(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変速制御可能な風力発電システムであって、
風を受けて回転するブレードと、
前記ブレードの荷重を支持するタワーと、
前記ブレードの回転力を用いて発電する発電機と、
ピッチ角度目標値に基づいて前記ブレードのピッチ角度を調整する調整装置と、
前記調整装置に送るピッチ角度目標値を定める制御装置を備え、
前記制御装置は、タワー振動制御手段を有しており、前記タワー振動制御手段が決定する前記タワーの振動を制御する調整幅を用いて前記ピッチ角度目標値を決定し、
前記調整幅は、前記発電機の発電電力に基づいて決定され、
前記制御装置は、前記発電電力が定格出力から所定値を差し引いた第１の電力よりも大きい場合と、前記第１の電力より小さい場合で、前記調整幅の大きさを異ならせることを特徴とする風力発電システム。
【請求項２】
請求項１に記載の風力発電システムであって、
前記制御装置は、前記発電機の出力が定格出力以下である制限電力に制限された際、前記発電電力が前記制限電力から所定値を差し引いた第２の電力より大きい場合と、前記第２の電力より小さい場合で、前記調整幅の大きさを異ならせることを特徴とする風力発電システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の風力発電システムであって、
前記制御装置は、閾値風速以上の風速では発電機トルクを保持する様に制御し、
各前記所定値は、前記閾値風速以上における発電電力のバラつきを考慮して決定されることを特徴とする風力発電システム。
【請求項４】
請求項３に記載の風力発電システムであって、
前記所定値は、前記閾値風速以上で発電する際の発電電力の変動幅の略２分の１であることを特徴とする風力発電システム。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の風力発電システムであって、
前記制御装置は、前記タワー振動制御手段が有する伝達特性を調整するゲインを調整することで、前記調整幅を変更することを特徴とする風力発電システム。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の風力発電システムであって、
前記タワー振動制御手段が有する伝達特性が、前記伝達特性の入力値の周波数成分を抽出するフィルタ特性を備えている際、
前記制御装置は、前記フィルタ特性の固有振動数を調整することで、前記調整幅を変更することを特徴とする風力発電システム。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の風力発電システムであって、更に前記タワーの荷重を支持する浮体構造物を備えることを特徴とする風力発電システム。
【請求項８】
風を受けて回転するブレードと、
前記ブレードの荷重を支持するタワーと、
前記ブレードの回転力を用いて発電する発電機と
ピッチ角度目標値に基づいて前記ブレードのピッチ角度を調整する調整装置を備え、可変速制御可能な風力発電システムの制御方法であって、
前記タワーの振動を制御する調整幅を用いて前記ピッチ角度目標値を決定し、
前記調整幅を、前記発電機の発電電力に基づいて決定し、
前記発電電力が定格出力から所定値を差し引いた第１の電力よりも大きい場合と、前記第１の電力より小さい場合で、前記調整幅の大きさを異ならせることを特徴とする風力発電システムの制御方法。
【請求項９】
請求項８に記載の風力発電システムの制御方法であって、
前記発電機の出力が定格出力以下である制限電力に制限された際、前記発電電力が前記制限電力から所定値を差し引いた第２の電力より大きい場合と、前記第２の電力より小さい場合で、前記調整幅の大きさを異ならせることを特徴とする風力発電システムの制御方法。
【請求項１０】
請求項８または９に記載の風力発電システムの制御方法であって、
閾値風速以上の風速では発電機トルクを保持する様に制御し、
各前記所定値を、前記閾値風速以上における発電電力のバラつきを考慮して決定することを特徴とすることを特徴とする風力発電システムの制御方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の風力発電システムの制御方法であって、
前記所定値は、前記閾値風速以上で発電する際の前記発電電力の変動幅の略２分の１であることを特徴とする風力発電システムの制御方法。
【請求項１２】
請求項８ないし１１のいずれか１項に記載の風力発電システムの制御方法であって、
前記タワー振動制御手段が有する伝達特性を調整するゲインを調整することで、前記調整幅を変更することを特徴とする風力発電システムの制御方法。
【請求項１３】
請求項８ないし１２のいずれか１項に記載の風力発電システムの制御方法であって、
前記タワー振動制御手段が有する伝達特性が、前記伝達特性の入力値の周波数成分を抽出するフィルタ特性を備えている際、
前記フィルタ特性の固有振動数を調整することで、前記調整幅を変更することを特徴とする風力発電システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電システムまたは風力発電システムの制御方法に係り、特にタワー等の振動制御可能なものに関する。
【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、二酸化炭素の排出量の低減や、化石燃料への依存度の低下が求められている。これらの実現のためには、二酸化炭素を排出せず、さらに化石燃料を利用せずに発電が可能であり、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可能な発電システムの導入が有効である。
【０００３】
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、日射による昼夜の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】
風力発電システムを活用して安定的に電力を供給するためには、風力発電システムを構成するブレード、タワー、および、ドライブトレインに発生する振動を低減する技術が必要である。特に、システム全体を支える構造物であるタワーの振動は、構成部品への振動に繋がる場合がある。
【０００５】
ここで、風力発電システムのタワーに発生する振動の低減を考慮したものとして、例えば特許文献１に開示されたタワー振動制御手段がある。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外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を有する風力発電装置」が開示されている。
【０００６】
特許文献１に記載の技術を適用することで、ナセルに設置された加速度計にて計測した加速度に基づいてブレードのピッチ角度を調整し、風力発電システムが風から受けるスラスト力を制御することで、タワー振動を低減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】ＷＯ０５／８３２６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
風力発電システムが出力する発電電力を制御するために、風力発電システムに備えられる制御装置は、ブレードのピッチ角度などを調整する。発電電力の制御は一般的に可変速制御と呼ばれている。特許文献１では、上述の様にナセルの振動の加速度に基づいて振動制御を行っている。一方、可変速制御を行うと、発電電力が定格となる風速（定格風速）以上の風速では、発電機回転速度を一定に保つためにブレードピッチ角度を常時調整し、それにより、ロータが受けるスラスト力が随時変化する。故にこうしたスラスト力変化にも対応できる様にタワー振動制御を行うことが望ましい。
【０００９】
また、定格風速より低い風速であっても、例えば定格出力であった後、風速が低下することになった場合等、タワー振動制御手段の制御特性が、実際に生じている振動の特性と合致しないこともある。この場合にナセル等の振動の加速度に基づいて制御を行ってもタワー振動の低減には時間を要する可能性がある。
【００１０】
本発明では、タワー振動の特性に合わせた制御を行うことができる風力発電システムまたは風力発電システムの制御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】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明に係る風力発電システムは、可変速制御可能な風力発電システムであって、風を受けて回転するブレードと、前記ブレードの荷重を支持するタワーと、前記ブレードの回転力を用いて発電する発電機と、ピッチ角度目標値に基づいて前記ブレードのピッチ角度を調整する調整装置と、前記調整装置に送るピッチ角度目標値を定める制御装置を備え、前記制御装置は、タワー振動制御手段を有しており、前記タワー振動制御手段が決定する前記タワーの振動を制御する調整幅を用いて前記ピッチ角度目標値を決定し、前記調整幅は、前記発電機の発電電力に基づいて決定され、前記制御装置は、前記発電電力が定格出力から所定値を差し引いた第１の電力よりも大きい場合と、前記第１の電力より小さい場合で、前記調整幅の大きさを異ならせることを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る風力発電システムの制御方法は、風を受けて回転するブレードと、前記ブレードの荷重を支持するタワーと、前記ブレードの回転力を用いて発電する発電機と、ピッチ角度目標値に基づいて前記ブレードのピッチ角度を調整する調整装置を備え、可変速制御可能な風力発電システムの制御方法であって、前記タワーの振動を制御する調整幅を用いて前記ピッチ角度目標値を決定し、前記調整幅を、前記発電機の発電電力に基づいて決定し、前記発電電力が定格出力から所定値を差し引いた第１の電力よりも大きい場合と、前記第１の電力より小さい場合で、前記調整幅の大きさを異ならせることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、タワー振動の特性に合わせた制御を行うことができる風力発電システムまたは風力発電システムの制御方法を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施例に係る風力発電システム１の構成概要を示す図。
【図２】本発明の実施例に係る風力発電システム１における発電電力、発電機回転速度、発電機トルク、およびピッチ角度の関係を示す概略図。
【図３】本発明の実施例における風力発電システム１のコントローラ９に実装される風力発電システム制御手段１０１の処理概要を示すブロック線図。
【図４】本発明の実施例に係る発電電力とタワー振動制御手段によるピッチ角度調整幅の絶対値の関係の一例を示す概略図。
【図５】実施例に係る発電電力を制限した条件における、風力発電システム１における発電電力、発電機回転速度、発電機トルク、およびピッチ角度の関係を示す概略図。
【図６】本発明の実施例に係る発電電力を制限した条件における、発電電力とタワー振動制御手段によるピッチ角度調整幅の絶対値の関係の一例を示す概略図。
【図７】本発明の実施例に係る風速に対する発電電力の変動幅の関係の一例を示す概略図。
【図８】本発明の実施例に係る発電電力に基づく調整手段であり、タワー振動制御手段の制御ゲインを出力する一例を示す概略図。
【図９】本発明の実施例に係る発電電力に基づく調整手段であり、タワー振動制御手段の固有振動数を出力する一例を示す概略図。
【図１０】本発明の実施例に係る発電電力に基づく調整手段であり、タワー振動制御手段の制御ゲインと固有振動数を出力する一例を示す概略図。
【図１１】本発明の実施例に係る風力発電システム制御手段１０１の処理概要を示すフローチャート。
【図１２】本発明に係る風力発電システム１が浮体構造物を備えた場合の構成概要を示す概略図。
【図１３】本発明に係る風力発電システム制御手段１０１の効果の一例を示す概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を用いて、本発明の実施形態について具体的に説明する。尚、下記はあくまでも実施例であって、本発明の実施態様が下記実施例に限定されることを意図するものではない。
【００１６】
初めに、風力発電システムの概略構成等について図１および図２を用いて説明する。まず、図１を用いて、実施例に係る風力発電システム全体の概略構成について説明する。
【００１７】
図１の風力発電システム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はナセル５に回転軸（図１では省略する）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。ナセル５はロータ４を回転可能に支持している。ナセル５は発電機６を適宜位置に備える。ブレード２が風を受けることにより回転し、その回転力を用いて発電機６を回転させることで電力を発生することができる。
【００１８】
ブレード２の各々には、図では省略するが、ブレード２とハブ３の位置関係、すなわちピッチ角度と呼ぶブレードの角度、を変更可能なピッチアクチュエータ７を備えている。ピッチアクチュエータ７を用いてブレード２のピッチ角度を変更することにより、風に対するロータ４の回転エネルギーを変更できる。ピッチアクチュエータ７へは、コントローラ９からピッチ角度目標値を送り、送られたピッチ角目標値に基づき、ピッチアクチュエータ７は、ピッチ角度を調整する。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、風力発電システム１の発電電力を制御することができる。
【００１９】
図１の風力発電システム１では、ナセル５はタワー８上に設置されており、タワー８に対して回転可能に支持されている。ハブ３やナセル５を介してブレード２の荷重がタワー８に支持される。タワー７は、基部（図では省略）に設置され、地上または洋上等の所定位置に設置される。
【００２０】
また、風力発電システム１はコントローラ９（制御装置）を備えており、ナセル５の水平面からの傾斜角度や傾斜加速度を計測するナセル傾斜情報計測センサ１０や、ナセル５近傍の風速を計測する風速センサ（図では省略）、発電機の回転速度を計測する回転センサ（図では省略）に基づき、コントローラ９が発電機６とピッチアクチュエータ７を調整することで、風力発電システム１が出力する電力を調整する。
【００２１】
なお、図では省略するが風向を計測する風向センサ、発電機が出力する有効電力を計測する電力センサ、などを適宜位置に備えている。
【００２２】
図１ではコントローラ９はナセル５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、これに限ったものではなく、ナセル５またはタワー８の内部またはそれ以外の所定位置、または風力発電システム１の外部に設置される形態であっても良い。
【００２３】
ここで、図２を用いて風力発電システム１の発電動作概要について説明する。図２は風速に対する、発電電力、発電機回転速度、発電機トルク、およびピッチ角度の関係を示す概要図である。図２の横軸は風速を示し、縦軸の上方側は上から順に発電電力が高いこと、発電機回転速度が高いこと、発電機トルクが高いこと、ピッチ角度がフェザー側であることをそれぞれ示す。
【００２４】
まず、発電電力Pに注目すると、カットイン風速vinからカットアウト風速voutの範囲で発電電力を変化させるが、定格風速vdまでは風速vの増加に伴い発電電力Pを増加させる、風速vdからカットアウト風速voutまでは発電出力Pを一定とする。
【００２５】
このような風速vに対する発電電力Pの特性に従って運転するために、コントローラ９は下記のように発電機回転速度ω、発電機トルクQ、およびブレード２のピッチ角度Θを調整する。
【００２６】
コントローラ９は発電機回転速度ωを、カットイン風速vinから風速vaまでは同期回転速度ωlowに保持し、風速vaから風速vbまでは風速vに伴って増加し、風速vbからカットアウト風速voutまで定格回転速度ωratedに保持する。また、コントローラ９は発電機トルクQをカットイン風速vinから定格風速vdまでは風速vの増加に従って定格トルクQratedまで増加し、定格風速vdからカットアウト風速voutまでは定格トルクQratedに保持する。発電機回転速度ωと発電機トルクQを上記のように調整するために、コントローラ９はロータ４が受ける風力エネルギーを調整するためにブレード２のピッチ角度Θをカットイン風速vinから風速vcまでファイン側のピッチ角度に保持し、風速vcからカットアウト風速voutまでは風速vの増加に伴い、ピッチ角度Θを増加させる。
【００２７】
実施例は、図２に示した風力発電システム１の発電運転の際に、ナセル５（またはタワー８）に発生する前後方向の振動（以下、タワー振動）を低減するタワー振動制御手段に係るものであり、発電電力に基づいて風力発電システム制御手段１を調整する機能を備えることで、タワー振動を励起せず、適切にタワー振動を低減するものである。タワー振動制御の他の手法と共に用いることもまた可能である。
【００２８】
以下、実施例に係る風力発電システム制御手段１０１について、図３から図１５を用いて説明する。
【００２９】
図３は、本発明の実施例における風力発電システム１のコントローラ９に実装される風力発電システム１０１の処理概要を示すブロック線図である。本発明の実施例に係る風力発電システム１０１は、可変速制御手段３０１、発電電力に基づく調整手段３０２、タワー振動制御手段３０３、および加算部３０４、により構成される。
【００３０】
可変速制御手段３０１は、発電機回転速度ωに基づき、発電機トルク目標値Q*および可変速制御手段によるピッチ角度調整幅Θ*VSCを決定する。この可変速制御手段３０１は、図２に示した風力発電システム１の運転特性を実現できるように、発電機トルク目標値Q*と可変速制御手段によるピッチ角度調整幅Θ*VSCを決定する。
【００３１】
発電電力に基づく調整手段３０２は、発電電力Pに基づき、タワー振動制御手段３０３の調整パラメータを決定する。発電電力に基づく調整手段３０２の具体例については後述する。
【００３２】
タワー振動制御手段３０３は、タワー振動情報に基づき、タワー振動制御によるピッチ角度調整幅Θ*TVCを決定する。このピッチ角度調整幅Θ*TVCを用いてピッチ角度目標値を決定する。調整幅の用い方としては、調整幅自体に基づいて直接にピッチ角度目標値を決定する場合の他、他の制限値等との比較に用いると言うやり方も考えられる。本実施例において、ピッチ角度調整幅Θ*TVCは、発電機６の発電電力に基づいて決定される。
【００３３】
加算部３０４では、可変速制御手段３０１によるピッチ角度調整幅Θ*VSCとタワー振動制御手段によるピッチ角度調整幅Θ*TVCとを加算し、ピッチ角度目標値Θ*を決定する。本実施例では、ピッチ角度目標値Θ*はピッチアクチュエータ７へ送信される指令値と一致することを想定するが、これに限らず、ピッチ角度目標値Θ*の前回値を加算していく処理を備えていたり、ピッチ角度目標値Θ*の速度をピッチアクチュエータ７へ送信したりするものであっても良い。
【００３４】
ロータ４の回転速度や発電機トルクを制御して発電電力を制御する可変速制御によるブレードピッチ角度の調整は、風力発電システムが構造上の特性として備える固有のタワー振動を増大させる場合があり、特に、浮体式風力発電システムでは顕著となる。浮体式風力発電システムは地面や海底に固定されていないためにタワー姿勢が変化しやすい。
【００３５】
可変速制御による発電機回転速度を保持するためのブレードピッチ角度の調整が、ロータに加わるスラスト力を変化させることで、タワー振動を励起する場合がある。これはネガティブダンピング現象と呼ばれる。このネガティブダンピング現象によるタワー振動は、発電電力が定格出力に至り、可変速制御が発電機回転速度を保持するようにブレードピッチ角度調整をフェザー側へ調整する運転条件下で発生する。対して、ブレードピッチ角度を調整せずにファインピッチ角度に保持する定格出力以下の運転条件では発生しない。なお、可変速制御によるブレードピッチ角度の調整は、風速ではなく、発電機回転速度と発電電力の計測値に応じて実施される。これらのことから、上述のタワー振動特性は発電電力に基づいて変化する性質を有することを示す。よって、発電電力に基づいてタワー振動制御を行うことが望ましい。
【００３６】
ナセル等の加速度に基づいて振動制御手段の適用により、上述のネガティブダンピング現象を抑制することも不可能ではない。ただし、係る手段のみでは、発電電力に基づくタワー振動制御手段の特性変更に関する技術を備えていないため、上述の発電電力に応じたタワー振動特性の変化によって、タワー振動の収束時間が長期化する場合がある。本実施例で説明する様に、発電電力に基づいてタワー振動制御手段の特性を変更することでタワー振動を効果的に集束させることが可能になる。
【００３７】
また、発電電力が定格出力であった後、風速が低下することで定格出力以下に変化した場合を想定する。発電電力が定格出力の場合には、タワー振動特性に合わせたタワー振動制御手段であるため、タワー振動を低減できるが、発電電力が定格以下へ変化した際には、タワー振動制御手段の特性が、発生するタワー振動特性と合致しない場合がある。これによって、タワー振動の加速度等に基づくブレードピッチ角度の調整が適切に動作しないため、タワー振動の収束に時間を要する可能性がある。よって、定格風速以下の領域においてもやはり発電電力に基づいてタワー振動制御を行うことが望ましい。
【００３８】
本実施例の好ましい適用対象として、発電電力に基づいて特性が変化するタワー振動制御手段の適用はネガティブダンピングが生じる範囲がある。ネガティブダンピングは定格出力または定格出力から若干低下した出力において生じるため、発電電力が定格出力付近の運転条件と、発電電力が定格出力より小さい運転条件において、タワー振動制御手段の特性を変更することが好ましい。但し、本発明自体は、ネガティブダンピングが生じない出力でも適用可能であり、その場合でも一定の効果は期待できる。
【００３９】
図４は，発電電力に基づく調整手段３０２によるタワー振動制御手段３０３の調整パラメータを反映した後の、発電電力とタワー振動制御手段３０３が決定するタワー振動制御によるピッチ角度調整幅Θ*TVCとの関係の一例を示す概略図である。なお、図４は、タワー振動情報の一例であるタワー傾斜角度を所定値に保持した場合の、タワー振動制御手段によるピッチ角度調整幅の絶対値|Θ*TVC|を示す。タワー振動情報はタワー傾斜角度に限られず、例えばタワーやナセルの加速度等を用いることもできる。
【００４０】
発電電力に基づく調整手段３０２によるタワー振動制御手段の調整パラメータを反映することで、タワー振動制御手段３０３は発電電力が定格出力Pratedから所定の値ΔPの範囲を持ったP1までの範囲においては、タワー振動制御手段によるピッチ角度調整幅の絶対値|Θ*TVC|を大きくする。これに対して、発電電力Pが定格出力Pratedよりも小さいP2（更に、P2はP1よりも小さい）以下では、タワー振動制御手段によるピッチ角度調整幅の絶対値|Θ*TVC|を小さくする。なお、発電電力P1とP2の間でのピッチ角度調整幅の絶対値|Θ*TVC|の急変を抑制するため、発電電力P1とP2の間でのピッチ角度調整幅の絶対値|Θ*TVC|は発電電力Pの変化に応じて滑らかに補間する。また、発電電力P1とP2の間での補間も、直線的でなく、2次関数など曲線的な補間形態であっても良い。
【００４１】
発電電力に基づく調整手段３０２の具体的な動作例は下記の通りである。発電電力が定格出力Pratedから所定の値ΔPの範囲を持ったP1の範囲においては、上述の可変速制御によるピッチ角度の動作によってネガティブダンピング現象が発生し、タワー振動が拡大する可能性がある。そのため、可変速制御のピッチ角度調整幅に対してタワー振動を低減する成分を付与するために、タワー振動制御手段によるピッチ角度調整幅の絶対値|Θ*TVC|を大きくする。
【００４２】
これに対して、発電電力が定格出力Pratedよりも（更にP1よりも）小さいP2以下では、可変速制御によってピッチ角度が調整されないために、上述のネガティブダンピング現象は発生しない。しかしながら、発電電力が定格出力PratedからΔPの範囲を持ったP1の範囲の運転条件においてネガティブダンピング現象によってタワー振動が発生し、発電電力が低下した後も継続している場合や、他にも風の変動や波の変動が上述のタワー固有振動と一致した場合には、タワー振動が発生する場合がある。この場合のタワー振動特性は、上述のネガティブダンピング現象のようにタワー振動が拡大、継続するような特性とは異なり、タワー振動に基づくピッチ角度調整幅が小さくてもタワー振動を低減することができる。そのため、発電電力Pが定格出力PratedやP1よりも小さいP2以下では、タワー振動制御手段によるピッチ角度調整幅の絶対値を|Θ*TVC|を、発電電力が定格出力PratedからΔPの範囲を持ったP1の範囲の値よりも、その値を小さくする。即ちコントローラ９は、発電機６の発電電力が定格出力から所定の値ΔPを差し引いたP1よりも大きい場合と、P1よりも小さい場合で、ピッチ角度調整幅の大きさを異ならせている。ただし、発電電力Pが定格出力付近でのピッチ角度調整幅の絶対値|Θ*TVC|を発電電力P2以下のものよりも小さくするものも一切排除するものでない。
【００４３】
図５は、風力発電システム１の定格出力が制限された場合の動作概要を示す図である。図５の横軸は風速を示し、縦軸の上方側は上から順に発電電力が高いこと、発電機回転速度が高いこと、発電機トルクが高いこと、ピッチ角度がフェザー側であることをそれぞれ示す。図５の点線は図２に示した発電電力制限なしの場合を示し、実線が発電電力制限ありの場合を示す。
【００４４】
点線にて示す発電電力制限なしの場合に対し、実線の発電電力制限ありの場合では、風速veにて発生可能な発電電力Pres以下で動作するように制限し、風速ve以上では発電電力をPresに保持する。発電電力制限に伴い、発電機回転速と発電機トルクをそれぞれωresおよびQresに制限する。また、発電電力制限に合わせて、ピッチ角度を風速ve以上でフェザー側へ動作させる。
【００４５】
図６は、図５に示した発電電力を制限した場合の、発電電力とタワー振動制御手段によるピッチ角度調整幅の絶対値|Θ*TVC|の関係の一例を示す概略図である。（最大）発電電力を定格出力Pratedから定格出力以下である制限電力Presへ制限したことに合わせて、発電電力Presから所定値ΔP を差し引いたP3の間でのタワー振動制御手段によるピッチ角度調整幅の絶対値|Θ*TVC|と、発電電力P4（＜P3）からP3の間でのタワー振動制御手段によるピッチ角度調整幅の絶対値|Θ*TVC|の特性、大きさを異ならせている。
【００４６】
図７は、図４と図６に示すΔPと風速に関する関係の一例を示す概略図である。図７の横軸は風速を示し、縦軸は発電電力を示す。図７における実線は定常特性を示し、破線は逐次動作における発電電力の変動幅を示す。図４と図６に示すΔPは、図７に示すように所定値ΔPは定格回転速度以上で発電する際の発電電力の変動幅の2分の1程度とする。
【００４７】
ただし、これに限ったものではなく、ΔPは上記発電電力の変動幅の2分の1以下であっても良いし、3倍程度と大きい値をとるものであっても良いが、図４や図６に示すタワー振動制御手段によるピッチ角度調整幅の絶対値|Θ*TVC|は、ΔPに基づいて変更される特性を備える。尚、上記図４から図７の説明において、同じ所定値ΔP を用いて説明していたが、双方の運転条件が異なることから別個の値を使用しても良い。具体的には、図４におけるΔPをΔP 1、図６におけるΔPをΔP 2とすると、ΔP 1≠ΔP 2としても良い。これらの所定値は、運転時の発電電力の変動幅を包括できる様にすると良い。具体的には、定格風速vｄや制限後に自身よりも高い風速ve以上では発電機トルクを一定に保持するveと言った閾値風速に対して、ΔP 1やΔP 2と言った各所定値は、対応する閾値風速以上における発電電力のバラつきを考慮して決定される様にすることが出来る。発電電力のバラつきを考慮して決定する必要性は、次の様に説明できる。即ち、可変速制御の入力である発電機回転速度の計測値（センサ出力）や、発電機トルクの出力値（実際の値）にはバラつきを含むため、定格運転時などでも発電電力が変動する。また、本実施例に示す手法によれば、現状の運転条件（ネガティブダンピング現象が発生するか否か等）を把握するためにも発電電力を利用するが、この計測値もバラつきを含む。従って、運転条件を正確に判断するためにも、発電電力のバラつきを考慮することが望ましい。
【００４８】
図８から図１０は、発電電力に基づく調整手段３０２の具体例を示す図である。図８は、発電電力に基づく調整手段３０２が、発電電力に基づいて、タワー振動制御手段の制御ゲインGTVCを調整する場合を示す。これは、図には明記しないが、タワー振動制御手段３０３のピッチ角度目標値を決定する伝達特性に、制御ゲインGTVCを有する場合の例である。制御ゲインGTVCがタワー振動制御手段３０３の伝達特性のゲイン全体を変更可能であっても良いし、一部のみ変更可能なものであっても良い。コントローラ９は、タワー振動制御手段３０３が有する伝達特性を調整するゲインを調整することで、ピッチ角度調整幅を変更する。
【００４９】
図９は、発電電力に基づく調整手段３０２が、発電電力に基づいて、タワー振動制御手段の固有振動数ωTVCを調整する場合を示す。これは、図には明記しないが、タワー振動制御手段３０３のピッチ角度目標値を決定する伝達特性に、ディジタルフィルタといった固有振動数ωTVCを有する場合の例である。ディジタルフィルタは、タワー振動情報の一例であるタワー傾斜角度から特定の周波数成分を抽出するバンドパスフィルタであっても良いし、その他の位相特性を調整する伝達特性との組合せであってもよい。
【００５０】
図１０は、発電電力に基づく調整手段３０２が、発電電力に基づいて、タワー振動制御手段の制御ゲインGTVCとタワー振動制御手段の固有振動数ωTVCを調整する場合を示す。図には明記しないが、上述と同様に、タワー振動制御手段３０２の伝達特性に、制御ゲインGTVCとディジタルフィルタといった固有振動数ωTVCの特性を有する場合の例である。コントローラ９内で、フィルタ特性の固有振動数ωTVCを調整することで、調整幅を変更する。但し、これに限ったものではなく、上記制御ゲインGTVCとディジタルフィルタといった固有振動数ωTVC以外の調整パラメータを決定するものであっても良い。
【００５１】
図１１は、本発明の実施例にかかる風力発電システムの制御手段１０１の処理概要を示すフローチャートである。ステップＳ１１０１では、発電機回転速度ωを決定し、次のステップに進む。ステップＳ１１０２では可変速制御手段によるピッチ角度調整手段３０１において、可変速制御手段によるピッチ角度調整幅Θ*VSCを決定し、次のステップに進む。ステップＳ１１０３では、タワー振動情報を決定し、次のステップに進む。ステップＳ１１０４では、発電電力に基づく調整手段３０２にて調整パラメータを決定した後、タワー振動制御手段３０３において、タワー振動情報と調整パラメータに基づいて、タワー振動制御手段によるピッチ角度調整幅Θ*TVCを決定し、次のステップに進む。ステップＳ１１０５では、加算部３０４により、可変速制御手段３０１によるピッチ角度調整幅Θ*VSCとタワー振動制御手段によるピッチ角度調整幅Θ*TVCとを加算して、ピッチ角度目標値Θ*を決定し、一連の処理を終了する。
【００５２】
なお、本発明が請求する範囲は上記に限ったものではない。具体的には、図１に示す風力発電システム１は設置形態を明記していないが、地面または海底に設置される着床式の風力発電システムであっても良い。また、図１２に示すように、洋上に浮かべられる浮体構造物１１の上に設置される構成を備えるものであっても良い。
【００５３】
図１３に、本発明の実施例にかかる風力発電システム制御手段１０１の効果を示す概略図である。図１３の横軸は時刻、縦軸は図上方より風速、発電電力、およびタワー傾斜情報の一例であるタワー傾斜角度を示す。図の上方側は上から順に、風速が高いこと、発電電力が高いこと、およびタワー傾斜角度が後方であることをそれぞれ示す。図１３において、点線が本発明の実施例を適用していない場合の応答例を示し、実線が本発明を適用した場合の応答例を示す。
【００５４】
図１３は、最上段に示す風速が、時刻t2より低下し、時刻t3にて定格出力vdよりも小さい状態へ変化した場合である。風速の変化に伴い、図１３の中段に示す発電電力はPratedから低下する。この風速および発電電力の変化に応じて、タワー傾斜角度の特性が変化するため、本実施例に係る内容を適用しない場合には、タワー傾斜角度の振動が発散することはないが、時刻t3以後もタワー振動が継続する場合がある。これに対して、本実施例に係る内容を適用することで、発電電力に基づいてタワー振動制御手段の特性を調整することで、時刻t3以後のタワー振動を短期間で収束させることができる。尚、上記例では主としてタワー傾斜角度に基づいてタワー等の振動低減をする場合について説明したが、それ以外のタワー振動低減手法を併せて適用することも可能であり、例えばナセルやタワーの加速度に基づくタワー振動低減手法への適用が可能である。
【符号の説明】
【００５５】
１：風力発電システム
２：ブレード
３：ハブ
４：ロータ
５：ナセル
６：発電機
７：ピッチアクチュエータ
８：タワー
９：コントローラ
１０：タワー傾斜情報計測センサ
１１：浮体構造物
【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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