(57)【要約】【課題】  風車回転数の変動を抑え、稼働率を向上させ、発電出力をできる限り一定にできる制御方法等を得る。【解決手段】  ばらつき推定器３１Ａが、風車１が受ける風速の一定時間における変動のばらつきを算出する工程と、目標回転数修正器３１Ｂが、算出したばらつきに基づいて風車１が有するロータ１０の目標回転数の値を所定時間毎に決定し、値の設定を修正する工程と、修正した目標回転数でロータ１０が回転するように、風車１が有するブレードのピッチ角をＰＩ制御器３１Ｃが制御する工程とを有するものである。【選択図】        図１
2005155509.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風車が受ける風速の一定時間における変動のばらつきを算出する工程と、
前記ばらつきに基づいて風車が有する回転体の目標回転数の値を前記所定時間毎に決定し、値の設定を修正する工程と、
修正した目標回転数で前記回転体が回転するように算出した指令値を含む信号を、前記風車が有するブレードのピッチ角を操作するブレードピッチ角操作機構に送信する工程と
を有することを特徴とする風力発電制御方法。
【請求項２】
風車が有する回転体の回転数の変動に基づいて、前記風車が有するブレードのピッチ角をブレードピッチ角操作機構に操作させるための制御値を算出すると共に、前記ブレードピッチ角操作機構に操作された前記ブレードのピッチ角及び前記回転体の回転数の変動に基づいて、風による外乱を推定した補償値を算出する工程と、
前記制御値に前記補償値を加えた指令値を含む信号を前記ブレードピッチ角操作機構に送信する工程と
を有することを特徴とする風力発電制御方法。
【請求項３】
風車が受ける風速の一定時間における変動のばらつきに基づいて所定時間毎に修正した目標回転数の値で風車が有する回転体が回転するように、前記目標回転数と前記回転体の回転数の偏差とに基づいて、前記風車が有するブレードのピッチ角をブレードピッチ角操作機構に操作させるための制御値を算出すると共に、前記ブレードピッチ角操作機構に操作された前記ブレードのピッチ角及び前記回転体の回転数の変動に基づいて、風による外乱を推定した補償値を算出する工程と、
前記制御値に前記補償値を加えた指令値を含む信号を前記ブレードピッチ角操作機構に送信する工程と
を有することを特徴とする風力発電制御方法。
【請求項４】
風車が受ける風速の一定時間における変動のばらつきを算出するばらつき推定手段と、
前記ばらつきに基づいて、前記風車が有する回転体の目標回転数の値を前記所定時間毎に決定し、修正する目標回転数修正手段と、
修正した前記目標回転数で前記回転体が回転するように前記風車が有するブレードのピッチ角を制御するための指令値を算出するピッチ角制御手段と
を備えたこと特徴とする風力発電制御装置。
【請求項５】
風車が有する回転体の回転数の変動に基づいて、前記風車が有するブレードのピッチ角を制御するための制御値を算出するピッチ角制御手段と、
前記風車の回転数の変動及び前記ブレードのピッチ角を操作するブレードピッチ角操作機構により操作された前記ピッチ角に基づいて、風による外乱を推定した補償値を算出する外乱推定部と、
前記制御値と前記補償値と加えた指令値を信号として前記ブレードピッチ角操作機構に送信する加算演算部と
を備えたこと特徴とする風力発電制御装置。
【請求項６】
風車が受ける風速の一定時間における変動のばらつきを算出するばらつき推定手段と、
前記ばらつきに基づいて、前記風車が有する回転体の目標回転数の値を前記所定時間毎に決定し、修正する目標回転数修正手段と、
修正した前記目標回転数と前記回転体の回転数の偏差とに基づいて、前記風車が有するブレードのピッチ角をブレードピッチ角操作機構に操作させるための制御値を算出するピッチ角制御手段と、
前記風車の回転数の変動及び前記ブレードピッチ角操作機構により操作された前記ピッチ角に基づいて、風による外乱を推定した補償値を算出する外乱推定部と、
前記制御値と前記補償値と加えた指令値を信号として前記ブレードピッチ角操作機構に送信する加算演算部と
を備えたこと特徴とする風力発電制御装置。
【請求項７】
前記目標回転数修正手段は、前記ばらつきが大きいほど前記前記目標回転数の値を下げるように修正することを特徴とする請求項４又は６記載の風力発電制御装置。
【請求項８】
前記ピッチ角制御部は、ＰＩ（比例−積分）制御又はＰＩＤ（比例−積分−微分）制御に基づく制御を行うことを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の風力発電制御装置。
【請求項９】
請求項４〜８のいずれかに記載の風力発電制御装置を備え、
該風力発電制御装置によるピッチ角で制御されたブレードにより回転する前記回転体と、
前記回転体の回転に基づいて駆動し、発電する発電機と
を備えたことを特徴とする風力発電装置。
【請求項１０】
風車が受ける風速の一定時間における変動のばらつきを所定時間毎に算出する工程と、
前記ばらつきに基づいて風車が有する回転体の目標回転数の値を前記所定時間毎に決定し、値の設定を修正する工程と、
修正した目標回転数で前記回転体が回転するように算出した制御値に基づいて前記風車が有するブレードのピッチ角を制御する工程と
を制御手段に行わせることを特徴とする風力発電制御方法のプログラム。
【請求項１１】
風車が有する回転体の回転数に基づいて、前記風車が有するブレードのピッチ角をブレードピッチ角操作機構に操作させるための制御値を算出すると共に、前記ブレードピッチ角操作機構に操作された前記ブレードのピッチ角及び前記回転体の回転数に基づいて、風による外乱を推定した補償値を算出する工程と、
前記制御値に前記補償値を加えた指令値の信号を前記ブレードピッチ角操作機構に送信し、前記ブレードのピッチ角を制御させる工程と
を制御手段に行わせることを特徴とする風力発電制御方法のプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は例えば風力発電において風力を受けて回転する風車の制御に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
風力発電は、風のエネルギーによって風車が有する回転体（ロータ）が回転し、接続された発電機を駆動することによって発電が行われる。そして、例えば、発電機の出力する交流電力がコンバータで直流電力に変換された後、さらにインバータにより商用周波数の交流電力に変換されて電力系統に供給される。
【０００３】
ここで、発電を定格出力に保ち、また、風車、発電機等の過回転等による破損を防止するため、風車が有するブレードのピッチ角（以下、ピッチ角という）を操作し、風車回転数（ここで回転数とは、単位時間あたりの回転数のことをいう）を制御する方法が用いられている。この方法では、一般に、定格出力が得られないような低風速の風力領域では、極力風力エネルギーを受け止めるため、ピッチ角を最も回転効率が高くなる０゜に設定し、ピッチ角操作による風車回転数を制御せず、風に応じた最大発電出力が得られるようにする。一方、定格出力が得られるような風力領域（風車の回転体の回転領域）においては、常に一定の定格出力が得られるようにピッチ角を操作し、風車回転数が目標回転数で一定するように制御する。通常、制御系には目標回転数と風車回転数（実績）の偏差を０にするようなＰＩ制御（比例−積分制御）系又はＰＩＤ制御（比例−積分−微分制御）系（以下、これらを合わせてＰＩ制御という）が用いられる（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−４８０５０号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ただ、日本のように風況変動が激しい環境においては、通常のＰＩ制御系による風車回転数の制御では、応答が遅れがちでピッチ角の制御が風の変動に合わせた追従ができず、風力と正の相関関係にある風車回転数の変動を十分に制御しきれない場合が生じ得る。特に、平均風速では発電の定格出力が得られないような場合でも、瞬時風速が２０ｍ／ｓのような大きな値に達する場合もあり、このような場合、風車回転数は、ブレードピッチ角０゜の状態（非制御状態）から突然定格出力が得られる回転領域になり、そして、風力回転数はさらに上昇するため、そうなった後に風車回転数の制御を行っても十分な回転数の抑制ができなくなり、機械的な上限回転数に達し、風力発電機を停止させてしまうことがあり得る。
【０００６】
機械的な上限回転数に達して風車が停止（以下、機械的停止という）した場合、風力発電機が自動的に発電を再開するわけではなく、風力発電機を再起動させるために、通常、人が現地に赴いて点検、再起動等の作業を行っている。ここで、風力発電機は、多くの風力エネルギーを安定して受けられる山岳部又は海洋部に設置されていることが多い。このような場所は、人が赴くには時間、労力等の面でかなり負担が大きい場所である。しかも、人が再起動を行うまでに長時間を費やし、その間、風力発電機を稼動できないため、一度、機械的停止してしまうと稼働率が著しく低下してしまい、安定した電力供給ができなくなる。
【０００７】
そこで、本発明は上記のような問題を解決するため、風車回転数の変動を抑え、稼働率を向上させ、発電出力をできる限り一定にできる制御方法等を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る風力発電制御方法は、風車が受ける風速の一定時間における変動のばらつきを算出する工程と、ばらつきに基づいて風車が有する回転体の目標回転数の値を所定時間毎に決定し、値の設定を修正する工程と、修正した目標回転数で回転体が回転するように算出した指令値を含む信号を、風車が有するブレードのピッチ角を操作するブレードピッチ角操作機構に送信する工程とを有している。
【０００９】
また、本発明に係る風力発電制御方法は、風車が有する回転体の回転数の変動に基づいて、風車が有するブレードのピッチ角をブレードピッチ角操作機構に操作させるための制御値を算出すると共に、ブレードピッチ角操作機構に操作されたブレードのピッチ角及び回転体の回転数の変動に基づいて、風による外乱を推定した補償値を算出する工程と、制御値に補償値を加えた指令値を含む信号をブレードピッチ角操作機構に送信する工程とを有している。
【００１０】
また、本発明に係る風力発電制御方法は、風車が受ける風速の一定時間における変動のばらつきに基づいて所定時間毎に修正した目標回転数の値で風車が有する回転体が回転するように、目標回転数と回転体の回転数の偏差とに基づいて、風車が有するブレードのピッチ角をブレードピッチ角操作機構に操作させるための制御値を算出すると共に、ブレードピッチ角操作機構に操作されたブレードのピッチ角及び回転体の回転数の変動に基づいて、風による外乱を推定した補償値を算出する工程と、制御値に補償値を加えた指令値を含む信号をブレードピッチ角操作機構に送信する工程とを有している。
【００１１】
また、本発明に係る風力発電制御装置は、風車が受ける風速の一定時間における変動のばらつきを算出するばらつき推定手段と、ばらつきに基づいて、風車が有する回転体の目標回転数の値を所定時間毎に決定し、修正する目標回転数修正手段と、修正した目標回転数で回転体が回転するように風車が有するブレードのピッチ角を制御するための指令値を算出するピッチ角制御手段とを備えている。本発明によれば、風速の変動が激しい場合には非制御状態を避けて突風による風車回転数の異常な上昇を抑えるようにしたので、機械的停止が発生せず、稼働率の著しい低下を避け、効率のよい発電処理、風力発電機を得ることができる。さらに目標回転数を抑えることにより風車回転数の変動も抑えられるので、安定した発電出力を得ることができる。
【００１２】
また、本発明に係る風力発電制御装置は、風車が有する回転体の回転数の変動に基づいて、風車が有するブレードのピッチ角を制御するための制御値を算出するピッチ角制御手段と、風車の回転数の変動及びブレードのピッチ角を操作するブレードピッチ角操作機構により操作されたピッチ角に基づいて、風による外乱を推定した補償値を算出する外乱推定手段と、制御値と補償値と加えた指令値を信号としてブレードピッチ角操作機構に送信する加算演算手段とを備えている。
【００１３】
また、本発明に係る風力発電制御装置は、風車が受ける風速の一定時間における変動のばらつきを算出するばらつき推定手段と、ばらつきに基づいて、風車が有する回転体の目標回転数の値を所定時間毎に決定し、修正する目標回転数修正手段と、修正した目標回転数と回転体の回転数の偏差とに基づいて、風車が有するブレードのピッチ角をブレードピッチ角操作機構に操作させるための制御値を算出するピッチ角制御手段と、風車の回転数の変動及びブレードピッチ角操作機構により操作されたピッチ角に基づいて、風による外乱を推定した補償値を算出する外乱推定手段と、制御値と補償値と加えた指令値を信号としてブレードピッチ角操作機構に送信する加算演算手段とを備えている。
【００１４】
また、本発明に係る風力発電制御装置の目標回転数修正手段は、ばらつきが大きいほど目標回転数の値を下げるように修正するものである。
【００１５】
また、本発明に係る風力発電制御装置のピッチ角制御手段は、ＰＩ（比例−積分）制御又はＰＩＤ（比例−積分−微分）制御に基づく制御を行う。
【００１６】
また、本発明に係る風力発電装置は、上述に記載の風力発電制御装置を備え、風力発電制御装置によるピッチ角で制御されたブレードにより回転する回転体と、回転体の回転に基づいて駆動し、発電する発電機とを備えている。
【００１７】
また、本発明に係る風力発電制御方法のプログラムは、風車が受ける風速の一定時間における変動のばらつきを所定時間毎に算出する工程と、ばらつきに基づいて風車が有する回転体の目標回転数の値を所定時間毎に決定し、値の設定を修正する工程と、修正した目標回転数で回転体が回転するように算出した制御値に基づいて風車が有するブレードのピッチ角を制御する工程とをコンピュータ等の制御手段に行わせるものである。
【００１８】
また、本発明に係る風力発電制御方法のプログラムは、風車が有する回転体の回転数に基づいて、風車が有するブレードのピッチ角をブレードピッチ角操作機構に操作させるための制御値を算出すると共に、ブレードピッチ角操作機構に操作されたブレードのピッチ角及び回転体の回転数に基づいて、風による外乱を推定した補償値を算出する工程と、制御値に補償値を加えた指令値の信号をブレードピッチ角操作機構に送信し、ブレードのピッチ角を制御させる工程とをコンピュータ等の制御手段に行わせるものである。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように本発明によれば、従来では定格出力に達せず制御しないような風況でも、風速の変動が激しい場合には非制御状態を避けて突風による風車回転数の異常な上昇を抑えるようにしたので、機械的停止が発生せず、稼働率の著しい低下を避け、効率のよい発電処理、風力発電機を得ることができる。さらに風車回転数の変動も抑えられるので、安定した発電出力を得ることができる。
【００２０】
また、本発明によれば、フィードバック制御だけでは追従できない風車回転数の変動を予測し、その補償値を加えてブレードのピッチ角を制御するようにしたので、風車回転数の変動を抑制できるので、機械的停止が発生しない。さらに風車回転数の変動抑制により、安定した発電出力を得ることができる。
【００２１】
さらに本発明によれば、風速の変動が激しい場合には、目標回転数を下げることで非制御状態を避けて突風による風車回転数の異常な上昇を抑えるようにし、さらに風車回転数の変動を予測し、その補償値を加えてブレードのピッチ角を制御するようにしたので、機械的停止が発生せず、稼働率の著しい低下を避け、効率のよい発電処理、風力発電機を得ることができる。さらに風車回転数の変動も抑えられるので、安定した発電出力を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態に係る風力発電装置の構成図である。図１において、風車１はロータ（回転体）１０、複数枚のブレード１１及びピッチ角操作手段１２で構成される。ロータ１０は風車１の中心に設けられ、風力エネルギーを受けたブレード１１に発生する揚力により回転し、その回転により発生したトルクが後述する発電機２１を駆動して発電を行わせる。ロータ１０は各ブレード１１のブレードピッチ角（以下、ピッチ角という）を制御するためのピッチ角操作手段１２を有している。ブレード１１はロータ１０を回転させるための風力エネルギーを受けるための翼であり、通常、風車１に１又は複数枚設けられている。ブレード１１はピッチ角操作手段１２により操作され、風と対向する角度（ピッチ角）が制御される。ピッチ角操作手段１２はブレード１１毎に設けられる。各ピッチ角操作手段１２は後述する制御演算手段３のピッチ角制御演算手段３１からのピッチ角指令信号に含まれるピッチ角又は差分の角度（以下、指令値という）に基づいて、ブレード１１を操作し、ピッチ角を制御する。
【００２３】
ナセル２は内蔵された各機器を保護するための箱である。ナセル２内は、発電機２１及びヨー角制御手段２２で構成されている。発電機２１はロータ１０の回転による駆動に応じて発電する。ここで、本実施の形態では発電機を同期発電機として説明するが、特に同期発電機に限定する必要はなく、例えば誘導発電機等の発電機を用いることもできる。また、ロータ１０と発電機２１との間に、回転軸（図示せず）を介している場合もある。さらに、回転軸を有している場合、ロータ１０の回転速度（回転数）に基づいて発電機２１側の回転駆動を速くするための増速器（図示せず）が回転軸と発電機２１との間に設けられていることもある。ヨー角制御手段２２はヨー角指令信号に基づいてヨー角を制御する。
【００２４】
制御演算手段３は、ブレードピッチ角を制御するための演算処理を行うピッチ角制御演算手段３１、ヨー角操作手段２２にヨー角を制御させるための演算処理を行うヨー角制御演算手段３２及び記憶手段３３で構成されている。ピッチ角制御演算手段３１の構成等については後述する。ヨー角制御演算手段３２は、風向計（図示せず）から送信される風向信号に基づいて風車１を風に対向させるヨー角を演算し、ヨー角操作手段２２にヨー角指令信号を送信する処理を行う。ここで、ヨー角制御演算手段３２は、風に対向させるだけでなく、配線保護のため、同一のヨー方向に回転が偏るのを避ける演算を行う。記憶手段３３は、風速データ、風車回転数のデータ、ブレード１１のピッチ角を表す指令値のデータ等、風速回転数、発電の安定制御に必要なデータを、少なくとも各演算に必要な時間分（例えば１０分）を一定周期で又は時々刻々と記憶しておく。また、ピッチ角制御演算手段３１及びヨー角制御演算手段３２が演算処理等を行うための手順を記載したプログラムが記憶されている場合もある。
【００２５】
風速計４は風速を測定する。測定した風速の値は例えばＡ／Ｄ変換器（図示せず）等により例えば１秒間隔でサンプリングされ、デジタルデータ化され、風速データとして記憶手段３３に記憶される。風速計４は、例えばブレード１１等の影響を受けず、風車１が実際に受ける風の風速が測定できる位置に設けることが望ましい。ＢＴＢ盤５は、発電された電力における周波数を安定させる逆変換装置のことである。
【００２６】
図２はピッチ角制御演算手段３１を中心とした、風力発電装置のピッチ角制御のための信号の流れによる構成を表した図である。ピッチ角制御演算手段３１は、さらにばらつき推定器３１Ａ、目標回転数修正器３１Ｂ、ＰＩ制御器３１Ｃ、外乱推定器３１Ｄ、回転数検出器３１Ｅ及び加算演算器３１Ｆで構成される。ばらつき推定器３１Ａは、風速履歴信号に含まれる一定時間分の風速データに基づいて、一定時間毎（移動区間による標準偏差σ、分散σ2 でもよい）に風速の標準偏差、分散等を算出、推定した風速の変動によるばらつきを示すデータを含むばらつき信号として出力する。ここでは、風速のデータの標準偏差、分散等の結果をばらつきとする。目標回転数修正器３１Ｂは、ばらつき推定器３１Ａが算出したばらつきを示すデータに基づいて、ＰＩ制御器３１Ｃが制御演算のために用いる目標回転数のデータを修正し、目標回転数信号として出力する。
【００２７】
ＰＩ制御器３１ＣはＰＩ制御（定値制御）に基づく演算処理を行ってブレード１１のピッチ角を制御するための制御値を算出し、制御値を含むピッチ角制御信号を出力する。風車回転数を安定して制御するために、ＰＩ制御器３１Ｃが演算をする際の基準とする目標回転数は、本実施の形態では目標回転数修正器３１Ｂからの目標回転数信号に含まれる目標回転数のデータを用いる。外乱推定器３１Ｄは、ピッチ角履歴信号に含まれる一定時間分の指令値のデータ及び風車回転数履歴信号に含まれる一定時間分の風車回転数のデータに基づいて、風による外乱を算出、推定した補償値のデータを含む信号を外乱補償信号として出力する。回転数検出器３１Ｅは、風車回転数（ロータ１０の回転数）を検出し、風車回転数のデータを含む回転数信号をＰＩ制御器３１Ｃ及び記憶手段３３に出力する。記憶手段３３に一定時間分記憶された風車回転数のデータを含む信号は、風車回転数履歴信号として外乱推定器３１Ｄに出力される。加算演算器３１Ｆは、ＰＩ制御器３１Ｃから出力されたピッチ角制御信号が含む制御値と外乱推定器３１Ｄから出力された外乱補償信号が含む補償値とを加算した値を含むピッチ角指令信号をピッチ角操作手段１２に出力する。補償値が加算され、ピッチ角指令信号がピッチ角操作手段１２によってピッチ角が制御されることにより、フィードフォーワード制御が行われる。
【００２８】
本実施の形態は、従来、風況により変動する風車回転数の変動を抑え、特に機械的停止をできる限り生じさせないようにするため、従来、ピッチ角をＰＩ制御を行う際に、一定だった目標回転数について、風速の変動によるばらつきと目標回転数との間にある相関関係を利用し、ばらつき推定器３１Ａが一定時間分の風速データの履歴に基づいて算出したばらつきのデータにより、目標回転数修正器３１Ｂが目標回転数を一定時間毎に修正し、設定し直す。ＰＩ制御器３１Ｃは、修正された目標回転数のデータと回転検出器３１Ｅが検出した風車回転数のデータとに基づいて偏差を０にするようなＰＩ制御を行い、ピッチ角制御信号を出力する。
【００２９】
また、外乱推定器３１Ｄでは、風車回転数のデータの履歴及び指令値のデータの履歴に基づいて、風による外乱を推定、予測演算した補償値を含む外乱補償信号を出力する。そして、加算演算器３１Ｆにおいて、上述のＰＩ制御又は従来のＰＩ制御により出力されたピッチ角制御信号に含まれる制御値に補償値を加えた指令値を含むピッチ角指令信号を出力する。このピッチ角指令信号（指令値）に基づいてピッチ角操作手段１２にブレード１１のピッチ角を制御させることで、フィードフォーワード制御を行い、風況変動の強い場所に生じやすい、フィードバック制御のみの制御系に生じる制御遅れを補償し、風車回転数の変動を抑制する能力を高める。また、外乱推定には発電機の発電出力のデータ、風速のデータを用いずに風車回転数のデータを用いることでロータ１０（風車１）の回転に対し、より精度の高い外乱推定を行う。本実施の形態では、目標回転数修正処理と外乱推定処理とを共に行って、得られたピッチ角操作による風車回転数制御を行っているが、それぞれ一方の処理だけを行うようにしてもよい。
【００３０】
ここで、本実施の形態では、制御演算手段３は、それぞれの処理を行うために独立した手段、機器で構成し、それぞれの機器間で信号によるデータ通信を行うことで、制御を御行っているが、例えば、ＣＰＵを中心とするコンピュータ等の処理手段、ＤＳＰ等の信号処理手段等のマイクロプロセッサを１つ用いて、各部それぞれの処理機能を動作させるプログラムを実行させるようにしてもよい。
【００３１】
次にピッチ角制御演算手段３１を中心としたピッチ角制御動作についてさらに説明する。まず、ＰＩ制御に用いる目標回転数のデータ算出手順について説明する。ばらつき推定器３１Ａは、風速履歴信号に含まれる一定時間分（例えば１０分）の風速データに基づいてばらつきのデータを、例えば所定時間（例えば５分）毎に算出する。上述したように、標準偏差、分散等、そのばらつき具合を表す結果をばらつきのデータとする。算出したばらつきのデータを含む信号をばらつき信号として出力する。
【００３２】
目標回転数修正器３１Ｂは、ばらつき信号に含まれるばらつきのデータに基づいて目標回転数を所定時間（例えば５分）毎に修正し、設定する。目標回転数の設定は、風速変動の大きさ（風速のばらつき）と回転数変動の大きさ（回転数のばらつき）との相関関係を利用する。風速のばらつきが大きいことは風車１に発生するトルクが変動することであり、外乱変動が大きい。従って、同じ制御系のもとでは風車回転数の変動も当然大きくなる。このため、風速変動が大きい場合には、目標回転数を下げることで上限回転数までのマージンを増やせば、上限回転数に達する確率が減ることになる。また、目標回転数に達しない状況では、通常、風車１のブレード１１のブレードピッチ角は０度となり、最もトルクが高くなる状態になるが、この状況で突風が発生すると一気に回転数が上がることとなる。このため、たとえ風速が低くても、風速変動の大きな状況下の場合は、目標回転数を低く設定しておけば、速やかに回転数制御に入ることができるため、過回転に至る問題を回避できる。ここで、目標回転数を下げると発電量も下がることになるので、下げすぎないように目標回転数の下限値を設けておいてもよい。ばらつきが小さくなると初期状態の目標回転数に戻していくようにする。
【００３３】
ＰＩ制御器３１Ｃは、目標回転数信号に含まれる目標回転数のデータ及び回転数信号に含まれる風車回転数のデータとに基づいて偏差を０にするようなＰＩ制御を行う。ＰＩ制御を行うための手順については、風力発電を含めた通常のＰＩ制御に用いられている手順と変わるところがないので説明を省略する。目標回転数を修正した上で、ＰＩ制御を行うことで、ばらつきを抑え、風車回転数の上昇を防ぐことで機械的停止をの発生を防ぎ、稼働率を高めることができる。
【００３４】
次に、外乱推定器３１Ｄにおける補償値の算出処理について説明する。外乱を推定し、補償値を算出するためには、風力発電における風車１の動特性が必要であるが、この動特性は次式（１）で表される。
【００３５】
【数１】
2005155509.tif 000003
【００３６】
ここで、
Ｊ：風車１及び発電機の慣性モーメント
ω：ロータ１０の機械的角速度
ｋ：風車１の粘性係数
Ｔg ：発電負荷のトルク
Ｔw ：風による風車１に発生するトルク
【００３７】
また、Ｔw は風速Ｖを用いた場合、さらに次式（２）のように記述される。
Ｔw ＝Ｃt（λ，β）ρＶ2πＲ3 ／２＝ＣwＣt（λ，β）Ｖ2           …（２）
【００３８】
ここで、
Ｃt（λ，β）：風車１のトルク係数
Ｒ：ロータ１０中心からブレード１１先端までの距離
λ：周速比（＝ωＲ／Ｖ）
β：ブレードピッチ角
ρ：空気密度
Ｃw＝ρπＲ3 ／２  （π：円周率）
である。
【００３９】
図３はトルク係数、周速比及びブレードピッチ角の関係を表す図である。（２）式はＣt（λ，β）を有しているため、ブレードピッチ角操作によって変化する。また、風速によっても変化する。
【００４０】
ここで、外乱推定器３１Ｄの推定による外乱の補償は、風車回転数近辺の変動補償に限定するものとする。その上で、（１）（２）式の定格回転数周りの線形化モデルをベースに外乱推定を行う。例えば、定格運転状態として風Ｖw0、ブレードピッチ角β0 とすると、上述したＴw は次式（３）のように表すことができる。
【００４１】
【数２】
2005155509.tif 000004
【００４２】
また、このとき、ロータ１０が回転して得られる風車回転数（角速度）の変動領域を、目標回転数ωref の周辺と限定した場合に、その差を次式（４）で表す。
Δω＝ω−ωref                                                     …（４）
【００４３】
また、発電負荷のトルクＴg の変動についても次式（５）で近似することができる。
Ｔg ≒Ｔg（ωref）＋ｋ2 ・Δω                                      …（５）
【００４４】
そして、（３）、（４）、（５）式から、（１）式は、次式（６）のような線形近似モデルで表される。
【００４５】
【数３】
2005155509.tif 000005
【００４６】
そして、さらに（６）式に対し、風による変動を外乱項ｄとして加えると次式（７）のようになる。そして、外乱推定には（７）式の線型近似モデルを用いる。
【００４７】
【数４】
2005155509.tif 000006
【００４８】
（７）式を伝達関数で表して変形すると、次式（８）のようになる。
Δω＝（ｋ1 ・Δβ＋ｄ）／（Ｊｓ＋ｋ2 ）                            …（８）
【００４９】
ここで、Ｇ（ｓ）＝１／（Ｊｓ＋ｋ2 ）とおくと、外乱項ｄは次式（９）で表される。
ｄ＝Δω／Ｇ（ｓ）−ｋ1 ・Δβ                                      …（９）
【００５０】
１／Ｇ（ｓ）は完全な微分の成分を含むので、補償値の精度に悪影響を与える（誤差を大きくする）高周波成分を増幅する。そこで、ローパスフィルタＦ（ｓ）＝１／（Ｔｓ＋１）をかけた上で、外乱項推定値は次式（１０）に基づいて算出する。ここでＴは、例えばローパスフィルタを構成するコンデンサのキャパシタと抵抗との積である。
【００５１】
【数５】
2005155509.tif 000007
【００５２】
補償値（フィードフォーワード入力）ｕd は、（１０）式にゲインＫd ＝−ｋd （ｋｇ-1ｍ-1ｓ2 ）をかけて次式（１１）を得る。
【００５３】
【数６】
2005155509.tif 000008
【００５４】
算出された補償値ｕd を含む外乱補償信号を出力する。加算演算器３１Ｆは、ＰＩ制御器３１Ｃから出力されたピッチ角制御信号に含まれる制御値に補償値ｕd を加算し、その値をピッチ角指令信号としてピッチ角操作手段１２に出力する。
【００５５】
図４は風車発電モデルに風速を代入し、外乱推定による補償をした場合としなかった場合との風車回転数の状況を比較した図である。図４（ａ）は風速の時間経過を表し、図４（ｂ）はそのときの風車回転数の時間経過を表している。図４（ｂ）から、従来から行われているＰＩ制御のみの風車回転数変動に比べて、外乱推定器３１Ｄによる算出、推定による補償値を加算してブレード１１のピッチ角を制御することにより、風車回転数の変動幅が抑制できることがわかる。
【００５６】
図５は外乱推定による補償を行い、さらにＰＩ制御において回転数目標値を修正するようにした場合としなかった場合との風車回転数、電力の状況を比較した図である。図５（ａ）は風速の時間経過を表し、図５（ｂ）は目標回転数の修正を表している。また、図５（ｃ）はそのときの風車回転数、図５（ｄ）は発電出力の時間経過を表している。
【００５７】
図５（ａ）に示すように、ここでは定格出力を発電するための定格回転数（この場合２７ｒｐｍを想定している）を維持できないほど、風速変動が大きい状況を表している。また、図５において目標回転数を修正した場合については、風速データの標準偏差をばらつきとして５分毎にばらつきデータを算出している。ここで、図５（ｂ）に示すように目標回転数の修正については０．２５ｒｐｍを設定間隔として行っている。
【００５８】
図５（ｃ）及び図５（ｄ）に示すように、従来から行われているＰＩ制御のみの風車回転数変動に比べて、本実施の形態で説明したような、目標回転数を修正した上でのＰＩ制御器３１Ｃにより算出したピッチ角の値に、外乱推定器３１Ｄによる算出、推定による補償値を加算してブレード１１のピッチ角を制御することにより、風車回転数の変動幅が抑制できることがわかる。また、それに伴って、発電出力の変動も小さくなっていることがわかる。
【００５９】
以上の結果に基づいて、平均風車回転数、最大風車回転数及び平均発電出力を比較して表したのが表１である。
【００６０】
【表１】
2005155509.tif 000009
【００６１】
本実施の形態で説明したピッチ角操作による風車回転数の制御を行うと、通常のＰＩ制御に比べて最大回転数は２ｒｐｍ程度下がっている。また、風況に応じて目標回転数を下げるように設定したので、その分だけ風速回転数も低くなり発電出力も減少している。ただ、外乱推定器３１Ｃが推定、算出した補償値を加算したことで、風車回転数の変動が抑えられるという効果を有し、そのため、効率のよい発電を行うことができているので、０．５％程度の発電出力低下に止まっている。機械的停止によって再起動までの長時間、発電が再開できないことによる稼働率の著しい低下、人が現地まで赴く労力等の損失の大きさを考えると、長期的な発電効率は高くなる。
【００６２】
以上のように本実施の形態によれば、ばらつき推定器３１Ａが算出したばらつきのデータに基づいて、風速の変動によるばらつきが大きい場合には目標回転数を下げ、風速の変動によるばらつきが小さくなると目標回転数を初期状態に戻していくように修正した目標回転数により、ＰＩ制御器３１ＣがＰＩ制御を行ってブレード１１のピッチ角又は差分の値を決定し、風車１の風車回転数を制御するようにしたので、風速の変動が激しい場合の非制御状態を避けて突風による風車回転数の異常な上昇を抑えることで機械的停止が発生しない。そのため、人が赴いて再起動を行う労力、それに費やす時間、発電作業が再開できないことを考えると、稼働率の著しい低下を避け、効率のよい発電処理、風力発電機を得ることができる。そして、風車回転数の変動も抑えられるので、安定した発電出力が得られ、稼働率も向上する。
【００６３】
また、本実施の形態によれば、外乱推定器３１Ｄが、風車回転数の履歴及びピッチ角の履歴に基づいて、風による外乱を推定、予測演算した補償値を、ＰＩ制御により算出したピッチ角又は差分の値に加えてブレード１１のピッチ角を制御し、風車１の風車回転数を制御するようにしたので、フィードバック制御だけでは追従できない風車回転数の変動を予測した上で制御することで、風車回転数の変動を抑制でき機械的停止が発生しない。そして、風車回転数の変動抑制により、安定した発電出力を行うことができ、稼働率も向上する。また、風車回転数を制御するための補償値算出に風車回転数のデータを用いることでロータ１０の回転に対し、より精度の高い外乱推定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の実施の形態に係る風力発電装置の構成図である。
【図２】風力発電装置のピッチ角制御のための信号の流れによる構成を表した図である。
【図３】トルク係数、周速比及びブレードピッチ角の関係を表す図である。
【図４】外乱推定による補償をした場合としなかった場合との風車回転数の状況を比較した図である。
【図５】外乱推定による補償を行い、さらにＰＩ制御において回転数目標値を修正するようにした場合としなかった場合とを比較した図である。
【符号の説明】
【００６５】
１  風車
１０  ロータ
１１  ブレード
１２  ピッチ角操作手段
２  ナセル
２１  発電機
２２  ヨー角操作手段
３  制御演算手段
３１  ピッチ角制御演算手段
３１Ａ  ばらつき推定器
３１Ｂ  目標回転数修正器
３１Ｃ  ＰＩ制御器
３１Ｄ  外乱推定器
３１Ｅ  回転数検出器
３１Ｆ  加算演算器
３２  ヨー角制御演算手段
３３  記憶手段
４  風速計
５  ＢＴＢ盤
【図１】
2005155509.tif 000010
【図２】
2005155509.tif 000011
【図３】
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【図４】
2005155509.tif 000013
【図５】
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