(57)【要約】【課題】風力発電装置における雷撃電流や電磁界による影響を評価することによって、迅速且つ精度よく被雷による異常を検出し、メンテナンス効率を改善する。【解決手段】本発明に係る異常検出方法は、着雷時に風力発電装置を流れる雷撃電流によって、風力発電装置を構成する機器に印加される電磁界を検出するステップと、該検出した電磁界に基づいて、機器の各々について誤作動の有無を判定するステップとを備える。これにより、被雷時の電磁界による影響を即座に把握し、風力発電装置の稼働率低下を抑制すると共に、電磁界による影響に基づいて最適なメンテナンス計画を立てたり、重大故障時の原因究明の迅速化を図る。【選択図】図５
2013181412.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つの風車翼を有するロータを回転可能に支持するナセルが、タワー上に旋回可能に搭載されてなる風力発電装置の異常検出方法であって、
着雷時に前記風力発電装置を流れる雷撃電流によって、前記風力発電装置を構成する機器に印加される電磁界を検出するステップと、
前記検出した電磁界に基づいて、前記風力発電装置を構成する機器の各々について誤作動の有無を判定するステップと
を備えたことを特徴とする風力発電装置の異常検出方法。
【請求項２】
試験体を用いて、該試験体に印加される電磁界と、前記電磁界によって前記機器の各々に生じる誤作動の有無との相関を予め求めるステップを更に備え、
前記誤作動の有無を判定するステップでは、前記検出した電磁界を前記相関に当てはめて、前記風力発電装置を構成する機器の各々について誤作動の有無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異常検出方法。
【請求項３】
前記電磁界を検出するステップでは、前記機器の各々から離れた所定位置における電磁界を検出することによって、前記機器の各々に印加された電磁界を推定することを特徴とする請求項１又は２に記載の風力発電装置の異常検出方法。
【請求項４】
着雷時に前記風力発電装置を構成する部材又は機器の各々を流れる電流値を検出するステップと、
前記検出した電流値に基づいて、前記部材又は機器の各々について損傷の有無を判定するステップと
を備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の風力発電装置の異常検出方法。
【請求項５】
試験体を用いて、該試験体に印加される電流値と、前記電流値によって前記部材又は機器の各々に生じる損傷の有無との相関を予め求めるステップを更に備え、
前記損傷の有無を判定するステップでは、前記検出した電流値を前記相関に当てはめて、前記部材又は機器の各々について損傷の有無を判定することを特徴とする請求項４に記載の風力発電装置の異常検出方法。
【請求項６】
前記電流値を検出するステップでは、前記部材又は機器の各々から離れた所定位置における電流値を検出することによって、前記部材又は機器の各々に印加された電流値を推定することを特徴とする請求項４又は５に記載の風力発電装置の異常検出方法。
【請求項７】
前記風力発電装置は前記部材及び機器として、着雷時に前記風力発電装置を流れる雷撃電流の経路を変更するためのバイパス手段を備えていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の風力発電装置の異常検出方法。
【請求項８】
少なくとも一つの風車翼を有するロータを回転可能に支持するナセルが、タワー上に旋回可能に搭載されてなる風力発電装置の異常検出システムであって、
着雷時に前記風力発電装置を流れる雷撃電流によって、前記風力発電装置を構成する機器に印加される電磁界を検出する電磁界検出手段と、
前記電磁界検出手段によって検出された電磁界に基づいて、前記風力発電装置を構成する機器の各々について誤作動の有無を判定する誤作動判定手段と
を備えたことを特徴とする風力発電装置の異常検出システム。
【請求項９】
着雷時に前記風力発電装置を構成する部材又は機器の各々を流れる電流値を検出する電流値検出手段と、
前記電流値検出手段によって検出された電流値に基づいて、前記部材又は機器の各々について損傷の有無を判定する損傷判定手段と
を更に備えたことを特徴とする請求項８に記載の風力発電装置の異常検出システム。
【請求項１０】
前記風力発電装置は、前記ロータの回転によって駆動される油圧ポンプと、前記油圧ポンプで昇圧された作動油によって駆動されることにより、発電機を駆動する油圧モータとを備えたことを特徴とする請求項８又は９に記載の風力発電装置の異常検出システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電装置の異常検出方法および異常検出システムに係り、具体的には、着雷時に流れる雷撃電流によって生じる電磁界による機器の誤作動や、雷撃電流による部材や機器の損傷などの異常を検出する風力発電装置の異常検出方法および異常検出システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
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。特に、発電効率の点で有利とされる大型の風力発電装置は急激に開発が進められており、ロータ直径が百数十ｍを超える巨大な風力発電装置も実用化されつつある。
【０００３】
ロータ直径が大きな風力発電装置では、ロータの回転に伴って風車翼の先端が地表から大きく離れた位置（高所）を通過するから、風車翼の耐雷設計が重要である。風力発電装置に着雷があった場合、風力発電装置を構成する各種機器や部材に影響を与える場合がある。被雷時には風力発電装置を雷撃電流が流れるため、雷撃電流による機器や部材の損傷に加え、雷撃電流によって発生する電磁界が問題となる。このような電磁界は電気・電子機器の動作に影響を与え、誤作動などを引き起こす要因となる。
【０００４】
このように風力発電装置が被雷した場合には、損傷や誤作動が問題となるため、被雷を迅速且つ精度よく検知することは、メンテナンス上重要である。特許文献１には、風力発電装置に関するものではないものの、被雷した際に発生する電磁界を検出するための電磁界センサに関する技術が開示されている。この電磁界センサによれば、検出した電磁界の大きさに応じてＤＣ信号を出力し、該ＤＣ信号をＡＣ信号に変換してコントローラ側に送信することで被雷検知が行えるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第８０４９６３３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、風力発電装置の大型化が進んでいることから、風力発電装置を構成する機器や部材の部品点数が増加している。また、風力発電装置の動作制御の複雑化に伴い、電気・電子機器の割合が増加している。従来の風力発電装置では雷撃電流による機器や部材そのものの損傷が主な問題になっていたが、このように電気・電子機器が増加することによって、雷撃電流によって発生する電磁界によるこれらの機器の誤作動も大きな問題となっている。
特に風力発電装置では、内部に様々な機器や部材が組み込まれているため、雷撃電流の経路や、各機器に実際に印加されている電磁界を求めることが容易ではない。そのため、そのため、風力発電装置における雷撃電流や電磁界による影響評価が十分なされているとは言えないのが現状である。
【０００７】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、風力発電装置における雷撃電流や電磁界による影響を評価することによって、迅速且つ精度よく被雷による異常を検出し、メンテナンス効率を改善可能な風力発電装置の異常検出方法及び異常検出システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る風力発電装置の異常検出方法は上記課題を解決するために、少なくとも一つの風車翼を有するロータを回転可能に支持するナセルが、タワー上に旋回可能に搭載されてなる風力発電装置の異常検出方法であって、着雷時に前記風力発電装置を流れる雷撃電流によって、前記風力発電装置を構成する機器に印加される電磁界を検出するステップと、前記検出した電磁界に基づいて、前記風力発電装置を構成する機器の各々について誤作動の有無を判定するステップとを備えたことを特徴とする。
電磁界センサなどの電磁界検出手段を備えることにより、着雷時に風力発電装置を流れる雷撃電流によって、例えば風力発電装置のタワーやナセル内に収納された機器に印加される電磁界を検出する。そして、検出した電磁界に基づいて、これらの機器が電磁界によって誤作動などの異常を起こすことを迅速に把握できる。これにより、風力発電装置が被雷した際に、雷撃電流によって発生される電磁界による影響を即座に把握し、風力発電装置の稼働率低下を効率的に抑制できる。また、電磁界による影響に基づいて最適なメンテナンス計画を立てたり、重大故障時の原因究明の迅速化を図ることができる。
また電磁界検出手段を適切な位置に配置することにより、ブレードやタワーなどに限らず風力発電装置全体に亘って、雷撃電流及び電磁界による異常を検出し、その影響を評価することができる。
【０００９】
試験体を用いて、該試験体に印加される電磁界と、前記電磁界によって前記機器の各々に生じる誤作動の有無との相関を予め求めるステップを更に備え、前記誤作動の有無を判定するステップでは、前記検出した電磁界を前記相関に当てはめて、前記風力発電装置を構成する機器の各々について誤作動の有無を判定してもよい。
風力発電装置を構成する機器はその種類、配置などによって、雷撃の影響は様々であり、単純にモデル化することが難しい。そこで、上述のように、該試験体に印加される電磁界と、電磁界によって機器の各々に生じる誤作動の有無との相関を予め求めておき、実際に検出した電磁界を前記相関に当てはめることで、各機器について誤作動の有無を容易且つ精度よく判定することができる。
【００１０】
前記電磁界を検出するステップでは、前記機器の各々から離れた所定位置における電磁界を検出することによって、前記機器の各々に印加された電磁界を推定してもよい。
雷撃電流によって生じる電磁界の各機器に対する影響は、雷撃電流の流れ方や配置レイアウト（特に各機器に施されている電磁界の遮蔽対策状況）などにも依存する。そのため、雷撃電流に基づいて各機器が受ける電磁界は、各機器について個別に求める必要がある。そこで、これら雷撃電流の流れ方や各機器の遮蔽状況に基づいて実際に印加される電磁界を推定することで、より精度よく誤作動の有無を判定することができる。
【００１１】
着雷時に前記風力発電装置を構成する部材又は機器の各々を流れる電流値を検出するステップと、前記検出した電流値に基づいて、前記部材又は機器の各々について損傷の有無を判定するステップとを備えてもよい。
電流センサなどの電流検出手段を備えることにより、着雷時に風力発電装置を流れる雷撃電流によって、例えば風力発電装置のタワーやナセル内に収納された部材や機器を流れた実際の電流値を検出する。そして、検出した電流値に基づいて、これらの部材や機器が雷撃電流によって損傷などの異常を起こすことを迅速に把握できる。これにより、風力発電装置が被雷した際に、雷撃電流による影響を即座に把握し、上述の電磁界による影響を併せることで、風力発電装置の稼働率低下をより効率的に抑制できる。これに伴い、最適なメンテナンス計画を立てたり、重大故障時の原因究明の迅速化についてもより一層図ることができる。
【００１２】
試験体を用いて、該試験体に印加される電流値と、前記電流値によって前記部材又は機器の各々に生じる損傷の有無との相関を予め求めるステップを更に備え、前記損傷の有無を判定するステップでは、前記検出した電流値を前記相関に当てはめて、前記部材又は機器の各々について損傷の有無を判定してもよい。
風力発電装置を構成する部材や機器はその種類、配置などによって、雷撃の影響は様々であり、単純にモデル化することが難しい。そこで、上述のように、該試験体に印加される電流値と、該電流値によって部材や機器の各々に生じる損傷の有無との相関を予め求めておき、実際に検出した電流値を前記相関に当てはめることで、各部材や機器について損傷の有無を迅速且つ精度よく判定することができる。
【００１３】
前記電流値を検出するステップでは、前記部材又は機器の各々から離れた所定位置における電流値を検出することによって、前記部材又は機器の各々に印加された電流値を推定してもよい。
雷撃電流の各部材や機器に対する影響は、その雷撃電流の流れ方に依存する。そのため、雷撃電流の流れ方は配置レイアウト等にも依存するため、各部材や機器が受ける電流値は個別に求める必要がある。そこで、これら雷撃電流の流れ方に基づいて電流値を推定することで、より精度よく損傷の有無を判定することができる。
【００１４】
前記風力発電装置は前記部材及び機器として、着雷時に前記風力発電装置を流れる雷撃電流の経路を変更するためのバイパス手段を備えていてもよい。風力発電装置において重要度の高い機器や部材が配置されている箇所への雷撃電流の流れ込みを防止又は軽減するためにバイパス手段を用いる場合には、当該バイパス手段についても、上述の部材や機器と同様に、電磁界や電流を検知して、これらが受ける電磁界や電流による影響（異常）を判定してもよい。バイパス手段における異常の判定方法に関しても、他の機器や部材と同様に、試験体から得られる相関（例えば、雷撃パラメータと放電ギャップ周辺の電磁界の相関, および放電ギャップの劣化状況と放電ギャップ周辺の電磁界の相関）に当てはめることによって行うことができる。
【００１５】
本発明に係る風力発電装置の異常検出システムは上記課題を解決するために、少なくとも一つの風車翼を有するロータを回転可能に支持するナセルが、タワー上に旋回可能に搭載されてなる風力発電装置の異常検出システムであって、着雷時に前記風力発電装置を流れる雷撃電流によって、前記風力発電装置を構成する機器に印加される電磁界を検出する電磁界検出手段と、前記電磁界検出手段によって検出された電磁界に基づいて、前記風力発電装置を構成する機器の各々について誤作動の有無を判定する誤作動判定手段とを備えたことを特徴とする。
着雷時に前記風力発電装置を構成する部材又は機器の各々を流れる電流値を検出する電流値検出手段と、前記電流値検出手段によって検出された電流値に基づいて、前記部材又は機器の各々について損傷の有無を判定する損傷判定手段とを更に備えてもよい。
この風力発電装置の異常検出システムによれば、上述の風力発電装置の異常検出方法（上記各種態様を含む）を好適に実施することができる。
また、前記風力発電装置は、前記ロータの回転によって駆動される油圧ポンプと、前記油圧ポンプで昇圧された作動油によって駆動されることにより、発電機を駆動する油圧モータとを備えてもよい。いわゆる油圧トランスミッションを用いた風力発電装置では、ナセル内に多量の油が存在することによる爆発・火災リスクが大きくなるが、このように迅速且つ精度よく異常判定を行うことによって、これらのリスクを効果的に抑制することができる。
【発明の効果】
【００１６】
電磁界センサなどの電磁界検出手段を備えることにより、着雷時に風力発電装置を流れる雷撃電流によって、例えば風力発電装置のタワーやナセル内に収納された機器に印加される電磁界を検出する。そして、検出した電磁界に基づいて、これらの機器が電磁界によって誤作動などの異常を起こすことを迅速に把握できる。これにより、風力発電装置が被雷した際に、雷撃電流によって発生される電磁界による影響を即座に把握し、風力発電装置の稼働率低下を効率的に抑制できる。また、電磁界による影響に基づいて最適なメンテナンス計画を立てたり、重大故障時の原因究明の迅速化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施形態の異常検出システムの適用対象である風力発電装置の外観図である。
【図２】風力発電装置が備えるナセルの内部構成例を示す図である。
【図３】風力発電装置が備えるナセルの内部構造を模式的に示す斜視図である。
【図４】雷撃電流が流れる経路の一例を概略的に示す模式図である。
【図５】本実施形態に係る異常判定装置の構成を示すブロック図である。
【図６】異常判定装置で実施される誤作動判定方法を示すフローチャートである。
【図７】異常判定装置で実施される損傷判定方法を示すフローチャートである。
【図８】電磁界―誤作動相関マップの一例を示すグラフ図である。
【図９】電流値―損傷相関マップの一例を示すグラフ図である。
【図１０】ブレードに設けられた電流センサによって取得された雷撃電流の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。
【００１９】
図１は本実施形態の異常検出システムの適用対象である風力発電装置の外観図である。
風力発電装置１は、地上（又は洋上でもよい）から立設されたタワー２、該タワー２上に旋回可能に搭載されたナセル３、及び、少なくとも一つのブレード４と該ブレード４が取り付けられるハブ５とを備えてなるロータ６を備える。
【００２０】
風力発電装置１は大型化が進んでいるため落雷を受けやすい傾向にあり、ナセル３上には避雷針７が設置されている。避雷針７には地上に至るアース線（図１において不図示）が電気的に接続されている。アース線はナセル３及びタワー２を通って地面に導かれており、避雷針７に着雷した際に流れる雷撃電流は当該アース線に沿って流れるようになっている。
【００２１】
このように風力発電装置１には避雷針７が設けられているが、大型の風力発電装置１ではブレード４は数十メートル以上に及ぶため、ブレード４もまた落雷を受けやすい。特に本実施形態では、ブレード４は例えばＧＦＲＰやバルサ材等の絶縁体で形成された外皮と、ＣＦＲＰ（導電性複合材）で形成された強度部材とを含んでなる。ブレード４の一端には、レセプタ９が設けられており、該レセプタ９はハブ５を介して前記アース線に電気的に接続されている。そのため、ブレード４に着雷した際に生じる雷撃電流もまた、アース線によって導かれるようになっている。
【００２２】
図２は風力発電装置が備えるナセル３の内部構成例を示す図である。
ブレード４が風力を受けることによってロータ６全体が回転すると、主軸１０から油圧トランスミッション１１に回転が入力される。ロータ６の角度位置（回転変位）は、主軸２Ｃに取り付けられた角度位置検出器１２によって計測され、各種制御に用いられる。角度位置検出器１２は、例えば、ロータリエンコーダやレゾルバであってもよい。
ここで、ロータ６の主軸１０は、タワー２に旋回自在に支持されたナセル３に収納されている。なお、ナセル３は、主軸軸受１３を介して主軸１０を支持している。
【００２３】
油圧トランスミッション１１は、ＤＤＴ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）であり、高速デジタル制御を行う油圧トランスミッションである（以下、本実施形態で用いる油圧トランスミッションを適宜「ＤＤＴ」と称する）。油圧トランスミッション１１は主軸１０の回転によって駆動される可変容量型の油圧ポンプ１４と、発電機１５に接続された可変容量型の油圧モータ１６と、油圧ポンプ１４と油圧モータ１６との間に設けられた高圧油ライン１７及び低圧油ライン１８を有する。
尚、油圧モータ１６に接続された発電機１５は、遮断器（不図示）を介して電力系統に連系された同期発電機である。
油圧ポンプ１４の吐出口は、高圧油ライン１７によって油圧モータ１６の吸込口に接続されており、油圧ポンプ１４の吸込口は、低圧油ライン１８によって油圧モータ１６の吐出口に接続されている。油圧ポンプ１４から吐出された作動油（高圧油）は、高圧油ライン１７を介して油圧モータ１６に流入し、油圧モータ１６を駆動する。油圧モータ１６で仕事を行った作動油（低圧油）は、低圧油ライン１８を介して油圧ポンプ１４に流入して、油圧ポンプ１４で昇圧された後、再び高圧油ライン１７を介して油圧モータ１６に流入する。
このような油圧トランスミッションを採用した風力発電装置では、油圧電磁弁等の高速デジタル制御が必要であるため、多くの配線や制御機器が必要となる。これらの配線や制御機器は被雷時に電磁界の影響を受けやすい傾向にある。
【００２４】
図３は風力発電装置１が備えるナセル３の内部構造を模式的に示す斜視図である。
ナセル３には風力発電装置１の動作及び制御に必要な各種構造が収納されている。以下の説明ではこれらを主に電磁界によって動作上影響を受け得る「機器」と、機器には該当しない構造を「部材」として大別して説明するが、その分類方法はこれに限らないことは言うまでもない。
【００２５】
機器には、ナセル３内部に収納された各種電気・電子機器が広く含まれ、例えば上述した構成要素に加えて、風力発電装置１に配置された各種センサ類からの検知信号を送受信して制御を実施する制御盤（図３では例えば、ナセル３の動作を制御するナセル制御盤２２、油圧トランスミッション１１の動作を制御するＤＤＴ制御盤２４を示している）がある。また、風力発電装置１の動作状態を監視したり、制御用信号を検知するセンサ類（例えばロータ６と共に回転する低速軸（主軸１０）の回転数を検知するための低速軸回転センサ、ナセル３のタワー２に対する回転位置を検出するためのナセル位置センサ、タワー加速度センサ及びナセル３の振動度合を検知するためのナセル感振センサなどのセンサ類）もまた、機器に含まれる。
【００２６】
その他、機器には上述した構成のうち例えば発電機１５のように電磁界によって影響を受け得る、各種ケーブル配線や制御装置、補機などが広く含まれる。
例えば図３では図示を省略しているが、自動消火装置や軸受自動給脂装置が備えられていてもよい。
自動消火装置は後述するサービスブレーキ２７における発火対策として設置された消火装置であり、消火剤としてＡＢＣ粉を噴射するものである。自動消火装置は、例えばサービスブレーキ２７自身の温度や周辺の雰囲気温度をモニタし、該モニタ値が所定閾値以上に上昇した場合に発火が生じたとして自動的に消火剤を噴射するように自動制御される。
自動給脂装置は、後述する主軸受２６やヨー軸受２８などの軸受部材に対して潤滑オイルを自動的に給脂することによって潤滑状態を維持するものである。
図３では更に油圧トランスミッション１１の油回路を加圧制御するためのＤＤＴブーストポンプユニット４４や、ナセル３内部の冷却水の流量制御を行うための冷却水ポンプユニット４５も備えられている。
【００２７】
一方、部材は上述の機器には該当しないものを広く含み、電磁界の影響は受けないまでも雷撃電流によって損傷リスクが少なからず生ずるものを広く含む。例えば、上述した油圧ポンプ１４や油圧モータ１６をはじめ、主軸１０を回転可能に支持する主軸受２６、ロータ６の減速又は停止時に主軸１０に対して制動力を印加するためのサービスブレーキ２７、ナセル３をタワー２に対してヨー旋回可能に支持するヨー軸受２８、高圧油ライン１７に設けられた蓄圧手段であるＤＤＴ高圧アキュムレータ３８、低圧油ライン１７に設けられた蓄圧手段であるＤＤＴ低圧アキュムレータ３９がある。
また図３では図示を省略しているが、ナセル３のヨー駆動を実施するためにトルクを出力するヨー駆動装置、ナセル３のヨー旋回を減速又は停止するために制動力を印加するヨーブレーキが備えられている。
更にナセル３には、該ナセル３内に各種機器や部材を搬入出する際に地上側との間で吊り上げ又は吊り下げ搬送するためのナセルクレーン３１、これら各種部材及び機器が収納されたナセル３に滞留しがちな空気を流動化することによって、ナセル３内を空冷するナセル換気ファン３２を備えている。
【００２８】
また、メンテナンス作業時などのようにロータ６を停止させた際に、突風などの要因によって不用意にハブが動くことを防止するために、主軸ロックピン３３が設けられている（図２を参照）。主軸ロックピン３３はロータ２を停止させた際に、その停止状態を確実に維持するために、例えばロータ６やナセル３にそれぞれ設けられた穴に挿入されてロータ６を固定する。
【００２９】
また、ナセル３内に設置された油圧モータ１６から生ずる騒音を低減するための油圧モータ防音室３４、上記各種機器類を安定設置するための台板（例えばナセル台板３５、発電機・油圧モータ共通台板３６）やフレーム３７などがある。
【００３０】
このようにナセル内には機器や部材が多く含まれている。これらはいずれも雷撃電流を受けた際には、その電流値に応じて損傷が生じるおそれがある。特に機器は雷撃電流による電磁界の影響を受けやすく、大きな電磁界に曝されると誤作動を引き起こしてしまう。
尚、風力発電装置１ではナセル３以外にも、各種機器や部材が設けられているのは言うまでもない。例えば、ハブ５には、ブレード４のピッチ角度を調整するための電動ピッチ装置があったり、タワー２内には各種補機に加え、作業員の居住区内に設置された電気・電子機器がある。
【００３１】
これらの機器や部材は導電性材料で形成されているものもあれば、絶縁性材料で形成されているものまで様々である。そのため、着雷時に風力発電装置１に流れる雷撃電流の経路は複雑となる。また、機器や部材のうち金属材料で形成されているものに関しては、雷撃電流によって発生される電磁界を少なからず遮蔽するため、着雷時に風力発電装置１に流れる雷撃電流によって各機器に印加される電磁界は様々である。
【００３２】
図４は雷撃電流が流れる経路の一例を概略的に示す模式図である。この例では、ブレード４に着雷した場合には、矢印Ａで示すように、雷撃電流はブレード４をピッチ回転可能に支持するブレード軸受２９、及びハブ５を介して主軸受２６からナセル３内に侵入する。そして、ナセル３を通過した雷撃電流はヨー軸受２８からタワー２に侵入し、アース線（地面）に放出される。このとき、タワー２、ナセル３及びハブ５のうち、矢印Ａで示す経路上又はその近傍に配置された各種機器及び部材は雷撃電流による影響を受ける。
一方、避雷針７に着雷して矢印Ｂで示す経路に雷撃電流が流れた場合にも同様に、タワー２及びナセル３内に設置された上述の各種機器及び部材は雷撃電流及び該雷撃電流により生じる電磁界によって損傷や誤作動のリスクが生じる。
【００３３】
そこで本実施形態に係る風力発電装置１では、雷撃電流によって生じる電磁界によって影響を受け得る機器の近傍に電磁界センサ４０を設けると共に、雷撃電流の経路（矢印Ａ及びＢ）上に電流センサ４１を設ける。尚、電磁界センサ及び電流センサ４１は複数設けてもよく、好ましくはその個数を多く設定することで、検出精度を高めてもよい。
図４の例では特に、タワー２、ナセル３及びハブ５に収納された機器の近傍に電磁界センサ４０a、４０ｂ、４０ｃをそれぞれ設けると共に、雷撃電流の経路上に電流センサ４１a、４１ｂ、４１ｂ´、４１ｃを配置している。これにより、タワー２、ナセル３及びハブ５に収納された機器及び部材について、それぞれ誤作動リスクや損傷リスクを評価することができるようになっている。
尚、雷撃電流の通る主な経路は、ブレード４、ハブ４、主軸１０、油圧トランスミッション１１、発電機１５、被雷針７、バイパス手段、主要な電気配線、主要な油圧配管、タワー２の基部、アース線、送電線等が挙げられる。図４に示す雷撃電流の経路は一例にすぎず、これらの雷撃電流が通りやすい箇所を考慮しながら、電磁界センサ４０や電流センサ４１の設置箇所を決定するとよい。
【００３４】
尚、重要機器に関してはアースブラシや放電ギャップ等のバイパス手段を用いて、雷撃電流が直接的に重要機器に流れることを防止するようにしてもよい。図４では特に、ブレード４からナセル３の外部（外壁）に設けられた第１バイパスルート６０と、ハブ５内に設けられた電流センサ４１ａの下流側からナセル３の外部（外壁）に対して設けられた第２バイパスルート６１を備えている。第１バイパスルート６０では、ブレード４の根元付近からナセル３の外部（外壁）までをバイパスすることで、ブレード４に着雷した際に流れる雷撃電流がブレード軸受２９、ハブ５やナセル３内部などの様々な機器が配置された箇所に侵入することを防止又は軽減する。第２バイパスルート６１では、ハブ５内部の電流経路付近からナセル３の外部（外壁）までをバイパスすることで、特に重要な機器類が収納されるナセル３の内部に雷撃電流が侵入することを防止又は軽減する。すなわち、第１バイパスルート６０で基本的な雷撃電流の流れ込みを防止すると共に、第２バイパスルート６１によって重要箇所について更に雷撃電流の流れ込みを防止することによって、信頼性を高めている。
【００３５】
また、このようにバイパスルート６０，６１を設けることにより、重要度の高いブレード軸受２９、主軸受１３、ヨー軸受２８などに流れ込む雷撃電流を軽減している。尚、バイパスルート６０，６１を通った雷撃電流は、ナセル３の外部（外壁）を介してタワー２側に導かれ、アースに至るようになっている。
尚、図４ではバイパスルート６０の接続先をナセル３の外部（外壁）としたが、タワー２の外部（外壁）に直接的に接続してもよい。
【００３６】
バイパスルート６０，６１は例えば金属製の銅線或いは導電体の強度部材を含んでなり、放電ギャップ、放電ブラシ、放電ローラ等の態様を採用することができる。
【００３７】
また第１バイパスルート６０や第２バイパスルート６１のようなバイパス手段もまた、本明細書における機器や部材に含まれる。すなわち、必要に応じて第１バイパスルート６０や第２バイパスルート６１にも電磁界センサ４０や電流センサ４１を配置して、これらが受ける電磁界や電流による影響（異常）を判定してもよい。異常の判定方法に関しても、他の機器や部材と同様に、試験体から得られる相関（例えば、雷撃パラメータと放電ギャップ周辺の電磁界の相関, および放電ギャップの劣化状況と放電ギャップ周辺の電磁界の相関）に当てはめることによって行うことができる。例えば、ある雷撃を受けたときに放電ギャップ周辺で発生する電磁界が,
相関から推定されるものに比べて異常に大きい場合など,、放電ギャップに何らかの故障や損傷が生じているものとして異常を判断することができる。
【００３８】
図５は本実施形態に係る異常判定装置５０の構成を示すブロック図である。図６は異常判定システム５０で実施される誤作動判定方法を示すフローチャートであり、図７は異常判定システム５０で実施される損傷判定方法を示すフローチャートである。
【００３９】
まず図５及び図６を参照して、誤作動判定方法について説明する。
異常判定対象である機器の近傍に配置された電磁界センサ４０は電磁界Ｂ（Ｔ）を検出し（ステップＳ１０１）、電磁界推定部５１は該検出値に基づいて、実際に判定対象である機器に印加される電磁界の大きさを推定する（ステップＳ１０２）。電磁界推定部５１における電磁界の推定方法としては、例えば電磁界センサ４０と対象機器との距離や、電磁界センサ４０と対象機器との間に介在する電磁遮蔽物の有無などを考慮して電磁気学的に算出してもよい。
特にナセル３内には、フレームや他の機器をはじめとして様々な電磁遮蔽物が存在する。そのため、数値計算が困難である場合には、電磁界センサ４０に試験的に所定の電磁界を印加し、実際に対象機器に印加された電磁界を測定することにより、推定値を求めるためのマップを作成し、メモリ等の記憶手段に保存しておいてもよい。この場合、電磁界センサによる検出値と記憶手段から読み出したマップとに基づいて、複雑な計算処理を行うことなく、容易に対象機器に印加される電磁界を推定することができる。
尚、このように各機器について算出した推定電磁界は、例えばナセル３内の３次元イメージに重ね合わせて、電磁界分布を表示することで視覚的にわかりやすく表示するようにしてもよい。
【００４０】
続いて、予めメモリ等の記憶手段に格納された電磁界―誤作動相関マップ５２を読み出す（ステップＳ１０３）。電磁界―誤作動相関マップ５２は、試験体を用いて、該試験体に印加される電磁界と、該電磁界によって対象機器に生じる誤作動の有無との相関を予め求めることによって作成されたマップである。
ここで図８は電磁界―誤作動相関マップ５２の一例を示すグラフ図である。図８では、特定の機器について、印加される電磁界の大きさＢ（Ｔ）とそれに伴う誤作動リスク（％）が関数として規定されている。機器に印加される電磁界の大きさＢが増加するに従って、誤作動リスクも増加する傾向を有している。そして、閾値Ｂ１は対象機器の種類によって規定された閾値であり、誤作動リスクが一定値以上になった場合に誤作動が発生したとみなして異常判断するためのものである。
このような電磁界―誤作動相関マップ５２は、ナセル３内部に格納された機器に限らず、風力発電装置１が備える機器についてそれぞれ用意されている。
【００４１】
そして誤作動判定手段５３は電磁界推定部５１での算出値Ｂと、電磁界―誤作動相関マップ５２から取得した閾値Ｂ１とを比較して、誤作動が生じるか否かの異常判定を行う（ステップＳ１０４）。Ｂ＞Ｂ１の場合（ステップＳ１０４：ＹＥＳ）、対象機器に印加される電磁界が大きく、誤作動が生ずるとして「異常判定」を行う（ステップＳ１０５）。一方、Ｂ≦Ｂ１の場合（ステップＳ１０４：ＮＯ）、対象機器に印加される電磁界が小さく、誤作動は生じないとして「正常判定」を行う（ステップＳ１０６）。
【００４２】
ステップＳ１０５及びＳ１０６における判定結果は、ディスプレイなどの表示手段５４に表示され、オペレータに認識させる（ステップＳ１０７）。そして、判定結果に応じて、制御部５５は風力発電装置１の各構成要素に対して制御信号を送受信し、緊急停止などの対策措置を実施する（ステップＳ１０８）。
尚、ステップＳ１０８での具体例としては、フリーズや誤作動の発生であれば、風力発電装置１の再起動を行ったり、故障レベルの電磁界が印加されたと判断された場合には継続運転の可否判断やメンテナンス時期判断等を実施するようにしてもよい。
【００４３】
このように誤作動判定方法では、電磁界センサ４０を備えることにより、着雷時に風力発電装置１を流れる雷撃電流によって、例えば風力発電装置１のタワー２やナセル３内に収納された機器に印加される電磁界を検出する。そして、検出した電磁界に基づいて、これらの機器が電磁界によって誤作動などの異常を起こすことを迅速に把握できる。これにより、風力発電装置１が被雷した際に、雷撃電流によって発生される電磁界による影響を即座に把握し、風力発電装置１の稼働率低下を効率的に抑制できる。また、電磁界による影響に基づいて最適なメンテナンス計画を立てたり、重大故障時の原因究明の迅速化を図ることができる。
【００４４】
続いて図５及び図７を参照して、損傷判定方法について説明する。
雷撃電流が流れる経路（図４の矢印Ａ及びＢを参照）に配置された電流センサ４１は雷撃電流Ｉ（Ａ）を検出し（ステップＳ２０１）、電流推定部５６は該検出値に基づいて、実際に判定対象である部材や機器に流れる雷撃電流の大きさを推定する（ステップＳ２０２）。電磁界推定部５６における電流値の推定方法としては、例えば電流センサ４１と対象部材又は機器との間の距離や電気抵抗値などを考慮して電気学的に算出してもよい。
例えばブレードや軸系の機構部品は予めインピーダンスを測定しておき、計測電流値から対象部品にどのように電流が流れ込むかを推定できるようにしておくとよい。また、放電ギャップのような電流バイパス手段が用いられている場合には、放電の繰り返しによる電極部の劣化状況や、放電時の電磁ノイズ発生状況や、風力発電装置１が洋上設置の場合には塩分付着等による影響を考慮するようにしてもよい。
特に風力発電装置１内には、導電体や絶縁体を含む様々な機器や部材が存在する。そのため、数値計算によって電流値の算出が困難である場合には、電流センサ４１に試験的に所定の電流を印加し、実際に対象部材又は機器に印加された電流値を測定することにより、推定値を求めるためのマップを作成し、メモリ等の記憶手段に保存しておいてもよい。この場合、電流センサ４１による検出値と記憶手段から読み出したマップとに基づいて、複雑な計算処理を行うことなく、容易に判定対象に印加される電流値を推定することができる。
尚、このように各機器及び部材について算出した推定電流値は、例えばナセル３内の３次元イメージに重ね合わせて、電流の流れるルートを表示することで視覚的にわかりやすく表示するようにしてもよい。
【００４５】
続いて、予めメモリ等の記憶手段に格納され電流値―損傷相関マップ５７を読み出す（ステップＳ２０３）。電流値―損傷相関マップ５７は、試験体を用いて、該試験体に印加される電流値と、該電流値によって判定対象に生じる損傷の有無との相関を予め求めることによって作成されたマップである。
ここで図９は電流値―損傷相関マップ５７の一例を示すグラフ図である。図９では、特定の部材又は機器について、印加される電流値の大きさＩ（Ａ）とそれに伴う損傷リスク（％）が関数として規定されている。部材又は機器に印加される電流値の大きさＩが増加するに従って、損傷リスクも増加する傾向を有している。そして、閾値Ｉ１は判定対象の種類によって規定された閾値であり、損傷リスクが一定値以上になった場合に損傷が発生したとみなして異常判断するためのものである。
このような電流値―損傷相関マップ５７は、ナセル３内部に格納された部材又は機器に限らず、風力発電装置１が備える部材又は機器についてそれぞれ用意されている。
【００４６】
そして損傷判定手段５８は電流推定部５６での算出値Ｉと、電流値―損傷相関マップ５７から取得した閾値Ｉ１とを比較して、損傷が生じるか否かの異常判定を行う（ステップＳ２０４）。Ｉ＞Ｉ１の場合（ステップＳ２０４：ＹＥＳ）、判定対象に印加される電流値が大きく、損傷が生ずるとして「異常判定」を行う（ステップＳ２０５）。一方、Ｉ≦Ｉ１の場合（ステップＳ２０４：ＮＯ）、判定対象に印加される電流値が小さく、損傷は生じないとして「正常判定」を行う（ステップＳ２０６）。
尚、本実施形態では電流値が閾値より大きくなった場合に異常判定するとしたが、これに代えて又は加えて、落雷の度に、各機器や部材に流れた電流値を蓄積し、その累積値が所定の閾値に達した場合に異常判定を行ってもよい。この場合、閾値を段階的に複数設け、累積値の大きさに応じて、判定結果を出力したり、制御内容を変更してもよい。具体的には累積値に基づいて各機器や部材の余寿命診断や、メンテナンス時期の判断、運転制限などの制御を実施してもよい。
【００４７】
ここで雷撃電流による損傷判定の一例として、ＣＦＲＰ補強部材を備えたブレード４における損傷判定方法について具体的に説明する。図１０はブレード４に設けられた電流センサ４１によって取得された雷撃電流の一例を示す図である。雷撃電流は複数の電流パラメータで規定することができ、図１０の例では特に、雷撃電流の電流波形１００、ピーク値１０２、電荷量（電流波形１００で囲まれる面積１０４）、比エネルギーが示されている。
【００４８】
メモリ等の記憶手段には、電流値―損傷相関マップ５７の一例として、試験体のＣＦＲＰに流す試験電流に関する試験電流パラメータと、試験電流によって試験体のＣＦＲＰに生じる損傷の特性データとの相関が予め記憶されている。
なお、本発明者らの知見によれば電荷量又は比エネルギーがＣＦＲＰの損傷規模と強い相関を有するから、電流パラメータとしては電荷量又は比エネルギーを採用することが好ましい。
【００４９】
損傷判定手段５８は、ブレード４の雷撃による損傷の特性データを算出する。具体的には、電流センサ４１によって取得した雷撃電流パラメータを、電流値―損傷相関マップ５７に記憶された試験電流パラメータと損傷特性データとの上記相関に当てはめてブレード４の損傷特性データを算出する。そして損傷判定手段５８は、該算出した損傷特性データが閾値を超えたか否かにより損傷の有無を判定する。
尚、ここでは損傷特性データに基づいて異常判定を行うとしたが、これに代えて又は加えて対象機器や部材の耐熱温度や強度に関する特性データに基づいて異常判定を行うようにしてもよい。
【００５０】
ここではブレード４を対象とした損傷判定を説明したが、風力発電装置１を構成する他の機器や部材についても同様に適用可能である。
【００５１】
ステップＳ２０５及びＳ２０６における判定結果は、上述のステップＳ１０７と同様に、ディスプレイなどの表示手段５４に表示され、オペレータに認識させる（ステップＳ２０７）。そして、判定結果に応じて、風力発電装置１の各構成要素に対して制御信号を送受信し、緊急停止などの対策措置を実施する（ステップＳ２０８）。
【００５２】
このように電磁界センサ４０に加えて電流センサ４１を備えることにより、着雷時に風力発電装置１を流れる雷撃電流によって、例えば風力発電装置１のタワー２やナセル３内に収納された部材や機器を流れた実際の電流値を検出する。そして、検出した電流値に基づいて、これらの部材や機器が雷撃電流によって損傷などの異常を起こすことを迅速に把握できる。これにより、風力発電装置１が被雷した際に、雷撃電流による影響を即座に把握し、上述の電磁界による影響を併せることで、風力発電装置１の稼働率低下をより効率的に抑制できる。これに伴い、最適なメンテナンス計画を立てたり、重大故障時の原因究明の迅速化についてもより一層図ることができる。
【００５３】
尚、上述の実施形態では単体の風力発電装置１について詳述したが、これらの風力発電装置１を複数含んでなるファーム内において、風力発電装置１間の送電線や通信線に流れる雷撃電流や電磁界についても同様に、異常判定の対象としてもよい。このような場合、異常判定の対象は、上述のように風力発電装置１の構成要素単位であってもよいし、風力発電装置１単位であってもよいし、ファーム単位であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、風力発電装置の異常検出方法および異常検出システムに係り、具体的には、着雷時に流れる雷撃電流によって生じる電磁界による機器の誤作動や、雷撃電流による部材や機器の損傷などの異常を検出する風力発電装置の異常検出方法および異常検出システムに利用可能である。
【符号の説明】
【００５５】
１  風力発電装置
２  タワー
３  ナセル
４  ブレード
５  ハブ
６  ロータ
７  被雷針
９  レセプタ
１０  主軸
１１  油圧トランスミッション
１３  主軸受
１４  油圧ポンプ
１５  発電機
１６  油圧モータ
１７  高圧油ライン
１８  低圧油ライン
２８  ヨー軸受
２９  ブレード軸受
４０  電磁界センサ
４１  電流センサ
５０  異常判定システム
５１  電磁界推定部
５２  電磁界―誤作動相関マップ
５３  誤作動判定手段
５４  表示部
５５  制御部
５６  電流推定部
５７  電流―損傷相関マップ
５８  損傷判定手段
６０  第１バイパスルート
６１  第２バイパスルート
【図１】
2013181412.tif 000003
【図２】
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【図３】
2013181412.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2013181412.tif 000009
【図８】
2013181412.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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