KR20030084990A - 탑 진동 모니터 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 풍력 발전 설비의 동작 관리를 위한 제어 장치를 구비한 풍력 발전 설비를 제어하는 방법에 관한 것으로서, 파일론의 가속을 검출하는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 파일론과 풍력 발전 설비의 동작 관리를 위한 제어 장치와 파일론의 가속을 검출하는 장치를 포함한다. 따라서, 본 발명의 목적은 본 명세서의 서두에 설명되어 있듯이 풍력 발전 설비의 동자글 위하여 전술한 주파수 범위를 열어 놓기 이하여 신뢰성이 있고 효율적인 모니터를 하도록 하는 제어 방법을 제공하는데 있다.
본 발명은 풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 설비의 부품의 동작 관리를 위한 제어 장치와 파일론을 구비한 풍력 발전 설비를 제어하는 방법에 있어서, 상기 풍력 발전 설비의 진동이 검출되는 수단이 제공되고, 상기 진동을 검출하는 수단은 진동 운행 및/또는 정지 위치로부터 파일론의 상부에서의 파일론의 절대 편향을 검출하고, 파일론 진동을 검출하는 수단에 의한 확인되는 수치 값이 상기 제어 장치에 의해 처리되며, 특히 파일론의 진동 및/또는 절대 편향이 선정된 제1 한계값을 넘어서고 수평 평면에서 최소한 두 개의 서로 다른 방향에서 두 개의 진동 운행이 검출되면 상기 풍력 발전 설비 또는 그 부품의 동작 관리가 변경되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비 제어 방법을 제공한다.

Description

탑 진동 모니터 장치{TOWER OSCILLATION MONITORING DEVICE}
수평 축 형태의 풍력 발전 설비의 파일론의 꼭대기에는 발전기와, 전체 구동 트레인(drive train)과 로터(rotor), 즉 풍력 발전 설비의 움직일 수 있는 모든 부품이 놓여 있으며, 이들은 바람으로부터 에너지를 흡수해서 전기 에너지로 변환한다.
이와 같은 전기 변환은 바람에 의해 회전하는 로터와 발전기 또는 복수개의 발전기들에 전달되는 회전 운동에 의해 일어난다. 따라서, 회전 속도는 한편으로는 바람에 의존하고, 또 다른 한 편으로는 풍력 발전 설비의 공기 유체역학적 (aerodynamic) 특성에 달려 있게 된다.
따라서, 전술한 내용으로부터 파일론은 로터와, 구동 트레인과, 발전기(그리고 포드(pod))를 지니고 있어야 할 뿐 아니라, 동작 중에 파일론에 작용하는 부하를 안전하게 지탱해 낼 수 있어야 한다. 더욱이, 풍력 발전 설비가 작동하지 않는 상태 인 경우에도 파일론은 강풍을 견딜 수 있어야 한다.
독일 특허 DE 33 08 566 호와 이에 대응하는 미국 특허 US-A-4 435 647 호는 파일론 꼭대기가 동작 중에 어떻게 움직이는가에 따라 움직임 신호를 만들어 내는 움직임 측정 장치를 파일론 위에 구비한 풍력 터빈 설비를 개시하고 있다.
독일 특허 DE 100 11 393 호는 현재의 터빈 부하량 및/또는 장소 및 기상 상태에 따라 변하는 스트레스를 직접적으로 또는 간접적으로 정량화하는 것을 가능하게 하는 측정 파라미터를 감지하는 수단과, 최적화된 풍력 발전 설비에 있어서 전력의 감소가 정상 풍속 및 강한 풍속에서 현재의 동작 상태에 해당하는 최적의 상태에 한정되도록 다운스트림 연결된 전자 신호 처리 장치를 파일론 위에 구비한 풍력 발전 설비를 위한 제어 장치를 개시하고 있다.
독일 특허 DE 100 16 912호는 해상 풍력 발전 설비의 동작 관리 기술을 개시하고 있는데, 특히 설비 및/또는 설비의 부품의 임계 자연 주파수(critical natural frequency)를 결정함으로써, 전체 설비 및/또는 설비의 각각 부품들이 상기 임계 자연 주파수로 진동하도록 유도하는 로터의 회전 속도를 결정하여, 상기 풍력 발전 설비가 상기 임계 회전 속도보다 빠르거나 천천히 회전하도록 하여 상기 임계 회전 속도 범위를 상회하거나 못 미치도록 하는 장치를 제공한다.
따라서, 파일론이 설계되어야 하는 주어진 부하 조건이 상기 부하량으로부터 유도되어져야만 한다. 이와 같은 부하를 용적 부하(dimensioning load)라고 부르며, 파일론의 크기를 결정한다. 따라서, 상기 크기 결정 과정은 파일론의 진동 특성(oscillation characteristics) 및 자연 주파수(기본 고유 주파수 및 고조파 성분) 등을 제공한다.
한편, 풍력 발전 설비를 위해서는 반드시 준수해야 할 일련의 규칙 조항들이 있다. 상기 규칙 조항들은 베를린 소재 독일 건축 공학 연구원(German Institute for Construction Technology)에서 발간된 풍력 발전 설비를 위한 지시 사항에 나타나 있다. 상기 풍력 발전 설비를 위한 지시 사항에는 파일론의 동작 진동 모니터에 관한 규제를 기술하고 있다. 따라서, 로터의 여기 주파수가 파일론의 자연 주파수의 ±5% 밴드 범위 안에 들어가게 되면, 작동 진동 여부를 모니터 하지 아니 하고는 영구 동작이 불가능하다.
본 발명은 풍력 발전 설비(wind power installation)의 동작 관리를 위한 제어 장치를 구비한 풍력 발전 설비를 제어하는 방법에 관한 것으로서, 특히 파일론 (pylon)의 가속(acceleration)을 감지하는 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 파일론과, 풍력 발전 설비의 동작 관리를 위한 제어 장치(control apparatus)와, 상기 파일론의 가속을 감지하는 장치를 구비한 풍력 발전 설비에 관한 것이다.
도1은 본 발명에 따라 두 개의 가속 센서를 구비한 포드(pod)의 평면도.
도2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 제어 방법을 나타낸 흐름도.
따라서, 본 발명의 목적은 본 명세서의 서두에 기술한 대로 풍력 발전 설비의 동작 주파수 범위를 열어주기 위하여 안전하고 효율적으로 진동 여부를 감시할 수 있는 방법과 이를 갖춘 풍력 발전 설비를 제공하는데 있다.
본 발명에 따르면, 상기 목적은 특허청구범위 제1항에 기재된 방법과 제11항에 기재된 풍력 발전 설비에 의해 달성된다. 본 발명에 따른 양호한 실시예가 부속 특허청구범위에 기재되어 있다. 본 발명은 종래 기술에서와 같이 진동 주파수를 감지하는 것뿐만 아니라 진동 진폭(oscillation amplitude), 즉 진동 운행을 확인하는 것을 특징으로 한다. 결국, 진동 진폭이 주어진 제한치를 넘지 않는 한 풍력 발전 설비는 임계 주파수 범위에서 동작하지 않게 된다.
본 발명은 파일론의 비인가 진동에 관하여 파일론의 제1 자연 주파수가 최대진폭을 가져서, 파일론에 최대 부하로 작용한다. 제1 자연 주파수의 고조파 (harmonics) 진동은 항상 작은 진폭을 갖게 된다. 그러나, 진동 운행(oscillation travel)을 확인하는데 있어서 영향을 줄 뿐 아니라, 파일론의 제1 자유 주파수의 진폭보다 확실히 그 진폭이 더 적은 고조파 성분을 지닌 가속 성분은 제1 자연 주파수에 기초하여 계산에 넣어져서 과대 평가 된다. 이는 진동 운행은 부하에 비례하고 상기 진동 운행로부터 유도되는 부하는 실제로 작용하는 부하보다 크다는 것을 의미한다. 따라서, 부하가 과소 평가되기보다는 과대 평가되는 것이다. 따라서, 부하를 검출하는 것은 안정성의 수준을 향상시킨다.
로터의 평면에 평행하고 또한 외부 인가 진동의 경우, 진동 주파수는 파일론의 제1 자연 주파수보다 훨씬 아래에 있을 수 있다. 이 경우, 파일론의 제1 자연 주파수의 기초 하에 부하를 확인하는 것은 진동 운행을 과소 평가하는 것이 된다. 상기 과소 평가를 방지하기 위해서 진동 주파수는 동작 중에 계속 감시되어야 하고, 필요하다면 진동 운행을 교정값에 의해 확인하는데 이용된다.
진동 운행이 제1 한계 값을 넘어 서게 되면, 즉 제1 부하량을 넘어 서게 되면, 위험 상황이 인식되어 제어 장치가 이에 따라 반응하게 된다. 진동 운행에 관하여 선정된 기간 내에 제2 한계 값이 초과되는 경우, 위험 상황이 마찬가지로 인식된다. 상기 위험 상황을 벗어나기 위해서 설비 동작이 멈춰진다.
본 발명의 목적에 부가하여, 특허청구범위 제10항의 청구범위에 기술된 바와 같이 감지되는 가속 레벨로부터 진동 운행을 확인하는 것을 특징으로 한다. 상기 확인된 진동 운행은 본 발명에 따른 방법에 따라 처리되거나 평가된다.
본 발명의 양호한 실시예에 따라, 본 발명은 파일론의 가속 레벨을 감지하는 장치를 모니터 하는 장치를 포함한다. 이와 같이 함으로써, 진동 감시 부품의 오동작을 감지하는 것이 가능하게 되고, 결함을 치유하는 수단이 강구되고 풍력 발전 설비 동작을 중지함으로써, 진동이 제어할 수 없는 상태로 진전되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다양한 실시예들이 부속하는 특허청구범위에 기술된다. 이하에서는 본 발명의 양호한 실시예들이 첨부 도면을 참조하여 설명된다.
도1의 평면도에는 로터 블레이드(rotor blade; 12)가 수평 방향으로 뻗어 나와 있는 포드(pod; 10)가 도시되어 있다. 포드는 파일론(pylon; 16)의 꼭대기에 형성된다. 포드(10)의 내부에는 두 개의 가속 센서를 지닌 계측기(measuring device; 14)가 설치되어 있다. 상기 가속 센서들은 수평 평면을 향하게 되고 서로 직각을 이룬다. 이와 같은 형태를 취함으로써 해당 방향으로의 진동을 감지하는 것, 즉 한 방향으로는 로터 블레이드(rotor blade) 평면에 평행인 방향과 다른 한 편으로는 이에 수직한 방향으로의 진동을 감지하는 것이 가능해 진다.
예를 들어서, 바람 부하에 의해 여기되는 파일론(16)의 자연 주파수에서의 진동은 항상 로터의 평면과 수직인 방향의 특성을 가지고 있으며, 이는 적절히 방향을 취하고 있는 가속 센서(14)에 의해 감지된다. 예를 들어 로터에서의 불균형으로 인하여 발생하는 인가 진동은 로터와 평행한 평면으로 발생한다. 이 경우, 제2 가속 센서에 의해 감지되며, 이와 같은 인가 진동은 파일론(16)의 제1 자연 주파수에서는 일어나지 않고 즉각적인 셧 다운이 요구되는 높은 진폭을 얻게 된다.
이와 같은 점에서 로터 평면의 수직인 관계로 진동 운행을 감시하는 것은 로터 블레이드의 입사각 콘트롤을 모니터 하는 것을 가능하게 하는데, 이것은 로터 블레이드의 입사각이 정상적으로 작동할 때의 파일론 특성은 비정상적으로 작동할 때의 진동 특성과 현저히 다르기 때문이다. 따라서, 로터 블레이드 입사각이 정상적으로 콘트롤되지 않는 경우, 진동이 발생하여 셧 다운을 일으키게 된다.
확인된 진동 데이터는 풍향 데이터에 연계되어 주어진 풍향과 관련하여 다른 풍향 시에 비해서 진동 운행이 더 크게 일어났는지 확인하는 것이 가능하다. 결국, 어떤 경우에는 풍속은 그대로라 하더라도 바람이 불어오는 방향에 따라서 풍력 발전 설비 주변의 지형이 영향을 주는 경우가 있다.
도2는 본 발명에 따른 풍력 발전 설비의 제어 방법의 과정을 나타낸 일처리 흐름도이다. 과정은 단계 20으로부터 시작된다. 후속 단계 22는 가속 센서(10,14)에 의한 파일론의 진동 감지 단계이다. 진동 감지는 약 20초 기간 동안 진행된다. 이 경우, 모든 진동은 20초 기간 내에 축적된다. 상기 시간이 지나면 허브(hub)의 높이에서의 진동 운행의 유효치는 파일론의 모든 가속의 합과 제1 주파수로부터,
S(eff) = a(eff)/?2
의 계산식을 이용하여 계산된다.
여기서, S(eff)는 파일론 진동 운행의 유효치이고 a(eff)는 20초의 시간 동안의 가속 총합의 유효치이고, u2은 2?f의 제곱을 나타내고, f는 파일론의 제1 자연 주파수이다. S(eff)의 값은 진동 진폭을 얻기 위해서, 즉 정지 상태에서 파일론의 평균 편향을 얻기 위해 v2로 곱해진다.
파일론의 제1 자연 주파수는 측정하거나 계산에 의해 비교적 정확하게 알 수 있으므로 설비가 새로이 처음 작동될 때에 진동 운행을 계산하기 위하여 상기 제1 자연 주파수가 처음 사용된다. 그러나, 파일론의 실질 자연 주파수는 제작 상 발생하는 제작 오차, 즉 파일론의 강도 또는 서로 다른 종류의 기초 지반으로 인하여 계산 상의 주파수와 다를 수 있으며, 계산에 사용되는 파일론의 자연 주파수는 사용을 하면서 파일론이 진동을 겪게 되면 가속 센서로부터 나오는 신호의 주기를 측정하여 제어 장치에 의해 교정될 수 있다. 이와 같이 해서, 진동 운행은 설비의 각각 상태에 적응 되어진다.
본 발명에 따른 또 다른 실시예로서, 일련의 제한값을 설정하여서 감지된 진동 운행을 평가하는데 이용될 수 있다. 제1 제한값 Smax는 최대 허용 진동 운행이 된다. 본 예제에서 이 값을 500 mm로 설정할 수 있다. 제2 제한값은 최소 허용 진동 운행 Smin으로 설정할 수 있다.
또한, 여기서 제2 제한값은 220 mm로 설정한다. 제3 제한값은 셧 다운 한계를 설정하는데, 항상 제1 제한값 Smax는 넘지 않았으나, 제2 제한값 Smin은 넘어선 경우에 셧 다운 한계를 설정한다. 상기 제3 제한값은 Sgrenz으로 나타내기로 하며 제3 제한값의 수치는 예를 들어 1 612 800이 될 수 있다.
도2에 나타낸 흐름도의 단계 23은 확인된 진동 운행이 제1 제한값 Smax을넘어섰는지를 체크하는 단계를 포함한다. 만일 제1 제한값 Smax을넘어선 경우, 단계 29에서 설비는 즉각 멈추게 되고 과정은 중단된다.
만일 상기 단계 23의 체크 과정에서 진동 운행이 제1 제한값 Smax을 넘지 않은 경우, 흐름도의 단계 24는 총 진동 운행의 제곱의 합을 형성하는 단계를 포함한다. 이와 같은 목적에서, 시간 구간에서 검출되는 진동 운행 S는 제곱을 취하게 되고, 여기에서 제2 제한값 Smin의 제곱, 즉 Smin 2을 감산해서 차이값을 계산한다. 그리고 나면, 이전의 구간에서 확인된 합에 상기 차이값이 더해지게 된다.
이와 같이 해서 8개의 측정 구간에서의 측정 진동 운행이 최대 허용 진동 운행 Smax과 같게 되면 가능한 빨리 설비가 셧 다운 된다. 최소 진동 운행과 최대 진동 운행 사이의 진동 운행은 제곱합의 형성과 진동 운행의 진폭 의존성으로 인하여 셧 다운 시간을 지나치게 비례하여 단축하게 된다.
만일 그 값이 최소 진동 운행(제2 제한값 Smin은)의 아래로 떨어지게 되면,진동 운행 제곱의 합은 감소하게 된다. 이제, 만일 제3 제한값은 Sgrenz에 다다르게 되거나 제곱의 합에 의해 초과되는 경우 설비는 또 다시 정지하게 된다.
또한, 설비가 갑작스럽게 중지하는 것 대신에 그 이후 제1 제한값 Smax이 갑자기 감소하도록 작동되는 것도 가능하다. 이와 같은 목적에서, 예를 들어 로터 블레이드를 조정하는 것을 구현하는 것이라던가 또는 포드(pod)를 바람으로부터 돌리는 것이 가능하다. 한 방법으로서 로터 블레이드 속도를 증가시켜 설비가 자연 주파수의 임계 범위 밖으로 가게 하는 것이 가능하다.
본 발명은 특별히 진동 운행(진동 진폭)을 확인하기 위하여 가속 센서를 사용하는 것을 특징으로 하고 있다. 그러나, 진동 운행의 확인을 위하여 다른 장치를 사용하는 것이 가능하다. 만일 필요하다면, 당업자는 각각의 필요에 따라 적절한 장치를 사용할 수 있다. 가속 센서의 대체품으로서, 또는 가속 센서에 의해 진동 운행을 확인하는 것을 대신하기 위하여, 가격면에 있어서 비싸기는 하지만 광학 측정기를 사용할 수 있다.
가속 측정 장치의 대체물로서 풍력 발전 설비의 파일론의 베이스에 저항 스트레인 계량기를 이용해서 특정 환경 하에서 파일론의 진동을 확립하는 것이 가능하다. 이와 같은 목적에서, 최소한 두 개의 저항 스트레인 계량기(resistance strain gauge; RSG)를 파일론의 베이스에 마운트시키되, 서로 약 90°정도 서로 떨어지도록 설치한다. 이와 같은 저항 스트레인 계량기(resistance strain gauge)는 물질의 확장뿐 아니라 축소도 감지한다. 이와 같은 점에서, 파일론의 진동 진폭이크면 클수록 저항 스트레인 게이지의 영역에서 확장/축소의 정도가 커지게 되며, 풍력 발전 설비의 바람의 주된 방향을 향하게 된다.
이와 같은 저항 스트레인 계량기는 베이스 영역에서 파일론에 가해지는 부하를 측정하는데 이용될 뿐 아니라, 포드(pod) 또는 파일론의 꼭대기 영역에서 파일론의 편향을 감지하는데 사용되어 파일론의 베이스 영역의 부하가 파일론의 꼭대기의 편향 움직임의 진폭에 의존한다. 전술한 저항 스트레인 계량기(파일론의 부하를 검출하는 가속 센서)는 파일론의 다른 곳에 설치될 수도 있으며, 예를 들어 파일론의 중간 높이 지점에 설치될 수도 있다.

Claims (13)

  1. 풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 설비의 부품의 동작 관리를 위한 제어 장치와 파일론을 구비한 풍력 발전 설비를 제어하는 방법에 있어서, 상기 풍력 발전 설비의 진동이 검출되는 수단이 제공되고, 상기 진동을 검출하는 수단은 진동 운행 및/또는 정지 위치로부터 파일론의 상부에서의 파일론의 절대 편향을 검출하고, 파일론 진동을 검출하는 수단에 의한 확인되는 수치 값이 상기 제어 장치에 의해 처리되며, 특히 파일론의 진동 및/또는 절대 편향이 선정된 제1 한계값을 넘어서고 수평 평면에서 최소한 두 개의 서로 다른 방향에서 두 개의 진동 운행이 검출되면 상기 풍력 발전 설비 또는 그 부품의 동작 관리가 변경되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 파일론의 진동을 확인하는 장치는 적어도 하나의 가속 측정 장치를 구비함을 특징으로 하는 풍력 발전 설비 제어 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 파일론의 제1 자연 주파수는 상기 진동 운행을 확인하는데 사용됨을 특징으로 하는 풍력 발전 설비 제어 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 진동 운행은 수평 평면에서 적어도 두 개의 서로 다른 방향에서 검출됨을 특징으로 하는 풍력 발전 설비 제어방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 만일 상기 진동 운행이 선정된 제1 한계값을 초과하는 경우 상기 로터 설정이 변하게 되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비 제어 방법.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 만일 진동 운행이 선정된 한계값을 주어진 시간 구간 내에서 초과하는 경우 상기 로터의 설정이 변하게되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 시간 구간은 진동 운행의 진폭 크기에 따라 변동되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비 제어 방법.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 로터가 중지됨을 특징으로 하는 풍력 발전 설비 제어 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 진동 운행을 확인하는 적어도 하나의 파라미터가 우선 선정되고 실제 검출되는 측정치에 기초하여 진행되는 동작에 따라 상기 파라미터가 수정됨을 특징으로 하는 풍력 발전 설비 제어 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 진동 운행은 선정된 시간 주기 동안 확인됨을 특징으로 하는 풍력 발전 설비 제어 방법.
  11. 파일론과 풍력 발전 설비의 동작 관리를 위한 제어 장치와 상기 파일론의 진동 운행을 검출하는 장치를 구비한 풍력 발전 설비.
  12. 제11항에 있어서, 상기 진동 운행을 확인하는 장치로서 파일론의 가속을 검출하는 장치가 제공되고 파일론의 진동 운행은 검출된 가속으로부터 확인됨을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
  13. 제12항에 있어서, 상기 파일론의 가속을 검출하기 위한 장치를 모니터하는 장치에 의해 특징되는 풍력 발전 설비.
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