JP6827992B2 - 風力発電装置及びその制御方法並びに制御プログラム - Google Patents

Description

本発明は、風力発電装置及びその制御方法並びに制御プログラムに関するものである。

風力発電装置は、一つのタワー部に対して一つのみの風車部が設置された構成（シングルロータ式）が一般的であるが、一つのタワー部に対して複数の風車部が設置された、いわゆるマルチロータ式風力発電装置も知られている。マルチロータ式風力発電装置では、風車部の合計受風面積が大きくなり、一つのタワー部から得られる発電電力量（出力）が大きくなる。

下記の特許文献１及び２には、マルチロータ式風力発電装置に関する技術が開示されている。

国際公開第２０１７／１０８０５７号 独国特許発明第１０２０１２０２００５２号明細書

従来のシングルロータ式の風力発電装置において、装置の異常状態を検出するためには、実際の運転状態と、過去の蓄積データに基づく正常モデルとの比較による方法が用いられていた。しかしながら、上記の従来方法では、様々な運転状態に合わせた正常モデルを作成する必要があり、また、正常モデルを作成するためにも膨大な運転データを蓄積しなければならない。また、実際の運転状態が多岐にわたる（例えば、翼のピッチ角の設定値と風車部のヨー角の設定値との組み合わせ等）ため、比較するための正常モデルが得られない可能性もある。

また、マルチロータ式風力発電装置においては、一つのタワー部に対して複数の風車部が設けられているため、一つの風車部が異常運転を行っている場合には、他の風車部にも影響（例えば、アンバランス等）を及ぼす可能性がある。このため、特にマルチロータ式風力発電装置では、各風車部の異常の有無を迅速に判定することが望まれている。

また、シングルロータ式の風力発電装置において、異常が発生した場合には、一般的に、風車部を強制的に非常停止させる制御が行われている。マルチロータ式の風力発電装置においては、複数の風車部を備えているため、上記のような異常に対する非常停止制御を行う場合には、複数の風車部のうち少なくとも１つの風車部が非常停止することとなる。このため、マルチロータ式の風力発電装置では、非常停止制御を行うと、非常停止が行われる風車部と非常停止制御が行われない正常運転の風車部とが１つのタワー部に混在することとなる。これにより、風力発電装置においてアンバランスが生じ、風力発電装置全体に過大な荷重が働く場合がある。過大な荷重が発生すると、風力発電装置の破損等を招くため、マルチロータ式の風力発電装置において、風力発電装置の各部に発生する荷重を予測することが必要である。

非常停止制御を行う場合において、風力発電装置の各部に発生する荷重を予測することで、荷重を抑制するための風車部全体の協調制御等を行うことができる。

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、簡便な処理で正確かつ迅速に異常の有無を判定することができる風力発電装置及びその制御方法並びに制御プログラムを提供することを目的とする。

本発明の第１態様は、タワー部と、ロータと、前記ロータに設けられた翼と、前記ロータの回転力によって発電する発電機とをそれぞれ有する複数の風車部と、前記タワー部と接続され、前記複数の風車部を支持する支持部材と、前記複数の風車部におけるそれぞれの運転状態を示す所定のパラメータの値を検出する検出部と、前記検出部によって検出された前記複数の風車部における前記運転状態に基づいて、それぞれの前記風車部における異常の有無を判定する異常判定部と、を備えた風力発電装置である。

上記のような構成によれば、複数の風車部は、ロータと、ロータに設けられた翼と、ロータの回転力によって発電する発電機をそれぞれ有し、各風車部は、タワー部と接続された支持部材によって支持される。これにより、タワー部には、支持部材を介して複数の風車部が設置される。そのため、各風車部は、比較的風の状況が近い環境（風況）下に配置され、同一方向の風を受けて回転し発電する。また、略等しい風況下におかれた複数の風車部では正常運転時における運転状態は互いに略一致することが想定される。本発明において、検出部が複数の風車部におけるそれぞれの運転状態を検出し、検出された複数の風車部における運転状態に基づいて、それぞれの風車部における異常の有無が判定される。このため、風車部における異常発生の有無を正確かつ迅速に判定することが可能となる。また、従来の異常監視方法では、実際の運転状態と、過去に蓄積されたデータによる正常モデルとを比較していた。しかしながら、上記のような構成によれば、従来方法のような膨大データ及び正常モデルが不要であり、簡便な処理で正確に異常の有無を判定することが可能となる。

上記風力発電装置において、前記異常判定部は、前記複数の風車部における前記運転状態を示す所定のパラメータの瞬時値に基づいて、前記風車部における異常の有無を判定するとしてもよい。

上記のような構成によれば、運転状態の瞬時値に基づいて異常判定を行うため、異常の有無を正確かつ迅速に判定することが可能となる。

上記風力発電装置において、前記運転状態を示す所定のパラメータの瞬時値とは、前記複数の風車部における圧力、温度、前記ロータの回転数、前記発電機の回転数、及び振動レベルの少なくともいずれか１つの瞬時値であることとしてもよい。

上記のような構成によれば、略同一の風況下におかれた複数の風車部が正常な運転を行っている場合には、圧力、温度、ロータの回転数、発電機の回転数、及び振動レベルの各パラメータの瞬時値は、配置されたすべての風車部において略等しくなることが想定される。このため、上記のパラメータを用いることで、より精度良く異常の有無を判定することができる。

上記風力発電装置において、前記異常判定部は、前記複数の風車部における前記運転状態を示す所定のパラメータの積算値に基づいて、前記風車部における異常の有無を判定することとしてもよい。

上記のような構成によれば、運転状態の積算値に基づいて異常判定を行うため、異常の有無を正確かつ迅速に判定することが可能となる。

上記風力発電装置において、前記運転状態を示す所定のパラメータの積算値とは、前記複数の風車部における応力及び前記翼のピッチ角の少なくともいずれか１つの積算値であることとしてもよい。

上記のような構成によれば、略同一の風況下におかれた複数の風車部が正常な運転を行っている場合には、応力及び翼のピッチ角の各パラメータの積算値は、配置されたすべての風車部において略等しくなることが想定される。このため、上記のパラメータを用いることで、より精度良く異常の有無を判定することができる。

上記風力発電装置において、前記異常判定部は、前記複数の風車部における前記運転状態を示す所定のパラメータの値の平均値及び偏差を算出し、偏差が予め設定した閾値よりも大きな運転状態である風車部を異常有と判定することとしてもよい。

上記のような構成によれば、複数の風車部における運転状態を示す所定のパラメータの値の平均値から大きく乖離した運転状態となっている風車部を特定することができるため、簡便な処理で正確に異常の判定を行うことができる。

上記風力発電装置において、前記検出部によって計測した運転状態に基づいて、前記風力発電装置に対応する仮想モデルを作成する仮想モデル作成部と、前記異常判定部により風車部の異常が判定された場合に、前記仮想モデルを用いて、異常と判定された風車部の非常停止に関する情報と、異常と判定された風車部以外の風車部における現在の運転状態に関する情報に基づいて、前記風力発電装置の各部に発生する荷重を予測する荷重予測部と、を備えることとしてもよい。

上記のような構成によれば、複数の風車部は、ロータと、ロータに設けられた翼と、ロータの回転力によって発電する発電機をそれぞれ有し、各風車部は、タワー部と接続された支持部材によって支持される。これにより、タワー部には、支持部材を介して複数の風車部が設置される。そのため、各風車部は、比較的風の状況が近い環境（風況）下に配置され、同一方向の風を受けて回転し発電する。また、複数の風車部におけるいずれかの風車部に異常が発生した場合に、実際に計測した運転状態に基づいて作成した風力発電装置の仮想モデルを用いて、非常停止によって発生する風力発電装置の各部の荷重を予測することができる。

上記風力発電装置において、前記荷重予測部によって予測された荷重が予め設定された閾値以上となる場合に、前記仮想モデルを用いて、異常と判定された風車部以外の風車部の制御パラメータを変動させ、前記荷重予測部によって予測された荷重が最小となるような前記制御パラメータの設定値を推定することとしてもよい。

上記のような構成によれば、荷重が予め設定された閾値を超えるような重大な危険が予測される場合には、仮想モデルを用いて、異常と判定された風車部以外の風車部の制御パラメータを変動させてシミュレーションを行い、予測された荷重が最小となるような制御パラメータの設定値を推定する。これにより、荷重を効果的に抑制するための、風車部（異常と判定された風車部以外の風車部）の制御パラメータの設定値を得ることができる。

上記風力発電装置において、前記推定部によって推定された前記設定値に基づいて、前記荷重予測部によって予想した荷重が前記風力発電装置に発生する前に、非常停止する風車部以外の風車部を制御する制御部を備えることとしてもよい。

上記のような構成によれば、荷重予測部によって予測した荷重が風力発電装置に発生する前に、異常と判定された風車部以外の風車部を推定した設定値に基づいて制御する。これにより、非常停止によって発生する荷重が実際に発生する前に、非常停止しない風車部の制御パラメータを制御して、実際に発生する荷重を抑制することができる。このため、非常停止によって発生する荷重による風力発電装置への影響を効果的に抑制することができ、風力発電装置を構成する各部材等への疲労や故障を防ぐことができる。

上記風力発電装置において、前記制御パラメータとは、翼のピッチ角、風車部のヨー角、発電機の最大回転数の少なくともいずれか１つであることとしてもよい。

上記のような構成によれば、制御パラメータとして、翼のピッチ角、風車部のヨー角、発電機の最大回転数の少なくともいずれか１つを用いることで、異常と判定された風車部以外の風車部の運転状態を効果的に制御することができる。

上記風力発電装置において、前記異常判定部によって風車部の異常が判定されていない場合に、前記検出部によって計測した運転状態に基づいて、前記仮想モデルを修正する仮想モデル修正部を備えることとしてもよい。

上記のような構成によれば、異常が判定されていないような正常運転を行っている場合に、計測した運転状態に基づいて仮想モデルを修正するため、仮想モデルの精度が向上し、荷重予測等の精度も向上する。

本発明の第２態様は、タワー部と、ロータ、前記ロータに設けられた翼、及び前記ロータの回転力によって発電する発電機をそれぞれ有する複数の風車部と、前記タワー部と接続され前記複数の風車部を支持する支持部材と、を備える風力発電装置の制御方法であって、前記複数の風車部におけるそれぞれの運転状態を示す所定のパラメータの値を検出する検出工程と、前記検出工程によって検出された前記複数の風車部における前記運転状態に基づいて、それぞれの前記風車部における異常の有無を判定する異常判定工程と、を有する風力発電装置の制御方法である。

本発明の第３態様は、タワー部と、ロータ、前記ロータに設けられた翼、及び前記ロータの回転力によって発電する発電機をそれぞれ有する複数の風車部と、前記タワー部と接続され前記複数の風車部を支持する支持部材と、を備える風力発電装置の制御プログラムであって、前記複数の風車部におけるそれぞれの運転状態を示す所定のパラメータの値を検出する検出処理と、前記検出処理によって検出された前記複数の風車部における前記運転状態に基づいて、それぞれの前記風車部における異常の有無を判定する異常判定処理と、をコンピュータに実行させるための風力発電装置の制御プログラムである。

本発明によれば、簡便な処理で正確かつ迅速に異常の有無を判定することができるという効果を奏する。

本発明の第１実施形態に係る風力発電装置の概略構成を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る風力発電装置における異常判定部が備える機能を示した機能ブロック図である。 本発明の第１実施形態に係る風力発電装置における第１異常判定部による異常判定処理のフローチャートを示した図である。 本発明の第１実施形態に係る風力発電装置の変形例における第１異常判定部による異常判定処理のフローチャートを示した図である。 本発明の第２実施形態に係る風力発電装置の概略構成を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る風力発電装置における制御装置が備える機能を示した機能ブロック図である。 本発明の第２実施形態に係る風力発電装置における制御装置による荷重抑制制御のフローチャートを示した図である。

〔第１実施形態〕
以下に、本発明に係る風力発電装置及びその制御方法並びに制御プログラムの第１実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る風力発電装置１の概略構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態に係る風力発電装置１は、タワー部３と、支持部材４と、風車部５と、検出部６と、異常判定部７とを主な構成として備えている。風力発電装置１は、発生した電力を電力系統へ送電するために系統連系されており、陸上又は洋上に設置される。なお、風力発電装置１は、電力系統以外にも、直接的に工場やその他設備へ、又は蓄電設備に電力供給することとしてもよい。なお、本実施形態における風力発電装置１は、２台の風車部５を備えるマルチロータ式の風力発電装置１として説明するが、風車部５の数はこれに限られず適宜変更可能である。以下の説明では、各風車部５を区別して説明する場合には、風車部５Ａ、５Ｂとし、各風車部５を区別しない場合には単に符号５を付す。また、検出部６及び異常判定部７は、汎用的なコンピュータによって実現可能であり、タワー部３、支持部材４、風車部５等とネットワークを介して接続され、各種処理を遠隔で行うこととしてもよい。検出部６は、風車部５に備えられたセンサが取得した情報を受信すると、取得した情報を基に運転状態を示す所定のパラメータの値を検出する。

タワー部３は、一方向に長い構造を有し、軸方向が設置面に対して垂直方向となるようにタワー部３の基礎部が設置面に設けられる。タワー部３は、例えば１本の円柱状部材でもよいし、複数の長尺状部材が組み合わされて構成されてもよい。
支持部材４は、例えば一方向に長い部材であり、一端側である基部がタワー部３と接続され、他端側である先端側において風車部５を支持する。１本の支持部材４に、１台の風車部５が設置される場合、風車部５と同数の支持部材４がタワー部３に接続される。支持部材４は、円柱状等の長尺状部材でもよいし、複数の部材が組み合わされたトラス構造を有する部材でもよい。また、支持部材４は、圧縮力を主に負担する長尺状部材と、引張力を負担するワイヤ部材などから構成されてもよい。

風車部５は、ナセルと、ナセルに収容されるロータ及び発電機と、ロータの先端に設置されたロータヘッドと、ロータヘッドに設けられた複数枚（例えば３枚）の翼などを有する。

ナセルは、支持部材４の上部又は下部に設置され、内部にロータや、増速機、発電機などを備える。ナセルの一端側には、ロータヘッドが設けられる。ロータは、ほぼ水平な軸線周りに回転可能である。ロータの一端側は、ロータヘッドに接続され、ロータの他端側は、例えば直接的に発電機に接続され、又は、増速機若しくは油圧ポンプ・油圧モータを介して発電機に接続される。発電機は、ロータが軸周りに回転することによって生じる回転力によって駆動し発電する。

翼は、ロータヘッドにおいて、放射状に複数枚取り付けられる。複数枚の翼は、風を受けることによって、ロータを中心にして回転する。翼は、ピッチ制御用の旋回輪軸受を介してロータヘッドに接続され、翼長方向に延在する翼軸周りに回動可能である。これにより、翼のピッチ角が調整される。

ナセルは、支持部材４に対して略水平面上で旋回して、ロータヘッドの方向を風向きに合わせ、翼の回転面を風向きに正対させる。ナセルが略水平面上で旋回することをヨー（yaw）旋回という。ナセルは、ナセルと支持部材４に接続されたヨー旋回輪軸受を介して旋回する。

検出部６は、複数の風車部５におけるそれぞれの運転状態を示す所定のパラメータの値を検出する。具体的には、検出部６は、風車部５Ａ及び風車部５Ｂに対して設けられ、風車部５Ａ及び風車部５Ｂにおける運転状態として、圧力、温度、ロータの回転数、発電機の回転数、振動レベル、応力、及び翼のピッチ角の少なくとも何れか１つを検出する。圧力とは、翼のピッチ角を動作させる制御油の圧力である。温度とは、風車部５を構成する各機器（例えば、発電機）が稼働することによって発生する熱に対する温度である。なお、温度は、ロータヘッドやナセルにおける温度、制御盤の温度としてもよい。ロータの回転数とは、風車部５を構成するロータの回転数である。発電機の回転数とは、風車部５を構成する発電機の回転数である。振動レベルとは、風車部５が稼働することによって生じる振動のレベル（強度）である。応力とは、風車部５を構成する翼が風による外力を受けたときに翼の内部に発生する力（負担）である。なお、応力については、翼に発生するものに限られず、構造物全般が対象となる。翼のピッチ角とは、翼回転軸（受風面）に対する翼の角度である。

なお、本実施形態においては、検出部６は、ロータの回転数及び応力を検出部６により検出する場合について説明する。つまり。本実施形態における検出部６では、風車部５Ａ及び風車部５Ｂのそれぞれのロータの回転数及び応力を検出し、検出結果を異常判定部７へ出力する。なお、上記の他のパラメータ（圧力、温度、発電機の回転数、振動レベル、及び翼のピッチ角）についても、本実施形態で説明するロータの回転数及び応力を検出した場合と同様に適用可能である。なお、上記のパラメータのうち、瞬時値同士で比較されるもの（圧力、温度、ロータの回転数、発電機の回転数、及び振動レベル）は、異常判定部７における第１異常判定部２１に出力され、積算値同士で比較されるもの（応力及び翼のピッチ角）は、異常判定部７における第１異常判定部２１に出力される。また、上記の各パラメータは、各風車部５における運転状態を表すものの一例であり、上記以外のパラメータであっても、各風車部５における運転状態の表しうる測定可能な物理量であれば用いることが可能である。

異常判定部７は、検出部６によって検出された複数の風車部５における運転状態に基づいて、それぞれの風車部５における異常の有無を判定する。本実施形態における風車部５Ａ及び風車部５Ｂは、比較的風況が近い（略等しい）環境下におかれているため、正常に運転を行っている場合には、略等しい風力エネルギーを受け、略等しい運転状態で発電を行うことが想定される。つまり、マルチロータ式の風力発電装置１においては、設置された複数の風車部５は、正常に運転を行う場合には、略等しい運転状態となる。このため、各風車部５の運転状態を取得して、互いに運転状態が略等しいか否かを判定することにより、各風車部５の異常状態を検出することができる。より具体的には、異常判定部７は、複数の風車部５における運転状態を示す所定のパラメータの値の平均値及び偏差を算出し、偏差が予め設定した閾値よりも大きな運転状態である風車部５を異常有と判定する。なお、異常判定は、後段に詳述する。

異常判定部７は、例えば、図示しないＣＰＵ（中央演算装置）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等のメモリ、及びコンピュータ読み取り可能な記録媒体等かを備えている。後述の各種機能を実現するための一連の処理の過程は、プログラムの形式で記録媒体等に記録されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、後述の各種機能が実現される。

図２は、異常判定部７が備える機能を示した機能ブロック図である。図２に示されるように、異常判定部７は、第１異常判定部２１と、積算部２２と、第２異常判定部２３と、判定結果出力部２４を備えている。

第１異常判定部２１は、複数の風車部５における運転状態を示す所定のパラメータの瞬時値に基づいて、風車部５における異常の有無を判定する。具体的には、第１異常判定部２１には、検出部６により検出された風車部５Ａのロータの回転数と風車部５Ｂのロータの回転数とが入力される。そして、入力された各ロータの回転数の平均値及び偏差を算出し、偏差が予め設定した閾値よりも大きな運転状態である風車部５を異常有と判定する。閾値とは、設けられた複数の風車部５において偏差が発生した場合に、許容できる（異常とは認められない）偏差範囲で設定される。なお、閾値は、運転状態を示す所定のパラメータ毎に設定される。本実施形態においては、風車部５を２台設けている場合について説明するため、上記の判定処理は、換言すると、風車部５Ａのロータの回転数と風車部５Ｂのロータの回転数との差が乖離しているか否かを判定していることとなる。しかしながら、風車部５を３台以上設ける場合には、運転状態を示すパラメータの値の平均値及び偏差に基づくことが効率的である。風車部５を３台以上設ける場合については、変形例として後述する。

積算部２２は、検出部６によって検出した運転状態を示すパラメータのうち、積算することで物理的意味を示すパラメータについて積算処理を行う。具体的には、積算部２２には、検出部６によって検出した風車部５Ａの応力と風車部５Ｂの応力が入力される。応力とは、風車部５を構成する翼が風による外力を受けたときに翼に発生する力（負担）であり、風は不規則に変動しているため、発生する応力も不規則に変化する。応力による翼への疲労を定量的に評価するために、一般的には、応力の振幅と繰り返し数とに基づく応力頻度をレインフロー法等を用いて算出する。つまり、本実施形態では、積算部２２は、前回制御周期までに算出した応力頻度と、今回の制御周期で取得した応力とに基づいて、現在の応力頻度を算出している。

第２異常判定部２３は、複数の風車部５における運転状態を示す所定のパラメータの積算値に基づいて、風車部５における異常の有無を判定する。具体的には、第２異常判定部２３には、積算部２２により積算された風車部５Ａの応力頻度と風車部５Ｂの応力頻度とが入力される。そして、上記の第１異常判定部２１と同様に、入力された各応力頻度の平均値及び偏差を算出し、偏差が予め設定した閾値よりも大きな運転状態である風車部５を異常有と判定する。なお、第２異常判定部２３における閾値についても、第１異常判定部２１と同様に、設けられた複数の風車部５において偏差が発生した場合に、許容できる（異常とは認められない）偏差範囲で設定される。なお、本実施形態においては、風車部５を２台設けている場合について説明するため、上記の判定処理は、換言すると、風車部５Ａの応力頻度と風車部５Ｂの応力頻度との差が所定の閾値以上であるか否かを判定していることとなる。

判定結果出力部２４は、第１異常判定部２１と第２異常判定部２３の判定結果が入力され、設けられた風車部５の異常の有無を出力する。なお、判定結果出力部２４は、第１異常判定部２１と第２異常判定部２３のいずれか一方でも異常の判定をした場合には、異常有を示す信号（異常判定された風車部５の情報を含む）を出力する。出力された異常判定結果は、風力発電装置１の制御装置に対して出力され、ディスプレイ等に表示されてもよいし、ブザー等で異常を報知してもよいし、通信ネットワークを介して遠隔の制御所等に送信されてもよい。

次に、上述の第１異常判定部２１による異常判定処理について図３を参照して説明する。図３に示すフローは、所定の制御周期において繰り返し実行される。なお、第２異常判定部２３における異常判定処理は、図３に示す第１異常判定部２１による異常判定処理と同様である。

まず、検出部６より、風車部５Ａ及び風車部５Ｂにおけるロータの回転数（運転状態）を取得する（Ｓ１０１）。次に風車部５Ａ及び風車部５Ｂにおけるロータの回転数の平均値及びそれぞれの偏差（風車部５Ａにおけるロータの回転数の偏差と、風車部５Ｂにおけるロータの回転数の偏差）を算出する（Ｓ１０２）。

次に、風車部５Ａにおけるロータの回転数の偏差が、予め設定された閾値以上であるか否かが判定される（Ｓ１０３）。そして、風車部５Ａにおけるロータの回転数の偏差が、予め設定された閾値以上である場合（Ｓ１０３のＹＥＳ判定）には、風車部５Ａの運転状態は異常であると判定する（Ｓ１０４）。そして、Ｓ１０５の処理へ移る。

また、風車部５Ａにおけるロータの回転数の偏差が、予め設定された閾値未満である場合（Ｓ１０３のＮＯ判定）には、風車部５Ｂにおけるロータの回転数の偏差が、予め設定された閾値以上であるか否かが判定される（Ｓ１０５）。そして、風車部５Ｂにおけるロータの回転数の偏差が、予め設定された閾値以上である場合（Ｓ１０５のＹＥＳ判定）には、風車部５Ｂの運転状態は異常であると判定する（Ｓ１０６）。

風車部５Ｂにおけるロータの回転数の偏差が、予め設定された閾値未満である場合（Ｓ１０５のＮＯ判定）には、異常判定処理を終了する。なお、異常が判定されなかった風車部５は正常であると判断されたことを意味する。

なお、本実施形態においては、風車部５を２台設ける構成としたため、図３に示すフローは、風車部５Ａ及び風車部５Ｂのロータの回転数の差が大きく乖離しているか否か（詳述すると、図３のフローにおける閾値の２倍離れているか否か）を判定している。つまり、本実施形態のように、風車部５が２台で構成されている場合には、第１異常判定部２１は、風車部５Ａ及び風車部５Ｂが両方とも異常であること又は両方とも正常であることの２通りを出力することとなる。このため、第１異常判定部２１によって風車部５Ａ及び風車部５Ｂが両方とも異常であると判定された場合には、過去データを参照し、風車部５Ａ及び風車部５Ｂのどちらが異常状態なのか、又は両方とも異常状態なのかを判定することとしてもよい。なお、過去データを参照する方法であっても、過去データを参照する頻度が少なくなるため、処理負担の軽減を図ることができる。

次に、本実施形態に係る異常判定システムの変形例について説明する。上記の第１実施形態では、風車部５を２台備える構成としていたが、本変形例における異常判定システムを備えた風力発電装置１は、風車部５を３台（風車部５Ａ、風車部５Ｂ、風車部５Ｃ）を備える（不図示）。

本変形例における第１異常判定部２１による異常判定処理について図４を参照して説明する。図４に示すフローは、所定の制御周期において繰り返し実行される。なお、第２異常判定部２３における異常判定処理についても、図４に示す第１異常判定部２１による異常判定処理と同様である。

まず、検出部６より、風車部５Ａ、風車部５Ｂ及び風車部５Ｃにおけるロータの回転数を取得する（Ｓ２０１）。次に風車部５Ａ、風車部５Ｂ及び風車部５Ｃにおけるロータの回転数の平均値及びそれぞれの偏差（風車部５Ａにおけるロータの回転数の偏差と、風車部５Ｂにおけるロータの回転数の偏差と、風車部５Ｃにおけるロータの回転数の偏差）を算出する（Ｓ２０２）。

次に、風車部５Ａにおけるロータの回転数の偏差が、予め設定された閾値以上であるか否かが判定される（Ｓ２０３）。そして、風車部５Ａにおけるロータの回転数の偏差が、予め設定された閾値以上である場合（Ｓ２０３のＹＥＳ判定）には、風車部５Ａの運転状態は異常であると判定する（Ｓ２０４）。そして、Ｓ２０５の処理へ移る。

また、風車部５Ａにおけるロータの回転数の偏差が、予め設定された閾値未満である場合（Ｓ２０３のＮＯ判定）には、風車部５Ｂにおけるロータの回転数の偏差が、予め設定された閾値以上であるか否かが判定される（Ｓ２０５）。そして、風車部５Ｂにおけるロータの回転数の偏差が、予め設定された閾値以上である場合（Ｓ２０５のＹＥＳ判定）には、風車部５Ｂの運転状態は異常であると判定される（Ｓ２０６）。そして、Ｓ２０７の処理へ移る。

また、風車部５Ｂにおけるロータの回転数の偏差が、予め設定された閾値未満である場合（Ｓ２０５のＮＯ判定）には、風車部５Ｃにおけるロータの回転数の偏差が、予め設定された閾値以上であるか否かが判定される（Ｓ２０７）。そして、風車部５Ｃにおけるロータの回転数の偏差が、予め設定された閾値以上である場合（Ｓ２０７のＹＥＳ判定）には、風車部５Ｃの運転状態は異常であると判定する（Ｓ２０８）。

風車部５Ｃにおけるロータの回転数の偏差が、予め設定された閾値未満である場合（Ｓ２０７のＮＯ判定）には、異常判定処理を終了する。なお、異常が判定されなかった風車部５は正常であると判断されたことを意味する。

このように、風車部５が３台設けられた場合には、各風車部５に対して異常の有無を判定することができる。なお、図３及び図４に記載の異常判定処理は、拡張することによって、風車部５の台数が２台以上であれば何台でも適用可能である。

以上説明したように、本実施形態に係る風力発電装置及びその制御方法並びに制御プログラムよれば、複数の風車部５は、ロータと、ロータに設けられた翼と、ロータの回転力によって発電する発電機をそれぞれ有し、各風車部５は、タワー部３と接続された支持部材４によって支持される。これにより、タワー部３には、支持部材４を介して複数の風車部５が設置される。そのため、各風車部５は、比較的風の状況が近い環境（風況）下に配置され、同一方向の風を受けて回転し発電する。また、略等しい風況下におかれた複数の風車部５では正常運転時における運転状態は互いに略一致することが想定される。本発明において、検出部６が複数の風車部５におけるそれぞれの運転状態を検出し、検出された複数の風車部５における運転状態に基づいて、それぞれの風車部５における異常の有無が判定される。このため、風車部５における異常発生の有無を正確かつ迅速に判定することが可能となる。また、従来の異常監視方法では、実際の運転状態と、過去に蓄積されたデータによる正常モデルとを比較していた。しかしながら、上記のような構成によれば、従来方法のような膨大データ及び正常モデルが不要であり、簡便な処理で正確に異常の有無を判定することが可能となる。

また、運転状態の瞬時値及び積算値に基づいて異常判定を行うため、あらゆる運転状態を示すパラメータを用いることができ、異常の有無を正確かつ迅速に判定することが可能である。

また、略同一の風況下におかれた複数の風車部５が正常な運転を行っている場合には、圧力、温度、ロータの回転数、発電機の回転数、及び振動レベルの各パラメータの瞬時値及び、応力及び翼のピッチ角の積算値は、配置されたすべての風車部５において略等しくなることが想定される。このため、上記のパラメータを用いることで、より精度良く異常の有無を判定することができる。

また、複数の風車部５における運転状態を示す所定のパラメータの値の平均値から大きく乖離した運転状態となっている風車部５を特定することができるため、簡便な処理で正確に異常の判定を行うことができる。

つまり、本実施形態における異常判定システムでは、簡便な処理で正確かつ迅速に異常の有無を判定することができる。

例えば、本実施形態では、第１異常判定部２１及び第２異常判定部２３の両方を備える場合について説明したが、第１異常判定部２１及び第２異常判定部２３のいずれか一方を備える構成としてもよい。

また、本実施形態では、運転状態を示すパラメータとして、圧力、温度、ロータの回転数、発電機の回転数、振動レベル、応力、及び翼のピッチ角を挙げて説明しているが、運転状態を示すパラメータであれば、上記以外のパラメータを用いることも可能である。

〔第２実施形態〕
以下に、本発明に係る風力発電装置及びその制御方法並びに制御プログラムの第２実施形態について、図面を参照して説明する。以下、本実施形態に係る風力発電装置及びその制御方法並びに制御プログラムについて、第１実施形態と異なる点について主に説明する。

図５は、本発明の第２実施形態に係る制御システムを備えた風力発電装置１の概略構成を示す図である。図５に示すように、本実施形態に係る風力発電装置１は、タワー部３と、支持部材４と、風車部５と、検出部６´と、制御装置１０７とを主な構成として備えている。なお、本実施形態における風力発電装置１は、４台の風車部５（５Ａ−５Ｄ）を備えるマルチロータ式の風力発電装置１として説明するが、風車部５の数はこれに限られず適宜変更可能である。以下の説明では、各風車部５を区別して説明する場合には、風車部５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄとし、各風車部５を区別しない場合には単に符号５を付す。

検出部６´は、検出部６と同様に、複数の風車部５における各々の風車部５の運転状態を計測する。具体的には、検出部６´は、風車部５Ａ−５Ｄのそれぞれの運転状態を計測する。運転状態とは、例えば、翼のピッチ角、風車部５のヨー角、温度、応力、ロータの回転数、発電機の回転数、及び振動レベル等の計測可能な物理量である。なお、検出部６´は、より多くの物理量を計測する方が好ましいが、検出部６´の設置の困難性やコストの面から、計測可能なもののみでよい。なお、計測が困難な物理量については、後述する仮想モデル作成部１２３で補完し、仮想モデルの精度を向上させている。

制御装置１０７は、検出部６´によって計測した運転状態に基づいて風車部５の異常の有無を判定し、異常があると判定された風車部５を非常停止させる。また、検出部６´によって計測した運転状態に基づいて、風力発電装置１に対応する仮想モデルを作成し、非常停止を行う場合には、仮想モデルを用いて風力発電装置１の各部に発生する荷重を予測する。また、仮想モデルを用いて、異常と判定された風車部５以外の風車部５の制御パラメータを変動させ、予測された荷重が最小となるような制御パラメータの設定値を推定する。そして、推定した設定値に基づいて、予想した荷重が風力発電装置１に発生する前に、非常停止する風車部５以外の風車部５を制御する。

制御装置１０７は、例えば、図示しないＣＰＵ（中央演算装置）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等のメモリ、及びコンピュータ読み取り可能な記録媒体等かを備えている。後述の各種機能を実現するための一連の処理の過程は、プログラムの形式で記録媒体等に記録されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、後述の各種機能が実現される。

図６は、制御装置１０７が備える機能を示した機能ブロック図である。図６に示されるように、制御装置１０７は、異常判定部１２１と、非常停止制御部１２２と、仮想モデル作成部１２３と、荷重予測部１２４と、推定部１２５と、制御部１２６と、仮想モデル修正部１２７とを備えている。

異常判定部１２１は、第１実施形態における異常判定部７と同様に、検出部６によって検出された複数の風車部５における運転状態に基づいて、それぞれの風車部５における異常の有無を判定する。なお、異常判定部１２１は、検出部６´によって計測した運転状態に基づいて、風車部５の異常の有無を判定してもよい。具体的には、異常判定部１２１は、検出部６´によって計測した運転状態と、計測した運転状態に対応する予め設定された正常範囲とを比較することによって、風車部５の異常の有無を判定する。計測した運転状態に対応する予め設定された正常範囲とは、例えば、検出部６´によってロータの回転数を計測する場合には、ロータの回転数の正常範囲であり、計測した物理量における正常と想定できる範囲である。なお、正常範囲については、過去の運転データや機器仕様等から予め設定される。なお、異常判定の方法については、上記の方法に限られず、様々な方法が適用可能である。

非常停止制御部１２２は、異常判定部１２１によって異常と判定された風車部５を非常停止させる。具体的には、非常停止制御部１２２は、異常と判定された風車部５の翼のピッチ角を、翼が風の力を受けない角度に制御する。これによって、風車部５を、過回転等が生じることなく強制的に停止させることができる。なお、風車部５を非常停止させる方法は、上記以外にも適用可能である。

仮想モデル作成部１２３は、検出部６´によって計測した運転状態に基づいて、風力発電装置１に対応する仮想モデルを作成する。仮想モデルとは、仮想モデル作成部１２３を構成する情報処理装置（コンピュータ）上に作成され、実際の風力発電装置１を模擬的に表したものである。仮想モデル作成部１２３は、検出部６´によって計測した運転状態を用いて、計測できない運転状態をシミュレーションにより取得して補完することによって、風力発電装置１の仮想モデルを形成する。例えば、翼におけるロータヘッドとの接続部付近の応力は比較的容易に計測可能であるが、翼の中腹部における応力は計測することができない。このため、仮想モデル作成部１２３では、計測可能な翼におけるロータヘッドとの接続部付近の応力等の情報から、翼の中腹部における応力を予測し、仮想モデルを形成している。つまり、仮想モデル作成部１２３では、風力発電装置１における計測した物理量から、計測していない物理量をシミュレーションすることで、実際に運転中の風力発電装置１をより精度高くモデル化している。

荷重予測部１２４は、異常判定部１２１により風車部５の異常が判定された場合に、仮想モデルを用いて、異常と判定された風車部５の非常停止に関する情報と、異常と判定された風車部５以外の風車部５における現在の運転状態に関する情報に基づいて、風力発電装置１の各部に発生する荷重を予測する。異常と判定された風車部５の非常停止に関する情報とは、風車部５の識別情報や、非常停止の方法に係る情報（例えば、ピッチ角を制御して停止させること等）などである。つまり、荷重予測部１２４では、仮想モデルを用いて、どの位置に設置された風車部５がどのような方法で非常停止され、また、異常と判定された風車部５以外の風車部５が現在の運転状態を維持した場合に、風力発電装置１のどの部位にどれくらいの荷重が働くかをシミュレーションしている。このように、異常判定部１２１によって異常が判定された場合に、仮想モデルを用いて荷重を予測することができるため、実際に風力発電装置１に荷重が発生する前に、荷重の発生状況を把握することができる。

推定部１２５は、荷重予測部１２４によって予測された荷重が予め設定された閾値以上となる場合に、仮想モデルを用いて、異常と判定された風車部５以外の風車部５の制御パラメータを変動させ、荷重予測部１２４によって予測された荷重が最小となるような制御パラメータの設定値を推定する。具体的には、推定部１２５は、荷重予測部１２４によって予測された荷重が予め設定された閾値以上となるような重大な危険が予想される場合には、仮想モデルを用いて、異常と判定された風車部５以外の風車部５をどのように制御すれば荷重を抑制できるかを推定している。例えば、図５において、風車部５Ａが異常と判定された場合に、風車部５Ｂ−５Ｄに対して制御パラメータ（例えば、翼のピッチ角）をどのように設定すれば、風車部５Ａが非常停止することによって風力発電装置１に発生する荷重を効果的に予測できるかをシミュレーションしている。

閾値とは、風力発電装置１の特定の部位において、許容できる最大荷重に対して所定のマージンを引いた（余裕をもたせた）値に設定される。つまり、特定の部位に閾値以上の荷重がかかると、破損等を招く危険性があることを意味する。なお、閾値は、風力発電装置１の各部毎に設定されてもよいし、各部に対して共通の閾値を設定することとしてもよい。

制御パラメータとは、翼のピッチ角、風車部５のヨー角、発電機の最大回転数の少なくともいずれか１つである。例えば、推定部１２５では、仮想モデルにおいて、異常と判定された風車部５以外の風車部５のピッチ角を複数のパターンにおいて変動させ、変動させた場合に風力発電装置１の各部に発生する荷重をシミュレーションし、該荷重が最小となるピッチ角の設定値を推定している。なお、制御パラメータはより多く用いた方が、効果的に荷重を抑制することができる。なお、上記の制御パラメータは、一例であり、風力発電装置１（各風車部５等）を制御するパラメータであれば用いることができる。

制御部１２６は、推定部１２５によって推定された設定値に基づいて、荷重予測部１２４によって予想した荷重が風力発電装置１に発生する前に、非常停止する風車部５以外の風車部５を制御する。このように、制御部１２６では、荷重予測部１２４によって予想した荷重が風力発電装置１に発生する前に、非常停止する風車部５以外の風車部５を制御することで、実際に異常が判定された風車部５を非常停止させたときに、発生する荷重を抑制することができる。

仮想モデル修正部１２７は、異常判定部１２１によって風車部５の異常が判定されていない場合に、検出部６´によって計測した運転状態に基づいて、仮想モデルを修正する。具体的には、仮想モデル修正部１２７は、正常に運転が行われている場合（異常判定部１２１によって風車部５の異常が判定されていない場合）において、検出部６´によって計測した運転状態と、計測した該運転状態に対応する仮想モデルにおける運転状態とを比較する。そして、誤差がある場合には、仮想モデルを、検出部６´によって計測した運転状態に合わせるように補正する。これによって、仮想モデルを実際の風力発電装置１により近づけることができ、精度を向上させることができる。

次に、上述の制御装置１０７による荷重抑制制御について図７を参照して説明する。図７に示すフローは、異常判定部１２１によって異常が判定された場合に実行される。なお、仮想モデルについては、異常判定部１２１によって異常が判定される前に作成されているものを用いる。

まず、異常と判定された風車部５の非常停止に関する情報を取得する（Ｓ３０１）。なお、風車部５の非常停止に関する情報とは、風車部５の識別情報や、非常停止の方法に係る情報等である。次に、異常と判定された風車部５以外の風車部５における現在の運転状態に関する情報を取得する（Ｓ３０２）。異常と判定された風車部５以外の風車部５における現在の運転状態は、検出部６´によって計測することにより取得する。

次に、異常と判定された風車部５の非常停止に関する情報と、異常と判定された風車部５以外の風車部５における現在の運転状態に関する情報に基づいて、風力発電装置１の各部に発生する荷重を予測する（Ｓ３０３）。次に、荷重予測部１２４によって予測された各部の荷重が予め設定された閾値以上であるか否かが判定される（Ｓ３０４）。

荷重予測部１２４によって予測された各部の荷重が予め設定された閾値未満であると判定された場合（Ｓ３０４のＮＯ判定）には、異常と判定された風車部５の非常停止によって荷重が発生するものの、該荷重は許容範囲内の大きさであり、危険度は低いと判断し、処理を終了する。

荷重予測部１２４によって予測された各部の荷重が予め設定された閾値以上であると判定された場合（Ｓ３０４のＹＥＳ判定）には、荷重抑制のための制御パラメータの設定値が推定される（Ｓ３０５）。具体的には、Ｓ３０５では、仮想モデルを用いて、異常と判定された風車部５以外の風車部５の制御パラメータを複数パターンにおいて変動させるシミュレーションを行い、予測された荷重が最小となるような制御パラメータの設定値を推定する。

次に、推定された前記設定値に基づいて、非常停止する風車部５以外の風車部５を制御する（Ｓ３０６）。なお、図７に記載の荷重抑制制御は、高速モード（正常運転時の制御周期の１００倍程度）によって高速演算される。このため、Ｓ３０６における非常停止する風車部５以外の風車部５の制御を、荷重予測部１２４によって予想した荷重が風力発電装置１に発生する前に実行することができる。

以上説明したように、本実施形態に係る風力発電装置及びその制御方法並びに制御プログラムよれば、複数の風車部５は、ロータと、ロータに設けられた翼と、ロータの回転力によって発電する発電機をそれぞれ有し、各風車部５は、タワー部３と接続された支持部材４によって支持される。これにより、タワー部３には、支持部材４を介して複数の風車部５が設置される。そのため、各風車部５は、比較的風の状況が近い環境（風況）下に配置され、同一方向の風を受けて回転し発電する。また、複数の風車部５におけるいずれかの風車部５に異常が発生して非常停止させる場合に、実際に計測した運転状態に基づいて作成した風力発電装置１の仮想モデルを用いて、非常停止によって発生する各部の荷重を予測することができる。

また、荷重が予め設定された閾値を超えるような重大な危険が予測される場合には、仮想モデルを用いて、異常と判定された風車部５以外の風車部５の制御パラメータを変動させてシミュレーションを行い、予測された荷重が最小となるような制御パラメータの設定値を推定することができる。

また、荷重予測部１２４によって予測した荷重が風力発電装置１に発生する前に、異常と判定された風車部５以外の風車部５を推定した設定値に基づいて制御する。これにより、非常停止によって発生する荷重が実際に発生する前に、非常停止しない風車部５の制御パラメータを制御して、実際に発生する荷重を抑制することができる。このため、非常停止によって発生する荷重による風力発電装置１への影響を効果的に抑制することができ、風力発電装置１を構成する各部材等への疲労や故障を防ぐことができる。

また、非常停止が行われない正常動作を行っている場合に、計測した運転状態に基づいて仮想モデルを修正するため、仮想モデルの精度が向上し、荷重予測等の精度も向上する。

本発明は、上述の実施形態のみに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々変形実施が可能である。なお、各実施形態を組み合わせることも可能である。

１ ：風力発電装置
３ ：タワー部
４ ：支持部材
５（５Ａ−５Ｄ）：風車部
６、６´：検出部
７ ：異常判定部
２１ ：第１異常判定部
２２ ：積算部
２３ ：第２異常判定部
２４ ：判定結果出力部
１０７：制御装置
１２１：異常判定部
１２２：非常停止制御部
１２３：仮想モデル作成部
１２４：荷重予測部
１２５：推定部
１２６：制御部
１２７：仮想モデル修正部

Claims (13)

1. タワー部と、
   ロータと、前記ロータに設けられた翼と、前記ロータの回転力によって発電する発電機とをそれぞれ有する複数の風車部と、
   前記タワー部と接続され、前記複数の風車部を支持する支持部材と、
   前記複数の風車部のそれぞれから運転状態を示す所定のパラメータの値を検出する検出部と、
   各前記風車部のそれぞれに対応した前記運転状態を示す前記所定のパラメータに基づいて、各前記所定のパラメータの平均値及び偏差を算出し、一の前記風車部に対応する前記パラメータの偏差が予め設定した閾値よりも大きい場合、一の前記風車部に異常が発生していると判定する異常判定部と、
   を備えた風力発電装置。
2. 前記異常判定部は、前記複数の風車部における前記運転状態を示す所定のパラメータの瞬時値に基づいて、前記風車部における異常の有無を判定する請求項１に記載の風力発電装置。
3. 前記運転状態を示す所定のパラメータの瞬時値とは、前記複数の風車部における圧力、温度、前記ロータの回転数、前記発電機の回転数、及び振動レベルの少なくともいずれか１つの瞬時値である請求項２に記載の風力発電装置。
4. 前記異常判定部は、前記複数の風車部における前記運転状態を示す所定のパラメータの積算値に基づいて、前記風車部における異常の有無を判定する請求項１に記載の風力発電装置。
5. 前記運転状態を示す所定のパラメータの積算値とは、前記複数の風車部における応力及び前記翼のピッチ角の少なくともいずれか１つの積算値である請求項４に記載の風力発電装置。
6. 前記異常判定部は、前記複数の風車部における前記運転状態を示す所定のパラメータの値の平均値及び偏差を算出し、偏差が前記閾値よりも大きな前記運転状態である風車部を異常有と判定する請求項１に記載の風力発電装置。
7. 前記検出部によって計測した運転状態に基づいて、前記風力発電装置に対応する仮想モデルを作成する仮想モデル作成部と、
   前記異常判定部により風車部の異常が判定された場合に、前記仮想モデルを用いて、異常と判定された風車部の非常停止の方法に関する情報と、異常と判定された風車部以外の風車部における現在の運転状態に関する情報に基づいて、前記風力発電装置の各部に発生する荷重を予測する荷重予測部と、
   を備える請求項１から６のいずれか１項に記載の風力発電装置。
8. 前記荷重予測部によって予測された荷重が予め設定された閾値以上となる場合に、前記仮想モデルを用いて、異常と判定された風車部以外の風車部の制御パラメータを変動させ、前記荷重予測部によって予測された荷重が最小となるような前記制御パラメータの設定値を推定する推定部を備える請求項７に記載の風力発電装置。
9. 前記推定部によって推定された前記設定値に基づいて、前記荷重予測部によって予想した荷重が前記風力発電装置に発生する前に、非常停止する風車部以外の風車部を制御する制御部を備える請求項８に記載の風力発電装置。
10. 前記制御パラメータとは、翼のピッチ角、風車部のヨー角、発電機の最大回転数の少なくともいずれか１つである請求項８または９に記載の風力発電装置。
11. 前記異常判定部によって風車部の異常が判定されていない場合に、前記検出部によって計測した運転状態に基づいて、前記仮想モデルを修正する仮想モデル修正部を備える請求項７から１０のいずれか１項に記載の風力発電装置。
12. タワー部と、ロータ、前記ロータに設けられた翼、及び前記ロータの回転力によって発電する発電機をそれぞれ有する複数の風車部と、前記タワー部と接続され前記複数の風車部を支持する支持部材と、を備える風力発電装置の制御方法であって、
    前記複数の風車部のそれぞれから運転状態を示す所定のパラメータの値を検出する検出工程と、
    各前記風車部のそれぞれに対応した前記運転状態を示す前記所定のパラメータに基づいて、各前記所定のパラメータの平均値及び偏差を算出し、一の前記風車部に対応する前記パラメータの偏差が予め設定した閾値よりも大きい場合、一の前記風車部に異常が発生していると判定する異常判定工程と、
    を有する風力発電装置の制御方法。
13. タワー部と、ロータ、前記ロータに設けられた翼、及び前記ロータの回転力によって発電する発電機をそれぞれ有する複数の風車部と、前記タワー部と接続され前記複数の風車部を支持する支持部材と、を備える風力発電装置の制御プログラムであって、
    前記複数の風車部のそれぞれから運転状態を示す所定のパラメータの値を検出する検出処理と、
    各前記風車部のそれぞれに対応した前記運転状態を示す前記所定のパラメータに基づいて、各前記所定のパラメータの平均値及び偏差を算出し、一の前記風車部に対応する前記パラメータの偏差が予め設定した閾値よりも大きい場合、一の前記風車部に異常が発生していると判定する異常判定処理と、
    をコンピュータに実行させるための風力発電装置の制御プログラム。

Images