KR101145255B1 - 풍력 발전소의 출력 제어 방법 - Google Patents

풍력 발전소의 출력 제어 방법 Download PDF

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Abstract

로터 축력의 변화를 연속적으로 감소시키고 따라서 로터 블레이드와 타워 상의 피로 하중을 감소시키는 반면에 제너레이터로의 결과 출력은 현저하게 영향을 받지 않거나 구동 기어, 제너레이터 및 동력 그리드(power grid)의 제한과 관련하여 용인될 수 있는 한계 내에서 유지되는 방법을 개시한다. 로터 축력을 이용하는 방법은 부유 발전소의 움직임에 능동적으로 대항한다. 본 방법은 또한 타워(4)의 수직축(12)을 중심으로 한 회전력이 피치 각도의 주기적인 변화 및 개별 로터 블레이드 상의 관련된 힘에 의하여 어떻게 제어되고 대항되는지를 설명한다. 본 방법은 또한 다른 높이(수직 바람 전단력)에서 그리고 로터 평면(수평 바람 전단력)에 평행한 수평 방향으로의 다른 풍속의 결과로서 각 개별 블레이드 상의 공기역학적 힘 변화가 어떻게 감소될 수 있는지를 설명한다.
풍력 발전소, 추력, 블레이드

Description

풍력 발전소의 출력 제어 방법{A method for controlling the output of a wind power plant}
본 발명은 어떠한 현저한 정도로 영향을 미치는 풍력 발전소의 평균 출력없이 타워 상의 로터의 추력이 제어되고 원하는 값 이내에 유지되게 하는 방법으로 풍력 발전소 내에서 로터 블레이드 자신의 길이 방향 축을 중심으로 로터 블레이드들의 각도를 조정하는 방법에 관한 것이다. 이는 로터 블레이드와 타워 상의 하중 변화가 감소하고 그로 인하여 이들의 무겁게 적재된 구성요소들의 피로를 실질적으로 감소시키는 이점을 갖는다.
본 특허 출원에서 다음의 정의가 사용된다.
1) 순간 풍속은 때에 맞추어 특정 포인트에서 측정된 순간 풍속으로 정의된다.
2) 평균 또는 평준화된 풍속은 특정 주기 동안 순간 풍속의 평균 또는 대략적인 평균으로 정의된다. 이 주기는 일반적으로 3초보다 길 것이며 일반적으로 10분 내지 1시간 범위 이내이나, 또한 더 길 수 있다. 풍력 터빈을 제어하기 위하여 풍속이 사용될 때, 이 측정된 값들의 축소 또는 부분은 또한 이 정의에 포함될 것이다.
3) 본 특허 출원 내의 피치 각도는 이 각도를 위한 고정된 시작 위치에 관하여 로터 블레이드 자체의 길이 방향 축을 중심으로 하는 로터 블레이드의 강체 비틀림(rigid body torsion)으로 정의된다. 블레이드를 피칭(pitching)시킴으로써 주어진 순간 풍속을 위한 로터 상의 힘은 변화될 수 있다.
4) 로터 축력은 로터로부터 밀 하우징을 향하여 전달된 추력으로 정의되며, 추력은 본질적으로 로터 축의 회전축을 따라 향한다. 이 힘은 로터 블레이드로부터 바람 방향으로의 전체 추력으로 이루어지며, 풍력 발전소의 가동 동안에 다른 시간에서 플러스(positive) 및 마이너스(negative) 힘 모두일 수 있다.
5) 공칭 풍속은 풍력 발전소가 먼저 최대 출력을 달성하는 풍속으로 정의된다. 이는 일반적으로 12~14 미터/초의 범위 내일 수 있다.
6) 컨버터 유니트는 로터 블레이드의 바람/회전으로부터 에너지를 생산하거나 이 에너지를 전력 또는 다른 기계적인 힘으로 변환하는 유니트이다. 이 유니트는 일반적으로 제너레이터, 기계적인 펌프, 기어 유니트 등일 수 있다. 다음 설명에서, 용어 "제너레이터(generator)"는 대부분을 위하여 사용되나, 여기서 언급한 바와 같이 제너레이터가 어떠한 종류의 적절한 컨버터로 대체될 수 있다는 것이 명백하다.
심해(deep water)의 토대 상에 대형 상업 수평축 풍력 터빈을 위치시킬 수 있는 것이 바람직하다. 풍력 이용을 위한 잠재 영역을 증가시킬 수 있고, 높은 평균 풍속을 갖는 지역으로의 접근을 얻으며, 풍력을 이용하여 전력을 제공할 수 있도록 오일 및 가스 설비에 인접한 풍력 발전 시설을 구축할 수 있기 위하여 이는 바람직하다.
심해에서, 타워와 토대의 규격 및 비용을 제한하기 위하여 부유 구조물(floating structure)이 유리할 것이다.
이러한 종류의 부유 구조물은 부유 구조물 상의 움직임 패턴 및 응력을 제어할 2종류의 힘에 의하여 주로 영향을 받을 것이다. 이들은 구조물의 부유 부분에 대한 파력 및 바람으로부터의 로터 상의 추력이며, 본 명세서에서는 이들은 로터 축력으로 언급된다.
지면 또는 해저에 고정된, 육지 또는 천해 상의 풍력 발전소에 관하여, 구조물 상에 작용하는 현저한 힘은 일반적으로 중력에 더하여 바람으로부터의 로터 상의 추력일 것이다.
(일반적으로 1 MW 이상의 출력을 가진) 대규모의 풍력 발전소를 위하여, 오늘 날, 최대 출력(공칭 출력)을 이루기 위하여 필요한 풍속보다 큰 풍속을 위해, 발전소의 공칭 출력과 동일한, 일정한 출력을 로터가 제공하는 것을 제어하기 위하여 2종류의 주요 조절 메커니즘이 사용된다.
이들 방법 중 하나는 로터 블레이드의 스톨 조절(stall regulation)이다. 이 방법은 블레이드를 바람으로 변환시키며, 따라서 날개 형상에 대하여 대응하는 바람의 영각(angle of attack)이 증가하고 로터 블레이드는 스톨(stall)에 도달한다. 다시 말하면, 로터 블레이드를 가로지르는 흐름은 층류에서 난류로 진행한다는 점에서 바람은 점차적으로 그 양력(lifting force)을 상실한다. 따라서 과다한 에너지가 방출된다.
다른 조절 방법은 블레이드의 피치 조절이며, 그로 인하여 블레이드는 스톨 조절 방법에서의 방향과 반대 방향으로 방향 전환되고, 따라서 날개 형상에 대하여 대응하는 바람의 영각이 감소함으로써 바람이 방출된다. 따라서 로터 블레이드의 양력은 감소하며 바람으로부터 적은 에너지가 회복된다. 본 발명은 본 출원에서 피치 조절이라 불리는 마지막 조절 방법에 관한 것이다.
큰 로터 직경의 경우, 로터 영역을 수직 및 수평으로 가로질러 풍속 면에서 크게 변화되기 쉽다. 바람 방향으로의 블레이드들의 각 추력이 적절하게 제어되지 않고 조정되지 않는다면, 이는 소형 발전소의 경우보다 블레이드의 더 큰 피로 문제를 야기할 수 있다. 이는 또한 큰 모멘트를 초래할 수 있으며, 주어진 시간에서 (수직축을 중심으로) 로터의 1/2 상에서의 풍속이 반대쪽 1/2에서의 풍속보다 실질적으로 크다면, 이 모멘트는 로터를 바람 밖으로 회전시킨다. 위에서 설명한 바와 같은 피치 조절을 포함하는 종래 기술에서, 공칭 풍속 이상의 풍속을 위한 로터 회전수(rpm)는 조절될 것이며, 따라서 각속도(라디안(radian) 회전 속도)로 곱해진 로터 토크(torque)와 동일한 로터 출력이 가능한 한 풍력 발전소의 공칭 출력과 동일하게 일정하게 유지된다. 이를 이루기 위하여, 컨트롤 유니트는 로터 블레이드의 피치 각도를 연속적으로 제어한다. 출력과 로터 축력은 풍속 변화의 함수로서의 비선형 값이다. 풍속이 변화하고 로터 블레이드를 피칭함으로써 로터로부터의 출력이 일정하게 유지될 때, 로터 축력은 동시에 변할 것이다. 따라서 로터 축력(바람 방향으로의 추력)은 큰 변화를 가질 수 있다. 이들 힘의 변화는 블레이드와 타워 구조물에 주된 피로 하중을 야기하며, 여러 경우에서 이는 이들 구조 구성요소들을 위하여 치수화(dimensioning)될 수 있다.
이를 설명하기 위하여, 종래 기술의 피치 조절 효과를 주목할 수 있다. 순간 풍속이 공칭 풍속(예를 들어 13미터/초)에서 두 배(26 미터/초)로 증가하는 반면에 로터의 출력과 회전 속도가 일정하게 유지되고, 더 높은 풍속에서 로터 출력이 증가하는 것을 방지하기 위하여 블레이드의 피치 변화는 약 20°일 것이다. 블레이드의 이러한 피치 변화의 결과는 로터 축력(바람 방향으로의 추력)이 동시에 약 반이며, 이는 블레이드와 타워 구조물 상의 피로 하중을 야기한다는 것이다.
기상 조건이, 예를 들어 19 미터/초의 10분 평균(10 minute mean) 풍속일 때, 출력이 일정한 상태를 유지한다면, 풍속 면에서의 이러한 변동은 전형적으로 블레이드와 로터의 전체 축력 내의 큰 변화에 수반되어 발생할 것이다. 종래 기술에 따른 피치 조절이 이용된다면, 축력 면에서의 유사한 변동이 공칭 풍속 이상의 모든 평균 풍속에 대하여 더 넓은 범위 또는 더 적은 범위까지 일어날 것이다.
로터의 공기역학적 순간 토크와 제너레이터 토크 사이에 항상 어떠한 지연이 있을 것이다. 이는 주로 제너레이터, 구동기어 및 로터의 관성력으로 인한 것이다. 종래 기술에 따른 피치 조절이 회전 속도 또는 제너레이터 출력의 측정된 값을 이용하기 때문에, 피치 조절(pitch regulation)은 순간 로터 축력을 포함하는, 로터 상에 작용하는 순간 힘에 관하여 부정확하고 지연될 것이다. 이는 순간 풍속 면에서의 급작스러운 감소에 대하여, 이는 로터 블레이드들이 부적절하게 큰 블레이드 피치 각도를 가질 것이고, 로터 축력이 과도하게 감소하거나 심한 경우 마이너스(negative)가 될 수 있다는 것을 의미한다. 위의 예를 위하여, 풍속 면에서 26 미터/초에서 13미터/초로 급작스럽게 감소하는 경우, 피치 조절이 충분하게 신속하게 변화되지 않는다면, 이는 풍속 26 미터/초에서의 공칭 축력의 50%에서 13미터/초에서의 공칭 축력의 -30%까지, 즉 바람의 반대 방향으로의 로터의 순간적인 공기역학적 축력의 감소를 가져올 수 있다. 이와 함께, 이는 공칭 로터 축력의 80%의 변화를 의미한다. 지연된 피치 제어 때문에 이러한 축력의 큰 변동은 특히 더 높은 평균 풍속에 대하여 문제가 될 것이다.
이는 또한 낮은 일 년 평균 풍속을 위한 치수로 설계된 로터 블레이드들이 높은 일 년 평균 풍속을 갖는 위치를 위하여 이용될 수 없다는 것을 의미할 것이다. 바람 방향으로의 블레이드들의 추력 면에서의 큰 변화에 의하여 발생하는 증가된 피로 하중 때문에, 높은 평균 풍속을 갖는 지역을 위하여 의도된 로터 블레이드들은 더 강화된 치수로 설계되어야만 한다. 이는 비용이 더 소요되고 더 무거운 블레이드들을 의미할 수 있다. 높은 평균 풍속을 갖는 위치는 더 오랜 가동 시간을 가질 것이라는 사실은 또한 로터 블레이드들을 위한 피로 강도의 요구 사항을 증가시킬 것이다.
부유 풍력 발전소를 위하여, (공칭 풍속 이상의 풍속을 위한) 피치 조절 때문에, 증가된 풍속이 로터 축력을 감소시킨다는 위에서 설명한 효과는 또한 풍력 발전소의 움직임 패턴에 부정적인 영향을 미칠 것이다. 타워 및 로터가 바람 속으로 이동할 때, 로터에 대항하는 상대 풍속은 증가할 것이며, 이는 피치 조정이 일정한 출력을 유지시키기 때문에 감소된 로터 추력의 결과를 가져올 것이며, 이는 결국 바람에 대한 타워의 움직임을 증가시킬 것이다. 반대로, 타워 및 로터가 바람과 동일한 방향으로 뒤로 이동할 때, 로터에 대한 상대 풍속은 감소할 것이며, 종래기술로, 블레이드는 자동적으로 피치(pitched; 회전)되어 제너레이터로의 공칭 출력을 유지할 것이다. 이는 결국 감소된 로터 추력의 결과를 가져오며, 이는 바람 방향으로의 타워의 이동을 증가시킬 것이다. 종래 기술 피치 조절이 사용된다면, 이러한 동작의 결과는 타워의 움직임의 여분의 자극 및 강화이다. 이는 부유 발전소 타워에 대하여 피로 하중 면에서의 큰 증가를 유도하는 것으로 알려져 왔다.
미국특허 제4,201,514호는 풍속 변화에 관한 개별적인 로터 블레이드의 피치 각도 조절 방법을 설명한다. 조절은 풍속이 변하는 중에 로터 축에 대한 개별 블레이드의 토크가 어떻게 자동적으로 일정하게 유지되는지를 설명한다. 이는 위에서 설명한 바와 같은 다른 종래 기술을 위한 것과 동일한 효과를 갖는다. 다시 말해, 블레이드의 회전 방향, 즉 바람 방향과 수직의 방향으로 작용하고 블레이드를 회전시키는 힘들은, 일정하게 유지된다. 이러한 조정의 부작용은 바람 방향으로의 블레이드의 추력이 종래 기술을 위하여 위에서 설명한 바와 동일한 방법으로 변화할 것이라는 것이다. 따라서, 로터 토크를 일정하게 유지하기 위한 시도가 이루어질 때 로터 블레이드 상의 추력 변화 때문에 이 종래 기술은 블레이드와 타워의 피로에 관하여 동일한 효과를 가질 것이다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 문제점을 극복하기 위한 것이다.
하기에 설명된 방법에서, 종래 기술의 문제점은 개선되거나 제거된다.
본 발명의 일 실시예에서, 컨버터 유니트를 포함한 풍력 발전소의 출력을 제어하는 방법이 제공되며, 여기서 컨버터 유니트의 출력 동력(output power)이 주어진 범위 내에 있을 때, 로터 블레이드들의 피치 각도는 바람 방향으로의 로터 블레이드의 추력의 변화를 최소화하기 위하여 개별적으로 또는 집단적으로 변화되며, 컨버터 유니트의 출력 동력이 상기 주어진 범위 밖에 있을 때, 출력 동력이 상기 주어진 범위 내에 위치되도록 로터 블레이드들의 피치 각도가 변화된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 바람 방향으로의 로터 블레이드들의 추력에 대하여 계산된 목표값을 향하여 조절함으로써 바람 방향으로의 로터 블레이드들의 추력의 변화는 최소화되며, 바람 방향으로의 추력에 대한 목표값은 모든 평균 풍속들에 대하여 각각 상이하다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 바람 방향으로의 로터 블레이드들의 추력을 위한 목표값은 주어진 시간 주기에 걸쳐 평균 컨버터 유니트 출력 또는 로터 속도에 관하여 조정된다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 바람 방향으로의 로터 블레이드들의 추력을 위한 목표값은 미리 정해지며 주어진 평균 풍속에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 바람 방향으로의 로터 블레이드들의 추력은 또한 로터 회전수(rpm)를 변화시킴으로써 조정되며, 이 로터 회전수 변화는 제너레이터 회전 저항 모멘트 및/또는 로터 브레이크를 조정함으로써 이루어진다.
본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 바람 방향으로의 로터 블레이드들의 순간 추력은 스트레인 게이지, 풍속 측정치, 블레이드들의 외형 휨(geometric deflection)의 측정, 블레이드 또는 블레이드들의 피치 각도의 동시 측정과 함께 제너레이터 토크의 측정, 및/또는 제너레이터 출력의 측정 및/또는 피치 베어링 내에서 후방으로 경사진 블레이드의 장착 또는 블레이드들의 형상화에 의한 피치 베어링의 회전축에 대한 블레이드의 피치 모멘트의 측정 또는 이용으로써 직접적으로 또는 간접적으로 결정되며, 따라서 블레이드 상에서의 임팩트 포인트는 로터의 회전 방향에 관하여 피치 베어링의 회전축 뒤에 존재한다.
일 실시예에서, 풍력 발전소를 위한 방향 오차를 최소화하는 견지로 로터 블레이드들의 피치 각도는 또한 변화된다.
일 실시예에서, 방향 오차가 주어진 범위 밖에 있다면, 이 방향 오차는 교정된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 로터 블레이드들의 피치 각도는 로터의 모든 회전 위치들에 대하여 각각 상이하게 조정된다.
일 실시예에서, 로터 블레이드들의 피치 각도는 서로 개별적으로 그리고/또는 독립적으로 조정된다.
일 실시예에서, 바람 방향과 실질적으로 수직인 평면에서의 바람 영역(wind field)은 로터의 회전 방향에 관하여 전방에 있는 로터 블레이드 또는 블레이드들에 작용하는 풍력의 측정된 값을 직접적으로 또는 간접적으로 사용함으로써 예견된다.
일 실시예에서, 로터 블레이드들의 피치 각도를 조절함으로써 바람 방향으로의 로터의 추력은 로터 풍력 발전소의 움직임에 대항하기 위하여 능동적으로 이용된다.
본 발명의 일 실시예에서, 하나 이상의 풍력계/풍력 게이지(wind guage)가 풍력 발전소 상의 적절한 위치 또는 위치들에 설치되며, 따라서 풍속의 공간적인 분포가 기록될 수 있고 다른 풍력계들 사이의 삽입(interpolation)은 로터의 스위핑 영역(sweeping area)을 가로지르는 바람의 분배의 사진(picture)을 형성하기 위하여 이루어질 수 있다. 이는 실질적으로 다른 높이로 그리고 실질적으로 다른 수평 위치에 풍력계를 위치시킴으로써 실행될 수 있다. 순간 풍속의 이 공간적인 분포는 그 후 로터 블레이드들의 피치를 개별적으로 조절하기 위하여 이용될 수 있으며, 선택적으로는 모든 블레이드들은 집단적으로 피치-조절될 수 있다.
바람 방향과 실질적으로 수직인 평면에서의 바람 영역(wind field)은 로터의 회전 방향에 관하여 전방에 있는 로터 블레이드 또는 블레이드들에 작용하는 풍력의 측정된 값을 직접적으로 또는 간접적으로 사용함으로써 예견될 수 있다.
로터는 유리하게는 타워의 바람불어가는 쪽에 위치할 수 있으며, 따라서 바람이 로터 상에 작용하기 전에 풍력계는 풍속을 기록한다. 또한, 주어진 블레이드의, 로터의 회전 방향에 관하여 전방에 있는 블레이드 상의 직접적으로 또는 간접적으로 측정된 추력의 값은 주어진 블레이드가 움직일 바람 영역을 예견하기 위하여 사용될 수 있다. 이 방법에서, 블레이드들의 최적의 피치 각도는 사전에 계산될 수 있으며, 따라서 로터 블레이드들의 공기 역학적 힘과 피치 응답 사이에 지연이 거의 없거나 전혀 없다. 따라서, 순간 풍속의 급작스러운 변화는 예견될 수 있다. 바람불어오는 쪽에 장착된 풍력계와 로터의 수직 평면 사이의 수평 거리 및 풍속을 이용함으로써, 측정치가 만들어질 때부터 로터에서 실제 풍속이 일어날 때까지의 시간 지연이 계산될 수 있다. 피치 조절을 제어하는 컨트롤러 유니트는 이 모든 측정치로 접근하며 블레이드들의 피치 각도를 최적화하기 위하여 어느 주어진 시간에 이 정보를 이용할 수 있다. 따라서, 특히 종래 기술의 피치 조절이 충분하게 신속하게 일어나지 않기 때문에 순간 풍속 면에서의 갑작스런 순간 감소와 관련되어 나타나는 대형 로터 축력 감소를 피할 수 있다.
풍력 발전소의 공칭 풍속 이상의 순간 풍속을 위하여, 블레이드는 처음에 회전될 것이며, 따라서 로터 상의 축력은 감소한다. 이는 감소되거나 전혀없는 피치 응답에 의하여 로터의 회전 속도를 증가시킴으로써 대항되는 반면에, 동시에 선택적으로 제너레이터 토크는 로터의 회전 속도를 증가시키는데 도움을 줄 컨트롤 유니트로부터의 입력에 따라 감소한다. 그 후, 로터 축력 및 제너레이터의 출력 모두는 작은 풍속 증가 내에서 최적의 피치 각도로 거의 일정하게 지속될 수 있다. 바람이 약 10% 증가할 때, 본 발명에 따라 회전 속도는 약 10%까지 증가되어야만 변하지 않는 로터 축력과 제너레이터에 대한 변하지 않은 출력을 얻는다. 동시에 피치 각도는 변화해야만 한다. 순간 풍속이 감소할 때 유사한 방법이 사용되지만, 이 경우, 로터의 회전 속도는 감소하는 반면에 컨트롤 유니트로부터의 입력에 따라 제너레이터 토크는, 선택적으로 동시에, 증가한다.
순간 풍속 면에서의 큰 변화를 위하여 다음의 사항이 실행된다.
피치 조절의 갱신 주기보다 더 긴 주기, 예를 들어, 10분 주기에 걸쳐 측정된 평균 풍속과 비교하여 순간 풍속이 감소할 때, 순수한 출력-제어된 피치 조절이 이용될 때보다 블레이드의 피치 각도는 덜 변화할 것이다. 이것의 결과는 로터 축력이 변하지 않은 상태로 남아있지만, 제너레이터로의 출력이 공칭 출력보다 약간 적다는 것이다. 풍속의 10% 감소는 약 10%의 출력 감소를 부여하는 반면에 로터 축력은 변하지 않은 상태로 남아있다.
유사하게, 풍속 면에서의 10% 증가를 위하여, 순수한 출력-제어된 피치 조절이 이용될 때보다 블레이드의 피치 각도의 더 적은 변화가 초래될 것이다. 이것의 결과는 로터 축력이 변하지 않은 상태로 남아있지만 제너레이터로의 출력이 공칭 출력보다 약간 더 크다는 것이다. 순간 풍속의 10% 증가는 약 10%의 출력 동력 증가를 부여하는 반면에 로터 축력은 변하지 않은 상태로 남아있다. 위에서 설명된 2개의 출력을 결합함으로써, 전체 결과는 로터 축력의 변화 없이 순간 풍속이 일반적으로 ±20%까지 변화할 수 있다는 것이다. 부수적인 제너레이터 출력 변화가 단기간(short-term)일 것이고 또한 제너레이터의 평가된 동력 근방에서 변동될 것이기 때문에 평균 제너레이터 출력은 거의 변화하지 않는, 즉 공칭 출력(평가된 동력)과 동일할 것인 반면에, 주어진 평균 풍속에 대한 축력은 일반적으로 순간 풍속의 ±20% 변화 내에서, 일정하게 또는 거의 일정하게 유지될 수 있다.
주어진 평균 풍속을 위하여, 제너레이터의 공칭 출력에 대응하는 로터 축력(목표값)은 계산될 수 있다. 평균값 근처의, 제너레이터 출력 변화를 위한 용인될 수 있는 최대값 및 최소값은 미리 프로그램될 수 있으며, 피치 콘트롤러 유니트는 그 후 최적 순간 피치 각도를 계산할 것이며, 따라서 로터 축력은 가능한 한 상기 계산된 목표 값 근방에서 일정하게 유지되는 반면에 제너레이터 출력은 미리 프로그램된 대역폭(bandwidth) 내에서 유지된다.
따라서 로터 축력을 위한 계산된 목표값은 다른 평균 풍속으로 변화할 것이다. 각 평균 풍속 내에서, 이 후 피치 조절을 이용하여 축력을 이 목표값 근처에서 거의 일정하게 유지하기 위한 시도가 있을 것이다. 예를 들어, 평균 풍속은 마지막 10분의 평균일 것이다. 선택적으로, 미리 계산된 값들은, 예를 들어 0.1 미터/초 차이의 간격으로 나누어진, 주어진 평균 풍속 간격을 위한 축력의 목표값을 위하여 이용될 수 있다.
약 ±20%를 초과하는 순간 풍속 변화를 위하여, 설명된 바와 같은 일반적인 약 ±10%보다 큰 만큼 제너레이터 출력을 변화시키지 않도록 하기 위하여 우선을 주어 피치 조절이 수행될 수 있다. 순간 풍속의 이러한 큰 변화와 동시에 로터 축력은 변화하기 시작할 것이나 이들 경우에서 이러한 변화는 종래 기술에 따른 피치 조절을 위한 것보다는 실질적으로 적을 것이다.
더 긴 시간 주기에 걸친 풍속의 평균값, 예를 들어, 10분 평균이 순간 풍속 변화보다 훨씬 적게 변화하기 때문에, 설명된 방법은 로터 축력 변화가 현저히 줄어든다는 것을 보장할 것이며, 이는 타워 및 로터 상의 피로 하중에 관하여 긍정적인 효과를 가질 것이다.
위에서 설명한 바와 동일한 방법은 또한 주어진 평균값과 관련된 로터 축력을 능동적으로 조절하기 위하여 사용될 수 있다. 이러한 방법으로 로터 축력이 변화한 값으로 능동적으로 제어된다면, 로터 축력은 예를 들어, 그 움직임과 반대의 위상(counter phase)으로 타워에 힘을 인가하기 위하여 사용될 수 있으며, 따라서 타워의 움직임은 감쇠된다.
타워의 움직임은, 예를 들어 풍력계를 이용하여 기록될 수 있다.
또한, 바람 밖으로 로터를 회전시키는 어떠한 힘에 대항하는 유사한 방법으로 축력은 능동적으로 이용될 수 있다. 이는 바람 방향으로 로터 블레이드의 개별적인 힘을 제어함으로써 실행될 수 있으며, 따라서 주어진 시간에 각 개별 블레이드의 물리적 위치에 따라 블레이드의 개별 피치 각도를 주기적으로 변화시킴으로써 바람 밖으로 로터 및/또는 엔진실(nacelle) 및/또는 타워를 회전시키는 어떠한 토크가 대항되거나, 감소되거나 또는 제거되어, 로터 상의 축력은 요구된 만큼 로터의 수직 축의 일 부분 또는 다른 부분 상에서 더 크다. 주어진 로터 블레이드가 타워의 수직축의 일 부분을 통과할 때, 피치 각도는 예를 들어 0.5°만큼 증가되며, 동일한 블레이드가 반대 부분을 통과할 때, 피치 각도는 상응하게 감소한다. 따라서, 이는 전체 로터 출력 또는 전체 로터 축력에 관하여 어떠한 효과를 가질 필요가 없다. 전체 로터 축력을 제어하기 위하여 위에서 설명한 방법에 따라 여분의 주기적인 피치 변화는 계산된 피치 각도에 겹쳐진다. 이 설명된 주기적인 피치 조절은 또한 로터를 능동적으로 제어하기 위하여 사용될 수 있으며, 따라서 부유 설비의 경우에 풍력 발전소의 부분들 또는 선택적으로는 전체가 바람 방향에 관하여 원하는 위치에 유지될 수 있다. 따라서, 종래 기술에 따라 바람에 대하여 원하는 위치에서, 밀 하우징이 부유 설비의 타워 상에 회전가능하지 않게 장착된 경우 밀 하우징 또는 선택적으로 전체 타워를 회전시키는 모터의 크기 또는 개수를 제거하거나 줄일 수 있다.
또한, 바람 방향으로 블레이드의 순간 추력을 제어하기 위하여 위에서 설명한 방법에 따라 피치 각도를 변화시킴으로써 각 개별 블레이드 상에서의 바람 방향으로의 추력 변화는 감소될 수 있다. 그 후 블레이드는 그 궤도 내에서의 그 위치 및 로터의 스위핑 영역 내 또는 근방에서의 다른 위치들에서 측정된 풍속 값들에 관하여 개별적으로 제어될 수 있다.
측정된 축력은 설명된 방법에 따라 어떠한 주어진 시간에서의 최적의 피치 각도 계산을 위하여 피치 콘트롤러 유니트 내에 기록되고 포함될 것이다.
로터 축력의 계산을 위하여 측정된 풍속 및 피치 각도를 단지 이용하는 대신에, 여러 가지 다른 직접 또는 간접적인 방법들이 이용될 수 있다.
블레이드들이 피치 베어링 내에서 후방으로 경사지게 장착되어 있기 때문에, 즉 블레이드의 길이 방향 축이 피치 베어링 샤프트 축으로부터 다소 벗어났기 때문에 블레이드의 길이 방향 축은 로터 회전축과 교차하지 않으며 또한 후에 나타나는 피치 모멘트는 블레이드 피치 제어 시스템을 통한 수압을 통하여 측정될 수 있고;
블레이드 및/또는 로터의 메인 샤프트(main shaft) 및/또는 풍력 발전소의 다른 부분 상의 스트레인 게이지의 사용에 의하여; 또는
블레이드(들)의 피치 각도들 및 로터 토크의 간접적인 측정에 의하여 또는 발전소 토크, 출력 등과 같은 다른 변수들의 직접적인 기록에 의하여;
축력은 그 후 계산될 수 있다. 그리고
기계적인 또는 전자 측정 시스템을 이용한 블레이드의 편향 측정에 의하여 그 후 대응 로터 축력은 계산될 수 있다.
첨부된 도면에 설명된 바람직한 방법의 비제한적인 예를 하기에 설명한다.
도 1은 타워(4)의 바람불어가는 쪽에 장착된 수평으로 또는 실질적으로 수평으로 장착된 로터 축(11)을 가질 수 있는 로터(2)를 구비한 부유(floating) 풍력 발전소(1)를 도시하는 도면으로서, 밀 하우징(3; mill housing), 풍속계(5), 앵커 연결부(6) 및 앵커(7)를 함께 도시함.
도 2는 육지 또는 얕은 물에 설치되며, 타워(4)의 바람불어오는 쪽에 장착된 수평으로 또는 실질적으로 수평으로 장착된 로터 축(11)을 갖는 로터(3)를 구비한 풍력 발전소(1)를 도시한 도면으로서, 밀 하우징(3)과 풍속계(5)를 함께 도시함.
도 3은 육지 또는 얕은 물에 위치하거나 물에 떠있는 풍력 발전소(1)를 도시한 도면으로서, 풍력 발전소가 피치 베어링(10)을 갖고 길이 방향 축(14) 또는 실질적으로 길이 방향 축을 중심으로 회전 가능하게 장착된 로터 블레이드(13)를 갖는 것을 도시함.
도 4는 본 발명에 따른 발명을 설명하는 흐름도.
도 5는 본 발명에 따른 방법의 임의의 일 부분을 위한 흐름도.
수평의 또는 실질적으로 수평의 로터 축(11)을 갖는 풍력 발전소(1)는 함께 로터(2)를 형성하는 하나 이상의 로터 블레이드(1)로 이루어지며, 우선 제너레이터(도시되지 않음)에 대한 로터(2) 출력을 제어하기 위하여 로터 블레이드들은 동등한 방법으로 또는 개별적으로 그들의 길이 방향 축 또는 본질적으로 그들의 길이 방향 축(14)을 중심으로 회전될 수 (또는 피치(pitched)될 수) 있으며, 로터 축은 밀 하우징(3) 내에 고정되고 로터 축은 전동 시스템(기어)을 통하여 제너레이터에 선택적으로 연결된다. 로터 블레이드의 피치 조절은 피치 컨트롤 유니트에 의하여 수행되고, 피치 컨트롤 유니트는 다른 기록된 조작 정보 및 바람 측정치 등을 기초로 하여, 어느 주어진 시간에 피치 각도에서의 요구되는 변화량을 지시하는 피치 모터로 신호를 전송한다.
밀 하우징은 타워(4) 상에 장착될 수 있으며, 타워는 육지(9) 또는 해저(8)에 고정적으로 설치되거나, 부유 장치의 일부이거나, 그 자체가 해저(8)의 앵커(7)에 연결된 하나 이상의 앵커 연결부(6)를 선택적으로 갖는 부유 장치를 구성한다. 앵커 시스템(6, 7)의 설계는 설명된 방법을 위하여 중요한 것은 아니다.
제너레이터로의 결과 출력이 현저하게 영향을 받지 않거나 구동 기어, 제너레이터 및 파워 그리드(power grid)의 제한에 관하여 용인될 수 있는 범위 내에서 유지되는 반면에, 아래에 설명된 방법의 목적중 하나는 종래 기술과 비교하여 로터 축력의 변화를 감소시키는 것이다. 또한 본 방법의 목적은 부유 풍력 발전소의 움직임에 능동적으로 대항(counter)하는 로터 축력을 사용하는 것이다. 더욱이, 설명된 방법의 목적은 타워의 수직 축(12)을 중심으로 회전력을 제어 및 대항하는 것이며, 로터 평면(수평 바람 전단 응력(horizontal wind shear))과 평행한 수평 방향으로 및 다른 레벨(수직 바람 전단 응력)에서 다른 풍속에 기인한 전체 회전 사이클을 통하여 각 개별 블레이드의 공기역학적 힘 변화를 감소시키는 것이다.
하나 이상의 풍력계(5)가 풍력 발전소(1) 상의 적절한 위치 또는 위치들에 설치되며, 따라서 풍속의 공간적인 분포가 유리하게 기록될 수 있고 다른 풍력계들 사이의 삽입(interpolation)은 로터의 스위핑 영역(sweeping area)을 가로지르는 바람의 분포의 사진(picture)을 형성하기 위하여 이루어질 수 있다. 이는 실질적으로 다른 높이로 그리고 실질적으로 다른 수평 위치 내에 풍력계를 위치시킴으로써 이루어질 수 있다. 순간 풍속의 이 공간적인 분포는 그 후 로터 블레이드들의 피치를 개별적으로 조절하기 위하여 사용될 수 있으며, 선택적으로 모든 블레이드들은 집단적으로 피치-조절될 수 있다.
로터(2)는 유리하게는 타워(4)의 바람불어가는 쪽에 위치할 수 있으며, 따라서 바람이 로터 상에 작용하기 전에 풍력계는 풍속을 기록한다. 이 방법에서, 블레이드들의 최적의 피치 각도는 사전에 계산될 수 있으며, 따라서 로터 블레이드들의 공기 역학적 힘과 피치 응답 사이에 지연이 거의 없거나 전혀 없다. 따라서, 순간 풍속의 급작스러운 변화는 예견될 수 있다. 바람불어오는 쪽에 장착된 풍력계와 로터의 수직 평면 사이의 수평 거리 및 풍속에 의하여, 측정치가 만들어질 때부터 실제로 측정된 풍속의 효과가 로터 내에서 일어날 때까지의 시간 지연이 계산될 수 있다. 피치 조절을 제어하는 컨트롤러 유니트(도시되지 않음)는 이 모든 측정치로 접근하며 블레이드들(13)의 피치 각도를 최적화하기 위하여 어느 주어진 시간에 이 정보를 이용할 수 있다. 따라서, 특히 종래 기술의 피치 조절이 시간 지연을 갖기 때문에 순간 풍속 면에서의 갑작스런 순간 감소에서 나타나는 대형 로터 축력 감소를 피할 수 있다.
평균 속도가 풍력 발전소(1)를 위한 공칭 풍속보다 크고 그 후 순간 풍속이 주어진 평균 풍속을 넘어서는 경우, 본 방법에 따른 로터(2)의 회전 속도는 종래 기술과 비교하여 감소된 피치 응답에 의하여 증가될 것인 반면에, 컨트롤 유니트의 입력에 따라 제너레이터 토크는 선택적으로 동시에 감소하며, 이는 또한 로터(2)의 회전 속도를 증가시키는데 도움을 줄 것이다. 일반적으로, 로터 축력이 주어진 로터 출력을 위한 증가된 회전수(rpm)에 따라 증가하기 때문에, 증가된 순간 풍속에 따른 블레이드들의 피치 회전에 기인하는 감소된 로터 축력은 보상될 수 있다. 이 결과는 적은 풍속 증가 내에서, 최적의 피치 각도로 로터의 회전 속도를 증가시킴으로써 로터 축력과 제너레이터 출력 모두가 거의 일정하게 지속될 수 있다는 것이다. 바람이 약 10% 증가할 때, 본 방법에 따라 회전 속도는 약 10%까지 증가되어야만 변하지 않는 로터 축력과 제너레이터에 대한 변하지 않은 출력을 얻는다. 동시에 피치 각도는 변화해야만 한다. 순간 풍속이 감소할 때 유사한 방법이 사용되지만, 이 경우, 로터의 회전 속도는 감소하는 반면에 컨트롤 유니트로부터의 입력에 따라 제너레이터 토크는, 선택적으로 동시에, 증가한다.
순간 풍속 면에서의 큰 변화를 위하여 다음의 사항이 실행된다.
피치 조절의 갱신 주기보다 더 긴 주기, 예를 들어, 10분 주기에 걸쳐 측정된 평균 풍속과 비교하여 순간 풍속이 감소할 때, 순수한 출력-제어된 피치 조절이 이용될 때보다 블레이드의 피치 각도는 덜 변화된다. 이것의 결과는 로터 축력이 변하지 않은 상태로 남아있지만 제너레이터로의 출력이 공칭 출력보다 약간 적다는 것이다. 풍속의 10% 감소는 약 10%의 출력 감소를 부여하는 반면에 로터 축력은 변하지 않은 상태로 남아있다.
유사하게, 순간 풍속 면에서의 10% 증가를 위하여, 순수한 출력-제어된 피치 조절이 이용될 때보다 블레이드의 피치 각도의 더 적은 변화가 초래될 것이다. 이것의 결과는 로터 축력이 변하지 않은 상태로 남아있지만 제너레이터로의 출력이 공칭 출력보다 약간 더 크다는 것이다. 순간 풍속의 10% 증가는 약 10%의 출력 동력 증가를 부여하는 반면에, 로터 축력은 변하지 않은 상태로 남아있다. 위에서 설명된 2개의 출력을 결합함으로써, 전체 결과는 로터 축력의 변화 없이 순간 풍속이 일반적으로 ±20%까지 변화할 수 있다는 것이다. 부수적인 제너레이터 출력 변화가 단기간(short-term)일 것이고 또한 풍력 발전소의 공칭 출력 또는 제너레이터의 평가된 동력 근방에서 변동할 것이기 때문에, 평균 제너레이터 출력은 거의 변화하지 않는, 즉 공칭 출력(평가된 동력)과 동일할 것인 반면에, 주어진 평균 풍속에 대한 축력은 일반적으로 순간 풍속의 ±20% 변화 내에서, 일정하게 또는 거의 일정하게 유지될 수 있다.
주어진 평균 풍속 및 로터 회전 속도를 위하여, 제너레이터의 공칭 출력에 대응하는, 로터 축력(목표값)은 계산될 수 있다. 평균값 근처의 제너레이터 출력 변화를 위한 용인될 수 있는 최대값 및 최소값은 미리 프로그램될 수 있으며, 피치 콘트롤러 유니트는 그 후 (순간 풍속에 따라) 최적 순간 피치 각도를 계산할 것이며, 따라서 로터 축력은 가능한 한 상기 계산된 목표 값 근방에서 일정하게 유지되는 반면에 제너레이터 출력은 미리 프로그램된 대역폭(bandwidth) 내에서 유지된다.
로터 축력을 위한 계산된 목표값은 다른 평균 풍속으로 변화할 것이다. 각 평균 풍속 내에서, 이 후 피치 조절을 이용하여 축력을 이 목표값 근처에서 거의 일정하게 유지하기 위한 시도가 있을 것이다. 예를 들어, 평균 풍속은 마지막 10분의 평균일 수 있다. 선택적으로, 미리 계산된 값들은, 예를 들어 0.1 미터/초 차이의 간격으로 나누어진, 주어진 평균 풍속 간격을 위한 축력의 목표값을 위하여 이용될 수 있다.
위에서 설명한 바와 같은 약 ±20%를 초과하는 순간 풍속 변화를 위하여, 설명된 바와 같은 약 ±10%의 일반적인 밴드폭보다 큰 만큼 제너레이터 출력을 변화시키지 않도록 하기 위하여 우선을 부여하여 피치 조절이 수행될 수 있다. 순간 풍속의 이러한 큰 변화와 동시에 로터 축력은 변화하기 시작할 것이나 이들 경우에서 이러한 변화는 종래 기술에 따른 피치 조절을 위한 것보다는 실질적으로 적을 것이다.
더 긴 시긴 주기에 걸친 풍속의 평균값, 예를 들어, 10분 평균이 순간 풍속 변화보다 훨씬 적은 시간에 걸쳐 변화하기 때문에, 설명된 방법은 로터 축력 변화가 현저히 줄어들 것을 보장할 것이며, 이는 타워 및 로터 상의 피로 하중에 관하여 긍정적인 효과를 가질 것이다.
위에서 설명한 바와 동일한 방법은 또한 주어진 평균값 근처에서 로터 축력을 능동적으로 조절하기 위하여 사용될 수 있다. 이러한 방법으로 로터 축력이 변화한 값으로 능동적으로 제어된다면, 로터 축력은 예를 들어, 그 움직임과 반대의 위상(counter phase)으로 타워(1)에 힘을 인가하기 위하여 사용될 수 있으며, 따라서 타워의 움직임은 감쇠된다. 이는 부유 풍력 발전소를 위하여 특히 유리하다.
이 경우에, 컨트롤 유니트는 또한 타워의 움직임에 대하여 접근할 수 있다. 예를 들어, 타워의 움직임은 가속도계 또는 다른 적절한 측정 방법을 이용하여 기 록될 수 있다.
또한, 바람 밖으로 로터를 회전시키는 어떠한 힘에 대항하는 유사한 방법으로 축력은 능동적으로 이용될 수 있다. 이는 바람 방향으로 로터 블레이드의 개별적인 힘을 제어함으로써 실행될 수 있으며, 따라서 주어진 시간에 각 개별 블레이드의 물리적 위치에 따라 블레이드의 개별 피치 각도를 주기적으로 변화시킴으로써 바람 밖으로 로터 및/또는 밀 하우징 및/또는 타워를 회전시키는 어떠한 토크가 대항되거나, 감소되거나 또는 제거되어, 로터 상의 축력은 요구된 만큼 로터의 수직 축의 일 부분 또는 다른 부분 상에서 더 크다. 주어진 로터 블레이드가 타워의 수직축의 한 부분을 통과할 때, 피치 각도는 예를 들어 0.5°만큼 증가되며, 동일한 블레이드가 반대 부분을 통과할 때, 피치 각도는 상응하게 감소된다. 따라서, 이는 전체 로터 출력 또는 전체 로터 축력에 관하여 어떠한 효과를 가질 필요가 없다. 전체 로터 축력을 제어하기 위하여 위에서 설명한 방법에 따라 여분의 주기적인 피치 변화는 계산된 피치 각도에 겹쳐진다. 이 설명된 주기적인 피치 조절은 또한 로터(2)를 능동적으로 제어하기 위하여 사용될 수 있으며, 따라서 부유 설비의 경우에 풍력 발전소의 부분들 또는 선택적으로는 전체가 바람 방향에 관하여 원하는 위치에 유지될 수 있다. 따라서, 종래 기술에 따라 바람에 대하여 원하는 위치에서, 밀 하우징이 부유 설비의 타워 상에 회전가능하지 않게 장착된 경우 종래 기술에 따라 밀 하우징(3) 또는 선택적으로 전체 타워(5)를 회전시키는 모터의 크기 또는 개수를 제거하거나 줄일 수 있다.
또한, 바람 방향으로 블레이드의 순간 추력을 제어하기 위하여 위에서 설명한 방법에 따라 피치 각도를 변화시킴으로써 (로터 축력을 함께 구성하는) 각 개별 블레이드 상에서의 (보통은 바람 방향과 거의 동일한) 플랩(flap) 방향으로의 추력 변화는 감소된다. 그 후 블레이드는 그 궤도 내에서의 그 위치 및 로터의 스위핑 영역 내 또는 근방에서의 다른 위치들에서의 직접적으로 또는 간접적으로 측정된 풍속 값들에 관하여 개별적으로 제어될 수 있다.
측정되거나 계산된 축력은 설명된 방법에 따라 어떠한 주어진 시간에서의 최적의 피치 각도 계산을 위하여 피치 콘트롤러 유니트 내에 기록되고 포함될 것이다.
로터 축력의 계산을 위하여 측정된 풍속 및 피치 각도를 단지 이용하는 대신에, 여러 가지 다른 직접 또는 간접적인 방법들이 이용될 수 있다.
블레이드들(13)이 피치 베어링(10) 내에서 후방으로 경사지게 장착되어 있기 때문에, 즉 블레이드의 길이 방향 축(14)이 피치 베어링 샤프트 축으로부터 다소 벗어났기 때문에 블레이드의 길이 방향 축(14)은 로터 회전축(11)과 교차하지 않으며 또한 후에 나타나는 피치 모멘트는 블레이드 피치 제어 시스템을 통한 수압을 통하여 측정될 수 있고;
블레이드(13) 및/또는 로터의 메인 샤프트(main shaft) 및/또는 풍력 발전소 상의 스트레인 게이지(strain gauges)의 사용에 의하여; 또는
블레이드(들)(13)의 피치 각도들 및 로터(2) 토크의 간접적인 측정에 의하여 또는 발전소 토크, 출력 등과 같은 다른 변수들의 직접적인 기록에 의하여;
각 개별 블레이드를 위한 바람 방향으로의 로터 블레이드 추력은 그 후 계산될 수 있다. 그리고
기계적인 또는 전자 측정 시스템을 이용한 블레이드의 편향 측정에 의하여 그 후 로터의 대응 로터 축력은 계산될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 실시예가 플로우 차트에 의하여 도 4에 도시된다. 본 방법은, 일 예에서, 로터 속도 또는 선택적으로 제너레이터의 출력 동력이 공칭 값의 ± 10% 내에 있는지를 결정함으로써, 순간적인/순간 로터 속도, 또는 선택적으로 제너레이터의 출력 동력이 풍력 발전소를 위한 공칭 값의 범위 내에 있는지 여부에 대한 단계 40의 결정에 기초한다.
순간적인/순간 로터 속도 또는 선택적으로 제너레이터의 출력 동력이 범위 내에 있다면, 축력을 위한 목표값을 향하여 조절함으로써 선택적으로 바람 방향으로의 각 블레이드의 추력을 개별적으로, 로터 축력 변화를 최소화하기 위한 시도가 이루어질 것이다. 이후 단계 44에서, 주어진 시간(t), 예를 들어 마지막 10분 동안 평균 로터 속도 또는 평균 제너레이터 출력 동력이 풍력 발전소의 공칭 출력 이상 또는 이하인지가 결정된다. 이에 따라서, 로터 축력을 위한 목표값이 단계 45 및 46에서 조정된다. 이전에 설명한 바와 같이, 제너레이터 평균 출력의 증가 또는 감소가 요구되는지의 여부에 따른 축력을 위한 목표값의 주어진 점증적인 증가 또는 감소와 함께 주어진 시간 주기(t), 예를 들어 10분의 시간 주기에 걸쳐 축력의 평균값을 기초로 하여 축력을 위한 새로운 목표값이 계산될 수 있다. 로터 축력을 위한 목표값은 또한 선택적으로 평균 풍속과 관련하여 미리 계산된 값일 수 있다. 그 후 단계 47에서, 로터 축력의 순간적인 값(instantaneous value)은 단계 45/46에서 얻어진 바와 같은 축력을 위한 목표값과 비교되며, 그 후 단계 48 및 49에서 이 비교에 따라서 로터 블레이드 피치 각도는 변화된다.
한편, 단계 40에서 계산된 바와 같은, 순간적인/순간 로터 속도 또는 선택적으로 제너레이터의 출력 동력이 주어진 범위 밖에 있다면, 로터 속도 또는 선택적으로 제너레이터의 평균 출력 동력을 원하는 범위 내, 예를 들어 공칭 범위의 ±10% 범위 내로 가져가기 위하여 종래 기술에서와 같은 동일한 방법으로 피치 각도를 조정함으로써 이러한 범위 내에 있도록 시도한다. 순간적인/순간 로터 속도 또는 선택적으로 제너레이터의 출력 동력이 원하는 범위보다 큰지 또는 작은지를 판단하는 단계 41에서의 계산에 따라 피치 각도가 단계 42/43에서 조정된다. 이러한 방법으로, 천천히 변화하는 목표값을 향하여 조절된 일정한 로터 축력을 유지하는 견지로 피치 각도가 우선 조정되며, 종래 기술과 달리, 피치 각도는 단지 제너레이터 출력 동력 또는 로터 속도를 원하는 범위 내로 가져가기에 필요한 정도까지 조정될 것이다. 따라서, 부수적인 큰 로터 축력 변화와 함께 조절이 제너레이터 출력을 위한 일정한 값을 향하여 영향을 받을 때, 종래 기술보다 더 적은 조정 및 더 적은 로터 축력 변화가 있을 것이다.
도 4의 예에서, 로터 블레이드의 피치 각도는 모든 로터 블레이드를 위하여 집단적으로, 또는 각 개별 로터 블레이드를 위하여 조정될 수 있다. 각 개별 로터 블레이드를 조정가능한 시스템을 위하여, 적절한 위치에서의 풍력 발전소를 유지하는 견지로 풍력 발전소를 위한 방향 정보가 위에서 언급한 모멘트에 더하여 고려될 수 있다. 이 정보(50)는 도면의 단계 47에서 고려된다. 도 5는 이러한 방향 정보를 제공하기 위한 단계들을 더욱 상세하게 도시한다.
단계 51에서, 사이너스(sinus; α)는 계산되거나 기록되며, 여기서 α는 블레이드의 회전 위치이고, 즉, 이는 회전하는 각 개별 로터 블레이드가 위치하는 곳을 설명한다. 단계 52에서, 바람 방향에 대한 풍력 발전소 방향의 방향 오차가 주어진 범위(이 경우 ±5°)밖에 있는지 여부가 결정된다. 방향 오차가 범위 내에 있다면, 어떠한 조치도 취해지지 않으나, 방향 오치가 범위 밖에 있다면, 타워를 위한 회전 메커니즘이 선택적으로 트리거(trigger)되며, 방향 오차가 범위의 어느 부분에서 발생하였는지에 따라 신호는 단계 55, 56에서 계산된다. 단계 55 또는 56에서 제공된 정보는 로터 축력 변화, 그리고 선택적으로는 바람 방향으로의 각 개별 블레이드의 추력에 대하여 피치 각도를 조정하기 위하여 제공된 제어 신호에 겹쳐진다. 방향 오차 정보는 회전 위치에 대한 정보를 포함하고, 즉, 피치 각도는 순간 회전 위치에 따라 각 블레이드를 위하여 개별적으로 조정된다. 이는 다른 회전 위치를 위하여 바람 방향으로의 각 개별 블레이드의 추력이 다르게 조정되며 따라서 풍력 발전소를 위한 방향 오차에 대항하는 힘 효과가 얻어진다는 것을 의미한다.

Claims (12)

  1. 컨버터 유니트를 포함하는 풍력 발전소의 출력을 제어하는 방법에 있어서,
    상기 컨버터 유니트의 출력 동력이 주어진 범위 내에 있을 때, 로터 블레이드의 피치 각도가 바람 방향으로의 상기 로터 블레이드의 추력에서의 변화를 최소화하기 위하여 개별적으로 또는 집단적으로 변화하며, 상기 컨버터 유니트의 출력 동력이 상기 주어진 범위 밖에 있을 때, 출력 동력이 상기 주어진 범위 내에 위치되도록 상기 로터 블레이드의 피치 각도가 변화되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전소의 출력 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 바람 방향으로의 상기 로터 블레이드의 추력에서의 최소 변화는 바람 방향으로의 상기 로터 블레이드의 추력에 대하여 계산된 목표값을 향하여 조절됨으로써 이루어지고, 바람 방향으로의 추력에 대한 상기 계산된 목표값은 모든 평균 풍속에 대하여 각각 상이한 것을 특징으로 하는 풍력 발전소의 출력 제어 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 바람 방향으로의 상기 로터 블레이드들의 추력을 위한 목표값은 주어진 시간 주기에 걸쳐 평균 컨버터 유니트 출력 또는 로터 속력에 관하여 조정되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전소의 출력 제어 방법.
  4. 제 2 항에 있어서, 바람 방향으로의 상기 로터 블레이드들의 추력을 위한 목표값은 미리 정해지며 주어진 평균 풍속에 관련된 것을 특징으로 하는 풍력 발전소의 출력 제어 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 바람 방향으로의 상기 로터 블레이드의 추력은, 제너레이터 회전 저항 모멘트 및 로터 브레이크로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 조정에 의하여 로터 회전수를 변화시킴으로써 조정되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전소의 출력 제어 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 바람 방향으로의 상기 로터 블레이드들의 순간 추력은 스트레인 게이지, 풍속 측정치, 상기 블레이드들의 외형 휨(geometric deflection)의 측정, 상기 블레이드 또는 상기 블레이드들의 피치 각도의 동시 측정과 함께, 제너레이터 토크, 제너레이터 출력, 및 피치 베어링 내에서 후방으로 경사진 상기 블레이드의 장착 또는 상기 블레이드들의 형상화에 의한 상기 피치 베어링의 회전축에 대한 상기 블레이드의 피치 모멘트로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 측정 또는 이용으로써 직접적으로 또는 간접적으로 결정될 수 있으며, 따라서 상기 블레이드 상에서의 임팩트 포인트는 로터의 회전 방향에 관하여 상기 피치 베어링의 회전축 뒤에 존재하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전소의 출력 제어 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 로터 블레이드의 피치 각도는 풍력 발전소의 방향 오차를 최소화하기 위하여 변화하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전소의 출력 제어 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 방향 오차는 주어진 범위 밖에 있는 경우 보정되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전소의 출력 제어 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 로터 블레이드의 피치 각도는 로터의 모든 회전 위치에 대하여 각각 상이하게 조정되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전소의 출력 제어 방법
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 로터 블레이드들의 피치 각도들은 개별적으로 조정되거나, 서로 독립적으로 조정되거나, 서로 독립적, 개별적으로 조정되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전소의 출력 제어 방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 바람 방향에 실질적으로 수직인 평면 내의 바람 영역은 로터의 회전 방향에 관하여 전방에 위치한 상기 로터 블레이드 또는 블레이드들 상에 작용하는 풍력의 측정값을 직접적으로 또는 간접적으로 이용함으로써 예견되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전소의 출력 제어 방법.
  12. 제 1 항에 있어서, 바람 방향으로의 상기 로터 블레이드의 추력은 상기 로터 블레이드의 피치 각도를 조절함으로써 풍력 발전소 타워의 움직임에 대항하기 위하여 능동적으로 이용되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전소의 출력 제어 방법.
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