JP2023129292A - 風力タービンの振動 - Google Patents

Abstract

【課題】風力タービンの振動を制御するための方法及びシステムを提供する。【解決手段】１つ以上のブレード２０を含むローター１８と、第１の運転設定値に従って風力タービンを運転し、ブレードにおける振動に少なくとも部分的に基づいて風力タービンの調整設定値を決定し、調整設定値に移行するように構成された制御モジュール１１０とを備え、制御モジュール１１０は、ブレードにおける残りの振動を決定し、残りの振動に基づいて風力タービンのための新しい設定値を決定するように構成される。本開示は、さらに、風力タービンを動作させるための方法に関する。【選択図】図３

Description

本開示は、風力タービン、及び風力タービンを動作させるための方法に関する。本開示は、より詳細には、風力タービンの振動を制御するための方法及びシステムに関する。

風力タービンは、電力網（パワーグリッド）に電力を供給するために使用される。この種の風力タービンは、一般に、タワーと、タワー上に配置されたローターから構成されている。ロータは、通常、ハブと複数のブレードから構成され、ブレードに吹く風の影響を受けて回転する。この回転によりトルクが発生し、通常、ローターシャフトを通じて直接またはギアボックスを介して発電機に伝達される。このようにして、発電機は電力を生成し、電力網に供給することができる。

風力タービンハブは、ナセルの前部に回転可能に結合されてもよい。風力タービンハブは、ローターシャフトに接続されてもよく、ローターシャフトは、その後、ナセル内のフレームに配置された１つ以上のローターシャフト軸受を使用してナセルに回転可能に取り付けられてもよい。ナセルは、風力タービンタワーの上に配置されるハウジングで、ギアボックス（ある場合）、発電機、風力タービンによっては電力変換器、補助システムなどのその他のコンポーネントを収納し、保護する。

可変速風力タービンでは、風力タービンの制御装置は、変化する風の状態に適応するように風力タービンの制御設定を変更することができる。特に、ブレードのピッチ角や発電機のトルクを変化させて、風況に適応させることができる。公称または「定格」風速未満の風速では、制御目的は一般に風力タービンの電力出力を最大化することにある。つまり、最大電力出力をグリッドに供給できるようにピッチと発電機トルクを変化させる。すなわち、ピッチと発電機のトルクを変化させて風力タービンの負荷を許容可能な負荷レベルまで低減し、出力は（負荷の制約を考慮して）可能な限り高いレベルに維持されるようにする。

さらに、現代の風力タービンでは、生涯を通じて（寿命となるまで）より多くのエネルギーを取り込み、エネルギーコストを削減するために、ローター径がますます大きくなってきている。ローターサイズが大きくなると、ブレードの剛性は比例して増加しないため、動的摂動に対してより敏感な柔軟なブレードとなる。このような動的な擾乱は、スパンワイズ振動やエッジワイズ振動を含む振動を引き起こす可能性がある。エッジワイズ振動は、一般的に空気力学的減衰が小さいため、大きな動的応答を引き起こす可能性がある。したがって、エッジワイズ振動の緩和は、風力タービンブレードの疲労寿命を延長する場合に特に重要である。

振動を緩和する方法として、特定レベルの振動が検出された場合に出力を一定に抑えたり、回転数を一定に下げたり、あるいは共振の可能性のあるシナリオでの風力タービンの運転を避けるために（ローター速度領域で）排除領域を固定（fixed exclusion zones）したりする方法が知られている。しかし、既知のアプローチでは一般的に年間エネルギー生産量（ＡＥＰ）が大きく損なわれる。

本開示の一態様では、風力タービンが提供される。風力タービンは、１つ以上のブレードを含むローターと、制御モジュールとを備える。風力タービンの制御モジュールは、１つ以上のセンサから信号を受信し、ブレードの振動を特定するように構成されている。さらに、制御モジュールは、特定された振動に少なくとも部分的に基づいて風力タービン動作設定値を選択し、選択された動作設定値に従って風力タービンを動作させるように構成されている。さらに、制御モジュールは、風力タービン運転設定値を選択した後も振動の判定を継続し、それに応じて新たな運転設定値を選択できるように構成されている。

この態様によれば、提供される風力タービンは、特定された振動に基づいて、より正確には振動の進展に基づいて、選択された運転設定値を調整することが可能である。これは、振動の上昇に起因する運転設定値の必要な変動をより正確に特定することができ、過剰な負荷による風力タービンの故障の潜在的なリスクを低減し、また発電における振動の有害な影響を緩和することができることを意味する。より正確には、制御モジュールは、振動に少なくとも部分的に基づいて風力タービン運転設定値を選択し、その後、その進化に応じて、制御モジュールは、運転設定値をより高い電力運転レベルまたはより低い電力運転レベルに調節することができる。

さらなる態様において、風力タービンを運転するための方法が開示される。本方法は、第１の運転設定値に従って風力タービンを運転することを含んでいる。さらに、本方法は、ブレードの振動に少なくとも部分的に基づいて、調整された設定値を決定することを含む。次に、本方法は、風力タービンを調整された設定値に移行させることと、調整された設定値への移行を開始した後にブレードにおける残りの振動を決定することとをさらに備える。さらに、本方法は、残りの振動に少なくとも部分的に基づいて新しい設定値を決定することも含み、新しい設定値は、第１の運転設定値および調整済み設定値とは異なるものである。

この態様による方法では、風力タービンの運転設定値は、振動の進化の関数として積極的に適合させることができる。したがって、ブレードの振動を決定することによって、本方法は、風力タービンの運転を過度にディレーティングすることなく、または不必要に長い期間中に風力タービンの運転をディレーティングすることなく、対応することができる。さらに、本方法は、風力タービンの運転設定値の誤った決定を特定し、ブレードに残っている振動に従ってそれを修正することを可能にし得る。

風力タービンの一例を模式的に示す透視図である。 図１の風力タービンのナセルの一例を簡略化して示す内部図である。 本開示による風力タービンの一例を模式的に示す図である。 本開示による風力タービンの他の例を模式的に示すブロック図である。 風力タービンのブレードのエッジワイズ振動を制御する方法の一例を示す図である。 風力タービンの他の運転方法の一例を示す図である。

ここで、本開示の実施形態について詳細に参照し、その１つ以上の例を図面に示す。各例は、説明のためにのみ提供され、限定として提供されるものではない。実際、本開示において様々な修正及び変形を行うことができることは、当業者にとって明らかであろう。例えば、ある実施形態の一部として図示又は説明された特徴は、別の実施形態と共に使用して、さらに別の実施形態を得ることができる。したがって、本開示は、添付の特許請求の範囲およびその等価物の範囲内に入るような修正および変形をカバーすることが意図される。

図１は、風力タービン１０の一例を示す透視図である。本実施例では、風力タービン１０は、水平軸型風力発電機である。あるいは、風力タービン１０は、垂直軸型風力発電機であってもよい。実施例では、風力タービン１０は、地面１２上の支持システム１４から延びるタワー１５と、タワー１５に取り付けられたナセル１６と、ナセル１６に結合されるロータ１８とを含む。ロータ１８は、回転可能なハブ２０と、ハブ２０に結合され、ハブ２０から外側に延びる少なくとも１つのロータブレード２２とを含む。例では、ローター１８は、３つのローターブレード２２を有する。代替の実施形態では、ローター１８は、３つよりも多いまたは少ないローターブレード２２を含む。タワー１５は、支持システム１４とナセル１６との間に空洞（図１には示されていない）を規定するために管状鋼から作製されてもよい。代替の実施形態において、タワー１５は、任意の好適な高さを有する任意の好適なタイプのタワーである。代替案によれば、タワーは、コンクリート製の部分と管状の鋼鉄製の部分とからなるハイブリッドタワーとすることができる。また、タワーは、部分的または完全なラティスタワーとすることができる。

ローターブレード２２は、ローター１８を回転させて運動エネルギーを風から使用可能な機械エネルギー、ひいては電気エネルギーに変換できるようにするために、ハブ２０に対して間隔を置いて配置されている。ローターブレード２２は、複数の荷重伝達領域２６においてブレード根元部分２４をハブ２０に結合することにより、ハブ２０に嵌合される。荷重伝達領域２６は、ハブ荷重伝達領域とブレード荷重伝達領域（いずれも図１には示されていない）とを有していてもよい。ロータブレード２２に誘起された荷重は、荷重伝達領域２６を介してハブ２０に伝達される。

例では、ローターブレード２２は、約１５ｍ～約９０ｍ以上の範囲の長さを有してよい。ローターブレード２２は、風力タービン１０が本明細書に記載されるように機能することを可能にする任意の適切な長さを有していてもよい。例えば、ブレードの長さの非限定的な例としては、２０ｍ以下、３７ｍ、４８．７ｍ、５０．２ｍ、５２．２ｍ、または９１ｍを超える長さが挙げられる。風が風向２８からローターブレード２２に当たると、ローター１８はローター軸３０を中心に回転させられる。ロータブレード２２が回転して遠心力を受けると、ロータブレード２２にも様々な力およびモーメントが作用する。そのため、ローターブレード２２は、中立位置、すなわち非偏向位置から偏向位置まで偏向及び／又は回転することがある。

さらに、ローターブレード２２のピッチ角、すなわち風向きに対するローターブレード２２の向きを決定する角度をピッチシステム３２によって変更し、風ベクトルに対する少なくとも１つのローターブレード２２の角度位置を調整することによって、風力タービン１０によって発生する負荷および電力を制御してもよい。ローターブレード２２のピッチ軸３４が示されている。風力タービン１０の動作中、ピッチシステム３２は、特に、ローターブレードの（一部の）迎え角が減少するようにローターブレード２２のピッチ角を変化させてもよく、これにより、回転速度の減少が容易になり、及び／又はローター１８の失速を容易にする。

実施例では、各ローターブレード２２のブレードピッチは、風力タービンコントローラ３６またはピッチ制御システム８０によって個別に制御される。あるいは、全てのローターブレード２２のブレードピッチは、制御システムによって同時に制御されてもよい。

さらに、実施例では、風向２８が変化すると、ナセル１６のヨー方向をヨー軸３８を中心に回転させて、ロータブレード２２を風向２８に対して位置決めしてもよい。

実施例では、風力タービンコントローラ３６は、ナセル１６内に集中されているように示されているが、風力タービンコントローラ３６は、風力タービン１０全体、支持システム１４上、風力発電所（ウインドファーム）内、及び／又は遠隔制御センターでの分散システムであってもよい。風力タービンコントローラ３６は、本明細書に記載される方法及び／又はステップを実行するように構成されたプロセッサ４０を含む。さらに、本明細書に記載される他の構成要素の多くは、プロセッサを含む。

本明細書で使用される場合、用語「プロセッサ」は、当技術分野でコンピュータと呼ばれる集積回路に限定されず、コントローラ、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）、アプリケーション固有の、集積回路、および他のプログラマブル回路を広く指し、これらの用語は、本明細書で交換可能に使用されている。プロセッサ及び／又は制御システムは、メモリ、入力チャネル、及び／又は出力チャネルも含むことができることを理解されたい。

図２は、風力タービン１０の一部を示す拡大断面図である。本実施例では、風力タービン１０は、ナセル１６と、ナセル１６に回転可能に結合されたロータ１８とを含む。より具体的には、ロータ１８のハブ２０は、メインシャフト４４、ギアボックス４６、高速シャフト４８、及びカップリング５０によって、ナセル１６内に配置された電動発電機４２に回転可能に結合される。実施例では、メインシャフト４４は、ナセル１６の長手方向軸（図示せず）と少なくとも部分的に同軸上に配置される。メインシャフト４４の回転は、ロータ１８およびメインシャフト４４の比較的遅い回転運動を高速シャフト４８の比較的速い回転運動に変換することにより、その後高速シャフト４８を駆動するギアボックス４６を駆動する。後者は、カップリング５０の助けを借りて、電気エネルギーを生成するための発電機４２に接続される。さらに、例えば４００Ｖ～１０００Ｖの電圧を有する発電機４２によって生成された電気エネルギーを中電圧（例えば１０～３５ＫＶ）を有する電気エネルギーに変換するために、ナセル１６内に変圧器９０および／または適切な電子機器、スイッチおよび／またはインバータが配置されてもよい。洋上風力タービンは、例えば６５０Ｖ～３５００Ｖの発電機電圧を有し、変圧器電圧は、例えば３０ｋＶ～７０ｋＶであってもよい。電気エネルギーは、ナセル１６からタワー１５に電力ケーブルを介して伝導される。

ギアボックス４６、発電機４２、及び変圧器９０は、任意にメインフレーム５２として具現化されるナセル１６の主支持構造フレームによって支持されてもよい。ギアボックス４６は、１つまたは複数のトルクアーム１０３によってメインフレーム５２に接続されるギアボックスハウジングを含んでもよい。実施例では、ナセル１６は、主前方支持軸受６０及び主後方支持軸受６２も含む。さらに、発電機４２は、特に発電機４２の振動がメインフレーム５２に導入されて騒音放出源となることを防止するために、デカップリング支持手段５４によってメインフレーム５２に取り付けられることが可能である。

任意選択的に、メインフレーム５２は、ロータ１８及びナセル１６の構成要素の重量によって、並びに風荷重及び回転荷重によって生じる荷重全体を担持し、更に、これらの荷重を風力タービン１０のタワー１５に導入するように構成されている。ロータ軸４４、発電機４２、ギアボックス４６、高速軸４８、カップリング５０、及びメインフレーム５２、並びに前方支持軸受６０及び後方支持軸受６２を含むがこれらに限定されない任意の関連する締結、支持、及び固定装置は、駆動列６４と称されることがある。

いくつかの例では、風力タービンは、ギアボックス４６のないダイレクトドライブ風力タービンであってもよい。発電機４２は、ダイレクトドライブ風力タービンにおけるロータ１８と同じ回転速度で動作する。したがって、それらは一般に、ギアボックスを有する風力タービンよりも同量の電力を提供するために、ギアボックス４６を有する風力タービンで使用される発電機よりもはるかに大きな直径を有している。

ナセル１６はまた、風向２８に対するローターブレード２２の遠近を制御するために、ナセル１６を回転させ、それによってまたローター１８をヨー軸３８を中心に回転させるために使用され得るヨー駆動機構５６を含んでもよい。

風向２８に関してナセル１６を適切に位置決めするために、ナセル１６は、風向計および風速計を含み得る少なくとも１つの気象学的測定システム５８を含むこともできる。気象測定システム５８は、風向２８および／または風速を含んでもよい情報を風力タービンコントローラ３６に提供することができる。実施例では、ピッチシステム３２は、少なくとも部分的に、ハブ２０内にピッチアセンブリ６６として配置される。ピッチアセンブリ６６は、１つ以上のピッチ駆動システム６８と、少なくとも１つのセンサ７０とを含む。各ピッチ駆動システム６８は、ピッチ軸３４に沿ったロータブレード２２のピッチ角を変調するために、それぞれのロータブレード２２（図１に示す）に結合される。図２には、３つのピッチ駆動システム６８のうちの１つだけが示されている。

実施例では、ピッチアセンブリ６６は、それぞれのローターブレード２２をピッチ軸３４を中心に回転させるために、ハブ２０に結合された少なくとも１つのピッチベアリング７２と、それぞれのローターブレード２２（図１に示す）とを含む。ピッチ駆動システム６８は、ピッチ駆動モータ７４と、ピッチ駆動ギアボックス７６と、ピッチ駆動ピニオン７８とを含む。ピッチ駆動モータ７４は、ピッチ駆動ギアボックス７６に機械的な力を付与するように、ピッチ駆動ギアボックス７６に結合される。ピッチ駆動ギアボックス７６は、ピッチ駆動ギアボックス７６によってピッチ駆動ピニオン７８が回転されるように、ピッチ駆動ピニオン７８に結合されている。ピッチベアリング７２は、ピッチドライブピニオン７８の回転がピッチベアリング７２の回転を引き起こすように、ピッチドライブピニオン７８に結合される。

ピッチ駆動システム６８は、風力タービンコントローラ３６からの１つ以上の信号を受けてローターブレード２２のピッチ角を調整するために、風力タービンコントローラ３６に結合される。実施例では、ピッチ駆動モータ７４は、ピッチアセンブリ６６が本明細書に記載されるように機能することを可能にする、電力及び／又は油圧システムによって駆動される任意の適切なモータである。あるいは、ピッチアセンブリ６６は、油圧シリンダ、ばね、および／またはサーボ機構など（これらに限定されない）の任意の適切な構造、構成、配置、および／または構成要素を含んでもよい。特定の実施形態では、ピッチ駆動モータ７４は、ハブ２０の回転慣性及び／又は風力タービン１０の構成要素にエネルギーを供給する貯蔵エネルギー源（図示せず）から抽出されるエネルギーによって駆動される。

ピッチアセンブリ６６は、特定の優先された状況の場合、および／またはロータ１８の過速度の間、風力タービンコントローラ３６からの制御信号に従ってピッチ駆動システム６８を制御するための１つまたは複数のピッチ制御システム８０を含むこともできる。実施例では、ピッチアセンブリ６６は、風力タービンコントローラ３６から独立してピッチ駆動システム６８を制御するために、それぞれのピッチ駆動システム６８に通信可能に結合された少なくとも１つのピッチ制御システム８０を含む。実施例では、ピッチ制御システム８０は、ピッチ駆動システム６８と、センサ７０とに結合されている。風力タービン１０の通常運転中、風力タービンコントローラ３６は、ロータブレード２２のピッチ角を調整するためにピッチ駆動システム６８を制御することができる。

実施形態によれば、例えばバッテリ及び電気コンデンサからなる発電機８４は、ハブ２０に又はハブ２０内に配置され、センサ７０、ピッチ制御システム８０、及びピッチ駆動システム６８に結合されて、これらの構成要素に電力源を提供する。実施例では、発電機８４は、風力タービン１０の動作中に、ピッチアセンブリ６６に継続的な電力源を提供する。代替の実施形態では、発電機８４は、風力タービン１０の電気的電力損失事象の間のみピッチアセンブリ６６に電力を供給する。電力損失事象は、電力網の損失またはディップ、風力タービン１０の電気システムの誤動作、および／または風力タービンコントローラ３６の故障を含み得る。電力損失事象の間、発電機８４は、ピッチアセンブリ６６が電力損失事象の間に動作できるように、ピッチアセンブリ６６に電力を供給するために動作する。

この例では、ピッチ駆動システム６８、センサ７０、ピッチ制御システム８０、ケーブル、及び発電機８４はそれぞれ、ハブ２０の内面８８によって画定されたキャビティ（空洞）８６内に配置される。代替の実施形態では、これらの構成要素は、ハブ２０の外面に対して位置決めされ、外面に直接又は間接的に結合されてもよい。

図３は、一実施例による風力タービン１０を模式的に示している。風力タービン１０は、１つ以上のブレード２０を含むローター１８と、制御モジュール１１０とから構成される。制御モジュール１１０は、第１の動作設定値に従って風力タービンを動作させるように構成されている。さらに、制御モジュール１１０は、１つ以上のセンサ１２０から信号を受信し、ブレード２０の振動を決定するように構成されている。さらに、制御モジュール１１０は、決定された振動に少なくとも部分的に基づいて、風力タービンの運転設定値を選択するように構成されている。さらに、制御モジュール１１０はまた、選択された運転設定値に従って風力タービン１０を運転するように構成される。より詳細には、制御モジュール１１０、は、第１の運転設定値および調整された設定値とは異なる新たな運転設定値を選択できるように、風力タービン運転設定値の選択後に振動の決定を継続するようにさらに構成されている。したがって、制御モジュール１１０は、振動がどのように進化するかに少なくとも部分的に基づいて風力タービン１０の動作を調整するフィードバックコントローラとして理解され得る。制御モジュール１１０は、風力タービンの動作が選択された設定値に移行する間、及び／又は風力タービンが選択された設定値で動作すると、振動がどのように進化するかに基づいて、風力タービン１０の動作を少なくとも部分的に調整することができる。

例では、制御モジュール１１０は、単一のブレード２０において決定又は測定された振動に基づいて、風力タービン１０の動作を調整してもよい。他の例では、制御モジュール１１０は、複数のブレード２０からの振動データを使用して、風力タービン１０の動作を調整してもよい。

制御モジュール１１０は、既に存在する風力タービンセンサ１２０から信号を受信してもよい。さらに、この信号は、生の信号または処理された信号のいずれであってもよい。センサ１２０は、ブレード及び／又はナセルの異なる位置に配置された、加速度計、歪みゲージ等であってもよい。センサ１２０は、測定された信号とともに位置情報を提供してもよい。あるいは、制御モジュール１１０は、センサの特性、センサの位置などのセンサ情報を既に含んでいてもよい。さらに、制御モジュール１１０は、対応する信号を取得するためにナセルセンサ及び／又はブレードセンサを構成してもよい。他の例では、風力タービン制御モジュール１１０は、有線または無線接続を介して振動情報を受信してもよい。

実施例では、風力タービン１０は、風特性を得るためのウインドモジュール１４０をさらに含んでもよい。ウインドモジュール１４０は、風速、風のピーク、風の乱れ、風のせん断、風向きの変化、空気密度、温度、圧力など（wind speed, wind peaks, wind turbulence, wind shear, changes in wind direction, air density, temperature, pressure, or similar）の様々な風パラメータを測定するために採用され得る任意の数または種類のセンサを含んでいてもよい。例えば、センサは、圧力センサ、ＬＩＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）センサ、カメラシステム、風速計、風向計、ＳＯＤＡＲ（Ｓｏｎｉｃ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）センサ、赤外線レーザ、ピトー管、ローインゾンデ、他の光学センサ、及び／又は他の任意の適切なセンサであっても良い。さらに、センサは、風力タービンの地面付近、ナセル上、または風力タービンの気象マスト上に配置されてもよい。あるいは、ウインドモジュール１４０は、他の感知モジュールから様々な風パラメータを受信し、制御モジュール１１０に送信する前にデータを扱ってもよい。

したがって、ウインドモジュール１４０は、制御モジュール１１０に統合されてもよいし、制御モジュール１１０に接続された別個の構成要素であってもよい。したがって、制御モジュール１１０は、測定された風特性に基づいて、少なくとも部分的に風力タービン動作設定値を選択してもよい。より正確には、ウインドモジュール１４０は、例えば積分時間スケール（又は積分長さスケール）のような乱流強度及び流れの特性スケールなど、関心のある瞬時の流れ量を決定するために十分な速度で、すなわちｋＨｚの範囲でデータを取得してもよい。本開示における積分時間スケールは、大きな乱流スケールが風力タービンブレード上に作用する期間、すなわち、速度変動が相関する期間の尺度として理解されるべきである。したがって、大きな積分時間スケールを有する風流は、個々の乱流渦がより長い期間にわたって風力タービンブレードに影響を与えることを意味し、一方、小さな積分時間スケールは、個々の乱流渦が風力タービンブレードに比較的短い時間影響を与えることを表す。

制御モジュール１１０は、これらの風特性データを受信した後、バックグラウンド乱気流特性に基づいて、風力タービンの運転設定値を少なくとも部分的に選択してもよい。例えば、制御モジュール１１０が、乱流のレベルが比較的高いと判断した場合、乱流のレベルが比較的低い場合よりも高い設定値が選択されてもよい。風が乱流である場合、ブレードの加振が一定でなくなるため、共振のリスクは低くなる。また、あるレベルの振動が主に乱気流によって引き起こされる場合、同じレベルの振動が実際に共振によって引き起こされる場合よりも、反応する必要性が低くなる。したがって、風力タービン運転設定値は、少なくとも部分的に風の乱流レベル、すなわち風の乱流強度に依存する可能性がある。

いくつかの他の例では、風力タービン１０の制御モジュール１１０は、風力タービン１０を選択された運転設定値にするために、ブレード２０のピッチ角または風力タービン１０の発電機のトルクを調節してもよい。また、制御モジュール１１０は、ピッチ角の調整を発電機のトルクの調整と組み合わせてもよい。

さらなる例では、そして図３に示されるように、制御モジュール１１０は、振動が最大振動閾値以上である場合に、風力タービン動作設定値を選択してもよい。最大振動閾値は、コンポーネントの動作限界以下の振動レベルに対応してもよい。したがって、最大振動閾値は、風力タービンブレード２０の動作限界の２０％以下であってよい。最大振動閾値と部品の動作限界との間には、他の差異が採用されてもよい。動作限界は、本明細書では、安全限界すなわち部品が損傷又は破裂のリスクなしに依然として耐えることができる負荷のレベルと見なすことができる。他の例では、最大振動閾値は、風特性、他の部品の動作限界、部品の摩耗を示すセンサデータ、又は寿命推定パラメータ若しくは累積損傷パラメータ等の部品の寿命を代表する他のパラメータ等の外部パラメータに依存することもできる。最大振動閾値は、部品の実際の動作限界よりも低く設定されてもよく、例えば、部品の動作限界よりも所定量又は所定割合だけ低く設定されてもよい。さらに、最大振動閾値は、振動振幅及び振動周波数の少なくとも一方、例えば、振動周波数の関数としての最大振動振幅から構成されてもよい。

他の例では、風力タービン１０の制御モジュール１１０は、信号処理モジュールを含んでいてもよい。信号処理モジュールは、いくつかのアプローチに従ってセンサ信号を処理してもよい。例えば、信号処理は、ブレードにおける振動を決定する前に、センサ信号をフィルタリングしてもよい。例えば、信号処理モジュールは、ブレード２０における実際の振動に対応しない可能性のある高周波ノイズをフィルタリングしてもよい。ローパスフィルタは、そのような目的のために使用されるかもしれない。さらに、信号処理モジュールは、センサ信号または決定された振動の両方を処理し、モード分解を実行してもよい。モーダル分解は、本明細書では、元の振動信号を、それ自身の周波数及び／又は減衰率を有する複数の異なる振動に分解することと見なすことができる。これにより、ブレード２０に作用する最もエネルギッシュな振動モードを得ることができる場合がある。この情報は、後に適切な風力タービン動作設定値を選択するために、制御モジュール１１０に供給されてもよい。さらに、信号処理モジュールは、振動エネルギーが周波数領域にわたってどのように広がっているかを決定するために、ブレード２０における振動のパワースペクトルを計算してもよい。

いくつかの例では、風力タービンの運転設定値を調整することは、振動誤差に基づくＰＩＤ制御を含んでいる。振動誤差は、最大振動閾値と決定された振動との間の差であってよいことに留意されたい。すなわち、予め定められた最大振動閾値は、ＰＩＤ制御における所望の設定値として使用される。しかし、振動誤差の他の定義が適用されてもよい。

比例・積分・微分制御器（ＰＩＤコントローラ：proportional-integral-derivative controller）は、フィードバックを用いた制御ループ機構である。ＰＩＤコントローラは、所望の設定値（この例では、最大振動閾値）と測定されたプロセス変数（この例では、ブレードの振動）との差として誤差値（この例では「振動誤差値：vibration error value」）を連続的に計算し、比例、積分、微分の項（それぞれＰ、Ｉ、Ｄと表記）に基づく補正を適用する。

ＰＩＤ制御は、必ずしも３つの項（比例、積分、微分）すべてが使用されることを本明細書で理解すべきではない。本開示の例では、項のうちの１つまたは２つは、ゼロのゲイン係数を有してもよく、すなわち、ＰＩＤ制御は、例えば、ＰＩ制御、またはＰＤ制御であってもよい。

あるいは、本明細書においてＰＩＤ制御として具現化されるフィードバック制御は、モデル予測制御（ＭＰＣ：Model Predictive Control）、Ｈ－無限大法（H-infinity methods）、線形－二次（ＬＱ：Linear-Quadratic）レギュレータのいずれかとして具現化されてもよい。また、さらに適切なフィードバック制御のアルゴリズムが用いられてもよい。

ＰＩＤ（または他のフィードバック）制御の出力は、振動に基づく風力タービンの運転設定値であってもよい。

図４は、他の実施例による風力タービン１０のブロック図を模式的に示している。風力タービン１０は、風力タービンコントローラ、風力発電機、風力タービンブレード、及び制御モジュール１１０を含んで構成される。制御モジュール１１０は、異なるタスクを実行するように構成された複数のモジュールで構成される。図示されるように、制御モジュール１１０は、局所的な風特性を測定または推定するように構成されたウインドモジュール１４０を含んでいてもよい。風特性を含むデータは、同じくブレード特性を含むデータに基づいて、振動閾値を推定する振動閾値モジュールに転送されてもよい。先に議論したように、振動閾値は、例えば、振動周波数の関数としての最大振動振幅のように、振動振幅及び振動周波数のうちの少なくとも１つを含んでもよい。

この例では、振動閾値は風データの関数として動的に変化させることができる。すなわち、風が非常に乱れている場合には、より高い許容閾値が定義されるかもしれず、一方、風が乱れていない場合には、より低い許容閾値が設定されるかもしれない。他の例では、あらかじめ定義された固定の振動閾値が使用されるかもしれない。

さらに、制御モジュール１００は、ブレード及びナセルの少なくとも一方からセンサデータを受信する振動感知モジュールも含んでもよい。感知モジュールは、異なるセンサデータを組み合わせてもよいし、データを別々に扱ってもよく、例えば、送信モジュールは、ブレード荷重センサデータを他から独立して扱ってもよい。例えば、フラップワイズ荷重又は対応するセンサデータは、エッジワイズ荷重とは別個に、異なるように扱われてもよい。さらに、感知モジュールは、ブレードにおける振動を代表する信号を得るために、センサデータ、例えば、生のセンサデータを扱ってもよい。

さらに、この信号は、信号処理モジュールによってさらに処理されてもよい。信号処理モジュールは、例えば、振動ピーク、振動の二乗平均平方根値、振動包絡線、振動周波数、振動変化率、振動のパワースペクトルなど、先に説明したパラメータのいずれかを取得してもよい。本実施例に示すように、ＰＩＤコントローラは、入力データとして振動閾値と風力発電機の振動信号とを受信してもよい。さらに、ＰＩＤコントローラは、２つの入力データを比較し、風力タービンの運転設定値を選択してもよい。ＰＩＤコントローラは、少なくとも１つの振動パラメータ、例えば、振動のピーク振幅、振動の二乗平均平方根、所定の周波数における振動の振幅、又はその他が減少するように、動作設定値を選択するように構成されていてもよい。

次に、風力タービンコントローラは、選択された動作設定値を受信し、選択された動作設定値に移行するために、発電機トルクを制御するコンバータ及びピッチ制御システム（又はピッチドライブ）の少なくとも１つにコマンドを送信してもよい。これらのコマンドは、風力タービン発電機の目標トルク及び風力タービンブレードのピッチ角度を含んでもよい。さらに、風力タービンが選択された設定値に移行する間、及び選択された設定値に移行した後にも、センサ１２０は、振動感知モジュールにデータを送信し続けることができる。振動感知モジュールは、信号処理モジュールおよびこのＰＩＤコントローラに供給し続けることができる。そうすることで、ＰＩＤコントローラは、残りの振動または振動の進化に従って設定点を調整することができる。同時に、ウインドモジュール１４０はまた、風の特性を含むデータを振動閾値モジュールに送り続けてもよく、これは、ＰＩＤコントローラに送信される振動閾値を適応させることができる。

このように、本実施例では、閉じた振動制御ループが提供される。振動が閾値に達するまで対処されない、及び／又は振動が恐らく過剰な対策を講じた後に解決されると想定される先行技術の解決策とは対照的に、本開示の実施例は、振動のレベルの連続監視を提供し、振動及び対応する負荷が許容レベルにある限り高い設定点を提供することができる。

図５は、風力タービン１０を運転するための方法３００の一例のフロー図である。方法３００は、ブロック３０１において、第１の運転設定値に従って風力タービンを運転することからなる。ブロック３０２において、方法３００は、風力タービン１０のブレード２０における振動に少なくとも部分的に基づいて、調整された設定値を決定することを備える。さらに、ブロック３０３において、方法３００は、風力タービンを調整されたセットポイントに移行させることからなる。その上、ブロック３０４において、本方法は、調整された設定値への移行３０３を開始した後、ブレード２０における残りの振動を決定することを含む。さらに、本方法は、ブロック３０５において、残りの振動に基づいて新しい設定値を決定することを含み、新しい設定値は、第１の運転設定値および調整された設定値とは異なる 。新しい設定値は、ブロック３０２で決定された設定値より高くても低くてもよいことに注意されたい。例えば、ブレード２０に振動が残っているにもかかわらず、新しい設定値は、調整された設定値よりも高くてもよい。これは、残存振動が時間とともに減衰することが予想される場合、すなわち残存振動の変化が下降傾向を示す場合に起こり得る。

さらに、風力タービンの新しい設定値を決定することは、閉ループ制御プロセスにおいて、実施されてもよい。閉ループ制御プロセスは、プロセス変数と制御目的とを含んでもよく、風力タービンブレードにおけるエッジワイズ振動はプロセス変数であってもよく、制御目的は最大振動閾値であってもよい。

風力タービン１０について既に説明したように、調整された設定値への移行３０３を開始した後にブレード２０の残りの振動３０４を決定することによって、出力ディレーティングを緩和し、（所定の負荷制限に対して）出力を最大化することができる。残存振動３０４の決定は、移行３０３を開始した後、離散的な時間間隔、すなわちインスタンス間の一定または可変の時間差で定期的に、または連続的な方法、すなわち比較的高いサンプリングで実行されてもよい。これにより、３０５の新たな設定値を適宜決定することができる。

いくつかの例では、ブロック３０２における決定ステップは、振動が最大振動閾値を超えているときに行われる。先に議論したように、これはいくつかのパラメータに依存する場合もある。例えば、振動周波数の関数として異なる振動振幅で発生する場合もある。そして、ブレード幾何学などの他の内部パラメータ、または風特性などの外部パラメータに依存する場合もある。

その上、他の例では、方法３００は、風特性を得ることと、この風特性に基づいて少なくとも部分的に調整された設定値を決定すること３０２とから構成されてもよい。さらに、ブロック３０３において、風力タービンの調整された設定値に移行することは、ブレード２０における振動がプロセス変数であるＰＩＤコントローラを使用することからなる場合がある。さらなる例では、調整運転設定値への移行３０３は、振動、例えば移行３０３を開始した後のブレード２０における残りの振動に応答して、ブレード２０のピッチ角または風力タービン１０の発電機のトルクを調整することによって達成される。

他の例では、ブロック３０２において、ブレード２０の振動を決定することは、振動信号をフィルタリングすることを含んでいてもよい。この振動信号は、風力タービン１０のブレード２０及び／又はナセルに配置された１つ又は複数のセンサから得られてもよい。

追加の例では、ブロック３０１における第１の動作設定値は、定常動作設定値であってもよい。すなわち、電力出力を最大化する電力曲線の点に対応する運転設定値である。

風力タービン１０を操作するための別の方法が、図６に概略的に示されている。方法４００は、ブロック４０１において、風力タービンブレード２０におけるエッジワイズ振動を決定することを備える。エッジワイズ振動を決定することは、エッジワイズ振動（及び／又はエッジワイズ荷重）を直接測定すること、又は他の方向又は複数の方向の振動（又は荷重）を測定し、これらの測定値からエッジワイズ振動を導出することを含んでよい。

さらに、ブロック４０２において、方法４００は、決定されたエッジワイズ振動を最大振動閾値と比較することを含んでいる。次に、方法４００はまた、プロセス変数と制御目的とを含む閉ループ制御プロセスにおいて、風力タービン１０の電力設定値を選択すること４０３を備え、風力タービンブレードにおけるエッジワイズ振動はプロセス変数であり、制御目的は最大振動閾値である。さらに、方法４００は、選択された電力設定値に従って風力タービン１０を動作させる４０４ことと、電力設定値を適宜調整するために風力タービン１０を４０４動作させている間にエッジワイズ振動を監視する４０５こととを含む。

実施例では、方法４００は、風力タービン１０の動作４０４のためにＰＩＤコントローラを使用することを含み、ＰＩＤコントローラは、プロセス変数として風力タービンブレード２０におけるエッジワイズ振動を使用し、最大振動閾値は、所望の設定点である。したがって、ＰＩＤコントローラは、風力タービン動作４０４中のエッジワイズ振動の進化に従って、ブロック４０３で選択された電力設定値を修正することができる。他の実施例で述べたように、修正措置が取られた後のフィードバックを組み込んだ他の閉ループ制御機構も同様に使用することができる。

他の例では、風力タービン１０の動作４０４は、監視されたエッジワイズ振動に応答して、ブレード２０のピッチ角または風力タービン１０の発電機のトルクを調整することを含んでいてもよい。

開示された風力タービン１０の実施例に関連して開示された技術的特徴のいずれかが、方法３００、４００において採用されてもよく、その逆もまた然りであることに留意されたい。さらに、当業者であれば、本明細書の開示に関連して説明した様々な例示的な論理ブロック、モジュール、回路、及びアルゴリズムステップが、電子ハードウェア、コンピュータソフトウェア、又は両者の組み合わせとして実装されてもよいことを理解するであろう。ハードウェアとソフトウェアのこの交換性を明確に説明するために、様々な例示的なコンポーネント、ブロック、モジュール、回路、およびステップを、それらの機能性の観点から一般的に上述してきた。このような機能がハードウェアとして実装されるかソフトウェアとして実装されるかは、システム全体に課される特定の用途と設計上の制約に依存する。熟練した技術者であれば、特定の用途ごとに様々な方法で説明した機能を実装することができる。

本明細書の開示に関連して説明される様々な例示的な論理ブロック、モジュール、及び回路は、１つ以上の汎用プロセッサ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、クラウドコンピューティングアーキテクチャ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ） 、プログラマブル論理コントローラ（ＰＬＣ）又は他のプログラム可能論理デバイス、離散ゲート若しくはトランジスタ論理、離散ハードウェアコンポーネント、又は本明細書に記載される機能を行うために設計されたこれらの任意の組み合わせで実装又は実行されてもよい。汎用プロセッサは、マイクロプロセッサであってもよいが、代替的に、プロセッサは、任意の従来のプロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、またはステートマシンであってもよい。プロセッサは、演算装置の組み合わせ、例えば、ＤＳＰとマイクロプロセッサの組み合わせ、複数のマイクロプロセッサ、ＤＳＰコアと組み合わせた１つまたは複数のマイクロプロセッサ、または他のそのような構成として実装されることもできる。

本開示は、本明細書に開示された方法のいずれかを実行するように適合されたコンピューティングシステムにも関する。

本開示はまた、実行されると本明細書に開示された方法のいずれかを実行する命令（コード）を含むコンピュータプログラムまたはコンピュータプログラム製品にも関する。

コンピュータプログラムは、ソースコード、オブジェクトコード、部分的にコンパイルされた形態などのソースコードとオブジェクトコードの中間コード、またはプロセスの実施に使用するのに適した他の任意の形態の形態であってもよい。キャリアは、コンピュータ・プログラムを運ぶことができる任意の実体または装置であってよい。

ソフトウェア／ファームウェアで実装される場合、機能は、コンピュータ可読媒体上の１つ以上の命令またはコードとして、上に格納または伝送されることができる。コンピュータ読み取り可能な媒体には、コンピュータ記憶媒体と、コンピュータプログラムをある場所から別の場所に転送することを容易にするあらゆる媒体を含む通信媒体の両方が含まれる。記憶媒体は、汎用又は特殊目的のコンピュータによってアクセス可能な任意の利用可能な媒体であってよい。限定ではなく例として、このようなコンピュータ可読媒体は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＣＤ／ＤＶＤまたは他の光ディスクストレージ、磁気ディスクストレージまたは他の磁気ストレージデバイス、または命令またはデータ構造の形態で所望のプログラムコード手段を搬送または格納するために使用でき、汎用または特殊目的のコンピュータ、または汎用または特殊目的のプロセッサによってアクセスできる他の任意の媒体から構成することができる。また、任意の接続は、適切にコンピュータ可読媒体と称される。例えば、ソフトウェア／ファームウェアが、同軸ケーブル、光ファイバーケーブル、ツイストペア、デジタル加入者線（ＤＳＬ）、または赤外線、ラジオ、マイクロ波などの無線技術を使用してウェブサイト、サーバー、または他のリモートソースから送信される場合、同軸ケーブル、光ファイバーケーブル、ツイストペア、ＤＳＬ、または赤外線、ラジオ、マイクロ波などの無線技術も媒体の定義に含まれる。本明細書で使用するディスクおよびディスクは、コンパクトディスク（ＣＤ）、レーザーディスク、光ディスク、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、フロッピーディスクおよびブルーレイディスクを含み、ディスクは通常磁気的にデータを再生し、ディスクはレーザーを用いて光学的にデータを再生するものである。また、上記の組み合わせもコンピュータ読み取り可能な媒体の範囲に含まれるものとする。

この書面の説明は、好ましい実施形態を含む本教示を開示し、また、任意の装置またはシステムの製造および使用ならびに任意の組み込まれた方法の実行を含む、当業者が実践することを可能にするために例を用いて説明する。特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者に思い浮かぶ他の例を含むことができる。そのような他の例は、それらが請求項の文字通りの言語と異ならない構造要素を有する場合、または請求項の文字通りの言語と実質的に異ならない同等の構造要素を含む場合、請求項の範囲内にあることが意図される。説明した様々な実施形態からの側面、及びそのような各側面に対する他の既知の等価物は、当業者であれば、本願の原理に従って追加の実施形態及び技術を構築するために混合及びマッチングすることが可能である。請求項において図面に関連する参照符号が括弧内に配置されている場合、それらは単に請求項の分かりやすさを向上させようとするためのものであり、請求項の範囲を限定するものと解釈してはならない。

１０：風力タービン １２：地面 １４：支持システム １５：タワー １６：ナセル １８：ロータ ２０：ハブ ２２：ロータブレード ２４：ブレード根元部分 ２５：ピッチ角 ２６：基準線 ２６：荷重伝達領域 ２７：コード ２８：風向 ３０：ロータ軸 ３２：ピッチシステム ３４：ピッチ軸 ３６：風力タービン制御装置 ３８：ヨー軸 ４２：発電機 ４３：通信モジュール ４４：メインシャフト ４５：ロータ速度基準曲線 ４６：ギアボックス ４８：高速シャフト ５０：カップリング ５１：軸センサ ５２：メインフレーム ５３：発電機センサ ５４：デカップリング支持手段 ５６：ヨー駆動機構 ５８：気象測定システム ６０：主前方支持軸受 ６２：後方支持軸受 ６４：駆動列 ６６：ピッチアセンブリ ６８：ピッチ駆動システム ７０：センサ ７２：ピッチベアリング ７４：ピッチ駆動モータ ７６：ピッチ駆動ギアボックス ７８：ピッチ駆動ピニオン ８０：ピッチ制御システム ８４：発電機 ８６：キャビティ ８８：内面 ９０：変圧器 １１０：制御モジュール １２０：センサ １４０：ウインドモジュール

Claims (15)

1. 第１の運転設定値に従って風力タービンを運転するステップ（３０１）と、
   風力タービン（１０）のブレード（２０）の振動に少なくとも部分的に基づいて、風力タービンの調整された設定値を決定するステップ（３０２）と、
   風力タービンを調整された設定値に移行させるステップ（３０３）と、
   調整された設定値への移行（３０３）を開始した後に、ブレード（２０）の残りの振動を決定するステップ（３０４）と、
   残りの振動に基づいて風力タービンの新しい設定値を決定するステップ（３０５）と、
   を含み、新しい設定値は、第１の動作設定値および調整された設定値とは異なる、風力タービン（１０）を運転する方法（３００）。
2. 調整された設定値を決定するステップ（３０４）は、振動が最大振動閾値を上回っているときに行われる、請求項１に記載の風力タービン（１０）を運転する方法（３００）。
3. 第１の運転設定値は、定常運転設定値であることを特徴とする請求項１または２に記載の風力タービン（１０）を運転する方法（３００）。
4. 残りの振動の決定（３０４）及び新たな設定値の決定（３０５）を連続的に行うことを特徴とする、請求項１～３のいずれかに記載の風力タービン（１０）を運転する方法（３００）。
5. 風の特性を取得するステップをさらに含み、
   風力タービンの運転設定値の調整も、少なくとも部分的に、得られた風の特性に基づいて行われる、請求項１～４のいずれかに記載の風力タービン（１０）を運転する方法（３００）。
6. 調整された設定値および新しい設定値を決定することが、ブレード（２０）の振動をプロセス変数とするＰＩＤコントローラを用いることを含む、請求項１～５のいずれかに記載の風力タービン（１０）を運転する方法（３００）。
7. 調整された設定値への移行（３０３）は、ブレード（２０）のピッチ角およびブレード（２０）の振動に応答して風力タービン（１０）の発電機のトルクを調整することの少なくとも一方によって行われる、請求項１～６のいずれかに記載の風力タービン（１０）を運転する方法（３００）。
8. 複数のブレード（２０）を含むローター（１８）と、
   請求項１～７のいずれかに記載の方法を実行するように構成された制御モジュール（１１０）と、
   を備える風力タービン（１０）。
9. 風特性を得るためのウインドモジュール（１４０）をさらに備え、制御モジュール（１１０）が、得られた風特性に少なくとも部分的に基づいて風力タービン動作設定値を選択するように構成される、請求項８に記載の風力タービン（１０）。
10. 制御モジュール（１１０）は、ブレード（２０）のピッチ角又は風力タービン（１０）の発電機のトルクを調整するように構成されている、請求項８又は９のいずれかに記載の風力タービン（１０）。
11. 制御モジュール（１１０）は、決定された振動が最大振動閾値以上である場合に、風力タービン運転設定値を選択するように構成されている、請求項８～１０のいずれかに記載の風力タービン（１０）。
12. 最大振動閾値は、振動振幅及び振動周波数のうちの１つ以上からなることを特徴とする請求項１１に記載の風力タービン（１０）。
13. 風力タービンの運転設定値は、少なくとも部分的にブレード（２０）の形状または風の乱流に依存する、ことを特徴とする請求項９～１２のいずれかに記載の風力タービン（１０）。
14. 制御モジュール（１１０）は、信号処理モジュールからなることを特徴とする請求項８～１３のいずれかに記載の風力タービン（１０）。
15. 制御モジュール（１１０）は、ブレード（２０）の振動をプロセス変数とするＰＩＤコントローラお含むことを特徴とする請求項８～１５のいずれかに記載の風力タービン（１０）。