステップと、
を含む。
【００５８】
第４態様によると、本発明は、風力タービンの欠陥のあるヨー制御システムを特定して、欠陥のあるヨー制御システムを補正する方法に関し、
・発明の第１態様に関連して開示した通りの方法を使用して、風力タービンの体系的ヨーミスアライメントを推定するステップと、
推定される体系的ヨーミスアライメントが、ある特定の閾値を上回る場合、ヨー制御システムを補正するステップと、
を含む。
【００５９】
第５態様によると、本発明は、風力タービンと、動作可能なように風力タービンへ接続される処理部とを備えるシステムに関し、処理部は、発明の第１態様に関連して開示した通りの方法を使用して、風力タービンの体系的ヨーミスアライメントを推定するように構成される。
【００６０】
第６態様によると、本発明は、プログラムコード手段を、データ処理システム上で実行するとき、データ処理システムに、発明の第１態様に関連して開示した方法のステップを実施させるように適応する、プログラムコード手段を含む、コンピュータプログラム製品に関する。
【００６１】
一部の実施形態では、コンピュータプログラム製品は、プログラムコード手段を記憶する、非一時的なコンピュータ可読媒体を備える。
【００６２】
本発明の様々な態様は、上および下に記述する、風力タービンの体系的ヨーミスアライメントを推定する方法、風力タービンを取り付ける方法、風力タービンのヨー制御システムを較正する方法、風力タービンの欠陥のあるヨー制御システムを特定して、欠陥のあるヨー制御システムを補正する方法を含む様々な手段で実装することができ、各々、上に記述する態様のうちの少なくとも一つと関連して記述する、利益および利点の一つ以上を得て、各々、上に記述および／または従属請求の範囲に開示する、態様のうちの少なくとも一つと関連して記述する、好ましい実施形態に対応する、一つ以上の好ましい実施形態を有する。さらに、本明細書に記述する態様のうちの一つと関連して記述する実施形態は、他の態様に等しく適用されてもよいことは理解されるであろう。
【００６３】
本発明の上記および／または追加の対象、特徴ならびに利点は、添付の図面を参照のうえ、本発明の実施形態についての以下の説明のための非制限的な発明を実施するための形態により、さらに解明されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】図１は、本発明の実施形態による、風力タービンの概略図を示す。
【図２】図２は、ヨー制御システムの原理を説明する。
【図３】図３は、本発明の実施形態による、方法の流れ図を示す。
【図４】図４は、本発明の実施形態による、方法の流れ図を示す。
【図５】図５は、本発明の実施形態による、方法の流れ図を示す。
【図６】図６は、ヨー動作および発電機出力への影響を図示するグラフである。
【図７】図７は、ヨー動作および発電機出力への影響を図示するグラフである。
【図８】図８は、ヨー動作を図示するグラフである。
【図９】図９は、ヨー動作および発電機出力への影響を図示するグラフである。
【図１０ａ】図１０は、本発明の実施形態により、複数のデータ点をどのように処理することができるかを図示する。
【図１０ｂ】同上。
【図１０ｃ】同上。
【図１１】図１１は、体系的ヨーミスアライメントが、風力タービンの動作状態および／または周囲気象条件に依存してもよいことを図示する。
【発明を実施するための形態】
【００６５】
以下の記述において、図によって発明をどのように実践することができるかを示す、添付の図が参照される。
【００６６】
図１は、本発明の実施形態による、風力タービン１００の概略図を示す。風力タービン１００は、水平軸風力タービンである。風力タービンは、タワー１０３、ナセル１０２、および三つのロータブレード１０１に接続するロータハブ１１２を備える。ロータブレード／ロータハブアセンブリは、発電機１０４を駆動するシャフト１１３に接続する。発電機は、電気的接続１１０によってグリッドへ提供される、電気エネルギーを生成する（１０４）。発電機１０４は、発電機出力を測定する、制御部１０８に接続する。制御部１０８はメモリ部１０９に接続し、いずれか所与の時間に対する発電機出力を表すデータは、メモリ部に記憶されてもよく、例えば、制御部１０８は、ある特定の採取頻度で発電機出力を測定し、測定した発電機の電力および測定の時間を包含する、データパッケージを生成し、メモリ部１０９に生成したデータパッケージを記憶するように構成されてもよい。風力タービン１００はさらに、ヨー制御システム１０５、１０６、１０７を備える。ヨー制御システムは、風向センサ１０５と、ヨー制御部１０６と、風力タービン１００の中心軸１１１の周りでナセル１０２を回転させる、アクチュエータ１０７とを備える。ヨー制御部１０６は、相対的な風向が、所定の閾値を上回る／下回ると判断すると、ナセルが推定される風向と向かい合うように、風力タービンのナセルを回転させるよう、アクチュエータ１０７を制御する。ヨー制御部１０６は、ヨーデータを記憶するように構成される、メモリ部１０９に接続する。ヨーデータは、複数のヨー動作に対してナセルの回転度を指定してもよい。ヨーデータは、好ましくは、ある特定期間内の全ヨー動作に対して、回転度を指定してもよい。ヨーデータは、好ましくはさらに、複数のヨー動作に対して回転方向を指定してもよい。ヨーデータはさらに、例えば、複数のヨー動作の各々に関する日付、時間、分、秒といった、各ヨー動作の時間を指定してもよい。
【００６７】
図２は、ヨー制御システムの原理を図示する。風力タービンのナセル２０２の上面図が示されている。矢印２９０は風向を図示する。
【００６８】
図２ａはヨー動作直前のナセル２０２を示し、図２ｂはヨー動作後のナセル２０２を示す。
【００６９】
図３は、本発明の実施形態により、ナセルおよびヨー制御システムを有する、風力タービンの体系的ヨーミスアライメントを推定する、方法の流れ図を示す。方法３０１の第１ステップでは、複数のヨー動作に対するナセルの回転度を示すヨーデータが、風力タービンから受信される。次にステップ３０２では、複数のヨー動作の各々の前後の、風力タービンのナセルと風向とのアライメントを示す、性能データが受信される。ヨーデータおよび性能データの両方は、風力タービンの通常動作中、すなわち、ヨー制御システムが動作モードにあり、風力タービンのナセルを、風向と最適に整合させるように試みる間に記録される。最後にステップ３０３で、ヨーデータおよび性能データは、風力タービンの体系的ヨーミスアライメントを推定するように、共に処理される。
【００７０】
図４は、本発明の実施形態により、ナセルおよびヨー制御システムを有する、風力タービンの体系的ヨーミスアライメントを推定する方法の流れ図を示す。方法４０１の第１ステップでは、複数のヨー動作に対するナセルの回転度を示すヨーデータが、風力タービンから受信される。次にステップ４０２では、複数のヨー動作の各々の前後の、風力タービンのナセルと風向とのアライメントを示す、性能データが受信される。ヨーデータおよび性能データの両方は、風力タービンの通常動作中、すなわち、ヨー制御システムが動作モードにあり、風力タービンのナセルを、風向と最適に整合させるように試みる間に記録される。その後、ステップ４０３では、複数のデータ点が、（複数のヨー動作の）各ヨー動作に対して一つ作り出され、各データ点は、回転度、回転方向、およびヨー動作前後の性能データの変化を指定する。次にステップ４０４では、複数のデータ点が、信頼できないと確信されるデータ点を除去するように構成される、第１フィルタリング機能を使用してフィルタリングされる。第１フィルタリング機能によって、例えば、図８に図示する通り、それぞれのヨー動作の後に、所定の長さのヨーが発生しない期間が来ない、データ点を除去してもよい。第１フィルタリング機能によってさらに、例えば、図９に図示する通り、所定の上限を上回る、ヨー動作後の性能データ値を有するデータ点を除去してもよい。最後にステップ４０５で、複数のデータ点は、体系的ヨーミスアライメントを推定するように処理される。図５は、発明の実施形態により、複数のデータ点を処理する方法の流れ図を示す。第１ステップ５０１では、複数のデータ点は、複数のビンの中にビニングされ、各ビンは、角度の所定の間隔内で回転度を指定するデータ点を包含する。次にステップ５０２で、各ビンは、第２フィルタリング機能でフィルタリングされる。第２フィルタリング機能は、本実施形態では、各ビンの中央値を出力する、メディアンフィルタであり、各ビンのデータ点は、単一のデータ点に減らされる。最後にステップ５０３で、複数のデータ点は、一つ以上の曲線を複数のデータ点に適合させ、一つ以上の曲線の特性を計算することによって、体系的ヨーミスアライメントを推定するように処理される。一つ以上の曲線の特性は、一つ以上の曲線の最大値（ｘ座標）の場所、または最大値の場所に関する特性であってもよい。
【００７１】
一部の実施形態では、曲線をテイラー級数に展開でき、二次以上の導関数を伴う項を破棄した後、ビンの中央値により与えられる曲線は、ある二次曲線により描かれると仮定される。
【００７２】
【数２】
2019515192.tif 000004
【００７３】
式中、ΔＰｉは、ｉ番目のビンに対するヨー動作前後の性能データの変化であり、Δヨーｉは、ｉ番目のビンに対する回転度である。図１０は、ある特定のデータセットに対する、複数のビニングされたデータ点のプロットを示す。図１０ａは、第２フィルタリング機能によるフィルタリング前の薄い灰色の点として、ビンの全データ点を示す。いくつかのデータ点は、互いの上部に配置される（これは図には見られない）ことに留意すべきである。濃い点は各ビンの中央値である（第２フィルタリング機能の出力）。濃い点は曲線を形成するように接続される。ある二次曲線により与えられると仮定されるのが、この曲線である。図１０ｂは中央値のみを示す。
【００７４】
方程式（２）のｂは、以下の式により与えられると示され得る。
【００７５】
【数３】
2019515192.tif 000005
【００７６】
それゆえ、原点から
【００７７】
【数４】
2019515192.tif 000006
【００７８】
等しく離れて置かれる、ビニングされた値の各対に対して、以下の式により、原点での傾きｂの独立した推定値を手に入れる。
【００７９】
【数５】
2019515192.tif 000007
【００８０】
それゆえ、図１０に示すデータセットに対して、中央値１および１’が、原点での傾きを推定するように使用され、中央値２および２’が、原点の汚水を推定するように使用され、中央値３および３’が、原点の傾きを推定するように使用されるなどが行われる。これにより、原点の汚水の独立した九つの推定値がもたらされる。このように、九つの曲線（一次多項式）を複数のデータ点に適合させ、各曲線の傾きを見つける。
【００８１】
各ビンの中央値ΔＰｉの分散が、１／ｎｉに従いビンｎｉの観測値の数で変わると仮定される場合、計算された各傾きの分散は、以下により与えられる。
【００８２】
【数６】
2019515192.tif 000008
【００８３】
原点での傾きの最尤推定値が、その後、加重平均により与えられる。
【００８４】
【数７】
2019515192.tif 000009
【００８５】
式中、以下を導入した。
【００８６】
【数８】
2019515192.tif 000010
【００８７】
【数９】
2019515192.tif 000011
【００８８】
の分散はここで、以下により推定され得る。
【００８９】
【数１０】
2019515192.tif 000012
【００９０】
ヨーミスアライメントの関数としての性能損失が、少なくとも小さいヨー角に対して、１−ｃｏｓ３（ヨー）により与えられると仮定される。傾きを計算するときの二次仮定と一致するように、性能対ヨーミスアライメントが以下により与えられると、より正確に仮定するであろう。
【００９１】
【数１１】
2019515192.tif 000013
【００９２】
式中、
【００９３】
【数１２】
2019515192.tif 000014
【００９４】
は、原点におけるｃｏｓ３（Δヨー）の二次導関数である。
【００９５】
その後、体系的ヨーミスアライメント角が、
【００９６】
【数１３】
2019515192.tif 000015
【００９７】
により、すなわち、単純に推定される傾きに定数−１０９４を乗じることにより、測定した傾きより導出される。体系的ヨーミスアライメントに対する異符号の慣例で、推定値は単純に異符号を有するであろう。
【００９８】
ヨーミスアライメントの関数としての性能損失は、もちろん、異なる関数に従うと仮定されてもよく、僅かに異なる結果が導出されてもよい。
【００９９】
図１０ｃは、本発明の実施形態により、体系的ヨーミスアライメントを推定するように、複数のデータ点を処理する代替の方法を示す。本実施形態では、単一の関数３０をビンの全中央値に適合させ、本実施例の最大値の場所が約＋１．５度であると発見することによって、体系的ヨーミスアライメントの推定値を見つける。
【０１００】
図６は、ヨー動作６０４および発電機出力への影響を図示する、二つのグラフを示す。上のグラフは、時間の関数としてヨー角を示し、軸６０１はヨー角を表し、軸６０２は時間を表す。下のグラフは、時間の関数として結果生じる発電機出力を示し、軸６１１は発電機出力を表し、軸６１２は時間を表す。ヨー動作６０４の直前に、風力タービンのナセルが風向と整合しなくなり、発電機出力６１３が「低く」なるであろう。ヨー動作６０４の後、風力タービンのナセルが風向と（ほぼ）整合し、そのため発電機出力６１４が増大するであろう。しかしながら、風力タービンのナセルは、体系的ヨーミスアライメントの結果として、ヨー動作の後、未だ風向と僅かに整合していない。ヨー動作の充分な影響が観測され得るまでに、ヨー動作後の期間６１５がかかることが、下のグラフで見られ得る。それゆえ、ヨー動作前の性能データの一つ以上の値を、ヨー動作後の所定の期間６１５内に選択された、ヨー動作後の性能データの一つ以上の値と比較することによって、性能データの変化のより正確な推定値が見つかってもよい。
【０１０１】
図７は、ヨー動作７０４および発電機出力への影響を図示する、二つのグラフを示す。上のグラフは、時間の関数としてヨー角を示し、軸７０１はヨー角を表し、軸７０２は時間を表す。下のグラフは、時間の関数として結果生じる発電機出力を示し、軸７１１は発電機出力を表し、軸７１２は時間を表す。ヨー動作７０４の直前に、風力タービンのナセルが風向と整合しなくなり、発電機出力６１３が「低く」なるであろう。ヨー動作７０４の後、風力タービンのナセルが風向と（ほぼ）整合し、そのため発電機出力７１４が増大するであろう。本実施例では、ヨー動作７０４は、図６のヨー動作６０４と同じ大きさであるが、しかしながら、反対の方向である。体系的ヨーミスアライメントが存在しない場合、ヨー動作の発電機出力への影響は、図６および図７のおいて同一になるであろうが、しかしながら、図７の影響に見ることができる通り、体系的ヨーミスアライメントの結果として僅かに少ない。
【０１０２】
図８は、ヨー動作を図示するグラフを示す。軸８０１はヨー角を表し、軸８０２は時間を表す。本実施例では、第１ヨー動作８０４の後、短期間８８０内に第２ヨー動作が続く。一部の実施形態では、二つのヨー動作８０４、８７０に起因するデータ点は、第１フィルタリング機能によって除去されるであろう。
【０１０３】
図９は、ヨー動作９０４および発電機出力への影響を図示する、二つのグラフを示す。上のグラフは、時間の関数としてヨー角を示し、軸９０１はヨー角を表し、軸６０２は時間を表す。下のグラフは、結果生じる発電機出力を示し、軸９１１は発電機出力を表し、軸９１２は時間を表す。ヨー動作９０４の直前に、風力タービンのナセルが風向と整合しなくなり、発電機出力が「低く」なるであろう。ヨー動作９０４の後、風力タービンのナセルが風向と（ほぼ）整合し、そのため発電機出力が増大するであろう。しかしながら、本実施例では、風力タービンは、ヨー動作９０４の後、定格電力で動作しており、出力の変化はもはや、風力タービンのナセルと風向とのアライメントの信頼できる尺度ではなく、そのため結果生じるデータ点は、フィルタリングして取り除かれてもよい。
【０１０４】
体系的ヨーミスアライメント角は、例えば、ヨーミスアライメント角が、風力タービンにより抽出される、風の中で利用可能な電力の割合に依存するように、風力タービンの動作状態に依存してもよい。さらに、一部の風力タービンコントローラは、風力タービンの内部風速測定値に基づき、風力タービンの内部風向測定値に補正を加え、この補正が、体系的ヨーミスアライメントに影響を与えてもよい。加えて、体系的ヨーミスアライメント角は、ウインドシア、風の方向転換、周囲の乱気流および／または風速など、外部条件に依存してもよい。図１１は、前向きのナセルを載置したライダーにより測定される、相対的な風向対風速を示す。体系的ヨーミスアライメントに密接に関係する、平均の相対的風向は、本実施例では、タービンの動作状態および／または周囲条件で変わるように示される。これらなどの理由により、一部の実施形態では、ビニングに先立って、風力タービンの動作状態または周囲条件に基づいて、データ点を調整および／またはフィルタリングすることが有益であってもよい。
【０１０５】
一部の実施形態を詳細に記述し示してきたものの、発明はそれらに限定されず、続く特許請求の範囲に定義する主題の範囲内で、他の手段で具体化されてもよい。特に、他の実施形態が利用されてもよく、本発明の範囲から逸脱することなく、構造および機能的な変形が行われてもよいことは、理解されるべきである。
【０１０６】
いくつかの手段を列挙する装置に関する請求項では、これらの手段のうちのいくつかが、ハードウェアの一つの品目および同じ品目により具体化され得る。ある方策が、異なる従属請求項で相互に復唱されるか、または異なる実施形態において記述されるという事実は単に、これらの方策の組み合わせが有利に使用できることを意味するにすぎない。
【０１０７】
本明細書で使用される際、用語「備える／含む」は、述べる特徴、整数、ステップまたは構成要素の有無を指定するように解釈されるが、一つ以上の他の特徴、整数、ステップ、構成要素もしくはそれらの集団の存在または追加を妨げないことは強調されるべきである。
【符号の説明】
【０１０８】
１００  風力タービン
１０１  ロータブレード
１０２  ナセル
１０３  タワー
１０４  発電機
１０５  ヨー制御システム、風向センサ
１０６  ヨー制御システム
１０７  ヨー制御システム、アクチュエータ
１０８  制御部
１０９  メモリ部
１１０  電気的接続
１１１  中心軸
１１２  ロータハブ
２０２  ナセル
３０１  方法
３０２  ステップ
３０３  ステップ
４０１  方法
４０２  ステップ
４０３  ステップ
４０４  ステップ
４０５  ステップ
５０１  ステップ
５０２  ステップ
５０３  ステップ
６０１  軸
６０２  軸
６０４  ヨー動作
６１１  軸
６１２  軸
６１３  発電機出力
６１４  発電機出力
６１５  ヨー動作後の期間
７０１  軸
７０２  軸
７０４  ヨー動作
７１１  軸
７１２  軸
７１４  発電機出力
８０１  軸
８０２  軸
８０４  第１ヨー動作
８７０  ヨー動作
８８０  短期間
９０１  軸
９０４  ヨー動作
９１１  発電機出力
９１２  軸
【図１】
2019515192.tif 000016
【図２】
2019515192.tif 000017
【図３】
2019515192.tif 000018
【図４】
2019515192.tif 000019
【図５】
2019515192.tif 000020
【図６】
2019515192.tif 000021
【図７】
2019515192.tif 000022
【図８】
2019515192.tif 000023
【図９】
2019515192.tif 000024
【図１０ａ】
2019515192.tif 000025
【図１０ｂ】
2019515192.tif 000026
【図１０ｃ】
2019515192.tif 000027
【図１１】
2019515192.tif 000028
【国際調査報告】
2019515192.tif 000029
2019515192.tif 000030
2019515192.tif 000031