JP5567044B2 - ウインドファームの運転方法及びウインドファームの運転制御システム - Google Patents

Description

本発明は、ウインドファームの運転方法及びウインドファームの運転制御システムに係り、具体的には経済性に優れた運転が可能なウインドファームの運転方法及びウインドファームの運転制御システムに関する。

近年、地球環境の保全の観点から、再生エネルギーとしての風を利用して発電を行う風力発電装置の普及が進んでいる。風力発電装置は、一般に、複数のブレードがハブに取り付けられたロータを有する。ロータは、陸上又は洋上に立設されたタワー上に位置するナセルに搭載される。風力発電装置では、ブレードが風を受けてロータが回転し、ロータの回転が増速機を介してナセル内に収納された発電機に伝達され、発電機において電力が生成されるようになっている。
なお、ロータと発電機との間に設けられる増速機には、例えば、遊星歯車を備えたギア式のものや、油圧ポンプ及び油圧モータを組み合わせた油圧トランスミッション式のものがある。

風力発電装置は、ブレード、ギア式や油圧トランスミッション式等の増速機、ハブ、ナセル、主軸軸受やヨー旋回軸受（Ｙａｗ Ｂｅａｒｉｎｇ）等の各種軸受、タワーに代表される多数の部品（コンポーネント）によって構成される。これらの部品が劣化又は故障すると、風力発電装置の運転停止を余儀なくされることがある。そのため、風力発電装置の部品の状態を監視して、風力発電装置の運転の予期しない停止を防ぐことが重要である。

そこで、特許文献１には、状態監視システム（ＣＭＳ：Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）により部品の余寿命を予測し、所期の余寿命が得られるように出力（発電量）を制限する風力発電装置の運転方法が開示されている。例えば、次回の定期メンテナンスの時期までに部品の余寿命が尽きてしまうことが予想される場合、出力を下げて、次回の定期メンテナンスの時期まで部品の余寿命を延長する。これにより、部品故障による予期しない運転停止を防ぐことに加えて、予定外のメンテナンスの必要性を少なくして、風力発電装置から得られる収益を増大させることができる。

米国特許出願公開第２０１０／０３３２２７２号明細書

ところで、ウインドファームでは、部品の損傷又は劣化状態が風力発電装置ごとに異なるから、各風力発電装置から得られる収益が最大になる各風力発電装置の運転条件が、ウインドファーム全体の収益を最大にする運転条件と必ずしも一致しない。
例えば、第１風車及び第２風車により構成されるウインドファームにおいて、各風車の部品劣化の進行スピードはまちまちであることが多い。そのため、各風車から得られる収益の最大化を追求すれば、それぞれ異なる最適のメンテナンス時期（各風車の収益が最大になるメンテナンス時期）まで部品の余寿命が延長されるように各風車の出力が制限される。ところが、同一のウインドファーム内では、第１風車と第２風車との部品のメンテナンスを同時に行うことでメンテナンスコストが低減される場合がある。特に、アクセスが困難な場所（洋上や山岳地）に設置されたウインドファームは、複数の風車を同時期にメンテナンスすることでコストを大幅に削減できる。そのため、部品劣化が遅い方の風車（第１風車）のメンテナンス時期は、該風車の収益が最大になる最適なメンテナンス時期よりも前倒しして、部品劣化が速い方の風車（第２風車）と同時にメンテナンスを行ったほうがウインドファーム全体から得られる収益が増大する場合がある。一方、第１風車及び第２風車のメンテナンス同時実施によるコスト削減効果を得ようとするあまり、メンテナンス時期の変更が各風車の売電収入に与える影響を軽視すれば、ウインドファーム全体の利益を却って損なうことにもなりかねない。

この点、特許文献１に記載の運転方法では、単一の風力発電装置を対象にしたものであり、複数の風力発電装置で構成されるウインドファームの収益の向上を図ったものではない。そのため、単に、特許文献１に記載の運転方法の適用対象を風力発電装置単体からウインドファーム全体に広げても、ウインドファーム全体の収益の大幅な増大効果を期待することはできない。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、ウインドファーム全体の収益を効果的に向上させることができるウインドファームの運転方法及びウインドファームの運転制御システムを提供することを目的とする。

本発明に係るウインドファームの運転方法は、複数の風車を備えたウインドファームの運転方法であって、各風車について部品の余寿命を予測するステップと、各風車について、複数の出力制限条件下における売電収入を予測するステップと、各風車について、前記部品の余寿命に基づいて各出力制限条件下におけるメンテナンスコストを予測するステップと、少なくとも、各風車について前記出力制限条件ごとに予測された前記売電収入及び前記メンテナンスコストに基づいて、前記ウインドファームから得られる収益が最大になる出力制限条件を各風車について選択するステップと、選択された前記出力制限条件に基づいて各風車の運転制御を行うステップとを備えることを特徴とする。

このウインドファームの運転方法によれば、ウインドファームの各風車について出力制限条件ごとに売電収入及びメンテナンスコストを予測し、ウインドファームから得られる収益が最大になる出力制限条件を各風車について選択するようにしたので、ウインドファーム全体の収益を効果的に向上させることができる。すなわち、各風車からの収益に着目するのではなく、ウインドファーム全体の収益に着目して各風車の運転条件を決定することで、経済性に優れたウインドファームの運転が可能になる。

上記ウインドファームの運転方法において、前記メンテナンスコストは、前記部品の次回のメンテナンスの複数の候補時期のそれぞれについて予測され、少なくとも、各風車について前記出力制限条件および前記候補時期ごとに予測された前記売電収入及び前記メンテナンスコストに基づいて、前記ウインドファームから得られる収益が最大になる出力制限条件とメンテナンス時期とを各風車について決定してもよい。
これにより、各風車に関する出力制限条件とメンテナンス時期との複数の組合せの中から、ウインドファーム全体の収益増大を最も期待できる組合せを選択することができ、より一層経済性に優れたウインドファームの運転が可能になる。

上記ウインドファームの運転方法において、前記余寿命を予測するステップでは、前記部品の損傷状態又は劣化状態を示す状態値の経時変化に基づいて前記部品の余寿命を予測してもよい。
これにより、部品の損傷状態又は劣化状態を示す状態値を監視し、部品の余寿命を高精度に予測することができる。
なお、部品の損傷状態又は劣化状態を示す状態値は、例えば、ブレードの損傷状態又は劣化状態を示すものとして翼重量、各ブレード間の重量アンバランス、ブレードの振動等を挙げることができ、タワーの損傷状態又は劣化状態を示すものとしてタワー基部又はタワー上部の疲労荷重やタワーの振動等を挙げることができ、増速機の損傷状態又は劣化状態を示すものとして主軸軸受や油圧ポンプの軸受の振動、主軸の振動や振れ回り、油圧ポンプのピストン振動や振幅、油圧トランスミッションの効率等を挙げることができ、ナセル台板やハブ（ロータヘッド）等の鋳物からなる部材の損傷状態又は劣化状態を示すものとして応力集中による疲労を挙げることができる。

上記ウインドファームの運転方法は、前記部品の前記状態値が管理範囲を外れた場合に、該部品を有する風車の運転を停止させるステップをさらに備えていてもよい。
これにより、部品の完全な故障に至る前に部品の状態値が管理範囲を外れた時点で当該部品を有する風車の運転を停止させて、長期間に亘って風車の停止を余儀なくされる事態を防止できる。

また本発明に係るウインドファームの運転制御システムは、複数の風車を備えたウインドファームの運転制御システムであって、各風車について部品の余寿命を予測する余寿命予測部と、各風車について、複数の出力制限条件下における売電収入を予測する売電収入予測部と、各風車について、前記部品の余寿命に基づいて各出力制限条件下におけるメンテナンスコストを予測するメンテナンスコスト予測部と、少なくとも、各風車について前記出力制限条件ごとに予測された前記売電収入及び前記メンテナンスコストに基づいて、前記ウインドファームから得られる収益が最大になる出力制限条件を各風車について選択する出力制限条件選択部と、選択された前記出力制限条件に基づいて運転指令を各風車に送る運転指令部とを備えることを特徴とする。

このウインドファームの運転制御システムによれば、ウインドファームの各風車について出力制限条件ごとに売電収入及びメンテナンスコストを予測し、ウインドファームから得られる収益が最大になる出力制限条件を各風車について選択するようにしたので、ウインドファーム全体の収益を効果的に向上させることができる。すなわち、各風車からの収益に着目するのではなく、ウインドファーム全体の収益に着目して各風車の運転条件を決定することで、経済性に優れたウインドファームの運転が可能になる。

本発明によれば、ウインドファームの各風車について出力制限条件ごとに売電収入及びメンテナンスコストを予測し、ウインドファームから得られる収益が最大になる出力制限条件を各風車について選択するようにしたので、ウインドファーム全体の収益を効果的に向上させることができる。すなわち、各風車からの収益に着目するのではなく、ウインドファーム全体の収益に着目して各風車の運転条件を決定することで、経済性に優れたウインドファームの運転が可能になる。

ウインドファームの運転制御システムの構成例を示す図である。 ウインドファームを構成する風車の一例を示す図である。 ウインドファームを構成する風車の他の例を示す図である。 部品の損傷状態又は劣化状態を示す状態値の経時変化を示すグラフの一例である。 各出力制限条件下における部品のメンテナンスコストの経時変化を示すグラフである。 出力制限条件およびメンテナンス候補時期ごとに予測されたメンテナンスコストＣの一例を示す表である。 他の風車とのメンテナンス同時実施によるコスト削減効果ΔＣを考慮したメンテナンスコストの一例を示す表である。 ウインドファームの運転方法の手順を示すフローチャートである。 本発明の実施形態において風車Ａ及び風車Ｂの出力制限条件及びメンテナンス時期が決定される様子を示した図である。 各風車単独の利益の最大化を追求した場合において風車Ａ及びＢの出力制限条件及びメンテナンス時期が決定される様子を示した図である。

以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１はウインドファームの運転制御システムの構成例を示す図である。図２はウインドファームを構成する風車の一例を示す図である。図３はウインドファームを構成する風車の他の例を示す図である。

図１に示す運転制御システム１０は、複数の風車１００Ａ〜１００Ｃを備えたウインドファーム１の運転制御を司る。以下、ウインドファーム１を構成する風車１００Ａ〜１００Ｃの例を挙げた後、運転制御システム１０の詳細について説明する。

ウインドファーム１の各風車１００Ａ〜１００Ｃは、図２に示すように、複数のブレード１０２及びそれらが取り付けられるハブ１０４とで構成されるロータ１０５と、ハブ１０４に連結された主軸１０６と、主軸１０６の回転を増速するギア式の増速機１０８と、増速機１０８の出力軸１０９に接続された発電機１１０とを備えていてもよい。また、増速機１０８及び発電機１１０は、主軸軸受１０７を介して主軸１０６を回転自在に支持するナセル１１２に収納されていてもよい。ナセル１１２の底面を構成するナセル台板１１４は、ヨー旋回軸受１１８を介してタワー１１６によって支持されていてもよい。なお、ナセル台板１１４には、ヨーモータ及びピニオンギアを有するヨー旋回機構１１９が固定されており、タワー１１６側に設けられたリングギアにヨー旋回機構１１９のピニオンギアを噛み合わせた状態でヨーモータを駆動することでナセル１１２をタワー１１６に対して旋回可能になっていてもよい。さらに、各ブレード１０２は、翼旋回軸受（不図示）を介してハブ１０４に支持されており、ハブ１０４内に設けられたピッチ駆動アクチュエータ（不図示）によってピッチ角が調節されるようになっていてもよい。

また、ウインドファーム１の各風車１００Ａ〜１００Ｃは、ギア式の増速機１０８を備えたドライブトレインに替えて、図３に示すように、油圧トランスミッション１２０を備えたドライブトレインを介して主軸１０６の回転エネルギーを発電機１１０に伝達するようになっていてもよい。
油圧トランスミッション１２０は、図３に示すように、主軸１０６とともに回転して圧油を生成する油圧ポンプ１２２と、油圧ポンプ１２２からの圧油によって駆動されて発電機１１０に回転を入力する油圧モータ１２４とを備える。また、油圧ポンプ１２２の出口は、高圧油ライン１２６によって油圧モータ１２４の入口に接続されている。一方、油圧ポンプ１２２の入口は、低圧油ライン１２８によって油圧モータ１２４の出口に接続されている。これにより、主軸１０６の回転によって駆動された油圧ポンプ１２２は低圧油ライン１２８から供給された作動油を昇圧して高圧油ライン１２６に吐出し、昇圧された作動油（圧油）によって駆動された油圧モータ１２４から発電機１１０に回転エネルギーが入力される。このようにして、主軸１０６の回転エネルギーが油圧トランスミッション１２０を介して発電機１１０に伝達される。

なお、図２又は３に示した構成例の風車１００において、各種部品の損傷状態又は劣化状態を示す状態値Ｘが不図示の状態値検出センサによって取得され、運転制御システム１０の状態監視部１２に状態値Ｘが報告されるようになっている。
各風車１００Ａ〜１００Ｃの各種部品の状態値Ｘの具体例として、ブレード１０２の損傷状態又は劣化状態を示すものとしてブレード２の重量、各ブレード１０２間の重量アンバランス、ブレード１０２の振動等を挙げることができ、タワー１１６の損傷状態又は劣化状態を示すものとしてタワー１１６基部又はタワー１１６上部の疲労荷重やタワー１１６の振動等を挙げることができ、増速機１０８や油圧トランスミッション１２０の損傷状態又は劣化状態を示すものとして主軸軸受１０７や油圧ポンプ１２２の軸受の振動、主軸１０６の振動や振れ回り、油圧ポンプ１２２のピストン振動や振幅、油圧トランスミッション１２０の効率等を挙げることができ、ナセル台板１１４やハブ１０４等の鋳物からなる部材の損傷状態又は劣化状態を示すものとして応力集中による疲労を挙げることができる。

例えば、状態値検出センサとして、各ブレード１０２に埋め込まれた光ファイバセンサ（ＦＢＧ：Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）を用い、該光ファイバセンサで計測した歪みを曲げモーメントに変換し、曲げモーメントに含まれる正弦波関数成分から状態値Ｘの一例であるブレード１０２の重量を求めてもよい。なお、ブレード１０２の重量変化の要因としては、落雷や飛翔物体との衝突によるブレード１０２の破損や、ブレード１０２への着氷による影響が考えられる。また、同様の手法により求めた各ブレード１０２の重量から、状態値Ｘの一例であるブレード１０２の重量アンバランス（ロータ１０５のモーメント）を求めてもよい。また、状態値検出センサとして、ブレード１０２に取り付けた加速度センサを用い、該加速度センサの計測結果から、状態値Ｘの一例であるブレード１０２の振動を求めてもよい。
あるいは、状態値検出センサとして、タワー１１６の上部に取り付けた歪みゲージを用い、該歪みゲージで計測した曲げやねじりから、状態値Ｘの一例であるタワー１１６の上部の疲労荷重を求めてもよい。また、状態値検出センサとして、タワー１１６の下部に取り付けた歪みゲージを用い、該歪みゲージで計測した曲げや荷重から、状態値Ｘの一例であるタワー１１６の基部の疲労荷重を求めてもよい。さらに、状態値検出センサとして、タワー１１６に取り付けた加速度センサを用い、該加速度センサの計測結果から、状態値Ｘの一例であるタワー１１６の振動を求めてもよい。
あるいは、主軸軸受１０７、翼旋回軸受、ヨー旋回軸受１１８、油圧ポンプ１２２及び油圧モータ１２４内に設けられる軸受（ポンプ軸受及びモータ軸受）に代表される各種軸受の振動が状態値Ｘである場合、これら軸受に直接又は間接的に取り付けた加速度センサを状態値検出センサとして用いてもよい。さらに、主軸１０６の振動や振れ回りが状態値Ｘである場合、主軸１０６に取り付けた加速度センサを状態値検出センサとして用いてもよい。また、油圧ポンプ１２２及び油圧モータ１２４が、複数のピストンと、該ピストンを案内するシリンダと、各ピストンを上下動させるカム又は各ピストンの上下動によって回転するカムとを備える場合、油圧ポンプ１２２又は油圧モータ１２４のケーシングに取り付けた加速度センサを状態値検出センサとして用い、状態値Ｘとしてのピストンの振動・振幅を求めてもよい。さらに、油圧トランスミッション１２０の効率が状態値Ｘである場合、高圧油ライン１２６に設置された圧力センサ及び主軸１０６に取り付けられた回転数計を用い、これらセンサの計測値から油圧ポンプ１２２の出力を算出するとともに、電圧・電流センサを用いて計測した発電機１１０の電気的出力を上記油圧ポンプ１２２の出力で除算することで、油圧トランスミッション１２０の効率を求めてもよい。この場合、圧力センサ、回転数計及び電圧・電流センサの組合せが、状態値検出センサとして機能する。

なお、状態値検出センサによる状態値Ｘの取得は、継続的に又は定期的に行ってもよいし、所定の条件を満たした場合に行うようにしてもよい。例えば、ブレード１０２への着雷が雷撃センサ（翼根部に設置した電流センサ等）により検知されたときに、ブレード１０２の状態値Ｘを状態値検出センサで取得するようにしてもよい。

上記構成の風車１００Ａ〜１００Ｃは、図１に示すように、信号線（バス）２を介して運転制御システム１０に接続されている。信号線２は、各風車１００Ａ〜１００Ｃと運転制御システム１０との間における情報のやり取りを行う。例えば、各風車１００Ａ〜１００Ｃの部品の状態に関する情報を運転制御システム１０に供給したり、運転制御システム１０からの制御信号を各風車１００Ａ〜１００Ｃに供給したりするために信号線２が用いられる。

図１に示す例において、運転制御システム１０は、主として、状態監視部１２と、余寿命予測部１４と、メンテナンスコスト予測部１６と、売電収入予測部１８と、収益推定部２０と、出力制限条件選択部２２と、メンテナンス時期選択部２３と、運転指令部２４とを備えている。

状態監視部１２は、信号線２を介して、各風車１００Ａ〜１００Ｃの部品の損傷状態又は劣化状態を示す状態値Ｘを各風車１００Ａ〜１００Ｃから受け取って、各風車１００Ａ〜１００Ｃの部品の状態を監視する。部品の損傷状態又は劣化状態を示す状態値は、各風車１００Ａ〜１００Ｃに設けられた上述の状態値検出センサによって取得される。状態監視部１２では、各風車１００Ａ〜１００Ｃの部品の状態値が管理範囲に収まっているか否かが判断される。そして、ある風車１００Ａ〜１００Ｃの部品の状態値が管理範囲を外れたと状態監視部１２が判断した場合、その風車の運転が後述の運転指令部２４からの指令によって停止される。例えば、部品の状態値が部品全損に対応する後述の閾値Ｘ_ｔｈ（図４参照）よりも安全側の所定の閾値に達した風車の運転を停止するようにしてもよい。一方、部品の状態値が管理範囲に収まっている風車１００Ａ〜１００Ｃについては、運転を継続するとともに、余寿命予測部１４による部品の余寿命の予測が行われる。

余寿命予測部１４は、各風車１００Ａ〜１００Ｃについて部品の余寿命を予測する。余寿命予測部１４は、例えば、各風車１００Ａ〜１００Ｃの部品の損傷状態又は劣化状態を示す状態値の経時変化に基づいて部品の余寿命を予測してもよい。なお、部品の状態値の経時変化は、状態値データベース１５に保存されているものを用いてもよい。

図４は部品の損傷状態又は劣化状態を示す状態値の経時変化を示すグラフの一例である。同図に示すグラフは、時刻ｔ_０〜時刻ｔｃまでは風車最大出力の制限がなされておらず（ただし定格出力以下に出力制御される。）、時刻ｔ_ｃにおいて風車最大出力が定格出力の８０％に制限され、時刻ｔ_Ｍにおいて部品のメンテナンスが行われた場合における状態値の経時変化を表している。
時刻ｔ_０から現在時刻ｔ_１までの状態値Ｘの経時変化３０によれば、時刻ｔ_０〜時刻ｔ_ｃまでは状態値Ｘが急激に増加し、時刻ｔ_ｃにおいて風車最大出力が定格出力の８０％に制限されたために状態値Ｘの上昇速度が低下し、時刻ｔ_Ｍにおいて部品のメンテナンスが行われたために状態値Ｘが初期値まで低下した後、時間経過とともに状態値Ｘが再び上昇している。このような経時変化３０は、状態値データベース１５に保存されており、余寿命予測部１４における部品の余寿命予測に用いられる。

余寿命予測部１４では、現在時刻ｔ_１以降の将来における状態値Ｘの変化曲線３２Ａ〜３２Ｃを出力制限条件ごとに推定し、これら変化曲線３２Ａ〜３２Ｃを用いて状態値Ｘが閾値Ｘ_ｔｈに達するまでの時間（部品の余寿命Ｔ_１００％，Ｔ_９０％，Ｔ_８０％，…）を求めてもよい。閾値Ｘ_ｔｈは、部品の全損に対応する状態値である。ここで、余寿命Ｔ_１００％は、風車最大出力の制限を行わない場合における部品の余寿命（状態値Ｘが閾値Ｘ_ｔｈに達するまでの時間）を意味する。同様に、余寿命Ｔ_９０％は風車最大出力を定格出力の９０％に制限した場合における部品の余寿命を意味し、余寿命Ｔ_８０％は風車最大出力を定格出力の８０％に制限した場合における部品の余寿命を意味する。
なお、余寿命予測部１４は、状態値Ｘが閾値Ｘ_ｔｈに達するまでの時間（部品の余寿命Ｔ_１００％，Ｔ_９０％，Ｔ_８０％，…）に加えて、閾値Ｘ_ｔｈよりも安全側の閾値Ｘ_１，Ｘ_２に状態値Ｘが達するまでの時間を求めてもよい。なお、閾値Ｘ_１，Ｘ_２は、これら値を境にメンテナンスコストが急激に変化するような臨界的な状態値である。

余寿命予測部１４による予測結果は、メンテナンスコスト予測部１６における各風車１００Ａ〜１００Ｃのメンテナンスコストの予測に用いられる。

メンテナンスコスト予測部１６は、各風車１００Ａ〜１００Ｃについて、部品の余寿命Ｔ_１００％，Ｔ_９０％，Ｔ_８０％，…に基づいて、各出力制限条件下におけるメンテナンスコストを予測する。なお、メンテナンスコストは、各風車１００Ａ〜１００Ｃの部品ごとに予測したコストの総和であってもよい。

図５は、各出力制限条件下における部品のメンテナンスコストの経時変化を示すグラフである。
同図に示す例では、メンテナンスコストＣは、部品の状態値の閾値Ｘ_１，Ｘ_２，Ｘ_ｔｈに対応する部品の損傷・劣化段階に応じてＣ_１，Ｃ_２，Ｃ_ｆｕｌｌの３種類がある。具体的には、部品の状態値ＸがＸ_１未満の場合にはメンテナンスは不要でありメンテナンスコストは発生しないが、部品の状態値ＸがＸ_１以上になると最も簡便な第１段階目のメンテナンスを行う余地が生じる。第１段階目のメンテナンスを行うにはメンテナンスコストＣ_１を要する。さらに部品の損傷又は劣化が進行し、部品の状態値Ｘが閾値Ｘ_２以上になると比較的簡便な第２段階目のメンテナンスを行う余地が生じる。第２段階目のメンテナンスを行うにはメンテナンスコストＣ_２（＞Ｃ_１）を要する。さらに部品の損傷又は劣化が進行し、部品の状態値Ｘが部品全損に対応する閾値Ｘ_ｔｈに達すると、部品の交換やオーバーホールを伴う最終段階のメンテナンスが必要となり、その部品を有する風車は運転停止を余儀なくされる。最終段階のメンテナンスを行うにはメンテナンスコストＣ_ｆｕｌｌ（＞Ｃ_２）を要する。

なお、余寿命予測部１４による予測結果は各出力制限条件に依存するから、メンテナンスコスト予測部１６により予測したメンテナンスコストＣは出力制限条件ごとに異なり、それぞれ経時変化３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃを示す。経時変化３４Ａは風車最大出力の制限を行わない場合に対応しており、経時変化３４Ｂは風車最大出力を定格出力の９０％に制限した場合に対応しており、経時変化３４Ｃは風車最大出力を定格出力の８０％に制限した場合に対応している。

メンテナンスコスト予測部１６は、各風車１００Ａ〜１００Ｃの部品の次回メンテナンスの複数の候補時期Ｔ_Ｍ１，Ｔ_Ｍ２，Ｔ_Ｍ３のそれぞれについて、出力制限条件ごとにメンテナンスコストＣを予測してもよい。
なお、メンテナンス候補時期Ｔ_Ｍ１，Ｔ_Ｍ２，Ｔ_Ｍ３は、メンテナンスの実施が困難な期間ΔＴを避けて設定されることが好ましい。例えば、台風や時化による風車１００Ａ〜１００Ｃへのアクセスが制限される確率が高い期間ΔＴを避けて、メンテナンス候補時期Ｔ_Ｍ１，Ｔ_Ｍ２，Ｔ_Ｍ３を設定してもよい。なお、メンテナンス実施が困難な期間ΔＴはウインドファーム１の立地条件に依存するから、過去の気象情報及びこれに対応するメンテナンス実施情報から期間ΔＴを知ることができる。このようにメンテナンス実施困難な期間ΔＴを避けてメンテナンス候補時期Ｔ_Ｍ１，Ｔ_Ｍ２，Ｔ_Ｍ３を設定することで、メンテナンス可能な条件が整うまで待機してメンテナンスを控えることで不可避的に発生する経済的損失を回避できる。

図６は、出力制限条件およびメンテナンス候補時期ごとに予測されたメンテナンスコストＣの一例を示す表である。
同図に示すように、風車最大出力の制限を行わない場合（図５に示す経時変化３４Ａ）、メンテナンス候補時期Ｔ_Ｍ１，Ｔ_Ｍ２，Ｔ_Ｍ３に対応するメンテナンスコストＣは順にＣ_１，Ｃ_２，Ｃ_ｆｕｌｌである。また、風車最大出力を定格出力の９０％に制限する場合（図５に示す経時変化３４Ｂ）、メンテナンス候補時期Ｔ_Ｍ１，Ｔ_Ｍ２，Ｔ_Ｍ３に対応するメンテナンスコストＣは順にＣ_１，Ｃ_１，Ｃ_２である。さらに、風車最大出力を定格出力の８０％に制限する場合（図５に示す経時変化３４Ｃ）、メンテナンス候補時期Ｔ_Ｍ１，Ｔ_Ｍ２，Ｔ_Ｍ３に対応するメンテナンスコストＣは順に０，Ｃ_１，Ｃ_１である。

また、メンテナンスコスト予測部１６は、各風車１００Ａ〜１００Ｃの部品のメンテナンスコストＣを予測する際、他の風車とのメンテナンスの同時実施によるメンテナンスコストの削減効果ΔＣを考慮に入れることが好ましい。
例えば、図６に示す例において、メンテナンス候補時期Ｔ_Ｍ２に他の風車のメンテナンスを同時実施する場合、メンテナンスコストの削減効果ΔＣを考慮して、図７に示すようにメンテナンスコストＣを予測してもよい。図７に示す例では、メンテナンス候補時期ＴＭ_２における各出力制限条件のメンテナンスコストが図６に示す例に比べてΔＣだけ小さくなっている。

なお、他の風車とのメンテナンスの同時実施によるメンテナンスコストの削減効果ΔＣを最大限に活用するため、風車１００Ａの部品の損傷又は劣化の進行が最も早いとき、他の風車１００Ｂ，１００Ｃのメンテナンス候補時期Ｔ_Ｍ１，Ｔ_Ｍ２，Ｔ_Ｍ３には、風車１００Ａの寿命が尽きる直前又は直後における風車１００Ａのメンテナンスの実施が予想される時期を含めることが好ましい。あるいは、風車１００Ａの部品の状態値Ｘが閾値Ｘ_ｔｈを超えて、風車１００Ａの運転が既に停止されている場合には現時点を他の風車１００Ｂ，１００Ｃのメンテナンス候補時期Ｔ_Ｍ１，Ｔ_Ｍ２，Ｔ_Ｍ３に含めることが好ましい。
これにより、最も早い時期にメンテナンスが行われる風車１００Ａとのメンテナンス同時実施によるコスト削減効果ΔＣを、他の風車１００Ｂ，１００ＣのメンテナンスコストＣの予測に反映させることができる。

また、ウインドファーム１の定期メンテナンスは、通常、部品の損傷又は劣化状態にかかわらず全風車１００Ａ〜１００Ｃについて定期的に行われるから、その定期メンテナンスと同時期に部品の保守・交換をすることでメンテナンスコストの削減効果ΔＣを期待できる。よって、メンテナンス候補時期Ｔ_Ｍ１，Ｔ_Ｍ２，Ｔ_Ｍ３は、ウインドファーム１の定期メンテナンスの時期を含むように設定されることが好ましい。

図１に戻って、売電収入予測部１８は、各風車１００Ａ〜１００Ｃについて、複数の出力制限条件下における売電収入を予測する。売電収入予測部１８は、風況データベース１９から、例えば各風車１００Ａ〜１００Ｃに対応した風速出現頻度を表すワイブル分布を読み出して、各出力制限条件下における発電量を予測することで、各風車１００Ａ〜１００Ｃから得られる売電収入を予測してもよい。
なお、売電収入予測部１８は、部品の全損によって引き起こされる風車１００Ａ〜１００Ｃの停止期間中における売電収入はゼロとして計算してもよい。この場合、各風車１００Ａ〜１００Ｃから得られる売電収入は、各風車１００Ａ〜１００Ｃのメンテナンス時期によって変化するから、売電収入予測部１８はメンテナンス候補時期Ｔ_Ｍ１，Ｔ_Ｍ２，Ｔ_Ｍ３ごとに売電収入を予測してもよい。

収益推定部２０は、メンテナンスコスト予測部１６で予測した各風車１００Ａ〜１００ＣのメンテナンスコストＣと、売電収入予測部１８で予測した各風車１００Ａ〜１００Ｃについての売電収入とに基づいて、ウインドファーム１全体の収益を推定する。
収益推定部２０は、最も単純な収益推定手法として、売電収入予測部１８によって取得した各風車１００Ａ〜１００Ｃの売電収入の総和から、メンテナンスコスト予測部１６によって取得した各風車１００Ａ〜１００ＣのメンテナンスコストＣの総和を減算することにより、ウインドファーム１全体の収益を推定してもよい。

出力制限条件選択部２２は、収益推定部２０により推定されたウインドファーム１全体の収益が最大になる出力制限条件を各風車１００Ａ〜１００Ｃについて選択する。そして、選択された出力制限条件に基づき、運転指令部２４から各風車１００Ａ〜１００Ｃに運転指令が送られる。各風車１００Ａ〜１００Ｃは、運転指令部２４からの運転指令に従って、出力制限条件を満たすような運転を行う。例えば、最大出力を定格出力の９０％に制限する運転指令が風車１００Ａに送られた場合、風車１００Ａの風車コントローラ（不図示）は発電機１１０で生成される電力が定格出力の９０％を超えないような制御を行う。

また、メンテナンス時期選択部２３は、収益推定部２０により推定されたウインドファーム１全体の収益が最大になるメンテナンス候補時期を各風車１００Ａ〜１００Ｃについて選択する。選択されたメンテナンス候補時期は、任意の手法によって、ウインドファーム１の管理者や、メンテナンス作業を担当する作業員に通知されてもよい。例えば、選択したメンテナンス候補時期を、ウインドファーム１の制御室のディスプレイに表示してもよいし、作業員が所有するポータブル端末機器に表示してもよい。

次に、ウインドファーム１の運転方法について説明する。図８は、ウインドファーム１の運転方法の手順を示すフローチャートである。

図８に示すように、最初に、運転制御システム１０の状態監視部１２により、信号線２を介して、各風車１００Ａ〜１００Ｃの部品の状態値Ｘをウインドファーム１から取得する（ステップＳ２）。そして、状態監視部１２において、各風車１００Ａ〜１００Ｃの部品の状態値Ｘが管理範囲に収まっているか判断する（ステップＳ４）。各風車１００Ａ〜１００Ｃの部品の状態値Ｘが管理範囲外であると判断された場合（ステップＳ４のＹＥＳ判定）、ステップＳ６に進んで、当該部品を有する風車に対して運転指令部２４から運転停止指令が送られる。

一方、ステップＳ４において状態値Ｘが管理範囲内であると判断された風車については、各出力制限条件について、余寿命予測部１４による部品の余寿命の予測が行われる（ステップＳ８）。この際、余寿命予測部１４は、状態値データベース１５に保存された状態値の経時変化３０に基づいて部品の余寿命予測を行ってもよい。例えば、余寿命予測部１４において、現在時刻ｔ_１以降の将来における状態値Ｘの変化曲線３２Ａ〜３２Ｃ（図４参照）を出力制限条件ごとに推定し、これら変化曲線３２Ａ〜３２Ｃを用いて状態値Ｘが部品全損に対応する閾値Ｘ_ｔｈに達するまでの時間（部品の余寿命Ｔ_１００％，Ｔ_９０％，Ｔ_８０％，…）を求めてもよい。また、余寿命予測部１４は、状態値Ｘが閾値Ｘ_ｔｈに達するまでの時間（部品の余寿命Ｔ_１００％，Ｔ_９０％，Ｔ_８０％，…）に加えて、メンテナンスコストに大きく影響する閾値Ｘ_ｔｈよりも安全側の閾値Ｘ_１，Ｘ_２に状態値Ｘが達するまでの時間を求めてもよい。

その後、ステップＳ１０に進んで、メンテナンスコスト予測部１６によって、各風車１００Ａ〜１００Ｃについて、部品の余寿命Ｔ_１００％，Ｔ_９０％，Ｔ_８０％，…に基づき、各出力制限条件下におけるメンテナンスコストを予測する。この際、メンテナンスコスト予測部１６は、各風車１００Ａ〜１００Ｃの部品の次回メンテナンスの複数の候補時期Ｔ_Ｍ１，Ｔ_Ｍ２，Ｔ_Ｍ３のそれぞれについて、出力制限条件ごとにメンテナンスコストＣを予測してもよい。また、各風車１００Ａ〜１００Ｃの部品のメンテナンスコストＣを予測する際、ウインドファーム１の定期メンテナンスとの同時実施や、他の風車とのメンテナンスの同時実施によるメンテナンスコストの削減効果ΔＣを考慮に入れることが好ましい。

また、ステップＳ１２において、売電収入予測部１８を用いて、各風車１００Ａ〜１００Ｃについて、複数の出力制限条件下における売電収入を予測する。売電収入の予測時、部品の全損によって引き起こされる風車１００Ａ〜１００Ｃの停止期間中における売電収入はゼロとして計算してもよい。この場合、各風車１００Ａ〜１００Ｃから得られる売電収入は、各風車１００Ａ〜１００Ｃのメンテナンス時期によって変化するから、メンテナンス候補時期Ｔ_Ｍ１，Ｔ_Ｍ２，Ｔ_Ｍ３ごとに売電収入を予測してもよい。

続いて、ステップＳ１０及びＳ１２で予測された各風車１００Ａ〜１００Ｃのメンテナンスコスト及び売電収入に基づいて、収益推定部２０において、ウインドファーム１全体の収益を推定する（ステップＳ１４）。例えば、最も単純な収益推定手法として、ステップＳ１２で予測した各風車１００Ａ〜１００Ｃの売電収入の総和から、ステップＳ１０で予測した各風車１００Ａ〜１００ＣのメンテナンスコストＣの総和を減算することにより、ウインドファーム１全体の収益を推定してもよい。

この後、メンテナンス時期選択部２３において、ウインドファーム１の全体の収益の推定値が最大になるメンテナンス候補時期を各風車１００Ａ〜１００Ｃについて選択する（ステップＳ１６）。

また、出力制限条件選択部２２において、ウインドファーム１全体の収益の推定値が最大になる出力制限条件を各風車１００Ａ〜１００Ｃについて選択し（ステップＳ１８）、選択された出力制限条件に基づく運転を、運転指令部２４を通じて、各風車１００Ａ〜１００Ｃに行わせる（ステップＳ２０）。これにより、ウインドファーム１全体の収益が最大になる出力制限条件下で各風車１００Ａ〜１００Ｃの運転が行われる。

以上説明したように本実施形態によれば、ウインドファーム１の各風車１００Ａ〜１００Ｃについて出力制限条件ごとに売電収入及びメンテナンスコストを予測し、ウインドファーム１から得られる収益が最大になる出力制限条件を各風車１００Ａ〜１００Ｃについて選択するようにしたので、ウインドファーム１全体の収益を効果的に向上させることができる。すなわち、各風車１００Ａ〜１００Ｃからの収益に着目するのではなく、ウインドファーム１全体の収益に着目して各風車１００Ａ〜１００Ｃの運転条件を決定することで、経済性に優れたウインドファーム１の運転が可能になる。

また、出力制限条件およびメンテナンス候補時期Ｔ_Ｍ１，Ｔ_Ｍ２，Ｔ_Ｍ３ごとに各風車１００Ａ〜１００Ｃの売電収入及びメンテナンスコストを予測して、ウインドファーム１全体の収益が最大になる出力制限条件とメンテナンス時期との組み合わせを各風車１００Ａ〜１００Ｃごとに決定することで、より一層経済性に優れたウインドファーム１の運転が可能になる。

また、部品の状態値Ｘが管理範囲を外れた場合に、該部品を有する風車の運転を停止させることで、部品の完全な故障に至る前に当該部品を有する風車の運転を停止させて、長期間に亘って風車の停止を余儀なくされる事態を防止できる。

［本実施形態の適用例］
次に、風車Ａ及び風車Ｂからなるウインドファーム１に対して上述の実施形態を適用した場合における、経済的効果について具体的に説明する。
図９は、上述の実施形態において風車Ａ及び風車Ｂの出力制限条件及びメンテナンス時期が決定される様子を示した図である。図１０は、各風車単独の利益の最大化を追求した場合において風車Ａ及びＢの出力制限条件及びメンテナンス時期が決定される様子を示した図である。なお、図９及び１０には、風車Ａ又は風車Ｂの最大出力の制限がない場合、風車Ａ又は風車Ｂの最大出力を定格出力の９０％に制限する場合、および、風車Ａ又は風車Ｂの最大出力を定格出力の８０％に制限する場合におけるメンテナンスコストＣの経時変化を示している。

図１０に示すように、各風車Ａ，Ｂから得られる収益が最大になるように出力制限条件及びメンテナンスコストを決定した場合、風車Ａについては定格出力の９０％の出力制限条件及びメンテナンス時期Ｔ_ＭＡ’の組合せが選択され、風車Ｂについては制限なしの出力制限条件及びメンテナンス時期Ｔ_ＭＢ’の組合せが選択される。なお、メンテナンス時期Ｔ_ＭＡ’及びＴ_ＭＢ’は、それぞれ、定格出力の９０％の出力制限条件採用時における風車ＡのメンテナンスコストＣがＣ_ｆｕｌｌに上昇する直前の時期と、制限なしの出力制限条件採用時における風車ＢのメンテナンスコストＣがＣ_ｆｕｌｌに上昇する直前の時期とを示す。
図１０に示す例において、上述した出力制限条件及びメンテナンス時期の組合せが選択されているのは、風速が高く時化が起こりやすい冬季（メンテナンス実施困難期間ΔＴ）中に部品が全損して発電が停止されることによる逸失利益と、風車の最大出力を制限することによる逸失利益と、メンテナンスコストＣとを考慮した上で各風車から得られる利益の最大化を追求したためである。

一方、図９に示すように、ウインドファーム１（風車Ａ及び風車Ｂ）全体から得られる利益が最大になるように出力制限条件及びメンテナンスコストを決定した場合、風車Ａについては定格出力の９０％の出力制限条件及びメンテナンス時期Ｔ_ＭＡの組合せが選択され、風車Ｂについては制限なしの出力制限条件及びメンテナンス時期Ｔ_ＭＢの組合せが選択される。ここで、メンテナンス時期Ｔ_ＭＡ及びＴ_ＭＢは、それぞれ、定格出力の９０％の出力制限条件採用時における風車ＡのメンテナンスコストＣがＣ_ｆｕｌｌに上昇した直後の時期と、制限なしの出力制限条件採用時における風車ＢのメンテナンスコストＣがＣ_２である時期とを示す。なお、図９に示す例では、風車Ａ及び風車Ｂのメンテナンス時期Ｔ_ＭＡ，Ｔ_ＭＢを略一致させて、メンテナンスコストの削減効果ΔＣを享受している。メンテナンスコストの削減効果ΔＣは、具体的には、ウインドファーム１とメンテナンス拠点との間における移動中における作業員の人件費や、ウインドファーム１とメンテナンス拠点との間で作業員が移動したり、メンテナンスに必要な機器を搬送したりするための輸送機器（トレーラー、ヘリコプター、クレーン車、クレーン船等）のチャーター費用が考えられる。なお、図９に示す例では、メンテナンスコストの削減効果ΔＣは、各風車Ａ及びＢについて均等に分配している。
図９に示す例では、各風車Ａ，Ｂ単独の利益の最大化に必ずしもつながらない出力制限条件及びメンテナンス時期の組合せを敢えて選択して、ウインドファーム１全体の利益の最大化を追求している。例えば、風車Ａ単独の利益を最大化するのであれば、図９に示すように、メンテナンスコストＣがＣ_ｆｕｌｌに上昇する直前の時期においてメンテナンス時期Ｔ_ＭＡを設定し、これと同時期に風車Ｂのメンテナンスを実施したほうが良いかもしれない。ところが、この場合、風車Ｂのメンテナンス時期が前倒しされ、風車ＢのメンテナンスコストＣがＣ_１からＣ_２に急増した直後に風車Ｂのメンテナンスを実施することとなり、風車Ｂのメンテナンス頻度が必要以上に高くなって、ウインドファーム１全体の収益は却って悪化してしまう。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。

例えば、上述の実施形態では、各風車１００Ａ〜１００Ｃのメンテナンス時期を部品ごとに異ならせる場合は考慮しなかったが、各風車１００Ａ〜１００Ｃの部品ごとに複数のメンテナンス候補時期を設定し、ウインドファーム１全体の収益が最大になる各風車１００Ａ〜１００Ｃの出力制限条件と、各風車１００Ａ〜１００Ｃの部品ごとのメンテナンス時期との組み合わせを決定してもよい。
この場合、風車１００Ａ〜１００Ｃの各部品のメンテナンスコストＣを予測するに当たって、同一の風車に属する他の部品のメンテナンス時期に合わせてメンテナンスを実施することによるコスト削減効果ΔＣを考慮してもよい。そのためには、各風車１００Ａ〜１００Ｃのそれぞれの部品のメンテナンス候補時期は、同一の風車の他の部品のメンテナンス時期を含むように設定されることが好ましい。

１ ウインドファーム
２ 信号線（バス）
１０ 運転制御システム
１２ 状態監視部
１４ 余寿命予測部
１５ 状態値データベース
１６ メンテナンスコスト予測部
１８ 売電収入予測部
１９ 風況データベース
２０ 収益推定部
２２ 出力制限条件選択部
２３ メンテナンス時期選択部
２４ 運転指令部
３０ 状態値経時変化
３２Ａ〜３２Ｃ 変化曲線
３４Ａ〜３４Ｃ メンテナンスコスト
１００Ａ〜１００Ｃ 風車
１０２ ブレード
１０４ ハブ
１０５ ロータ
１０６ 主軸
１０７ 主軸軸受
１０８ 増速機
１０９ 出力軸
１１０ 発電機
１１２ ナセル
１１４ ナセル台板
１１６ タワー
１１８ ヨー旋回軸受
１１９ ヨー旋回機構
１２０ 油圧トランスミッション
１２２ 油圧ポンプ
１２４ 油圧モータ
１２６ 高圧油ライン
１２８ 低圧油ライン

Claims (5)

1. 複数の風車を備えたウインドファームの運転方法であって、
   各風車について部品の余寿命を予測するステップと、
   各風車について、複数の出力制限条件下における売電収入を予測するステップと、
   各風車について、前記部品の余寿命に基づいて各出力制限条件下におけるメンテナンスコストを予測するステップと、
   少なくとも、各風車について前記出力制限条件ごとに予測された前記売電収入及び前記メンテナンスコストに基づいて、前記ウインドファームから得られる収益が最大になる出力制限条件を各風車について選択するステップと、
   選択された前記出力制限条件に基づいて各風車の運転制御を行うステップとを備えることを特徴とするウインドファームの運転方法。
2. 前記メンテナンスコストは、前記部品の次回のメンテナンスの複数の候補時期のそれぞれについて予測され、
   少なくとも、各風車について前記出力制限条件および前記候補時期ごとに予測された前記売電収入及び前記メンテナンスコストに基づいて、前記ウインドファームから得られる収益が最大になる出力制限条件とメンテナンス時期とを各風車について決定することを特徴とする請求項１に記載のウインドファームの運転方法。
3. 前記余寿命を予測するステップでは、前記部品の損傷状態又は劣化状態を示す状態値の経時変化に基づいて前記部品の余寿命を予測することを特徴とする請求項１又は２に記載のウインドファームの運転方法。
4. 前記部品の前記状態値が管理範囲を外れた場合に、該部品を有する風車の運転を停止させるステップをさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のウインドファームの運転方法。
5. 複数の風車を備えたウインドファームの運転制御システムであって、
   各風車について部品の余寿命を予測する余寿命予測部と、
   各風車について、複数の出力制限条件下における売電収入を予測する売電収入予測部と、
   各風車について、前記部品の余寿命に基づいて各出力制限条件下におけるメンテナンスコストを予測するメンテナンスコスト予測部と、
   少なくとも、各風車について前記出力制限条件ごとに予測された前記売電収入及び前記メンテナンスコストに基づいて、前記ウインドファームから得られる収益が最大になる出力制限条件を各風車について選択する出力制限条件選択部と、
   選択された前記出力制限条件に基づいて運転指令を各風車に送る運転指令部とを備えることを特徴とするウインドファームの運転制御システム。
   

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