KR20190095402A - 풍력 발전 설비의 운전을 위한 방법, 풍력 발전 설비의 제어 및/또는 조절을 위한 수단 및 전력을 생성하기 위해 로터 및 로터에 의해 구동되는 발전기를 구비한 해당 풍력 발전 설비 - Google Patents

풍력 발전 설비의 운전을 위한 방법, 풍력 발전 설비의 제어 및/또는 조절을 위한 수단 및 전력을 생성하기 위해 로터 및 로터에 의해 구동되는 발전기를 구비한 해당 풍력 발전 설비 Download PDF

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랄프 메싱
크리스티안 프랑크 나피에라라 (사망)
크리스토프 샤이트
디미트리오스 베키로포우로스
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보벤 프로퍼티즈 게엠베하
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Abstract

본 발명은 로터 및 로터에 의해 구동되는 발전기를 구비한, 전력을 생성하기 위한 풍력 발전 설비를 운전하기 위한 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따라 출력될 전력을 생성하기 위한 풍력 발전 설비의 로터의 적응된 회전 속도는 적응된 운전 관리를 이용해서 그리고 풍력 발전 설비와 관련한 공기 밀도를 이용해서 사전 설정되고, 최적으로 출력될 전력을 생성하기 위해 적응된 회전 속도는 공기 밀도의 감소 시 증가하는 회전 속도이거나 또는 공기 밀도의 증가 시 감소하는 회전 속도이고, 추가로 또는 대안으로서 로터의 사전 설정된 적응된 회전 속도에 대한 풍력 발전 설비의 음향 방출은 풍력 발전 설비와 관련한 공기 밀도를 이용하여 결정되고, 적응된 회전 속도는, 특히 풍력 발전 설비와 관련한 공기 밀도를 이용하여 결정된 음향 방출에 기초해서 교정된다.

Description

풍력 발전 설비의 운전을 위한 방법, 풍력 발전 설비의 제어 및/또는 조절을 위한 수단 및 전력을 생성하기 위해 로터 및 로터에 의해 구동되는 발전기를 구비한 해당 풍력 발전 설비
본 발명은 전력을 생성하기 위해 로터 및 상기 로터에 위해 구동되는 발전기를 구비한 풍력 발전 설비를 운전하기 위한 청구항 제 1 항의 전제부에 따른 방법에 관한 것이다. 이 방법에서, 풍력 발전 설비와 관련한 적어도 하나의 공기 밀도를 비롯한, 풍력 발전 설비와 관련한 환경 변수가 결정되고, 또한 발전기-로터(로터)의 회전 속도가 결정되고, 발전기의 출력될 전력이 사전 설정된다. 이 방법에서, 출력될 전력을 생성하기 위한 풍력 발전 설비는 운전 관리에 따라 설정된다. 바람직하게는, 발전기는 발전기의 여기 전류에 의해 설정된다. 운전 관리는 로터의 회전 속도와 출력될 전력 사이의 관계를 제시한다.
운전 관리는 풍력 발전 설비와 관련한 공기 밀도에 따라 적응된다. 이러한 방법은 EP 1 368 566 B1호로부터 출원인에 의해 이미 공개되어 있다.
또한, 로터 블레이드 상의 질량 유동 밀도를 추가로 고려하기 위해 풍력 발전 설비의 운전 시 풍력 발전 설비와 관련한 공기 밀도를 고려하는 것이 기본적으로 공개되어 있다.
DE 19 844 258 A1호는 조절 가능한 로터 블레이드를 가지며 풍력에 의해 구동 가능한 로터를 포함하는 풍력 발전 설비에서 전기 에너지의 생성을 위해 로터에 연결된 발전기가 이용되고, 가변 로터 회전 속도에서 발전기의 전력 출력이 가능한 것이 제공된다. 운전 관리 시스템에서, 로터 회전 속도는 사전 설정된 풍속 범위 내에서 로터 블레이드 각도를 조절함으로써 제어되도록 형성되는 것이 제공된다.
내셔널 아카데미 프레스(National Academy Press)의 논문, "Assessment of Research Needs for Wind Turbine Rotor Materials Technology - Chapter 6 Active Control in Wind Turbines - Control Problem for Wind Turbines" 91-108 페이지(http://www.nap.edU/read/1824/chapter/8#96) - 특히 96페이지 - 에 따르면, 로터 블레이드에서 질량 유동 밀도와 압력이 측정되어, 블레이드 구조체의 비교적 신속한 적응과 관련해서 임박한 난기류에 적절한 제어를 취할 수 있다.
일본 특허 출원 공개 제2008/309488 호에는, 균형잡힌 전력 출력을 가능하게 하기 위해, 풍력 밀도, 풍력 에너지 및 풍력의 통합 풍력 에너지에 기초하여 전기 발전기의 회전 속도를 적응시키는 제어가 제공되고, 이 경우 풍력 밀도의 고려와 관련해서 공기 밀도도 함께 고려된다. 유사하게, 이는 EP 2 264 313 B1호에서도 고려되고, JP 2008/309488 호에서와 같이 질량 유동 센서가 사용된다.
독일 특허 및 상표청은 현재의 본 PCT 출원에 대한 우선권 출원 시 다음의 선행 기술, 즉 WO 2012/149984 A1 및 WO 2014/078773 A1을 조사하였다.
현재 풍력 발전 설비(WEA)의 전력 계산은 표준 대기의 가정 하에 수행된다. 즉, 표준 대기(ISA)에 대한 국제 민간 항공기구(ICAO)의 규정에 따르면, 공기 밀도 ρ공기에 사용되는 표준 밀도 ρnorm은 ρnorm = 1,225kg/㎥이다. 따라서 IEC (International Engineering Code)에 따른 사전 설정된 주위 온도(Temperature- Envelope)에 따라 풍력 터빈의 설계가 이루어진다. EP 1 918 581 A2 호는 예를 들어, 주변의 온도와 압력이 측정됨으로써 한랭 기상 조건에서 공기 밀도를 결정하는 것을 제공하고, 이는 풍력 발전 설비에 작용하는 부하를 감소시키는 데 이용될 수 있다.
그러나 매우 높은 고도 및/또는 평균 온도가 높은 입지에서 이러한 가정은 적어도 양적으로 더 이상 일치하지 않는다. 매우 높은 고도에서는 사용된 표준 밀도 ρnorm에 기초한 설계 조건의 약 20%까지 작은 값에서 밀도의 심각한 편차가 발생할 수 있다. 따라서 이러한 심각한 편차가 있는 경우 정상적인 절차에도 근본적으로 의문을 제기해야 한다.
풍력에 대해 하기식, 즉
Figure pct00001
이 성립된다.
상기 식에서, A는 관류된 면적, η는 발전기 효율, cp는 출력 계수이다. 출력 계수는 이하에서 일정한 것으로 전제된다. 출력 P 및 방정식의 다른 변수들이 일정하게 유지되면, 블레이드 팁 속도는 다음과 같다.
Figure pct00002
블레이드 팁 속도 vtip은 밀도 ρ의 3 제곱근에 반비례하고 또는 출력은 다른 변수들이 일정할 때 밀도 ρ에 직접 비례한다.
이는 전술한 유럽 특허 제1 368 566 호에서 출원인에 의해 구체적으로 인식되었다. 거기에는 선행 기술과 달리, 풍력 발전 설비의 제어부에 출력 특성 곡선을 저장하는 것이 명시적으로 제공되고, 상기 출력 특성 곡선은 풍력 발전 설비의 제어부가 풍속에 의존하여 결정된 로터 회전 속도로부터 관련 발전기 전력을 결정할 수 있게 한다. 또한, 바람의 에너지의 양이 너무 적으면, 발전기의 로터는 발전기 토크를 제공할 수 없고 따라서 로터 회전 속도는 너무 높은 발전기 토크로 인해 감소될 수 있음이 파악되었다. EP 1 368 566 B1호에 대한 해결 방법으로서, 해수면보다 높은 풍력 발전 설비의 건설 현장의 고도의 고려 시 전력 특성 곡선에서 작은 공기 밀도를 고려하는 것이 제안된다. 이로 인해, 로터 회전 속도 및 특정한 팁 속도 비 λ에 할당되며 풍력 발전 설비에 의해 생성될 전력이 상응하게 적응될 수 있고, 즉 감소될 수 있고, 따라서 발전기 토크는 제어 장치에 의해 설정된 여기 전류로 인해 로터를 통해 제공된 토크를 초과하지 않는다. 이로 인해, 전력 특성 곡선에 의해 정해진 효율이 유지되고 풍력으로부터 최대 에너지를 얻을 수 있다.
이것은 근본적으로 바람직할 수도 있지만, 그럼에도 불구하고 풍력 발전 설비(WEA)의 연간 생산량(AEP - 연간 에너지 생산량)을 최적화하는 것도 중요한 것으로 밝혀졌다. 이것은 전술한 바와 같이 이용 가능한 풍력이 감소하는 낮은 공기 밀도의 경우에 특히 유효하며, 특히 풍력 발전 설비 및 주변에 바람직하지 않은 영향을 미치지 않으면 이와 같이 이용 가능한 작은 풍력을 보상하는 것이 바람직하다.
본 발명의 과제는, 전력의 생성을 위한 로터 및 로터에 의해 구동되는 발전기를 구비한 풍력 발전 설비의 운전을 위한 방법과 수단 및 해당하는 풍력 발전 설비를 제공하는 것이다. 본 발명의 과제는 전술한 문제들 중 적어도 하나를 제거하거나 줄이는 것이다. 특히 풍력 발전 설비와 관련한 공기 밀도를 고려하여, 결과적으로 이용 가능한 풍력이 보상되어야 하고, 특히 신뢰성 있게 및/또는 개선된 방식으로 보상되어야 한다.
특히, 본 발명의 과제는, 제어 및/또는 조절을 위한 이러한 방법 또는 해당하는 수단에서 또는 해당하는 풍력 발전 설비에서 풍력 발전 설비와 관련한 - 정상 조건과 달리 - 더 낮은 공기 밀도에 의존해서, 발전기의 출력될 전력이 최적화될 수 있도록, 특히 개선될 수 있도록 운전 관리를 적응시키는 것이다.
바람직하게 이것은 풍력 발전 설비의 증가한 AEP(연간 에너지 생산량)와 관련해서 파악되어야 하지만, 그럼에도 불구하고 바람직하게는 환경에 미치는 영향 및/또는 풍력 발전 설비에 대한 과도한 부하가 낮게 유지되어야 한다. 특히 본 발명의 과제는, 풍력 발전 설비를 제어 및/또는 조절하기 위한 해당하는 수단을 제공하고 이러한 과제를 고려한 해당 풍력 발전 설비를 제공하는 것이다.
전술한 방법과 관련한 상기 과제는 본 발명에 의해 청구항 제 1 항의 방법으로 해결된다.
청구항 제 1 항의 전제부에 따른 전술한 방식의 방법에 기초하여, 본 발명에 따라 추가로,
- 적응된 운전 관리를 이용하여 그리고 풍력 발전 설비와 관련한 공기 밀도를 이용하여 출력될 전력을 생성하기 위한 풍력 발전 설비의 로터의 적응된 회전 속도가 사전 설정되고, 이 경우 최적으로 출력될 전력을 생성하기 위해 적응된 회전 속도는 공기 밀도의 감소 시 증가한 회전 속도인 것이 제공된다.
이러한 제 1 변형예에 대해 대안으로서 또는 추가로 바람직하게 본 발명에 따른 제 2 변형예에 따라 추가로,
- 풍력 발전 설비와 관련한 공기 밀도를 이용하여 로터의 사전 설정된 회전 속도 또는 로터의 적응된 회전 속도에 대한 풍력 발전 설비의 음향 방출이 결정되고,
- 사전 설정된 회전 속도(대안예의 경우에) 또는 적응된 회전 속도(추가 조치의 경우에)가 교정된다.
바람직하게는, 사전 설정된 회전 속도(대안예의 경우에) 또는 증가한 회전 속도(추가적인 조치의 경우에)가 제한된다. 상기 교정은 바람직하게 풍력 발전 설비와 관련된 공기 밀도를 이용하여 결정된 음향 방출에 기초하여 이루어진다.
제 1 변형예와 관련하여, 본 발명은 운전 관리가 풍력 발전 설비와 관련한 공기 밀도에 의존해서 적응될 수 있다는 사상에 기초한다. 본 발명의 컨셉에 따르면 이로써, 발전기의 바람직하게 최적으로 출력될 전력을 생성하기 위해서는 로터의 적응된 회전 속도가 선택되게 해야 한다. 이는, 풍력 발전 설비와 관련한 비교적 낮은 공기 밀도의 경우에, 적응된 회전 속도가 표준 대기의 표준 밀도와 관련된 회전 속도(정격 회전 속도)에 비해 증가하는 것을 의미한다.
본 발명은 또한 제 2 변형예와 관련해서, 풍력 발전 설비의 로터의 적응된 회전 속도의 조치 하에 또는 로터의 회전 속도에 대해 로터의 사전 설정된 회전 속도 또는 적응된 회전 속도를 위한 풍력 발전 설비의 음향 방출도 영향을 받는다는 것을 파악하였다. 본 발명에 따라 추가로 또는 대안으로서, 풍력 발전 설비와 관련한 공기 밀도를 이용하여 로터의 미리 정해지거나 적응된 회전 속도에 대해 풍력 발전 설비의 음향 방출이 결정되고, 사전 설정되거나 적응된 회전 속도는 풍력 발전 설비와 관련한 공기 밀도를 이용하여 결정된 음향 방출에 기초해서 교정되는 것이 제공된다.
다시 말해서, 제 2 변형예와 관련한 본 발명에 따른 운전 관리는 예를 들어, 동일한 설비 전력, 적응된 회전 속도 및 더 낮은 공기 밀도에서, - 즉 그러한 점에서 출력될 전력이 최적화된 경우에 - 풍력 발전 설비의 로터에 의해 야기된 음압 및 로터의 음향 방출 또는 풍력 발전 설비의 실질적으로 관련된 음향 방출이 표준 대기의 정상 조건에서보다 작을 수 있는 것을 허용한다.
예를 들어 본 발명에 따른 컨셉은 다음과 같이 더 구체적으로 설명된다. 제 1 변형예에 따른 본 발명에 의해 파악된 것처럼, 동일한 설비 전력에서, 공기 밀도의 감소 시 경우에 따라서 공기 유동 속도가 증가하므로, - 본 발명에 의해 파악된 바와 같이 - 회전 속도에 따라 팁 속도 비를 일정하게 유지하기 위해, 운전 특성 곡선의 회전 속도 및/또는 설정 회전 속도가 적응될 수 있다. 이는, 예를 들어, - 상세한 설명에서 상세히 설명되는 것처럼 - 아래와 같이 회전 속도의 적응을 가능하게 한다.
Figure pct00003
이 경우 ρnorm은 정상적인 밀도 또는 ISA 에 따라 "정규화된" 밀도이고, 이를 위해 운전 특성 곡선은 처음에, 예를 들어 일반적으로 IEC에 따라 작성되었고, nkorr은 운전 특성 곡선에 처음에 규정된 회전 속도 n와 달리 적응된 회전 속도이다. 최적으로 출력될 전력의 생성을 위해 본 발명에 따른 제 1 변형예의 컨셉에 따른 적응된 회전 속도는 공기 밀도의 감소 시 증가한 회전 속도이다.
추가로 또는 대안으로서 제 2 변형예에 따르면, 풍력 발전 설비에 의해 야기되는 음압이 대체로 일정하게 유지되도록 회전 속도를 교정하는 것도 가능하다. 결과적으로, 동일한 음압에서 회전 속도는 밀도에 따라 변할 수 있다. 즉, 예를 들어 다음과 같은 종속성이 있다.
Figure pct00004
따라서 사전 설정된 회전 속도 또는 적응된 회전 속도와 달리 - 즉 경우에 따라서 제 1 변형예에 따라 더 낮은 공기 밀도에서도 증가한 회전 속도의 경우에 - 더 증가한 회전 속도는 상기 방정식(I)에 따라 적응된 회전 속도와 달리 교정된 회전 속도로서 사용될 수 있고, 이 경우 로터의 음향 방출은 증가하지 않는다.
이로써 전반적으로 본 발명은, 중요한 또는 더 중요한 교정 파라미터로서 풍력 발전 설비와 관련한 공기 밀도를 이용하여 로터의 적응된 회전 속도를 사전 설정하기 위해 풍력 발전 설비의 음향 방출에 대한 음압이 고려되어야 하고, 상기 파라미터에 의해 회전 속도가 적응되고[예를 들어, 방정식(Ⅱ)에 따름] 또는 [예를 들어 방정식(I)에 따라] 적응된 회전 속도는 추가로 [예를 들어 방정식(Ⅱ)에 따라] 교정될 수 있다. 제 2 변형예의 이러한 조치는 바람직하게 또한 풍력 발전 설비와 관련한 공기 밀도를 이용하여 관련 음향 방출을 결정하기 위해 이루어진다.
이는, 필요에 따라 - 전술한 방식으로 - 교정과 관련해서 회전 속도를 추가로 높일 수 있다. 그러나 이는 경우에 따라서 적응된 회전 속도의 한정, 특히 제한을 야기할 수 있다. 후자의 대안으로, 특정의 사전 설정된 음향 방출이 보장될 수 있다.
특히, 풍력 발전 설비의 출력될 전력의 최적화를 달성하기 위해, 간단히 말해서 바람직하게 음향 방출 한계의 경계 조건에서 "전력 최적화"를 달성하기 위해, 본 발명에 따른 컨셉은 종래의 전력 최적화와 달리 개선된 것으로, 어쨌든 환경에 대해 허용 가능한 전력 최적화로서 입증되었는데, 그 이유는 풍력 발전 설비의 음향 방출은 로터의 사전 설정된 적응된 회전 속도에 대해서도 일정한 한도를 벗어나지 않기 때문이다.
본 발명은 또한 과제와 관련해서 청구항 제 15 항의 수단 및 청구항 제 16 항의 풍력 발전 설비 및 청구항 제 17 항의 풍력 발전 단지에 관한 것이다.
결과적으로, 본 발명의 컨셉은 먼저 바람직하게 제 1 변형예의 범위에서, 변경된 운전 관리를 이용해서, 바람직하게는 변경된 운전 특성 곡선을 이용해서, 더 작은 밀도의 입지에서 풍력 발전 설비의 연간 생산량을 유지할 수 있는 가능성을 제공한다. 이용 가능한 더 작은 풍력을 보상하기 위해, 본 발명의 컨셉은 특히, 설비를 더 높은 정격 속도로 운전하는 것을 제공한다.
이는 또한 - 제 2 변형예에서 본 발명에 의해 파악되는 바와 같이 - 더 높은 팁 속도 또는 최대 블레이드 팁 속도도 야기할 수 있기 때문에, 로터의 음압의 증가가 예상될 수 있다. 다른 한편으로, - 마찬가지로 본 발명에 의해 파악되는 바와 같이 - 밀도와 온도도 음압에 영향을 미친다. 본 발명은 처음으로 로터 블레이드 음향 특성 및 풍력 발전 설비의 관련 음향 방출에 미치는 환경 파라미터, 즉 밀도와 음향 속도의 영향을 인식하였다.
예를 들어 밀도가 약 20% 감소하면 약 2dB 낮아진 로터의 음압이 발생한다는 것이 밝혀졌다. 더 높은 속도로 인해 예상되는 레벨과 더 작은 밀도로 인한 감소의 이론적 비교에 따르면, 동일한 전력, 더 낮은 밀도 및 증가한 회전 속도에서 풍력 발전 설비는 더 조용해지는 경향이 있을 수 있고, 즉 더 작은 음향 방출을 갖거나, 회전 속도는 추가로 높아질 수 있다. 이는 발전기의 효율을 높일 것이다.
본 발명의 바람직한 개선예들은 종속 청구항들에 제시되고, 본 발명의 과제와 관련해서는 물론 추가 장점들을 고려해서 전술한 컨셉을 실현하는 바람직한 가능성을 상세히 명시한다.
이러한 적응은 예를 들어 설정 회전 속도에 대해 측정 기술적으로 직접 결정된, 음향 방출을 나타내는 적어도 하나의 변수에 기초해서 이루어질 수 있다. 음향 방출을 나타내는 적어도 하나의 변수는 특히 로터 또는 풍력 발전 설비의, 예를 들어 음압 및/또는 음압 레벨 및/또는 음향 출력 레벨 및/또는 음향 주파수 및/또는 청각에 대해 적응된, 특히 주파수 가중 음압일 수 있다.
관련 환경 변수로서 공기 밀도가 표준 대기의 표준 밀도에 비해 낮은 공기 밀도인 경우에, 개선예는, 바람직하게, 운전 관리가 풍력 발전 설비에 대해 감소한 공기 밀도에 의존해서 적응되는 것을 제공한다. 전술한 바와 같이, 이는 특히, 높은 고도의 풍력 터빈에서 발생하는 것과 같이, 밀도가 낮은 입지에 있는 풍력 터빈의 경우이다.
바람직한 제 1 변형 개선예에서 [예를 들어 (I)을 고려한 다음 (Ⅱ)를 고려하여] 다음, 즉
- 교정된 회전 속도는 풍력 발전 설비와 관련한 공기 밀도를 이용하여 결정된 음향 방출에 기초해서 적응된 회전 속도에 비해 더 증가하는 것, 또는
- 교정된 회전 속도는 적응된 회전 속도에 비해 더 증가하지 않으며 풍력 발전 설비는 더 낮거나 일정한 음향 방출에서도 운전되는 것
이 제공된다. 이러한 개선예는, 전술한 바와 같이, 회전 속도가 증가한 경우라도 로터 및 실질적으로 풍력 발전 설비의 기본적으로 예상되는 음향 방출은, 회전 속도의 추가 증가를 허용할 정도라는 사실에 기초해서 이루어진다.
바람직한 제 2 개선예에서, 대안으로서 풍력 발전 설비와 관련한 공기 밀도를 이용하여 결정된 음향 방출에 기초해서[예를 들어, (Ⅱ)만을 고려해서] 이루어지는 교정 및 적응된 회전 속도를 다루는 것도 또한 본 발명의 컨셉에 포함된다 이러한 상황은 일반적으로, 풍력 발전 설비의 운전 관리가 음향 방출에 따라서만 실행될 경우 가능하다.
본 발명에 따라 이러한 제 2 변형 개선예와 관련해서, 청구항 제 1 항의 전제부에 기초해서 상기 방법은 대안으로서 하기 단계, 즉
- 풍력 발전 설비와 관련한 공기 밀도를 이용하여 로터의 사전 설정된 적응된 회전 속도에 대해 풍력 발전 설비의 음향 방출이 결정되는 단계,
- 회전 속도는 풍력 발전 설비와 관련한 공기 밀도를 이용하여 결정된 음향 방출에 기초해서 교정되는 단계
를 포함한다.
그러나 바람직하게 이것은 또한 가능한 한 로터의 회전 속도와 출력될 전력 사이의 관계를 제시하는 운전 관리에 따라 출력될 전력이 보장된다는 검증된 가정 하에 이루어진다.
바람직하게 또한 2가지 변형예를 위해,
- 운전 관리는 회전 속도-전력-운전 특성 곡선(n/P-운전 특성 곡선)을 포함하며,
- 적응된 운전 특성 곡선은 풍력 발전 설비와 관련한 공기 밀도에 의존해서 사전 설정되고, 출력될 전력을 생성하기 위한 풍력 발전 설비는 운전 관리에서 적응된 n/P-운전 특성 곡선에 의해 설정되고,
- 사전 설정된 적응된 현재 회전 속도는 운전 관리에서 사전 설정된 후에 제어부 및/또는 조절부에 의해 설정되는 것
이 제공된다.
공기 밀도는 풍력 발전 설비 위치의 현재의 공기 밀도일 수 있으며, 상기 공기 밀도는 연속 측정된 후에 동적으로 적응된다. 추가로 또는 대안으로서, 공기 밀도는 한 번 또는 반복적으로 측정된 후에 정적으로 적응된 풍력 발전 설비의 위치에서 일반적으로 우세한 공기 밀도일 수 있다.
공기 밀도는 측정된 환경 값들로부터 결정될 수 있다. 바람직하게는 환경 값들은 또한 풍력 발전 설비와 관련한 공기 온도를 포함할 수 있다. 공기 밀도는 측정된 추가의 환경 값들로부터 결정될 수 있으며, 이 경우 다른 환경 값들은 선택적으로 공기 압력 및 상대 또는 절대 습도도 포함한다.
또한, 특히 바람직한 개선예와 관련해서, 공기 온도는 특히 바람직한 개선예를 위한 본 발명의 컨셉에서 관련 환경 변수로서 이용될 수 있는 것이 밝혀졌다. 높은 고도의 입지[예컨대, 칠레의 참마(Tchamma)]에서는 음향 속도가 동일한 경우에 밀도가 감소한다. 다른 입지에서는 주변 온도의 증가로 인해 밀도가 감소할 수 있다. 후자의 경우에, 음향 속도는 온도에 따라 변한다.
Figure pct00005
여기서 등엔트로피 지수 κ 및 공기의 비 기체 상수 R은 일정한 것으로 간주될 수 있다. 밀도도 온도에 따라 변한다.
따라서 특히 바람직하게, 표준 대기에서 로터의 회전 속도에 대해 풍력 발전 설비의 정상적인 음향 방출이 결정되고, 정상적인 음향 방출은 풍력 발전 설비와 관련한 공기 밀도 및/또는 공기 온도를 이용해서 로터의 적응된 회전 속도에 대한 풍력 발전 설비의 음향 방출에 대해 조정되고,
- 풍력 발전 설비의 로터의 적응된 회전 속도가 교정되고 선택적으로 제한된다.
특히, 이전에 수행된, 밀도에 의존하는 회전 속도의 교정에 추가하여 또는 대안으로서, 풍력 발전 설비는 교정된 음향 방출에 대해 교정된 회전 속도를 이용해서 운전될 수 있으므로, 풍력 발전 설비는 교정된 음향 방출 한계에서 운전된다. 이를 위해, 이와 관련하여 예시적으로 설명된, 특히 도 3에 따른 실시예가 참조된다.
특히 바람직한 실시예와 관련하여, 특히 바람직한 방식이 제공되어,
- 먼저, 표준 대기의 예정된 표준 밀도를 고려해서 로터의 회전 속도가 설정되고,
- 후속해서 풍력 발전 설비와 관련한 공기 밀도 및/또는 공기 온도를 고려해서 적응된 회전 속도가 사전 설정되고,
- 이어서 적응된 회전 속도가 교정되고, 설비는 교정된 회전 속도를 이용해서 교정된 음향 방출 한계에서 운전된다.
전술한 특히 바람직한 다른 실시예와 관련해서, 본 발명의 컨셉은, 공기 밀도가 표준 밀도에 비해 낮은 공기 밀도이고 교정된 회전 속도는 표준 대기에 대한 회전 속도에 비해 증가한 회전 속도인 경우에, 바람직한 것으로 입증되었다. 이렇게 증가한 회전 속도는 적응된 회전 속도에 비해 더 증가하거나 제한될 수 있다. 본 발명의 컨셉은 또한, 공기 밀도가 표준 밀도에 비해 높은 공기 밀도이고 교정된 회전 속도가 표준 대기에 대한 회전 속도에 비해 낮은 속도인 경우에, 바람직한 것으로 입증되었다. 이러한 감소한 회전 속도는 적응된 회전 속도에 비해 더 감소되거나 제한될 수 있다.
선택적으로, 초기에 수행되어야 하는 회전 속도의 이러한 적응 및 회전 속도의 후속 교정 또는 제한은 - 증가 또는 감소와 관련해서 - 또한 공기 온도의 의존성을 고려하는 가능성도 제공한다.
따라서, 이러한 개선예와 관련해서 공기 온도 및/또는 공기 밀도에 의존해서, 풍력 발전 설비의 로터의 회전 속도는 풍력 발전 설비와 관련한 감소한 공기 밀도를 사용함으로써 제어 및/또는 조절되어 증가할 수 있다. 바람직하게는, 예를 들어, 연간 전력 생산(AEP)에 따라, 전력이 증가할 수 있고 또는 출력될 보장 전력이 보장될 수 있다.
따라서 이러한 방식을 구현하기 위해, 설정 회전 속도를 적응시키기 위한 교정이 제공될 수 있고, 따라서 공기 밀도가 음향 방출과 관련한 값보다 작은지 여부가 결정되고, 즉, 특히 먼저 공기 밀도가 표준 밀도(ICAO의 규정에 관한 ISA에 따름)보다 작은지 여부가 결정되고, 그러한 경우에는 최대 허용 음향 방출값에 대해서 설정 회전 속도가 적응된다.
바람직하게, 발전기의 설정 하에, 바람직하게는 발전기 로터의 여기 전류의 설정 하에, 하나 이상의 로터 블레이드 및/또는 로터 블레이드 상의 하나 이상의 유동 요소의 설정 하에, 그리고 풍력 발전 설비의 나셀의 방위각 위치의 설정 하에 출력될 전력을 생성하기 위한 전체적인 풍력 발전 설비가 설정될 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들이 설명된다. 도면은 실시예들을 반드시 일정한 비율로 도시하지 않아도 되지만, 설명을 위한 도면은 개략적으로 및/또는 약간 왜곡된 형태로 구현된다. 도면에서 직접 인식할 수 있는 교리의 보완과 관련해서 해당하는 선행 기술이 참조된다. 본 발명의 보편적인 사상을 벗어나지 않고 다양한 실시예의 형태 및 세부 사항과 관련한 다양한 변형 및 변경이 이루어질 수 있음을 고려해야 한다. 본 발명의 상세한 설명, 도면 및 청구 범위에 개시된 특징들은 본 발명의 개선을 위해 개별적으로 그리고 임의의 조합으로도 중요할 수 있다. 또한, 상세한 설명, 도면 및/또는 청구 범위에 개시된 특징들 중 적어도 2개의 모든 조합은 본 발명의 범위에 속한다. 본 발명의 보편적인 사상은 이하에 도시되어 설명된 바람직한 실시예들의 정확한 형태 또는 세부 사항에 제한되지 않고 청구 범위에 청구된 대상과 비교하여 한정될 대상으로 제한된다. 주어진 치수 설계 범위의 경우, 명시된 한계 내의 값들이 한계값으로 공개되어야 하며 임의로 이용 가능하고 청구 가능해야 한다. 간단함을 위해 동일하거나 유사한 기능을 갖는 부품들 또는 동일하거나 유사한 부품들에 대해서는 동일한 도면 부호가 사용된다.
본 발명의 다른 장점들, 특징들 및 세부 사항들은 바람직한 실시예들에 대한 다음의 설명 및 도면에 제시된다.
도 1은 바람직한 실시예에 따른 타워 및 나셀을 갖는 풍력 발전 설비를 도시한 도면.
도 2는 바람직한 실시예에 따른 예시적인 3개의 풍력 발전 설비를 포함하는 풍력 발전 단지를 도시한 도면.
도 3은 적응된 회전 속도가 교정되고, 풍력 발전 설비가 교정된 회전 속도를 이용해서 교정된 음향 방출 한계에서 운전되는 방법의 바람직한 실시예를 설명하기 위해, 기준 음압에 대한 음압 레벨 등고선(dB 단위의 SPL)을 갖는 정규화된 회전 속도-밀도 그래프를 도시한 도면.
도 4는 예를 들어 풍력 발전 설비의 운전 시 경계 조건으로서 (I)을 고려해서 또는 예를 들어 (Ⅱ)를 고려해서 그리고 전력과 관련해서 풍력 발전 설비(WEA)의 음향 방출에 대한 관련된 음압에 관한 등고선을 갖는 정규화된 회전 속도-밀도 그래프를 도시한 도면.
도 5a는 전부하 상태에서 풍력 발전 설비의 운전 시 음압 S과 전력 P의 선택적인 경계 조건을 포함한 회전 속도 교정을 위한 조절 회로의 도식을 도시한 도면.
도 5b는 부분 부하 상태에서 풍력 발전 설비(WEA)의 운전 시 음압 S과 전력 P의 선택적인 경계 조건을 포함한 회전 속도 교정을 위한 조절 회로의 도식을 도시한 도면.
도 1은 타워(102)와 나셀(104)을 갖는 풍력 발전 설비(100)를 도시한다. 나셀(104)에는, 3개의 로터 블레이드(108)와 스피너(110)를 갖는 로터(106)가 배치된다. 로터(106)는 운전 시 바람에 의해 회전 운동하고, 이로 인해 나셀(104) 내의 발전기를 구동한다.
도 2는 동일하거나 상이할 수 있는, 예를 들어 3개의 풍력 발전 설비(100)를 포함하는 풍력 발전 단지(112)를 도시한다. 3개의 풍력 발전 설비(100)는 따라서 기본적으로 풍력 발전 단지(112)의 임의의 수의 풍력 발전 설비들을 나타낸다. 풍력 발전 설비들(100)은 그것의 전력, 즉, 특히 생성된 전류를 단지 전력 네트워크(114)를 통해 제공한다. 이 경우에, 개별 풍력 발전 설비들(100)의 각각 생성된 전류 또는 전력이 가산되고, 일반적으로 변압기(116)가 제공되며, 상기 변압기는 일반적으로 PCC로도 지칭되는 공급점(118)에서 공급 네트워크(120)로 전력을 공급하기 위해 단지 내의 전압을 승압한다. 도 2는, 물론 제어부가 제공되어 있지만, 예로서 제어부를 도시하지 않는, 풍력 발전 단지(112)의 개략도이다. 또한, 예를 들어, 단지 네트워크(114)는 다르게 설계될 수도 있으며, 다른 실시예를 들자면, 상기 단지 네트워크 내에, 예를 들어 각각의 풍력 발전 설비(100)의 출력부에 변압기가 또한 존재한다.
도 1의 풍력 발전 설비 또는 도 2에 따른 풍력 발전 단지의 각각의 풍력 발전 설비 또는 도 2에 따른 풍력 발전 단지에는, 이 경우에 조절기(220)를 가진 운전 관리의 일부로서 제어 및/또는 조절을 위한 수단(200)(제어 및 조절 수단;200)이 장착된다. 이러한 조절기(220)는 예를 들어 풍력 발전 설비(100)의 로터 블레이드, 발전기 및 나셀을 위한 해당 액추에이터 또는 작동기(301, 302, 303)를 갖는 조절 장치(300)를 제어한다.
도 1 및 도 2에 따라, 제어 및 조절 장치(200)는 제어 및 조절 장치(200)의 측정 모듈(210)에 미치는 신호 라인(231)을 통해 센서 시스템(230)으로부터 측정 정보를 수신한다.
이러한 측정 모듈(210)은 밀도를 결정하기 위한 제 1 결정 유닛(211)과 풍력 발전 설비의 로터의 회전 속도 n를 결정하기 위한 제 2 결정 유닛(212)을 포함한다.
또한, 조절기(220)의 일부로서, 파일럿 제어 유닛(221) - 예를 들어 하나 이상의 저장된 운전 특성 곡선 R(n', n*) 을 갖는 연산 유닛 또는 그와 같은 것 - 이 제공되고, 상기 운전 특성 곡선은 밀도 적응된 운전 특성 곡선 R(n')에 따라 적응된 회전 속도 n' 및/또는 추가로 교정된 회전 속도 n*를 사전 설정할 수 있다. 이 경우 또한 운전 특성 곡선 R(n*)은 계산된 음압 S에 따라 사전 설정될 수 있다.
적응된 및/또는 교정된 회전 속도 n', n* [즉, 파일럿 제어 유닛(221)에 따라 적응된 회전 속도 n'는 추가로 또는 대안으로서 (바람직하게는 추가로) 음압 S 및/또는 밀도 적응된 전력 P에 따라 교정되어 회전 속도 n* 이 됨]는 추가의 신호 라인(232)을 통해 풍력 발전 설비(100) 및 그것의 대응하는 조절 수단(300)에 제공될 수 있다. 이로 인해, 밀도 적응된 전력 및 음압 S을 고려하여 전력이 최적화되도록, 회전 속도 n* 은 추가로 적응될 수 있다.
전술한 바와 같이, 풍력 발전 설비(WEA)의 현재 전력 계산은 표준 대기를 가정하여 수행된다. 공기 밀도 ρ공기에 사용되는 표준 밀도 ρnorm은 ρnorm = 1, 225kg/㎥이다. 높은 고도 및/또는 높은 평균 온도를 갖는 입지에서 이러한 가정은 양적으로 더 이상 일치하지 않고, 전체적으로 밀도의 편차는 사용된 표준 밀도 ρnorm을 기반으로 하는 설계 조건의 약 20%까지 더 작은 값으로 나타날 수 있다.
선행 기술과 달리, 본 발명에 따라 더 낮은 밀도에서도 풍력 발전 설비(WEA)의 해당하는 비 전력(specific power)을 보장하는 것이 제공되고, 즉, 동일한 풍속 그리고 또한 초기의 동일한 회전 속도에서 더 낮은 밀도는 회전 속도의 증가로 달리 보상될 수 있다. 이때 풍력 발전 설비는 설정 회전 속도 nSoll보다 높은 회전 속도로 운전된다. 결국은 더 높은 회전 속도로 인해 AEP(연간 에너지 생산량)의 증가값도 예상될 수 있다. 따라서 풍력 발전 설비는 IEC(International Engineering Code)에 따른 사전 설정된 주위 온도(temperature envelope)에 따라 구성된다.
동시에, 회전 속도가 증가하면 풍력 발전 설비(WEA)의 음향 방출이 증가한다는 점도 주목해야 한다. 따라서 도 5a 및 도 5b에 도시된 적응된 운전 관리는 바람직한 실시예와 관련하여 2개의 요소, 즉 전력 P과 음압 S를 고려한다.
이론적 추정에 기초하여, 일정한 전력 및 선택적으로 일정한 또는 거의 동일한 음압 S의 가정 하에 운전 특성 곡선 R(n)의 회전 속도 n를 풍력 발전 설비(WEA)의 정격 회전 속도 및 설정 회전 속도에 대해 적응시키는 것이 가능하다. 일정한 전력 P에 대해 n'= nkorr에 해당하는 회전 속도 교정은 - 제 1 변형예에 따라 본 발명에 의해 알 수 있는 바와 같이 - 하기 식에 의해 수행될 수 있다.
Figure pct00006
회전 속도 nnorm은 운전 특성 곡선(BKL)에 해당하는 회전 속도에 적용된다.
결과적인 음압 S가 변하지 않는다고 가정하면, 본 발명의 제2 변형예에 따라, n* = nkorr에 해당하는 회전 속도의 교정은 하기 식에 의해 적용될 수 있다.
Figure pct00007
제 1 교정과 달리 보장된 음압 S에 대해서 회전 속도는 약간 더 증가할 수 있다. 이것은 발전기의 효율을 높일 수 있다.
도 3은 표준 밀도 ρnorm로 정규화된 밀도 ρquer에 대해서 정격 회전 속도 nnenn으로 정규화된 회전 속도 nquer에 관한 등고선(K)을 도시한다. x-축에 정규화된 밀도 ρquer가 표시되고 y-축에 정규화된 회전 속도 nquer가 표시되고, 둘 다 참조 변수 nnenn 또는 ρnorm로 정규화된다. 등고선은 보장된 음압 S[여기서는 예를 들어, 음압 레벨(SPL) 또는 음향 출력 레벨에 결정적인 값]에 대한 편차에 해당한다. 도시된 바와 같이, 기준 밀도(1,225 kg/m3)보다 작은 밀도 범위에서 회전 속도 n > nnenn은 예컨대 0-dB-등고선을 따라 이동될 수 있다. 즉, 적응된 회전 속도가 교정되고, 설비는 교정된 음향 방출 한계에서[예를 들어, 사전 설정된 음압 레벨 SPL에 의해 음압 S에 대한 설정에 따라] 교정된 회전 속도에 의해 운전된다. 다시 말해서, 설비는 필요 시 음압 S에 대해서만 또는 전력 P와 조합하여, 즉 예상되는 음향 방출과 관련하여 제어된다. 음향 출력 레벨 또는 음압 레벨 SPL은 근사적으로 결정되고, 예를 들면 밀도 ρ와 회전 속도 n를 동시에 검출함으로써 결정된다. 이러한 조절에 의해 더 낮은 밀도의 공기가 있는 특정 입지(더 따뜻한 공기 및/또는 해수면보다 높은 고도)에서 AEP(연간 에너지 생산량)의 증가가 달성될 수 있다.
환언하면, 입지 특정적 파라미터(입지의 고도, 온도)로 인해 밀도가 훨씬 더 낮은 경우, 예상되는 음압 S은 감소한다. 밀도에 대해 교정이 가능하고, 이러한 교정은 본 발명에 따라 하나 이상의 저장되어 적응된 운전 특성 곡선 R(n', n*)에 의해 제공된다.
더 낮은 밀도가 온도 상승의 결과라면, 특히 바람직한 실시예에서 음향 속도 c0에 대한 온도 T의 영향도 추가로 고려될 것이다. 음향 속도가 증가하면 마하수가 감소하기 때문에, 음압 레벨 SPL의 추가적인 약간의 감소가 예상될 수 있다. 예상되는 음압 S의 감소는 정격 속도의 적응에 이용될 수 있다. 이로 인해 음압은 다시 증가할 것이다. 그러나 간단한 가정 하에, 회전 속도 증가로 인한 음압 S의 증가는 더 낮은 밀도로 인한 감소보다 작다는 것이 추정될 수 있다.
세부적으로는 다음과 같다.
고도가 높은 입지에서 - 예를 들어 칠레의 참마 - 음향 속도가 동일할 때 밀도는 감소한다. 다른 입지에서는 증가한 주변 온도로 인해 밀도가 감소할 수 있다. 후자의 경우에, 음향 속도 c0는 온도에 따라 변화하고,
Figure pct00008
여기서, 등엔트로피 지수 κ 및 공기의 비 기체 상수 R은 일정한 것으로 간주될 수 있다. 밀도도 온도에 따라 변한다.
바디 주변으로 난류가 흐르는 경우 음향 생성은 간행물 "On sound generated aerodynamically. I. General theory(M. J. Lighthill, Proc. R. Soc. London, Vol. 211, No. 1107, pp. 564-587, 1951)"에 따른 Lighthill의 음향 유추 해석에 기반해서 설명될 수 있다. 비압축성 유동의 단순한 가정 하에서 음압과 밀도 사이의 선형 관계가 귀결된다.
Ffowcs-Williams Hall in J.F. Ffowcs Williams 및 L.H. Hall의 간행물 "Aerodynamic sound generation by turbulent flow in the vicinity of a scattering half plane(J Fluid Mech, Vol. 40, pp. 657-670, 1970)"에 따르면, 트레일링 에지 잡음은 하기 식에 의해 밀도 및 음향 속도와 관련이 있다.
Figure pct00009
간행물 "J sound Vib.(Amiet 외, Vol.41 Nr.4 pp. 407-420, 1975)"에 따르면 유사한 비례성이 예상된다.
결과적으로, 음압 레벨(SPL; sound pressure level)은 밀도의 변화 시 간단한 스케일링 법칙에 의해 계산되는 것이 제안되고, 이는 난류 잡음(흡입 측 성분 및 압력 측 성분과 분리에 의해 유도된 기여분을 포함)에 대한 밀도 ρ의 영향의 측정으로 증명된다.
Figure pct00010
유사한 스케일링은 편차를 갖는 음향 속도 또는 마하수에도 적용되며, 이는 마찬가지로 다양한 잡음-메커니즘에 대한 변경된 음향 속도 c0의 영향을 통해 입증될 수 있다.
Figure pct00011
이 경우 첨자 n은 적응된 환경 변수와 관련되고, ref는 표준 대기에 따른 변수와 관련된다.
한편으로, 풍력에 관하여 하기 식이 성립된다.
Figure pct00012
이 경우 A는 관류하는 영역이고, η는 발전기 효율이며, cP는 전력 계수이다. 전력 계수는 이하에서 일정한 것으로 전제된다. 전력이 일정하게 유지되면, 블레이드 팁 속도 vtip에 대해 하기 식이 뒤따른다.
Figure pct00013
따라서 전력은 공기 밀도에 따라 선형적으로 감소한다.
다른 한편으로, 일정한 음향 속도 c0를 가정하면 관계식(6)을 이용하여 마하수에 대해 하기 식이 성립된다.
Figure pct00014
음압(S; 공식에서 p')은 밀도 및 마하수에 따라 다음과 같이 크기 조정된다.
Figure pct00015
관계식(7)을 (8)에 대입하면, 적응된 회전 속도에서 음압(S; 공식에서 p')에 대해 다음과 같다.
Figure pct00016
동일한 설비 전력, 적응된 회전 속도 및 더 작은 밀도에서 음압 S은 표준 조건 하에서보다 작아야 한다.
도 4에 도시된 바와 같이 한편으로 다음과 같이 적용된다, 즉 전력이 동일하고 공기 밀도 ρ가 감소할 때 유입 유동 속도는 증가한다. 회전 속도에 걸쳐 팁 속도 비를 일정하게 유지하기 위해, 하기 관계식에 따라 운전 특성 곡선의 회전 속도와 설정 회전 속도가 적응될 수 있다.
Figure pct00017
(공식 I에 해당. 특히 nkorr=n')
여기서 ρnorm은 정상 밀도이고, 상기 밀도에 대해 운전 특성 곡선이 최초로 작성되어 있고, nkorr은 운전 특성 곡선에서 처음에 규정된 회전 속도 n과 달리, 교정된 회전 속도 n'이다.
추가로 또는 대안으로서, 음압 S(공식에서 p')이 일정하게 유지되도록 회전 속도를 적응시키는 것도 가능하다. 방정식(8)에 따르면, 음압(공식에서 p')은 밀도 및 마하수 또는 블레이드 팁 속도에 의존한다.
Figure pct00018
일정
Figure pct00019
이로부터, 음압 S이 동일할 때 회전 속도는 도 4에 도시된 바와 같이 밀도에 상응하게 하기 식에 따라 변할 수 있다.
Figure pct00020
(공식 Ⅱ에 해당; 특히 nkorr=n*)
방정식(12)에 따르면, 방정식(10)과 달리 약간 더 높은 회전 속도 n*도 사용될 수 있다.
도 5a에서는, 도 1 또는 도 2에 따른 전력을 생성하기 위한 로터 및 로터에 의해 구동되는 발전기를 구비한 풍력 발전 설비의 운전을 위한 방법이, 전부하 상태에서 운전을 위한 제어와 관련해서, 예시적으로 설명된다. 전부하 운전은 실질적으로 정격 풍속으로부터의 풍력 발전 설비의 운전과 관련된다. 풍속이 정격 풍속에 도달하면, 정격 전력이 달성될 수 있다. 이 방법을 위해, 변경된 파일럿 제어(I)가 제 1 단계에서 측정 모듈(210)에 의해 실현된다. 이러한 파일럿 제어(I)의 범위에서, 풍력 발전 설비와 관련한 적어도 하나의 공기 밀도를 비롯한, 풍력 발전 설비와 관련한 환경 변수들(M)이 결정된다. 이 경우 먼저 도 5a의 실시예의 측정 모듈(210)의 일부로서 변경된 파일럿 제어에서 밀도 ρ공기는 공기 압력 p공기, 온도 T공기 및 경우에 따라서 상대 습도φ공기를 동시에 측정함으로써 결정된다. 검출된 값은, 예컨대 도 5a에 도시된, 예를 들어 연산 유닛 또는 저장된 운전 특성 곡선 R(n', n*)을 포함하는 파일럿 제어 유닛(221)에 의해 설비 회전 속도 n의 파일럿 제어 및/또는 조절에 직접 이용된다. 측정값들의 높은 빈도의 변동을 억제하기 위해, 측정값이 이동 평균값 등으로 필터링된다(도시되지 않음). 또한, 설비 제어도 그에 따라 적응된다. 설비값들(A)로서, nIst로 결정된 로터의 회전 속도 n, 출력될 전력 PSoll 및 음압 S 또는 경우에 따라서 발전기의 전력 제한 Lpmax이 사전 설정된다.
풍력 발전 설비, 특히 발전기, 즉, 여기에서 상기 발전기의 여기 전류는 출력될 전류를 생성하기 위해 운전 관리에 따라 사전 설정되며, 상기 운전 관리는 로터의 회전 속도와 출력될 전력 사이의 관계를 제시한다. 이것은 여기에서 운전 특성 곡선 R(n', n*) 또는 측정 모듈(210)에 할당된 파일럿 제어(I)의 일부로서 도 3에 설명된 등고선(K)을 포함한다. 이 경우 운전 관리는 풍력 발전 설비와 관련한 공기 밀도 ρ공기에 따라 적응된다.
도 5a의 실시예에 따른 방법을 수행하기 위한 전부하 범위에서의 후속 조절 회로(Ⅱ) 또는 도 5b의 실시예에 따른 방법을 수행하기 위한 부분 부하 범위에서의 후속 조절 회로(Ⅲ)의 목적은 현재 공기 밀도 ρ공기에 따라서 교정된 회전 속도 n -> nkorr=n' 또는 nkorr=n*을 고려한 운전 관리의 자동 적응이다. 특히, 바람직하게 추가로 로터 상의 최적의 공기 역학 유동 조건은 현재 밀도 ρ공기를 고려하고 최대 음향 방출을 관찰하면서 예측된 수율이 보장되는 가운데 달성될 수 있다. 이로 인해 특히 간단하게 보장되는 전력 P(출력될 전력에 기초해서 - 부분 부하 운전 시 PSoll 또는 전부하 운전 시 정격 전력)뿐만 아니라 높은 음압 S이 유지될 수 있다(예를 들어, 소정의 음압 S 또는 필요 시 발전기의 전력 제한 Lpmax에 기초함).
전반적으로, 해수면보다 높은 풍력 발전 설비(100)의 설치 높이에서 더 낮은 밀도로 밀도의 결정적인 변화를 고려하지 않는 운전 방식과 달리, 현재 공기 밀도 ρ공기가 더 낮은 경우에 설비 회전 속도의 증가 n-> n'을 포함한 nkorr, 또는 nkorr=n* 에 의해 궁극적으로 증가한 연간 에너지 생산량(AEP)이 예상될 수 있다.
따라서 적응된 운전 특성 곡선 R(n', n*) 또는 도 3에 설명된 등고선 K을 포함하는 적응된 운전 관리를 이용해서 출력될 전력을 생성하기 위한 풍력 발전 설비의 로터의 여기에서의 적응된 회전 속도 n', n*는 파일럿 제어로부터 사전 설정되고, 즉 풍력 발전 설비와 관련한 공기 밀도를 이용해서 사전 설정된다. 특히 이것은 최적으로 출력될 전력 P을 생성하기 위해 조절기(220)에 의해 이용되고, 이 경우 적응된 회전 속도 n', n* 는 일반적으로 공기 밀도가 더 낮을 때 (일반적으로 가정된 공기 밀도에서) 정상 회전 속도 n보다 증가한 회전 속도 n', n* 이다.
주요 이유는, 입지 특정적 파라미터(입지의 고도, 온도의 레벨)로 인해 공기 밀도 ρ가 현저히 낮은 경우 예상되는 음압 S 및 풍력 발전 설비의 실질적으로 관련된 음향 방출이 또한 감소하는 것에 있다.
밀도 ρ의 경우, 상기 공식(3)에 따른 음압 레벨 SPL의 설정에 따른 예상되는 음향 방출의 교정이 가능하고, 예상되는 이러한 음향 방출은 마찬가지로 예를 들어 도 5a 또는 도 5b에서처럼 적응된 운전 특성 곡선 R(n', n*)으로서 운전 관리에 포함될 수 있다.
낮은 밀도가 온도 상승의 결과라면, 음향 속도에 대한 온도 T의 영향도 추가로 고려될 수 있다.
그러한 점에서 공기 밀도 ρ 및/또는 음압 S에 의해 적응된 운전 특성 곡선 R(n', n*) 및/또는 도 3에 설명된 등고선(K)을 고려하여 (추가로 또는 대안으로서) 사전 설정된 회전 속도 n에 대해 또는 풍력 발전 설비와 관련한 공기 밀도를 이용하여 로터의 이미 밀도 적응된 회전 속도 n'에 대해 풍력 발전 설비의 음향 방출이 결정될 수 있다. 바람직하게는, 예컨대 풍력 발전 설비와 관련한 공기 밀도 ρ 및 음압 S을 이용하여 결정된 음향 방출 S에 기초해서 사전 설정된 회전 속도 n가 교정될 수 있을 뿐만 아니라, 밀도 적응된 회전 속도 n'도 n*으로 교정될 수 있다.
음향 속도가 증가하면 마하수가 감소하기 때문에, 음압 레벨 SPL의 더 작은 감소가 예상될 수 있다. 이로써 감소한 예상 음압 S은 또한 정격 회전 속도 n*의 적응을 위해 적응된 특성 곡선 R(n', n*)에서도 이용될 수 있다. 이로 인해 음압은 다시 증가할 수 있다. 그러나 간단한 가정 하에, 회전 속도 n*의 증가로 인한 음압 S의 증가는 더 낮은 밀도 ρ로 인한 감소보다 작다는 것이 추정될 수 있다. 따라서, 도 3의 등고선(K)에 따른 파일럿 제어도 제공된다.
본 발명의 컨셉과 관련해서 측정 모듈(210)을 이용한 변형된 이러한 파일럿 제어(I) 이후에는 전부하 운전을 위해 도 5a에 따른 제어 및/또는 조절을 위한 수단(200)의 조절 회로(Ⅱ)의 조절 경로가 후속한다. 운전 관리는 이를 위해 하나 이상의 전술한 조절기(220)를 포함한다. 상기 조절기는 전술한 바와 같이 회전 속도 편차 Δn=nSoll - nIst를 고려하여 그리고 측정 장치(210)를 이용한 파일럿 제어와 관련해서 적응된 운전 특성 곡선 R(n', n*)에 따라 설정된 전력 P(정격 전력) 및/또는 음압 S을 조절할 수 있다. 바람직하게는, 도시된 바와 같이 특히 회전 속도 n->nSoll=nkorr은 일정하고 또는 소정 범위로 한정된다. 조절 대상은 일반적으로 전부하 운전에서 실질적으로 일정한 회전 속도이며, 어느 경우든 적절한 범위 내의 회전 속도이다. 조절 경로는 기본적으로 조절 회로 Ⅱ를 포함하도록, 추가로 조절 장치(300)와 적절한 액추에이터 또는 작동기(301, 302, 303)를 포함하도록 형성되고, 그와 같은 순서는 여기에서는 단지 예시적일 뿐이다. 이러한 조절 경로는 - 위에서처럼 전부하 운전을 위해, 특히 부분 부하 운전을 위해서도 - 예를 들어 로터 블레이드의 블레이드 각도 αRot, 발전기의 여기 전류 IE 및/또는 (도시되지 않은)풍력 발전 설비의 나셀 또는 로터의 방위각을, 도 1 및 도 2를 참고로 그리고 도 5b의 부분 부하 운전에 대해 상세히 설명된 바와 같이, 조절할 수 있다.
결과적으로, 어떠한 경우든 전부하 운전에 대해 밀도 적응된 전력 P의 목표 값 및/또는 밀도 적응된 음압 S, 즉 적응된 회전 속도 n' 및/또는 교정된 회전 속도 n*에 대응하는 증가한 회전 속도 nIst가 설정된다.
도 5b에서는, 도 1 또는 도 2에 따른, 전력을 생성하기 위한 로터 및 로터에 의해 구동되는 발전기를 구비한 풍력 발전 설비의 운전을 위한 방법이, 부분 부하 상태에서 운전을 위한 조절 회로 Ⅲ을 이용한 조절과 관련해서 예를 들어 설명된다.
풍력 발전 설비(100)가 최대 출력 전력으로 운전될 수 없을 정도로 바람이 약한 부분 부하 운전에서, 출력 전력은 바람에 의존해서, 즉 풍속에 의존해서 설정된다. 부분 부하 운전은 즉, 약한 바람으로 인해 풍력 발전 설비가 여전히 최대 출력 전력에 도달할 수 없는 운전, 즉 특히 풍력 발전 설비가 정격 전력에 아직 도달할 수 없는 운전이다. 일반적으로 풍속이 정격 풍속에 도달할 때, 정격 전력을 얻을 수 있다. 따라서 부분 부하 운전은 정격 풍속까지의 풍력 발전 설비의 운전과 관련된다.
부분 부하 운전 시 조절 회로(Ⅲ)의 조절기(220)는 다시 회전 속도 편차 Δn=nSoll-nIst를 고려해서 그리고 측정 장치(210)를 이용한 파일럿 제어와 관련해서 적응된 운전 특성 곡선 R(n', n*)에 따라 설정된 전력 P 및/또는 디폴트로서 설정된 음압 S을 다시 수신한다. 이 경우 감소한 밀도 ρ에 따라, 전술한 바와 같이, 적응된 또는 교정된 회전 속도 n', n*가 관련된다.
따라서, 출력될 전력 PSoll을 생성하기 위한 풍력 발전 설비는 발전기의 설정에 따라, 예컨대 특히 바람직하게 발전기-로터의 여기 전류 IE의 설정에 따라, 바람직하게는 음압 S의 디폴트를 고려하여 설정될 수 있다. 추가로 또는 대안으로서 하나 이상의 로터 블레이드의 블레이드 각도는 액추에이터(302)에 의해 설정될 수 있다. 이는 예를 들어, 적절한 피치 드라이브로 또는 작동기(302) 내의 로터 블레이드 상의 하나 이상의 유동 요소의 조절각을 위한 드라이브로 구현될 수 있다. 작동기(302)에 의해 풍력 발전 설비의 나셀의 방위각 위치를 설정하는 것도 가능하다.
결과적으로, 부분 부하 운전을 위해서도 증가한 회전 속도가 가정될 수 있고 및/또는 조절 회로(Ⅲ)에 대해 증가한 회전 속도 nIst가 설정될 수 있고, 이것은 즉 적응된 속도 n' 및/또는 교정된 속도 n*에서, 밀도 적응된 전력 P 및/또는 밀도 적응된 음압 P의 목표 값에 대응할 것이다. 따라서 부분 부하 운전에서 출력될 전력을 생성하기 위해 풍력 발전 설비는 조절 회로(Ⅲ)에 따라, 예를 들어 도 5b에 도시된 바와 같이 전력 차이 ΔP에 따라 실제 전력 PIst을 설정 전력 PSoll과 조정하기 위해 발전기의 여기 전류 IE 및/또는 로터 블레이드의 블레이드 각도 αRot 및/또는 나셀의 방위각을 설정함으로써 조정된다.

Claims (17)

  1. 전력을 생성하기 위한 로터 및 이 로터에 의해 구동되는 발전기를 구비한 풍력 발전 설비의 운전을 위한 방법으로서,
    - 풍력 발전 설비와 관련한 적어도 하나의 공기 밀도를 비롯한, 풍력 발전 설비와 관련한 환경 변수를 결정하는 단계,
    - 로터의 회전 속도를 결정하는 단계,
    - 발전기의 출력될 전력을 사전 설정하는 단계,
    - 로터의 회전 속도와 출력될 전력 사이의 관련성을 제시하는 운전 관리에 따라 출력될 전력을 생성하기 위해 발전기의 여기 전류가 설정된 상태에서 풍력 발전 설비, 특히 발전기를 설정하는 단계
    를 포함하고,
    - 상기 운전 관리는 풍력 발전 설비와 관련한 공기 밀도에 의존해서 적응되는 것인 방법에 있어서,
    - (I) 적응된 운전 관리를 이용하여 그리고 풍력 발전 설비와 관련한 공기 밀도를 이용하여 출력될 전력을 생성하기 위한 풍력 발전 설비의 로터의 적응된 회전 속도가 사전 설정되고, 최적으로 출력될 전력을 생성하기 위해, 상기 적응된 회전 속도는 공기 밀도의 감소 시 증가한 회전 속도인 것, 그리고
    추가로 또는 대안으로서
    - (Ⅱ) 풍력 발전 설비와 관련한 공기 밀도를 이용하여 로터의 사전 설정된 회전 속도 또는 적응된 회전 속도에 대한 풍력 발전 설비의 음향 방출, 특히 관련된 음압이 결정되고,
    - 상기 사전 설정된 회전 속도 또는 상기 적응된 회전 속도는, 특히 풍력 발전 설비와 관련한 공기 밀도를 이용하여 결정된 음향 방출, 특히 관련된 음압에 기초해서 교정되는 것
    을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 공기 밀도는 관련 환경 변수로서 표준 대기의 표준 밀도에 비해 감소된 공기 밀도이고, 상기 운전 관리는 풍력 발전 설비에 대해 감소된 공기 밀도에 의존해서 적응되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    - 교정된 상기 회전 속도는 풍력 발전 설비와 관련한 공기 밀도를 이용하여 결정된 음향 방출, 특히 관련된 음압에 기초해서, 상기 적응된 회전 속도에 비해 더 증가하거나,
    - 교정된 상기 회전 속도는 상기 적응된 회전 속도에 비해 더 증가하지 않고, 풍력 발전 설비는 더 낮거나 동일한 음향 방출, 특히 더 낮거나 동일한 관련된 음압에서 운전되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적응된 회전 속도는 풍력 발전 설비와 관련한 공기 밀도를 이용하여 결정된 음향 방출, 특히 관련된 음압에 기초해서 제한되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 운전 관리는 회전 속도-전력-운전 특성 곡선(n/P-운전 특성 곡선)을 포함하고,
    - 적응된 운전 특성 곡선은 풍력 발전 설비와 관련한 공기 밀도에 의존해서 사전 설정되고, 출력될 전력을 생성하기 위한 풍력 발전 설비는 상기 운전 관리에서 적응된 회전 속도-전력-특성 곡선에 기초해서 설정되고,
    - 사전 설정되고 적응된 현재 회전 속도는 운전 관리에서 사전 설정된 후에 제어부 및/또는 조절부에 의해 설정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공기 밀도는 풍력 발전 설비 위치에서의 현재 공기 밀도이고, 상기 공기 밀도는 연속 측정되어 동적으로 적응되고 및/또는 풍력 발전 설비의 위치에서 일반적으로 우세한 공기 밀도이고, 상기 공기 밀도는 한 번 또는 반복 측정되어 정적으로 적응되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공기 밀도는 측정된 환경 값들로부터 결정되고, 상기 환경 값들은 풍력 발전 설비와 관련한 공기 온도를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공기 밀도는 측정된 환경 값들로부터 결정되고, 상기 환경 값들은 선택적으로 공기 압력 및 상대 습도 또는 절대 습도를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 표준 대기에서 로터의 회전 속도에 대해 풍력 발전 설비의 정상적인 음향 방출(normal sound emission), 특히 관련된 정상적인 음압이 결정되고,
    - 상기 정상적인 음향 방출, 특히 관련된 정상적인 음압은 풍력 발전 설비와 관련한 공기 밀도 및/또는 공기 온도를 이용하여 로터의 상기 적응된 회전 속도에 대한 풍력 발전 설비의 음향 방출, 특히 관련된 음압에 대해 조정되고,
    - 풍력 발전 설비의 로터의 적응된 회전 속도는 음향 방출에 기초해서, 특히 관련된 음압에 기초해서 교정되고 선택적으로 제한되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 풍력 발전 설비는 교정된 음향 방출에 대해 교정된 회전 속도를 이용해서 운전되어, 상기 풍력 발전 설비는 교정된 음향 방출 한계, 특히 관련된 음압 한계에서 운전되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 먼저 표준 대기의 사전 결정된 표준 밀도를 고려해서 로터의 회전 속도가 설정되고,
    - 후속해서 풍력 발전 설비와 관련한 공기 밀도 및/또는 공기 온도를 고려해서 적응된 회전 속도가 사전 설정되고,
    - 상기 적응된 회전 속도는 교정되고, 풍력 발전 설비는 교정된 회전 속도를 이용해서 교정된 음향 방출 한계, 특히 관련된 음압 한계에서 운전되는 것
    을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서, 상기 공기 밀도는 표준 밀도에 비해 감소된 공기 밀도이고, 상기 교정된 회전 속도는 한편으로 표준 대기에 대한 회전 속도에 비해 증가한 회전 속도이고, 다른 한편으로 선택적으로 공기 온도에 의존해서, 적응된 회전 속도에 비해 더 증가한 및/또는 제한된 회전 속도인 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 출력될 전력을 생성하기 위한 풍력 발전 설비는, 적응된 회전 속도(n') 및/또는 적응 및 교정된 회전 속도(n*)의 지정 하에,
    - 특히 전부하 운전 시, 회전 속도의 조절 하에 및/또는,
    - 특히 부분 부하 운전 시, 발전기의 설정 하에, 바람직하게는 발전기-로터의 여기 전류의 설정 하에, 하나 이상의 로터 블레이드의 및/또는 로터의 로터 블레이드 상의 하나 이상의 유동 소자의 설정 하에,
    - 및/또는 풍력 발전 설비의 나셀을 위한 방위각의 설정 하에
    설정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 출력될 전력, 공기 밀도 및 음향 방출의 지정 하에, 특히 부분 부하 운전 시 하나 이상의 관련된 음압의 지정 하에, 상기 회전 속도는 로터에 있는 부품의 받음각, 특히 로터 블레이드의 피치각 및/또는 로터 블레이드에 있는 하나 이상의 유동 요소의 받음각의 제어에 의해 영향을 받고 및/또는 조절되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하도록 형성된 운전 관리를 포함하는, 풍력 발전 설비의 제어 및/또는 조절을 위한 수단으로서, 상기 운전 관리는 회전 속도-전력-운전 특성 곡선(n/P-운전 특성 곡선)을 포함하고, 적응된 상기 운전 특성 곡선은 운전 관리에서 설정되고, 풍력 발전 설비 및 출력될 전력을 생성하기 위한 풍력 발전 설비와 관련한 공기 밀도에 의존하여, 적응된 회전 속도-출력-운전 특성 곡선을 이용해서 사전 설정되는 것인 수단.
  16. 전력을 생성하기 위한 로터 및 이 로터에 의해 구동되는 발전기를 포함하고 제 15 항에 따른 제어 및/또는 조절을 위한 수단을 포함하는 풍력 발전 설비.
  17. 다수의 풍력 발전 설비(100)를 포함하는 풍력 발전 단지(112)로서, 상기 풍력 발전 설비들은 다수의 풍력 발전 설비에 의해 생성된 전력을 공통의 공급점(118)을 통해 공급하기 위해 공급 네트워크(20)에 접속되고, 상기 풍력 발전 설비들 중 적어도 하나는 제 16 항에 따른 풍력 발전 설비인 것인 풍력 발전 단지.
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