(57)【要約】【課題】高効率な発電が可能な風力発電システムを得る。【解決手段】レーザ式風向風速計を用い、風力発電機前方のエアロゾル１５０に、レーザ光２１０を射出し、反射光２１５を検出することにより、任意距離だけ離れた位置の風向風速データを得、このデータを基に、近未来に風力発電機が受ける風の風向風速および到達時間などの風況を予測する。この予測データをコントローラ４０に送り、コントローラ４０において最適ヨー角・ピッチ角を算出し、その制御信号をヨー角制御駆動装置５０、ピッチ角制御駆動装置６０に送って、風力発電機のプロペラ回転面を、予測した風向にあわせるようにヨー角を制御するとともに、ブレード１０のピッチ角を最適化させる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力発電機、上記風力発電機に取り付けられるか、またはその近傍に配置されるレーザ式風向風速計を備え、上記レーザ式風向風速計は、レーザ光を用いて、上記風力発電機の位置から任意距離だけ離れた位置における風向風速データを検出するとともに、上記風向風速データに基づいて上記風力発電機が受ける風の風向風速を予測し、プロペラ型である上記風力発電機は、上記レーザ式風向風速計が予測した風向に、プロペラ回転面をあわせるようにヨー角を制御するとともに、上記プロペラを構成するブレードのピッチ角を制御することを特徴とする風力発電システム。
【請求項２】
風力発電機、上記風力発電機に取り付けられるか、またはその近傍に配置されるレーザ式風向風速計を備え、上記レーザ式風向風速計は、レーザ光を用いて、上記風力発電機の位置から任意距離だけ離れた位置における風向風速データを検出するとともに、上記風向風速データに基づいて上記風力発電機が受ける風の風向風速を予測し、上記風力発電機は、予測した風向風速に基づいて風車回転数を制御することを特徴とする風力発電システム。
【請求項３】
上記風力発電機は、複数台配置され、１機または数機の上記レーザ式風向風速計から得られたデータに基づいて、上記風力発電機のヨー角、ピッチ角、風車回転数を制御することを特徴とする請求項１または請求項２記載の風力発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、風力発電機前方の風況を予測して風力発電機を高効率で運転する風力発電システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の、風況を予測する風力発電システムは、電波を利用したドップラーレーダを用いて風力発電機前方の風ベクトルを測定し、その風ベクトルから風力発電機の出力値を予測し、予測出力値に基づいて、電力系統側発電機の出力制御を行うものである（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
また、別の風力発電システムは、複数台の風力発電装置が、各々、風向、風力等を測定し、各風力発電装置間で、測定結果を相互にやり取りしながら、風の変化のタイミングを予測し、風力発電装置の姿勢、プロペラ角度等を最適化させるものである（例えば、特許文献２参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１５２９７５号公報
【特許文献２】
特開２０００−８７８４１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の、特許文献１の風力発電システムでは、風況予測情報を他発電機の出力抑制制御で吸収するのみであり、風力発電機自体の性能向上やシステム全体の効率向上をはかることができないという問題があった。
【０００６】
また、特許文献２の風力発電システムでは、風力発電機を相当数設置しなければ成果が見込めない上、風況の観測位置がナセル上部であり、風車ブレードを通った後の風を観測して風況予測を行うため、その精度が極端に悪くなり、個々の風力発電装置の性能向上は非常に達成し難いという問題があった。
【０００７】
また、可変速発電機（詳細は後述する。）の場合、風力エネルギーを風車の回転エネルギーに変換することが可能であるが、未来の風況が未知であるため、その特徴を生かしきれないという問題があった。
【０００８】
風力は、環境に最もやさしい自然エネルギーの一つであり、その高効率利用は社会的に非常に望まれているにもかかわらず、風力発電機の構造が単純なために、機械的な技術革新が非常に困難であるという問題もあった。
【０００９】
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、風況を予測して風力発電機を制御することにより、クリーンなエネルギーである風力を従来と比べて飛躍的に高効率で利用すること、及び風況を予測することにより風力発電機の容易かつ正確な制御を可能とすることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わる風力発電システムは、風力発電機、上記風力発電機に取り付けられるか、またはその近傍に配置されるレーザ式風向風速計を備え、上記レーザ式風向風速計は、レーザ光を用いて、上記風力発電機の位置から任意距離だけ離れた位置における風向風速データを検出するとともに、上記風向風速データに基づいて上記風力発電機が受ける風の風向風速を予測し、プロペラ型である上記風力発電機は、上記レーザ式風向風速計が予測した風向に、プロペラ回転面をあわせるようにヨー角を制御するとともに、上記プロペラを構成するブレードのピッチ角を制御するものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図１ないし図４を用いて説明する。
図１は風力発電機（風車）を側方から観察した断面図である。図１に示すように、台座１上にタワー部２が築かれ、タワー部２の上部にはヨー角制御駆動装置５０が設けられている。さらにその上部には、ヨー角制御駆動装置５０の駆動によって水平面内に回転制御されるナセル２０が配置される。プロペラ型風車の羽根部分であるブレード１０が、ハブ（ブレード１０の取り付け部分。）１１に設けられたピッチ角制御駆動装置６０を介して回転軸１２に取り付けられ、回転軸１２に繋がれる発電機３０はナセル２０内に格納されている。プロペラ回転面は、ブレード１０が配置された、回転軸１２に対して垂直な面である。
【００１２】
ナセル２０上部には、レーザ光２１０を射出して、風力発電機前方（任意距離だけ離れた位置。）のエアロゾル１５０に照射し、その反射光２１５を検出する風速検出用光学系部（以下、光学系部とする。）２００が配置される。エアロゾル１５０とは、風に乗って風と同速度同方向に動く空気中の塵であり、このエアロゾル１５０の移動状態を把握することで、同位置における風向風速を観測できる。反射光２１５から得られた情報（エアロゾル１５０の風向風速データ。）は、光ファイバー１３０を介して風向風速計本体部（以下、本体部とする。）１００に送られる。本体部１００において、反射光２１５から、エアロゾル１５０の風向風速を算出するためのデータを取り出して加工し、得られた風向風速データは、通信系部１３１を介して風向風速計信号処理部（以下、信号処理部とする。）３００に送られる。信号処理部３００において、エアロゾル１５０の風向風速データに基づいて、風力発電機が受ける風、すなわち、近未来（数秒から数十秒後。）に発電に利用する風の風況（風向風速および風の到達時間など。）を予測し、その風況予測情報を、風力発電機のコントローラ４０に通信系部１３２を介して送る。
【００１３】
コントローラ４０では、近未来に風力発電機が受ける風の向きに、プロペラ回転面を合わせるように、制御信号を、通信系部７０を介して、ヨー角制御駆動装置５０に送り、これを受けてヨー角制御駆動装置５０は、タワー部２を回転軸として、ナセル２０の向き、つまりヨー角を制御し、プロペラ回転面を風向きに合わせる。プロペラ型の風車においては、プロペラ回転面を風向きに合わせ、風向に相対するように、プロペラ回転面を向けるように制御することで、発電効率を高めることができるのは言うまでもない。そのため、風車の制御においては、風の向きが変わった場合、風車のプロペラ回転面が常に風を真正面に受けるように制御することが望ましく、この時に変化させるのがヨー角であり、ヨー角の制御をヨー制御という。
【００１４】
また、風のエネルギーを有効に活用するために発電効率を高めるには、風を受けるブレード１０の角度を最適にする必要があり（ブレードの角度をピッチ角（ブレードアングル）という。）、コントローラ４０から、ブレード１０の角度を最適にするように、制御信号を、通信系部７５を介して、ピッチ角制御駆動装置６０に送り、これを受けてピッチ角制御駆動装置６０は、ピッチ角を制御する。
【００１５】
なお、ブレード１０は、風を受けて風力エネルギを回転力に変換するもので、このブレード１０の回転エネルギーを電力に変換するのが発電機３０である。
また、コントローラ４０では、ヨー角、風車回転数（回転数。）や現在の風向風速等の風力発電機制御に必要な諸量を取り込んで解析し、ヨー角制御駆動装置５０、ピッチ角制御駆動装置６０だけでなく、ブレーキ設備等の風力発電機の各制御駆動装置にも制御指令を出している。
【００１６】
このように、本発明による風力発電システムは、レーザ式風向風速計を構成する本体部１００、光学系部２００、信号処理部３００を備えている。なお、図１には、ナセル２０上部に、光学系部２００を取り付け、タワー部２内部に本体部１００と信号処理部３００を設置した、風力発電機にレーザ式風向風速計を取り付けた例を示しているが、別途レーザ式風向風速計用のタワーを建てるなどして、風力発電機の近傍に配置しても良く、また、周囲に遮る物がない場所においては、地上に配置することも可能である。
【００１７】
次に、本発明にかかるレーザ式風向風速計の構成および原理の一例について、図２を用いて説明する。レーザ式風向風速計は、上述したように、主に、本体部１００と、光学系部２００と、信号処理部３００から構成されている。本体部１００のレーザ光源１０１（例えば半導体レーザ。）から出たレーザ光は、その一部が光ファイバー１０２によって光受信機１０５に送られ、その他の光はサーキュレータ１０４を通って光スイッチ１０３に送られる。光スイッチ１０３は、入力した光の一部をトリガ１０６としてＡＤ変換器３１０に送り、それ以外の光を光学系部２００に送る。光学系部２００は、例えば、水平風速検出用光学系部２００ａおよび垂直風速検出用光学系部２００ｂの二つによって主に構成され、送られた光は、水平、垂直風速検出用光学系部２００ａ、２００ｂにそれぞれ分割して送られる。
【００１８】
光スイッチ１０３から、水平風速検出用光学系部２００ａに送られてきた光は、１／２波長板２０１を通って望遠鏡２０２に送られる。望遠鏡２０２を出た光は偏向ビームスプリッタ２０３を通過するＰ偏光２０５と、これに反射されるＳ偏光２０６に分けられ、Ｐ偏光２０５はそのまま外部に射出され、Ｓ偏光２０６は全反射鏡２０４に反射され、外部に射出される。垂直風速検出用光学系部２００ｂについても、水平風速検出用光学系部２００ａと同様の構成であり、Ｐ偏光２０７、Ｓ偏光２０８が外部に射出される構成となっている。
【００１９】
なお、水平風速検出用光学系部２００ａから射出されるＰ偏光２０５、Ｓ偏光２０６は、水平面内の異なる２方向にそれぞれ射出され、垂直風速検出用光学系部２００ｂから射出されるＰ偏光２０７、Ｓ偏光２０８は、垂直面内の異なる２方向にそれぞれ射出される。
Ｐ偏光２０５、２０７、Ｓ偏光２０６、２０８は、図１に示すレーザ光２１０に相当している。
【００２０】
光学系部２００から射出されたレーザ光の一つであるＰ偏光２０５は、エアロゾル１５０に当たって反射し、反射光（例えば図１で示す反射光２１５に相当する。）となって光学系部２００に戻ってくる。この様子は後述する。この反射光２１５は射出経路と逆の経路を辿って、光学系部２００から本体部１００に送られる。反射光２１５（必要となるデータ以外に、ノイズを含んでいる。）は、光スイッチ１０３を経てサーキュレータ１０４に送られ、サーキュレータ１０４は必要となる反射光２１５のみを選択して光受信機１０５に送る。光受信機１０５は、レーザ光源１０１より直接送られてきた光と反射光２１５を検出信号１０７とし、ＡＤ変換器３１０に送る。ＡＤ変換器３１０はアナログの光信号であるトリガ１０６と検出信号１０７をデジタル信号に変換（加工）し、受信信号３１１として信号処理部３００に通信系部１３１を介して送る。受信信号３１１を受け、信号処理部３００は、後述する所定の計算を行い、レーザ光２１０の焦点（焦点の位置はエアロゾル１５０の位置に相当する。）での風向風速を算出する。さらに、その風向風速データに基づいて、風況を予測し、必要な制御情報を、コントローラ４０に通信系部１３２を介して送る。
【００２１】
なお、レーザ光２１０は、連続波のものを用い、特に波長１５００ｎｍ程度のものを用いると、最もエアロゾル１５０からの反射光が強く、風況の検出精度が良い。同時に、１５００ｎｍ程度の波長のレーザ光は人間の目にも最もやさしいという性質があり、安全性に優れている。
また、レーザ光２１０は、本例のような連続波を利用するものの他に、パルス波を利用する方式のものもあり、いずれを用いても良い。さらに、場合によっては、ナセル２０上部に機械式風向風速計を併せて配置することにより、風向風速測定精度を向上させても良い。
ドップラー効果を利用した風向風速の検出の場合、用いるレーザ光、音波などの波長に反比例して、検出精度が良くなることが知られており、例えば音波とレーザ光では、より波長の短いレーザ光を用いる場合の方が、風況を精度良く検出することができる。
【００２２】
次に、水平風速検出用光学系部２００ａから射出されたＰ偏光２０５、Ｓ偏光２０６ついて、図３を用いて説明する。光学系部２００からＰ偏光２０５とＳ偏光２０６が、それぞれ水平面内に、任意の方向を基準として、角度＋θと−θ方向に射出され、望遠鏡２０２のレンズによって焦点距離Ｒ（任意距離に相当する。）だけ離れた位置で集光する。集光点近くにあるエアロゾル１５０で光が反射され、反射光（Ｐ偏光反射光。）２１５と反射光（Ｓ偏光反射光。）２１６がそれぞれ発生する。エアロゾル１５０は空気中に相当数含まれているため、集光点以外からもこのような反射波が発生するが、集光点付近からの反射エネルギーが最も大きくなる。この反射波（反射光２１５、２１６。）は速度を持つエアロゾル１５０から反射されたものであるため、ドップラー効果により周波数がＦＤだけシフトする（ドップラーシフト）。この周波数のずれを測定し、エアロゾル１５０の速度を算出する。
【００２３】
また、同様に垂直風速検出用光学系部２００ｂから射出されるＰ偏光２０７、Ｓ偏光２０８は、それぞれ垂直面内で、任意の方向を基準として、角度＋θと−θ方向に射出される。このように、レーザ光２１０を、少なくとも３方向若しくは４方向に射出し、それぞれのデータを得ることで、風力発電機の前方におけるエアロゾル１５０の３次元での風速ベクトルを検出することができる。また、２方向のみにレーザ光を射出した場合では、２次元での風速ベクトルを検出可能である。
なお、レーザ光２１０の射出角度は、観測対象となるエアロゾル１５０までの距離等の条件によっても変化するが、およそθ＝５°程度とすると良い。
【００２４】
次に、信号処理部３００が風速を算出する手法例について説明する。反射光２１５、２１６の情報は、レーザ光源１０１から直接得た情報とあわせて検出信号１０７とし、トリガ１０６と共に、受信信号３１１として受信し、レーザ光源１０１の周波数と反射光２１５、２１６とのドップラーシフトＦＤを算出する。ＦＤとレーザの波長λ、エアロゾルの速度Ｖｍの間には、次に数式１のような関係がある。
【数１】
2004285857.tif 000003
これにより、±θ方向の風速Ｖｍ（＋θ）とＶｍ（−θ）が算出される。また、風速Ｖｒ（ｒ方向とは、水平面内でのθ＝０に沿う方向。）とＶｘ（ｘ方向とは、水平面内での、θ＝０に対して垂直な方向）が、次に示す数式２、数式３を用いて算出できる。
【数２】
2004285857.tif 000004
【数３】
2004285857.tif 000005
このような計算を、垂直風速検出用光学系部２００ｂで得られるデータに対しても行い、水平風速検出用光学系部２００ａで得られるデータとあわせて、３次元での風速ベクトルが算出でき、高精度でエアロゾル１５０の風向風速を測定できる。
【００２５】
次に、実施の形態１のピッチ角制御ロジック例を、図４のフロー図を用いて説明する。レーザ風向風速計により現在時刻τでのＸ［ｍ］先の風向風速が測定できる（符号４０１で示すステップに相当する。）。得られた風向風速データを基に、ｔ秒後（τ＋ｔ）に風車が受ける風の風速ベクトル［ｕ］を算出する。例えば、４００ｍ先の風向風速を測定した場合、風力発電機に向って風速１０ｍの風が吹いていれば、４０秒後に風力発電機が発電に利用する風の風向風速変化を高精度で予測することができる。エアロゾル１５０の風向風速データから、近未来に風力発電機が受ける風を予測するには、計測したエアロゾル１５０の風向風速と、実際に到達する風の風向風速データベースを作成しておき、これを基に、演算を行うという方法がある。
【００２６】
今、ピッチ角制御信号の送信間隔を△ｔ（例えば０．１秒。）とすると、時刻τ現在に予測できている風向風速（風速ベクトル［ｕ］に相当する。）は、次の数式４のようになる。
【数式４】
2004285857.tif 000006
また、時刻τ現在に予測できる最適ヨー角は、次の数式５のようになる。
【数式５】
2004285857.tif 000007
そして、現在のヨー角をφ（τ）とすると、予測制御可能な未来のヨー角は、次の数式６のようになる。
【数式６】
2004285857.tif 000008
このとき、ヨー角の最大回転角速度をωｙ（例えば０．７度／秒。）とし、次の数式７の条件を満たし、さらに次の数式８を最小とするようにヨー角を決めることで、ヨー角を最適化できる。
【数式７】
2004285857.tif 000009
【数式８】
2004285857.tif 000010
このヨー角制御信号を受け、ヨー角制御駆動装置５０がヨー角を変化させる。これを繰り返すことにより、ヨー角が最適に制御される。また、当然のことながら、これ以外の手法でヨー角を予測制御してもよい。
【００２７】
このように予測されたヨー角と、数式４で示す予測風向風速により、ブレード１０が受けるであろう風向風速（風速ベクトル［ｖ］に相当する。）が、次の数式９のように高精度で予測できる（４０２に相当。）。
【数式９】
2004285857.tif 000011
ブレード１０の１枚あたりのトルク（風の力を受けて、風車が回転しようとする力であり、単位は［Ｎ・ｍ］。）は、風車軸回転角速度［θ］、ブレード１０が受ける風向風速（風速ベクトル［ｖ］に相当する。）、ブレード１０のピッチ角αによって決まるため、時刻τ＋ｉ△ｔでの風車トルクＴ（τ＋ｉ△ｔ）は、次の数式１０で表すことができる。
【数式１０】
2004285857.tif 000012
この関数Ｔｊ（［θ］，ｖｊ，αｊ）を予め計測またはシミュレートしておき、コントローラ４０または信号処理部３００で計算可能なようにしておく。
【００２８】
次にｔ秒間のピッチ角最適化（４０３に相当。）について述べる。今、風車軸回転角速度［θ］は一定で、ブレード１０が受けるｔ秒後までの風向風速（風速ベクトル［ｖ］に相当。）が予測できているため、数式７を用いることにより時刻τ＋ｉ△ｔで、最大のトルクを取得できる最適ピッチ角α´（τ＋ｉ△ｔ）が算出できる。従って、時刻τにおいて予測可能な最適ピッチ角α´は、次の数式１１のようになる。
【数式１１】
2004285857.tif 000013
ピッチ角駆動の最大回転角速度をωｐ（例えば１５度／秒。）とし、次の数式１２を満たし、次の数式１３の値が最小となるようにピッチ角を最適化する。
【数式１２】
2004285857.tif 000014
【数式１３】
2004285857.tif 000015
【００２９】
コントローラ４０は、ピッチ角が最適角αとなるように、時刻τ＋△ｔのピッチ角制御信号をピッチ角制御駆動装置６０に送信する（４０４に相当。）。この信号を受け、ピッチ角制御駆動装置６０がピッチ角を変化させる（４０５に相当。）。なお、計算に使われる現在時刻τでの風向風速は、実測値（実データ。）を用いることが望ましく（４０６に相当。）、また、現在時刻τでのピッチ角α（τ）は、コントローラ４０がスキャニングして得ているピッチ角の、現在の実測値（実データ。）を用いることが望ましい（４０７に相当。）。これを複数枚（主流となっているのは３枚羽根。）のブレード１０のそれぞれについて繰り返すことにより、全てのブレード１０のピッチ角が最適に制御される。また、当然のことながら、レーザ式風向風速計から得られた風向風速データを基にして、これ以外の手法で、ピッチ角を予測制御してもよい。
【００３０】
従来のピッチ角制御手法では、風速が変化し始めることは感知できるが、ピッチ角を変化させると翼性能に著しく影響を与え、ピッチ角を変化させている間に風向が変化してしまった場合に悪影響がでてしまっていた。また、機械式風向風速計がナセル２０上部のブレード１０を通った後の後流を計測するために、ブレード１０から約１秒周期（風車回転数に応じて変化する。）の影響を強く受けることになり、１秒間の平均値を基にピッチ角を変化させることしかできなかった。また実際の制御時には機械の応答遅れ等があるので、かなり遅れた受動制御しかできなかった。
【００３１】
これに対し、本発明によれば、機械の応答遅れをも考慮したヨー角、ピッチ角などの能動制御が可能となり、ブレード１０は、ほぼ風を最適なピッチ角で受け続けることができる。従って、従来の受動制御に比べ、常に高効率で風力エネルギーを利用できるようになる。
【００３２】
また逆に、ヨー角、ピッチ角等の制御で、発生トルクを抑えることにより、風力発電機の出力抑制を行うこともできる。この場合、数式１１における最適ピッチ角を、発生トルクを抑制できるように任意に設定すれば容易に出力抑制を達成できる。このように、本発明より、風力発電機を容易にかつ正確に制御することが可能となる。
【００３３】
実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について、図５および図６を用いて説明する。図５は、可変速風力発電機にレーザ式風向風速計を設置した断面図である。なお、一般的な風力発電機は、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流の電気を、発電機で直接発電して送電線に送っており、風力発電機の回転数（風車回転数。）が、使用する電気の周波数に依存して固定されるのに対し、可変速風力発電機では、風力発電機の回転数が一定でなくても、発電した電気を一旦、蓄電装置に溜めて、インバータを利用したり、また発電機の力率を調整したりすることによって、周波数を一定に保つことができる。このような装置を風力発電機に付けて、風車回転数を自由にできる風力発電機を可変速風力発電機と言う。
【００３４】
図５は、実施の形態２による風力発電機を側方から見た断面図であり、ナセル２０内には、回転軸１２に繋がる可変速発電機３５が配置され、この可変速発電機３５の出力を、タワー部２内に配置されたインバータ８０にて制御する。なお、可変速発電機３５とインバータ８０は、電力ケーブル８５で繋がれており、インバータ８０から、送電線８４を介して送電する構成となっている。その他の機器や、その動作は実施の形態１の場合と同じであるため説明を省略する。これ以外の手法で可変速を達成することもできるが、可変速発電が可能であればどのような手法を用いてもよい。
【００３５】
次に可変速風力発電機のピッチ制御のロジック例を、図６のフロー図を用いて説明する。まず、風車が受けるｔ秒後の風向風速の計算までの動作であるステップ４１１、４１２は、先述の実施の形態１で述べたステップ４０１、４０２の動作と同じである。
【００３６】
次にｔ秒間のピッチ角および風車軸回転角速度の最適化（ステップ４１３に相当。）について述べる。なお、風車軸回転角速度から風車回転数（回転数。）が決まる。風車のトルクＴ（τ）は風車出力トルクＴＯＵＴＰＵＴ（τ）と回転数の変化に使われるトルクＴＲＥＶ（τ）にわけられる。つまり、次の、数式１４のように表される。
【数１４】
2004285857.tif 000016
今、風車の慣性能率をＩとし、風車軸回転角加速度を［θ´］と置くと、次の数式１５が成り立つ。
【数１５】
2004285857.tif 000017
また、風車軸回転角速度［θ］は、次の数式１６で表される。
【数１６】
2004285857.tif 000018
従って、時刻τ＋ｉ△ｔでの風車出力トルクＴＯＵＴＰＵＴ（τ＋ｉ△ｔ）を決めれば、時刻τ＋ｉ△ｔの風車軸回転角速度［θ］を、次の数式１７のように決定することができる。
【数１７】
2004285857.tif 000019
風車出力トルクの決定にはさまざまな手法が考えられる。一例として風車出力が最大となる方法を挙げる。風車出力が最大となるとは、すなわち次の数式１８が最大の値となることである。
【数１８】
2004285857.tif 000020
数式１８の値が最大となるように、次の数式１９を準ニュートン法等の非線形最適化法を用いて最適化する。
【数１９】
2004285857.tif 000021
非線形最適化法は、準ニュートン法以外にも様々な手法があり、最適化が可能であればどのような最適化法を用いてもよい。また、これらの最適化法については様々な教科書等が刊行されているため、その説明は省略する。いま、Ｖｊはレーザ風向風速計の計測により既知であり、ＴＲＥＶは［θ］の関数であるため、ＴＯＵＴＰＵＴを決定するための変数は［θ］，αｊのみである。この変数の制約条件として、ブレード１０の回転数制限［θ］＜［θ］ＭＡＸ、先述のピッチ角回転角速度制限（数式１２に相当。）を設定する。また、制御精度を上げるために、現在時刻τの風向風速実データを用いること、［θ］（τ）、α（τ）についても、コントローラ４０が得ている実測値（実データ。）を用いることが望ましい（ステップ４１６、４１７、４１８に相当。）。
【００３７】
この最適化計算によって計算された、［θ］（τ＋△ｔ），αｊ（τ＋△ｔ）となるように、コントローラ４０が、（図示しない通信系を介して）可変速発電機３５、インバータ８０やピッチ角制御駆動装置６０に指令信号（ピッチ角・出力制御信号。）を出し（ステップ４１４に相当。）、この指令信号によりそれぞれの装置が駆動し、ピッチ角制御駆動装置６０がピッチ角を変化させ、インバータ８０が出力を変化させる（４１５に相当。）。この一連の動作を繰り返すことによって、可変速風力発電機の最適ピッチ角操作、および回転数制御ができる。
【００３８】
風車出力トルクの決定手法には、他に風車出力変動を制限する手法や、風車出力を制限する手法等があるが、本装置を使用すれば、最適化時の制約条件を変えるだけで容易に風車出力トルク制御を達成できる。
【００３９】
このように、レーザ式風向風速計を用いて検出した風向風速データに基づいて、風況を予測し、予測した風向風速に基づいてヨー・ピッチ制御、および風車回転数制御を行うことで、従来は生かすことができなかった可変速発電機３５の最大の特徴である可変速機構を最大限に生かす制御が可能となる。
【００４０】
実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３について、図７を用いて説明する。図７は、複数台の風力発電機６１０ａ〜６１０ｃが設置されたウィンドファームの構成図であり、ウィンドファームの中心付近にレーザ式風向風速計の光学系部２００を設置した状態を示している。複数台の風力発電機６１０ａ〜６１０ｃの中心付近にタワー部（ポール）６０１を立て、この上に光学系部用ヨー角制御駆動装置（以下、駆動装置とする。）６０２を介して光学系部２００を載置する。光学系部２００を本体部１００と光ファイバ１３０ａで繋ぎ、本体部１００と信号処理部３００を通信系部１３１ａで繋ぎ、信号処理部３００とそれぞれの風力発電機のコントローラ４０ａ〜４０ｃを通信系部１３２ａ〜１３２ｃで繋ぐ。信号処理部３００と駆動装置６０２は通信系部６０２ａで繋いでいる。また、コントローラ４０ａ〜４０ｃは、通信系部７０ａ〜７０ｃによってそれぞれ風力発電機６１０ａ〜６１０ｃに繋げられている。
【００４１】
なお、駆動装置６０２は、信号処理部３００からの出力をもとに光学系部２００の向きを変化させ、常に風の真正面に向くようにするか、または一定速度で回転させることにより全周方向にわたっての風向風速計測を可能とする駆動装置である。周りに遮るものが殆どない場合、光学系部２００および駆動装置６０２を地上に設置しても良い。レーザ式風向風速計は、集光点を風力発電機のタワーから最も遠い風力発電機（図７ならば６１０ａに相当する。）の前方Ｘ［ｍ］（例えば４００ｍ先。）として、この点の風向風速を計測可能なものとするか、またはパルス型のレーザを用いてこの距離の風向風速を検出できるものにする。さらに、信号処理部３００には、実施の形態１で述べた風向風速信号処理機能以外に、光学系部用ヨー角制御に用いる計算機能、可変速風力発電機を利用する場合には、その出力制御のための計算機能、および各風力発電機のヨー角・ピッチ角制御に用いる計算機能を持たせる。
【００４２】
次に、実施の形態３にかかる運転ロジック例を、図８のフロー図を用いて説明する。まず、レーザ風向風速計は現在時刻τにおけるＸ［ｍ］先の風向風速を計測する（ステップ７０１に相当する。）。次に、動作１として、風速検出用送受光学系部がｔ秒後に最適なヨー角となるようにヨー角を計算して、算出した制御信号を駆動装置６０２に送信し、その信号を基に、駆動装置６０２はヨー角を変化させる。その計算要領は実施の形態１で記述した手法と同じでよい。ただし、先述のように一定速度で回転することにより全周方向にわたっての風向風速計測を可能とする駆動装置を使用して全周の風況を計測する場合は、この動作を行う必要はない。
【００４３】
次に、風力発電機６１０ａの動作２ａとして、図８中のステップ７２１ａ〜７２４ａまでを行う。レーザ風向風速計信号処理部に内蔵される記憶装置は、レーザ風向風速計から各風力発電機６１０ａ〜６１０ｃまでの位置をベクトルで（方向と距離で。）記憶しており、このデータをもとに風力発電機６１０ａがｔａ秒後に受けるであろう風の風向風速を計算する（７２１ａに相当）。その風向風速と風力発電機６１０ａのヨー角の最大回転角速度ωａｙ、ピッチの最大回転角速度ωａｐを基に、上述した実施の形態１および実施の形態２と同様のヨー角最適化およびピッチ角最適化、可変速発電機の場合は風車回転数最適化を行い（７２２ａに相当。）、計算された△ｔａ秒間のヨー角制御信号、ピッチ角制御信号、可変速発電機に対しては発電量制御信号を、風力発電機６１０ａのコントローラ４０ａに送信する（７２３ａに相当。）。風力発電機６１０ａのコントローラ４０ａは、この信号を基に、風力発電機６１０ａのヨー角制御駆動装置、ピッチ角制御駆動装置、インバータに制御信号を送信し、ヨー角制御駆動装置がヨー角を変化させ、ピッチ角制御駆動装置がピッチ角を変化させ、可変速発電機の場合はインバータが出力を変化させる（７２４ａに相当。）。風力発電機６１０ａの動作２ａと同様の動作２ｂ、２ｃ（７２１ｃ〜７２４ｃに相当。）を、風力発電機６１０ｂ、６１０ｃについても同時に行う。
【００４４】
以上のように動作１と風力発電機６１０ａ〜６１０ｃの動作２ａ〜２ｃを同時に行うことによって、風向風速を最適な状態で計測しながら、各風力発電機６１０ａ〜６１０ｃが風力エネルギーを高効率で利用することが可能となる。
【００４５】
なお、風力発電機が多数ある場合や、かなり広範囲に広がって設置されている場合は、レーザ式風向風速計を複数台設置してそれぞれに制御する風力発電機を割り当てればよい。
【００４６】
また、今回はこの信号処理部３００に、光学系部用ヨー角制御の計算機能および各風力発電機のヨー角、ピッチ角、出力制御の計算機構を持たせたが、この計算機能を持つ計算機を、風速検出用光学系部２００に別に接続したり、各風力発電機６１０ａ〜６１０ｃ側に計算機部を設置したり、また、コントローラ４０にこの計算機能を持たせるように構成することもできる。
【００４７】
このようなウィンドファームにおいて、それぞれの風力発電機にレーザ風向風速計を取り付け、上述した実施の形態１および実施の形態２に示すように風力発電機を制御することが可能であることは言うまでもない。
なお、風力発電機の制御は、上述したような、現在の風向風速データおよびそのデータに基づく近未来の風況データを用いて行う予測制御以外に、現在の風向風速データに加え、さらに過去の風況データをフィードバックさせて近未来の風況データを算出して用いる制御がある。過去の風況データをフィードバックさせる制御法を用いた場合は、このデータを用いない場合よりも、さらに精度の高い制御が可能となる。
【００４８】
【発明の効果】
以上のように、この発明の風力発電システムによれば、風力発電機、上記風力発電機に取り付けられるか、またはその近傍に配置されるレーザ式風向風速計を備え、上記レーザ式風向風速計は、レーザ光を用いて、上記風力発電機の位置から任意距離だけ離れた位置における風向風速データを検出するとともに、上記風向風速データに基づいて上記風力発電機が受ける風の風向風速を予測し、プロペラ型である上記風力発電機は、上記レーザ式風向風速計が予測した風向に、プロペラ回転面をあわせるようにヨー角を制御するとともに、上記プロペラを構成するブレードのピッチ角を制御するため、高効率で、制御性の高い発電が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による風力発電機を示す断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１によるレーザ式風向風速計を示す構成図である。
【図３】この発明の実施の形態１によるＳ偏光、Ｐ偏光を示す模式図である。
【図４】この発明の実施の形態１によるピッチ角の制御ロジックを示すフロー図である。
【図５】この発明の実施の形態２による風力発電機を示す断面図である。
【図６】この発明の実施の形態２によるピッチ角の制御ロジックを示すフロー図である。
【図７】この発明の実施の形態３によるウインドファームの構成図である。
【図８】この発明の実施の形態３による運転ロジック例を示すフロー図である。
【符号の説明】
１  台座                        ２、６０１  タワー部
１０  ブレード                  １１  ハブ
１２  回転軸                    ２０  ナセル
３０  発電機                    ３５  可変速発電機
４０、４０ａ〜４０ｃ  コントローラ
５０  ヨー角制御駆動装置      ６０  ピッチ角制御駆動装置
７０、７０ａ〜７０ｃ、７５、１３１、１３１ａ、１３２、１３２ａ〜１３２ｃ、６０２ａ  通信系部
８０  インバータ              ８４  送電線
８５  電力ケーブル
１００  風向風速計本体部        １０１  レーザ光源
１０２、１３０、１３０ａ  光ファイバー
１０３  光スイッチ              １０４  サーキュレータ
１０５  光受信機                １０６  トリガ
１０７  検出信号                １５０  エアロゾル
２００  風速検出用光学系部      ２００ａ  水平風速検出用光学系部
２００ｂ  垂直風速検出用光学系部
２０１  １／２波長板            ２０２  望遠鏡
２０３  偏光ビームスプリッタ    ２０４  全反射鏡
２０５、２０７  Ｐ偏光          ２０６、２０８  Ｓ偏光
２１０  レーザ光                ２１５、２１６  反射光
３００  風向風速計信号処理部    ３１０  ＡＤ変換機
３１１  受信信号                ６０２  光学系部用ヨー角制御駆動装置
６１０ａ〜６１０ｃ  風力発電機。
【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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