可変速風力タービン

可変速風力タービンは、広範囲のローター速度で動作するように特別に設計されています。これは、ローター速度がほぼ一定である固定速度風力タービンとは正反対です。ローター速度を変える理由は、風速が変化するにつれて、風の最大空気力学的パワーを捕捉するためです。固定ブレードピッチ角の空気力学的効率、つまりパワー係数は、次のグラフに示すように、風力タービンを最適な先端速度比で動作させることによって得られます。 ${\displaystyle C_{p}}$

周速比は次の式で表されます。

${\displaystyle \lambda ={\frac {\omega R}{v}}}$

ここで、はローター速度（ラジアン/秒）、はローターの半径、は風速です。風速が変化すると、最大効率を維持するためにローター速度も変化させる必要があります。 ${\displaystyle \omega}$${\displaystyle R}$${\displaystyle v}$

風力タービンを送電網に接続する必要が生じる前は、固定速度のタービンはほとんどありませんでした。タービンを送電網の周波数と同期させる必要がなかったため、これは問題ではありませんでした。^[1]

1939 年に最初に登場した系統接続型風力タービンから 1970 年代に可変速系統接続型風力タービンが開発されるまで、系統接続型風力タービンはすべて固定速風力タービンでした。2003 年現在、ほぼすべての系統接続型風力タービンは、正確に一定速度 (同期発電機) または一定速度の数パーセント以内 (誘導発電機) で稼働しています。^[1]

ガンマ60風力タービンは、シーウィンド・オーシャン・テクノロジーBVによって開発が進められている1.5MWの2枚羽根のヨー制御タービンで、ティーターヒンジを備えた世界初の可変速風力タービンでした。^[2]

風力タービンの場合、収集される電力は次の式で表されます。

${\displaystyle P={\frac {1}{2}}\rho \pi R^{2}v^{3}C_{p}(\lambda )}$

ここで、は空気力学的な出力で、は空気の密度です。出力係数は、風力タービンによって捕捉される風の利用可能な出力の量を表すもので、上のグラフで調べることができます。 ${\displaystyle P}$${\displaystyle \rho}$

ローターシャフトのトルクは、抽出された電力とローター速度の比で表されます。 ${\displaystyle Q}$

${\displaystyle Q={\frac {P}{\omega }}}$

したがって、トルクとパワーについては次の式が得られます。

${\displaystyle P={\frac {1}{2\lambda ^{3}}}\rho \pi R^{5}\omega ^{3}C_{p}(\lambda )}$

そして

${\displaystyle Q={\frac {1}{2\lambda ^{3}}}\rho \pi R^{5}\omega ^{2}C_{p}(\lambda )={\frac {1}{2\lambda }}\rho \pi R^{3}v^{2}C_{p}(\lambda )}$

上記の式から、風力タービンのトルク-速度図を作成できます。これは、一定の出力に対するトルクとローター速度の関係をプロットする一定出力曲線（緑色の曲線）、一定の風速に対するトルクとローター速度の関係をプロットする一定風速曲線（灰色の破線曲線）、および一定の効率に対するトルクとローター速度の関係をプロットする一定効率曲線など、複数の曲線で構成されています。[ ^3]この図を以下に示します。 ${\displaystyle C_{p}}$

緑の曲線: 電力のプロット = 定格電力なので${\displaystyle P=Q\omega }$

灰色の曲線：風速は一定であると仮定し、${\displaystyle Q\propto \omega ^{2}C_{p}(\lambda )}$

青い曲線: 一定なので${\displaystyle C_{p}(\lambda )}$${\displaystyle Q\propto \omega ^{2}}$

詳細については、ブレード要素運動量理論を参照してください。

次の図を考えてみましょう。

これは、ブレードから見た見かけの風速の図です (図の左側)。見かけの風速は、空気の自由流速度とローター速度の両方の影響を受けます。この図から、角度と見かけの風速はどちらもローター速度 の関数であることがわかります。拡張すると、揚力と抗力も の関数になります。つまり、ブレードに作用する軸方向と接線方向の力は、ローター速度によって変化します。軸方向の力は、次の式で表されます。 ${\displaystyle \theta}$${\displaystyle W}$${\displaystyle \omega}$${\displaystyle \omega}$

前述のように、風力タービンは定格電力以下の場合に最大効率で動作するのが理想的です。定格電力に達すると、電力は制限されます。これには 2 つの理由があります。1 つは発電機などのドライブトレイン機器の定格、もう 1 つはブレードの負荷を軽減するためです。したがって、風力タービンの運用戦略は、定格電力以下のコンポーネントと定格電力のコンポーネントに分けることができます。

定格出力以下では、風力タービンは理想的には次のように動作します。トルク-ローター速度図では、次のようになります。 ${\displaystyle C_{p}=C_{p~max}}$

ここで、黒い線は可変速ストール制御風力タービンの運転戦略の初期セクションを表しています。理想的には、定格電力に達するまで最大効率曲線上に留まります。ただし、ローター速度が上昇すると、ノイズ レベルが増加します。これに対処するために、ローター速度は特定の値を超えて上昇することは許可されません。これは、次の図に示されています。

風速が定格風速と呼ばれる一定のレベルに達すると、タービンはそれ以上の風速ではそれ以上の電力を生成できなくなります。失速制御可変速風力タービンにはピッチング機構がありません。ただし、ローター速度は可変です。ローター速度は、適切に設計されたコントローラによって増減できます。ブレード力のセクションに示されている図を参照すると、見かけの風速と回転面の間の角度はローター速度に依存していることは明らかです。この角度は迎え角と呼ばれます。

翼の揚力係数と抗力係数は迎え角に関係しています。特に迎え角が大きい場合、翼は失速します。つまり、抗力が大幅に増加します。揚力と抗力は風力タービンの発電量に影響します。これは、空気がブレードと相互作用するときにブレードに作用する力を分析することでわかります (次のリンクを参照)。したがって、翼を失速させると、出力が制限される可能性があります。

したがって、風力タービンの発電量を制限するために迎え角を大きくする必要がある場合、ローター速度を低下させる必要があることがわかります。これも、ブレード力セクションの図からわかります。また、トルク-ローター速度図を検討することでもわかります。上記のトルク-ローター速度図を参照すると、高風速時にローター速度を低下させることで、タービンは失速領域に入り、出力が制限されます。

ピッチ制御により、風力タービンはブレードに対する空気の迎え角を積極的に変更することができます。これは、出力をはるかに細かく制御できるため、失速制御型風力タービンよりも好まれます。

失速制御可変速風力タービンと同様に、初期の運転戦略は曲線上で運転することです。ただし、騒音レベルなどの制約により、定格以下の風速の全範囲でこれを実行することはできません。定格風速未満では、次の運転戦略が採用されます。 ${\displaystyle C_{p~max}}$

定格風速を超えると、ピッチング機構が採用されます。これにより、迎え角を適切なレベルで制御でき、トルクを制御できます。前述のトルク ローター速度図はすべて、ピッチ角がゼロのときのグラフです。ピッチ角の変化を含む 3 次元グラフを作成できます。 ${\displaystyle \beta}$

最終的に、2D プロットでは、定格風速を超えると、タービンは下の図の「x」でマークされたポイントで動作します。

可変速型風力タービンには、メーカーの要望に応じてギアボックスが付いている場合と付いていない場合があります。ギアボックスのない風力タービンはダイレクトドライブ風力タービンと呼ばれます。ギアボックスの利点は、発電機は通常、ローターがステーター内で高速で回転するように設計されていることです。ダイレクトドライブ風力タービンにはこの機能がありません。ギアボックスの欠点は、信頼性と故障率です。^[4]

ギアボックスのない風力タービンの例としては、Enercon E82があります。^[5]

可変速風力タービンの場合、DFIG (二重給電誘導発電機) または FRC (完全定格コンバータ) の 2 種類の発電機のいずれかを使用できます。

DFIG発電機は送電システムから無効電力を引き出すため、故障時に送電システムの脆弱性が増す可能性がある。DFIG構成では発電機を巻線型ローターにする必要がある。^[6]かご型ローターはこのような構成には使用できません。

定格コンバータは、誘導発電機または永久磁石発電機のいずれかになります。DFIGとは異なり、FRCは発電機にかご型回転子を使用できます。この例として、業界の主力製品と呼ばれるシーメンスSWT 3.6-107があります。^[7]永久磁石発電機の例としては、シーメンスSWT-2.3-113があります。^[8]永久磁石発電機の欠点は、含める必要のある材料のコストです。^[9]

永久磁石同期発電機を備えた可変速風力タービンを考えてみましょう。発電機は交流電力を生成します。風力タービンによって生成される交流電圧の周波数は、発電機内のローターの速度の関数です。

${\displaystyle N={\frac {120f}{P}}}$

ここで、はローター速度、は発電機の極数、 は出力電圧の周波数です。つまり、風速が変化すると、ローター速度も変化し、電圧の周波数も変化します。この形態の電気は、送電システムに直接接続することはできません。代わりに、周波数が一定になるように補正する必要があります。このために、電力変換器が使用され、その結果、風力タービンが送電システムから切り離されます。国の電力システムに含まれる風力タービンが増えるほど、慣性は減少します。つまり、送電システムの周波数は、単一の発電ユニットの損失によってより強く影響を受けます。 ${\displaystyle N}$${\displaystyle P}$${\displaystyle f}$

すでに述べたように、可変速風力タービンによって生成される電圧は、送電網に準拠していません。これらのタービンから送電網に電力を供給するには、信号を電力変換器に通す必要があります。これにより、風力タービンによって生成される電気の電圧の周波数が、送電システムに転送されるときに送電システムの周波数と同じになります。電力変換器は、まず信号を DC に変換し、次に DC 信号を AC 信号に変換します。使用される技術には、パルス幅変調が含まれます。