(57)【要約】  本発明の補償システムは、集中制御装置から受信したロータブレードピッチ角信号を修正し、風況場の不均一性によって生じるブレードの荷重を更正するように補償ロータブレードピッチ角信号をそれぞれ各ブレードのアクチュエータに出力することにより、非対称なロータの荷重を削減できるという利点を有する。各ロータブレードピッチ角に対する各補償システムは、集中制御装置によって提供された共通の集合的ロータブレードピッチ角信号以外に、他のブレードについての荷重測定値および、他のブレードについての補償されたロータブレードピッチ角には依存しない。したがって、本発明の補償システムは、設備の耐用年数を増やすことが可能なリアクティブシステムである。【選択図】図２
2011505516.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のロータブレードを有するロータ用のロータブレード制御システムの集中制御装置（１９）によって出力されるロータブレードピッチ角信号（βｃｏｌ）を独立して修正する補償システム（１２）であって、
一つのロータブレード（５）における荷重（μｍ）を測定する第１の検知手段（８）と、
前記ロータブレード制御システムの前記集中制御装置（１９）から、全てのロータブレードに共通なロータブレードピッチ角信号（βｃｏｌ）を受信し、前記ロータブレード上の風況場の不均一性によって生じるブレード荷重を是正するように、前記ロータブレードにかかる前記荷重および前記受信したロータブレードピッチ角信号に基づいて補償ロータブレードピッチ角信号（βｄｅｍ）を出力するブレード制御手段（１３）と
を備える補償システム（１２）。
【請求項２】
前記ロータブレードの加速度（αｍ）を測定する第２の検知手段（９）をさらに備え、
前記ブレード制御手段（１３）は、前記ロータブレード（５）における修正荷重（μｍｏｄ）に前記補償ロータブレードピッチ角信号（βｄｅｍ）が基づくように、前記測定された荷重（μｍ）および前記測定された加速度に基づき、前記ロータブレードの原点が固定された基準座標系と非慣性系の基準座標系との間の差異を補償して前記修正荷重を算出する請求項１に記載の補償システム（１２）。
【請求項３】
前記ブレード制御手段（１３）は、前記集中制御装置（１９）から受信した前記ロータブレードピッチ角信号（βｃｏｌ）および前記ブレードの前記修正荷重（μｍｏｄ）における前記風況場の不均一性によって生じた変動を補償するのに必要とされるブレードピッチ角（βｂ）の調整値に基づいて、前記補償ロータブレードピッチ角信号（βｄｅｍ）を算出する請求項２に記載の補償システム（１２）。
【請求項４】
前記ブレード制御手段（１３）は、前記集中制御装置（１９）によって要求され、前記受信したロータブレードピッチ角信号（βｃｏｌ）から算出されるブレード荷重（μｄｅｍ）と、算出された前記ブレードの前記修正荷重（μｍｏｄ）との間の差異である、ブレード荷重エラー（μｅ）に基づいて、前記補償ロータブレードピッチ角信号（βｄｅｍ）を算出する請求項２に記載の補償システム。
【請求項５】
前記補償ロータブレードピッチ角信号（βｄｅｍ）は、さらに前記ロータブレード（５）の空気力学の非線形要素の補償に基づいている請求項１から４のいずれか一つに記載の補償システム（１２）。
【請求項６】
前記補償ロータブレードピッチ角信号（βｄｅｍ）は、さらに前記ロータブレード（５）の一つまたは複数の先行する回転から導かれたほぼ周期的なピッチ角調整値に基づいている請求項１から５のいずれか一つに記載の補償システム（１２）。
【請求項７】
前記第１の検知手段（８）により測定される前記荷重は、前記ロータブレード（５）のロータ面外の根元部曲げモーメント（μｍ）である請求項１から６のいずれか一つに記載の補償システム（１２）。
【請求項８】
前記第１の検知手段は、光ファイバーセンサ（８）または歪みゲージである請求項１から７のいずれか一つに記載の補償システム（１２）。
【請求項９】
前記第２の検知手段（９）によって測定される前記加速度は、前記ロータブレード（５）の面または回転に垂直な回転軸（７）に沿った軸方向加速度（αｍ）である請求項２から８のいずれか一つに記載の補償システム（１２）。
【請求項１０】
前記第２の検知手段（９）は加速度計である請求項２から９のいずれか一つに記載の補償システム（１２）。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか一つに記載の複数の補償システム（１２、１２、・・）と、
複数のブレード（５）を有するロータ（６）とを備える風力タービン（１）であって、
それぞれの前記補償システムは、
前記ロータ（６）のそれぞれの前記ブレード（５）と関連付けられ、
前記複数のロータブレードの集合的ピッチ制御のための前記ロータブレードピッチ角信号（βｃｏｌ）を前記集中制御装置（１９）から受信し、
ロータブレード（５）それぞれの独立したピッチ制御をおこなうための補償ロータブレードピッチ角信号（βｄｅｍ）をそれぞれ出力する補償システムである風力タービン（１）。
【請求項１２】
前記第１の検知手段（８）は前記ロータブレード（５）の各々の前記根元に位置し、前記第２の検知手段（９）は前記ロータブレードの回転中心に位置している請求項２から１０のいずれか一つに従属する請求項１１に記載の風力タービン（１）。
【請求項１３】
前記ロータブレードピッチ角信号（βｃｏｌ）を出力する集中制御装置（１９）を有するロータブレード制御システムをさらに備える請求項１１または１２に記載の風力タービン（１）。
【請求項１４】
前記補償ロータブレードピッチ角信号（βｄｅｍ）に基づいて前記ブレードの前記ピッチを制御するために、前記関連付けられた補償システム（１２）に接続されたアクチュエータ（１１）にそれぞれ前記ブレード（５）が接続されている請求項１１から１３のいずれか一つに記載の風力タービン（１）。
【請求項１５】
複数のロータブレードを有するロータのためのロータブレード制御システムの集中制御装置（１９）によって出力されるロータブレードピッチ角信号（βｃｏｌ）を独立して修正する方法であって、
一つのロータブレード（５）における荷重（μｍ）を測定する段階と、
前記ロータブレード制御システムの前記集中制御装置（１９）から全てのロータブレードに共通なロータブレードピッチ角信号（βｃｏｌ）を受信する段階と、
前記ロータブレード上の風況場の不均一性によって起こるブレードの荷重を是正するように、前記ロータブレードにかかる前記荷重および前記受信したロータブレードピッチ角信号に基づいて、補償ロータブレードピッチ角信号（βｄｅｍ）を出力する段階と
を備える方法。
【請求項１６】
前記ロータブレードの加速度（αｍ）を測定する段階と、
補償ロータブレードピッチ角信号（βｄｅｍ）が前記ロータブレード（５）の修正荷重（μｍｏｄ）に基づくように、前記測定された荷重（μｍ）および前記測定された加速度に基づき、前記ロータブレードの原点が固定された基準座標系と非慣性系の基準座標系との間の差異を補償して前記修正荷を算出する段階と
をさらに備える請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記風況場の不均一性によって生じた前記集中制御装置（１９）から受信した前記ロータブレードピッチ角信号（βｃｏｌ）および前記ブレードの前記修正荷重（μｍｏｄ）における変動を補償するのに必要とされるブレードピッチ角（βｂ）の調整値に基づいて、前記補償ロータブレードピッチ角信号（βｄｅｍ）を算出する段階をさらに備える請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記集中制御装置（１９）によって要求され、前記受信されたロータブレードピッチ角信号（βｃｏｌ）から算出されるブレード荷重（μｄｅｍ）と、算出された前記ブレードの前記修正荷重（μｍｏｄ）との間の差異であるブレード荷重エラー（μｅ）に基づいて、前記補償ロータブレードピッチ角信号（βｄｅｍ）を算出する段階をさらに備える請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直軸に対するピッチ角を調整するアクチュエータをそれぞれ伴う一つまたは複数のブレードを有するロータを備える風力発電タービンに関する。
【０００２】
本発明は、特に、ロータブレード制御システムの集中制御装置から出力されるロータブレードピッチ角信号を独立して修正する補償システムに関する。
【０００３】
また、本発明は、流体タービンに適用可能であり、特に、船舶用タービンのような水力タービンに適用可能である。
【背景技術】
【０００４】
風力タービンは、今日、多くの国で発電の一般的な手段であり、ヨーロッパおよび米国での設備容量は、数十ギガワットになる。１９９０年代の後半以降、定格出力および風力タービンの大きさは急速に増大し、現在では、定格出力はおよそ５メガワット、ロータ直径はおよそ１２０ｍに至る。風力タービンを実際に動作させる際には、風力タービンによって発電される電力、およびロータの回転速度の両方を制御しなければならない。これは、風力発電によって得られる電力は風速の三乗に比例して増加することを考慮すればオーバーエンジニアリングになるのを回避すべきであり、また、ロータの回転速度を安全な動作範囲に止めておくべきであるからである。風速が大きい場合、発電される電力またはロータの回転速度を一定に保つように、あるいは、その他密接に関連する目的を達成するように風力タービンの制御の一部または全てが実現するには、風速の変化に応じてブレードのピッチ角を調整することが挙げられる。
【０００５】
一般的に、複数のブレードを集合的に調整する、すなわち、全てのブレードについて同じピッチ調整が行われる。その際、ロータ全体での平均風速のみを考慮している。発電される電力の測定、ロータの回転速度が一定かの測定、あるいは、その他密接に関連する測定に応じて、風力タービンロータブレード制御システムの集中制御装置が、ブレードのピッチ角の調整値を決定する。アクチュエータは、集中制御装置が定める量分、ブレードのピッチ角を調整する。
【０００６】
上記のように風力タービンを制御する場合、ロータと相互に作用する風況場が均一であるとすると、重力荷重またはブレードのずれによる荷重以外の、各ブレードにかかる荷重は同じになる。すなわち、ロータのハブを通りロータに垂直な軸に関して、風況場が対称である場合に、各ブレードにかかる荷重が同じになる。しかしながら、実際の風況場は、均一ではない。位置が高くなるのに従って風速は大きくなり、ロータを支持するタワーの正面では風速は小さくなり、また、ディスク上方ではブレードの動きにより乱流状に変化する。その結果、特に大きな風力タービンでは、各ブレードにかかる荷重および各ブレードにおける平均風速は、異なっている。このローターにかかる非対称の荷重およびそれに伴って生じる支持構造にかかる非対称の荷重が、絶え間なく変化することにより、風力タービンの耐用年数を減少させている。
【０００７】
この非対称の荷重を取り除くには、各ブレードのピッチ角を個別に調整することが考えられる。この調整を行うには、ブレード上の平均風速を考慮に入れなくてはならない。
【０００８】
米国特許番号４２９７０７６広報には、ブレードの先端部のみにおいてピッチが可変である風力タービンが開示されている。各ブレードにおける曲げモーメントが測定され、この曲げモーメントの非対称性から、位相のみにおいて値が異なるブレード先端部のピッチ角の周期的調整値が算出される。周期的ピッチ調整により、ロータにおける周期的な非対称性の荷重を低減することができる。
【０００９】
米国特許番号６３６１２７５広報には、各ロータブレードのピッチを調整するための調整装置を備える風力タービンが開示されている。各ブレードの歪みゲージおよび／またはブレードに搭載された風速計を使用して測定される風速を利用して、各ブレードにおける荷重を測定する。全ての計測結果は、集中制御装置に送信され、集中制御装置は、荷重低減に必要な各ブレードのピッチ角の調整値を算出する。そして各ブレードに接続されたアクチュエータにより、ピッチ角の調整が行われる。このように各ブレードのピッチ角を調整することにより、ロータにおける非対称な荷重を低減することができる。
【００１０】
国際特許出願ＷＯ２００５／０１０３５８号明細書には、米国特許番号６３６１２７５広報と同様な、各ブレードのピッチ角を調整をおこなう調整装置を備える風力タービンが開示されている。近接センサーを使用して、主軸の静止位置から半径方向の変移を測定する。全ての測定値が、集中制御装置に伝達され、集中制御装置は、ロータにかかる非対称な荷重の大きさおよび／または方向を測定し、荷重低減に必要な各ブレードのピッチ角の調整値を算出する。そして各ブレードに接続されたアクチュエータにより、ピッチ角の調整が行われる。このように各ブレードのピッチ角を調整することにより、ロータにおける非対称な荷重を低減することができる。
【００１１】
国際特許出願ＷＯ２００７／１０４３０６号明細書には、米国特許番号６３６１２７５広報に開示される調整装置において、ブレードのピッチ角の個々の調整値を決定する方法が開示されている。米国特許番号６３６１２７５広報では、各ブレードの荷重を測定し、荷重を低減するのに必要な調整値を算出した後、調整がおこなわれる。また、荷重の値が収集、蓄積されて、荷重分布関数が算出される。複数の周期関数がこの分布から算出されて、ブレードのピッチ角の調整値を決定するのに用いられる。
【００１２】
風力タービンブレードにかかる非対称な荷重の問題に対する上記解決方法は、調整が制限されてしまう、あるいは調整を行うのが難しく、また、風力タービン固有の設計となる。米国特許番号４２９７０７６広報では、周期的な非対称ロータ荷重のみが、軽減されている。また、米国特許番号６３６１２７５広報では、周期的および非周期的ロータ荷重が軽減されるが、風力タービンの完全な動的解析を必要とし、風力タービンの特性や物理的パラメーターを数多く取得することが必要であり、かつ複雑な制御装置が必要となる。
【００１３】
国際特許出願ＷＯ２００５／０１０３５８号明細書と米国特許番号６３６１２７５広報とでは、行われた測定についてのみ異なっている。また、国際特許出願ＷＯ２００７／１０４３０６号明細書では、正弦波の有限集合からなる非周期的非対称ロータ荷重部分のみ、低減される。正弦波の周波数は、公称周期ロータ周波数の整数倍であり、位相シフトを除いて、同じ調整が各ブレードに対して行われる。ロータが３つのブレードを有する場合、位相シフトは、１２０度および２４０度である。
【００１４】
これら従来技術に共通の特徴は、全ての荷重測定値を集中制御装置に伝達していることである。ロータブレードのモーメント荷重は、ヨーおよびティルトで定義される座標系に座標変換され、ロータにおける非対称の荷重を低減するために必要な調整は、この変換座標系で算出されたのち、逆座標変換して、各ブレードのピッチ調整値が決定される。３つのブレードを有する風力タービンの場合、このプロセスは、３相で表現された電気機械の動的モデルをｄ−ｑの２相で表現する際に用いられるパーク変換に非常に似ている。国際特許出願ＷＯ２００７／１０４３０６号明細書の図７には、座標変換Ｔ、および逆座標変換Ｔ−１が明確に示されている。国際特許出願ＷＯ２００５／０１０３５８号明細書では、主軸の静止位置から半径方向の変移を測定するのに、ティルトおよびヨーで規定される座標系へ、荷重を座標変換する必要性を除去している。しかしながら、各ブレードのピッチの調整では、逆座標変換または他の方法を用いて調整値を決定することが必要であるとされている。記載がないことは別の方法を指しているわけではないが、座標変換もしくは逆座標変換、あるいはその他の同等な方法を使用が示されているということは、各ロータブレードのピッチを調整する調整装置は、集中制御装置であるということを明確に示唆している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、非対称ロータ荷重低減の問題に対する上記方法とは別の解決方法であって、従来技術による解決方法よりも簡潔で、既存の装置にも簡単に適用できるような方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、複数のブレードを有するロータ用のロータブレード制御システムの集中制御装置によって出力されるロータブレードピッチ角信号を独立して修正する補償システムであって、一つのロータブレードにおける荷重を測定する第１の検知手段と、ロータブレード制御システムの集中制御装置から全てのロータブレードに共通なロータブレードピッチ角信号を受信し、ロータブレードにかかる荷重および受信したロータブレードピッチ角信号に基づいて、ロータブレードで生じている風況場の不均一性によって生じたブレードの荷重を是正するように、補償ロータブレードピッチ角信号出力するブレード制御手段とを備える補償システムを提供する。
【００１７】
本発明の第２の態様においては、本発明の第１の態様に係る複数の補償システムと、複数のブレードを有するロータとを備える風力タービンであって、それぞれの補償システムは、ロータの各ブレードと関連付けられて、全てのブレードに共通で複数のロータブレードの集合的ピッチ制御のためのロータブレードピッチ角信号を集中制御装置から受信するのに使用され、それぞれのロータブレードの独立したピッチ制御をおこなうための各補償ロータブレードピッチ角信号を出力するのに使用される補償システムを備える風力タービンを提供する。
【００１８】
本発明の第３の態様においては、複数のロータブレードを有するロータのためのロータブレード制御システムの集中制御装置によって出力されるロータブレードピッチ角信号を独立して修正する方法であって、一つのロータブレードにおける荷重を測定する段階と、ロータブレード制御システムの集中制御装置から、全てのロータブレードに共通なロータブレードピッチ角信号を受信する段階と、ロータブレードで生じている風況場の不均一性によって起こるブレードの荷重を是正するように、ロータブレードにかかる荷重および受信したロータブレードピッチ角信号に基づいて補償ロータブレードピッチ角信号を出力する段階とを備える方法を提供する。
【００１９】
典型的な風力タービン設備等では、縦軸に対するピッチ角を調整するためのアクチュエータをそれぞれ伴う複数のブレードを有するロータを備える。また、風力発電タービン設備は、各アクチュエータに、集合的なロータブレードピッチ角信号を出力することにより各ブレードのピッチを集合的に制御するための集中制御装置を有するロータブレード制御システムを備える。
【００２０】
本発明の補償システムは、集中制御システムから受信されたロータブレードピッチ角信号を修正し、風況場の不均一性によって生じる荷重を更正するように補償ロータブレードピッチ角信号をそれぞれ各ブレードのアクチュエータに出力することにより、非対称なロータの荷重を削減できるという利点を有する。
【００２１】
第１の検知手段は、それぞれのロータブレードにおける荷重を測定するのに使用される。補償システムは、ピッチ風況場の不均一性によってブレードに生じた荷重に基づいて、補償ロータブレードピッチ角信号を出力する。すなわち、従来技術のように、接続されたアクチュエータが集中制御装置から受信された信号に従ってブレードのピッチを調整するのではなく、補償システムから受信された補償信号に従ってブレードのピッチを調整する。このように、各ブレードのピッチは、集中制御装置が要求するピッチ制御に従って調整されると同時に、風況場の不均一性によって生じる各ブレードにおける荷重を更正するように調整される。
【００２２】
したがって、本発明の補償システムは、リアクティブシステムであり、本システムによって、風況場の不均一性によって生じたロータにおける非対称な荷重を削減することができ、設備の耐用年数を増やすことが可能となる。
【００２３】
各ロータブレードピッチ角に対する各補償システムは、集中制御装置によって提供された共通の集合的ロータブレードピッチ角信号以外、他のブレードについての荷重測定値および、他のブレードについての補償ロータブレードピッチ角には依存しない。
【００２４】
一つ若しくは複数の歪みゲージまたは光ファイバーセンサー、あるいは同等のものにより、ブレードにおける荷重を測定するようにしてもよい。ハードウェア、上記タスク専用のデジタルプラットフォームに組み込まれたソフトウェア、または、アクチュエータ、検知手段、集中制御装置もしくはその他同等の装置によって共有されるデジタルプラットフォームに組み込まれたソフトウェアに、ブレード制御手段を実装するようにしてもよい。アクチュエータは、電気機械アクチュエータ、油圧アクチュエータ、また、その他同等なアクチュエータであってもよい。
【００２５】
ブレード制御手段は、荷重測定値を利用して、風況場の不均一性によって生じた荷重を更正するようにピッチ角の正確な調整値を決定する。この調整は、連続的に、または、補償システムの正常な機能が損なわれることがないよう十分短い時間間隔で実施される。
【００２６】
集中制御装置によって出力されるロータブレードピッチ角信号を補償システムが利用可能であることから、ロータブレード制御システムの集中制御装置に対して改良を加える必要はなく、集中制御装置の性能は影響を受けない。すなわち、補償システムを設置する際に、集中制御装置を調整し直す必要はない。したがって、本発明による補償システムは、既存の装置に簡単に適用することができるという利点を有する。ある条件下では、集中制御装置と標準的なアクチュエータとの間を接続するように、補償システムを設置することが可能である。また、他の条件下では、補償システムは、改良されたアクチュエータと一体的に搭載することも可能であり、集中制御装置に直接接続することもできる。この場合、インターフェースの事情により、改良されたアクチュエータは、置き換えられる標準的なアクチュエータと同じバンド幅を持つ必要がある。
【００２７】
ブレード制御手段が設置条件に左右されないように、好ましい実施形態では、一定の回転速度をもつロータ、および無限に強固な支持構造に適するようにブレード制御手段が設計される。すなわち、ブレードが取り付けられるロータハブの前後方向または横方向に加速度が生じないように設計される。ブレード制御手段の設計は、一定の回転速度でロータと共に回転し原点が固定される基準座標系における補償システムの動的解析に依存する。その他の設置条件には依存しない。したがって、ブレード、アクチュエータおよび検知手段の属性にのみ依存することから、設計がより単純化されている。実際には、ロータの回転速度は一定ではなく、支持構造も無限に強固ではないので、基準座標系は、固定されない原点を有し、一定でない回転速度でロータと共に回転する、すなわち、基準座標系は、非慣性系となる。
【００２８】
原点が固定された基準座標系と非慣性系の基準座標系との間の差異を補償するため、好ましい実施形態による補償システムは、ロータブレードの加速度を測定する第２の検知手段を備える。ブレード制御手段は、測定された荷重および加速度に基づき、ロータブレードにおける修正荷重を算出するが、標準的な方法を使用して基準座標系間の変換をおこない、補償ロータブレードピッチ角信号が修正後のブレードの荷重に基づくように、修正荷重を算出する。これら荷重の修正は、見かけの力の形式をもつ、例えば、ブレード面外の曲げモーメントに対応する見かけの力は、
2011505516.tif 000003
で表され、
2011505516.tif 000004
はブレードの質量、
2011505516.tif 000005
はロータの回転軸からブレードの質量中心までの距離、
2011505516.tif 000006
はロータに垂直なロータの回転中心の直線加速度、
2011505516.tif 000007
はロータの回転軸に関するブレードの慣性力、そして、
2011505516.tif 000008
は回転中心に対するブレードの面外角加速度である。
【００２９】
風況場の不均一性によって生じるブレードにおける荷重、すなわち、ブレードのピッチ角における調整は、ほぼ周期的な部分が存在する、すなわち、ロータの方位角に強く依存しブレードの一回転ごとにほぼ繰り返される。ある周期の回転について見ると、このほぼ周期的なピッチ角の調整は、それ以前の周期の回転の間におこなわれた調整と同様となる。好ましい実施形態においては、ブレード制御手段は、アクチュエータの能力をより有効に利用するため、先行する複数の回転の間に行われた複数の調整値から、ピッチ角の調整値のほぼ周期的な部分を決定する。このような場合、反復するプロセスの制御に使用される標準的な方法を採用可能である。調整の非周期的な部分は、ブレードの荷重の測定値および好ましくは加速度の測定値から、ブレード制御手段によって算出される。本発明の好ましい実施形態では、ロータ面外のブレード根元部曲げモーメント、およびハブの前後方向の加速度を測定する。補償システムは、好ましくは、ブレード根元部曲げモーメントが、集中制御装置が決定するピッチ角から導かれた規定値をもつように、ブレードのピッチ角を調整する。ブレード根元部曲げモーメントが規定値である場合には、ピッチ角の調整はおこなわれない。ロータの全てのブレードに対して、ブレード根元部曲げモーメントの同一の基準値が使用される。したがって、全てのブレードが、同一の根元部曲げモーメントを有し、ロータの回転面以外では、ロータの荷重が均衡した状態となっている。風況場をブレードが通過するのに従って、ブレードに対する風速の迎角および大きさの両方が変化する。風況場の不均一性によって生じる荷重は、風況場の不均一性から生じる、ブレードの平均風速の大きさの変化よりも、ブレード平均風速の迎角の変化に、より依存する。補償システムによって行われるブレードピッチ角の調整により、迎角の変化を小さくすることができる。その結果、風況場の不均一性によって生じたブレードにおける全ての荷重を、削減することが可能となる。また、ブレードのずれによって生じるロータにおける非対称な荷重も削減することができる、すなわち、ブレードは、意図したピッチで正確にハブに取り付けられているわけではないが、非常に小さいエラーで取り付けられている。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
以下、本発明の好ましい実施形態を添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００３１】
【図１】風力タービンを示した図である。
【図２】本発明による補償システムおよびアクチュエータを含むロータブレードを示した図である。
【図３】補償システムの第１の好ましい実施形態を示した図である。
【図４】補償システムの第２の好ましい実施形態を示した図である。
【図５】補償システムのブレード制御手段における準周期要素を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
図１は、風力タービン１を示している。風力タービンは、タワー２、タワー２に支持されるナセル３、及び３つのブレード５を有しハブ４に取り付けられたロータ６を備える。各ブレード５は、ベアリング１０で放射状にハブ４に取り付けられ、その縦軸７に対するピッチ角が可変に設置されている。ロータ６は、ほぼ鉛直面内で回転する。発電機（図示せず）および発電機をハブ４に接続するトランスミッションシステム（図示せず）が、ナセル３に格納されている。ロータブレード制御システムの集中制御装置１９もまた、ナセル３に格納されている。
【００３３】
図２は、ブレード５、アクチュエータ１１および風力タービン１の補償システム１２を示している。ブレード５は、ベアリング１０によって支持され、アクチュエータ１１により縦軸７に対するピッチが変更可能となっている。補償システム１２は、ブレードの根元部の曲げモーメントを測定する光ファイバーセンサ８または他の適切なセンサ、ロータ６の回転中心の加速度を測定するセンサ９、およびブレード制御手段１３を含む。補償システム１２は、アクチュエータ１１および集中制御装置１９と接続される。
【００３４】
ロータ面外のブレード５の根元部の曲げモーメントμｍ、およびロータの回転面に垂直なロータ回転の中心点の加速度αｍは、センサ８およびセンサ９の測定結果から導き出され、ブレード制御手段１３に伝達される。
【００３５】
図３は、ブレード制御手段１３の第１の好ましい実施形態を示している。ブレード制御手段１３は、第１のブレード制御手段要素１４、第２のブレード制御手段要素１５、第３のブレード制御手段要素１７、第４のブレード制御手段要素１８、および加算要素１６を含む。第１の好ましい実施形態では、風況場の不均一性によって生じる根元部の曲げモーメントの変動を、ブレード制御手段１３によって是正すべき障害として扱っている。変動は、いくつかの成分を含んでいるが、ブレード制御手段１３は、低周波数において最も顕著となる成分を打ち消すことに注力する。例えば、確率的に変動する振幅および位相をもち、ロータ６の回転周波数の等倍または２倍に中心が位置するする成分に力点を置く。
【００３６】
光ファイバーセンサ８によって取得されたロータ面外のブレード根元部の曲げモーメントμｍの測定値、および、センサ９によって取得されたハブの前後方向の加速度αｍの測定値は、第１のブレード制御手段要素１４に伝達される。第１のブレード制御手段要素１４は、ハブ４の前後方向の加速度を補償するように、μｍを修正する、すなわち、ブレードの回転中心を補償するように修正し、回転中心は固定されず、また回転速度も一定にはならない。修正されたロータ面外のブレードの根元部曲げモーメントμｍｏｄは、第２のブレード制御手段要素１５に伝達され、第２のブレード制御手段要素は、風況場の不均一性によって生じた根元部曲げモーメントにおける変動を更正するのに必要なピッチ角の調整値βｂを決定する。第２のブレード制御手段要素１５は、更正をおこなうため、μｍｏｄの変動において最も顕著となる成分を選択する複数のフィルター（図示せず）を含む。当業者であれば、適切なフィルターが広く知られていることを容易に理解できる。また、第２のブレード制御手段要素１５は、集中制御装置１９がブレード５のピッチ角に対して実施する集合的調整の値βｃｏｌが消されてしまうのを回避するために、低周波数をウォッシュアウトし高周波数の効果および寄生ダイナミクスを軽減する高周波数をロールオフするバンドパスフィルター（図示せず）を含む。
【００３７】
ブレード制御手段は、第２のブレード制御手段要素１５の設計により、すなわち、フィルター（図示せず）の設計を通じて、補償システム１２の安定性を確かにする。第２のブレード制御手段要素１５の設計を左右するダイナミクスは、ブレード５、アクチュエータ１１およびセンサ８、９のダイナミクスである。第１の制御手段要素１４によっておこなわれるμｍに対する修正が存在することから、第２のブレード制御手段要素１５の設計は、風力タービンダイナミクスのその他の成分には依存しない。
【００３８】
加算要素１６は、βｂおよび修正された集合的調整値βｃｏｌｍｏｄ（下記に詳述される）を加算して、ピッチ角に対する合計調整値βｔを算出し、この合計調整値は、第３のブレード制御手段要素１７に伝達される。第３のブレード制御手段要素１７は、βｔのブレード空気力学の非線形要素を補償し、補償システムの円滑なオン・オフ切り替えを提供する。補償ロータブレードのピッチ角の信号βｄｅｍが、アクチュエータ１１に伝達される。
【００３９】
集中制御装置１９から取得したピッチ角に対する集合的調整値βｃｏｌは、第４のブレード制御手段要素１８に伝達される。補償システム１２は、集中制御装置１９とアクチュエータ１１との間のさらなるダイナミクスを導入する。第４のブレード制御手段要素１８は、特定のバンド幅を有する標準的なピッチアクチュエータのダイナミクスと同じように、集中制御装置１９とピッチ角との間の低周波ダイナミクスを修正する。これにより、集中制御装置１９に対する修正は必要なくなり、その性能も影響を受けない。第４のブレード制御手段要素１８によって修正された集合的ピッチ要求βｃｏｌｍｏｄは、加算要素１６に伝達される。ブレード制御手段に、βｄｅｍのほぼ周期的な部分に対応する要素を含ませることにより、アクチュエータの能力をより有効に利用することができる。この、ブレード制御手段周期的要素２５（下記に詳述される）は、第２のブレード制御手段要素１５と加算要素１６との間に配置され、βｂに作用する。
【００４０】
図４は、ブレード制御手段１３'の第２の好ましい実施形態を示している。ブレード制御手段１３'は、第１のブレード制御手段要素１４、第５のブレード制御手段要素２３、第３のブレード制御手段要素１７、第６のブレード制御手段要素２４、およびコンパレータ要素２２を含む。
【００４１】
アクチュエータ１１は、ピッチアクチュエータである、すなわち、要求されるピッチ角に従って、ブレードの実際のピッチ角を操作する。第２の好ましい実施形態では、アクチュエータ１１は、実際には、モーメントアクチュエータに変換される、すなわち、要求される根元部の曲げモーメントに従った、ブレード５の根元部の実際の曲げモーメントをもたらす。風況場の不均一性によって引き起こされる根元部の曲げモーメントにおける変動を打ち消すように、モーメントアクチュエータのバンド幅内で、ブレード５のピッチ角が調整される。
【００４２】
光ファイバーセンサ８によって取得されたロータ面外のブレード根元部の曲げモーメントμｍの測定値と、センサ９によって取得されたロータの加速度およびハブ４の前後方向の加速度αｍとは、第１のブレード制御手段要素１４に伝達される。第１のブレード制御手段要素１４は、ハブ４の前後方向の加速度を補償するようにμｍを修正する、すなわち、第１のブレード制御手段要素１４は、ブレード５の固定されない回転中心および一定にならない回転速度を補償する。修正されたロータ面外のブレード根元部の曲げモーメントμｍｏｄは、コンパレータ要素２２に伝達される。コンパレータ要素２２は、要求される根元部曲げモーメントμｄｅｍからμｍｏｄを差し引いて、根元部曲げモーメントエラーμｅを算出し、μｅは、第５のブレード制御手段要素２３に伝達される。第５のブレード制御手段要素２３は、μｅをゼロにドライブするように動作するモーメントアクチュエータ制御装置である。ブレード５のピッチを適切な角度βｍにする必要があることから、このような動作をおこなう。第５のブレード制御手段要素２３は、ＰＩ制御装置（図示せず）、および、高周波数ノイズおよび寄生ダイナミクスを軽減するために高周波数をロールオフするバンドパスフィルターによって構成される。
【００４３】
ブレード制御手段１３'は、第５のブレード制御手段要素２３の設計により、すなわち、ＰＩ制御装置およびフィルターの設計を通じて、改良されたブレードアクチュエーションシステム１２の安定性を確かにする。また、第５のブレード制御手段要素２３の設計は、モーメントアクチュエータのバンド幅を決定する。第５のブレード制御手段要素２３の設計を左右するダイナミクスは、ブレード５、アクチュエータ１１およびセンサ８、９のダイナミクスである。第１の制御手段要素１４によっておこなわれるμｍに対する修正が存在することから、第５のブレード制御手段要素２３の設計は、風力タービンダイナミクスのその他の要素には依存しない。
【００４４】
要求されるピッチ角度βｍは、第３のブレード制御手段要素１７に伝達される。第３のブレード制御手段要素１７は、βｍのブレード空気力学の非線形要素を補償し、補償システムの円滑なオン・オフ切り替えを提供する。ピッチ角に対する補償調整値βｄｅｍが、アクチュエータ１１に伝達される。
【００４５】
集中制御装置１９から取得したピッチ角に対する集合的調整値βｃｏｌは、第６のブレード制御手段要素２４に伝達される。第６のブレード制御手段要素２４は、βｃｏｌを等価のブレード根元部曲げモーメントμｄｅｍに変換する。補償システムは、集中制御装置１９とアクチュエータ１１との間のさらなるダイナミクスを導入する。第６のブレード制御手段要素２４は、特定のバンド幅を有する標準的なピッチアクチュエータのダイナミクスと同様に、集中制御装置１９とピッチ角との間のダイナミクスを修正する。これにより、集中制御装置１９に対する修正は必要なくなり、その性能も影響を受けない。第６のブレード制御手段要素２４によって修正された集合的なピッチ要求μｍは、コンパレータ要素２２に伝達される。ブレード制御手段１３'に、βｄｅｍのほぼ周期的な部分に対応する要素を含ませることにより、アクチュエータの能力をより有効に利用することができる。このブレード制御手段周期的要素２５（下記に詳述される）は、第５のブレード制御手段要素２３と第３のブレード制御手段要素１７との間に配置され、βｍに作用する。
【００４６】
図５は、ブレード制御手段周期要素２５を示している。ブレード制御手段周期要素は、第７のブレード制御手段要素２６と加算要素２７とから構成される。方位角θａおよびβｉの測定値は、第７のブレード制御手段要素２６に伝達される。第１の好ましい実施形態では、βｉはβｂであり、第２の好ましい実施形態では、βｉはβｍである。先の周期で測定されたβｉを用いて、第７のブレード制御手段要素２６は、ブレードのピッチ角のほぼ周期的な調整値βｃを算出する。加算要素２７は、βｏを得るために、βｉとβｃを加算する。第１の好ましい実施形態では、βｏは加算要素１６に伝達され、第２の好ましい実施形態では、βｏは第３のブレード制御手段要素１７に伝達される。
【００４７】
上記説明及び図面では、本発明の好ましい実施の形態が説明されたが、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲を逸脱することなく、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。例えば、加速度の測定値を、速度測定値を微分したものから導くようにしてもよい。
【図１】
2011505516.tif 000009
【図２】
2011505516.tif 000010
【図３】
2011505516.tif 000011
【図４】
2011505516.tif 000012
【図５】
2011505516.tif 000013
【国際調査報告】
2011505516.tif 000014
2011505516.tif 000015
2011505516.tif 000016