(57)【要約】  風力タービン回転子の負荷制御。翼のピッチは、命令構成要素で、すなわち回転翼ピッチ命令信号によって従来の方法で制御される。記憶装置は、様々な風速に対する１セットのモーメントの記憶値を含んでいる。モーメント・センサは、モーメント信号出力を与える。瞬間風速表示器は、瞬間風速値出力を与える。モーメント信号および瞬間風速値に接続された変換ロジックは、算出されたピッチ変調命令を与える。算出された翼ピッチ変調命令および共同ピッチ命令に接続された組合せロジックは、風力タービンの瞬間モーメント偏差の補償を含む組合せ翼ピッチ命令を与える。
2010506085.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力タービンにおけるモーメント不均衡を補償する装置であって、
回転翼ピッチ命令信号（１５４）と、
様々な風速に対するのモーメントのセットの記憶値を含む記憶装置（１４４）と、
モーメント信号（１４２）を出力するモーメント・センサ（１２４）と、
瞬間風速値（１３６）を出力する瞬間風速表示器（１３０）と、
前記モーメント信号（１４２）、前記瞬間風速値（１３６）および前記記憶装置（１４４）に接続され、算出されたピッチ変調命令（１５２）を出力する変換ロジック（１４６）と、
前記算出された翼ピッチ変調命令（１５２）および前記ピッチ命令（１５４）を受けるように接続された組合せロジック（１５０）にして、前記風力タービンの瞬間モーメント偏差の補償を含む、前記回転翼のピッチを命令することが可能な組合せ翼ピッチ命令（１５６）を出力する組合せロジック（１５０）と
を備え、風力タービンにおけるモーメント不均衡を補償する装置。
【請求項２】
前記モーメント・センサが、ナセル転倒モーメント・センサおよびタービン／ヨー・モーメント・センサのうちの１つまたは複数である、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
歪み成分信号を出力する少なくとも１つの翼歪みセンサをさらに備え、
前記変換ロジック（１４６）が、前記少なくとも１つの翼歪みセンサの前記歪み成分信号を受けるように接続されている、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記記憶装置が予め算出された値を記憶し、前記予め算出された値はそれぞれ、前記組合せロジックによって受けられた１以上のセットの信号に割り当てられ、これによって参照される、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記変換ロジックが、複数の個別の翼ピッチ変調命令にして、翼ごとに１つの翼ピッチ変調命令が割り当てられる、複数の個別の翼ピッチ変調命令を算出する、請求項１〜４の何れか１項に記載の装置。
【請求項６】
前記モーメント不均衡の原因は、垂直ウィンド・シア、水平ウィンド・シア、翼モーメントおよびウィンド・ミスアライメントのうちの１つまたは複数である、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
風力タービンの回転翼のピッチの制御にピッチ命令を使用する、前記風力タービンにおけるモーメント不均衡補償方法であって、
Ａ．瞬間モーメントの様々な値の間の関係、および、公称モーメント値からの前記瞬間モーメントの偏差を補償するピッチ変調を記憶するステップを備え、
Ｂ．前記風力タービンの瞬間モーメントを、モーメント信号を得るために、感知するステップを備え、
Ｃ．記憶された瞬間モーメント値のフェッチのために前記モーメント信号を使用するステップを備え、
Ｄ．前記瞬間モーメント値を使用して、前記瞬間モーメント不均衡を補償するように翼ピッチ変調を算出するステップを備え、
Ｅ．前記算出された翼ピッチ変調を前記ピッチ命令と組み合わせて、組み合わせたピッチ命令をもたらすステップを備え、
Ｆ．前記風力タービンの前記瞬間モーメント偏差を補償するために、前記回転翼のピッチを制御するのに前記組み合わせたピッチ命令を使用するステップと
を含む、モーメント不均衡補償方法。
【請求項８】
前記モーメント不均衡の原因は、垂直ウィンド・シア、水平ウィンド・シア、翼モーメントおよびウィンド・ミスアライメントのうちの１つまたは複数である、請求項７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力タービンなどの流体流タービンに関し、より詳細にはウィンド・シアおよびウィンド・ミスアライメントを補償する装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
実用的な風力発電システムの開発により、独特であり、従来の発電システムの開発では直面しなかった問題が生じた。風の自然変動が、作り出される電気の性質および品質に影響を与える。タービン翼の先端の速度と風速の関係が、風から得ることができる最大エネルギーに影響を与える。これらの問題は、風変動による機械的疲労と共に、風力発電電気の費用にかなりの影響を与える。
【０００３】
従来、風力タービンは一定速度で作動されていた。翼および主軸によって作り出されるトルクにより、このような風力タービンによって運ばれる電力が決まる。タービンは普通、タービン翼ピッチ角サーボに供給される、電力命令信号によって制御される。このサーボは、回転翼のピッチを制御し、それによって風力タービンの電力出力を制御する。安定性の配慮により、この制御ループは限られた帯域幅で作動させなければならず、したがって突風に適当に対処することができない。このような状況では、主軸トルクが上昇し、過渡電力サージが起こる。このような電力サージは、作り出される電力の品質に影響を与えるだけでなく、風力タービン自体にかなりの機械的負荷を作り出す。このような機械的負荷はさらに、タービンの資本コストを上昇させる。というのは、長期間にわたって、ある場合では２０から３０年にわたってこのような負荷に耐えるように、タービン構造を設計しなければならないからである。
【０００４】
定速風力タービンで電力サージおよび機械的負荷の問題を軽減するために、風力業界は、可変速風力タービンの使用に向かってきている。可変速風力タービンは、米国特許第７，０４２，１１０号（特許文献１）に記載されている。
【０００５】
大型の最新風力タービンは、これらを収納するための高さのタワーを備えた、最大１００メートルの回転子直径を有する。米国では、タワーの高さを２倍にすることにより利用可能な風力が４５％増加するという概算を利用するために、背の高いタワーがアメリカのグレート・プレーンズなどのいくつかの場所で検討されている。
【０００６】
このような議論を単純化するために、従来の垂直シアおよび水平シアと、ウィンド・ミスアライメントの効果（例えば、ヨー・ミスアライメントによる）を全体的に含むように、ウィンド・シアが使用される。
【０００７】
研究により、ウィンド・シアが、大型の水平軸風力タービンの高さおよび幅にわたって変化することが示された。ウィンド・シアは、背の高いタワーの場合により顕著である可能性が高い。ウィンド・シアは、異なる垂直または水平位置間の風向および風速の変化である。風力タービンの疲労寿命および電力特性は、翼の回転ディスク上でのウィンド・シア変動によって生じる翼への負荷によって影響を受ける。
【０００８】
回転子の最高点から回転子の最低点に向かって風速が次第に低くなり、回転子の最低点で最も低くなるという風速の違いのため、これらの回転子にわたる負荷は変化する可能性がある。また、回転子にわたって水平方向に変化する。したがって、あらゆる時点において、各翼はそのリアルタイム回転位置による風によって、異なる負荷を有することができる。このような負荷は、回転翼および他の風力タービン構成要素への疲労の一因となる。
【０００９】
様々な技術が、風力タービンを制御するのに使用される、または使用するように提案されている。このような制御方法の目的は、様々なタービン構成要素に加えられる機械的負荷を最小限に抑えながら、電力発電を最大限にすることである。負荷は応力および歪みを生じさせ、構成要素の寿命を短くする疲労故障の原因である。負荷を小さくすることにより、より軽量または小型の構成要素の使用が可能になり、これは、風力タービンの寸法が大きくなっていくならば、重要な考慮事項である。また、負荷を小さくすることにより、大きな風力エネルギーを処理するためにより高い電力のタービンで同じ構成要素を使用することが可能になる、または同じ定格出力に対して回転子直径を大きくすることが可能になる。
【００１０】
ウィンド・シアは、乱気流により瞬間的に変化するものの、ゆっくり変化する中間成分を有する多分に確定的な外乱である。タービン制御システムは、負荷を小さくし、モータ・トルクを小さくし、より優れた制御を行うために、中間成分をとらえることができる。制御システムは、比較的単純な比例積分導関数（ＰＩＤ）共同翼コントローラから独立した翼状態空間コントローラにわたる。制御のタイプがどのようなものであっても、多くの確定的外乱が含まれるまたは補償されればされるほど、制御機械化がより良くなる。というのは、確率的外乱の原因となるものが少なくなるからである。
【００１１】
その原因が何であっても、ウィンド・シアは、タービンを回転させるまたは翼を屈曲させる傾向があるタービン・モーメント不均衡を生じさせる。したがって、負荷不均衡、またはウィンド・シアやその他の原因によるモーメント不均衡の補償をタービン制御システムの構成要素として提供することが望ましい。
【００１２】
また、ウィンド・シア・モーメント不均衡によって生じた負荷が緩和される風力タービンを提供することが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】米国特許第７，０４２，１１０号
【特許文献２】米国特許第６，７２６，４３９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
要するに本発明は、モーメント不均衡補償の方法を含む、いくつかの回転翼を有する風力タービンを制御する装置および方法に関する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
モーメント不均衡は、垂直ウィンド・シア、水平ウィンド・シア、ウィンド・ミスアライメント、ヨー誤差、または他の原因によって生じることがある。風力タービンは、風力タービンの回転翼のピッチを制御するためにピッチ命令を使用する。制御部は第１に、瞬間モーメントの様々な値の関係、および公称モーメント値からの瞬間モーメントの偏差を補償するピッチ変調を判断および記憶する。制御部は、風力タービンの瞬間モーメントを、モーメント信号を得るために感知する。制御部は、瞬間モーメント不均衡を補償するのに必要な翼ピッチ変調を算出するためにモーメント信号を使用する。算出された翼ピッチ変調は、例えば回転子ｒｐｍを制御するために決められた公称ピッチ命令と組み合わせられる。最後に、風力タービンの瞬間モーメント偏差を補償するために、回転翼のピッチを制御するのにその組合せが使用される。
【００１６】
したがって、本発明は従来の制御システムの出力を使用し、制御信号の変調により公称値または中間値の状態から逸脱する瞬間状態の補償を追加する。従来の制御システムはむしろ中間値に基づいているので、瞬間的変化を考慮していない。ゆっくり反応する制御システムの信号を変調することによって、瞬間的または短時間の外乱の補償が実現される。しかし、出力信号のみが変調されるので、基本ピッチ命令を与える基本制御機構は影響を受けない。したがって、公称値の偏差が登録されない場合、システムは未変調制御値に円滑的および安定的に戻ることができる。
【００１７】
したがって、本発明はまた、タービン測定を直接使用しながら、共同および個別の翼命令を同時に判断することによって、公称値または中間値の状態から逸脱する瞬間的状態の補償を本質的に考慮する制御システムを使用する。このような制御システムは、状態空間設計と呼ばれる。
【００１８】
本発明の一態様によると、モーメント不均衡の原因は、垂直ウィンド・シア、水平ウィンド・シア、および水平および／または垂直平面におけるウィンド・ミスアライメントのうちの１つまたは複数である。
【００１９】
本発明およびその動作モードは、添付の図面を参照して、以下のより詳細な説明からより完全に理解されるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】重要なタービン要素を強調し、転倒モーメントを生じさせる垂直ウィンド・シアを示す、本発明による可変速風力タービンのブロック図である。
【図２】図１に示す回転翼に対して逆風から見た、回転および固定翼ピッチ位置フレームを示す図である。
【図３】従来の共同コントローラと平行である一般的なフィードフォワード垂直ウィンド・シア補償器のブロック図である。
【図４】各αにするピッチ＝０およびピッチ＝５度限界を示す、シア指数＝−０．２から＋０．５に対する転倒モーメントＭ表のグラフである。
【図５】垂直ウィンド・シア補償があるが、フィードフォワード制御を使用した垂直シア補償がない状態のピッチ・モータＲＭＳトルクのグラフである。
【図６】垂直シア補償があるが、フィードフォワード制御を使用した垂直シア補償がない状態の翼疲労等価負荷のグラフである。
【図７Ａ−７Ｃ】垂直シア補償があるが、フィードフォワードを使用した垂直シア補償がない状態の等価軸、ナセル、およびタワー負荷のグラフである。
【図８】αの異なる値に対して示された、転倒モーメントＭ表対風速、αおよびピッチのグラフである。
【図９】ピッチ−Ｍ’表の異なる値に対して示された、α対転倒モーメント、風速およびピッチのグラフである。
【図１０】α−Ｍ”表の異なる値に対して示された、ピッチ対転倒モーメント、風速およびαのグラフである。
【図１１】フィードフォワード・コントローラのブロック図である。
【図１２】フィードバックＰＩＤベース・コントローラのブロック図である。
【図１３】フィードバック状態空間ベース・コントローラのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明による可変速風力タービン装置のブロック図である図１を参照する。風力発電デバイスは、地面１０４に固定された背の高いタワー構造１０２の頂上に取り付けられた、ナセル１００内に格納された１つまたは複数の発電機を有するタービンを備えている。ナセル１００は、ヨー・プラットフォーム１０１の上にあり、ヨー旋回軸１０６周りに水平面で自由に回転し、優勢な気流１０８、１１０の経路に維持されている。
【００２２】
タービンは、回転子ハブ１１８に取り付けられた可変ピッチ翼１１２、１１４を備えた回転子を有する。翼は、気流１０８、１１０に応じて回転する。各翼は、翼基部および翼延長部を有することができ、それによって回転子は可変直径回転子を提供するように長さが可変である。米国特許第６，７２６，４３９号（特許文献２）に記載されているように、回転子を低流速で完全に伸長させ、流速が大きくなったときに回転子を収縮させ、それによって回転子によって運ばれるまたはその上に加えられる負荷が設定限界を超えないように、回転子の直径を制御することができる。ナセルが気流とほぼ位置合わせされて水平方向の定位置に保持されるように、ナセル１００は、気流の経路内でタワー構造上に保持される。発電機は、電気を作り出すようにタービンによって駆動され、他のユニットおよび／または電力網に相互接続する電力輸送ケーブルに接続されている。
【００２３】
垂直ウィンド・シアは、より大きな風速矢印１０８、および地面に近い方のより低い風速矢印１１０によって図１に示すような、地上高さ依存の風速変化である。数ある影響の中でも特に、垂直ウィンド・シアは、地面１０４との高さ依存摩擦によって生じる。地面上の高さ１０８が高ければ高いほど、表面摩擦１０４の影響は小さくなり、風速は高くなる。地面までの高さ１１０が近ければ近いほど、表面摩擦１０４の持つ影響は大きくなり、風速は低くなる。
【００２４】
局部垂直ウィンド・シアは、複数の風速計を備えた気象観測タワーの使用により推測することができる。ウィンド・シアは、べき法則を風速対風速計高さに適合させる曲線によって推測される。地形が変化すると、それにしたがって追加のタワーを加える必要がある。
【００２５】
局部水平ウィンド・シアは、物理的に分離され、風の水平変化およびウィンド・ミスアライメントに敏感であるいくつかの気象観測タワーの使用により推測することができる。
【００２６】
追加の散在したタワーを必要としない、より望ましい解決法は、効果的なウィンド・シアを推測するのにタービン情報を使用することである。ウィンド・シアは発電機ｒｐｍまたはタワーの動作をあまり変化させないので、より直接的な測定が必要である。
【００２７】
このような測定は、図１の矢印１２０によって示されたナセル転倒モーメントである。このモーメントは、垂線方向および風力タービンの駆動系１２２の方向に垂直な軸の周りで測定される。このモーメントの値への貢献は、回転子およびナセルの突出質量、回転子およびナセルの慣性加速度、回転子への推力、および正味空力モーメントにつながる回転子にわたる垂直ウィンド・シアに由来する。
【００２８】
転倒モーメント１２０は、翼ディスクの上部でのより大きな風力１０８により転倒するナセル１００の傾向であり、ヨー旋回軸１０６がヨー・プラットフォーム１０１に結合する点で１つまたは複数の力センサ１２４（歪みゲージ、搭載ボルトなど）を使用して測定される。翼またはハブ上ではなくタービンの容易にアクセス可能な部分上にあるので、センサ１２４は、容易に修理される。
【００２９】
水平ウィンド・シアに対する同様の測定は、風力タービンが向きを変える傾向として感知される回転モーメントである。回転モーメント・センサ１２５は、回転モーメント信号である出力１４３を有する。
【００３０】
測定の追加のセットはまた、回転および転倒測定と共に使用される。このような測定は、翼動作の平面内および平面外の歪み成分を示すように、各翼に沿った１つまたは複数の点で適当に測定された翼歪みである。歪み測定は、等価モーメントに変換される。
【００３１】
図１に示す装置は、風力タービン１００におけるモーメント不均衡を補償する。翼のピッチは、公称回転翼ピッチ命令信号１５４を生成するために発電機ＲＰＭ１３８を使用する、命令構成要素、従来のピッチ命令ロジック１４８によって従来の方法で制御される。記憶装置１４４は、様々な風速およびピッチ値に対する、回転と転倒および翼測定モーメントの１セット（１組）の記憶値を含んでいる。転倒モーメント・センサ１２４は、転倒モーメント信号１４２である出力を有し、回転モーメント・センサ１２５は回転モーメント信号である出力１４３を有し、各翼は翼取付歪みセンサ（図示せず）を有し、このセンサは翼モーメント信号１４７に変換される出力を有する。瞬間風速表示器１３０は、瞬間風速値１３６である出力を与える。転倒モーメント信号１４２、回転モーメント信号１４３、各翼モーメント信号１４７、翼回転位置１４０、翼ピッチ・センサ１４１、および瞬間風速値１３６に接続された変換ロジック１４６は、算出されたピッチ変調命令１５２である出力を与える。算出された翼ピッチ変調命令１５２、およびピッチ命令１５４に接続された組合せロジック１５０は、風力タービンの瞬間モーメント偏差の補償を含む、回転翼のピッチを命令することが可能である組合せ翼ピッチ命令１５６を与える。
【００３２】
全ての翼に共通している風状態が従来の共同命令ロジック１４８によって考慮され処理されるが、このロジックは、全ての翼には同時には現れない状態であって、その緩和のために翼ごとに個別の制御を必要とする状態の検出をすることができず、且つそのような状態に対して確実には応答することができない。しかし、ピッチ変調命令１５２は、このような普通ではない状態を考慮する。命令１５４および命令１５２が、組み合わされて命令１５６にされるので、タービン制御は、従来の共同制御ロジック、および否共同の状態が考慮されたこの信号の変調から利益を得る。
【００３３】
<<実施形態の説明>>
垂直ウィンド・シアは、図１に示すように、地面上の高さの風速の変化である。数ある影響の中でも特に、垂直ウィンド・シアは、地面との高さ依存摩擦によって生じる。地面上の高さが高ければ高いほど、表面摩擦の影響は小さくなり、風速は高くなる。べき法則関数が普通、以下の式としてこの現象をモデル化するのに使用される。
windSpeed ∝ ｈα
式中、ｈは地面上の高さであり、αは電力指数で、通常０．１４である。実際の電力指数は、局部風状態および地形のタイプで変化する。
【００３４】
垂直ウィンド・シアが、風速を高さで変化させるので、タービン翼はタービン・ハブ周りで回転するときに様々な風速を経験する。循環的風速変化は、循環的な様々な力を翼に加えて、翼を前後に屈曲させて、結果として疲労故障を引き起こす。上記等式から、高度ｈでの風速は、以下の式のようにハブ高さｈhubおよびハブでの風速windSpeedhub に関連している。
【００３５】
【数１】
2010506085.tif 000003
【００３６】
翼上のハブからの距離ｒの点では、翼が垂直から測定された回転角度φでハブ周りに回転すると、風速は以下のように循環的である。
【００３７】
【数２】
2010506085.tif 000004
【００３８】
ｒで翼に作用する循環的力は、二乗風速の、および風速、翼回転速度、およびピッチ角βによって規定される空力推力係数ＣT の関数である。
【００３９】
【数３】
2010506085.tif 000005
【００４０】
これは、翼位置ゼロに対するフェザーに向かって、翼位置１８０°でのフェザーから離れるように、回転角度の関数としてピッチ角を変えることによって、循環的風力をより均一にすることができることを示唆する。翼ピッチの得られる循環的変調は、各翼に対して異なる。というのは、それぞれ異なる回転角度を有するからである。
【００４１】
水平ウィンド・シアは、モデルの影響を受けにくいが、普通は直線変化として近似される領域で測定しなければならない。
【００４２】
<<回転から固定基準フレームへのおよび固定から回転基準フレームへの変換>>
以下に使用するように、翼ピッチ角を回転フレーム（ハブ周りの回転）から非回転フレームに変えることは有用である。これは、コールマン多翼変換（回転電気機械のｄ−ｑ変換としても知られる）を使用して簡単に行われる。（β1、β2、β3）が３つの翼ピッチ角であり、（φ1、φ2、φ3）が図２に示すようにハブ周りの翼回転位置である場合、垂直および水平成分は以下のように確定される。
【００４３】
【数４】
2010506085.tif 000006
【００４４】
逆変換は以下の通りである。
【００４５】
【数５】
2010506085.tif 000007
【００４６】
このような座標変換はまた、回転翼モーメントを垂直および水平成分に変換するのに使用される。
【００４７】
<<フィードフォワード制御>>
従来の共同コントローラと平行である一般的なフィードフォワード垂直ウィンド・シア補償器のブロック図である図３を参照する。図３に示す装置は、風力タービン２００におけるモーメント不均衡を補償する。翼のピッチは、共同ピッチ命令信号２５４を生成するために、所望のＲＰＭ２３９にフィードバックされこれと組み合わせられた実際の発電機ＲＰＭ２３８を使用する、命令構成要素、従来の共同コントローラ２４８によって従来の方法で制御される。転倒モーメント信号、回転モーメント信号、各翼モーメント信号、翼回転位置、翼ピッチ・センサ、および瞬間風速値に接続された変換ロジック（図示せず）は、算出されたピッチ変調命令２５２である、翼＃１、＃２および＃３それぞれに対して出力を与える。算出されたシア翼ピッチ変調命令２５２および共同ピッチ命令２５４に接続された組合せロジック２５０は、風力タービン２００の瞬間モーメント偏差の補償を含む、回転翼のピッチを命令することが可能な組合せ翼ピッチ命令２５６を与える。
【００４８】
共同コントローラ２４８はしたがって、翼＃１、＃２および＃３それぞれを制御する基盤として使用される制御信号を与える。しかし、組合せロジック２５０は、個別の翼ピッチ変調命令２５２により共同命令信号２５４を変調することによって、個別の翼命令を出力する。
【００４９】
従来の共同コントローラと平行であるより詳細なフィードフォワード垂直ウィンド・シア補償器のブロック図である図１１を参照する。図１１に示す装置は、風力タービン４００におけるモーメント不均衡を補償する。翼のピッチは、共同ピッチ命令信号４５４を生成するために、所望のＲＰＭ４３９にフィードバックされこれと組み合わせられた実際の発電機ＲＰＭ４３８を使用する、命令構成要素、従来の共同コントローラ４４８によって従来の方法で制御される。
【００５０】
変換ロジック４０６は、コールマン変換を使用して循環から固定成分に変換し、その結果ロジック４０８に入力される、垂直成分４０９および水平成分４１３が得られる。
【００５１】
転倒モーメント信号、回転モーメント信号、各翼モーメント信号、翼回転位置、翼ピッチ・センサ、および瞬間風速値４０３に接続されたロジック４０８は、垂直成分４０９および水平成分４１３での変調４１５である出力を与える。
【００５２】
垂直成分４０９および水平成分４１３での変調４１５、および翼回転位置４０４は、変換ロジック４０７に入力され、このロジックが翼ピッチ変調命令４１１を生成するように、逆コールマン変換を使用して固定から循環成分に変換する。
【００５３】
算出された翼ピッチ変調命令４１１、および共同ピッチ命令４５４に接続された組合せロジック４１２は、風力タービン４００の瞬間モーメント偏差の補償を含む、回転翼のピッチを命令することが可能な組合せ翼ピッチ命令４２２を与える。
【００５４】
図３、およびより詳細に図１１に示すようなフィードフォワード制御方式は、既存の従来の制御と並行して動作するという点において実施するのが比較的容易である。各翼に対するピッチ変調Δβbladeが知られていると仮定すると、ウィンド・シアを補償するためのフィードフォワード方法は、図３および図１１に示すようなフィードフォワード制御方式で従来のコントローラによって命令されたピッチを変調することである。
【００５５】
翼ピッチ・モータに送信される正味ピッチ命令は以下の通りである。
pitchblade ＝ pitchcollective ＋ Δβblade
式中、pitchcollective はコントローラによって生成された公称ピッチ命令である。
【００５６】
従来の共同コントローラは、ＰＩＤまたは状態空間またはあらゆる他のタイプの制御システムである。３翼タービンが図示されているが、あらゆる数の翼を使用することができる。その唯一の出力としてピッチを備えた共同コントローラが図示されているが、発電機トルクおよびあらゆる他の出力が可能である。その唯一の入力として発電機ｒｐｍを備えた共同コントローラが図示されているが、実際の翼ピッチおよびあらゆる他の入力が本発明の範囲内である。
【００５７】
<<フィードフォワードのためのピッチ変調算出>>
局部垂直ウィンド・シア電力指数αを推測する１つの方法は、複数の風速計を備えた気象観測タワーを使用することである。この指数は、べき法則を風速対風速計高さに適合させる曲線によって求められる。地形が変化すると、それにしたがって追加のタワーを加える必要がある。
【００５８】
追加の散在したタワーを必要としない、好ましいフィードフォワード方法は、効果的なウィンド・シアと所望のピッチ変調とを推測するのにタービン情報を使用することである。ウィンド・シアは、発電機ｒｐｍもタワーの動作もあまり変化させず、効果的な垂直ウィンド・シア電力指数と所望のピッチ変調とを推測するのにはより直接的な測定が必要である。
【００５９】
転倒モーメントの好ましい測定が、図１に示されている。このモーメントは、垂直および風力タービンの駆動系の方向に相互垂直な軸周りで測定される。このモーメントの値への貢献は、回転子およびナセルの突出質量、その慣性加速度、回転子への推力、正味空力モーメントにつながる回転子にわたる垂直ウィンド・シアに由来する。転倒モーメントは、翼ディスクの上部でのより大きな風力により転倒するナセルの傾向であり、ヨー旋回軸がヨー・プラットフォームに付着する点で１つまたは複数の力センサ（歪みゲージ、搭載ボルトなど）を使用して簡単に測定される。翼またはハブ上ではなくタービンの容易にアクセス可能な部分上にあるので、センサは容易に修理される。
【００６０】
回転モーメントの好ましい測定は、ヨー軸周りで測定される。このモーメントの値への貢献は、ヨー誤差および水平ウィンド・シアに由来する。回転モーメントは、翼ディスクの一方側でのより大きな風力により回転するナセルの傾向であり、ヨー旋回軸がヨー・プラットフォームに付着する点で１つまたは複数の力センサ（歪みゲージ、搭載ボルトなど）を使用して簡単に測定される。翼またはハブ上ではなくタービンの容易にアクセス可能な部分上にあるので、センサは容易に修理される。
【００６１】
翼平面内および平面外モーメントの好ましい測定は、翼屈曲へのウィンド・シアの直接的影響を測定する歪みセンサである。Ｉｎｓｅｎｓｙｓ，Ｌｔｄ．社（6 & 7 Compass Point Ensign Way, Hamble, Southampton, United Kingdom SO31 4RA 所在） は、複合構造での歪みを測定する光ファイバ技術を使用した感知システムを設計および供給している。小型で軽量のシステムは、翼屈曲へのウィンド・シアの直接的な影響の測定などの、リアルタイム負荷測定を行うために、複合製造過程に組み込まれた０．２５ｍｍ直径の光ファイバを使用している。容易に修理できないが、移動する部品がなく、頑丈であると考えられる。このような測定は、翼ピッチに対して補償され、平面内および平面外モーメントに変換される。
【００６２】
タービン・シミュレーション研究は、ハブ風速およびピッチ変調規模の垂直および水平成分ΔβverticalおよびΔβhorizontalなどの他のパラメータに対する回転モーメント、転倒モーメント、および翼平面内および平面外モーメントの依存性を提供する。各依存性は、依存パラメータを変化させながら、様々な定常状態でタービンをシミュレーションすることによって集計される。これにより、Δβvertical、Δβhorizontal、windSpeedhubの関数として回転、転倒および翼モーメントを示す１つまたは複数の表が作り出される。各翼に対する所要のピッチ変調を算出するアルゴリズムは、モーメント表を使用する。
【００６３】
<<フィードフォワード用風速測定>>
風速は、ハブ高さでの風速計測定によって測定される。代替形態は、「タワー力学を使用した気流予測および追跡」という名称の同時係属米国特許出願第１１／１２８，０３０号、すなわち２００６年２月１６日公開の米国出願公開第２００６−００３３３３８Ａ１号などの、風速推定器を使用することである。
【００６４】
<<フィードフォワード垂直ウィンド・シア・シミュレーション研究>>
負荷比較を作り出すために、８０メートルのハブ高さ、３つの全コード４６メートル翼、および従来の共同ＰＩコントローラを有する２．５メガワット・タービンのＡＤＡＭＳシミュレーション研究が行われた。図４および図８に示す関係を作り出すためにシミュレーション実行が行われ、図３および図１１の垂直ウィンド・シア補償システムが開発され、補償を備えたタービンが垂直シア補償器を使用して、および使用せずに乱気流でシミュレーションされた。シミュレーションの結果は、図６および図７に示す結果、および図５のピッチ・モータ・トルクと共に標準的な負荷評価に提示された。実質的な改善が、ピッチ・モータ・トルクおよび翼等価負荷で見られる。
【００６５】
１０ｍ／秒より大きい風速での翼負荷の１０％以上の減少はかなりの量である。また、ピッチ・モータ・トルクの３３％の減少もかなりの量である。これは、ピッチ需要と、ピッチ・モータへの負荷として働く重力との相関関係によるものである。垂直に上昇した場合（回転子位置＝０度）に、翼は普通その最も遠いフェザー位置に置かれる。翼が移動して９０度および水平位置まで下がると、垂直循環ピッチが失速に向かって戻る。９０度での翼への重力は、ピッチ軸に対して偏心しており、この動作が失速に向かうのを助けるピッチ・モーメントを作り出す。２７０度で、翼はまた、重力の助けをかりてフェザー位置の方へ戻る。したがって、重力がシア補償に必要なピッチ動作を助けるだけでなく、重力に対して保持する必要がないので、モータが共同ピッチ制御にあまり労力を加えないことが可能になる。
【００６６】
翼ピッチ・トルクの減少は、予備屈曲または予備湾曲を備えた、すなわち重心がピッチ軸に対して偏心している場合の翼に特有である。翼予備屈曲または予備湾曲は、重心をピッチ軸に対して偏心させるものである。予備屈曲および予備湾曲はごく最近に、先端をタワーからより遠くに移動させるようにより大きな翼に置かれたものに過ぎない。新しい材料または設計がこの解決法に対する必要性を少なくする可能性があり、コーニング効果がハブに含まれ、それによってピッチ軸を翼などと再び位置合わせすることが考えられる。したがって、翼の重心がピッチ軸の上にある場合、ピッチを捩ろうとする重力によるモータへの負荷がなく、それによって循環的ピッチからは利益が生じない。
【００６７】
シア補償が改善を行わず、使用すべきではないいくつかの状況がある。図９および図１０に示すように、低風速では、ピッチとαの両方の間の関係および他の表パラメータは垂直線であり、ピッチおよびαはこのような状態では確実には推測されないことを意味している。図５から図７に反映された結果は、１０ｍ／秒以下の風速でのよくない結果である。
【００６８】
普通ではない風況では、風速垂直シアが逆である場合に負のαを有する可能性がある。翼負荷は改善されたままであるが、ピッチ・モータ・トルクが大きくなる。トルクは、翼が重力と共にではなく、重力に逆らって動作している場合に増加する。
【００６９】
<<フィードバック制御>>
フィードバック制御はしばしば、フィードフォワードより好ましい。図１２は、本発明によるフィードバックＰＩＤベース・コントローラ装置のブロック図である。図１２に示す装置は、風力タービン３００におけるモーメント不均衡を補償する。翼の公称ピッチは、回転翼ピッチ命令信号３５４を生成するために実際の発電機ＲＰＭ３３８を使用する、命令構成要素３４８によって従来の方法で制御される。
【００７０】
翼のピッチの変調３４５は、モーメント補償ロジック構成要素３４６によって制御される。変換ロジック３４６は、翼回転位置３４０、翼ピッチ・センサ３４１、瞬間風速値３３６、回転、転倒および翼モーメント３４２に接続されており、算出されたピッチ変調命令である出力３４５を与える。算出された翼ピッチ変調命令および共同ピッチ命令３５４に接続された組合せロジック３５０は、風力タービンの瞬間モーメント偏差の補償を含む、回転翼のピッチを命令することが可能な組合せ翼ピッチ命令３５６を与える。
【００７１】
図１３は、フィードバック状態空間ベース・コントローラのブロック図である。図１３に示す装置は、風力タービン５００におけるモーメント不均衡を補償する。タービンおよびタワー内のセンサは、翼回転位置５０４、タワー加速度５０６、タワー位置５０８、発電機速度５１０、回転、転倒および翼モーメント５０９を含む信号をバス５０２上に発生させる。
【００７２】
推測された状態ロジック５１６は、状態５１７を推測するために、タワー加速度５０６、タワー位置５０７、発電機速度５０８、および転倒モーメント５０９を含むタービン５００からのセンサ出力を使用する。
【００７３】
定義制御ロジック５１８は、変調（垂直および水平）命令５０５、共同ピッチ命令５２０、およびトルク命令５２１を生成するのに、ＲＰＭ設定入力５１６および状態５１７を使用する。
【００７４】
翼回転位置５０４および垂直命令５０５は変換ロジック５０７に入力され、このロジックが翼ピッチ変調命令５１１を生成するように、逆コールマン変換を使用して固定から循環成分に変換する。
【００７５】
算出された翼ピッチ変調命令５１１および共同ピッチ命令５２０に接続された組合せロジック５１２は、回転翼のピッチを命令することが可能な組合せ翼ピッチ命令５２２をタービン５００に与える。命令５２２は、風力タービンの瞬間モーメント偏差の補償を含んでいる。
【００７６】
その好ましい実施形態を参照して本発明を特に示し記載したが、本発明の範囲から逸脱することなく、形態および詳細においての前述のおよび他の変更を行うことができることが当業者には分かるだろう。
【符号の説明】
【００７７】
１３６  風速；  １３８  発電機ＲＰＭ；  １４０  翼回転位置；  
１４４  記憶装置；  １４１  翼ピッチ・センサ；  １４２  転倒モーメント；  
１４３  回転モーメント；  １４６  変換ロジック；  １４７  翼モーメント信号；  
１４８  従来のピッチ命令ロジック；  １５０，２５０  組み合わせロジック；  
１５６  命令；  ２００  タービン；  ２４８  従来の共同コントローラ；  
２５４  共同ピッチ・コマンド。
【図１】
2010506085.tif 000008
【図２】
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【図３】
2010506085.tif 000010
【図４】
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【図５】
2010506085.tif 000012
【図６】
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【図７Ａ】
2010506085.tif 000014
【図７Ｂ】
2010506085.tif 000015
【図７Ｃ】
2010506085.tif 000016
【図８】
2010506085.tif 000017
【図９】
2010506085.tif 000018
【図１０】
2010506085.tif 000019
【図１１】
2010506085.tif 000020
【図１２】
2010506085.tif 000021
【図１３】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年7月30日(2008.7.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの可変ピッチ翼を持つ回転子を有する、風力タービンにおけるモーメント不均衡を補償する装置であって、
公称回転翼ピッチ命令信号（１５４）を生成する、ピッチ命令ロジック（１４８）を備え、
モーメント信号（１４２、１４３）を生じるモーメント・センサ（１２４、１２５）にして、ナセル転倒モーメント・センサ（１２４）および回転モーメント・センサ（１２５）の少なくとも１つを含むモーメント・センサ（１２４、１２５）を備え、
前記モーメント信号（１４２、１４３）に接続され、前記各翼に対する算出された個別の翼ピッチ変調命令（１５２）を生成する、変換ロジック（１４６）を備え、
前記算出された個別の翼ピッチ変調命令（１５２）および前記公称回転翼ピッチ命令（１５４）を受けるように接続され、前記各翼に個別の組合せ翼ピッチ命令（１５６）を出力する組合せロジック（１５０）を備え、前記各翼に個別の前記組合せ翼ピッチ命令は、前記風力タービンの瞬間モーメント偏差の補償を含む各翼ピッチ変調命令で前記公称命令信号を変調することによって、発生されるものである、
モーメント不均衡を補償する装置。
【請求項２】
歪み成分信号を出力する少なくとも１つの翼歪みセンサをさらに備え、
前記変換ロジック（１４６）が、前記少なくとも１つの翼歪みセンサの前記歪み成分信号を受けるように接続されている、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
予め算出された値を記憶する記憶装置を備え、前記予め算出された値はそれぞれ、前記組合せロジックによって受けられた１以上のセットの信号に割り当てられ、これによって参照される、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記変換ロジックが、複数の個別の翼ピッチ変調命令にして、翼ごとに１つの翼ピッチ変調命令が割り当てられる、複数の個別の翼ピッチ変調命令を算出する、請求項１〜３の何れか１項に記載の装置。
【請求項５】
前記モーメント不均衡の原因は、垂直ウィンド・シア、水平ウィンド・シア、翼モーメントおよびウィンド・ミスアライメントのうちの１つまたは複数である、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
風力タービンの回転翼のピッチの制御に公称ピッチ命令を使用する、前記風力タービンにおけるモーメント不均衡補償方法であって、
Ａ．瞬間モーメントの様々な値の間の関係、および、公称モーメント値からの前記瞬間モーメントの偏差を補償するピッチ変調を記憶するステップを備え、
Ｂ．前記風力タービンの瞬間モーメントを、モーメント信号を得るために、感知するステップを備え、
Ｃ．記憶された瞬間モーメント値のフェッチのために前記モーメント信号を使用するステップを備え、
Ｄ．前記瞬間モーメント値を使用して、前記瞬間モーメント不均衡を補償するように回転翼ごとに個別の翼ピッチ変調を算出するステップを備え、
Ｅ．前記算出された個別の翼ピッチ変調を前記ピッチ命令と組み合わせて、回転翼ごとの組み合わせたピッチ命令をもたらすステップを備え、
Ｆ．前記風力タービンの前記瞬間モーメント偏差を補償するために、前記回転翼ごとのピッチを制御するのに個別の前記組み合わせたピッチ命令を使用するステップと
を含む、モーメント不均衡補償方法。
【請求項７】
前記モーメント不均衡の原因は、垂直ウィンド・シア、水平ウィンド・シア、翼モーメントおよびウィンド・ミスアライメントのうちの１つまたは複数である、請求項６に記載の方法。
【国際調査報告】
2010506085.tif 000023
2010506085.tif 000024
2010506085.tif 000025