(57)【要約】  サイト特有のトポロジー効果による制御戦略によって風力タービン発電基地レベルの負荷を制御するための方法。本方法は、風力タービンに取り付けられた風センサから、風速と風向とを含む風の速度データを提供するステップと、１つまたは複数の基準センサから、風速と風向とを含む風の速度データを提供するステップと、風速と風向とに従って風データをビン分割するステップと、速度データが基準から逸脱する風力タービンを識別するステップと、速度データが基準から逸脱する風力タービンに作用する修正された負荷を計算するステップと、を含み、これによって、制御戦略および／または保守活動が見直される。風力タービンの寿命を延長（もしくは短縮）し、（運転）性能を変更し（年間発電量（Ａｎｎｕａｌ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ、ＡＥＰ）の増加）、または構造材料削減（設計）によりコストを削減するための方法がさらに開示される。この手法は、風力発電基地内の風力タービンの保守の予定を立てるために使用することができる。
2020502424.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力発電基地内の風力タービンを制御するための方法であって、
前記風力タービンに取り付けられた風センサから、風速と風向とを含む風の速度データを提供するステップと、
１つまたは複数の基準センサから、風速と風向とを含む風の速度データを提供するステップと、
風速と風向とに従って前記風データをビン分割するステップと、
前記速度データが前記基準から逸脱する風力タービンを識別するステップと、
前記速度データが前記基準から逸脱する前記風力タービンに作用する修正された負荷を計算するステップと、
風力タービンの寿命を延長すること、年間発電量を増加させること、または構造材料削減によりコストを削減することのうちの１つまたは複数を達成するために、識別された前記風力タービンのタービン制御システムの制御戦略を修正するステップと、を含む、
方法。
【請求項２】
識別された前記風力タービンのタービン制御システムの制御戦略を修正する前記ステップが、インテリジェントなブレードピッチング戦略を含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記風力タービンに取り付けられた風センサからの風センサデータを照合し、発電基地レベルの流れ構造を決定するステップをさらに含む、
請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記風センサによって測定されない前記タービンにかかる追加負荷を計算するステップをさらに含む、
請求項３に記載の方法。
【請求項５】
１つまたは複数の力および／またはモーメントおよび／またはひずみの測定値が、前記風センサによって測定されない前記タービンにかかる追加負荷を計算するために使用される、
請求項１に記載の方法。
【請求項６】
履歴動作データが、前記風センサによって測定されない前記タービンにかかる追加負荷を計算するために使用される、
請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記タービンにかかる負荷に対する地形の影響を考慮に入れるために連続性モデルを提供するステップをさらに含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記タービンにかかる負荷に対する地形の影響を考慮に入れるために増強された連続性モデルを提供するステップをさらに含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記タービンにかかる負荷に対する地形の影響を考慮に入れるためにＣＦＤモデルを提供するステップをさらに含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記タービンにかかる負荷に対する地形の影響を考慮に入れるためにＣＦＤモデルを提供し、局所的なロータ負荷計算の改善のためにＢＥＭコードをさらに提供するステップをさらに含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
地形の影響によって分類された風力発電基地の故障率データセットを提供するステップをさらに含む、
請求項７から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記風センサが風速計である、
請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
基準センサが風況観測マストである、
請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記基準風センサが仮想的なものであり、１つまたは複数のタービン風速計および／またはサイト風況観測マストから計算される、
請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
修正された負荷を計算する前記ステップが、局所的ウインドシアおよび／または乱流および／または突風および／または風速の局所的変化を計算するステップをさらに含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
修正された負荷を計算する前記ステップが、局所的ウインドシアを計算するステップをさらに含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記速度データが前記基準から逸脱する前記風力タービンに作用する修正された負荷を計算するステップが、風速計偏差の大きさに基づく数でサイト負荷をスケーリングするステップを含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
識別された前記風力タービンのタービン制御システムの制御戦略を修正する前記ステップが、風力タービンの寿命を延長すること、を達成し、風力タービンの寿命を延長するために保守戦略を見直すさらなるステップを含む、
請求項１から１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
制御するための前記方法が適応制御戦略を含む、
請求項１から１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
風力発電基地内の風力タービンを制御するためのコンピュータ可読製品であって、
請求項１から１９のいずれか一項に記載の前記方法の前記ステップを実施するためのコード手段を含む、
コンピュータ可読製品。
【請求項２１】
風力発電基地内の風力タービンを制御するためのコンピュータシステムであって、
請求項１から１９のいずれか一項に記載の前記方法の前記ステップを実施するように設計された手段を含む、
コンピュータシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は風力発電基地の運転に関し、特に風力発電基地全体にわたる気流場における風力タービンの制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力タービンの配置は、風力発電基地を設計する際の重要なトピックである。風力発電基地を設計するための現在のプロセスは、所与のサイトでの電力獲得を最大化し、他のタービンに影響を及ぼすタービン後流に起因する電力獲得の損失を最小化することに焦点を合わせている。地形の影響、大気安定度、およびタービン負荷に対する結果として得られる風の質の影響は、十分に理解されていない側面であり、風力発電基地の設計において実際には考慮されていない。
【０００３】
発電基地のタービン負荷は、サイトの風力クラスに基づいてタービン設計プロセスで計算される。しかしながら、風力クラスは、地形から発生する可能性があるサイト特有の負荷は把握しない。
【０００４】
実際の風力発電基地では、サイト依存の負荷により発電基地内のタービンの高い部品故障率がもたらされている。サイト依存の負荷、その原因、およびそれらの管理方法をよりよく理解することは、故障に起因するダウンタイムを減らすことにより、風力発電基地の運転コストを改善する上で重要な利点となり得る。
【０００５】
本発明は、地形の結果として発生する発電基地レベルの流れ場を理解することを可能にする。次いでこの理解を使用して、発電基地レベルの流れ場構造の結果としてタービンに発生するサイト依存の負荷を決定することができる。
【０００６】
現在、タービン負荷は、ひずみゲージをタービンに（通常は主軸および／またはブレードに）取り付けることによってのみ測定することができる。この負荷測定方法は非常に労働集約的であるため非常に高くつく。その費用は、負荷測定キャンペーンが行われるときに、１サイトの１台または２台のタービンだけが計装されるほどのものである。
【０００７】
しかしながら、実際の風力発電基地では、地形やその他の影響により、すべてのタービンが風況観測マストで測定された風に応じて異なる負荷を受けることになり、タービンのうちのあるものは非常に不利な条件を受け、あるものはより穏やかな条件を受ける。現在、地形やその他の影響の結果として発生する各タービン風力発電基地で生じる特定の負荷を計算する簡単な方法はない。
【０００８】
地形と、風力発電基地の外部風境界条件と、発電基地内のタービンの後流の影響のすべての組み合わせにより、全体的な風力発電基地の流れ場または流れ構造（風力発電基地を流れる空気の風速および風向の３次元分布）が生み出される。この全体的な風力発電基地の流れ場は、地形に起因して存在する持続的な流れ構造（後流や渦などの速度分布のパターン）を持つことになる。例えば、タービンが接近する卓越風の上流にある大きな丘の後ろに配置されている場合、これらのタービンはほとんど丘の後流内になる。丘の後流は発電基地レベルの流れ構造の一例である。本発明は、風力タービンに取り付けられた既存のセンサから発電基地レベルの流れ構造を理解することを可能にする。
【０００９】
すべてのタービンは風速計を取り付けられているので、局所的な平均風速および風向を感知することができ、そのため制御システムはタービンのヨー角を整列させることができる。
【００１０】
風速計は、それ自体で、風速と風向のタービンハブ高さの点計測を提供する。しかしながら、これだけでは、ロータブレード上の風の質に関する詳細は伝わらない。理想的には、ブレード上の風の流れはコヒーレントで均一である。しかしながら、実際の流れでは、他の流れの影響により非対称性が生じる可能性があり、その結果、ブレード上にあまり均一ではないより質の低い花がもたらされる。それはまた異なる速度で時間的に変化する可能性もある。ブレード上での良好な流れの質と不良な流れの質との特性は以下の通りである（これらはどんな風速でも当てはまる）。
【００１１】
質の高い風の流れは、ロータブレードによって掃引されるディスク上で受ける均一な速度と、風の流れが「安定的」であり、経時的に一定のままであることを特徴とする。
【００１２】
質の悪い風の流れは、ロータブレードによって掃引されるディスク上の非対称の速度分布と、風の流れが「突発的」であり、分布が経時的に変化することを特徴とする。
【００１３】
風速計は、ブレード上の流れの質ではなく、ハブ高さにおける局所的な流速を示す。流れの質が低いと、タービンにかかる負荷が大幅に増加し、タービン部品の損傷が増加する可能性がある。
【００１４】
風力発電基地における全体的な流れの３次元場構造を理解することにより、タービンが位置している特定の地点における流れの質をより正確に決定することが可能になる。風の質のデータから、タービン位置特有の負荷の改善された推定値を決定することができる。
【００１５】
米国特許出願公開第２０１３／０３２０６７６（Ａ１）号および欧州特許出願公開第２１６９２１８（Ａ３）号には、基準点で測定された風速度を使用してナセルで測定された風速度を補正する方法が開示されている。どちらの手法でも負荷の推定は開示されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１３／０３２０６７６（Ａ１）号
【特許文献２】欧州特許出願公開第２１６９２１８（Ａ３）号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明は、追加の測定を必要とせずに既存のタービンセンサから発電基地の流れ場（よって局所的な負荷の増加）を計算するための方法である。本発明は、タービンレベルで考えると、取り付けられたセンサからの１タービン当たりのデータが流れ場および負荷の増加を計算するのに十分ではないという点で新規である。しかしながら、発電基地内のすべてのタービンセンサから一括してデータを取得することにより、深い洞察の導出が可能になり、全体的な発電基地の流れ場および局所的な負荷の増加を十分に計算することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明によれば、風力発電基地内の風力タービンを制御するための方法が開示される。本発明はまた、風力タービンの寿命を延長（もしくは短縮）し、（運転）性能を変更し（年間発電量（Ａｎｎｕａｌ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ、ＡＥＰ）の増加）、または構造材料削減（設計）によりコストを削減するための方法でもある。本方法は、風力タービンに取り付けられた風センサから、風速と風向とを含む風の速度データを提供するステップと、１つまたは複数の基準センサから、風速と風向とを含む風の速度データを提供するステップと、風速と風向とに従って風データをビン分割（ｂｉｎｎｉｎｇ）するステップと、速度データが基準から逸脱する風力タービンを識別するステップと、速度データが基準から逸脱する風力タービンに作用する修正された負荷を計算するステップと、風力タービンの寿命を延長すること、年間発電量を増加させること、または構造材料削減によりコストを削減すること、のうちの１つまたは複数を達成するために識別された風力タービンのタービン制御システムの制御戦略を修正するステップと、を含む。例えば、風力タービンの寿命を延長（もしくは短縮）すること、（運転）性能を変更すること（ＡＥＰの増加）、または構造材料削減（設計）によりコストを削減すること、を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
次に本発明を、ほんの一例として添付の図面を参照して説明する。
【００２０】
【図１】図１は、完璧な風力発電基地における局所的な風の流入を示す図である。
【図２】図２は、局所的な流入ベクトルが地形の影響を受ける典型的な風力発電基地における局所的な風の流入、および発電基地における流れの現象を示す図である。
【図３】図３は、方向および風速によってビン分割されたタービン風速計データのプロットを示す図である（図示の１０ｍ／秒のデータセット、方向ビン０〜３６０）。
【図４】図４は、風速偏差プロットを示す図である（方向による風況観測マストからの風速計偏差、１０ｍ／秒データセットについての方向ビン）。
【図５】図５は、地形高さデータを示す図である。
【図６】図６は、流れ領域におけるタービン位置を示す図である。
【図７】図７は、図６に示される領域の地形データを示す図である。
【図８】図８は、連続性モデルの図式的説明を示す図である。
【図９】図９は、２次元平面内の流れ場の一例を示す図である。
【図１０】図１０は、高さによる閉塞変動を示す図である。
【図１１】図１１は、地形後流を示す図である。
【図１２】図１２は、地形後流を示す図である。
【図１３】図１３は、後流界面への自由流を示す図である。
【図１４】図１４は、加速により誘発されたシア流を示す図である。
【図１５】図１５は、発電基地の流れの風速計補正された経験的に拡張された連続性モデルの方法論概観を示す図である。
【図１６】図１６は、風力タービンの出力が風速と共にどのように変化するかを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
現在、すべての最新のタービンは、基本的なタービン性能についてのデータを記録し送信するＳＣＡＤＡシステムを取り付けられている。データは、電力獲得、発電機電流、部品温度、およびタービン風速計からの風速と方向を含む。新規の方法で使用されるのは、既存のＳＣＡＤＡシステムからの風速計データである。
【００２２】
その概念は以下のように説明される。
【００２３】
照合された発電基地レベルの風速計データを組み合わせデータセットとして使用することにより、発電基地レベルの流れ構造を決定することが可能になる。これらの流れ構造からサイト特有の負荷を決定することができる。
【００２４】
発電基地の流れ場から決定すべき主な特徴は、発電基地の流れ場内の同じ場所で年間を通して頻繁に発生する持続的な流れ構造である。疲労損傷が発生するには負荷がかかった時間を要するので、これは負荷および損傷に影響を及ぼす持続的な構造である。風速計データから感知するのがより難しい他のより過渡的な流れ構造もあろうが、これらは疲労負荷の観点からさほど重要ではない。
【００２５】
そのような流れ構造の例は、丘や森林で覆われた地面などの地形特徴からの、持続的な後流であり得る。発電基地の流れ構造はまた、地温と気温とにおける差によって引き起こされる局所的な対流などの熱的影響からも発生し得るはずである。実際、そのような現象から発生する日中と夜間とにおける流れ条件には大きな差があることはすでに周知である。
【００２６】
個々のタービンにかかる負荷を決定するための現在の方法は、各タービンにひずみゲージおよびデータ取得システムを取り付けることを含む。残念ながら、これは実際のサイト負荷を解明する非常に高くつく方法である。理想的には、ごく少数のタービンを計装すること（またはオペレータによる方法の実証後はまったくなし）が好ましい。
【００２７】
本発明は、（地形および／または一目での温度から発生する）発電基地レベルの流れ構造に起因するタービンへの負荷の増加を定義するための方法を提供し、本発明はひずみゲージを必要とせず、単に既存の搭載タービン・センサ・データを新規の方法で使用するだけである。
【００２８】
各風力発電基地サイトにおいて、本方法は、（設計負荷計算で考慮されていない）発電基地レベルの流れ構造の結果としてのタービンへの負荷の増加を計算することができる。発電基地レベルの流れ構造は、発電基地内の個々のタービンからの風速計データから導出される。そのような負荷増強計算のための方法は、各タービンのひずみゲージによるサイト特有の負荷の決定と比較して、はるかに低コストの解決策を提供するであろう。
【００２９】
局所的負荷増強計算法（ｌｏｃａｌ  ｌｏａｄｓ  ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ  ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ  ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ（ＬＬＥＣＭ））の手法の概要
【００３０】
タービン特有の風況を決定する低コストの方法は、既存のタービンセンサ（タービン風速計）から収集できる発電基地レベルの広範囲の測定データを利用して、発電基地の流れ場内の大規模な流れ構造を導出し、次いでそれらの流れ構造を使用して、発電基地全体の流れ構造の３次元速度場を導出することである。
【００３１】
風速計は単独で、ハブ高さの気流速度の測定を可能にする。風速計はそれ自体ではウインドシアについての洞察をほとんど与えることができない。ウインドシアは、タービンロータに、ロータ、メインベアリング、およびタワー（また場合によっては増速機にも）損傷を与える可能性がある、非トルクモーメントを発生させる大きな要因となり得る。
【００３２】
単一の風速計の読み取り値はウインドシアの測定にはほとんど役に立たないが、発電基地内のすべてのタービンについての広範囲のそのデータの測定を組み合わせると、非常に役に立つ。
【００３３】
本発明は、タービンの周りの局所的な３次元流れ場を見つけるために、広範囲のタービン風速計データを利用して３次元の発電基地の流れ構造を導出し、ここから局所的なタービン負荷の増加を計算することができる。
【００３４】
図１では、すべてのタービンが同じ風力クラスを感知する。
【００３５】
発電基地は風力クラスを有するが、タービンの場所における局所的な流れは、局所的な地形および／または気候的／熱的特徴に基づいた固有の特性を有する。これらは風力クラスでは考慮されておらず、その結果、一部のタービンはそれらが風力クラスに基づいて設計されている負荷よりも局所的に高い負荷を受ける。これにより早期のタービン故障が発生する可能性がある。
【００３６】
局所的な負荷の増加を計算する能力は、タービン寿命を延ばすために介入を行うことを可能にするので有益であろう。これらの介入は、保守活動（交換部品のより効率的なスケジューリングおよび／またはベアリング寿命を延ばすためのベアリンググリースのフラッシングなどの予防保守活動など）とすることもでき、またはトルクを下げるためのタービンのディレーティングなどの制御活動、もしくは非トルク負荷を低減させるための個別ピッチ制御などの能動的なブレード制御の手法とすることもできる。局所的な負荷の増加が知られていることは、保守活動とタービン制御活動の両方に必須であり、本発明はこれらを知る方法を提供するので、これは本発明の重要な利点である。
【００３７】
導出された制御戦略は、新製品の導入、設計の見直し、または市販後の交換／改修における構造材料削減によってコスト削減を可能にし得る。
【００３８】
トポロジー効果（または流れ構造）を使用して、タービン制御システムは、インテリジェントなブレードピッチング戦略および効果的に発電曲線をシフトさせることによって、機械の運転境界を適合させることになる（図１６参照）。これは同等な風速での曲線下面積を増加させることによってＡＥＰを増やすことになる。図１６に、ベースライン発電曲線を示す。トポロジー効果が有利である場合、対話型制御システムは、（例えば）最終的にＡＥＰを増加させる対応する曲線に従うようにタービンを調整することになる。トポロジー条件がさほど有利ではない場合、制御システムは機械の負荷を軽減し、（例えば）寿命の維持もしくは延長、または保守計画の便宜を図るために対応するラインにタービンを従わせることができる。
【００３９】
適応制御戦略（ａｄａｐｔｉｖｅ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｓｔｒａｔｅｇｙ（ＡＣＥ））を使用すると、トポロジー効果は監視制御システムへの直接の入出力になり、この戦略により、機械がピッチング体制を変更し、より低い測定された風速でより多くの電力を発生することが可能になる。
【００４０】
ＬＬＥＣＭ手法の概要（発電基地風速計データセットのみを使用した基本形）
【００４１】
以下のステップ１〜ステップ４で概説するプロセスは、局所的負荷増強計算法（ＬＬＥＣＭ）と呼ばれる。
【００４２】
ステップ１：厳しい地形特徴から離れたサイトのより平坦な部分に位置することが知られている、基準タービン風速計および／または基準サイト風況観測マストを識別する。
ステップ２：ＳＣＡＤＡシステムから完全な発電基地風速計データセットを取得し、方向と風速とによってデータをビン分割する。（そのようなビン分割されたデータの一例が図３に示されている）。
ステップ３：タービンごとに、ステップ１で識別された基準風速計に対する局所的風速の偏差のビンを方向と風速とによって計算する。
ステップ４：ステップ３で計算された低偏差ビンを有するタービンは、サイトの風力クラスと同等の負荷を有し、より高い偏差を有する負荷は、サイトの風力クラスに対応する負荷とは異なる負荷を受けることになる。偏差が常により悪いと仮定して負荷の増加を計算し、負荷の増加はステップ３の計算された偏差の大きさに正比例して増減する。
【００４３】
図３に、ステップ２で計算されたデータの例を示す。これらの風速計データプロットでは、すべてのタービンが同じ風況を見ているように見える。ステップ２で計算されたデータは、このレベルまでしか処理されていないときに明らかになるデータではない。
【００４４】
クリーンな風況観測マストからの偏差としてプロットすると（クリーンな風況観測マストとは地形の影響が強くない風況観測マストの口語的な記述である）、局所的な地形の影響が、風況観測マストからのより大きいデルタとしてタービン風速計データ中に現れる。これらのプロットでは、タービンが尾根に沿って位置しており、谷に沿った流れがタービン風速計と風況観測マストとの間により低い乱流とより低い偏差を引き起こす。谷を横切る流れは（どちらの方向にもより多くの乱流を引き起こし、よってより大きな偏差を引き起こす）。一部の方向では１０ｍ／秒の速度では感知できるほどの風がなく、風況観測マストの偏差プロットに対して風速と風速とにおけるギャップとして現れる。
【００４５】
図４では、風向が０〜６０度の間にあるときと、さらに風向が２８０〜３６０度のときとに、より高い負荷がかかる。負荷は１７０〜２００度の間ではより低い。一部の方向では感知できるほどの時間にわたって１０ｍ／秒の風がなく、これらは空のビンとして存在し、プロット上のギャップとして現れる。
【００４６】
局所的負荷計算法（上で概説したＬＬＥＣＭ）は、地形やウインドシアの影響を受けた負荷の調査に対して代替手法に優る２つの主な利点を与える。第１に、この方法ではタービンに新しいセンサを取り付ける必要がない。この方法は、既存のデータセットを新規の方法で利用して局所的な負荷の増加を確定する。第２に、この手法はあまり計算集約的ではなく、これは、ＮＲＥＬ  ＳＯＦＷＡ  ２０１２で概説されているような、計算流体力学の手法を使用して風力発電基地全体の全体的なシミュレーションから負荷を計算しようと試みるより伝統的な手法に優る利点である。
【００４７】
追加データセットを使用したＬＬＥＣＭ法の拡張
【００４８】
エラー！参照元が見つかりませんの項に記載されている基本的な方法から計算される局所的なタービン負荷の増加の精度は、ＳＣＡＤＡ風速計データをサイト地形データなどの他のデータセットと併用することによって強化することができる。
【００４９】
局所的なサイトフロー変動の実際の原因は、多くの場合、サイト地形の影響である。そのため、地形トポロジーデータが利用可能な場合、このデータセットに基づく計算を使用して、エラー！参照元が見つかりませんの項に記載されている基本的な計算方法を強化することができる。
【００５０】
基本的な方法では、負荷の増加は計算された風速計偏差ビンと正比例の関係にあると仮定されている。これは必ずしもそうとは限らない。地形データを使用して、タービンによる局所的な流れ構造のより正確な予測を、よって結果として得られる局所的な負荷の増加を取得してより詳細な計算を行うことができる。
【００５１】
全体的な地形の影響の連続性モデル
【００５２】
地形データセットを使用して、エラー！参照元が見つかりませんに記載されている局所的負荷計算方法を強化することができる最も簡単な方法の１つが、地形データセットを連続性モデルと併用して、全体的および局所的な発電基地の風流速および風向に対する地形の影響を、大まかに計算するものである。連続性モデルの入力データは、基準風速計からのものである。連続性モデルからの出力（流れ方向と流速の局所的タービン予測）を使用して、（エラー！参照元が見つかりませんの項の方法のステップ３のメトリックと同種の）追加の偏差メトリックを計算することができる。これらの数量は、局所的負荷調整の方向と大きさへのさらなる洞察をもたらすことができ、負荷予測精度を改善するために使用することができる。
【００５３】
連続性モデルの手法は次のように説明される。
【００５４】
計算の開始点は、地形の影響を受けた流れについての連続性モデルの使用を伴う。この種のモデルは周知であり、有限体積法をレイノルズ平均ナビエ・ストークス（ＲＡＮＳ）コード、および乱流モデルと併用する計算流体力学（ＣＦＤ）の手法などのより忠実度の高い手法と比較して非常に安くつく。連続性の手法は、単に、領域に入る空気の体積流量が、領域から出る量と等しくなければならないという表明である（空気は圧縮されず、領域内にまったく貯蔵されない）。
【００５５】
トポロジーモデルへの重要な入力は、図５に示す地形閉塞を計算するために使用されるように、地形高さデータである。研究領域は、図５において灰色の平面で図式的に示されるように定義される。この平面は、風速計データと地形データとに基づいて流れ構造が導出される空気の立方体の底面を表している。
【００５６】
研究領域は（やはり図５に示されているように）グリッドに細分化されている。３次元的には、発電基地の気流領域は１組の立方体で表される。地形トポロジーは、領域の各立方体における利用可能な流れ領域を定量化するために使用される。立方体の底面に平坦地があるということは、立方体の全領域が利用可能であることを意味する。立方体の半分が地形で埋まっている場合、その領域の半分しか利用できない。連続性を満足させるためには、領域を出入りする体積流量のバランスをとらなければならず、これを使用して、流れ領域の他の部分におけるおおよその自由流速度を計算することができる。この概念は図７に図式的に示されている。
【００５７】
連続性モデルは、異なる高さで連続した２次元スライスを取得し、それら異なる高さレベルにおける地形からの閉塞を考察することによって、自由流における地形の影響の結果としての速度増加、ならびに限定的に背景シアの予測を与えるために使用することができる。
【００５８】
粘性流現象の経験的モデルへの結合による拡張された連続性モデル（増強された連続性モデル）
【００５９】
しかしながら、連続性モデルにはいくつかの大きな限界がある。粘性流体の影響は一切把握されず、境界層も、後流も、乱流構造も予測することができない。これらすべての特徴は実際の流れ領域においても発生し、連続性と粘性特徴の重ね合わせである流れ場をもたらす。このモデルには、領域に入る流入乱流を説明する方法もない。
【００６０】
従来の解決策は、ＲＡＮＳコードを使用したＣＦＤである。この手法は流れの粘性特徴を解決し、連続性モデルの限界に対処する方法を提供するが、この手法は計算上非常に高くつく（特に、発電基地内の風力タービンにかかるブレード負荷に関連した流体流における分解長スケールに適した分解能が求められる場合に）。
【００６１】
フルＣＦＤに代わる革新的な方法を以下で説明する。この方法は、局所的地形やタービン誘発乱流などの粘性流現象の予測を提供するために連続性モデルを経験的モデルに結合することを伴う。
【００６２】
製品開発では、単純な物理学ベースのモデル（上述した連続性モデルなど）を構成要素構成要素測定性能の経験的データと結合することが一般的である。導出される結果として得られる経験的モデルは、（完全に物理学に基づくものではないため）その特定の用途についてのみ有効であるが、それでもなお、その用途については、複雑な問題に対して非常に迅速で高精度な回答を提供することができる。例えば、風洞において性能を測定し、データを記録することによって、経験的なタービンロータモデルを実現することができる。実験曲線が導出されると、その後の風速での出力の計算は、計算コストが極めて低いものになる。ロータ出力曲線についての風洞特性がある場合は、出力曲線を見つけるためにＣＦＤモデルを作成する必要はない。
【００６３】
同様に、広範囲の発電基地風速計測定値を使用して、連続性モデルを増強する、所与の発電基地に特有の、流れ挙動の経験的サブモデルを作成することができるので、モデル全体が低計算コストで流れ場の高忠実度予測を行うことができる。このプロセスにはいくつかの構成要素があり、各々が地形特徴から生じる特定の流れ構造に関係しており、これについては以下の図１１〜図１３で概説する。
【００６４】
経験的地形サブモデル
１）地形後流（図１１）
２）地形後流界面への自由流（図１２）
３）加速により誘発されたシア流モデル（図１３）
【００６５】
図１１および図１２を参照すると、地形の知識と、可変流入角度および速度についての経時的な様々な発電基地風速計の統計的追跡とにより、（経時的に地形の影響のマップを作成することが）可能になり、これを使用して連続性モデルの予測を増強することができる。というのは後流自体が地形のような閉塞の形態だからである。
【００６６】
図１３を参照すると、発電基地の流入角、および流速の経時的な変化に応答して、地形後流の境界が移動し、界面を横切る速度プロファイルのモデルを確定することが可能になり、これにより発電基地の連続性流れモデルをさらに増強することができる。時間に対する測定も垂直シア流に関する情報を提供することができる。
【００６７】
タービン負荷に影響を与える主要要因の１つは、垂直シア（高さによる風速の変化）である。タービンブレードの長さにわたる高さによる速度の差は、ブレード、ベアリング、およびタワーに影響を及ぼし得る有害なモーメント負荷を導入する。シアの局所的予測を改善することは重要な側面である。ベースラインシアは、発電基地の風況観測マスト（異なる高さにセンサを有する）で測定することができるが、タービンにかかる負荷の予測を向上させるには、シアプロファイルが地形によってどのように変更されるかが重要な要因である。前述したように、これは連続性の影響（高さによる閉塞の変化）によって部分的に調整されるが、地表境界層と風速による速度プロファイルの変化とに関連する重要な他の影響がある
【００６８】
風速計は、発電基地の流入に対する速度の時間履歴を記録し、風況観測マスト測定値から予想される速度と比較した測定速度に対する偏差により、シアに対する地形の影響の経験的モデルを作成することが可能になる。
【００６９】
風況観測質量における突風により、シアプロファイルに対する加速の影響をモデル化することが可能になる。この加速の影響は、発電基地領域で、連続性モデル予測から加速していることが知られている流れ場内の点において適用することができる。
【００７０】
地形の影響の計算流体力学（ＣＦＤ）モデルによる強化
【００７１】
タービン負荷への影響という点での地形の局所的な影響も、ＣＦＤモデルを使用して計算することができる。この手法では、全体的な発電基地の流れ場とタービンの近くの局所的流れ場とが計算される。局所的流れ場の情報は、タービンの近くの局所的流れと関連付けられるロータ負荷を計算するために翼素運動量（Ｂｌａｄｅ  Ｅｌｅｍｅｎｔ  Ｍｏｍｅｎｔｕｍ（ＢＥＭ））コードと併用することができる。これはＬＬＥＣＭ手法を増強するもう１つの方法である。
【００７２】
サイト故障率データの分析による強化
【００７３】
タービン故障率の修正への影響という点での地形の局所的な影響も、風力発電基地の故障率データの詳細な研究およびそれをサイト地形レベルと関連付けることによって確定することができる。地形がより厳しいサイトでは、部品故障率が高くなる傾向がある。局所的な地形特徴に関連した故障したタービンの特定の場所の大規模なデータセットに関する詳細な研究を使用して、ＬＬＥＣＭ手法を増強することができる。
【００７４】
増強された連続性モデルによって強化されたＬＬＥＣＭ手法の概要
【００７５】
増強された連続性モデルによって拡張されたＬＬＥＣＭ手法のフローチャートが図１０に概略的に示されている。
【００７６】
ＬＬＥＣＭの追加考慮事項
【００７７】
タービン損傷の増加を引き起こすロータ負荷の増加は、典型的には、タービンロータに与えられる流れに非対称性があることの結果として発生する。これは、タービンのヨー誤差や地形の影響を受けて乱流が発生することや、地面に近い流れがより遅いこと、およびタービンロータが地表境界層で動作していることから形成された自然のウインドシアが原因である可能性がある。
【００７８】
局所的な風の流入条件からのロータ負荷の詳細な直接計算は、様々な計算方法で行うことができ、一般的にはＢＥＭコードが使用されるが、揚力線渦モデルやアクチュエータ・ライン・モデルなどの他の方法も使用される。計算集約的であるためにあまり一般的ではないが、タービンロータに直接ＣＦＤを使用することも可能である。
【００７９】
これらの負荷の間接的な計算は、局所的な増幅メトリックに基づいてサイトの風力クラスについて計算された負荷をスケーリングすることによってなされる。この一例が、上記で概説した手法である、風速計の偏差データと直接相関する負荷スケーリングを仮定することである。
【００８０】
この手法は基準風センサの使用を必要とし、基準風センサは風況観測マストまたは風力タービン風速計のどちらかとすることができる。理想的な事例では、この基準センサは局所的な地形による強い影響を受けず、サイト全体を表す。これが不可能な状況では、基準センサは仮想的なものとすることができ、サイトの全風況測定センサから統計的に構築される。この手法の一例は、すべてのサイトセンサから平均風速と平均風向とを計算することであろう。より複雑な手法は、発電基地の地形データセットが利用できる状況では、サブセットおよび／または重み付けを使用して、より穏やかな地形にあるセンサにより強い値を与えることを含むであろう。
【００８１】
広義には、本発明は、地形の影響を受けない風速計または風況観測マスト（基準センサ）を識別することを含む。次に、基準センサに対する局所的なタービン風速計偏差のビンが計算される。偏差は、ほとんどの場合、負荷がより悪い（増加する／強化される）ことを意味する。最も単純な手法では、サイトの負荷は局所的な風速計偏差の大きさに基づいた係数でスケーリングされる。他の場合には、偏差はより複雑であり、これはＣＦＤかＣＦＤとほとんど同じことをする方法を使用して考案することができる。それ自体のＣＦＤでは実際には負荷を与えられず流れだけであり、そのため強化された方法において負荷を取得するためにＢＥＭコード（または他の方法）（単にサイト負荷をスケーリングすることの代替方法はサイト負荷を正しく計算することである）。
【００８２】
本発明はまた、風力発電基地内の風力タービンを制御するためのコンピュータ可読製品も提供し、この製品は、上述した方法のステップを実施するためのコード手段を含む。
【００８３】
本発明はまた、上述した手法のいずれかによるステップを実行するように構成された風力発電基地内の風力タービンを制御するための制御システムも提供する。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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