JP5006186B2 - How to reduce axial power changes in wind farms - Google Patents

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Description

本発明は、塔の上のローターの推力が目標値の範囲内で、かつ風力発電所の平均発電力が顕著な度合いで影響を受けないように制御され、保たれるような、風力発電所において自分自身の長手方向の軸の周りのローターブレードの角度を調整する方法に関する。これは、ローターブレードおよび塔上の負荷変化が減少し、このことにより、これらの多量に搭載された構成要素の疲労を本質的に減少させる利点を有する。 The present invention provides a wind farm in which the thrust of the rotor on the tower is controlled and maintained so that the average power generation of the wind farm is not affected to a significant degree within the range of the target value. The method of adjusting the angle of the rotor blade about its own longitudinal axis. This has the advantage that load changes on the rotor blades and tower are reduced, thereby essentially reducing the fatigue of these heavily loaded components.

この特許出願において、以下の定義が使われる:
1)瞬間最大風速は、特定の時刻で測定される瞬間最大風速として定義される。
2)平均または平均化された風速は、特定の期間の瞬間最大風速の平均またはほぼ平均として定義される。この期間は一般的に3秒より長く、通常10分から1時間の範囲であるが、それはまたより長くなる可能性がある。風速が風力タービンを制御するために用いられる場合、このような測定値のスケーリングまたは端数は、また、この定義によって適用される。
3)この特許出願のピッチ角は、この角度の固定された開始位置と関連して、それ自体の長手方向の軸の周りのローターブレードの堅固な本体のねじれとして定義される。ブレードを一方に傾けることによって、提供される瞬間最大風速のローター上の力は、変化することができる。
4)ローターの軸方向の力は、ミル・ハウジングの方へローターから転送され、ローター軸の回転軸に沿って、本質的に導かれる推力として定義される。この力は、ローターブレードからの風向の全体の推力から構成され、風力発電所の動作の間の異なる時間において正および負であってもよい。
5)名目上の風速は、風力発電所が最初に完全な発電力を達成する風速として定義される。これは、一般的に12〜14 m/sの範囲である。
6)変換装置ユニットは、風/ローターブレードの回転からエネルギーを電力または他の機械的な動力に生成または転換するユニットである。このユニットは一般的に、ジェネレータ、機械的なポンプ、ギア・ユニット等である。
In this patent application, the following definitions are used:
1) The instantaneous maximum wind speed is defined as the instantaneous maximum wind speed measured at a specific time.
2) The average or averaged wind speed is defined as the average or near average of the instantaneous maximum wind speed for a specific period. This period is generally longer than 3 seconds and is usually in the range of 10 minutes to 1 hour, but it can also be longer. When wind speed is used to control a wind turbine, such measurement scaling or fraction is also applied by this definition.
3) The pitch angle of this patent application is defined as the torsion of the rigid body of the rotor blade around its own longitudinal axis in relation to the fixed starting position of this angle. By tilting the blade to one side, the force on the rotor with the instantaneous maximum wind speed provided can be varied.
4) The axial force of the rotor is defined as the thrust that is transferred from the rotor towards the mill housing and is essentially guided along the axis of rotation of the rotor shaft. This force is composed of the overall thrust of the wind direction from the rotor blades and may be positive and negative at different times during the operation of the wind farm.
5) Nominal wind speed is defined as the wind speed at which the wind farm first achieves full power generation. This is generally in the range of 12-14 m / s.
6) A converter unit is a unit that generates or converts energy from wind / rotor blade rotation into electrical power or other mechanical power. This unit is typically a generator, mechanical pump, gear unit or the like.

以下の説明において、「ジェネレータ」という用語がほとんどの場合使われるが、ここで言及されるように、ジェネレータが適切な変換装置ユニットのいかなるタイプにも置き換えられることが可能であることは、明らかである。 In the following description, the term “generator” is most often used, but it is clear that the generator can be replaced by any type of suitable converter unit, as mentioned herein. is there.

水中深くに、大きい市販の水平に軸のある風力タービンを土台に配置することが可能なことは望ましい。これは、高い平均風速を有する領域へのアクセスを得るため、風力開発の潜在性領域を増加させること、およびオイルおよびガス設備に近接して、風力を用いて電気をこれらに提供できるようにウィンドパークを建設することが可能であるため望ましい。 It would be desirable to be able to place a large, commercially available horizontally-axis wind turbine deeply in the water. This increases the potential area of wind development, gaining access to areas with high average wind speeds, and wind so that wind can be used to provide electricity to them in close proximity to oil and gas facilities. This is desirable because it is possible to build a park.

深海において、浮動的な構造は、塔および土台のサイズおよびコストを制限するために都合が良い。
この種類の浮動的な構造は最初に、浮動的な構造上の運動パターンおよび応力を制御する2つのタイプの力に影響を受ける。これらは、構造の浮動的な部分に対する波の力、および、本願明細書においてローターの軸方向の力として参照される風からのローター上の推力である。
In the deep sea, floating structures are convenient to limit the size and cost of towers and foundations.
This type of floating structure is initially affected by two types of forces that control movement patterns and stresses on the floating structure. These are the wave forces on the floating part of the structure and the thrust on the rotor from the wind, referred to herein as the rotor axial force.

地面または海底に固定される陸地上または浅瀬における風力発電所のため、構造に作用している支配的な力は通常、重力に加えて、風からのローター上の推力である。 For wind farms on land or in shallow water that are fixed to the ground or sea floor, the dominant force acting on the structure is usually the thrust on the rotor from the wind in addition to gravity.

大きい風力発電所(一般的に1MW以上の発電力を有する)では、最大限の発電力(名目上の発電力)を達成するために必要であるより高い風速のため、設備の名目上の発電力に等しい、一定の出力パワーを提供するローターの制御に使われる2つの主なタイプの調整メカニズムが、今日存在する。 In large wind farms (generally having a power generation above 1 MW), the nominal power generation of the equipment due to the higher wind speed required to achieve maximum power generation (nominal power generation) There are today two main types of adjustment mechanisms used to control a rotor that provides a constant output power equal to the force.

方法のうちの1つは、ローターブレードの失速調整である。この方法は、ブレードを風に変えるので、翼外形に対する相関的な風の迎え角は増加し、ローターブレードは失速する。すなわち、風は徐々にその上昇力を失い、層状であるローターブレードを横切る流動は乱流になる。したがって、過剰なエネルギーが放出される。 One of the methods is stall adjustment of the rotor blade. Since this method turns the blades into wind, the relative wind angle of attack relative to the blade profile increases and the rotor blades stall. That is, the wind gradually loses its ascending force and the flow across the lamellar rotor blade becomes turbulent. Therefore, excess energy is released.

他の調整方法はブレードのピッチ調整であり、それによってブレードは失速調整のそれの反対方向において回されるので、風は翼外形に対して相関的な風の迎え角を減少することによって放出される。したがって、ローターブレードの上昇力は減少され、より少ないエネルギーが風から取り戻される。 Another adjustment method is blade pitch adjustment, whereby the blade is turned in the opposite direction of that of stall adjustment, so that the wind is released by reducing the angle of attack of the wind relative to the wing profile. The Thus, the lifting force of the rotor blades is reduced and less energy is recovered from the wind.

本発明は、本出願においてピッチ調整と呼ばれるこの2番目の調整方法に関する。 The present invention relates to this second adjustment method, referred to in this application as pitch adjustment.

大きいローターの直径の場合、垂直におよび水平におけるローター領域全体の風速の変化は大きくなりがちである。これによって、風向のブレードの個別的な推力が制御されず、便宜上調整されない場合、より小さい設備の時よりも大きなブレードにおいての疲労の問題が生じる可能性がある。与えられた時間での風速(垂直軸の周りの)が、ローターの一方が対向するもう一方より本質的に大きい場合、風からローターを回す大きいモーメントがまた生じる可能性がある。上記の通りにピッチ調整を含む従来技術において、名目上の風速以上の風速のためのローター回転数/分は調整されるので、角速度(ラジアンの回転速度)によって逓倍されるローター・トルクに等しいローター出力は、できる限り風力発電所の名目上の発電力に常に等しいように保たれる。これを達成するため、制御装置は連続的にローターブレードのピッチ角を制御する。出力およびローターの軸方向の力は、風速の変化の機能としての非線形値である。風速が変化し、ローターからの出力がローターブレードを傾けることによって一定に保たれる場合、ローターの軸方向の力は同時に変化する。ローターの軸方向の力(風向の推力)は、したがって大きい変化を有する可能性がある。これらの力変化によって、ブレードおよび塔の構造上の大きな疲労負荷が生じ、多くの場合、これらの構造要素のための必要な大きさにすることができる。 For large rotor diameters, the change in wind speed across the rotor area, both vertically and horizontally, tends to be large. This can cause fatigue problems in larger blades than in smaller installations if the individual thrust of the blades in the wind direction is not controlled and adjusted for convenience. If the wind speed (around the vertical axis) at a given time is essentially greater than one of the rotors facing the other, a large moment of turning the rotor from the wind can also occur. In the prior art including pitch adjustment as described above, the rotor speed / min for wind speed above the nominal wind speed is adjusted so that the rotor equal to the rotor torque multiplied by the angular speed (radian speed) The output is always kept as equal as possible to the nominal power generation of the wind farm. To achieve this, the control device continuously controls the pitch angle of the rotor blades. The power and axial force of the rotor are non-linear values as a function of changes in wind speed. When the wind speed changes and the output from the rotor is kept constant by tilting the rotor blades, the axial force of the rotor changes simultaneously. The axial force of the rotor (wind direction thrust) can therefore have a large change. These force changes result in large fatigue loads on the blade and tower structures, which can often be sized as required for these structural elements.

これを図示するため、従来技術のピッチ調整の効果を見ることができる。瞬間最大風速は、名目上の風速(例えば13m/s)からそれを2倍(26m/s)したものに増加し、一方でローターの出力および回転速度が一定に保たれる場合、ブレードのピッチ変化は、ローター出力がより高い風速に増加するのを妨げるため、約20°になる。ブレードのこのピッチ変化の結果は、ローターの軸方向の力(風向の推力)は、同時にほぼ半分にされ、ブレードおよび塔の構造上の疲労負荷の原因となることである。 To illustrate this, the effect of the prior art pitch adjustment can be seen. The instantaneous maximum wind speed increases from the nominal wind speed (eg 13 m / s) to twice that (26 m / s), while the rotor power and speed remain constant, the blade pitch The change will be about 20 ° to prevent the rotor power from increasing to higher wind speeds. The result of this pitch change of the blades is that the axial force of the rotor (wind direction thrust) is simultaneously halved, causing fatigue loads on the blade and tower structure.

例えば、気象状況が10分で19m/sの平均風速である時、出力が一定に保たれる場合、風速のこのような変動は一般的に、ブレードおよびローターの全体の軸方向の力の大きい変化を伴って起こる。軸方向の力の類似した変動は、従来技術によるピッチ調整が使われる場合、名目上の風速より上で大きなまたは小さい範囲まですべての平均風速で起こる。ローターの空力の瞬間的なトルクおよびジェネレータ・トルク間において、特定の遅延が常に存在する。これは、最初にローター、ドライブギアおよびジェネレータの慣性の力による。 For example, when the weather condition is an average wind speed of 19 m / s in 10 minutes, such fluctuations in wind speed are generally high in the overall axial force of the blades and rotor if the output is kept constant. It happens with change. Similar variations in axial force occur at all average wind speeds up to a range greater or less than the nominal wind speed when prior art pitch adjustment is used. There is always a specific delay between the rotor aerodynamic momentary torque and the generator torque. This is primarily due to the inertial forces of the rotor, drive gear and generator.

従来技術によるピッチ調整が回転速度またはジェネレータ出力の測定値を利用するので、ピッチ調整は、瞬間的なローターの軸方向の力を含んでローターに作用している瞬間的な力に関して不正確でありかつ遅延する。これは、瞬間最大風速の不意の減少のため、ローターブレードは過度に大きいブレード・ピッチ角を有し、ローターの軸方向の力は急激に減少し、マイナスにさえなることを意味する。上記例のための、26m/sから13m/sへの風速の不意の減少の場合で、ピッチ調整が十分に急速に変わらない場合、これは50%の26m/sでの風の名目上の軸方向の力から、−30%の13m/sでの名目上の軸方向の力、すなわち風の反対方向までのローターの瞬間的な空力の軸方向の力の減少という結果を導く可能性がある。合わせて、これは80%の名目上のローターの軸方向の力の変化を意味する。遅延されたピッチ制御を原因として生じる軸方向の力のこのような大きい変動は、特により高い平均風速において問題になる。これはまた、低い年間平均風速のために必要な大きさにされるローターブレードが、高い年間平均風速を有する位置のために使われることができないことを意味する。風向のブレードの推力の大きい変化のために起こる増加する疲労負荷のため、高い平均風速を有する領域に意図されるローターブレードは、より強く必要な大きさにされなければならない。これは、より費用がかかり、より重いブレードを意味する可能性がある。高い平均風速を有する位置は、より多くの運転時間を有するという事実はまた、ローターブレードのための疲労強度の必要条件を増加させる。 Since prior art pitch adjustments use measurements of rotational speed or generator output, pitch adjustments are inaccurate with respect to instantaneous forces acting on the rotor, including instantaneous rotor axial forces. And delay. This means that due to the unexpected reduction of the instantaneous maximum wind speed, the rotor blade has an excessively large blade pitch angle and the axial force of the rotor decreases rapidly and even becomes negative. In the case of an unexpected reduction in wind speed from 26 m / s to 13 m / s for the above example, if the pitch adjustment does not change quickly enough, this is the nominal wind speed at 26 m / s of 50% From the axial force, it may lead to a result of a nominal axial force at 13 m / s of -30%, i.e. a reduction of the instantaneous aerodynamic axial force of the rotor to the opposite direction of the wind. is there. Together, this means a nominal rotor axial force change of 80%. Such large variations in axial force due to delayed pitch control are particularly problematic at higher average wind speeds. This also means that rotor blades sized for low annual average wind speed cannot be used for locations with high annual average wind speed. Due to the increased fatigue load that occurs due to large changes in the thrust of the blades in the wind direction, the rotor blades intended for areas with high average wind speeds must be more strongly sized. This can mean more expensive and heavier blades. The fact that a position with a high average wind speed has more operating time also increases the fatigue strength requirement for the rotor blades.

浮動的な風力発電所のため、増加した風即は、(名目上の風速より上の風速のための)ピッチ調整により生じるローターの軸方向の力を減少するという上記の効果はまた、風力発電所の運動パターンに対するマイナスの効果を有する可能性がある。塔およびローターが風へ移動する場合、ローターに対する相関的な風速は増加し、ピッチ調整が一定の出力を維持しようとするので、風に対して交替で塔の動きを増加させて、ローター推力の減少を生じる。逆に、塔およびローターが風と同じ方向に戻る場合、ローターに対する相関的な風速は減少し、従来技術において、ブレードは、ジェネレータへの名目上の出力を維持するために自動的に傾斜される(回される)。これは、ローター推力の増加を交替に生じ、その旋回は、風の方向において塔の動きを増加させる。従来技術のピッチ調整が使われる場合、これの結果は、塔の運動の余分な励振および増大である。これは、浮動的な風力塔の疲労負荷の大きい増加を導くことが発見された。 For floating wind farms, the increased wind speed reduces the axial force of the rotor caused by pitch adjustment (for wind speeds above the nominal wind speed), and the above effect also reduces wind power May have a negative effect on the movement pattern. As the tower and rotor move to the wind, the relative wind speed to the rotor increases and the pitch adjustment attempts to maintain a constant output, thus increasing the tower motion in alternation to the wind and increasing the rotor thrust. Cause a decrease. Conversely, if the tower and rotor return in the same direction as the wind, the relative wind speed to the rotor is reduced, and in the prior art, the blades are automatically tilted to maintain a nominal output to the generator. (Turned). This in turn causes an increase in rotor thrust, which turns increase tower movement in the wind direction. When prior art pitch adjustment is used, the result is an extra excitation and increase in tower motion. This was found to lead to a large increase in the fatigue load of the floating wind tower.

米国特許No.4,201,514は、風速の変化に関して個別のローターブレードのピッチ角を調整する方法を記載する。調整は、どのようにローター軸の周りの個別のブレードの風速を変える際に一定のトルクが自動的に保たれるかを記載する。これは、上記の通り他の従来技術に関してのものと同じ効果を有する。すなわち、ブレードの回転方向の方向、換言すれば風向に対して垂直に作用しブレードを回転させる力は、一定に保たれる。これの副作用は、他の従来技術において上記の通り、風向のブレードの推力が同様に異なるということである。したがってこの従来技術は、ローター・トルクを一定に保つ試みが実行される場合、ローターブレード上の推力が変化するので、ブレードおよび塔の疲労と同じ効果を有する。 U.S. Pat. 4, 201, 514 describe a method of adjusting the pitch angle of individual rotor blades with respect to changes in wind speed. The adjustment describes how a constant torque is automatically maintained when changing the wind speed of individual blades around the rotor axis. This has the same effect as for other prior art as described above. That is, the direction of rotation of the blade, in other words, the force acting perpendicularly to the wind direction and rotating the blade is kept constant. The side effect of this is that the thrust of the blades in the wind direction is similarly different as described above in other prior art. This prior art therefore has the same effect as blade and tower fatigue, as the thrust on the rotor blades changes when an attempt is made to keep the rotor torque constant.

本発明の目的は、従来技術の不都合を克服することである。 The object of the present invention is to overcome the disadvantages of the prior art.

以下に記載する方法において、従来技術の不都合は、改善または取り除かれた。 In the methods described below, the disadvantages of the prior art have been improved or eliminated.

本発明の一実施例において、方法は変換装置ユニットからなる風力発電所の出力を制御するために提供され、ここにおいて、変換装置ユニットの出力パワーが与えられた範囲である場合、ローターブレードのピッチ角は、個別にまたは集合的に風向におけるローターブレードの推力の変化を最小化するために変わり、変換装置ユニットの出力パワーがこの範囲の外側にある場合、ローターブレードのピッチ角は、この範囲の中に出力パワーを導くために変わる。 In one embodiment of the present invention, a method is provided for controlling the output of a wind power plant comprised of converter units, where the pitch of the rotor blades if the output power of the converter unit is in a given range. The angle changes individually or collectively to minimize the change in rotor blade thrust in the wind direction, and if the output power of the converter unit is outside this range, the pitch angle of the rotor blade is Change to guide the output power in.

本発明の他の一実施例において、風向のローターブレードの推力の変化は、風向のローターブレードの推力のために算出されたターゲット値の方へ調整することによって最小化される、風向における推力のためのターゲット値は、異なる平均風速に対して異なる。 In another embodiment of the present invention, the change in thrust of the wind direction rotor blade is minimized by adjusting towards the target value calculated for the thrust of the wind direction rotor blade. Target values for differ for different average wind speeds.

発明のさらにもう1つの実施例において、風向のローターブレードの推力のためのターゲット値は、与えられた一定の期間にわたる平均変換装置ユニット出力またはローター速度に関して調整される。
発明のさらに別の実施例において、風向のローターブレードの推力のための所定のターゲット値は、前もって定義され、与えられた平均風速に関連がある。
In yet another embodiment of the invention, the target value for the thrust of the rotor blades in the wind direction is adjusted with respect to the average converter unit output or rotor speed over a given period of time.
In yet another embodiment of the invention, the predetermined target value for the thrust of the rotor blades in the wind direction is predefined and related to a given average wind speed.

本発明の一実施例において、風向のローターブレードの推力は、ジェネレータ回転抵抗モーメントおよび/またはローター制動装置の調整によりローター回転数/分を変えることによってさらに調整される。 In one embodiment of the invention, the thrust of the rotor blades in the wind direction is further adjusted by changing the rotor speed / min by adjusting the generator rotational resistance moment and / or the rotor braking device.

さらに別の態様では、風向のローターブレードの瞬間的な推力は、ブレードの幾何学的屈折の測定、ジェネレータ・トルクの測定、および/または、ブレードまたは複数のブレードのピッチ角の同時的な測定と共にジェネレータ出力の測定によって、および/または、ピッチ・ベアリングにおいて後方に傾くブレードの取り付け、またはブレードの成形のいずれかによる、ピッチ・ベアリングの回転軸の周りのブレードのピッチ・モーメントの測定または使用によって、ストレインゲージ、風速測定によって直接または間接的に決定されるので、ブレード上の風の衝突位置は、ローターの回転方向に関して、ピッチ・ベアリングの回転軸の後にある。 In yet another aspect, the instantaneous thrust of the rotor blades in the wind direction is combined with a measurement of blade geometric refraction, a measurement of generator torque, and / or a simultaneous measurement of the pitch angle of the blade or blades. By measuring the generator output and / or measuring or using the pitch moment of the blade around the axis of rotation of the pitch bearing, either by mounting the blade tilting backwards in the pitch bearing or by shaping the blade, As determined directly or indirectly by strain gauges, wind speed measurements, the wind impingement position on the blade is after the axis of rotation of the pitch bearing with respect to the direction of rotor rotation.

一実施例において、ローターブレードのピッチ角は、風力発電所のための方向エラーを最小化するために追加的に変えられる。 In one embodiment, the rotor blade pitch angle is additionally varied to minimize directional errors for the wind farm.

一実施例において、与えられた範囲の外にある場合、方向エラーは修正される。 In one embodiment, the directional error is corrected if it is outside the given range.

本発明の他の一実施例において、ローターブレードのピッチ角は、異なる回転位置のために異なって調整される。 In another embodiment of the invention, the pitch angle of the rotor blade is adjusted differently for different rotational positions.

一実施例において、ローターブレードのピッチ角は、個別に調整されておよび/または互いから独立している。 In one embodiment, the pitch angles of the rotor blades are individually adjusted and / or independent of each other.

実施例において、本質的に風向に対して垂直な平面の風のフィールドは、ローターの回転方向に関して前にあるローターブレードまたは複数のブレード上に作用する風速の直接または間接的に測定された値を用いて予測される。 In an embodiment, the wind field in a plane essentially perpendicular to the wind direction is a direct or indirect measured value of the wind speed acting on the previous rotor blade or blades with respect to the direction of rotor rotation. Predicted.

一実施例において、風向のローターブレードの推力は、ローターブレードのピッチ角を調整することによって風力発電所の塔の運動を妨げるために能動的に用いられる。 In one embodiment, wind direction rotor blade thrust is actively used to impede wind turbine tower motion by adjusting the rotor blade pitch angle.

本発明の一実施例において、1つまたはそれ以上の風速計/風圧計は、風力発電所上の適切な位置または立地において配置されるので、風速の空間的分配は記録されることができ、異なる風速計間の補間は、ローターの掃引領域全体の風の分配の画像を形成するために作成されることができる。これは、本質的に異なる高さおよび本質的に異なる水平姿勢で風速計を配置することによって実行される。瞬間最大風速のこの空間的分配は、それから個別にローターブレードのピッチを調整するために用いることができ、任意に、すべてのブレードは集合的にピッチ調整されてもよい。 In one embodiment of the invention, one or more anemometers / anemometers are placed at the appropriate location or location on the wind farm so that the spatial distribution of wind speed can be recorded, Interpolation between different anemometers can be created to form an image of wind distribution across the sweep region of the rotor. This is done by placing the anemometer at essentially different heights and at essentially different horizontal postures. This spatial distribution of instantaneous maximum wind speed can then be used to individually adjust the pitch of the rotor blades, and optionally all the blades may be pitched collectively.

本質的に風向に対して垂直である平面の風のフィールドは、ローターの回転方向に関して前にあるローターブレードまたは複数のブレードに作用する風力の直接または間接的に測定された値を用いて予測されることができる。 A plane wind field that is essentially perpendicular to the wind direction is predicted using directly or indirectly measured values of wind force acting on the previous rotor blade or blades with respect to the direction of rotor rotation. Can.

ローターは、塔の風下に都合よく配置されてもよいので、それがローターに影響を与える前に、風速計は風速を記録する。加えて、与えられたブレードにおけるローターの回転方向に関して前にあるブレード上の推力の直接または間接的に測定された値は、与えられたブレードが移動するフィールドにおいて風を予測するために用いられる。このように、ブレードの最適ピッチ角は前もって算出されることができるので、ローターブレードの空力およびピッチ反応の間にほとんど遅延がない。したがって、瞬間最大風速の不意の変化は、予測されることができる。風上に載置された風速計とローターおよび風速の垂直の平面との間の水平な距離を用いて、実際の風速がローターにおいて起こるまで測定が実行される時の時間遅れが算出されることができる。ピッチ調整を制御する制御装置は、すべてのこれらの測定へのアクセスが提供され、ブレードのピッチ角を最適化するため、この情報をいかなる与えられた時間で使用することができる。したがって、従来技術ピッチ調整が十分に急速に生じないために、瞬間最大風速の不意の瞬間的な減少と関連して起こる特に大きいローターの軸方向の力の減少を避けることは可能である。 The rotor may be conveniently located leeward of the tower, so the anemometer records the wind speed before it affects the rotor. In addition, the directly or indirectly measured value of the thrust on the previous blade with respect to the direction of rotation of the rotor in a given blade is used to predict the wind in the field in which the given blade moves. In this way, the optimum pitch angle of the blade can be calculated in advance, so there is little delay between the aerodynamic and pitch response of the rotor blade. Thus, unexpected changes in the instantaneous maximum wind speed can be predicted. Using the horizontal distance between the anemometer mounted on the wind and the rotor and the vertical plane of the wind speed, the time delay when the measurement is performed until the actual wind speed occurs in the rotor is calculated. Can do. The controller that controls the pitch adjustment is provided with access to all these measurements and can use this information at any given time to optimize the pitch angle of the blade. It is therefore possible to avoid the particularly large rotor axial force reductions that occur in connection with the sudden instantaneous reduction of the instantaneous maximum wind speed, since the prior art pitch adjustment does not occur sufficiently rapidly.

風力発電所の名目上の風速より上の瞬間最大風速のために、ブレードは最初は回転するので、ローター上の軸方向の力は減少する。これは、減少またはピッチ反応なしによってローターの回転速度を増加させることによって対処され、一方で、ローターの回転速度を増加させるのに役立つ制御装置からの入力によって、同時にジェネレータ・トルクは、任意に減少する。ローターの軸方向の力およびジェネレータの出力はそれから、小さい風速の増加の範囲内の最適ピッチ角で、ほぼ一定に保たれる。約10%の風増加で、この方法による回転速度は、不変のローターの軸方向の力およびジェネレータに対する不変の出力の両方を得るため、約10%増加しなければならない。ピッチ角も同時に、変わらなければならない。瞬間最大風速の減少がある場合、類似した方法が使われるが、その場合ローターの回転速度は減少し、一方で、ジェネレータ・トルクは任意に同時に、制御装置からの入力に従って増加する。 Due to the instantaneous maximum wind speed above the nominal wind speed of the wind farm, the blades initially rotate, so the axial force on the rotor decreases. This is addressed by increasing the rotational speed of the rotor with no reduction or pitch response, while at the same time the generator torque is optionally reduced by input from the controller which helps to increase the rotational speed of the rotor. To do. The axial force of the rotor and the output of the generator are then kept approximately constant at an optimum pitch angle within a small wind speed increase. With a wind increase of about 10%, the rotational speed by this method must increase by about 10% in order to obtain both a constant rotor axial force and a constant output to the generator. The pitch angle must also change at the same time. If there is a decrease in the instantaneous maximum wind speed, a similar method is used, in which case the rotational speed of the rotor is reduced, while the generator torque is optionally increased simultaneously according to the input from the controller.

瞬間最大風速のより大きい変化のため、以下のことが実行される:ピッチ調整の更新頻度より長い期間、例えば10分にわたって測定される平均風速と比較して瞬間最大風速の減少がある場合、純粋な出力‐制御ピッチ調整が使われる時よりも、ブレードのピッチ角は少なく変化する。これの結果は、ローターの軸方向の力が不変のままであるが、ジェネレータへの出力が名目上の出力よりわずかに少ないということである。風速の10%の減少は、約10%の出力を減少し、一方でローターの軸方向の力は不変のままである。 Due to the greater change in the instantaneous maximum wind speed, the following is performed: if there is a decrease in the instantaneous maximum wind speed compared to the average wind speed measured over a period longer than the pitch adjustment update frequency, eg 10 minutes The blade pitch angle changes less than when a powerful power-control pitch adjustment is used. The result of this is that the axial force of the rotor remains unchanged, but the output to the generator is slightly less than the nominal output. A 10% reduction in wind speed will reduce the output by about 10% while the axial force of the rotor remains unchanged.

同様に、風速の10%の増加は、純粋な出力‐制御ピッチ調整が使われる時よりも、ブレードのピッチ角のより小さい変化が生じる。これの結果は、ローターの軸方向の力が不変のままであるが、ジェネレータへの出力が名目上の出力よりわずかに大きいということである。瞬間最大風速の10%の増加は、出力パワーを約10%増加させ、一方で、ローターの軸方向の力は不変のままである。 Similarly, a 10% increase in wind speed results in a smaller change in blade pitch angle than when pure power-control pitch adjustment is used. The result of this is that the axial force of the rotor remains unchanged, but the output to the generator is slightly larger than the nominal output. A 10% increase in the instantaneous maximum wind speed increases the output power by about 10% while the axial force of the rotor remains unchanged.

上記を記載された2つの出力を結合することによって、全体の結果は、ローターの軸方向の力が変わらずに、瞬間最大風速は一般的に+/−20%変化することができるということである。付随するジェネレータ出力変化が短期的であり、ジェネレータの評価される動力周辺で変動するので、平均ジェネレータ出力はほぼ不変である、換言すれば、名目上の出力(評価される動力)に対する同等であり、一方で、与えられた平均風速の軸方向の力は、一定またはほぼ一定に保たれ、一般的に瞬間最大風速の+/−20%の変化で保たれる。 By combining the two outputs described above, the overall result is that the instantaneous maximum wind speed can generally vary +/− 20% without changing the axial force of the rotor. is there. Since the accompanying generator output changes are short-term and fluctuate around the rated power of the generator, the average generator power is almost unchanged, in other words, equivalent to the nominal power (rated power). On the other hand, the axial force of a given average wind speed is kept constant or nearly constant and is generally kept at a +/− 20% change in the instantaneous maximum wind speed.

与えられた平均風速のため、ジェネレータの名目上の出力に対応するローターの軸方向の力(ターゲット値)が算出されることができる。平均値周辺のジェネレータ出力変化のための許容可能な最大量および最小限値は、前もってプログラムされることができ、ピッチ制御ユニットはそれから、最適な瞬間的なピッチ角を算出するので、ローターの軸方向の力は前記算出されたターゲット値周辺で可能な限り一定に保たれ、一方で、ジェネレータ出力は前もってプログラムされたバンド幅の範囲内で維持される。 For a given average wind speed, the axial force (target value) of the rotor corresponding to the nominal output of the generator can be calculated. The allowable maximum and minimum values for the generator output change around the mean value can be programmed in advance and the pitch control unit will then calculate the optimal instantaneous pitch angle so that the rotor axis The direction force is kept as constant as possible around the calculated target value, while the generator output is kept within a pre-programmed bandwidth.

ローターの軸方向の力のための算出されたターゲット値は、それゆえに、異なる平均風速で変化する。各々の平均風速の範囲内で、ピッチ調整を使用して軸方向の力をほぼ一定にさせる試みが実行される。平均風速は、例えば、最後の10分で平均である。任意に、予め算出された値が、与えられた平均風速間隔、例えば、0.1m/sの差異の間隔に分割される軸方向の力のターゲット値のために使われる可能性がある。 The calculated target value for the axial force of the rotor will therefore vary at different average wind speeds. Within each average wind speed range, an attempt is made to make the axial force substantially constant using pitch adjustment. The average wind speed is, for example, an average over the last 10 minutes. Optionally, a pre-calculated value may be used for a target value of axial force that is divided into a given average wind speed interval, eg, a difference interval of 0.1 m / s.

+/−20%を超える瞬間最大風速の変化のため、ピッチ調整は、上記の通り典型的にほぼ+/−10%以上のジェネレータ出力を変化させないことを優先して実行されることができる。瞬間最大風速のこのような大きい変化において、ローターの軸方向の力が変化し始めるが、これらの場合この変化は、従来技術によるピッチ調整のために本質的に少ない。 Due to the change in instantaneous maximum wind speed exceeding +/− 20%, the pitch adjustment can be performed in preference to not changing the generator output typically above +/− 10% as described above. With such large changes in the instantaneous maximum wind speed, the axial force of the rotor begins to change, but in these cases this change is essentially small due to the prior art pitch adjustment.

長い一定の期間、例えば平均10分にわたる風速の平均値が瞬間最大風速変化よりもずっと少ない変化であるので、記載された方法は、ローターの軸方向の力変化は相当に減少し、それは、塔およびローター上の疲労負荷に対する肯定的な効果を有することを保証する。 Since the average wind speed over a long period of time, for example an average of 10 minutes, is a much smaller change than the instantaneous maximum wind speed change, the described method reduces the rotor axial force change considerably, which And has a positive effect on the fatigue load on the rotor.

ローターの軸方向の力が異なる値によってこのように能動的に制御される場合、これは、例えば、その運動で反位相における塔に力を適用するために使われることができるので、塔の運動は、弱められる。 If the axial force of the rotor is thus actively controlled by different values, this can be used, for example, to apply forces to the tower in antiphase with its movement, so that the movement of the tower Is weakened.

塔の運動は、例えば、加速度計を使用して記録されることができる。 Tower motion can be recorded, for example, using an accelerometer.

これは、風向のローターブレードの個別的な力を制御することによって実行されることができるので、与えられた時間での各々の個別のブレードの物理的な位置にしたがってブレードの個別のピッチ角を周期的に変えることによって、風からローターおよび/またはナセルおよび/または塔を回転させようとするいかなるトルクにも対処され、減少され、または取り除かれ、その結果ローター上の軸方向の力は、必要に応じて、ローターの垂直軸の一方または他方においてより大きい。与えられたローターブレードが塔の垂直軸の1つの側面を通過する場合、ピッチ角は例えば0.5°増加し、および、同じブレードが反対側を通過する場合、ピッチ角は対応して減少する。それゆえに、これは全体のローター出力、または全体のローターの軸方向の力にいかなる効果も有する必要はない。余分な周期的な隣接ピッチ誤差は、全体のローターの軸方向の力を制御するため、上記の方法によって算出されたピッチ角のみの上に置かれる。この記載された周期的なピッチ調整はまた、能動的にローターを制御するために用いることができるので、浮動的な設備の場合、風力発電所の一部または任意に全体は、風向と関連して所望の位置において保たれることができる。したがって、従来技術によれば、ミル・ハウジングが風と関連する所望の位置で浮動的な設備の塔に非回転可能に載置される場合、ミル・ハウジング、または、任意に塔全体を回転させるモーターを除去、または、サイズまたは数を減少することが可能である。 This can be done by controlling the individual forces of the rotor blades in the wind direction, so that the individual pitch angle of the blades according to the physical position of each individual blade at a given time. By periodically changing, any torque that attempts to rotate the rotor and / or nacelle and / or tower from the wind is addressed, reduced or eliminated, so that the axial force on the rotor is required Depending on the larger of one or the other of the vertical axes of the rotor. If a given rotor blade passes through one side of the vertical axis of the tower, the pitch angle increases, for example by 0.5 °, and if the same blade passes through the opposite side, the pitch angle decreases correspondingly. . Therefore, this need not have any effect on the overall rotor power or the axial force of the entire rotor. The extra periodic adjacent pitch error is placed only on the pitch angle calculated by the above method to control the axial force of the entire rotor. This described periodic pitch adjustment can also be used to actively control the rotor, so that in the case of floating installations, some or optionally the entire wind farm is associated with the wind direction. And can be kept in a desired position. Thus, according to the prior art, when the mill housing is non-rotatably mounted on a floating equipment tower at a desired location associated with the wind, the mill housing or optionally the entire tower is rotated. It is possible to remove the motor or reduce the size or number.

さらに、各々の個別のブレード上の風の方向の推力変化は、風の方向においてブレードの瞬間的な推力を制御するため、上記の方法によってピッチ角を変えることによって減少することができる。ブレードは、それからその軌道のその位置、および、異なる位置またはローターの掃引領域周辺での風速の測定値に関して個別に制御されることができる。 Further, wind direction thrust changes on each individual blade can be reduced by changing the pitch angle in the manner described above to control the instantaneous thrust of the blade in the wind direction. The blade can then be individually controlled with respect to its position in its trajectory, and wind speed measurements at different positions or around the sweep region of the rotor.

測定された軸方向の力は、記載された方法によって与えられた時間において、最適ピッチ角の計算のため、ピッチ制御ユニットに記録され、含まれる。 The measured axial force is recorded and included in the pitch control unit for calculation of the optimum pitch angle at the time given by the described method.

ローターの軸方向の力を算出するため、測定された風速およびピッチ角をただ使用する代わりに、他の直接的なまたは間接的ないくつかの方法が使われることができる。 Instead of just using the measured wind speed and pitch angle, several other direct or indirect methods can be used to calculate the rotor axial force.

ブレードがピッチ・ベアリングにおいて後方に傾いて取り付けられるので、換言すれば、ブレードの長手方向の軸は、ピッチ・ベアリング軸からわずかに逸脱するので、ブレードの長手方向の軸は、ローター回転軸と交差せず、その後起こるピッチ・モーメントがブレード・ピッチ制御系を通じて油圧を経て測定されることができ、軸方向の力は、それから算出されることができる;
または、ブレードおよび/またはローターの主軸および/または風力発電所の他の部分のストレインゲージを用いて算出される。
In other words, the blade's longitudinal axis crosses the rotor's axis of rotation because the blade's longitudinal axis deviates slightly from the pitch bearing's axis because the blade is mounted tilted rearward at the pitch bearing. Without this, the subsequent pitch moment can be measured via oil pressure through the blade pitch control system and the axial force can be calculated therefrom;
Alternatively, it is calculated using the strain gauges of the blade and / or rotor spindle and / or other parts of the wind farm.

または、間接的にブレードのピッチ角を測定する、およびローター・トルクを直接測定、または例えばジェネレータ・トルク、出力などの他のパラメータを記録することによって算出され、そして対応するローターの軸方向の力は、機械的なまたは電子的な測定システムを用いてブレードの屈折を測定することによって、算出されることができる。 Or calculated indirectly by measuring the pitch angle of the blades and measuring the rotor torque directly, or recording other parameters such as generator torque, power, etc., and the corresponding rotor axial force Can be calculated by measuring the refraction of the blade using a mechanical or electronic measurement system.

添付の図面において図示される好適な方法の非制限的な例の説明は、以下に続く。 A description of non-limiting examples of preferred methods illustrated in the accompanying drawings follows.

水平なまたほぼ水平なローター軸11を有する風力発電所1は、一緒にローター2を形成する1つまたはそれ以上ローターブレード1から構成されている。ここで、調整されたまたは個別にローターブレードは、自分自身の長手方向の軸の周り、または、ジェネレータ(図示せず)へのローター2の出力を制御するため、本質的に自分自身の長手方向の軸14の周りを最初に回転する(傾斜する)。またここで、ローター軸は、ミル・ハウジング3において固定され、ローター軸は動力伝達装置(ギア)を経て、任意にジェネレータに連結される。ローターブレードのピッチ調整は、与えられた時間においてピッチ角で必要とされる変化の量を示すピッチ・モーターに信号を伝達する異なる記録された操作上の情報風力測定などに基づいて、ピッチ制御装置によって実行される。 A wind farm 1 having a horizontal and substantially horizontal rotor shaft 11 is composed of one or more rotor blades 1 which together form a rotor 2. Here, the adjusted or individually rotor blades essentially control their own longitudinal direction around their own longitudinal axis or to control the output of the rotor 2 to the generator (not shown). First, it is rotated (tilted) about its axis 14. Here, the rotor shaft is fixed in the mill housing 3, and the rotor shaft is optionally connected to the generator via a power transmission device (gear). The pitch adjustment of the rotor blade is based on different recorded operational information such as wind measurements that signal the pitch motor indicating the amount of change required in the pitch angle at a given time, etc. Executed by.

ミル・ハウジングは、固定的に陸地9に載置される塔4、または海底8、浮動している装置の一部、または、それ自体が海底8上のアンカー7に任意に1つまたはそれ以上のアンカー連結6を有する浮動装置を構成するものに載置される可能性がある。アンカー・システム6、7の設計は、記載された方法のためには重要ではない。 The mill housing may optionally be one or more of a tower 4 that is fixedly mounted on land 9, or a seabed 8, a part of a floating device, or itself an anchor 7 on the seabed 8. There is a possibility of being mounted on what constitutes a floating device having the anchor connection 6. The design of the anchor systems 6, 7 is not important for the described method.

以下に記載する方法の目的のうちの1つは、従来技術と比較してローターの軸方向の力の変化を減少させ、一方で、ジェネレータに結果として生じる出力がほとんど影響を受けない、またはドライブギア、ジェネレータおよび動力グリッドの制限の関係で許容可能な限度の範囲内で維持されるようにすることである。浮動する風力発電所の運動に能動的に対処するため、ローターの軸方向の力を使用する方法もまた発明の目的である。さらに、塔の垂直軸12の周りで回転力を制御し、それに対処するため、全体の回転サイクルを通じて各々の個別のブレード上で、異なる高さ(垂直の風の剪断)およびローター平面(水平な風剪断)に水平な並列方向で異なる風速から生じる空力の変化を減少するために記載された方法は、本発明の目的である。 One of the objectives of the method described below is to reduce the change in the axial force of the rotor compared to the prior art, while the resulting output of the generator is hardly affected or the drive To maintain within acceptable limits due to gear, generator and power grid limitations. It is also an object of the invention to use the axial force of the rotor to actively cope with the movement of a floating wind farm. In addition, to control and deal with the rotational force around the vertical axis 12 of the tower, different heights (vertical wind shear) and rotor planes (horizontal) on each individual blade throughout the entire rotational cycle. The method described to reduce the aerodynamic change resulting from different wind speeds in a parallel direction parallel to (wind shear) is the object of the present invention.

1つまたはそれ以上の風速計5は、風力発電所1上の適切な位置または複数の位置において配置されるので、風速の空間的分配は、都合よく記録され、異なる風速計間の補間は、ローターの掃引領域を横切る風の分配の画像を形成するために作成されることができる。これは、本質的に異なる高さにおいて、本質的に異なる水平姿勢で風速計を配置することによって実行されることができる。瞬間最大風速のこの空間的分配は、それから個別にロータブレードのピッチを調整するために用いることができ、任意に、すべてのブレードは、集合的にピッチ調整される。 Since one or more anemometers 5 are arranged at a suitable position or positions on the wind farm 1, the spatial distribution of the wind speed is conveniently recorded and the interpolation between the different anemometers is It can be created to form an image of wind distribution across the sweep area of the rotor. This can be done by placing the anemometer in an essentially different horizontal position at an essentially different height. This spatial distribution of instantaneous maximum wind speed can then be used to individually adjust the pitch of the rotor blades, optionally all blades are collectively pitch adjusted.

ローター2は塔4の風下に都合よく配置される可能性があるので、それがローターに影響を与える前に、風速計が風速を記録する。このように、ブレードの最適ピッチ角は、前もって算出されることができるので、空力およびローターブレードのピッチ反応の間にほとんど遅延はない。したがって、瞬間最大風速の不意の変化は、予測されることができる。風上に載置された風速計およびローターの垂直の平面、および風速間の水平な距離によって、実際の測定された風速の効果がローターにおいて起こるまでの測定が作成された時からの時間遅れが算出されることができる。ピッチ調整を制御する制御装置(図示せず)は、すべてのこれらの測定への与えられたアクセスであり、いかなる与えられた時間にでもブレード13のピッチ角を最適化するため、この情報を使用することができる。したがって、従来技術のピッチ調整が時間遅れを有するので、瞬間最大風速の不意の瞬間的な減少を起こす特に大きいローターの軸方向の力の減少を避けることは可能である。 Since the rotor 2 may be conveniently located leeward of the tower 4, the anemometer records the wind speed before it affects the rotor. In this way, the optimum pitch angle of the blade can be calculated in advance, so there is little delay between the aerodynamics and the pitch response of the rotor blades. Thus, unexpected changes in the instantaneous maximum wind speed can be predicted. The anemometer and rotor vertical plane mounted on the windward, and the horizontal distance between the wind speeds, delays the time from when the measurement was made until the actual measured wind speed effect occurred in the rotor. Can be calculated. A controller (not shown) that controls the pitch adjustment is given access to all these measurements and uses this information to optimize the pitch angle of the blade 13 at any given time. can do. Thus, since the prior art pitch adjustment has a time lag, it is possible to avoid a particularly large axial force reduction of the rotor which causes an unexpected instantaneous reduction of the instantaneous maximum wind speed.

平均速度が、風力発電所1のための名目上の風速より上にあり、瞬間的な風速がそれから与えられた平均風速を越えて増加する場合において、この方法によるローター2の回転速度は、従来技術と比較して減少するピッチ反応によって増加し、一方でジェネレータ・トルクは、任意に同時に、制御装置からの入力に従って減少し、それはまたローター2の回転速度を増加させるのに役立つ。一般にローターの軸方向の力が、増加した与えられたローター出力のための回転数/分を増加させるので、ブレードの中で回転させているピッチから生じる減少したローターの軸方向の力は、増加する瞬間的な風速に応答して、補われる。結果は、小さい風速の増加において、ローターの軸方向の力およびジェネレータの出力の両方は、ローターの回転速度を増加させることによって、最適ピッチ角ほぼ一定に保たれることができる。約10%の風の増加では、この方法による回転速度は、不変のローターの軸方向の力およびジェネレータへの不変の出力を得るため、10%増加するはずである。ピッチ角は、同時に変わらなければならない。瞬間最大風速の減少がある場合、類似した方法が使われるが、その場合、ジェネレータ・トルクは任意に、同時に制御装置から入力に従って増加するのに対して、ローターの回転速度は減少する。 In the case where the average speed is above the nominal wind speed for the wind farm 1 and the instantaneous wind speed then increases beyond the given average wind speed, the rotational speed of the rotor 2 by this method is conventionally The generator torque is increased by a decreasing pitch response compared to the technology, while at the same time optionally decreasing according to the input from the controller, which also serves to increase the rotational speed of the rotor 2. Since the rotor axial force generally increases the number of revolutions / min for an increased given rotor output, the reduced rotor axial force resulting from the pitch rotating in the blades increases In response to the instantaneous wind speed to be compensated. The result is that at small wind speed increases, both the axial force of the rotor and the output of the generator can be kept approximately constant by increasing the rotational speed of the rotor. With a wind increase of about 10%, the rotational speed by this method should increase by 10% to obtain a constant rotor axial force and a constant output to the generator. The pitch angle must change at the same time. If there is a reduction in the instantaneous maximum wind speed, a similar method is used, in which case the generator torque is optionally increased simultaneously with the input from the controller, while the rotational speed of the rotor is reduced.

瞬間最大風速のより大きい変化のため、以下のことが実行される:より長い一定の期間、例えば10分間にわたって、計量される平均風速と比較して、ピッチ調整の頻度を更新することよりも、瞬間最大風速の減少がある場合、純粋に出力が制御されたピッチ調整が使われる場よりも、ブレードのピッチ角は少なく変化する。この結果は、ローターの軸方向の力は不変のままであるが、ジェネレータへの出力は名目上の出力よりわずかに少ないことである。ローターの軸方向の力が不変のままであるのに対して、風速の10%の減少は約10%の出力を減少させる。 Due to the greater change in the instantaneous maximum wind speed, the following is performed: Rather than updating the frequency of pitch adjustment compared to the average wind speed measured over a longer period of time, for example 10 minutes When there is a reduction in the instantaneous maximum wind speed, the pitch angle of the blade changes less than when purely controlled pitch adjustment is used. The result is that the axial force of the rotor remains unchanged, but the output to the generator is slightly less than the nominal output. While the rotor axial force remains unchanged, a 10% reduction in wind speed reduces the output by about 10%.

同様に、瞬間最大風速の10%の増加のために、ブレードのピッチ角のより小さい変化は、純粋に出力制御されたピッチ調整が使われる場合よりも多く生じられる。これの結果は、ローターの軸方向の力は不変のままであるが、ジェネレータへの出力は名目上の出力よりもわずかに大きいということである。瞬間最大風速の10%の増加は、約10%の出力の増加を提供し、一方で、ローターの軸方向の力が不変のままである。上記に記載した2つの出力を結合することによって、全体の結果は、ローターの軸方向の力が変化することなく、瞬間最大風速が一般的に+/−20%で変化することができるということになる。付随するジェネレータ出力変化が短期的であり、風力発電所の名目上の出力またはジェネレータの定格動力周辺で変動するので、平均ジェネレータ出力は、ほぼ不変である、換言すれば、名目上の出力(定格動力)に等しい、一方で、与えられた平均風速の軸方向の力は、一定またはほぼ一定に、一般的に瞬間最大風速の+/−20%の変化で保たれることができる。 Similarly, due to the 10% increase in instantaneous maximum wind speed, smaller changes in the pitch angle of the blade will occur more than if purely power controlled pitch adjustment is used. The result of this is that the axial force of the rotor remains unchanged, but the output to the generator is slightly greater than the nominal output. A 10% increase in the instantaneous maximum wind speed provides an increase in power of about 10% while the axial force of the rotor remains unchanged. By combining the two outputs described above, the overall result is that the instantaneous maximum wind speed can generally vary by +/− 20% without changing the axial force of the rotor. become. Since the accompanying generator output changes are short-term and fluctuate around the nominal output of the wind farm or around the rated power of the generator, the average generator output is almost unchanged, in other words, the nominal output (rated On the other hand, the axial force of a given average wind speed can be kept constant or nearly constant, generally with a +/− 20% change in the instantaneous maximum wind speed.

与えられた平均風速およびローター回転速度において、ジェネレータの名目上の出力に対応するローターの軸方向の力(ターゲット値)は、算出されることができる。平均値の周囲のジェネレータ出力変化のための許容可能な最大および最小値は、前もってプログラムされることができ、(瞬間最大風速に応答して)ピッチ制御ユニットはそれから、最適な瞬間的なピッチ角を算出するので、ローターの軸方向の力は、前記算出されたターゲット値周辺で可能な限り一定に保たれ、一方で、ジェネレータ出力は、前もってプログラムされたバンド幅の範囲内で維持される。 At a given average wind speed and rotor rotational speed, the axial force (target value) of the rotor corresponding to the nominal output of the generator can be calculated. The allowable maximum and minimum values for the generator output change around the mean value can be programmed in advance and the pitch control unit can then select the optimal instantaneous pitch angle (in response to the instantaneous maximum wind speed) So that the axial force of the rotor is kept as constant as possible around the calculated target value, while the generator output is maintained within a pre-programmed bandwidth.

ローターの軸方向の力のために算出されたターゲット値は、異なる平均風速によって変化する。各々の平均風速の範囲内で、それからピッチ調整を使用して、この軸方向の力をこのターゲット値周辺でほぼ一定に保ち続ける試みが実行される。平均風速は、例えば、最後の10分で平均である。任意に、与えられた平均風速間隔のため(例えば、0.1m/s違いの間隔に分割される)、軸方向の力のターゲット値のために予め算出された値が使われる可能性がある。 The target value calculated for the axial force of the rotor varies with different average wind speeds. Within each average wind speed range, an attempt is then made to keep the axial force approximately constant around the target value using pitch adjustment. The average wind speed is, for example, an average over the last 10 minutes. Optionally, a pre-calculated value may be used for the axial force target value for a given average wind speed interval (eg, divided into 0.1 m / s difference intervals). .

上記の通り約+/−20%過剰の瞬間最大風速変化のため、ピッチ調整は、記載されるように、ジェネレータ出力を+/−10%の典型的なバンド幅より変化させないことを優先して実行されることができる。瞬間最大風速のこのような大きい変化において、ローターの軸方向の力がまた変わり始めるが、これらの場合、この変化は、従来技術によるピッチ調整よりも本質的に少ない。 Due to the instantaneous maximum wind speed change of about +/− 20% excess as described above, the pitch adjustment prioritizes not changing the generator output from a typical bandwidth of +/− 10% as described. Can be executed. With such large changes in the instantaneous maximum wind speed, the axial force of the rotor also begins to change, but in these cases this change is essentially less than the prior art pitch adjustment.

より長い一定の期間、例えば平均10分のにわたる風速の平均値は、瞬間最大風速の変化よりも少なく変化するので、記載された方法は、ローターの軸方向の力変化が相当に減少し、塔およびローター上の疲労負荷に対する肯定的な効果を有することを保証する。 Since the average wind speed over a longer period of time, for example an average of 10 minutes, changes less than the change in the instantaneous maximum wind speed, the described method significantly reduces the axial force change of the rotor and And has a positive effect on the fatigue load on the rotor.

上記と同じ方法はまた、与えられた平均値周辺で能動的にローターの軸方向の力を調整するために用いることができる。ローターの軸方向の力が異なる値で能動的にこのように制御される場合、これが使われることができる、例えば、力をその運動で反位相の塔1に適用するので、塔の運動は弱められる。これは、特に浮動的な風力発電所のために都合が良い。 The same method as above can also be used to actively adjust the axial force of the rotor around a given mean value. If the rotor axial force is actively controlled in this way with different values, this can be used, for example, the force is applied to the antiphase tower 1 in its motion, so that the motion of the tower is weakened. It is done. This is particularly convenient for floating wind farms.

制御装置はこの場合また、塔の運動へのアクセスを有する。塔の運動は、例えば加速度計または他の適切な測定方法を使用して記録されることができる。 The control device also has access to the movement of the tower in this case. Tower motion can be recorded using, for example, an accelerometer or other suitable measurement method.

さらに、軸方向の力は同様の方法で、風からローターを回転させようとするいかなる力にも対処するため、能動的に使われることができる。これは、風向においてローターブレードの個別の力を制御することによって実行されることができるので、風からローターおよび/またはミル・ハウジングおよび/または塔を回転させようとトルクは、与えられた時間に各々の個別的なブレードの物理的な位置にしたがって、ブレードの個別的なピッチ角を周期的に変えることによって、対処され、減少され、または取り除かれ、その結果、ローター上の軸方向の力は、必要に応じて、ローターの垂直軸の1つの側面または他の側面においてより大きい。与えられたローターブレードが塔の垂直軸の1つの側面を通過する場合、ピッチ角は、例えば0.5°増加し、同じブレードが反対側を通過する場合、ピッチ角は対応して減少する。それゆえに、これは、全体のローター出力または全体のローターの軸方向の力にいかなる効果も有する必要はない。余分な周期的隣接ピッチ誤差は、全体のローターの軸方向の力を制御するため、上記の方法によって算出されたピッチ角の上に置かれる。この記載された周期的ピッチ調整はまた、能動的にローター2を制御するために用いることができるので、浮動的な設備の場合、風力発電所の一部または任意に全体は、風向と関連して所望の位置において保たれることができる。したがって、従来技術によって、ミル・ハウジング3または任意に全体の塔5を回転させるサイズまたはモーターの数を除去または減少させることは可能であり、結果において、風と関連する所望の位置で、ミル・ハウジングは、回転不可能に浮動的な設備の塔に載置される。 In addition, axial forces can be used actively in a similar manner to cope with any force that attempts to rotate the rotor from the wind. This can be done by controlling the individual forces of the rotor blades in the wind direction, so that the torque is at a given time to rotate the rotor and / or mill housing and / or tower from the wind. According to the physical position of each individual blade, it is dealt with, reduced or eliminated by periodically changing the individual pitch angle of the blade so that the axial force on the rotor is , Larger on one side or the other side of the vertical axis of the rotor, if desired. If a given rotor blade passes through one side of the vertical axis of the tower, the pitch angle increases, for example by 0.5 °, and if the same blade passes through the opposite side, the pitch angle decreases correspondingly. Therefore, this need not have any effect on the overall rotor output or the axial force of the entire rotor. The extra periodic adjacent pitch error is placed above the pitch angle calculated by the above method to control the axial force of the entire rotor. This described periodic pitch adjustment can also be used to actively control the rotor 2 so that in the case of floating installations, part or optionally the whole of the wind farm is associated with the wind direction. And can be kept in a desired position. Thus, according to the prior art, it is possible to eliminate or reduce the size or number of motors that rotate the mill housing 3 or optionally the entire tower 5, resulting in a desired location associated with the wind. The housing is mounted on a tower of non-rotatable equipment.

さらに、各々の個別のブレード(一緒にローター軸方向の力を構成する)上のフラップ方向(通常ほぼ風向と同じである)の推力変化は、風向のブレードの瞬間的な推力を制御するため、上記の方法でピッチ角を変えることによって減少する。ブレードはそれから、異なる位置のローターの掃引領域の中または周辺で、その軌道の位置、および、風速の直接または間接的に測定された値に関して個別に制御されることができる。 In addition, the change in thrust in the flap direction (usually approximately the same as the wind direction) on each individual blade (which together make up the rotor axial force) controls the instantaneous thrust of the blade in the wind direction, This is reduced by changing the pitch angle in the above manner. The blades can then be individually controlled in or around the sweep region of the rotor at different positions with respect to their trajectory position and directly or indirectly measured values of wind speed.

測定されたまたは算出された軸方向の力は、記載された方法によって、記録され、与えられた時間での最適ピッチ角の計算のためのピッチ制御ユニットを含む。 The measured or calculated axial force is recorded by the described method and includes a pitch control unit for the calculation of the optimum pitch angle at a given time.

ローターの軸方向の力を算出するために測定された風速およびピッチ角をただ使用する代わりに、他の直接的または間接的ないくつかの方法を使うことができる。 Instead of just using the measured wind speed and pitch angle to calculate the rotor axial force, several other direct or indirect methods can be used.

ブレード13がピッチ・ベアリング10において後方に傾いて取り付けられる、すなわち、ブレードの長手方向の軸14は、ピッチ・ベアリング軸からわずかに逸脱するので、ブレードの長手方向の軸14は、ローター回転軸11と交差せず、それから起こるピッチのモーメントは、ブレード・ピッチ制御系により油圧を経て測定されることができ、各々の個別のブレードのための風向のローターブレード推力は、それから算出されることができる;または、
ブレード13および/またはローターの主軸および/または風力発電所の他の部分上のストレインゲージを用いて算出することができる;または
ブレード13のピッチ角を間接的に測定する、および、ローター2のトルクを直接測定する、または、例えばジェネレータ・トルク、出力などの他のパラメータを記録することにより、ローターの対応するローターの軸方向の力は算出することができる。
The blade 13 is mounted tilted rearwardly on the pitch bearing 10, i.e., the blade longitudinal axis 14 slightly deviates from the pitch bearing axis so that the blade longitudinal axis 14 is the rotor rotation axis 11. The moment of pitch that does not intersect with and can be measured via oil pressure by the blade pitch control system, and the rotor blade thrust in the wind direction for each individual blade can be calculated therefrom Or
Can be calculated using strain gauges on the blade 13 and / or the main axis of the rotor and / or other parts of the wind farm; or indirectly measuring the pitch angle of the blade 13 and the torque of the rotor 2 By directly measuring or recording other parameters such as generator torque, power, etc., the corresponding rotor axial force of the rotor can be calculated.

それは、機械的または電子的な測定システムを使用してブレードの屈折を測定することによって、算出することができる。 It can be calculated by measuring the refraction of the blade using a mechanical or electronic measurement system.

発明の方法の実施例は、フローチャートによって図4において図示される。方法は、ローター速度またはジェネレータの任意の出力パワーが名目上の値の+/−10%の範囲内であるかどうかを決定することによって、例においてジェネレータの瞬間的な/瞬間のローター速度、または、任意の出力パワーは、風力発電所のための名目上の値の範囲の中であるかどうかの40の決定に基づいている。 An embodiment of the inventive method is illustrated in FIG. 4 by a flowchart. The method determines whether the rotor speed or any output power of the generator is within the range of +/− 10% of the nominal value, in the example the generator instantaneous / instantaneous rotor speed, or , Based on a 40 determination of whether the arbitrary output power is within the nominal value range for the wind farm.

瞬間的な/瞬間のローターの速度、任意にジェネレータの出力パワーがその範囲の中である場合、軸方向の力のためのターゲット値へ調整することによって、ローターの軸方向の力の変化、任意に個別の風向の各々のブレードの推力を最小化する試みが実行される。44において、与えられた時間t、例えば最後の10分のための平均のローター速度または平均ジェネレータ出力パワーは、風力発電所の名目上の出力の上または下であることがそれから決定される。これによれば、ローターの軸方向の力のためのターゲット値は、45、46において調整される。前述したように、軸方向の力のための新規なターゲット値は、ジェネレータの平均出力の増減が要求されるかどうかを決める軸方向の力のためのターゲット値が徐々に増加または減少して、例えば10分の与えられた一定の期間tにおける軸方向の力の平均値に基づいて算出されることができる。ローターの軸方向の力のためのターゲット値はまた、平均風速に関連して任意に前もって算出された値である。ローター軸方向の力の瞬時値は、それから47において、45/46において達成されるように軸方向の力のためのターゲット値と比較され、ローターブレード・ピッチ角は、それからこの比較にしたがって48および49において変えられる。 Instantaneous / instantaneous rotor speed, optionally if generator output power is within that range, change of rotor axial force by adjusting to target value for axial force, arbitrarily An attempt is made to minimize the thrust of each blade in a separate wind direction. At 44, it is then determined that the average rotor speed or average generator output power for a given time t, for example the last 10 minutes, is above or below the nominal output of the wind farm. According to this, the target value for the axial force of the rotor is adjusted at 45,46. As previously mentioned, the new target value for the axial force will gradually increase or decrease the target value for the axial force that determines whether an increase or decrease in the average output of the generator is required, For example, it can be calculated based on the average value of the axial force in a given period t of 10 minutes. The target value for the axial force of the rotor is also an arbitrarily pre-calculated value in relation to the average wind speed. The instantaneous value of the rotor axial force is then compared at 47 with the target value for the axial force as achieved at 45/46, and the rotor blade pitch angle is then 48 and according to this comparison. At 49.

他方では、40で算出されるように瞬間的な/瞬間のローター速度またはジェネレータの任意の出力パワーが与えられた範囲の外にある場合、ローター速度またはジェネレータの任意の平均出力パワーを所望の範囲、例えば、名目上の値の+/−10%の範囲内に導くため、従来技術に記載されているものと同じ方法でピッチ角を調整することによってこの範囲の中に収める試みが実行される。ピッチ角は、瞬間的な/瞬間のローター速度またはジェネレータの任意の出力パワーは、所望の範囲の上または下にあるかどうかの41の計算にしたがって42/43において調整される。このように、ピッチ角は、遅く変化するターゲット値の方へ調整した一定のローターの軸方向の力を維持する趣旨で最初に調整され、従来技術と異なって、ピッチ角は、ジェネレータ出力パワーまたはローター速度を所望の範囲に導くのに必要な範囲に調整されるだけである。したがって、調整が付随する大きいローターの軸方向の力変化を有して、ジェネレータ出力のために一定の値の方へ生じる場合、従来技術よりもより小さい調節装置およびより小さいローター軸方向の力変化が存在する。 On the other hand, if the instantaneous / instantaneous rotor speed or any output power of the generator, as calculated at 40, is outside the given range, the rotor speed or any average output power of the generator is set to the desired range. For example, an attempt is made to fit within this range by adjusting the pitch angle in the same way as described in the prior art, in order to bring it within a range of +/− 10% of the nominal value. . The pitch angle is adjusted at 42/43 according to a calculation of 41 whether the instantaneous / instantaneous rotor speed or any output power of the generator is above or below the desired range. In this way, the pitch angle is first adjusted to maintain a constant rotor axial force adjusted towards the slowly changing target value, and unlike the prior art, the pitch angle is the generator output power or It is only adjusted to the range necessary to bring the rotor speed to the desired range. Therefore, if the adjustment is accompanied by a large rotor axial force change and occurs towards a constant value for the generator output, then a smaller adjustment device and a smaller rotor axial force change than the prior art Exists.

図4の例において、ローターブレードのピッチ角は、集合的にすべてのローターブレード、または、各々の個別のローターブレードのいずれかで調整されることができる。各々の個別のローターブレードを調整することが可能であるシステムのため、風力発電所のための方向の情報は、安定性のある位置に風力発電所を保つ趣旨で、上述したモーメントに加えて、考慮されることができる。この情報50は、図のステップ47において考慮される。図5は、この方向の情報を提供するステップを詳細に図示する。 In the example of FIG. 4, the pitch angle of the rotor blades can be adjusted either collectively for all rotor blades or for each individual rotor blade. Due to the system capable of adjusting each individual rotor blade, the direction information for the wind farm is intended to keep the wind farm in a stable position, in addition to the moments mentioned above, Can be considered. This information 50 is considered in step 47 of the figure. FIG. 5 illustrates in detail the steps of providing this direction information.

ステップ51において、凹所(α)は算出または記録され、ここで、αはブレードの回転位置であり、換言すれば、それは各々の個別のローターブレードがどこで回転するかを記載する。ステップ52において、風向と関連する風力発電所の方向の方向エラーが与えられた範囲の外、この場合+/−5°にあるかどうかが決定される。方向エラーが範囲の中である場合、動作は実行されないが、方向エラーが範囲の外にある場合、塔のための回転メカニズムは任意に起動し、方向エラーがどの側面上の範囲にあるかにしたがって、信号は55、56において算出される。55または56において提供される情報は、ローター軸方向の力変化に関して、ピッチ角、任意に風向の各々の個別のブレードの推力を調整するために提供される制御信号に上に配置される。方向エラー情報は、回転位置についての情報から構成される、換言すれば、ピッチ角はその瞬間的な回転位置によって各々のブレードのために個別に調整される。これは、風向の各々の個別のブレードの推力は、異なる回転位置のために異なって調整されるので、風力発電所のための方向エラーに対処する力の効果が得られるということを意味する。 In step 51, the recess (α) is calculated or recorded, where α is the rotational position of the blade, in other words it describes where each individual rotor blade rotates. In step 52, it is determined whether the direction error of the wind farm direction relative to the wind direction is outside the given range, in this case +/− 5 °. If the directional error is in range, no action is taken, but if the directional error is out of range, the rotation mechanism for the tower is activated arbitrarily, and on which side the directional error is in range Therefore, the signal is calculated at 55,56. The information provided at 55 or 56 is placed on the control signal provided to adjust the thrust of each individual blade in the pitch angle, and optionally the wind direction, with respect to the rotor axial force change. The direction error information is composed of information about the rotational position, in other words, the pitch angle is individually adjusted for each blade according to its instantaneous rotational position. This means that the thrust of each individual blade in the wind direction is adjusted differently for different rotational positions, so that a force effect is obtained that addresses directional errors for the wind farm.

塔4の風下に取り付けられる水平にまたはほぼ水平に取り付けられたローター軸11を有する可能性があるローター2を有する浮動的な風力発電所1を示す。この図はまた、ミル・ハウジング3、風速計5、アンカー連結6およびアンカー7を示す。1 shows a floating wind farm 1 having a rotor 2 which may have a rotor shaft 11 mounted horizontally or nearly horizontally attached to the lee of the tower 4. This figure also shows the mill housing 3, anemometer 5, anchor connection 6 and anchor 7. 陸地の上、または、浅瀬において位置する、塔4の中で風上に取り付けられる水平にまたはほぼ水平に取り付けられたローター軸11を有するローター2を有する風力発電所1を示す。この図はまた、ミル・ハウジング3および風速計5を示す。1 shows a wind farm 1 having a rotor 2 with a rotor shaft 11 mounted horizontally or nearly horizontally mounted on the wind in a tower 4 located on land or in shallow water. This figure also shows the mill housing 3 and the anemometer 5. 陸地上にまたは浅瀬において位置する、または、水に浮いて、それらの長手方向の軸の周りでまたは、ピッチ・ベアリング10を有して本質的にそれらの長手方向の軸14の周りで回転可能に取り付けられるローターブレード13を有する風力発電所1を示す。Located on land or in shallow water, or floats on water and can rotate about their longitudinal axis or essentially about their longitudinal axis 14 with pitch bearing 10 1 shows a wind farm 1 having a rotor blade 13 attached to 本発明の方法を図示する工程系統図である。2 is a process flow diagram illustrating the method of the present invention. FIG. 本発明の方法の任意の部分のための工程系統図である。FIG. 4 is a process flow diagram for any portion of the method of the present invention.

Claims (11)

変換装置ユニットからなる風力発電所の出力を制御する方法であって、前記変換装置ユニットの出力パワーが与えられた範囲の中にある場合、複数のローターブレードのピッチ角は、単独でまたは共同して、風向による前記ローターブレードの推力の変化が最小になるように変化させられ、前記変換装置ユニットの前記出力パワーが前記範囲の外側にある場合、前記ローターブレードの前記ピッチ角は、前記出力パワーを前記範囲の中に導くように変わることを特徴とする方法。A method for controlling the output of a wind power plant consisting of converter units, wherein the output power of the converter unit is within a given range, the pitch angles of the plurality of rotor blades are singly or jointly. When the change in thrust of the rotor blade due to the wind direction is changed to be minimal and the output power of the converter unit is outside the range, the pitch angle of the rotor blade is the output power. The method is characterized in that it changes so as to bring it into the range. 請求項1に記載の方法であって、前記風向における前記ローターブレードの前記推力に対して算出されたターゲット値の方へ前記ローターブレードの前記ピッチ角を調整することによって前記風向による前記ローターブレードの前記推力の変化は最小化され、平均風速が異なると、前記風向における前記推力に対する前記ターゲット値が異なることを特徴とする方法。The method of claim 1, wherein the rotor blades according to the wind direction are adjusted by adjusting the pitch angle of the rotor blades toward a target value calculated for the thrust of the rotor blades in the wind direction. The method wherein the change in thrust is minimized and the target value for the thrust in the wind direction is different when the average wind speed is different. 請求項2に記載の方法であって、前記風向における前記ローターブレードの前記推力に対する前記ターゲット値は、与えられた一定の期間にわたる前記変換装置ユニットの平均出力パワーまたはローターブレードの速度に関連して調整されることを特徴とする方法。3. A method according to claim 2, wherein the target value for the thrust of the rotor blade in the wind direction is related to the average output power of the converter unit or the speed of the rotor blade over a given period of time. A method characterized by being adjusted. 請求項2に記載の方法であって、前記風向における前記ローターブレードの前記推力に対する前記ターゲット値は、あらかじめ定義され、与えられた平均風速に関連があることを特徴とする方法。3. The method of claim 2, wherein the target value for the thrust of the rotor blade in the wind direction is predefined and related to a given average wind speed. 請求項1に記載の方法であって、前記変換装置ユニットはジェネレータであり、前記風向における前記ローターブレードの前記推力は、ジェネレータの回転抵抗モーメントおよび/またはローター制動装置を調整することでローターブレードの回転数/分を変えることによって、調整されることを特徴とする方法。The method according to claim 1, wherein the converter unit is a generator, and the thrust of the rotor blade in the wind direction is adjusted by adjusting a rotational resistance moment of the generator and / or a rotor braking device. A method characterized in that it is adjusted by changing the number of revolutions per minute. 請求項1に記載の方法であって、前記変換装置ユニットはジェネレータであり、前記風向における前記ローターブレードの瞬間的な推力は、
前記ローターブレードの幾何学的屈折を測定する、ジェネレータのトルクを測定する、および/または、前記ローターブレードの前記ピッチ角を測定すると同時に前記ジェネレータの出力パワーを測定する、および/または、ピッチ・ベアリングにおいて後方に傾いている前記ローターブレードを取り付ける、または前記ローターブレードを成形することのいずれかによって、ピッチ・ベアリングの回転軸の周りの前記ローターブレードのピッチ・モーメントを測定または使用することにより、
ストレインゲージまたは風速測定装置によって直接または間接的に決定されることができるので、前記ローターブレードの衝突位置は、前記ローターの回転方向に対して、前記ピッチ・ベアリングの前記回転軸の後にあることを特徴とする方法。
The method of claim 1, wherein the converter unit is a generator and the instantaneous thrust of the rotor blade in the wind direction is:
Measuring the geometric refraction of the rotor blade, measuring the torque of the generator, and / or measuring the output power of the generator simultaneously with measuring the pitch angle of the rotor blade, and / or pitch bearings Measuring or using the pitch moment of the rotor blade about the axis of rotation of the pitch bearing, either by attaching the rotor blade tilted rearward at or shaping the rotor blade,
Since the rotor blade can be determined directly or indirectly by a strain gauge or a wind speed measuring device, the rotor blade collision position is behind the rotational axis of the pitch bearing with respect to the rotational direction of the rotor. Feature method.
請求項1に記載の方法であって、前記ローターブレードの前記ピッチ角は、風向とローターの回転軸の方向との間の、方向の誤差を最小化するように変えられることを特徴とする方法。2. The method of claim 1, wherein the pitch angle of the rotor blade is varied to minimize directional errors between the wind direction and the direction of the rotor axis of rotation. . 請求項7に記載の方法であって、前記方向の誤差は、それが与えられた範囲外にある場合、修正されることを特徴とする方法。The method of claim 7, wherein the directional error is corrected if it is outside a given range. 請求項1に記載の方法であって、前記ローターブレードの前記ピッチ角は、異なる前記ローターブレードの回転位置のため異なって調整されることを特徴とする方法。The method of claim 1, wherein the pitch angle of the rotor blades is adjusted differently for different rotational positions of the rotor blades. 請求項1に記載の方法であって、前記ローターブレードの前記ピッチ角は、各前記ローターブレードごとに独立して調整されることを特徴とする方法。The method according to claim 1, wherein the pitch angle of the rotor blades is adjusted independently for each of the rotor blades. 請求項1に記載の方法であって、前記風向における前記ローターブレードの前記推力は、前記ローターブレードの前記ピッチ角を調整することによって、外力による風力発電所塔の運動を妨げるために能動的に用いられることを特徴とする方法。The method of claim 1, wherein the thrust of the rotor blades in the wind direction is actively controlled to prevent movement of the wind power tower by external forces by adjusting the pitch angle of the rotor blades. A method characterized in that it is used.
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