JP5449111B2 - Windmill and its vibration control method - Google Patents

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Description

本発明は、風車およびその制振方法に関するものである。   The present invention relates to a wind turbine and a vibration damping method therefor.

クリーンエネルギーとして、風のエネルギーを電力に変換して発電する風車が注目されている。風車は、一般に高さが数十mとされたタワーの上部に、風車翼、増速機、発電機等の重量物が設置される構造となっているため、風車に流入する風速の変動によって誘起される振動が無視できないものとなっている。このような振動は、風車の構造材の疲労荷重を増大させ、風車の寿命を縮めることになる。   As clean energy, wind turbines that generate electricity by converting wind energy into electric power have attracted attention. A windmill has a structure in which heavy objects such as windmill blades, gearboxes, and generators are installed above the tower, which is generally several tens of meters high. The induced vibration cannot be ignored. Such vibration increases the fatigue load of the structural material of the windmill and shortens the life of the windmill.

一方、ビル等の高層建築物では、風による振動を減衰させるためにAMD(Active Mass Damper)が採用されている。しかし、AMDは、付加質量に加えて付加質量を駆動するためのアクチュエータが必要となり、コストおよび重量が増大する。特に風車に適用する場合には、タワー上部の重量が更に増大することになるので好ましくない。
下記特許文献1には、AMDに受動ダンパを組み合わせることで付加質量を小さくする発明が開示されている。しかし、依然として付加質量を駆動するためのアクチュエータが必要となるので、重量の増大を根本的に解決するものではない。
On the other hand, in high-rise buildings such as buildings, AMD (Active Mass Damper) is adopted to attenuate vibration caused by wind. However, AMD requires an actuator for driving the additional mass in addition to the additional mass, which increases cost and weight. In particular, when applied to a windmill, the weight of the upper portion of the tower is further increased, which is not preferable.
Patent Document 1 listed below discloses an invention in which an additional mass is reduced by combining a passive damper with AMD. However, since an actuator for driving the additional mass is still required, the increase in weight is not fundamentally solved.

下記特許文献2には、風車翼のピッチ角を制御できるピッチ角制御機構を備えた風車に対して、制振のための特別なアクチュエータを設けることなくアクティブ制振する発明が開示されている。具体的には、制振のためのスラスト力を得るようにピッチ角制御機構に対してピッチ角指令を出力する。   Patent Document 2 listed below discloses an invention for active damping of a wind turbine provided with a pitch angle control mechanism capable of controlling the pitch angle of the wind turbine blades without providing a special actuator for damping vibration. Specifically, a pitch angle command is output to the pitch angle control mechanism so as to obtain a thrust force for vibration control.

米国特許第5442883号明細書US Pat. No. 5,428,883 国際公開第2005/083266号International Publication No. 2005/083266

風車の振動は、図13に示すように、風の乱れ(turbulent wind)による振動、ロータ回転数(1N,3N;Nは回転数(3Nは翼が3枚の場合))に起因する振動、風車自身の固有振動数(1st,2nd)起因する振動が支配的である。この場合、ロータ回転数成分については、風車翼のバランシング等で低減し、風の乱れ成分やタワー固有振動成分については、アクティブ制振や受動ダンパで低減することが考えられる。
しかし、同図に示したように、風車では制振する必要のある周波数帯域が広いため、以下のような問題がある。すなわち、図13に示すように、一般に、制振効果の高いピークレベルと制振効果を発揮する周波数帯域とは反比例の関係にあるため、大きな制振効果を得ようとすれば狭い周波数帯域とせざるを得ず(曲線L1参照)、逆に広い周波数帯域を得るためにはピークレベルが低くなってしまう(曲線L2参照)。したがって、風車に特有な振動の周波数帯域の全てで大きな制振効果を得ることは困難である。
As shown in FIG. 13, the vibration of the windmill is vibration caused by turbulent wind, vibration caused by rotor rotation speed (1N, 3N; N is rotation speed (3N is three blades)), The vibration caused by the natural frequency (1st, 2nd) of the windmill itself is dominant. In this case, it is conceivable that the rotor rotational speed component is reduced by balancing the wind turbine blades, and the wind turbulence component and the tower natural vibration component are reduced by active vibration suppression or a passive damper.
However, as shown in the figure, the wind turbine has a wide frequency band that needs to be damped, and has the following problems. That is, as shown in FIG. 13, in general, the peak level having a high damping effect and the frequency band exhibiting the damping effect are inversely related, so if a large damping effect is to be obtained, a narrow frequency band can be obtained. Inevitably (see curve L1), conversely, in order to obtain a wide frequency band, the peak level becomes low (see curve L2). Therefore, it is difficult to obtain a large damping effect in all the frequency bands of vibrations specific to the windmill.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、風車特有の広い周波数帯域で大きな制振効果を発揮することができる風車およびその制振方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a windmill and a vibration damping method that can exhibit a great vibration damping effect in a wide frequency band specific to the windmill.

上記課題を解決するために、本発明の風車およびその制振方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる風車は、風車の固有振動数における振動を減衰するように調整された受動ダンパと、風車に流入する風の乱れの変動周波数および/または風車翼の回転数のn次(nは自然数)周波数における振動を減衰するように調整された能動ダンパと、該能動ダンパの制振周波数を調整する能動ダンパ用制御部とを備えていることを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problems, the wind turbine and its vibration damping method of the present invention employ the following means.
That is, the wind turbine according to the present invention includes a passive damper adjusted so as to attenuate vibrations at the natural frequency of the wind turbine, a fluctuation frequency of the turbulence of the wind flowing into the wind turbine, and / or the n-th order of the rotational speed of the wind turbine blade ( n is a natural number), and includes an active damper adjusted so as to attenuate vibration at a frequency, and an active damper control unit that adjusts a vibration suppression frequency of the active damper.

風車の固有振動数は風車の形状や体格によって一義的に決まるので、当該固有振動数における振動は、特定の周波数に固定して減衰を調整できる受動ダンパによって減衰させることとした。
一方、風車に流入する風の乱れの変動周波数は、天候や季節、時刻等に応じた風況によって変動する。また、風車翼の回転数のn次周波数についても、風車翼の回転数によって変動する。したがって、これらの周波数における振動に対しては、能動ダンパ用制御部によって制振周波数を動的に変化させることができる能動ダンパ(例えばAVC;Active Vibration Control)を用いることとした。
このように、能動ダンパと受動ダンパとを、それぞれ対応する周波数を分けて負担させることとしたので、それぞれのダンパの制振効果を効果的に発揮させることができる。
Since the natural frequency of the windmill is uniquely determined by the shape and physique of the windmill, the vibration at the natural frequency is attenuated by a passive damper that can be fixed at a specific frequency and can be damped.
On the other hand, the fluctuation frequency of the turbulence of the wind flowing into the windmill fluctuates depending on the wind conditions according to the weather, season, time, and the like. Further, the n-order frequency of the rotational speed of the wind turbine blade also varies depending on the rotational speed of the wind turbine blade. Therefore, for vibrations at these frequencies, an active damper (for example, AVC; Active Vibration Control) capable of dynamically changing the damping frequency by the active damper controller is used.
As described above, since the active damper and the passive damper are separately burdened with the corresponding frequencies, the damping effect of each damper can be effectively exhibited.

さらに、本発明の風車では、前記能動ダンパは、風車翼のピッチ角を変更することによって制振力を得ることを特徴とする。   Furthermore, in the wind turbine according to the present invention, the active damper obtains a damping force by changing a pitch angle of the wind turbine blade.

風車翼のピッチ角を変更することによって風のエネルギーを用い、減衰作用を発揮する能動ダンパを採用する。この場合、有限な風のエネルギーを制振力として用いることになる。本発明では、能動ダンパを所定の周波数に集中させて減衰させることとしているので、風のエネルギーを有効に用いて制振力を発揮させることができる。   An active damper that uses the wind energy by changing the pitch angle of the wind turbine blades and exhibits a damping action is adopted. In this case, finite wind energy is used as the damping force. In the present invention, since the active damper is concentrated and attenuated at a predetermined frequency, the vibration energy can be exerted effectively by using wind energy.

さらに、本発明の風車では、風車に流入する風の流速を検出する風速計を備え、前記能動ダンパ用制御部は、前記風速計によって検出した流速に基づいて前記能動ダンパを制御することを特徴とする。   Furthermore, the wind turbine according to the present invention includes an anemometer that detects a flow velocity of the wind flowing into the wind turbine, and the active damper control unit controls the active damper based on the flow velocity detected by the anemometer. And

風速計によって検出された風速の変動に応じて能動ダンパを制御することとした。このように流入する風速変動に応じて制御するので、実際に風車に生じた振動を加速度センサ等によって得てから制振を行う場合に比べて、応答性良く制振を行うことができる。   The active damper was controlled according to the fluctuation of the wind speed detected by the anemometer. Since the control is performed in accordance with the wind speed fluctuation that flows in in this way, it is possible to perform vibration suppression with higher responsiveness than in the case of performing vibration suppression after obtaining vibration actually generated in the wind turbine by an acceleration sensor or the like.

さらに、本発明の風車では、前記受動ダンパは、同調型質量ダンパとされ、該同調型質量ダンパは、付加質量として、風車本体に対して相対移動可能とされた風車構成要素を用いることを特徴とする。   Further, in the wind turbine of the present invention, the passive damper is a tuned mass damper, and the tuned mass damper uses a wind turbine component that is movable relative to the wind turbine body as an additional mass. And

受動ダンパとしては、同調型質量ダンパ(TMD;Tuned Mass Damper)が好適である。なぜなら、付加質量として、制振目的でなく風車の機能を発揮するために設けられている既存の風車構成要素を選定することにより、特別な付加物を加えることなく受動ダンパを構成することができるからである。これにより、制振のために風車の重量を増加させる必要がない。
付加質量として選定される風車構成要素としては、例えば、風車本体に対して相対移動可能とされたナセルカバー、トランス、ラダー(昇降はしご)、タワーのプラットフォーム(足場)、ナセルから下方へと吊り下げられるケーブル、ナセルをヨー方向に旋回させる旋回モジュール等が挙げられる。
As the passive damper, a tuned mass damper (TMD) is suitable. This is because a passive damper can be configured without adding any special addition by selecting an existing wind turbine component provided as an additional mass for exhibiting the function of the wind turbine, not for vibration suppression purposes. Because. Thereby, it is not necessary to increase the weight of the windmill for vibration control.
Wind turbine components selected as additional mass include, for example, a nacelle cover, transformer, ladder (lifting ladder), tower platform (scaffolding), and a platform suspended from the nacelle. And a turning module for turning the nacelle in the yaw direction.

さらに、本発明の風車では、前記受動ダンパは、同調型液体ダンパとされ、該同調型液体ダンパは、付加質量として風車本体内に貯留された作動油または潤滑油を用いることを特徴とする。   Furthermore, in the wind turbine according to the present invention, the passive damper is a tuned liquid damper, and the tuned liquid damper uses hydraulic oil or lubricating oil stored in the wind turbine body as an additional mass.

受動ダンパとしては、同調型液体ダンパ(TLD;Tuned Liquid Damper)が好適である。なぜなら、付加質量として、風車内に貯留された作動油または潤滑油を選定することにより、特別な付加物を加えることなく受動ダンパを構成することができるからである。これにより、制振のために風車の重量を増加させる必要がない。
付加質量として選定される作動油または機械油としては、例えば、油圧機器のリザーバタンク内の作動油、増速機の潤滑油等が挙げられる。
As the passive damper, a tuned liquid damper (TLD) is suitable. This is because a passive damper can be configured without adding a special additive by selecting hydraulic oil or lubricating oil stored in the wind turbine as the additional mass. Thereby, it is not necessary to increase the weight of the windmill for vibration control.
Examples of the hydraulic oil or machine oil selected as the additional mass include hydraulic oil in a reservoir tank of a hydraulic device, lubricating oil for a speed increaser, and the like.

また、本発明の風車の制振方法は、風車の固有振動数における振動を減衰するように調整された受動ダンパと、能動ダンパとを備えた風車の制振方法であって、風車に流入する風の乱れの変動周波数および/または風車翼の回転数のn次(nは自然数)周波数における振動を減衰するように前記能動ダンパの制振周波数を制御することを特徴とする。   The wind turbine damping method of the present invention is a wind turbine damping method including a passive damper adjusted to attenuate vibrations at the natural frequency of the wind turbine and an active damper, and flows into the wind turbine. The damping frequency of the active damper is controlled so as to attenuate the vibration at the fluctuation frequency of wind turbulence and / or the n-th (n is a natural number) frequency of the rotational speed of the wind turbine blade.

風車の固有振動数は風車の形状や体格によって一義的に決まるので、当該固有振動数における振動は、特定の周波数に固定して減衰を調整できる受動ダンパによって減衰させることとした。
一方、風車に流入する風の乱れの変動周波数は、天候や季節、時刻等に応じた風況によって変動する。また、風車翼の回転数のn次周波数についても、風車翼の回転数によって変動する。したがって、これらの周波数における振動に対しては、制振周波数を動的に変化させることができる能動ダンパ(例えばAVC;Active Vibration Control)を用いることとした。
このように、能動ダンパと受動ダンパとを、それぞれ対応する周波数を分けて負担させることとしたので、それぞれのダンパの制振効果を効果的に発揮させることができる。
Since the natural frequency of the windmill is uniquely determined by the shape and physique of the windmill, the vibration at the natural frequency is attenuated by a passive damper that can be fixed at a specific frequency and can be damped.
On the other hand, the fluctuation frequency of the turbulence of the wind flowing into the windmill fluctuates depending on the wind conditions according to the weather, season, time, and the like. Further, the n-order frequency of the rotational speed of the wind turbine blade also varies depending on the rotational speed of the wind turbine blade. Therefore, for vibrations at these frequencies, an active damper (for example, AVC; Active Vibration Control) capable of dynamically changing the damping frequency is used.
As described above, since the active damper and the passive damper are separately burdened with the corresponding frequencies, the damping effect of each damper can be effectively exhibited.

能動ダンパと受動ダンパとを、それぞれ対応する周波数を分けて負担させることとしたので、それぞれのダンパの制振効果を効果的に発揮させることができる。   Since the active damper and the passive damper are separately burdened with the corresponding frequencies, the damping effect of each damper can be effectively exhibited.

本発明の風車の制振方法の基本的な考え方を示した図である。It is the figure which showed the basic idea of the vibration suppression method of the windmill of this invention. 風の乱れ成分に応じて制振周波数を変化させる方法を示した図である。It is the figure which showed the method of changing a damping frequency according to a turbulence component of a wind. ロータ回転数の変化に応じて制振周波数を変化させる方法を示した図である。It is the figure which showed the method of changing a damping frequency according to the change of rotor rotation speed. AVCの構成を示したブロック図である。It is the block diagram which showed the structure of AVC. TMDの振動モデルを示した図である。It is the figure which showed the vibration model of TMD. TMDの付加質量をナセルカバーとした一実施形態を示した斜視図である。It is the perspective view which showed one Embodiment which used the additional mass of TMD as the nacelle cover. 図6のナセルカバーの取り付け構造を示し、(a)は側面図、(b)は背面図である。The attachment structure of the nacelle cover of FIG. 6 is shown, (a) is a side view, (b) is a rear view. ナセルカバーとフレームとの固定部を示した拡大図であり、(a)は弾性部材を用いて固定した本発明の構造を示し、(b)は剛部材を用いて固定した一般構造を示す。It is the enlarged view which showed the fixing | fixed part of a nacelle cover and a flame | frame, (a) shows the structure of this invention fixed using the elastic member, (b) shows the general structure fixed using the rigid member. TMDの付加質量をラダーとした一実施形態を示した側面図である。It is the side view which showed one Embodiment which used the additional mass of TMD as the ladder. TMDの付加質量をプラットフォームとした一実施形態を示した側面図である。It is the side view which showed one Embodiment which used the additional mass of TMD as a platform. TMDの付加質量をケーブルとした一実施形態を示した側面図である。It is the side view which showed one Embodiment which used the additional mass of TMD as the cable. TMDの付加質量をナセルの下部モジュールとした一実施形態を示した側面図である。It is the side view which showed one Embodiment which used the additional mass of TMD as the lower module of a nacelle. 風車に生じる振動を周波数に対して示した図である。It is the figure which showed the vibration which arises in a windmill with respect to the frequency.

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
図1には、本発明の基本的な制振の考え方が示されている。同図(a)の横軸は周波数[Hz]を示し、縦軸は風車のタワーの上部に設置されたナセルにおける振動レベル[dB]を示す。同図(a)に示すように、低周波数側から順に、風の乱れの周波数成分による振動、ロータ回転数(1N)における振動、風車自身の固有振動数の1次成分(1st)における振動、ロータ回転数の3倍の回転数(3N)における振動、風車自身の固有振動数の2次成分(2nd)における振動が表れる。なお、ロータ回転数(1N)における周波数と1次固有振動数(1st)との関係は、風車自身の固有振動数によって逆転する場合もある。また、ロータ回転数の3倍の回転数(3N)に表れる振動は、風車翼が3枚であることに起因するものである。
図1(b)の横軸は周波数[Hz]を示し、縦軸は制振装置による減衰量[dB]を示す。同図に示されているように、本発明では、1次固有振動数(1st)に調整して受動ダンパ(具体的にはTMD)を機能させ、風の乱れの周波数成分(及び/又はロータ回転数の1N成分)に調整してアクティブ制振(AVC;能動ダンパ)を機能させる。
特に、アクティブ制振については、図2に示すように、風の乱れ成分の変動に応じて、周波数帯域を調整することが好ましい。また、アクティブ制振は、図3に示すように、ロータ回転数(1N)の変動に応じて、周波数帯域を調整することが好ましい。
Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 shows the basic concept of vibration suppression of the present invention. The horizontal axis of the figure (a) shows frequency [Hz], and a vertical axis | shaft shows the vibration level [dB] in the nacelle installed in the upper part of the tower of a windmill. As shown in FIG. 5A, in order from the low frequency side, vibration due to the frequency component of the wind turbulence, vibration at the rotor rotational frequency (1N), vibration at the primary component (1st) of the natural frequency of the windmill itself, Vibrations at a rotational speed (3N) that is three times the rotor rotational speed and vibrations at the secondary component (2nd) of the natural frequency of the windmill itself appear. The relationship between the frequency at the rotor rotation speed (1N) and the primary natural frequency (1st) may be reversed depending on the natural frequency of the windmill itself. Further, the vibration appearing at the rotation speed (3N) that is three times the rotor rotation speed is due to the fact that there are three wind turbine blades.
The horizontal axis of FIG.1 (b) shows frequency [Hz] and a vertical axis | shaft shows attenuation amount [dB] by a damping device. As shown in the figure, in the present invention, the frequency component of wind turbulence (and / or the rotor) is adjusted by adjusting the primary natural frequency (1st) to function a passive damper (specifically, TMD). The active vibration damping (AVC; active damper) is made to function by adjusting to the 1N component of the rotational speed.
In particular, for active vibration suppression, as shown in FIG. 2, it is preferable to adjust the frequency band in accordance with fluctuations in wind turbulence components. Further, as shown in FIG. 3, in the active vibration suppression, it is preferable to adjust the frequency band according to the fluctuation of the rotor rotational speed (1N).

図4には、上述したアクティブ制振を行う具体的構成が示されている。同図におけるアクティブ制振は、上記特許文献2と同様の方法を用いている。
同図において、風車翼3によって回転させられたロータ4の回転出力は、増速機7へと導かれる。増速機7にて回転数が増大された回転出力が発電システム9へと導かれ電気出力へ変換される。発電システム9からの発電出力は、図示しない系統へと供給される。それぞれの風車翼3には、ピッチ角制御機構11が設けられている。このピッチ角制御機構によって、風車翼3に流入する風を受けて回転出力を得るファイン側から、風を受け流すフェザー側までの間で、風車翼3のピッチ角が適宜変更されるようになっている。
ピッチ角制御機構11へ入力されるピッチ角指令値θは、ピッチ角制御部13にて生成される。ピッチ角制御部13は、発電システム9から出力される発電出力値Pに基づいてピッチ角を設定するピッチ角設定部15を備えている。このピッチ角設定部15によって、所望の出力電力値となるように風車翼3のピッチ角が設定される。ピッチ角設定部15によって設定されたピッチ角は、補正部17へと送られる。
補正部17では、風の乱れ情報取得手段19から得られた風の乱れの周波数に基づいて、ピッチ角を補正し、ピッチ角指令値θとして出力する。風の乱れ情報取得手段19としては、例えば、風車翼3の荷重変動を得る光ファイバ歪み計測器が挙げられる。あるいは、風車にレーザドップラー流速計または超音波ドップラー流速計を設置し、風車の上流側の風速を計測することによってピッチ角をフィードフォワード制御することとしてもよい。このように、風の乱れ成分を取得することによって、風の乱れ成分の周波数帯域における振動を集中的に減衰させるようにピッチ角を変更する。具体的には、風の乱れ成分によって生じるタワーの振動を打ち消すスラスト力を発生するようにピッチ角を制御する。補正部17では、風の乱れ成分の周波数帯域が変化した場合であっても、この変化に応じて動的にピッチ角を変更するようになっている。
また、補正部17には、風車翼3によって回転させられたロータの回転数を取得するロータ回転数取得手段21からの出力値が入力される。このようにロータ回転数を取得することによって、ロータ回転数(1N)における振動を集中的に減衰させるようにピッチ角を変更する。具体的には、ロータの回転よって生じるタワーの振動を打ち消すスラスト力を発生するようにピッチ角を制御する。補正部17では、ロータ回転数が変動した場合であっても、この変化に応じて動的にピッチ角を変更して制振を行う。
なお、本発明のアクティブ制振は、風の乱れ成分のみ、又はロータ回転数(1N)のみに対応させて制振する。しかし、これらの周波数成分が近い場合、あるいは制振効果のピークレベルを落として広めの制振周波数帯域を許容する場合には、両者に対応させるように制振を行ってもよい。
FIG. 4 shows a specific configuration for performing the above-described active vibration suppression. The active vibration suppression shown in the figure uses the same method as in Patent Document 2 above.
In the figure, the rotational output of the rotor 4 rotated by the wind turbine blade 3 is guided to the gearbox 7. The rotational output whose rotational speed is increased by the speed increaser 7 is guided to the power generation system 9 and converted into electrical output. The power generation output from the power generation system 9 is supplied to a system (not shown). Each wind turbine blade 3 is provided with a pitch angle control mechanism 11. By this pitch angle control mechanism, the pitch angle of the wind turbine blade 3 is appropriately changed between the fine side that receives the wind flowing into the wind turbine blade 3 and obtains rotational output and the feather side that receives the wind. Yes.
The pitch angle command value θ input to the pitch angle control mechanism 11 is generated by the pitch angle control unit 13. The pitch angle control unit 13 includes a pitch angle setting unit 15 that sets the pitch angle based on the power generation output value P output from the power generation system 9. The pitch angle setting unit 15 sets the pitch angle of the wind turbine blade 3 so as to obtain a desired output power value. The pitch angle set by the pitch angle setting unit 15 is sent to the correction unit 17.
The correction unit 17 corrects the pitch angle based on the wind turbulence frequency obtained from the wind turbulence information acquisition means 19 and outputs it as a pitch angle command value θ. Examples of the wind turbulence information acquisition unit 19 include an optical fiber strain measuring device that obtains load fluctuations of the wind turbine blade 3. Alternatively, a laser Doppler velocimeter or an ultrasonic Doppler velocimeter may be installed in the windmill, and the pitch angle may be feedforward controlled by measuring the wind speed upstream of the windmill. Thus, by acquiring the wind turbulence component, the pitch angle is changed so as to intensively attenuate the vibration in the frequency band of the wind turbulence component. Specifically, the pitch angle is controlled so as to generate a thrust force that counteracts tower vibration caused by wind turbulence components. Even when the frequency band of the wind turbulence component changes, the correction unit 17 dynamically changes the pitch angle according to the change.
Further, the correction unit 17 receives an output value from the rotor rotational speed acquisition means 21 that acquires the rotational speed of the rotor rotated by the wind turbine blade 3. By acquiring the rotor rotational speed in this way, the pitch angle is changed so as to intensively attenuate the vibration at the rotor rotational speed (1N). Specifically, the pitch angle is controlled so as to generate a thrust force that cancels the tower vibration caused by the rotation of the rotor. Even when the rotor rotational speed fluctuates, the correction unit 17 performs vibration suppression by dynamically changing the pitch angle in accordance with the change.
The active vibration suppression according to the present invention performs vibration suppression corresponding to only the wind turbulence component or only the rotor rotational speed (1N). However, when these frequency components are close to each other, or when a broader vibration suppression frequency band is allowed by reducing the peak level of the vibration suppression effect, vibration suppression may be performed so as to correspond to both.

図5には、風車自身の1次固有振動数(1st)における振動を制振するように調整されるTMD(Tuned Mass Damper)の振動モデルが示されている。
同図において、m1は風車の質量を示し、m2はTMDに用いられる付加質量を示す。また、yは振動時の変位方向を示す。
図5の振動モデルを式で表すと以下のようになる。
My”+Cy’+ky=F
ここで、M,C,k,y,Fは、以下の行列で表される。

Figure 0005449111
FIG. 5 shows a TMD (Tuned Mass Damper) vibration model that is adjusted so as to suppress vibrations at the primary natural frequency (1st) of the windmill itself.
In the same figure, m1 shows the mass of a windmill and m2 shows the additional mass used for TMD. Moreover, y shows the displacement direction at the time of vibration.
The vibration model shown in FIG.
My "+ Cy '+ ky = F
Here, M, C, k, y, and F are represented by the following matrix.
Figure 0005449111

本発明では、上式で表された付加質量m2は、制振目的でなく風車の機能を発揮するために設けられている既存の風車構成要素が用いられる。以下に、具体例を挙げて説明する。
図6〜図8には、ナセルカバーの質量を付加質量m2として利用する場合が示されている。図6に示すように、ナセルカバー30は、タワー2の上端に固定されたフレーム32に対して変位可能に取り付けられている。
図7には、フレーム32に対するナセルカバー30の取り付け構造が示されている。同図(a)は側面図、(b)は(a)の背面図を示す。同図に示されているように、フレーム32とナセルカバー30はリニアガイド34によって接続されており、これにより、フレーム32に対してナセルカバー30が往復動できるようになっている。また、フレーム32とナセルカバー30との間には、TMDのバネ要素および減衰要素となる弾性部材(ゴム等)36が複数設けられている。弾性部材36は、図8に示すように、フレーム32とナセルカバー30との間に挿入されたゴムが好適である。なお、図8(b)には、比較例としての構造が示されており、一般的には金属等の剛部材38が設けられている。
In the present invention, the additional mass m2 represented by the above formula uses an existing wind turbine component that is provided not for the purpose of vibration suppression but for exhibiting the function of the wind turbine. Hereinafter, a specific example will be described.
6 to 8 show a case where the mass of the nacelle cover is used as the additional mass m2. As shown in FIG. 6, the nacelle cover 30 is attached to a frame 32 fixed to the upper end of the tower 2 so as to be displaceable.
FIG. 7 shows a structure for attaching the nacelle cover 30 to the frame 32. FIG. 4A is a side view, and FIG. 4B is a rear view of FIG. As shown in the figure, the frame 32 and the nacelle cover 30 are connected by a linear guide 34, so that the nacelle cover 30 can reciprocate with respect to the frame 32. A plurality of elastic members (rubber etc.) 36 serving as TMD spring elements and damping elements are provided between the frame 32 and the nacelle cover 30. As shown in FIG. 8, the elastic member 36 is preferably rubber inserted between the frame 32 and the nacelle cover 30. FIG. 8B shows a structure as a comparative example, and generally a rigid member 38 such as a metal is provided.

図9には、風車のタワー2内に設置されるラダー(昇降はしご)40の質量を付加質量m2として利用する場合が示されている。ラダー40の上端は、タワー2上端の所定の固定位置42に回転自由にピン支持される。ピン支持する際には所定の弾性部材(ゴム等)を介在させてTMDのバネ要素および減衰要素を与えるようにする。ラダー40の下端は、ラダー40が上端を揺動中心として揺動するように、固定されずに自由端とされている。なお、ラダー40が揺動した際にタワー2の壁部にラダー40が衝突しないようにストッパを設けておくことが好ましい。   FIG. 9 shows a case where the mass of a ladder (elevating ladder) 40 installed in the tower 2 of the windmill is used as the additional mass m2. The upper end of the ladder 40 is pin-supported freely at a predetermined fixed position 42 at the upper end of the tower 2. When the pin is supported, a predetermined elastic member (rubber or the like) is interposed to provide a TMD spring element and damping element. The lower end of the ladder 40 is not fixed and is a free end so that the ladder 40 swings around the upper end as a swing center. In addition, it is preferable to provide a stopper so that the ladder 40 does not collide with the wall portion of the tower 2 when the ladder 40 swings.

図10には、タワー2内のプラットフォーム44の質量を付加質量m2として利用する場合が示されている。プラットフォーム44は、作業者の足場として用いられる。同図に示されているように、プラットフォーム44は、支持部材45を用いた吊り下げ構造とされている。プラットフォーム44は、支持部材45の上端の固定位置46を中心として揺動するようになっている。支持部材45の固定の際には、所定の弾性部材(ゴム等)を介在させてTMDのバネ要素および減衰要素を与えるようにする。   FIG. 10 shows a case where the mass of the platform 44 in the tower 2 is used as the additional mass m2. The platform 44 is used as a scaffold for workers. As shown in the figure, the platform 44 has a hanging structure using a support member 45. The platform 44 swings around a fixed position 46 at the upper end of the support member 45. When the support member 45 is fixed, a predetermined elastic member (rubber or the like) is interposed to provide a TMD spring element and damping element.

図11には、ナセル5から地上まで延在するケーブル50の一部の質量を付加質量m2として利用する場合が示されている。具体的には、滑車52よりも上方のケーブル50の質量が付加質量m2として利用される。この場合には、ケーブル50自身の弾性がTMDのバネ要素および減衰要素として利用される。   FIG. 11 shows a case where the mass of a part of the cable 50 extending from the nacelle 5 to the ground is used as the additional mass m2. Specifically, the mass of the cable 50 above the pulley 52 is used as the additional mass m2. In this case, the elasticity of the cable 50 itself is used as a TMD spring element and damping element.

図12には、ナセル5を上下の上部モジュール5aと下部モジュール5bに二分割し、下部モジュール5bの質量を付加質量m2として利用する場合が示されている。
上部モジュール5aには、増速機、発電機等が配置されている。下部モジュール5b内には、ナセル5を回頭させるヨー旋回モータおよびヨーブレーキが配置されている。下部モジュール5bは、上部モジュール5aに対して相対移動が可能となっている。また、図示しないが、上部モジュール5aと下部モジュール5bとが相対移動する際にTMDのバネ要素および減衰要素を与えるように弾性部材が配置されている。
FIG. 12 shows a case where the nacelle 5 is divided into upper and lower upper modules 5a and lower modules 5b and the mass of the lower module 5b is used as the additional mass m2.
A speed increaser, a generator, and the like are arranged in the upper module 5a. A yaw turning motor and a yaw brake for turning the nacelle 5 are arranged in the lower module 5b. The lower module 5b can be moved relative to the upper module 5a. Although not shown, an elastic member is arranged so as to give a TMD spring element and damping element when the upper module 5a and the lower module 5b move relative to each other.

また、図示しないが、ナセル内のトランスをナセル本体に対して相対移動可能としておき、このトランスの質量を付加質量m2として利用してもよい。さらに、上述した以外にも、風車構成要素であって付加質量として適切な重量を有するものであれば、ナセルないしタワーに対して相対移動可能に設置することにより、TMDの付加質量として用いることができる。   Although not shown, the transformer in the nacelle may be moved relative to the nacelle body, and the mass of the transformer may be used as the additional mass m2. Furthermore, in addition to the above, if it is a wind turbine component and has an appropriate weight as an additional mass, it can be used as an additional mass for TMD by installing it relative to the nacelle or tower. it can.

また、図示しないが、TMDに代えて、TLD(Tuned Liquid Damper;同調型液体ダンパ)を用いてもよい。この場合、付加質量としてナセル内に貯留された作動油または潤滑油を用いることが好ましい。具体的には、油圧機器のリザーバタンク内の作動油、増速機の潤滑油等が挙げられる。   Although not shown, a TLD (Tuned Liquid Damper) may be used instead of TMD. In this case, it is preferable to use hydraulic oil or lubricating oil stored in the nacelle as the additional mass. Specifically, hydraulic oil in a reservoir tank of a hydraulic device, lubricating oil for a speed increaser, and the like can be given.

以上の通り、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
風車の固有振動数は風車の形状や体格によって一義的に決まるので、当該固有振動数における振動は、特定の周波数に固定して減衰を調整できるTMD(またはTLD)によって減衰させることとした。
一方、風車に流入する風の乱れの変動周波数は、天候や季節、時刻等に応じた風況によって変動する。また、風車翼の回転数のn次周波数についても、風車翼の回転数によって変動する。したがって、これらの周波数における振動に対しては、制振周波数を動的に変化させることができるAVCを用いることとした。
このように、TMDとAVCとを、それぞれ対応する周波数を分けて負担させることとしので、それぞれのダンパの制振効果を効果的に発揮させることができる。
As described above, according to the present embodiment, the following operational effects are obtained.
Since the natural frequency of the windmill is uniquely determined by the shape and physique of the windmill, the vibration at the natural frequency is attenuated by TMD (or TLD) that can be fixed at a specific frequency and can be damped.
On the other hand, the fluctuation frequency of the turbulence of the wind flowing into the windmill fluctuates depending on the wind conditions according to the weather, season, time, and the like. Further, the n-order frequency of the rotational speed of the wind turbine blade also varies depending on the rotational speed of the wind turbine blade. Therefore, for vibrations at these frequencies, AVC that can dynamically change the damping frequency is used.
In this way, TMD and AVC are separately burdened with corresponding frequencies, so that the damping effect of each damper can be effectively exhibited.

風車翼3のピッチ角を変更することによって風のエネルギーを用い、減衰作用を発揮するAVCを採用することとした。この場合、有限な風のエネルギーを制振力として用いることになるが、本実施形態では、AVCを所定の周波数に集中させて減衰させることとしているので、風のエネルギーを有効に用いて制振力を発揮させることができる。   By changing the pitch angle of the wind turbine blade 3, wind energy is used and AVC that exhibits a damping action is adopted. In this case, finite wind energy is used as the damping force. However, in this embodiment, since the AVC is concentrated and attenuated at a predetermined frequency, the wind energy is effectively used for damping. You can show your power.

光ファイバ歪み計測器やレーザドップラー流速計等の風速計によって検出された風速の変動に応じてAVCを制御することとした。このように流入する風速変動に応じて制御するので、実際に風車に生じた振動を加速度センサ等によって得てから制振を行う場合に比べて、応答性良く制振を行うことができる。   The AVC was controlled in accordance with fluctuations in wind speed detected by an anemometer such as an optical fiber strain meter or a laser Doppler velocimeter. Since the control is performed in accordance with the wind speed fluctuation that flows in in this way, it is possible to perform vibration suppression with higher responsiveness than in the case of performing vibration suppression after obtaining vibration actually generated in the wind turbine by an acceleration sensor or the like.

また、付加質量として、制振目的でなく風車の機能を発揮するために設けられている既存の風車構成要素を選定することにより、特別な付加物を加えることなくTMDを構成することができるからである。これにより、制振のために風車の重量を増加させる必要がない。   In addition, by selecting an existing wind turbine component that is provided not for the purpose of vibration suppression but for exhibiting the function of the wind turbine as the additional mass, the TMD can be configured without adding a special additive. It is. Thereby, it is not necessary to increase the weight of the windmill for vibration control.

ナセル内に存在する既存の液体を用いることとして、特別な付加物を加えることなくTLDを構成することができるので、制振のために風車の重量を増加させる必要がない。   By using the existing liquid present in the nacelle, the TLD can be constructed without adding any special adjuncts, so that it is not necessary to increase the weight of the windmill for vibration control.

2 タワー
3 風車翼
4 ロータ
5 ナセル
7 増速機
2 Tower 3 Windmill blade 4 Rotor 5 Nacelle 7 Booster

Claims (6)

風車の固有振動数における振動を減衰するように調整された受動ダンパと、
風車に流入する風の乱れの変動周波数および/または風車翼の回転数のn次(nは自然数)周波数における振動を減衰するように調整された能動ダンパと、
該能動ダンパの制振周波数を調整する能動ダンパ用制御部と、
を備えていることを特徴とする風車。
A passive damper tuned to damp vibrations at the natural frequency of the windmill;
An active damper adjusted to dampen vibrations at the fluctuation frequency of the turbulence of the wind flowing into the wind turbine and / or the n-th (n is a natural number) frequency of the rotation speed of the wind turbine blade;
An active damper controller that adjusts the vibration damping frequency of the active damper;
A windmill characterized by comprising.
前記能動ダンパは、風車翼のピッチ角を変更することによって制振力を得ることを特徴とする請求項1に記載の風車。   The wind turbine according to claim 1, wherein the active damper obtains a damping force by changing a pitch angle of the wind turbine blade. 風車に流入する風の流速を検出する風速計を備え、
前記能動ダンパ用制御部は、前記風速計によって検出した流速に基づいて前記能動ダンパを制御することを特徴とする請求項1又は2に記載の風車。
Equipped with an anemometer that detects the flow velocity of the wind flowing into the windmill,
The wind turbine according to claim 1, wherein the active damper control unit controls the active damper based on a flow velocity detected by the anemometer.
前記受動ダンパは、同調型質量ダンパとされ、
該同調型質量ダンパは、付加質量として、風車本体に対して相対移動可能とされた風車構成要素を用いることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の風車。
The passive damper is a tuned mass damper;
The wind turbine according to any one of claims 1 to 3, wherein the tuned mass damper uses a wind turbine component that is movable relative to the wind turbine body as an additional mass.
前記受動ダンパは、同調型液体ダンパとされ、
該同調型液体ダンパは、付加質量として風車本体内に貯留された作動油または潤滑油を用いることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の風車。
The passive damper is a tuned liquid damper,
The wind turbine according to any one of claims 1 to 3, wherein the tuned liquid damper uses hydraulic oil or lubricating oil stored in the wind turbine body as an additional mass.
風車の固有振動数における振動を減衰するように調整された受動ダンパと、能動ダンパとを備えた風車の制振方法であって、
風車に流入する風の乱れの変動周波数および/または風車翼の回転数のn次(nは自然数)周波数における振動を減衰するように前記能動ダンパの制振周波数を制御することを特徴とする風車の制振方法。
A vibration damping method for a windmill comprising a passive damper adjusted to attenuate vibrations at the natural frequency of the windmill, and an active damper,
A wind turbine characterized by controlling the vibration damping frequency of the active damper so as to attenuate vibrations at the fluctuation frequency of the turbulence of the wind flowing into the wind turbine and / or the n-th (n is a natural number) frequency of the rotational speed of the wind turbine blade. Vibration control method.
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