(57)【要約】【課題】  気温および気圧の変化の激しい厳しい気象環境の場所に設置される場合でも、風エネルギーを効率よく電力に変換できる風力発電装置およびその発電出力制御方法を提供することを目的とする。【解決手段】  当該風力発電装置周辺の空気密度情報（ρ）を空気密度情報獲得手段４０によって獲得し、最適ゲイン設定部３１により、該空気密度情報に基づき、風車ロータを最適周速比λで運転するための発電出力指令を与える最適ゲインＫλを求め、出力指令設定部３２により、該最適ゲインＫλおよび発電機回転速度ωに基づき発電量を指示する発電出力指令Ｐdemを発電機システム１５に出力する。【選択図】      図１
2005240725.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
当該風力発電装置周辺の空気密度情報を獲得する空気密度情報獲得手段と、
前記空気密度情報に基づき、風車ロータを最適周速比で運転するための発電出力指令を与える最適ゲインを求める最適ゲイン設定手段と、
前記最適ゲインおよび発電機回転速度に基づき、発電量を指示する発電出力指令を発電機システムに出力する出力指令設定手段と
を有することを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
翼ピッチ角指令に基づき風車ブレードの翼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、
現在の翼ピッチ角と発電機出力とに基づいて風速を求め、該風速に対して最大出力を与える翼ピッチ角を求め、その翼ピッチ角を翼ピッチ角指令として前記ピッチ角制御機構に出力する翼ピッチ角制御手段を有することを特徴とする風力発電装置。
【請求項３】
翼ピッチ角指令に基づき風車ブレードの翼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、
発電機出力と風速の特性曲線からその発電機出力を最も小さな風速で実現できる翼ピッチ角を求め、その翼ピッチ角を翼ピッチ角指令として前記ピッチ角制御機構に出力する翼ピッチ角制御手段を有することを特徴とする風力発電装置。
【請求項４】
当該風力発電装置周辺の空気密度情報を獲得する空気密度情報獲得手段を有し、
前記翼ピッチ角制御手段は、求めた翼ピッチ角を前記空気密度情報に基づいて補正し、補正後の翼ピッチ角を翼ピッチ角指令として前記ピッチ角制御機構に出力する補正手段を有することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の風力発電装置。
【請求項５】
当該風力発電装置は可変速回転制御方式の風力発電装置であって、
前記翼ピッチ角制御手段および前記ピッチ角制御機構による制御は、発電機回転速度が可変範囲の最小値または最大値に達したときに行われることを特徴とする請求項２から請求項４のいずれかの項に記載の風力発電装置。
【請求項６】
前記空気密度情報獲得手段は、気圧計と、温度計と、前記気圧計で検出された気圧および前記温度計で検出された温度に基づき空気密度情報を算出する空気密度算出部とを有することを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３または請求項５のいずれかの項に記載の風力発電装置。
【請求項７】
前記空気密度情報獲得手段は、情報伝達手段を介して、定期的に気象情報を発信する気象情報発信元から当該風力発電装置周辺の気圧および温度を受信し、該気圧および温度に基づき空気密度情報を算出することを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３または請求項５のいずれかの項に記載の風力発電装置。
【請求項８】
前記空気密度情報獲得手段は、日時に応じた空気密度情報を保持する空気密度情報テーブルを有し、前記空気密度情報テーブルに日時情報を与えて該空気密度情報テーブルから空気密度情報を得ることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、または請求項５のいずれかの項に記載の風力発電装置。
【請求項９】
当該風力発電装置周辺の空気密度情報を獲得する空気密度情報獲得ステップと、
前記空気密度情報に基づき、風車ロータを最適周速比で運転するための発電出力指令を与える最適ゲインを求める最適ゲイン設定ステップと、
前記最適ゲインおよび発電機回転速度に基づき、発電量を指示する発電出力指令を発電機システムに出力する出力指令設定ステップと
を有することを特徴とする風力発電装置の発電出力制御方法。
【請求項１０】
翼ピッチ角指令に基づき風車ブレードの翼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の発電出力制御方法であって、
現在の翼ピッチ角と発電機出力とに基づいて風速を求め、該風速に対して最大出力を与える翼ピッチ角を求め、その翼ピッチ角を翼ピッチ角指令として前記ピッチ角制御機構に出力する翼ピッチ角制御ステップを有することを特徴とする風力発電装置の発電出力制御方法。
【請求項１１】
当該風力発電装置周辺の空気密度情報を獲得する空気密度情報獲得ステップを有し、
前記翼ピッチ角制御ステップは、求めた翼ピッチ角を前記空気密度情報に基づいて補正し、補正後の翼ピッチ角を翼ピッチ角指令として前記ピッチ角制御機構に出力する補正ステップを有することを特徴とする請求項１０に記載の風力発電装置の発電出力制御方法。
【請求項１２】
当該風力発電装置は可変速回転制御方式の風力発電装置であって、
前記翼ピッチ角制御ステップおよび前記ピッチ角制御機構による制御は、発電機回転速度が可変範囲の最小値または最大値に達したときに行われることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の風力発電装置の発電出力制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電装置およびその発電出力制御方法に関し、特に、気温および気圧の変化の激しい厳しい気象環境の場所に設置される場合でも、風エネルギーを効率よく電力に変換でき、翼ピッチ角制御をより低コストで且つより高精度に実現し得る風力発電装置およびその発電出力制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、世界的に風力発電が活発に行われるようになり、様々な風力発電装置が提案されている。これらの風力発電装置を発電方式でとらえるとき、変動する入力である風速に対して回転速度を一定とする定速回転制御方式と、回転速度を制御して風速に対する効率向上を図る可変速回転制御方式がある。
定速回転制御方式の風力発電装置では、発電機システムとしてとしてかご型誘導発電機を利用したものがあり、また可変速回転制御方式の風力発電装置では、発電機システムとして巻線形誘導発電機または同期発電機を利用したものがある。なお、同期発電機を利用したものでは、発電機の出力を一旦直流に変換して再びインバータによって交流に変換するＡＣ−ＤＣ−ＡＣリンク方式を用いるのが一般的である。
また、これら風力発電装置の発電出力を制御する方式としては、翼ピッチ角制御方式とストール制御方式に分けられる。ピッチ角制御方式の風力発電装置について考えると、定速回転制御方式の風力発電装置では、風車ブレードの翼ピッチ角を制御することによって発電機出力を制御する翼ピッチ角制御方式を用い、また、可変速回転制御方式の風力発電装置では、翼ピッチ角制御方式、並びに、発電機の発電電力量を制御する発電機出力制御方式の２つの方式を独立して用いるのが一般的である。
【０００３】
翼ピッチ角制御方式には、ある風速に対して最大出力を与える翼ピッチ角を求めて該翼ピッチ角になるように制御する手法や、ある発電機出力を最も低い風速で実現する翼ピッチ角を求めて該翼ピッチ角になるように制御する手法などがある。一方、発電機出力制御方式では、風車ロータを最適周速比で運転するための発電出力指令を与える最適ゲインを求め、該最適ゲインと発電機回転速度に基づく発電機出力指令を発電機システムに与えて制御を行う手法が一般的である。ここで、最適ゲインは、風車ロータの径、最適周速における出力定数、増速機のギア比。空気密度および最適周速比で求められる。
例えば、特開平１１−６２８１４号公報には、ＤＣリンク式風力発電装置における発電機出力制御方式の一手法が提案されている。
【特許文献１】特開平１１−６２８１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の風力発電装置の発電機出力制御方式では、最適ゲインを求める際に、定格風速以下の風速条件において予め想定した平均的な空気密度（定数）を用いて算出しており、気温および気圧の変化の少ない気象環境の場所に設置される場合には、ほぼ性能の最適点での運転が可能であるが、気温および気圧の変化の激しい厳しい気象環境の場所に設置される場合には、最適点から外れたところでの運転となって安定した発電機出力制御が難しいという問題がある。すなわち、空気密度は気温および気圧の関数として与えられ、想定した気象条件下で算出した空気密度（定数）では、夏季と冬季の気温変化、昼夜の気温変化、低気圧や高気圧の通過による気圧変化等には対応できず、例えば砂漠地や内陸地など厳しい気象環境下では性能の最適点以外での運転となることが多い。
また、従来の風力発電装置の翼ピッチ角制御方式において、風速を用いて翼ピッチ角設定を行う場合には、該風速の測定に、通常、風車ブレードより風下に設置された回転式や超音波式の風速計を用いるが、一度風車ブレードで切られた風の速度を計測することとなって計測精度に問題がある。また他方で、発電機出力を用いて翼ピッチ角設定を行う場合には、ある発電機出力に対する最適な翼ピッチ角設定は空気密度の変化と共に変化するので、上記発電機出力制御方式における問題と同様の問題が生じる。
【０００５】
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、空気密度の変化を発電機出力制御または翼ピッチ角制御に反映させて、気温および気圧の変化の厳しい気象環境の場所に設置される場合でも、風エネルギーを効率よく電力に変換し得る風力発電装置およびその発電出力制御方法を提供することを目的とする。
また、本発明の他の目的は、風速を用いて翼ピッチ角設定を行う翼ピッチ角制御をより低コストで且つより高精度に実現し得る風力発電装置およびその発電出力制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明は、当該風力発電装置周辺の空気密度情報を獲得する空気密度情報獲得手段と、前記空気密度情報に基づき、風車ロータを最適周速比で運転するための発電出力指令を与える最適ゲインを求める最適ゲイン設定手段と、前記最適ゲインおよび発電機回転速度に基づき、発電量を指示する発電出力指令を発電機システムに出力する出力指令設定手段とを具備することを特徴とする風力発電装置を提供する。
【０００７】
本発明によれば、当該風力発電装置周辺の空気密度情報を空気密度情報獲得手段によって獲得し、最適ゲイン設定手段により、該空気密度情報に基づき、風車ロータを最適周速比で運転するための発電出力指令を与える最適ゲインを求め、出力指令設定手段により、該最適ゲインおよび発電機回転速度に基づき発電量を指示する発電出力指令を発電機システムに出力する。これにより、空気密度の変化を最適ゲイン設定手段および出力指令設定手段による発電機出力制御に反映させることができるので、空気密度の変化に応じて変化している発電効率の最適点で常に風力発電装置を運転することができ、気温および気圧の変化の激しい厳しい気象環境の場所に設置される場合でも、風エネルギーを効率よく電力に変換することが可能となる。
【０００８】
また、本発明は、翼ピッチ角指令に基づき風車ブレードの翼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、現在の翼ピッチ角と発電機出力とに基づいて風速を求め、該風速に対して最大出力を与える翼ピッチ角を求め、その翼ピッチ角を翼ピッチ角指令として前記ピッチ角制御機構に出力する翼ピッチ角制御手段を具備することを特徴とする風力発電装置を提供する。
【０００９】
本発明によれば、翼ピッチ角制御手段において、現在の翼ピッチ角と発電機出力とに基づいて風速を求め、該風速に対して最大出力を与える翼ピッチ角を求め、翼ピッチ角指令としてピッチ角制御機構に出力して風車ブレードの翼ピッチ角を制御する。これにより、翼後流の風速しか計測できない風速計の情報を用いる必要がなくなり、風速を用いて翼ピッチ角設定を行う翼ピッチ角制御をより高精度で実現できる。
【００１０】
また、本発明は、翼ピッチ角指令に基づき風車ブレードの翼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、発電機出力と風速の特性曲線からその発電機出力を最も小さな風速で実現できる翼ピッチ角を求め、その翼ピッチ角を翼ピッチ角指令として前記ピッチ角制御機構に出力する翼ピッチ角制御手段を有することを特徴とする風力発電装置を提供する。
本発明によれば、発電機出力と風力の特性曲線からその発電機出力を最も小さな風速で実現できる翼ピッチ角を求め、該翼ピッチ角を翼ピッチ角指令値として出力するので、非常に簡単な処理により翼ピッチ角制御を実現することができる。
【００１１】
また、上記記載の風力発電装置において、当該風力発電装置周辺の空気密度情報を獲得する空気密度情報獲得手段を具備し、前記翼ピッチ角制御手段は、求めた翼ピッチ角を前記空気密度情報に基づいて補正し、補正後の翼ピッチ角を翼ピッチ角指令として前記ピッチ角制御機構に出力する補正手段を具備することが好ましい。
【００１２】
この発明によれば、当該風力発電装置周辺の空気密度情報を空気密度情報獲得手段によって獲得し、翼ピッチ角制御手段の補正手段により、求めた翼ピッチ角を空気密度情報に基づいて補正し、補正後の翼ピッチ角を翼ピッチ角指令としてピッチ角制御機構に出力して風車ブレードの翼ピッチ角を制御する。これにより、空気密度の変化を翼ピッチ角制御手段による翼ピッチ角制御に反映させることができるので、気温および気圧の変化の激しい厳しい気象環境の場所に設置される場合でも、発電効率の低下を防ぐことが可能となる。
【００１３】
また、上記記載の風力発電装置において、当該風力発電装置は可変速回転制御方式の風力発電装置であって、前記翼ピッチ角制御手段および前記ピッチ角制御機構による制御は、発電機回転速度が可変範囲の最小値または最大値に達したときに行われることが好ましい。
【００１４】
また、上記記載の風力発電装置において、前記空気密度情報獲得手段は、気圧計と、温度計と、前記気圧計で検出された気圧および前記温度計で検出された温度に基づき空気密度情報を算出する空気密度算出部とを具備することが好ましい。
【００１５】
また、上記記載の風力発電装置において、前記空気密度情報獲得手段は、情報伝達手段を介して、定期的に気象情報を発信する気象情報発信元から当該風力発電装置周辺の気圧および温度を受信し、該気圧および温度に基づき空気密度情報を算出することを特徴とする。
【００１６】
また、上記記載の風力発電装置において、前記空気密度情報獲得手段は、日時に応じた空気密度情報を保持する空気密度情報テーブルを具備し、前記空気密度情報テーブルに日時情報を与えて該空気密度情報テーブルから空気密度情報を得ることが好ましい。
【００１７】
また、本発明は、当該風力発電装置周辺の空気密度情報を獲得する空気密度情報獲得ステップと、前記空気密度情報に基づき、風車ロータを最適周速比で運転するための発電出力指令を与える最適ゲインを求める最適ゲイン設定ステップと、前記最適ゲインおよび発電機回転速度に基づき、発電量を指示する発電出力指令を発電機システムに出力する出力指令設定ステップとを具備することを特徴とする風力発電装置の発電出力制御方法を提供する。
【００１８】
この発明によれば、当該風力発電装置周辺の空気密度情報を空気密度情報獲得ステップによって獲得し、最適ゲイン設定ステップにより、該空気密度情報に基づき、風車ロータを最適周速比で運転するための発電出力指令を与える最適ゲインを求め、出力指令設定ステップにより、該最適ゲインおよび発電機回転速度に基づき発電量を指示する発電出力指令を発電機システムに出力する。これにより、空気密度の変化を最適ゲイン設定ステップおよび出力指令設定ステップによる発電機出力制御に反映させることができるので、空気密度の変化に応じて変化している発電効率の最適点で常に風力発電装置を運転することができ、気温および気圧の変化の激しい厳しい気象環境の場所に設置される場合でも、風エネルギーを効率よく電力に変換することが可能となる。
【００１９】
また、本発明は、翼ピッチ角指令に基づき風車ブレードの翼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の発電出力制御方法であって、現在の翼ピッチ角と発電機出力とに基づいて風速を求め、該風速に対して最大出力を与える翼ピッチ角を求め、その翼ピッチ角を翼ピッチ角指令として前記ピッチ角制御機構に出力する翼ピッチ角制御ステップを具備することを特徴とする風力発電装置の発電出力制御方法を提供する。
【００２０】
この発明によれば、翼ピッチ角制御ステップにおいて、現在の翼ピッチ角と発電機出力とに基づいて風速を求め、該風速に対して最大出力を与える翼ピッチ角を求め、その翼ピッチ角を翼ピッチ角指令としてピッチ角制御機構に出力して風車ブレードの翼ピッチ角を制御するので、翼後流の風速しか計測できない風速計の情報を用いる必要がなくなり、風速を用いて翼ピッチ角設定を行う翼ピッチ角制御をより高精度で実現できる。
【００２１】
また、上記記載の風力発電装置の発電出力制御方法において、当該風力発電装置周辺の空気密度情報を獲得する空気密度情報獲得ステップを具備し、前記翼ピッチ角制御ステップは、求めた翼ピッチ角を前記空気密度情報に基づいて補正し、補正後の翼ピッチ角を翼ピッチ角指令として前記ピッチ角制御機構に出力する補正ステップを具備することが好ましい。
【００２２】
本発明によれば、当該風力発電装置周辺の空気密度情報を空気密度情報獲得ステップによって獲得し、翼ピッチ角制御ステップの補正ステップにより、求めた翼ピッチ角を空気密度情報に基づいて補正し、補正後の翼ピッチ角を翼ピッチ角指令としてピッチ角制御機構に出力して風車ブレードの翼ピッチ角を制御する。これにより、空気密度の変化を翼ピッチ角制御手段による翼ピッチ角制御に反映させることができるので、気温および気圧の変化の激しい厳しい気象環境の場所に設置される場合でも、発電効率の低下を防ぐことが可能となる。
【００２３】
さらに、上記記載の風力発電装置の発電出力制御方法において、当該風力発電装置は可変速回転制御方式の風力発電装置であって、前記翼ピッチ角制御ステップおよび前記ピッチ角制御機構による制御は、発電機回転速度が可変範囲の最小値または最大値に達したときに行われることが好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の風力発電装置によれば、空気密度の変化を最適ゲイン設定手段および出力指令設定手段による発電機出力制御に反映させることができるので、空気密度の変化に応じて変化している発電効率の最適点で常に風力発電装置を運転することができ、気温および気圧の変化の激しい厳しい気象環境の場所に設置される場合でも、風エネルギーを効率よく電力に変換することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の風力発電装置およびその発電出力制御方法の実施形態について、〔第１の実施形態〕、〔第２の実施形態〕の順に図面を参照して詳細に説明する。
【００２６】
〔第１の実施形態〕
図１は本発明の第１の実施形態に係る風力発電装置の構成図である。同図において、本実施形態の風力発電装置は、風車ロータ１１、風車ブレード１２、増速機１４、発電機システム１５、ピッチ角制御機構１７、翼ピッチ角制御部２０、発電機出力制御部３０および空気密度情報獲得手段４０を備えて構成されている。
風車ロータ１１に取り付けられた複数枚の風車ブレード１２が風力エネルギーを受けて風車ロータ１１と共に回転し、増速機１４によって増速した後、発電機システム１５内の発電機を駆動して発電することにより風力エネルギーを電気エネルギーに変換している。なお、本実施形態の風力発電装置は、可変速回転制御方式の風力発電装置であり、発電機として巻線形誘導発電機または同期発電機等を利用する。なお、同期発電機を利用した構成では、発電機の出力を一旦直流に変換して再びインバータによって交流に変換するＡＣ−ＤＣ−ＡＣリンク方式を用いる。
また、翼ピッチ角制御部２０は、現在の翼ピッチ角と発電機出力とに基づいて風速を求め、該風速に対して最大出力を与える翼ピッチ角を求める翼ピッチ角設定部２１と、空気密度情報獲得手段４０からの空気密度情報（ρ）に基づき、翼ピッチ角設定部２１で求めた翼ピッチ角を補正し、補正後の翼ピッチ角を翼ピッチ角指令θとしてピッチ角制御機構１７に出力する補正部２２と、を備えた構成である。ピッチ角制御機構１７は、該翼ピッチ角指令θに基づき風車ブレード１２の翼ピッチ角を制御するもので、その構造等は従来のものと同等である。
【００２７】
また、発電機出力制御部３０は、空気密度情報獲得手段４０からの空気密度情報（ρ）に基づき、最適周速比（λ）を実現する風車ロータ１１で運転するための発電出力指令を与える最適ゲイン（Ｋλ）を求める最適ゲイン設定部３１と、最適ゲイン設定部３１で求めた最適ゲイン（Ｋλ）および発電機回転速度ωに基づき、発電量を指示する発電出力指令Ｐdemを発電機システム１５に出力する出力指令設定部３２と、を備えた構成である。
さらに、空気密度情報獲得手段４０は、当該風力発電装置周辺の空気密度情報（ρ）を獲得して、翼ピッチ角制御部３０の補正部２２および発電機出力制御部３０の最適ゲイン設定部３１に出力する。図２に、空気密度情報獲得手段４０の具体的構成を例示する。
まず図２（ａ）に示す第１構成例では、空気密度情報獲得手段４０は、気圧計４１と、温度計４２と、気圧計４１で検出された気圧および温度計４２で検出された温度に基づいて空気密度情報（ρ）を算出する空気密度算出部４３と、を備えた構成である。気圧計４１および温度計４２は、当該風車発電装置の本体に設置するのが望ましい。
【００２８】
また、図２（ｂ）に示す第２構成例では、空気密度情報獲得手段４０は、インターネット等の情報伝達手段を介して、定期的に気象情報を発信する気象情報発信元４４（例えば気象センタ）から当該風力発電装置周辺の気圧および温度を受信し、該受信した気圧および温度に基づき空気密度情報を算出する空気密度算出部４５を備えた構成である。例えば、モデム等を付加して、制御システム内のコンピュータをネット接続可能な状態にすることで実現でき、第１構成例に比べて正確さは劣るが低コストで実現できる。
また、図２（ｃ）に示す第３構成例では、空気密度情報獲得手段４０は、日時に応じた空気密度情報を保持する空気密度情報テーブル４６を備えており、該空気密度情報テーブル４６にカレンダや時計からの日時情報を与えて、該空気密度情報テーブル４６から空気密度情報（ρ）を得ている。例えば、１年分の日毎、時間毎の空気密度情報（ρ）を、制御システム内のコンピュータのメモリにテーブル形式で予め登録しておく形態等が考えられる。第１構成例に比べてより低コストで済み、突発的な温度および気圧の変化は無いが、季節変動の大きい場所に設置された風力発電装置に有効である。
【００２９】
さらに、図示しないが、風力発電装置が複数台あるウィンドファームにおいては、常駐のオペレータがいることから、このオペレータがその時々の空気密度情報（ρ）を操作卓および情報伝達手段を介して複数台の風力発電装置の空気密度情報獲得手段４０（この場合、単に受信手段となる）に送信することも可能である。大型のウィンドファームにおいては、第１構成例のように各風車発電装置本体に気圧計４１および温度計４２を設置する構成ではコスト増となってしまうが、このような変形により、正確さはやや劣るもののコスト低減を図ることができる。
【００３０】
次に、以上のような構成要素を備えた風力発電装置の発電出力制御方法について詳しく説明する。本実施形態の可変速回転制御方式の風力発電装置では、発電出力制御方式として、風車ブレード１２の翼ピッチ角を制御することによって発電機出力を制御する翼ピッチ角制御方式、並びに、発電機の発電電力量を制御する発電機出力制御方式の２つの方式を独立して用いるが、まず、発電機出力制御方式について説明する。
図３は、発電機の回転数に対するトルクの特性を説明する説明図である。図中の実線で示した曲線は操作曲線であり、この操作曲線に従って発電機に対するトルク指令Ｑdemが与えられることを示している。すなわち、発電機の可変速範囲であるωminからωmaxまでの範囲では、最適周速比λを実現する風車ロータ１１の回転数で運転するためのトルク指令を与える２次曲線（Ｑopt＝Ｋλ・ω２）上で推移し、最大回転速度ωmax以上では最大トルク曲線で制限されることを示している。
【００３１】
直感的な分かり易さからトルク特性を示したが、発電機出力指令Ｐdem［ｋＷ］は、トルク指令Ｑdem［ｋＮｍ］に発電機回転速度ω［ｒａｄ／ｓ］を掛けたものであるから、発電機の可変速範囲であるωminからωmaxまでの範囲で、最速周速比での風車運転を実現する発電機出力指令Ｐdemは、図３の操作曲線に応じた３次曲線（Ｋλ・ω３）に従って与えられることになる。
すなわち、発電機出力指令Ｐdem［ｋＷ］は（１）式で与えられ、
Ｐdem＝Ｋλ・ω３                                                （１）
最適周速比λを実現する風車ロータ１１で運転するための発電出力指令を与える最適ゲインＫλは、（２）式で与えられる。
Ｋλ＝（πρＲ５Ｃp）／（２λ３Ｇ３）                              （２）
ここで、Ｒは風車ロータ１１の径［ｍ］、Ｃpは最適周速比における主力係数（定数）、Ｇは増速機１４のギア比、ρは空気密度［ｋｇ／ｍ３］、λは最適周速比である。
【００３２】
式（２）から明らかなように、最適ゲインＫλは空気密度ρの関数であり、空気密度ρをパラメータとして扱うこととすれば、最適ゲインはＫλ（ρ）で、発電機出力指令はＰdem （ρ）で表され、その時々の空気密度ρにおける最適効率点での運転が可能となる。
一方、空気密度ρを直接計測することは容易ではないので、例えば上記構成例１の空気密度情報獲得手段４０のように、気圧計４１および温度計４２を当該風車発電装置の本体に設置して、これら気圧計４１の計測結果（気圧Ｐ［ｈＰａ］）および温度計４２の計測結果（温度ｔ［℃］）に基づき、よく知られた（３）式を用いて空気密度ρを算出する。
【００３３】
ρ＝０．３４８３５×Ｐ／（ｔ＋２７３．１５）                    （３）
このようにして算出された空気密度ρに基づき、最適ゲイン設定部３１では（２）式によって最適ゲインＫλ（ρ）を算出し、出力指令設定部３２では出力指令Ｐdem（ρ）＝Ｋλ（ρ）・ω３を算出して、発電機システム１５に出力する。これにより、季節、昼夜或いは気圧の変化を問わず、風車発電装置の効率最適点での運転が可能となる。
例えば、気圧Ｐ＝１０００［ｈＰａ］で温度ｔが０［℃］と３０［℃］の場合を計算すると、ρ（０［℃］）＝１．２７５［ｋｇ／ｍ３］、ρ（３０［℃］）＝１．１４９［ｋｇ／ｍ３］となる。このような３０［℃］の気温の変化でも、空気密度ρは１１［％］もの変化を持つこととなり、変化量が小さくないことが分かる。
【００３４】
次に、本実施形態の風力発電装置における翼ピッチ角制御方式について説明する。
可変速回転制御方式の風力発電装置では、発電機回転速度が可変範囲の最小値ωminまたは最大値ωmaxに達して、最適周速比λでの運転が不可能となった場合には、回転数を変化させる代わりに、通常は定格風速以下で固定としている翼ピッチ角を調節することにより発電効率を向上させる。
風力発電装置では、図４および図５に示すように、様々な翼ピッチ角に対して、それぞれ出力対風速の特性曲線を持っており、風速を入力とする場合には、ある風速に対して最大出力を与える翼ピッチ角を求めて該翼ピッチ角になるように制御する手法が考えられ、また出力を入力とする場合には、ある発電機出力を最も低い風速で実現する翼ピッチ角を求めて該翼ピッチ角になるように制御する手法が考えられる。
なお、図４は空気密度がρ＝１．０６［ｋｇ／ｍ３］であるときの、また図５は空気密度がρ＝１．１５［ｋｇ／ｍ３］であるときの様々な翼ピッチ角に対する出力対風速の特性曲線を説明する説明図であり、両図を対比してみると、空気密度ρが（図４から図５へと）上昇した場合には、特性曲線自体も上方にシフトすることが分かる。
風速を入力とし、風速に対して最大出力を与える翼ピッチ角を求めて該翼ピッチ角になるように制御する手法を用いる場合には、風速は空気密度ρの影響を受けないので、翼ピッチ角の設定に空気密度ρの変化を考慮する必要はないが、風速計による風速の計測には翼後流の風速しか計測できないという問題があり、本実施形態ではこの手法をそのまま採用せず、現在の翼ピッチ角と発電機出力とに基づいて風速を求め、該風速に対して最大出力を与える翼ピッチ角を求めて該翼ピッチ角になるように制御する手法を採用する。
例えば、図４に示した特性曲線を使用して説明をすると、現在の翼ピッチ角に対応する出力対風速の特性曲線を選択し、その特性曲線において現在の発電機出力に対応する風速を求める。次に、求めた風速に対して最大出力を与える翼ピッチ角を求め、該翼ピッチ角に現在の翼ピッチ角が一致するように制御を行う。
この場合、ある発電出力に対する最適な翼ピッチ角設定は、図４および図５を対比して説明したように、空気密度ρの変化の影響を受けるので、翼ピッチ角制御部３０の補正部２２において、空気密度ρに基づき設定翼ピッチ角の補正を行っている。
【００３５】
次に、図６では、発電機出力とその発電機出力を最も小さな風速で実現できる翼ピッチ角指令との関係を示したものである。ここでは、様々な空気密度ρa〜ρeについて発電機出力に対して生成される補正後の翼ピッチ角指令を同時に示す。所定の発電機出力から定格出力の近傍までの範囲では、様々な空気密度ρa〜ρeに応じて設定翼ピッチ角の補正がなされている様子をうかがうことができる。なお、所定の発電機出力以下では、細かく翼ピッチ角設定および補正を行う必要がないので、最大の翼ピッチ角に一律に設定している。また、定格出力近傍を超える発電機出力に対しては、発電機出力を抑制する制御がなされるので、最小の翼ピッチ角に一律に設定している。
【００３６】
以上説明したように、本実施形態の風力発電装置またはその発電出力制御方法では、当該風力発電装置周辺の空気密度情報（ρ）を空気密度情報獲得手段４０（空気密度情報獲得ステップ）によって獲得し、最適ゲイン設定部３１（最適ゲイン設定ステップ）により、該空気密度情報に基づき、風車ロータ１１を最適周速比λで運転するための発電出力指令を与える最適ゲインＫλを求め、出力指令設定部３２（出力指令設定ステップ）により、該最適ゲインＫλおよび発電機回転速度ωに基づき発電量を指示する発電出力指令Ｐdemを発電機システム１５に出力する。これにより、空気密度の変化を最適ゲイン設定部３１（最適ゲイン設定ステップ）および出力指令設定部３０（出力指令設定ステップ）による発電機出力制御に反映させることができるので、空気密度の変化に応じて変化している発電効率の最適点で常に風力発電装置を運転することができ、気温および気圧の変化の激しい厳しい気象環境の場所に設置される場合でも、風エネルギーを効率よく電力に変換することが可能となる。
【００３７】
また、本実施形態の風力発電装置またはその発電出力制御方法によれば、翼ピッチ角制御部２０（翼ピッチ角制御ステップ）において、現在の翼ピッチ角と発電機出力とに基づいて風速を求め、該風速に対して最大出力を与える翼ピッチ角を求め、翼ピッチ角指令θとしてピッチ角制御機構１７に出力して風車ブレード１２の翼ピッチ角を制御するので、翼後流でしか計測できない風速情報を制御に用いる必要がなくなり、風速を用いて翼ピッチ角設定を行う翼ピッチ角制御をより高精度で実現できる。
さらに、本実施形態の風力発電装置またはその発電出力制御方法では、当該風力発電装置周辺の空気密度情報を空気密度情報獲得手段４０（空気密度情報獲得ステップ）によって獲得し、翼ピッチ角制御部２０（翼ピッチ角制御ステップ）の補正部２２（補正ステップ）により、求めた翼ピッチ角を空気密度情報（ρ）に基づいて補正し、補正後の翼ピッチ角を翼ピッチ角指令θとしてピッチ角制御機構１７に出力して風車ブレード１２の翼ピッチ角を制御する。これにより、空気密度の変化を翼ピッチ角制御部２０（翼ピッチ角制御ステップ）による翼ピッチ角制御に反映させることができるので、気温および気圧の変化の激しい厳しい気象環境の場所に設置される場合でも、発電効率の低下を防ぐことが可能となる。
【００３８】
〔第２の実施形態〕
次に、図７は本発明の第２の実施形態に係る風力発電装置の構成図である。本実施形態の風力発電装置は、定速回転制御方式の風力発電装置であり、第１の実施形態の風力発電装置から電動機出力制御部３０を取り除いた構成である。
すなわち、図７において、本実施形態の風力発電装置は、風車ロータ１１１、風車ブレード１１２、増速機１１４、発電機システム１１５、ピッチ角制御機構１１７、翼ピッチ角制御部１２０および空気密度情報獲得手段１４０を備えて構成され、翼ピッチ角制御部１２０は、翼ピッチ角設定部１２１および補正部１２２を備えた構成である。各構成要素の機能的説明、並びに、翼ピッチ角制御部１２０およびピッチ角制御機構１１７によって行われる翼ピッチ角制御については、第１の実施形態のものと同等であるので説明を省略する。
【００３９】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る風力発電装置の構成図である。
【図２】空気密度情報獲得手段４０の具体的構成を例示する構成図である。
【図３】発電機の回転数に対するトルクの特性を説明する説明図である。
【図４】空気密度がρ＝１．０６［ｋｇ／ｍ３］であるときの様々な翼ピッチ角に対する出力対風速の特性曲線を説明する説明図である。
【図５】空気密度がρ＝１．１５［ｋｇ／ｍ３］であるときの様々な翼ピッチ角に対する出力対風速の特性曲線を説明する説明図である。
【図６】様々な空気密度ρa〜ρeについて発電機出力（風速）に対して生成される翼ピッチ角指令を説明する説明図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る風力発電装置の構成図である。
【符号の説明】
【００４１】
１１、１１１  風車ロータ
１２、１１２  風車ブレード
１４、１１４  増速機
１５、１１５  発電機システム
１７、１１７  ピッチ角制御機構
２０、１２０  翼ピッチ角制御部
２１、１２１  翼ピッチ角設定部
２２、１２２  補正部
３０  発電機出力制御部
３１  最適ゲイン設定部
３２  出力指令設定部
４０、１４０  空気密度情報獲得手段
４１  気圧計
４２  温度計
４３、４５  空気密度算出部
４４  気象情報発信元
４６  空気密度情報テーブル
【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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