JP4939286B2 - 風力発電装置及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電装置及びその制御方法に関し、特に、風力発電装置のヨー（yaw）
制御に関する。

風力発電装置の効率を向上させるために重要な制御の一つが、風車ロータの向きを風向に合わせて制御するヨー制御である。風力発電装置は、風車ロータが風に対して正面を向くときに最も効率が良くなるから、風車ロータを搭載するナセルを風向に応じてヨー旋回させて、風車ロータの向きを制御する必要がある。ヨー旋回機構やヨー制御技術については、様々な取り組みがなされており、例えば特開２００４−２８５８５８号公報は、レーザ式風向風力計によって風向及び風力を検出し、検出した風向及び風速に基づいてヨー制御を行う技術を開示している。また、特開２００５−１１３８９９号公報は、ナセルをヨー旋回させるための駆動機構の構造を開示している。

風力発電装置のヨー制御において重要な点の一つは、ナセルのヨー旋回の回数をなるべく低減させることである。ナセルは重量が大きいため、ナセルをヨー旋回させる回数が多いと、ナセルを旋回させる旋回機構やナセルの旋回を停止させるブレーキ機構の機械的負荷が増大してしまい、これらの機構の機械的消耗が大きくなる。旋回機構やブレーキ機構の消耗を低減させるためには、ヨー旋回の回数を減らすことが望ましい。

このような要求を満足するために使用される、最も一般的なヨー制御の制御ロジックは、図１に示されているように、風車方位（即ち、風車ロータの向き）と実際の風向との偏差（風向偏差）の絶対値が所定の閾値よりも大きい状態が、所定の継続時間（例えば２０秒間）だけ続いた場合に、風向偏差がゼロになるように（即ち、風車方位を最新の風向と一致させるように）ナセルをヨー旋回させる制御ロジックである。このような制御ロジックでは、風向偏差の絶対値が閾値を超えない限りヨー旋回は行われないので、閾値を適切に設定することにより、ヨー旋回の回数を少なくすることができる。

このような制御ロジックの一つの問題は、図２に示されているように、風向が長時間かけて（典型的には数時間かけて）徐々に変化するような状況では、風向偏差の大きさが平均的には小さくならないことである。一般的に、ある地点の風況は、昼間においては乱れ度が高く、風向がランダムに変化するのに対し、夜間においては風向がランダムな変化を示さない場合が多い。言い換えれば、夜間における風況は、しばしば、風向が長時間かけて変化するような変化を示す。上述の制御ロジックによれば、乱れ度が高く、風向がランダムに変化する状況では、風向偏差の大きさが平均的にはゼロに近づく。しかしながら、図２に示されているように、風向が長時間かけて（典型的には数時間かけて）徐々に変化する場合には（図２のＡ）、上述の制御ロジックでは、ヨー旋回を繰り返しても（図２のＢ）風向偏差は一瞬しかゼロにならない（図２のＣ）。従って、風向偏差の平均的な大きさが小さくならない。これは、風力発電装置の効率を向上させるために好ましくない。
特開２００４−２８５８５８号公報 特開２００５−１１３８９９号公報

したがって、本発明の全体的な目的は、風力発電装置の効率を向上させることにあり、具体的には、本発明の目的は、下記の２つの課題の少なくとも一つを達成することにある。
第１の課題：ヨー旋回の回数の増大を抑制しながら、風向が長時間かけて徐々に変化する場合でも風向偏差の大きさを小さくすることができる風力発電装置のヨー制御技術を提供すること。
第２の課題：風向の過渡的な変化を早期に捉えてヨー旋回を適切なタイミングで行うことにより、風力発電装置の効率を向上させることができる風力発電装置のヨー制御技術を提供すること。

上記の目的を達成するために、本発明は、以下に述べられる手段を採用する。その手段の記述には、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］の記載との対応関係を明らかにするために、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号・符号が付記されている。但し、付記された番号・符号は、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲を限定的に解釈するために用いてはならない。

一の観点において、本発明による風力発電装置は、風車ロータ（７）を搭載するナセル（３）と、ナセル（３）をヨー旋回させる旋回機構（４）と、風向を測定する風向測定手段と、前記旋回機構（４）を制御する制御装置（２１）とを具備する。前記制御装置（２１）は、前記風向測定手段（１０）によって測定された風向と前記風車ロータ（７）の方向から風向偏差を算出し、且つ、下記条件（１）、（２）：
（１）前記風向偏差の絶対値が第１閾値以上である状態（又は第１閾値を超える状態）が、所定の第１継続時間の間、継続する。
（２）前記風向偏差の絶対値が、前記第１閾値よりも大きい第２閾値以上である状態（又は第２閾値を超える状態）が、前記第１継続時間よりも短い第２継続時間の間、継続する。
のいずれかが成立した場合に、前記旋回機構（４）によって前記ナセル（３）をヨー旋回させる。

前記制御装置（２１）は、前記条件（１）、（２）のいずれかが成立した場合、前記風向偏差がゼロになるように、前記ナセル（３）をヨー旋回させることが好ましい。

その代わりに、前記制御装置（２１）は、前記条件（２）が成立した場合、ヨー旋回の前後で前記風向偏差の符号が反対になり、且つ、ヨー旋回の後の前記風向偏差の絶対値が、ゼロより大きく前記第２閾値以下の値になるように、前記ナセル（３）をヨー旋回させることも好ましい。

この場合、前記制御装置（２１）は、前記条件（２）が成立した場合、ヨー旋回の後の前記風向偏差の絶対値が前記第２閾値に一致するように、前記ナセル（３）をヨー旋回させることが好ましい。

他の観点において、本発明による風力発電装置は、風車ロータ（７）を搭載するナセル（３）と、ナセル（３）をヨー旋回させる旋回機構（４）と、風向を測定する風向測定手段（１０）と、前記旋回機構（４）を制御する制御装置（２１）とを具備する。前記制御装置（２１）は、（ａ）前記風向測定手段（１０）によって測定された風向と前記風車ロータ（７）の方向から風向偏差を算出し、（ｂ）現在の風況が、風向がランダムに変化する第１状況と、風向が徐々に変化する第２状況のいずれにあるかを判断し、（ｃ）前記現在の風況が前記第２状況に該当すると判断し、且つ、前記風向偏差の絶対値が所定の第１閾値以上である状態（又は、第１閾値を超える状態）が、所定の第１継続時間だけ継続した場合に、ヨー旋回の前後で前記風向偏差の符号が反対になり、且つ、ヨー旋回の後の前記風向偏差の絶対値が、ゼロより大きく前記第１閾値以下の値になるように、前記旋回機構（４）によって前記ナセル（３）をヨー旋回させる。

前記制御装置（２１）は、前記現在の風況が第２状況に該当すると判断し、且つ、前記風向偏差の絶対値が前記第１閾値以上である状態（又は、前記第１閾値を超える状態）が、前記第１継続時間だけ継続した場合、ヨー旋回の後の前記風向偏差の絶対値が前記第１閾値に一致するように前記ナセル（３）をヨー旋回させることが好ましい。

また、前記制御装置（２１）は、前記現在の風況が前記第１状況に該当すると判断し、且つ、前記風向偏差の絶対値が所定の第２閾値以上である状態（又は、第２閾値を超える状態）が、所定の第２継続時間だけ継続した場合に、前記風向偏差がゼロになるように前記ナセル（３）をヨー旋回させることが好ましい。

更に他の観点において、本発明による風力発電装置は、風車ロータ（７）を搭載するナセル（３）と、ナセル（３）をヨー旋回させる旋回機構（４）と、風向を測定する風向測定手段と、前記旋回機構（４）を制御する制御装置（２１）とを具備する。前記制御装置（２１）は、前記風向測定手段（１０）によって測定された風向と前記風車ロータ（７）の方向から、風向偏差を算出し、且つ、現時刻をｔ_０とし、Ｔは所定値とした場合に、ｔ_０−Ｔ≦ｔ≦ｔ_０なる全ての時刻ｔについて前記風向偏差が所定条件を満足した場合に、前記風向偏差がゼロになるように前記旋回機構（４）によって前記ナセル（３）をヨー旋回させるように構成されている。ここで、前記所定条件は、
｜Δθ（ｔ）｜≧θ_ＴＨ（ｔ），
又は
｜Δθ（ｔ）｜＞θ_ＴＨ（ｔ）
である。ただし、｜Δθ（ｔ）｜は、各時刻ｔにおける前記風向偏差の絶対値であり、θ_ＴＨ（ｔ）は、ｔ_０−Ｔ≦ｔ≦ｔ_０において広義に単調に増加する関数である。

前記θ_ＴＨ（ｔ）の時間に対する導関数ｄθ_ＴＨ（ｔ）／ｄｔが、導関数が定義できない時刻ｔを除き、ｔ_０−Ｔ≦ｔ≦ｔ_０において広義に単調に減少することが好ましく、前記導関数ｄθ_ＴＨ（ｔ）／ｄｔは、ｔ_０−Ｔ≦ｔ≦ｔ_０において狭義に単調に減少することが更に好ましい。

本発明によれば、風力発電装置の効率を向上させることができる。
より具体的には、本発明の一実施形態によれば、風向が長時間かけて徐々に変化する場合でも風向偏差の大きさを小さくすることができ、且つ、ヨー旋回の回数の増大を抑制できる風力発電装置のヨー制御技術を提供することができる。
また、本発明の他の実施形態によれば、風向の過渡的な変化を早期に捉えてヨー旋回を適切なタイミングで行うことにより、風力発電装置の効率を向上させることができる。

（第１の実施形態）
図３は、本発明の一実施形態における風力発電装置１の構成を示す側面図である。風力発電装置１は、タワー２と、タワー２の上端に設けられたナセル３とを備えている。ナセル３は、ヨー方向に旋回可能であり、ナセル旋回機構４によって所望の方向に向けられる。ナセル３には、巻線誘導発電機５とギア６とが搭載されている。巻線誘導発電機５のロータは、ギア６を介して風車ロータ７の回転軸７ａに接合されている。風車ロータ７は、回転軸７ａに接続されたハブ８と、ハブ８に取り付けられたブレード９とを備えておいる。ナセル３には、更に、風速と風向とを測定する風向風力計１０が設けられている。

図４は、ナセル旋回機構４の構成の例を示す断面図である。ナセル旋回機構４は、ヨーモータ１１と、減速機１２と、ピニオン１３と、内歯車１４と、ヨーブレーキ機構１５と、ブレーキディスク１６とを備えている。ヨーモータ１１と減速機１２とピニオン１３とヨーブレーキ機構１５は、ナセル３に搭載されており、ナセル３と共に動く。一方、内歯車１４とブレーキディスク１６は、タワー２に固定されている。ヨーモータ１１のロータは、減速機１２を介してピニオン１３に機械的に接続され、更に、ピニオン１３と内歯車１４とが噛み合わされている。ヨーモータ１１に通電されると、ピニオン１３が回転し、ナセル３がヨー旋回する。ナセル３のヨー旋回は、ブレーキ機構１５によって制動される。ヨーブレーキ機構１５のブレーキシュー１７がブレーキディスク１６を挟み込むと、ナセル３のヨー旋回が制動され、又は停止される。

図５は、ヨー制御の制御系の構成の例を示すブロック図である。本実施形態では、ヨー制御系は、制御装置２１と、モータ駆動装置２２と、ブレーキ機構駆動装置２３とを備えている。モータ駆動装置２２は、制御装置２１からの制御信号に応じて、ヨーモータ１１に駆動電力を供給する。ブレーキ機構駆動装置２３は、制御装置２１からの制御信号に応じて、ブレーキ機構１５のブレーキシュー１７をブレーキディスク１６に挟みつける。制御装置２１は、風向風力計１０によって測定された風速と風向から風車ロータ７の所望方向を決定し、更に、ヨーモータ１１を動作させることによって風車ロータ７が所望方向に向くようにナセル３をヨー旋回させる。更に制御装置２１は、ヨー旋回によって風車ロータ７が所望方向に向くと、ブレーキ機構１５を動作させてヨー旋回を停止させる。

続いて、本実施形態の風力発電装置１のヨー制御について説明する。本実施形態では、風向風力計１０によって測定された風向に応答してヨー制御が行われる。より具体的には、制御装置２１は、下記のようにしてヨー制御を行う。

風向風力計１０は、各時刻における風向を所定のサンプリング間隔で測定し、各時刻の風向を示す風向データを制御装置２１に供給する。風向データでは、風向が所定の基準方向となす角度として定義される。

制御装置２１は、測定された風向データに対してローパスフィルタ処理を行うことにより（最も簡便には、時間的に近接する数個の風向データを平均することにより）、ヨー制御に実際に使用される制御用風向データを生成し、その制御用風向データに示された風向と風車方位の差を風向偏差として算出する。本実施形態では、風車方位は、風車ロータ７の回転軸７ａの方向が所定の基準方向となす角度として表現される。風向偏差は、正、負、又はゼロのいずれかの値をとるデータであり、一実施形態では、制御用風向データに示された風向から風車方位の角度を減じた値が、風向偏差として定義される。

更に制御装置２１は、算出された風向偏差に応答してモータ駆動装置２２及びブレーキ機構駆動装置２３を制御してナセル３のヨー旋回を行う。本実施形態では、制御装置２１は下記の２つの条件の少なくとも一方を満足する場合に、風向偏差がゼロになるように（即ち、最新の制御用風向データが示す風向に）ヨー旋回を行う：
（１）風向偏差の絶対値が閾値θ_ＴＨ１以上である（又はθ_ＴＨ１を超える）状態が、Ｔ_１秒間継続する。
（２）風向偏差の絶対値が閾値θ_ＴＨ２（＜θ_ＴＨ１）以上である（又はθ_ＴＨ２を超える）状態が、Ｔ_２（＞Ｔ_１）秒間継続する。
条件（１）は、主として、乱れ度が大きく風向がランダムに変化する状況でのヨー制御に寄与し、条件（２）は、主として、風向が長時間かけて徐々に変化する状況でのヨー制御に寄与することに留意されたい。以下に述べられるように、このような制御ロジックは、ヨー旋回の回数を増大させずに平均の風向偏差の大きさを小さくするために有効である。

図６は、図１に示された従来の制御ロジックと、本実施形態の制御ロジックとによるヨー制御を比較する図である。詳細には、図６（ａ）は、従来の制御ロジックによる風向偏差の変化を示すグラフであり、具体的には、風向偏差の絶対値が過去の２０秒間、２０度以上の値を示した場合に風向偏差がゼロになるようにナセル３をヨー旋回させる制御ロジックを採用した場合における風向偏差の変化を示している。

一方、図６（ｂ）は、風向が長時間かけて徐々に変化する状況での本実施形態の制御ロジックによる風向偏差の変化を示すグラフであり、図６（ｃ）は、乱れ度が大きく風向がランダムに変化する状況での本実施形態の制御ロジックによる風向偏差の変化を示すグラフである。ここにおいて、条件（１）の閾値θ_ＴＨ１は２０度に設定され、継続時間Ｔ_１は２０秒に設定され、条件（２）の閾値θ_ＴＨ２は５度に設定され、継続時間Ｔ_２は１００秒に設定されている。

図６（ａ）に示された従来の制御ロジックでは、風向が長時間かけて徐々に変化した場合でも、風向偏差の絶対値が閾値２０度を超えるまでヨー旋回が行われないため、平均の風向偏差が大きくなる。確かに、従来の制御ロジックでも、ヨー旋回を開始する閾値を小さくすれば、（例えば、５度にすれば）平均の風向偏差を低減することができるかもしれないが、このようなアプローチではヨー旋回の回数が増大してしまう。

一方、図６（ｂ）、（ｃ）に示された本実施形態の制御ロジックでは、平均の風向偏差の低減と、ヨー旋回の回数の増大の抑制とを同時に実現できる。風向が長時間かけて徐々に変化する状況では、条件（２）を満足することによってヨー旋回が行われる。条件（２）では、閾値θ_ＴＨ２が比較的に小さく設定されているので（図６（ｂ）の例では５度）、平均の風向偏差を小さくできる。加えて、条件（２）の継続時間Ｔ_２は、比較的に長く設定されているので、ヨー旋回の回数の増大が抑制される。一方、乱れ度が大きく風向がランダムに変化する状況においては、条件（１）を満足することによってヨー旋回が行われる。条件（１）では、閾値θ_ＴＨ１が比較的に大きく設定されているので、本当に必要がある場合にのみヨー旋回が行われる。従って、ヨー旋回の回数の増大を抑制することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態では、現在の風況が、「乱れ度が大きく風向がランダムに変化する状況」（第１状況）と、「風向が長時間かけて徐々に変化する状況」（第２状況）のいずれに該当するかが判断され、この判断に応じて別の制御ロジックが使用される。風力発電装置１の構成は、第１の実施形態と同様である。

一実施形態では、制御装置２１は、風向風力計１０によって得られた風向データから、下記の制御ロジックによって、上記の２つの状況のいずれにあるかを判断する。制御装置２１は、過去の直近の所定時間（例えば、過去の直近の１分間）の間の平均の風向を、逐次に算出する。そして、制御装置２１は、直近に算出された平均の風向と、その直前に算出された平均の風向との差が所定角度以内である期間が、所定時間だけ継続した場合、現在の風況は、風向が長時間かけて徐々に変化する第２状況であると判断する。そうでない場合、制御装置２１は、現在の風況は、乱れ度が大きく風向がランダムに変化する第１状況であると判断する。図１１に示されているように、このような制御ロジックを使用することにより、ある程度の正確性をもって２つの状況の判別を行うことができる。

また、１日のうちの（あるいは、１年のうちの）特定の期間では、風況が「乱れ度が大きく風向がランダムに変化する状況」にあると判断し、他の特定期間では、風況が「風向が長時間かけて徐々に変化する状況」にあると判断する制御ロジックが使用されてもよい。「乱れ度が大きく風向がランダムに変化する状況」にあると考えられる期間と「風向が長時間かけて徐々に変化する状況」にあると考えられる期間は、過去の観測データから適切に決定することが可能である。このような制御ロジックによれば、上記の状況のいずれにあるかを簡便に判断することができる。

現在の風況が「乱れ度が大きく風向がランダムに変化する状況」にあると判断した場合、制御装置２１は、風向偏差の絶対値が所定の閾値θ_ＴＨ１以上の値（又は、閾値θ_ＴＨ１を超える値）である状態が、所定の継続時間Ｔ_１（例えば２０秒間）だけ継続した場合に、風向偏差がゼロになるようにヨー旋回を実行する。

一方、現在の風況が「風向が長時間かけて徐々に変化する状況」にあると判断した場合、制御装置２１は、風向偏差の絶対値が所定の閾値θ_ＴＨ２以上の値（又は、閾値θ_ＴＨ２を超える値）である状態が、所定の継続時間Ｔ_２（例えば２０秒間）だけ継続した場合、ヨー旋回の前後で風向偏差の符号が反対になり、且つ、ヨー旋回の後の風向偏差の絶対値が、閾値θ_ＴＨ２と等しくなるようにヨー旋回を実行する。例えば、閾値θ_ＴＨ２が１０度に設定された場合を考えると、風向偏差が＋１０度を超える状態が所定の継続時間Ｔ（例えば２０秒）だけ継続すると、風向偏差が−１０度になるようにヨー旋回が行われる。

図７（ａ）は、風向が長時間かけて徐々に変化する状況において、本実施形態の制御ロジックによってヨー制御が行われた場合における、風向と風車方位の関係を示すグラフである。図７（ａ）のグラフでは、風向の変化が一定であると仮定されている。図７（ａ）から理解されるように、本実施形態の制御ロジックでは、風向の変化が一定である場合でも、風向偏差（即ち、風向と風車方位の差）が、正の値及び負の値を交互に取る。したがって、風向偏差の平均は、ゼロに近づく。加えて、本実施形態の制御ロジックでは、風向が長時間かけて徐々に変化する状況で使用される閾値θ_ＴＨ２を小さく設定しても、ヨー旋回の回数はそれほど増大しない。なぜなら、本実施形態では、風向が長時間かけて徐々に変化する状況では、風向偏差が、（ゼロと±θ_ＴＨ２との間ではなく）＋θ_ＴＨ２と−θ_ＴＨ２との間で変化するからである。閾値θ_ＴＨ２を小さく設定することは、風向偏差の平均をゼロに近づけるために有効である。

一方、ヨー旋回後の風向偏差がゼロである従来の制御ロジックでは、図７（ｂ）に示されているように、風向が長時間かけて徐々に変化する状況では風向偏差が常に正になるか、又は、常に負になってしまう。これは、風向偏差の大きさの平均を増大させてしまう。図７（ｂ）には、風向偏差が常に負である場合が図示されていることに留意されたい。

図８は、本実施形態の制御ロジックの、従来の制御ロジックに対する優位性をより明確に説明するグラフであり、詳細には、風向の変化速度が一定であり、且つ、風向偏差の変化幅が本実施形態の制御ロジックと従来の制御ロジックとで同一である場合における、風力発電装置１の効率を示している。風向の変化速度が一定であり、風向偏差の変化幅が同一であるという条件は、本実施形態の制御ロジックと従来の制御ロジックとでヨー旋回の回数が同一であるという観点から決定されていることに留意されたい。より具体的には、図８は、本実施形態の制御ロジックについては閾値θ_ＴＨ２が１０度に設定されており、従来の制御ロジックについてはヨー旋回を開始する閾値θ_ＴＨが２０度に設定されている場合を図示している。いずれの場合でも、風向偏差の変化幅が２０度で同一であるから、ヨー旋回の回数も同一である。

図８に示されているように、従来の制御ロジックでは、風向偏差が−２０度とゼロの間で変化するのに対し、本実施形態の制御ロジックでは、風向偏差が−１０度と＋１０度の間で変化する。風力発電装置１の効率は、風向偏差の絶対値が大きくなるに従って急速に低下するから、従来の制御ロジックでは、特に風向偏差が−２０度と−１０度である場合に風力発電装置１の効率が低下してしまう。一方、本実施形態の制御ロジックでは、風向偏差が−１０度と＋１０度の間でしか変化しないから、風力発電装置１の効率の低下は小さい。

従来の制御ロジックでも、ヨー旋回を開始する閾値θ_ＴＨを小さくすれば（例えば、１０度に設定すれば）、風向偏差の大きさの平均は小さくなる。しかしながら、閾値θ_ＴＨを小さくするとヨー旋回の回数が増加してしまう。このように、従来の制御ロジックでは、ヨー旋回の回数の増加の抑制と、風向偏差の絶対値の平均値の減少を両立させることはできない。

以上に説明されているように、本実施形態の風力発電装置１は、風向が長時間かけて徐々に変化する状況にある場合に、ヨー旋回の前後で風向偏差の符号が反対になり、且つ、ヨー旋回の後の風向偏差の絶対値が閾値θ_ＴＨ２と等しくなるようにヨー旋回が行われる。これにより、ヨー旋回の回数の増加を抑制しつつ、風向偏差の絶対値の平均値を減少させることができる。

本実施形態において、ヨー旋回の後の風向偏差の絶対値が閾値θ_ＴＨ２とゼロの間の値になるように、ヨー旋回を行うことも可能である。例えば、閾値θ_ＴＨ２が７．５度である場合に、風向偏差が＋７．５度を超える状態が所定の継続時間（例えば２０秒）だけ継続すると、風向偏差が−４度になるようにヨー旋回が行われることも可能である。ただし、風向偏差の絶対値の平均を低減させるためには、ヨー旋回の後の風向偏差の絶対値が、閾値θ_ＴＨ２と等しくなるようにヨー旋回を実行することが好ましい。

また、第１の実施形態のヨー制御と第２の実施形態のヨー制御とが組み合わされて実行されることも可能である。より具体的には、第１の実施形態のヨー制御の条件（２）が成立した場合、ヨー旋回の前後で風向偏差の符号が反対になり、且つ、ヨー旋回の後の風向偏差の絶対値が、閾値θ_ＴＨ２と等しくなるように（又は、風向偏差の絶対値がゼロと閾値θ_ＴＨ２の間の値になるように）ヨー旋回が実行される。条件（１）が成立した場合には、風向偏差がゼロになるようにヨー旋回が実行される。

第１の実施形態の条件（２）は、「風向が長時間かけて徐々に変化する状況」にあるときに該当すると考えられる。そのため、条件（２）が成立した場合には、ヨー旋回の前後で風向偏差の符号が反対になり、且つ、ヨー旋回の後の風向偏差の絶対値が、閾値θ_ＴＨ２と等しくなるようにヨー旋回が実行されることが好ましい。

（第３の実施形態）
風向偏差の絶対値が所定の閾値よりも大きい状態が所定の継続時間だけ続いた場合に、ヨー旋回を実行する従来の制御ロジックのもう一つの問題は、風向の過渡的な変化を検知できないことである。図９（ａ）は、図１に示された従来の制御ロジックの問題を示すグラフである。従来の制御ロジックでは、風向偏差が閾値を超えない限り、風向偏差の変化は無視されるから、風向偏差の過渡的な変化を検知できない。このため、図９（ａ）に示されているように、従来の制御ロジックでは、風向が変化し始めてから実際にヨー旋回が行われるまでの時間が長くなり、風向偏差が大きい状態、即ち、風力発電装置１の効率が低下する状態が長時間継続してしまう。

第３の実施形態では、風向の過渡的な変化を検知してヨー旋回を的確なタイミングで行うような制御ロジックが採用される。より具体的には、本実施形態では、現時刻をｔ_０とした場合に、ｔ_０−Ｔ≦ｔ≦ｔ_０なる全ての時刻ｔについて、下記の条件：
｜Δθ（ｔ）｜≧θ_ＴＨ（ｔ）， ・・・（１ａ）
が成立した場合に風向偏差がゼロになるようにヨー旋回を行う制御ロジックが採用される。ここで、｜Δθ（ｔ）｜は、時刻ｔにおける風向偏差の絶対値であり、Ｔは所定値であり、θ_ＴＨ（ｔ）は、ヨー旋回の開始の判断に使用される閾値であり、ｔ_０−Ｔ≦ｔ≦ｔ_０において広義に単調に増加する関数である。本実施形態では、閾値が、時間と共に増加されることに留意されたい。Ｔは、ヨー旋回の判断に使用される期間の長さに相当している。ここで、「広義に」とは、ｔ_０−Ｔ≦ｔ≦ｔ_０において、θ_ＴＨ（ｔ）が一定である区間が存在してもいいことを意味している。ただし、θ_ＴＨ（ｔ）は、ｔ_０−Ｔ≦ｔ≦ｔ_０の全区間で一定であるように設定されてはならない。

式（１ａ）の条件の代わりに、
｜Δθ（ｔ）｜＞θ_ＴＨ（ｔ）， ・・・（１ｂ）
が成立した場合に風向偏差がゼロになるようにヨー旋回を行う制御ロジックが採用されてもよい。

このような制御ロジックでは、図９（ｂ）に示されているように、風向の過渡的な変化を検知してヨー旋回をなるべく早いタイミングで行うことができる。詳細には、第３の実施形態の制御ロジックでは、ヨー旋回を開始する閾値が時間と共に増加されるから、風向偏差の絶対値がまだ小さい初期期間における風向偏差の変化をヨー旋回の開始の判断において考慮することができる。従って、第３の実施形態の制御ロジックによれば、風向の過渡的な変化を検知してヨー旋回を的確なタイミングで行うことができる。これは、風力発電装置１の効率を向上させるために有効である。

好適には、関数θ_ＴＨ（ｔ）は、その時間に対する導関数ｄθ_ＴＨ（ｔ）／ｄｔが、（導関数が定義できない時刻を除いて）ｔ_０−Ｔ≦ｔ≦ｔ_０の全区間で広義に単調に減少するような関数であることが好ましく、狭義に単調に減少するような関数であることがより好ましい。ここで「狭義に」とは、ｔ_０−Ｔ≦ｔ≦ｔ_０において導関数ｄθ_ＴＨ（ｔ）／ｄｔが一定である区間が存在しないことを意味している。導関数ｄθ_ＴＨ（ｔ）／ｄｔが単調に減少するような関数θ_ＴＨ（ｔ）を使用することにより、変化の初期段階において風向の変化が大きいような過渡的変化を選択的に捉えることができる。これは、ヨー旋回を必要とする風向の変化を早期から的確に検知するために有効である。

一実施形態では、関数θ_ＴＨ（ｔ）は、次のように設定される：

ただし、θ_ＴＨは、所定の定数である。この場合、関数θ_ＴＨ（ｔ）のグラフは、図９（ｂ）に示されているように、円、又は楕円の一部であるような形状になる。式（２）によって定められた関数θ_ＴＨ（ｔ）が、ｔ_０−Ｔ≦ｔ≦ｔ_０の全区間で（狭義に）単調する関数であり、且つ、その導関数ｄθ_ＴＨ（ｔ）／ｄｔがｔ_０−Ｔ≦ｔ≦ｔ_０の全区間で（狭義に）単調に減少するような関数であることは、当業者には自明的であろう。

他の実施形態では、図１０に示されているように、関数θ_ＴＨ（ｔ）は、
θ_ＴＨ（ｔ）＝θ_ＴＨ （Ｔ_１≦ｔ≦ｔ_０）， ・・・（３ａ）
θ_ＴＨ（ｔ）＝ａ（ｔ−Ｔ_１）＋θ_ＴＨ，（Ｔ≦ｔ≦Ｔ_１） ・・・（３ｂ）
と設定されてもよい。ここで、ａは正の定数である。式（２）によって定められた関数θ_ＴＨ（ｔ）が、ｔ_０−Ｔ≦ｔ≦ｔ_０の全区間で広義に単調する関数であり、且つ、その導関数ｄθ_ＴＨ（ｔ）／ｄｔがｔ_０−Ｔ≦ｔ≦ｔ_０の全区間で広義に単調に減少するような関数であることは、当業者には自明的であろう。

図１は、従来の制御ロジックを示すグラフである。 図２は、従来の制御ロジックの問題を説明するグラフである。 図３は、本発明の第１の実施形態における風力発電装置の構成を示す図である。 図４は、本発明の第１の実施形態におけるナセル旋回機構の構成を示す断面図である。 図５は、本発明の第１の実施形態におけるヨー制御系の構成を示すブロック図である。 図６は、従来の制御ロジックによる風向偏差の変化と、第１の実施形態の制御ロジックによる風向偏差の変化を示すグラフである。 図７は、第２の実施形態の制御ロジックによる風車方位の変化と、従来の制御ロジックによる風車方位の変化を示すグラフである。 図８は、風向の変化速度が一定であり、且つ、風向偏差の変化幅が同一である場合において、第２の実施形態の制御ロジックと従来の制御ロジックによって得られる風力発電装置の効率を示すグラフである。 図９は、従来の制御ロジックにおけるヨー旋回の開始のタイミングと、第３の実施形態の制御ロジックにおけるヨー旋回の開始のタイミングを示すグラフである。 図１０は、関数θ_ＴＨ（ｔ）の例を示すグラフである。 図１１は、「乱れ度が大きく風向がランダムに変化する状況」と、「風向が長時間かけて徐々に変化する状況」との判別の例を示すグラフである。

符号の説明

１：風力発電装置
２：タワー
３：ナセル
４：ナセル旋回機構
５：巻線誘導発電機
６：ギア
７：風車ロータ
７ａ：回転軸
８：ハブ
９：ブレード
１０：風向風力計
１１：ヨーモータ
１２：減速機
１３：ピニオン
１４：内歯車
１５：ブレーキ機構
１６：ブレーキディスク
１７：ブレーキシュー
２１：制御装置
２２：モータ駆動装置
２３：ブレーキ機構駆動装置

Claims (13)

1. 風車ロータを搭載するナセルと、
   ナセルをヨー旋回させる旋回機構と、
   風向を測定する風向測定手段と、
   前記旋回機構を制御する制御装置
   とを具備し、
   前記制御装置は、前記風向測定手段によって測定された風向と前記風車ロータの方向から風向偏差を算出し、且つ、下記条件（１）、（２）：
   （１）前記風向偏差の絶対値が第１閾値以上である状態（又は第１閾値を超える状態）が、所定の第１継続時間の間、継続する。
   （２）前記風向偏差の絶対値が、前記第１閾値よりも小さい第２閾値以上である状態（又は第２閾値を超える状態）が、前記第１継続時間よりも長い第２継続時間の間、継続する。
   のいずれかが成立した場合に、前記旋回機構によって前記ナセルをヨー旋回させる
   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、
   前記制御装置は、前記条件（１）、（２）のいずれかが成立した場合、前記風向偏差がゼロになるように、前記ナセルをヨー旋回させる
   風力発電装置。
3. 請求項１に記載の風力発電装置であって、
   前記制御装置は、前記条件（２）が成立した場合、ヨー旋回の前後で前記風向偏差の符号が反対になり、且つ、ヨー旋回の後の前記風向偏差の絶対値が、ゼロより大きく前記第２閾値以下の値になるように、前記ナセルをヨー旋回させる
   風力発電装置。
4. 請求項３に記載の風力発電装置であって、
   前記制御装置は、前記条件（２）が成立した場合、ヨー旋回の後の前記風向偏差の絶対値が前記第２閾値に一致するように、前記ナセルをヨー旋回させる
   風力発電装置。
5. 風車ロータを搭載するナセルと、
   ナセルをヨー旋回させる旋回機構と、
   風向を測定する風向測定手段と、
   前記旋回機構を制御する制御装置
   とを具備し、
   前記制御装置は、（ａ）前記風向測定手段によって測定された風向と前記風車ロータの方向から風向偏差を算出し、（ｂ）現在の風況が、風向がランダムに変化する第１状況と、風向が徐々に変化する第２状況のいずれにあるかを判断し、（ｃ）前記現在の風況が前記第２状況に該当すると判断し、且つ、前記風向偏差の絶対値が所定の第１閾値以上である状態（又は、第１閾値を超える状態）が、所定の第１継続時間だけ継続した場合に、ヨー旋回の前後で前記風向偏差の符号が反対になり、且つ、ヨー旋回の後の前記風向偏差の絶対値が、ゼロより大きく前記第１閾値以下の値になるように、前記旋回機構によって前記ナセルをヨー旋回させる
   風力発電装置。
6. 請求項５に記載の風力発電装置であって、
   前記制御装置は、前記現在の風況が第２状況に該当すると判断し、且つ、前記風向偏差の絶対値が前記第１閾値以上である状態（又は、前記第１閾値を超える状態）が、前記第１継続時間だけ継続した場合、ヨー旋回の後の前記風向偏差の絶対値が前記第１閾値に一致するように前記ナセルをヨー旋回させる
   風力発電装置。
7. 請求項６に記載の風力発電装置であって、
   前記制御装置は、前記現在の風況が前記第１状況に該当すると判断し、且つ、前記風向偏差の絶対値が所定の第２閾値以上である状態（又は、第２閾値を超える状態）が、所定の第２継続時間だけ継続した場合に、前記風向偏差がゼロになるように前記ナセルをヨー旋回させる
   風力発電装置。
8. 風車ロータを搭載するナセルと、
   ナセルをヨー旋回させる旋回機構と、
   風向を測定する風向測定手段と、
   前記旋回機構を制御する制御装置
   とを具備し、
   前記制御装置は、前記風向測定手段によって測定された風向と前記風車ロータの方向から、風向偏差を算出し、且つ、現時刻をｔ_０とし、Ｔは所定値とした場合に、ｔ_０−Ｔ≦ｔ≦ｔ_０なる全ての時刻ｔについて前記風向偏差が所定条件を満足した場合に、前記風向偏差がゼロになるように前記旋回機構によって前記ナセルをヨー旋回させるように構成され、
   前記所定条件は、
   ｜Δθ（ｔ）｜≧θ_ＴＨ（ｔ），
   又は
   ｜Δθ（ｔ）｜＞θ_ＴＨ（ｔ）
   である
   風力発電装置。
   ただし、｜Δθ（ｔ）｜は、各時刻ｔにおける前記風向偏差の絶対値であり、θ_ＴＨ（ｔ）は、ｔ_０−Ｔ≦ｔ≦ｔ_０において広義に単調に増加する関数である。
9. 請求項８に記載の風力発電装置であって、
   前記θ_ＴＨ（ｔ）の時間に対する導関数ｄθ_ＴＨ（ｔ）／ｄｔが、導関数が定義できない時刻ｔを除き、ｔ_０−Ｔ≦ｔ≦ｔ_０において広義に単調に減少する
   風力発電装置。
10. 請求項８に記載の風力発電装置であって、
    前記導関数ｄθ_ＴＨ（ｔ）／ｄｔは、ｔ_０−Ｔ≦ｔ≦ｔ_０において狭義に単調に減少する
    風力発電装置。
11. 風車ロータを搭載するナセルを備えた風力発電装置の制御方法であって、
    風向を測定するステップと、
    測定された前記風向と前記風車ロータの方向から風向偏差を算出するステップと、
    下記条件（１）、（２）：
    （１）前記風向偏差の絶対値が第１閾値以上である状態（又は第１閾値を超える状態）が、所定の第１継続時間の間、継続する。
    （２）前記風向偏差の絶対値が、前記第１閾値よりも小さい第２閾値以上である状態（又は第２閾値を超える状態）が、前記第１継続時間よりも長い第２継続時間の間、継続する。
    のいずれかが成立した場合に、前記ナセルをヨー旋回させるステップ
    とを具備する
    風力発電装置の制御方法。
12. 風車ロータを搭載するナセルを備えた風力発電装置の制御方法であって、
    風向を測定するステップと、
    測定された前記風向と前記風車ロータの方向から風向偏差を算出するステップと、
    現在の風況が、風向がランダムに変化する第１状況と、風向が徐々に変化する第２状況のいずれにあるかを判断するステップと、
    前記現在の風況が前記第２状況に該当すると判断し、且つ、前記風向偏差の絶対値が所定の第１閾値以上である状態（又は、第１閾値を超える状態）が、所定の第１継続時間だけ継続した場合に、ヨー旋回の前後で前記風向偏差の符号が反対になり、且つ、ヨー旋回の後の前記風向偏差の絶対値が、ゼロより大きく前記第１閾値以下の値になるように、前記ナセルをヨー旋回させるステップ
    とを具備する
    風力発電装置の制御方法。
13. 風車ロータを搭載するナセルを備えた風力発電装置の制御方法であって、
    風向を測定するステップと、
    測定された前記風向と前記風車ロータの方向から風向偏差を算出するステップと、
    現時刻をｔ_０とし、Ｔは所定値とした場合に、ｔ_０−Ｔ≦ｔ≦ｔ_０なる全ての時刻ｔについて前記風向偏差が所定条件を満足した場合に、前記風向偏差がゼロになるように前記ナセルをヨー旋回させるステップ
    とを具備し、
    前記所定条件は、
    ｜Δθ（ｔ）｜≧θ_ＴＨ（ｔ），
    又は
    ｜Δθ（ｔ）｜＞θ_ＴＨ（ｔ）
    である
    風力発電装置の制御方法。
    ただし、｜Δθ（ｔ）｜は、各時刻ｔにおける前記風向偏差の絶対値であり、θ_ＴＨ（ｔ）は、ｔ_０−Ｔ≦ｔ≦ｔ_０において広義に単調に増加する関数である。

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