KR20220097484A - 향상된 풍력 터빈 웨이크 믹싱 - Google Patents

향상된 풍력 터빈 웨이크 믹싱 Download PDF

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Abstract

적어도 제1 블레이드를 포함하는 로터를 포함하는 풍력 터빈을 제어하는 방법으로서, 방법은, 제1 블레이드가 회전하는 동안, 제1 피치 각도와 제2 피치 각도 사이에서 시간에 따라 제1 블레이드의 피치 각도를 동적으로 변화시킴으로써 시간에 따라 제1 블레이드의 유도 인자를 변화시키는 단계를 포함하고, 제1 피치 각도는 제2 피치 각도와 상이하고, 제1 블레이드가 제1 피치 각도에 있는 제1 블레이드의 각각의 회전 위치 및 제1 블레이드가 제2 피치 각도에 있는 제1 블레이드의 각각의 회전 위치는 시간적으로 변위되고, 블레이드의 변동 유도 인자는 시간에 따라 로터 평면의 다른 각도 위치에서 발생하도록, 시간에 따른 피치 각도의 동적 변화가 제어되어, 풍력 터빈의 다운스트림에 형성된 웨이크의 장소 및/또는 방향이 풍력 터빈의 로터에 대해 동적으로 변화하도록 한다.

Description

향상된 풍력 터빈 웨이크 믹싱
본 발명은 향상된 풍력 터빈 웨이크 믹싱에 관한 것이다.
본 개시는 풍력 터빈(wind turbine)을 제어하기 위한 방법, 풍력 터빈을 제어하는 방법을 위해 배치된 풍력 터빈 제어기(wind turbine controller), 및 풍력 터빈을 제어하는 방법을 위해 배치된 풍력 터빈 제어기 및 풍력 터빈의 어레이(array)를 포함하는 풍력 터빈에 관한 것이다.
본 개시는 풍력 터빈(wind turbine)을 제어하기 위한 방법, 풍력 터빈을 제어하는 방법을 위해 배치된 풍력 터빈 제어기(wind turbine controller), 및 풍력 터빈을 제어하는 방법을 위해 배치된 풍력 터빈 제어기 및 풍력 터빈의 어레이를 포함하는 풍력 터빈에 관한 것이고, 적어도 제1 풍력 터빈(first wind turbine)은 풍력 터빈 제어기를 포함한다.
파리 협정에서 정한 섭씨 1.5° 기후 안정화 목표를 달성하려면, 향후 몇 년 동안 화석 연료 생산량을 크게 줄여야한다. 이 전력 생산 능력을 대체하려면 태양 및 풍력 에너지와 같은 재생 가능 에너지 원의 대규모 증가가 필요하다.
대규모로 풍력 에너지를 개발하는 가장 효과적인 접근 방식은 소위 풍력 발전 단지(wind farm)라고 불리는 육상 또는 해상에 개별 풍력 터빈을 배치하는 것이다. 이러한 풍력 발전 단지는 일반적으로 동일한 유형의 여러 풍력 터빈으로 구성되며 특정 지역으로 나뉘고 일반적으로 공통 인프라를 공유하고, 이를 통해 터빈의 전체 자본 운영 비용을 줄이고 풍력 발전 단지를 효율적으로 유지하는 동시에 육상 및/또는 해역의 사용을 제한 할 수 있다.
그러나, 풍력 터빈이 바람에서 에너지를 추출하면 터빈 다운스트림(downstream)에서 웨이크(wake)가 발생한다. 풍력 터빈의 웨이크(wake)에서, (평균) 풍속이 감소하고(평균) 난류(turbulence)가 증가한다. 풍속이 감소하면 에너지 생산량이 낮아지고 난류가 증가하면 다운스트림 터빈이 견디는 피로 하중(fatigue load)이 증가하여, 이는 다운스트림에 위치한 터빈에 부정적인 영향을 미친다.
흐름이 더 다운스트림로 진행됨에 따라, 웨이크가 확산되고 그에 따라 주변의 자유 흐름 바람과 혼합되어 웨이크가 시간이 지남에 따라 자유 흐름 조건(및 그에 따라 거리) 으로 회복된다. 풍력 발전 단지의 배치가 적어도 사용 가능한 면적, 설치된 전력 및 인프라 비용 간의 절충이라는 사실 때문에, 웨이크 효과(wake effect)가 최소화되는 상호 거리에 풍력 터빈을 배치하는 것은 경제적으로 매우 매력적이지 않다.
개별 풍력 터빈 레벨(individual wind turbine level)과 달리 풍력 발전 단지 레벨에서, 전력 출력(power output)을 최적화하기 위해, 풍력 발전 단지 제어 연구는, 소위 축 유도 제어(axial induction control) 또는 경감 접근법(derating approach)이라고rh 하는, 정상 상태 최적 제어(steady-state optimal control)에 중점을 두었고, 풍력 발전 단지의 업스트림(downstream)에 배치되는 풍력 터빈은 하향풍(downwind)에 배치된 풍력 터빈이 터빈을 통과하는 풍력으로부터 약간 더 많은 에너지를 추출할 수 있도록 전력 생산량을 낮추도록(즉, 성능을 저하시키기 위해) 제어된다. 목표는 바람과 터빈의 동역학(dynamic)에 관계없이 최적의 정적 제어 파라미터를 찾는 것이 었다. 그러나 이러한 정적 접근법의 잠재적 전력 이득은, 모든 터빈이 개별 최적에서 작동하는 경우, 정상 상태의 "그리디(greedy)" 전략에 비해, 전체 전력 생산량을 낮출 수도 있다는 것이 확인되었다.
본 개시의 목적은, 아마도 다른 목표들 다음으로, 풍력 터빈의 다운스트림에서의 웨이크 효과들을 감소시키는 풍력 터빈을 제어하기 위한 방법을 얻는 것일 수 있으며, 여기서 상술한 문제점들 중 적어도 하나는 적어도 부분적으로 완화된다.
이 목표는, 다른 목표 중에서, 적어도 제1 블레이드(first blade)를 포함하는 로터(rotor)를 포함하는 풍력 터빈(wind turbine)을 제어하는 방법에 의해 적어도 부분적으로 충족될 수 있고, 방법은, 제1 블레이드가 회전하는 동안, 제1 피치 각도(first pitch angle)와 제2 피치 각도(second pitch angle) 사이에서 시간에 따라, 제1 블레이드의 피치 각도를 동적으로 변화시킴으로써 제1 블레이드의 유도 인자(induction factor), 특히 방사형 유도 인자(radial induction factor)를 시간에 따라 변동시키는 단계를 포함하고, 여기서, 제1 피치 각도는 제2 피치 각도와 상이하고, 및 여기서, 시간에 따른 피치 각도의 동적 변화는 블레이드가 제1 피치 각도 및 제2 피치 각도에 있는 제1 블레이드의 각각의 회전 위치(rotational position)가 시간상 변위되어, 풍력 터빈의 다운스트림에 형성된 웨이크의 장소(location) 및/또는 방향이 풍력 터빈의 로터에 대해 동적으로 변화한다.
본 개시의 추가의 측면에서, 또한, 풍력 터빈의 로터에 대해 풍력 터빈의 다운스트림에 형성된 웨이크의 장소 및/또는 방향을 동적으로 변화시키는 대신, 시간에 따른 피치 각도의 동적 변화를 제어하기 위해, 풍력 터빈의 다운스트림에 형성된 웨이크의 형상(장소 및/또는 방향 대신)이 풍력 터빈의 로터에 대해 동적으로 변화되도록 한다. 변화하는 형상은 예를 들어 시간이 지남에 따라, 바람직하게는 로터의 회전 속도보다 (상당히) 낮은 회전 속도로 로터의 축을 따라 회전하는 실질적으로 일정한 형상을 갖는 웨이크에 대응할 수 있다.
풍력 터빈은 적어도 하나의 블레이드를 포함하는 로터를 포함하고, 통상적으로 복수의 블레이드, 예를 들어 2개 또는 3개의 블레이드를 포함하여, 바람의 운동 에너지(kinetic energy)를 전기 발전기에 의해 전기 에너지로 변환되는 기계적 에너지로 변환한다. 특히, 바람의 속도로 인해 블레이드가 회전하여 발전기에 동력을 공급한다. 그러나, 회전하는 블레이드(효과적으로 로터 디스크를 형성)는 바람을 늦추고 터빈 뒤에 웨이크를 일으킨다. 웨이크 내의 바람은 터빈 블레이드를 통과하지 않은 로터 디스크 주위를 통과 한 바람보다 평균 속도가 느리고 평균 난류가 더 높다. 또한, 로터에 의해 영향을받지 않는 바람의 속도에 비해 웨이크 중 바람의 속도가 느리면 웨이크 확장, 즉 웨이크의 직경이 로터의 직경을 초과하여 팽창한다. 일반적으로 웨이크는 터빈 블레이드의 영향을 받는 유체(예를 들어, 공기)의 양을 정의한다. 이 웨이크 내에서 다운스트림(하향풍)에 배치된 모든 터빈은 상대적으로 느린 풍속만을 사용하여 블레이드를 돌릴 수 있으므로 하향 풍력 터빈(downwind turbine)의 전력 출력이 낮아진다. 또한, 평균 난류 증가로 인해 하향 풍력 터빈(downwind turbine)은 더 많은 피로 하중을 경험하여, 수명에 부정적인 영향을 미친다.
웨이크를 둘러싼 바람에서 웨이크 자체로 운동 에너지를 전달함으로써, 웨이크와 주변 공기의 상대 속도와 난류 차이는 시간이 지남에 따라 천천히 감소한다. 이 과정을 난류 혼합(turbulent mixing)이라고 한다. 난류 혼합은 자연적으로 발생하기 때문에 바람에서 풍력 터빈으로 전달되는 운동 에너지가 결국 대체된다. 그러나 운동 에너지를 웨이크로 전달하는 데 필요한 거리는 풍속에 따라 다르다. 따라서, 서로 가깝게 위치된 제1 및 제2 터빈 사이의 거리(통상적으로 10 로터 직경 미만, 즉 10D)는 바람이 제1 풍력 터빈의 다운스트림에 배치된 제2 터빈에 도달하기 전에 제1 터빈에 의해 취해진 운동 에너지를 반환하기에 충분하지 않을 수 있다.
일반적으로, 유도 인자(induction factor)는 로터 평면(rotor plane) V∞의 업스트림 바람의 속도와 로터 평면(예를 들어, 로터 디스크)에서의 바람 속도 Vd의 차이를 업스트림 바람의 속도 V∞로 나누어 결정되고, 다음과 같다:
Figure pct00001
또한, 각 블레이드에는 이와 연관된 개별 유도 인자가 있을 수 있다. 블레이드에 대한 유도 인자는 바람에 대해 블레이드를 피칭함으로써, 즉 블레이드의 단면과 로터 평면 사이의 각도가 변동되도록 블레이드를 길이방향 축을 중심으로 회전시킴으로써 변동될 수 있다. 블레이드의 유도 인자를 변화시킴으로써, 로터 평면에서 나가는 바람의 속도와 방향을 국부적으로 변동하여 실제로 웨이크 자체의 장소를 변동할 수 있다.
블레이드가 제1 피치 각도, 바람직하게는 제2 피치 각도에 있는 제1 블레이드의 각각의 회전 위치들을 또한 변위시킴으로써, 블레이드의 유도-변동(induction-variation)(즉, 가변 유도 인자)는 시간이 지남에 따라 로터 평면 내의 상이한 각도 위치에서 발생한다. 이에 의해, 풍력 터빈의 다운스트림에 형성된 웨이크의 장소 또한 풍력 터빈의 로터에 대해 동적으로 변화한다. 웨이크의 장소의 이러한 변화는 난류 혼합을 증가시켜, 운동 에너지를 웨이크로 전달하는데 필요한 거리가 감소되고, 이에 따라 풍력 터빈의 다운스트림에 배치될 수 있는 임의의 터빈이 웨이크에 의해 훨씬 덜 영향을 받는다. 복수의 블레이드의 경우, 적어도 제1 블레이드의 피치 각도는 다른 블레이드에 대해 개별적으로 변동되도록 배치되는 것이 바람직하다.
선택적인 실시예에서, 방법은 제1 블레이드의 피치 각도를 동적으로 변화시키기 위해 풍력 터빈의 제1(예를 들어, 집합적인) 블레이드 피치 각도 상에 피치 각도의 주기적 변화를 겹치게함으로써 강제 웨이크 믹싱을 얻기 위해 로터 상에 요(yaw) 및 틸트 모멘트(tilt moment)를 부과하는 단계를 포함한다. 따라서 이러한 접근 방식의 이점은 풍력 터빈에 대한 기존 제어 접근 방식에 사소한 변동(즉, 주기적 변동을 피치 각도에 겹쳐서)만 적용하여 향상된 웨이크 믹싱을 얻을 수 있다는 것이다.
방법의 선택적인 실시예에서, 시간에 따라 제1 블레이드의 유도 인자를 변동시키는 단계는 미리 정의된 주기적 함수(predefined periodic function)에 따라 제1 블레이드의 피치 각도를 동적으로 변화시키는 단계를 더 포함하고, 미리 정의된 주기적 함수는 블레이드가 제1 피치 각도 및 제2 피치 각도에 있는 제1 블레이드의 각각의 회전 위치가 시간 내에 변위되도록 정의된다. 주기적 변화(periodic variation)는, 즉 미리 정의된 주기적 함수에 따른, 블레이드가 제1 피치 각도 및 제2 피치 각도에 있는 제1 블레이드의 각각의 회전 위치가 시간적으로 변위되도록 보장하는 간단하고 효과적인 방법이며, 이에 따라 동적으로 풍력 터빈의 다운스트림에 형성된 웨이크의 장소 및/또는 방향을 변화시킬 수 있게 한다.
방법의 선택적인 실시예에서, 미리 정의된 주기적 함수는 블레이드가 제1 피치 각도에 있는 로터 평면에서의 블레이드의 회전 위치가 회전에서 회전으로 변위되도록 정의된다. 로터 평면의 다른 각도 위치에서 발생하는 블레이드의 유도-변동으로 인해 블레이드에 작용하는 결과 신뢰력도 유도-변동과 함께 변동되어, 힘 자체의 진폭을 크게 바뀌지 않고, 추력 힘(thrust force)의 방향의 주기적 변화가 전체 로터에 의해 경험된다. 따라서 상대적으로 작은 추력 힘 변동만 경험되므로, 터빈에서 유발되는 피로 하중에 크게 추가되지 않다. 특히, 회전에서 회전으로의 변위가 상대적으로 느린 경우, 예를 들어 회전당 180° 미만, 바람직하게는 회전당 90° 미만, 더 바람직하게는 회전당 45°미만인 경우, 추력 힘의 방향을 주기적으로 변화시키는 단계는 터빈의 피로 하중을 크게 증가하지 않게 하는 빈번하지 않은 힘의 변동이다.
선택적인 실시예에서, 로터는 제2 블레이드를 포함하고, 방법은 제1 피치 각도와 제2 피치 각도 사이에서 제2 블레이드의 피치 각도를 동적으로 변화시킴으로써 시간에 따라 제2 블레이드의 유도 인자를 변동시키는 단계를 포함하고, 제1 블레이드가 제1 피치 각도에 있는 시간은 제2 블레이드가 제1 피치 각도에 있는 시간과 상이하다. 제1 블레이드의 피치 각도를 변동하면 로터에 약간의 불균형(unbalance)이 발생할 수 있다. 또한 여기에 기술된 바와 같이 제2 블레이드의 피치 각도를 동적으로 변화시킴으로써, 불균형이 적어도 부분적으로 보상될 수 있다.
선택적인 실시예에서, 로터는 제2 블레이드를 포함하고, 바람직하게는 그 피치 각도가 제1 블레이드의 피치 각도에 대해 개별적으로 또는 독립적으로 변경될 수 있도록 배치되고, 방법은 바람직하게 미리 정의된 주기 함수에 따라 제2 블레이드의 피치 각도를 동적으로 변화시킴으로써 시간에 따라 제2 블레이드의 유도 인자를 변동시키는 단계를 포함하고, 제2 블레이드의 피치 각도의 동적 변화는 피치 각도 제1 블레이드의 동적 변화와 위상 오프셋(phase offset)만큼 상이하다. 또한 미리 정의된 주기적 함수에 따라 제2 블레이드의 유도 인자를 변화시키지만, 제1 블레이드에 대한 위상 오프셋을 가짐으로써, 제1 및 제2 블레이드의 피치 각도(따라서 유도 인자)가 동시에 최대 또는 최소값이 아니다. 유도 인자가 동시에 최대 또는 최소값이 될 경우, 터빈은 효과적으로 경감되고, 로터의 유도 인자가 전체적으로 변동됨에 따라, 전기 생산량이 감소하게 되고, 대신에 전체 로터의 유도 인자와 터빈의 전력 출력에 작은 영향을 미치는 국부 변동을 생성한다.
위상 오프셋은 로터 평면에서 제1 및 제2 블레이드 사이의 교차(intersection) 각도와 실질적으로 동일하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 두 개의 블레이드 터빈의 경우 교차 각도는 약 180°다. 또한 약 180°의 위상 오프셋을 가짐으로써, 제1 블레이드의 최소 유도 인자는 제2 블레이드의 최대에 의해 동시에 보상되므로, 전체 로터에 대해 총 유도 인자의 변동이 최소화된다. 예를 들어, 세 개의 블레이드 터빈의 경우 교차 각도(angle)는 약 120°다. 또한 위상 오프셋이 약 120°이므로, 제1 블레이드의 최소 유도 인자가 다른 두 블레이드에 의해 대략 보상된다.
방법의 선택적인 실시예에 따르면, 시간에 따른 피치 각도의 동적 변화는 비-회전 레퍼런스 프레임에 정의된 시간-가변(time-varying) 요 함수(yaw function) 또는 비-회전 레퍼런스 프레임(non-rotating reference frame) 또는 시간-가변 요 및 틸트 함수의 조합에 정의된 시간-가변 틸트 함수 상에서 역 다중 블레이드 조정(reverse multiblade coordination)(MBC) 변환을 수행함으로써 얻어질 수 있다. 다중-블레이드 조정(Multi-Blade Coordinate)(MBC)은 일반적으로 블레이드의 모멘트를 로컬 블레이드 프레임(local blade-frame)에서 비-회전 또는 접지 고정 관성(earth-fixed inertial), 프레임으로 변환하여 터빈 타워의 하중을 결정하는 데 사용된다. 웨이크를 수평 및/또는 수직으로 각각 조종할 수 있는 비-회전 프레임에서 시간-가변 요- 및/또는 틸트 신호를 정의하고 역방향 MBC 변환을 수행함으로써, 신호는 로컬 블레이드-프레임으로 변환되고, 그에 따라 적어도 하나의 제1 블레이드 피치 각도의 동적 변화를 획득한다.
본 개시의 실시예들에서, 시간-가변 요 함수는 주기적 요 함수이고 및/또는 시간-가변 틸트 함수는 주기적 틸트 함수(periodic tilt function)이다. 역 다중 블레이드 조정(reverse multiblade coordination)(MBC) 변환을 수행함으로써, 미리 정의된 주기적 함수가 얻어지며, 따라서 시간에 따른 피치 각도를 동적으로 변화시키는 단계는 미리 정의된 주기적 함수에 따라 피치 각도를 동적으로 변화시키는 것이다. 이에 따라, 위에서 주어진 원하는 효과를 얻기 위해 비교적 간단한 함수을 구현할 수 있다. 바람직하게는, 주기적 틸트 함수 및/또는 주기적 요 함수는 미리 결정된 주파수를 갖는 정현파 함수이다. 이에 의해, 역 변환은 개별 블레이드(들)에 대한 주기적 피치 함수(periodic pitch function)를 유도하고, 이에 따라 주기적 피치 함수는 또한 정현파 함수(sinusoidal function), 또는 정현파 함수의 중첩(superposition)이고, 따라서 평활 피치 신호(smooth pitch signal)가 얻어진다. 특히 유틸리티 규모의 풍력 터빈의 개별 블레이드의 크기와 무게로 인해, 평활 피치 신호가 선호되고, 따라서 피치 메커니즘을 통해 갑작스럽고 충격과 같은 가진이 도입되지 않는데, 이는 풍력 터빈 구조의 모든 종류의 원치 않는 역학을 자극하고 터빈과 그 구성 요소에 부하가 증가하기 때문이다.
방법의 실시예에서, 미리 정의된 주기적 함수는 제1 주파수를 갖는 제1 정현파 함수를 포함하고, 제1 주파수는 로터의 회전 주파수 또는 그 배수와 상이하다. 대안적으로, 미리 정의된 주기적 함수는 제1 정현파 함수(first sinusoidal function) 및 제2 주파수를 갖는 제2 정현파 함수의 중첩을 포함하고, 여기서 제1 및 제2 주파수는 상이하다. 위에서 설명한 것처럼 정현파 함수 또는 정현파 함수의 중첩은 평활 주기적 피치 각도 변동(smooth periodic pitch angle variation)을 제공한다.
제1 주파수의 값 또는 제2 주파수의 값은 미리 결정된 주파수에 따라 증가되거나 감소되는 로터의 회전 주파수와 실질적으로 동일하도록 선택될 수 있고, 미리 결정된 주파수는 회전 주파수보다 작은 0이 아닌 주파수이다. 미리 정의된 주기적 함수에 따른 적어도 제1 블레이드의 피치 각도의 동적 변화는 그에 따라 터빈의 회전 주파수에 비해 상대적으로 느린 변화이다. 따라서, 이러한 저주파 신호는 터빈의 부하가 크게 증가 할 것으로 예상되지 않는 느리고 평활한 주기적 피치 각도 변화를 제공하고, 동시에 웨이크의 장소 및 방향의 비교적 느린 변화가 얻어지며, 이로 인해 웨이크 믹싱이 증가된다. 미리 결정된 주파수가 회전 주파수보다 작은 0이 아닌 주파수이기 때문에, 개선된 웨이크 믹싱(improved wake mixing)의 효과는 전술한 바와 같이 얻어지며, 동시에 블레이드의 피칭 동작은, 피치 시스템, 특히 피치 시스템에서 가장 피로에 중요한 부분인 피치 베어링에 대한 추가 하중이 제한되도록, 예를 들어, 부하 완화를 위한 기존의 개별 피치 제어 방법과 비교할 때 약간만 증가한다.
미리 결정된 주파수는 적어도 로터의 직경, 로터의 회전 속도 및/또는 풍력 터빈의 업스트림에서 결정되는 유입 풍속에 의존하여 결정되는 것이 바람직하다. 이에 의해, 미리 정의된 주기적 함수는 상이한 작동 조건 또는 터빈 크기에 맞게 맞춤화되어, 상이한 작동 조건 및 터빈 크기에 대해 증가된 웨이크 믹싱이 얻어질 수 있다. 대안적으로, 또는 추가적으로, 미리 결정된 주파수는 바람직하게는 스트로우홀 수(Strouhal number)에 의존하여 결정되고, 스트로우홀 수는 바람직하게는 0.05 내지 1.0 사이, 보다 바람직하게는 0.15 내지 0.55 사이, 더욱 바람직하게는 0.2 내지 0.3 사이, 가장 바람직하게는 약 0.25 이다.
주기적 틸트(periodic tilt) 및/또는 요 함수의 미리 결정된 주파수는 스트로우홀 수라는 무 차원 수(dimensionless number)로 결정될 수 있다:
Figure pct00002
이는 유입 풍속(inflow wind speed) U ∞ , 터빈 로터 직경 D 및 미리 결정된 주파수 f 사이의 관계를 정의한다. 층류 조건(laminar flow condition)에서 서로 다른 주파수에 대해 시뮬레이션 프로그램인 풍력 발전 단지 응용 시뮬레이터(Simulator fOr Wind Farm Application)(SOWFA)를 사용한 컴퓨터 시뮬레이션을 기반으로, 최적의 스트로우홀 수는 바람직하게는 0.05와 1.0 사이, 더 바람직하게는 0.15에서 0.55 사이, 훨씬 더 바람직하게는 0.2와 0.3 사이, 가장 바람직하게는 약 0.25이다. 이러한 스트로우홀 수에 따라 결정된 미리 결정된 주파수를 갖는 임의의 실시예를 적용하는 것이 우수한 웨이크 믹싱을 제공하는 것으로 밝혀졌다.
방법의 선택적인 실시예에서, 제1 및 제2 피치 각도 사이의 차이는 30° 이하, 바람직하게는 20° 이하, 보다 바람직하게는 10° 이하, 가장 바람직하게는 2°와 8°사이이다. 피치 각도의 변화가 너무 크면 터빈의 성능이 저하되는 반면, 너무 작은 변화는 필요한 양의 웨이크 믹싱으로 이어지지 않는다. 이 둘 사이의 좋은 절충은 위의 주어진 범위에서 발견되었다.
본 개시의 제2 측면에서, 적어도 제1 블레이드를 포함하는 로터를 포함하는 풍력 터빈을 제어하기 위해 배치되는 풍력 터빈 제어기(wind turbine controller)가 제공되고, 제어기는, 제1 블레이드가 회전하는 동안 제1 블레이드의 피치 각도가 제1 피치 각도와 제2 피치 각도 사이에서 주기적으로 변동하도록, 미리 정의된 주기적 함수에 따라 제1 블레이드의 피치 각도를 동적으로 변동함으로써 시간에 따라 제1 블레이드의 유도 인자를 변동시키도록 배치되고, 제1 피치 각도는 제2 피치 각도와 상이하고, 및, 미리 정의된 주기적 함수는 블레이드가 제1 피치 각도 및 제2 피치 각도에 있는 제1 블레이드의 각각의 회전 위치가 시간 내에서 변위되도록 정의되어, 제어기는 풍력 터빈의 로터에 대한 풍력 터빈의 다운스트림에 형성된 웨이크의 장소를 동적으로 변동하도록 배치된다. 이로써, 제어 방법의 장점은 제어기에 적용된다.
본 개시의 제3 측면에서, 적어도 제1 블레이드를 포함하는 로터를 포함하고, 주어진 실시예 중 임의의 실시예에 따라 풍력 터빈을 제어하는 방법을 위해 배치된 풍력 터빈 제어기를 더 포함하는 풍력 터빈(wind turbine)이 제공된다. 이로써, 터빈의 다운스트림에 형성되는 웨이크(wake)에서의 혼합을 개선할 수 있는 풍력 터빈이 얻어진다.
추가의 측면에서, 적어도 2개의 풍력 터빈의 어레이(array)가 제공되며, 여기서, 주어진 풍향(wind direction)에 대해, 제2 풍력 터빈은 제1 풍력 터빈의 웨이크에 적어도 부분적으로 다운스트림에 배치되고, 제1 및 제2 풍력 터빈은 적어도 제1 블레이드를 포함하는 로터를 포함하고, 적어도 제1 풍력 터빈은 주어진 실시예 중 임의의 실시예에 따라 풍력 터빈을 제어하는 방법을 위해 배치된 풍력 터빈 제어기를 포함한다. 이에 의해, 터빈의 어레이, 예를 들어 풍력 발전소가 얻어지며, 여기서 적어도 하나의 터빈은 터빈의 다운스트림을 형성하는 웨이크에서의 혼합을 개선하도록 구성되어, 풍력 터빈의 어레이, 즉 풍력 발전 단지의 전기 에너지 생산이 추가로 증가될 수 있다.
본 개시내용은 개시내용에 따라 풍력 터빈을 제어하기 위한 방법의 예시적인 실시예를 보여주고, 어떤 식으로든 개시의 범위를 제한하기 위한 것이 아니라, 다음 도면에 의해 추가로 설명된다.
- 도 1a는 3 개의 블레이드 로터로 구성된 수평축 풍력 터빈을 개략적으로 보여준다.
- 도 1b는 피치 블레이드를 개략적으로 보여준다.
- 도 2는 서로 다른 구성 요소로 구성된 풍력 터빈의 나셀과 로터를 개략적으로 보여준다.
- 도 3은 두 개의 풍력 터빈의 어레이를 개략적으로 보여주고, 여기서 제2 풍력 터빈은 제1 풍력 터빈의 웨이크의 다운스트림에 배치된다.
- 도 4는 풍력 터빈을 제어하는 방법의 실시예에 포함된 상이한 단계를 포함하는 흐름도를 도시한다.
- 도 5는 서로 다른 스트로우홀 수를 기반으로 제어되는 터빈 뒤의 서로 다른 거리에서의 평균 웨이크 속도를 나타내는 그래프를 보여준다. 그리디 제어(greedy control)가 적용될 때 각 장소에서 웨이크 속도로 나누어 속도를 정규화한다.
- 도 6a 및 6b는 방법의 각각 두 개의 상이한 실시예로 제어되는 터빈에 대해 하나의 여기 기간(T) 동안 상이한 시간 인스턴스에서의 웨이크의 장소를 개략적으로 도시한다.
도 7은 그리디 제어 접근법(greedy control approach)을 사용하여 제어되는 터빈에 의해 생성된 웨이크와 본 개시에 따른 풍력 터빈을 제어하는 방법의 실시예를 사용하여 제어되는 터빈에 의해 생성된 웨이크의 차이를 도시한다.
도 1a는 일반적인 3 블레이드 수평축 풍력 터빈( three bladed horizontal axis wind turbine)(1)의 레이아웃을 개략적으로 보여준다. 풍력 터빈은 기초(foundation)(3)의 상부에 위치하는 타워(tower)(2)를 포함한다. 이러한 풍력 터빈은 땅(land)(예를 들어, 육상(onshore)) 및 바다(sea)(예를 들어, 해상(offshore))에 배치될 수 있다. 후자의 경우, 기초(3)는 전형적으로 해상 기초(offshore foundation)가 될 것이며, 예를 들어 모노파일(monopiles), 삼각대(tripod), 재킷(jacket) 또는 대안적으로 부유 기초(floating foundation)와 같은 해저(seabed)에 설치된 해저 고정 구조물(seabed-fixed structure)이며, 부력 몸체(buoyant body)는 해저에 고정되어 제자리에 유지된다. 육상 터빈의 경우, 이러한 기초(3)는 전형적으로 풍력 터빈(1)을 지면에 고정시키기 위해 무거운 콘크리트 몸체를 포함하는 소위 중력 기초(gravity foundation)이다.
로터(rotor)(5)에 결합된 나셀(nacelle)(4)이 타워(tower)(2)의 상부에 배치된다. 로터(5)는 3개의 블레이드(blade)(51, 52, 53)를 포함하지만, 임의의 양의 블레이드가 가능하며, 예를 들어 하나, 2개 또는 4개의 블레이드가 또한 적용될 수 있다. 블레이드(51, 52, 53)는 허브(hub)(54)에 고정된다. 타워(2)와 실질적으로 평행하거나 일치하고 접지면에 실질적으로 수직인 수직 축(I)을 중심으로 한 나셀(4)의 회전은 요 회전(yaw rotation)이라고 한다. 요 각도( yaw angle)는 풍향에 따라 정의될 수 있으며, 이 경우 0이 아닌 요 각도는 로터 축 II의 방향과 풍향 W 사이에 오정렬이 있음을 의미한다. 로터(5)는 로터 축 II를 중심으로 회전하도록 배치되며, 이 회전을 종종 방위각 회전(azimuth rotation)이라고 한다. 블레이드(51, 52, 53)는 또한 각각의 종방향 축 III을 중심으로 회전하도록 배치되며, 이 회전은 피치 회전(pitch rotation)으로 지칭되고 단면의 중심축 V과 로터(5)의 회전 평면(IV)에 대한 블레이드 (51, 52, 53) 사이의 각도를 피치 각도로 지칭한다. 도 1b는 로터 평면 IV에 대해 피치 각도 θ1로 피치되는 제1 블레이드(51) 단면의 중심 축 V를 보여준다.
도 2는 풍력 터빈(1)의 나셀(4) 및 로터(5)를 개략적으로 도시하며, 여기서 다른 구성 요소들은 나셀(4)에 배치된다. 나셀(4)은 전기 에너지를 발생시키기 위한 발전기(generator)(61), 고속 샤프트(high-speed shaft)(63)와 저속 샤프트(low speed shaft)(64) 사이에 배치된 기어박스(gearbox)(62)를 포함할 수 있는 구동 트레인(drive train)(6)을 수용하고, 저속 샤프트(64)는 로터(5)에 연결되고, 고속 샤프트(63)는기어박스(62)를 발전기(generator)(61)에 연결한다. 소위 직접 구동 풍력 터빈에서 로터는 일반적으로 메인 샤프트 또는 저속 샤프트를 통해 발전기에 직접 연결된다. 이러한 유형의 풍력 터빈에서, 기어 박스(62) 및 고속 샤프트(63)는 필요하지 않다.
더욱이, 나셀(4)은 통상적으로 타워(2), 특히 수직축(I) 주위로, 나셀(4)을 요잉(yawing)하기 위한 요 메커니즘(yaw mechanism)(7)을 또한 포함한다. 요 메커니즘(7)은 나셀(4)의 베이스에 부착된 다수의 요 모터(71)를 포함할 수 있고 내측 상의 톱니를 갖는 기어 림(gear rim)(72)과 맞물릴 수 있는 출력 구동 피니언(output drive pinion)을 향한 회전 속도를 감소시키기 위한 기어링(gearing)을 포함하고, 기어 림(72)은 차례로 타워(2)의 상부에 연결된다. 또한, 피치 메커니즘(pitch mechanism)(8)은 허브(54) 내에(적어도 부분적으로) 포함되고, 피치 메커니즘(8)은 블레이드(51, 52, 53)를 피칭하기 위해 배치된다. 터빈(1)의 현재 실시예에서, 피치 메커니즘(8)은 각각의 블레이드(51, 52, 53)의 블레이드 루트 섹션(blade root section)(55, 56, 57)의 단부를 구동하도록 배치되는 3개의 피치 드라이브(pitch drive)(81, 82, 83)를 포함한다. 피치 드라이브(81, 82, 83)는 각각의 블레이드(51, 52, 53)의 피치 회전을 개별적으로 구동하도록 배치되어, 블레이드(51, 52, 53)는 모두 임의의 주어진 시간에 서로 다른 피치 각도를 가질 수 있다. 이러한 피치 메커니즘(8)은 개별 피치 메커니즘으로도 지칭되며, 터빈에서의 피로 하중을 최소화하기 위한 개별 피치 메커니즘을 제어하는 것을 개별 피치 제어(Individual Pitch Control)(IPC)라고 한다.
도 3은 두 개의 풍력 터빈의 어레이를 개략적으로 도시하며, 풍향(W)은 제2 풍력 터빈(102)이 제1 풍력 터빈(101)의 웨이크로 다운스트림에 위치되도록 한다. 웨이크는 점선(103, 104) 사이에 표시된 바와 같이 난류가 증가함에 따라 감소(평균) 풍속의 영역으로 간주될 수 있다. 풍력 터빈(101)에 의해 야기된 웨이크는 주변(영향을 받지 않는) 풍장과 천천히 혼합될 것이며, 이러한 혼합으로 인해 웨이크 효과는 터빈으로부터의 거리가 증가함에 따라 감소될 것이다. 터빈(101, 102)은 전형적으로 로터 직경의 3 내지 10배(3D 내지 10D)의 상호 거리(mutual distance)(d)에 배치되며, 여기서 로터 직경의 10배의 상호 거리는, 거리의 3배에 불과한 상호 거리보다, 전력 출력 감소 및 진동 감소와 같은 웨이크 효과 감소 및 이에 따라 다양한 풍력 터빈 구성요소에 대한 유도 피로 하중 감소를 분명히 유도한다. 그럼에도 불구하고 이미 위에서 설명한 바와 같이, 풍력 발전 단지는 일반적으로 제한된 공간 내에서 개발되어야하므로 상호 거리가 길수록 전체 농장의 전력 출력이 감소하여 생성된 에너지 비용이 높아질 수 있다. 따라서, 웨이크 믹싱을 증가시킬 수 있고, 웨이크의 길이 및/또는 강도를 감소시켜, 터빈이 더 작은 거리에 배치될 수 있는 동시에, 더 적은 유도 피로 부하로 더 높은 전력 출력을 여전히 제공할 수 있는 것이 유익하다.
도 4는 풍력 터빈을 제어하기 위한 제어 방법의 실시예의 단계의 블록 차트 또는 흐름도(200)를 도시한다. 단계 201에서 주기적 틸트 및 요 함수(2011, 2012)가 정의되고, 주기적 틸트 및 요 함수(2011, 2012)는 공통의 미리 정의된 주파수 f를 갖는 정현파 함수로 정의되고, 주기적 틸트 및 요 함수(2011, 2012)는 바람직하게는 90° 또는 270°의 특정 위상 오프셋을 가진다. 따라서, 헬릭스(Helix) IPC라고 불리는, 이 특정 실시예에서 틸트 및 요 자유도(degrees-of-freedom)는 모두 여기되지만, 위상 오프셋은 π/2 rad(90°)이다. 이로 인해 로터 디스크(비-회전 프레임에서 볼 수 있음)에서 시간이 지남에 따라 회전하여 T = 1/f 초마다 한 번의 회전을 완료하고, 도 7에서 볼 수 있듯이 헬릭스형(helix-shaped) 웨이크(92)가 발생한다.
주기적 틸트 및 요 함수(2011, 2012)의 미리 결정된 주파수 f는 스트로우홀 수라고 하는 무 차원 수에 기초하여 유입 풍속(inflow wind speed) U ∞ 및 터빈 로터 직경(turbine rotor diameter) D에 대해 결정할 수 있다:
Figure pct00003
최적의 스트로우홀 수는 바람직하게는 0.05 내지 1.0 사이, 보다 바람직하게는 0.15 내지 0.55 사이, 더욱 바람직하게는 0.2 내지 0.3 사이, 가장 바람직하게는 약 0.25이다. 이 최적에 대한 추정(estimation)은 층류 조건의 다양한 주파수에 대해 시뮬레이션 프로그램인 풍력 발전 단지 응용 시뮬레이터(Simulator fOr Wind Farm Application)(SOWFA)에서 그리드 검색을 수행하여 얻어졌다. 여기 터빈 뒤의 서로 다른 거리에서의 결과 평균 웨이크 속도는 도 5에 나와 있으며, 이는 서로 다른 주파수로 여기된 터빈 뒤의 다른 거리에서의 평균 웨이크 속도를 나타내는 그래프를 보여준다. 그리디 제어(greedy control)가 적용될 때 각 장소에서 웨이크 속도로 나누어 속도를 정규화한다. 도 5는 거리가 로터 직경 D(3D, 5D 및 7D)의 수로 주어지는 로터로부터 여러 다른 거리에 대해 피크가 약 St = 0.25임을 보여준다. 스트로우홀 수는 여기 주파수를 결정하기 위해 이러한 결과를 기반으로 선택할 수 있다. 또한, (바람직하게는) 정현파 피치 변동의 피치 진폭 β가 너무 크면 터빈 상의 부하가 증가하게 되므로, 피치 진폭은 바람직하게는 15° 이하, 더 바람직하게는 10° 이하, 더욱 바람직하게는 5° 이하, 가장 바람직하게는 2°와 4°사이이다.
역 다중 블레이드 조정(inverse multiblade coordinate)(MBC) 변환 단계(203)는 각각의 블레이드(51, 52, 53)의 피치 각도 θ1, θ2, θ3 의 주기적 변화를 얻기 위해 적용된다. MBC 변환은: 회전하지 않는 레퍼런스 프레임에서 블레이드 하중을 분리하거나 다르게 설명하고 풍력 터빈의 피로 하중을 낮추는 것을 목표로 하는 예를 들어, 개별 피치 제어 접근 방식에서 사용되는 변환이다. 로터 속도에 의존하는 회전당 n회(n P) 부하 고조파(load harmonic)는 정상 상태 기여로 전달되어 제어기 설계를 단순화한다. 변환을 수행하는 방정식이 요약된다. 측정된 평면 외 블레이드 루트 굽힘 모멘트(blade root bending moment) M(t) ∈ R B 는 순방향 변환(forward transformation)에 공급되어, 회전 블레이드 모멘트를 비-회전 레퍼런스 프레임으로 변환한다(예를 들어, 단계 207에도 표시됨):
Figure pct00004
Figure pct00005
여기서 n ⊂ Z + 는 고조파 수(harmonic number)이고, B ∈ Z + 는 블레이드의 총 양이고, Ψb ⊂ R은 블레이드 b ⊂ Z + 의 방위각이고, 여기서 Ψ = 0°는 수직 직립 위치를 나타낸다. 집합 모드(collective mode) M 0 은 누적된 평면외 로터 모멘트를 나타내고, M t 및 M y 는 각각 고정 프레임 및 방위각에 독립적인 틸트(tilt-) 및 요 모멘트(yaw-moment)(2071, 2072)를 나타낸다. 후자의 두 구성요소는 일반적으로 피로 하중 감소의 목적으로 사용된다.
역 MBC 변환을 비-회전 신호(단계 201)에 적용함으로써, 이는 회전(즉, 블레이드) 프레임에서 구현 가능한 개별 피치 기여를 산출한다.
Figure pct00006
와
Figure pct00007
여기서 θ0,n, θt,n 및 θy,n은 각각 고정 프레임 집합, 틸트 및 요 피치 신호이고, Ψo,n은 각 고조파에 대한 방위각 오프셋이다.
예를 들어 피치 드라이브(81, 82, 83)를 사용하여 로터 블레이드의 피치를 개별적으로 구동할 수 있는 가능성은 이제 웨이크 복구(wake recovery) 효과를 증가시키기 위해, 즉 웨이크 믹싱을 증가시키기 위해 사용된다. 블레이드를 개별적으로 피칭함으로써, 터빈의 추력 힘과 그에 따른 전력 생산은 그리디 최적(greedy optimum)에 가깝게 제어될 수 있다(단계 205).
제안된 제어 전략은 예를 들어 미국에서 개발한 고충실도 시뮬레이션 환경인 SOWFA(풍력 발전 단지 응용 분야 시뮬레이터)에서 평가된다. 국립 재생 에너지 연구소(National Renewable Energy Laboratory)(NREL). SOWFA는 난류 대기(turbulent atmosphere)의 유체역학 및 코리올리 힘(Coriolis force) 및 부력 효과(Buoyancy effect)를 설명하는 하나 또는 여러 개의 풍력 터빈과의 상호 작용에 대한 대형 와류 솔버(large-eddy solver)이다. 터빈은 액추에이터 디스크 또는 액추에이터 라인으로 모델링된다. 이 작업에서 SOWFA는 각 블레이드에 대해 서로 다른 피치 설정점을 지정할 수 있도록 조정되었다. 이 연구의 시뮬레이션은 소위 전구체 시뮬레이션을 통해 유입이 생성된 중립 대기 경계층(neutral atmospheric boundary layer)(ABL)이다. 시뮬레이션 설정의 여러 속성이 아래에 나열되어 있다.
SOWFA의 수치 시뮬레이션 체계:
터빈: NREL 5MW 레퍼런스 터빈
로터 직경: 126.4 미터
도메인 크기: 3 kmХ 3 kmХ 1 km
셀 크기(외부 영역): 10 미터Х 10 미터Х 10 미터
셀 크기(로터 근처): 1.25 미터Х 1.25 미터Х 1.25 미터
ABL 안정성: 중립
유입 풍속: 8.0 m/s
유입 난류 강도: 5.9%
본 개시에 따른 제어 방법의 기준 사례로서, 소위 그리디 제어 전략이 사용될 것이다. 이 접근법은 풍력 터빈 간의 상호 작용이 무시되므로 모든 터빈이 개별 최적에서 작동한다는 것을 나타낸다. 이는 로터가 바람에 수직으로 요잉(yawed) 되어 있으며, 정격 이하의 바람 조건에서는 풍력으로부터 최적의 전력 추출이 달성되도록 피치 각도와 발전기 토크가 제어된다는 것을 의미한다. 이 사례는 풍력 발전 단지에서 여전히 일반적으로 구현되는 전략이기 때문에 좋은 기준선(baseline) 역할을한다. 이 전략을 사용하면 업스트림 터빈의 전력 생산이 최적이지만 웨이크 부족이 상대적으로 높아 다운스트림 기계의 성능이 저하된다.
본 개시의 실시예에 따른 제어 방법에서, 피치 각도 θ1, θ2, θ3 의 주기적 변화에 따라 블레이드를 개별적으로 피칭하는 단계는 블레이드의 유도 인자와 그에 따라 터빈의 요 어택 각을 개별적으로 변화시킴으로써 웨이크 믹싱을 자극하는 데 사용된다. 제어 방법은 위에서 설명한 대로 MBC 변환을 적용함으로써, 단계 207에서 볼 수 있듯이, 로터에 요 및 틸트 모멘트를 부과할 수 있다. 이러한 요 모멘트(207)와 틸트 모멘트(207)는 이후에, 전력 및 웨이크 속도의 사소한 변화를 갖는, 강제 웨이크 믹싱으로 이어질 수 있다. 이는 풍력 터빈의 집합 블레이드 피치 각도에 피치 각도 θ1, θ2, θ3(단계 204)의 주기적 변화를 겹치게함으로써 달성된다.
이러한 투영된 부하 신호는 먼저 위에서 설명한 MBC 변환을 사용하여 구현된 피치 각도를 얻음으로써 회전 프레임으로 변환된다. 요 신호의 위상 지연이 90°인 동일한 정현파 틸트 및 요 신호의 경우 일반적인 삼각법 공식에 따라 주파수가 다른 정현파 피치 신호 β가 생성된다:
Figure pct00008
Ψb 는 블레이드 번호 b의 방위각 위치, fh는 새로운 헬릭스 여기 주파수, φb는 블레이드 b의 위상 오프셋이다. 따라서 fh = f+fr 이고, 여기서 fr은 로터의 회전 주파수로 결정될 수 있다. NREL 5MW 레퍼런스 터빈의 경우 U∞ = 8m/s에서의 로터 속도는 fr
Figure pct00009
9.5rpm
Figure pct00010
?? 0.158Hz와 동일하다. 따라서, 헬릭스 IPC라고 하는 실시예의 피치 주파수 fh는 블레이드의 회전 주파수보다 약간 높다; St=0.25, fh
Figure pct00011
0.174Hz에 대해.
대안적인 실시예는 예를 들어, 주기적 틸트 함수(2011)가 제로(요 IPC)로 설정되거나, 대신에 주기적 요 함수(2012)가 제로(틸트 IPC)로 설정되는 경우에 발견된다. 이 경우 역 MBC(단계 203) 및 공통 삼각법 공식은 피치 각도 θ1, θ2, θ3의 주기적 변화를 초래하고, 그런 다음 주기적 변동은 두 개의 정현파 신호, 즉 제1 주파수 fh = f+fr을 갖는 제1 정현파 신호와 제2 주파수 fh = fr - f를 갖는 제2 정현파 신호의 중첩이 된다.
피치 각도 θ1, θ2, θ3의 주기적 변화를 적용하는 효과는 각각의 블레이드(51, 52, 53)에 적용되고, 예를 들어 도 6a 및 도 6b에 개략적으로 도시된다. 도 6a에서 틸트 IPC라는 실시 예에 대해 한 기간 T = 1/f 동안 서로 다른 시간 인스턴스에서 웨이크(9)의 장소(즉, 웨이크의 단면에서 볼 수있는 웨이크 중심의 장소)의 개략적 표현이 도시된다. 틸트 IPC 실시예에서, 주기적 요 함수(2012)는 0으로 설정되고, 미리 결정된 주파수 f를 갖는 정현파 틸트 함수가 개별 블레이드의 피치 각도가 변동되는 미리 결정된 주기적 함수를 결정하기 위해 사용된다. 웨이크(9)의 장소는 로터 평면(IV)에 수직으로 보이는 바와 같이 로터(5)에 대한 상부 및 하부 위치 사이에서 기간(T = 1/f)의 경과에 걸쳐 동적으로 변화한다.
도 6b에서, 헬릭스 IPC로 인한 웨이크(9)의 장소의 변화 결과가 나와 있다. 한 기간 T = 1/f 동안 다른 시간 인스턴스에서 로터에 대한 웨이크(9)의 장소(즉, 웨이크의 단면에서 볼 수 있는 웨이크 중심의 장소)이다. 웨이크(9)의 장소는 로터 평면 IV에 수직으로 보이는 것처럼 동적으로 변화한다. 웨이크(9)는 t = 0에서 로터(5)에 대한 상단 위치에서, t = T/4에서 가장 오른쪽 위치로, t = T/2에서 가장 낮은 위치로, t = 3T/4에서 가장 왼쪽 위치로, t = T에서 위쪽 위치로 돌아가고, 따라서 기간 T 동안 라운드를 완료하며, 여기서 T = 1/ f이다.. 도 7에 표시되고 아래에 설명된 바와 같이 헬릭스 IPC 실시 예는 로터 축 주위에 나선형 모양의 웨이크를 유발하여 그 이름을 얻는다. 이러한 시뮬레이션은(동일한) 틸트 및 요 신호 사이에서 90°의 위상 오프셋으로 수행되었으므로, 로터 축에 평행한 상향풍 방향(upwind direction)에서 볼 수 있듯이 로터 축 주위의 헬릭스의 시계 방향(CW) 스크류 모션이 발생한다. 틸트와 요 신호 사이의 위상 오프셋이 270°의 경우 로터 축 주위의 스크류의 시계 반대 방향(CCW) 헬릭스 모션이 얻어진다.
더욱이, 웨이크는 다른 장소에서 생성될 뿐만 아니라, 웨이크는 추가적으로 또는 대안적으로 다른 방향으로 조준될 수 있다.
터빈의 전력 생산에 대한 헬릭스, 틸트 및 요 IPC 실시예들의 영향뿐만 아니라 SOWFA 솔버에서의 결과적인 웨이크 적자(1000s) 시뮬레이션이 실행되었다. 이러한 시뮬레이션의 결과는 아래 표에 나와 있다:
Figure pct00012
표는 제어 방법의 시계 방향 및 반 시계 방향 헬릭스 IPC, 틸트 IPC 및 요 IPC 실시예에 대한 SOWFA에서의 시뮬레이션 결과를 보여주고, 시계 방향(CW) 및 반 시계 방향(CCW) 헬릭스 IPC 실시예는 2,5° 및 4°의 피치 진폭
Figure pct00013
로 평가되었다. 결과는 전력 생산, 출력 및 추력의 변화, 웨이크 복구 측면에서 제공된다. 그리디 제어의 기준 사례와 관련하여 모든 결과가 표시된다.
새로운 제어 방법은 시험된 실시예들에 대해 단지 5.3% 의 기준선에 비해 최대 전력 손실을 초래한다. 반면에 웨이크의 에너지 양은 최대 26% 까지 증가한다. 새로운 제어 방법은 또한 테스트된 모든 실시예에 대한 전력의 변동을 감소시키는데, 이는 보다 일정한 전력 생산이 얻어진다는 것을 의미하며, 이는 그리드 안정성에 유리하다. 또한, 출력의 변화 및 추력 힘의 변화도 감소되어 풍력 발전 단지 설비에서 이점이 있을 뿐만 아니라 보다 안정적인 출력(즉, 변동이 적음)을 제공하고 추력 힘으로 인한 피로 하중을 줄이는 것을 목표로 하는 개별 터빈에도 이점이 있음을 보여준다(즉, 추력 힘의 변동이 적음).
도 7은 왼쪽에 그리디 제어의 기준 사례를 제어하는 3 개의 블레이드(51, 52, 53)를 포함하는 로터(5)를 포함하는 풍력 터빈(1)을 보여준다. 터빈(1)의 다운스트림에서, 웨이크(91)가 도시되고, 여기서 회색 섹션은 주변 공기에 대한 감소된 풍속을 의미한다. 그레이 톤이 어두울수록 감소율이 커진다. 따라서, 웨이크(91)는 로터 직경(10D)의 10 배 거리에서도 혼합 흔적이 거의 없음을 알 수 있다. 또한 로터 평면 IV에 대해 미러링 되는 추력 힘(54)이 도시된다. 시간이 지남에 따라 추력 힘(54)의 배향은 실질적으로 정지 상태로 유지된다(즉, 시간이 지남에 따라 방향의 변화가 거의 없음을 나타냄). 결과 헬릭스형의 웨이크를 명확하게 보여주기 위해 도 7을 얻기위한 시뮬레이션은 균일한 유입을 기반으로 수행되었다.
도 7의 오른쪽 부분은 제어 방법의 헬릭스 IPC 실시 예를 사용하여 제어되는 동일한 터빈(1)을 보여 주며 터빈 뒤에서(회전하는) 헬릭스형 웨이크(92)를 발생시킨다. 이 헬릭스형 웨이크(92)로 인해, 주변 공기와의 웨이크 믹싱이 증가되고, 이에 따라 웨이크는 훨씬 더 빠르게 용해된다. 이미 약 5D의 거리에서 웨이크 효과가 크게 감소한다. 이에 따라, 본 개시내용에 따른 제어 방법으로 제어되는 풍력 터빈은 보다 전통적으로 제어되는 풍력 터빈과 비교하여 서로 더 가깝게 배치될 수 있으며, 이에 따라 풍력 발전 단지의 잠재적 전력 생산량을 증가시킬 수 있다. 또한 로터 평면 IV에 대해 미러링되는 추력 힘(55)이 도시된다. 헬릭스 IPC 실시예를 사용하여, 추력 힘(55)은 실제로, 추력 힘(54)과 비교될 때 유입되는 바람에 대해 약간의 배향 변화를 나타낸다. 추력 힘(55)의 배향은 작동 중에, 웨이크(92)의 초기 섹션(즉, 원점)(93)의 사이클링과 동일한 속도로 로터를 따라 변화하고 실제로 순환하는 것을 볼 수 있다. 이것은 블레이드가 제1 피치 각도에 있는 로터 평면에서 블레이드의 회전 위치가 회전에서 회전으로 변위되도록 미리 정의된 주기적 함수가 정의된다는 사실에 관한 것이다.
본원에 정의된 바와 같이, 풍력 터빈의 다운스트림에 형성된 웨이크의 장소를 동적으로 변동하는 것에 대한 레퍼런스가 이루어질 때, 도 6a 및 6b에 도시된 바와 같이, 웨이크의 중심의 장소(즉, 위치)(즉, 단면에서 웨이크의 기하학적 중심)는 로터 축의 방향(즉, 터빈의 라인 II ub 도 1a)은 실제로 동적으로 변할 수 있다. 또한, 풍력 터빈의 다운스트림에 형성된 웨이크의 방향을 동적으로 변화하는 것에 대한 레퍼런스가 이루어질 때, 터빈으로부터 웨이크가 조향되는 방향은 동적으로 변화할 수 있다.
본 개시는 도시된 실시예에 한정되는 것이 아니라, 첨부된 청구의 범위 내에 속하는 다른 실시예들로도 확장된다.

Claims (19)

  1. 적어도 제1 블레이드를 포함하는 로터를 포함하는 풍력 터빈을 제어하는 방법에 있어서,
    상기 방법은 상기 제1 블레이드가 회전하는 동안 제1 피치 각도와 제2 피치 각도 사이에서 시간에 따라 상기 제1 블레이드의 피치 각도를 동적으로 변화시킴으로써 상기 제1 블레이드의 유도 인자를 시간에 따라 변동시키는 단계를 포함하고, 상기 제1 피치 각도는 상기 제2 피치 각도와 상이하고, 상기 제1 블레이드가 상기 제1 피치 각도에 있는 상기 제1 블레이드의 각각의 회전 위치 및 상기 제1 블레이드가 상기 제2 피치 각도에 있는 상기 제1 블레이드의 각각의 회전 위치는 시간적으로 변위되고, 상기 블레이드의 변동 유도 인자는 시간에 따라 로터 평면의 다른 각도 위치에서 발생하도록, 시간에 따른 상기 피치 각도의 동적 변화가 제어되어, 풍력 터빈의 다운스트림에 형성된 웨이크의 장소 및/또는 방향이 풍력 터빈의 로터에 대해 동적으로 변화하도록 하는
    방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 방법은 상기 제1 블레이드의 피치 각도를 동적으로 변화시키기 위해 상기 풍력 터빈의 제1 블레이드 피치 각도 상에 상기 피치 각도의 주기적 변화를 겹치게함으로써 강제 웨이크 믹싱을 얻기 위해 상기 로터 상에 요 및 틸트 모멘트를 부과하는 단계를 포함하는
    방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    시간에 따라 상기 제1 블레이드의 유도 인자를 변동시키는 단계는 미리 정의된 주기적 함수에 따라 상기 제1 블레이드의 피치 각도를 동적으로 변화시키는 단계를 포함하고, 상기 미리 정의된 주기적 함수는 상기 블레이드가 상기 제1 피치 각도 및 제2 피치 각도에 있는 제1 블레이드의 각각의 회전 위치가 시간 내에 변위되도록 정의되는
    방법.
  4. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서,
    시간에 따른 상기 제1 블레이드의 피치 각도의 동적 변화는, 상기 제1 블레이드가 상기 제1 피치 각도에 있는 로터 평면의 상기 제1 블레이드의 회전 위치가 회전에서 회전으로 변위되어, 추력 힘의 배향의 주기적 변화가, 상기 힘 자체의 크기를 크게 바꾸지 않고, 전체 로터에 의해 경험되도록 하는
    방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 로터는 제2 블레이드를 포함하고, 방법은 제1 피치 각도와 제2 피치 각도 사이의 상기 제2 블레이드의 피치 각도를 동적으로 변화시킴으로써 시간에 따라 상기 제2 블레이드의 유도 인자를 변동시키는 단계를 포함하고,
    상기 제1 블레이드가 상기 제1 피치 각도에 있는 시간은 상기 제2 블레이드가 상기 제1 피치 각도에 있는 시간과 상이한
    방법.
  6. 제3항, 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 로터는 제2 블레이드를 포함하고,
    상기 방법은 상기 미리 정의된 주기적 함수에 따라 상기 제2 블레이드의 피치 각도를 동적으로 변화시킴으로써 시간에 따라 상기 제2 블레이드의 유도 인자를 변동시키는 단계를 포함하고, 상기 제2 블레이드의 피치 각도의 동적 변화는 상기 피치 각도 제1 블레이드의 동적 변화에 따른 위상 오프셋에 의해 상이한
    방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 위상 오프셋은 상기 로터 평면에서 상기 제1 및 제2 블레이드 사이의 교차각과 실질적으로 동일한
    방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    시간에 따른 상기 피치 각도의 동적 변화는 비-회전 레퍼런스 프레임에 정의된 시간-가변 요 함수 또는 비-회전 레퍼런스 프레임 또는 시간-가변 요 및 틸트 함수의 조합에 정의된 시간-가변 틸트 함수 상에서 역 다중 블레이드 조정(MBC) 변환을 수행함으로써 얻어지는
    방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 시간-가변 요 함수는 주기적 요 함수이고 및/또는 상기 시간-가변 틸트 함수는 주기적 틸트 함수이고, 상기 역 다중 블레이드 조정(MBC) 변환을 수행함으로써, 미리 정의된 주기적 함수가 얻어지고, 시간에 따른 상기 피치 각도를 동적으로 변화시키는 단계는 상기 미리 정의된 주기적 함수에 따라 상기 피치 각도를 동적으로 변화시키는 단계인
    방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 주기적 틸트 함수 및/또는 주기적 요 함수는 미리 결정된 주파수를 갖는 정현파 함수인
    방법.
  11. 제3항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미리 정의된 주기적 함수는 제1 주파수를 갖는 제1 정현파 함수를 포함하고, 상기 제1 주파수는 상기 로터의 회전 주파수 또는 그 배수와 상이한
    방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 미리 정의된 주기적 함수는 상기 제1 정현파 함수 및 제2 주파수를 갖는 제2 정현파 함수의 중첩을 포함하고, 상기 제1 및 제2 주파수는 상이한
    방법.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 제1 주파수의 값 또는 상기 제2 주파수의 값은 상기 미리 결정된 주파수에 따라 증가하거나 감소된 로터의 회전 주파수와 실질적으로 동일하고, 상기 미리 결정된 주파수는 상기 회전 주파수보다 작은 0이 아닌 주파수인
    방법.
  14. 제10항 또는 제13항에 있어서,
    상기 미리 결정된 주파수는 적어도 상기 로터의 직경, 상기 로터의 회전 속도 및/또는 상기 풍력 터빈의 업스트림에서 결정되는 유입 풍속에 의존하여 결정되는
    방법.
  15. 제10항, 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 미리 결정된 주파수는 적어도 스트로우홀 수에 의존하여 결정되고, 상기 스트로우홀 수는 바람직하게는 0.05 내지 1.0 사이, 보다 바람직하게는 0.15와 0.6 사이, 그리고 훨씬 더 바람직하게는 0.2 내지 0.3 사이, 가장 바람직하게는 약 0.25인
    방법.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 피치 각도 사이의 차이는 30° 이하, 바람직하게는 20° 이하, 더 바람직하게는 10° 이하, 가장 바람직하게는 2°와 8°사이인
    방법.
  17. 적어도 제1 블레이드를 포함하는 로터를 포함하는 풍력 터빈을 제어하도록 배치되는 풍력 터빈 제어기에 있어서,
    상기 제어기는 상기 제1 블레이드가 회전하는 동안 제1 피치 각도와 제2 피치 각도 사이에서 시간에 따라 상기 제1 블레이드의 피치 각도를 동적으로 변화시킴으로써 상기 제1 블레이드의 유도 인자를 시간에 따라 변동시키는 단계를 포함하고, 상기 제1 피치 각도는 상기 제2 피치 각도와 상이하고, 시간에 따른 상기 피치 각도의 동적 변화는 상기 블레이드가 상기 제1 피치 각도 및 제2 피치 각도에 있는 제1 블레이드의 각각의 회전 위치가 시간상 변위되어, 상기 풍력 터빈의 다운스트림에 형성된 웨이크의 장소 및/또는 방향이 상기 풍력 터빈의 로터에 대해 동적으로 변화하는
    장치.
  18. 적어도 제1 블레이드를 포함하는 로터를 포함하는 풍력 터빈에 있어서,
    제17항에 따른 풍력 터빈 제어기를 추가로 포함하는
    장치.
  19. 적어도 두 개의 풍력 터빈의 어레이에 있어서,
    주어진 풍향에 대해, 제2 풍력 터빈은 제1 풍력 터빈의 웨이크에 적어도 부분적으로 다운스트림에 배치되고, 상기 제1 및 제2 풍력 터빈은 적어도 제1 블레이드를 포함하는 로터를 포함하고, 적어도 상기 제1 풍력 터빈은 제17항 또는 제18항에 따른 풍력 터빈 제어기를 포함하는
    장치.
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