JP7209542B2 - Wind power generator and its operation method - Google Patents

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Description

本発明は、風力発電装置とその運転方法に係り、特に風力発電装置をモニタリングし、劣化度合いなどに応じて縮退運転を実行する風力発電装置とその運転方法に関する。 The present invention relates to a wind power generator and its operating method, and more particularly to a wind power generator and its operating method that monitors the wind power generator and performs degeneration operation according to the degree of deterioration.

再生可能エネルギー活用への関心の高まりから、風力発電装置の世界的な市場拡大が予測されている。メガワット級の風力発電装置としては、ブレードを回転するハブに放射状に取りつけたロータと、主軸を介してロータを支持するナセルと、ナセルを下部からヨー回転を許して支持するタワーを備えているものが頻繁に用いられる。 Due to growing interest in the use of renewable energy, the global market for wind power generators is expected to expand. As a megawatt class wind power generator, it has a rotor with blades attached radially to a rotating hub, a nacelle that supports the rotor via the main shaft, and a tower that supports the nacelle from below while allowing yaw rotation. is frequently used.

風力発電装置では、時々刻々と変化する風をエネルギー源として発電を行う。したがって、実際に風力発電装置に流入する風の風速や乱れが設計条件よりも厳しい場合、風力発電装置の負荷が増大し、構成部品の損傷が加速する可能性がある。損傷の加速により、予期せぬ故障が発生した場合、故障部品の交換に要する時間に加えて、交換用部品の手配や工事用機材、作業員の手配に時間を要するため、計画された部品交換を実施する場合よりも、風力発電装置の稼動停止時間が増大し、発電量が減少する懸念がある。 A wind power generator generates power using wind that changes every second as an energy source. Therefore, if the wind speed and turbulence of the wind that actually flows into the wind turbine generator are more severe than the design conditions, the load on the wind turbine generator increases, possibly accelerating damage to the components. If an unexpected failure occurs due to accelerated damage, in addition to the time required to replace the failed part, it will take time to arrange replacement parts, construction equipment, and workers. There is a concern that the operation stop time of the wind power generator will increase and the amount of power generation will decrease compared to the case of implementing

この対策として、風力発電装置の構成部品の損傷を推定し、損傷が加速する場合には定格出力を低減するなどの縮退運転によって負荷を軽減する方法がある。例えば、特許文献1では、疲労損傷が耐用年数から算出される閾値を超えた場合に、風力発電装置が運転を行う最大風速であるカットアウト風速を変更することで、発電量を低減した縮退運転を行い、延命を図る方法が提案されている。 As a countermeasure, there is a method of estimating the damage to the components of the wind power generator, and reducing the load by degenerate operation such as reducing the rated output when the damage accelerates. For example, in Patent Document 1, when the fatigue damage exceeds a threshold calculated from the service life, the cutout wind speed, which is the maximum wind speed at which the wind power generator operates, is changed to reduce the amount of power generation. There have been proposed methods of prolonging life by performing

特許第5244502号Patent No. 5244502

しかしながら、延命のために定格出力やカットアウト風速を変更した場合、縮退運転中の発電量が大幅に低下する懸念がある。これは、縮退運転を行う風速域と、損傷が加速しやすい風速域が一致せず、損傷が加速しない風速でも縮退運転が適用されることによる。 However, if the rated output or cutout wind speed is changed to prolong the life, there is a concern that the amount of power generated during the degeneracy operation will drop significantly. This is because the wind speed range in which degenerate operation is performed does not match the wind speed range in which damage is likely to be accelerated, and degenerate operation is applied even at wind speeds in which damage is not accelerated.

本発明はこのような状況を鑑みて成されたものであり、縮退運転中の発電量を最大化する風力発電装置とその運転方法を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a wind power generator that maximizes the amount of power generated during degenerate operation and a method of operating the same.

以上のことから本発明においては、「少なくともロータ及びナセル並びにナセルを支持するタワーを有し、制御装置により縮退運転を実施する風力発電装置であって、制御装置は、風速に対する発電電力あたり損傷度を求め、求めた発電電力あたり損傷度が規定値を超過することをもって縮退運転を実施することを特徴とする風力発電装置」のようにしたものである。 From the above, in the present invention, "a wind power generator having at least a rotor, a nacelle, and a tower for supporting the nacelle, and performing degeneration operation by a control device, wherein the control device controls the degree of damage per generated power against the wind speed is determined, and degeneration operation is performed when the degree of damage per generated power determined exceeds a specified value.

また本発明においては「少なくともロータ及びナセル並びにナセルを支持するタワーを有し、縮退運転を実施する風力発電装置の風力発電方法であって、風力発電装置の定格風速以上の一部の風速域でのみピッチ角のフェザー操作量を、縮退運転を行わない通常時よりも、増加することを特徴とする風力発電装置の運転方法」としたものである。 In addition, in the present invention, "a wind power generation method for a wind turbine generator having at least a rotor, a nacelle, and a tower for supporting the nacelle and performing degenerate operation, wherein the A method of operating a wind turbine generator characterized in that the amount of feather operation of the pitch angle is increased more than in a normal operation in which no degeneracy operation is performed.

本発明によれば、発電電力あたり損傷度に基づいて制御量を変更することにより、縮退運転中の発電量を最大化できる。 According to the present invention, by changing the control amount based on the degree of damage per generated power, it is possible to maximize the amount of power generated during the degeneracy operation.

本発明の前提とする風力発電装置の全体概略構成例を示す図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a diagram showing an example of an overall schematic configuration of a wind power generator that is a premise of the present invention; 本発明の実施例1に係る風力発電装置の構成例を示す図。The figure which shows the structural example of the wind turbine generator which concerns on Example 1 of this invention. 実施例1における制御装置と制御対象を説明するための図。FIG. 2 is a diagram for explaining a control device and a controlled object in the first embodiment; FIG. 平均風速と発電電力あたり損傷度の関係を説明するための図。A diagram for explaining the relationship between the average wind speed and the degree of damage per generated power. 発電電力あたり損傷度が複数の極大値を持つ場合を説明するための図。FIG. 4 is a diagram for explaining a case where the degree of damage per generated power has a plurality of maximum values; 実施例2における制御装置と制御対象を説明するための図。FIG. 8 is a diagram for explaining a control device and a controlled object in Embodiment 2; 図4のパワーカーブと、損傷度と、発電電力あたり損傷度が、縮退運転時に修正された状態を示す図。FIG. 5 is a diagram showing a state in which the power curve, damage degree, and damage degree per generated power in FIG. 4 are corrected during degenerate operation; 発電電力あたり損傷度を用いた理想的な制御量について説明するための図。FIG. 5 is a diagram for explaining an ideal control amount using the degree of damage per generated power; ピッチ角のフェザー制御量を増加することによる縮退運転方法について説明するための図。FIG. 5 is a diagram for explaining a degeneracy operation method by increasing the feather control amount of the pitch angle; 風速に基づく階段状のパワーカーブを用いた縮退運転方法について説明するための図。FIG. 5 is a diagram for explaining a degeneracy operation method using a stepped power curve based on wind speed; 風速に基づく凹型のパワーカーブを用いた縮退運転方法について説明するための図。FIG. 5 is a diagram for explaining a degeneracy operation method using a concave power curve based on wind speed; 発電電力あたり損傷度に基づく縮退運転と従来の縮退運転の違いについて説明するための図。FIG. 4 is a diagram for explaining the difference between degeneracy operation based on the degree of damage per generated power and conventional degeneracy operation. 発電機の回転数を増加することによる縮退運転方法について説明するための図。FIG. 4 is a diagram for explaining a degenerate operation method by increasing the number of revolutions of a generator;

以下、図面を用いて本発明の実施例について説明するが、その前提としての風力発電装置は、概ね以下のような構成のものである。 Hereinafter, the embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, and the wind turbine generator as a premise thereof is generally configured as follows.

図1は、本発明の前提とする風力発電装置の全体概略構成例を示す図である。図1に示すように、風力発電装置1は、風を受けて回転するブレード2、ブレード2を支持するハブ3、ナセル4、及びナセル4を回動可能に支持するタワー5を備える。 FIG. 1 is a diagram showing an example of an overall schematic configuration of a wind power generator that is a premise of the present invention. As shown in FIG. 1, the wind turbine generator 1 includes blades 2 that rotate with wind, a hub 3 that supports the blades 2, a nacelle 4, and a tower 5 that rotatably supports the nacelle 4. As shown in FIG.

ナセル4内には、ハブ3に接続されハブ3と共に回転する主軸6、主軸6に接続され回転速度を増速する増速機7、及び増速機7により増速された回転速度で回転子を回転させて発電運転する発電機8を備えている。ブレード2の回転エネルギーを発電機8に伝達する部位は、動力伝達部と称され、本実施例では、主軸6及び増速機7が動力伝達部に含まれる。そして、増速機7及び発電機8は、メインフレーム9上に保持されている。また、ブレード2及びハブ3によりロータ10が構成される。 Inside the nacelle 4 are a main shaft 6 that is connected to the hub 3 and rotates together with the hub 3, a gearbox 7 that is connected to the main shaft 6 and increases the rotational speed, and a rotor whose rotational speed is increased by the gearbox 7. is provided with a generator 8 that rotates to generate power. A portion that transmits the rotational energy of the blades 2 to the generator 8 is called a power transmission section, and in this embodiment, the main shaft 6 and the gearbox 7 are included in the power transmission section. The gearbox 7 and generator 8 are held on the main frame 9 . A rotor 10 is composed of the blades 2 and the hub 3 .

図1に示すように、タワー5内の底部(下部)に、電力の周波数を変換する電力変換器11、電流の開閉を行うスイッチング用の開閉器及び変圧器など(図示せず)、及び制御装置12などが配されている。制御装置12として、例えば、制御盤又はSCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)が用いられる。 As shown in FIG. 1, at the bottom (lower part) in the tower 5, there are a power converter 11 for converting the frequency of power, a switching switch and a transformer for switching current (not shown), and a control A device 12 and the like are arranged. As the control device 12, for example, a control panel or SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) is used.

なお、図1に示す風力発電装置1は、3枚のブレード2とハブ3にてロータ10を構成する例を示すが、これに限られず、ロータ10はハブ3と少なくとも1枚のブレード2にて構成しても良い。 Although the wind turbine generator 1 shown in FIG. 1 shows an example in which the rotor 10 is composed of three blades 2 and a hub 3, it is not limited to this, and the rotor 10 consists of a hub 3 and at least one blade 2. You can configure

本発明は、基本的には図1のように構成された風力発電装置において、これをモニタリングし、劣化度合いなどに応じて縮退運転を実行するものであり、図2に示すように、モニタリングのために、さらに風速計23とひずみセンサ24を備えており、縮退運転のための制御対象(操作端)として例えば発電機8、ピッチ角制御機構21、ヨー制御機構22などを操作する。 Basically, the present invention monitors the wind power generator configured as shown in FIG. 1 and executes degeneration operation according to the degree of deterioration. For this purpose, an anemometer 23 and a strain sensor 24 are further provided, and the generator 8, the pitch angle control mechanism 21, the yaw control mechanism 22, etc. are operated as controlled objects (operating ends) for the retraction operation.

図2は、風力発電装置1を側方から眺めた状態を示しており、風は紙面左から右に吹いているものとする。図2ではロータ10がタワー5の風下側に位置するダウンウインド型の風力発電装置を示しているが、ロータ10がタワー5の風上側に位置するアップウィンド型の風力発電装置であってもよい。 FIG. 2 shows the wind turbine generator 1 viewed from the side, and the wind blows from left to right on the paper surface. Although FIG. 2 shows a downwind type wind power generator in which the rotor 10 is positioned on the leeward side of the tower 5, it may be an upwind type wind power generator in which the rotor 10 is positioned on the windward side of the tower 5. .

風力発電装置1は、回転数を制御可能な発電機8、ブレード2のピッチ角を制御するためのピッチ角制御機構21、ナセル4の方位角を制御するためのヨー制御機構22、ナセル4の上部に設置された風速計23を備えている。なお、風速計23は、風力発電装置1の他の位置に設置してもよいし、風力発電装置1の近傍であれば風力発電装置1の外部に設置してもよい。 The wind turbine generator 1 includes a generator 8 capable of controlling the rotation speed, a pitch angle control mechanism 21 for controlling the pitch angle of the blades 2, a yaw control mechanism 22 for controlling the azimuth angle of the nacelle 4, and the It has an anemometer 23 installed on the top. The anemometer 23 may be installed at another position of the wind turbine generator 1 or may be installed outside the wind turbine generator 1 as long as it is in the vicinity of the wind turbine generator 1 .

また、風力発電装置1は、ブレード2に取り付けられたひずみセンサ24を備えていてもよい。ひずみセンサ24については、ブレード2に限らず、タワー5やナセル4またはハブ3に設置してもよいし、例えば加速度センサのような他の荷重センサを用いてもよい。また、荷重センサの代わりに風速計23の値に基づいて数値シミュレーションで荷重を推定するソフトセンサを用いても良い。 The wind turbine generator 1 may also include strain sensors 24 attached to the blades 2 . The strain sensor 24 may be installed not only on the blade 2 but also on the tower 5, the nacelle 4, or the hub 3, or another load sensor such as an acceleration sensor may be used. Also, instead of the load sensor, a software sensor that estimates the load by numerical simulation based on the value of the anemometer 23 may be used.

図3に縮退運転中の発電量を最大化するための、実施例1における風力発電装置1の制御装置12と制御対象30の構成例を示す。 FIG. 3 shows a configuration example of the control device 12 and the controlled object 30 of the wind turbine generator 1 according to the first embodiment for maximizing the power generation amount during the degeneracy operation.

図3の制御装置12は、計算機システムにより構成されており、その処理内容を機能的の述べると、風速計測部31、荷重計測部32、損傷度計算部33、制御量計算部37を備えるものということができる。また、計算機システムは、その処理のために、損傷度データベースDB1に保持された損傷度データD1、パワーカーブデータベースDB2に保持されたパワーカーブデータD2、運転計画データベースDB3に保持された運転計画データD3を使用する。 The control device 12 of FIG. 3 is configured by a computer system, and functionally speaking, the processing content thereof is provided with an air velocity measurement unit 31, a load measurement unit 32, a damage degree calculation unit 33, and a control amount calculation unit 37. It can be said that For the processing, the computer system also includes damage degree data D1 held in the damage degree database DB1, power curve data D2 held in the power curve database DB2, and operation plan data D3 held in the operation plan database DB3. to use.

なお、事前に作成された損傷度データベースDB1を用いる場合、風速計測部31、荷重計測部32、損傷度計算部33は省略しても良い。また、運転計画データベースDB3は制御装置12内に保存されている必要はなく、外部のデータセンタやオペレーションセンタのデータを用いても良い。 When using the damage degree database DB1 created in advance, the wind speed measurement unit 31, the load measurement unit 32, and the damage degree calculation unit 33 may be omitted. Further, the operation plan database DB3 does not need to be stored in the control device 12, and data in an external data center or operation center may be used.

風速計測部31では、図2の風速計23を用いて風速を計測し、所定時間で平均化処理を施した平均風速を出力する。平均化処理では、例えば10分ごとに平均風速を算出する。 The wind speed measurement unit 31 measures the wind speed using the anemometer 23 in FIG. 2, and outputs the average wind speed averaged over a predetermined period of time. In the averaging process, for example, the average wind speed is calculated every 10 minutes.

荷重計測部32では、ひずみセンサ24などを用いてブレード2のひずみや荷重を計測する。なおひずみセンサ24は、その代替手段として加速度センサのような他の荷重センサを用いてもよい。また、荷重センサの代わりに風速計23の値に基づいて数値シミュレーションで荷重を推定するソフトセンサであってもよい。要するに風力発電装置1のブレード2が風により受けるひずみや荷重を計測し、あるいは推定できるものであればよい。 The load measurement unit 32 measures the strain and load of the blade 2 using the strain sensor 24 and the like. As an alternative to the strain sensor 24, another load sensor such as an acceleration sensor may be used. Also, instead of the load sensor, a software sensor that estimates the load by numerical simulation based on the value of the anemometer 23 may be used. In short, any device that can measure or estimate the strain and load that the blades 2 of the wind turbine generator 1 receive from the wind may be used.

損傷度計算部33では、荷重計測部32で求めたひずみや荷重の時系列データを弾性係数や断面係数を用いて任意に指定した監視対象位置での応力に変換し、応力の時系列データを例えばレインフロー法と線形累積損傷則を用いて所定時間ごとに疲労損傷度に換算する。ひずみや荷重の時系列データの損傷度への換算には他の方法を用いても良いし、時系列データをパワースペクトルに変換して、損傷度に換算してもよい。また、所定時間での損傷度を累積した監視対象位置の累積損傷度を計算する。なお監視対象位置は、複数個所であることが望ましい。また本発明において、特に断りのない限り、損傷度とは劣化度を含む概念のものとして説明している。 The damage degree calculator 33 converts the strain and load time series data obtained by the load measurement unit 32 into stress at an arbitrarily designated monitoring target position using the elastic modulus and section modulus, and converts the stress time series data. For example, the rainflow method and the linear accumulation damage law are used to convert to the degree of fatigue damage every predetermined time. Other methods may be used to convert the time-series data of strain and load into the degree of damage, or the time-series data may be converted into a power spectrum and converted into the degree of damage. Also, the cumulative damage degree of the monitoring target position is calculated by accumulating the damage degree in a predetermined time. It is desirable that the monitoring target positions be a plurality of positions. Further, in the present invention, unless otherwise specified, the degree of damage is explained as a concept including the degree of deterioration.

損傷度データベースDB1では、風速計測部31で求めた所定時間での平均風速と、損傷度計算部33で求めた損傷度の関係を損傷度データD1(損傷度分布)として保存する。保存の際には、各所定時間での全データをそのまま保存してもよいし、平均風速に対する平均的な損傷度を統計値として保存してもよい。 In the damage degree database DB1, the relationship between the average wind speed for a predetermined time obtained by the wind speed measurement unit 31 and the damage degree obtained by the damage degree calculation unit 33 is stored as damage degree data D1 (damage degree distribution). When storing, all the data at each predetermined time may be stored as they are, or the average degree of damage with respect to the average wind speed may be stored as a statistical value.

パワーカーブデータベースDB2では、パワーカーブデータD2として風力発電装置1における風速と発電電力の関係を保存している。 The power curve database DB2 stores the relationship between wind speed and generated power in the wind turbine generator 1 as power curve data D2.

運転計画データベースDB3では、運転計画データD3として監視対象位置の保守日とその日までの累積損傷度の許容値が保存されている。なお、保守日までの許容値の代わりに、部品の寿命としての累積損傷度の許容値が保存されていてもよい。 In the operation plan database DB3, the maintenance date of the position to be monitored and the permissible value of the accumulated damage degree up to that date are stored as the operation plan data D3. Note that instead of the allowable value up to the maintenance date, the allowable value of the accumulated damage degree as the life of the component may be stored.

制御量計算部37では、まず損傷度データベースDB1のデータから所定時間での平均風速に対する平均的な損傷度分布を計算する。平均的な損傷度分布は、風速をビンで区切って損傷度の平均値を求めても良いし、多項式や応答曲面法、機械学習によって生成した回帰モデルを用いても良い。次に制御量計算部37では、平均的な損傷度分布とパワーカーブデータD2から求められる発電電力の比を取り、発電電力あたり損傷度を計算する。 The control amount calculator 37 first calculates an average damage degree distribution with respect to the average wind speed in a predetermined time from the data in the damage degree database DB1. For the average damage degree distribution, the average value of the damage degree may be obtained by dividing the wind speed into bins, or a regression model generated by polynomial expression, response surface method, or machine learning may be used. Next, the control amount calculator 37 takes the ratio of the average damage degree distribution and the generated power obtained from the power curve data D2, and calculates the degree of damage per generated power.

図4は、図3の制御装置12における主要な要素であるパワーカーブと、損傷度と、発電電力あたり損傷度の関係について、横軸を平均風速として表した図である。 FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the power curve, the degree of damage, and the degree of damage per generated power, which are the main elements in the control device 12 of FIG. 3, with the horizontal axis representing the average wind speed.

図4の上段は、パワーカーブデータベースDB2に保持されたパワーカーブデータD2であり、横軸の平均風速と縦軸の発電電力で示されるように定格風速までは風速に応じて発電電力が増大し、定格風速以降は定格発電電力一定に保持される。 The upper part of FIG. 4 is the power curve data D2 held in the power curve database DB2. As shown by the average wind speed on the horizontal axis and the generated power on the vertical axis, the generated power increases according to the wind speed up to the rated wind speed. , the rated generated power is kept constant after the rated wind speed.

図4の中段は、損傷度データベースDB1に保持された損傷度データD1(損傷度分布)であり、横軸の平均風速と縦軸の損傷度で示されるように、この例では損傷度は定格風速付近で最大となり、定格風速付近から離れるほど低い値を示す。 The middle part of FIG. 4 shows the damage degree data D1 (damage degree distribution) held in the damage degree database DB1. It becomes maximum near the wind speed, and shows a lower value as it moves away from near the rated wind speed.

図4の下段は、制御量計算部37で求めた発電電力あたり損傷度であり、横軸の平均風速と縦軸の発電電力あたり損傷度で示されるように、この例では発電電力あたり損傷度は定格風速付近で最大となるが、定格風速付近から離れる領域での傾向は平均風速の上下で相違する傾向を示す。なお図4では、定格風速付近で損傷度が最大となる場合を例として示しているが、損傷度分布は監視対象および位置に応じて変化するため、適用対象を図4の状態に限定するものではない。 The lower part of FIG. 4 shows the degree of damage per generated power obtained by the control amount calculation unit 37. As shown by the average wind speed on the horizontal axis and the degree of damage per generated power on the vertical axis, in this example, the degree of damage per generated power is maximum near the rated wind speed, but the trend in the region away from the rated wind speed shows different tendencies above and below the average wind speed. Although FIG. 4 shows an example in which the degree of damage is maximized near the rated wind speed, since the distribution of damage degree changes depending on the monitored object and position, the applicable object is limited to the state shown in FIG. is not.

図3の制御量計算部37は、上記手法により発電電力あたり損傷度を算出しているが、算出された発電電力あたり損傷度による制御は、常時実行されるという性格のものではない。発電電力あたり損傷度による制御は、その閾値を超えて増大した場合に、初めて発動され、閾値を超えた風速域においてのみ実行される。 The control amount calculator 37 of FIG. 3 calculates the degree of damage per generated power by the above method, but the control based on the calculated degree of damage per generated power is not always executed. Control based on the degree of damage per generated power is activated for the first time when the threshold is exceeded, and is performed only in the wind speed range exceeding the threshold.

こうして得られた発電電力あたり損傷度が最大となる風速付近において、発電機8やピッチ制御機構21、ヨー制御機構22などの関連する制御対象30の制御量を変更することで縮退運転を行う。制御量としては、例えば、ロータ回転数や、発電機回転数、トルク、ピッチ角、ヨー角などがある。縮退運転時の制御量および制御を変更する風速域については、事前に定義した値を用いてもよいし、後述の実施例2の方法を用いて決定してもよい。 In the vicinity of the wind speed at which the degree of damage per generated power obtained in this manner is maximized, the degenerate operation is performed by changing the controlled variables of the related controlled objects 30 such as the generator 8, the pitch control mechanism 21, and the yaw control mechanism 22. Control variables include, for example, rotor rotation speed, generator rotation speed, torque, pitch angle, and yaw angle. A value defined in advance may be used, or a method of a second embodiment described later may be used to determine the wind speed range in which the control amount and the control are changed during degenerate operation.

また、図5に示すように発電電力あたり損傷度が複数の極大値を持つ場合は、複数の風速域で制御量を変更してもよい。なお、縮退運転の実行は、運転者が判断しても良いし、監視対象位置の累積損傷度と運転計画データD3の累積損傷度の許容値に基づいて、自動的に判断されるようにしてもよい。 Further, when the degree of damage per generated power has a plurality of maximum values as shown in FIG. 5, the control amount may be changed in a plurality of wind speed ranges. The execution of the degeneracy operation may be determined by the driver, or may be automatically determined based on the cumulative damage degree of the monitoring target position and the allowable value of the cumulative damage degree of the operation plan data D3. good too.

なお風力発電装置の損傷度管理を行うに際してはいくつかの考え方があるので、実制御への適用は損傷度管理手法に応じて適宜行うのがよい。例えば、損傷度管理手法として日常の中で、想定した最大損傷を超過しないように制御適用する考え方、一定期間内の累積損傷を順守する考え方、あるいは損傷量の管理目標に沿って運用する考え方などがあるが、制御開始する上でのタイミングはこれらの考え方に沿って適宜採用することができる。図3の運転計画データベースDB3には、これらの管理指針の情報を含めて保持しておくのがよい。 Since there are several ideas for managing the degree of damage to a wind power generator, it is preferable to apply the method to actual control appropriately according to the method of managing the degree of damage. For example, as a damage management method, in daily life, the concept of applying control so as not to exceed the assumed maximum damage, the concept of complying with the cumulative damage within a certain period, or the concept of operating according to the management target of the amount of damage. However, the timing for starting control can be appropriately adopted in accordance with these ideas. The operation plan database DB3 in FIG. 3 preferably holds information on these management guidelines.

以上の構成を有する風力発電装置1の制御装置12を用いることで、実施例1によれば、縮退運転中の発電量を最大化し得る縮退運転の適用風速を特定することが可能となる。 By using the control device 12 of the wind turbine generator 1 having the above configuration, according to the first embodiment, it is possible to specify the applicable wind speed for the degeneracy operation that can maximize the power generation amount during the degeneracy operation.

実施例2では、実施例1で特定した発電電力あたり損傷度が最大となる風速での縮退運転における、制御量および制御を変更する風速域の決定方法について説明する。 In a second embodiment, a method of determining a wind speed range for changing the control amount and control in the degenerate operation at the wind speed at which the degree of damage per generated power is maximized as specified in the first embodiment will be described.

図6に実施例2における風力発電装置1の制御装置12と制御対象30の構成例を示す。実施例2では、実施例1の制御装置12に制御量計測部41および風況予測データベースDB4が追加設置されている。また図6の実施例では、追加された制御量計測部41の情報をも加味して構成されたデータベースとそのデータをDB1a、DB2aとD1a、D2aと表記することで、実施例1のデータベースDB1、DB2とそのデータD1、D2と区別している。 FIG. 6 shows a configuration example of the control device 12 and the controlled object 30 of the wind turbine generator 1 according to the second embodiment. In the second embodiment, a control amount measuring unit 41 and a wind condition prediction database DB4 are additionally installed in the control device 12 of the first embodiment. In addition, in the embodiment of FIG. 6, the database configured with the information of the added control amount measuring unit 41 taken into account and its data are represented by DB1a, DB2a and D1a, D2a, so that the database DB1 of the first embodiment , DB2 and its data D1 and D2.

図6の制御量計測部41では、制御対象30での制御量または制御目標値を計測する。実施例2の損傷度データベースDB1aでは、所定時間での平均風速と損傷度に加えて、各種制御量の平均値または目標値を保存する。制御量としては、例えば、ロータ回転数や、発電機回転数、トルク、ピッチ角、ヨーエラー、発電機出力などがある。保存の際には、各所定時間での全データをそのまま保存してもよいし、平均風速および各種制御量に対する平均的な損傷度を統計値として保存してもよい。 The controlled variable measurement unit 41 in FIG. 6 measures the controlled variable or the control target value in the controlled object 30 . In the damage degree database DB1a of the second embodiment, average values or target values of various control variables are stored in addition to the average wind speed and damage degree at a predetermined time. Control variables include, for example, rotor rotation speed, generator rotation speed, torque, pitch angle, yaw error, and generator output. At the time of saving, all the data at each predetermined time may be saved as they are, or the average degree of damage with respect to the average wind speed and various control variables may be saved as statistical values.

パワーカーブデータベースDB2aでは、風力発電装置1における風速と発電電力の関係に加えて、各種制御量の平均値または目標値を保存する。制御量としては、例えば、ロータ回転数や、発電機回転数、トルク、ピッチ角、ヨーエラーなどがある。保存の際には、各所定時間での全データをそのまま保存してもよいが、所定時間での平均風速および各種制御量に対する発電電力の平均値を用いることが望ましい。 In the power curve database DB2a, in addition to the relationship between wind speed and generated power in the wind turbine generator 1, average values or target values of various control variables are stored. Control variables include, for example, rotor rotation speed, generator rotation speed, torque, pitch angle, and yaw error. At the time of saving, all the data at each predetermined time may be saved as it is, but it is desirable to use the average value of the generated power for the average wind speed and various control variables at the predetermined time.

風況予測データベースDB4では、風力発電装置1における風速頻度分布を風況予測データD4として保存している。風速頻度分布D4は風速計測部31で取得された計測値から作成してもよいし、事前に作成されたデータや、数値シミュレーションによる気象予報の結果を用いてもよい。また、風速頻度分布の作成周期は問わず、例えば月ごとに作成してもよいし、年間で単一の頻度分布を用いてもよい。 The wind condition prediction database DB4 stores the wind speed frequency distribution in the wind turbine generator 1 as wind condition prediction data D4. The wind speed frequency distribution D4 may be created from the measured values acquired by the wind speed measurement unit 31, or may be created using data created in advance or the results of weather forecasts based on numerical simulations. Moreover, the creation period of the wind speed frequency distribution does not matter, for example, it may be created monthly, or a single frequency distribution may be used for the year.

実施例2の制御量計算部37aでは、損傷度データベースDB1aの損傷度データD1aから、まず所定時間での平均風速および制御量に対する平均的な損傷度分布を計算する。平均的な損傷度分布は、風速および制御量をビンで区切って損傷度の平均値を求めても良いし、多項式や応答曲面法、機械学習によって生成した回帰モデルを用いても良い。次に制御量計算部37aでは、制御量ごとに平均的な損傷度分布とパワーカーブデータD2aから求められる発電電力の比を取り、各制御量での発電電力あたり損傷度を計算する。 The control amount calculation unit 37a of the second embodiment first calculates an average damage degree distribution with respect to the average wind speed and the control amount in a predetermined time from the damage degree data D1a of the damage degree database DB1a. For the average damage distribution, wind speeds and controlled variables may be divided into bins to determine the average value of damage, or a regression model generated by polynomial, response surface method, or machine learning may be used. Next, the control amount calculator 37a takes the ratio of the average damage degree distribution and the generated power obtained from the power curve data D2a for each control amount, and calculates the damage degree per generated power for each control amount.

図7は、図4のパワーカーブと、損傷度と、発電電力あたり損傷度の関係を示したものであるが、制御量計測部41で計測した制御量を可変の要素として大きさが変更された状態におけるパワーカーブ(図7上段)と、損傷度(図7中段)と、発電電力あたり損傷度(図7下段)を表している。 FIG. 7 shows the relationship between the power curve in FIG. 4, the degree of damage, and the degree of damage per generated power. 7 shows the power curve (upper part of FIG. 7), the degree of damage (middle part of FIG. 7), and the degree of damage per generated power (lower part of FIG. 7).

図7の図示において実線で示した各値は、図4と同じ通常時の値であり、一点鎖線で示した各値は、軽度の縮退運転時(制御量が小さい)の値であり、点線で示した各値は、重度の縮退運転時(制御量が大きい)の値である。 Each value indicated by a solid line in the illustration of FIG. 7 is a value during normal operation, which is the same as in FIG. Each value indicated by is the value at the time of severe degeneracy operation (the amount of control is large).

図8は、発電電力あたり損傷度を用いた理想的な制御量について説明するための図であり、発電電力あたり損傷度の最大値付近を平滑化するように制御量と制御を変更する風速域を調節した例を示している。図7では制御を変更する風速域は一定とし、制御量を変化させた場合を示しているが、風速域を合わせて変更してもよい。縮退運転中の発電量を最大化するには、図8に示すように発電電力あたり損傷度の最大値付近を平滑化するように制御量と制御を変更する風速域を調節することが望ましいが、制御側の制限があるため、縮退運転時に必ずしも図8のような分布になる必要はない。 FIG. 8 is a diagram for explaining the ideal control amount using the degree of damage per generated power, and the wind speed range in which the control amount and control are changed so as to smooth the vicinity of the maximum value of the degree of damage per generated power is shown. FIG. 7 shows a case where the control amount is changed while the wind speed range for changing the control is constant, but the wind speed range may be changed together. In order to maximize the amount of power generated during degenerate operation, it is desirable to adjust the control amount and the wind speed range in which the control is changed so as to smooth the vicinity of the maximum value of the degree of damage per generated power as shown in FIG. , the distribution shown in FIG. 8 is not necessarily required during degenerate operation due to restrictions on the control side.

図7、8に示すように制御量および制御を変更する風速域の大小によって、発電電力あたり損傷度の分布は変化する。縮退運転中の発電量を最大化する場合、これらの大小の度合いは、縮退運転期間中の風速頻度分布と損傷度分布の内積で求められる損傷度と現在までの累積損傷度との和で求められる推定累積損傷度が運転計画データベースDB3の累積損傷度の許容値と一致するように設定すればよい。縮退運転期間中の風速頻度分布は、縮退運転開始時点から運転計画データベースDB3の保守日までの風況予測データベースDB4を用いて推定できる。ただし、推定した風速頻度分布には誤差が生じることがあるため、縮退運転の制御量および風速域は、誤差を考慮して推定累積損傷度が運転計画データベースDB3の累積損傷度の許容値を下回るように設定してもよい。 As shown in FIGS. 7 and 8, the distribution of the degree of damage per generated power changes depending on the magnitude of the control amount and the wind speed range in which the control is changed. When maximizing the amount of power generated during degeneracy operation, the degree of these magnitudes is obtained by summing the damage degree obtained by the inner product of the wind speed frequency distribution and the damage degree distribution during the degeneracy operation period and the cumulative damage degree up to now. It is sufficient to set the estimated cumulative damage degree to match the allowable value of the cumulative damage degree of the operation plan database DB3. The wind speed frequency distribution during the degeneracy operation period can be estimated using the wind condition prediction database DB4 from the start of degeneracy operation to the maintenance date of the operation plan database DB3. However, since an error may occur in the estimated wind speed frequency distribution, the control amount and wind speed range of the degenerate operation are considered so that the estimated cumulative damage level is less than the allowable value of the cumulative damage level of the operation plan database DB3. can be set as

以上の構成を有する風力発電装置1の制御装置12を用いることで、実施例2によれば、縮退運転の制御量および風速域を適切に決定することができ、縮退運転中の発電量の最大化が可能となる。 By using the control device 12 of the wind power generator 1 having the above configuration, according to the second embodiment, it is possible to appropriately determine the control amount and the wind speed range for the degeneracy operation, and the maximum power generation amount during the degeneracy operation. becomes possible.

実施例3では、実施例1で特定した縮退運転の適用風速における、実施例2で特定した制御量および制御を変更する風速域を用いた縮退運転方法の具体例について説明する。ただし、ここに記す縮退運転方法を必ずしも用いる必要はなく、他の方法によって縮退運転を実現しても良い。 In a third embodiment, a specific example of a degeneracy operation method using the wind speed range for changing the control amount and control identified in the second embodiment at the applicable wind speed for the degeneracy operation identified in the first embodiment will be described. However, it is not always necessary to use the degeneracy operation method described here, and degeneracy operation may be realized by other methods.

図7のように定格風速付近で発電電力あたり損傷度が最大となる場合、この風速付近での発電電力を低減して縮退運転を行う必要がある。然るに回転数の低下による発電電力低減は、ブレードへの流入角を増してしまい、損傷度の増加につながる可能性がある。 When the degree of damage per generated power is maximized near the rated wind speed as shown in FIG. However, a reduction in generated power due to a decrease in rotational speed increases the inflow angle to the blades, which may lead to an increase in the degree of damage.

従って、通常時よりも発電機トルクを下げつつ、回転数は通常時の上限値を維持するためにブレードのピッチ角をフェザー側(ブレードの迎え角を低減する側)に通常時よりも大きく制御し、ブレードの迎え角を低減することが望ましい。 Therefore, the pitch angle of the blades is controlled to the feather side (the side that reduces the angle of attack of the blades) to a greater extent than usual in order to maintain the upper limit of the rotation speed while lowering the generator torque. and reduce the angle of attack of the blade.

ただし、損傷度の監視対象によっては、ブレードの迎え角に依存しないこともあるため、トルクを維持したまま通常時よりも回転数を低減して縮退運転を行っても良い。ここで、通常時の制御量とは、縮退運転を行なわず、設計条件などで想定される理想的な風が流入した場合に風力発電装置1のカタログなどに記載されているパワーカーブが実現される場合の制御量であり、多くの場合は発電量が最大となる制御量である。 However, depending on the degree of damage to be monitored, it may not depend on the angle of attack of the blade, so the retraction operation may be performed by reducing the number of revolutions compared to normal while maintaining the torque. Here, the control amount during normal operation means that the power curve described in the catalog of the wind turbine generator 1 is realized when the ideal wind assumed in the design conditions or the like flows in without performing the degenerate operation. In many cases, it is the control amount that maximizes the amount of power generation.

定格風速付近において回転数を上限値に保ったままトルクを低減するには、ピッチ角の制御量決定方法を修正する必要がある。定格風速付近において、ピッチ角制御量は回転数とトルクに基づいて決定される。縮退運転時には、トルクに基づくピッチ角制御量のゲインを、実施例2で決定した値に変更することで、縮退運転中の発電量を最大化する制御が実現される。 In order to reduce the torque while keeping the rotation speed at the upper limit near the rated wind speed, it is necessary to modify the method of determining the control amount of the pitch angle. Around the rated wind speed, the pitch angle control amount is determined based on the rotational speed and torque. During degeneracy operation, by changing the gain of the pitch angle control amount based on the torque to the value determined in the second embodiment, control that maximizes the power generation amount during degeneracy operation is realized.

例えば、(1)式に示すように、ピッチ角制御量(フェザー側を正とする)Δθが、現在のトルクQからトルクの目標値である定格トルク(定格出力でのトルク)Qratedを引いた差分に比例ゲインk(>0)を掛けて決定される場合を考える。
[数1]
Δθ=k(Q-Qrated) (1)
(1)式では、トルクが定格トルクよりも小さい場合には、Δθが負となってピッチ角はファイン側(ブレードの迎え角を増加する側)に制御される。そこで、縮退運転時には、この比例ゲインを通常時よりも小さくすることで、ピッチ角をファイン側に向ける制御を抑制する。
For example, as shown in equation (1), the pitch angle control amount (positive on the feather side) Δθ is obtained by subtracting the rated torque (torque at the rated output) Qrated, which is the target torque value, from the current torque Q. Consider the case where it is determined by multiplying the difference by a proportional gain k (>0).
[Number 1]
Δθ=k(Q-Qrated) (1)
In equation (1), when the torque is smaller than the rated torque, Δθ becomes negative and the pitch angle is controlled to the fine side (to increase the angle of attack of the blade). Therefore, during degenerate operation, this proportional gain is made smaller than that during normal operation, thereby suppressing the control of directing the pitch angle to the fine side.

図9は、ピッチ角のフェザー制御量を増加することによる縮退運転方法について説明するための図であり、平均風速に対する発電電力とピッチ角制御量の関係を示している。発電電力とピッチ角制御量の関係は、実線に示すとおりであるが、これを縮退運転時には点線で示すようにすべきことを表している。これにより、図9に示すように通常時よりもピッチ角をフェザー側に制御でき、回転数を上限値に維持したままトルクを低減した縮退運転が実現される。また、より大きな損傷度低減が必要な場合ほど、比例ゲインを小さくすることで、図7に示すような縮退運転の強度調整が可能となる。ここでは単純な比例制御を例に説明したが、ゲインなどを用いて縮退運転の強度調整ができれば、他の制御方法を用いても良い。 FIG. 9 is a diagram for explaining a degeneracy operation method by increasing the pitch angle feather control amount, and shows the relationship between the generated power and the pitch angle control amount with respect to the average wind speed. The relationship between the generated power and the pitch angle control amount is indicated by a solid line, and this should be indicated by a dotted line during degenerate operation. As a result, as shown in FIG. 9, the pitch angle can be controlled to the feather side compared to the normal time, and the degeneracy operation with reduced torque is realized while maintaining the rotational speed at the upper limit value. Further, by decreasing the proportional gain as the degree of damage needs to be reduced more greatly, it becomes possible to adjust the strength of the degenerate operation as shown in FIG. Although a simple proportional control has been described here as an example, other control methods may be used as long as the strength of degenerate operation can be adjusted using a gain or the like.

上述の縮退運転方法の他に、任意の風速域で縮退運転が必要な場合には以下に示す方法を用いても良い。この縮退運転方法では、風速計測部31での風速に基づいてトルクの上限値を変更することで、回転数の増加またはフェザー制御量の増加を促す。 In addition to the degeneracy operation method described above, the following method may be used when degeneracy operation is required in an arbitrary wind speed range. In this degenerate operation method, by changing the upper limit value of the torque based on the wind speed in the wind speed measurement unit 31, an increase in the rotation speed or the feather control amount is encouraged.

任意の風速域で縮退運転を行う第1の手法について、図10を用いて説明する。図10は、風速に基づく階段状のパワーカーブを用いた縮退運転方法について説明するための図である。図9と同様に、平均風速に対する発電電力とピッチ角制御量の関係を示している。例えば、図10に示すように定格風速以上の一部の領域で発電電力を階段状に低減して縮退運転を行うことを考える。定格出力時のトルク上限値として通常時には定格トルクが用いられる。この縮退運転では、風速計測部31での風速が縮退運転対象の風速である場合に、風速に応じてトルク上限値を定格トルクから低減する。トルク上限値の決定に用いる風速は瞬時値でもよいし、10分間の平均風速などの統計値でもよい。このようにトルク上限値を低減すると、ロータの回転数が増加するが、定格回転数を超えないようにピッチ角制御機構21によってピッチ角を低減することで、ブレードの迎え角低減による縮退運転が実現される。 A first method of performing degenerate operation in an arbitrary wind speed range will be described with reference to FIG. 10 . FIG. 10 is a diagram for explaining a degeneracy operation method using a stepped power curve based on wind speed. Similar to FIG. 9, it shows the relationship between the generated power and the pitch angle control amount with respect to the average wind speed. For example, as shown in FIG. 10, consider reducing the generated power stepwise in a partial region above the rated wind speed to perform degenerate operation. Rated torque is normally used as the torque upper limit at rated output. In this degenerate operation, when the wind speed measured by the wind speed measurement unit 31 is the wind speed for the degenerate operation, the torque upper limit value is reduced from the rated torque according to the wind speed. The wind speed used to determine the upper torque limit value may be an instantaneous value or a statistical value such as an average wind speed for 10 minutes. When the torque upper limit value is reduced in this way, the rotation speed of the rotor increases. Realized.

任意の風速域で縮退運転を行う第2の手法について、図11を用いて説明する。図11は、風速に基づく凹型のパワーカーブを用いた縮退運転方法について説明するための図である。図9、図10と同様に、平均風速に対する発電電力とピッチ角制御量の関係を示している。図10では発電電力を階段状に変化させているが、風速に応じてトルク上限値を連続的に変化させ、図11に示すような滑らかな凹型のパワーカーブとなるように縮退運転を行ってもよい。 A second method of performing degenerate operation in an arbitrary wind speed range will be described with reference to FIG. 11 . FIG. 11 is a diagram for explaining a degeneracy operation method using a concave power curve based on wind speed. Similar to FIGS. 9 and 10, it shows the relationship between the generated power and the pitch angle control amount with respect to the average wind speed. In FIG. 10, the generated power is changed stepwise, but the torque upper limit value is changed continuously according to the wind speed, and degenerate operation is performed so as to form a smooth concave power curve as shown in FIG. good too.

図12は、発電電力あたり損傷度に基づく縮退運転と従来の縮退運転の違いについて説明するための図である。図12は図9、図10、図11と同様に、平均風速に対する発電電力とピッチ角制御量の関係を示しているが、この図12において実線は通常運転時における発電電力とピッチ角制御量の関係を表しているに対し、点線は定格出力を一律に低減する従来の縮退運転を表している。また、カットアウト風速付近で縮退運転を行う本発明方法の場合には、パワーカーブは図12の一点鎖線で示したような形状となる。この縮退運転方法では、定格出力を一律に低減する従来の縮退運転(点線)とは異なり、実施例1、2の方法に則って縮退運転を行う風速域を発電電力あたり損傷度に基づいて限定することで、パワーカーブの低下を局所的なものとし、縮退運転中の発電量を最大化できる。 FIG. 12 is a diagram for explaining the difference between the degeneracy operation based on the degree of damage per generated power and the conventional degeneracy operation. 12 shows the relationship between the generated power and the pitch angle control amount with respect to the average wind speed, as in FIGS. 9, 10 and 11. In FIG. While the dotted line represents the conventional degenerate operation in which the rated output is uniformly reduced. Further, in the case of the method of the present invention in which the degeneracy operation is performed near the cutout wind speed, the power curve has a shape as shown by the one-dot chain line in FIG. In this degeneracy operation method, unlike the conventional degeneracy operation (dotted line) in which the rated output is uniformly reduced, the wind speed range in which degeneracy operation is performed in accordance with the methods of Embodiments 1 and 2 is limited based on the degree of damage per generated power. By doing so, it is possible to localize the drop in the power curve and maximize the amount of power generated during degenerate operation.

ここでは、風速に応じてトルクの上限値を変更したが、同様に風速に応じて回転数の上限値を変更した縮退運転を行っても良い。 Although the upper limit of the torque is changed according to the wind speed here, the degenerate operation may be performed with the upper limit of the rotational speed changed according to the wind speed.

図13は、発電機の回転数を増加することによる縮退運転方法について説明するための図である。この図では平均風速に対する発電電力と回転数の関係を表している。定格回転数に至らない低風速領域で、この縮退運転を行う場合には、図13に示すように縮退運転を行う風速域で通常運転時よりも回転数が増加することになる。この場合も、回転数の増加によって、ブレードへの流入角が低減されるため、ブレードの迎え角を低減することによる縮退運転が実現される。ここでは、トルクの上限値を変更することで通常時よりもトルクを低減したが、運転状態によってはトルクを低減するためにトルクの下限値を変更してもよい。 FIG. 13 is a diagram for explaining a degenerate operation method by increasing the rotation speed of the generator. This figure shows the relationship between the generated power and the rotation speed with respect to the average wind speed. When this degenerate operation is performed in a low wind speed range below the rated rotation speed, the wind speed range in which the degenerate operation is performed increases the rotation speed compared to normal operation, as shown in FIG. 13 . Also in this case, since the angle of inflow to the blade is reduced by increasing the rotation speed, retraction operation is realized by reducing the angle of attack of the blade. Here, by changing the upper limit of the torque, the torque is reduced more than the normal time, but depending on the operating state, the lower limit of the torque may be changed to reduce the torque.

さらに、発電電力あたり損傷度がカットイン風速付近で最大となる場合には、上述の方法に加えてカットイン風速を通常時よりも増加させて縮退運転を行ってもよい。 Furthermore, when the degree of damage per generated power is maximized near the cut-in wind speed, in addition to the above method, the cut-in wind speed may be increased more than normal to perform degenerate operation.

以上の縮退運転方法を用いることで、実施例3によれば、縮退運転中の発電量を最大化する縮退運転を実施することが可能となる。 By using the degeneracy operation method described above, according to the third embodiment, degeneracy operation that maximizes the amount of power generated during the degeneracy operation can be performed.

なおパワーカーブについて以下のようにされるのが望ましい。パワーカーブについて、ランプ状、凹型、階段状のいずれかに変化する風速は、定格風速近辺であり、例えば定格風速の前後4m/s以内であることが望ましい。またパワーカーブが、定格風速付近でランプ状、凹型、階段状のいずれかに変化する際に、回転数は通常時と変化せず、トルクが通常時よりも低下することが望ましい。またパワーカーブが、定格風速付近でランプ状、凹型、階段状のいずれかに変化する際に、トルクは通常時と変化せず、回転数が通常時よりも低下することが望ましい。 It is desirable that the power curve should be as follows. Regarding the power curve, the wind speed that changes to any one of a ramp shape, a concave shape, and a step shape is in the vicinity of the rated wind speed, and preferably within 4 m/s before and after the rated wind speed. Also, when the power curve changes to ramp, concave, or stepped near the rated wind speed, it is desirable that the rotation speed does not change from normal and the torque is lower than normal. Also, when the power curve changes to any of a ramp shape, a concave shape, and a step shape near the rated wind speed, it is desirable that the torque does not change from the normal time and the rotation speed is lower than the normal time.

実施例4では、実施例1―3の縮退運転における疲労損傷度を、例えば風力発電装置を構成する部品の摩耗や劣化に置き換えた場合の縮退運転方法について説明する。縮退運転の監視対象となる部品としては、ベアリングや歯車、アクチュエータ、ブレーキパッド、潤滑油、グリス、電気品などがあるが、これらに限定するものではない。 In the fourth embodiment, a degeneracy operation method will be described in which the degree of fatigue damage in the degeneracy operation of the embodiments 1-3 is replaced with, for example, the wear and deterioration of the parts constituting the wind turbine generator. Parts to be monitored for degenerate operation include, but are not limited to, bearings, gears, actuators, brake pads, lubricating oil, grease, electrical equipment, and the like.

部品の摩耗や劣化を用いて縮退運転を行う場合の実施例4における風力発電装置1の制御装置12と制御対象30の構成は、図3、図6と同様でよく、ここでは図6を用いて説明する。ただし、制御量計測部41、荷重計測部32、損傷度計算部33、損傷度データベースDB1a内での処理は、実施例1、2とは異なる場合がある。 The configuration of the control device 12 and the controlled object 30 of the wind turbine generator 1 in the fourth embodiment when the degeneration operation is performed using wear and deterioration of parts may be the same as in FIGS. 3 and 6, and FIG. 6 is used here. to explain. However, the processing in the control amount measuring unit 41, the load measuring unit 32, the damage degree calculating unit 33, and the damage degree database DB1a may differ from those in the first and second embodiments.

実施例4における制御量計測部41では、制御対象30での制御量または制御目標値として、ロータ回転数や、発電機回転数、ピッチ角、ヨーエラー、発電機出力などを計測するだけでなく、監視対象とした各種制御機構での消費電力、油圧なども計測する。 The control amount measuring unit 41 in the fourth embodiment not only measures the rotor rotation speed, the generator rotation speed, the pitch angle, the yaw error, the generator output, etc. as the control amount or control target value in the controlled object 30, but also It also measures power consumption, oil pressure, etc. in various control mechanisms that are monitored.

荷重計測部32では、ひずみセンサ24や加速度センサ、圧力センサ、マイク、カメラ、電流・電圧センサ、温度センサ、色度センサ、粘度センサ、パーティクルセンサ、オイルリークセンサなど、監視対象に合わせたセンサにより、監視対象の荷重、損傷、摩耗、劣化を計測する。監視対象の荷重、損傷、摩耗、劣化に関係していれば、ここに列挙した以外のセンサを用いてもよい。 In the load measuring unit 32, the strain sensor 24, an acceleration sensor, a pressure sensor, a microphone, a camera, a current/voltage sensor, a temperature sensor, a chromaticity sensor, a viscosity sensor, a particle sensor, an oil leak sensor, and other sensors suitable for the monitoring target , to measure the load, damage, wear and deterioration of the monitored object. Sensors other than those listed here may be used as they relate to the load, damage, wear and deterioration being monitored.

損傷度計算部33では、監視対象のセンサデータから所定時間での損傷、摩耗、劣化の度合いを定量化する。例えば、ベアリングや歯車の加速度センサから、パワースペクトルを取得し、監視対象の周波数でのパワーの変化量を計算したり、潤滑油に対してパーティクルセンサを用いて濁りの変化量を計算したりする。また、複数のセンサデータを統合して、機械学習などにより監視対象の異常度を算出し、異常度の変化量を計算してもよい。また、所定時間での損傷、摩耗、劣化の度合いを累積した監視対象の損傷、摩耗、劣化の累積値を計算する。前述のパワースペクトルや潤滑油の濁り、異常度のように、計測時点での損傷、摩耗、劣化度合いが累積値を表している場合には、変化量を累積する代わりに最新の計測値から計算した損傷、摩耗、劣化度合いを用いてもよい。 The damage degree calculator 33 quantifies the degree of damage, wear, and deterioration in a predetermined time from the monitored sensor data. For example, a power spectrum can be acquired from a bearing or gear accelerometer to calculate the amount of change in power at the monitored frequency, or a particle sensor can be used to calculate the amount of turbidity in lubricating oil. . Moreover, a plurality of sensor data may be integrated, the degree of abnormality of the monitored object may be calculated by machine learning, etc., and the amount of change in the degree of abnormality may be calculated. In addition, a cumulative value of damage, wear, and deterioration to be monitored is calculated by accumulating degrees of damage, wear, and deterioration over a predetermined period of time. When the degree of damage, wear, and deterioration at the time of measurement represents a cumulative value, such as the power spectrum, lubricating oil turbidity, and degree of anomaly described above, instead of accumulating the amount of change, it is calculated from the latest measured value. The degree of damage, wear and deterioration may be used.

損傷度データベースDB1aでは、所定時間での平均風速と各種制御量の平均値または目標値、さらに損傷、摩耗、劣化度合いの変化量の関係を保存する。 The damage degree database DB1a stores the relationship between the average wind speed for a predetermined time period, the average value or target value of various control variables, and the amount of change in the degree of damage, wear, and deterioration.

制御量としては、例えば、ロータ回転数や、発電機回転数、トルク、ピッチ角、ヨーエラー、発電機出力、各種制御機構での消費電力、油圧などがある。保存の際には、各所定時間での全データをそのまま保存してもよいし、平均風速および各種制御量に対する平均的な変化量を統計値として保存してもよい。 Control variables include, for example, rotor rotation speed, generator rotation speed, torque, pitch angle, yaw error, generator output, power consumption in various control mechanisms, and oil pressure. At the time of saving, all the data at each predetermined time may be saved as they are, or the average amount of change with respect to the average wind speed and various control variables may be saved as statistical values.

制御量計算部37aでは、実施例1-3と同様に、損傷度を摩耗や劣化の度合いに置き換えて制御対象30の制御量および制御を変更する風速域を計算する。 The control amount calculation unit 37a calculates the control amount of the controlled object 30 and the wind speed range in which the control is changed by replacing the degree of damage with the degree of wear or deterioration in the same manner as in the embodiment 1-3.

以上の縮退運転方法を用いることで、実施例4によれば、損傷度以外の摩耗、劣化度合いを用いることで様々な部品を対象に、縮退運転中の発電量を最大化する縮退運転が可能となる。 By using the degeneracy operation method described above, according to the fourth embodiment, it is possible to perform degeneracy operation that maximizes the amount of power generated during degeneracy operation for various parts by using the degree of wear and deterioration other than the degree of damage. becomes.

1:風力発電装置
2:ブレード
3:ハブ
4:ナセル
5:タワー
6:主軸
7:増速機
8:発電機
9:メインフレーム
10:ロータ
11:電力変換機
12:制御装置
21:ピッチ角制御機構
22:ヨー制御機構
23:風速計
24:ひずみセンサ
30:制御対象
31:風速計測部
32:荷重計測部
33:損傷度計算部
DB1、DB1a:損傷度データベース
DB2、DB2a:パワーカーブデータベース
DB3:運転計画データベース
37、37a:制御量計算部
41:制御量計測部
42:風況予測部
1: Wind turbine generator 2: Blades 3: Hub 4: Nacelle 5: Tower 6: Main shaft 7: Gearbox 8: Generator 9: Main frame 10: Rotor 11: Power converter 12: Control device 21: Pitch angle control Mechanism 22: Yaw control mechanism 23: Anemometer 24: Strain sensor 30: Control object 31: Wind speed measurement unit 32: Load measurement unit 33: Damage degree calculation unit DB1, DB1a: Damage degree database DB2, DB2a: Power curve database DB3: Operation plan database 37, 37a: control amount calculation unit 41: control amount measurement unit 42: wind condition prediction unit

Claims (18)

少なくともロータ及びナセル並びにナセルを支持するタワーを有し、制御装置により縮退運転を実施する風力発電装置であって、
前記制御装置は、部品の単位時間あたり損傷度と風速との関係を定義する損傷度のデータベースと、出力と風速の関係を定義するパワーカーブのデータベースと、前記損傷度と前記パワーカーブとから算出した風速に対する発電電力あたり損傷度を求め、縮退運転の制御量を計算する制御量計算部を備え、
前記制御装置は、求めた風速に対する発電電力あたり損傷度が規定値を超過することをもって前記縮退運転を実施することを特徴とする風力発電装置。
A wind power generator having at least a rotor, a nacelle, and a tower that supports the nacelle, and performing degeneration operation by a control device,
The control device includes a damage degree database that defines the relationship between the degree of damage to parts per unit time and wind speed, a power curve database that defines the relationship between output and wind speed, and calculation from the degree of damage and the power curve. Equipped with a control amount calculation unit that calculates the degree of damage per generated power against the wind speed and calculates the control amount for degenerate operation,
The wind turbine generator , wherein the control device performs the degeneracy operation when the degree of damage per generated power for the obtained wind speed exceeds a specified value.
請求項1に記載の風力発電装置であって、
前記制御量計算部は、前記縮退運転の制御量に応じて風力発電装置の回転数、トルク、ブレードピッチ角、ヨー角のいずれかを制御することを特徴とする風力発電装置。
The wind turbine generator according to claim 1 ,
The wind turbine generator, wherein the control amount calculation unit controls any one of the rotation speed, torque, blade pitch angle, and yaw angle of the wind turbine generator according to the control amount of the degeneracy operation.
請求項1に記載の風力発電装置であって、
前記パワーカーブが、前記制御量計算部による制御量の計算によって縮退運転を行わない通常時に対し、局所的に低下することを特徴とする風力発電装置。
The wind turbine generator according to claim 1 ,
The wind turbine generator, wherein the power curve is locally reduced compared to a normal time when the degeneracy operation is not performed due to the calculation of the control amount by the control amount calculation unit.
請求項1に記載の風力発電装置であって、
前記パワーカーブが局所的に低下する風速域または縮退運転の強弱の変化の少なくとも一方に応じた複数の前記パワーカーブを有することを特徴とする風力発電装置。
The wind turbine generator according to claim 1 ,
A wind power generator comprising a plurality of power curves corresponding to at least one of a wind speed range in which the power curve locally decreases or a change in intensity of degeneracy operation.
請求項1に記載の風力発電装置であって、
前記パワーカーブが、前記制御量計算部による制御量の計算によって縮退運転を行わない通常時に対し、ランプ状、凹型、階段状のいずれかに変化することを特徴とする風力発電装置。
The wind turbine generator according to claim 1 ,
The wind turbine generator according to claim 1, wherein the power curve changes to any one of a ramp shape, a recessed shape, and a stepped shape with respect to a normal time when the degeneracy operation is not performed according to the calculation of the control amount by the control amount calculation unit.
請求項5に記載の風力発電装置であって、
前記パワーカーブが、ランプ状、凹型、階段状のいずれかに変化する風速が定格風速付近であることを特徴とする風力発電装置。
The wind turbine generator according to claim 5,
The wind turbine generator, wherein the power curve changes to any one of a ramp shape, a concave shape, and a step shape at a wind speed near a rated wind speed.
請求項5に記載の風力発電装置であって、
前記パワーカーブが、ランプ状、凹型、階段状のいずれかに変化する風速が定格風速の前後4m/s以内であることを特徴とする風力発電装置。
The wind turbine generator according to claim 5 ,
The wind turbine generator, wherein the power curve changes in any one of a ramp shape, a concave shape, and a step shape within 4 m/s before and after a rated wind speed.
請求項5に記載の風力発電装置であって、
前記パワーカーブが、定格風速付近でランプ状、凹型、階段状のいずれかに変化する際に、回転数は通常時と変化せず、トルクが通常時よりも低下することを特徴とする風力発電装置。
The wind turbine generator according to claim 5 ,
A wind power generator characterized in that when the power curve changes to one of a ramp shape, a concave shape, and a step shape near the rated wind speed, the rotation speed does not change from normal and the torque is lower than normal. Device.
請求項5に記載の風力発電装置であって、
前記パワーカーブが、定格風速付近でランプ状、凹型、階段状のいずれかに変化する際に、トルクは通常時と変化せず、回転数が通常時よりも低下することを特徴とする風力発電装置。
The wind turbine generator according to claim 5 ,
A wind power generator characterized in that, when the power curve changes to one of a ramp shape, a concave shape, and a step shape near the rated wind speed, the torque does not change from the normal time, and the rotation speed is lower than the normal time. Device.
請求項1に記載の風力発電装置であって、
前記制御量計算部は、風速に対する発電電力あたり損傷度の最大値を平滑化するように制御量を計算することを特徴とする風力発電装置。
The wind turbine generator according to claim 1 ,
The wind turbine generator, wherein the control amount calculation unit calculates the control amount so as to smooth the maximum value of the degree of damage per generated power with respect to the wind speed .
請求項1に記載の風力発電装置であって、
前記損傷度のデータベースは、部品の単位時間あたり損傷度と風速および制御変更時の制御量の関係を保存することを特徴とする風力発電装置。
The wind turbine generator according to claim 1 ,
The wind power generator according to claim 1, wherein the database of the degree of damage stores the relationship between the degree of damage to parts per unit time, the wind speed, and the amount of control when the control is changed.
請求項1に記載の風力発電装置であって、
前記制御量計算部は、制御量または制御を変更する風速域を、風況予測に基づく風速頻度分布と制御変更時の損傷度分布の内積で求められる損傷度と現在までの累積損傷度との和で求められる推定累積損傷度が、運転計画の許容値と一致するように決定することを特徴とする風力発電装置。
The wind turbine generator according to claim 1 ,
The control amount calculation unit calculates the wind speed range in which the control amount or control is changed by the damage degree obtained by the inner product of the wind speed frequency distribution based on the wind condition prediction and the damage degree distribution at the time of control change, and the cumulative damage degree up to now. A wind power generator characterized in that the estimated cumulative damage degree obtained by the sum is determined so as to match the allowable value of the operation plan.
請求項1に記載の風力発電装置であって、
前記損傷度のデータベースは、部品の単位時間あたり損傷度と風速および制御変更時の制御量の関係を、運転時のデータを計測して逐次更新することを特徴とする風力発電装置。
The wind turbine generator according to claim 1 ,
The wind turbine generator, wherein the database of the degree of damage measures the data during operation and sequentially updates the relationship between the degree of damage per unit time of the component, the wind speed, and the control amount when the control is changed.
請求項1に記載の風力発電装置であって、
前記損傷度が、疲労損傷度、振動のパワースペクトル、濁りであることを特徴とする風力発電装置。
The wind turbine generator according to claim 1,
The wind turbine generator, wherein the degree of damage is a degree of fatigue damage, a power spectrum of vibration, and turbidity.
請求項1に記載の風力発電装置であって、
前記制御装置は、前記風速に対する発電電力あたり損傷度または劣化度が前記風力発電装置の定格風速付近で最大となる場合に、ブレードピッチ角のフェザー操作量を、縮退運転を行わない通常時よりも、増加することを特徴とする風力発電装置。
The wind turbine generator according to claim 1,
When the degree of damage or deterioration per generated power with respect to the wind speed is maximized near the rated wind speed of the wind power generator, the control device sets the feather operation amount of the blade pitch angle to be lower than normal when the retraction operation is not performed. , a wind power generator characterized by increasing
請求項15に記載の風力発電装置であって、
前記制御装置は、前記ブレードピッチ角のフェザー操作を通常時よりも低風速から開始することを特徴とする風力発電装置。
A wind turbine generator according to claim 15,
The wind turbine generator, wherein the control device starts the feathering operation of the blade pitch angle at a wind speed lower than normal.
請求項15に記載の風力発電装置であって、
前記制御装置は、定格風速の前後4m/s以内で前記ブレードピッチ角のフェザー操作量を通常時よりも増加することを特徴とする風力発電装置。
A wind turbine generator according to claim 15,
The wind turbine generator, wherein the control device increases the feather operation amount of the blade pitch angle within 4 m/s before and after the rated wind speed.
少なくともロータ及びナセル並びにナセルを支持するタワーを有する風力発電装置に対して、計算機を用いて縮退運転を実施する風力発電方法であって、A wind power generation method for performing degeneration operation using a computer for a wind turbine generator having at least a rotor, a nacelle, and a tower for supporting the nacelle,
部品の単位時間あたり損傷度と風速との関係を定義する損傷度のデータベースと、出力と風速の関係を定義するパワーカーブのデータベースとを備え、 Equipped with a damage database that defines the relationship between the degree of damage to parts per unit time and wind speed, and a power curve database that defines the relationship between output and wind speed,
前記損傷度と前記パワーカーブとから算出した風速に対する発電電力あたり損傷度を求め、前記縮退運転の制御量を計算するとともに、風速に対する発電電力あたり損傷度が規定値を超過することをもって縮退運転を実施することを特徴とする風力発電方法。 The degree of damage per generated power with respect to the wind speed calculated from the degree of damage and the power curve is calculated, and the control amount for the degeneracy operation is calculated. A wind power generation method characterized by carrying out.
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