KR102515403B1 - 풍력 터빈용 블레이드 피치 제어기 - Google Patents

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Abstract

풍력 터빈용 블레이드 피치 제어기는 공칭(nominal) 제어 시스템 및 타워 피드백 루프를 포함한다. 상기 타워 피드백 루프는 필터링 시스템을 포함한다. 상기 타워 피드백 루프는, 상기 필터링 시스템의 필터 주파수 초과의 상기 풍력 터빈의 모션에 응답하여 상기 풍력 터빈에 추가적인 유효 강성(stiffness)을 제공하기 위해, 풍력 터빈 블레이드 피치를 제어하도록 배열된다.

Description

풍력 터빈용 블레이드 피치 제어기
본 발명은 풍력 터빈용 로터 블레이드 피치 제어 분야에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 고정 파운데이션 해상 풍력 터빈용 로터 블레이드 피치 제어에 관한 것이다.
전형적인 고정 파운데이션 해상 풍력 터빈의 예를 도시하는 개략도가 도 1에 도시되어 있다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 고정 파운데이션 해상 풍력 터빈(1)은 전형적으로 나셀(nacelle, 4) 및 타워(5)의 상단부에 부착된 로터(rotor, 2)를 갖는 세장형 타워(elongate tower, 5)를 포함한다. 발전기 및 그와 연관된 전자 장치는 일반적으로 나셀(4)에 위치한다. 로터(2)는 복수의(예를 들어, 2개 또는 3개의) 블레이드(3)를 포함한다. 풍력 터빈(1)은 타워(5)의 하단부에 연결된 파운데이션(6)을 통해 해상 위치의 해저(7)에 고정된다.
이러한 맥락에서, "해상"은 단순히 풍력 터빈의 파운데이션이 물에 의해 둘러싸인 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 이는, 예를 들어 해수일 수 있고, 전형적으로 그러하다.
풍력 터빈에서 성능 향상을 위해 로터 블레이드의 피치를 제어하는 것이 알려져 있다. 예를 들어, 블레이드 피치는 전력 출력을 최적화하도록 제어될 수 있다. 그러나, 블레이드 피치는 또한 진동을 감소시키는 것과 같은 다른 이유로 제어될 수 있다.
고정 파운데이션 해상 풍력 터빈의 전후 굽힘 모드(fore-aft bending mode)의 공기 역학적 댐핑을 증가시키기 위해 집합적 블레이드 피치 제어를 사용하는 방법(즉, 모든 로터 블레이드를 동일한 양만큼 함께 제어하는 방법)은 풍력 에너지 산업에서 잘 알려져 있다. 증가된 공기 역학적 댐핑은 고정 파운데이션 해상 풍력 터빈을 위한 타워 및 파운데이션(들) 모두에서 감소된 피로(fatigue) 손상의 결과를 가져온다. 이러한 제어 방법들은 Van der Hooft, 2003 및 Bossanyi, 2003에서 논의된다(하기 참조 문헌들의 목록 참조). 그러나, 이러한 방법들은 제1 전후 모드의 주파수 근처의 좁은 주파수 범위에서만 효율적이다.
보다 최근에는, 고정 파운데이션 해상 풍력 터빈의 전후 진동 모드의 공기 역학적 댐핑뿐만 아니라, 강성(stiffness)을 증가시키기 위해 집합적 블레이드 피치 제어를 사용하는 것 또한 잘 알려져 있다. 이러한 방법은 Smilden, 2018에서 논의된다.
이 방법은, 바람 및 파동 유도 모션을 분할하거나 분리하고 모션 중 파동 유도 부분에 기초하여 강성을 제공하고 타워의 전체 속도에 기초하여 댐핑을 제공할 목적으로, 풍력 터빈 시스템의 저충실도(low fidelity) 모델을 사용하는 기준 모델(reference model) 및 상태 추정기(state estimator)로 구성된 타워 피드백 루프를 포함하는, 블레이드 피치 제어기에 기초한다.
증가된 강성의 주요 이점은, 제1 굽힘(bending) 주파수가 파동 여기(excitation) 주파수로부터 더 멀리 이동되고, 증가된 댐핑만을 제공하는 것보다 더 넓은 주파수 범위의 유효성을 달성한다는 것이다. 이는 피로(fatigue) 활용의 측면에서 종종 파도 부하가 지배적인 대형 해상 풍력 터빈(예를 들어, 6-10 MW 이상)에 대해 더 중요한 것으로 여겨진다. 증가된 댐핑만을 제공하는 제어기와 비교하여 가장 큰 개선은 높은 해상 상태에서 발견되었다.
Smilden, 2018에 개시된 제어 방법은 피로에 대하여 우수한 성능을 보여준다. 그러나, 이는 비교적 복잡한 제어 시스템이며, 여러 개의 저충실도 모델들이 상태 추정기 및 기준 모델에서 구현된다. 이 방법은 또한, 충분히 정확하게 달성하기 어려울 수 있는, 평균 풍속 측정에 의존한다.
따라서, 고정 파운데이션 해상 풍력 터빈에 대한 개선된 블레이드 피치 제어 방법이 요구된다.
본 발명의 제1 측면에 따르면, 풍력 터빈용 블레이드 피치 제어기로서, 블레이드 피치 제어기는 공칭(nominal) 제어 시스템 및 타워 피드백 루프를 포함하고, 타워 피드백 루프는 필터링 시스템을 포함하고, 타워 피드백 루프는, 필터링 시스템의 필터 주파수 초과의 풍력 터빈의 모션에 응답하여 풍력 터빈에 추가적인 유효 강성(stiffness)을 제공하기 위해, 풍력 터빈 블레이드 피치를 제어하도록 배열되는, 블레이드 피치 제어기가 제공된다.
따라서, 본 발명은 필터링 시스템의 필터 주파수 초과의 풍력 터빈의 모션에 응답하여 풍력 터빈에 유효 강성을 제공하기 위해 블레이드 피치를 조정하는 블레이드 피치 제어기를 제공한다. 예를 들어 필터 주파수 초과의 타워의 모든 측정된 동적 모션에 응답하여 풍력 터빈에 추가적인 유효 강성을 제공하는 것은, 이러한 댐핑이 파동 및 바람 유도 모션 모두에 응답하여 적용될 수 있다는 것을 의미한다.
용어 "유효 강성"은, 풍력 터빈 타워의 기계적 강성은 물론 변경되지 않지만, 블레이드 피치를 조정함으로써, 풍력 터빈이 더 강성인 것처럼 효과적으로 작용하도록 풍력 터빈의 동적 강성 특성이 변경된다는 사실을 지칭한다.
풍력 터빈은 댐핑 고조파 모션에 대해 다음 방정식에 따라 진동한다.
질량 x 가속도 + 댐핑 상수 x 속도 + 강성 상수 x 변위 = 0
블레이드 피치를 조정하는 것은 이 방정식에서 댐핑 상수 및/또는 강성 상수를 조정할 수 있다.
필터링 시스템을 사용하면, 비교적 간단한 방식으로, 필터링 시스템의 필터 주파수 초과인 풍력 터빈의 모션에 응답해서만 풍력 터빈의 유효 강성을 증가시킬 수 있다. 다시 말해, 증가된 강성을 제공하는 이러한 메커니즘은 특정 주파수 초과인 풍력 터빈 모션에 응답해서만 선택적으로 적용될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 필터 주파수는 2π/25 rad/s(또는 그 근처)일 수 있다. 필터 주파수는 바람직하게는 파동 주파수 범위 미만이고, 이는 통상적으로 약 0.2 내지 0.05 Hz이다.
본 발명의 적어도 바람직한 실시예들의 목적은, 예를 들어 고정 파운데이션 해상 풍력 터빈에 대한, 전후 굽힘 모드의 댐핑 및 강성을 증가시키기 위한 단순화된 집합적 블레이드 피치 제어 방식(scheme)을 제공하는 것이다.
본 발명은 Smilden, 2018에 제시된 시스템에 비해 큰 단순화를 제공한다. 본 발명자들은, 풍력 터빈에 추가적인 유효 강성을 제공하는 것이, Smilden, 2018 시스템에서 요구되는 바와 같은 상태 추정기(및 이와 연관된 복합 모델링), 기준 모델, 및 평균 풍속 측정 대신에, 간단한 필터링, 예를 들어 이용 가능한 위치 및/또는 속도 측정치/추정치(아래에서 더 상세히 기술됨)에 의해 달성될 수 있다는 것을 깨달음으로써 이를 달성하였다. 따라서, Smilden, 2018 시스템과 달리, 본 발명은 상태 추정기, 기준 모델 및 평균 풍력 측정의 사용 또는 존재를 (반드시) 필요로 하지 않는다.
본 발명에서와 같이, 간단한 필터링 시스템의 사용은 (Smilden, 2018 시스템에서 상태 추정기 및 기준 모델의 사용에 의해 달성되는 바와 같이) 로터 속도 제어 루프 상에 정상 상태 에러가 없음을 보장할 수 있다. 뿐만 아니라 본 발명은, 필터링 시스템의 필터 주파수 초과, 및 바람직하게는 또한 블레이드 피치 작동기의 대역폭 내에서, 풍력 터빈의 모든 동적 모션에 유효 강성을 제공할 수 있다. 이와 대조적으로, Smilden, 2018 시스템은 동적 모션 중 파동 유도 부분에만 강성을 제공하였다.
타워 피드백 루프가 필터링 시스템의 필터 주파수 초과 및 블레이드 피치 메커니즘의 대역폭 미만에서 타워의 모든 측정된 동적 모션에 추가적인 유효 강성을 제공하도록 동작할 수 있기 때문에, 이는, 예를 들어 일정한 바람 또는 바람의 완만한 변화(0 또는 저주파수)로 인한 풍력 터빈 타워 굽힘으로 인한 임의의 영향을 배제할 수 있지만, 타워에 부딪히는 파동의 비교적 고주파수에 의해 야기되는 모션에 작용할 수 있다.
타워 피드백 루프는, 바람직하게는 풍력 터빈의 파동 및 바람 유도 모션 모두에 응답하여 풍력 터빈에 추가적인 유효 강성 및 댐핑을 제공하기 위해, 풍력 터빈 블레이드 피치를 제어하도록 배열된다.
따라서, 이 제어기는 풍력 터빈의 파동 및 바람 유도 모션이 모두 있는 경우에 특히 유용할 수 있다. 이와 같이, 풍력 터빈은 바람직하게는 해상 풍력 터빈이다.
풍력 터빈은 고정 파운데이션 풍력 터빈일 수 있다.
타워 피드백 루프는, 바람직하게는 타워 진동을 감소시키거나 최소화하기 위해 풍력 터빈의 블레이드 피치를 제어하도록 배열된다.
이와 대조적으로, 공칭(nominal) 제어 시스템은 바람직하게는 전력 생산을 최적화하기 위해 풍력 터빈의 블레이드 피치를 제어하도록 배열된다.
필터링 시스템은 예를 들어, 후술되는 바와 같이 하나 이상의 필터를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 필터링 시스템은 2개 또는 3개의 필터를 포함할 수 있다. 하나 이상의 필터는 고역 통과 필터, 저역 통과 필터 및 노치 필터 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 후술하기로 한다.
필터링 시스템은 바람직하게는 고역 통과 필터를 포함한다. 이는 고역 통과 필터의 필터 주파수 미만인 풍력 터빈 모션을 필터링하는 데 사용될 수 있다. 따라서, 상기 언급된 필터링 시스템의 필터 주파수는 고역 통과 필터의 필터 주파수에 대응할 수 있다(그리고 바람직하게는 그러하다).
타워 피드백 루프는, 바람직하게는 블레이드 피치 작동기의 대역폭 내에 있는 풍력 터빈의 모션에 응답하여 풍력 터빈에 추가적인 유효 강성 및 댐핑을 제공하기 위해, 풍력 터빈 블레이드 피치를 제어하도록 배열된다. 블레이드 피치 작동기에 대한 시간 상수는 터빈 모델 및 크기에 따라 달라질 수 있다. 그러나 전형적인 범위는 약 0.2 내지 2초일 수 있다.
풍력 터빈의 위치 및/또는 속도 측정치 또는 추정치는 바람직하게는 필터링 시스템에 입력으로서 제공된다. 일부 경우에, 위치 및 속도 측정치 또는 추정치 모두가 입력으로서 제공될 수 있다. 다른 경우에, 단지 하나의 종류, 예를 들어 위치 측정치 또는 추정치가 입력으로서 제공될 수 있다. 예를 들어, 속도 측정치 또는 추정치를 필터링하는 것이 요구되지 않거나 또는 바람직하지 않을 수 있다. 이는 속도 측정치와 연관된 댐핑 효과가 정적 값을 포함하지 않기 때문에 블레이드 피치 작동기의 대역폭 내의 모든 모션들에 원칙적으로 반응할 수 있기 때문이다. 속도 신호에는 전형적으로 정상 상태 성분이 없기 때문에(또는 중요하지 않기 때문에, 고역 통과 필터는 필요하지 않을 수 있다. 고주파수의 노이즈를 걸러내기 위해 저역 통과 필터를 사용하는 것이 바람직하지만 필수적인 것은 아니다.
위치 및/또는 속도 측정치 또는 추정치는 직접적인 측정으로부터 제공될 수 있거나, 이들은 위치, 속도 및/또는 가속도 측정에 기초하여 계산될 수 있다.
위치 및/또는 속도 측정치 또는 추정치는, 풍력 터빈 상에 위치하고 바람직하게는 풍력 터빈의 파운데이션, 플랫폼 데크 또는 타워 상에 위치한 하나 이상의 (모션) 센서로부터 제공될 수 있다. 바람직하게는, 하나 이상의 센서는 풍력 터빈 상의 흘수선에 또는 그 부근에 위치한다.
이러한 모션 센서들을 흘수선에 또는 그 부근에 위치시키는 것이 유리할 수 있다(예를 들어, 나셀(nacelle)에/에 더 가깝게 있는 것과는 대조적으로). 이는 그러면 센서들이 파동 유도 모션을 더 잘 포착하고 블레이드 통과 주파수 효과와 같은 바람 유도 노이즈를 덜 포착할 수 있기 때문이다. 해상 풍력 터빈의 플랫폼 데크는 이러한 모션 센서를 위한 실용적이고 유리한 위치일 수 있다. 이러한 센서 위치의 선택은 유리하게는 (아래에서 더 설명되는) 블레이드 통과 주파수의 필터링을 제공할 필요를 피할 수 있다.
필터링 시스템은 바람직하게는 풍력 터빈의 필터링된 위치 및/또는 속도 측정치를 출력하도록 배열된다. 그러한 측정치는 그 후 블레이드 피치 조정을 결정하기 위해 (예를 들어, 타워 피드백 루프에서) 사용될 수 있다.
필터링된 위치 및 속도 측정치 모두가 필터링 시스템으로부터 출력되는 일부 경우에, 필터링 시스템은 예를 들어 상이한 필터로 풍력 터빈의 위치 및 속도 측정치를 상이하게 필터링하도록 배열된다.
필터링 시스템은 바람직하게는 정적 및/또는 준정적(예를 들어, 매우 느린) 모션을 필터링하도록 배열된다. 이는 예를 들어 저주파수 바람 유도 모션의 결과를 가져오는 바람의 일정한 및/또는 느린 변화들에 의해 야기될 수 있다.
이러한 정적 및/또는 준정적 모션의 필터링은 2차 버터워스(Butterworth) 고역 통과 필터와 같은 고역 통과 필터로 수행될 수 있다. 이는 다음과 같은 라플라스 변환을 사용할 수 있다.
Figure 112022066874863-pct00001
(1)
여기서
Figure 112022066874863-pct00002
는 라플라스 변환 함수이고,
Figure 112022066874863-pct00003
는 rad/s 단위의 고역 통과 필터 주파수이고, s는 라플라스 변수이다.
일부 실시예에서, 필터링 시스템은 블레이드 통과 주파수에서 모션을 필터링하도록 배열된다. 예를 들어, 3 블레이드형(three-bladed) 풍력 터빈의 경우, 필터링 시스템은 3P 주파수에서의 모션을 필터링하도록 배열될 수 있다. 유사하게, 2 블레이드형(two-bladed) 풍력 터빈의 경우, 필터링 시스템은 2P 주파수에서의 모션을 필터링하도록 배열될 수 있다. 예를 들어, 3P 주파수는 0.2 내지 0.6 Hz의 범위에 있을 수 있고, 및/또는 2P 주파수는 0.15 내지 0.5 Hz의 범위에 있을 수 있다.
전술한 바와 같이, 필터링 시스템은 노치 필터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 노치 필터는 블레이드 통과 주파수에서 모션을 필터링하는데 사용될 수 있다. 이와 같이, 노치 필터는 블레이드 통과 주파수에 대응하는 노치 필터 주파수를 가질 수 있다. 블레이드 통과 주파수는 잠재적으로 로터 속도에 따라 변할 수 있다. 그러나 실제로, 본 발명의 풍력 터빈 제어기 기능은, 로터 속도(및 이에 따른 블레이드 통과 주파수)가 (거의) 일정한 풍력 터빈의 정격 풍속을 초과할 때만 전형적으로 활성화될 것이다.
필터링 시스템은 고주파수 노이즈 또는 응답과 같은 노이즈를 필터링하도록 배열될 수 있다. 이는 예를 들어 저역 통과 필터로(바람직하게는 0.5 Hz와 같이 충분히 높은 필터 주파수로) 수행될 수 있다. 저역 통과 필터는 2차 버터워스 저역 통과 필터일 수 있다.
타워 피드백 루프는 바람직하게는 피드백 제어기를 더 포함한다. 피드백 제어기는 바람직하게는 필터링 시스템으로부터 출력을 수신하고 공칭 제어 시스템에 신호를 출력하도록 배열된다. 예를 들어, 피드백 제어기는 바람직하게는 필터링 시스템으로부터의 출력(예를 들어, 풍력 터빈의 필터링된 위치 및/또는 속도 측정치)으로부터 블레이드 피치 기준 신호(블레이드 피치 조정)를 출력하고 결정하도록 배열된다. 블레이드 피치 기준 신호는 공칭 제어 시스템 내의 기본 제어기로부터 제공되는 공칭 블레이드 피치 기준 신호에 추가되는 조정(예를 들어, 각도 조정)일 수 있다.
피드백 제어기로부터 출력되는 블레이드 피치 기준 신호(
Figure 112022066874863-pct00004
)는 다음과 같이 표현될 수 있다:
Figure 112022066874863-pct00005
(2)
여기서
Figure 112022066874863-pct00006
는 비례 이득이고,
Figure 112022066874863-pct00007
는 미분 이득이다.
Figure 112022066874863-pct00008
는 피치 각(pitch angle)으로부터 공기 역학적 추력(thrust force)까지의 도함수의 추정치로서 구현될 수 있다:
Figure 112022066874863-pct00009
(3)
여기서 ω는 로터 속도이고 β는 블레이드 피치각이다.
Figure 112022066874863-pct00010
는 전형적으로 블레이드 피치각 및/또는 측정된 로터 속도의 함수로서 일정한 값 또는 이득 스케줄링 값으로서 구현될 수 있다.
Figure 112022066874863-pct00011
는 필터링된 위치 측정치/추정치(
Figure 112022066874863-pct00012
)이고,
Figure 112022066874863-pct00013
는 필터링된 위치 측정치/추정치(
Figure 112022066874863-pct00014
)이며, 풍력 터빈에 대한 x 방향은 도 1에 표시된 바와 같다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 풍력 터빈의 블레이드 피치를 제어하는 방법이 제공되며, 방법은 필터링 시스템의 필터 주파수 초과의 풍력 터빈의 모션에 응답하여 풍력 터빈에 추가적인 유효 강성을 제공하기 위해 블레이드 피치를 제어하도록 필터링 시스템과 함께 블레이드 피치 제어기를 사용하는 단계를 포함한다.
방법은 바람직하게는 전술한 바와 같이 (임의의 선택적 또는 바람직한 특징을 갖는) 블레이드 피치 제어기를 사용하는 단계를 포함한다.
방법은 풍력 터빈의 파동 및 바람 유도 모션 모두에 응답하여 풍력 터빈에 추가적인 유효 강성을 제공하기위해 풍력 터빈 블레이드 피치를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
방법은 블레이드 피치 작동기의 대역폭 내에서의 풍력 터빈의 모션에 응답하여 풍력 터빈에 추가적인 유효 강성을 제공하기 위해 풍력 터빈 블레이드 피치를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
방법은 바람직하게는 풍력 터빈의 위치 및/또는 속도 측정치 및/또는 추정치를 필터링하기 위해 필터링 시스템을 사용하는 단계를 포함한다.
방법은 다음을 포함할 수 있다: 풍력 터빈의 위치 및 속도 측정치 및/또는 추정치를 상이하게 필터링하는 단계; 정적 및/또는 준정적 모션을 필터링하는 단계; 및/또는 블레이드 통과 주파수에서 모션을 필터링하는 단계.
방법은 바람직하게는 풍력 터빈의 필터링된 위치 및/또는 속도 측정치 및/또는 추정치로부터 블레이드 피치 기준 신호를 결정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전술한 바와 같은 블레이드 피치 제어기를 포함하는 풍력 터빈이 제공된다.
풍력 터빈은 바람직하게는 전술한 바와 같이 하나 이상의 모션 센서를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 풍력 터빈용 블레이드 피치 제어기를 위한 타워 피드백 제어기가 제공되며, 타워 피드백 제어기는 필터링 시스템을 포함하고, 필터링 시스템은 필터링 시스템의 필터 주파수 초과의 풍력 터빈의 모션에 응답하여 풍력 터빈에 추가적인 유효 강성을 제공하기 위해, 풍력 터빈 블레이드 피치를 제어하도록 배열된다. 타워 피드백 컨트롤러, 및 바람직하게는 또한 그것의 필터링 시스템은, 바람직하게는 전술한 바와 같다.
이제, 본 발명의 바람직한 실시예는 단지 예로서 그리고 아래의 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 전형적인 고정 파운데이션 해상 풍력 터빈의 개략도이다;
도 2는 공지된 블레이드 피치 제어 시스템의 개략도이다;
도 3은 본 발명에 따른 블레이드 피치 제어 시스템의 실시예의 개략도이다;
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 필터링되지 않은 신호와 필터링된 신호를 비교하는 그래프이다;
도 5는 풍력 터빈 파운데이션에서의 피로 손상 누적의 수명 비교 플롯(plot)이다; 및
도 6a 내지 d는 종래의 댐핑 제어와 비교하여 본 발명에 따른 블레이드 피치 제어기의 유효성을 예시하는 시뮬레이션의 결과를 도시하는 플롯이다.
도 3 및 1에 각각 개략적으로 도시된 바와 같이, 본 발명은 고정 파운데이션 해상 풍력 터빈(1)을 위한 블레이드 피치 제어기(20)에 관한 것이다.
본 발명의 블레이드 피치 제어기(20)를 더 잘 이해하기 위해, 먼저 도 2에 개략적으로 도시된 바와 같은 종래 기술의 블레이드 피치 제어기(10)를 고려하는 것이 도움이 된다.
Smilden, 2018에 보다 상세히 설명되는 블레이드 피치 제어기(10)는 두 부분으로 구성된다: 공칭(nominal) 제어 시스템(11) 및 타워 피드백 루프(12).
공칭 제어 시스템(11)은 해상 풍력 터빈(14)으로부터 신호를 수신하고 해상 풍력 터빈으로 신호를 송신하는 기본 제어기(13)를 포함한다. 공칭 제어 시스템(11)의 기본 제어기(13)는 전력 생산을 최적화하기 위해 풍력 터빈의 블레이드 피치를 조정한다.
공칭 제어 시스템(11)은 타워 모션을 감소시키거나 최소화하기 위해 풍력 터빈의 블레이드 피치를 조정하는 타워 피드백 루프(12)와 조합된다.
타워 피드백 루프(12)는 해상 풍력 터빈(14)으로부터 직접 측정치(신호)를 수신한다. 타워 피드백 루프(12)의 주요 목적은 타워(5)에서 파동 유도 피로 부하(wave-induced fatigue loads)를 감소시키는 것이다. 비례 미분 집합적 피치 제어(Proportional-derivative collective pitch control)는 타워(5)에 전후 방향으로 추가적인 댐핑 및 강성을 제공하기 위해 채용된다. 0 기준 입력(zero reference input)을 갖는 타워 변위에 대한 비례 작용은 정상 상태 로터 속도 오차를 유발할 것이다. 따라서, 기준 모델(16)은 바람 유도 타워 변위를 나타내는 0이 아닌 기준 궤도를 생성하기 위해 채용된다. 사실상 타워 피드백 루프(12)는 상당한 난류 바람 변화의 주파수에 대한 주파수 범위에서 파동 유도 타워 변위에 대한 강성만을 제공한다. 전형적으로, 타워 변위들에 관한 정보는 표준 풍력 터빈 측정치에서는 이용 가능하지 않다. 또한, 기준 모델은 직접 측정할 수 없는 로터 와이드 유효 풍속(rotor wide effective wind speed)에 대한 정보가 필요하다. 이와 같이, 상태 추정기(15)는 이들 변수를 결정(또는 추정)하기 위해 타워 피드백 루프(12)에서 요구된다. 이산 시간 확장 칼만 필터(discrete-time extended Kalman filter)는 필요한 상태 추정치를 계산하기 위해 공식화된다.
피드백 제어기(17)는 상태 추정기(15) 및 기준 모델(16)로부터의 출력을 수신하고, 이를 기본 제어기(13)로부터의 출력과 조합하여 풍력 터빈(14)에 피드백한다.
따라서, 타워 피드백 루프(12)는 강성이 (바람 유도 모션과 대조적으로) 파동 유도 모션에 응답해서만 증가되는 방식으로 동작한다. 이는 일반적으로 어느 정도의 바람 유도 타워 변위가 있을 것이기 때문이다 - 즉, 타워는 바람에 휘어질 것이다(그리고 바람이 변하지 않는 한 어느 정도 휘어진 상태로 유지될 것이다). 상태 추정기(15)는 타워 모션을 추정하는 역할을 하고, 기준 모델(16)은 정상적인 바람 유도 변위가 오차를 야기하지 않도록 감산될 수 있는 (직접 측정되지 않거나 직접 측정될 수 없는) 타워 변위값을 제공한다. 간단히 말해서, 타워 피드백 루프(12)는 풍력 터빈 움직임이 수직 위치(타워가 반드시 있을 필요는 없음)에 대한 것이기 보다는 실제 구부러진 위치(바람에 의해 야기됨)에 대한 것인지를 결정한다.
그러나, 이러한 제어부(10)는 비교적 복잡하며, 앞서 언급한 바와 같이 다양한 단점을 가지고 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 블레이드 피치 제어기(20)는 도 2에 도시된 것과 비교하여 단순화되고 개선된 블레이드 피치 제어기를 제공한다.
블레이드 피치 제어기(20)에서, 공칭 제어 시스템(11)은 도 2의 것으로부터 변경되지 않는다. 그러나, 제어기(10)의 타워 피드백 루프(12) 대신에 새로운 타워 피드백 루프(22)가 제공된다.
타워 피드백 루프(22)는 상태 추정기(15) 및 기준 모델(16) 대신에 필터링 시스템(25)을 포함한다. 필터링 시스템(25)은 고역 통과 필터를 포함하고, 블레이드 피치 작동기의 대역폭 내에 있는 고역 통과 필터의 필터 주파수 초과의 타워의 모든 측정된 동적 모션에 응답하여, 즉 파동 및 바람 유도 모션 모두에 응답하여, 풍력 터빈에 추가적인 유효 강성을 제공하도록 동작한다. 이와 대조적으로, 타워 피드백 루프(12)는 타워(5)의 동적 모션 중 파동 유도 부분에만 강성을 제공한다.
필터링 시스템(25)이 블레이드 피치 작동기의 대역폭 내에 있는 고역 통과 필터의 필터 주파수 초과로 타워의 모든 측정된 동적 모션에 추가적인 유효 강성을 제공하도록 동작함에 따라, 이는 일정한 바람 또는 바람의 완만한 변화(0 또는 저주파수)로 인한 타워(5) 굽힘으로 인한 임의의 영향을 배제할 것이지만, 타워(5)에 부딪히는 파동의 비교적 고주파수에 의해 야기되는 모션에 작용할 것이다.
타워 피드백 루프(22)는 피드백 제어기(17')를 포함한다. 이 피드백 제어기(17')의 구조는 도 2의 피드백 제어기(17)의 구조와 동일하다. 그들의 파라미터 또한 동일할 수 있다. 그러나, 전형적으로 그들의 파라미터는 피드백 제어기(17)의 경우보다 피드백 제어기(17')의 경우에 모션 센서가 흘수선에 더 가깝게 위치하는 것(할 때)과 동일하지 않다.
피드백 제어기(17')는 기본 제어기(13)로부터의 공칭 블레이드 피치 기준 신호(uB)에 추가되는 추가 블레이드 피치 기준 신호인
Figure 112022066874863-pct00015
신호를 출력한다.
피드백 제어기(17)로부터의 출력
Figure 112022066874863-pct00016
는 다음과 같이 표현될 수 있다:
Figure 112022066874863-pct00017
(2)
여기서
Figure 112022066874863-pct00018
는 비례 이득이고,
Figure 112022066874863-pct00019
는 미분 이득이다.
Figure 112022066874863-pct00020
는 피치 각(pitch angle)으로부터 공기 역학적 추력(thrust force)까지의 도함수의 추정치로서 구현될 수 있다:
Figure 112022066874863-pct00021
(3)
여기서 ω는 로터 속도이고 β는 블레이드 피치각이다.
또한:
-
Figure 112022066874863-pct00022
는, 나셀 방향의 병진(서지(surge)) 또는 각도 모션(피치)과 관련될 수 있는, 필터링된 위치 측정치/추정치(
Figure 112022066874863-pct00023
)이다. 이는 직접 측정될 수 있거나 위치, 속도 및/또는 가속도 측정치에 기초하여 계산될 수 있다.
-
Figure 112022066874863-pct00024
는, 나셀 방향의 병진 속도 또는 각속도과 관련될 수 있는, 필터링된 속도 측정치/추정치(
Figure 112022066874863-pct00025
)이다. 이는 직접 측정될 수 있거나 위치, 속도 및/또는 가속도 측정치에 기초하여 계산될 수 있다.
풍력 터빈에 대한 x 방향은 도 1에 표시된 바와 같다.
필터링은 필터링 시스템(25)에 의해 제공된다. 상이한 필터링은 위치 및 속도 측정치에 대해 사용될 수 있고, 필터링은
Figure 112022066874863-pct00026
측정에 전혀 요구되지 않을 수 있다.
측정치(
Figure 112022066874863-pct00027
및
Figure 112022066874863-pct00028
)에 적용된 필터링은 전형적으로 다음과 같을 수 있다:
- (전형적으로 저주파수 바람 유도 모션인) 정적 및 준정적 모션 필터링. 이는 라플라스 변환을 갖는 2차 버터워스 고역 통과 필터로 달성될 수 있다:
Figure 112022066874863-pct00029
(1)
여기서
Figure 112022066874863-pct00030
는 라플라스 변환 함수이고,
Figure 112022066874863-pct00031
는 rad/s 단위의 고역 통과 필터 주파수이고, s는 라플라스 변수이다.
- 3 블레이드형 풍력 터빈의 블레이드 통과 주파수에 대응하는 3P 주파수(2 블레이드형 풍력 터빈의 경우 2P 주파수)의 필터링. 이는 다음 형태의 2차 노치 필터로 달성될 수 있다:
Figure 112022066874863-pct00032
(4)
여기서
Figure 112022066874863-pct00033
는 라플라스 변환 함수이고 s는 라플라스 변수이다.
Figure 112022066874863-pct00034
는 rad/s 단위의 노치 필터 주파수이고,
Figure 112022066874863-pct00035
및
Figure 112022066874863-pct00036
는 각각 분자와 분모의 상대 댐핑이다.
- 예를 들어 2차 버터워스 저역 통과 필터를 사용하여, 가능한 고주파수 노이즈/응답의 (충분히 높은 필터 주파수를 갖는) 종래의 저역 통과 필터링이 필요할 수 있다.
위치
Figure 112022066874863-pct00037
와 속도
Figure 112022066874863-pct00038
를 측정하기 위해 풍력 터빈(1)에 모션 센서(미도시)가 제공된다. 이들 센서는, 파동 유도 모션을 더 잘 포착하고 블레이드 통과 주파수 효과와 같은 바람 유도 노이즈를 덜 포착하기 위해, 유리하게는 흘수선(8)에 또는 그 부근에(예를 들어, 나셀(nacelle)에/에 더 가깝게 있는 것과는 대조적으로) 위치한다. 해상 풍력 터빈(1)의 플랫폼 데크(미도시)는 이러한 모션 센서를 위한 실용적이고 유리한 위치일 수 있다.
이러한 센서 위치의 선택은 유리하게는 3P (또는 2P) 주파수의 필터링을 요구하지 않을 수 있고, 식 (1)로부터의 하나의 가능한 제어된 구성은 다음과 같을 수 있다:
Figure 112022066874863-pct00039
(5)
Figure 112022066874863-pct00040
(6)
여기서,
Figure 112022066874863-pct00041
의 고역 통과 필터 주파수는 예를 들어 다음과 같이 선택될 수 있다:
Figure 112022066874863-pct00042
도 4는 필터링되지 않은 신호
Figure 112022066874863-pct00043
(청색, 상부 라인) 및 필터링된 신호
Figure 112022066874863-pct00044
(적색, 하부 라인)에 대해 시간에 따라 플롯된(plotted) 타워 변위를 보여주는 시뮬레이션된 데이터의 그래프이다. 필터링되지 않은 신호는 정적 및 준정적 바람 주파수 여기뿐만 아니라 파동 주파수 여기를 포함한다. 필터링된 신호는
Figure 112022066874863-pct00045
와 함께 상기 식 (5)에 기초한다.
알 수 있는 바와 같이, 필터링된 신호는 0을 중심으로 한 평균 변위를 나타내는 반면, 필터링되지 않은 신호는 시간에 따라 증가하는 변위를 보여준다.
블레이드 피치 제어기(20)는 도 2의 종래 기술의 제어기(10)에 비해 상당히 더 간단한 구현을 가지지만, 매우 유사한 결과를 제공한다.
아래의 표는 도 2의 블레이드 피치 제어기(10)(표에서 "발전된"으로 표시됨) 및 도 3에 도시된 본 발명의 블레이드 피치 제어기(20)(표에서 "단순화된"으로 표시됨)와 "기본" 제어기(즉, 공칭 제어 시스템(11))의 수명 비교를 나타낸다. 11개의 상이한 제어기 성능 비교 파라미터들이 비교된다.
Figure 112022066874863-pct00046
모든 성능 비교 파라미터들은 단순화된 제어기(본 발명의 블레이드 피치 제어기(20))가 발전된 제어기(도 2의 종래 기술의 블레이드 피치 제어기(10))와 유사한 성능을 산출한다는 것을 보여준다. 파란색으로 음영 처리된 결과(처음 5개의 결과 열)는 타워 피드백 제어의 바람직한 효과이다. 빨간색으로 음영 처리된 결과(제6, 제7 및 제9 결과 열)는 타워 피드백 제어의 바람직하지 않은 효과이다.
평가되는 제어기 성능 비교 파라미터들은 다음과 같이 정의된다:
Figure 112022066874863-pct00047
도 5는 도 2의 종래 기술의 블레이드 피치 제어기(10)("발전된 제어기"로 표시됨) 및 공칭 제어 시스템(11)("부하 감소 없는 기본 제어"로 표시됨)과 비교하여 본 발명의 블레이드 피치 제어기(20)("제안된 단순화된 제어기"로 표시됨)를 갖는 풍력 터빈 파운데이션에서의 피로 손상 누적의 수명 비교를 나타낸다. 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 블레이드 피치 제어기(20)는 도 2의 종래 기술의 블레이드 피치 제어기(10)와 피로 감소의 관점에서 유사한 성능을 제공한다.
종래의 댐핑 제어와 비교한 본 발명의 블레이드 피치 제어기(20)의 유효성을 예시하는 시뮬레이션의 결과들이 도 6a 내지 d에 제시된다. 이들 그래프에서, 흑색 선은 본 발명의 블레이드 피치 제어기(20)("제안된 댐핑 + 강성 제어기"로 표시됨)를 나타내고, 청색 선은 종래 기술의 종래의 댐핑 제어기("종래의 댐핑 제어기"로 표시됨)를 나타내고, 적색 선은 공칭 제어 시스템(11)만을 사용하는 것("부하 감소 없는 기본 제어기"로 표시됨)을 나타낸다.
도 6a는 타워 상부 변위의 전력 스펙트럼 밀도를 보여주는 주파수의 함수로서 m2/Hz 단위로 측정된 전력 밀도의 플롯이다.
도 6b는 블레이드의 피치각의 전력 스펙트럼 밀도를 보여주는 주파수의 함수로서 deg2/Hz 단위로 측정된 전력 밀도의 플롯이다.
도 6c는 시간의 함수로서 타워 상부 변위의 플롯이다.
도 6d는 시간의 함수로서 블레이드의 집합적 피치각의 플롯이다.
이들 플롯으로부터, 타워 모션 및 블레이드의 피치 활동 모두가 종래 기술의 종래의 댐핑 제어기에 의해 약 0.1 Hz의 주파수 범위에서 상당히 증가됨을 알 수 있다. 그러나, 본 발명의 블레이드 피치 제어기(20)(제안된 댐핑 + 강성 제어기)는 이러한 바람직하지 않은 작용을 제거한다.
본 발명의 블레이드 피치 제어기(20)(제안된 댐핑 + 강성 제어기)는 또한, 그들의 여기 주파수가 선택된 고역 통과 필터 주파수 초과이고 블레이드 피치 작동기의 대역폭 내에 있는 경우(그리고 적용되는 경우 노치 필터 주파수 영역 외부에 있는 경우), 파동 이외의 여기 메커니즘에 추가적인 강성을 제공할 수 있다.
참조 문헌들:
1. Van der Hooft E, Schaak P, Van Engelen T. 풍력 터빈 제어 알고리즘(Wind turbine control algorithms). DOWEC project-DOWEC-F1W1-EH-03-094/0, Task-3 report 2003. (Van der Hooft, 2003)
2. Bossanyi E. 부하 감소를 위한 풍력 터빈 제어(Wind turbine control for load reduction). 풍력 에너지(Wind Energy) 2003; 6(3):229-244. (Bossanyi, 2003)
3. Smilden E, Bachynski E E, Sørensen A J, Amdahl J. 모노일 해상 풍력 터빈을 위한 파동 방해 제거(Wave disturbance rejection for monoile offshore wind turbines). 풍력 에너지(Wind Energy) 2018. https://doi.org/10.1002/we.2273. (Smilden, 2018).

Claims (22)

  1. 풍력 터빈용 블레이드 피치 제어기로서, 상기 블레이드 피치 제어기는 공칭(nominal) 제어 시스템 및 타워 피드백 루프를 포함하고, 상기 타워 피드백 루프는 필터링 시스템을 포함하고, 상기 타워 피드백 루프는, 상기 필터링 시스템의 필터 주파수 초과의 상기 풍력 터빈의 모션에 응답하여 상기 풍력 터빈에 추가적인 유효 강성(stiffness)을 제공하기 위해, 풍력 터빈 블레이드 피치를 제어하도록 배열되는, 블레이드 피치 제어기.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 필터링 시스템은 고역 통과 필터, 저역 통과 필터 및 노치 필터 중 하나 이상을 포함하는, 블레이드 피치 제어기.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 필터링 시스템의 필터 주파수는 상기 고역 통과 필터의 필터 주파수인, 블레이드 피치 제어기.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 타워 피드백 루프는, 상기 풍력 터빈의 파동 및 바람 유도 모션 모두에 응답하여 상기 풍력 터빈에 추가적인 유효 강성을 제공하기 위해, 풍력 터빈 블레이드 피치를 제어하도록 배열되는, 블레이드 피치 제어기.
  5. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 타워 피드백 루프는, 블레이드 피치 작동기의 대역폭 내에서의 상기 풍력 터빈의 모션에 응답하여 상기 풍력 터빈에 추가적인 유효 강성을 제공하기 위해, 풍력 터빈 블레이드 피치를 제어하도록 배열되는, 블레이드 피치 제어기.
  6. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 풍력 터빈의 위치 및/또는 속도 측정치 및/또는 추정치는 상기 필터링 시스템에 입력으로서 제공되는, 블레이드 피치 제어기.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 위치 및/또는 속도 측정치 및/또는 추정치는 상기 풍력 터빈의 타워 또는 파운데이션 상에 위치한 하나 이상의 센서들로부터 제공되는, 블레이드 피치 제어기.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 하나 이상의 센서는 상기 풍력 터빈 상의 흘수선에 또는 그 부근에 위치하는, 블레이드 피치 제어기.
  9. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 필터링 시스템은 상기 풍력 터빈의 필터링된 위치 및/또는 속도 측정치 및/또는 추정치를 출력하도록 배열되는, 블레이드 피치 제어기.
  10. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 필터링 시스템은 상기 풍력 터빈의 위치 및 속도 측정치 및/또는 추정치를 상이하게 필터링하도록 배열되는, 블레이드 피치 제어기.
  11. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 필터링 시스템은 정적 및/또는 준정적 모션을 필터링하도록 배열되는, 블레이드 피치 제어기.
  12. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 필터링 시스템은 블레이드 통과 주파수에서 모션을 필터링하도록 배열되는, 블레이드 피치 제어기.
  13. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 타워 피드백 루프는 피드백 제어기를 더 포함하는, 블레이드 피치 제어기.
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 피드백 제어기는, 상기 필터링 시스템으로부터 출력되는 상기 풍력 터빈의 필터링된 위치 및/또는 속도 측정치 및/또는 추정치로부터 블레이드 피치 기준 신호를 결정하도록 배열되는, 블레이드 피치 제어기.
  15. 풍력 터빈의 블레이드 피치 제어 방법으로서, 상기 방법은, 필터링 시스템의 필터 주파수 초과의 상기 풍력 터빈의 모션에 응답하여 상기 풍력 터빈에 추가적인 유효 강성을 제공하기 위해, 상기 블레이드 피치를 제어하도록 상기 필터링 시스템과 함께 블레이드 피치 제어기를 사용하는 단계를 포함하는, 방법.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 방법은, 상기 풍력 터빈의 파동 및 바람 유도 모션 모두에 응답하여 상기 풍력 터빈에 추가적인 유효 강성을 제공하기 위해 풍력 터빈 블레이드 피치를 제어하는 단계를 포함하는, 방법.
  17. 청구항 15 또는 청구항 16에 있어서, 상기 방법은, 블레이드 피치 작동기의 대역폭 내에서의 상기 풍력 터빈의 모션에 응답하여 상기 풍력 터빈에 추가적인 유효 강성을 제공하기 위해 풍력 터빈 블레이드 피치를 제어하는 단계를 포함하는, 방법.
  18. 청구항 15 또는 청구항 16에 있어서, 상기 방법은, 상기 풍력 터빈의 위치 및/또는 속도 측정치 및/또는 추정치를 필터링하기 위해 상기 필터링 시스템을 사용하는 단계를 포함하는, 방법.
  19. 청구항 15 또는 청구항 16에 있어서, 상기 방법은,
    상기 풍력 터빈의 위치 및 속도 측정치 및/또는 추정치를 상이하게 필터링하는 단계;
    정적 및/또는 준정적 모션을 필터링하는 단계; 및/또는
    블레이드 통과 주파수에서 모션을 필터링하는 단계를 포함하는, 방법.
  20. 청구항 15 또는 청구항 16에 있어서, 상기 방법은, 상기 풍력 터빈의 필터링된 위치 및/또는 속도 측정치 및/또는 추정치로부터 블레이드 피치 기준 신호를 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
  21. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 따른 블레이드 피치 제어기를 포함하는, 풍력 터빈.
  22. 풍력 터빈용 블레이드 피치 제어기를 위한 타워 피드백 제어기로서, 상기 타워 피드백 제어기는 필터링 시스템을 포함하고, 상기 필터링 시스템은, 상기 필터링 시스템의 필터 주파수 초과의 상기 풍력 터빈의 모션에 응답하여 상기 풍력 터빈에 추가적인 유효 강성을 제공하기 위해, 풍력 터빈 블레이드 피치를 제어하도록 배열되는, 타워 피드백 제어기.
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