JP6736987B2 - 風力発電装置の回転部品の状態監視装置 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電装置の回転部品の状態監視装置に関する。

従来、風車、鉄道車両、工作機械などの機械装置では、回転部品の異常による不都合の発生を防止するために、定期的に検査を実施している。検査コストの低減のため、回転部品が組み込まれた機械装置を分解することなく、実稼動の振動状態から回転部品の状態を監視する方法が種々、考案されている。

特許文献１には、振動系センサと、回転部品の損傷に起因した周波数成分と振動系センサにより検出された実測データの周波数成分とを比較する比較照合部と、比較照合部での比較結果に基づいて回転部品の異常の有無、異常部品及び異常部位を特定する異常判定部と、を備え、機械装置を分解することなく、実稼動状態で回転部品の異常の有無と異常の部品や部位を特定する異常診断装置が開示されている。

特許文献２には、機器に設けられたセンサを含むモニタ装置と、監視側制御装置と、監視用端末と、を備え、モニタ装置が設定するしきい値に基づいて、監視側制御装置及び監視用端末が、機器の状態を監視する状態監視システムが開示されている。

また、特許文献３には、風車の荷重データを用いて疲労等価荷重算出手段が算出した疲労等価荷重と、風車の耐用年数から決定される基準荷重とを比較し、その差分が所定の閾値を超えていた場合に、設定値更新手段が運転制限の条件設定値を更新して、耐用年数を確保しながら発電量の減少を極力抑えるようにした風車の運転制限調整装置が提案されている。

特開２００６−７７９４５号公報 特開２０１３−１８５５０７号公報 特開２０１０−４８２３９号公報

特許文献１，２，及び３では、測定された振動データや荷重データなどの情報を基に、回転部品の受傷の有無とその部位の診断、あるいは、運転条件の設定を行っている。しかしながら、測定されるデータは膨大であるため、異常診断や運転条件の設定には、データ転送、解析、データ保存などの大量のデータ処理が必要であり、多くの時間とコストを費やしており、改善が要望されていた。

本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、診断結果に影響を及ぼさない不要なデータを削減して、データ転送、解析、及びデータ保存に要する時間及びコストを削減可能な風力発電装置の回転部品の状態監視装置を提供することにある。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１） 風力発電装置の回転部品の状態監視装置であって、
風況を計測する風況計測部と、
前記風力発電装置の発電量を計測する発電量観測部と、
前記風力発電装置の回転部品から生じる物理量を検出する検出部と、
前記検出部で検出された前記物理量のデータを収録するデータ収録部と、
前記風況計測部及び前記発電量観測部によって得られる前記風況及び前記発電量に基づいて、前記検出部で検出された前記物理量のデータを前記データ収録部に収録するか否かを判定する風況・発電量判定部と、
を備えることを特徴とする風力発電装置の回転部品の状態監視装置。
（２） 前記風況・発電量判定部が前記物理量のデータを前記データ収録部に収録すると判定した後、前記物理量のデータに基づいて前記風力発電装置を簡易診断する簡易診断部と、
前記簡易診断部によって前記風力発電装置が異常と簡易診断された際、前記物理量のデータを処理して、前記風力発電装置の異常の有無、及び異常部位を特定する精密診断部と、
前記簡易診断部及び前記精密診断部による診断結果と、前記物理量のデータと、を保存するデータ保存部と、
をさらに備えることを特徴とする（１）に記載の風力発電装置の回転部品の状態監視装置。
（３） 前記風況・発電量判定部は、前記風況計測部によって得られる前記風況から推定風況値を算出すると共に、前記推定風況値及び発電量と、前記回転部品の異常発生確率と、を関連付けたデータベースを有し、
算出された前記推定風況値、及び前記発電量に最も近い異常発生確率を前記データベースから取得し、該異常発生確率に基づいて前記検出部で検出された前記物理量のデータを前記データ収録部に収録することを特徴とする（１）または（２）に記載の風力発電装置の回転部品の状態監視装置。

本発明の風力発電装置の回転部品の状態監視装置によれば、風況計測部と、発電量観測部と、回転部品の物理量の検出部と、物理量のデータを収録するデータ収録部と、物理量のデータをデータ収録部に収録するか否かを判定する風況・発電量判定部と、を備え、風況計測部が風況を計測し、発電量観測部が風力発電装置の発電量を計測と、検出部が回転部品から生じる物理量を検出する。そして、該物理量のデータをデータ収録部に収録する際、風況・発電量判定部が風況計測部及び発電量観測部によって得られる風況、及び発電量に基づいて、物理量のデータをデータ収録部に収録するか否かを判定するので、診断結果に影響を及ぼさない不要なデータを削減して、データ転送、解析、及びデータ保存に要する時間及びコストを大幅に削減できる。

本発明に係る風力発電装置の回転部品の状態監視装置の構成図である。 風力発電装置の回転部品の状態監視手順を示すフローチャートである。

以下、本発明に係る風力発電装置の回転部品の状態監視装置の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１に示すように、風力発電装置５０は、主軸５１と、ブレード５２と、増速機５３と、発電機５４と、主軸受５５を備え、タワー６０によって支持されるナセル６１内に格納されている。

主軸５１の先端に設けられたブレード５２は、風力を回転トルクに変換して主軸５１に伝達する。主軸５１は、主軸受５５によって回転自在に支持され、風力を受けたブレード５２が発生する回転トルクを、増速機５３の入力軸へ伝達する。増速機５３は、主軸５１の回転速度を増速して発電機５４へ出力する。増速機５３は、例えば、それぞれ軸受により回転自在に支持された複数の軸を有する歯車増速機構によって構成される。

発電機５４は、増速機５３の出力軸に接続され、増速機５３から受ける回転トルクによって発電する。発電機５４は、例えば、誘導発電機によって構成され、不図示のロータが軸受により回転自在に支持されている。

主軸受５５、増速機５３及び発電機５４内に配設される軸受は、例えば、自動調芯ころ軸受、円すいころ軸受、円筒ころ軸受、玉軸受等の転がり軸受で構成される。

このような風力発電装置５０の回転部品の状態を監視する状態監視装置１０は、風況計測部１１と、発電量観測部１２と、振動、回転、温度、歪みなどの物理量を検出する検出部１３と、データ収録部１４と、風況・発電量判定部１５と、簡易診断部１６と、精密診断部１７と、データ保存部１８と、外部通信部１９と、遠隔監視装置２０と、出力装置２１と、を備える。

発電量観測部１２、検出部１３、データ収録部１４、風況・発電量判定部１５、簡易診断部１６、精密診断部１７、及びデータ保存部１８は、ナセル６１内に格納され、外部通信部、遠隔監視装置２０、及び出力装置２１は、風力発電装置５０から離間して配置された制御室（図示せず）に設置されてもよい。

風況計測部１１は、風向、風速などの風況を計測するものであり、ナセル６１に設けられた風向・風速計などが利用可能である。また、風況計測部１１は、計測対象の移動速度を計測できる気象レーダ(ドップラーライダ)を風況計測器として利用することもでき、風車に近い地面に設置して、高度毎の風向・風速を計測するようにしてもよい。

発電量観測部１２は、発電機５４に設置されて発電機５４の発電量を計測する。

検出部１３は、増速機５３、発電機５４及び主軸受５５に設置された振動センサ、回転センサ、温度センサ、歪みセンサなどのセンサであり、回転部品である転がり軸受から生じる物理量のデータである振動情報及び運況情報（例えば、回転、温度、歪み）を取得する。なお、増速機５３及び発電機５４において、診断対象となる回転部品は、転がり軸受に限らず、歯車などであってもよい。

振動センサとしては、加速度センサが一般的であるが、ＡＥ（アコーステックエミッション）センサ、超音波センサ、ショックパルスセンサ、あるいは速度、歪み、応力、変位型センサなど、振動を電気信号に変換できるものであれば特に限定されない。ノイズが多い機械に取り付ける場合には、絶縁型を使用したほうがノイズの影響を受けることが少ないので好ましい。

データ収録部１４は、検出部１３で検出した振動情報及び運況情報を取り込み、不図示のＡ／Ｄ変換装置でデジタル形式の信号に変換して収録する。デジタル形式として収録することで、その後のコンピュータによる処理が容易になる。

風況・発電量判定部１５は、風況計測部１１及び発電量観測部１２によってリアルタイムで得られる風況、及び発電量に基づいて、物理量のデータをデータ収録部１４に収録するか否かを判定する。

具体的には、風況・発電量判定部１５は、予め、風況値及び発電量と、回転部品の異常発生確率と、を関連付けたデータベースを備えている。また、風況・発電量判定部１５は、風況計測部１１によって得られた風況に基づいて推定風況値を算出する。推定風況値は、例えば、風速風向出現頻度分布、乱れ度分布、風力、吹上角、ウィンドシア等である。ここで、ウィンドシアとは、風車の鉛直方向における風速の分布である。
そして、算出された推定風況値と、発電量観測部１２によって得られた発電量に最も近い異常発生確率をデータベースから取得する。この異常発生確率が、設定された閾値より大きい場合に、物理量のデータをデータ収録部１４に収録するように指示する。

なお、風況・発電量判定部１５は、上記データベースを設ける代わりに、風速の閾値が、予め設定された風向ごとに設定し、風速と発電量を所定の各閾値と比較し、風速と発電量が所定の各閾値を超えた場合のみ、振動、回転、温度、歪みなどの物理量のデータをデータ収録部１４に収録するようにしてもよい。

即ち、風況・発電量判定部１５は、予め設定されている所定の条件を満足する場合（例えば、風速と発電量が十分に小さく、風向が水平、且つ平穏である場合）に、次の判定まで、物理量のデータをデータ収録部１４に収録しないことで、収録するデータ量を削減している。

簡易診断部１６は、検出部１３で得られた振動情報から、実効値（ＲＭＳ）、ピーク値（ＰＥＡＫ）、波高率（ＣＦ）などの簡易診断パラメータを算出し、簡易診断パラメータと閾値を比較する。また、検出部１３で得られた回転・温度・歪みなどの運況情報も各閾値と比較し、これらの比較結果から風力発電装置５０の異常の有無を簡易診断する。

精密診断部１７は、例えば、入力された振動情報からノイズ成分を除去し、または特定の周波数成分を抽出するフィルタ処理を行った後、絶対値処理、エンベロープ処理、及び周波数分析等の各種分析処理を実施する。そして、処理された周波数成分と、回転速度信号に基づいて算出される回転部品の損傷に起因する発生周波数成分と比較照合して、異常の有無や異常個所の特定を行う。

簡易診断部１６及び精密診断部１７は、風力発電装置５０の異常等の状態を判定するための演算処理が可能であれば特に限定されず、例えば、コンピュータや専用マイクロチップなどで構成できる。

データ保存部１８は、メモリやＨＤＤなど記憶媒体であり、振動、回転、温度、歪みなどの振動情報及び運況情報と、簡易診断部１６及び精密診断部１７での診断結果と、を記憶する。データ保存部１８は、外部通信部１９を介して遠隔監視装置２０と接続されている。外部通信部１９は、有線での接続や、インターネットなどが利用可能である。

遠隔監視装置２０は、データ保存部１８に保存された振動情報及び運況情報から、風力発電装置５０の状態を監視する。遠隔監視装置２０は、風力発電装置５０ごとに設けられていてもよいし、ウィンドファームに建設されている全て、或いは、一部の風力発電装置５０の監視を、一元的に管理・監視する制御室（図示せず）に設けられてもよい。

出力装置２１は、風力発電装置５０の異常が検出された場合、異常の程度、異常部位などを、風況、運況情報、及び振動情報と共にモニタに表示する。あるいは、ライト、ブザーや、メール、ＳＭＳ（ショートメッセージサービス）などで異常を通知する。

次に、図２を参照して、風力発電装置の回転部品の状態監視装置１０による監視方法について説明する。

先ず、風況計測部１１により風向・風速などの風況を計測し、発電量観測部１２により風力発電装置５０の発電量を計測する。（ステップＳ１）。また、風況・発電量判定部１５では、風況計測部１１によって得られた風況から推定風況値を算出する（ステップＳ２）。

次いで、風況・発電量判定部１５は、予め用意された風況値及び発電量と、回転部品の異常（例えば、転がり軸受のはく離）の発生確率とを関連付けたデータベースを用いて、ステップＳ２で算出された推定風況値及び発電量に最も近い異常発生確率を該データベースから取得する（ステップＳ３）。なお、算出された推定風況値及び発電量に一致するケースが存在しない場合には、近いケースの異常発生確率を内挿することで求めることができる。

そして、風況・発電量判定部１５は、データベースから取得した異常発生確率が、所定の闘値より小さいか否かを判定する（ステップＳ４）。異常発生確率が、所定の闘値より小さいと判定されると、取得した風況、発電量、及び振動、回転、温度、歪みなどの物理量のデータを収録することなく、ステップＳ１に戻り、同様のステップを繰り返し実行する。

これにより、風力発電装置５０の診断結果に影響を及ぼさない不要なデータを削減することができ、データ転送、解析、及びデータ保存に要する時間及びコストの削減が可能となる。

ステップＳ４で、データベースから取得した異常発生確率が、所定の闘値より大きいと判定されると、検出部１３で検出されデジタル変換された回転部品から生じる振動、回転、温度、歪みなどの物理量のデータをデータ収録部１４に収録する（ステップＳ５）。

次いで、簡易診断部１６は、データ収録部１４に収録した回転情報（運況情報）と振動情報とから振動の大きさを代表するパラメータである、例えば、実効値（ＲＭＳ）、ピーク値（ＰＥＡＫ）、波高率（ＣＦ）などの振動パラメータを算出し（ステップＳ６）、運況情報と共にデータ保存部１８に保存した後（ステップＳ７）、振動パラメータ、回転、温度、歪みが、それぞれの閥値より大きいか否かにより、風力発電装置５０の異常の有無を簡易診断する（ステップＳ８）。

簡易診断部１６による診断結果が正常であると、この診断結果と、振動情報及び運況情報をデータ保存部１８に保存する（ステップＳ９）。そして、ステップＳ１に戻り、定期的に(例えば、２回／日〜１０回／日)、風況・発電量の判定を実施する。
なお、ステップＳ１における測定タイミングは、回転部品の使用年数により調整してもよい。具体的に、使用年数が短い（例えば、５年以内）場合には、２回／日とし、使用年数が長い（例えば、１５年以上）場合には、１０回／日とする。

簡易診断部１６が異常ありと診断すると、簡易診断部１６による診断結果と、振動情報及び運況情報をデータ保存部１８に保存する（ステップＳ１０）。

そして、簡易診断にて異常ありと診断された場合には、精密診断部１７による精密診断を実施する（ステップＳ１１）。例えば、精密診断部１７の異常診断が、軸受の損傷の診断である場合は、損傷フィルタ処理／包絡線処理／ＦＦＴ処理を実施した振動周波数成分を対象に、軸受損傷周波数ごとの照合(ピーク周波数＝軸受損傷周波数か否か)により、軸受の傷などの異常の有無と異常部位とを特定する。

損傷フィルタ周波数帯域は、各軸受装置における固有振動数帯域に応じて設定する。精密診断部１７は、損傷部位の特定後、損傷フィルタ周波数帯域ごとにおける振動の大きさ(実効値など)や、損傷成分ピークの有無、大きさにより、損傷の進展状況(損傷の程度:初期／進展期／末期)を判別する。

なお、ノイズ等の影響による誤診断を防ぐため、同一の精密診断結果が複数回連続した時点で、診断結果を確定するようにしてもよい。

精密診断部１７による診断結果が正常である場合、ステップＳ９へ進み、この診断結果と、振動情報及び運況情報をデータ保存部１８に保存する。そして、ステップＳ１に戻り、定期的に(例えば、２回／日〜１０回／日)、風況・発電量の判定を実施する。

精密診断部１７により異常ありと診断されると、その診断結果を、振動情報及び運況情報と共に、データ保存部１８に保存し、出力装置２１で異常警告する。また、測定タイミングを、ステップＳ９の測定タイミングよりも短い、２回／時間に再設定すると共に、軸受組込みアプリケーションの運転条件にフィードバックして、回転数を低下させるなどの処置を行う（ステップＳ１２）。そして、再び、ステップＳ１に戻り、再設定された条件で運転しながら、同様のステップを繰り返し実行する。

以上説明したように、本実施形態の風力発電装置の回転部品の状態監視装置１０及び状態監視方法によれば、風況計測部１１と、発電量観測部１２と、回転部品の物理量の検出部１３と、物理量のデータを収録するデータ収録部１４と、物理量のデータをデータ収録部１４に収録するか否かを判定する風況・発電量判定部１５と、を備え、風況計測部１１が風況を計測し、発電量観測部１２が発電機５４の発電量を計測と、検出部１３が回転部品から生じる振動、回転、温度、歪みなどの物理量を検出する。そして、該物理量のデータをデータ収録部１４に収録する際、風況・発電量判定部１５が、風況計測部１１及び発電量観測部１２によって得られる風況、及び発電量に基づいて、物理量のデータをデータ収録部１４に収録するか否かを判定するので、診断結果に影響を及ぼさない不要なデータを削減することができ、データ転送、解析、及びデータ保存に要する時間及びコストを大幅に削減できる。

また、計測された物理量のデータに基づいて風力発電装置５０を簡易診断する簡易診断部１６と、風力発電装置５０が異常と簡易診断された際、風力発電装置５０の異常の有無、及び異常部位を特定する精密診断部１７と、簡易診断部１６及び精密診断部１７による診断結果と、物理量のデータと、を保存するデータ保存部１８と、を備えるので、風力発電装置５０の回転部品の異常を精度よく診断することができる。

また、風況・発電量判定部１５は、風況計測部１１によって得られる風況から推定風況値を算出すると共に、推定風況値及び発電量と、回転部品の異常発生確率と、を関連付けたデータベースを有しており、算出された推定風況値と、発電量に最も近い異常発生確率をデータベースから取得し、該異常発生確率に基づいて検出部１３で検出された振動、回転、温度、歪みなどの物理量のデータをデータ収録部１４に収録するので、診断結果に影響を及ぼさない不要なデータを削減して、物理量のデータを効率よくデータ収録部１４に収録することができる。また、これにより、データ収録部１４の記憶容量を削減できる。

尚、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。

以上の通り、本明細書には、以下の事項が記載されている。
（１） 風力発電装置の回転部品の状態監視装置であって、
風況を計測する風況計測部と、
前記風力発電装置の発電量を計測する発電量観測部と、
前記風力発電装置の回転部品から生じる物理量を検出する検出部と、
前記検出部で検出された前記物理量のデータを収録するデータ収録部と、
前記風況計測部及び前記発電量観測部によって得られる前記風況及び前記発電量に基づいて、前記検出部で検出された前記物理量のデータを前記データ収録部に収録するか否かを判定する風況・発電量判定部と、
を備えることを特徴とする風力発電装置の回転部品の状態監視装置。
（２） 前記風況・発電量判定部が前記物理量のデータを前記データ収録部に収録すると判定した後、前記物理量のデータに基づいて前記風力発電装置を簡易診断する簡易診断部と、
前記簡易診断部によって前記風力発電装置が異常と簡易診断された際、前記物理量のデータを処理して、前記風力発電装置の異常の有無、及び異常部位を特定する精密診断部と、
前記簡易診断部及び前記精密診断部による診断結果と、前記物理量のデータと、を保存するデータ保存部と、
をさらに備えることを特徴とする（１）に記載の風力発電装置の回転部品の状態監視装置。
（３） 前記風況・発電量判定部は、前記風況計測部によって得られる前記風況から推定風況値を算出すると共に、前記推定風況値及び発電量と、前記回転部品の異常発生確率と、を関連付けたデータベースを有し、
算出された前記推定風況値、及び前記発電量に最も近い異常発生確率を前記データベースから取得し、該異常発生確率に基づいて前記検出部で検出された前記物理量のデータを前記データ収録部に収録することを特徴とする（１）または（２）に記載の風力発電装置の回転部品の状態監視装置。
（４） 風力発電装置の回転部品の状態監視方法であって、
風況計測部が、風況を計測する工程と、
発電量観測部が、前記風力発電装置の発電量を計測する工程と、
検出部が、前記風力発電装置の前記回転部品から生じる物理量を検出する工程と、
前記検出部で検出された前記物理量のデータをデータ収録部に収録する工程と、
風況・発電量判定部が、前記風況計測部及び前記発電量観測部によって得られる前記風況、及び前記発電量に基づいて、前記検出部で検出された前記物理量のデータを前記データ収録部に収録するか否かを判定する工程と、
を備えることを特徴とする風力発電装置の回転部品の状態監視方法。

１０ 風力発電装置の回転部品の状態監視装置
１１ 風況計測部
１２ 発電量観測部
１３ 検出部
１４ データ収録部
１５ 風況・発電量判定部
１６ 簡易診断部
１７ 精密診断部
１８ データ保存部
５０ 風力発電装置
５５ 主軸受（回転部品）

Claims (5)

1. 風力発電装置の回転部品の状態監視装置であって、
   風況を計測する風況計測部と、
   前記風力発電装置の発電量を計測する発電量観測部と、
   前記風力発電装置の回転部品から生じる物理量を検出する検出部と、
   前記検出部で検出された前記物理量のデータを収録するデータ収録部と、
   前記風況計測部及び前記発電量観測部によって得られる前記風況及び前記発電量に基づいて前記回転部品の異常発生確率を算出し、当該異常発生確率に基づいて前記検出部で検出された前記物理量のデータを前記データ収録部に収録するか否かを判定する風況・発電量判定部と、
   を備えることを特徴とする風力発電装置の回転部品の状態監視装置。
2. 前記風況・発電量判定部は、前記風況計測部によって得られる前記風況から推定風況値を算出すると共に、前記推定風況値及び発電量と、前記回転部品の異常発生確率と、を関連付けたデータベースを有し、
   算出された前記推定風況値、及び前記発電量に最も近い異常発生確率を前記データベースから取得し、該異常発生確率に基づいて前記検出部で検出された前記物理量のデータを前記データ収録部に収録するか否かを判定することを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置の回転部品の状態監視装置。
3. 前記風況・発電量判定部が前記物理量のデータを前記データ収録部に収録すると判定した後、前記物理量のデータに基づいて前記風力発電装置を簡易診断する簡易診断部と、
   前記簡易診断部によって前記風力発電装置が異常と簡易診断された際、前記物理量のデータを処理して、前記風力発電装置の異常の有無、及び異常部位を特定する精密診断部と、
   前記簡易診断部及び前記精密診断部による診断結果と、前記物理量のデータと、を保存するデータ保存部と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の風力発電装置の回転部品の状態監視装置。
4. 前記簡易診断部または前記精密診断部の少なくともいずれかによる診断結果に応じて、前記風況計測部、前記発電量観測部、および前記検出部による計測結果を用いた前記風力発電装置の状態監視のタイミングが切り替えられることを特徴とする請求項３に記載の風力発電装置の回転部品の状態監視装置。
5. 前記データ保存部に保存されたデータを用いて、外部への警告が行われることを特徴とする請求項３または４に記載の風力発電装置の回転部品の状態監視装置。

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