FEATURED ARTICLES

地球環境との共生をめざす次世代エネルギーソリューション

5 MWダウンウィンド風力発電システムの実証とスマート運転制御への展開
風力発電は，世界ではすでに主力電源になりつつあり，日本においても安定供給や環境適合，安全性の観点から期待が高まりつつある。さらなる発展のためには，設置環境に適合した信頼性や経済性が高い風車を提供する必要があり，特に日本近海においては，先行している欧州などと比べて環境が厳しいという課題がある。
日立はそれに応えるべく，洋上向けの5 MW風車を開発しており，高風速地域向け風車の実証試験を終え，低風速地域向け風車の実証試験に移行している。また，浮体式風車への対応も進めている。本稿では開発・実証状況を，信頼性や経済性を高めるうえで重要となる風車制御に焦点を当てて報告する。

清木 荘一郎｜ Kiyoki Soichiro
坂本 潔｜ Sakamoto Kiyoshi
角谷 啓｜ Kakuya Hiromu
佐伯 満｜ Saeki Mitsuru

本稿では，風車の仕様・特徴や開発状況を解説し，実1. はじめに証機での実証状況や浮体式風車の開発状況を，主に制御

再生可能エネルギーは，世界においては2015年に設

2. 5 MWダウンウィンド風車に焦点を当てて述べる。

備容量が石炭火力発電を超え，主要なエネルギー源になりつつある1）。また日本でも，経済産業省におけるエネ
ルギーミックスの議論の中で，2014年の12.8％から2.1

2030年には22〜24％にすることをめざして導入を進め

風車仕様・特徴

2）ることが示され，風力発電はそのうち1.7％である 。
日本における風力発電の課題の一つとして，日本の環境に適合した風車の開発があり，洋上，台風，地震，落雷
3）への対応が求められている 。
日立は，そのような社会的需要に応えるべく，信頼性

38

日立の5 MW風車の仕様（表1参照）やコンセプト4），5）の概要は以下のとおりである。
コスト低減策としては，主に次の3点が挙げられる。
（1）風車の容量を最も安価なモノパイル方式の基礎が採用可能な5 MWとした。

を高めた洋上向け5 MW風車を開発している。また，遠（2）2軸軸受け外輪駆動方式を採用することでナセルを洋に設置できることで，より安定的にかつ多くの発電が軽量化し，風車支持物の荷重を低減した。

可能な浮体式洋上風車の実証試験も開始する。

（3）平均風速が高いサイト向けのHTW5.2-127と平均風

表1｜HTW5.2-127およびHTW5.2-136基本仕様

図1｜HTW5.2-136パワーカーブ

高風速地域向けのHTW5.2-127と低風速地域向けのHTW5.2-136を開発した。

風況マストの風車ハブ高さ風速と電力との相関を描いたものを示す。

HTW5.2-136

127 m

136 m

ブレード枚数33

ロータ位置

ダウンウィンド

ダウンウィンドティルト角­8 deg­8 deg

出力制御

ピッチ・可変速

ピッチ・可変速コーニング角

5 deg

5 deg

極値風速55 m/s

55 m/s

年平均風速10 m/s

7.5 m/s

乱流カテゴリAA

増速比

約1：40約1：40

発電機種別

永久磁石同期発電機

永久磁石同期発電機

PCS方式

フルコンバータ

フルコンバータ

6，000000
5，電力（kW）

HTW5.2-127
ロータ直径000
4，000
3，2，000000
1，00

計測値
計画値

510152025

風速
（m/s）

注：略語説明PCS（Power Conditioning System）

速が低いサイト向けのHTW5.2-136をラインアップした。
信頼性向上策としては，主に次の3点が挙げられる。

3. HTW5.2-127の実証機状況（1）台風襲来地を想定して設計極値風速を55 m/s（10分 間 平 均） と し，HTW5.2-127は 風 速57 m/s（IEC

3.1
FRT試験

6）

Class T ）への対応も視野に入れている。
（2）ダウンウィンド方式を採用し，暴風停電時にパッシ風力発電が普及し，総電力量に対する割合が高まった

ブヨー制御にスムーズに移行することで，暴風時の荷重ことで，系統の電圧を維持するため，風力発電において低減および信頼性向上を図った。

も短い系統事故時には発電を継続すること（FRT：（3）ダウンウィンド方式のメリットを生かし，ナセル前Fault Ride Through）が求められることとなった10）。そ方にラジエータを配したパッシブ冷却方式を実現した。

こで，HTW5.2-127においてそれに対応した制御を導入し，実証機で検証した。電気的な評価については既報9），11）

2.2のとおりであり，ここでは制御上の工夫や機械的な評価開発状況について報告する。

これまで，ブレードに対する負荷試験や落雷試験，ド主にブレードによって構成される低速軸側のロータとライブトレインに対するBack to Back試験や模型試験な発電機のロータを比較すると，慣性モーメントは増速機どの要素検証を行い，また，工場試験にて制御や振動特の増速比を考慮しても低速軸側のほうが大きく，系統事

5），7）性の検証を行った。その後，陸上実証機において故などにより発電機トルクが急激に低下すると，ドライ

HTW5.2-127に対する約1年の実証試験を実施し，発電ブトレイン全体の回転速度が上がると同時にドライブト

性能や耐久性などを確認した8），9）。

レインの固有振動が発生する。系統電圧が復帰して発電

2016年9月には実証機のブレードをより長いものに載機トルクを再び増加させる場合，タイミングが悪いとこせ替えることでHTW5.2-136に対する実証機とし，同時の振動を助長するため大きなトルクが発生し，機器が破に増速機を国内メーカー品に変更した。試運転を経て損するおそれがある。そこで，次の2つの対策を施した。

2016年11月から商用運転に移行し，現在各種データを（1）系統事故時に発電機トルクをできるだけ残すことで蓄積している。HTW5.2-136の実証機は発電性能で当初衝撃力を緩和する。の予定をほぼ満足することが確認され（図1参照），開（2）自動でタイミングよくトルクを上昇させる制御方法

発は最終段階まで来ている。

を開発し，振動を抑制する。
系統事故時の系統電圧の残存率は事故時間の関数として与えられており10），それを基に試験条件を定めた（表2参照）。機械的には試験No.8（短絡時間0.15 s，電Vol.99 No.02 178-17939表2｜FRT（Fault Ride Through）試験条件
系統連系規程を基に設定した。

No.

発電電力

短絡条件

1

三相2二相3

三相45

短絡時間

二相

（1）20％（低風速時）（2）100％（高風速時）

三相

6

二相7

三相8

二相

残電圧率

1.4 s

84%

0.9 s

49%

0.45 s22%0.15 s0%

図2｜FRT時の発電機トルク

図4｜FRT時の高速軸トルク

計測値を定格値で正規化した値を示す。系統事故は0〜0.15 sで発生した。

発電機のトルクと回転速度から過渡現象を考慮して算出し，定格値で正規化した値を示す。

2高速軸トルク（p.u.）

発電機トルク（p.u.）

1.5

10.50−1012341.5
10.50−0.5−15計測値
基準値

01時間（s）

2345時間（s）

図3｜FRT時の発電機回転速度

図5｜FRT時の低速軸トルク計測値を定格値で正規化した値を示す。

低速軸で計測したひずみより算出し，定格値で正規化した値を示す。

2低速軸トルク（p.u.）

発電機回転速度（p.u.）

1.15
1.1
1.05
10.95
0.9

−10

12時間（s）

345

1.5
10.5
0−0.5−1

計測値
基準値

012時間（s）

345圧率0％，2相短絡）において最も厳しい結果となった

ティカルになることが多い暴風待機時の荷重について報（図2〜図5参照）。系統電圧復帰（時刻0.15 s）後，すぐ告する。には発電機トルクを上げずに時刻0.5〜1.0 s間でトルク設計で想定している暴風待機時のヨー制御（風向に対を増加させることで振動を抑制し，低速軸や高速軸のトしてロータ面を追従させる制御）は次の3通りであり，ルクも許容値内に抑えることに成功した。

本稿では（3）の実測結果を報告する。
（1）系統通電時にヨーアクチュエータによって制御する

3.2（アクティブヨー制御）。

暴風待機（2）停電時にダウンウィンド形態により受動的に制御す

風車強度の設計検証のためには，設計時に想定したさまざまな条件下における荷重の妥当性を実測によって確認する必要がある。疲労に影響が大きい発電時の荷重に8），9）

ついては過去に報告した40。本稿では，静強度でクリる（パッシブヨー制御）。
（3）風車が異常停止している場合に制御しない。
2016年8月22日に実証機サイトに台風9号が接近した。
風車近傍に設置された風況マスト（高さ90 m）
において，FEATURED ARTICLES

地球環境との共生をめざす次世代エネルギーソリューション

図6｜台風襲来時の風速および風向・ヨーエラー時歴風速（m/s）

40

風車の西南西約300 mに設置された高さ90 mの風況マストにおける10分間の統計値を示す。ヨーエ
ラーは，風向からナセル方位角を引いたものである。

10分間最大10分間平均302010089101112131415161718192014151617181920

風向（deg）

250
風向（10分間平均）ヨーエラー（10分間平均）

200
150
10050
8910111213

時刻（時）

瞬間最大風速37.7 m/sが観測され，風向は約6時間で前後方向よりも横方向において大きく，横方向の曲げ100 degから200 degに変化した（図6参照）。このときモーメントは12時までの横風では風速が高くなるにつ風車は異常停止中であり，ヨー制御していなかったことれて平均値が大きくなり，その後は風速が高くなって変から，12時頃まではほぼ横風（ヨーエラー90 deg）
，16動が大きくなることで，15時頃に設計値の0.207倍とな時以降は通常と反対側からの風（ヨーエラー180 deg）る最大値を観測した。
今後，設計風速においても極値荷重が問題とならないとなった（同図参照）。
ブレードルート部の曲げモーメント（図7参照）は，かさらなる検討を行う。
また，
アクティブヨー制御やパッ8〜9時は風速が低くロータが遊転しなかったためほぼシブヨー制御における暴風待機時のデータを取得し，評一定値であったが，遊転し始めると変動し，風速が高い価を行う予定である。

15時頃には設計値の0.277倍となる最大値を観測した。
タワー基部の曲げモーメント（図8参照）は，風車の図7｜台風襲来時のブレードルート部曲げモーメント時歴正規化したブレードエッジ方向
曲げモーメント
（−）

遊転
0.3
0.2
0.10
−0.1
−0.2

8

正規化したブレードフラップ方向
曲げモーメント（−）

計測されたひずみより算出したエッジ方向（上図）
およびフラップ方向（下図）の曲げモーメントを設計極値荷重で正規化した値を示す。サンプリングは50 Hzである。

ブレード1ブレード2ブレード391011121314151617181920

ブレード1ブレード2ブレード30.3
0.2
0.1
0
−0.1
−0.2

891011121314151617181920

時刻（時）Vol.99 No.02 180-181

41正規化した風車前後方向
タワー曲げモーメント（−）

正規化した風車横方向
タワー曲げモーメント（−）

図8｜台風襲来時のタワー基部曲げモーメン
ト時歴
0.2
0.15
0.1
0.05
0
−0.05
−0.1

タワー基部で計測されたひずみおよびナセル方位角より算出した風車横方向（上図）および風車前後方向（下図）の曲げモーメントを設計極値荷重で正規化した値を示す。サンプリングは50 Hzである。

8910111213891011121314151617181920141516171819200.2
0.15
0.10.050−0.05
−0.1

時刻（時）

ことである。2016年7月に福島沖へ浮体を設置し，9月4. 福島5 MW浮体式風車の開発状況に連系ケーブルの接続を完了し受電した。2017年3月まで試運転を実施し，4月以降は発電運転の実証をする計画である。

本章では，上述の5 MW風力発電システムを洋上に浮浮体式洋上風力発電システムは，浮体構造物が洋上にかべた浮体構造物上に設置する浮体式洋上風力発電シス浮かべられているため，その姿勢（傾き）が変化しやすテムの開発状況について述べる（図9参照）。このシスい。特に，発電運転時にロータ回転速度を定格値に保持テムは，経済産業省委託事業「福島浮体式洋上ウィンするようにブレードピッチ角度を調整することで，シスドファーム実証研究事業」において建造されたものでテムの前後方向の傾きの振動が加振される現象（ネガ12）

ティブダンピング現象）が発生する。

ある 。
浮体構造物は，円柱構造物の上下に六角形の平板状の日立は，2015年度まで継続した環境省実証事業「浮構造物（アッパーハル，ロワーハル）を配置したアドバ体式洋上風力発電実証事業」にて，2 MW浮体式風力発ンストスパーである。
アドバンストスパーの特徴は，
アッ電システムにおいて，ネガティブダンピング現象を低減

パーハルとロワーハルを設置することで浮体構造物の波する制御手法［浮体振動制御（FVC：Floating Platform

浪中動揺を抑えられるため，いわゆるスパー型に比べてVibration Control）］
を開発した13）〜15）。浮体振動制御は，浮体構造物の高さの増加を抑えられることから，スパーナセルに設置した傾斜角度センサーによりシステムの前型における洋上での起立作業などの難工事を避けられる

後方向の傾きを検出し，ブレードピッチ角度を操作してロータが受けるスラスト力を調整することで，システム

図9｜5 MW浮体式洋上風力発電システム「ふくしま浜風」の概要の前後方向の傾き振動を低減する。浮体振動制御を福島

経済産業省委託事業「福島浮体式洋上ウィンドファーム実証研究事業」において建設されたものである。

5 MW浮体式風車に適用し，5 MW風力発電システムおよびアドバンストスパーの浮体構造物への適用可能性の項目確認と性能向上を実施する計画である。実機での試運転

5.0 MWや発電運転実証に先立ち，シミュレーション検証を実施

ハブ高さ

86 m

し，福島5 MW浮体式風車においてもネガティブダンピ

風車型式

ダウンウィンド

浮体型式

アドバンストスパー

係留型式

カテナリー

係留本数6本する機能を備えている。この機能を利用し，ロータ面内仕様

で変化する風況に合わせ，ロータ1回転中にブレード定格電力

外観仕様

ング現象を低減できることを確認している（図10参照）。
また，本システムはブレードピッチ角度を独立に調整

ピッチ角度を独立に調整することで，ロータ回転軸に発42

FEATURED ARTICLES

ナセル
傾斜角度
（前後方向）
ブレード
ピッチ角度
指令

ナセル傾斜角度（前後方向） 発電電力
（MW）
（deg）

浮体振動制御（FVC）

風速（m/s）

地球環境との共生をめざす次世代エネルギーソリューション

図10｜5 MW浮体式洋上風力発電システ
ムのシミュレーション結果

30201006420105FVC適用時（実線）FVC未適用時（点線）

ナセルに設置した傾斜角度センサーによってシステムの前後方向の振動を検出し，ブレードピッチ角度を操作することで風から受けるスラスト力を調整する浮体振動制御（FVC）により，ナセル傾斜角度（システムの前後方向の角度）の振動を低減し，安定した発電運転が可能である。

0−50200400

浮体振動制御600

800 1，000 1，200 1，400 1，600
時間
（sec）

シミュレーション結果

注：略語説明FVC（Floating Platform Vibration Control）

生する曲げ荷重の低減やシステム効率の向上が可能な制御手法についても開発を進める計画である。

7）飛永，外：日立製作所5MW機の技術開発，実証，今後の展開，
日本風力エネルギー学会誌，Vol. 39，No. 1，p. 93〜96（2015）8）清木，外：5 MWダウンウィンド風車および洋上風力用浮体式変電設備の開発，日立評論，97，12，742〜746（2015.12）
9）小畑，外：5MWダウンウィンド風車の実証試験，エネルギーと動力（2016）

5. おわりに10）日本電気技 術規格委員会，系統連系規程JEAC9701-2012（2012）

本稿では，日立の5 MW風車の開発状況や，実証機で11）Ito, et al.: A verification of the FRT（Fault Ride Through）
capability for 5MW wind turbine system, WWEC（2016）の実証試験および浮体式風車の開発状況を風車制御に焦12）福島洋上風力コンソーシアム，
http://www.fukushima-forward.jp/

点を当てて述べた。

13）戸田建設株式会社：浮体式洋上風力発電実証事業委託業務
成果報告書 平成25年度（2014.6）

今後，5 MW風車開発を完遂し，浮体式の実証を行う
ことで，今後も世界的に拡大が見込まれる洋上風力市場

14）戸田建設株式会社：浮体式洋上風力発電実証事業委託業務
成果報告書 平成26年度（2015.3）に信頼性の高い製品を供給していきたい。

15）戸田建設株式会社：浮体式洋上風力発電実証事業委託業務
成果報告書 平成27年度（2016.3）

謝辞

執筆者紹介

5 MW風力発電機の開発においては，国立研究開発法
人新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO：
New Energy and Industrial Technology DevelopmentOrganization）よりご支援を頂いた。感謝申し上げる。

清木 荘一郎
日立製作所 電力ビジネスユニット 電力生産統括本部
自然エネルギー発電システム生産本部 風力発電システム部
所属
現在，風力発電システムの開発業務に従事
日本風力エネルギー学会会員

福島浮体式洋上ウィンドファーム実証研究事業においてはコンソーシアム各位よりご協力いただいており，この場を借りて御礼申し上げる。

参考文献など1）International Energy Agency : Medium-Term Renewable Energy
Market Report 2016（2016）2）経済産業省：長期エネルギー需給見通し（2015.7）

坂本 潔
日立製作所 電力ビジネスユニット 電力生産統括本部
自然エネルギー発電システム生産本部 風力発電システム部
所属
現在，風力発電システムの開発業務に従事
博士（工学）
電気学会会員角谷 啓
日立製作所 研究開発グループ エネルギーイノベーションセンタ
電力システム研究部 所属
現在，風力発電システムの制御技術開発に従事
日本機械学会会員，電気学会会員

3）山崎：風力発電導入拡大への取組と課題，第38回風力エネル
ギー利用シンポジウム（2016）4）佐伯，外：5 MW洋上風車および2 MW浮体式洋上風車の技術開発，日立評論，96，5，341〜346（2014.5）
5）飛永，外：5MW洋上風車HTW5.0-126の開発状況，第37回風
力エネルギー利用シンポジウム（2014）6）International Electrotechnical Commission, Wind turbine
generator systems - Part1: Design requirements, IEC 61400-1
edition 4 CDV（2016.12）
Vol.99 No.02 182-183

佐伯 満
日立製作所 電力ビジネスユニット 電力生産統括本部
自然エネルギー発電システム生産本部 所属
現在，風力発電システムの開発プロジェクトに従事
技術士（電気電子部門）
電気学会会員43