JP6407592B2 - 風力発電装置の異常診断装置および異常診断方法 - Google Patents

Description

この発明は、風力発電装置の異常診断装置および異常診断方法に関する。

クリーンなエネルギー源を使用して発電する発電装置として、風力発電装置が知られている。

風力発電装置においては、運転監視装置（Ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ａｎｄ Ｄａｔａ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ：ＳＣＡＤＡ）や状態監視装置（Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ：ＣＭＳ）などにより風車の運転状態が遠隔的に監視される。ＳＣＡＤＡでは、風車の発電量や風速などの運転情報が収集され、ＣＭＳでは、機器の損傷や劣化状態などが監視される。

特開２００２−３４９４１５号公報（特許文献１）は、遠隔地から風力発電装置の運転状態を監視する風力発電装置の監視システムを開示する。

ＳＣＡＤＡでは運転情報とともに温度などのデータも採取され、機器の異常監視にも使用されている。一方、ＣＭＳは機器の異常監視を目的としたシステムであり、風力発電装置にはＳＣＡＤＡのみが設備される場合とＳＣＡＤＡとＣＭＳが設備される場合がある。

ＳＣＡＤＡとＣＭＳは風力発電装置の各機器の異常を監視することから、両者を風力発電装置の異常診断装置と呼ぶことにする。

特開２００２−３４９４１５号公報

風力発電装置には、上述したように異常診断装置が使用されている。異常診断装置では、振動、ＡＥ（Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）に基づいて風力発電装置の機器内で使用されている軸受や歯車の異常診断を行っている。

一方、風力発電装置では、風車ブレードを風向に正対させるために、風向に基づいてナセルを回転させるヨー運動を行なう。しかし、ヨー運動中は測定対象に余分な振動が加わり正確な診断ができないという問題があった。

この発明の目的は、風力発電装置のヨー運動の検知より、軸受等の異常検出の精度が向上された風力発電装置の異常診断装置および異常診断方法を提供することである。

この発明は、要約すると、風力発電装置の異常診断装置であって、風力発電装置の回転速度を検知する回転検知部の出力と、発電量を検知する発電量検知部の出力とに加えナセルのヨー運動を検知するヨー運動検知部の出力に基づいて、風力発電装置の異常を診断する診断部とを備える。

回転検知部、発電量検知部、ヨー運動検知部により、測定した振動等のデータを異常診断のデータとして採用するか否かを判定する。すなわち回転速度が指定範囲内であって、発電量が指定範囲内であり、かつ、ヨー運動していない場合の振動等のデータを異常診断のためのデータとして採用する。

好ましくは、ヨー運動検知部は、ジャイロセンサを含む。
好ましくは、回転検知部は、風力発電装置の主軸または増速機の高速軸または発電機軸の回転速度を検出するセンサを含む。さらに、ナセル内の制御盤から回転速度に比例してアナログ信号を入力することによっても回転速度を入手することは可能である。発電量検知部は、ナセル制御盤内から発電量に比例したアナログ信号を入手すること、または発電機の出力ケーブルに流れる電流値を検出することにより風力発電装置の発電量を検出する。

診断のためのステップは、振動、ＡＥを測定するデータ計測（ステップＳ１）の後に、異常診断のためのデータとして採用するか否かの判定を、Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４のステップで実施する。つまり、回転速度が指定範囲内であって（Ｓ２でＹＥＳ）、発電量が指定範囲内であって（Ｓ３でＹＥＳ）、ヨー運動中でない（Ｓ４でＮＯ）ならば、データは異常診断のためのデータとして採用し（Ｓ５）、診断を実行する。いずれかの条件を満たさないならば、異常診断のデータとして採用しない（Ｓ６）。

本発明によれば、異常診断の際にヨー運動の影響を除くことができ、風力発電装置の高精度な異常診断が可能となる。

本実施の形態の異常診断装置が使用される一例である風力発電装置を説明するための図である。 ナセル内部の構造をより詳細に示した図である。 異常診断装置８０が実行するデータ取得および異常診断の処理について説明するためのフローチャートである。 実施の形態２におけるヨー運動を検知する構成を示した図である。 図４のＶ−Ｖ部の断面図である。 近接センサがオン状態となる歯車位置を示した図である。 近接センサがオフ状態となる歯車位置を示した図である。 近接センサの取り付け位置の変形例を示した図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

［実施の形態１］
図１は、本実施の形態の異常診断装置が使用される一例である風力発電装置を説明するための図である。

図１を参照して、タワー１００の上端部には、ナセル９０が設けられている。そして、ロータヘッド２０は主軸２２の先端部分に接続されている。主軸はナセル９０内部で支持され、発電機５０へと接続されている。また、ロータヘッド２０には複数のブレード３０が取り付けられている。

風力発電装置は、地上に固定されたタワー１００に対して、風向に応じてナセル９０を回転させるヨー運動を行なうことが可能に構成されている。好ましくは、風上にブレード３０側が位置するようにナセル９０が回転される。

また、風力発電装置１０は、風力の強さに応じてブレード３０の風の方向に対する角度（以下、ピッチとする）を変化させることによって、適度な回転を得ている。また、風車の起動・停止を行なう場合にも同様に、ブレードピッチが制御される。また、主軸を１回転させる間においても、各ブレード３０が数度揺動するように制御されている。このようにすることによって、風から得ることのできるエネルギーの量を調整することができる。
強風時などでは、風車の回転を抑制するためにブレードの風受け面（翼面、羽面ともいう）を風の方向と平行にする。

図２は、ナセル内部の構造をより詳細に示した図である。図１、図２を参照して、風力発電装置１０は、主軸２２と、ブレード３０と、増速機４０と、発電機５０と、主軸受６０と、異常診断装置８０とを備える。増速機４０、発電機５０、主軸受６０および異常診断装置８０は、ナセル９０に格納され、ナセル９０は、タワー１００によって支持される。

主軸２２は、ロータヘッド２０からナセル９０内に進入して増速機４０の入力軸に接続され、主軸受６０によって回転自在に支持される。そして、主軸２２は、風力を受けたブレード３０により発生する回転トルクを増速機４０の入力軸へ伝達する。ブレード３０は、主軸２２の先端に設けられ、風力を回転トルクに変換して主軸２２に伝達する。

主軸受６０は、ナセル９０内において固設され、主軸２２を回転自在に支持する。主軸受６０は、転がり軸受によって構成され、たとえば、自動調芯ころ軸受や円すいころ軸受、円筒ころ軸受、玉軸受等によって構成される。なお、これらの軸受は、単列のものでも複列のものでもよい。

増速機４０は、主軸２２と発電機５０との間に設けられ、主軸２２の回転速度を増速して発電機５０へ出力する。一例として、増速機４０は、遊星ギヤや中間軸、高速軸等を含む歯車増速機構によって構成される。なお、特に図示しないが、この増速機４０内にも、複数の軸を回転自在に支持する複数の軸受が設けられている。発電機５０は、増速機４０の出力軸に接続され、増速機４０から受ける回転トルクによって発電する。発電機５０は、たとえば、誘導発電機によって構成される。なお、この発電機５０内にも、ロータを回転自在に支持する軸受が設けられている。

ナセル回転機構は、ナセル９０側に取り付けられたナセル向き変更用の駆動装置１２４と、駆動装置１２４の回転軸に嵌合されたピニオンギヤによって回転されるリングギヤ１２６とを含む。リングギヤ１２６はタワー１００に固定された状態に取り付けられている。

ナセル回転機構は、ナセル９０の向きを変更（調整）する。ここで、ナセル９０とタワー１００の境界部には、ナセル支持用の軸受１２２が設けられている。、ナセル９０は軸受１２２によって支持され、軸受１２２の回転軸を中心として回転する。このようなタワーの中心軸回りのナセル９０の回転をヨー（ｙａｗ）運動またはヨーイング（ｙａｗｉｎｇ）という。ヨー運動は、ナセル９０内に設置されたヨー運動検知部８２によって検知される。ヨー運動検知部８２としては、例えばジャイロセンサを含むものが使用できる。ジャイロセンサは、カメラの手振れ防止やゲーム機の動き検出や自動車の姿勢計測などに広く用いられるようになってきている。

ブレードピッチ可変機構は、ロータヘッド側に取り付けられたブレードピッチ変更用の駆動装置２４と、駆動装置２４の回転軸に嵌合されたピニオンギヤによって回転されるリングギヤ２６とを含む。リングギヤ２６はブレード３０に固定された状態に取り付けられている。

ブレードピッチ可変機構は、複数のブレード３０を揺動させ、ブレード３０のピッチを変更（調整）する。ここで、この複数のブレード３０の基端部には、ブレード用軸受１２０が設けられており、ブレード３０はブレード用軸受１２０によってそれぞれ支持され、ブレード用軸受１２０の回転軸を中心として回転する。

発電機５０に負荷がかかっている場合には、風の方向とブレード３０の風受け面とがなす角度が角度θ（≠０）となるようにブレード３０のピッチが設定される。すると、ブレード３０の風受け面は、風からのエネルギーを受ける。そして複数のブレード３０は、ロータヘッド２０に接続された主軸２２を軸とし、ロータヘッド２０と共にタワー１００に対して回転する。この回転軸の回転は発電機へと伝達され、発電が行なわれる。

また強風時などには、風の方向とブレード３０の風受け面とが平行となるようにブレード３０のピッチが変更される。このように、風の方向とブレード３０のピッチとが平行となる状態（フェザリング）では、ブレード３０の風受け面は風からエネルギーをほとんど受けなくなる。このようにすることによって、ブレード３０およびロータヘッド２０の回転速度の異常上昇による風力発電装置１０の破損を防止することができる。

本実施の形態の異常診断装置は、主軸受、増速機、発電機の各装置に付けられた振動センサからデータを収集する。振動センサの一例として、図１、図２には、発電機５０に取り付けられたセンサ８１が示される。

異常診断装置は、振動データの収集と同時にナセル制御盤より発電機軸の回転速度に比例するアナログ信号、発電量に比例するアナログ信号およびヨー運動の有無を示す信号を取得する。

振動の測定値は、機器の損傷の有無にかかわらず主軸の回転速度によって変化する。そのため、異常診断のためには、ある範囲の回転速度の時に振動測定値を比較する必要がある。さらに、振動測定値は、機器の損傷の有無にかかわらず回転軸に作用する伝達トルクの大きさによっても変化する。伝達トルクの計測の代わりに発電量を採用することが可能であるため、発電量がある範囲にある時に振動測定値を比較する必要がある。

ヨー運動中には駆動装置１２４、リングギヤ１２６および軸受１２２付近に振動が発生し、主軸受、増速機、発電機の各装置に付けられた振動センサにノイズを与える。そのため、ヨー運動中には正確な主軸受等の振動測定値の採取ができない。たとえば、ヨー運動時に発生した振動によって主軸受等が異常であると誤診断されるおそれがある。

そこで、回転速度と発電量がある範囲であることの制約に加えて、ヨー運動の有無を付け加えることによって、ノイズの含まれる振動測定値を診断のためのデータから除くことによって診断の精度が向上する。

本実施の形態の異常診断装置では、ヨー運動検知部８２（ジャイロセンサ）をナセルに取り付けて、ナセルの回転運動によって生じる角速度を検出することによって、ヨー運動の有無を検出する。

図３は、異常診断装置で測定したデータを診断対象とするか否かを判定するフローチャートである。

たとえば、一定経過時間毎にステップＳ１においてデータ計測が行われる。異常診断装置は主軸受、増速機、発電機の各装置に付けられた振動センサからデータを取得すると同時に、ナセル制御盤からの信号として回転速度と発電量並びにヨー運動の有無を示す信号を受けとる。

ステップＳ２では、回転速度が指定の回転速度範囲内であるか否かを判断する。範囲内であれば処理はステップＳ３に進み、範囲外であればステップＳ６に進み、データを不採用とする。具体的には、ステップＳ１の振動測定の開始時と終了時に回転速度を測定し、その両者が指定の回転速度範囲内にあることによって回転速度が指定の回転速度範囲内であると判断する。

ステップＳ３では、発電量が指定の発電量範囲内であるか否かを判断する。範囲内であれば処理はステップＳ４に進み、範囲外であればステップＳ６に進み、データを不採用とする。具体的には、ステップＳ１の振動測定の開始時と終了時に発電量を測定し、その両者が指定の発電量範囲内にあることによって指定の発電量範囲内であると判断する。

ステップＳ４では、ヨー運転中であるか否かを判断する。ヨー運転中でないならば処理はステップＳ５に進み、ヨー運転中であるならばステップＳ６に進み、データを不採用とする。具体的には、ステップＳ１の振動測定の開始時と終了時にヨー運動検知部８２（ジャイロセンサ）からの出力を測定し、その両者がある一定値以上であれば、ヨー運転中と判断し、ある一定値以下ならば、ヨー運転中でないと判断する。ここで、ある一定値は使用するジャイロセンサが本質的に持っているノイズによって決まる値である。

ステップＳ５では、計測されたデータは診断対象として採用され、回転速度、発電量、ヨー運動の有無のデータとともに異常診断装置からデータサーバに送られる。一方、ステップＳ６は、診断対象とされないデータであるため、計測されたデータは不採用とされ、データサーバに送らない。

ステップＳ７では、データサーバは異常診断装置から送られたデータを対象にセンサ設置位置毎のしきい値と比較して診断を実行する。

なお、ステップＳ７の処理は、必ずしもデータサーバで診断が行なわれなくてもよく、異常診断装置にセンサ設置位置毎のしきい値を保持しておれば、異常診断装置で診断が可能である。この場合は、次ステップで測定データとともに診断結果をデータサーバに送ることになる。

ステップＳ７の処理が終了すると、ステップＳ８に処理が進められ、制御はメインルーチンに戻される。

なお、ステップＳ４のヨー運動の判断については、ジャイロセンサで検出された角速度がヨー運動を示すか否かで判断したが、たとえば、駆動装置１２４に駆動信号が送信されている間はヨー運動中であると判断して、データを採用しないようにしてもよい。

最後に、本実施の形態について、再び図面を参照して総括する。図１、図２に示す本実施の形態の風力発電装置の異常診断装置は、風力発電装置の異常を判断する振動を検知するセンサ８１と、ナセルのヨー運動を検知可能なヨー運動検知部８２と、センサ８１の出力とヨー運動検知部８２の出力とに基づいて、風力発電装置の異常を診断する異常診断装置８０とを含む。

好ましくは、図３のステップＳ４の処理に示されるように、異常診断装置８０は、ヨー運動検知部８２によってナセル９０のヨー運動が検知されていない期間はセンサ８１の検知結果を採用し、ヨー運動検知部８２によってナセルのヨー運動が検知されている期間はセンサ８１の検知結果を不採用とし、採用したセンサ８１の検知結果に基づいて風力発電装置の異常を診断する。

好ましくは、ヨー運動検知部８２は、ジャイロセンサを含む。
好ましくは、センサ８１は、風力発電装置の発電量、風車の回転速度の少なくとも一方を検出するセンサを含む。

また、以上の実施の形態では、ヨー運動中は診断用データを採用しないこととして診断精度を向上させた。たとえば、ブレードピッチ変更中もノイズとなる振動が発生するので、ブレードピッチ変更中は診断用データを採用しないこととして診断精度を向上させてもよい。また、ヨー運動中も診断用データ不採用とし、ブレードピッチ変更中も診断用データを不採用とするようにして、診断精度を向上させてもよい。

［実施の形態２］
実施の形態１では、ヨー運動をヨー運動検知部８２で検知し、ヨー運動検知部８２としてジャイロセンサを使用することができる旨を説明した。実施の形態２では、他の方法でヨー運動を検知する例を説明する。なお、ジャイロセンサを用いない点以外は、実施の形態１と同様に実施の形態２においても図１，図２で示された構成が採用され、図３で示された制御が行なわれる。

図４は、実施の形態２におけるヨー運動を検知する構成を示した図である。図４には、図２のナセル９０とタワー１００の接続部分が拡大して示される。

ナセル９０の床板１４４には孔が設けられ、図２の駆動装置１２４である旋回輪駆動用のモータ１２４が孔部分に取り付け板１４６および締結部材１４８，１５０によって取り付けられている。

タワー１００の上端部は、床板１５４が取り付けられている。ナセル９０を旋回させるための軸受１２２の外輪１３２は、締結部材１５２によって床板１４４に固定されており、軸受１２２の内輪１３４は締結部材１５６によって床板１５４に固定されている。外輪１３２は、転動体１３６，１３８によって内輪１３４に対して回転可能に支持されている。

内輪１３４の内側には、リングギヤ１２６が形成されている。モータ１２４の回転軸１４２にはリングギヤの内径に収まる小さな歯車１４０が取り付けられている。歯車１４０とリングギヤ１２６とは噛みあっている。モータ１２４に駆動信号が与えられると、歯車１４０が回転し、タワー１００に固定されているリングギヤ１２６を押すので、軸受１２２の外輪１３２が内輪１３４に対して動くとともにナセル９０が動く。

なお、ナセル９０は風向に合わせて向きを変えるので、ナセル９０は、主にある角度の範囲内で揺動運動をする。

ナセル９０の床板１４４の下面には、近接センサ１６０が取り付けられている。近接センサは、検出対象の移動情報や存在情報を電気的信号に置き換えるセンサである。電気的信号に置き換えるための検出方式には、電磁誘導により検出対象となる金属体に発生する渦電流を利用する方式、検出体の接近による電気的な容量の変化を捉える方式のほか、超音波や光の反射を検出する方式や、磁石やリードスイッチを利用する方式がある。近接センサは、近接スイッチとも呼ばれることがある。

図５は、図４のＶ−Ｖ部の断面図である。図４、図５を参照して、近接センサ１６０は歯車１４０の歯先の動きを検出できる位置に取り付けられている。

図６は、近接センサがオン状態となる歯車位置を示した図である。図７は、近接センサがオフ状態となる歯車位置を示した図である。図６に示すように、歯車１４０の歯先１７０が近接センサ１６０に正対すると、近接センサ１６０はオン信号を出力する。また、図７に示すように、歯車１４０の歯元１７２が近接センサ１６０に正対すると、近接センサ１６０はオフ信号を出力する。

近接センサ１６０の出力は、図４に示すように異常診断装置８０に送信される。異常診断装置８０は、振動測定の開始時と終了時に、近接センサ１６０の出力を測定し、出力値に変化がある場合には、ヨー運動中であると判断しデータを不採用とする（図３のＳ３，Ｓ６参照）。異常診断装置８０は、近接センサ１６０の出力値に変化がない場合には、ヨー運動中ではないと判断しデータを採用する（図３のＳ３，Ｓ５参照）。

図８は、近接センサの取り付け位置の変形例を示した図である。図４〜図７では、近接センサ１６０は、モータ１２４の回転軸１４２に取り付けられた歯車１４０の回転を検出するように配置されていたが、図８では、リングギヤ１２６の回転を検出するように配置されている。

近接センサ１６０Ａとして示したように、リングギヤ１２６の歯先１７０Ａに正対すると、近接センサ１６０はオン信号を出力する。また、近接センサ１６０Ｂとして示したように、リングギヤ１２６の歯元１７２Ａに正対すると、近接センサ１６０はオフ信号を出力する。

この場合も、近接センサ１６０は、ナセル９０の床板１４４の下面に取り付けられる。ただし、歯車１４０が噛合う可能性がある部分には取り付けることはできないので、図８に示す場合には、風向から定まるナセル９０の揺動範囲の外に取り付ける必要がある。

以上実施の形態２に示したように、ヨー運動検知部は、歯車の動きを検出するセンサを含む。この歯車は、ナセル９０がヨー運動行なう時にナセル９０のヨー運動に連動して回転する歯車であればどのような歯車であっても良い。たとえば、歯車１４０と同様な歯車をモータ１２４とは別の部分にリングギヤ１２６と噛合うように設け、その歯先位置を近接センサで検出したり、その回転軸を回転センサで検出しても良い。

なお、ナセル９０のヨー運動を検出する方法は種々考えられるので、他の方法を用いても良い。たとえば、モータ１２４の回転軸に回転センサを取り付けておいても良い。また、モータ１２４を駆動する指令信号によってヨー運動の有無を検出しても良い。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ 風力発電装置、２０ ロータヘッド、２２ 主軸、２４，１２４ 駆動装置、２６，１２６ リングギヤ、３０ ブレード、４０ 増速機、５０ 発電機、６０ 主軸受、８０ 異常診断装置、８１ センサ、８２ ヨー運動検知部、９０ ナセル、１００ タワー、１２０ ブレード用軸受、１２２ 軸受、１３２ 外輪、１３４ 内輪、１３６，１３８ 転動体、１４０ 歯車、１４２ 回転軸、１４４，１５４ 床板、１４６ 取り付け板、１４８，１５０，１５２，１５６ 締結部材。

Claims (5)

1. 風力発電装置の異常診断装置であって、
   前記風力発電装置の回転速度を検知する回転検知部の出力と、発電量を検知する発電量検知部の出力と、ナセルのヨー運動を検知するヨー運動検知部の出力とに基づいて、前記風力発電装置の異常を診断する診断部を備え、
   前記診断部は、
   前記ナセルのヨー運動が検知されていない期間は、前記風力発電装置の異常を判断する振動またはＡＥのデータを採用し、前記ナセルのヨー運動が検知されている期間は、前記風力発電装置の異常を判断する振動またはＡＥのデータを不採用とし、採用した振動またはＡＥのデータに基づいて前記風力発電装置の異常を診断する、異常診断装置。
2. 前記ヨー運動検知部は、ジャイロセンサを含む、請求項１に記載の異常診断装置。
3. 前記ヨー運動検知部は、歯車の動きを検出するセンサを含み、前記歯車は、前記ナセルがヨー運動行なう時に前記ナセルのヨー運動に連動して回転する、請求項１に記載の異常診断装置。
4. 前記風力発電装置の異常を判断するパラメータとして振動、ＡＥの少なくとも一方を検出するセンサを含む、請求項１に記載の異常診断装置。
5. 風力発電装置の異常診断方法であって、
   前記風力発電装置の回転速度と発電量を検出するステップと、
   ナセルのヨー運動を検知するステップと、
   検出した前記回転速度と発電量および前記ヨー運動の結果に基づいて、前記風力発電装置の異常を診断するステップとを備え、
   前記診断するステップは、
   前記ヨー運動が検知されていない期間は前記風力発電装置の異常を判断する振動のデータを採用し、前記ヨー運動が検知されている期間は前記振動のデータを不採用とし、採用した前記振動のデータに基づいて前記風力発電装置の異常を診断する、異常診断方法。

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