JP2002509222A - 風力タービンの振動を計測して制御する方法 - Google Patents

風力タービンの振動を計測して制御する方法

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Abstract

(57)【要約】 本発明は風力タービンの振動を計測・制御するための方法に関する。この方法では、電力出力特性に関する現存のセンサ／変換器の信号に基づいて、風力タービンのロータブレードの震動および／または他の構造的震動の存在およびその振幅を決定するのに、スペクトル分析を用いる風力タービン制御システムが適する。風力タービンの制御システムは振動が許容不可レベルに達する前に振動を減衰するのに適し、その後に風力タービンが通常の作動を再開する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は電力幹線に直接接続される風力タービンの振動を計測して制御する方
法に関する。この方法では、電圧および／または電流は電力幹線接続部で計測さ
れ、その他に例えば皮相電力、有効電力、無効電力、力率およびcos(φ) のよう
な値が付加的にこの計測値から導かれる。
【０００２】 風力タービンの発展に伴い、タービンはますます大きくなり、ハブの高さは高
くなり、ロータの直径も長くなっている。このことは、使用される構造体の固有
共鳴振動数や減衰性が相応じて低くなることによって引き起こされる、複数の機
械的な難点を作り出している。
【０００３】 さらに、一般に使用される或るロータブレードには、或る気象条件において振
幅が大きく且つ複雑なパターンの振動をロータブレードに起こしてしまう傾向が
見られる。このことにより、ロータブレードには不要な動的負荷がかかり、よっ
てロータブレードの寿命が縮まり且つ風力タービンの安全性が侵されてしまう。
【０００４】 風力タービンの構造的な安全性、そして人間の安全性を得るためには、風力タ
ービンのロータブレードの振動と風力タービンのこれとは別の構造上の振動との
両方を検知することと、例えば風力タービンを一時的に停止することによって、
またはこれとは別の方法によって振動をなくすこととが必要不可欠である。
【０００５】 一般に、明らかに容易に振動現象を起こしてしまう気象条件下で風力タービン
を停止させることは、風力タービンの年間出力に損失を招くので実用向きの解決
法ではない。したがって、起こった如何なる振動現象をもなくすために、振動現
象の有無を検知して、風力タービンの制御手段を調整することができ、そして振
動現象が収まったら風力タービンが通常の作動を再開することができることが望
まれている。
【０００６】 全ての風力タービンには激しい振動を検知し、風力タービン緊急停止回路と相
互に作用して風力タービンを停止させることができる装置が設けられる。しかし
ながら、例えばブレードの先端が欠けてしまうことにより突然ロータのバランス
が悪くなった場合や、電撃（落雷）によりロータが構造的な損傷を受けた場合に
風力タービンが確実に停止するように、上記装置を予め設計しなければならない
。また、この従来の装置では、ロータブレードの振動またはタワーの振動が風力
タービンを危険寸前にする程の振幅に達するまで、これら振動を検知することが
できない。さらに、ロータブレードに振動が起こった場合、一つのブレードの振
動現象が有害な振幅に達したときでさえも、概して三つのロータブレードのうち
二つのブレードが逆位相であるような振動を具備する現象であれば、例えば風力
タービンのナセル（nacell）において計測されるような震動レベルはあまり大き
くない。したがって、このような装置はこのような有害な状況を検知するのに適
していない。
【０００７】 さらに、この従来の装置では概して、この装置が風力タービンの緊急停止回路
の一部として組み込まれているので、振動が収まってから風力タービンに通常の
作動を再開させることができない。
【０００８】 最後に、風力タービンに組み込まれる独立した震動ガードが知られている。こ
れら震動ガードは、震動ガードの命令でタービンを停止することができる許容限
界内でロータブレードの動的負荷が維持されることができるように、例えば振幅
の大きくない振動の存在を検知することができる。しかしながら、これら独立し
たユニットも、通常、風力タービンの緊急停止回路に組み込まれているので、振
動が収まっても風力タービンに通常の作動をさせることができない。
【０００９】 風力タービンを承認できるようにするために、外部の装置に依存しない風力タ
ービン制御システムにより、振幅が大きくなくても振動現象の検知およびその対
策が行われることが望まれている。
【００１０】 本発明の目的は、現存の計測信号を基に風力タービンの振動の存在を検知する
ための方法、および風力タービン制御装置を用いてこれら振動を減衰させる方法
を提供することにある。
【００１１】 上記目的は最初に記載した種類の方法により達成される。この方法では、一つ
以上の計測された値またはこの値から導かれた値のスペクトル分析が行われて、
このスペクトル分析の結果を基に風力タービンの振動の振幅が決定され、この決
定された振幅が或る値を超えていたときには、振動の振幅を小さくするために風
力タービン制御システムによって対策がとられる。
【００１２】 こうすることで、震動または振動により風力タービンで生じた電気計測値、ま
たはこの計測値から導かれた値に変化が起こることを利用することにより、風力
タービン内に外部装置を組み込むことなく小さい震動または振動でさえも検知で
きるようになり、さらに検知した結果を使用して、風力タービン制御装置を用い
てこの検知された震動または振動を小さくすることができるようになる。
【００１３】 特許請求の範囲の従属項は本発明の方法の適切な実施例を定義する。特に、従
属項４〜１０は風力タービンに設けられた特定のタイプの制御システムにおいて
、検知された振動の振幅を小さくするための打消し方法を定義する。
【００１４】 以下、図面を参照して本発明をさらに説明する。
【００１５】 風力タービン制御システムは常にタービンの幹線接続部において多くの計測を
実行するのに適する。計測は一方では操業上の理由で、また他方では風力タービ
ンの操業に関するデータロギングや統計上の理由で実行される。このために、風
力タービン制御システムには幹線接続部の段階における電圧および電力を計測す
るために複数の変換器が設けられる。これら電圧および電流の一時的な計測値を
基に、制御システムは、例えば皮相電力、有効電力、無効電力、力率およびcos(
φ) のような更なる二次的な幹線データを計算する。
【００１６】 ロータブレードの振動は風力タービンのナセルおよびロータシャフトの震動を
まねく。三つのロータブレードのうち二つのロータブレードで逆位相の振動が起
こった場合、震動をナセルで計測できる。このことは関連のある振動の振幅によ
り引き起こされた非対称性（非線形弾性）に起因する。したがって、ロータシャ
フトのトルクはロータの振動により生成せしめられた成分も具備することになる
。
【００１７】 ロータブレードの振動はロータシャフトのトルクに或る成分を発生させるので
、このような成分は発電器のシャフトのトルクに、および幹線に直接接続された
発電器を備えた風力タービンにも現れる。したがって、このような成分は電流お
よび／または電圧の一時的な計測値、およびこの一時的な計測値から導かれた二
次的な幹線データにも現れる。
【００１８】 本発明によれば、風力タービン制御システムはこれら一つ以上のデータの組の
スペクトル分析と、複数のスペクトルの平均化とを実行する。したがって、振動
現象により発生せしめられる発電器シャフトのトルクの変動は一本の縦棒、また
は図１に示したような振動の固有振動数ｆc 付近の狭い帯域の複数の縦棒として
スペクトルに現れる。スペクトルの縦棒の高さからロータブレードの振動の振幅
が制御システムに指示され、この高さが風力タービンの運転状態を決定する基準
となる。
【００１９】 軸線方向のタワーの振動、すなわち主要シャフトの長手方向の振動により、風
の見掛けの速度の変動、よってロータおよび発電器シャフトのトルクの変動が生
じる。ロータブレードの振動のように、このような変動は一時的な計測データに
おいておよび一時的な計測データにより導かれる二次的な計測データにおいて検
知される。スペクトル分析により、変動は図１に示したように、固有振動数ｆ0 における縦棒、または狭い帯域の複数の縦棒としてスペクトルに現れる。縦棒の
高さは軸線方向のタワーの振動の振幅を示し、この高さが風力タービンの運転状
態を決定する基準となる。
【００２０】 風力タービンの種類およびその装備に応じて、本発明の制御システムは様々な
方法で作動する。第一の種類の対策ではロータの回転速度を変えることにより振
動現象を減衰させようとし、第二の種類の対策では風力タービンにかかる動的負
荷を変えることにより振動現象を変化させようとしている。
【００２１】 幹線に直接接続された風力タービンでは、第一の種類の対策においてブレーキ
が用いられる。停止するまでブレーキを使用するか否かは、使用されるブレーキ
システムの特性に依る。或るタイプのチップブレーキではロータが停止した時に
のみリセットされ、このタイプのブレーキが使用されると、ロータは再始動する
前に停止させられてしまう。しかしながら、チップブレーキを回転中にリセット
することができれば、制御システムは振動が減衰したことを検知すると風力ター
ビンを”回転中に”再始動することができる。
【００２２】 しかし、機械式ブレーキを使用することにより第一の種類の対策をとることが
可能になるが、このようなブレーキを使用するとブレーキが容認しがたい摩耗を
起こしてしまうことが知られている。風力タービンに電気制御ブレーキ（遅延装
置）が設けられると、この電気制御ブレーキは常に”回転中に”再始動すること
ができるように制御において有利に使用される。最後に、積極失速（アクティブ
ストール）型の風力タービンでは、ロータブレードの形状は全てブレーキとして
使用できるようになっており、本発明の制御システムを備えたこの型の風力ター
ビンでは、”回転中に”再始動することができる。
【００２３】 制御システムが動的負荷を変化させることで振動を打消す第二の種類の対策は
、ピッチ角が固定された失速制御型の風力タービンにおいて、振動現象が消える
まで振れ角（yaw angle ）に誤差を与える制御システムを具備し、そして振れ角
の誤差がない状態でタービンは通常の作動を再開する。
【００２４】 積極失速型の風力タービンでは、振動現象が消えるまでブレードのピッチ角を
負の方向に変化することにより動的負荷を変化させることができ、タービンは正
確な要求ピッチで通常の作動を再開する。この型のタービンでは、制御システム
は必要であれば振れ角に誤差を与えるのにも使用される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 記録された風力タービンの測定値のスペクトル分析を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ) ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ， ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，Ｄ Ｋ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ， ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，Ｌ Ｔ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ， ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，Ｕ Ａ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電力幹線に直接接続された風力タービンにおいて振動を計測
    および制御するための方法であって、電圧および／または電流が幹線接続部にお
    いて計測され、その他に例えば皮相電力、有効電力、無効電力、力率およびcos(
    φ) のような値がそこから導かれる方法であって、 一つ以上の計測値または該計測値から導かれた値のスペクトル分析を行う分析
    工程と、 該スペクトル分析を基に風力タービンの振動の振幅を決定する決定工程と、 該決定された振動の振幅が予め定められた値を超えているときには、風力ター
    ビン制御システムにより行われる対策で振動を減衰させる減衰工程とを具備する
    ことを特徴とする計測・制御方法。
  2. 【請求項２】 前記スペクトル分析から複数のスペクトルを平均化する工程
    をさらに具備する請求項１に記載の計測・制御方法。
  3. 【請求項３】 上記決定された振幅の振動はロータブレードの振動および／
    または軸線方向のタワーの振動である請求項１に記載の計測・制御方法。
  4. 【請求項４】 前記減衰工程はロータの回転速度を遅くさせる工程を具備す
    る請求項１〜３のいずれか一つに記載の計測・制御方法。
  5. 【請求項５】 前記減衰工程は停止するまでブレーキをかけて停止後に再始
    動する工程を具備する請求項４に記載の計測・制御方法。
  6. 【請求項６】 前記減衰工程は振動の振幅が予め定められた値より小さくな
    るまでブレーキをかける工程を具備する請求項４に記載の計測・制御方法。
  7. 【請求項７】 前記減衰工程は動的負荷を低減させる工程を具備する請求項
    １〜３のいずれか一つに記載の計測・制御方法。
  8. 【請求項８】 前記風力タービンはピッチ角が固定された失速制御型の風力
    タービンであって、前記減衰工程は振動の振幅が予め定められた値以下に減衰す
    るまで前記風力タービンに振れ角の誤差を与えて、該振れ角に誤差がない状態で
    該風力タービンが通常の作動を再開する工程を具備する請求項７に記載の計測・
    制御方法。
  9. 【請求項９】 前記風力タービンはピッチ角が可変である積極失速制御型の
    風力タービンであって、前記減衰工程は振動の振幅が予め定められた値以下に減
    衰するまでブレードのピッチ角を負の方向に変化させて、正確な要求されたピッ
    チ角度で該風力タービンが通常の作動を再開する工程を具備する請求項７に記載
    の計測・制御方法。
  10. 【請求項１０】 前記減衰工程は振動の振幅が予め定められた値以下に減衰
    するまでさらに風力タービンに振れ角の誤差を与えて、振れ角に誤差がない状態
    で該風力タービンが通常の作動を再開する工程を具備する請求項９に記載の計測
    ・制御方法。
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