JP2021515862A - 風力発電設備及び風力発電設備の制御方法 - Google Patents

Abstract

風力発電設備の制御方法は、単位期間における風車の各評価点の累積損傷度Ｄｕを評価期間全体に亘って累計して各評価点における評価期間全体の全累積損傷度Ｄｔを演算するステップと、演算ステップで演算した各評価点における全累積損傷度Ｄｔを所定の第１閾値（Ｐ＊Ｑ）と比較し、各評価点における全累積損傷度Ｄｔの増加速度ｄＤｔ／ｄｔと第２閾値とを比較して風車の各評価点が属する部位の疲労評価を行うステップと、評価ステップの評価結果に基づき風車の運転モードを、全累積損傷度Ｄｔが第１閾値（Ｐ＊Ｑ）未満且つ増加速度ｄＤｔ／ｄｔが第２閾値未満の場合は通常運転モードに、全累積損傷度Ｄｔが第１閾値（Ｐ＊Ｑ）以上又は増加速度ｄＤｔ／ｄｔが第２閾値以上の場合は通常運転モードより出力を抑えた低負荷運転モードに決定するステップと、を備える。これにより、例えば、風車の有効寿命を延ばし、風車の寿命中により多くの電力を生成し得る。【選択図】図３

Description

本開示は、風力発電設備及び風力発電設備の制御方法に関する。

従来、環境保全の観点から、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設備の普及が進んでいる。一般に、風力発電設備は、風力エネルギーを受ける複数のロータブレード及びロータハブを含むロータ、ロータの回転力がドライブトレインを介して伝達される発電機、ロータを回転可能に支持し発電機を収容するナセル、及びナセルを支持するタワー等を備えている。

欧州特許出願公開第２３０２２０７号明細書

欧州特許出願公開第２３０２２０７号明細書（以下、特許文献１）には、風力発電設備の疲労寿命を評価し、評価結果に基づき風力発電設備を異なる運転モードで運転することが記載されている。

しかし、上記特許文献１では、耐用年数を考慮した風力発電設備の運転について具体的に開示されておらず、疲労寿命の評価結果に基づく運転によってもなお、設定された耐用年数まで適応し得るか問題があった。なお、耐用年数は、もともとの風車設計寿命年数を上回ることもあり得る。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の少なくとも一つの実施形態は、現在の運転状況と耐用年数とに応じて風力発電設の運転レベルを決定することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る風力発電設備の制御方法は、
単位期間における前記風力発電設備の各評価点の累積損傷度Ｄ_ｕを評価期間全体にわたって累計して前記各評価点における前記評価期間全体の全累積損傷度Ｄ_ｔを演算する演算ステップと、
前記演算ステップによって演算した前記各評価点における前記全累積損傷度Ｄ_ｔを所定の第１閾値（Ｐ＊Ｑ）と比較するとともに、各評価点における全累積損傷度Ｄ_ｔの増加速度ｄＤ_ｔ／ｄｔと第２閾値とを比較して前記風力発電設備における前記各評価点が属する部位の疲労評価を行う評価ステップと、
前記評価ステップの評価結果に基づき、前記風力発電設備の運転モードを、前記全累積損傷度Ｄ_ｔが前記第１閾値（Ｐ＊Ｑ）未満、且つ前記増加速度ｄＤ_ｔ／ｄｔが前記第２閾値未満の場合は通常運転モードに、前記全累積損傷度Ｄ_ｔが前記第１閾値（Ｐ＊Ｑ）以上、又は前記増加速度ｄＤ_ｔ／ｄｔが前記第２閾値以上の場合は前記通常運転モードよりも出力を抑えた低負荷運転モードに決定する運転モード決定ステップと、
を備え、
前記全累積損傷度Ｄｔが前記第１閾値（Ｐ＊Ｑ）を超えて増加した場合、前記全累積損傷度Ｄｔが前記第１閾値（Ｐ＊Ｑ）を再び下回るまで、動作モードを低負荷運転モードに変更することを特徴とする。

上記（１）の方法によれば、各評価点における全累積損傷度Ｄ_ｔが第１閾値（Ｐ＊Ｑ）未満であり、且つ、各評価点における全累積損傷度Ｄ_ｔの増加速度ｄＤ_ｔ／ｄｔが第２閾値未満の場合は通常運転モードで運転するように決定される。一方、全累積損傷度Ｄ_ｔとその増加速度ｄＤ_ｔ／ｄｔの何れか一方が、それぞれの比較対象とされる第１閾値（Ｐ＊Ｑ）又は第２閾値以上の場合は、低負荷運転モードで運転するように決定される。したがって、何れかの評価点において、現在の全累積損傷度Ｄ_ｔが第１閾値（Ｐ＊Ｑ）以上の場合だけでなく、全累積損傷度Ｄ_ｔの増加速度ｄＤ_ｔ／ｄｔが第２閾値以上の場合にも、低負荷運転モードで運転するように決定される。そして、例えば風力発電設備に生ずる高応力領域の負荷を抑制して中応力領域又は低応力領域の負荷に、及び／又は、中応力領域の負荷を抑制して低応力領域の負荷となるように運転することができる。よって、現在の運転及び負荷の状況を判定するだけでなく、全累積損傷度Ｄ_ｔが１（全寿命に相当）を超える前に、使用寿命を見積もり、風力発電設備の運転を調整することができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）に記載の方法において、
前記運転モード決定ステップでは、前記評価点が前記風力発電設備におけるタワーのトップ部、前記タワーのボトム部、ロータハブ又はロータブレードの何れかに属する場合に、前記通常運転モードよりも風車翼のピッチ角がフェザー側に設定されてもよい。

上記（２）の方法によれば、風による外力を低減することができるから、該当する評価点において高応力領域の負荷を効果的に抑制することができる。よって、累積損傷度Ｄ_ｕの増加を効果的に抑制し、風車１の長寿命化を図ることができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の方法において、
前記運転モード決定ステップでは、前記評価点が前記風力発電設備におけるドライブトレインに属する場合に、ロータの回転数が前記通常運転モードよりも低く制限されてもよい。

上記（３）の方法によれば、評価点が、主に動力伝達系に属する場合は、通常運転モードよりも低い回転数に制限される。よって、動力伝達に関わる部位の累積損傷度Ｄ_ｕの増加を効果的に抑制することができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れか一つの方法において、
風力発電設備の制御方法は、
前記各評価点に生じる応力の前記単位期間内の時系列変化を示す応力変化情報を取得する取得ステップと、
前記取得ステップで取得した前記応力変化情報に基づいて、前記単位期間に前記各評価点に生じる応力の応力振幅Ｆ_ｉ及び該応力振幅Ｆ_ｉの繰り返し数ｎ_ｉを算出する第１算出ステップと、
前記第１算出ステップの算出結果と前記各評価点の材料に応じたＳ−Ｎ線図の情報とに基づいて、前記単位期間における前記各評価点の累積損傷度Ｄ_ｕを算出する第２算出ステップと、
をさらに備えていてもよい。

上記（４）の方法によれば、風力発電設備において単位期間に各評価点に生じる応力の応力振幅及び該応力振幅Ｆ_ｉの繰り返し数ｎ_ｉと、各評価点の材料に応じたＳ−Ｎ線図の情報とに基づいて、各評価点について累積疲労損傷則を考慮した適切な全累積損傷度Ｄ_ｔを算出することができる。そして、全累積損傷度Ｄ_ｔを閾値と比較することにより、各評価点の属する部位の疲労評価を累積疲労損傷則に基づいて適切に行うことができる。したがって、例えば、次回の定期メンテナンスの時期までに何れかの評価点に対応する部位の余寿命が尽きてしまったり予想される風力発電設備の耐用年数が経過したりしてしまうことが予想される場合、風力発電設備の負荷を抑制して次の定期メンテナンスまで余寿命を延長したり風力発電設備の耐用年数を延ばしたりする。これにより、風力発電設備の各部位の破損等による予期しない運転停止を防止することができる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（４）の方法において、
前記第２算出ステップでは、以下の式（ｉ）に基づいて前記累積損傷度Ｄ_ｕを演算してもよい；

ここで、Ｎ_ｉは、前記応力振幅Ｆ_ｉに対応する破断繰り返し数である。

上記（５）の方法によれば、各々の評価点の疲労を総合的に考慮して累積損傷度Ｄ_ｕを算出することができる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（５）の何れか一つの方法において、
前記所定の第１閾値（Ｐ＊Ｑ）において、Ｐは前記風力発電設備の評価時における耐用年数の割合であり、Ｑは前記風力発電設備の累積運転に応じて０．０５〜０．９５の範囲で増大してもよい。

上記（６）の方法によれば、風力発電設備の累積運転に応じて各評価点での累積損傷度Ｄ_ｕが増加し、余寿命が短くなる。このため、仮に風力発電設備の全運転期間（耐用年数）に亘って変化しない一定の閾値を用いた場合は評価ステップＳ２０において閾値を超えることが頻繁に生じ、風力発電設備を円滑に運転できなくなる虞がある。この点、上記のように閾値を設定することで、累積運転に応じて累積損傷度Ｄ_ｕ及び全累積損傷度Ｄ_ｔが増加しても、風力発電設備の運転を確保することができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（６）の何れか一つの方法において、
風力発電設備の制御方法は、
ロータ回転数（ｒｐｍ）が騒音要求レベルの範囲内である場合は前記風力発電設備の運転モードを前記通常運転モードに設定し、前記ロータ回転数が前記騒音要求レベルの範囲を超えている場合は前記騒音要求レベルの範囲内となるロータ回転数に低減する回転数決定ステップをさらに含んでいてもよい。

上記（７）の方法によれば、風力発電設備の騒音レベルが随時、騒音要求レベルの範囲内となるようにして運転することができる。

（８）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（７）の何れか一つの方法において、
前記累積損傷度Ｄ_ｕは、前記各評価点の材料に応じたＳ−Ｎ線図における応力振幅の値域ごとに累計されてもよい。

上記（８）の方法によれば、各評価点に特に関連する応力振幅Ｆ_ｉに着目して累積損傷度Ｄ_ｕを算出することができる。したがって、各評価点の注目されるべき各応力振幅Ｆ_ｉについて、その破断繰り返し数Ｎ_ｉを超えないように風車１の運転を確保することができる。

（９）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（８）の何れか一つの方法において、
風力発電設備の制御方法は、
前記全累積損傷度Ｄｔが前記第１閾値（Ｐ＊Ｑ）の９５％未満である場合に、前記評価ステップの評価結果に基づいて前記風力発電設備の運転モードを、前記第２閾値を少なくとも１０％増加させた拡張運転モードに決定するステップをさらに備え、
前記全累積損傷度Ｄｔが、好ましくは前記第１閾値の９０％未満、より好ましくは前記第１閾値の８０％未満である場合に前記拡張運転モードに移行し、
前記拡張運転モードでは、好ましくは前記第２閾値が少なくとも２０％増加し、より好ましくは前記第２閾値が少なくとも５０％増加してもよい。

（１０）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（９）の何れか一つに記載の方法において、
風力発電設備の制御方法は、前記風力発電設備の実際の全累積損傷を非破壊技術によって測定し、前記全累積損傷度Ｄｔを実際の前記全累積損傷に調整することで、前記全累積損傷度Ｄｔを校正するステップをさらに含んでいてもよい。

（１１）本発明の少なくとも一実施形態に係る風力発電設備は、
風力エネルギーを受けて回転するよう構成されたロータと、
前記ロータの回転力が伝達される発電機と、
上記（１）乃至（１０）の何れか１つに記載の制御方法を実現するための制御システムと、
を備えることを特徴とする。

上記（１１）の構成によれば、上記（１）で述べたように、各評価点における全累積損傷度Ｄ_ｔが第１閾値（Ｐ＊Ｑ）未満であり、且つ、各評価点における全累積損傷度Ｄ_ｔの増加速度ｄＤ_ｔ／ｄｔが第２閾値未満の場合は通常運転モードで運転するように決定され、一方、全累積損傷度Ｄ_ｔとその増加速度ｄＤ_ｔ／ｄｔの何れか一方が、それぞれの比較対象とされる第１閾値（Ｐ＊Ｑ）又は第２閾値以上の場合は、低負荷運転モードで運転するように決定される風力発電設備を提供できる。何れかの評価点において、現在の全累積損傷度Ｄ_ｔが第１閾値（Ｐ＊Ｑ）以上の場合だけでなく、全累積損傷度Ｄ_ｔの増加速度ｄＤ_ｔ／ｄｔが第２閾値以上の場合にも、低負荷運転モードで運転するように決定される。そして、例えば風力発電設備に生ずる高応力領域の負荷を抑制して中応力領域又は低応力領域の負荷に、及び／又は、中応力領域の負荷を抑制して低応力領域の負荷となるように運転することができる。よって、現在の運転及び負荷の状況を判定するだけでなく、全累積損傷度Ｄ_ｔが１（全寿命に相当）を超える前に、使用寿命を見積もり、風力発電設備の運転を調整することができる。

一実施形態に係る風力発電設備の構造を示す概略図である。 一実施形態に係る風力発電設備における制御系の構成を示すブロック図である。 一実施形態に係る風力発電設備の制御方法を示すフローチャートである。 一実施形態に係る風力発電設備における応力振幅と繰り返し数との関係を示すＳ−Ｎ線図である。 他の実施形態に係る風力発電設備の制御方法を示すフローチャートである。 他の実施形態に係る風力発電設備の制御方法を示すフローチャートである。 他の実施形態に係る風力発電設備の制御方法を示すフローチャートである。 他の実施形態に係る風力発電設備の制御方法を示すフローチャートである。 一実施形態に係る風力発電設備の制御方法を示すフローチャートである。 全累積損傷度Ｄｔの展開例を示す図である。 全累積損傷度の増加率（ｄＤｔ／ｄｔ）の展開例を示す図である。 動作モードの展開例を示す図である。

以下に、本発明の少なくとも一実施形態に係る風車用の回転機械について、添付図面を参照して詳細に説明する。もちろん、本発明は以下の実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各種変更が可能であることは言うまでもない。

まず、図１から図４を参照して、本発明の少なくとも一実施形態に係る風車１の構成について説明する。

本開示の少なくとも一実施形態に係る風力発電設備（以下、風車１と称する）は、陸上又は洋上に設置されて用いられ得る。
図１及び図２に非限定的に例示するように、風車１は、風力エネルギーを受けて回転するよう構成されたロータ４と、ロータ４の回転力が伝達される発電機６と、風車１の各駆動部を制御するコントローラ１０（図２参照）と、を備えている。また、風車１は、主軸及び主軸受を含むドライブトレイン構成機器５を介してロータ４を回転自在に支持するナセル７と、ナセル７を水平旋回可能に支持するタワー８と、タワー８が設置されるプラットフォーム９と、備えている。
ロータ４は、複数の風車翼２及び該風車翼２が取り付けられるハブ３で構成される。
風車翼２は、ハブ３に設置されたモータ又は油圧アクチュエータを含むピッチ駆動アクチュエータ２３の駆動によりピッチ角を調節可能に構成されている。そして、風車１は、風車翼２で風を受けるとロータ４が回転し、ロータ４に連結された発電機６で電力が生成されるようになっている。

図２に非限定的に例示するように、コントローラ１０は、例えば、コンピュータであり、ＣＰＵ１１（プロセッサ）、該ＣＰＵ１１が実行する各種プログラムやテーブル等のデータを記憶するための記憶部としてのＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）１３、各プログラムを実行する際の展開領域や演算領域等のワーク領域として機能するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）１２及び風車１の運転に関する各種のデータが蓄積されたデータベース１８の他、図示しない大容量記憶装置としての不揮発性の磁気ディスク記憶装置、通信ネットワークに接続するための通信インターフェース、及び外部記憶装置が装着されるアクセス部などを備えていてもよい。これらは全て、バス１４を介して接続されており、バス１４は有線又は無線により風車１の各駆動部と接続されている。更に、コントローラ１０は、例えば、キーボードやマウス等からなる入力部（図示省略）及びデータを表示する液晶表示装置等からなる表示部（図示省略）等と接続されていてもよい。

図２に示すように、幾つかの実施形態において、コントローラ１０には、各風車１に設けられた風向センサ３１、風速センサ３２及び荷重センサ３３の各々から、それぞれ風向、風速及び荷重等に関する検知信号が送信されるように構成されている。上記の荷重センサ３３は、例えば、主軸受（図示省略）やタワー８等、装置荷重や風による負荷が作用する場所に１つ以上設置されていてもよい。幾つかの実施形態において、コントローラ１０は、バス１４及び／又は信号線を介してヨーモータ２１、ヨーブレーキ駆動アクチュエータ２２、ピッチ駆動アクチュエータ２３及びピッチブレーキ駆動アクチュエータ２４等と接続されていてもよい。

ここで、図３〜７を参照して本開示の少なくとも一実施形態に係る風車１における制御部としてのコントローラ１０により実現される、風車１の制御方法に関する処理について説明する。

図３に非限定的に例示するように、本開示の少なくとも一実施形態に係る風力発電設備の制御方法は、単位期間における風車１の各評価点の累積損傷度Ｄ_ｕを評価期間全体にわたって累計して各評価点における評価期間全体の全累積損傷度Ｄ_ｔを演算する演算ステップＳ１０と、演算ステップ１０によって演算した各評価点における全累積損傷度Ｄ_ｔを所定の第１閾値（Ｐ＊Ｑ）と比較するとともに、各評価点における全累積損傷度Ｄ_ｔの増加速度ｄＤ_ｔ／ｄｔと第２閾値とを比較して風車１における各評価点が属する部位の疲労評価を行う評価ステップＳ２０と、評価ステップＳ２０の評価結果に基づき、風車１の運転モードを、全累積損傷度Ｄ_ｔが第１閾値（Ｐ＊Ｑ）未満、且つ増加速度ｄＤ_ｔ／ｄｔが第２閾値未満の場合は通常運転モードに、全累積損傷度Ｄ_ｔが第１閾値（Ｐ＊Ｑ）以上、又は増加速度ｄＤ_ｔ／ｄｔが第２閾値以上の場合は通常運転モードよりも出力を抑えた低負荷運転モードに決定する運転モード決定ステップＳ３０と、を備えている。

Ｄｔは、Ｄｔ＝１が故障時の累積損傷の総量に相当するように正規化される。Ｐは、評価時点での耐用年数の割合であり、したがって、０〜１の範囲にある。Ｑは、サービス寿命の終了時に許容される総累積損傷である。Ｑは安全マージンを考慮した設計値とＤｔとの割合である。典型的には、Ｑは０．１０〜０．９５の値を有する。安全マージンは常にエンジニアリング設計の一部であるが、値の変動（ここでは蓄積損傷の総和）をうまく制御できる場合、マージンを減らすことができることに注意する必要がある。したがって、本発明の利点の１つは、蓄積損傷の総和を追従して非常に正確に調整することができ、安全マージンをより小さくして安全に作業できることである。Ｐ＊Ｑは、言い換えれば、サービス寿命の一定期間において予想される（または許容された）累積損傷の尺度である。

各ステップＳ１０、Ｓ２０、Ｓ３０は、例えば、ＣＰＵ１１が、ＲＯＭ１３に格納された演算プログラム１５、評価プログラム１６又は運転モード決定プログラム１７をそれぞれ読み出してＲＡＭ１２に展開し、実行することでそれぞれ実現され得る（図２参照）。

風車１の各評価点は、例えば、上述した風車翼２、ハブ３、ロータ４ドライブトレイン構成機器５、発電機６等の動力伝達系に属する部位や、ナセル７、タワー８等の構造体に属する部位であってもよい。これらの各評価点に設けられた、例えば歪ゲージ、圧電センサ又はトルクセンサ等の荷重センサ３３によって得られた情報をコントローラ１０が取得し、演算プログラム１５を実行することで、累積損傷度Ｄ_ｕ及び全累積損傷度Ｄ_ｔが算出され得る。
単位期間としては、例えば、任意の分、時間、日、週、月、年等を設定し得る。

全累積損傷度Ｄｔ（＝Σｎｉ／Ｎｉ）は、種々の応力振幅Ｆｉ（ｉはＢＩＮ番号）の応力がそれぞれ異なる回数（ｎｉ回）発生した場合に蓄積された疲労を総合評価するための指標である。応力振幅から計算される総累積損傷度Ｄｔは、例えば風車翼２およびタワー８のＤｔに適用されることが好ましい。
また、総累積損傷度Ｄｔは、負荷回転数分布（ＬＲＤ）から算出することができる。ＬＲＤから計算される総累積損傷度Ｄｔは、好ましくは、例えばギアボックス歯のためのＤｔに適用される。Ｄｔは負荷期間分布（Ｌｏａｄ Ｄｕｒａｔｉｏｎ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ：ＬＤＤ）から計算することもできる。ＬＤＤから計算されたＤｔは、好ましくは、例えばギアボックスベアリングのＤｔに適用される。

ここで、図４に示すＳ−Ｎ線図を参照し、疲労寿命の評価に関して説明する。
図４において、応力振幅Ｆ１とＳ−Ｎ線との交点Ｎ１は、当該材料が疲労寿命を迎えるまでに耐えることができる応力振幅Ｆ１の繰り返し回数であり、一般に「破断繰り返し数」と称される。応力振幅Ｆ１がｎ１（＜Ｎ１）回発生した場合に蓄積される疲労は、疲労寿命を１としたとき、ｎ１／Ｎ１（＜１）と評価できる。
一方、応力振幅の大きさ自体が異なると、同程度の疲労寿命に対応する繰り返し回数ｎｉは異なる値となる。種々の大きさの応力振幅Ｆｉが発生し得る実際の機械では、これらが材料の疲労に対して与える総合的な疲労を評価する場合、Ｓ−Ｎ線図によって応力振幅Ｆｉ毎に特定される破断繰り返し数Ｎｉと、各応力振幅Ｆ_ｉの発生数ｎ_ｉとを用いて計算されるＤ_ｔ＝Σｎ_ｉ／Ｎ_ｉを求める。そして、Ｄ_ｔ（＝Σｎ_ｉ／Ｎ_ｉ）が１に到達すると、種々の大きさの応力振幅Ｆｉがそれぞれｎｉ回発生した結果、材料の寿命が尽きたことを意味する。

上記構成によれば、各評価点における全累積損傷度Ｄ_ｔが第１閾値（Ｐ＊Ｑ）未満であり、且つ、各評価点における全累積損傷度Ｄ_ｔの増加速度ｄＤ_ｔ／ｄｔが第２閾値未満の場合は通常運転モードで運転するように決定される。一方、全累積損傷度Ｄ_ｔとその増加速度ｄＤ_ｔ／ｄｔの何れか一方が、それぞれの比較対象とされる第１閾値（Ｐ＊Ｑ）又は第２閾値以上の場合は、低負荷運転モードで運転するように決定される。したがって、何れかの評価点において、現在の全累積損傷度Ｄ_ｔが第１閾値（Ｐ＊Ｑ）以上の場合だけでなく、全累積損傷度Ｄ_ｔの増加速度ｄＤ_ｔ／ｄｔが第２閾値以上の場合にも、低負荷運転モードで運転するように決定される。そして、例えば風車１に生ずる高応力領域の負荷を抑制して中応力領域又は低応力領域の負荷に、及び／又は、中応力領域の負荷を抑制して低応力領域の負荷となるように運転することができる。よって、現在の運転及び負荷の状況を判定するだけでなく、全累積損傷度Ｄ_ｔが１（全寿命に相当）を超える前に、使用寿命を見積もり、風車１の運転を調整することができる。特に、全累積損傷度Ｄｔが予想よりも高い場合、風車１の寿命（または残留寿命）を考慮して、風車１をより穏やかに（すなわち、より低い応力領域で）動作させてもよい。あるいは、全累積損傷度Ｄｔが予想よりも低い場合には、風車１の寿命（または残留寿命）を考慮して、風車１をより積極的に運転してもよいし、許容される全累積損傷度Ｄｔ以内で風車１を通常の耐用年数よりも長期間運転してもよい。

図５に非限定的に例示するように、幾つかの実施形態において、運転モード決定ステップＳ３０では、評価点が風車１におけるタワー８のトップ部８Ａ、タワー８のボトム部８Ｂ、ハブ３（ロータハブ）又は風車翼２（ロータブレード）の何れかに属する場合に、通常運転モードよりもピッチ角がフェザー側となるようにピッチ角を決定してもよい。
すなわち、評価点が、主に風を受けることで疲労が蓄積される風車翼２やタワー８等の構造体に属する場合は、通常運転モードよりもピッチ角がフェザー側となるようにピッチ角が設定される。

具体的には、ＣＰＵ１１がＲＯＭ１３から運転モード決定プログラム１７を読み出し、ＲＡＭ１２に展開して実行することにより、評価点がタワー８のトップ部８Ａ、タワー８のボトム部８Ｂ、ハブ３又は風車翼２の何れかに属するか否かの判断を行い（ステップＳ３１）、属すると判断した場合（ステップＳ３１：Ｙｅｓ）は風車翼２のピッチ角が通常運転モードよりもフェザー側に設定される（ステップＳ３２）制御を行う。一方、評価点がタワー８のトップ部８Ａ、タワー８のボトム部８Ｂ、ハブ３又は風車翼２の何れにも属さないと判断した場合（ステップＳ３１：Ｎｏ）は、ピッチ角は変更されない。
このようにすれば、風による外力を低減することができるから、該当する評価点において高応力領域の負荷を効果的に抑制することができる。よって、累積損傷度Ｄ_ｕの増加を効果的に抑制し、風車１の長寿命化を図ることができる。

図６に非限定的に例示するように、幾つかの実施形態において、運転モード決定ステップＳ３０では、評価点が風車１におけるドライブトレイン（ドライブトレイン構成機器５）に属する場合に、通常運転モードよりも低い回転数に制限するようにしてもよい。
すなわち、評価点が、主に動力伝達系に属する場合は、通常運転モードよりも低い回転数に制限される。

具体的には、ＣＰＵ１１がＲＯＭ１３から運転モード決定プログラム１７を読み出し、ＲＡＭ１２に展開して実行することにより、評価点がドライブトレインに属するか否かの判断を行い（ステップＳ３３）、ドライブトレインに属すると判断した場合（ステップＳ３３：Ｙｅｓ）は風車１の回転数が通常運転モードよりも低い回転数に低減される（ステップＳ３４）制御を行う。一方、評価点がドライブトレインに属さないと判断した場合（ステップＳ３３：Ｎｏ）、回転数は変更されない。
このようにすれば、動力伝達に関わる部位の累積損傷度Ｄ_ｕの増加を効果的に抑制することができる。

図７に非限定的に例示するように、幾つかの実施形態において、風車１の制御方法は、各評価点に生じる応力の単位期間内の時系列変化を示す応力変化情報を取得する取得ステップＳ４０と、取得ステップＳ４０で取得した応力変化情報に基づいて、単位期間に各評価点に生じる応力の応力振幅Ｆ_ｉ及び該応力振幅Ｆ_ｉの繰り返し数ｎ_ｉを算出する第１算出ステップＳ５０と、第１算出ステップＳ５０の算出結果と各評価点の材料に応じたＳ−Ｎ線図の情報とに基づいて、単位期間における各評価点の累積損傷度Ｄ_ｕを算出する第２算出ステップＳ６０と、をさらに備えていてもよい。

取得ステップＳ４０では、例えば各評価点に設けられた歪ゲージ等の荷重センサ３３からコントローラ１０に送信された検出信号に基づき、各評価点に生じた応力の単位期間内の時系列変化を示す応力変化情報が取得され得る。この応力変化情報に基づき、第１算出ステップＳ５０では、応力振幅Ｆ_ｉ及びその繰り返し数ｎ_ｉの算出がＣＰＵ１１によって行われ得る。そしてステップＳ６０では、第１算出ステップＳ５０の算出結果（Ｆ_ｉ及びｎ_ｉ）と各評価点に用いられた材料に応じたＳ−Ｎ線図（例えばＲＯＭ１３やデータベース１８に格納）の情報とに基づき、累積損傷度Ｄ_ｕが算出される。

上記構成によれば、風車１において単位期間に各評価点に生じる応力の応力振幅Ｆ_ｉ及び該応力振幅Ｆ_ｉの繰り返し数ｎ_ｉと、各評価点の材料に応じたＳ−Ｎ線図の情報とに基づいて、各評価点について累積疲労損傷則を考慮した適切な全累積損傷度Ｄ_ｔを算出することができる。そして、全累積損傷度Ｄ_ｔを閾値と比較することにより、各評価点の属する部位の疲労評価を累積疲労損傷則に基づいて適切に行うことができる。したがって、例えば、次回の定期メンテナンスの時期までに何れかの評価点に対応する部位の余寿命が尽きてしまったり予想される風車１の耐用年数が経過したりしてしまうことが予想される場合、風車１の負荷を抑制して次の定期メンテナンスまで余寿命を延長したり風車１の耐用年数を延ばしたりする。これにより、風車１の各部位の破損等による予期しない運転停止を防止することができる。

幾つかの実施形態において、上記の第２算出ステップＳ６０では、以下の式（ｉ）に基づいて前記累積損傷度Ｄ_ｕを演算してもよい；

ここで、Ｎ_ｉは、前記応力振幅Ｆ_ｉに対応する破断繰り返し数である。

上記構成によれば、各々の評価点の疲労を総合的に考慮して累積損傷度Ｄ_ｕを算出することができる。

幾つかの実施形態では、上記の第１閾値（Ｐ＊Ｑ）において、Ｐは前記風力発電設備の耐用年数に対する全累積損傷度Ｄ_ｔ（すなわち、耐用年数の終わりに許容される総累積損傷度Ｄｔ）であり、Ｑは、風車１の累積運転に応じて０〜１の範囲で増加させるように設定してもよい。ただし、通常の変動を考慮して、範囲の下限は、例えば０．０２、０．０５または０．１０のように、０より僅かに大きいことが好ましい。同様に、累積損傷度の計算における不確実性を考慮して、範囲の上限は、例えば０．９８、０．９５または０．９のように、１より僅かに小さいことが好ましい。したがって、好ましい例では、風車１の累積運転に応じてＱを０．０５〜０．９５の範囲で増大するように設定してもよい。Ｑは、風車１の累積運転に伴い直線的に増加することが好ましい。

風車１の累積運転に応じて各評価点での累積損傷度Ｄ_ｕが増加し、余寿命が短くなる。このため、仮に風車１の全運転期間（耐用年数）に亘って変化しない一定の閾値を用いた場合は評価ステップＳ２０において閾値を超えることが頻繁に生じ、風車１を円滑に運転できなくなる虞がある。この点、上記のように閾値を設定することで、累積運転に応じて累積損傷度Ｄ_ｕ及び全累積損傷度Ｄ_ｔが増加しても、風車１の運転を確保することができる。

場合によっては、幾つかの評価点について累積損傷度Ｄｕを累積し、これらの評価点のそれぞれについて個別に疲労度を評価してもよい。各評価点に対する第１閾値及び第２閾値は変化してもよく、特にＰは評価点（の種類）ごとに変化してもよい。評価点は、構成要素又はサブコンポーネントに対応することが好ましい。評価点の数は、例えば、２、５、１０、２０、５０、１００又はそれ以上であってもよい。累積損傷度Ｄｕを累積した評価点が多いほど、第２閾値を大きくする選択肢も個別であることが好ましい。これにより、運転モードを低負荷運転に移行させる前に、（より高い増加値ｄＤｔ／ｄｔが、増加された第２閾値に勝ることが許容されるように）個々の評価点に対応した「余寿命」をより柔軟に利用することができる。

一の制御モデルにおいて、通常から低負荷への（又は再び戻る）運転モードの変更は、他の全ての測定点が第１閾値及び第２閾値を下回っているかに関わらず、第１閾値又は第２閾値を上回る少なくとも一つの（任意の評価点の）Ｄｔに基づく。実際、通常運転モードから低負荷運転モードへの変更は、別の測定点で第２閾値が同時に増加した場合にも実行され得る。他の制御モデルにおいて、通常運転モードから低負荷運転モードへの変更は、第１閾値又は第２閾値を同時に上回っている複数の（例えば２，３，４又はそれ以上の）評価ポイントのグループに基づく。このグループを形成する評価点は、同様の性質（例えばヨーシステム用の異なるモータに対応する評価点）または異なる性質（例えばヨーモータに対応する評価点及び部品温度又は張力センサに対応する評価点）のものであるべきことが要件となり得る。

一実施形態では、評価点の少なくとも１つは、風力発電機とは異なる寿命を有する構成要素に関する。例えば、構成要素は、１回、２回、３回、４回またはそれ以上の交換を必要とし得る。この場合、Ｐは、構成要素の設計寿命の一部分（例えば、１／２、１／３、１／４、１／５、または風力発電装置の設計寿命の対応する一部分）であるべきである。

図８に非限定的に例示するように、幾つかの実施形態において、風車１の制御方法は、ロータ回転数（ｒｐｍ）が騒音要求レベルの範囲内であるか否かを判断し（ステップＳ７０）、騒音要求レベルの範囲内である場合は風車１の運転モードを通常運転モードに決定し、ロータ回転数が騒音要求レベルの範囲を超えている場合は騒音要求レベルの範囲内となるロータ回転数に決定する回転数決定ステップＳ７１をさらに含んでもよい。
このようにすれば、風車１の騒音レベルが随時、騒音要求レベルの範囲内となるようにして運転することができる。

幾つかの実施形態において、低負荷運転モードは、風速に応じてロータ４の回転数又は出力を低下させた状態としてもよい。また、幾つかの実施形態において、余寿命Ｒは、耐用年数ないし設計寿命年数と、消費寿命の差としてもよいし、風車１における過去の累積データに基づき理論的に設定されてもよい。

幾つかの実施形態において、風車１の制御方法は、累積損傷度Ｄ_ｕが、各評価点の材料に応じたＳ−Ｎ線図における応力振幅Ｆ_ｉの値域ごとに累計されるように構成されてもよい。このようにすれば、各評価点に特に関連する応力振幅Ｆ_ｉに着目して累積損傷度Ｄ_ｕを算出することができる。したがって、各評価点の注目されるべき各応力振幅Ｆ_ｉについて、その破断繰り返し数Ｎ_ｉを超えないように風車１の運転を確保することができる。

図９を参照し、本開示に示す幾つかの実施形態におけるコントローラ１０により行われ得る処理について説明する。疲労を用いた運転は、制御プログラムの不可欠な部分と解されるべきである。すなわち、疲労を用いた運転の付加価値は、制御プログラムと例えばノイズ低減機能との統合によって実現される。

処理の開始に伴い、コントローラ１０は、風速及びロータ４の回転数を検知する（ステップＳ１０１）。幾つかの実施形態では、上述した疲労評価とは独立に、風車１の運転に伴う騒音レベルが規定された要求レベルを超えないように、低騒音運転モードによる運転が行われる。すなわち、コントローラ１０は、ステップＳ１０１で取得した風速及び回転数（および場合によりさらなる周囲条件）に基づき、騒音レベルを要求し（ステップＳ１０２）、騒音を低減する必要があるか否かを判断する。騒音低減の必要がある場合、コントローラ１０は、風速と回転数、及び風速とピッチ角の関係を規定し、必要がない場合は特に変更しない処理を行う。

次に、コントローラ１０は、荷重センサ３３からの入力に基づき、例えば上記（１）式を用いて累積損傷度Ｄｕ（累積疲労損傷レベル：Ｄ値）を取得する（ステップＳ１０３）。そして、コントローラ１０は、取得したＤ値に基づき、疲労を低減するために出力を抑えた低負荷運転モードへの移行が必要であるか否かの判断を行う（ステップＳ１０４）。
なお、取得した疲労レベルが所定の閾値を超える場合は風車を停止する処理を行う（ステップＳ１１１）。

低負荷運転モードにおいて、コントローラ１０は、ピッチ角ターゲット（ｄｅｇ）を設定する（ステップＳ１０５）、若しくは、回転数ターゲットを設定する処理（ステップＳ１１０）を行う。例えば風速Ｖが、定格風速≦Ｖ≦カットアウト風速、を満たす範囲ではピッチ角をフェザー側に制御することが低負荷運転に有効であり、コントローラ１０は、ピッチ角ターゲット（ｄｅｇ）を設定した後、スラストレベル要求（ステップＳ１０６）に基づき、モータ５０Ａを制御するピッチ制御盤にピッチ角指令を送信し（ステップＳ１０７）、風車の運転を継続する（ステップＳ１０８）。なお、ピッチ角ターゲット（ｄｅｇ）を設定する際は、回転数又は出力を参照してピッチ角ターゲットを決定してもよい。
一方、例えば、風速Ｖが、カットイン風速≦Ｖ≦定格風速、を満たす範囲では出力若しくはトルクを制限することが低負荷運転に有効であり、コントローラ１０は、回転数ターゲット（ｒｐｍ）を設定した後、出力制御盤に対して出力指令（ｋｗ）又はトルク指令（ｋＮｍ）を送信し（ステップＳ１１０）、風車の運転を継続する（ステップＳ１０８）処理を実行する。

運転モードの決定は、風力発電機の一部および風の特性や温度などの環境条件に応じて、適切な間隔で行わなければならない。決定頻度は、典型的には１日から６ヶ月まで変動する。特に、Ｄｔ及び／又はｄＤｔ／ｄｔが各々の閾値以上である場合、判定間隔は合理的に最短でなければならない。
オペレータは、風力発電設備を（負荷を軽減することによって）より緩やかに動作させることによって、または次の動作期間に望ましいように（より高い負荷を可能にすることによって）積極的に動作させることによって、風力発電設備の残存疲労寿命の消費速度を調節することができる。これは、０．０５〜０．９５の間で適切なＱ値を選択することで達成することができ、これによってオペレータは、ウィンドファームの寿命中にオペレータによる風力発電設備の利用戦略に従って風力発電設備の残存耐用年数中に電力を生成することができる。例えば、運転者が低いＱ値を選択してタービンを低負荷運転状態に保つと、実際の耐用年数は元の設計寿命よりも長くなる可能性があり、運転者は元の設計寿命よりも長く安全に風車発電機を運転することができる。

一実施形態では、風力発電設備の部品の全累積損傷度Ｄｔは、風力発電設備の寿命期間中、上方または下方のいずれかで較正される。この較正は、好ましくは、風車部品の非破壊試験（ｎｏｎ−ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ｔｅｓｔ：ＮＤＴ）の結果、または交換部品（例えば、ボールベアリングの１つのボール）の（破壊的な）検査に基づく。

図１０には、全累積損傷度Ｄｔ、全累積損傷度の増加率（ｄＤｔ／ｄｔ）及び動作モードの展開例が示されている。

図１０Ａでは、Ｔｄをもともとの設計上想定されるサービス寿命としてＱＴｄ＝０．９５の寿命末期の許容される全累積損傷に対応する、予想される全累積損傷線（Ｐ＊Ｑ）とともに、時間の関数としての全累積損傷度Ｄｔが示されている。Ｄｔは予想される全累積損傷線の下に留まることが意図されている。範囲Ｇ、Ｋ、Ｏ（図１０Ｃ）がその一例である。Ｄｔが予想される全累積損傷線を超えて増加した場合、Ｄｔが予測される全累積損傷線を再び下回るまで、動作モードを低負荷運転モードに変更することによって、Ｄｔの増加を低く保つことができる。

図１０Ｂにおいて、ｄＤｔ／ｄｔ−ラインのピークＨ（制御不能な高い損傷事象による）は、範囲Ｊ（図１０Ａ）において、設計ラインに対応する予想される全累積損傷線の上方にＤｔ−ラインを突き抜ける。ここでの応答は、範囲Ｉにおいて低負荷運転モード（図１０Ｃに示すように）に移行することである。言い換えれば、低負荷運転モードは、高い損傷事象Ｈを補償するために使用され、したがって、設計寿命のレベルで耐用年数を維持することを可能にする。Ｄｔが予想される累積損傷線よりも低い場合、図１０Ｃの範囲Ｋにおいて運転モードが通常運転モードに戻される。

時間Ｌにおいて、（例えば、ＮＤＴ技術によって）全累積損傷度Ｄｔが校正される。実際の損傷度が全累積損傷度よりも量Δだけ低いので、較正によりＤｔを低下させる。
現在の低いＤｔは、予想される累積損傷線のかなり下であるため、風力発電設備は、損傷率の増加（ｄＤｔ／ｄｔ）（すなわち、時間当たりの累積損傷度の増加）が一時的に又は永久に受け入れられる拡張運転モードで運転され得る。図１０では、期間Ｍに拡張運転モードが使用されている。これは、例えば、高エネルギー要求事象が発生した場合（隣接するエネルギープラントがメンテナンスによりダウンしている場合、またはエネルギー価格が風力タービンのより高い損傷を正当化するのに十分高い場合）、若しくは、（ここで述べるように）全累積損傷度Ｄｔが予想される全累積損傷線（Ｐ＊Ｑ）よりも小さい場合に有意であり得る。

時刻Ｎ（現時点）では、将来の運転モードを選択することができる。全累積損傷度Ｄｔが予想される全累積損傷線（Ｐ＊Ｑ）を下回っていることを考慮すると、それに対応する当初の耐用年数を目指すことが決定され、調整された許容累積損傷線Ｐ＊Ｑ＊Ｔｄに沿って操縦することができ、したがって風力発電設備をより積極的に作動させる余地を提供する。これは、例えば、図１０Ｂに示されており、Ｑ＊Ｔｄの新たに許容可能なレベルのｄＤｔ／ｄｔは、ＱＴｄのレベル（元の許容レベル）よりも高い。あるいは、図１０Ａに示すように、寿命をＴｄ１またはＴｄ２に延長することができる。ここでは、上述したように更新された第１閾値に対応する追加のＰ＊Ｑ曲線が示されている。同様に、ＱＴｄ１およびＱＴｄ２についてのｄＤｔ／ｄｔの新しい許容レベルの追加の対応する例を図１０Ｂに示す。

幾つかの実施形態では、全累積損傷度Ｄｔが第１閾値（Ｐ＊Ｑ）の９５％未満である場合に、評価ステップの評価結果に基づいて風力発電設備の運転モードを、第２閾値を少なくとも１０％増加させた拡張運転モードに決定するステップをさらに備えていてもよい。この場合、全累積損傷度Ｄｔが、好ましくは第１閾値の９０％未満、より好ましくは第１閾値の８０％未満である場合に拡張運転モードに移行してもよい。拡張運転モードでは、好ましくは第２閾値が少なくとも２０％増加し、より好ましくは第２閾値が少なくとも５０％増加するようにしてもよい。

本発明の少なくとも一実施形態は、風力発電設備及び風力発電設備の制御方法の分野において現在の運転状況と耐用年数とに応じて風力発電設の運転レベルを決定することに利用できる。

Claims (11)

1. 風力発電設備の制御方法であって、
   単位期間における前記風力発電設備の各評価点の累積損傷度Ｄ_ｕを評価期間全体にわたって累計して前記各評価点における前記評価期間全体の全累積損傷度Ｄ_ｔを演算する演算ステップと、
   前記演算ステップによって演算した前記各評価点における前記全累積損傷度Ｄ_ｔを所定の第１閾値（Ｐ＊Ｑ）と比較するとともに、各評価点における全累積損傷度Ｄｔの増加速度ｄＤ_ｔ／ｄｔと第２閾値とを比較して前記風力発電設備における前記各評価点が属する部位の疲労評価を行う評価ステップと、
   前記評価ステップの評価結果に基づき、前記風力発電設備の運転モードを、前記全累積損傷度Ｄ_ｔが前記第１閾値（Ｐ＊Ｑ）未満、且つ前記増加速度ｄＤ_ｔ／ｄｔが前記第２閾値未満の場合は通常運転モードに、前記全累積損傷度Ｄ_ｔが前記第１閾値（Ｐ＊Ｑ）以上、又は前記増加速度ｄＤ_ｔ／ｄｔが前記第２閾値以上の場合は前記通常運転モードよりも出力を抑えた低負荷運転モードに決定する運転モード決定ステップと、
   を備え、
   前記全累積損傷度Ｄｔが前記第１閾値（Ｐ＊Ｑ）を超えて増加した場合、前記全累積損傷度Ｄｔが前記第１閾値（Ｐ＊Ｑ）を再び下回るまで、動作モードを低負荷運転モードに変更する
   風力発電設備の制御方法。
2. 前記運転モード決定ステップでは、前記評価点が前記風力発電設備におけるタワーのトップ部、前記タワーのボトム部、ロータハブ又はロータブレードの何れかに属する場合に、前記通常運転モードよりも風車翼のピッチ角がフェザー側に設定される
   請求項１に記載の風力発電設備の制御方法。
3. 前記運転モード決定ステップでは、前記評価点が前記風力発電設備におけるドライブトレイン（５，６）に属する場合に、ロータの回転数が前記通常運転モードよりも低く制限される
   請求項１又は２に記載の風力発電設備の制御方法。
4. 前記各評価点に生じる応力の前記単位期間内の時系列変化を示す応力変化情報を取得する取得ステップと、
   前記取得ステップで取得した前記応力変化情報に基づいて、前記単位期間に前記各評価点に生じる応力の応力振幅Ｆ_ｉ及び該応力振幅Ｆ_ｉの繰り返し数ｎ_ｉを算出する第１算出ステップと、
   前記第１算出ステップの算出結果と前記各評価点の材料に応じたＳ−Ｎ線図の情報とに基づいて、前記単位期間における前記各評価点の累積損傷度Ｄ_ｕを算出する第２算出ステップと、
   をさらに備える、請求項１乃至３の何れか一項に記載の風力発電設備の制御方法。
5. 請求項４に記載の風力発電設備の制御方法であって、
   前記第２算出ステップでは、以下の式（ｉ）に基づいて前記累積損傷度Ｄ_ｕを演算する；
   

   

   ここで、Ｎ_ｉは、前記応力振幅Ｆ_ｉに対応する破断繰り返し数である。
6. 前記所定の第１閾値（Ｐ＊Ｑ）において、Ｐは前記風力発電設備の評価時における耐用年数の割合であり、Ｑは前記風力発電設備の累積運転に応じて０．０５〜０．９５の範囲で増大する
   請求項１乃至５の何れか一項に記載の風力発電設備の制御方法。
7. ロータ回転数（ｒｐｍ）が騒音要求レベルの範囲内である場合は前記風力発電設備の運転モードを前記通常運転モードに設定し、前記ロータ回転数が前記騒音要求レベルの範囲を超えている場合は前記騒音要求レベルの範囲内となるロータ回転数に低減する回転数決定ステップをさらに含む
   請求項１乃至６の何れか一項に記載の風力発電設備の制御方法。
8. 前記累積損傷度Ｄ_ｕは、前記各評価点の材料に応じたＳ−Ｎ線図における応力振幅の値域ごとに累計される
   請求項１乃至６の何れか一項に記載の風力発電設備の制御方法。
9. 前記全累積損傷度Ｄｔが前記第１閾値（Ｐ＊Ｑ）の９５％未満である場合に、前記評価ステップの評価結果に基づいて前記風力発電設備の運転モードを、前記第２閾値を少なくとも１０％増加させた拡張運転モードに決定するステップをさらに備え、
   前記全累積損傷度Ｄｔが、好ましくは前記第１閾値の９０％未満、より好ましくは前記第１閾値の８０％未満である場合に前記拡張運転モードに移行し、
   前記拡張運転モードでは、好ましくは前記第２閾値が少なくとも２０％増加し、より好ましくは前記第２閾値が少なくとも５０％増加する
   請求項１乃至８の何れか一項に記載の風力発電設備の制御方法。
10. 前記風力発電設備の実際の全累積損傷を非破壊技術によって測定し、
    前記全累積損傷度Ｄｔを実際の前記全累積損傷に調整することで、
    前記全累積損傷度Ｄｔを校正するステップをさらに含む、
    請求項１乃至９の何れか一項に記載の風力発電設備の制御方法。
11. 風力エネルギーを受けて回転するよう構成されたロータと、
    前記ロータの回転力が伝達される発電機と、
    請求項１乃至１０の何れか１項に記載の制御方法を実現するための制御システムと、
    を備えた風力発電設備。

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