KR20200024243A

KR20200024243A - 풍력 터빈의 적어도 하나의 요 각도를 재교정하기 위한 컴퓨터 구현 방법, 각각의 시스템, 윈드 파크 최적화를 위한 컴퓨터 구현 방법, 그리고 각각의 윈드 파크

Info

Publication number: KR20200024243A
Application number: KR1020207002074A
Authority: KR
Inventors: 죠르지오 코르티아나
Original assignee: 알더블유이 리뉴어블스 인터내셔널 게엠베하
Priority date: 2017-06-29
Filing date: 2018-06-28
Publication date: 2020-03-06
Also published as: CL2019003853A1; EP3645866B1; JP2020525702A; US11480150B2; KR102311499B1; EP3645866A1; WO2019002439A1; US20200166016A1; DE102017114583A1; AU2018293722A1

Abstract

풍력 터빈의 오교정(mis-calibration)의 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 적절한 요 각도(10)에 관련된 난류 강도 추정값(20)에 기초하여 풍력 터빈의 초기 요 각도 교정으로부터 시작하여 풍력 터빈의 적어도 하나의 요 각도를 재교정하기 위한 컴퓨터 구현 방법에 관한 것으로서, 난류 강도(TI)는 미리 정해진 시간에 걸친 평균 풍속에 대한 풍속 편차의 비율이다. 또한, 풍력 터빈의 오교정 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 상기 교정 방법에 기초하여 풍력 터빈의 적어도 하나의 요 각도를 재교정하는 시스템에 관한 것이다. 또한, 윈드 파크의 관리가 최적 이하인 문제점을 해결하기 위하여, 적어도 하나의 영향을 받는 풍력 터빈(100,101,102)으로부터 후류를 받는 적어도 하나의 영향을 주는 풍력 터빈(101,102,103)을 추정하는 난류 강도 추정값(20)을 포함하는 시뮬레이션 계산에 근거한 윈드 파크 최적화를 위한 컴퓨터 구현 방법에 관한 것이다. 또한, 윈드 파크의 관리가 최적 이하인 문제점을 해결하기 위하여, 상기 최적화 방법에 근거하여 상기 윈드 파크를 최적화하는 관리 시스템을 포함하는 윈드 파크에 관한 것이다. 더욱이, 본 발명은 상술한 방법을 포함하는 컴퓨터 판독가능 매체에 관한 것이다.

Description

풍력 터빈의 적어도 하나의 요 각도를 재교정하기 위한 컴퓨터 구현 방법, 각각의 시스템, 윈드 파크 최적화를 위한 컴퓨터 구현 방법, 그리고 각각의 윈드 파크

본 발명은 일반적으로 풍력 터빈의 초기 요 각도 교정(initial yaw-angle calibration)으로부터 시작하는 풍력 터빈의 적어도 하나의 요 각도를 재교정(recalibrating)하기 위한 컴퓨터 구현 방법(computer-implemented method), 풍력 터빈의 적어도 하나의 요 각도를 재교정하기 위한 시스템, 윈드 파크(wind park) 최적화를 위한 컴퓨터 구현 방법, 윈드 파크 최적화를 위한 관리 시스템을 포함하는 윈드 파크, 그리고 이러한 방법을 포함하는 컴퓨터 판독 가능 매체에 관한 것이다.

윈드 파크는 육지와 바다에서 바람에 의해 전력을 생산하는 발전기를 갖춘 많은 풍력 터빈이 설치되어 있는 곳이다. 윈드 파크는 독일, 미국, 덴마크 및 기타 국가를 포함한 전 세계에서 널리 연구/상업화 되어 왔다.

윈드 파크는 시스템 운영자가 요구하는 전력을 생성 및 제공해야 하고, 시스템 관련 기준을 충족하기 위해 운용되어야 한다. 또한, 시스템 운영자에 의해 허용되는 범위 내에서 전력 생산을 극대화하는 것이 중요하다.

또한, 발전 설비의 기계적 부하를 최소화하여 발전 비용을 최소화하고 유지 보수 비용을 절감해야 한다.

풍력 터빈은 타워(tower)와, 상승 위치에서 대향하는 바람에 의해 회전하도록 배치된 로터(rotor)를 포함한다. 이를 위해, 로터는 로터의 중심에서 로터 허브(rotor hub)에 고정된 복수 개, 일반적으로 3개의 로터 블레이드(rotor blade)를 포함한다. 로터 허브는 그 뒷면에서 발전기에 회전 모멘트(turning moment)를 전달하기 위해 발전기 샤프트에 고정된다. 로터는 수직축에 대해 회전 가능하도록 고정되어 있다. 많은 경우에 있어, 발전기는 소위, 나셀(nacelle) 내의 로터에 고정되어 보관된다. 따라서, 발전기와 나셀은 로터와 함께 회전한다. 이 회전은 요잉(yawing)이라 불리고 일반적으로 로터의 회전축에 수직이다.

풍향과 로터의 회전축의 올바른 정렬(alignment)은 높은 전력 생산 효율을 달성하기 위해 중요한 요소이다. 풍력 터빈이 건설되면 그 요 각도는 진정한 정렬 방향(true alignment orientation)으로 초기에 교정된다(calibrated). 로터 허브의 전면이 북쪽으로 향하는 경우, 요 각도는 0°와 360°, 동쪽 방향에 대해 90°, 남쪽 방향에 대해 180°, 서쪽 방향에 대해 270°로 설정된다. 바람의 방향은 바람이 발생하는 방향에 의해 정의되기 때문에 위의 예에 따르면, 북풍에 대해 부작용의 영향을 받지 않는 단일의 풍력 터빈의 경우 0°에서 최고의 성능을 보이며, 예컨대 동풍에 대해서는 90°에서 최고의 성능을 보인다. 대부분의 풍력 터빈에 관해서는 나셀은 정렬 이동(alignment movement)과 함께 요잉하고 있다. 또한, 요 각도는 나셀 방향으로 기술된다.

작동 중 얼마 후, 또는 사고 또는 (일시적인) 측정 시스템의 기능 장애 때문에 교정된 요 각도가 로터 축의 실제 정렬에서 벗어나는 것은 드물지 않다. 종래 기술에 따르면, 일단 이러한 것이 감지되면 유지보수팀은 각각의 풍력 터빈에 올라서 요 각도 값을 수동으로 다시 교정해야 한다. 이것은 매우 시간이 걸리고 비싸다. 또한, 풍력 터빈은 유지보수팀이 그렇게 하기 위한 시간을 찾을 때까지 낮은 성능으로 작동하거나 스위치를 꺼야 한다. 일반적으로 유지보수팀은 단일의 윈드 파크에 상주하고 있는 것은 아니다. 또한, 재교정 비용이 성능 저하로 인한 손실을 초과할 수 있기 때문에, 적절한 교정으로부터의 약간의 편차는 검출되지 않거나 받아들여지지 않을 수 있다.

EP 2 949 924 A1 에서 청구항 1에 따라, 연관된 풍력 터빈(associated wind turbines)에 관련된 이력 성능 데이터(historical performance data)와 함께, 연관된 풍력 터빈에 대해 추정된 후류 특징(wake features)을 사용하는, 윈드 파크에 포함된 2개의 연관된 풍력 터빈을 비교하는 방법이 제안되어 있다. 이에 따라, 추정 후류 특징과 현재의 후류 특징 사이의 변화를 식별하고, 식별된 변화에 근거하여 연관된 풍력 터빈 중 적어도 하나에 대한 재보정 계수가 결정된다. [0015]절에 따르면, "후류 효과(wake effects)"는 풍력 터빈을 통과하는 바람에 의한 바람 또는 공기 흐름에서의 변화를 가리킨다. 따라서 후류 효과로 인해 하류의 풍력 터빈에 바람이 감소한다. [0016]절에 따르면, "후류 특징(wake feature)"이라 함은 하나의 터빈이 다른 터빈에 후류 효과를 일으키는 것을 나타내면서, 서로에 대해 상류 또는 하류에 있는 풍력 터빈의 생산 데이터를 가리킨다. 이는 생산량 비율에서 피크 또는 골(trough)이다.

따라서, EP 2 949 924 A1에 따르면, 적어도 2개의 풍력 터빈의 데이터가 필요하다. 또한, 도 10 및 도 11에 대하여 [0070] 내지 [0074]절에 자세히 설명된 바와 같이, 이 방법은 초기 교정이 뛰어나다는 재교정 결과를 찾을 수 없고, 이력 데이터에 의존하기 때문에(청구항 1 참조) 나셀 방향을 초기 교정으로 되돌리도록 수정할 뿐이다.

상술한 종래기술의 단점을 해결하기 위해, 풍력 터빈의 초기 요 각도 교정에서 시작하는, 풍력 터빈의 적어도 하나의 요 각도를 재교정하기 위한 컴퓨터 구현 방법을 제공하는 것이다.

상술한 종래기술의 단점을 해결하기 위해, 풍력 터빈의 초기 요 각도 교정(calibration)에서 시작하는, 풍력 터빈의 적어도 하나의 요 각도를 재교정하기 위한 컴퓨터 구현 방법을 제공하는 것이 본 발명의 주요 양태이며, 상기 방법은 적어도 다음의 단계를 포함한다:

a. 바람 데이터(wind data)를 수신하는 단계;

b. 적어도 상기 바람 데이터를 기반으로:

- 적절한 요 각도를 계산하고,

- 상기 적절한 요 각도에 관련된 난류 강도 추정값(turbulence intensity estimation value)을 결정하는 단계. 여기서, 난류 강도(Turbulence Intensity, TI)는 소정의(미리 정해진) 기간 동안 평균 풍속에 대한 풍속 편차의 비율임.

c. 계산된 상기 요 각도에 따라 정렬되도록 상기 풍력 터빈에 지시하는 단계;

d. 상기 요 각도의 정렬을 달성한 후, 풍력 터빈 고유의 풍속 데이터(wind turbine specific wind data)를 획득하는(retrieving) 단계;

e. 획득된 상기 풍력 터빈 고유의 바람 데이터에 따라 난류 강도 검출값(turbulence intensity detection value)을 계산하는 단계;

f. 상기 난류 강도 검출값을 상기 난류 강도 추정값과 비교하여 난류 강도 편차를 계산하는 단계;

g. 상기 난류 강도 편차가 소정의 편차 임계값(deviation threshold)을 초과하는 경우, 상기 난류 강도 검출값과 일치하는 난류 강도 추정값을 갖는 일치하는 요 각도(matching yaw-angle)를 찾는(searching) 단계;

h. 만일, 일치하는 요 각도가 발견되면, 상기 일치하는 요 각도에 따라 정렬되도록 상기 풍력 터빈에 지시하는 단계.

다른 풍력 터빈으로부터 풍력 터빈의 요 각도 정보의 재교정을 위한 기존의 알려진 방법과는 달리, 특히 다른 풍력 터빈의 방위 정보(orientation information)가 필요하지 않다. 특히, 풍력 터빈의 요 각도를 재교정하기 위해, 다른 터빈의 후류 효과가 필요하지 않다. 또한, 풍력 터빈의 요 각도를 재교정하기 위해 이력 데이터가 필수적이지 않다. 그럼에도 불구하고 그러한 데이터는 성능의 개선 또는 제공된 방법의 정확한 결과를 재보증하기 위해 사용될 수 있으며, 특히 EP 2 949 924 A1에서 제공하는 방법은 윈드 파크의 최적화를 위해 추가로 사용될 수 있다.

그러나 실제로는 요 각도가 반전되지(reversed) 않았고 요 각도 수정이 어느 방향으로 적용되어야 하는지 적어도 대략적으로라도 알기 위하여 초기(개략적인) 교정이 필요하다.

첫째, 바람 데이터가 수신된다. 제안된 방법을 실행하기 위해 절대적으로 필요한 바람 데이터는 풍속과 풍향이다. b 단계에서, 시뮬레이션에 따라, 적절한 요 각도가 추정되고 있다. 특정의 요 각도에 대해 시뮬레이션을 바탕으로, 또는 이전에 감지되고 계산되어 저장된 데이터를 바탕으로 난류 강도 추정값이 결정되고 있다. 난류 강도(TI)는 교차 효과(cross effect)를 완화하고, 특히 돌풍에 의한 속도 편차를, 랜드스케이프 효과(landscape effect)와 같은 다소 정적인 상황으로 인한 속도 편차와 이웃하는 풍력 터빈으로부터의 후류 영향으로부터 구별하기 위하여, 소정의 기간, 예를 들어 10분간의 평균 풍속에 대한 풍속 편차(예를 들면, 표준 편차)의 비율이다.

그 후 c 단계에서. 상기 특정의 풍력 터빈이 b 단계에서 계산된 상기 적절한 요 각도로 정렬된다.

새로운 요 각도를 얻는 것은 시간이 걸릴 수 있으며(풍력 터빈이 새로운 요 각도에 도달하기 이전은 아니다), 또한 풍력 터빈 고유의 풍속 데이터가 획득된다. 교정이 정확한 경우, 난류 강도는 - 난류 강도 편차 임계값 내에서 - 난류 강도 추정값과 동일하다. 이 경우 새로운 요 각도 정렬은 정확한 것으로 추정된다.

그러나 새로운 요 각도 정렬의 달성시에 풍력 터빈 고유의 풍속 데이터에 기반한 난류 강도 검출값이, 소정의 편차 임계값을 초과하는, 즉 소정의 난류 강도 추정값보다 휠씬 낮거나 높은 편차값이 되면, 교정은 부정확한 것으로 가정된다.

난류의 각도 폭(angle width)과 강도는 변할 수 있지만, 난류 강도 피크의 방향은 풍력 터빈의 일반적인 고유의 특성이다. 따라서, 소정의 편차값 내에서 난류 강도 검출값과 일치하는 난류 강도 추정값에 대응하는 일치하는 요 각도를 보통 찾을 수 있다. 만일, 이러한 일치하는 요 각도를 찾을 수 없으면, 이것은 아마도 로터 및/또는 바람 센서의 결함 또는 난류 강도 추정값을 위한 불충분한 데이터양에 기인한다. 일치하는 요 각도가 발견되면 즉시 풍력 터빈은 일치하는 요 각도에 따라 정렬하도록 회전/조정된다.

결론적으로, 초기 교정에 도달할 필요는 없지만, 로터 정렬의 새로운 교정에 도달될 수 있다. 그러나 특히, 상세 불명의 풍향에 대한 요 각도의 정렬이 달성될 수 있다. 특히, 예들 들면, 이웃하는 풍력 터빈으로부터 예기치 않은 후류 효과에 대한 랜드스케이프 효과(landscape effect)는 현재의 풍향과 풍속에 적합한 특정의 요 각도를 위한 최적의 성능 재교정에 도달하기 위해 알려진 요소일 필요는 없다. 또한, 이것은 풍력 터빈에 너무 가깝지 않은 지점, 예를 들면 풍황계측 기상탑(met mast)으로부터 바람 데이터가 a 단계에서 수집되면 풍력 터빈을 재교정하는 것이 가능하다는 것을 의미한다. 그러나 반대로, 풍력 터빈에 센서가 장착될 때, 어떠한 외부 정보 없이, 풍력 터빈으로부터 a 단계에서 바람 데이터를 수신하는 것만으로 충분할 수 있다. 그러나 또한, 바람 데이터를 측정하기 위한 다양한 지리적 위치도, 예를 들어 의사 마스트 데이터(pseudo-mast data)를 수신하는 데 사용할 수 있다(아래 참조).

본 방법의 일 실시예에 따르면, 다음의 단계를 더 포함한다:

- a 단계에서 계산된 상기 적절한 요 각도를 위한 대체 요 각도(replacement yaw-angle)로서 상기 일치하는 요 각도(matching yaw-angle)를 룩업 테이블(look-up table)에 저장하는 단계, 그리고

- 상기 풍력 터빈의 작동 조건을 위하여, 상기 적절한 요 각도가 적절한 것으로 계산되는 경우, 상기 대체 요 각도에 따라 상기 풍력 터빈을 정렬하도록 지시하는 단계.

현재와 미래의 요 각도의 계산에서, 재교정된 풍력 터빈이 대체 요 각도를 가지고 현재 정확하게 정렬되어 있다는 가정하에 대체 요 각도에 의해 (초기의) 요 각도를 대체하는 것이 유리하다. 따라서 풍력 터빈은 기계 측에서 정확하게 교정되는 것만큼 빠르게 정렬될 것이다.

본 방법의 일 실시예에 따르면, 다음의 단계를 더 포함한다:

- 복수의 구분되는 요 각도 각각에 대해 적어도 하나의 난류 강도 검출값을 획득한 후, 이러한 난류 강도 검출값을 맵핑하고(mapping), 맵핑된 난류 강도 추정값과 비교하는 단계;

- 하나의 난류 강도 검출값이 난류 강도 추정값과 일치하는 경우, 상기 난류 강도 검출값에 대한 요 각도와 난류 강도 추정값에 관한 요 각도 사이의 편차 각도(deviation angle)를 계산하는 단계;

- 맵핑된 상기 난류 강도 추정값 전체에 상기 편차 각도를 적용하고, 그들을 추정된 요 각도와 상기 편차 각도의 합계가 되는, 대응하는 새로운 결과 요 각도에 새로이 연관시키는 단계;

- 복수의 상기 난류 강도 검출값 중 적어도 일부를, 각각의 상기 결과 요 각도에 새로이 연관되는, 맵핑된 상기 난류 강도 추정값과 비교하는 단계;

- 만일, 맵핑된 복수의 상기 난류 강도 검출값 중 소정의 개수가 맵핑 한계점(mapping threshold) 내에 있는 경우, 상기 편차 각도를 저장하고, b 단계에서 계산된 각각의 적절한 요 각도에 상기 편차 각도를 더하고, 상기 새로운 결과 요 각도에 따라 상기 풍력 터빈에 지시하는 단계.

맵핑 데이터는 난류 강도의 검출값이 최적화 및 유지 보수의 목적으로 특정의 각도와 관련하여 저장되는 것을 의미한다. 저장된 데이터는 난류 강도 값 프로필이 되는 극좌표계(polar diagram)에 표시되거나 프린트될 수 있다. 그러나 이러한 난류 강도 값은 기계 판독을 위해 테이블에 저장될 수 있다.

하나의 난류 강도 추정값의 매칭 프로세스에서, 현재 필요한 난류 추정값은 검출된 난류 강도 검출값과 비교되는 것이 바람직하다. 추정값에 따른 각각의 요 각도와, 일치하는 추정값에 따른 각각의 요 각도는 편차 각도를 산출한다.

이러한 매칭 프로세스의 장점은 하나의 난류 강도 검출값만 일부 난류 강도 추정값과 비교할 때보다 편차 임계값을 좁게 설정할 수 있다. 이것은 복수의 난류 강도 검출값이 있으면, 난류 강도 검출값(들)과, 매칭되는 난류 강도 추정값(들) 각각의 사이에 비교적 큰 편차가 각각 발생한 경우에도 확률이 상승하여 정확한 재교정에 도달하기 때문이다.

만일, 매칭이 성공했을 경우, 편차 각도가 검출되므로, 각각의 난류 강도 추정값에 대한 새로운 결과의 요 각도가 발견된다.

본 방법의 일 실시예에 따르면, 새로운 결과 요 각도는 룩업 테이블에 저장되며, c 단계에서, 풍력 터빈은 룩업 테이블로부터 각각의 새로운 결과 요 각도에 따라 정렬하도록 지시된다.

복수의 개별 요 각도의 경우, 매칭 프로세스가 완료되면 난류 강도 검출값과 난류 강도 추정값은 저장되고, 바람직하게는 난류 강도 추정값은 난류 강도 검출 값으로 대체된다. 또한, 난류 강도 추정값은 난류 강도 검출값으로 대체해도 좋다. 또한, 검출 및 추정의 난류 강도 값 사이의 편차가 작은 경우, 최대 편차 임계값을 줄일 수 있다.

본 방법의 일 실시예에 따르면, 수신된 상기 바람 데이터는 풍향 및 풍속, 그리고 바람직하게는 다음의 정보 중 적어도 하나를 포함한다:

- 랜드스케이프 효과(landscape effects);

- 적어도 하나의 이웃하는 풍력 터빈으로부터의 후류 영향(wake influence);

- 상기 풍력 터빈의 타워의 기계적 부하; 그리고

- 로터 회전 속도와 풍력 터빈 전력 출력의 비율.

이 방법을 실행하려면 풍향과 풍속만이 필요하다. 그럼에도 불구하고, 추가의 랜드스케이프 효과 정보 및/또는 후류 영향 정보를 가지면서, 재교정의 성능, 효율성 및/또는 속도를 향상시킬 수 있다. 타워, 베어링, 발전기 및 기타 부품, 특히 로터 블레이드와 같은 풍력 터빈의 기계적 수단의 부하를 유지하기 위하여, 이러한 정보를 사용하여 재교정 방법의 성능을 향상시킬 수 있다.

본 방법의 실시예에 따르면, b 단계에서 적절한 요 각도의 상기 계산은 다음 정보 중 적어도 하나에 기초하고 있다:

- 의사 마스트 바람 데이터(pseudo-mast wind data);

- 필요한 전력 출력;

- 여러 풍력 터빈을 갖춘 윈드 파크(wind park)의 경우, 요구되는 윈드 파크 전력 출력;

- 바람직하게는 SCADA를 사용한 전력 출력의 시뮬레이션 결과; 그리고

- 복수의 풍력 터빈을 가진 윈드 파크를 위한 후류 효과 최적화.

난류 강도(Turbulence intensity, TI) 정보는 대체적이고 치우침 없는 현장 날씨 데이터 정보를 제공하면서 "의사 풍황계측 기상탑(pseudo met mast)" 데이터를 구축하는 데 사용된다. 무풍 조건(free-wind conditions)을 마주하는 터빈의 동적 리스트(dynamic list)가 얻어지고, 목록에 속하는 터빈으로부터의 환경 센서 측정값이 평균화된다. 개별 나셀 풍속계와 풍향계 센서에서 측정값의 확률적 변동은 복수의 터빈으로부터 판독값을 평균화함으로써 경감된다. 개발된 절차는 영구적인 풍황계측 기상탑 정보가 없는 경우 및/또는 이에 더하여, 바람 관련 양(속도, 방향)에 대하여 탄탄한 공원 수준의 참고(robust park-level reference)를 제공한다. 터빈 수준(turbine-level)의 나셀 방향 판독값의 적절한 교정이 보장되어야 한다. 난류 강도(TI) 프로필의 변경을 동적으로 추적하고 그에 따라 각각의 터빈의 무풍 섹터(free-wind sectors)를 다시 정의할 수 있으므로, "의사 풍황계측 기상탑" 절차는 터빈의 단축 또는 중단에 관련 없이, 또한 비표준적인 파크 관리 작업(후류 관리 절차와 관련된 작업 등)에 관련 없이, 후류 효과에 기인한 편향이 없는 데이터를 전달한다.

필요한 전력 출력은 각각의 풍력 터빈의 요구 사항이다. 다른 풍력 터빈으로부터의 정보와 전반적인 윈드 파크 최적화는 고려되지 않는다. 오히려, 이것은 풍력 터빈을 안전하고 효율적인 모드로 운전할 수 있는 최대값 또는 최소값일 수 있다.

반대로, 요구되는 윈드 파크의 전력 출력은 실제 성능을 고려한 정보 또는 윈드 파크에서 다른 풍력 터빈의 시뮬레이션으로 추정된 성능에 따른 정보이다. 그러나 이러한 문맥에서, 그것은 여전히 이미 언급된 필요한 전력 출력과 동일한 값으로 이미 나눠진 바람직한 풍력 터빈 고유 정보이다.

바람직한 실시예에 따르면, 해당 데이터는 감시 제어 및 데이터 수집 시스템 (Supervisory Control and Data Acquisition System, SCADA)에 의해 수집 및 기록된다. SCADA 데이터는 현장에서 실시간 감시를 위해 온라인으로, 자세한 데이터 분석을 위해 오프라인에서 사용될 수 있다.

후류 효과의 최적화는 작동 중 또는 단축 중이던 간에, 잠재적으로 효과를 끼치는 풍력 터빈에 대한 정보 및/또는 후류 효과의 시뮬레이션을 포함한다. 특히 풍력 터빈이 현재의 바람 상태에 있는 경우, 다른(이웃하는) 풍력 터빈에 대한 영향을 끼치는 풍력 터빈은 다른 풍력 터빈에 대한 후류 효과를 줄이기 위하여 현재의 바람 방향에 약간 어긋날(misaligned) 수 있다. 즉, 전력 출력은 동등 또는 그 이상이며, 및/또는 각각의 풍력 터빈의 적어도 하나에 대한 기계적 부하는 감소한다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 실시예 중 하나에 따른 방법에 따라 풍력 터빈의 적어도 하나의 요 각도를 재교정하기 위한 시스템이 제공되며, 상기 시스템은 적어도 다음의 수단을 포함한다:

- 로터를 가지며, 상기 로터를 요 각도 위치로 이동시키는 요 각도 구동부를 갖는 풍력 터빈;

- 필요한 바람 데이터를 획득하기 위한 적어도 하나의 바람 센서;

- 전체 또는 일부의 계산 작업을 수행하기 위한 적어도 하나의 프로세서;

- 저장되는 데이터의 전부 또는 일부를 적어도 일시적으로 저장하기 위한 적어도 하나의 저장 장치(storage device);

- 계산 단계를 위한 센서 데이터를 준비하기 위한 적어도 하나의 센서 데이터 입력 장치;

- 요 각도 정렬을 위해 상기 요 각도 구동부에 지시하는 적어도 하나의 구동 출력 장치(drive output device).

이 시스템은 상술한 바와 같은 방법을 실행하도록 구성되어 있으며, 1개의 풍력 터빈 또는 복수의 풍력 터빈을 포함할 수 있고, 또한 풍력 터빈에 통합될 수 있다. 풍력 터빈에 통합된 시스템의 경우, 상기 방법은 풍력 터빈에서 전적으로 실행되는 것이 바람직하다. 이것은 상기 방법이 외부의 계산 센터와 통신하지 않고 실행되는 것을 의미한다. 그러나 대부분의 응용 프로그램에서, 외부 센서에서 바람 데이터를 수신하거나 외부의 계산 엔티티(entity)에 의해 상기 방법을 실행할 준비가 이미 되어 있는 것이 좋다.

바람직하게는, 상기 적어도 하나의 바람 센서는 풍력 터빈의 상단에 배치되어 풍향계(wind vane) 및/또는 풍속계(anemometer)에 의해 구현된다. 처리 및 저장 장치를 위해 잘 알려져 있는 장치가 참조된다(아래 참조). 센서 데이터 입력장치는 바람직하게는 센서와 통신하기 위한 장치를 구비하고 특히 아날로그 데이터를 수신하고, 프로세서에서의 계산에 적합한 이산값(discrete value) 또는 디지털값을 계산하도록 구성된다. 구동 출력 장치도 유사하게 구동부(drive) 또는 구동시스템(drive system)에 통신하도록 구성되며, 상기 출력 신호는 가장 낮은 기계 레벨(machine level) 예를 들면, 특정의 전압 또는 전류에 있을 수 있고, 또는 요 각도 구동부의 구동 제어와 통신하도록 더 높은 레벨에 있을 수 있다.

일 실시예에 따르면, 시스템은 복수의 풍력 터빈을 갖는 윈드 파크로 구현될 수 있으며, 윈드 파크는 복수의 바람 센서(wind sensor)를 구비하며, 바람 센서는 의사 풍황계측 기상탑 바람 데이터의 계산을 허용하기 위하여 윈드 파크의 복수의 풍력 터빈에 기초한다.

바람직한 실시예에서, 모든 또는 대부분의 풍력 터빈은 풍속, 풍향, 외부 온도 등을 측정하는 여러 가지의 환경 센서를 갖추고 있다. 이들은 생성된 동력, 발전기 및 로터 속도 판독값, 그리고 풍력 터빈의 작동을 제어하는 데 사용된 전반적인 세팅과 함께 각각의 풍력 터빈의 작동 상태를 모니터링 하는 데 사용된다. 이러한 사용 가능한 센서 정보에 따라, 바람직하게는 난류 강도(TI) 정보를 사용하여 상술된 "의사 풍황계측 기상탑" 데이터를 구축한다. 윈드 파크 상류의 풍황계측 기상탑은 필요하지 않으며, 따라서 계산 비용이 너무 높거나 그다지 정확하지 않는 지연 및 랜드스케이프 효과 시뮬레이션은 생략될 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 윈드 파크 최적화를 위한 컴퓨터 구현 방법이 제공되며, 윈드 파크는 복수의 풍력 터빈을 포함하고, 적어도 하나의 영향을 끼치는 풍력 터빈(effecting wind turbine)은 적어도 하나의 요 각도 위치로 정렬되는 동안, 적어도 하나의 영향을 받는 풍력 터빈(effected wind turbine)으로부터의 후류를 받을 수 있으며, 상기 방법은 적어도 다음의 단계를 포함한다:

I. 난류 강도 추정값을 포함하는 시뮬레이션 계산에 근거하여, 상기 적어도 하나의 영향을 받는 풍력 터빈으로부터의 후류를 받는 상기 적어도 하나의 영향을 끼치는 풍력 터빈을 추정하는 단계;

II. 난류 강도 추정값을 포함하는 시뮬레이션 계산에 근거하여, 추정된 상기 적어도 하나의 영향을 끼치는 풍력 터빈에 상기 후류를 야기하는 상기 적어도 하나의 영향을 받는 풍력 터빈을 추정하는 단계;

III. 풍력 센서 데이터에 기초하여, 추정된 상기 적어도 하나의 영향을 끼치는 풍력 터빈과, 추정된 상기 적어도 하나의 영향을 받은 풍력 터빈의 난류 강도 검출값을 계산하는 단계;

IV. 상기 난류 강도 추정값을 각각의 상기 난류 강도 검출값과 비교하고, 각각의 난류 강도 편차값을 계산하는 단계;

V. 만일, 상기 풍력 터빈 중 하나의 상기 난류 강도 편차값이 소정의 편차 임계값을 초과하면, 상기 풍력 터빈은 편차(deviating) 풍력 터빈으로 설정되는 단계;

VI. 상기 편차 풍력 터빈에 대해, 상기 난류 강도 검출값과 일치하는 난류 강도 추정값을 갖는 일치하는 요 각도를 찾는 단계;

VII. 만일, 일치하는 요 각도가 발견되면, 상기 일치하는 요 각도에 따라 정렬되도록 상기 편차 풍력 터빈에 지시하는 단계.

기존의 접근 방식과는 달리, 여기서 난류 강도는 윈드 파크에서 풍력 터빈의 후류 효과를 정의하는 데 사용된다. 이는 매우 비용에 효율적인 접근을 허용하며, 동시에 돌풍은 난류 강도 계산에 거의 또는 전혀 영향을 주지 않는다. 이것은 돌풍의 난류 강도는 일반적으로 돌풍의 시작 부분과 끝 부분에만 높기 때문이다. 따라서 돌풍이 긴 경우 난류 강도는 소정의 기간의 표준 편차와 평균 풍속의 비율에 거의 영향을 주지 않는다. 따라서, 그 기간 동안, 장기(long-term) 돌풍의 난류 강도는 짧은 풍속 가속 기간에서의 영향을 바꾸는 결과를 단지 가질 뿐이다. 또한, 단기 돌풍의 경우, 예를 들면 수초 미만의 지속 시간의 경우, 평균적으로 소정의 기간, 예컨대 10분에 걸쳐 난류 강도를 계산하여, 난류 강도가 갑작스런 돌풍의 짧은 기간에 급격하게 오르더라도 이들은 역시 거의 영향이 없다.

따라서, 난류 강도 검출을 사용함으로써, 단지 풍속이나 전력 출력을 볼 경우의 단점이 극복될 수 있다. 또한, 이 방법에서 윈드 파크의 풍력 터빈의 효과가 추가로 고려되고 복수의 풍력 터빈의 빠르고도 높은 정밀도의 정렬을 가능하게 하므로 단일의 풍력 터빈의 재교정이 개선된다. 매우 복잡한 바람 방향과 랜드스케이프 효과로 인한 후류 확산 거동 또는 편차 바람 방향을 가지는 많은 수의 돌풍에 대해, 일치하는 요 각도로 새로이 정렬하는 것은 안전하고 정확하다.

본 방법의 일 실시예에 따르면, 난류 강도 검출값은 적어도 하나의 영향을 끼치는 풍력 터빈 및 적어도 하나의 영향을 받는 풍력 터빈, 적어도 모두에 맵핑되며, 일치하는 요 각도는 정렬 요 각도(alignment yaw-angle)이며, 정렬 요 각도는 그 요 각도에서 적어도 하나의 영향을 끼치는 풍력 터빈과 적어도 하나의 영향을 받는 풍력 터빈의 각각의 맵핑된 난류 강도 검출값의 최대 피크가, 적어도 2개의 풍력 터빈의 요 각도 회전 중심 각각을 관통하는 직선의 둘레에 임계값 영역 내에 위치한다.

본 방법의 실시예에서는 서로 이웃하는 풍력 터빈 예를 들면, 현재의 바람 방향에서 상류에 위치하여 후류를 일으키는, 영향을 끼치는 풍력 터빈과, 하류에 위치하여 적어도 하나의(상류에 위치하는) 영향을 끼치는 풍력 터빈으로부터 다가오는 후류를 받는, 영향을 받는 풍력 터빈에 해당하는 다른 풍력 터빈의 난류 강도 검출값의 피크의 위치를 찾아낸다. 만일, 난류 강도 검출값의 피크가 상기 영향을 받는 풍력 터빈의 난류 강도 검출값을 가리키는 경우, 이것은 최상의 성능을 얻기 위한 정확한 정렬일 가능성이 높다.

방향이 변경된 경우, 풍향의 변화가 발생했을 때, 또는 피크 정렬의 변화가 감지되었을 때, 모든 새로운 정렬이 수행될 수 있음이 이해될 수 있다. 따라서, 높은 전력 출력이라고 할 정도로 높은 성능을 보여주기 위한 풍력 터빈 방향의 최적화는 자주 실행되고, 이미 약간의 편차에 대해서도 정밀하게 실행된다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 윈드 파크 최적화를 위한 방법의 실시예에 따라 상기 윈드 파크를 최적화하기 위한 관리시스템(management system)을 포함하는 윈드 파크가 제공되며, 상기 윈드 파크는 적어도 다음의 수단을 포함한다:

- 각각 로터를 가지며, 상기 로터를 요 각도 위치로 이동시키는 요 각도 구동부를 갖는 복수의 풍력 터빈;

- 필요한 바람 데이터를 획득하기 위한 적어도 하나의 바람 센서(wind sensor);

- 저장되는 데이터의 전부 또는 일부를 적어도 과도적으로(transitionally) 저장하기 위한 적어도 하나의 저장 장치;

- 계산 단계를 위해 센서 데이터를 준비하기 위한 적어도 하나의 센서 데이터 입력 장치;

- 요 각도 정렬을 위해 상기 요 각도 구동부에 지시하는 적어도 하나의 구동 출력 장치.

윈드 파크는 상술한 바와 같이, 윈드 파크의 최적화 방법을 실행하도록 되어 있다. 윈드 파크는 복수 개의 풍력 터빈을 포함하며, 이들 풍력 터빈은 적어도 다소 드문 풍향의 발생시 후류에 의해 서로 영향을 미친다. 풍력 터빈의 수단에 대해서는 풍력 터빈에 관한 위의 설명이 참조된다. 풍력 터빈의 각각이 바람 센서, 저장장치, 프로세서, 센서 데이터 입력 장치 또는 구동 출력 장치를 구비할 필요는 없는 것으로 이해될 수 있다. 대신, 그 전부 또는 일부가 풍력 터빈의 외부에 배치될 수 있다. 그러나 바람직한 실시예에서는 각각의 풍력 터빈은 그러한 수단들을 포함하고, 최적화는 분산되어 실행되고, 그러므로 풍력 터빈의 바람 센서에 가까이서, 신속한 재교정이 이루어져 장기간 높은 성능이 달성된다.

윈드 파크의 일 실시예에 따르면, 단일의 풍력 터빈의 요 각도의 재교정은 풍력 터빈의 적어도 하나의 요 각도를 재교정하기 위한 상술된 방법의 실시예에 따라 실행되며, 바람직하게는 상기 재교정 방법은 다른 풍력 터빈 또는 윈드 파크 관리 센터에 데이터 출력없이 단일의 풍력 터빈 내에서 실행된다.

재교정 및 최적화는 2개의 상이한 목적임이 이해될 수 있다. 재교정은 각각의 풍력 터빈에서 바람의 상태를 정확히 알지 않고, 현재 바람의 상태를 향해 로터의 정확한 정렬을 허용할 뿐이다. 한편, 최적화는 단일의 풍력 터빈의 최대 전력 출력으로부터 벗어나서, 감소된 후류 효과에 기인한 하류의 풍력 터빈의 전력 출력에 의해 보상되는 풍력 터빈의 기계적 부하의 저감을 가능하게 한다. 이러한 대책은 예를 들어, 더 낮은 블레이드 각도를 선택하는 것, 그리고/또는 풍력 터빈을 풍향에 정렬하는 것, 그리고 요 각도가 풍향에 약간 벗어나는 것(즉 약간의 정렬불량(misalignment))이며, 그 결과 하류의 풍력 터빈에 대한 후류 효과가 줄어든다.

윈드 파크의 일 실시예에 따르면, 윈드 파크는 윈드 파크 최적화 계산의 전부 또는 일부를 수행하는 관리 센터를 포함한다.

관리 센터에서는, 인간의 상호 작용을 수반하는 전력 수요를 처리하기 위해 인간의 상호 작용을 위한 디스플레이와 프린터 및 인터페이스와 데이터 기록이 사용될 수 있다. 그러한 관리 센터는 윈드 파크에서 다소 떨어진 곳에 위치할 수 있고, 그리고/또는 복수의 윈드 파크가 그 관리 센터에서 관리되고 있다. 또한, 관리 센터는 정보를 받을 수 있으며, 이 정보에 기초하여 풍력 터빈의 재교정 방법이 사람의 통제 하에 수행될 수 있고, 그리고/또는 재교정 방법에 필요한 계산을 수행하도록 할 수 있다. 이러한 목적을 위해, 관리 센터는 현재 사용 중이거나 미래의 개발에 따라 사용될 수 있는 프로세스와 스토리지를 포함한다.

또한, 본 발명은 풍력 터빈의 적어도 하나의 요 각도를 재교정하기 위한 상술된 방법을 포함하는 컴퓨터 판독가능 매체(computer-readable medium)를 제공하며, 상기 컴퓨터 판독가능 매체는 바람직하게는 풍력 터빈의 적어도 하나의 요 각도를 재교정하기 위한 상술된 시스템의 한 실시예에 따라, 풍력 터빈에 구현되거나, 풍력 터빈의 적어도 하나의 요 각도를 재교정하기 위한 시스템에 구현되거나, 그리고/또는 바람직하게는 윈드 파크를 최적화하기 위한 관리 시스템을 포함하는 상술된 윈드 파크의 한 실시예에 따라, 윈드 파크에 구현된 컴퓨터 수단에 의해 판독 가능하다.

마지막으로, 본 발명은 바람직하게는 윈드 파크를 최적화하기 위한 관리 시스템을 포함하는 상술된 실시예에 따라, 윈드 파크 최적화를 위한 상술된 방법의 실시예를 포함하고, 윈드 파크에 구현된 컴퓨터 수단에 의해 판독 가능한, 컴퓨터 판독가능 매체를 제공한다.

본 명세서에서 사용된 바와 같이, "컴퓨터 판독가능 매체"라는 용어는 컴퓨터 판독 가능한 명령, 데이터 구조, 프로그램 모듈 및 서브모듈, 또는 임의의 장치에서의 다른 데이터와 같은 정보의 단기 및 장기 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현되는 유형의 컴퓨터 기반의 장치를 나타내는 것으로 의도되고 있다. 따라서, 본 명세서에 기술된 방법은 저장 장치 및/또는 메모리 장치를 포함하되 이에 국한되지 않는, 유형의 비일시적인(non-transitory) 컴퓨터 판독 가능 매체에서 실시되는 실행 명령으로 인코딩될 수 있다. 그런 명령은 프로세서에 의해 실행되면, 프로세서가 본 명세서에서 설명되는 방법의 적어도 일부를 실행하도록 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 "컴퓨터 판독가능 매체"라는 용어는 비일시적인 컴퓨터 저장 장치를 포함하되 이에 국한되지 않고, 휘발성 및 비휘발성 미디어와, 펌웨어, 물리적 및 가상 스토리지, CD-ROM, DVD와 같은 분리형 및 비분리형 미디어와, 네트워크 또는 인터넷과 같은 임의의 다른 디지털 소스를 포함하되 이에 국한되지 않는 모든 유형의 컴퓨터 판독가능 미디어뿐만 아니라, 일시적인 전파 신호(transitory, propagating signal)를 유일하게 제외하고, 아직 개발되지 않은 디지털 미디어를 포함한다.

본 명세서에서 사용되는 "소프트웨어" 및 "펌웨어"라는 용어는 상호 호환적이며, 모바일 장치, 클러스터, 개인용 컴퓨터, 워크스테이션, 클라이언트 및 서버를 포함하되 이에 국한되지 않는 장치에 의한 실행을 위해 메모리에 저장된 임의의 컴퓨터 프로그램을 포함한다.

본 명세서에서 사용되는 "컴퓨터"라는 용어 및 관련 용어, 예를 들면 "컴퓨팅 장치"는 본 기술분야에서 컴퓨터라 불리는 집적회로에 한정되지 않고, 널리 마이크로컨트롤러, 마이크로컴퓨터, 프로그램 가능한 로직 컨트롤러(programmable logic controller, PLC), 주문형 집적 회로(application specific integrated circuit) 및 기타 프로그램 가능한 회로이며, 이러한 용어는 본 명세서에서 호환적으로 사용된다.

본 명세서에 사용된 바와 같이, 프로세서는 마이크로컨트롤러, 축소명령세트회로(reduced instruction set circuits, RISC), 주문형집적회로(application specific integrated circuits, ASIC), 논리회로, 그리고 본 명세서에서 설명하는 기능을 수행할 수 있는 다른 회로 또는 프로세서를 포함하는 모든 프로그램 가능한 시스템을 포함한다. 위의 예는 단순한 예이며, 따라서 "프로세서"라는 용어의 정의 및/또는 의미를 결코 한정하는 것을 의도한 것은 아니다. "데이터베이스"라는 용어는 데이터의 본체, 관계형 데이터베이스 관리 시스템(relational database management system, RDBMS) 또는 둘 모두를 말한다. 데이터베이스에는 계층 데이터베이스(hierarchical databases), 관계형 데이터베이스(relational databases), 플랫 파일 데이터베이스(flat file databases), 객체 관계형 데이터베이스(object-relational databases), 객체 지향 데이터베이스(object oriented databases), 컴퓨터 시스템에 저장되어 있는 다른 구조화된 레코드 또는 데이터의 컬렉션(collection)을 포함하는 데이터의 컬렉션을 포함한다. 위의 것은 예일 뿐이고, 따라서 데이터베이스라는 용어의 정의와 의미를 제한하는 것을 의도하는 것은 아니다.

일 실시예에서, 컴퓨터 프로그램이 제공되며, 프로그램은 컴퓨터 판독가능 매체에 구현된다. 예시적인 실시예에서, 시스템은 서버 컴퓨터에 연결이 필요하지 않고 하나의 컴퓨터 시스템에서 실행된다. 응용 프로그램은 유연하고 주요 기능을 손상시키지 않고 다른 환경에서 실행하도록 설계되는 것이 바람직하다. 일부 실시예에서, 시스템은 복수의 컴퓨팅 장치에 분산된 여러 구성요소를 포함한다. 하나 이상의 구성 요소는 컴퓨터 판독가능 매체에 구현된 컴퓨터 실행가능 명령(computer-executable instructions)의 형태일 수 있다.

다른 풍력 터빈으로부터 풍력 터빈의 요 각도 정보의 재교정을 위한 기존의 알려진 방법과는 달리, 특히 다른 풍력 터빈의 방위 정보(orientation information)가 필요하지 않다. 특히, 풍력 터빈의 요 각도를 재교정하기 위해, 다른 터빈의 후류 효과가 필요하지 않다. 또한, 풍력 터빈의 요 각도를 재교정하기 위해 이력 데이터가 필수적이지 않다.

도 1은 TI 데이터 기반의 풍력 터빈의 재교정에 관한 극좌표 그림을 나타낸다.
도 2는 재교정 프로세스의 흐름도의 예를 나타낸다.
도 3은 서로에 대해 부정렬되고(misaligned), 후류 효과를 받는 복수의 풍력 터빈을 나타낸다.
도 4는 각각의 풍력 터빈의 정렬이 서로에 대해 정렬되어 있고, 후류 효과를 받는 복수의 풍력 터빈을 나타낸다.
도 5는 TI 정보에 근거한 재교정 방법의 바람직한 실시예를 나타낸다.
도 6은 TI 정보에 근거한 윈드 파크 최적화 방법의 바람직한 실시예를 나타낸다. 그리고
도 7은 풍력 터빈을 나타낸다.

다양한 특징, 형태 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 다음의 상세한 설명을 읽으면 더 잘 이해될 것이며, 도면에서 유사한 문자는 유사한 부분을 나타낸다.

별도로 명시되지 않는 한, 본 명세서에서 제공되는 도면은 본 발명의 실시 형태의 특징을 나타내는 것을 의도하고 있다. 이러한 특징은 본 발명의 하나 이상의 실시예를 포함한 다양한 시스템에 적용 가능하다고 생각된다. 따라서, 도면은 본 명세서에 개시된 실시예의 실행에 필요하다고 당업자에게 알려진 모든 종래의 특징을 포함하는 것을 의미하지 않는다. 단수 "하나", "그것"은 문맥에서 그렇지 않은 것이 명확하게 표시되지 않는 한, 복수를 가리키는 것을 포함한다.

도 1은 난류 강도 데이터에 기반한 풍력 터빈(100)의 재교정에 대한 극좌표 그림을 나타낸다. 각각의 요 각도에 따라 도시되고 있는 난류 강도 데이터는 3가지 프로필을 나타낸다: 난류 강도 추정값 프로필(22), (부정렬된(misaligned)) 난류 강도 추정값 프로필(31), 그리고 정렬된 난류 강도 추정값 프로필(36). 시뮬레이션은 요 각도(10), 결과적으로 여기에서 330°이다. 요 각도(10)를 적용한 후, 편차 임계값(41)을 분명히 초과하기 때문에, 난류 강도 검출값(30)은 난류 강도 추정값(20)과 일치하지 않는 것을 알 수 있다. 다음, 일치하는 요 각도(matching yaw-angle)(11), 여기서는 315°에 대응하여, 일치하는 난류 강도 추정값(21)이 발견된다. 편차각(13)은 여기서 -15°로 계산되며, 이는 330°(처음에 계산된 요 각도(10))에서 뺀 330°(일치하는 요 각도(11))에서 얻을 수 있다. 여기에서 풍력 터빈은 대체 요 각도(replacement yaw-angle)(12)를 가진 선까지 회전한다. 최대 각도 편차는 대부분 알려져 있기 때문에, 뒷면 요 각도(backside yaw-angle)에 대한 정렬(여기에서는 45°에서 135°사이)은 이루어지지 않는다. 적절히 수행할 때 더욱 뛰어난 성능 또는 보안을 나타내는 방법에 의하면, 하나의 난류 강도값이 서로 비교될 뿐 아니라 여러 난류 강도값도 비교된다. 여기에서는 이것은 각도값으로 표시된 맵핑 임계값(mapping threshold)(42)으로 표시되어 있다. 본 실시예에서는 편차각(13)은 맵핑 임계값(42)을 초과하고, 여러 난류 강도 추정값과 난류 강도 검출값의 일치에 의해, 이 경우 동일한 대체 요 각도(12)에 새로운 정렬이 이루어진다.

도 2는 도 1에 대해 설명하는 간단한 방법의 흐름도를 보여준다. 여기에서는 난류 강도를 찾아 난류 강도 검출값 프로필과 난류 강도 추정값 프로필을 기반으로 이러한 난류 강도를 시뮬레이션 값에 맵핑하기 위하여 시뮬레이션과 측정이 실행된다. 서로에 대해 프로필을 정렬한 후(도 1 참조), 나셀의 방향, 즉 요 각도가 수정된다.

도 3과 도 4는 현재의 풍향에서 서로 영향을 끼치는 제1 풍력 터빈(100), 제2 풍력 터빈(101), 제3 풍력 터빈(102), 및 제4 풍력 터빈(103)을 가진 윈드 파크(200)를 나타낸다. 위와 같이, 도 3에서 풍력 터빈(100~103)은 각각의 풍력 터빈(100 및 101)의 회전 중심(15 및 16)을 연결하는 직선(35)에 대해 부정렬(misaligned) 되어 있으며, 제3 및 제4 풍력 터빈도 마찬가지이다. 직선(35)에 따라, 제1 풍력 터빈(100)의 영향을 끼치는 최대 피크(32)는 정렬 요 각도(14)와 정렬해야 하지만, 편차각(13)만큼 벗어나 있다. 유사하게, 제2 풍력 터빈(101)도 마찬가지이다. 현재 도 4에서, 제1 풍력 터빈(100)의 영향을 끼치는 최대 피크(effecting maximum peak)(32)와 제2 풍력 터빈(101)의 영향을 받는 최대 피크(effected maximum peak)(33)의 정렬은 직선(35) 주위의 임계 영역(threshold area)(34) 내에 있다. 따라서 풍력 터빈의 상호 정렬은 현재의 바람 조건에 따라 최적화된다.

도 5는 풍력 터빈을 재교정하기 위해 다음의 단계를 구비하는 흐름도를 보여준다.

a. 바람 데이터를 수신하는 단계;

b. 적어도 상기 바람 데이터를 기반으로:

- 적절한 요 각도(10)를 계산하는 단계, 및

- 상기 적절한 요 각도(10)에 관련된 난류 강도 추정값(20)을 결정하는 단계, 여기서 난류 강도(T1)는 소정의(미리 정해진) 기간 동안 평균 풍속에 대한 풍속 편차의 비율임.

c. 계산된 상기 요 각도(10)에 따라 정렬되도록 상기 풍력 터빈(100)에 명령하는 단계;

d. 상기 요 각도(10) 정렬의 달성 후, 풍력 터빈(100) 고유의 바람 데이터(wind turbine specific wind data)를 획득하는 단계;

e. 획득된 상기 풍력 터빈(100) 고유의 바람 데이터에 근거하여 난류 강도 검출값(30)을 계산하는 단계;

f. 상기 난류 강도 검출값(30)을 상기 난류 강도 추정값(20)과 비교하고, 난류 강도 편차값(40)을 계산하는 단계;

g.l 상기 난류 강도 편차값(40)이 소정의 편차 임계값(41)을 초과하는 경우, 상기 난류 강도 검출값(30)과 일치하는 난류 강도 추정값(21)을 가지기 위해 일치하는 요 각도(11)를 찾는다;

h.1 일치하는 요 각도(11)가 발견된 경우, 상기 풍력 터빈(100)은 상기 일치하는 요 각도(11)에 따라 정렬하도록 지시된다. 다음, 방법은 바람 데이터 입력이 변화할 때까지 종료한다.

도 5에 따른 방법에서, g 단계 및 h 단계에서 대안의 결정을 위해 다음의 단계가 실행되고 있다:

g.2 그러나 상기 난류 강도 편차값(40)이 소정의 편차 임계값(41) 아래인 경우, 방법은 종료되고 교정은 정확한 것으로 가정된다.

h.2 그러나 드물게, 일치하는 요 각도(11)가 발견될 수 없으면, 방법은 종료된다. 바람직하게는, 이 방법은 오류 신호를 출력한다.

도 6은 윈드 파크에서 풍력 터빈을 최적화하기 위한 다음의 단계를 구비하는 흐름도를 나타낸다.

I. 난류 강도 추정값(20)을 포함한 시뮬레이션 계산에 근거하여, 적어도 하나의 영향을 받는 풍력 터빈(100,101,102)으로부터 후류(wake)를 받는 적어도 하나의 영향을 주는 풍력 터빈(101,102,103)을 추정하는 단계;

II. 난류 강도 추정값(20)을 포함하는 시뮬레이션 계산에 근거하여, 추정된 적어도 하나의 영향을 주는 풍력 터빈(101,102,103)에 후류를 일으키는 적어도 하나의 영향을 받은 풍력 터빈(100,101,102)을 추정하는 단계;

III. 풍력 센서 데이터에 근거하여, 추정된 적어도 하나의 영향을 주는 풍력 터빈(101,102,103) 및 추정된 적어도 하나의 영향을 받은 풍력 터빈(100,101,102)에 대한 난류 강도 감지값(30)을 계산하는 단계;

IV. 난류 강도 추정값(20)을 각각의 난류 강도 검출값(30)과 비교하여 각각의 난류 강도 편차값(40)을 계산하는 단계;

V.1 풍력 터빈(100,101,102,103) 중 하나의 난류 강도 편차값(40)이 소정의 편차 임계값(41) 위에 있는 경우, 풍력 터빈(100,101,102,103)은 편차(deviating) 풍력 터빈(110,111,112,113)으로 설정된다. 그렇지 않으면, 아래의 단계 V.2를 참조한다.

VI. V.1 단계의 경우, 편차 풍력 터빈(110,111,112,113)에 대해, 난류 강도 검출값(30)과 일치하는 난류 강도 추정값(21)을 가진 일치하는 요 각도(11)가 검색된다.

VII.1 VI 단계 이후. 일치하는 요 각도(11)가 발견된 경우, 편차 풍력 터빈(100)은 일치하는 요 각도(11)에 따라 정렬하도록 지시된다. 그렇지 않으면, 다음의 단계 VII.2를 참조한다.

V 단계 및 VII 단계에서 대안의 결정을 위해, 도 6의 방법은 다음의 단계가 실행된다.

V.2 그러나 IV 단계 이후, 풍력 터빈(100,101,102,103) 중 하나의 난류 강도 편차값(40)이 소정의 편차 임계값(41) 아래인 경우, 방법은 종료되고 방향은 최적인 것으로 가정된다.

VII.2 그러나 VI 단계 이후. 거의 드문 경우로서, 일치하는 요 각도(11)가 발견될 수 없으면 방법은 종료된다. 바람직하게는, 이 방법은 오류 신호를 출력한다.

도 7은 중앙 터빈 허브(61)에 3개의 터빈 블레이드(60)가 고정된 로터(50)를 구비하는 풍력 터빈(100)을 나타낸다. 로터(50)는 나셀(62)의 앞쪽에 위치한다. 나셀(62)은 풍력 터빈 타워(59)의 상단에 위치하고, 요 각도 구동부(yaw-angle drive)(51)를 통하여 현재의 풍향과 로터(50)를 정렬하도록 회전할 수 있다. 본 실시예에서는 나셀(62)의 상부에 제1 바람 센서(51) 예를 들어, 풍속계(anemometer)와, 제2 바람 센서(53) 예를 들어, 풍향계(wind vane)가 로터(50)의 하류에 위치한다. 또한, 나셀(62)은 발전기(미도시) 외에, 바람직하게는 상술된 재교정 방법을 실행하기 위한 재교정 시스템(300)을 수용한다. 재교정 시스템(300)은 프로세서(54), 과도적 저장 장치(transitional storage device)(55), 비과도적(non-transitional) 저장 장치(56), 센서 데이터 입력 장치(57), 구동 출력 장치(58)를 포함한다. 재교정 시스템(300)에 포함된 장치는 교정 이외의 목적을 위한 다른 기능도 가질 수 있다. 프로세서(54)는 저장 장치(55 및 56)를 적절히 이용하고 센서 데이터 입력 장치(57)를 통해 제1 및 제2 바람 센서(52 및 53)와 통신한다. 또한, 프로세서(54)는 구동 출력 장치(58)를 통해 요 각도 구동부(51)와 통신하여 로터(50)의 정렬을 조정한다. 선택적으로, 프로세서(54)는 또한 윈드 파크 관리 센터(201)와 통신할 수 있으며, 또는 다른 풍력 터빈과 직접 통신할 수 있다.

10 요 각도
11 일치하는 요 각도
12 대체 요 각도
13 편차각
14 정렬 요 각도
15 제1 요 각도 회전중심
16 제2 요 각도 회전중심
20 난류 강도 추정값
21 일치하는 난류 강도 추정값
22 난류 강도 추정값 프로필
30 난류 강도 검출값
31 부정렬된 난류 강도 검출값
32 영향을 주는 최대 피크
33 영향을 받는 최대 피크
34 임계 영역
35 직선
36 정렬된 난류 강도 추정값 프로필
40 난류 강도 편차값
41 편차 임계값
42 맵핑 임계값
50 로터
51 요 각도 구동부
52 제1 바람 센서
53 제2 바람 센서
54 프로세서
55 과도적 저장 장치
56 비과도적 저장 장치
57 센서 데이터 입력 장치
58 구동 출력 장치
59 풍력 터빈 타워
60 터빈 블레이드
61 터빈 허브
62 나셀
100 제1 풍력 터빈
101 제2 풍력 터빈
102 제3 풍력 터빈
103 제4 풍력 터빈
200 윈드 파크
201 윈드 파크 관리 센터
300 재교정 시스템
TI 난류 강도

Claims

풍력 터빈(100)의 초기 요 각도 교정으로부터 출발하며, 상기 풍력 터빈(100)의 적어도 하나의 요 각도(10)를 재교정하기 위한 방법으로서, 상기 방법은 적어도 다음의 단계;
a. 바람 데이터(wind data)를 수신하는 단계;
b. 적어도 상기 바람 데이터를 기반으로:
- 적절한 요 각도(10)를 계산하는 단계, 및
- 상기 적절한 요 각도(10)에 관련된 난류 강도 추정값(20)을 결정하는 단계(여기서 난류 강도(TI)는 미리 정해진 기간 동안 평균 풍속에 대한 풍속 편차의 비율임);
c. 계산된 상기 요 각도(10)에 따라 정렬되도록 상기 풍력 터빈(100)에 명령하는 단계;
d. 상기 요 각도(10)의 정렬을 달성한 후, 풍력 터빈(100) 고유의 풍속 데이터(wind turbine specific wind speed data)를 획득하는(retrieving) 단계;
e. 획득된 상기 풍력 터빈(100) 고유의 풍속 데이터에 근거하여 난류 강도 검출값(30)을 계산하는 단계;
f. 상기 난류 강도 검출값(30)을 상기 난류 강도 추정값(20)과 비교하여, 난류 강도 편차값(40)을 계산하는 단계;
g. 만일, 상기 난류 강도 편차값(40)이 미리 정해진 편차 임계값(41)을 초과하는 경우, 상기 난류 강도 검출값(30)과 일치하는 난류 강도 추정값(21)을 가지는, 일치하는 요 각도(11)를 찾는(searching) 단계;
h. 만일, 일치하는 요 각도(11)가 발견된 경우, 상기 풍력 터빈(100)은 상기 일치하는 요 각도(11)에 따라 정렬하도록 지시되는 단계;
를 포함하는 방법.
제1항에서, 상기 방법은 다음의 단계:
- 룩업 테이블(look-up table)에 상기 a 단계에서 계산된 상기 적절한 요 각도(10)에 대한 대체 요 각도(replacement yaw-angle)(12)로서 상기 일치하는 요 각도(11)를 저장하는 단계, 및
- 상기 적절한 요 각도(10)가 적절한 것으로 계산된 경우, 상기 풍력 터빈(100)의 작동 조건을 위해, 상기 대체 요 각도(12)에 따라 정렬하도록 상기 풍력 터빈(100)에 지시하는 단계
를 더 포함하는 방법.
제1항 또는 제2항에서, 상기 방법은 다음의 단계:
- 복수의 별개의 요 각도(10) 각각에 대해 적어도 하나의 난류 강도 검출값(30)을 획득한 후, 상기 난류 강도 검출값(30)을 맵핑하고, 이를 맵핑된 난류 강도 추정값(20)에 비교하는 단계;
- 만일, 하나의 난류 강도 검출값(30)이 난류 강도 추정값(20)과 일치하면, 상기 난류 강도 검출값(30)에 관련된 상기 요 각도(11)와 상기 난류 강도 추정값(20)에 관련된 상기 요 각도(10) 사이의 편차각(13)을 계산하는 단계;
- 상기 편차각(13)을 상기 맵핑된 난류 강도 추정값(20) 전체에 적용하고, 추정된 요 각도(10)와 상기 편차각(13)의 합이 되는, 대응하는 새로운 결과 요 각도(12) 각각에 상기 맵핑된 난류 강도 추정값(20)을 새로이 연관시키는 단계;
- 복수의 상기 맵핑된 난류 강도 검출값(30) 중 적어도 몇 개를, 각각의 상기 결과 요 각도(12)에 새로이 연관되는 상기 맵핑된 난류 강도 추정값(20)과 비교하는 단계;
- 만일, 복수의 상기 맵핑된 난류 강도 검출값(30) 중 미리 정해진 개수가 맵핑 한계값(42) 내에 있다면, 상기 편차각(13)을 저장하고, 상기 b 단계에서 계산된 각각의 상기 적절한 요 각도(10)에 상기 편차각(13)을 더하고, 상기 새로운 결과 요 각도(12)에 기초하여 상기 풍력 터빈(100)에 지시하는 단계;
를 더 포함하는 방법.
제3항에서,
상기 새로운 결과 요 각도(12)는 룩업 테이블에 저장되고, 상기 c 단계에서 상기 풍력 터빈(100)은 상기 룩업 테이블로부터 각각의 새로운 결과 요 각도(12)에 따라 정렬되도록 지시 받는
방법
이전의 청구항에서,
수신된 상기 바람 데이터는 풍향 및 풍속, 그리고 적어도 하나의 다음 정보:
- 랜드스케이프 효과(landscape effect);
- 적어도 하나의 이웃하는 풍력 터빈(100)으로부터의 후류 효과(wake effect);
- 상기 풍력 터빈(100)의 타워(59)에 대한 기계적 부하; 그리고
- 로터 회전 속도와 풍력 터빈 전력 출력의 비율;
를 포함하는 방법.
이전의 청구항에서,
상기 b 단계에서 적절한 요 각도(10)의 상기 계산은 다음의 정보:
- 의사 마스트 바람 데이터(pseudo-mast wind data);
- 필요한 전력 출력;
- 복수의 풍력 터빈(100,101,102,103)을 갖춘 윈드 파크(200)의 경우, 요구되는 윈드 파크 전력 출력;
- 바람직하게는 SCADA를 사용한, 전력 출력의 시뮬레이션 결과; 그리고
- 복수의 풍력 터빈(100,101,102,103)을 가진 윈드 파크(200)를 위한 후류 효과 최적화
중 적어도 하나에 기초하는 방법.
이전의 청구항의 방법에 따라 풍력 터빈(100)의 적어도 하나의 요 각도(10)를 재교정하는 시스템(300)으로서, 상기 시스템은 적어도 다음의 수단:
- 로터(50)를 가지며, 상기 로터(50)를 요 각도 위치로 이동시키는 요 각도 구동부(51)를 갖는 풍력 터빈(100);
- 필요한 바람 데이터를 취득하기 위한 적어도 하나의 바람 센서(52,53);
- 상기 계산 작업의 전부 또는 일부를 수행하기 위한 적어도 하나의 프로세서(54);
- 저장되는 데이터의 전부 또는 일부를 적어도 과도적으로(transitionally) 저장하기 위한 적어도 하나의 저장 장치(55,56);
- 계산 단계용 센서 데이터를 준비하기 위한 적어도 하나의 센서 데이터 입력 장치(57);
- 요 각도(10) 정렬을 위해 상기 요 각도 구동부(51)에 지시하는 적어도 하나의 구동 출력 장치(58)
를 포함하는 시스템.
제7항에서,
상기 시스템은 복수의 풍력 터빈(100,101,102,103)을 구비하는 윈드 파크(200)에 구현되며, 상기 윈드 파크(200)는 복수의 바람 센서(52,53)를 구비하며, 상기 바람 센서(52,53)는 의사 마스트 바람 데이터(pseudo-mast wind data)의 계산을 허용하기 위해 상기 윈드 파크(200)의 복수의 상기 풍력 터빈(100,101,102,103)에 기초하는
시스템.
윈드 파크(200) 최적화를 위한 컴퓨터 구현 방법(computer-implemented method)으로서,
상기 윈드 파크(200)는 복수의 풍력 터빈(100)을 포함하며,
적어도 하나의 요 각도 위치로 정렬되는 동안, 적어도 하나의 영향을 끼치는 풍력 터빈(effecting wind turbine)(101,102,103)은 적어도 하나의 영향을 받는 풍력 터빈(effected wind turbine)(100,101,102)으로부터의 후류를 받을 수 있으며,
상기 방법은 적어도 다음의 단계:
I. 난류 강도 추정값(20)을 포함하는 시뮬레이션 계산에 근거하여, 상기 적어도 하나의 영향을 받는 풍력 터빈(100,101,102)으로부터 후류(wake)를 받는 상기 적어도 하나의 영향을 끼치는 풍력 터빈(101,102,103)을 추정하는 단계;
II. 난류 강도 추정값(20)을 포함하는 시뮬레이션 계산에 근거하여, 추정된 상기 적어도 하나의 영향을 끼치는 풍력 터빈(101,102,103)에 상기 후류를 야기하는 상기 적어도 하나의 영향을 받는 풍력 터빈(100,101,102)을 추정하는 단계;
III. 풍력 센서 데이터에 기초하여, 추정된 상기 적어도 하나의 영향을 끼치는 풍력 터빈(101,102,103)과, 추정된 상기 적어도 하나의 영향을 받는 풍력 터빈(100,101,102)에 대한 난류 강도 검출값(30)을 계산하는 단계;
IV. 상기 난류 강도 추정값(20)을 각각의 상기 난류 강도 검출값(30)과 비교하고, 각각의 난류 강도 편차값(40)을 계산하는 단계;
V. 만일, 상기 풍력 터빈(100,101,102,103) 중 하나의 상기 난류 강도 편차값(40)이 미리 정해진 편차 임계값(41)을 초과하면, 상기 풍력 터빈(100,101,102,103)은 편차(deviating) 풍력 터빈(110,111,112,113)으로 설정되는 단계;
VI. 상기 편차 풍력 터빈(110,111,112,113)에 대해, 상기 난류 강도 검출값(30)과 일치하는 난류 강도 추정값(21)을 갖는 일치하는 요 각도(matching yaw-angle)(11)를 찾는 단계;
VII. 만일, 일치하는 요 각도(11)가 발견되면, 상기 일치하는 요 각도(11)에 따라 정렬되도록 상기 편차 풍력 터빈(100)에 지시하는 단계
를 포함하는 방법.
제9항에서,
상기 난류 강도 검출값(30)은 상기 적어도 하나의 영향을 끼치는 풍력 터빈(101,102,103) 및 상기 적어도 하나의 영향을 받는 풍력 터빈(100,101,102) 적어도 모두에 맵핑되며,
상기 일치하는 요 각도(11)는 정렬 요 각도(14)이며,
상기 정렬 요 각도(14)는 그 요 각도에서 상기 적어도 하나의 영향을 끼치는 풍력 터빈(101,102,103) 및 상기 적어도 하나의 영향을 받는 풍력 터빈(100,101,102)의 맵핑된 상기 난류 강도 검출값(30) 각각의 최대 피크(32,33)가, 적어도 2개의 상기 풍력 터빈(100,101) 각각의 요 각도 회전 중심(15,16)을 관통하는 직선(35) 둘레의 한계 영역 내에 위치하는
방법.
제9항 또는 제10항의 방법에 따라, 상기 윈드 파크(200)를 최적화하는 관리 시스템을 포함하는 윈드 파크로서,
상기 윈드 파크(200)는 적어도 다음의 수단:
- 각각 로터(50)를 구비하고, 상기 로터(50)를 요 각도 위치로 이동시키는 요 각도 구동부(51)를 구비하는 복수의 풍력 터빈(100);
- 필요한 바람 데이터를 획득하기 위한 적어도 하나의 바람 센서(52,53);
- 상기 계산 작업의 전체 또는 일부를 수행하기 위한 적어도 하나의 프로세서(54);
- 저장되는 상기 데이터의 전부 또는 일부를 적어도 과도적으로(transitionally) 저장하기 위한 적어도 하나의 저장 장치(55,56);
- 계산하는 단계를 위해 센서 데이터를 준비하기 위한 적어도 하나의 센서 데이터 입력 장치(57);
- 요 각도(10) 정렬을 위해 상기 요 각도 구동부(51)에 지시하는 적어도 하나의 구동 출력 장치(58)
를 포함하는 윈드 파크.
제11항에서,
단일의 풍력 터빈(100)의 요 각도(10)의 재교정은, 제1항 내지 제6항 중 한 항에 따라 수행되며,
바람직하게는, 재교정을 위한 상기 방법은 다른 풍력 터빈(100) 또는 윈드 파크 관리 센터(201)에 데이터 입력 없이 상기 단일의 풍력 터빈(100) 내에서 수행되는
윈드 파크.
제11항에서,
상기 윈드 파크(200)는 상기 윈드 파크 최적화를 위한 계산의 전부 또는 일부를 수행하는 관리 센터(201)를 포함하는
윈드 파크.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 방법을 포함하며,
풍력 터빈(100) 또는, 바람직하게는 제7항 또는 제8항에 따른, 풍력 터빈(100)의 적어도 하나의 요 각도(10)를 재교정하기 위한 시스템(300)에 구현되고, 그리고/또는 바람직하게는, 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 윈드 파크(200)에 구현된 컴퓨팅 수단에 의해 판독 가능한
컴퓨터 판독가능 매체.
제9항 또는 제10항에 따른 방법을 포함하며,
바람직하게는, 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른, 윈드 파크(200)에 구현된 컴퓨팅 수단에 의해 판독 가능한
컴퓨터 판독가능 매체.