JP7123838B2 - 異常判定装置、風力発電装置、およびその異常判定方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、異常判定装置、風力発電装置、およびその異常判定方法に関する。

風力発電装置の風車を構成するブレードが運転中に破断または折損すると、ブレードの破片の飛散や、ブレードの破片のタワーへの衝突などの事故を引き起こす可能性がある。このブレードの破断事故および折損事故は、その作業に伴って風車の運転を停止する必要があること、高所での作業が必要であることから、一般的に長い時間と高額な費用とを要する。したがって、風力発電装置を効率よく運転する一つの手段として、ブレードの異常を事前に判定する方法が知られている。

特許第４９３９５０８号公報 特許第６０３７３０２号公報

ブレードの異常を事前に判定する方法のうち、風力発電装置周囲の風況や風力発電装置の運転状況に基づいてブレードの疲労度や耐久度を評価して、ブレードの異常を判定する方法では、判定の信頼性を高めるために、複数種類の測定値と、これら測定値と比較するための膨大なデータベースとを必要とする。したがって、この方法でブレードの疲労度や耐久度を評価するには、あらかじめ膨大なデータベースを用意しなければならない。また、ブレードに測定器を設けてブレードのたわみや亀裂などを直接測定して、ブレードの異常を判定する方法では、測定器が劣化や落雷による事故によって故障した場合、異常を検出できなくなる可能性がある。

そこで、本願が解決しようとする課題は、ブレードに測定器を取り付けず、かつ複数種類の測定値やそれに対応するデータベースを必要とせずにブレードの異常を判定する異常判定装置、風力発電装置、およびその異常判定方法を提供することである。

上記の課題を解決するために、実施形態の異常判定装置によれば、タワーに支持されたナセルが発電機を内蔵し、回転軸を介して前記発電機に連結されたブレードの回転力によって前記発電機を駆動させる風力発電装置の異常判定装置であって、前記タワーの高さ方向における複数の位置に設けられた測定器で測定される値に基づき、前記ナセルに生じる曲げモーメントを算出する曲げモーメント算出部と、前記曲げモーメントに基づいて前記ナセルまたは前記ブレードの異常を判定する異常判定部と、を備える。

本発明の実施形態によれば、ブレードに測定器を取り付けず、かつ複数種類の測定値やそれに対応するデータベースを必要とせずにブレードの異常を判定する異常判定装置、風力発電装置、およびその異常判定方法を提供することができる。

実施形態に係る風力発電装置の概要図。 実施形態に係る異常判定方法を示すフローチャート。 ひずみゲージの測定値に基づいて導出される曲げモーメントのｚ方向の近似直線の一例を示す図。 曲げモーメントＭ０の時系列データの一例を示す図。 曲げモーメントＭ０の時系列データの振幅に関する度数分布の一例を示す図。

図１は、実施形態に係る風力発電装置の概要図である。風力発電装置１は、ブレード２と、タワー３と、ナセル４と、回転軸５と、ひずみゲージ６ａから６ｄと、運転制御部７と、異常判定装置１０とを備える。なお、図１に記載されたｚ軸は、タワー３の高さ方向を示している。

ブレード２は、回転軸５の周りに放射状に配置されている。これらのブレード２は、風力発電装置１に向かって流れる風の力を回転力に変換できるように、風の流入方向に対してピッチ角を有している。

タワー３は、後述するナセル４を配置するための支持体であり、大地に固定して設けられる。

ナセル４は、タワー３の頂部に設けられる。このナセル４には、発電機およびブレードや発電機を制御する電子機器等（いずれも図示省略）が内蔵されている。また、このナセル４には、風況（風速、風向等）を計測するための風況計（図示省略）が設けられている。

回転軸５は、ブレード２とナセル４に内蔵される発電機（図示省略）とを連結する。ブレード２が風を受けて回転すると、その回転が回転軸５を介して発電機（図示省略）に伝わり発電する。

ひずみゲージ６ａから６ｄは、タワー３の高さ方向（ｚ方向）にそれぞれ離間して取り付けられた測定器である。ひずみゲージ６ａから６ｄは、タワー３のそれぞれの設置箇所に生じるｚ軸方向のひずみを測定する。これらひずみゲージ６ａから６ｄは、ｚ軸方向の同じ位置にそれぞれ少なくとも一つ設けられていればよいが、図１に示すようにタワー３の周方向にそれぞれ複数設けられることが好ましい。これは、ｚ方向の同じ位置に設置されたひずみゲージの少なくとも一つが故障した場合でも、ｚ軸方向の同じ位置の他のひずみゲージを用いることにより、異常判定装置１０による異常判定を継続して行うことができるからである。

なお、本実施形態においては、ひずみゲージ６ａから６ｄのそれぞれがタワー３の外壁面に取り付けられている場合を例示しているが、例えばこれらのひずみゲージをタワー３の内壁面に取り付けてもよい。また、本実施形態においては、ひずみゲージがｚ軸方向の異なる四つの箇所に取り付けられている場合を例示しているが、これらのひずみゲージは、タワー３の大地への固定位置とブレード２の高さ位置との間の異なる位置に複数設けられていればよく、その具体的な個数や設置位置については、本実施形態に記載する場合に限定されない。

運転制御部７は、風力発電装置１の運転を制御する制御部である。なお、本実施形態においては、運転制御部７がナセル４の外部に設けられる場合を例示しているが、運転制御部７の設置位置はこの場合に限定されず、例えばナセル４内部に搭載されてもよい。

異常判定装置１０は、曲げモーメント算出部１１と、度数解析部１２と、異常判定部１３とを備える。

曲げモーメント算出部１１は、各ひずみゲージ６ａから６ｄの曲げモーメントに基づいて、ナセル４に生じる曲げモーメントを算出する。この算出方法に関する詳細な説明は後述する。

度数解析部１２は、曲げモーメント算出部１１で算出された曲げモーメントに関する度数分布を求める。この度数分布に関する詳細な説明は後述する。

異常判定部１３は、度数解析部１２で求められたモーメントに関する度数分布に基づき、ブレード２の異常を判定する。この判定方法に関する詳細な説明は後述する。

次に、異常判定装置１０によるブレード２の異常判定方法について、図２から図５を用いて説明する。図２は、実施形態に係る異常判定方法を示すフローチャート、図３は、ひずみゲージの測定値に基づいて導出される曲げモーメントのｚ方向の近似直線の一例を示す図、図４は、曲げモーメントＭ０の時系列データの一例を示す図、図５は、曲げモーメントＭ０の時系列データの振幅に関する度数分布の一例を示す図である。

図２に示すように、異常判定装置１０によるブレード２の異常判定方法は、ナセル４に生じる曲げモーメントＭ０を算出する工程と、この曲げモーメントに関する度数分布を求める工程と、この度数分布に基づいてブレード２の異常を判定する工程からなる。以降では、これらそれぞれの工程について、その詳細を説明する。

（ナセル４に生じる曲げモーメントＭ０を算出する工程）
ひずみゲージ６ａから６ｄは、それぞれの設置位置で生じるタワー３のひずみを測定する（Ｓ１）。曲げモーメント算出部１１は、ひずみゲージ６ａから６ｄそれぞれの測定値を受信し（Ｓ２）、ひずみゲージ６ａから６ｄそれぞれの設置位置で生じる曲げモーメントを算出する（Ｓ３）。具体的には、それぞれのひずみゲージの設置位置におけるタワー３の断断面係数とヤング率とを、測定値のそれぞれに乗じる。なお、ステップＳ３において用いられた断面積は既知の値である。

次に、曲げモーメント算出部１１は、ステップＳ３で算出した曲げモーメントの値を図３に示すように線形近似して、ナセル４に生じる曲げモーメントＭ０を算出する（Ｓ４）。本実施形態においては、タワー３の大地への固定位置をｚ＝０、回転軸５の位置をｚ＝ｚ０、ブレード２が受ける力をＦ０とした場合に、近似直線が以下の式（１）で与えられるとする。また、本実施形態においては、ナセル４で生じる曲げモーメントＭ０が回転軸５の位置ｚ＝ｚ０で生じる曲げモーメントがナセル４で生じる曲げモーメントＭ０であると仮定して、この曲げモーメントＭ０を算出する。なお、回転軸５の位置ｚ＝ｚ０は既知の値である。

以上のステップＳ１からＳ４は、所定の時間だけ繰り返される。以降の説明では平均風速に合わせて所定の時間を１０分間とするが、ここでいう所定の時間は１０分間に特定されず、適宜設定することができる。

（曲げモーメントＭ０に関する度数分布を求める工程）
度数解析部１２は、曲げモーメント算出部１１から曲げモーメントＭ０の値を受信して、図４に示すような１０分間の曲げモーメントＭ０の時系列データを作成する（Ｓ５）。次いで度数解析部１２は、曲げモーメントＭ０の時系列データに基づいて、図５に示すような曲げモーメントＭ０に関する度数分布を求める（Ｓ６）。具体的には、あらかじめ振幅幅の範囲を設定し、その範囲に収まる曲げモーメントＭ０の振幅をひとまとめとして、各範囲に収まる振幅と、その頻度（度数）とに関する１０分間の度数分布を求める。

（ブレード２の異常を判定する工程）
異常判定部１３は、度数解析部１２から曲げモーメントＭ０に関する度数分布を受信して、以下の式（２）で定義されるブレード２の疲労度Ｐ（積算値）を算出する（Ｓ７）。なお、式（２）において、Ｍ０ｉは曲げモーメントＭ０の振幅を、ａｉはこの振幅Ｍ０ｉに対応する度数をそれぞれ示す。

その後、異常判定部１３は、疲労度Ｐとあらかじめ設定された疲労度の範囲（所定の範囲）とを比較し（Ｓ８）、疲労度Ｐがこの範囲に収まる場合には、ブレード２に異常が発生していないと判定する（Ｓ９）。運転制御部７は、異常判定部１３からこの判定結果を受信し（Ｓ１０）、風力発電装置１の運転を継続するよう指示する（Ｓ１１）。

一方、疲労度Ｐがこの範囲から外れる（この範囲の最小値よりも疲労度Ｐが小さい、またはこの範囲の最大値よりも疲労度Ｐが大きい）場合には、ブレード２に異常が発生していると判定する（Ｓ１２）。運転制御部７は、異常判定部１３からこの判定結果を受信し（Ｓ１３）、風力発電装置１の運転を停止するよう指示する（Ｓ１４）。

すなわち、ブレード２に異常が発生していない場合には、ブレード２の振動などが起こりにくく、曲げモーメントＭ０の時系列データに大きな変動はないことが予想される。したがって、疲労度Ｐは所定の範囲内に収束する。一方、ブレード２に異常が発生している場合には、ブレード２が振動するために、曲げモーメントＭ０の時系列データがこの振動による影響を受けて変動する。その結果、疲労度Ｐは所定の範囲に収まらずに変動する。

なお、本実施形態においては、疲労度の範囲をあらかじめ設定しているが、この範囲は必ずしも一定の範囲である必要はなく、風力発電装置１の運転状況により適宜調整してもよい。

このように、本実施形態においては、ブレード２に直接測定器を取り付けてブレード２の異常を判定するのではなく、タワー３に取り付けられたひずみゲージ６ａから６ｄの測定値を通してブレード２の高さで生じる曲げモーメントＭ０を算出し、この曲げモーメントＭ０に関する１０分間（所定の時間）の時系列データの振幅Ｍ０ｉおよびその度数ａｉに基づいて、ブレード２の異常を判定する。

上述した実施形態によれば、タワー３にひずみゲージ６ａから６ｄを設け、これらひずみゲージ６ａから６ｄの測定値であるｚ軸方向のひずみから、ブレード２の高さ位置に生じる曲げモーメントを算出し、この曲げモーメントに基づいてブレード２の異常を判定するという簡単な構成で、ブレード２の異常を判定することができる。タワー３にひずみゲージ６ａから６ｄが設けられるために、落雷による事故やひずみゲージの劣化が生じても、ひずみゲージを容易に交換または補修できる。また、異常の判定に用いられる疲労度の範囲が運転状況により適宜調整可能であるために、新設の風力発電装置だけでなく、既設の風力発電装置にも適用することができる。

なお、本実施形態においては、ひずみゲージによるタワー３のひずみを測定値としてブレード２の異常を判定する場合を例示して説明したが、この測定値は、タワー３の変位または振動を測定できる値であればよい。例えば加速度センサを用いてタワー３の加速度を検出してもよいし、カメラで所定の時間間隔ごとにタワー３を撮影して、タワー３の変位を測定してもよい。

また、本実施形態においては、異常判定部１３による判定に基づいて、運転制御部７による風力発電装置１の運転を制御する場合を例示して説明したが、本実施形態の変形例として、異常判定部１３の判定の結果を運転制御部７に送信する代わりに、例えば異常判定部１３による判定の結果を表示する表示部を設けて、この表示部を介して異常判定部１３の判定結果を通知する構成としてもよい。

さらに、本実施形態においては、異常判定装置１０によるブレード２の異常の判定を例示して説明したが、この異常の判定は、風力発電装置１を構成するブレード２、タワー３、およびナセル４の少なくとも一つの異常を判定できればよく、必ずしもブレード２である必要はない。例えば、ブレード２の異常の代わりに、ナセル４やタワー３に設けられるボルト（図示省略）の異常をこの異常判定装置１０で判定する構成としてもよい。また、これらの任意の組み合わせについて、それぞれの異常を異常判定装置１０で判定する構成としてもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１．風力発電装置、２．ブレード、３．タワー、４．ナセル、５．回転軸、６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ．ひずみゲージ、７．運転制御部、１０．異常判定装置、１１．曲げモーメント算出部、１２．度数解析部、１３．異常判定部

Claims (7)

1. タワーに支持されたナセルが発電機を内蔵し、回転軸を介して前記発電機に連結されたブレードの回転力によって前記発電機を駆動させる風力発電装置の異常判定装置であって、
   前記タワーの高さ方向における複数の位置に設けられた測定器で測定される値に基づき、前記ナセルに生じる曲げモーメントを算出する曲げモーメント算出部と、
   前記曲げモーメントに基づいて前記ナセルまたは前記ブレードの異常を判定する異常判定部と、
   を備える異常判定装置。
2. 前記曲げモーメントの時系列データにおける振幅の度数を所定の時間解析する度数解析部をさらに備え、
   前記異常判定部は、前記振幅および前記度数に基づいて前記ナセルまたは前記ブレードの異常を判定する請求項１に記載の異常判定装置。
3. 前記異常判定部は、前記振幅およびこの振幅に対応する前記度数を乗じた値を積算し、前記積算による積算値が所定の範囲内に収まる場合には前記風力発電装置に異常が発生していないと判定し、前記積算値が前記所定の範囲から外れる場合には前記ナセルまたは前記ブレードに異常が発生していると判定する請求項２に記載された異常判定装置。
4. 前記タワーの高さ方向における複数の位置に設けられる測定器をさらに備える請求項１
   から３のいずれかに記載された異常判定装置。
5. タワーと、
   前記タワーに支持されたナセルと、
   前記ナセルに内蔵された発電機に回転軸を介して連結されたブレードと、
   前記タワーの高さ方向における複数の位置に設けられた測定器と、
   請求項１から４のいずれかに記載された異常判定装置と、
   を備える風力発電装置。
6. 前記風力発電装置の運転を制御する運転制御部を更に備え、
   前記異常判定部は、前記異常を判定した場合に、その旨を前記運転制御部に通知し、
   前記運転制御部は、前記異常判定部による前記判定に基づき前記運転を停止する請求項５に記載された風力発電装置。
7. タワーに支持されたナセルが発電機を内蔵し、回転軸を介して前記発電機に連結されたブレードの回転力によって前記発電機を駆動させる風力発電装置の異常判定方法であって、
   前記タワーの高さ方向における複数の位置に設けられた測定器で測定される値に基づき、前記ナセルに生じる曲げモーメントを算出するステップと、
   前記曲げモーメントに基づいて前記ナセルまたは前記ブレードの異常を判定するステップと、
   からなる異常判定方法。

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