KR101660553B1 - 윈드 터빈 설비에서의 블레이드 피치 제어 - Google Patents

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하이윈드 에이에스
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Abstract

본 발명은 부유형 윈드 터빈 구조체용 블레이드 피치 제어기에 관한 것으로서, 부유형 윈드 터빈 구조체는 복수의 블레이드를 갖는 회전자를 지지하는 지지 구조체를 포함한다. 제어기는 표준형 블레이드 피치 제어 수단 및 능동 댐핑 수단을 포함한다. 표준형 블레이드 피치 제어 수단은 회전자 속도 에러와 블레이드 피치 사이의 전달 함수를 사용하여 블레이드 피치를 제어하도록 구성된다. 능동 댐핑 수단은, 윈드 터빈 구조체 상의 지점의 속도를 회전자 속도 에러로 변환하고 회전자 속도 에러를 블레이드 피치에 대한 보정으로 변환하기 위해 표준형 블레이드 피치 제어 수단에 사용된 동일한 전달 함수를 사용함으로써 윈드 터빈 구조체 상의 지점의 속도에 기초하여 블레이드 피치를 더 제어하도록 구성된다.

Description

윈드 터빈 설비에서의 블레이드 피치 제어{BLADE PITCH CONTROL IN A WIND TURBINE INSTALLATION}
본 발명은 윈드 터빈 설비용 회전자 블레이드 피치 제어의 분야에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 부유형 윈드 터빈 설비용 회전자 블레이드 피치 제어에 관한 것이다.
윈드 터빈 설비는 일반적으로 긴 타워를 포함하는 지지 구조체로 형성되고, 나셀(nacelle) 및 회전자가 지지 구조체의 상단부에 부착된다. 발전기 및 그 관련 전자 기기가 일반적으로 나셀 내에 위치된다.
육지 또는 해저에 고정되는 고정 베이스 윈드 터빈이 확립되어 있다.
그러나, 최근에 부유형 윈드 터빈을 개발하는 요구가 존재하고 있고, 다양한 구조체가 제안되어 왔다. 일 예는 통상의 윈드 터빈 구조체가 플랫폼 또는 뗏목형 구조체와 같은 부력 베이스 상에 장착되는 윈드 터빈 설비이다. 다른 제안은 "원주 부표(spar buoy)"형 구조체이다. 이러한 구조체는 회전자가 상부에 장착되어 있는 긴 부력 지지 구조체로 형성된다. 지지 구조체는 단일형 구조체일 수 있고 또는 표준형 타워가 그 상부에 장착되어 있는 긴 서브구조체일 수 있다.
부유형 윈드 터빈 설비는 닻(anchor)을 갖는 하나 이상의 정박 라인(mooring line)을 통해 해저에 속박될 수 있고 또는 예를 들어 이들의 원하는 설치 위치에 이들을 유지하기 위해 하나 이상의 관절 연결식(힌지 연결식) 레그로 해저에 부착된다.
통상의 윈드 터빈에서, 회전자 블레이드의 피치는 파워 출력을 조절하기 위해 회전자 속도에 기초하여 제어된다. 특정 풍속(윈드 터빈의 정격 풍속이라 칭함) 미만의 바람에서 작동할 때, 블레이드 피치는 최대 파워 출력을 제공하는 각도에서 대략 일정하게 유지된다. 대조적으로, 정격 풍속을 초과하여 작동할 때, 블레이드 피치는 일정한 파워 출력을 생성하고, 발전기 및/또는 그 관련 전자 기기에 손상을 줄 수 있는 과도하게 높은 파워 출력을 방지하기 위해 조정된다. 이러한 일정한 파워는 윈드 터빈의 정격 파워라고 한다.
정격 풍속 미만에서 작동할 때, 블레이드 피치가 대략 일정하게 유지됨에 따라, 회전자 상에 작용하는 추력이 풍속에 따라 증가한다(추력은 풍속의 제곱에 대략 비례함).
대조적으로, 정격 풍속을 초과하여 작동할 때, 블레이드 피치는 회전자 상의 추력이 일정한 파워 출력을 생성하기 위해 증가하는 풍속에 따라 감소하도록 조정된다. 풍속이 증가함에 따라, 블레이드 피치가 증가되는데, 즉 추력을 감소시키기 위해 바람 방향에 더 평행하게 된다.
실제로, 윈드 터빈은 이들의 정격 풍속의 초과 및 미만의 모두의 조건에서 작동한다.
정격 풍속 미만에서 작동할 때 최대 파워 출력을 생성하기 위해, 블레이드 피치는 최적의 팁 속도비를 생성하도록 설정된다. 팁 속도비(
Figure 112011050198425-pct00001
)는 회전자 블레이드의 외부팁이 이동하는 속도를 풍속으로 나눈 값으로서 정의되고, 이하의 수학식에 의해 제공되는데,
Figure 112011050198425-pct00002
여기서, ω는 회전자의 각진동수(초당 라디안의 단위)이고, R은 회전자의 반경이고, u는 풍속이다. 최대 파워 출력에 대한 최적의 팁 속도비는 대략 8 내지 10이고, 대부분의 윈드 터빈에서 이는 실제로 대략 0.45의 파워 계수(Cp)를 제공할 것이고(0.59가 이론적인 최대값임), 여기서 파워(P)는
Figure 112011050198425-pct00003
로서 정의되고, 여기서 ρ는 공기 밀도이고, A는 회전자 블레이드에 의해 스윕(sweep)되는 면적이고, Cp는
Figure 112011050198425-pct00004
및 블레이드 피치(β)에 의해 결정되는 파워 계수이다.
전술된 바와 같이, 정격 풍속을 초과하여 작동할 때 일정한 파워 출력을 생성하기 위해, 블레이드 피치는 일정한 회전자 속도 및 이에 의해 일정한 파워 출력을 생성하기 위해 조정된다. 이 방식으로 블레이드 피치를 조정하는 것과 관련된 문제점은 네거티브 댐핑을 발생시킬 수 있는데, 즉 터빈과 바람 사이의 상대 속도가 증가함에 따라, 추력이 감소한다. 이는 윈드 터빈의 발진 또는 진동의 진폭을 증가시킬 수 있다. 네거티브 댐핑은 윈드 터빈의 전체 효율 또는 파워 출력의 감소를 발생시키고, 더욱이 윈드 터빈 구조체를 손상시키거나 약화시킬 수 있고 부유형 윈드 터빈의 불안정성을 발생시킬 수 있는 구조적 응력을 유발하는 과도한 움직임을 생성할 수 있다. 네거티브 댐핑은 고파워(예를 들어, > 2 MW) 터빈에서 특정 문제점일 수 있다.
고정 베이스 윈드 터빈에서의 네거티브 댐핑은 터빈이 타워의 자연적인 굽힘 진동의 여기에 기인하여 전방 및 후방으로 진동할 수 있기 때문에 발생한다. 윈드 터빈이 바람을 향해 이동함에 따라, 윈드 터빈 상에 작용하는 상대 풍속이 증가하고, 이는 회전자 토크 또는 속도를 증가시키는 경향이 있다. 일정한 파워 출력에 대해 전술된 피치 제어를 사용하여, 회전자 토크 또는 속도의 증가에 응답하여, 블레이드 피치각은 회전자 상에 작용하는 토크를 감소시키고, 그 결과 추력을 감소시키고 이에 의해 일정한 파워를 유지하도록 조정된다. 그러나, 추력이 감소함에 따라, 윈드 터빈의 진동에 작용하는 댐핑력이 또한 감소되어 네거티브가 될 수 있다. 달리 말하면, 진동은 악화될 수 있고 이들의 진폭이 증가한다. 이는 이어서 상대 풍속의 추가의 변화 및 블레이드 피치에 대한 추가의 조정을 유도하여, 진동이 더욱 더 커지게 한다. 윈드 터빈이 바람으로부터 이격하여 이동할 때 반대의 것이 적용되어, 진동의 추가의 악화를 초래한다.
네거티브 댐핑의 문제점이 도 1에 도시되어 있고, 도 1은 전술된 표준형 블레이드 피치 제어를 사용하는 2.3 MW 터빈에 대한 풍속의 함수로서 추력을 도시하고 있다. 12 ms-1 초과의 풍속에 대한 추력은 증가하는 풍속에 따라 감소하고, 따라서 네거티브 댐핑이 이 풍속 범위에서 시스템 내에 도입될 수 있다.
고정 베이스 윈드 터빈에서, 네거티브 댐핑은 타워의 1차 굽힘 모드의 고유 주파수 미만에 놓이도록 블레이드 피치 제어기의 대역폭을 감소시킴으로써 방지되거나 최소화될 수 있다. 달리 말하면, 제어기는 타워의 1차 굽힘의 고유 주파수를 초과하는 주파수를 갖는 타워 움직임에 대한 블레이드 피치를 조정하지 않는다.
그러나, 부유형 윈드 터빈은 또한 굽힘 모드 이외에 다른 발진 모드를 갖는데, 이는 부유형 윈드 터빈의 네거티브 댐핑을 취급하는 문제점을 더욱 더 복잡하게 한다. 더욱이, 전술된 종래의 시스템은 부유형 윈드 터빈 설비 내의 최고 유의 발진 모드를 취급하지 않는다.
도 2는 긴 "원주 부표"형 디자인을 갖는 유형의 통상의 부유형 윈드 터빈 설비의 발진에 대한 통상적인 파워 스펙트럼을 도시하고 있다. 수직축 상의 스케일은 발진의 파워의 제곱근에 비례하는 발진의 진폭에 비례한다. 범례에서의 제1 라인은 표준형 피치 제어(즉, 회전자 속도에 기초하여)가 사용될 때 존재하는 발진을 표현한다. 제2 라인은 지지 구조체의 굽힘 모드 진동의 능동 댐핑에 대한 진동 제어가 사용될 때(이하에 설명됨) 존재하는 발진을 표현한다. 제3 라인은 본 발명에 따른 피치 제어가 사용될 때(이는 이하에 설명될 것임) 존재하는 발진을 표현한다.
파워 스펙트럼은 4개의 주요 피크를 갖는다. 단지 4개의 피크만이 또한 고정 베이스 윈드 터빈에 대한 파워 스펙트럼 내에 존재한다. 처음의 3개의 피크는 단지 부유형 윈드 터빈에서만 볼 수 있다.
제1 피크는 대략 0.008 Hz의 주파수에서 발생하고 정박 라인의 복원 효과와 결합된 부유형 윈드 터빈의 서지(surge) 운동에 의해 발생되는 지지 구조체의 강체 발진에 대응한다. 이들 상황에서, 타워는 전후방으로 수평으로 이동하지만 본질적으로 수직 자세로 유지된다. 이 피크의 크기(즉, 이들 발진의 크기 또는 에너지)는 피치 제어로의 상이한 접근법에 의해 많은 영향을 받지는 않는다. 일반적으로, 이들 발진의 크기는 발진이 매우 느리기 때문에 임계적이지는 않다. 따라서, 이들 발진은 네거티브 댐핑으로부터 너무 많이 손해를 받지는 않는다. 더욱이, 이들 발진은 타워 상에 더 큰 구조적 응력을 초래하지 않는다. 따라서, 이들 움직임은 설계자에 의해 수용되고 이들 주파수에서 타워 이동의 네거티브 댐핑을 방지하거나 최소화하려고 시도할 필요가 없다.
제2 피크는 약 0.03 내지 0.04 Hz의 주파수에서 발생하고, 지지 구조체의 강체 피치 발진[즉, 지지 구조체의 전후방 "흔들거림(nodding)"]에 대응한다. 블레이드 피치가 일정한 파워 출력을 생성하기 위해 제어될 때, 이 피크의 크기(즉, 이들 발진의 크기 또는 에너지)는 전술된 네거티브 댐핑 효과에 기인하여 상당히 증가하여, 타워 상에 큰 구조적 응력 뿐만 아니라 파워 출력의 발진을 초래한다. 따라서, 이들 발진의 네거티브 댐핑을 방지하거나 최소화하는 것이 바람직하다.
제3의 다소 넓은 피크가 약 0.05 내지 0.15 Hz의 주파수에서 발생한다. 이는 부유형 윈드 터빈의 강체 파도 유도 움직임(피치와 결합된 서지이지만, 대부분 피치)에 대응한다. 이 피크의 크기는 부유형 윈드 터빈의 기하학적 형상 및 중량 분포를 수정함으로써 최소화될 수 있지만, 일반적으로 발진이 공진하지 않고 따라서 댐핑 레벨에 매우 민감하지 않기 때문에 이들 주파수에서 타워 이동의 댐핑에 관련하여 아무것도 수행하지 않는 것은 바람직하지 않다. 이 움직임을 댐핑하기 위한 시도는 일반적으로 움직임 응답에 대한 임의의 중요한 영향 없이 큰 터빈력을 생성할 것이다.
제4 피크는 약 0.3 내지 0.5 Hz의 주파수에서 발생한다. 전술된 바와 같이, 이들 발진은 부유형 및 고정 베이스 윈드 터빈의 모두에서 존재하고 지지 구조체의 구조적 굽힘 진동에 대응한다.
전술된 바와 같이, 구조적 굽힘 진동의 네거티브 댐핑을 방지하거나 최소화하기 위해, 블레이드 피치 제어기의 대역폭은 이들 주파수(즉, 0.3 내지 0.5 Hz)에서 발생하는 움직임에 대한 블레이드 피치를 조정하지 않도록 감소될 수 있다.
그러나, 부유형 윈드 터빈에서, 이 접근법은 굽힘 진동을 처리하기 위해 여전히 적용될 수 있지만, 제어기가 피치에서 타워의 강체 발진의 주파수들을 초과하는 주파수(즉, 0.03 내지 0.04 Hz)에서 발생하는 움직임에 대한 블레이드 피치를 조정하지 않도록 블레이드 피치 제어기의 대역폭이 더욱 더 감소되면, 이는 제어기의 대역폭을 상당히 감소시킬 수 있고 파워 생성, 회전자 속도 및 회전자 추력과 같은 주요 윈드 터빈 특성에 대한 수용 불가능한 성능을 초래할 것이다. 따라서, 부유형 윈드 터빈 설치에서의 네거티브 댐핑을 회피하거나 감소하기 위해, 이 방식으로 제어기의 대역폭을 간단히 감소시키는 것이 실용 가능하지 않다.
대부분의 현대식 다중-메가와트 윈드 터빈은 터빈의 정격 풍속을 초과하여 작동할 때 일정한 회전자 속도를 생성하기 위해 블레이드 피치를 제어하기 위한 비례 적분(PI) 제어기를 사용한다. PI 제어기는 에러의 가중된 합(출력 회전자 속도와 요구 회전자 속도 사이의 차이) 및 이 값의 적분에 기초하여 블레이드 피치 및 이에 의해 회전자 속도(즉, 회전자의 회전 주파수)를 제어하는 피드백 제어기이다. 블레이드 피치 제어 시스템이 정격 파워를 초과하여 작동할 때, 발전기 토크는 통상적으로 일정한 토크 또는 일정한 파워를 생성하도록 제어된다. 이하의 설명은 일정한 파워 제어에 적용된다. 그러나, 유사한 접근법이 정격 파워에서 일정한 발전기 토크 제어를 갖는 발전기에 적용된다.
일정한 파워 제어에 있어서, 발전기 토크(Mgen)가 이하와 같이 제공된다.
Figure 112011050198425-pct00005
여기서, P0는 터빈에 대한 정격 파워이고, Ω는 초당 라디안의 단위의 회전자 속도이다.
수학식 3은 정격 회전자 속도(Ω0) 주위에서 선형화되어,
Figure 112011050198425-pct00006
를 제공할 수 있다.
윈드 터빈 회전자의 공기역학 토크(Maero)는 실제 블레이드 피치각(θ0) 및 정격 회전자 속도(Ω0) 주위에서 선형화되어,
Figure 112011050198425-pct00007
를 제공할 수 있고, 여기서 정격 회전자 속도(Ω0) 주위의 회전자 속도의 편차는 실제 블레이드 피치각(θ0) 주위의 블레이드 피치각의 편차에 비교하여 무시할 수 있는 것으로 가정된다.
다음에, 뉴턴의 제2 법칙으로부터, 회전자에 대한 운동 방정식이 이하와 같이 제공되고,
Figure 112011050198425-pct00008
여기서, I는 회전자 및 발전기의 관성 모멘트이고, 이하의 수학식에 의해 제공되고,
Figure 112011050198425-pct00009
여기서, n은 회전자와 발전기 사이의 기어비이고, θ는 이하의 수학식에 의해 제공되는 블레이드 피치이고,
Figure 112011050198425-pct00010
여기서, θ0는 현재 블레이드 피치이고, Δθ는 이하의 수학식과 같이 PI 제어기에 의해 결정되고,
Figure 112011050198425-pct00011
여기서,
Figure 112011050198425-pct00012
Figure 112011050198425-pct00013
Figure 112011050198425-pct00014
이고, KP는 비례 이득이고, KI는 PI 제어기의 적분 이득이고,
Figure 112011050198425-pct00015
는 회전 주파수 에러(Ω-Ωref)이다.
이는 폐루프 동적 시스템에 대한 회전자 속도에 대해 이하의 운동 방정식을 유도한다.
Figure 112011050198425-pct00016
여기서,
Figure 112011050198425-pct00017
Figure 112011050198425-pct00018
이다.
여기서, P는 파워 출력이고,
Figure 112011050198425-pct00019
이다. 수학식 13의 동적 시스템은 제어 파라미터(KP 및 KI)의 적절한 값을 선택함으로써 안정화될 수 있다.
폐루프 제어 시스템의 고유 주파수(ω0), 상대 댐핑(ζ) 및 댐핑된 공진 주파수(ωd)는 이어서 각각 이하의 수학식들에 의해 제공된다.
Figure 112011050198425-pct00020
Figure 112011050198425-pct00021
Figure 112011050198425-pct00022
일반적으로, 고정 기초 윈드 터빈에 대한 제어 시스템의 설계자는 공진을 회피하기 위해 댐핑된 공진 주파수(ωd)를 타워의 1차 굽힘 주파수 미만으로 유지하려고 시도한다. 통상의 값은 ζ=0.7이고 ωd=0.6 rad s-1이다.
몇몇 고정 베이스 윈드 터빈의 제어 시스템은 또한 지지 구조체의 1차 굽힘 모드 진동의 능동 포지티브 댐핑을 제공하기 위한 진동 제어기를 포함한다. 일 이러한 시스템의 예가 GB 2117933호에 개시되어 있다. 이들 시스템에서, 포지티브 댐핑은 존재하는 임의의 네거티브 댐핑을 적어도 부분적으로 상쇄하여, 이들 진동의 0에 근접한 또는 대략 0의 순(純) 댐핑을 생성하도록 제공된다. 대안적으로, 포지티브 댐핑은 임의의 네거티브 댐핑을 상쇄할 뿐만 아니라, 또한 추가의 포지티브 댐핑을 제공하여 이들 진동의 순 포지티브 댐핑을 초래하기에 충분히 클 수 있다.
진동 제어기는 굽힘 진동을 댐핑하기 위해 윈드 터빈 구조체의 속도의 측정에 기초하여 블레이드 피치에 대한 보정을 제공한다. 블레이드 피치에 대한 보정은 1차 굽힘 모드의 주파수에 대응하는 주파수를 갖는 윈드 터빈 움직임에 대해 제공된다. 윈드 터빈의 속도는 예를 들여 중력 가속도의 보상을 갖는 가속도계와 같은 센서로 측정될 수 있다. 측정된 속도는 예를 들어 나셀의 수평 속도 또는 그 피치 속도(즉, 피치의 움직임에 기인하는 타워 상의 점 또는 나셀의 절대 속도)일 수 있다.
고정 베이스 윈드 터빈에 대한 능동 댐핑을 갖는 진동 제어기를 갖는 제어 시스템의 예가 도 3에 도시되어 있다. 도 3의 상부 라인은 전술된 바와 같이 네거티브 댐핑을 방지하거나 최소화하기 위해 타워 속도의 측정을 사용하는 제어 시스템의 능동 진동 제어기부이다. 시스템의 나머지는 회전자 속도에 기초하여 표준형 블레이드 피치 제어를 제공하는 표준형 제어기이다.
도 3에서, vnacelle은 나셀의 속도이고, hc(s)는 회전자 속도 에러 신호(ωref)와 블레이드 피치 기준 신호(βref) 사이의 전달 함수이고, hp(s)는 블레이드 기준 신호(βref)와 윈드 터빈 회전자 속도(ωr) 사이의 전달 함수이고, Kd는 진동 제어기 이득이다.
일반적으로, 전달 함수는 변수(s)의 함수로서의 시스템 부품으로의 출력 및 입력의 라플라스 변환 사이의 비를 제공한다(여기서, s는 일반적으로 각주파수와 같은 공간 또는 시간 주파수에 관련됨).
전달 함수 hc(s)는 PI 제어기에 의해 제공될 수 있고, 이 경우에 이 전달 함수는 이하의 수학식으로서 표현될 수 있고,
Figure 112011050198425-pct00023
여기서, KI 및 KP는 각각 전술된 바와 같은 PI 제어기의 적분 및 비례 이득이고, 이하의 형태를 갖는데,
Figure 112011050198425-pct00024
Figure 112011050198425-pct00025
여기서, 항
Figure 112011050198425-pct00026
는 네거티브이고, 실제 블레이드 피치(θ0)에 따라 변한다.
제어기의 파라미터의 값은 요구 대역폭에 대한 제어 시스템의 통상의 조절에 의해 결정된다.
도 3의 신호 처리 블록은 통상적으로 특정 주파수 성분의 제거를 위한 소정의 적합한 필터링으로 이루어질 수 있다.
시스템의 나머지에 대해, 루프 전달 함수 h0(s)는
Figure 112011050198425-pct00027
로서 정의되고, 회전자의 회전 주파수에 대한 표현은
Figure 112011050198425-pct00028
로서 제공된다.
기준 신호를 따르는 제어 시스템의 능력의 척도는
Figure 112011050198425-pct00029
로서 제공되고, 요구 기준 신호와 척도 사이의 에러는
Figure 112011050198425-pct00030
로서 제공된다.
수학식 24 및 25를 주파수 도메인(즉, s=jω)에서 고려하면,
Figure 112011050198425-pct00031
Figure 112011050198425-pct00032
및
Figure 112011050198425-pct00033
Figure 112011050198425-pct00034
Figure 112011050198425-pct00035
및
Figure 112011050198425-pct00036
Figure 112011050198425-pct00037
Figure 112011050198425-pct00038
및
Figure 112011050198425-pct00039
Figure 112011050198425-pct00040
Figure 112011050198425-pct00041
및
Figure 112011050198425-pct00042
을 제공하고, 수학식 24 및 25를 수학식 23에 대입하면,
Figure 112011050198425-pct00043
을 제공한다.
제어기가 블레이드 피치 기준 신호를 만족스럽게 따를 수 있게 하기 위해, 제어기 전달 함수 hc(s)의 파라미터는 제어 시스템의 요구 대역폭 내에서
Figure 112011050198425-pct00044
이 되도록 조절되어야 한다. 따라서, 이는 N(s)가 시스템의 대역폭 내의 주파수를 갖는 hp(s)Kdvnacelle로부터의 응답을 억제할 수 있도록 제어 시스템의 대역폭 내의 낮은 절대값을 가질 수 있게 수학식 28 및 30을 따른다. 달리 말하면, 블레이드 피치 제어 시스템의 표준형 제어기 부분의 대역폭 내의 주파수에 대해, 능동 댐핑이 억제되고, 표준형 제어기 부분의 대역폭을 초과하거나 그 부근의 주파수를 갖는 진동에 대해 N(s)는 약 1의 절대값을 가질 수 있고 이들 진동은 능동적으로 댐핑될 수 있다.
전술된 바와 같이, 고정 베이스 윈드 터빈에서, 블레이드 피치 제어기의 제어 파라미터는 제어기의 표준형 부분의 대역폭이 구조적 굽힘 발진의 네거티브 댐핑을 방지하거나 최소화하기 위해 타워의 제1 굽힘 모드의 고유 주파수 미만에 놓이도록 조절된다. 게다가, 도 3에 도시되어 있는 것과 같은 진동 제어부는, 이들 진동이 제어기의 이 부분에 의해 억제되지 않는 주파수를 갖기 때문에 제1 굽힘 모드의 주파수를 갖는 진동에 대한 능동 포지티브 댐핑을 제공하도록 제공될 수 있다.
또한 전술된 바와 같이, 부유형 윈드 터빈은 대략 0.3 내지 1 Hz의 고유 주파수를 갖는 구조적 굽힘 진동을 또한 가질 수 있다. 그러나, 이들은 또한 대략 0.03 내지 0.04 Hz의 주파수를 갖는 강체 발진을 갖는다.
도 3의 제어 시스템이 부유형 윈드 터빈에 사용되고 블레이드 제어기 파라미터가 타워의 제1 구조적 굽힘 모드의 주파수에 따라 조정되면, 능동 댐핑 기여도 N(s)hp(s)Kdvnacelle은, N(s)의 절대값이 수학식 29에 따르면 제어 시스템의 표준형 부분의 대역폭의 외부의 주파수에 대해 매우 적은 위상 지연을 갖고 대략 1일 수 있기 때문에 고주파수 구조적 굽힘 진동의 포지티브 댐핑을 제공할 수 있다. 그러나, 대략 0.03 내지 0.04 Hz의 주파수를 갖는 피치에서 저주파수 강체 발진의 능동 댐핑에 대한 기여도는 열악할 수 있다. 이들 주파수는 제어 시스템의 표준형 제어기 부분의 대역폭 내에 있을 수 있고 N(s)의 절대값은 수학식 25에 따르면 낮을 수 있고, 따라서 이들 저주파수 진동의 임의의 능동 댐핑이 억제될 수 있다. 더욱이, 이들 주파수는 표준형 제어기의 대역폭 내에 있을 수 있고 따라서 피치의 지지 구조체의 저주파수 강체 발진이 네거티브 댐핑으로부터 손상을 겪을 수 있다.
일견, 부유형 윈드 터빈 설비에서 피치에서의 강체 발진의 네거티브 댐핑을 극복하기 위해 고정 베이스 윈드 터빈 설비에 사용되는 것과 유사한 접근법을 적용하는 것이 가능한 것으로 보일 수 있다. 따라서, 제어기 파라미터는 강체 발진에 따라 조절될 수 있어 구조체의 구조적 굽힘 진동 및 강체 발진의 모두의 네거티브 댐핑이 방지되거나 최소화될 수 있다(이들 움직임은 제어기의 표준형 부분의 대역폭의 외부에 놓일 수 있기 때문임). 더욱이, 도 3의 제어기의 진동 제어기 부분은 이어서, N(s)의 절대값이 수학식 29에 따르면 이들 주파수에 대한 매우 적은 위상 지연을 갖고 대략 1일 수 있기 때문에 강체 발진과 구조적 굽힘 진동의 모두에 대한 추가의 포지티브 댐핑을 제공할 수 있다.
그러나, 도 3의 제어기가 이 방식으로 조절되면, 이는 30초 미만의 기간을 갖는(즉, 0.03 Hz 초과의 주파수를 갖는) 풍속의 변화에 반응하지 않을 수 있는 매우 저속의 블레이드 피치 제어기를 유도할 수 있다. 이는 파워 생성, 샤프트 토크, 회전자 속도, 회전자 추력 등의 편차와 같은 주요 윈드 터빈 파라미터에 대한 수용 불가능한 성능을 초래할 것이다. 이는 특히 부유형 지지 구조체가 파도력에 응답하여 또한 이동할 수 있기 때문에 부유형 윈드 터빈 설비에 대해 해당될 수 있다. 따라서, 부유형 윈드 터빈의 수용 가능한 윈드 터빈 성능을 성취하기 위해, 단지 더 낮은 주파수에서만 작용하도록 도 3의 제어기의 표준형 부분을 간단히 조정하는 것이 충분하지 않다. 오히려, 윈드 터빈의 성능을 또한 손상하지 않고 네거티브 댐핑을 억제하고 또한 강체 발진의 능동 댐핑을 제공하는 것이 가능한 새로운 제어기가 요구된다.
본 발명의 발명자들은 복수의 블레이드를 갖는 회전자를 지지하는 타워를 포함하는 지지 구조체로 형성된 부유형 윈드 터빈 구조체용 블레이드 피치 제어기로서, 이 제어기는 표준형 블레이드 피치 제어 수단 및 능동 댐핑 수단을 포함하는 것인 블레이드 피치 제어기를 이미 개발하였다. 이 제어기는 WO 2007/053031호에 설명되어 있다.
본 발명의 목적은 윈드 터빈의 성능을 또한 손상하지 않고 네거티브 댐핑을 억제하고 또한 강체 발진의 능동 댐핑을 제공하는 것이 가능한 새로운 제어기를 제공하는 것이다.
본 발명은 복수의 블레이드를 갖는 회전자를 지지하는 지지 구조체를 포함하는 부유형 윈드 터빈 구조체용 블레이드 피치 제어기로서, 이 제어기는 표준형 블레이드 피치 제어 수단 및 능동 댐핑 수단을 포함하고, 이 표준형 블레이드 피치 제어 수단은 회전자 속도 에러와 블레이드 피치 사이의 전달 함수를 사용하여 블레이드 피치를 제어하도록 구성되고, 능동 댐핑 수단은 윈드 터빈 구조체 상의 지점의 속도에 기초하여 블레이드 피치를 더 제어하도록 구성되고, 능동 댐핑 수단은 윈드 터빈 구조체 상의 지점의 속도를 회전자 속도 에러로 변환하도록 구성되고, 표준형 블레이드 피치 제어 수단에 사용된 동일한 전달 함수가 회전자 속도 에러를 블레이드 피치에 대한 보정으로 변환하기 위해 능동 댐핑 수단에 사용되는 것인 블레이드 피치 제어기에 관한 것이다.
이러한 블레이드 피치 제어기에서, 회전자 속도 에러와 블레이드 피치 사이의 동일한 전달 함수가 2회 사용되기 때문에, 표준형 블레이드 피치 제어 수단 및 능동 댐핑 수단의 모두에서, 제어기의 파라미터는 타워의 제1 구조적 굽힘 모드에 따라 조절될 수 있지만(즉, 제어기의 대역폭이 감소될 필요가 없음), 능동 댐핑 기여도는 저주파수 강체 발진에 대해 억제되지 않을 수 있다. 이 방식으로, 저주파수 자유 강체 발진의 네거티브 댐핑이 최소화되거나 방지될 수 있고, 이들 발진의 포지티브 댐핑이 또한 제공되고, 윈드 터빈은 파워 생성, 샤프트 토크, 회전자 속도, 회전자 추력 등의 편차와 같은 주요 윈드 터빈 파라미터에 대한 수용 가능한 성능을 여전히 제공할 수 있다.
용어 "회전자 속도 에러"는 요구 및 실제 회전 속도 사이의 차이를 의미한다.
용어 "표준형 제어 수단"은 블레이드 피치가 회전자 속도에 기초하여 조정되는 전술된 표준형 제어 수단을 의미한다.
윈드 터빈 구조체 상의 지점의 속도는 예를 들어 그 지점의 피치 속도 또는 수평 속도일 수 있고, 지점은 예를 들어 타워 또는 나셀 상에 위치될 수 있다. 윈드 터빈 구조체 상의 지점의 속도는 임의의 적합한 수단에 의해 직접 측정되거나, 추측되거나, 계산되거나, 또는 추정될 수 있다. 본 발명은 특히 사용될 특정 지점을 필요로 하지 않고, 윈드 터빈 구조체 상의 소정 장소의 지점의 속도를 인지하는 것만을 필요로 한다. 바람직하게는, 지점은 윈드 터빈 구조체의 나셀 상에 위치된다.
제어기 파라미터의 요구된 값은 주어진 윈드 터빈 설비의 구조적 특성을 포함하는 다수의 팩터에 의존할 수 있다. 제어기 파라미터를 조절하기 위해, 제어기 파라미터의 초기값은 수학식 16 내지 18과 함께 지지 구조체의 고유 굽힘 주파수의 이론적인 또는 실제적인 지식에 기초할 수 있다. 연속적으로 모니터링된 윈드 터빈 응답에 기초하여, 수학식 20 및 21에서의 제어기 이득은 고유 주파수(ω0) 및 상대 댐핑(ζ)을 점진적으로 수정함으로써 변경될 수 있다.
바람직하게는, 제어기는 제어기 파라미터가 원격 작동에 의해 변경될 수 있도록 구성된다. 이는 제어기 파라미터가 변경이 용이한 것을 보장한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 능동 댐핑 수단은 피치에 기인하는 자유 강체 발진의 고유 주파수를 초과하는 주파수를 갖는 구조체 상의 지점의 속도의 변화를 필터링하기 위한 저역 통과 필터를 포함한다. 저역 통과 필터는 예를 들어 대략 0.04 또는 0.05 Hz를 초과하는 주파수를 갖는 구조체 상의 지점의 속도의 변화를 필터링할 수 있다. 바람직하게는, 이 필터는 2차 또는 3차 버터워스(Butterworth) 저역 통과 피터와 같은 샤프 필터(sharp filter)이다. 이러한 필터는 단지 요구 주파수를 갖는 발진만이 능동 댐핑되고 회전자 속도의 너무 많은 편차를 생성하지 않는 것을 보장한다.
바람직하게는, 능동 댐핑 수단은 윈드 터빈 구조체 상의 지점의 속도를 요구 회전자 속도로 변환하는 능동 댐핑 이득 수단을 포함한다.
바람직하게는, 능동 댐핑 이득 수단은 피치에서의 윈드 터빈 구조체의 강체 발진의 네거티브 댐핑을 감소시키거나 방지하도록 배열된다. 더 바람직하게는, 능동 댐핑 이득 수단은 피치에서의 윈드 터빈 구조체의 강체 발진의 순 포지티브 댐핑을 제공하도록 배열된다.
바람직하게는, 능동 댐핑 수단 및 표준형 블레이드 피치 제어 수단의 모두에 사용되는 전달 함수는 비례 적분(PI) 제어기에 의해 구현된다. 일 바람직한 실시예에서, 능동 댐핑 수단에 하나 및 표준형 블레이드 피치 제어 수단에 하나인 2개의 PI 제어기가 제공된다. 대안적으로, 능동 댐핑 수단 및 표준형 블레이드 피치 제어 수단의 모두에 의해 사용되는 단일의 PI 제어기가 제공된다. 능동 댐핑 수단 및 표준형 블레이드 피치 제어 수단의 모두에 의해 사용되는 단지 하나의 PI 제어기만을 갖는 이 대안적인 실시예는 약간 더 간단한 구조체를 갖는 제어기를 제공한다.
회전자 블레이드의 블레이드 피치는 모든 회전자 블레이드에 대해 집합적으로(즉, 동일한 양만큼) 조정될 수 있다. 이는 비교적 간단한 방식의 블레이드 피치의 조정을 제공한다.
대안으로서, 블레이드 피치는 각각의 회전자 블레이드에 대해 별도로 조정될 수 있다. 이러한 시스템에서, 블레이드는 예를 들어 바람 전단 프로파일 및 높이에 따른 풍속의 편차와 같은 팩터를 고려하기 위해 개별적으로 조정될 수도 있다.
게다가, 본 발명은 복수의 블레이드를 갖는 회전자를 지지하는 지지 구조체를 포함하는 부유형 윈드 터빈 구조체의 블레이드 피치를 제어하는 방법으로서, 이 방법은 회전자 속도 에러와 블레이드 피치 사이의 전달 함수의 출력에 기초하여 블레이드 피치를 조정하는 것과, 윈드 터빈 구조체 상의 지점의 속도에 기초하여 블레이드 피치를 더 조정하는 것을 포함하고, 윈드 터빈 구조체 상의 지점의 속도는 회전자 속도 에러로 변환되고, 이 회전자 속도 에러는 이어서 동일한 전달 함수를 사용하여 블레이드 피치로 변환되는 것인 블레이드 피치 제어 방법에 관한 것이다.
당업자에게 명백한 바와 같이, 전달 함수 또는 비례 적분 제어기는 일반적으로 소프트웨어의 형태로 제공될 수 있다. 따라서, 제어기는 이 소프트웨어를 실행하기 위한 프로세서를 포함한다. 프로세서는 예를 들어 마이크로프로세서일 수 있다.
본 발명은 또한, 복수의 블레이드를 갖는 회전자를 지지하는 지지 구조체와, 표준형 블레이드 피치 제어 수단 및 능동 댐핑 수단을 포함하는 제어기를 포함하는 윈드 터빈 구조체로서, 표준형 블레이드 피치 제어 수단은 회전자 속도 에러와 블레이드 피치 사이의 전달 함수를 사용하여 블레이드 피치를 제어하도록 구성되고, 능동 댐핑 수단은 윈드 터빈 구조체 상의 지점의 속도에 기초하여 블레이드 피치를 더 제어하도록 구성되고, 능동 댐핑 수단은 구조체 상의 지점의 속도를 회전자 속도 에러로 변환하도록 구성되고, 표준형 블레이드 피치 제어 수단에 사용되는 동일한 전달 함수가 회전자 속도 에러를 블레이드 피치에 대한 보정으로 변환하기 위해 능동 댐핑 수단에 사용되는 것인 윈드 터빈 구조체에 관한 것이다.
본 발명은 또한, 프로세서에 의해 실행될 때, 회전자 속도 에러와 블레이드 피치 사이의 전달 함수의 출력에 기초하여 블레이드 피치를 조정하고 윈드 터빈 구조체 상의 지점의 속도에 기초하여 블레이드 피치를 더 조정함으로써 복수의 블레이드를 갖는 회전자를 지지하는 지지 구조체를 포함하는 부유형 윈드 터빈 구조체의 블레이드 피치를 프로세서가 제어하게 하는 명령을 포함하는 소프트웨어 제품으로서, 윈드 터빈 구조체 상의 지점의 속도는 회전자 속도 에러로 변환되고, 이 회전자 속도 에러는 이어서 동일한 전달 함수를 사용하여 블레이드 피치로 변환되는 것인 소프트웨어 제품에 관한 것이다.
바람직하게는, 소프트웨어 제품은 물리적 데이터 캐리어이다.
본 발명은 또한, 프로세서에 의해 실행될 때, 회전자 속도 에러와 블레이드 피치 사이의 전달 함수의 출력에 기초하여 블레이드 피치를 조정하고 윈드 터빈 구조체 상의 지점의 속도에 기초하여 블레이드 피치를 더 조정함으로써 복수의 블레이드를 갖는 회전자를 지지하는 지지 구조체를 포함하는 부유형 윈드 터빈 구조체의 블레이드 피치를 프로세서가 제어하게 하는 데이터 캐리어 명령 상에 저장하는 것을 포함하는 물리적 캐리어의 형태인 소프트웨어 제품을 제조하는 방법으로서, 윈드 터빈 구조체 상의 지점의 속도는 회전자 속도 에러로 변환되고, 이 회전자 속도 에러는 이어서 동일한 전달 함수를 사용하여 블레이드 피치로 변환되는 것인 소프트웨어 제품 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명은 전달 함수의 견지에서 설명되어 있다. 그러나, 본 발명은 회전자 속도 에러로부터 블레이드 피치에 대한 보정을 결정하기 위해 이용될 수 있는 임의의 수단, 기능 또는 프로세스로 확장된다는 것이 이해될 수 있을 것이다.
전술된 바와 같이, 제어기의 능동 댐핑 수단은 피치에 기인하는 강체 진동의 고유 주파수를 초과하는 주파수를 갖는 구조체 상의 지점의 속도의 변화를 필터링하기 위한 저역 통과 필터를 포함할 수 있고, 필터는 2차 또는 3차 버터워스 저역 통과 필터이다. 이러한 필터는 요구 주파수가 능동적으로 댐핑되고 회전자 속도의 너무 많은 편차를 생성하지 않는 것을 보장한다. 2차 및 3차 버터워스 필터가 특히 본 출원에 양호하게 적합되는 것을 실현하는 것이 본 발명의 발명자들에게 명백한 단계는 아니었고, 따라서 본 발명은 또한 복수의 블레이드를 갖는 회전자를 지지하는 지지 구조체를 포함하는 부유형 윈드 터빈 구조체용 블레이드 피치 제어기에 관한 것으로서, 제어기는 표준형 블레이드 피치 제어 수단 및 능동 댐핑 수단을 포함하고, 표준형 블레이드 피치 제어 수단은 회전자 속도 에러와 블레이드 피치 사이의 전달 함수를 사용하여 블레이드 피치를 제어하도록 배열되고, 능동 댐핑 수단은 윈드 터빈 구조체 상의 지점의 속도에 기초하여 블레이드 피치를 더 제어하도록 배열되고, 능동 댐핑 수단은 피치에 기인하는 자유 강체 발진의 고유 주파수를 초과하는 주파수를 갖는 윈드 터빈 구조체 상의 지점의 수평 속도의 변화를 필터링하기 위한 저역 통과 2차 또는 3차 버터워스 필터를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예가 이제 첨부 도면을 참조하여 단지 예로서만 설명될 것이다.
본 발명에 따르면, 윈드 터빈의 성능을 또한 손상하지 않고 네거티브 댐핑을 억제하고 또한 강체 발진의 능동 댐핑을 제공하는 것이 가능한 새로운 제어기가 제공된다.
도 1은 통상의 블레이드 피치 제어 시스템을 사용하는 2.3 MW 부유형 윈드 터빈에 대한 풍속의 함수로서의 회전자 추력의 그래프.
도 2는 부유형 윈드 터빈 설비 내의 통상적인 발진의 파워 스펙트럼.
도 3은 고정 베이스 윈드 터빈을 위한 능동 댐핑을 갖는 블레이드 피치 제어 시스템의 개략적인 다이어그램.
도 4는 부유형 윈드 터빈을 위해 능동 댐핑을 갖는 블레이드 피치 제어 시스템의 개략적인 다이어그램.
도 5a 및 도 5b는 부유형 윈드 터빈용 2개의 대안적인 블레이드 피치 제어 시스템의 개략적인 다이어그램.
도 6은 통상의 제어기, 진동 제어를 갖는 고정 베이스 터빈용 제어기, 부유형 터빈용 능동 댐핑 제어기 및 단지 파도만을 비교하는 타워 상부 움직임의 시간 도메인 시뮬레이션의 그래프.
도 7은 통상의 제어기, 진동 제어를 갖는 고정 베이스 터빈용 제어기, 부유형 터빈용 능동 댐핑 제어기 및 단지 파도만을 비교하는 타워 상부 움직임의 주파수 응답의 시뮬레이션의 그래프.
도 8은 나셀 움직임을 위한 소정의 주요 데이터를 도시하고 있는 테이블.
도 9는 통상의 제어기, 진동 제어를 갖는 고정 베이스 터빈용 제어기, 부유형 터빈용 능동 댐핑 제어기 및 단지 파도만을 비교하는 타워 굽힘 모멘트(해저 상부로 17 m)에 대한 주파수 응답의 시뮬레이션의 그래프.
도 10은 타워 굽힘 모멘트(해양 바닥 상부로 17 m)에 대한 소정의 주요 데이터를 도시하고 있는 테이블.
도 11은 통상의 제어기, 진동 제어를 갖는 고정 베이스 터빈용 제어기, 부유형 터빈용 능동 댐핑 제어기 및 단지 파도만을 비교하는 회전자 추력의 시간 도메인 시뮬레이션의 그래프.
도 12는 회전자 추력에 대한 소정의 주요 데이터를 도시하고 있는 테이블.
도 13은 통상의 제어기, 진동 제어를 갖는 고정 베이스 터빈용 제어기 및 부유형 터빈용 능동 댐핑 제어기를 비교하는 회전자 속도 대 시간의 그래프.
도 14는 회전자 속도에 대한 소정의 주요 데이터를 도시하고 있는 테이블.
도 15는 통상의 제어기, 진동 제어를 갖는 고정 베이스 터빈용 제어기, 부유형 터빈용 능동 댐핑 제어기 및 단지 파도만을 비교하는 타워 상부 움직임의 시간 도메인 시뮬레이션의 그래프.
도 16은 파워 생성을 위한 소정의 주요 데이터를 도시하고 있는 테이블.
도 4는 부유형 윈드 터빈 설비를 위한 능동 댐핑을 갖는 블레이드 피치 제어 시스템의 개략적인 다이어그램을 도시하고 있다.
고정 베이스 윈드 터빈 내의 능동 댐핑 굽힘 진동을 위한 진동 제어를 수반하는 블레이드 피치 제어 시스템을 도시하고 있는 도 3과 비교하면, 도 4에 도시되어 있는 부유형 윈드 터빈용 블레이드 피치 제어 시스템은 전달 함수 hc(s)를 2회 사용한다.
도 4의 회전자의 각진동수(ωr)는
Figure 112011050198425-pct00045
로서 표현될 수 있다.
제어 파라미터가 타워의 제1 구조적 굽힘 모드에 따라 조정되면, 능동 댐핑 기여도[M(s)Kdvnacelle]는 수학식 26에 따르면 M(s)의 절대값이 대략 1의 절대값을 가질 수 있고 제어 시스템의 표준형 부분의 대역폭 이내의 주파수에 대해 매우 적은 위상 지연(phase lag)을 갖기 때문에 구조체의 저주파수 강체 발진의 능동 댐핑을 제공할 수 있다. 그러나, M(s)Kdvnacelle은 이들 진동이 제어 시스템의 대역폭 외에 있는 주파수를 갖고 수학식 27에 따르면 M(s)는 이러한 기여도를 억제하기 때문에 구조적 굽힘 모드 진동에 대해 열악할 수 있다. 그럼에도, 구조적 굽힘 모드 진동은 일반적으로 강체 발진보다 상당히 작기 때문에, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 구조적 굽힘 모드 진동의 포지티브 댐핑을 항상 제공할 필요가 있는 것은 아니다. 대안적으로, 도 4에 도시되어 있는 제어기는 마찬가지로 구조적 굽힘 모드 진동의 능동 댐핑을 제공하기 위해 도 3에 도시되어 있는 제어기의 능동 댐핑부[전달 함수 hc(s)를 사용하지 않음]를 또한 포함하도록 변형될 수 있다.
고정 베이스 윈드 터빈에 대한 도 3에 도시되어 있는 제어기와 부유형 윈드 터빈에 대한 도 4에 도시되어 있는 제어기 사이의 주요 차이점은 부유형 윈드 터빈을 위한 능동 댐핑 수단의 제어기 전달 함수 hc(s)의 포함이다.
도 3과 도 4를 비교하면, 이들 도면에서의 신호 처리 블록은 또한 상이한 제어기 구조체의 효과에 기인하여 그리고 처리되는 상이한 주파수에 기인하여 상이하다.
도 4에 도시되어 있는 부유형 터빈용 능동 댐핑 제어기의 신호 처리 블록은 파도 유도 움직임의 댐핑을 회피하기 위해 파도 주파수 범위(0.05 내지 0.2 Hz)보다 충분히 낮고 피치의 타워의 고유 주파수(0.03 내지 0.04 Hz)보다 충분히 높은 필터 주파수를 갖는 예리한 저역 통과 필터를 사용하고, 이는 주요 윈드 터빈 파라미터에 대해 열악한 성능을 유도할 수 있다. 달리 말하면, 필터 주파수는 대략 0.04 내지 0.05 Hz이다.
대조적으로, 도 3에 도시되어 있는 고정 베이스 윈드 터빈용 진동 제어기 내의 신호 처리 블록은 진동 제어기에 의해 사용되는 신호의 부분, 즉 파도보다 높은 주파수를 갖는 제1 타워 굽힘 모드 주위의 타워 움직임을 또한 필터링할 수 있기 때문에 이러한 저역 통과 필터를 갖지 않을 수 있다. 그러나, 고정 베이스 윈드 터빈 내의 진동 제어기에 대해 파도 유도 움직임을 고려할 필요가 없기 때문에 이러한 저역 통과 필터를 갖지 않는 것이 허용 가능하다.
도 3 및 도 4에 도시되어 있는 능동 댐핑 이득(Kd)의 값은 일반적으로 2개의 경우(고정 베이스 및 부유형)에 대해 상이할 수 있고, 이 파라미터에 대해 사용되는 정확한 값은 통상의 제어기 조정에 의해 발견된다.
본 발명의 블레이드 피치 제어기의 실시예가 도 5a에 도시되어 있다.
도 5a에서, 상부 박스는 능동 댐핑 수단을 포함하는데, 이는 그 입력으로서 그 피치 속도와 같은 나셀의 속도의 측정을 취하고, 신호 처리 및 저역 통과 필터 블록, 능동 댐핑 이득 및 PI 제어기를 포함한다.
저역 통과 필터는 피치 내에서의 타워의 자유로운 강체 발진(대략 0.03 내지 0.04 Hz)의 고유 주파수에 대응하는 주파수를 갖는 움직임을 통과시키고 파도 유도 움직임의 주파수(대략 0.05 내지 0.2 Hz)에 대응하는 주파수를 갖는 움직임을 정지시키는 샤프 필터이다. 2차 또는 3차 버터워스 저역 통과 필터가 이를 위한 2개의 적합한 옵션이다.
능동 댐핑 이득은 나셀의 수평 속도의 측정을 회전자 속도 에러로 변환한다.
PI 제어기는 회전자 속도 에러를 전달 함수 hc(s)에 기초하는 블레이드 피치에 대한 조정으로 변환한다.
부유형 윈드 터빈용 블레이드 피치 제어기의 대안적이지만 동등한 실시예가 도 5b에 도시되어 있다. 단지 도 5a 및 도 5b에 도시되어 있는 실시예 사이의 차이점은 도 5b에서 단지 하나의 PI 제어기만이 사용되지만 그 입력이 제어기의 표준형 부분과 능동 댐핑부의 모두로부터 도래함에 따라 결과가 2개의 PI 제어기가 도 5a에 도시되어 있는 실시예에서와 같이 사용되는 것과 동일하다는 것이다.
도 6 내지 도 16은 부유형 윈드 터빈 상에 사용될 때 이하의 제어기, 즉
- 능동 댐핑이 없는 표준형 블레이드 피치 제어기,
- 고정 베이스 윈드 터빈에 대한 구조적 굽힘 모드 진동의 능동 댐핑을 위한 진동 제어를 갖는 제어기, 및
- 부유형 윈드 터빈에 대한 강체 발진의 능동 댐핑 제어를 갖는 제어기
의 효과를 예시하는 소정의 시뮬레이션 결과를 도시하고 있다.
이들 경우는 또한 바람이 터빈 상에 작용하지 않고 임의의 움직임이 단지 파도력에만 기인하는(파도만) 경우와 비교된다.
시뮬레이션은 이하의 작동 조건, 즉 17 ms-1의 풍속, 10%의 난류 세기, 5 m의 유의 파고 및 12 s의 파도 스펙트럼의 특징 피크 주기를 갖고 수행되었다. 바람의 난류 세기는 풍속의 평균값에 대한 표준 편차의 비로서 정의된다.
부유형 윈드 터빈용 능동 댐핑 수단은 0.05 Hz의 저역 통과 필터 주파수, Kd=0.2의 능동 댐핑 이득 및 전달 함수 hc(s)를 포함하는 PI 제어기를 갖는 3차 버터워스 필터를 포함한다. 고정 베이스 윈드 터빈용 진동 제어 수단은 버터워스 필터 및 Kd=0.5의 능동 댐핑 이득을 포함한다. 모든 3개의 제어기가 폐쇄 제어 루프에서 동일한 PI 제어기에 사용되고, 이는 일정한 파워 출력을 제공하도록 설계된다. ω0 및 ζ의 값은 각각 0.6159 rad s-1 및 0.7이고, 이들은 제로 블레이드 피치에서 KP=2.8615 및 KI=1.7004를 제공한다.
양호한 제어기에서, 회전 속도, 파워 생성 및 회전자 추력과 같은 주요 윈드 터빈 파라미터의 작은 표준 편차를 갖는 것이 바람직하고, 회전자 속도 및 파워 생성의 평균값은 이들의 정격값과 일치해야 한다. 회전자 속도에 대해, 최대값은 초과되는 경우에 터빈이 정지되게 할 수 있는 제공된 한계 미만인 것이 또한 중요하다. 최대 허용된 회전자 속도는 이들 시뮬레이션에서 사용된 2.3 MW 터빈에 대해 대략 2.1 rad s-1이다.
도 6은 상기에 열거된 각각의 경우에 대한 시간의 함수로서의 윈드 터빈 타워의 상부의 움직임의 크기를 도시하고 있다. 도 8에 도시되어 있는 바와 같이, 타워 상부 움직임의 평균값은 3개의 제어기의 각각에 대해 비교 가능하다. 평균값은 주로 터빈 상의 평균 바람 추력에 의해 제어된다. 그러나, 이 진폭의 표준 편차는 능동 댐핑을 갖지 않는 부유형 윈드 터빈용 제어기가 사용될 때 상당히 작다.
도 7은 주파수의 함수로서 플롯팅된 타워 상부 움직임의 움직임 진폭의 제곱에 비례하는 스펙트럼을 도시하고 있다. 예측되는 바와 같이, 피치에서 부유형 윈드 터빈의 자유 강체 발진의 주파수(대략 0.03 내지 0.04 Hz의 주파수)에 대응하는 주파수를 갖는 타워 상부 움직임의 크기는 능동 댐핑을 갖지 않는 통상의 제어기가 사용될 때보다 능동 댐핑이 제어기에 포함될 때 상당히 더 작다. 요구되는 바와 같이 파도 주파수의 범위에서의 움직임은 제어기에 의해 영향을 받지 않는다는 것이 또한 관찰된다.
도 9는 상기에 열거된 4개의 경우의 각각에 대한 주파수의 함수로서 해저의 상부로 17 m의 타워 굽힘 모멘트를 도시하고 있다. 부유형 윈드 터빈용 제어기가 사용될 때 피치에서의 부유형 윈드 터빈의 강체 발진에 대응하는 주파수에서의 움직임을 위한 타워 상의 굽힘 모멘트의 크기는 통상의 제어기 또는 고정 베이스 윈드 터빈용 제어기가 사용될 때보다 상당히 작은데, 여기서 어떠한 능동 댐핑도 피치에서 부유형 윈드 터빈의 강체 발진에 대해 제공되지 않는다. 평균 및 표준 편차가 도 10에 제공되어 있다. 표준 편차는 능동 댐핑을 갖는 통상의 제어기 또는 고정 베이스 윈드 터빈용 제어기가 사용될 때보다 부유형 윈드 터빈용 제어기가 사용될 때 상당히 더 작다.
도 11은 상기에 열거된 3개의 제어기의 각각이 사용될 때 시간의 함수로서 회전자 추력을 도시하고 있다. 평균 및 표준 편차가 도 12에 제공되어 있다. 회전자 추력의 표준 편차는 부유형 윈드 터빈용 제어기가 사용될 때 약간 더 크다.
도 13은 상기에 열거된 3개의 제어기의 각각이 사용될 때 시간의 함수로서의 회전자 속도를 도시하고 있다. 평균 및 표준 편차가 도 14에 제공되어 있다. 회전자 속도의 표준 편차는 부유형 윈드 터빈용 제어기가 사용될 때 약간 더 크다. 더욱이, 최대 바람직한 회전자 속도는 어떠한 경우에도 초과되지 않는다는 것이 주목된다.
도 15는 상기에 열거된 3개의 제어기의 각각이 사용될 때, 시간의 함수로서 파워 생성을 도시하고 있다. 평균 및 표준 편차가 도 16에 제공되어 있다. 파워 생성의 표준 편차는 부유형 윈드 터빈용 제어기가 사용될 때 약간 더 크다.
시뮬레이션 결과로부터 전체적으로 이하의 점이 주목될 수 있다.
- 회전자 속도, 파워 생성 및 회전자 추력에 대한 성능은 진동 제어기가 부유형 윈드 터빈에 사용될 때보다 통상의 제어기가 사용될 때 약간 더 양호하고,
- 부유형 윈드 터빈에 대한(즉, 강체 움직임 제어에 대한) 능동 댐핑 제어기는 타워 움직임 및 타워 굽힘 모멘트에 대해 다른 제어기보다 상당히 더 양호한 성능을 제공하고,
- 부유형 윈드 터빈용 능동 댐핑 제어기를 사용하는 부유형 윈드 터빈의 움직임 특징은 단지 파도만 있는 경우와 매우 유사하고,
- 고정 베이스 윈드 터빈용 진동 제어기의 성능은 통상의 제어기의 성능과 매우 유사하고, 이는 상기에 제공된 이론적인 분석과 일치한다.
본 발명이 전달 함수를 사용하여 설명되어 있지만, 수반된 시스템의 임의의 다른 적합한 수학적 표현이 사용될 수 있다는 것이 주목되어야 한다. 더욱이, 전달 함수는 단지 일반적으로 선형 시스템을 위해 유효하지만, 당업자는 비선형 시스템(본 발명이 관련되는 것들과 같은)이 특정 작동점 주위에서 선형값을 갖는 전달 함수에 의해 표현될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (29)

  1. 복수의 블레이드를 갖는 회전자를 지지하는 지지 구조체를 포함하는 부유형 윈드 터빈 구조체용 블레이드 피치 제어기로서,
    표준형 블레이드 피치 제어 수단과,
    능동 댐핑 수단
    을 포함하고, 상기 표준형 블레이드 피치 제어 수단은 회전자 속도 에러와 블레이드 피치 사이의 전달 함수를 사용하여 블레이드 피치를 제어하도록 구성되고,
    상기 능동 댐핑 수단은, 상기 윈드 터빈 구조체 상의 지점의 속도를 회전자 속도 에러로 변환하고, 회전자 속도 에러를 블레이드 피치에 대한 보정으로 변환하기 위해 상기 표준형 블레이드 피치 제어 수단에 사용된 동일한 전달 함수를 사용함으로써, 상기 윈드 터빈 구조체 상의 지점의 속도에 기초하여 블레이드 피치를 추가적으로 제어하도록 구성되는 것인 블레이드 피치 제어기.
  2. 제1항에 있어서, 제어기 파라미터는 원격 작동에 의해 변경될 수 있는 것인 블레이드 피치 제어기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 능동 댐핑 수단은 저역 통과 필터(low pass filter)를 포함하는 것인 블레이드 피치 제어기.
  4. 제3항에 있어서, 상기 저역 통과 필터는 피치에서의 상기 윈드 터빈 구조체의 강체 발진의 고유 주파수를 초과하는 주파수를 갖는 상기 윈드 터빈 구조체 상의 지점의 속도의 변화를 필터링하도록 구성되는 것인 블레이드 피치 제어기.
  5. 제3항에 있어서, 상기 저역 통과 필터는 0.05 Hz를 초과하는 주파수를 갖는 상기 윈드 터빈 구조체 상의 지점의 속도의 변화를 필터링하도록 구성되는 것인 블레이드 피치 제어기.
  6. 제3항에 있어서, 상기 저역 통과 필터는 0.04 Hz를 초과하는 주파수를 갖는 상기 윈드 터빈 구조체 상의 지점의 속도의 변화를 필터링하도록 구성되는 것인 블레이드 피치 제어기.
  7. 제3항에 있어서, 상기 저역 통과 필터는 샤프 필터(sharp filter)인 것인 블레이드 피치 제어기.
  8. 제3항에 있어서, 상기 저역 통과 필터는 2차 또는 3차 버터워스 저역 통과 필터(Butterworth low pass filter)인 것인 블레이드 피치 제어기.
  9. 제1항에 있어서, 상기 능동 댐핑 수단은 상기 윈드 터빈 구조체 상의 지점의 속도를 회전자 속도 에러로 변환하는 능동 댐핑 이득 수단을 포함하는 것인 블레이드 피치 제어기.
  10. 제9항에 있어서, 상기 능동 댐핑 이득 수단은 피치에서의 상기 윈드 터빈 구조체의 강체 발진의 네거티브 댐핑을 감소시키거나 방지하도록 구성되는 것인 블레이드 피치 제어기.
  11. 제9항에 있어서, 상기 능동 댐핑 이득 수단은 피치에서의 상기 윈드 터빈 구조체의 강체 발진의 순(純) 포지티브 댐핑을 제공하도록 구성되는 것인 블레이드 피치 제어기.
  12. 제1항에 있어서, 상기 능동 댐핑 수단 및 상기 표준형 블레이드 피치 제어 수단 모두에 사용되는 전달 함수는 비례 적분 제어기의 형태로 구현되는 것인 블레이드 피치 제어기.
  13. 제11항에 있어서, 상기 블레이드 피치 제어기는 상기 능동 댐핑 수단에 하나, 상기 표준형 블레이드 피치 제어 수단에 하나인 2개의 비례 적분 제어기를 포함하는 것인 블레이드 피치 제어기.
  14. 제12항에 있어서, 상기 블레이드 피치 제어기는 상기 능동 댐핑 수단 및 상기 표준형 블레이드 피치 제어 수단의 모두에 의해 사용되도록 구성되는 비례 적분 제어기를 포함하는 것인 블레이드 피치 제어기.
  15. 제1항에 있어서, 상기 블레이드 피치는 각각의 회전자 블레이드에 대해 개별적으로 조정될 수 있는 것인 블레이드 피치 제어기.
  16. 복수의 블레이드를 갖는 회전자를 지지하는 지지 구조체를 포함하는 부유형 윈드 터빈 구조체의 블레이드 피치를 제어하는 방법으로서,
    회전자 속도 에러와 블레이드 피치 사이의 전달 함수의 출력에 기초하여 블레이드 피치를 조정하는 것과,
    상기 윈드 터빈 구조체 상의 지점의 수평 속도에 기초하여 블레이드 피치를 추가적으로 조정하는 것
    을 포함하고,
    상기 윈드 터빈 구조체 상의 지점의 속도는 회전자 속도 에러로 변환되고, 이 회전자 속도 에러는 이어서 동일한 전달 함수를 사용하여 블레이드 피치로 변환되는 것인 블레이드 피치 제어 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 블레이드 피치는 단지 특정값을 초과하는 주파수를 갖는 상기 윈드 터빈 구조체 상의 지점의 속도의 변화에 대해서만 추가적으로 조정되는 것인 블레이드 피치 제어 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 특정값은 피치에서의 윈드 터빈 구조체의 강체 발진의 고유 주파수를 초과하는 것인 블레이드 피치 제어 방법.
  19. 제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 특정값은 0.05 Hz인 것인 블레이드 피치 제어 방법.
  20. 제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 특정값은 0.04 Hz인 것인 블레이드 피치 제어 방법.
  21. 제17항에 있어서, 상기 윈드 터빈 구조체 상의 지점의 속도의 변화는 저역 통과 필터를 사용하여 필터링되는 것인 블레이드 피치 제어 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 저역 통과 필터는 2차 또는 3차 버터워스 저역 통과 필터인 것인 블레이드 피치 제어 방법.
  23. 제16항에 있어서, 상기 윈드 터빈 구조체 상의 지점의 속도는 능동 댐핑 이득 수단을 사용하여 회전자 속도 에러로 변환되는 것인 블레이드 피치 제어 방법.
  24. 제23항에 있어서, 상기 능동 댐핑 이득 수단은 피치에서의 상기 윈드 터빈 구조체의 강체 발진의 네거티브 댐핑을 감소시키거나 방지하도록 구성되는 것인 블레이드 피치 제어 방법.
  25. 제23항에 있어서, 상기 능동 댐핑 이득 수단은 피치에서의 상기 윈드 터빈 구조체의 강체 발진의 순 포지티브 댐핑을 제공하도록 구성되는 것인 블레이드 피치 제어 방법.
  26. 제16항에 있어서, 상기 블레이드 피치를 조정하는 것 및 상기 블레이드 피치를 추가적으로 조정하는 것 모두에 사용되는 전달 함수는 비례 적분 제어기의 형태로 구현되는 것인 블레이드 피치 제어 방법.
  27. 제1항에 따른 블레이드 피치 제어기를 포함하거나 제16항에 따라 제어되는 부유형 윈드 터빈 설비.
  28. 삭제
  29. 삭제
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