WO2019078011A1 - 風力発電システム - Google Patents

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WO2019078011A1
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yaw drive
drive device
nacelle
rotational speed
yaw
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Inventor
小山田　具永
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株式会社日立製作所
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    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D1/00—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor 
    • F03D1/06—Rotors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D17/00—Monitoring or testing of wind motors, e.g. diagnostics
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/04—Automatic control; Regulation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F03D80/70—Bearing or lubricating arrangements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M13/00—Testing of machine parts
    • G01M13/02—Gearings; Transmission mechanisms
    • G—PHYSICS
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    • G01M13/00—Testing of machine parts
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the present invention relates to a wind power generation system, and more particularly to a yaw drive mechanism that changes the direction of a nacelle, control means therefor, and condition monitoring means for these.
  • Wind power generation systems are being widely introduced as a pillar of renewable energy.
  • a rotor equipped with blades at the top of the tower, a nacelle with a speed increaser, a generator, etc. installed is installed, and the rotational power of the rotor rotating in response to wind is transmitted to the generator.
  • Power generation operation is performed by rotating the rotor.
  • the nacelle is rotatably supported on the tower, and the direction of the nacelle is controlled mainly by the yaw drive according to the wind direction.
  • the blades and the rotor are moved to appropriate positions in the wind direction to generate power or to reduce the load on each part.
  • Patent Document 1 As a conventional wind power generation system, there is, for example, one described in Patent Document 1.
  • a nacelle for supporting a rotor that rotates in response to wind
  • a tower for rotatably supporting the nacelle
  • a plurality of yaw drive devices for changing the position of the nacelle relative to the tower
  • a plurality of Among the yaw drive devices an abnormality detection unit that detects an abnormality in at least one yaw drive device, and when the abnormality detection unit detects an abnormality, cancels the transmission of the driving force of the yaw drive device whose abnormality is detected by the command.
  • a release means is provided.
  • an up-window type in which blades are located windward than a tower or nacelle
  • a down-window type in which blades are located windward than a tower or nacelle.
  • an active control operation in which the direction of the nacelle is controlled by the yaw drive device and a free yaw operation in which the direction of the nacelle is passively changed by the wind without actively using the yaw drive device are used in combination.
  • Active control operation is mainly used during normal power generation operation, but during heavy winds such as a specified wind speed (for example, cut-out wind speed) or more, the load received from the wind becomes excessive, so to reduce the load or It is effective to make the free yaw operation for the protection of the drive device.
  • a specified wind speed for example, cut-out wind speed
  • the free yaw operation is also effective in this case.
  • a plurality of bearings and gears are used in the yaw drive device, and when the yaw drive device becomes abnormal due to the damage or the life, etc., it may be difficult to control the direction of the nacelle. For this reason, it is desirable to prevent damage to the yaw drive device, or to take measures such as maintenance or replacement at a stage where the damage is minor.
  • the direction of the nacelle is controlled by the other yaw drive device in the connection state.
  • maintenance and replacement of the yaw drive device in which the abnormality is detected in a short period of time, and quick recovery to the original state desirable.
  • an object of the present invention is to provide a wind power generation system that prevents occurrence of abnormality or shortens the time required for inspection or maintenance by predicting in advance the damage and bearing life of the bearings and gears of the yaw drive device. I assume.
  • a rotor that receives wind and rotates, a nacelle that rotatably supports the rotor, a tower that rotatably supports the nacelle, A yaw drive device for rotating a nacelle with respect to the tower, a yaw control device for controlling the yaw drive device, and a yaw drive device rotational speed calculation means for calculating a rotational speed of a rotation shaft in the yaw drive device in a free yaw state And diagnostic means for diagnosing the yaw drive device using the rotational speed.
  • FIG. 1 is an overall view showing an appearance of a wind power generation system.
  • FIG. 1 is a diagram showing a wind power generation system according to a first embodiment. It is a figure which shows an example of the allowable cumulative rotation speed of each rotational speed range of a rotating shaft, and allowable cumulative time. It is a figure which shows the wind power generation system which concerns on the modification of Example 1.
  • FIG. FIG. 7 is a view showing another wind power generation system according to a modification of the first embodiment. It is a figure which shows the wind power generation system which concerns on the modification of Example 1.
  • FIG. 1 is a diagram showing a wind power generation system according to a first embodiment. It is a figure which shows an example of the allowable cumulative rotation speed of each rotational speed range of a rotating shaft, and allowable cumulative time. It is a figure which shows the wind power generation system which concerns on the modification of Example 1.
  • FIG. 7 is a view showing another wind power generation system according to a modification of the first embodiment. It is a figure which shows the wind power
  • the control of the yaw drive device by the yaw control device is not performed, the transmission of the driving force of the yaw drive device is canceled in the middle of the route, or the yaw control device or the yaw drive Even in the state of so-called free yaw operation in which the power supply of the device is off, the rotational speed of each rotary shaft constituting the yaw drive and its duration time are monitored and recorded, and based on that, rotational speed excess is avoided As a result, it is possible to prevent damage to the bearing and the gear, and to perform inspection, maintenance and replacement before the bearing and the gear reach the end of their life to prevent occurrence of abnormality.
  • the wind power generation system includes a rotor 2 provided with blades 1 rotating in response to wind, a nacelle 3 supporting the load of the rotor 2, and a tower 4 supporting the nacelle 3. Ru.
  • the nacelle 3 is rotatably supported in a generally horizontal plane with respect to the tower 4 and can change its direction according to the wind direction.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the relationship of the devices according to the present embodiment.
  • the wind power generation system includes a rotor 2 provided with blades 1, a nacelle 3 for supporting the load of the rotor 2, a tower 4 for rotatably supporting the nacelle 3, and an electric motor
  • a yaw drive unit 5 having a gearbox, fixed to the nacelle 3 or tower 4 and rotating the nacelle 3 relative to the tower 4, a yaw control unit 6 for controlling the yaw drive unit 5, and the tower 4 or nacelle 3
  • Speed calculation means 10 data collection means 11 connected to yaw drive rotational speed calculation means 10 and yaw control device 6, diagnostic means connected to data collection means 11 2, is installed in
  • the yaw drive device 5 has a motor 5a and a gear box 5b, and a pinion gear 5c is connected to a rotating shaft on the output side.
  • the rotary shafts of the motor 5a and the gear box 5b are rotatably supported by bearings. Rolling bearings are mainly used for the bearings.
  • the yaw drive device 5 is attached to the tower 4 or the nacelle 3, and the electric motor 5 a rotates according to power supply from the yaw control device 6 and a control instruction.
  • the pinion gear 5c of the yaw drive unit 5 rotates in a state of meshing with the opposing ring gear 7, the direction of the nacelle 3 changes on the tower 4. Thereby, the nacelle 3 is rotated to move the blade 1 and the rotor 2 to an appropriate position with respect to the wind.
  • a nacelle azimuth angle detection means 8 is installed in the nacelle 3 and an azimuth angle to which the nacelle 3 is directed is output.
  • the nacelle rotational speed calculation means 9 connected to the nacelle azimuth angle detection means 8 calculates the rotational speed of the nacelle 3 from the time change of the azimuth angle of the nacelle 3.
  • the rotational speed ratio of each rotation shaft from the motor 5a constituting the yaw drive device 5 to the pinion gear 5c is stored in advance.
  • the yaw drive device rotational speed calculation means 10 receives the rotational speed of the motor 5a output from the yaw control device 6 or the yaw drive device 5, or the rotational speed of the nacelle 3 output from the nacelle rotational speed calculation means 9,
  • the rotational speed of each of the rotation shafts constituting the yaw drive device 5 is calculated using the value and the rotational speed ratio described above.
  • the rotational speed In the output of the rotational speed, they are calculated based on either the rotational speed of the motor 5a obtained from the yaw control device 6 or the yaw drive device 5 or the rotational speed of the nacelle 3 output by the nacelle rotational speed calculation means 9. It is distinguished.
  • the yaw control device 6 or the yaw drive device 5 is If the rotational speed information of the motor 5a is not received from the above, it is output so as to be able to determine that the rotational speed of each rotation shaft of the yaw drive device 5 is calculated from the rotational speed of the nacelle 3 output by the nacelle rotational speed calculation means 9 Ru.
  • each rotation shaft of the yaw drive unit 5 calculated from the rotational speed of the motor 5a obtained from the yaw control unit 6 or the yaw drive unit 5 and the rotation speed of the nacelle 3 output by the nacelle rotational speed calculation means 9
  • the rotational speeds of the respective rotation shafts of the yaw drive device 5 calculated from the above are separately output.
  • the data collection means 11 receives, from the yaw drive device rotational speed calculation means 10, the calculated values of the rotational speeds of the respective rotation shafts constituting the yaw drive device 5.
  • the data collection means 11 records the rotational speed and the duration time of each rotational shaft and how long it has been operated. Alternatively, record the total number of rotations calculated from the rotational speed and its duration. At that time, in order to reduce the amount of data to be recorded, for example, the rotational speed is divided into a plurality of rotational speed ranges, and the duration for which the rotational speed range is operated in each rotational speed range Record as RPM.
  • the diagnostic means 12 receives from the data collection means 11 the calculated values of the rotational speeds of the respective rotation shafts constituting the yaw drive device 5 and the duration or total number of rotations of the respective rotation speeds for each of the rotation shafts. For each rotation axis, an allowable cumulative time of each rotational speed or an allowable cumulative number of revolutions for preventing damage to the yaw drive device 5 is determined as shown in FIG. 3, for example. In FIG. 3, with respect to the rotational speed range A, B, C, the cumulative use time or cumulative rotational speed permitted at the rotational speed in that range is defined. In the example of FIG.
  • the rotational speed range A corresponds to the speed range that occurs in the normal operation of operating the yaw drive device 5 in the yaw control device 6 to control the orientation of the nacelle 3.
  • the rotational speed ranges B and C correspond to the rotational speed range in the case where the yaw drive device rotates at a higher speed than the normal operation in the free yawing operation or the like.
  • the rotational speed beyond the rotational speed range C is judged to be the excess of the allowable maximum rotational speed.
  • the diagnostic means 12 checks the time when the cumulative time or cumulative total number of revolutions used in any rotational speed range reaches the allowable value or when the fixed percentage of the allowable value is reached for each rotation axis. Generate an alarm to prompt.
  • the diagnostic means 12 is connected to either or both of the yaw control device 6 and the brake 13. If the rotational speed of any of the rotary shafts constituting the yaw drive device 5 exceeds the allowable maximum rotational speed, for example, if it exceeds the rotational speed range C in FIG. In response, the braking force of the brake 13 is increased to decrease the rotational speed of the nacelle 3. Alternatively, the yaw control device 6 is instructed to decrease the rotational speed of the nacelle 3.
  • the yaw control device 6 reduces the braking force by the brake 13 to suppress the wear of the brake, and promotes the weatherproof chicken effect to the nacelle. Such load can be reduced.
  • the rolling bearing has a permissible rotational speed defined by the manufacturer, and using it at high speed may cause damage to the rolling bearing or may shorten the life. Similarly, when the gear is used at an excessively high speed, damage due to seizure or abnormal vibration is likely to occur. In addition, when the rolling bearing is used at high speed and light load, relative sliding occurs between the rolling element and the inner ring or outer ring, and as a result, the raceway surface of the inner ring or outer ring or rolling element is damaged. May. From these things, in order to prevent damage to a rolling bearing and a gear, it is desirable to grasp the rotational speed of each bearing.
  • the yaw control device 6 operates the yaw drive device 5 to rotate the nacelle 3.
  • the rotational speed of the motor 5 a of the yaw drive device 5 is monitored by the control signal of the yaw control device 6 or the power signal of the motor 5 a of the yaw drive device 5.
  • the rotational speed of each rotational axis is calculated by the rotational speed ratio of each rotational axis from the motor 5a of the yaw drive 5 to the pinion gear 5c by the yaw drive rotational speed calculator 10. Ru.
  • the rotational speed of the nacelle 3, the rotational speed of the pinion gear 5c meshing with the ring gear 7, and the yaw drive device 5 using the information from the nacelle azimuth angle detection means 8.
  • the rotational speed of each rotary shaft included in the yaw drive device 5 and the time during which the rotational speed is operated or the accumulation of the rotational speed can be known even during the free yaw operation. Predict the bearing life based on the difference between the allowable cumulative time and the allowable cumulative rotation speed, create a maintenance schedule so that inspections, maintenance, and replacement can be performed before the bearing or gear reaches its life, and prevent abnormal occurrence Is possible. Alternatively, the time required for inspection, maintenance and replacement can be shortened.
  • the braking force of the brake 13 is increased when there is an indication that the rotational speed of each rotary shaft included in the yaw drive device 5 exceeds the allowable value even during the free yawing operation.
  • the control by the yaw control device 6 is resumed when there is an indication that the rotational speed of each rotary shaft included in the yaw drive device 5 exceeds the allowable value even during the free yaw operation. If the rotational speed of each rotary shaft of the yaw drive unit 5 falls below the allowable value, or if the rotational resistance of the yaw drive unit is increased to increase the load applied to the bearing to some extent, occurrence of bearing smearing and yaw drive unit Prevent the damage of 5, improve the reliability of the wind power system.
  • the free-yaw state is described as a state in which the direction of the nacelle is passively changed by receiving wind without using the yaw driving device or actively using the yaw driving device.
  • the force generated by the rotor to turn downwind mainly controls the direction of the nacelle, for example, the brake or yaw drive device operates in an auxiliary manner to suppress the speed at which the nacelle rotates. Also included.
  • the nacelle rotational speed calculation means 9 connected to the nacelle azimuth angle detection means 8 upstream is connected to the yaw drive device rotational speed calculation means 10, while in the modification of FIG. It differs from the first embodiment in that the yaw drive rotational speed detection means 14 is attached, and the yaw drive rotational speed detection means 14 is connected to the yaw drive rotational speed calculation means 10.
  • FIG. 5 is different from the modification of the first embodiment and FIG. 4 in that the yaw drive rotational speed detecting means 14 is attached to the ring gear 7.
  • the yaw drive rotational speed detection means 14 for example, an acceleration sensor, a vibration sensor, an acoustic sensor, a rotation angle sensor, a rotation phase sensor, etc. are used, and even when the power of the yaw control device 6 or the yaw drive device 5 is off.
  • the acceleration, vibration, sound, phase signal, etc. transmitted from the drive unit 5 or the ring gear 7 are measured and continuously output to the yaw drive unit rotational speed calculation means 10.
  • the yaw drive rotational speed calculation means 10 receives signals such as acceleration, vibration, sound and phase signals from the yaw drive rotational speed detection means 14 and uses the frequency analysis function from the signals to perform yaw drive from the characteristic frequency
  • the rotational speed of the motor 5a of the device 5, the rotational speed of the pinion gear 5c, or the rotational speed of one of the rotary shafts is detected, and the rotational speeds of the respective rotary shafts are calculated therefrom and output to the data collection means 11.
  • the driving device rotational speed calculation means 10 receives signals such as acceleration, vibration, sound, etc. from the yaw drive device rotational speed detection means 14 and uses the frequency analysis function from the signals to detect each rotation axis of the yaw drive device.
  • the rotation speed of each of the rolling bearings supporting each rotation shaft, the frequency of passing rolling elements of each rolling bearing, the rotation frequency of the cage, and the like are calculated and output to the data collection unit 11 and the diagnosis unit 12.
  • the rolling element passing frequency, cage rotational frequency, etc. of each rolling bearing supporting each rotating shaft of the yaw drive device 5 becomes less than a specified value in comparison with the theoretical value based on the rotating speed of each rotating shaft.
  • the braking force of the brake 13 is increased to reduce the rotational speed of the nacelle 3 or the control by the yaw control device 6 is restarted and the rotational speed of each rotational shaft of the yaw drive device 5 is below the allowable value.
  • the rotational resistance of the yaw drive device is increased to increase the load on the bearing to some extent, thereby preventing occurrence of bearing smearing and damage to the yaw drive device 5.
  • frequency analysis of information from the yaw drive rotational speed detecting means 14 installed in the yaw drive 5 or the ring gear 7 adds to the rotational speeds of the respective rotation shafts of the yaw drive, In order to calculate the rolling element passing frequency and cage rotational frequency of each rolling bearing supporting each rotating shaft, compare the rolling element passing frequency and cage rotating frequency of each rolling bearing with theoretical values based on the rotational speed of each rotating shaft By doing this, it is possible to judge whether or not relative sliding has occurred between the rolling element and the inner ring or the outer ring, and predict bearing damage in more detail.
  • the nacelle rotational speed calculation means 9 connected to the nacelle azimuth angle detection means 8 upstream is connected to the yaw drive device rotational speed calculation means 10, while in the modification of FIG.
  • This embodiment differs from the first embodiment in that the measuring means 15 is installed and connected to the nacelle rotational speed calculating means 9.
  • the nacelle behavior measurement means 15 an acceleration sensor, a rotation angle sensor or the like is used.
  • the nacelle rotational speed calculating means 9 receives information such as acceleration and rotational angle from the nacelle behavior measuring means 15 and measures the distance from the nacelle 3 rotation center to the nacelle behavior measuring means 15 and nacelle behavior The rotational speed of the nacelle 3 is calculated based on the acceleration output from the means 15 or based on the time change of the rotational angle, and is output to the yaw drive device rotational speed calculation means 10.
  • the yaw drive can be performed without installing a new sensor for the purpose of the present invention. It becomes possible to calculate the rotational speed of each rotation axis which constitutes the device 5.
  • Example 1 As mentioned above, although embodiment of this invention was described by Example 1 and its modified example 1 and 2, this invention is not limited to either of these. In addition, the first embodiment and the first and second modifications do not have to be independent, and the effects of the present invention can be obtained by using these in combination.

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Abstract

ヨー駆動装置の異常を抑止した風力発電装置を提供することを目的とする。 風を受けて回転するロータと、前記ロータを回転可能に支持するナセルと、前記ナセルを回転可能に支持するタワーと、前記ナセルを前記タワーに対して回転させるヨー駆動装置と、前記ヨー駆動装置を制御するヨー制御装置と、フリーヨー状態における前記ヨー駆動装置内の回転軸の回転速度を算出するヨー駆動装置回転速度算出手段と、前記回転速度を用いて前記ヨー駆動装置を診断する診断手段とを備えることを特徴とする。

Description

風力発電システム
　本発明は風力発電システムに関するものであり、特にナセルの向きを変えるヨー駆動機構とその制御手段、およびこれらの状態監視手段に関するものである。
　風力発電システムは、再生可能エネルギーの柱として広く導入が進んでいる。一般に、風力発電システムでは、タワー上部にブレードを備えたロータ、増速機、発電機等が取り付いたナセルが設置され、風を受けて回転するロータの回転動力を発電機に伝達し、発電機ロータを回転させて発電運転を行う。ナセルはタワー上で回転可能に支持され、ナセルの方向は風向きに応じて主にヨー駆動装置により制御される。これによりブレードおよびロータが風向きに対し、発電を行うために、あるいは各部にかかる負荷を低減するために適切な位置に移動される。
　従来の風力発電システムとして、例えば特許文献１に記載されたものがある。該特許文献１による風力発電システムでは、風を受けて回転するロータを支持するナセルと、ナセルを回転可能に支持するタワーと、タワーに対するナセルの位置を変化させる複数のヨー駆動装置と、複数のヨー駆動装置のうち、少なくとも一つのヨー駆動装置の異常を検出する異常検出手段と、異常検出手段が異常を検出した場合、指令により異常が検出されたヨー駆動装置の駆動力の伝達を解除する解除手段を備える。
特開２００７－２５８８１号公報
　風力発電システムの方式としてブレードがタワーやナセルよりも風上に位置して発電するアップウインド型と、ブレードがタワーやナセルよりも風下に位置して発電するダウンウインド型がある。ダウンウインド型では、ナセルの向きをヨー駆動装置により制御するアクティブ制御運転と、ヨー駆動装置を積極的に用いずに風を受けてナセルの方向が受動的に変わるフリーヨー運転とが併用される。通常の発電運転時にはアクティブ制御運転が主に用いられるが、所定の風速（例えばカットアウト風速）以上の様な暴風時は、風から受ける荷重が過大になるので、荷重低減のために、あるいはヨー駆動装置の保護のために、フリーヨー運転にすることが効果的である。また、停電時にはヨー駆動装置を制御する電源が不足するので、この場合もフリーヨー運転が効果的である。
　ヨー駆動装置には複数の軸受や歯車が用いられ、これらの損傷や寿命などによりヨー駆動装置に異常が生じると、ナセルの向きを制御するのに支障をきたすことがある。このため、ヨー駆動装置の損傷を未然に防止する、あるいは損傷が軽微な段階で保守や交換等の対策をとることが望まれる。
　特許文献１に記載された風力発電システムにおいて、複数あるヨー駆動装置のいずれかに異常が検知された場合、異常が検出されたヨー駆動装置の駆動力の伝達が解除される。
　異常が検出されたヨー駆動装置の駆動力の伝達が解除されている間は、接続状態にある他のヨー駆動装置によりナセルの方向が制御される。風力発電システムの安定動作、および他のヨー駆動装置の負荷軽減のためにも、異常が検出されたヨー駆動装置を短期間のうちに保守、交換し、速やかに元の状態に復帰することが望ましい。さらには、ヨー駆動装置の異常が検出される前に保守や交換を行い、あるいは異常発生の原因を排して異常発生を防止することが望ましい。そのためには、例えば、ヨー駆動装置の異常が検出される前に損傷や寿命を予測し、危険な運転状態を回避する、アラームを発して点検や保守を促し、ヨー駆動装置の異常を防止する、あるいは異常検出前に保守や交換の準備を整え、保守や交換に要する時間を短縮することが望ましい。
　特に、ヨー駆動装置を構成する軸受や歯車等が損傷あるいは寿命に達すると、その保守や交換には多大な作業を要するため、これらの損傷による異常発生を防止するとともに、損傷や異常の発生、あるいは寿命を事前に予測して危険な運転状態の回避、点検保守や交換の対策を促すことが望ましい。
　そこで、本発明はヨー駆動装置の軸受や歯車等の損傷、寿命を事前に予測することにより、異常発生を防止する、あるいは点検や保守に要する時間を短縮する風力発電システムを提供することを目的とする。
　上記の課題を解決するために、本発明に係る風力発電システムでは、風を受けて回転するロータと、前記ロータを回転可能に支持するナセルと、前記ナセルを回転可能に支持するタワーと、前記ナセルを前記タワーに対して回転させるヨー駆動装置と、前記ヨー駆動装置を制御するヨー制御装置と、フリーヨー状態における前記ヨー駆動装置内の回転軸の回転速度を算出するヨー駆動装置回転速度算出手段と、前記回転速度を用いて前記ヨー駆動装置を診断する診断手段とを備えることを特徴とする。
　本発明によれば、ヨー駆動装置の異常を抑止する、あるいは点検や保守に要する時間が短い風力発電システムを提供することが可能になる。
風力発電システムの外観を示す全体図である。 実施例１に係る風力発電システムを示す図である。 回転軸の各回転速度範囲の許容累積回転数、許容累積時間の一例を示す図である。 実施例１の変形例に係る風力発電システムを示す図である。 実施例１の変形例に係る他の風力発電システムを示す図である。 実施例１の変形例に係る風力発電システムを示す図である。
　以下、上記した本発明を実施する上で好適な実施の形態について図面を用いて説明する。下記はあくまでも実施例に過ぎず、発明内容が係る特定の態様に限定して解釈されることを意図する趣旨ではない。下記実施例に示す風力発電システムによれば、ヨー制御装置によるヨー駆動装置の制御がなされていない、ヨー駆動装置の駆動力伝達が経路の途中で解除されている、あるいはヨー制御装置やヨー駆動装置の電源がオフの状態にあるいわゆるフリーヨー運転の状態においても、ヨー駆動装置を構成する各回転軸の回転速度とその持続時間がモニタリングおよび記録されるため、それに基づいて、回転速度超過を回避して軸受や歯車の損傷を防止する、また、軸受や歯車が寿命に達する前に点検、保守、交換を行い異常発生を防止することが可能となる。
　実施例１について図１から図３を用いて説明する。図１に示すように、風力発電システムは、風を受けて回転するブレード１を備えたロータ２と、ロータ２の荷重を支持するナセル３と、ナセル３を支持するタワー４とから概略構成される。ナセル３はタワー４に対して概略水平面内で回転可能に支持されており、風向きに応じて向きを変えることができる。
　図２は、本実施例に関わる機器の関係を説明する図である。該図に示すように、本実施例における風力発電システムは、ブレード１を備えたロータ２と、ロータ２の荷重を支持するナセル３と、ナセル３を回転可能に支持するタワー４と、電動機とギヤボックスを有し、ナセル３あるいはタワー４に固定され、ナセル３をタワー４に対して回転させるヨー駆動装置５と、ヨー駆動装置５を制御するヨー制御装置６と、タワー４あるいはナセル３に固定されたリングギヤ７と、ナセルに設置されたナセル方位角検出手段８と、ナセル方位角検出手段８に接続するナセル回転速度算出手段９と、ナセル回転速度算出手段９に接続するヨー駆動装置回転速度算出手段１０と、ヨー駆動装置回転速度算出手段１０およびヨー制御装置６に接続するデータ収集手段１１と、データ収集手段１１に接続する診断手段１２と、ナセル３あるいはタワー４に設置され、ナセル３の回転運動に対して制動力を加えるブレーキ１３とを有している。
　ブレード１に風を受けてロータ２が回転すると、その回転トルクはナセル３に収納された増速機（図示せず）を通じて発電機（図示せず）に伝達され、前記発電機の回転子を駆動させ、発電運転が行われる。
　ヨー駆動装置５は、電動機５aとギヤボックス５ｂを有し、出力側の回転軸にピニオンギヤ５ｃが接続する。電動機５aとギヤボックス５ｂの各回転軸は軸受により回転自在に支持される。軸受には主に転がり軸受が用いられる。ヨー駆動装置５は、タワー４あるいはナセル３に取り付けられており、ヨー制御装置６からの給電、制御指示により電動機５ａが回転動作する。ヨー駆動装置５のピニオンギヤ５ｃが相対するリングギヤ７と噛み合った状態で回転すると、タワー４上でナセル３の方向が変わる。これにより、ナセル３を回転させ、風に対して適切な位置にブレード１およびロータ２を移動させる。
　ナセル３にはナセル方位角検出手段８が設置され、ナセル３が向いている方位角が出力される。ナセル方位角検出手段８に接続するナセル回転速度算出手段９は、ナセル３の方位角の時間変化よりナセル３の回転速度を算出する。
　ヨー駆動装置回転速度算出手段１０には、ヨー駆動装置５を構成する電動機５aからピニオンギヤ５ｃに至るまでの各回転軸の回転速度比があらかじめ記憶されている。ヨー駆動装置回転速度算出手段１０は、ヨー制御装置６あるいはヨー駆動装置５から出力された電動機５aの回転速度、あるいはナセル回転速度算出手段９より出力されたナセル３の回転速度を受信し、各値と前記の回転速度比を用いてヨー駆動装置５を構成する各回転軸の回転速度を算出する。回転速度の出力においては、それらが、ヨー制御装置６あるいはヨー駆動装置５から得た電動機５aの回転速度、あるいはナセル回転速度算出手段９により出力されたナセル３の回転速度のどちらを基に算出されたかが区別される。例えば、ヨー制御装置６によるヨー駆動装置５の制御が行われない、あるいはヨー制御装置６またはヨー駆動装置５の電源がオフになっているいわゆるフリーヨー運転において、ヨー制御装置６やヨー駆動装置５から電動機５aの回転速度情報が受信されない場合は、ナセル回転速度算出手段９により出力されたナセル３の回転速度からヨー駆動装置５の各回転軸の回転速度を算出したことが判別可能に出力される。あるいは、ヨー制御装置６やヨー駆動装置５から得た電動機５aの回転速度から算出したヨー駆動装置５の各回転軸の回転速度と、ナセル回転速度算出手段９により出力されたナセル３の回転速度から算出したヨー駆動装置５の各回転軸の回転速度が別々に出力される。
　データ収集手段１１は、ヨー駆動装置回転速度算出手段１０より、ヨー駆動装置５を構成する各回転軸の回転速度の算出値を受信する。また、データ収集手段１１は、各回転軸がいくらの回転速度でどれだけの時間運転されたか、回転速度とその持続時間を記録する。あるいは回転速度とその持続時間から算出された総回転数を記録する。その際、記録するデータ量を低減するために、例えば、回転速度を、複数の回転速度範囲に区分し、各回転速度範囲で運転された持続時間あるいは各回転速度範囲で回転軸が回転した総回転数として記録する。
　診断手段１２はデータ収集手段１１より、ヨー駆動装置５を構成する各回転軸の回転速度の算出値と、各回転軸について各回転速度の持続時間あるいは総回転数を受信する。各回転軸について、ヨー駆動装置５の損傷を防止するための各回転速度の許容累積時間、あるいは許容累積回転数を例えば図３のように定めておく。図３においては、回転速度範囲Ａ，Ｂ,Ｃについてその範囲の回転速度において許容する累積の使用時間、あるいは累積の回転数が定めてある。図３の例において、回転速度範囲Ａはヨー制御装置６でヨー駆動装置５を動作させてナセル３の向きを制御する通常の運転で生じる速度範囲に対応する。また、回転速度範囲ＢおよびＣは、フリーヨー運転等において、ヨー駆動装置が通常の運転よりも高速で回転する場合の回転速度範囲に対応する。回転速度範囲Ｃを超えた回転速度は、許容最高回転速度の超過と判断される。診断手段１２は、各回転軸に関し、いずれかの回転速度範囲で使用した累積の時間あるいは累積の総回転数が許容値に達した場合、あるいは許容値の一定割合に達した場合に、点検を促すアラームを発する。
　また、診断手段１２は、ヨー制御装置６およびブレーキ１３のいずれか、あるいは両方と接続している。ヨー駆動装置５を構成するいずれかの回転軸の回転速度が許容最高回転速度を超えた場合、例えば図３における回転速度範囲Ｃを超えた場合には持続時間にかかわらずアラームを発し、必要に応じてブレーキ１３の制動力を増加させ、ナセル３の回転速度を減少させる。あるいはヨー制御装置６に指示してナセル３の回転速度を減少させる。ヨー駆動装置５を構成するいずれかの回転軸の回転速度が許容最高回転速度を超えていない場合でも、例えば図３における回転速度範囲Ｃあるいは回転速度範囲Ｂで運転する時間を短縮する目的でブレーキ１３に指示して制動力を増加させ、ナセル３の回転速度を減少させる、あるいはヨー制御装置６に指示してナセル３の回転速度を減少させる。
　逆に、所定の高い回転速度領域における運転時間や頻度が低い場合、ヨー制御装置６はブレーキ１３による制動力を低減させることで、ブレーキの摩耗を抑制し、風見鶏効果を促進することでナセルにかかる荷重を低減することができる。
　転がり軸受は製造者により許容回転速度が定められており、それを超えて高速回転で使用することは転がり軸受の損傷が発生する、あるいは寿命が短縮する原因となる可能性がある。歯車も同様に、過度な高速回転で使用すると焼き付きや異常振動等による損傷が生じやすくなる。また、転がり軸受を高速・軽荷重で使用すると、転動体と内輪あるいは外輪との間で相対的なすべりが生じ、その結果、内輪あるいは外輪の軌道面や転動体にスミアリングと呼ばれる損傷が発生する場合がある。これらのことから、転がり軸受や歯車の損傷を防止するためには、個々の軸受の回転速度を把握することがのぞましい。
　通常の運転時においては、ヨー制御装置６によりヨー駆動装置５を動作させてナセル３を回転させる。この場合、ヨー制御装置６の制御信号あるいはヨー駆動装置５の電動機５ａの電力信号によりヨー駆動装置５の電動機５ａの回転速度がモニタリングされる。この電動機５ａの回転速度を用いれば、ヨー駆動装置回転速度算出手段１０によりヨー駆動装置５の電動機５aからピニオンギヤ５ｃに至るまでの各回転軸の回転速度比より各回転軸の回転速度が算出される。
　一方、ヨー制御装置６によるヨー駆動装置５の制御が行われない、あるいはヨー制御装置６またはヨー駆動装置５がオフになっているいわゆるフリーヨー運転時においては、ナセル３の回転によりリングギヤ７、ピニオンギヤ５ｃを通じてヨー駆動装置５が回転させられる。この場合、ヨー制御装置６の制御信号あるいはヨー駆動装置５の電動機５ａの電力信号からはヨー駆動装置５の電動機５ａの回転速度はモニタリングされず、回転速度を知るためには別途センサを設置する必要性が生じる。
　本実施例によれば、このフリーヨー運転時であっても、ナセル方位角検出手段８からの情報を利用して、ナセル３の回転速度、リングギヤ７と噛み合うピニオンギヤ５ｃの回転速度、ヨー駆動装置５に含まれるギヤボックス内の各回転軸の回転速度、電動機５ａの回転速度がモニタリング可能となり、このために新たにセンサを追加する必要がない。
　また、本実施例によれば、フリーヨー運転時であっても、ヨー駆動装置５に含まれる各回転軸の回転速度とその回転速度で運転した時間、あるいは回転数の累積が分かるため、あらかじめ定めた許容累積時間や許容累積回転数との差分により軸受の寿命を予測し、軸受や歯車が寿命に達する前に点検、保守、交換を行うようにメンテスケジュールを作成し、異常発生を防止することが可能となる。あるいは点検、保守、交換に要する時間を短縮することが可能となる。
　また、本実施例によれば、フリーヨー運転時であっても、ヨー駆動装置５に含まれる各回転軸の回転速度が許容値を超過する兆候がある場合に、ブレーキ１３の制動力を増加させてナセル３の回転速度を減じ、ヨー駆動装置５の各回転軸の回転速度が許容値以下とすることによりヨー駆動装置５の損傷を防止し、風力発電システムの信頼性が向上する。
　また、本実施例によれば、フリーヨー運転時であっても、ヨー駆動装置５に含まれる各回転軸の回転速度が許容値を超過する兆候がある場合に、ヨー制御装置６による制御を再開してヨー駆動装置５の各回転軸の回転速度が許容値以下とする、あるいはヨー駆動装置の回転抵抗を増して軸受にかかる荷重をある程度増加させ、軸受のスミアリングの発生、およびヨー駆動装置５の損傷を防止し、風力発電システムの信頼性が向上する。
　なお、フリーヨー状態とは、ヨー駆動装置を用いずに、若しくは、ヨー駆動装置を積極的に用いずに風を受けてナセルの方向が受動的に変わる状態と説明したが、ロータが風下で風を受けることによりロータが風下を向くように生じる力が主体的にナセルの方向を制御する状態を含み、例えばナセルが回転する速度を抑制するためにブレーキやヨー駆動装置が補助的に稼働している場合も含む。
　また、上述の実施例はダウンウインド型の風車について説明したが、アップウインド型であっても例えば強風時に限ってロータを風下にしてフリーヨー状態する場合も同様に実施できる。
　（変形例１）
　次に、実施例１の変形例１について図４と図５を用いて説明する。尚、実施例１と重複する構成及び効果については、ここでの説明を省略する。実施例１では、上流でナセル方位角検出手段８に接続するナセル回転速度算出手段９がヨー駆動装置回転速度算出手段１０に接続するのに対し、図４の変形例では、ヨー駆動装置５にヨー駆動装置回転速度検出手段１４が取り付けられ、このヨー駆動装置回転速度検出手段１４がヨー駆動装置回転速度算出手段１０に接続される点で実施例１と異なる。
　さらに図５の変形例ではリングギヤ７にヨー駆動装置回転速度検出手段１４が取り付けられる点で実施例１および図４の変形例と異なる。
　ヨー駆動装置回転速度検出手段１４としては、例えば加速度センサ、振動センサ、音響センサ、回転角度センサ、回転位相センサ等が使用され、ヨー制御装置６やヨー駆動装置５の電源がオフの場合でもヨー駆動装置５あるいはリングギヤ７より伝わる加速度、振動、音響、位相信号等を測定してヨー駆動装置回転速度算出手段１０に出力し続ける。
　ヨー駆動装置回転速度算出手段１０は、ヨー駆動装置回転速度検出手段１４からの加速度、振動、音響、位相信号等の信号を受信し、その信号から周波数分析機能を用いて、特徴周波数からヨー駆動装置５の電動機５ａの回転速度、ピニオンギヤ５ｃの回転速度、あるいはいずれかの回転軸の回転速度を検出し、そこから各回転軸の回転速度を算出し、データ収集手段１１に出力する。
　また、駆動装置回転速度算出手段１０は、ヨー駆動装置回転速度検出手段１４からの加速度、振動、音響等の信号を受信し、その信号から周波数分析機能を用いて、ヨー駆動装置の各回転軸の回転速度、各回転軸を支持する各転がり軸受の転動体通過周波数、保持器回転周波数等を算出し、データ収集手段１１および診断手段１２に出力する。
　診断手段１２は、ヨー駆動装置５の各回転軸を支持する各転がり軸受の転動体通過周波数、保持器回転周波数等が各回転軸の回転速度に基づく理論値と比較して規定値以下となった際に、各回転軸の回転速度と、各周波数の理論値との差異と、持続時間に基づき軸受が損傷しやすい運転状態であるかどうかを診断する。また、診断結果にもとづき、ブレーキ１３の制動力を増加させてナセル３の回転速度を減じる、あるいはヨー制御装置６による制御を再開してヨー駆動装置５の各回転軸の回転速度が許容値以下とする、あるいはヨー駆動装置の回転抵抗を増して軸受にかかる荷重をある程度増加させ、軸受のスミアリングの発生、およびヨー駆動装置５の損傷を防止する。
　この変形例によれば、フリーヨー運転時であっても、ヨー駆動装置回転速度検出手段１４からの情報を利用して、ヨー駆動装置５に含まれるギヤボックス内の各回転軸の回転速度、電動機５ａの回転速度、ピニオンギヤ５ｃの回転速度がモニタリング可能となる。また、ヨー駆動装置５あるいはリングギヤ７に設置したヨー駆動装置回転速度検出手段１４により、ヨー駆動装置５により近い位置で測定した高周波数までの詳細な情報から各回転軸の回転速度を算出するため、精度向上しやすい。
　また、この変形例によれば、ヨー駆動装置５あるいはリングギヤ７に設置したヨー駆動装置回転速度検出手段１４からの情報を周波数分析することにより、ヨー駆動装置の各回転軸の回転速度に加え、各回転軸を支持する各転がり軸受の転動体通過周波数、保持器回転周波数を算出するため、各転がり軸受の転動体通過周波数、保持器回転周波数を各回転軸の回転速度に基づく理論値と比較することにより、転動体と内輪あるいは外輪との間で相対的なすべりが発生しているかどうかを判断し、より詳細に軸受の損傷を予測できる。
　（変形例２）
　次に、実施例１の変形例２について図６を用いて説明する。尚、実施例１と重複する構成及び効果については、ここでの説明を省略する。実施例１では、上流でナセル方位角検出手段８に接続するナセル回転速度算出手段９がヨー駆動装置回転速度算出手段１０に接続するのに対し、図６の変形例では、ナセル３にナセル挙動測定手段１５が設置され、これがナセル回転速度算出手段９に接続する点で実施例１と異なる。ナセル挙動測定手段１５としては、加速度センサ、回転角センサ等が用いられる。
　図６の実施例では、ナセル回転速度算出手段９はナセル挙動測定手段１５からの加速度、回転角等の情報を受信し、ナセル３の回転中心からナセル挙動測定手段１５までの距離とナセル挙動測定手段１５より出力された加速度を基に、あるいは回転角の時間変化を基にナセル３の回転速度を算出し、ヨー駆動装置回転速度算出手段１０に出力する。
　ナセル３には他の目的で加速度センサ、あるいは回転角センサが搭載されていることが多いので、この変形例によれば、本発明の目的のために新たなセンサを設置することなく、ヨー駆動装置５を構成する各回転軸の回転速度を算出することが可能となる。
　以上、実施例１およびその変形例１と２により本発明の実施の形態を述べたが、本発明はこれらのいずれかに限定されるものではない。また、実施例１および変形例１と２は独立とする必要はなく、これらを併用しても本発明の効果を得ることができる。
１　　ブレード
２　　ロータ
３　　ナセル
４　　タワー
５　　ヨー駆動装置
５ａ　電動機
５ｂ　ギヤボックス
５ｃ　ピニオンギヤ
６　　ヨー制御装置
７　　リングギヤ
８　　ナセル方位角検出手段
９　　ナセル回転速度算出手段
１０　ヨー駆動装置回転速度算出手段
１１　データ収集手段
１２　診断手段
１３　ブレーキ
１４　ヨー駆動装置回転速度検出手段
１５　ナセル挙動測定手段

Claims (14)

  1. 　風を受けて回転するロータと、
    　前記ロータを回転可能に支持するナセルと、
    　前記ナセルを回転可能に支持するタワーと、
    　前記ナセルを前記タワーに対して回転させるヨー駆動装置と、
    　前記ヨー駆動装置を制御するヨー制御装置と、
    　フリーヨー状態における前記ヨー駆動装置内の回転軸の回転速度を算出するヨー駆動装置回転速度算出手段と、
    　前記回転速度を用いて前記ヨー駆動装置を診断する診断手段とを備えることを特徴とする風力発電システム。
  2. 　請求項１に記載の風力発電システムであって、
    　前記いずれかの回転軸が所定の回転速度で運転した累積時間、若しくは、所定の回転速度で運転した回数に基づき、前記回転軸の軸受寿命を予測することを特徴とする風力発電システム。
  3. 　風を受けて回転するロータと、
    　前記ロータを回転可能に支持するナセルと、
    　前記ナセルを回転可能に支持するタワーと、
    　前記ナセルを前記タワーに対して回転させるヨー駆動装置と、
    　前記ナセルの回転を制動するブレーキと、
    　前記ヨー駆動装置及び前記ブレーキとを制御するヨー制御装置とを備え、
    　前記ヨー制御装置は、フリーヨー状態であって、前記ナセル若しくは前記ヨー駆動装置内の回転軸の回転速度に基づき、前記ブレーキの制動力を増減させるように前記ブレーキを制御することを特徴とする風力発電システム。
  4. 　請求項３に記載の風力発電システムであって、
    　前記回転軸の回転速度とは、前記ナセル若しくはヨー駆動装置内の回転軸が所定の回転速度で運転された累積時間、若しくは、所定の回転速度で運転された回数であることを特徴とする風力発電システム。
  5. 　請求項１から４のいずれかに記載の風力発電システムであって、
    　前記ヨー駆動装置内の回転軸は、前記ヨー駆動装置に備えられたギヤボックス若しくは電動機の回転軸であることを特徴とする風力発電システム。
  6. 　請求項１から５のいずれかに記載の風力発電システムであって、
    　ナセル方位角検出手段を有し、
    　前記ナセル方位角検出手段で計測したナセル方位角の時間変化からナセル回転速度を算出するナセル回転速度算出手段を備えることを特徴とする風力発電システム。
  7. 　請求項１から６のいずれかに記載の風力発電システムにおいて、
    　前記ヨー駆動装置内の回転軸の回転速度の算出値を複数の回転速度範囲に分類し、各回転速度範囲で回転した時間を記録することを特徴とする風力発電システム。
  8. 　請求項７に記載の風力発電システムにおいて、
    　各回転速度範囲で回転した時間の累積が規定値に達した場合にアラームを発することを特徴とする風力発電システム。
  9. 　請求項１から８のいずれかに記載の風力発電システムにおいて、
    　前記ヨー駆動装置の各回転軸の回転速度あるいはその算出値が規定値以上となった際に、ナセルあるいはタワーに設置されたナセル回転を制動するブレーキの制動力を増加させることを特徴とする風力発電システム。
  10. 　請求項１から９のいずれかに記載の風力発電システムにおいて、
    　前記ヨー駆動装置の各回転軸の回転速度あるいはその算出値に基づき、前記ヨー制御装置による前記ヨー駆動装置の制御を停止あるいは再開することを特徴とする風力発電システム。
  11. 　請求項１から１０のいずれかに記載の風力発電システムにおいて、
    　前記ヨー駆動装置内の回転軸回転速度は、前記ヨー駆動装置に取り付けられたヨー駆動装置回転速度検出手段の検出に基づき算出されることを特徴とする風力発電システム。
  12. 　請求項１から１１のいずれかに記載の風力発電システムにおいて、
    　前記ヨー駆動装置内の回転軸回転速度は、前記タワーあるいは前記ナセルに設置されたリングギヤに取り付けられたヨー駆動装置回転速度検出手段の検出に基づき算出されることを特徴とする風力発電システム。
  13. 　請求項１に記載の風力発電システムにおいて、
    　前記ヨー駆動装置回転速度算出手段は、周波数分析手段に接続され、
    　前記ヨー駆動装置回転速度算出手段は、前記ヨー駆動装置内の各回転軸の回転速度、前記各回転軸を支持する各転がり軸受の転動体通過周波数、前記各転がり軸受内の保持器回転周波数を算出するとともに、これら数値のいずれかが回転軸の回転速度に基づく理論値と比較して規定値以下となった際に、各回転軸の回転速度と、各周波数の差異と、持続時間に基づき軸受が損傷しやすい運転状態であるかどうかを診断することを特徴とする風力発電システム
  14. 　風力発電システムの保守方法であって、
    　フリーヨー状態における前記風力発電システムのヨー回転速度若しくはヨー駆動装置内の回転軸回転速度を検出し、
    　前記いずれかの回転速度に基づき、前記ヨー駆動装置の寿命を予測し、
    　前記予測した寿命に基づき保守スケジュールを決定することを特徴とする保守方法。
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