JP2008274965A - パイロンの振動の監視 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性の高い有効な振動の監視を実行することができる風力発電装置及びその制御方法を提供する。
【解決手段】風力発電装置には、パイロンの振動を検出するための手段が設けられている。パイロンの振動を検出するための手段は、安息位置からのパイロンの上部におけるパイロンの絶対的な偏移及び／又は振動の行程を検出する。パイロンの振動を検出するための手段によって求められた値が制御装置内で処理される。とくに、パイロンの絶対的な偏移及び／又は振動が、予め決定可能な第１限界値を超えたときには、風力発電装置又はその部品の運転管理が変更されるように処理される。２つの振動行程が、実質的に水平な面内で少なくとも２つの異なる方向において検出されるようになっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、パイロン（pylon）の加速度を検出するようにした、風力発電装置（wind power installation）の運転管理のための制御装置を有する風力発電装置の制御方法に関するものである。本発明は、さらに、パイロンと、風力発電装置の運転管理のための制御装置と、パイロンの加速度を検出するための装置とを備えた風力発電装置に関するものである。

水平軸タイプの風力発電装置のパイロンの頂部には、発電機と、全体のドライブトレーンと、ロータとが、すなわち風からエネルギを取り出して電気エネルギに変換する風力発電装置の全ての可動部分が配置されている。

この変換は、風によって回転させられるロータによって実行され、この回転運動により１つ又は複数の発電機に伝達される。したがって、回転速度は、一方では風に依存し、他方では風力発電装置の空気力学特性に依存する。

したがって、上記の説明から、パイロンは、ロータ、ドライブトレーン及び発電機（及びポッド）を支持するだけでなく、さらに運転中に、それに作用する負荷に確実に耐えなければならない。さらに、たとえ風力発電装置がすでに運転を停止していても、パイロンは高速の風に耐えなければならない。

特許文献１及びこれに対応する特許文献２は、パイロン上に運動測定装置が配置された風力発電装置を開示している。この運動測定装置は、パイロンの頂部が運転中にどのように動いているかに応じて、運動信号を生成する。

特許文献３は、測定パラメータの検出手段を有する風力発電装置のための調整システムを開示している。これらの測定パラメータは、現在のタービンの負荷及び／又は応力の直接又は間接的な定量化を可能にする。これらは位置及び天候に依存する。そして、最適化された風力発電装置に必要とされる電力の低下が経済的に最適な値に限定されるのを可能にする、下流側に接続された電子信号処理装置を備えている。これは、名目上の風速の範囲内で高い風速での現在の運転条件に対応する。

特許文献４は、パイロンの固有振動数に依存する、沖合いの風力発電装置の運転管理を開示している。ここで、風力発電装置及び／又は風力発電装置の部品のそれぞれの臨界固有振動数が最初に決定される。そして、この後、風力発電装置全体及び／又は風力発電装置の個々の部品の励起がそれらの臨界固有振動数の範囲内で生じるロータの回転速度の範囲が決定される。その結果、風力発電装置は、臨界回転速度範囲より下又は上で運転され臨界回転速度の範囲を迅速に通過する。
独国特許出願公開第３３０８５６６号明細書 米国特許出願公開第４４３５６４７号明細書 独国特許出願公開第１００１１３９３号明細書 独国特許出願公開第１００１６９１２号明細書

したがって、これに応じてパイロンが設計されなければならない任意の負荷条件は、これらの負荷から導き出される。このような負荷は寸法負荷と呼ばれ、パイロンの寸法を決定する。また、この寸法の決定手順は、パイロンの振動特性と、その固有振動数（基本振動数及びその調和）などを提供する。

ここで、風力発電装置に対して、それらが考慮しなければならない一連の規則が存在する。それはまた、ベルリンの「構造技術のためのドイツ協会（ＤＩＢｐ）」によって発行された「風力発電装置のための命令」を含んでいる。この命令は、とくにパイロンの運転時の振動の監視に関する規則を規定している。したがって、ロータの励起振動数がパイロンの固有振動数の＋／−５％のバンド幅内である運転領域においては、運転時の振動の監視を行わない永久的な運転は許されない。

したがって、本発明の目的は、風力発電装置の上記の運転の振動数範囲を広げるために、信頼性の高い有効な振動の監視を実行することができる、この明細書の最初の部分に記載された種類の風力発電装置及びその制御方法を改善することである。

本発明によれば、上記の目的は、請求項１に記載された方法と、請求項１１に記載された特徴を有する風力発電装置とによって達成される。有利な発展形は、従属の請求項に記載されている。本発明は、―この技術分野におけるのと同様に―振動の周波数を検出するだけでなく、とくに振動の振幅も検出する、すなわち振動の行程（travel）を求めるといったアプローチに基づいている。最後に、風力発電装置はまた、振動の振幅が、所定の限界位置を超えない限り、臨界振動数の範囲内で運転されることができる。

本発明は、パイロンの全ての非強制振動に関しては、パイロンの第１の固有振動数での振動が最大の振幅を含み、このためパイロンに対する最大の負荷を表すという理解に基づいている。第１の固有振動数の調和振動（harmonics）を伴った振動は、常に小さい振幅のものである。しかしながら、振動の行程を求めるのには影響を及ぼすものの、明らかに振幅は小さい、パイロンの第１の固有振動数の調和振動を伴った加速度の成分は、第１の固有振動数に基づいて計算に組み込まれ、したがって過大評価される。

これは、振動行程が実質的に負荷に比例し、振動行程から導き出される負荷が実際に作用する負荷よりも高いということを意味する。したがって、負荷は過小評価されるのではなく過大評価される。それゆえ、負荷の検出は、安全性のレベルを高める結果となる。

ロータの面に平行であり、したがって強制される振動の場合は、振動の周波数はパイロンの第１の固有振動数よりかなり小さくすることができる。この場合、パイロンの第１の固有振動数に基づいて負荷を求めることは、確実に振動行程の過小評価を生じさせる結果となる。このような過小評価を避けるために、振動周波数は運転継続中に監視され、もし必要であれば、修正値で振動行程を求めるために用いられる。

第１限界値を超え、したがって第１の負荷を超える振動行程が求められたときに、危険な状態が認識され、制御装置がこれに反応する。もし振動行程についての第２限界値を予め決定可能な期間内に超えたときには、同様に危険な状態が認識される。このような危険な状態を高い信頼性で除去するために、装置は停止されることができる。

さらに、本発明の目的は、検出された加速度レベルから振動行程を求めるための装置を備えていることを特徴とする、請求項１０の特徴部分に記載された風力発電装置によって達成される。この求められた振動行程は、この後、本発明にかかる方法にしたがって処理され又は評価される。

本発明の好ましい発展形においては、風力発電装置は、パイロンの加速度のレベルを検出するための装置を監視するための装置を含んでいる。このようにして、振動監視の部分における故障を検出することが可能となり、故障を除去し風力発電装置を停止させるために、測定を初期化して振動が無制御に生じないことを可能にする。

本発明のさらに有利な実施態様は、従属の請求項に記載されている。

以下、本発明の実施の形態が、添付の図面を参照しつつ詳細に説明される。
図１に記載された平面図は、そこからロータブレード１２が横向きに伸びているポッド１０（pod）を示している。このポッドは、パイロン１６の頂部に配置されている。ポッド１０の内部には、２つの加速度センサを備えた測定装置１４が配置されている。これらの加速度センサは、水平面内で方向付けられ、互いに直角となるように配置されている。このような配置により、対応する方向におけるパイロンの振動を検出することが可能となる。すなわち、一方はロータブレードの面に実質的に平行であり、他方はロータブレードの面に垂直である。

例えば、風の負荷により励起されるパイロン１６の固有振動数における振動は、常にロータの面に対して垂直な振動である。これらは、適切に方向付けられた加速度センサ１４によって検出される。例えばロータのアンバランスに起因して生じる強制された振動は、ロータの面に対して実質的に平行に生じる振動である。それらは、第２の加速度センサ１４によって検出される。この場合、このような強制された振動は、いずれにせよパイロン１６の第１の固有振動数又はその調和振動数で生じることはない。それらは、パイロン１６に強制的に負荷され、直ちに停止することが要求されるほどの高い振幅に達する。

ここにおいて、ロータの面に対して垂直な振動行程の監視もまた、ロータブレードの入射角（angle of incidence）の制御を監視することを可能にする。ロータブレードの入射角の制御が満足に行われているときにはパイロンの振動特性は、制御が適切に行われていないときの振動特性とはかなり異なる。したがって、ロータブレードの入射角の制御が満足に行われていないときには、運転停止の結果を招く振動も生じる。

求められた振動のデータはまた、風向のデータにもリンクされることができる。その結果、所定の風向が含まれるときには、その他の風向が生じるときに比べて、より大きい振動行程が生じるかどうかについての関係を求めることも可能となる。最後に、ある環境下においては、風力発電装置の周りの地形もまた、風が吹いている方向に依存して影響を与える―風速は同一である―。

図２は、風力発電装置を制御するための本発明にかかる方法に含まれる手順を示すフローチャートである。この手順は、ステップ２０で始まる。次のステップ２２は、加速度センサ１０、１４によるパイロンの振動の検出を含む。振動の検出は、２０秒の時間間隔で実施される。この場合、全ての加速度が２０秒内に累積（cumulate）される。この時間間隔が終了した後、ハブの高さでの振動行程Ｓ（ｅｆｆ）の有効値が、全ての加速度の合計（すなわち、２０秒の時間間隔におけるすべての加速度の有効値ａ（ｅｆｆ））とパイロンの第１の固有振動数ｆとから計算される。この後、Ｓ（eff）の値から、振動の振幅が得られる。すなわち安息位置からのパイロンの平均の偏移が得られる。

パイロンの第１に固有振動数は、一般に測定又は計算によって比較的正確に知ることができる。その結果、この値は、まず風力発電装置が新たに運転に入ったときに、振動行程の計算をするために用いられる。しかしながら、パイロンの実際の固有振動数がパイロンの剛性又は異なる種類の基礎における製造に起因する公差（tolerance）に依存して理論からはずれるので、計算に用いられるパイロンの固有振動数は、加速度センサからの信号の期間を評価することにより、パイロンの振動が生じるときに制御装置により徐々に修正される。このようにして、振動行程の測定は、風力発電装置の各条件に適応させられる。

この方法をさらに進歩させるために、検出された振動行程の評価に照らして考慮される一連の限界値も定立される。第１限界値Ｓ_ｍａｘは最大の許容振動行程を決定する。この具体例では、これを５００ｍｍとしている。第２限界値は、最小の許容振動行程Ｓ_ｍｉｎを定める。この具体例では、これを２２０ｍｍとしている。第３限界値は、運転停止の限界を決定し、常に第１限界値Ｓ_ｍａｘは明らかに超えていないものの第２限界値Ｓ_ｍｉｎは超えているときに運転停止させる基準として用いられる。この第３限界値は、Ｓ_{ｇｒｅｎｚ}として識別され、その無単位の数値は、例えば１６１２８００である。

ここで、図２に示すフローチャートのステップ２３は、求められた確定された振動行程が第１限界値Ｓｍａｘを超えるかどうかのチェックを含む。もしそれがステップ２９のケースであれば、風力発電装置は直ちに停止され、手順は停止される。

もしステップ２３におけるチェック動作が、振動行程は第１限界値Ｓ_ｍａｘを超えていないことを示していれば、フローチャートのステップ２４は、全振動行程の平方の総計の形成を含む。そうするために、前記の時間間隔で検出された振動行程Ｓは、２乗され第２限界値Ｓ_ｍｉｎの平方すなわちＳ_ｍｉｎ ^２はそれから減算される。その結果として得られる差は、前の時間間隔内ですでに求められた総計に加算される。

もし８つの測定間隔にわたって測定された振動行程が最大許容振動行程Ｓ_ｍａｘと等しければ、最も早く風力発電装置の運転停止が生じる。最小の振動行程と最大の振動行程の間である振動行程は、平方の総計の形成と振動行程の振幅の依存性とに起因して、運転停止の時間の過大な現象を生じさせる結果となる。もしこの値が最小の振動行程（第２限界値Ｓ_ｍｉｎ）より低くなれば、振動行程の平方の総計は低下する。ここで、もし上記平方の総計が第３限界値Ｓ_{ｇｒｅｎｚ}に達するか又はこれを超えれば、風力発電装置は再び停止される。

風力発電装置を直ちに停止させるのではなく、第１限界値Ｓ_ｍａｘがこの後直ちに低下するように操作されることが可能であるようにしてもよい。そうするために、例えばロータブレードの調整を行ったり、風からポッドを反転させることも可能である（格納する）。１つの測定はまた、ロータブレードの速度を増加させ、その結果風力発電装置は、その固有振動数の臨界範囲を通過する。

この出願は、とくに振動行程（振動の振幅）を求めるための加速センサの使用に関連する。振動行程（振幅）を求めるためのその他の装置を用いることも可能である。もし必要であれば、当業者は、それぞれの使用に適した装置を用いるであろう。通常は非常に高価なものとなるが、加速度センサに代えて、そして加速度センサによる振動行程を求めることに代えて光学的な測定を行うことも可能である。

加速度測定装置に代えて、風力発電装置のパイロンの基部に抵抗ひずみゲージにより、ある環境下においてはパイロンの振動を求めることも可能である。そうするために、パイロンの基部領域に、互いにほぼ９０°に配置された少なくとも２つの抵抗ひずみゲージが取り付けられる。このような抵抗ひずみゲージは、伸びを検出することができるだけでなく材料の圧縮も検出することができる。ここにおいて、パイロンの振動の振幅が大きければ大きいほど、風力発電装置の主たる風向に好ましく方向付けられた抵抗ひずみゲージの領域内における対応する伸び／圧縮も大きくなる。このような抵抗ひずみゲージは、パイロンの基部領域におけるパイロンへの負荷を測定するのに用いることができるだけでなく、パイロンの頂部又はポッドの領域におけるパイロンの偏移の大きさを導き出すこともできる。これは、パイロンの基部領域における負荷も、パイロンの頂部の偏移の運動の各振幅に依存して増加するからである。上記の抵抗ひずみゲージ（又はパイロンへの負荷を検出するその他のセンサ）はまた、パイロンのその他の領域、例えばパイロンの中間の高さの位置にも配置することができるということが理解されるであろう。

２つの加速度センサを備えたポッドの平面図である。 本発明の第１の実施の形態における制御処理のフローチャートである。

符号の説明

１０ ポッド
１２ ロータブレード
１４ 測定装置
１６ パイロン

Claims (13)

1. パイロンと、風力発電装置又はその部品の運転管理のための制御装置とを備えた風力発電装置を制御する方法であって、
   実質的に水平な面内における風力発電装置のパイロンに関する少なくとも２つの異なる方向についてのパイロンの振動を検出する手段により、パイロンの固有振動数と、予め決定可能な期間において加速度測定装置によって検出されるパイロンの各加速度の合計とに基づいて、パイロン上部における上記各異なる方向についてのパイロンの安息位置からのパイロンの平均の振動の振幅の値を求めるステップと、
   ロータ面と平行な強制振動がある場合は、パイロンの固有振動数の修正値でもって振動の振幅を求めるステップと、
   パイロンの振動を検出する上記手段によって求められた上記値を処理するステップと、
   実質的に水平な面内における上記少なくとも２つの異なる方向のうちの２つの方向についてそれぞれ平均の振動の振幅が検出され、パイロンの上記２つの平均の振動の振幅のうちの１つが予め決定可能な第１限界値を超えたときには風力発電装置又はその部品の運転管理を変更するステップとを含む方法。
2. パイロンの第１の固有振動数を、上記振動の振幅を求めるために用いる、請求項１に記載の方法。
3. 風力発電装置又はその部品の運転管理を変更する上記ステップが、
   検出された平均の振動の振幅が予め決定可能な上記第１限界値を超えたときに、風力発電装置を直ちに停止させるステップを含む、請求項１又は２に記載の方法。
4. 風力発電装置又はその部品の運転管理を変更する上記ステップが、
   予め決定可能な期間内における平均の振動の振幅の有効値が、予め決定可能な第２限界値を超えたときに、風力発電装置を直ちに停止させるステップを含む、請求項１〜３のいずれか１つに記載の方法。
5. 平均の振動の振幅を予め決定可能な期間中に求める、請求項１〜４のいずれか１つに記載の方法。
6. パイロンと、風力発電装置又はその部品の運転管理のための制御装置とを備えている風力発電装置であって、
   実質的に水平な面内における風力発電装置のパイロンに関する少なくとも２つの異なる方向についてのパイロンの振動を検出する測定装置であって、パイロン上部における上記異なる方向についてのパイロンの安息位置からのパイロンの平均の振動の振幅の値を加速度測定装置により求めるようになっている測定装置を備えていて、
   上記制御装置は、
   予め決定可能な期間において上記加速度測定装置によって検出されるパイロンの各加速度の合計に基づいて上記の求められた値を処理するとともに、ロータ面と平行な強制振動がある場合はパイロンの固有振動数の値を修正し、
   かつ、実質的に水平な面内における上記少なくとも２つの異なる方向のうちの２つの方向についてそれぞれ平均の振動の振幅が検出され、パイロンの上記２つの平均の振動の振幅のうちの１つが予め決定可能な第１限界値を超えたときには風力発電装置又はその部品の運転管理を変更するようになっている風力発電装置。
7. パイロンの第１の固有振動数が、上記振動の振幅を求めるために用いられる、請求項６に記載の風力発電装置。
8. パイロンの加速度を検出する装置を監視する装置をさらに備えている、請求項６又は７に記載の風力発電装置。
9. パイロンの加速度を検出する上記装置が、水平方向を向く第１及び第２の加速度センサを備えていて、
   第１の加速度センサは、水平面内において第２の加速度センサと垂直な方向を向くように配置されている、請求項６に記載の風力発電装置。
10. パイロンの加速度を検出する上記装置が、水平方向を向く第１及び第２の加速度センサを備えていて、
    第１の加速度センサは、風力発電装置のロータ面と実質的に平行な面内に配置され、第２の加速度センサは、上記ロータ面と実質的に垂直な面内に配置されている、請求項６に記載の風力発電装置。
11. 上記制御装置が、検出された平均の振動の振幅が予め決定可能な上記第１限界値を超えたときに、風力発電装置の運転を直ちに停止させるようになっている、請求項６〜１０のいずれか１つに記載の方法。
12. 平均の振動の振幅の有効値が、予め決定可能な期間内において予め決定可能な第２限界値を超えたときに、上記制御装置が風力発電装置の運転を直ちに停止させるようになっている、請求項６〜１０のいずれか１つに記載の風力発電装置。
13. 上記期間が平均の振動の振幅の有効値の規模に依存する、請求項１２に記載の風力発電装置。

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