JP2005248738A - 風力発電装置の運転制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 発電機Ｇを地上に設置するとともに、風力発電装置の運転をフレキシブルに制御可能であり、風力エネルギーを損失することなく風車１の回転を抑制することができる風力発電装置の運転制御方法を提案する。
【解決手段】 回転エネルギーの伝動に油圧システムを適用した風力発電装置の運転制御方法であって、油圧ポンプ１３、油圧モータ１５、２０の少なくともどちらか一方を可変容量型とし、風車１の回転数検出手段と所定の電子制御回路からなるコントローラー１０を設け、風車１の回転数検出信号が入力されたコントローラー１０が、設定された運転仕様に基づいて制御信号を出力し、可変容量型油圧ポンプ１３又は油圧モータ２０の容量を可変制御する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、風車の回転で発電機を駆動し、風力エネルギーを電気エネルギーに変換する風力発電装置の運転制御方法に関するものである。

近年、風力発電は、環境汚染物質を全く排出しないクリーン性、無尽蔵な自然エネルギーを利用する省エネ性等の優位性から、地球温暖化問題を解決するためのエネルギー手段として積極的な開発利用が推進されている。

図５に、構造物としての風力発電装置の一般的な構成を示す。図において、複数枚のブレードで形成した風車１が、発電機Ｇを設置したナセル５の前端に取り付けられ、風車１の回転軸３が増速機４を介して発電機Ｇに連結されている。風車１及びナセル５は、基礎７に立設したタワー８で所定の地上高に支持され、ヨー駆動装置６で風向きに追従して水平方向に回動自在とされている。そして、風車１が回転して風力エネルギーを回転エネルギーに変換し、回転軸３の回転数を増速機４で発電に適した回転数に増速して発電機Ｇを駆動し、発電機Ｇが交流電力を出力することで、風力エネルギーを電気エネルギーに変換する。

こうした風力発電装置において、安定した電力の供給を得るために、ブレードの長尺化、タワー８の高度化、発電機Ｇの高出力化等の装置の大型化が図られているが、基礎７及びタワー８の支持構造体が支える荷重が増大し、高度化、巨大化した大型の風力発電装置の建設コストが極めて高価であった。これに対して、特開２００３−２７８６４０号公報（特許文献１）により、風車の回転で駆動される油圧ポンプと、発電機Ｇを駆動する油圧モータとからなる油圧回路を構成し、油圧ポンプの作動で吐出される圧油による油圧モータの作動で発電機Ｇを駆動する手段が提案されている。これは、回転エネルギーの伝動に油圧システムを適用し、ナセル５には小型・軽量の油圧ポンプを設置し、発電機Ｇをナセル５から降ろして地上に設置することとし、支持構造体への荷重を軽減して風力発電装置の建設コストの大幅な低減化を図るものである。
特開２００３−２７８６４０号公報

一方、従来、強風時に増大する風力発電装置の騒音、振動を抑制する手段としては、機械的、電気的ブレーキにより、風車１の回転を抑制する手段が用いられている。しかし、こうした回転抑制手段は、風速の３乗に比例する風力エネルギーが有効に発電に寄与することなく無駄となり、強風時に飛躍的に増大する風力エネルギーを効率的に電気エネルギーに変換するものではない。

この発明は、風車１の回転で駆動される油圧ポンプと、発電機Ｇを駆動する油圧モータとからなる油圧回路を構成して回転エネルギーの伝動に油圧システムを適用し、発電機Ｇを地上に設置するとともに、風力発電装置の運転をフレキシブルに制御可能であり、風力エネルギーを損失することなく風車１の回転を抑制することができる風力発電装置の運転制御方法を提案し、特に、風力発電装置の最適運転を図ることを目的とするものである。

上記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、風車と、この風車の回転で駆動される油圧ポンプとをタワーで所定の地上高に支持し、油圧ポンプの作動で吐出される圧油を油圧モータへ送油する圧送回路を形成し、油圧モータと、この油圧モータの回転で駆動される発電機とを地上に設置し、回転エネルギーの伝動に油圧システムを適用した風力発電装置の運転制御方法であって、油圧ポンプ、油圧モータの少なくともどちらか一方を可変容量型とする。そして、風車の回転数検出手段と所定の電子制御回路からなるコントローラーを設け、風車の回転数検出信号が入力されたコントローラーが、設定された運転仕様に基づいて制御信号を出力し、可変容量型油圧ポンプ又は油圧モータの容量を可変制御することを特徴とするものである。

請求項２に記載の風力発電装置の運転制御方法は、請求項１に記載の風力発電装置の運転制御方法において、可変容量型油圧ポンプ又は油圧モータに代わって、容量が異なる複数の定量型油圧ポンプ又は油圧モータを並列に連結し、コントローラーの制御信号に応じてこれらを選択的に組み合わせて運転するよう構成するものである。

請求項３に記載の風力発電装置の運転制御方法は、請求項２に記載の風力発電装置の運転制御方法において、定量型油圧ポンプ又は油圧モータに代わって、容量が異なる複数の可変容量型油圧ポンプ又は油圧モータを用いるものである。

請求項４に記載の風力発電装置の運転制御方法は、風車の回転数と発電機Ｇの出力との関係における最適運転曲線に沿った運転制御を行うものである。

請求項１に記載の風力発電装置の運転制御方法によれば、油圧ポンプ、油圧モータの少なくともどちらか一方を可変容量型とし、この可変容量型油圧ポンプ又は油圧モータの容量をコントローラーの制御信号で可変制御することで、風力発電装置の運転をフレキシブルに制御可能である。例えば、可変容量型油圧ポンプを用い、風速の増加に伴って風車の回転数が上昇すれば、油圧ポンプの一回転の吐出量を増加させて回転トルクを増大させ、風車の回転上昇の抑制を図るとともに、作動油の流量の増大で油圧モータを増速させ、発電出力の増大を図ることで、風力エネルギーを損失することなく風車の回転を抑制することができる。また、可変容量型油圧モータを用い、一回転に要する油量を可変制御することで、作動油の流量の変動に対して油圧モータの回転数の変動を抑制し、定出力運転を図ることもできる。

請求項２に記載の風力発電装置の運転制御方法によれば、容量が異なる複数の定量型油圧ポンプ又は油圧モータを選択的に組み合わせて運転することで、単一の可変容量型油圧ポンプ又は油圧モータの使用に比べて、無風状態から強風状態まで、風速の変化に対するダイナミックレンジの拡大を図ることができる。また、この運転制御方法において、容量が異なる複数の可変容量型油圧ポンプ又は油圧モータを用いることで、風速の変化に応じた無段階な運転制御が可能である。

また、この発明の風力発電装置の運転制御方法によれば、風車の回転数と発電機Ｇの出力との関係における最適運転曲線に沿った運転仕様をコントローラに設定し、その制御信号で可変容量型油圧ポンプ又は油圧モータの容量を可変制御することで、風力発電装置の最適運転を実現することができる。

以下にこの発明の実施の形態を、図面を用いて具体的に説明する。
図１は、この発明の風力発電装置の運転制御方法の最初の実施例で、基本的な構成を示す全体構成図である。図において、風車１の回転軸３に可変容量型油圧ポンプ１３（斜板式ピストンポンプ）の駆動軸を連結し、風車１の回転で油圧ポンプ１３を駆動するように構成されている。回転軸３には、回転数検知器１１が介設され、その信号が所定の電子制御回路からなるコントローラー１０に入力され、回転軸３（風車１）の回転数が検出可能とされている。回転数検知器１１、油圧ポンプ１３等をナセル５内に設置し、風車１と油圧ポンプ１３とで構成した風車・油圧ポンプユニットは、タワー８で所定の地上高に支持される。

油圧ポンプ１３の作動で吐出される圧油を定容量型油圧モータ１５へ送油する圧送回路１４が形成され、圧送回路１４にはリリーフ弁１７、比例制御弁１８が介設されている。油圧モータ１５の出力軸に発電機Ｇを連結し、油圧モータ１５の回転で発電機Ｇを駆動するように構成され、発電機Ｇの出力電圧Ｖ、出力電流Ａがコントローラー１０に入力され、発電機Ｇの出力が検出可能とされている。油圧モータ２０と発電機Ｇとで構成した油圧モータ・発電ユニットは地上に設置される。

油圧モータ１５の排油を油圧ポンプ１３へ送油する戻り回路１６が形成され、戻り回路１５にはタンク１９が介設され、油圧ポンプ１３−圧送回路１４−油圧モータ１５−戻り回路１６−タンク１９−油圧ポンプ１３と作動油が循環する油圧回路が形成されている。

次にこの風力発電装置の運転について説明する。
風車１が風力エネルギーを回転エネルギーに変換し、回転軸３が回転して油圧ポンプ１３を駆動する。油圧ポンプ１３が作動して圧油を吐出し、圧送回路１４から油圧モータ１５へ送油されて油圧モータ１５を駆動する。油圧モータ１５の回転で発電機Ｇの回転子が回転し、発電機Ｇが交流電力を出力する。油圧モータ１５の排油は、予圧又は補助ポンプを用いた付加圧によって戻り回路１６からタンク１９へ収容され、再び油圧ポンプ１３に吸引される。このように、風車１の回転エネルギーが油圧システムを介して伝動され、電気エネルギーに変換される。

この風力発電装置の運転において、回転数検知器１１からの回転軸３の回転数検出信号と発電機Ｇの出力とがコントローラー１０に入力され、コントローラー１０は、設定された運転仕様に基づいて比例制御弁１８へ制御信号を出力する。比例制御弁１８はこの制御信号に応じて、油圧ポンプ１３の斜板傾転シリンダ内への油圧の供給又は排油を行い、斜板の傾転角を可変して油圧ポンプ１３の吐出量を制御する。このようにして、風速の増加に伴って回転軸３の回転数が上昇すれば、油圧ポンプ１３の一回転の吐出量を増加させて回転トルクを増大させ、風車１の回転上昇の抑制を図るとともに、作動油の流量の増大で油圧モータ１５を増速させ、発電出力の増大が図られる。

図２は、この発明の第２の実施例の全体構成図である。図において、前例と同一の符号は同一の部材であるので説明を省略するが、この実施例は、前例と同じく油圧ポンプ１３を可変容量型とするとともに、油圧ポンプ１３の作動で駆動される油圧モータ２０も可変容量型（斜板式ピストンモータ）としたものである。油圧ポンプ１３及び油圧モータ２０は、前例の油圧制御に代わって、それぞれ直動モータ２１、２２で斜板の傾転角を可変して容量を制御する構造が用いられている。

この風力発電装置の運転において、回転数検知器１１からの回転軸３の回転数検出信号と発電機Ｇの出力とがコントローラー１０に入力され、コントローラー１０は、設定された運転仕様に基づいて各直動モータ２１、２２へ制御信号を出力する。直動モータ２１、２２はこの制御信号に応じて、それぞれの斜板の傾転角を可変して油圧ポンプ１３及び油圧モータ２０の容量を可変制御し、風力発電装置の運転が制御される。油圧ポンプ１３及び油圧モータ２０を可変容量型としたことで、風力発電装置の運転をよりフレキシブルに制御可能であり、強風時に風車１の回転抑制を図るほか、油圧モータ２０の一回転に要する油量を可変制御することで、作動油の流量の変動に対して油圧モータ２０の回転数の変動を抑制し、定出力運転を図ることもできる。

図３は、この発明の第３の実施例の全体構成図である。この実施例は、風車１の回転軸３に、容量が異なる３個の定量型油圧ポンプ２４、２５、２６を歯車箱２３を介して並列に連結したものである。各油圧ポンプ２４、２５、２６の駆動軸には電磁クラッチ２７、２８、２９が介設され、それぞれの電磁クラッチ２７、２８、２９の断続を制御することで、油圧ポンプ２４、２５、２６を選択的に組み合わせて運転するものである。油圧ポンプ２４、２５、２６で吐出される圧油は合流して圧送回路１４から油圧モータ１５へ送油され、定容量型油圧モータ１５を駆動する。

この風力発電装置の運転において、回転数検知器１１からの回転軸３の回転数検出信号と発電機Ｇの出力とがコントローラー１０に入力され、コントローラー１０は、設定された運転仕様に基づいて電磁クラッチ２７、２８、２９へ制御信号を出力し、電磁クラッチ２７、２８、２９はこの制御信号に応じて断続作動する。油圧ポンプ２４、２５、２６の容量比を１：２：４とすれば、電磁クラッチ２７のみ吸着した最も小型の油圧ポンプ２４のみの容量比１の作動から、全ての電磁クラッチ２７、２８、２９が吸着した全油圧ポンプ２４、２５、２６の容量比７の作動まで、選択的に組み合わせて運転する。このように構成することで、単一の可変容量型油圧ポンプ１３の使用に比べて、無風状態から強風状態まで、風速の変化に対するダイナミックレンジの拡大を図ったものである。なお、定量型油圧ポンプ２４、２５、２６に代わって、容量の異なる複数の可変容量型油圧ポンプを用い、これらを選択的に組み合わせて運転するとともに、前例と同様にしてコントローラー１０からの制御信号で各油圧ポンプの吐出量を制御するよう構成することもでき、この場合、風速の変化に応じた無段階な運転制御が可能である。また、この実施例では油圧ポンプ側を複数で構成したが、同様な考え方で、容量の異なる複数の油圧モータを設けてもよい。

図４に示すグラフは、この発明の主目的である風力発電装置の最適運転について説明するものである。一般に、風力発電装置において、風速の増加とともに風車１の回転数が上昇し、発電機Ｇの出力が増大してその出力特性は図中の破線曲線のように示される。一方、風車１の力学特性と発電機Ｇの出力特性から、各風速における風車１の回転数と発電機Ｇの出力の関係は、図中イ、ロ、ハの曲線のように示される。したがって、各風速における最大出力が得られる曲線イ、ロ、ハの頂点を結んだ曲線が、風速エネルギーを最も効率的に発電可能な風力発電装置の最適運転曲線である。この発明の風力発電装置の運転制御方法によれば、この最適運転曲線に沿った運転仕様をコントローラ１０に設定し、その制御信号で可変容量型油圧ポンプ１３又は油圧モータ２０の容量を可変制御することで、風車１の力学的特性と発電機Ｇの出力特性とのベストマッチングを図った最適運転を実現することができる。

以上、この発明の風力発電装置の運転制御方法の実施例について説明したが、実際の適用においては、脈動圧や衝動圧を緩和、調整する油圧調整器、運転上の障害を取り除き、安定した作動を保証するためのオイルフィルター、油圧、油温制御装置等の安全装置及び各種計器、センサーを油圧回路中の適宜の箇所に配置し、これらの作動状況を監視装置によって自動又は目視で監視し、作動油の円滑な循環と装置の安全且つ安定した運転を図るものとする。

この発明の最初の実施例の全体構成図。 第２の実施例の全体構成図。 第３の実施例の全体構成図。 風力発電装置の出力特性図。 従来の風力発電装置の構成図。

符号の説明

１ 風車
８ タワー
１０ コントローラー
１３ 可変容量型油圧ポンプ
１４ 圧送回路
１５ 定容量型油圧モータ
２０ 可変容量型油圧モータ
２４、２５、２６ 定量型油圧ポンプ

Claims (4)

1. 風車１と、この風車１の回転で駆動される油圧ポンプ１３とをタワー８で所定の地上高に支持し、油圧ポンプ１３の作動で吐出される圧油を油圧モータ１５、２０へ送油する圧送回路１４を形成し、油圧モータ１５、２０と、この油圧モータ１５、２０の回転で駆動される発電機Ｇとを地上に設置し、回転エネルギーの伝動に油圧システムを適用した風力発電装置の運転制御方法であって、
   油圧ポンプ１３、油圧モータ１５、２０の少なくともどちらか一方を可変容量型とし、
   風車１の回転数検出手段と所定の電子制御回路からなるコントローラー１０を設け、風車１の回転数検出信号が入力されたコントローラー１０が、設定された運転仕様に基づいて制御信号を出力し、可変容量型油圧ポンプ１３又は油圧モータ２０の容量を可変制御することを特徴とした風力発電装置の運転制御方法。
2. 請求項１に記載の風力発電装置の運転制御方法において、
   可変容量型油圧ポンプ１３又は油圧モータ２０に代わって、容量が異なる複数の定量型油圧ポンプ２４、２５、２６又は油圧モータを並列に連結し、コントローラー１０の制御信号に応じてこれらを選択的に組み合わせて運転するよう構成した風力発電装置の運転制御方法。
3. 請求項２に記載の風力発電装置の運転制御方法において、
   定量型油圧ポンプ２４、２５、２６又は油圧モータに代わって、容量が異なる複数の可変容量型油圧ポンプ又は油圧モータを用いた風力発電装置の運転制御方法。
4. 風車１の回転数と発電機Ｇの出力との関係における最適運転曲線に沿った運転制御を行うようにした請求項１、２又は３に記載の風力発電装置の運転制御方法。

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