KR20190085117A - 풍력 터빈의 제어 방법 - Google Patents

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티바 빌리암 멜리
폴커 디트리히츠
슈테판 게르트예거데스
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보벤 프로퍼티즈 게엠베하
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Abstract

본 발명은 풍력 터빈의 제어 방법에 관한 것이다. 풍력 터빈은 로터 블레이드를 갖는 공기 역학적 로터를 가지며, 로터 블레이드의 블레이드 각도는 개별적으로 조정될 수 있으며, 로터는 다양한 로터 회전 속도로 작동될 수 있다. 풍력 터빈은 발전기 출력을 생성하기 위해 공기 역학적 로터에 결합되는 발전기를 갖는다. 상기 방법은 다음의 단계들: 개별 블레이드 타겟 각도에 대응하는 방식으로 각각의 블레이드 각도를 개별적으로 조정하는 단계 - 각각의 블레이드 타겟 각도는 모든 로터 블레이드에 대해 특정된 공통 베이스 각도 및 개별 부하 토크를 고려하기 위한 보각으로 구성됨 - ; 및 로터 블레이드 각각에 작용하는 적어도 하나의 각각의 부하 토크 또는 이에 대한 대표적인 변수를 검출하는 단계 - 조사되는 각각의 로터 블레이드에 대해 선행하는 로터 블레이드가 제공되며, 조사되는 각각의 로터 블레이드의 블레이드 타겟 각도는 조사되는 로터 블레이드의 선행하는 로터 블레이드의 적어도 하나의 부하 토크에 기초하여 결정됨 - 를 포함한다.

Description

풍력 터빈의 제어 방법
본 출원은 풍력 터빈을 제어하기 위한 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상응하는 풍력 터빈에 관한 것이다. 풍력 터빈은 알려져 있으며, 바람으로부터 전기 에너지를 생성한다. 이를 위해 그러한 풍력 터빈은 일반적으로 적어도 하나의, 일반적으로 3 개의 로터 블레이드를 갖는 공기 역학적 로터를 포함한다. 로터 블레이드는 로터의 일부인 허브에 고정되고, 로터는 엔진 하우스 또는 나셀에 장착된다. 엔진 하우스 또는 나셀은 타워 상에, 드물게는 또한 마스트 상에 회전 가능하게 장착될 수 있고, 바람에 대해 정렬될 수 있다. 풍력 터빈의 작동 중에, 또한 바람에 의한 하중(loading)이 발생한다. 이러한 하중은 특히 로터 블레이드, 허브, 나셀 내의 로터의 베어링, 타워 상의 나셀의 베어링 및 최종적으로 또한 타워 자체에 작용한다.
특히 정격 풍속보다 높은 풍속에서, 또한 그 아래의 범위에서도 이러한 부하(load)를 감소시키기 위해, 풍력 터빈에서 정격 출력만이 생성되도록 로터 블레이드가 조정된다. 어쨌든, 이것은 블레이드 각도를 조정할 수 있는 로터 블레이드를 갖는 풍력 터빈에서의 절차이다.
더 높은 풍속에서는 또한 출력이 정격 출력으로 유지되는 것뿐만 아니라 정격 출력 이하로 감소되고 종종 또한 회전 속도도 감소됨으로써 부하 완화가 달성된다. 이를 통해 풍력 터빈의 하중이 전체적으로 감소될 것이다.
기본적으로 강풍 시 풍력 터빈의 출력을 감소시키는 것은 바람직하지 않은데, 왜냐하면 이는 수율 손실과 관련되기 때문이다. 특히 폭풍에 가까운 높은 풍속에서는, 바람이 강할 뿐만 아니라 종종 매우 강한 돌풍을 일으키는 경우도 종종 발생한다. 바람은 이 경우 특히 강한 변동을 받게 된다.
변동하는 풍속에서도 풍력 터빈에 과부하가 걸리는 것을 방지하기 위해, 풍력 터빈은 풍속이 변동하는 경우 종종 각각 가장 큰 풍속으로 조절되거나 또는 조정된다. 이것은 수율 손실이 필요 이상으로 커지는 문제를 일으킬 수 있다.
종종, 현대 풍력 터빈은 100 미터 이상의 직경을 가질 수 있는 매우 넓은 로터 표면을 스위핑한다. 그에 상응하게, 또한 큰 높이 차이 및 필요한 경우 이와 관련된 상응하는 풍속의 차이가 로터 표면에서 동시에 발생한다. 난류를 포함한 국부적인 바람장 차이가 로터 표면 내에서 또한 발생할 수도 있다.
로터 표면 내의 이러한 국부적인 변화를 고려하기 위해, 로터 블레이드가 자체의 블레이드 각도를 개별적으로 조정하는 개별 블레이드 조정이 이미 제안되어 있다. 이에 의해, 로터 블레이드는 회전하는 동안 상이한 위치로 인한 상이한 조건에서 조정될 수 있는 것이 달성될 수 있다. 그러한 방법은 예를 들어 문헌 US 6,361,275로부터 개시되어 있다.
그러나 이러한 방법조차도 로터 표면에서의 상이한 하중을 예측할 수 없다. 이를 위한 해결책으로, 예를 들어 라이다(Lidar) 또는 음파 기상 탐지기(Sodar)에 의해 바람장을 개선된 방식으로 전용으로 검출하는 것이 제안될 수 있다. 그러나, 이러한 조치 또는 이를 위해 필요한 장비는 종종 매우 비싸다.
독일 특허 및 상표청은 본 출원의 우선권 출원에서 다음의 선행 기술을 조사하였다: DE 10 2008 031 816 A1, US 2014/0178197 A1, EP 2 607 689 A2, WO 2009/033484 A2 및 WO 2015/192852 A1.
따라서, 본 발명의 목적은 위에서 설명한 문제점 중 적어도 하나를 해결하는 것이다. 특히, 풍력 터빈이 특히 국부적 및 시간적 변화를 고려하여, 바람에 의한 하중에 보다 양호하게 반응할 수 있는 해결책이 제안되어야 한다. 적어도 이전에 알려진 해결책에 대한 대안이 제안되어야 한다.
본 발명에 따르면, 본원의 청구항 제 1 항에 따른 방법이 제안된다. 이러한 풍력 터빈을 제어하기 위한 방법은 블레이드 각도가 개별적으로 조정될 수 있는 로터 블레이드를 갖는 공기 역학적 로터를 포함하는 풍력 터빈을 기초로 한다. 따라서, 예를 들어 각각의 로터 블레이드에 대해, 기본적으로 개별적으로 제어될 수 있어 각각의 로터 블레이드마다 개별 블레이드 각도가 조정될 수 있는, 블레이드 각도를 조정하기 위한 적어도 하나의 조정 드라이브가 제공된다. 로터 블레이드의 블레이드 각도의 조정은 일반적으로 피칭(pitching)이라고 한다. 따라서, 각각의 적어도 하나의 드라이브는 피치 드라이브이다.
또한, 로터는 가변 로터 회전 속도로 작동될 수 있다. 이것은 특히 로터 회전 속도가 또한 필요에 따라 선택되어 조정될 수 있다는 것을 의미한다.
발전기 출력을 생성하기 위해 또한 공기 역학적 로터와 결합되는 발전기가 제공된다. 이 경우, 직접 연결이 특히 고려되어, 공기 역학적 로터의 회전은 발전기의 회전자의 회전에 대응한다. 이러한 기어리스 시스템에서, 발전기의 회전자는 공기 역학적 로터에 고정식으로 연결된다. 그러나 원칙적으로 공기 역학적 로터와 발전기의 회전자 사이에 기어를 사용하는 것이 고려된다. 회전자라는 용어는 여기서, 사용된 발전기 유형에 관계없이, 공기 역학적 로터에 대한 언어적 구분을 위해 사용된다.
풍력 터빈을 제어하기 위한 방법은 이제 일 단계로서, 개별 타겟 블레이드 각도에 대응하는 방식으로 각각의 블레이드 각도를 개별적으로 조정하는 것을 제안한다. 따라서, 각각의 로터 블레이드에 대해 그리고 이에 따라 각각의 블레이드 각도에 대해, 블레이드 타겟 각도가 사전 설정되고, 이러한 블레이드 타겟 각도들은 상이할 수 있다.
이러한 블레이드 타겟 각도 각각은 모든 로터 블레이드에 대해 사전 설정된 공통 베이스 각도 및 개별 부하 토크를 고려하기 위한 개별적인 보각, 또는 예를 들어 블레이드 연결부 상의 굽힘 모멘트와 같은 이에 대한 대표적인 변수로 구성된다. 따라서 공통 베이스 각도는 모든 로터 블레이드에 대해 동일하며, 이들에 대해 공통으로 사전 설정된다. 이러한 사전 설정은 이미 각 피치 드라이브에서 수행될 수 있거나, 또는 처음에 또한 중앙에서 처리될 수도 있다. 공통 베이스 각도에는, 개별적인 부하 모멘트를 고려하기 위해 제공되는 개별적인 보각이 추가된다. 따라서, 각각의 개별적인 보각의 결정, 특히 계산은 각각의 경우에 개별적인 부하 토크를 고려할 수 있는 개별적인 타겟 각도가 생성되는 방식으로 이루어진다. 이와 관련하여 하중 종속적 사전 설정이 제안된다. 그러나 이것은 다른 기준도 또한 함께 고려될 수 있다는 것을 배제하지 않는다. 바람직하게는 또한 개별적인 보각은 부하 감소가 수행될 뿐만 아니라, 또한 가능한 한 너무 강한 수율 손실이 회피되는 방식으로 결정된다.
이제 각각의 경우에 적어도 하나의 부하 토크가 각각의 로터 블레이드 상에서 검출되는 것이 더 제안된다. 특히, 각각의 로터 블레이드 상에의 부하 측정이 제공될 수 있다. 이를 위해, 블레이드 또는 블레이드 루트에 센서가 제공될 수 있거나, 또는 예를 들어 로터 블레이드의 이동 또는 편의가 평가될 수도 있다. 또한 이러한 각각의 부하 토크를 검출하기 위한 복수의 입력 변수가 고려된다.
이를 위해 추가적으로, 각각의 조사된 로터 블레이드에 대해 선행하는 로터 블레이드가 존재하고, 각각의 조사되는 로터 블레이드의 블레이드 타겟 각도는 자체의 선행하는 로터 블레이드의 적어도 하나의 부하 토크에 따라 결정되는 것이 또한 제안된다. 특히, 3 개의 로터 블레이드를 갖는 로터가 제공되며, 여기서 또한 상이한 개수가 고려되며, 3 개의 로터 블레이드를 갖는 로터의 이러한 예에서, 로터 블레이드는 각각 서로에 대해 원주 방향으로 120°만큼 오프셋되어 배치된다. 따라서, 로터의 회전 중에, 제 2 로터 블레이드는 항상 120°만큼 제 1 로터 블레이드에 후속하여 진행하며, 여기서 각각의 로터 블레이드는 제 1 로터 블레이드일 수 있고, 각각의 로터 블레이드는 제 2 로터 블레이드일 수 있으며, 그 외에 또한 각각의 로터 블레이드는 제 3 로터 블레이드일 수도 있다.
이제, 이 예에 계속하여, 이러한 예시적인 제 2 로터 블레이드의 블레이드 타겟 각도, 즉 특히 보각은 예시적으로 언급되는 제 1 로터 블레이드의 부하 토크에 따라 결정되는 것이 제안된다. 이것은 즉 이러한 제 2 로터 블레이드가 제 1 로터 블레이드의 위치에 도달할 때, 제 2 로터 블레이드는 높은 확률로 로터의 회전에 의해 곧 대략 제 1 로터 블레이드의 국부적인 바람 상황을 발견하게 된다는 사상에 기초한다. 특히, 이러한 제 2 로터 블레이드는 본질적으로 이러한 제 1 로터 블레이드가 직전에 겪은 하중을 겪게 될 것으로 예상된다. 이 경우, 각각의 로터 블레이드가 겪게 되는 하중은 또한 각각의 로터 블레이드의 각각의 블레이드 상태에 의존한다는 점에 유의해야 한다. 위에서 언급된 제 1 및 제 2 로터 블레이드가 여기서 단지 설명의 편의를 위해 가정되는 동일한 상태를 갖는다면, 이들은 동일한 바람 상황에서 거의 동일한 하중을 겪게 된다. 이러한 블레이드 상태는 블레이드 각도 또는 구조적 편의 상태, 즉 예를 들어 블레이드의 벤딩(bending)을 포함할 수 있다.
따라서 직접 검출된 로터 블레이드의 하중은 이에 후속하는 로터 블레이드의 블레이드 타겟 각도의 결정에 직접적으로 관련된다.
여기서 이와 관련해서 선행하는 로터 블레이드의 하중을 고려하는 것이 제안될 뿐만 아니라, 이는 또한 후속하는 로터 블레이드의 블레이드 각도에 대해서도 직접적으로 그리고 실제로 고려되어야 한다는 것이 강조되어야 한다. 따라서 블레이드 타겟 각도, 특히 개별적인 보각은 하중에 따라 직접적으로 결정되고 변경되지만, 이 경우 자체의 고유한 검출된 하중이 아닌, 그에 선행하는 로터 블레이드의 하중이 사용된다.
바람직하게는, 각각의 보각을 결정하기 위해 각도 궤도가 결정되고, 여기서 보각은 각각 각도 궤도의 요소이므로, 각도 궤도는 각각 각각의 보각의 계속적인, 특히 연속적인, 특히 연속 미분 가능한 프로파일을 나타낸다. 따라서, 각도 궤도는 각각의 보각의 프로파일을 나타내는데, 즉 보각들로 구성된다. 보각은 각각 각도 궤도의 요소인데, 즉 각각의 조사된 시점 또는 각각의 조사된 로터 위치에서의 각도 궤도의 요소이다. 따라서, 각 로터 블레이드의 블레이드 타겟 각도는 이러한 각도 궤도에 대응하는 방식으로 변한다. 다른 말로 하면, 블레이드 타겟 각도는 각각 공통 베이스 각도 및 각도 궤도의 각각의 관련 값으로 구성된다. 대안적으로, 각도 궤도는 공통의 집합 블레이드 각도를 이미 포함할 수 있다. 따라서, 타겟 각도는 이미 각도 궤도에서 구성될 수 있거나, 또는 차후에 각도 궤도의 각각의 값 및 베이스 각도로 구성될 수 있다.
보각 및 이에 따라 타겟 각도의 결정은 선행하는 로터 블레이드의 하중에 따라 작동 중에 수행되고, 블레이드 하중에 따라 개별 각도를 개별적으로 계산하는 것에 한정되어 이를 계속해서 반복하지 않는다. 오히려, 타겟 각도의 전체적인 프로파일이 적어도 특정 범위에 대해 제안된다. 특히, 이를 통해 또한, 예를 들어 로터의 회전 운동과 관련하여 미리 몇도 설정된 이전의 블레이드 타겟 각도가 고려된다. 특히 이전에 조정된 블레이드 각도를 명시적으로 사용하는 것이 아니라, 이전에 제공된 블레이드 각도를 사용하여, 이를 명백하게 표현하는 것이 제안된다.
이러한 각도 궤도의 이러한 사전 설정을 통해, 따라서 타겟 각도의 프로파일 및 이에 따라 또한 이 경우 실제로 조정된 각도의 프로파일도 실질적으로 사전 설정될 수 있다. 이를 통해, 예를 들어 피치 드라이브에 대해 불필요하게 크거나 또는 빠른 조정 명령이 회피될 수 있다. 각도 궤도는 이를 위해 연속적이므로, 따라서 갭이 없다. 바람직하게는 각도 궤도는 연속적이므로, 점프를 포함하지 않으며, 특히 또한 연속 미분 가능 가능하므로, 또한 킹크(kink)를 포함하지 않는다.
이를 통해, 블레이드 하중을 감소시키기 위해 각각의 로터 블레이드에 대해 예상되는 조정을 제공하는 것이 가능하며, 이러한 조정은 또한 개별적이고 연속적으로 수행될 수 있지만, 피치 드라이브에 과도한 하중을 회피할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 각도 궤도는 적어도 2 개의 단계로 결정되는 것이 제안된다. 이 경우, 제 1 단계에서, 적어도 하나의 제 1 설계 기준에 대해 최적화된 최적의 각도 궤도가 결정된다. 또한, 최적의 각도 궤도를 복수의 제 1 설계 기준에 대해 최적화하는 것이 고려된다. 이를 통해, 이러한 하나의 또는 복수의 제 1 설계 기준에 대해 최적화된 최적의 각도 궤도가 생성되지만, 그러나 모든 면에서 실용적이지 않을 수도 있다.
그에 상응하게, 제 2 단계에서는, 위에서 언급된 제 1 단계에서 결정된 이러한 최적의 각도 궤도가 제 2 설계 기준을 더 고려하여 조정된 각도 궤도로 변경되는 것이 제안된다. 이는 또한 복수의 제 2 설계 기준을 더 고려하여 수행될 수도 있다. 다른 말로 하면, 제 1 단계의 최적의 각도 궤도는 제 2 단계에서 실행 가능한 각도 궤도로 변경된다.
바람직하게, 각도 궤도, 특히 최적의 각도 궤도는 최적화 문제의 해결을 통해 결정된다. 이러한 최적화 문제는 적어도 하나의 제 1 설계 기준 또는 복수의 제 1 설계 기준에 적어도 기초한다. 따라서 각도 궤도는 최적화 문제, 특히 추가 조건을 갖는 최적화 문제에 대한 해결일 수 있다. 이를 위해, 예를 들어 라그랑즈(Lagrange)에 따른 방법이 사용될 수 있는, 특히 라그랑즈 승수법의 방법이 사용될 수 있다. 또한, 라그랑즈 승수법의 일반화로서 카르슈 큐 탁카 조건(Karush-Kuhn-Tucker)(KKT)을 사용하는 것이 고려될 수도 있다.
바람직하게는 제 1 설계 기준으로서 부하 감소, 수율 중립성 및 피치 드라이브의 드라이브 보호에 기초한다. 따라서 언급된 3 개의 설계 기준의 기초가 되는 최적화 문제의 해결을 통해 최적의 각도 궤도의 결정이 이루어진다. 이는 바람직하게는 최적의 각도 궤도가 부하 감소와 관련하여 최적화되고, 이러한 최적화 문제에 대한 수율 중립성 및 드라이브 보호는 추가 조건을 나타낸다는 것을 의미할 수 있다. 따라서, 제 1 단계에서 최적의 각도 궤도가 결정되어, 기계적 부하가 감소되고, 한편 피치 드라이브의 수율 중립성 및 드라이브 보호가 보장된다. 부하 감소는 특히 로터 블레이드의 허브 또는 루트 영역의 영역에서 로터 블레이드의 하중의 감소일 수 있다. 그러나, 예를 들어 허브 및 로터 베어링에 작용하는 부하 또는 풍력 터빈의 방위각 베어링에 작용하는 부하와 같이, 풍력 터빈의 다른 요소에 작용하는 부하를 고려하는 것이 또한 고려될 수 있다. 또한 풍력 터빈의 타워에 대한 부하도 고려된다.
추가 조건으로서 수율 중립성이 고려되거나, 또는 이것이 다른 방법으로 고려되면, 이는 각도 궤도가 전체적인 풍력 터빈의 수율이 감소되지 않거나 또는 적어도 가능한 한 감소되지 않도록 결정된다는 것을 의미한다. 이는 특히 평균 수율이 감소하지 않는다는 것을 의미한다. 따라서 이러한 감소가 다시 보상되는 경우, 단시간 동안 감소될 수 있다. 또한, 각각의 개별적인 로터 블레이드에 의해 발생되는 수율은 특히 주기적으로 변하지만, 그러나 풍력 터빈이 3 개의 로터 블레이드를 포함하는 경우, 3 개의 로터 블레이드 모두의 합계는 전체적으로 감소하지 않는 것이 고려된다. 수율 중립성은 또한 개별 블레이드 조정이 수행되지 않는 참고 사례와 비교할 때 본질적으로 수율의 변화가 없다는 것을 의미할 수도 있다. 수율 중립성의 가중치가 더 약해지면 수율이 가능하게는 약간 감소하고 또한 개선될 수 있다는 것을 의미할 수 있다. 즉, 이 방법은 회전 속도 프로파일을 평활화하도록 그리고 궁극적으로 수율을 최적화하도록 설정될 수 있다.
드라이브 보호는 피치 드라이브가 가능한 한 적게, 가능한 한 적은 회전 속도로 그리고/또는 가능한 한 낮은 조정 속도로 작동된다는 것을 의미할 수 있다. 드라이브 보호는 추가 조건으로서 구동 거동을 고려하도록 사용될 수 있다. 이 경우 그 다이내믹뿐만 아니라 한계도 최적화 문제의 해결에 명시적으로 포함될 수 있다. 이러한 조치는 예를 들어 변경된 다이내믹 및/또는 변경된 한계를 발생시킬 수 있는 포화 상태로 블레이드 드라이브가 진행할 때 상기 방법의 적응을 가능하게 한다.
추가 조건으로 또는 다른 방법으로 드라이브 보호를 고려하는 것은 시간 의존적 각도 프로파일에 반영될 수 있다. 이 경우 또한 가변적일 수도 있는 공지된 로터 회전 속도의 경우에, 블레이드 각도의 시간 의존적 프로파일은 각도 궤도로 또는 그 반대로 직접 전달될 수 있다. 이와 관련하여 여기서, 각도 궤도는 해당 블레이드가 고정되는 로터의 회전 위치에 대한 해당 블레이드 각도의 프로파일이라는 것을 유의해야 한다.
따라서, 요약하면, 위에서 설명한 제 1 단계에서, 최적의 각도 궤도는 부하 감소를 유도하도록 결정될 수 있고, 여기서 평균적으로 풍력 터빈의 수율은 감소되지 않으며, 동시에 최적의 각도 궤도는 또한 해당 피치 드라이브에 의해 구현될 수 있다. 이러한 제 1 단계의 이러한 최적의 각도 궤도는 그 후 수확 중립성 및 드라이브 보호를 추가 조건으로 고려하여 부하 감소 측면에서 최적이다.
기본적으로 위에서 언급된 모든 설계 기준 또는 다른 설계 기준이 고려되는 것은 아닌 것으로 간주된다. 예를 들어, 추가적으로 또는 대안적으로, 예를 들어 수확 중립성에 대한 대안으로서, 단지 하나의 예를 들자면, 풍력 터빈의 모든 로터 블레이드, 즉 예를 들어 풍력 터빈의 3 개의 로터 블레이드 모두의 개별적인 보각에 대한 부호를 고려한 합은 항상 값 0을 취하는 것이 고려될 수 있다.
추가적으로 또는 대안적으로, 피치 드라이브의 구동 다이내믹 및 추가적으로 또는 대안적으로 피치 드라이브의 한계값은 각각 제 2 설계 기준을 형성하는 것이 제안된다. 피치 드라이브의 구동 다이내믹 및/또는 피치 드라이브의 한계값에서의 이러한 제 2 설계 기준은 그 후 제 2 단계에서 고려될 수 있으며, 상기 제 2 단계에서는 제 1 단계에서 결정된 최적의 궤도 궤도가 조정된 궤도로 변경된다.
예를 들어 피치 드라이브의 구동 다이내믹에 대한 고려는 해당 피치 드라이브가 각각의 각도 변경을 임의로 신속하게 구현할 수 없다는 것이 고려되는 것을 포함한다. 이것은 예를 들어 최적의 각도 궤도가 이를 통해 적어도 그 다이내믹이 다소 변경된다는 것을 의미할 수 있다. 예를 들어, 최적의 각도 궤도에서 제공되는 갑작스러운 변경은 완화될 수 있으므로, 이는 피치 드라이브에 의해 그 후 또한 현실적으로 구현될 수 있다.
피치 드라이브의 한계값으로서, 특히 피치 드라이브 또는 결과적인 블레이드 각도의 최대 회전 속도뿐만 아니라 최대 가속도도 고려될 수 있다. 또한 여기서 예를 들어, 최적의 각도 궤도가, 이러한 피치 드라이브가 전혀 달성할 수 없는 피치 드라이브의 가속도를 제공하는 경우가 고려될 수 있다. 따라서 이러한 제 2 단계에서 최적의 각도 궤도는 이러한 의미로 적응된다. 이 경우 또한 이것은 단지 두 가지 예이다. 예를 들어 조정될 로터 블레이드의 비틀림 진동 특성과 같은 다른 설계 기준도 또한 고려될 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 각각의 블레이드 타겟 각도는 적어도 하나의 추가의 변수에 따라 결정되는 것이 제안된다. 그러한 추가의 변수는 조사되는 로터 블레이드의 현재 블레이드 각도일 수 있다. 따라서, 블레이드 각도는 또한 블레이드 타겟 각도의 계산에 통합된다. 예를 들어 이를 통해, 블레이드 타겟 각도와 블레이드 실제 각도 사이의 너무 큰 편차가 사전 설정되는 것이 회피될 수 있다. 이를 통해 특히 피치 드라이브의 하중이 완화된다.
사용되는 피치 시스템의 작동 상태가 또한 추가의 변수로서 고려되는 것도 가능하다. 또한 이를 통해 피치 드라이브의 보호가 달성될 수 있다. 여기서, 피치 드라이브는 피치 시스템의 일부이거나 또는 피치 드라이브는 필요한 경우 피치 시스템을 또한 형성할 수도 있다. 예를 들어, 피치 드라이브가 현재 어떤 속도로 조정을 수행하고 있는지, 또는 주로 현재 조정을 수행하고 있는지 여부가 고려될 수 있다. 또한, 피치 드라이브 또는 피치 시스템의 온도가 여기에 포함될 수 있다. 또한 블레이드 드라이브의 기계적 상태로 고려될 수 있다. 여기에는 예를 들어 블레이드 마운팅, 블레이드 드라이브의 기어 또는 고려될 다른 윤활 요소의 윤활 상태가 포함될 수 있다.
또한 검출된 부하 토크에 대해 조사되는 섹터의 섹터 크기가 추가의 변수로서 고려되는 것이 제안된다. 이를 위해, 각도 궤도가 각각 계산되는 로터 블레이드가 스위핑하는 로터 블레이드 표면의 섹터들, 예를 들어 30°, 60°, 또는 90° 섹터들이 제공되는 것이 제안된다. 따라서 특정 기본적인 조건 또는 관계가 고려될 수 있다. 예를 들어, 소위 6시 영역, 즉 로터 블레이드가 타워 및 이에 따라 가능한 타워 섀도우를 통과하는 영역에서의 더 작은 섹터가 제공될 수 있다. 이러한 영역의 경우, 다른 영역과는 상이한, 블레이드 타겟 각도 또는 보각 또는 각도 궤도를 계산하기 위한 다른 계산 규칙이 제공될 수 있다. 또한, 예를 들어 상부 영역에서는 예를 들어 10시 위치로부터 2시 위치까지의 더 큰 섹터가 제공될 수 있는데, 왜냐하면 여기서는 비교적 높은 풍속으로 계산될 수 있기 때문이지만, 그러나 이것은 10시 위치로부터 2시 위치까지는 거의 변경되지 않는데, 왜냐하면 로터 블레이드의 높이 범위가 거기에서는 거의 변경되지 않기 때문이며, 한편 공기 역학적 로터가 회전함에 따라, 로터 블레이드는 자체의 높이 위치를 8시 위치로부터 10시 위치로 보다 신속하게 높이거나 또는 2시 위치로부터 4시 위치로 보다 신속하게 하강시킨다.
또한, 로터 허브의 부하 토크도 추가의 변수로서 고려될 수 있다. 따라서, 여기서 선행하는 로터 블레이드의 하중에 추가적으로 로터 허브의 하중이 고려될 수 있다. 이는 허브에서의 측정을 통해 직접적으로 수행될 뿐만 아니라, 예를 들어 블레이드 하중을 기초로 하여 허브 하중을 예측함으로써 간접적으로 수행될 수도 있다. 따라서, 블레이드 하중에 추가하여, 또한 허브 하중 또는 다른 방식으로 개별 로터 블레이드뿐만 아니라 풍력 터빈 상에 작용하는 하중이 또한 고려될 수도 있다. 또한 예를 들어 허브를 지지하는 저널의 벤딩과 같이, 허브 또는 허브의 요소 또는 허브에서의 벤딩을 검출하는 로터 허브 굽힘 모멘트의 검출 및 사용이 또한 고려된다.
또한 로터 회전 속도가 추가의 변수로서 고려될 수 있다. 예를 들어, 섹터 크기는 로터 회전 속도에 따라 결정될 수 있다. 여기서, 더 높은 로터 회전 속도에서 보다 큰 섹터 크기를 설정하는 것이 유리할 수 있다.
또한, 로터 위치도 추가의 변수로서 고려될 수 있다. 따라서, 예를 들어 위치 의존적 하중 또는 예를 들어 6시 위치에서의 타워 섀도우와 같은 다른 영향이 통합될 수 있다.
또한 로터 가속도가 추가의 변수로서 고려될 수 있다. 물론, 여기에는 또한 로터의 감속도도 포함되는데, 이러한 로터의 감속도는 로터의 음의 가속도이다. 언급된 바와 같이 추가의 변수로 또한 고려될 수 있는 로터 회전 속도에 따라, 양의 로터 가속도가 임박한 초과 회전 속도를 나타낼 수 있으므로, 그에 상응하게 이는 또한 초과 회전 속도를 달성하도록 불필요하게 강하게 작용하지 않도록 블레이드 타겟 각도 결정 시에 고려되어야 한다. 반대로, 또한 풍력 터빈이 여전히 작동될 수 있는 낮은 로터 회전 속도 부근으로의 로터의 감속이 고려될 수 있고, 단지 하나의 추가의 예를 들자면, 그에 상응하게 로터가 더 이상 강하게 감속되지 않도록 블레이드 타겟 각도가 선택될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 적어도 하나의 검출된 부하 토크 및 필요한 경우 다른 고려된 변수들은 조정 가능한 가중 인자 또는 가중 함수를 통해 통합되는 것이 제공된다. 이를 통해, 해당 변수, 즉 적어도 검출된 부하 토크의 영향은 영향을 받을 수 있고, 필요하다면, 가중 인자 또는 가중 함수를 설정함으로써 조정되거나 또는 변경될 수 있다. 가중 인자의 사용은 여기서 가중 함수의 특별한 경우로 간주될 수 있다. 예를 들어 가중 함수에 의해 다이내믹 또는 비선형성이 함께 고려될 수 있다. 가중 함수는 예를 들어 고려되는 각각의 가중 변수의 변화가 그에 상응하게 지연되어 통합되는 PT1 부재일 수 있다. 가중 함수는 예를 들어 또한 고려되는 가중 변수의 크기가 그 후에 비선형 방식으로 통합되는 루트 함수일 수도 있다. 특히 여러 변수가 통합될 수 있으며, 가중 인자 또는 가중 함수를 통해 각각의 변수의 각각의 영향이 얼마나 큰지에 영향을 줄 수 있다. 바람직하게는, 이는 추가의 변수 각각에 조정 가능한 가중 인자 또는 가중 함수 중 하나가 각각 할당되도록 수행된다. 따라서 고려된 각각의 추가의 변수는 그에 할당된 가중 인자 또는 가중치 함수를 통해, 그 변수가 통합되는 강도가 조정될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 가중 인자 또는 가중 함수가 달성 가능한 부하 감소, 수율 중립성 및 드라이브 보호에 따라 선택되는 것이 제안된다. 특히 필드 테스트에서의 시뮬레이션 또는 테스트 측정에서, 어떤 변수가 제어 결과에 어떻게 그리고 어느 정도로 영향을 미치는지가 체크될 수 있다. 이에 따라 가중 인자 또는 가중치 함수는, 선행하는 블레이드의 부하 토크의 각각의 영향 및 고려된 다른 변수들을 서로에 대해 조정하도록 선택된다. 평가 기준으로서, 달성 가능한 부하 감소, 달성 가능한 수율 중립성 및 드라이브 보호가 고려된다. 바람직하게는, 이들 변수는 평가 표준을 통해, 예를 들어 H2 표준을 통해 비교된다. 따라서, 부하 또는 하중을 가능한 한 크게 감소시키도록 시도될 뿐만 아니라, 수율을 이 경우 감소시키지 않거나 또는 가능한 한 적게 감소시키거나 또는 심지어 향상시키도록 시도된다. 최적으로는 수율은 감소되지 않고, 하중을 감소시키는 조치를 통해 수율 중립성이 달성된다.
추가적으로, 가능한 한 높은 드라이브 보호를 달성하는 것이 제안된다. 따라서 피치 드라이브라고도 불리는 드라이브가 얼마나 강하게 부하가 가해지는지가 고려된다. 바람직하게, 보각은 모든 로터 블레이드의 보각의 평균값이 0이 되도록 선택된다. 바람직하게는 이것은 각각의 샘플링 시간에 대해 요구되지는 않고, 보다 긴 기간을 통해 평균적으로 요구된다. 이를 통해, 타겟 각도의 평균값은 베이스 각도에 대응하는 것이 달성될 수 있다. 특히 또한, 결과적으로 베이스 각도를 사전 설정함으로써 제공되는 것과 다른 로터의 전반적인 공기 역학적 상황을 발생시키는, 예를 들어 일 방향으로의 로터 블레이드의 모든 각도가 베이스 각도로부터 벗어나는 것이 방지된다. 따라서, 개별 하중 의존적 블레이드 각도 조정이 풍력 터빈의 공기 역학적 및 제어 기술적 거동의 사전 설정을 전체적으로 변경시킬 위험이 상쇄되고, 적어도 이것이 너무 강하게 변경되는 것이 방지될 수 있다.
추가적으로 또는 대안적으로, 보각은 각각의 보각의 크기가 미리 결정된 최대 각도를 초과하지 않는 방식으로 선택된다. 이를 통해 또한, 풍력 터빈의 전체 작동에 대해 실질적으로 베이스 각도가 결정되는 것이 달성될 있게 한다. 이러한 미리 결정된 최대 각도는 바람직하게는 약 3°, 5°, 또는 7°의 값을 취할 수 있다. 이러한 값들을 통해, 블레이드의 현저한 부하 완화를 가능하게 하지만, 그러나 로터의 전체 공기 역학적 상황을 너무 많이 변경시키지는 않는 조정이 허용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 각각의 로터 블레이드 상에서, 상이한 하중 방향을 갖는 적어도 2 개의 하중 측정치가 검출되고, 블레이드 타겟 각도는 풍력 터빈에 작용하는 하중이 최소화되어 피칭 모멘트 및 요잉 모멘트가 최소화되고, 적어도 각각 진폭이 감소되도록 결정되는 것이 제공된다. 따라서, 각 로터 블레이드 상에서의 적어도 2 개의 하중 방향을 고려함으로써, 하중의 크기뿐만 아니라 하중의 방향도 검출된다. 이러한 하중의 방향은 피칭 모멘트 프로파일을 유도할 수 있는데, 즉 이러한 피칭 모멘트 프로파일에서 로터를 지지하는 나셀은 로터의 회전축에 대해 수직인 수평축 주위의 토크를 겪게 된다. 또한, 수직축 주위로 나셀에 작용하는 토크를 나타내는 요잉 모멘트가 또한 발생되는 것이 가능하다. 이러한 블레이드 하중의 대응하는 방향 감응성 고려에 의해, 그러한 피칭 모멘트 및/또는 그러한 요잉 모멘트는 또한 제안된 개별적인 블레이드 조정에 의해 최소화되거나 또는 적어도 감소될 수 있다. 특히, 허브 모멘트의 진폭 변동, 특히 피칭 및 요잉 방향의 진폭 변동이 고려되고 그에 따라 감소될 수 있다. 이는 특히 각각의 로터 블레이드가 개별적으로 조정되어 각각의 로터 블레이드가 피칭 모멘트 및/또는 요잉 모멘트의 진폭 감소에 기여하여 이에 따라 모든 로터 블레이드의 이러한 기여가 상호 작용할 수 있다는 사실에 의해 달성된다.
추가의 실시예는 로터 블레이드에 의해 스위핑되는 로터 표면은 부하 토크를 검출하기 위해 복수의 섹터들로 분할되고, 부하 토크는 각각 로터 블레이드가 섹터를 스위핑할 때 기록되며, 이로부터, 후속하는 로터 블레이드의 블레이드 타겟 값에 대한 부분 궤도가 결정되는 것이 제공된다. 바람직하게는, 부분 궤도가 복수의 지지점으로 구성되고, 또한 바람직한 해결책으로서 지지점 사이에서 부분 궤도의 값이 보간되는 것이 제공된다.
따라서, 부하 토크의 구간별 검출 및 블레이드 타겟 값에 대한 궤도의 결정이 제안된다. 따라서, 구간별로 진행될 수 있으며, 특히 로터 표면의 상이한 섹터들이 고려될 수 있으며, 이 경우 또한 고려의 유형 및 방식이 섹터마다 변할 수 있다. 이것은 또한 바람 및 그 특성이 로터 표면 내에서, 예를 들어 높이에 따라 그리고/또는 풍력 터빈의 타워의 근접성에 따라 변할 수 있다는 지식에 기초한다. 동시에, 각각의 로터 블레이드 위치에 대한 완전히 개별적인 고려는 너무 비용이 들 수 있고, 적어도 불균형적일 수 있다는 것이 인식되었다. 따라서, 로터 표면에서의 바람의 이러한 상이한 특성을 섹터별 조사에 의해 고려하는 것이 제안될 수 있다.
이를 위해 본 제안에 따르면 각 섹터에서 부하 토크가 기록되어, 부분 궤도 또는 궤도 섹션으로 변환된다. 즉, 각각의 후속하는 로터 블레이드에 대한 블레이드 타겟 값에 대한 궤도에 대한 것이다. 따라서 적어도 섹터별로 개별적인 고려가 이루어질 수 있지만, 그럼에도 불구하고 개별적인 블레이드 조정에 대한 전체 개념이 생성되는데, 즉 여기에는 궤도 또는 부분 궤도가 기초가 된다. 바람직하게는, 인접한 섹터의 부분 궤도를 그들의 전이 영역에서 서로에 대해 적응시켜, 이러한 전이 영역이 또한 연속적으로 그리고 특히 또한 연속 미분 가능한 것이 제공될 수 있다. 이에 의해 그 후 전체 궤도가 생성된다.
전체 궤도가 생성되었다는 사실은 이것이 전체 회전에 대해 이미 완전히 미리 결정되었다는 것을 의미하지는 않는다. 오히려 현재 섹션만이 결정된 것이다. 마지막으로, 로터 블레이드에 대한 궤도를 결정하는 것은 선행하는 로터 블레이드의 하중에 따라 수행되므로, 유용하게는 120°에 대한 최대 하나의 궤도가 미리 결정된다. 그러나 그럼에도 불구하고, 인접한 궤도는 유용하게는 연속적이고, 특히 연속 미분 가능하게 서로에 대해 부착될 수 있다. 예를 들어, 60° 섹터에 대한 부분 궤도, 즉 예를 들어 8시 내지 10시 위치에 대한 부분 궤도가 결정될 수 있다. 그 후, 다음 60° 섹터에 대한 새로운 부분 궤도, 즉 10시 내지 12시 위치에 대한 부분 궤도가 결정되고, 이전의 부분 궤도에 부착된다. 이러한 부분 궤도가 결정되는 후속하는 로터 블레이드의 경우, 그 후 이러한 궤도가 점진적으로 구현될 수 있으므로, 그 후 블레이드 각도는 블레이드 타겟 값에 대한 궤도에 대응하는 방식으로 점진적으로 조정될 수 있다.
또한 각 섹터 내에서도 부하 토크는 지지점을 통해 변환될 수 있다. 따라서 일 예를 들자면, 예를 들어 5°마다, 생성될 부분 궤도의 블레이드 타겟 값이 결정되어, 부분 궤도를 형성하도록 결합될 수 있다. 이러한 지지점 사이에 더 많은 값이 필요한 경우, 이들은 보간될 수 있거나, 또는 이러한 보간 또는 다른 구현이, 부분 궤도의 블레이드 타겟 값에 기초하여 대응하는 블레이드 각도가 조정될 수 있는 구현에서 이루어진다.
바람직하게는 로터 표면을 섹터들로 분할하는 것은 로터 표면의 영역에서 검출되거나 또는 기대되는 바람장에 따라 수행된다. 따라서 로터 표면의 상이한 영역에서 바람의 상이한 특성이 결정되면, 예를 들어 바람이 상이한 난류를 갖는 것으로 결정되면, 여기서 이것은 고려될 수 있다.
바람직하게는, 바람장에 따라 섹터의 크기 및/또는 개수가 선택된다. 추가적으로 또는 대안적으로, 부분 궤도의 지지점의 개수는 바람장에 의존할 수 있다. 특히 난류가 보다 강한 영역에 대해, 비교적 많은 개수의 지지점이 또한 제공될 수 있는 섹터가 제공될 수 있다. 다른 한편으로는, 바람이 보다 균일한 영역에 대해서는, 그에 상응하게 다른 섹터가 제공될 수 있고, 이러한 섹터에서는 지지점들이 서로 비교적 멀리 떨어져 있는 것이 추가적으로 제공될 수 있고, 따라서 이러한 섹터에서는 비교적 적은 지지점들이 제공되는 것이 제안될 수 있다.
특히 검출되거나 또는 기대되는 돌풍은 바람장에 대한 고려될 기준일 수 있다. 따라서, 바람직하게는, 로터 표면을 섹터들로 분할하는 것은 상이한 바람장의 돌풍에 따라 수행될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 로터 표면을 섹터들, 특히 섹터의 크기 및/또는 개수로 분할하는 것은 풍력 터빈의 진행되는 작동 중에 적응적으로 수행되도록 제안된다. 이를 위해, 섹터로 분할하기 위해 의존되는 위에서 언급된 입력 변수 또는 이들 중 적어도 하나를 입력 변수로서 획득하고 특히 섹터 크기 및/또는 섹터 개수, 바람직하게는 또한 섹터의 구체적인 영역을 출력하는 적응 알고리즘이 제공될 수 있다. 예를 들어, 각각의 고려되는 변수가 고려되어야 하는 기준, 즉 예를 들어 위에서 설명된 바와 같은 것들이 적응 알고리즘에서 구현될 수 있다. 추가적으로, 예를 들어 PT1 부재와 같은 점근적으로 감쇠되는 지연 함수가 각 섹터의 적응적 변경을 위해 제공될 수 있다. 섹터는 개별 블레이드 조정에서 고려된 직후에 각각 변경되는 것이 바람직하다.
일 실시예에 따르면, 복수의 가상 로터 표면이 정의되는 것이 제안된다. 이러한 가상 로터 표면은 실제 로터 표면에 대응하고, 추가적으로 적어도 하나의 시간 값 및/또는 관련 로터 회전에 의해 특성화된다. 따라서 특히 현재, 즉 바로 지금 회전에 의한 스위핑된 로터 표면을 기초로 하고, 추가적으로 로터 표면은 이전의 회전을 기초로 한다. 그 사이에 방위각 위치의 조정이 이루어지지 않았거나 또는 현저한 조정이 이루어지지 않았다고 가정하면, 두 로터 표면은 동일하지만 그러나 상이한 특성, 특히 상이한 섹터에서 특히 상이한 하중 특성을 갖는다. 따라서 이를 통해 복수의 회전에 걸쳐 검출이 이루어질 수 있으므로, 따라서 이전의 회전 또는 이전의 회전들의 로터 표면도 또한 조사될 수 있다. 이를 통해 특히 또한, 계산된 개별 블레이드 각도 궤도가 이전에 얼마나 좋았는지를 평가할 수 있으며, 이에 따라 파라미터가 설정되거나 또는 조정될 수 있다. 이러한 파라미터에는 선택될 섹터 크기 및 조정될 피치 시스템의 피치 다이내믹이 포함된다. 필요한 경우, 구동 제한이 이러한 조사에서 부적절한 것으로 판명되면, 이러한 구동 제한이 또한 조정될 수도 있다.
따라서, 일 실시예에 따르면, 하중 검출은 복수의 회전을 통해 수행되고, 타겟 각도는 추가적으로 적어도 하나의 이전의 회전의 하중에 따라 결정되는 것이 제안된다.
또 다른 실시예에 따르면, 각각의 조사된 로터 블레이드는 사전 설정 가능한 조정 다이내믹으로 자체의 블레이드 타겟 값을 추적하도록 이루어지고, 조정 다이내믹은 특히 n ≥ 1인 PTn 거동인 것이 제안된다. 추가적으로 또는 대안적으로 조정 다이내믹을 위한 다른 점근적으로 감쇠된 거동이 제안될 수 있다. 따라서, 한편으로는, 타겟 값을 구현하기 위한, 즉 특히 대응하는 궤도를 구현하기 위한 블레이드 조정이 특정 특성을 포함하는 것이 제안된다. 이러한 특성은 바람직하게는 피치 시스템이 낮은 에너지로 작동하도록 선택되지만, 그럼에도 불구하고 높은 수준의 다이내믹이 달성될 수 있다. 특히 유리하게는 구현하기 쉽고 점근적인 거동을 포함하는 PT1 거동이다. 더 높은 수준의 다이내믹을 달성하고 또한 다이내믹의 보다 차별화된 설정을 제공할 수 있도록 하기 위해, 보다 높은 차원의 조정 다이내믹도 고려된다. 또한, 이러한 조정 다이내믹이 사전 설정될 수 있기 때문에, 블레이드 타겟 각도를 결정할 때에도 이것이 고려될 수 있다. 특히, 궤도는 이러한 사전 설정 가능한 다이내믹이 또한 충족될 수 있도록 특정될 수 있다. 따라서 궤도는 사전 설정 가능한 조정 다이내믹에 따라 결정되는 것이 제안된다.
일 실시예에 따르면, 각각의 조사된 로터 블레이드의 블레이드 각도의 조정은, 특히 또한 각각의 조사된 로터 블레이드에 대한 블레이드 타겟 각도의 사전 설정값을 포함하여, 조사된 로터 블레이드의 하중의 피드백 없이, 수행되는 것이 제안된다. 이와 관련하여, 피드백 없이 제어가 수행된다. 따라서, 가장 간단한 경우, 조사되는 로터 블레이드의 조정은 단지 선행하는 로터 블레이드의 하중에 따라서만 수행된다. 따라서, 각각의 로터 블레이드에 대해 개별적으로 사전 설정되는, 개별 로터 블레이드의 하중 감소를 위한 개별 블레이드 조정이 제안될 수 있지만, 그러나 동일한 로터 블레이드의 하중의 피드백은 이루어지지 않는다. 이를 통해, 특히 바람직하지 않은 피드백으로 인한 진동 거동 또는 심지어 불안정성이 회피될 수 있다. 이를 통해 차례로 강력한 제어가 구현될 수 있다. 즉, 가정된 제어 시스템의 변경은 이를 통해 직접 피드백되지 않으므로, 이를 통해 예기치 않은 방식으로 제어 루프를 변경할 수 없다.
또 다른 실시예에 따르면, 블레이드 각도 타겟 값은 보각이 없는 타겟 각도에 비해 피칭 모멘트 및 요잉 모멘트가 감소되도록 사전 설정되고, 여기서 로터 블레이드의 하중의 증가가 허용된다. 여기서 개별 블레이드 조정이 반드시 개별 블레이드의 부하를 완화시키는 것을 유일한 목표로 가져야 하는 것은 아니고, 개별 로터 블레이드의 조정에 의해 요잉 모멘트뿐만 아니라 피칭 모멘트도 영향을 받을 수 있다는 것이 특히 인식되었다. 로터 블레이드에 대한 하중은 기본적으로 매우 큰 레버를 통해 요잉 모멘트뿐만 아니라 피칭 모멘트에 작용할 수 있기 때문에, 로터 블레이드의 하중의 증가를 감수하여 요잉 모멘트뿐만 아니라 피칭 모멘트를 감소시키는 것이 터빈 블레이드의 전체적인 부하 완화를 발생시킬 수 있는 것으로 인식되었다.
이 경우 피칭 모멘트는 로터가 회전하는 로터 축에 대해 수직 방향으로 틸팅 모멘트를 가하는 모멘트이다. 요잉 모멘트는 로터의 회전축 상으로 수평 방향으로 작용하는 틸팅 모멘트이다.
일 실시예에 따르면, 상기 방법은 로터는 로터 블레이드에 의해 스위핑되는 자체의 로터 표면에 회전 중심을 포함하며, 상기 회전 중심은 로터 표면의 기하학적 중심을 형성하고, 상기 회전 중심을 중심으로 로터가 회전하며, 로터는 자체의 로터 표면에 부하 중심을 포함하며, 상기 부하 중심은 로터에 작용하는 모든 부하의 중심을 형성하며, 부하 중심이 회전 중심으로부터 벗어난 경우에도, 블레이드 타겟 각도, 특히 보각은, 부하 중심이 실질적으로 자체의 진동 진폭에 대해 가능한 한 일정하게 유지되고 반드시 회전 중심으로 안내되지는 않는 방식으로 결정될 수 있도록 상기 방법은 작동하는 것을 특징으로 한다. 여기서 따라서, 로터 부하 중심에서 발생하는 교대 부하 동작이 진폭 측면에서 한계 내에 유지되는 것이 제안된다. 이것은, 부하 중심을 로터-회전 중심의 방향으로 시프트하도록 명백히 시도되지 않는 경우, 보다 쉽게 달성될 수 있다는 것이 인식되었다.
따라서 부하 중심을 시프트하도록 명백히 시도되지 않고, 교대 부하를 회피하는 것이 제안된다. 이는 또한 블레이드가 일 회전 동안 과도한 주기적 조정 이동을 수행해야 하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 따르면, 풍력 터빈이 또한 제안되고, 풍력 터빈은 블레이드 각도가 개별적으로 조정될 수 있는 로터 블레이드를 갖는 공기 역학적 로터 - 로터는 가변 로터 회전 속도로 작동될 수 있음 - , 발전기 출력을 생성하기 위해, 공기 역학적 로터에 결합되는 발전기, 개별적인 블레이드 타겟 각도에 대응하는 방식으로 각각의 블레이드 각도를 개별적으로 조정하기 위한 블레이드 제어 장치 - 여기서 각각의 블레이드 타겟 각도는 모든 로터 블레이드에 대해 사전 설정된 공통 베이스 각도 및 개별적인 부하 토크를 고려하기 위한 개별적인 보각으로 구성됨 - 를 포함하고, 풍력 터빈은 로터 블레이드 각각에 대한 적어도 하나의 부하 토크를 각각 검출하기 위한 부하 검출 유닛을 또한 포함하고, 여기서 각각의 조사되는 로터 블레이드에 대해 선행하는 로터 블레이드가 존재하며, 조사되는 각각의 로터 블레이드의 블레이드 타겟 각도는 자체의 선행하는 로터 블레이드의 적어도 하나의 부하 토크에 따라 결정된다. 부하 토크는 예를 들어 굽힘 모멘트일 수 있다.
따라서, 제안된 풍력 터빈은 특히 적어도 하나의 설명된 실시예에 따른 풍력 터빈을 제어하기 위한 방법을 수행하도록 준비된다. 블레이드 제어 장치는 각 로터 블레이드 상의 중앙 제어 유닛 및 피치 드라이브를 포함할 수 있으며, 블레이드 제어 장치와 동의어로도 지칭될 수 있다. 중앙 제어 유닛은 특히 피치 드라이브에 대한 타겟 값 또는 타겟 궤도를 사전 설정할 수 있으며, 상기 타겟 값 또는 타겟 궤도는, 로터 블레이드를 그에 상응하는 방식으로 조정함으로써, 그 후 피치 드라이브를 구현한다.
부하 검출 유닛은 특히 적어도 하나의 블레이드 센서, 특히 각각의 로터 블레이드 상의 적어도 하나의 부하 센서를 포함하여, 이를 통해 하중을 검출한다. 각각의 블레이드 센서는 스트레인 센서로서 설계되는 것이 바람직하다. 따라서, 각각의 로터 블레이드에는, 검출된 하중을 블레이드 제어 장치, 특히 중앙 제어 유닛으로 전달하는 적어도 하나의 블레이드 센서가 제공된다. 하중으로서 또는 하중을 평가하기 위해 바람직하게는 굽힘 모멘트가 검출되거나 또는 측정치로부터 도출될 수 있다. 특히, 스트레인이 수용된 구성 요소에 대한 인식 하에 스트레인으로부터 굽힘 모멘트가 도출될 수 있다.
바람직하게는 부하 검출 유닛은 각각의 로터 블레이드 상에 적어도 하나의 블레이드 센서를 포함하고, 특히 각각의 로터 블레이드 상에 적어도 2 개의 블레이드 센서를 포함하여, 각각의 로터 블레이드 상에서 적어도 2 개의 방향으로의 하중이 검출될 수 있는 것이 제안된다. 블레이드 센서는 스트레인 게이지로 설계될 수 있으며, 블레이드 루트 또는 로터 블레이드의 다른 지점에 제공될 수 있다. 복수의 방향으로 블레이드 하중을 검출하기 위해 로터 블레이드당 복수의 블레이드 센서를 사용하는 경우 바람직하게는 이들을 로터 블레이드 길이 방향 축에 대해 약 90°만큼 오프셋시켜 배치하는 것이 제안된다. 바람직하게는, 예를 들어 브래그 격자의 원리에 따라 동작하는 광섬유와 같은 광섬유가 블레이드 센서로서 사용된다.
이하에서 본 발명은 예시적으로 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 기초로 보다 상세히 설명될 것이다.
도 1은 풍력 터빈의 사시도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 기초가 되는 구조도를 도시한다.
도 3은 제안된 개별 블레이드 조정의 구조도를 도시한다.
도 4는 로터 표면의 부하 중심의 개략도이다.
도 5는 도 3에 따른 제어 구조의 일부일 수 있는 제어 구조의 일부를 도시한다.
도 6은 제안된 방법의 부분 양태를 도시한다.
도 7은 블레이드 조정에 의해 영향을 받는, 풍력 터빈에 작용하는 가능한 부하를 도시한다.
도 1은 타워(102) 및 나셀(104)을 갖는 풍력 터빈(100)을 도시한다. 나셀(104)에는, 3 개의 로터 블레이드(108) 및 스피너(110)를 갖는 로터(106)가 배치된다. 로터(106)는 작동 시 바람에 의해 회전 이동하도록 설정되고, 이에 따라 나셀(104) 내의 발전기를 구동한다.
나셀(104)에는 중앙 제어 유닛(103)이 제공될 수 있다. 그 중 하나가 예시적으로 도시되어 있는 조정 드라이브(105)는 각각의 로터 블레이드(108)의 영역에서 스피너(110)에 각각 제공되고, 중앙 제어 유닛(103)과 함께 블레이드 조정 장치를 형성할 수 있다. 로터 블레이드(108)에는 3 개의 블레이드 센서(107)가 제공되어 로터 블레이드들(108), 즉 각각의 로터 블레이드(108) 상의 하중을 결정한다. 3 개의 블레이드 센서(107)는 함께 부하 검출 유닛을 형성할 수 있다. 중앙 제어 유닛(103)은 또한 로터 블레이드 상에 위치되어, 로터와 함께 회전할 수 있다.
도 2는 단순화된 구조로 풍력 터빈(200)을 도시하며, 이러한 풍력 터빈에는 개략적으로 표시된 바람장(202)이 작용한다. 우선, 이러한 바람장(202)은 특히 풍력 터빈(200)의 로터(204) 상에 작용한다.
특히, 로터 블레이드(206)에 작용하는 힘, 특히 그에 작용하는 부하는 대응하는 센서에 의해 검출될 수 있다. 이러한 검출은 여기서 센서 다이내믹 블록(208)에 의해 도시된 센서 다이내믹에 종속된다.
검출된 힘, 부하, 또는 센서 다이내믹 블록(208)에서 검출된 다른 영향의 결과는 계산 블록(210)으로 전달되고, 상기 계산 블록은 이로부터 각도 사전 설정값 및 특히 그 각도 궤도 사전 설정값과 같은 디폴트 값을 계산한다. 그런 다음 이러한 값을 타겟 값으로 출력할 수 있다. 계산 블록(210)은 이 경우 단지 블록으로서 대표적으로 표현되며, 특히 이러한 계산을 위해 사용되는 임의의 알고리즘에 관련된다.
계산 블록(210)에서 계산된 타겟 값, 특히 조정될 블레이드 각도에 대한 타겟 값은 대응하는 피치 구동 시스템으로 전달된다. 이는 이러한 블레이드 각도 타겟 값과, 그 후 실제 조정되는 블레이드 각도 사이에 피치 다이내믹이 존재한다는 것을 설명하기 위해, 피치 다이내믹 블록(212)으로 전달되는 것으로 도시되어 있다.
이러한 피치 다이내믹 블록(212)의 출력은 그 후 풍력 터빈, 특히 로터(204) 및 그의 로터 블레이드(206) 상에 다시 작용한다. 결과적으로, 이에 따라 피치 다이내믹 블록(212)에 의해 생성된 블레이드 각도에 대한 이러한 값뿐만 아니라 바람장(202)에 따른 바람도 로터(204) 및 그의 로터 블레이드(206)에 작용한다. 이러한 전체로부터 그 후, 여기서 예시적인 목적을 위해 부하 거동 블록(214)으로서 단순화된 방식으로 도시된 부하 거동이 얻어진다. 물론 다른 변수도 또한 발생하지만, 그러나 본 발명에 대해서는 결과적인 부하 또는 결과적인 부하 거동이 중요하기 때문에, 이는 여기서 부하 거동 블록(214)에 도시되어 있다.
도 3은 전체 구조(300)에서 개별 블레이드 조정을 위해 제안된 제어의 일 실시예의 세부 사항을 도시한다. 이러한 전체 구조(300)의 필수 요소는 경로(302), 센서 다이내믹(304), 개별 블레이드 알고리즘 블록(306), 피치 다이내믹(308) 및 보완적으로 일반적인 블레이드 조정(310)이다.
경로(302)는 본 조사에 관련된 풍력 터빈의 거동을 나타낸다. 이것은 특히 풍력 터빈이 기준 변수에 어떻게 반응하는지를 나타내는 기준 거동(312)을 포함한다. 이것은 여기서 특히 블레이드 각도 조정에 대한 풍력 터빈의 거동 또는 반응에 관한 것이다. 블레이드 각도 조정의 다이내믹, 즉 피치 다이내믹(308)은 여기서 기준 거동에 대해 개별적으로 고려된다. 여기서, 피치 다이내믹(308)의 출력 변수는 기준 거동(312)에 대한 입력 변수이다.
또한, 교란(314)이 풍력 터빈에 작용하는데, 즉 특히 여기서는 Δv1, Δv2, 및 Δv3으로 지칭되는 풍속의 속도 변화 또는 속도 차이이다. 이러한 교란(314)은 직접적으로 측정되지 않는다. 그러나, 교란 거동(316)은 알려져 있거나 또는 적어도 부분적으로 알려져 있고, 필요한 경우에는 고려될 수도 있다. 따라서, 교란(314)은 교란 거동(316)을 통해 경로에 작용하는데, 즉 풍력 터빈의 거동에 영향을 미친다.
그 결과는 센서에 의해 검출될 수 있고, 이 경우 센서 다이내믹(304)을 통해 변경될 수 있다.
센서 다이내믹(304)을 통해 변경되는 이와 같은 경로(302), 즉 풍력 터빈의 출력 거동은 개별 블레이드 알고리즘 블록(306)으로 안내되거나 또는 피드백된다. 이를 기초로, 개별 블레이드 알고리즘 블록(306)에서, 개별 블레이드 조정이 사전 설정되거나 또는 사전 계획될 수 있다. 이 경우, 사전 계획된 이라 함은 매우 짧은 계획으로 이해될 수 있는데, 즉 특히 계획 기간은 풍력 터빈의 로터(204)가 블레이드(206) 주위로 계속 회전하는데 필요한 시간보다 더 짧다.
또한, 개별 블레이드 알고리즘 블록(306)은 피치 다이나믹(308), 센서 다이내믹(304) 및 교란 거동(316)의 특성들을 고려하는데, 이는 특성 그룹(336)으로 요약된다. 이러한 특성 그룹(336)으로부터 표시되는 개별 블레이드 알고리즘 블록(306)에 대한 화살표는 단지 이러한 언급된 특성들이 고려될 수 있다는 것을 나타내기 위한 것이다. 이것들이 거기로 끊임없이 피드백되고 있다는 것을 의미하지는 않는다. 오히려, 이들은 개별 블레이드 알고리즘 블록(306)에 저장될 수 있고, 필요한 경우 갱신될 수 있다.
먼저, 처리 블록(320)에서, 입력된 값, 즉 센서 다이내믹(304)에 의해 얻어진 값의 제 1 평가가 이루어진다. 다른 것들 중에서도, 처리 블록(320)에서는, 굽힘 모멘트가 추출되어 추정 블록(322)으로 전달될 수 있다. 추정 블록(322)은 측정된 굽힘 모멘트로부터 측정되지 않은 교란을 추정할 수 있다. 이를 위해 또한 상태 관찰자를 사용하는 것이 고려된다. 이 경우, 교란 거동(316)이 또한 고려될 수도 있다. 예시적으로 교란(314)으로서 블록 교란 거동(316)에 입력되는 그러한 측정되지 않은 교란은 특히 바람의 차이, 즉 특히 풍속 및 풍향의 변화일 수도 있다.
특히, 추정 블록(322)에서, 측정되지 않은 교란은 각 개별 블레이드에 대해 추정되는데, 즉 이를 통해 검출된다. 예를 들어 도 2에 따른 블레이드(206)와 같은 개별 블레이드에 대한 이러한 결과는 시프트 블록(324)에 공급된다. 시프트 블록(324)은 이와 같이 검출된 개별 블레이드의 교란이 후속 블레이드에 대해 각각 제공되거나 또는 사용되는 것을 보장한다. 이를 위해 시프트 및 할당 동작이 제안되는데, 이들은 수학적 변환의 연결로서 구현될 수 있다. 결과는 각각 차동 모멘트, 즉 각각의 로터 블레이드에 대한 차동 굽힘 모멘트를 포함하는 모멘트 블록(326)이다. 이러한 차동 굽힘 모멘트는 각 로터 블레이드의 추정된 굽힘 모멘트와 3 개의 모든 로터 블레이드의 추정된 굽힘 모멘트의 평균값 간의 차이이다.
모멘트 블록에는 따라서 각각 3 개의 요소, 즉 로터 블레이드당 하나의 요소를 포함하는 상이한 모멘트 벡터가 존재한다. 이 경우, 이러한 모멘트 값은 일정하지 않고 로터 표면을 통해, 특히 로터의 회전에 의한 로터 블레이드의 이동을 통해 변화하기 때문에, 복수의 벡터가 제공된다. 원칙적으로 연속적으로 변화하는 차동 굽힘 모멘트를 갖는 연속적인 모멘트 벡터를 사용할 수도 있지만, 그러나 특히 디지털 컴퓨터를 사용할 때 제어 기술 측면에서는 거의 구현될 수 없다. 이러한 이론적으로 연속적인 구현이 요구되지 않는다는 것도 또한 입증되었다.
그 다음, 모멘트 블록(326)의 출력은 파일럿 제어 블록(328)으로 주어진다. 따라서, 파일럿 제어 블록(328)은 교란 변수 개입의 관점에서 각각의 블레이드에 대한 블레이드 각도의 일부 또는 블레이드 각도의 변화 또는 블레이드 각도 차이를 사전 설정할 수 있다. 이것은, 더 이상 변경될 수 없다면, 기본적으로 개별적인 보각에 해당한다.
이미 이러한 파일럿 블록(328)은 이 경우 각각의 로터 블레이드에 대해 로터 표면을 통한 로터 블레이드의 이동 섹션에 대해 각도, 각도 차이 또는 각도 변경의 이러한 부분에 대한 각도 궤도를 사전 설정할 수 있다. 예를 들어, 하나의 로터 블레이드에 대해, 12시부터 2시 위치로의 이동에 대한 각도 궤도가 사전 설정될 수 있고, 다른 블레이드에 대해서는 4시부터 6시 위치까지의 영역에 대한 각도 궤도가 사전 설정된다. 이러한 예에서 두 각도 궤도는 각각 60°의 영역을 커버한다. 그러나 다른 영역, 즉 로터 표면의 다른 섹터가 기초로 될 수도 있다. 이 경우 이러한 섹터는 또한 각각 블레이드 간에 그 크기가 다를 수 있다.
파일럿 제어 블록(328)에 따른 파일럿 제어의 결과는 그 후 비선형 최적화 블록(330)에 공급된다. 비선형 최적화 블록(330)에서, 파일럿 제어 블록(328)이 생성하여 얻어진 각도는 추가 조건을 고려하여 더욱 조정될 수 있다. 이러한 추가 조건은 추가 조건 블록(332)으로부터 비선형 최적화 블록(330)으로 공급된다. 이러한 추가 조건은 예를 들어 피치 드라이브의 다이내믹, 피치 드라이브의 제한 또는 블레이드 동기성을 포함할 수 있다. 블레이드 동기성은 추가 조건으로서, 로터 블레이드(206)가 개별적으로 조정되지만 그럼에도 불구하고 그 조정 시에 전체적으로 서로에 대해 조정된다는 것을 고려한다. 특히 블레이드 각도의 평균값은 베이스 각도에 대응되어야 한다. 이 경우 이것이 장기적으로 충족된다면 충분하다. 이는 각 샘플링 시간마다 충족될 필요는 없고, 예를 들어 반올림 오류를 통해 발생할 수 있는, 블레이드 각도가 영구적으로 발산되는 것은 방지되어야 한다.
따라서, 추가 조건 블록(332)에서 고려되는 추가 조건은 특히 피치 드라이브의 구동 다이내믹 및 제한 그리고 위에서 언급된 블레이드 동기성이다. 다른 추가 조건이 고려될 수도 있다.
비선형 최적화 블록(330)에서의 블레이드 각도 또는 블레이드 각도 궤도의 이러한 조정에 의해, 이들은 후처리 블록(334)에 공급될 수 있다. 후처리 블록(334)에서, 필요한 경우 추가의 조정이 이루어질 수도 있다. 특히 후처리 블록(334)에서는, 특히 타당성 및 구현 가능성에 대해 궤도가 계속해서 제어될 수 있다. 각각의 궤도가 유효할 수 있는지 여부, 예를 들어 단지 2 개의 예를 들자면, 각각의 궤도가 미리 결정된 한계 내에 있는지 그리고/또는 이전의 궤도와 조합될 수 있는지 여부가 체크될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 현재 조정된 각도 값은 후처리 블록에서 회전 속도 또는 로터 위치에 따라 구체적으로 도출될 수 있다. 각각의 각도 궤도는 회전 각도에 따른 각도 프로파일이고, 따라서 각각의 현재 조정되는 각도 및/또는 현재 사용되는 궤도 섹션은 회전하는 로터의 구체적인 위치에 의존한다. 따라서 구체적인 각도 값은 현재의 로터 위치 및 이에 따라 현재의 로터 블레이드 위치를 고려하여 결정될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 이는 로터 회전 속도를 고려하여 결정될 수 있다. 이것은 후처리 블록(334)에서 행해질 수 있다. 이러한 경우, 후처리 블록(334)은 각도 궤도 대신에 구체적인 각도, 즉 타겟 각도를 출력할 수 있다. 최종적으로, 합산 부재(338)에서 이들 보각은 베이스 각도(339)에 가산된다. 이러한 베이스 각도(339)는 일반적으로 사전 설정될 수 있다.
도 5는 도 3의 단면도를 도시하는데, 즉 상류에 연결된 피치 다이내믹(308) 및 하류에 연결된 센서 다이내믹(304)을 갖는 경로(302)를 도시한다. 경로(302)는 기준 거동(312) 및 교란 거동(316)을 포함하며, 이를 통해 교란(314)이 경로(302)에 작용한다.
도 5는 특히 피치 다이내믹(308), 센서 다이내믹(304) 및 교란 거동(316)이 제어 구조에 대한 관련 특성이라는 것을 도시하기 위한 것이다. 각각의 다이나믹이 여기에 도시되어 있다.
피치 다이내믹(308)에 대해서는, 개략적인 보우드 선도(508)를 통해, 피치 다이내믹은 본질적으로 2 차 저역 통과 거동을 갖는다는 것이 도시된다.
교란 거동에 대해서는, 교란 다이어그램(516)을 통해, 각도 의존성 감도가 존재한다는 것이 도시된다. 교란 다이어그램은 이 경우 0 내지 40°의 집합 피치 각도에 대해 세로 좌표에서 정규화되어 도시되는 감도 인자를 도시하고, 여기서 특성 곡선은 2 내지 37°의 범위에 있다. 감도 인자는 이 경우 하중으로서의 굽힘 모멘트를 상쇄하기 위해, 블레이드가 바람으로부터 몇도 각도(°)만큼 회전되어야 하는지를 나타낸다. 블레이드 각도가 6°인 경우, 블레이드는 약 0.9pu의 굽힘 하중을 감소시키기 위해, 바람으로부터 10° 이상만큼 더 회전되어야 한다. 동일한 굽힘 하중은 35°의 블레이드 각도에서 바람으로부터 7° 미만만큼 더 회전 이동함에 의해 감소될 수 있다.
집합 피치 각도는 평균으로 고려되는 피치 각도이다.
따라서, 블레이드 각도가 증가함에 따라 감도가 본질적으로 감소된다는 것을 인식할 수 있다. 즉, 보다 큰 블레이드 각도의 경우에는 블레이드가 교란에 대해 덜 민감하다. 그러나 최대 값은 도시된 예에서 6°에서 얻어진다. 여기서 그러나 결정적인 것은, 이러한 교란 거동이 기본적으로 존재하며 특히 개별 블레이드 알고리즘에 대해 특히 개별 블레이드 알고리즘 블록(306)에서 고려될 수 있다는 것이다. 교란은 측정될 수 없거나 또는 측정되지 않지만, 그럼에도 불구하고 블레이드 각도에 따라 그 영향이 얼마나 강할 수 있는지 알 수 있다. 따라서, 명백하게 표현하자면, 각각의 경우 추정으로서, 한편으로 블레이드 각도 및 검출된 굽힘 모멘트에 기초하여 교란을 추론할 수 있고, 다른 한편으로는 검출된 교란에 기초하여 후속하는 블레이드에서 보다 양호하게 굽힘 모멘트를 추론하는 것이 가능하다.
따라서 선행하는 블레이드의 굽힘 하중으로부터, 블레이드 부하 또는 굽힘 하중과 관련된 교란 감도, 특히 감도 인자를 고려하여 교란이 추정될 수 있다. 이러한 추정된 교란으로부터, 그 후 교란 감도, 특히 감도 인자를 고려하여, 이러한 선행하는 로터 블레이드에 후속하는 뒤따르는 로터 블레이드의 굽힘 하중이 도출될 수 있다.
센서 다이내믹(404)에 대해 센서 다이어그램(504)이 주어지며, 이 센서 다이어그램은 특히 센서의 복잡성을 설명해야 한다. 특히, 이러한 센서 또는 이러한 센서들의 산란을 나타내는 부분 다이어그램(505)이 주어진다.
또한, 도 6은 로터 블레이드(606)를 갖는 로터(604)와 도시된 바람장(602) 사이의 관계가 존재한다는 것을 개략적으로 도시하다. 또한, 로터 표면(605)은 또한 원으로 도시되어 있다.
메인 블록(616)에는 이러한 메인 블록이 로터(606)에 의해 영향을 받거나 또는 이로부터 풍력 터빈에 대한 제어 동작이 전체적으로 유도될 수 있는 것으로 도시되어 있다. 예를 들어, 이러한 메인 블록(616)은 예를 들어 로터 회전 속도와 같은 로터의 상태를 검출하기 위한 센서를 포함할 수 있다는 점을 주목해야 한다. 또한, 이에 의존하여, 풍력 터빈을 제어할 수 있는 메인 제어가 작동된다. 특히 이는 로터의 속도에 의존할 수도 있다. 그러나 또 다른 예를 들자면, 이는 블레이드 각도를 고려할 수도 있다. 또한 로터 또는 그 거동에 따라, 예를 들어 검출된 로터 회전 속도에 따라, 발전기가 또한 제어될 수도 있다.
결과적인 제어 조치는 이러한 메인 블록(616)으로부터 피치 시스템(620)을 구동하는 것이다. 이를 위해, 일례로서 도시된 피치 제어기(620)는 메인 입력(622)을 제공한다. 또한, 바람장(602)도 피치 제어기(620)에 작용하는데, 이는 부하 입력(624)을 통해 도시되고 있다. 특히, 풍력장(602)의 이러한 피드백은 로터 필드(605)에서 균일하지 않은 개별 부하에 대한 예시로서 이해되어야 한다.
피치 제어기(620)는 여기서 피치 출력(626)을 포함하며, 상기 피치 출력(626)은 로터 블레이드(606) 및 이에 따라 로터(604)에 작용하는데, 즉 개별적인 블레이드 조정을 제공하고, 적어도 이를 위해 대응하는 블레이드 타겟 각도를 사전 설정한다. 이러한 블레이드 타겟 각도는 바람직하게는 각도 궤도로서 특정된다.
피치 제어기(620)는 또한 자체의 메인 입력(622), 부하 입력(624) 및 피치 출력(626)이 확대되어 도시되어 있다.
피치 제어기(620)의 확대도는 메인 제어기, 즉 메인 블록(616)으로부터의 변수뿐만 아니라 부하 입력(624)을 통한 부하 변수도 수신하는 피치 제어 블록(630)을 도시한다. 이로부터, 한편으로는 베이스 각도 블록(632)에서 베이스 각도가 결정되고, 개별 각도 블록(634)에서 각각의 로터 블레이드에 대해 개별적인 보각이 결정된다. 이들 2 개의 각도는 합산 부재(638)에서 블레이드 타겟 각도를 형성하도록 가산될 수 있다.
피치 제어기(620)는 스위치(636)에 의해, 개별 각도 블록(634)에서 결정된 보각이 제공되지 않을 가능성을 제공한다. 이러한 경우, 베이스 각도 블록(632)에 의해 결정된 베이스 각도는 이미 타겟 각도에 대응한다. 이러한 경우, 3 개의 모든 로터 블레이드(606)의 각도는 동일하다. 따라서, 이들 스위치(636)를 통해, 인식 가능하게 효과를 거의 갖지 않는 경우에, 개별 블레이드 조정을 비활성화하는 것이 간단한 방식으로 제공될 수 있다. 특히 약한 바람 상황에서는, 도 6에 도시된 바와 같이, 이들 스위치(636)를 개방하여, 이를 통해 개별 블레이드 조정을 비활성화하는 것이 제공될 수 있다.
이 경우, 바람이 약한 상황에서는 그럼에도 불구하고 최적화 계산이 보각 또는 보각 궤도를 계산한다는 점에 유의해야 한다. 이들은 경계 조건을 고려한 최적화 문제의 해결법의 결과로서 작을 수 있지만, 그럼에도 불구하고 피치 드라이브의 불필요한 구동으로 이어진다. 이는 스위치(636)에 의해 방지될 수 있다. 이것은 풍속에 따라 또는 또한 예를 들어 로터 회전 속도와 같은 풍력 터빈의 다른 상태에 따라 스위칭될 수 있다. 스위치(636)에 대한 기준으로서 예를 들어 계산된 보각의 크기와 같은 개별 블레이드 알고리즘의 결과를 사용하는 것도 또한 고려된다.
도 7은 특별히 상이한 하중을 도시하며, 이는 특히 비-균일한 바람장에 의해서도 또한 발생할 수 있다. 먼저, 블레이드 굽힘 모멘트가 피벗 방향으로 발생할 수 있으며, 상기 피벗 방향은 참조 번호 702로 도시되거나 또는 피벗 방향(702)으로 블레이드 굽힘 모멘트 화살표로 도시된다. 또한, 층 방향(704)으로 블레이드 굽힘 모멘트가 발생할 수도 있다.
좌측 표현에서는, 특히 피벗 방향(702)으로의 블레이드 굽힘 모멘트는 그 수평축을 중심으로 나셀(706)의 피벗 운동(708)을 유도할 수 있다는 것이 도시되어 있다. 또한 타워(712)의 비틀림 운동(710)이 고려된다.
특히, 층 방향(704)으로의 굽힘 모멘트는, 도 7의 우측 부분에 도시된 바와 같이, 피칭 모멘트(714)를 유도할 수 있다. 여기서 로터 비틀림(718)뿐만 아니라 타워 굽힘 모멘트(716)도 발생할 수 있다.
도 7의 중간 다이어그램은 또한 토크(720)가 로터(722)에 작용할 수 있다는 것을 나타낸다. 또한, 수직축을 중심으로 나셀(706)에 작용하는 토크인 요잉 모멘트(724)가 발생할 수도 있다. 마지막으로, 로터 추력(726)이 또한 발생할 수도 있는데, 이것은 로터 상의 축 방향 하중을 나타낸다.
그 외에, 로터에 작용할 수 있는 3 개의 데카르트 힘 방향(XR, YR 및 ZR)이 예시 및 배향을 위해 표시되어 있다. 마찬가지로 배향을 위해 3 개의 데카르트 방향(XT, YT 및 ZT)이 표시되어 있다.
도 4는 로터 표면(803) 내의 부하 중심(801)의 개략도를 도시한다. 로터 표면(803)은 로터(809)의 로터 블레이드(805)에 의해 스위핑되는 표면이고, 로터(809)는 로터(809)의 기하학적 중심이기도 한 회전 중심(811)을 갖는다. 부하 중심(801)은 도 8에서 회전 중심(811)으로부터 벗어난다. 부하 중심(801)이 항상 회전 중심(811)과 일치하는 것이 최적인 것으로 간주될 수 있지만, 그러나 부하 중심이 가능한 한 진폭에 있어서 일정하게 유지되도록 풍력 터빈을 작동하는 것이 더 나은 경우가 종종 있다는 것이 인식되었다. 즉, 이를 통해, 부하 중심(801)이 회전 중심(811)으로부터 벗어나는 것에 의해 야기되는 절대 하중보다 때로는 더 큰 하중을 나타낼 수 있는 교대 부하가 회피되는 것으로 인식되었다. 또한, 이 경우 대응하는 개별 블레이드 조정에 의해, 부하 중심(801)을 회전 중심에 대해 실질적으로 일정하게 유지하는 것이 달성될 수 있는 것으로 인식되었다.

Claims (22)

  1. 풍력 터빈의 제어 방법으로서,
    - 상기 풍력 터빈은 자체의 블레이드 각도가 개별적으로 조정 가능한 로터 블레이드를 갖는 공기 역학적 로터를 포함하고, 상기 로터는 가변 로터 회전 속도로 작동될 수 있으며,
    - 상기 풍력 터빈은 발전기 출력을 생성하기 위해, 상기 공기 역학적 로터에 결합되는 발전기를 포함하고, 상기 풍력 터빈의 제어 방법은
    - 개별적인 블레이드 타겟 각도에 대응하는 방식으로 각각의 블레이드 각도를 개별적으로 조정하는 단계로서,
    - 각각의 블레이드 타겟 각도는
    - 모든 로터 블레이드에 대해 사전 설정된 공통 베이스 각도 및
    - 개별적인 부하 토크를 고려하기 위한 개별적인 보각으로 구성되는 것인 단계, 및
    - 상기 로터 블레이드 각각에 대한 적어도 하나의 부하 토크 또는 이에 대한 대표적인 변수를 각각 검출하는 단계로서,
    - 각각의 조사되는 로터 블레이드에 대해 선행하는 로터 블레이드가 존재하며, 조사되는 각각의 로터 블레이드의 상기 블레이드 타겟 각도는 자체의 선행하는 로터 블레이드의 상기 적어도 하나의 부하 토크에 따라 결정되는 것인 단계
    를 포함하는, 풍력 터빈의 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    각각의 보각을 결정하기 위해 각도 궤도가 결정되고, 상기 보각은 각각 상기 각도 궤도의 요소이며, 이에 따라 상기 각도 궤도는 각각 상기 각각의 보각의 계속적인, 특히 연속적인, 특히 연속 미분 가능한 프로파일을 나타내는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 제어 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 각도 궤도는 적어도 2 개의 단계로 결정되며,
    - 제 1 단계에서, 적어도 하나의 또는 복수의 제 1 설계 기준에 대해 최적화된 최적의 각도 궤도가 결정되고,
    - 제 2 단계에서, 상기 제 1 단계에서 결정된 상기 최적의 각도 궤도는 하나의 또는 복수의 제 2 설계 기준을 더 고려하여 조정된 각도 궤도로 변경되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 제어 방법.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 각도 궤도, 특히 최적의 각도 궤도 또는 상기 최적의 각도 궤도는 상기 적어도 하나의 또는 복수의 제 1 설계 기준에 적어도 기초하는 최적화 문제의 해결을 통해 결정되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 제어 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 블레이드 타겟 각도는 변수들
    - 상기 조사되는 로터 블레이드의 현재 블레이드 각도,
    - 블레이드 굽힘 모멘트,
    - 사용된 피치 시스템의 작동 상태 및
    - 상기 검출된 블레이드 부하 토크에 대해 조사되는 섹터의 섹터 크기 및
    - 로터 허브의 부하 토크 및
    - 로터 허브 굽힘 모멘트 및
    - 로터 회전 속도 및
    - 로터 위치 및
    - 로터 가속도
    로 이루어진 리스트로부터 선택되는 적어도 하나의 추가의 변수에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 제어 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의, 또는 상기 하나의 또는 상기 복수의 제 1 설계 기준은
    - 부하 감소,
    - 수율 중립성 및
    - 피치 드라이브의 드라이브 보호
    를 포함하는 리스트로부터 선택되고, 추가적으로 또는 대안적으로
    상기 하나의 또는 상기 복수의 제 2 설계 기준은
    - 상기 피치 드라이브의 구동 다이내믹 및
    - 상기 피치 드라이브의 한계값
    을 포함하는 리스트로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 제어 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 검출된 부하 토크 및, 필요한 경우, 상기 추가의 변수는 조정 가능한 가중 인자 또는 가중 함수를 통해 통합되어, 특히 상기 추가의 변수 각각이 상기 조정 가능한 가중 인자 중 하나 또는 상기 조정 가능한 가중 함수 중 하나에 각각 할당되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 제어 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 가중 인자 또는 가중 함수는 달성 가능한 부하 감소, 수율 중립성 및 드라이브 보호에 따라 선택되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 제어 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보각은
    - 모든 로터 블레이드의 상기 보각의 평균값이 0이 되도록 그리고/또는
    - 각 보각의 크기는 미리 결정된 최대 각도를 초과하지 않도록
    선택되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 제어 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 로터 블레이드 상에서, 상이한 하중 방향을 갖는 적어도 2 개의 하중 측정치가 검출되고, 상기 블레이드 타겟 각도는 상기 풍력 터빈에 작용하는 하중이 최소화되어 피칭 모멘트 및/또는 요잉 모멘트가 최소화되고, 적어도 감소되도록 결정되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 제어 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 로터 블레이드에 의해 스위핑되는 로터 표면은 상기 부하 토크를 검출하기 위해 복수의 섹터들로 분할되고, 상기 부하 토크는 각각 상기 로터 블레이드가 섹터를 스위핑할 때 기록되며, 이로부터, 후속하는 로터 블레이드의 블레이드 타겟 값에 대한 부분 궤도가 결정되어, 특히 상기 부분 궤도는 복수의 지지점으로 구성되고 특히 상기 지지점 사이에서 상기 부분 궤도의 값이 보간되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 제어 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 로터 표면을 섹터들로 분할하는 것은 상기 로터 표면의 영역에서 검출되거나 또는 기대되는 바람장에 따라 수행되어, 특히 상기 섹터의 크기 및/또는 개수가 상기 바람장에 따라 선택되고, 그리고/또는 상기 부분 궤도의 상기 지지점의 개수는 상기 바람장에 의존하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 제어 방법.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 로터 표면을 섹터들, 특히 상기 섹터들의 크기 및/또는 개수로 분할하는 것은 상기 풍력 터빈의 진행되는 작동 중에 적응적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 제어 방법.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 가상 로터 표면이 정의되고, 각각의 가상 로터 표면은 실제 로터 표면에 대응하고, 추가적으로 적어도 하나의 시간 값 및/또는 관련 로터 회전에 의해 특성화되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 제어 방법.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    하중 검출이 복수의 회전을 통해 수행되고, 상기 타겟 각도는 추가적으로 적어도 하나의 이전의 회전의 상기 하중에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 제어 방법.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 조사된 로터 블레이드는 사전 설정 가능한 조정 다이내믹으로 자체의 블레이드 타겟 값을 추적하도록 이루어지고, 상기 조정 다이내믹은 특히 n >= 1 인 PTn 거동 및/또는 다른 점근적으로 감쇠된 거동을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 제어 방법.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    특히 상기 블레이드 타겟 각도의 사전 설정값을 포함하여, 상기 조사된 로터 블레이드의 하중의 피드백 없이, 각각의 조사된 로터 블레이드의 상기 블레이드 각도의 상기 조정이 수행되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 제어 방법.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 블레이드 타겟 각도 값은 보각이 없는 타겟 각도에 비해 상기 피칭 모멘트 및 상기 요잉 모멘트가 감소되도록 사전 설정되고, 상기 로터 블레이드의 하중의 증가가 허용되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 제어 방법.
  19. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 로터는 상기 로터 블레이드에 의해 스위핑되는 자체의 로터 표면에 회전 중심(811)을 포함하며, 상기 회전 중심은 상기 로터 표면의 기하학적 중심을 형성하고, 상기 회전 중심을 중심으로 상기 로터가 회전하며,
    - 상기 로터는 자체의 로터 표면에 부하 중심(801)을 포함하며, 상기 부하 중심은 상기 로터에 작용하는 모든 부하의 중심을 형성하며,
    - 상기 부하 중심이 상기 회전 중심으로부터 벗어난 경우에도, 상기 블레이드 타겟 각도, 특히 상기 보각은, 상기 부하 중심이 실질적으로 일정하게 유지되고, 특히 자체의 진동 진폭에 대해 일정하게 유지되고 상기 회전 중심으로 안내되지 않는 방식으로 결정되도록 상기 풍력 터빈의 제어 방법이 작동하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 제어 방법.
  20. 풍력 터빈으로서,
    - 블레이드 각도가 개별적으로 조정될 수 있는 로터 블레이드를 갖는 공기 역학적 로터 - 상기 로터는 가변 로터 회전 속도로 작동될 수 있음 - ,
    - 발전기 출력을 생성하기 위해, 상기 공기 역학적 로터에 결합되는 발전기,
    - 개별적인 블레이드 타겟 각도에 대응하는 방식으로 각각의 블레이드 각도를 개별적으로 조정하기 위한 블레이드 제어 장치로서,
    - 각각의 블레이드 타겟 각도는
    - 모든 로터 블레이드에 대해 사전 설정된 공통 베이스 각도 및
    - 개별적인 부하 토크를 고려하기 위한 개별적인 보각으로 구성되는 것인 블레이드 제어 장치, 및
    - 상기 로터 블레이드 각각에 대한 적어도 하나의 부하 토크를 각각 검출하기 위한 부하 검출 유닛으로서,
    - 각각의 조사되는 로터 블레이드에 대해 선행하는 로터 블레이드가 존재하며, 조사되는 각각의 로터 블레이드의 상기 블레이드 타겟 각도는 자체의 선행하는 로터 블레이드의 상기 적어도 하나의 부하 토크에 따라 결정되는 것인 부하 검출 유닛
    을 포함하는, 풍력 터빈.
  21. 제 20 항에 있어서,
    제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈.
  22. 제 20 항 또는 제 21 항에 있어서,
    상기 부하 검출 유닛은 각각의 상기 로터 블레이드 상에 적어도 하나의 블레이드 센서를 포함하고, 특히 각각의 로터 블레이드 상에 적어도 2 개의 블레이드 센서를 포함하여, 각각의 로터 블레이드 상에서 적어도 2 개의 방향으로의 하중이 검출될 수 있는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈.
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