JP4102278B2

JP4102278B2 - 風力発電システム

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Publication number: JP4102278B2
Application number: JP2003333979A
Authority: JP
Inventors: 康夫吉田; 紘史神保; 隆敏江上; 嘉仁平野; 俊行安藤; 仁中山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-03-19
Filing date: 2003-09-25
Publication date: 2008-06-18
Anticipated expiration: 2023-09-25
Also published as: JP2004301116A; US6946751B2; EP1460266B1; EP1460266A3; DK1460266T3; EP1460266A2; US20040183307A1

Description

この発明は、風力発電機前方の風況を事前に観測し、風力発電機の高効率運転制御を行うか、または風力発電機を含めたシステム全体の出力制御や、出力平滑化を行う風力発電システムに関するものである。

従来の、風況を予測する風力発電システムは、電波を利用したドップラーレーダを用いて風力発電機前方の風ベクトルを測定し、その風ベクトルから風力発電機の出力値を予測し、予測出力値に基づいて、電力系統側発電機の出力制御を行うものである（例えば、特許文献１参照。）。

また、別の風力発電システムとして、風力発電機とディーゼル発電機を組み合わせたものがあり、風力発電機の周囲に配置された風速計の実測値に基づいて、風速のデータベースから、風力発電機が発電するエネルギー出力値を算出する。算出された出力値が上がる場合はディーゼル発電機を停止させ、出力値が下がる場合はディーゼル発電機の運転がなされる。（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００２−１５２９７５号公報特開平１１−１５９４３６号公報

従来の、特許文献１の風力発電システムでは、風況予測情報を他発電機の出力抑制制御で吸収するのみであり、風力発電機自体の性能向上やシステム全体の効率向上をはかることができないという問題があった。

また、特許文献２の風力発電システムでも、風力発電機と組合わされたディーゼル発電機を制御することで一定の電力を供給するのみであり、風力発電機自体の性能向上をはかることができないという問題があった。

風力は環境に最もやさしい自然エネルギーの一つであり、その高効率利用は社会的に非常に望まれている。しかし、風力発電機の構造が単純なために、機械的な技術革新が非常に困難であるという問題があった。

この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、風況を予測して風力発電機システムの高効率運転制御を行うか、または風況を予測して出力安定（平滑）化することが可能な風力発電システムを得ることを目的とする。

この発明に係わる風力発電システムは、風力発電機、上記風力発電機に取り付けられるか、またはその近傍に配置されるレーザ式風向風速計を備え、上記レーザ式風向風速計は、上記風力発電機に向ってくる風の風向風速を観測し、その観測結果に基づいて、上記風力発電機のヨー角・ピッチ角を制御し、上記風力発電機を含む風力発電システムの出力制御を行うものであって、上記レーザ式風向風速計は、水平風速検出用光学系部と垂直風速検出用光学系部を用いて、上記レーザ式風向風速計から上記風力発電機前方に射出されたレーザ光が、上記風力発電機の位置から離れた位置に存在する、空気中に浮遊し、風に乗って風速と同速度で移動するエアロゾルに当たって散乱する散乱波を捉え、上記レーザ光とその散乱波との間のドップラー効果による位相差を検出することにより、上記風力発電機に向ってくる風の風速ベクトルを観測するものである。

また、この発明に係わる風力発電システムは、風力発電機、上記風力発電機に取り付けられるか、またはその近傍に配置されるレーザ式風向風速計を備え、上記レーザ式風向風速計は、上記風力発電機に向ってくる風の風向風速を観測し、その観測結果に基づいて、上記風力発電機のヨー角・ピッチ角を制御し、上記風力発電機を含む風力発電システムの出力制御を行うものであって、上記レーザ式風向風速計は、水平風速検出用光学系部から水平面内で異なる方向に射出されるＰ偏光とＳ偏光を用いると共に、垂直風速検出用光学系部から垂直面内で異なる方向に射出されるＰ偏光とＳ偏光を用いて、上記レーザ式風向風速計から上記風力発電機前方に射出されたレーザ光が、上記風力発電機の位置から離れた位置に存在する、空気中に浮遊し、風に乗って風速と同速度で移動するエアロゾルに当たって散乱する水平風速検出用Ｐ偏光散乱波とＳ偏光散乱波並びに垂直風速検出用Ｐ偏光散乱波とＳ偏光散乱波を捉え、上記レーザ光とそれらの上記散乱波との間のドップラー効果による位相差を検出することにより、上記風力発電機に向ってくる風の風速ベクトルを観測するものである。

この発明の風力発電システムによれば、風力発電機、上記風力発電機に取り付けられるか、またはその近傍に配置されるレーザ式風向風速計を備え、上記レーザ式風向風速計は、上記風力発電機に向ってくる風の風向風速を観測し、その観測結果に基づいて、上記風力発電機のヨー角・ピッチ角を制御し、上記風力発電機を含む風力発電システムの出力制御を行うものであって、上記レーザ式風向風速計は、水平風速検出用光学系部と垂直風速検出用光学系部を用いて、上記レーザ式風向風速計から上記風力発電機前方に射出されたレーザ光が、上記風力発電機の位置から離れた位置に存在する、空気中に浮遊し、風に乗って風速と同速度で移動するエアロゾルに当たって散乱する散乱波を捉え、上記レーザ光とその散乱波との間のドップラー効果による位相差を検出することにより、上記風力発電機に向ってくる風の風速ベクトルを観測するものであるので、風速ベクトルを含む風況を精度良く検出することができ、高効率運転制御を行うことができる。

また、この発明の風力発電システムによれば、風力発電機、上記風力発電機に取り付けられるか、またはその近傍に配置されるレーザ式風向風速計を備え、上記レーザ式風向風速計は、上記風力発電機に向ってくる風の風向風速を観測し、その観測結果に基づいて、上記風力発電機のヨー角・ピッチ角を制御し、上記風力発電機を含む風力発電システムの出力制御を行うものであって、上記レーザ式風向風速計は、水平風速検出用光学系部から水平面内で異なる方向に射出されるＰ偏光とＳ偏光を用いると共に、垂直風速検出用光学系部から垂直面内で異なる方向に射出されるＰ偏光とＳ偏光を用いて、上記レーザ式風向風速計から上記風力発電機前方に射出されたレーザ光が、上記風力発電機の位置から離れた位置に存在する、空気中に浮遊し、風に乗って風速と同速度で移動するエアロゾルに当たって散乱する水平風速検出用Ｐ偏光散乱波とＳ偏光散乱波並びに垂直風速検出用Ｐ偏光散乱波とＳ偏光散乱波を捉え、上記レーザ光とそれらの上記散乱波との間のドップラー効果による位相差を検出することにより、上記風力発電機に向ってくる風の風速ベクトルを観測するもので、風速ベクトルを含む風況を精度良く検出することができ、高効率運転制御を行うことができる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図１ないし図６を用いて説明する。
図１は風力発電機（風車）を側方から観察した断面図である。図１に示すように、台座１上にタワー部２が築かれ、タワー部２の上部にはヨー角制御駆動装置５０が設けられている。さらにその上部には、ヨー角制御駆動装置５０の駆動によって水平面内で回転制御されるナセル２０が配置される。風車の制御においては、風の向きが変わった場合、風車のプロペラ回転面が常に風を真正面に受けるように制御することが望ましく、この時に変化させるのがヨー角であり、ヨー角の制御をヨー制御という。ヨー角はナセル２０を水平面内で回転させることで変化させることができる。

プロペラ型風車の羽根（翼）部分であるブレード１０が、ハブ（ブレード１０の取り付け部分。）１１を介して回転軸１２に取り付けられ、ブレード１０の角度がピッチ角制御駆動装置６０の駆動によって制御される。風のエネルギーを有効に活用するためには、風を受けるブレード１０の角度を最適な状態にする必要があり、この時のブレード１０の角度をピッチ角（ブレードアングル。）という。また、回転軸１２に繋がれる発電機３０、増幅器（図示せず。）などがナセル２０内に格納されている。プロペラ回転面は、ブレード１０が配置された、回転軸１２に対して垂直な面である。

ナセル２０上部には、レーザ光２１０を射出して、風力発電機前方（任意距離だけ離れた位置。）のエアロゾル１５０に照射し、その散乱光２１５を検出する風速検出用光学系部（以下、光学系部とする。）２００が配置される。エアロゾル１５０とは、風に乗って風と同速度同方向に動く空気中の塵であり、このエアロゾル１５０の移動状態を把握することで、同位置における風向風速を観測できる。散乱光２１５から得られた情報（エアロゾル１５０の風向風速データ。）は、光ファイバー１３０を介して風向風速計本体部（以下、本体部とする。）１００に送られる。本体部１００において、散乱光２１５から、エアロゾル１５０の風向風速を算出するためのデータを取り出して加工する。

本体部１００で得られた風向風速データは、通信系部１３１を介して風向風速計信号処理部（以下、信号処理部とする。）３００に送られる。信号処理部３００において、エアロゾル１５０の風向風速データに基づいて、風力発電機に向ってくる風、すなわち近未来（数秒から数十秒後。）に発電に利用する風の風況（風向風速および風の到達時間など。）を予測する。主に本体部１００と光学系部２００と信号処理部３００によってレーザ式風向風速計が構成される。

この信号処理部３００が算出した風況予測データを、通信系部１３２を介してコントローラ４０に送信し、コントローラ４０は与えられた風況データを基に、ヨー角制御駆動装置５０やピッチ角駆動制御装置６０に通信系部７０、７５を介して指令を与え、ヨー角駆動制御装置５０がヨー角を変化させ、ピッチ角駆動制御装置６０がピッチ角を変化させることにより、風力発電機の高効率運転、すなわち風力エネルギーの高効率利用を可能にする。また、コントローラ４０は、現在のヨー角、ピッチ角、風車軸回転数（回転数、または回転速度。）を常にスキャニングして把握している。
さらに、発電機３０に繋がれる電力ケーブル８２は、出力端となる電力系統８４に接続され、発電機３０と電力系統８４の間には、出力平滑化装置８０が、必要により電力変換装置８１を介して接続配置され、電力系統８４と電力変換装置８１の間には変圧器８３が配置されている。

風車の回転数は、固定若しくは段階的にのみ調整可能なものか、あるいは定められた範囲内で連続的に調整可能なものとする。
なお、レーザ式風向風速計の光学系部２００は、ヨー角を可変とすれば、風力発電機のタワー部２とやや離れた地上に配置してもよく、風力発電機付近にポール状のものを立て、その上部に設置してもよい。また、タワー部２の側面に設置してもよい。
また、ブレード１０は風を受け風力エネルギーを回転力に変換するもので、このブレード１０の回転エネルギーを電力に変換するのが発電機３０である。
なお、コントローラ４０若しくは他の制御機構によって、ヨー角、風車回転数や現在の風向風速等の風力発電機制御に必要な諸量を取り込んで解析し、風力発電機の各制御駆動装置（例えば、ブレーキ設備など。）にも制御指令を出している。

次に、本発明にかかるレーザ式風向風速計の構成および原理の一例について、図２を用いて説明する。レーザ式風向風速計は、上述したように、主に、本体部１００と、光学系部２００と、信号処理部３００から構成されている。本体部１００のレーザ光源１０１（例えば半導体レーザ。）から出たレーザ光２１０は、その一部が光ファイバ１０２によって光受信機１０５に送られ、その他の光はサーキュレータ１０４を通って光スイッチ１０３を介して光学系部２００に送る。光学系部２００は、例えば、水平風速検出用光学系部２００ａおよび垂直風速検出用光学系部２００ｂの二つによって構成され、送られた光は、水平、垂直風速検出用光学系部２００ａ、２００ｂにそれぞれ分割して送られる。

光スイッチ１０３から、水平風速検出用光学系部２００ａに送られてきた光は、１／２波長板２０１を通って望遠鏡２０２に送られる。望遠鏡２０２を出た光は偏向ビームスプリッタ２０３を通過するP偏光２０５と、これに反射されるS偏光２０６に分けられ、P偏光２０５はそのまま外部に射出され、Ｓ偏光２０６は全反射鏡２０４に反射され、外部に射出される。垂直風速検出用光学系部２００ｂについても、水平風速検出用光学系部２００ａと同様の構成であり、Ｐ偏光２０７、Ｓ偏光２０８が外部に射出される構成となっている。

なお、水平風速検出用光学系部２００ａから射出されるＰ偏光２０５、Ｓ偏光２０６は、水平面内の異なる２方向にそれぞれ射出され、垂直風速検出用光学系部２００ｂから射出されるＰ偏光２０７、Ｓ偏光２０８は、垂直面内の異なる２方向にそれぞれ射出される。Ｐ偏光２０５、２０７、Ｓ偏光２０６、２０８は、図１に示すレーザ光２１０に相当している。

光学系部２００から射出されたレーザ光２１０であるＰ偏光２０５は、エアロゾル１５０に当たって散乱し、散乱光（例えば図１で示す散乱光２１５に相当する。）となって光学系部２００に戻ってくる。この様子は後述する。この散乱光２１５は射出経路と逆の経路を辿って、光学系部２００から本体部１００に送られる。散乱光２１５は、光スイッチ１０３を経てサーキュレータ１０４に送られ、サーキュレータ１０４は散乱光２１５を光ミキサーとしての光ファイバーカプラ１５１に送る。レーザ光源１０１から直接送られてきたレーザ光２１０と散乱光２１５は、光ファイバーカプラ１５１で合波され、光受信機１０５に送られ、合波光１５２を検出信号１０７に変換する。検出信号１０７はＡＤ変換器３１０に送られる。ＡＤ変換器３１０はアナログの光信号である検出信号１０７をデジタル信号に変換し、受信信号３１１として信号処理部３００に通信系部１３１を介して送る。受信信号３１１を受け、信号処理部３００は、後述する所定の計算を行い、レーザ光２１０の焦点（焦点の位置はエアロゾル１５０の位置に相当する。）での風向風速を算出（観測）する。さらに、その風向風速データ（観測結果）に基づいて、風況を予測し、必要な制御情報をコントローラ４０に通信系部１３２を介して送る。

なお、レーザ光２１０は、連続波のものを用い、特に波長１５００ｎｍ程度のものを用いると、最もエアロゾル１５０からの散乱光が強く、風況の検出精度が良い。同時に、１５００ｎｍ程度の波長のレーザ光は人間の目にも最もやさしいという性質があり、安全性に優れている。
また、レーザ光２１０は、本例ような連続波を利用するものの他に、パルス波を利用する方式のものもあり、いずれを用いても良い。さらに、場合によっては、ナセル２０上部に機械式風向風速計を配置し、この機械式風向風速計のデータをも用いることで、風向風速測定精度を向上させても良い。
ドップラー効果を利用した風向風速の検出の場合、用いるレーザ光、音波などの波長に反比例して、検出精度が良くなることが知られており、例えば音波とレーザ光では、より波長の短いレーザ光を用いる場合の方が、風況を精度良く検出することができる。

次に、水平風速検出用光学系部２００ａから射出されたＰ偏光２０５、Ｓ偏光２０６ついて、図３をもとに説明する。光学系部２００からP偏光２０５とS偏光２０６が、それぞれ水平面内に、任意の方向を基準として、角度＋θと−θ方向に射出され、望遠鏡２０２のレンズによって焦点距離R（任意距離に相当する。）だけ離れた位置で集光する。集光点近くにあるエアロゾル１５０で光が散乱され、散乱光（Ｐ偏光散乱光。）２１５と散乱光（Ｓ偏光散乱光。）２１６がそれぞれ発生する。エアロゾル１５０は空気中に相当数含まれているため、集光点以外からもこのような散乱波が発生するが、集光点付近からの散乱エネルギーが最も大きくなる。この散乱波（散乱光２１５、２１６。）は速度を持つエアロゾル１５０から散乱されたものであるため、ドップラー効果により周波数がＦ_Ｄだけシフトする（ドップラーシフト。）。この周波数のずれを測定し、エアロゾル１５０の速度を算出する。

また、垂直風速検出用光学系部２００ｂから射出されるＰ偏光２０７、Ｓ偏光２０８は、それぞれ垂直面内で、任意の方向を基準として、角度＋θと−θ方向に射出される。このように、レーザ光２１０を、少なくとも３方向若しくは４方向に射出し、それぞれのデータを得ることで、風力発電機の前方におけるエアロゾル１５０の３次元での風速ベクトルを検出することができる。また、２方向のみにレーザ光２１０を射出した場合では、２次元での風速ベクトルを検出可能である。
なお、レーザ光２１０の射出角度は、観測対象となるエアロゾル１５０までの距離等の条件によっても変化するが、およそθ＝５°程度とすると良い。

次に、信号処理部３００において風速を算出する手法例について説明する。散乱光２１５、２１６の情報は、レーザ光源１０１から直接得た情報とあわせて検出信号１０７とし、受信信号３１１として受信し、レーザ光源１０１の周波数と散乱光２１５、２１６とのドップラーシフトＦ_Ｄを算出する。次に、Ｆ_Ｄとレーザの波長λ、エアロゾルの速度Ｖｍの間には、次の数式（１）のような関係がある。

これにより、±θ方向の風速Ｖｍ（＋θ）とＶｍ（−θ）が算出される。また、風速Ｖｒ（ｒ方向とは、水平面内でのθ＝０に沿う方向。）とＶｘ（ｘ方向とは、水平面内での、θ＝０に対して垂直な方向。）が、次に示す数式（２）、数式（３）を用いて算出できる。

このような計算を、垂直風速検出用光学系部２００ｂで得られるデータに対しても行い、水平風速検出用光学系部２００ａで得られるデータとあわせて、３次元での風速ベクトルが算出でき、高精度でエアロゾル１５０の風向風速を測定できる。

本発明にかかるヨー角制御ロジック例を、図４（ａ）のフロー図を用いて説明する。まず、レーザ式風向風速計により、現在時刻τにおけるＸ[m]先（風力発電機から任意距離だけ離れた位置。）の風向風速を測定する（ステップ４０１。）。得られた風向風速データを基に、t秒後に風力発電機が受ける風の風向ψ（τ+ｔ）を算出する（ステップ４０２ａ。）。例えば、４００ｍ先の風向風速を測定した場合、風速１０mの風が、風力発電機に向って吹いていれば、その風が４０秒後に風力発電機に到達すると予測でき、４０秒後に風力発電機が発電に利用する風の風向風速変化を高精度で予測することができる。エアロゾル１５０の風向風速データから、近未来に風力発電機に吹く風を予測するには、計測したエアロゾル１５０の風向風速と、実際に到達する風の風向風速のデータベースを作成しておき、これを基に、演算を行うという方法がある。ここまでの処理は、レーザ式風向風速計により行い、予測した風向風速および到達時間などのデータ（観測結果を含むデータ。）は、通信系部１３２を介してコントローラ４０に送られる。

コントローラ４０から、通信系部７０を介して、ヨー角制御駆動装置５０に送られるヨー角制御信号の送信間隔を△ｔ（例えば１秒。）とすると、時刻τ現在に予測できている風向、即ち最適ヨー角は、次の数式（４）のように示される。

そして、現在のヨー角をφ（τ）とすると、予測制御可能な未来のヨー角は、次の数式（５）のように示される。

このとき、ヨー角の最大回転角速度をω（例えば０．７度／秒。）とし、次の数式（６）の条件を満たし、さらに次の数式（７）を最小とするようにヨー角を決めることで、ヨー角を最適化する（ステップ４０３ａ。）。

時刻τ＋△tでのヨー角制御信号を、コントローラ４０からヨー角制御駆動装置５０に送信する（ステップ４０４ａ。）。この信号を受け、ヨー角制御駆動装置５０がナセル２０を回転させてヨー角を変化させる（ステップ４０５ａ。）。これを繰り返すことにより、ヨー角を最適に制御することができる。また、当然のことながら、レーザ式風向風速計から得られた風向風速データ（観測結果）を基にして、これ以外の手法でヨー角を予測制御しても良い。

次に、ピッチ角制御ロジック例について、図４（ｂ）を用いて説明する。ステップ４０１については、図４（ａ）によるヨー角制御の場合と同様である。
このように予測されたヨー角と、数式（４）で示す予測風向風速により、ブレード１０が受けるであろう風向風速（風速ベクトル[v]に相当する。）が、次の数式（８）のように高精度で予測できる（ステップ４０２ｂ。）。

ブレード１０の1枚あたりのトルク（風の力を受けて、風車が回転しようとする力であり、単位は[Ｎ・ｍ]。）は、風車軸回転角速度[θ]、ブレード１０が受ける風向風速（風速ベクトル[ｖ]に相当する。）、ブレード１０のピッチ角αによって決まるため、時刻τ+ｉ△tでの風車トルクＴ（τ+ｉ△ｔ）は、次の数式（９）で表すことができる。

この関数Ｔ_ｊ（[θ]，ｖ_ｊ，α_ｊ）を予め計測またはシミュレートしておき、コントローラ４０または信号処理部３００で計算可能なようにしておく。

次にｔ秒間のピッチ角最適化（ステップ４０３ｂ。）について述べる。今、風車軸回転角速度[θ]は一定で、ブレード１０が受けるｔ秒後までの風向風速（風速ベクトル[ｖ]に相当。）が予測できているため、数式（８）を用いることにより、時刻τ＋ｉ△tで、最大のトルクを取得できる最適ピッチ角α´（τ+ｉ△ｔ）が算出できる。従って、時刻τにおいて予測可能な最適ピッチ角α´は、次の数式（１０）のようになる。

ピッチ角駆動の最大回転角速度をωp（例えば１５度／秒。）とし、次の数式（１１）を満たし、次の数式（１２）の値が最小となるようにピッチ角を最適化する。

コントローラ４０は、ピッチ角が最適角αとなるように、時刻τ＋△tのピッチ角制御信号をピッチ角制御駆動装置６０に送信する（ステップ４０４ｂ。）。この信号を受け、ピッチ角制御駆動装置６０がピッチ角を変化させる（ステップ４０５ｂ。）。なお、計算に使われる現在時刻τでの風向風速は、実測値（実データ。）を用いることが望ましく（ステップ４０６ｂ。）、また、現在時刻τでのピッチ角α（τ）は、コントローラ４０がスキャニングして得ているピッチ角の、現在の実測値（実データ。）を用いることが望ましい（ステップ４０７ｂ。）。これを複数枚（主流となっているのは３枚羽根。）のブレード１０のそれぞれについて繰り返すことにより、全てのブレード１０のピッチ角が最適に制御される。また、当然のことながら、レーザ式風向風速計から得られた風向風速データ（観測結果）を基にして、これ以外の手法で、ピッチ角を予測制御してもよい。

従来のピッチ角制御手法では、風速が変化し始めることは感知できるが、ピッチ角を変化させると翼性能に著しく影響を与え、ピッチ角を変化させている間に風向が変化してしまった場合に悪影響がでてしまっていた。また、機械式風向風速計がナセル２０上部のブレード１０を通った後の後流を計測するために、ブレード１０から約１秒周期（風車回転数に応じて変化する。）の影響を強く受けることになり、１秒間の平均値を基にピッチ角を変化させることしかできなかった。また実際の制御時には機械の応答遅れ等があるので、かなり遅れた受動制御しかできなかった。

これに対し、本発明によれば、機械の応答遅れをも考慮したヨー角、ピッチ角などの能動制御が可能となり、ブレード１０は、ほぼ風を最適なピッチ角で受け続けることができる。従って、従来の受動制御に比べ、常に高効率で風力エネルギーを利用できるようになる。

また逆に、発生トルクを抑えることにより出力の抑制に使用することもできる。この場合、数式（１０）における最適ピッチ角を、発生トルクを抑制できるように任意に設定すれば、容易に出力抑制を達成できる。このように、本発明により、風力発電機を容易にかつ正確に制御することが可能となる。

次に、図５を用いて、この実施の形態１の効果を説明する。図５に、風力発電機が実際に受ける風の変化を太実線５０１（実際の風向変化。）で示す。このように時刻ｔａからｔｂにかけて（例えば、ｔｂ−ｔａ＝１５秒とする。）、風向がΦ（例えばΦ＝２１度とする。）だけ変化した場合を考える。

従来のヨー角制御手法では、風向が時刻ｔａで変化し始めることは感知できるが、風向がΦ０（例えばΦ０＝１５度。）以上変化したのを確認してから、さらにその状態が一定時間（例えば１５秒。図５中のｔ２−ｔ３間。）以上続いて、初めてヨー角を変化させ始めるという破線５０２（従来の制御によるヨー角変化。）のような受動制御をしていた。これは、ヨー角を変化させるにはかなりの重量物であるナセル２０部を回転させなけれならず、例えば、図１のヨー角制御駆動装置５０がナセル２０を1秒あたり０．７度程度しか旋回させることができない場合、２１度旋回させるには３０秒間の時間が必要であり、その間に風向が変化してしまうかもしれないためである。このため、例えば風速１０m程度の発電に適した風が吹いていたとしても、ヨー角制御遅れによる損失が大きかった。

これに対し、本発明によれば、太一点鎖線５０３（発明の制御によるヨー角変化。）のような能動制御が可能となる。本例では風向変化角速度（Φ／（ｔｂ−ｔａ））が最大ヨー角回転角速度（Φ／（ｔ１−ｔ０）＝０．７度／秒。）以上であるため、完全に風を追従することはできない。しかし、レーザ式風向風速計によって得られた風向風速データ（観測結果）から、風力発電機が受ける風の風向風速および風の到達時間などを予測し、予測の到達時間に、予測した風向にプロペラ回転面を合わせるようにヨー角を制御するため、図５を見れば明らかように、ほぼ風を真正面に受けつづけることができる。従って、従来の受動制御に比べ、常に高効率で風力エネルギーを利用できるようになる。風向変化角速度がヨー回転角速度以下であれば、完全に風向変化を追従することができ、従来の受動制御と比べ、さらに高効率での風力エネルギー利用が可能となる。

また本発明によれば、レーザ式風向風速計の本体部１００がナセル２０とともに風を真正面に受け続けるように動作するため、ドップラーシフトＦ_Ｄの値を、より大きな値で得ることができ、従って、風向および風速の検出精度を一層高めることができるという効果もある。
なお、レーザ式風向風速計の光学系部２００は、ナセル２０上に配置される場合について述べたが、ナセル２０に固定して用いる他、ナセル２０上に光学系部２００を回転駆動させるための制御駆動装置を設け、ナセル２０の回転のみによらず、専用の制御駆動装置によって回転する構造とすることもできる。
また、本体部１００および信号処理部３００は、タワー部２内に配置される例を示したが、これらの配置についても、他の構成部との通信状態を良好に保つことができれば、タワー部２外部に配置しても問題ない。

以下、本発明に係わる風力発電システムの出力制御または出力変動抑制制御について詳細に説明する。
風力発電機を含む風力発電システムは、羽根（ブレード）１０、ナセル２０、発電機３０、タワー部２等からなる風力発電機と、風車に向かってくる風を風車の手前で検出するレーザ式風向風速計、同レーザ式風向風速計が算出した風向・風速の予測値に基づき発電出力を予測し、その制御量を決定する制御演算部（例えばコントローラ４０に相当する。または、専用の演算部を別途設けて接続配置して用いることも可能である。）からなり、必要な場合にはその制御量を満足するために設置される出力平滑化装置８０を含んで構成される。
出力平滑化装置８０は、風力発電機の外部に接続配置され、出力を平滑化させるための装置であり、電力変換装置８１を介して発電機３０に繋がれる電力ケーブル８２に接続されている。また、上述したとおり、風力発電機の発電電力が出力される電力系統８４と電力変換装置８１との間に位置する電力ケーブル８２には変圧器８３が配置される。

風力発電システムの出力抑制の方法として、風車の発電電力量を調整する方法があり、この場合は、レーザ式風向風速計の観測結果に基づいて算出した、風向風速の予測データに基づき、風車の向きを変えるヨー制御、および羽根の角度を変えるピッチ制御を行うことで、風力の入力エネルギーそのものを制御し、風力発電システムの出力制御を行う。

なお、レーザ式風向風速計の計測範囲としては、システムの制御が十分余裕をもってできる時間が必要であるが、その余裕を確保する距離としては、通常２００ｍ程度あれば十分である。
すなわち、一般に風力発電システムの定格風速としては１０〜２０ｍ/秒が用いられるが、２００ｍ程度先の風向風速が分かれば、その風が風車に到達するまでに少なくとも数秒〜数十秒がかかり、この程度の時間があれば、風車を事前予測制御するための時間として十分である。

ここまでは、風力発電機に通常の発電機３０を備えたシステムの出力制御において、風力の入力エネルギーそのものを制御する場合について述べたが、可変速発電機を備えた風力発電機にレーザ式風向風速計を設置した場合も同様な制御となる。
図６に可変速風力発電システムの構成概略図を示す。このシステムでは、上述した風力発電機の発電機３０に代えて可変速発電機８００を備えている。可変速発電機８００と電力変換器８１０（電力変換器８１０は、可変速発電機８００に近い側から、発電機側電力変換器８１０ａ、直流コンデンサ８１１、系統側電力変換器８１０ｂが順次接続配置されて構成される。）は電力ケーブル８２０で繋がれている。さらに、電力系統８４と電力変換器８１０の間に変圧器８３が配置され、変圧器８３と電力変換器８１０の間には、出力平滑化装置８０が、必要に応じて、電力変換装置８１を介して繋げられる。

直流コンデンサ８１１は、可変速発電機８００における出力の有効電力を制御するもので、発電機側電力変換器８１０ａから有効電力が直流側に流入してくるために、この直流コンデンサ電圧が上昇する。この直流コンデンサ８１１電圧と、あらかじめ指令値として与えている直流電圧基準との偏差を増幅して交流側（系統側電力変換器８１０ｂ側。）の有効電流指令とし、有効電流を増加制御して系統へ電力を流出する。風力発電機の詳細な構成については、通常の発電機３０を備えたものと同様であるため、説明は省略する。

可変速発電機８００においては、その出力を電力変換器（８１０ａ、８１０ｂ）にて制御し、瞬間的に強風が吹いた時は、その風力によるエネルギーを一旦、可変速発電機８００の回転速度の上昇として機械的エネルギーの形で蓄え、逆に風速が弱まった場合には、可変速発電機８００の回転エネルギーを電気エネルギーに変換して、結果として風力発電システムの出力を平滑化できる特徴を持つ。すなわち、風力発電システムの出力変動抑制制御を行うことができる。

従来の可変速風力発電システムでは、例えば、長時間（分単位）で風速が弱まった場合、上記と同様に回転速度（回転数）が減少し電気的出力を平滑化しようとするが、その長時間の出力低下を充分に補うことができず、風速低下による出力電力の減少は免れることはできなかった。
しかし、本発明による事前予測制御を用いれば、風速低下を事前に予測し、出力電力の減少を軽減することができ、出力の平滑化を行うことができる。これ以外の手法で可変速を達成することもできるが、可変速発電が可能であればどのような手法を用いてもよい。

この可変速タイプの風力発電システムに本発明を適用した場合には、電気的出力を平滑化する特徴をより効果的に実施することができる。すなわち、可変速タイプの風力発電システムにあっては、予測データに基づき、今後取り込む風力エネルギーが大きい時は、計画的に発電することにより最低回転速度、すなわち、機械エネルギーとして蓄勢する容量を最大として待機、あるいは今後取り込む風力エネルギーが弱い時は計画的に回転エネルギーを電気エネルギーに変換して放出することにより、その瞬間瞬間で系統に与える影響を最も小さくするように、風力発電機の回転数を制御すること、また、風力発電システムの発電出力による周波数変動および電圧変動を規定内に抑えつつ、その発生出力を平滑化する制御を行うことができる。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について、図７を用いて説明する。図７は、複数台の風力発電機６１０ａ〜６１０ｃが設置されたウィンドファームの構成図であり、ウィンドファームの中心付近にレーザ式風向風速計の光学系部（風速検出用光学系部に相当する。）２００を設置した状態を示している。複数台の風力発電機６１０ａ〜６１０ｃの中心付近にタワー部（ポール）６０１を立て、この上に光学系部用ヨー角制御駆動装置（以下、駆動装置とする。）６０２を介して光学系部２００を載置する。光学系部２００を本体部１００と光ファイバー１３０ａで繋ぎ、本体部１００と信号処理部３００を通信系部１３１ａで繋ぎ、信号処理部３００とそれぞれの風力発電機のコントローラ４０ａ〜４０ｃを通信系部１３２ａ〜１３２ｃで繋ぐ。信号処理部３００と駆動装置６０２は通信系部６０２ａで繋いでいる。また、コントローラ４０ａ〜４０ｃは、通信系部７０ａ〜７０ｃによってそれぞれ風力発電機６１０ａ〜６１０ｃに繋げられている。

なお、駆動装置６０２は、信号処理部３００からの出力をもとに光学系部２００の向きを変化させ、常に風の真正面に向くようにするか、または一定速度で回転させることにより全周方向にわたっての風向風速計測を可能とする駆動装置である。周りに遮るものが殆どない場合、光学系部２００および駆動装置６０２を地上に設置しても良い。レーザ式風向風速計は、集光点をタワー部６０１から最も遠い風力発電機（図７ならば６１０ａに相当する。）の前方Ｘ[m]（例えば４００ｍ先。）として、この点の風向風速を計測可能なものとするか、またはパルス型のレーザを用いてこの距離の風向風速を検出できるものにする。さらに、信号処理部３００には、実施の形態１で述べた風向風速信号処理機能以外に、光学系部用ヨー角制御に用いる計算機能、可変速風力発電機を利用する場合には、その出力制御のための計算機能、および各風力発電機のヨー角・ピッチ角制御に用いる計算機能を持たせる。

次に、実施の形態２にかかる運転ロジック例を、図８のフロー図を用いて説明する。まず、レーザ風向風速計は現在時刻τにおけるＸ[m]先の風向風速を計測する（ステップ７０１。）。次に、動作１として、光学系部２００が受けるｔ秒後の風向風速計算を行う（ステップ７１１。）光学系部２００がｔ秒後に最適なヨー角となるようにヨー角を計算し（ステップ７１２。）、算出した制御信号を駆動装置６０２に送信し（ステップ７１３。）、その信号を基に、駆動装置６０２はヨー角を変化させる（ステップ７１４。）。その計算要領は実施の形態１で記述した手法と同じでよい。ただし、光学系部２００を一定速度で回転させることにより全周方向にわたっての風向風速計測を可能とする駆動装置を使用して全周の風況を計測する場合は、このような光学系部２００のヨー制御動作を行う必要はない。

次に、風力発電機６１０ａの動作２ａとして、図８中のステップ７２１ａ〜７２４ａまでを行う。信号処理部３００に内蔵される記憶装置は、レーザ式風向風速計から各風力発電機６１０ａ〜６１０ｃまでの位置をベクトルで（方向と距離で。）記憶しており、このデータをもとに風力発電機６１０ａがｔａ秒後に受けるであろう風の風向風速を計算する（ステップ７２１ａ）。その風向風速と風力発電機６１０ａのヨー角の最大回転角速度ωａｙ、ピッチの最大回転角速度ωａｐを基に、上述した実施の形態１と同様にヨー角最適化およびピッチ角最適化、可変速発電機の場合は風車回転数最適化を行い（ステップ７２２ａ。）、計算された△ｔａ秒間のヨー角制御信号、ピッチ角制御信号、可変速発電機に対しては発電量制御信号を、風力発電機６１０ａのコントローラ４０ａに送信する（ステップ７２３ａ。）。

風力発電機６１０ａのコントローラ４０ａは、これらの信号を基に、風力発電機６１０ａのヨー角制御駆動装置、ピッチ角制御駆動装置、インバータに制御信号を送信し、ヨー角制御駆動装置がヨー角を変化させ、ピッチ角制御駆動装置がピッチ角を変化させ、可変速発電機の場合はインバータが出力を変化させる（ステップ７２４ａ。）。風力発電機６１０ａの動作２ａと同様の動作２ｂ、２ｃ（ステップ７２１ｃ〜７２４ｃ。）を、風力発電機６１０ｂ、６１０ｃについても同時に行う。
以上のように、光学系部２００の動作１と風力発電機６１０ａ〜６１０ｃの動作２ａ〜２ｃを同時に行うことによって、風向風速を最適な状態で計測しながら、各風力発電機６１０ａ〜６１０ｃが風力エネルギーを高効率で利用することが可能となる。

なお、風力発電機が多数ある場合や、かなり広範囲に広がって設置されている場合は、レーザ式風向風速計を複数台設置し、それぞれに制御する風力発電機を割り当てればよい。
また、今回は、この信号処理部３００に、光学系部用ヨー角制御の計算機能および各風力発電機のヨー角、ピッチ角、出力制御の計算機構を持たせたが、この計算機能を持つ計算機を、光学系部２００に別に接続したり、各風力発電機６１０ａ〜６１０ｃ側に計算機部を設置したり、また、コントローラ４０にこの計算機能を持たせるように構成することもできる。

このようなウィンドファームにおいて、それぞれの風力発電機にレーザ風向風速計を取り付け、上述した実施の形態１に示すように風力発電機を制御することが可能であることは言うまでもない。
なお、風力発電機の制御は、上述したような、現在の風向風速データおよびそのデータに基づく近未来の風況データを用いて行う予測制御以外に、現在の風向風速データに加え、さらに過去の風況データをフィードバックさせて近未来の風況データを算出して用いる制御がある。過去の風況データをフィードバックさせる制御法を用いた場合は、このデータを用いない場合よりも、さらに精度の高い制御が可能となる。

実施の形態３．
なお、上記実施の形態１、２では、風力発電システムの回転エネルギーを電気エネルギーに変換して制御する場合、すなわち、発生電力をそのまま系統に送出する場合について述べた。この実施の形態３では、風力発電システムとして、風力発電機とレーザ式風向風速計と出力平滑化装置を組み合わせたシステムを用いる場合について示す。本発明では、レーザ式風向風速計によって得た風況予測データから、風力発電機の出力調整量を事前に割り出し、その割り出し条件に基づいて出力平滑化装置に余剰電力を蓄勢、あるいは風力の発生電力が不足する場合には蓄えていたエネルギーを放出する構成とし、系統の既存発電システムが追随可能なレベルまで変動を抑制するように同出力平滑化装置の運用を行い、システム全体として発生電力の安定化（平滑化）を行う。

風力発電機と組合わされる出力平滑化装置の例としては、鉛蓄電池、ＮＡＳ電池、レドックスフロー電池、電気二重層コンデンサ、無効電力補償装置（Static Var Compensator）、出力制限抵抗等の手段があり、電気エネルギーとして蓄勢・放出が多頻度で繰返し可能なものであれば任意のものを用いることができる。
出力平滑化装置は、レーザ式風向風速計で観測した風が、風力発電機に到達する時点で、風力発電システムの出力変動を打ち消すように出力制御を行うものである。
蓄電池とは、主に大型の直流バッテリーと整流器によって構成されるものである。

また、無効電力補償装置は、風力発電設備を電力系統に接続する場合に、電力系統の電圧変動対策・フリッカ対策（ちらつき防止）に用いる設備である。風力発電においては、発電に必要な風が急激に変動するため、風力発電機の出力は系統の電圧変動を引き起こし、他の機器の異常停止や誤動作、照明機器のちらつきなどが発生する場合があり、これらの対策として無効電力補償装置が必要となる場合がある。

出力制限抵抗とは、風速変動による風力発電機出力の変動を制限・抑制するものであり、風速変動による風力発電機出力がある値を超過した場合に、その超過分を抵抗装置で熱として消費し、出力を制限し、規定値以内の電力を系統へ流出させるためのものである。

具体例として、今まで述べてきた風力発電事前風況予測出力制御装置（レーザ式風向風速計によって得られたデータに基づいて、各種制御量を決定するための装置の総称とする。）と出力平滑化装置８０を組み合わせた、風力発電システムの出力平滑化について、図９を用いて説明する。
図９に示すように、風力発電機に備えられた発電機３０と電力系統８４とは電力ケーブル８２によって繋げられており、電力ケーブル８２には、電力変換装置８１を介して出力平滑化装置８０が繋げられている。電力変換装置８１と電力系統８４との間には変圧器８３が配置される。

上述した実施の形態１および実施の形態２で示したように、風力発電の事前風況予測に基づく出力制御を行うだけでも、従来の風力発電設備の弱点である風況変動による風車出力変動を大幅に平滑化（出力安定化）ができるが、さらに、この実施の形態３に示すように、出力平滑化装置８０と電力変換装置８１を用いることで、電力系統８４へ送出する風力発電機出力の変動抑制ができ、特に連系する電力系統８４の周波数変動を最小とすることができる。

出力変動平滑化システム（風力発電事前風況予測出力制御装置と、電力変換装置８１と出力平滑化装置８０を含むシステム。）は、風況予測して風力発電出力を予測することにより、出力平滑化装置８０の電力入出力量を予測制御して風力発電システム全体としての出力変動を抑制、または完全な平滑化を容易に達成し、風力発電機を用いて安定した電力の供給を可能とするものである。

本発明は、ピッチ角およびヨー角の制御が可能な風力発電機と、あるいは、そうでない風力発電機との組み合わせにおいても、風力発電機の前方（例えば４００ｍ）の風向風速を高精度高解像度で測定するレーザ風向風速計、およびレーザ風向風速計からの信号を基に一定時間後（例えば４０秒後。）に風力発電機が受けるであろう風向風速を予測し、出力平滑化装置８０の電力入出力を風力発電機が発生する出力の増減を打ち消す方向に最適化するように運用する。

この制御を行った場合には、図１０に示すように、出力変動が抑制される。風力発電機の発電量は、出力制御を行わない場合は、図１０（ａ）のように大きく変動する。しかし、近未来の発電量として図１０（ｂ）が予測できるため、風速変動による風車出力の電力量を出力平滑化装置で充電・放電を繰り返すことにより、図１０（ｂ）内の平滑化されたカーブのように出力変動を抑制することができる。
よって系統への出力は図１０（ｃ）のようになり、急激な電力変動がなくなるため、電力系統８４に及ぼす影響を大幅に低減できる。

また、出力平滑化装置８０の容量が十分に大きい場合は、風力発電機の出力電力を完全に平滑化することができる。
これにより、電力系統８４にまったく影響を及ぼさずに風力発電機を連系させることができる。

図１１に示すように、ある期間における風力発電出力の平均値を風力発電機と出力平滑化装置８０の合成出力目標値とし、風力発電出力が合成出力目標値より大きい場合は、その差を蓄電池等に充電させ、一方、風力発電出力が合成出力目標値より小さい場合は、その差を蓄電池等から放電させる。最大充電電力と最大放電電力は、図１１に示すように、一定の値に決められており、その充放電の限界値が、それぞれ破線で示されており、その範囲内で蓄電池等の充放電を行うことで、合成出力目標値を達成することが可能である。
本発明を用いると、風力発電機の出力が予測されており、従来の手法では平滑化できなかったごく微小な電力変動をも平滑化することが可能となる（平滑化の様子は、例えば図１０（ｃ）を参照のこと。）。
なお、図９において、出力平滑化装置８０としては本来の出力平滑化装置のほか、負荷が有する出力平滑化機能を積極的に利用しても良い。

図１２では風力発電システムの制御ブロック図の一例を示す。レーザ式風向風速計の観測結果から、風車に吹く風の平均風速Ｖａｖｅを、電力制御関数Ｆｏ、可変速風車の場合は回転数制御関数Ｆ_Ｒ、ヨー制御関数Ｆ_Ｙ、ピッチ角制御関数Ｆｐにあてはめ、出力電力指令値Ｐ１、ヨー指令値Ｙ、ピッチ角指令値Ｐ２を割り出し、その割り出し条件に基づき、出力平滑化装置８０の電力入出力量を調整し、ヨー角駆動制御装置５０、ピッチ角駆動制御装置６０を駆動させる。
図１２において、風力発電設備では発電電力の安定化、低風速域での性能向上などのため、出力電力制御、回転数制御、ヨー制御、ピッチ角制御の各制御項目を制御しているが、出力電力制御のための装置（例えば、コントローラ４０、またはそれに準ずる機能を持つ装置。）から出力平滑化装置８０に風力発電出力の合成出力目標値としての指令値を送り、出力平滑化装置８０の入出力信号としている。

次に、図１３と図１４に、風力発電機と出力平滑化装置８０を組み合わせた場合の動作フローを図７で示したウィンドファームにおける風力発電システムを例に挙げて説明する。なお、図１３のＧ，Ｈは図１４のＧ，Ｈにそれぞれつながり、図１３と図１４を合わせて一つのフロー図を表す。図１３と図１４中のステップ７０１からステップ７２４ａの動作（動作１および２ａ〜動作２ｃを含む。）については、実施の形態２で説明したため、その説明は省略する。

ここで、出力平滑化装置８０は、図１４中のステップ９３１からステップ９３４までの動作３を行う。信号処理部３００は、レーザ式風向風速計から各風力発電機までの位置をベクトルで記憶しており、レーザ式風向風速計の計測結果およびこの位置データを基に、各風力発電機がt秒後に受けるであろう風向風速を計算する（ステップ９３１。）。信号処理部３００は、この各風力発電機が近未来に受ける風向風速により、近未来ｔ秒間の風力発電機発電量を計算し、これを用いてｔ秒間の出力平滑化装置８０における電力入出力量を最適化する（ステップ９３２。）。その最適化手法は実施の形態２の場合と同じとする。このときの風力発電機の出力は、全風力発電機の発電電力の合計値である。

実際の出力平滑化装置８０の電力入出力がこの計算された最適値となるよう、信号処理部３００は電力変換装置８１に制御信号を送る（ステップ９３３。）。
これらの制御信号により、電力変換装置８１が出力平滑化装置８０の電力入出力を行い、風力発電機の発電電力による系統電力の変動を抑制する（ステップ９３４。）。これらの動作を行い、これを繰り返すことにより、図１０（ｃ）で示したような、風力発電システムの出力変動抑制制御が可能となる。

実施の形態４．
また、風力発電機と他の発電手段の、同じ電力系統８４に繋いだ風力発電システム（ハイブリッド発電システム。）の場合、レーザ式風向風速計から得たデータに基づいて、風力発電機の出力予測を行うことで、風力発電機の制御量、他発電手段の制御量を予測でき、結果として、システム全体の出力平滑化が可能となる。このように、風況予測を、風力以外のエネルギーを発電に用いる他発電手段が持つ、各種制御装置の運用にも活かすことで、システム全体の出力平滑化制御を、より効果的に行うことができる。

他発電手段としては、例えば、ディーゼル発電、蓄電池、太陽光発電、可変速ポンプなどがある。さらに、このハイブリッド発電システムに、負荷を組み合わせることで、出力平滑化をより効率良く行うことができる。

この発明の実施の形態１による風力発電機を示す断面図である。この発明の実施の形態１によるレーザ式風向風速計を示す構成図である。この発明の実施の形態１によるＳ偏光、Ｐ偏光を示す模式図である。この発明の実施の形態１によるヨー角・ピッチ角制御ロジックを示すフロー図である。この発明の実施の形態１による、出力変動抑制制御の様子を示した図である。この発明の実施の形態１による、可変速発電機に電力変換器、出力平滑化装置を接続配置した構成図である。この発明の実施の形態２によるウィンドファームの構成図である。この発明の実施の形態２による制御ロジックを示すフロー図である。この発明の実施の形態３による出力平滑化装置を備えた風力発電システムの構成図である。この発明の実施の形態３による風力発電システムの出力値平滑化の様子を示す図である。この発明の実施の形態３による風力発電システムの合成出力目標値と風力発電出力を示す図である。この発明の実施の形態３による風力発電システムの制御ブロック図である。この発明の実施の形態３による風力発電システムの制御を示すフロー図である。この発明の実施の形態３による風力発電システムの制御を示すフロー図で、図１３と合わせて一つのフロー図を表す。

符号の説明

１台座２、６０１タワー部
１０ブレード１１ハブ
１２回転軸２０ナセル
３０発電機４０、４０ａ〜４０ｃコントローラ
５０ヨー角制御駆動装置６０ピッチ角制御駆動装置
７０、７０ａ〜７０ｃ、７５、１３１、１３１ａ、１３２、１３２ａ〜１３２ｃ、６０２ａ通信系部
８０出力平滑化装置８１電力変換装置
８２、８２０電力ケーブル
８３変圧器８４電力系統
１００風向風速計本体部１０１レーザ光源
１０２、１３０、１３０ａ光ファイバー
１０３光スイッチ１０４サーキュレータ
１０５光受信機
１０７検出信号１５０エアロゾル
２００風速検出用光学系部２００ａ水平風速検出用光学系部
２００ｂ垂直風速検出用光学系部
２０１１／２波長板２０２望遠鏡
２０３偏光ビームスプリッタ２０４全反射鏡
２０５、２０７Ｐ偏光２０６、２０８Ｓ偏光
２１０レーザ光２１５、２１６散乱光
３００風況解析制御信号送信部３１０ＡＤ変換器
３１１受信信号６０２光学系部用ヨー角制御駆動装置
６１０ａ〜６１０ｃ風力発電機８００可変速発電機
８１０電力変換器８１０ａ発電機側電力変換器
８１０ｂ系統側電力変換器８１１直流コンデンサ。

Claims

風力発電機、上記風力発電機に取り付けられるか、またはその近傍に配置されるレーザ式風向風速計を備え、上記レーザ式風向風速計は、上記風力発電機に向ってくる風の風向風速を観測し、その観測結果に基づいて、上記風力発電機のヨー角・ピッチ角を制御し、上記風力発電機を含む風力発電システムの出力制御を行うものであって、
上記レーザ式風向風速計は、水平風速検出用光学系部と垂直風速検出用光学系部を用いて、上記レーザ式風向風速計から上記風力発電機前方に射出されたレーザ光が、上記風力発電機の位置から離れた位置に存在する、空気中に浮遊し、風に乗って風速と同速度で移動するエアロゾルに当たって散乱する散乱波を捉え、上記レーザ光とその散乱波との間のドップラー効果による位相差を検出することにより、上記風力発電機に向ってくる風の風速ベクトルを観測することを特徴とする風力発電システム。
風力発電機、上記風力発電機に取り付けられるか、またはその近傍に配置されるレーザ式風向風速計を備え、上記レーザ式風向風速計は、上記風力発電機に向ってくる風の風向風速を観測し、その観測結果に基づいて、上記風力発電機のヨー角・ピッチ角を制御し、上記風力発電機を含む風力発電システムの出力制御を行うものであって、
上記レーザ式風向風速計は、水平風速検出用光学系部から水平面内で異なる方向に射出されるＰ偏光とＳ偏光を用いると共に、垂直風速検出用光学系部から垂直面内で異なる方向に射出されるＰ偏光とＳ偏光を用いて、
上記レーザ式風向風速計から上記風力発電機前方に射出されたレーザ光が、上記風力発電機の位置から離れた位置に存在する、空気中に浮遊し、風に乗って風速と同速度で移動するエアロゾルに当たって散乱する水平風速検出用Ｐ偏光散乱波とＳ偏光散乱波並びに垂直風速検出用Ｐ偏光散乱波とＳ偏光散乱波を捉え、上記レーザ光とそれらの上記散乱波との間のドップラー効果による位相差を検出することにより、上記風力発電機に向ってくる風の風速ベクトルを観測することを特徴とする風力発電システム。
上記風力発電機は、可変速発電機を備え、上記レーザ式風向風速計の観測結果に基づいて、上記風力発電機の回転数を制御することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の風力発電システム。
上記風力発電機に繋がれる出力平滑化装置を備え、上記レーザ式風向風速計は、上記風力発電機に向ってくる風の風向風速を観測し、その観測結果に基づいて、上記風力発電機の出力調整量を事前に割り出し、その割り出し条件に基づいて、上記風力発電機および上記出力平滑化装置を含む風力発電システムの出力制御を行い、上記風力発電システム全体の出力平滑化を行うことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の風力発電システム。
上記風力発電機は、可変速発電機を備え、上記風力発電システムの出力周波数変動および出力電圧変動を規定内とするように出力制御を行うことを特徴とする請求項４記載の風力発電システム。
上記風力発電機が複数台配置されるウィンドファームにおいて、上記ウィンドファームに配置される１機または数機の上記レーザ式風向風速計の観測結果に基づいて、上記ウィンドファーム全体の出力平滑化を行う請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の風力発電システム。