KR20080039910A

KR20080039910A - 타워 역학을 이용한 윈드 플로우 평가 및 추적

Info

Publication number: KR20080039910A
Application number: KR1020087003866A
Authority: KR
Inventors: 키치너 클라크 윌슨
Original assignee: 클립퍼 윈드파워 테크놀로지 인코포레이티드
Priority date: 2008-02-18
Filing date: 2005-07-18
Publication date: 2008-05-07

Abstract

지지 타워(202)의 꼭대기에 마운트된 풍력 터빈내의 가변 속도 전기 발전기에 대한 터빈 제어 시스템이 제공된다. 상기 풍력 터빈은 풍력 에너지를 발전기(230)에 인가되는 구동 토크로 변환시킨다. 제어 시스템은 터빈 지지 타워 위치 센서(204)를 포함하며, 또한 타워 가속도 센서 및 속도 센서를 포함할 수도 있다. 윈드 플로우 평가기(208)는 측정된 움직임, 발전기 로터 속도(216) 및 블레이드 피치 각도(212)를 이용하여, 터빈의 로터가 쓸고 지나가는 영역에서의 윈드 플로우를 예측하며, 타워 움직임을 예측한다. 예측된 윈드 플로우 및 움직임은 터빈 제어 시스템에서 이용되어, 그 동작점을 적절히 조절하고, 상기 제어기를 튜닝하며, 로터의 회전속도를 제어하고, 타워의 진동을 댐핑한다.

풍력 터빈, 타워 움직임, 피치, 가속도, 속도

Description

타워 역학을 이용한 윈드 플로우 평가 및 추적{WIND FLOW ESTIMATION AND TRACTION USING TOWER DYNAMICS}

본 발명은 풍력 터빈(wind turbine)에 관한 것이며, 좀더 상세하게는 풍력 터빈에 대한 윈드 플로우(wind flow : 이하, "윈드 플로우" 라 함) 평가기(estimator)에 관한 것이다. 상기 풍력 터빈은 바람에 의해 구동되는 로터를 갖는바, 바람은 로터 블레이드를 회전시키는 파워를 공급한다.

현존하는 대부분의 풍력 터빈들은 일정한 속도에서 동작한다. 로터(rotor)는 가령, 유도 발전기(induction generator)와 같은 발전기를, 일정한 회전 속도로 구동한다. 고정 주파수를 갖는 전기 설비 시설망(electrical utility grid)에 직접 링크되기 위해서는, 일정 속도 동작이 필요하다. 다른 많은 현대식 풍력 터빈들은 가변 속도에서 동작하여 DC 파워를 생성하는바, DC 파워는 변환기에서 AC 파워로 변환되며 이는 부속 전력 설비에 동기화된다.

일정 속도 터빈들은, 로터의 회전 속도의 증가를 검출하고, 생성된 파워를 증가시킴으로써, 증가되는 풍속에 적응된다. 이는 로터의 부하 토크를 증가시키고, 로터의 속도가 증가하는 것을 방지한다. 만약, 이것이 충분치 않거나 또는 받아들이기 힘든 파워의 변동(fluctuation)을 야기한다면, 바람에 의해 제공되는 로터 토 크를 감소시키도록, 로터 블레이드(blade)의 피치(pitch)가 변화된다. 만일, 로터의 속도가 시설망(grid)과 동기화되지 않는다면 파워가 생성되지 않는다.

가변 속도 터빈들은 모든 풍속에서 파워를 생성하지만, 구성요소들에게 과도한 스트레스를 주지 않으면서 최적의 파워를 생성할 수 있는 바람직한 동작점(operating point)을 각각의 풍속에서 갖는다. 풍속이 증가함에 따라 상기 동작점들을 쫓아가기 위해서, 이러한 터빈들은 로터 속도를 감지할 뿐만 아니라, 부하 토크 및 로터 블레이드 피치를 이용하여 제어된다.

로터 속도의 변화를 감지하는 것에 기초한 제어 방법들은, 바람의 변화와 로터 속도의 변화 사이에는 실질적인 시간 지연이 존재하기 때문에, 효율성에 있어서 제한적이다. 풍력 터빈을 좀더 잘 제어하기 위해서는 윈드 플로우에 대한 직접적인 정보가 중요하며, 윈드 플로우를 평가하고 이를 시간상에서 추적(track)할 수 있는 수단은 더욱 향상된 제어를 제공할 것이다. 관련 기술분야의 현재 특허들은 Holley 에게 허여된 특허들(US 5,155,375 및 US 5,289,041)을 포함하는바, 이들 특허에서는 로터의 회전속도, 블레이드 피치 각도, 윈드 토크(wind torque), 및 발전기 토크(generator torque)가 결합되어 바람의 흐름을 평가한다.

윈드 플로우를 정확히 추적하기 위해서는, 풍력 터빈의 로터 블레이드에 의해 쓸려지는(swept) 영역에서의 평균적인 윈드 플로우를 판별하는 것이 필요하다. 블레이드에 의해 쓸려지는 상기 영역의 인근에 설치된 풍속계(anemometers)들은, 평균 풍속을 정확히 측정할 수 없는바, 이는 이들 풍속계들이 단일 지점에서의 풍속을 측정하고 있는 반면에, 풍속은 블레이드에 의해 쓸려지는 전 영역에 걸쳐서 변화될 수 있기 때문이다. 또한, 상기 블레이드들은 바람의 패턴을 변화시키며, 바람으로부터 에너지를 뺏어간다. 그리고 상기 블레이드의 뒤에 위치한 센서는 블레이드 앞의 바람을 반영하지 못한다.

풍속에 대한 대략적인 평가는, 로터 속도 및 전기적인 파워 출력을 측정함으로써 획득될 수 있다. 바람이외의 다른 힘(force)들이 이들 파라미터들에게 영향을 미치기 때문에, 이런 방법은 충분히 정확한 것은 아니다.

터빈을 제어하는 것 이외에도, 타워(tower)의 진동을 댐핑(damping)하는 것이 바람직하다. 상기 타워는 그 구조상의 바람 및 로터 블레이트 상의 바람에 응답하여 움직인다. 타워의 움직임(motion)은 본래부터 약하게 댐핑되며, 실질적으로 진동할 수 있다. 이와 관련된 기계적인 수축(flexing)에 의해서 타워의 수명이 단축된다.

Harner 등에게 허여된 미국등록특허 US 4,435,647 에는, 전기 발전 시스템에의해 파워를 공급받는 타워에 마운트된 풍력 터빈이 개시되어 있는바, 상기 풍력 터빈은 거친 바람에서도 정격 토크 또는 파워를 유지하기 위해서 로터 블레이드 각도를 조절하는 제어기를 갖고 있다. 상기 제어기는 블레이드 각도 명령 성분을 제공하는바, 이 명령 성분은 예측된 모션 신호에 응답하여 타워의 주요 공진 주파수를 공기역학적으로 댐핑할 수 있는 방식으로 터빈의 로터 블레이드 각도를 조절한다. 예측된 모션 신호는, 블레이드 각도 기준 신호의 필터링된 함수로서, 상기 로터 축과 평행한 타워의 분석적으로 예측된 길이방향의 움직임(longitudinal motion)을 나타낸다.

Kos 등에게 허여된 미국등록특허 US 4,420,692 에는, 로터의 인근에서, 풍력 터빈 전기 발전 시스템의 지지 타워(support tower) 상에 배치된 가속도계(accelerometer)가 개시되어 있다. 상기 가속도계는, 타워의 가속도(로터의 회전축 방향으로)를 나타내는 모션 신호를 제공한다. 상기 신호는 대역-통과 필터를 통과한다. 바람의 난류(turbulence)에 대응하여 일정한 토크/파워를 제공하기 위해서, 토크/파워가 조절된 블레이드 피치 각도 기준 신호가 생성된다. 대역-통과 필터링된 가속도계 신호는 상기 블레이드 기준 신호에 부가되며, 피치 변경 매커니즘에 의해서 로터 블레이드의 피치 각도를 제어하기 위해 이용된다. 이는, 타워에 대한 추가적이며 포지티브한 공기역학적인 댐핑을 제공하는바, 바람의 난류에 대응하여 일정한 토크/파워가 선택되도록 블레이드 각도를 조절함으로써, 이러한 댐핑이 제공된다.

Holley 에게 허여된 특허들(US 5,155,375 및 US 5,289,041)은 풍속을 평가하지만, 타워 측정(tower measurement)으로부터 평가하지는 않는다.

Kos 등 및 Harner 등의 특허들(US 4,420,692 및 US 4,435,647)은, 측정된 가속도를 대역통과 필터 또는 다른 간단한 필터를 통해 이용하는 타워 댐핑에만 관심을 두고 있다. 타워 측정으로부터 바람의 흐름을 평가하기 위한 그 어떤 시도도 개시되어 있지 않다.

흐름(flow)에 응답하여 지지 구조체가 움직이는 경우, 가령, 타워 또는 수중 사슬(underwater tether)와 같은 터빈 지지 구조체의 움직임을 이용하여 바람 또는 물의 흐름을 평가 및 측정하는, 윈드 플로우 평가기 또는 워터(water) 플로우 평가 기를 포함하는 터빈 제어 시스템을 제공하는 것이 바람직하다. 상기 플로우 평가기의 결과들은 터빈 제어 시스템에서 사용되는바, 그것의 동작점을 적절히 조절하고, 제어기를 튜닝하고, 로터 회전속도를 제어하고, 그리고 지지 구조체의 진동을 댐핑하기 위해서 사용된다.

본 발명은 발전 시스템에 관한 것으로, 상기 발전 시스템에서 터빈은 윈드 플로우 또는 워터 플로우에 대한 수평축 상에서 움직이지 않게(stationary) 고정된 지지 구조체 위에 마운트된다. 터빈은 로터 허브(hub)에 연결된 로터를 포함한다. 상기 로터는 조절가능한 피치 각도를 갖는 메인 블레이드 부분(section)을 갖는다. 상기 메인 블레이드는 확장 블레이드를 가질 수도 있는바, 조절 디바이스가 상기 확장 블레이드에 연결되어 있다. 모터는, 상기 메인 블레이드 부분에 대해서 집어넣어진 위치와 좀더 확장된 위치 사이에서 상기 확장 블레이드를 이동시키는바, 상기 로터는 바람에 좀더 많이 노출되던지 또는 좀더 덜 노출된다.

본 발명에서는 유체 흐름 평가기(fluid-flow estimator)를 포함하는 터빈 제어 시스템이 제공되는바, 상기 유체 흐름 평가기는, 로터의 회전속도 및 블레이드 피치 각도에 따른 지지 구조체의 측정된 움직임을 이용하여, 윈드 플로우 또는 워터 플로우를 평가 및 추적한다. 상기 유체 흐름 평가기는 터빈 제어 시스템에서 사용되는바, 이는 그것의 동작점을 적절히 조절하고, 제어기를 튜닝하고(비례(Proportional), 적분(Integral), 미분(Derivative), PID, state space, 등등)), 지지 구조체의 진동을 댐핑하기 위해서 사용된다.

본 발명의 일 태양에 따르면, 상기 평가기는, 제어기 없이 단순히 유체 및/또는 지지 구조체 모니터로서 이용될 수도 있다.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 로터 속도는 유체-흐름을 뒤쫓아가도록 제어된다.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 로터 속도는 유체 흐름의 변화에도 불구하고 일정하게 고정된다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명될 것인바, 도면들에 대한 설명은 다음과 같다.

도1은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력 발전 디바이스를 도시한 도면이다.

도2는 본 발명의 일실시예에 따른 터빈 제어 시스템의 블록도면이다.

도3은 본 발명이 실행되는 방법의 순서도이다.

도4는 시뮬레이션된 파라미터들이 도시된 9개의 그래프를 포함한 도면이다.

도5는 실제 측정된 파라미터들과 평가된 값들이 함께 도시된 4개의 그래프를 포함한 도면이다.

도6은 실제 풍속 및 평가된 풍속이 도시된 그래프이다.

이러한 도면들에서, 유사한 참조번호들은 유사한 구성요소들을 나타낸다. 도면에서 상이한 구성요소들의 사이즈들은 축적과 맞지 않을 수도 있으며, 정확히 비례할 수도 있는바, 이는 단지 시각적인 명확성 및 설명을 위한 것이다.

본 명세서에는, 타워 상에 마운트되며 윈드 플로우에 의해 구동되는 터빈에 관하여 본 발명이 기술되어 있다. 본 발명의 원리들은, 공기 또는 물에 의해서 매어있으며(tethered), 구동되며 및/또는 띄워져 있는(buoyed) 디바이스들에도 적용될 수 있으며, 여기서 지지 구조체는 케이블, 막대(rod) 또는 이와 유사한 것들이다. 이러한 디바이스들에 대한 일례는, 2000년 7월18일자로 Dehlsen 등에게 허여된 미국특허 US 6,091,161 에 개시되어 있다.

도1에는 풍력 발전 디바이스가 도시되어 있다. 풍력 발전 디바이스는 터빈(100) 내에 하우징된 전기 발전기를 포함하는바, 이는 높은 타워 구조(102)의 꼭대기에 마운트되어 있으며, 타워 구조체는 지면에 고정되어 있다(104). 터빈(100)은 수평면에 유지되고 있으며, 요(yaw) 제어 매커니즘에 의해서 지역적, 계절적으로 가장 우세한 바람(prevailing wind)이 흐르는 경로 상에 위치한다. 터빈은 가변 피치 블레이드(106, 108, 110)를 구비한 로터를 갖고 있으며, 이는 바람에 의하여 회전한다. 각각의 블레이드는, 터빈(100)을 구동하는 로터 샤프트(shaft)에 부착된 블레이드 기저부를 가지며 블레이드 피치 각도 제어 능력 및/또는 블레이드 확장부분(114)을 가질 수도 있는바, 블레이드 확장부분(114)은 길이가 변할 수 있어 가변 로터 지름을 제공한다. 로터의 지름은, 블레이드 확장부분을 연장하거나 집어넣음으로써 제어될 수 있는바, 낮은 유속(flow velocity)에서는 로터를 최대한 확장하고, 유속이 증가하면 로터를 집어넣음으로써, 로터에 의해 전달되거나 또는 로터에 가해지는 부하가 설정된 제한값을 초과하지 않도록 제어된다. 전체 블레이드의 피치는 변할 수도 있으며, 반면에 블레이드의 오직 일부만이 확장된다.

발전 디바이스는 바람이 흐르는 경로에서 타워 구조에 의해 고정되는바, 터빈(100)은 바람의 흐름에 정렬되도록 수평적으로 고정된다. 터빈(100)내의 전기 발전기는 로터에 의해 구동되어 전기를 만들어내며, 이는 다른 유닛들 및/또는 전력 시설망에 상호연결되는 전력 운반 케이블에 연결된다.

종래의 로터들은 로터 허브에 접합된 고정된 길이의 블레이드를 사용한다. 이러한 블레이드들은, 불어오는 바람에 대해 맞닿뜨리게 되는 각도를 변경하기 위하여 가변 피치(블레이드의 길이 축에 대해서 선택적으로 회전가능함)를 가질 수도 있는바, 이는 주로 높은 유속에서의 전력 감소를 위한 것이다. 또는, 이러한 블레이드들은 고정 피치(fixed pitch) 또는 실속제어형(stall-regulrated)일 수도 있는바, 블레이드 양력(lift) 및 이로인한 전력획득은 풍속이 소정의 공칭값을 초과함에 따라 극적으로 감소한다. 고정된 지름을 갖는 가변 피치 로터 블레이드 및 실속제어형 로터 블레이드 모두는, 해당 기술분야에서 공지되어 있다.

본 발명은, 풍력 에너지를 전기 에너지로 보다 더 효율적으로 변환하기 위한, 풍력 터빈을 동작시키는 방법 및 제어기를 제공한다. 상기 제어기는, 윈드 플로우에 대한 정보 및 타워의 움직임에 대한 정보를 이용하여, 가변하는 윈드 플로우를 보상하도록 풍력 터빈을 제어하며, 또한 타워의 움직임을 댐핑하는 타워 모션 댐퍼를 포함한다.

풍력은 터빈 샤프트에 토크를 공급하며, 상기 토크는 풍속, 로터의 속도, 블레이드 피치 각도 및 길이의 함수이다. 풍속이 가변적이기 때문에 상기 토크 역시 가변적이다. 회전하는 샤프트는 발전기에 연결된 구동계통(drivetrain)을 돌린다. 상기 구동계통은 기어를 갖는바, 이는 회전 속도를 증가시켜 발전기를 구동한다. 상기 발전기는 전력 변환기를 포함하는바, 이는 생성된 전력을 전기 설비 시설망(electrical utility grid)에 호환되는 전력으로 변환한다.

도2는 피치 각도-조절형 풍력 터빈에 대한 제어 시스템을 도시한 도면이다. 본 발명은 피치 각도-조절형이 아닌 풍력 터빈에도 또한 적용될 수 있는바, 이 경우 제어 시스템 계산(control system calculation)에서 피치 각도는 상수로 간주된다. 또한, 미국특허 US 6,726,439에 개시된 바와같은 확장가능한 로터 블레이드를 이용하는 풍력 터빈에도 본 발명이 적용가능하다.

바람의 흐름 또는 물의 흐름(200)은 타워(202) 및 로터 블레이드(236)에 힘을 가한다. 타워(202) 상에 배치된 타워 위치 센서(204)는 윈드 플로우 평가기(208)에 출력(206)을 제공한다. 다른 타워 파라미터들(210) 역시 윈드 플로우 평가기(208)로 입력된다.

블레이드 파라미터 센서(212)(예컨대, 상기 블레이드 파라미터는 블레이드 길이 및/또는 블레이드 피치 각도)는, 확장가능한 로터 블레이드를 이용하는 풍력 터빈에 대해서 로터 블레이드의 피치 각도 및/또는 블레이드 길이를 감지한다. 길이/피치 각도 출력(214)은, 블레이드 길이/피치 각도 센서(212)에 의해서 윈드 플로우 평가기(208)로 공급된다. 로터 속도 센서(216)는 로터 속도를 감지하며 그것의 출력(218)은 윈드 플로우 평가기(208)로 공급된다.

윈드 플로우 평가기(208)는, 평가된 윈드 플로우(220) 및 타워 위치(221) 및 속도(222)를 터빈 제어 및 타워 모션 댐퍼(224)에 제공한다. 다른 터빈 파라미터 들(226) 역시 터빈 제어 및 타워 모션 댐퍼(224)로 입력된다. 평가된 윈드 플로우 입력(220), 타워 위치 입력(221), 속도 입력(222), 블레이드 길이/피치 측정(214), 및 로터 속도 측정(218)을 이용하여, 상기 터빈 제어 및 타워 모션 댐퍼(224)는, 요망되는 발전기 토크 명령(generator torque command)(228)을 발전기(230)의 전기 변환기 부분으로 출력하며, 요망되는 블레이드 길이/피치 명령(232)(또는 명령들)을 로터 블레이드 길이/피치 액츄에이터(actuator)(234)로 출력한다. 로터 블레이드 길이/피치 액츄에이터(234)는, 로터 블레이드(236)의 블레이드 길이/피치 각도를 제어한다.

만일 블레이드 길이 제어가 구현된다면, 요망되는 블레이드 길이 명령(232)은 로터 블레이드 길이 액츄에이터(234)로 전송된다. 로터 블레이드 길이 액츄에이터(234)는 로터 블레이드(236)의 길이를 제어한다.

만일 블레이드 길이 제어 및 블레이드 피치 제어 모두가 구현된다면, 요망되는 블레이드 길이 명령 및 블레이드 피치 명령(232)은 모두, 각각의 액츄에이터(234)로 전송된다. 이후, 로터 블레이드 길이 액츄에이터(234)는 로터 블레이드(236)의 길이 및 피치 모두를 제어한다.

전기 발전기(230)는 전기 변환기(238)에 연결되는바, 이는 배선 전압 및 역률(power factor)에 대한 실시간 제어를 제공한다. 발전기(230)로부터의 출력 전력(240)은 전력 설비망(utility power grid)에 연결된다. 토크 커맨드(228)는 전력 발전을 조절하는데 이용되며, 로터의 회전속도에도 또한 영향을 미친다.

동작 방법(Method of Oeration)

도3을 참조하면, 본 발명이 구현될 수 있는 방법의 순서도가 도시되어 있다. 상기 순서도는 블록 300에서 시작한다. 먼저, 블록 302에서, 초기 윈드 플로우 및 타워 위치 및 속도가 평가된다. 블록 304에서, 로터 회전 속도, 블레이드 피치 각도, 및 타워 위치가 감지되는바, 이들은 "감지된 파라미터들" 이라고 통칭된다.

블록 306에서, 윈드 플로우 및 타워 위치 및 속도가 윈드 플로우 평가기에 의해서 평가되는바, 상기 감지된 파라미터들을 이용하여 평가되거나, 블록 302 로부터 또는 앞서 수행된 블록 306 으로부터의 윈드 플로우 및 타워 모션의 이전 평가들을 이용하여 평가된다.

블록 308에서, 블록 306 으로부터의 평가된 윈드 플로우를 이용하여, 요망되는 로터 회전 속도가 계산된다.

블록 310에서, 감지된 로터 회전속도, 감지된 블레이드 피치 각도, 평가된 타워 속도, 평가된 타워 위치, 평가된 윈드 플로우 및 원하는 로터 회전 속도를 이용하여 블레이드 피치 각도 및 발전기 토크가 계산되는바, 이는 요망되는 로터 회전속도를 획득하고 타워의 움직임을 댐핑하기 위함이다.

비록, 블록 310에 언급되어 있지는 않지만, 블레이드 길이만 단독으로 변하거나 또는 블레이드 피치 각도와 결합되어 변할 수도 있음은 해당 기술분야의 당업자에게는 능히 이해될 것이다. 만일 이렇다면, 요망되는 로터 회전속도를 획득하고 타워 속도를 댐핑하기 위해서, 감지된 로터 회전속도, 감지된 블레이드 길이, 평가된 타워 속도, 평가된 윈드 플로우, 요망되는 발전기 토크, 및 요망되는 로터 회전속도를 이용하여, 요망되는 블레이드 길이가 계산된다.

마지막으로, 블록 312 에서, 요망되는 블레이드 피치 각도 명령이 로터 블레이드 피치 액츄에이터로 보내지며, 요망되는 발전기 명령(가령, 토크)이 전기 변환기로 보내진다. 상기 순서도는 블록 304로 되돌아가며, 상기 싸이클은 계속해서 반복된다.

비록, 블록 312에 언급되어 있지는 않지만, 블레이드 길이만 단독으로 변하거나 또는 블레이드 피치 각도와 결합되어 변할 수도 있음은 해당 기술분야의 당업자에게는 능히 이해될 것이다. 이러한 경우에, 블록 312에서, 적절한 블레이드 길이 명령이 로터 블레이드 길이 액츄에이터로 보내지며, 적절한 발전기 명령이 발전기로 보내진다. 상기 순서도는 블록 304로 되돌아가며, 상기 싸이클은 계속해서 반복된다.

대안적으로는, 발전기 회전속도가 감지되며 그리고 기어가 개재된 이후에, 로터 회전속도의 계측으로서 이용된다.

터빈 역학(Turbine Dynamics)

터빈의 간략화된 수학 모델은 아래와 같이 주어진다.

타워 가속도:

타워 속도 :

타워 위치 :

로터 회전속도:

발전기 회전속도:

로터-발전기 샤프트 각 와인드업(shaft angular windup):

여기서,

ρ : 알고 있는, 공기의 밀도

A : 알고 있는, 로터 디스크 면적

m_tower : 알고 있는, 타워의 유효 질량(mass)

θ_wind : 바람의 방향

V_wind : θ_wind 방향으로의 바람의 속도

ψ_turbine : 알고 있는, 터빈의 방향

R : 알고 있는, 로터의 반경

ω_tower : 알고 있는, 타워 움직임의 고유 주파수

ξ_tower : 알고 있는, 타워 움직임의 댐핑 비율(damping ratio)

C_T[,] : 알고 있는, 타워 상의 윈드 트러스트(wind thrust)의 공기역학

I_r : 알고 있는, 로터의 관성 모멘트

I_g : 알고 있는, 발전기의 관성 모멘트

ω_drive : 알고 있는, 구동계통 움직임의 고유 주파수

ξ_drive : 알고 있는, 구동계통 움직임의 댐핑 비율

C_Q[,] : 알고 있는, 로터 상의 윈드 토크의 공기 역학

Q_g : 선택될 발전기 토크

δ : 선택될 모든 블레이드의 피치 각도

여기서, V_wind 와 ψ_turbine 및 θ_wind 이들 3개는 항상 다음과 같이 결합되어 나타나고 있음을 알 수 있다.

S_wind = V_wind cos(θ_wind - ψ_turbine )

그리고, 그 결과, V_wind 및 θ_wind 는 터빈 동력학으로부터 개별적으로 평가될 수는 없다. 하지만, 는 평가될 수 있다. V_wind 는, θ_wind 와 ψ_turbine 의 측정이 이용가능한 경우에만 다음과 같이 결정가능하다.

풍속은, 평균적으로, 돌풍(gust) 및 주위환경의 힘들(forces)에 의해 영향을 받는 매우 느리게 변화하는 양(quantity)이다. 풍속을 간단하게 모델링하는 접근법에서는, 풍속의 변화율은 시불변적인 확률 변수(stochastic variable)로 고려된다.

여기서, △_{windSpeedRate} 는, 돌풍(wind gust) 및 주위환경의 영향을 나타내는, 0 평균 가우시안 백색잡음 시퀀스(zero mean Gaussian white noise sequence)이다. 이러한 모델에서는, 돌풍 및 주위환경에 의해 영향을 받긴 하지만, 거의 상수인 것으로서 풍속을 기술한다. 이러한 모델에 기반한 평가기(estimator)는 풍속 S_wind(t) 를 직접적으로 평가할 것이다.

좀더 복잡한 다른 모델에서는, 풍속은 명목상으로는 상수가 아닌 것으로 간주될 것이며, 풍속의 임의의 변화는 시간에서 상관(correlate)된다(풍속이 변화된다면, 풍속은 동일한 방향으로 변화를 계속할 것이다).

여기서, △_{windSpeedAcceleration} 는, 돌풍(wind gust) 및 주위환경의 영향을 나타내는, 0 평균 가우시안 백색잡음 시퀀스이다. 이러한 모델에서는 풍속의 변화율(즉, 바람의 가속도)을, 돌풍 및 주위환경에 의해 영향을 받긴 하지만 거의 상수인 것으로 기술한다. 이러한 모델에 기반한 평가기는 풍속의 변화율

및 풍속 S_wind(t) 를 평가할 것이다.

윈드 플로우가 1차 또는 2차 역학(dynamics)을 갖는 것으로 모델링하는 것들을 포함하는 또 다른 윈드 플로우 모델들이 고려될 수 있는바, 이들은 유색 잡음(colored noise) 등에 의해서 유도된다. 여기서, 윈드 플로우 라는 용어는, 풍속 및 고차 도함수(higher order derivatives), 및 고유 주파수(natural frequency) 및 댐핑 계수(damping coefficient)를 포함하는 임의 및 모든 모델 파라미터들 및 변수들을 기술하기 위해서 이용된다.

윈드타워 역학 및 타워 측정(Wind Tower Dynamics and Tower Measurements)

좀더 간단한 윈드 플로우 모델을 사용함으로써, 타워 및 윈드 플로우 역학은 결부된 확률적인 미분방정식(coupled stochastic differential equations)에 의해 기술된다.

여기서, 타워 가속도 강제 함수(tower acceleration forcing function)는 다음과 같다.

x = [υ p s] ^T 는 상태들이며, C_T() 항 내에 있는 로터 회전속도는, 이와 유사하며 이들 두개 사이에 임의의 기어를 개재한 이후에 좀더 일반적으로 측정된 발전기 회전속도로 대체된다. 이러한 근사는 로터 샤프트의 각 와인드업(angular windup)을 무시한다.

초기에는, 타워 가속도의 측정이 포함되는바, 이는 떨림을 모니터링하기 위해서 터빈 상에서 타워 가속도가 자주 측정되기 때문이다.

이들 방정식들을 조용한 동작점

에 대해서 선형화(linearizing)하면,

로부터 섭동 상태(state perturbation)에 대한 선형 모델은 다음과 같다.

여기서, a_w 는 동작점에서 구해진 w에 대한 a_tower()의 편도함수 이다. 이 시스템의 가관측성 매트릭스(observability matrix)는 다음과 같다.

여기서, 제 2 및 제 3 컬럼은 선형적으로 연관되는바(III = a_s II / a_p), 상기 매트릭스가 여전히 충분한 계수(rank : 행렬의 계수)(3, 상태들의 개수)를 갖고 있지 못함을 나타낸다. 타워 가속도 측정만으로부터는 상태 벡터가 평가될 수 없다.

타워 속도 측정을 부가하면

여기서, 제 2 및 제 3 컬럼은 선형적으로 연관되며(linearly related), 가관측성 매트릭스는 충분한 계수를 갖고 있지 못하다. 상태 벡터는 타워 가속도 측정 및 속도 측정만으로부터는 평가될 수 없다.

만일, 유일한 위치(only position)가 측정된다면,

가관측성 매트릭스는 충분한 계수를 갖는다. 이제, 상태 벡터는 관측가능하며, 타워 위치 측정만으로부터 평가될 수 있다.

타워 움직임을 이용한 윈드 플로우 평가는, 타워 위치 측정을 필요로 한다. 타워 가속도 또는 속도는, 평가 정확성 및 응답성(responsiveness)을 향상시키고 잡음 환경에서 내구성(robustness)을 향상시키기 위해서 부가된다.

센서들

지지 구조체의 위치는, 가령, Topcon 또는 다른 제조자로부터 구입가능한, 실시간 운동 능력(Real Time kinematic ability)을 구비한 상업용 차동 GPS 수신기를 이용하여 센티미터 단위의 정확도로 측정될 수 있다. 이러한 디바이스들은 고정되고 조정되어진(calibrated) 하나의 수신기를 다수의 터빈들 인근에서 사용하며, 각각의 지지 구조체 마다 하나의 수신기를 사용한다. 지지 구조체의 위치는 조정된 지점에 대해서 차동적으로 판별된다.

좀더 저렴한 위치 센서는 지지 구조체(즉, 타워)의 꼭대기에 마운트된 경사 센서이며, 이것의 신호는 타워가 앞뒤로 움직이는 동안에 타워가 기울어짐에 따라 타워의 위치를 측정한 것이다. 전형적으로, 이러한 디바이스들은 0.01 도의 반복성(repeatability)을 갖는다. 만일, 타워가 높이 H 를 갖는 단단한 구조체라면, 작은 경사 각도에 대해서 그 수평 위치는 다음과 같다.

실제로는, 상기 타워는 단단하지 않으며, 위치와 경사 사이의 관계는 구부림 역학(bending dynamics)을 또한 고려해야만 한다.

경사 센서는 중력 방향을 탐색함으로써 모두 작동하며, 이러한 것은 타워 가속도에 의하여 방해를 받는다.

여기서, g는 중력가속도이다. 이러한 방해를 처리하는 방법으로는 2가지가 있다. 가장 간단한 방법은, 측정된 가속도가 0 이 될 때까지 기다리는 것이며, 보고된 경사와 실제의 경사가 일치할 때까지 기다리는 것이다. 샘플링되었을 때, 가속도가 0 이 되는 경우는 매우 드물기 때문에, 일 구현예에서는 경사각 획득을 시그널링하기 하기 위해서, 가속도 0 교차 검출기(acceleration zero-crossing detector)가 사용될 것이다. 이러한 방식에서는 위치 판별이 띠엄띠엄 이루어진다.

가속도로 인한 방해를 처리하는 2번째 방법은, 측정된 가속도 옵셋 항, a_tower/g 를 차감하는 것이다. 이 방법에 따르면 모든 위치 판별이 가능해진다.

다른 위치 센서들은 레이저 및 다른 광학 거리측정기(range finder)를 포함한다.

상업용 도플러 레이더, 레이저, 소나, 또는 고정 타겟을 갖는 RF 시스템을 이용하여, 지지 구조체 속도가 측정된다.

지지 구조체 가속도는, 0.015 m/s/s 의 RMS 잡음 플로어(noise floor)를 갖는, PCH 엔지니어링사의 PCH1026과 같은 상업용 가속도계를 이용하여 측정된다.

가령, 케이블에 의해 고정된 수중용 및 공기보다 가벼운(lighter-than-air) 터빈들과 같은 매어있는 디바이스들에 대한 지지 구조체의 경우, 장력(tension)과 같은 케이블 파라미터를 측정함에 의해서, 위치가 판별되거나 또는 대체될 수도 있다.

타워 측정에 기초한 윈드 플로우 및 타워 움직임 평가

상기 평가기는 수학 모델에 기초한 상태 평가기이다. 이는 최소 제곱(least squares), 극점-배치(pole placement), 칼만(kalman), H_∞ 이거나 또는 동작점에 대해서 선형화되거나 되지 않은 다른 유형의 것들이다. 여기서는 동작점에 대해서 선형화되지 않은 칼만 필터 접근법이 설명된다.

칼만 필터는 측정치의 시간 시퀀스를 프로세스하는 계산을 요구하는(computational) 알고리즘인바, 이는 시스템의 과거, 현재 또는 미래 상태에 대한 최적 평가를 추론한다. 이 필터는 상태의 움직임을 특성화하고, 상태의 항으로 측정치를 특성화하고, 모델 및 측정치의 통계적 불확실성을 특성화하는 모델을 이 용한다.

윈드 모델의 이산 확률적인 성질(discrete stochastic nature)이 주어진다면, 상기 이산 칼만 필터는 이를 풀기위한 논리적인 접근법이다.

전술한 미분 모델은 다음과 같이 변형된다.

여기서, ()^* 는 측정치를 의미(imply)하며, 통상적으로 측정된 타워 가속도, a^* _tower 은, 타워 속도 상태를 유도하기 위해 이용된다. 이것은 수학적으로 및 구현적으로(implementationally) 용이한 선형 시불변 상태 모델에 이바지한다. 데이터 및 평가기의 컴퓨터 코드 구현예는 사실상 주기 T의 이산 성질을 가지므로, 상기 시스템의 이산 상태 변수 모델(discrete state variable model)이 필요하다:

여기에는, 가속도 측정 잡음, △_a 가 포함되며, 이산 시간 확률 변수, σ² _a 는 가속도 측정 잡음 변수이며, σ² _{windSpeedRate} 는 윈드 가속도 상태 잡음 변수라고 가정한다면, E[△x△x ^T] 는 △x△x ^T(확률 상태 잡음항 △x의 공분산)의 예측값이다. 가속도 잡음은 가속도 센서의 정확성 사양에 의해 주어지며, 윈드 가속도 잡음 변수는 필터 응답을 조절하도록 선택된다.

이 모델의 가관측성을 조사해보면, 평가기에서 가속도 및 위치 모두를 필요로 함을 알 수 있다. 빠른 속도로 가속도 측정을 간단하게 획득하는 점을 감안하고, 위치 측정의 잠재적인 간헐성(예컨대, 경사 센서에서의 0 교차(zero-crossing))을 감안한다면, 2개의 비선형 측정 모델들이 사용된다. 하나는 가속도만이 이용가능한 경우이며, 다른 하나는 가속도 및 위치 모두가 수집되는 경우이다. 잠재적으로 간헐적인 위치 데이터는 완전한 상태 정정(full state correction)을 위해 사용되며, 반면에 정기적으로(regularly) 이용가능한 가속도 데이터는, 위치 업데이트들 사이를 원할하게(smoothly) 채운다(fill in,: interpolate). 만일, 가속도만이 이용가능한 경우에는, 상기 측정 스칼라는 다음과 같다.

만일, 위치 또한 이용가능하다면, 상기 측정 벡터는 다음과 같다.

상기 필터는, 상태 벡터 x 의 앞서 필터링된 값 및 그것의 공분산(그 값의 확률적 불확실성)에 관한 지식을 가지고 개시하며, 다음 데이터 타임에서는 상태 및 측정이 어떻게 될 것인가를 예측한다.

이들의 공분산(covariances)에 따라서

만일, 가속도 측정밖에 없다면,

여기서 △s 는, 편도함수 항을 평가하기 위해 사용되는 섭동이다. 만일, 가속도 및 위치 측정이 모두 있다면,

여기서, σ² _p 는, 위치 센서의 정확성 사양에 의해 주어지는 위치 측정 변수이다. 앞으로의 하나의 시간 단계가 예측되었기 때문에, 그 시간에서의 측정치들이 수집되며, 상기 상태를 다음과 같이 필터링(정정)하기 위해 사용된다.

이러한 것은 각각의 데이터들이 도착할 때마다 계속된다. 적은 갯수의 상태 변수들(3)을 가정한다면, 이러한 매트릭스 계산량은 얼마되지 않는다. 알고리즘을 시작하기 위해서, 상태의 초기 추측(initial guess) 및 상기 상태의 공분산의 초기 추측이 제공되어야만 한다: x(0) 와 P _xfiltered(0).

상기 측정 예측은 a^* _tower(t_i) 를 이용하고, 상기 상태 정정은 a^* _tower(t_i+1) 을 이용하며 그리고 상기 다음 예측은 a^* _tower(t_i+1) 를 또한 이용한다는 점을 유의해야 한다. 이론적으로는, 상태 전개(state propagation) 및 상태 정정(state correction) 단계에서 측정치들의 이러한 혼합은, 통상적인 칼만 알고리즘 유도 가정(Kalman algorithm derivational assumtions)과는 배치된다. 하지만, 이는 아무런 영향을 미치지 않는다.

대안적으로, 비선형 측정 방정식들은 동작점에 대해서 선형화되며, 미리 계 산되어지고 공분산들을 전개할 필요없이 사용되는 결과적인 2개의 정상 상태(steady state) K 들 (하나는 가속도만에 대한 것이고 다른 하나는 가속도 및 위치에 대한 것)에 대해서 선형화된다.

대안적으로, 위치 업데이트들 사이를 채우기 위해서, 타워 속도는 측정으로서 가속도를 대신한다.

또는, 윈드 가속도 또는 또 다른 역학 모델링 항들을 포함하는 좀더 복잡한 윈드 플로우 모델들이 사용된다.

시뮬레이션 결과들

난류 조건하에서의 풍력 터빈이 시뮬레이션된 것이 도4에 도시되어 있으며, 도4에는 풍속, 피치, 토크, 및 발전기/로터 역학, 및 타워 역학이 9개의 그래프에 도시되어 있는바, 이들 그래프에는 시뮬레이션된 파라미터들이 도시되어 있다. 또한 도4에는 가속도 0-교차에서 선택된, 간헐적인 경사 센서 위치 데이터가 도시되어 있다. 상기 터빈은 간단한 PI 보상기를 이용하는 폐루프 제어하에 있으며, 상기 보상기는 블레이드 피치를 제어함에 의해서 발전기 알피엠(rpm)을 조절한다. 그리고 피치 및 블레이드 알피엠(rpm)에 의해 인덱싱된 테이블에 따라서 발전기 토크가 선택된다.

도5는 4개의 그래프들을 포함하고 있는바, 타워 가속도, 타워 속도, 타워 위치 및 풍속에 대해서, 실제 감지된 파라미터들 대(versus) 평가된 값들이 도시되어 있다.

도6은 실제의 풍속과 평가된 풍속이 도시된 그래프이다.

제어기

터빈 역학의 방정식들은, 터빈 제어 및 타워 움직임 댐핑을 향상시키기 위해서, 윈드 플로우 및 타워 움직임 평가값을 이용하는 제어기에 대한 토대를 제공한다. 이하에서는, 윈드 플로우 및 타워 움직임에 대한 상기 터빈의 응답이 설명된다 그리고, 이득 및 명령 출력들을 갖는 제어기를 디자인하기 위해서, 통상적인(PI,PID, 등등) 피드백 제어 시스템 설계기술들이 적용되는바, 이들 이득 및 명령 출력들은, 변화하는 윈드 플로우, 변화하는 타워 움직임, 변화하는 로터 회전속도에 적응되며, 또한 블레이드 피치/길이 및 발전기 토크를 적절히 변경함으로써 타워의 움직임을 댐핑한다. 대안적으로, 상기 제어기는 평가기가 그 안에 내장된 상태 스페이스 형태를 갖는다.

본 명세서에서 사용된 "지지 구조체 움직임(support structure motion)" 및 "타워 움직임(tower motion)" 이라는 용어가, 위치, 속도, 가속도 및 움직임(motion)의 다른 표현들을 포함한다는 것은, 해당 기술분야의 당업자들에 의해서 이해되어야만 한다.

해당 기술분야의 당업자들에게는 다음의 내용이 이해되어야만 하는바, 본 명세서에 사용된 "지지 구조체(support structure)" 라는 용어는, 가령, 사슬(tether)과 같은 구조체들을 포함하며, 이 경우 케이블이 물에 뜬 디바이스들 또는 공기보다 가벼운 디바이스들을 고정한다.

본 명세서에 사용된 "윈드 플로우(wind flow)" 및 "유체 흐름(fluid-flow)" 이라는 용어는, 풍속 및 유속 값들(가령, 가속도, 상관관계(correlation) 등등과 같지만 이에 제한되지는 않음) 이외의, 또 다른 유속 역학 모델들에서 이용되는 것들을 포함하고 있음이 해당 기술분야의 당업자들에게 이해되어야만 한다.

상기 제어기는 풍속 그 자체를 이용하지 않을 수도 있지만, 유체 흐름 평가 절차 동안에 지지 구조체 역학에서 이를 결정한다는 점이 해당 기술분야의 당업자들에게 이해되어야만 한다.

비록 본 발명은, 바람직한 실시예들을 참조하여 특별히 설명 및 도시되었지만,

형식 및 상세한 내용에 있어서 앞서말한 변경들 및 다른 변경들이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고도 이루어질 수도 있음은, 해당 기술분야의 당업자들에게 능히 이해될 것이다.

Claims

유체의 흐름에 반응하는 움직임을 갖는 구조체와 함께 사용되는, 유체 흐름 평가기에 있어서,

구조체 위치를 포함하는 입력과; 그리고

평가된 유체 흐름을 계산하기 위해서 상기 입력을 이용하는 평가기

를 포함하여 이루어진 유체 흐름 평가기.
지지 구조체 위에 마운트된 유체 흐름 터빈의 터빈 제어 장치에 있어서, 상기 구조체는 유체 흐름에 반응하는 위치를 가지며, 상기 제어 장치는,

적어도 하나의 지지 구조체 위치 센서와; 그리고

상기 적어도 하나의 지지 구조체 위치 센서와 연결된 유체 흐름 평가기

를 포함하여 구성되며,

상기 유체 흐름 평가기는, 평가된 유체 흐름을 계산하기 위해서, 감지된 지지 구조체 위치를 이용하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
유체 흐름에 반응하는 위치를 갖는 지지 구조체 위에 마운트된 유체 흐름 터빈의 터빈 제어 장치에 있어서, 여기서 상기 터빈은 상기 유체 흐름에 반응하는 블레이드들을 이용하여 유체 흐름 에너지를 발전기 로터에 인가되는 구동 토크로 변환하며, 상기 터빈 제어 장치는,

측정된 위치 출력을 갖는 적어도 하나의 터빈 지지 구조체 위치 센서와;

로터 속도 출력을 갖는 로터 속도 센서와;

블레이드 파라미터 출력을 갖는 블레이드 파라미터 센서와; 그리고

상기 측정된 위치 출력, 상기 로터 속도 출력 및 상기 블레이드 파라미터 출력중 적어도 하나에 연결된 유체 흐름 평가기 -상기 유체 흐름 평가기는 상기 출력들을 이용하여 상기 로터의 쓸림 영역에서의 유체 흐름을 평가함-

를 포함하여 구성된 터빈 제어 장치.
제 3 항에 있어서,

상기 감지된 블레이드 파라미터는, 하나 이상의 블레이드 피치 각도 및 블레이드 길이이며, 그리고

유체 흐름 평가에 응답하여 상기 하나 이상의 블레이드 피치 각도 및 블레이드 길이를 변경함으로서 상기 로터 속도가 조절되는 것을 특징으로 하는 터빈 제어 장치.
제 3 항에 있어서,

상기 감지된 블레이드 파라미터는, 하나 이상의 블레이드 피치 각도 및 블레이드 길이이며, 그리고

유체 흐름 평가에 응답하여 상기 하나 이상의 블레이드 피치 각도 및 블레이드 길이를 변경함으로서 상기 지지 구조체의 움직임이 댐핑되는 것을 특징으로 하 는 터빈 제어 장치.
유체 흐름에 반응하는 위치를 갖는 지지 타워 꼭대기에 마운트된 유체 흐름 터빈의 터빈 제어 장치에 있어서, 여기서 상기 터빈은 상기 유체 흐름에 반응하는 블레이드들을 이용하여 유체 흐름 에너지를 발전기 로터에 인가되는 구동 토크로 변환하며, 상기 터빈 제어 장치는,

유체 흐름 평가기와;

상기 유체 흐름 평가기로 공급되는 타워 위치 출력을 갖는 타워 위치 센서와;

상기 유체 흐름 평가기로 공급되는 피치 각도 출력을 갖는 블레이드 피치 각도 센서와;

상기 유체 흐름 평가기로 공급되는 로터 속도 출력을 갖는 로터 속도 센서와;

평가된 유체 흐름 출력 및 평가된 타워 움직임 출력을 상기 터빈 제어 장치 및 타워 움직임 댐퍼에 공급하는 상기 유체 흐름 평가기와; 그리고

로터 속도를 변경하고 상기 타워의 움직임을 댐핑하는 적어도 하나의 제어 출력을 생성하기 위해, 상기 평가된 유체 흐름 출력, 상기 평가된 타워 움직임 출력, 상기 피치 각도 출력 및 상기 로터 속도 출력을 이용하는 로터 속도 제어기 및 타워 움직임 댐퍼

를 포함하여 구성된 터빈 제어 장치.
제 6 항에 있어서,

상기 로터 속도 제어기는, 로터의 속도를 조절하도록, 하나 이상의 로터 블레이드 피치 각도 및 블레이드 길이를 조절하는 것을 특징으로 하는 터빈 제어 장치.
제 6 항에 있어서,

상기 타워 움직임 댐퍼는, 타워의 움직임을 댐핑하도록, 하나 이상의 로터 블레이드 피치 각도 및 블레이드 길이를 조절하는 것을 특징으로 하는 터빈 제어 장치.
유체 흐름에 반응하는 위치를 갖는 지지 타워 꼭대기에 마운트된 유체 흐름 터빈에 대한 터빈 제어 장치에 있어서, 여기서 상기 터빈은 상기 유체 흐름에 반응하는 블레이드들에 의해 회전하는 로터를 포함하며, 상기 터빈 제어 장치는,

타워 위치 센서와;

상기 타워 위치 센서에 연결되어 있으며, 상기 측정된 타워 위치를 이용하여 계산된, 평가된 유체 흐름을 갖는 유체 흐름 평가기와; 그리고

상기 유체 흐름 평가기에 연결된 터빈 제어기

를 포함하여 구성되며,

상기 터빈 제어기의 출력은, 상기 유체 흐름 평가에 반응하여 터빈 로터 속 도 제어에 영향을 미치는 적어도 하나의 명령인 것을 특징으로 하는 터빈 제어 장치.
제 9 항에 있어서,

그 출력이 하나 이상의 블레이드 피치 각도 및 블레이드 길이인 블레이드 파라미터 센서를 더 포함하며,

상기 블레이드 파라미터 센서의 출력은 상기 터빈 제어기로 입력되는 것을 특징으로 하는 터빈 제어 장치.
제 9 항에 있어서,

터빈 로터 속도 제어에 영향을 미치는 상기 명령은, 블레이드 파라미터를 변경하는 것을 특징으로 하는 터빈 제어 장치.
제 11 항에 있어서,

상기 블레이드 파라미터는, 하나 이상의 블레이드 피치 각도 및 블레이드 길이인 것을 특징으로 하는 터빈 제어 장치.
유체의 흐름에 반응하는 위치를 갖는 지지 구조체와 함께 사용되는, 유체 흐름 평가 방법에 있어서,

지지 구조체 위치를 감지하는 단계와; 그리고

지지 구조체 위치를 이용하여 평가된 유체 흐름을 계산하는 단계

를 포함하여 이루어진 유체 흐름 평가 방법.
유체 흐름에 반응하는 위치를 갖는 지지 구조체에 의해서 고정된 유체 흐름 터빈의 제어 장치에서 사용하기 위한 유체 흐름 평가 방법에 있어서, 여기서 상기 터빈은 상기 유체 흐름에 반응하는 블레이드들을 이용하여 유체 흐름 에너지를 발전기 로터에 인가되는 구동 토크로 변환하며, 상기 유체 흐름 평가 방법은,

지지 구조체 위치를 감지하는 단계와;

지지 구조체 위치를 이용하여 평가된 유체 흐름을 계산하는 단계와; 그리고

상기 터빈을 제어하도록 상기 평가된 유체 흐름을 이용하는 단계

를 포함하여 구성된 유체 흐름 평가 방법.
유체 흐름에 반응하는 위치를 갖는 지지 구조체에 의해서 고정된 유체 흐름 터빈의 제어 방법에 있어서,

A. 지지 구조체의 위치, 로터 속도, 및 블레이드 파라미터를 감지하는 단계와;

B. 상기 감지된 지지 구조체의 위치, 로터 속도, 및 블레이드 파라미터를 이용하여 평가된 유체 흐름을 계산하는 단계와; 그리고

C. 상기 유체 흐름 평가에 반응하여 터빈 로터 속도를 제어하는 단계

를 포함하여 구성된 제어 방법.
제 15 항에 있어서,

상기 단계 C 에서, 상기 터빈 로터 속도는 상기 블레이드 파라미터를 변경함으로써 제어되는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
제 15 항에 있어서,

상기 단계 A 에서, 상기 감지된 블레이드 파라미터는 하나 이상의 블레이드 피치 각도 및 블레이드 길이이며, 그리고

상기 단계 C 에서, 상기 터빈 로터 속도는 상기 하나 이상의 블레이드 피치 각도 및 블레이드 길이를 변경함으로써 제어되는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
유체 흐름에 반응하는 위치를 갖는 지지 구조체에 의해서 고정된 유체 흐름 터빈의 터빈 제어 방법에 있어서, 여기서 상기 터빈은 유체 흐름에 반응하는 블레이드들을 갖는 로터를 포함하며, 상기 터빈 제어 방법은,

A. 측정된 지지 구조체 위치를 이용하여, 평가된 유체 흐름을 계산하는 단계와; 그리고

B. 상기 유체 흐름 평가에 반응하여 터빈 로터 속도를 제어하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 제어 방법.
제 18 항에 있어서,

상기 단계 A 는, 상기 계산 단계에서 하나 이상의 로터 속도, 블레이드 피치 각도 및 블레이드 길이를 이용하는 것을 특징으로 하는 터빈 제어 방법.
제 19 항에 있어서,

상기 단계 B 는, 로터 속도를 조절하도록, 하나 이상의 로터 블레이드 피치 각도 및 블레이드 길이를 조절하는 것을 특징으로 하는 터빈 제어 방법.
제 19 항에 있어서,

상기 단계 B 는, 상기 지지 구조체의 움직임을 댐핑하도록, 하나 이상의 로터 블레이드 피치 각도 및 블레이드 길이를 조절하는 것을 특징으로 하는 터빈 제어 방법.
유체 흐름에 반응하는 위치를 갖는 지지 타워에 의해서 고정된 유체 흐름 터빈의 제어 방법에 있어서, 상기 터빈은 유체 흐름에 반응하는 로터를 포함하며, 상기 제어 방법은,

A. 초기 유체 흐름 속도 및 타워의 움직임을 평가하는 단계와;

B. 감지된 파라미터들을 야기하는, 타워 움직임 및 로터 회전속도를 감지하는 단계와;

C. 유체 흐름 및 타워 움직임에 대한 앞선 평가들 및 상기 감지된 파라미터들을 이용하여, 유체 흐름 평가기에 의해서, 유체 흐름 속도 및 타워 움직임을 평 가하는 단계와;

D. 평가된 유체 흐름 속도를 이용하여 적어도 하나의 요망되는 제어 출력을 계산하는 단계와; 그리고

E. 상기 적어도 하나의 요망되는 제어 출력을 명령으로서 상기 터빈에 보내는 단계

를 포함하여 이루어진 제어 방법.
제 22 항에 있어서,

상기 유체 흐름 터빈은 상기 로터에 의해 회전하는 발전기를 포함하며, 상기 로터는 상기 유체 흐름에 반응하는 블레이드들을 가지며, 상기 터빈은 블레이드 피치 각도 조절형이며, 그리고

상기 단계 B 는, 블레이드 피치 각도를 감지하는 단계를 포함하며;

상기 단계 D 는, 상기 감지된 로터 속도, 감지된 블레이드 피치 각도, 평가된 타워 움직임, 평가된 유체 흐름 속도를 이용하여, 요망되는 블레이드 피치 각도, 요망되는 로터 속도, 및 요망되는 발전기 토크를 계산하는 단계를 포함하며; 그리고,

상기 단계 E 는, 상기 요망되는 블레이드 피치 각도를 포함하는 원하는 제어 출력을 명령으로서 로터 블레이드 피치 액추에이터에 보내며, 원하는 발전기 토크를 명령으로서 발전기 토크 액추에이터에 보내는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
제 22 항에 있어서,

상기 유체 흐름 터빈은 상기 로터에 의해 회전하는 발전기를 포함하며, 상기 로터는 상기 유체 흐름에 반응하는 블레이드들을 가지며, 상기 터빈은 블레이드 길이 조절형이며, 그리고

상기 단계 B 는, 블레이드 길이를 감지하는 단계를 포함하며;

상기 단계 D 는, 상기 감지된 로터 속도, 감지된 블레이드 길이, 평가된 타워 움직임, 평가된 유체 흐름 속도를 이용하여, 요망되는 블레이드 길이, 요망되는 로터 속도, 및 요망되는 발전기 토크를 계산하는 단계를 포함하며; 그리고,

상기 단계 E 는, 상기 요망되는 블레이드 길이를 포함하는 원하는 제어 출력을 명령으로서 로터 블레이드 길이 액추에이터에 보내며, 원하는 발전기 토크를 명령으로서 발전기 토크 액추에이터에 보내는 것을 특징으로 하는 제어 방법.