(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
風車翼から発電機へと回転力を伝達するドライブトレインと、
前記発電機の回転数の目標値からの偏倚に比例制御を施して発電機トルクの目標値からの偏倚に帰還して発電機トルクを制御し、発電機出力を一定に保つトルク比例制御部と、
前記回転数の目標値からの偏倚をバンドパスフィルタとハイパスフィルタとを通して発電機トルクの目標値からの偏倚へと帰還することで振動抑制を行うドライブトレインダンパとを備え、
前記ドライブトレインの捩じり振動に関わる固有周波数より低周波側に設定した所定周波数を前記ハイパスフィルタの遮断周波数とする
ことを特徴とする発電用風車制御システム。
【請求項２】
前記回転数に基づき前記風車翼のピッチ角を制御する翼ピッチ制御部を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の発電用風車制御システム。
【請求項３】
前記ドライブトレインの捩じり振動に関わる固有周波数が、前記ドライブトレインの低速軸の固有振動数および翼面内振動の固有振動数に対応することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発電用風車制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ドライブトレインに生じる捩じり振動の抑制を行う発電用風車の制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電システムでは、一般に複数の制御目的が存在する。例えば、発電効率の最大化を目的とする制御や、風からの入力エネルギーの制限を目的とする制御、発電機出力の安定化を目的とする制御、ドライブトレインの制振（安定化）を目的とする制御、タワーやナセルの制振を目的とする制御、風向に合わせた風車の向きの調整を目的とする制御などが挙げられる。
【０００３】
例えば、風からの入力エネルギーの制限は、発電機出力をフィードバックして翼ピッチを調整して発電機出力の一定化を図る（特許文献１参照）。また、発電機出力の安定化を目的とする制御では、回転数をフィードバックして発電機トルクを制御し、発電機出力の瞬間的な変動を抑制して発電出力の一定化を図る。また、ドライブトレインの捩じり振動を抑制する制御では、回転数をフィードバックして電流指令値を変更し、発電機トルクを制御することで捩じり振動を抑制する（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−０４８０５０号公報
【特許文献２】特開２００５−０４５８４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の発電機出力の一定化およびドライブトレインの捩じり振動の抑制は共に回転数フィードバックを用いた発電機トルクの制御であるため、互いにトレードオフの関係となる。このためこれらの制御を同時に達成することは困難であった。
【０００６】
本発明は、発電機出力の一定化およびドライブトレインの捩じり振動の抑制を同時に達成することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の発電用風車制御システムは、風車翼から発電機へと回転力を伝達するドライブトレインと、発電機の回転数を帰還して発電機トルクを制御し、発電機出力を一定に保つトルク比例制御部と、回転数をバンドパスフィルタとハイパスフィルタとを通して発電機トルクへと帰還するドライブトレインダンパとを備え、ドライブトレインの捩じり振動に関わる固有周波数より低周波側に設定した所定周波数をハイパスフィルタの遮断周波数とすることを特徴としている。
【０００８】
発電用風車制御システムは、回転数に基づき風車翼のピッチ角を制御する翼ピッチ制御部を更に備えることが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、発電機出力の一定化およびドライブトレインの捩じり振動の抑制を同時に達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態の発電用風車制御システムを搭載した風力システムの制御ブロック線図である。
【図２】風車ドライブトレイン（制御対象）の開ループ、翼ピッチ制御部およびトルク制御部を含めた閉ループの周波数応答特性を示すボード線図である。
【図３】実施例および比較例で使用された風速（外乱）データのグラフである。
【図４】比較例および実施例における発電機出力［Ｗ］の経時変化のグラフである。
【図５】比較例および実施例における発電機の回転数［ｒａｄ／ｓ］の経時変化のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態である発電用風車制御システムの制御ブロック線図である。
【００１２】
本実施形態の発電用風車制御システム１０は、風車翼（図示せず）と、これに連結される発電機（図示せず）とを含む風車ドライブトレイン（制御対象）１１を制御するためのシステムである。風車ドライブトレイン１１は、例えば、低速軸、増速機、高速軸（図示せず）等を介して風車翼と発電機とを連結し、風からの回転力を発電機へと伝達する。また風車翼は例えば翼ピッチ角が可変な可変ピッチ翼であり、ピッチ制御は、例えばＰＩ制御で行われる。
【００１３】
風車ドライブトレイン１１の風車翼面には、風速Ｖで風が当たり、その変動によるトルクの変動などが外乱として風車ドライブトレイン１１に入力される。発電用風車制御システム１０は、発電機回転数ωGの作動点（目標値）からの偏倚ΔωGをＰＩ等のフィードバック制御により翼ピッチ角θの作動点（設定値）からの偏倚Δθに帰還する翼ピッチ制御部（Ｃｐ（ｓ））１２を備える。また、本実施形態の発電用風車制御システム１０は、トルク制御部１５を備え、トルク制御部１５は、偏倚ΔωGをＰ制御を通して発電機トルクｑの作動点（目標値）からの偏倚Δｑに帰還するトルク比例制御部（Ｃｑ（ｓ））１３と、トルク比例制御部１３に並列に設けられ、フィルタを通して偏倚ΔωGを発電機トルクｑの作動点（目標値）からの偏倚Δｑに帰還するドライブトレインダンパ（Ｃｑｐ（ｓ））１４とを備える。
【００１４】
翼ピッチ制御部１２は、翼ピッチを調整して、風車翼が風から受ける揚力を調整し、風車ドライブトレイン１１へ入力されるパワーを制限する。翼ピッチ制御部１２の比例項の係数はＫp_p、積分項の係数はＫi_pで表される。トルク比例制御部１３は、発電機トルクを調整して外乱の影響による発電機出力の変動を抑制する。トルク比例制御部１３の比例項の係数はＫp_qで表される。すなわち、翼ピッチ制御部１２の伝達関数は、Ｃｐ（ｓ）＝Ｋp_p＋Ｋi_p／ｓ、トルク比例制御部１３の伝達関数は、Ｃｑ（ｓ）＝Ｋp_qとなる。
【００１５】
一方、ドライブトレインダンパ１４は、下記（１）式の伝達関数で表されるハイパスフィルタ（ＨＰＦ（ｓ））１４Ｈと、下記（２）式の伝達関数で表されるバンドパスフィルタ（ＢＰＦ（ｓ））１４Ｂを備え、ドライブトレインダンパ１４は、ＨＰＦ（ｓ）とＢＰＦ（ｓ）の伝達関数の積で表される。
【数１】
0006538473.tif 000002
【数２】
0006538473.tif 000003
【００１６】
すなわち、ドライブトレインダンパ１４は、下記（３）式で表される。
【数３】
0006538473.tif 000004
【００１７】
次に図２を参照して、翼ピッチ制御部１２、トルク比例制御部１３、ドライブトレインダンパ１４の設計方法について説明する。
【００１８】
本実施形態の発電用風車制御システム１０では、定格域において同時に（Ａ）風からの入力エネルギーを制限し、回転数を安定化させて発電機出力を長周期で安定させ、（Ｂ）発電機出力の短周期（ｔ）の時間平均を安定させ、更に（Ｃ）系（発電用風車制御システム１０全体の閉ループ）を安定化させるとともに風車ドライブトレイン１１の低速軸・翼面内の固有値に起因する振動を小さく抑える(２つの振動根の減衰比を大きくする)ことを目的とするが、下記各制御部の係数およびフィルタパラメータの設計では、特に（Ｂ）、（Ｃ）に主眼を置いて設計が行われる。なお、ここで翼面内の振動とは、風車翼の回転軸周りの振動のことである。
【００１９】
図２は、風車ドライブトレイン（制御対象）１１の開ループの周波数応答特性（実線Ｓ０）、翼ピッチ制御部１２およびトルク比例制御部１３を含めた閉ループの周波数応答特性（破線Ｓ１）を示すボード線図（図２（ａ）：ゲイン線図、図２（ｂ）：位相線図）である。図２（ａ）のゲイン線図において、ピークＰ１は、ドライブトレイン１１の低速軸の固有振動数に対応し、ピークＰ２は翼面内の振動の固有振動数に対応する。また、ピークＰ３は、翼ピッチ制御部１２とトルク比例制御部１３を含む閉ループにおける固有振動数に対応する。なお、図２は後述する実施例に対応するボード線図である。
【００２０】
翼ピッチ制御部１２、トルク比例制御部１３、ドライブトレインダンパ１４の設計は以下の手順（ａ）〜（ｅ）を通して行われる。
（ａ）翼ピッチ制御部１２の比例項の係数Ｋp_pと積分項の係数Ｋi_pを、ゲイン交差周波数や減衰比等を考慮した周知の手法で設計する。
（ｂ）制御対象である風車ドライブトレイン１１に対して、トルク比例制御部１３の比例項の係数Ｋp_qを決定する。ここでＫp_qは、瞬間的な回転数変動を発電機トルクで相殺し、発電機出力に変動が出ないように周知の手法で決定される。
（ｃ）図２のボード線図から、ドライブトレインダンパ１４を設計するために、ハイパスフィルタ１４Ｈの遮断周波数ｆ［Ｈｚ］を決定する。遮断周波数ｆは、ピークＰ１、Ｐ２より低周波側に設定され、遮断周波数ｆを目安に周波数領域が２つの領域に区切られる。このとき、ハイパスフィルタ１４Ｈの時定数ｔ（＝１／τ）は（２πｆ）-1［ｓ］に設定され、これは発電機の出力の安定性の基準となる時間に対応する。
（ｄ）（ｃ）で決定された遮断周波数ｆ（ハイパスフィルタ１４Ｈの時定数ｔ（＝１／τ））以外のＣｑｐ（ｓ）の各パラメータを決定する。これらのパラメータは、２つの領域のうち低周波側ではゲインを大きく低下させて発電機出力を安定化させ、並列のフィードバック部分（Ｃｑ（ｓ）＋Ｃｑｐ（ｓ））がＣｑ（ｓ）単体の状態に近づくような特性を持たせ、また高周波側では、制御対象である風車ドライブトレイン１１にＣｐ（ｓ）、Ｃｑ（ｓ）、Ｃｑｐ（ｓ）をフィードバックした系全体の閉ループを安定化させ、低速軸・翼面内振動の低減する特性を持たせるように決定される。τ以外のパラメータ（Ｇq,ωq,ζq,τq,ｎ）は、例えば、従来周知の最適化手法を用い、例えば一番小さい減衰比が最大化するように求められる。なお目的関数は上記低周波側、高周波側の特性が得られればこれに限定されない。
（ｅ）系の固有値や外乱応答特性などを見て、必要に応じて（ａ）に戻って翼ピッチ制御部１２のＣｐ（ｓ）の係数を調整し、（ａ）〜（ｄ）の制御設計を繰り返す。Ｃｐ（ｓ）の係数の調整の仕方は、「長周期の出力安定化」を主な目的とする。
【実施例】
【００２１】
次に図３〜図５を参照して本実施形態の発電用風車制御システム１０の実施例（シミュレーション結果）を参照して、本発電用風車制御システム１０で用いられるドライブトレインダンパ（フィルタＣｑｐ（ｓ））１４の作用・効果について説明する。
【００２２】
実施例のシミュレーションでは、５［ＭＷ］クラスの風車を想定し、定格域にある動作点（回転数×トルク）周りで線形化した風車モデルを用いた。翼ピッチ制御部（Ｃｐ（ｓ））１２、トルク比例制御部（Ｃｑ（ｓ））１３の各係数Ｋp_p、Ｋi_p、Ｋp_qは、上記手順（ａ）、（ｂ）を適用して決定し、Ｋp_p＝＋０．０１５［Ｎｍｓ／ｒａｄ］、Ｋi_p＝＋０．０１５［Ｎｍ／ｒａｄ］、Ｋp_q＝−２．１８３［Ｎｍｓ／ｒａｄ］とした。
【００２３】
次に手順（ｃ）に基づき、図２のボード線図から、遮断周波数ｆに対応する角周波数ωｃとして、ｔ＝５［ｓ］（τ＝０．２［Ｈｚ］＝０．４π［ｒａｄ／ｓ］）を選択し、ｎに関してはｎ＝３とした。また、手順（ｄ）に従い、低速軸・翼面内の振動を小さく抑える（２つの振動根の減衰比を大きくする）ような係数（Ｇq,ωq,ζq,τq）を探索し、それぞれＧq＝２０，０００［Ｎｍｓ／ｒａｄ］、ωq＝１２［ｒａｄ／ｓ］、ζq＝１、τq＝０［ｓ／ｒａｄ］に設定した。なお、図２に、実施例のドライブトレインダンパ１４のフィルタＣｑｐ（ｓ）の開ループの周波数特性を１点鎖線Ｓ２で示し、翼ピッチ制御部１２、トルク比例制御部１３、ドライブトレインダンパ１４を含めた閉ループの周波数応答特性を２点鎖線Ｓ３で示す。
【００２４】
一方、比較例として、上記実施例からトルク比例制御部（Ｃｑ（ｓ））１３およびドライブトレインダンパ（Ｃｑｐ（ｓ））１４を除いたＣｐ（ｓ）のみを備えた発電用風車制御システムのシミュレーション結果も示す。
【００２５】
実施例、比較例のシミュレーションでは、図３で示される風速（外乱）の風を風車に与えた。なお、発電機の定格速度（角速度）ωrefは、４８.５９０［ｒａｄ／ｓ」、定格トルクＱrefは、１０９，０７３［Ｎｍ］、定格出力Ｐrefは、５．３［ＭＷ］とした。また、発電機のトルクリミットの最大値としては定格トルクＱrefの１１０％の値、最小値としては０を設定し、翼ピッチ角の可動範囲は０°〜９０°に設定した。
【００２６】
図４（ａ）、図４（ｂ）は、上記条件の下で計算された比較例および実施例における発電機出力［Ｗ］の経時変化であり、図５（ａ）、図５（ｂ）は、上記条件の下で算出された比較例および実施例における発電機の回転数［ｒａｄ／ｓ］の経時変化である。
【００２７】
図４（ａ）、図４（ｂ）に示されるように、実施例では比較例に比べ発電機出力の長周期および短周期の変動が共に大幅に抑制されていることが分かる。図４（ａ）、図４（ｂ）の比較から実施例において上記目的（Ａ）、（Ｂ）が達成されたことが示される。また図５（ａ）、図５（ｂ）に示されるように、実施例では、比較例に比べて発電機回転数から高周波の振動成分が取り除かれていることが分かる。このことから本実施例において上記目的（Ｃ）が達成されたことが示される。
【００２８】
以上のように、本実施形態の発電用風車制御システムによれば、定格域において同時に（Ａ）風からの入力エネルギーを制限し、回転数を安定化させて発電機出力を長周期で安定させ、かつ（Ｂ）発電機出力の短周期（ｔ）の時間平均を安定させ、更に（Ｃ）系（発電用風車制御システム全体の閉ループ）を安定化させるとともに風車ドライブトレインの低速軸・翼面内の固有値に起因する振動を小さく抑える（２つの振動根の減衰比を大きくする）ことができる。すなわち、発電機出力の一定化およびドライブトレインの捩じり振動の抑制を同時に達成できる。
【００２９】
また、バンドパスフィルタとハイパスフィルタを組み合わせた（３）式のフィルタを用いることで、フィルタ設計手順が明確になり、手順（ａ）〜（ｆ）に従って容易に設計が行える。
【００３０】
なお、本実施形態の説明では省略したが、風車システムは、定格域以外（例えば低速域）では、一般に他の運転モードで制御されている。また、風車システムは、風向変化に対応したナセルのヨー制御なども行い、更に風車タワーの制振のための制御など他の制御を備えていてもよい。
【符号の説明】
【００３１】
１０  発電用風車制御システム
１１  風車ドライブトレイン
１２  翼ピッチ制御部
１３  トルク比例制御部
１４  ドライブトレインダンパ
１４Ｂ  バンドパスフィルタ
１４Ｈ  ハイパスフィルタ
１５  トルク制御部
【図１】
0006538473.tif 000005
【図２】
0006538473.tif 000006
【図３】
0006538473.tif 000007
【図４】
0006538473.tif 000008
【図５】
0006538473.tif 000009