JP2019019757A - 風車、風車の出力調整方法および風車の出力制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】風車のナセル内で発生する振動によって機器が損傷するのを未然に防止する。【解決手段】風車は、ブレードの回転によって発電を行う発電機が設けられたナセルと、風車の出力を制御可能な制御部と、を有する風車において、前記ナセルに設置された１または２以上の機器の振動を測定する振動計を有し、前記制御部は、前記振動計の出力を受け、前記出力に基づく振動が閾値を超えると判定される場合、前記ブレードの回転によって生じる風車の出力を制限する制御を行う。【選択図】図１

Description

この発明は、ブレードの回転によって発電を行う風車、風車の出力調整方法および風車の出力制御プログラムに関するものである。

風力発電設備は、ブレードを風で回転させ、この回転によって発電を行っている。但し、風の流れは変化するため、適正な流体力が得られるように、風速によって回転するブレードのピッチ調整やヨー調整などを行って出力の制御を行っている。このため、ブレードが取り付けられているロータではトルクの変動などが生じる。また、このようにロータが取り付けられて発電機により発電を行うナセルでは稼働時に種々の振動が生じる。この振動は、ナセルに設置されている機器に伝わり、当該機器の損傷の原因になる。

従来の風力発電装置では、例えば特許文献１に示されるように、ロータの回転軸に直交する方向の振動成分を検出する振動センサーを設けているものがある。これは、振動センサーにより検出した振動成分の周波数と位相を解析し、振動と逆位相の変動成分の加振力を加えるものである。

特開２００７−２０５２２５号公報

しかし、特許文献１で示される構成では、複雑な制御機構になる。また、従来の風力発電設備では、振動計測装置をナセルに設置し、ナセルの振動を防止するために用いているが、個々の機器の振動について計測し、制御に用いることは行われていない。そのため、機器によっては振動を制御する限界を超えて振動が大きくなり故障が発生するという問題がある。

本発明は、上記のような従来のものの課題を解決するためになされたものであり、ナセル内の機器の振動を把握して機器の振動の大きさが閾値を超えた際に出力制限することにより、機器に加わる振動を低減する風車、風車の出力調整方法および風車の出力制御プログラムを提供することを目的とする。

本発明の風車のうち、第１の形態は、ブレードの回転によって発電を行う発電機が設けられたナセルと、風車の出力を制御可能な制御部と、を有する風車において、
前記ナセルに設置された１または２以上の機器の振動を測定する振動計を有し、
前記制御部は、前記振動計の出力を受け、前記出力に基づく振動が閾値を超えると判定される場合、前記ブレードの回転によって生じる風車の出力を制限する制御を行うことを特徴とする。

他の形態の風車の発明は、前記形態の発明において、前記振動計は、ナセルに設置された機器のうち、特定の機器における振動を測定するものであることを特徴とする。

他の形態の風車の発明は、前記形態の発明において、前記振動計は複数であり、ナセルに設置された複数の特定の機器においてそれぞれ振動を測定するものであることを特徴とする。

他の形態の風車の発明は、前記形態の発明において、前記振動計が振動を測定する機器に設置されていることを特徴とする。

他の形態の風車の発明は、前記形態の発明において、前記閾値と比較する振動が、所定時間内の振動値の最大振動値であることを特徴とする。

他の形態の風車の発明は、前記形態の発明において、前記閾値が、振動を測定する機器ごとに設定されていることを特徴とする。

他の形態の風車の発明は、前記形態の発明において、前記制御部は、前記閾値として、振動値を示す第１の閾値と、前記第１の閾値よりも大きな振動値を示す第２の閾値と、を有し、測定された振動が、第１の閾値を超え、かつ第２の閾値以下の第１閾値範囲の場合と、測定された振動が、第２の閾値を超えている第２閾値範囲の場合とで異なる内容の出力制限の制御を行うことを特徴とする。

他の形態の風車の発明は、前記形態の発明において、前記制御部は、測定された振動が第１閾値以下である通常振動範囲から第１閾値範囲になった場合は、予め設定されている出力下限値の値以上の範囲で時間をかけて風車の出力を低下させる出力制限を行い、測定された振動が、第１閾値範囲から第１の閾値以下となる通常振動範囲に戻った場合、予め設定されている最大出力値の値以下の範囲で時間をかけて風車の出力を増加させることを特徴とする。

他の形態の風車の発明は、前記形態の発明において、前記制御部は、第２閾値範囲では、風車の出力を出力下限値に低下させることを特徴とする。

他の形態の風車の発明は、前記形態の発明において、前記制御部は、第２閾値範囲から第１閾値範囲に変わった場合、予め設定されている最大出力値の値以下の範囲で時間をかけて風車の出力を増加させることを特徴とする。

他の形態の風車の発明は、前記形態の発明において、前記制御部は、風車の出力を、時間をかけて低下または増加させる場合、予め設定された所定の比率で変化させることを特徴とする。

他の形態の風車の発明は、前記形態の発明において、前記制御部は、振動が測定される複数の機器で閾値を超える振動が生じている場合、前記複数の機器の全てにおいて閾値以下の振動となるように風車の出力を制限する制御を行うことを特徴とする。

他の形態の風車の発明は、前記形態の発明において、前記制御部は、通常時には、風車の出力が予め設定された最大出力値を目標値として、目標値以下で最大の出力が得られるように風車を制御することを特徴とする。

本発明の風車の出力調整方法は、ブレードの回転によって発電を行う発電機が設けられたナセルを有する風車の出力調整方法において、
前記ナセルに設置された１または２以上の機器の振動を測定するステップと、
測定された振動に基づいて振動が閾値を超えると判定される場合、ブレードの回転によって生じる風車の出力を制限するステップと、を有することを特徴とする。

本発明の風車の出力制御プログラムは、ブレードの回転によって発電を行う発電機が設けられたナセルを有する風車の出力を制御可能な制御部で実行される風車の出力制御プログラムであって、
ナセルに設置された１または２以上の機器の振動を振動計で測定した結果を受けて、前記出力に基づく振動が閾値を超えるかを判定するステップと、
前記判定において前記振動が閾値を超える判定される場合、前記ブレードの回転によって生じる風車の出力を制限する制御を行うステップと、を有することを特徴とする。

本発明によれば、制御機構が簡素であり、ナセル内の機器に生じる振動を抑えて機器の損傷などを防ぐことができる。さらに制御機構が簡素であることから多くの風力発電設備への導入が可能である。

本発明の一実施形態における風車を示す概略図である。 同じく、制御ブロックを示す図である。 同じく、機器の振動に応じて出力調整を行う手順を示すフローチャートである。 同じく、機器の振動と第１閾値および第２閾値との比較結果に応じて出力調整を行う手順を示すフローチャートである。 同じく、振動に応じて出力を調整する際の出力変化の一例を示す図である。 同じく、振動に応じて出力を調整する際の出力変化の他例を示す図である。 同じく、実施例において、振動に応じて出力制限を実施した際に想定される振動値の変化、出力の変化、及び通常時の出力の変化を示すグラフである。 従来の風車を示す概略図である。

図１は、本発明の一実施形態である風車の概略を示す図である。
風車１は、図１に示すように、タワー２の上方にナセル３が回転可能に設置されており、ナセル３に軸止されたロータ４に複数枚のブレード５が放射状に設置されている。ナセル３内ではロータ４に発電機６が間接的または直接的に接続されている。
ロータナセル３内には、機器７が設置されている。例えば、機器としては、発電機、増速機、変圧器、電力変換装置（ＡＣ／ＤＣ）、制御機などが挙げられる。ただし、本発明としては、ナセル内の機器の数や種別が特に限定されるものではない。なお、図では、便宜上１つの機器７についてのみ図示している。

さらに、ナセル３内には、機器７の振動を測定する振動計８が設けられている。この図では、機器７に振動計８が設置された状態を示している。なお、ナセル３内に複数の機器が設けられている場合、特定の機器のみに対し振動計を設置するようにしてもよい。例えば、特に振動が大きくなる場所に設置された機器や、振動が与える影響が大きい機器を選択して振動計を設置するようにしてもよい。

振動計は、振動を測定する機器上に設置しておく、また振動を測定する機器の土台や骨組みに設置するようにしてもよい。また、振動を測定することができればよいので、設置場所が上記に限定されるものではなく、例えばレーザなどによって振動を測定できればよいので、機器に向けてレーザを照射できるようにナセル上に振動計が設置されているものであってもよい。

振動計は、機器の振動を測定して測定結果を出力できるものであればよく、その構造が特に限定されるものではない。例えば、渦電型、静電型、導電型、圧電型、レーザ型などのセンサーを用いることができる。振動計は、種々の振動周波数を測定できる他、特定の周波数において測定ができるものであってもよい。この実施形態では振動の大きさを示す振動値を得るものとする。
また、ナセル３内には、ナセル３に設置している振動計９を有しており、振動計９は、ナセル３全体の振動を測定する。

また、ナセル３内には、図２に示すように、風車の出力を制御する制御部１００を有している。制御部１００は、風車におけるヨー制御やブレードのピッチ制御を行い、通常は予め設定された最大出力値を目標値として、目標値以下でそのときの最大出力が得られるように制御機構１１０（図２示）を制御する。制御機構１１０には、ヨー制御やピッチ制御、発電機のトルク制御などを行う機構が含まれている。

制御部１００は、ＣＰＵ１０１と、プログラムや動作パラメータなどを格納した不揮発メモリや動作領域となるＲＡＭからなる記憶部１０２と、動作パラメータなどを設定、表示する設定表示部１０３とを有している。ＣＰＵ１０１は、記憶部１０２に格納されたプログラムを実行する。このプログラムには本発明の出力制御プログラムが含まれている。なお、出力制御プログラムは、制御部に格納されている他、例えば持ち運び可能な記憶媒体に格納して流通するものであってもよい。

記憶部１０２には、通常出力時の目標値となる最大出力値や出力制限を行う場合の下限出力値、振動による出力制限を行う閾値や、複数の閾値である場合には第１閾値および第２閾値、出力制限の際の出力下限時や出力制限後の出力上昇時の算出方法や所定の比率などが格納されている。
設定表示部１０３は、上記した最大出力値や下限出力値、第１閾値、第２閾値、閾値と比較する最大振動値の所定時間、出力制限の際の出力下限時や出力制限後の出力上昇時の所定の比率やその算出方法を設定することができる。

制御部１００では、通常出力時に、制御機構１１０を制御して目標値以下の範囲で最大出力が得られるように制御しているが、その制御方法は本発明としては特に限定されるものでなく、既知の方法を採用することができる。
この実施形態では、制御部１００は、ナセル３内に設けられているものとして説明したが、制御部はナセル外に設置されているものであってもよく、例えばタワー外の風車設備の管理塔などに設置されて風車の制御を行うものとしてもよい。
また、制御部は、別場所に設置され、ネットワークなどによって風車の制御機構などに接続されて風車の制御を行うものであってもよい。その場合、制御部では、複数の風車を制御するようにするものであってもよい。

次に、比較のために、従来の風車の構造を図８に基づいて説明する。
風車２０は、タワー２の上方にナセル２３が回転可能に設置され、ロータ２４に複数枚のブレード２５が設置されている。ナセル２３内ではロータ２４に発電機２６が間接的または直接的に接続されている。ナセル２３内には、機器２７が設置されており、さらにナセル２３内には、ナセル２３に設置している振動計２９を有しており、ナセル２３全体の振動を測定する。したがって、従来の風車ではナセル２３内の機器の振動を個別に測定する振動計を有していない。
ナセル２３内には、制御部２００を有しており、振動計２９の測定結果によって振動と逆位相の変動成分の加振力をナセル２３に加える図示しない機構を有している。したがって、従来の風車では、機器の振動に応じて風車の出力を制御する構成を有していない。

次に、本実施形態の風車において出力を調整する手順について図３のフローチャートに基づいて説明する。なお、以下の手順は制御部の制御によって実行される。この実施形態では、閾値として１種類の閾値が設定されている。
風車の運転開始に伴って通常出力での出力制御が行われる（ステップｓ１）。その後は、振動計から出力結果を受けて振動データの計測を行う（ステップｓ２）。

制御部では、振動計の出力結果に基づいて過去の所定時間における最大振動値を検出する（ステップｓ３）。なお、所定時間は予め設定されており、制御部１００における記憶部１０２に格納されている。ＣＰＵ１０１では記憶部１０２に格納されているデータに基づいて振動値を記憶部１０２に記憶するとともに過去の所定時間における最大振動値を逐次検出する。この実施形態では、数十秒の時間を過去の所定時間としている。なお、本発明としては、所定時間が特定の範囲に限定されるものではなく、適宜の時間を選択することができる。例えば、１０〜１００の間の時間を選択することができる。時間があまりに短いと制御が煩雑になり、動作が安定しない。また、時間が長すぎると、出力上昇が遅れ、発電出力を過度に低下させる可能性がある。

次いで、過去所定時間内の最大振動値が閾値以下かを判定する（ステップｓ４）。最大振動値が閾値以下であれば（ステップｓ４、Ｙｅｓ）、振動には問題がないため通常運転を行う（ステップｓ５）。通常運転時には、振動を監視するためステップ２に戻ってもよい。
最大振動値が閾値を超える場合（ステップｓ４、Ｎｏ）、出力制限値を算出し（ステップｓ６）、出力制限運転を行う（ステップｓ７）。その後、ステップｓ１に戻って同じ手順を繰り返す。

なお、上記実施形態では、閾値として１種類の閾値を用いるものとしたが、複数の閾値、例えば、第１閾値と第２閾値とを用いて出力制限を行うことができる。閾値はいずれも過去所定時間の間の最大振動値と対比するものであり、第２閾値は第１閾値よりも大きな値が設定されている。なお、出力制限値の算出前の手順は図３と同様にすることができ、測定振動値との対比では第１閾値を用いて対比を行う。以下に、２種類の閾値を用いた処理手順を図４のフローチャートに基づいて説明する。

出力制限開始に伴って振動値を計測し（ステップｓ１０）、過去所定時間での測定最大振動値が第２閾値以下であるかを判定する（ステップｓ１１）。第２閾値以下でない場合、すなわち第２閾値を超えている場合（ステップｓ１１、Ｎｏ）、第２閾値範囲にあり、予め定められた下限出力値に調整し（ステップｓ１７）、ステップｓ１１に戻る。この際に、振動数の測定は続けられている。

ステップｓ１１で測定最大振動値が第２閾値以下である場合（ステップｓ１１、Ｙｅｓ）、所定比率による出力調整を行う（ステップｓ１２）。通常出力から第１閾値を超えた第１閾値範囲になった場合、出力を低下させるものとしている。一方、出力制限中である場合、第１閾値範囲にあるときは、出力制限値を継続するか、さらに、出力を低下させる、または増加させるようにしてもよい。

次いで、測定最大振動値が第１閾値以下であるかを判定する（ステップｓ１３）。第１閾値以下でない場合、すなわち第１閾値を超えている場合（ステップｓ１３、Ｎｏ）、第１閾値範囲であるので、ステップｓ１１に戻って第２閾値との判定を続ける。
測定最大振動値が第１閾値以下である場合（ステップｓ１３、Ｙｅｓ）、通常振動範囲であるので、所定比率で出力を増加させて通常出力範囲を目指す（ステップｓ１４）。
その後、測定最大振動値が第１閾値以下であるかを判定する（ステップｓ１５）。第１閾値以下でない場合、すなわち第１閾値を超えている場合（ステップｓ１５、Ｎｏ）、第１閾値範囲であるので、ステップｓ１１に戻って第２閾値との判定を続ける。
次いで、通常出力状態であるかを判定する（ステップｓ１６）。通常出力状態でない場合（ステップｓ１６、Ｎｏ）は、所定比率による出力増加を継続する。
ステップｓ１６で通常出力である場合は、サブルーチンから復帰することができる。

この実施形態では、特定の機器に設置した振動計測装置は特定の機器を対象とした振動を計測する装置として作用し、閾値を２つ設けて、一つ目の第１閾値を超えた場合に出力制限運転となる。出力制限時は通常運転時に比べて振動が低減することから、本制御により振動を低減する。それによって特定の機器の振動が原因と考えられる故障を低減させることができる。出力制限値は振動の大きさに連動して増減させる。また、二つ目の第２閾値を越えた場合には出力制限値を一定として運転を実施することにより、発電量の減少量を減らすことができる。

なお、上記所定比率は、直線的は変化や、指数関数的な変化、対数的な変化などの曲線的な変化とすることができる。本発明としては、上記変化は特に限定されるものではなく、適宜の関数変化によって出力が変化するものであってもよい。本発明としては時間をかけた変化の方法は特に限定されるものではなく適宜の方法を選択することができる。

図５は、通常範囲では、出力上限値を目標として出力制御を行い、振動が第１閾値を超えると出力を振動に対し直線的に低下させている状態を示している。第２閾値を超えた第２閾値範囲では、その振動の大きさに拘わらず、直ちに下限出力値に制限している。
図６は、通常範囲では、出力上限値を目標として出力制御を行い、振動が第１閾値を超えると出力を振動に対し指数関数的に低下させている状態を示している。第２閾値を超えた第２閾値範囲では、その振動の大きさに拘わらず、直ちに下限出力値に制限している。

本実施形態によれば、個々の機器に振動計測装置を設置し、振動が増加した際に出力制限を行うことにより振動を低減させ、機器の故障頻度を低下させることができる。また、振動の大きさに対応した出力制限運転とすることにより、出力制限運転による発電量の減少量を少なくする効果が得られる。

また、振動計測装置が設置される機器が複数の場合には、出力が最も低くなるような出力制限値を選ぶことによりすべての機器において振動値を低下させることができる。

次に、１つの風車において特定の機器の振動を測定しつつ振動に応じて出力調整を行った場合に、振動値の変化と出力の変化とを想定したグラフを図７に示した。
出力調整を行うことで、第２閾値を超えるような振動値は出力調整によって早期に振動を抑えており、また、第１閾値範囲にある場合には、出力制限を抑えた上で振動を抑えることが可能になっている。
この例では、振動が閾値を超えると出力制限となり、出力制限は過去数十秒間内の最大振動値に連動して変化する。

以上、本発明について上記実施形態に基づいて説明を行ったが、本発明の範囲が上記説明の内容に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りは本実施形態に対する適宜の変更が可能である。

１ 風車
２ タワー
３ ナセル
４ ロータ
５ ブレード
６ 発電機
７ 機器
８ 振動計
９ 振動計
１００ 制御部
１０１ ＣＰＵ
１０２ 記憶部
１０３ 設定表示部

Claims (15)

1. ブレードの回転によって発電を行う発電機が設けられたナセルと、風車の出力を制御可能な制御部と、を有する風車において、
   前記ナセルに設置された１または２以上の機器の振動を測定する振動計を有し、
   前記制御部は、前記振動計の出力を受け、前記出力に基づく振動が閾値を超えると判定される場合、前記ブレードの回転によって生じる風車の出力を制限する制御を行うことを特徴とする風車。
2. 前記振動計は、ナセルに設置された機器のうち、特定の機器における振動を測定するものであることを特徴とする請求項１記載の風車。
3. 前記振動計は複数であり、ナセルに設置された複数の特定の機器においてそれぞれ振動を測定するものであることを特徴とする請求項２記載の風車。
4. 前記振動計が振動を測定する機器に設置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の風車。
5. 前記閾値と比較する振動が、所定時間内の振動値の最大振動値であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の風車。
6. 前記閾値が、振動を測定する機器ごとに設定されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の風車。
7. 前記制御部は、前記閾値として、振動値を示す第１の閾値と、前記第１の閾値よりも大きな振動値を示す第２の閾値と、を有し、測定された振動が、第１の閾値を超え、かつ第２の閾値以下の第１閾値範囲の場合と、測定された振動が、第２の閾値を超えている第２閾値範囲の場合とで異なる内容の出力制限の制御を行うことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の風車。
8. 前記制御部は、測定された振動が第１閾値以下である通常振動範囲から第１閾値範囲になった場合は、予め設定されている出力下限値の値以上の範囲で時間をかけて風車の出力を低下させる出力制限を行い、測定された振動が、第１閾値範囲から第１の閾値以下となる通常振動範囲に戻った場合、予め設定されている最大出力値の値以下の範囲で時間をかけて風車の出力を増加させることを特徴とする請求項７記載の風車。
9. 前記制御部は、第２閾値範囲では、風車の出力を出力下限値に低下させることを特徴とする請求項７または８に記載の風車。
10. 前記制御部は、第２閾値範囲から第１閾値範囲に変わった場合、予め設定されている最大出力値の値以下の範囲で時間をかけて風車の出力を増加させることを特徴とする請求項９記載の風車。
11. 前記制御部は、風車の出力を、時間をかけて低下または増加させる場合、予め設定された所定の比率で変化させることを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項に記載の風車。
12. 前記制御部は、振動が測定される複数の機器で閾値を超える振動が生じている場合、前記複数の機器の全てにおいて閾値以下の振動となるように風車の出力を制限する制御を行うことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の風車。
13. 前記制御部は、通常時には、風車の出力が予め設定された最大出力値を目標値として、目標値以下で最大の出力が得られるように風車を制御することを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の風車。
14. ブレードの回転によって発電を行う発電機が設けられたナセルを有する風車の出力調整方法において、
    前記ナセルに設置された１または２以上の機器の振動を測定するステップと、
    測定された振動に基づいて振動が閾値を超えると判定される場合、ブレードの回転によって生じる風車の出力を制限するステップと、を有することを特徴とする風車の出力調整方法。
15. ブレードの回転によって発電を行う発電機が設けられたナセルを有する風車の出力を制御可能な制御部で実行される風車の出力制御プログラムであって、
    ナセルに設置された１または２以上の機器の振動を振動計で測定した結果を受けて、前記出力に基づく振動が閾値を超えるかを判定するステップと、
    前記判定において前記振動が閾値を超える判定される場合、前記ブレードの回転によって生じる風車の出力を制限する制御を行うステップと、を有することを特徴とする風車の出力制御プログラム。

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