(57)【要約】【課題】将来の風速を計測する風速計測器のサンプリング周波数が低い場合であっても、将来の風速に基づく運転制御のメリットを効果的に享受しうる風力発電装置及びその運転制御方法を提供する。【解決手段】風力発電装置１は、風力発電装置１に作用する現在の風速を取得するための現在風速取得部２４と、風車前方の計測位置で風速計測を行って、現在から所定時間経過後にブレード２に作用する将来の風速を計測するための風速計測器２０と、少なくとも前記現在の風速および前記将来の風速に基づいて、現在から前記所定時間経過するまでの間の風速を予測するための風速予測部（３６，５６）と、予測された風速に基づいて風力発電装置１の運転制御を行うための運転制御部（３８，５８）とを備える。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブレードを備えた風力発電装置の運転制御方法であって、
前記風力発電装置に作用する現在の風速を取得するステップと、
前記風力発電装置の前方の計測位置で風速計測を行って、現在から所定時間経過後に前記ブレードに作用する将来の風速を計測するステップと、
少なくとも前記現在の風速および前記将来の風速に基づいて、現在から前記所定時間経過するまでの間の風速を予測するステップと、
予測された風速に基づいて前記風力発電装置の運転制御を行うステップとを備えることを特徴とする風力発電装置の運転制御方法。
【請求項２】
前記風力発電装置の運転制御を行うステップでは、
予測された前記風速に基づき、少なくともフィードフォワード制御器を用いて、風荷重が前記風力発電装置に与える影響が小さくなるように前記ブレードのピッチ制御の指令値を決定するとともに、
前記風荷重による前記影響を示すデータ、および、予測された前記風速に基づいて前記フィードフォワード制御器の制御用係数を更新することを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置の運転制御方法。
【請求項３】
前記風荷重による前記風力発電装置のタワーの振動の程度を示す振動データを取得するステップをさらに備え、
前記制御用係数の更新時、前記フィードフォワード制御器からの出力信号が前記振動データに与える影響を示す第１伝達関数、および、前記フィードフォワード制御器と同一特性を有する第２伝達関数によって予測した前記風速を処理して得られる信号と、前記振動データとの誤差が小さくなるように前記制御用係数の新しい値を決定することを特徴とする請求項２に記載の風力発電装置の運転制御方法。
【請求項４】
取得した前記現在の風速を過去の風速として記憶するステップと、
前記過去の風速に基づいて、前記現在の風速から前記将来の風速への経時変化を示す補間関数を求めるステップとをさらに備え、
前記風速を予測するステップでは、前記補間関数を用いて現在から前記所定時間経過するまでの間の風速を予測することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の風力発電装置の運転制御方法。
【請求項５】
取得した前記現在の風速を過去の風速として記憶するステップと、
前記過去の風速に基づいて、前記現在の風速の後に起こり得る風速の頻度を示す確率密度関数を求めるステップと、
前記将来の風速に応じて、前記確率密度関数を補正するステップとをさらに備え、
前記風速を予測するステップでは、補正された前記確率密度関数を用いて現在から前記所定時間経過するまでの間の風速を予測することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の風力発電装置の運転制御方法。
【請求項６】
前記将来の風速を計測するステップでは、前記計測位置における前記ブレードに対応する領域の風速を選択的に計測することを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の風力発電装置の運転制御方法。
【請求項７】
ブレードと、
風力発電装置に作用する現在の風速を取得するための現在風速取得部と、
前記風力発電装置の前方の計測位置で風速計測を行って、現在から所定時間経過後に前記ブレードに作用する将来の風速を計測するための風速計測器と、
少なくとも前記現在の風速および前記将来の風速に基づいて、現在から前記所定時間経過するまでの間の風速を予測するための風速予測部と、
前記風速予測部によって予測された風速に基づいて前記風力発電装置の運転制御を行うための運転制御部とを備えることを特徴とする風力発電装置。
【請求項８】
前記運転制御部は、
予測された前記風速に基づき、風荷重が前記風力発電装置に与える影響が小さくなるように前記ブレードのピッチ制御の指令値を決定するためのフィードフォワード制御器と、
前記風荷重による前記影響を示すデータ、および、予測された前記風速に基づいて前記フィードフォワード制御器の制御用係数を更新する係数更新部と
を含むことを特徴とする請求項７に記載の風力発電装置。
【請求項９】
前記風荷重による前記風力発電装置のタワーの振動の程度を示す振動データを取得するためのデータ取得部をさらに備え、
前記係数更新部は、
前記フィードフォワード制御器からの出力信号が前記振動データに与える影響を示す第１伝達関数、および、前記フィードフォワード制御器と同一特性を有する第２伝達関数によって予測した前記風速を処理して得られる信号と、前記振動データとの誤差が小さくなるように前記制御用係数の新しい値を決定するように構成されたことを特徴とする請求項８に記載の風力発電装置。
【請求項１０】
前記現在風速取得部によって取得された前記現在の風速を過去の風速として記憶するための記憶部をさらに備え、
前記風速予測部は、前記記憶部に記憶された前記過去の風速に基づいて、前記現在の風速から前記将来の風速への経時変化を示す補間関数を求め、該補間関数を用いて現在から前記所定時間経過するまでの間の風速を予測するように構成されたことを特徴とする請求項７乃至９の何れか一項に記載の風力発電装置。
【請求項１１】
前記現在風速取得部によって取得された前記現在の風速を過去の風速として記憶するための記憶部と、
前記記憶部に記憶された前記過去の風速に基づいて、前記現在の風速の後に起こり得る風速の頻度を示す確率密度関数を求めるための確率密度関数算出部と、
前記将来の風速に応じて、前記確率密度関数を補正するための確率密度関数補正部とをさらに備え、
前記風速予測部は、補正された前記確率密度関数を用いて現在から前記所定時間経過するまでの間の風速を予測するように構成されたことを特徴とする請求項７乃至９の何れか一項に記載の風力発電装置。
【請求項１２】
前記計測位置における前記ブレードに対応する領域の風速を選択的に計測するように前記風速計測器を制御するための計測器制御部をさらに備えることを特徴とする請求項７乃至１１の何れか一項に記載の風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、風力発電装置及びその運転制御方法に係り、具体的には、前方遠隔位置における風速に基づく運転制御が可能な風力発電装置及びその運転制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境の保全の観点から、再生エネルギーとしての風を利用して発電を行う風力発電装置の普及が進んでいる。風力発電装置は、一般に、複数のブレード及びハブで構成されるロータが風を受けることによって、ロータに連結された主軸が回転し、この主軸の回転を発電機に入力することで、発電機において電力が生成されるようになっている。
【０００３】
ところで、ロータ回転時におけるブレードの軌跡で形成される平面（ロータ回転面）内における風速は一様ではないため、ブレードに作用する荷重はブレードごとに異なり、ロータにはアンバランスな風荷重が作用する。しかも、風力発電装置は、採算性向上の観点から大型化が進んでおり、ロータに作用する風荷重は増加する傾向にある。
そのため、風力発電装置の各部（例えば、主軸受や増速機等）はアンバランスで大きな荷重が付与されることになり、このことが風力発電装置の各部の耐用年数の減少要因になっている。
【０００４】
したがって、例えば突風により風荷重が増大したときに、ピッチ駆動装置により各ブレードのピッチ角を独立して調節し、各ブレードに作用する荷重を均等化することが望まれる。ところが、突風がブレードに到達してからピッチ駆動装置によるピッチ角調節を開始しても、ピッチ角の変更が完了するまでにタイムラグがあるため、風速の経時変化に遅れなく追従してピッチ角調節を行うことが難しい。
よって、各ブレードに作用する荷重を均等化するためには、ロータが受ける風の風速を事前に知り、ロータへの風の到達に先立ってピッチ制御を行うことが望ましい。
【０００５】
また、パワー係数Ｃｐが最大になるロータの回転数は、風速ごとに異なることが知られている。そのため、風力発電装置の効率向上の観点においても、ロータが受ける風の風速を事前に知り、ロータへの風の到達に先立って風力発電装置の運転制御を行うことが望ましい。
【０００６】
そこで、風力発電装置の前方遠隔位置で風速計測を行ってロータが将来受ける風速を計測し、その計測結果を風力発電装置の運転制御に活用する試みがなされている。
なお、風力発電装置の前方遠隔位置における風速は、例えば、ライダー（ＬＩＤＡＲ：Ｌｉｇｈｔ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  Ａｎｄ  Ｒａｎｇｉｎｇ）と称される計測器によって計測可能である。ライダーとは、レーザ光を遠隔位置に照射し、該遠隔位置における大気中のエアロゾルからの散乱光を検出し、レーザ光と散乱光の周波数のずれ（ドップラーシフト）から遠隔位置における風速を計測する装置である。
【０００７】
例えば、特許文献１及び２には、ハブに取り付けたライダーで計測した風力発電装置の前方遠隔位置における風速（将来の風速）に基づいて各ブレードのピッチ角を独立して調節して、ロータに作用する風荷重を均等化する技術が開示されている。
また、特許文献３には、ナセルに取り付けた計測器で計測した前方遠隔位置における風速（将来の風速）に基づいて、所望のパワー係数Ｃｐが得られるようにブレードのピッチ角を調節する風力発電装置の運転制御方法が開示されている。
【０００８】
なお、将来の風速の計測結果を風力発電装置の運転制御に活用する技術に関するものではないが、特許文献４には、現在得られている情報から将来の風速を予測し、その予測データを風力発電装置の運転制御に用いることが記載されている。特許文献４に記載の風力発電装置の運転制御方法では、過去の風速から確率密度関数を求めておき、ブレードが受けている現在の風速から確率密度関数を用いて将来の風速を予測し、これを運転制御に用いるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第７９５０９０１号明細書
【特許文献２】米国特許第７２８１８９１号明細書
【特許文献３】米国特許第６３２０２７２号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２０１０／０２３７６１７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、地表（洋上風車の場合は海面）との摩擦のよって形成される鉛直方向の風速分布（ウィンドシア）の影響により、風力発電装置のロータ回転面に流入する風は、垂直方向に関して一様ではない。また、風速は常に変化しているため、風車各部にはアンバランスな風荷重に起因した周期的な荷重が加わる。このような荷重を低減する方法として、翼ピッチ角を独立に動かし、風荷重のアンバランスを低減することにより、風車各部に負荷される周期的荷重を低減する制御が考えられる。
計測した将来の風速を風車制御に用いる利点は、風に先立って風力発電装置の運転制御を行うことができる点にある。そのため、制御目的(荷重低減、ロータの回転数制御)を十分に達成するためには、計測器のサンプリング周波数を制御周期に対して十分高くする必要がある。しかしながら、現状のライダーのサンプリング周波数は十分に高いとは言えず、上記に述べた将来の風速を計測するメリットを十分に生かせるとは言えない。特に、風車前方の平面における風の分布を測定する場合においては、前方の平面内において複数個所の風速を計測する必要があるため、正味のサンプリング周波数はより十分でなくなってしまう。
【００１１】
ところが、特許文献１〜４には、将来の風速を計測するライダーのサンプリング周波数が十分でない場合に、将来の風速に基づく運転制御を如何にして行うかについて何ら解決策を示していない。
【００１２】
本発明の少なくとも一実施形態の目的は、将来の風速を計測する風速計測器のサンプリング周波数が低い場合であっても、将来の風速に基づく運転制御のメリットを効果的に享受しうる風力発電装置及びその運転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】
【００１３】
本発明の少なくとも一実施形態に係る風力発電装置の運転制御方法は、前記風力発電装置に作用する現在の風速を取得するステップと、前記風力発電装置の前方の計測位置で風速計測を行って、現在から所定時間経過後に前記ブレードに作用する将来の風速を計測するステップと、少なくとも前記現在の風速および前記将来の風速に基づいて、現在から前記所定時間経過するまでの間の風速を予測するステップと、予測された風速に基づいて前記風力発電装置の運転制御を行うステップとを備えることを特徴とする。
【００１４】
この風力発電装置の運転制御方法では、少なくとも現在の風速と風車前方の計測位置における風速（将来の風速）の計測値とに基づいて、現在から、将来の風速の計測値が得られるまでの期間（現在から前記所定時間経過するまでの期間）における風速を予測するようになっている。そのため、将来の風速を計測する風速計測器のサンプリング周波数が低い場合であっても、予測によって、現在から、将来の風速の計測値が得られるまでの期間の風速を取得できるので、将来の風速に基づく運転制御のメリットを効果的に享受できる。
さらに、上記風力発電装置の運転制御方法によれば、サンプリング周波数の低い機種の風速計測器を使用する場合においても、将来の風速に基づく運転制御のメリットを効果的に享受できる。
【００１５】
幾つかの実施形態では、前記風力発電装置の運転制御を行うステップでは、予測された前記風速に基づき、少なくともフィードフォワード制御器を用いて、風荷重が前記風力発電装置に与える影響が小さくなるように前記ブレードのピッチ制御の指令値を決定するとともに、風荷重が前記風力発電装置に与える影響を示すデータ、および、予測された前記風速に基づいて前記フィードフォワード制御器の制御用係数を更新する。
これにより、予測された風速（将来の風速）に基づくフィードフォワード制御によって、風力発電装置への風の到達に先立ってブレードのピッチ制御を適切に行って、風荷重による影響を小さくすることができる。また、フィードフォワード制御器というシンプルな制御器の構成で上記ピッチ制御を実現可能であるから、制御器の計算負荷の増大を抑制できる。
さらに、風荷重が風力発電装置に与える影響を示すデータ、および、予測された風速に基づきフィードフォワード制御器の制御用係数を更新することで、風況変化に応じてフィードフォワード制御器のゲインとして適切な値を用いることができる。すなわち、ブレードのピッチ制御を行うための制御器の風況変化に対するロバスト性を向上させることができる。
【００１６】
一実施形態では、上記風力発電装置の運転制御方法は、前記風荷重による前記風力発電装置のタワーの振動の程度を示す振動データを取得するステップをさらに備え、前記制御用係数の更新時、前記フィードフォワード制御器からの出力信号が前記振動データに与える影響を示す第１伝達関数、および、前記フィードフォワード制御器と同一特性を有する第２伝達関数によって予測した前記風速を処理して得られる信号と、前記振動データとの誤差が小さくなるように前記制御用係数の新しい値を決定する。
この場合、予測された風速（将来の風速）を第１伝達関数および第２伝達関数で処理して得られる信号と、タワーの振動の程度を示す振動データとの誤差が小さくなるようにフィードフォワード制御器の制御用係数が更新される。その結果、風況の変化によらず、将来の風速に基づくブレードのピッチ制御によって、風荷重に起因したタワーの振動を効果的に打ち消すことができる。よって、風況が変化する場合であっても、優れたタワー制振効果を得ることができる。
【００１７】
上記風力発電装置の運転制御方法は、取得した前記現在の風速を過去の風速として記憶するステップと、前記過去の風速に基づいて、前記現在の風速から前記将来の風速への経時変化を示す補間関数を求めるステップとをさらに備え、前記風速を予測するステップでは、前記補間関数を用いて現在から前記所定時間経過するまでの間の風速を予測してもよい。
このように、過去の風速を考慮して求めた、現在の風速から将来の風速への経時変化を示す補間関数を用いることで、現在から、将来の風速の計測値が得られるまでの期間の風速の予測精度を向上させることができる。よって、将来の風速に基づく運転制御のメリットをより一層効果的に享受できる。
【００１８】
あるいは、上記風力発電装置の運転制御方法は、取得した前記現在の風速を過去の風速として記憶するステップと、前記過去の風速に基づいて、前記現在の風速の後に起こり得る風速の頻度を示す確率密度関数を求めるステップと、前記将来の風速に応じて、前記確率密度関数を補正するステップとをさらに備え、前記風速を予測するステップでは、補正された前記確率密度関数を用いて現在から前記所定時間経過するまでの間の風速を予測してもよい。
このように、過去の風速を考慮して求めた確率密度関数を将来の風速に応じて補正することで、現在から、将来の風速の計測値が得られるまでの期間の風速の予測精度を向上させることができる。よって、将来の風速に基づく運転制御のメリットをより一層効果的に享受できる。
【００１９】
なお、特許文献４（米国特許出願公開第２０１０／０２３７６１７号明細書）に記載された風力発電装置の運転制御方法では、過去の風速の蓄積データのみに依拠して将来の風速を予測するため、稀なケース（突風など）は無視されてしまい、風速の予測結果には反映されない。そもそも、特許文献４の風力発電装置の運転制御方法は、アルゴリズムにより過去の風速の蓄積データから将来の風速を予測するものであり、予測された風速が将来において実際に起きる確証はなく、実用上十分な精度で将来の風速を予測することが難しい。
これに対し、上記風力発電装置の運転制御方法では、風速計測器による将来の風速の計測値に応じて確率密度関数を補正した上で風速予測に用いるため、稀なケース（突風など）も風速の予測結果に反映させることができるとともに、実用上十分な精度で将来の風速を予測することができる。
【００２０】
上記風力発電装置の運転制御方法において、前記将来の風速を計測するステップでは、前記計測位置における前記ブレードに対応する領域の風速を選択的に計測してもよい。
このように、将来の風速に基づく風力発電装置の運転制御を行うのに必要な最小限の風速情報（ブレードに対応する領域の風速）を選択的に取得することで、将来の風速を計測する風速計測器のサンプリング周波数が低い場合であっても、将来の風速に基づく運転制御のメリットを効果的に享受できる。
【００２１】
また本発明の少なくとも一時実施形態に係る風力発電装置は、ブレードと、風力発電装置に作用する現在の風速を取得する現在風速取得部と、前記風力発電装置の前方の計測位置で風速計測を行って、現在から所定時間経過後に前記ブレードに作用する将来の風速を計測する風速計測器と、少なくとも前記現在の風速および前記将来の風速に基づいて、現在から前記所定時間経過するまでの間の風速を予測する風速予測部と、前記風速予測部によって予測された風速に基づいて前記風力発電装置の運転制御を行う運転制御部とを備えることを特徴とする。
【００２２】
この風力発電装置では、少なくとも、現在の風速と現在から所定時間経過後にブレードに作用する将来の風速とに基づいて、現在から、将来の風速の計測値が得られるまでの期間の風速を風速予測部によって予測するようになっている。そのため、将来の風速を計測する風速計測器のサンプリング周波数が低い場合であっても、予測によって、現在から、将来の風速の計測値が得られるまでの期間の風速を取得できるので、将来の風速に基づく運転制御のメリットを効果的に享受できる。
さらに、上記風力発電装置によれば、サンプリング周波数の低い風速計測器を使用する場合においても、将来の風速に基づく運転制御のメリットを効果的に享受できる。
【００２３】
幾つかの実施形態では、前記運転制御部は、予測された前記風速に基づき、風荷重が前記風力発電装置に与える影響が小さくなるように前記ブレードのピッチ制御の指令値を決定するためのフィードフォワード制御器と、風荷重が前記風力発電装置に与える影響を示すデータ、および、予測された前記風速に基づいて前記フィードフォワード制御器の制御用係数を更新する係数更新部とを含む。
これにより、予測された風速（将来の風速）に基づくフィードフォワード制御によって、風力発電装置への風の到達に先立ってブレードのピッチ制御を適切に行って、風荷重による影響を小さくすることができる。また、フィードフォワード制御器というシンプルな制御器の構成で上記ピッチ制御を実現可能であるから、制御器の計算負荷の増大を抑制できる。
さらに、風荷重が風力発電装置に与える影響を示すデータ、および、予測された風速に基づきフィードフォワード制御器の制御用係数を更新することで、風況変化に応じてフィードフォワード制御器のゲインとして適切な値を用いることができる。すなわち、ブレードのピッチ制御を行うための制御器の風況変化に対するロバスト性を向上させることができる。
【００２４】
一実施形態では、上記風力発電装置は、前記風荷重による前記風力発電装置のタワーの振動の程度を示す振動データを取得するためのデータ取得部をさらに備え、前記係数更新部は、前記フィードフォワード制御器からの出力信号が前記振動データに与える影響を示す第１伝達関数、および、前記フィードフォワード制御器と同一特性を有する第２伝達関数によって予測した前記風速を処理して得られる信号と、前記振動データとの誤差が小さくなるように前記制御用係数の新しい値を決定するように構成される。
この場合、予測された風速（将来の風速）を第１伝達関数および第２伝達関数で処理して得られる信号と、タワーの振動の程度を示す振動データとの誤差が小さくなるようにフィードフォワード制御器の制御用係数が更新される。その結果、風況の変化によらず、将来の風速に基づくブレードのピッチ制御によって、風荷重に起因したタワーの振動を効果的に打ち消すことができる。よって、風況が変化する場合であっても、優れたタワー制振効果を得ることができる。
【００２５】
上記風力発電装置は、前記現在風速取得部によって取得された前記現在の風速を過去の風速として記憶する記憶部をさらに備え、前記風速予測部は、前記記憶部に記憶された前記過去の風速に基づいて、前記現在の風速から前記将来の風速への経時変化を示す補間関数を求め、該補間関数を用いて現在から前記所定時間経過するまでの間の風速を予測してもよい。
このように、過去の風速を考慮して求めた、現在の風速から将来の風速への経時変化を示す補間関数を用いることで、現在から、将来の風速の計測値が得られるまでの期間の風速の予測精度を向上させることができる。よって、将来の風速に基づく運転制御のメリットをより一層効果的に享受できる。
【００２６】
あるいは、上記風力発電装置は、前記現在風速取得部によって取得された前記現在の風速を過去の風速として記憶する記憶部と、前記記憶部に記憶された前記過去の風速に基づいて、前記現在の風速の後に起こり得る風速の頻度を示す確率密度関数を求める確率密度関数算出部と、前記将来の風速に応じて、前記確率密度関数を補正する確率密度関数補正部とをさらに備え、前記風速予測部は、補正された前記確率密度関数を用いて現在から前記所定時間経過するまでの間の風速を予測してもよい。
このように、過去の風速を考慮して求めた確率密度関数を将来の風速に応じて補正することで、現在から、将来の風速の計測値が得られるまでの期間の風速の予測精度を向上させることができる。よって、将来の風速に基づく運転制御のメリットをより一層効果的に享受できる。
また、風速計測器による将来の風速の計測値に応じて確率密度関数を補正した上で風速予測に用いることで、稀なケース（突風など）も風速の予測結果に反映させることができるとともに、実用上十分な精度で将来の風速を予測することができる。
【００２７】
また上記風力発電装置は、前記計測位置における前記ブレードに対応する領域の風速を選択的に計測するように前記風速計測器を制御する計測器制御部をさらに備えてもよい。
このような風速計測器の制御により、将来の風速に基づく風力発電装置の運転制御を行うのに必要な最小限の風速情報（ブレードに対応する領域の風速）を選択的に取得することで、将来の風速を計測する風速計測器のサンプリング周波数が低い場合であっても、将来の風速に基づく運転制御のメリットを効果的に享受できる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、少なくとも風力発電装置に現在作用している風速（現在の風速）と風車前方の計測位置で計測した風速（将来の風速）とに基づいて、現在から、将来の風速の計測値が得られるまでの期間の風速を予測するようにしたので、風速計測器のサンプリング周波数が低い場合であっても、将来の風速に基づく運転制御のメリットを効果的に享受できる。
また、本発明によれば、風速計測器のサンプリング周波数を下げることができるため、風速計測器の測定負荷を抑制しながら、将来の風速に基づく運転制御のメリットを効果的に享受できる。
さらに、本発明によれば、サンプリング周波数の低い風速計測器を使用する場合においても、将来の風速に基づく運転制御のメリットを効果的に享受できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】第１実施形態に係る風力発電装置の全体構成例を示す図である。
【図２】前方風速計測器の計測エリアの一例を示す図である。
【図３】図１に示す風力発電装置の制御内容を示すブロック図である。
【図４】風速予測部における風速予測手法を説明するための図である。
【図５】第２実施形態に係る風力発電装置の制御内容を示すブロック図である。
【図６】確率密度関数の例を示す図である。
【図７】確率密度関数の補正内容の一例を示す図である。
【図８】風速予測部における風速予測手法を説明するための図である。
【図９】一実施形態に係る運転制御部のブロック図である。
【図１０】一実施形態に係る係数更新部１１０のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００３１】
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る風力発電装置の全体構成例を示す図である。同図に示す例示的な実施形態では、風力発電装置１は、少なくとも一本のブレード２と、ブレード２が取り付けられるハブ（ロータハブ）４と、ハブ４に連結された主軸６と、主軸６の回転を増速する増速機８と、増速機８の出力軸９に接続された発電機１０とを備える。なお、主軸６は主軸受７によってナセル１２に回転自在に支持されている。
【００３２】
ブレード２が風を受けることで、ブレード２及びハブ４で構成されるロータ５が回転する。ロータ５が回転すると、主軸６もロータ５とともに回転する。主軸６の回転は、増速機８によって増速された後、出力軸９を介して発電機１０に入力される。これにより、発電機１０において電力が生成される。なお、ロータ５の回転数および角度位置は、それぞれ、回転数計測器１１Ａ及びアジマス角検出器１１Ｂによって検出され、後述の風車コントローラ３０による制御に用いられる。
また、増速機８は、任意の形式のものを用いることができ、例えば、ギヤ式の増速機であってもよいし、油圧ポンプ及び油圧モータを組み合わせた油圧トランスミッションからなる増速機であってもよい。また、増速機８を用いずに、主軸６の回転を発電機１０に直接入力してもよい。
【００３３】
なお、幾つかの実施形態では、風力発電装置１は、風荷重が風力発電装置１に与える影響を示すデータを取得するためのデータ取得部７０を有し、データ取得部７０によって取得されたデータは風力発電装置１の運転制御に用いられる。
一実施形態では、データ取得部７０は、風荷重によるタワー１４の振動の程度を示す振動データを取得するように構成される。この場合、データ取得部７０は、ナセル１２に設置され、ナセル１２の加速度を計測するための加速度センサであってもよい。あるいは、データ取得部７０は、タワー１４の上部に設置され、タワー１４の加速度を計測するための加速度センサであってもよい。
【００３４】
また、風力発電装置１には、ロータ５の前方の計測位置Ａにおいて風速計測を行って、現在から所定時間経過後にロータ５に作用する風の風速（将来の風速）を計測する前方風速計測器２０が設けられている。なお、ロータ５から計測位置Ａまでの距離は、例えば１００〜３００ｍ程度であってもよい。
前方風速計測器２０の風速計測原理は、例えば、計測位置Ａに照射された電磁波（例えばレーザ光）と、その位置における大気中のエアロゾルからの散乱光との周波数のずれ（ドップラーシフト）から風速を求めるものであってもよい。前方風速計測器２０の具体例として、ライダーを挙げることができる。
【００３５】
前方風速計測器２０は、図１に示すようにナセル１２に取り付けてもよい。あるいは、前方風速計測器２０をハブ４に取り付けてもよい。これにより、ナセル１２が風向きに追従して図１の矢印方向に旋回制御される場合であっても、ロータ５の風上側の前方遠隔位置における風速を容易に計測することができる。
なお、図１に示す例示的な実施形態では風力発電装置１はロータ５が風上側を向くアップウィンド風車であるが、他の実施形態では風力発電装置１はロータ５が風下側を向くダウンウィンド風車である。風力発電装置１がダウンウィンド風車である場合、前方風速計測器２０は、ナセル１２を挟んでロータ５の反対側（風上側）における前方遠隔位置の風速を計測する。
【００３６】
なお、前方風速計測器２０による風速計測は、ロータ５の正面の前方の平面Ｐ内の計測エリア２２における複数箇所で行って、計測エリア２２内の風速分布を求めるようになっていてもよい。例えば、前方風速計測器２０がライダーである場合、レーザ光の照射角度を任意に調節して計測エリア２２をスキャンし、計測エリア２２内の複数箇所における風速を計測してもよい。
【００３７】
図２は、前方風速計測器２０の計測エリア２２の一例を示す図である。図２において符号Ｐで示したのは、風力発電装置１から距離ｄだけ離れた位置において、ロータ回転面に対向するように広がる平面である。
【００３８】
前方風速計測器２０の計測エリア２２は、図２に示すように、風力発電装置１の前方に距離ｄだけ離れた位置（計測位置）における領域２２Ａ〜２２Ｃであってもよい。ここで、平面Ｐ内における領域２２Ａ〜２２Ｃは、それぞれ、ブレード２Ａ〜２Ｃに対応しており、将来の風速に基づく風力発電装置１の運転制御に必要な最小限の風速情報が取得できるように設定される。例えば、領域２２Ａ〜２２Ｃは、各ブレード２Ａ〜２Ｃが将来受ける風が計測位置において通過する領域であってもよい。なお、前方風速計測器２０による風速計測は、領域２２Ａ〜２２Ｃのうちの重要部分（例えば、領域２２Ａ〜２２Ｃのうちブレード先端部周辺に対応する部分）のみについて行ってもよい。
また、ロータ５の回転に伴って領域２２Ａ〜２２Ｃの位置も刻々と変化するから、計測エリア２２たる領域２２Ａ〜２２Ｃの設定は、ロータ５の回転数および距離ｄなどを考慮して前方風速計測器２０による風速計測時にその都度行われる。
【００３９】
このように、ロータ回転面に対応する円形領域２３の全てを計測エリア２２とするのではなく、周方向について選出された一部の領域２２Ａ〜２２Ｃのみを計測エリア２２とすることで、前方風速計測器２０の少ないサンプリング数で風力発電装置１の運転制御に必要な将来の風速を計測できる。よって、前方風速計測器２０のサンプリング周期が低い場合であっても、将来の風速に基づく運転制御のメリットを効果的に享受できる。
【００４０】
図３は、図１に示す風力発電装置１の制御内容を示すブロック図である。同図に示すように、風車コントローラ３０は、回転数計測器１１Ａ、アジマス角検出器１１Ｂおよび前方風速計測器２０による計測結果と、現在風速取得部２４で取得された現在風速に関する情報を受け取って、風力発電装置１の運転制御を行う。
【００４１】
風車コントローラ３０は、前方風速計測器２０の計測エリア２２を設定する計測エリア設定部３１と、前方風速計測器２０を制御する計測器制御部３２と、過去の風速に関する情報が蓄積される記憶部３４と、前方風速計測器２０による将来の風速の計測値が得られるまでの期間の風速を予測する風速予測部３６と、風力発電装置１の運転制御を行う運転制御部３８とを備える。
【００４２】
計測エリア設定部３１は、回転数計測器１１Ａとアジマス角検出器１１Ｂで検出されたロータ５の回転数および角度位置に応じて、ブレード２Ａ〜２Ｃに対応した領域２２Ａ〜２２Ｃを計測エリア２２として設定する。そして、計測器制御部３２は、計測エリア設定部３１によって設定された計測エリア２２に基づいて、前方風速計測器２０を制御する。具体的には、前方風速計測器２０がライダーである場合、ライダーのレーザ照射角度を調節して計測エリア２２をスキャンし、計測エリア２２内の風速を計測する。
【００４３】
前方風速計測器２０によって計測される風速は、現在から所定時間経過後にブレード２に作用する将来の風速である。ここでいう所定時間とは、前方風速計測器２０によって風速が計測された風が計測位置からロータ５に到達するまでの時間であり、風力発電装置１から計測位置までの距離ｄ（厳密には、ロータ５から計測位置までの距離）及び風速Ｖによって算出可能である。
【００４４】
風車コントローラ３０の記憶部（メモリ）３４には、ブレード２に作用した過去の風速が記憶される。具体的には、記憶部３４は、風力発電装置１（具体的にはブレード２）に現在作用している風速を現在風速取得部２４から逐次受け取って、これを各時刻における過去の風速として記憶している。
【００４５】
現在風速取得部２４は、風力発電装置１の現在の状態を示す各種パラメータから、風力発電装置１（具体的にはブレード２）に現在作用している風速を求めてもよい。例えば、現在風速取得部２４は、ロータ５の回転数や、ブレード２のピッチ角や、発電機１０の発電量（風力発電装置１の出力）等の各種パラメータからブレード２に現在作用している風速を求めてもよい。
あるいは、現在風速取得部２４は、任意のタイプの風速計（例えば、カップ型風速計やライダー）により計測したブレード２周辺の風速から、ブレード２に現在作用している風速を取得してもよい。例えば、ロータ５の後流のウェイクの影響を考慮して、ナセル１２周辺に取り付けたカップ型風速計の計測結果を補正することで、ブレード２に現在作用している風速を推定してもよい。
【００４６】
また、現在風速取得部２４によって取得された現在の風速は、前方風速計測器２０により計測された風速（将来の風速）及び記憶部３４に蓄積された過去の風速とともに、風速予測部３６に送られる。これらの情報を受け取った風速予測部３６は、後述する手法により、現在から、将来の風速の計測値が得られるまで期間の風速を予測する。
【００４７】
そして、風車コントローラ３０の運転制御部３８は、風速予測部３６で予測した風速に基づいて風力発電装置１の運転制御を行う。すなわち、運転制御部３８は、風速予測部３６で予測した風速に基づいて、ロータ５への風の到達に先立って各ブレード２のピッチ角を独立して調整するようにアクチュエータ３を制御してもよい。あるいは、運転制御部３８は、風速予測部３６で予測した風速に基づいて、ロータ５への風の到達に先立って、所望のパワー係数Ｃｐが得られる回転数でロータ５が回転するように風力発電装置１を運転制御してもよい。なお、ロータ５の回転数を制御するには、例えば、発電機１０と電力系統との間に設けられる電力変換器３９の制御により、発電機１０のトルクを調節してもよい。この場合、電力変換器３９とは例えばＡＣ−ＤＣ−ＡＣコンバータを意味する。
なお、運転制御部３８については、図９及び１０を用いて後で詳述する。
【００４８】
続いて、風速予測部３６において、現在から前方風速計測器２０による風速計測値が得られるまでの期間における風速を予測する手法について説明する。図４は、風速予測部３６における風速予測手法を説明するための図であり、ブレード２の所定位置に当たる風の風速の経時変化を示すグラフである。
【００４９】
図４に示すように、時刻ｔｉ及びｔｉ＋１において、前方風速計測器２０により風速が計測された風がブレード２に到達する。すなわち、時刻ｔｉ及びｔｉ＋１においてブレード２に作用する風の風速は、前方風速計測器２０による計測結果から事前に知ることができる。
【００５０】
ここで、前方風速計測器２０による風速計測は連続的に行われるのではなく、間欠的に行われるから、前方風速計測器２０による風速計測値は時間的にみて離散的に得られる。そのため、前方風速計測器２０のサンプリング周波数によっては、図４に示すように、前方風速計測器２０による風速計測値が得られる時間間隔（正味のサンプリング周期ＴＳ；ＴＳ＝ｔｉ＋１−ｔｉ）に比べて、運転制御部３８の制御周期ＴＣが小さい場合がある。この場合、将来の風速に基づいてロータ５への風の到達に先んじた運転制御を実現するには、現在の時刻ｔ０から、次に前方風速計測器２０による風速計測値が得られる時刻ｔｉ＋１までの期間における風速を何らかの手法で知る必要がある。
【００５１】
そこで、本実施形態では、風速予測部３６によって、時刻ｔ０から時刻ｔｉ＋１までの期間における風速を予測する。
具体的には、風速予測部３６は、現在風速取得部２４で取得した時刻ｔ０における現在の風速Ｖ（ｔ０）から、前方風速計測器２０で計測した時刻ｔｉ＋１における将来の風速Ｖ（ｔｉ＋１）への経時変化を示す補間関数４０を求める。この補間関数４０を用いれば、時刻ｔ０から時刻ｔｉ＋１までの期間の任意の時刻における風速を予測できる。例えば、図４に示すように、制御周期ＴＣごとの複数の時刻における風速を補間関数４０から予測してもよい。
【００５２】
補間関数４０は、現在風速取得部２４で取得した時刻ｔ０における現在の風速Ｖ（ｔ０）と、前方風速計測器２０で計測した時刻ｔｉ＋１における将来の風速Ｖ（ｔｉ＋１）とを任意の手法で内挿することで求めることができる。例えば、一次関数による内挿である線形補間法を採用する場合、現在の風速Ｖ（ｔ０）と将来の風速Ｖ（ｔｉ＋１）とを結ぶ直線を補間関数４０として求めてもよい。
【００５３】
また、補間関数４０を求める際、記憶部３４に蓄積された時刻ｔ０よりも前の過去の風速Ｖ（ｔ＜ｔ０）の情報を考慮してもよい。例えば、過去から現在（時刻ｔ０）に至るまでの風速Ｖ（ｔ≦ｔ０）の変化曲線４２と補間関数４０とが滑らかにつながるように、時刻ｔ０における変化曲線４２との導関数の連続性を境界条件として設定し、かかる境界条件下で多項式による内挿で補間関数４０を求めてもよい。なお、境界条件として導関数の連続性を満たす補間関数４０の場合、図４に示すように、補間関数４０と変化曲線４２とが時刻ｔ０において概ね共通の接線４４を持つことになる。
【００５４】
以上説明したように、本実施形態では、少なくとも、現在風速取得部２４で取得した現在の風速Ｖ（ｔ０）および前方風速計測器２０で計測した将来の風速Ｖ（ｔｉ＋１）に基づいて、時刻ｔ０から時刻ｔｉ＋１までの期間における風速を風速予測部３６で予測する。そのため、前方風速計測器２０のサンプリング周波数が低い場合であっても、風速予測部３６による予測によって、時刻ｔ０から時刻ｔｉ＋１までの期間の風速が得られるので、将来の風速に基づく運転制御のメリットを効果的に享受できる。
さらに、本実施形態によれば、サンプリング周波数の低い前方風速計測器２０を使用する場合においても、将来の風速に基づく運転制御のメリットを効果的に享受できる。
【００５５】
また、本実施形態によれば、次のような付随的なメリットも享受できる。
第一に、前方風速計測器２０による風速計測値が得られる時間間隔（ｔｉ＋１−ｔｉ）は、風速に依存して一定ではない。すなわち、たとえ前方風速計測器２０による風速計測を一定のサンプリング周期で行っても、風速が計測された風がロータ５に到達するまでの時間は風速に依存するため、ブレード２に風が実際に到達する時刻（ｔｉ，ｔｉ＋１）の間隔である将来風速の正味のサンプリング周期ＴＳは風速に応じて変動しうる。このように将来の風速の正味のサンプリング周期ＴＳが一定でないことは、制御上望ましいことではない。この点、本実施形態によれば、風速予測部３６で予測した風速に基づいて運転制御部３８による制御を行うようにしたので、将来風速の正味のサンプリング周期ＴＳの変動によって制御上の支障をきたすことがない。
第二に、前方風速計測器２０で計測された風速は、計測位置からロータ５まで風が移動する過程で変化する可能性があり、前方風速計測器２０によって計測された風速が時間差を置いてロータ５近傍で再現されるとは限らない。なお、計測位置からロータ５に風が移動する過程で風速が保存されずに変化しうる要因として、例えば、ロータ５の存在がその上流側における風況に与える影響や、地表の起伏が風況に与える影響が挙げられる。したがって、前方風速計測器２０の計測値だけに基づいて風力発電装置の運転制御をすると、計測位置からロータ５に風が移動する過程における風速の変化を無視した制御を行うことになり、所期の制御性能を得ることが難しい場合がある。これに対し、本実施形態によれば、前方風速計測器２０で計測した将来の風速Ｖ（ｔｉ＋１）だけでなく、現在風速取得部２４で取得した現在の風速Ｖ（ｔ０）をも考慮して、時刻ｔ０から時刻ｔｉ＋１までの期間の風速を予測するようにしたので、ロータ５に実際に到達した風の風速（ｔ０）を制御に反映させることができ、制御性能が向上する。
【００５６】
［第２実施形態］
次に、第２実施形態に係る風力発電装置について説明する。本実施形態の風力発電装置は、現在（ｔ＝ｔ０）から前方風速計測器２０によって計測された風速がロータ５に到達する時点（ｔ＝ｔｉ＋１）までの期間における風速の予測手法が異なる点を除けば、第１実施形態の風力発電装置１と同様である。よって、ここでは、風力発電装置１と共通する箇所には同一の符号を付してその説明を省略し、風力発電装置１との相違点を中心に説明する。
【００５７】
図５は、第２実施形態に係る風力発電装置の制御内容を示すブロック図である。同図に示すように、風車コントローラ５０は、第１実施形態の風車コントローラ３０と同様に、計測エリア設定部３１、計測器制御部３２及び記憶部３４を有する。加えて、風車コントローラ５０は、記憶部３４に記憶された過去の風速に基づいて確率密度関数Ｆ（Ｖ）を算出する確率密度関数算出部５２と、確率密度関数Ｆ（Ｖ）を補正する確率密度関数補正部５４と、補正された確率密度関数Ｆ’（Ｖ）を用いて時刻ｔ０から時刻ｔｉ＋１までの期間における風速を予測する風速予測部５６と、予測された風速に基づいて制御を行う運転制御部５８とを備える。
【００５８】
記憶部３４は、現在風速取得部２４によって取得された現在の風速を逐次受け取って、過去の風速として保存している。この記憶部３４に記憶された過去の風速に基づき、確率密度関数算出部５２は、将来のある時点に起こり得る風速の頻度を示す確率密度関数を算出する。
【００５９】
図６は確率密度関数の例を示す図である。同図に示すように、確率密度関数Ｆｊ（Ｖ）は、ｎ種類の現在風速Ｖｊ（ｊ＝１，２，…ｎ。ただしｎは２以上の整数。）について、それぞれ規定されている。各確率密度関数Ｆｊ（Ｖ）は、現在風速がＶｊである場合に、将来のある時点に起こり得る風速の頻度を表している。なお、各確率密度関数Ｆｊ（Ｖ）によって風速頻度が記述される将来のある時点は、風速予測部５６によって風速を予測したい時点に相当し、後述の運転制御部５８における制御を容易にする観点から任意に設定可能である。
【００６０】
また、確率密度関数算出部５２は、現在からの種々の経過時間ｔｋ（ｋ＝１，２，…ｌ。ただしｌは２以上の整数。）について、確率密度関数Ｆｊｋ（Ｖ）を算出してもよい。これにより、風速予測部５６によって複数の時点における風速を予測できる。例えば、制御周期ＴＣごとの経過時間ｔｋについての確率密度関数Ｆｊｋ（Ｖ）を算出しておけば、風速予測部５６によって、制御周期ＴＣごとの複数の時点における風速を予測できる。
【００６１】
ところで、確率密度関数算出部５２によって算出された確率密度関数Ｆｊ（Ｖ）は、あくまで、記憶部３４に蓄積された過去の風速だけに依拠しており、将来のある時点に起こり得る風速を確率的に表すものである。そのため、確率密度関数Ｆｊ（Ｖ）を用いて将来のある時点の風速を予測しようとしても、風速の予測を高精度に行うことが難しい場合がある。
そこで、本実施形態では、確率密度関数補正部５４において、前方風速計測器２０で計測した風車前方の計測位置における風速（前方風速計測器２０で計測した将来の風速）に応じて確率密度関数Ｆｊ（Ｖ）の補正を行う。
【００６２】
図７は確率密度関数の補正の一例を示す図である。
例えば、前方風速計測器２０で計測した将来の風速が現在風速Ｖｊに比べて大きくなっていれば、図７に示すように、確率密度が最大となる風速がＶＰＥＡＫからＶＰＥＡＫ’へ図中右側にシフトするように確率密度関数補正部５４によって確率密度関数Ｆｊ（Ｖ）を補正して、新たな確率密度関数Ｆｊ’（Ｖ）を得る。逆に、前方風速計測器２０で計測した将来の風速が現在風速Ｖｊに比べて小さくなっていれば、確率密度が最大となる風速ＶＰＥＡＫを図中左側にシフトさせたような確率密度関数Ｆｊ’（Ｖ）を得る。
【００６３】
このとき、記憶部３４に蓄積された過去の風速データに基づいて確率密度関数Ｆｊ（Ｖ）の補正を行ってもよい。すなわち、現在風速がＶｊであり、且つ、将来の時刻ｔｉ＋１において前方風速計測器２０で計測した風速が現れるという条件下で将来のある時点に起こり得る風速の頻度を、過去の風速データを利用して導き出してもよい。例えば、現在風速が１５ｍ／ｓであり、将来の時刻ｔｉ＋１における風速が前方風速計測器２０の計測結果から２０ｍ／ｓになることが分かっている場合、過去の風速データの中の類似のケースにおける風速変化を考慮して、将来のある時点に起こり得る風速の頻度を求めてもよい。
【００６４】
なお、前方風速計測器２０で計測した風速（将来の風速）を反映可能である限り、確率密度関数Ｆｊ（Ｖ）の補正の具体的手法は特に限定されない。例えば、元の確率密度関数Ｆｊ（Ｖ）の曲線の形状を維持したまま、前方風速計測器２０で計測した風速と現在風速Ｖｊとの比較結果に応じて図７における左右に適宜シフトさせることで、確率密度関数Ｆｊ’（Ｖ）を得てもよい。あるいは、元の確率密度関数Ｆｊ（Ｖ）とは形状そのものが異なる新たな確率密度関数Ｆｊ’（Ｖ）を得てもよい。
【００６５】
そして、風速予測部５６は、現在風速取得部２４で取得された現在風速Ｖｊに対応する補正後の確率密度関数Ｆｊ’（Ｖ）を確率密度関数補正部５４から受け取って、この確率密度関数Ｆｊ’（Ｖ）を用いて将来のある時点における風速を予測する。例えば、風速予測部５６は、補正後の確率密度関数Ｆｊ’（Ｖ）の確率密度が最大となる風速ＶＰＥＡＫ’を将来のある時点における風速として予測してもよい。
風速予測部５６によって風速が予測される将来の時点は、現在時刻ｔ０からみて最も近い制御周期に対応した時刻ｔ１（図８参照）であってもよい。これにより、風速予測部５６で予測した風速をそのまま運転制御部５８による制御に用いることができる。
【００６６】
なお、風速予測部５６は、一日における時間帯、季節等の時間条件や、雨天、台風等の天候条件によって確率密度関数Ｆｊ（Ｖ）及びＦｊ’（Ｖ）を補正し、各種条件に応じて風速予測を行うようにしてもよい。
【００６７】
風速予測部５６によって予測された風速は、運転制御部５８に送られて、風力発電装置１の運転制御に用いられる。すなわち、運転制御部５８は、風速予測部５６で予測した将来のある時点における風速に基づいて、ロータ５への風の到達に先立って各ブレード２のピッチ角を独立して調整するようにアクチュエータ３を制御してもよい。あるいは、運転制御部５８は、風速予測部５６で予測した将来のある時点における風速に基づいて、ロータ５への風の到達に先立って、所望のパワー係数Ｃｐが得られる回転数でロータ５が回転するように風力発電装置１を運転制御してもよい。なお、ロータ５の回転数を制御するには、例えば、発電機１０と電力系統との間に設けられる電力変換器３９（例えば、ＡＣ−ＤＣ−ＡＣコンバータ）の制御により、発電機１０のトルクを調節してもよい。
なお、運転制御部５８については、図９及び１０を用いて後で詳述する。
【００６８】
続いて、風速予測部５６において、将来のある時点における風速を予測する手法について具体的に説明する。図８は、図５に示す風車コントローラ５０の風速予測部５６における風速予測手法を説明するための図であり、ブレード２の所定位置に当たる風の風速の経時変化を示すグラフである。
【００６９】
風速予測部５６による風速予測を行う前に、確率密度関数算出部５２によって、ｎ種類の現在風速Ｖｊ（ｊ＝１，２，…ｎ。ただしｎは２以上の整数。）について確率密度関数Ｆｊ（Ｖ）が予め準備されている。具体的には、確率密度関数算出部５２によって、記憶部３４に記憶された過去の風速に基づき、現在から時間Δｔ（＝ｔ１−ｔ０）を経過した時点で起こり得る風速の頻度を示す確率密度関数Ｆｊ（Ｖ）を予め算出しておく。
なお、記憶部３４への過去の風速データの蓄積が進むにつれて確率密度関数Ｆｊ（Ｖ）が変化する可能性があるため、確率密度関数算出部５２による確率密度関数Ｆｊ（Ｖ）の算出を定期的に行って確率密度関数Ｆｊ（Ｖ）を更新してもよい。
【００７０】
そして、将来の時刻ｔｉ＋１における風速Ｖ（ｔｉ＋１）が前方風速計測器２０の計測結果により得られると、確率密度関数補正部５４は、この風速Ｖ（ｔｉ＋１）に応じて確率密度関数Ｆｊ（Ｖ）の補正を行う。このようにして補正が行われた確率密度関数Ｆｊ’（Ｖ）は、風速予測部５６による風速予測に用いられる。
【００７１】
風速予測部５６は、現在風速取得部２４によって取得された現在（ｔ＝ｔ０）における風速Ｖｊ（すなわち、風速Ｖ（ｔ０））に対応する補正後の確率密度関数Ｆｊ’（Ｖ）を用いて、現在から時間Δｔを経過した時刻ｔ１における風速Ｖ（ｔ１）を予測する。
なお、図８には、確率密度関数補正部５４による補正前の確率密度関数Ｆｊ（Ｖ）を用いて時刻ｔ１における風速を予測した場合に得られる風速予測値６０も併せて示してある。図８に示す例では、現在風速Ｖ（ｔ０）に比べて将来の時刻ｔｉ＋１における風速Ｖ（ｔｉ＋１）が大きくなることが分かっているので、確率密度関数補正部５４はこのことを考慮して確率密度関数Ｆｊ（Ｖ）の補正を行う。そのため、図８に示す例では、補正後の確率密度関数Ｆｊ’（Ｖ）を用いて予測された風速Ｖ（ｔ１）は、元の確率密度関数Ｆｊ（Ｖ）を用いて得られた風速予測値６０よりも大きくなっている。
【００７２】
このようにして、風速予測部５６によって、現在の時刻ｔ０から、次に前方風速計測器２０による風速計測値が得られる時刻ｔｉ＋１までの期間における風速Ｖ（ｔ１）を予測することができる。
【００７３】
以上説明したように、本実施形態では、少なくとも、現在風速取得部２４で取得した現在の風速Ｖ（ｔ０）および前方風速計測器２０で計測した将来の風速Ｖ（ｔｉ＋１）に基づいて、時刻ｔ０から時刻ｔｉ＋１までの期間における風速Ｖ（ｔ１）を風速予測部５６で予測する。そのため、前方風速計測器２０のサンプリング周波数が低い場合であっても、風速予測部５６による予測によって、時刻ｔ０から時刻ｔｉ＋１までの期間の風速が得られるので、将来の風速に基づく運転制御のメリットを効果的に享受できる。また、前方風速計測器２０の測定負荷を抑制しながら、将来の風速に基づく運転制御のメリットを効果的に享受できる。さらに、サンプリング周波数の低い前方風速計測器２０を使用する場合においても、将来の風速に基づく運転制御のメリットを効果的に享受できる。
【００７４】
また本実施形態によれば、確率密度関数算出部５２にて過去の風速を考慮して求めた確率密度関数Ｆｊ（Ｖ）を、前方風速計測器２０によって計測した将来の風速Ｖ（ｔｉ＋１）に応じて補正するようにしたので、風速予測部５６における時刻ｔ１における風速Ｖ（ｔ１）の予測精度を向上させることができる。よって、将来の風速Ｖ（ｔ１）に基づく運転制御のメリットをより一層効果的に享受できる。
また、前方風速計測器２０による将来の風速の計測値Ｖ（ｔｉ＋１）に応じて確率密度関数Ｆｊ（Ｖ）を補正した上で風速予測に用いるため、稀なケース（突風など）も風速の予測結果に反映させることができるとともに、実用上十分な精度で将来の風速を予測することができる。
【００７５】
さらに、本実施形態によれば、第１実施形態と同様に、次のような付随的なメリットも享受できる。
すなわち、風速予測部５６で予測した風速に基づいて運転制御部５８による制御を行うようにしたので、将来の風速の正味のサンプリング周期ＴＳ（図８参照）に変動によって制御上の支障をきたすことがない。また、前方風速計測器２０で計測した将来の風速Ｖ（ｔｉ＋１）だけでなく、現在風速取得部２４で取得した現在の風速Ｖ（ｔ０）をも考慮して、時刻ｔ０から時刻ｔｉ＋１までの期間の風速Ｖ（ｔ１）を予測するようにしたので、ロータ５に実際に到達した風の風速Ｖ（ｔ０）を制御に反映させることができ、制御性能が向上する。
【００７６】
［運転制御部の構成］
次に、実施形態に係る運転制御部３８，５８の構成について説明する。
【００７７】
図９は一実施形態に係る運転制御部３８，５８のブロック図である。同図に示すように、幾つかの実施形態では、運転制御部３８，５８は、フィードフォワード制御器１００と、フィードフォワード制御器１００の制御用係数を更新するための係数更新部１１０とを含む。
ここで、図９には、風荷重が風力発電装置１に与える影響に関与する伝達関数２１０，２２０を備える風車プラント２００を示している。風車プラント２００の伝達関数２１０は、風速Ｗがブレード２に作用したときに風荷重が風力発電装置１に与える影響を表す。一方、風車プラント２００の伝達関数２２０は、ブレード２のピッチ制御の指令値（図９に示す例ではβｔｏｔａｌ）が風力発電装置１に与える影響を表す。
なお、図９には示していないが、前方風速計測器２０と風速予測部５６との間には確率密度関数補正部５４（図５参照）が設けられていてもよい。
【００７８】
フィードフォワード制御器１００は、風速予測部３６，５６によって予測された風速Ｗａｈｅａｄに基づき、風荷重が風力発電装置１に与える影響（例えば風荷重に起因するタワー１４の振動）が小さくなるように各々のブレード２についてピッチ角指令βＦＦを決定する。一実施形態では、伝達関数２１０からの出力信号が伝達関数２２０からの出力信号によって打ち消されるように（すなわち、風荷重が風力発電装置１に与える影響が無くなるように）、フィードフォワード制御器１００によってピッチ角指令βＦＦが決定される。なお、フィードフォワード制御器１００は、ＦＩＲフィルタに代表されるデジタルフィルタを用いてもよい。
図９に示す例示的な実施形態では、フィードフォワード制御器１００において、データ取得部７０によって取得されたタワー１４の振動の程度を示す振動データｙ（＝ｙ１＋ｙ２）が小さくなるようにピッチ角指令βＦＦが決定される。具体的には、フィードフォワード制御器１００は、伝達関数２１０からの出力信号ｙ１が伝達関数２２０からの出力信号ｙ２によって打ち消されるようにピッチ角指令βＦＦを決定する。
【００７９】
また、一実施形態では、図９に示すように、運転制御部３８，５８は、フィードフォワード制御器１００に加えて、フィードバック制御器１２０を備える。フィードバック制御器１２０は、回転数計測器１１Ａで計測されたロータ５の回転速度ωｒと、ロータ５回転速度の目標値ωｒ＿ｔｒｇとの偏差に基づいて、ロータ回転速度ωｒが目標値ωｒ＿ｔｒｇに近づくように各々のブレード２についてピッチ角指令βＦＢを決定する。
この場合、フィードフォワード制御器１００からの出力信号であるピッチ角指令βＦＦと、フィードバック制御器１２０からの出力信号であるピッチ角指令βＦＢとの和βｔｏｔａｌを各々のブレード２のピッチ制御の指令値として、アクチュエータ３の制御が行われてもよい。
【００８０】
係数更新部１１０は、風荷重が風力発電装置１に与える影響を示すデータ（例えばタワー１４の振動の程度を示す振動データｙ）と、風速予測部３６，５６によって予測された風速Ｗａｈｅａｄとに基づいて、フィードフォワード制御器１００の制御用係数を更新する。
【００８１】
図１０は、一実施形態に係る係数更新部１１０のブロック図である。
同図に示す例示的な実施形態では、係数更新部１１０は、フィードフォワード制御器１００からの出力信号であるピッチ角指令βＦＦが振動データｙに与える影響を示す第１伝達関数１１２と、フィードフォワード制御器１００と同一特性を有する第２伝達関数１１４と、フィードフォワード制御器１００の制御用係数の新しい値を決定する係数決定部１１６とを含む。ここで、第１伝達関数１１２は、風車プラント２００の伝達関数２２０のモデル伝達関数であり、予め同定されているか、オンラインで同定されている。また、第２伝達関数１１４は、例えば、フィードフォワード制御器１１０の現在の制御用係数と同一のフィルタ係数を有するデジタルフィルタ（例えばＦＩＲフィルタ）である。
【００８２】
係数決定部１１６は、風速予測部３６，５６によって予測された風速Ｗａｈｅａｄを第１伝達関数１１２及び第２伝達関数１１４で処理して得られる信号ｙｅｓｔｉｍａｔｅと、データ取得部７０によって取得された振動データｙとの偏差εが小さくなるようにＦＦ制御器１００の制御用係数の新たな値を決定する。
一実施形態では、係数決定部１１６は、ＲＬＳアルゴリズムやＬＭＳアルゴリズム等の収束アルゴリズムに従って偏差εに基づき、フィードフォワード制御器１００の制御用係数の新たな値を決定する。
【００８３】
例えば、係数決定部１１６がＲＬＳアルゴリズムに従って制御用係数を決定する場合、係数決定部１１６は下記式（１）〜（３）により、誤差信号εの二乗和が最小となるようなフィードフォワード制御器１００の制御用係数θ（Ｎ）を逐次的に決定してもよい。
2013177885.tif 000003
ただし、θ（Ｎ）はＮステップにおけるフィードフォワード制御器１００の制御用係数であり、θ（Ｎ−１）は（Ｎ−１）ステップにおけるフィードフォワード制御器１００の制御用係数である。式（２）の右辺第２項は第２伝達関数１１４の出力信号ｙｅｓｔｉｍａｔｅであり、フィードフォワード制御器１００の現在の制御用係数を採用した場合における伝達関数２２０からの出力信号ｙ２の推定値である。よって、誤差信号ε（Ｎ）は、データ取得部７０によって取得された振動データｙ（Ｎ）に対する、伝達関数２２０からの出力信号ｙ２の推定値ｙｅｓｔｉｍａｔｅの推定誤差を表している。また、Ｎステップにおけるｘ（Ｎ）は第１伝達関数１１２からの出力信号である。また、忘却係数λは、（Ｎ−１）ステップまでの過去のデータの重み付けを決定するためのパラメータである。
【００８４】
上述のとおり、幾つかの実施形態では、運転制御部３８，５８は、風速予測部３６，５６によって予測された風速Ｗａｈｅａｄに基づき、風荷重による影響が小さくなるようにブレード２のピッチ制御の指令値を決定するフィードフォワード制御器１００と、風荷重による影響を示すデータ（例えば振動データｙ）、および、予測風速Ｗａｈｅａｄに基づいてフィードフォワード制御器１００の制御用係数を更新する係数更新部１１０とを含む。
これにより、予測された風速（将来の風速）Ｗａｈｅａｄに基づくフィードフォワード制御によって、風力発電装置１への風の到達に先立ってブレード２のピッチ制御を適切に行って、風荷重による影響を小さくすることができる。また、フィードフォワード制御器１００というシンプルな制御器の構成で上記ピッチ制御を実現可能であるから、制御器の計算負荷の増大を抑制できる。
さらに、風荷重が風力発電装置１に与える影響を示すデータ（例えば振動データ）、および、予測された風速Ｗａｈｅａｄに基づきフィードフォワード制御器１００の制御用係数θを更新することで、風況変化に応じてフィードフォワード制御器１００のゲインとして適切な値を用いることができる。すなわち、ブレード２のピッチ制御を行うための制御器の風況変化に対するロバスト性を向上させることができる。
【００８５】
また、上述のとおり、一実施形態では、係数更新部１１０は、フィードフォワード制御器１００からの出力信号が振動データｙに与える影響を示す第１伝達関数１１２、および、フィードフォワード制御器１００と同一特性を有する第２伝達関数１１４によって予測風速Ｗａｈｅａｄを処理して得られる信号ｙｅｓｔｉｍａｔｅと、振動データｙとの誤差εが小さくなるように制御用係数θの新しい値を決定するように構成される。
この場合、予測風速Ｗａｈｅａｄを第１伝達関数１１２および第２伝達関数１１４で処理して得られる信号（フィードフォワード制御器１００の現在の制御用係数を採用した場合における伝達関数２２０からの出力信号ｙ２の推定値）と、タワー１４の振動の程度を示す振動データｙとの誤差εが小さくなるようにフィードフォワード制御器１００の制御用係数θが更新される。その結果、風況の変化によらず、将来の風速に基づくブレード２のピッチ制御によって、風荷重に起因したタワー１４の振動を効果的に打ち消すことができる。よって、風況が変化する場合であっても、優れたタワー制振効果を得ることができる。
【００８６】
さらに、ロータ回転速度ωｒとロータ回転速度目標値ωｒ＿ｔｒｇとの偏差に基づくフィードバック制御器だけを備えた典型的な風力発電装置の制御系に対してフィードフォワード制御器１００及び係数更新部１１０を追加するだけで図９及び１０に示す制御を実現できるから、典型的な風力発電装置の制御系を大幅に変更する必要がない。にもかかわらず、フィードバック制御器だけを備えた典型的な風力発電装置の制御系に比べて、フィードフォワード制御器１００及び係数更新部１１０の働きによってタワー制振効果が格段に向上する。
なお、係数更新部１１０を備えたフィードフォワード制御器１００は、例えば、最適化アルゴリズム（ＲＬＳやＬＭＳ等の収束アルゴリズム）に従ってその伝達係数が誤差信号に応じて自己適応される適応フィルタによって実現可能である。また、フィードフォワード制御器１００及び係数更新部１１０は、風力発電装置１の建造時点において運転制御部３８，５８に組み込まれてもよいし、既存の風力発電装置１の改造時に運転制御部３８，５８に追設されてもよい。
【００８７】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。
【００８８】
特に、上述の第１実施形態及び第２実施形態を適宜組み合わせて実施してもよい。例えば、現在風速取得部２４で取得した時刻ｔ０における現在の風速Ｖ（ｔ０）から、前方風速計測器２０で計測した時刻ｔｉ＋１における将来の風速Ｖ（ｔｉ＋１）への経時変化を示す補間関数４０の候補を複数求めておき、確率密度関数から確率的に最もあり得る補間関数４０を選択して風速予測に用いてもよい。この場合に用いる確率密度関数は、前方風速計測器２０の計測結果により得られた風速Ｖ（ｔｉ＋１）に応じて元の確率密度関数Ｆｊ（Ｖ）を補正して得られる確率密度関数Ｆｊ’（Ｖ）であってもよい。
【符号の説明】
【００８９】
１            風力発電装置
２            ブレード
３            ピッチ駆動アクチュエータ
４            ハブ（ロータヘッド）
６            主軸
７            主軸軸受
８            増速機
９            出力軸
１０          発電機
１１          回転数計測器
１２          ナセル
１４          タワー
２０          前方風速計測器
２２          計測エリア
２４          現在風速取得部
３０          風車コントローラ
３１          計測エリア設定部
３２          計測器制御部
３４          記憶部
３６          風速予測部
３８          運転制御部
３９          電力変換器（ＡＣ−ＤＣ−ＡＣコンバータ）
４０          補間関数
４２          変化曲線
４４          接線
５０          風車コントローラ
５２          確率密度関数算出部
５４          確率密度関数補正部
５６          風速予測部
５８          運転制御部
６０          風速予測値
７０          データ取得部
１００        フィードフォワード制御器
１１０        係数更新部
１１２        第１伝達関数
１１４        第２伝達関数
１１６        係数決定部
１２０        フィードバック制御器
２００        風車プラント
２１０        伝達関数
２２０        伝達関数
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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