JP2021038729A - 風力発電システム及び風力発電システムの診断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
風力発電システムの運転を継続しながらブレードの劣化状態を診断する手法を提供する
【解決手段】
ロータ４のブレード２は制御装置１１によりピッチ角度が制御される。制御装置１１は、特定の時点である第一時点において最大の発電効率になるピッチ角度である第一ピッチ角度を算出する。発電機６が発電している状態でブレード２のピッチ角度を制御し、前記第一時点以降の時点である第二時点以降において、前記第一ピッチ角度でロータ４を回転させたときの発電効率である第一発電効率と、前記第一ピッチ角度とは異なるピッチ角度である第二ピッチ角度でロータ４を回転させたときの発電効率である第二発電効率とを算出する。前記第二発電効率が前記第一発電効率よりも高い場合には、ブレード２が劣化していると診断する。
【選択図】 図１０

Description

本発明は、風力発電システムに係り、特に、ブレードの劣化状態を診断する風力発電システム及び風力発電システムの診断方法に関する。

近年、二酸化炭素の排出量増加による地球温暖化や、化石燃料の枯渇によるエネルギー不足が問題視されている。そこで、二酸化炭素の排出量を低減し、化石燃料を使用しない発電システムとして、風力や太陽光などの自然から得られる再生可能エネルギーを利用した発電システムの導入が注目を浴びている。

再生可能エネルギーを利用した発電システムの中では、太陽光発電システムが一般的であるが、日射によって出力が変化するため、出力変動が大きく、夜間は発電できない。それに対し、風力発電システムは、風速や風向などの風況が安定した場所を選んで設置することで、昼夜を問わず比較的安定な発電が可能である。従って、風力発電システムの導入量が増加しており、近年では、運転開始後、長期間経過した風力発電システムが増加している。これらの風力発電システムでは、ブレードの経年劣化が進行している可能性が高い。特に、風力発電システムにおけるブレードは、風力エネルギーから回転エネルギーへの変換効率を決定するため、風力発電システムの発電量に直結する重要な部品である。

風力発電システムの状態を診断する方法として、例えば特許文献1がある。特許文献１では、風力発電システムの状態を監視する状態監視装置を備えている。状態監視装置には、風力発電装置の構造モデル、ブレード空力モデル及び／又はブレード質量分布及び／又はタワー形状データを格納する設計情報データベースと、制御用センサからの計測データと、ブレード空力モデル及び／又はブレード質量分布及び／又はタワー形状データに基づき風力発電システムに加わる外力を推定する外力推定部と、外力推定部により推定された外力及び風力発電システムの構造モデルに基づき風力発電システムの変形量を推定する変形量推定部と、変形量推定部により推定された変形量に基づき風力発電システムの構造健全性に関する指標を求める評価部と、が備えられている。

ＷＯ２０１８／０４７５６４

特許文献1に記載の技術においては、風力発電システムの制御用センサを用いる簡便な装置構成で、風力発電システムに加わる疲労荷重を物理モデルによって推定し、風力発電システムの構造健全性を評価することが可能である。

しかしながら、特許文献１に記載のような物理モデルによる解析評価では、風力発電システムの構造モデルや、ブレードの空力モデル、タワー形状データなどの詳細な設計データが必要であり、実機の運転特性との間で解析誤差を生じる可能性があった。

本発明の目的は、上記課題を解決し、実運転データを活用し、かつ、風力発電システムの運転を継続しながらブレードの劣化状態を診断する手法を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、風を受けて回転するロータと、前記ロータの回転力を受けて発電する発電機と、前記ロータを回転可能に保持し前記発電機を格納するナセルと、前記ナセルを支持するタワーと、前記ロータを制御する制御装置と、を備え、前記ロータは、風を受けるブレードと、前記ブレードのピッチ角度を変更可能に保持するハブとを備え、前記ブレードは前記制御装置によりピッチ角度が制御される風力発電システムであって、前記制御装置は、特定の時点である第一時点において最大の発電効率になるピッチ角度である第一ピッチ角度を算出し、前記第一時点以降の時点である第二時点以降で、かつ前記発電機が発電している状態において前記ブレードを前記第一ピッチ角度に制御して前記ロータを回転させたときの発電効率である第一発電効率と、前記ブレードを前記第一ピッチ角度とは異なるピッチ角度である第二ピッチ角度に制御して前記ロータを回転させたときの発電効率である第二発電効率とを算出し、前記第一発電効率と前記第二発電効率とを比較して前記ブレードの劣化を診断することを特徴とする。

本発明によれば、実運転データを活用し、かつ、風力発電システムの運転を継続しながらブレードの劣化状態を診断する手法を提供することができる。

風力発電システムの全体概略構成図である。 風力発電システムの制御装置に実装される可変速制御装置のブロック線図である。 風力発電システムの風速に対する発電電力、発電機の回転速度、発電機トルクおよびピッチ角度の関係を示す図である。 ピッチ角度に対する発電効率の運転特性を示す図である。 ブレード断面の翼素に流入する相対風速に対する迎角と、ピッチ角度、初期ねじれ角の関係を示す図である。 ある翼型における空力特性を示す図である。 図６に示した翼型の空力特性に対して、劣化後に得られる翼型の空力特性の一例を示す図である。 ブレードの劣化による発電効率の特性変化を示す図である。 第１実施例に係るブレードの劣化状態を診断するためのフローチャートである。 第１実施例に係るブレードの劣化前後におけるピッチ角度と発電効率の関係を示す図である。 第２実施例に係るブレードの劣化状態を診断するためのフローチャートである。 第３実施例に係るブレードの劣化状態を診断するためのフローチャートである。 第３実施例に係るブレードの劣化前後におけるピッチ角度と荷重の関係を示す図である。 第４実施例に係るブレードの劣化状態を診断するためのフローチャートである。

以下、本発明の実施例について添付の図面を参照しつつ説明する。同様の構成要素には同様の符号を付し、同様の説明は繰り返さない。

本発明の各種の構成要素は必ずしも個々に独立した存在である必要はなく、一の構成要素が複数の部材から成ること、複数の構成要素が一の部材から成ること、或る構成要素が別の構成要素の一部であること、或る構成要素の一部と他の構成要素の一部とが重複すること、などを許容する。

第１実施例が適用される風力発電システムについて、図１を用いて説明する。図１は、風力発電システムの全体概略構成図である。

図１において、風力発電システム１は、風を受ける複数のブレード２と、複数のブレード２を接続するハブ３とで、構成されるロータ４を備える。ロータ４はナセル５に回転軸（図示せず）を介して連結されており、回転することでブレード２の位置を変更することができる。ナセル５はロータ４を回転可能に支持している。ブレード２が風を受けることによりロータ４が回転し、ロータ４の回転力がナセル５に格納された発電機６を回転させることで電力を発生する。なお、ナセル５上には風向や風速を計測する風向風速センサ７が備えられている。

個々のブレード２には、風に対するブレード２の角度（ピッチ角度）を調整可能なピッチ角度駆動装置８が備えられている。ピッチ角度駆動装置８を用いて、ピッチ角度を変更することでブレード２の受ける風力（風量）が調整され、風に対するロータ４の回転エネルギーを変更することができる。これによって、広い風速領域において回転速度および発電電力を制御することが可能となっている。

風力発電システム１において、ナセル５はタワー９上に設置されており、タワー９に対して回転可能な機構（図示せず）を備えている。タワー９は、ハブ３やナセル５を介してブレード２の荷重を支持するようになっており、地上、洋上、浮体の所定位置に設置された基部（図示せず）に固定されている。

発電機６は、例えばタワー９内に設置される電力変換器１０によって、発電機が発生するトルク（以下、発電機トルクと呼ぶ）が制御され、ロータ４の回転トルクを制御することができる。発電機トルクの計測値は、制御装置１１に送信される。

また、風力発電システム１は制御装置１１を備えており、発電機６の回転速度を計測する回転速度センサ１２から出力される回転速度と、発電機６の発電機トルクに基づき、制御装置１１で発電機６とピッチ角度駆動装置８を調整することで、風力発電システム１の発電電力や回転速度を調整する。

なお、制御装置１１は、例えば、制御盤またはSCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)が用いられる。また、制御装置１１は、例えば図示しないCPU(Central Processing Unit)などのプロセッサ、各種プログラムを格納するROM（Read Only Memory）、演算過程のデータを一時的に格納するRAM（Random Access Memory）、外部記憶装置などの記憶装置にて実現されると共に、CPUなどのプロセッサがROMに格納された各種プログラムを読み出し実行し、実行結果である演算結果をRAMまたは外部記憶装置に格納する。

図２に、風力発電システムの制御装置に実装される可変速制御装置のブロック線図を示す。図２に示す可変速制御装置２１は、発電機トルクの目標値と計測値の偏差、及び発電機回転速度の目標値と計測値の偏差に基づいて、フィードバック制御によりピッチ角度指令値を決定するピッチ角度制御装置２２を備える。また、発電機回転速度の目標値と計測値の偏差に基づいて、フィードバック制御により発電機トルク指令値を決定する発電機トルク制御装置２３を備える。

図３に、図２に示す制御装置１１に実装される可変速制御装置２１によって得られる風力発電システム１の特性を示す。図３は、風力発電システムの風速に対する発電電力、発電機の回転速度、発電機トルクおよびピッチ角度の関係を示す図である。

各グラフの横軸は風速を示し、右側に行くほど風速は速くなる。また、各グラフの縦軸は上方に行くほど発電電力、回転速度、発電機トルクの各値が大きくなることを示している。ピッチ角度に関しては、上方がフェザー（風を逃がす）側、下方がファイン（風を受ける）側となる。

発電は、ロータ４の回転を開始するカットイン風速Vinから回転を停止するカットアウト風速Voutの範囲で行われ、風速Vdまでは風速の増加に伴って発電電力値も増加するが、それ以上の風速では発電電力は一定となる。

制御装置１１では、カットイン風速Vinから風速Vaまでは回転速度が一定（Wlow）になるように発電機トルクを制御し、回転速度が定格回転速度Wratに達したら、定格回転速度Wratを維持するように発電機トルクおよびピッチ角度を制御する。基本的には、発電機トルクの制御は発電電力を確保するために行う。発電機トルクの制御では、風速Vbから風速Vdの範囲で、風速に応じて発電機トルクを定格発電機トルクQratになるまで変化させ、風速Vdからカットアウト風速Voutまでの範囲では、定格発電機トルクQratを保持する。また、通常、VaからVdの範囲では風速と回転速度の比である周速比が一定となるように発電機トルクを調整する。

ピッチ角度の制御では、カットイン風速Vinから風速Vcまではピッチ角度をファイン角θminに保持し、風速Vcからカットアウト風速Voutの範囲で、風速に応じてピッチ角度をファイン側θminからフェザー側θmaxまで変化させる。ただし、図３の例においては、風速Vcから風速Vdの範囲で発電機トルクとピッチ角度の制御をオーバーラップさせているが、これをVc=Vdとしてオーバーラップをなくし、発電機トルクの制御とピッチ角度の制御を独立に実行させるようにしてもよい。

第１実施例では、ピッチ角度をファイン角θminで運転する風速領域において、ピッチ角度を調整することでブレードの劣化状態を診断するものである。

図４に、ピッチ角度に対する発電効率の運転特性を示す。図４では、横軸にピッチ角度を示し、縦軸に発電効率を示している。図４に示すピッチ角度に対する発電効率の特性は、ブレードの空力特性により決定される。この理由を図５、図６を用いて説明する。

図５は、ブレード断面の翼素に流入する相対風速に対する迎角と、ピッチ角度、初期ねじれ角の関係を示す図である。また、図６は、ある翼型における空力特性を示す図である。図６では、横軸に迎角を示し、縦軸にある空力特性を示している。

図５に示すように、翼３１の回転による回転速度ωと風速Vによる周速比に応じて相対風速Wの翼３１への流入角が決定する。翼３１の回転面と翼弦長のなす角は、ピッチ角度θminとブレードの初期ねじれ角θsの和である。また、相対風速Wと翼弦長のなす角が翼の迎角α0となり、迎角α0によって翼の空力特性が変化することとなる。

図６に示すように、ある翼型が決定されると、迎角に対する空力特性の曲線が決定される。ここで示す空力特性は、例えば揚力、回転方向の力成分、揚抗比、回転方向の力成分とスラスト方向の力成分の比などである。そのため、空力特性が大きいほど、ブレードが発生する回転方向の力成分が増加するため、発電効率が大きくなる関係にあるため、発電効率はブレードの空力特性によって決定されることとなる。従って、図４〜図６で示したように、風力発電システムの運転は、予め想定しているブレードの空力特性を基に、発電効率を最大化するピッチ角度θminを決定し、制御している。

上記で述べたように、図４に示すピッチ角度に対する発電効率の曲線は、ブレードの空力特性によって決定されるため、ブレードの劣化状態によっては、発電効率の曲線が変化する。図7に図６に示した翼型の空力特性に対して、劣化後に得られる翼型の空力特性の一例を示す。

翼型の空力特性は迎角α0までのような失速領域ではない範囲において、２次元翼理論などによって、傾きが2πと導出することができる。一方で、迎角α0以降の失速領域の空力特性は、翼型を用いた風洞実験などによって導出され、翼型が同一であれば、同様の空力特性となる。しかし、ブレードの摩耗、汚れ、初期形状からの変形などの劣化により、翼表面の流体の流れ場が変化すると、傾きは理論解で求められるため2πとなるが、失速領域以降では空力特性が変化する。これに伴い、例えば迎角α1に空力特性の最大点が変化する。図７においては、一例としてα0>α1を示したがα0<α1となる場合も想定できる。

図８に、ブレードの劣化による発電効率の特性変化を示す。図８に示すように、ブレードの劣化により、空力特性が変化した場合には、図４で示した発電効率の特性が変化するため、発電効率を最大とするピッチ角度がθminから変化することになる。

以上を踏まえ、ブレードの劣化状態を診断する方法について説明する。図９は、第１実施例に係るブレードの劣化状態を診断するためのフローチャートである。以下のフローチャートの処理は制御装置１１のROMに格納されたプログラムに従ってCPUにて実行される。また、以下のフローチャートの処理は、風力発電システムの運転中、すなわち、ロータ４が回転して発電が行われている状態で行われる。本実施例は、風力発電システムの停止中（ロータ４の回転が停止して発電が行われない状態）ではなく、風力発電システムの運転中にブレードの劣化状態を診断することを特徴とするものである。

ステップＳ１００では、特定の時点である第一時点において、図４に示したように予め想定しているブレード２の第一ピッチ角度θminを算出する。

次にステップＳ１０１では、第一時点以降の時点である第二時点以降で、かつ発電機６が発電している状態においてブレード２を第一ピッチ角度θminに制御してロータ４を回転させたときの発電効率である第一発電効率を算出する。ここで、第一発電効率はある期間における最大値を算出してもよいし、平均値を算出してもよい。なお、この時の周速比も計測し、周速比に対する最大値、または、ビン平均を算出しても良い。第一ピッチ角度θminは、例えば、制御装置１１のRAMに記憶されている。また、第一時点は最大効率での運転を実施している時点が適切である。例えば図３における風速Va〜Vc区間などである。第二時点は、例えばメンテナンスのタイミングの前であってもよいし、１年や３年ごとなどの時間間隔で決定してもよい。

次にステップＳ１０２では、第一時点以降の時点である第二時点以降で、かつ発電機６が発電している状態において、ブレード２を第一ピッチ角度と異なる第二ピッチ角度に変更するよう制御する。このとき第一ピッチ角度と第二ピッチ角度をある所定期間ごとに切り替えてもよい。風況の乱れが大きい場合、ピッチ角度の変更の効果が乱れによって小さくなる可能性がある。このような場合、例えば、３０分や１時間ごとにピッチ角度を切り替えることで、風況の乱れの影響を低減することができ、ピッチ角度変更の効果を明確にすることが出来る。そして、第二ピッチ角度でロータ４を回転させた状態における発電効率を第二発電効率として算出する。第一発電効率と同様に、ある期間における最大値を算出してもよいし、平均値を算出してもよい。なお、この時の周速比も計測し、周速比に対する最大値、または、ビン平均を算出しても良い。

次にステップＳ１０３では、ステップＳ１００とステップＳ１０２で得られた第一発電効率と第二発電効率を比較し、ブレードの劣化の有無を診断する。ステップＳ１０３において、第二発電効率が第一発電効率より高い場合、ブレードが劣化していると診断する（Ｙｅｓ）。第二発電効率が第一発電効率より低い場合、ブレードの劣化は無いものと診断（Ｎｏ）し、ステップＳ１０１以降の処理を繰り返す。

第一ピッチ角度での発電効率は、ブレードの劣化が進んでいない状態において最も高い発電効率となっている。そのため、第一ピッチ角度以外のピッチ角度での発電効率は、第一ピッチ角度での発電効率よりも低くなる。ブレードの劣化が進んでおらず、ブレードの特性に変化が無ければ、長時間運転した風力発電システムにおいても上記の関係（第一ピッチ角度以外のピッチ角度での発電効率は、第一ピッチ角度での発電効率よりも低い）は変化しないはずである。もし、第二ピッチ角度における発電効率が第一ピッチ角度での発電効率よりも高い発電効率であれば、ブレードの特性が変化したこととなる。すなわち、これはブレードが劣化したと考えられる。第１実施例ではこの原理を利用してブレードの劣化の有無を判断している。

そして、第１実施例では、第一時点において最大発電効率になるブレードの第一ピッチ角度を算出し、第一時点以降の時点である第二時点以降において第一ピッチ角度での発電効率を第一発電効率として算出し、第一時点以降の時点である第二時点以降において第一ピッチ角度とは異なるピッチ角度である第二ピッチ角度での発電効率を第二発電効率とを算出し、これらを比較することにより、ブレードの劣化の有無を判断する。第一発電効率と第二発電効率の算出は、風力発電システムの運転中、すなわち、発電機が発電している状態で行われるので、ブレードの劣化の有無を判断するために風力発電システムを停止する必要がない。

図１０は、第１実施例に係るブレードの劣化前後におけるピッチ角度と発電効率の関係を示す図である。図１０に示すように、第二ピッチ角度での第二時点における第二発電効率は、第一ピッチ角度での第一時点における第一発電効率より高くなっており、ブレード２の劣化が進行し、ブレード２の特性が変化した状態であることが判る。

上記の特定の時点である第一時点及び/または第二時点は、発電量への貢献度が低く、荷重が小さくなる低風速時や風の乱れ具合を示す指標である乱流強度の低い時などとすることも可能である。

ここで、本実施例における低風速とは、ブレード２のピッチ角度がファイン角θminに固定された領域での風速、発電量が最大発電量より低い領域での風速、回転速度が定格回転数より低い領域での風速を意図している。

また、風力発電システム１が複数設置されているウィンドファームでは、風向によって、風上側風車のウェイクが風下側風車に影響を及ぼし、風下側風車の発電量が低下する条件が存在する。上記診断では、仮にブレードの劣化が進行していない状態の場合は、ピッチ角度を変更することで発電量が低下する可能性がある。そこで、特定の時点である第一時点及び/または第二時点をウェイクの発生する風向条件時に適用することで、発電量が低下することによるウェイクの影響が低減し、ウィンドファーム全体としての発電量を向上させることができる。

また、比較する発電効率としては、パワー係数であってもよいし、所定期間で得られたパワーカーブでの比較や単位時間あたりの発電量であってもよい。このときの発電効率はビン平均であっても最大値であってもよい。

以上のフローチャートに基づく診断フローにより図１０に示すように、ブレードの劣化状態をピッチ角度の変更によって診断することが出来る。

第１実施例によれば、実運転データを活用し、かつ、風力発電システムの運転を継続しながらブレードの劣化状態を診断することができる。

次に本発明の第２実施例について図１１を用いて説明する。図１１は、第２実施例に係るブレードの劣化状態を診断するためのフローチャートである。第２実施例において第１実施例と異なるところは、風力発電システム１のブレード２が複数枚存在する場合に、ブレード２を１枚ずつピッチ角度を独立に変更することによって、特定のブレードの劣化状態を診断することにある。そのための処理として、第２実施例では、ステップＳ２０１を備えるようにした。以下のフローチャートの処理は制御装置１１にて実行される。

ステップＳ２００では、特定の時点である第一時点において、予め想定しているブレード２の第一ピッチ角度θminを算出する。

次にステップＳ２０１では、第一時点以降の時点である第二時点以降で、かつ発電機６が発電している状態においてブレード２を第一ピッチ角度θminに制御してロータ４を回転させたときの発電効率である第一発電効率を算出する。ここで、第一発電効率はある期間における最大値を算出してもよいし、平均値を算出してもよい。なお、この時の周速比も計測し、周速比に対する最大値、または、ビン平均を算出しても良い。第一ピッチ角度θminは、例えば、制御装置１１のRAMに記憶されている。

次にステップＳ２０２では、第一時点以降の時点である第二時点以降で、かつ発電機６が発電している状態において、一枚のブレード２のピッチ角度が、第一ピッチ角度と異なる第二ピッチ角度に変更されるよう制御する。このとき第一ピッチ角度と第二ピッチ角度をある所定期間ごとに切り替えてもよい。風況の乱れが大きい場合、ピッチ角度の変更の効果が乱れによって小さくなる可能性がある。このような場合、例えば、３０分や１時間ごとにピッチ角度を切り替えることで、風況の乱れの影響を低減することができ、ピッチ角度変更の効果を明確にすることが出来る。そして、第二ピッチ角度でロータ４を回転させた状態における発電効率を第二発電効率として算出する。第一発電効率と同様に、ある期間における最大値を算出してもよいし、平均値を算出してもよい。なお、この時の周速比も計測し、周速比に対する最大値、または、ビン平均を算出しても良い。

次にステップＳ２０３では、ステップＳ２００とステップＳ２０２で得られた第一発電効率と第二発電効率を比較し、ブレードの劣化の有無を診断する。ステップＳ２０３において、第二発電効率が第一発電効率より高い場合、ブレードが劣化していると診断する（Ｙｅｓ）。第二発電効率が第一発電効率より低い場合、ブレードの劣化は無いものと診断（Ｎｏ）し、診断するブレードを他のブレードに変更し、ステップＳ２０１以降の処理を繰り返す。

第２実施例によれば、ブレードが複数枚存在する場合であっても、特定のブレードを診断することができる。

また、第２実施例によれば、実運転データを活用し、かつ、風力発電システムの運転を継続しながらブレードの劣化状態を診断することができる。

次に本発明の第３実施例について図１２及び図１３を用いて説明する。図１２は、第３実施例に係るブレードの劣化状態を診断するためのフローチャートである。図１３は、第３実施例に係るブレードの劣化前後におけるピッチ角度と荷重の関係を示す図である。

第３実施例において第１実施例及び第２実施例と異なるところは、発電効率を算出することに代え、所定のピッチ角度での荷重を計測するようにしたことにある。

図７に示したように劣化によってある翼型の空力特性が変化した場合、翼の失速特性が変化することで、減衰力が低下し、荷重を増加させる可能性がある。この特性を踏まえると、図１２に示すフローチャートでブレードの劣化状態を診断できる。以下のフローチャートの処理は制御装置１１にて実行される。

ステップＳ３００では、特定の時点である第一時点において、図４に示したように予め想定している第一ピッチ角度θminを算出する。

次にステップＳ３０１において、第一時点以降の時点である第二時点以降において、ブレードのピッチ角度が、第一ピッチ角度θminと異なる第二ピッチ角度に変更されるよう制御する。この時の第二時点は、例えば、定格風速VbからVdまでの風速条件時に実施することで、ピッチ角度を変更した効果を特に明確化することができる。

ステップＳ３０２では、第二ピッチ角度の荷重（第二荷重）を算出する。

次にステップＳ３０３では、第二時点以降の時点である第三時点以降において、ブレードのピッチ角度を第二ピッチ角度に制御し、その時の荷重（第三荷重）を計測する。

ステップＳ３０４ではステップＳ３０２とステップＳ３０３で得られた荷重を比較し、ブレードの劣化の有無を判断する。ステップＳ３０４において、第三時点で得られた荷重（第三荷重）が第二時点で得られた荷重（第二荷重）より高い場合、ブレードが劣化していると診断する（Ｙｅｓ）。第三時点で得られた荷重（第三荷重）が第二時点で得られた荷重（第二荷重）より低い場合、ブレードの劣化は無いものと診断（Ｎｏ）し、ステップＳ３０１以降の処理を繰り返す。

この時の荷重は前後または左右方向の振動に係るものであり、ブレード、ナセル、または、タワーに設置されている加速度センサやひずみセンサによって計測できる。また、この時の荷重は、ある期間における最大値を算出してもよいし、平均値を算出してもよい。

第３実施例によれば、ブレードの荷重を計測することによりブレードの劣化状態を診断することができる。

また、第３実施例によれば、実運転データを活用し、かつ、風力発電システムの運転を継続しながらブレードの劣化状態を診断することができる。

次に本発明の第４実施例について図１４を用いて説明する。図１４は、第４実施例に係るブレードの劣化状態を診断するためのフローチャートである。第４実施例においてこれまでの実施例と異なるところは、第一時点経過後、第二時点に到達する前に風力発電システム１が異常停止した場合の動作を考慮し、劣化状態を診断することにある。そのための処理として、第４実施例では、ステップＳ４０１を備えるようにした。ステップＳ４００、ステップＳ４０２〜ステップＳ４０４は、それぞれ図９のステップＳ１００、ステップＳ１０１〜ステップＳ１０３に対応するため、詳細な説明を省略する。以下のフローチャートの処理は制御装置１１にて実行される。

ステップＳ４０１では、第一時点以降に風車が異常を停止したかを判定する。風車が異常停止をした場合は、異常を報告または表示する手段を備え、ブレードの診断を実施しない。異常停止をしなかった場合には、第１実施例などのこれまでの実施例と同様に第一時点以降の処理を実行できる。図１４では第１実施例を例として記載している。

第４実施例によれば、風車が異常停止した場合であっても、適切にブレードを診断することができる。

１…風力発電システム、２…ブレード、３…ハブ、４…ロータ、５…ナセル、６…発電機、７…風向風速センサ、８…ピッチ角度駆動装置、９…タワー、１０…電力変換器、１１…制御装置、１２…回転速度センサ、２１…可変速制御装置、２２…ピッチ角度制御装置、２３…発電機トルク制御装置、３１…翼

Claims (13)

1. 風を受けて回転するロータと、前記ロータの回転力を受けて発電する発電機と、前記ロータを回転可能に保持し前記発電機を格納するナセルと、前記ナセルを支持するタワーと、前記ロータを制御する制御装置と、を備え、
   前記ロータは、風を受けるブレードと、前記ブレードのピッチ角度を変更可能に保持するハブとを備え、
   前記ブレードは前記制御装置によりピッチ角度が制御される風力発電システムであって、
   前記制御装置は、
   特定の時点である第一時点において最大の発電効率になるピッチ角度である第一ピッチ角度を算出し、
   前記第一時点以降の時点である第二時点以降で、かつ前記発電機が発電している状態において前記ブレードを前記第一ピッチ角度に制御して前記ロータを回転させたときの発電効率である第一発電効率と、前記ブレードを前記第一ピッチ角度とは異なるピッチ角度である第二ピッチ角度に制御して前記ロータを回転させたときの発電効率である第二発電効率とを算出し、
   前記第一発電効率と前記第二発電効率とを比較して前記ブレードの劣化を診断することを特徴とする風力発電システム。
2. 請求項１において、
   前記第二発電効率が前記第一発電効率よりも高い場合には、前記ブレードが劣化していると診断することを特徴とする風力発電システム。
3. 請求項２において、
   前記ブレードは複数枚備えられ、
   前記制御装置は、前記第一ピッチ角度とは異なるピッチ角度である前記第二ピッチ角度に、前記ブレードを1枚ごと制御することを特徴とする風力発電システム。
4. 請求項１乃至３の何れか１項において、
   前記制御装置は、所定期間ごとに前記第一ピッチ角度と前記第二ピッチ角度に切り替えて制御することを特徴とする風力発電システム。
5. 請求項１乃至３の何れか１項において、
   前記第一時点及び/または第二時点は、前記ブレードのピッチ角度がファイン角θminに固定された領域での風速、発電量が最大発電量より低い領域での風速、回転速度が定格回転数より低い領域での風速の何れかにおいて計測することを特徴とする風力発電システム。
6. 請求項１乃至３の何れか１項において、
   前記第一時点及び/または第二時点は、ウィンドファーム内においてウェイクが発生する風向時に計測することを特徴とする風力発電システム。
7. 請求項１乃至３の何れか１項において、
   前記第一発電効率と前記第二発電効率の算出は、周速比に対する最大値とすることを特徴とする風力発電システム。
8. 請求項１乃至３の何れか１項において、
   前記第一発電効率と前記第二発電効率は、パワー係数、パワーカーブ、発電量のうちの何れかであることを特徴とする風力発電システム。
9. 風を受けて回転するロータと、前記ロータの回転力を受けて発電する発電機と、前記ロータを回転可能に保持し前記発電機を格納するナセルと、前記ナセルを支持するタワーと、前記ロータを制御する制御装置と、を備え、
   前記ロータは、風を受けるブレードと、前記ブレードのピッチ角度を変更可能に保持するハブとを備え、
   前記ブレードは前記制御装置によりピッチ角度が制御される風力発電システムであって、
   前記制御装置は、
   特定の時点である第一時点において最大の発電効率になるピッチ角度である第一ピッチ角度を算出し、
   前記第一時点以降の時点である第二時点以降で、かつ前記発電機が発電している状態において前記ブレードを前記第一ピッチ角度とは異なるピッチ角度である第二ピッチ角度に制御して前記ロータを回転させたときの荷重である第二荷重を算出し、
   前記第二時点以降の時点である第三時点以降で、かつ前記発電機が発電している状態において前記ブレードのピッチ角を制御し、前記第二ピッチ角度で前記ロータを回転させたときの荷重である第三荷重を算出し、
   前記第二荷重と前記第三荷重とを比較して前記ブレードの劣化を診断することを特徴とする風力発電システム。
10. 請求項９において、
    前記第三荷重が前記第二荷重よりも高い場合には、前記ブレードが劣化していると診断することを特徴とする風力発電システム。
11. 風を受けて回転するロータと、前記ロータの回転力を受けて発電する発電機と、前記ロータを回転可能に保持し前記発電機を格納するナセルと、前記ナセルを支持するタワーと、前記ロータを制御する制御装置と、を備えた風力発電システムの診断方法であって、
    前記ロータは、風を受けると共に前記制御装置によってピッチ角度が制御されるブレードを備え、
    前記制御装置は、前記発電機が発電している状態において、
    特定の時点である第一時点において最大の発電効率になるピッチ角度である第一ピッチ角度を算出するステップと、
    前記第一時点以降の時点である第二時点以降で、かつ前記発電機が発電している状態において前記ブレードを前記第一ピッチ角度に制御して前記ロータを回転させたときの発電効率である第一発電効率を算出するステップと、
    前記第一時点以降の時点である第二時点以降で、かつ前記発電機が発電している状態において、前記ブレードを前記第一ピッチ角度と異なる第二ピッチ角度に変更するよう制御し、前記第二ピッチ角度で前記ロータを回転させた状態における発電効率を第二発電効率として算出するステップと、
    前記第二ピッチ角度での発電効率を第二発電効率として算出するステップと、
    前記第一発電効率と前記第二発電効率を比較して前記ブレードの劣化の有無を判断するステップと、
    を有することを特徴とする風力発電システムの診断方法。
12. 請求項１１において、
    前記第二発電効率が前記第一発電効率より高い場合、前記ブレードが劣化していると診断することを特徴とする風力発電システムの診断方法。
13. 風を受けて回転するロータと、前記ロータの回転力を受けて発電する発電機と、前記ロータを回転可能に保持し前記発電機を格納するナセルと、前記ナセルを支持するタワーと、前記ロータを制御する制御装置と、を備えた風力発電システムの診断方法であって、
    前記ロータは、風を受けると共に前記制御装置によってピッチ角度が制御されるブレードを備え、
    前記制御装置は、前記発電機が発電している状態において、
    特定の時点である第一時点において最大の発電効率になるピッチ角度である第一ピッチ角度を算出するステップと、
    前記第一時点以降の時点である第二時点以降で、かつ前記発電機が発電している状態において前記ブレードを前記第一ピッチ角度に制御して前記ロータを回転させたときの発電効率である第一発電効率を算出するステップと、
    前記第一時点以降で風車が異常停止した場合に異常を表示、報告するステップと、
    を有することを特徴とする風力発電システムの診断方法。

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