KR102079791B1 - 풍력 발전 설비의 로터 블레이드 상의 유입을 평가하기 위한 방법, 풍력 발전 설비를 제어하기 위한 방법, 및 풍력 발전 설비 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력 발전 설비(100)의 로터 블레이드(108) 상의 유입을 평가하기 위한 방법에 관한 것으로서, - 적어도 하나의 측정 위치에서 상기 로터 블레이드(108) 상의 압력(P), 특히 벽 압력의 압력 스펙트럼의 적어도 일부분을 검출하는 단계, - 상기 압력 스펙트럼으로부터 적어도 2개의 특성값(P₁, P₂)을 결정하는 단계, - 상기 적어도 2개의 특성값(P₁, P₂)의 서로에 대한 관계로부터 지표값(I)을 형성하는 단계, 및 - 상기 지표값(I)에 기초하여 임계적 유입(24)이 존재하는지 여부를 평가하는 단계를 포함한다.

Description

풍력 발전 설비의 로터 블레이드 상의 유입을 평가하기 위한 방법, 풍력 발전 설비를 제어하기 위한 방법, 및 풍력 발전 설비

본 발명은 풍력 발전 설비의 로터 블레이드 상의 유입(inflow)을 평가하기 위한 방법에 관한 것이다. 또한 본 발명은 풍력 발전 설비를 작동하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 풍력 발전 설비에 관한 것이다.

풍력 발전 설비는 공지되어 있고, 많은 경우에 설치된다. 일부 위치에서는 소위 OAM("Other Amplitude Modulation") 노이즈가 발생한다. 이것은 본질적으로 로터 디스크 위에서의 특히 큰 풍속 구배(gradient)를 갖는 위치에서 발생한다. 이러한 OAM 노이즈는 또한 마찬가지로 큰 구배를 발생시키는 특정 대기 조건 하에서도 발생할 수 있다. 블레이드가 소위 12시 위치를 통과할 때, 즉 상향으로 수직하게 위치할 때, 로터 블레이드 상의 더 큰 높이에서 본질적으로 높은 풍속에 의해 매우 큰 받음각이 발생한다고 상정한다. 이때 임계적 유입이 발생한다. 특히 여기서 실속(stall)의 위험이 존재하고, 이는 예를 들어 에스. 외를레만스의 논문 "풍력 터빈 노이즈의 진폭 변조에 대한 윈드 쉬어(wind shear)의 효과", DOI: 10.1260/1475-472X.14.5-6.715에서 논의된다. 그런 점에서 임계적 유입은 실속의 위험이 존재하는 유입이다.

만약 받음각이 특정 임계값을 초과하면, 한계층의 분리가 자연스럽게 발생하며, 이는 또한 풍력 발전 설비의 공력 음향 노이즈의 음량 및 특성에 강한 영향을 미친다. 잠시 후, 로터 블레이드가 12시 위치를 통과할 때, 받음각은 다시 감소하고, 흐름은 다시 프로파일 상으로 놓이게 되고, 노이즈의 세기 및 특성은 다시 낮아지거나 또는 "정상"으로 된다.

후속하는 블레이드가 비슷한 분위기, 즉 유사한 경계 조건을 만나기 때문에, 동일한 현상이 다시 발생한다. 이것은 블레이드 통과 주파수에서 저주파 노이즈의 세기의 변조로 인식된다. "정상적인" 트레일링 에지 노이즈, 즉 영구적으로 발생하는 트레일링 에지 노이즈의 방향 특성과는 달리, 설명된 흐름 분리 노이즈는 로터 축 방향으로 쌍극 형식으로 방출되므로, 따라서 - 또한 대기 중에서 거의 감쇠되지 않는 저 주파수 대역에서 증가되는 세기에 의해서도 - 예를 들어 2 km 이상과 같은 매우 먼 거리를 브리징할 수 있고, 이때 시스템이 정상적으로 인식될 수 없는 위치에서도 들리게 된다.

저 주파수 노이즈의 세기의 이러한 변조를 감소시키는 하나의 방법은 기본적으로 노이즈 레벨을 일반적으로 감소시키고, 풍력 발전 설비를 예를 들어 특히 파워가 제한되는 제한된 작동으로 작동시키는 것이다. 반면, 파워 또는 속도를 제한하는 것은 기본적으로 바람직하지 않으므로, 가능한 한 적게 수행되어야 한다.

조절에 개입하기 위해 원방계(far field)에서 OAM 이벤트를 검출하는 방법이 또한 알려져 있다. 그러나, 원방계에서의 이러한 검출은 비용이 많이 들고, 이미 발생한 경우에만 노이즈를 검출할 수 있다.

임계적 받음각이 로터 블레이드 프로파일에 대한 한계층의 속성 및 이에 따라 표면의 특성 특히 오염도에도 의존할지라도, 다른 방법들은 받음각의 결정을 기초로 한다. 여기서 또한 특히 높은 정확도의 받음각 결정이 중요하므로, 이 방법은 부정확성에 특히 민감하게 반응할 수 있다.

독일 특허청은 본 출원의 우선권 출원에서 다음의 선행 기술을 조사하였다: DE 10 2014 210 949 A1, DE 20 2013 007 142 U1, US 2002/0134891 A1 및 슈테판 모로우 등의 "트레일링 에지 노이즈 소스에 대한 에어포일 공기 역학적 로딩의 효과" 및 슈테판 모로우 등의 "실속 근처의 또는 실속에 있는 에어포일의 흐름 특성 및 자체 노이즈".

따라서, 본 발명의 목적은 전술한 문제점들 중 적어도 하나를 해결하는 것이다. 특히, 블레이드 통과 주파수로 감지되는 저 주파수 노이즈의 세기의 설명된 바와 같은 변조를 가능한 한 양호하게 및/또는 가능한 한 조기에 감소시키는 해결 방안이 제안되어야 한다. 적어도 기존의 공지된 해결 방안과 비교하여 대안적인 해결 방안이 제안되어야 한다.

본 발명에 따르면, 청구항 제 1항에 따른 방법이 제안된다. 이 방법에서는 로터 블레이드에서 유입이 평가되므로 이에 따라 특히 임계적 유입, 특히 회전 실속 또는 흐름 분리 경향이 검출될 수 있다. 이를 위해, 본 방법은 풍력 발전 설비의 적어도 하나의 로터 블레이드에 대한 유입을 평가하고 이를 위해 적어도 다음의 단계를 수행하는 것을 제안한다:

- 적어도 하나의 측정 위치에서 상기 로터 블레이드 상의 압력의, 특히 벽 압력의, 압력 스펙트럼의 적어도 일부분을 검출하는 단계,

- 상기 압력 스펙트럼으로부터 적어도 2개의 특성값을 결정하는 단계,

- 상기 적어도 2개의 특성값의 서로에 대한 관계로부터 지표값을 형성하는 단계, 및

- 상기 지표값에 따라, 임계적 유입이 존재하는지 여부를 평가하는 단계.

따라서, 우선 적어도 하나의 측정 위치에서 상기 로터 블레이드 상의 벽 압력의 압력 스펙트럼의 적어도 일부분이 검출된다. 이를 위해, 압력 센서, 특히 포텐셜-프리(potential free) 작동 압력 센서가 로터 블레이드 표면의 영역에 배치될 수 있으므로, 여기에서 특히 연속적으로, 필요한 경우 디지털 스캐닝의 범위에서, 여기서 로터 블레이드의 영역에서 발생하거나 또는 측정 위치에서 로터 블레이드 상에 가해지는 압력을 측정한다. 이 압력은 벽 압력이라고도 한다. 이 경우 압력은 정량적으로 검출되어, 스펙트럼이 인식되어 평가될 수 있다. 이와 관련하여 결정된 압력 신호가 검출되는데, 이는 분명히 예를 들어 마이크로폰을 통한 소음의 측정에 해당한다. 궁극적으로, 마이크로폰은 최종적으로 또한 압력 센서이고, 압력 센서로서 마이크로폰이 또한 사용될 수 있다.

예를 들어 일정한 간격으로 FFT에 의해 평가될 수 있는 이와 같이 검출된 압력 스펙트럼으로부터 적어도 2개의 특성값이 결정될 수 있다. 특히, 상이한 주파수 또는 주파수 대역의 적어도 2개의 특성값, 즉 검출된 압력 스펙트럼의 2개의 상이한 주파수 범위로부터의 2개의 특성값이 결정된다.

이들 적어도 2개의 특성값으로부터, 이들 값의 서로에 대한 관계로부터 지표값이 형성된다. 일 경우에, 이러한 관계는 두 특성값의 서로에 대한 비율 또는 비일 수 있다. 그 후 2개의 값을 평가하기에 충분한다. 그러나 2개 초과의 값이 평가될 수도 있는데, 예를 들어 주파수 의존적인 방식으로 이들이 그룹화됨으로써, 특히 2개의 그룹으로 그룹화되고 그 후 이들 그룹이 서로 연관되거나 또는 이들 각각의 그룹에 대해 특성값이 결정된 다음 이들이 서로 연관됨으로써 평가될 수 있다.

또 다른 예를 언급하자면, 예를 들어, 2개 초과의 값을 사용하여, 값들 중 각 2개의 값의 서로에 대한 관계를 복수 회 형성하여, 그로부터 지표값을 형성하는 것도 또한 고려된다.

이 지표값에 따라, 임계적 유입이 존재하는지 여부가 평가된다. 임계적 유입, 즉 로터 블레이드 상의 임계적 유입은 특히 흐름 분리가 발생하는 경향이 있는 그것이다. 이러한 흐름 분리 경향은 검출된 소음에 의해 인식될 수 있다는 것이 인식되어 왔다. 이 경우 또한 주파수 거동, 즉 압력 스펙트럼이 이러한 임계적 유입에 대한 정보를 제공할 수 있다는 것이 인식되었다. 이에 상응하게, 유입이 임계적이지 않다면, 압력 스펙트럼은 물론 그에 대한 정보를 제공할 수도 있다.

두 특성값이 서로 연관되어 지표값을 형성함으로써, 특히 절대 진폭과 관련한 측정의 정확도는 부차적인 역할을 할 수 있다. 특히 이에 따라 측정 검출을 위해, 고려된 주파수 범위의 주파수 응답이 일정하거나 또는 달리 알려지는 한, 보정은 부차적인 역할을 하거나 또는 없어도 가능할 수도 있다.

바람직하게는, 상기 적어도 2개의 특성값은 제1 및 제2 스펙트럼 값을 포함하며, 상기 제1 및 제2 스펙트럼 값은 저 주파수 또는 고 주파수 범위를 특징으로 한다. 특히, 검출되거나 또는 평가된 압력 스펙트럼은 2개의 주파수 범위, 즉 저 주파수 범위 및 고 주파수 범위로 분할된다. 두 주파수 범위는 각각 스펙트럼 값을 통해 구별된다. 구별하는 하나의 방법은 2개의 주파수 범위 각각으로부터 검출된 값, 예를 들어 여기서 각각의 경우에 각각의 주파수 범위의 중간으로부터의 값을 사용하는 것일 수 있다. 예를 들어 비 또는 차이를 형성함으로써 이 두 스펙트럼 값이 연관되어 있다면, 이것은 또한 2개의 주파수 범위의 서로에 대한 특히 비율 및 관계에 대한 추론을 가능하게 한다.

따라서, 임계적 유입이 존재하는지 여부에 대한 평가는 지표값에 따라 그리고 이에 따라 두 주파수 범위의 서로에 대한 관계에 따라 수행된다. 임계적 유입은 특히 저 주파수 범위의 압력 스펙트럼이 고 주파수 범위보다 큰 경우에 존재한다. 따라서, 임계적 유입은 특히 제1 스펙트럼 값이 제2 스펙트럼 값보다 큰 경우에 존재할 수 있다.

바람직하게는 압력 스펙트럼은 파워 밀도 스펙트럼으로서 형성되거나 또는 파워 밀도 스펙트럼으로서 검사되고 이 경우 제1 및 제2 부분 파워 밀도 스펙트럼으로 세분되며, 상기 제1 부분 파워 밀도 스펙트럼은 상기 저 주파수 범위에 있고, 상기 제2 부분 파워 밀도 스펙트럼은 상기 고 주파수 범위에 있다. 이를 위해, 상기 적어도 2개의 특성값은 제1 및 제2 스펙트럼 성분으로서 형성되고, 각각 저 주파수 범위 또는 고 주파수 범위에 걸친 제1 또는 제2 부분 파워 밀도 스펙트럼의 적분에 의해 형성되는 것이 제안된다. 따라서, 2개의 부분 파워 밀도 스펙트럼의 각각에 대해 그리고 이에 따라 2개의 주파수 범위 각각에 대해 특성값이 각각 형성될 수 있다. 이를 통해, 각각의 경우에, 고려된 전체 부분 파워 밀도 스펙트럼은 각각 형성된 특성값에 통합된다. 따라서, 각각의 경우에 전체 부분 파워 밀도 스펙트럼이 검출될 수 있고 2개의 스펙트럼 성분의 관계로부터 지표값을 형성할 때 고려될 수 있다. 전술한 제1 및 제2 스펙트럼 값은 제1 또는 제2 스펙트럼 성분으로서 형성될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 낮은 주파수 범위는 하부 주파수와 중간 주파수 사이에 있고, 높은 주파수 범위는 중간 주파수와 상부 주파수 사이에 있는 것이 제안된다. 이러한 하부, 중간 및 상부 주파수는 각 경우에 미리 결정될 수 있다. 이 주파수 값을 미리 결정함으로써 두 주파수 범위가 정의될 수 있다. 이를 통해, 주파수 범위는 특성값, 특히 제1 및 제2 스펙트럼 값 또는 제1 및 제2 스펙트럼 성분이 서로에 대한 이들의 관계가 유입을 평가하는데 의미 있는 방식으로 제공되도록 선택될 수 있다.

바람직하게는, 중간 주파수는 임계적 유입이 존재할 때 파워 밀도 스펙트럼이 저 주파수 범위에서 최대값을 갖도록 설정된다. 예를 들어 실험은 풍동에서 또는 측정 위치의 영역에서 특히 자연스럽게 로터 블레이드 상으로의 유입을 변화시켜 임계적 유입으로 전이시키는 시뮬레이션을 통해서도 수행될 수 있다. 이 경우 파워 밀도 스펙트럼이 검출되고 평가될 수 있다. 이 경우 또한 파워 밀도 스펙트럼의 최대값의 변화가 기록되고 그 다음 중간 주파수가 설정되어, 임계적 유입이 존재하는 경우, 파워 밀도 스펙트럼은 저 주파수 범위에서 최대값을 가질 수 있는데, 즉 이러한 중간 주파수 미만일 수 있다. 특히, 물론 이러한 중간 주파수는 이 경우 비 임계적 유입 시에는 최대값이 중간 주파수보다 크도록 선택된다.

추가적으로 또는 대안적으로, 저 주파수 범위 및 고 주파수 범위가 크기가 동일하도록, 즉 예로 들자면 두 주파수 범위가 각각 예를 들어 200 Hz를 커버하도록 하부, 중간 및 상부 주파수가 설정되는 것이 제안된다. 특히, 부분 파워 스펙트럼의 적분을 위해 크기가 동일한 주파수 범위의 선택은 이를 통해 부분 파워 밀도 스펙트럼의 이러한 적분의 결과의 양호한 비교 가능성을 위한 일 실시예이다. 이러한 예에서는 균일한 산술 분포를 기반으로 한다. 일 실시예에 따르면, 두 주파수 범위가 동일한 크기가 되도록 하는 분포에서, 로그 분포가 기반으로 사용된다.

추가적으로 또는 대안적으로, 하부, 중간 및 상부 주파수가 로터 블레이드의 오염 정도 또는 침식 정도에 따라 설정되는 것이 제안된다. 이것은 또한 예를 들어, 반년, 1년 또는 수년의 일정한 작동 기간 후에 침식에 의한 변화를 상쇄시키기 위해 주파수 범위의 변경이 이루어질 수 있다는 것을 의미한다. 기본적으로, 여기서 파워 밀도 스펙트럼의 특성이 로터 블레이드의 오염 정도가 증가함에 따라 변할 수 있다는 인식에 기초한다. 이것을 고려하기 위해, 풍동 또는 시뮬레이션에서 파워 밀도 스펙트럼의 변화를 검출하기 위한 특별한 또는 일반적인 검사가 이루어질 수 있다. 특히, 파워 밀도 스펙트럼의 최대값이 또한 시프트될 수 있고, 그에 상응하게 가능한 한 양호한 평가를 위해, 적어도 중간 주파수를 그에 상응하게 시프트하거나 또는 새롭게 선택하는 것이 유리할 수 있다는 것이 인식되었다. 바람직하게는, 하부 및 상부 주파수는 또한 적응을 위해 그에 상응하게 변경된다.

바람직한 실시예에 따르면, 하부, 중간 및 상부 주파수는 평가가 깨끗한 상태로부터 오염된 상태로 로터 블레이드가 변화하는 것에 대해 내성이 있거나 또는 강건하도록 선택될 수 있다.

또 다른 실시예에 따르면, 하부, 중간 및 상부 주파수가 풍력 발전 설비의 설치 위치에서의 음향 방출 한계값에 따라 설정되는 것이 제안된다. 특성값의 관계로부터, 특히 제1 스펙트럼 값의 제2 스펙트럼 값에 대한 관계 또는 제1 스펙트럼 성분의 제2 스펙트럼 성분에 대한 관계로부터, 풍력 발전 설비의 음향 방출 값이 도출될 수 있다. 또한 이것은 풍동 또는 시험 시스템에서 조사될 수 있다. 이러한 관계가 검출된 경우, 각각의 요구된 음향 방출 한계값을 따르도록 하부, 중간 및/또는 상부 주파수의 설정이 이루어질 수 있다.

또 다른 실시예에 따르면, 하부, 중간 및 상부 주파수가 풍력 발전 설비의 영역에서의 음향 측정에 따라 설정되는 것이 제안된다. 이를 통해, 특히 각 시스템에서의 테스트 작동에 대해 이 값을 간단한 방식으로 설정할 수 있다. 따라서, 실제로 각 경우에 해당 풍력 발전 설비 또는 해당 설치 위치의 구체적인 환경 조건이 고려될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 하부 주파수, 중간 주파수 및 상부 주파수가 200 Hz, 400 Hz 및 600 Hz의 값으로 또는 대응하는 범위의 값으로 설정되는 것이 제안된다. 200 Hz, 400 Hz 및 600 Hz의 값은 서로 다른 시스템에 대해서도 양호한 값으로 판명되었다. 그러나 위에서 언급한 3개의 정확한 값에 반드시 의존하는 것은 아니고, 따라서 언급된 3개의 값을 중심으로 한 영역에서의 설정이 수행될 수도 있는데, 예를 들어 각 값의 ± 20 Hz의 간격에서 또는 각 값의 ± 50 Hz 주위에서 각각 수행될 수 있다.

유리한 실시예에 따르면, 지표값은 적어도 2개의 특성값 중 2개 또는 제1 및 제2 스펙트럼 값 또는 제1 및 제2 스펙트럼 성분의 비인 것이 제안된다. 제안된 평가는 임계적 유입이 상정되는 방식으로 수행되는데, 즉, 지표값이 미리 결정 가능한 비율 한계값을 초과하는 경우 임계적 유입이 존재하는 방식으로 평가된다. 바람직하게는, 그러한 비율 한계값은 1보다 크다.

이러한 비를 형성함으로써, 비가 형성되는 절대값에 더 이상 의존하지 않거나 또는 적게 의존하게 된다. 따라서 하나의 비율만이 형성되고, 따라서 하나의 특성만이 결과에서 평가되지만, 절대값은 물론 계산에 포함되지만 절대값은 평가되지 않는다. 어쨌든, 이에 따라 간단한 방식으로 특성의 평가가 수행될 수 있다. 이것은 특히 공기 흐름의 흐름 분리 경향이 존재하는 상황이 특성의 평가로부터 도출될 수 있다는 인식에 기초한다.

대안적으로 또한 특성값 중 하나가 절대 비교값과 비교될 수도 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 특성값의 비와 비율 한계값의 비교는 제2 특성값과 비율 한계값과의 곱과 제1 특성값의 비교에 해당하며, 따라서 등가의 변환이 될 것이다.

어떤 경우이든 비를 비율 한계값과 비교하는 것으로부터 간단한 방식으로 임계적 유입이 존재하는지 여부에 대한 평가가 수행될 수 있다. 특히 바람직하게는 비 > 1인 경우에는 임계적 유입이 상정되고, 비 <= 1인 경우에는 비-임계적 또는 정상 유입이 상정될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 특히 1보다 클 수 있는 구체적인 비율 한계값을 지정하는 것이 바람직한 실시예이다. 이를 통해 언제부터 임계적 유입이 상정되는지 명확하고 모호하지 않은 정의가 수행될 수 있다.

이러한 비율 한계값은 또한 구체적인 풍력 발전 설비에 따라 또는 구체적인 경계 조건에 따라서도 수행될 수 있다. 특히, 여기서 해당 로터 블레이드의 오염 정도가 통합될 수 있다. 이를 통해, 서로 다른 오염 수준에서 서로 다른 흐름 분리 경향이 존재할 수도 있다는 것이 고려될 수 있다. 근본적인 기술 조건은 때로는 매우 복잡할 수 있다. 그러나 이들은 이 경우 해당 비율 한계값을 설정함으로써 평가를 수행하기 위해 간단하고 명확하게 구현될 수 있다. 주파수 범위가 이 예를 선택하는 경우 로터 블레이드의 오염 정도에 따라서도 설정되는 경우, 이것은 비율 한계값의 설정에 따라 그에 상응하게 조정될 수 있다.

또 다른 실시예에 따르면, 적어도 하나의 측정 위치가 로터 블레이드의 로터 블레이드 트레일링 에지의 영역에 배치되는 것이 제안된다. 특히 로터 블레이드 트레일링 에지의 영역에서, 먼저 흐름의 분리가 발생하므로, 흐름 분리 경향 및 이에 따라 임계적 유입이 더 잘 검출될 수 있다. 또한 센서는 이 지점에서 침식 동작에 대해 비교적 양호하게 보호된다.

추가적으로 또는 대안적으로, 측정 위치는 로터 블레이드의 흡입 측면에 배치되는 것이 제안된다. 이는 또한 적어도 여기서 특히 기초가 되는 현상의 경우에는 흡입 측면에서의 흐름 분리 경향이 예상된다는 것을 고려한다. 즉, 상술한 현상의 경우, 로터 블레이드가 6시 위치에 있을 때보다 소위 12시 위치에 있는 로터 블레이드에서 더 높은 풍속을 가질 것으로 예상되는데, 여기서는 설명을 위해 이러한 2개의 극단적인 위치를 언급하도록 한다. 증가된 풍속을 통해 받음각도 변경되는데, 즉 로터 블레이드의 흡입 측면 상의 흐름 분리 경향이 발생할 수 있는 방식으로 변경된다. 가능하게는, 그러나 6시 위치에서, 즉 특히 로터 블레이드의 압력 측면에서 흐름 분리가 발생할 수 있다.

이 경우 받음각은 외관상 바람이 해당 로터 블레이드 프로파일에 대해 유입되는 각도이다. 블레이드 각도를 조정함으로써, 특히 적어도 하나의 피치 모터를 대응하게 작동시킴으로써, 받음각도 결과적으로 변경된다. 여기에서 그리고 아래에서 받음각의 조정에 대해 언급되는 한, 여기에는 실제로 받음각의 조정으로 이어지는 블레이드 각도의 조정이 포함되는 것으로 이해되어야 한다.

또 다른 실시예에 따르면, 측정 위치가 그 길이 방향 축에 대해 로터 블레이드의 중간 영역 내에, 특히 로터 블레이드의 연결 영역으로부터, 즉 로터 블레이드의 루트로부터 로터 블레이드의 블레이드 팁으로의 60% 내지 95%, 특히 75% 내지 85%의 범위 내에 배치되는 것이 제안된다. 여기서 로터 블레이드의 높은 웨브 속도가 있기 때문에, 이 영역에서 특히 설명된 현상이 예상되지만, 동시에 현저한 프로파일, 즉 특히 큰 축 길이가 존재한다. 즉, 측정 위치를 외측에 제공하지만 블레이드 팁에서 완전히 외측은 아닌 곳에 제공하는 것이 제안된다.

바람직하게는 복수의 측정 위치가 제공되는데, 특히 각각의 로터 블레이드 상에 하나 또는 특히 바람직하게는 각각의 로터 블레이드 상에 복수의 측정 위치가 제공된다. 특히 각 로터 블레이드 상에서의 측정 시, 로터 허브의 중앙에서 평가를 제공하는 것이 유리할 수 있다.

바람직하게는, 지표값은 저역 통과 필터링되는데, 즉 저역 통과 특성을 갖는 필터 함수로 필터링된다. 풍동 실험의 측정 데이터로부터, 지표값이 매우 큰 변동, 특히 소음이 발생할 수 있다는 것이 인식되었다. 따라서 지표를 저역 통과 필터링하는 것이 제안된다. 풍동 측정 데이터에 기초하고 1단계 지수 평활화의 사용을 활용하는 측정 및 평가도 조사되었다. 소음 및 일부 이상점이 성공적으로 억제될 수 있지만, 지표는 이를 통해 비활성이 되고, 즉 동적 단계 응답을 보이는 것이 입증되었다.

본 발명에 따르면, 또한 블레이드 각도가 조정될 수 있는 적어도 하나의 로터 블레이드를 갖는 로터를 갖는 풍력 발전 설비의 기초가 되는 풍력 발전 설비를 제어하기 위한 방법이 제안된다. 특히 3개의 이러한 로터 블레이드를 갖는 로터가 제안된다. 상기 방법은

- 적어도 하나의 측정 위치에서 적어도 하나의 로터 블레이드에 대한 압력 측정을 평가하는 단계,

- 상기 압력 측정의 평가에 따라, 상기 로터 블레이드 상에 임계적 유입이 존재하는지 여부를 평가하는 단계, 및

- 임계적 유입이 평가된 경우, 상기 유입을 개선하기 위해, 받음각의 관점에서 상기 로터 블레이드를 조정하는 단계

를 포함한다.

따라서, 적어도 하나의 로터 블레이드 상에서 적어도 하나의 압력 측정이 수행되어 평가된다. 평가는 특히 주파수 분석 또는 후속 신호 분석과 함께 대역 통과를 사용하는 평가를 포함할 수 있다. 압력 측정의 평가에 따라, 그 후, 로터 블레이드 상의 임계적 유입이 존재하는지 여부가 평가되고, 그 후 즉 임계적 유입이 평가된 경우, 해당 로터 블레이드가 받음각이 감소됨으로써, 이에 대해 선택적으로 반응한다. 로터 블레이드의 조정은 이 경우 유입이 개선되도록 수행된다. 조정은 즉 흐름 분리 경향이 감소되거나 또는 제거되도록 수행된다. 특히, 이를 위해 로터 블레이드는 바람으로 더 회전되어, 블레이드 각도를 증가시킨다.

특히, 임계적 유입이 존재하는지 여부를 평가하기 위해, 전술한 실시예들 중 적어도 하나에 따른 방법이 사용된다. 따라서, 특히 이 방법은 측정 위치에서 로터 블레이드 상의 압력 스펙트럼의 적어도 일부분을 검출하고 압력 스펙트럼으로부터 2개의 특성값을 결정하고 지표값을 이로부터, 즉 이들 2개의 특성값의 서로에 대한 관계로부터 결정하는 것을 사용하다. 마지막으로 이로부터 형성된 지표값에 따라, 임계적 유입이 존재하는지 여부가 평가된다.

로터 블레이드의 조정은 지표값이 한계값 아래로, 특히 비율 한계값 아래로 다시 감소하도록 수행된다. 이에 상응하게, 필요한 경우 시간 오버랩 측정 윈도우에 따라, 예를 들어 초당 10회 일정하게 평가를 위한 이러한 방법을 반복하고, 그에 상응하게 항상 다시 새롭게 또한 평가 단계를 수행하는 것이 제안된다. 비율 한계값을 초과하는 지표값이 결정되면, 이에 따라 대응하는 로터 블레이드는 그 받음각이 조정되고, 그에 상응하게 지표값도 감소될 것이다. 이것은 관찰될 수 있고, 그에 상응하게 블레이드 각도의 조정은 그것에 대해 배향될 수 있다.

이와 같이 수행된 조정은 바람직하게는 풍력 발전 설비의 모든 로터 블레이드에 대해 수행되고, 특히 로터의 적어도 하나의 회전에 대해, 특히 복수의 회전에 대해 유지될 수 있다.

바람직하게는 상부 및 하부 히스테리시스 한계값이 제공되고, 지표값이 상부 히스테리시스 한계값을 초과할 때 조정이 개시되지만, 지표값이 하부 히스테리시스 한계값의 미만이 될 때까지 조정이 계속된다. 이 경우, 하부 히스테리시스 한계값이 상부 히스테리시스 한계값보다 작으므로, 히스테리시스 범위가 이를 통해 걸쳐지게 된다. 이를 통해, 이미 변경된 측정을 통해 단일 한계값을 중심으로 일정한 조절이 수행되는 것을 방지할 수 있다.

OAM에 대한 조건은 종종 짧은 시간 동안만, 특히 1분 미만의 시간 동안만 지속되는 것으로 인식되었다. 고려를 위해, 일 실시예에 따르면, 미리 결정된 시간 간격, 특히 1분 내에 영구적으로 하부 히스테리시스 한계값의 미만이 되는 경우, 풍력 발전 설비가 다시 정상 작동으로 되돌아가게 하는 타이머, 즉 미리 결정된 지속 시간을 제공하는 것이 제안된다. 타이머가 만료된 후에, 즉 하부 히스테리시스 값의 미만으로 된 것이 마지막으로 계속된 후 미리 결정된 시간이 만료된 후에, 이에 따라 로터 블레이드의 조정이 다시 되돌려진다.

특히, 다음의 단계들을 갖는 풍력 발전 설비를 제어하기 위한 방법이 제안된다:

- 로터 블레이드에서의, 특히 상기 로터 블레이드 트레일링 에지의 근처에서 흡입 측면 상의 상기 로터 블레이드의 외부 영역에서의, 압력의 압력 스펙트럼의 적어도 일부분을 검출하는 단계,

- 상기 검출된 압력 스펙트럼의 스펙트럼 평가를 수행하는 단계,

- 상기 압력 스펙트럼을 제1 및 제2 부분 파워 밀도 스펙트럼으로 분할하는 단계,

- 상기 제1 및 제2 부분 파워 밀도 스펙트럼을 적분함으로써 제1 및 제2 스펙트럼 성분을 계산하는 단계,

- 상기 제1 및 제2 스펙트럼 성분의 비를 지표값으로 형성하는 단계,

- 상기 지표값을 미리 결정 가능한 비율 한계값과 비교하고, 상기 지표값이 상기 비율 한계값을 초과하는 경우, 임계적 흐름이 존재하는 것으로 평가하는 단계,

- 임계적 흐름이 존재하는 것으로 평가되는 경우, 상기 로터 블레이드의 받음각을 감소시키는 단계, 및

- 상기 단계들을 반복하는 단계.

바람직하게는, 블레이드 각도의 증가는 정상 동작에서 설정되는 블레이드 각도에 대해, 특히 5° 또는 10°의 미리 결정된 변화 각도를 갖는 제한된 범위에서 수행된다. 따라서, 이 실시예에 따르면, 대응하는 측정값을 연속적으로 기록하고, 평가하고, 필요하다면 블레이드 각도를 조정하기 위해, 상기 언급된 단계들을 연속적으로 수행하고 일정하게 반복하는 것이 제안된다. 여기서 블레이드 각도의 증가는 받음각의 감소로 이어진다는 것을 주목해야 한다.

또한, 블레이드 각도가 조정될 수 있는 적어도 하나의 로터 블레이드를 갖는 로터를 갖는 풍력 발전 설비를 제어하기 위한 방법이 제안되며, 상기 방법은 다음 단계들을 포함한다:

- 상기 풍력 발전 설비의 음향 측정을 기록하는 단계,

- 미리 결정 가능한 초 저주파 음향 한계값 초과의 진폭을 갖는 초 저주파 음향이 존재하는지 상기 음향 측정을 평가하는 단계, 및

- 상기 음향 측정을 평가하는 단계에 의해 미리 결정 가능한 초 저주파 음향 한계값 초과의 진폭을 갖는 초 저주파 음향이 존재하는 것으로 나타나면, 상기 풍력 발전 설비의 적어도 하나의 작동 설정을 변경하는 단계.

따라서, 여기서 우선 풍력 발전 설비에서의 음향 측정을 기록하는 것이 제안된다. 이것은 로터 블레이드뿐만 아니라 풍력 발전 설비의 기관실 또는 타워에서도 가능하다. 또한 풍력 발전 설비 주변의 음향 측정이 고려된다. 어쨌든 여기에는 음향 측정이 제안되어 있으며, 이는 특정 진폭을 갖는 초 저주파 음향이 존재하는지 여부가 검사된다. 여기서 관심 대상은 특히 이론적으로 사람 또는 동물이 느낄 수 있는 초 저주파 음향으로 이어질 수 있는 진폭이다. 특히, 약 1 내지 20 Hz의 주파수를 갖는 음향은 여기서 초 저주파 음향으로서 상정되지만, 또한 예를 들어 0.1 Hz까지의 더 낮은 것일 수도 있다.

이와 같은 진폭을 갖는 초 저주파 음향이 검출되면, 풍력 발전 설비의 적어도 하나의 작동 설정을 변경하는 것이 제안된다. 이를 위해, 초 저주파 음향 한계값이 미리 결정될 수 있고, 검출된 초 저주파 음향이 이를 초과하는 진폭을 갖는지 여부에 관해서 검사될 수 있다.

여기서, 임계적 유입의 검출을 다루는 전술한 적어도 하나의 실시예에 의해 조합이 또한 이루어질 수도 있다. 이러한 임계적 유입은 위에서 설명한 현상으로 인해 주파수 변조로서 인식될 수 있다. 따라서, 양자는 물리적으로 다소 상이하지만, 한편으로는 주파수 변조에 대한 그리고 다른 한편으로는 초 저주파 음향에 대한 유사한 효과 및/또는 유사한 감각이 발생하는 것으로 고려될 수도 있다. 주파수 변조 시에는, 초 저 주파수 음향보다 훨씬 높은 특정 주파수 또는 주파수 범위의 소음이 맥동식으로 발생하므로, 맥동은 초 저주파 음향 범위의 주파수를 갖기 때문에, 경우에 따라서는 초 저주파 음향으로 또는 이와 유사하게 인식될 수도 있다. 반면 실제 초 저주파 음향은 매우 낮은 주파수, 특히 20Hz 이하의 소음을 갖는다.

초 저주파 음향에 대한 대책으로서, 이것이 상응하는 높은 진폭으로 검출된다면, 이제 풍력 발전 설비의 적어도 하나의 작동 설정을 변경함으로써, 이를 통해 가능한 한 초 저주파 음향의 음원 및/또는 증폭을 변경하는 것이 제안된다.

바람직하게는 작동 설정을 조정하기 위해, 유입을 개선하도록, 받음각의 관점에서 로터 블레이드를 변경하는 것이 고려되고, 이는 또한 전술한 많은 실시예에 따라 제공되는 수단에 대응한다.

추가적으로 또는 대안적으로, 로터 속도를 변경, 특히 감소시키는 것이 제안된다. 이를 통해 또한 초 저주파 음향의 음원 세기가 감소된다.

추가적으로 또는 대안적으로, 풍력 발전 설비에 의해 발생된 파워를 감소시키는 것이 고려된다. 또한, 이는 초 저주파 음향을 감소시키기 위한 수단일 수 있다. 이 경우 예를 들어 생성된 파워를 변경하거나 또는 감소시키면 풍력 발전 설비가 바람에 저항하는 저항의 정도에 영향을 줄 수도 있다는 점에 주의해야 한다. 따라서 이러한 수단은 또한 음향 생성에도 영향을 줄 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 로터 블레이드는 상기 풍력 발전 설비의 로터와 함께 회전되고,

- 압력은, 상기 압력 스펙트럼의 상기 적어도 일부분을 검출하기 위해, 상기 로터의 적어도 하나의 회전에 대해, 특히 복수의 회전에 대해 검출되고,

- 복수의 압력 측정이, 각 회전 도중에 연속적으로, 특히 균일하게 및/또는 균일한 간격으로, 수행되고,

- 순간 압력 스펙트럼이 각각의 압력 측정에 대해 결정되며, 그리고 상기 압력 스펙트럼의 상기 적어도 일부분은, 상기 적어도 하나의 회전에 대한 모든 압력 측정의 상기 순간 압력 스펙트럼들을 평균화함에 의해 형성된다.

따라서, 특히 풍력 발전 설비의 작동 중에 로터가 회전하고, 이 경우 압력 측정이 연속적으로, 특히 계속적으로 또는 준-계속적으로 기록된다. 특히 소음 센서에 의해 특히 영구적으로 측정되고, 상기 소음 센서는 이에 따라 압력을 기록한다. 측정이 평가되고, 파워 스펙트럼 또는 파워 밀도 스펙트럼이 즉 각 측정 또는 각 측정 시간에 생성된다. 예를 들어 측정은 예를 들어 FFT를 통해 파워 스펙트럼 또는 파워 밀도 스펙트럼의 결정을 허용하는 스캐닝 주파수에 의해 스캐닝될 수 있다. 이와 같이 일정하게 스캐닝된 측정은 준-계속적 측정이라고 할 수도 있다.

가장 단순한 경우에 산술 평균으로 형성된 평균화를 통해, 이 경우 고려된 기간에 걸쳐 양호한 전체도가 형성된다. 또한 개별적으로 발생된 큰 편차는 이로부터 평균화되어 큰 역할을 하지 못 할 수 있다. 특히, 이러한 개별적으로 발생된 큰 편차는 이로써 로터 블레이드 또는 로터 블레이드들의 제안된 조절에 덜 영향을 줄 수 있다. 수 개의 회전에 걸쳐 변경되지 않거나 또는 약간만 변경되는 적게 변동하는 값이 또한 제한된 블레이드 조정만을 발생시키는 것으로 충분하다는 것이 또한 인식되었다. 로터 블레이드 또는 로터 블레이드들의 너무 빈번한 조정이 방지된다.

일 실시예에 따르면, 또한

- 상기 로터의 회전에 따라 상기 로터의 각도 위치(α)가 검출되고,

- 각각의 순간 압력 스펙트럼은, 상기 평균화 이전에, 상기 각도 위치(α)의 코사인[cos(α)]에 의해 곱셈되고, 특히 이를 위한 상기 각도 위치(α)는, 관련 로터 블레이드가 상부에, 즉 12시 위치에, 있을 때, 0°의 값을 갖도록 정의되는 것이 제안된다.

이러한 수단에 의해, 균일한 소음, 즉 실제로 평가될 특성 신호에 중첩되는 간섭 신호가 측정 신호로부터 제거되거나 또는 적어도 감소될 수 있다. 이는 다음과 같은 사상을 기반으로 한다.

회피될 실속을 통지할 수 있는 소음은 특히 로터 블레이드가 상부에 있는 경우, 즉 로터 블레이드의 12시 위치의 영역에 있을 때 발생한다. 이러한 소음은 여기서 특성 신호를 형성한다. 즉 상부에서 풍속은 하부보다 규칙적으로 높으므로, 따라서 거기에서는 또한 실속도 발생한다. 그럼에도 불구하고, 로터 블레이드를 상부 영역에 대해 조정할 뿐만 아니라 적어도 하나 이상의 회전에 대해서도 조정할 수 있도록 하는 것이 제안된다. 피치 베어링 또는 모터 상의 이와 관련된 추가적인 교대 하중을 고려하여, 대안적으로 물론 로터 블레이드의 주기적 조정이 또한 제공될 수도 있다.

식별될 소음, 즉 특성 신호 이외에, 또한 대략 균일한 소음, 즉 간섭 신호가 중첩된다는 것이 인식되었다. 그러나, 이 간섭 신호는 실질적으로 높이와 독립적으로, 즉 로터 블레이드가 상부 또는 하부에 있는지 여부에 관계없이 발생하는 반면, 특성 신호는 실질적으로 상부에서 발생한다.

이제 각각의 순간 측정 신호 또는 이로부터 유도된 순간 압력 스펙트럼에 로터 블레이드의 각각의 현재 또는 관련된 각도 위치의 코사인을 곱하면, 즉 cos(α)를 곱하면, 이것은 한편으로는 간섭 신호에 대해 그리고 다른 한편으로는 특성 신호에 대해 결과적으로 상이한 효과를 갖는다. 간섭 신호에 대해서는 기본적으로 cos 함수 또는 cos 함수에 따른 분포가 발생하고, 이는 하나 이상의 완전한 회전에 대해 평균 제로를 형성한다. 이를 통해, 간섭 신호는 평균화되어 이를 통해 필터링된다.

그러나, 특성 신호는 본질적으로, cos 함수가 본질적으로 값 1을 가질 때, 상부에서 발생한다. 따라서 경향적으로 높은 값으로 발생하는 경우에는 1을 곱한다. 간섭 신호와는 달리, 하부 범위에서, 즉 특히 6시 위치의 범위에서는 더 낮은 값을 가지며, 이는 그 후에 음의 부호로 평균화에 포함된다. 따라서 전단 상황에 따라 하나의 오버턴에 걸쳐 0이 아닌 값이 형성된다.

결과적으로, 특성 신호는 단독으로 또는 적어도 우세하게 유지된다.

이러한 효과를 위해, 측정 또는 평균화가, 완전한 회전 또는 복수의 완전한 회전에 걸쳐 기록되는 것이 특히 유리하다. 그러나 특히 많은 회전이 있는 경우, 예를 들어 10회전 이상인 경우, 전술한 필터링 또는 평균화 효과가 그럼에도 불구하고 설정되는데, 왜냐하면 간섭 신호가 이를 통해 어떠한 경우에도 현저히 감소될 수 있기 때문이다.

본 발명에 따르면, 또한 받음각을 관점에서 조정 가능한 로터 블레이드를 갖는 로터를 갖는 풍력 발전 설비가 제공되고, 상기 풍력 발전 설비는:

- 적어도 하나의 측정 위치에서 상기 로터 블레이드들 중 적어도 하나 상의 벽 압력의 압력 스펙트럼의 적어도 일부분을 검출하기 위한 적어도 하나의 센서

를 포함하고, 상기 풍력 발전 설비는

- 상기 압력 스펙트럼의 적어도 일부분을 평가하고,

- 압력 측정의 평가에 따라, 상기 로터 블레이드 상에 임계적 유입이 존재하는지 여부를 평가하고,

- 임계적 유입이 평가된 경우, 상기 유입을 개선하기 위해, 받음각의 관점에서 상기 로터 블레이드를 조정하도록 준비된다.

바람직하게는, 풍력 발전 설비가 미리 결정된 한계 속도를 초과하는 로터 속도를 가질 때에만 유입을 개선하기 위해 로터 블레이드의 받음각의 변화가 수행되는 것이 제공된다. 여기서는 특히 주파수 변조가 압력 스펙트럼의 상기 설명된 평가에 의존할 뿐만 아니라 속도에도 의존할 수 있다는 인식에 기초한다. 특히, 낮은 풍속에서는 종종 함께 나타나는 낮은 속도에서 효과는 더 낮다.

이러한 풍력 발전 설비는 특히 상술한 실시예에 따른 적어도 하나의 방법을 구현하거나 또는 구체화하도록 제공된다.

바람직하게는 풍력 발전 설비에 대해, 적어도 하나의 센서가, 포텐셜-프리 센서로서, 특히 광학, 특히 광섬유 센서로서, 로터 블레이드 표면 내에 통합되는 것이 제공된다. 따라서, 이러한 센서는 간단한 방식으로 로터 블레이드 내의 원하는 측정 위치로 설치될 수 있다. 예를 들어 상응하게 준비된 광섬유 케이블과 같이 포텐셜-프리 센서를 사용함으로써, 이 경우 로터 블레이드 및 특히 센서에 낙뢰가 치는 위험을 회피할 수 있다.

본 발명은 이제 이하에서 첨부된 도면을 참조하여 예시적인 실시예에 의해 보다 상세히 설명될 것이다.
도 1은 풍력 발전 설비의 사시도를 도시한다.
도 2는 로터 블레이드의 흐름 분리 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 상이한 받음각에 대한 2개의 파워 밀도 스펙트럼을 도시한다.
도 4는 상이한 경계 조건 하에서 지표값에 대한 그래프를 도시한다.
도 5는 풍력 발전 설비를 제어하기 위한 제어 흐름을 도시하는 도면을 도시한다.

도 1은 타워(102) 및 기관실(104)을 갖는 풍력 발전 설비(100)를 도시한다. 기관실(104) 상에는, 3개의 로터 블레이드(108) 및 스피너(110)를 갖는 로터(106)가 배치된다. 로터(106)는 작동 시 바람에 의해 회전 이동하도록 설정되고, 이를 통해 기관실(104) 내의 발전기를 구동한다.

도 2는 본 발명과 관련된 위치에서의 로터 블레이드의 프로파일(2)을 도시한다. 상기 프로파일 및 이에 따라 또한 로터 블레이드는 블레이드 노우즈(4) 및 블레이드 트레일링 에지(6)를 포함한다. 또한, 프로파일 및 물론 마찬가지로 로터 블레이드는 흡입 측면(8)과 압력 측면(10)을 포함한다. 층류 조건에서 시스템의 작동 시, 상부측 또는 하부측으로도 언급될 수 있는 흡입 측면(8)뿐만 아니라 압력 측면(10) 상에도 한계층(12 또는 14)이 각각 형성된다. 이들 2개의 도시된 한계층(12 및 14)은 유입에 포함되는데, 상기 유입은 실질적인 층류를 갖는 원하는 작동으로 설정되고, 정상 유입(16)으로 도시된다. 여기에 도시되지 않은 로터 블레이드의 축에 대해 특히 평행하게 위치하는 비교 방향(18)과 관련하여, 그에 상응하게 정상적인 받음각(20)이 설정된다. 이러한 받음각, 즉 정상적인 받음각(20) 및 또한 아래에 더 설명되는 임계 받음각(22)은 음의 부호를 갖는 로터 블레이드의 움직임에 해당하는 벡터와, 풍속을 나타내는 벡터의 벡터 가산으로부터 형성된다.

로터 블레이드, 즉 프로파일(2)의 움직임이 일정할 때 풍속이 증가되면, 상기 언급된 임계적 받음각(22)을 포함하는 도 2에 도시된 임계적 유입(24)까지 또한 유입도 그 방향이 변경된다. 특히, 상부 한계층, 즉 흡입 측면(8)의 한계층(12)이 변경되고 흐름 분리 경향이 발생하는 경우, 임계적 유입이 상정되어야 한다. 이러한 임계적 상황이 도 2에서 상응하게 변경된 한계층(26)으로 도시되고, 이는 임계적 유입(24)에 할당되게 된다. 이러한 상황에서, 유입 소음도 또한 변경되고 증가한다.

도 2는 또한 파워 밀도 스펙트럼에 기초하여 상이한 상황의 기본이 되는 소음 특성을 설명한다. 이를 위해, 압력 센서(30)는 이와 관련한 프로파일(2)에서 흡입 측면(8) 상에서 블레이드 트레일링 에지(6) 근처에서 압력 신호, 특히 즉 음향을 수신한다. 따라서, 압력 센서(30)는 마이크로폰일 수 있다.

이러한 수신된 압력 또는 음향 신호는 FFT, 즉 푸리에 변환에 의해 파워 밀도 스펙트럼으로 변환될 수 있으며, 도 2의 다이어그램은 3개의 상황에 대한 파워 밀도 스펙트럼을 도시하는데, 즉, 정상적인 유입 시, 특히 정상적인 유입(16) 시 설정되는 정상 파워 밀도 스펙트럼(32), 임계적 유입 시, 특히 임계적 유입(24) 시 설정될 수 있는 임계적 파워 밀도 스펙트럼(34), 및 흐름이 분리될 때 설정될 수 있는 흐름 분리(36) 시의 파워 스펙트럼이다.

이러한 3개의 파워 밀도 스펙트럼이 주파수(f)에 대한 파워 밀도 스펙트럼(G_PP)으로서 이중 로그로 도시된다.

어떤 경우이든, 상이한 상황이 파워 밀도 스펙트럼을 명확하게 변경시키는 것을 볼 수 있다. 정상 상태로부터 임계 상태로 증가하는 것 이외에도 주파수의 변화를 또한 볼 수 있다.

이제 도 3과 도시된 바와 같이 이를 사용하게 된다. 도 2의 정상 파워 밀도 스펙트럼(32) 및 임계적 파워 밀도 스펙트럼(34)은 도 3에서 별도의 도면으로 도시된다. 이 경우 양 파워 밀도 스펙트럼은 저 주파수 범위(42) 및 고 주파수 범위(44)로 세분된다. 그 안에 각각 포함된 스펙트럼 성분은 낮은 스펙트럼 성분(P₁) 또는 높은 스펙트럼 성분(P₂)으로 지칭된다.

낮은 스펙트럼 성분(P₁)은 정상 유입(16) 시에는 더 작은 비율을 형성하고 임계적 유입(24) 시에는 더 큰 비율을 형성한다는 것을 명확히 볼 수 있다. 평가를 위해 이제, 각각의 경우에 부분 파워 밀도 스펙트럼을 적분하고 지표값(I)으로 사용될 수 있는 비를 형성하는 것이 제안된다. 그에 상응하게, 지표값(I)을 계산하기 위해, 다음의 공식에 따라 낮은 스펙트럼 성분(P₁)과 높은 스펙트럼 성분(P₂)의 비가 제안된다:

그에 상응하게, 일 실시예에 따르면, 스펙트럼을 저 주파수 범위(42) 및 고 주파수 범위(44)로 분할하는 것이 제안된다. 이러한 분할에 의해 형성되는 2개의 파워 밀도 스펙트럼은 각각 적분되고, 이로부터 지표값을 형성하기 위해 비가 계산된다. 이제 비율 한계값으로서 이전에 보정된 임계값이 이러한 지표값에 대해 기초로 될 수 있다. 지표값이 이러한 이전에 보정된 임계값을 초과하면, 로터 블레이드 또는 로터 블레이드들은 예를 들어 우선 바람에 의해 1°만큼 약간 회전되고, 이를 당업자는 "아웃 피칭"으로 칭할 수도 있다.

그러한 지표값, 즉 설명된 비(I)의 그래프가 도 4에서 상이한 풍속에 대해 그리고 깨끗한 그리고 오염된 로터 블레이드에 대해 받음각에 따라 도시되어 있다. 이러한 그래프는 풍동에서의 실험에서 사용되었다.

이 경우 5개의 곡선(51-55)이 도시되어 있고, 이들에는 다음 경계 조건이 적용된다.

51 : 깨끗한 블레이드에서 풍속 40 m/s

52 : 깨끗한 블레이드에서 풍속 60 m/s

53 : 깨끗한 블레이드에서 풍속 80 m/s

54 : 오염된 블레이드에서 풍속 60 m/s

55 : 오염된 블레이드에서 풍속 80 m/s.

깨끗한, 즉 오염되지 않은 로터 블레이드가 있는 경우, 즉 매우 매끄러운 프로파일 표면이 있는 경우, 서로 다른 유입 속도의 커브, 즉 51, 52 및 53은 거의 서로 유사하다. 따라서 파워 밀도 스펙트럼의 비 또는 "스펙트럼 에너지 계수"라고도 할 수 있는 지표값은 이러한 깨끗한 경우에는 초기 흐름 분리를 항상 매우 잘 검출한다. 이를 위해, 이 계수만이 필요하며, 특히 유입 속도 및 속도에 대한 인식은 이를 위해 필요하지 않다. 명확화를 위해, 깨끗한 흐름 분리 한계(56)가 이에 대해 도시되어 있는데, 이는 예를 들어 여기서 약 8.5°의 받음각을 나타내고, 여기에서는 또한 깨끗하고 이에 따라 매우 매끄러운 프로파일 표면에서 흐름 분리가 발생될 것이고 또한 풍동에서의 실험에서도 발생할 것이다.

오염된 경우 즉, 곡선(54 및 55)의 경우, 임계적 받음각은 깨끗한 경우보다 더 낮다. 이것은 또한 지표값, 즉 여기서 지표값(54 및 55)에 의해 도시된다. 이 경우 그러나 약간의 속도 의존성, 즉 유입 풍속의 의존성을 볼 수 있다. 예시를 위해, 또한 오염된 로터 블레이드에 대해 오염된 흐름 분리 한계(58)가 도시되어 있다.

적절한 한계 주파수를 선택함으로써, 속도 또는 풍속 및 오염 상황의 영향을 감소시킬 수 있다. 이러한 한계 주파수, 즉 각각 하부, 중간 및 상부 주파수(f₁, f₂, f₃)가 그에 상응하게 이전에 결정되어, 대응하는 평가 알고리즘에 프로그래밍될 수 있다. 또한 4개의 주파수가 존재할 수 있으며, 그 중 각각 2개는 주파수 범위를 정의한다. 이들 중, 2개의 주파수가 일치하고 이에 상응하게 중간 주파수(f₂)를 형성하거나, 또는 실제로 4개의 독립적인 주파수가 선택될 수 있다.

추가적으로 또는 대안적으로 또한 설명된 조절은 음향 임계적 속도 이상에서만 급격하게 스위칭될 수 있으며, 상기 음향 임계적 속도를 초과하는 경우 지표값은 안전하게 작동한다. 따라서, 미리 결정된 최소 속도가 존재할 때에만, 지표값에 기초하여 아웃 피칭을 수행하는 것이 제안될 수 있다.

따라서, 도 4는 상이한 경계 조건들에 대한 낮은 스펙트럼 성분(P₁) 및 높은 스펙트럼 성분(P₂)의 비율을 도시한다. 이를 위해, 다른 한계 주파수, 즉 하부, 중간 및 상부 주파수 또는 한계 주파수(f₁, f₂ 또는 f₃)가 선택되었고, 이들은 또한 상이한 경계 조건, 즉 특히 상이한 유입 풍속에 대해서도 로터 블레이드가 오염된 경우에도 비율 한계값에 대해 의미있는 지표값을 제공한다. 거기에서 값 2를 갖는 비율 한계값(60)의 경우, 이에 따라 지표값을 통해 상이한 조건에 대해서도 흐름 분리 경향을 잘 인식할 수 있다. 이를 위해 선택된 주파수는 다음과 같다: f₁ = 200 Hz, f₂ = 400 Hz 및 f₃ = 600 Hz이다.

구현을 위해, 트레일링 에지의 바로 근처에서, 흡입 측면 상에서, 로터 블레이드의 외측 영역에 센서 또는 센서들을 장착하는 것이 제안된다. 거기로부터 광섬유 라인이 가능한 한 중립 섬유를 따라, 예를 들어 허브에 대한 방향으로 로터 블레이드의 지지 구조에 있는 웨브를 따라 설치될 수 있다. 여기에서 센서 또는 센서들은 특히 하나의 센서만이 있는 경우, 로터 블레이드에서, 또는 특히 3개의 센서, 즉 로터 블레이드당 하나의 센서가 있는 경우, 허브에서 평가 유닛과 연결될 수 있다. 평가 유닛에서는, 상기 센서 또는 상기 센서들로부터 반사된 레이저 신호가 예를 들어 평가될 수 있다.

이러한 경우 그러한 평가 유닛, 특히 이를 위해 사용되는 평가용 마이크로 프로세서 유닛을 풍력 발전 설비의 시스템 제어 장치 및 시스템 조절 장치에 연결하는 것이 제안된다. 이를 통해, 이러한 평가된 측정값, 즉 특히 지표값은, 이전에 보정된 임계값을 초과할 때, 블레이드 피치각 모터가 보다 작은 받음각으로 이동되게 할 수 있다. 이러한 보정된 임계값은 도 4에서 비율 한계값(60)으로서 도시된다. 이러한 제어 수단은 지표값에 부정적인 영향을 미친다. 도 4의 다이어그램을 참조하면, 이는 받음각(α)의 감소에 해당할 것이므로, 이에 따라 값은 관련 곡선에서 이러한 변경된 받음각에 상응하게 변경된다.

이러한 동작, 즉 로터 블레이드의 조정을 촉발하기 위해, 센서의 응답은 즉 지표값의 평가를 수행한 후에 충분할 수 있다. 바람직하게는, 이 시간 동안의 지표값이 항상 한계값 미만이거나 또는 하부 히스테리시스 값 미만인 경우, 블레이드 각도가 다시 반대로 회전될 수 있기 전에 예를 들어 1분일 수 있는 후속 대기 시간이 제공된다. 지표값이 다시 한계값을 초과하면, 지표값이 영구적으로 임계값 미만이 될 때까지, 블레이드 각도는 더 증가된다.

예를 들어, 대기 조건이 변화하기 때문에, 지표값이 더 오랜 시간 동안 촉발되지 않으면, 피치각으로도 언급될 수 있는 블레이드 각도는 파워의 증가를 위해 다시 감소될 수 있다. 파워 증가를 위한 이러한 향상은 시스템 제어에 의해 구현될 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 제2 더 작은 비율 한계값, 즉 비율 한계값(60)보다 작은 제2 비율 한계값을 사용하는 것이 제안된다. 이를 통해, 조절 히스테리시스가 제어 장치에서 구현될 수 있다. 블레이드 각도가 다시 감소될 수 있기 전에, 즉 로터 블레이드가 최적의 블레이드 각도의 방향으로 다시 조정되기 전에, 위에 설명된 OAM 노이즈의 발생 이후에 초기에 (영구적으로) 이러한 제2 비율 한계값의 미만이 되어야 한다.

제어의 순서는 도 5에 도시되어 있다. 따라서 도 5는 시간 의존 압력 다이어그램(74)으로 도시된 시간 의존 압력(P)을 검출하기 위한 센서 블록(72)이 존재하는 조절 다이어그램(70)을 도시한다. 압력 다이어그램(74)에 따른 이러한 시간 의존 압력 그래프는 스펙트럼 평가 블록(76)에 따라 파워 밀도 스펙트럼(G_pp(f))으로 변환되고, 이 결과는 파워 밀도 스펙트럼 블록(78)에 도시된다.

적분 평가 블록(80)에서는, 블록(78)이 도시하는 파워 밀도 스펙트럼의 평가가 이루어진다. 이러한 평가에서는 하부, 중간 및 상부 주파수(f₁, f₂ 또는 f₃)에 기초하여 2개의 주파수 범위로의 분할이 수행된다. 따라서, 파워 밀도 스펙트럼은 하부 및 상부 스펙트럼 성분으로 분할되고, 낮은 스펙트럼 성분 또는 높은 스펙트럼 성분의 이들 2개의 파워 밀도 스펙트럼이 적분되고 이들 2개의 적분된 값의 비율이 형성되어 이로부터 지표값을 형성한다.

이러한 지표값은 한계값, 특히 비율 한계값과 비교되고, 지표값이 정상 유입으로부터 발생하기에 충분히 낮은지 여부, 또는 지표값이 비율 한계값을 초과하여 이에 따라 임계적 유입으로부터 발생되어야 하는지 여부에 따라, 결정 블록(82)에서 결정되며, 이는 결정 블록(82)에서 ok가 아닌 것(n.ok)으로 도시된다. 그렇지 않으면 결정 블록의 결과는 ok로 도시될 수 있다. 이에 따라, 그 후 제어 블록(84)에서 받음각을 감소시키기 위해 블레이드 피치각을 증가시키기 위한 제어 신호가 생성되고, 결정 블록(82)에서 임계적 유입이 존재한다고 결정되면, 결과는 즉 ok가 아니다. 제어 블록(84)은 중앙 시스템 제어 장치에서 구현될 수 있으며, 그 소프트웨어는 본 발명에 따른 지표를 고려하여 그에 상응하게 확장된다.

그 다음, 조절 다이어그램(70)에 도시된 이러한 동작은 연속적으로 반복된다. 이러한 반복은 약 0.01 초 내지 0.2 초의 범위에 있을 수 있다. 0.01 초(즉, 100 Hz)의 하부 값은 지표가 저역 통과 필터링될 때 특히 유리하다. 특히 이 경우 높은 평가율이 제안된다.

따라서, 당업계에서 "OAM(Other Amplitude Mudulation)"이라고도 불리는 원치 않는 노이즈 현상을 방지하거나 또는 적어도 감소시킬 수 있는 해결 방안이 제안되었다. 이를 위해, 특히 블레이드 표면에 통합된 센서들, 또는 이 중 적어도 하나, 및 조절 전략이 제안된다. 파라미터, 특히 하부, 중간 및 상부 주파수(f₁, f₂ 또는 f₃)의 양호한 선택을 사용하면, 상기 현상을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 완전히 차단할 수도 있다. 또한, 측정 신호의 평가가 블레이드의 보정, 유입 속도 및 오염 상태 또는 또한 블레이드의 침식에 대해서도 독립적이거나 또는 적어도 강건한 것이 특히 바람직하다.

따라서 측정 오브젝트에 영향을 미쳐서 오류 결과를 발생시킬 수 있는 환경 영향에 대한 방법의 가능한 한 낮은 감도 및 가능한 한 적은 측정 기술적인 노력으로 달성되는 해결 방안이 고려될 수도 있다. 여기에는 난류 한계층 내에서 로터 블레이드의 표면 압력장을 담당하는 와류가 포함된다.

특히 제안된 해결 방안은 원방계에서 OAM 이벤트를 먼저 검출하여 조절에 개입함으로써 문제를 다시 제거하는 방법보다도 우수하다. 이 해결 방안은 또한 받음각의 결정을 기초로 하는 방법에 비해 장점이 있는데, 왜냐하면 임계적 받음각은 로터 블레이드 프로파일 주위의 한계층의 특성 및 이에 따라 표면의 특성 특히 오염에도 의존하기 때문이다.

Claims (19)

1. 풍력 발전 설비(100)의 로터 블레이드(108) 상의 유입(inflow)을 평가하기 위한 방법에 있어서,
   - 적어도 하나의 측정 위치에서 상기 로터 블레이드(108) 상의 압력(P)의 압력 스펙트럼의 적어도 일부분을 기록하는 단계,
   - 상기 압력 스펙트럼으로부터 적어도 2개의 특성값(P1, P2)을 결정하는 단계,
   - 상기 적어도 2개의 특성값(P1, P2) 사이의 관계로부터 지표값(I)을 형성하는 단계, 및
   - 상기 지표값(I)에 따라, 임계적 유입(24)이 존재하는지 여부를 평가하는 단계
   를 포함하는 것인, 방법.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 적어도 2개의 특성값(P1, P2)은, 제1 스펙트럼 값(P1) 및 제2 스펙트럼 값(P2)을 포함하고,
   - 상기 제1 스펙트럼 값(P1)은 상기 압력 스펙트럼의 저 주파수 범위의 특성값이고,
   - 상기 제2 스펙트럼 값(P2)은 상기 압력 스펙트럼의 고 주파수 범위의 특성값인 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   - 상기 압력 스펙트럼은, 파워 밀도 스펙트럼(G_PP(f))으로서 형성되며, 그리고
   - 저 주파수 범위(42) 내의 제1 부분 파워 밀도 스펙트럼, 및
   - 고 주파수 범위(44) 내의 제2 부분 파워 밀도 스펙트럼으로 세분되며,
   - 상기 적어도 2개의 특성값은 제1 및 제2 스펙트럼 성분(P₁, P₂)으로 형성되고,
   - 상기 제1 스펙트럼 성분(P₁)은 상기 저 주파수 범위에 걸친 상기 제1 부분 파워 밀도 스펙트럼의 적분에 의해 형성되고,
   - 상기 제2 스펙트럼 성분(P₂)은 상기 고 주파수 범위에 걸친 상기 제2 부분 파워 밀도 스펙트럼의 적분에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 3항에 있어서,
   - 상기 저 주파수 범위(42)는 하부 주파수와 중간 주파수(f₁, f₂) 사이에 위치하고,
   - 상기 고 주파수 범위(44)는 상기 중간 주파수와 상부 주파수(f₂, f₃) 사이에 위치하며,
   상기 하부, 중간 및 상부 주파수(f₁, f₂, f₃) 중 적어도 하나는,
   - 임계적 유입(24)이 존재할 때, 상기 파워 밀도 스펙트럼이 상기 저 주파수 범위(42)에서 최대값을 갖도록 상기 중간 주파수(f₂)가 설정되는 것,
   - 상기 저 주파수 범위(42) 및 상기 고 주파수 범위(44)가 동일한 크기를 갖도록, 상기 하부, 중간 및 상부 주파수(f₁, f₂, f₃)가 설정되는 것,
   - 상기 하부, 중간 및 상부 주파수(f₁, f₂, f₃)가 상기 로터 블레이드(108)의 오염 정도에 따라 설정되는 것,
   - 상기 하부, 중간 및 상부 주파수(f₁, f₂, f₃)가 상기 풍력 발전 설비(100) 설치 위치에서의 음향 방출 한계값에 따라 설정되는 것,
   - 상기 하부, 중간 및 상부 주파수(f₁, f₂, f₃)가 상기 풍력 발전 설비(100) 영역에서의 음향 측정에 따라 설정되는 것, 그리고
   - 상기 하부, 중간 및 상부 주파수(f₁, f₂, f₃)가 각각 200 Hz, 400 Hz 또는 600 Hz 범위의 값으로 설정되는 것
   을 포함하는 표의 적어도 하나의 설정 규칙에 따라 설정되는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   - 상기 지표값(I)은 상기 적어도 2개의 특성값 중 2개의 또는 상기 제1 및 제2 스펙트럼 값의 또는 상기 제1 및 제2 스펙트럼 성분(P₁, P₂)의 비이고,
   - 상기 지표값(I)이 미리 결정 가능한 비율 한계값(60)을 초과하면, 임계적 유입(24)이 존재하는 것으로 평가되는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 측정 위치는
   - 상기 로터 블레이드의 로터 블레이드 트레일링 에지(6) 영역 내,
   - 상기 로터 블레이드(108)의 흡입 측면(8) 상, 및
   - 길이 방향으로 상기 로터 블레이드(108)의 중간 영역 내
   중 적어도 하나에 배치되는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 블레이드 각도가 조정될 수 있는 적어도 하나의 로터 블레이드(108)를 갖는 로터(106)를 갖는 풍력 발전 설비(100)를 제어하기 위한 방법에 있어서,
   - 적어도 하나의 측정 위치에서 적어도 하나의 로터 블레이드(108)에 대한 압력 측정을 평가하는 단계,
   - 상기 압력 측정의 평가에 따라, 상기 로터 블레이드(108) 상에 임계적 유입(24)이 존재하는지 여부를 평가하는 단계, 및
   - 임계적 유입(24)이 평가된 경우, 상기 유입을 개선하기 위해, 받음각의 관점에서 상기 로터 블레이드(108)를 조정하는 단계
   를 포함하고,
   상기 임계적 유입(24)이 존재하는지 여부를 평가하기 위해, 제 1항에 따른 방법이 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제 7항에 있어서,
   상기 블레이드 각도는, 지표값(I)이 다시 한계값 또는 비율 한계값(60) 미만으로 감소하도록 조정되는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제 8항에 있어서,
   받음각의 관점에서 상기 로터 블레이드(108)를 조정하는 단계는, 상기 지표값(I)이 상부 히스테리시스 한계값을 초과함으로써 임계적 유입(24)이 평가될 때 개시되고, 상기 조정하는 단계 상기 지표값(I)이 상기 상부 히스테리시스 한계값보다 작은 하부 히스테리시스 한계값의 미만이 될 때까지 계속되는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제 7항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 로터 블레이드(108)에서의 압력의 압력 스펙트럼의 적어도 일부분을 기록하는 단계,
    - 상기 기록된 압력 스펙트럼의 스펙트럼 평가를 수행하는 단계,
    - 상기 압력 스펙트럼을 제1 및 제2 부분 파워 밀도 스펙트럼으로 분할하는 단계,
    - 상기 제1 및 제2 부분 파워 밀도 스펙트럼을 적분함으로써 제1 및 제2 스펙트럼 성분을 계산하는 단계,
    - 상기 제1 및 제2 스펙트럼 성분(P1, P2)의 비를 지표값(I)으로 형성하는 단계,
    - 상기 지표값(I)을 미리 결정 가능한 비율 한계값(60)과 비교하고, 상기 지표값이 상기 비율 한계값(60)을 초과하는 경우, 임계적 흐름이 존재하는 것으로 평가하는 단계,
    - 임계적 흐름이 존재하는 것으로 평가되는 경우, 상기 로터 블레이드(108)의 받음각을 감소시키는 단계, 및
    - 상기 단계들을 반복하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
11. 제 7항 내지 제 9항 중 어느 한 항 있어서,
    - 상기 풍력 발전 설비(100)의 음향 측정을 기록하는 단계,
    - 미리 결정 가능한 초 저주파 음향 한계값을 초과하는 진폭을 갖는 초 저주파 음향이 존재하는지에 대하여 상기 음향 측정을 평가하는 단계, 및
    - 상기 음향 측정을 평가하는 단계에 의해, 미리 결정 가능한 초 저주파 음향 한계값을 초과하는 진폭을 갖는 초 저주파 음향이 존재하는 것으로 나타나면, 상기 풍력 발전 설비(100)의 적어도 하나의 작동 설정을 변경하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제 11항에 있어서,
    상기 작동 설정을 조정하는 것은,
    - 상기 유입을 개선하기 위해, 받음각의 관점에서 상기 로터 블레이드(108)를 조정하는 단계,
    - 로터 회전 속도를 변경시키는 단계, 및
    - 상기 풍력 발전 설비에 의해 생성된 파워를 변경시키는 단계
    로 이루어지는 리스트로부터의 적어도 하나의 조정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제 7항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유입을 개선하기 위해 상기 로터 블레이드(108)의 받음각을 변경하는 것은, 상기 풍력 발전 설비(100)가 미리 결정 가능한 한계 회전 속도를 초과하는 로터 회전 속도를 가질 때에만 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
14. 제 1항, 제 2항 및 제 7항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 로터 블레이드는 상기 풍력 발전 설비의 로터에 의해 회전되고,
    - 압력은, 상기 압력 스펙트럼의 상기 적어도 일부분을 기록하기 위해, 상기 로터의 적어도 하나의 회전에 대해 기록되고,
    - 각 회전 도중에 복수의 압력 측정이 연속적으로 수행되고,
    - 각각의 압력 측정에 대해 순간 압력 스펙트럼이 결정되며, 그리고 상기 압력 스펙트럼의 상기 적어도 일부분은 상기 적어도 하나의 회전에 대한 모든 압력 측정의 순간 압력 스펙트럼들에 대한 평균화에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
15. 제 14항에 있어서,
    - 상기 로터의 각도 위치(α)가 상기 로터의 회전에 따라 검출되고,
    - 각각의 순간 압력 스펙트럼은, 상기 평균화 이전에, 상기 각도 위치(α)의 코사인[cos(α)]에 의해 곱셈되는 것을 특징으로 하는 방법.
16. 받음각의 관점에서 조정 가능한 로터 블레이드(108)들을 갖는 로터(106)를 갖는 풍력 발전 설비(100)에 있어서,
    - 적어도 하나의 측정 위치에서 상기 로터 블레이드(108)들 중 적어도 하나 상의 벽 압력의 압력 스펙트럼의 적어도 일부분을 기록하기 위한 적어도 하나의 센서(30)를 포함하고,
    상기 풍력 발전 설비(100)는,
    - 상기 압력 스펙트럼의 적어도 일부분을 평가하고,
    - 상기 압력 스펙트럼으로부터 적어도 2개의 특성값(P1, P2)을 결정하고,
    - 상기 적어도 2개의 특성값(P1, P2) 사이의 관계로부터 형성된 지표값(I)에 따라, 상기 로터 블레이드(108)에 임계적 유입(24)이 존재하는지 여부를 평가하고,
    - 임계적 유입(24)이 평가된 경우, 상기 유입을 개선하기 위해, 받음각의 관점에서 상기 로터 블레이드(108)를 조정하도록
    준비되는 것인 풍력 발전 설비.
17. 제 16항에 있어서,
    제 1항, 제 2항 및 제 7항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하도록 준비되는 것인 풍력 발전 설비.
18. 제 16항에 있어서,
    로터 블레이드 표면 내에 적어도 하나의 센서(30)가 포텐셜-프리 센서로서 통합되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
19. 삭제

Images