KR101433767B1 - 블레이드 신호를 이용한 바람 감지기 시스템 - Google Patents

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옌스 판 쉘베
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에스에스비 윈드 시스템즈 게엠베하 운트 코 카게
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Abstract

본 발명은, 2개 이상의 블레이드들을 구비한 로터를 갖는 풍력 터빈에서의 사용을 위한 풍속장 측정 시스템이며, 상기 블레이드들 중 적어도 하나에 관한 물리량을 측정하여 취득되고, 상기 물리량은 적어도 하나의 풍속장 특성을 나타내는 적어도 하나의 감지기-신호와, 상기 적어도 하나의 감지기-신호를 나타내는 값들을 상기 적어도 하나의 풍속장 특성의 값들과 연관시킴으로써, 복수의 바람 상태에 대해 작성된 표(140, 142, 144)와, 상기 적어도 하나의 감지기-신호를 나타내는 값들이 주어지면, 상기 표로부터 현재의 바람 상태에 대한 적어도 하나의 풍속장 특성의 값을 결정하는 검색 수단(150, 152, 154)을 포함하는 풍속장 측정 시스템에 관한 것이다.

Description

블레이드 신호를 이용한 바람 감지기 시스템 {WIND SENSOR SYSTEM USING BLADE SIGNALS}
현대의 풍력 터빈(wind turbine)은 거의 대부분, 블레이드의 영각(angle of attack)을 조절함으로써 블레이드의 양력 및 항력을 조절하기 위해, 종방향 축선을 중심으로 요동 가능한(pitchable) 블레이드를 사용한다. 개별 피치 제어는 주로, 불안정한 바람 상태에서의 정상 작동 동안 블레이드에 가해지는 부하를 완화시키거나 감소시키기 위해 사용되는데 반해, 로터에 부착된 모든 블레이드 사이의 집단 피치 동작(collective pitch motion)은 바람으로부터 취득되는 공기역학적 힘의 조절용으로 사용된다.
효율적인 개별 피치 제어를 위해서는, 로터 투사회전 면적(swept area)에 걸쳐 풍속장(wind velocity field)의 본질적으로 순시적인 인식이 요구된다. 특히 중요한 풍속장 특성에는 풍속, 풍향, 수평 바람 시어(shear) 및 수직 바람 시어가 있다. 이들 특성은 이들이 로터 투사회전 면적에 걸쳐 공간적으로 평균화된 경우에서의 제어에 가장 적합하지만, 오늘날 상업적으로 판매되고 있는 본질적으로 모든 터빈은, 양자 모두 로터 블레이드로부터 하류측에서 나셀(nacelle) 상에 배치되는 하나의 풍속계와 하나의 풍향계에 의해 제공되는 단일 (공간적) 지점 측정을 사용한다. 이들의 출력은 바람 시어에 대해서는 어떠한 정보도 제공하지 못하며, 풍속 및 풍향에 대해서는 공간적으로 불완전한 서술내용을 제공한다. 결과적으로, 속도 및 방향에 대한 이들 측정값은, 풍속장 내에서 난기류성 소용돌이가 풍속계 및 풍향계를 통과함으로 인해, 로터 투사회전 면적에 걸쳐 공간적으로 평균화된 바람직한 값과는 실질적으로 상이한 경우가 있다. 또한, 로터로부터 하류측에 위치되어 있기 때문에, 풍속계와 풍향계 양자 모두에는 블레이드의 난기류성 반류(wake)가 주기적으로 흐르게 된다. 측정 시 반류로 인한 원치 않는 영향을 제거하기 위해, 풍속계와 풍향계의 신호는 장기간에 걸쳐 평균화되어야 하지만, 이렇게 하면 신호로부터 요구되는 시간 분해능도 제거된다.
특허 출원 EP 2048507 A2 및 US 2007/0086893 A1 양자 모두에는 허브 앞에, 본질적으로 허브와 편심되어 위치되는 풍속계 시스템이 제시되어 있다. 풍속계는 2개 이상의 속도 성분을 동시에 측정할 수 있다. 단일 공간 지점 측정에서의 과제는 여전히 존재한다. 청구된 주요 이점은 각각의 블레이드에 의해 생성되는 난기류성 반류의 앞쪽에서의 바람 상태를 측정하는 능력이다. 각각의 블레이드로부터의 반류는 분명히 하류측으로 유동하지만, 블레이드의 공기역학적 영향은 당해 기술 분야에서 잘 알려져 있는 바와 같이, 로터 유도 속도에 의해 명백한 것처럼 로터 평면의 상류측에도 강하게 확장된다. 결과적으로, 정확한 풍속은 직접적으로 측정되지 않으며, 블레이드에 의해 취득되는 순시 전력에 기초한 보정이 한번 더 요구된다. 이러한 보정은 전술한 바와 같이, 측정하거나 수량화하기 곤란하다.
US 7317260에서는, 타워 변형(tower deformation)에 기초한 풍향과 풍속의 결합을 확인하는 방법이 개시되어 있다. 덜 복잡한 설명은 EP 1361445 A1에서도 찾아 볼 수 있다. 청구된 방법은 로터 속도, 블레이드 피치 각도 및 발전기 토크와 함께 풍력 터빈을 지지하는 타워의 변형을 이용하여, 풍속과 풍향의 결합을 추론한다. 그러나, 풍속 및 풍향은 추가적인 측정이나 추정 없이는 개별적으로 추산될 수 없다. 수평 바람 및 수직 바람 시어는 검지되지 않는다. 따라서, 청구된 방법은 전술된 바와 같이, 요구되는 풍속장량(wind-velocity field quantity)을 제공하지 않는다.
EP 1 361 445 A1에 청구되고, 많은 제어 이론을 통해 알 수 있는 작동 방법에 있어서의 더 복잡한 인자는, 검지된 양을 요구되는 값으로 변환하는데 사용되는 수학적 과정 내에서, 예를 들어 풍력 터빈이나 그 구성요소의 역학관계를 기술하는 하나 이상의 “준거(governing)” 방정식의 용도이다. 풍력 터빈이나 그 구성요소의 동작의 공력탄성 방정식은 명확하게 기술될 수 있지만, 이들 방정식 내에 표시되는 힘은 그렇지 않은 경우도 있다. 예에는 로터 블레이드의 순시 공기역학적 상태에 의존하는 공기역학적 힘뿐만 아니라, 베어링에서의 마찰로 인한 “비-선형” 힘이 포함된다. 이들 상태는, 블레이드의 표면 자체의 거친 상태뿐만 아니라, 블레이드의 표면에 대해 근방 및 원거리 양자 모두에서의 난류의 효과로 인해, 공지되지 않거나 용이하게 측정되지 않는다.
US 7,445,431 B2에는, 국부적 블레이드 유동을 측정하기 위한 방법이 개시되어 있다. 이 방법은 로터 블레이드 각각의 표면 또는 바로 인근의 유동 특성을 측정하는 장치를 채용한다. 풍장(wind field)은 유동 특성으로부터 로터 속도를 빼고 로터 유도 속도를 추산하여 추정된다. 전술한 바와 같이, 유도 속도의 추정은 로터 블레이드의 순시 공기역학적 상태에 대한 인식에 기초하게 되는데, 이는 측정하기 곤란하다. 또한, 블레이드에 걸친 겉보기 풍속은 로터 속도와 거의 동일한데, 이는 로터 속도의 값이 평온 상태(undisturbed)의 풍속보다 전형적으로는 7배 크기 때문이다. 따라서, 겉보기 속도로부터 로터 속도를 빼면, 결과적으로 잡음에 취약하고 과도한 에러를 야기하기 쉬운 양이 도출된다. 마지막으로, 감지기의 아웃보드 위치로 인해, 감지기는 벼락에의 노출, 먼지의 축적 및 다른 대기 효과에의 영향을 받기 쉬울뿐만 아니라, 유지보수, 교체 또는 점검이 곤란하다.
바람-감지 시스템에 기초한 초음파[음파 기상 탐지기(SODAR)] 또는 레이더는 전형적으로 현장에서의 바람 퍼텐셜의 추정 동안, 다 지점 바람 측정을 제공하기 위해, 풍력 산업 분야에 일상적으로 사용된다. 이 측정은 라인을 따라 이루어지는 경우가 있으므로, 로터의 투사회전 면적을 다 다루지는 않는다. 더욱 중요하게는, 음파 기상 탐지기(SODAR) 및 광선 레이더(LIDAR) 시스템은 상업적 풍력 터빈[즉, 프로토타입 이상의 단계(beyond the prototype stage)]에 사용하기에는 너무 고가이다.
따라서, 전술한 한계에 구애 받지 않는 풍력 발전용 로터의 투사회전 면적에 걸친 풍속장을 측정하는 시스템을 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명의 목적은 이하의 사항을 제공하는 바람 측정 시스템이다.
1. 바람 속도, 방향, x-시어, y-시어 및 다른 풍장 상태
2. 전체 로터 투사회전 면적에 걸친 바람-상태의 샘플링
3. 근사 순시 샘플링 속도
4. 물리량의 불완전한 모델들 및 추정예들 양자 모두로부터의 독립
5. 우수한 내구성 및 용이한 유지보수
6. 저비용
본 발명은 3개의 블레이드가 피치 베어링을 통해 부착되어 있는 로터를 포함하여, 2개 이상의 블레이드를 구비한 로터에 적용될 수 있다.
풍속장 특성
본 발명에 사용된 풍속장 특성은 로터 투사회전 면적에 걸쳐 공간적으로 평균화된 풍속값이다. 평균은 공간에만 해당하므로, 데이터의 시간 변화는 영향을 받지 않는다.
이하의 설명에 있어서, 회전하지 않아 나셀에 고정된 좌표(ξ, η, ζ)를 갖는 좌표계가 사용된다(도 1 참조). 좌표(ζ)는 단위 벡터(
Figure 112012042291735-pct00001
)로 표현되는(볼드체 문자는 당해 기술분야에서 관례적인 것과 같이 벡터를 나타냄) 로터의 회전 축선을 따라 지향된다. 좌표(η)는 수직 상방을 지향하고, 축선(ξ)은 수평 방향으로 지향됨으로써 직교 좌표계를 완성한다.
제1 풍속장 특성은 평균 풍속이다:
Figure 112012042291735-pct00002

여기서, A는 로터 투사회전 면적이고, t는 시간이며, V(t)는 시간 t에 있어서 로터 투사회전 면적에서의 풍속장의 값이다. 설명의 간략화를 위해, 변수의 시간 의존성을 나타내는 명시적인 기호인 “(t)”를 표시하지 않는다.
평균 풍속 Vm은, 각각 ξ, η, ζ 방향을 따르는 성분 V1, V2 및 V3을 가지며, 이들 성분으로부터 수평면[즉, 축선(ξ 및 ζ)에 걸쳐 형성되는 평면]에서의 풍향이 바로 산출될 수 있다:
Figure 112012042291735-pct00003

이 각도는 로터 축선으로부터의 풍향의 편차를 측정한다. 이 각도는 본 문헌에서 “요 에러(yaw error)”로 언급되기도 하며, 일반적으로 터빈을 제어하여 그 값을 최소화하는 것이 바람직하다.
제2 풍속장 특성은 풍속장의 제1 수평 방향 모멘트이다.
Figure 112012042291735-pct00004

여기서, D는 로터 직경이고, ξ는 회전 축선으로부터 측정된다. ψ1의 양은 수평면의 선형 바람 시어에 비례한다.
제3 풍속장 특성은 풍속장의 제1 수직 방향 모멘트이다.
Figure 112012042291735-pct00005

여기서, η은 회전 축선으로부터 측정된다. Ф1의 양은 수직면의 선형 바람 시어에 비례한다.
고차 모멘트는 추가적인 풍속장 특성을 제공한다.
제2 수평 방향 모멘트는,
Figure 112012042291735-pct00006
이며,
제2 수직 방향 모멘트는,
Figure 112012042291735-pct00007
이다.
풍속장 측정 시스템
풍속장 측정 시스템은, 블레이드 및 로터 허브에 위치되거나, 블레이드 및 로터 허브의 내부에 위치되거나, 블레이드 및 로터 허브 상에 위치되거나, 그렇지 않으면 블레이드 및 로터 허브에 부착되는 감지기를 포함한다. 이들 감지기는 풍속장 특성에 따른 감지기-신호를 생성한다.
풍속장 측정 시스템은 적어도 하나의 풍속장 특성에 반응하는 적어도 하나의 감지기-신호를 사용한다. 바람직한 실시예에서, 이 감지기-신호는 블레이드를 따라 미리 정해진 위치에서 측정되는, 블레이드 편향(deflection) 또는 블레이드 스트레인(strain)에 비례한다. 미리 정해진 블레이드 표면 위치에서의 공기 압력 또는 공기 속도 측정도 사용될 수 있지만, 이들은 부착(fouling) 및 막힘(clogging)에 취약하기 때문에 바람직하지 않다.
스트레인은 예를 들어, 블레이드에 표면 장착되거나 내장된 전기적 변형 게이지 또는 광섬유에 의해 측정되거나, 또는 피치 베어링에 블레이드를 부착시키는 볼트의 스트레인 측정으로부터 측정될 수 있다. 블레이드의 비틀림 모멘트는 예를 들어, 블레이드를 일정한 각도 위치에 유지하기 위한 당해 기술분야에서 잘 알려진 피치-제어-시스템에 의해 행해지는 모멘트를 측정함으로써 산출될 수 있다. 블레이드 변형 측정은 예를 들어, 각각의 블레이드 내의 광학계에 의해 이루어질 수 있다. 블레이드 굽힘 모멘트는 블레이드 스트레인 측정 및 블레이드의 공지된 기하학적 형상으로부터 추정될 수 있다.
감지기-신호의 설명에 도움이 되고자, 도 2에 도시된 바와 같이, 회전하는 블레이드-고정식 좌표계를 도입한다. x-방향은 로터의 회전 축선의 방향이고, 축선 z는 피치 베어링의 회전 축선에 평행하며, 방향 y는 오른손 직교 좌표계를 완성한다(y는 회전 축선에 평행함).
본 발명의 간단한 실시예
도 3을 참조하면, S0은 로터 허브 또는 블레이드 상에 위치되는 감지기(108)로부터의 감지기-신호를 나타내며, 여기서 감지기-신호 S는 C로 표현되는 적어도 하나의 풍속장 특성에 반응한다. 감지기-신호 S는 감지기-신호가 본질적으로 항상 보정됨으로써 안정된 감지기-신호 S1을 생성하도록, 감지기-신호에 대한 오프셋 및 가변 이득 중 하나 이상을 제공하는 보정 수단(110)을 통과한다. 만약, 감지기-신호에 잡음이 있다면, 저주파 통과 필터가 보정 수단에 통합되어 이러한 잡음을 완화시키거나 제거할 수 있다.
로터 축선과 풍향 사이의 오-정렬이 있다거나, 바람 시어가 존재하는 경우에, 로터의 회전(각도 θ만큼)은 상수 값에 중첩된 감지기-신호 S1에 있어서의 주기적인 변화를 초래한다. A는 주기적인 변화의 진폭을 나타내고,
Figure 112012042291735-pct00008
는 최고에 달한 각도 θ를 나타내며, K는 감지기-신호 S1에 있어서의 상수 값을 나타낸다. 조합 시, 값 A, K 및
Figure 112012042291735-pct00009
는 감지기-신호 S1을 완전히 규정한다.
풍속장 특성 값 C와 감지기 값 A, K 및
Figure 112012042291735-pct00010
를 연관시킨 표는 풍력 터빈이 변화하는 바람 상태하에서 운전될 때 C 값 대 {A, K,
Figure 112012042291735-pct00011
} 삼중 값을 기록함으로써 작성된다. 이러한 운전은 정확한 풍력 터빈의 공력탄성 시뮬레이션 코드를 통해서, 또는 대안적으로 풍속장 특성 C를 설정하기 위한 독자적인 측정 수단과 결합하여, 풍속장 내에서 풍력 터빈을 운전시킴으로써 실행될 수 있다.
정상적인 터빈 작동 동안, A, K,
Figure 112012042291735-pct00012
의 실행 시간 값은 감지기-신호 S1으로부터 취득된다. 도 4를 참조하면, “160” 및 완성된 표 “140”에 도시된 A, K 및
Figure 112012042291735-pct00013
의 실행 시간 값은 A, K 및
Figure 112012042291735-pct00014
의 실행 시간 값을 풍속장 특성 C의 값과 연관시키는 검색 수단(150)에 사용 가능하다. 이러한 연관 작업은 대응하는 실행 시간 값 A, K 및
Figure 112012042291735-pct00015
와 가장 근사하게 일치하는 저장값 A0, K0 및
Figure 112012042291735-pct00016
을 위치시켜 이루어진다. 표에서 A0, K0 및
Figure 112012042291735-pct00017
와 연관된 풍장 특성 C0의 값은, 본 발명의 풍장 측정 시스템을 통해 알 수 있는 값이며, 풍력 터빈의 로터 투사회전 평면에 존재하는 바람 특성 값을 나타내기 위해 인용되고, 즉각적으로 검색 수단에 의한 연관 작업이 이루어진다.
본 발명의 바람직한 실시예
본 발명의 바람직한 실시예는 복수의 감지기-신호를 사용한다. 이제, 신호의 주기적인 성분 및 일정한 성분의 확인 과정이 멀티 블레이드 좌표(MBC) 변형, 또는 대안적으로 본 문헌에서 콜먼 변형으로 불리는 것에 의해 행해진다. 이러한 변형은 당해 기술분야에 잘 알려져 있으며, 로터가 3개 이상의 블레이드를 갖는 경우에 사용될 수 있다. 본 발명은 3개의 블레이드에 대해 설명되며, 4개 이상의 블레이드로의 확대는 당업자에게 어렵지 않은 절차이다.
2개 유형의 MBC 변형 즉,
신호에서, 상수, θ의 cosine 및 θ의 sine 성분의 진폭을 생성하는 기준 “1p” MBC, 및 신호에서, 상수, 2θ의 cosine 및 2θ의 sine 성분의 진폭을 생성하는 고차 “2p” MBC를 구별한다. 예를 들어, 문헌[National Renewable Energy Laboratory publication “Multiblade Coordinate Transformation and its Application to Wind Turbine Analysis” by G. Bir, NREL/CP-500-42553, Jan. 2008]을 참조할 수 있다. 여기서, 전술한 바와 같이, θ는 로터에 의해 이루어진 회전 축선을 중심으로 한 각도이며, 일반적으로 로터 상의 표시된 블레이드의 각도 위치에 의해 주어진다.
도 5를 참조하면, “1p” MBC(114)에 대한 기본 단위는 각각의 블레이드에 대한 동일한 유형의 물리량을 측정하여 취득된, 3개의 감지기-신호로부터 형성된 신호-세트(200)
Figure 112014006764653-pct00018
이다. 여기서, S의 첨자 1, 2, 3은 감지기-신호와 연관된 블레이드 번호를 나타내며, n은 감지기 데이터의 유형을 가리킨다. 바람직한 실시예에서는, 이하 추가로 설명되는 바와 같이, 여러 신호-세트가 동시에 사용된다. 각각의 신호-세트는 다음과 같이 처리된다.
1. 각각의 감지기-신호
Figure 112012042291735-pct00019
는 시간에 따라 변화할 수도 있는 이득 및 오프셋을 상기 각각의 감지기-신호에 제공하는 전용 보정 수단(110)을 통과한다.
2. 안정된 감지기-신호(balanced-signal-set)로 구성된 안정된 신호 세트가 멀티 블레이드 좌표 변형(114)을 통과하여 상수 신호, sine 진폭 신호 및 cosine 진폭 신호로 구성된 고정 신호 세트(stationary-signal-set)를 생성한다(이러한 고정 신호 세트는 본 발명의 단순화된 형태에서의 상수, 주기적인 진폭 및 각도와 같음).
3. 에일리어싱 에러(aliasing error)는 고정 신호 세트의 각 성분 신호를 저주파 통과 필터(116)를 통과시킴으로써 제거된다. 저주파 통과 필터(116)는 로터의 회전 주파수에 3배 이하로 설정되는 절점 주파수를 갖는다. 저주파 통과 필터링된 3개의 신호를 조합하여
Figure 112014006764653-pct00020
로 표기한 디에일리어싱 고정 신호 세트(210)를 형성한다. 하나의 디에일리어싱(dealiasing, 에일리어싱 에러가 제거된) 고정 신호 세트(210)가 미리 정해진 유형의 감지기 데이터로부터 형성된 각각의 신호 세트(200)에 대해 존재한다.
수학 분야에서 잘 알려진 명명법을 사용하여, 각각의 신호 세트가 “다른 것으로부터 일차 독립”적이라면, 일반적으로, 본 발명의 바람 측정 시스템에는 임의의 수의 신호 세트가 사용될 수 있다. 즉, 각각의 신호 세트는 다른 신호 세트의 합에 비례하지 않고, 각각에는 고정된 스칼라 값이 곱해진다.
본 발명의 일 실시예에서, x 및 y 블레이드 고정 방향에 있어서의 블레이드 기저부 굽힘 모멘트, 및 z(블레이드 고정) 좌표에 있어서의 블레이드 비틀림 모멘트를 구성하는 3개의 신호-세트가 사용된다. 기준 “1p” MBC가 사용된다. 표를 위해 선택된 풍속장 특성은 평균 속도 Vm, 수평면에서의 풍향
Figure 112012042291735-pct00021
및 ξ 및 ζ(x 및 y)에서의 제1 모멘트, 즉 각각 수평 바람 및 수직 바람 시어로도 알려진
Figure 112012042291735-pct00022
및
Figure 112012042291735-pct00023
이다. 그 후, 표는 3개의 디에일리어싱 고정 신호 세트를 이루는 9개의 개별 값을 4개의 풍속장 특성과 연관시킨다.
도 6을 참조하면, 각각의 신호 유형 n= x, y 및 z에 대한 디에일리어싱 고정 신호 세트 값
Figure 112012042291735-pct00024
을 풍속장 특성 값
Figure 112012042291735-pct00025
및
Figure 112012042291735-pct00026
에 연관시킨 표(142)는 풍력 터빈이 변화하는 바람 상태하에서 운전될 때 풍속장 특성 값 대 디에일리어싱 고정 신호 세트 값을 기록함으로써 생성된다. 이러한 운전은 정확한 풍력 터빈의 공력탄성 시뮬레이션 코드를 통해서, 또는 대안적으로 풍속장 특성을 설정하기 위한 독자적인 측정 수단과 결합하여, 풍속장 내에서 풍력 터빈을 운전시킴으로써 실행될 수 있다.
본 명세서에서, 단어 표는, 신호 세트 값을 풍속장 특성에 연관시키는 일반적인 단계를 나타내기 위해 사용되고, 예를 들어 신경 회로망 내의 비중의 조정에 의해 연관 작업이 이루어지는 신경 회로망에 기초한 방법 및 연관 과정이 기능성 함수의 단일 또는 반복적인 적용을 포함하는 유사한 방법을 포함한다.
정상적인 터빈 운전 동안, 실행 시간 디에일리어싱 고정 감지기 신호 세트(162) 및 완성된 표(142)가, 디에일리어싱 고정 감지기 신호 세트의 실행 시간 값을 풍속장 특성과 연관시키기 위한 검색 수단(152)에 이용 가능하다. 이러한 연관 작업은 실행 시간 값과 가장 근사하게 일치하는 디에일리어싱 고정 감지기 신호 세트의 값에 대한 표를 검색하고, 실행 시간 디에일리어싱 고정 감지기 신호 세트(162)가 측정될 때 존재하는 풍속장 특성으로서 표의 값과 연관된 풍속장 특성을 인용하여 이루어진다.
일 실시예에서, 검색 수단은 디에일리어싱 고정 감지기 신호 세트의 표에 나타난 값과 실행 시간 값 사이의 차이의 제곱으로 정의되는 양의 준정부호(positive semi-definite) 에러를 사용하는 최소자승법(least-squares method)이다. 최소값은 구배 기반의 검색 방법에 의해 알 수 있다. 이러한 수학적 절차는 당해 기술분야에 잘 알려져 있다. 다른 실시예에서, 검색 수단은 디에일리어싱 고정 감지기 신호 세트 값의 도메인의 이분열을 사용하여 에러의 최소를 찾는다. 함수의 최소값을 찾기 위해 당해 기술분야에 공지된 다른 알고리즘이 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 신호 세트(200)는 x 및 y 블레이드 고정 방향에 있어서의 블레이드 편향, 및 z(블레이드 고정) 좌표에 있어서의 블레이드 비틀림을 측정하는 감지기 신호를 사용하여 생성되며, 여기서 측정은 각각의 블레이드를 따라 미리 정해진 위치에서 이루어진다. 기준 “1p” MBC가 사용된다. 표(142)를 위해 선택된 풍속장 특성은 평균 속도 Vm, 수평면에서의 풍향
Figure 112012042291735-pct00027
및 ξ 및 ζ(x 및 y)에서의 제1 모멘트, 즉 각각 수평 바람 및 수직 바람 시어로도 알려진
Figure 112012042291735-pct00028
및
Figure 112012042291735-pct00029
이다. 그 후, 표는 3개의 디에일리어싱 고정 신호 세트를 이루는 9개의 개별 값을 4개의 풍속장 특성과 연관시킨다.
본 발명의 다른 실시예에서, 각각의 블레이드를 따라 미리 정해진 위치에서 측정된, x, y 및 z (블레이드 고정) 좌표에서의 블레이드 편향을 구성하는 3개의 신호 세트가 사용된다. 이들 신호 세트의 각각의 처리에 있어서, 도 7에 도시된 신호 세트 데이터(200)는 기준 “1p” MBC(114) 및 고차 “2p” MBC(118) 양자 모두를 통과하여, 5개의 스칼라 값, 즉 “1p” MBC로부터의
Figure 112012042291735-pct00030
및 2개의 추가적인 값
Figure 112012042291735-pct00031
을 갖는 디에일리어싱 고정 감지기 신호 세트(220)을 생성한다. 3개의 신호 세트가 사용되기 때문에, 표 144에의 후속 입력을 위한 총 15개의 스칼라 값이 존재한다. 이들 값은,
Figure 112012042291735-pct00032

표를 위해 선택된 풍속장 특성은, 평균 속도 Vm, 수평면에 있어서의 풍향
Figure 112012042291735-pct00033
, x 및 y에서의 제1 및 제2 모멘트, 즉 각각
Figure 112012042291735-pct00034
및
Figure 112012042291735-pct00035
이다. 그 후, 표(144)는 3개의 디에일리어싱 고정 신호 세트를 구성하는 15개의 개별 값을 6개의 풍속장 특성과 연관시킨다.
정상적인 터빈 작동 동안, 실행 시간 디에일리어싱 고정 감지기 신호 세트(162) 및 완성된 표(144)는 디에일리어싱 고정 감지기 신호 세트의 실행 시간 값을 풍속장 특성과 연관시키기 위한 검색 수단(154)에 이용 가능하다. 이러한 연관 작업은 실행 시간 값과 가장 근사하게 일치하는 디에일리어싱 고정 감지기 신호 세트의 값에 대한 표를 검색하고, 실행 시간 디에일리어싱 고정 감지기 신호 세트(164)가 측정될 때 존재하는 풍속장 특성으로서 표의 값과 연관된 풍속장 특성을 인용하여 이루어진다.
예를 들어, 수평면
Figure 112012042291735-pct00036
에서의 풍향 및 법선 방향 바람 성분 V3 대신 3개의 모든 속도 성분과 같은 다른 풍속장 특성이 선택될 수 있음에 주목한다. 최선의 선택은 전체 터빈 제어를 위해 채용된 계획에 의존하게 된다. 본 명세서에 개시된 시스템은 풍력 터빈의 일부 또는 전체에 대한 준거 방정식에 대한 해에 기초한 바람 특성을 결정하기 위해 여러 방법들과 결합되어, 특히 바람 특성의 일부가 준거 방정식에 대한 해에 의해 결정되고, 바람 특성의 일부가 본 명세서에 개시된 시스템으로 결정되는 결합 용도에 사용될 수 있다.

Claims (14)

  1. 2개 또는 3개 이상의 블레이드들을 구비한 로터를 갖는 풍력 터빈(wind turbine)에서의 사용을 위한 풍속장 측정 시스템으로서,
    - 상기 블레이드들 중 하나 이상의 블레이드에 관한 하나 이상의 풍속장 특성을 나타내는 물리량을 측정하여 취득되는 하나 이상의 감지기-신호;
    - 상기 하나 이상의 감지기-신호의 주기적이고 일정한 성분들을 나타내는(characterizing) 값들을 상기 하나 이상의 풍속장 특성의 값들과 연관시킴으로써, 복수의 바람 상태에 대해 작성된 표(140, 142, 144); 및
    - 상기 하나 이상의 감지기-신호의 주기적이고 일정한 성분들을 나타내는 값들이 주어지면, 상기 표로부터 현재의 바람 상태에 대한 하나 이상의 풍속장 특성의 값을 결정하는 검색 수단(150, 152, 154)을 포함하는,
    풍속장 측정 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    - 하나 이상의 감지기-신호-세트로서, 상기 하나 이상의 감지기-신호-세트 각각이, 각각의 상기 블레이드에 관한 하나 이상의 풍속장 특성을 나타내는 동일한 물리량을 측정함으로써 취득되는 블레이드 당 하나의 감지기-신호를 포함하는, 하나 이상의 감지기-신호-세트;
    - 상기 하나 이상의 감지기-신호-세트를, 상수 신호, sine 진폭 신호 및 cosine 진폭 신호로 구성된 하나 이상의 고정-신호-세트로 변환하는 멀티-블레이드 좌표 변환을 포함하고,
    상기 표(140, 142, 144)는 하나 이상의 고정-신호-세트를 나타내는 값들을 상기 하나 이상의 풍속장 특성의 값들과 연관시킴으로써, 복수의 바람 상태에 대해 작성되며,
    상기 검색 수단(150, 152, 154)은, 상기 하나 이상의 고정-신호-세트를 나타내는 값들이 주어지면, 상기 표로부터 현재의 바람 상태에 대한 하나 이상의 풍속장 특성의 값을 결정하도록 구성되는,
    풍속장 측정 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    - 각각의 상기 블레이드에 관한 동일한 제1 물리량을 측정함으로써 취득되는 블레이드 당 하나의 감지기-신호를 포함하는 제1 감지기-신호-세트로서, 상기 제1 물리량은 하나 이상의 풍속장 특성을 나타내는 제1 감지기-신호-세트;
    - 각각의 상기 블레이드에 관한 동일한 제2 물리량을 측정함으로써 취득되는 블레이드 당 하나의 감지기-신호를 포함하는 제2 감지기-신호-세트로서, 상기 제2 물리량은 하나 이상의 풍속장 특성을 나타내며, 상기 제1 감지기-신호-세트와 비례하지 않는 제2 감지기-신호-세트;
    - 상기 제1 감지기-신호-세트를, 상수 신호, sine 진폭 신호 및 cosine 진폭 신호로 구성된 제1 고정-신호-세트로 변환하는 제1 멀티-블레이드 좌표 변환;
    - 상기 제2 감지기-신호-세트를, 상수 신호, sine 진폭 신호 및 cosine 진폭 신호로 구성된 제2 고정-신호 세트로 변환하는 제2 멀티-블레이드 좌표 변환을 포함하고,
    상기 표(140, 142, 144)는, 상기 제1 고정-신호-세트를 나타내는 값들 및 상기 제2 고정-신호-세트를 나타내는 값들을, 상기 하나 이상의 풍속장 특성의 값들과 연관시킴으로써, 복수의 바람 상태에 대해 작성되며,
    상기 검색 수단(150, 152, 154)은, 상기 제1 고정-신호-세트를 나타내는 값들 및 상기 제2 고정-신호-세트를 나타내는 값들이 주어지면, 상기 표로부터 현재의 바람 상태에 대한 하나 이상의 풍속장 특성의 값을 결정하도록 구성되는,
    풍속장 측정 시스템.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    고정-신호-세트에 존재하는 에일리어싱 에러(aliasing error)를 제거하기 위한 필터를 더 포함하는,
    풍속장 측정 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 필터는 상기 로터의 회전 주파수의 3배 미만인 필터 절점 주파수(corner frequency)를 갖는 저주파 통과 필터(116)인,
    풍속장 측정 시스템.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    감지기-신호에 가변 이득 및 오프셋 중 하나 이상을 제공함으로써, 상기 감지기-신호를 보정하는 보정 수단(110)을 더 포함하는,
    풍속장 측정 시스템.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    물리량은 블레이드 스트레인(strain)과 블레이드 편향(deflection) 중 하나 이상을 포함하고, 상기 물리량은 상기 블레이드들 중 하나 이상의 블레이드 상의 미리 정해진 위치에서 측정되는,
    풍속장 측정 시스템.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    풍속장 특성은 풍속, 풍향, 바람 수평 시어(shear) 및 바람 수평 시어 중 하나 이상을 포함하는,
    풍속장 측정 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    - 하나 이상의 감지기-신호-세트로서, 상기 하나 이상의 감지기-신호-세트 각각은, 각각의 상기 블레이드에 관한 동일한 물리량을 측정함으로써 취득되는 블레이드 당 하나의 감지기-신호를 포함하고, 상기 물리량은 하나 이상의 풍속장 특성을 나타내는, 하나 이상의 감지기-신호-세트;
    - 상기 하나 이상의 감지기-신호-세트를 상수 신호, sine 진폭 신호 및 cosine 진폭 신호로 구성된 하나 이상의 고정-신호-세트로 변환시키는 변환 시스템을 포함하고,
    상기 고정-신호-세트는 상기 하나 이상의 감지기-신호-세트의 감지기-신호 각각의 상수 값 및 주기적 변형을 나타내는 값들을 포함하고,
    상기 표(140, 142, 144)는 하나 이상의 고정-신호-세트를 나타내는 값들을 상기 하나 이상의 풍속장 특성의 값들과 연관시킴으로써, 복수의 바람 상태에 대해 작성되며,
    상기 검색 수단(150, 152, 154)은, 상기 하나 이상의 고정-신호-세트를 나타내는 값들이 주어지면, 상기 표로부터 현재의 바람 상태에 대한 하나 이상의 풍속장 특성의 값을 결정하도록 구성되는,
    풍속장 측정 시스템.
  10. 2개 또는 3개 이상의 블레이드들을 구비한 로터를 갖는 풍력 터빈에서 풍속장을 측정하는 방법으로서,
    - 상기 블레이드들 중 하나 이상의 블레이드에 관한 하나 이상의 풍속장 특성을 나타내는 물리량을 측정하여 하나 이상의 감지기-신호를 취득하는 단계;
    - 상기 하나 이상의 감지기-신호의 주기적이고 일정한 성분들을 나타내는 값들을 상기 하나 이상의 풍속장 특성의 값들과 연관시킴으로써, 복수의 바람 상태에 대해 표(140, 142, 144)를 작성하는 단계;
    - 상기 하나 이상의 감지기-신호의 주기적이고 일정한 성분들을 나타내는 값들이 주어지면, 상기 표로부터 현재의 바람 상태에 대한 하나 이상의 풍속장 특성의 값을 결정하는 단계를 포함하는,
    풍속장 측정 방법.
  11. 2개 또는 3개 이상의 블레이드들을 구비한 로터를 갖는 풍력 터빈에서 풍속장을 측정하기 위한 컴퓨터 프로그램을 저장하는 컴퓨터 판독가능 매체로서,
    상기 컴퓨터 프로그램은, 풍속장 측정 시스템을 제어하는 컴퓨터에서의 작동 시, 제1항 또는 제9항에 기재된 풍속장 측정 시스템이 제10항에 기재된 풍속장 측정 방법의 단계들을 실행할 수 있도록 하는 프로그램 코드 수단을 포함하는,
    풍속장을 측정하기 위한 컴퓨터 프로그램을 저장하는 컴퓨터 판독가능 매체.
  12. 2개 또는 3개 이상의 블레이드들을 구비한 로터를 갖는 풍력 터빈에서의 사용을 위한 풍속장 측정 시스템으로서,
    - 상기 블레이드들 중 하나 이상의 블레이드에 관해 측정된 물리량에 기초하여 현재의 바람 상태에 대한 하나 이상의 풍속장 특성의 값을 결정하는 수단으로서, 상기 물리량은 블레이드 스트레인과 블레이드 편향 중 하나 이상을 포함하고, 상기 물리량은 상기 블레이드들 중 하나 이상의 블레이드 상의 미리 정해진 위치에서 측정되는, 하나 이상의 풍속장 특성의 값을 결정하는 수단을 포함하는,
    풍속장 측정 시스템.
  13. 로터 및 2개 또는 3개 이상의 블레이드들을 갖는 풍력 터빈으로서,
    제1항, 제9항 또는 제12항에 기재된 풍속장 측정 시스템을 포함하는,
    풍력 터빈.
  14. 2개 또는 3개 이상의 블레이드들을 구비한 로터를 갖는 풍력 터빈에서의 사용을 위한 풍력 터빈 제어 시스템으로서,
    - 제1항, 제9항 또는 제12항에 기재된 풍속장 측정 시스템;
    - 현재 바람 상태에 대해 풍속장 측정 시스템에 의해 측정된 하나 이상의 풍속장 특성의 값에 기초하여 상기 풍력 터빈을 제어하는 수단을 포함하는,
    풍력 터빈 제어 시스템.
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