KR20190122840A - 풍력 발전 단지의 가용 전력을 결정하기 위한 방법, 및 관련 풍력 발전 단지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 풍력 발전 단지(112)의 가용 전력을 결정하기 위한 방법에 관한 것이다. 풍력 발전 단지는, 블레이드 각도를 조절 가능한 로터 블레이드(108)를 구비하는 로터(106)를 갖는 복수의 풍력 발전 설비(100)를 포함한다. 또한, 본 발명은 가용 전력을 결정하기 위한 방법을 실행하도록 구성된 풍력 발전 단지(112)에 관한 것이다. 본 방법은 발전 단지 런-온 모델(park run-on model)을 사용하여 적어도 하나의 풍속 및 풍향 그리고 풍력 발전 단지 스로틀링의 함수로서 풍력 발전 단지(112)의 풍력 발전 설비(100) 각각의 적어도 하나의 유효 풍속을 결정하는 음영 매트릭스(200)를 제공하는 단계를 포함한다. 본 발명에 따른 방법은 풍력 발전 단지(112)가 스로틀링된 전력으로 작동되는 경우에도 풍력 발전 단지(112)의 가용 전력을 정확하게 결정하는 것을 가능하게 한다.
Description
본 발명은 풍력 발전 단지의 가용 전력을 결정하기 위한 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 가용 전력을 결정하기 위한 방법을 수행하도록 구성되는 풍력 발전 단지에 관한 것이다.
풍력 발전 설비는 잘 알려져 있으며, 이러한 풍력 발전 설비에 의해 바람으로부터 전기 전력이 생성되고, 전기 공급 그리드로 전력이 공급된다. 여기서 공급될 전기 전력은 다양한 이유로 변동될 수 있는데, 예를 들어 그리드로 인해 스로틀링이 요구될 수 있다.
따라서, 그리드 작동자뿐만 아니라 풍력 발전 설비 작동자도 또한 풍력 발전 설비가 "P-available"로도 지칭될 수 있는 소위 "가용 전력"을 결정할 수 있는 것을 점점 더 필요로 하고 있다. 그리드 작동자는 일반적으로 그리드에서 사용 가능한 조절 예비량에 관심이 있는 반면, 풍력 발전 설비 작동자는 우선적으로는 상이한 제한으로 인해 얼마나 많은 출력이 손실을 겪는지에 관심이 있다. 그러나, 그리드 작동자에게는, 풍력 발전 설비가 예를 들어 기술적인 문제로 인해 제한적으로 작동되어야 하고 그리드 작동자가 풍력 발전 설비로부터 바람에서의 가용 전력을 요구할 수 없을 때, 단지 바람에 포함된 전력을 아는 것만으로는 도움이 되지 않는다.
그러나 작동자는 예를 들어 바람에 얼마나 많은 전력이 포함되어 있는지 그리고 풍력 발전 설비의 제한으로 인해 얼마나 많은 출력이 손실되는지에 대해 관심이 있다. 따라서 이 경우, 최대 28개 또는 그보다 많이 식별될 수 있는 이러한 상이하고 가능한 제한에 대해 누가 책임이 있는지, 그리고 출력 손실 중 얼마나 많은 부분을 어떤 제한이 부담해야 하는지, 즉 어느 부분에 대해 발생하는 비용을 누가 지불해야 하는지에 대한 의문이 다시 제기된다.
예비 전력을 보상하기 위해 또는 그리드로 인한 전력 감소 시에도 또한 개별 풍력 발전 설비에 대해서 그리고 전체 풍력 발전 단지에 대해서도 "P-available" 신호가 점점 더 요구되고 있다. 전력이 감소될 때, 다른 풍력 발전 설비의 런-온(run-on)에 존재하는 풍력 발전 설비 상에는, 감소되지 않은 경우보다 더 높은 풍속이 작용한다. 따라서, 측정된 풍속에 기초한 "P-available"의 추정은, 발전 단지 효과가 고려되지 않기 때문에, 발전 단지의 가용 전력의 과대 평가를 초래할 것이다.
따라서, 본 발명의 과제는 풍력 발전 단지가 스로틀링된 전력으로 작동되는 경우에도 또한 풍력 발전 단지의 가용 전력을 정확하게 결정하는 것이다.
본 발명에 따르면, 상기 과제는 청구항 제1항에 따른 방법에 의해 달성된다. 바람직한 실시예들은 종속 청구항에 명시되어 있다.
따라서 풍력 발전 단지의 가용 전력을 결정하기 위한 방법이 제공되고, 여기서 풍력 발전 단지는 블레이드 각도를 조절 가능한 로터 블레이드를 구비하는 로터를 갖는 복수의 풍력 발전 설비를 포함한다. 상기 방법은 발전 단지 런-온 모델(park run-on model)을 사용하여 적어도 하나의 풍속 및 풍향 그리고 풍력 발전 단지 스로틀링의 함수로서 풍력 발전 단지의 풍력 발전 설비의 각각의 적어도 하나의 유효 풍속을 결정하는 음영 매트릭스(shading matrix)를 제공하거나 또는 사용하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 풍력 발전 단지의 가용 전력을 유효 풍속에 기초하여 결정한다.
이러한 형태로 정의된 음영 매트릭스는 유리한 방식으로, 지금까지 발전 단지의 가용 전력의 과대 평가를 초래했던 발전 단지 효과를 고려하는 것을 가능하게 한다. 풍속 및 풍향 그리고 풍력 발전 단지 스로틀링에 따라, 발전 단지가 스로틀링되지 않고 작동되는 경우에 이러한 풍력 발전 설비에 대해 어떤 풍속이 이용 가능한지를 나타내는 발전 단지 내의 각각의 풍력 발전 설비의 유효 풍속을 결정할 수 있다. 따라서 유리한 방식으로, 음영 매트릭스에 기초하여, 스로틀링되지 않은 발전 단지에서 유효 풍속으로 언급되는 감소된 풍속이 결정될 수 있다. 그런 다음, 가용 전력은 전체 풍력 발전 단지에 대한 개별 풍력 발전 설비의 유효 풍속에 기초하여 대안적인 방법에 의해 결정될 수 있다.
음영 매트릭스로 지칭되고, 예를 들어 개별 풍력 발전 설비의 제어기 또는 발전 단지 제어기에 테이블 또는 매트릭스로 저장될 수 있는 음영 효과는 발전 단지 런-온 모델을 고려하여 다양한 풍속 및 풍향에 대해 사전 계산된다. 그런 다음, 유효 풍속을 결정하기 위해 음영 매트릭스에 기초하여 단지 사전 계산된 값이 참조될 수 있으므로, 풍력 발전 단지의 가용 전력이 제공되는 시점에서 런-온 효과의 시간 집약적인 시뮬레이션이 생략된다. 따라서, 풍력 발전 단지의 가용 전력은 실질적으로 지연 없이 제공될 수 있다.
음영 매트릭스는 본 방법에 대해 발전 단지 제어기 또는 개별 풍력 발전 설비의 제어기 상에 제공되고, 계산에 직접 사용된다. 대안적으로 또는 추가적으로, 음영 매트릭스가 가용 전력을 결정하기 위해 직접적으로 제공되지 않고, 다른 실시예들을 참조하여 설명되는 바와 같이, 음영 매트릭스는 다른 관련 변수들을 계산하기 위해 사용된다.
제1 방법 a)에 따르면, 가용 전력을 결정하기 위한 방법은 다음 단계들을 포함한다.
- 결정된 풍향에 대해 자유 흐름이 이루어지는 풍력 발전 설비를 결정하는 단계.
- 자유 흐름이 이루어지는 풍력 발전 설비의 교란되지 않은 풍속 및 풍향의 평균값으로서 평균 풍속 및 풍향을 확인하는 단계.
- 스로틀링되지 않은 풍력 발전 단지에 대한 음영 매트릭스를 고려하여, 평균 풍속 및 풍향으로부터, 적어도 자유 흐름이 이루어지지 않는 풍력 발전 설비의 각각에 대해 각각의 풍력 발전 설비의 유효 풍속을 확인하는 단계.
- 풍력 발전 설비 각각의 가용 전력을 전력 곡선 및 확인된 유효 풍속에 기초하여 확인하는 단계.
- 풍력 발전 설비 각각의 가용 전력을 합산함으로써, 풍력 발전 단지의 가용 전력을 확인하는 단계.
이러한 방법은 자유 흐름이 이루어지는 풍력 발전 설비의 풍속 및 풍향을 평균화하는 사상에 기초한다. "평균화"라는 용어는 여기서 그리고 본 출원의 전반에 걸쳐 산술적인 평균값에 제한되지 않으며, 평균값의 다른 형태가 동일하게 사용될 수 있다. 자유 흐름이 이루어지는 풍력 발전 설비는, 결정된 풍향에서 자유 흐름이 이루어지는 풍력 발전 설비에 부딪히는 바람의 영향이 다른 풍력 발전 설비 또는 예를 들어 건물, 측량부 등과 같은 다른 장애물에 의해 발생하지 않는 풍력 발전 설비이다. 이러한 방법에 따르면, 풍속 및 풍향의 평균화된 값에 대한 음영 매트릭스를 고려하여 풍력 발전 설비마다 유효 풍속이 확인된다. 이러한 방법은 음영 매트릭스가 모든 풍력 발전 설비에 대해 동일한 풍속 및 풍향의 단지 하나의 값에 대해서만 검사되기 때문에, 가용 전력의 특히 간단하고 적절한 추정을 가능하게 한다. 그러나, 이 방법은 자유 흐름이 이루어지는 풍력 발전 설비의 존재를 전제로 하고, 이것은 예를 들어 풍향에 따라 항상 그렇지는 않다. 특히, 인접한 풍력 발전 단지 또는 지리적 조건들은 자유 흐름이 이루어지는 풍력 발전 설비가 존재하지 못하도록 할 수 있다.
자유 흐름이 이루어지는 풍력 발전 설비의 유효 풍속은 마찬가지로 음영 매트릭스를 고려하여 결정될 수 있다. 이러한 절차는 예를 들어 지형 영향 또는 건물에 의한 알려진 고정된 음영이 존재하는 경우에 특히 적합하다. 대안적으로, 자유 흐름이 이루어지는 관련 풍력 발전 설비의 확인된 풍속이 또한 유효 풍속으로서 직접 사용될 수 있다.
제2 방법 b)에 따르면, 가용 전력을 결정하기 위한 방법은 다음 단계들을 포함한다.
- 결정된 풍향에 대해 자유 흐름이 이루어지는 풍력 발전 설비를 결정하는 단계.
- 자유 흐름이 이루어지는 모든 풍력 발전 설비의 풍속 및 풍향을 결정하는 단계.
- 자유 흐름이 이루어지는 풍력 발전 설비의 결정된 풍속 및 풍향 각각에 대해 스로틀링되지 않은 풍력 발전 단지에 대한 음영 매트릭스를 고려하여, 적어도 자유 흐름이 이루어지지 않는 풍력 발전 설비 각각의 유효 풍속을 확인하는 단계.
- 적어도 자유 흐름이 이루어지는 풍력 발전 설비마다 확인된 유효 풍속의 평균값으로서, 적어도 자유 흐름이 이루어지지 않는 풍력 발전 설비마다 개별 풍력 발전 설비의 평균 유효 풍속을 확인하는 단계.
- 풍력 발전 설비 각각의 가용 전력을 전력 곡선 및 개별 풍력 발전 설비의 확인된 평균 유효 풍속에 기초하여 확인하는 단계.
- 각각의 풍력 발전 설비의 가용 전력을 합산함으로써, 풍력 발전 단지의 가용 전력을 확인하는 단계.
따라서 다시 말하면, 각각의 풍력 발전 설비의 유효 풍속은 스로틀링되지 않은 풍력 발전 단지에 대한 음영 매트릭스를 고려하여 자유 흐름이 이루어지는 풍력 발전 설비 각각의 결정된 풍속 및 풍향을 통해 확인된다. 제1 방법과 대조적으로, 제2 방법에 따르면, 풍력 발전 설비마다 복수의 유효 풍속, 즉 자유 흐름이 이루어지는 풍력 발전 설비 각각의 풍속을 결정하기 위해, 풍력 발전 설비 각각에 대한 음영 매트릭스는 자유 흐름이 이루어지는 풍력 발전 설비의 개수에 대응하여 복수 회 평가된다. 따라서, 자유 흐름이 이루어지는 풍력 발전 설비를 통해 결과적으로 대략적으로 획득된 평균화는, 이러한 방법에 따르면, 자유 흐름이 이루어지는 풍력 발전 설비 각각의 풍속에 대해 독립적으로 각각의 풍력 발전 설비에 대해 고려되는 음영 효과를 고려한 후에만 수행된다. 제1 방법에 따르면, 음영 효과를 고려하기 전에 이미 평균화가 수행되는데, 즉 자유 흐름이 이루어지는 풍력 발전 설비의 이미 평균화된 풍속에 대해 풍력 발전 설비마다 음영 효과가 고려된다. 또한, 제2 방법은 자유 흐름이 이루어지는 풍력 발전 설비의 존재를 필요로 한다.
제1 방법과 관련하여 설명한 것과 마찬가지로, 전체를 포함하는 것 그리고 아무것도 포함하지 않는 것을 비롯하여 임의의 개수의 자유 흐름이 이루어지는 풍력 발전 설비에 대해, 확인된 풍속은 유효 풍속으로서 직접 설정될 수 있다. 동일한 방식으로, 음영 매트릭스는 또한 예를 들어 알려진 음영이 존재하는 경우 자유 흐름이 이루어지는 풍력 발전 설비에 유리할 수 있다.
제3 방법 c)에 따르면, 가용 전력을 결정하기 위한 방법은 다음 단계들을 포함한다.
- 풍력 발전 설비의 개별 풍속 및 풍향을 확인하는 단계.
- 음영 매트릭스 및 풍력 발전 단지 스로틀링을 고려하여, 설정된 발전 단지 유효 풍속 및 풍향에 따라 모델링된 풍속 및 풍향을 계산하는 단계.
- 개별 풍속 및 풍향과 모델링된 풍속 및 풍향의 비교에 기초하여, 설정된 발전 단지 유효 풍속 및 풍향을 최적화하는 단계.
- 스로틀링되지 않은 풍력 발전 단지에 대한 음영 매트릭스를 고려하여, 최적화된 발전 단지 유효 풍속 및 풍향으로부터 각각의 풍력 발전 설비의 유효 풍속을 확인하는 단계.
- 풍력 발전 설비 각각의 가용 전력을 전력 곡선 및 확인된 유효 풍속에 기초하여 확인하는 단계.
- 풍력 발전 설비 각각의 가용 전력을 합산함으로써, 풍력 발전 단지의 가용 전력을 확인하는 단계.
제3 방법은 모든 풍력 발전 설비의 풍속 및 풍향의 최적 상관 관계라는 용어로 요약될 수 있다. 제1 방법 및 제2 방법과 비교하여, 제3 방법은 자유 흐름이 이루어지는 풍력 발전 설비를 필요로 하지 않고, 모든 풍력 발전 설비의 풍속 및 풍향이 확인된다. 설정된 발전 단지 유효 풍속 및 풍향은 음영 매트릭스를 통해 결정될 수 있는 각각의 풍력 발전 설비의 유효 풍속이 개별 풍속 및 풍향에 가능한 한 가깝게 도달하도록 최적화된다. 이러한 경우, 설정된 발전 단지 유효 풍속은 가정된 최적값이고, 이를 기반으로 스로틀링되지 않은 경우의 가용 전력이 결정될 수 있다. 따라서, 제3 방법은 풍력 발전 단지에 자유 흐름이 이루어지는 설비가 존재하지 않을 때 특히 적합하다.
제4 방법 d)에 따르면, 가용 전력을 결정하기 위한 방법은 다음 단계들을 포함한다.
- 풍력 발전 설비의 개별 풍속 및 풍향을 확인하는 단계.
- 각각의 풍력 발전 설비의 개별 풍속 및 풍향 그리고 풍력 발전 단지 스로틀링에 기초하여 정적 발전 단지 유효 풍속 및 풍향을 추정하기 위해, 풍력 발전 설비 각각에 대한 음영 매트릭스를 역변환시키는 단계.
- 추정된 모든 발전 단지 유효 풍속 및 풍향을 평균화하는 단계.
- 스로틀링되지 않은 풍력 발전 단지에 대한 음영 매트릭스를 고려하여, 평균화된 발전 단지 유효 풍속 및 풍향으로부터 각각의 풍력 발전 설비의 유효 풍속을 확인하는 단계.
- 풍력 발전 설비 각각의 가용 전력을 전력 곡선 및 확인된 유효 풍속에 기초하여 확인하는 단계.
- 풍력 발전 설비 각각의 가용 전력을 합산함으로써, 풍력 발전 단지의 가용 전력을 확인하는 단계.
제4 방법은 풍력 발전 설비 각각에 속한 개별 바람에 대해 추정된 발전 단지 유효 풍력을 획득하기 위해, 음영 매트릭스가 개별 풍력 발전 설비에 대해 역변환되는 것을 기초로 한다. 각 설비에서 획득된 이러한 발전 단지 유효 풍력은 평균화되고, 스로틀링되지 않은 전력을 고려하여 음영 매트릭스로부터 각각의 풍력 발전 설비의 유효 풍속을 추정하기 위해 사용된다. 또한, 제4 방법은 자유 흐름이 이루어지는 풍력 발전 설비를 필요로 하지 않고, 예를 들어 제3 방법 또는 다른 방법들 중 하나에 대한 대안으로서 사용할 수 있다. 제3 방법과 대조적으로, 제4 방법에 따른 확인은 설정된 발전 단지 유효 풍속의 최적화 대신에, 음영 매트릭스의 역변환에 기초하여 수행된다.
제5 방법 e)에 따르면, 가용 전력을 결정하기 위한 방법은 다음 단계들을 포함한다.
- 풍력 발전 설비 각각에 대해 풍속 및 풍향을 결정하는 단계.
- 각각의 풍력 발전 설비의 개별 풍속 및 풍향 그리고 풍력 발전 단지 스로틀링에 기초하여 정적 발전 단지 유효 풍속 및 풍향을 추정하기 위해, 풍력 발전 설비 각각에 대한 음영 매트릭스를 역변환시키는 단계.
- 스로틀링되지 않은 풍력 발전 단지에 대한 음영 매트릭스를 고려하여, 각각 추정된 정적 발전 단지 유효 풍속 및 풍향으로부터 각각의 풍력 발전 설비의 유효 풍속을 확인하는 단계.
- 풍력 발전 설비 각각의 가용 전력을, 전력 곡선 및 각각의 확인된 유효 풍속에 기초하여 확인하는 단계.
- 풍력 발전 설비 각각의 가용 전력을 합산함으로써, 풍력 발전 단지의 가용 전력을 확인하는 단계.
제5 방법 e)에 따르면, 각각의 풍력 발전 설비는 현재 전력 그리고 가용 전력 및 이에 대해 유효한, 풍향 의존적인 공기 역학적 발전 단지 효율에 기초하여 발전 단지 전력의 부분을 결정하는 것으로 요약된다. 이를 위해, 스로틀링에 따라 음영 매트릭스가 풍력 발전 설비 각각에 대해 개별적으로 역변환되고, 정적 발전 단지 유효 풍속 및 풍향이 추정된다. 이러한 추정된 발전 단지 유효 풍속은 각각의 풍력 발전 설비에 대해 서로 독립적으로 결정되고, 다시 역변환되지 않은, 스로틀링되지 않은 음영 매트릭스의 도움으로 각각의 풍력 발전 설비의 가상의 스로틀링되지 않은 유효 풍속으로 재계산되고, 이어서 전력 곡선을 통해 가용 전력이 추론된다. 풍력 발전 설비 각각의 가용 전력을 확인할 때까지는 풍력 발전 단지의 다른 풍력 발전 설비의 정보가 필요하지 않기 때문에, 제5 방법 e)에 따른 이러한 단계들은 또한 풍력 발전 설비 자체 상에서 구현될 수 있다. 이러한 경우 발전 단지 컴퓨터는 단지 개별 풍력 발전 설비의 전력 통지만 합산하면 된다. 대안적으로, 물론 제5 방법 e)에 따른 방법은 또한 발전 단지 컴퓨터 상에서 부분적으로 또는 전체적으로 구현될 수 있다.
가능한 실시예로서, 제5 방법 e)의 개별 단계들이 또한 통합될 수 있고, 여기서 실행된 개별 중간 변수들은 생략될 수 있다.
- 가능한 변형예는 스로틀링된 전력을 기반으로 보간된 역 매트릭스 및 스로틀링되지 않은, 기술적으로 가능한 최대 전력 공급의 음영 매트릭스가 공기 역학적 효율로서 통합되어, 풍력 발전 설비 또는 발전 단지 컴퓨터에서 발전 단지 전체에 유효한 풍속 및 방향에 대한 중간 단계를 생략할 수 있으며, 단지 사전에 매트릭스의 계산을 필요로 하는 것이다. 다시 말해서, 이러한 변형예에 따르면, 음영 매트릭스 및/또는 역 음영 매트릭스는 풍속에 따라 명시적으로 표현 및 저장될 필요가 없고, 그 대신에 공기 역학적 효율에 의한 일반화에 따라 묵시적으로 표현 및 저장될 필요가 있다. 이는 발전 단지 전체 유효 풍속이 필요하지 않은 상황에서 풍력 발전 단지의 가용 전력을 결정하는 단계를 계산적으로 단순화할 수 있다.
- 가능한 제2 변형예는 전력 곡선에 기초하여 개별 풍력 발전 설비의 가용 전력을 확인하는 단계를 매트릭스 시스템에 통합하고 그리고/또는 개별 풍력 발전 설비의 가용 전력을 결정하는 단계를 계산 단계에 통합하는 것이다. 이러한 방식으로, 현재 작동점[바람직하게는 회전 속도, 피치 각도, 공기 역학적 토크 및/또는 전력 생산 및 전력 제한(Pgedr)을 포함함] 또는 이러한 변수들로부터 추정된 풍속을 입력 변수로서 포함하고, 음영 효과에 의해 감소된 유효 풍속 또는 관련 가용 전력을 계산하는 부분 시스템이 생성된다.
풍속 및 풍향을 결정하는 단계의 하나의 가능성은, 풍력 발전 설비의 나셀 상에 일반적으로 설치된 풍속계로 풍속을 측정함으로써 이루어진다. 이러한 측정은, 오늘날의 초음파 풍속계에 의해 매우 정확하게 수행될 수 있지만, 언급된 적용에는 단지 제한적으로만 사용 가능하다. 한편으로는 풍속계는 로터 블레이드에 의해 정의된 평면의 단지 중간에서의 풍속을 측정한다. 현재 풍력 발전 설비에서 나셀로부터 50 미터 이상 떨어진 블레이드 팁에서의 풍속은 직접 측정될 수 없다. 또한, 풍속계가 로터 블레이드 후방에 위치되므로, 난류 및 그늘에 의해 측정에 영향을 줄 수 있다. 또한, 측정된 풍속은 전력 스로틀링에 따라 바람장(wind field)으로부터의 에너지 추출에 의해서도 또한 영향을 받는다.
일 실시예에서 본 발명에 따른 방법은 또한 다음 단계, 즉
- 풍력 발전 설비의 적어도 하나에 대한 풍력 발전 설비의 작동점에 기초하여, 풍력 발전 설비의 로터에 평균적으로 작용하는 풍속 및 풍향을 결정하는 단계
를 더 포함한다.
풍력 발전 설비에 우세한 교란되지 않은 풍속의 풍속 및 풍향을 결정하기 위한, 나셀 풍속계에 비해 바람직한 가능성은 풍력 발전 설비 작동점을 기반으로 하는 풍속 추정기에 기초한다. 따라서, 예를 들어 나셀 풍속계의 경우와 같이, 로터를 통한 에너지 추출 또는 로터 후방의 측정 장치의 영향으로 인한 교란이 풍속을 왜곡하지 않기 때문에, 추정은 교란되지 않은 것으로 지칭된다. 그러나, "교란되지 않은"이라는 용어는 풍속의 결정 자체와 관련되지만, 발전 단지의 다른 풍력 발전 설비에 의해 야기된 런-온 효과는 포함하지 않는다.
풍력 발전 설비 작동점은 바람직하게는 풍력 발전 설비의 토크, 회전 속도 및 집합 피치 각도를 포함한다. 이러한 작동점에 기초하여, 전체 로터에 평균적으로 작용하는, 교란되지 않는 풍속이 확인된다. 이를 위해 바람직하게는, 로터 표면을 통해 불어오는 바람과 풍력 발전 설비의 공기 역학적 출력 사이의 관계를 나타내는 CP 계수라 불리는 전력 계수가 사용된다. CP 계수는 바람직하게는 피치 각도 및 팁 속도 비(λ)에 의존한다. 바람직하게는, 관계는 교차된 로터 표면, 로터 및 풍속에 의존하고, 예를 들어 다음 공식으로 명시될 수 있다.
팁 속도 비는 존재하는 풍속에 대한 로터 블레이드 팁의 속도 비로 계산된다. 로터 블레이드 팁의 속도는 로터의 반경(r Rotor ) 및 로터의 회전 속도(n Rotor )로부터 계산될 수 있다. α는 로터 블레이드의 집합적 피치 각도를 나타낸다. (P Aero )는 풍력 발전 설비에 의해 생성된 공기 역학적 출력이고, 
는 공기 밀도를 나타낸다.
일 실시예에서, 풍력 발전 설비의 로터에 작용하는 평균 풍속은 이하의 방법들 중 적어도 하나에 의해 결정된다.
- 회전 속도, 공기 역학적 출력 및 피치 각도의 함수로서 풍속의 적어도 3차원 테이블로부터 보간하는 방법.
- 팁 속도 비 및 피치 각도에 따른 특성 맵에 기초하여 반복하는 방법.
팁 속도 비뿐만 아니라 공기 역학적 출력 자체도 또한 각각 풍속에 의존하기 때문에, 풍속에 따른 예를 들어 상기 공식에 따르면, 전력 밸런스의 직접적인 분해능이 가능하지 않다. 따라서 이러한 실시예에 따르면, 로터에 작용하는 풍속이 결정될 수 있는 방법이 제안된다. 풍속의 적어도 3차원 테이블은 회전 속도(n Rotor ), 공기 역학적 출력(P Aero ) 및 피치 각도(α)의 함수로서 예를 들어 다음과 같은 방정식으로 표현될 수 있다.
이로부터의 해석은 적은 계산 노력으로 수행되며, 3차원 테이블의 저장에는 분해능에 따라 상이한 양의 데이터가 요구된다.
추가적으로 또는 대안적으로, 풍속은 예를 들어 CP 특성 맵으로부터 뉴턴 방법(Newton's method) 또는 다른 반복 방법에 따라 반복적으로 결정될 수 있다.
풍속계 풍속 측정에 기초한 제1 방법과, 풍력 발전 설비의 작동점에 기초한 제2 방법 사이에서, 일 실시예에서는 감축 조절, 팁 속도 비 및/또는 피치 각도에 따라 변경이 이루어질 수 있다. 특히, 강한 감축 조절, 낮은 팁 속도 비 및 큰 피치 각도의 경우, 특성 맵에 기초하는 상기 방법은 더욱 불확실해지고, 이러한 영역에서 유리한 방식으로는 풍속 측정으로 대체될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 방법은 바람장을 발전 단지를 통해 확산시키는 것에 기초하여, 풍력 발전 설비 중 적어도 하나에 대한 풍속 및 풍향, 특히 평균화된 풍속 및 풍향, 및/또는 가용 전력을 보정하는 단계를 더 포함한다.
자유 흐름이 이루어지는 풍력 발전 설비에서 우세한 바람만이 고려되는 설명된 제1 방법 a) 및 제2 방법 b)를 특히 참조하면, 자유 흐름이 이루어지는 풍력 발전 설비에 의해 검출되는 바람은, 런-온 효과를 고려하지 않는다면, 일반적으로 흐름 방향으로 더 후방에 위치한 풍력 발전 설비에 의해 검출되는 바람에 대응하지 않는다는 점을 유의해야 한다. 바람의 변화는 자유 흐름이 이루어지는 풍력 발전 설비에서 시작하여 전체 발전 단지를 통해 시간 지연된 상태로 계속된다. 다시 말해서, 자유 흐름이 이루어지는 풍력 발전 설비의 런-온에 위치하는 풍력 발전 설비는 자유 흐름이 이루어지는 풍력 발전 설비의 바람을 시간 지연된 상태로 "감지한다". 바람직하게는, 보정하는 단계를 위해 가용 전력, 유효 풍속 및/또는 풍향의 확산이 고려된다.
일 실시예에서, 보정하는 단계는 가중 이동 평균값의 형태로 수행된다. 따라서, 오래된 바람 값의 영향은 바람직하게는 시간이 지남에 따라 사라지고, 이에 의해 풍력 발전 단지의 유한한 범위 및 이에 따라 바람의 변화가 전체 발전 단지에 걸쳐 지속되는 상황이 고려된다.
일 실시예에서, 이동 평균값은 사이클 시간, 특히 풍속의 평균에 따라 조정된다. 이를 통해, 바람직하게는 전체 발전 단지를 통해 변화가 더 빠르게 확산되기 때문에, 풍력 발전 단지를 통한 풍속이 더 높거나 또는 사이클 시간이 더 적을 수록, 바람의 변화가 발전 단지에 존재하는 바람의 평균값에 더 큰 영향을 미치는 상황이 고려될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 일반적으로 발생하는 바와 같이, 모든 풍향에 걸쳐 예를 들어 변화의 완전한 확산까지의 경로가 동일하지 않은 경우, 이동 평균값이 절대 풍향에 따라 조정될 수 있다.
일 실시예에서, 본 방법은 제1 방법 a) 내지 제5 방법 e) 중 적어도 2개를 구현하고, 적어도 2개의 방법들 사이의 비교 테스트를 가능하게 하고 그리고/또는 파라미터에 따라 구현된 방법들 중 하나를 선택한다. 예를 들어 결정된 바람에 대해 자유 흐름이 이루어지는 충분한 개수의 풍력 발전 설비를 발견할 수 있을 때, 제1 방법 a) 및 제2 방법 b) 중 하나가 항상 사용될 수 있다. 반면, 예를 들어 지형 구조 또는 인접한 풍력 발전 단지로 인해 자유 흐름이 이루어지는 설비가 발견될 수 없는 경우에는, 방법은 제3 방법 c) 내지 제5 방법 e) 중 하나로 변경될 수 있다.
일 실시예에서, 음영 매트릭스는 풍력 발전 설비마다 발전 단지 유효 풍속 및 풍향 그리고 발전 단지의 최대 전력에 따른 테이블로 저장된다.
음영 매트릭스는 발전 단지 런-온 모델을 사용하여 풍력 발전 설비 각각의 유효 풍속을 제공한다. 런-온 효과는 스로틀링된 풍력 발전 단지를 고려해야 하므로, 음영 매트릭스는 바람직하게는 발전 단지의 최대 전력 또는 풍력 발전 설비의 최대 전력에 따라 저장된다. 발전 단지의 최대 전력은 여기서 예를 들어 소음 방지와 같은 기술적인 이유의 제한에 의해 초과될 수 없는 전력값으로 이해되어야 한다. 따라서, 발전 단지의 최대 전력은 경우에 따라서는 정격 전력의 값에 비해 감소되는 값이다. 바람직하게는, 계산의 샘플 지점의 개수는 상황에 맞게 조정되는데, 예를 들어 엄격한 매트릭스 배열에서는 풍향의 높은 분해능이 중요하다. 계산의 감도에 대응하여, 예를 들어 발전 단지의 최대 전력 또는 발전 단지 스로틀링에 대한 샘플 지점의 개수가 선택될 수 있다.
따라서, 음영 매트릭스는 바람직하게는 입력 파라미터로서 풍속, 풍향 그리고 발전 단지 스로틀링에 기초하여 각각의 풍력 발전 설비의 적어도 하나의 유효 풍속을 획득하는 것을 가능하게 한다. 음영 매트릭스는 이러한 입력 파라미터 및 출력 파라미터로 제한되지 않으며, 대안적으로 또는 추가적으로 다른 변수, 바람직하게는 측정 변수가 입력 파라미터 및 출력 파라미터로서 사용될 수 있다. 예를 들어 작동점 및/또는 풍력 발전 설비 전력이 특히 입력 변수로서 풍속을 대신할 수 있다.
바람직하게는, 음영 매트릭스는 발전 단지의 최대 전력에 대해 대안적으로 또는 추가적으로, 각각의 풍력 발전 설비의 최대 설비 전력에 따라 결정된다. 개별 풍력 발전 설비에서 풍력 발전 단지 스로틀링의 개별화를 통해, 풍력 발전 단지의 스로틀링이 보다 정확하게 맵핑될 수 있다.
일 실시예에서, 발전 단지 런-온 모델은 적응성이고, 특히 환경의 변화에 대해 조정하기 위해 그리고/또는 발전 단지 런-온 모델의 오류를 보정하기 위해 자체 학습 방법이 구현된다.
출력을 예측하기 위해 그리고 난류 및 전단을 결정하기 위해 풍력 발전 단지의 현장 평가에 정적 런-온 모델을 사용하는 것이 잘 알려져 있다. 정적 런-온 모델은 예를 들어 에인슬리(Ainslie), 옌센(Jensen) 또는 프란센(Frandsen)의 런-온 모델을 포함하고, 복잡한 지형의 경우 CFD-시뮬레이션도 또한 사용된다. 발전 단지 런-온 모델의 계산은 발전 단지 내의 풍력 발전 설비의 배치 그리고 지리적 조건에 의존한다. 런-온 효과는 특히 풍속 그리고 풍향에 따라 지정된다.
발전 단지 런-온 모델이 적응성으로 구현됨으로써, 사용된 모델에 존재하는 만일의 오류 및 부정확성이 모델의 조정을 통해 유리한 방식으로 보정될 수 있다. 이를 통해, 예를 들어 풍력 발전 단지 주변에 새로 설치된 풍력 발전 설비에 대해 또는 건물 건설 및/또는 삼림 벌채를 통한 지리적 구조의 변화에 대해 적절하게 반응할 수 있다. 적응은 모든 알려진 자체 학습 방법에 의해 유리한 방식으로 구현될 수 있다.
일 실시예에서, 다양한 발전 단지 런-온 모델에 기초하여 다양한 음영 매트릭스가 제공되고, 여기서 음영 매트릭스 중 하나는 파라미터, 특히 대기 안정성을 나타내는 파라미터에 기초하여 선택되거나, 또는 테이블 간에 보간된다.
대기 안정성을 나타내는 파라미터는 예를 들어 일기 예보로부터 추출될 수 있거나 또는 다른 방식으로 풍력 발전 단지 주변에서 적절한 측정 수단에 의해 결정될 수 있다. 바람직하게는, 파라미터는 안정적인 공기 층화에서 불안정적인 공기 층화와는 명백히 구별되는 높이에 걸친 온도 구배, 또는 측정되거나 또는 예측된 난류 강도 또는 난류 운동 에너지를 포함한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 낮과 밤의 구분이 이루어질 수 있는데, 왜냐하면 낮 동안보다 밤에 공기 층화가 더 안정적이라는 것이 알려져 있기 때문이다. 일 예시에서, 2개의 다양한 음영 매트릭스가 제공될 수 있고, 다른 예시에서는 대기 안정성을 나타내는 상이한 파라미터에 기초하여 3개 이상의 다양한 음영 매트릭스가 제공될 수도 있다.
일 실시예에서, 다양한 발전 단지 런-온 모델은 각각의 다양한 후류 감쇠 상수(wake-decay-constant)에 기초한다. 후류 감쇠 상수는 풍력 터빈의 런-온 시에 풍속이 얼마나 강하게 감소되는지 또는 풍력 발전 설비에 의해 생성된 와류 또는 난류가 풍력 발전 설비 이후에 얼마나 빨리 분해되는지를 나타낸다. 이러한 분해능은 예를 들어 대기 안정성과 같은 기상 파라미터에 의존한다.
일 실시예에서, 본 방법은 특히 추정된 가용 전력에서 오류 보정을 위한 저역 통과 필터링을 포함한다. 저역 통과 필터링에 의해, 예를 들어 오류 또는 급선회 작동에 기초한 고주파 단기 변화는 고려되지 않고, 추정치의 악화를 초래하지 않는다.
일 실시예에서, 풍력 발전 단지의 가용 전력은 실질적으로 실시간으로 제공된다. 신호가 실질적으로 실시간으로 제공됨으로써, 예를 들어 그리드 작동자에 의한, 특히 그리드 과부하 시의 보상 지불에 대한 요구 사항 그리고 특히 포지티브 조절 전력 제공 또는 네거티브 조절 전력 공급을 위한 풍력 발전 설비 조절 측면의 요구 사항이 충족될 수 있다. 풍력 발전 단지의 가용 전력의 제공에 대해 런타임에 시간 소모적인 시뮬레이션과 복잡한 계산이 필요하지 않거나 또는 반작용 계산만을 허용하는 변수가 사용됨으로써 본 발명에 따른 해결 방안의 준수를 가능하게 하는 적용의 경우에 "실질적으로" 실시간인 것에 대한 많은 요구를 한다.
일 실시예에서, 풍력 발전 설비 중 하나의 가용 전력을 확인하는 단계에서, 예를 들어 기압 및/또는 온도에 의해 결정된 공기 밀도가 고려된다. 가용 전력은 공기 밀도를 고려하여 보다 정확하게 결정될 수 있다.
일 실시예에서, 각각의 풍력 발전 설비의 유효 풍향은 확장된 음영 매트릭스를 고려하여 확인된다. 따라서 풍속에 대해 추가적으로, 이러한 실시예에서는 유효 풍향은 또한, 특히 복잡한 지형에서 개별 풍력 발전 설비의 풍향이 서로 크게 벗어날 수 있기 때문에, 추가적인 평가를 위해 유리하게 사용될 수 있는 음영 매트릭스에 기초하여 획득된다. 대안적으로 또는 추가적으로, 음영 매트릭스에 의해 다른 실시예들에서 특히 최대 전력에 도달할 때 중요한 각각의 풍력 발전 설비의 전력 및/또는 교란되지 않은 풍속이 추론될 수 있다.
일 실시예에서, 풍력 발전 단지의 그리드의 손실이 고려된다. 이것은 발전 단지 가용 전력의 보다 정확한 확인을 유도한다.
일 실시예에서, 풍력 발전 단지의 풍력 발전 설비의 다른 제한, 특히 기술적인 이유, 유지 보수, 소음 감소 작동 및/또는 그림자 투영으로 이루어진 제한들을 포함하는, 그리드 또는 조절 전력 측면에 기초하지 않는 제한이 고려된다.
본 발명에 따르면, 본 발명의 과제는 복수의 풍력 발전 설비를 구비하는 풍력 발전 단지에 의해 추가로 달성되고, 여기서 풍력 발전 단지는 제어기를 포함한다. 제어기는 본 발명에 따른 방법을 수행하도록 구성된다.
또한, 상기 과제는 본 발명에 따른 풍력 발전 단지의 풍력 발전 설비에 의해 달성되고, 여기서 풍력 발전 설비는 제어기를 포함하고, 제어기는 본 발명에 따른 제5 방법 e)에 따라 가용 전력을 확인하도록 설계된다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 다른 실시예들 및 이점들이 설명된다.
도 1은 풍력 발전 설비를 개략적으로 도시한다.
도 2는 풍력 발전 단지를 개략적으로 도시한다.
도 3은 풍력 발전 단지의 가용 전력을 결정하기 위한 제1 방법을 개략적으로 도시한다.
도 4는 풍력 발전 단지의 가용 전력을 결정하기 위한 제2 방법을 개략적으로 도시한다.
도 5는 풍력 발전 단지의 가용 전력을 결정하기 위한 제3 방법을 개략적으로 도시한다.
도 6은 풍력 발전 단지의 가용 전력을 결정하기 위한 제4 방법을 개략적으로 도시한다.
도 7은 풍력 발전 단지의 가용 전력을 결정하기 위한 제5 방법을 개략적으로 도시한다.
도 8은 풍력 발전 단지의 가용 전력을 결정하기 위한 제6 방법을 개략적으로 도시한다.
도 9는 등가 풍속의 결정의 기초가 되는 알고리즘을 설명하기 위한 블록도를 도시한다.
도 2는 풍력 발전 단지를 개략적으로 도시한다.
도 3은 풍력 발전 단지의 가용 전력을 결정하기 위한 제1 방법을 개략적으로 도시한다.
도 4는 풍력 발전 단지의 가용 전력을 결정하기 위한 제2 방법을 개략적으로 도시한다.
도 5는 풍력 발전 단지의 가용 전력을 결정하기 위한 제3 방법을 개략적으로 도시한다.
도 6은 풍력 발전 단지의 가용 전력을 결정하기 위한 제4 방법을 개략적으로 도시한다.
도 7은 풍력 발전 단지의 가용 전력을 결정하기 위한 제5 방법을 개략적으로 도시한다.
도 8은 풍력 발전 단지의 가용 전력을 결정하기 위한 제6 방법을 개략적으로 도시한다.
도 9는 등가 풍속의 결정의 기초가 되는 알고리즘을 설명하기 위한 블록도를 도시한다.
도 1은 풍력 발전 설비(100)의 개략도를 도시한다. 풍력 발전 설비(100)는 타워(102) 및 타워(102) 상의 나셀(104)을 포함한다. 나셀(104) 상에는 3개의 로터 블레이드(108)와 스피너(110)를 가진 공기 역학적 로터(106)가 제공된다. 공기 역학적 로터(106)는 풍력 발전 설비의 작동 시 바람에 의해 회전 운동하고, 따라서 공기 역학적 로터(106)와 직접 결합된 발전기의 전기 역학적 로터 또는 회전자를 회전시킨다. 전기 발전기는 나셀(104) 내에 배치되고, 전기 에너지를 생성한다.
도 2는 동일할 수도 있고 상이할 수도 있는 3개의 풍력 발전 설비(100)를 구비하는 풍력 발전 단지(112)를 예시적으로 도시한다. 따라서, 3개의 풍력 발전 설비(100)는 기본적으로 풍력 발전 단지(112)의 임의의 개수의 풍력 발전 설비를 나타낸다. 풍력 발전 설비(100)는 그들의 전력, 즉 특히 생성된 전류를 전기 발전 단지 그리드(114)를 통해 제공한다. 이 경우, 개별 풍력 발전 설비(100)의 각각 생성된 전류 또는 전력이 합산되고, 대부분 변압기(116)가 제공되는데, 상기 변압기는 일반적으로 PCC로도 지칭되는 공급 지점(118)에서 공급 그리드(120)로 전력을 공급하기 위해 발전 지역 내의 전압을 고-변압한다. 도 2는 물론 제어기가 존재함에도 불구하고, 예를 들어 제어기를 도시하지 않은 풍력 발전 단지(112)의 단지 간략화된 도면이다. 또한, 예를 들어 단지 다른 실시예를 언급하기 위해, 예를 들어 각각의 풍력 발전 설비(100)의 출력부에 변압기가 또한 존재함으로써, 발전 단지 그리드(114)가 다르게 설계될 수도 있다.
풍력 발전 단지(112)는 예를 들어 그리드로 인한 전력 감소 시, 감소된 전력으로 작동될 수 있다. 이러한 경우, 하나 이상의 풍력 발전 설비 또는 모든 풍력 발전 설비(100)는 풍력 상황에 대해 가능한 전력보다 낮은 전력으로 작동한다. P available 신호를 제공하기 위해, 풍력 발전 설비는 전력이 감소된 이러한 유형의 작동에서도 그들의 가용 전력을 또한 확인할 수 있어야 한다. 언급한 바와 같이, 전력 감소 시 런-온으로 존재하는 풍력 발전 설비(100)는 감소되지 않은 경우보다 더 높은 풍속을 나타내고, 이는 발전 단지의 가용 전력의 과대 평가를 초래한다. 따라서, 풍력 발전 단지(112)의 가용 전력을 결정하기 위한 방법의 목표는 예를 들어 주어진 스로틀링된 발전 단지 전력, 풍속 및 풍향에 대한 추력, 지형 모델 및 발전 단지 계획에 기초하여, 발전 단지 효과를 고려함으로써 풍력 발전 설비의 전력의 합으로서의 풍력 발전 단지의 가용 전력을 획득하는 것이다.
이러한 고려는 본 발명에 따르면, 이하의 도면을 참조하여 설명되는 바와 같이, 발전 단지 런-온 모델을 사용하여 적어도 하나의 풍속 및 풍향 그리고 풍력 발전 단지 스로틀링의 함수로서 풍력 발전 단지(112)의 각각의 풍력 발전 설비(100)의 적어도 하나의 유효 풍속을 결정하는 음영 매트릭스(200)를 사용하여 수행된다. 음영 매트릭스(200)를 구현하기 위한 다양한 방법이 도 3 내지 도 8을 참조하여 이하에서 상세히 설명된다.
도 3은 음영 매트릭스(200)를 사용하여 풍력 발전 단지(112)의 가용 전력을 결정하기 위한 제1 방법 a)를 개략적으로 도시한다. 둥근 모서리로 구현된 도면의 프레임은 개별적인 방법 단계 또는 계산과 관련된 풍력 발전 단지, 개별 풍력 발전 설비 제어기 및 발전 단지 제어기 또는 발전 단지 컴퓨터의 계층적인 책임 또는 구조적인 책임을 개략적으로 요약한다.
도 3 및 이하의 도 4 내지 도 8에 도시된 풍력 발전 단지(112)는 엄격한 매트릭스 배열로 배치된 9개의 풍력 발전 설비(100)를 포함한다. 이것은 물론 실제 풍력 발전 단지(112)의 매우 단순한 예시일 뿐이고, 본 발명에 따른 교시는 임의의 풍력 발전 단지에도 또한 적용될 수 있다. 풍력 발전 단지(112)는 상징적으로 바람(130)을 통해 왼쪽으로부터 흐름이 이루어지므로, 3개의 풍력 발전 설비(132)는 자유 흐름이 이루어진다. 추가의 풍력 발전 설비(134)는 자유 흐름이 이루어지는 풍력 발전 설비(132)의 런-온에 위치되어, 감소된 풍속을 경험한다.
제1 단계(310)에서, 풍력 발전 설비(100)로부터 자유 흐름이 이루어지는 풍력 발전 설비(132)가 선택되거나 또는 결정된다. 단계(310)에서의 결정은 풍향에 따라 이루어진다.
이어서, 자유 흐름이 이루어지는 풍력 발전 설비(132)의 교란되지 않은 풍속 및 풍향이 단계(320)에서 결정된다. 교란되지 않은 풍속 및 풍향은 로터에 의해 영향을 받지 않는 풍속에 대응한다. 바람직하게는 도 9를 참조하여 상세히 설명되는 바람 추정기를 사용하여 확인된다. 대안적으로, 교란되지 않은 풍속이 또한 풍력 발전 설비에 장착된 풍속계를 통해 그리고 적절한 보정에 의해 유사하게 결정될 수 있다.
확인된 교란되지 않은 풍속 및 풍향(
)이 단계(330)에서 평균화되어, 평균 풍속 및 풍향(
)을 획득한다. 도 3에서 예를 들어 풍속 및 풍향이 바람 벡터로서 도시된다. 평균값은 자유 흐름이 이루어지는 풍력 발전 설비(132)의 개수(n frei )로 나뉘어진 바람 벡터의 합으로 도시된다. 평균값의 이러한 형성은 단지 예시일 뿐이고, 평균값의 형성을 위한 다른 함수가 유사하게 적용될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 평균 풍속 및 풍향(
)과 함께, 음영 매트릭스(200)를 고려하여 각각의 풍력 발전 설비의 유효 풍속(v 1..n )을 획득하기 위해 풍력 발전 단지의 제한되지 않은 작동에서의 전력(P nom )이 단계(340)에서 사용된다. 풍력 발전 단지가 최대 허용 전력으로 작동되고, 예를 들어 더 낮은 스로틀링된 전력(P gedr )을 갖는 그리드 요구 조건에 기초하여 작동되지 않는 경우 제한되지 않은 작동이 존재한다.
모든 풍력 발전 설비에 대해 대안적으로, 자유 흐름이 이루어지는 풍력 발전 설비(132)는 단계(340)로부터 완전히 또는 부분적으로 배제될 수 있고, 자유 흐름이 이루어지는 풍력 발전 설비(132)의 가용 전력은 단계(320)에서 결정된 풍속에 대한 전력 곡선에 기초하여 직접 확인될 수 있는데, 즉 단계(320)에서 결정된 풍속은 이러한 실시예에서 자유 흐름이 이루어지는 풍력 발전 설비에 대한 유효 풍속에 대응한다.
단계(350)에서, 각각의 풍력 발전 설비의 유효 풍속(v 1..n )은, 바람장을 발전 단지를 통해 확산시키는 것에 기초하여 보정된다. 발전 단지를 통한 사이클 시간은 예를 들어 풍속, 예를 들어 추정된 풍속에 대한 흐름 방향으로의 풍력 발전 단지(112)의 범위의 몫으로 결정된다. 또한, 단계(350)에서 보정을 위한 다른 가능성도 가능하다. 단계(350)에서의 보정은 풍력 발전 단지를 통한 발전 단지 레이아웃 의존성 통과 지연에 대응한다.
그런 다음, 보정된 유효 풍속은 단계(360)에서 전력 곡선(P LK )에 기초하여 풍력 발전 설비 의존적인 전력값으로 변환되고, 합산되어 발전 단지 가용 전력(P verfg,Park )으로 전환된다.
도 4는 풍력 발전 단지(112)의 가용 전력을 결정하기 위한 제2 방법 b)를 개략적으로 도시한다. 제1 방법 a)에서와 같이, 제2 방법 b)에 따라 우선 단계(310)에서 자유 흐름이 이루어지는 풍력 발전 설비(132)가 결정되고, 그 풍속 및 풍향이 단계(320)에서 결정된다.
자유 흐름이 이루어지는 풍력 발전 설비의 결정된 풍속 및 풍향 각각에 대해, 단계(430)에서 풍력 발전 설비(100)마다 스로틀링되지 않은 풍력 발전 단지에 대한 음영 매트릭스(200)를 사용하여 유효 풍속(
)이 결정된다. 따라서, 단계(430)에서 풍력 발전 단지(112)의 n개의 각각의 풍력 발전 설비(100)에 대해 자유 흐름이 이루어지는 풍력 발전 설비(n frei )의 개수에 대응하는 유효 풍속(
)이 결정된다.
풍력 발전 설비의 각각에 대해 이러한 풍력 발전 설비에 대한 유효 풍속의 평균값이 단계(440)에서 결정되고, 풍력 발전 설비 각각의 가용 전력은 개별 풍력 발전 설비에 대해 확인된 평균 유효 풍속에 대한 전력 곡선에 기초하여 확인된다.
대안적인 실시예에서, 자유 흐름이 이루어지는 풍력 발전 설비(132)는 단계(430 및 440)에서 전체적으로 또는 부분적으로 배제될 수 있고, 자유 흐름이 이루어지는 풍력 발전 설비(132)의 가용 전력은 단계(320)에서 결정된 풍속에 대한 전력 곡선에 기초하여 직접 확인될 수 있다.
확인된 가용 전력(P 1..n )은 단계(450)에서 보정되며, 이는 단계(350)에서와 같이 풍력 발전 단지를 통한 발전 단지 레이아웃 의존성 통과 지연에 대응한다. 단지 차이점은, 제2 방법 b)에서는 확인된 유효 풍속(v 1..n ) 대신에 가용 전력(P 1..n )이 보정된다는 것이다.
마지막으로, 단계(460)에서 가용 전력이 합산되어, 풍력 발전 단지(112)의 가용 전력을 획득한다.
도 5는 풍력 발전 단지(112)의 가용 전력을 결정하기 위한 제3 방법 c)를 개략적으로 도시한다. 제1 방법 a) 및 제2 방법 b)와는 대조적으로, 제3 방법 c)에서 단계(510)에서는 풍력 발전 단지(112)의 모든 풍력 발전 설비(100)가 선택되고, 그 풍속 및 풍향이 단계(520)에서 결정된다. 교란되지 않은 풍속 및 풍향(
)을 확인하기 위한 방법 및 단계(520)는, 즉 예를 들어 도 9를 참조하여 설명되는 바람 추정기에 의해 수행되는 단계(320)에서의 방법에 대응한다.
제3 방법 c)는 모든 풍력 발전 설비의 풍속 및 풍향의 최적 상관 관계를 달성하는 것을 목표로 하는 반복 프로세스이다. 이를 위해, 유효 발전 단지 풍속(
)이 설정되고, 단계(530)에서 스로틀링된 전력(P gedr )에 대해 음영 매트릭스(200)에 기초하여 각각의 풍력 발전 설비의 모델 속도(
)가 결정된다. 설정된 발전 단지 속도(
)로부터 생성되는 모델링된 풍속 및 풍향(
)은 교란되지 않은 개별 풍속 및 풍향(
)과 상관 관계가 있고, 단계(540)에서 두 변수의 상관 관계에 대한 정도가 결정된다. 도 5의 예시에서, 이차 거리가 두 변수로부터 결정되며, 이는 최적 상관 관계를 달성하기 위해 가능한 한 작아야 한다. 이를 위해, 설정된 발전 단지 풍속(
)은 상관 관계가 특정 품질에 도달할 때까지 조정된다. 모든 반복적인 최적화 알고리즘은 도시된 최소 제곱법에 대해 대안적으로 사용될 수 있다.
그런 다음, 최적화된 발전 단지 유효 풍속(
)은 단계(550)에서 음영 매트릭스(200)를 고려하여 결정되고, 전력(P nom )을 갖는 스로틀링되지 않은 풍력 발전 설비에 대해 각각의 풍력 발전 설비의 유효 풍속(v i )이 결정된다.
그런 다음, 발전 단지 가용 전력(P verfg,Park )은 단계(560)에서 각각의 풍력 발전 설비의 전력 곡선 및 확인된 유효 풍속에 기초하여 결정되고 합산될 수 있다.
도 6은 풍력 발전 단지(112)의 가용 전력(P verfg,Park )을 확인하기 위한 제4 방법 d)를 개략적으로 도시한다. 단계(510 및 520)는 도 5에 도시된 단계에 대응한다.
스로틀링된 전력(P gedr )과 함께 정적 발전 단지 유효 풍속 및 풍향(v Park,1..n )을 추정하기 위해, 단계(630)에서, 개별 풍속 및 풍향(
)이 역변환된, 음영 매트릭스(200')에 공급된다. 음영 매트릭스(200)는 음영 매트릭스(200')에 도달하도록, 개별 풍력 발전 설비에 대해 역변환된다.
풍력 발전 설비마다 추정된 정적 발전 단지 유효 풍속(
)은 단계(640)에서 평균화되고, 평균화된 발전 단지 유효 풍속(
)이 단계(650)에서 최대 전력(P nom )을 갖는 스로틀링되지 않은 풍력 발전 단지에 대한 음영 매트릭스(200)를 사용하여, 각각의 풍력 발전 설비의 유효 풍속(v 1..n )을 결정하기 위해 사용된다. 그 후, 단계(660)에서 각각의 전력 곡선을 사용하여 유효 풍속(v 1..n )이 사용되고, 이어서 풍력 발전 단지의 가용 전력(P verfg,Park )을 결정하기 위한 합산이 사용된다.
도 7은 풍력 발전 단지(112)의 가용 전력(P verfg,Park )을 확인하기 위한 제5 방법 e)를 개략적으로 도시한다. 제1 방법 내지 제4 방법과 대조적으로, 제5 방법 e)의 대부분은, 다른 풍력 발전 설비의 작동 정보가 필요하지 않기 때문에, 풍력 발전 설비(100)의 제어기 상에서 구현될 수 있다. 보다 구체적으로, 710으로 통합된 모든 단계는 개별 풍력 발전 설비 상에서 구현될 수 있다. 각각의 풍력 발전 설비는 확인된 개별 풍속 및 풍향(
)에 기초하여, 개별 풍력 발전 설비 상에 작용하는 음영을 고려하여 가용 전력(P verfg,i )을 확인하고, 이는 공기 역학적 발전 단지 효율로서 괄호(750)로 통합된다. 개별 풍력 발전 설비 추정은 발전 단지 유효 풍속(
)을 추정하기 위해, 단계(720)에서 스로틀링된 전력(P gedr )을 갖는 역변환된 음영 매트릭스(200')를 사용하여 추정하는 단계를 포함한다. 그런 다음, 이에 의해 단계(730)에서 음영 매트릭스(200) 및 기술적으로 가능한 전력 또는 정격 전력(P nom )을 사용하여 풍력 발전 설비 유효 풍속(v i )이 추론된다. 그 후, 풍력 발전 설비 유효 풍속(v i )에 의해, 전력 곡선을 사용하여 단계(740)에서 가용 전력(P verfg,i )이 추정된다. 그런 다음, 발전 단지 제어기(760)는 단계(770)에서 단지 개별 풍력 발전 설비(100)로부터 전송된 가용 전력(P verfg,i )의 신호만을 기록해야 한다. 음영 매트릭스(200) 및 역변환된 음영 매트릭스(200')는 이러한 방법 e)에서 개별 풍력 발전 설비에 대해 제공될 수 있고, 각각의 풍력 발전 설비(100)의 제어기 상에 구현될 수 있다.
도 8은 제5 방법 e)의 변형예를 나타내며 개별 풍력 발전 설비의 속도(
) 대신에 전력값에 기초하여 음영을 고려하는 다른 방법 f)를 도시한다. 또한, 방법 f)에서 풍력 발전 단지 제어기(760)는 단지 단계(770)에서만 풍력 발전 설비에 의해 제공되는 가용 전력(P verfg,i )의 개별 신호를 합산해야 한다. 나머지 단계들은 개별 풍력 발전 설비 상에서 제5 방법 e)와 유사하게 구현될 수 있다. 단계(810)에서, 가용 전력은 작동점에 기초하여 그리고 선택적으로 풍력 발전 설비의 센서 신호에 기초하여 계산된다. 모든 풍력 발전 설비에 대해 개별적으로 계산되는 가용 전력(P verfg )은 결정된 풍향 및 피치 각도와 함께 단계(820)에서 음영 효과를 고려하기 위해 그리고 음영 효과에 대해 보정된 가용 전력(P verfg,i )을 제공하기 위해 사용된다.
방법 f)는 단계(820)에서 제5 방법 e) 개별 단계를 통합하고, 특히 스로틀링된 전력을 기초로 하여 보간된 역 음영 매트릭스(200') 및 스로틀링되지 않은, 기술적으로 가능한 최대 공급의 음영 매트릭스(200)가 통합되어, 제5 방법 e)에 존재하는 중간 단계는 발전 단지 전체 유효 풍속 및 풍향을 통해 풍력 발전 설비 또는 발전 단지 컴퓨터에서 생략될 수 있고, 매트릭스(200, 200')의 (1회의) 계산을 위해서만 필요하다.
따라서 음영 매트릭스에 대해, 단계(820)에서 풍속에 묵시적으로만 의존하는 공기 역학적 효율을 형성하기 위한 통합이 수행된다. 피치 각도(α)에 대해 추가적으로 최소 피치 각도(αmin)가 제공되고, 이는 풍력 발전 설비가 전력이 감소되지 않은 경우, 즉 기술적으로 가능한 최대 공급의 경우에 작동된다.
도입부에 이미 설명된 바와 같이, 나셀 풍속계에 의해 결정된 풍속은 일반적으로 로터 효과를 통해 교란된다. 또한, 나셀 풍속계의 측정값은 10분 이상의 장기간에 걸친 평균화 시에만 풍력 발전 설비의 실제 전력값과 양호한 상관 관계를 포함하므로, 따라서 참고 문헌 [1]에서 또한 알 수 있는 바와 같이, 현재 가용 전력의 결정에 대해 특히 양호하게 적합하지는 않다. 또한, 풍속계 측정은 전력 감소에 크게 의존하고, 신호 보정에 대해 사용될 수 없거나 또는 단지 어렵게만 사용될 수 있는 다른 영향에도 의존한다.
따라서, 제2 가능성은, 마찬가지로 도입부에서 설명된 바와 같이, 현재 풍력 발전 설비 전력(예를 들어 풀 컨버터에 의해 DC 중간 회로에 공급된 풍력 발전 설비의 전력) 및 풍력 발전 설비의 블레이드 각도로부터 가용 전력 또는 교란되지 않은 개별 풍속을 계산하는 것이고, 이는 도 9를 참조하여 이하에서 설명된다.
풍력 발전 설비의 전력이 가용 전력 미만으로 제한되는 경우, 기계적인 출력의 공급이 감소되어야 한다. 이것은 블레이드 각도의 증가를 통해 이루어질 수 있다. 여기서 블레이드 각도(α)의 증가 시 공기 역학적 출력 계수(
)의 감소는 일반적으로 팁 속도 비(λ)에 의존한다.
이제, 알려진 전력 조절 또는 속도 조절에 의해 풍력 발전 설비가 지속적으로 그리고 또한 변화하는 풍속에서 동일한 팁 속도 비, 특히 최적 팁 속도 비(λ opt )에서 작동되는 경우, 결정된 최적 블레이드 각도(αopt)이 비해 블레이드 각도를 증가시킴으로써 고정된 전력 감소가 생성된다. 각 블레이드 각도에 대해 전력 감소 효과가 결정되면, 현재 풍력 발전 설비 전력(Pist) 및 전력 감소 계수(
)로부터 가용 전력의 계산이 다음의 공식에 따라 수행될 수 있다.
그러나, 모든 작동 조건 하에 일정한 팁 속도 비가 유지될 수 있는 것은 아니다. 특히, 강한 감축 조절 시 최적으로부터의 편차가 발생할 수 있다. 전력 감소 계수와 추정된 가용 전력 사이의 반비례 관계로 인해, 여기서 특히 강한 감축 조절 시 가정된 전력 감소 계수의 작은 편차조차도 가용 전력의 계산에서의 오류를 초래할 수 있다.
이제 해결을 위해, 풍속에 따라, 그리고 이에 따라 풍력 발전 설비의 모든 작동점에서 가능한 한 신뢰성 있게 가용 전력을 추정할 수 있는 알고리즘이 제안된다.
따라서, 도 9는 제안된 알고리즘 및 이에 따라 교란되지 않은 풍속(
)으로서 상기 설명된 방법에 따라 사용될 수 있는 등가 풍속(v Wind )을 결정하기 위해 제안되는 방법의 블록도(1)를 도시한다.
결정된 측정 변수를 기초로 하여, 측정될 수 없는 다른 값을 관측하거나 또는 추정하는 2개의 관측기를 사용한다.
도 9에 도시된 전력 관측기(2)는, DC 중간 회로로 공급되어 측정된 전력(PDC) 및 로터 회전 속도(ω)로부터, DC 중간 회로에서의 가용 전력(P ava,DC )으로서의 가용 내부 전력을 결정한다.
따라서, 측정 당 DC 중간 회로(P DC )에서의 회전 속도(ω) 및 전력 변수가 검출된다. 발전기의 회전 속도(ω)는, 변속기가 존재하지 않는다면, 로터의 회전 속도에 대응한다. 이로부터 상태 관측기(2)의 도움으로 가용 내부 전력(P ava,DC )이 결정되거나 또는 계산되고, 이는 또한 중간 회로(
)에 대한 공기 역학적 가용 전력으로 또한 지칭될 수 있는데, 즉 발전기 손실을 공제하고, 그리고 경우에 따라서는 마찰 또는 전력 변환 손실과 같은 다른 손실도 공제한 공기 역학적 출력에 대응한다.
전력 관측기는 다음과 같은 단순화된 시스템 설명을 기반으로 할 수 있고, 이는 회전식 단일 질량계의 가속 방정식으로도 지칭될 수 있다.
이러한 공식에서, J는 풍력 발전 설비의 회전 질량의 관성 모멘트를 나타내고, ω는 풍력 발전 설비의 회전 속도이고, T mech 및 P mech 는 샤프트에서 바람에 의해 형성된 토크 또는 전력을, 그리고 T el / P el 는 발전기의 전기 기계적인 토크 또는 전력을 나타낸다. 여기서 점에 의해, 다시 시간에 따른 변수의 도함수가 표시된다. 기계적인 출력을 초과하는 발전기 전력이 기간에 걸쳐 취출되면, 풍력 발전 설비가 감속된다.
전력 관측기(2)에 대해 그리고 회전하는 단일 질량계의 상기 가속도 방정식을 기반으로, 상태 가변적인 회전 속도(ω)와 기계적인 토크(T mech )를 갖는, 풍력 발전 설비의 다음의 상태 공간 모델이 설정될 수 있다.
여기서 사용된 변수 중에서, 기계적인 토크(T mech )는 측정될 수 없고, 따라서 상태 관측기를 통해 측정 데이터로부터 계산되어야 한다. 또한, 회전 속도 신호는 종종 단지 낮은 분해능 및 낮은 샘플링 속도로만 측정되기 때문에, 이러한 값에 대해 상태 관측기가 또한 제안된다. 적합한 관측기 구조는 다음과 같이 공식화될 수 있으며, 여기서 추가 설명을 위해 참고 문헌 [4]가 참조된다.
여기에서, 관측된 변수는 측정된 입력 변수인 회전 속도(ω)와 전기 토크(
)와 달리 ^로 표시된다. P DC 는 DC 중간 회로에 공급되는 전기 전력이다. 2가지 파라미터(K ω 및 K T )는 다이내믹 거동에 영향을 미치고, 이산 시간 구현의 경우 상태 관측기의 안정성에도 또한 영향을 미치므로, 이러한 양태를 고려하여 선택되어야 한다.
공기 역학적 출력(
)의 계산은 회전 속도와 토크의 곱을 통해 이루어진다. 이는 이 경우 내부 가용 전력(P ava,DC )에 대응한다.
내부 가용 전력(P ava,DC )의 결정을 위한 입력 변수는, 측정되어 DC 중간 회로에 공급되는 전기 전력(P DC ) 그리고 측정된 풍력 발전 설비 회전 속도(ω)이다. 이 때 출력값은 DC 중간 회로와 관련하여 가용 전기 전력(P ava,DC )이다. 풍력 발전 설비는 특정 상황에서, 전력(P DC )이 현재 가용 풍력 전력에 대응하지 않고 정상 작동 시 거의 영구적으로 가속되거나 또는 감속되고 예를 들어 에너지가 회전 운동 에너지로부터 취해지는 그리드 지원에 대해 정상 회전 속도 전력 특성 맵과는 상이할 수 있는 정적 작동점에 위치하지 않기 때문에, 이러한 관측기가 중요하다.
DC 중간 회로와 관련된 내부 가용 전력(P ava,DC )에 발전기 손실(P VGen )이 추가된다. 이러한 손실은 작동 중에 측정에 의해 결정될 수 있거나 또는 각각의 발전기 작동점에 대한 특성 맵에서 (경우에 따라서는 온도 측정값을 고려하여) 취출될 수 있다. 추가적으로, 관련이 있는 경우 마찰 및 전력 변환 손실도 추가될 수 있다. 이러한 추가의 결과는 P mech 로 단순화하여 지칭하는 풍력 발전 설비의 가용 발전기 입력 전력이다. 이러한 계산을 위해서는, 최대 가용 입력 전력에 대해 예상되는 발전기 손실이 현재 발전기 손실 대신에 사용되어야 한다.
이러한 전력, 그리고 측정된 풍력 발전 설비 회전 속도(ω) 및 현재 블레이드 각도(α)는 바람 관측기(4)인 제2 관측기에 대한 입력값으로 사용된다. 이것은 현재 블레이드 각도(α)에서 가용 전력을 유도하는 풍속(v Wind )을 관측한다. 이것은 원칙적으로 다음 방정식에 대한 해(v)이고
여기서 P mech 는 전력 관측기(2)에 의해 알려진 것으로 가정되고, 
는 공기 밀도, A는 로터 표면 그리고 
는 팁 속도 비(λ) 및 블레이드 각도(α)에 따른 전력 계수를 지칭한다. 이는 여기서 풍속(v)이 직간접적으로 팁 속도 비 (
)를 통해 대입되는 비선형 방정식이다(ω는 다시 풍력 발전 설비 회전 속도를 rad / s로 표시하고, 공기 역학적 로터의 반경을 R로 표시함). 이에 대해 참고 문헌 [2]로부터 다양한 해결 방안이 알려져 있다.
방정식의 비선형 특성으로 인해, 풍속을 결정하기 위한 비선형 접근법이 바람 관측기의 기초로서 유리한 것으로 입증되었고, 이에 대해 참고 문헌 [2, 3]이 참조되고, 이는 몰입(Immersion) 및 불변성(Invariance)이라는 용어로 가이드된다.
그러나, 참고 문헌 [2] 및 [3]과는 대조적으로, 여기서 제안된 해결 방안에서는 측정된 풍력 발전 설비 전기 전력이 바람 관측기(4)에 대한 입력 변수로서 사용되지 않고, 전력 관측기(2)를 통해 결정되거나 또는 계산된 내부 가용 전력이 사용된다. 이것은 풍력 발전 설비의 일시적 작동에서 (즉, 예를 들어 에너지가 회전 운동 에너지로부터 취해지는 그리드 지원을 위해, 강한 가속 또는 감속이 이루어질 때) 바람 관측기(4)의 정확한, 적어도 바람직한 작동에 있어서 중요하다.
바람직하게는, 바람 관측기(4)는 또한 풍력 발전 설비의 가용 전력(Pava)(α opt , λ opt )을 출력한다. 이것은 최적 블레이드 각도(α opt ) 및 최적 팁 속도 비(λ opt )가 설정될 때, 바람 관측기(4)에 의해 결정된 등가 풍속(v wind )에서 풍력 발전 설비에 의해 생성될 수 있는 전력이다. 이는 예를 들어 등가 풍속(v Wind )을 기초로 하고 그리고 바람과 생성된 전력 사이에 알려진 관계를 고려하여 언급된 조건(최적 블레이드 각도(α opt ) 및 최적 팁 속도 비(λ opt )에서 계산될 수 있다. 이에 대해 예를 들어 대응하는 특성 맵이 저장될 수 있다. 추가적으로, 풍속, 회전 속도 및 로터 직경으로부터 계산될 수 있는 현재 팁 속도 비(λ)를 출력하는 것이 제안된다. 명시된 가용 전력(
)은 발전 단지 효과에 대해 보정되지 않은 가용 전력이다. 예를 들어 방법 a) 내지 e)는 발전 단지 가용 전력의 결정을 위한 입력 변수로서 결정된 등가 풍속(v Wind )에 직접 기초하지만, 방법 f)는 가용 전력(
)에 기초할 수 있다.
제안된 해결 방안은 풍력 에너지를 갖는 포지티브 조절 에너지 및 네거티브 조절 에너지, 1차 조절 에너지와 2차 조절 에너지 모두의 적용에 사용될 수 있다. 여기서 특히, 개선된 정확도가 중요할 수 있다. 이러한 해결 방안은 제2 나셀 풍속계의 대체로서 사용될 수 있다.
교란되지 않은 풍속을 정확하게 결정하고, 적어도 높은 정확도로 결정함으로써, 많은 작동 상태에서 풍력 발전 설비의 최대 가용 전력이 계산될 수 있다. 이것은 풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 단지의 전력이 결정된 값만큼 가용 전력 미만으로 감소되어야 하는, 발생된 네거티브 조절 전력의 정확한, 적어도 비교적 정확한 결정을 허용한다. 또한 경우에 따라서는 예를 들어 하드웨어 대신에 소프트웨어를 통해 안전 관련 요구 사항을 해결하기 위해 제2 바람 측정 장치에 따른 요구 사항이 달성될 수 있다.
제안된 해결 방안은 적어도 이전에 알려진 해결 방안보다 개선된 것이다. 풍속 결정의 핵심 문제는 공기 역학적 출력 방정식의 해에 존재한다.
여기서 
는 공기 밀도, A는 로터 블레이드 표면으로도 또한 동의어로 지칭될 수 있는 로터 표면, v는 풍속 및 
은 팁 속도 비(λ) 및 블레이드 각도(α)의 함수로서 전력 계수를 지칭한다. 이러한 방정식은 엄밀히 말하면 발전기 로터에서의 로터의 기계적인 출력을 나타내지만, 그러나 측정된 전기 전력 및 추정된 또는 계산된 발전기 손실로부터 대략 결정될 수 있고, 따라서 알려진 것으로 전제될 수 있지만, 그러나 노이즈가 발생하기 쉬운 변수로 전제된다. 미지의 v에 대해 이러한 방정식을 푸는 데 있어서의 어려움은 이제 직접(v3) 그리고 또한 팁 속도 비(
)를 통해 방정식에 변수를 이중 입력하는 것이다(ωm은 다시 풍력 발전 설비 회전 속도를 rad/s로 나타냄).
참고 문헌 [3]에 도시된 바와 같이, "몰입 및 불변성"의 원리에 따라 관측기를 통해 참고 문헌 [2]에 따른 수치 효율적이고 동시에 정확한 해결 방안이 달성될 수 있다. 이에 대해 다음의 상태 방정식 시스템이 구현된다.
여기서 
이고, J는 풍력 발전 설비 로터의 관성 모멘트, P mech 는 발전기 손실을 포함하여, 전력 관측기를 통해 추정된 발전기의 가용 DC 전력, γ > 0은 필터의 설정 가능한 적응 파라미터, 
는 공기 압력, A는 로터 표면 및 r은 풍력 발전 설비의 로터 반경을 나타낸다. 시간에 따른 변수(
)의 도함수는 점으로 표시된다.
이러한 상태 방정식 시스템의 수치 해에 의해, 바람 관측기의 출력값이 계산된다. 이 경우, 방정식 (3)에서 계산된 변수 (
)는 추정된 풍속(v Wind )을 형성한다. 추정된 팁 속도 비(λ)는 상기 언급된 방정식에 따라, 측정된 속도 및 추정된 풍속으로부터 생성된다. 가용 전력은 방정식 (1)의 해에 따라 그리고 풍력 발전 설비에서 추정된 최적 작동점에서 발생한 손실 그리고 결과적으로 이러한 가용 전력을 제한할 수 있는 만일의 기술적 제한 또는 작동상 제한을 고려하여 형성된다.
참고 문헌 [3]에서 설명된 해결 방안에 비해 여기에서 설명된 바람 관측기의 중요한 변화는 
의 계산(방정식 (2))을 위해 별도의 관측기를 통해 추정된 가용 전력을 사용한다는 점이다. 참고 문헌 [3]에서는 그 대신에 풍력 발전 설비가 부분 부하 영역에서 항상 최적의 작동점 근처에서 작동된다는 가정 하에, 측정된 전기 전력 또는 전기 토크가 직접 사용된다. 그러나, 실제로는 가변 풍속에서의 가속 과정 및 감속 과정으로 인해, 그리고 부분적으로는 또한 의도적으로 에너지가 회전 운동 에너지로부터 취해지는 경우 그리드 주파수 지원과 같은 결정된 요구 사항으로 인해, 현재 전기 전력과 최적 작동점에서 달성 가능한 전력 또는 바람에서의 가용 전력 사이의 상당한 편차가 존재하므로, 모든 작동점에서 풍속을 정확하게 결정하기 위해 바람 관측기를 통해 공기 역학적 출력 방정식을 풀기 전에 가용 전력을 별도로 결정하는 것이 제안된다.
참고 문헌 [3]에서 나타난 해결 방안에 비해 다른 차이는 전력 계수(
)를 결정할 때 현재 블레이드 각도(α)를 고려하는 것이다. 이것은, 풍력 발전 설비의 감축 조절된 작동에서 블레이드 각도가 일반적으로 최적 블레이드 각도보다 높기 때문에, 가능한 최대 전력을 결정하기 위해 바람 관측기를 사용하는데 매우 중요하다. 따라서, 최대 가용 전력을 결정하기 위해, 바람 관측기에 의해 추정된 풍속 그리고 이러한 풍속 그리고 최적 블레이드 각도(αopt)에 대한 전력 계수의 계산 그리고 최적 팁 속도 비(λ opt )의 계산, 즉 C p (λ opt , α opt ) 그리고 추정된 풍속 및 최적 C p (λ opt , α opt )에 의해 공기 역학적 출력 방정식(1)을 푸는 것이 유리하다.
대안적인 그러나 정교한 모델은 예를 들어 참고 문헌 [5]로부터 알려져 있다.
따라서, 강한 감축 조절 시 가용 전력의 결정의 정확성이 개선된다.
도 9를 참조하여 도시된 해결 방안의 특별한 이점은
- 풍력 발전 설비가 작동 중인 모든 가능한 작동점에서 가용 전력을 결정할 수 있고,
- 풍력 발전 설비가 특히 그리드 서비스 전력을 제공할 때 정적 작동점을 벗어나는 작동 상태를 고려할 수 있고,
- 추가적인 센서 없이 로터 평면에서 등가 풍속을 결정할 수 있고, 추가적으로
- 대응하는 구현 시 풍력 발전 설비의 회전 속도 및 가속도를 매우 정확하게 결정할 수 있다
는 점이다.
도 3 내지 도 8에 설명된 방법의 개요에서, 그 조합으로 발전 단지 가용 전력의 특히 양호하고 간단하며 정확한 결정이 달성될 수 있다.
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Claims (26)
- 풍력 발전 단지(112)의 가용 전력을 결정하기 위한 방법으로서,
상기 풍력 발전 단지는, 블레이드 각도를 조절 가능한 로터 블레이드(108)를 구비하는 로터(106)를 갖는 복수의 풍력 발전 설비(100)를 포함하고,
상기 방법은,
- 발전 단지 런-온 모델(park run-on model)을 사용하여 적어도 하나의 풍속 및 풍향 그리고 풍력 발전 단지 스로틀링의 함수로서 상기 풍력 발전 단지(112)의 상기 풍력 발전 설비(100) 각각의 적어도 하나의 유효 풍속을 결정하는 음영 매트릭스(shading matrix; 200)를 제공하거나 또는 사용하는 단계
를 포함하고,
상기 풍력 발전 단지(112)의 상기 가용 전력은 상기 유효 풍속에 기초하여 결정되는 것인, 방법. - 제1항에 있어서,
상기 풍력 발전 단지(112)의 상기 가용 전력을 결정하기 위한 상기 방법은 다음 단계들, 즉
- 결정된 풍향에 대해 자유 흐름이 이루어지는 상기 풍력 발전 설비(132)를 결정하는 단계(310),
- 상기 자유 흐름이 이루어지는 풍력 발전 설비(132)의 교란되지 않은 풍속 및 풍향의 평균값으로서 평균 풍속 및 풍향을 확인하는 단계(330),
- 스로틀링되지 않은 풍력 발전 단지에 대한 상기 음영 매트릭스(200)를 고려하여, 상기 평균 풍속 및 풍향으로부터, 적어도 자유 흐름이 이루어지지 않는 상기 풍력 발전 설비 각각에 대해 각각의 풍력 발전 설비의 유효 풍속을 확인하는 단계,
- 상기 풍력 발전 설비 각각의 가용 전력을, 전력 곡선 및 확인된 상기 유효 풍속에 기초하여 확인하는 단계, 및
- 상기 풍력 발전 설비 각각의 상기 가용 전력을 합산함으로써, 상기 풍력 발전 단지의 상기 가용 전력을 확인하는 단계(360)
를 포함하는 것인, 방법. - 제1항에 있어서,
상기 풍력 발전 단지(112)의 상기 가용 전력을 결정하기 위한 상기 방법은 다음 단계들, 즉
- 결정된 풍향에 대해 상기 자유 흐름이 이루어지는 풍력 발전 설비를 결정하는 단계(310),
- 상기 자유 흐름이 이루어지는 모든 풍력 발전 설비의 풍속 및 풍향을 결정하는 단계(320),
- 상기 자유 흐름이 이루어지는 풍력 발전 설비의 결정된 상기 풍속 및 풍향 각각에 대해 스로틀링되지 않은 풍력 발전 단지에 대한 상기 음영 매트릭스를 고려하여, 적어도 상기 자유 흐름이 이루어지지 않는 풍력 발전 설비 각각의 유효 풍속을 확인하는 단계(430),
- 상기 자유 흐름이 이루어지는 풍력 발전 설비마다 확인된 상기 유효 풍속의 평균값으로서, 적어도 상기 자유 흐름이 이루어지지 않는 각각의 풍력 발전 설비마다 개별 풍력 발전 설비의 평균 유효 풍속을 확인하는 단계(440),
- 상기 풍력 발전 설비 각각의 가용 전력을, 전력 곡선 및 상기 개별 풍력 발전 설비의 확인된 평균 유효 풍속에 기초하여 확인하는 단계(440), 및
- 각각의 풍력 발전 설비의 상기 가용 전력을 합산함으로써, 상기 풍력 발전 단지의 상기 가용 전력을 확인하는 단계(460)
를 포함하는 것인, 방법. - 제1항에 있어서,
상기 풍력 발전 단지(112)의 상기 가용 전력을 결정하기 위한 상기 방법은 다음 단계들, 즉
- 상기 풍력 발전 설비(100)의 개별 풍속 및 풍향을 확인하는 단계(520),
- 상기 음영 매트릭스 및 상기 풍력 발전 단지 스로틀링을 고려하여, 설정된 풍력 발전 단지 유효 풍속 및 풍향에 따라 모델링된 풍속 및 풍향을 계산하는 단계(530),
- 상기 개별 풍속 및 풍향과 상기 모델링된 풍속 및 풍향의 비교에 기초하여, 설정된 상기 풍력 발전 단지 유효 풍속 및 풍향을 최적화하는 단계(540),
- 스로틀링되지 않은 풍력 발전 단지에 대한 상기 음영 매트릭스를 고려하여, 최적화된 상기 풍력 발전 단지 유효 풍속 및 풍향으로부터 각각의 풍력 발전 설비의 상기 유효 풍속을 확인하는 단계(550),
- 상기 풍력 발전 설비(100) 각각의 가용 전력을, 전력 곡선 및 확인된 상기 유효 풍속에 기초하여 확인하는 단계(560), 및
- 상기 풍력 발전 설비(100) 각각의 상기 가용 전력을 합산함으로써, 상기 풍력 발전 단지(112)의 상기 가용 전력을 확인하는 단계(560)
를 포함하는 것인, 방법. - 제1항에 있어서,
상기 풍력 발전 단지(112)의 상기 가용 전력을 결정하기 위한 상기 방법은 다음 단계들, 즉
- 상기 풍력 발전 설비(100)의 개별 풍속 및 풍향을 확인하는 단계(520),
- 각각의 상기 풍력 발전 설비의 상기 개별 풍속 및 풍향 그리고 상기 풍력 발전 단지 스로틀링에 기초하여 정적(steady) 풍력 발전 단지 유효 풍속 및 풍향을 추정하기 위해, 상기 풍력 발전 설비 각각에 대한 상기 음영 매트릭스를 역변환시키는 단계(630),
- 추정된 모든 풍력 발전 단지 유효 풍속 및 풍향을 평균화하는 단계(640),
- 스로틀링되지 않은 풍력 발전 단지에 대한 상기 음영 매트릭스를 고려하여, 평균화된 상기 풍력 발전 단지 유효 풍속 및 풍향으로부터 각각의 풍력 발전 설비(100)의 상기 유효 풍속을 확인하는 단계(650), 및
- 상기 풍력 발전 설비(100) 각각의 가용 전력을, 전력 곡선 및 확인된 상기 유효 풍속에 기초하여 확인하는 단계(660), 및
- 상기 풍력 발전 설비(100) 각각의 상기 가용 전력을 합산함으로써, 상기 풍력 발전 단지의 상기 가용 전력을 확인하는 단계(660)
를 포함하는 것인, 방법. - 제1항에 있어서,
상기 풍력 발전 단지(112)의 상기 가용 전력을 결정하기 위한 상기 방법은 다음 단계들, 즉
- 상기 풍력 발전 설비 각각에 대해 풍속 및 풍향을 결정하는 단계(520),
- 각각의 상기 풍력 발전 설비의 개별적인 상기 풍속 및 풍향 그리고 상기 풍력 발전 단지 스로틀링에 기초하여 정적 풍력 발전 단지 유효 풍속 및 풍향을 추정하기 위해, 상기 풍력 발전 설비 각각에 대한 상기 음영 매트릭스를 역변환시키는 단계(720),
- 스로틀링되지 않은 풍력 발전 단지에 대한 상기 음영 매트릭스를 고려하여, 각각 추정된 상기 정적 풍력 발전 단지 유효 풍속 및 풍향으로부터 각각의 풍력 발전 설비의 상기 유효 풍속을 확인하는 단계(730), 및
- 상기 풍력 발전 설비 각각의 가용 전력을, 전력 곡선 및 각각의 확인된 상기 유효 풍속에 기초하여 확인하는 단계(740), 및
- 상기 풍력 발전 설비 각각의 상기 가용 전력을 합산함으로써, 상기 풍력 발전 단지의 상기 가용 전력을 확인하는 단계(770)
를 포함하는 것인, 방법. - 제6항에 있어서,
상기 방법의 단계들이 통합되고, 이에 의해 중간 변수들 중 하나 이상의 결정이 생략될 수 있는 것인, 방법. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
- 상기 풍력 발전 설비 중 적어도 하나에 대한 상기 풍력 발전 설비의 작동점에 기초하여, 상기 풍력 발전 설비의 상기 로터에 평균적으로 작용하는 풍속 및 풍향을 결정하는 단계
를 더 포함하는 것인, 방법. - 제8항에 있어서,
상기 풍력 발전 설비의 상기 로터에 평균적으로 작용하는 상기 풍속은, 이하의 방법들, 즉
- 회전 속도, 공기 역학적 출력 및 피치 각도의 함수로서 상기 풍속의 적어도 3차원 테이블로부터 보간하는 방법,
- 팁 속도 비 및 피치 각도에 따른 특성 맵에 기초하여 반복(iteration)하는 방법
중 적어도 하나에 의해 결정되는 것인, 방법. - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 풍력 발전 단지(112)를 통해 바람장(wind field)을 확산시키는 것에 기초하여, 상기 풍력 발전 설비(100) 중 적어도 하나에 대한 상기 풍속 및 풍향, 특히 평균화된 풍속 및 풍향, 및/또는 상기 가용 전력을 보정하는 단계(350)
를 더 포함하는, 방법. - 제10항에 있어서,
상기 보정하는 단계는 가중 이동 평균값의 형태로 수행되는 것인, 방법. - 제11항에 있어서,
상기 가중 이동 평균값은 사이클 시간, 특히 상기 풍속의 평균에 따라 조정되는 것인, 방법. - 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방법은 제2항 내지 제6항에 따른 상기 방법들 중 적어도 2개를 구현하고, 상기 적어도 2개의 방법들 사이의 비교 테스트를 가능하게 하고 그리고/또는 파라미터에 따라 상기 구현된 방법들 중 하나를 선택하는 것인, 방법. - 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 음영 매트릭스(200)는, 풍력 발전 설비(100)마다, 상기 풍력 발전 단지 유효 풍속 및 풍향 그리고 풍력 발전 단지의 최대 전력에 따른 테이블로 저장되는 것인, 방법. - 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 음영 매트릭스(200)는, 상기 풍력 발전 단지의 최대 전력에 대해 대안적으로 또는 추가적으로, 풍력 발전 설비의 최대 전력에 의해 결정되는 것인, 방법. - 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 발전 단지 런-온 모델은 적응성이고, 특히 환경의 변화에 대해 조정하기 위해 그리고/또는 상기 발전 단지 런-온 모델의 오류를 보정하기 위해 자체 학습 방법을 포함하는 것인, 방법. - 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
다양한 발전 단지 런-온 모델에 기초하여 다양한 음영 매트릭스(200)가 제공되고, 상기 음영 매트릭스(200) 중 하나는 파라미터, 특히 대기 안정성을 나타내는 파라미터에 기초하여 선택되거나, 또는 다양한 음영 매트릭스 간에 보간되는 것인, 방법. - 제17항에 있어서,
상기 다양한 발전 단지 런-온 모델은 각각의 다양한 후류 감쇠 상수(wake-decay-constant)에 기초하는 것인, 방법. - 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방법은 특히 추정된 상기 가용 전력에서 오류 보정을 위한 저역 통과 필터링을 포함하는 것인, 방법. - 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 풍력 발전 단지(112)의 상기 가용 전력은 실질적으로 실시간으로 제공되는 것인, 방법. - 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 풍력 발전 설비(100) 중 하나의 상기 가용 전력을 확인하는 단계에서, 바람직하게는 기압 및/또는 온도에 의해 결정된 공기 밀도가 고려되는 것인, 방법. - 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 음영 매트릭스(200)를 고려하여 각각의 풍력 발전 설비의 유효 풍향이 확인되는 것인, 방법. - 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 풍력 발전 단지(112)의 그리드(114)의 손실이 고려되는 것인, 방법. - 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 풍력 발전 단지(112)의 상기 풍력 발전 설비의 추가적인 제한, 특히 기술적인 이유, 유지 보수, 소음 감소 작동 및/또는 그림자 투영으로 이루어진 제한들을 포함하는, 그리드 또는 조절 전력 측면에 기초하지 않는 제한이 고려되는 것인, 방법. - 복수의 풍력 발전 설비(100)를 구비하는 풍력 발전 단지로서, 상기 풍력 발전 단지(112)는 제어기를 포함하는 것인, 풍력 발전 단지에 있어서,
상기 제어기는 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 따른 상기 방법을 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 풍력 발전 단지. - 제25항에 따른 풍력 발전 단지의 풍력 발전 설비로서, 상기 풍력 발전 설비(100)는 제어기를 포함하는 것인 풍력 발전 설비에 있어서,
상기 제어기는 제6항 또는 제7항의 방법에 따라 가용 전력을 확인하도록 설계되는 것을 특징으로 하는, 풍력 발전 설비.
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