WO2009153866A1 - 風車の動特性監視装置及びその方法 - Google Patents

Abstract

　風車を安定した状態で運転させることができるとともに、風車の制御パラメータを適切な時期に変更することを目的とする。風速に応じて決定される複数の領域別に、風車の動特性モデルを同定し、同定した動特性モデルを領域毎に監視する。

Description

風車の動特性監視装置及びその方法

　本発明は、風車の動特性監視装置及びその方法に関するものである。

　風車の制御を行う場合、風車の建設時等に制御パラメータを設定し、この制御パラメータを用いて風車の制御を行うことが一般的に行われる。
　このような制御パラメータは、季節による温度や風況、或いは、経年変化に応じて最適な値に変更することが好ましい。しかしながら、一般的に、建設時に一旦設定された制御パラメータは以降の制御において変更されることはない。従って、効率が悪い状態で継続して運転がなされるおそれがある。

　また、例えば、風車翼のピッチ角度を変更するために用いられるアクチュエータ等の駆動機器の動特性は、経年劣化に伴い変化することが考えられるが、これらの駆動機器に関する動特性は監視されていない。従って、アクチュエータ等については、異常が発生したときに通知されるアラーム等によって異常の発生に気づくこととなり、機器の異常発生を未然に防ぐことが困難であった。

　また、例えば、特許文献１には、風車翼のピッチ角制御において、ピッチ角指令値を出力するピッチ角制御系に、補償制御器とパラメータ同定器を付与したシステムが開示されている。このシステムでは、ピッチ角制御系が算出した操作量に対して、補償制御器が出力する制御補償指令値を加算した操作量を最終的なピッチ角制御指令として出力する。このシステムでは、パラメータ同定器が風力発電機のパラメータをオンラインで同定し、同定したパラメータを補償制御器において利用することで、上記制御補償指令値を求めている。
特開２００６－３７８５０号公報

　上記特許文献１のシステムは、補償制御器とパラメータ同定器を設け、パラメータ同定器で補償制御器のパラメータをオンライン同定することにより、制御補償指令値を算出している。しかしながら、本手法では本来の制御器の制御パラメータが固定されているため、季節による温度や風況の変化、あるいは経年変化に対して、本来の制御器の制御特性が劣化する恐れがあった。また、動特性監視は実施しておらず、風車の特性変化を検知することができないという問題点があった。

　本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、本来の制御器の制御パラメータを直接調整することにより、経年変化等が発生した場合の該制御器の制御性能を維持することが可能であるとともに、風車システムの特性変化を検知可能な風車の動特性監視装置及びその方法を提供することを目的とする。

　上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
　本発明の第１の態様は、風速に応じて決定される複数の領域別に、風車の動特性モデルを同定する同定部と、前記同定部によって同定された動特性モデルを前記領域毎に監視する監視部とを具備する風車の動特性監視装置である。

　風車の動特性は風速に対し非線形性が高いため、動特性を高い性能で分析することが難しい。本態様では、風速に応じて複数の領域に区分し、領域毎に同定を行うので、線形性が保たれる範囲で同定を行うことが可能となる。これにより、動特性の監視性能を向上させることが可能となる。

　上記領域は、例えば、固定ピッチ角で、かつ、発電機出力が最大出力点になるように回転数を調整する第１運転領域と、固定ピッチ角で、かつ、回転数が定格回転数になるように発電機出力を調整する第２運転領域と、回転数及び出力が一定となるように、ピッチ角を制御する第３運転領域とに区分される。

　上記風車の動特性監視装置において、前記監視部は、前記運転領域毎に、前記同定部によって同定された動特性モデルにおける所定の動特性パラメータの時系列変化を監視し、該動特性パラメータの時系列変化に基づいて風車の制御パラメータの調整が必要であるか否かを判断することとしてもよい。

　これにより、制御パラメータの調整を逐次行うのではなく、ある一定以上の劣化等が動特性において確認された場合に制御パラメータの調整を行うことが可能となる。これにより、適切な時期に制御パラメータを変更することができる。

　前記監視部は、例えば、前記所定の動特性パラメータの値が初期の値に対して予め設定されている所定の変化量を超えて変化した場合に、風車の制御パラメータの調整が必要であると判断することとしてもよい。

　上記動特性モデルは、例えば、むだ時間を含む伝達関数で表され、監視部は、むだ時間及び伝達関数の係数の少なくともいずれか一つの時系列変化に基づき、制御パラメータの調整時期を判断することとしてもよい。前記むだ時間を含む伝達関数には、二次以上の高次の伝達関数も含まれる。

　上記風車の動特性監視装置において、前記監視部は、前記所定の動特性パラメータを風速または風速及び風向の組み合わせに基づいて複数のクラスに分類し、該クラス毎に前記動特性パラメータの時系列変化を監視することとしてもよい。

　このように、風速、または風速及び風向の組み合わせに基づくクラス毎に動特性パラメータの時系列変化を監視することで、より正確に風車の動特性を把握することが可能となる。

　本発明の第２の態様は、複数の風車の運転状態を監視し、複数の前記風車に対して制御指令を与える風車監視システムであって、上記いずれかの風車の動特性監視装置を備える風車監視システムである。

　本発明の第３の態様は、運転制御方法に応じて決定される複数の運転領域別に、風車の動特性モデルを同定し、同定した動特性モデルを前記運転領域毎に監視する風車の動特性監視方法である。

　本発明によれば、風車を安定した状態で運転させることができるとともに、風車の制御パラメータを適切な時期に変更することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る風車の動特性監視装置が備える機能を展開して示した機能ブロック図である。 本発明の一実施形態に係る風車の動特性監視装置のハードウェア構成を示した図である。 運転領域の区分を説明する図である。 第１運転領域及び第２運転領域の場合の同定モデルを示した図である。 第３運転領域の場合の同定モデルを示した図である。 ピッチ角制御の同定モデルを示した図である。 時系列変化テーブルの一例を示した図である。 本発明の一実施形態に係る風車の動特性監視装置の動作フローを示した図である。 第１運転領域及び第２運転領域の場合の同定モデルの他の構成例を示した図である。 第３運転領域の場合の同定モデルの他の構成例を示した図である。 本発明の一実施形態に係る風車監視システムを示した図である。

符号の説明

　１０　風車の動特性監視装置
　１１　同定部
　１２　記憶部
　１３　監視部
　１４　表示部
　３１　出力制御器
　３２　第１動特性モデル
　３３　第２動特性モデル
　４１　ピッチ角制御器
　４２　第３動特性モデル
　４３　第４動特性モデル
　５１　第５動特性モデル
　６０　風車監視システム

　以下に、本発明に係る風車の動特性監視装置及びその方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
　図１は、本発明の一実施形態に係る風車の動特性監視装置が備える機能を展開して示した機能ブロック図、図２は本発明の一実施形態に係る風車の動特性監視装置のハードウェア構成を示した図である。

　図１に示されるように、本実施形態に係る風車の動特性監視装置１０は、同定部１１、記憶部１２、監視部１３、及び表示部１４を備えている。
　風車の動特性監視装置１０は、例えば、図２に示されるように、コンピュータシステム（計算機システム）であり、ＣＰＵ（中央演算処理装置）１、ＲＡＭ（Random Access
Memory）などの主記憶装置２、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）などの補助記憶装置３、キーボードやマウスなどの入力装置４、及びモニタやプリンタなどの出力装置５などを備えて構成されている。
　補助記憶装置３には、各種プログラムが格納されており、ＣＰＵ１が補助記憶装置３から主記憶装置２にプログラムを読み出し、実行することにより種々の処理を実現させる。

　図１において、同定部１１は、風速に応じて決定される複数の運転領域別に、風車の動特性モデルを同定する。
　本実施形態において、運転領域は、図３に示すように、３つの領域に分類される。
　第１運転領域は、風速が最も低い領域であり、固定ピッチ角で、かつ、発電機出力が最大出力点になるように回転数が制御される。第２運転領域は、中間の風速領域であり、固定ピッチ角で、かつ、回転数が定格回転数になるように発電機出力が制御される。第３運転領域は、風速が最も大きい領域であり、回転数及び出力が一定となるように、ピッチ角が制御される。上記第１運転領域、第２運転領域において、ピッチ角は発電機出力が最大となるピッチ角に固定される。

　第１運転領域及び第２運転領域では、ピッチ角を固定し、発電機回転数により発電機出力を制御するので、図４に示すような同定モデルが用いられる。
　図４に示される同定モデルにおいて、Ｇ_１（ｓ）及びＧ_２（ｓ）は、同定する動特性を表す伝達関数（動特性モデル）である。図４において、発電機回転数の設定値と発電機の実回転数との差分が出力制御器３１に入力され、その出力である出力設定値が第１動特性モデル３２の入力とされている。また、風速が第２動特性モデル３３の入力とされている。第１動特性モデル３２の出力及び第２動特性モデル３３の出力は加算され、発電機回転数とされる。
　上記出力制御器３１には、例えば、Ｐ制御器、ＰＩ制御器、ＰＩＤ制御器等のいずれかを採用することができる。

　図３に示される第３運転領域では、回転数及び出力が一定となるように、ピッチ角を制御するので、図５に示すような同定モデルが用いられる。
　図５に示される同定モデルにおいて、Ｇ_３（ｓ）及びＧ_４（ｓ）は、同定する動特性を表す伝達関数（動特性モデル）である。図５において、発電機回転数の設定値と発電機の実回転数との差分がピッチ角制御器４１に入力され、その出力であるピッチ角設定値が第３動特性モデル４２の入力とされている。また、風速が第４動特性モデル４３の入力とされている。第３動特性モデル４２の出力及び第４動特性モデル４３の出力は加算され、発電機回転数とされる。
　上記ピッチ角制御器４１には、例えば、Ｐ制御器、ＰＩ制御器、ＰＩＤ制御器等のいずれかを採用することができる。

　また、ピッチ角制御については、図６に示すような同定モデルが用いられる。図６において、ピッチ角設定値が第５動特性モデル５１の入力とされ、その出力が実ピッチ角となっている。

　図４から図６に示した各動特性モデルＧ_１（ｓ）～Ｇ_５（ｓ）は、全てむだ時間を要素とする伝達関数で表される。同定部１１による動特性モデルの同定は、以下の手順で行われる。ここでは、動特性モデルＧ_１（ｓ）を例に挙げて説明する。

　動特性モデルＧ_１（ｓ）は、例えば、一次遅れ及びむだ時間を要素とする一次の伝達関数として、以下の（１）式で表される。

　上記（１）式をｚ変換により離散化すると以下の（２）式が得られる。

　このときの入出力をそれぞれＵ（ｚ），Ｙ（ｚ）とすると、以下の（３）式で表される漸化式が得られる。

　続いて、上記（３）式から、実際の入出力データを用いて、公知の線形予側法を適用することにより、係数ａ_１，Ｋ_１，ｌ_１をそれぞれ求め、更に、この係数ａ_１，Ｋ_１，ｌ_１から（１）式で表した第１動特性モデルＧ_１（ｓ）の時定数、ゲイン、むだ時間に関する動特性パラメータＴ_１、Ｋ_１、Ｌ_１をそれぞれ算出する。

　上記の解法を用いて、同定部１１は、他の動特性モデルＧ_２（ｓ）～Ｇ_５（ｓ）についても動特性パラメータの値を算出する。なお、同定部１１による同定の方法については、上記例に限定されるものではなく、時間応答波形から直接的に上記（１）式の動特性パラメータＴ_１、Ｋ_１、Ｌ_１をそれぞれ算出することとしてもよい。

　記憶部１２は、同定部１１によって算出された各動特性パラメータを運転領域毎に、時間情報及び風速と対応付けて格納する。
　監視部１３は、記憶部１２に格納された各動特性パラメータのうち、特定の動特性パラメータを運転領域別に取得し、運転領域毎に、取得した動特性パラメータを風速に基づいて複数のクラスに分類し、クラス毎に動特性パラメータの時系列変化を示す時系列変化テーブルを作成する。

　図７に、特定の動特性パラメータとして時定数を選定した場合の第１運転領域における時系列変化テーブルを示す。図７では、横軸に時間、縦軸に動特性パラメータ（例えば、時定数）を示し、風速を１ｍ毎のクラスに分けている。

　監視部１３は、このような時系列変化テーブルを運転領域毎に作成すると、作成した時系列変化テーブルを表示部１４に出力する。なお、上記説明では、時定数に関する時系列変化テーブルを作成する場合について述べたが、選択する動特性パラメータについては、時定数に限定されない。

　例えば、他の動特性パラメータを選定してもよいし、複数の動特性パラメータを選定し、これらについてそれぞれ時系列変化テーブルを作成することとしてもよい。また、上記例においては、風速に応じて複数のクラスに分類したが、これに限定されず、例えば、風速と風向の組み合わせに基づいてクラス分類を行うこととしてもよい。

　また、上述のように、監視部１３により風速及び風向の組み合わせに基づいてクラス分類が行われる場合には、記憶部１２に格納された各動特性パラメータは、その動特性パラメータが得られたときの風速及び風向に関連付けられているものとする。

　また、監視部１２は、作成した時系列変化テーブルに基づいて、風車の制御パラメータの調整が必要であるか否かを判断する。具体的には、時系列変化テーブルにおける動特性パラメータの値が初期値（または、制御パラメータの調整が行われた場合には、制御パラメータの調整が行われたときの値）に対して予め設定されている所定の変化量（例えば、２０％）を超えて変化した場合に、風車の制御パラメータの調整が必要であると判断し、その旨を表示部１４に出力する。

　表示部１４は、制御パラメータの調整が必要である旨を表示モニタに表示することにより、ユーザに通知する。

　次に、上記構成を備える風車の動特性監視装置の動作について図８を参照して説明する。
　まず、図３から図５に示した同定モデルにおいて各動特性モデルＧ_１（ｓ）～Ｇ_５（ｓ）の入力、出力に相当するデータ、例えば、出力設定値、ピッチ角設定値、風速等が同定部１１に入力される。
　同定部１１は、風速に基づいて運転領域を特定し、特定した運転領域に対応する同定モデルを用いて動特性モデルの同定を行い、各動特性パラメータを算出する（図８のステップＳＡ１）。

　具体的には、第１または第２運転領域であれば、図４に示される同定モデルを用いて動特性モデルＧ_１（ｓ）及びＧ_２（ｓ）の各動特性パラメータを算出し、算出した動特性パラメータを風速、運転領域、及び時間に対応付けて記憶部１２に出力する。

　また、第３運転領域であれば、図５及び図６に示される同定モデルを用いて動特性モデルＧ_３（ｓ）からＧ_５（ｓ）の各動特性パラメータを算出し、算出した動特性パラメータを風速、運転領域、及び時間に対応付けて記憶部１２に出力する。
　これにより、記憶部１２には、同定部１１によって算出された動特性パラメータが運転領域等に関連付けられて格納されることとなる。

　次に、監視部１２は、所定の時間間隔で記憶部１２に格納された動特性パラメータ及びそれに関連付けられるデータを読み出し、これらの情報に基づいて図６に示したような時系列変化テーブルを作成し、これを表示部１４に出力する（図８のステップＳＡ２）。これにより、表示部１４には、監視部１２によって作成された時系列変化テーブルが表示される（図８のステップＳＡ３）。これにより、ユーザは動特性パラメータの時系列変化を確認することが可能となる。

　また、監視部１２は、この時系列変化テーブルに基づいて制御パラメータの調整が必要であるか否かを判断する（図８のステップＳＡ４）。この結果、制御パラメータの調整が必要であると判断した場合には、その旨を示す信号を表示部１４に出力する。これにより、表示部１４には、制御パラメータの調整が必要である旨が表示され、ユーザに通知することが可能となる（図８のステップＳＡ５）。

　また、監視部１２によって制御パラメータの調整が必要であると判断された場合には、図示しない制御パラメータ調整部によって、制御パラメータの調整が行われる。具体的には、図４に示される出力制御器３１、図５に示されるピッチ角制御器４１のＰＩＤパラメータの調整が行われる。ＰＩＤパラメータの調整については、公知のジグラー・ニコルス（Ziegler & Nichols）の限界感度法や北森法など、公知の方法を採用することが可能である。

　以上、説明してきたように、本実施形態に係る風車の動特性監視装置１０によれば、風車の動特性の変化を把握することができ、これにより、風車の駆動系の状態に応じて、適切な時期に、適切な制御パラメータに変更することが可能となり、運転効率の低下を回避することができる。

　また、本実施形態に係る風車の動特性監視装置１０によれば、線形性が保たれる範囲で運転領域を区分し、この区分毎に動特性モデルの同定を行うので、同定の結果を信頼性の高いものとすることが可能となる。

　また、アクチュエータ等のピッチ駆動系に関する動特性パラメータの時系列変化を観察することで、駆動系の応答の劣化の進展度合いを把握することができる。これにより、例えば、グリース給脂や実機点検等が必要である旨をユーザに対して早期に知らせることが可能となる。この結果、例えばピッチ角動作不良が発生して風車運転が不可能となる前に、メンテナンスを行うことが可能となる。

　なお、上述した本実施形態においては、動特性モデルＧ_１（ｓ）～Ｇ_５（ｓ）を一次遅れ及びむだ時間を要素とする一次の伝達関数で表したが、動特性モデルの表現については上記例に限定されない。例えば、以下の（４）式や（５）式に示すように、動特性モデルＧ_１（ｓ）～Ｇ_５（ｓ）を２次以上の高次の伝達関数として表してもよい。

　上記（４）式は、係数に遅れの要素を含んだ式であり、（５）式は、（４）式において更にむだ時間を考慮した式となっている。

　また、上述のように動特性モデルＧ_１（ｓ）～Ｇ_５（ｓ）を２次以上の高次の伝達関数として同定を行った場合には、監視部１３は、むだ時間及び上記伝達関数の係数の少なくともいずれか一つの時系列変化に基づき、制御パラメータの調整時期を判断することとしてもよい。

　また、上記実施形態においては、図４及び図５に示すような同定モデルを用いて動特性モデルＧ_１（ｓ）～Ｇ_５（ｓ）の各動特性パラメータを算出することとしたが、同定モデルについてはこの例に限定されない。例えば、第１または第２運転領域であれば、図４に示される同定モデルに代えて、図９に示すような同定モデルを用いてもよい。図９に示した同定モデルでは、出力制御器３１と第１動特性モデル３２との間に、第２動特性モデル３３の出力が入力されるようなモデルとされており、出力制御器３１の出力と第２動特性モデル３３の出力とが加算され、この結果が第１動特性モデル３２の入力とされている。

　また、同様に、例えば、第３運転領域であれば、図５に示される同定モデルに代えて、図１０に示すような同定モデルを用いてもよい。図１０に示した同定モデルでは、ピッチ角制御器４１と第３動特性モデル４２との間に、第４動特性モデル４３の出力が入力されるようなモデルとされており、ピッチ角制御器４１の出力と第４動特性モデル４３の出力とが加算され、この結果が第３動特性モデル４２の入力とされている。
　このように、同定モデルの構成が変わっても、上述の如き効果を得ることが可能である。

　また、上述した本実施形態に係る風車の動特性監視装置１０は、風車の内部に設けられていてもよいし、風車の外部に設けられていてもよい。また、風車に対して１対１で設けられていてもよいし、或いは、複数の風車に対して１台設けられていてもよい。

　また、本実施形態に係る風車の動特性監視装置１０は、図１１に示すように、複数台の風車の運転を制御する風車監視システム６０に設けられていてもよい。この場合、各風車１からは通信回線を介して同定に必要となる入出力データが送信されてくることとなる。
　また、制御パラメータの調整が必要であると判断した場合には、通信回線を介して各風車１に対して調整後の制御パラメータを送信する。このとき、風車毎に制御パラメータを変更してもよいし、地形や風況などが略同等のエリア毎に同じパラメータとなるように変更することとしてもよい。制御パラメータは風車毎に風車監視システム６０において管理する。

　なお、上記実施形態では、同定部１１によって算出されたデータ等を記憶する記憶部１２を設け、この記憶部１２から監視部１３が情報を読み出す構成としたが、これに代えて、記憶部１２を介さずに、同定部１１から監視部１３に直接的にデータが入力されることとしてもよい。この場合、監視部１３は、同定部１１から入力されるデータに基づいて、図６に示されるような時系列変化テーブルを更新することとしてもよい。このようにすることで、動特性パラメータの時間的変化を常に把握することが可能となる。

　なお、本実施形態においては、制御パラメータの調整が必要である旨を表示部１４に表示することによってユーザに通知したが、通知方法についてはこの例に限定されず、例えば、音声による通知や、ランプの点灯による通知等、他の方法を採用することとしてもよい。

Claims (5)

1. 　風速に応じて決定される複数の領域別に、風車の動特性モデルを同定する同定部と、
   　前記同定部によって同定された動特性モデルを前記領域毎に監視する監視部と
   　を具備する風車の動特性監視装置。
2. 　前記監視部は、前記運転領域毎に、前記同定部によって同定された動特性モデルにおける所定の動特性パラメータの時系列変化を監視し、該動特性パラメータの時系列変化に基づいて風車の制御パラメータの調整が必要であるか否かを判断する請求項１に記載の風車の動特性監視装置。
3. 　前記監視部は、前記所定の動特性パラメータを風速または風速及び風向の組み合わせに基づいて複数のクラスに分類し、該クラス毎に前記動特性パラメータの時系列変化を監視する請求項２に記載の風車の動特性監視装置。
4. 　複数の風車の運転状態を監視し、複数の前記風車に対して制御指令を与える風車監視システムであって、
   　請求１から請求項３に記載の風車の動特性監視装置を備える風車監視システム。
5. 　運転制御方法に応じて決定される複数の運転領域別に、風車の動特性モデルを同定し、同定した動特性モデルを前記運転領域毎に監視する風車の動特性監視方法。

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