JP2003530518A - 海上発電プラントのタワー固有振動数依存管理 - Google Patents

海上発電プラントのタワー固有振動数依存管理

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Abstract

(57)【要約】 ロータ速度調整デバイスを備える風力発電プラントの運転方法は、対応するステップとして、プラント及び又はプラント部品の臨界固有振動数を、その都度、決定するステップと、プラント全体及び又は個々のプラント部品の励振がその臨界固有振動数の範囲で存在するように、ロータの速度範囲を決定するステップと、前記臨界速度範囲の迅速な通過を行いつつ、風力発電プラントを臨界速度範囲より上又は下でのみ運転するステップとを含む。

Description

【発明の詳細な説明】 【従来技術】
【０００１】 風力発電プラントは、現在のところ、主に陸地に設置されており、様々な強度
の基礎地盤に建設される。地盤が十分な支持力を有する場合は、コンクリートの
基礎が、静的及び動的要件に適する。表面エリアが不十分な支持力を有する場合
は、風力発電プラントの負荷を地盤に導入するために、パイルが、基底耐力層に
導入される。タワー及び基礎の構造的寸法決定に関する設計基準は、最も低いタ
ワー固有曲げ振動数である。
【０００２】 ロータの励振振動数は、プラントの動作において、前述のタワー固有振動数か
らの特定の間隔を常に有する必要があり、これは、そうでない場合、構造的負荷
の動的な片勾配が存在し、これが構成要素の早期疲れ破壊につながるためである
。励振振動数は、ロータの速度及びそのブレードの倍数となる。共振の結果であ
るこうした動的な片勾配は、風力発電プラントの荷重伝達構成要素で意図される
数学的な耐用年数を達成するために、回避する必要がある。したがって、陸地支
持プラントのタワー及び基盤の構造的寸法決定を通じて、初期タワー固有振動数
は、従来、あらゆる動作条件下において励振振動数がタワー固有振動数から十分
な間隔を空けていなければならないという形で解釈される。
【０００３】 必要な固有振動数の数学的解釈においては、周囲の地盤の特性を考慮に入れる
必要がある。こうした地盤特性は、基盤固定の剛性に影響を与えるため、固有振
動数にも影響する。陸地支持プラントの場合、第一近似において、基盤の固定剛
性における経時的な変化は存在しない。したがって、プラントの固有振動数も、
耐用年数に渡って、ほぼ一定のままである。
【０００４】 海底の一本以上のパイルによって固定される海上プラントでは、状況が異なる
。基盤構造の周りでの流れの変化、潮流、或いは強い波の動きの結果として、パ
イルは、多かれ少なかれ洗い出される。 この現象は、浸食として知られており、パイルの固定剛性の変化という結果を
生み、そのため、タワーの固有振動数も変化する。加えて、プラントの力学も、
パイルを囲む海底の変化につながり、そのため、固有振動数の変化につながる。 更に、海上風力発電地帯において、地盤条件は、各プラントの場所によって異
なる。コストの理由から、基盤部分が同じ構造を有すると、固定剛性、及びした
がって固有振動数は、各プラントで異なることになる。こうした変化及び格差は
、事前に計算することが不可能であり、恣意的な性質のものであり、各プラント
で異なり、時間と共に恒久的に変化する。その結果、可変性のある振動数により
、プラントは、片勾配のある動作強度荷重に晒され、故障が早期に発生する可能
性がある。
【本発明の課題】
【０００５】 本発明の問題は、可変固有振動数を有するプラントの場合においても、プラ
ントの早期故障を回避することにある。
【課題の解決手段】
【０００６】 本発明によれば、この問題は、プラント又はプラント部品の臨界固有振動数が
決定され解決される。ここで、臨界固有振動数が生じる範囲で、全体プラント又
は個々のプラント部品の励振が存在するように前記ロータの速度範囲が決定され
、風力発電プラントは前記臨界速度範囲の迅速な通過を伴う臨界速度範囲より上
又は下でのみ運転される。プラントの臨界固有振動数が常に決定され、固定強度
の変化が認識され、これに応じて、禁止共振範囲の置き換えが行われる。
【０００７】 この臨界固有振動数は、好ましくは、プラント全体の固有曲げ振動数であるが
、例えば、特定のロータブレードの固有振動数にすることもできる。 この臨界固有曲げ振動数は、好ましくは、加速センサ、歪みゲージ、又はパス
センサを使用して、恒久的に決定される。
【発明の実施形態】
【０００８】 以下、図面に基づき本発明を説明する。 図１は、海上風力発電プラントの撓みを示しており、ここで基盤浸食は存在し
ていない。 固有曲げ振動数ｆ１に達する時点では、比較的限定されたタワーの撓みのみが
存在する。浸食が開始される時（図１ｂ）、撓みは更に顕著になり、固有振動数
ｆ２は、図１ａに示したケースの固有振動数よりも低くなる。図１ｃでは、浸食
は明らかに大きくなり、固有振動数ｆ３は、図１ｂに示す状態よりも低くなり、
同様に撓みが大きくなる。
【０００９】 図２は、プラントの禁止速度範囲を、可変臨界固有振動数ｆ１及びｆ２の関数
として示している。 プラントが共振振動数の範囲内で運転されるのを回避するために、プラントの
臨界固有振動数が決定され、これは、プラントが臨界固有振動数の範囲で励振す
るロータの速度となる。風力発電プラントの運転中は、前記臨界速度範囲より上
又は下で運転することで、この速度範囲を回避し、必要であれば、臨界速度範囲
の迅速な通過を行う。
【００１０】 図３は、一定のロータ振動数に達することで誘発される動的な片勾配Hdynを、
固有振動数ｆに対する励振振動数ｆＲの比率として示している。この比率が１に
近い場合は、「禁止範囲」に到達するため、これを迅速に通過する必要がある（
動的荷重の１０％の片勾配は、耐用年数の５０％減少につながる）。 固有曲げ周波数は、加速センサ、歪みゲージ、又はパスセンサによって決定す
ることができる。これは、特に増加する浸食の関数として、経時的に変化するた
め、定期的に決定することが重要である。 臨界固有振動数は、プラント全体のものにする必要はなく、重要なプラント部
品、更に詳しくは、ロータブレードのものでも良いことは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図ａ、１ｂ、及び１ｃ：浸食がａからｃに向けて増加している海上風力発電プ
ラントを示す図である。
【図２】 励振振動数を速度の関数とし、禁止速度範囲をプラントの臨界固有振動数の関
数とした図である。
【図３】 動的片勾配をプラント固有振動数に対する励振振動数の比率の関数として表す
図である。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１４年４月２３日（２００２．４．２３）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の名称】 海上発電プラントのタワー固有振動数依存管理
【特許請求の範囲】
【発明の詳細な説明】
【従来技術】
【０００１】 風力発電プラントは、現在のところ、主に陸地に設置されており、様々な強度
の基礎地盤に建設される。地盤が十分な支持力を有する場合は、コンクリートの
基礎が、静的及び動的要件に適する。表面エリアが不十分な支持力を有する場合
は、風力発電プラントの負荷を地盤に導入するために、パイルが、基底耐力層に
導入される。タワー及び基礎部分の構造的寸法決定に関する設計基準は、最も低
いタワー固有曲げ振動数である。
【０００２】 ロータの励振振動数は、プラントの動作において、前述のタワー固有振動数か
らの特定の間隔を常に有する必要があり、これは、そうでない場合、構造的負荷
の動的な片勾配が存在し、これが構成要素の早期疲れ破壊につながるためである
。励振振動数は、ロータの速度及びそのブレードの倍数となる。共振の結果であ
るこうした動的な片勾配は、風力発電プラントの荷重伝達構成要素で意図される
数学的な耐用年数を達成するために、回避する必要がある。したがって、陸地支
持プラントのタワー及び基盤の構造的寸法決定を通じて、初期タワー固有振動数
は、従来、あらゆる動作条件下において励振振動数がタワー固有振動数から十分
な間隔を空けていなければならないという形で解釈される。
【０００３】 必要な固有振動数の数学的解釈においては、周囲の地盤の特性を考慮に入れる
必要がある。こうした地盤特性は、基盤固定の剛性に影響を与えるため、固有振
動数にも影響する。陸地支持プラントの場合、第一近似において、基盤の固定剛
性における経時的な変化は存在しない。したがって、プラントの固有振動数も、
耐用年数に渡って、ほぼ一定のままである。
【０００４】 ＥＰ ２４４ ３４１ Ａ１では、共振の発生に言及しており、これは特定の
ロータ速度に達することで生じる。この範囲は、素早く通過することによって回
避することが提案されている。
【特許文献１】 ＥＰ ２４４ ３４１ Ａ１
【０００５】 海底の一本以上のパイルによって固定される海上プラントでは、基盤構造の周
りでの流れの変化、潮流、或いは強い波の動きの結果として、パイルは、多かれ
少なかれ洗い出される。 この現象は、浸食として知られており、パイルの固定剛性の変化という結果を
生み、そのため、タワーの固有振動数も変化する。加えて、プラントの力学も、
パイルを囲む海底の変化につながり、そのため、固有振動数の変化につながる。 更に、海上風力発電地帯において、地盤条件は、各プラントの場所によって異
なる。コストの理由から、基盤部分が同じ構造を有すると、固定剛性、及びした
がって固有振動数は、各プラントで異なることになる。こうした変化及び格差は
、事前に計算することが不可能であり、恣意的な性質のものであり、各プラント
で異なり、時間と共に恒久的に変化する。その結果、可変性のある振動数により
、プラントは、片勾配のある動作強度荷重に晒され、故障が早期に発生する可能
性がある。
【本発明の課題】
【０００６】 本発明の問題は、可変固有振動数を有するプラントの場合においても、プラ
ントの早期故障を回避することにある。
【課題の解決手段】
【０００７】 本発明によれば、この問題は、単一の請求項の特徴によって解決される。プラ
ントの臨界固有振動数が常に決定され、固定強度の変化が認識され、これに応じ
て、禁止共振範囲の置き換えが行われる。
【０００８】 この臨界固有振動数は、好ましくは、プラント全体の固有曲げ振動数であるが
、例えば、特定のロータブレードの固有振動数にすることもできる。 この臨界固有曲げ振動数は、好ましくは、加速センサ、歪みゲージ、又はパス
センサを使用して、恒久的に決定される。
【発明の実施の形態】
【０００９】 以下、図面に基づき本発明を説明する。 図１は、海上風力発電プラントの撓みを示しており、ここで基盤浸食は存在し
ていない。 固有曲げ振動数ｆ１に達する時点では、比較的限定されたタワーの撓みのみが
存在する。浸食が開始される時（図１ｂ）、撓みは更に顕著になり、固有振動数
ｆ２は、図１ａに示したケースの固有振動数よりも低くなる。図１ｃでは、浸食
は明らかに大きくなり、固有振動数ｆ３は、図１ｂに示す状態よりも低くなり、
同様に撓みが大きくなる。
【００１０】 図２は、プラントの禁止速度範囲を、可変臨界固有振動数ｆ１及びｆ２の関数
として示している。 プラントが共振振動数の範囲内で運転されるのを回避するために、プラントの
臨界固有振動数が決定され、これは、プラントが臨界固有振動数の範囲で励振す
るロータの速度となる。風力発電プラントの運転中は、前記臨界速度範囲より上
又は下で運転することで、この速度範囲を回避し、必要であれば、臨界速度範囲
の迅速な通過を行う。
【００１１】 図３は、一定のロータ振動数に達することで誘発される動的な片勾配を、固有
振動数ｆに対する励振振動数ｆＲの比率として示している。この比率が１に近い
場合は、「禁止範囲」に到達するため、これを迅速に通過する必要がある（動的
荷重の１０％の片勾配は、耐用年数の５０％減少につながる）。 固有曲げ周波数は、加速センサ、歪みゲージ、又はパスセンサによって決定す
ることができる。これは、特に増加する浸食の関数として、経時的に変化するた
め、定期的に決定することが重要である。 臨界固有振動数は、プラント全体のものにする必要はなく、重要なプラント部
品、更に詳しくは、ロータブレードのものでも良いことは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１ａ、１ｂ、及び１ｃ：浸食がａからｃに向けて増加している海上風力発電
プラントを示す図である。
【図２】 励振振動数を速度の関数とし、禁止速度範囲をプラントの臨界固有振動数の関
数とした図である。
【図３】 動的片勾配をプラント固有振動数に対する励振振動数の比率の関数として表す
図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＡＥ，Ａ Ｕ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＣＡ，ＣＮ，ＥＥ，ＩＤ，ＩＬ ，ＩＮ，ＪＰ，ＫＲ，ＬＫ，ＬＴ，ＬＶ，ＭＸ，ＮＯ， ＮＺ，ＰＬ，ＲＯ，ＵＳ，ＶＮ，ＺＡ

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ロータ速度を調整するデバイスを備える風力発電プラントの
    運転方法であって、 プラント及び又はプラント部品の各臨界固有振動数ｆが決定され、プラント全
    体及び又は個々のプラント部品の励振がその臨界固有振動数の範囲で存在するよ
    うに前記ロータの速度範囲が決定され、 前記臨界速度範囲の迅速な通過を伴う臨界速度範囲より上又は下でのみ前記風力
    発電プラントが運転されることによって特徴付けられる風力発電プラントの運転
    方法。
  2. 【請求項２】 前記固有振動数の決定により、プラント管理に、禁止範囲に
    関するスライド公称値が恒久的に提供され、順次これにより、プラントでの対応
    するスピード調整が設定されることを特徴とする、請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記臨界固有振動数ｆが、プラント全体の固有曲げ振動数で
    あることを特徴とする、請求項１又は２記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記臨界固有曲げ周波数が、加速センサ、歪みゲージ、又は
    パスセンサを用いて決定されることを特徴とする、前記請求項のいずれか一項に
    記載の方法。
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