KR102052289B1 - 풍력 터빈의 등가 하중을 검출하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
풍력 터빈의 등가 하중을 검출하기 위한 방법 및 장치가 제공된다. 방법은: 각각의 검출 기간에서 풍력 단지 내의 다수의 풍력 터빈의 각각의 풍력 터빈에 관한 환경 데이터를 검출하는 단계; 그리고 각각의 검출 기간에서, 다수의 풍력 터빈 내의 하나 이상의 교정 풍력 터빈의 하중을 검출하고, 검출된 하중에 기초하여 교정 풍력 터빈의 등가 하중을 계산하며, 그리고 하중 평가 모델을 사용하여 각각의 풍력 터빈의 검출된 환경 데이터에 기초하여 각각의 풍력 터빈의 등가 하중을 결정하는 단계를 포함하고, 하중 평가 모델은 환경 데이터와 풍력 터빈의 등가 하중 사이의 관계를 나타내고, 그리고 하중 평가 모델이 각각의 검출 기간에서 적용되기 전에, 하중 평가 모델의 매개변수가 현재 검출 기간에서의 계산된 등가 하중 및 이전의 검출 기간에서의 하중 평가 모델을 사용하여 결정된 교정 풍력 터빈의 등가 하중에 기초하여 교정된다.
Description
본 개시 내용은 풍력 발전 분야, 특히 풍력 터빈의 등가 하중을 검출하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
일종의 청정 및 재생 가능한 에너지로서, 풍력 에너지는 점점 더 관심을 받고 있으며, 설치된 용량이 계속 증가되고 있다. 풍력 발전 기술에서의 지속적인 개발로, 풍력 터빈의 피로 수명의 평가가 또한 계속적으로 관심을 받고 있다. 풍력 터빈의 피로 수명을 평가하기 위해서, 풍력 터빈 상의 등가 하중을 획득할 필요가 있다.
일반적으로, 등가 하중 검출을 위해서, 원래의 하중 데이터를 획득하기 위해 풍력 터빈에 대해 센서를 배치할 필요가 있고, 등가 하중은 원래의 하중 데이터에 기초하여 계산된다. 실제로, 이러한 기술에서, 센서는 각각의 풍력 터빈에 대해서 배열될 필요가 있고, 이는 고비용을 초래한다. 또는, 많은 양의 검출 데이터 및 등가 하중을 미리 포함하는 데이터베이스를 구축함으로써, 등가 하중은, 검출된 데이터와 합치되는 등가 하중에 대한 데이터베이스를 탐색함으로써 결정될 수 있다. 그러나, 그러한 기술은 낮은 검출 정확도를 갖는다.
본 개시 내용은 풍력 터빈의 등가 하중을 검출하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 개시 내용의 양태에 따라, 풍력 터빈의 등가 하중을 검출하기 위한 방법이 제공된다. 그러한 방법은: 각각의 검출 기간에서 풍력 단지(wind farm) 내의 다수의 풍력 터빈의 각각의 풍력 터빈에 관한 환경 데이터를 검출하는 단계; 다수의 풍력 터빈 내의 교정 풍력 터빈(calibration wind turbine)의 하중을 검출하고 각각의 검출 기간에서의 검출된 하중에 기초하여 교정 풍력 터빈의 등가 하중을 계산하는 단계; 및 각각의 검출 기간에서 하중 평가 모델을 사용하여 각각의 풍력 터빈의 검출된 환경 데이터에 기초하여 각각의 풍력 터빈의 등가 하중을 결정하는 단계를 포함하고, 하중 평가 모델은 환경 데이터와 각각의 풍력 터빈의 등가 하중 사이의 관계를 나타내고, 하중 평가 모델이 각각의 검출 기간에서 적용되기 전에, 하중 평가 모델의 매개변수가 현재 검출 기간에서의 교정 풍력 터빈의 계산된 등가 하중 및 이전의 검출 기간에서의 하중 평가 모델을 사용하여 결정된 교정 풍력 터빈의 등가 하중에 기초하여 교정된다.
본 개시 내용의 다른 양태에 따라, 풍력 터빈의 등가 하중을 검출하기 위한 장치가 제공된다. 그러한 장치는: 각각의 검출 기간에서 풍력 단지 내의 다수의 풍력 터빈의 각각의 풍력 터빈에 관한 환경 데이터를 검출하도록 구성된 제1 검출 유닛; 다수의 풍력 터빈 내의 교정 풍력 터빈의 하중을 검출하도록 그리고 각각의 검출 기간에서 검출 하중에 기초하여 교정 풍력 터빈의 등가 하중을 계산하도록 구성된, 제2 검출 유닛; 및 각각의 검출 기간에서의 하중 평가 모델을 사용하여 각각의 풍력 터빈의 검출된 환경 데이터에 기초하여 각각의 풍력 터빈의 등가 하중을 결정하도록 구성된 평가 유닛을 포함하고, 하중 평가 모델은 환경 데이터와 각각의 풍력 터빈의 등가 하중 사이의 관계를 나타내고, 하중 평가 모델이 각각의 검출 기간에서 적용되기 전에, 평가 유닛은 현재 검출 기간에서의 교정 풍력 터빈의 계산된 등가 하중 및 이전의 검출 기간에서의 하중 평가 모델을 사용하여 결정된 교정 풍력 터빈의 등가 하중에 기초하여 하중 평가 모델의 매개변수를 교정한다.
본 개시 내용의 다른 양태에 따라, 풍력 터빈의 피로 수명을 평가하기 위한 방법이 제공된다. 그러한 방법은: 전술한 풍력 터빈의 등가 하중을 검출하기 위한 방법에 기초하여 풍력 터빈의 등가 하중을 검출하는 단계; 및 검출된 등가 하중에 기초하여 풍력 터빈의 피로 수명을 평가하는 단계를 포함한다.
본 개시 내용의 다른 양태에 따라, 풍력 터빈의 피로 수명을 평가하기 위한 기기(apparatus)가 제공된다. 그러한 기기는: 풍력 터빈의 등가 하중을 검출하도록 구성된, 전술한 풍력 터빈의 등가 하중을 검출하기 위한 장치; 및 장치에 의해서 검출된 등가 하중에 기초하여 풍력 터빈의 피로 수명을 평가하도록 구성된, 예측 유닛을 포함한다.
본 개시 내용의 다른 양태에 따라, 컴퓨터-판독 가능 매체가 제공된다. 저장 매체는 그 내부에 저장된 컴퓨터 프로그램을 가지며, 컴퓨터 프로그램은, 실행될 때, 방법을 실시한다.
본 개시 내용의 실시예에서의 기술적 해결책을 보다 명확하게 설명하기 위해서, 실시예에 관한 설명에서 이용된 도면을 이하에서 간략히 소개한다.
도 1은 하나의 검출 기간에서 실행되는 본 개시 내용의 실시예에 따른 풍력 터빈의 등가 하중을 검출하기 위한 방법의 프로세스의 흐름도이다.
도 2는 본 개시 내용의 실시예에 따른 풍력 터빈의 유효 난류 세기를 검출하기 위한 방법의 흐름도이다.
도 3은 본 개시 내용의 실시예에 따른 주변 난류를 검출하기 위한 방법의 흐름도이다.
도 4는 본 개시 내용의 실시예에 따른 풍력 터빈의 등가 하중을 검출하기 위한 장치의 블록도이다.
도 1은 하나의 검출 기간에서 실행되는 본 개시 내용의 실시예에 따른 풍력 터빈의 등가 하중을 검출하기 위한 방법의 프로세스의 흐름도이다.
도 2는 본 개시 내용의 실시예에 따른 풍력 터빈의 유효 난류 세기를 검출하기 위한 방법의 흐름도이다.
도 3은 본 개시 내용의 실시예에 따른 주변 난류를 검출하기 위한 방법의 흐름도이다.
도 4는 본 개시 내용의 실시예에 따른 풍력 터빈의 등가 하중을 검출하기 위한 장치의 블록도이다.
하나의 검출 기간에서 실행되는 본 개시 내용의 실시예에 따른 풍력 터빈의 등가 하중을 검출하기 위한 방법의 프로세스의 흐름도인 도 1을 참조한다.
단계(S110)에서, 풍력 단지 내의 다수의 풍력 터빈의 각각의 풍력 터빈에 관한 환경 데이터가 검출된다. 풍력 터빈의 하중에 영향을 미치는 다양한 종류의 환경 데이터가 채택될 수 있다. 본 개시 내용의 바람직한 실시예에서, 임의의 풍력 터빈에 관한 환경 데이터가 유효 난류 세기 및 풍력 단지 영향 정보 중 적어도 하나를 포함한다. 본 개시 내용에서, 유효 난류 세기는 임의의 풍력 터빈의 임펠러가 직접적으로 경험하는 난류 세기를 나타내고, 풍력 단지 영향 정보는 풍력 단지에 의한 임의의 풍력 터빈에 대한 영향 인자를 나타낸다. 본 개시 내용의 바람직한 실시예에서 제공된 환경 데이터로, 보다 정확한 검출이 달성될 수 있다.
단계(S120)에서, 다수의 풍력 터빈 내의 교정 풍력 터빈의 하중이 검출되고, 그리고 검출된 하중에 기초하여 교정 풍력 터빈의 (손상 등가 하중, 등가 피로 하중 등으로도 지칭되는) 등가 하중이 계산된다.
실시예에서, 풍력 단지 내의 풍력 터빈의 일부(예를 들어, 하나 이상)는 이하에서 설명되는 하중 평가 모델의 매개변수를 교정하기 위한 교정 풍력 터빈으로서 결정될 수 있다.
예를 들어, 교정 풍력 터빈의 하중은 교정 풍력 터빈의 하중 전달 경로 내의 일부 중요 구성요소 상에 배열된 센서를 통해서 검출될 수 있다. 또한, 교정 풍력 터빈의 일부 중요 구성요소의 하중의 시뮬레이션 결과가 교정 풍력 터빈의 하중으로서 결정될 수 있다. 이러한 구현예는 단지 설명을 위한 것이고, 교정 풍력 터빈의 하중은 다양한 기술에 기초하여 검출될 수 있다. 교정 풍력 터빈의 하중이 검출된 후에, 교정 풍력 터빈의 등가 하중이 검출 하중에 기초하여 계산될 수 있다.
단계(S130)에서, 각각의 풍력 터빈의 등가 하중은 하중 평가 모델을 사용하여 각각의 풍력 터빈의 검출된 환경 데이터에 기초하여 결정된다. 하중 평가 모델은 환경 데이터와 각각의 풍력 터빈의 등가 하중 사이의 관계를 나타낸다. 환경 데이터를 하중 평가 모델에 대한 입력으로 취하는 것에 의해서, 하중 평가 모델은 그러한 입력에 기초하여 등가 하중을 출력할 수 있다.
하중 평가 모델은, 피팅(fitting), 회귀 분석, 기계 학습, 자가-적응 필터 또는 기타와 같은, 변수들 사이의 상호관계를 구축하기 위한 다양한 기술에 기초하여 미리 구축될 수 있다.
본 개시 내용에서 채택된 유효 난류 세기 및 풍력 단지 영향 정보에서, 바람직하게, 유효 난류 세기 및 풍력 단지 영향 정보가 채택되는 경우에 더 높은 정확도를 획득하기 위해, 하중 평가 모델이 순환최소자승(recursive least square)(RLS) 자가-적응 필터에 기초하여 구축된다. 자가-적응 필터가 적용되는 경우에, 하중 평가 모델은 자가-적응 필터 내의 매개변수 가변 필터(가변 필터)에 상응한다.
하중 평가 모델을 사용하여 각각의 풍력 터빈의 등가 하중을 결정하기 전에, 하중 평가 모델의 매개변수는 현재의 검출 기간에서 단계(S120)에서 계산된 교정 풍력 터빈의 등가 하중 및 이전 검출 기간에서 단계(S130)에서 하중 평가 모델을 사용하여 결정된 교정 풍력 터빈의 등가 하중에 기초하여 교정된다. 예는 이하를 포함한다: 회귀 분석이 채택되는 경우에, 회귀 계수가 교정되고; 그리고 자가-적응 필터가 채택되는 경우에, 매개변수 가변 필터의 매개변수가 교정된다.
실시예에서, 현재의 검출 기간에서 단계(S120)에서 계산된 교정 풍력 터빈의 등가 하중이 기준으로서 취해질 수 있고, 이전 검출 기간에서 단계(S130)에서 하중 평가 모델을 사용하여 결정된 교정 풍력 터빈의 등가 하중은, 하중 평가 모델의 매개변수를 교정하기 위한, 피드백으로서 취해질 수 있다.
하중 평가 모델을 구축하기 위해서 자가-적응 필터를 적용하는 경우에, 하중 평가 모델의 매개변수는, 현재의 검출 기간에서 계산된 교정 풍력 터빈의 등가 하중과 이전 검출 기간에서 하중 평가 모델을 사용하여 결정된 교정 풍력 터빈의 등가 하중 사이의 차이에 기초하여, 상응하는 자가-적응 알고리즘을 사용하여(예를 들어, 순환최소자승 자가-적응 필터를 채택하는 경우에, 순환최소자승 방법을 사용하여) 교정될 수 있다.
또한, 제1 검출 기간 동안, 이전 검출 기간에서 하중 평가 모델을 사용하여 결정된 교정 풍력 터빈의 등가 하중이 없기 때문에, 하중 평가 모델의 매개변수가 교정될 수 없을 것이다. 또한, 제1 검출 기간에서 하중 평가 모델을 사용하여 결정된 교정 풍력 터빈의 등가 하중을 채택하여, 이전 검출 기간에서 하중 평가 모델을 사용하여 결정된 교정 풍력 터빈의 등가 하중을 대체할 수 있다.
본 개시 내용에 따른 풍력 터빈의 등가 하중을 검출하기 위한 방법에 기초하여, 각각의 풍력 터빈을 위한 센서를 배열시킬 필요가 없고, 그에 따라 각각의 풍력 터빈을 위해서 센서를 배열하는 것에 의해서 유발되는 비용을 낮춘다. 또한, 풍력 단지 내의 풍력 터빈의 일부가 교정 풍력 터빈으로서 취해진다. 이러한 방식으로, 반복적인 검출이 진행됨에 따라, 하중 평가 모델이 연속적으로 조정되고 최적화되며, 불확실성이 감소되고, 검출 정확도가 높아지며, 그리고 검출된 등가 하중은 단순히 센서를 이용하는 것에 의해서 획득된 등가 하중에 접근된다.
도 1에 도시된 단계(S120) 및 단계(S130)를 실시하는 순서는 본 실시예에서 제한되지 않는다. 단계(S120) 및 단계(S130)는 동시에 또는 연속적으로 실시될 수 있다.
유효 난류 세기를 검출하는 실시예는 도 2를 참조하여 이하에서 설명된다.
도 2는 본 개시 내용의 실시예에 따른 임의의 풍력 터빈의 유효 난류 세기를 검출하기 위한 방법의 흐름도이다.
단계(S210)에서, 주변 풍속 하에서의 임의의 풍력 터빈의 추력 계수 및 주변 난류는 주변 풍속에 기초하여 계산된다.
이러한 경우에, 주변 풍속은 각각의 기간에서 검출될 필요가 있다. 주변 풍속은 풍력 터빈에 의해서 영향을 받지 않는 주변 바람의 풍속이다(예를 들어, 이는 바람이 풍력 단지 내로 진입하기 전의 바람의 풍속에 의해서 표현될 수 있다). 예로서, 주변 풍속은 풍력 단지의 풍속계 타워를 통해서 획득될 수 있다.
주변 풍속에 상응하는 추력 계수가 통상적인 기술에 기초하여 계산될 수 있다.
실시예에서, 주변 난류는 주변 풍속의 표준 편차 대 주변 풍속의 평균 값의 비율일 수 있다. 다른 실시예에서, 주변 난류는, 이하에서 더 구체적으로 설명되는, 주변 풍속, 주변 풍향, 및 풍력 단지의 주변 환경의 역사적인 기상 데이터에 기초하여 획득된다. 또한, 주변 난류는 또한, 본원에서 설명되지 않은, 통상적인 기술에 따라 계산될 수 있다.
단계(S220)에서, 주위의 풍력 터빈의 항적(wake)에 의해서 유발된 난류의 세기가, 계산된 추력 계수, 주변 풍속, 및 임의의 풍력 터빈과 주위 풍력 터빈 사이의 거리에 기초하여 계산된다.
풍력 터빈의 항적에 의해서 유발된 난류의 세기는 다양한 통상적인 항적 모델(예를 들어, Frandsen Model)에 기초하여 계산될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 주위 풍력 터빈은, 임의의 풍력 터빈으로부터 최소 거리를 가지는, 임의의 풍력 터빈의 주변 바람의 맞바람 방향에 위치된 풍력 터빈들 중의, 풍력 터빈이거나, 임의의 풍력 터빈의 주변 바람의 맞바람 방향의 섹터 내에 위치된 다수의 풍력 터빈이다. 이러한 경우에, 풍력 터빈의 주변 바람의 맞바람 방향을 결정하기 위해서, 주변 풍향이 각각의 기간에서 검출될 필요가 있다. 주변 풍향은 풍력 터빈에 의해서 영향을 받지 않는 주변 바람의 풍향이다(예를 들어, 이는 바람이 풍력 단지 내로 진입하기 전의 바람의 풍향에 의해서 표현될 수 있다). 예로서, 주변 풍향은 풍력 단지의 풍속계 타워를 통해서 획득될 수 있다.
단계(S230)에서, 유효 난류 세기는 단계(S210)에서 계산된 주변 난류 및 단계(S220)에서 계산된 난류의 세기를 합성함으로써 생성된다.
유효 난류 세기를 생성하기 위해서, 합성 및 중첩이 주변 난류 및 난류의 세기에 대해서 실시될 수 있고, 합성 또는 중첩은 주변 난류 및 난류의 세기의 각각의 영향을 반영한다. 예를 들어, 유효 난류 세기는, 본 발명을 제한하지 않는, 주변 난류 및 난류의 계산된 세기의 제곱의 합, 제곱의 합의 제곱근, 절대값의 합 등일 수 있다.
풍력 단지 영향 정보를 검출하는 실시예를 이하에서 구체적으로 설명한다.
본 개시 내용의 실시예에서, 풍력 단지 영향 정보는 항적 중첩 정도 및 항적 중첩 수 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
실시예에서, 항적 중첩 수는 임의의 풍력 터빈의 항적에 영향을 미치는 다른 풍력 터빈의 수를 나타낸다. 바람직하게, 항적 중첩 수는 임의의 풍력 터빈의 주변 바람의 맞바람 방향에 위치되는 다른 풍력 터빈의 수를 나타낸다.
항적 중첩 정도는 다른 풍력 터빈의 항적이 임의의 풍력 터빈에 미치는 영향의 정도를 나타낸다. 바람직하게, 그러한 영향은 주변 풍향의 각도 대 임의의 풍력 터빈의 주변 바람의 맞바람 방향에 위치된 다른 풍력 터빈의 항적의 확산 각도의 합의 비율에 의해서 표시될 수 있다. 본 개시 내용은 전술한 설명으로 제한되지 않고, 다른 풍력 터빈의 항적이 임의의 풍력 터빈에 미치는 영향의 정도를 반영할 수 있는 임의의 다른 매개변수가 또한 채택될 수 있다.
부가적으로, 항적 중첩 정도 및 항적 중첩 수는 풍력 단지 내의 다른 풍력 터빈의 영향을 더 고려하는 것에 의해서 조정될 수 있다. 구체적으로, 조절 계수가 항적 중첩 정도(예를 들어, 비율)에 적용될 수 있다(예를 들어, 항적 중첩 계수와 조절 계수의 곱). 그리고 정규화(normalization)가 항적 중첩 수에 대해서 실시될 수 있다. 즉, 조정된 항적 중첩 정도는 조절 계수를 항적 중첩 정도(예를 들어, 비율)에 적용한 결과이고, 조정된 항적 중첩 수는 항적 중첩 수에 대한 정규화 실시의 결과이다.
실시예에서, 조절 계수는 제1 거리 대 제2 거리의 비율이다. 제1 거리는 임의의 풍력 터빈과 임의의 풍력 터빈의 주변 바람의 맞바람 방향에 위치되는 다른 풍력 터빈 사이의 거리 중 최소 거리를 나타낸다. 제2 거리는 임의의 풍력 터빈과 임의의 풍력 터빈의 주변 바람의 맞바람 방향에 위치되는 다른 풍력 터빈 사이의 거리 중 최대 거리를 나타낸다.
바람직하게, 전술한 모든 거리의 각각은 무차원의 상대적인 거리, 예를 들어 기본 유닛으로서 임펠러의 직경을 취하는 것에 의해서 측정된 무차원적 거리이다.
본 개시 내용의 전술한 실시예에 기초하여, 각각의 검출 기간에서 주변 풍속 및 주변 풍향을 검출하는 것에 의해서, 환경 데이터의 검출이 달성되고, 그에 의해서 풍력 터빈의 등가 하중이 정밀하게 검출되고 그리고 검출 비용이 효과적으로 낮아진다.
단계(S210)에서 주변 풍속, 주변 풍향, 및 풍력 단지의 주변 환경에 관한 역사적인 기상 데이터에 기초하여 주변 난류를 획득하기 위한 방법이 도 3과 함께 이하에서 구체적으로 설명된다.
도 3은 본 개시 내용의 실시예에 따른 주변 난류를 검출하기 위한 방법의 흐름도이다.
단계(S310)에서, 풍속의 와이블 분포(Weibull distribution)가 풍력 단지의 주변 환경의 역사적인 기상 데이터에 기초하여 결정된다. 풍속의 와이블 분포는 풍력 단지 주위의 풍속의 역사적인 환경 데이터에 기초하여 획득될 수 있다. 와이블 분포의 확률 함수는 주로 비례 인자 및 형상 인자에 의해서 결정된다. 따라서, 확률 함수의 비례 인자 및 형상 인자가 결정될 수 있다. 이러한 경우에, 풍속 대 확률의 곡선이 획득될 수 있다.
단계(S320)에서, 주변 풍속에 상응하는 확률이, 주변 풍속에 기초하여, 결정된 와이블 분포로부터 획득된다.
단계(S330)에서, 주변 풍속에 상응하는 주변 난류의 대수 정규 분포가 결정된다. 상이한 풍속들 하의 주변 난류는 특정 대수 정규 분포를 따른다. 즉, 상이한 풍속들 하의 주변 난류는 상응하는 대수 정규 분포를 만족시킨다. 상이한 풍속들 하에서의 주변 난류의 상이한 대수 정규 분포들이 먼저 결정될 수 있다. 현재 주변 풍속 하에서의 주변 난류의 대수 정규 분포는, 주변 풍속이 획득될 때, 얻어질 수 있다.
단계(S340)에서, 주변 난류는, 결정된 확률에 기초하여, 결정된 대수 정규 분포로부터 획득될 수 있다. 단계(S330)에서, 현재 주변 풍속 하에서의 주변 난류의 대수 정규 분포가 획득되고, 다시 말해서 주변 난류와 확률 사이의 관계가 얻어진다. 그에 따라, 단계(S320)에서 결정된 확률에 상응하는 주변 난류가 결정된다. 예를 들어, 주변 풍속에 상응하는 주변 난류의 대수 정규 분포가 획득된 경우에, 대수 정규 분포에 상응하는 함수의 역함수가 얻어질 수 있고, 결정된 확률을 역함수의 입력으로서 취하는 것에 의해서, 역함수의 출력은 주변 난류가 된다.
본 개시 내용의 실시예에 따른 풍력 터빈의 등가 하중을 검출하기 위한 장치가 도 4를 참조하여 이하에서 구체적으로 설명된다.
도 4는 본 개시 내용의 실시예에 따른 풍력 터빈의 등가 하중을 검출하기 위한 장치의 블록도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 개시 내용의 실시예에 따른 풍력 터빈의 등가 하중을 검출하기 위한 장치(400)는: 제1 검출 유닛(410), 제2 검출 유닛(420) 및 평가 유닛(430)을 포함한다.
장치(400)는 풍력 터빈의 등가 하중을 주기적으로 검출한다.
제1 검출 유닛(410)은 각각의 검출 기간에서 풍력 단지 내의 다수의 풍력 터빈의 각각의 풍력 터빈에 관한 환경 데이터를 검출한다. 본 개시 내용의 바람직한 실시예에서, 임의의 풍력 터빈에 관한 환경 데이터가 유효 난류 세기 및 풍력 단지 영향 정보 중 적어도 하나를 포함한다. 본 개시 내용에서, 유효 난류 세기는 임의의 풍력 터빈의 임펠러가 직접적으로 경험하는 난류 세기를 나타내고, 풍력 단지 영향 정보는 풍력 단지에 의한 임의의 풍력 터빈에 대한 영향 인자를 나타낸다. 본 개시 내용의 바람직한 실시예에서 제공된 환경 데이터로, 보다 정확한 검출이 달성될 수 있다.
실시예에서, 제1 검출 유닛(410)은 도 2에 도시된 방식으로 임의의 풍력 터빈의 유효 난류 세기를 검출할 수 있다. 이러한 경우에, 주변 풍속은 각각의 기간에서 검출될 필요가 있다. 주변 풍속은 풍력 터빈에 의해서 영향을 받지 않는 주변 바람의 풍속이다(예를 들어, 이는 바람이 풍력 단지 내로 진입하기 전의 바람의 풍속에 의해서 표현될 수 있다). 예로서, 주변 풍속은 풍력 단지의 풍속계 타워를 통해서 획득될 수 있다.
주변 풍속에 상응하는 추력 계수가 통상적인 기술에 따라 계산될 수 있다.
실시예에서, 주변 난류는 주변 풍속의 표준 편차 대 주변 풍속의 평균 값의 비율일 수 있다. 다른 실시예에서, 제1 검출 유닛(410)은 주변 풍속, 주변 풍향, 풍력 단지의 주변 환경에 관한 역사적 기상 데이터에 기초하여 주변 난류를 획득할 수 있다. 예를 들어, 제1 검출 유닛(410)은 도 3에 도시된 방식으로 주변 풍속, 주변 풍향, 풍력 단지의 주변 환경에 관한 역사적 기상 데이터에 기초하여 주변 난류를 획득할 수 있다. 또한, 제1 검출 유닛(410)은 또한, 본원에서 설명되지 않은, 통상적인 기술에 따라 주변 난류를 계산할 수 있다.
제1 검출 유닛(410)에 의해서 풍력 단지 영향 정보를 검출하는 실시예를 이하에서 구체적으로 설명한다.
본 개시 내용의 실시예에서, 풍력 단지 영향 정보는 항적 중첩 정도 및 항적 중첩 수 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
실시예에서, 항적 중첩 수는 임의의 풍력 터빈의 항적에 영향을 미치는 다른 풍력 터빈의 수를 나타낸다. 바람직하게, 항적 중첩 수는 임의의 풍력 터빈의 주변 바람의 맞바람 방향에 위치되는 다른 풍력 터빈의 수를 나타낸다.
항적 중첩 정도는 다른 풍력 터빈의 항적이 임의의 풍력 터빈에 미치는 영향의 정도를 나타낸다. 바람직하게, 그러한 영향은 주변 풍향의 각도 대 임의의 풍력 터빈의 주변 바람의 맞바람 방향에 위치된 다른 풍력 터빈의 항적의 확산 각도의 합의 비율에 의해서 표시될 수 있다. 본 개시 내용은 전술한 설명으로 제한되지 않고, 다른 풍력 터빈의 항적이 임의의 풍력 터빈에 미치는 영향의 정도를 반영할 수 있는 임의의 다른 매개변수가 또한 채택될 수 있다.
부가적으로, 제1 검출 유닛(410)은, 풍력 단지 내의 다른 풍력 터빈의 영향을 더 고려하는 것에 의해서, 항적 중첩 정도 및 항적 중첩 수를 조정할 수 있다. 구체적으로, 제1 검출 유닛(410)은 조절 계수를 항적 중첩 정도(예를 들어, 비율)에 적용할 수 있고(예를 들어, 항적 중첩 계수와 조절 계수의 곱), 항적 중첩 수에 대한 정규화를 실시할 수 있다. 즉, 조정된 항적 중첩 정도는 조절 계수를 항적 중첩 정도(예를 들어, 비율)에 적용한 결과이고, 조정된 항적 중첩 수는 항적 중첩 수에 대한 정규화 실시의 결과이다.
실시예에서, 조절 계수는 제1 거리 대 제2 거리의 비율이다. 제1 거리는 임의의 풍력 터빈과 임의의 풍력 터빈의 주변 바람의 맞바람 방향에 위치되는 다른 풍력 터빈 사이의 거리 중 최소 거리를 나타낸다. 제2 거리는 임의의 풍력 터빈과 임의의 풍력 터빈의 주변 바람의 맞바람 방향에 위치되는 다른 풍력 터빈 사이의 거리 중 최대 거리를 나타낸다.
바람직하게, 전술한 모든 거리의 각각은 무차원의 상대적인 거리, 예를 들어 기본 유닛으로서 임펠러의 직경을 취하는 것에 의해서 측정된 무차원적 거리이다.
본 개시 내용의 전술한 실시예에 기초하여, 각각의 검출 기간에서 주변 풍속 및 주변 풍향을 검출하는 것에 의해서, 환경 데이터의 검출이 달성되고, 그에 의해서 풍력 터빈의 등가 하중이 정밀하게 검출되고 그리고 검출 비용이 효과적으로 낮아진다.
제2 검출 유닛(420)은 각각의 검출 기간에서 다수의 풍력 터빈 내의 하나 이상의 교정 풍력 터빈의 하중을 검출하고, 검출된 하중에 기초하여 교정 풍력 터빈의 등가 하중을 계산한다. 실시예에서, 풍력 단지 내의 풍력 터빈의 일부(예를 들어, 하나 이상)는, 이하에서 설명되는 하중 평가 모델의 매개변수를 교정하기 위해서, 교정 풍력 터빈으로서 결정될 수 있다.
예를 들어, 교정 풍력 터빈의 하중은 교정 풍력 터빈의 하중 전달 경로 내의 일부 중요 구성요소 상에 배열된 센서를 통해서 검출될 수 있다. 또한, 교정 풍력 터빈의 일부 중요 구성요소의 하중의 시뮬레이션 결과가 교정 풍력 터빈의 하중으로서 결정될 수 있다. 이러한 구현예는 단지 설명을 위한 것이고, 교정 풍력 터빈의 하중은 다양한 기술에 기초하여 검출될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
평가 유닛(430)은 각각의 검출 기간에서 하중 평가 모델을 사용하여 각각의 풍력 터빈의 검출된 환경 데이터에 기초하여 각각의 풍력 터빈의 등가 하중을 결정한다. 하중 평가 모델은 환경 데이터와 각각의 풍력 터빈의 등가 하중 사이의 관계를 나타낸다. 이러한 방식으로, 환경 데이터는 하중 평가 모델에 대한 입력으로 취해질 수 있고, 하중 평가 모델은 그러한 입력에 기초하여 등가 하중을 출력할 수 있다.
하중 평가 모델은, 피팅, 회귀 분석, 기계 학습, 자가-적응 필터 또는 기타와 같은, 변수들 사이의 상호관계를 구축하기 위한 다양한 기술에 기초하여 미리 구축될 수 있다.
본 개시 내용에서 채택된 유효 난류 세기 및 풍력 단지 영향 정보에서, 바람직하게, 유효 난류 세기 및 풍력 단지 영향 정보가 채택되는 경우에 더 높은 정확도를 획득하기 위해, 하중 평가 모델이 순환최소자승(RLS) 자가-적응 필터에 기초하여 구축된다. 자가-적응 필터가 적용되는 경우에, 하중 평가 모델은 자가-적응 필터 내의 매개변수 가변 필터(가변 필터)에 상응한다.
하중 평가 모델로 각각의 풍력 터빈의 등가 하중을 결정하기 전에, 평가 유닛(430)은, 현재의 검출 기간에서 제2 검출 유닛(420)에 의해서 계산된 교정 풍력 터빈의 등가 하중 및 이전 검출 기간에서 평가 유닛(430)에 의해서 하중 평가 모델을 사용하여 결정된 교정 풍력 터빈의 등가 하중에 기초하여, 하중 평가 모델의 매개변수를 교정한다. 예는 이하를 포함한다: 회귀 분석이 채택되는 경우에, 회귀 계수가 교정되고; 그리고 자가-적응 필터가 채택되는 경우에, 매개변수 가변 필터의 매개변수가 교정된다.
실시예에서, 현재의 검출 기간에서 제2 검출 유닛(420)에 의해서 계산된 교정 풍력 터빈의 등가 하중이 기준으로서 취해질 수 있고, 이전 검출 기간에서 평가 유닛(430)에 의해서 하중 평가 모델을 사용하여 결정된 교정 풍력 터빈의 등가 하중은, 하중 평가 모델의 매개변수를 교정하기 위한, 피드백으로서 취해질 수 있다.
하중 평가 모델을 구축하기 위해서 자가-적응 필터를 채택하는 경우에, 하중 평가 모델의 매개변수는, 현재의 검출 기간에서 계산된 교정 풍력 터빈의 등가 하중과 이전 검출 기간에서 하중 평가 모델을 사용하여 결정된 교정 풍력 터빈의 등가 하중 사이의 차이에 기초하여, 상응하는 자가-적응 알고리즘을 사용하여(예를 들어, 순환최소자승 자가-적응 필터를 채택하는 경우에, 순환최소자승 방법을 사용하여) 교정될 수 있다.
또한, 제1 검출 기간 동안, 이전 검출 기간에서 하중 평가 모델을 사용하여 결정된 교정 풍력 터빈의 등가 하중이 없기 때문에, 하중 평가 모델의 매개변수가 교정될 수 없을 것이다. 또는, 제1 검출 기간에서 하중 평가 모델을 사용하여 결정된 교정 풍력 터빈의 등가 하중이 대체안으로서 채택될 수 있다.
또한, 본 개시 내용의 다른 실시예에서, 본 개시 내용의 실시예에 따른 풍력 터빈의 등가 하중을 검출하기 위한 방법이 풍력 터빈의 등가 하중을 검출하기 위해서 적용될 수 있다. 이어서, 풍력 터빈의 피로 수명이, 검출된 등가 하중에 기초하여 평가된다. 본원에서 설명되지 않은, 등가 하중에 기초하여 하는 통상적인 피로 수명 기술이 채택될 수 있다.
또한, 본 개시 내용의 다른 실시예에 따라, 풍력 터빈의 피로 수명을 평가하기 위한 기기가 제공된다. 그러한 기기는 본 개시 내용의 실시예에 따른 풍력 터빈의 등가 하중을 검출하기 위한 장치, 및 예측 유닛을 포함할 수 있다. 장치는 풍력 터빈의 등가 하중을 검출할 수 있다. 예측 유닛은 장치에 의해서 검출된 등가 하중에 기초하여 풍력 터빈의 피로 수명을 평가할 수 있다.
또한, 본 개시 내용의 실시예에 따른 방법은 컴퓨터-판독 가능 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수 있고, 그러한 방법은, 컴퓨터 프로그램이 실행될 때, 실시된다.
또한, 본 개시 내용의 실시예에 따른 기기 및 장치 내의 여러 유닛은 하드웨어 구성요소 또는 소프트웨어 모듈로서 구현될 수 있다. 또한, 당업자는, 여러 유닛에 의해서 실행되는 규정된 프로세싱에 따라, 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA), 주문형 집적 회로(ASIC), 프로세서 또는 기타로 여러 유닛을 구현할 수 있다.
본 개시 내용에 따른 풍력 터빈의 등가 하중을 검출하기 위한 방법 및 장치에 기초하여, 각각의 풍력 터빈을 위한 센서를 배열시킬 필요가 없고, 그에 따라 각각의 풍력 터빈을 위해서 센서를 배열하는 것에 의해서 유발되는 비용을 낮춘다. 또한, 각각의 검출 기간에서 주변 풍속 및 주변 풍향을 검출하는 것에 의해서, 환경 데이터의 검출이 달성되고, 그에 의해서 풍력 터빈의 등가 하중이 정밀하게 검출되고 그리고 또한 검출 비용이 효과적으로 낮아진다.
비록 본 발명이 실시예를 참조하여 도시되고 설명되었지만, 당업자는, 청구범위에 의해서 규정된 본 개시 내용의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고도, 본 개시 내용의 형식 및 상세 내용에 관한 다양한 수정이 이루어질 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
Claims (27)
- 풍력 터빈의 등가 하중을 검출하기 위한 방법이며:
각각의 검출 기간에서 풍력 단지 내의 복수의 풍력 터빈의 각각의 풍력 터빈에 관한 환경 데이터를 검출하는 단계;
복수의 풍력 터빈 내의 교정 풍력 터빈의 하중을 검출하고 각각의 검출 기간에서의 검출된 하중에 기초하여 교정 풍력 터빈의 등가 하중을 계산하는 단계; 및
각각의 검출 기간에서 하중 평가 모델을 사용하여 각각의 풍력 터빈의 검출된 환경 데이터에 기초하여 각각의 풍력 터빈의 등가 하중을 결정하는 단계를 포함하고,
하중 평가 모델은 환경 데이터와 각각의 풍력 터빈의 등가 하중 사이의 관계를 나타내고, 하중 평가 모델이 각각의 검출 기간에서 적용되기 전에, 하중 평가 모델의 매개변수가 현재 검출 기간에서의 교정 풍력 터빈의 계산된 등가 하중 및 이전의 검출 기간에서의 하중 평가 모델을 사용하여 결정된 교정 풍력 터빈의 등가 하중에 기초하여 교정되는, 방법. - 제1항에 있어서,
임의의 풍력 터빈의 환경 데이터는 유효 난류 세기 및 풍력 단지 영향 정보 중 적어도 하나를 포함하고, 유효 난류 세기는 임의의 풍력 터빈의 임펠러가 직접적으로 경험하는 난류 세기를 나타내고, 풍력 단지 영향 정보는 풍력 단지에 의한 임의의 풍력 터빈에 대한 영향 인자를 나타내는, 방법. - 제2항에 있어서,
풍력 단지 영향 정보는 항적 중첩 정도 및 항적 중첩 수 중 적어도 하나를 포함하고, 항적 중첩 수는 임의의 풍력 터빈의 항적에 영향을 미치는 다른 풍력 터빈의 수를 나타내고, 항적 중첩 정도는 다른 풍력 터빈의 항적에 의한 임의의 풍력 터빈에 대한 영향의 정도를 나타내는, 방법. - 제3항에 있어서,
항적 중첩 정도는, 주변 풍향의 각도 대 임의의 풍력 터빈의 주변 바람의 맞바람 방향에 위치된 다른 풍력 터빈의 항적의 확산 각도의 합의 비율을 계산하는 것에 의해서 획득되는, 방법. - 제4항에 있어서,
항적 중첩 정도에 조절 계수를 적용함으로써 항적 중첩 정도를 조정하여 조정된 항적 중첩 정도를 획득하는 단계; 및
항적 중첩 수에 대해서 정규화를 실시함으로써 항적 중첩 수를 조정하여 조정된 항적 중첩 수를 획득하는 단계를 더 포함하며; 그리고
조절 계수는 제1 거리 대 제2 거리의 비율이고, 제1 거리는 임의의 풍력 터빈과 임의의 풍력 터빈의 주변 바람의 맞바람 방향에 위치된 다른 풍력 터빈 사이의 거리들 중의 최소 거리를 나타내고, 제2 거리는 임의의 풍력 터빈과 임의의 풍력 터빈의 주변 바람의 맞바람 방향에 위치된 다른 풍력 터빈 사이의 거리들 중의 최대 거리를 나타내는, 방법. - 제2항에 있어서,
유효 난류 세기를 검출하는 것은:
주변 풍속에 기초하여 임의의 풍력 터빈의 추력 계수 및 주변 난류를 계산하는 것;
계산된 추력 계수, 주변 풍속, 및 임의의 풍력 터빈과 주위 풍력 터빈 사이의 거리에 기초하여, 주위의 풍력 터빈의 항적에 의해서 유발된 난류의 세기를 계산하는 것; 및
주변 난류 및 난류의 계산된 세기에 대해서 합성을 실시하는 것에 의해서 유효 난류 세기를 생성하는 것을 포함하고, 상기 합성은 주변 난류 및 난류의 계산된 세기의 각각의 영향을 반영하는, 방법. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 풍력 터빈의 등가 하중을 검출하기 위한 장치이며:
각각의 검출 기간에서 풍력 단지 내의 복수의 풍력 터빈의 각각의 풍력 터빈에 관한 환경 데이터를 검출하도록 구성된 제1 검출 유닛;
복수의 풍력 터빈 내의 교정 풍력 터빈의 하중을 검출하도록 그리고 각각의 검출 기간에서 검출 하중에 기초하여 교정 풍력 터빈의 등가 하중을 계산하도록 구성된, 제2 검출 유닛; 및
각각의 검출 기간에서의 하중 평가 모델을 사용하여 각각의 풍력 터빈의 검출된 환경 데이터에 기초하여 각각의 풍력 터빈의 등가 하중을 결정하도록 구성된 평가 유닛을 포함하고,
하중 평가 모델은 환경 데이터와 각각의 풍력 터빈의 등가 하중 사이의 관계를 나타내고, 하중 평가 모델이 각각의 검출 기간에서 적용되기 전에, 평가 유닛은 현재 검출 기간에서의 교정 풍력 터빈의 계산된 등가 하중 및 이전의 검출 기간에서의 하중 평가 모델을 사용하여 결정된 교정 풍력 터빈의 등가 하중에 기초하여 하중 평가 모델의 매개변수를 교정하는, 장치. - 제13항에 있어서,
임의의 풍력 터빈의 환경 데이터는 유효 난류 세기 및 풍력 단지 영향 정보 중 적어도 하나를 포함하고, 유효 난류 세기는 임의의 풍력 터빈의 임펠러가 직접적으로 경험하는 난류 세기를 나타내고, 풍력 단지 영향 정보는 풍력 단지에 의한 임의의 풍력 터빈에 대한 영향 인자를 나타내는, 장치. - 제14항에 있어서,
풍력 단지 영향 정보는 항적 중첩 정도 및 항적 중첩 수 중 적어도 하나를 포함하고, 항적 중첩 수는 임의의 풍력 터빈의 항적에 영향을 미치는 다른 풍력 터빈의 수를 나타내고, 항적 중첩 정도는 다른 풍력 터빈의 항적에 의한 임의의 풍력 터빈에 대한 영향의 정도를 나타내는, 장치. - 제15항에 있어서,
항적 중첩 정도는, 주변 풍향의 각도 대 임의의 풍력 터빈의 주변 바람의 맞바람 방향 내에 위치된 다른 풍력 터빈의 항적의 확산 각도의 합의 비율을 계산하는 것에 의해서 획득되는, 장치. - 제16항에 있어서,
조정된 항적 중첩 정도는 항적 중첩 정도에 조절 계수를 적용함으로써 획득된 것이고, 조정된 항적 중첩 수는 항적 중첩 수에 대해서 정규화를 실시함으로써 획득된 것이며; 그리고
조절 계수는 제1 거리 대 제2 거리의 비율이고, 제1 거리는 임의의 풍력 터빈과 임의의 풍력 터빈의 주변 바람의 맞바람 방향에 위치된 다른 풍력 터빈 사이의 거리들 중의 최소 거리를 나타내고, 제2 거리는 임의의 풍력 터빈과 임의의 풍력 터빈의 주변 바람의 맞바람 방향에 위치된 다른 풍력 터빈 사이의 거리들 중의 최대 거리를 나타내는, 장치. - 제14항에 있어서,
제1 검출 유닛에 의해서 유효 난류 세기를 검출하는 것은:
주변 풍속에 기초하여 임의의 풍력 터빈의 추력 계수 및 주변 난류를 계산하는 것;
계산된 추력 계수, 주변 풍속, 및 임의의 풍력 터빈과 주위 풍력 터빈 사이의 거리에 기초하여, 주위의 풍력 터빈의 항적에 의해서 유발된 난류의 세기를 계산하는 것; 및
주변 난류 및 난류의 계산된 세기에 대해서 합성을 실시하는 것에 의해서 유효 난류 세기를 생성하는 것을 포함하고, 상기 합성은 주변 난류 및 난류의 계산된 세기의 각각의 영향을 반영하는, 장치. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 풍력 터빈의 피로 수명을 평가하기 위한 방법이며:
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 풍력 터빈의 등가 하중을 검출하는 단계; 및
검출된 등가 하중에 기초하여 풍력 터빈의 피로 수명을 평가하는 단계를 포함하는, 방법. - 풍력 터빈의 피로 수명을 평가하기 위한 기기이며:
풍력 터빈의 등가 하중을 검출하도록 구성된, 제13항 내지 제18항 중 어느 한 항에 따른 장치; 및
장치에 의해서 검출된 등가 하중에 기초하여 풍력 터빈의 피로 수명을 평가하도록 구성된, 예측 유닛을 포함하는, 기기. - 컴퓨터 프로그램이 내부에 저장된 컴퓨터-판독 가능 저장 매체이며,
컴퓨터 프로그램은, 실행될 때, 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실시하는, 컴퓨터-판독 가능 저장 매체.
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