再生エネルギー型発電装置及びその運転方法
再生エネルギーの変動に関わらず、所望の油圧モータの出力を得ることができ、安定した発電を可能とした再生エネルギー型発電装置及びその運転方法を提供する。再生エネルギーから電力を生成する再生エネルギー型発電装置であって、再生エネルギーによって駆動される回転シャフト８と、回転シャフトによって駆動される可変容量型の油圧ポンプ１２と、油圧ポンプから供給される圧油によって駆動される可変容量型の油圧モータ１４と、油圧モータに連結された発電機２０と、油圧ポンプの吐出側を油圧モータの吸込側に連通させる高圧油ライン１６と、油圧ポンプの吸込側を油圧モータの吐出側に連通させる低圧油ライン１８と、油圧ポンプ１２の目標出力POWERpumpに基づいて、油圧モータ１４の目標出力POWERmotorを算出するモータ目標出力算出部４５と、モータ目標出力算出部により算出された目標出力POWERmotorに基づいて、発電機２０の回転数が一定になるように油圧モータの押しのけ容積の要求値Ｄｍを決定するモータ要求値算出部４６と、油圧モータの押しのけ容積を要求値Ｄｍに調節するモータ制御部４８とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、油圧ポンプ及び油圧モータを組み合わせた油圧トランスミッションを介して、再生エネルギー源から得られるロータの回転エネルギーを発電機に伝達する再生エネルギー型発電装置及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境の保全の観点から、風力を利用した風力発電装置や、潮流エネルギーを利用した潮流発電装置等の再生エネルギー型発電装置の普及が進んでいる。
【０００３】
このような装置には、従来からギヤ式（機械式）のトランスミッションが多く用いられてきた。ギヤ式トランスミッションは、再生エネルギー源のエネルギー流速が入力される風力発電装置や潮流発電装置のロータのようなエネルギー抽出機構の低速回転を増速し、発電機を駆動するための高速回転に変換する。例えば、一般的な風力発電装置では、ロータの回転数は数ｒｐｍ〜数十ｒｐｍ程度であるのに対し、発電機の定格回転数は通常１５００ｒｐｍ又は１８００ｒｐｍであるから、ロータと発電機との間に機械式（ギヤ式）の増速機が設けられている。すなわち、ロータの回転数は、増速機で発電機の定格回転数まで増速された後、発電機に入力される。
上記したようなギヤ式トランスミッションは、故障しやすかったり、メンテナンス及び交換、あるいは修理の費用が嵩んだりする傾向があるため、これを解消する設計および建設が課題となっていた。
【０００４】
さらなる課題として、あらゆる条件下において、エネルギー抽出機構により最も効率的にエネルギーを抽出可能な再生エネルギー型発電装置を設計することが挙げられる。
このような設計を実現する最も効果的な装置として、ピッチ角が固定された状態でブレードを保持し、先端速度比がほぼ一定となるように、動作範囲の大部分にわたる風速または流速に対して比例的にブレードの回転数を変化させるものがある。費用効率が高い規模の再生エネルギー型発電装置においては、ギヤ式トランスミッションはこの比が常に固定されており、そのため複雑化し故障しやすい電力変換装置により配電網へ電力供給しなければならない。
【０００５】
そこで、近年、機械式トランスミッションに替えて、可変容量型の油圧ポンプ及び油圧モータを組み合わせた油圧トランスミッションを採用した再生エネルギー型発電装置が注目を浴びている。このような発電装置では、大規模な機構においても可変容量型を実現することができる。油圧トランスミッションは、ギヤ式トランスミッションより軽量で且つロバストであり、またダイレクトドライブ式発電機の駆動機構より軽量である。その結果、発電に関わる全体コストを削減することができる。
【０００６】
例えば、非特許文献１には、風力発電装置に適用される油圧トランスミッションの構成が開示されている。この油圧トランスミッションは、ロータに連結される油圧ポンプと、発電機に接続された油圧モータと、油圧ポンプ及び油圧モータの間にそれぞれ設けられた高圧マニホルド及び低圧マニホルドとを備えている。油圧ポンプ及び油圧モータはぞれぞれシリンダ及びピストンを複数有し、シリンダとピストンで囲まれる作動室（ワーキングチャンバ）の作動、非作動を連続的に変化させることで押しのけ容積を変化させるようになっている。
【０００７】
また、特許文献１には、風力発電装置のロータ回転数制御装置が開示されている。この装置は、ロータにより駆動される回転シャフトと、回転シャフトによりアクティブ化される多段ポンプとを備える。多段ポンプには、段ごとに共通の作動油吸入ラインおよび排出ラインが設けられており、排出ラインに配置される第１の制御手段により各段のポンプの作動状態が決定される。そして、風力エネルギーを効果的に電力変換する範囲内に回転シャフトの回転数が維持されるように、アイドル状態のシリンダの比率を変化させて回転シャフトのトルクを調節するようになっている。
さらに、特許文献２には、風力発電装置等に用いられる発電機安定制御システムの構成が開示されている。この装置は、油圧トランスミッションの油圧モータの押しのけ容積を調整し、発電機の回転数の安定化を図るようにしている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】W.H.S.Rampen,et al.,“Gearlesstransmissions for large wind-turbines-The history and future of hydraulicdrives”,DEWEKBremen, Dec. 2006
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国登録特許第４，４９６，８４７号明細書
【特許文献２】国際出願公開第２０１０／００３３０３５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記したような再生エネルギー型発電装置においては、再生エネルギー源から効率的にエネルギーを抽出し、高い発電効率を維持することが求められる。ところが、このような発電装置で用いられる再生エネルギー源には、通常、風力や潮流等の自然エネルギーが用いられるため発電に利用可能なエネルギーの変動が大きく、これにより常時、最も効率的なエネルギー抽出を行なうことは困難であった。特に、再生エネルギーは短期間での時間的不安定性が高く、効率的なエネルギー抽出を行なうためには、エネルギー変動に対応して迅速に制御することが必要とされる。
【００１１】
この点、従来の機械式（ギヤ式）の増速機を用いた風力発電装置では、発電機と電力系統との間に設けられたインバータを制御することで、風速に応じてロータの回転数を変化させる可変速運転を行う技術が確立されており、広く一般に採用されている。
ところが、油圧トランスミッションを用いた風力発電装置では、非特許文献１及び特許文献１、２には、発電効率を向上させるために具体的にどのような制御を行うのかについて何ら開示されておらず、発電効率を向上させるための運転制御技術が未だ確立されていない。
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、再生エネルギーの変動に関わらず、所望の油圧モータの出力を得ることができ、安定した発電を可能とした再生エネルギー型発電装置及びその運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る再生エネルギー型発電装置は、再生エネルギーから電力を生成する再生エネルギー型発電装置であって、再生エネルギーによって駆動される回転シャフトと、前記回転シャフトによって駆動される可変容量型の油圧ポンプと、前記油圧ポンプから供給される圧油によって駆動される可変容量型の油圧モータと、前記油圧モータに連結された発電機と、前記油圧ポンプの吐出側を前記油圧モータの吸込側に連通させる高圧油ラインと、前記油圧ポンプの吸込側を前記油圧モータの吐出側に連通させる低圧油ラインと、前記油圧ポンプの目標出力POWERpumpに基づいて、前記油圧モータの目標出力POWERmotorを算出するモータ目標出力算出部と、前記モータ目標出力算出部により算出された前記目標出力POWERmotorに基づいて、前記発電機の回転数が一定になるように前記油圧モータの押しのけ容積の要求値Ｄｍを決定するモータ要求値算出部と、前記油圧モータの押しのけ容積を前記要求値Ｄｍに調節するモータ制御部とを備えることを特徴とする。
【００１３】
この再生エネルギー型発電装置では、モータ目標出力算出部によって、油圧ポンプの目標出力POWERpumpに基づいて油圧モータの目標出力POWERmotorを算出し、これを用いてモータ制御を行なうようにしたので、所望の油圧ポンプの出力を得ることが可能となる。
また、モータ要求値算出部によって、目標出力POWERmotorに基づいて発電機の回転数が一定になるように油圧モータの押しのけ容積の要求値Ｄｍを決定し、モータ制御部で油圧モータの押しのけ容積を要求値Ｄｍに調節するようにしたので、油圧ポンプの目標出力が変更されても、発電機の回転数を一定に維持できる。よって、発電機において周波数が一定の電力を発生させることができる。
【００１４】
上記再生エネルギー型発電装置において、パワー係数が最大となる前記回転シャフトの理想トルクに基づいて前記油圧ポンプの目標トルクを決定する目標トルク算出部と、前記目標トルク算出部により決定された前記油圧ポンプの前記目標トルクに基づいて、前記油圧ポンプの目標出力POWERpumpを算出するポンプ目標出力算出部とをさらに備えることことが好ましい。
【００１５】
このように、目標トルク算出部によって、パワー係数が最大となる回転シャフトの理想トルクに基づいて油圧ポンプの目標トルクを決定し、ポンプ目標出力算出部によって、前記目標トルクに基づいて油圧ポンプの目標出力POWERpumpを算出するようにしたので、再生エネルギー型発電装置の発電効率を高く維持することができる。
【００１６】
上記再生エネルギー型発電装置において、前記回転シャフトの回転数を計測する回転数計と、前記回転シャフトの回転数の計測値に基づいて、前記回転シャフトの前記理想トルクを求める理想トルク算出部とをさらに備えることが好ましい。
【００１７】
この再生エネルギー型発電装置では、回転数計による回転シャフトの回転数の計測値に基づいて理想トルクを求めるようにしたので、再生エネルギー型発電装置の発電効率を向上させることができる。また、回転シャフトの回転数は回転数計により高精度に計測可能であるから、この実測した回転シャフトの回転数に基づいて理想トルクを決定することにより、油圧モータの制御を適切に行うことができる。
【００１８】
さらにこの再生エネルギー型発電装置において、前記回転数計は複数設けられており、前記理想トルク算出部は、複数の前記回転数計による前記回転シャフトの回転数の計測値の平均値に基づいて、前記回転シャフトの前記理想トルクを求めるようにしてもよい。
【００１９】
このように、回転数計が複数設けられ、これらの回転数計による計測値の平均値に基づいて理想トルクを求めることにより、理想トルク算出の正確性が向上するとともに、回転数計自体または外的要因等によるノイズを除去することができる。
【００２０】
あるいは、上記再生エネルギー型発電装置において、前記回転シャフトの回転数を計測する回転数計と、前記回転シャフトの回転数の計測値から見積もられる前記再生エネルギー源のエネルギー流の流速に基づいて前記回転シャフトの前記理想トルクを求める理想トルク算出部とをさらに備えることが好ましい。
【００２１】
このように、回転数計によって計測された回転シャフトの回転数の計測値から見積もられる再生エネルギー源のエネルギー流の流速に基づいて理想トルクを求めるようにしたので、再生エネルギー型発電装置の発電効率を向上させることができる。また、エネルギー流の流速は、回転数計による回転数の計測値から推定するようにしたため、高い精度でエネルギー流の流速を推定することができ、油圧モータの制御を適切に行うことができる。さらに、エネルギー流の流速を計測する流速計を設置しない構成とすることもでき、コスト削減が図れる。
【００２２】
さらにこの再生エネルギー型発電装置において、前記回転数計は複数設けられており、前記エネルギー流の流速は、複数の前記回転数計による前記回転シャフトの回転数の計測値の平均値から見積もられるようにしてもよい。
【００２３】
このように、回転数計が複数設けられ、これらの回転数計による計測値の平均値に基づいてエネルギー流の流速を推定し、このエネルギー流の流速から理想トルクを求めることにより、理想トルク算出の正確性が向上するとともに、回転数計自体または外的要因等によるノイズを除去することができる。
【００２４】
あるいは、上記再生エネルギー型発電装置において、前記回転シャフトを駆動する前記再生エネルギー源のエネルギー流の流速を計測する流速計と、前記エネルギー流の流速の計測値に基づいて前記回転シャフトの前記理想トルクを求める理想トルク算出部とをさらに備えることが好ましい。
【００２５】
このように、流速計によって計測された再生エネルギー源のエネルギー流の流速に基づいて理想トルクを求めるようにしたので、再生エネルギー型発電装置の発電効率を向上させることができる。また、エネルギー流の流速は、流速計で直接計測するようにしたので容易に流速を取得可能となる。
【００２６】
さらにこの再生エネルギー型発電装置において、前記流速計は複数設けられており、前記理想トルク算出部は、複数の前記流速計による前記エネルギー流の流速の計測値の平均値に基づいて前記回転シャフトの前記理想トルクを求めるようにしてもよい。
【００２７】
このように、流速計が複数設けられ、これらの流速計による計測値の平均値に基づいて理想トルクを求めることにより、理想トルク算出の正確性が向上するとともに、流速計自体または外的要因等によるノイズを除去することができる。
【００２８】
上記再生エネルギー型発電装置において、前記再生エネルギー型発電装置が属する発電ファームのファーム制御装置からの電力要求指令に基づいて、前記ポンプ目標出力算出部により算出された前記油圧ポンプの目標出力POWERpumpを補正するポンプ目標出力補正部をさらに備えることが好ましい。
【００２９】
一般に、再生エネルギー型発電装置が属する発電ファームには、複数の再生エネルギー型発電装置が設置されていることが多い。例えば発電ファームにおけるそれぞれの発電装置の稼動状況あるいは発電ファーム全体に要求される電力等によって、それぞれの再生エネルギー型発電装置へ要求される発電出力は異なる。したがって、ポンプ目標出力補正部によって、ファーム制御装置からの電力要求指令に基づいて、油圧ポンプの目標出力POWERpumpを補正することで、再生エネルギー型発電装置に実際に求められる電力要求に応じて適切に発電を行うことが可能となる。
【００３０】
上記再生エネルギー型発電装置において、前記モータ目標出力算出部は、前記油圧ポンプの目標出力POWERpumpに平滑処理を施して前記油圧モータの目標出力POWERmotorを得るローパスフィルタを含むことが好ましい。
【００３１】
このように、油圧ポンプの目標出力POWERpumpに平滑処理を施して油圧モータの目標出力POWERmotorを得るようにしたので、油圧ポンプの出力が急激に変化した場合であっても、油圧モータの目標出力を緩やかに変化させることができ、発電機の安定運転が可能となる。
【００３２】
上記再生エネルギー型発電装置において、前記モータ要求値算出部は、前記目標出力POWERmotorを、前記油圧モータの回転数及び前記高圧油ラインの作動油の圧力Ｐｓで除算して、前記油圧モータの押しのけ容積の名目要求値Ｄｎを求め、該名目要求値Ｄｎに基づいて前記油圧モータの押しのけ容積の要求値Ｄｍを決定することが好ましい。
【００３３】
このように、モータ要求値算出部は、目標出力POWERmotorを、油圧モータの回転数及び高圧油ラインの作動油の圧力Ｐｓで除算して、油圧モータの押しのけ容積の名目要求値Ｄｎを求めるようにしたので、発電機の回転数を一定にするような名目要求値Ｄｎを取得できる。
【００３４】
さらにこの再生エネルギー型発電装置において、前記モータ要求値算出部は、前記モータ目標出力算出部により算出された前記目標出力POWERmotorに基づいて決定した前記高圧油ラインの作動油の目標圧力Ｐｄに、前記高圧油ラインの作動油の圧力Ｐｓを調節するための前記油圧モータの押しのけ容積の要求補正値Ｄｂを求め、前記名目要求値Ｄｎに前記補正値Ｄｂを加算して、前記油圧モータの押しのけ容積の補正値Ｄｍを決定するようにしてもよい。
【００３５】
このように、モータ要求値算出部によって、高圧油ラインの作動油の圧力Ｐｓをその目標圧力Ｐｄに調節するための油圧モータの押しのけ容積の要求補正値Ｄｂを求め、前記名目要求値Ｄｎにこの補正値Ｄｂを加算して油圧モータの押しのけ容積の要求値Ｄｍを決定するようにしたので、高圧油ラインの作動油の圧力Ｐｓを目標圧力Ｐｄに確実に近づけることができる。
【００３６】
またこのとき、前記モータ要求値算出部は、前記高圧油ラインの作動油の圧力Ｐｓと前記高圧油ラインの目標圧力Ｐｄとの偏差に、前記高圧油ラインの作動油の圧力に応じて変化する可変ゲインＫｐを乗算して、前記補正値Ｄｂを求めるようにしてもよい。
【００３７】
このように、油圧モータの押しのけ容積の補正値Ｄｂを求める際に、高圧油ラインの作動油の圧力Ｐｓに応じて変化する可変ゲインＫｐを用いるようにしたので、可変ゲインＫｐを適切に設定することで、高圧油ラインの作動油の圧力Ｐｓを目標圧力Ｐｄに迅速に近づけることができる。このとき、可変ゲインＫｐは圧油ラインの作動油の圧力Ｐｓに応じて変化するため、圧力Ｐｓに応じた適切な追従性能とすることができる。
【００３８】
さらに、前記可変ゲインＫｐは、前記高圧油ラインの圧力Ｐｓがその許容範囲の最小値Ｐmin以下あるいは該許容範囲の最大値Ｐmax以上である場合には最大値Ｋmaxとなり、前記高圧油ラインの圧力Ｐｓが前記許容範囲の最小値Ｐminよりも大きく前記許容範囲の最大値Ｐmaxよりも小さい場合には、前記許容範囲の最小値Ｐmin又は最大値Ｐmaxに近づくにつれて前記最大値Ｋmaxに向かって増加するように設定されるようにしてもよい。
【００３９】
これにより、高圧油ラインの作動油の圧力Ｐｓを許容範囲内に維持することができるとともに、油圧モータの押しのけ容積の要求値Ｄｍにおける補正の要否に応じて、適切にモータ要求補正値ｂを決定することができる。
すなわち、高圧油ラインの圧力Ｐｓがその許容範囲の最小値Ｐmin以下あるいは該許容範囲の最大値Ｐmax以上である場合には、可変ゲインＫｐが最大値Ｋmaxとなることで、高圧油ラインの作動油の圧力を目標圧力に近づける速度を最大限速くすることができる。一方、高圧油ラインの圧力Ｐｓが前記許容範囲の最小値Ｐminよりも大きく該許容範囲の最大値Ｐmaxよりも小さい場合には、可変ゲインＫｐは、許容範囲の最小値Ｐmin又は最大値Ｐmaxに近づくにつれて最大値Ｋmaxに向かって増加する。これにより、高圧油ラインの作動油の圧力Ｐｓが適切である場合には可変ゲインＫｐの影響度を小さくし、必要に応じて徐々に可変ゲインＫｐの影響度を大きくしていくことができる。
【００４０】
さらにまた、前記許容範囲の最小値Ｐminは、前記回転シャフトの回転数と前記油圧ポンプの設定可能な押しのけ容積の最大値Ｄmaxとに基づいて決定されるようにしてもよい。
【００４１】
このように、許容範囲の最小値Ｐminを、回転シャフトの回転数と油圧ポンプの設定可能な押しのけ容積の最大値Ｄmaxとに基づいて決定するようにしたので、モータ制御において重要な制御因子である最小値Ｐminを適切に設定することができる。
【００４２】
上記再生エネルギー型発電装置において、前記再生エネルギー型発電装置の周囲の雰囲気温度を計測する雰囲気温度センサをさらに備え、前記雰囲気温度センサによる前記雰囲気温度の計測値に基づいて、前記回転シャフトの前記理想トルクが補正されることが好ましい。
【００４３】
一般に、再生エネルギー型発電装置では、再生エネルギー源の密度が温度によって変動する。したがって、再生エネルギー型発電装置の周囲の雰囲気温度を計測し、この計測値に基づいて理想トルクを補正することで、雰囲気温度に応じて最も適切な理想トルクを求めることが可能となる。
【００４４】
上記再生エネルギー型発電装置において、前記高圧油ラインの作動油の温度を計測する油温センサをさらに備え、前記高圧油ラインの作動油の温度の計測値に基づいて、前記油圧モータの押しのけ容積の要求値Ｄｍを補正するモータ要求値補正部をさらに備えることが好ましい。
【００４５】
このように、油温センサで計測された高圧油ラインの作動油の温度に基づいて、ポンプ要求値補正部によって油圧モータの押しのけ容積の要求値Ｄｍを補正するようにしたので、オイルの熱膨張を考慮して、適切に油圧モータを制御することが可能となる。
【００４６】
上記再生エネルギー型発電装置は、再生エネルギーとしての風から電力を生成する風力発電装置であることが好ましい。
風力発電装置は風力エネルギーの変動が大きいが、上記再生エネルギー型発電装置を採用することで、風力エネルギーの変動に応じたモータ制御が可能となるため、所望の油圧モータの出力を得ることができ、安定した発電が可能となる。
【００４７】
上記再生エネルギー型発電装置の運転方法において、再生エネルギーによって駆動される回転シャフトと、前記回転シャフトによって駆動される可変容量型の油圧ポンプと、前記油圧ポンプから供給される圧油によって駆動される可変容量型の油圧モータと、前記油圧モータに連結された発電機と、前記油圧ポンプの吐出側を前記油圧モータの吸込側に連通させる高圧油ラインと、前記油圧ポンプの吸込側を前記油圧モータの吐出側に連通させる低圧油ラインとを備える再生エネルギー型発電装置の運転方法であって、前記油圧ポンプの目標出力POWERpumpに基づいて、前記油圧モータの目標出力POWERmotorを算出するステップと、前記モータ目標出力算出部により算出された前記目標出力POWERmotorに基づいて、前記発電機の回転数が一定になるように前記油圧モータの押しのけ容積の要求値Ｄｍを決定するステップと、前記油圧モータの押しのけ容積を前記要求値Ｄｍに調節するステップとを備えることを特徴とする。
【００４８】
この再生エネルギー型発電装置では、油圧ポンプの目標出力POWERpumpに基づいて油圧モータの目標出力POWERmotorを算出して、これを用いてモータ制御を行なうようにしたので、所望の油圧ポンプの出力を得ることが可能となる。
また、目標出力POWERmotorに基づいて発電機の回転数が一定になるように油圧モータの押しのけ容積の要求値Ｄｍを決定し、油圧モータの押しのけ容積を要求値Ｄｍに調節するようにしたので、油圧ポンプの目標出力が変更されても、発電機の回転数を一定に維持できる。よって、発電機において周波数が一定の電力を発生させることができる。
【発明の効果】
【００４９】
本発明によれば、モータ目標出力算出部によって、油圧ポンプの目標出力POWERpumpに基づいて油圧モータの目標出力POWERmotorを算出して、これを用いてモータ制御を行なうようにしたので、所望の油圧ポンプの出力を得ることが可能となる。
また、モータ要求値算出部によって、目標出力POWERmotorに基づいて発電機の回転数が一定になるように油圧モータの押しのけ容積の要求値Ｄｍを決定し、モータ制御部で油圧モータの押しのけ容積を要求値Ｄｍに調節するようにしたので、油圧ポンプの目標出力が変更されても、発電機の回転数を一定に維持できる。よって、発電機において周波数が一定の電力を発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】風力発電装置の構成例を示す図である。
【図２】風力発電装置の油圧トランスミッション及び発電機と制御ユニットの構成を示す図である。
【図３】油圧ポンプの具体的な構成を示す図である。
【図４】油圧モータの具体的な構成を示す図である。
【図５】制御ユニットによる油圧モータの制御を示すフローチャートである。
【図６】制御ユニットの信号伝達フローを示す図である。
【図７】トルクと回転数との相関関係の関数を示す図である。
【図８】可変ゲインの関数の具体例を示す図である。
【図９】高圧油ラインの作動油の目標圧力関数を示す図である。
【図１０】制御ユニットの記憶部に記憶されたＣｐ最大曲線を示すグラフである。
【図１１】制御ユニットの記憶部に記憶されたＣｐ最大曲線を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００５２】
図１は、風力発電装置の構成例を示す図である。図２は、風力発電装置の油圧トランスミッション及び発電機と制御ユニットの構成を示す図である。
【００５３】
図１に示すように、風力発電装置１は、主として、風を受けて回転するロータ２と、ロータ２の回転を増速する油圧トランスミッション１０と、電力を発生させる発電機２０と、ナセル２２と、ナセル２２を支持するタワー２４と、風力発電装置１の油圧トランスミッション１０を制御する制御ユニット４０（図２参照）と、圧力計３１及び回転数計３２、３６を含む各種計測器とを備える。
【００５４】
ロータ２は、ブレード４が取り付けられたハブ６に回転シャフト８が連結された構成を有する。すなわち、３枚のブレード４がハブ６を中心として放射状に延びており、それぞれのブレード４が、回転シャフト８と連結されたハブ６に取り付けられている。これにより、ブレード４が受けた風の力によってロータ２全体が回転し、回転シャフト８を介して油圧トランスミッション１０に回転が入力される。
【００５５】
油圧トランスミッション１０は、図２に示すように、回転シャフト８に従動して駆動する容量可変型の油圧ポンプ１２と、発電機２０に接続された容量可変型の油圧モータ１４と、油圧ポンプ１２と油圧モータ１４との間に設けられた高圧油ライン１６及び低圧油ライン１８を有する。
【００５６】
油圧ポンプ１２の吐出側は、高圧油ライン１６によって油圧モータ１４の吸込側に接続されており、油圧ポンプ１２の吸込側は、低圧油ライン１８によって油圧モータ１４の吐出側に接続されている。油圧ポンプ１２から吐出された作動油（高圧油）は、高圧油ライン１６を介して油圧モータ１４に流入し、油圧モータ１４を駆動する。油圧モータ１４で仕事を行った作動油（低圧油）は、低圧油ライン１８を介して油圧ポンプ１２に流入して、油圧ポンプ１２で昇圧された後、再び高圧油ライン１６を介して油圧モータ１４に流入する。
【００５７】
なお、図２には、油圧モータ１４を１個だけ含む油圧トランスミッション１０を示したが、複数の油圧モータ１４を設けて、それぞれの油圧モータ１４を油圧ポンプ１２に接続してもよい。
【００５８】
ここで、一例として、油圧ポンプと油圧モータの具体的な構成例を説明する。図３は油圧ポンプの具体的な構成を示す図で、図４は油圧モータの具体的な構成を示す図である。
【００５９】
油圧ポンプ１２は、図３に示すように、シリンダ８０及びピストン８２により形成される複数の油圧室８３と、ピストン８２に係合するカム曲面を有するカム８４と、各油圧室８３に対して設けられる高圧弁８６および低圧弁８８とにより構成される。
高圧弁８６は、各油圧室８３と高圧油ライン１６との間の高圧連通路８７に設けられ、低圧弁８８は、各油圧室８３と低圧油ライン１８との間の低圧連通路８９に設けられている。
この油圧ポンプ１２では、回転シャフト８とともにカム８４が回転すると、カム曲線に合わせてピストン８２が周期的に上下動し、ピストン８２が下死点から上死点に向かうポンプ工程と、ピストン８２が上死点から下死点に向かう吸入工程とが繰り返される。
【００６０】
油圧モータ１４は、図４に示すように、シリンダ９０及びピストン９２により形成される複数の油圧室９３と、ピストン９２に係合するカム曲面を有するカム９４と、各油圧室９３に対して設けられた高圧弁９６および低圧弁９８とにより構成される。
高圧弁９６は、各油圧室９３と高圧油ライン１６との間の高圧連通路９７に設けられ、低圧弁９８は、各油圧室９３と低圧油ライン１８との間の低圧連通路９９に設けられている。
この油圧モータ１４では、油圧ポンプ１２がつくった高圧油ライン１６と低圧油ライン１８との差圧によって、ピストン９２が周期的に上下動し、ピストン９２が上死点から下死点に向かうモータ工程と、ピストン９２が下死点から上死点に向かう排出工程とが繰り返される。
なお、油圧ポンプ及び油圧モータは、上記したようなピストン式に限定されるものではなく、他にもベーン式等のように、可変容量型の油圧機構であればいずれの形式であってもよい。また、ピストン式としては、アキシアルピストンポンプ・モータ、ラジアルピストンポンプ・モータ、レシプロピストンポンプ・モータ等を用いることができる。
【００６１】
図２に戻り、各種計測器として、回転シャフト８の回転数を計測する回転数計３２と、高圧油ライン１６内の圧力を計測する圧力計３１と、油圧モータ１４の回転数を計測する回転数計３６とが設けられている。さらにまた、各種計測器類として、ナセル２２の外部に取り付けられ、風速を計測する風速計３３、風力発電装置１の周囲の雰囲気温度を計測する温度センサ３４と、高圧油ライン１６の作動油の温度を計測する油温センサ３５とのうち少なくともいずれかが設けられていてもよい。これらの計測結果は、制御ユニット４０に送られて、油圧ポンプ１２の制御に用いられる。なお、図には各種計測器が１つずつ設けられた場合を示しているが、同一の計測器が複数設けられていてもよい。
【００６２】
また、高圧油ライン１６及び低圧油ライン１８には脈動防止用アキュムレータ６４が設けられている。これにより、高圧油ライン１６及び低圧油ライン１８の圧力変動（脈動）が抑制される。なお、低圧油ライン１８には、作動油中の不純物を除去するオイルフィルタ６６と、作動油を冷却するオイルクーラ６８が設けられている。
【００６３】
高圧油ライン１６と低圧油ライン１８との間には、油圧モータ１４をバイパスするバイパス流路６０が設けられている。そして、バイパス流路６０には、高圧油ライン１６の作動油の圧力を設定圧力以下に保持するリリーフ弁６２が設けられている。これにより、高圧油ライン１６内の圧力がリリーフ弁６２の設定圧力まで上昇すれば、リリーフ弁６２が自動的に開いて、バイパス流路６０を介して低圧油ライン１８に高圧油を逃すことができる。
【００６４】
また、油圧トランスミッション１０には、オイルタンク７０、補充ライン７２、ブーストポンプ７４、オイルフィルタ７６、返送ライン７８、低圧リリーフ弁７９が設けられている。
油圧モータ１４からの戻り流れの全部又は一部がこれらのユニットの一つ以上を通過するようにしてもよい。
【００６５】
オイルタンク７０は、補充用の作動油が貯留されている。補充ライン７２は、オイルタンク７０を低圧油ライン１８に接続している。ブーストポンプ７４は、補充ライン７２に設けられ、オイルタンク７０から低圧油ライン１８に作動油を補充するようになっている。このとき、低圧油ライン１８に供給される作動油は、補充ライン７２に設けられたオイルフィルタ７６によって不純物が除去される。
これにより、作動油の漏洩が油圧トランスミッション１０の内部で生じても、ブーストポンプ７４によってオイルタンク７０から低圧油ライン１８に作動油が補充されるので、油圧トランスミッション１０内を循環する作動油の量を維持できる。
【００６６】
返送ライン７８は、オイルタンク７０と低圧油ライン１８との間に配置されている。低圧リリーフ弁７９は、返送ライン７８に設けられており、低圧油ライン１８内の圧力を設定圧力と同じ又はそれ以下に保持するようになっている。
これにより、ブーストポンプ７４によって作動油が低圧油ライン１８に供給されても、低圧油ライン１８内の圧力が低圧リリーフ弁７９の設定圧力に達すれば、低圧リリーフ弁７９が自動的に開いて、返送ライン７８を介してオイルタンク７０に作動油を逃すことができる。よって、油圧トランスミッション１０内を循環する作動油の量を適切に維持できる。
【００６７】
発電機２０は、電力系統５０に連系されており、発電した電力を電力系統５０に供給するようになっている。発電機２０は、図２に示すように、油圧モータ１４の出力軸１５に接続された回転子２０Ａと、電力系統５０に接続された固定子２０Ｂとで構成された電磁石同期発電機を用いる。発電機２０の回転子２０Ａには励磁機５２が接続されており、固定子２０Ａに流れる界磁電流を変化させて、発電機２０の固定子２０Ｂに発生する電力の力率を調節できるようになっている。これにより、所望の力率に調整された良質の電力が電力系統５０に供給される。
【００６８】
図１に示すナセル２２は、ロータ２のハブ６を回転自在に支持するとともに、その内部に油圧トランスミッション１０や発電機２０等の各種機器を収納している。なお、ナセル２２をタワー２４に回転自在に支持し、ヨーモータ（不図示）を用いて、風向きに応じてナセル２２を旋回させるようにしてもよい。
【００６９】
タワー２４は、基礎２６から上方に延びる柱状であり、例えば、一本の柱状部材で構成してもよいし、複数のユニットを上下方向に連結して柱状に構成してもよい。タワー２４が複数のユニットから構成されている場合には、最上部に設けられたユニットの上にナセル２２が設置される。
【００７０】
ここで、図２に示す制御ユニット４０の構成について説明する。なお、制御ユニット４０は、ナセル２２の内部又は外部の異なる場所に存在し、制御ユニット４０が分散型の制御システムを構築していてもよい。制御ユニット４０及びこれを構成する各制御部４１〜４９の一つ以上の機能が一つの演算処理装置に組み込まれていてもよい。
制御ユニット４０は、理想トルク算出部４１と、目標トルク算出部４２と、ポンプ目標出力算出部４３と、ポンプ目標出力補正部４４と、モータ目標出力算出部４５と、モータ要求値算出部４６と、モータ要求値補正部４７と、モータ制御部４８と、記憶部４９とを有する。
【００７１】
理想トルク算出部４１は、回転シャフト８の回転数の計測値に基づいて、回転シャフト８の理想トルクを求める。理想トルクとは、風力エネルギーから回転シャフト８の回転エネルギーへ効率的にエネルギー変換可能な、すなわち、風力エネルギーの抽出効率が高いトルクをいう。
具体的に、理想トルク算出部４１としては以下のような構成が挙げられる。
一例として、理想トルク算出部４１は、回転数計３２による回転シャフト８の回転数の計測値に基づいて、パワー係数Ｃｐが最大となる理想トルクを求める。また、複数の回転数計３２による回転シャフトの回転数の計測値の平均値に基づいて、回転シャフト８の理想トルクを求めるようにしてもよい。
【００７２】
また、理想トルク算出部４１は、雰囲気温度センサ３４で計測される風力発電装置１の周囲の雰囲気温度に基づいて、理想トルクを補正するようにしてもよい。回転シャフト８のトルクに影響を与える因子の一つとして、風力発電装置１の周囲の雰囲気温度がある。これは、厳密には、風力エネルギーは風の通過流量（質量流量）と風速とから決定されるので、周囲の雰囲気温度が変化することにより空気密度が変化し、これにともない空気質量が変化するためである。したがって、風力発電装置１の周囲の雰囲気温度に基づいて理想トルクを補正することにより、雰囲気温度に応じて最も適切な理想トルクを求めることが可能となる。
【００７３】
目標トルク算出部４２は、理想トルク算出部４１で求められた理想トルクに基づいて油圧ポンプの目標トルクを決定する。このとき、目標トルク算出部４２は、回転シャフト８の理想トルクに、後述するスケール係数Ｍを乗算して、油圧ポンプ１２の目標トルクを決定することが好ましい。
【００７４】
ポンプ目標出力算出部４３は、油圧ポンプ１２の目標トルクに基づいて、油圧ポンプ１２の目標出力POWERpumpを算出する。このとき、ポンプ目標出力算出部４３は、目標トルク算出部４２で決定された油圧ポンプ１２の目標トルクに、回転シャフト８の回転数の計測値を乗算して油圧ポンプ１２の目標出力POWERpumpを算出してもよい。
【００７５】
ポンプ目標出力補正部４４は、ファーム制御装置２００からの電力要求指令Ｓｄに基づいて、ポンプ目標出力算出部４３により算出された油圧ポンプ１２の目標出力POWERpumpを補正する。ファーム制御装置２００は、風力発電装置１が属する発電ファームに設置され、複数の風力発電装置１を統括的に制御する装置である。
【００７６】
モータ目標出力算出部４５は、油圧ポンプ１２の目標出力POWERpumpに基づいて、油圧モータ１４の目標出力POWERmotorを算出する。例えばモータ目標出力算出部４５は、油圧ポンプ１２の目標出力POWERpumpに平滑処理を施して、油圧モータ１４の目標出力POWERmotorを算出する一次ローパスフィルタを含む。
【００７７】
モータ要求値算出部４６は、油圧モータ１４の目標出力POWERmotorに基づいて、発電機の回転数が一定になるように油圧モータ１４の押しのけ容積の要求値Ｄｍを決定する。
具体的には、モータ要求値算出部４６は、目標出力POWERmotorを、油圧モータ１４の回転数及び高圧油ラインの作動油の圧力（高圧油圧力）Ｐｓで除算して、油圧モータ１４の押しのけ容積の名目要求値Ｄｎを求め、該名目要求値Ｄｎに基づいて前記油圧モータの押しのけ容積の要求値Ｄｍを決定する。
【００７８】
このとき、モータ要求値算出部４６では、高圧油圧力Ｐｓが所定範囲内に適切に維持されるように、前記要求値Ｄｍを補正してもよい。その場合、モータ要求値算出部４６は、目標出力POWERmotorに基づいて決定した高圧油ライン１６の作動油の目標圧力Ｐｄに高圧油圧力Ｐｓを調節するための油圧モータ１４の押しのけ容積の要求補正値Ｄｂを求め、名目要求値Ｄｎに補正値Ｄｂを加算して、油圧モータ１４の押しのけ容積の補正値Ｄｍを決定する。
【００７９】
ここで、油圧モータ１４の押しのけ容積の要求補正値Ｄｂは、以下のように求めてもよい。
この補正値Ｄｂは、高圧油圧力Ｐｓとその目標圧力Ｐｄとの偏差に、高圧油圧力に応じて変化する可変ゲインＫｐを乗算して求める。
可変ゲインＫｐは、図８に示すように、高圧油圧力Ｐｓがその許容範囲の最小値Ｐmin以下あるいは該許容範囲の最大値Ｐmax以上である場合には最大値Ｋmaxとなり、一方、高圧油圧力Ｐｓが前記許容範囲の最小値Ｐminよりも大きく該許容範囲の最大値Ｐmaxよりも小さい場合には、許容範囲の最小値Ｐmin又は最大値Ｐmaxに近づくにつれて最大値Ｋmaxに向かって増加するように設定されていることが好ましい。なお、許容範囲の最小値Ｐminは、回転シャフト８の回転数と油圧ポンプ１２の押しのけ容積の設定可能な最大値Ｄmaxとに基づいて決定されてもよい。
【００８０】
モータ要求値補正部４７は、油温センサ３５で計測された高圧油ライン１６の作動油の温度に基づいて、油圧モータ１６の押しのけ容積の要求値Ｄｍを補正する。このモータ要求値補正部４７は不要とすることもできるが、これを設けることにより、作動油の熱膨張を考慮して適切に油圧モータ１６を制御することが可能となる。
【００８１】
モータ制御部４８は、油圧モータ１４の押しのけ容積を、モータ要求値算出部４６で決定された要求値Ｄｍに調節する。油圧モータ１４の制御については後述する。
また、上記した各制御部のほかに、ポンプ制御部（不図示）を有していてもよい。ポンプ制御部は、目標トルク算出部４２で求めた目標トルクと、高圧油圧力Ｐｓとに基づいて油圧ポンプ１２の押しのけ容積の要求値を算出し、この要求値となるように油圧ポンプ１２の押しのけ容積を調整する。
【００８２】
記憶部４９は、油圧ポンプ１２の制御に用いるデータが保存されている。具体的には、風力発電装置１の制御に用いられる各種の関数が記憶されている。例えば、図７に示すトルクと回転数との相関関係の関数、図８に示す可変ゲインＫｐの関数、あるいは図９に示す高圧油ラインの作動油の目標圧力関数等が記憶されている。
【００８３】
上記した制御ユニット４０の動作に関するアルゴリズムについて、図５のフローチャートを用いて説明する。
最初に、回転数計３２によって、回転シャフト８の回転数Ｗｒが計測される（ステップＳ１）。
理想トルク算出部４１は、回転数計３８で計測された回転数Ｗｒからパワー係数Ｃｐが最大となる理想トルクＴｉを決定する。具体的には、理想トルク算出部４１は、図７に示す関数のうち実線で表されるＣｐ最大曲線６００を記憶部４９から読み出す。このＣｐ最大曲線６００は、空力学的な理想トルク（Ｔ， ５９８）と回転シャフトの回転数(Ｗｒ， ５９９)との相関関係を示す関数であり、回転数Ｗｒに対してパワー係数Ｃｐが最大となる理想トルクＴｉを示すものである。
【００８４】
さらに、目標トルク算出部４２は、理想トルク算出部４１で求められた理想トルクＴｉに基づいて油圧ポンプ１２の目標トルクＴｄを決定する（ステップＳ２）。このとき、目標トルク算出部４２は、理想トルク算出部４１で決定した理想トルクＴｉにスケール係数Ｍを乗算して、調整理想トルクＭＴｉを算出し、これを目標トルクＴｄとしてもよい。スケール係数Ｍは、０．９〜１．０の範囲内であることが好ましく、その値は、風力発電装置１の稼働中、風の状況やブレード４の空気力学的変化に応じて変更してもよい。また、スケール係数Ｍは、ファーム制御装置２００から適宜入力されるようにしてもよい。スケール係数Ｍ＜１の場合、回転シャフト８に与えられるトルクは、通常の理想トルクの場合よりわずかに小さい値となり、その分、回転シャフト８の回転数を通常の理想トルクの場合に比べて少し上昇させることができる。したがって、風速の急速な変化に応じて回転シャフト８の回転数を迅速に追従させることが可能となる。なお、ここでいう突風時とは、風力発電装置１の許容風速範囲の上限値以下であることを前提条件としている。許容風速範囲は、ロータ２が過回転とならず通常運転可能な風速の範囲であり、一般に定格風速範囲の上限値より高く設定されている。
【００８５】
ここで、上記した構成を採用することで、凪時には、理想トルクが最適なトルク（Ｍ＝１の場合）からわずかに外れることとなる。しかし、突風時に風力エネルギーから変換される回転エネルギーは凪時よりも大幅に大きいので、風力発電装置全体としてより多くのエネルギーを得ることができる。そのため、上記した構成を採用することによる効果は大きい。
【００８６】
また、目標トルク算出部４２では、雰囲気温度センサ３４で計測される風力発電装置１の周囲の雰囲気温度に基づいて、理想トルクＴｉを補正するようにしてもよい。補正方法としては、例えば、記憶部４９に理想トルクＴｉの補正量と雰囲気温度との関数を記憶しておき、雰囲気温度に基づいて理想トルクＴｉの補正量を求め、これを理想トルクＴｉに加算してもよい。また、別の方法として、雰囲気温度に対応したＣｐ最大曲線６００を複数有しておき、雰囲気温度に応じて適切なＣｐ最大曲線６００を選択し、選択されたＣｐ最大曲線６００から得られる理想トルクＴｉに基づいて目標トルクを算出してもよい。風力エネルギーは、厳密には風の通過流量（質量流量）と風速とから決定されるので、周囲の雰囲気温度が変化することにより空気密度が変化し、これにともない空気質量が変化する。したがって、風力発電装置１の周囲の雰囲気温度に基づいて理想トルクＴｉを補正することにより、雰囲気温度に応じて適切な理想トルクを求めることができる。
【００８７】
続いて、ポンプ目標出力算出部４３は、回転数計３２で測定された回転シャフト８の回転数Ｗｒと、理想トルクＴｉまたは調整理想トルクＭＴｉとを乗算して、油圧ポンプ１２の目標出力POWERpumpを算出する（ステップＳ３）。なお、油圧ポンプ１２の目標出力POWERpumpは、油圧ポンプ１２の押しのけ容積の選択された総量、あるいは高圧油圧力Ｐｓ等の油圧情報に基づいて算出することもできる。
【００８８】
ここで、ポンプ目標出力補正部４４によって、油圧ポンプ１２の目標出力POWERpumpを、ファーム制御装置２００からの電力要求指令Ｓｄから得られる出力補正値POWERcorrectionに基づいて補正してもよい（ステップＳ４）。
通常、ウィンドファームには、複数の風力発電装置１が設置されており、これらの風力発電装置１を統括的に制御するファーム制御装置２００が設けられている。ファーム制御装置２００は、複数の風力発電装置１と通信可能であり、風力発電装置１から各種の計測値信号を受信するとともに、風力発電装置１へ各種の制御信号を送信する。
計測値信号は、例えば、各種計測器３１〜３６の計測値信号であり、高圧油圧力Ｐｓ、回転シャフト８の回転数Ｗｒ、油圧モータ１４の回転数Ｗｍ、周囲の風速又は温度、作動油温度等が挙げられる。
制御信号は、前記電力要求指令Ｓｄを含む。電力要求指令Ｓｄは、ウィンドファームの全体に求められる電力要求から個々の風力発電装置に割り振られた電力要求に関する信号である。
各風力発電装置１への電力要求は、ウィンドファーム全体として一定の発電出力が得られるように設定されてもよいし、あるいはウィンドファーム全体として高効率で発電可能なように設定されてもよいし、あるいは他の風力発電装置の発電出力または高圧油圧力等の変動を考慮して設定されてもよい。
【００８９】
そして、モータ目標出力算出部４５によって、一次ローパスフィルタを用いて油圧ポンプ１２の目標出力POWERpumpを平滑処理し、油圧モータ１４の目標出力POWERmotorを決定する（ステップＳ５）。
【００９０】
次いで、モータ要求値算出部４６によって、油圧ポンプ１２のヘッドルームトルクＴｈを算出する（Ｓ６）。ヘッドルームトルクＴｈは、予期しない突風や風速増加に対しても、回転シャフト８の回転数を適切に制御できるような油圧ポンプ１２のトルクの最小値である。このヘッドルームトルクＴｈは、油圧ポンプ１２の回転数の関数であり、その特性については図７を用いて後述する。
【００９１】
ここで、回転シャフト８のトルクは、油圧ポンプ１２の押しのけ容積と高圧油圧力とによって決まる。そこで、このヘッドルームトルクＴｈと、油圧ポンプ１２の押しのけ容積の設定可能な最大値Ｄmaxとに基づいて高圧油圧力Ｐｓの最小値Ｐminが算出できる（ステップＳ７）。この最小値Ｐminは、高圧油圧力Ｐｓの許容範囲の下限値を示す。また、平滑化（又はアキュムレータ）の最小プリチャージ圧力Ｐacc,minにより、Ｐminの下限値がさらに低くなる。その下限値を下回る場合には、高圧油ラインのみでは所望の操作を実行するのに十分でないこととなる。よって、許容圧力範囲は両下限値より上でなければならない。
【００９２】
この高圧油圧力の最小値Ｐminと、許容範囲の上限値である高圧油圧力の最大値Ｐmaxと、油圧モータ１４の目標出力または平滑化された目標出力とを用いて、後述する図８に示す関数に従って可変ゲインＫｐを算出する（ステップＳ８）。
【００９３】
一方、高圧油ライン１６の作動油の目標圧力Ｐｄを求める（ステップＳ９）。目標圧力Ｐｄは、風力発電装置１の最適運転を可能とする圧力であり、後述する図９に示す関数に従って求められる。
次いで、モータ要求値算出部４６は、油圧モータ１４の押しのけ容積の名目要求値Ｄｎを算出する（ステップＳ１０）。名目要求値Ｄｎは、回転数計３６で計測された油圧モータ１４の回転数Ｗｍと、圧力計３１で計測された高圧油ライン１６の作動油の圧力Ｐｓと、油圧モータ１４の目標出力POWERmotorとに基づいて算出する。このとき、名目要求値Ｄｎは、目標出力POWERmotorを、油圧モータ１４の回転数Ｗｍ及び高圧油圧力Ｐｓで除算して求めることで、発電機の回転数を一定にするような名目要求値Ｄｎを取得できる。
【００９４】
一方、モータ要求値算出部４６は、油圧モータ１４の押しのけ容積の要求補正値Ｄｂを算出する（ステップＳ１１）。要求補正値Ｄｂは、高圧油圧力Ｐｓとその目標圧力Ｐｄとの偏差に、ステップＳ９で求められた可変ゲインＫｐを乗算して算出する。
そして、前記名目要求値Ｄｎと要求補正値Ｄｂとを加算することによって、油圧モータ１４の押しのけ容積の要求値Ｄｍを決定する（ステップＳ１２）。
ここで、油温センサ３５で計測された高圧油ライン１６の作動油の温度に基づいて、ポンプ要求値補正部４７によって油圧モータ１４の押しのけ容積の要求値Ｄｍを補正してもよい。これにより、作動油の熱膨張を考慮して、適切に油圧モータ１４を制御することが可能となる。
【００９５】
上記により決定された油圧モータ１４の押しのけ容積の要求値Ｄｍとなるように、モータ制御部４８は、油圧モータ１４の押しのけ容積を調節する。
【００９６】
ここで、図４に示した油圧モータ１４を用いて、モータ制御部４８による油圧モータ１４の押しのけ容積の調節方法について説明する。
油圧モータ１４では、油圧ポンプ１２がつくった高圧油流路１６と低圧油流路１８との差圧によって、ピストン９２が周期的に上下動し、ピストン９２が上死点から下死点に向かうモータ工程と、ピストン９２が下死点から上死点に向かう排出工程とが繰り返される。
【００９７】
モータ制御部４８は、所望の油圧モータ１４の押しのけ容積の要求値Ｄｍが得られるように、ピストン９２が下死点から上死点を経て再び下死点に戻るサイクルの間、高圧弁９６を閉じて低圧弁９８を開いたままの状態を維持する非作動室の数を変化させる。すなわち、モータ制御部４８は、所望の押しのけ容積の要求値Ｄｍから、次の式を用いて非作動室の数を決定し、これに基づいて油圧モータ１４を制御する。
（数式）
押しのけ容積の要求値Ｄｍ＝Ｖｍ×Ｆｄｍ
（ただし、Ｖｍは全シリンダ９０の合計容積であり、Ｆｄｍは全油圧室９３に対する作動室の割合である。Ｆｄｍはある期間にわたって決定されてもよく、Ｆｄｍは全油圧室９３に対する作動室の割合の短時間における平均値であってもよい。）
ここで、油圧モータ１４の「非作動室」とは、ピストン９２が上死点から下死点に向かうモータ工程において、高圧油流路１６からの高圧油の供給を受けない油圧室９３をいう。これに対し、ピストン９２が上死点から下死点に向かうモータ工程において、高圧油流路１６からの高圧油の供給を受ける油圧室９３を油圧モータ１４の「作動室」という。
【００９８】
各油圧室９３の状態（非作動状態又は作動状態）は、ピストン９２の上下動のサイクルごとに選択できるから、全油圧室９３に対する非作動室の割合を変更することで、油圧モータ１４の押しのけ容積を迅速に変化させることができる。
また、モータ制御部４８における制御において、他の例として、ピストンサイクル中に高圧弁が開く時間を変化させて油圧モータ１４の押しのけ容積を調節するようにしてもよい。
【００９９】
次に、図６を参照して、制御ユニット４０の信号伝達フローを説明する。なお、図６は、上記図５に示したアルゴリズムのフローチャートに対応している。
まず最初に、理想トルク算出部４１によって、回転数計３２によって計測される回転シャフト８の回転数Ｗｒから理想トルクＴｉを決定する。このとき、理想トルクＴｉは、図６に示した目標トルク（ここでは理想トルクＴｉ）と回転数Ｗｒとの関数６００を用いて、パワー係数Ｃｐが最大となる理想トルクＴｉを決定する。
【０１００】
目標トルク算出部４２は、理想トルク算出部４１で求められた理想トルクＴｉに基づいて油圧ポンプ１２の目標トルクＴｄを決定する。このとき、目標トルク算出部４２は、理想トルク算出部４１で求められた理想トルクＴｉにスケール係数Ｍを乗算して、調整理想トルクＭＴｉを算出し、これを目標トルクＴｄとしてもよい。スケール係数Ｍは０〜１の範囲内であればいずれの値であってもよく、好ましくは０．９〜１の範囲内の値である。スケール係数Ｍを乗算することで、調整理想トルクＭＴｉは理想トルクＴｉよりわずかに低くなり、その分回転数が少し上がる。したがって、突風時には回転シャフト８がより急速に加速することとなる。その結果、スケール係数Ｍを乗算しない場合に比べて、より大きな出力を得ることができる。
一方、スケール係数Ｍを用いることで、回転シャフト８はより緩慢に減速する。したがって、凪時においては最適な回転数から少し外れて運転することとなる。しかし、突風に対して追従させることにより得られる追加出力は、凪時の準最適運転による出力損失より大きい。このようにスケール係数Ｍを用いて理想トルクＴｉを調整することで、風力エネルギーが急増した場合に、より多くの風力エネルギーを抽出することが可能となり、発電出力を増加させることができる。
【０１０１】
ポンプ目標出力算出部４３は、回転数計３２で計測された回転シャフト８の回転数Ｗｒと調整理想トルクＭＴｉの積から、油圧ポンプ１２の目標出力POWERpumpを算出する。なお、油圧ポンプ１２の目標出力POWERpumpは、油圧ポンプ１２の押しのけ容積の選択された総量、あるいは高圧油圧力Ｐｓ等の油圧情報から算出することもできる。
【０１０２】
さらに、ポンプ目標出力補正部４４は、ファーム制御装置２００から送信される電力要求指令Ｓｄに基づいて、アジャスタ１１０によって出力補正値POWERcorrectionを算出する。さらに、油圧ポンプ１２の目標出力POWERpumpに、この出力補正値POWERcorrectionを加算して目標出力POWERpumpを補正する。ここで、電力要求指令Ｓｄは、上述したように、風力発電装置１が属する発電ファームのファーム制御装置２００からポンプ目標出力補正部４４に入力される。このように、電力要求指令Ｓｄに基づいて目標トルクＴｄを補正することにより、必要に応じた適切な発電出力を得ることが可能となる。
【０１０３】
モータ目標出力算出部４５は、一次ローパスフィルタを形成する平滑モジュール１１２により油圧ポンプ１２の目標出力POWERpumpを平滑処理し、油圧モータ１４のモータ目標出力POWERmotorを算出する。
次いで、モータ目標出力算出部４５は、モータ目標出力POWERmotorを、油圧センサ３１で測定された高圧油圧力Ｐｓ、及び、回転数計３６で計測された油圧モータ１４の回転数Ｗｍで除算して、油圧モータ１４の押しのけ容積の名目要求値Ｄｎを求める。
【０１０４】
一方、モータ目標出力算出部４５で算出されたモータ目標出力POWERmotorは、モータ要求値補正部４７に入力される。モータ要求値補正部４７は、可変ゲインＫｐを用いて、油圧モータ１４の押しのけ容積の要求補正値Ｄｂを算出する圧力フィードバックコントローラ１２０を含む。圧力フィードバックコントローラ１２０には、図９に示す目標圧力関数（８０２，８１２，８２０）に従って前記モータ目標出力POWERmotorから求められた目標圧力Ｐｄと、高圧油圧力Ｐｓと、可変ゲインＫｐとが入力され、これらにより名目要求値Ｄｎを補正するための油圧モータ１４の押しのけ容積の要求補正値Ｄｂを算出する。
【０１０５】
可変ゲインＫｐは、図８に示す可変ゲインの関数７００に従って、現在の高圧油圧力Ｐｓが許容圧力範囲内であるか、さらには許容範囲内の第１範囲または第２範囲内であるかによって算出される。この許容範囲は、高圧油圧力の最大値Ｐmaxと最小値Ｐminとにより定義される。このとき、高圧油圧力の最小値Ｐminは、油圧ポンプ１４の設定可能な押しのけ容積の最大値ＤmaxでヘッドルームトルクＴｈを除算することにより求められる。ヘッドルームトルクＴｈについては、図７を用いて後述する。油圧モータ１４の押しのけ容積の要求値Ｄｍは、名目要求値Ｄｎと要求補正値Ｄｂを加算したものである。
【０１０６】
本実施形態では、圧力フィードバックコントローラ１２０に比例コントローラを用い、平滑モジュール１１２に一次ローパスフィルタを用いた場合について説明しているが、そのほかの形態を用いることも可能である。例えば、圧力フィードバックコントローラ１２０として、ＰＩ（比例積分）コントローラを用い、平滑モジュール１１２と名目要求値Ｄｎをともに省略してもよい。その場合は、出力値の入力値への追従性を向上させるために、通常、ＰＩコントローラはいくつかのコントローラ候補の中から選択する。このとき、積分ゲインが十分に小さいと、コントローラは風力エネルギーを平滑化し、これにより平滑化された要求補正値Ｄｂを得ることができる。
【０１０７】
図７には、回転シャフトの回転数(Ｗｒ， ５９９)に対する空力学的理想トルク（Ｔ， ５９８）の関数（６００）を示す。この関数は、理想トルク算出部によって理想トルクＴｉを決定する際に用いられる。なお、理想トルクＴｉは、回転シャフトの回転数Ｗｒに対してパワー係数Ｃｐが最大となるトルクである。
風力発電装置１においては、風速がカットイン速度まで上昇すると、ブレードのフェザリングを停止し、機械的なブレーキを解除する。セクションＩで回転数Ｗｒが最低速度（６０１）を下回るときは、理想トルクは略ゼロであり、ポンプがトルクを与えることなく発電機は最低速度まで加速する。
【０１０８】
セクションＩＩでは、予め設定されたトルク増加プロファイルに従って増加エネルギを与えて発電機回転数を安定させるように、制御ユニットから油圧ポンプに指令を与える。ブレードのピッチが固定された風力発電機の最適トルクは、風速又はロータ回転数の二乗の関数となる。セクションＩＩＩは、ブレードの先端速度比に対応するもので、理想トルク曲線は予め設定された最適プロファイルに従って、ブレードが最適ピッチとなるようにピッチ制御する。セクションＩＶでは、発電機が略最大回転数であり、トルク曲線は、最大圧力（定格トルク）未満で且つ急勾配で上昇するような形状の関数となる。セクションＩＶの目的は、一定回転数でトルクを最大値（６０３）まで増加させることにより、発電機速度を制限することである。セクションＶでは、風力エネルギーから入力されるトルクが最大トルク出力に到達し、発電機は最大速度で駆動する。この範囲では、ピッチ制御を行って積極的に発電機回転数を制御し、ポンプは一定（最大）出力トルクを出すようにする。
【０１０９】
図７には、さらにヘッドルームトルク曲線（６１０）も示している。同図において、ヘッドルームトルク曲線（６１０）は破線で表される曲線である。ヘッドルームトルクＴｈは、発電機の最適トルクからの一定オフセットを用いた二次関数としてセクションＩＩＩにあらわされる。ただし、ヘッドルームトルク曲線（６１０）は、回転シャフト８の回転数Ｗｒ以外の変数によって決定する場合には、他の関数であってもよい。ヘッドルームトルク曲線は使用中に風の状態変化に従って調整しても良い。例えば、突風又は凪の予測や、過去又は現在の状況に基づいてヘッドルームトルク曲線（６１０）を調整しても良い。
【０１１０】
図８には、圧力Ｐ（７０２）の関数として典型的な可変ゲインＫｐ（７００）を示す。高圧油圧力の許容範囲の最小値Ｐminは、回転シャフトの回転数とともに変化する。同図には、低速（７０４）において特徴的なＫｐ関数、及び高速（７０６）において特徴的なＫｐ関数を示す。高圧油圧力の最小値Ｐminから最大値Ｐmaxで定義される許容範囲は、現時点における回転シャフトの回転数とともに変化する。作動油の圧力が最小値Ｐmin（７０８，７１０）を下回るとき、可変ゲインＫｐを最大値Ｋmaxに設定する。同様に、高圧油圧力がその許容範囲の最大値Ｐmax（７１４）を超えるとき、可変ゲインＫｐを最大値Ｋmaxに設定する。これにより、高圧油圧力が前記許容範囲外のとき、油圧モータ１４の押しのけ容積の要求値Ｄｍを積極的に制御することとなり、高圧油圧力を許容範囲内とすることができる。
【０１１１】
許容範囲内のうち、圧力の最小値Ｐminと最大値Ｐmaxより内側に存在する第１範囲（７１６）では、可変ゲインＫｐは最小値Ｋminのまま一定である。このとき、可変ゲインＫｐの最小値Ｋminはゼロではないが十分に低いので、制御にほとんど影響を与えない。これにより、高圧油圧力が第１範囲内にあるときは、目標圧力に近づけようとしながらも、アキュムレータへエネルギーを吸収したり、アキュムレータからエネルギーを抽出するようにして圧力を大幅に変化させる。つまり、油圧モータによる作動油の押しのけ容積は、高圧油圧力に関係なく選択することができる。
【０１１２】
第１範囲（７１６）と、最小値Ｐminまたは最大値Ｐmaxとの間は、可変ゲインＫｐが変化する第２範囲となる。この第２範囲のうち最小値（７２０）側と最大値側（７２２）では、可変ゲインＫｐは最小値Ｋminから最大値Ｋmaxへ直線的に増加する。したがって、高圧油圧力が許容範囲の最小値Ｐmin又は最大値Ｐmaxに近づくにつれて、変ゲインＫｐは徐々に大きくなり、圧力が調整される度合いは徐々に強くなる。これにより、油圧モータの押しのけ容積Ｄｍをより積極的に制御して圧力を許容範囲内に維持しようとするので、高圧油圧力が許容範囲の最大値または最大値に達する可能性を低減する。
【０１１３】
図９に、本発明によって実施可能な目標圧力関数の例を示す。目標圧力関数は、油圧モータの目標出力、または平滑化された目標出力（８００）の関数である。この目標圧力関数により、圧力フィードバックコントローラ１２０に入力される目標圧力が決定される。
この関数の形状は、各種の変数によって決まるものである。
図中、破線（８０２）は第１目標圧力関数を示す。この第１目標圧力関数は、目標圧力がゼロと第１出力間の第１範囲においては一定の最小圧力Ｐacc,min（８０４）以上であり、第４出力から（８１０）と最大定格出力POWERmotor,max間の第５範囲においては一定の最大圧力Ｐmax（８０８）以上であり、第１範囲と第５範囲の間ではPOWERmotorとともに直線的に増加する。
【０１１４】
ここで、最小圧力Ｐacc,minとは、これを下回ると高圧油ラインへの作動油流入性が十分でない圧力の下限、すなわちアキュムレータのプレチャージ圧力を下回るような圧力に対する下限である。また、最大圧力Ｐmaxは、部品寿命やリリーフ弁の設定を考慮した加圧作動油の最大許容圧力に関係する。よって、目標圧力は変動エネルギー流、油圧ポンプ、油圧モータおよびアキュムレータの特性に対応する。
【０１１５】
第１目標圧力関数では、第５範囲（Ｖ）の高出力状態でポンプがロータ（回転シャフトを含む）に最大トルクを与えるのに十分な圧力があることを保障する。さらに第１目標圧力関数では、ロータの運動エネルギーが低い第１範囲（Ｉ）において、ポンプの各作動室の作動により吸収される相対エネルギートルクが、ブレード又はその他の部位にトルクを与えるほど十分ではなく、上記した圧力の許容範囲の最小値Ｐminよりは高いが、しかし確実に、圧力が十分に低く保たれるという特性がある。
【０１１６】
図中、実線（８１２）は第２目標圧力関数を示す。この第２目標圧力関数は、第１範囲（Ｉ）及び第５範囲（Ｖ）において第１目標圧力関数と類似する。しかし、第２出力（８１４）と第３出力（８１６）間の第３範囲（ＩＩＩ）では、目標圧力が最適圧力Ｐopt（８１８）であり、第１出力と第２出力間の第２範囲（ＩＩ）と、第３出力と第４出力間の第４範囲（ＩＶ)では、隣接する範囲間の円滑な移行を可能としている。
最適圧力Ｐoptは、ポンプとモータがともに最適油圧効率で稼動する。この最適圧力Ｐoptは、実験、シミュレーション、計算、あるいはこれらの組み合わせにより求めてもよい。ポンプとモータの少なくともひとつは最適圧力Ｐoptにより最適な効率が得られるように設計され、それは設計者によって選択されるようにしてもよい。よって、目標圧力は変動圧力、油圧ポンプ及び油圧モータの特性に対応する。この第２目標圧力関数により、発電機が最適圧力で駆動し、これによりエネルギー効率を最も高くすることができる。
【０１１７】
図中、破線（８２０）は第３目標圧力関数を示す。この第３目標圧力関数により、発電機の駆動レベルの大部分において、最小圧力により近い目標圧力が決定される。第３目標圧力関数は、アキュムレータの蓄圧状態を低くし、突風時の風力エネルギーを受ける蓄圧領域を最大化したり、高圧よりむしろ流量が大きい状態で発電機を駆動するという利点がある。高圧力であれば、脈動やノイズを抑制したり、発電機の寿命を延ばすことができる。
【０１１８】
このような特定目標圧力関数は、外部から入力される出力要求の推定値、発電機の構成部品の推定寿命や効率、発電機の始動や停止、あるいはその他の運転モードの必要性に対して秒単位で変化する。例えば、風速が大きく変動しない場合は、制御ユニットは第２目標圧力関数（８１２）を選択し、油圧効率に対して圧力が最適化される。一方、突風状態のときは、制御ユニットが第３目標圧力関数（８２０）を選択し、アキュムレータが突風エネルギーを吸収できるようにする。よって、高圧油ライン内の圧力が閾値を超えるようなエネルギーが入力されることを予測して、目標圧力を低減する。また他の例では、制御ユニットは、微量の漏れを検知した場合、第３目標圧力関数（８２０）を選択する。第３目標圧力関数は圧力を低く維持するので、漏れを最小にとどめ、重大な故障につながることを回避する。前記制御ユニットは上記目標圧力を自由に組み合わせることにより、無限の組み合わせを可能とし、いかなる状況や場所にも最適化できる。
【０１１９】
以上説明したように、上述の実施形態では、モータ目標出力算出部４５によって、油圧ポンプ１２の目標出力POWERpumpに基づいて油圧モータ１４の目標出力POWERmotorを算出し、これを用いてモータ制御を行なうようにしたので、所望の油圧ポンプ１２の出力を得ることが可能となる。
また、モータ要求値算出部４６によって、目標出力POWERmotorに基づいて発電機２０の回転数が一定になるように油圧モータ１４の押しのけ容積の要求値Ｄｍを決定し、モータ制御部４８で油圧モータ１４の押しのけ容積を要求値Ｄｍに調節するようにしたので、油圧ポンプ１２の目標出力が変更されても、発電機２０の回転数を一定に維持できる。よって、発電機２０において周波数が一定の電力を発生させることができる。
【０１２０】
また、目標トルク算出部４２によって、パワー係数Ｃｐが最大となる回転シャフト８の理想トルクに基づいて油圧ポンプ１２の目標トルクを決定し、ポンプ目標出力算出部４５によって、前記目標トルクに基づいて油圧ポンプ１２の目標出力POWERpumpを算出するようにしたので、風力発電装置１の発電効率を高く維持することができる。
【０１２１】
また、理想トルク算出部４１では、回転数計３２による回転シャフト８の回転数の計測値に基づいて理想トルクを求めるようにしたので、風力発電装置１の発電効率を向上させることができる。また、回転シャフト８の回転数は回転数計３２により高精度に計測可能であるから、この実測した回転シャフト８の回転数に基づいて理想トルクを決定することにより、油圧モータ１４の制御を適切に行うことができる。なお、複数の回転数計３２による回転シャフト８の回転数の計測値の平均値を用いてもよく、この場合、理想トルク算出の正確性が向上するとともに、回転数計自体または外的要因等によるノイズを除去することができる。
【０１２２】
また、ポンプ目標出力補正部４４によって、ファーム制御装置２００からの電力要求指令Ｓｄに基づいて、油圧ポンプ１２の目標出力POWERpumpを補正することで、風力発電装置１に実際に求められる電力要求に応じて適切に発電を行うことが可能となる。
また、油圧ポンプ１２の目標出力POWERpumpに平滑処理を施して油圧モータ１４の目標出力POWERmotorを得るようにしたので、油圧ポンプ１２の出力が急激に変化した場合であっても、油圧モータ１４の目標出力を緩やかに変化させることができ、発電機２０の安定運転が可能となる。
【０１２３】
また、モータ要求値算出部は４６、目標出力POWERmotorを、油圧モータ１４の回転数及び高圧油圧力Ｐｓで除算して、油圧モータ１４の押しのけ容積の名目要求値Ｄｎを求めるようにしたので、発電機２０の回転数を一定にするような名目要求値Ｄｎを取得できる。
このとき、モータ要求値算出部４６によって、高圧油圧力Ｐｓをその目標圧力Ｐｄに調節するための油圧モータ１４の押しのけ容積の要求補正値Ｄｂを求め、前記名目要求値Ｄｎにこの補正値Ｄｂを加算して油圧モータの押しのけ容積の要求値Ｄｍを決定するようにしたので、高圧油圧力Ｐｓを目標圧力Ｐｄに確実に近づけることができる。
【０１２４】
さらに、油圧モータ１４の押しのけ容積の補正値Ｄｂを求める際に、高圧油圧力Ｐｓに応じて変化する可変ゲインＫｐを用いるようにしたので、可変ゲインＫｐを適切に設定することで、高圧油ラインの作動油の圧力Ｐｓを目標圧力Ｐｄに迅速に近づけることができる。
このとき、可変ゲインＫｐを、図８に示した可変ゲイン関数に従って求めることで、高圧油圧力Ｐｓを許容範囲内に維持することができるとともに、油圧モータ１４の押しのけ容積の要求値Ｄｍにおける補正の要否に応じて、適切にモータ要求補正値ｂを決定することができる。
【０１２５】
また、前記許容範囲の最小値Ｐminは、回転シャフトの回転数と油圧ポンプの設定可能な押しのけ容積の最大値Ｄmaxとに基づいて決定されるようにしたので、モータ制御において重要な制御因子である最小値Ｐminを適切に設定することができる。
【０１２６】
以上、本実施形態の一例について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。
【０１２７】
例えば、上述の実施形態では、本発明を風力発電装置に適用した例について説明したが、本発明は潮流発電装置に適用してもよい。ここでいう「潮流発電装置」は、海、川または湖等に設置され、潮流のエネルギーを利用して発電を行う装置であり、ロータ２が風ではなく潮流を受けて回転する点を除けば上述の風力発電装置１と基本的な構成は共通する。風力発電装置１と共通する構成要素について同一の符号を用いて説明すれば、潮流発電装置は、潮流を受けて回転するロータ２と、ロータ２の回転を増速する油圧トランスミッション１０と、電力を発生させる発電機２０と、潮流発電装置の各部を制御する制御ユニット４０とを備える。
ここで、潮流発電装置の制御ユニット４０は、上述のとおり、油圧ポンプ１２の目標出力POWERpumpに基づいて油圧モータ１４の目標出力POWERmotorを算出し、この目標出力POWERmotorに基づいて油圧モータ１４の押しのけ容積の要求値Ｄｍを決定し、油圧モータ１４の押しのけ容積をこの要求値Ｄｍに調節するようにしたので、所望の油圧モータの出力を得ることが可能となり、発電効率を向上させることができる。
【０１２８】
また、上述の実施形態では、回転数計３２で計測した回転シャフト８の回転数Ｗｒに基づいて、パワー係数が最大となる油圧ポンプ１２の理想トルクＴｉを求める例について説明したが、理想トルクＴｉの求め方は以下の方法を用いてもよい。
まず第１の変形例として、回転数計３２によって計測された回転シャフト８の回転数から見積もられる風速に基づいて理想トルクＴｉを求めるようにしてもよい。この場合、図１０及び図１１に示すＣｐ最大曲線を用いる。これらのＣｐ最大曲線は、制御ユニット４０の記憶部４９に記憶されている。風速Ｖを横軸にとり、回転シャフト８の回転数Ｗｒを縦軸にとった座標系においてＣｐ最大曲線９００を表したのが図１０であり、回転シャフト８の回転数Ｗｒを横軸にとり、油圧ポンプ１２の目標トルクを縦軸にとった座標系においてＣｐ最大曲線９０２を表したのが図１１である。
【０１２９】
パワー係数Ｃｐが最大の運転状態が維持されていることを前提として、図１０に示すＣｐ最大曲線９００に基づいて、計測された回転数Ｗｒに対応する風速Ｖを求める。そして、図１１に示すＣｐ最大曲線９０２に基づいて、上記で推定された風速Ｖに対応する油圧ポンプ１２の理想トルクＴｉを求める。なお、図１１には、推定された風速ＶがＶ２である場合に油圧ポンプ１２の理想トルクＴｉを決定する例を示した。
【０１３０】
このように、回転数計３２によって計測された回転シャフト８の回転数から見積もられる風速に基づいて理想トルクＴｉを求めることで、風力発電装置１の発電効率を向上させることができる。また、風速は、回転数計３２による回転数の計測値から推定するようにしたため、高い精度で風速を推定することができ、油圧モータ１４の制御を適切に行うことができる。なお、複数の回転数計３２による回転シャフト８の回転数の計測値の平均値を用いてもよく、この場合、理想トルク算出の正確性が向上するとともに、回転数計自体または外的要因等によるノイズを除去することができる。
【０１３１】
また、第２の変形例として、風速計３３によって計測された風速に基づいて理想トルクＴｉを求めるようにしてもよい。
このように、風速計３３によって計測された風速に基づいて理想トルクＴｉを求めることで、風力発電装置１の発電効率を向上させることができる。また、風速は、風速計３３によって直接計測するようにしたため、容易に理想トルクを算出することができる。なお、複数の風速計３３による風速の平均値を用いてもよく、この場合、理想トルク算出の正確性が向上するとともに、風速計自体または外的要因等によるノイズを除去することができる。
【符号の説明】
【０１３２】
１ 風力発電装置
２ ロータ
４ ブレード
６ ハブ
８ 回転シャフト
１０ 油圧トランスミッション
１２ 油圧ポンプ
１４ 油圧モータ
１６ 高圧油ライン
１８ 低圧油ライン
２０ 発電機
２２ ナセル
２４ タワー
２６ 基礎
３１ 圧力計
３２ 回転数計
３３ 風速計
３４ 雰囲気温度センサ
３５ 油温センサ
３６ 回転数計
４０ 制御ユニット
４１ 理想トルク算出部
４２ 目標トルク算出部
４３ 目標トルク補正部
４４ ポンプ要求値算出部
４５ ポンプ要求値補正部
４６ ポンプ制御部
４７ 記憶部
５０ 電力系統
５２ 励磁機
６０ バイパス流路
６２ リリーフ弁
６４ 脈動防止用アキュムレータ
６６ オイルフィルタ
６８ オイルクーラ
７０ オイルタンク
７２ 補充ライン
７４ ブーストポンプ
７６ オイルフィルタ
７８ 返送ライン
７９ 低圧リリーフ弁
１１０ アジャスタ
１１２ 平滑モジュール
１２０ 圧力フィードバックコントローラ
６００ Ｃｐ最大曲線
６１０ ヘッドルームトルク曲線
８０２、８１２、８２０ 目標圧力関数
【技術分野】
【０００１】
本発明は、油圧ポンプ及び油圧モータを組み合わせた油圧トランスミッションを介して、再生エネルギー源から得られるロータの回転エネルギーを発電機に伝達する再生エネルギー型発電装置及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境の保全の観点から、風力を利用した風力発電装置や、潮流エネルギーを利用した潮流発電装置等の再生エネルギー型発電装置の普及が進んでいる。
【０００３】
このような装置には、従来からギヤ式（機械式）のトランスミッションが多く用いられてきた。ギヤ式トランスミッションは、再生エネルギー源のエネルギー流速が入力される風力発電装置や潮流発電装置のロータのようなエネルギー抽出機構の低速回転を増速し、発電機を駆動するための高速回転に変換する。例えば、一般的な風力発電装置では、ロータの回転数は数ｒｐｍ〜数十ｒｐｍ程度であるのに対し、発電機の定格回転数は通常１５００ｒｐｍ又は１８００ｒｐｍであるから、ロータと発電機との間に機械式（ギヤ式）の増速機が設けられている。すなわち、ロータの回転数は、増速機で発電機の定格回転数まで増速された後、発電機に入力される。
上記したようなギヤ式トランスミッションは、故障しやすかったり、メンテナンス及び交換、あるいは修理の費用が嵩んだりする傾向があるため、これを解消する設計および建設が課題となっていた。
【０００４】
さらなる課題として、あらゆる条件下において、エネルギー抽出機構により最も効率的にエネルギーを抽出可能な再生エネルギー型発電装置を設計することが挙げられる。
このような設計を実現する最も効果的な装置として、ピッチ角が固定された状態でブレードを保持し、先端速度比がほぼ一定となるように、動作範囲の大部分にわたる風速または流速に対して比例的にブレードの回転数を変化させるものがある。費用効率が高い規模の再生エネルギー型発電装置においては、ギヤ式トランスミッションはこの比が常に固定されており、そのため複雑化し故障しやすい電力変換装置により配電網へ電力供給しなければならない。
【０００５】
そこで、近年、機械式トランスミッションに替えて、可変容量型の油圧ポンプ及び油圧モータを組み合わせた油圧トランスミッションを採用した再生エネルギー型発電装置が注目を浴びている。このような発電装置では、大規模な機構においても可変容量型を実現することができる。油圧トランスミッションは、ギヤ式トランスミッションより軽量で且つロバストであり、またダイレクトドライブ式発電機の駆動機構より軽量である。その結果、発電に関わる全体コストを削減することができる。
【０００６】
例えば、非特許文献１には、風力発電装置に適用される油圧トランスミッションの構成が開示されている。この油圧トランスミッションは、ロータに連結される油圧ポンプと、発電機に接続された油圧モータと、油圧ポンプ及び油圧モータの間にそれぞれ設けられた高圧マニホルド及び低圧マニホルドとを備えている。油圧ポンプ及び油圧モータはぞれぞれシリンダ及びピストンを複数有し、シリンダとピストンで囲まれる作動室（ワーキングチャンバ）の作動、非作動を連続的に変化させることで押しのけ容積を変化させるようになっている。
【０００７】
また、特許文献１には、風力発電装置のロータ回転数制御装置が開示されている。この装置は、ロータにより駆動される回転シャフトと、回転シャフトによりアクティブ化される多段ポンプとを備える。多段ポンプには、段ごとに共通の作動油吸入ラインおよび排出ラインが設けられており、排出ラインに配置される第１の制御手段により各段のポンプの作動状態が決定される。そして、風力エネルギーを効果的に電力変換する範囲内に回転シャフトの回転数が維持されるように、アイドル状態のシリンダの比率を変化させて回転シャフトのトルクを調節するようになっている。
さらに、特許文献２には、風力発電装置等に用いられる発電機安定制御システムの構成が開示されている。この装置は、油圧トランスミッションの油圧モータの押しのけ容積を調整し、発電機の回転数の安定化を図るようにしている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】W.H.S.Rampen,et al.,“Gearlesstransmissions for large wind-turbines-The history and future of hydraulicdrives”,DEWEKBremen, Dec. 2006
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国登録特許第４，４９６，８４７号明細書
【特許文献２】国際出願公開第２０１０／００３３０３５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記したような再生エネルギー型発電装置においては、再生エネルギー源から効率的にエネルギーを抽出し、高い発電効率を維持することが求められる。ところが、このような発電装置で用いられる再生エネルギー源には、通常、風力や潮流等の自然エネルギーが用いられるため発電に利用可能なエネルギーの変動が大きく、これにより常時、最も効率的なエネルギー抽出を行なうことは困難であった。特に、再生エネルギーは短期間での時間的不安定性が高く、効率的なエネルギー抽出を行なうためには、エネルギー変動に対応して迅速に制御することが必要とされる。
【００１１】
この点、従来の機械式（ギヤ式）の増速機を用いた風力発電装置では、発電機と電力系統との間に設けられたインバータを制御することで、風速に応じてロータの回転数を変化させる可変速運転を行う技術が確立されており、広く一般に採用されている。
ところが、油圧トランスミッションを用いた風力発電装置では、非特許文献１及び特許文献１、２には、発電効率を向上させるために具体的にどのような制御を行うのかについて何ら開示されておらず、発電効率を向上させるための運転制御技術が未だ確立されていない。
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、再生エネルギーの変動に関わらず、所望の油圧モータの出力を得ることができ、安定した発電を可能とした再生エネルギー型発電装置及びその運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る再生エネルギー型発電装置は、再生エネルギーから電力を生成する再生エネルギー型発電装置であって、再生エネルギーによって駆動される回転シャフトと、前記回転シャフトによって駆動される可変容量型の油圧ポンプと、前記油圧ポンプから供給される圧油によって駆動される可変容量型の油圧モータと、前記油圧モータに連結された発電機と、前記油圧ポンプの吐出側を前記油圧モータの吸込側に連通させる高圧油ラインと、前記油圧ポンプの吸込側を前記油圧モータの吐出側に連通させる低圧油ラインと、前記油圧ポンプの目標出力POWERpumpに基づいて、前記油圧モータの目標出力POWERmotorを算出するモータ目標出力算出部と、前記モータ目標出力算出部により算出された前記目標出力POWERmotorに基づいて、前記発電機の回転数が一定になるように前記油圧モータの押しのけ容積の要求値Ｄｍを決定するモータ要求値算出部と、前記油圧モータの押しのけ容積を前記要求値Ｄｍに調節するモータ制御部とを備えることを特徴とする。
【００１３】
この再生エネルギー型発電装置では、モータ目標出力算出部によって、油圧ポンプの目標出力POWERpumpに基づいて油圧モータの目標出力POWERmotorを算出し、これを用いてモータ制御を行なうようにしたので、所望の油圧ポンプの出力を得ることが可能となる。
また、モータ要求値算出部によって、目標出力POWERmotorに基づいて発電機の回転数が一定になるように油圧モータの押しのけ容積の要求値Ｄｍを決定し、モータ制御部で油圧モータの押しのけ容積を要求値Ｄｍに調節するようにしたので、油圧ポンプの目標出力が変更されても、発電機の回転数を一定に維持できる。よって、発電機において周波数が一定の電力を発生させることができる。
【００１４】
上記再生エネルギー型発電装置において、パワー係数が最大となる前記回転シャフトの理想トルクに基づいて前記油圧ポンプの目標トルクを決定する目標トルク算出部と、前記目標トルク算出部により決定された前記油圧ポンプの前記目標トルクに基づいて、前記油圧ポンプの目標出力POWERpumpを算出するポンプ目標出力算出部とをさらに備えることことが好ましい。
【００１５】
このように、目標トルク算出部によって、パワー係数が最大となる回転シャフトの理想トルクに基づいて油圧ポンプの目標トルクを決定し、ポンプ目標出力算出部によって、前記目標トルクに基づいて油圧ポンプの目標出力POWERpumpを算出するようにしたので、再生エネルギー型発電装置の発電効率を高く維持することができる。
【００１６】
上記再生エネルギー型発電装置において、前記回転シャフトの回転数を計測する回転数計と、前記回転シャフトの回転数の計測値に基づいて、前記回転シャフトの前記理想トルクを求める理想トルク算出部とをさらに備えることが好ましい。
【００１７】
この再生エネルギー型発電装置では、回転数計による回転シャフトの回転数の計測値に基づいて理想トルクを求めるようにしたので、再生エネルギー型発電装置の発電効率を向上させることができる。また、回転シャフトの回転数は回転数計により高精度に計測可能であるから、この実測した回転シャフトの回転数に基づいて理想トルクを決定することにより、油圧モータの制御を適切に行うことができる。
【００１８】
さらにこの再生エネルギー型発電装置において、前記回転数計は複数設けられており、前記理想トルク算出部は、複数の前記回転数計による前記回転シャフトの回転数の計測値の平均値に基づいて、前記回転シャフトの前記理想トルクを求めるようにしてもよい。
【００１９】
このように、回転数計が複数設けられ、これらの回転数計による計測値の平均値に基づいて理想トルクを求めることにより、理想トルク算出の正確性が向上するとともに、回転数計自体または外的要因等によるノイズを除去することができる。
【００２０】
あるいは、上記再生エネルギー型発電装置において、前記回転シャフトの回転数を計測する回転数計と、前記回転シャフトの回転数の計測値から見積もられる前記再生エネルギー源のエネルギー流の流速に基づいて前記回転シャフトの前記理想トルクを求める理想トルク算出部とをさらに備えることが好ましい。
【００２１】
このように、回転数計によって計測された回転シャフトの回転数の計測値から見積もられる再生エネルギー源のエネルギー流の流速に基づいて理想トルクを求めるようにしたので、再生エネルギー型発電装置の発電効率を向上させることができる。また、エネルギー流の流速は、回転数計による回転数の計測値から推定するようにしたため、高い精度でエネルギー流の流速を推定することができ、油圧モータの制御を適切に行うことができる。さらに、エネルギー流の流速を計測する流速計を設置しない構成とすることもでき、コスト削減が図れる。
【００２２】
さらにこの再生エネルギー型発電装置において、前記回転数計は複数設けられており、前記エネルギー流の流速は、複数の前記回転数計による前記回転シャフトの回転数の計測値の平均値から見積もられるようにしてもよい。
【００２３】
このように、回転数計が複数設けられ、これらの回転数計による計測値の平均値に基づいてエネルギー流の流速を推定し、このエネルギー流の流速から理想トルクを求めることにより、理想トルク算出の正確性が向上するとともに、回転数計自体または外的要因等によるノイズを除去することができる。
【００２４】
あるいは、上記再生エネルギー型発電装置において、前記回転シャフトを駆動する前記再生エネルギー源のエネルギー流の流速を計測する流速計と、前記エネルギー流の流速の計測値に基づいて前記回転シャフトの前記理想トルクを求める理想トルク算出部とをさらに備えることが好ましい。
【００２５】
このように、流速計によって計測された再生エネルギー源のエネルギー流の流速に基づいて理想トルクを求めるようにしたので、再生エネルギー型発電装置の発電効率を向上させることができる。また、エネルギー流の流速は、流速計で直接計測するようにしたので容易に流速を取得可能となる。
【００２６】
さらにこの再生エネルギー型発電装置において、前記流速計は複数設けられており、前記理想トルク算出部は、複数の前記流速計による前記エネルギー流の流速の計測値の平均値に基づいて前記回転シャフトの前記理想トルクを求めるようにしてもよい。
【００２７】
このように、流速計が複数設けられ、これらの流速計による計測値の平均値に基づいて理想トルクを求めることにより、理想トルク算出の正確性が向上するとともに、流速計自体または外的要因等によるノイズを除去することができる。
【００２８】
上記再生エネルギー型発電装置において、前記再生エネルギー型発電装置が属する発電ファームのファーム制御装置からの電力要求指令に基づいて、前記ポンプ目標出力算出部により算出された前記油圧ポンプの目標出力POWERpumpを補正するポンプ目標出力補正部をさらに備えることが好ましい。
【００２９】
一般に、再生エネルギー型発電装置が属する発電ファームには、複数の再生エネルギー型発電装置が設置されていることが多い。例えば発電ファームにおけるそれぞれの発電装置の稼動状況あるいは発電ファーム全体に要求される電力等によって、それぞれの再生エネルギー型発電装置へ要求される発電出力は異なる。したがって、ポンプ目標出力補正部によって、ファーム制御装置からの電力要求指令に基づいて、油圧ポンプの目標出力POWERpumpを補正することで、再生エネルギー型発電装置に実際に求められる電力要求に応じて適切に発電を行うことが可能となる。
【００３０】
上記再生エネルギー型発電装置において、前記モータ目標出力算出部は、前記油圧ポンプの目標出力POWERpumpに平滑処理を施して前記油圧モータの目標出力POWERmotorを得るローパスフィルタを含むことが好ましい。
【００３１】
このように、油圧ポンプの目標出力POWERpumpに平滑処理を施して油圧モータの目標出力POWERmotorを得るようにしたので、油圧ポンプの出力が急激に変化した場合であっても、油圧モータの目標出力を緩やかに変化させることができ、発電機の安定運転が可能となる。
【００３２】
上記再生エネルギー型発電装置において、前記モータ要求値算出部は、前記目標出力POWERmotorを、前記油圧モータの回転数及び前記高圧油ラインの作動油の圧力Ｐｓで除算して、前記油圧モータの押しのけ容積の名目要求値Ｄｎを求め、該名目要求値Ｄｎに基づいて前記油圧モータの押しのけ容積の要求値Ｄｍを決定することが好ましい。
【００３３】
このように、モータ要求値算出部は、目標出力POWERmotorを、油圧モータの回転数及び高圧油ラインの作動油の圧力Ｐｓで除算して、油圧モータの押しのけ容積の名目要求値Ｄｎを求めるようにしたので、発電機の回転数を一定にするような名目要求値Ｄｎを取得できる。
【００３４】
さらにこの再生エネルギー型発電装置において、前記モータ要求値算出部は、前記モータ目標出力算出部により算出された前記目標出力POWERmotorに基づいて決定した前記高圧油ラインの作動油の目標圧力Ｐｄに、前記高圧油ラインの作動油の圧力Ｐｓを調節するための前記油圧モータの押しのけ容積の要求補正値Ｄｂを求め、前記名目要求値Ｄｎに前記補正値Ｄｂを加算して、前記油圧モータの押しのけ容積の補正値Ｄｍを決定するようにしてもよい。
【００３５】
このように、モータ要求値算出部によって、高圧油ラインの作動油の圧力Ｐｓをその目標圧力Ｐｄに調節するための油圧モータの押しのけ容積の要求補正値Ｄｂを求め、前記名目要求値Ｄｎにこの補正値Ｄｂを加算して油圧モータの押しのけ容積の要求値Ｄｍを決定するようにしたので、高圧油ラインの作動油の圧力Ｐｓを目標圧力Ｐｄに確実に近づけることができる。
【００３６】
またこのとき、前記モータ要求値算出部は、前記高圧油ラインの作動油の圧力Ｐｓと前記高圧油ラインの目標圧力Ｐｄとの偏差に、前記高圧油ラインの作動油の圧力に応じて変化する可変ゲインＫｐを乗算して、前記補正値Ｄｂを求めるようにしてもよい。
【００３７】
このように、油圧モータの押しのけ容積の補正値Ｄｂを求める際に、高圧油ラインの作動油の圧力Ｐｓに応じて変化する可変ゲインＫｐを用いるようにしたので、可変ゲインＫｐを適切に設定することで、高圧油ラインの作動油の圧力Ｐｓを目標圧力Ｐｄに迅速に近づけることができる。このとき、可変ゲインＫｐは圧油ラインの作動油の圧力Ｐｓに応じて変化するため、圧力Ｐｓに応じた適切な追従性能とすることができる。
【００３８】
さらに、前記可変ゲインＫｐは、前記高圧油ラインの圧力Ｐｓがその許容範囲の最小値Ｐmin以下あるいは該許容範囲の最大値Ｐmax以上である場合には最大値Ｋmaxとなり、前記高圧油ラインの圧力Ｐｓが前記許容範囲の最小値Ｐminよりも大きく前記許容範囲の最大値Ｐmaxよりも小さい場合には、前記許容範囲の最小値Ｐmin又は最大値Ｐmaxに近づくにつれて前記最大値Ｋmaxに向かって増加するように設定されるようにしてもよい。
【００３９】
これにより、高圧油ラインの作動油の圧力Ｐｓを許容範囲内に維持することができるとともに、油圧モータの押しのけ容積の要求値Ｄｍにおける補正の要否に応じて、適切にモータ要求補正値ｂを決定することができる。
すなわち、高圧油ラインの圧力Ｐｓがその許容範囲の最小値Ｐmin以下あるいは該許容範囲の最大値Ｐmax以上である場合には、可変ゲインＫｐが最大値Ｋmaxとなることで、高圧油ラインの作動油の圧力を目標圧力に近づける速度を最大限速くすることができる。一方、高圧油ラインの圧力Ｐｓが前記許容範囲の最小値Ｐminよりも大きく該許容範囲の最大値Ｐmaxよりも小さい場合には、可変ゲインＫｐは、許容範囲の最小値Ｐmin又は最大値Ｐmaxに近づくにつれて最大値Ｋmaxに向かって増加する。これにより、高圧油ラインの作動油の圧力Ｐｓが適切である場合には可変ゲインＫｐの影響度を小さくし、必要に応じて徐々に可変ゲインＫｐの影響度を大きくしていくことができる。
【００４０】
さらにまた、前記許容範囲の最小値Ｐminは、前記回転シャフトの回転数と前記油圧ポンプの設定可能な押しのけ容積の最大値Ｄmaxとに基づいて決定されるようにしてもよい。
【００４１】
このように、許容範囲の最小値Ｐminを、回転シャフトの回転数と油圧ポンプの設定可能な押しのけ容積の最大値Ｄmaxとに基づいて決定するようにしたので、モータ制御において重要な制御因子である最小値Ｐminを適切に設定することができる。
【００４２】
上記再生エネルギー型発電装置において、前記再生エネルギー型発電装置の周囲の雰囲気温度を計測する雰囲気温度センサをさらに備え、前記雰囲気温度センサによる前記雰囲気温度の計測値に基づいて、前記回転シャフトの前記理想トルクが補正されることが好ましい。
【００４３】
一般に、再生エネルギー型発電装置では、再生エネルギー源の密度が温度によって変動する。したがって、再生エネルギー型発電装置の周囲の雰囲気温度を計測し、この計測値に基づいて理想トルクを補正することで、雰囲気温度に応じて最も適切な理想トルクを求めることが可能となる。
【００４４】
上記再生エネルギー型発電装置において、前記高圧油ラインの作動油の温度を計測する油温センサをさらに備え、前記高圧油ラインの作動油の温度の計測値に基づいて、前記油圧モータの押しのけ容積の要求値Ｄｍを補正するモータ要求値補正部をさらに備えることが好ましい。
【００４５】
このように、油温センサで計測された高圧油ラインの作動油の温度に基づいて、ポンプ要求値補正部によって油圧モータの押しのけ容積の要求値Ｄｍを補正するようにしたので、オイルの熱膨張を考慮して、適切に油圧モータを制御することが可能となる。
【００４６】
上記再生エネルギー型発電装置は、再生エネルギーとしての風から電力を生成する風力発電装置であることが好ましい。
風力発電装置は風力エネルギーの変動が大きいが、上記再生エネルギー型発電装置を採用することで、風力エネルギーの変動に応じたモータ制御が可能となるため、所望の油圧モータの出力を得ることができ、安定した発電が可能となる。
【００４７】
上記再生エネルギー型発電装置の運転方法において、再生エネルギーによって駆動される回転シャフトと、前記回転シャフトによって駆動される可変容量型の油圧ポンプと、前記油圧ポンプから供給される圧油によって駆動される可変容量型の油圧モータと、前記油圧モータに連結された発電機と、前記油圧ポンプの吐出側を前記油圧モータの吸込側に連通させる高圧油ラインと、前記油圧ポンプの吸込側を前記油圧モータの吐出側に連通させる低圧油ラインとを備える再生エネルギー型発電装置の運転方法であって、前記油圧ポンプの目標出力POWERpumpに基づいて、前記油圧モータの目標出力POWERmotorを算出するステップと、前記モータ目標出力算出部により算出された前記目標出力POWERmotorに基づいて、前記発電機の回転数が一定になるように前記油圧モータの押しのけ容積の要求値Ｄｍを決定するステップと、前記油圧モータの押しのけ容積を前記要求値Ｄｍに調節するステップとを備えることを特徴とする。
【００４８】
この再生エネルギー型発電装置では、油圧ポンプの目標出力POWERpumpに基づいて油圧モータの目標出力POWERmotorを算出して、これを用いてモータ制御を行なうようにしたので、所望の油圧ポンプの出力を得ることが可能となる。
また、目標出力POWERmotorに基づいて発電機の回転数が一定になるように油圧モータの押しのけ容積の要求値Ｄｍを決定し、油圧モータの押しのけ容積を要求値Ｄｍに調節するようにしたので、油圧ポンプの目標出力が変更されても、発電機の回転数を一定に維持できる。よって、発電機において周波数が一定の電力を発生させることができる。
【発明の効果】
【００４９】
本発明によれば、モータ目標出力算出部によって、油圧ポンプの目標出力POWERpumpに基づいて油圧モータの目標出力POWERmotorを算出して、これを用いてモータ制御を行なうようにしたので、所望の油圧ポンプの出力を得ることが可能となる。
また、モータ要求値算出部によって、目標出力POWERmotorに基づいて発電機の回転数が一定になるように油圧モータの押しのけ容積の要求値Ｄｍを決定し、モータ制御部で油圧モータの押しのけ容積を要求値Ｄｍに調節するようにしたので、油圧ポンプの目標出力が変更されても、発電機の回転数を一定に維持できる。よって、発電機において周波数が一定の電力を発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】風力発電装置の構成例を示す図である。
【図２】風力発電装置の油圧トランスミッション及び発電機と制御ユニットの構成を示す図である。
【図３】油圧ポンプの具体的な構成を示す図である。
【図４】油圧モータの具体的な構成を示す図である。
【図５】制御ユニットによる油圧モータの制御を示すフローチャートである。
【図６】制御ユニットの信号伝達フローを示す図である。
【図７】トルクと回転数との相関関係の関数を示す図である。
【図８】可変ゲインの関数の具体例を示す図である。
【図９】高圧油ラインの作動油の目標圧力関数を示す図である。
【図１０】制御ユニットの記憶部に記憶されたＣｐ最大曲線を示すグラフである。
【図１１】制御ユニットの記憶部に記憶されたＣｐ最大曲線を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００５２】
図１は、風力発電装置の構成例を示す図である。図２は、風力発電装置の油圧トランスミッション及び発電機と制御ユニットの構成を示す図である。
【００５３】
図１に示すように、風力発電装置１は、主として、風を受けて回転するロータ２と、ロータ２の回転を増速する油圧トランスミッション１０と、電力を発生させる発電機２０と、ナセル２２と、ナセル２２を支持するタワー２４と、風力発電装置１の油圧トランスミッション１０を制御する制御ユニット４０（図２参照）と、圧力計３１及び回転数計３２、３６を含む各種計測器とを備える。
【００５４】
ロータ２は、ブレード４が取り付けられたハブ６に回転シャフト８が連結された構成を有する。すなわち、３枚のブレード４がハブ６を中心として放射状に延びており、それぞれのブレード４が、回転シャフト８と連結されたハブ６に取り付けられている。これにより、ブレード４が受けた風の力によってロータ２全体が回転し、回転シャフト８を介して油圧トランスミッション１０に回転が入力される。
【００５５】
油圧トランスミッション１０は、図２に示すように、回転シャフト８に従動して駆動する容量可変型の油圧ポンプ１２と、発電機２０に接続された容量可変型の油圧モータ１４と、油圧ポンプ１２と油圧モータ１４との間に設けられた高圧油ライン１６及び低圧油ライン１８を有する。
【００５６】
油圧ポンプ１２の吐出側は、高圧油ライン１６によって油圧モータ１４の吸込側に接続されており、油圧ポンプ１２の吸込側は、低圧油ライン１８によって油圧モータ１４の吐出側に接続されている。油圧ポンプ１２から吐出された作動油（高圧油）は、高圧油ライン１６を介して油圧モータ１４に流入し、油圧モータ１４を駆動する。油圧モータ１４で仕事を行った作動油（低圧油）は、低圧油ライン１８を介して油圧ポンプ１２に流入して、油圧ポンプ１２で昇圧された後、再び高圧油ライン１６を介して油圧モータ１４に流入する。
【００５７】
なお、図２には、油圧モータ１４を１個だけ含む油圧トランスミッション１０を示したが、複数の油圧モータ１４を設けて、それぞれの油圧モータ１４を油圧ポンプ１２に接続してもよい。
【００５８】
ここで、一例として、油圧ポンプと油圧モータの具体的な構成例を説明する。図３は油圧ポンプの具体的な構成を示す図で、図４は油圧モータの具体的な構成を示す図である。
【００５９】
油圧ポンプ１２は、図３に示すように、シリンダ８０及びピストン８２により形成される複数の油圧室８３と、ピストン８２に係合するカム曲面を有するカム８４と、各油圧室８３に対して設けられる高圧弁８６および低圧弁８８とにより構成される。
高圧弁８６は、各油圧室８３と高圧油ライン１６との間の高圧連通路８７に設けられ、低圧弁８８は、各油圧室８３と低圧油ライン１８との間の低圧連通路８９に設けられている。
この油圧ポンプ１２では、回転シャフト８とともにカム８４が回転すると、カム曲線に合わせてピストン８２が周期的に上下動し、ピストン８２が下死点から上死点に向かうポンプ工程と、ピストン８２が上死点から下死点に向かう吸入工程とが繰り返される。
【００６０】
油圧モータ１４は、図４に示すように、シリンダ９０及びピストン９２により形成される複数の油圧室９３と、ピストン９２に係合するカム曲面を有するカム９４と、各油圧室９３に対して設けられた高圧弁９６および低圧弁９８とにより構成される。
高圧弁９６は、各油圧室９３と高圧油ライン１６との間の高圧連通路９７に設けられ、低圧弁９８は、各油圧室９３と低圧油ライン１８との間の低圧連通路９９に設けられている。
この油圧モータ１４では、油圧ポンプ１２がつくった高圧油ライン１６と低圧油ライン１８との差圧によって、ピストン９２が周期的に上下動し、ピストン９２が上死点から下死点に向かうモータ工程と、ピストン９２が下死点から上死点に向かう排出工程とが繰り返される。
なお、油圧ポンプ及び油圧モータは、上記したようなピストン式に限定されるものではなく、他にもベーン式等のように、可変容量型の油圧機構であればいずれの形式であってもよい。また、ピストン式としては、アキシアルピストンポンプ・モータ、ラジアルピストンポンプ・モータ、レシプロピストンポンプ・モータ等を用いることができる。
【００６１】
図２に戻り、各種計測器として、回転シャフト８の回転数を計測する回転数計３２と、高圧油ライン１６内の圧力を計測する圧力計３１と、油圧モータ１４の回転数を計測する回転数計３６とが設けられている。さらにまた、各種計測器類として、ナセル２２の外部に取り付けられ、風速を計測する風速計３３、風力発電装置１の周囲の雰囲気温度を計測する温度センサ３４と、高圧油ライン１６の作動油の温度を計測する油温センサ３５とのうち少なくともいずれかが設けられていてもよい。これらの計測結果は、制御ユニット４０に送られて、油圧ポンプ１２の制御に用いられる。なお、図には各種計測器が１つずつ設けられた場合を示しているが、同一の計測器が複数設けられていてもよい。
【００６２】
また、高圧油ライン１６及び低圧油ライン１８には脈動防止用アキュムレータ６４が設けられている。これにより、高圧油ライン１６及び低圧油ライン１８の圧力変動（脈動）が抑制される。なお、低圧油ライン１８には、作動油中の不純物を除去するオイルフィルタ６６と、作動油を冷却するオイルクーラ６８が設けられている。
【００６３】
高圧油ライン１６と低圧油ライン１８との間には、油圧モータ１４をバイパスするバイパス流路６０が設けられている。そして、バイパス流路６０には、高圧油ライン１６の作動油の圧力を設定圧力以下に保持するリリーフ弁６２が設けられている。これにより、高圧油ライン１６内の圧力がリリーフ弁６２の設定圧力まで上昇すれば、リリーフ弁６２が自動的に開いて、バイパス流路６０を介して低圧油ライン１８に高圧油を逃すことができる。
【００６４】
また、油圧トランスミッション１０には、オイルタンク７０、補充ライン７２、ブーストポンプ７４、オイルフィルタ７６、返送ライン７８、低圧リリーフ弁７９が設けられている。
油圧モータ１４からの戻り流れの全部又は一部がこれらのユニットの一つ以上を通過するようにしてもよい。
【００６５】
オイルタンク７０は、補充用の作動油が貯留されている。補充ライン７２は、オイルタンク７０を低圧油ライン１８に接続している。ブーストポンプ７４は、補充ライン７２に設けられ、オイルタンク７０から低圧油ライン１８に作動油を補充するようになっている。このとき、低圧油ライン１８に供給される作動油は、補充ライン７２に設けられたオイルフィルタ７６によって不純物が除去される。
これにより、作動油の漏洩が油圧トランスミッション１０の内部で生じても、ブーストポンプ７４によってオイルタンク７０から低圧油ライン１８に作動油が補充されるので、油圧トランスミッション１０内を循環する作動油の量を維持できる。
【００６６】
返送ライン７８は、オイルタンク７０と低圧油ライン１８との間に配置されている。低圧リリーフ弁７９は、返送ライン７８に設けられており、低圧油ライン１８内の圧力を設定圧力と同じ又はそれ以下に保持するようになっている。
これにより、ブーストポンプ７４によって作動油が低圧油ライン１８に供給されても、低圧油ライン１８内の圧力が低圧リリーフ弁７９の設定圧力に達すれば、低圧リリーフ弁７９が自動的に開いて、返送ライン７８を介してオイルタンク７０に作動油を逃すことができる。よって、油圧トランスミッション１０内を循環する作動油の量を適切に維持できる。
【００６７】
発電機２０は、電力系統５０に連系されており、発電した電力を電力系統５０に供給するようになっている。発電機２０は、図２に示すように、油圧モータ１４の出力軸１５に接続された回転子２０Ａと、電力系統５０に接続された固定子２０Ｂとで構成された電磁石同期発電機を用いる。発電機２０の回転子２０Ａには励磁機５２が接続されており、固定子２０Ａに流れる界磁電流を変化させて、発電機２０の固定子２０Ｂに発生する電力の力率を調節できるようになっている。これにより、所望の力率に調整された良質の電力が電力系統５０に供給される。
【００６８】
図１に示すナセル２２は、ロータ２のハブ６を回転自在に支持するとともに、その内部に油圧トランスミッション１０や発電機２０等の各種機器を収納している。なお、ナセル２２をタワー２４に回転自在に支持し、ヨーモータ（不図示）を用いて、風向きに応じてナセル２２を旋回させるようにしてもよい。
【００６９】
タワー２４は、基礎２６から上方に延びる柱状であり、例えば、一本の柱状部材で構成してもよいし、複数のユニットを上下方向に連結して柱状に構成してもよい。タワー２４が複数のユニットから構成されている場合には、最上部に設けられたユニットの上にナセル２２が設置される。
【００７０】
ここで、図２に示す制御ユニット４０の構成について説明する。なお、制御ユニット４０は、ナセル２２の内部又は外部の異なる場所に存在し、制御ユニット４０が分散型の制御システムを構築していてもよい。制御ユニット４０及びこれを構成する各制御部４１〜４９の一つ以上の機能が一つの演算処理装置に組み込まれていてもよい。
制御ユニット４０は、理想トルク算出部４１と、目標トルク算出部４２と、ポンプ目標出力算出部４３と、ポンプ目標出力補正部４４と、モータ目標出力算出部４５と、モータ要求値算出部４６と、モータ要求値補正部４７と、モータ制御部４８と、記憶部４９とを有する。
【００７１】
理想トルク算出部４１は、回転シャフト８の回転数の計測値に基づいて、回転シャフト８の理想トルクを求める。理想トルクとは、風力エネルギーから回転シャフト８の回転エネルギーへ効率的にエネルギー変換可能な、すなわち、風力エネルギーの抽出効率が高いトルクをいう。
具体的に、理想トルク算出部４１としては以下のような構成が挙げられる。
一例として、理想トルク算出部４１は、回転数計３２による回転シャフト８の回転数の計測値に基づいて、パワー係数Ｃｐが最大となる理想トルクを求める。また、複数の回転数計３２による回転シャフトの回転数の計測値の平均値に基づいて、回転シャフト８の理想トルクを求めるようにしてもよい。
【００７２】
また、理想トルク算出部４１は、雰囲気温度センサ３４で計測される風力発電装置１の周囲の雰囲気温度に基づいて、理想トルクを補正するようにしてもよい。回転シャフト８のトルクに影響を与える因子の一つとして、風力発電装置１の周囲の雰囲気温度がある。これは、厳密には、風力エネルギーは風の通過流量（質量流量）と風速とから決定されるので、周囲の雰囲気温度が変化することにより空気密度が変化し、これにともない空気質量が変化するためである。したがって、風力発電装置１の周囲の雰囲気温度に基づいて理想トルクを補正することにより、雰囲気温度に応じて最も適切な理想トルクを求めることが可能となる。
【００７３】
目標トルク算出部４２は、理想トルク算出部４１で求められた理想トルクに基づいて油圧ポンプの目標トルクを決定する。このとき、目標トルク算出部４２は、回転シャフト８の理想トルクに、後述するスケール係数Ｍを乗算して、油圧ポンプ１２の目標トルクを決定することが好ましい。
【００７４】
ポンプ目標出力算出部４３は、油圧ポンプ１２の目標トルクに基づいて、油圧ポンプ１２の目標出力POWERpumpを算出する。このとき、ポンプ目標出力算出部４３は、目標トルク算出部４２で決定された油圧ポンプ１２の目標トルクに、回転シャフト８の回転数の計測値を乗算して油圧ポンプ１２の目標出力POWERpumpを算出してもよい。
【００７５】
ポンプ目標出力補正部４４は、ファーム制御装置２００からの電力要求指令Ｓｄに基づいて、ポンプ目標出力算出部４３により算出された油圧ポンプ１２の目標出力POWERpumpを補正する。ファーム制御装置２００は、風力発電装置１が属する発電ファームに設置され、複数の風力発電装置１を統括的に制御する装置である。
【００７６】
モータ目標出力算出部４５は、油圧ポンプ１２の目標出力POWERpumpに基づいて、油圧モータ１４の目標出力POWERmotorを算出する。例えばモータ目標出力算出部４５は、油圧ポンプ１２の目標出力POWERpumpに平滑処理を施して、油圧モータ１４の目標出力POWERmotorを算出する一次ローパスフィルタを含む。
【００７７】
モータ要求値算出部４６は、油圧モータ１４の目標出力POWERmotorに基づいて、発電機の回転数が一定になるように油圧モータ１４の押しのけ容積の要求値Ｄｍを決定する。
具体的には、モータ要求値算出部４６は、目標出力POWERmotorを、油圧モータ１４の回転数及び高圧油ラインの作動油の圧力（高圧油圧力）Ｐｓで除算して、油圧モータ１４の押しのけ容積の名目要求値Ｄｎを求め、該名目要求値Ｄｎに基づいて前記油圧モータの押しのけ容積の要求値Ｄｍを決定する。
【００７８】
このとき、モータ要求値算出部４６では、高圧油圧力Ｐｓが所定範囲内に適切に維持されるように、前記要求値Ｄｍを補正してもよい。その場合、モータ要求値算出部４６は、目標出力POWERmotorに基づいて決定した高圧油ライン１６の作動油の目標圧力Ｐｄに高圧油圧力Ｐｓを調節するための油圧モータ１４の押しのけ容積の要求補正値Ｄｂを求め、名目要求値Ｄｎに補正値Ｄｂを加算して、油圧モータ１４の押しのけ容積の補正値Ｄｍを決定する。
【００７９】
ここで、油圧モータ１４の押しのけ容積の要求補正値Ｄｂは、以下のように求めてもよい。
この補正値Ｄｂは、高圧油圧力Ｐｓとその目標圧力Ｐｄとの偏差に、高圧油圧力に応じて変化する可変ゲインＫｐを乗算して求める。
可変ゲインＫｐは、図８に示すように、高圧油圧力Ｐｓがその許容範囲の最小値Ｐmin以下あるいは該許容範囲の最大値Ｐmax以上である場合には最大値Ｋmaxとなり、一方、高圧油圧力Ｐｓが前記許容範囲の最小値Ｐminよりも大きく該許容範囲の最大値Ｐmaxよりも小さい場合には、許容範囲の最小値Ｐmin又は最大値Ｐmaxに近づくにつれて最大値Ｋmaxに向かって増加するように設定されていることが好ましい。なお、許容範囲の最小値Ｐminは、回転シャフト８の回転数と油圧ポンプ１２の押しのけ容積の設定可能な最大値Ｄmaxとに基づいて決定されてもよい。
【００８０】
モータ要求値補正部４７は、油温センサ３５で計測された高圧油ライン１６の作動油の温度に基づいて、油圧モータ１６の押しのけ容積の要求値Ｄｍを補正する。このモータ要求値補正部４７は不要とすることもできるが、これを設けることにより、作動油の熱膨張を考慮して適切に油圧モータ１６を制御することが可能となる。
【００８１】
モータ制御部４８は、油圧モータ１４の押しのけ容積を、モータ要求値算出部４６で決定された要求値Ｄｍに調節する。油圧モータ１４の制御については後述する。
また、上記した各制御部のほかに、ポンプ制御部（不図示）を有していてもよい。ポンプ制御部は、目標トルク算出部４２で求めた目標トルクと、高圧油圧力Ｐｓとに基づいて油圧ポンプ１２の押しのけ容積の要求値を算出し、この要求値となるように油圧ポンプ１２の押しのけ容積を調整する。
【００８２】
記憶部４９は、油圧ポンプ１２の制御に用いるデータが保存されている。具体的には、風力発電装置１の制御に用いられる各種の関数が記憶されている。例えば、図７に示すトルクと回転数との相関関係の関数、図８に示す可変ゲインＫｐの関数、あるいは図９に示す高圧油ラインの作動油の目標圧力関数等が記憶されている。
【００８３】
上記した制御ユニット４０の動作に関するアルゴリズムについて、図５のフローチャートを用いて説明する。
最初に、回転数計３２によって、回転シャフト８の回転数Ｗｒが計測される（ステップＳ１）。
理想トルク算出部４１は、回転数計３８で計測された回転数Ｗｒからパワー係数Ｃｐが最大となる理想トルクＴｉを決定する。具体的には、理想トルク算出部４１は、図７に示す関数のうち実線で表されるＣｐ最大曲線６００を記憶部４９から読み出す。このＣｐ最大曲線６００は、空力学的な理想トルク（Ｔ， ５９８）と回転シャフトの回転数(Ｗｒ， ５９９)との相関関係を示す関数であり、回転数Ｗｒに対してパワー係数Ｃｐが最大となる理想トルクＴｉを示すものである。
【００８４】
さらに、目標トルク算出部４２は、理想トルク算出部４１で求められた理想トルクＴｉに基づいて油圧ポンプ１２の目標トルクＴｄを決定する（ステップＳ２）。このとき、目標トルク算出部４２は、理想トルク算出部４１で決定した理想トルクＴｉにスケール係数Ｍを乗算して、調整理想トルクＭＴｉを算出し、これを目標トルクＴｄとしてもよい。スケール係数Ｍは、０．９〜１．０の範囲内であることが好ましく、その値は、風力発電装置１の稼働中、風の状況やブレード４の空気力学的変化に応じて変更してもよい。また、スケール係数Ｍは、ファーム制御装置２００から適宜入力されるようにしてもよい。スケール係数Ｍ＜１の場合、回転シャフト８に与えられるトルクは、通常の理想トルクの場合よりわずかに小さい値となり、その分、回転シャフト８の回転数を通常の理想トルクの場合に比べて少し上昇させることができる。したがって、風速の急速な変化に応じて回転シャフト８の回転数を迅速に追従させることが可能となる。なお、ここでいう突風時とは、風力発電装置１の許容風速範囲の上限値以下であることを前提条件としている。許容風速範囲は、ロータ２が過回転とならず通常運転可能な風速の範囲であり、一般に定格風速範囲の上限値より高く設定されている。
【００８５】
ここで、上記した構成を採用することで、凪時には、理想トルクが最適なトルク（Ｍ＝１の場合）からわずかに外れることとなる。しかし、突風時に風力エネルギーから変換される回転エネルギーは凪時よりも大幅に大きいので、風力発電装置全体としてより多くのエネルギーを得ることができる。そのため、上記した構成を採用することによる効果は大きい。
【００８６】
また、目標トルク算出部４２では、雰囲気温度センサ３４で計測される風力発電装置１の周囲の雰囲気温度に基づいて、理想トルクＴｉを補正するようにしてもよい。補正方法としては、例えば、記憶部４９に理想トルクＴｉの補正量と雰囲気温度との関数を記憶しておき、雰囲気温度に基づいて理想トルクＴｉの補正量を求め、これを理想トルクＴｉに加算してもよい。また、別の方法として、雰囲気温度に対応したＣｐ最大曲線６００を複数有しておき、雰囲気温度に応じて適切なＣｐ最大曲線６００を選択し、選択されたＣｐ最大曲線６００から得られる理想トルクＴｉに基づいて目標トルクを算出してもよい。風力エネルギーは、厳密には風の通過流量（質量流量）と風速とから決定されるので、周囲の雰囲気温度が変化することにより空気密度が変化し、これにともない空気質量が変化する。したがって、風力発電装置１の周囲の雰囲気温度に基づいて理想トルクＴｉを補正することにより、雰囲気温度に応じて適切な理想トルクを求めることができる。
【００８７】
続いて、ポンプ目標出力算出部４３は、回転数計３２で測定された回転シャフト８の回転数Ｗｒと、理想トルクＴｉまたは調整理想トルクＭＴｉとを乗算して、油圧ポンプ１２の目標出力POWERpumpを算出する（ステップＳ３）。なお、油圧ポンプ１２の目標出力POWERpumpは、油圧ポンプ１２の押しのけ容積の選択された総量、あるいは高圧油圧力Ｐｓ等の油圧情報に基づいて算出することもできる。
【００８８】
ここで、ポンプ目標出力補正部４４によって、油圧ポンプ１２の目標出力POWERpumpを、ファーム制御装置２００からの電力要求指令Ｓｄから得られる出力補正値POWERcorrectionに基づいて補正してもよい（ステップＳ４）。
通常、ウィンドファームには、複数の風力発電装置１が設置されており、これらの風力発電装置１を統括的に制御するファーム制御装置２００が設けられている。ファーム制御装置２００は、複数の風力発電装置１と通信可能であり、風力発電装置１から各種の計測値信号を受信するとともに、風力発電装置１へ各種の制御信号を送信する。
計測値信号は、例えば、各種計測器３１〜３６の計測値信号であり、高圧油圧力Ｐｓ、回転シャフト８の回転数Ｗｒ、油圧モータ１４の回転数Ｗｍ、周囲の風速又は温度、作動油温度等が挙げられる。
制御信号は、前記電力要求指令Ｓｄを含む。電力要求指令Ｓｄは、ウィンドファームの全体に求められる電力要求から個々の風力発電装置に割り振られた電力要求に関する信号である。
各風力発電装置１への電力要求は、ウィンドファーム全体として一定の発電出力が得られるように設定されてもよいし、あるいはウィンドファーム全体として高効率で発電可能なように設定されてもよいし、あるいは他の風力発電装置の発電出力または高圧油圧力等の変動を考慮して設定されてもよい。
【００８９】
そして、モータ目標出力算出部４５によって、一次ローパスフィルタを用いて油圧ポンプ１２の目標出力POWERpumpを平滑処理し、油圧モータ１４の目標出力POWERmotorを決定する（ステップＳ５）。
【００９０】
次いで、モータ要求値算出部４６によって、油圧ポンプ１２のヘッドルームトルクＴｈを算出する（Ｓ６）。ヘッドルームトルクＴｈは、予期しない突風や風速増加に対しても、回転シャフト８の回転数を適切に制御できるような油圧ポンプ１２のトルクの最小値である。このヘッドルームトルクＴｈは、油圧ポンプ１２の回転数の関数であり、その特性については図７を用いて後述する。
【００９１】
ここで、回転シャフト８のトルクは、油圧ポンプ１２の押しのけ容積と高圧油圧力とによって決まる。そこで、このヘッドルームトルクＴｈと、油圧ポンプ１２の押しのけ容積の設定可能な最大値Ｄmaxとに基づいて高圧油圧力Ｐｓの最小値Ｐminが算出できる（ステップＳ７）。この最小値Ｐminは、高圧油圧力Ｐｓの許容範囲の下限値を示す。また、平滑化（又はアキュムレータ）の最小プリチャージ圧力Ｐacc,minにより、Ｐminの下限値がさらに低くなる。その下限値を下回る場合には、高圧油ラインのみでは所望の操作を実行するのに十分でないこととなる。よって、許容圧力範囲は両下限値より上でなければならない。
【００９２】
この高圧油圧力の最小値Ｐminと、許容範囲の上限値である高圧油圧力の最大値Ｐmaxと、油圧モータ１４の目標出力または平滑化された目標出力とを用いて、後述する図８に示す関数に従って可変ゲインＫｐを算出する（ステップＳ８）。
【００９３】
一方、高圧油ライン１６の作動油の目標圧力Ｐｄを求める（ステップＳ９）。目標圧力Ｐｄは、風力発電装置１の最適運転を可能とする圧力であり、後述する図９に示す関数に従って求められる。
次いで、モータ要求値算出部４６は、油圧モータ１４の押しのけ容積の名目要求値Ｄｎを算出する（ステップＳ１０）。名目要求値Ｄｎは、回転数計３６で計測された油圧モータ１４の回転数Ｗｍと、圧力計３１で計測された高圧油ライン１６の作動油の圧力Ｐｓと、油圧モータ１４の目標出力POWERmotorとに基づいて算出する。このとき、名目要求値Ｄｎは、目標出力POWERmotorを、油圧モータ１４の回転数Ｗｍ及び高圧油圧力Ｐｓで除算して求めることで、発電機の回転数を一定にするような名目要求値Ｄｎを取得できる。
【００９４】
一方、モータ要求値算出部４６は、油圧モータ１４の押しのけ容積の要求補正値Ｄｂを算出する（ステップＳ１１）。要求補正値Ｄｂは、高圧油圧力Ｐｓとその目標圧力Ｐｄとの偏差に、ステップＳ９で求められた可変ゲインＫｐを乗算して算出する。
そして、前記名目要求値Ｄｎと要求補正値Ｄｂとを加算することによって、油圧モータ１４の押しのけ容積の要求値Ｄｍを決定する（ステップＳ１２）。
ここで、油温センサ３５で計測された高圧油ライン１６の作動油の温度に基づいて、ポンプ要求値補正部４７によって油圧モータ１４の押しのけ容積の要求値Ｄｍを補正してもよい。これにより、作動油の熱膨張を考慮して、適切に油圧モータ１４を制御することが可能となる。
【００９５】
上記により決定された油圧モータ１４の押しのけ容積の要求値Ｄｍとなるように、モータ制御部４８は、油圧モータ１４の押しのけ容積を調節する。
【００９６】
ここで、図４に示した油圧モータ１４を用いて、モータ制御部４８による油圧モータ１４の押しのけ容積の調節方法について説明する。
油圧モータ１４では、油圧ポンプ１２がつくった高圧油流路１６と低圧油流路１８との差圧によって、ピストン９２が周期的に上下動し、ピストン９２が上死点から下死点に向かうモータ工程と、ピストン９２が下死点から上死点に向かう排出工程とが繰り返される。
【００９７】
モータ制御部４８は、所望の油圧モータ１４の押しのけ容積の要求値Ｄｍが得られるように、ピストン９２が下死点から上死点を経て再び下死点に戻るサイクルの間、高圧弁９６を閉じて低圧弁９８を開いたままの状態を維持する非作動室の数を変化させる。すなわち、モータ制御部４８は、所望の押しのけ容積の要求値Ｄｍから、次の式を用いて非作動室の数を決定し、これに基づいて油圧モータ１４を制御する。
（数式）
押しのけ容積の要求値Ｄｍ＝Ｖｍ×Ｆｄｍ
（ただし、Ｖｍは全シリンダ９０の合計容積であり、Ｆｄｍは全油圧室９３に対する作動室の割合である。Ｆｄｍはある期間にわたって決定されてもよく、Ｆｄｍは全油圧室９３に対する作動室の割合の短時間における平均値であってもよい。）
ここで、油圧モータ１４の「非作動室」とは、ピストン９２が上死点から下死点に向かうモータ工程において、高圧油流路１６からの高圧油の供給を受けない油圧室９３をいう。これに対し、ピストン９２が上死点から下死点に向かうモータ工程において、高圧油流路１６からの高圧油の供給を受ける油圧室９３を油圧モータ１４の「作動室」という。
【００９８】
各油圧室９３の状態（非作動状態又は作動状態）は、ピストン９２の上下動のサイクルごとに選択できるから、全油圧室９３に対する非作動室の割合を変更することで、油圧モータ１４の押しのけ容積を迅速に変化させることができる。
また、モータ制御部４８における制御において、他の例として、ピストンサイクル中に高圧弁が開く時間を変化させて油圧モータ１４の押しのけ容積を調節するようにしてもよい。
【００９９】
次に、図６を参照して、制御ユニット４０の信号伝達フローを説明する。なお、図６は、上記図５に示したアルゴリズムのフローチャートに対応している。
まず最初に、理想トルク算出部４１によって、回転数計３２によって計測される回転シャフト８の回転数Ｗｒから理想トルクＴｉを決定する。このとき、理想トルクＴｉは、図６に示した目標トルク（ここでは理想トルクＴｉ）と回転数Ｗｒとの関数６００を用いて、パワー係数Ｃｐが最大となる理想トルクＴｉを決定する。
【０１００】
目標トルク算出部４２は、理想トルク算出部４１で求められた理想トルクＴｉに基づいて油圧ポンプ１２の目標トルクＴｄを決定する。このとき、目標トルク算出部４２は、理想トルク算出部４１で求められた理想トルクＴｉにスケール係数Ｍを乗算して、調整理想トルクＭＴｉを算出し、これを目標トルクＴｄとしてもよい。スケール係数Ｍは０〜１の範囲内であればいずれの値であってもよく、好ましくは０．９〜１の範囲内の値である。スケール係数Ｍを乗算することで、調整理想トルクＭＴｉは理想トルクＴｉよりわずかに低くなり、その分回転数が少し上がる。したがって、突風時には回転シャフト８がより急速に加速することとなる。その結果、スケール係数Ｍを乗算しない場合に比べて、より大きな出力を得ることができる。
一方、スケール係数Ｍを用いることで、回転シャフト８はより緩慢に減速する。したがって、凪時においては最適な回転数から少し外れて運転することとなる。しかし、突風に対して追従させることにより得られる追加出力は、凪時の準最適運転による出力損失より大きい。このようにスケール係数Ｍを用いて理想トルクＴｉを調整することで、風力エネルギーが急増した場合に、より多くの風力エネルギーを抽出することが可能となり、発電出力を増加させることができる。
【０１０１】
ポンプ目標出力算出部４３は、回転数計３２で計測された回転シャフト８の回転数Ｗｒと調整理想トルクＭＴｉの積から、油圧ポンプ１２の目標出力POWERpumpを算出する。なお、油圧ポンプ１２の目標出力POWERpumpは、油圧ポンプ１２の押しのけ容積の選択された総量、あるいは高圧油圧力Ｐｓ等の油圧情報から算出することもできる。
【０１０２】
さらに、ポンプ目標出力補正部４４は、ファーム制御装置２００から送信される電力要求指令Ｓｄに基づいて、アジャスタ１１０によって出力補正値POWERcorrectionを算出する。さらに、油圧ポンプ１２の目標出力POWERpumpに、この出力補正値POWERcorrectionを加算して目標出力POWERpumpを補正する。ここで、電力要求指令Ｓｄは、上述したように、風力発電装置１が属する発電ファームのファーム制御装置２００からポンプ目標出力補正部４４に入力される。このように、電力要求指令Ｓｄに基づいて目標トルクＴｄを補正することにより、必要に応じた適切な発電出力を得ることが可能となる。
【０１０３】
モータ目標出力算出部４５は、一次ローパスフィルタを形成する平滑モジュール１１２により油圧ポンプ１２の目標出力POWERpumpを平滑処理し、油圧モータ１４のモータ目標出力POWERmotorを算出する。
次いで、モータ目標出力算出部４５は、モータ目標出力POWERmotorを、油圧センサ３１で測定された高圧油圧力Ｐｓ、及び、回転数計３６で計測された油圧モータ１４の回転数Ｗｍで除算して、油圧モータ１４の押しのけ容積の名目要求値Ｄｎを求める。
【０１０４】
一方、モータ目標出力算出部４５で算出されたモータ目標出力POWERmotorは、モータ要求値補正部４７に入力される。モータ要求値補正部４７は、可変ゲインＫｐを用いて、油圧モータ１４の押しのけ容積の要求補正値Ｄｂを算出する圧力フィードバックコントローラ１２０を含む。圧力フィードバックコントローラ１２０には、図９に示す目標圧力関数（８０２，８１２，８２０）に従って前記モータ目標出力POWERmotorから求められた目標圧力Ｐｄと、高圧油圧力Ｐｓと、可変ゲインＫｐとが入力され、これらにより名目要求値Ｄｎを補正するための油圧モータ１４の押しのけ容積の要求補正値Ｄｂを算出する。
【０１０５】
可変ゲインＫｐは、図８に示す可変ゲインの関数７００に従って、現在の高圧油圧力Ｐｓが許容圧力範囲内であるか、さらには許容範囲内の第１範囲または第２範囲内であるかによって算出される。この許容範囲は、高圧油圧力の最大値Ｐmaxと最小値Ｐminとにより定義される。このとき、高圧油圧力の最小値Ｐminは、油圧ポンプ１４の設定可能な押しのけ容積の最大値ＤmaxでヘッドルームトルクＴｈを除算することにより求められる。ヘッドルームトルクＴｈについては、図７を用いて後述する。油圧モータ１４の押しのけ容積の要求値Ｄｍは、名目要求値Ｄｎと要求補正値Ｄｂを加算したものである。
【０１０６】
本実施形態では、圧力フィードバックコントローラ１２０に比例コントローラを用い、平滑モジュール１１２に一次ローパスフィルタを用いた場合について説明しているが、そのほかの形態を用いることも可能である。例えば、圧力フィードバックコントローラ１２０として、ＰＩ（比例積分）コントローラを用い、平滑モジュール１１２と名目要求値Ｄｎをともに省略してもよい。その場合は、出力値の入力値への追従性を向上させるために、通常、ＰＩコントローラはいくつかのコントローラ候補の中から選択する。このとき、積分ゲインが十分に小さいと、コントローラは風力エネルギーを平滑化し、これにより平滑化された要求補正値Ｄｂを得ることができる。
【０１０７】
図７には、回転シャフトの回転数(Ｗｒ， ５９９)に対する空力学的理想トルク（Ｔ， ５９８）の関数（６００）を示す。この関数は、理想トルク算出部によって理想トルクＴｉを決定する際に用いられる。なお、理想トルクＴｉは、回転シャフトの回転数Ｗｒに対してパワー係数Ｃｐが最大となるトルクである。
風力発電装置１においては、風速がカットイン速度まで上昇すると、ブレードのフェザリングを停止し、機械的なブレーキを解除する。セクションＩで回転数Ｗｒが最低速度（６０１）を下回るときは、理想トルクは略ゼロであり、ポンプがトルクを与えることなく発電機は最低速度まで加速する。
【０１０８】
セクションＩＩでは、予め設定されたトルク増加プロファイルに従って増加エネルギを与えて発電機回転数を安定させるように、制御ユニットから油圧ポンプに指令を与える。ブレードのピッチが固定された風力発電機の最適トルクは、風速又はロータ回転数の二乗の関数となる。セクションＩＩＩは、ブレードの先端速度比に対応するもので、理想トルク曲線は予め設定された最適プロファイルに従って、ブレードが最適ピッチとなるようにピッチ制御する。セクションＩＶでは、発電機が略最大回転数であり、トルク曲線は、最大圧力（定格トルク）未満で且つ急勾配で上昇するような形状の関数となる。セクションＩＶの目的は、一定回転数でトルクを最大値（６０３）まで増加させることにより、発電機速度を制限することである。セクションＶでは、風力エネルギーから入力されるトルクが最大トルク出力に到達し、発電機は最大速度で駆動する。この範囲では、ピッチ制御を行って積極的に発電機回転数を制御し、ポンプは一定（最大）出力トルクを出すようにする。
【０１０９】
図７には、さらにヘッドルームトルク曲線（６１０）も示している。同図において、ヘッドルームトルク曲線（６１０）は破線で表される曲線である。ヘッドルームトルクＴｈは、発電機の最適トルクからの一定オフセットを用いた二次関数としてセクションＩＩＩにあらわされる。ただし、ヘッドルームトルク曲線（６１０）は、回転シャフト８の回転数Ｗｒ以外の変数によって決定する場合には、他の関数であってもよい。ヘッドルームトルク曲線は使用中に風の状態変化に従って調整しても良い。例えば、突風又は凪の予測や、過去又は現在の状況に基づいてヘッドルームトルク曲線（６１０）を調整しても良い。
【０１１０】
図８には、圧力Ｐ（７０２）の関数として典型的な可変ゲインＫｐ（７００）を示す。高圧油圧力の許容範囲の最小値Ｐminは、回転シャフトの回転数とともに変化する。同図には、低速（７０４）において特徴的なＫｐ関数、及び高速（７０６）において特徴的なＫｐ関数を示す。高圧油圧力の最小値Ｐminから最大値Ｐmaxで定義される許容範囲は、現時点における回転シャフトの回転数とともに変化する。作動油の圧力が最小値Ｐmin（７０８，７１０）を下回るとき、可変ゲインＫｐを最大値Ｋmaxに設定する。同様に、高圧油圧力がその許容範囲の最大値Ｐmax（７１４）を超えるとき、可変ゲインＫｐを最大値Ｋmaxに設定する。これにより、高圧油圧力が前記許容範囲外のとき、油圧モータ１４の押しのけ容積の要求値Ｄｍを積極的に制御することとなり、高圧油圧力を許容範囲内とすることができる。
【０１１１】
許容範囲内のうち、圧力の最小値Ｐminと最大値Ｐmaxより内側に存在する第１範囲（７１６）では、可変ゲインＫｐは最小値Ｋminのまま一定である。このとき、可変ゲインＫｐの最小値Ｋminはゼロではないが十分に低いので、制御にほとんど影響を与えない。これにより、高圧油圧力が第１範囲内にあるときは、目標圧力に近づけようとしながらも、アキュムレータへエネルギーを吸収したり、アキュムレータからエネルギーを抽出するようにして圧力を大幅に変化させる。つまり、油圧モータによる作動油の押しのけ容積は、高圧油圧力に関係なく選択することができる。
【０１１２】
第１範囲（７１６）と、最小値Ｐminまたは最大値Ｐmaxとの間は、可変ゲインＫｐが変化する第２範囲となる。この第２範囲のうち最小値（７２０）側と最大値側（７２２）では、可変ゲインＫｐは最小値Ｋminから最大値Ｋmaxへ直線的に増加する。したがって、高圧油圧力が許容範囲の最小値Ｐmin又は最大値Ｐmaxに近づくにつれて、変ゲインＫｐは徐々に大きくなり、圧力が調整される度合いは徐々に強くなる。これにより、油圧モータの押しのけ容積Ｄｍをより積極的に制御して圧力を許容範囲内に維持しようとするので、高圧油圧力が許容範囲の最大値または最大値に達する可能性を低減する。
【０１１３】
図９に、本発明によって実施可能な目標圧力関数の例を示す。目標圧力関数は、油圧モータの目標出力、または平滑化された目標出力（８００）の関数である。この目標圧力関数により、圧力フィードバックコントローラ１２０に入力される目標圧力が決定される。
この関数の形状は、各種の変数によって決まるものである。
図中、破線（８０２）は第１目標圧力関数を示す。この第１目標圧力関数は、目標圧力がゼロと第１出力間の第１範囲においては一定の最小圧力Ｐacc,min（８０４）以上であり、第４出力から（８１０）と最大定格出力POWERmotor,max間の第５範囲においては一定の最大圧力Ｐmax（８０８）以上であり、第１範囲と第５範囲の間ではPOWERmotorとともに直線的に増加する。
【０１１４】
ここで、最小圧力Ｐacc,minとは、これを下回ると高圧油ラインへの作動油流入性が十分でない圧力の下限、すなわちアキュムレータのプレチャージ圧力を下回るような圧力に対する下限である。また、最大圧力Ｐmaxは、部品寿命やリリーフ弁の設定を考慮した加圧作動油の最大許容圧力に関係する。よって、目標圧力は変動エネルギー流、油圧ポンプ、油圧モータおよびアキュムレータの特性に対応する。
【０１１５】
第１目標圧力関数では、第５範囲（Ｖ）の高出力状態でポンプがロータ（回転シャフトを含む）に最大トルクを与えるのに十分な圧力があることを保障する。さらに第１目標圧力関数では、ロータの運動エネルギーが低い第１範囲（Ｉ）において、ポンプの各作動室の作動により吸収される相対エネルギートルクが、ブレード又はその他の部位にトルクを与えるほど十分ではなく、上記した圧力の許容範囲の最小値Ｐminよりは高いが、しかし確実に、圧力が十分に低く保たれるという特性がある。
【０１１６】
図中、実線（８１２）は第２目標圧力関数を示す。この第２目標圧力関数は、第１範囲（Ｉ）及び第５範囲（Ｖ）において第１目標圧力関数と類似する。しかし、第２出力（８１４）と第３出力（８１６）間の第３範囲（ＩＩＩ）では、目標圧力が最適圧力Ｐopt（８１８）であり、第１出力と第２出力間の第２範囲（ＩＩ）と、第３出力と第４出力間の第４範囲（ＩＶ)では、隣接する範囲間の円滑な移行を可能としている。
最適圧力Ｐoptは、ポンプとモータがともに最適油圧効率で稼動する。この最適圧力Ｐoptは、実験、シミュレーション、計算、あるいはこれらの組み合わせにより求めてもよい。ポンプとモータの少なくともひとつは最適圧力Ｐoptにより最適な効率が得られるように設計され、それは設計者によって選択されるようにしてもよい。よって、目標圧力は変動圧力、油圧ポンプ及び油圧モータの特性に対応する。この第２目標圧力関数により、発電機が最適圧力で駆動し、これによりエネルギー効率を最も高くすることができる。
【０１１７】
図中、破線（８２０）は第３目標圧力関数を示す。この第３目標圧力関数により、発電機の駆動レベルの大部分において、最小圧力により近い目標圧力が決定される。第３目標圧力関数は、アキュムレータの蓄圧状態を低くし、突風時の風力エネルギーを受ける蓄圧領域を最大化したり、高圧よりむしろ流量が大きい状態で発電機を駆動するという利点がある。高圧力であれば、脈動やノイズを抑制したり、発電機の寿命を延ばすことができる。
【０１１８】
このような特定目標圧力関数は、外部から入力される出力要求の推定値、発電機の構成部品の推定寿命や効率、発電機の始動や停止、あるいはその他の運転モードの必要性に対して秒単位で変化する。例えば、風速が大きく変動しない場合は、制御ユニットは第２目標圧力関数（８１２）を選択し、油圧効率に対して圧力が最適化される。一方、突風状態のときは、制御ユニットが第３目標圧力関数（８２０）を選択し、アキュムレータが突風エネルギーを吸収できるようにする。よって、高圧油ライン内の圧力が閾値を超えるようなエネルギーが入力されることを予測して、目標圧力を低減する。また他の例では、制御ユニットは、微量の漏れを検知した場合、第３目標圧力関数（８２０）を選択する。第３目標圧力関数は圧力を低く維持するので、漏れを最小にとどめ、重大な故障につながることを回避する。前記制御ユニットは上記目標圧力を自由に組み合わせることにより、無限の組み合わせを可能とし、いかなる状況や場所にも最適化できる。
【０１１９】
以上説明したように、上述の実施形態では、モータ目標出力算出部４５によって、油圧ポンプ１２の目標出力POWERpumpに基づいて油圧モータ１４の目標出力POWERmotorを算出し、これを用いてモータ制御を行なうようにしたので、所望の油圧ポンプ１２の出力を得ることが可能となる。
また、モータ要求値算出部４６によって、目標出力POWERmotorに基づいて発電機２０の回転数が一定になるように油圧モータ１４の押しのけ容積の要求値Ｄｍを決定し、モータ制御部４８で油圧モータ１４の押しのけ容積を要求値Ｄｍに調節するようにしたので、油圧ポンプ１２の目標出力が変更されても、発電機２０の回転数を一定に維持できる。よって、発電機２０において周波数が一定の電力を発生させることができる。
【０１２０】
また、目標トルク算出部４２によって、パワー係数Ｃｐが最大となる回転シャフト８の理想トルクに基づいて油圧ポンプ１２の目標トルクを決定し、ポンプ目標出力算出部４５によって、前記目標トルクに基づいて油圧ポンプ１２の目標出力POWERpumpを算出するようにしたので、風力発電装置１の発電効率を高く維持することができる。
【０１２１】
また、理想トルク算出部４１では、回転数計３２による回転シャフト８の回転数の計測値に基づいて理想トルクを求めるようにしたので、風力発電装置１の発電効率を向上させることができる。また、回転シャフト８の回転数は回転数計３２により高精度に計測可能であるから、この実測した回転シャフト８の回転数に基づいて理想トルクを決定することにより、油圧モータ１４の制御を適切に行うことができる。なお、複数の回転数計３２による回転シャフト８の回転数の計測値の平均値を用いてもよく、この場合、理想トルク算出の正確性が向上するとともに、回転数計自体または外的要因等によるノイズを除去することができる。
【０１２２】
また、ポンプ目標出力補正部４４によって、ファーム制御装置２００からの電力要求指令Ｓｄに基づいて、油圧ポンプ１２の目標出力POWERpumpを補正することで、風力発電装置１に実際に求められる電力要求に応じて適切に発電を行うことが可能となる。
また、油圧ポンプ１２の目標出力POWERpumpに平滑処理を施して油圧モータ１４の目標出力POWERmotorを得るようにしたので、油圧ポンプ１２の出力が急激に変化した場合であっても、油圧モータ１４の目標出力を緩やかに変化させることができ、発電機２０の安定運転が可能となる。
【０１２３】
また、モータ要求値算出部は４６、目標出力POWERmotorを、油圧モータ１４の回転数及び高圧油圧力Ｐｓで除算して、油圧モータ１４の押しのけ容積の名目要求値Ｄｎを求めるようにしたので、発電機２０の回転数を一定にするような名目要求値Ｄｎを取得できる。
このとき、モータ要求値算出部４６によって、高圧油圧力Ｐｓをその目標圧力Ｐｄに調節するための油圧モータ１４の押しのけ容積の要求補正値Ｄｂを求め、前記名目要求値Ｄｎにこの補正値Ｄｂを加算して油圧モータの押しのけ容積の要求値Ｄｍを決定するようにしたので、高圧油圧力Ｐｓを目標圧力Ｐｄに確実に近づけることができる。
【０１２４】
さらに、油圧モータ１４の押しのけ容積の補正値Ｄｂを求める際に、高圧油圧力Ｐｓに応じて変化する可変ゲインＫｐを用いるようにしたので、可変ゲインＫｐを適切に設定することで、高圧油ラインの作動油の圧力Ｐｓを目標圧力Ｐｄに迅速に近づけることができる。
このとき、可変ゲインＫｐを、図８に示した可変ゲイン関数に従って求めることで、高圧油圧力Ｐｓを許容範囲内に維持することができるとともに、油圧モータ１４の押しのけ容積の要求値Ｄｍにおける補正の要否に応じて、適切にモータ要求補正値ｂを決定することができる。
【０１２５】
また、前記許容範囲の最小値Ｐminは、回転シャフトの回転数と油圧ポンプの設定可能な押しのけ容積の最大値Ｄmaxとに基づいて決定されるようにしたので、モータ制御において重要な制御因子である最小値Ｐminを適切に設定することができる。
【０１２６】
以上、本実施形態の一例について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。
【０１２７】
例えば、上述の実施形態では、本発明を風力発電装置に適用した例について説明したが、本発明は潮流発電装置に適用してもよい。ここでいう「潮流発電装置」は、海、川または湖等に設置され、潮流のエネルギーを利用して発電を行う装置であり、ロータ２が風ではなく潮流を受けて回転する点を除けば上述の風力発電装置１と基本的な構成は共通する。風力発電装置１と共通する構成要素について同一の符号を用いて説明すれば、潮流発電装置は、潮流を受けて回転するロータ２と、ロータ２の回転を増速する油圧トランスミッション１０と、電力を発生させる発電機２０と、潮流発電装置の各部を制御する制御ユニット４０とを備える。
ここで、潮流発電装置の制御ユニット４０は、上述のとおり、油圧ポンプ１２の目標出力POWERpumpに基づいて油圧モータ１４の目標出力POWERmotorを算出し、この目標出力POWERmotorに基づいて油圧モータ１４の押しのけ容積の要求値Ｄｍを決定し、油圧モータ１４の押しのけ容積をこの要求値Ｄｍに調節するようにしたので、所望の油圧モータの出力を得ることが可能となり、発電効率を向上させることができる。
【０１２８】
また、上述の実施形態では、回転数計３２で計測した回転シャフト８の回転数Ｗｒに基づいて、パワー係数が最大となる油圧ポンプ１２の理想トルクＴｉを求める例について説明したが、理想トルクＴｉの求め方は以下の方法を用いてもよい。
まず第１の変形例として、回転数計３２によって計測された回転シャフト８の回転数から見積もられる風速に基づいて理想トルクＴｉを求めるようにしてもよい。この場合、図１０及び図１１に示すＣｐ最大曲線を用いる。これらのＣｐ最大曲線は、制御ユニット４０の記憶部４９に記憶されている。風速Ｖを横軸にとり、回転シャフト８の回転数Ｗｒを縦軸にとった座標系においてＣｐ最大曲線９００を表したのが図１０であり、回転シャフト８の回転数Ｗｒを横軸にとり、油圧ポンプ１２の目標トルクを縦軸にとった座標系においてＣｐ最大曲線９０２を表したのが図１１である。
【０１２９】
パワー係数Ｃｐが最大の運転状態が維持されていることを前提として、図１０に示すＣｐ最大曲線９００に基づいて、計測された回転数Ｗｒに対応する風速Ｖを求める。そして、図１１に示すＣｐ最大曲線９０２に基づいて、上記で推定された風速Ｖに対応する油圧ポンプ１２の理想トルクＴｉを求める。なお、図１１には、推定された風速ＶがＶ２である場合に油圧ポンプ１２の理想トルクＴｉを決定する例を示した。
【０１３０】
このように、回転数計３２によって計測された回転シャフト８の回転数から見積もられる風速に基づいて理想トルクＴｉを求めることで、風力発電装置１の発電効率を向上させることができる。また、風速は、回転数計３２による回転数の計測値から推定するようにしたため、高い精度で風速を推定することができ、油圧モータ１４の制御を適切に行うことができる。なお、複数の回転数計３２による回転シャフト８の回転数の計測値の平均値を用いてもよく、この場合、理想トルク算出の正確性が向上するとともに、回転数計自体または外的要因等によるノイズを除去することができる。
【０１３１】
また、第２の変形例として、風速計３３によって計測された風速に基づいて理想トルクＴｉを求めるようにしてもよい。
このように、風速計３３によって計測された風速に基づいて理想トルクＴｉを求めることで、風力発電装置１の発電効率を向上させることができる。また、風速は、風速計３３によって直接計測するようにしたため、容易に理想トルクを算出することができる。なお、複数の風速計３３による風速の平均値を用いてもよく、この場合、理想トルク算出の正確性が向上するとともに、風速計自体または外的要因等によるノイズを除去することができる。
【符号の説明】
【０１３２】
１ 風力発電装置
２ ロータ
４ ブレード
６ ハブ
８ 回転シャフト
１０ 油圧トランスミッション
１２ 油圧ポンプ
１４ 油圧モータ
１６ 高圧油ライン
１８ 低圧油ライン
２０ 発電機
２２ ナセル
２４ タワー
２６ 基礎
３１ 圧力計
３２ 回転数計
３３ 風速計
３４ 雰囲気温度センサ
３５ 油温センサ
３６ 回転数計
４０ 制御ユニット
４１ 理想トルク算出部
４２ 目標トルク算出部
４３ 目標トルク補正部
４４ ポンプ要求値算出部
４５ ポンプ要求値補正部
４６ ポンプ制御部
４７ 記憶部
５０ 電力系統
５２ 励磁機
６０ バイパス流路
６２ リリーフ弁
６４ 脈動防止用アキュムレータ
６６ オイルフィルタ
６８ オイルクーラ
７０ オイルタンク
７２ 補充ライン
７４ ブーストポンプ
７６ オイルフィルタ
７８ 返送ライン
７９ 低圧リリーフ弁
１１０ アジャスタ
１１２ 平滑モジュール
１２０ 圧力フィードバックコントローラ
６００ Ｃｐ最大曲線
６１０ ヘッドルームトルク曲線
８０２、８１２、８２０ 目標圧力関数
【特許請求の範囲】
【請求項１】
再生エネルギーから電力を生成する再生エネルギー型発電装置であって、
再生エネルギーによって駆動される回転シャフトと、
前記回転シャフトによって駆動される可変容量型の油圧ポンプと、
前記油圧ポンプから供給される圧油によって駆動される可変容量型の油圧モータと、
前記油圧モータに連結された発電機と、
前記油圧ポンプの吐出側を前記油圧モータの吸込側に連通させる高圧油ラインと、
前記油圧ポンプの吸込側を前記油圧モータの吐出側に連通させる低圧油ラインと、
前記油圧ポンプの目標出力POWERpumpに基づいて、前記油圧モータの目標出力POWERmotorを算出するモータ目標出力算出部と、
前記モータ目標出力算出部により算出された前記目標出力POWERmotorに基づいて、前記発電機の回転数が一定になるように前記油圧モータの押しのけ容積の要求値Ｄｍを決定するモータ要求値算出部と、
前記油圧モータの押しのけ容積を前記要求値Ｄｍに調節するモータ制御部とを備えることを特徴とする再生エネルギー型発電装置。
【請求項２】
パワー係数が最大となる前記回転シャフトの理想トルクに基づいて前記油圧ポンプの目標トルクを決定する目標トルク算出部と、
前記目標トルク算出部により決定された前記油圧ポンプの前記目標トルクに基づいて、前記油圧ポンプの目標出力POWERpumpを算出するポンプ目標出力算出部とをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の再生エネルギー型発電装置。
【請求項３】
前記回転シャフトの回転数を計測する回転数計と、
前記回転シャフトの回転数の計測値に基づいて、前記回転シャフトの前記理想トルクを求める理想トルク算出部とをさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の再生エネルギー型発電装置。
【請求項４】
前記回転数計は複数設けられており、
前記理想トルク算出部は、複数の前記回転数計による前記回転シャフトの回転数の計測値の平均値に基づいて、前記回転シャフトの前記理想トルクを求めることを特徴とする請求項３に記載の再生エネルギー型発電装置。
【請求項５】
前記回転シャフトの回転数を計測する回転数計と、
前記回転シャフトの回転数の計測値から見積もられる前記再生エネルギー源のエネルギー流の流速に基づいて前記回転シャフトの前記理想トルクを求める理想トルク算出部とをさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の再生エネルギー型発電装置。
【請求項６】
前記回転数計は複数設けられており、
前記エネルギー流の流速は、複数の前記回転数計による前記回転シャフトの回転数の計測値の平均値から見積もられることを特徴とする請求項５に記載の再生エネルギー型発電装置。
【請求項７】
前記回転シャフトを駆動する前記再生エネルギー源のエネルギー流の流速を計測する流速計と、
前記エネルギー流の流速の計測値に基づいて前記回転シャフトの前記理想トルクを求める理想トルク算出部とをさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の再生エネルギー型発電装置。
【請求項８】
前記流速計は複数設けられており、
前記理想トルク算出部は、複数の前記流速計による前記エネルギー流の流速の計測値の平均値に基づいて前記回転シャフトの前記理想トルクを求めることを特徴とする請求項７に記載の再生エネルギー型発電装置。
【請求項９】
前記再生エネルギー型発電装置が属する発電ファームのファーム制御装置からの電力要求指令に基づいて、前記ポンプ目標出力算出部により算出された前記油圧ポンプの目標出力POWERpumpを補正するポンプ目標出力補正部をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の再生エネルギー型発電装置。
【請求項１０】
前記モータ目標出力算出部は、前記油圧ポンプの目標出力POWERpumpに平滑処理を施して前記油圧モータの目標出力POWERmotorを得るローパスフィルタを含むことを特徴とする請求項１に記載の再生エネルギー型発電装置。
【請求項１１】
前記モータ要求値算出部は、前記目標出力POWERmotorを、前記油圧モータの回転数及び前記高圧油ラインの作動油の圧力Ｐｓで除算して、前記油圧モータの押しのけ容積の名目要求値Ｄｎを求め、該名目要求値Ｄｎに基づいて前記油圧モータの押しのけ容積の要求値Ｄｍを決定することを特徴とする請求項１に記載の再生エネルギー型発電装置。
【請求項１２】
前記モータ要求値算出部は、前記モータ目標出力算出部により算出された前記目標出力POWERmotorに基づいて決定した前記高圧油ラインの作動油の目標圧力Ｐｄに、前記高圧油ラインの作動油の圧力Ｐｓを調節するための前記油圧モータの押しのけ容積の要求補正値Ｄｂを求め、前記名目要求値Ｄｎに前記補正値Ｄｂを加算して、前記油圧モータの押しのけ容積の要求値Ｄｍを決定することを特徴とする請求項１１に記載の再生エネルギー型発電装置。
【請求項１３】
前記モータ要求値算出部は、前記高圧油ラインの作動油の圧力Ｐｓと前記高圧油ラインの目標圧力Ｐｄとの偏差に、前記高圧油ラインの作動油の圧力に応じて変化する可変ゲインＫｐを乗算して、前記補正値Ｄｂを求めることを特徴とする請求項１２に記載の再生エネルギー型発電装置。
【請求項１４】
前記可変ゲインＫｐは、
前記高圧油ラインの圧力Ｐｓがその許容範囲の最小値Ｐmin以下あるいは該許容範囲の最大値Ｐmax以上である場合には最大値Ｋmaxとなり、
前記高圧油ラインの圧力Ｐｓが前記許容範囲の最小値Ｐminよりも大きく前記許容範囲の最大値Ｐmaxよりも小さい場合には、前記許容範囲の最小値Ｐmin又は最大値Ｐmaxに近づくにつれて前記最大値Ｋmaxに向かって増加するように設定されることを特徴とする請求項１３に記載の再生エネルギー型発電装置。
【請求項１５】
前記許容範囲の最小値Ｐminは、前記回転シャフトの回転数と前記油圧ポンプの設定可能な押しのけ容積の最大値Ｄmaxとに基づいて決定されることを特徴とする請求項１４に記載の再生エネルギー型発電装置。
【請求項１６】
前記再生エネルギー型発電装置の周囲の雰囲気温度を計測する雰囲気温度センサをさらに備え、
前記雰囲気温度センサによる前記雰囲気温度の計測値に基づいて、前記回転シャフトの前記理想トルクが補正されることを特徴とする請求項２に記載の再生エネルギー型発電装置。
【請求項１７】
前記高圧油ラインの作動油の温度を計測する油温センサをさらに備え、
前記高圧油ラインの作動油の温度の計測値に基づいて、前記油圧モータの押しのけ容積の要求値Ｄｍを補正するモータ要求値補正部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の再生エネルギー型発電装置。
【請求項１８】
前記再生エネルギー型発電装置は、再生エネルギーとしての風から電力を生成する風力発電装置であることを特徴とする請求項１に記載の再生エネルギー型発電装置。
【請求項１９】
再生エネルギーによって駆動される回転シャフトと、前記回転シャフトによって駆動される可変容量型の油圧ポンプと、前記油圧ポンプから供給される圧油によって駆動される可変容量型の油圧モータと、前記油圧モータに連結された発電機と、前記油圧ポンプの吐出側を前記油圧モータの吸込側に連通させる高圧油ラインと、前記油圧ポンプの吸込側を前記油圧モータの吐出側に連通させる低圧油ラインとを備える再生エネルギー型発電装置の運転方法であって、
前記油圧ポンプの目標出力POWERpumpに基づいて、前記油圧モータの目標出力POWERmotorを算出するステップと、
前記モータ目標出力算出部により算出された前記目標出力POWERmotorに基づいて、前記発電機の回転数が一定になるように前記油圧モータの押しのけ容積の要求値Ｄｍを決定するステップと、
前記油圧モータの押しのけ容積を前記要求値Ｄｍに調節するステップとを備えることを特徴とする再生エネルギー型発電装置。
【請求項１】
再生エネルギーから電力を生成する再生エネルギー型発電装置であって、
再生エネルギーによって駆動される回転シャフトと、
前記回転シャフトによって駆動される可変容量型の油圧ポンプと、
前記油圧ポンプから供給される圧油によって駆動される可変容量型の油圧モータと、
前記油圧モータに連結された発電機と、
前記油圧ポンプの吐出側を前記油圧モータの吸込側に連通させる高圧油ラインと、
前記油圧ポンプの吸込側を前記油圧モータの吐出側に連通させる低圧油ラインと、
前記油圧ポンプの目標出力POWERpumpに基づいて、前記油圧モータの目標出力POWERmotorを算出するモータ目標出力算出部と、
前記モータ目標出力算出部により算出された前記目標出力POWERmotorに基づいて、前記発電機の回転数が一定になるように前記油圧モータの押しのけ容積の要求値Ｄｍを決定するモータ要求値算出部と、
前記油圧モータの押しのけ容積を前記要求値Ｄｍに調節するモータ制御部とを備えることを特徴とする再生エネルギー型発電装置。
【請求項２】
パワー係数が最大となる前記回転シャフトの理想トルクに基づいて前記油圧ポンプの目標トルクを決定する目標トルク算出部と、
前記目標トルク算出部により決定された前記油圧ポンプの前記目標トルクに基づいて、前記油圧ポンプの目標出力POWERpumpを算出するポンプ目標出力算出部とをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の再生エネルギー型発電装置。
【請求項３】
前記回転シャフトの回転数を計測する回転数計と、
前記回転シャフトの回転数の計測値に基づいて、前記回転シャフトの前記理想トルクを求める理想トルク算出部とをさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の再生エネルギー型発電装置。
【請求項４】
前記回転数計は複数設けられており、
前記理想トルク算出部は、複数の前記回転数計による前記回転シャフトの回転数の計測値の平均値に基づいて、前記回転シャフトの前記理想トルクを求めることを特徴とする請求項３に記載の再生エネルギー型発電装置。
【請求項５】
前記回転シャフトの回転数を計測する回転数計と、
前記回転シャフトの回転数の計測値から見積もられる前記再生エネルギー源のエネルギー流の流速に基づいて前記回転シャフトの前記理想トルクを求める理想トルク算出部とをさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の再生エネルギー型発電装置。
【請求項６】
前記回転数計は複数設けられており、
前記エネルギー流の流速は、複数の前記回転数計による前記回転シャフトの回転数の計測値の平均値から見積もられることを特徴とする請求項５に記載の再生エネルギー型発電装置。
【請求項７】
前記回転シャフトを駆動する前記再生エネルギー源のエネルギー流の流速を計測する流速計と、
前記エネルギー流の流速の計測値に基づいて前記回転シャフトの前記理想トルクを求める理想トルク算出部とをさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の再生エネルギー型発電装置。
【請求項８】
前記流速計は複数設けられており、
前記理想トルク算出部は、複数の前記流速計による前記エネルギー流の流速の計測値の平均値に基づいて前記回転シャフトの前記理想トルクを求めることを特徴とする請求項７に記載の再生エネルギー型発電装置。
【請求項９】
前記再生エネルギー型発電装置が属する発電ファームのファーム制御装置からの電力要求指令に基づいて、前記ポンプ目標出力算出部により算出された前記油圧ポンプの目標出力POWERpumpを補正するポンプ目標出力補正部をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の再生エネルギー型発電装置。
【請求項１０】
前記モータ目標出力算出部は、前記油圧ポンプの目標出力POWERpumpに平滑処理を施して前記油圧モータの目標出力POWERmotorを得るローパスフィルタを含むことを特徴とする請求項１に記載の再生エネルギー型発電装置。
【請求項１１】
前記モータ要求値算出部は、前記目標出力POWERmotorを、前記油圧モータの回転数及び前記高圧油ラインの作動油の圧力Ｐｓで除算して、前記油圧モータの押しのけ容積の名目要求値Ｄｎを求め、該名目要求値Ｄｎに基づいて前記油圧モータの押しのけ容積の要求値Ｄｍを決定することを特徴とする請求項１に記載の再生エネルギー型発電装置。
【請求項１２】
前記モータ要求値算出部は、前記モータ目標出力算出部により算出された前記目標出力POWERmotorに基づいて決定した前記高圧油ラインの作動油の目標圧力Ｐｄに、前記高圧油ラインの作動油の圧力Ｐｓを調節するための前記油圧モータの押しのけ容積の要求補正値Ｄｂを求め、前記名目要求値Ｄｎに前記補正値Ｄｂを加算して、前記油圧モータの押しのけ容積の要求値Ｄｍを決定することを特徴とする請求項１１に記載の再生エネルギー型発電装置。
【請求項１３】
前記モータ要求値算出部は、前記高圧油ラインの作動油の圧力Ｐｓと前記高圧油ラインの目標圧力Ｐｄとの偏差に、前記高圧油ラインの作動油の圧力に応じて変化する可変ゲインＫｐを乗算して、前記補正値Ｄｂを求めることを特徴とする請求項１２に記載の再生エネルギー型発電装置。
【請求項１４】
前記可変ゲインＫｐは、
前記高圧油ラインの圧力Ｐｓがその許容範囲の最小値Ｐmin以下あるいは該許容範囲の最大値Ｐmax以上である場合には最大値Ｋmaxとなり、
前記高圧油ラインの圧力Ｐｓが前記許容範囲の最小値Ｐminよりも大きく前記許容範囲の最大値Ｐmaxよりも小さい場合には、前記許容範囲の最小値Ｐmin又は最大値Ｐmaxに近づくにつれて前記最大値Ｋmaxに向かって増加するように設定されることを特徴とする請求項１３に記載の再生エネルギー型発電装置。
【請求項１５】
前記許容範囲の最小値Ｐminは、前記回転シャフトの回転数と前記油圧ポンプの設定可能な押しのけ容積の最大値Ｄmaxとに基づいて決定されることを特徴とする請求項１４に記載の再生エネルギー型発電装置。
【請求項１６】
前記再生エネルギー型発電装置の周囲の雰囲気温度を計測する雰囲気温度センサをさらに備え、
前記雰囲気温度センサによる前記雰囲気温度の計測値に基づいて、前記回転シャフトの前記理想トルクが補正されることを特徴とする請求項２に記載の再生エネルギー型発電装置。
【請求項１７】
前記高圧油ラインの作動油の温度を計測する油温センサをさらに備え、
前記高圧油ラインの作動油の温度の計測値に基づいて、前記油圧モータの押しのけ容積の要求値Ｄｍを補正するモータ要求値補正部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の再生エネルギー型発電装置。
【請求項１８】
前記再生エネルギー型発電装置は、再生エネルギーとしての風から電力を生成する風力発電装置であることを特徴とする請求項１に記載の再生エネルギー型発電装置。
【請求項１９】
再生エネルギーによって駆動される回転シャフトと、前記回転シャフトによって駆動される可変容量型の油圧ポンプと、前記油圧ポンプから供給される圧油によって駆動される可変容量型の油圧モータと、前記油圧モータに連結された発電機と、前記油圧ポンプの吐出側を前記油圧モータの吸込側に連通させる高圧油ラインと、前記油圧ポンプの吸込側を前記油圧モータの吐出側に連通させる低圧油ラインとを備える再生エネルギー型発電装置の運転方法であって、
前記油圧ポンプの目標出力POWERpumpに基づいて、前記油圧モータの目標出力POWERmotorを算出するステップと、
前記モータ目標出力算出部により算出された前記目標出力POWERmotorに基づいて、前記発電機の回転数が一定になるように前記油圧モータの押しのけ容積の要求値Ｄｍを決定するステップと、
前記油圧モータの押しのけ容積を前記要求値Ｄｍに調節するステップとを備えることを特徴とする再生エネルギー型発電装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公表番号】特表２０１３−５０１８９１（Ｐ２０１３−５０１８９１Ａ）
【公表日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５２４４０７（Ｐ２０１２−５２４４０７）
【出願日】平成２３年５月３０日（２０１１．５．３０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２０１１／００３００５
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／１４８６５４
【国際公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月３０日（２０１１．５．３０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２０１１／００３００５
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／１４８６５４
【国際公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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