TWI766224B - 風力發電裝置及其運轉方法 - Google Patents

Abstract

本發明之目的在於提供一種將縮退運轉中之發電量最大化之風力發電裝置及其運轉方法。 本發明之風力發電裝置之特徵在於：其係至少具有轉子、機艙及支持機艙之塔架且藉由控制裝置實施縮退運轉者，且控制裝置求出相對於風速之單位發電電力之損傷度，當所求出之單位發電電力之損傷度超過規定值時實施縮退運轉。

Description

風力發電裝置及其運轉方法

本發明係關於一種風力發電裝置及其運轉方法，尤其是關於一種監控風力發電裝置且根據劣化程度等執行縮退(fall back)運轉之風力發電裝置及其運轉方法。

由於對於有效利用可再生能源之關注度變高，故而預測到風力發電裝置於世界範圍內之市場擴大。作為百萬瓦級風力發電裝置，頻繁使用具備如下構件者，即：轉子，其係將葉片呈放射狀地安裝於旋轉之輪轂而成；機艙，其經由主軸支持轉子；及塔架，其將機艙自下部允許平擺(yaw)旋轉地支持。

於風力發電裝置中，以時刻變化之風作為能源進行發電。因此，於實際流入至風力發電裝置之風之風速或湍流較設計條件更嚴苛之情形時，存在風力發電裝置之負擔增大，而構成零件之損傷加速之可能性。於因損傷之加速而發生預料外之故障之情形時，除了故障零件之更換所需要之時間以外，更換用零件之準備或工程用機械材料、作業人員之準備亦需要時間，因此與實施計劃內之零件更換之情形相比，有風力發電裝置之運轉停止時間增大，而發電量減少之擔憂。

作為其對策，有如下方法：推定風力發電裝置之構成零件之損傷，於損傷加速之情形時，藉由降低額定輸出等縮退運轉而減輕負擔。例如，於專利文獻1中，提出有如下方法：於疲勞損傷超過根據使用年限所算出之閾值之情形時，藉由變更風力發電裝置進行運轉之最大風速即切出(cut out)風速，而進行減少發電量之縮退運轉，從而謀求延長壽命。 [先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利第5244502號

[發明所欲解決之問題]

然而，於為了延長壽命而變更額定輸出或切出風速之情形時，擔心縮退運轉中之發電量大幅度下降。其原因在於，進行縮退運轉之風速區域與損傷容易加速之風速區域不一致，即便為損傷不會加速之風速下亦應用縮退運轉。

本發明係鑒於此種狀況而完成者，其目的在於提供一種將縮退運轉中之發電量最大化之風力發電裝置及其運轉方法。 [解決問題之技術手段]

根據以上內容，於本發明中設為「一種風力發電裝置，其特徵在於：其係至少具有轉子、機艙及支持機艙之塔架且藉由控制裝置實施縮退運轉者，且控制裝置求出相對於風速之單位發電電力之損傷度，當所求出之單位發電電力之損傷度超過規定值時實施縮退運轉」。

又，於本發明中設為「一種風力發電裝置之運轉方法，其特徵在於：其係至少具有轉子、機艙及支持機艙之塔架且實施縮退運轉之風力發電裝置之風力發電方法，且僅於風力發電裝置之額定風速以上之一部分風速區域中，使螺距角之順槳操作量相較不進行縮退運轉之正常時增加」。 [發明之效果]

根據本發明，藉由基於單位發電電力之損傷度變更控制量，可將縮退運轉中之發電量最大化。

以下，使用圖式對本發明之實施例進行說明，作為其前提之風力發電裝置大致如以下般構成。

圖1係表示作為本發明之前提之風力發電裝置之整體概略構成例的圖。如圖1所示，風力發電裝置1具備：葉片2，其受到風而旋轉；輪轂3，其支持葉片2；機艙4；及塔架5，其將機艙4能夠旋動地支持。

於機艙4內具備：主軸6，其連接於輪轂3且與輪轂3一起旋轉；增速機7，其連接於主軸6且將旋轉速度增速；及發電機8，其使轉子以由增速機7增速後之旋轉速度旋轉，而進行發電運轉。將葉片2之旋轉能傳遞至發電機8之部位被稱為動力傳遞部，於本實施例中，主軸6及增速機7包含於動力傳遞部。而且，增速機7及發電機8保持於主框架9上。又，由葉片2及輪轂3構成轉子10。

如圖1所示，於塔架5內之底部(下部)配置有轉換電力頻率之電力轉換器11、進行電流之開閉之開關用開閉器及變壓器等(未圖示)、以及控制裝置12等。作為控制裝置12，例如使用控制盤或SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition，監控及資料擷取)。

再者，圖1所示之風力發電裝置1表示由3片葉片2及輪轂3構成轉子10之例，但並不限定於此，轉子10亦可由輪轂3及至少1片葉片2構成。 [實施例1]

本發明係基本如圖1般構成之風力發電裝置，且為對其進行監控並根據劣化程度等執行縮退運轉者，如圖2所示，為了監控，進而具備風速計23及應變感測器24，作為用於縮退運轉之控制對象(操作端)，例如操作發電機8、螺距角控制機構21、平擺控制機構22等。

圖2係自側方觀察風力發電裝置1時之狀態，風設為自紙面左側吹向右側。圖2中表示轉子10位於塔架5之風下側之下風向(down wind)型風力發電裝置，但亦可為轉子10位於塔架5之風上側之上風向(up wind)型風力發電裝置。

風力發電裝置1具備：發電機8，其能夠控制轉速；螺距角控制機構21，其係用以控制葉片2之螺距角；平擺控制機構22，其係用以控制機艙4之方位角；及風速計23，其設置於機艙4之上部。再者，風速計23亦可設置於風力發電裝置1之其他位置，只要為風力發電裝置1之附近則亦可設置於風力發電裝置1之外部。

又，風力發電裝置1亦可具備安裝於葉片2之應變感測器24。關於應變感測器24，並不限於設置於葉片2，亦可設置於塔架5、機艙4或輪轂3，亦可使用如例如加速度感測器般之其他負荷感測器。又，亦可使用基於風速計23之值並藉由數值模擬推定負荷之軟體感測器代替負荷感測器。

圖3中表示用以將縮退運轉中之發電量最大化之實施例1中之風力發電裝置1之控制裝置12及控制對象30之構成例。

圖3之控制裝置12包含計算機系統，若按功能對其處理內容進行敍述，則可謂具備風速計測部31、負荷計測部32、損傷度計算部33及控制量計算部37者。又，計算機系統為了該處理，而使用保持於損傷度資料庫DB1之損傷度資料D1、保持於功率曲線資料庫DB2之功率曲線資料D2、及保持於運轉計劃資料庫DB3之運轉計劃資料D3。

再者，於使用事先製作之損傷度資料庫DB1之情形時，亦可省略風速計測部31、負荷計測部32及損傷度計算部33。又，運轉計劃資料庫DB3無需保存於控制裝置12內，亦可使用外部之資料中心或作業中心之資料。

於風速計測部31中，使用圖2之風速計23計測風速，並輸出於規定時間內實施平均化處理所得之平均風速。於平均化處理中，例如每隔10分鐘算出平均風速。

於負荷計測部32中，使用應變感測器24等計測葉片2之應變或負荷。再者，應變感測器24亦可使用如加速度感測器般之其他負荷感測器作為其代替構件。又，亦可為基於風速計23之值藉由數值模擬推定負荷之軟體感測器以代替負荷感測器。總而言之，只要為能夠計測或推定風力發電裝置1之葉片2因風所受到之應變或負荷者即可。

於損傷度計算部33中，將由負荷計測部32所求出之應變或負荷之時間序列資料使用彈性係數或剖面係數轉換為任意指定之監視對象位置處之應力，使用例如雨流法及線累積損傷律每隔規定時間將應力之時間序列資料換算為疲勞損傷度。亦可使用其他方法將應變或負荷之時間序列資料換算為損傷度，亦可將時間序列資料轉換為功率譜，並換算為損傷度。又，計算累積規定時間內之損傷度所得之監視對象位置之累積損傷度。再者，監視對象位置理想為複數個部位。又，於本發明中，只要未特別說明，則損傷度作為包含劣化度之概念而說明。

於損傷度資料庫DB1中，將由風速計測部31所求出之規定時間內之平均風速與由損傷度計算部33所求出之損傷度之關係作為損傷度資料D1(損傷度分佈)而保存。保存時，可直接保存各規定時間內之全部資料，亦可將相對於平均風速之平均損傷度作為統計值而保存。

於功率曲線資料庫DB2中，保存風力發電裝置1中之風速與發電電力之關係作為功率曲線資料D2。

於運轉計劃資料庫DB3中，保存有監視對象位置之保養日期及該日期之前之累積損傷度之容許值作為運轉計劃資料D3。再者，亦可保存作為零件壽命之累積損傷度之容許值代替保養日期之前之容許值。

於控制量計算部37中，首先根據損傷度資料庫DB1之資料計算相對於規定時間內之平均風速之平均損傷度分佈。平均損傷度分佈可按艙(bin)劃分風速並求出損傷度之平均值，亦可使用藉由多項式或回應面方法論(Response Surface Methodology)、機械學習所產生之回歸模型。其次，於控制量計算部37中，取平均損傷度分佈與根據功率曲線資料D2所求出之發電電力之比，計算單位發電電力之損傷度。

圖4係針對圖3之控制裝置12中之主要要素即功率曲線與損傷度與單位發電電力之損傷度之關係，將橫軸表示為平均風速所得之圖。

圖4之上段係功率曲線資料庫DB2所保持之功率曲線資料D2，如橫軸之平均風速及縱軸之發電電力所示，於額定風速之前根據風速而發電電力增大，於額定風速以後，額定發電電力保持為固定。

圖4之中段係損傷度資料庫DB1所保持之損傷度資料D1(損傷度分佈)，如橫軸之平均風速及縱軸之損傷度所示，於該例中損傷度於額定風速附近變為最大，越遠離額定風速附近則表示越低之值。

圖4之下段係由控制量計算部37所求出之單位發電電力之損傷度，如橫軸之平均風速及縱軸之單位發電電力之損傷度所示，於該例中單位發電電力之損傷度於額定風速附近變為最大，但遠離額定風速附近之區域中之傾向係於平均風速之上下表現出不同之傾向。再者，於圖4中，表示損傷度於額定風速附近變為最大之情形作為示例，但由於損傷度分佈根據監視對象及位置而變化，故而並非將應用對象限定於圖4之狀態。

圖3之控制量計算部37藉由上述方法算出單位發電電力之損傷度，但利用所算出之單位發電電力之損傷度進行之控制並非始終執行之特性。利用單位發電電力之損傷度進行之控制係於超過其閾值而增大之情形時才開始發動，且僅於超過閾值之風速區域中執行。

於如此獲得之單位發電電力之損傷度變為最大之風速附近，藉由變更與發電機8、螺距控制機構21或平擺控制機構22等相關之控制對象30之控制量而進行縮退運轉。作為控制量，例如有轉子轉速、發電機轉速、轉矩、螺距角、平擺角等。關於縮退運轉時之控制量及變更控制之風速區域，可使用事先定義之值，亦可使用下述實施例2之方法來決定。

又，於如圖5所示般單位發電電力之損傷度具有複數個極大值之情形時，亦可於複數個風速區域中變更控制量。再者，縮退運轉之執行可由操作者進行判斷，亦可基於監視對象位置之累積損傷度及運轉計劃資料D3之累積損傷度之容許值而自動地進行判斷。

再者，由於在進行風力發電裝置之損傷度管理時有若干個想法，故而於實際控制中之應用宜根據損傷度管理方法而適當進行。例如，作為損傷度管理方法，日常中有以不超過假定之最大損傷之方式進行控制應用之想法、遵守固定期間內之累積損傷之想法、或按照損傷量之管理目標運用之想法等，但控制開始之後之時序可按照該等想法而適當採用。圖3之運轉計劃資料庫DB3中宜預先包含並保持該等管理方針之資訊。

藉由使用具有以上構成之風力發電裝置1之控制裝置12，根據實施例1，可特定出能夠將縮退運轉中之發電量最大化之縮退運轉之應用風速。 [實施例2]

於實施例2中，對實施例1中所特定出之單位發電電力之損傷度變為最大之風速下之縮退運轉中之控制量及變更控制之風速區域之決定方法進行說明。

圖6中表示實施例2中之風力發電裝置1之控制裝置12及控制對象30之構成例。於實施例2中，於實施例1之控制裝置12中追加設置有控制量計測部41及風力狀況預測資料庫DB4。又，於圖6之實施例中，藉由將亦摻加所追加之控制量計測部41之資訊而構成之資料庫及其資料記載為DB1a、DB2a及D1a、D2a，而與實施例1之資料庫DB1、DB2及其資料D1、D2進行區分。

於圖6之控制量計測部41中，計測控制對象30中之控制量或控制目標值。於實施例2之損傷度資料庫DB1a中，除了規定時間內之平均風速及損傷度以外，還保存各種控制量之平均值或目標值。作為控制量，例如有轉子轉速、發電機轉速、轉矩、螺距角、平擺誤差或發電機輸出等。保存時，可直接保存各規定時間內之全部資料，亦可保存相對於平均風速及各種控制量之平均損傷度作為統計值。

於功率曲線資料庫DB2a中，除了風力發電裝置1中之風速與發電電力之關係以外，還保存各種控制量之平均值或目標值。作為控制量，例如有轉子轉速、發電機轉速、轉矩、螺距角或平擺誤差等。保存時，可直接保存各規定時間內之全部資料，但理想為使用相對於規定時間內之平均風速及各種控制量之發電電力之平均值。

於風力狀況預測資料庫DB4中，保存風力發電裝置1中之風速頻度分佈作為風力狀況預測資料D4。風速頻度分佈D4可根據藉由風速計測部31所獲取之計測值而製作，亦可使用事先製作之資料、或藉由數值模擬所得之天氣預報之結果。又，亦可不管風速頻度分佈之製作週期，而是例如每月進行製作，亦可於一年中使用單一之頻度分佈。

於實施例2之控制量計算部37a中，首先根據損傷度資料庫DB1a之損傷度資料D1a，計算相對於規定時間內之平均風速及控制量之平均損傷度分佈。平均損傷度分佈可按艙劃分風速及控制量並求出損傷度之平均值，亦可使用藉由多項式、回應曲面法或機械學習所產生之回歸模型。其次，於控制量計算部37a中，按控制量取平均損傷度分佈與根據功率曲線資料D2a所求出之發電電力之比，計算各控制量下之單位發電電力之損傷度。

圖7係表示圖4之功率曲線與損傷度與單位發電電力之損傷度之關係者，且表示以由控制量計測部41所計測之控制量作為可變要素而變更大小之狀態下之功率曲線(圖7上段)、損傷度(圖7中段)及單位發電電力之損傷度(圖7下段)。

圖7之圖示中實線所示之各值係與圖4相同之正常時之值，單點鏈線所示之各值係輕度之縮退運轉時(控制量較小)之值，虛線所示之各值係重度之縮退運轉時(控制量較大)之值。

圖8係用以說明使用單位發電電力之損傷度時之理想控制量之圖，表示以使單位發電電力之損傷度之最大值附近平滑化之方式調節控制量及變更控制之風速區域之例。圖7中表示變更控制之風速區域固定且使控制量變化之情形，但亦可依照風速區域而變更。為了將縮退運轉中之發電量最大化，理想為如圖8所示般以使單位發電電力之損傷度之最大值附近平滑化之方式調節控制量及變更控制之風速區域，但由於控制側存在限制，故而於縮退運轉時未必變為如圖8般之分佈。

如圖7、8所示，根據控制量及變更控制之風速區域之大小，而單位發電電力之損傷度之分佈變化。於將縮退運轉中之發電量最大化之情形時，其等之大小程度只要以推定累積損傷度與運轉計劃資料庫DB3之累積損傷度之容許值一致的方式設定即可，該推定累積損傷度係以由縮退運轉期間中之風速頻度分佈與損傷度分佈之內積所求出之損傷度、和迄今為止之累積損傷度之和所求出。縮退運轉期間中之風速頻度分佈可使用自縮退運轉開始時點起至運轉計劃資料庫DB3之保養日期為止之風力狀況預測資料庫DB4進行推定。但是，由於存在所推定之風速頻度分佈產生誤差之情況，故而縮退運轉之控制量及風速區域亦可以考慮誤差而使推定累積損傷度低於運轉計劃資料庫DB3之累積損傷度之容許值之方式設定。

藉由使用具有以上構成之風力發電裝置1之控制裝置12，根據實施例2，可恰當地決定縮退運轉之控制量及風速區域，能夠實現縮退運轉中之發電量之最大化。 [實施例3]

於實施例3中，對實施例1中所特定出之縮退運轉之應用風速下之、使用實施例2中所特定出之控制量及變更控制之風速區域之縮退運轉方法之具體例進行說明。但是，未必使用此處所記載之縮退運轉方法，亦可藉由其他方法實現縮退運轉。

於如圖7般單位發電電力之損傷度於額定風速附近變為最大之情形時，必須降低該風速附近之發電電力而進行縮退運轉。然而，因轉速下降所導致之發電電力減少會使向葉片之流入角增大，而有可能導致損傷度增加。

因此，理想為一面使發電機轉矩相較正常時下降，一面為了將轉速維持為正常時之上限值而將葉片之螺距角朝順槳側(減小葉片之攻角之側)控制為大於正常時，從而減小葉片之攻角。

但是，根據損傷度之監視對象，亦存在不依存於葉片之攻角之情況，因此亦可於維持轉矩之狀態下相較正常時降低轉速而進行縮退運轉。此處，所謂正常時之控制量係於不進行縮退運轉，而是當以設計條件等所假定之理想之風流入時實現風力發電裝置1之說明書等中所記載之功率曲線之情形時之控制量，多數情形時為發電量為最大之控制量。

為了於額定風速附近在將轉速保持為上限值之狀態下降低轉矩，必須修正螺距角之控制量決定方法。於額定風速附近，螺距角控制量係基於轉速及轉矩而決定。於縮退運轉時，藉由將基於轉矩之螺距角控制量之增益變更為實施例2中所決定之值，而實現將縮退運轉中之發電量最大化之控制。

例如，考慮如下情形：如(1)式所示，螺距角控制量(將順槳側設為正)Δθ係使自當前之轉矩Q減去作為轉矩之目標值之額定轉矩(額定輸出下之轉矩)Qrated所得之差量乘以比例增益k(＞0)而決定。 [數1] Δθ＝k(Q－Qrated)       (1) 於(1)式中，於轉矩小於額定轉矩之情形時，Δθ變為負，螺距角被控制為逆槳側(增加葉片之攻角之側)。因此，於縮退運轉時，藉由使該比例增益小於正常時，而抑制使螺距角朝向逆槳側之控制。

圖9係用以說明藉由增加螺距角之順槳控制量所進行之縮退運轉方法之圖，表示相對於平均風速之發電電力與螺距角控制量之關係。發電電力與螺距角控制量之關係係如實線所示般，但於縮退運轉時該關係應如虛線所示般。藉此，如圖9所示，可將螺距角相較正常時朝順槳側控制，而實現於將轉速維持為上限值之狀態下降低轉矩之縮退運轉。又，越是需要更大之損傷度降低，越減小比例增益，藉此能夠進行如圖7所示般之縮退運轉之強度調整。此處，以單純之比例控制為例進行了說明，但只要可使用增益等進行縮退運轉之強度調整，則亦可使用其他控制方法。

除了上述縮退運轉方法以外，於在任意風速區域中均需要進行縮退運轉之情形時亦可使用以下所示之方法。於該縮退運轉方法中，藉由基於利用風速計測部31所得之風速變更轉矩之上限值，而促進轉速之增加或順槳控制量之增加。

使用圖10對在任意風速區域中進行縮退運轉之第1方法進行說明。圖10係用以說明使用基於風速之階梯狀功率曲線時之縮退運轉方法之圖。與圖9同樣，表示相對於平均風速之發電電力與螺距角控制量之關係。例如，如圖10所示，考慮於額定風速以上之一部分區域中使發電電力呈階梯狀地減少而進行縮退運轉。作為額定輸出時之轉矩上限值，於正常時使用額定轉矩。於該縮退運轉中，於利用風速計測部31所得之風速為縮退運轉對象之風速之情形時，根據風速使轉矩上限值自額定轉矩減小。用於決定轉矩上限值之風速可為瞬間值，亦可為10分鐘內之平均風速等統計值。若以此方式降低轉矩上限值，則轉子之轉速增加，但藉由利用螺距角控制機構21以不超過額定轉速之方式減小螺距角，而實現藉由減小葉片之攻角所進行之縮退運轉。

使用圖11對在任意風速區域中進行縮退運轉之第2方法進行說明。圖11係用以說明使用基於風速之凹形功率曲線時之縮退運轉方法之圖。與圖9、圖10同樣，表示相對於平均風速之發電電力與螺距角控制量之關係。圖10中使發電電力呈階梯狀地變化，但亦可以根據風速而使轉矩上限值連續地變化，從而成為如圖11所示般之平滑之凹形功率曲線之方式進行縮退運轉。

圖12係用以說明基於單位發電電力之損傷度之縮退運轉與先前之縮退運轉之差異的圖。圖12係與圖9、圖10、圖11同樣，表示相對於平均風速之發電電力與螺距角控制量之關係，於該圖12中，實線表示正常運轉時之發電電力與螺距角控制量之關係，與此相對，虛線表示使額定輸出一味地降低之先前之縮退運轉。又，於在切出風速附近進行縮退運轉之本發明方法之情形時，功率曲線成為如圖12之單點鏈線所示般之形狀。於該縮退運轉方法中，與一味地降低額定輸出之先前之縮退運轉(虛線)不同，藉由基於單位發電電力之損傷度限定依據實施例1、2之方法進行縮退運轉之風速區域，可將功率曲線之下降設為局部存在者，而將縮退運轉中之發電量最大化。

此處係根據風速變更轉矩之上限值，但亦可同樣地進行根據風速變更轉速之上限值之縮退運轉。

圖13係用以說明藉由增加發電機之轉速所進行之縮退運轉方法之圖。於該圖中表示相對於平均風速之發電電力與轉速之關係。於在未達到額定轉速之低風速區域中進行該縮退運轉之情形時，如圖13所示般於進行縮退運轉之風速區域中轉速相較正常運轉時增加。於該情形時，亦藉由轉速之增加，而減小向葉片之流入角，故而藉由減小葉片之攻角而實現縮退運轉。此處，藉由變更轉矩之上限值而使轉矩相較正常時下降，但為了根據運轉狀態降低轉矩，亦可變更轉矩之下限值。

進而，於單位發電電力之損傷度於切入風速附近變為最大之情形時，除了上述方法以外，亦可使切入風速相較正常時增加而進行縮退運轉。

藉由使用以上之縮退運轉方法，根據實施例3，可實施將縮退運轉中之發電量最大化之縮退運轉。

再者，關於功率曲線，理想為設為如下。關於功率曲線，變為斜坡狀、凹形及階梯狀中之任一形狀之風速為額定風速附近，例如理想為額定風速之前後4 m/s以內。又，於功率曲線在額定風速附近變為斜坡狀、凹形及階梯狀中之任一形狀時，理想為轉速相較正常時不變化且轉矩相較正常時下降。又，於功率曲線在額定風速附近變為斜坡狀、凹形及階梯狀中之任一形狀時，理想為轉矩相較正常時不變化且轉速相較正常時下降。 [實施例4]

於實施例4中，對將實施例1-3之縮退運轉中之疲勞損傷度置換為例如構成風力發電裝置之零件之磨耗或劣化之情形時之縮退運轉方法進行說明。作為成為縮退運轉之監視對象之零件，有軸承、齒輪、致動器、刹車片、潤滑油、油脂或電子件等，但並不限定於該等。

使用零件之磨耗或劣化進行縮退運轉之情形時之實施例4中之風力發電裝置1之控制裝置12及控制對象30之構成可與圖3、圖6相同，此處使用圖6進行說明。但是，控制量計測部41、負荷計測部32、損傷度計算部33、損傷度資料庫DB1a內之處理有時與實施例1、2不同。

於實施例4中之控制量計測部41中，作為控制對象30中之控制量或控制目標值，不僅計測轉子轉速、發電機轉速、螺距角、平擺誤差或發電機輸出等，而且亦計測設為監視對象之各種控制機構中之消耗電力、油壓等。

於負荷計測部32中，藉由應變感測器24、加速度感測器、壓力感測器、麥克風、相機、電流、電壓感測器、溫度感測器、色度感測器、黏度感測器、粒子感測器或漏油感測器等與監視對象相符之感測器，計測監視對象之負荷、損傷、磨耗及劣化。只要與監視對象之負荷、損傷、磨耗及劣化相關，則亦可使用除了此處所列舉以外之感測器。

於損傷度計算部33中，根據監視對象之感測器資料將規定時間內之損傷、磨耗、劣化之程度定量化。例如，自軸承或齒輪之加速度感測器獲取功率譜並計算監視對象之頻率下之功率之變化量、或者對於潤滑油使用粒子感測器計算濁度之變化量。又，亦可綜合複數個感測器資料，藉由機械學習等算出監視對象之異常度，並計算異常度之變化量。又，計算累積規定時間內之損傷、磨耗、劣化之程度所得之監視對象之損傷、磨耗、劣化之累積值。於如上述功率譜、潤滑油之濁度或異常度般，將計測時點之損傷、磨耗、劣化之程度表示累積值之情形時，亦可使用根據最新之計測值所計算之損傷、磨耗、劣化之程度以代替累積變化量。

於損傷度資料庫DB1a中，保存規定時間內之平均風速與各種控制量之平均值或目標值、進而損傷、磨耗、劣化之程度之變化量的關係。

作為控制量，例如有轉子轉速、發電機轉速、轉矩、螺距角、平擺誤差、發電機輸出、或各種控制機構中之消耗電力、油壓等。保存時，可直接保存各規定時間內之全部資料，亦可保存相對於平均風速及各種控制量之平均變化量作為統計值。

於控制量計算部37a中，與實施例1-3同樣地，將損傷度置換為磨耗或劣化之程度而計算控制對象30之控制量及變更控制之風速區域。

藉由使用以上之縮退運轉方法，根據實施例4，可藉由使用除損傷度以外之磨耗、劣化之程度，而以各種零件為對象實現將縮退運轉中之發電量最大化之縮退運轉。

1:風力發電裝置 2:葉片 3:輪轂 4:機艙 5:塔架 6:主軸 7:增速機 8:發電機 9:主框架 10:轉子 11:電力轉換器 12:控制裝置 21:螺距控制機構 22:平擺控制機構 23:風速計 24:應變感測器 30:控制對象 31:風速計測部 32:負荷計測部 33:損傷度計算部 37:控制量計算部 37a:控制量計算部 41:控制量計測部 42:風力狀況預測部 D1:損傷度資料 D1a:損傷度資料 D2:功率曲線資料 D2a:功率曲線資料 D3:運轉計劃資料 D4:風力狀況預測資料(風速頻度分佈) DB1:損傷度資料庫 DB1a:損傷度資料庫 DB2:功率曲線資料庫 DB2a:功率曲線資料庫 DB3:運轉計劃資料庫 DB4:風力狀況預測資料庫

圖1係表示作為本發明之前提之風力發電裝置之整體概略構成例的圖。 圖2係表示本發明之實施例1之風力發電裝置之構成例的圖。 圖3係用以說明實施例1中之控制裝置及控制對象之圖。 圖4係用以說明平均風速與單位發電電力之損傷度之關係之圖。 圖5係用以說明單位發電電力之損傷度具有複數個極大值之情形之圖。 圖6係用以說明實施例2中之控制裝置及控制對象之圖。 圖7係表示圖4之功率曲線(Power Curve)、損傷度及單位發電電力之損傷度於縮退運轉時經修正之狀態的圖。 圖8係用以說明使用單位發電電力之損傷度時之理想控制量之圖。 圖9係用以說明藉由增加螺距角之順槳控制量所進行之縮退運轉方法之圖。 圖10係用以說明使用基於風速之階梯狀功率曲線時之縮退運轉方法之圖。 圖11係用以說明使用基於風速之凹形功率曲線時之縮退運轉方法之圖。 圖12係用以說明基於單位發電電力之損傷度之縮退運轉與先前之縮退運轉之差異的圖。 圖13係用以說明藉由增加發電機轉速所進行之縮退運轉方法之圖。

8:發電機

12:控制裝置

21:螺距角控制機構

22:平擺控制機構

30:控制對象

31:風速計測部

32:負荷計測部

33:損傷度計算部

37:控制量計算部

D1:損傷度資料

D2:功率曲線資料

D3:運轉計劃資料

DB1:損傷度資料庫

DB2:功率曲線資料庫

DB3:運轉計劃資料庫

Claims (20)

1. 一種風力發電裝置，其特徵在於：其係至少具有轉子、機艙及支持機艙之塔架且藉由控制裝置實施縮退運轉者，且上述控制裝置求出相對於風速之單位發電電力之損傷度，當所求出之單位發電電力之損傷度超過規定值時實施縮退運轉；上述損傷度係由風力發電裝置因風所受到之應力或負荷之時間序列資料換算而得，或根據監視對象即零件之感測器資料將規定時間內之損傷、磨耗、劣化之程度定量化之劣化度。
2. 如請求項1之風力發電裝置，其中上述控制裝置具備：損傷度資料庫，其定義零件之每規定時間之損傷度與風速之關係；功率曲線資料庫，其定義輸出與風速之關係；以及控制量計算部，其求出根據上述損傷度及上述功率曲線所算出之單位發電電力之損傷度，並計算上述縮退運轉之控制量。
3. 如請求項2之風力發電裝置，其中上述控制量計算部根據上述縮退運轉之控制量，控制風力發電裝置之轉速、轉矩、葉片螺距角及平擺角中之任一者。
4. 如請求項2之風力發電裝置，其中上述功率曲線藉由利用上述控制量計算部所進行之控制量之計算，而相對於不進行縮退運轉之正常時局部地下降。
5. 如請求項2之風力發電裝置，其中上述功率曲線具有與局部地下降之風速區域或縮退運轉之強弱變化中之至少一者對應之複數條上述功率曲線。
6. 如請求項2之風力發電裝置，其中上述功率曲線藉由利用上述控制量計算部所進行之控制量之計算，而相對於不進行縮退運轉之正常時變為斜坡狀、凹形及階梯狀中之任一形狀。
7. 如請求項6之風力發電裝置，其中上述功率曲線變為斜坡狀、凹形及階梯狀中之任一形狀之風速為額定風速附近。
8. 如請求項6之風力發電裝置，其中上述功率曲線變為斜坡狀、凹形及階梯狀中之任一形狀之風速為額定風速之前後4m/s以內。
9. 如請求項6之風力發電裝置，其中於上述功率曲線在額定風速附近變為斜坡狀、凹形及階梯狀中之任一形狀時，轉速相較正常時不變化，轉矩相較正常時下降。
10. 如請求項6之風力發電裝置，其中於上述功率曲線在額定風速附近變為斜坡狀、凹形及階梯狀中之任一形狀時，轉矩相較正常時不變化，轉速相較正常時下降。
11. 如請求項2之風力發電裝置，其中上述控制量計算部以使單位發電電力之損傷度之最大值平滑化之方式計算控制量。
12. 如請求項2之風力發電裝置，其中上述損傷度資料庫保存零件之每規定時間之損傷度與風速及控制變更時之控制量之關係。
13. 如請求項2之風力發電裝置，其中上述控制量計算部以推定累積損傷度與運轉計劃之容許值一致的方式決定控制量或變更控制之風速區域，該推定累積損傷度係以由基於風力狀況預測之風速頻度分佈與控制變更時之損傷度分佈之內積所求出之損傷度和迄今為止之累積損傷度之和所求出。
14. 如請求項2之風力發電裝置，其中上述損傷度資料庫係計測運轉時之資料而逐次地更新零件之每規定時間之損傷度與風速及控制變更時之控制量之關係。
15. 如請求項1之風力發電裝置，其中上述損傷度為雨流法及線累積損傷律計算之疲勞損傷度、自軸承或齒輪之加速度感測器獲取之振動之功率譜及對於潤滑油使用粒子感測器計算之濁度。
16. 如請求項1之風力發電裝置，其中上述控制裝置係於上述單位發電電力之損傷度於上述風力發電裝置之額定風速附近變為最大之情形時，使葉片之螺距角之順槳控制量相較不進行縮退運轉之正常時增加。
17. 如請求項16之風力發電裝置，其中上述控制裝置係自較正常時低之風速開始上述葉片螺距角之順槳操作。
18. 如請求項16之風力發電裝置，其中上述控制裝置係於額定風速之前後4m/s以內，使上述葉片之螺距角之順槳控制量相較正常時增加。
19. 一種風力發電裝置之運轉方法，其特徵在於：具備至少具有轉子、機艙及支持機艙之塔架，且具有可進行控制以實施縮退運轉之控制裝置之風力發電裝置，且上述控制裝置可控制葉片之螺距角；且於上述風力發電裝置之額定風速附近，上述控制裝置使上述螺距角之順槳控制量相較不進行上述縮退運轉之正常時增加。
20. 一種風力發電裝置之運轉方法，其特徵在於：其係至少具有轉子、機艙及支持機艙之塔架且藉由控制裝置實施縮退運轉之風力發電裝置之運轉方法，且藉由上述控制裝置控制葉片之螺距角；且僅於上述風力發電裝置之額定風速以上之一部分風速區域中，上述控制裝置使上述螺距角之順槳控制量相較不進行上述縮退運轉之正常時增加。

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