JP6457783B2 - 風力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、風力を電力エネルギーに変換可能な風力発電装置に関するものであり、タワーシャドウにおける荷重急変を考慮するものである。

近年、二酸化炭素の排出による地球温暖化や、化石燃料の枯渇が懸念されており、二酸化炭素の排出量の低減や、化石燃料への依存度の低下が求められている。二酸化炭素の排出量の低減や、化石燃料への依存度の低下を図るためには、風力や太陽光などの自然から得られる再生可能エネルギーを利用した発電システムの導入が有効である。上記再生可能エネルギーを利用した発電システムの中でも、風力発電システムは太陽光発電システムと異なり、日射による直接的な出力変化を受けないことから、比較的安定な発電システムとして注目されている。また、地上と比較して、風速が高く、風速変化が少ない洋上に設置する風力発電システムも有力な発電システムとして注目されている。

ここでブレードに発生する荷重変動の低減を考慮したものとして例えば特許文献１に開示された技術がある。特許文献１には、ブレードの荷重変動に影響を及ぼす所定のパラメータ、アジマス角度、およびピッチ角度指令値がお互いに関連づけられて格納されている記憶手段と、ブレード毎のアジマス角度を検出するアジマス角度検出手段と、所定のパラメータを検出するパラメータ検出手段と、アジマス角度検出手段によって検出された所定のパラメータとによって選出されるピッチ角度指令値をブレード毎にそれぞれ記憶手段から取得する指令値取得手段と、指令値取得手段によって取得されたピッチ角度指令値と風力発電装置の出力情報により求められる各ブレード共通の共通ピッチ角度指令値とに基づいて、ブレードピッチ角度を制御するためのピッチ角度制御指令値を生成するピッチ角度制御指令値生成手段とを具備することを特徴とするブレードピッチ角度制御装置、が開示されている。また、記憶手段に格納されているピッチ角度指令値は、風力発電装置の設置場所におけるウィンドシア特性が反映される技術、が開示されている。特に、鉛直方向の風速差（以下、ウィンドシア特性）によって発生するブレードの荷重変動を低減するために、予め記憶していたピッチ角度指令値を用いて最終的なピッチ角度制御指令値を決定する。より具体的には、ナセルより上側にブレードが位置するアジマス角度において、ピッチ角度をフェザー側へ調整することで、風速が高い領域でのブレードの荷重を低減すると共に、ナセルより下側にブレードが位置するアジマス角度において、ピッチ角度をファイン側へ調整することで、風速が低い領域でのブレードに加わる荷重を増加させる。

特開2005-83308号公報

風力発電システムの構築にあたり、風力発電システムを構成するブレードの荷重変動を低減する必要がある。特に、ブレードのアジマス角がタワー近傍に位置する際に、タワーによって引き起こされる風速の低下（以下、タワーシャドウ特性）に伴って発生するブレード荷重の急変、およびドライブトレイン荷重の急変を低減する必要がある。ブレードの荷重変動が大きい場合には、ブレードに振動が発生する場合がある。機器の信頼性を高める上では、荷重変動への対策を行っておくのが好ましいと言える。本発明では、高信頼の風力発電装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明に係る風を受けて回転するブレードと、前記ブレードの荷重を支持するタワーと、センサとを備え、前記ブレードのピッチ角を調整可能な風力発電装置であって、前記ブレードが前記タワーのタワーシャドウに位置する際における前記ピッチ角が、フェザー側へ調整され、前記センサの出力であるブレード変位量、ブレード荷重、タワー傾斜角度やタワー荷重のうちの少なくとも一つ、及び前記ブレードのアジマス角に応じて前記ピッチ角を調整する範囲が定まり、ピッチ角度補正最大値は、ブレード基部の前記ブレード荷重を前記ブレード基部に備えられた前記センサの出力により求め、前記タワーシャドウの影響がある前記アジマス角度での前記ブレード基部の前記ブレード荷重と、前記タワーシャドウの影響がない前記アジマス角度での前記ブレード基部の前記ブレード荷重との差分に比例して定まることを特徴とする。

本発明によれば、高信頼の風力発電装置を提供することが可能になる。

実施例に係る風力発電装置の概略構成図である。 アジマス角度に対するブレードピッチ角、ブレード基部の荷重、およびブレード基部の荷重変化を示す比較例における図である。 各ブレードのアジマス角を示す図である。 実施例に係る風力発電装置の制御方法を示すブロック線図である。 タワーシャドウによるブレードの荷重変動を低減する手法を適用した場合の実施例説明図である（比較例の図２に対応）。 タワーシャドウによるブレードの荷重変動を低減する手法及び発電出力の低下を抑制する手法を適用した場合の実施例説明図である。 タワーシャドウによるブレードの荷重変動を低減する手法においてピッチ角度の調整期間に停止期間を設けた実施例説明図である。 タワーシャドウによるブレードの荷重変動を低減する手法においてピッチ角度の調整期間に停止期間を設けない実施例説明図である。 実施例におけるピッチ角度の調整開始アジマス角および終了アジマス角とブレード間角度の関係を示す図である。 実施例におけるピッチ角度の調整開始アジマス角および終了アジマス角とタワー位置のアジマス角度の関係を示す図である。 実施例におけるピッチ角度の調整開始アジマス角および終了アジマス角の中間のアジマス角と、タワー位置のアジマス角の関係を示す図である。 アップウインド方式の風力発電装置の概略図である。 ダウンウインド方式の風力発電装置の概略図である。 実施例に係る風力発電装置の制御フローを示す図である。

以下、図面を用いて、本発明の実施形態について具体的に説明する。尚、下記はあくまでも実施例であって、本発明の実施態様が下記実施例に限定されることを意図するものではない。

《本願の実施形態の概略構成》
まず、図1を用いて、本願に係る風力発電装置の第１の実施形態の概略構成について説明する。

図1は、本願の風力発電装置1の全体の概略構成を示す。実施例で説明する風力発電装置１は、複数のブレード２と、複数のブレード２を接続するハブ３とで構成されるロータ４を備える。ロータ４は図１では省略するがナセル６に回転軸を介して連結されており、回転することでブレード２の位置を変更可能である。ブレード２が風を受けることによりロータ４が回転し、図では省略するが、例えばナセルに備えられた発電機を回転させることで電力を発生することができる。ブレード２の各々にはブレード２とハブ３の位置関係、すなわちピッチ角と呼ぶブレードの角度、を変更可能なピッチアクチュエータ５を備えている。ピッチアクチュエータ５を用いてブレード２のピッチ角を変更することにより、風に対するロータの回転エネルギーを変更できる。これにより、広い風速領域においてロータ４の回転速度を制御しながら、風力発電装置１の発電電力を制御することができる。

本実施例では、ブレード２の各々がピッチアクチュエータを備えており、個々のブレード２のピッチ角を単独で調整可能である。ナセル６はタワー７上に設置されており、タワー７に対して回転可能に支持されている。本実施例では、ハブ３やナセル６を介してブレード２の荷重がタワー７に支持される。タワー７は、基部（図では省略）に設置され、地上または洋上等の所定位置に設置される。また、風力発電装置１はコントローラ９を備えており、センサ１０の出力信号であるセンサ出力に基づいてピッチアクチュエータ５を調整することで、タワーシャドウによるブレードの荷重の急変を低減するピッチ角度補正制御手段４０１がプログラムの形態で実装されている。また、ロータ４の回転角度であるアジマス角度を検出するためのアジマス角度検出用センサ８を備えている。図１ではコントローラ９はナセル６またはタワー７の外部に設置される形態にて図示されているが、これだけに限ったものではなく、ナセル６またはタワー７の内部またはそれ以外の所定位置、または風力発電装置１の外部に設置される形態であっても良い。ここで、タワーシャドウは、タワーの影響により風速が急激に低下するアジマス角度を指すものとする。風向き方向について、タワーと一致する位置が最も影響を受け易いが、タワーの影響により風速が急激に低下するアジマス角度は実際には必ずしもその位置に制限されない。また、ブレードがタワーよりも風下を通過するダウンウインド方式の風力発電装置の方がタワーシャドウの影響を受け易く本発明の適用が好適であるが、ブレードがタワーよりも風上を通過するアップウインド方式の風力発電装置でも、少なからずその影響を受けるので、本発明を適用することでの効果が期待できる。

《比較例における風力発電装置の挙動概要》
図２は、比較例におけるアジマス角度に対するブレードピッチ角度、ブレード基部の荷重、およびブレード基部の荷重変化を示している。

図２の横軸はアジマス角度を示し、縦軸は図上方からそれぞれ、ブレードピッチ角度、ブレード基部の荷重、および、ブレード基部の荷重変化を示す。アジマス角度に対するブレードピッチ角度を示す図では、図中、上方向に行くにつれてブレードピッチ角度がフェザー方向へ向かうことを指す。アジマス角度に対するブレード基部の荷重を示す図では、図中、上方向に行くにつれてブレード基部の荷重が（風を受ける方向に）大きくなることを示す。アジマス角度に対するブレード基部の荷重変化を示す図では、図中、上方向に行くにつれて、ブレード基部の荷重変化が（風を受ける方向に）大きくなることを示す。なお、本実施例において、ブレードのアジマス角度は、アジマス角上でブレードが頂点に位置する際を0degとしている。そして、風上側から風車を見て、時計回りを正の向きとし、0degから360degにて決定される値を示す（図３）。勿論、角度の決め方は本実施例のやり方に縛られるものではない。

以下、本実施例では、図３に示すように風力発電装置１が３枚のブレードを備えているが、ピッチ角度、ブレード荷重に関しては、#1で示すブレードについてのみ代表して説明する。#2および#3については、基準のアジマス角度が異なるのみであり、基本的な動作は#1と同様であるため、詳細説明を省略する。

また、以下では、本願の風力発電装置１の制御方法を適用しない場合は、ブレードピッチ角度及び図には明記しないが、ピッチ角度制御は、可変速制御を中心に考慮しており、少なくともタワーシャドウ特性を考慮してはいない。可変速制御は図には明記しないが、制御装置８のプログラムとして実装されている。さらに、議論を簡単にするために、風速を一定とした定常状態を想定する。

まず、図２のブレードピッチ角度に注目すると、風速一定の際には、可変速制御によってアジマス角度に関わらずブレードピッチ角がθ1の一定値に保持される。その場合、ブレードの受ける風力エネルギーがタワーによって遮られるアジマス角度の範囲φ１ degからφ２ degの期間において、ブレード基部の荷重は、それ以外の期間と比較して、L１からL２に連続的に減少する。最後に、ブレード基部の荷重変化に注目すると、アジマス角度φ１ degから180degの範囲で最小値-dL1へ減少後に0まで増加する。また、アジマス角度180degからφ２ degの範囲で最大値dL1へ増加後に0まで減少する。

ブレード基部の荷重がアジマス角度によって変化することにより、ブレード基部の荷重変化が急峻なものとなる。これによってブレードやドライブトレインに振動が発生するため、振動を考慮した構造強度の強化が必要になるが、ブレードの強度を向上させる場合、ブレード重量の増加や関連機器のコスト増に繋がる。

《実施例におけるピッチ角度補正手段》
以下、図４乃至図１４を用いて、風力発電装置１のコントローラ９に実装され、タワーシャドウによるブレード荷重変化を緩慢化するピッチ角補正手段の実施例について説明する。

図４は、本願の実施形態における風力発電装置１のコントローラ９に実装されるピッチ角度補正手段４０１の概要を説明するブロック線図を示す。

本実施例におけるピッチ角度補正手段４０１は、ピッチ角度補正最大値演算部４０２（以下、単に補正最大値演算部とも表現する。）、ピッチ角度補正開始アジマス角度演算部４０３（以下、単に補正開始アジマス角演算部とも表現する。）、ピッチ角度補正終了アジマス角度演算部４０４（以下、単に補正終了アジマス角演算部とも表現する。）、およびピッチ角度補正値演算部４０５（以下、単に補正値演算部とも表現する。）とを備える。

補正最大値演算部４０２は後述するセンサ１０の出力信号であるセンサ出力に基づいてピッチ角度補正最大値を決定する。図には明記しないが、（タワーシャドウの影響によるブレード基部の荷重変化を緩和するための）ピッチ角度補正における最大値を決定する。最大値の決定の仕方は、例えば、風速に応じて決定するものであっても良いし、また、タワーシャドウ特性の影響があるアジマス角度でのブレード基部に備えられたブレード基部の変化量を保存し、タワーシャドウの影響がないアジマス角度でのブレード基部の荷重戸の差分に比例して決定するものであっても良い。

補正開始アジマス角度演算部４０３は、前記センサ出力とアジマス角度に基づいて、ピッチ角度補正開始アジマス角度を決定する。補正開始アジマス角の決定の仕方として、例えば、以下の様な手法が挙げられる。タワー近傍で、かつブレードがタワーに向かって行くアジマス角度において、前記センサ出力が大きく変化し始めるアジマス角度を保存する。そして、保存したアジマス角度に所定値を減算等することでアジマス角度を小さくするようにピッチ角補正開始アジマス角度を決定する。

それ以外にもロータ回転速度に基づいて（アジマス角度を）小さくする調整代を変更するものであっても良い。

また、ブレードの回転する速さ及びピッチ角変化に要する時間（機械的応答速度）を考慮して、ブレードがタワーシャドウに位置する前に予めピッチ角度のフェザー側への調整を開始しても良い。これにより、タワーシャドウに差し掛かった際に確実にフェザー側へピッチ角度を調整しておくことが可能である。

補正終了アジマス角度演算部４０４は、前記センサ出力とアジマス角度に基づいて、ピッチ角度補正終了アジマス角度を決定する。より具体的には、タワー近傍であり、ブレードがタワーから離れていくアジマス角度において、前記センサ出力が変化しなくなるアジマス角度を保存する。そして、保存したアジマス角度に所定値を加算等することでアジマス角度を大きくするようにピッチ角補正終了アジマス角度を決定するものであっても良いし、ロータ回転速度に基づいて（アジマス角度を）大きくする調整代を変更するものであっても良い。

補正開始アジマス角度演算部４０３と補正終了アジマス角度演算部４０４により、前記センサ出力及びアジマス角度に応じて、タワーシャドウ特性を考慮してピッチ角度を調整する範囲が定められる。

補正値演算部４０５は、アジマス角度及び、各々決定された、補正最大値、補正開始アジマス角度、補正終了アジマス角度の入力値に基づき、ピッチ角度補正値を決定する。より具体的には、アジマス角度がピッチ角度補正開始アジマス角度からピッチ角補正終了アジマス角度の範囲で、ピッチ角度をピッチ角補正最大値に基づいて操作する。ピッチ角度補正値は、上述の補正実施期間において、ピッチ角度補正最大値に向かってピッチ角度補正値を上昇させ、ピッチ角度補正最大値と一致した後、ピッチ角度補正値を減少させる。

風力発電装置１のコントローラ９では、ピッチ角度補正手段４０１にて決定されたピッチ角度補正値を、可変速制御などから決定されるピッチ角度指令基本値（図示を省略）に、加算部４０６を介して加算し、ピッチ角度指令値として、ピッチアクチュエータ５に出力する。

図５は、本願の実施形態であるピッチ角度補正手段４０１を適用した場合の、アジマス角度に対するブレードピッチ角度、ブレード基部の荷重、および、ブレード基部の荷重変化を示す。

図５の横軸はアジマス角度を示し、縦軸は図上方からそれぞれ、ブレードピッチ角度、ブレード基部の荷重、および、ブレード基部の荷重変化を示す。アジマス角度に対するブレードピッチ角度を示す図では、図中、上方向に行くにつれてブレードピッチ角度がフェザー方向へ向かうことを指す。アジマス角度に対するブレード基部の荷重を示す図では、図中、上方向に行くにつれてブレード基部の荷重が大きくなることを示す。アジマス角度に対するブレード基部の荷重変化を示す図では、図中、上方向に行くにつれて、ブレード基部の荷重変化が大きくなることを示す。なお、図中の破線は図２に示す比較例における結果を示し、実線がピッチ角度補正手段４０１を適用した場合の結果を示している。

本願の実施形態におけるピッチ角度補正手段４０１を適用することにより、（１）アジマス角度φp1 deg以降、ピッチ角度がθ１からフェザー方向に補正され、アジマス角度180degでθ２まで増加する。（２）アジマス角度180degからφp2degの範囲では、ピッチ角度がθ２からθ１まで減少される。この時のピッチ角の変化速度を最大ピッチ速度とすることが可能である。それにより、タワーシャドウ特性を考慮してピッチ角を調整するアジマス角上の領域を減ずることができ、発電量の低下を防止できる。上記のようなピッチ角度の補正によって、ブレード基部の荷重は（１）Ｌ１からＬ３まで減少し、その後、（２）Ｌ３からＬ１まで増加する。この際、Ｌ３はＬ２よりも小さい値をとる。上記のブレード基部の荷重の推移に伴い、ブレード荷重の変化は（１）φp1より０から-ｄＬ２まで減少後、（２）ｄＬ２まで増加し、最終的にφp2で０まで減少する。ここで、ブレード基部の荷重変化は本実施例のピッチ角度補正手段４０１を適用しない場合の絶対値であるｄＬ１（＞ｄＬ２）よりも、その絶対値がｄＬ２へ減少するため、本実施例のピッチ角度補正手段４０１の適用によりタワーシャドウ特性によって生ずるブレード基部の荷重変化を緩慢化することが可能となる。ブレードがタワーシャドウに位置する際におけるピッチ角が、タワーシャドウ以外に位置する場合のピッチ角と比較して、フェザー側へ調整されていることにより、タワーシャドウ通過時の荷重変化量を小さくすることができる。ブレードのアジマス角度がタワー近傍に位置する際には、タワーによって引き起こされる風速の低下（タワーシャドウ特性）に伴って発生するブレード荷重の急変、及びドライブトレイン荷重の急変を低減する。即ち、本実施例の内容は、ロータのみならず、ブレードの回転エネルギーを発電機側へ伝達するドライブトレインの信頼性向上にも寄与できる。ドライブトレインを構成する部材としては、例えばロータに接続される主軸や、主軸に接続されて回転スピードを増速する増速機、或いは油圧駆動方式などがあるが、無論これに限定されるものではない。

また、ブレードの振動は風力発電システム動作時の低周波音と関連しており、ブレード振動を低減することで、低周波音の増大防止にも繋がる。

ここで、図５に示すようなピッチ角度の補正は、アジマス角度が90degから270deg期間でピッチ角度をフェザー側へ操作するため、この期間においてブレードの風力エネルギーを回転エネルギーに変換する効率が低下する。本実施例のピッチ角度補正手段４０１による発電効率の低下を抑制するために、図６に示すように、アジマス角度が0degから90degと、270degから360deg期間でのピッチ角度の補正を実施する。以下では、当該追加的な実施形態について説明する。

図６は、上記ピッチ角度の補正を実施した場合の、アジマス角度に対するブレードピッチ角度、ブレード基部の荷重、および、ブレード基部の荷重変化を示す。図６の横軸はアジマス角度を示し、縦軸は図上方からそれぞれ、ブレードピッチ角度、ブレード基部の荷重、および、ブレード基部の荷重変化を示す。アジマス角度に対するブレードピッチ角度を示す図では、図中、上方向に行くにつれてブレードピッチ角度がフェザー方向へ向かうことを指す。アジマス角度に対するブレード基部の荷重を示す図では、図中、上方向に行くにつれてブレード基部の荷重が大きくなることを示す。アジマス角度に対するブレード基部の荷重変化を示す図では、図中、上方向に行くにつれて、ブレード基部の荷重変化が大きくなることを示す。また、図中の破線が本実施例のピッチ角度補正手段４０１を適用しない場合を示し、実線が本実施例のピッチ角度補正手段４０１を適用した場合の結果を示す。

図５と図６の実線にて示す本実施例のピッチ角度補正手段４０１との違いは、アジマス角度0degから90degと270degから360degでもピッチ角度を補正することである。図６では、アジマス角度90degから270deg期間でのピッチ角度のフェザー方向への補正による発電出力の低下を抑制するために、アジマス角度0degから90degと270degから360degにてピッチ角度をθ1からファイン側のθ3へ補正する。これに伴い、アジマス角度0degから90degでは、ブレード基部の荷重はＬ３からＬ１まで減少する（比較例と比べると、ピーク荷重はL３に上昇）と共に、アジマス角度270degから360degの期間ではＬ１からＬ３へ増加する。ブレード基部の荷重変化は、アジマス角度0degから90degにおいては０から-ｄＬ３まで減少した後、０まで増加する。アジマス角度270degから360degでは０からｄＬ３まで増加した後に、０まで低下する。タワーシャドウ以外の領域（本実施例では0degから90deg及び270degから360degとしたが、この領域に限られず、また0degから90deg及び270degから360degの片方のみとすることも不可能ではない。）に位置する際に、本補正を考慮しない場合（比較例の様な場合）のピッチ角度（ピッチ角度指令基本値に補正値を加減算する場合、ピッチ角度指令基本値で定まる値）よりもピッチ角度をファイン側にすることによって、アジマス角１周で捉えた時の発電出力を低下させずに、かつ、ブレード基部の荷重変化を低減させることも可能になる。

図５および図６に示すピッチ角度補正手段４０１では、ピッチ角度の補正を滑らかな曲線にて連続的に変化させているが、これに限ったものではなく、他の形態であっても良い。

図７はピッチ角度補正手段４０１のピッチ角度の補正の形式を変更し、タワーシャドウ通過時の一部の期間でピッチ角度補正を一定値に保持する例を示す。図７の横軸はアジマス角度を示し、図７の縦軸はブレードピッチ角度を示す。図上方は、ブレードピッチ角度についてフェザー方向を示す。

図７では、アジマス角度φp1からφ１の期間にピッチ角度をθ１からθ２へ動作を完了し、アジマス角度φ１からφ２の期間にピッチ角度θ２に保持し、アジマス角度φ２からφp2の期間でピッチ角度をθ２からθ１まで変化させる。

一方で、図８に示すように、停止期間がなく、ピッチ角度が連続的に動作するように設定するものであっても良い。図８はピッチ角度補正手段４０１のピッチ角度の補正を連続的に操作する例を示す。図８の横軸はアジマス角度を示し、図８の縦軸はブレードピッチ角度を示す。図上方は、ブレードピッチ角度についてフェザー方向を示す。図８に示すピッチ角度の補正の形態は図５に示す形態と同様であるため、詳細説明を省略する。

図７及び図８のいずれの場合についても、タワーシャドウ特性を考慮してピッチ角度を調整するアジマス角（ピッチ角度補正終了アジマス角度演算部４０４等で定まるアジマス角）に至る前に、ピッチ角度のファイン側への変更動作（本補正を考慮しないピッチ角度への復帰動作）が開始される。

《本願の実施形態におけるピッチ角度を補正するアジマス角度範囲》
以下では、本願の実施形態におけるピッチ角度補正手段４０１がピッチ角度を補正するアジマス角度範囲について説明する。

図９は、ピッチ角度補正手段４０１がピッチ角度を補正するアジマス角度がブレード間の角度（２枚ブレードであれば、通常１８０度、３枚ブレードであれば、通常１２０度となることが多い。）以下である例を示す図である。図９において、風力発電装置１が備える複数のブレード２の（最近接の２枚）間のアジマス角度をφbとする。本実施例のピッチ角度補正手段４０１はピッチ角度の補正を開始するアジマス角度φp1からピッチ角度の補正を終了するアジマス角度φp2までのアジマス角度の範囲を示すピッチ角度補正範囲（タワーシャドウに位置する際にピッチ角を調整するアジマス角範囲）φpが上記φbよりも小さい（φp＜φb）例を示している。図９ではφpがφbよりも小さい範囲の状態を示すが、φpとφbがほとんど一致するものであったり、φpがφbの10分の1程度あったりしても良い。φp＞φbを排除するものでないが、その場合、複数枚のブレードが同時に通常よりもフェザー側に来ることになる。発電量などを考慮すると、φpとφbは少なくとも同程度が好ましく、φp＜φbが成立する方が更に好ましい。

図１０は、図９にて示すピッチ角度補正範囲φpが、タワーの位置を示すアジマス角度φtを含む状態を示す図である。図１０の通り、本実施例のピッチ角度補正手段４０１によるピッチ角度補正範囲φpに含むことで、タワーシャドウによるブレードおよびドライブトレインの振動を抑制することがより確実になる。また、ピッチ角度補正範囲φpの中心アジマス角度がφｔと一致するものであっても良い。

図１１は、図９および図１０にて示すピッチ角度補正範囲φpの中心アジマス角度φpmがタワーの位置を示すアジマス角度φtと一致しない場合の例を示す。図１１に示すように、φpmのアジマス角度がφtよりも小さいアジマス角度としてピッチ角度を補正するものであっても良いし、図には明記しないが、φpmがφtよりも大きいアジマス角度としてピッチ角度を補正するものであっても良い。

《本願の実施形態における風力発電装置１の形態》
以下では、本願の実施形態におけるピッチ角度補正手段４０１を適用する風力発電装置１の方式について説明する。

図１２は、風力発電装置１のロータ４がタワー７よりも風上に位置するアップウインド方式の例を示す。また、図１３は、風力発電装置１のロータ４がタワー７よりも風下に配置するダウンウインド方式の例を示す。図１２および図１３に示す両方式においても、タワーによってタワー近傍の風がさえぎられるタワーシャドウ特性の影響があり、ブレードおよびドライブトレインに振動を発生させるため、本願の実施形態におけるピッチ角補正手段４０１はいずれの方式に対しても、ブレードの荷重変化を緩和する効果を備える。

《本願の実施形態におけるピッチ角度補正手段４０１の処理》
尚、上記ではピッチ角度補正最大値を演算するためにセンサ１０の出力信号である前記センサ出力を利用すると説明したが、具体的には、センサ出力を風速、ブレード変位量、ブレード荷重、ロータ回転速度、発電機回転速度、タワー傾斜角度やタワー荷重とすること等が挙げられる。この場合、図４を用いて説明したセンサ出力がこれらに置き換わることで、同様に制御を行うことが可能である。

《本願の実施形態におけるタワー制振制御のフローチャート》
図１４は、本願の実施形態におけるピッチ角度補正手段４０１のフローチャートの一例を示す。図４のブロック図の流れをフローとして説明したものである。

ステップS２１０１では、ピッチ角度補正手段４０１の入力となる情報をセンサにて計測し、信号処理にて値を決定する。ステップS２１０２では、ピッチ角度を補正する対象となるブレード２のアジマス角度を決定する。ステップS２１０３では、ステップS２１０１にて決定したセンサ出力と、ステップS２１０２にて決定したアジマス角度から、ピッチ角度補正最大値を決定する。ステップS２１０４では、ステップS２１０１にて決定したセンサ出力と、ステップS２１０２にて決定したアジマス角度に基づき、ピッチ角度補正開始アジマス角度を決定する。ステップS２１０５では、ステップS２１０１にて決定したセンサ出力と、ステップS２１０２にて決定したアジマス角度に基づき、ピッチ角度終了開始アジマス角度を決定する。ステップS２１０６では、ステップ２１０２にて決定したアジマス角度と、ステップ２１０３にて決定したピッチ角度補正最大値と、ステップ２１０４にて決定したピッチ角度補正開始アジマス角度と、ステップS２１０５にて決定したピッチ角度補正終了アジマス角度に基づいて、アジマス角度に従ったピッチ角度補正量を決定する。ステップ２１０７は、ステップ２１０６にて決定したピッチ角度補正量を、可変速制御などで決定されたピッチ角度基本指令値に加算することにより、ピッチ角度指令値を決定する。以上のステップを処理した後、一連の動作を終了し、次のサイクルにて同様の処理を実施する。

尚、本発明が適用される風力発電装置は、特定の基礎や土台に取り付けられることを限定する必要はなく、例えばタワーが地面または海底に設置される着床式の風力発電装置であっても良いし、海域に浮かべた土台部分に設置される浮体式の風力発電装置であっても良い。

１ 風力発電装置
２ ブレード
３ ハブ
４ ロータ
５ ピッチアクチュエータ
６ ナセル
７ タワー
８ アジマス角度検出用センサ
９ コントローラ
１０ センサ
４０１ ピッチ角度補正手段
４０２ ピッチ角度補正最大値演算部
４０３ ピッチ角度補正開始アジマス角度演算部
４０４ ピッチ角度補正終了アジマス角度演算部
４０５ ピッチ角度補正値演算部
４０６ 加算部

Claims (7)

1. 風を受けて回転するブレードと、前記ブレードの荷重を支持するタワーと、センサとを備え、
   前記ブレードのピッチ角を調整可能な風力発電装置であって、
   前記ブレードが前記タワーのタワーシャドウに位置する際における前記ピッチ角が、フェザー側へ調整され、
   前記センサの出力であるブレード変位量、ブレード荷重、タワー傾斜角度やタワー荷重のうちの少なくとも一つ、及び前記ブレードのアジマス角に応じて前記ピッチ角を調整する範囲が定まり、
   ピッチ角度補正最大値は、ブレード基部の前記ブレード荷重を前記ブレード基部に備えられた前記センサの出力により求め、前記タワーシャドウの影響がある前記アジマス角度での前記ブレード基部の前記ブレード荷重と、前記タワーシャドウの影響がない前記アジマス角度での前記ブレード基部の前記ブレード荷重との差分に比例して定まることを特徴とする風力発電装置。
2. 請求項１に記載の風力発電装置であって、
   前記タワーシャドウ以外に位置する際に、前記ピッチ角がファイン側へ調整されることを特徴とする風力発電装置。
3. 請求項２に記載の風力発電装置であって、
   前記ブレードがアジマス角上でブレードが頂点に位置する際を０degとした時に、前記ブレードがアジマス角上０deg〜９０deg又は２７０deg〜３６０degに位置する時に、前記ピッチ角がファイン側へ調整されることを特徴とする風力発電装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の風力発電装置であって、
   前記タワーシャドウに位置する際に前記ピッチ角を調整するアジマス角の範囲が、複数の前記ブレード間のアジマス角以下であることを特徴とする風力発電装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の風力発電装置であって、
   前記ブレードが前記タワーのタワーシャドウに位置する際に前記ピッチ角を調整する速度が最大ピッチ速度であることを特徴とする風力発電装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の風力発電装置であって、
   前記ブレードの回転する速さ及びピッチ角変化に要する時間を考慮して、前記ブレードがタワーシャドウに位置する前に前記ピッチ角のフェザー側への調整を開始することを特徴とする風力発電装置。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載の風力発電装置であって、
   前記ピッチ角の調整が終了するアジマス角に至る前に、前記ピッチ角はファイン側へ変更されることを特徴とする風力発電装置。