KR20150094706A

KR20150094706A - 부유식 풍력 터빈의 운동 제어

Info

Publication number: KR20150094706A
Application number: KR1020157018273A
Authority: KR
Inventors: 핀 군나르 닐센; 비에른 스카아레
Original assignee: 스타토일 페트로리움 에이에스
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2015-08-19
Also published as: EP2935876A1; ES2837773T3; BR112015014688B1; CA2895278C; PT2935876T; JP2016500425A; US10087913B2; CN104870810B; JP6537069B2; CN104870810A; PL2935876T3; BR112015014688A2; CA2895278A1; HK1210249A1; EP2935876B1; GB201223088D0; US20150354532A1; KR102159848B1; WO2014096419A1

Abstract

본 발명에 따르면, 복수의 로터 블레이드를 가지는 부유식 풍력 터빈을 위한 운동 제어기가, 요잉 방향의 부유식 풍력 터빈의 운동을 제어하도록 마련된다. 상기 제어기는, 운동을 제어하기 위한 합력을 생성하도록 각각의 로터 블레이드의 블레이드 피치를 조정한다. 상기 제어기는, 요잉 오프셋 각도에 비례하는 제어 작용 및/또는 요잉 오프셋 각도의 적분에 비례하는 제어 작용을 포함한다.

Description

부유식 풍력 터빈의 운동 제어{CONTROLLING MOTIONS OF FLOATING WIND TURBINES}

본 발명은 부유식 풍력 터빈의 운동 제어에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 부유식 풍력 터빈 설치를 위한 로터 블레이드 피치(pitch) 제어에 관한 것이다.

풍력 터빈 설비는 일반적으로 세장형 타워를 포함하는 지지 구조물로 형성되고, 지지 구조물의 상부 단부에는 나셀(nacelle) 및 로터가 부착된다. 발전기 및 그와 연관된 전자장치가 일반적으로 나셀 내에 위치된다.

지상에 또는 해저(sea bed)에 고정된 고정-베이스의 풍력 터빈이 충분히 정착되어 있다.

그러나, 최근에, 부유식 풍력 터빈의 개발이 요구되고 있고, 여러 구조물이 제시되었다. 하나의 예로서, 통상적인 풍력 터빈 구조물이 플랫폼 또는 뗏목-유사 구조물과 같은 부양형 베이스 상에 장착되는 풍력 터빈 설치가 있다. 다른 제안으로서, "원주 부표(spar buoy)" 유형의 구조물이 있다. 그러한 구조물은 상단에 로터가 장착된 세장형의 부양형 지지 구조물로 형성된다. 지지 구조물이 단일 구조물일 수 있거나, 표준 타워가 상부에 장착된 세장형의 서브(sub)-구조물일 수 있을 것이다.

부유식 풍력 터빈 설비를 희망 설치 장소에서 유지하기 위해서, 부유식 풍력 터빈 설비가, 예를 들어, 닻을 가지는 하나 이상의 정박 라인을 통해서 해저에 정박될 수 있거나, 하나 이상의 관절형(경첩형) 레그를 이용하여 해저에 부착될 수 있을 것이다.

고정 기반의 풍력 터빈은 일단부가 육지에 단단히 고정되고 결과적으로, 바람의 속력 또는 방향의 변화에 의해서 유발되는 힘과 같은 힘이 작용될 때, 외팔보형 질량체로서 작용하고 터빈이 휘어짐에 따라 진동하게 된다. 이러한 운동은 작은 진폭을 가지나 높은 주파수를 가지며, 다시 말해서 이러한 운동은 작고 빠른 운동이다. 대조적으로, 부유식 풍력 터빈은 육지에 강고히 고정되지 않고, 결과적으로, 전체 세장형 구조물이 강체 방식으로 운동할 수 있다.

풍속 또는 파도의 변화에 의해서 유발되는 것과 같은 힘이 부유식 풍력 터빈에 작용할 때, 전체 구조물이 물 내에서 운동한다. 이러한 운동은 큰 진폭을 가지나 비교적 낮은 주파수를 가지며, 다시 말해서 이러한 운동은 크고 느린 운동이다. (운동이 터빈 자체의 회전 주파수보다 상당히 낮다는 점에서, 운동은 낮은 주파수가 된다). 발생되는 운동은, 선형 수직(상/하) 운동인 상하동요(heave), 선형 측방향(좌우) 운동인 흔들림(sway), 선형 길이방향(전/후) 운동인 서지(surge), 수평(전/후) 축 주위의 본체의 회전인 롤링(roll), 횡방향(좌우) 축 주위의 본체의 회전인 피치, 및 수직축 주위의 본체의 회전인 요잉(yaw)이다.

특정 경우에, 이러한 운동이 풍력 터빈의 전체적인 효율 또는 전력 출력을 감소시킬 수 있고, 또한 과다한 구조적 응력을 생성할 수 있으며, 그러한 과다한 구조적 응력은 풍력 터빈 구조물을 손상 또는 약화시킬 수 있거나 부유식 풍력 터빈의 운동의 불안정성을 유발할 수 있다. 그에 따라, 이러한 강체 운동을 제어하는 것이 요구된다.

WO 2007/053031 및 WO 2010/076557로부터, 공진적인 서지 및 피치 운동(축방향 운동)을 감쇠시키도록 마련된 제어기를 구비한 부유식 풍력 터빈의 제공이 공지되어 있다.

통상적인 풍력 터빈에서, 전력 출력을 조절하기 위해서, 로터 블레이드의 피치가 제어된다. 특정 풍속[풍력 터빈의 정격(rated) 풍속이라고 한다] 미만의 바람 하에서 동작될 때, 블레이드 피치가 최대 전력 출력을 제공하는 각도에서 대략적으로 일정하게 유지된다. 대조적으로, 정격 풍속 초과에서 동작할 때, 일정한 전력 출력을 생성하기 위해서 그리고 발전기 및/또는 발전기의 연관된 전자장치를 손상시킬 수 있는 과다하게 큰 전력 출력을 방지하기 위해서, 블레이드 피치가 조정된다. 이러한 일정한 전력을 풍력 터빈의 정격 전력으로 지칭한다.

정격 풍속 미만에서 동작할 때, 블레이드 피치가 대략적으로 일정하게 유지됨에 따라, 로터 상으로 작용하는 추력이 풍속에 따라 증가된다(추력은 로터에 대한 풍속의 제곱에 대략적으로 비례한다). 결과적으로, 축방향 운동(상대적인 풍속을 증가시킨다)이 감쇠된다.

대조적으로, 정격 풍속 초과에서 동작할 때, 일정한 전력 출력을 생산하기 위해서, 풍속이 증가될 때 로터 상의 추력이 감소되도록, 블레이드 피치가 조정된다. 풍속이 증가함에 따라, 추력을 감소시키기 위해서, 블레이드 피치가 증가되고, 즉 풍향에 보다 평행하게 된다.

일정한 전력 출력을 위해서 전술한 피치 제어를 이용할 때, 로터 토크 또는 속력의 증가에 응답하여, 로터에 작용하는 토크를 감소시키고, 결과적으로, 추력을 감소시키고 그에 의해서 일정 전력을 유지하도록, 블레이드 피치 각도가 조정된다. 그러나, 추력이 감소됨에 따라, 풍력 터빈의 진동에 작용하는 감쇠력이 또한 감소되고 음(negative)이 될 수 있다. 다시 말해서, 진동이 심화될 수 있고 그러한 진동의 진폭이 증가될 수 있다. 이는, 상대적인 풍속의 추가적인 변화 및 블레이드 피치에 대한 추가적인 조정을 초래하여, 진동을 보다 크게 한다. 풍력 터빈이 바람으로부터 멀리 운동할 때에는 그와 반대로 적용되며, 그에 따라 진동의 추가적인 심화가 초래된다. 이는 음의 감쇠로서 공지되어 있다.

WO 2007/053031 및 WO 2010/076557는, 정격 풍속 초과에서 발생하는 음의 감쇠 문제에 반작용하도록 그리고 축방향을 따른 공명적인 저주파수 운동을 감소시키도록 설계된 터빈 제어기를 설명한다. 이는, 축방향을 따른 감쇠력 및/또는 복원력을 생성하기 위해서 블레이드의 피치를 집합적으로 조정하는 것에 의해서 달성된다.

또한, 풍향[또는 나셀이 바람의 내부로 향하는 것(heading)에 따른 축방향]을 따른 나셀의 운동에 더하여, 로터의 면내 운동, 즉 면내 운동뿐만 아니라, (플랫폼 흔들림 및 롤링과 조합된) 요잉 운동(수직축 주위의 회전)이 발생할 수 있을 것이다. 조합된 흔들림 및 롤링 운동이, 예를 들어 공기역학적 또는 발전기 토크의 변동에 의해서, 그리고 예를 들어 업윈드 터빈의 후류 효과(wake effect)로 인한, 로터-디스크 위에서의 불균일한 유동에 의한 요잉 운동에 의해서 여기될 수 있을 것이다. 서지 및 피치 운동과 달리, 흔들림, 롤링 및 요잉 운동은 일반적으로 불안정하지 않다. 그러나, 상당한 운동의 진폭이 정격 풍속 미만 및 초과 모두에서 여기될 수 있을 것이다. 이러한 운동은, 터빈의 크기가 오늘날의 최신 터빈을 초과하여 증가됨에 따라, 특히 문제가 된다.

만약 바람 하중(wind load)의 주파수가 흔들림, 롤링 및 요잉에서의 자연적인 주파수보다 상당히 높다면, 관성 효과로 인해서 플랫폼 운동 응답이 작아질 것이다. 다른 한편으로, 만약 여기 주파수가 자연 주파수보다 상당히 낮다면, 준-안정적 운동 응답이 발생할 것이다. 이러한 운동 응답은, 정수압적(hydrostatic) 및 기계적 (정박) 복원력에 의해서 제한될 것이다. 그에 따라, 자연 주파수가 여기 주파수 범위를 벗어나도록, 부유식 풍력 터빈이 통상적으로 설계된다. 그러나, 그러한 설계가 항상 가능한 것은 아니고, 만약 여기력이 롤링, 흔들림, 또는 요잉 자연 주파수에 근접한 주파수를 가진다면, 크고 바람직하지 못한 운동 응답이 발생할 수 있을 것이다. 특히, 예를 들어, 만약 전술한 운동의 모드가 약하게 감쇠된다면, 공진적 응답을 제한하기 위한 충분히 큰 공기역학적 또는 수압적 감쇠가 존재하지 않는다는 것이 사실이다. 특정 경우에, 예를 들어 요잉의 경우에, 여기가 자연 주파수에 매우 근접하지 않는 경우에도, 큰 운동이 발생할 수 있을 것이다.

EP 2489872는 풍력 터빈의 각각의 로터 블레이드의 블레이드-피치 각도를 개별적으로 제어하기 위한 블레이드-피치 시스템을 가지는 풍력 터빈을 개시한다. 그러한 풍력 터빈이 요잉율 센서 및 연산 유닛을 포함할 수 있을 것이고, 연산 유닛은, 요잉율로 인해서 블레이드 상에서 회전적으로(gyroscopically) 유도되는 부하를 감소시키는 공기역학적인 힘이 블레이드 상에서 생성되도록 유도하는 피칭(pitching) 명령을 계산한다.

본 발명의 제1 양태는 복수의 로터 블레이드를 가지는 부유식 풍력 터빈을 위한 제어기를 제공하고, 그러한 제어기는 요잉 방향의 부유식 풍력 터빈의 운동을 제어하기 위한 합력(net force)을 생성하도록 각각의 로터 블레이드의 블레이드 피치를 조정하도록 마련되며, 제어기는, 요잉 오프셋 각도에 비례하는 제어 작용 및/또는 요잉 오프셋 각도의 적분(integral)에 비례하는 제어 작용을 포함한다.

제어기는 또한, 요잉 오프셋의 미분(derivative)에 비례하는 제어 작용을 포함할 수 있을 것이다. 그러나, 바람직하게, 제어 작용은, 요잉 오프셋의 미분에 비례하는 제어 작용을 포함하지 않는다.

축방향 운동을 감쇠시키기 위한 전술한 원리는 터빈 블레이드의 집합적인 피치 조정을 기초로 한다. 터빈으로의 균질한 유입-유동(in-flow)을 가정하면, 이는 비-축방향(예를 들어, 요잉 또는 면내 방향)으로 힘을 제공하지 않는다. 축방향의 공진적 운동으로 양의 감쇠력이 주어지도록, 다시 말해서 공진에 근접한 주파수 범위에서 터빈의 축방향 속도에 반대되는 힘이 주어지도록, 블레이드의 피치가 정해진다.

본 발명의 발명자는, 로터 블레이드의 개별적인 및/또는 독립적인 동적(dynamic) 피칭(즉, 피치 변화)에 의해서, 축방향 이외의 방향을 따른 힘, 예를 들어 요잉 힘(그리고 면내 힘)이 유도될 수 있다는 것을 깨달았다.

부유식 풍력 터빈의 강체 운동은 로터 회전의 주기에 비해 긴 자연적인 주기를 가진다. 이는, 적절한 진폭, 주파수 및 블레이드 피칭의 위상 조정(phasing)에 의해서, 운동이 정확하게 제어될 수 있다는 것을 의미한다.

운동 제어가 정격 풍속 초과 및 미만 모두에서 이용될 수 있을 것이다.

제어기가 요잉 방향을 따른 운동을 제어하도록 마련된다. 이러한 운동은, 예를 들어 로터-디스크 위의 불균일한 공기 유동에 의해ㅅ 유발될 수 있을 것이다. 풍력 터빈의 효율에 영향을 미칠 수 있는 또는 고정 배열체와 같은 구조물의 부분을 손상시킬 수 있는 부유체의 요잉 운동을 제어할 수 있는 것이 요구될 수 있을 것이다.

요잉 운동 제어는, 요잉 편위(excursion)(변위) 및 선택적으로 요잉 속도를 제어하는 수직축 주위의 회전력을 생성하기 위해서, 로터 블레이드를 개별적으로 피칭하는 것에 의해서 달성될 수 있을 것이다. 이는, 로터 사이클의 하나의 측부(side)를 통과할 때 부가적인 블레이드 각도가 제공되도록 그리고 로터 사이클의 반대 측부를 통과할 때 상응하는 부가적인 음의 블레이드 각도가 제공되도록, 블레이드의 피치를 동적으로 조정하는 것에 의해서 달성될 수 있을 것이다. 이는 점진적이고 연속적인 변화일 수 있을 것이다. 요잉 운동으로 이러한 힘을 변경하는 것에 의해서, 요잉 운동이 희망하는 값으로 또는 희망하는 문턱값 이내로 제어될 수 있다. 전형적으로, 희망되는 값은, 로터가 바람 내로 대면하는, 즉 로터 샤프트가 풍향에 평행한 요잉 위치이다. 희망 문턱값 범위(hold)가 희망 값의 플러스 마이너스 3, 4, 5, 6, 7 또는 8도일 수 있을 것이다. 예를 들어, 문턱값이 3 내지 8도 또는 4 내지 6도일 수 있을 것이다.

제어기가 비례-적분-미분 제어기(PID 제어기), 즉 비례 제어 작용, 적분 제어 작용 및/또는 미분 제어 작용을 포함하는 제어기일 수 있을 것이다. 이러한 제어 작용은, 절대 또는 실제 요잉 값과 희망 요잉 값(전형적으로, 풍력 터빈의 로터 샤프트가 풍향에 평행한 요잉 위치이다) 사이의 요잉 각도로서 규정될 수 있는 요잉 오프셋 값에 대한 것이다. PID 제어기가 적분 제어 작용 및 미분 제어 작용의 부재시에 비례 제어기(P 제어기)로 지칭될 수 있고, 비례 제어 작용 및 미분 제어 작용의 부재시에 적분 제어기(I 제어기)로 지칭될 수 있으며, 미분 제어 작용의 부재시에 비례-적분 제어기(PI 제어기)로 지칭될 수 있고, 기타 등등[다른 치환(permutation) 모두를 포함]으로 지칭될 수 있을 것이다.

바람직하게, 본 발명은 PI 제어기를 포함한다. 이러한 비례 제어 작용 및/또는 적분 제어 작용이 요잉 오프셋 값(실제 요잉 위치와 희망 요잉 위치 사이의 각도일 수 있을 것이다)에 대한 것일 수 있을 것이다. 효과적인 제어기가 (요잉 오프셋 각도에 대한) 비례 제어 작용만을 또는 적분 제어 작용만을 가지는 제어기를 이용하여 달성될 수 있다. 그러나, (요잉 오프셋에 대한) 비례 제어 작용 및 적분 제어 작용 모두가 이용될 때, 보다 정확한 운동 제어가 달성될 수 있을 것이다. 그 대신에, 비례 제어 작용만이 요구되는 특정 제어 체계가 존재할 수 있을 것이다.

전형적으로, 운동 제어기는 미분 제어 작용만을 이용하는데, 이는 운동을 제어하기 보다는 운동을 감쇠하는 것이 통상적으로 실용적이기 때문이다.

본 발명은 이하와 같이 공식화되는 비례, 적분 및 미분 요잉 운동 제어 작용을 포함하는 제어 체계를 포함할 수 있을 것이고,

여기에서,

는 블레이드(i)에 대한 블레이드 피치 각도 기준(reference) 신호이고,

는 모든 블레이드(가능하게는 능동적 피치 운동 감쇠 제어를 포함)에 대한 집합적인 블레이드 피치 각도 기준 신호인 한편,

는 블레이드(i)에 대한 부가적인 요잉 개별적 블레이드 피치 각도 기준이다.

가 다음과 같이 표현되고

여기에서, θ는 타워 요잉 각도(실제 요잉 위치와 희망 요잉 위치 사이의 각도)이며,

는 타워 요잉 각도 속도이고, K_iy는 적분 제어기 이득이며, K_py는 비례 제어기 이득이고, K_vy는 미분 제어기 이득이고,

는 로터 블레이드(i)의 방위각이다.

선택적으로, 미분 제어기 이득(K_vy)이 영으로 세팅될 수 있을 것이다. 다시 말해서, 효과적으로, 제어기가 미분 제어 작용을 포함하지 않을 수 있을 것이다. 부가적으로, 적분 또는 비례 제어기 이득이 영으로 세팅될 수 있을 것이다(그에 따라, 비례 제어 작용 또는 적분 제어 작용이 존재하지 않을 수 있을 것이다).

본 발명의 발명자는, 요잉 운동이 바람장(wind field)의 변화에 따라 서서히 변화되기 때문에, 부유식 풍력 터빈을 위한 제어기에서의 요잉 운동 제어에 있어서 비례 및 적분 제어 작용이 유리하다는 것을 깨달았다. 결과적으로, 미분 제어 작용의 효과가 무시될 수 있을 것이고, 발명자는, 비례 및/또는 적분 제어기 작용(요잉 오프셋의, 즉 절대 요잉 값과 희망 요잉 값 사이의 각도의 비례 및 적분)을 이용하여 효과적인 요잉 제어기가 제공될 수 있다는 것과 미분 제어 작용이 필수적이 아니라는 것을 깨달았다.

미분 제어 작용이 시스템의 희망 기준에 대한 시스템 응답의 신속한 변화에 응답하도록 적용될 수 있을 것이고, 비례 제어 작용이 시스템의 희망 기준에 대한 시스템 응답의 보다 느린 변화 및 미분에 응답하도록 적용될 수 있을 것이며, 적분 제어 작용이 정상 상태에서 시스템의 희망 기준과 시스템 응답 사이의 영이 아닌(non-zero) 오프셋을 피하도록 적용될 수 있을 것이다.

요잉 운동을 희망 요잉 기준 값(θ_ref)으로, 즉 희망 요잉 위치로 제어하도록 제어기가 마련될 수 있을 것이다. 이는 이하의 제어 변수에 의해서 달성될 수 있을 것이다:

여기에서, θ는 실제 요잉 위치이다. 전형적으로, 희망 요잉 기준 값은, 로터가 바람과 대면하는 위치, 즉 로터 샤프트가 풍향에 평행할 때의 위치일 것이다.

이러한 제어 변수를 상기 식에 대입하면 다음과 같다.

이러한 제어기는 요잉 운동을 희망 기준 값으로 제어할 것이다.

제어기는, 절대 요잉 값[abs(θ)]이 특정 한계를 초과할 때에만 즉,

일 때에만, 요잉 운동을 제어하도록 마련될 수 있을 것이다. 이는 이하의 제약(constraint)을 가지는 이하의 제어 변수에 의해서 달성될 수 있을 것이다:

이러한 제어 변수를 상기 식에 대입하면 다음과 같다

이러한 제어기는, 요잉 오프셋, 즉 희망 위치와 실제 위치 사이의 각도가 문턱값 각도보다 클 때에만, 요잉 운동을 제어할 것이다.

제어기는 요잉 운동을 제어하도록 그리고 면내 운동[용인될 수 있거나 고정 배열체(arrangement)와 같은 다른 수단에 의해서 제어될 수 있을 것이다]을 제어하지 않도록 마련될 수 있을 것이다. 제어기가 요잉 운동을 제어하도록 마련될 수 있을 것이다.

그 대신에, 제어기가 면내 방향의 운동을 제어하도록 또한 마련될 수 있을 것이다. 면내 방향의 운동은 조합된 롤링 운동 및 흔들림 운동에 기인하며, 예를 들어, 공기역학적 또는 발전기 토크의 변동에 의해서 유발될 수 있을 것이다. 풍력 터빈의 효율에 영향을 미칠 수 있는 또는 보다 심각한 경우에 부유식 풍력 터빈을 손상시킬 수 있는 부유체의 좌우 운동을 제어할 수 있는 것이 바람직할 수 있을 것이다.

제2 양태에서, 본 발명은 복수의 로터를 가지는 부유식 풍력 터빈을 위한 운동 제어기를 제공하고, 그러한 제어기는 각각의 로터 블레이드의 블레이드 피치를 조정하여 요잉 방향 및 면내 방향의 부유식 풍력 터빈의 운동을 제어하기 위한 합력을 생성하도록 마련된다.

제2 양태의 발명이 본 발명의 다른 양태와 관련하여 설명되는 하나 이상의 특징과 조합될 수 있을 것이다.

면내 제어는, 면내 속도 및/또는 면내 편위(변위)에 반작용하는 로터 평면 방향의 힘을 생성하기 위해서 로터 블레이드를 개별적으로 피칭하는 것에 의해서 달성될 수 있을 것이다. 이는, 블레이드가 로터 사이클의 하나의 상단 절반부를 통과할 때 부가적인 블레이드 각도가 제공되도록 그리고 블레이드가 로터 사이클의 하단 절반부를 통과할 때 상응하는 부가적인 음의 블레이드 각도를 제공하도록, 블레이드의 피치를 동적으로 조정하는 것에 의해서 달성될 수 있을 것이다. 예를 들어, 로터 사이클의 상단 절반부에서 점진적으로 증가되고 이어서 감소되는 블레이드 피치가 제공되도록 그리고 이어서 로터 사이클의 하단 절반부에서 증가되는 블레이드 피치가 제공되도록, 피치가 회전 중에 연속적으로 그리고 점진적으로 조정될 수 있을 것이다. 바람직하게, 부가적인 블레이드 각도는, 로터 사이클의 상단 위치를 통과할 때 제공되고, 상응하는 음의 블레이드 각도는, 로터 사이클의 하단 위치를 통과할 때 제공되며 이는 순(net) 면내 힘을 제공한다. 부가적인 블레이드 피치 각도의 진폭을 변화시키는 것 그에 따라 면내 운동의 자연적인 주파수와 동일한 주파수를 가지는 힘을 변화시키는 것에 의해서, 순 감쇠 효과가 얻어질 수 있다.

제어기가 축방향의 운동을 제어하도록 부가적으로 마련될 수 있을 것이다. 축방향의 운동은 조합된 서지 및 피치 운동에 기인하고, 예를 들어 축방향 힘을 유발하는 변화되는 풍속에 의해서 유발될 수 있을 것이다. 전술한 바와 같이, 특정 상황에서, 이러한 힘이 심각하게 불안정한 운동을 유도할 수 있다. 이러한 제어는, 운동에 반대되는 로터 상의 축방향 힘을 생성하도록 로터 블레이드를 동적으로 그리고 집합적으로 피칭하는 것에 의해서 달성된다.

축방향 이외의 방향을 따른 운동 제어가 축방향 힘에 최소의 영향만을 미치고 그에 따라 축방향 운동을 위한 제어와 함께 이용될 수 있다는 것을 깨달았다.

바람직하게, 제어기는, 복수의 방향으로, 병진 운동 또는 회전 운동이든, 동시적으로, 부유식 풍력 터빈의 운동을 제어하도록 마련된다. 예를 들어, 제어가 요잉 운동에 더하여 면내 운동 및/또는 축방향 운동을 제어할 수 있을 것이고, 면내 운동, 요잉 운동 및 축방향 운동을 동시에 제어할 수 있을 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 제어 시스템을 설계할 때, 대부분의 경우에 요잉 운동, 수평적인 로터-면내 운동 및 나셀의 수평적-축방향 운동이 거의 직교적이라는 것을 추정할 수 있을 것이다. 다시 말해서, 방향들 중 하나의 방향을 따라 힘을 도입하는 것은 다른 방향들에 적은 영향을 미칠 것임을 추정할 수 있을 것이고, 즉 무시할 수 있는 상호작용 영향이 추정될 수 있을 것이다. 그러나, 이러한 추정은 필수적인 것이 아니고, 보다 진보된 제어에서, 상이한 운동 모드들 사이의 결합 효과가 고려될 수 있을 것이다.

동시적인 제어가, 각각의 운동을 제어하기 위해서 블레이드의 각각에 대한 필요 블레이드 피치를 결정하는 것, 그리고 이어서 총 동적 변동을 계산하기 위해서 개별적인 블레이드 피치 성분의 각각을 조합하는 것에 의해서 달성될 수 있을 것이다.

바람직하게, 제어기는, 제1 조정을 획득하기 위해서 부유식 풍력 터빈의 축방향 운동에 반작용하도록 복수의 로터 블레이드 모두에 대한 동적인 그리고 집합적인 피치를 계산하도록; 제2 조정을 획득하기 위해서 부유식 풍력 터빈의 요잉 운동에 반작용하도록 복수의 로터 블레이드의 각각에 대한 동적인 그리고 개별적인 피치를 계산하도록; 제3 조정을 획득하기 위해서 부유식 풍력 터빈의 면내 운동에 반작용하도록 복수의 블레이드의 각각에 대한 동적인 그리고 개별적인 블레이드 피치 및/또는 로터 토크의 변동을 계산하도록; 그리고 부유식 풍력 터빈의 축방향 운동, 요잉 운동 및 면내 운동의 동시적인 제어를 유도하기 위해서 제1, 제2 및 제3 조정을 조합하도록, 구성된다.

바람직하게, 제어기는, 감쇠력을 제공하기 위해서 부유식 풍력 터빈 면내 및 축방향 운동 속도에 대한 위상으로 각각의 로터 블레이드의 블레이드 피치를 조정하도록 마련된다.

부가적으로 또는 대안적으로, 제어기는, 복원력을 제공하기 위해서 부유식 풍력 터빈 요잉, 면내 및/또는 축방향 운동 변위에 대한 위상으로 각각의 로터 블레이드의 블레이드 피치를 조정하도록 마련된다.

감쇠력은, 운동 편위(변위)에 반대로 작용하는 복원력과 대조적인 것으로서, 운동 속도에 반대되는 힘을 의미한다.

감쇠력을 생성하기 위한 운동 속도를 가지는 위상에서 또는 복원력을 생성하기 위한 운동 편위(변위)를 가지는 위상에서 힘이 존재하도록, 운동 속도에 대한 로터 블레이드 피치 운동의 위상이 변경될 수 있다. 감쇠력과 복원력 사이의 최적의 균형을 획득하도록 제어기가 조율될 수 있을 것이다. 이는, 각각의 운동(요잉 운동, 면내 운동 및/또는 축방향 운동)에 대해서 달성될 수 있을 것이다.

선택적으로, 제어기는, 면내 방향의 운동을 제어하기 위해서 로터로 제공되는 부하의 토크를 제어하도록 추가적으로 마련될 수 있을 것이다. 다시 말해서, 제어기는 로터의 회전에 대한 저항을 제어하도록 마련될 수 있을 것이고, 다시 말해서 이는 주어진 풍속 및 블레이드 피치에 대해서 로터 속력이 제어될 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 부하는 발전기 부하일 수 있을 것이다.

이는, 블레이드 피치를 조정할 필요 없이, 면내 운동을 제어하는 방식을 제공한다. 이는, 보다 효율적인 시스템 및 면내 운동의 보다 정확한 제어를 초래할 수 있을 것이다.

이는, 로터-면내 타워 속도에 비례하는 발전기 토크 기준 신호 내에서 부가적인 성분을 가지도록 원래의 발전기 토크 제어 시스템을 수정하는 것에 의해서 달성될 수 있을 것이다.

발전기 토크를 제어하는 것에 의한 면내 운동의 제어가, 개별적인 그리고 동적인 블레이드 피칭에 의한 면내 운동의 제어에 대해서 대안적으로 또는 부가적으로 이용될 수 있을 것이다.

사실상, 면내 방향의 운동을 제어하기 위해서 로터로 제공되는 부하의 토크를 제어하는 것은, 본 발명의 제3 양태와 관련하여 이하에서 개략적으로 설명되는 바와 같이 독립적으로 특허받을 수 있는 중요한 것이다.

제어기는, 제어하고자 하는 부유식 풍력 터빈의 운동 속도의 측정치를 수신하도록 마련될 수 있을 것이다. 다시 말해서, 부유식 풍력 터빈이 운동 센서를 포함할 수 있을 것이다. 예를 들어, 측정치가 요잉 속도, 면내 속도 및/또는 축방향 속도일 수 있을 것이다.

제어기가 희망 위치(예컨대, 로터 샤프트가 풍향에 평행하도록 바람 내로 대면하는 위치 및/또는 직립 위치)로부터의 변위의 측정치를 수신하도록 마련될 수 있을 것이다. 측정치가 요잉 각도, 면내 변위 또는 축방향 변위일 수 있을 것이다.

이는, 운동이 조화적이든지 또는 확률적이든지 간에, 부유식 풍력 터빈의 운동을 제어하는 원리가 달성될 수 있다는 것을 의미한다. 측정치가 예를 들어 로터-면내 속도 및/또는 요잉 속도 및/또는 운동 및/또는 가속도일 수 있을 것이다. 바람직하게, 측정이 나셀 준위에서 이루어진다. 속도가 다른 측정치를 기초로 추정될 수 있을 것이다. 예를 들어, 속도가 나셀에 부착된 가속도계의 이용에 의해서 또는 임의의 다른 공지된 방법에 의해서 측정될 수 있을 것이다.

운동 속도 측정치가 입력될 때, 제어기가 속도 입력부에서 로우 패스 필터를 이용하는 것이 바람직할 수 있을 것이다. 일반적으로, 운동을 나타내는 측정치가 수신되는 경우에, 특정 범위의 주파수를 가지는 운동이 제어기에 의해서 제어될 수 있도록, 측정치가 필터링되는 것이 바람직할 수 있을 것이다.

이는, 제어기가, 예컨대 공진 주파수의 또는 그 부근의 특별한 주파수 범위 내의 운동에 대해서 작용할 수 있게 보장한다. 예를 들어, 롤링 운동과 관련하여, 롤링 운동의 자연 주파수에서 또는 그 부근에서 감쇠를 제공하는 것과, 파도 주파수와 같은 높은 주파수를 바람직하지 못한 방해로서 간주하는 것이 바람직할 수 있을 것이다. 필터가 이차 버터워스(Butterworth) 필터일 수 있을 것이다.

필터가, 파도 유도 운동에 대해서 제어기가 작용하는 것을 방지하는 것이 바람직할 수 있을 것이다. 다시 말해서, 제어기가 바람 유도 운동에만 응답하여 작용하도록, 필터가 마련되어야 한다. 이는, 파도 유도 운동의 주파수 범위 내의 운동을 필터링으로 제거하는 것에 의해서 달성될 수 있을 것이다. 파도-유도 운동이 필터링으로 제거되는 것이 바람직한데, 이는 파도-유도 운동의 제어가 로터 블레이드와 같은 풍력 터빈 구성요소에서 손상을 유도할 수 있기 때문이다.

바람직하게, 제어하고자 하는 운동이 특정 한계값 또는 문턱값을 초과할 때만 동작하도록 마련된다. 다시 말해서, 운동의 제어가 계속적으로 활성화될 필요가 없다. 이는, 부유식 풍력 터빈의 동작에서 문제를 유발하지 않는 사소한 운동에도 제어기가 불필요하게 응답하는 것을 방지할 수 있다.

제3 양태에서, 본 발명은 복수의 로터 블레이드를 가지는 부유식 풍력 터빈을 위한 운동 제어기를 제공하고, 그러한 제어기는 각각의 로터 블레이드의 블레이드 피치를 조정하여 축방향 이외의 방향을 따른 부유식 풍력 터빈의 운동을 제어하기 위한 합력을 생성하도록 마련되고, 제어기는, 해당 운동이 특정 문턱값을 초과할 때에만 부유식 풍력 터빈의 운동을 제어하도록 마련된다.

이러한 양태는, 다른 양태와 관련하여 설명되는 하나 이상의 특징과 조합될 수 있을 것이다.

예를 들어, 요잉 운동과 관련하여, 제어기는, 요잉 오프셋 각도(실제 요잉 위치와 희망 요잉 위치 사이의 각도)가 문턱값 요잉 값을 초과할 때에만 동작하도록 마련될 수 있을 것이다. 이러한 문턱값 요잉 값은, 예를 들어, 5도, 즉 희망 요잉 위치에 대한 ±5도의 오프셋 각도일 수 있을 것이다.

제어기는, 희망 위치로부터의 변위가 문턱값 변위보다 클 때에만 동작할 수 있을 것이다.

이는 블레이드 피칭 활동량을 감소시키고, 이는 피치 메커니즘의 마모 또는 파열을 감소시킬 수 있다.

제어기가, 운동이 특정 한계를 초과하는지의 여부, 예를 들어 변위가 (희망 위치로부터) 문턱값 변위를 초과하는지의 여부를 검출하는 운동 모니터링 시스템을 포함할 수 있을 것이다. 특정의 미리 결정된 한계가 초과되는 경우에, 제어기가 활성화될 수 있을 것이다.

본 발명은 또한 상응하는 제어 방법으로 확장된다. 그에 따라, 제4 양태에서 볼 때, 본 발명은 복수의 로터 블레이드를 포함하는 부유식 풍력 터빈 구조물을 제어하는 방법을 제공하고, 그러한 방법은: 요잉 방향의 부유식 풍력 터빈의 운동을 제어하기 위한 합력을 생성하도록 각각의 로터 블레이드의 블레이드 피치를 조정하는 단계를 포함하며, 블레이드 피치 조정은, 요잉 오프셋 각도에 비례하는 제어 작용 및/또는 요잉 오프셋 각도의 적분에 비례하는 제어 작용을 포함하는 제어기를 이용하여 계산된다.

바람직하게, 상기 방법은 본 발명의 제1 양태와 관련하여 전술한 선택적인 그리고 바람직한 특징을 포함한다.

당업자에게 자명한 바와 같이, 제어기는 소프트웨어의 형태로 일반적으로 제공될 것이다. 그에 따라, 제어기는 이러한 소프트웨어를 작동시키기 위한 프로세서를 포함한다. 프로세서는, 예를 들어 마이크로프로세서일 수 있다.

본 발명은 또한 소프트웨어 제품에 관한 것으로서, 그러한 소프트웨어 제품은, 프로세서에 의해서 실행될 때, 프로세서로 하여금, 각각의 로터 블레이드의 블레이드 피치가 조정되어 요잉 방향의 부유식 풍력 터빈의 운동을 제어하기 위한 합력을 생성하도록, 부유식 풍력 터빈 구조물을 제어하게 하고, 블레이드 피치 조정은, 요잉 오프셋 각도에 비례하는 제어 작용 및/또는 요잉 오프셋 각도의 적분에 비례하는 제어 작용을 포함하는 제어기를 이용하여 계산된다.

바람직하게, 소프트웨어 제품이 물리적 데이터 캐리어이다. 예를 들어, CD 또는 솔리드 스테이트 메모리이다.

대안적으로 또는 부가적으로, 소프트웨어 제품이, 예를 들어, 인터넷을 통해서 다운로드되는 것과 같이, 네트워크를 통해서 전송되는 명령어 형태로 제공될 수 있을 것이다

본 발명은 또한 물리적 캐리어 형태인 소프트웨어 제품을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 그러한 방법은 데이터 캐리어 상에 명령어를 저장하는 단계를 포함하고, 그러한 명령어는, 프로세서에 의해서 실행될 때, 프로세서로 하여금, 각각의 로터 블레이드의 블레이드 피치가 조정되어 요잉 방향의 부유식 풍력 터빈의 운동을 제어하기 위한 합력을 생성하도록, 부유식 풍력 터빈 구조물을 제어하게 하며, 블레이드 피치 조정은, 요잉 오프셋 각도에 비례하는 제어 작용 및/또는 요잉 오프셋 각도의 적분에 비례하는 제어 작용을 포함하는 제어기를 이용하여 계산된다.

본 발명의 제5 양태는, 복수의 로터 블레이드를 가지는 부유식 풍력 터빈을 위한 운동 제어기를 제공하며, 그러한 제어기는 면내 방향의 운동을 제어하기 위해서 로터로 제공되는 부하의 토크를 조정하도록 마련된다.

제5 양태의 특징은 전술한 양태의 바람직한 또는 선택적인 특징 중 임의의 특징과 조합되어 적용될 수 있을 것이다.

본 발명의 가장 넓은 양태에서, 본 발명은 복수의 로터 블레이드를 가지는 부유식 풍력 터빈을 위한 운동 제어기를 제공하고, 그러한 제어기는 각각의 로터 블레이드의 블레이드 피치를 조정하여 축방향 이외의 방향의 부유식 풍력 터빈의 운동을 제어하기 위한 합력을 생성하도록 마련된다. 본 발명은 또한 상응하는 제어 방법을 제공한다. 다시 말해서, 본 발명은 복수의 로터 블레이드를 포함하는 부유식 풍력 터빈 구조물을 제어하는 방법을 제공하고, 그러한 방법은: 축방향 이외의 방향의 부유식 풍력 터빈의 운동을 제어하기 위한 합력을 생성하도록 각각의 로터 블레이드의 블레이드 피치를 조정하는 단계를 포함한다. 이러한 넓은 양태가 전술한 부가적인 특징 중 하나 또는 임의의 조합과 결합될 수 있을 것이다.

이제 단지 예로서 그리고 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이다.

도 1은 개별적인 블레이드 피치 제어의 이용으로 능동적인 면내 감쇠가 이루어진 그리고 이루어지지 않은 시뮬레이션 스냅샷 도표를 도시한다.
도 2는 정격 풍속 미만에서의 발전기 토크 제어의 이용으로 능동적인 면내 감쇠가 이루어진 그리고 이루어지지 않은 시뮬레이션 스냅샷 도표를 도시한다.
도 3은 양의 x-방향(풍향)에서 볼 때의 블레이드의 회전 각도를 도시한다.
도 4는 개별적인 블레이드 피치 제어의 이용으로 능동적인 요잉 운동 제어가 이루어진 그리고 이루어지지 않은 시뮬레이션 스냅샷 도표를 도시한다.
도 5는 발명의 실시예에 따른 제어기를 포함하는 풍력 터빈을 도시한다.

도 5를 먼저 참조하면, 부유식 풍력 터빈 조립체(1)가 도시되어 있다. 부유식 풍력 터빈 조립체는 나셀(3)에 장착된 터빈 로터(2)를 포함한다. 나셀은 다시 구조물의 상단에 장착되고, 그러한 구조물은 부유체(5)의 상단에 고정되는 타워(4)를 포함하며, 도시된 예에서 그러한 부유체는 원주-부표 유사 구조물이다. 운동 제어의 개시된 원리는 부유식 풍력 터빈을 위한 모든 부유 구조물에 적용될 수 있다. 부유체는 하나 이상의 고정 라인(7)(하나만이 도시됨)에 의해서 해저에 고정되고, 그러한 고정 라인은 팽팽한 정박 라인 또는 현수선(catenary) 정박 라인일 수 있다. 나셀은, 감속 기어박스와 같은 공지된 방식에 의해서, 전기 발전기(이러한 물품은 도시되지 않았다)에 대한 직접적인 연결에 의해서, 또한 유압식 동력전달장치(hydraulic transmission)에 의해서 터빈 로터로 연결된 전기 발전기를 포함한다. 나셀은 또한 제어 유닛을 포함한다.

부유식 풍력 터빈은 유입 바람(U_w) 힘 및 파도(9) 힘을 받는다. [물의 표면 상의 파도(9)가 개략적으로 도시되어 있다.] 이러한 힘들은 부유식 풍력 터빈 조립체(1)가 물 내에서 운동하도록 유도할 것이다.

나셀의 제어 유닛은, 부유식 풍력 터빈의 운동을 제어하는 있어서 필요한 블레이드 피치 조정을 결정하도록 마련된다. 제어기는 축방향, 면내 방향 및 요잉 방향의 부유식 풍력 터빈의 운동을 제어하기 위한 합력을 생성하도록 각각의 로터 블레이드의 블레이드 피치를 독립적으로 조정하도록 추가적으로 마련된다.

만약 공진 주파수(

)에 근접하는 주파수 범위 내에서 축방향 운동을 감쇠시키고자 한다면, 로터 운동의 축방향 속도에 반대되는 힘이 반드시 생성되어야 한다. 만약 동적 그리고 집합적 블레이드 피치 운동이 주파수(

) 및 진폭(

)에서 실시된다면, 축방향 운동에 반대되는 로터 상의 축방향 힘(추력)이 얻어질 수 있을 것이다. 조화 축방향 운동의 경우에, 블레이드 피치 각도가 이하가 되어야 한다.

여기에서,

는, 일정한 전력 생산을 목표로 하는 통상적인 제어기에 의해서 설정되는 피치 각도이다.

는 감쇠를 달성하기 위한 부가적인 블레이드 피치 각도이다.

는 축방향 속도와 최대 피치 각도 사이의 위상 각도이고 t는 시간이다.

만약 면내 운동에 대한 공진 주파수(

)에 근접하는 주파수 범위 내에서 면내 운동을 제어하고자 한다면, 로터 운동의 면내 속도 및/또는 면내 편위에 반대되는 힘이 반드시 생성되어야 한다. 동적 블레이드 피치 운동이 실시되어, 상단 위치를 통과할 때 부가적인 각도(

)를 제공하고 하부 위치를 통과할 때 상응하는 (

)를 제공한다면, 블레이드 상에서의 변화된 상승력으로 인해서, 순 면내 힘이 얻어진다. 만약 이러한 면내 힘이 면내 운동의 자연 주파수와 같은 주파수로 변경된다면, 순 감쇠 효과가 얻어질 수 있을 것이다. 주파수(

) 및 회전 주파수(Ω)를 가지는 조화 면내 운동의 경우에, 각각의 블레이드의 블레이드 피치가 이하의 형태의 개별적인 피치를 가져야 한다:

이러한 예에서, 코사인 조화 함수가 이용되어 매끄러운 피치 각도 변동 및 그에 따른 매끄러운 힘 변동을 제공한다. 그러나, 규정된 주파수를 가지는 임의의 매끄러운 주기적 함수가 적용될 수 있다.

여기에서, j는 블레이드 번호(3개의 블레이드형 로터에 대해서 j =1, 2 또는 3)이고,

는 블레이드 피치 각도의 진폭이고,

는 면내 속도 및 블레이드의 상단 지점 위치 각각에 대한 블레이드 피치 운동의 위상이고,

는 로터 상의 각각의 블레이드의 초기 위치에 상응하는 위상이며, 다시 말해서 3개의 블레이드형 로터의 경우에

이다.

는, 면내 속도(감쇠)를 가지는 위상 또는 면내 편위(복귀)를 가지는 위상에서 힘이 존재하도록, 변경될 수 있다. 조화 진동의 경우에, 이러한 성분은 항상 π/2의 위상차를 가진다. 복귀 및 감소 효과 모두를 제공하도록 제어가 조율될 수 있을 것이다.

동적 요잉 모멘트를 생성하기 위해서, 면내 운동에 대한 것과 유사한 원리가 이용될 수 있을 것이다. 요잉 자연 주파수는 수학식 [2]의 면내 주파수를 대체하고, 위상이 면내 힘이 아니라 요잉 힘을 생성하도록 변화된다. 그 대신에, 요잉 주파수가 요잉 자연 주파수에 상응할 필요가 없고 또한 시간에 걸쳐서 변화될 수 있을 것이다. 조화 운동의 특별한 경우에, 이는 다음과 같이 표현될 수 있을 것이다

는 전형적으로

이다. 면내 운동에서와 같이, 위상 각도(

)가 감쇠력과 복원력 사이의 최적의 균형을 획득하도록 조율될 수 있을 것이다.

블레이드 피치 각도의 총 동적 변경이 대략적으로

의 3개의 개별적인 성분의 합계보다 클 것이다. 힘들 사이의 상호작용의 효과는, 관련된 자연적인 주파수와 상승력 및 항력 내의 비-선형성 사이의 관계에 의존한다. 특정 블레이드 피치 각도는 받음각을, 선단부에 근접하는 것보다 로터 축에 더 근접하게 변화시킬 것이다. 그러한 이유로, 원하는 운동 감소를 획득하기 위해서 그리고 감소된 전력 생산 및 증가된 블레이드 부하와 같은 발생 가능한 한 부정적인 영향을 피하기 위해서, 기여분(contribution)의 개별적인 조율이 실시되어야 한다. 전술한 면내 감쇠부 및 요잉 운동 제어 원리가 계속적으로 활성화될 필요는 없다. 예를 들어, 운동(예를 들어, 변위)이 특정 한계, 예를 들어 특정 문턱값을 초과하는 지의 여부를 검출하고 이어서 그에 따라 제어 시스템을 활성화시키는 운동 모니터링 시스템을 가질 수 있을 것이다.

만약 면내(공진) 운동 (롤링)이 공기역학적 또는 발전기 토크의 변동에 의해서 여기된다면, 대안적인 제어 선택사항이 이용될 수 있을 것이다: 즉, 관련 주파수 간격의 감쇠를 부여하기 위해서 발전기 토크 제어기를 수정하는 것이 이용될 수 있을 것이다. 이는, 로터-면내 타워 속도에 비례하는 발전기 토크 기준 신호 내에서 부가적인 성분을 가지도록 원래의 발전기 토크 제어 시스템을 수정하는 것에 의해서 달성될 수 있다. 조화 면내 운동의 경우에, 발전기 토크 기준이 다음과 같이 공식화될 수 있고,

여기에서,

는 원래의 발전기 토크 기준 신호이고,

는 능동적 면내 감쇠를 위한 부가적인 토크 제어 기준 신호의 상대적인 진폭이다. 이는, 면내 운동을 제어하는 것만이 요구될 때, 로터 블레이드의 피칭에 의해서 달성되는 운동 제어에 더하여 이용될 수 있거나 그 자체로 이용될 수 있다.

수학식 [2]에서 주어진 로터-면내 조화 힘을 생성하기 위한 희망 블레이드 피치 각도의 원리가, 부유식 풍력 터빈의 로터-면내 속도의 측정치를 기초로 하는 일반적으로 비-조화 거동을 가지는 제어 체계에 적용될 수 있다.

나셀 준위에서 측정된, 로터-면내 수평 속도(

)의 측정치를 고려한다. 이어서, 능동적 면내 감쇠 제어 체계가 다음과 같이 공식화될 수 있을 것이고,

여기에서,

는 블레이드(i)에 대한 블레이드 피치 각도 기준 신호이고,

는 이하의 수학식에 의해서 로터-면내 감쇠력을 제공하기 위해서 제어되는 블레이드(i)에 대한 부가적인 면내 개별적 블레이드 피치 각도 기준이고:

여기에서,

는 면내 감쇠 제어기 이득이고,

는 블레이드(i)의 방위각이다. 면내 운동의 자연 주파수에서의 부가적인 감쇠를 제공하는 것과, 파도 주파수와 같은 높은 주파수를 원치 않는 방해로서 간주하는 것이 종종 요구된다. 그에 따라, 로터-면내 회전 속도(

) 상에서 로우 패스 필터를 이용하는 것이 유리할 수 있다. 라플라스 식에서,

의 이차 버터워스 필터링이 다음과 같이 표현될 수 있고

여기에서,

는 로우 패스 필터에서의 컷-오프 주파수이고,

는 필터링된 나셀 속도이다. 로우 패스 필터링을 가지는 로터-면내 제어 체계가 수학식 [6] 및 수학식 [7]의 조합에 의해서 공식화될 수 있다.

개별적인 블레이드 피치 제어의 이용에 의한 능동적 면내 감쇠가 정격 풍속 초과 및 미만 모두에서 적용될 수 있다. 측정된 로터-면내 속도가 직접적으로 측정될 수 있거나 다른 측정치를 기초로 추정될 수 있을 것이다. 개별적인 블레이드 피치 제어의 이용으로 능동적인 면내 감쇠가 이루어진 그리고 이루어지지 않은 시뮬레이션 스냅샷 도표가 도 1에 도시되어 있다. 도 1은 5 m의 상당한 파도 높이, 10.7 s의 피크 주기, 및 16.5 m/s의 평균 풍속의 환경적 조건에 대한 면내 운동의 시간 영역 시뮬레이션 스냅샷 도표를 도시한다. 통상적인 부유식 풍력 터빈 집합적 블레이드 피치 제어 시스템(ADC) 및 개별적인 블레이드 피치 제어의 이용에 의한 능동적 면내 감쇠를 가지는 통상적인 시스템(ADC + ARIC)이 도시되어 있다. 시뮬레이션은 나셀 흔들림 속도의 측정치, K_vr = -0.25 및

로 실행되었다. 이러한 경우에 롤링의 자연적인 주기는 30초이다. 매개변수 세팅이 최적화되지 않은 경우에도, 면내 운동의 상당한 감소가 ARIC 적용에 의해서 관찰되었다.

로터 블레이드 상에서의 공기역학적 힘의 비선형 성질로 인해서, 예를 들어 로터 속력, 블레이드 피치 각도 및/또는 풍속의 측정치를 기초로 하는 동작 조건으로 면내 감쇠 제어기 이득을 스케쥴링하기 위한 이득 스케쥴링 기술을 적용하는 것이 유리할 수 있을 것이다.

전술한 바와 같이, 부유식 풍력 터빈의 로터-면내 운동의 감쇠를 위한 다른 방법은 로터-면내 수평적 타워 속도에 비례하는 부가적인 신호를 발전기 토크 기준 신호(T_ref)에 부가하는 것이다.

나셀 준위에서 측정된, 로터-면내 수평 속도(

)의 측정치를 고려한다. 이어서, 능동적 면내 감쇠 제어 체계가 다음과 같이 공식화될 수 있을 것이고:

여기에서, T_ref0는 원래의 발전기 토크 기준 신호이고, K_tc는 면내 감쇠 발전기 토크 제어기 이득이다.

이전의 부분(section)에서와 유사하게, 로우 패스 필터링을 가지는 로터-면내 제어 체계가 고주파수 방해를 피하기 위해서 바람직할 수 있고, 수학식 [8]에서 로우 패스 필터링 체계를 이용하는 것은 능동적 면내 감쇠를 위한 이하의 발전기 토크 제어 체계를 유도한다:

발전기 토크 제어의 이용에 의한 능동적 면내 감쇠가 정격 풍속 미만에서 특히 적합하고, 측정된 로터-면내 속도가 또한 다른 측정을 기초로 추정될 수 있을 것이다. 정격 풍속 미만에서의 발전기 토크 제어의 이용으로 능동적인 면내 감쇠가 이루어진 그리고 이루어지지 않은 시뮬레이션 스냅샷 도표가 도 2에 도시되어 있다. 도 2는 2 m의 상당한 파도 높이, 8.5 s의 피크 주기, 및 8 m/s의 평균 풍속의 환경적 조건에 대한 평균 수위에서의 면내 운동의 시간 영역 시뮬레이션 스냅샷 도표를 도시한다. 통상적인 부유식 풍력 터빈 시스템(CC) 및 발전기 토크 제어의 이용에 의한 능동적 면내 감쇠를 가지는 통상적인 시스템(CC + ARTC)이 도시되어 있다. 시뮬레이션은 나셀 흔들림 속도의 측정치, K_tc = 3.0 및

로 실행되었다.

수학식 [3]에서 주어진 요잉 조화 힘을 생성하기 위한 희망 블레이드 피치 각도의 원리가, 부유식 풍력 터빈의 요잉 속도의 측정치를 기초로 하는 일반적으로 비-조화 거동을 가지는 제어 체계로 전달될 수 있다. 그러나, 수학식 [3]에 표시된 미분 제어 작용에 더하여 또는 그 대신에 비례 및/또는 적분 제어 작용을 포함하는 것이 요구될 수 있을 것이다. 이는, 요잉 운동이 느리게 변경되기 때문이고 요잉 운동이 파도에 의해서 거의 영향을 받지 않기 때문이다.

도 3은 양의 x-방향(풍향)에서 볼 때의 블레이드의 회전 각도를 도시한다. 도 3으로부터, 양의 요잉 운동에 대한 요잉 모멘트 복원이 0 내지 180도의 로터 블레이드 방위각을 가지는 로터 블레이드의 양의 개별적인 피칭, 및 180도 내지 360도의, 그리고 음의 요잉 운동에 대해서 반대되는 로터 블레이드 방위각을 가지는 로터 블레이드의 음의 개별적인 피칭에 의해서 얻어진다는 것을 확인할 수 있다.

로터 블레이드 피치 각도의 매끄러운 주기적 변동이 로터의 하나의 회전 중에 요구될 수 있고, 그리고 이러한 것을 기초로, 비례, 적분 및 미분 요잉 운동 제어 작용을 포함하는 제어 체계가 다음과 같이 공식화될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이고:

여기에서,

는 이하와 같이 표현되는 블레이드(i)에 대한 부가적인 요잉 개별적 블레이드 피치 각도 기준이며

여기에서, θ는 타워 요잉 각도이고,

는 타워 요잉 각도 속도이고, K_iy는 적분 제어기 이득이고, K_py는 비례 제어기 이득이며, K_vy는 미분 제어기 이득이고,

는 로터 블레이드(i)의 방위각이다.

개별적인 블레이드 피치 제어의 이용에 의한 능동적 요잉 운동 제어가 정격 풍속 초과 및 미만 모두에서 적용될 수 있다. 요잉 운동이 직접적으로 측정될 수 있거나 다른 측정치를 기초로 추정될 수 있을 것이다. 개별적인 블레이드 피치 제어의 이용으로 능동적인 요잉 운동 제어가 이루어진 그리고 이루어지지 않은 시뮬레이션 스냅샷 도표가 도 4에 도시되어 있다. 도 4는 5 m의 상당한 파도 높이, 10.7 s의 피크 주기, 및 16.5 m/s의 평균 풍속의 환경적 조건에 대한 평균 수위에서의 요잉 운동의 시간 영역 시뮬레이션 스냅샷 도표를 도시한다. 통상적인 부유식 풍력 터빈 집합적 블레이드 피치 제어 시스템(ADC) 및 개별적인 블레이드 피치 제어의 이용에 의한 요잉 운동 제어를 가지는 통상적인 시스템(ADC + AYIC)이 도시되어 있다. 시뮬레이션이 K_py = 2.5, K_iy = 0.25 및 K_vy = 0으로 실행되었다.

이러한 예에서, 미분 제어기 이득이 영으로 세팅되었다. 이는, 부유식 풍력 터빈 내에서 요잉 운동에 대한 미분 제어기 작용의 영향이 무시될 수 있다는 것을 깨달았기 때문이다. 요잉 운동은 바람장의 변화에 따라서 느리게 변경되고, 결과적으로, 감쇠력(유도 제어 작용에 의해서 제공됨)이 거의 영향을 미치지 않는다. 결과적으로, 제어기는 미분 제어 작용을 포함할 필요가 없다.

공기역학적 추력의 비선형 성질로 인해서, 예를 들어 로터 속력, 블레이드 피치 각도 및/또는 풍속의 측정치를 기초로 하는 실제 동작 조건으로 요잉 운동 제어기 이득을 스케쥴링하기 위한 이득 스케쥴링 기술을 적용하는 것이 유리할 수 있을 것이다.

(블레이드 제어 또는 토크 제어에 의한) 면내 운동에 대한 전술한 제어 체계를 요잉 운동에 대한 제어 체계와 조합하여(적절한 규모 조정 인자를 곱하고 함께 부가하여), 능동적인 면내 감쇠 및 요잉 운동 제어 모두를 획득할 수 있다. 상기 제어 체계는 단지 구현 상의 예이고 최적화된 것은 아니다. 최적화는, 운동을 충분히 감소시키는 동시에 예를 들어 블레이드 부하에 대한 너무 큰 부정적인 영향을 유발하지 않는 제어기 세팅을 채택할 것이다.

Claims

복수의 로터 블레이드를 가지는 부유식 풍력 터빈을 위한 운동 제어기로서, 상기 제어기는 요잉 방향의 부유식 풍력 터빈의 운동을 제어하기 위한 합력을 생성하도록 각각의 로터 블레이드의 블레이드 피치를 조정하도록 마련되고, 상기 제어기는, 요잉 오프셋 각도에 비례하는 제어 작용 및/또는 요잉 오프셋 각도의 적분에 비례하는 제어 작용을 포함하는 것인 운동 제어기.
제1항에 있어서, 상기 제어기는, 상기 요잉 오프셋 각도의 미분에 비례하는 제어 작용을 포함하지 않는 것인 운동 제어기.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제어기는, 상기 요잉 오프셋이 특정 문턱값 각도를 초과할 때만 동작하도록 마련되는 것인 운동 제어기.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어기는, 면내 방향의 운동을 제어하도록 마련되는 것인 운동 제어기.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어기는, 축방향의 운동을 제어하도록 마련되는 것인 운동 제어기.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어기는, 복수의 방향으로 동시적으로, 부유식 풍력 터빈의 운동을 제어하도록 마련되는 것인 운동 제어기.
제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어기는, 적어도 하나의 운동에 대한 감쇠력을 제공하기 위해서 상기 부유식 풍력 터빈 이송 속도에 대한 위상으로 각각의 로터 블레이드의 블레이드 피치를 조정하도록 마련되는 것인 운동 제어기.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어기는, 복원력을 제공하기 위해서 상기 부유식 풍력 터빈 운동 변위에 대한 위상으로 각각의 로터 블레이드의 블레이드 피치를 조정하도록 마련되는 것인 운동 제어기.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어기는, 면내 방향의 운동을 제어하기 위해서 상기 로터로 제공되는 부하의 토크를 제어하도록 마련되는 것인 운동 제어기.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어기에 대한 입력이 상기 부유식 풍력 터빈의 운동의 속도의 측정치를 기초로 하는 것인 운동 제어기.
제9항에 있어서, 상기 제어기는 속도 입력부 상에서 로우 패스 필터를 이용하는 것인 운동 제어기.
복수의 로터 블레이드를 포함하는 부유식 풍력 터빈 구조물을 제어하는 방법으로서:
부유식 풍력 터빈의 요잉 운동을 제어하기 위한 합력을 생성하도록 각각의 로터 블레이드의 블레이드 피치를 조정하는 단계를 포함하고, 블레이드 피치 조정은, 요잉 오프셋 각도에 비례하는 제어 작용 및/또는 요잉 오프셋 각도의 적분에 비례하는 제어 작용을 포함하는 제어기를 이용하여 계산되는 것인 방법.
제12항에 있어서, 상기 블레이드 피치 조정은 요잉 오프셋 각도의 미분에 비례하는 제어 작용을 포함하지 않는 제어기를 이용하여 계산되는 것인 방법.
제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 블레이드 피치는, 요잉 오프셋이 특정 문턱값 각도를 초과할 때만 조정되는 것인 방법.
제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 면내 운동을 제어하기 위한 합력을 생성하기 위해서, 각각의 로터 블레이드의 블레이드 피치를 조정하는 단계를 포함하는 것인 방법.
제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 축방향의 운동을 제어하기 위해서 상기 로터 블레이드의 블레이드 피치를 조정하는 단계를 포함하는 것인 방법.
제12항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 방향으로 동시적으로, 상기 부유식 풍력 터빈의 운동을 제어하는 단계를 포함하는 것인 방법.
제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 운동에 대한 감쇠력을 제공하기 위해서 부유식 풍력 터빈 운동 속도에 대한 위상으로 각각의 로터 블레이드의 블레이드 피치를 조정하는 단계를 포함하는 것인 방법.
제12항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 복원력을 제공하기 위해서 상기 부유식 풍력 터빈 운동 변위에 대한 위상으로 각각의 로터 블레이드의 블레이드 피치를 조정하는 단계를 포함하는 것인 방법.
제12항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 면내 방향의 운동을 제어하기 위해서 상기 로터로 제공되는 부하의 토크를 제어하는 단계를 포함하는 것인 방법.
제12항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부유식 풍력 터빈의 운동의 속도의 측정치를 상기 제어기로 입력하는 단계를 포함하는 것인 방법.
제21항에 있어서, 속도 입력부 상에서 로우 패스 필터를 이용하는 단계를 포함하는 것인 방법.
복수의 로터를 가지는 부유식 풍력 터빈을 위한 운동 제어기로서, 상기 제어기는 각각의 로터 블레이드의 블레이드 피치를 조정하여 축방향 이외의 방향을 따른 부유식 풍력 터빈의 운동을 제어하기 위한 합력을 생성하도록 마련되고, 상기 제어기는, 해당 운동이 특정 문턱값을 초과할 때에만 부유식 풍력 터빈의 운동을 제어하도록 마련되는 것인 운동 제어기.
복수의 로터 블레이드를 가지는 부유식 풍력 터빈을 위한 운동 제어기로서, 상기 제어기는 각각의 로터 블레이드의 블레이드 피치를 조정하여 요잉 방향 및 면내 방향을 따른 부유식 풍력 터빈의 운동을 제어하기 위한 합력을 생성하도록 마련되는 것인 운동 제어기.
제1항 내지 제11항, 제23항 또는 제24항 중 어느 한 항에 따른 제어기 또는 제12항 내지 제22항 중 어느 한 항에 따른 방법에 따라서 제어되는 제어기를 포함하는 부유식 풍력 터빈 설비.