JP6006706B2 - 風力発電用風車の監視システム、風力発電システム、風力発電用風車の監視方法及び風力発電用風車の監視プログラム - Google Patents

Description

本発明は、風力発電用風車の揺動装置の異常の有無を判定する風力発電用風車の監視システム、風力発電システム、風力発電用風車の監視方法及び風力発電用風車の監視プログラムに関する。

風力発電用風車の異常を回避する幾つかの技術が知られている（例えば特許文献１〜３参照）。

特許文献１は、風力発電用風車のナセル内に収納した発電機のカーボンブラシの摩耗状況をナセル内に設置したカメラによって監視する風力発電設備の故障防止システムである。特許文献２は、風力発電用風車のブレード下方にて音響信号を収音してブレードの異常を判定する風力発電風車ブレードの異常判定方法である。特許文献３は、風力発電用風車のナセルを旋回させる風車用ヨー駆動装置のケース内の気体の圧力の上昇が生じたときに自動的にケース内の気体の圧力を低下させる風車用ヨー駆動装置である。

実用新案登録３１７６２９２号公報 特開２０１０−２８１２７９号公報 特表２０１１−２４６７０号公報

特許文献１〜３には、風力発電用風車のそれぞれの機構において、異常を早期に発見して回避する方法や装置が開示されてはいるが、揺動装置（ヨー駆動装置）の異常の有無を判定する方法や装置ではない。揺動装置には複数の減速機を備えて駆動に必要な動力を確保しているが、一部の減速機が破損した場合でも、他の正常な減速機が駆動をバックアップして外観上減速機の異常（破損等）を発見できない可能性がある。また、全ての減速機が故障すると発電運転が停止して、その時点での修理となるため、突発的であり復旧作業にも時間を要するという問題を生じていた。

本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、減速機の異常を速やかに発見し計画的な修繕を行うことで発電運転の停止時間を短縮可能とした風力発電用風車の監視システム、風力発電システム、風力発電用風車の監視方法及び風力発電用風車の監視プログラムを提供することにある。

本発明の風力発電用風車の監視システムは、風力発電用風車の揺動装置の異常の有無を判定する風力発電用風車の監視システムであって、前記揺動装置は１つの旋回ギアと、当該１つの旋回ギアに噛み合い、消費電力量がほぼ同じである複数の減速機と、各減速機に対応して設けられる複数のモーターとを含み、前記複数の減速機全てで前記旋回ギアを駆動し、前記監視システムは、前記複数のモーターの各々における、所定時間に亙っての積算消費電力量を測定する電力量測定部と、前記電力量測定部において測定された各モーターの積算消費電力量を比較し、少なくとも二つのモーターの積算消費電力量の差が所定の値以上の場合、積算消費電力量の小さい方のモーターに対応した減速機が異常状態にあると判定する異常判定部と、を備える。

本発明の風力発電用風車の監視システムの一態様として例えば、前記電力量測定部は、前記複数のモーターの各々の積算消費電力量を個別に測定する複数の電力量計を含む

本発明の風力発電システムは、風力発電用風車の監視システムと、風力発電用風車とから構成される。

本発明の風力発電システムの一態様として例えば、前記減速機が前記モーターに直結したヨーギアである。

本発明の風力発電用風車の監視方法は、風力発電用風車の揺動装置の異常の有無を判定する風力発電用風車の監視方法であって、前記揺動装置は１つの旋回ギアと、当該１つの旋回ギアに噛み合い、消費電力量がほぼ同じである複数の減速機と、各減速機に対応して設けられる複数のモーターとを含み、前記複数の減速機全てで前記旋回ギアを駆動し、前記監視方法は、前記揺動装置の動力源である複数のモーターの各々における、所定時間に亙っての積算消費電力量を測定するステップと、測定された各モーターの積算消費電力量を比較し、少なくとも二つのモーターの積算消費電力量の差が所定の値以上の場合、積算消費電力量の小さいモーターに対応した減速機が異常状態にあると判定するステップと、を備える。

本発明の風力発電用風車の監視プログラムは、風力発電用風車の揺動装置の異常の有無を判定する風力発電用風車の監視プログラムであって、前記揺動装置は１つの旋回ギアと、当該１つの旋回ギアに噛み合い、消費電力量がほぼ同じである複数の減速機と、各減速機に対応して設けられる複数のモーターとを含み、前記複数の減速機全てで前記旋回ギアを駆動し、前記監視プログラムは、前記揺動装置の動力源である複数のモーターの各々における、所定時間に亙っての積算消費電力量を測定する手順と、測定された各モーターの積算消費電力量を比較し、少なくとも二つのモーターの積算消費電力量の差が所定の値以上の場合、積算消費電力量の小さいモーターに対応した減速機が異常状態にあると判定する手順と、をコンピュータに実行させる。

本発明では、揺動装置内に複数備えられている減速機の駆動にかかるモーターの消費電力量をモニターし、異常判定部で積算消費電力量を比較することにより破損等で異常のある減速機を発見するため、突発的な修繕を未然に防ぐと共に、計画的な修繕を行うことが可能となる。また、一部の減速機の異常状態において修繕が可能となるため他の減速機に掛かっている一時的な負荷を最小限に食い止めることができ、正常な減速機の長期使用を実現できる。減速機の異常の有無を自動的に調べることができるため、風力発電用風車を停止させて行うオンサイトでの点検の必要がなく、点検に掛かる労力、時間、費用を削減することが可能となる。

本発明に係る風力発電用風車の一例を示す側面図。 （ａ）ナセルの要部拡大図、（ｂ）揺動装置の一例を示す概念図。 本発明に係る風力発電システムの概要の一例を示すブロック図。 本発明に係る風力発電システムの概要の他の例を示すブロック図。 揺動装置における健全減速機と破損減速機との瞬時消費電力量の相違の一例を示すグラフ。 本発明に係る揺動装置における減速機の一例であり、健全減速機が全数の場合と減速機が破損した場合の健全減速機と破損減速機との積算消費電力量の差を比較したグラフ。 本発明に係る揺動装置における減速機の一例であり、健全減速機が全数の場合と破損減速機との消費電力量の差分を比較したグラフ。

以下、本発明に係る風力発電用風車の監視システム、風力発電システム、風力発電用風車の監視方法及び風力発電用風車の監視プログラムの好適な実施形態を、図１〜図６に基づいて詳述する。

図１は、本発明に係る風力発電用風車の一例を示す側面図であり、図２（ａ）はナセルの要部拡大図であり、（ｂ）は揺動装置の一例を示す概念図である。

風力発電用風車１は、タワー２と、タワー２上部に設置されたナセル３と、ナセル３の前端に設けられたハブ４と、ハブ４に固定される複数のブレード５とを備え、ナセル３上部には風向風速計６が設置されている。ナセル３内には、ハブ４の回転により発電を行う発電機７と、増速歯車装置８と、風向きに従って水平面内でナセル３を旋回させる揺動装置１０とが収容されている。尚、可変速運転で同期発電機であれば増速歯車装置８は特に必要ではない。

また、タワー２内には風速変化に対して高出力を維持するための制御等を行う制御装置９が設けられ、風力発電用風車１から離れた場所に、制御装置９からくる各種情報の取得、風力発電用風車１の発電量及び運転状況等を監視する遠隔監視装置２０が設置されている。

揺動装置１０は、複数の減速機１１と、減速機１１に噛み合う旋回ギア１２と、減速機１１に連結するモーター１３（図３参照）とを有している。図２（ｂ）の実施形態では、減速機１１がヨーギア（ピニオンギア）であり、旋回ギア１２がヨーリングである。尚、実施形態では４つの減速機１１が示されているが、減速機１１の数に限定されない。減速機１１とモーター１３の組み合わせは一般的にヨードライブと呼ばれる。

図３は、本発明に係る風力発電システムの概要の一例を示すブロック図である。

風力発電システム３０は、揺動装置１０を含む風力発電用風車１と風力発電用風車の監視システム４０とから構成されている。また、風力発電用風車の監視システム４０は、遠隔監視装置２０と電力量測定部５０とから構成されている。そして、電力量測定部５０には、各モーター１３の所定時間に亙って積算消費電力量を個別に測定する複数の電力量計５１を備えており、遠隔監視装置２０には、異常判定部２１が備えられている。尚、所定時間とは、積算消費電力量の差が分かる時間であり特に限定されない。例えば６カ月間等の期間であってもよいが、数日間でも１ｋＷｈ（１キロワット時）以上の積算消費電力量の差が生ずれば異常判定部２１は異常判定を行えるので、数日間であってもよいし、６カ月以上の期間であってもよい。

異常判定部２１は、電力量測定部５０において個々の電力量計５１で測定された各モーター１３の積算消費電力量を比較し、少なくとも二つのモーター１３の積算消費電力量の差が所定の値以上の場合、積算消費電力量の小さい方のモーター１３に対応した減速機１１が異常状態にあると判定する。遠隔監視装置２０は、この判定結果に関する判定情報を、表示装置や警告音等の手段を用いて風力発電システム３０の監視者（操作者）に示す。尚、所定の値とは、一定の閾値以上であることを指し、特に値は限定されない。上記で説明した１ｋＷｈであってもよいし、それより大きな値でも小さな値でもよい。

風力発電システム３０は上述の他、商業用の交流電源を使用する電源６０や複数（実施形態では４つ）のモーター１３をまとめて又は個別にスイッチング制御する電磁気接触器６１等を含んでいても良い。

また、図４に示すように、異常判定部２１は制御装置９に備えられていてもよく、この場合、制御装置９の異常判定部２１により異常判定がなされ、判定情報はデータの形式で遠隔監視装置２０に伝達される。

図５は、健全減速機と破損減速機との瞬時消費電力量の相違を示すグラフで、縦軸が瞬時消費電力量（ｋｗｈ）で横軸が経過時間（Ｈｏｕｒｓ）を示す。

減速機１１の異常状態の一例として減速機１１が破損している場合を説明する。揺動装置１０の複数の減速機１１の各々を駆動させるモーター１３の消費電力量を各モーター１３の電力量計５１によりモニターしているが、風の向きや強さは瞬間毎に大きく変化するため、消費電力量の瞬時値はばらつきが存在する。

したがって、図５に示すとおり、健全減速機１１ａ（■印でプロット）の消費電力量の瞬時値と破損減速機１１ｂ（◆印でプロット）の消費電力量の瞬時値との差は不明瞭となり、消費電力量の瞬時値に基づき健全減速機１１ａと破損減速機１１ｂを判別することは困難となる。尚、説明を分かり易くするために、異常のない健全な減速機１１を健全減速機１１ａとし、異常のある破損した減速機１１を破損減速機１１ｂとしている。

そこで、本発明では、モーター１３の積算消費電力量で減速機１１の異常の有無を判定している。異常判定は大きく分けて２つのステップからなる。即ち、電力量測定部５０が、揺動装置１０の動力源である複数のモーター１３の各々における、所定時間に亙っての積算消費電力量を測定するステップと、異常判定部２１が、電力量測定部５０において測定された各モーター１３の積算消費電力量を比較し、少なくとも二つのモーター１３の積算消費電力量の差が所定の値以上の場合、積算消費電力量の小さいモーター１３に対応した減速機１１が異常状態にあると判定するステップである。

また、遠隔監視装置２０でのコンピュータで実行されるプログラムは、電力量測定部５０が、揺動装置１０の動力源である複数のモーター１３の各々における、所定時間に亙っての積算消費電力量を測定する手順と、異常判定部２１が、電力量測定部５０において測定された各モーター１３の積算消費電力量を比較し、少なくとも二つのモーター１３の積算消費電力量の差が所定の値以上の場合、積算消費電力量の小さいモーター１３に対応した減速機１１が異常状態にあると判定する手順からなる。

図６は、３つの減速機１１を有する揺動装置１０において、総ての減速機が破損していない健全減速機の場合（（１）のケース）と３つのうち２つの減速機が破損した場合（（２）のケース）における、健全減速機と破損減速機との積算消費電力量を比較したグラフで、縦軸が消費電力量（ｋｗｈ）で横軸が経過時間（Ｈｏｕｒｓ）を示す。

（１）のケースにおける、３つのうちの２つの健全減速機１１ａの消費電力量を実線で示している。当然ながらこの２つの健全減速機１１ａの消費電力量はほぼ同じであり、実線がほとんど重なっている。

一方、（２）のケースにおける、１つの健全減速機１１ａの消費電力量を点線で示し、２つのうち１つの破損減速機１１ｂの消費電力量を破線で示している。

グラフから（２）のケースにおいて、１つの健全減速機１１ａに負荷が掛かるため、健全減速機１１ａの積算消費電力量（点線参照）が、総ての減速機１１が健全な場合（実線の（１）のケース）に比較して増加していることが分かる。また、異常状態に有る破損減速機１１ｂは、揺動（ヨー）制御しようとして空回り駆動するため、破損減速機１１ｂの積算消費電力量（破線参照）が総ての減速機１１が健全な場合（実線の（１）のケース）に比較して減少していることが分かる。

即ち、図６のグラフから、揺動装置１０の複数ある減速機１１の一部（本例では３つのうち２つ）が破損等の異常状態になった場合、健全減速機１１ａによりヨー制御は継続される。ここで、健全減速機１１ａを駆動しているモーター１３の負荷が高まり、健全減速機１１ａの消費電力量が高まる一方で、異常状態に有る破損減速機１１ｂのモーター１３の負荷が下がり破損減速機１１ｂの消費電力量が低下することが理解される。そして、積算消費電力量を比較することにより異常の場合は所定の値（例えば正常値）と異なる値が検出できるため、異常判定部２１は破損減速機１１ｂを特定でき揺動装置１０に異常があることを判定できる。

図７は、（１）のケースにおける、２つの健全減速機１１ａの消費電力量の差分と、（２）のケースにおける健全減速機１１ａと２つのうち１つの破損減速機１１ｂの消費電力量の差分を比較したグラフで、縦軸が消費電力量（ｋｗｈ）で横軸が経過時間（Ｈｏｕｒｓ）を示す。

図７のグラフは、図６のグラフと同じデータを用いて、消費電力量の差分を表している。（１）のケースにおける、２つの健全減速機１１ａの消費電力量の差分を実線で示し、（２）のケースにおける、健全減速機１１ａと２つのうち１つの破損減速機１１ｂの消費電力量の差分を点線で示している。消費電力量の差分で見ると、総ての減速機１１が健全な場合（（１）のケース）、モーター１３の積算消費電力量の差分は、時間が経過してもほぼゼロの値を維持する（実線参照）。一方、異常状態に有る破損減速機１１ｂが存在する場合（（２）のケース）、健全減速機１１ａと破損減速機１１ｂの積算消費電力量の差分値が時間の経過とともに拡大することが理解できる。

従って、モーター１３の消費電力量を電力量計５１で常にモニターし、消費電力量の積算値を監視して、少なくとも２つのモーター１３の積算値の比較を行い、積算消費電力量の差が所定の値以上の場合、積算消費電力量の小さいモーター１３に対応した減速機１１が異常状態であることが分かる。また、積算消費電力量の差分値を比較して、差分値が大きくなるモーター１３に対応した減速機１１が異常状態であることも分かる。風力発電用風車１から離れた遠隔監視装置２０の異常判定部２１で揺動装置１０の異常判定を行うため、オンサイトでの点検の必要がなく計画的な修繕を行うことが可能となる。

尚、少なくとも二つのモーターの消費電力量を比較すれば、異常判定を行える可能性はあるが、三つ以上のモーターが存在する場合、二つの健全なモーターまたは二つの異常状態のモーター同士を測定するだけでは、異常判定をうまく行えない可能性がある。そこで、三つ以上のモーターが存在する場合は、総てのモーターについて、総当たりで二個の差分を取り、総ての差分の中の一つでも所定の閾値を超えた場合に、異常と判定することが考えられる。もちろん、異常判定のプロセスの詳細は特に限定されず、場合に応じて好適な監視方法を採用し、これに応じた監視プログラムを構築することができる。

尚、本発明は、上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。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。

本発明に係る風力発電用風車の監視システム、風力発電システム、風力発電用風車の監視方法及び風力発電用風車の監視プログラムは、揺動装置の異常の有無を遠隔監視装置等で判定して計画的なメンテナンスを行う用途に適用可能である。

１：風力発電用風車
２：タワー
３：ナセル
４：ハブ
５：ブレード
１０：揺動装置
１１：減速機（ヨーギア）
１２：旋回ギア
１３：モーター
２０：遠隔監視装置
２１：異常判定部
３０：風量発電システム
４０：風力発電用風車の監視システム
５０：電力測定部
５１：電力量計

Claims (6)

1. 風力発電用風車の揺動装置の異常の有無を判定する風力発電用風車の監視システムであって、前記揺動装置は１つの旋回ギアと、当該１つの旋回ギアに噛み合い、消費電力量がほぼ同じである複数の減速機と、各減速機に対応して設けられる複数のモーターとを含み、前記複数の減速機全てで前記旋回ギアを駆動し、前記監視システムは、
   前記複数のモーターの各々における、所定時間に亙っての積算消費電力量を測定する電力量測定部と、
   前記電力量測定部において測定された各モーターの積算消費電力量を比較し、少なくとも二つのモーターの積算消費電力量の差が所定の値以上の場合、積算消費電力量の小さい方のモーターに対応した減速機が異常状態にあると判定する異常判定部と、
   を備える風力発電用風車の監視システム。
2. 請求項１に記載の風力発電用風車の監視システムであって、
   前記電力量測定部は、前記複数のモーターの各々の積算消費電力量を個別に測定する複数の電力量計を含む、風力発電用風車の監視システム。
3. 請求項１または２に記載の風力発電用風車の監視システムと、風力発電用風車とから構成され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、
   前記減速機が前記モーターに直結したヨーギアである、風力発電システム。
5. 風力発電用風車の揺動装置の異常の有無を判定する風力発電用風車の監視方法であって、前記揺動装置は１つの旋回ギアと、当該１つの旋回ギアに噛み合い、消費電力量がほぼ同じである複数の減速機と、各減速機に対応して設けられる複数のモーターとを含み、前記複数の減速機全てで前記旋回ギアを駆動し、前記監視方法は、
   前記揺動装置の動力源である複数のモーターの各々における、所定時間に亙っての積算消費電力量を測定するステップと、
   測定された各モーターの積算消費電力量を比較し、少なくとも二つのモーターの積算消費電力量の差が所定の値以上の場合、積算消費電力量の小さいモーターに対応した減速機が異常状態にあると判定するステップと、
   を備える風力発電用風車の監視方法。
6. 風力発電用風車の揺動装置の異常の有無を判定する風力発電用風車の監視プログラムであって、前記揺動装置は１つの旋回ギアと、当該１つの旋回ギアに噛み合い、消費電力量がほぼ同じである複数の減速機と、各減速機に対応して設けられる複数のモーターとを含み、前記複数の減速機全てで前記旋回ギアを駆動し、前記監視プログラムは、
   前記揺動装置の動力源である複数のモーターの各々における、所定時間に亙っての積算消費電力量を測定する手順と、
   測定された各モーターの積算消費電力量を比較し、少なくとも二つのモーターの積算消費電力量の差が所定の値以上の場合、積算消費電力量の小さいモーターに対応した減速機が異常状態にあると判定する手順と、
   をコンピュータに実行させる風力発電用風車の監視プログラム。

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