(57)【要約】      （修正有）【課題】風力発電装置において、発電時のタワーの振動を効果的に抑制し、タワーの疲労を軽減することにより、耐久性に優れた風力発電装置を提供する。また、タワー補強のための追加コストを抑え、経済性に優れた風力発電装置を提供する。【解決手段】地上または洋上に設置され、風力発電装置１の支持部となるタワー８と、前記タワー上に設けられ、内部に発電機を備えたナセル６と、前記ナセルの一端に設けられ、風を受けて回転エネルギーへ変換する複数のブレード２およびハブ３からなるロータ４と、を備えた風力発電装置であって、前記ナセルの傾きを検出する傾斜角検出手段７と、前記ブレードに設けられ、前記ハブに対する前記ブレードのピッチ角を調節するピッチ角制御手段５と、を備え、前記傾斜角検出手段により検出された前記ナセルの傾斜角に基づき、前記ピッチ角制御手段により、前記ブレードの前記ピッチ角を制御することを特徴とする。【選択図】図１
2015124736.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地上または洋上に設置され、風力発電装置の支持部となるタワーと、
前記タワー上に設けられ、内部に発電機を備えたナセルと、
前記ナセルの一端に設けられ、風を受けて回転エネルギーへ変換する複数のブレードおよびハブからなるロータと、を備えた風力発電装置であって、
前記ナセルの傾きを検出する傾斜角検出手段と、
前記ブレードに設けられ、前記ハブに対する前記ブレードのピッチ角を調節するピッチ角制御手段と、を備え、
前記傾斜角検出手段により検出された前記ナセルの傾斜角に基づき、前記ピッチ角制御手段により、前記ブレードの前記ピッチ角を制御することを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
前記傾斜角検出手段は、前記ナセルに設置された傾斜角センサであ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３】
前記傾斜角検出手段は、前記タワーに設置された傾斜角センサであ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】
前記ピッチ角制御手段は、前記ブレードの各々に個別に設けられ、前記ハブに対する前記ブレードの各々のピッチ角を独立して制御可能であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の風力発電装置。
【請求項５】
前記ピッチ角制御手段は、前記傾斜角検出手段により検出された前記ナセルの傾斜角より決定される傾斜角速度に基づいて、前記ブレードの前記ピッチ角を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の風力発電装置。
【請求項６】
前記ピッチ角制御手段は、前記傾斜角検出手段により検出された前記ナセルの傾斜角より決定されるタワーの変形量を示すタワー変位に基づいて、前記ブレードの前記ピッチ角を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の風力発電装置。
【請求項７】
前記ピッチ角制御手段は、前記傾斜角検出手段により検出された前記ナセルの傾斜角より決定される前記タワー変位の速度を示すタワー変位速度に基づいて、前記ブレードの前記ピッチ角を制御することを特徴とする請求項６に記載の風力発電装置。
【請求項８】
地上または洋上に設置され、風力発電装置の支持部となるタワーと、
前記タワー上に設けられ、内部に発電機を備えたナセルと、
前記ナセルの一端に設けられ、風を受けて回転エネルギーへ変換する複数のブレードおよびハブからなるロータと、を備えた風力発電装置であって、
前記タワーに設けられ、前記タワーの歪みを検出する歪み検出手段と、
前記ブレードに設けられ、前記ハブに対する前記ブレードのピッチ角を調節するピッチ角制御手段と、を備え、
前記歪み検出手段により検出された前記タワーの歪み量に基づき、前記ピッチ角制御手段により、前記ブレードの前記ピッチ角を制御することを特徴とする風力発電装置。
【請求項９】
前記ピッチ角制御手段は、前記歪み検出手段により検出された前記タワーの歪み量より決定される前記ナセルの傾斜角速度に基づいて、前記ブレードの前記ピッチ角を制御することを特徴とする請求項８に記載の風力発電装置。
【請求項１０】
前記ピッチ角制御手段は、前記歪み検出手段により検出された前記タワーの歪み量を示すタワー変位に基づいて、前記ブレードの前記ピッチ角を制御することを特徴とする請求項８に記載の風力発電装置。
【請求項１１】
前記ピッチ角制御手段は、前記歪み検出手段により検出された前記タワーの歪み量を示す前記タワー変位の速度を示すタワー変位速度に基づいて、前記ブレードの前記ピッチ角を制御することを特徴とする請求項１０に記載の風力発電装置。
【請求項１２】
前記ピッチ角制御手段は、前記ブレードの各々に個別に設けられ、前記ハブに対する前記ブレードの各々のピッチ角を独立して制御可能であることを特徴とする請求項８〜１１のいずれかに記載の風力発電装置。
【請求項１３】
前記ピッチ角制御手段は、前記タワーの基部の位置から前記ブレードが最も高くなる回転位置近傍でのピッチ角の平均値を示すピッチ角平均値に対する偏差の絶対値が、他の回転位置のピッチ角のピッチ角平均値に対する偏差の絶対値よりも大きくなるように前記ピッチ角を制御することを特徴とする請求項４または１２に記載の風力発電装置。
【請求項１４】
前記ピッチ角制御手段は、前記タワーの基部の位置から前記ブレードが最も低くなる回転位置近傍でのピッチ角の平均値を示すピッチ角平均値に対する偏差の絶対値が、他の回転位置のピッチ角のピッチ角平均値に対する偏差の絶対値よりも大きくなるように前記ピッチ角を制御することを特徴とする請求項４または１２に記載の風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電装置におけるタワーの振動を低減する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、二酸化炭素の排出による地球温暖化や化石燃料の枯渇が懸念されており、二酸化炭素量の排出の抑制や化石燃料への依存度の低減が求められている。二酸化炭素の排出量の抑制や化石燃料への依存度の低減を図るためには、風力や太陽光などの自然から得られる再生可能エネルギーを利用した発電システムの導入が有効である。
【０００３】
上記再生可能エネルギーを利用した発電システムの中でも、風力発電システムは太陽光発電システムと異なり、日射による直接的な出力変化を受けないことから、比較的安定な発電システムとして注目されている。また、地上と比較して、風速が高く、風速変化が少ない洋上に設置する風力発電システムも有力な発電システムとして注目されている。
【０００４】
風力発電システムの構築にあたり、風力発電システムを構成するタワーの振動を抑制する手段が必要である。その理由を以下に示す。ブレードとブレードが接続されているハブにて構成されるロータは、タワー上に設置されるナセルに接続される。数ＭＷを出力可能な風力発電システムでは、タワーは数十メートルの高さに及ぶ。そのため、ロータが受ける風速の変化によってタワーに加わる力（モーメント）が大きく変化し、タワーに振動が生ずる。この振動を要因としてタワーに疲労が蓄積することにより、タワーの寿命が短くなる可能性がある。
【０００５】
当該技術分野に関する背景技術として、例えば特許文献１のような技術がある。特許文献１には、翼ピッチ角指令に基づき風車ブレードのピッチ角を制御するピッチ角制御機構を備えた風力発電装置であって、ナセルに取り付けられ、該ナセルの振動の加速度を検出する加速度計と、前記加速度計により検出された加速度に基づき、前記ナセルの振動を打ち消すように前記風車ブレードにスラスト力を発生させるための該風車ブレードのピッチ角を算出して翼ピッチ角指令を前記ピッチ角制御機構に出力するアクティブ制振手段とを有する風力発電装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４５９９３５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１では、上記タワーの振動を抑制するために、ナセルに設置した加速度センサの出力信号を利用し、ブレードのピッチ角を制御することでロータに加わるスラスト力を調整し、タワーの振動を抑制する手段を開示している。特許文献１に記載の技術によれば、タワー振動の速度に応じた仮想的なダンパー項を付与することで、タワー振動を抑制することが可能である。
【０００８】
しかしながら、特許文献１に開示されている技術を浮体式の風力発電システムに適用した場合、次のような課題がある。浮体式では、タワーの傾斜角度が着床式に対して大きくなる。加速度センサを利用した場合には、タワー傾斜角が大きくなった際に、重力による加速度も検出する。重力の影響を含む加速度に基づいてピッチ角指令値を決定すると、タワーの振動以外の加速度によって決定されたピッチ角指令値の成分が存在することから、本来の目的とは異なるピッチ角指令値に基づいて各ブレードのピッチ角が決定される可能性がある。結果として、特許文献１に開示された技術では適切にタワーの振動を抑制できない場合がある。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、風力発電装置において、発電時のタワーの振動を効果的に抑制し、タワーの疲労を軽減することにより、耐久性に優れた風力発電装置を提供することにある。また、タワー補強のための追加コストを抑え、経済性に優れた風力発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明は、地上または洋上に設置され、風力発電装置の支持部となるタワーと、前記タワー上に設けられ、内部に発電機を備えたナセルと、前記ナセルの一端に設けられ、風を受けて回転エネルギーへ変換する複数のブレードおよびハブからなるロータと、を備えた風力発電装置であって、前記ナセルの傾きを検出する傾斜角検出手段と、前記ブレードに設けられ、前記ハブに対する前記ブレードのピッチ角を調節するピッチ角制御手段と、を備え、前記傾斜角検出手段により検出された前記ナセルの傾斜角に基づき、前記ピッチ角制御手段により、前記ブレードの前記ピッチ角を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、風力発電装置において、発電時のタワーの振動を効果的に抑制し、タワーの疲労を軽減することにより、耐久性に優れた風力発電装置を実現することができる。また、タワー補強のための追加コストを抑え、経済性に優れた風力発電装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る風力発電装置の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る風力発電装置のナセルおよび傾斜角センサを示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る風力発電装置のナセルの傾斜角と水平方向の変位の関係を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る風力発電装置のナセルとタワーの代表点に想定した２次振動系の概略を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る風力発電装置のシステム概要を示すブロック線図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る風力発電装置の変位速度演算部の概要を示すブロック線図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る風力発電装置の変位速度演算部の概要を示すブロック線図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る風力発電装置の変位速度演算部の概要を示すブロック線図である。
【図９】本発明の一実施形態に係る風力発電装置のピッチ角指令値演算部の概要を示すブロック線図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係る風力発電装置の独立ピッチ角偏差演算部の概要を示すブロック線図である。
【図１１】本発明の一実施形態に係る風力発電装置のタワー制振制御の演算フローを示すフローチャートである。
【図１２】本発明の一実施形態に係る風力発電装置の概略構成を示す図である。
【図１３】本発明の一実施形態に係る風力発電装置のタワーの歪みと水平方向の変位の関係を示す図である。
【図１４】本発明の一実施形態に係る風力発電装置のシステム概要を示すブロック線図である。
【図１５】本発明の一実施形態に係る風力発電装置の変位速度演算部の概要を示すブロック線図である。
【図１６】本発明の一実施形態に係る風力発電装置の変位速度演算部の概要を示すブロック線図である。
【図１７】本発明の一実施形態に係る風力発電装置の変位速度演算部の概要を示すブロック線図である。
【図１８】本発明の一実施形態に係る風力発電装置のタワー制振制御の演算フローを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１４】
≪実施例１の概略構成≫
まず、図１を用いて、本実施例に係る風力発電装置の概略構成について説明する。図１は、本実施例の風力発電装置１の全体の概略構成を示す。風力発電装置１は、複数のブレード２と、複数のブレード２を接続するハブ３とで構成されるロータ４を備える。ロータ４は図では省略するがナセル６の一端に回転軸を介して連結されており、回転することでブレード２の位置を変更可能である。ブレード２が風を受けることによりロータ４が回転し、図では省略するがナセルの内部に備えられた発電機を回転させることで電力を発生することができる。ブレード２の各々にはブレード２とハブ３の位置関係、すなわちピッチ角と呼ぶブレードの角度を調節可能なピッチ角制御手段すなわちピッチアクチュエータ５を備えている。ピッチアクチュエータ５を用いてブレード２のピッチ角を変更することにより、風に対するロータの回転エネルギーを変更できる。これにより、広い風速領域においてロータ４の回転速度を制御しながら、風力発電装置１の発電電力を制御することができる。ナセル６は風力発電装置の支持部となるタワー８上に設置されており、タワー８は図には明記しないが、基部に設置され、地上または洋上の所定位置に設置される。風力発電装置１はなお、ナセル６にナセル６の傾斜角を計測可能な傾斜角センサ７を備えている。また、風力発電装置１はコントローラ９を備えており、傾斜角センサ７の出力信号に基づいてピッチアクチュエータ５を調整することで、タワー８に発生する振動を低減するタワー制振制御がプログラムの形態で実装されている。図１ではコントローラ９はナセル６またはタワー８の外部に設置される形態にて図示されているが、これだけに限ったものではなく、ナセル６またはタワー８またはそれ以外の所定位置、または風力発電装置１の外部に設置される形態であっても良い。
【００１５】
≪実施例１におけるナセル傾斜角≫
図２は、風力発電装置１のナセル６の所定位置に設置された傾斜角センサ７にて計測する傾斜角を示す図である。水平軸と一致したＸ0軸、Ｘ0軸に垂直なＺ0軸、およびＸ0軸とＺ0軸の交点にあり、紙面裏側に向かうＹ0軸で構成される座標系Σ0を基準とした際、紙面と平行な平面に存在するＸ1軸およびＺ1軸と、Ｙ0軸と方向が一致するＹ1軸にて構成される座標系Σ1に傾斜角センサ７が設置されている。この傾斜角センサ７は座標系Σ0に対する座標系Σ1のＹ0軸（Ｙ1軸）周りの回転角度φを計測する。傾斜角センサ７はナセル６に物理的に設置され、ナセル６と同様の運動をすることから、上記回転角度φはナセル６の傾斜角度と一致する。
【００１６】
≪実施例１におけるタワー変位の決定≫
図３は、風力発電装置１が風力エネルギーを受けて発電している際の、タワー８の振動の変位を示す概要図である。タワー８が剛体であり、タワー８の基部にて傾斜する形態を想定すると、図２に示す傾斜角φに対し、タワー８の変位ｘは以下の式で決定できる。
【００１７】
【数１】
2015124736.tif 000003
【００１８】
ここで、ｈはタワーの高さを示す。
【００１９】
≪実施例１におけるタワー振動の想定挙動≫
図４は、タワー８の代表点に想定した２次振動モデルを示す。以下、本実施例では、タワー８の振動は１次振動モードのみと仮定する。図４に示すように、タワー８の代表点に質量Ｍの質点を想定し、この振動特性が弾性特性Ｋと粘性特性Ｄを持ち、上記にて定義した変位ｘに基づくものとする。また、Ｆはタワー８に加わる前後方向の力（スラスト力）を示す。このスラスト力はロータ４、ナセル６、およびタワー８が風を受けることで生ずる力であり、各ブレードのピッチ角を調整することによってその大きさを変更することができる。
【００２０】
≪実施例１におけるタワー制振制御≫
以下、図５乃至図１１を用いて、風力発電装置１のコントローラ９に実装され、上記変位ｘを微分した結果である変位速度vxに基づいてタワー８の振動を低減するタワー制振制御の一例について説明する。
【００２１】
図５は、実施例１におけるタワー制振制御と制御対象の概要を示すブロック線図である。図５に示すブロック線図は、タワー制振制御部５０１と制御対象部５０２により構成される。タワー制振制御部５０１は、変位速度演算部５１、変位速度偏差演算部５２、およびピッチ角指令値演算部５３より構成される。変位速度演算部５１は傾斜角センサ７の出力信号である傾斜角φに基づき、タワー８の変位速度vxを演算する。変位速度偏差演算部５２は変位速度演算部５１の出力である変位速度vxを、変位速度目標値vx *より減算し、変位速度偏差Δvxを演算する。ピッチ角指令値演算部５３は変位速度偏差Δvxに基づいてタワー８の振動を低減するためのピッチ角指令値θ*cを演算する。ここで、ピッチ角指令値とは、複数あるブレード２の全てのピッチアクチュエータ５に同様の指令を与える指令値と定義する。制御対象部５０２は、ブレード特性部５４、加算部５５、タワー振動特性部５６、および傾斜角センサ特性部５７により構成される。ブレード特性部５４はタワー８の振動を低減するためのピッチ角指令値θ*cによってタワー８に生ずるスラスト力（タワー制振制御によるスラスト力）ΔＦを決定する。加算部５５は、基本スラスト力Ｆ0とタワー制振制御によるスラスト力ΔＦとを加算し、タワー８に加わる全てのスラスト力（全スラスト力）Ｆを演算する。ここで、基本スラスト力Ｆ0とは、風力発電装置１が風速に応じて発電電力を制御するためにピッチ角を制御した際に生ずるスラスト力、すなわちタワー制振制御を実行しない場合のスラスト力を示す。タワー振動特性部５６は、図４に示すようにタワー８の代表点に想定した質点の２次振動モデルの挙動であり、全スラスト力Ｆに基づいてタワー８の変位ｘを決定する。傾斜角センサ特性部５７はタワー８上部のナセル６に設置された傾斜角センサ７の出力特性を示す。
【００２２】
以下、タワー制振制御部５０１および制御対象部５０２を構成するそれぞれの一例について説明する。
【００２３】
まず、タワー制振制御部５０１について説明する。図６は、実施例１における変位速度演算部５１の第１の実施形態を示す図である。本実施形態における変位速度演算部５１は、タワー変位演算部６１と微分演算部６２により構成される。タワー変位演算部６１では、傾斜角センサ７の出力信号である傾斜角φに基づき、数１に基づいて変位ｘを決定する。微分演算部６２では、変位ｘを時間微分することで変位速度vxを決定する。図７は、実施例１における変位速度演算部５１の第２の実施形態を示す図である。本実施形態における変位速度演算部５１は、上述の第１の実施形態の前段に、ノイズ除去処理部７１を追加したものである。ノイズ除去部７１は傾斜角センサ７の出力信号に含まれるノイズを除去する特性を備えており、ローパスフィルタの伝達特性を備えていても良い。本実施形態では、タワー８の傾斜角φに基づいて、ノイズ除去後傾斜角φ1を決定する。その後、数１に基づいて変位ｘを決定し、微分により変位速度vxを決定する。図８は、実施例１における変位速度演算部５１の第３の実施形態を示す図である。本実施形態における変位速度演算部５１は、上記第２の実施形態に対して、ノイズ除去処理部７１とタワー変位演算部６１の間に、バンドパスフィルタ特性部８１を追加した構成を備える。傾斜角センサ７の出力信号である傾斜角φに上述のノイズ除去処理部７１を実行し、ノイズ除去後傾斜角φ1を決定する。バンドパスフィルタ特性部８１は、ノイズ除去後傾斜角φ1に対して所定周波数帯域のみを取り出す処理を実行し、所定帯域傾斜角φ2を決定する。上記所定周波数帯域は、タワー８の１次振動モードの固有周波数帯域であっても良く、風力発電装置１を構成する発電機やファンなどにより発生する周波数帯域であっても良い。決定した所定帯域傾斜角φ2より、タワー変位演算部６１にて数１に基づいて変位ｘを決定した後、微分演算部６２にて変位ｘを微分することで変位速度vxを決定する。変位速度偏差演算部５２は、変位速度vxと変位速度目標値vx *により、下式に基づいて変位速度偏差Δvxを演算する。
【００２４】
【数２】
2015124736.tif 000004
【００２５】
図９は、ピッチ角指令値演算部５３の一例を示すブロック線図である。図９の形態では、入力である変位速度偏差Δvxに対してゲインがＫｐの比例成分とゲインがＫＤの微分成分により構成されるＰＤ制御に基づき、ピッチ角指令値θ*cを演算する。下式はＰＤ制御の伝達関数を示す。
【００２６】
【数３】
2015124736.tif 000005
【００２７】
次に、制御対象部５０２の一例を以下で説明する。ブレード特性部５４は、下式に基づき、ピッチ角指令値θ*cよりタワー制振制御によるスラスト力ΔＦを決定する。
【００２８】
【数４】
2015124736.tif 000006
【００２９】
数４はタワー制振制御によるスラスト力ΔＦがピッチ角指令値θ*cに比例する特性を示すが、これに限るものではなく、反比例や多項式の特性であっても良い。
タワー振動特性部５６は、図４に示すように２次振動モデルを想定していることから、タワー８の変位ｘと全スラスト力Ｆの間に下式の特性を想定する。
【００３０】
【数５】
2015124736.tif 000007
【００３１】
傾斜角センサ特性部５７は、タワー８の変形特性と傾斜角センサ７の特性により決定される。傾斜角φと変位ｘに図３の関係を想定すると、下式に基づいて傾斜角φが決定される。
【００３２】
【数６】
2015124736.tif 000008
【００３３】
≪タワー制振制御にＰＤ制御を適用した場合の効果≫
以下、タワー制振制御にＰＤ制御を適用した場合の効果に関する詳細を説明する。全スラスト力Ｆ、タワー制振制御によるスラスト力ΔＦ、および基本スラスト力Ｆ0には以下の関係が成立する。
【００３４】
【数７】
2015124736.tif 000009
【００３５】
ここで、数３と数４より、変位速度変化Δvxとタワー制振制御によるスラスト力ΔＦには以下の関係が成立する。
【００３６】
【数８】
2015124736.tif 000010
【００３７】
ここで、変位速度偏差Δvxは数２で表わされるが、タワー８の振動を抑制するには、
【００３８】
【数９】
2015124736.tif 000011
【００３９】
が必要であることから、数２は下式の様になる。
【００４０】
【数１０】
2015124736.tif 000012
【００４１】
数８と数１０より下式が得られる。
【００４２】
【数１１】
2015124736.tif 000013
【００４３】
数５から得られる下式
【００４４】
【数１２】
2015124736.tif 000014
【００４５】
に、数７と数１１を代入すると、下式が得られる。
【００４６】
【数１３】
2015124736.tif 000015
【００４７】
実施例１のタワー制振制御を適用する前の特性である下式に対し、
【００４８】
【数１４】
2015124736.tif 000016
【００４９】
数１３は右辺第１項の重量項、および右辺第２項の減衰項が大きくなる。これはタワー制振制御によるピッチ角指令値により、仮想的にタワー重量と減衰特性が増加したことを示す。上記効果により、タワー８の振動を低減することができる。
【００５０】
≪独立ピッチ制御によるタワー制振制御の効果向上≫
図１０は、独立にピッチ角指令値を決定することでタワー制振制御の効果を向上可能な制御（独立ピッチ角指令によるタワー制振制御）のブロック線図を示す。本制御は、上述のタワー制振制御にて決定されるピッチ角指令値θ*cから各ブレードの独立ピッチ角偏差θ*iを決定する独立ピッチ角偏差演算部１０１と加算部１０２により構成される。独立ピッチ角偏差演算部１０１は、下式に基づき、独立ピッチ角偏差θ*iを決定する。
【００５１】
【数１５】
2015124736.tif 000017
【００５２】
ここで、iはブレード番号、Ψiは各ブレードのロータ回転位置（水平面に対して垂直方向を基準）、Ψ0はピッチ角指令から動作までの遅れを考慮したオフセット値を示す。ここで、f（θ*c）は下式のようにピッチ角指令値θ*cに比例するものであっても良いし、多項式に基づくものであっても良く、これに限ったものではない。
【００５３】
【数１６】
2015124736.tif 000018
【００５４】
数１５に示すように、独立ピッチ角偏差θ*iにcosを利用することで、ブレード２の位置が最も高く、風力によるタワー８の振動を助長するスラスト力を低減することが可能である。また、ブレード２の位置が最も低く、タワーと重なる状況ではブレード２が他の位置に存在する場合よりもスラスト力が弱くなるため、タワー８の振動を増加させるモーメントが発生する。これを抑制するために、ブレード２の位置が最も低い回転位置にある場合に、ピッチ角指令値によるスラスト力変化の影響を大きくするために、cos関数を利用してその操作量をブレード２が高い位置と逆方向に調整する。独立ピッチ角指令によるタワー制振制御では、最終的に下式に従って各ブレード２の独立ピッチ角指令値を演算する。
【００５５】
【数１７】
2015124736.tif 000019
【００５６】
以上説明した実施例１におけるタワー制振制御では、複数の定数を利用しているが、これら定数はシミュレーションまたは実機試験により決定するものであっても良いし、所定の設計手法により決定するものであっても良い。また、定数ではなく、所定の状態に応じて適宜変化するものであっても良い。
【００５７】
≪実施例１におけるタワー制振制御のフローチャート≫
図１１は、実施例１におけるタワー制振制御のフローチャートの一例を示す。ステップＳ１１０１では、傾斜角センサ７の出力信号に基づいて傾斜角φを決定し、次のステップに進む。続くステップＳ１１０２では、傾斜角φに基づいてタワー８の振動の変位速度vxを決定し、次のステップに進む。ステップＳ１１０３では、タワー８の変位速度vxに基づき、各ブレード２のピッチ角指令値θ*cを決定し、次のステップに進む。ステップＳ１１０４では、ピッチ角指令値θ*cに基づいて、独立ピッチ角指令値θ*iを決定し、一連の処理を終了する。
【００５８】
本実施例におけるタワー制振制御のフローチャートはこれに限ったものではなく、例えば、独立ピッチ角指令値θ*iを決定するステップＳ１１０４を省き、ステップＳ１１０１からステップＳ１１０３のみの処理であってもその効果を得ることができる。
【実施例２】
【００５９】
≪実施例２の概略構成≫
以下では、図１２乃至図１８を用いて、本実施例に係る風力発電装置の概略構成について説明する。図１２は、本実施例の風力発電装置１の全体の概略構成を示す。ブレード２、ハブ３、ロータ４、ピッチアクチュエータ５、ナセル６、タワー８は、図１にて説明した実施例１と同様である。実施例２では、タワー８の歪み量を検出する歪み検出手段すなわち複数の歪みセンサ１２（図１２では１２ａ、１２ｂ、１２ｃにて明記）がタワー８の地表側の所定位置に供えられている。また、風力発電装置１はコントローラ１２０を適宜位置に備えており、コントローラ１２０には、これら歪みセンサ１２の出力信号に基づき、ピッチアクチュエータ５に指令を与えることで、タワー８に発生する振動を低減することが可能なタワー制振制御がプログラムの形態で実装されている。コントローラ１２０に実装されるタワー制振制御は、歪みセンサ１２の出力信号よりタワー８の変形量を決定し、この変形量に基づいて複数あるブレード２のピッチ角を調整するピッチアクチュエータ５への指令値であるピッチ角指令値を決定する。なお、図１２ではコントローラ１２０はナセル６およびタワー８の外部に記載されているが、これに限ったものではなく、ナセル６の所定位置、またはタワー８の所定位置に備えられるものであっても良いし、風力発電装置１の外部に設置するものであっても良い。
【００６０】
≪実施例２におけるタワー変位の決定≫
図１３は、風力発電装置１が風力エネルギーを受けて発電している際の、タワー８の振動の変位と歪みセンサ１２にて計測される歪み量の関係を示す図である。図１３において、ｘはタワー８の水平方向の変位、δはタワー８に設置された歪みセンサ１２の出力信号に基づいて決定される歪みセンサ１２取り付け部のタワー８の変形量、φはタワー８の歪みセンサ１２の取り付け部以外が剛体と想定した場合のタワー８の傾斜角、ｈ1はタワー８におけるナセル６の取り付け位置から歪みセンサ１２の取り付け位置までの長さをそれぞれ示す。ただし、タワー長さｈ1はロータ４、ナセル６、およびタワー８に風力エネルギーが入力されていない状態、すなわち風を受けていない状態における、鉛直方向の長さである。
本実施例では、傾斜角φが微小であれば、傾斜角φを変形量δで近似できる性質を利用し、比例ゲインＧ3を利用し、下式に基づいてタワー８の変位ｘを演算する。
【００６１】
【数１８】
2015124736.tif 000020
【００６２】
なお、比例ゲインＧ3は図１３に示す幾何学的関係から決定するものであっても良いし、実測データに基づいて決定するものであっても良い。また、数１８に限ったものではなく、変形量δの多項式に基づいて決定するものであっても良い。ここで、変形量δは複数設置した歪みセンサ１２の複数の出力信号に基づいて決定される。歪みセンサ１２の出力信号にフィルタ処理を施し、ノイズ除去後の信号の最大値を利用しても良いし、ノイズ除去後の信号から歪みセンサ１２取り付け位置のタワー８の変形形態を推測、変形なしの状態からの変形量を決定するものであっても良い。
【００６３】
≪実施例２におけるタワー振動の想定挙動≫
実施例２におけるタワー振動の想定挙動は、上述の実施例１と同様に、図４に示す２次振動モデルを想定するため、詳細説明を省略する。
【００６４】
≪実施例２におけるタワー制振制御≫
以下、図１４乃至図１８を用いて、実施例２において、コントローラ１２０に実装されるタワー制振制御について説明する。
【００６５】
実施例１におけるタワー制振制御と、実施例２におけるタワー制振制御との違いは、タワー制振制御の入力が変形量δを利用することである。この変形量δを利用し、タワー８の変位速度vxを決定し、これに基づいてピッチアクチュエータ５に出力するピッチ角指令値を決定する。図１４は、実施例２におけるタワー制振制御部と制御対象の概要を示すブロック線図である。図１４に示すブロック線図は、タワー制振制御部１４０１と制御対象部１４０２により構成される。タワー制振制御部１４０１は、変位速度演算部１４１、変位速度偏差演算部５２、およびピッチ角指令値演算部５３より構成される。変位速度演算部１４１は歪みセンサ１２の出力信号である変形量δに基づき、タワー８の変位速度vxを演算する。変位速度偏差演算部５２およびピッチ角指令値演算部５３は実施例１と同様のため、説明を省略する。
【００６６】
制御対象部１４０２は、ブレード特性部５４、加算部５５、タワー振動特性部５６、および歪みセンサ特性部１４２により構成される。ブレード特性部５４、加算部５５、およびタワー振動特性部５６は実施例１と同様のため、説明を省略する。歪みセンサ特性部１４２はタワー８上部のナセル６に設置された歪みセンサ１２の出力特性を示す。以下、実施例１との相違点である、変位速度演算部１４１、および歪みセンサ特性部１４２について説明する。
【００６７】
図１５は、実施例２における変位速度演算部１４１の第１の実施形態を示す。本実施形態における変位速度演算部１４１は、タワー変位演算部１５１と微分演算部１５２により構成される。タワー変位演算部１５１は歪みセンサ１２の出力信号である変形量δに基づき、数１８を利用してタワー８の変位ｘを決定する。微分演算部１５２は、実施例１と同様に変位ｘを時間微分することで変位速度vxを決定する。図１６は、実施例２における変位速度演算部１４１の第２の実施形態を示す図である。本実施形態における変位速度演算部１４１は、上述の第１の実施形態の前段に、ノイズ除去処理部１６１を追加したものである。ノイズ除去処理部１６１は傾斜角センサ７の出力信号に含まれるノイズを除去する特性を備えており、ローパスフィルタの伝達特性を備えていても良い。本実施形態では、タワー８の変形量δに基づいて、ノイズ除去後変形量δ1を決定する。その後、数１８に基づいて変位ｘを決定し、微分により変位速度vxを決定する。図１７は、実施例２における変位速度演算部１４１の第３の実施形態を示す。本実施形態における変位速度演算部１４１は、上記第２の実施形態に対して、ノイズ除去処理部１６１とタワー変位演算部１５１の間に、バンドパスフィルタ特性部１７１を追加した構成を備える。歪みセンサ１２の出力信号である変形量δに上述のノイズ除去処理部１６１を実行し、ノイズ除去後変形量δ1を決定する。バンドパスフィルタ特性部１７１は、ノイズ除去後変形量δ1に対して所定周波数帯域のみを取り出す処理を実行し、所定帯域変形量δ2を決定する。上記所定周波数帯域は、タワー８の１次振動モードの固有周波数帯域であっても良く、風力発電装置１を構成する発電機やファンなどにより発生する周波数帯域であっても良い。決定した所定帯域傾斜角φ2より、タワー変位演算部１５１にて数１８に基づいて変位ｘを決定した後、微分演算部１５２にて変位ｘを微分することで変位速度vxを決定する。図１４に示す、歪みセンサ特性部１４２は、タワー８の変位ｘより、歪みセンサ１２を利用して、歪みセンサ１２取り付け部の変形量δを決定する。図１３に示す幾何学的な関係が成立すると仮定すると、歪みセンサ特性部１４２は数１８に基づいて下式によって変形量δを決定する。
【００６８】
【数１９】
2015124736.tif 000021
【００６９】
≪独立ピッチ制御によるタワー制振制御の効果向上≫
実施例２においても、実施例１と同様に、複数あるブレード２をロータ４の回転位置に基づいて独立にピッチ角を調整することにより、タワー制振制御の効果を向上できる。独立ピッチ角指令によるタワー制振制御については、実施例１と同様であり、詳細説明を省略する。
【００７０】
≪実施例２におけるタワー制振制御のフローチャート≫
図１８は、実施例２におけるタワー制振制御のフローチャートの一例を示す。ステップＳ１８０１では、歪みセンサ１２の出力信号に基づいて変形量δを決定し、次のステップに進む。続くステップＳ１８０２では、変形量δに基づいてタワー８の振動の変位速度vxを決定し、次のステップに進む。ステップＳ１８０３では、タワー８の変位速度vxに基づき、各ブレード２のピッチ角指令値θ*cを決定し、次のステップに進む。ステップＳ１８０４では、ピッチ角指令値θ*cに基づいて、独立ピッチ角指令値θ*iを決定し、一連の処理を終了する。
【００７１】
本実施例におけるタワー制振制御のフローチャートは、実施例１と同様に、これに限ったものではなく、例えば、独立ピッチ角指令値θ*iを決定するステップＳ１８０４を省き、ステップＳ１８０１からステップＳ１８０３のみの処理であってもその効果を得ることができる。
【００７２】
なお、実施例１および実施例２において説明した独立ピッチ制御によるタワー８の制振制御の例として、各々のブレード２の回転位置に応じてピッチ角を制御することもタワー８の振動を抑制する手段として有効である。例えば、タワー８の基部の位置からブレード２が最も高くなる回転位置近傍でのピッチ角の平均値を示すピッチ角平均値に対する偏差の絶対値を、他の回転位置のピッチ角のピッチ角平均値に対する偏差の絶対値よりも大きくなるよう、ピッチアクチュエータ５により、ピッチ角を制御することもできる。これにより、ブレード２が高い位置にある場合にはスラスト力調整効果が大きくなる。例えば、タワー８が後方へ大きく傾いた場合は、ピッチ角を大きくして風を逃がし、風により後方へ押される力を低減し、タワーが前方へ大きく傾いた場合には、ピッチ角を小さくして風を受けるようにして、後方へ押される力を増加させるようにピッチ角を制御することもできる。
【００７３】
また、タワー８の基部の位置からブレード２が最も低くなる回転位置近傍でのピッチ角の平均値を示すピッチ角平均値に対する偏差の絶対値を、他の回転位置のピッチ角のピッチ角平均値に対する偏差の絶対値よりも大きくなるよう、ピッチアクチュエータ５により、ピッチ角を制御することもできる。これにより、ブレード２とタワー８が重なる場合の影響を低減することができる。例えば、ダウンウインド式ではタワー８とブレード２が重なる位置ではブレード２が受ける力が減少するため、他の回転位置のブレードよりピッチ角の変化量を大きくする。また、アップウインド式では効果が少ない可能性があるが、タワー８による乱流（ウェイク）の影響で少なからず同様の効果を得られる可能性がある。
【００７４】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００７５】
１…風力発電装置、２…ブレード、３…ハブ、４…ロータ、５…ピッチアクチュエータ、６…ナセル、７…傾斜角センサ、８…タワー、９，１２０…コントローラ、１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ…歪みセンサ、５１，１４１…変位速度演算部、５２…変位速度偏差演算部、５３…ピッチ角指令値演算部、５４…ブレード特性部、５５，１０２…加算部、５６…タワー振動特性部、５７…傾斜角センサ特性部、６１，１５１…タワー変位演算部、６２，１５２…微分演算部、７１，１６１…ノイズ除去処理部、８１，１７１…バンドパスフィルタ特性部、１０１…独立ピッチ角偏差演算部、１４２…歪みセンサ特性部、５０１，１４０１…タワー制振制御部、５０２，１４０２…制御対象部。
【図１】
2015124736.tif 000022
【図２】
2015124736.tif 000023
【図３】
2015124736.tif 000024
【図４】
2015124736.tif 000025
【図５】
2015124736.tif 000026
【図６】
2015124736.tif 000027
【図７】
2015124736.tif 000028
【図８】
2015124736.tif 000029
【図９】
2015124736.tif 000030
【図１０】
2015124736.tif 000031
【図１１】
2015124736.tif 000032
【図１２】
2015124736.tif 000033
【図１３】
2015124736.tif 000034
【図１４】
2015124736.tif 000035
【図１５】
2015124736.tif 000036
【図１６】
2015124736.tif 000037
【図１７】
2015124736.tif 000038
【図１８】
2015124736.tif 000039