JP6695105B2

JP6695105B2 - 風力発電装置の状態監視装置

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Publication number: JP6695105B2
Application number: JP2015143773A
Authority: JP
Inventors: 高橋　亨; 亨高橋
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2015-07-21
Filing date: 2015-07-21
Publication date: 2020-05-20
Anticipated expiration: 2035-07-21
Also published as: CN107850051A; US10590915B2; JP2017025750A; CN107850051B; WO2017013997A1; US20180223813A1

Description

本発明は、風力発電装置の状態監視装置に関する。

クリーンなエネルギー源を使用して発電する発電装置として、風力発電装置が知られている。

風力発電装置においては、運転監視装置（ＳｕｐｅｒｖｉｓｏｒｙＣｏｎｔｒｏｌＡｎｄＤａｔａＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ：ＳＣＡＤＡ）や状態監視装置（ＣｏｎｄｉｔｉｏｎＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍ：ＣＭＳ）などにより風車の運転状態が遠隔的に監視される。ＳＣＡＤＡでは、風車の発電量や風速などの運転情報が収集され、ＣＭＳでは、機器の損傷や劣化状態などが監視される。

ＣＭＳで収集される情報の中には振動のデータが含まれる。振動のデータは、圧電素子などを含む加速度センサで計測されることが多い。このような加速度センサは、応答周波数が、たとえば、４０Ｈｚ〜８ｋＨｚに限定されている。

このため、一般的な振動センサでは、４０Ｈｚを下回るような低周波数の振動を検出することは難しい。

特開２０１３−８７７３２号公報（特許文献１）は、このような低周波振動を検出することができる簡易なセンサを用いて、風力発電装置の状態を監視するシステムを開示する。

特開２０１３−０８７７３２号公報

低周波の振動の一例として、風力発電装置のタワーのねじれ振動によって、ナセルに発生する振動が挙げられる。

上記の特開２０１３−８７７３２号公報（特許文献１）に開示された低周波振動センサは、タワーの上端が前後または左右方向に変位するピッチング振動は検出することができるが、ねじれ振動については検出が難しい。また低周波用の高感度加速度センサは、比較的高価でサイズも大きくなるため、適用しにくいという問題がある。

この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、低周波の振動を安価なセンサで検出することができる風力発電装置の状態監視装置を提供することである。

この発明は、要約すると、タワーの上部にナセルが設置された風力発電装置の状態監視装置であって、ナセルに設置され、ナセルの向きを検出する方位センサと、方位センサの出力を受け、信号の記録、解析、送信の少なくともいずれかを実行する状態監視部とを備える。

方位センサを備えることによって、風力発電装置のナセルの向きを安価かつ簡単に検出することができる。

好ましくは、状態監視部は、方位センサの出力に基づいて、タワーのねじれ振動に伴うナセルの回動を検出する。好ましくは、方位センサは、地磁気を検出する磁気センサを含む。

方位センサは、加速度センサなどでは検出の難しいゆっくりした方向の変動も検出することができるので、タワーのねじれ振動に伴うナセルの回動を良好に検出することができる。

好ましくは、状態監視部は、方位センサの出力信号から一定時間ごとの平均値を求め、ナセルの方位データを算出する。

このようにすれば、タワーのねじれ振動によってナセルの向きが変化しても、ナセルのおおよその方位を正しく検出することができる。

好ましくは、状態監視部は、方位センサの出力信号から所定周波数以下の成分を抽出することによって、タワーのねじれ振動を監視する。

このようにすれば、方位センサの出力信号からねじれ振動の成分を分離することができる。

好ましくは、状態監視装置は、状態監視部を収容するとともに、方位センサを収容するか、または方位センサが取り付けられた筐体をさらに備える。

方位センサは、磁気を用いる場合には、風力発電装置において大電流が流れるケーブル等の近くに設置することは避けた方が良いが、それ以外の取り付け場所の制限は少ない。したがって状態監視部と共に同じ筐体に方位センサも収容するか、または筐体に方位センサを取り付けておけば、状態監視装置の筐体を設置の完了と同時に方位センサの設置も完了するため、方位センサの設置工事が簡単で済む。

本発明によれば、低周波数のナセルの回動を安価な装置で監視等することができる。

本実施の形態の異常診断装置が使用される風力発電装置を説明するための図である。ナセル内部の構造をより詳細に示した図である。タワーのねじれ振動によって発生するナセルの回動を説明するための図である。状態監視部２００の構成を示したブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。

図１は、本実施の形態の異常診断装置が使用される風力発電装置を説明するための図である。

図１を参照して、タワー１００の上端部には、ナセル９０が設けられている。ロータヘッド２０には複数のブレード３０が取り付けられている。ロータヘッド２０は主軸２２の先端部分に接続されている。主軸２２はナセル９０内部で支持される。主軸２２の回転は、増速機４０を経由して発電機５０へと伝達される。

風力発電装置は、地上に固定されたタワー１００に対して、風向に応じてナセル９０を回転させるヨー運動を行なうことが可能に構成されている。好ましくは、風上にブレード３０側が位置するようにナセル９０が回転される。

また、風力発電装置１０は、風力の強さに応じてブレード３０の風の方向に対する角度（以下、ピッチと称する）を変化させることによって、適度な回転を得ている。また、風車の起動・停止を行なう場合にも同様に、ブレードピッチが制御される。また、主軸を１回転させる間においても、各ブレード３０が数度揺動するように制御されている。このようにすることによって、風から得ることのできるエネルギーの量を調整することができる。強風時などでは、風車の回転を抑制するためにブレードの風受け面（翼面、羽面ともいう）を風の方向と平行にする。

図２は、ナセル内部の構造をより詳細に示した図である。図１、図２を参照して、風力発電装置１０は、主軸２２と、ブレード３０と、増速機４０と、発電機５０と、主軸受６０と、状態監視装置８０とを備える。増速機４０、発電機５０、主軸受６０および状態監視装置８０は、ナセル９０に格納され、ナセル９０は、タワー１００によって支持される。

主軸２２は、ロータヘッド２０からナセル９０内に進入して増速機４０の入力軸に接続され、主軸受６０によって回転自在に支持される。そして、主軸２２は、風力を受けたブレード３０により発生する回転トルクを、増速機４０の入力軸へ伝達する。ブレード３０は、主軸２２の先端に設けられ、風力を回転トルクに変換して主軸２２に伝達する。

主軸受６０は、ナセル９０内において固設され、主軸２２を回転自在に支持する。主軸受６０は、転がり軸受によって構成され、たとえば、自動調芯ころ軸受や円すいころ軸受、円筒ころ軸受、玉軸受等によって構成される。なお、これらの軸受は、単列のものでも複列のものでもよい。

増速機４０は、主軸２２と発電機５０との間に設けられ、主軸２２の回転速度を増速して発電機５０へ出力する。一例として、増速機４０は、遊星ギヤや中間軸、高速軸等を含む歯車増速機構によって構成される。なお、特に図示しないが、この増速機４０内にも、複数の軸を回転自在に支持する複数の軸受が設けられている。発電機５０は、増速機４０の出力軸６１に接続され、増速機４０から受ける回転トルクによって発電する。発電機５０は、たとえば、誘導発電機によって構成される。なお、この発電機５０内にも、ロータを回転自在に支持する軸受が設けられている。

ナセル回転機構は、ナセル９０側に取り付けられたナセル向き変更用の駆動装置１２４と、駆動装置１２４の回転軸に嵌合されたピニオンギヤによって回転されるリングギヤ１２６とを含む。リングギヤ１２６はタワー１００に固定された状態に取り付けられている。

ナセル回転機構は、ナセル９０の向きを変更（調整）する。ここで、ナセル９０とタワー１００の境界部には、ナセル支持用の軸受１２２が設けられている。ナセル９０は軸受１２２によって支持され、軸受１２２の回転軸を中心として回転する。このようなタワーの中心軸回りのナセル９０の回転をヨー（ｙａｗ）運動またはヨーイング（ｙａｗｉｎｇ）という。ヨー運動は、ナセル９０内に設置された状態監視装置８０によって検知される。

状態監視装置８０は、方位センサ８３と、状態監視部２００と、方位センサ８３および状態監視部２００を収容する筐体２１２とを含む。方位センサ８３は小型であり、設置場所も比較的自由に選べる。方位センサ８３を状態監視部２００の電子回路基板上に搭載しても良い。また、方位センサ８３を筐体２１２の外部に取り付けておいても良い。方位センサ８３を筐体２１２に入れておくか、または筐体２１２に取り付けておけば、状態監視装置８０を既設の風力発電装置に設置する際に、方位センサ８３を取り付ける手間を省くことができる。

方位センサ８３としては、たとえば地磁気によって方角を検出できるセンサを使用することができる。近年スマートフォンなどに電子コンパス（デジタルコンパス）が搭載されるようになっている。地磁気の変化をＸＹ方向の２軸で検出する２つの磁気センサを内蔵した電子コンパスモジュール、および地磁気の変化をＸＹＺ方向の３軸で検出する３つの磁気センサを内蔵した電子コンパスモジュールは安価に手に入るようになっているので、これらの電子コンパスモジュールを方位センサ８３として使用することができる。

そして、本実施の形態では、方位センサ８３の出力をナセル９０の向きの検出に用いると共に、タワーのねじれ振動によるナセル９０の回動の検出にも使用する。

図３は、タワーのねじれ振動によって発生するナセルの回動を説明するための図であり、ナセル９０を上方から見た図である。図２、図３を参照して、ブレード３０が正面方向から風を受けるように、風向に応じてナセル向き変更用の駆動装置１２４によって角度αが調整される。

しかし、角度αを風向に応じて調整したとしても、横方向から突風を受けることがある。すると、ナセル９０が回動し、タワー１００にねじり振動が発生する。その結果、角度βの範囲で、ナセル９０に低周波数の回動方向の振動が発生する。回動方向の振動が発生すると、図３の角度αは増減するように変動する。

そこで、本実施の形態では、状態監視装置８０において、ナセル９０の向いている方向（角度αに対応）を検知して、風の方向と機器の振動状態との関係を考慮しながら振動（角度βに対応）をモニタリングする。

ナセル９０の向いている方向を検知するために、状態監視装置８０は、方位センサ８３を用いる。方位センサ８３としては、携帯電話等にも用いられている地磁気を検知可能な電子コンパスを使用することができる。

方位センサ８３をナセル内に設置して、方位センサ８３で計測した信号を状態監視部２００の入力データとして利用することができる。

図４は、状態監視部２００の構成を示したブロック図である。状態監視部２００は、方位センサ８３および振動センサ８１，８２からの信号を受け、風力発電装置の監視を行なう。

図４を参照して、状態監視部２００は、方位センサ８３の出力と振動センサ８１，８２の出力とを受け、風力発電装置の振動データの記録、解析、送信の処理を行なう。状態監視部２００は、平均値算出部２０２と、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）処理部２０４と、周波数解析処理部２０６と、振動情報記憶部２０８と、データ送信部２１０とを含む。

平均値算出部２０２は、ナセル９０の方向を求めるために、方位センサ８３（電子コンパス）の信号から一定時間の平均値を求めることによりノイズを取り除く処理を行なう。具体的には、平均値算出部は、方位センサ８３の信号を定期的に一定時間にｎ個サンプリングし、サンプリングした信号が示す角αの合計値をｎで割ることによって平均値を算出する。平均値は、ねじり振動がなければナセルが本来向いているべき方向を示す。

ＬＰＦ処理部２０４は、数十秒から数分間にわたる長時間の方位センサ８３（電子コンパス）の出力信号から、数Ｈｚ以下の低周波変動成分を抽出する。抽出した信号を周波数解析処理部２０６において解析すると、ナセルがゆっくりと向きを変化する様子が観測され、ナセルの低周波振動成分を求めることができる。なお、ＬＰＦ処理部２０４が遮断する周波数帯は、タワー１００、ナセル９０等の構造に対応した適切な値に設定される。

振動情報記憶部２０８は、平均値算出部２０２によって算出された方位データと、周波数解析処理部２０６によって解析されたナセル９０の回動方向の低周波の振動データと、振動センサ８１，８２で検出され周波数解析処理部２０６によって解析された風車のブレードの回転に伴う振動データとを記憶する。

データ送信部２１０は、振動情報記憶部２０８に記憶された振動情報を、無線等によってナセル９０から観測所などへ必要に応じて送信する。

なお、観測所では、通常の振動センサ８１，８２の信号から得られた情報と方位センサ８３の信号から得られた情報とを組み合わせて、数Ｈｚ以上の振動成分を含めた総合的な分析判断を行なう。

また、状態監視部２００は、上記のブロック分けされた構成に限らず、ＣＰＵ、記憶装置、入出力バッファ等を含むコンピュータを用いてソフトウエアによる処理で実現することも可能である。また、状態監視部２００は、専用のハードウェア（電子回路）により構成することも可能である。

以上説明したように、本実施の形態では、振動センサ８１，８２では検出の難しい低周波の振動であっても、方位センサ８３で検出することが可能になる。例えば、タワー１００のねじれ振動等によってナセル９０の向きがわずかに変動するのを、地磁気の方向変化によって高感度に検知することができる。

また、方位センサ８３は、磁気検出素子を複数含み、これらが互いに直交する方向の磁気変化を検出するように配置して、２軸または３軸方向の回転運動を検出する構成としてもよい。また、電子コンパスのデバイスとして２軸または３軸の磁気検出素子を集積したものを搭載して、同様な機能を持たせてもよい。安価な電子コンパスを利用することにより、従来難しかった低周波振動成分を抽出することができる。

さらに、抽出した低周波振動情報は、次のように利用することができる。
（第１の利用例）
方位センサ８３によって検出されたタワー１００のねじれ振動の振幅変化を求め、変化量が多い場合には「ブレード３０に対する風の当たり方（風向の乱れ）の影響を受けている」などと風車の運転状況に関する情報を抽出し、警告情報を出力する。

この情報に基づいて、ブレードピッチ可変機構の制御を変更することもできる。再び図２を参照して、ブレードピッチ可変機構について説明する。ブレードピッチ可変機構は、ロータヘッド側に取り付けられたブレードピッチ変更用の駆動装置２４と、駆動装置２４の回転軸に嵌合されたピニオンギヤによって回転されるリングギヤ２６とを含む。リングギヤ２６はブレード３０に固定された状態に取り付けられている。

ブレードピッチ可変機構は、複数のブレード３０を揺動させ、ブレード３０のピッチを変更（調整）する。ここで、この複数のブレード３０の基端部には、ブレード用軸受１２０が設けられており、ブレード３０はブレード用軸受１２０によってそれぞれ支持され、ブレード用軸受１２０の回転軸を中心として回転する。

発電機５０に負荷がかかっている場合には、風の方向とブレード３０の風受け面とがなす角度が角度θ（≠０）となるようにブレード３０のピッチが設定される。すると、ブレード３０の風受け面は、風からのエネルギーを受ける。そして複数のブレード３０は、ロータヘッド２０に接続された主軸２２を軸とし、ロータヘッド２０と共にタワー１００に対して回転する。この回転軸の回転は発電機へと伝達され、発電が行なわれる。

ここで、強風時などには、風の方向とブレード３０の風受け面とが平行となるようにブレード３０のピッチが変更されるが、強風であるか否かの判断は設置場所によって変える必要がある。たとえば、地形の影響により、突風による横風が発生しやすい場所では、強風と判定する風速を下げることが好ましい。

このように突風による横風が発生しているか否かの判断に方位センサ８３の出力から抽出された低周波の振動成分を用いることができる。具体的には、低周波の振動成分の強度が所定のしきい値を超えた場合に、強風であると判定することができる。

このようにすることによって、ブレード３０およびロータヘッド２０の回転速度の異常上昇による風力発電装置１０の破損を防止することができる。

（第２の利用例）
方位センサ８３によって検出された振動成分から、周波数解析により突出した周波数成分を抽出すると、構造体の固有振動数を推定することができる。この周波数が変化した場合には、構造体の強度変化などの異常が疑われるため、長期間にわたってモニタして異常推定に利用することができる。

具体的には、たとえば、振動成分から推定された固有振動数が許容幅から外れたら、警告情報を出力する。この警告情報を見て監視者は現場に点検に行くことができる。

［変形例］
上記実施の形態では、方位センサ８３として地磁気に基づいて方位を決めるもの（電子コンパスなど）を例示した。しかし、方位センサ８３は図３の回転角αの変化を検出可能なものであればこれに限られるものではない。たとえば、方位センサ８３として、ジャイロセンサが使用できる。ジャイロセンサは、カメラの手振れ防止やゲーム機の動き検出や自動車の姿勢計測などに広く用いられるようになってきている。

このような変形例でも、同様に低周波のナセルのヨー運動を監視することが可能となる。

最後に、再び図を参照して本実施の形態について総括する。風力発電装置の状態監視装置８０は、ナセル９０に設置され、ナセル９０の向きを検出する方位センサ８３と、方位センサ８３の出力を受け、信号の記録、解析、送信の少なくともいずれかを実行する状態監視部２００とを備える。好ましくは、状態監視部２００は、方位センサ８３の出力に基づいて、タワー１００のねじれ振動に伴うナセル９０の回動を検出する。

方位センサ８３は、加速度センサなどでは検出の難しいゆっくりした方向の変動も検出することができるので、タワー１００のねじれ振動に伴うナセル９０の回動を良好に検出することができる。

好ましくは、状態監視部２００は、方位センサ８３の出力信号から一定時間ごとの平均値を求め、ナセル９０の方位データを算出する。

このようにすれば、タワー１００のねじれ振動によってナセル９０の向きが変化しても、ナセル９０のおおよその方位を正しく検出することができる。

好ましくは、状態監視部２００は、方位センサ８３の出力信号から所定周波数（たとえば数Ｈｚ）以下の成分を抽出することによって、タワー１００のねじれ振動を監視する。

このようにすれば、方位センサ８３の出力信号からねじれ振動の成分を分離することができる。

好ましくは、状態監視装置８０は、方位センサ８３と、状態監視部２００とを収容する筐体２１２をさらに備える。

方位センサは、磁気を用いる場合には、風力発電装置において大電流が流れるケーブル等の近くに設置することは避けた方が良いが、それ以外の取り付け場所の制限は少ない。したがって状態監視部２００と共に同じ筐体２１２に収容しておくか、または筐体２１２に取り付けておけば、状態監視装置８０の筐体２１２を設置の完了と共に方位センサ８３の設置も完了するため、状態監視装置８０の設置工事が簡単で済む。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０風力発電装置、２０ロータヘッド、２２主軸、２４，１２４駆動装置、２６，１２６リングギヤ、３０ブレード、４０増速機、５０発電機、６０主軸受、８０状態監視装置、８１，８２振動センサ、８３方位センサ、９０ナセル、１００タワー、１２０ブレード用軸受、１２２軸受、２００状態監視部、２０２平均値算出部、２０４処理部、２０６周波数解析処理部、２０８振動情報記憶部、２１０データ送信部、２１２筐体。

Claims

タワーの上部にナセルが設置された風力発電装置の状態監視装置であって、
前記ナセルに設置され、前記ナセルの向きを検出する方位センサと、
前記方位センサの出力を受け、信号の記録、解析、送信の少なくともいずれかを実行する状態監視部とを備え、
前記方位センサは、地磁気の方向を検出する電子コンパスであり、
前記状態監視部は、前記方位センサの出力に基づいて、前記タワーのねじれ振動に伴う前記ナセルの回動を検出する、風力発電装置の状態監視装置。
前記電子コンパスは、地磁気を検出する２つまたは３つの磁気センサを含む、請求項１に記載の風力発電装置の状態監視装置。
前記状態監視部は、前記方位センサの出力信号から一定時間ごとの平均値を求め、前記ナセルの方位データを算出する、請求項１または２に記載の風力発電装置の状態監視装置。
前記状態監視部は、前記方位センサの出力信号から所定周波数以下の成分を抽出することによって、タワーのねじれ振動を監視する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の風力発電装置の状態監視装置。
前記状態監視部を収容するとともに、前記方位センサを収容するか、または前記方位センサが取り付けられた筐体をさらに備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載の風力発電装置の状態監視装置。