(57)【要約】【課題】  所定の目標回転速度に達しない速度領域においてロータのピッチ制御を先行させることにより、ロータ回転の不安定化を抑制し、速やかに定格運転状態とすることができる水平軸風車及びその制御方法を提供する。【解決手段】  定格回転速度域内に設定された目標回転速度にロータの回転速度を収束させるようにピッチ制御を行う水平軸風車において、回転速度センサで検出されたロータの回転速度が、目標回転速度を上限値とした有限回転速度域内に含まれる場合に、有限回転速度域内に先行目標回転速度を設定する手段と、先行目標回転速度にロータの回転速度を収束させるためのピッチ制御を実現させる手段と、を備える。水平軸風車の制御方法において、ロータの回転速度を検出する工程（Ｓ１）と、先行目標回転速度を設定する工程（Ｓ５）と、先行目標回転速度にロータの回転速度を収束させるためのピッチ制御を実現させる工程（Ｓ６）と、を備える。【選択図】        図３
2005220753.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピッチ角可変のブレードを有するロータを備え、所定の定格回転速度域内に設定された目標回転速度に前記ロータの回転速度を収束させるように、風速変動に応じて所定の駆動装置を駆動制御して前記ブレードのピッチ制御を行う水平軸風車において、
前記ロータの回転速度を検出する回転速度センサと、
前記回転速度センサで検出された前記ロータの回転速度が、前記目標回転速度を上限値とした有限回転速度域内に含まれる場合に、検出された回転速度よりも高い先行目標回転速度を前記有限回転速度域内に設定する先行目標値設定手段と、
前記先行目標回転速度に前記ロータの回転速度を収束させるように前記駆動装置を駆動制御する先行制御手段と、
を備えることを特徴とする水平軸風車。
【請求項２】
前記先行目標値設定手段は、
前記先行目標回転速度をＮpre、前記回転速度検出手段で検出された前記ロータの回転速度をＮ、前記目標回転速度をＮmax、特定の重み係数をα（０＜α＜１）とした場合に、
Ｎpre＝Ｎα＋Ｎmax（１−α）
なる数式に基づいて前記先行目標回転速度を設定することを特徴とする請求項１に記載の水平軸風車。
【請求項３】
ピッチ角可変のブレードを有するロータを備え、所定の定格回転速度域内に設定された目標回転速度に前記ロータの回転速度を収束させるように、風速変動に応じて所定の駆動装置を駆動制御して前記ブレードのピッチ制御を行う水平軸風車の制御方法において、
前記ロータの回転速度を検出する回転速度検出工程と、
前記回転速度検出工程で検出された前記ロータの回転速度が、前記目標回転速度を上限値とした有限回転速度域内に含まれる場合に、検出された回転速度よりも高い先行目標回転速度を前記有限回転速度域内に設定する先行目標値設定工程と、
前記先行目標回転速度に前記ロータの回転速度を収束させるように前記駆動装置を駆動制御する先行制御工程と、
を備えることを特徴とする水平軸風車の制御方法。
【請求項４】
前記先行目標値設定工程では、
前記先行目標回転速度をＮpre、前記回転速度検出工程で検出された前記ロータの回転速度をＮ、前記目標回転速度をＮmax、特定の重み係数をα（０＜α＜１）とした場合に、
Ｎpre＝Ｎα＋Ｎmax（１−α）
なる数式に基づいて前記先行目標回転速度を設定することを特徴とする請求項３に記載の水平軸風車の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水平軸風車及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、風速変動に応じてロータのブレードのピッチ角制御を行うことによりロータの回転速度を変更する、いわゆる可変速ピッチ制御風車が実用化されている。かかる可変速ピッチ制御風車においては、変動風下においても定格出力を取得するために、所定の定格回転速度域内に目標回転速度を設定し、ロータの実際の回転速度がこの目標回転速度に収束するようにピッチ制御用の駆動装置を駆動制御することによりロータのピッチ角を制御している（例えば、非特許文献１参照。）。
【非特許文献１】Heier、“Wind Energy Conversion Systems”、米国、John Wiley&Sons Ltd、１９９８、p.３６２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、従来の可変速ピッチ制御風車においては、ロータの回転速度が定格回転速度域に達しない場合においては、ロータのピッチ角を一定の値（通常、発電効率が高い角度）に設定している。しかし、定格回転速度域に達しない速度領域においてロータのピッチ角を一定の値に設定して回転速度を上昇させた場合には、以下のような「ロータ回転の不安定化」を招くことがあった。
【０００４】
すなわち、定格回転速度域に達しない速度領域においてロータのピッチ角を一定の値に設定して回転速度を上昇させると、（１）ロータの回転速度が上昇するに従ってロータ効率が増加するため、ロータの回転速度が上がり過ぎることがある。また、（２）ロータの回転速度が上昇して目標回転速度に達したためにフェザー側にピッチ角を変更すると、ロータ効率が増加して回転速度が一時的に上昇することがある。さらに、（３）ロータの回転速度が上昇する途中で風速が急増した場合には、ロータ効率が急減して、ロータの回転速度が急激に減少することがあり、速やかに定格回転速度領域に達しない場合がある。
【０００５】
本発明の課題は、所定の目標回転速度に達しない速度領域においてロータのピッチ制御を先行させることにより、ロータ回転の不安定化を抑制し、速やかに定格運転状態とすることができる水平軸風車及びその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】
以上の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、ピッチ角可変のブレードを有するロータを備え、所定の定格回転速度域内に設定された目標回転速度に前記ロータの回転速度を収束させるように、風速変動に応じて所定の駆動装置を駆動制御して前記ブレードのピッチ制御を行う水平軸風車において、前記ロータの回転速度を検出する回転速度センサと、前記回転速度センサで検出された前記ロータの回転速度が、前記目標回転速度を上限値とした有限回転速度域内に含まれる場合に、検出された回転速度よりも高い先行目標回転速度を前記有限回転速度域内に設定する先行目標値設定手段と、前記先行目標回転速度に前記ロータの回転速度を収束させるように前記駆動装置を駆動制御する先行制御手段と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の水平軸風車において、前記先行目標値設定手段は、前記先行目標回転速度をＮpre、前記回転速度検出手段で検出された前記ロータの回転速度をＮ、前記目標回転速度をＮmax、特定の重み係数をα（０＜α＜１）とした場合に、「Ｎpre＝Ｎα＋Ｎmax（１−α）」なる数式に基づいて前記先行目標回転速度を設定することを特徴とする。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、ピッチ角可変のブレードを有するロータを備え、所定の定格回転速度域内に設定された目標回転速度に前記ロータの回転速度を収束させるように、風速変動に応じて所定の駆動装置を駆動制御して前記ブレードのピッチ制御を行う水平軸風車の制御方法において、前記ロータの回転速度を検出する回転速度検出工程と、前記回転速度検出工程で検出された前記ロータの回転速度が、前記目標回転速度を上限値とした有限回転速度域内に含まれる場合に、検出された回転速度よりも高い先行目標回転速度を前記有限回転速度域内に設定する先行目標値設定工程と、前記先行目標回転速度に前記ロータの回転速度を収束させるように前記駆動装置を駆動制御する先行制御工程と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の水平軸風車の制御方法において、前記先行目標値設定工程では、前記先行目標回転速度をＮpre、前記回転速度検出工程で検出された前記ロータの回転速度をＮ、前記目標回転速度をＮmax、特定の重み係数をα（０＜α＜１）とした場合に、「Ｎpre＝Ｎα＋Ｎmax（１−α）」なる数式に基づいて前記先行目標回転速度を設定することを特徴とする。
【００１０】
請求項１又は請求項３に記載の発明によれば、回転速度センサで検出されたロータの回転速度が、所定の目標回転速度を上限値とした有限回転速度域内に含まれる場合に、検出された回転速度よりも高い「先行目標回転速度」を有限回転速度域内に設定する。そして、この「先行目標回転速度」にロータの回転速度を収束させるように駆動装置を駆動制御する。すなわち、目標回転速度に達しない速度領域に設定された「先行目標回転速度」にロータの回転速度を収束させるように、ロータのピッチ角を「先行して」制御する。従って、定格回転速度域に達しない速度領域において一定ピッチ角で運転した場合に発生し易い「ロータ回転の不安定化」を抑制して、速やかに定格運転状態とすることができる。
【００１１】
請求項２又は請求項４に記載の発明によれば、検出されたロータの回転速度及び目標回転速度に基づき、特定の数式を用いて、容易に「先行目標回転速度」を設定することができる。また、風車の性能、設置場所、使用時期等に応じて、前記数式に含まれる重み係数の値を変更することにより、「先行目標回転速度」の設定態様を自在に変更することができる。従って、種々の環境下において適切なピッチ制御を実現させることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、所定の目標回転速度に達しない速度領域に「先行目標回転速度」を設定し、この「先行目標回転速度」にロータの回転速度を収束させるようにロータのピッチ角を先行して制御するので、ロータ回転の不安定化を抑制し、速やかに定格運転状態とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を、図を用いて詳細に説明する。なお、本実施の形態に係る水平軸風車１は、図２に示すように、ロータ４の回転速度が５８rpm〜７２rpmの範囲内（定格回転速度域Ｓ）にあるときに定格出力（１００ｋＷ）を得ることができる可変速型風車である。
【００１４】
まず、図１及び図２を用いて、本実施の形態に係る水平軸風車１の構成について説明する。
【００１５】
水平軸風車１は、図１に示すように、所定位置に設置されるタワー２、タワー２の頂部に取り付けられたナセル３、ナセル３に軸支され略水平方向に延在する（図示されていない）主軸、主軸に取り付けられたロータ４、等を備えて構成されている。
【００１６】
ナセル３の内部には、ロータ４のブレードのピッチ角を変更するためのピッチ制御用の駆動装置、ブレードのピッチ角を検出するピッチ角センサ、ロータ４の回転速度を検出する回転速度センサ、水平軸風車１全体を統合制御する制御器、等が設けられている。なお、これら駆動装置、ピッチ角センサ、回転速度センサ及び制御器については、図示を省略している。
【００１７】
制御器には、回転速度センサにより計測されたロータ４の回転速度が入力されるようになっている。そして、制御器は、定格回転速度域Ｓ内において、ロータ４の回転速度の目標値（目標回転速度）と、ロータ４の実際の回転速度と、の偏差を零に近付けるようなピッチ制御（フィードバック制御）を行う。
【００１８】
ロータ４の目標回転速度は、定格回転速度域Ｓ内で任意に設定することができるが、定格回転速度域Ｓの上限値寄りに目標回転速度を設定した場合には、前記した過回転防止機構が起動する確率が高くなってしまう。このため、本実施の形態においては、図２に示すように、目標回転速度を定格回転速度域Ｓの下限値寄り（６０rpm）に設定している。
【００１９】
また、制御器は、回転速度センサで検出されたロータ４の回転速度が、前記した目標回転速度（６０rpm）を上限値Ｎmaxとした有限回転速度域Ａ（図２参照）内に含まれる場合に、検出された回転速度よりも高い「先行目標回転速度」Ｎpreを有限回転速度域Ａ内に設定する。すなわち、制御器は、本発明における先行目標値設定手段である。なお、有限回転速度域Ａの下限値Ｎminは、水平軸風車１の機種等に応じて適宜設定することができる。本実施の形態においては、図２に示すように、有限回転速度域Ａの下限値Ｎminを「５０rpm」に設定している。
【００２０】
また、制御器は、前記したように設定された「先行目標回転速度」と、ロータ４の実際の回転速度と、の偏差を零に近付けるような先行的なピッチ制御（フィードバック制御）を行う。すなわち、制御器は、本発明における先行制御手段としても機能する。
【００２１】
本実施の形態においては、以下のような数式で「先行目標回転速度」を設定している。
Ｎpre＝Ｎα＋Ｎmax（１−α）
Ｎpre：先行目標回転速度
Ｎ：回転速度センサで検出されたロータ４の回転速度
Ｎmax：有限回転速度域Ａの上限値（目標回転速度）
α：特定の重み係数（０＜α＜１）
【００２２】
例えば、重み係数αを「０．１」に設定すると、ロータ４の回転速度Ｎが「５２rpm」の場合における先行目標回転速度Ｎpreは、
Ｎpre＝５２×０．１＋６０×（１−０．１）＝５９．２
と算出される。一方、重み係数αを「０．９」に設定すると、ロータ４の回転速度Ｎが「５２rpm」の場合における先行目標回転速度Ｎpreは、
Ｎpre＝５２×０．９＋６０×（１−０．９）＝５２．８
と算出されることとなる。
【００２３】
すなわち、重み係数αを「０」に近い値に設定すると、先行目標回転速度Ｎpreは、有限回転速度域Ａの上限値である従来の目標回転速度Ｎmax（６０rpm）に近い値に設定される。一方、重み係数αを「１」に近い値に設定すると、先行目標回転速度Ｎpreは、有限回転速度域Ａの下限値Ｎmin（５０rpm）に近い値に設定されることとなる。また、前記数式によって設定された先行目標回転速度Ｎpreは、検出された回転速度Ｎよりも大きい値となる。
【００２４】
また、制御器は、ロータ４の回転速度が有限回転速度域Ａの下限値Ｎmin（５０rpm）に達しない場合や、ピッチ角センサで検出されたピッチ角θが所定の最大閾値θmax（一定値）を超える場合に、ブレードのピッチ角θをフラット側の最大閾値θmaxに設定して、ロータ４の回転速度に応じて出力を変動させる。最大閾値θmaxとしては、通常、（ロータ４の回転速度が定格回転速度域Ｓに達しない場合の）発電効率が最大となる値を選択するようにする。
【００２５】
また、制御器は、前記した先行的なピッチ制御を経て、ロータ４の回転速度が有限回転速度域Ａの上限値Ｎmax（６０rpm）を超えた場合には、通常のピッチ制御（目標回転速度とロータ４の実際の回転速度との偏差を零に近付けるようなピッチ制御）に移行する。そして、ロータ４の回転速度が定格回転速度域Ｓの上限値（７２rpm）を超えた場合には、制御器は過回転防止機構を起動させて風車を停止させる。なお、回転速度の変化率に対しても制御を行う場合には、時間的に早くピッチ制御が開始される。
【００２６】
次に、図３のフローチャートを用いて、本実施の形態に係る水平軸風車１のロータ４の回転速度制御動作について説明する。
【００２７】
また、水平軸風車１の制御器は、運転開始と同時に、回転速度センサを介してロータ４の回転速度を検出するとともに、ピッチ角センサを介してロータ４のブレードのピッチ角を検出する（運転情報検出工程：Ｓ１）。運転情報検出工程Ｓ１は、本発明における回転速度検出工程である。そして、制御器は、運転情報検出工程Ｓ１で検出されたピッチ角θが所定の最大閾値θmax以下であるか否かを判定する（ピッチ角判定工程：Ｓ２）。
【００２８】
ピッチ角判定工程Ｓ２でピッチ角θが所定の最大閾値θmax以下であると判定された場合には、制御器は、運転情報検出工程Ｓ１で検出されたロータ４の回転速度Ｎが有限回転速度域Ａの下限値Ｎmin以上であるか否かを判定する（回転速度下限判定工程：Ｓ３）。そして、この回転速度下限判定工程Ｓ３でロータ４の回転速度Ｎが有限回転速度域Ａの下限値Ｎmin以上であると判定された場合には、制御器は、ロータ４の回転速度Ｎが有限回転速度域Ａの上限値Ｎmax以下であるか否かを判定する（回転速度上限判定工程：Ｓ４）
【００２９】
回転速度上限判定工程Ｓ４でロータ４の回転速度Ｎが有限回転速度域Ａの上限値Ｎmax以下であると判定された場合には、前記した数式を用いて、有限回転速度域Ａ内に先行目標回転速度Ｎpreを設定する（先行目標値設定工程：Ｓ５）。本実施の形態においては、重み係数αを「０．７」に設定しており、例えばロータ４の回転速度Ｎが「５２rpm」の場合には、先行目標回転速度Ｎpreが
Ｎpre＝５２×０．７＋６０×（１−０．７）＝５４．４
と算出されることとなる（図２参照）。
【００３０】
先行目標値設定工程Ｓ５を経た後、制御器は、ロータ４の回転速度Ｎをこの先行目標回転速度Ｎpreに収束させるように、風速変動に応じてブレードのピッチ角を制御する（先行制御工程：Ｓ６）。
【００３１】
一方、ピッチ角判定工程Ｓ２でピッチ角θが所定の最大閾値θmaxを超えると判定された場合、又は、回転速度下限判定工程Ｓ３でロータ４の回転速度Ｎが有限回転速度域Ａの下限値Ｎmin未満であると判定された場合には、制御器は、ロータ４のブレードのピッチ角θを最大閾値θmaxに固定する（ピッチ角固定工程：Ｓ７）。
【００３２】
また、回転速度上限判定工程Ｓ４でロータ４の回転速度Ｎが有限回転速度域Ａの上限値Ｎmaxを超えると判定された場合には、制御器は、通常のピッチ制御を行う。すなわち、ロータ４の回転速度Ｎを通常の目標回転速度Ｎmax（６０rpm）に収束させるように、風速変動に応じてブレードのピッチ角を制御する（通常制御工程：Ｓ８）。
【００３３】
制御器は、これら先行制御工程Ｓ６、ピッチ角固定工程Ｓ７及び通常制御工程Ｓ８の何れかの工程を経てピッチ制御を終えた後、再び運転情報検出工程Ｓ１に戻って制御を続行する。
【００３４】
以上説明した実施の形態に係る水平軸風車１においては、回転速度センサで検出されたロータ４の回転速度Ｎが、所定の目標回転速度（６０rpm）を上限値Ｎmaxとした有限回転速度域Ａ内に含まれる場合に、検出された回転速度Ｎよりも高い「先行目標回転速度」Ｎpreを有限回転速度域Ａ内に設定する。そして、「先行目標回転速度」Ｎpreにロータ４の回転速度Ｎを収束させるように制御器が駆動装置を駆動制御する。
【００３５】
すなわち、目標回転速度Ｎmaxに達しない速度領域に設定された「先行目標回転速度」Ｎpreにロータ４の回転速度Ｎを収束させるように、ロータ４のピッチ角θを「先行して」制御する。従って、定格回転速度域Ｓに達しない速度領域において一定ピッチ角で運転した場合に発生し易い「ロータ回転の不安定化」を抑制して、速やかに定格運転状態とすることができる。
【００３６】
また、以上説明した実施の形態に係る水平軸風車１においては、検出されたロータ４の回転速度Ｎ及び目標回転速度Ｎmaxに基づき、特定の数式「Ｎpre＝Ｎα＋Ｎmax（１−α）」を用いて、容易に「先行目標回転速度」Ｎpreを設定することができる。また、水平軸風車１の性能、設置場所、使用時期等に応じて、前記数式に含まれる重み係数α（０＜α＜１）の値を変更することにより、「先行目標回転速度」Ｎpreの設定態様を自在に変更することができる。従って、種々の環境下において適切なピッチ制御を実現させることができる。
【００３７】
なお、以上説明した実施の形態においては、有限回転速度域Ａの上限値（目標回転速度）Ｎmaxを「６０rpm」に設定し、有限回転速度域Ａの下限値Ｎminを「５０rpm」に設定した例を示したが、これら上限値Ｎmax及び下限値Ｎminは適宜変更することができる。
【００３８】
また、以上説明した実施の形態においては、検出されたロータ４の回転速度Ｎと、目標回転速度Ｎmaxと、重み係数α（０＜α＜１）と、特定の数式と、を用いて「先行目標回転速度」Ｎpreを算出した例を示したが、「先行目標回転速度」Ｎpreの算出方法はこれに限定されるものではない。すなわち、検出されたロータ４の回転速度Ｎが有限回転速度域Ａ内に含まれる場合に、検出された回転速度Ｎよりも高い先行目標回転速度Ｎpreを有限回転速度域Ａ内に設定することができるものであれば、いかなる方法を採用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施の形態に係る水平軸風車の概念図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る水平軸風車の回転速度と出力との関係を示すグラフである。
【図３】本発明の実施の形態に係る水平軸風車のロータの回転速度制御動作を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００４０】
１      水平軸風車
４      ロータ
Ａ      有限回転速度域
Ｎpre    先行目標回転速度
Ｎmax    目標回転速度（有限回転速度域の上限値）
Ｎmin    有限回転速度域の下限値
Ｓ      定格回転速度域
Ｓ１    運転情報検出工程（回転速度検出工程）
Ｓ５    先行目標値設定工程
Ｓ６    先行制御工程
【図１】
2005220753.tif 000003
【図２】
2005220753.tif 000004
【図３】
2005220753.tif 000005