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JP4599350B2 - 風力発電装置およびそのアクティブ制振方法並びに風車タワー - Google Patents

風力発電装置およびそのアクティブ制振方法並びに風車タワー Download PDF

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Description

本発明は、風速の変動により誘起される振動を抑制可能な風力発電装置およびそのアクティブ制振方法並びに風車タワーに関し、特に、ナセル重量の増大を伴うことなく低コストで風力発電装置または風車タワーの振動低減を図り得る風力発電装置およびそのアクティブ制振方法並びに風車タワーに関するものである。
風力発電装置は、一般的に高さ数十［ｍ］の円筒状タワーの上部に、翼、増速器および発電機などの重量物が設置される構造となっており、風速の変動により誘起される振動が極めて大きい。このような振動は、構造材の疲労荷重を増大させ、風車タワーの寿命を縮めることとなる。
近年、風力発電装置は大型化の傾向にあり、装置の大型化につれて、風速変動により誘起される振動の影響はますます顕著になり、風力発電装置または風車タワーにおける振動の低減は必須の技術課題となっている。
他方、ビルなどの高層建築物では、強風時の居住性を改善するためにアクティブ制振技術が実用化されている。種々の方式が提案されているが、ＡＭＤ（Active
Mass Damper）に代表されるように、構造物上部に設置した重量物（mass）をモータなどのアクチュエータで駆動し、構造物本体の振動を吸収する方式が殆どである。
しかしながら、上記高層建造物などで実用化されているアクティブ制振技術（ＡＭＤ）を、風車発電装置または風車タワーにそのまま適用しようとすると、以下のような問題が生じる。
第１に、十分な制振効果を得るためには、相当の重量物（mass）が必要であり、また同時に、この相当の重量物を駆動するためには、大容量のアクチュエータを用意しなければならない。このため、ナセル重量が大幅に増加してしまう。
第２に、風車タワーの上部に位置するナセル重量が増加する分だけ、そのナセルを支える風車タワーの強度を増やさなければならない。このような風車タワーやその他の構成要素の強度を大幅に増大させる必要性から、風力発電装置および風車タワーの全体のコストが増大してしまう。
第３に、重量物（mass）を駆動するアクチュエータが必要であり、駆動箇所が増えてメンテナンスコストも増大する。
そこで、例えば、特開２００１−２２１１４５号公報（特許文献１）には、上述したような課題に対して、パッシブ・アクティブ・ピッチ・フラップ機構を設けることにより、風車タワーの振動を抑制する技術が開示されている。
特開２００１−２２１１４５号公報
しかしながら、上記特許文献１の発明では、結局、機械的な機構により風車タワーの振動を低減させる手法を取っているため、従来のＡＭＤとかわらず、ナセルの重量増大を招く。また、複数の構造体を有するため、ナセルが大型化し、また、コスト高になるという問題もあった。
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、ナセル重量の増大を伴うことなく、低コストで振動を低減させることができる風力発電装置およびそのアクティブ制振方法並びに風車タワーを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、翼ピッチ角指令に基づき風車ブレードのピッチ角を制御するピッチ角制御機構を備えた風力発電装置であって、ナセルに取り付けられ、該ナセルの振動の加速度を検出する加速度計と、前記加速度計により検出された加速度に基づき、前記ナセルの振動を打ち消すように前記風車ブレードにスラスト力を発生させるための該風車ブレードのピッチ角を算出して翼ピッチ角指令を前記ピッチ角制御機構に出力するアクティブ制振手段とを具備する風力発電装置を提供する。
本発明によれば、ナセルに取り付けられた加速度計により該ナセルの振動の加速度を検出し、アクティブ制振手段において、該加速度に基づき、ナセルの振動を打ち消すように風車ブレードにスラスト力を発生させるための該風車ブレードのピッチ角を算出し、これを翼ピッチ角指令としてピッチ角制御機構に出力して、風車ブレードのピッチ角を制御する。この場合において、風車ブレードに作用する抗力はナセルの前後方向にスラスト力として作用し、その大きさは風速と風車ブレードのピッチ角により変化することから、ピッチ角を所定の制御則に従って制御すれば、ナセル前後方向の振動をある程度制御することができる。
また、本発明は、翼ピッチ角指令に基づき風車ブレードのピッチ角を制御するピッチ角制御機構を備えた風力発電装置であって、ナセルに取り付けられ、該ナセルの振動の加速度を検出する加速度計と、前記加速度計により検出された加速度に基づき、前記ナセルの振動を打ち消すように前記風車ブレードにスラスト力を発生させるための該風車ブレードのピッチ角を算出して制振用翼ピッチ角指令を出力するアクティブ制振手段と、風速、風車ロータの回転数または当該風力発電装置の出力に基づき、当該風力発電装置の出力を所定値にするための前記風車ブレードのピッチ角を算出して出力制御用翼ピッチ角指令を出力するピッチ角制御手段と、前記ピッチ角制御手段からの出力制御用翼ピッチ角指令に前記アクティブ制振手段からの制振用翼ピッチ角指令を重畳させた翼ピッチ角指令を前記ピッチ角制御機構に与える加算手段とを具備する風力発電装置を提供する。
本発明によれば、ナセルに取り付けられた加速度計により該ナセルの振動の加速度を検出し、アクティブ制振手段において、該加速度に基づき、ナセルの振動を打ち消すように風車ブレードにスラスト力を発生させるための該風車ブレードのピッチ角を算出して制振用翼ピッチ角指令として出力する一方、ピッチ角制御手段において、出力を所定値にするための風車ブレードのピッチ角を算出して出力制御用翼ピッチ角指令を出力し、加算手段により出力制御用翼ピッチ角指令に制振用翼ピッチ角指令を重畳させて、該重畳後の翼ピッチ角指令に基づき風車ブレードのピッチ角を制御する。
ここで、出力制御のためにピッチ角制御を行うことは従来より広く採用されている技術であるので、加速度計、アクティブ制振手段および加算手段を既存の風力発電装置に付加的に実装するだけで本発明を実現することが可能である。従って、アクティブ制振制御の適用・運用コストを格段に下げることができ、低コストで風力発電装置の振動低減を図ることができる。また、制振用翼ピッチ角指令を出力制御用翼ピッチ角指令に重畳させてピッチ角制御を行うので、出力制御および制振制御を同時に達成することができる。
また、本発明の風力発電装置において、前記アクティブ制振手段は、前記加速度計により検出された加速度から速度を推定する速度推定手段と、前記速度推定手段から出力された速度に基づき、前記ナセルの振動を打ち消すように前記風車ブレードにスラスト力を発生させるための該風車ブレードのピッチ角を算出する制御手段とを具備することが好ましい。
この発明によれば、アクティブ制振手段において、速度推定手段が加速度計により検出された加速度から速度を推定する。そして、制御手段が、推定された速度に基づいて、ナセルの振動を打ち消すように風車ブレードにスラスト力を発生させるための該風車ブレードのピッチ角を算出する。
このように、アクティブ制振手段を速度推定手段および制御手段という簡単な構成で実現できるので、低コストで風力発電装置の振動低減を図ることができる。
本発明の風力発電装置において、前記速度推定手段は、前記加速度計により検出された加速度を積分して速度を算出することが好ましい。
このように、速度推定手段が加速度計により検出された加速度を積分して速度を求めるので、高周波数帯のノイズを除去することが可能となる。これにより、後段の制御手段は、安定かつ効果的な制振制御を行うことができる。
本発明の風力発電装置において、前記制御手段は、前記速度推定手段から出力された速度の位相を所定量だけ進める位相進み補償手段を具備し、該位相進み補償後の速度に基づき、前記ピッチ角を算出することが好ましい。
更に、前記制御手段は、前記位相進み補償手段から出力された速度の位相を所定量だけ遅らせる位相遅れ補償手段を具備し、該位相遅れ補償後の速度に基づき、前記ピッチ角を算出することが好ましい。
この発明によれば、該位相遅れ補償後の速度に基づき、ピッチ角を算出するので、加速度計出力の位相遅れを補償すると共に、高域周波数帯のノイズを低減することができるので、安定かつ効果的な制振制御を行うことができる。
本発明の風力発電装置において、前記制御手段は、前記速度推定手段により推定された速度を入力とする比例制御器、比例積分制御器、比例積分微分制御器、線形２次レギュレータ、及び線形２次ガウシャンレギュレータのうちいずれか１つを備え、前記ピッチ角を算出することが好ましい。
このように制御手段を構成することで、安定かつ効果的な制振制御を行うことができる。
本発明の風力発電装置において、前記アクティブ制振手段は、前記風車ブレードのピッチ角又は前記風車ブレードのピッチ角の角速度を所定範囲内に制限する制限手段を有することが好ましい。
この発明によれば、アクティブ制振手段、例えば、アクティブ制振手段が備える制御手段に、風車ブレードのピッチ角又は風車ブレードのピッチ角の角速度（変化率）を所定範囲内に制限する制限手段を具備して構成するので、ピッチ角制御機構の疲労を低減できると共に、パラメータの設定ミス等による不具合を防止できる。
更に、制振用翼ピッチ角指令を出力制御用翼ピッチ角指令に比べて非常に小さい範囲に制限した場合には、両指令値の干渉による影響を軽減若しくは防止することができる。
本発明は、翼ピッチ角指令に基づき風車ブレードのピッチ角を制御するピッチ角制御機構と、ナセルに取り付けられ、該ナセルの振動の加速度を検出する加速度計とを備えた風力発電装置のアクティブ制振方法であって、前記加速度計により検出された加速度に基づき、前記ナセルの振動を打ち消すように前記風車ブレードにスラスト力を発生させるための該風車ブレードのピッチ角を算出して翼ピッチ角指令を前記ピッチ角制御機構に出力するアクティブ制振ステップとを具備する風力発電装置のアクティブ制振方法を提供する。
本発明によれば、ナセルに取り付けられた加速度計により該ナセルの振動の加速度を検出し、アクティブ制振ステップにおいて、該加速度に基づき、ナセルの振動を打ち消すように風車ブレードにスラスト力を発生させるための該風車ブレードのピッチ角を算出し、これを翼ピッチ角指令としてピッチ角制御機構に出力して、風車ブレードのピッチ角を制御する。このように、加速度計およびピッチ角制御機構のハードウェアとアクティブ制振ステップのソフトウェアで実現できるので、アクティブ制振制御の適用・運用コストを格段に下げることができ、低コストで風力発電装置の振動低減を図ることができる。
本発明は、翼ピッチ角指令に基づき風車ブレードのピッチ角を制御するピッチ角制御機構と、ナセルに取り付けられ、該ナセルの振動の加速度を検出する加速度計とを備えた風力発電装置のアクティブ制振方法であって、前記加速度計により検出された加速度に基づき、前記ナセルの振動を打ち消すように前記風車ブレードにスラスト力を発生させるための該風車ブレードのピッチ角を算出して制振用翼ピッチ角指令を出力するアクティブ制振ステップと、風速、風車ロータの回転数または当該風力発電装置の出力に基づき、当該風力発電装置の出力を所定値にするための前記風車ブレードのピッチ角を算出して出力制御用翼ピッチ角指令を出力するピッチ角制御ステップと、前記ピッチ角制御ステップによる出力制御用翼ピッチ角指令に前記アクティブ制振ステップによる制振用翼ピッチ角指令を重畳させた翼ピッチ角指令を前記ピッチ角制御機構に与える加算ステップとを具備する風力発電装置のアクティブ制振方法を提供する。
この発明によれば、ナセルに取り付けられた加速度計により該ナセルの振動の加速度を検出し、アクティブ制振ステップにおいて、該加速度に基づき、ナセルの振動を打ち消すように風車ブレードにスラスト力を発生させるための該風車ブレードのピッチ角を算出して制振用翼ピッチ角指令として出力する一方、ピッチ角制御ステップにおいて、出力を所定値にするための風車ブレードのピッチ角を算出して出力制御用翼ピッチ角指令を出力し、加算ステップにより出力制御用翼ピッチ角指令に制振用翼ピッチ角指令を重畳させて、該重畳後の翼ピッチ角指令に基づき風車ブレードのピッチ角を制御する。出力制御のためにピッチ角制御を行うことは従来より広く採用されている技術であるので、アクティブ制振ステップおよび加算ステップを風力発電装置の既存の制御ソフトウェアに付加するだけで本発明を実現することが可能である。
これにより、加速度計の実装とソフトウェアの付加で実現が可能であるので、アクティブ制振制御の適用・運用コストを格段に下げることができ、低コストで風力発電装置の振動低減を図ることができる。また、制振用翼ピッチ角指令を出力制御用翼ピッチ角指令に重畳させてピッチ角制御を行うので、出力制御および制振制御を同時に達成することができる。
本発明の風力発電装置のアクティブ制振方法において、前記アクティブ制振ステップは、前記加速度計により検出された加速度から速度を推定する速度推定ステップと、前記速度推定ステップにより推定された速度に基づき、前記ナセルの振動を打ち消すように前記風車ブレードにスラスト力を発生させるための該風車ブレードのピッチ角を算出する制御ステップとを具備することが好ましい。
この発明によれば、アクティブ制振ステップにおいて、速度推定ステップにより、加速度計によって検出された加速度に基づいて速度を求め、制御ステップにより、該速度に基づいて、ナセルの振動を打ち消すように風車ブレードにスラスト力を発生させるための該風車ブレードのピッチ角を算出する。このように、アクティブ制振ステップを速度推定ステップおよび制御ステップという簡単な構成で実現できるので、低コストで風力発電装置の振動低減を図ることができる。
本発明の風力発電装置のアクティブ制振方法において、前記速度推定ステップは、前記加速度計により検出された加速度を積分して速度を算出することが好ましい。
速度推定ステップにより、高周波数帯のノイズを除去することが可能となるので、アクティブ制振ステップとして、安定かつ効果的な制振制御を行うことができる。
本発明の風力発電装置のアクティブ制振方法において、前記制御ステップは、前記速度推定ステップから出力された速度の位相を所定量だけ進める位相進み補償ステップを具備し、該位相進み補償後の速度に基づき、前記ピッチ角を算出することが好ましい。
本発明の風力発電装置のアクティブ制振方法において、前記制御ステップは、前記位相進み補償ステップから出力された速度の位相を所定量だけ遅らせる位相遅れ補償ステップを具備し、該位相遅れ補償後の速度に基づき、前記ピッチ角を算出することが好ましい。
本発明によれば、制御ステップに、速度推定ステップから出力された速度の位相を所定量だけ進める位相進み補償ステップを具備し、制御ステップに、位相進み補償ステップから出力された速度の位相を所定量だけ遅らせる位相遅れ補償ステップを具備し、該位相遅れ補償後の速度に基づきピッチ角を算出する。これにより、加速度計出力の位相遅れを補償すると共に、高域周波数帯のノイズを低減することができるので、安定かつ効果的な制振制御を行うことができる。
本発明の風力発電装置のアクティブ制振方法において、前記制御ステップは、前記速度推定ステップにより推定された速度に対して、比例制御、比例積分制御、比例積分微分制御、線形２次レギュレータを用いた制御、及び線形２次ガウシャンレギュレータを用いた制御のいずれか１つの制御を行う補償ステップを備え、前記補償後の速度に基づき前記ピッチ角を算出することが好ましい。
これにより、安定かつ効果的な制振制御を行うことができる。
本発明の風力発電装置のアクティブ制振方法において、前記アクティブ制振ステップは、前記風車ブレードのピッチ角又は前記風車ブレードのピッチ角の角速度を所定範囲内に制限する制限ステップを有することが好ましい。
発明によれば、ピッチ角制御機構の疲労を低減できると共に、パラメータの設定ミス等による不具合を防止でき、さらに、制振用翼ピッチ角指令を出力制御用翼ピッチ角指令に比べて非常に小さい範囲に制限した場合には、両指令値の干渉による影響を軽減若しくは防止することができる。
本発明の風力発電装置は風車タワーに好適である。
本発明の風力発電装置を風車タワーに採用することにより、アクティブ制振制御の適用・運用コストを格段に下げることができ、低コストで風車タワーの振動低減を図ることができる。また、従来のＡＭＤのように重量物や該重量物用のアクチュエータを用いないので、ナセル重量の増大を伴うことがなく、風車タワーの強度を上げる必要が無く低コストで実現できる。
本発明の風力発電装置によれば、従来のＡＭＤのように重量物や該重量物用のアクチュエータを用いることなく、加速度計、アクティブ制振部およびピッチ角制御機構により、振動を抑制させることができる。これにより、アクティブ制振制御の適用・運用コストを格段に下げることができ、低コストで風力発電装置の振動低減を図ることができるという効果を奏する。
本発明の一実施形態に係る風力発電装置の構成図である。 風車ブレードに作用する力を説明する説明図である。 風速変化に対してスラスト力とピッチ角の関係を例示する説明図である。 図４（ａ）は風車タワーの模式図、図４（ｂ）は風車タワーを機械振動系としてモデル化したときの説明図である。 本発明の一実施形態におけるアクティブ制振制御システムのブロック線図である。 アクティブ制振部の制御部の構成を例示するブロック線図である。 図６に示したリミッタの制御内容の一例を示すフローチャートである。 図６に示したリミッタの制御内容の一例を示すフローチャートである。 アクティブ制振制御システムを出力制御システムに組み込んだ時の制御システムのブロック線図である。 風車発電装置の出力および風速間の特性を説明する説明図である。 アクティブ制振部によるアクティブ制振がある時と無い時について、タワーシステムにおける振動振幅の周波数特性を例示する説明図である。
以下、本発明の風力発電装置およびそのアクティブ制振方法並びに風車タワーの実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る風力発電装置の構成図である。同図において、本実施形態の風力発電装置は、風力発電装置の機械的部分１０、アクティブ制振部２０、ピッチ角制御部３０および減算器４０を備えて構成されている。まず、本実施形態の風力発電装置における各構成要素の概略を説明する。
風力発電装置の機械的部分１０は、風車ロータ１１、風車ブレード１２、ナセル１３、及び、風速計１６を主な構成要素としている。上記ナセル１３は、増速機１４、発電機１５及び加速度計１７を備えている。
この風力発電装置の機械的部分１０では、風車ロータ１１に取り付けられた複数枚の風車ブレード１２が風力エネルギを受けて風車ロータ１１と共に回転し、増速機１４によって増速した後、発電機１５を駆動して発電することにより風力エネルギを電気エネルギに変換している。なお、図１では増速機１４を備えた構成としているが、増速機１４を用いないダイレクトドライブ方式でもかまわない。
本実施形態の風力発電装置の特徴である加速度計１７は、ナセル１３内部のタワー中心部に近い位置に設置され、ナセル１３の前後方向の振動の加速度を検出する。
また、ピッチ角制御部３０は、風速計１６で測定された風速ｖ、風車ロータ１１の回転数Ｎまたは当該風力発電装置の出力Ｐに基づき、当該風力発電装置の出力Ｐを所定値にするための風車ブレード１２のピッチ角を算出し、これを出力制御用翼ピッチ角指令θ＊として出力する。このピッチ角制御による出力制御は従前より行われており、本実施形態のピッチ角制御部３０も従前のものと同等である。
また、アクティブ制振部２０は、加速度計１７により検出された加速度に基づき、ナセル１３の振動を打ち消すように風車ブレード１２にスラスト力を発生させるための該風車ブレード１２のピッチ角を算出し、これを制振用翼ピッチ角指令δθ＊として出力する。
さらに、減算器（加算部）４０は、ピッチ角制御部３０からの出力制御用翼ピッチ角指令θ＊にアクティブ制振部２０からの制振用翼ピッチ角指令δθ＊を重畳させ、これを翼ピッチ角指令としてピッチ角制御機構に与える。ここで、ピッチ角制御機構（図示せず）は、翼ピッチ角指令に基づき風車ブレード１２のピッチ角を制御するもので、その構造等は従来のものと同等である。
次に、アクティブ制振部２０の詳細な構成、並びに、アクティブ制振部２０により風力発電装置および風車タワーの振動を低減させるアクティブ制振方法について詳しく説明する。
まず、アクティブ制振方法の基本的な考え方について図２および図３を参照して説明する。図２は、風車ブレード１２（図１参照）の先端から根本の方を見たときの風車ブレード１２の断面を示しており、風車ブレード１２に作用する力を説明する説明図である。なお、同図において、風車ブレードの回転方向は右から左であり、風力発電装置または風車タワーの振動方向を上下（ｘ）方向としている。また、図３は、６［ｍ／ｓ］から２４［ｍ／ｓ］までの風速ｖそれぞれについて、スラスト力とピッチ角の関係を例示する説明図である。
図２に示すように、風車運転中には、風車ブレードに対して揚力Ｌと抗力Ｄが作用する。抗力Ｄは、風車タワーのナセル１３（図１参照）の前後方向にスラスト力として作用している。一方、図３に示すように、スラスト力の大きさは風速とピッチ角により変化する。したがって、ピッチ角を何らかの制御則に基づいて制御すれば、風車タワーのナセル１３の前後方向のスラスト力を変化させて、風車タワーのナセル１３の前後方向の振動をある程度制御することが可能である。本発明は、この点に着目したものであり、このピッチ角の制御則について、以下説明する。
図４（ａ）は、風車タワーの模式図、図４（ｂ）は風車タワーを機械振動系としてモデル化したときの説明図である。すなわち、図４（ａ）では、風車タワーのナセル１３に加速度計１７を設置して、変位ｘについての加速度（ｄ２ｘ／ｄｔ２）を検出することを模式的に示している。また図４（ｂ）に示すように、風車タワーは、質量ｍの物体、ばね定数ｋのばね、並びに、粘性抵抗ｃのダッシュポットでモデル化することができる。
この機械振動系において、平衡状態からの変位をｘとすると、物体の振動の方程式は、（１）式となる。
Figure 0004599350
ここで、ｆ＋Δｆは物体に対して働く力であり、Δｆはアクティブ制振部２０のピッチ制御動作によって付加的に加わる力である。
（１）式について、変形すると（２）式が得られる。
Figure 0004599350
ここで、系の固有振動数ωnおよび減衰率ζを次のように置いて、（２）式を書き換えると（５）式が得られる。
ωn ＝（ｋ／ｍ）１／２ （３）
ζ ＝ｃ／２（ｍｋ）１／２ （４）
Figure 0004599350
さらに、（５）式をラプラス変換すれば、（６）式が得られる。
ｓ２Ｘ（ｓ）＋２ζωnｓＸ（ｓ）＋ωn２Ｘ（ｓ）
＝（１／ｍ）Ｆ（ｓ） （６）
（６）式より、系の伝達関数Ｇ（ｓ）は（７）式で与えられることになる。
Ｇ（ｓ）＝Ｘ（ｓ）／Ｆ（ｓ）
＝（１／ｍ）／（ｓ２＋２ζωnｓ＋ωn２） （７）
（７）式のような２次系の周波数応答特性において、（３）、（４）式から、質量ｍおよびばね定数ｋの変化で系の固有振動数ωnを変えることができるが、減衰率ζについては、質量ｍおよびばね定数ｋの変化の影響よりも粘性抵抗ｃの変化の影響の方が大きいことが分かる。
一方、（１）式において、付加的に加わる力Δｆを、例えば、
Figure 0004599350
と置くことにより、（１）式は（９）式のように書き換えることができる。
Figure 0004599350
つまり、アクティブ制振部２０のピッチ制御動作によって付加的に加わる力Δｆを（８）式のように設定することにより、（９）式の１次項における＋Ｄp分の増加によって減衰率ζをより大きな値に変えることができ、振動の減衰をより早めると共に、周波数応答特性において固有振動数ωnのゲインのピーク値をより抑えて、振動振幅を抑制することができることになる。
以上説明したアクティブ制振方法の基本的な考え方を踏まえて、次に、アクティブ制振制御のための具体的な構成とその動作について詳しく説明する、図５には、本実施形態におけるアクティブ制振制御システムのブロック線図を示す。
図５において、符号５１は、減算器４０から出力される翼ピッチ角指令に基づき風車ブレード１２を駆動してピッチ角度を制御するピッチアクチュエータである。ピッチアクチュエータ５１は、具体的には、油圧シリンダまたは電動モータ等によって実現されるが、ここでは、機械振動系の観点から１次遅れ系でモデル化している。
また、符号５２は、風車運転中に風車ブレードに対して作用するスラスト力を算出するブレードシステムである。図２に示したように、風車タワーのナセル１３の前後方向のスラスト力は、揚力Ｌおよび抗力Ｄの前後方向成分の和であるので、加算器５４でこれらを加算して出力している。また、抗力Ｄによるスラスト力については、風車ブレード１２のピッチ角とスラスト力の間に図３に示したような特性を持つ。従って、スラスト力はピッチ角に逆比例すると見なして、その直線近似で得られる勾配に基づくＫbをゲインとする増幅器５３により求めている。
符号５５は、風車タワーを機械振動系としてモデル化したタワーシステムである。伝達関数は（７）式で求めたが、アクティブ制振制御システムでは、加速度（ｄ２ｘ／ｄｔ２）を加速度計１７で検出してフィードバックをかけているので、（７）式にｓ２を掛けた伝達関数でモデル化している。なお、このモデルは１次振動モードのみのモデルである。
以上のピッチアクチュエータ５１、ブレードシステム５２およびタワーシステム５５は、従来の風力発電装置が備える構成であるが、本実施形態では、これらに、タワーシステム５５の出力である加速度を検出する加速度計１７、風車タワーのナセル１３の前後方向のスラスト力を変化させるための制振用翼ピッチ角指令δθ＊を生成するアクティブ制振部２０、並びに、アクティブ制振部２０によって得られる制振用翼ピッチ角指令δθ＊をピッチ角制御部３０から出力される出力制御用翼ピッチ角指令θ＊に重畳するべく、δθ＊−θ＊の演算を行う減算器４０を付加して、フィードバックループを構成している。
加速度計１７は、出力に位相遅れがあるので１次遅れ系でモデル化している。また、アクティブ制振部２０では、（８）式で設定したように、速度（ｄｘ／ｄｔ）にＤpを掛けたものをアクティブ制振部２０のピッチ制御動作によって付加的に加わる力としているので、加速度を積分して速度を求める積分器２１、並びに、伝達関数Ｇc（ｓ）を持つ制御部２２を備えて構成されている。
すなわち、ナセル１３内部に設置された加速度計１７により、ナセル１３の前後方向の加速度（１次振動モード）を計測し、その計測した加速度をアクティブ制振部２０に入力して、積分器２１による積分演算によりナセル１３の前後方向の速度を算出する。アクティブ制振部２０の制御部２２では、算出された速度に基づいて制振効果を得るための制振用翼ピッチ角指令δθ＊を計算する。アクティブ制振部２０で求められた制振用翼ピッチ角指令δθ＊は、減算器４０によってピッチ角制御部３０（図１参照）で求められた出力制御用翼ピッチ角指令θ＊に重畳される。ピッチアクチュエータ５１では、この重畳された翼ピッチ角指令に基づき風車ブレード１２を駆動してピッチ角度を制御する。このピッチ角度制御により、当該風力発電装置の出力が制御されると共に、ピッチ角に応じたスラスト力が風車タワーのナセル１３の前後方向の振動を抑制するように作用して、振動の減衰を早める働きをする。
このように、本実施形態では、制振用翼ピッチ角指令δθ＊を出力制御用翼ピッチ角指令θ＊に重畳することで、出力制御および制振制御を同時に達成することができる。なお、速度を算出する積分器２１は単に積分演算を行うだけでなく、周波数特性として相対的に高域周波数帯を抑制し且つ低域周波数帯を強調する特性を持つので、高周波数帯のノイズをカットする役目をも果たす。
なお、積分器の構造は完全積分（１／ｓ）に限定されるものではなく、これと同等の作用をもつフィルタ（例えば1次遅れ要素など）あるいは、適当な状態推定器（同一・最小次元オブザーバやカルマンフィルタ）などでもよい。
次に、図６（ａ）及び図６（ｂ）を参照して、アクティブ制振部２０の制御部２２の具体的な構成および動作について説明する。図６（ａ）及び図６（ｂ）は、共にアクティブ制振部２０の制御部２２の構成を例示するブロック線図である。
図６（ａ）において、制御部２２ａは、位相進み補償器６２、位相遅れ補償器６３、増幅器６４およびリミッタ６５を備えて構成されている。
上述のように、加速度計１７の出力には位相遅れがあるので、位相進み補償器６２によって位相を調整している。位相進み補償器６２は、図示するように、（１＋ｓαＴ1）／（１＋ｓＴ1）の位相進み系の伝達関数（ここで、α＜１）を持つ。
また、位相進み補償器６２を通過することにより、高域周波数帯でのノイズが増幅されてしまうので、その対策として位相遅れ補償器６３を付加し、相対的に高域周波数帯を抑制し且つ低域周波数帯を強調している。位相遅れ補償器６３は、図示するように、（１＋ｓαＴ2）／（１＋ｓＴ2）の位相遅れ系の伝達関数（ここで、α＞１）を持つ。このように、アクティブ制振部２０の制御部２２に、位相進み補償器６２および位相遅れ補償器６３の２種類のフィルタを具備することにより、加速度計１７出力の位相遅れを補償すると共に、高域周波数帯のノイズを低減することができるので、安定かつ効果的な制振制御を行うことができる。
また、（８）式の設定から、増幅器６４は、ゲインＤpの伝達関数を持つように構成される。ここで、ゲインＤpは、シミュレーションや実験等の結果を踏まえて、設定されるのが望ましい。
なお、制御部２２（図５参照）の構成は、上述した位相補償器に限定されることは無く、例えば比例制御器、比例積分制御器、比例積分微分制御器、ＬＱレギュレータ（線形２次レギュレータ）、ＬＱＧレギュレータ（線形２次ガウシャンレギュレータ）などによっても実現可能である。
さらに、制振用翼ピッチ角指令δθ＊によるピッチ角制御をあまり頻繁に行うと、ピッチ角制御機構が動きすぎて疲労を起こしてしまうことから、リミッタ６５（図６（ａ）、（ｂ）参照）により制振用翼ピッチ角指令δθ＊に制限（例えば、±１［deg］）を設けて、ピッチ角制御機構の疲労を低減するとよい。
具体的には、図６に示した増幅器６４の出力（以下「ピッチ角指令」という。）が、予め設定されている最小ピッチ角よりも小さい場合には（図７のステップＳＡ１において「YES」）、最小ピッチ角或いは最小ピッチ角よりも大きい所定のピッチ角を最終的な制振用翼ピッチ角指令δθ＊として出力する（図７のステップＳＡ２）。一方、ピッチ角指令が最小ピッチ角以上であった場合には（図７のステップＳＡ１において「NO」）、ピッチ角指令が予め設定されている最大ピッチ角よりも大きいか否かを判断する（図７のステップＳＡ３）。
この結果、ピッチ角指令が最大ピッチ角よりも大きい場合には（図７のステップＳＡ３において「YES」）、最大ピッチ角或いは最大ピッチ角よりも小さい所定のピッチ角を最終的な制振用翼ピッチ角指令δθ＊として出力する（図７のステップＳＡ４）。一方、当該ピッチ角指令が最大ピッチ角以下の場合には（図７のステップＳＡ３において「NO」）、当該ピッチ角指令を最終的な制振用翼ピッチ角指令δθ＊として出力する（図７のステップＳＡ５）。
また、上述したように、増幅器６４（図６（ａ）（ｂ）参照）の出力自体を制限するのではなく、この出力の変化率、言い換えると、ピッチ角度の角速度を一定範囲内に制限（例えば、±0.6[deg/sec]）しても良い。
具体的には、図８に示すように、まず、増幅器６４（図６参照）の出力の前回値（以下「ピッチ角指令の前回値」という。）と今回値（以下「ピッチ角指令の今回値」という。）とに基づいて変化率を算出し（ステップＳＢ１）、この変化率が予め設定されている最小変化率よりも小さいか否かを判断する（ステップＳＢ２）。この結果、変化率が予め設定されている最小変化率よりも小さい場合には（ステップＳＢ２において「YES」）、ピッチ角指令の前回値に最小変化率を加算した値を最終的な制振用翼ピッチ角指令δθ＊として出力する（ステップＳＢ３）。
一方、変化率が最小変化率以上であった場合には（ステップＳＢ２において「NO」）、変化率が予め設定されている最大変化率よりも大きいか否かを判断する（ステップＳＢ４）。この結果、変化率が最大変化率よりも大きい場合には（ステップＳＢ４において「YES」）、ピッチ角指令の前回値に最大変化率を加算した値を最終的な制振用翼ピッチ角指令δθ＊として出力する（ステップＳＢ５）。一方、変化率が最大変化率以下の場合には（ステップＳＢ４において「NO」）、ピッチ角指令の今回値を最終的な制振用翼ピッチ角指令δθ＊として出力する（ステップＳＢ６）。
以上説明していたように、制振用翼ピッチ角指令δθ＊またはピッチ角指令δθ*の変化率を制限することにより、制振制御系のパラメータの設定ミス等によって風車タワーの振動がかえって増大してしまうなどの不具合を防止することができる。
さらに、制振用翼ピッチ角指令δθ＊は、出力制御用翼ピッチ角指令θ＊に比べて非常に小さい範囲に制限されるので、両指令値の干渉による影響を軽減若しくは防止することができる。
また、図６（ｂ）に示す制御部２２ｂでは、制御部２２ａの位相進み補償器６２の前段に２次振動性の補償器６１を付加して構成し、より高精度の制御を実現している。
なお、以上の説明では、アクティブ制振部２０をハードウェアで構成して、制振用翼ピッチ角指令δθ＊を出力するものとして説明したが、各構成要素を順次実行されるサブプログラムとして構成しても良い。この場合、積分器２０は積分ステップ（速度推定ステップ）、制御部２２は制御ステップ、また、制御部２２内の各構成要素もそれぞれ位相進み補償ステップ、位相遅れ補償ステップ、制限ステップ等に置き換えられ、これら各ステップはいわゆるコントローラ内部のＣＰＵ，ＭＰＵ或いはＤＳＰ上で実行されるサブプログラムとなる。
次に、上述したアクティブ制振部２０によるアクティブ制振制御システムを、従来の風力発電装置で実現されているピッチ角制御部３０（図１参照）による出力制御システムに組み込んだ時の制御システムのブロック線図を図９に示し、ピッチ角制御部３０による出力制御について簡単に説明する。
図９において、ピッチ角制御部は、減算器３１、３２と、風速制御部３３と、回転数制御部３４と、出力制御部３５と、選択部３６とを備えている。
風速制御部３３は、風速計１６によって測定した風速ｖ［ｍ／ｓ］に基づき翼ピッチ角指令θvを求めて出力する。また、回転数制御部３４は、風車ロータ１１の回転数Ｎ［ｒｐｍ］に基づき、所定回転数（目標値）Ｎ＊となるような翼ピッチ角指令θNを算出して出力する。さらに、出力制御部３５は、当該風力発電装置の出力Ｐ［ｋＷ］に基づき、所定出力（目標値）Ｐ＊となるような翼ピッチ角指令θPを算出して出力する。
また、選択部３６では、風速制御部３３、回転数制御部３４および出力制御部３５のそれぞれで求めた翼ピッチ角指令θv、θNおよびθPの内の最小値を選択（minimum selection）、即ち、最も出力を出さない翼ピッチ角指令を選んで、出力制御用翼ピッチ角指令θ＊として出力する。また、一般に、風車発電装置の出力Ｐ［ｋＷ］と風速ｖ［ｍ／ｓ］の特性は、図１０に示す説明図のようになる。定格出力、定格風速となるまでは、風速ｖ［ｍ／ｓ］に基づく制御を行い、定格出力、定格風速に至った後は風車ロータ１１の回転数Ｎ［ｒｐｍ］または風力発電装置の出力Ｐ［ｋＷ］に基づく制御を行う。
なお、ピッチ角制御部３０によるピッチ角の範囲は、ファインピッチ（約−２０［deg］でこの時回転数は大きい）からフェザー（約−１０４［deg］でこの時回転数は小さい）までと広い制御範囲を持つ。
次に、本実施形態の風力発電装置およびそのアクティブ制振方法の効果を、シミュレーション実験結果を例示して説明する。図１１は、アクティブ制振部２０（図１参照）によるアクティブ制振がある時と無い時について、タワーシステム５５（図５参照）における振動振幅の周波数特性を示している。タワーシステム５５の固有振動数付近で振動振幅が抑制されていることが顕著に表れている。なお、タワーシステム５５の固有振動数は予め分かっているので、固有振動数に応じた制御システムのパラメータ設定を行うことで、より最適な制振制御を行うことができる。
以上説明したように、本実施形態の風力発電装置またはそのアクティブ制振方法では、図１に示すように、ナセル１３に取り付けられた加速度計１７により該ナセル１３の振動の加速度を検出し、アクティブ制振部２０（アクティブ制振ステップ）において、該加速度に基づき、ナセル１３の振動を打ち消すように風車ブレード１２にスラスト力を発生させるための該風車ブレード１２のピッチ角を算出し、これを制振用翼ピッチ角指令δθ＊として出力する。一方、ピッチ角制御部３０（ピッチ角制御ステップ）において、出力を所定値にするための風車ブレード１２のピッチ角を算出してこれを出力制御用翼ピッチ角指令θ＊として出力する。そして、減算器４０（加算ステップ）により出力制御用翼ピッチ角指令θ＊に制振用翼ピッチ角指令δθ＊を重畳させて、該重畳後の翼ピッチ角指令に基づき風車ブレードのピッチ角を制御するようにしている。
出力制御のためにピッチ角制御を行うことは従来より広く採用されている技術であるので、加速度計１７、アクティブ制振部２０（アクティブ制振ステップ）および減算器４０（加算ステップ）を既存の風力発電装置に付加的に実装するだけで本実施形態を実現することが可能である。すなわち、容易に実装が可能であるので、アクティブ制振制御の適用・運用コストを格段に下げることができ、低コストで風力発電装置の振動低減を図ることができる。また、制振用翼ピッチ角指令δθ＊を出力制御用翼ピッチ角指令θ＊に重畳させてピッチ角制御を行うので、出力制御および制振制御を同時に達成することができる。
本実施形態の風力発電装置またはそのアクティブ制振方法では、図１に示すように、アクティブ制振部２０（アクティブ制振ステップ）において、加速度計により検出された加速度を積分器２１（積分ステップ）により積分して速度を求め、制御部２２（制御ステップ）により、該速度に基づいて、ナセルの振動を打ち消すように風車ブレードにスラスト力を発生させるための該風車ブレードのピッチ角を算出する。このように、本発明によれば、アクティブ制振部２０（アクティブ制振ステップ）を積分器２１（積分ステップ）および制御部２２（制御ステップ）という簡単な構成で実現できるので、低コストで風力発電装置の振動低減を図ることができる。また、積分器２１（積分ステップ）を介して高周波数帯のノイズも除去されるので、安定かつ効果的な制振制御を行うことができる。
本実施形態の風力発電装置またはそのアクティブ制振方法によれば、図１、図６（ａ）、及び図６（ｂ）に示すように、制御部２２（制御ステップ）に、積分器２１（積分ステップ）から出力された速度の位相を所定量だけ進める位相進み補償器６２（位相進み補償ステップ）と、位相進み補償器６２（位相進み補償ステップ）から出力された速度の位相を所定量だけ遅らせる位相遅れ補償器６３（位相遅れ補償ステップ）を具備し、該位相遅れ補償後の速度に基づき、ピッチ角を算出する。これにより、加速度計出力の位相遅れを補償すると共に、高域周波数帯のノイズを低減することができるので、安定かつ効果的な制振制御を行うことができる。
本実施形態の風力発電装置またはそのアクティブ制振方法によれば、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、制御部２２（制御ステップ）に、算出されたピッチ角を所定範囲内に制限するリミッタ６５（制限ステップ）を具備して構成するので、ピッチ角制御機構の疲労を低減できると共に、パラメータの設定ミス等による不具合を防止でき、さらに、制振用翼ピッチ角指令δθ＊を出力制御用翼ピッチ角指令θ＊に比べて非常に小さい範囲に制限した場合には、両指令値の干渉による影響を軽減若しくは防止することができる。
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
上記実施形態の説明では、風力発電装置およびそのアクティブ制振方法について詳細に述べたが、本実施形態の風力発電装置およびそのアクティブ制振方法をそのまま風車タワーに適用することができる。この場合、上述した効果の他に、次のような効果をも奏する。すなわち、従来のＡＭＤのように重量物や該重量物用のアクチュエータを用いないので、ナセル１３の重量が増大することがなく、風車タワー自体の強度を上げる必要が無いことから、低コストで実現できる点である。
また、実施形態では、ピッチ角制御によって出力制御を行っているが、他の出力制御を採用している風力発電装置または風車タワーにも適用できる。但し、この場合、新たに風車ブレード１２のピッチ角を制御するピッチ角制御機構を付加する必要がある。
さらに、実際の運用において、信頼性や安全性を高める観点から以下のような構成や手法を採ることも可能である。
例えば、フェールセーフのためにナセル１３内部に常時２つの加速度計を動作させておき、アクティブ制振制御には片方の検出結果のみを使用し、どちらか一方が故障した場合には、アクティブ制振制御を自動的に停止させる手法である。
また、制振制御系のパラメータ（主としてフィードバックゲインＧc（ｓ））の設定値が不適切である場合、例えば、符号が逆転していたり許容範囲を超えたハイゲインに設定したりした場合などには、制振制御系が不安定となって風車タワー（ナセル１３）の振動が増大してしまうようなことが起き得るが、（加速度計１７等によって）このような状態を自動的に検知し、アクティブ制振制御を自動的に停止させる手法なども考えられる。

Claims (17)

  1. 翼ピッチ角指令に基づき風車ブレードのピッチ角を制御するピッチ角制御機構を備えた風力発電装置であって、
    ナセルに取り付けられ、該ナセルの振動の加速度を検出する加速度計と、
    前記加速度計により検出された加速度に基づき、前記ナセルの振動を打ち消すように前記風車ブレードにスラスト力を発生させるための該風車ブレードのピッチ角を算出して翼ピッチ角指令を前記ピッチ角制御機構に出力するアクティブ制振手段と
    を有する風力発電装置。
  2. 翼ピッチ角指令に基づき風車ブレードのピッチ角を制御するピッチ角制御機構を備えた風力発電装置であって、
    ナセルに取り付けられ、該ナセルの振動の加速度を検出する加速度計と、
    前記加速度計により検出された加速度に基づき、前記ナセルの振動を打ち消すように前記風車ブレードにスラスト力を発生させるための該風車ブレードのピッチ角を算出して制振用翼ピッチ角指令を出力するアクティブ制振手段と、
    風速、風車ロータの回転数または当該風力発電装置の出力に基づき、当該風力発電装置の出力を所定値にするための前記風車ブレードのピッチ角を算出して出力制御用翼ピッチ角指令を出力するピッチ角制御手段と、
    前記ピッチ角制御手段からの出力制御用翼ピッチ角指令に前記アクティブ制振手段からの制振用翼ピッチ角指令を重畳させた翼ピッチ角指令を前記ピッチ角制御機構に与える加算手段と
    を有する風力発電装置。
  3. 前記アクティブ制振手段は、
    前記加速度計により検出された加速度から速度を推定する速度推定手段と、
    前記速度推定手段から出力された速度に基づき、前記ナセルの振動を打ち消すように前記風車ブレードにスラスト力を発生させるための該風車ブレードのピッチ角を算出する制御手段と
    を有する請求項１に記載の風力発電装置。
  4. 前記速度推定手段は、前記加速度計により検出された加速度を積分して速度を算出する請求項３に記載の風力発電装置。
  5. 前記制御手段は、前記速度推定手段から出力された速度の位相を所定量だけ進める位相進み補償手段を有し、該位相進み補償後の速度に基づき、前記ピッチ角を算出する請求項３に記載の風力発電装置。
  6. 前記制御手段は、前記位相進み補償手段から出力された速度の位相を所定量だけ遅らせる位相遅れ補償手段を有し、該位相遅れ補償後の速度に基づき、前記ピッチ角を算出する請求項５に記載の風力発電装置。
  7. 前記制御手段は、前記速度推定手段により推定された速度を入力とする比例制御器、比例積分制御器、比例積分微分制御器、線形２次レギュレータ、及び線形２次ガウシャンレギュレータのうちいずれか１つを備え、前記ピッチ角を算出する請求項３に記載の風力発電装置。
  8. 前記アクティブ制振手段は、前記風車ブレードのピッチ角又は前記風車ブレードのピッチ角の角速度を所定範囲内に制限する制限手段を有する請求項１に記載の風力発電装置。
  9. 翼ピッチ角指令に基づき風車ブレードのピッチ角を制御するピッチ角制御機構と、
    ナセルに取り付けられ、該ナセルの振動の加速度を検出する加速度計と、を備えた風力発電装置のアクティブ制振方法であって、
    前記加速度計により検出された加速度に基づき、前記ナセルの振動を打ち消すように前記風車ブレードにスラスト力を発生させるための該風車ブレードのピッチ角を算出して翼ピッチ角指令を前記ピッチ角制御機構に出力するアクティブ制振ステップと
    を有する風力発電装置のアクティブ制振方法。
  10. 翼ピッチ角指令に基づき風車ブレードのピッチ角を制御するピッチ角制御機構と、
    ナセルに取り付けられ、該ナセルの振動の加速度を検出する加速度計と、を備えた風力発電装置のアクティブ制振方法であって、
    前記加速度計により検出された加速度に基づき、前記ナセルの振動を打ち消すように前記風車ブレードにスラスト力を発生させるための該風車ブレードのピッチ角を算出して制振用翼ピッチ角指令を出力するアクティブ制振ステップと、
    風速、風車ロータの回転数または当該風力発電装置の出力に基づき、当該風力発電装置の出力を所定値にするための前記風車ブレードのピッチ角を算出して出力制御用翼ピッチ角指令を出力するピッチ角制御ステップと、
    前記ピッチ角制御ステップによる出力制御用翼ピッチ角指令に前記アクティブ制振ステップによる制振用翼ピッチ角指令を重畳させた翼ピッチ角指令を前記ピッチ角制御機構に与える加算ステップと
    を有する風力発電装置のアクティブ制振方法。
  11. 前記アクティブ制振ステップは、
    前記加速度計により検出された加速度から速度を推定する速度推定ステップと、
    前記速度推定ステップにより推定された速度に基づき、前記ナセルの振動を打ち消すように前記風車ブレードにスラスト力を発生させるための該風車ブレードのピッチ角を算出する制御ステップと
    を有する請求項９に記載の風力発電装置のアクティブ制振方法。
  12. 前記速度推定ステップは、前記加速度計により検出された加速度を積分して速度を算出する請求項１１に記載のアクティブ制振方法。
  13. 前記制御ステップは、前記速度推定ステップにより推定された速度の位相を所定量だけ進める位相進み補償ステップを有し、該位相進み補償後の速度に基づき、前記ピッチ角を算出する請求項１１に記載の風力発電装置のアクティブ制振方法。
  14. 前記制御ステップは、前記位相進み補償ステップから出力された速度の位相を所定量だけ遅らせる位相遅れ補償ステップを有し、該位相遅れ補償後の速度に基づき、前記ピッチ角を算出する請求項１３に記載の風力発電装置のアクティブ制振方法。
  15. 前記制御ステップは、前記速度推定ステップにより推定された速度に対して、比例制御、比例積分制御、比例積分微分制御、線形２次レギュレータを用いた制御、及び線形２次ガウシャンレギュレータを用いた制御のいずれか１つの制御を行う補償ステップを備え、前記補償後の速度に基づき前記ピッチ角を算出する請求項１１に記載の風力発電装置のアクティブ制振方法。
  16. 前記アクティブ制振ステップは、前記風車ブレードのピッチ角又は前記風車ブレードのピッチ角の角速度を所定範囲内に制限する制限ステップを有する請求項９に記載の風力発電装置のアクティブ制振方法。
  17. 翼ピッチ角指令に基づき風車ブレードのピッチ角を制御するピッチ角制御機構と、
    ナセルに取り付けられ、該ナセルの振動の加速度を検出する加速度計と、
    前記加速度計により検出された加速度に基づき、前記ナセルの振動を打ち消すように前記風車ブレードにスラスト力を発生させるための該風車ブレードのピッチ角を算出して翼ピッチ角指令を前記ピッチ角制御機構に出力するアクティブ制振手段と
    を有する風力発電装置を備える風車タワー。
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