(57)【要約】【課題】  簡易に且つ効果的に荷重変動を低減させることにより、風力発電装置の寿命を延ばすことのできるブレードピッチ角度制御装置を提供することを目的とする。【解決手段】  複数枚のブレードを有する風力発電装置に用いられるブレードピッチ角度制御装置であって、所定のアジマス角度で、ブレード又は風車を構成する機械部品にかかる荷重をそれぞれ計測する荷重計測部１０と、荷重計測部１０によって計測された計測値に基づいて、荷重の周期的な変動を求める周波数解析部１１と、周波数解析部１１の演算結果に基づいて、荷重の変動を低減させるための調整指令値をブレード毎にそれぞれ生成する調整指令値生成部１２と、ブレードを一様に制御するための共通指令値に、ブレード毎に生成された調整指令値を反映させて、ブレード毎に制御指令値を生成する制御指令値生成部１６とを有する。【選択図】      図１
2005325742.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数枚のブレードを有する風力発電装置に用いられるブレードピッチ角度制御装置であって、
所定のアジマス角度で前記ブレード又は風車を構成する機械部品にかかる荷重を計測する荷重計測手段と、
前記荷重計測手段によって計測された荷重を低減させるための調整指令値を前記ブレード毎にそれぞれ生成する調整指令値生成手段と、
前記ブレードを一様に制御するための共通指令値に前記ブレード毎に生成された前記調整指令値を反映させて、前記ブレード毎に制御指令値を生成する制御指令値生成手段と
を具備することを特徴とするブレードピッチ角度制御装置。
【請求項２】
複数枚のブレードを有する風力発電装置に用いられるブレードピッチ角度制御装置であって、
所定のアジマス角度で、前記ブレード又は風車を構成する機械部品にかかる荷重をそれぞれ計測する荷重計測手段と、
前記荷重計測手段によって計測された計測値に基づいて、前記荷重の周期的な変動を求める演算手段と、
前記演算手段の演算結果に基づいて、荷重の変動を低減させるための調整指令値を前記ブレード毎にそれぞれ生成する調整指令値生成手段と、
前記ブレードを一様に制御するための共通指令値に、前記ブレード毎に生成された前記調整指令値を反映させて、前記ブレード毎に制御指令値を生成する制御指令値生成手段と
を具備することを特徴とするブレードピッチ角度制御装置。
【請求項３】
前記荷重計測手段は、
所定の時間間隔で各ブレードのアジマス角度を計測するアジマス角度計測手段と、
計測結果が所定のアジマス角度と一致した場合に、トリガ信号を発生するトリガ発生手段と、
前記トリガ信号に基づいて、荷重を計測する計測手段と
を具備することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のブレードピッチ角度制御装置。
【請求項４】
前記荷重計測手段は、
アジマス角度が所定の角度に達した場合にトリガを発生するエンコーダと、
前記トリガに基づいて荷重を計測する計測手段と
を具備することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のブレードピッチ角度制御装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかの項に記載のブレードピッチ角度制御装置を備えた風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電装置に関し、特に風車のブレードピッチ角度を制御するブレードピッチ角度制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、風力発電装置に使用されるプロペラ型風車は、図３に外観図を示すように複数枚（通常は３枚なので、以下３枚のブレードとして説明する）のブレードからなり、風況に応じて所定の発電機回転速度と出力を得るようにブレードピッチ角度を制御している。
ブレードピッチ角度制御のための駆動部は、油圧シリンダまたは電動モータによって駆動されるが、リンク機構（ロータ５）により３枚のブレードが連結されており、３枚のブレードは、図４に示すように発電機回転速度又は出力の設定値と現在の制御量との差から共通指令値を生成し、各ブレードが常に同一のピッチになるように制御される。
しかしながら、風車への流入風速は、図５に示すように地表の影響（同図(a)参照）及び風車を支持するタワーの影響（同図(b)参照）によりブレード旋回領域で一様の風速分布（同図（c）参照）ではないため、各ブレードの空力出力の瞬時値が異なる。
そして、上記空力出力の瞬時値のアンバランスにより、各ブレードに生じる推力やモーメントも異なることから、各ブレードにかかる荷重が異なり、寿命短縮が生じるといった問題があった。
このような問題に対し、各ブレードに流入する風の迎角や、荷重を計測し、これらの値に基づいて各ブレードを個別に制御する発明がある（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００１−５１１５９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記特許文献１の発明では、複数のセンサからの検出値に基づき風力発電装置各部に働く荷重や翼に流入する風の迎角等を瞬時に算出し、この瞬時の荷重変動を低減させるべくピッチ角度の制御を行う。そして、効果的に荷重変動を低減させるためには、センサによる検出からフィードバック制御までの一連の処理をほぼリアルタイムに行う必要があり、処理が煩雑になるといった問題があった。
【０００４】
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、簡易に且つ効果的に荷重変動を低減させることにより、風力発電装置の寿命を延ばすことのできるブレードピッチ角度制御装置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】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明のブレードピッチ角度制御装置は以下の手段を採用する。
本発明にかかるブレードピッチ角度制御装置は、複数枚のブレードを有する風力発電装置に用いられるブレードピッチ角度制御装置であって、所定のアジマス角度で前記ブレード又は風車を構成する機械部品にかかる荷重を計測する荷重計測手段と、前記荷重計測手段によって計測された荷重を低減させるための調整指令値を前記ブレード毎にそれぞれ生成する調整指令値生成手段と、前記ブレードを一様に制御するための共通指令値に前記ブレード毎に生成された前記調整指令値を反映させて、前記ブレード毎に制御指令値を生成する制御指令値生成手段とを具備することを特徴とする。
【０００６】
荷重計測手段は、所定の時間間隔毎ではなく、所定のアジマス角度で荷重を計測するため、荷重を計測するタイミングはブレードの回転速度に依存することとなる。
調整信号生成手段は、例えば、荷重計測手段により計測された荷重を低減させるための最適なピッチ角度をブレード毎に算出し、調整指令値を生成する。そして、制御指令値生成手段が、この調整指令値をブレードのピッチ角度を制御する制御指令値に反映させることにより、荷重変動を低減させることができる。
【０００７】
また、本発明のブレードピッチ角度制御装置は、複数枚のブレードを有する風力発電装置に用いられるブレードピッチ角度制御装置であって、所定のアジマス角度で、前記ブレード又は風車を構成する機械部品にかかる荷重をそれぞれ計測する荷重計測手段と、前記荷重計測手段によって計測された計測値に基づいて、前記荷重の周期的な変動を求める演算手段と、前記演算手段の演算結果に基づいて、荷重の変動を低減させるための調整指令値を前記ブレード毎にそれぞれ生成する調整指令値生成手段と、前記ブレードを一様に制御するための共通指令値に、前記ブレード毎に生成された前記調整指令値を反映させて、前記ブレード毎に制御指令値を生成する制御指令値生成手段とを具備することを特徴とする。
【０００８】
発明者らは、ブレードの荷重変動が周期的に顕著に現れる点に着目した。そこで、ロータ１回転中において、荷重がどのように変動しているかを検出する手段として、荷重計測手段と演算手段とを設けている。
荷重計測手段は、所定のアジマス角度で各ブレードにかかる荷重の計測を行う。このように、所定の時間間隔毎ではなく、所定のアジマス角度で荷重を計測するため、ブレードの回転速度が変化する可変速風車にも適用することができる。
演算手段は、荷重計測手段により計測された各アジマス角度における計測値を所定の周期分（例えば、１回転分）確保し、これらの計測値に基づいて荷重の特性を求める。これにより、各ブレードに、どのような荷重変動が現れているのかを知ることができる。
そして、調整指令値生成手段がこの荷重変動を解消するためのピッチ角度調整指令値を求め、制御指令値生成手段がこの調整指令値を各ブレードのピッチ角度の制御に反映させる。これにより、周期的に顕著に現れる荷重変動を低減させることができる。
なお、本発明では、少なくとも１周期分の計測値を確保した後に、これら計測値に基づくフィードバック制御を行うために時間遅れが生ずるが、本発明が着目している荷重変動は、ほぼ同じアジマス角度において周期的に現れるものであるので、フィードバックによる時間遅れがあっても高い精度で変動負荷を解消させることができる。
【０００９】
また、本発明のブレードピッチ角度制御装置によれば、前記荷重計測手段は、所定の時間間隔で各ブレードのアジマス角度を計測するアジマス角度計測手段と、計測結果が所定のアジマス角度と一致した場合に、トリガ信号を発生するトリガ発生手段と、前記トリガ信号に基づいて、荷重を計測する計測手段とを具備することを特徴とする。
この既存の構成に、アジマス角度計測手段、計測手段、トリガ発生手段を付加することで、荷重計測手段を簡易に実現することができる。
上記計測手段としては、ひずみゲージ、ロードセル等が挙げられる。
【００１０】
また、本発明のブレードピッチ角度制御装置によれば、前記荷重計測手段は、アジマス角度が所定の角度に達した場合にトリガを発生するエンコーダと、前記トリガに基づいて荷重を計測する計測手段とを具備することを特徴とする。
エンコーダ及び計測手段は、一般的に良く知られた機構である。従って、これらの機構は、荷重計測手段を簡易に実現するには好適である。
上記計測手段としては、ひずみゲージ、ロードセル等が挙げられる。
【００１１】
また、本発明にかかるブレードピッチ角度制御装置は、複数枚のブレードを有する風力発電装置に用いられるブレードピッチ角度制御装置であって、所定のアジマス角度で、前記ブレード又は風車を構成する機械部品にかかる加速度を計測する加速度計測手段と、前記加速度計測手段によって計測された加速度を低減させるための調整指令値を前記ブレード毎にそれぞれ生成する調整指令値生成手段と、前記ブレードを一様に制御するための共通指令値に前記ブレード毎に生成された前記調整指令値を反映させて、前記ブレード毎に制御指令値を生成する制御指令値生成手段とを具備することを特徴とする。
【００１２】
調整信号生成手段は、例えば、加速度計測手段により計測された加速度を低減させるための最適なピッチ角度をブレード毎に算出し、調整指令値を生成する。そして、制御指令値生成手段が、この調整指令値をブレードのピッチ角度を制御する制御指令値に反映させることにより、加速度の低減を図ることができる。
そして、加速度と荷重変動とは、相関関係を有するため、加速度を低減させることにより、荷重変動の低減を図ることができる。
【００１３】
また、本発明の風力発電装置は、請求項１から請求項４のいずれかの項に記載のブレードピッチ角度制御装置を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ブレードの回転速度に拘らず所定のアジマス角度で荷重を計測するため、固定速風車だけでなく、ブレードの回転速度を運転状況によって変化させる可変速風車にも適用することができる。
【００１５】
本発明によれば、周期的に現れる荷重変動に着目し、この荷重変動の低減を図ることにより、瞬時に現れる荷重変動を低減させる従来のピッチ角度制御に比べて、はるかに簡単な処理により、効率よく荷重変動を低減させることができる。これにより、最適なピッチ角度となるよう各ブレードを制御することができ、ブレード及び風車を構成する機械部品の寿命を延ばすことができる。
【００１６】
本発明によれば、荷重計測手段を一般的に良く知られた機構により構成するため、安価に且つ簡易に荷重計測手段を実現させることができる。
【００１７】
本発明の風力発電装置によれば、本発明によるブレードピッチ角度制御装置を備えるため、最適なピッチ角度となるよう各ブレードを制御することができ、ブレード及び風車を構成する機械部品の寿命が長い風力発電装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
以下、本発明の第一実施形態について、図１を用いて説明する。
図１は、可変速風車を用いる風力発電装置に適用されるブレードピッチ角度制御装置の構成を示すブロック図である。
同図において、符号１０は所定のアジマス角度（例えば、６°毎）で各ブレードにかかる荷重をそれぞれ計測し、計測結果を電気信号として出力する荷重計測部（荷重計測手段）である。この荷重計測部１０は、例えば、所定の時間間隔で各ブレードのアジマス角度を計測するアジマス角度計測器（アジマス角度計測手段）と、アジマス角度計測器の計測結果が所定のアジマス角度（例えば、６の倍数の角度）と一致した場合に、トリガ信号を発生するトリガ発生回路（トリガ発生手段）と、トリガ発生回路のトリガ信号に基づいて荷重を計測するセンサ（計測手段）とを有している。ここで、荷重を計測するセンサとしては、翼根部や風車各部に取り付けられたひずみゲージ、ロードセル等が挙げられる。
なお、アジマス角度とは、図２に示すように、風車の鉛直方向となす角をいい、ブレードが風車の最上部に位置したときの角度を０°、最下部に位置したときの角度を１８０°とする。
【００１９】
符号１１は、荷重計測部１０から所定のアジマス角度で計測された計測値（荷重）を入力信号として得、この計測値に基づいて、ブレードにかかる荷重の周期的な変動を求める周波数解析部（演算手段）である。具体的には、１回転分の計測値が確保された時点で、以下に示す数式（1.1）(1.2)を用いることにより、荷重のアジマス角度特性を求める。この特性は、荷重の余弦成分Zicと正弦成分Zisとにより表すことができる。
【００２０】
【数１】
2005325742.tif 000003
【数２】
2005325742.tif 000004
上記(1.1)、（1.2）式において、ｎは、考慮する荷重変動の周期に応じて変更される整数値であり、ｎ＝３であればロータ１回転中に３回変動する荷重を考慮することを意味する。
Ｋは、アジマス角度０°〜３６０°において計測を行う回数であり、例えば、ロータ５が１回転する間に荷重の計測を１２回行う場合には、「Ｋ＝１２」となる。
【００２１】
【数３】
2005325742.tif 000005
は、荷重計測部１０からの入力信号である各アジマス角度における荷重計測値である。
【００２２】
続いて、図１において、符号１２は、周波数解析部１１の解析結果に基づいて、荷重変動を低減させるための調整指令値をブレード毎にそれぞれ生成する調整指令値生成部（調整指令値生成手段）である。この調整指令値生成部１２は、調整指令値演算部１３と逆周波数解析部１４とを有している。
調整指令値演算部１３は、周波数解析部１１により求められた荷重変動の余弦成分Zicと正弦成分Zisとを入力信号として得、この入力信号Zic、Zisを所定の伝達関数によって演算することにより、周期的に現れる顕著な荷重変動を解消するための調整指令値θdemをそれぞれブレード毎に求める。なお、ここで求められる調整指令値θ1dem、θ2dem、θ3demは、周波数領域上の値である。
なお、調整指令値演算部１３が用いる伝達関数を求める方法としては、様々な荷重変動を想定してシミュレーションを行い、このシミュレーション結果を解析することにより最適な調整指令値を得、この結果から伝達関数を求める方法等がある。
なお、伝達関数を風車の運転状態に応じて複数設定しておき、風車の運転状況に応じて最適な伝達関数を選定し、使用するようにしてもよい。これにより、より最適な調整指令値を求めることができる。
【００２３】
続いて、逆周波数解析部１４は、調整指令値演算部１３により求められた周波数領域上の値である調整指令値θ1ｄｅｍ、θ2ｄｅｍ、θ3ｄｅｍを時間領域上の値に変換する。
即ち、この調整指令値は、もともと荷重計測部１０が所定のアジマス角度で計測した荷重に基づいて求められた値である。そのため、周波数解析部１１、調整指令値演算部１３が取り扱う情報は角度の変化に伴う特性や調整指令値となる。
一方、後述する共通指令値生成部１５により求められる共通指令値は時間の変化に伴う、即ち時間軸上の指令値であるため、これらの指令値の整合性を取る必要がある。
従って、逆周波数解析部１４は、現在のアジマス角度の情報と、所定の関数とを用いて、調整指令値θ1ｄｅｍ、θ2ｄｅｍ、θ3ｄｅｍを時間領域上の値θ1(t)、θ2(t)、θ3(t)に変換する。
そして、変換後の調整指令値θ1(t)、θ2(t)、θ3(t)を制御指令値生成部１６へ伝達する。
【００２４】
制御指令値生成部１６には、調整指令値生成部１２から荷重変動を低減させるための調整値と、共通指令値生成部１６から現在の出力を目標値に一致させるためのフィードバック制御量として共通指令値が入力される。この共通指令値は、各ブレード共通の指令値である。制御指令値生成部１６は、入力された共通指令値とブレード毎の調整指令値θ1(t)、θ2(t)、θ3(t)をそれぞれ加算することにより、各ブレードのピッチ角度を個別に制御するための制御指令値を生成し、各制御指令値を各ブレードのピッチ角度を制御するアクチュエータへ出力する。なお、アクチュエータは、個々のブレードに装着されている油圧シリンダ、又は電動モータであり、周知の機構である。
これにより、アクチュエータにより各ブレードのピッチ角度が制御指令値に基づき制御されることとなる。
【００２５】
以上、説明してきたように、本発明によれば、荷重計測部１０は、ブレードの回転速度に拘らず、所定のアジマス角度で荷重を計測するため、固定側風車だけでなく、ブレードの回転速度を運転状況によって変化させる可変速風車にも適用することができる。
また、本発明のブレードピッチ角度制御装置によれば、荷重計測部１０が所定のアジマス角度で各ブレードにかかる荷重の計測を行い、周波数解析部１１が周期的な負荷の変動特性を解析し、この解析結果に基づいて、調整指令値生成部１２がこの荷重変動を解消するための調整指令値を求め、制御指令値生成部１６がこの調整指令値を各ブレードのピッチ角度の制御に反映させる。
これにより、周期的に顕著に現れる荷重変動を低減させることができる。
また、本発明では、ブレードの荷重変動が周期的に顕著に現れる点に着目し、この周期的な荷重変動を低減させることを目的とするため、フィードバック制御による時間遅れがあっても、高い精度で変動負荷を解消させることができる。これにより、瞬時に現れる荷重変動を低減させる従来のピッチ角度制御に比べて、はるかに簡単な処理により、効率よく荷重変動を低減させることができる。
この結果、最適なピッチ角度となるよう各ブレードを制御することができ、ブレード及び風車を構成する機械部品の寿命を延ばすことができる。
【００２６】
また、本発明のブレードピッチ角度制御装置によれば、荷重計測部１０は、所定の時間間隔で各ブレードのアジマス角度を計測するアジマス角度計測器と、計測結果が所定のアジマス角度と一致した場合に、トリガ信号を発生するトリガ発生器と、トリガ信号に基づいて、荷重を計測するセンサとにより構成されるので、荷重計測部１０を簡易に実現することができる。
【００２７】
また、荷重計測部１０は、アジマス角度が所定の角度に達した場合にトリガを発生するエンコーダと、トリガに基づいて荷重を計測するセンサとにより構成されてもよい。これらエンコーダ及びセンサは、一般的に良く知られた機構であるため、荷重計測手段を簡易に実現することができる。
【００２８】
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。
例えば、上述の実施形態の荷重計測部１０に代わって、ブレードの加速度を計測する加速度計測部を採用することにより、所定のアジマス角度におけるブレードの加速度を計測し、この加速度を低減させるための最適なピッチ角度を算出するようにしても良い。これにより、ブレード又は風車を構成する機械部品の加速度を低減させることができる。また、荷重変動を受けると、ブレードや風車を構成する機械部品が振動して加速度が発生するという相関関係を有することから、上述のように加速度を低減させることにより、荷重変動についても低減させることが可能となる。
【００２９】
また、本実施形態においては、可変速風車に適用する場合について述べてきたが、固定速風車に適用する場合にも、同様に本発明のブレードピッチ角度制御装置を適用することができる。なお、固定速風車においては、共通指令値生成部１５に入力される情報が発電機回転速度ではなく、発電機出力に変わり、共通指令値が発電機出力を目標値に一致させるような指令値となる。
また、上述した荷重計測部１０は、アジマス角度が所定の角度に達した場合にトリガを発生するエンコーダと、トリガに基づいて荷重を計測するセンサとにより構成してもよい。
また、上述した周波数解析部１１、調整指令値演算部１３、逆周波数解析部１４、共通指令値生成部１５、制御指令値生成部１６の各部がそれぞれ行う処理内容を１つのコンピュータ装置で実現させるような構成としても良い。これは、各部の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行させることにより行う。
なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】可変速風車を用いる風力発電装置に適用されるブレードピッチ角度制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】アジマス角度を説明するための図である。
【図３】風車の外観図である。
【図４】従来の技術によるブレードピッチ角度制御装置の構成を示すブロック図である。
【図５】ウィンドシア特性、タワーシャドウ特性、及び風速分布を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  第１ブレード
２  第２ブレード
３  第３ブレード
４  タワー
５  ロータ
１０  荷重計測部（荷重計測手段）
１１  周波数解析部（周波数解析手段）
１２  調整指令値生成部（調整指令値生成部）
１３  調整指令値演算部
１４  逆周波数解析部
１５  共通指令値生成部
１６  制御指令値生成部（制御指令値生成手段）
【図１】
2005325742.tif 000006
【図２】
2005325742.tif 000007
【図３】
2005325742.tif 000008
【図４】
2005325742.tif 000009
【図５】
2005325742.tif 000010