(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
風車翼を含むロータと、
前記ロータを回転可能に支持するためのナセルと、
前記ナセルを旋回させるように構成されたヨー駆動部と、
前記風車翼のピッチ角を変化させるように構成されたピッチ駆動部と、
前記ピッチ駆動部にピッチ角指令値を与えて前記ピッチ駆動部を制御するように構成された制御装置と、
を備える風力発電設備であって、
前記制御装置は、
少なくとも前記ロータの回転数に基づいてピッチ角要求値を算出するように構成された要求値算出部と、
少なくとも風向と前記ナセルの向きとの間の角度が閾値Ａ１（ただし、Ａ１＞０である。）以上であるときに、フルファインピッチ角とフルフェザーピッチ角との間のピッチ角をリミット値として設定するためのリミット値設定部と、
前記ピッチ角要求値が前記リミット値よりも前記フルファインピッチ角側にある場合、前記リミット値を前記ピッチ角指令値に設定するとともに、前記ピッチ角要求値が前記リミット値である、又は、前記フルフェザーピッチ角側にある場合、前記ピッチ角要求値を前記ピッチ角指令値に設定するように構成された指令値算出部と、
を含み、
前記リミット値設定部は、前記風向と前記ナセルの向きとの間の前記角度に基づいて前記リミット値を決定するとともに、前記風向と前記ナセルの向きとの間の前記角度が前記閾値Ａ１よりも大きい閾値Ａ２以上であるときに、前記リミット値を、前記角度が前記閾値Ａ１であるときよりもフェザー側に近づけるように構成された
ことを特徴とする風力発電設備。
【請求項２】
前記リミット値設定部は、前記風向と前記ナセルの向きとの間の前記角度と前記閾値Ａ１との大小関係によらず設定されるベースリミット値と、前記風向と前記ナセルの向きとの間の前記角度が前記閾値Ａ１（ただし、Ａ１＞０である。）以上であるときに前記角度に基づいて定まるリミット補正量との和を前記リミット値として設定するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の風力発電設備。
【請求項３】
前記リミット値設定部は、前記風向と前記ナセルの向きとの間の前記角度が前記閾値Ａ１以上前記閾値Ａ２以下である範囲において、前記角度の増加とともに、前記リミット値をフェザー側に近づけるように構成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の風力発電設備。
【請求項４】
前記リミット値設定部は、前記風向と前記ナセルの向きとの間の前記角度が前記閾値Ａ１以上前記閾値Ａ２以下である範囲において、前記リミット値を前記角度に比例して増加させるように構成されたことを特徴とする請求項３に記載の風力発電設備。
【請求項５】
前記リミット値設定部は、風速に基づいて前記リミット値を決定するように構成されたことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の風力発電設備。
【請求項６】
風車翼を含むロータと、
前記ロータを回転可能に支持するためのナセルと、
前記ナセルを旋回させるように構成されたヨー駆動部と、
前記風車翼のピッチ角を変化させるように構成されたピッチ駆動部と、
前記ピッチ駆動部にピッチ角指令値を与えて前記ピッチ駆動部を制御するように構成された制御装置と、
を備える風力発電設備であって、
前記制御装置は、
少なくとも前記ロータの回転数に基づいてピッチ角要求値を算出するように構成された要求値算出部と、
少なくとも風向と前記ナセルの向きとの間の角度が閾値Ａ１（ただし、Ａ１＞０である。）以上であるときに、フルファインピッチ角とフルフェザーピッチ角との間のピッチ角をリミット値として設定するためのリミット値設定部と、
前記ピッチ角要求値が前記リミット値よりも前記フルファインピッチ角側にある場合、前記リミット値を前記ピッチ角指令値に設定するとともに、前記ピッチ角要求値が前記リミット値である、又は、前記フルフェザーピッチ角側にある場合、前記ピッチ角要求値を前記ピッチ角指令値に設定するように構成された指令値算出部と、
を含み、
前記リミット値設定部は、風速に基づいて前記リミット値を決定するとともに、前記風速が閾値Ｕ１よりも大きい閾値Ｕ２以上であるときに、前記リミット値を、前記風速が前記閾値Ｕ１であるときよりもフェザー側に近づけるように構成されたことを特徴とする風力発電設備。
【請求項７】
前記リミット値設定部は、前記風速が前記閾値Ｕ１以上前記閾値Ｕ２以下である範囲において、前記風速の増加とともに、前記リミット値をフェザー側に近づけるように構成されたことを特徴とする請求項６に記載の風力発電設備。
【請求項８】
前記リミット値設定部は、前記風速が前記閾値Ｕ１以上前記閾値Ｕ２以下である範囲において、前記リミット値を前記風速に比例して増加させるように構成されたことを特徴とする請求項７に記載の風力発電設備。
【請求項９】
前記閾値Ａ１は、３０°以上５０°以下であることを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の風力発電設備。
【請求項１０】
前記閾値Ａ２はＡ２（°）≧Ａ１（°）＋５°を満たすことを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の風力発電設備。
【請求項１１】
前記リミット値設定部は、前記風向と前記ナセルの向きとの間の前記角度が前記Ａ２のときにフルファインピッチ角に対してΔθだけフェザー側のピッチ角をリミット値として設定するように構成され、前記Δθは、２°≦Δθ（°）≦１５°を満たすことを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の風力発電設備。
【請求項１２】
風車翼を含むロータと、
前記ロータを回転可能に支持するためのナセルと、
前記ナセルを旋回させるように構成されたヨー駆動部と、
前記風車翼のピッチ角を変化させるように構成されたピッチ駆動部と、
を含む風力発電設備の制御方法であって、
前記ピッチ駆動部にピッチ角指令値を与えて前記ピッチ駆動部を制御するピッチ制御ステップと、
少なくとも前記ロータの回転数に基づいてピッチ角要求値を算出するように構成された要求値算出ステップと、
少なくとも風向と前記ナセルの向きとの間の角度が閾値Ａ１（ただし、Ａ１＞０である。）以上であるときに、フルファインピッチ角とフルフェザーピッチ角との間のピッチ角をリミット値として設定するためのリミット値設定ステップと、
前記ピッチ角要求値が前記リミット値よりも前記フルファインピッチ角側にある場合、前記リミット値を前記ピッチ角指令値に設定するとともに、前記ピッチ角要求値が前記リミット値である、又は、前記フルフェザーピッチ角側にある場合、前記ピッチ角要求値を前記ピッチ角指令値に設定するように構成された指令値算出ステップと、
を備え、
前記リミット値設定ステップでは、前記風向と前記ナセルの向きとの間の前記角度に基づいて前記リミット値を決定するとともに、前記風向と前記ナセルの向きとの間の前記角度が前記閾値Ａ１よりも大きい閾値Ａ２以上であるときに、前記リミット値を、前記角度が前記閾値Ａ１であるときよりもフェザー側に近づける
ことを特徴とする風力発電設備の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、風力発電設備及び風力発電設備の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電設備において、風車翼のピッチ角を調節してロータ回転数を制御することが知られている。
例えば、特許文献１には、風車形状より定まる最大出力が得られるような風車ロータの回転数に対するピッチ角の特性を求め、この特性に基づいて、風車のピッチ角制御を行うようにした風力発電機が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２３９８４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ナセルの向き（風車ロータの回転面の向き）に応じてヨー角が制御される風力発電設備では、急激な風向変化が生じると、ヨー追従に時間を要し、風向とナセルの向きとの間の角度（風向偏差）が大きくなることがある。
このとき、ロータ正面からの風速成分は実際の風速に比べて小さくなるため、上述のようなピッチ角に基づく回転数制御が行われる風力発電設備では、ロータ回転数を維持しようとして、風車翼のピッチ角がファイン側に制御されて、フルファインピッチ角付近に維持される場合がある。この場合、風向きによっては、風車翼に過大な荷重が作用する。これにより翼の損傷や翼の位置によっては翼がタワーに接触するおそれがある。
【０００５】
上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、風向変化に起因する翼過大荷重を回避可能な風力発電設備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】
【０００６】
（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る風力発電設備は、
風車翼を含むロータと、
前記ロータを回転可能に支持するためのナセルと、
前記ナセルを旋回させるように構成されたヨー駆動部と、
前記風車翼のピッチ角を変化させるように構成されたピッチ駆動部と、
前記ピッチ駆動部にピッチ角指令値を与えて前記ピッチ駆動部を制御するように構成された制御装置と、
を備える風力発電設備であって、
前記制御装置は、
少なくとも前記ロータの回転数に基づいてピッチ角要求値を算出するように構成された要求値算出部と、
少なくとも風向と前記ナセルの向きとの間の角度が閾値Ａ１（ただし、Ａ１＞０である。）以上であるときに、フルファインピッチ角とフルフェザーピッチ角との間のピッチ角をリミット値として設定するためのリミット値設定部と、
前記ピッチ角要求値が前記リミット値よりも前記フルファインピッチ角側にある場合、前記リミット値を前記ピッチ角指令値に設定するとともに、前記ピッチ角要求値が前記リミット値である、又は、前記フルフェザーピッチ角側にある場合、前記ピッチ角要求値を前記ピッチ角指令値に設定するように構成された指令値算出部と、
を含む。
【０００７】
風向偏差が所定値よりも大きい場合、風車翼に実際に作用する風速に対してロータ正面からの風速成分が小さいため、ロータ回転数を維持するためにピッチ角要求値はフルファインピッチ角に近い値をとることになり、このことが翼の過大荷重発生の原因となる。
この点、上記（１）の構成では、風向とナセルの向きとの間の角度（風向偏差）が所定値よりも大きい場合に、ピッチ角のリミット値をフルファインピッチ角よりもフェザー側の値に設定し、ロータ回転数に基づいて算出されるピッチ角要求値に対して該リミット値による制限を付与するようにした。これにより、風向偏差が所定値よりも大きい場合であっても、風車翼のピッチ角がフルファインピッチ角付近に維持されるのを防ぐことができ、風向変化に起因する翼過大荷重を回避することができる。
なお、上記（１）のようなピッチ角のリミット値を設けなくても、風力発電設備をシャットダウンさせて風車翼のピッチ角をフルフェザーピッチ角にすることにより、風車翼に加わる荷重を低減させることも可能な場合がある。しかしながら、この場合、シャットダウン中に、風車翼のピッチ角がフルフェザーに移行する過程において、複数の風車翼間に大きな荷重偏差が生じるため、タワートップに大きな荷重が発生する場合がある。この点、上記（１）の構成では、風力発電設備をシャットダウンさせることなく翼過大荷重を回避できるので、翼及びタワートップの過大荷重も回避することができる。
【０００８】
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、前記リミット値設定部は、前記風向と前記ナセルの向きとの間の前記角度に基づいて前記リミット値を決定するように構成される。
上記（２）の構成によれば、風向偏差に応じて適切なピッチ角のリミット値を設定することができる。
【０００９】
（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、前記リミット値設定部は、前記風向と前記ナセルの向きとの間の前記角度と前記閾値Ａ１との大小関係によらず設定されるベースリミット値と、前記風向と前記ナセルの向きとの間の前記角度が前記閾値Ａ１（ただし、Ａ１＞０である。）以上であるときに前記角度に基づいて定まるリミット補正量との和を前記リミット値として設定するように構成される。
典型的な風力発電設備には、風向偏差によらないピッチ角のリミットが設定されたロジックを採用したものがある。上記（３）の構成によれば、風向偏差が所定値よりも大きい場合に、風向偏差によらずに設定されるベースリミット値と風向偏差に基づいて定まるリミット補正量との和をピッチ角のリミット値として設定するので、典型的な風力発電設備のロジックに対する簡単な修正により、上記（１）又は（２）で述べた制御装置を構築することができる。
【００１０】
（４）幾つかの実施形態では、上記（２）または（３）の構成において、前記リミット値設定部は、前記風向と前記ナセルの向きとの間の前記角度が前記閾値Ａ１よりも大きい閾値Ａ２以上であるときに、前記リミット値を、前記角度が前記閾値Ａ１であるときよりもフェザー側に近づけるように構成される。
風向偏差が大きいほど、実際の風速に比べて風速の正面成分が小さくなるため、回転数制御によるピッチ角要求値はよりファイン側の値となり、翼に作用する荷重が大きくなる傾向となる。
この点、上記（４）の構成では、風向偏差がＡ１であるときよりも、風向偏差がＡ１よりも大きい閾値Ａ２以上であるときにピッチ角のリミット値をよりフェザー側に設定して、翼に作用する荷重をより減少させるようにしたので、風向変化に起因する翼過大荷重を適切に回避することができる。
【００１１】
（５）幾つかの実施形態では、上記（４）の構成において、前記リミット値設定部は、前記風向と前記ナセルの向きとの間の前記角度が前記閾値Ａ１以上前記閾値Ａ２以下である範囲において、前記角度の増加とともに、前記リミット値をフェザー側に近づけるように構成される。
上記（５）の構成では、風向偏差がＡ１以上Ａ２以下である範囲において、風向偏差の増加とともにリミット値をフェザー側に近づけるようにしたので、風向変化に起因する翼過大荷重をより適切に回避することができる。
【００１２】
（６）幾つかの実施形態では、上記（５）の構成において、前記リミット値設定部は、前記風向と前記ナセルの向きとの間の前記角度が前記閾値Ａ１以上前記閾値Ａ２以下である範囲において、前記リミット値を前記角度に比例して増加させるように構成される。
【００１３】
（７）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（６）の何れかの構成において、前記リミット値設定部は、風速に基づいて前記リミット値を決定するように構成される。
上述のように、風向偏差が所定値以上である場合、ロータ正面の風速成分が小さいため、ロータ回転数を維持しようとしてピッチ角要求値はファイン側に固定されてしまい、翼に作用する荷重が大きくなる傾向にある。このとき、風車翼に作用する風速が大きいほど、ピッチ角要求値がファイン側に固定されることによる荷重増大傾向は顕著である。
この点、上記（７）の構成では、風速に基づいてリミット値を決定するようにしたので、翼の荷重を効果的に低減できる。
【００１４】
（８）幾つかの実施形態では、上記（７）の構成において、前記リミット値設定部は、前記風速が閾値Ｕ１よりも大きい閾値Ｕ２以上であるときに、前記リミット値を、前記風速が前記閾値Ｕ１であるときよりもフェザー側に近づけるように構成される。
上述のように、風向偏差が所定値以上である場合、風車翼に作用する風速が大きいほど、ピッチ角要求値がファイン側に固定されることによる荷重増大傾向は顕著である。
この点、上記（８）の構成では、風速がＵ１であるときよりも、風速がＵ１よりも大きいＵ２以上である時にピッチ角のリミット値をよりフェザー側に設定して、翼に作用する荷重をより減少させるようにしたので、翼の荷重を効果的に低減できる。
【００１５】
（９）幾つかの実施形態では、上記（８）の構成において、前記リミット値設定部は、前記風速が前記閾値Ｕ１以上前記閾値Ｕ２以下である範囲において、前記風速の増加とともに、前記リミット値をフェザー側に近づけるように構成される。
上記（９）の構成では、風速がＵ１以上Ｕ２以下である範囲において、風速の増加とともにリミット値をフェザー側に近づけるようにしたので、風向変化に起因する翼過大荷重をより適切に回避することができる。
【００１６】
（１０）幾つかの実施形態では、上記（９）の構成において、前記リミット値設定部は、前記風速が前記閾値Ｕ１以上前記閾値Ｕ２以下である範囲において、前記リミット値を前記風速に比例して増加させるように構成される。
【００１７】
（１１）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（１０）の何れかの構成において、前記閾値Ａ１は、３０°以上５０°以下である。
ある風車機種においては風向偏差が３０°未満の場合、実際の風速とロータ正面の風速成分とのずれが比較的小さいため、風速がある程度大きければロータ回転数制御の下でピッチ角要求値はフェザー側に調節される。このため、風向偏差が３０°未満の場合には翼に過大荷重が作用することは少ない。
一方、風向偏差が５０°を超える場合、実際の風速とロータ正面の風速成分とのずれが大きく、風車翼に作用する風速がある程度大きくても、ロータ回転数制御の下でピッチ角要求値はフルファインピッチ角に固定されてしまうことが多い。このため、風向偏差が５０°を超える場合、翼に過大荷重が作用しやすい。
この点、上記（１１）の構成によれば、前記閾値Ａ１を３０°以上５０°以下に設定したので、翼荷重の発生レベルに応じて上記（１）〜（１０）で述べたリミット値によるピッチ角の制限を行って、翼過大荷重を効果的に回避できる。
【００１８】
（１２）幾つかの実施形態では、上記（４）〜（６）の何れかの構成において、前記閾値Ａ２はＡ２（°）≧Ａ１（°）＋５°を満たす。
上述したように、風向偏差が大きいほど、実際の風速に比べて風速の正面成分が小さくなるため、回転数制御によるピッチ角要求値はよりファイン側の値となり、翼に作用する荷重が大きくなる傾向となる。このため、風向偏差が大きくなるにしたがって、ロータ回転数に基づいて算出されるピッチ角要求値に対してリミット値による制限を付与する必要性が増大する。
この点、上記（１２）の構成によれば、ピッチ角のリミット値のための閾値Ａ１とＡ２との間隔を５°以上としたので、ピッチ角要求値に対して制限を付与する必要性に応じた適切なリミットをかけることができる。
【００１９】
（１３）幾つかの実施形態では、上記（４）〜（１０）の何れかの構成において、前記リミット値設定部は、前記風向と前記ナセルの向きとの間の前記角度が前記Ａ２のときにフルファインピッチ角に対してΔθだけフェザー側のピッチ角をリミット値として設定するように構成され、前記Δθは、２°≦Δθ（°）≦１５°を満たす。
風向偏差が所定値以上である場合、上述したようにピッチ角がフルファインピッチ角近傍に固定されると、翼過大荷重が生じるおそれがある。一方、ピッチ角をある程度フェザー側にしてしまうと、風力発電設備をシャットダウンさせる過程と同様の問題が生じうる。すなわち、風向偏差が所定値以上であるときに、ピッチ角がある程度フェザー側にあると、複数の風車翼間に大きな荷重偏差が生じるため、タワートップに大きな荷重が発生する場合がある。
この点、上記（１３）の構成によれば、フルファインピッチ角よりも２°〜１５°だけフェザー側のピッチ角を風向偏差がＡ２の時のリミット値としたので、風向偏差に起因する翼およびタワートップの過大荷重発生を適切に回避することができる。
【００２０】
（１４）本発明の少なくとも一実施形態に係る風力発電設備の制御方法は、
風車翼を含むロータと、
前記ロータを回転可能に支持するためのナセルと、
前記ナセルを旋回させるように構成されたヨー駆動部と、
前記風車翼のピッチ角を変化させるように構成されたピッチ駆動部と、
を含む風力発電設備の制御方法であって、
前記ピッチ駆動部にピッチ角指令値を与えて前記ピッチ駆動部を制御するピッチ制御ステップと、
少なくとも前記ロータの回転数に基づいてピッチ角要求値を算出するように構成された要求値算出ステップと、
少なくとも風向と前記ナセルの向きとの間の角度が閾値Ａ１（ただし、Ａ１＞０である。）以上であるときに、フルファインピッチ角（θ０）とフルフェザーピッチ角との間のピッチ角をリミット値として設定するためのリミット値設定ステップと、
前記ピッチ角要求値が前記リミット値よりも前記フルファインピッチ角側にある場合、前記リミット値を前記ピッチ角指令値に設定するとともに、前記ピッチ角要求値が前記リミット値である、又は、前記フルフェザーピッチ角側にある場合、前記ピッチ角要求値を前記ピッチ角指令値に設定するように構成された指令値算出ステップと、
を備える。
【００２１】
風向偏差が所定値よりも大きい場合、風車翼に実際に作用する風速に対してロータ正面からの風速成分が小さいため、ロータ回転数を維持するためにピッチ角要求値はフルファインピッチ角に近い値をとることになり、このことが翼の過大荷重発生の原因となる。
この点、上記（１４）の方法では、風向とナセルの向きとの間の角度（風向偏差）が所定値よりも大きい場合に、ピッチ角のリミット値をフルファインピッチ角よりもフェザー側の値に設定し、ロータ回転数に基づいて算出されるピッチ角要求値に対して該リミット値による制限を付与するようにした。これにより、風向偏差が所定値よりも大きい場合であっても、風車翼のピッチ角がフルファインピッチ角付近に維持されるのを防ぐことができ、風向変化に起因する翼過大荷重を回避することができる。
なお、上記（１４）のようなピッチ角のリミット値を設けなくても、風力発電設備をシャットダウンさせて風車翼のピッチ角をフルフェザーピッチ角にすることにより、風車翼に加わる荷重を低減させることで翼過大荷重を回避することも可能な場合がある。しかしながら、この場合、シャットダウン中に、風車翼のピッチ角がフルフェザーに移行する過程において、複数の風車翼間に大きな荷重偏差が生じるため、タワートップに大きな荷重が発生する場合がある。この点、上記（１４）の方法では、風力発電設備をシャットダウンさせることなく翼過大荷重を回避できるので、翼及びタワートップの過大荷重も回避することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、風向変化に起因する翼過大荷重を回避可能な風力発電設備が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】一実施形態に係る風力発電設備の全体構成を示す概略図である。
【図２】一実施形態に係る風力発電設備における風向偏差を説明するための図である。
【図３】風力発電設備において翼に過大荷重が作用する原理について説明する図である。
【図４】風力発電設備においてタワートップに荷重が生じる原理について説明する図である。
【図５】風力発電設備においてタワートップに荷重が生じる原理について説明する図である。
【図６】一実施形態に係る制御装置の構成を示す図である。
【図７】一実施形態に係る風力発電設備の制御フローを示す図である。
【図８】一実施形態に係るリミット値設定部におけるブロック線図である。
【図９】一実施形態に係るリミット値設定部におけるルックアップテーブルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００２５】
まず、図１を参照して本発明の一実施形態に係る風力発電設備の全体構成について説明する。図１は、一実施形態に係る風力発電設備の全体構成を示す概略図である。同図に示すように、風力発電設備１は、風車翼２が取り付けられたハブ４と、ハブ４が連結される回転シャフト６とを含むロータ３と、発電機１０と、回転シャフト９を介してロータ３の回転エネルギーを発電機１０に伝えるためのドライブトレイン８と、を備える。ロータ３はナセル１２に回転可能に支持される。また、ナセル１２は、ヨー旋回座軸受１８を介してタワー１４に旋回可能に支持される。発電機１０は、ドライブトレイン８によって伝えられるロータ３の回転エネルギーによって駆動されるように構成される。なお、ハブ４は、ハブカバー５に覆われていてもよい。
この風力発電設備１では、風車翼２が受けた風の力によってロータ３全体が回転すると、回転シャフト６からドライブトレイン８に回転が入力される。回転シャフト６から入力された回転はドライブトレイン８によって回転シャフト９を介して発電機１０に伝達される。ドライブトレイン８は、回転シャフト６から入力された回転を増速するように構成された増速機であってもよい。ドライブトレイン８は、油圧ポンプと、高圧油ラインと、低圧油ラインと、油圧モータとを含む油圧式ドライブトレインであってもよい。また、ドライブトレイン８は、機械式（ギヤ式）の増速機であってもよい。
また、風力発電設備１は、ハブ４と発電機１０とがドライブトレイン８を介さずに直接連結されたダイレクトドライブ方式の風力発電設備であってもよい。
ドライブトレイン８及び発電機１０は、タワー１４に支持されるナセル１２の内部に収容されていてもよい。タワー１４は水上又は陸上の基礎に立設されてもよい。
【００２６】
風力発電設備１は、ナセル１２を旋回させるように構成されたヨー駆動部２０と、風車翼２のピッチ角を変化させるように構成されたピッチ駆動部２２と、ピッチ駆動部を制御するための制御装置１００（図６参照）をさらに備える。
【００２７】
ヨー駆動部２０は、ヨー旋回座軸受１８を回転させるためのヨーモータ（不図示）と、ヨー旋回座軸受１８とヨーモータとの間に介装されるギアを含んでもよい。ヨー駆動部２０は、制御装置１００の有するヨー制御部１１０（図６参照）から指令値を受け取って、該指令値に基づき、タワー１４に対してナセル１２をタワー１４の中心軸回りに旋回させてヨー角（ナセル１２の向き）を制御するようになっていてもよい。
【００２８】
ピッチ駆動部２２は、油圧シリンダ（不図示）と、油圧シリンダに圧油を供給するための圧油源（例えば油圧ポンプ；不図示）と、油圧シリンダへの圧油の供給量を調節するための油圧バルブ（不図示）と、を含んでもよい。例えば、風車翼２は、翼根部において油圧シリンダのピストンロッドと接続されており、油圧シリンダのストローク値に伴ってピッチ角が変化するように構成されてもよい。
ピッチ駆動部２２は、風車翼２のピッチ角が制御装置１００（図６参照）から受け取ったピッチ角指令値となるように、必要量の圧油を油圧シリンダに供給するように油圧バルブの開度を調整するようになっていてもよい。
【００２９】
ここで、図２〜図５を参照して、風力発電設備において風向偏差が大きい時に翼に過大な荷重が生じるメカニズムについて説明する。
【００３０】
図２は、風力発電設備における風向偏差を説明するための図である。本明細書において、「風向偏差」とは、風向とナセル１２の向きとの間の角度の絶対値（図２に示す角度Ａ）のことをいう。
図２において、矢印Ｕは風力発電設備１に向かって吹く風を表す。また、ナセル１２の向きとは、ロータ３の回転面と直行する方向のことである。よって、矢印Ｕによって示される風向と、ナセル１２の向きとがなす角度Ａを、本明細書においては「風向偏差」と呼ぶ。
ナセル１２の向き（ロータ３の回転面の向き）に応じてヨー角が制御される風力発電設備１では、風向に変化が生じると、ヨー駆動部２０によってナセル１２が風向に追従するように旋回される。このようにして、風向が変化してもロータ３の正面から風を受けて、風のエネルギーを効率的に電力エネルギーに変換できるようになっている。
しかしながら、このようにヨー制御される風力発電設備１において、急激な風向変化が生じると、ヨー追従に時間を要し、図２に示すように、風向とナセル１２の向きとの間の角度である風向偏差Ａが大きくなることがある。
【００３１】
図３は、風力発電設備において風車翼が過大荷重を受ける原理について説明する図である。図３の（Ａ）（Ｂ）ともに、ロータ３が１回転するうち、風車翼２が最下部付近にきたときの風車翼２の断面を示すものである。図３の（Ａ）は風車翼２がロータ３の正面から風を受ける場合に風車翼２に作用する力を示した模式図であり、図３の（Ｂ）は、風向偏差がある程度大きい場合に風車翼２に作用する力を示した模式図である。なお図３〜図５において、Ｕは風速ベクトルを示し、ｒΩは周速ベクトルを示し、Ｗは、風車翼２を基準とした相対風速ベクトルを示す。相対風速Ｗは、風速Ｕと周速ｒΩとに基づいて得られる。また、αは迎角を示し、Ｌは風車翼２に働く揚力を示す。なお、ここで、「迎角」とは、風車翼２のコード方向（風車翼２の前縁ＬＥと後縁ＴＥとを結ぶ方向）と、相対風速Ｗの方向との間の角度のことをいうものとする。
なお、ピッチ角を「ファイン側」にするとは、風車翼２が受ける風により回転シャフト６にトルクが付与されるようにピッチ角を変化させることをいう。また、ピッチ角を「フェザー側」にするとは、風を受け流す（風車翼２に作用する風が回転シャフト６に対してトルクを与えない）ように風車翼２のピッチ角を変えることをいう。
【００３２】
図３の（Ａ）に示すように、風車翼２がロータ３の正面から風を受ける場合には、風速がある程度大きい場合には、ロータ回転数を抑制するために、フルファインよりもフェザー側のピッチ角となる。
また、図３の（Ｂ）に示すように、風向偏差Ａが大きくなって、風車翼２がロータの斜め前方から風を受ける場合には、ロータ正面からの風速成分（ＷｃｏｓＡとなる）は実際の風速に比べて小さくなる。このため、ピッチ角に基づく回転数制御においては、ロータ回転数を維持しようとして、風車翼２のピッチ角が、図３の（Ａ）に示す場合よりもファイン側に制御される。そして、図３の（Ｂ）に示すように、フルファインピッチ角付近に維持されることがある。
【００３３】
ここで、風車翼２に作用する揚力Ｌは、おおよそ、迎角αの増加に伴い大きくなり、また、相対風速Ｗの２乗に比例して大きくなることが知られている。
図３（Ｂ）の場合においては、図３（Ａ）の場合に比べて、風速Ｕの大きさは同一であるが、相対風速Ｗが大きいとともに、迎角αも大きいため、風車翼２に作用する揚力Ｌが大きくなる。また、図３（Ｂ）の場合には、風車翼２のピッチ角がフルファインピッチ角に近いため、揚力Ｌの大部分は、回転シャフト６の軸方向の成分（スラスト力）として風車翼２に作用する。すなわち、風車翼２に対して、風車翼２をタワー１４に押し付ける方向に大きな荷重が作用し、風車翼２が最下部付近にきたときにタワーに接触する可能性もある。
【００３４】
ところで、風力発電設備１をシャットダウンさせて風車翼２のピッチ角をフルフェザーピッチ角にすることにより、風車翼２に加わる荷重を低減させることも可能な場合がある。しかしながら、この場合、シャットダウン中に、風車翼２のピッチ角がフルフェザーに移行する過程において、複数の風車翼間に大きな荷重偏差が生じるため、タワートップに大きな荷重が発生する場合がある。
図４及び５は、タワートップに荷重が生じる原理について説明する図である。図４には、風向偏差が大きくなったときに、風力発電設備１をシャットダウンさせずにピッチ角に基づく回転数制御を継続した場合の、風車翼２の断面が示される。図５には、風向偏差が大きくなったときに、風力発電設備１をシャットダウンさせて、ピッチ角をフルフェザーに変化させる途中の過程における、風車翼２の断面が示される。また、図４（Ａ）及び図５（Ａ）は、ロータ３が１回転するうち、風車翼２が最上部付近にきたときの風車翼２の断面を示すものであり、図４（Ｂ）及び図５（Ｂ）は、ロータ３が１回転するうち、風車翼２が最下部付近にきたときの風車翼２の断面を示すものである。
【００３５】
風向偏差が大きくなったときに、風力発電設備１をシャットダウンさせずにピッチ角に基づく回転数制御を継続する場合、風車翼２が最上部にあるときには（図４の（Ａ））、風車翼２が最下部にあるとき（図４の（Ｂ））に比べて、相対風速Ｗが大きく、迎角αが小さい。ここで、風車翼２に作用する揚力は、相対風速Ｗが２乗で効くため、図４の（Ｃ）に示すように、風車翼２に作用する荷重は、図４（Ｂ）の風車翼２が最下部にあるとき（ＦＢ）に比べて、図４（Ａ）の風車翼２が最上部にあるとき（ＦＡ）のほうが大きくなる。したがって、これらの荷重の差によって、タワートップにおいては首上げモーメント（ロータ３の回転面と、水平面とが交差する軸回りに作用するモーメント）が発生する。
【００３６】
一方、風向偏差が大きくなったときに、風力発電設備１をシャットダウンさせて、ピッチ角をフルフェザーに変化させる途中の過程では（このときピッチ角はフルファインとフルフェザーの間の角度である）、風車翼２が最上部にあるときには（図５の（Ａ））、風車翼２が最下部にあるとき（図５の（Ｂ））に比べて、相対風速Ｗが大きい。さらに、シャットダウンの過程であるため、風力発電設備１の運転中に比べてロータ回転数が減少しており、周速ｒΩが減少するため、相対風速Ｗの差は運転中（図４参照）よりも大きくなる。
また、迎角αの絶対値は図５（Ａ）のほうが図５（Ｂ）よりも大きいが、図５（Ａ）及び（Ｂ）の双方において迎角αの値が負であり、迎角αに応じた揚力係数が負となる領域である。すなわち、風車翼２に作用する揚力の向きが、図４に示す場合と逆向きとなる。
したがって、図５（Ｃ）に示すように、相対風速Ｗ及び迎角αの絶対値の双方が、図５（Ｂ）の場合よりも図５（Ａ）の場合に大きいため、風車翼２に作用する荷重の絶対値は風車翼２が最上部にあるときの荷重ＦＡのほうが、風車翼２が最下部にあるときの荷重ＦＢに比べて大きくなるとともに、これらの荷重の偏差が、風力発電設備１の運転中（図４参照）に比べて拡大する。また、風車翼２に作用する荷重の向きが、図４とは逆向きになるため、タワートップにおいては、首下げモーメント（ロータ３の回転面と、水平面とが交差する軸回りに作用するモーメント）が発生する。
【００３７】
このように、風力発電設備１をシャットダウンさせるときに、風車翼２のピッチ角がフルフェザーに移行する過程において、複数の風車翼間に大きな荷重偏差が生じるため、タワートップに大きな荷重が発生することがある。
【００３８】
本発明の実施形態に係る風力発電設備及びその制御方法によれば、上述したような翼やタワートップの過大荷重を回避することができる。
【００３９】
以下に、図６〜図９を参照して、一実施形態に係る制御装置及びこの制御装置を用いた制御方法について説明する。
図６は、一実施形態に係る制御装置の構成を示す図である。同図に示すように、制御装置１００は、要求値算出部１２２と、リミット値設定部１２４と、指令値算出部１２６と、を含むピッチ制御部１２０を有し、ピッチ駆動部２２に指令値算出部１２６で算出したピッチ角指令値を与えてピッチ駆動部２２を制御するように構成される。
【００４０】
この制御装置を用いたピッチ駆動部２２の制御フローを、図７〜図９を参照して説明する。図７は、一実施形態に係る風力発電設備の制御フローを示す図であり、図８は、一実施形態に係るリミット値設定部におけるブロック線図であり、図９は、一実施形態に係るリミット値設定部におけるルックアップテーブルを示す図である。
【００４１】
一実施形態に係る風力発電設備１の制御フローの概要は、以下のようになる。まず、要求値算出部１２２により、ロータ３の回転数に基づいてピッチ角要求値を算出する（図７のＳ２）。すなわち、ロータ３の回転数を所定値に制御するためのピッチ角をピッチ角要求値として算出する。なお、ピッチ角要求値は、ロータ回転数に加えて、ロータ回転数以外の要素を考慮して算出されるようになっていてもよい。例えば、ピッチ角要求値は、ロータ回転数に加えて、回転シャフト６に作用するトルクを考慮して算出するようにしてもよい。なお、風速が低い領域においては、風車翼２で受け取る空力トルクを増加させるため、ピッチ角要求値はフルファイン近傍に維持される場合がある。
【００４２】
一方、リミット値設定部１２４により、風向きとナセルの向きとの間の角度（風向偏差）が閾値Ａ１（ただし、Ａ１＞０である。）以上であるときに、フルファインピッチ角（θ０）とフルフェザーピッチ角との間のピッチ角をリミット値として設定する（Ｓ４）。この際、リミット値は、風向偏差に基づいて決定されるようになっていてもよい。あるいは、リミット値は、風向偏差及び風速に基づいて決定されるようになっていてもよい。
【００４３】
Ｓ４において設定されたリミット値は、指令値算出部１２６において、要求値算出部１２２で算出されたピッチ角要求値と比較される（Ｓ６）。ここで、ピッチ角要求値がリミット値よりもフルファインピッチ角側（ファイン側）にある場合、リミット値がピッチ角指令値に設定される（Ｓ８）。また、ピッチ角要求値がリミット値と等しいか、又はリミット値よりもフルフェザーピッチ側（フェザー側）にある場合、ピッチ角要求値がピッチ角指令値に設定される（Ｓ１０）。すなわち、Ｓ６〜Ｓ１０では、Ｓ２で算出されたピッチ角要求値に基づいて定まるピッチ角指令値に対し、Ｓ４で設定したリミット値により、風車翼２のピッチ角がリミット値よりもファイン側とならないように制限をかける。
【００４４】
そして、Ｓ８又はＳ１０で設定されたピッチ角指令値をピッチ駆動部に与えて、風車翼２のピッチ角がピッチ角指令値となるようにピッチ駆動部を制御する（Ｓ１２）。
【００４５】
上述した風力発電設備１の制御フローによれば、風向とナセル１２の向きとの間の角度（風向偏差）が所定の閾値Ａ１よりも大きい場合に、ピッチ角のリミット値をフルファインピッチ角よりもフェザー側の値に設定し、ロータ回転数に基づいて算出されるピッチ角要求値に対して該リミット値による制限を付与する。これにより、風向偏差が所定の閾値Ａ１よりも大きい場合であっても、風車翼２のピッチ角がフルファインピッチ角付近に維持されるのを防ぐことができ、風向変化に起因する翼過大荷重を回避することができる。
また、上述した風力発電設備１の制御フローによれば、風力発電設備１をシャットダウンさせることなく翼過大荷重を回避できるので、翼のみならずタワートップの過大荷重も回避することができる。
【００４６】
次に、一実施形態に係るリミット値設定部１２４の詳細について述べる。
一実施形態に係るリミット値設定部１２４では、風向偏差Ａ及び風速Ｕに基づいて、リミット値を決定する。
図８のブロック線図に示すように、リミット値設定部１２４は、風向偏差Ａ及び風速Ｕを示す信号を入力として受け取る。なお、風向偏差Ａは、風向とナセル１２の向き（風車ロータの回転面の向き）との間の角度であり、風力発電設備１の例えばナセル１２に設けられた風向計及びナセル方位計によって得られる計測値から取得されてもよい。また、風速Ｕは、風車翼２に作用する風速であり、風力発電設備１の例えばナセル１２に設けられた風速計によって得られる計測値から取得されてもよい。
【００４７】
リミット値設定部１２４において、入力された風向偏差Ａを示す信号は、ローパスフィルタ１２８によって比較的高周波のノイズを除去するフィルタ処理を施された後、ルックアップテーブル１３０を参照して、風向偏差Ａに応じた暫定のリミット値ΔθＡ＊を決定する。ルックアップテーブル１３０は、風向偏差Ａと暫定のリミット値ΔθＡ＊との相関関係を予め定義したテーブルであり、制御装置１００の記憶部（不図示）に記憶されていてもよい。
また、リミット値設定部１２４において、入力された風速Ｕを示す信号は、ローパスフィルタ１３２によって比較的高周波のノイズを除去するフィルタ処理を施された後、ルックアップテーブル１３４を参照して、風速Ｕに応じた係数ｃ（ただし、０≦ｃ≦１である。）を決定する。ルックアップテーブル１３４は、風速Ｕと係数ｃとの相関関係を予め定義したテーブルであり、制御装置１００の記憶部（不図示）に記憶されていてもよい。
【００４８】
そして、風向偏差Ａに応じてルックアップテーブル１３０から決定された暫定リミット値ΔθＡ＊と、風速Ｕに応じてルックアップテーブル１３４から決定された係数ｃとを乗算器１３６において乗算することにより、風向偏差に基づくリミット値ΔθＡが取得される。
【００４９】
図９（Ａ）のグラフには、一実施形態に係るリミット値設定部１２４にて参照されるルックアップテーブル１３０に定義される風向偏差Ａと暫定のリミット値ΔθＡ＊との相関関係が示される。
図９（Ａ）のグラフに示されるように、リミット値設定部１２４では、風向偏差がゼロ以上閾値Ａ１未満である時には暫定リミット値ΔθＡ＊はゼロに設定され、閾値Ａ１以上である領域において、暫定リミット値ΔθＡ＊はゼロよりも大きい値に設定される。また、風向偏差が閾値Ａ２以上（ただしＡ２＞Ａ１）であるときに、暫定リミット値ΔθＡ＊は、風向偏差が閾値Ａ１であるときよりも大きな値に設定される（すなわち、フェザー側に近づく）とともに、風向偏差が閾値Ａ１以上前記閾値Ａ２以下の範囲においては、風向偏差の増加とともに、暫定リミット値ΔθＡ＊が増加するようになっている（すなわち、フェザー側に近づく）。また、風向偏差が閾値Ａ２以上（ただしＡ２＞Ａ１）であるときに、暫定リミット値Δθ＊は、一定値ΔθＡ２＊をとるように設定される。
風向偏差が大きいほど、実際の風速に比べて風速の正面成分が小さくなるため、回転数制御によるピッチ角要求値はよりファイン側の値となり、翼に作用する荷重が大きくなる傾向となる。
上述のように、風向偏差が大きくなるにしたがってリミット値をフェザー側に近づけることで、風向変化に起因する翼過大荷重を適切に回避することができる。
【００５０】
幾つかの実施形態では、閾値Ａ１は、３０°以上５０°以下である。閾値Ａ１を前述の範囲とすることで、翼荷重の発生レベルに応じて風向偏差に応じたリミット値によるピッチ角の制限を行って、翼過大荷重を効果的に回避できる。
【００５１】
幾つかの実施形態では、閾値Ａ２はＡ２≧Ａ１＋５°を満たす。ピッチ角のリミット値のための閾値Ａ１と閾値Ａ２との間隔を５°以上とすることで、ピッチ角要求値に対して制限を付与する必要性に応じた適切なリミットをかけることができる。
【００５２】
幾つかの実施形態では、風向偏差がＡ２のときの暫定リミット値暫定リミット値ΔθＡ＊が、２°≦ΔθＡ＊≦１５°を満たすように構成される。このように、フルファインピッチ角よりも２°〜１５°だけフェザー側のピッチ角を風向偏差がＡ２の時のリミット値とすることで、風向偏差に起因する翼過大荷重を適切に回避することができるとともに、風向偏差に起因するタワートップの過大荷重を回避することができる。
【００５３】
図９（Ｂ）のグラフには、一実施形態に係るリミット値設定部１２４にて参照されるルックアップテーブル１３４に定義される風速Ｕと係数ｃとの相関関係が示される。
図９（Ｂ）のグラフに示されるように、リミット値設定部１２４では、風速がゼロ以上閾値Ｕ１未満である時には係数ｃはゼロに設定され、閾値Ｕ１よりも大きい領域において、係数ｃはゼロよりも大きい値に設定される。また、風向偏差が閾値Ｕ２以上（ただしＵ２＞Ｕ１）であるときに、係数ｃは、風速が閾値Ｕ１であるときよりも大きな値である１に設定される（すなわち、フェザー側に近づく）とともに、風速が閾値Ｕ１以上前記閾値Ｕ２以下の範囲においては、風速の増加とともに、係数ｃが増加するようになっている（すなわち、フェザー側に近づく）。また、風速が閾値Ｕ２以上（ただしＵ２＞Ｕ１）であるときに、係数ｃは、一定値をとるように設定される。
風向偏差が所定値（Ａ１）以上である場合、ロータ３の正面の風速成分が小さいため、ロータ回転数を維持しようとしてピッチ角要求値はファイン側に固定されてしまい、翼に作用する荷重が大きくなる傾向にある。このとき、風車翼２に作用する風速が大きいほど、ピッチ角要求値がファイン側に固定されることによる荷重増大傾向は顕著である。
上述のように、風速Ｕに基づいてリミット値を決定することで、翼の荷重を効果的に低減できる。また、風速が大きいほどピッチ角のリミット値をよりフェザー側に設定して、翼に作用する荷重をより減少させるようにしたので、翼の荷重を効果的に低減できる。
【００５４】
一方、一実施形態では、風向偏差に基づくリミット値ΔθＡとは別に、風向偏差Ａと閾値Ａ１との大小関係によらずに定まるベースリミット値ΔθＢａｓｅが設定される。この場合、加算器１４０にて風向偏差に基づくリミット値ΔθＡと、風向偏差Ａの大きさによらずに定まるベースリミット値ΔθＢａｓｅとを加算することによって、リミット値Δθが取得される。
ベースリミット値ΔθＢａｓｅは、フルファインピッチ角θ０であってもよい。また、ベースリミット値ΔθＢａｓｅは、発電機出力に応じて変化するようになっていてもよい。
あるいは、一実施形態では、風向偏差Ａによらないベースリミット値ΔθＢａｓｅは設定されておらず、風向偏差に基づくリミット値ΔθＡをそのままリミット値Δθとしてもよい。
【００５５】
上述の構成では、風向偏差が閾値Ａ１以下であるとき、又は風速が閾値Ｕ１以下である時には、暫定リミット値又は係数ｃの一方がゼロであるため、風向偏差に基づくリミット値はゼロとなる。すなわち、風向偏差が閾値Ａ１以上であり、かつ、風速が閾値Ｕ１以上である場合にのみ、風向偏差に基づくリミット値がゼロよりも大きくなり、実際のピッチ角制御に影響をもつようになる。
翼の過大荷重は、風向偏差及び風速のいずれもが大きいときに発生しやすいので、上述のようなリミット値の設定とすることで、翼過大荷重を適切に回避することができる。
【００５６】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
【００５７】
本明細書において、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
また、本明細書において、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
また、本明細書において、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
【符号の説明】
【００５８】
１            風力発電設備
２            風車翼
３            ロータ
４            ハブ
５            ハブカバー
６            回転シャフト
８            ドライブトレイン
９            回転シャフト
１０          発電機
１２          ナセル
１４          タワー
１８          ヨー旋回座軸受
２０          ヨー駆動部
２２          ピッチ駆動部
１００        制御装置
１１０        ヨー制御部
１２０        ピッチ制御部
１２２        要求値算出部
１２４        リミット値設定部
１２６        指令値算出部
１２８        ローパスフィルタ
１３０        ルックアップテーブル
１３２        ローパスフィルタ
１３４        ルックアップテーブル
１３６        乗算器
１４０        加算器
【図１】
0006314104.tif 000002
【図２】
0006314104.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0006314104.tif 000007
【図７】
0006314104.tif 000008
【図８】
0006314104.tif 000009
【図９】
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