KR20190085037A - 풍력 발전 설비 및 풍력 발전 설비를 운전하기 위한 방법 - Google Patents

풍력 발전 설비 및 풍력 발전 설비를 운전하기 위한 방법 Download PDF

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KR20190085037A
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랄프 메싱
보예치흐 긴길
즈펜 제베르그
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보벤 프로퍼티즈 게엠베하
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Abstract

본 발명은, 타워(102), 가변 로터 속도(n)로 작동될 수 있으며 그리고 각각 조절 가능한 로터 블레이드 각도(α)를 갖는 복수의 로터 블레이드(108)를 구비하는 공기 역학적 로터(106), 출력 전력(P)을 생성하기 위한 발전기(Gen)를 포함하는, 풍력 발전 설비(100)에 관한 것으로, 풍력 발전 설비(100)를 작동시키기 위한, 로터 속도(n)와 출력 전력(P) 사이의 관계를 지시하는, 작동 특성 곡선(200, 202, 204, 300, 302, 304, 306)이, 지정되며 그리고, 작동 특성 곡선(200, 202, 204, 300, 302, 304, 306)에 따라서 로터 속도(n)에 의존하여 출력 전력(P)을 조정하는 제어부가 제공되고, 상기 작동 특성 곡선(200, 202, 204, 300, 302, 304, 306)으로서, 풍력 발전 설비(100)의 시스템 공진의 여기가, 시스템 공진을 여기하는 회전 속도(2)를 배제하지 않는 가운데, 전력 최적 작동 특성 곡선(200, 300)에 비해 감소하도록 구성되는, 음조 감소(tonality-reduced) 작동 특성 곡선(202, 204, 302, 304, 306)이, 선택될 수 있는 것인, 풍력 발전 설비(100)에 관한 것이다.

Description

풍력 발전 설비 및 풍력 발전 설비를 운전하기 위한 방법
본 발명은 풍력 발전 설비에 관한 것이다. 본 발명은 또한 풍력 발전 설비를 파라미터화하는 방법에 관한 것이고, 본 발명은 풍력 발전 설비를 운전하기 위한 방법에 관한 것이다.
풍력 발전 설비들이 공지되고, 이들은, 특히 전력 공급 네트워크로 전력을 공급하기 위해, 풍력으로부터 전력을 생성한다. 풍력 발전 설비는, 환경 친화적인 전력 생성의 장점 외에, 특정 상황에서는 방해가 되는 것으로 느껴질 수도 있다. 특히 풍력 발전 설비가 인구 밀집 지역 근처에서 작동될 때, 풍력 터빈의 작동 소음은, 방해가 되는 것으로 느껴질 수 있다.
특히 풍력 발전 설비의 로터 블레이드들 상의 풍력 소음은, 다소 큰 소음 스펙트럼을 유발할 수 있다. 그러한 스펙트럼의 소음을 감소시키기 위해 그리고 그로 인해 풍력 발전 설비를 더 조용하게 만들기 위해, 특정 상황에서, 풍력 발전 설비의 속도를 감소시키는 것이 제안될 수 있다.
그러나 다른 소음원이 있을 수도 있다. 예컨대, 특히 공진이 여기되는 경우, 풍력 발전 설비의 타워 또는 기관실 내에서의 진동에 의해서도 또한, 음향이 발생할 수 있다. 그러한 음향, 또는 그러한 방식으로 이로 인해 발생되는 음향은, 구조 유발 음향이라고도 할 수 있다. 이러한 구조 유발 음향에 의한 증가된 음향 출력 레벨은, 종종 좁은 주파수 대역에서 발생하고, 종종 저주파이고, 인간의 귀에 불편한 느낌을 준다. 주파수 스펙트럼에서, 구조 유발 음향이 방출하는 이러한 소음은, 각 주파수 대역에서 피크로서 발생한다.
또한 그러한 구조 유발 음향은, 특히 주파수 스펙트럼 내의 상기 피크는, 풍력 발전 설비의 감속에 의해 작동 도중에 감소될 수 있다. 그러나 풍력 발전 설비의 감속 작동은 또한, 전체 스펙트럼을 감소시키고, 그리고 그로 인해 구조 유발 음향의 피크가 더 우세하게 되도록 하는 효과를 가질 수 있을 것이다. 이로 인해, 그러한 구조 유발 음향이, 사람의 귀에 의해 더욱 더 인지되고, 그리고 결과적으로 더욱 더 불쾌하게 느껴지는 효과가, 초래될 수 있을 것이다.
주파수 스펙트럼에서 뚜렷한 피크를 갖는 그러한 구조 유발 음향은 또한, 음조(tonality)로도 지칭된다.
공지의 시스템 공진을 작동 도중에 배제하는 것이 또한 공지되어 있다. 이를 위해, 특히, 시스템 공진을 여기하는 대응하는 로터 속도를 배제하거나 또는 가급적 신속하게 대응하는 로터 속도를 통과하는, 속도 제어가 제공된다. 이러한 방법의 문제점은 특히, 설비가, 배제할 속도 범위보다 낮거나 높은 속도로 작동되어야 하는지에 대한 결정이 내려져야 한다는 것이다. 다른 경우에는 바람직한 작동 지점이 배제할 속도의 범위 내에 있으면, 그러한 결정은 어려울 수 있으며, 최악의 경우에는 바로 다음으로 높은 속도와 바로 다음으로 낮은 속도 사이에서의 계속적인 변화를 초래할 수 있다.
독일 특허청은, 본 출원의 우선권 주장 출원 시에, 뒤따르는 선행 기술들을 조사했다: US 2008/0164091 A1; US 2012/01 39244 A1; WO 2012/139584 A1 및 WO 2013/097863 A1.
본 발명의 과제는 전술한 문제점 중 적어도 하나를 해결하는 것이다. 특히, 그러한 구조 유발 음향의 발생 또는 인지를 감소시키는 해결 방법이 제안되어야 한다. 적어도 이전의 해결 방법과 다른 대안적인 해결 방법이 제안되어야 한다.
본 발명에 따라 청구항 제 1항에 따른 풍력 발전 설비가 제안된다. 이러한 풍력 발전 설비는 타워, 공기 역학적 로터 및 발전기를 포함한다. 기본적으로 하나도 충분하지만, 복수의 로터 블레이드를 구비하는, 공기 역학적 로터는, 가변 로터 속도로 작동될 수 있으며, 그리고 로터 블레이드들은, 그들의 로터 블레이드 각도에 관해 조절될 수 있다. 로터 블레이드 각도는 또한, 일반적으로 피치각으로 지칭되며, 그리고 로터 블레이드 각도의 조절은 또한, 일반적으로 피칭(pitching)이라고 지칭된다.
로터 속도와 출력 전력 사이의 관계를 지시하는, 작동 특성 곡선이, 풍력 발전 설비의 작동을 위해 지정된다. 특히, 풍력 발전 설비는, 로터 속도의 조절 시 대응하는 출력 전력이 작동 특성 곡선에 따라 설정되도록, 그러한 작동 특성 곡선에 따라서 작동된다. 이를 위해, 출력 전력을 작동 특성 곡선에 따라서 로터 속도에 의존하여 조절하는, 제어부가, 제공된다. 선택 가능한 작동 특성 곡선으로서, 음조 감소 작동 특성 곡선이, 제공된다. 이 작동 특성 곡선은, 음조가 감소 또는 제한되면, 대응하여 선택된다.
이러한 음조 감소 작동 특성 곡선은, 풍력 발전 설비의 시스템 공진의 여기가 전력 최적 작동 특성 곡선에 비해 감소되도록, 구성된다. 그러나, 음조 감소 작동 특성 곡선은, 이러한 시스템 공진을 여기하는 속도를 배제하지 않도록 형성된다. 특히 이러한 음조 감소 작동 특성 곡선은, 연속적 특성 곡선이다.
본 발명에 따라, 그에 따라, 음조를 감소시키기 위해 또는 제한하기 위해, 상이하지만 급격하지 않은 작동 특성 곡선을 선택하는 것이 제안된다.
바람직하게, 작동 특성 곡선은, 음조 감소 작동 특성 곡선, 전력 최적 작동 특성 곡선, 및 음향 저감 작동 특성 곡선으로부터 선택되는 것이 제안된다. 전력 최적 작동 특성 곡선은, 풍력으로부터 전력 공급량이 최대화되도록 구성되는 작동 특성 곡선이다. 이러한 전력 최적 작동 특성 곡선은 특히, 음향 저감이 기본적으로 필요하지 않거나 주어진 상황에서 거슬리는 음향이 예상되지 않을 때, 선택될 수 있다. 이것은, 예를 들어 바람이 단지 비 인구 밀집 지역으로만 풍력 발전 설비로부터의 음향을 다다르게 하는 경우에, 예를 들어 풍향에도 또한 의존할 수 있을 것이다.
음향 저감 작동 특성 곡선은, 풍력 발전 설비의 음향 방출이 전력 최적 작동 특성 곡선에 비해 일반적으로 감소하도록 구성된다. 특히 이 경우 음향 방출의 음향 출력 스펙트럼은 감소한다. 대조적으로, 음조 감소 작동 특성 곡선의 경우, 음조는 의도적으로 감소된다. 이는 또한, 전체 소음 스펙트럼이, 전력 최적 작동 특성 곡선에 비해 감소되지 않거나, 또는 단지 약간만 감소되는 것을 의미할 수 있다.
상기 작동 특성 곡선들 사이에서의 이러한 선택의 결과, 풍력 발전 설비는, 간단하게 각각의 상황 또는 요구에 따라 조정될 수 있는 한편, 연속적 작동 또는 연속적 작동 관리가 보장된다.
실시예에 따라, 음조 감소 작동 특성 곡선은, 공진 속도 범위에서, 동일한 공진 속도 범위의 전력 최적 작동 특성 곡선보다 작은 값의 출력 전력을 갖고, 음조 감소 작동 특성 곡선은, 공진 속도 범위에서도 또한 연속적인 것이 제안된다. 따라서, 공진 속도 범위는, 풍력 발전 설비의 시스템 공진을 여기하는 로터 속도가 놓이는, 범위이다. 이 경우, 음조 감소 작동 특성 곡선은, 적어도 전력 최적 작동 특성 곡선보다 얼마간 평평하게 연장된다.
양자 모두의 작동 특성 곡선은, 로터 속도에 의존하여 출력 전력을 지시하며, 이 경우 등가의 속도가 또한 이용될 수 있으며, 그리고 그에 따라 이 경우 음조 감소 작동 특성 곡선이 감소한다. 적어도, 음조 감소 작동 특성 곡선의 공진 속도에서의 출력 전력의 값이, 전력 최적 작동 특성 곡선의 경우에서보다 작다. 그러나, 이 경우, 음조 감소 작동 특성 곡선은, 공진 속도 범위에서도 또한 연속적이다. 따라서, 여기서는 출력 전력의 특이값이 아닌, 전체적으로 범위가 작아지지만, 음조 감소 작동 특성 곡선의 적어도 하나의 값이 또한 전력 최적 작동 특성 곡선보다 작다. 또한, 관련된 속도 범위에서 전력이 의도적으로 감소됨으로써, 목표대로 음조를 고려할 수 있다. 따라서, 전체적으로 이 속도에서 작용하는 힘이 또한 감소되며, 그리고 이에 상응하게 시스템 공진의 여기가 또한 감소된다.
풍력 발전 설비는, 원칙적으로 복수의 시스템 공진을 또한 가질 수 있지만, 여기에서, 하나의 시스템 공진이 지배적이며 그리고 이러한 시스템 공진은 제안된 조치에 의해 덜 여기된다는 것이, 가정된다. 그럼에도 불구하고, 풍력 발전 설비는, 연속적 작동 특성 곡선에 따라 작동될 수 있다.
바람직하게는, 음조 감소 작동 특성 곡선은, 심지어 공진 속도 범위에서도, 연속적으로 미분 가능하며, 그리고 엄격하게 단조롭게 증가한다. 작동 특성 곡선은 그에 따라, 도함수, 즉 로터 속도에 대한 출력 전력의 도함수에 따라, 연속적이다. 또한, 작동 특성 곡선은, 엄격하게 단조롭게 증가하고, 따라서, 출력 전력은, 로터 속도가 증가함에 따라, 하강하는 또는 일정한 영역에 놓이지 않는 가운데, 증가한다. 이로 인해, 작동 특성 곡선은 또한, 음조 감소 작동을 위해 풍력 발전 설비를 제어하기 위해, 간단한 방식으로 이용될 수 있다. 특히, 수평인 또는 심지어 다시 하강하는 작동 특성 곡선들의 영역들이, 실행될 조절에 대한 결정되지 않은 및/또는 불안정한 영역의 발생을 야기하는 것이, 방지된다.
추가 실시예에 따르면, 음조 감소 작동 특성 곡선은, 제1 로터 속도 범위, 제2 로터 속도 범위 및 제3 로터 속도 범위로 세분될 수 있는 것이 제안된다. 이 경우, 제1 로터 속도 범위는, 풍력 발전 설비가 시동되는 로터 속도를 나타내는, 시동 속도에서 시작된다. 제2 로터 속도 범위는, 제1 로터 속도 범위보다 높은 속도를 가지며, 그리고 그에 따라 제1 로터 속도 범위를 뒤따른다. 제3 로터 속도 범위는, 제2 로터 속도 범위보다 높은 속도를 가지며, 그리고 정격 속도까지 연정된다. 또한, 제2 로터 속도 범위는 공진 로터 속도를 포함한다. 따라서 이러한 3개의 로터 속도 범위 및 공진 속도는, 부분 부하 작동 또는 부분 부하 범위 내에 놓인다. 따라서, 이러한 부분 부하 범위는, 제1 로터 속도 범위의 시작부터 제3 로터 속도 범위의 종료까지 연장된다. 따라서, 제2 로터 속도 범위는, 이러한 부분 부하 범위에서 중앙 범위이며, 그리고 이러한 중앙 범위 내에, 공진 속도가 놓인다. 공진 속도 또는 공진 속도 범위는, 따라서, 시스템 공진이 여기되는, 속도 또는 범위이다.
이를 위해, 실시예에 따라, 제2 로터 속도 범위에서, 음조 감소 작동 특성 곡선의 출력 전력은, 전력 최적 작동 특성 곡선의 출력 전력보다 낮은 것이 제안된다. 또한, 제2 로터 속도 범위가, 특히 공진 속도 범위를 포함하거나 또는 이에 상응하는 것이, 제안된다.
바람직한 실시예에 따르면, 풍력 발전 설비는, 부분 부하 작동 시의 피치 특성 곡선에 대응하는 방식으로 생성된 출력 전력에 의존하여 로터 블레이드 각도를 조정하는, 피치 제어부를 갖도록 제공되는 것을 특징으로 한다. 또한, 피치 특성 곡선은, 선택된 작동 특성 곡선에 의존하여, 복수의 피치 특성 곡선으로부터 선택될 수 있다. 특히, 고유의 피치 특성 곡선이, 각각의 작동 특성 곡선을 위해 제공되는 것이, 제안된다.
이 경우, 가변 피치각이, 부분 부하 작동 시에도, 바람직하다는 것이, 파악되었다. 이로써, 부분 부하 작동 시, 사전 결정된 일정한 최적 각도가 이용되는 것이 아니라, 즉 고정된 부분 부하 각도가 이용되는 것이 아니라, 각도는 각 조건에 따라 조정된다.
또한, 선택된 작동 특성 곡선에 의존하여, 즉 특히 음조 감소 작동 특성 곡선이 형성되는지, 음향 저감 작동 특성 곡선이 형성되는지, 또는 전력 최적 작동 특성 곡선이 형성되는지 여부에 따라, 상응하는 피치 특성 곡선이 선택된다는 것이, 파악되었다. 각각의 피치 특성 곡선은 바람직하게, 각각의 작동 특성 곡선에 매칭된다. 따라서 풍력 발전 설비의 작동은, 공기 역학적으로도 또한, 각각의 작동 특성 곡선에 그리고 그에 따라 각각의 작동 상황에 맞게 조정될 수 있다.
속도 의존적인 출력 전력을 변경함에 의해, 그 결과, 예를 들어 전력 최적 작동 특성 곡선에 비해, 상이한 로터 속도 및 그에 따른 팁 속도 비가, 심지어 동일한 풍력 조건에서도, 일어날 수 있다는 것이 파악되었다. 특히 팁 속도 비에 대한 그러한 변동은, 조정된 피치 특성 곡선에 의해 고려된다.
하나의 실시예에 따르면, 피치 특성 곡선은, 제1 출력 전력 범위, 제2 출력 전력 범위, 및 제3 출력 전력 범위로 세분될 수 있는 것이, 제안된다. 제1 출력 전력 범위는, 풍력 발전 설비가 시동되는 출력 전력에 상응하는, 출력 전력에서 시작된다. 제2 출력 전력 범위가, 이어지며 그리고 상기 제2 출력 전력 범위는 따라서, 제1 출력 전력 범위보다 높은 출력 전력을 갖는다. 제3 출력 전력 범위는, 제2 출력 전력 범위보다 높은 출력 전력을 가지며, 그리고 부분 부하 작동의 최대 출력 전력 또는 발전기의 정격 전력까지 연장된다.
풍력 발전 설비는, 그에 따라, 바람직하게, 부분 부하 작동 시, 그의 작동 거동에 관해서도 또한 3개의 출력 전력 범위로 세분된다. 따라서, 부분 부하 작동 시에도, 다양한 상황을 고려한 목표한 작동이, 가능하다. 또한, 이와 관련해서, 어느 경우든, 음조 감소를 구현하기 위해, 부분 부하 작동 시, 하나의 일정한 로터 블레이드 각도의 이용이 개선될 수 있음이 파악되었다.
이를 위해, 하나의 실시예에 따르면, 음조 감소 작동 특성 곡선을 선택할 때, 음조 감소 피치 특성 곡선으로도 지칭될 수 있는, 조정된 피치 특성 곡선이 설정되는 것이, 제안된다. 이러한 조정된 피치 특성 곡선은 바람직하게, 제1 출력 전력 범위에서, 동일한 출력 전력 범위에서의 전력 최적 피치 특성 곡선보다, 큰 로터 블레이드 각도를 갖는다. 또한, 전력 최적 피치 특성 곡선은, 전력 최적 작동 특성 곡선과 관련한 사용을 위해 제안되는, 피치 특성 곡선이다.
따라서, 피치 특성 곡선은, 선택된 작동 특성 곡선에 의존하여 조정될 수 있다는 것이, 제안된다. 그에 따라, 조정된 피치 특성 곡선이, 이를 위해 제안된다. 바람직하게, 풍력 발전 설비의 제어부가, 미리 하나 이상의 대응하는 피치 특성 곡선을 포함하며 그리고 이러한 피치 특성 곡선은, 선택된 작동 특성 곡선에 따라 선택될 수 있다.
추가로 또는 대안으로서, 조정된 피치 특성 곡선, 즉 음조 감소 피치 특성 곡선은, 제2 출력 전력 범위에서, 동일한 출력 전력 범위에서의 전력 최적 피치 특성 곡선보다, 큰 로터 블레이드 각도를 갖는다.
조정된 피치 특성 곡선은, 제2 출력 전력 범위에서 더 크고, 즉 동일한 출력 전력 범위에서의 전력 최적 피치 특성 곡선보다, 큰 로터 블레이드 각도를 갖는다. 추가로 또는 대안으로서, 조정된 피치 특성 곡선은, 제2 출력 전력 범위에서, 제1 출력 전력 범위에 비해 작은 로터 블레이드 각도를 가질 수 있을 것이다. 따라서, 블레이드 각도는, 전력 최적 피치 특성 곡선에 비해 더 크며, 그리고 추가로 또는 대안으로서, 제1 출력 전력 범위에 비해 더 작다.
바람직하게, 제2 출력 전력 범위는, 제2 로터 속도 범위에 상응한다. 이는, 특히, 풍력 발전 설비가 제2 출력 전력 범위에서 작동되는 경우는 항상, 이러한 풍력 발전 설비가 또한 제2 로터 속도 범위에서 작동된다는 것을 의미한다. 분명히 말해서, 이 두 개의 범위는, 동일한 풍속 범위를 포함하지만, 분류를 위해 풍속이 명시적으로 포함되지 않는다. 바람직하게, 제1 출력 전력 범위, 제2 출력 전력 범위, 및 제3 출력 전력 범위는 각각, 제1 로터 속도 범위, 제2 로터 속도 범위, 및 제3 로터 속도 범위에 상응한다. 따라서, 개별 범위에 관한 전술한 내용을, 피치 특성 곡선 및 작동 특성 곡선에 각각 동일하게 적용할 수 있다. 특히, 각각의 제1 범위, 제2 범위, 및 제3 범위 사이의 변동은, 피치 특성 곡선 및 작동 특성 곡선 모두에서 이루어질 수 있다.
대안예에 따르면, 피치 각도가 마찬가지로, 로터 속도에 의존하여 조정되며, 그리고 그에 따라 피치 특성 곡선들은 개별적으로, 로터 속도에 의존하여 설정된다. 이 경우, 특히 바람직하게, 작동 특성 곡선을 위한 것과 동일한 로터 속도 범위들이, 피치 특성 곡선을 위한 기초로서 취해지는 것이, 제안된다.
하나의 연결되지 않는 예에 따르면, 제2 출력 전력 범위는 대략 4 내지 10 m/s의 풍속 범위에 상응하는 것이 제안된다. 따라서, 제2 출력 전력 범위는, 부분 부하 작동의 큰 중간 범위와 관련된다. 이 경우, 특히, 특성 곡선에 대한 유리한 변경이 적용될 수 있고, 이러한 적용은, 시동 풍속으로부터 충분한 간격을 두고 이루어지며, 그리고 마찬가지로 위쪽으로 전-부하 작동으로의 전이까지 충분한 간격을 두고 이루어진다.
추가로 또는 대안으로서, 제2 로터 속도 범위는, 로터의 정격 속도의 대략 20% 내지 80% 범위인 것이 제안된다. 이로 인해, 부분 작동의 큰 중간 범위가, 전술한 이점을 획득하기 위해, 이러한 제2 로터 속도 범위에 대해 제공된다. 위아래로의 경계 영역들은, 이 경우 배제될 수 있다.
바람직하게, 풍력 발전 설비는, 적어도 제2 로터 속도 범위에서, 음조 감소 작동 특성 곡선은, 전력 최적 작동 특성 곡선에 비해 감소된 값의 출력 전력을 가지며, 그리고 조정된 피치 특성 곡선은, 동일한 범위에서, 전력 최적 피치 특성 곡선에 비해 변경된 로터 블레이드 각도를 갖는 것을 특징으로 한다. 이로 인해, 팁 속도 비의 변경에 의해 발생하는 전력 계수의 저하가, 적어도 부분적으로 저지된다. 따라서, 조정된 피치 특성 곡선은, 팁 속도 비의 이러한 변경을 고려한다.
보완적으로, 조정된 피치 특성 곡선은 또한, 제1 출력 전력 범위에서, 전력 최적 피치 특성 곡선에 비해 변경될 수 있고, 이 경우 상기 피치 특성 곡선은, 전력 최적 피치 특성 곡선보다 큰 블레이드 각도를 갖는다.
블레이드 각도가 커짐으로써, 특히 공기 역학의 개선이 또한 이루어질 수 있다.
하나의 실시예에 따르면, 시동 풍속부터 적어도 절반의 정격 풍속까지의 풍속의 범위에서, 음조 감소 작동 특성 곡선을 사용할 때, 팁 속도 비는, 풍속이 증가함에 따라, 엄격하게 단조롭게 감소하는 것이, 제안된다. 특히, -2 미만의 기울기가 제안된다. 예를 들어 -3 및 -4의 값이 또한 고려될 수 있다. 하나의 실시예에 따르면, -10까지의 값들이 제안된다. 이는, 정격 풍속으로 정규화된 풍속과 관련된다.
바람직하게, 음조 감소 작동 특성 곡선을 사용할 때의 팁 속도 비 대 전력 최적 작동 특성 곡선을 사용할 때의 팁 속도 비의 비율은, 1을 초과한다. 따라서, 음조 감소 작동 특성 곡선을 사용할 때의 팁 속도 비는, 각각의 경우에, 전력 최적 특성 곡선을 사용할 때의 상응하는 팁 속도 비보다 크다.
본 발명에 따르면, 풍력 발전 설비를 파라미터화하기 위한 방법이 제안된다. 이 경우에도, 타워 및 공기 역학적 로터를 포함하는 풍력 발전 설비를 기초로 한다. 공기 역학적 로터는, 가변 로터 속도로 작동될 수 있으며 그리고 조절 가능한 로터 블레이드 각도를 갖는 복수의 로터 블레이드를 구비한다. 또한, 출력 전력을 생성하기 위한 발전기가, 제공된다.
파라미터화하기 위해, 먼저, 로터 속도와 출력 전력 사이의 관계를 지시하는, 전력 최적 작동 특성 곡선이 결정된다. 이 경우, 전력 최적 특성 곡선은, 풍력 발전 설비가 이러한 작동 특성 곡선에 따라서 작동되는 한, 최대 출력 전력을 송출하도록 선택된다.
또한, 풍력 발전 설비의 시스템 공진을 여기하는 로터 속도를 나타내는, 공진 속도가, 검출된다. 이 경우에도, 이러한 시스템 공진은, 타워, 기관실 또는 풍력 발전 설비의 다른 요소들의 공진일 수 있다. 예를 들어 타워 및 기관실과 같은 여러 요소가 함께 시스템 공진을 결정하는 경우, 전체로서 풍력 발전 설비에 대한 공진이, 고려될 수 있다.
또한, 공진 속도 범위에서 전력 최적 작동 특성 곡선에 비해 낮은 값의 출력 전력을 갖는, 음조 감소 작동 특성 곡선이 결정된다. 음조 감소 작동 특성 곡선은, 공진 속도 범위에서도 또한 연속적이도록, 결정된다. 즉, 실제로, 목표대로 제어될 또는 목표대로 회피될 특이적 속도 출력값들만이 아닌, 음조 감소 작동 특성 곡선이, 결정된다.
이러한 제안된 파라미터화의 결과는, 특히 음조 감소 작동 특성 곡선의 결정이다. 전체적으로, 적어도 2개의 작동 특성 곡선, 즉 전력 최적 및 음향 감소 작동 특성 곡선이 파라미터화된다. 풍력 발전 설비는 이때, 선택적으로, 적어도 상기 2개의 작동 특성 곡선 중 하나에 따라 작동될 수 있다. 예를 들어, 이러한 음조의 여기가 어떤 경우에도 예상되지 않기 때문에, 또는 풍력 발전 설비 근처에서 아무도 이러한 음조에 의해 방해받는 것으로 느끼지 않기 때문에, 음조의 감소에 대한 요구가 구체화되지 않았다면, 풍력 발전 설비는, 전력 최적 작동 특성 곡선에 따라 작동될 수 있을 것이다. 이 경우, 기본적으로 공지된 작동 특성 곡선이, 전력 최적 작동 특성 곡선으로서 또한 이용될 수 있을 것이다. 이러한 음조 감소 작동 특성 곡선은, 단지 음조의 감소 요구가 있는 경우에만, 사용될 수 있다. 그러나, 바람직하게, 풍력 발전 설비는 이때, 영구적으로 음조 감소 작동 특성 곡선에 따라 작동된다. 일반적으로, 전력 최적 작동 특성 곡선과 음조 감소 작동 특성 곡선 사이에서 끊임없이 지속적으로 전환하는 것이, 의도되지 않는다.
바람직하게, 전술한 실시예들 중 적어도 하나의 실시예에 따라, 풍력 발전 설비가, 파라미터화된다. 이 경우, 뒤따르는 목록의 적어도 하나의 요소가, 파라미터화된다:
- 전력 최적 피치 특성 곡선,
- 조정된 피치 특성 곡선,
- 제1 로터 속도 범위,
- 제2 로터 속도 범위,
- 제3 로터 속도 범위,
- 제1 출력 전력 범위,
- 제2 출력 전력 범위,
- 제3 출력 전력 범위 및
- 음향 저감 작동 특성 곡선.
이러한 모든 요소들은, 이미 풍력 발전 설비의 실시예와 관련해서 설명되었고, 풍력 발전 설비의 적어도 하나의 실시예와 관련해서 전술한 것을 야기하도록, 정확히 파라미터화를 수행하는 것이 제안된다.
하나의 실시예에 따르면, 공진 속도의 검출은, 로터 속도를 변경함에 의해 그리고 풍력 발전 설비 주변에서 연관된 음조를 검출함에 의해 이루어지는 것이 제안된다. 이때, 음조가 최대값을 갖는 로터 속도가, 공진 속도로써 이용된다. 이는 바람직하게, 10 Hz 내지 100 Hz 사이에 놓이는, 사전 결정된 테스트 주파수 범위에서 이루어진다.
음조는, 특히 주파수의, 지배적인 소음이다. 따라서, 전체적으로 음향 출력 스펙트럼에 대한 음향 출력이 검출되지 않지만, 주파수의 이러한 소음의 비율이 구체적으로 고려된다. 주파수의 이러한 소음은, 로터 속도가, 이러한 소음을 발생시키도록, 풍력 발전 설비가 여기되는 값을 가질 때, 특히 강하게 증가한다. 특히 이것은, 풍력 발전 설비의 대응하는 운동으로 인해, 풍력 발전 설비에 의해 방출되는 구조 유발 음향이다.
이와 같이 검출된 공진 속도에 기초해서, 음조 감소 작동 특성 곡선이 또한, 결정될 수 있다. 이에 기초해서, 조정된 피치 특성 곡선이 이어서 결정될 수 있다. 이러한 조정된 피치 특성 곡선은, 이러한 피치 특성 곡선이 적어도 하나의 음조 감소 작동 특성 곡선에 할당될 수 있기 때문에, 음조 감소 작동 특성 곡선으로도 지칭될 수 있다.
바람직하게, 음조 감소 작동 특성 곡선의 결정은, 출력 전력이, 공진 속도 범위에서, 특히 공진 속도에서, 풍력 발전 설비의 주변에서 기록된 음조가 사전 결정된 한계값 아래로 떨어질 정도로, 전력 최적 작동 특성 곡선에 비해, 감소하도록 이루어진다. 바람직하게, 출력 전력의 감소 및 음조의 기록은, 사전 결정된 한계값 아래로 떨어질 때까지, 반복되거나 또는 연속적인 프로세스로 수행된다.
여기서, 또한, 그에 따라, 특히 공진 속도가 전술한 바와 같이 기록되었을 때의, 말하자면 특히 공진 속도에서 발생하는, 주파수의 특정 소음이, 조사된다. 따라서, 설비는 바람직하게, 공진 속도에서 작동되며, 그리고 전력은, 하나의 주파수의 이러한 소음이 사전 결정된 한계값 아래로 떨어질 때까지, 감소된다. 음조 감소 작동 특성 곡선은 이때, 이러한 공진 속도에서, 그에 따라 발견되는 낮은 발전기 속도를 갖도록, 구성될 수 있다. 그러나, 이 경우, 작동 특성 곡선은, 연속적이도록, 특히 연속적으로 미분 가능하며 그리고 엄격하게 단조롭게 증가하도록, 설정된다. 결과는, 공진 속도에서 낮은 전력값을 갖는, 작동 특성 곡선이다. 그러나, 이는, 결과적으로, 동일한 속도에서 전력 최적 작동 특성 곡선의 전력에 비해, 훨씬 적은 전력이, 전체적으로 생성된다는 것을, 의미하지 않는다. 오히려, 상이한 작동 지점이 생성된다. 엄격하게 단조롭게 증가하는 작동 특성 곡선이, 더 높은 속도의 작동 지점을 생성한다. 음조 감소 자동 특성 곡선에 따른 작동, 즉 음조의 감소는, 증가하거나 또는 적어도 감소되지 않는 음향 출력 스펙트럼을 의미할 수도 있다는 것을, 알아야 한다. 음향 출력 레벨이 감소되는 작동은, 음조가 증가하는 것 또는 음조가 적어도 감소되지 않는 것을 의미한다. 음조에 대해, 또는 격리된 주파수의 소음의 감지를 위해, 나머지 음향 출력 스펙트럼과 비교한, 주파수의 이러한 지배적 소음의 비율이, 특히 중요하다.
본 발명에 따르면, 풍력 발전 설비를 운전하기 위한 방법이 또한 제안된다. 본 발명에 따른 풍력 발전 설비와 관련해서 이미 전술한 바와 같이, 이 경우에도, 풍력 발전 설비는, 타워, 공기 역학적 로터, 및 전력 생성을 위한 발전기를 포함한다.
로터 속도와 출력 전력 사이의 관계를 지시하는 작동 특성 곡선이, 풍력 발전 설비의 작동을 위해, 지정되며, 그리고 출력 전력은, 상기 작동 특성 곡선에 따라서 로터 속도에 의존하여 설정된다. 이 경우, 음조 감소 작동 특성이, 작동 특성 곡선으로서 선택될 수 있다. 이러한 특성 곡선은, 풍력 발전 설비의 설비 여기가, 그러나 이러한 시스템 공진을 여기하는 속도를 배제하지 않는 가운데, 전력 최적 작동 특성 곡선에 비해 감소하도록 구성된다. 특히, 풍력 발전 설비는 본 발명에 따른 풍력 발전 설비의 전술한 실시예들에 대한 설명에 의해 또한 제공되는 방식으로 작동되는 것이, 제안된다. 바람직하게, 전술한 실시예에 따른 풍력 발전 설비가 사용되는 것이, 또한 제안된다.
바람직한 실시예에 따르면, 외부적 사양(specification) 또는 하루 중 시각에 의존하여, 음조 감소 작동 특성 곡선에 따른 풍력 발전 설비의 작동, 풍력으로부터 전력 공급량이 최대가 되도록 구성되는, 전력 최적 작동 특성 곡선에 따른 풍력 발전 설비의 작동 및, 풍력 발전 설비의 음향 방출, 특히 음향 방출의 음향 출력 스펙트럼이, 전력 최적 작동 특성 곡선에 비해 감소하도록 구성되는, 음향 저감 작동 특성 곡선에 따른 풍력 발전 설비의 작동, 사이에서 전환되는 것이, 제안된다. 따라서, 전력 최적 작동, 음조 감소 작동, 및 음향 저감 작동 사이에서, 선택될 수 있다. 선택은, 대응하는 작동 특성 곡선이 선택되도록, 이루어진다. 이 경우에도 또한, 음조 감소 작동 및 음조 감소 작동 특성 곡선은, 음향 저감 작동 또는 음향 저감 작동 특성 곡선과 기본적으로 상이하다는 것이, 다시 한번 강조되어야 한다.
또한, 기본적으로, 풍력 발전 설비에 대한 전술한 적어도 하나의 실시예가 충족되며 그리고 파라미터화를 설명하는 실시예에 따라 파라미터화된, 그리고 추가로 또는 대안으로서, 전술한 실시예에 따른 방법으로 작동되는, 풍력 발전 설비가 제안된다.
본 발명은 지금부터, 첨부된 도면들을 참조하여 실시예를 기초하여 예로서 이하에서 더욱 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 풍력 발전 설비를 투시도로 도시한다.
도 2 및 도 3은 각각, 상이한 작동 특성 곡선을 갖는 다이어그램을 도시한다.
도 4 및 도 5는 각각, 팁 속도 비들에 대한 상이한 프로파일을 갖는 다이어그램을 도시한다.
도 6은 상이한 전력 계수들의 프로파일들을 갖는 다이어그램을 도시한다.
도 7 및 도 8은 각각, 상이한 피치 특성 곡선을 갖는 다이어그램을 도시한다.
도 9는 음향 출력 레벨에 대한 다이어그램을 개략적으로 도시한다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 제어를 실행하기 위한 제어 구조를 개략적으로 도시한다.
도 1은 타워(102)와 기관실(104)을 포함하는 풍력 발전 설비(100)를 도시한다. 기관실(104) 상에, 3개의 로터 블레이드(108)와 스피너(110)를 갖는 로터(106)가, 배치된다. 로터(106)는, 작동 도중에, 풍력에 의해 회전 운동하며, 그리고 이로 인해 기관실(104) 내의 발전기를 구동한다.
본 발명에 따르면, 풍력 발전 설비의 작동 도중에 로터 블레이드 주변의 유동에 의해 야기되는 음향 뿐만 아니라, 특히 공진 시, 타워 또는 기관실 또는 다른 요소들에서의 진동으로 인한 음향도 또한, 발생된다는 것이 파악되었다. 이러한 구조 유발 음향으로 인한 음향 출력 레벨의 증가는 종종, 좁은 주파수 대역에서 발생하고, 종종 저주파이며, 사람의 귀에 의해 불쾌감을 주는 것으로 지각된다. 주파수 스펙트럼에서, 이러한 구조 유발 음향에 의해 유발된 소음은, 각각의 주파수 대역에서 피크로서 발생하며, 그리고 풍력 발전 설비의 음향 방출 평가 시 음조 부가로서 고려된다.
도 9는 이러한 주파수 스펙트럼을 도시한다. 거기에서, 음향 출력 레벨(L)은, 주파수(f)에 의존하여, 다이어그램으로서 개략적으로만 도시된다. 음향 출력 레벨이, 음향 출력 레벨(L1)로서 실선으로 개략적으로 도시된다. 마찬가지로, 비교적 실질적으로 감소된 음향 출력 레벨(L2) 및 전체적으로 증가된 음향 출력 레벨(L3)이, 설명을 위해, 개략적으로 도시된다.
공진 주파수(fR)에서, 음조를 나타내는 피크(LP)가 존재한다. 이러한 피크(LP)는, 감소된 음향 출력 레벨(L2)을 동반하는 경우와 같이, 음향 출력 레벨이 전체적으로 감소되는 경우에, 훨씬 더 명확하게 나타나는 것을, 알아야 한다. 반대로, 피크의 지배성은, 증가된 음향 출력 레벨(L3)을 동반하는 경우에, 감소될 수 있을 것이다.
본 발명에 따르면, 공진 및 그로 인해 야기되는 음조의 발생은, 작동 특성 곡선의 적절한 선택에 의해, 즉 발전기 속도에 의존하는 출력 전력의 지정에 의해, 최소화될 수 있는 것이 파악되었다. 공진 및 이와 관련된 음조가, 발전기에 의해 야기되는 경우에, 음조는, 작동 특성 곡선의 조정에 의해 특히 효과적으로 최소화될 수 있다.
도 2는 이에 대한 예로써 작동 특성 곡선의 변화를 도시한다. 도 2는 3개의 다양한 작동 특성 곡선, 즉 풍력 발전 설비의 출력 전력(P)과 로터 속도(n) 사이의 함수 관계를 도시한다. 전력 최적 작동 특성 곡선(200) 외에도, 2개의 음조 감소 특성 곡선(202, 204)이 도시된다. 따라서 이러한 전력 최적 특성 곡선은, 설비의 음조가 발생하지 않고 또는 감소할 필요가 없을 때, 전력 최적 작동 모드에서 설비가 어떻게 작동되는지 설명하며, 따라서 선행 기술의 특성 곡선에 해당한다.
설비에 음조가 발생하여 감소해야 하는 경우에, 2개의 음조 감소 작동 특성 곡선(202, 204)이 제안된다. 기본적인 풍력 발전 설비에서 증가한 음향 출력 레벨은, 특히 0.8의 범위 내의 정규화된 속도에서 여기된, 하나의 주파수 범위 내의 피크의 형태로 존재하였다. 따라서 0.8의 이러한 정규화된 속도는, 여기에서 공진 속도이다.
따라서 이러한 음조를 방지하기 위해, 이러한 속도 범위에서 발전기의 전력 소비를 줄이는 것이 제안된다. 이를 위해 2개의 음조 감소 작동 특성 곡선(202, 204)이 이용될 수 있다. 2개의 음조 감소 작동 특성 곡선(202, 204)에 의해, 0.8의 정규화된 공진 속도에서, 전력이, 전력 최적 작동 특성 곡선에 비해, 40% 넘게 감소된 것이, 달성된다. 2개의 음조 감소 작동 특성 곡선(202, 204)은 구조적으로 상이하다. 음조 감소 작동 특성 곡선(204)은, 초기에 이미 전력 최적 특성 곡선보다 작은 전력을 제공하는 한편, 다른 음조 감소 특성 곡선(202)은, 낮은 속도에서 초기에는 전력 최적 특성 곡선(200)과 일치한다. 그러나, 어느 경우든, 2개의 음조 감소 작동 특성 곡선(202, 204)은 모두, 공진 속도 범위에서도 연속적이고, 연속적으로 미분 가능하며, 그리고 그렇지 않은 경우, 또한 엄격하게 단조롭게 증가하는, 연속적인 프로파일을 갖는 작동 특성 곡선이다. 따라서, 음조 감소 작동 특성 곡선(202, 204)은, 전력 최적 작동 특성 곡선(200)과 매우 유사한 방식으로 작동 제어 또는 설비 제어를 위한 기초로서 취해질 수 있다.
도 3은 단지 도 2의 다른 예를 도시한다. 도 3의 다이어그램에서 임계적인 정규화된 속도 범위 또한, 약 0.8이다. 이 경우에도, 전력 최적 작동 특성 곡선(300)뿐만 아니라, 3개의 음조 감소 작동 특성 곡선(302, 304 및 306)이, 도시된다. 모든 음조 감소 특성 곡선(302, 304 및 306) 및 도 2의 음조 감소 특성 곡선들은, 본 발명에 따른 음조 감소 작동 특성 곡선들의 예들이다.
3개의 음조 감소 작동 특성 곡선(302, 304 및 306) 또한, 여기에서 0.8인, 정규화된 공진 속도에서, 전력 최적 작동 특성 곡선에 비해 약 절반까지의 전력의 감소로 이어진다. 그러나, 본 발명에 따르면, 비록 음조의 발생이, 특히 도 2 및 도 3에 관해 여기에서 설명된 절차에 의해, 방지될 수 있거나, 또는 감소될 수 있지만, 작동 특성 곡선의 조정에 의해, 로터 블레이드의 최적의 팁 속도 비 범위는, 즉 더 높은 팁 속도 비를 향해 설정되도록, 포기된다는 것이, 또한 파악되었다. 이는, 도 4 및 도 5의 2개의 예에 의해 설명된다.
로터 블레이드는, 제안된 음조 감소 작동 특성 곡선에서, 예컨대, 동일한 풍속에서 기존보다 더 빠르게, 즉 개별적으로 도시되는 전력 최적 작동 특성 곡선을 사용할 때보다 더 빠르게, 회전한다. 이에 대해, 로터 블레이드 평면에서 축방향 유도가 증가하고, 이는 일반적으로 전력 계수의 감소로 이어진다는 것이, 파악되었다. 따라서, 초기에는, 추가적인 해결책 제안이 없는 경우, 도 2 및 도 3에 설명된 음조의 방지 또는 감소가, 풍력 발전 설비의 수율 손실로 이어질 수 있다는 것이, 파악되었다.
도 4 및 도 5는, 기본적으로, 피치 특성 곡선의 조정이 수행되지 않을 때, 개별적으로 도 2 및 도 3의 상응하는 작동 특성 곡선에 대한 팁 속도 비의 프로파일을 도시한다. 이 경우, 팁 속도 비(λ)에 대한 프로파일들(400, 402 및 404)은, 도 2의 작동 특성 곡선들(200, 202 및 204)에 대응한다. 또한, 도 4에 여러 개의 측정 지점을 갖는 작동 특성 곡선이 도시되고, 이 특성 곡선들은 측정들을 지시하며, 그리고 그에 따라, 계산되거나 시뮬레이션되는, 나머지 프로파일들을 입증한다. 도 5에서, 팁 속도 비 프로파일들(500, 502, 504 및 506)은, 도 3의 작동 특성 곡선들(300, 302, 304 및 306)에 상응한다. 도 4 및 도 5 양자 모두에서, 최적의 팁 속도 비(λOPT)가 또한 도시된다. 전력 최적 작동 특성 곡선에 속하지 않는 팁 속도 비의 프로파일들은, 대부분 최적의 팁 속도 비 범위에서 벗어나는 것을 알 수 있다. 따라서, 어느 정도까지 풍력 발전 설비가 최적으로 운전되지 않으며, 그리고 이에 대한 치유책이 제안되는 것이, 파악되었다.
도 2의 경우에 대해서, 전력 계수(Cp)의 그러한 손실이 도 6에 도시된다. Cp-값(600, 602 및 604)의 프로파일은, 도 2의 작동 특성 곡선(200, 202 및 204)에 상응한다. 최적의 Cp-값이 CP_OPT로 표시되며 그리고, 음조 감소 작동 특성 곡선(604)의 경우에 적어도 더 약한 풍속(VW)에 대해 훨씬 감소한 Cp-값이 설정되는 것을 알 수 있다. 또한, 음조 감소 작동 특성 곡선(202)은 여전히 Cp-값에 대해 더 부정확한 프로파일(602)을 야기한다. 또한, Cp-값에 대한 측정값(CM)이 또한 도 6에 도시된다.
따라서, 각각 대략 약 10 m/s의 풍속까지 전력 계수의 부분적으로 눈에 띄는 감소를 확인할 수 있다. 따라서, 이러한 수율 손실을 부분적으로 또는 완전히 보상하기 위해, 작동 특성 곡선에 추가하여, 피치 특성 곡선을 또한 수정하는 것이 제안된다. 따라서, 중요한 특징은, 작동 특성 곡선의 변화에 따라, 피치 특성 곡선의 변화가 또한 이루어진다는 점이, 또한 파악되었다. 피치 특성 곡선은, 설비 제어부에 저장된 출력 전력(Pel) 및 로터 블레이드의 피치각 사이의 관계를 지칭한다. 풍력 발전 설비가 실제로 송출하여 전력 공급 네트워크에 공급되는 전력은, 출력 전력으로 간주된다. 이 경우, 예를 들어, DC 중간 회로를 갖는 풀 컨버터 개념이 사용될 때, DC 중간 회로로부터 출력 전력을 결정하는 것과 같이, 이러한 출력 전력을 검출하는 다양한 방식이, 고려될 수 있다. 그러나, 풍력 발전 설비의 출력 단자에서의 전류-전압 측정 또한, 고려된다. 따라서, 출력 전력은 또한, 이때, 설비 전력과 동일한 의미로 간주될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 특성 곡선에 따른 작동 도중에 팁 속도 비의 상승이 나타나는 경우, 있을 수 있는 풍력 발전 설비의 수율 손실을 회피하기 위해, 피치 특성 곡선을 조정하는 것이 제안된다. 따라서, 본 발명을 위해, 적어도 하나의 실시예를 위해, 새로운 작동 특성 곡선뿐만 아니라 새로운 피치 특성 곡선을, 즉 특히 음조 감소 작동 특성 곡선을 그리고, 이에 대해 조정된, 음조 감소 피치 특성 곡선으로도 또한 지칭될 수 있는, 피치 특성 곡선을, 제안하는 것이 중요하다.
도 7 및 도 8은 각각, 개별적으로 도 2 및 도 3에 따른 전력 최적 작동 특성 곡선(200 및 300)에 대한, 피치 특성 곡선(700 및 800) 및, 각각의 음조 감소 작동 특성 곡선(202 및 306)에 할당되는, 조정된 피치 특성 곡선(702 및 806)을 각각 도시한다. 각각의 경우, 부분 부하 작동 도중의 블레이드 각도로써 정상적인 전력 최적 작동 시에 사용되는 블레이드 각도를 나타내는, 부분 부하 각도(αT)가 표시된다.
도 7에서, 최소 피치각이 부분 부하 각도(αT)에 비해 증가한 것을 알 수 있다. 이로 인해 제안된 음조 감소 작동 특성 곡선에 의한 수율 손실이 보상될 수 있다. 이를 위해, 도 6에서, 전력 계수(606)의 프로파일과 더불어, 전력 계수가, 이러한 조치에 의해, 즉 블레이드 각도(702)를 변경함에 의해, 개선될 수 있다는 것이, 확인될 수 있다. 전력 계수의 이러한 변경된 프로파일(606)은, 그에 따라, 전력 최적 작동 특성 곡선을 위한 전력 계수의 프로파일(600)과 단지 약간만 상이하다.
도 8은, 수율 손실을 회피하기 위해, 전력 최적 작동 특성 곡선의 피치각의 프로파일이 약간 더 복잡한 형태로 수정된, 블레이드 각도의 프로파일(806) 또는 피치 특성 곡선을 도시한다. 약 6 m/s까지, 최소 피치각은, 높게 유지되며, 그리고 약 8 m/s 까지 다시 부분 부하 각도(αT)로 감소된다.
도 7 및 도 8은, 풍속(Vw)에 의존하여 블레이드 각도들의 프로파일들을 도시한다. 그러나 실제 구현을 위해, 피치 특성 곡선들을 저장하는 것이 제안된다. 여기에서 블레이드 각도는, 특히 로터 속도에 따라 달라질 수 있으며, 그리고 그에 따라 조정될 수 있다. 로터 속도에 의해, 풍력 발전 설비의 각각의 작동 지점이 양호하게 검출될 수 있으며, 그리고 그에 따라 블레이드 각도가 선택될 수 있다. 결과적으로, 블레이드 각도는, 풍속에 의존하여, 즉 도 7 또는 도 8에 도시된 바와 같이, 조정될 것이다. 적어도 비-배제적으로, 풍속은, 이를 위한 기초로서 고려되지 않는다.
도 10은 가능한 구현예를 도시한다. 작동 특성 곡선들(O1, 02, 03)이, 저장되며, 그리고 외부 신호(ext)가, 이들 사이에서의 전환을 위해 사용될 수 있다. 이러한 작동 특성 곡선(01, 02, 03)의 입력 변수는, 속도(n)를 형성하며, 그리고 전력(P)이 출력값으로서 획득된다. 이 전력(P)은, 발전기에 대해 조정되어야 한다. 하나의 가능성은, 블록(IE)에 의해 지시되는 여기 전류를 변경함에 의해 적어도 부분적으로 이를 수행하는 것이다. 결과는, 적어도 발전기가 별개로 여기되는 동기식 기계인 경우에, 발전기(Gen)의 로터에 직접적으로 입력될 수 있는, 여기 전류(IE)이다. 그러나, 예를 들어 발전기의 스테이터 전류에 영향을 미치는 것과 같은, 다른 가능성이 또한 존재한다.
또한, 3개의 피치 특성 곡선(P1, P2 및 P3)이 저장되며, 이들 사이에서의 선택이 또한 이루어질 수 있다. 도 10의 도면은 동일한 외부 신호(ext)가 피치 특성 곡선들 사이에서의 대응하는 선택을 위해 또한 이용된다는 것을 나타낸다. 선택은, 피치 특성 곡선(P1, P2 또는 P3)이 각각의 작동 특성 곡선(01, 02 또는 03)에 대해 할당되며, 그리고 그에 따라 작동 특성 곡선(01)은 피치 특성 곡선(P1)과 함께, 작동 특성 곡선(02)은 피치 특성 곡선(P2)과 함께, 그리고 작동 특성 곡선(03)은 피치 특성 곡선(P3)과 함께, 작동되거나 이용되도록 이루어진다. 작동 특성 곡선(01)은, 전력 최적의 작동 특성 곡선을 나타낼 수 있고, 작동 특성 곡선(02)은, 음조 감소 작동 특성 곡선을 나타낼 수 있다. 작동 특성 곡선(03)은, 예를 들어, 음향 저감 작동 특성 곡선을 나타낼 수 있거나, 또는 그 밖의 대안예로서, 즉 추가적인 음조 감소 작동 특성 곡선을 나타낼 수 있다.
도 10의 구조는, 작동 특성 곡선(P1, P2 또는 P3)이, 입력 변수로서, 전력(P)을 수신하는 것을, 도시한다. 명료함을 위해, 여기에서, 세 개의 피치 특성 곡선(P1, P2 및 P3) 중 하나의 출력을 개별적으로 형성하는, 전력(P)이 이용된다. 이것은 풍력 발전 설비의 출력 전력의 이용을 예시할 의도이다. 전력(P) 대신에, 적절하게 조정된 피치 특성 곡선과 더불어, 로터 속도 또는 등가의 속도가 또한, 이용될 수 있고, 일반적으로 회피하는 것이 더 좋지만, 특히 기어장치의 이용 시, 단지 하나의 예로서, 공기 역학적 로터의 로터 속도가 이용되는지 또는 발전기 속도가 이용되는디, 궁극적으로 효과는 동일하다. 어떤 경우에도, 피치 특성 곡선(P1, P2 및 P3)의 출력값은, 블레이드 각도(α)이다. 이것은, 결국 로터 블레이드(B)의 각각의 블레이드 각도를 조정하는, 여기에서 모터(M)로 특징지어지는, 각각의 조절 모터에 제공될 수 있다.
필요한 경우, 안정적인 거동을 보장하기 위해, 한편으로는 각각의 작동 특성 곡선에 의한 발전기의 전력 조정과 다른 한편으로는 대응하는 피치 특성 곡선에 의한 블레이드 각도의 조절 사이에서, 상이한 동역학을 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 도 10에 도시된 구조에서, 특히 여기 전류(IE)를 조절하기 위한 액추에이터의 사용에 의해, 발전기의 전력의 조절은 이미, 블레이드 조절보다 훨씬 신속할 수 있으며, 따라서 이로 인해, 상이한 동력학이 이미 존재하며 그리고 그에 따라 제어의 안정성이 이미 존재한다.

Claims (20)

  1. 풍력 발전 설비(100)로서,
    - 타워(102),
    - 공기 역학적 로터(106)로서, 가변 로터 속도(n)로 작동될 수 있으며 그리고 각각 조절 가능한 로터 블레이드 각도(α)를 갖는 복수의 로터 블레이드(108)를 구비하는 것인, 공기 역학적 로터(106),
    - 출력 전력을 생성하기 위한 발전기(Gen)
    를 포함하고,
    - 상기 풍력 발전 설비(100)를 작동시키기 위한, 상기 로터 속도(n)와 상기 출력 전력(P) 사이의 관계를 지시하는, 작동 특성 곡선(200, 202, 204, 300, 302, 304, 306)이, 지정되며, 그리고
    - 상기 작동 특성 곡선(200, 202, 204, 300, 302, 304, 306)에 따라서 상기 로터 속도(n)에 의존하여 상기 출력 전력(P)을 조정하는 제어부가 제공되고,
    - 상기 작동 특성 곡선(200, 202, 204, 300, 302, 304, 306)으로서, 풍력 발전 설비(100)의 시스템 공진의 여기가, 시스템 공진을 여기하는 속도(2)를 배제하지 않는 가운데, 전력 최적 작동 특성 곡선(200, 300)에 비해 감소하도록 구성되는, 음조 감소(tonality-reduced) 작동 특성 곡선(202, 204, 302, 304, 306)이, 선택될 수 있는 것인, 풍력 발전 설비.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 작동 특성 곡선(200, 202, 204, 300, 302, 304, 306)은 적어도,
    - 상기 음조 감소 작동 특성 곡선(202, 204, 302, 304, 306),
    - 풍력으로부터 취해지는 전력이 최대화되도록 구성되는, 전력 최적 작동 특성 곡선(200, 300), 및
    - 상기 풍력 발전 설비(100)의 음향 방출, 특히 음향 방출의 음향 출력 스펙트럼이, 상기 전력 최적 작동 특성 곡선(200, 300)에 비해 감소하도록 구성되는, 음향 저감 작동 특성 곡선
    으로부터 선택될 수 있는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    - 상기 음조 감소 작동 특성 곡선(202, 204, 302, 304, 306)은, 상기 풍력 발전 설비(100)의 시스템 공진을 여기하는 로터 속도(n)의 공진 속도 범위에서, 동일한 공진 속도 범위의 상기 전력 최적 작동 특성 곡선(200, 300)보다, 작은 값의출력 전력(P)을 가지며, 그리고,
    상기 음조 감소 작동 특성 곡선(202, 204, 302, 304, 306)은, 공진 속도 범위에서도 또한 연속적인 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 음조 감소 작동 특성 곡선(202, 204, 302, 304, 306)은, 심지어 공진 속도 범위에서도, 연속적으로 미분 가능하며, 그리고 엄격하게 단조롭게 증가하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 음조 감소 작동 특성 곡선(202, 204, 302, 304, 306)은, 제1 로터 속도 범위, 제2 로터 속도 범위 및 제3 로터 속도 범위로 세분될 수 있고,
    - 제1 로터 속도 범위는, 상기 풍력 발전 설비(100)가 시동되는 로터 속도를 나타내는, 시동 속도에서 시작되고,
    - 제2 로터 속도 범위는, 제1 로터 속도 범위보다 높은 속도(n)를 가지며,
    - 제3 로터 속도 범위는, 제2 로터 속도 범위보다 높은 속도(n)를 가지며 그리고 정격 속도까지 연장되고,
    - 제2 로터 속도 범위는, 공진 로터 속도를 포함하고,
    - 제2 로터 속도 범위에서, 상기 음조 감소 작동 특성 곡선(202, 204, 302, 304, 30)의 출력 전력(P)은, 상기 전력 최적 작동 특성 곡선(200, 300)의 출력 전력(P)보다 낮으며,
    - 제2 로터 속도 범위는, 특히 공진 속도 범위를 포함하거나, 이에 상응하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 부분 부하 작동 시의 피치 특성 곡선(700, 702, 800, 806)에 대응하는 방식으로 생성된 출력 전력에 의존하여 로터 블레이드 각도(α)를 조정하는, 피치 제어부를 갖도록 제공되고, 상기 피치 특성 곡선(700, 702, 800, 806)은, 선택된 작동 특성 곡선(200, 202, 204, 300, 302, 304, 306)에 의존하여 조정될 수 있으며, 특히 복수의 피치 특성 곡선(700, 702, 800, 806)으로부터 선택될 수 있고, 특히 고유의 피치 특성 곡선이, 각각의 작동 특성 곡선을 위해 제공되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 피치 특성 곡선(700, 702, 800, 806)은, 제1 출력 전력 범위, 제2 출력 전력 범위 및 제3 출력 전력 범위로 세분될 수 있고,
    - 제1 출력 전력 범위는, 상기 풍력 발전 설비(100)가 시동되는 출력 전력(P)에 상응하는 발전기 전력(P)에서 시작되며,
    - 제2 출력 전력 범위는, 제1 출력 전력 범위보다 높은 출력 전력(P)을 갖고,
    - 제3 출력 전력 범위는, 제2 출력 전력 범위보다 높은 출력 전력(P)을 가지며 그리고 부분 부하 작동의 최대 출력 전력(P) 또는 발전기(Gen)의 정격 전력까지 연장되고,
    - 음조 감소 작동 특성 곡선(202, 306)을 선택 할 때, 조정된 피치 특성 곡선(702, 806)이 지정되며, 그리고
    - 상기 조정된 피치 특성 곡선(702, 806)은, 제1 출력 전력 범위에서, 동일한 출력 전력 범위에서의 상기 전력 최적 피치 특성 곡선(700, 800)보다 큰 로터 블레이드 각도(α)를 가지며, 및/또는
    - 상기 조정된 피치 특성 곡선(702, 806)은, 제2 출력 전력 범위에서, 동일한 출력 전력 범위에서의 전력 최적 피치 특성 곡선(700, 800)보다 큰 로터 블레이드 각도(α)를 갖고, 및/또는 상기 조정된 피치 특성 곡선(806)은, 제2 출력 전력 범위에서, 제1 출력 전력 범위에서보다 작은 로터 블레이드 각도(α)를 갖는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
  8. 제 7항에 있어서,
    적어도 제2 출력 전력 범위는, 제2 로터 속도 범위에 상응하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 제2 출력 전력 범위는, 대략 4 내지 10 m/s의 풍속 범위에 상응하고 및/또는
    - 제2 로터 속도 범위는, 상기 로터(106)의 정격 속도의 대략 20% 내지 80%의 범위에 놓이는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 제2 로터 속도 범위에서, 상기 음조 감소 작동 특성 곡선(202, 204, 302, 304, 306)은, 상기 전력 최적 작동 특성 곡선(200, 300)에 비해 감소된 값의 출력 전력(P)을 가지며, 그리고 상기 조정된 피치 특성 곡선(702, 806)은, 동일한 범위에서, 팁 속도 비(λ)를 변경함으로 인해 발생하는 전력 계수의 저하를 적어도 부분적으로 저지하기 위해, 상기 전력 최적 피치 특성 곡선(700, 800)에 비해 변경된 로터 블레이드 각도(α)를 갖고, 선택적으로 상기 조정된 피치 특성 곡선(702, 806)은 또한, 제1 출력 전력 범위에서 상기 전력 최적 피치 특성 곡선(700, 800)에 비해 변경되고, 이 경우 상기 피치 특성 곡선은 상기 전력 최적 피치 특성 곡선(700, 800)보다 큰 블레이드 각도(α)를 갖는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
  11. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,
    시동 풍속으로부터 적어도 절반의 정격 풍속까지의 풍속(VW)의 범위에서 상기 음조 감소 작동 특성 곡선(202, 204, 302, 304, 306)을 사용할 때, 팁 속도비(λ)는, 풍속이 증가함에 따라, 특히, 정격 풍속으로 정규화된 풍속의 경우에, -2미만의 기울기로, 특히 -2 내지 -10의, 바람직하게 -2 내지 -4의 기울기로, 엄격하게 단조롭게 감소하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
  12. 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 음조 감소 작동 특성 곡선(202, 204, 302, 304, 306)을 사용할 때의 팁 속도 비(λ) 대 상기 전력 최적 작동 특성 곡선(200, 300)을 사용할 때의 팁 속도 비(λ)의 비율은, 1을 초과하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
  13. 타워(102), 가변 로터 속도(n)로 작동될 수 있으며 그리고 개별적으로 조절 가능한 로터 블레이드 각도(α)를 갖는 복수의 로터 블레이드(108)를 구비하는, 공기 역학적 로터(106), 및 출력 전력(P)을 생성하기 위한 발전기(Gen)를 포함하는, 풍력 발전 설비(100)를 파라미터화하기 위한 방법으로서,
    - 로터 속도(n)와 출력 전력(P) 사이의 관계를 지시하는 전력 최적 작동 특성 곡선(200, 300)을 결정하는 단계로서, 상기 전력 최적 작동 특성 곡선(200, 300)은, 상기 풍력 발전 설비(100)가 상기 작동 특성 곡선(200, 300)에 따라 작동되는 한, 최대 출력 전력(P)을 송출하도록 선택되는 것인, 전력 최적 작동 특성 곡선(200, 300)을 결정하는 단계,
    - 상기 풍력 발전 설비(100)의 시스템 공진을 여기하는 로터 속도(n)를 나타내는, 공진 속도를 검출하는 단계,
    - 공진 속도(n) 주변의 공진 속도 범위를 설정하는 단계,
    - 공진 속도 범위에서 전력 최적 작동 특성 곡선(200, 300)에 비해 낮은 값의 출력 전력(P)을 갖는 음조 감소 작동 특성 곡선(202, 204, 302, 304, 306)을 결정하는 단계로서, 상기 음조 감소 작동 특성 곡선(202, 204, 302, 304, 306)은, 공진 속도 범위에서도 또한 연속적인 것인, 음조 감소 작동 특성 곡선(202, 204, 302, 304, 306)을 결정하는 단계를 포함하는 것인, 풍력 발전 설비를 파라미터화하기 위한 방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    제 1항 내지 제 12항 중 한 항에 따른 풍력 발전 설비(100)가 파라미터화되고,
    - 전력 최적 피치 특성 곡선(700, 800),
    - 조정된 피치 특성 곡선(702, 806),
    - 제1 로터 속도 범위,
    - 제2 로터 속도 범위,
    - 제3 로터 속도 범위,
    - 제1 출력 전력 범위,
    - 제2 출력 전력 범위,
    - 제3 출력 전력 범위, 및
    - 음향 저감 작동 특성 곡선
    을 포함하는 목록에서 적어도 하나가 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 13항 또는 제 14항에 있어서,
    공진 속도의 검출은, 로터 속도(n)가 변경되도록 그리고 이를 위해 상기 풍력 발전 설비(100)의 주변에서의 음조가 검출되도록, 이루어지며 그리고, 음조가 최대값을 갖는 로터 속도(n)가, 특히, 10 Hz 내지 100 Hz 사이의 범위에 놓이는, 사전 결정된 테스트 주파수 범위에서, 공진 속도로서 이용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 13항 내지 제 15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 음조 감소 작동 특성 곡선(202, 204, 302, 304, 306)의 결정하는 단계는, 출력 전력(P)이, 공진 속도 범위에서, 특히 공진 속도에서, 상기 풍력 발전 설비(100)의 주변에서 기록되는 음조가 사전 결정된 한계값 아래로 떨어질 정도로, 상기 전력 최적 작동 특성 곡선(200, 300)에 비해 감소하도록 이루어지고, 특히 상기 출력 전력(P)의 감소 및 음조의 기록은, 사전 결정된 한계값 아래로 떨어질 때까지, 반복되는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 타워(102), 가변 로터 속도(n)로 작동될 수 있으며 그리고 개별적으로 조절 가능한 로터 블레이드 각도(α)를 갖는 복수의 로터 블레이드(108)를 구비하는, 공기 역학적 로터(106), 및 출력 전력(P)을 생성하기 위한 발전기(Gen)를 포함하는, 풍력 발전 설비(100)를 운전하기 위한 방법으로서,
    - 로터 속도(n)와 출력 전력(P) 사이의 관계를 지시하는, 작동 특성 곡선(200, 202, 204, 300, 302, 304, 306)이, 상기 풍력 발전 설비(100)를 운전하기 위해, 지정되고,
    - 상기 출력 전력(P)은, 상기 작동 특성 곡선(200, 202, 204, 300, 302, 304, 306)에 따라서 로터 속도에 의존하여 설정되고,
    - 상기 작동 특성 곡선(200, 202, 204, 300, 302, 304, 306)으로서, 상기 풍력 발전 설비(100)의 시스템 공진의 여기가, 그러나 시스템 공진을 여기하는 속도(n)를 배제하지 않는 가운데, 전력 최적 작동 특성 곡선(200, 300)에 비해 감소하도록 구성되는, 음조 감소 작동 특성 곡선(202, 204, 302, 304, 306)이, 선택될 수 있는 것인, 풍력 발전 설비를 운전하기 위한 방법.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 풍력 발전 설비(100)는 제 13 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 파라미터화된 것을, 및/또는 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 풍력 발전 설비(100)가 이용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 16항 또는 제 17항에 있어서,
    외부적 사양 또는 하루 중 시각에 의존하여,
    - 상기 음조 감소 작동 특성 곡선(202, 204, 302, 304, 306)에 따른 상기 풍력 발전 설비(100)의 작동,
    - 풍력으로부터 취해지는 전력이 최대화되도록 구성되는, 상기 전력 최적 작동 특성 곡선(200, 300)에 따른 상기 풍력 발전 설비(100)의 작동, 및
    - 상기 풍력 발전 설비(100)의 음향 방출, 특히 음향 방출의 음향 출력 스펙트럼이, 상기 전력 최적 작동 특성 곡선(200, 300)에 비해 감소하도록 구성되는, 음향 저감 작동 특성 곡선에 따른 상기 풍력 발전 설비(100)의 작동
    사이에서 전환되는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 따른 풍력 발전 설비(100)에 있어서,
    상기 풍력 발전 설비는, 제 13항 내지 제 15항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 파라미터화 되었고, 및/또는 제 16항 내지 제 18항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 작동되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
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