(57)【要約】【課題】風車の風況状態を適切に判断し、各部の損傷程度を簡易的に算出し監視することを可能にする。【解決手段】風車における風速の時間的変化を取得して風車の監視を行う、風車の監視装置であって、時間的変化による風速データから風速の時間歴波形を求める監視制御部を有し、前記監視制御部は、前記風速の時間歴波形から突風を抽出して、突風評価を行い、突風形状毎に突風評価に基づいて風車の所定機器に対する損傷度を累積して算出することで、風車の風速のみで風車建設位置における突風の程度、発生頻度を含めた評価指標を策定することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
風車における風速の時間的変化を取得して風車の監視を行う、風車の監視装置であって、
時間的変化による風速データから風速の時間歴波形を求める監視制御部を有し、
前記監視制御部は、前記風速の時間歴波形から突風を抽出して、突風評価を行い、突風形状毎に突風評価に基づいて風車の所定機器に対する損傷度を累積して算出することを特徴とする風車の監視装置。
【請求項２】
前記監視制御部は、前記風速の時間的変化をネットワークを介して取得することを特徴とする請求項１記載の風車の監視装置。
【請求項３】
前記突風評価が、少なくとも突風の大きさ、発生頻度であることを特徴とする請求項１または２に記載の風車の監視装置。
【請求項４】
前記突風評価が、突風形状における突風の位置を含むことを特徴とする請求項３に記載の風車の監視装置。
【請求項５】
前記突風評価によって突風形状を分類することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の風車の監視装置。
【請求項６】
前記監視制御部は、分類された突風形状毎に、所定機器に対する損傷情報を有していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の風車の監視装置。
【請求項７】
前記監視制御部は、所定機器に対する損傷度を、突風形状と突風発生頻度とによって累積損傷度を算出することを特徴とする請求項６記載の風車の監視装置。
【請求項８】
前記監視制御部は、風速の時間歴波形からウインドウ法によって突風を抽出することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の風車の監視装置。
【請求項９】
前記監視制御部は、抽出された突風を含む時間歴波形からレインフロー法によって突風形状を判断することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の風車の監視装置。
【請求項１０】
前記監視制御部は、損傷度の評価に際し、所定機器に対する、変位応答、荷重応答、振動応答、熱応答の少なくとも一つを用いることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の風車の監視装置。
【請求項１１】
前記監視制御部は、累積した損傷度に基づいて、損傷の程度、余寿命、異常の有無の少なくとも一つを判定することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の風車の監視装置。
【請求項１２】
前記監視制御部は、累積損傷度に加えて、突風の形状と計数回数に基づいて前記判定を行うことを特徴とする請求項１１記載の風車の監視装置。
【請求項１３】
時間的変化による風速データを取得して風速の時間歴波形を求め、
前記風速の時間歴波形から突風を抽出して、突風評価を行い、突風形状毎に突風評価に基づいて風車の所定機器に対する損傷度を累積して算出することを特徴とする風車の監視方法。
【請求項１４】
風車における風速の時間的変化を取得して風車の監視を行う、風車の監視装置で用いられる監視制御部で実行される監視プログラムであって、
時間的変化による風速データから風速の時間歴波形を求めるステップと、
前記風速の時間歴波形から突風を抽出するステップと、
抽出された突風に基づいて突風評価を行うステップと、
突風形状毎に突風評価に基づいて風車の所定機器に対する損傷度を累積して算出するステップと、を有することを特徴とする風車の監視プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、風力発電装置の状態を監視する技術に関し、特に、風力発電装置の電装部品や機器の熱、振動などによる疲労寿命状態を監視する風車の監視装置、風車の監視方法および風車の監視プログラムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、風力発電装置（以下では風車という）の状態を監視する装置としては、引用文献１や引用文献２で提案されているものがある。引用文献１で提案されているものは、風車の監視装置であり、風車の状態監視を自動で行うと共に、その状態評価を適切な基準に従い定量的に実施するものである。また、引用文献２で提案されているものは、風車に設けられている機器の異常について、診断前に収集したデータを用いてしきい値を生成後、診断時に収集されたデータと生成したしきい値とに基づいて診断する状態監視システムである。
【０００３】
また、非特許文献１に示される通り、風車設計時には、風車寿命内において、突風、故障等により風車が受ける最大の荷重（５０年再現周期）に対して安全性を確認する極値荷重評価と、発電時、非発電時に発生する疲労荷重に対して安全性を確認する疲労荷重評価がある。本設計指針においては、突風により風車に発生する極値荷重を評価しているが、日本国内の山岳地形で多く観測される特有の頻発する突風の影響を定量的に評価する手法は示されていない。さらに、非特許文献１に示される指針類において、風車建設地点の風況健全性の確認には、暴風時風速と、乱流強度を用いている。乱流強度とは、風速の変動を風速の平均値で除したものであり、風の乱れの程度を示す。年平均風速１５ｍ／ｓ位置における乱流強度を基準乱流強度として建設地評価の一つとし、建設候補地における基準乱流強度が設計乱流強度を超過する場合建設不可能と判断している。しかしながら、乱流強度は、風邪の変動特性を表現する一つの指標にすぎず、変動の周期やパターンによって風車に与える影響は異なる。特に、地形や気象に起因する突風は断続的に発生する為、乱流強度増加に反映されにくいが、風車へのダメージは極めて大きい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２４３４２８号公報
【特許文献２】特開２０１６−８５３６号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】ＩＥＣ６１４００−０１、ＧＬ２００３、風力発電設備支持構造物構造設計指針・同解説２０１０年版
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来の風車の状態を監視する装置では、特許文献１で提案されているものにおいて、風車に設置された複数のセンサによって計測された計測データに基づいて作成される特性値を用いて、風車の状態を監視する風車の監視装置であり、診断に必要なデータセットを抽出して、予め定義した判断基準に従って、自動的に状態が診断される。
しかしながら、風車の機器の損傷度は、風速・運転履歴に強く依存するため、部分的に抽出したデータで判断することは困難である。また、予め定義した判断基準で状態診断するためには、同型機の運転実績が必要となり、判断精度が運転実績に依存することとなる。
【０００７】
また、引用文献２で提案されているものにおいて、あらかじめ設定した判断基準の測定期間における機械学習を利用して、しきい値を設定するものであるが、判断基準の明確かつ適量的な設定は困難であるとともに、長期の実測に基づく知見の蓄積が必要である。特に機器の損傷度は設置位置の風況に強く依存するため、その場所における長期の実測データが風車毎に必要であり、状態監視の精度を得るために時間がかかるとともに、その精度にばらつきが生じるといった課題がある。また、機種の異なる風車が混在するウインドファーム等においては、画一的な評価が困難であるとともに、機器損傷の要因が設置位置の風況に依存するか、機器に依存するか判別できないといった問題がある。さらに複数のデータ指標の記録には膨大な記録装置が必要であり、それらを処理する装置に費用がかかるとともに、算出に時間を要する問題がある。
【０００８】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、風力発電装置の設置位置における突風に起因する風況状態を適切に判断し、各部の損傷程度を簡易的に算出して監視することができる風車の監視装置、風車の監視方法および風車の監視プログラムを提供することを目的の一つとしている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
すなわち、本発明の風車の監視装置のうち、第１の形態は、風車における風速の時間的変化を取得して風車の監視を行う、風車の監視装置であって、
時間的変化による風速データから風速の時間歴波形を求める監視制御部を有し、
前記監視制御部は、前記風速の時間歴波形から突風を抽出して、突風評価を行い、突風形状毎に突風評価に基づいて風車の所定機器に対する損傷度を累積して算出することを特徴とする。
【００１０】
他の形態の風車の監視装置は、前記形態の風車の監視装置において、前記監視制御部は、前記風速の時間的変化をネットワークを介して取得することを特徴とする。
【００１１】
他の形態の風車の監視装置は、前記形態の風車の監視装置において、前記突風評価が、少なくとも突風の大きさ、発生頻度であることを特徴とする。
【００１２】
他の形態の風車の監視装置は、前記形態の風車の監視装置において、前記突風評価が、突風形状における突風の位置を含むことを特徴とする。
【００１３】
他の形態の風車の監視装置は、前記形態の風車の監視装置において、前記突風評価によって突風形状を分類することを特徴とする。
【００１４】
他の形態の風車の監視装置は、前記形態の風車の監視装置において、前記監視制御部は、分類された突風形状毎に、所定機器に対する損傷情報を有していることを特徴とする。
【００１５】
他の形態の風車の監視装置は、前記形態の風車の監視装置において、前記監視制御部は、所定機器に対する損傷度を、突風形状と突風発生頻度とによって累積損傷度を算出することを特徴とする。
【００１６】
他の形態の風車の監視装置は、前記形態の風車の監視装置において、前記監視制御部は、風速の時間歴波形からウインドウ法によって突風を抽出することを特徴とする。
【００１７】
他の形態の風車の監視装置は、前記形態の風車の監視装置において、前記監視制御部は、抽出された突風を含む時間歴波形からレインフロー法によって突風形状を判断することを特徴とする。
【００１８】
他の形態の風車の監視装置は、前記形態の風車の監視装置において、前記監視制御部は、損傷度の評価に際し、所定機器に対する、変位応答、荷重応答、振動応答、熱応答の少なくとも一つを用いることを特徴とする。
【００１９】
他の形態の風車の監視装置は、前記形態の風車の監視装置において、前記監視制御部は、累積した損傷度に基づいて、損傷の程度、余寿命、異常の有無の少なくとも一つを判定することを特徴とする。
【００２０】
他の形態の風車の監視装置は、前記形態の風車の監視装置において、前記監視制御部は、累積損傷度に加えて、突風の形状と計数回数に基づいて前記判定を行うことを特徴とする。
【００２１】
本発明の風車の監視方法のうち、第１の形態は、時間的変化による風速データを取得して風速の時間歴波形を求め、
前記風速の時間歴波形から突風を抽出して、突風評価を行い、突風形状毎に突風評価に基づいて風車の所定機器に対する損傷度を累積して算出することを特徴とする。
【００２２】
本発明の風車の監視プログラムのうち、第１の形態は、風車における風速の時間的変化を取得して風車の監視を行う、風車の監視装置で用いられる監視制御部で実行される監視プログラムであって、
時間的変化による風速データから風速の時間歴波形を求めるステップと、
前記風速の時間歴波形から突風を抽出するステップと、
抽出された突風に基づいて突風評価を行うステップと、
突風形状毎に突風評価に基づいて風車の所定機器に対する損傷度を累積して算出するステップと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
以上のように、この発明によれば、風車の風速のみで風車建設位置における突風の程度、発生頻度を含めた評価指標を策定することができる。これにより、風車建設前評価が適切に行われ、風車の故障抑制、発電量増加が期待できる。
【００２４】
なお、風速にシミュレーション結果を使用することで、建設前の建設風況リスクの評価を実施することが可能である。また、複数の機種が混在するウインドファーム等においても、突風の程度を評価することができ、特定の機種に発生する故障が、風況に起因するものか、機器によるものかを判別できる。さらには、逐次得られる風速データから既設サイトにおける、故障交換の適正化による稼働率向上、運転手法の最適化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施形態の監視装置のブロック部を示す図である。
【図２】同じく、ウインドウ法による突風抽出を説明する図である。
【図３】同じく、レインフロー法による突風形状を説明する図である。
【図４】同じく、突風形状の分類内容の例を示す図である。
【図５】同じく、累積損傷度計算の手順を示すフローチャートである。
【図６】同じく、突風形状と素子温度差の関係を示すグラフである。
【図７】同じく、累積損傷度と素子温度差の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、この発明の実施形態を添付図に基づいて説明する。
風車１は、ナセル２に風速計３が取り付けられており、風車１にはネットワーク４が接続されている。ネットワーク４は、インターネット１００に接続されている。インターネット１００には、ネットワーク１０が接続されており、ネットワーク１０は、風車を監視する監視用端末２０に電気的に接続されている。ネットワーク４、１０、インターネット１００は、本発明でいうところのネットワークに相当する。ネットワークは、ＬＡＮ、ＷＡＮ等の適宜のものを利用することができ、有線、無線を問わない。監視用端末２０は、本発明の監視装置に相当する。
【００２７】
監視用端末２０では、風速情報記憶部２１と、監視用端末２０全体を制御する監視制御部２３と、突風形状毎の累積損傷度を格納する損傷記憶部２２と、ディスプレイなどの通知部２４とを有している。通知部２４は、音などを報知するものであってもよい。
風速情報記憶部２１や損傷記憶部２２は、ＲＡＭやフラッシュメモリ、ＨＤＤなどの適宜の記憶部を用いることができ、本発明としては特定のものに限定されない。また、風速情報記憶部２１や損傷記憶部２２を同一のデバイスで構成するものとしてもよく、別のデバイスで構成するものとしてもよい。また、風速情報記憶部２１と損傷記憶部２２の一方または両方を、監視装置本体の外部に設置して信号線で、監視装置本体と電気的に接続するようにしてもよく、監視用端末２０とは別の記憶部として用意されているものでもよい。
【００２８】
監視制御部２３は、ＣＰＵとＣＰＵ上で実行される監視プログラムによって構成することができる。その他に、監視プログラムや動作パラメータなどを格納する不揮発メモリや作業領域となるＲＡＭなどを備えるものであってもよい。
監視制御部２３では、風速情報記憶部２１に格納された風速データから突風を抽出して突風評価を行う突風評価部２３Ａを有している。突風評価部２３Ａの評価結果は、状態評価部２３Ｂで取得される。状態評価部２３Ｂには、突風形状毎の累積損傷度の情報が損傷記憶部２２から与えられる。状態評価部２３Ｂの評価結果は、異常判定部２３Ｃに与えられ、異常判定部２３Ｃの判定結果は、必要に応じて通知部２４に与えられる。
なお、この実施形態では、突風評価部２３Ａ、状態評価部２３Ｂ、異常判定部２３Ｃがそれぞれ監視制御部２３に含まれるものとして説明したが、これらのパートが監視制御部２３で明確に区別されることなく、それぞれの機能がプログラムによって実行されるものであってもよい。
【００２９】
以下に、監視用端末２０における動作について説明する。
風速情報記憶部２１では、風車１の風速計３で得られた風速の時間的な変化のデータがネットワーク４、インターネット１００、ネットワーク１０を通して取得されて逐次記録される。データは、監視制御部２３で実行される監視プログラムによって取得されて風速情報記憶部２１に格納される。突風評価部２３Ａでは、時間的変化による風速データを風速情報記憶部２１から読み出し風速の時間的波形を求める。さらに、突風評価部２３Ａでは、風速の時間的波形から突風を抽出する。突風の抽出は、例えばウインドウ法により行うことができる。ウインドウ法は、時系列風速波形に対し有限時間幅（例えば５秒間）をもつ移動ウインドウを規定し、ウインドウ内における時系列波形の開始風速と最大風速の差を突風の大きさとして抽出する手法である。
突風評価部２３Ａにおいては、ウインドウ法による抽出を実施して突風の位置、大きさ、頻度を計測する。
【００３０】
図２は、ウインドウ法によって抽出された突風とその周辺の波形を示すものである。５秒間のウインドウ内で、突風が抽出され、開始点に対する突風の大きさ（Ｖｇｕｓｔ）と、最下点風速からの突風大きさを示す最大突風大きさ（Ｖｇｕｓｔ  ｍａｘ）が得られている。
なお、突風の抽出はウインドウ法に限定されるものではなく、他の手法によって抽出されるものであってもよい。
【００３１】
突風評価部２３Ａでは、抽出された突風の時間歴波形に対し、例えばレインフロー法によって突風形状の判断を実施する。レインフロー法は不規則な繰り返し変動荷重を受ける機械構造物等において、応力頻度あるいはひずみ頻度を計数する計数法であり、変動波形をサイクルに分離して計数することができる。本発明においては、この手法を風速の時系列変化波形に適応する。
突風形状の判断の例を図３に基づいて以下に示す。ウインドウ法によって抽出された突風発生部の周辺の風速変動波形（たとえば突風前後の数秒程度を抽出）に対してレインフロー法を適用する。計数されたサイクル（丸数字１〜丸数字４）の符号を含めた大きさについて、ベクトル和が一定閾値以下となる場合、全周期型と判断し、それ以外を半周期型と判断した。また、Ｖｇｕｓｔ  ｍａｘの発生位置に対応するサイクル（丸数字２）の直前のサイクル（丸数字１）の大きさが、ある一定の値以上となる場合、変調型突風と定義し、それ以外を単調型突風と分類する。
【００３２】
レインフロー法によって得られた突風の形状を分類する。分類では、突風の大きさ、突風の位置などを含む波形評価によって突風形状を分類し、突風の評価では、突風形状に合わせて発生頻度などを評価する。なお、突風の形状については、予め、突風の大きさ、突風の位置、波形などに分類基準を設けておき、この基準に応じて突風形状の分類を行うことができる。
【００３３】
図４は、分類された突風形状の分類例を示すものであり、最下点の大きさ、位置、突風の大きさ、位置、突風の立ち下がりの形状などによって４種類に分類されている。
なお、この４種類の形状は、風車の回転数変動に与える影響度を考慮して選定している。本形状毎の発生頻度を関連する１０分間平均風速値と併せてデータセットとして、突風評価結果とし、本結果を重みづけした後、累積することで、風車設置位置風況の指標となる。
すなわち、風速記録情報を使用して、突風評価を実施し、風車設置地点における風況評価結果を得ることができ、その結果は通知部２４で通知することができる。
【００３４】
さらに、監視用端末２０では、突風評価部２３Ａの評価結果を受けて、状態評価部２３Ｂで主要機器などの所定の機器で累積損傷度を組み合わせて状態を評価する。
損傷度の計測や状態評価は、突風形状に基づいて行う。その評価手順の例を図５のフローチャートに示す。
【００３５】
風速情報記憶部２１から風速の時間変化を受けて、分類した突風形状毎に計数する（ステップｓ１）。計数後、突風形状と計数結果（回数）とから統計分布を用いて定量化する（ステップｓ２）。例えば、風速出現率をワイブル分布で近似し、風速ごとの突風の発生頻度をガンベル分布で近似することで定量化できる。
次いで、累積損傷度を計算する（ステップｓ３）。累積損傷度では、機器ごとに行うことができ、例えば主要機器１に関する、突風形状毎の振動、熱、変位の累積損傷度を算出し（ステップｓ３Ａ）、主要機器２に関する、突風形状毎の振動、熱、変位の累積損傷度を算出する（ステップｓ３Ｂ）。これらは、突風形状に基づいて、事前に動解析等や機器の仕様に基づいて算出しておく。
【００３６】
図６は、突風形状と素子温度差の関係を示す図である。この関係は、予め損傷記憶部２２などに格納しておくことができる。上記関係などは、予め解析等の手法を利用して突風形状に対して風車の強度を計算した結果を示すものであり、例として単純な突風が発生した場合の主要機器の温度変化を示すものである。
図７は、素子に発生する温度差と累積損傷度との関係を示す図である。図６に示す単純な突風が一度発生した影響は、図７の関係式によって損傷度を求めることができる。このように損傷度の判定に必要な要素（例えば、振動、変位など）について同様の手順で累積損傷度を算出することができる。
【００３７】
各要素における累積損傷度は、下記式に基づいて算出することができる。
数１は電装部品の場合の素子のパワーサイクル寿命（ＰＣ）を累積算出する式であり、パワーサイクル寿命の逆数が熱疲労損傷度に対応する。突風形状毎にあらかじめ算出されたパワーサイクル寿命（ステップｓ３Ａ，ＰＣ（ｋ））を定量化された発生頻度（ｓ２）について数１により累積することで、対応するパワーサイクル寿命が得られ、熱疲労損傷度が計算できる。
次に数２は荷重に関する等価疲労荷重（ＤＥＦＬ）を算出する式である。突風形状毎にあらかじめ算出された荷重（ステップｓ３Ｂ）を定量化された発生頻度（ｓ２）について数１により累積することで、対応する疲労損傷度が計算できる。
数２において、Ｆｋは荷重振幅を示し，Ｎｋは繰り返し回数を示す。また、Ｎｒｅｆは評価基準となる回数であり、１０７程度とすることが多い。ｍは評価する材料Ｓ−Ｎ曲線の傾きの逆数に相当する。
【００３８】
【数１】
2018003723.tif 000003
【００３９】
【数２】
2018003723.tif 000004
【００４０】
累積損傷度の計算結果から、蓄積された損傷の程度、余寿命、異常の有無などを推定して状態評価を行うことができる（ステップｓ４）。評価結果は、通知部２４で通知することができ、また、ネットワークなどを介して他の装置に評価結果を送信できるようにしてもよい。
【００４１】
すなわち、本発明は、突風評価から得られた突風形状と発生頻度の情報と、別途得られた突風形状毎の主要機器の累積損傷度を組み合わせて状態を評価し、蓄積された損傷の程度、余寿命、異常の有無を判定して通知することが可能になり、風力発電装置の設置位置における突風に起因する風況状態を適切に判断するとともに、これに基づいて主要構成部品の損傷度・状態を推定し、故障の前兆把握、状態監視に関するものである。
【００４２】
以上、本発明について上記実施形態に基づいて説明を行ったが、本発明は上記説明の内容に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りは、上記実施形態の内容を適宜変更することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１    風車
２    ナセル
３    風速計
４    ネットワーク
１０    ネットワーク
２０    監視用端末
２１    風速情報記憶部
２２    累積記憶部
２３    監視制御部
２３Ａ  突風評価部
２３Ｂ  状態評価部
２３Ｃ  異常判定部
２４    通知部
【図１】
2018003723.tif 000005
【図２】
2018003723.tif 000006
【図３】
2018003723.tif 000007
【図４】
2018003723.tif 000008
【図５】
2018003723.tif 000009
【図６】
2018003723.tif 000010
【図７】
2018003723.tif 000011