特 集 1 SPECIAL REPORTS 1
特風力発電システムの最新技術

集

Latest Technologies for Wind Turbine Systems1
谷山

賀浩 TANIYAMA Yoshihiro

山田敏雅 YAMADA Toshimasa

小笠原憲人 OGASAWARA Kento

風力発電システム事業は，脱炭素社会を支える有力な再生可能エネルギー（ 以下，再エネと略記 ）の一つとして，単機容量の増大や，IoT（ Internet of Things ）技術の採用による予防保全などの技術革新が進んでいる。
東芝エネルギーシステムズ（ 株 ）は，2010 年の風力システム事業への参入以来，主に国内に建設する風車そのものについて，国内法規や規程の遵守に向けた改良と一部部品の国産化を行ってきた。また，大規模 CFD（ ComputationalFluid Dynamics ）解析や風況解析を用いて複雑地形での風況評価・診断を高精度に行う技術や，狭い敷地で施工可能なシングルブレード工法のための独自装置の開発，火力・水力発電システムで培った回転機技術や制御技術を基に，風車の性能向上や系統親和性の向上を図ってきた。これらの技術を取り入れた風車の建設や稼働を通して，我が国の環境に適した日本型風車の実現を目指した着実な開発を進めている。
Technological innovations have been progressing in the field of wind turbine systems, one of the renewable energy systems aimed at achieving
a decarbonized society. Among these innovations is increased single-unit capacity, as well as preventive maintenance through analysis of datacollected from Internet of Things (IoT) devices.
Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation has been promoting wind power generation business activities, mainly in Japan, since entering the market in 2010. We have been continuously working on the improvement of wind turbine generators (WTGs) in compliance with domestic
regulations and guidelines as well as on the domestic production of several WTG components. We have also developed and introduced various
techniques, as follows: (1) development of a technique for precise evaluation and diagnosis of wind conditions, even in mountainous areas withcomplex terrain, employing both large-scale computational fluid dynamics (CFD) analysis and wind resource analysis software; (2) developmentof proprietary equipment to achieve a method for single-blade construction at small worksites; and (3) enhancement of the performance of WTGs
and their compatibility with power systems based on rotating machine technologies and control technologies cultivated through our thermal andhydroelectric power generation businesses. We are steadily working toward the realization of WTGs appropriate to the Japanese environment
based on knowledge accumulated through construction and operation using these techniques.

1．まえがき2．風況解析手法の高度化と風況診断技術

東芝エネルギーシステムズ（ 株 ）は，2010 年に風力システ

国内では，山岳地域への風車建設も多く，このような場ム事業へ参入して以来，国内に建設する風車では，風車そ合，風況解析を用いて複雑地形での風況評価・診断をよのものについて，国内法規や規程を遵守するための改良と，り高精度に行うことがポイントとなる。当社は，大規模 CFD一部部品の国産化を進めてきた。また，その一方で，火解析に加え，業界標準の風況解析ソフトウェアを多用し，力・水力システム事業で培った回転機技術や制御技術を基それぞれの特性を評価・把握することで着目すべき指標ににした，風車の性能向上や系統親和性の向上に向けた研合致した手法を選択し，より信頼性の高い診断を行ってい究開発も進めている。

る。また，地形模型を用いた風洞試験やサイトでの実風況

ここでは，これらの中から特筆すべき最新技術について，述べる。

計測結果から，これら解析手法の評価精度の向上や診断指標の拡充など，風況解析技術の高度化も推進している。
この章では，その代表的な技術について述べる。

東芝レビュー Vol. 74 No. 1（ 2019 年 1 月 ）13

を進めている。この共同研究の中で得られた成果を，以下2.1 地形に起因した乱流の評価（注1）

図 1は， 業 界 標 準の風 況 解 析ソフトウェア⑴である⑵に説明する。

MASCOT とRIAM-COMPACT を用いて解析したもので，実地形では，大小の山岳形状が幾重にもランダムに重な複雑地形を構成する単体の山岳形状を対象とした結果のうり，山岳頂上付近の剝離流れも互いに干渉，影響を及ぼしち，風速の平均値分布を示している。いずれも，山岳頂上合う。その様子を的確に捉えるため，実地形の模型を用い付近から流れが剝離し，後流側で流れの様相が大きく変化た風洞試験の様子を図 2に，RIAM-COMPACTによる風況する同様の傾向が得られている。また，いずれも平均風速の解析結果を図 3に示す。

や乱れの標準偏差が同じ形状模型を用いた風洞試験結果と図 4に，解析手法の改善前後の結果と実測の風速分布高い精度で一致し，複雑地形における年間平均風速や風の比較を示す。改善前は，風車の受風面である高度 40 〜

車設計の妥当性などの事業性評価に有用であることが確認できた。MASCOTは，年間平均風速や風車設計の妥当性など，事業性を短時間で評価することに適している。一方，乱流場や異常気象時などの非定常的な条件下における風車健全性や複数風車間の相互干渉などの評価については，非定常 LES（ Large Eddy Simulation ）解析手法をベースとするRIAM-COMPACTに注目している。当社は，陸上での風車設置適地の減少や洋上大規模ウインドファームの増加に備えるのに加え，更に異常気象時の風車健全性の評価を目的に，非定常の風況解析の信頼性向上を目指し，国立大学法人 九州大学 応用力学研究所 新エネルギー力学部
門 風工学分野とRIAM-COMPACTを対象とした共同研究
図 2．実地形の模型を用いた風洞試験

風速の平均値
低高実地形では，大小の山岳形状が重なり，山岳頂上付近の剝離流れも互いに干渉，影響を及ぼし合う。その様子を的確に捉えるため，実地形の模型を用いて風車設置地点の風況を評価する。

Wind tunnel experiment using complex terrain model

風向風速（矢印の色）
低孤立峰高⒜ MASCOTによる解析結果

風向孤立峰⒝ RIAM-COMPACTによる解析結果

図 1．風況解析ソフトウェアの比較評価例
単純な孤立峰地形を対象とした解析結果であり，いずれも同じ形状模型を用いた風洞試験結果と高い精度で一致し，事業性評価に有用であることが確認できた。

Example of comparative evaluation by wind resource analysis software（ 注 1 ） 広域地形における風向・風速を解析し，風車発電量の予測や風車設置位置の検討などで，ウインドファーム開発を支援するソフトウェア。

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図 3．実サイトの風況解析結果
RIAM-COMPACTを用いた非定常解析により，地形に起因した風の乱れを再現している。

Result of wind resource analysis at actual wind farm

東芝レビュー Vol. 74 No. 1（ 2019 年 1 月 ）特集1 SPECIAL REPORTS 1

特集280240
風速測定面

高度（m）

2001

実測値
160120解析結果
（改善後）

80

解析結果
（改善前）

40
000.5

1.0

無次元化風速図 6．2 MW 風車のスケールモデルを用いた風洞試験
図 4．風況の実測と解析結果の比較
風洞試験の結果を受けて解析パラメーターをチューニングすることで，高精度な風速の解析結果が得られた。

風車を回転させ，後流風速の状態を計測して解析結果を検証することで，評価精度を向上させる。

Wind tunnel experiment using 2 MW wind turbine scale model

Comparison of results of measurement and analysis of wind speed
at wind farmとして，実風車のスケールモデルによる風洞試験（ 図 6 ）や120 m 付近での差異が大きかったが，風洞試験の結果を大規模流体解析のほか，実風車の後流計測などを実施し，受けて解析パラメーターをチューニングした結果，改善後評価精度の向上に努めている。の風速分布を得ることができ，誤差を数 % 以下に収めることに成功した。

3．風車状態監視に向けた大規模挙動計測

このように，今後のウインドファームの大型化や洋上風力シ

当社は，鹿児島県の長島黒ノ瀬戸風力発電（ 株 ）の新長ステムに向け，解析精度を担保する技術開発を進めている。

島黒ノ瀬戸風力発電所（ 図 7）に，風車 U88E（出力2 MW）

2.2を2 基納入しているが，国内の複雑地形における風車挙動

風車通過後の後流影響評価

複数の風車が設置されるウインドファームでは，後流側にの把握を目的に，この風車に300 個以上のセンサーを設置設置された風車において，発電量の低下や風の流れの乱れした大規模計測を2013 年から実施している。この計測でによる疲労荷重が増大するリスクがある。したがって，2.1

は，ブレードをはじめとする風車の主要構成品を中心に，ひ項で述べた地形に起因した乱流だけでなく，風車後流の影響も考慮した上で，風車配置を検討することが重要となる。
図 5に，両視点を考慮した解析例を示す。この手法の検証

風速低風車

風車風車高風車

図 5．風車後流を評価する風況解析結果
上流風車を通過後の風の流れの乱れが下流風車へ影響を与えることもあり，地形に起因した乱流だけでなく，風車後流の影響も考慮した上で，風車配置を検討することが重要となる。

Result of wind resource analysis for evaluation of wake flow behind
wind turbine

風力発電システムの最新技術

図 7．新長島黒ノ瀬戸風力発電所に設置された風車
出力2 MWの風車 2 基から成る。風車に300 個以上のセンサーを設置し，風車の挙動を評価している。

Wind turbines for Shin-Nagashima Kuronoseto Wind Farm

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1.0系統タワー2階部分
タワー3階部分ひずみ（規格化）

送電設備

タワー4階部分0.8

変圧器
0.60.4var

PF

ファーム制御

集電設備

部分負荷

0.20W

定格フェザリング

0510152025風速（m/s）
定格：通常運転時

部分負荷：出力制限運転時

図 8．タワーのひずみ量の分析結果
ひずみの傾向やひずみがピークとなる風況など，風況との関連性が確認できる。

Results of strain analyses of wind turbine tower

QQ

Q

Q

Q

Q

Q

Q

PPPPPPPP

風車

風車

W ：Output Power（発電出力）
var：Reactive Output Power（無効電力出力）
PF ：Power Factor（力率）
Q ：Reactive Power Resource（無効電力源）
P ：Active Power Resource（有効電力源）

図 9．ウインドファーム制御の構成
プラント規模での複数風車を統括制御するものであり，導入が増大した小規模系統での需給バランス・系統安定化のために，実運用が見込まれている。

ずみや，加速度，電気特性などを計測するとともに，状態

Schematic diagram of wind farm control system

監視システムのアラート基準の構築を行っている。更に，風況ポールやLIDAR（ Light Detection and Ranging ）でのために，ウインドファーム制御の実運用が活発になることが計測データを2 章で示した解析手法と融合させて，詳細な見込まれている。再エネ電源導入の比率が現時点では低い挙動分析も進めている。

国内の電力系統においても，一部の地域では系統容量に対計測データの一例として，タワーのひずみ量の分析結果する再エネ電源導入の比率が高くなってきており，風力発電を図 8に示す。通常運転時では，ひずみは風速の増加ととの調整力によって系統に貢献する検討が進められている。

もに増加し，ブレード迎え角を制御して出力を減衰させる

U88Eは，ピッチ制御とフルコンバータータイプのPCS（パピッチ制御の開始以降に減少することが確認できる。また，ワーコンディショナー ）の持つ電流制御を備えている。このひずみはタワーの低層階の方がより大きく，ブレードを回転制御の上位にウインドファーム制御機能を持たせることで，させて風を逃がす位置にしたフェザリング時は，非常に小さ

連系点出力で80 %/ 分の調整力を実現できる。

い値となる傾向などが確認できる。このほか，計測により，この調整力を用いることで，既存電源である大型発電機ブレードのひずみが最も大きくなる長手方向の位置や風況とが備えているロードリミッター運転や，ガバナーフリー運転，の関連性が明らかになっている。

慣性応答，送電電圧制御といった機能に相当する調整力

引き続き，機器の経年劣化を観察し，ビッグデータに裏を実現できると期待される。風車は，既存の大型発電機と付けされた，風車稼働条件の詳細な設定などを明らかにし，は異なり，風力発電で一定の出力を持続することが不可能稼働率向上へつなげていく。

なほか，大型発電機ほどの慣性力も提供できない。しかし

4．ウインドファーム制御の動向
ウインドファーム制御は，図 9に示すように，プラント規模での複数風車を統括制御するものである。欧米では既に標準的に搭載されているが，電力市場では，再エネ発電電力が優先的に売電されてきたため，ウインドファーム制御の実一方では，前述のように速い出力変化率を実現できるほか，パワーコンバーターの機能を生かした系統動揺の低減などにも貢献できると考えられる。

5．僧都ウィンドシステムでのシングルブレード工法の採用運用はまだ途上段階にある。近年では，再エネ電力価格の国内では，平野部で風車建設を行うにしても，潤沢な工低下に伴う調整力市場への拡大や，再エネ電源導入の比事用敷地の確保が難しい。更に，平野部で風況の良い箇率が増大した小規模系統での需給バランス・系統安定化の所は減少してきており，今後，風車の立地点は山岳地帯に

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東芝レビュー Vol. 74 No. 1（ 2019 年 1 月 ）特集1 SPECIAL REPORTS 1

また，ブレードが水平に取り付けできる位置まで，ハブを強制的に回転させる仕組みも必要となる。このために，ナ当社の子会社であるシグマパワージャネックス
（ 株 ）が，セル内のドライブシャフト後端（ 発電機背部 ）に，仮設電源愛媛県愛南町に計画している僧都ウィンドシステムのプロからの電力供給によって駆動力をシャフトへ伝達させるロージェクトにおいても，山脈の尾根上に風車（ U88E ）が 8 基ター回転装置を開発した。この装置は，常設ではないため，並ぶため，敷地面積の極小化が必要となった。3 枚のブ取り付け時と取り外し時の作業効率の向上も考慮している。

レードを，あらかじめ放射状に配してから上架すると，どうこれらの特殊装置を導入し，現地では2018 年 7月からしても広範囲な敷地を必要とする。そこで，当社もこのプロブレードの据え付けを開始し，確実にブレードが据え付けらジェクトに合わせ，ブレードを1 枚ずつ上架するシングルブれることが確認できている。

レード工法の開発を行った。

今回の経験を基に，より安全なシングルブレード工法のシングルブレード工法を実現するには，ブレードを水平に持ち上げ，ハブと呼ばれるブレード支持構造物に結合させる必要がある。このため，まず，クレーン1 基でブレードを確立に向け，改善していく計画である。

6．あとがき水平に上架させるための，つり天秤（てんびん）をU88E 用風力システム事業は，脱炭素社会を支える有力な再エネに開発した。この天秤は，図 10に示すように，4 点でブレーの一つとして，洋上向け単機容量の増大やIoT 技術の採用

ドを支える構造で，ブレード重量のほか，風荷重なども考による予防保全など，全世界で技術革新が進んでいる。

慮して十分な裕度を持つ機械強度で設計をしている。また，当社は，今後も，その一翼を担うべく，今回述べた技術施工性を向上させるため，ブレードの取り付け後には，つり開発をはじめとして，風車そのものや，風車関連の技術開ひもを支えるピンが遠隔で開放されて，スムーズに天秤から発を進めていく。

切り離しできる装置を搭載している。

文 献⑴

石原孟．非線形風況予測モデル MASCOT の開発とその実用化．

ながれ．2003，22，5，p.387‒396．

つり天秤

⑵
ブレード

ハブ

ナセル

内田孝紀，大屋裕二．風況予測シミュレータRIAM-COMPACTの開発−風況精査とリアルタイムシミュレーション−．ながれ．2003，22，5，p.417‒ 428．

⒜ ブレード上架用つり天秤

谷山 賀浩

ローター回転装置

TANIYAMA Yoshihiro

東芝エネルギーシステムズ（株）
エネルギーシステム技術開発センター 回転機器開発部
日本機械学会会員Toshiba Energy Systems & Solutions Corp.

山田 敏雅
タワー
⒝ ナセル内に設置した装置⒞ 施工の様子

YAMADA Toshimasa

東芝エネルギーシステムズ（株）
火力・水力事業部
火力情報制御技術部
Toshiba Energy Systems & Solutions Corp.

図 10．作業敷地を確保するためのシングルブレード工法

小笠原 憲人ブレードを水平に取り付けるためにハブを回転させて位置調整を行うローター回転装置や，ハブにブレードを結合させるためにクレーン1 基でブレードを水平に上架させるつり天秤を開発した。

東芝エネルギーシステムズ（株）
エネルギーアグリゲーション統括部
再生可能エネルギー技術部

Single-blade construction method to minimize worksite area

Toshiba Energy Systems & Solutions Corp.

風力発電システムの最新技術

OGASAWARA Kento

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集極小化の観点から厳しい状況となっている。

特移行するが，敷地の面積を確保するのは，森林伐採面積の1