KR20090094808A

KR20090094808A - 전단풍 및 바람 오정렬을 보상하기 위한 블레이드 피치 제어를 갖춘 풍력 터빈

Info

Publication number: KR20090094808A
Application number: KR1020097009180A
Authority: KR
Inventors: 키치너 클라크 윌슨; 윌리엄 에르드만; 티머시 제이. 맥코이
Original assignee: 클립퍼 윈드파워 테크놀로지 인코포레이티드
Priority date: 2006-10-02
Filing date: 2007-03-15
Publication date: 2009-09-08
Also published as: AU2007303956B2; CA2664080A1; CN101523048A; AU2007303956A1; BRPI0717277A2; CN101523048B; NO20091757L; WO2008041066A1; JP2010506085A; US20100014969A1; EP2079927A1; MX2009003271A

Abstract

풍력 터빈 로터 부하 제어. 블레이드의 피치는, 로터 블레이드 피치는 명령 요소인 로터 블레이드 피치 명령 신호에 의하여 종래의 방법으로 제어된다. 저장부는 다양한 풍속에 대한 모멘트 세트의 저장된 값들을 포함한다. 모멘트 센서는 모멘트 센서 출력을 제공한다. 순간 풍속계는 순간 풍속 값의 출력을 제공한다. 모멘트 신호 및 순간 풍속 값에 연결된 변환 로직은 계산된 피치 조정 명령을 제공한다. 계산된 블레이드 피치 조정 명령 및 수집 피치 명령에 연결된 결합 로직은, 풍력 터빈의 순간 모멘트 편차의 보상을 포함하는 결합한 블레이드 피치 명령을 포함한다.

피치 조정, 풍력 터빈, 로터 블레이드 피치, 모멘트 센서, 편차 보상

Description

전단풍 및 바람 오정렬을 보상하기 위한 블레이드 피치 제어를 갖춘 풍력 터빈{WIND TURBINE WITH BLADE PITCH CONTROL TO COMPENSATE FOR WIND SHEAR AND WIND MISALIGNMENT}

본 발명은 풍력 터빈과 같은 유체-유동 터빈에 관한 것으로서, 더 상세하게는 전단풍(wind shear) 및 바람 오정렬을 보상하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

실용적인 풍력-발전기 시스템 개발에 있어서는 통상의 발전 시스템의 개발에서는 겪지 않았던 독특한 문제점들이 야기된다. 바람의 자연적 가변성은 생산되는 전기의 성질 및 품질에 영향을 미친다. 터빈 블레이드의 첨단 속도와 풍속 사이의 관계는 바람으로부터 얻을 수 있는 최대 에너지에 영향을 미친다. 이러한 문제들과 함께 바람의 가변성으로 인한 기계적 피로는 풍력 발전 비용에 상당한 영향을 미친다.

과거에는, 풍력 터빈은 일정한 속도로 작동되었다. 블레이드와 주축(main shaft)에 의하여 생성되는 토크는 이러한 풍력 터빈에 의하여 전달되는 전력을 결정한다. 터빈은 일반적으로 터빈 블레이드 피치 각도 서보에 공급되는 전력 명령 신호에 의하여 제어된다. 상기 서보는 로터 블레이드의 피치를 제어하고, 그에 따 라서 풍력 터빈의 전력 출력을 제어한다. 안정성을 고려하여, 상기 제어 루프는 제한된 대역폭으로 작동되어야 하고, 따라서 돌풍에 대하여 적절하게 대응할 수 없다. 이와 같은 상황에서, 주축 토크는 증가하고 일시적 전력 급변(power surge)이 발생한다. 이러한 전력 급변은 생산된 전기의 품질에 영향을 미칠 뿐 아니라, 풍력 터빈 자체에 상당한 기계적인 부하를 발생시킨다. 터빈 구조물은 경우에 따라서는 20년, 30년의 장기간에 걸쳐서 기계적 부하를 견디도록 설계되어야 하기 때문에, 그러한 기계적 부하는 터빈의 자본 비용을 더욱 증가시킨다.

일정한 속도의 풍력 터빈의 전력 급변 및 기계적 부하의 문제를 경감시키기 위해, 풍력 발전 산업은 속도 가변형 풍력 터빈을 사용하는 방향으로 나아가고 있다. 속도 가변형 풍력 터빈은 미국 특허 공보 제7,042,110호에 설명되어 있다.

현대의 대형 풍력 터빈들은 로터 직경이 최대 100m이고, 타워는 이를 수용하는 높이로 되어 있다. 탑의 높이를 두 배로 하면 이용 가능한 풍력을 45%만큼 증가시킬 수 있다는 평가 결과를 이용하기 위하여, 미국에서는 미국 대평원(Amerian Great Plain)과 같은 일부 지역에서 높은 탑들을 고려하고 있다.

상기 논의를 간단히 하면, 전단풍은 일반적으로 통상의 수직 및 수평의 전단뿐만 아니라 바람 오정렬 효과(예를 들면, 편요 오정렬에 의한 효과)를 포함하곤 한다.

연구 결과에 의하면, 전단풍은 대형 수평-축 풍력 터빈의 길이와 너비에 걸쳐서 변동하는 것으로 밝혀졌다. 전단풍은 높은 탑의 경우에 더욱 현저해지는 경향이 있다. 전단풍의 전단은 여러 수직 또는 수평 지점들 사이의 풍향 변화와 속도 변화이다. 풍력 터빈 피로 수명 및 전력 품질은, 블레이드의 회전 원반에 걸쳐서 풍력 전단 변동에 의해 야기되어 블레이드에 가해지는 부하에 영향을 받는다.

로터의 최고 지점에서 최저 지점까지 풍속은 점감하고, 로터의 최고 지점의 풍속과 최저 지점의 최저 풍속의 차이로 인하여, 상기 로터 전체에 걸쳐서 부하는 변동한다. 또한 부하는 수평 방향으로 로터에 걸쳐서 변동한다. 따라서 임의의 시점에, 블레이드 각각은 실시간 회전 위치에 의존하는 바람 때문에 부하가 다를 수 있다. 이러한 부하는 로터 블레이드 및 다른 풍력 터빈 부품의 피로에 영향을 미친다.

풍력 터빈의 제어를 위해 다양한 기술들이 사용되고 있거나 사용이 제안되어 있다. 이러한 제어 방법들의 목적은 다양한 터빈 부품들에 가해지는 기계적 부하를 최소화하면서 발생 전력을 최대화하는 데 있다. 부하는 응력과 변형을 가져오고 부품의 수명을 단축시키는 피로 파괴의 원인이 된다. 부하의 감소는 더욱 경량 또는 소형의 부품들의 사용을 가능하게 하고, 풍력 터빈 크기의 증가에 중요한 고려사항이 된다. 또한, 부하의 감소는 고전력 터빈에서 동일한 부품을 사용하여 증가된 풍력 에너지를 처리할 수 있게 하거나 동일한 정격 전력으로도 로터 직경을 증가시키는 것을 가능하게 한다.

전단풍의 전단은 서서히 변화하는 평균 성분(mean component)을 가진 거의 확정된 변동이지만, 순간적으로 난류에 의해 변화하기도 한다. 터빈 제어 시스템에서는, 부하의 감소, 모터 토크의 감소 및 제어 향상을 위하여 평균 성분을 고려할 수 있다. 제어 시스템들은 비교적 단순한 비례, 적분, 미분( proportional, integral, derivative; PID) 통합 블레이드 제어기부터 독립 블레이드 상태 공간(state space) 제어기에 이르기까지 종류가 다양하다. 어떤 종류의 제어기라도 확정된 변동이 포함되거나 보상될수록 제어 메커니즘이 향상하는데, 그 이유는 확률적인 변동(stochastic disturbance)의 영향이 감소하기 때문이다.

그 원인이 무엇이든지, 전단풍은 터빈을 회전시키거나 블레이드를 만곡 변형시키려는 터빈 모멘트 불균형을 일으킨다. 따라서, 터빈 제어 성분으로서 부하 또는 모멘트 불균형 보상을 제공하는 것이 바람직하고, 모멘트 불균형은 전단풍 또는 다른 발생원에 기인한다.

또한, 전단풍 모멘트 불균형에 의하여 부하가 감소하는 풍력 터빈을 제공하는 것이 바람직하다.

간단히 말해, 본 발명은 다수의 로터 블레이드를 갖는 풍력 터빈의 제어 방법 및 장치에 관한 것으로 모멘트 불균형 보상 방법을 포함한다. 모멘트 불균형은 수직 전단풍, 수평 전단풍, 바람 오정렬, 편요 오차, 또는 다른 원인에 의하여 야기될 수 있다. 풍력 터빈은 풍력 터빈의 로터 블레이드의 피치를 제어하기 위하여 피치 명령을 사용한다. 제어는 처음에 다양한 순간 모멘트 값들과 공칭 모멘트 값으로부터의 순간 모멘트의 편차를 보상하는 피치 조정 사이의 관계를 결정하고 저장한다. 제어는 모멘트 신호를 일으키는 풍력 터빈의 순간 모멘트를 감지한다. 제어에서는 순간 모멘트 불균형을 보상하는 데 필요한 블레이드 피치 조정을 계산하기 위한 모멘트 신호를 사용한다. 계산된 블레이드 피치 조정은, 예를 들면, 로터 rpm을 제어하기 위해 결정된 공칭 피치 명령과 결합한다. 마지막으로, 결합은 풍력 터빈의 순간 모멘트 편차를 보상하도록 로터 블레이드의 피치를 제어하는 데 사용된다.

따라서, 본 발명은 종래의 제어 시스템의 출력을 사용하고 제어 신호의 조정에 의하여 공칭 또는 평균 조건으로부터 벗어난 순간 조건을 보상한다. 종래 제어 시스템은 평균값에 기초하고 있기 때문에 순간 변화들을 고려하지 않는다. 서서히 응답하는 제어 시스템의 신호 조정에 의하여 순간 또는 단시간 변동에 대한 보상이 이루어진다. 그러나 단지 출력 신호만이 조정되기 때문에, 기본 피치 명령을 제공하는 기본 제어 메커니즘은 영향을 받지 않는다. 따라서 공칭 값의 편차가 기록되지 않는 경우, 시스템은 조정되지 않은 제어 값으로 원활하고 안정적으로 되돌아갈 수 있다.

따라서 본 발명은, 터빈 측정치들을 직접 사용하면서 통합적이고 개별적인 블레이드 명령을 동시에 결정함으로써, 공칭 또는 평균값으로부터 벗어난 순간 조건들에 대한 보상을 본질적으로 정형화한 제어 시스템을 또한 사용한다. 이러한 제어 시스템들은 상태 공간 구성이라고 불린다.

본 발명의 태양에 따라 모멘트 불균형의 발생원은 수직 전단풍, 수평 전단풍, 및 수평 그리고/또는 수직 평면에서의 바람 오정렬 중 하나 이상이다.

본 발명 및 그 작동 방법은 첨부된 도면에 따른 다음 상세한 설명에 의하여 좀 더 자세히 설명될 것이다.

도 1은, 주요 터빈 성분이 강조되어 있고 전도 모멘트를 일으키는 수직 전단풍이 도시되어 있는 속도 가변형 풍력 터빈의 블록도이다.

도 2는 도 1에서 도시된 로터 블레이드의 바람의 방향으로부터 관찰한 회전 및 고정 블레이드 피치 위치 프레임을 도시하는 도면이다.

도 3은 종래의 통합 제어기가 병용된 일반적인 피드-포워드(feed-forward) 수직 전단풍 보상기의 블록도이다.

도 4는 -0.2에서 0.5까지의 전단 지수(shear exponent)에 대한 전도 모멘트 M-테이블(table)의 그래프로서, 각α에 대해 피치 = 0°와 피치 = 5°의 한계치를 나타낸다.

도 5는 피드-포워드 제어를 사용하여 수직 전단풍을 보상한 경우와 수직 전단 보상을 하지 않는 경우의 피치 모터 제곱 평균(RMS) 토크의 그래프이다.

도 6은 피드-포워드 제어를 사용하여 수직 전단을 보상한 경우와 수직 전단 보상을 하지 않는 경우의 블레이드 피로 등가 부하의 그래프이다.

도 7A 내지 도 7C는 피드-포워드를 사용하여 수직 전단을 보상한 경우와 수직 전단 보상을 하지 않는 경우의 샤프트, 너셀 및 타워의 등가 부하의 그래프이다.

도 8A 내지 도 8H는 여러 알파 값에 대하여 도시된 풍속, 알파 및 피치에 대한 전도 모멘트 M 테이블의 그래프이다.

도 9A 내지 도 9F는 여러 피치 값에 따라 도시된 전도 모멘트, 풍속 및 피치에 대한 알파 M'-테이블의 그래프이다.

도 10A 내지 도 10F는 여러 알파 값에 따라 도시된 전도 모멘트, 풍속 및 알파에 대한 피치 M''-테이블의 그래프이다.

도 11은 피드-포워드 제어기 블록도이다.

도 12는 피드백 PID 기반형 제어기 블록도이다.

도 13은 피드백 상태 공간 기반형 제어기 블록도이다.

본 발명에 따른 속도 가변형 풍력 터빈 장치의 블록도인 도 1을 참조한다. 풍력-발전 장치는 너셀(100)에 장착된 하나 또는 이상의 발전기를 구비한 터빈을 포함하고, 상기 너셀은 지표(104)에 고정된 긴 탑 구조물(102)의 상부에 장착된다. 너셀(100)은 편요 플랫폼(101) 상에 위치하고 평면에서 편요 추축(yaw pivot)(106)을 중심으로 자유롭게 회전하고 주된 바람의 흐름(108, 110)의 경로에 유지된다.

터빈은 로터 허브(118)에 부착된 피치 가변형 블레이드(112, 114)를 구비한 로터를 구비한다. 블레이드는 바람 흐름(108, 110)에 응답하여 회전한다. 블레이드 각각은 블레이드 기부 구역 및 블레이드 확장 구역을 구비할 수 있고, 그 결과 로터는 직경 가변형의 로터를 제공하기 위하여 길이가 가변적이다. 미국 특허 공보 제6,726,439호에 기재되어 있는 바와 같이, 로터 직경은 저속 유속에서는 완전히 확장되고, 유속이 증가하면 수축하도록 제어될 수 있고, 그 결과 로터에 의해 전달되거나 로터에 작용하는 부하는 설정 제한을 초과하지 않게 된다. 너셀(100)은, 바람의 흐름과 대략 정렬되어 소정 위치에 수평으로 유지되도록, 탑 구조물 상에 바람의 흐름 경로 내에 고정된다. 전기 발전기는 전기를 생산하기 위해 터빈에 의하 여 구동되고, 다른 유닛 그리고/또는 전력 그리드에 상호 연결(inter-connecting)된 전력 전달 케이블에 연결된다.

수직 전단풍의 전단은, 고속 풍속 화살표(108)와 지면에 가까운 저속 풍속 화살표(110)로 도 1에 도시된 바와 같이, 지면 위에 높이에서 풍속의 변화이다. 여러 영향들 중에서, 수직 전단풍은 지표면(104)에 대하여 고도-의존적 마찰에 의해 야기된다. 지면(108) 위의 고도가 높을수록, 표면 마찰력(104)의 영향은 감소하고 풍속은 증가한다. 고도가 지면(110)에 가까울수록, 표면 마찰력(104)의 영향이 증가하고 풍속이 감소한다.

국소적 수직 전단풍은 풍속계를 하나 이상 갖춘 기상 탑을 이용하여 산정될 수 있다. 전단풍은 풍속계 높이에 대한 풍속의 지수 법칙에 따른 곡선을 추세화하여 산정된다. 지형이 변화하면, 그에 따라 탑을 추가하는 것이 필요하다.

국소적인 수직 전단풍은 바람의 수평적 변화 및 바람 오정렬에 민감한 물리적으로 분리된 다수의 기상 탑들을 이용하여 산정될 수 있다.

추가로 분산된 탑들을 필요로 하지 않는 더욱 바람직한 해결책은, 터빈 정보를 이용하여 유효 전단풍을 산정하는 것이다. 전단풍이 발전기 rpm 또는 탑의 움직임을 상당히 바꾸지 않으므로, 더욱 직접적인 측정이 필요하다.

이러한 측정은 도 1에서 화살표(120)에 의해 도시된 너셀 전도 모멘트(over-turning moment)의 측정이다. 모멘트는 연직 방향에 수직이고 풍력 터빈의 구동라인(driveline)(122) 방향에도 수직인 축을 중심으로 측정된다. 상기 모멘트의 값에는, 부설된 로터와 너셀의 질량, 로터와 너셀의 관성 가속도, 로터 상의 추력, 및 공기역학적 모멘트의 합력을 발생시키는 로터 전체에 걸친 수직 전단풍이 기여한다.

전도 모멘트(120)는 블레이드 원반의 상부에서 더 큰 풍력(108)으로 인하여 너셀(100)을 전도시키려고 하는 것으로서, 하나 이상의 힘 센서(124)(일례로, 변형 게이지, 장착된 볼트 등)를 사용하여 편요 추축(106)이 편요 플랫폼(101)에 부착된 지점에서 측정된다. 센서(124)들은 터빈에 있어서 블레이드나 허브가 아닌 접근이 용이한 부분에 배치하게 되면 점검이 용이해진다.

유사한 측정으로, 수평 전단풍에 대하여, 터빈이 요동하는 경향으로서 회전 모멘트의 측정이 있다. 회전 모멘트 센서(125)는 회전 모멘트 신호인 출력(143)을 갖는다.

회전 및 전도 측정과 함께 추가적인 여러 측정들이 사용된다. 이러한 측정들은, 블레이드 동작의 평면의 내부 및 외부의 변형 성분를 나타내기 위하여, 적절하게 블레이드 각각을 따라서 한 지점 또는 여러 지점들에서 측정된 블레이드 변형이다. 변형 측정치들은 등가의 모멘트로 변환된다.

도 1에서 도시된 장치는 풍력 터빈(100)에서의 모멘트 불균형을 보상한다. 블레이드의 피치는, 종래의 피치 명령 로직(148)인 명령 요소에 의하여 종래의 방식으로 제어되고, 상기 로직은 발전기 RPM(138)을 사용하여 공칭 로터 블레이드 피치 명령 신호(154)를 생성한다. 저장부(144)는 다양한 풍속과 피치 값에 대하여 회전, 전도 및 블레이드 측정 모멘트 세트의 저장 값을 포함한다. 전도 모멘트 센서(124)는 전도 모멘트 신호(142)인 출력을 갖고, 회전 모멘트 센서(125)는 회전 모멘트 신호인 출력(143)을 갖고, 블레이드 각각은 블레이드에 장착된 변형 센서(도시 생략)를 구비하는데, 변형 센서는 블레이드 모멘트 신호(147)로 변환되는 출력을 갖는다. 순간 풍속계(130)는 순간 풍속 값(136)인 출력을 제공한다. 변환 로직(146)은 전도 모멘트 신호(142), 회전 모멘트 신호(143), 블레이드 각각의 모멘트 신호(147), 블레이드 회전 위치(140), 블레이드 피치 센서(141) 및 순간 풍속 값(136)에 연결되어, 상기 로직은 계산된 피치 조정 명령(152)인 출력을 제공한다. 계산된 블레이드 피치 조정 명령(152) 및 피치 명령(154)에 연결된 결합 로직(150)은 로터 블레이드의 피치 명령이 가능한 결합된 블레이드 피치 명령(156)을 제공하고, 상기 명령(156)은 풍력 터빈의 순간 모멘트 편차에 대한 보상을 포함한다.

모든 블레이드에 일반적인 바람 조건은 종래의 수집 명령 로직(148)에 의하여 처리되고 고려되는 반면에, 상기 로직은, 모든 블레이드에서 동시에 나타나지 않을 수 있고 보정을 위한 개별적인 블레이드 제어를 요구하는 조건들을 검출할 수 없고, 상기 조건들에 확실히 반응할 수 없다. 그러나, 피치 조정 명령(152)은 이러한 특수한 조건들을 고려한다. 명령(154 및 152)이 명령(156)에 결합하기 때문에, 터빈 제어에는 종래의 수집 제어 로직 및 비-수집 조건들을 고려한 상기 신호의 조정이 도움된다.

<바람직한 실시예에 대한 상세 설명>

도 1에 도시되었듯이, 수직 전단풍의 전단은 지면 위의 높이에서 풍속의 변화이다. 다른 영향들 중에서, 수직 전단풍이 고도에 의존적인 지표면에 대한 마찰에 의하여 야기된다. 지면 위의 더 높은 고도에서, 표면 마찰의 영향이 더 적고 풍 속(

)은 더 빠르다. 지수 법칙 함수로 이 현상을 일반적으로 다음과 같이 공식화할 수 있다.

여기서 h는 지면 위의 고도이고

는 일반적으로 0.14인 거듭제곱 지수이다. 실제의 거듭제곱 지수는 지역적 바람 조건 및 지형의 유형에 따라 바뀐다.

수직 전단풍이 높이에 따라 풍속을 변경시키므로, 터빈 블레이드는 터빈의 허브에 대하여 회전하는 동안 변화한 풍속을 감지한다. 주기적인 풍속의 변화는 전후로 블레이드를 만곡시키는 주기적으로 변화하는 힘을 블레이드에 부여하여 피로 파괴를 야기한다. 상기 식으로부터, 고도 h에서의 풍속인

는 허브 고도

와 허브에서의 풍속인

에 관련이 있고, 다음과 같다.

허브로부터 거리가 r인 블레이드 위의 지점에서, 수직으로부터 측정된 회전각

으로 허브에 대하여 블레이드가 회전하는 경우, 풍속은 주기적이 된다.

r 지점에 작용하는 주기적 힘은 풍속 제곱, 그리고 풍속, 블레이드 회전 속도 및 피치 각

에 의하여 정의된 공기역학적 추력 계수(thrust coeffient)

의 함수이다.

이는, 블레이드 위치 0°에 대해 페더(feather) 방향으로 그리고 블레이드 위치 180°에서 페더 방향의 반대쪽 방향으로 회전각의 함수로, 피치 각을 변화시킴으로써 주기적으로 풍력을 더욱 균일하게 할 수 있다는 것을 제시한다. 블레이드 각각이 다른 회전각을 갖기 때문에, 얻어진 블레이드 피치의 주기적 조정은 블레이드 각각에 대하여 다르다.

수평 전단풍은 모델에 적용될 수 없으나, 전형적으로 선형 변화로 근사화된 장(field) 내에서 측정되어야만 한다.

회전 프레임으로부터 고정 프레임으로의 변환 및 고정 프레임으로부터 회전 기준 프레임으로의 변환

아래와 같이, 블레이드 피치 각을 회전 프레임(허브에 대하여 회전)에서 비- 회전 프레임으로 변화하는 것이 도움이 된다. 이것은 콜맨 복수-블레이드 변환(또한 회전하는 전기 장치에서 d-p 변환으로 알려짐)을 사용하여 간단히 실행된다. 도 2에 도시되었듯이, (

)가 세 개의 블레이드 피치 각이고, (

)는 허브를 중심으로 블레이드 회전 위치라면, 수직 및 수평 성분들은 다음과 같이 결정된다.

역변환은 다음과 같다.

이러한 좌표 변환들은 회전 블레이드 모멘트를 수직 및 수평 성분으로 바꾸는 데 또한 사용된다.

피드 -포워드 제어

종래의 수집 제어기를 병용하는 일반적인 피드-포워드 수직 전단풍 보상기의 블록도인 도 3을 참고하자. 도 3에서 도시된 장치는 풍력 터빈(200)에서 모멘트 불균형을 보상한다. 블레이드의 피치는 종래 수집 제어기(248)인 명령 요소에 의하여 종래의 방식으로 제어되고, 상기 제어기는 목표 RPM(239)에 피드백되어 결합하는 실제 발전기 RPM(238)을 사용하여 수집 피치 명령 신호(254)를 생성한다. 전도 모 멘트 신호, 회전 모멘트 신호, 각각의 블레이드 모멘트 신호, 블레이드 회전 위치, 블레이드 피치 센서 및 순간 풍속 값에 연결된 변환 로직(도시 생략)은 계산된 피치 조정 명령(252)인 블레이드 #1, #2 및 #3 각각에 대한 출력을 제공한다. 계산된 전단 블레이드 피치 조정 명령(252) 및 수집 피치 명령(254)에 연결된 결합 로직(250)은 로터 블레이드의 피치 명령이 가능한 결합된 블레이드 피치 명령(256)을 제공하고, 상기 명령(256)은 풍력 터빈(200)의 순간 모멘트 편차에 대한 보상을 포함한다.

따라서 수집 제어기(248)는 블레이드 #1, #2 및 #3 각각을 제어하는 데 기본적으로 사용되는 제어 신호를 제공한다. 그러나, 결합 로직(250)은 개별적인 블레이드 피치 조정 명령(252)에 의해 수집 명령 신호(254)를 조정함으로써 개별적인 블레이드 명령을 출력한다.

종래 수집 제어기를 병용하는 더 상세한 피드-포워드 수직 전단풍 보상기의 블록도인 도 11을 참조하자. 도 11에 도시된 장치는 풍력 터빈(400)의 모멘트 불균형을 보상한다. 블레이드의 피치는, 종래의 수집 제어기(448)인 명령 성분에 의하여 종래 방식으로 제어되고, 목표 RPM(438)에 피드백되어 목표 RPM(438)과 결합하는 실제 발전기 RPM(438)을 사용하여 수집 제어기는 수집 피치 명령 신호(454)를 생성한다.

변환 로직(406)은 콜맨 변환을 사용하여 주기적인 성분를 고정된 성분으로 변환시키고 그 결과 로직(408)에 입력되는 수직 성분(409) 및 수평 성분(413)을 출력한다.

전도 모멘트 신호, 회전 모멘트 신호, 각각의 블레이드 모멘트 신호, 블레이드 회전 위치, 블레이드 피치 센서 및 순간 풍속 값(403)에 연결된 로직(408)은 수직 성분(409) 및 수평 성분(413)을 조정(415)한 출력을 제공한다.

수직 성분(409) 및 수평 성분(413) 및 블레이드 회전 위치(404)의 조정(415)은 변환 로직(407)에 입력되고, 변환 로직은 블레이드 피치 조정 명령(411)을 생성시키기 위해 역 콜맨 변환을 사용하여 고정된 성분를 주기적 성분으로 변환한다.

계산된 블레이드 피치 조정 명령(411) 및 수집 피치 명령(454)에 연결된 결합 로직(412)은 로터 블레이드의 피치 명령이 가능한 결합한 블레이드 피치 명령(422)을 제공하고, 상기 명령은 풍력 터빈(400)의 순간 모멘트 편차의 보상을 포함한다.

도 3에 도시되고 도 11에 더욱 상세히 도시된 바와 같은, 피드-포워드 제어 구성(scheme)은, 종래 제어와 병용되어 작동한다는 점에서 비교적 실행이 단순하다. 블레이드 각각의 피치 조정 Δβ_블레이드가 알려졌다고 가정하면, 전단풍을 보상하기 위한 피드-포워드 방법은 도 3 및 도 11에서 도시된 것과 같이 피드-포워드 제어 구성에서 종래 제어기에 의하여 명령된 피치를 조정하는 것이다.

블레이드 피치 모터에 보내진 피치 명령의 총합은 다음과 같다.

피치_블레이드 = 피치_수집 + Δβ_블레이드

여기서 피치_수집은 제어기에 의해 발생한 공칭 피치 명령이다.

종래 수집 제어기는 PID 또는 상태 공간 또는 다른 종류의 제어 시스템이다. 블레이드가 3개인 터빈이 설명되었으나, 어떤 수의 블레이드라도 사용될 수 있다. 피치가 유일한 출력인 수집 제어기가 설명되었으나, 발전기 토크 및 다른 어떤 출력이라도 가능하다. 발전기 rpm이 유일한 입력인 수집 제어기가 설명되었으나, 실제 블레이드 피치 및 다른 어떤 입력이라도 본 발명의 범위 내에 속한다.

피드 -포워드를 위한 피치 조정의 계산

국소적 수직 전단풍의 전단 제곱 지수

를 측정하는 하나의 방법은 하나 이상의 풍속계를 갖춘 기상학적 탑을 사용하는 것이다. 지수는 풍속계 높이에 대한 풍속을 지수 법칙의 곡선으로 추세화함으로써 측정된다. 지형이 변화하면, 그에 따라 추가적 탑을 부가하는 것이 필요하다.

추가로 분산된 탑이 필요하지 않은 바람직한 피드-포워드 방법은, 유효 전단풍뿐 아니라 바람직한 피치 조정을 평가하기 위한 터빈 정보를 사용하는 것이다. 전단풍은 발전기 rpm뿐 아니라 탑의 동작도 상당히 변경시키지 않으며, 유효 수직 전단풍 제곱 지수뿐 아니라 바람직한 피치 조정을 측정하기 위해서는 더욱 직접적인 측정이 필요하다.

바람직한 전도 모멘트의 측정이 도 1에 도시되었다. 모멘트는 수직축 및 풍력 터빈의 구동라인의 방향에 서로 수직인 축에 대하여 측정되었다. 상기 모멘트 값에는, 부설된 로터 및 너셀의 질량, 로터와 너셀의 관성 가속도, 로터 블레이드 상의 추력 및 공기역학적 모멘트의 총합이 되는 로터 전체에 걸쳐서의 수직 전단풍이 기여한다. 전도 모멘트는 블레이드 원반의 상부에서 더 큰 풍력 때문에 너셀이 전도되는 경향이고, 상기 모멘트는 (변형 게이지, 장착된 볼트, 등과 같은) 하나 이상의 힘 센서들을 사용하여 편요 추축이 편요 플랫폼에 부착된 지점에서 간단히 측정된다. 센서는 블레이드 또는 허브보다는 접근이 용이한 터빈 부분에 배치되어 쉽게 점검된다.

바람직한 회전 모멘트의 측정이 편요 축에 대하여 측정된다. 상기 모멘트 값은 편요 오차 및 수직 전단풍으로부터 기여된다. 회전 모멘트는 블레이드 원반의 일측에서 더 큰 풍력 때문에 너셀이 회전하는 경향이고 상기 모멘트는 (변형 게이지, 장착된 볼트, 등과 같은) 하나 이상의 힘 센서들을 사용하여 편요 추축이 편요 평면에 부착된 지점에서 간단히 측정된다. 센서는 블레이드 또는 허브보다는 접근이 용이한 터빈 부분에 배치되어 쉽게 점검된다.

바람직한 면내 및 면외의 블레이드의 측정은 변형 센서로 블레이드 만곡 변형에 대한 전단풍의 직접적 효과를 측정하는 것이다. 영국 SO31 4RA 사우샘프턴 햄블 6 & 7 컴퍼스 포인트 엔진 웨이에 있는 인센시스 리미티드(Insensys, Ltd.)는 복합 구조물 내에서 변형을 측정하기 위한 광섬유 기술을 사용한 감지 시스템을 설계하고 공급한다. 소형 경량의 시스템은, 블레이드 만곡 변형에 전단풍의 직접적 효과를 측정하는 것과 같은 실시간 부하 측정을 제공하기 위해, 복합체 생산 공정 중에 내장된 부속된 직경 0.25mm의 광섬유를 사용한다. 이들은 용이하게 점검되지는 않으나, 가동 부분이 없고 견고한 것으로 여겨진다. 상기 측정들은 블레이드 피치를 보상하고 면내 및 면외의 모멘트로 변환된다.

터빈 시뮬레이션 연구에 의하면, 회전 모멘트, 전도 모멘트 및 평면 내부 및 외부 블레이드 모멘트는, 허브 풍속 및 피치 조정 크기 수직 성분

및 수평 성분

와 같은 다른 변수들에 의존한다. 각각의 의존성은 다양한 정상 상태 조건에서 의존 변수를 변화시키면서 터빈을 시뮬레이션함으로써 도표화된다. 이것은

,

의 함수로서 회전, 전도 및 블레이드 모멘트를 나타내는 테이블 또는 테이블들을 산출한다. 블레이드 각각의 요구되는 피치 조정을 계산하는 알고리즘은 모멘트 테이블들을 사용한다.

피드 -포워드의 풍속 결정

풍속은 허브 높이의 풍속계 측정에 의하여 결정된다. 대안은 예를 들면 명칭이 "탑 동역학을 이용한 풍속 측정 및 추정(Wind flow estimation and tracking using tower dynamics)"인 미국 출원번호 제11/128,030호(미국 공개번호 제2006-0033338 A1호, 2006년 2월 16일 공개)의 풍속 측정기를 사용하는 것이다.

피드 -포워드 수직 전단풍 시뮬레이션 방법

부하 비교를 산출하기 위해, ADAMS 시뮬레이션 조사가 80m의 허브 높이, 세 개의 완전 익현 46m 블레이드 및 종래의 수집 PI 제어기를 갖는 2.5메가와트의 터빈으로 실행되었다. 시뮬레이션은 도 4 및 도 8에서 도시된 관계들을 생성하기 위하여 실행되었고, 도 3 및 도 11의 수직 전단풍 보상 시스템이 개발되었다. 그리고 보상을 갖는 터빈은 수직 전단 보상기를 갖는 조건 및 갖지 않은 조건으로 난류에서 모의 실험되었다. 시뮬레이션의 결과는 도 6 및 도 7에서 결과로 나타난 기준 부하 측정과 도 5의 피치 모터 토크로 제시되었다. 상당한 개선이 피치 모터 토크 및 블레이드 등가 부하에서 나타났다.

풍속이 10m/s보다 클 때 블레이드 부하는 실질적으로 10% 이상 감소한다. 피치 모터 토크는 실질적으로 33% 감소한다. 이것은 피치 요구와 피치 모터의 부하로서 작용하는 중력 사이의 상관 관계에 기인한 것이다. 블레이드가 수직으로 위로 향한 경우(로터 위치가 0도) 상기 블레이드는 일반적으로 최대한의 페더 위치에 자리 잡는다. 블레이드가 90도까지 수평 위치로 움직이면, 수직 주기의 피치는 다시 실속(stall) 위치로 돌아간다. 블레이드 상의 중력은 90도에서 피치 축에 대하여 편심되고 상기 실속 위치로의 동작을 보조하는 피치 모멘트를 형성한다. 270도에서 블레이드 피치는 중력의 보조로 또한 페더로 다시 돌아간다. 따라서 중력은 전단 보상에 필요한 피치 움직임을 보조할 뿐 아니라, 상기 모터가 중력에 대하여 고정될 필요가 없어서, 중력은 모터가 수집 피치 제어에 적은 영향을 주는 것을 가능하게 한다.

블레이드 피치 토크의 감소는 예비-굽힘(pre-bend) 또는 예비-곡선(pre-curve)을 갖는 블레이드의 경우, 즉 무게 중심이 피치 축에서 벗어난 경우에 현저하다. 블레이드 예비-굽힘 또는 예비-곡선은 무게 중심이 피치 축에 벗어나도록 야기한다. 예비-굽힘 및 예비-곡선은, 첨단을 탑으로부터 더 멀리 위치하게 하기 위하여, 최근에야 대형 블레이드에 채용되어 왔다. 새로운 소재 또는 설계가 이러한 해결책에 대한 필요를 감소시킬 수 있거나, 원뿔 효과(coning effect)가 허브에 포함될 것이고 그에 따라서 피치 축을 블레이드 등과 재정렬한다. 블레이드의 무게중 심이 피치 축에 있으면, 피치를 비트는 중력으로부터 모터에 가해지는 부하가 없고 따라서 주기적 피치로부터 이점이 생기지 않는다.

전단 보상이 향상을 제공하지 않고 사용되지 않아야 하는 몇몇 환경이 있다. 도 9 및 도 10에서 나타나듯이, 느린 풍속에서 피치와 와 다른 테이블에서의 변수들 사이의 관계는 피치와

가 이 조건에서 신뢰적으로 측정되지 않는다는 것을 의미하는 수직선이다. 도 5 내지 도 7에 반영된 결과는 10m/s 이하의 풍속에서 성과가 양호하지 않았다.

독특한 바람 조건에서 풍속 수직 전단이 반전된 경우에 음수

를 갖는 것이 가능하다. 블레이드의 부하는 향상된 상태로 유지되지만, 피치 모터 토크는 증가한다. 블레이드가 중력 방향 대신에 중력 반대 방향으로 작동하므로 토크는 증가 한다.

피드백 제어

피드백 제어는 종종 피드-포워드보다 바람직하다. 도 12는 본 발명에 따르는 피드백 PID 기반의 제어기 장치 블록도이다. 도 12에 도시된 장치는 풍력 터빈(300)의 모멘트 불균형을 보상한다. 블레이드의 공칭 피치는 명령 성분(348)에 의하여 종래의 방식으로 제어되고, 상기 명령 요소는 실제 발전기 RPM(338)을 이용하여 로터 블레이드 피치 명령 신호(354)를 생성시킨다.

블레이드의 피치 조정(345)은 모멘트 보상 로직 성분(346)에 의하여 제어된다. 변환 로직(346)은 블레이드 회전 위치(340), 블레이드 피치 센서(341), 순간 풍속 값(336), 회전, 전도 및 블레이드 모멘트(342)에 연결되어, 계산된 피치 조정 명령인 출력(345)을 제공한다. 계산된 블레이드 피치 조정 명령 및 수집 피치 명령(354)에 연결된 결합 로직(350)은 로터 블레이드의 피치 명령이 가능한 결합한 블레이드 피치 명령(356)을 제공하고, 명령(356)은 풍력 터빈의 순간 모멘트 편차의 보상을 포함한다.

도 13은 기초한 피드백 상대 공간 기반의 제어기 블록도이다. 도 13에 도시된 장치는 풍력 터빈(500)에서의 모멘트 불균형을 보상한다. 터빈과 탑 내 센서들은 회전 위치(504), 탑 가속도(506), 탑 위치(508), 발전율(510), 회전, 전도 및 블레이드 모멘트(509)를 포함하는 버스(502)에 탑 신호를 생성한다.

평가된 상태 로직(516)은 터빈(500)으로부터 탑 가속도(506), 탑 위치(507), 발전율(508) 및 전도 모멘트(509)를 포함하는 센서 출력을 사용하여 상태(517)를 평가한다.

한정 제어 로직(518)은 RPM 집합 입력(516) 및 상태(517)를 이용하여 조정(수직 및 수평) 명령(505), 수집 피치 명령(520) 및 토크 명령(521)을 생성한다.

블레이드 회전 위치(504) 및 수직 명령(505)은 변환 로직(507)에 입력되고, 상기 로직은 블레이드 피치 조정 명령(511)을 생성시키기 위해 역 콜맨 변환을 사용하여 고정된 성분를 주기적 성분로 변환한다.

계산된 블레이드 피치 조정 명령(511) 및 수집 피치 명령(520)에 연결된 결합 로직(512)은, 로터 블레이드의 피치 명령이 가능한 결합 블레이드 피치 명령(522)을 터빈(500)에 제공한다. 명령(522)은 풍력 터빈의 순간 모멘트 편차의 보 상을 포함한다.

여기서 본 발명을 바람직한 실시예를 참조하여 도시되고 묘사되었지만, 본 당업자에게 형태와 세부사항에서 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 전술한 및 다른 변형이 이루어질 수 있다.

Claims

풍력 터빈의 모멘트 불균형을 보상하는 장치에 있어서,

로터 블레이드 피치 명령 신호(154)와,

여러 풍속들에 대한 모멘트 세트의 저장 값들을 포함하는 저장부(144)와,

모멘트 신호(142)를 출력하는 모멘트 센서(124),

순간 풍속 값(136)을 출력하는 순간 풍속계(130)와,

상기 모멘트 신호(142), 상기 순간 풍속 값(136) 및 저장부(144)에 연결되고, 계산된 피치 조정 명령(152)을 출력하는 변환 로직(146)과,

상기 계산된 블레이드 피치 조정 명령(152)을 수신하고 상기 피치 명령(154)을 수신하도록 연결되고, 로터 블레이드의 피치 명령이 가능하고 상기 풍력 터빈의 순간 모멘트 편차의 보상을 포함하는 결합 블레이드 피치 명령(156)을 출력하는, 결합 로직(150)을

포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 모멘트 불균형을 보상하는 장치.
제1항에 있어서,

상기 모멘트 센서는 하나 이상의 너셀 전도 모멘트 센서 및 터빈-편요 모멘트 센서인 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 모멘트 불균형을 보상하는 장치.
제1항에 있어서,

변형 성분 신호를 출력하는 적어도 하나의 블레이드 변형 센서와,

상기 적어도 하나의 블레이드 변형 센서의 변형 성분 신호를 수신하기 위해 연결된 변환 로직(146)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 모멘트 불균형을 보상하는 장치.
제1항에 있어서,

상기 저장부는 미리 계산된 값들을 저장하고, 상기 미리 계산된 값들은 각각 결합 로직에 의하여 수신된 하나 이상 신호들의 세트들에 할당되고 상기 세트들에 의하여 참조 되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 모멘트 불균형을 보상하는 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 변환 로직은 복수의 블레이드 피치 조정 명령들을 계산하고, 명령들 각각은 블레이드 각각에 할당되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 모멘트 불균형을 보상하는 장치.
제1항에 있어서,

상기 모멘트 불균형의 발생원이 수직 전단풍, 수평 전단풍, 블레이드 모멘트 및 바람 오정렬 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 모멘트 불균형을 보상하는 장치.
풍력 터빈의 로터 블레이드 피치 제어를 위해 피치 명령을 사용하는 풍력 터빈의 모멘트 불균형 보상 방법으로서,

A. 여러 순간 모멘트의 값들 및 공칭 모멘트 값으로부터 순간 모멘트의 편차를 보상하는 피치 조정 사이의 관계를 저장하는 단계;

B. 상기 풍력 터빈의 순간 모멘트를 감지하여 모멘트 신호를 생성하는 단계;

C. 저장된 순간 모멘트 값을 호출하기 위해 상기 모멘트 신호를 사용하는 단계;

D. 상기 순간 모멘트 값을 사용하여 순간 모멘트 불균형을 보상하기 위한 블레이드 피치 조정을 계산하는 단계;

E. 상기 계산된 블레이드 피치 조정을 상기 피치 명령과 결합하여, 결합된 피치 명령을 생성하는 단계; 및

F. 상기 풍력 터빈의 순간 모멘트 편차를 보상하기 위하여, 상기 결합된 피치 명령을 사용하여 로터 블레이드 피치를 제어하는 단계를 포함하는 풍력 터빈의 모멘트 불균형 보상 방법.
제7항에 있어서,

상기 모멘트 불균형의 원인이 수직 전단풍, 수평 전단풍, 블레이드 모멘트 및 바람 오정렬 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 모멘트 불균형 보상 방법.