KR101846175B1 - 피치각 오프셋 신호를 결정하기 위한， 그리고 속력 방지 제어를 위해 풍력 터빈의 회전자의 회전자 주파수를 제어하기 위한 방법들 및 시스템들 - Google Patents
피치각 오프셋 신호를 결정하기 위한， 그리고 속력 방지 제어를 위해 풍력 터빈의 회전자의 회전자 주파수를 제어하기 위한 방법들 및 시스템들 Download PDFInfo
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Abstract
피치각 오프셋(pitch angle offset) 신호를 결정하기 위한, 그리고 속력 방지 제어를 위해 풍력 터빈(wind turbine)의 회전자의 회전자 주파수를 제어하기 위한 방법들 및 시스템(system)들
풍력 터빈의 회전자의 회전자 주파수를 제어하기 위해 피치각 오프셋 신호를 결정하고 적용하기 위한 방법이 설명되고, 상기 방법은: 회전자(221)의 운동을 나타내는 운동량을 획득하는 단계; 회전자가 임계(critical) 운동 구역(450) 내에 있는 동안의 시간 간격을 감소시키도록 회전자 주파수를 제어하기 위해, 회전자(221)에 장착된 회전자 블레이드(blade)(219)의 블레이드 피치각(β)을 조절하기 위해 사용되도록 피치각 오프셋 신호가 조정되도록, 운동량에 기초하여 피치각 오프셋 신호(439)를 결정하는 단계를 포함한다. 또한, 대응하는 시스템 및 회전자 주파수를 제어하기 위한 방법이 제공된다.
풍력 터빈의 회전자의 회전자 주파수를 제어하기 위해 피치각 오프셋 신호를 결정하고 적용하기 위한 방법이 설명되고, 상기 방법은: 회전자(221)의 운동을 나타내는 운동량을 획득하는 단계; 회전자가 임계(critical) 운동 구역(450) 내에 있는 동안의 시간 간격을 감소시키도록 회전자 주파수를 제어하기 위해, 회전자(221)에 장착된 회전자 블레이드(blade)(219)의 블레이드 피치각(β)을 조절하기 위해 사용되도록 피치각 오프셋 신호가 조정되도록, 운동량에 기초하여 피치각 오프셋 신호(439)를 결정하는 단계를 포함한다. 또한, 대응하는 시스템 및 회전자 주파수를 제어하기 위한 방법이 제공된다.
Description
본 발명은, 풍력 터빈(wind turbine)의 회전자의 회전자 주파수를 제어하기 위해 피치각 오프셋(pitch angle offset) 신호를 결정하기 위한 방법 및 시스템(system)과, 풍력 터빈의 회전자의 회전자 주파수를 제어하기 위한 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은, 회전자 주파수 또는 회전자 주파수의 고조파가 터빈의 발진 모드(oscillation mode)의 공진 주파수와 일치하는 것을 방지하기 위하여, 풍력 터빈의 회전자의 회전자 주파수를 제어하기 위해 피치각 오프셋 신호를 결정하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
US 4,700,081은 가변 속력 풍력 터빈을 위한 속력 방지 로직(logic)을 개시하고, 여기서 발전기 토크(generator torque)(또는 발전기 전력)는 풍속에 관하여 회전자 팁(rotor tip) 속력을 조종(maneuver)하도록 제어된다. 특히, 전력 그리드(power grid)로의 전력 흐름을 제어하기 위한, 그리고 그에 따라 발전기 토크를 제어하기 위해 AC 발전기 내의 에어 갭(air gap) 토크를 제어하기 위한 컨버터(converter)에 토크 명령 신호(또는 전력 기준(power reference))가 제공된다.
US 2009/0292397 A1은 풍력 터빈 내에서 타워 발진(tower oscillation)을 감쇠(damping)하기 위한 방법 및 장치를 개시하고, 여기서 회전자 회전 속력은 임계(critical) 회전자 속력이 방지되도록 제어된다. 특히, 전력 기준은, 회전 속력이 임계 윈도우(critical window)를 벗어나는 시점에 다시, 전력 기준 및 회전자 속력 양쪽 모두가 최적 곡선을 따르도록 증가된다.
그러나, 회전자 주파수를 제어하기 위한 종래의 방법이 충분히 정확하지 않을 수 있거나, 특정 조건들에서 동작하지 않을 수 있거나, 또는 심지어 (특히 저풍 조건들 동안 또는 단축(curtailment) 동안) 가능하지 않을 수 있다는 것이 관찰되었다.
상술된 문제점들 중 적어도 일부를 극복한, 풍력 터빈의 회전자의 회전자 주파수를 제어하기 위해 피치각 오프셋 신호를 결정하기 위한 방법 및 시스템과, 풍력 터빈의 회전자의 회전자 주파수를 제어하기 위한 방법에 대한 필요가 있을 수 있다. 특히, 풍력 터빈의 발진 모드의 공진 주파수와 회전자 주파수 또는 회전자 주파수의 고조파의 일치(coincidence)에 관한 문제점들을 감소시키는, 피치각 오프셋 신호를 결정하기 위한 방법 및 시스템과, 풍력 터빈의 회전자의 회전자 주파수를 제어하기 위한 방법에 대한 필요가 있을 수 있다.
이러한 필요는 독립항들에 따른 청구 대상에 의해 충족될 수 있다. 본 발명의 유용한 실시예들은 종속항들에 의해 설명된다.
가변-속력 풍력 터빈에 대한 속력 방지 제어를 위한 방법들 및 시스템들이 제공되고, 여기서 상기 방법들 및 시스템들은 풍력 터빈의 회전자 주파수를 제어하기 위해 피치각 오프셋 신호를 사용한다.
실시예에 따라, 풍력 터빈(특히, 풍력 터빈은, 풍력 터빈 타워, 상기 타워의 최상단에 장착된 나셀(nacelle), 상기 나셀 내에서 회전 가능하게 지지되는 회전자, 및 회전자의 회전시 전기 에너지(energy)를 발전시키기 위한 회전자 샤프트(shaft) 또는 (발전기) 샤프트에 기계적으로 결합된 발전기를 포함함)의 회전자(회전자는, 하나 이상의 회전자 블레이드(blade)들이 회전자의 회전 샤프트에 수직인 회전자 평면에서 연장되도록 상기 하나 이상의 회전자 블레이드들이 장착되는 회전 샤프트를 포함함)의 회전자 주파수(예컨대, 분당 회전수(RPM)로, 각속도로 측정되고, 회전자 주파수는 회전자 속력, 발전기 속력, 또는 발전기 주파수를 나타내거나 또는 표시하고, 발전기는 회전자에 기계적으로 결합되고, 회전자 및 발전기 사이에는 기어(gear)가 제공될 수 있거나, 또는 직접-구동 터빈에서와 같이 회전자 및 발전기 사이에 기어가 제공되지 않을 수 있음)를 제어하기 위한(특히 통제하거나, 조정하거나, 영향을 끼치거나, 그리고/또는 조절하기 위한) 피치각 오프셋 신호(특히 피치각 오프셋을 표시하는 신호, 특히 디폴트(default) 피치각 신호와 함께, 특히 피치각 오프셋 신호 및 디폴트 피치각 신호의 합인 총 피치각 신호의 계산을 허용하는 신호)를 결정하기 위한 방법이 제공되고, 상기 방법은 회전자(또는 회전자에 기계적으로 결합된 발전기 또는 회전자에 기계적으로 결합된 임의의 다른 컴포넌트(component))의 운동(motion)(특히 회전 속력 또는 회전 주파수를 표시하는 특히 회전)을 나타내는 (회전자 또는 회전자에 결합된 발전기의 회전 속력 또는 회전 주파수와 같은) 운동량(motion quantity)을 획득하는 단계(특히, 운동량을 측정하는 단계, 상기 측정된 운동량을, 운동량을 표시하는 전기 신호로 변환하는 단계 및/또는 상기 운동량을 표시하는 전기 신호를 수신하는 것을 전달하거나 또는 전달하는 단계를 포함함); 블레이드 피치각(또는 블레이드 피치각 또는 블레이드 피치각들 ― 회전자에 장착된 여러 블레이드들(예컨대, 세 개의 블레이드들)이 있을 수 있고, 집단적(동일한) 피치각 오프셋이 모든 블레이드들에 적용될 수 있으나, 블레이드들의 개별적인 피칭이 있을 수 있음 ―)을 조절(특히, 변경)하기 위해 사용되도록 피치각 오프셋 신호가 조정되도록(특히 적절하거나 또는 적합하게 되도록, 특히 계산되도록), (피치각 오프셋 신호가 운동량, 특히 회전자 주파수 또는 발전기 주파수에 따라 좌우되도록) 운동량에 기초하여, 피치각 오프셋 신호(특히, 회전자에 장착된 회전자 블레이드의 표준 또는 디폴트 피치각에 대한 원하는 피치각 오프셋을 표시하는 전기 신호)를 결정하는 단계(특히, 운동량을 프로세싱함으로써 도출하고, 계산하고, 획득하는 단계, 컴퓨터 프로그램(computer program)을 이용함으로써 계산하는 단계를 포함하고, 여기서 상기 결정하는 단계는 예컨대 전기 신호와 같은 형태로 피치각 오프셋 신호를 생성하는 단계를 특히 포함할 수 있음)를 포함하고, 이때, 블레이드 피치각은 회전량을 나타내고, 회전자 블레이드는 회전자의 회전 평면에 대하여 조절되거나 또는 회전되고, 블레이드 피치각이 회전의 평면 및 블레이드 단면 익현(chord) 사이의 각도로서 정의되고, 상이한 블레이드 피치각들은 블레이드의 길이방향 축을 중심으로 회전되는 블레이드의 상이한 방위들을 표시하고, 특히, 블레이드 피치각은 회전의 평면 및 블레이드 프로파일(profile)의 익현 사이의 각도로서 정의될 수 있고, 익현은 시간 간격(특히, 시간 범위 또는 다수의 시간 범위들의 합)을 감소시키기 위하여, (특히, 블레이드의 길이방향 축이 회전 샤프트에 수직이 되도록) 회전자 주파수(또는 발전기 주파수 또는 회전자 속력 또는 발전기 속력)를 제어하기 위한(특히, 통제하거나, 영향을 끼치거나, 조절하거나 또는 조정하는 것을 포함함) 회전자에 장착된 회전자 블레이드의 회전자 단면(에어포일(airfoil))의 리딩 에지(leading edge) 및 트레일링 에지(trailing edge)를 연결시키는 직선이고, 상기 시간 간격 동안에, 회전자는 임계 운동 구역 내에 있다(특히, 상기 임계 운동 구역 내에서, 특히, 회전자의 주파수 또는 회전자 주파수 또는 발전기 주파수가 터빈 진동 모드의 공진 주파수와 매치(match)될 때, 회전자 또는 발전기는 터빈, 특히 터빈 타워의 진동 모드를 여기(excite)시킬 수 있다).
특히, 타워 주파수와, 회전자 주파수 또는 회전자 주파수의 고조파(상기 회전자 주파수의 배수)가 일치한다면, 풍력 터빈 타워는 임계 공진 주파수에서 발진하는 것을 시작할 수 있다. 특히, 터빈(또는 터빈 타워)의 공진 발진 주파수가 회전자(또는 발전기) 주파수 또는 회전자(또는 발전기) 주파수의 두 배 또는 회전자(또는 발전기) 주파수의 세 배, 또는 회전자(또는 발전기) 주파수의 네 배 또는 회전자(또는 발전기) 주파수의 다섯 배 내지 열 배와 매치된다면, 터빈 발진의 여기(excitation)가 발생할 수 있다. 임계 주파수들은 특히 대부분, 회전자 주파수의 1x 또는 3x(또는 1x 2x 3x 그리고 그들의 고조파들)이다. 터빈의 발진의 이들 여기들은, 풍력 터빈의 컴포넌트들에 대한 기계적 스트레스(stress)를 유발할 수 있고, 본 발명의 실시예에 따라 방지된다.
종래에는, 증가된 진동 및 증가된 부하를 견디기에 충분히 강한 기계적 구성을 제공함으로써 문제점이 해결되었다. 그러나, 이는 값비싸고 비효율적일 수 있다. 또한, 회전자 속력이 임계 속력으로부터 떨어져 있도록 보장하는 소위 공진 속력 방지자(RSA: resonance speed avoider) 기능이 구현되었다. 이로써, 발전기 속력(또는 회전자 속력)이 임계 속력으로부터 떨어져 있도록 발전기 토크 또는 발전기 전력이 제어된다.
종래의 접근법들에서 특히, 전력 컨버터가 컷-아웃(cut-out)되거나 또는 (즉각적인 풍력 발전소(wind farm) 전력 요구사항들, 저잡음 요구사항들 등을 준수하는 저풍속 동작 때문에) 소량의 제한된 전력 출력을 전달하도록 터빈이 제어되는 경우 문제점들이 발생한다. 이들 경우들에서, 발전기 토크 또는 발전기 전력은, 공진 속력 방지 제어를 달성하기 위해 사용되지 않을 수 있다. 이들 제한들은 실시예에 따라 적어도 부분적으로 극복된다.
실시예에 따라, 운동량은 회전자(또는 회전자보다 더 빠르게 (직접-구동 터빈들에 대하여) 일 회, 또는 (기어를 가진(geared) 터빈들에 대하여) 10회 내지 200회 사이, 특히 90회 내지 120회 사이와 같이 수 회 회전할 수 있는 발전기)의 회전 주파수(또는 분당 회전수(RPM)로 측정되는 바와 같은 회전 속력)를 나타내고, 임계 운동 구역은 회전자(또는 발전기)의 회전 주파수(또는 회전 속력)의 임계 범위(특히, 제1 회전 주파수로부터, 상기 제1 회전 주파수보다 더 큰 제2 회전 주파수까지의 범위)이다. 다른 실시예들에서, 운동량은, 회전자의 회전 주파수와 관련된 양 또는 회전자의 회전 주파수로부터 계산될 수 있는 양을 나타낸다. 특히, 운동량은, 단순한 방식으로 측정될 수 있는 발전기(또는 회전자)의 회전 주파수(또는 회전 속력)를 나타낼 수 있다. 이로써, 운동량을 획득하는 것은 단순화될 수 있다.
실시예에 따라, 임계 범위는 회전자(또는 발전기)의 미리결정된(또는 추정된, 즉 온라인(online)으로 계산된) 임계 회전 주파수(또는 회전 속력) 주변의 범위이다. 특히, 타워 주파수 및 회전자 주파수(회전자 속력)가 일치하는 것을 방지하는 것이 의도되고, 타워 주파수는 파라미터(parameter)(미리결정된 값)에 의해 알려질 수 있으나, 또한 관찰된 타워 움직임에 기초하여 추정/온라인으로 계산될 수 있고, 따라서 상기 타워 주파수는 미리결정된 또는 추정된 값일 수 있다. 특히, 임계 범위는, 특정한 주파수 양만큼 감소된, 미리결정된 또는 추정된 임계 회전 주파수로부터 특정한 주파수 양만큼 증가된, 미리결정된 임계 회전 주파수까지 이를 수 있다. 임계 회전 주파수는, 터빈 또는 추정기의 모델(model), 특히 기계적 모델 또는 구조적 모델을 이용하여 그리고/또는 터빈 타워의 측정값들을 사용하여 알려질 수 있거나 또는 계산되거나 또는 추정될 수 있다. 특히, 임계 회전 주파수는, 피치각 오프셋 신호를 결정하기 위한 방법을 수행하는 동안 변하지 않을 수 있는 고정된 임계 회전 주파수일 수 있다.
실시예에 따라, 미리결정된 임계 회전 주파수는 터빈, 특히 터빈의 타워(특히, 타워에 연결된 매스(mass)들 또는 터빈 컴포넌트들이 고려됨)의 발진 모드(전체 터빈 또는 터빈의 적어도 일부분의 발진 또는 진동)의 공진 발진 주파수의 분수(fraction) 또는 정수배(예컨대, 상기 공진 발진 주파수의 1/3 또는 3)와 동일한(또는 적어도 대략 동일한) 주파수를 포함한다. 따라서, 임계 회전 주파수는 터빈, 특히 터빈의 타워의 기계적 발진 분석으로부터 도출 가능할 수 있다.
실시예에 따라, 피치각 오프셋 신호는, 조절된 회전자 블레이드 피치각(또는 실제 피치각 오프셋 신호 자체)이 미리결정된 임계 회전 주파수보다 더 큰 회전 주파수를 나타내는 운동량에 대해서보다, 미리결정된 임계 회전 주파수보다 더 낮은 회전 주파수를 나타내는 운동량에 대해서 더 크도록 생성된다. 특히, 회전자 블레이드는, 회전자가 미리결정된 임계 회전 주파수보다 더 낮은 주파수로 회전할 때, 회전자 블레이드 피치각이 제1 회전자 블레이드 피치각과 동일하고, 회전자가 미리결정된 임계 회전 주파수보다 더 큰 주파수로 회전할 때, 회전자 블레이드 피치각이 제2 회전자 블레이드 피치각과 동일하도록, 피치각 오프셋 신호를 이용하여 조절될 수 있고, 이때 제1 회전자 블레이드 피치각은 제2 회전자 블레이드 피치각보다 더 크다. 특히, 회전자의 회전 주파수가 미리결정된 임계 회전 주파수보다 더 낮은 값으로부터 미리결정된 임계 회전 주파수보다 더 큰 값까지 증가하는 반면에, 조절된 회전자 블레이드 피치각은 감소하고, 따라서 임계 회전 주파수를 신속하게 통과(ride through)하도록 회전자의 가속이 용이하게 된다(임계 회전 주파수를 갖는 회전자 또는 발전기의 시간 간격을 감소시킴). 이로써, 풍력 터빈의 컴포넌트들에 대한 손상들이 감소될 수 있다.
실시예에 따라, 피치각 오프셋 신호는, 임계 운동 구역의 적어도 일부분 내에서(또는 전체 임계 운동 구역 내에서), 회전자(또는 발전기)의 증가하는 회전 주파수에 따라서, 조절된 회전자 블레이드 피치각(또는 피치각 오프셋 신호 자체)이 임계 운동 구역 내에서 0도(degrees)보다 더 크도록(예컨대, 일반적으로, 회전자의 가속을 감소시킴), 그리고 특히 음의 기울기(-Δy/Δx)(상기 음의 기울기는 회전자 또는 발전기의 회전 주파수 또는 회전 속력에 관하여 상기 피치각 오프셋 신호의 도함수 또는 상기 조절된 회전자 블레이드 피치각의 도함수임)를 갖고서, 감소하도록(따라서, 회전자의 가속이 용이하게 됨) 생성된다(특히, 회전자의 회전 주파수에 대한 상기 조절된 회전자 블레이드 피치각의 추세(course) 또는 상기 피치각 오프셋 신호의 추세는 하나 이상의 선형 부분들을 포함할 수 있거나 또는 가변하는 만곡(curvature)을 갖는 곡선을 포함할 수 있다). 특히, 피치각 오프셋 신호는, 조절된 블레이드 피치각(또는 피치각 오프셋 신호 자체)이 미리결정된 임계 회전 주파수에서 음의 기울기를 갖도록 생성된다. 미리결정된 임계 회전 주파수에서 음의 기울기를 갖는 것은, 회전자의 가속이 예컨대 임계 미리결정된 임계 회전 주파수를 신속하게 통과하도록 유발할 수 있다. 이는, 증가하는 풍력 속력들과 같은 일부 조건들에 적용될 수 있고, 여기서 속력은 임계 구역을 신속하게 통과할 것이다(상기 임계 구역을 통과해 가속할 것이다). 그러나, 다른 경우들(감소하는 풍력 속력들)에 대하여, 속력은 임계 구역을 신속하게 통과할 수 있다(상기 임계 구역을 통과해 감속할 수 있다). 이로써, 터빈의 컴포넌트들에서의 손상들이 감소될 수 있다. 따라서, 터빈의 수명이 증가될 수 있다.
실시예에 따라, 피치각 오프셋 신호를 결정하는 단계는, 운동량을 임계 운동 구역에 관련시키는 단계를 포함한다(특히, 운동량과 임계 운동 구역을 비교하는 단계, 운동량과 임계 운동 구역의 차이를 형성하는 단계 또는 임계 운동 구역에 대하여 운동량을 프로세싱하는 단계를 포함한다). 특히, 임계 회전 주파수로부터 회전자의 회전 주파수의 도함수가 계산될 수 있다. 특히, 피치각 오프셋 신호를 결정하는 것은 계산된 도함수에 기초할 수 있다. 피치각 오프셋 신호를 결정하는 것은 운동량 및 임계 운동 구역에 기초할 수 있다.
특히, 임계 회전 주파수보다 훨씬 미만의 회전자 또는 발전기의 회전 주파수에서, 피치각 오프셋 신호는, 조절된 회전자 블레이드 피치각이 0으로부터 4° 내지 10° 사이와 같은 특정한 최대 피치각으로, 비-제한적인 예들을 나타내기 위해 특히 약 7°로 증가(ramp up)되도록 생성될 수 있다. 특히, 그 다음에, 피치각 오프셋 신호는, 미리결정된 임계 회전 주파수에서, 발전기의 회전 주파수가 증가함에 따라, 최대 값으로부터 3° 내지 7° 사이, 특히 4° 내지 5° 사이와 같은 중간 값으로 점진적으로 감소하도록 생성될 수 있고, 그리고 그 다음에 임계 회전 주파수 초과의 회전 주파수의 경우 이러한 중간 값으로부터 감소하여, 발전기의 임계 회전 주파수보다 약 50 RPM 더 큰 것과 같이 임계 회전 주파수를 훨씬 초과하는 주파수에서 0이 되도록 감소할 수 있다. 특히, 피치각 오프셋 신호의 추세 또는 조절된 회전자 블레이드 피치각의 추세의 형상은, 블레이드의 설계, 공기 밀도, 및 다른 동작 파라미터들에 따라 좌우될 수 있다.
실시예에 따라, 상기 방법은, 운동량이 명목(nominal) 회전자 주파수 미만의 회전자의 회전을 나타내는 동안 피치각 오프셋 신호를 결정하는 단계(그리고 또한 특히, 피치각 오프셋 신호를 생성하는 단계)를 더 포함한다. 이로써, 명목 회전자 주파수는 또한, 회전자가 정상 동작 상태에서 회전하도록 설계되거나 또는 구성되는 회전자 주파수를 나타내는 정격(rated) 회전자 주파수 또는 (평균) 최대 회전자 주파수로서 지칭될 수 있다. 풍력 터빈의 제어 시스템은 (높은 풍속들에 대하여) 회전자 속력을 명목 속력으로 유지하기 위해 노력할 수 있으나, 명목 속력은 실제로 곧(shortly) 초과될 것인데, 그 이유는 시스템이 명목 속력의 원하는 설정치(set point)와 비교할 때 (사소한) 오차들을 가질 수 있기 때문이다. 특히, 회전자의 명목 속력 또는 주파수는, 회전자(및/또는 회전자를 지지하는 기계적 컴포넌트들)가 약(또는 적어도) 20년 동안 존속되도록, 그리고/또는 회전자가 명목 속력으로(또는 명목 속력 미만으로) 동작될 때 음향 잡음 방출들이 특정 요구사항(specification)들을 충족시키도록 선택된 회전자의 속력일 수 있다.
특히, 명목 회전자 주파수는, 회전자, 발전기, 타워, 또는 풍력 터빈의 다른 부품들에 대한 기계적 손상을 방지하기 위하여, 연장된 시간 기간에 대하여 연속적인 동작 동안에 평균하여 초과되어서는 안되는 주파수일 수 있다. 특히, 정상 동작 조건들 동안, 터빈은, 명목 회전자 주파수로 회전자를 회전시키도록 되어 있고, 추가로, 명목 전기 전력을 유틸리티 그리드(utility grid)에 제공하도록 되어 있다. 특히, 명목 회전자 주파수는 명목 발전기 속력에 관련될 수 있고, 상기 명목 발전기 속력은 예시적 실시예에 따라 예컨대 1000 RPM 내지 1600 RPM 사이에 달할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 방법은, 운동량이 명목 회전자 주파수보다 더 낮은 미리결정된 한계치(threshold) 회전자 주파수 미만의 회전자의 회전을 나타내는 동안, 피치각 오프셋 신호를 결정하는 단계(그리고 또한 특히 피치각 오프셋 신호를 생성하는 단계를 더 포함하고, 한계치 회전자 주파수 미만에서, 터빈은 풍력 터빈에 결합된 유틸리티 그리드에 0 전기 에너지 또는 전기 전력을 공급하도록 되어 있다.
특히, 회전자가 미리결정된 임계치 회전자 주파수 미만의 주파수로 회전하는 동안, 회전하는 회전자에 의해 제공되는 기계적 에너지의 전기 에너지로의 변환은 있을 수 없는데, 그 이유는 발전기 및/또는 발전기에 결합된 컨버터가 디스에이블(disable)되기 때문이다. 특히, 디스에이블된 발전기 및/또는 컨버터의 이러한 상황에서, 회전자의 회전 주파수를 제어하기 위해 발전기 토크를 사용하는 것은 가능하지 않다. 따라서, 특히, 전기 에너지가 터빈에 의해 생산되지 않는 이러한 동작 상태에서, 회전자의 회전 속력은 유용하게도, 미리결정된 피치각 오프셋 신호를 고려하여 피치각을 조절함으로써 제어될 수 있다.
실시예에 따라, 피치각 오프셋 신호를 결정하는 것은 추가로, 하나 이상의 동작 파라미터들(예컨대, 안전-모드, 저-잡음 모드, 스타트-업(start-up) 모드 또는 어떤 다른 모드들과 같은 터빈의 모드에 따라 좌우됨), 특히 풍속, (바람 속 공기의) 공기 밀도, 및/또는 회전자 및/또는 발전기의 가속 신호에 기초한다. 이들 부가적인 동작 파라미터들을 고려하는 것은, 회전자의 회전자 주파수를 제어하기 위한 방법을 특히 향상시키기 위해 피치각 오프셋 신호를 결정하는 방법을 추가로 향상시킬 수 있다.
실시예에 따라, 풍력 터빈의 회전자의 회전자 주파수를 제어하기 위한 방법이 제공되고, 상기 방법은 전술된 실시예들 중 하나의 실시예에 따라 피치각 오프셋 신호를 결정하는 단계(그리고 특히 또한 피치각 오프셋 신호를 생성하는 단계); 및 상기 피치각 오프셋 신호에 기초하여, 회전자에 장착된 회전자 블레이드(또는 하나 이상의 추가의 회전자 블레이드들)의 피치각(블레이드 피치각은, 회전의 평면, 및 블레이드 단면 익현 또는 블레이드의 익현에 의해 정의되는 평면 사이의 각도로서 정의되고, 익현은 블레이드 단면(에어포일)의 리딩 에지 및 트레일링 에지를 연결시키는 직선임)을 조절하는(특히, 변경하거나, 기계적으로 터닝하거나, 또는 조정하는) 단계를 포함한다. 특히, 피치각 오프셋 신호는 디폴트 터빈 피치각 제어기에 의해 제공되는 디폴트 피치각 신호에 더해질 수 있다. 특히, 피치각 오프셋 신호는 디폴트 피치각 신호에 단순히 더해질 수 있다.
특히, 상기 방법은, 회전자 블레이드가 장착되는 회전자를 회전시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 회전자 주파수를 제어하기 위한 방법은, 운동량이 명목 회전자 주파수의 또는 명목 회전자 주파수 초과의 회전자의 회전을 나타내는 동안, 피치각 오프셋 신호를 이용하여 회전자에 장착된 회전자 블레이드의 피치각을 조절하는 단계를 디스에이블하는 단계를 더 포함한다. 특히, 회전자 또는 회전자의 회전 주파수가 명목 회전자 주파수에 있을 때, 그러나 풍력 터빈에 의해 출력되는 전기 전력이 명목 전력 미만인 경우, 회전 속력은, 발전기 및/또는 컨버터에 대하여 적절한 기준 신호를 설정함으로써 발전기의 토크 또는 전력을 제어함으로써 제어될 수 있다. 동작 조건들의 이러한 구역에서, 위에서 설명된 바와 같이 결정된 피치각 오프셋 신호에 따른 피치각의 조절은 요구되지 않을 수 있다.
특히, 회전자가 명목 주파수(또는 일시적으로 명목 주파수보다 조금 초과 또는 미만)로 회전될 때, 종래의 블레이드 피치 제어 방법이 회전자 속력을 명목 속력으로 유지하기 위해 적용될 수 있다. 그러나, 이러한 종래의 블레이드 피치 제어 방법은, 터빈의 공진 주파수와 일치하는, 회전자의 특정한 주파수를 방지하도록 조정되지는 않는다.
특히, 발전기 또는 회전자의 회전 주파수가 명목 회전 주파수에 있다면(또는 명목 회전 주파수 가까이 있다면) 그리고 또한 터빈으로부터 출력되는 전력이 명목 전력에 있다면, 종래의 제어 방법에 따르면 풍속의 증가에 따라 피치각이 증가될 수 있고, 예컨대 회전자(또는 발전기) 주파수를 명목 회전자(또는 발전기) 주파수에 유지하기 위하여 그리고 또한 전력을 명목 전력에 유지하기 위하여, 피치각은 풍속의 증가에 따라 증가한다. 특히, 이들 동작 조건들에 대하여, 발전기 주파수는, 터빈 또는 터빈 타워의 발진 모드의 여기가 발생할 수 없도록, 임계 회전 주파수를 상당히 초과할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 방법은, 회전자(또는 발전기)의 회전의 스타트-업(예컨대 500 RPM 미만의 발전기의 회전 주파수와 같이) 동안 회전자 블레이드의 피치각을 조절하는 단계를 디스에이블하는 단계를 더 포함한다. 특히, 스타트-업 동안, 불필요한 피치 동작 또는 피치 발진들을 도입하지 않기 위하여 피치 신호 오프셋을 포함하지 않는 것이 원해질 수 있다. 속력 방지 피치 신호 또는 피치각 오프셋 신호를 인에이블(enable)하는 것은, 예컨대, 상기 속력 방지 피치 신호 또는 피치각 오프셋 신호를 0 오프셋으로부터 최종 오프셋으로 천천히 증가(ramping)/스케일링(scaling)함으로써 점진적으로 수행될 수 있다.
피치각 오프셋 신호를 결정하기 위한 방법 또는 풍력 터빈의 회전자의 회전자 주파수를 제어하기 위한 방법에 대하여 (개별적으로 또는 임의의 조합으로) 개시되거나, 기재되거나, 설명되거나, 사용되거나 또는 활용되거나 또는 언급된 특징들이 또한, 피치각 오프셋 신호를 결정하기 위한 시스템 또는 풍력 터빈의 회전자의 회전자 주파수를 제어하기 위한 시스템에 대하여 적용되거나, 사용되거나 또는 활용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
실시예에 따라, 풍력 터빈의 회전자의 회전자 주파수를 제어하기 위해 피치각 오프셋 신호를 결정하기 위한 시스템이 제공되고, 상기 시스템은 회전자의 운동을 나타내는 운동량을 획득하기 위한 입력 단말; 상기 획득된 운동량에 기초하여, 피치각 오프셋 신호를 결정하기 위한 프로세싱 모듈(processing module); 및 출력 단말 ― 상기 피치각 오프셋 신호는, 회전자가 임계 운동 구역 내에 있는 동안의 시간 간격을 감소시키기 위하여, 회전자 주파수를 제어하기 위한, 회전자에 장착된 회전자 블레이드의 블레이드 피치각을 조절하기 위해 사용되도록 상기 출력 단말에 인가됨 ― 을 포함한다.
본 발명의 실시예들이 상이한 청구 대상들에 관하여 설명되었다는 것이 주의되어야 한다. 특히, 일부 실시예들이 방법 타입(type) 청구항들에 관하여 설명된 반면에, 다른 실시예예는 장치 타입 청구항들에 관하여 설명되었다. 그러나, 당업자는 위아래의 설명으로부터, 달리 통보되지 않는 한, 하나의 타입의 청구 대상에 속하는 특징들의 임의의 조합에 부가하여, 또한, 상이한 청구 대상들에 관련된 특징들 사이, 특히 방법 타입 청구항들의 특징들 및 장치 타입 청구항들의 특징들 사이의 임의의 조합이 본 명세서로 개시되는 것으로 간주된다는 것을 알 것이다.
본 발명의 위에서 정의된 양상들 및 추가의 양상들은 이후에 설명될 실시예의 예들로부터 명백하고, 실시예의 예들에 관하여 설명된다. 본 발명은 실시예의 예들에 관하여 아래에서 더욱 상세히 설명될 것이며, 그러나 본 발명이 상기 실시예의 예들로 제한되지는 않는다.
본 발명의 실시예들이 본 발명이 제한되지 않는 첨부된 도면들에 관하여 이제 설명된다.
도 1은 실시예에 따라 피치각 오프셋 신호를 결정하기 위한 시스템을 포함하는 풍력 터빈의 회전자의 회전자 주파수를 제어하기 위한 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 2는 블레이드의 길이방향 축을 따라서 볼 때 회전자 블레이드의 단면도를 도시하고, 상기 회전자 블레이드는 실시예에 따라 풍력 터빈의 회전자의 회전자 주파수를 제어하기 위한 방법에 따라 제어될 수 있다.
도 3은 발전기 속력 및 공진 발진 주파수를 도시하는 그래프(graph)를 도시한다.
도 4는 실시예에 따라 피치각 오프셋 신호를 결정하기 위한 방법에서 활용되는 피치각 오프셋 신호의 추세의 그래프를 도시한다.
도 5는 실시예에 따라 풍속의 함수로서 회전 속력 및 전력 출력을 제어하기 위해 풍력 터빈의 명목 동작에 대한 터빈의 다양한 파라미터들의 그래프들을 도시한다.
도 6은 실시예에 따라 피치 작동을 이용하여 회전 속력 방지 제어를 위한 방법의 성능을 보여주기 위한 그래프들을 도시한다.
도 2는 블레이드의 길이방향 축을 따라서 볼 때 회전자 블레이드의 단면도를 도시하고, 상기 회전자 블레이드는 실시예에 따라 풍력 터빈의 회전자의 회전자 주파수를 제어하기 위한 방법에 따라 제어될 수 있다.
도 3은 발전기 속력 및 공진 발진 주파수를 도시하는 그래프(graph)를 도시한다.
도 4는 실시예에 따라 피치각 오프셋 신호를 결정하기 위한 방법에서 활용되는 피치각 오프셋 신호의 추세의 그래프를 도시한다.
도 5는 실시예에 따라 풍속의 함수로서 회전 속력 및 전력 출력을 제어하기 위해 풍력 터빈의 명목 동작에 대한 터빈의 다양한 파라미터들의 그래프들을 도시한다.
도 6은 실시예에 따라 피치 작동을 이용하여 회전 속력 방지 제어를 위한 방법의 성능을 보여주기 위한 그래프들을 도시한다.
도면들 내의 실례(들)는 개략적인 형태로 있다. 상이한 도면들에서, 유사하거나 또는 동일한 요소들은 동일한 참조 부호들을 갖거나, 또는 첫 번째 자리에서만 대응하는 참조 부호들이 상이한 참조 부호들을 갖는다는 것이 주의된다.
도 1은 실시예에 따라 피치각 오프셋 신호를 결정하기 위한 시스템(100)을 포함하는 풍력 터빈(110)을 개략적인 형태로 도시한다. 특히, (속력 방지 제어를 위한 시스템으로서 또한 불리는) 시스템(100)은, 발전기 토크 또는 발전기 전력이 속력 방지 제어를 위해 사용될 수 없는 상황들에서 사용될 수 있다.
도 5는 각각 가로좌표 축(abscissa axis)으로 표시되는 풍속에 의존하는, 풍력 터빈의 동작 파라미터들을 도시하는 제1 그래프, 제2 그래프, 제3 그래프, 및 제4 그래프를 도시한다. 가로좌표로 표시된 풍속은 제1 구역(540), 제2 구역(542), 제3 구역(543), 및 제4 구역(544)으로 분리되거나 또는 그룹핑될(groupped) 수 있다. 또한, (도시되지 않은) 제5 구역이 더 높은 회전 속력들에 있을 수 있고, 여기서 전력 생산은, 고풍들에서 터빈에 부하를 너무 많이 주지 않기 위해 감소되거나 또는 중지된다.
풍력 터빈을 제어하는 것은 네 개의 구역들(540, 542, 543, 및 544)에서 상이할 수 있다. 특히, 제1 구역(540)에서, 적절한 발전기 토크를 제공함으로써 풍력 터빈의 회전자 속력을 제어하기 위해 풍력 터빈의 발전기가 사용될 수 없도록, 풍력 터빈의 발전기는 에너지를 생산하지 않는다(제3 그래프에 표시된 전력이 0이다).
제2 구역(542)에서, 발전기 속력이 도 5의 제1 그래프에 표시된 미리결정된 한계치 회전자 또는 발전기 주파수(545)를 초과할 때, 전력 생산이 시작되도록, 풍속은 충분히 크다. 실시예에 따라, 피치각 오프셋 신호를 결정하기 위한 방법 및 풍력 터빈의 회전자의 회전자 주파수를 제어하기 위한 방법은, 어느 구역 내에서 발전기 속력(도 5의 제1 그래프 참조)이 풍력 터빈의 발진 모드, 특히 풍력 터빈 타워의 발진 모드의 임계 공진 주파수와 매치하는지에 따라, 특히 제1 구역(540)에서 그리고 또한 제2 구역(542)에서 수행될 수 있다.
실시예에 따라, 회전자 블레이드 피치각은, 제1 구역(540) 및 제2 구역(542)에 걸치는 (도 5의 제2 그래프의) 울타리가 쳐진(hedged) 구역(546)에서 피치각 오프셋 신호를 결정하기 위한 방법을 이용하여 제어되고, 피치각은 예시적 피치각 범위에 따라 0° 내지 10° 사이의 범위 내에서 가변된다. 다른 실시예들에서, 피치각은 더 크거나 또는 더 작은 범위에서 가변될 수 있다.
풍속이 증가함에 따라, 발전기 속력 또는 발전기 주파수는 명목 발전기 주파수 또는 발전기 속력(547)에 도달할 것이고, 상기 명목 발전기 주파수 또는 발전기 속력(547)은 명목 발전기 속력, 정격 발전기 속력, 명목 발전기 주파수 또는 정격 발전기 주파수를 나타낼 수 있다. 부하들 및 음향 잡음 방출들을 감소시키기 위하여 회전 속력이 통상적으로 제한된다.
제3 구역(543)은, 발전기 주파수가 명목 발전기 주파수(547)에 있지만 출력 전력(도 5의 제3 다이어그램(diagram) 참조)이 정격 출력 전력(548) 미만인 구역으로서 정의될 수 있고, 실제로, 속력은 전력(또는 토크)을 이용하여 제어될 수 있다, 즉 전력 기준 또는 토크 기준이 속력 오차에 따라 설정될 수 있다.
이들 구역들에 관하여, 모든 터빈들이 이들 제어 구역들에 따라 반드시 제어될 필요는 없다는 것이 언급되어야 한다. 따라서, 상기 제공된 설명은, 본 발명이 제한되지 않는 풍력 터빈의 통상적인 동작을 나타낸다. 예컨대, 특정한 동작 구역에 따라, 세 개가 제외될 수 있거나, 또는 제어가 상이한 방식으로 수행될 수 있다.
실시예에 따라, 피치각 오프셋 신호를 결정하기 위한 방법 및/또는 풍력 터빈의 회전자의 회전자 주파수를 제어하기 위한 방법은 울타리가 쳐진 구역(546)에서, 즉 발전기 주파수가 명목 발전기 주파수(547) 미만인 경우 그리고 특히 발전기 주파수가 미리결정된 한계치 주파수(545) 미만인 경우에 대하여 수행된다.
따라서, 피치각 오프셋 신호를 결정하기 위한 방법 및 회전자의 회전자 주파수를 제어하기 위한 방법은 특히 저풍속 동작(도 5에서, 구역(540) 및/또는 구역(542))에 적용되고, 여기서 풍력 터빈은 컷-인(cut-in)되어 그로 인해 에너지를 생성하기 위한 충분한 바람을 기다리고 있다. 특히, 도 5의 제1 구역(540)에서, 풍력 터빈의 컨버터는 회전자 속력을 제어하는 데에 이용 가능하지 않다. 통상적으로, 컷-인 속력은 컷-아웃 속력보다 더 높아서(예컨대, 컷-인 속력은 800 RPM 내지 900 RPM 사이에 있을 수 있고, 컷-아웃 속력은 약 600 RPM에 이를 수 있다), 과도한 컷-인 및 컷-아웃 이벤트(event)들을 방지하기 위해 히스테리시스(hysteresis)를 사용하여 터빈이 동작하도록 한다.
도 5의 제2 다이어그램으로부터 보이는 바와 같이, 터빈은 구역(542 및 543)에서 고정된 피치각을 이용하여 통상적으로 동작하고, 상기 고정된 피치각은 상기 고정된 피치각이 공기역학(aero-dynamics)의 효율성을 최대화시키도록 선택된다. 통상적으로, 피치각은 이러한 구역 내에서 고정될 수 있거나 또는 몇 도 정도 변경될 수 있다.
실시예에 따라, 특정한 속력 기준을 추적할 제어기를 요구하거나 또는 제어를 위해 발전기 토크 또는 발전기 전력을 이용하지 않고도, 회전자 속력을 제어하는 것이 가능하도록, 피치각 오프셋 신호 또는 피치각 오프셋이 이러한 값에 부가된다. 이로써, 조절된 블레이드 피치각은 선이 그어진(hatched) 구역(546) 내에 놓일 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 속력 방지 시스템(100)(또는 공진 속력 방지자)은 풍력 터빈의 발전기의 회전 속력 또는 풍력 터빈(103)의 회전자의 회전 속력을 획득하기 위한 입력 단자(101)를 포함한다. 또한, 속력 방지 시스템(100)은, 추가 측정 신호들 또는 동작 파라미터들을 획득하기 위한 다른 입력 단자(105), 그리고 회전자 블레이드의 피치각을 보통 제어하는 종래의 제어기(109)로부터 동작 파라미터들을 획득하기 위한 여전히 다른 입력 단자(107)를 포함한다. 특히, 풍력 터빈(103)의 발전기 또는 회전자의 회전 주파수 또는 회전 속력은, 상기 회전 속력 또는 회전 주파수를 측정함으로써 획득된다.
풍력 터빈(103)의 발전기 또는 회전자의 회전 주파수에 기초하여, 속력 방지 시스템(100)은 피치각 오프셋 신호를 결정하고, 이러한 신호를 출력 단자(111)에 공급한다. 피치각 오프셋 신호는, 제어 라인(control line)(117)에서 총 피치각 신호(블레이드 피치 기준)를 도출하기 위해, 가산기(115)를 이용하여, 종래의 제어기(109)의 출력부(113)에 제공되는 디폴트 피치각 신호에 더해진다.
상기 총 피치각 신호는 풍력 터빈(103)에 공급되고, 상기 풍력 터빈(103)은, 예컨대, 풍력 터빈의 회전자의 회전자 주파수를 제어하기 위해 블레이드의 블레이드 피치각을 조절하기 위하여, 상기 총 피치각 신호에 따라 블레이드를 턴(turn)시키기 위한 작동기를 포함한다. 통상적으로, 각각의 블레이드는 작동기를 갖고, 회전자에 장착된 통상적으로 다수 개(세 개)의 블레이드들이 있다. 실시예에 따라, 속력 방지 시스템(100) 및 종래의 제어기(109)를 포함하는 풍력 터빈 제어기(112)가 제공되고, 풍력 터빈 제어기(112)는 풍력 터빈(103)으로부터 획득되는 측정 신호들(104)(측정 벡터(vector))에 기초하여, 제어 라인(117)에서 상기 총 피치각 신호를 생성한다.
도 2는 회전자 블레이드(219)의 길이방향 축을 따라서 볼 때와 같이 회전자 블레이드(219)의 단면(에어포일)을 개략적으로 도시한다. 수직 축(221)은 회전자의 회전자 축을 나타내고, 수평 축(223)은 회전의 평면 ― 상기 회전의 평면 내에서 회전자 블레이드(219)가 회전함 ― 내에 놓인다.
회전자 블레이드(219)는 상단 표면(225) 및 하단 표면(227)을 포함하고, 하단 표면(227)은 바람 방향(229)으로 퍼지는 바람을 마주한다. 블레이드 에어포일의 리딩 에지 및 트레일링 에지를 연결시키는 직선을 나타내는 소위 익현 라인(chord line)(239)이 정의 가능하다. 익현 라인(231)은 평면(232) 내에 놓인다. 회전 평면(223) 및 익현 평면(232) 사이의 각도(β)는, 회전자 블레이드(219)의 블레이드 피치각을 정의한다. 익현 평면(232)이 회전의 평면(223)과 일치할 때, 블레이드 피치각은 0이고, 익현 평면(232)이 시계반대방향으로 회전할 때, 블레이드 피치각은 0으로부터 양의 값들로 증가한다. 특히, 피치각을 증가시키는 것이 페더(feather)를 향하는 피칭(pitching)을 초래하는 반면에, 피치각을 감소시키는 것은 실속(失速, stall)을 향하는 피칭을 초래한다.
도 3은 그래프를 도시하며, 가로 좌표 상에 발전기 회전 속력이 표시되는 반면에, 세로 좌표 상에는 ㎐ 단위의 회전자 주파수가 표시된다. 이로써, 수평 라인(333)은 터빈의 타워 발진의 고정된 공진 주파수를 나타내고, 곡선 또는 라인(335)은 RPM 단위로 측정되는 발전기 속력에 대응하는 회전 주파수를 표시하며, 그리고 곡선(337)은 RPM 단위로 측정되는 발전기 속력의 세 배의 회전 주파수를 나타낸다. 발전기의 임계 회전 주파수(338)에서(이 예에서, 800 RPM에서), 곡선(337)은 수평 라인(333)과 교차하고, 이는 풍력 터빈 타워의 공진 주파수(곡선(333))가 회전자의 회전 주파수의 세 배(이 예에서, 3개의 블레이드들의 존재에 의해 유발됨)와 동일하다는 것을 표시한다.
실시예에 따라, 이들 두 개의 주파수들이 동일하거나 또는 매칭되는 동안의 시간 간격은, 예컨대 임계 주파수(임계 인터벌)를 신속하게 통과하도록 회전자 블레이드의 피치각을 조절함으로써, 풍력 터빈의 회전자의 회전자 주파수를 제어하기 위한 방법을 수행함으로써 감소된다.
도 4는, 자신의 가로 좌표 상에 발전기 속력, 또는 도 3에 도시된 임계 주파수(338)로부터의 주파수 오프셋 또는 속력 오프셋을 나타내고, 자신의 세로 좌표 상에 실시예에 따라 결정된 피치각 오프셋 신호로부터 도출된 피치각 오프셋을 나타내는 그래프를 도시한다. 가로 좌표의 값 0에서, 발전기 속력 또는 발전기 주파수는 도 3에 도시된 바와 같은 임계 주파수(338)와 동일하고, 이는 여기서 참조 부호 438로 표시된다. 피치각 오프셋(곡선(439))은 공진의 임계 주파수에서 떠나서 -70 RPM으로부터 +50 RPM까지의 범위 내에서 0보다 더 크다. 임계 주파수(438) 주위의 -70 RPM으로부터 -50 RPM까지의 구역 내에서, 피치각 오프셋(439)은 임계 회전 주파수에서 떨어져 -50 RPM에서 7°의 값에 도달하기 위해 급격히 증가한다. 임계 회전 주파수에 중심이 있는 -50 PRM으로부터 +50 RPM까지의 범위에 있는 임계 구역(450) 내에서, 피치각 오프셋(439)은 음의 기울기를 갖고서 감소한다. 특히, 피치각 오프셋은, 먼저, 선형 방식으로 -50 RPM으로부터 대략 +25 RPM까지 제1 음의 기울기로 감소하고, 그리고 그 다음에, 약 +25 RPM으로부터 +50 RPM까지 선형 방식으로 제2 음의 기울기로 감소하며, 상기 제2 음의 기울기는 상기 제1 음의 기울기보다 더 가파르다. 그러나, 이는 단지 일 예이다. 피치 오프셋 곡선은 하나의 기울기를 가질 수 있거나, 또는 몇몇 점들에서 또는 모든 점들에서 변화하는 기울기를 가질 수 있다.
임계 구역(450) 내에서 피치각 오프셋을 감소시킴으로써, 임계 회전 주파수를 신속하게 통과하기 위한 회전자의 가속 또는 감속이 용이하게 된다. 특히, 도면의 좌에서 우로 읽는다면(회전 속력들이 증가함), 회전자는 임계 구역 내에서 가속된다. 반대의 경우, 회전자는 감속할 것이다. 이로써, 풍력 터빈의 컴포넌트들 상에서의 부하들이 감소될 수 있다. 피치각 오프셋을 디폴트 피치각 신호에 더하는 것은, 특정한 속력 기준을 추적할 제어기를 요구하거나 또는 속력 방지 제어를 위해 발전기 토크 또는 발전기 전력을 이용하지 않고도, 회전자 속력을 제어하는 것을 가능하게 한다. 특히, 피치각 오프셋(439)은 도 1에 도시된 속력 방지 시스템(100)의 출력 단자(111)에 공급될 수 있다.
출력 단자(111)에 공급되는 신호가 또한 부가적인 파라미터들 또는 변수들에 따라 좌우될 수 있는 것은 선택적일 수 있다. 실시예에 따라, 피치각 오프셋 신호는 발전기 속력 또는 회전자 속력의 함수이다. 특히, 출력 단자(111)(도 1)에 공급되는 피치각 오프셋 신호(439)는, 피치각을 변경시킴으로써, 임계 속력 또는 임계 주파수에서 떨어져 상기 피치각 오프셋 신호(439)가 속력을 유지하도록 설계된다. 피치 오프셋이 공기역학 효율성을 최대화하는 피치각(최적 피치각으로 또한 표기됨)과 동일하거나 또는 더 큰 피치각 기준에 더해진다고 가정하면, 임계 구역(450)(임계 속력 주위의 바운드) 내의 피치각 오프셋 신호(439)(도 4 참조)의 음의 기울기는, 발전기 속력이 임계 속력을 신속히 통과하도록 한다.
일반적으로, 피치각 오프셋 신호 또는 피치 신호는, (임계 속력 또는 임계 주파수 주위의 인터벌인) 임계 구역(450) 내에서 음의 기울기를 가져야 한다. 신호(439)의 형상은 가변할 수 있다. 임계 구역(450) 내에서 음의 기울기를 갖기 위하여, 피치각 오프셋 신호는 0 오프셋으로부터 특정한 기울기로(예컨대, 발전기 속력 오프셋들에 대하여 -70 RPM 내지 -50 RPM까지 그 사이로) 증가될 필요가 있다. (피치각 오프셋 신호로서 또한 지칭되는) 속력 방지 피치 신호의 정확한 형상은 공기 밀도 및/또는 풍속과 같은 동작 파라미터들에 따라 좌우될 수 있다.
추가로, 속력 방지 피치 신호 또는 피치각 오프셋 신호는 터빈 상태 또는 가속 측정들과 같은 다른 신호들의 함수로서 (잠깐) 인에이블될 수 있다. 터빈이 스타트-업 상태에 있다면, 터빈 상태의 적용은 피치 신호 오프셋을 디스에이블하는 것일 수 있고, 여기서 불필요한 피치 동작을 도입하는 것을 방지하기 위해 피치 신호 오프셋을 포함시키지 않는 것이 원해질 수 있다. 속력 방지 피치 신호 또는 피치각 오프셋 신호(곡선)를 인에이블하는 것은, 예컨대 상기 속력 방지 피치 신호 또는 피치각 오프셋 신호를 0 오프셋(곡선)으로부터 최종 오프셋(곡선)으로 증가/스케일링시키는 것을 나타냄으로써 점진적으로 이루어질 수 있다. 도 6은, 실시예에 따라 피치 작동을 이용하거나 또는 회전자 속력을 제어하는 속력 방지 제어를 위한 방법의 적용의 시뮬레이션(simulation)들의 두 개의 그래프들을 도시한다. 도 6의 제1 그래프는 자신의 가로 좌표 상에 발전기 속력을 도시하고, 자신의 세로 좌표 상에 대응하는 발전기 속력의 빈도수를 도시한다. 이로써, 참조 부호 650로 표시된 막대들이 피치각 오프셋 신호를 이용한 회전 속력의 제어가 인에이블될 때의 빈도수들을 표시하는 반면에, 참조 부호 652로 표시된 막대들은 속력 방지 기능이 디스에이블될 때의 빈도수들을 표시한다. 볼 수 있는 바와 같이, 속력 방지 기능이 인에이블될 때, (예기서 대략 600 RPM 주위의) 임계 발전기 속력의 빈도수들이 감소될 수 있다.
도 6의 제2 그래프는 자신의 가로 좌표 상에 시간을 도시하고 자신의 세로 좌표 상에 발전기 속력을 도시한다. 이로써, 참조 부호 654로 표시된 곡선이 속력 방지 기능이 인에이블될 때 발전기 속력을 표시하는 반면에, 참조 부호 656으로 표시된 곡선은 속력 방지 기능이 디스에이블될 때 발전기 속력을 표시한다. 도 6의 제2 그래프로부터 볼 수 있는 바와 같이, 곡선(656)보다 더 긴 시간 간격 동안, 곡선(654)은 임계 발전기 속력, 즉 600 RPM 아래에 놓인다. 따라서, 피치각 오프셋 신호를 디폴트 피치각 신호에 더하는 것은, 600 RPM의 임계 주파수를 방지하는 효율적인 방식이다.
특히, 회전자 주파수를 제어하는 방법은 풍력 터빈의 부하들을 감소시킬 수 있고, 이는 속력 방지를 중요한 특징으로 만든다.
또한, 임계 주파수를 회피하기 위하여, (피치각을 제어하는 제어기에 대하여 세트포인트 될) 속력 기준을 변경시키기 위한 일부 논리가 대안적으로 사용될 수 있다.
용어 "포함하는"이 다른 요소들 또는 단계들을 배제하지 않으며 단수가 복수를 배제하지 않는다는 것이 주의되어야 한다. 또한, 상이한 실시예들과 연관되어 설명된 요소들이 결합될 수 있다. 또한, 청구항들 내의 참조 부호들이 청구항들의 범위를 제한하는 것으로서 해석되어서는 안된다는 것이 주의되어야 한다.
Claims (19)
- 풍력 터빈(wind turbine)의 회전자의 회전자 주파수를 제어하기 위해 피치각 오프셋(pitch angle offset) 신호를 결정하기 위한 방법으로서,
회전자(221)의 운동을 나타내는 운동량을 획득하는 단계;
상기 운동량에 기초하여 피치각 오프셋 신호(439)를 결정하는 단계 ― 이에 의해, 상기 피치각 오프셋 신호는, 상기 회전자가 임계(critical) 운동 구역(450) 내에서 보내는 시간 간격을 감소시키도록 회전자 주파수를 제어하기 위해, 상기 회전자(221)에 장착된 회전자 블레이드(blade)(219)의 블레이드 피치각(β)을 조절하기 위해 사용되도록 조정됨 ―
를 포함하는,
풍력 터빈의 회전자의 회전자 주파수를 제어하기 위해 피치각 오프셋 신호를 결정하기 위한 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 운동량은 상기 회전자의 회전 주파수를 나타내고,
상기 임계 운동 구역은 상기 회전자의 상기 회전 주파수의 임계 범위인,
풍력 터빈의 회전자의 회전자 주파수를 제어하기 위해 피치각 오프셋 신호를 결정하기 위한 방법. - 제 2 항에 있어서,
상기 임계 범위는 상기 회전자(221)의 미리결정된 또는 추정된 임계 회전 주파수(338) 주위의 범위인,
풍력 터빈의 회전자의 회전자 주파수를 제어하기 위해 피치각 오프셋 신호를 결정하기 위한 방법. - 제 3 항에 있어서,
상기 미리결정된 또는 추정된 임계 회전 주파수는 상기 터빈의 발진 모드(oscillation mode)의 공진 발진 주파수(333)의 분수(fraction)와 동일하거나 또는 정수배와 동일한 주파수를 포함하는,
풍력 터빈의 회전자의 회전자 주파수를 제어하기 위해 피치각 오프셋 신호를 결정하기 위한 방법. - 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
상기 피치각 오프셋 신호는, 상기 미리결정된 임계 회전 주파수(338, 438)보다 더 큰 회전 주파수를 나타내는 운동량에 대해서보다, 상기 미리결정된 임계 회전 주파수(338, 438)보다 더 낮은 회전 주파수를 나타내는 운동량에 대해서 상기 조절된 회전자 블레이드 피치각이 더 크도록 생성되는,
풍력 터빈의 회전자의 회전자 주파수를 제어하기 위해 피치각 오프셋 신호를 결정하기 위한 방법. - 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
상기 피치각 오프셋 신호는, 상기 조절된 회전자 블레이드 피치각(β)이, 상기 임계 운동 구역(450)의 적어도 일부분에서, 상기 회전자의 회전 주파수가 증가함에 따라 감소하도록 생성되는,
풍력 터빈의 회전자의 회전자 주파수를 제어하기 위해 피치각 오프셋 신호를 결정하기 위한 방법. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 피치각 오프셋 신호를 결정하는 단계는 상기 운동량 및 상기 임계 운동 구역(450)에 기초하는,
풍력 터빈의 회전자의 회전자 주파수를 제어하기 위해 피치각 오프셋 신호를 결정하기 위한 방법. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 운동량이 명목 회전자 주파수(547) 미만의 상기 회전자의 회전을 나타내는 동안, 상기 피치각 오프셋 신호를 결정하는 단계
를 더 포함하는,
풍력 터빈의 회전자의 회전자 주파수를 제어하기 위해 피치각 오프셋 신호를 결정하기 위한 방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 운동량이 상기 명목 회전자 주파수(547)보다 더 낮은 미리결정된 한계치 회전자 주파수(545) 미만의 상기 회전자의 회전을 나타내는 동안, 상기 피치각 오프셋 신호를 결정하는 단계
를 더 포함하고,
상기 한계치 회전자 주파수 미만에서, 상기 터빈은 0 전기 전력을 유틸리티 그리드(utility grid)에 공급하도록 되어 있는,
풍력 터빈의 회전자의 회전자 주파수를 제어하기 위해 피치각 오프셋 신호를 결정하기 위한 방법. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 피치각 오프셋 신호를 결정하는 단계는 하나 이상의 동작 파라미터(parameter)들, 및/또는 제어기 상태에 추가로 기초하는,
풍력 터빈의 회전자의 회전자 주파수를 제어하기 위해 피치각 오프셋 신호를 결정하기 위한 방법. - 풍력 터빈의 회전자의 회전자 주파수를 제어하기 위한 방법으로서,
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따라 피치각 오프셋 신호를 결정하는 단계; 및
상기 피치각 오프셋 신호(439)에 기초하여, 상기 회전자(221)에 장착된 상기 회전자 블레이드(219)의 상기 피치각(β)을 조절하는 단계
를 포함하는,
풍력 터빈의 회전자의 회전자 주파수를 제어하기 위한 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 운동량이 명목 회전자 주파수(547)에서의 또는 상기 명목 회전자 주파수 초과의 상기 회전자의 회전을 나타내는 동안, 상기 피치각 오프셋 신호에 기초하여 상기 회전자에 장착된 상기 회전자 블레이드의 상기 피치각을 조절하는 단계를 디스에이블(disable)하는 단계
를 더 포함하는,
풍력 터빈의 회전자의 회전자 주파수를 제어하기 위한 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 회전자의 상기 회전의 스타트-업(start-up) 동안 상기 회전자 블레이드의 상기 피치각을 조절하는 단계를 디스에이블하는 단계
를 더 포함하는,
풍력 터빈의 회전자의 회전자 주파수를 제어하기 위한 방법. - 풍력 터빈의 회전자의 회전자 주파수를 제어하기 위해 피치각 오프셋 신호를 결정하기 위한 시스템(system)(100)으로서,
회전자의 운동을 나타내는 운동량을 획득하기 위한 입력 단자(101);
상기 획득된 운동량에 기초하여, 피치각 오프셋 신호를 결정하기 위한 프로세싱 모듈(processing module); 및
상기 피치각 오프셋 신호가 인가되는 출력 단자(111) ― 상기 피치각 오프셋 신호는, 상기 회전자가 임계 운동 구역 내에서 보내는 시간 간격을 감소시키도록 회전자 주파수를 제어하기 위해, 상기 회전자에 장착된 회전자 블레이드의 블레이드 피치각을 조절하기 위해 사용되도록 인가됨 ―
를 포함하는,
풍력 터빈의 회전자의 회전자 주파수를 제어하기 위해 피치각 오프셋 신호를 결정하기 위한 시스템(100). - 제 4 항에 있어서,
상기 미리결정된 또는 추정된 임계 회전 주파수는 상기 터빈의 타워(tower)의 발진 모드의 상기 공진 발진 주파수(333)의 분수와 동일하거나 또는 정수배와 동일한 주파수를 포함하는,
풍력 터빈의 회전자의 회전자 주파수를 제어하기 위해 피치각 오프셋 신호를 결정하기 위한 방법. - 제 6 항에 있어서,
상기 피치각 오프셋 신호는, 상기 조절된 회전자 블레이드 피치각(β)이 임상기 계 운동 구역 내에서, 상기 회전자의 회전 주파수가 증가함에 따라 음의 기울기(-Δy/Δx)를 가지며 감소하도록 생성되는,
풍력 터빈의 회전자의 회전자 주파수를 제어하기 위해 피치각 오프셋 신호를 결정하기 위한 방법. - 제 6 항에 있어서,
상기 피치각 오프셋 신호는, 상기 조절된 블레이드 피치각(β)이 상기 미리결정된 임계 회전 주파수에서 음의 기울기(-Δy/Δx)를 갖도록 생성되는,
풍력 터빈의 회전자의 회전자 주파수를 제어하기 위해 피치각 오프셋 신호를 결정하기 위한 방법. - 제 7 항에 있어서,
상기 임계 운동 구역을 결정하는 것은 상기 회전자의 임계 회전 주파수에 기초하는,
풍력 터빈의 회전자의 회전자 주파수를 제어하기 위해 피치각 오프셋 신호를 결정하기 위한 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 하나 이상의 동작 파라미터들은 풍속 및/또는 공기 밀도, 및/또는 상기 회전자 및/또는 발전기의 가속 신호인,
풍력 터빈의 회전자의 회전자 주파수를 제어하기 위해 피치각 오프셋 신호를 결정하기 위한 방법.
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