KR102638423B1 - 부유식 풍력 터빈 구조체를 위한 제어 시스템 - Google Patents

Abstract

부유식 풍력 터빈 구조체의 터빈을 그것의 계류 장치들의 피로를 줄이도록 제어하는 방법은 풍력 터빈 구조체의 피칭 모션 및 풍력 터빈 구조체의 계류 장치들의 배향에 관한 풍력 터빈 구조체에서의 풍향에 기초하여 터빈의 출력을 감소시키는 단계를 포함한다. 임의적으로, 출력 감소는 또한 풍력 터빈 구조체의 기준 위치로부터의 변위의 정도에 기초할 수 있다.

Description

부유식 풍력 터빈 구조체를 위한 제어 시스템

본 발명은 부유식 풍력 터빈 구조체를 위한 제어 시스템에 관한 것이다.

풍력 터빈 구조체는 일반적으로 세장형 타워를 포함하는 지지 구조로 형성되며, 지지 구조의 상단에 엔진실 및 회전자가 부착된다. 발전기 및 그것의 관련 전자 장치들은 일반적으로 엔진실에 위치된다.

육지 또는 해저 중 어느 하나에 고정되는 고정 기초 풍력 터빈들이 확립되어 있다. 그러나, 최근 부유식 풍력 터빈들 개발이 요구되어져 왔고 다양한 구조가 제한되어져 왔다. 일례는 부유 플랫폼 또는 뗏목 유사 구조와 같은 종래 풍력 터빈 구조체가 부유 기초 상에 장착되는 풍력 터빈 구조체이다. 다른 제안은 "원주 부표(spar buoy)" 유형의 구조이다. 그러한 구조는 회전자가 상단 상에 장착된 세장형 부유 지지 구조로 형성된다. 지지 구조는 일체형 구조일 수 있거나 기초 부분은 표준 타워가 위에 장착되는 세장형 서브 구조로 형성될 수 있다.

부유식 풍력 터빈 구조체가 풍속 또는 해류의 변화에 의해 야기되는 것과 같은 힘에 의해 작동될 때, 전체 구조는 수중에서 돌아다닌다. 이러한 모션들은 비교적 낮은 주파수이나 큰 진폭을 가질 수 있다, 즉 그것들은 느리고 큰 모션들이다 - 모션들은 그것들이 터빈 자체의 회전 주파수보다 훨씬 더 낮다는 의미에서 낮은 주파수이다.

풍력 터빈 구조체가 경험하는 모션들은 선형 수직(위/아래) 모션인 "상하 동요(heave)", 선형 횡적(좌우) 모션인 "스웨이(sway)", 선형 종적(앞/뒤) 모션인 "서지(surge)", 그것의 수평(앞/뒤) 축에 대한 본체의 회전인 "롤(roll)", 그것의 가로(좌우) 축에 대한 본체의 회전인 "피치(pitch)" 및 그것의 수직 축에 대한 본체의 회전인 "요(yaw)"로 설명된다.

부유식 풍력 터빈 구조체은 통상적으로 이러한 모션들을 제한하기 위해 앵커들을 갖는 하나 이상의 계류줄을 통해 해저에 계류된다. 종래 부유식 풍력 터빈들에 대한 계류 시스템 설계들은 만나는 해양 설계를 기반으로, 그리고 불확실성을 설명하기 위해 관련 표준들로부터 대응하는 안전 요인들을 사용하여 만들어지는 피로 한계 상태(FLS, fatigue limit state) 및 종국 한계 상태(ULS, ultimate limit state) 하중 케이스들의 시뮬레이션들에 기초한다. 그러나, 안전 요인들은 만나는 해양 설계 기반으로부터 환경 하중과 관련된 불확실성을 고려하고 그에 따라 계류 장치들은 실제 동작 상황들에 대해 상당히 과하게 설계된다.

일부 설치 예에서 풍력 터빈 구조체의 부유 기초의 움직임에 대항하기 위해, 그리고 그로 인해 계류 장치들 상의 하중을 줄이기 위해 반동 추진 엔진들을 이용하는 것이 제안되었다. 그러나, 여전히 계류 장치 하중의 불확실성을 줄이는 대안적인 또는 개선된 수단에 대한 요구가 존재한다.

본 발명은 부유식 풍력 터빈 구조체의 터빈을 제어하는, 바람직하게는 그것의 계류 장치들의 피로를 줄이도록 제어하는 방법으로서, 상기 풍력 터빈 구조체의 모션, 바람직하게는 피치 모션 및 상기 풍력 터빈의 상기 계류 장치들의 배향에 관한 상기 풍력 터빈 구조체에서의 풍향에 기초하여 상기 터빈의 출력을 감소시키는 단계를 포함하는, 방법을 제공한다.

풍력 터빈 구조체의 진동 모션 및 풍향은 풍력 터빈 구조체의 계류 구조의 피로 수명에 상당한 영향을 미치는 두 개의 요인으로 식별된 것이다. 피치 모션들은 예를 들어 풍속 변화 및/또는 파 하중에 기인하여 터빈 상에 진동하는 하중이 있을 때 발생하며, 이는 차례로 계류 장치에 진동 하중을 야기한다. 이러한 모션들이 계류 장치 상의 이미 무거운 하중과 함께 발생할 경우, 이는 계류 장치들에 피로를 상당히 증가시킬 수 있다. 풍향은 계류 구조가 얼마나 무거워지는지에 영향을 미친다. 예를 들어, 부정적인 풍향이 단일 계류줄에 하중의 대부분을 둘 수 있는 한편, 더 유리한 풍향은 그것을 두 개의 계류줄 사이에 분산시킬 수 있다.

풍력 터빈 구조체의 모션(특히 풍하중을 나타내고 또한 파 하중과 밀접하게 관련되는 피칭 모션들) 및 동작 동안 풍향을 모니터링하고, 그것들이 부정적일 때 풍력 터빈의 출력을 감소시킴(그로 인해 풍력 터빈 구조체 상의 공기 역학적 추력을 감소시킴)으로써, 풍력 터빈 구조체의 계류 장치들의 하중 및 피로를 상당히 줄이고, 그에 의해 그것의 작동 수명을 증가시키는 것이 가능하다.

뿐만 아니라, 이러한 제어 형태를 제공함으로써, 터빈이 부정적인 상황들 동안 동력 출력(그로 인해 하중)을 감소시킬 수 있을 것이기 때문에 풍력 터빈 구조체의 설계 단계 동안 더 낮은 안전 요인들을 사용가는 것이 가능할 수 있으며 이는 계류 구조가 최악의 상황들에서의 최대 동력 출력에서 최대 하중을 취하도록 설계될 필요가 없음을 의미한다. 이는 풍력 터빈 구조체를 구축 시 상당한 비용 효익을 나타낼 수 있다.

풍력 터빈 구조체는 바람직하게는 부유 기초를 포함하며, 부유 기초로부터 연장되는 타워 및 타워에 장착되는 터빈을 포함한다. 터빈은 바람직하게는 통상적으로 엔진실 내에, 회전자 및 발전기를 포함한다. 풍력 터빈 구조체는 풍력 터빈 구조체의 위치를 유지하기 위해 풍력 터빈 구조체에서 해저로 연장되는 계류 장치, 이를테면 현수선 계류 장치를 구비할 수 있다.

다양한 실시 예에서, 풍력 터빈 구조체의 (피치) 모션 및/또는 풍향은 예를 들어 풍력 터빈 구조체 상에 위치되거나 그 부근 계기들을 사용하여 직접 측정될 수도 있고, 예를 들어 풍력 터빈 구조체 또는 그것의 환경의 기타 측정되는 속성들에 기초하여 추정될 수도 있다.

본 출원에서 사용될 때, "출력 감소(curtailing)"라는 용어는 동일한 풍속에 대해 그것의 상용 동력 출력과 비교하여 풍력 터빈의 동력 출력을 감소시키는 것을 지칭하도록 의도된다. 그로 인해, 터빈의 출력을 감소시키면 출력 비감소 동작에 관해 풍력 터빈 구조체에 가해지는 풍력 추력 하중을 감소시키게 된다. 출력 감소 방법들은 통상적으로 회전자 날개깃 피치 오프셋을 적용하는 것(공기 역학적 부양을 감소시키도록) 또는 발전기의 저항을 증가시키는 것(더 큰 저항 토크를 회전자에 적용하도록)를 포함한다.

출력 감소는 바람직하게는 (피치) 모션의 변동성에 기초한다. 다시 말해서, 얼마나 많은 (피치) 모션이 그 시간에 달라지고 있는지의 일부 측도. 예를 들어, 출력 감소는 미리 결정된 시간 기간 동안 피치 모션의 표준 편차에 기초할 수 있다. 바람직하게는 시간 기간은 적어도 1분 그리고 바람직하게는 1시간 미만이다. 더 바람직하게는 시간 기간은 5분과 15분 사이이다.

출력 감소는 바람직하게는 적어도 (피치) 모션 기반 성분 및/또는 풍향 기반 성분을 포함한다.

바람직하게는 (피치) 모션 기반 성분 및/또는 풍향 기반 성분은 (피치) 모션 측정이 변동성의 임계 레벨 미만일 때 각각 상수, 예를 들어, 제로일 수 있다. 이는 그것이 시스템의 피로로 이어지는 변화하는 모션의 영향이고, 가장 큰 모션들은 가장 큰 피로로 이어지기 때문이다. 큰 정적인 힘은 피로 손상을 야기하지 않고 그에 따라 출력 감소를 덜 필요로 한다. 그러나, (피치) 모션 기반 출력 감소 및/또는 풍향 기반 출력 감소 이외의 출력 감소는 여전히 변동성의 임계 레벨 미만으로 적용될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 이를테면 정격 속도를 초과하는 풍속 또는 반류 기반 부유에 기인하는 기타 이유들로 인한 출력 감소는 피치 모션의 임계 레벨 미만이더라도 적용될 수 있다.

(피치) 모션 기반 성분은 바람직하게는 (피치) 모션의 측도에 따라 증가된다. 더 구체적으로, (피치) 모션 기반 성분은 바람직하게는 (피치) 모션 변동성(예를 들어, 미리 결정된 시간 기간 동안 (피치) 모션의 표준 편차)에 따라 증가된다. 증가는 선형 또는 비선형일 수 있다.

풍향 기반 성분은 바람직하게는 계류 장치들의 배향에 관한 풍향에 따라 적어도 부분적으로 선형으로 증가한다. 다시 말해서, 적어도 특정 값들의 풍향에 대해, 풍향 기반 성분은 선형으로 증가한다. 그러나, 기타 실시 예들에서, 풍향 기반 성분은 계류 장치들의 배향에 관한 풍향에 따라 비선형으로 달라질 수 있다.

풍향 기반 성분은 바람직하게는 풍력이 계류 장치들 중 하나 바로 위 풍력 터빈 구조체에 이를 때(즉, 풍력이 터빈쪽으로 그것의 앵커단으로부터 풍력 터빈 구조체쪽으로 계류 장치의 방향에 평행한 방향으로 불고 있을 때) 최대값을 그리고 풍력이 두 인접한 계류 장치 사이에 바로 풍력 터빈에 이를 때 최소값을 갖는다. 풍력이 계류 장치들 중 하나 바로 위 풍력 터빈 구조체에 이를 때, 그 계류 장치는 풍하중의 대부분을 견딜 것이다. 바람직하게는 풍향 기반 성분은 풍력이 계류 장치들 중 하나 바로 위에 닿을 경우 각 풍향에 대한 최대값을 그리고 풍력이 두 개의 상기 계류 장치 사이에 바로 닿을 때 각 풍향에 대한 최소값을 갖는다. 풍향 기반 성분은 최대값과 최소값 사이에서 풍향에 따라 선형으로 달라질 수 있다. 그러나, 일부 실시 예에서는, 변화가 비선형일 수 있다.

이러한 배열은 풍력이 단일 계류 장치 위에 닿을 때, 하중의 상당한 부분이 그 계류 장치에 가해질 것인 한편, 그것이 두 개의 계류 장치에 닿을 때, 풍하중이 두 개의 계류 장치 사이에 분산될 것이기 때문에 각 계류 장치 상의 하중이 더 낮아질 것이라는 사실을 설명한다. 그에 따라, 터빈은 풍력이 단일 계류 장치에 실리고 있을 때 계류 장치에의 하중이 상당히 더 높아질 가능성이 있으므로 출력 감소되어야 한다.

출력 감소는 부유식 풍력 터빈 구조체 상의 공기 역학적 회전자 추력을 감소시키도록 터빈의 하나 이상의 날개깃에 날개깃 피치 오프셋을 적용함으로써 구현될 수 있다. 피치 오프셋은 바람직하게는 터빈의 목적하는 동력 출력(예를 들어, 정격 풍속 미만 최대 동력 출력 또는 정격 풍속 초과 정격 동력 출력)을 이루기 위해 날개깃이 정상적으로 동작할 방향에 관한다. 날개깃 피치 오프셋은 바람직하게는 상대 기류에 대하여 날개깃을 편평하게 하여, 출력 추출이 감소되게 된다.

날개깃 피치 오프셋은 다음 식에 적어도 부분적으로 기초하여 결정될 수 있다:

상기 식에서 β_offset은 날개깃 피치 오프셋이고, α_ω는 풍향이고, η_STD는 미리 결정된 시간 기간 동안 피치 모션의 표준 편차 또는 그로부터 도출되는 값이고, β_{pitch_offset}은 η_STD에 기초한 오프셋이며, β_{wind_offset}은 풍향에 기초한 오프셋이다.

다시 말해서, 날개깃 오프셋은 풍향에 따라 달라지는 성분 및 피치 모션의 표준 편차에 따라 달라지는 성분을 포함한다. 기타 날개깃 피치 변경이 또한 이러한 성분에 더하여 이루어질 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 날개깃 피치 변경은 또한 정격 풍속을 초과할 때 동력 출력을 정격 동력 출력으로 제한하도록 가해질 수 있다.

풍향에 기초한 오프셋은 다음 식에 적어도 부분적으로 기초하여 결정될 수 있다:

,

상기 식에서 β₂ 및 α₀는 상수이고, θ는 인접한 계류줄들 간 각 거리이다.

이 식은 계류 장치들의 배향에 관한 풍향에 따라 증가 및 감소하는 지그재그 함수를 출력한다. α₀은 바람직하게는 풍력이 계류줄 바로 위에 닿을 때 식의 최대값이 발생하도록 선택된다.

피치 모션에 기초한 오프셋은 다음 식에 적어도 부분적으로 기초하여 결정될 수 있다:

,

상기 식에서 η_{STD_0} 및 β₁은 상수이다.

그에 따라, 날개깃 오프셋은 표준 편차 또는 그로부터 도출되는 값에 따라 선형으로 달라질 수 있다. 도출되는 값은 예를 들어, 미리 결정된 시간 기간 동안 피치 모션의 표준 편차의 가장 무거운 하중의 계류줄 상으로의 투영일 수 있다.

β_offset(α_ω, η_STD)의 값은 바람직하게는 η_STD < η_{STD_0}에 대해 제로로 설정된다. 다시 말해서, 값(η_{STD_0}) 미만에서, 이러한 성분은 날개깃 오프셋을 적용하지 않는다. 상술한 바와 같이, 작은 피치 진동은 계류 장치들에 상대적으로 낮은 레벨의 피로를 야기하는 것으로 밝혀졌고 그에 따라 이를 처리하기 위해 동력 출력을 감소시킬 필요는 없다.

날개깃 피치 변경을 가하는 것에 대안 예로서, 출력 감소는 대신 터빈의 발전기에 의해 가해지는 저항 토크를 증가시킴으로써, 즉 터빈의 공기 역학적 회전자 추력을 감소시키도록 이루어질 수 있다. 이는 기계적으로, 예를 들어 기어링을 사용하여, 또는 전기적으로, 예를 들어 발전기로부터 인출되는 해류를 증가시킴으로써 이루어질 수 있다.

풍향 및 피치 모션에 기초하여 풍력 터빈을 출력 감소시키는 것에 더하여, 상기 방법은 기준 위치에 관한 터빈 구조체의 위치에 기초하여 풍력 터빈을 출력 감소시키는 것을 더 포함할 수 있다.　 이러한 유형의 오프셋은 통상적으로 높은 해력을 나타낸다.　 높은 해력을 조건으로, 높은 풍하중과 조합되어, 계류 장치들은 증가된 피로 하중을 받고 또한 그것들의 장력의 파괴 하중 지점에 더 가깝게 되는 위험도 받는다. 그에 따라, 큰 위치 오프셋들의 검출은 또한 계류 장치들의 수명을 연장시키기 위해 터빈에 가해지는 회전자 추력 하중이 감소되어야 한다(즉, 풍력 터빈을 출력 감소시킴으로서)는 유용한 표시자이다.

기준 위치는 바람직하게는 풍력 터빈 구조체에 어떠한 외력도 작용하고 있지 않을 때, 즉 제로 해류 하중 및 제로 풍 하중일 때 풍력 터빈 구조체의 위치이다.

풍력 터빈 구조체의 위치는 나브스타 위성 항법 시스템(GPS)과 같은 위성 기반 항법 시스템을 사용하여 또는 계류줄들의 평균 장력으로부터 결정될 수 있다. 풍력 터빈 구조체에 대한 기준 위치는 바람직하게는 풍력 터빈 구조체의 부유하는 기초에 있고, 풍력 터빈 구조체의 도삭기 레벨에 있을 수도 있다.

풍력 터빈 구조체의 위치에 기초한 출력 감소는 풍력 터빈의 주파수 필터링된 위치, 바람직하게는 저역 통과 필터링된 주파수 필터링된 위치에 기초할 수 있다. 예를 들어, 값은 더 높은 주파수들의 성분들을 제거하기 위해 저역 통과 필터링될 수 있다. 저역 통과 필터는 적어도 1분 미만, 바람직하게는 적어도 5분 미만, 그리고 가장 바람직하게는 적어도 10분 미만의 진동 주기들을 갖는 주파수들을 약화시킬 수 있다. 이는 파 하중 또는 기타 같은 종류의 것에 기인하여 출력 감소의 변동을 최소화하기 위한 것이다. 대신, 이는 하중을 훨씬 더 낮은 주파수들에서 발생하는 해류 기반 하중으로 제한한다.

풍력 터빈의 위치에 기반한 출력 감소는 위치 기반 성분을 포함할 수 있다. 상술한 바와 같이, 이는 풍력 터빈의 (피치) 모션 및 풍력 터빈의 계류 장치들의 배향에 관한 풍향에 기초한 출력 감소와 조합될 수 있다. 다시 말해서, 출력 감소는 (피치) 모션 기반 성분, 풍향 기반 성분 및 위치 기반 성분을 포함할 수 있다.

위치 기반 성분은 단지 터빈의 위치가 기준 위치로부터 미리 결정된 임계 거리보다 클 때에만 적용될 수 있다. 임계 거리는 기준 위치로부터의 변위/오프셋의 방향에 따라 가변될 수 있다. 예를 들어, 계류 장치들의 변형에 기인하는 것과는 대조적으로 변위/오프셋의 부분이 그 다음 계류 장치들의 회전에 의해 야기될 것이기 때문에 하중이 계류 장치들 중 어느 계류 장치를 직접 당기지 않을 때 허용 가능한 변위/오프셋은 더 클 수 있다.

위치 기반 성분은 바람직하게는 적어도 터빈의 기준 위치로부터의 거리에 비례하는 비례 성분을 포함한다. 더 구체적으로, 비례 성분은 터빈의 임계 거리를 넘는 거리 또는 터빈의 임계 거리를 넘는 거리로부터 도출되는 값에 비례할 수 있다.

위치 기반 성분은 바람직하게는 적어도 터빈의 임계 거리를 넘는 거리 또는 터빈의 임계 거리를 넘는 거리로부터 도출되는 값의 적분에 비례하는 적분 성분을 포함한다. 적분 제어의 사용은 기준 위치의 허용 가능한 거리 내에서 터빈이 리턴할 때까지 날개깃 오프셋이 동적으로 증가되게 한다.

하나 이상의 실시 예에서, 터빈의 임계 거리를 넘는 거리로부텅 도출되는 값은 주파수 필터링된 값일 수 있다. 예를 들어, 값은 더 높은 주파수들의 성분들을 제거하기 위해 저역 통과 필터링될 수 있다. 그에 따라, 제어는 주로 대개 해력에 의해 야기되어 느리게 이동하는 위치 변화의 영향에 반할 것이다.

상술한 바와 같이, 계류 구조 상의 바람직하지 않은 하중을 감소시키기 위한 출력 감소에 더하여, 상기 방법은 풍력 터빈의 정격 풍속을 초과하는 풍속에서 정격 동력 출력 이하를 생산하도록 풍력 터빈을 출력 감소시키는 것을 더 포함할 수 있다. 이러한 유형의 제어는 모든 풍력 터빈에서 찾아지고, 통상적으로 상술한 추가 출력 감소 기술들에 더하여 여전히 존재하는 것으로 예상될 것이다.

뿐만 아니라, 정격 풍속을 초과하는 출력 감소는 바람직하게는 풍력 터빈의 대략 공진 주파수에서 풍력 터빈 구조체의 피치 방향의 강체 모션들을 저지하도록 출력 감소를 제어하는 것을 또한 포함한다. 다시, 이러한 유형의 제어는 통상적으로 부의 감쇠가 대략 공진 주파수에서 터빈 구조체의 피치 방향의 큰 강체 모션들로 이어질 수 있음에 따라 부의 감쇠를 상쇄시키기 위한 모든 부유 연안 풍력 터빈 구조체에서 찾아진다. 그러나, 이러한 유형의 제어는 주로 계류 장치들이 아니라 타워의 피로 손상을 방지하기 위해 요구된다.

부유식 풍력 터빈 구조체는 바람직하게는 부유 원주 구성(floating spar configuration)을 갖는다. 계류 장치들은 바람직하게는 부유식 풍력 터빈 구조체로부터 떨어져 연장되는 현수선 계류줄들을 포함한다. 바람직하게는 적어도 세 개의 현수선 계류줄이 있고 계류줄들은 바람직하게는 풍력 터빈으로부터 떨어져 동등하게 이격되는 방향들로 연장된다.

제2 양태로부터, 본 발명은 또한 터빈 및 선행하는 임의의 방법에 따라 터빈을 제어하도록 구성된 제어기를 포함하는 부유식 풍력 터빈 구조체를 제공한다.

본 발명은 또한 실행될 때, 제어기가 상술한 방법에 따라 부유식 풍력 터빈 구조체의 터빈을 제어하게 할 컴퓨터 판독 가능한 명령들을 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품, 뿐만 아니라 그러한 컴퓨터 판독 가능한 명령들을 저장하는 유형의 컴퓨터 판독 가능한 매체를 제공한다.

본 발명의 특정 바람직한 실시 예들이 이제 다음 첨부 도면들을 참조하여 단지 예로서 더 상세하게 설명될 것이다:
도 1은 풍력 터빈 장치의 측면도이다;
도 2는 장치의 풍력 터빈의 세부 사항들을 도시하는 측면도이다;
도 3은 장치의 계류 구조의 세부 사항들을 도시하는 풍력 터빈 장치의 사시도이다;
도 4는 풍력 터빈에 날개깃 피치 조정을 적용하기 위한 제1 제어기의 간략화된 개략도이다;
도 5는 풍력 터빈에 날개깃 피치 출력 감소를 적용하기 위한 제2 제어기의 간략화된 개략도이다;
도 6은 대표적인 계류 구조의 배향을 도시하는 풍력 터빈의평면도이다;
도 7은 계류 장치들에 허용 가능한 변형을 가하는 변위들에 대응하는 풍력 터빈 둘레 기준 반경을 도시하는 그래프이다; 그리고
도 8은 가장 무거운 하중의 계류줄의 장력에 미치는 해류 기초 날개깃 피치 제어의 영향을 도시하는 그래프이다.

도 1 내지 도 3은 연안의 부유식 풍력 터빈 장치를 도시한다. 부유식 풍력 터빈 구조체는 엔진실(4)을 지지하는 타워(2)를 포함한다. 엔진실(4)은 발전기 및 관련 전자 장치들을 포함하고, 세 개의 날개깃(8)을 포함하는 회전자(6)를 지지한다. 타워(2)는 부유 원주 부표 구조(10) 상에 지지되고 부유 원주 부표 구조(10)는 세 개의 앵커 체인(anchor chain)(12a, 12b, 12c)을 포함하는 계류 시스템(12)에 의해 계류된다.

현재 도시된 부유식 풍력 터빈은 2.3MW 터빈, 수선 위 약 65m의 엔진실 높이, 약 82m의 회전자 직경 및 약 6m의 수선에서의 직경을 갖는다.　 그러나, 설명되는 제어 기술들은 더 큰 터빈들(이를테면 6 MW-12 MW 범위의)에도 이용될 수 있다. 통상적으로, 그러한 부유식 풍력 터빈들은 100m를 초과하는 수심에서 사용될 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 부유 구조(10)는 원주 부표의 고전적인 형상, 즉 길고 얇은 수직의 원통형 기둥이다. 구조(10)는 상측 추상체(14), 평균 수위(MWL, mean water level)가 속하는 전이부(16), 하측 추상체 구조(18) 및 하부 구조(20)를 포함하며, 이는 밸러스팅(ballasting)(22, 24)을 포함한다. 주 기둥보다 더 큰 직경의 수평 원판(미도시)이 저판의 부분일 수 있다. 이러한 판의 기능은 감쇠 및 유체 역학 관성을 추가함으로써 시스템의 동적 성능을 조정하는 것이다.

밸러스트은 고정 밸러스트(22) 및 비고정 밸러스트(24)을 포함한다. 고정 밸러스트(22)는 영구적인 밸러스트, 이를테면 고밀도 콘크리트 및/또는 육중한 밸러스트, 이를테면 고밀도 골재로 구성된다. 비고정 밸러스트(24)는 탱크 안팎으로 물을 펌핑함으로써 조정될 수 있는 물 밸러스트일 수 있다. 조정 가능한 밸러스트(24)는 구조(10)의 동적 속성들의 일부가 조정될 수 있게 한다. 예를 들어, 계류줄들(12)의 무게 중심 및 장력이 변경될 수 있으며, 이는 차례로 부유 구조의 공진 주파수를 변경할 수 있다. 통상적으로 터빈의 자연 주기들은 파력에 의해 공진 모션들이 여기되지 않도록 25초를 초과하게 조정될 것이다.

계류 시스템(12)은 부유 구조(10)를 목적하는 위치에 홀딩하기 위해 사용된다. 풍력 터빈들에서 통상적인 바와 같이, 타워(2) 위 발전기는 그것이 불어오는 풍력 방향을 향하게 조정될 수 있도록 제어 가능하게 회전 가능하다. 그에 따라 계류 시스템(12) 또한 그것 상에 장착되는 엔진실(4)이 회전함에 따라 타워(2) 및 부유 구조(10)의 회전을 방지하도록 설계된다.

계류 시스템(12)은 세 개의 계류줄(12a, 12b, 12c)을 포함하고, 계류줄들 중 하나의 상세한 도면이 도 3에 도시된다. 각각의 계류줄(12a, 12b, 12c)은 트라이-강판(28)에 의해 강철 밧줄(30)(이는 차례로 체인(32)에 연결됨)에 연결되는 곁막부(26)를 포함한다. 도시된 실시 예에서, 각각의 계류줄(12a, 12b, 12c)은 600m에 이른다.

곁막부(26)는 부유 구조(10)가 제 위치에 있을 때 해수면에 아래 부유 구조(10)에 연결되는 통상적으로 84 mm의 체인의 두 개의 별도의 줄로 만들어지는 델타 형상의 배열체이다. 곁막(26)의 별도의 줄들은 120° 떨어진 지점들에서 부유 구조(10)에 연결되고 곁막(26)의 각 줄은 공유 브라켓(34)에 의해 부유 구조(10)에 인접한 곁막 구조(26)의 줄과 동일한 지점에 연결된다. 곁막(26)의 별도의 줄들은 부유 구조(10)에서 공통 지점(트라이-강판(28))으로 델타 형상의 배열로 연장된다. 곁막부(26)의 길이는 계류 시스템에 적절한 요 강성(yaw stiffness)을 부여하도록 결정된다. 도시된 예에서, 곁막부(26)는 약 50m 길이이다.

트라이-강판(28)은 앵커 체인(32)에 연결되는 강철 밧줄(30)에 연결되며, 이는 다시 통상적으로 약 84 mm 체인이다. 각 계류줄(12a, 12b, 12c)은 부유 구조(10)에서 해저로 현수선 형상으로 연장된다.

풍력 터빈의 제어 시스템은 정격 동력 출력을 터빈의 정격 풍속(이는 최대 동력이 달성되는 최저 풍속)을 초과하게 유지하기 위해 피치 제어를 사용하는 표준 제어 시스템에 기초한다. 제어 시스템은 또한 날개깃 피치를 변경하도록 구성되어 부의 감쇠가 정격 풍속을 초과하는 것을 방지한다.

종래 풍력 터빈들에서, 회전자 날개깃들(8)의 피치는 회전자 속도를 기반으로 제어되어 동력 출력을 조정한다. 풍력을 받아 정격 풍속 미만으로 동작할 때, 날개깃 피치는 최대 동력 출력을 제공하는 각도로 대략 일정하게 유지된다. 그에 반해, 정격 풍속을 초과하여 동작할 때, 날개깃 피치는 일정한 동력 출력을 내 발전기 및/또는 그것의 관련 전자 장치들에 손상을 입힐 수 있는 너무 높은 동력 출력을 방지하도록 조정된다. 이러한 일정한 동력은 풍력 터빈의 정격 동력으로 지칭된다.

정격 풍속 미만으로 동작할 때, 날개깃 피치가 대략 일정하게 유지됨에 따라, 회전자(6) 상에 작용하는 추력은 풍속에 따라 증가된다(추력은 대략 풍속의 제곱에 비례). 이는 풍력 터빈 구조체의 수중 모션들이 안정함을 의미하는데 이는 터빈 추력이 정의 감쇠를 기여하고 부력이 평형 위치쪽으로 작용하기 때문이다.

정격 풍속을 초과하여 동작할 때, 날개깃 피치는 회전자(6) 상의 추력이 풍속이 증가함에 따라 감소되어 일정한 동력 출력을 내도록 조정된다. 풍속이 증가함에 따라, 날개깃 피치는 증가된다, 즉 풍향에 더 평행하게 되며, 이는 추력을 감소시킨다. 그러나, 이러한 방식으로 날개깃 피치를 조정하는 것과 연관된 문제는 그것이 부의 감쇠를 야기할 수 있다는 것이다. 이는 풍력 터빈의 풍향으로의 진동들의 진폭을 증가시킬 수 있다.

부유식 풍력 터빈들의 부의 감쇠는 터빈 구조체들이 수중에서 강체로 이동하기 때문에, 즉 그것들이 앞뒤로 "끄덕이는(nod)" 경향이 있을 수 있기 때문에 발생한다. 풍력 터빈이 풍력쪽으로 이동함에 따라, 풍력 터빈에 작용하는 상대 풍속이 증가하며, 이는 회전자 토크 또는 속도를 증가시키는 경향이 있다. 일정한 동력 출력을 위해 상술된 피치 제어(즉 정격 풍속 초과)를 사용하면, 날개깃 피치각은 회전자 토크 또는 속도의 증가에 응답하여, 회전자에 작용하는 토크를 감소시키도록, 그 결과 추력을 감소시키며 그에 의해 일정한 동력을 유지시키도록 조정된다. 그러나, 풍력 터빈에 작용하는 추력이 감소됨에 따라, 평형 위치가 변경되고 터빈은 앞쪽으로 피칭할 것이다. 그 다음 이는 상대 풍속이 추가로 변경되게 그리고 날개깃 피치가 추가로 조정되게 하여, 모션들을 훨씬 더 크게 한다. 풍력 터빈이 풍력으로부터 멀어지게 이동하고 있을 때에는 반대로 적용된다.

강체 모션과 연관된 부의 감쇠의 문제는 강성 셀 모션들의 주파수로 발생하는 속도 변동을 처리하기 위해 날개깃 각도 조정이 수정되는 제어 시스템을 제공함으로써 방지된다. 그러한 기능을 제공하는 두 개의 대표적인 제어기가 도 4 및 도 5에 도시되어 있다 - 이러한 제어기들은 제어 시스템들의 단지 기본 원리들을 예시하는 것이고 사실상 제어기들은 더 복잡하다.

제어 배열은 터빈에 대한 상대 풍속의 변화에 대응하여 발전기를 종래 방식으로 제어하는 표준 제어기 부분(38)을 포함한다. 나아가 제어기는 강체 모션들을 상쇄시키기 위해 타워 속도를 기반으로 터빈 날개깃의 날개깃 각도에 증분을 추가하도록 배열되는 모션 안정화 제어기 부분(44)을 포함한다. 제어기(44)의 이러한 두 번째 부분은 타워 속도들에 기초하여 날개깃 각도 증분을 결정하는 안정화기에 의해 이루어진다.

안정화기 구성요소(44)는 해당 주파수의 모션들이 상쇄되도록 터빈 날개깃들의 날개깃 각도를 제어함으로써 타워의 강체 모션들을 감쇠시킨다. 안정화기는 가속도계 또는 유사한 형태의 센서로부터 타워 속도의 변화와 연관된 신호(45)를 수신함으로써 작동하고 이를 날개깃 각도 증분으로 전환하기 위한 전달 함수를 사용한다. 이러한 안정화기(44)는 그것이 단지 저주파수 모션들, 즉 강체 모션들의 주파수의 모션들에 응답하여 날개깃 각도 증분을 추가하게 작동하도록 저역 통과 필터를 구비한다.

제어기(36)의 제1 실시 예의 개략도가 도 4에 도시되어 있다. 하단 박스(38)는 기준 회전자 속도(39)(즉 정격 동력 출력에 대한 회전자 속도)를 입력으로 취하는 종래 날개깃 피치 제어 시스템을 도시하고 정격 동력 출력을 유지하도록 풍력 터빈(42)에 표준 날개깃 피치 제어를 제공하는 PI 제어기(40)를 포함한다. 상단 박스(44)는 엔진실의 속도의 측정치, 이를테면 그것의 피치 속도를 그것의 입력으로 취하는 능동 감쇠 수단을 제공하고 신호 처리 및 저역 통과 필터 블록(46) 및 능동 감쇠 이득(Kd)(48)을 포함한다.

블록(46)의 저역 통과 필터는 타워의 자유로운 강체 피치 진동(통상적으로 약 0.03 Hz 내지 0.04 Hz)의 자연 주파수에 대응하는 주파수를 갖는 신호들을 통과시키고 파인성 모션들의 주파수(통상적으로 약 0.05 Hz 내지 0.2 Hz)에 대응하는 주파수를 갖는 신호들을 차단시키는 첨예한 필터이다. 이는 2차 또는 3차 버터워스 저역 통과 필터일 수 있다.

능동 감쇠 이득(Kd)(48)은 필터링 및 처리된 엔진실의 수평 속도 측정치를 모션들에 기인한 회전자 속도 오차로 변환시킨다. PI 제어기(40)는 전달 함수를 사용하여 모션들에 기인한 회전자 속도 오차를 포함하는 회전자 속도 오차를 날개깃 피치에 대한 조정으로 변환시킨다. 날개깃 피치에 대한 조정은 부의 감쇠가 유도되지 않도록 날개깃 피치를 제어하기 위해 풍력 터빈(42)의 피치 액추에이터에 사용된다.

능동 감쇠 부분(44')이 별도의 PI 제어기(52)를 포함한다는 점에서 도 4에 도시된 제어기(36)와 상이한 대안적인 제어기(50)가 도 5에 도시되어 있다. 이 경우, 능동 및 종래 감쇠 제어기들(44', 38')로부터의 신호들은 그것들이 날개깃 피치 조정으로 변환된 후 조합된다.

본 발명에 따르면, 풍력 터빈용 제어기는 계류 상의 과잉 하중을 감소시키게 공기 역학적 회전자 추력을 변경하도록 더 구성될 수 있다.

광범위하게, 이하의 기술은 계류 시스템 상의 환경 하중을 약화시키기 위한 풍력 터빈 출력 감소 방법들을 이용한다. 더 구체적으로, 그것은 환경 하중에 반응하여 계류 시스템의 정적 및 동적 비선형성들의 분석에 기초하여 상술된 종래 풍력 터빈 제어 시스템에 오프셋 날개깃 피치 각도를 추가함으로써 풍력 터빈의 공기 역학적 추력 곡선의 변경을 수반한다.

두 개의 상보적인 제어기 설계가 계류 시스템 상의 환경 하중을 약화시키도록 개발되었다:

1. 부정적인 풍하중이 있는 상황들에서 계류 시스템의 하중을 감소시키도록 측정된 풍향 및 피칭 모션의 정도를 기반으로 날개깃 피치 오프셋 각도를 계산하는 제어기.

2. 큰 해류 속도를 갖는 상황들에서 계류 시스템의 하중을 감소시키도록 터빈의 측정된 GPS 위치에 기초하여 날개깃 피치 오프셋을 계산하는 제어기.

제어기 1

제어기 설계들을 결정 시, 먼저 계류 시스템의 가장 감쇠된 부분의 피로 손상의 실제 레벨들을 기반으로 날개깃 피치 오프셋 각도를 계산한 기준 제어기를 개발했다. 시뮬레이션 시, 이러한 데이터는 컴퓨터 모델링 소프트웨어로부터 쉽게 얻을 수 있었다. 그러나, 계류 시스템의 실제 피로 손상율이 쉽게 측정될 수 없기 때문에 그러한 제어기는 실제로는 가능하지 않았다.

분석 동안, 터빈 현장에서 만날 것으로 예상되는 해황들에 기초한 88개의 하중 케이스의 시뮬레이션들을 실시했다. 예시적인 터빈에 대해, 이러한 88개의 하중 케이스는 연간 0.1%와 연간 12% 사이의 피로 손상값들(D)을 냈다. 연간 D₀ = 0.8% 미만의 값들을 허용 가능한 것으로 간주했고(125년의 수명에 상응하여) 그로 인해 제로 날개깃 피치 오프셋 레벨이 요구되었다. 이들은 88개의 하중 케이스 중에서 24개를 포함했다.

최대 날개깃 피치 오프셋 각도 β_{offset, MAX} = 8°에 이르기까지, D₀에서 D_MEAN까지 선형 곡선이며, 모든 88개의 하중 케이스의 평균 손상 레벨, D_MEAN = 1.2%에서 β_{offset, MEAN} = 4°이도록 날개깃 피치 오프셋 각도(β_offset)를 선택했다.

상기는 다음으로 공식화될 수 있다:

제어기 2

다음, 제어기는 풍향(α_ω) 및 피치 모션의 표준 편차(η_5STD)를 기반으로 날개깃 피치 오프셋을 계산하도록 개발되었다. 제로 날개깃 피치 오프셋 레벨은 피치 모션의 표준 편차를 η_{5STD_0} = 0.4°로 설정했으며, 하중 케이스들 중 24개가 이 미만에 속했다.

제어기는 풍향(α_ω) 변경에 따른 선형 날개깃 피치 오프셋 각도 전략(β_offset(α_ω))을 적용하도록 구성된다. 함수(β_offset(α_ω))는 최소 풍향 오프셋 각도 β_{offset, DIR_ MIN} = 0°에서 최대 풍향 오프셋 각도 β_{offset, DIR_ MAX} = 4°까지, 풍향(α_ω)에 따라 선형으로 변한다. 최대 오프셋은 풍력이 단일 계류줄 바로 위에 닿을 때 사용되고, 최소 오프셋은 풍력이 두 개의 계류줄 사이에 바로 닿을 때 사용된다. 다시 말해서, 오프셋은 모든 풍하중이 단일 계류줄에 가해질 때 최대이며, 그것이 두 개의 계류줄 사이로 나눠질 때 최소이다. 예를 들어, 도 6은 세 개의 계류줄(12a, 12b, 12c)을 갖는 터빈 계류 시스템(12)을 도시한다. 함수(β_offset(α_ω))는 풍향이 15°를 향할 때 그것의 제1 최대를 갖고 풍향이 75°를 향할 때 그것의 제1 최소를 갖는다.

추가 선형 날개깃 피치 오프셋 각도 전략이 또한 타워 피치 모션의 표준 편차(η_5STD)에 따라 변경되어 적용되고 η_5STD > η_{5STD_0} = 0.4°일 경우 적용되었다. 최대 날개깃 피치 오프셋 각도에 이르기까지, η_{5STD_0}으로부터 선형 곡선이며, 타워 피치 모션의 기준 표준 편차의 두 배(2η_{5STD_0})에서 날개깃 피치 오프셋 각도(β_offset)를 β_{offset_2} = 5°이게 선택했다.

풍향 및 타워 피치 모션에 기인하여 조합되는 오프셋을 고려하여, 최대 날개깃 피치 오프셋 각도는 다시 β_{offset_MAX} = 8°이게 선택했다. 예를 들어, 최대는 매우 높은 피치 편차에 의해 또는 부정적인 풍하중에서는 더 낮은 피치 편차에 의해 도달될 수 있다.

상기는 다음으로 공식화될 수 있다:

제어기 3

날개깃 피치 오프셋 각도의 계산을 위해 사용되는 세 번째 절차는 풍향 및 가장 무거운 하중의 계류줄 상에 투영되는 각도 모션의 표준 편차의 기본을 사용한다.

제로 날개깃 피치 오프셋 레벨은 η_{PSTD_0} = 0.35°의 가장 무거운 하중의 계류줄 상에 투영되는 각 모션의 표준 편차에서 계산되었다. 다시, 이러한 레벨은 하중 케이스들 중 24개가 이 미만에 속하는 레벨에 대응한다.

상기한 바와 같이, 풍향(α_ω)의 변화에 따른 선형 날개깃 피치 오프셋 각도 전략(β_offset(α_ω))이 사용되었고, 함수(β_offset(α_ω))는 다시 최소 풍향 오프셋 각도 β_{offset, DIR_ MIN} = 0°에서 최대 풍향 오프셋 각도 β_{offset, DIR_ MAX} = 4°까지, 풍향(α_ω)에 따라 선형으로 변한다.

그 다음, 가장 무거운 하중의 계류 상에 투영되는 각 모션의 표준 편차(η_PSTD)에 따른 추가 선형 날개깃 피치 오프셋 각도 전략이 η_PSTD > η_{PSTD_0} = 0.35°의 경우 적용되었다. 최대 날개깃 피치 오프셋 각도에 이르기까지, η_{5STD_0}으로부터 선형 곡선이며, 타워 피치 모션의 기준 표준 편차의 두 배(2η_{PSTD_0})에서 날개깃 피치 오프셋 각도(β_offset)를 다시 β_{offset_2} = 5°이게 선택했다.

다시, 풍향 및 타워 피치 모션에 기인하여 조합되는 오프셋을 고려하여, 최대 날개깃 피치 오프셋 각도는 β_{offset_MAX} = 8°이게 선택했다.

이는 다음으로 공식화될 수 있다:

종합적으로, 큰, 중간 그리고 작은 오프셋 날개깃 피치 각도들이 보통 동일한 하중 케이스들에서 발생한다는 점에서, 두 번재 및 세 번째 제어기 전략들은 첫 번째 기준 제어기 전략과 양호하게 일치되는 것으로 밝혀졌다.

제어기 4

네 번째 제어기는 해류에 기인한 계류 하중의 변화를 고려하고 터빈의 측정된 GPS 위치에 기초하여 날개깃 피치 오프셋을 적용한다.

수평 기준 반경(r₀(θ))은 플랫폼 오프셋의 소정의 방향(θ)을 기반으로 타워의 중심에서의 수직 도삭기 레벨(계류 장치들이 타워에 부착되는 레벨)로부터 정의된다. 수평 기준 포락선(r₀(θ))은 제로 해류 속도를 갖는 정격 공기 역학적 추력의 위치이다. 대표적인 포락선이 도 7에 도시되어 있다. 이러한 반경 밖 모션은 바람직하지 않고 제어기는 추가 날개깃 피치 오프셋 각도(β_offsetC)의 적용에 의해 공기 역학적 회전자 추력을 감소시킴으로써 그러한 모션에 반하도록 설계된다.

다음 식들에서, x_FL 및 y_FL은 수직 도삭기 위치에서의 타워 중심의 수평 위치를 제공하며, 이것들은 플랫폼 상의 GPS 측정치 및 하부 구조에 기준이 되는 수선에서 피치 및 롤 모션들의 MRU(모션 계측 장치) 측정치들을 기반으로 계산될 수 있다.

,

상기 식에서 는 플랫폼 레벨에서 도삭기 레벨까지의 수직 높이이고, x_GPS 및 y_GPS는 플랫폼 레벨에서 GPS 측정된 위치들이며, η₄ 및 η₅는 MRU에 의해 측정된 하부 구조에 기준이 되는 수선에서의 롤 및 피치 모션들이다.

결과적으로, 수직 도삭기 위치에서의 타워 중심의 계산된 수평 방사상 위치(r_m)는 다음에 의해 결정된다:

느리게 변하는 해류 속도의 성질에 기인하여, 단지 느리게 변하는 r_m의 성분만이 해류 제어에 대한 관심 사항이다. 필터링을 위해서는 3차 버터워스 필터가 사용될 수 있다:

상기 식에서 s는 라플라스 변수이고, ω_c는 충분히 낮은 값으로 선택되어야 하는 필터 주파수이다, 예를 들어 10분의 기간:

다음 PI 제어기 절차가 제안된다:

상기 식에서 Κ_P(θ) 및 Κ_I(θ)는 일반적으로 풍향(θ)에 따라 변할 수 있는 비례 적분 동작 제어기 이득들이다, 그리고

뿐만 아니라, 식(Δ_I)에서의 적분은 r_mf - r₀(θ)≤0일 때는 언제든 0으로 리셋되어야 한다. 이상적으로 이러한 리셋은 적분기 값이 미리 정의된 시간, 예를 들어 200초에 걸쳐 0으로 감쇠되도록 약한 방식으로 수행된다.

제어 5

네 번째 제어기 기법에 대한 대안 예는 다항 또는 지수 함수의 적용 및/또는 조합, 또는 유사한 것들에 의해, 적분 제어 동작 대신 기준 반경(r₀)으로부터의 큰 편차에 비선형 제어 동작을 적용하는 것이다. 일례는 비선형 제어기이다:

결론

제시된 두 개의 상보적인 제어기 설계, 즉 제어기 2 또는 제어기 3을 제어기 4 또는 제어기 5와 조합하는 설계는 계류 시스템에 미치는 환경 하중의 영향을 약화시킬 수 있다.

이러한 전략들을 이용한 전체 FLS(fatigue load state, 피로 하중 상태) 시뮬레이션 연구에서, 제어기들은 동력 생산을 다소 감소시켜 계류 시스템에의 하중을 감소시켰다. 평균하여 계류줄 수명의 대략 10%의 증가는 1% 생산 감소에 대응하여 이루어진다. 시뮬레이션으로부터의 데이터는도 8에 도시되어 있다. 도 8에서 볼 수 있는 바와 같이, 그렇지 않으면 계류 시스템의 피로 수명을 상당히 감소시킬 수 있을 계류줄 장력의 피크들이 감소된다. 그러나, 동력 생산은 소규모만 감소된다. 도 8에 도시된 특정 시뮬레이션의 경우, 계류줄의 손상은 동력을 7.6% 감소시켜 56%만큼 감소되었다.

제어기들은 세 개의 상이한 방식으로 계류 설계 동안 사용될 수 있다:

1. 제어기들은 계류 시스템의 계류 설계 분석들로 설명될 수 있다.

2. 제어기들은 환경 하중이 예보된 것보다 열악할 경우 만날 해양 설계 기초의 불확실성이 제어기에 의해 핸들링될 수 있다는 것을 기반으로 요구되는 안전 계수들을 감소시키기 위해 사용될 수 있다.

3, 제어기들 및 그것들의 설정들은 터빈들의 작동 단계 동안 동원될 수 있다. 설정들은 실제, 측정된 계류줄 장력들에 기초할 것이다. 그에 의해 계류줄들의 피로 수명과 관련된 불확실성이 설계에 사용되는 추정치들에 비해상당히 감소될 수 있다.

회전자 추력 보조 계류 설계에 대한 추가 방법은 계류 시스템의 요-강성 요건들을 감소 또는 제거하기 위해 부유식 풍력 터빈의 요 모션들에 반하도록 각각의 날개깃 피치 제어의 적용이다. 그러한 방법은 WO 2014/096419에 설명되어 있으며, 이의 내용은 본원에 참고로 통합된다. 그에 설명된 기술은 상술된 기술과 조합되어 통합될 수 있다. 이러한 기술들의 각각의 효과들은 그것들이 함께 적용될 때 증가하는 것으로 밝혀졌다.

상기한 기술들이 날개깃 피치 오프셋을 적용함으로써 부유식 풍력 터빈의 출력을 감소시키지만, 임의의 적합한 형태의 출력 감소가 사용될 수 있는 것으로 이해될 것이다. 예를 들어, 일 실시 예에서, 회전자 속도를 줄이기 위해 발전기 토크가 증가될 수 있다. 다른 실시 예에서, 제어기는 그렇지 않으면 인가될 것보다 더 낮은 풍속으로 정격 풍력 출력 감소 제어를 적용하기 위해 날개깃 피치의 제어의 기타 양태들에 사용되는 타겟 정격 동력 출력 또는 정격 풍속을 감소시킬 수 있다.

뿐만 아니라, 상기한 제어 시스템들의 일부는 단계 기능들을 포함하는 동안, 풍력 터빈 시스템의 실제적인 구현 시, 제어기는 이러한 제어기들에 평활화 및 필터링을 적용할 수 있는 것으로 이해될 것이다.

더 나아가, 제어기들이 간단한 선형 함수들을 사용하여 예시되는 동안, 실제로 제어기는 더 복잡한 비선형 제어 함수들을 사용하여, 이를테면 다항 함수들 및/또는 지수 함수들을 통합시켜 구현될 수 있다.

Claims (25)

1. 부유식 풍력 터빈 구조체의 터빈을 그것의 계류 장치들(moorings)의 피로(fatigue)를 줄이도록 제어하는 방법으로서, 상기 부유식 풍력 터빈 구조체는 적어도 두 개의 계류 장치를 포함하고, 상기 방법은 상기 풍력 터빈 구조체의 모션 및 각 계류 장치가 상기 풍력 터빈으로부터 멀어지게 연장되는 방향에 관한 상기 풍력 터빈 구조체에서의 풍향에 기초하여 상기 터빈의 출력을 감소(curtailing)시키는 단계를 포함하고,
   상기 출력 감소는 풍력이 상기 계류 장치들 중 하나 바로 위에 닿을 때 최대값을 그리고 풍력이 두 개의 상기 계류 장치 사이에 바로 닿을 때 최소값을 갖는 풍향 기반 성분을 포함하는, 방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 출력 감소는 상기 풍력 터빈 구조체의 피치 모션의 변동성에 기초하는, 방법.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 출력 감소의 피치 모션 기반 성분 및/또는 상기 출력 감소의 풍향 기반 성분은 피치 모션의 임계 레벨 미만 상수인, 방법.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 출력 감소는 상기 풍력 터빈 구조체의 피치 모션에 따라 증가하는 피치 모션 기반 성분을 포함하는, 방법.
5. 삭제
6. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 출력 감소는 상기 부유식 풍력 터빈 구조체 상의 공기 역학적 회전자 추력을 감소시키도록 상기 터빈의 하나 이상의 날개깃에 날개깃 피치 오프셋을 적용하는 것을 포함하는, 방법.
7. 청구항 6에 있어서, 상기 날개깃 피치 오프셋은 다음 식에 적어도 부분적으로 기초하여 결정되며:
   
   상기 식에서 β_offset은 날개깃 피치 오프셋이고, α_ω는 풍향이고, η_STD는 미리 결정된 시간 기간 동안 상기 풍력 터빈 구조체의 피치 모션의 표준 편차 또는 그로부터 도출되는 값이고, β_{pitch_offset}은 η_STD에 기초한 오프셋이며, β_{wind_offset}은 풍향에 기초한 오프셋인, 방법.
8. 청구항 7에 있어서, 상기 풍향에 기초한 오프셋은 다음 식에 적어도 부분적으로 기초하여 결정되며:
   ,
   상기 식에서 β₂ 및 α₀는 상수이고, θ는 인접한 계류줄들 간 각 거리(angular distance)인, 방법.
9. 청구항 7에 있어서, 상기 풍력 터빈 구조체의 피치 모션에 기초한 오프셋은 다음 식에 적어도 부분적으로 기초하여 결정되며:
   ,
   상기 식에서 η_{STD_0} 및 β₁은 상수인, 방법.
10. 청구항 7에 있어서, 상기 식 β_offset(α_ω, η_STD)는 η_STD < η_{STD_0}의 값들에 대해 제로로 설정되는, 방법.
11. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 출력 감소는 상기 부유식 풍력 터빈 구조체의 공기 역학적 회전자 추력을 감소시키도록 상기 터빈의 발전기의 토크를 증가시키는 것을 포함하는, 방법.
12. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서, 기준 위치에 관한 상기 풍력 터빈 구조체의 위치에 기초하여 상기 터빈의 출력을 감소시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
13. 청구항 12에 있어서, 상기 풍력 터빈 구조체의 위치는 나브스타 위성 항법 시스템(GPS)과 같은 위성 기반 항법 시스템을 사용하여 결정되는, 방법.
14. 청구항 12에 있어서, 상기 풍력 터빈 구조체의 위치는 계류줄들의 장력을 고려함으로써 결정되는, 방법.
15. 청구항 12에 있어서, 상기 풍력 터빈 구조체의 위치에 기초한 상기 출력 감소는 상기 풍력 터빈 구조체의 주파수 필터링된 위치에 기초하며, 상기 주파수 필터링된 위치는 저역 통과 필터링된 것인, 방법.
16. 청구항 12에 있어서, 상기 풍력 터빈 구조체의 위치에 기초한 상기 출력 감소는 단지 상기 풍력 터빈 구조체의 위치가 상기 기준 위치로부터 미리 결정된 임계 거리보다 클 때에만 적용되는 위치 기반 성분을 포함하는, 방법.
17. 청구항 16에 있어서, 상기 위치 기반 성분은 적어도 상기 풍력 터빈 구조체의 상기 기준 위치로부터의 거리 또는 상기 풍력 터빈 구조체의 상기 기준 위치로부터의 거리로부터 도출되는 값에 비례하는 성분을 포함하는, 방법.
18. 청구항 16에 있어서, 상기 위치 기반 성분은 적어도 상기 풍력 터빈 구조체의 상기 임계 거리를 넘는 거리 또는 상기 풍력 터빈 구조체의 상기 임계 거리를 넘는 거리로부터 도출되는 값의 적분에 비례하는 성분을 포함하는, 방법.
19. 청구항 16에 있어서, 상기 위치 기반 성분은 적어도 상기 풍력 터빈 구조체의 상기 임계 거리를 넘는 거리 또는 상기 풍력 터빈 구조체의 상기 임계 거리를 넘는 거리로부터 도출되는 값의 다항 또는 지수 함수에 비례하는 성분을 포함하는, 방법.
20. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 터빈의 정격 풍속을 초과하는 풍속에서 정격 동력 출력 이하를 생산하도록 상기 터빈의 출력을 감소 시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
21. 청구항 20에 있어서, 정격 풍속을 초과하는 상기 출력 감소는 상기 풍력 터빈 구조체의 공진 주파수에서 상기 풍력 터빈 구조체의 피치 방향의 강체 모션들을 저지하도록 상기 출력 감소를 제어하는 것을 포함하는, 방법.
22. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 계류 장치들은 상기 부유식 풍력 터빈 구조체로부터 떨어져 연장되는 적어도 세 개의 현수선 계류줄들(catenary mooring lines)을 포함하는, 방법.
23. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부유식 풍력 터빈 구조체는 부유 원주 구성(floating spar configuration)을 갖는, 방법.
24. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항의 방법에 따라 터빈을 제어하도록 구성된 제어기를 포함하는 부유식 풍력 터빈 구조체용 터빈.
25. 실행될 때, 제어기가 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항의 방법에 따라 부유식 풍력 터빈 구조체의 터빈을 제어하게 할 컴퓨터 판독 가능한 명령들을 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품.
    

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