KR20220100526A - 바람 난류의 능동 감지를 사용하는 풍력 터빈의 추력 제어 - Google Patents

바람 난류의 능동 감지를 사용하는 풍력 터빈의 추력 제어 Download PDF

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수 푸
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제너럴 일렉트릭 레노바블레스 에스빠냐 에스.엘.유.
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Abstract

풍력 터빈 및 방법은 현장에 위치되고 복수의 블레이드들을 갖는 로터를 구비하는 풍력 터빈에 대한 복수의 추력 한계들을 규정하기 위해 제공되고, 추력 한계들은 작동시 초과되지 않도록 로터 상에 공기역학적 추력의 값들을 규정한다. 본 방법은 현장을 대표하는 풍속 분포를 제공하는 단계, 및 난류 매개변수를 풍속의 함수로서 나타내는 일정한 난류 확률의 하나 이상의 등치선(isoline)들을 규정하는 단계를 포함한다. 등치선들은 풍속 분포의 난류의 분위수 수준들에 대응하고, 난류 매개변수는 풍속 변동을 나타낸다. 난류 매개변수는 능동 감지 시스템에 의해 로터의 상류에서 풍속을 실질적으로 지속적으로 측정하고 측정된 풍속으로부터 풍속 변동들을 계산함으로써 결정된다. 난류 범위들은 등치선들에 의해 규정되고, 추력 한계들은 난류 범위들에 대해 규정된다.

Description

바람 난류의 능동 감지를 사용하는 풍력 터빈의 추력 제어{THRUST CONTROL FOR WIND TURBINES USING ACTIVE SENSING OF WIND TURBULENCE}
본 발명은 풍력 터빈 로터에 대한 동적 추력 제어에 관한 것으로, 여기서 바람 난류는 도플러 라이다 시스템(Doppler lidar system)과 같은 능동 감지 시스템으로 직접 측정되고, 제어 프로세스에서 입력으로 사용된다.
현대의 풍력 터빈은 일반적으로 전기를 배전망에 공급하는 데 사용된다. 이러한 종류의 풍력 터빈은 대체적으로 타워 및 타워에 배치된 로터를 포함한다. 전형적으로 허브 및 복수의 블레이드를 포함하는 로터는 블레이드에 대한 바람의 영향 하에서 회전하게 된다. 상기 회전은 토크를 생성하고, 토크는 정상적으로 로터 샤프트를 통해 직접("직접 구동") 또는 기어박스를 사용하여 발전기로 전달된다. 이러한 방식으로, 발전기는 배전망에 공급될 수 있는 전기를 생산한다.
변속 풍력 터빈은 전형적으로 발전기 토크 및 블레이드의 피치 각도를 변화시킴으로써 제어될 수 있다. 그 결과, 공기역학적 토크, 로터 속도 및 전력이 변할 것이다.
변속 풍력 터빈의 일반적인 종래 기술의 제어 전략은 도 3을 참조하여 설명된다. 도 3에서, 전형적인 변속 풍력 터빈의 작동은 풍속의 함수로서 피치 각도(β), 생성된 전력(P), 발전기 토크(M) 및 로터(ω)의 회전 속도에 관하여 예시된다.
컷인(cut-in) 풍속에서 제1 풍속(예컨대, 약 5 또는 6 m/s)까지의 제1 작동 범위에서, 로터는 이를 정확하게 제어할 수 있을 만큼의 충분히 높은 실질적으로 일정한 속도로 회전하도록 제어될 수 있다. 컷인 풍속은 예를 들어 약 3 m/s일 수 있다.
제1 풍속(예컨대, 약 5 m/s)에서 제2 풍속(예컨대, 약 8.5 m/s)까지의 제2 작동 범위에서, 목표는 대체적으로 최대 에너지를 포착할 수 있도록 블레이드의 피치 각도를 일정하게 유지하면서 전력 출력을 최대화하는 것이다. 이러한 목표를 달성하기 위해, 발전기 토크 및 로터 속도는 전력 계수 Cp를 최대화하기 위해 팁 속도 비율 λ(우세한 풍속으로 나눈 로터 블레이드의 팁의 접선 속도)를 유지하도록 변화될 수 있다.
전력 출력을 최대화하고 최대 값에서 일정한 Cp를 유지하기 위해, 로터 토크는 다음 방정식: T = k.ω2에 따라 설정될 수 있고, 여기서 k는 상수이며, ω은 발전기의 회전 속도이다. 직접 구동 풍력 터빈에서, 발전기 속도는 로터 속도와 실질적으로 동일하다. 기어박스를 포함하는 풍력 터빈에서, 보통, 로터 속도와 발전기 속도 사이에는 실질적으로 일정한 비율이 존재한다.
명목 로터 회전 속도에 도달하는 것에서 시작하여 명목 전력에 도달할 때까지 연장되는 제3 작동 범위에서, 로터 속도는 일정하게 유지될 수 있으며 발전기 토크는 이러한 효과에 대해 변할 수 있다. 11 m/s 풍속의 관점에서, 이러한 제3 작동 범위는 실질적으로 제2 풍속에서 명목 풍속으로, 예를 들어 약 8.5 m/s에서 약 11 m/s로 연장된다.
명목 풍속(nominal wind speed)에서 컷아웃(cut-out) 풍속으로(예컨대, 약 11 m/s에서 25 m/s로) 연장될 수 있는 제4 작동 범위에서, 블레이드는 로터에 의해 전달되는 공기역학적 토크를 실질적으로 일정하게 유지하도록 회전("피치 조절(pitched)")될 수 있다. 실제로, 피치는 예컨대 로터 속도를 실질적으로 일정하게 유지하게 작동될 수 있다. 컷아웃 풍속에서, 풍력 터빈의 작동이 중단된다.
제1, 제2 및 제3 작동 범위에서, 즉 명목 풍속 미만의 풍속(작동의 하위-명목 구역)에서, 블레이드는 보통 일정한 피치 위치, 소위 "정격 미만 피치 위치(below rated pitch position)"에서 유지된다. 상기 디폴트 피치 위치는 대체적으로 0o 피치 각도에 근접할 수 있다. 그러나 "정격 미만" 조건에서 정확한 피치 각도는 풍력 터빈의 전체 설계에 의존한다.
상술한 작동은 도 3에 도시된 것과 같이, 소위 전력 곡선으로 변환될 수 있다. 이러한 전력 곡선은 풍력 터빈의 이론적 최적의 작동을 반영할 수 있다. 그러나, 명목 풍속 주위의 풍속들의 범위에서, 로터 상의 공기역학적 추력은 도 4에 도시된 바와 같이 높을 수 있다. 이러한 높은 공기역학적 추력은 블레이드 루트에서 높은 굽힘 하중으로 이어진다. 블레이드 루트에서의 높은 하중은 타워에서의 높은 하중으로 이어질 수 있다. 풍력 터빈이 반복적으로 높은 하중을 겪는 경우, 블레이드와 같은 풍력 터빈 구성요소들의 피로 수명이 감소될 수 있다.
이와 관련하여, 작동시 초과되지 않을 수 있는 로터 상의 공기역학적 추력의 최대 수준으로 이해되는, 로터에 대한 추력 한계를 규정하는 것이 알려져 있다. 따라서, 풍력 터빈의 작동은, 필요한 경우, 추력 한계를 초과하는 추력을 피하도록 조정된다. 따라서 작동은 이론적 최적 작동에서 벗어나게 되고, 전기 에너지 출력이 부정적인 영향을 받는다.
일부 현장에서, 특히 해양 용례에서, 블레이드는 때때로, 이러한 추력 한계가 규정된 경우에도, 높은 난류성 바람으로 루트에서 높은 하중과 피로 손상을 겪는 것으로 나타났다.
따라서, 로터의 상류에서 바람 난류를 신뢰할 수 있게 그리고 정확하게 측정하고 이러한 측정치들을 사용하여 이러한 난류를 수용하도록 로터의 추력 한계를 보다 정밀하게 규정하는 것이 유리할 것이다. 본 발명은 이러한 필요성에 대한 해결책을 제공한다.
본 발명의 양태 및 장점은 하기 설명에 부분적으로 명시되거나, 설명에서 명백하거나, 또는 본 발명의 실시를 통해 배울 수 있다.
일 양태에서, 본 개시는 현장에 위치되고 복수의 블레이드를 갖는 로터를 구비하는 풍력 터빈에 대한 복수의 추력 한계를 규정하는 방법에 관한 것으로, 여기서 추력 한계들은 작동시 초과되지 않도록 로터 상에 공기역학적 추력의 값들을 규정한다. 본 방법은 상기 현장을 대표하는 풍속 분포를 제공하는 단계, 및 난류 매개변수를 풍속의 함수로서 나타내는 일정한 난류 확률의 하나 이상의 등치선(isoline)들을 규정하는 단계를 포함하고, 등치선들은 풍속 분포의 난류의 분위수 수준(qnuantile level)들에 대응하고, 난류 매개변수는 풍속 변동을 나타낸다. 난류 매개변수는 능동 감지 시스템에 의해 로터의 상류에서 풍속을 실질적으로 지속적으로 측정하고 측정된 풍속으로부터 풍속 변동들을 계산함으로써 결정된다. 난류 범위들은 등치선들에 대하여 규정된다. 추력 한계들은 난류 범위들의 각각에 대해 규정된다.
본 방법의 일 실시예에서, 능동 감지 시스템은 유입되는 바람 흐름을 샘플링하기 위해 도플러 라이다 시스템을 사용하여 풍력 터빈에 있어서의 바람방향과 반대로 지향되는 다수의 측정 빔들을 생성한다. 예를 들어, 소정의 실시예에서, 고정 측정 빔들 각각은 로터에 대하여 상이한 각도 및 로터로부터의 복수의 상이한 범위에서 풍속을 검출할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 도플러 라이다 시스템은 5개의 고정 측정 빔을 생성하고, 각각의 고정 측정 빔이 로터로부터 10개의 상이한 범위에서 풍속을 검출할 수 있다.
소정의 실시예에서, 풍력 터빈은 나셀(nacelle)을 포함하고, 도플러 라이다 시스템은 나셀 상단 위에 장착된다. 고정 측정 빔들은 중앙 축방향 빔 및 이 중앙 축방향 빔으로부터 멀어지는 각도로 투사되고 원형 둘레에 걸쳐 등간격으로 이격된 복수의 추가 빔을 포함할 수 있다. 예를 들어, 4개의 고정 빔은 원형 둘레에서 90도 간격으로 이격될 수 있다. 다른 실시예에서, 빔은 공간에 고정될 필요가 없지만 스캐닝 구성으로 사용될 수 있다.
본 방법의 실시예에서, 각각의 고정 측정 빔에 대해 복수의 상이한 범위들로부터의 풍속 측정치들이 샘플링된 필드 전체에 걸쳐 유입되는 바람 흐름의 평균 풍속 및 풍속의 표준 편차를 계산하는 데 사용되며, 풍속의 표준 편차는 난류 매개변수에 대응한다. 풍속 측정치 및 표준 편차의 계산은 적어도 4Hz의 속도로 수행될 수 있고, 표준 편차 계산들은 저역 필터에 의해 평활화될 수 있다. 저역 필터를 위한 필터 시간 상수는 조정가능하고, 유입되는 바람 흐름의 전형적인 풍속에 근사하게 하도록 선택될 수 있다.
일 실시예에서, 본 방법은 표준 편차를 풍속 범위 내의 풍속의 선형 함수로서 규정하는 등치선을 포함할 수 있다.
현장에 대한 풍속 분포는 풍력 터빈의 현장에서의 풍력 측정치에 기초할 수 있다.
또한 본 방법은 결정된 난류 매개변수 및 결정된 풍속에 기초하여 추력 한계들 중 하나를 선택하는 단계, 및 로터 상의 추력이 선택된 추력 한계 미만에 있도록 풍력 터빈을 작동시키는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 로터 상의 추력은 선택된 추력 한계와 비교될 수 있고, 추력이 선택된 추력 한계를 초과하는 경우, 본 방법은 공통의 피치 신호를 로터의 블레이드들로 전송하여 블레이드들의 피치를 조절하고 로터 상의 추력을 감소시키는 단계를 포함한다.
본 개시는 또한 복수의 블레이드를 갖는 로터 및 블레이드를 블레이드의 길이방향 축선을 중심으로 회전시키도록 블레이드로 구성된 피치 시스템을 포함하는 풍력 터빈을 포함한다. 풍력 터빈은 풍력 터빈에 장착된 능동 감지 시스템을 포함하고, 예컨대 유입되는 바람 흐름의 풍속을 검출하기 위해 풍력 터빈에 있어서의 바람방향과 반대로 다수의 고정 측정 빔들을 생성하는 도플러 라이다 시스템을 포함한다. 풍력 터빈은 도플러 라이다 시스템과 통신하는 제어 시스템을 포함하고, 제어 시스템은 유입되는 바람의 풍속을 실질적으로 지속적으로 측정하고 측정된 풍속의 풍속 변동에 대응하는 난류 매개변수를 계산하도록 구성된다. 제어 시스템은 또한 난류 매개변수 및 측정된 풍속에 기초로 하는 추력 수준을 선택하도록 구성되며, 추력 수준은 상이한 난류 범위에 대한 복수의 추력 한계로부터 선택되며, 복수의 추력 한계는 풍속의 풍속 분포 및 난류 매개변수의 분위수-기반 회귀분석(quantile-based regression)에 의해 결정된다. 제어 시스템은 로터 상의 공기역학적 추력이 선택된 추력 수준 미만에 있도록 피치 시스템에 신호들을 전송하여 블레이드들의 피치를 공통적으로 조절한다.
특정 실시예에서, 도플러 라이다 시스템은 유입되는 바람 흐름을 샘플링하기 위해 풍력 터빈에 있어서의 바람방향과 반대로 다수의 고정 측정 빔들을 생성하도록 구성되며, 고정 측정 빔들 각각은 로터의 축선에 대하여 상이한 각도 및 로터로부터의 복수의 상이한 범위에서 풍속을 측정한다.
하나의 실시예에서, 도플러 라이다 시스템은 풍력 터빈의 나셀의 상단 위에 장착되고, 고정 측정 빔들은 중앙 축방향 빔 및 복수의 빔들을 포함하고, 이들 복수의 빔들은 상기 중앙 축방향 빔으로부터 멀어지는 각도로 투사되고 원형 둘레에 걸쳐 등간격으로 이격된다.
제어 시스템은 각각의 고정 측정 빔에 대해 복수의 상이한 범위들로부터의 풍속 측정치들을 사용하여 유입되는 바람 흐름의 평균 풍속 및 풍속의 표준 편차를 계산하도록 구성될 수 있고, 풍속의 표준 편차는 난류 매개변수에 대응한다.
제어 시스템은 풍속 측정치 및 표준 편차의 계산을 적어도 4Hz의 속도로 수행할 수 있고, 표준 편차 계산을 저역 필터에 의해 평활화하도록 수행할 수 있다. 제어 시스템은 로터에서 유입되는 바람 흐름의 전형적인 풍속 및 로터로부터의 풍속 측정치들의 평균 범위를 고려하여 저역 필터에 대한 필터 시간 상수를 설정할 수 있고, 예를 들어 10초에서 10 m/s의 전형적인 풍속과 100미터의 이동 거리를 반영하도록 설정할 수 있다.
본 발명은 하기 설명 및 첨부된 청구범위를 참조하여 추가로 지지되고 설명될 것이다. 본 명세서에 통합되고 본 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 발명의 실시예를 예시하고, 설명과 함께, 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.
당업자에게 제공되는, 최선의 모드를 포함하는 본 발명의 완전한 가능한 개시내용은 첨부된 도면을 참조하는 본 명세서에 설명되어 있다.
도 1은 하나의 예에 따른 풍력 터빈의 사시도를 도시한다.
도 2는 하나의 예에 따른 풍력 터빈의 나셀의 단순한 내부 도면을 도시한다.
도 3은 종래 기술에 따른 풍력 터빈의 전력 곡선을 도시한다.
도 4는 풍력 터빈이 이론적 전력 곡선에 따라 작동될 때 공기역학적 추력을 풍속의 함수로서 개략적으로 도시한다.
도 5는 일정한 난류의 등치선을 결정하는 예를 개략적으로 도시한다.
도 6은 풍력 터빈을 작동하는 방법의 예를 개략적으로 도시한다.
도 7 내지 도 9는 상이한 바람 분포들에 대한 동적 추력 수준의 효과를 개략적으로 도시한다.
도 10 및 도 11은 연간 에너지 수율과 블레이드 루트 굽힘 모멘트에 대한 가변적인 추력 수준의 효과를 개략적으로 도시한다.
도 12는 풍력 터빈을 작동하는 방법의 다른 예를 개략적으로 도시한다.
도 13은 나셀 상단 위에 장착된 실시예에 따른 능동 감지 시스템을 갖는 풍력 터빈의 측면도이다.
도 14는 도 13의 풍력 터빈 로터의 정면도로서 능동 감지 시스템으로부터 다수의 고정 측정 빔을 도시한다.
도 15는 중앙 축방향 빔 주위에 배열된 다수의 고정 빔뿐만 아니라 빔들 각각을 따라 풍속을 검출하기 위한 고정 거리의 대표적인 범위의 개략도이다.
이제 본 발명의 실시예들을 상세히 언급할 것이며, 그들 중 하나 이상의 예는 도면에 도시되어 있다. 각각의 예는 본 발명의 설명에 의해 제공되며, 본 발명을 제한하는 것은 아니다. 사실, 다양한 수정 및 변형이 본 발명의 범위나 정신에서 벗어나지 않고 본 발명에서 이루어질 수 있다는 것이 당업자들에게 명백할 것이다. 예를 들어, 일 실시예의 일부로 도시되거나 기술된 특징부는 다른 실시예와 함께 사용되어 또 다른 실시예를 만들 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위 내에 들어가는 것과 같은 그러한 수정 및 변형 및 그 등가물을 커버하는 것으로 의도된다.
도 1은 풍력 터빈(1)의 하나의 예의 사시도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 풍력 터빈(1)은 지지면(3)에서 연장되는 타워(2), 타워(2) 상에 장착된 나셀(4), 나셀(4)에 결합된 로터(5)를 포함한다. 로터(5)는 회전가능 허브(6) 및 허브(6)에 결합되고 그로부터 외향으로 연장되는 적어도 하나의 로터 블레이드(7)를 포함한다. 예를 들어, 도시된 예에서, 로터(5)는 3개의 로터 블레이드(7)를 포함한다. 그러나, 대안적인 실시예에서, 로터(5)는 3개보다 많거나 적은 로터 블레이드(7)를 포함할 수 있다. 각각의 로터 블레이드(7)는 로터(5)의 회전을 용이하게 하여 운동 에너지가 바람으로부터 사용가능한 기계 에너지로 그리고 후속하여 전기 에너지로 전달될 수 있도록 허브(6)에서 이격될 수 있다. 예를 들어, 허브(6)는 전기 에너지가 생산될 수 있도록 나셀(4) 내에 위치되거나 나셀의 일부를 형성하는 전기 발전기(10)(도 2)에 회전가능하게 결합되어 전기 에너지를 생산할 수 있게 한다. 로터의 회전은 예컨대, 직접 구동 풍력 터빈에서 또는 기어박스의 사용을 통해 발전기로 직접 전달될 수 있다.
도 2는 나셀(4) 내의 기어트레인 및 전력 생성 구성요소의 예의 단순화된 내부 도면을 도시한다. 로터(5)는 그와 함께 회전하기 위해 허브(6)에 결합된 주 로터 샤프트(8)를 포함할 수 있다. 이어서 발전기(10)가 로터 샤프트(8)에 결합되어 로터 샤프트(8)의 회전이 발전기(10)를 구동하도록 할 수 있다. 예를 들어, 도시된 실시예에서, 발전기(10)는 기어박스(9)를 통해 로터 샤프트(8)에 회전가능하게 결합된 발전기 샤프트(11)를 포함한다.
도 2에서, 풍력 터빈 로터(5)는 결합 영역에서 2개의 로터 베어링을 통해 지지 프레임(12)에 회전가능하게 장착될 수 있다. 다른 예에서, 지지 프레임(12)은 허브(6)를 통해 연장되지 않을 수 있으며, 따라서 로터는 보통 주 베어링이라고 하는 단일 로터 베어링에 의해 지지될 수 있다.
발전기(10)는 발전기의 출력 전력을 배전망의 요건에 맞게 적응하는 컨버터에 전기적으로 결합될 수 있다. 일부 예에서, 컨버터는 나셀(4) 내측에 배치될 수 있지만, 다른 예에서 그것은 풍력 터빈의 다른 위치에 배치될 수 있다.
풍력 터빈의 로터(5) 및 발전기(10)는 풍력 터빈 타워(2)의 상단 위에 위치된 받침판 또는 지지 프레임(12)에 의해 지지될 수 있음을 이해해야 한다.
나셀(4)은 요잉 시스템(yaw system)(20)을 통해 타워(2)에 회전가능하게 결합될 수 있다. 요잉 시스템은 다른 것에 대하여 회전하도록 구성된 2개의 베어링 구성요소를 갖는 요잉 베어링(도 2에 도시되지 않음)을 포함한다. 타워(2)는 제1 베어링 구성 요소에 결합되고, 나셀(4), 예컨대, 받침판 또는 지지 프레임(12)은 제2 베어링 구성 요소에 결합된다. 요잉 시스템(20)은 환형 기어(21) 및 모터(23)를 갖는 복수의 요잉 드라이브(23), 기어박스(24), 그리고 베어링 구성요소들 중 하나를 다른 하나에 대하여 회전시키기 위해 환형 기어와 맞물리게 하기 위한 피니언(25)을 포함한다.
도 3은 종래 기술에 따른 풍력 터빈의 종래의 전력 곡선을 도시한다. 풍속의 함수로서 변속 풍력 터빈의 작동은 이전에 설명되었다. 풍력 터빈의 작동이 반드시 풍속의 실제 직접적인 측정치에 기초하지는 않는다는 점에 주의해야 할 것이다. 오히려, 풍속은 로터의 회전 속도로부터 유추되거나 추정될 수 있다. 전형적으로 발전기 속도는 풍력 터빈에서 측정된다. 발전기 속도로부터 로터 속도가 용이하게 유추될 수 있다.
도 4는 풍력 터빈이 이론적 전력 곡선에 따라 작동될 때 공기역학적 추력을 풍속의 함수로서 개략적으로 도시한다. 도 4에서 볼 수 있듯이, 로터 상의 공기역학적 추력은 명목 풍속 주위에서 피크를 갖는다. 본 개시의 양태에 따라, 공기역학적 추력의 높은 피크를 피하고 이에 의해 구조 하중을 제한하기 위해 복수의 추력 수준이 도입될 수 있다.
도 4에서, 최소, 평균 및 최대 추력 한계를 포함하는 복수의 추력 한계(TL)가 도시된다. 주어진 순간에서 난류의 수준에 따라, 이러한 추력 한계들 중 하나가 선택될 수 있다. 이어서 로터 상의 공기역학적 추력이 선택된 추력 한계 미만으로 유지되고 있음을 보장하도록 풍력 터빈이 작동될 수 있다.
도 5는 일정한 난류 확률의 등치선을 결정하는 예를 개략적으로 도시한다. 추력 한계가 작동시 초과되지 않을 로터 상의 공기역학적 추력 값을 규정하는, 풍력 터빈에 대한 복수의 추력 한계를 규정하는 방법에서, 도 5의 예가 사용될 수 있다. 현장을 대표하는 풍속 분포가 제공된다. 이러한 특정 예에서는, 10 m/s 내지 20 m/s의 풍력 범위가 제공되었다. 전형적으로, 추력 한계는 명목 풍속 주위에 있는 일정 범위의 풍속에서, 예를 들어, 명목 풍속 미만의 1 내지 3 m/s으로부터 명상 풍속 초과의 1 내지 3 m/s에서 작용할 것이다.
풍속 분포는 풍력 터빈 또는 풍력 파크 설치 전에 예컨대, 풍량 계측 기상탑(met mast)을 사용하는 풍속 측정치로부터 획득될 수 있다. 풍속 분포는 유사한 현장에서의 풍속 측정치 또는 컴퓨터 시뮬레이션으로부터 획득될 수 있다.
도 5에서, 일정한 난류 확률의 복수의 등치선이 규정된다. 등치선은 풍속의 함수로서 풍속 변동을 가리키는 난류 매개변수를 나타낸다. 이러한 특정 예에서, 난류 매개변수는 평균 풍속에 대한 풍속의 표준 편차이다. 추가 예로서, 난류 강도 또는 풍속의 변동과 같은 다른 난류 매개변수가 사용될 수 있을 것이다. 난류 강도는 평균 풍속으로 나누어진 표준 편차로서 규정될 수 있다. 표준 편차는 변동의 제곱근이다.
도 5에 도시된 특정 예에서, 난류 매개변수는 풍속의 선형 함수로서 간주된다.
도 5의 등치선은 풍속 분포의 난류 확률의 분위수 수준에 대응한다. 3개의 선은 5%, 50%, 및 95%의 분위수에 대응한다(즉, 분위수-기반 회귀분석이 사용되었다). 이러한 예의 표준 편차는 풍속의 선형 함수인 것으로 간주된다:
Figure pat00001
여기서 σlim은 등치선들 중 하나에 대한 풍속 V의 함수로서 표준 편차이다. 매개변수들 aσ 및 bσ는 선형 함수의 매개변수이다. Von 및 Voff는 선형 함수가 결정되어야 하는 풍속 범위의 하한과 상한에서의 풍속이다.
상이한 매개변수들 aσ 및 bσ는 등치선들 각각에 대해 규정될 수 있다.
풍속 분포는 풍속과 그의 표준 편차의 조합들의 데이터 포인트들의 집합으로서 간주될 수 있다.
분위수-기반 회귀분석에서, 일정한 분위수 수준에 대해 최소화될 비용 함수 Jσ는 하기 수학식으로 주어진다:
Figure pat00002
95% 등치선은 풍속 분포 내의 난류가 표시된 수준 미만인 것을 95%의 신뢰 수준을 나타내며, 즉, 이러한 예에서, 주어진 풍속에 대한 풍속의 표준 편차는 그 선보다 아래에 있다.
이러한 특정 예에서, 10 m/s 내지 20 m/s의 범위가 선택되었지만, 상이한 범위의 풍속이 사용될 수 있음이 명백할 것이다. 일부 예에서, 풍속 범위는 더 작은 부분으로, 예컨대, 10 내지 12 m/s, 12 내지 14 m/s 등으로 분할될 수 있다. 이러한 작은 범위들 각각에 대해, 분위수-기반 회귀분석이 등치선의 부분들을 찾기 위해 수행될 수 있다. 이러한 경우, 상기 수학식을 사용하면, 등치선은 여러 개의 선형 부분을 포함할 수 있다.
일단 등치선들이 규정되었으면, 난류 범위들은 등치선들에 대하여 규정될 수 있다. 난류 범위들은 등치선 위, 등치선 아래 또는 등치선들 사이에서 규정될 수 있다. 이에 의해 난류 범위들의 하나 이상의 가장자리 또는 끝은 등치선들에 의해 규정된다.
이러한 특정 예에서, 난류 범위는 5% 미만으로 규정될 수 있으며, 제2 난류 범위는 5 %로부터 95 %로 확장되고, 제3 난류 범위는 95 % 등치선을 초과하는 난류에 대해 규정될 수 있다. 5 %, 50 %, 95 %의 값들이 단지 예로 표시되고 다른 값들이 사용될 수 있음이 명백할 것이다. 또한 도시된 예보다 더 많은 등치선들(및 더 많은 난류 범위들)이 규정될 수 있는 것이 명백할 것이다.
마지막으로, 이러한 범위들 각각에 대해, 추력 한계가 규정되어, (피크) 하중이 극심한 난류성 바람에서도 미리 정해진 허용가능 수준 하에서 유지될 수 있다. 다른 한편, 바람이 덜 난류성인 경우, 피크 하중이 허용가능 수준 미만으로 유지될 것이기 때문에 더 높은 한계가 사용될 수 있다.
도 6은 풍력 터빈을 작동하는 방법의 예를 개략적으로 도시한다. 일단 도 5를 참조하여 방금 설명된 바와 같이 상이한 난류 범위들에 대해 복수의 추력 한계가 규정되면, 풍력 터빈을 작동하는 방법은 풍속 및 난류 매개변수를 추정하는 단계, 및 추정된 난류 매개변수 및 추정된 풍속에 기초하여 추력 한계를 선택하는 단계를 포함할 수 있다. 이어서 풍력 터빈은 로터 상의 추력이 선택된 추력 한계 미만에 있도록 작동될 수 있다.
블록(30)에 대한 입력은 규정된 등치선들 각각에 대한 매개변수들 aσi 및 bσi를 포함하며, 여기서 n은 등치선들의 총 개수이며, i는 개별 등치선의 개수이다. 블록(30)의 출력은 주어진 평균 풍속 Vw에 대한 표준 편차 σi 의 하나 이상의 값이다. 이러한 특정의 경우, 각각의 풍속, σ5% 및 σ95%에 대해 두 개의 표준 편차 값이 규정된다.
작동시, 풍속 V는 실질적으로 지속적으로 결정될 수 있다. 본 명세서에서 "실질적으로 지속적으로"는 풍속이 충분히 높은 주파수로 결정되어, 그것이 풍력 터빈 작동에서 의미 있는 방식으로 고려될 수 있다는 것을 의미한다.
풍력 터빈은 로터의 상류에서 바람의 조건을 측정하는 원격 감지 시스템, 예를 들어, SODAR(sonic detection and ranging, 음파 탐지 및 거리측정) 또는 LIDAR(light detection and ranging, 광 탐지 및 거리측정)를 포함할 수 있다. 풍력 터빈의 제어 시스템은 원격 감지 시스템으로부터 바람의 조건을 수신하고 상류측 바람의 측정치에 기초하여 로터에 충돌하는 풍속 및 난류를 결정하도록 구성될 수 있다.
대안적으로, 풍력 터빈은 나셀 풍속계(anemometer)를 포함할 수 있고, 제어 시스템은 나셀 풍속계의 측정치에 기초하여 풍속 및 난류를 결정하도록 구성된다(즉, 나셀 풍속계는 풍속 V의 지속적인 측정치를 부여한다). 간격(가장 최근 간격)의 경우, 평균 풍속 Vw 및 풍속 변동(이 예에서 표준 편차 σw)은 나셀 풍속계의 데이터로부터 계산될 수 있다. 그러나, 바람이 풍속계에 도달할 때 바람이 방해를 받기 때문에 나셀 풍속계를 이용한 풍속 측정의 신뢰성아 제한되어 있는 것으로 알려져 있다.
또 다른 예에서, 풍속은 전력 출력, 블레이드의 피치 각도 및 로터의 회전 속도를 결정함으로써 추정될 수 있다. 전력 출력, 블레이드의 피치 각도 및 로터의 회전 속도에 기초하여, 풍속은 칼만(Kalman) 필터를 사용하여 추정될 수 있다. 전형적으로, 적합한 센서 및 시스템이 풍력 터빈에 제공되어 전력 출력, 블레이드로부터의 피치 각도(이는 적합한 피치 제어에 사용될 수 있을 것이다) 및 로터의 회전 속도(전형적으로 발전기 로터의 회전 속도가 측정될 수 있음)를 측정하게 된다. 칼만 필터의 사용은 풍속을 추정하는 데 신뢰할 수 있는 것으로 밝혀졌다.
풍속 측정치들 V의 타임 시리즈로부터, 평균 풍속 Vw 및 풍속의 변동을 나타내는 난류 매개변수가 블록(40)에서 유추될 수 있다. 블록(40)의 출력들 중 하나는 선택된 난류 매개변수이며, 이는 이 경우에 풍속의 표준 편차 σw이다. 블록(40)의 출력은 블록들(30 및 50)에 대한 입력으로 제공된다.
블록(50) 내에서, 복수의 난류 범위는 예를 들어 최저 분위수 수준 미만, 최고 분위수 수준 초과, 그리고 최저 분위수 수준과 최고 분위수 수준 사이에서 규정된다. 난류 범위들의 각각에 대해, 추력 한계가 규정된다. 이러한 특정 예에서, Tmax는 최고 추력 한계이며, Tmin은 최저 추력 한계이며, Tmean는 평균 추력 한계이다. Tmin이 활성화되면, 더 높은 우선 순위가 허용가능한 수준 하에서 하중을 유지하는 데 주어지며, 잠재적인 전력 출력이 가장 많이 희생된다.
난류 수준(블록(40)으로부터의 출력) 및 풍속(블록(40)으로부터의 출력)이 주어진 순간에 알려지면, 또한 어떤 난류 범위에서 풍력 터빈이 작동하는지 알게 된다.
그것이 알려지면, 적합한 추력 한계 Tsel는 블록(50)에서 이전에 규정된 추력 한계로부터 선택될 수 있다. 이어서 풍력 터빈은 로터 상의 공기역학적 추력이 선택된 한계 미만으로 유지되고 있음을 보장하도록 작동될 수 있다.
이를 위해, 로터 상의 공기역학적 추력은 블레이드 내의 적합한 스트레인 또는 변형 센서를 사용하여 직접 측정할 수 있다. 대안적으로, 로터 상의 추력은 추정된 풍속, 로터의 회전 속도 및 블레이드의 피치 각도에 기초하여 추력을 계산함으로써 추정될 수 있다.
작동시, 이어서, 로터상의 추정된 추력은 선택된 추력 한계와 비교될 수 있고, 추정된 추력이 선택된 추력 한계를 초과하는 경우, 공통의 피치 신호가 (풍력 터빈 제어로부터) 로터의 블레이드로(또는 피치 제어 시스템으로) 전송되어 블레이드의 피치를 조절하고 로터 상의 추력을 감소시킬 수 있다.
유입되는 바람 흐름에서 실제 난류를 검출하고 측정하기 위한 방법 및 시스템의 대안적인 실시예는 대체적으로 도 12 내지 도 15에 도시된다. 이러한 방법 및 시스템은 이하에 상세히 설명된 바와 같이, 풍력 터빈(1) 상에, 예를 들어, 나셀(4)의 상단 위에 장착된 능동 감지 시스템(60)을 이용하여, 로터(5)의 상류의 복수의 거리/범위(66)에서 바람 흐름의 풍속을 검출한다. 이어서 풍속 측정치가 사용되어 추력 한계 제어 프로세스(도 12)에 제공되는 난류 강도(풍속 변동)의 양을 유추한다.
도 12 내지 도 15의 실시예는 나셀에 장착된 풍속계로부터 풍속을 측정하거나, 전력 출력, 블레이드의 피치 각도 및 회전 속도로부터 풍속을 추정하는 것과 비교할 때 구별된 장점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 이러한 두 가지 방법의 경우, 난류 강도를 추정하기 위해, 슬라이딩 데이터 원도우 내의 풍속의 표준 편차가 계산되며, 여기서 데이터 윈도우의 시간 길이가 비교적 길어서, 예를 들어 최대 60초가 될 수 있으며, 이는 난류 강도 추정이 실제 난류 변화에 반응하기 위해 느려질 수 있다는 점에서 바람직하지 않을 수 있다. 또한, 측정된 풍속에서의 비교적 큰 바람 편위(wind excursion)가 장기간 바람 난류 추정에 부당하게 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 이러한 잠재적 단점을 해결하기 위해 소정의 환경에서 도 12 내지 도 15의 실시예가 필요할 수 있다.
대체로 도 13 내지 도 15도를 참조하면, 능동 감지 시스템(60)은 도플러 라이다 시스템(62)에 의해 구현될 수 있으며, 이는 풍력 터빈 로터(5)에 있어서의 바람방향과 반대로 지향되는 다수의 고정 측정 빔(64)을 생성하는 유입되는 바람 흐름을 샘플링할 수 있다. 도면에 도시된 실시예에서, 도 13 및 도 15로부터 이해될 수 있는 바와 같이, 로터(5)로부터의 거리가 증가함에 따라 증가하는 샘플 필드를 한정하기 위해 고정 측정 빔(64)은 로터(5)의 축선(70)에 대해 일정 각도로 도플러 라이다 시스템(62)으로부터 외향으로 지향될 수 있다.
고정 측정 빔(64)들 각각은 시스템(62)으로부터 복수의 거리에서 풍속을 검출하고 측정할 수 있다. 예를 들어, 도 15에서, 각각의 빔(64)은 시스템(62)으로부터 10개의 개별 거리 또는 범위(66)에서 풍속을 검출하고 측정하며, 여기서 범위 지점(66)들은 20미터 이격되어 있다. 고정 측정 빔(64)들의 개수, 각각의 빔(64)을 따라 범위 지점(64)들의 개수, 및 범위 지점(66)들 사이의 거리는 고정 빔보다는 스캐닝 빔들의 구성을 사용하는 실시예들을 포함하는 상이한 실시예들에 대해 변할 수 있음을 이해해야 한다.
도시된 실시예에서, 도플러 라이다 시스템(60)은 고정 측정 빔(64)들 중 5개를 생성하며, 여기서 이들 빔들 중 하나는 로터 축선(70)과 본질적으로 평행하게 배향되는 중심 빔(68)이다. 다른 빔(72)들은 원형 둘레(74)를 중심으로 동일하게 이격된다. 예를 들어, 4개의 고정 빔(72)은 원형 둘레(70)에서 90도 간격으로 이격될 수 있다.
도 12는 도플러 라이다 시스템(60)으로부터의 정보를 활용하기 위해 특별히 수정된 도 6의 추력 한계 제어 프로세스를 도시한다. 프로세스 단계(55)에서, 고정 측정 빔(64)으로부터 복수의 신호가 제어기에 입력된다. 각각의 빔(64)에 대해 상이한 범위 지점(66)들로부터의 풍속 측정치들은 유입되는 바람 흐름의 평균 풍속 Vw 및 풍속의 표준 편차 σw를 계산하는 데 사용된다. 표준 편차 σw는 (난류 강도 매개변수로서) 프로세스 블록(50)으로 입력되고, 도 6의 블록(50)에 대하여 위에서 설명한 바와 같이 사용된다. 따라서, 도 6의 프로세스 블록(40)에서 평균 풍속의 표준 편차 σw의 추정이 제거된다. 추가로, 프로세스 블록(55)에서 계산된 유입되는 바람 흐름의 평균 풍속 Vw은 (도 12의 파선으로 도시된 바와 같이) 프로세스 블록(30)(도 12)의 입력으로서 사용될 수 있으며, 여기서 도 6에 대하여 위에서 논의된 프로세스 블록(40)에서 평균 풍속 Vw의 추정이 또한 제거될 수 있다. 대안적으로, 프로세스 블록(55)으로부터 풍속의 표준 편차 σw는 프로세스 블록(40)에 입력될 수 있으며 프로세스 블록(40)에서 유추된 추정된 값에 대한 검사로서 사용될 수 있다.
프로세스 블록(55)에서, 풍속 측정치와 풍속의 평균 풍속 Vw 및 표준 편차 σw의 계산은 실질적으로 지속적으로 결정되며, 이는 풍속이 충분히 높은 주파수로 결정되어, 그것이 풍력 터빈 작동에서 의미 있는 방식으로 고려될 수 있다는 것을 의미한다. 예를 들어, 측정 및 계산은 적어도 4 Hz의 속도로 수행될 수 있다. 또한, 표준 편차 계산은 필터 시간 상수를 갖는 저역 필터에 의해 평활화될 수 있으며, 필터 시간 상수는 조정가능하고, 유입되는 바람의 전형적인 풍속 및 로터로부터 풍속 측정치들의 평균 범위, 예를 들어 10 m/s의 전형적인 풍속 및 100미터의 이동 거리를 반영하도록 10초를 고려하여 선택될 수 있다.
상기에 논의된 도 6의 추력 한계 제어 프로세스의 다른 양태는 또한 도 12의 프로세스에 적용된다. 예를 들어, 이 방법은 풍속 범위 내에서 풍속의 선형 함수로서 표준 편차를 규정하는 등치선을 포함할 수 있다.
또한, 현장에 대한 풍속 분포는 풍력 터빈의 현장에서의 풍력 측정에 기초할 수 있다.
도 12 내지 도 15의 방법은 또한 결정된 난류 매개변수 및 결정된 풍속에 기초하여 추력 한계들 중 하나를 선택하는 단계, 및 로터 상의 추력이 선택된 추력 한계 미만에 있도록 풍력 터빈을 작동시키는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 로터 상의 추력은 선택된 추력 한계와 비교될 수 있으며, 추력이 선택된 추력 한계를 초과하는 경우, 방법은 공통의 피치 신호를 로터의 블레이드에 전송하여 블레이드의 피치를 조절하고 로터 상의 추력을 감소시키는 단계를 포함한다.
본 개시의 추가 양태에서, 그리고 도시된 예에 따라, 풍력 터빈이 제공된다. 풍력 터빈은 복수의 블레이드를 갖는 로터, 블레이드의 길이방향 축선을 중심으로 블레이드를 회전시키기 위한 하나 이상의 피치 시스템, 발전기 및 제어 시스템을 포함한다. 제어 시스템은 풍속 및 난류를 추정하고, 난류 및 추정된 풍속에 기초하여 추력 수준을 선택하고, 여기서 추력 수준은 상이한 난류 범위들에 대한 복수의 추력 한계로부터 선택되고, 그리고 피치 시스템으로 신호를 전송하여 블레이드의 피치를 공통적으로 조절하여 로터 상의 공기역학적 추력이 선택된 수준 미만에 있도록 구성된다. 복수의 추력 수준은 풍속의 풍속 분포 및 난류를 나타내는 매개변수의 분위수-기반 회귀분석에 의해 결정되었다.
예에서, 제어 시스템은 칼만 필터 기법을 사용하여 풍속을 추정할 수 있으며, 이때 칼만 필터는 전력 출력, 블레이드 피치 각도 및 로터의 회전 속도와 같은 변수에 의해 공급된다.
다른 실시예에서, 제어 시스템은 도 12 내지 도 15의 능동 감지 시스템(60)과 통신하고, 상술한 바와 같이, 유입되는 바람 흐름의 풍속을 실질적으로 지속적으로 측정하고, 측정된 풍속의 풍속 변동에 대응하는 난류 매개변수를 계산하도록 구성된다.
특정 실시예에서, 풍력 터빈은 상기에 논의된 도플러 라이다 시스템(62)을 활용하여 풍력 터빈에 있어서의 바람방향과 반대로 지향되는 다수의 고정 측정 빔(64)을 생성하여 유입되는 바람 흐름을 샘플링할 수 있으며, 여기서 고정 측정 빔들 각각은 로터(5)의 축선(70)에 대해 상이한 각도에서 및 로터(5)로부터 복수의 상이한 범위(66)에서 풍속을 검출한다.
일 실시예에서, 도플러 라이다 시스템(62)은 풍력 터빈(1)의 나셀(4)의 상단 위에 장착된다. 고정 측정 빔(64)은 로터(5)로부터의 거리가 증가함에 따라 증가하는 샘플 필드를 한정하기 위해 중앙 축방향 빔(68) 및 중앙 축방향 빔(72)으로부터 멀어지는 각도로 투사되는 복수의 다른 빔(72)을 포함할 수 있고, 여기서 빔(72)들은 원형 둘레(74)에 걸쳐 등간격으로 이격된다.
도 7 내지 도 9는 상이한 풍속 분포에 대한 동적 추력 수준의 효과를 개략적으로 도시한다. 도 7 내지 도 9는 주어진 현장에서 동일한 풍력 터빈에 대한 상이한 풍속 분포를 도시한다. 전술한 예에 따라, 특정 풍속 분포에 기초하여, 난류 확률의 분위수 수준이 규정되었다. 도 7에서, 동일한 현장에서, 바람이 비교적 낮은 난류 강도를 갖는다. 도 8에서, 풍속 분포는 평균이거나, 이론 풍속 분포와 실질적으로 필적할 수 있다. 마지막으로, 도 9에서, 비교적 높은 난류를 갖는 풍속 분포가 도시된다.
도 7의 경우, 종종 선택되는 추력 한계는 에너지 생산을 우선 순위로 하는 높은 한계이다. 그러나 도 9의 경우, 더 자주 선택되는 추력 한계는 다소 낮은 한계이며, 전력 출력을 희생하지만 하중이 미리 정해진 한계 이하로 유지되는 것을 보장한다.
모든 경우에, 풍력 터빈은 급격히 변화하는 추력 한계를 피하기 위해 일부 제어 형태를 통합할 수 있다. 이는, 예를 들어, 난류가 등치선에 근접할 때 발생할 수 있다. 이러한 급격한 변화를 피하기 위해, 이력 제어가 통합될 수 있다. 이러한 제어를 구현하는 한 가지 방식은 추력 범위를 입력하는 것과 추력 한계의 선택 사이의 시간 지연일 수 있다. 이러한 제어를 구현하는 다른 방식은 난류 범위들 사이에 간격(separations)을 가지는 것과, 규정된 추력 범위들 사이에서 추력 한계를 (선형적으로) 변화시키는 것이다.
작동의 하나의 예에서, 미리 정해진 등치선들 각각에 대해, 하나 이상의 검사 수준이 규정되고, 여기서 바람 난류 매개변수가 검사 수준들 중 하나에 도달할 때까지 추력 한계가 변화되지 않는다. 검사 수준은 등치선 주위에서 작은 밴드를 규정할 수 있다.
도 10 및 도 11은 연간 에너지 수율과 블레이드 루트 굽힘 모멘트에 대한 가변하는 추력 수준의 효과를 개략적으로 도시한다. 도 10에서, 3가지 상이한 시나리오에서 3가지 상이한 설정을 갖는 풍력 터빈의 AEP(Annual Energy Production, 연간 에너지 생산)가 도시되어 있다. 3가지 상이한 설정은 단일 상한 추력 한계 Tmean, 단일 하한 추력 한계 Tmin, 및 복수의 추력 한계 Tvar를 포함한다. 가변적인 추력 한계는 본 개시의 예에 따라 규정되는 바와 같은 Tmean보다 높은 Tmin, Tmean 및 Tmax를 포함한다. 3가지 시나리오는 A, B 및 C문자로 표시된 난류 강도의 상이한 수준들을 갖는 풍속 시뮬레이션을 포함한다. 시나리오 A는 난류가 비교적 낮거나 거의 없는 시나리오에 대응하며, 시나리오 B는 "평균" 난류에 대응하며, 한편 시나리오는 높은 난류성 바람에 대응한다.
도 11에서, 동일한 3가지 설정(Tmean, Tmin, Tvar)과 동일한 3가지 시뮬레이션 시나리오(A, B 및 C)에 대한 블레이드 루트의 굽힘 모멘트가 도시된다. 도 10에서는, 추력 한계를 동적으로 변화시키는 것이 시나리오 A 및 B에서 연간 에너지 생산량의 증가를 초래하는 것임을 볼 수 있다. 도 11에서는, 동적으로 변화하는 추력 한계가 또한 하중이 제어되고 있음을 보장하는 것임을 볼 수 있다. 가장 큰 난류성 바람 시나리오(C)에서, 블레이드 루트 모멘트는 단일 높은 추력 한계로 제어를 위한 그의 한계에 도달한다. 시나리오 C에서, 단일 추력 한계는 약간 더 높은 연간 에너지 생산을 산출하지만 상당한 대가의 높은 하중을 산출한다. 이러한 높은 하중은 피로 손상을 초래할 수 있으며, 이는 향후 성능 저하 또는 풍력 터빈 또는 그의 구성 요소의 조기 교체 또는 폐기로 이어질 수 있다.
분위수-기반 회귀분석에 의해 본 명세서에 개시된 방식으로의 추력 한계의 규정은 관심 있는 현장에서 난류 강도 분포에 기초하는 현장 특정 튜닝을 가능하게 한다. 신뢰 수준(분위수) 및 임계값 둘 모두는 비교적 낮은 난류를 갖는 현장에 대한 바람으로부터 전력 추출을 최대화하도록 튜닝될 수 있는 반면, 난류가 높은 현장의 경우 구조적 안전성(하중에 대해)과 전력 추출 간의 양호한 절충은 신뢰 수준과 상대적 추력 임계값의 적절한 규정에 의하여 달성될 수 있다.
본 명세서에 개시된 예에 따라, 복수의 블레이드를 갖는 로터를 포함하는 풍력 터빈을 작동하는 방법이 개시되어 있다. 본 방법은 풍속의 타임 시리즈를 결정하는 단계, 및 평균 풍속 및 타임 시리즈로부터 풍속의 가변성을 나타내는 난류 매개변수를 유추하는 단계를 포함할 수 있다. 이어서, 추력 한계는 유추된 난류 매개변수 및 풍속에 기초하여 복수의 추력 한계로부터 선택될 수 있다. 선택된 추력 한계에 기초하여, 풍력 터빈은 로터 상의 추력이 선택된 추력 한계보다 낮은 것을 보장하도록 작동될 수 있다.
복수의 추력 한계는 각각의 가능한 풍속(풍속 범위 내에서)에 대한 난류 매개변수의 범위에 대해 규정될 수 있다. 주어진 평균 풍속에서의 난류 매개변수의 범위는 풍력 터빈의 위치를 대표하는 풍력 데이터의 주어진 값 미만에 있다는 신뢰 구간에 의해 규정된다.
일부 예에서, 풍력 터빈의 위치를 대표하는 풍력 데이터는 풍력 터빈의 명목 풍속을 포함하는 풍속들의 밴드에 대한 데이터를 포함한다. 명목 풍속 주위의 풍속의 경우 로터의 공기역학적 추력과 대응하는 하중이 높을 수 있다. 컷인 풍속에 근접한 풍속의 경우 그리고 명목 풍속보다 상당히 높은 풍속의 경우, 공기역학적 추력은 상대적으로 낮다. 전자의 경우, 그 이유는 바람의 에너지가 낮기 때문이고, 후자의 경우, 그 이유는 풍력 터빈의 블레이드가 이미 충분히 높은 피치 각도로 조절되어 명목 수준에서 로터 토크를 유지하기 때문이다. 컷인 풍속에 근접하고 컷아웃 풍속에 근접한 풍속들 또는 명목 풍속보다 상당히 높은 풍속은 이러한 확률 분석에서 안전하게 배제될 수 있다.
본 발명의 추가 양태는 하기 조항들의 주제에 의해 제공된다:
제1항: 현장에 위치되고 복수의 블레이드들을 갖는 로터를 구비하는 풍력 터빈에 대한 복수의 추력 한계들을 규정하는 방법으로서, 상기 추력 한계들은 작동시 초과되지 않도록 상기 로터 상에 공기역학적 추력의 값들을 규정하고, 상기 방법은:
상기 현장을 대표하는 풍속 분포를 제공하는 단계;
난류 매개변수를 풍속의 함수로서 나타내는 일정한 난류 확률의 하나 이상의 등치선들을 규정하는 단계 - 상기 등치선들은 상기 풍속 분포의 난류의 분위수 수준들에 대응하고, 상기 난류 매개변수는 풍속 변동을 나타내고,
상기 난류 매개변수는 능동 감지 시스템에 의해 로터의 상류에서 풍속을 실질적으로 지속적으로 측정하고 상기 측정된 풍속으로부터 상기 풍속 변동들을 계산함으로써 결정됨 -;
상기 등치선들에 대하여 난류 범위들을 규정하는 단계; 및
상기 난류 범위들에 대한 추력 한계들을 규정하는 단계를 포함한다.
제2항: 제1항에 따른 방법으로서, 상기 능동 감지 시스템은 유입되는 바람 흐름을 샘플링하기 위해 도플러 라이다 시스템을 사용하여 상기 풍력 터빈에 있어서의 바람방향과 반대로 지향되는 다수의 측정 빔들을 생성한다.
제3항: 제2항에 따른 방법으로서, 상기 측정 빔들은 상기 로터로부터의 거리가 증가함에 따라 증가하는 샘플 필드를 한정하기 위해 상기 로터의 축선에 대해 상이한 각도로 지향되는 고정 측정 빔들이고, 상기 고정 측정 빔들 각각은 풍속을 상기 로터로부터 복수의 상이한 범위들에서 측정한다.
제4항: 제3항에 따른 방법으로서, 상기 도플러 라이다 시스템은 5개의 고정 측정 빔들을 생성하고, 각각의 고정 측정 빔이 상기 로터로부터 10개의 상이한 범위들에서 풍속을 검출한다.
제5항: 제4항에 따른 방법으로서, 상기 풍력 터빈은 나셀(nacelle)을 포함하고, 상기 도플러 라이다 시스템이 상기 나셀 상단 위에 장착되고, 상기 고정 측정 빔들은 중앙 축방향 빔 및 복수의 추가 빔들을 포함하고, 상기 복수의 추가 빔들은 상기 중앙 축방향 빔으로부터 멀어지는 각도로 투사되고 원형 둘레에 걸쳐 등간격으로 이격된다.
제6항: 제3항에 따른 방법으로서, 각각의 고정 측정 빔에 대해 상기 복수의 상이한 범위들로부터의 풍속 측정치들이 유입되는 바람 흐름의 평균 풍속 및 상기 풍속의 표준 편차를 계산하는 데 사용되며, 상기 풍속의 표준 편차는 상기 난류 매개변수에 대응한다.
제7항: 제6항에 따른 방법으로서, 상기 풍속 측정치들 및 상기 표준 편차의 계산은 적어도 4Hz의 속도로 수행되고, 상기 표준 편차 계산은 저역 필터에 의해 평활화된다.
제8항: 제7항에 따른 방법으로서, 상기 저역 필터에 대한 필터 시간 상수는 조정가능하고, 상기 유입되는 바람 흐름의 전형적인 풍속 및 상기 로터로부터의 상기 풍속 측정치들의 평균 범위에 근사하게 하도록 선택된다.
제9항: 제6항에 따른 방법으로서, 상기 등치선들은 풍속 범위 내에서 상기 풍속의 선형 함수로서 상기 표준 편차를 규정한다.
제10항: 제1항에 따른 방법으로서, 상기 현장에 대한 상기 풍속 분포는 상기 풍력 터빈의 현장에서의 풍력 측정치들에 기초로 한다.
제11항: 제1항에 따른 방법으로서, 상기 결정된 난류 매개변수 및 상기 결정된 풍속에 기초하여 상기 추력 한계들 중 하나를 선택하는 단계, 및 상기 로터 상의 추력이 선택된 추력 한계 미만에 있도록 상기 풍력 터빈을 작동시키는 단계를 추가로 포함한다.
제12항: 제11항에 따른 방법으로서, 상기 로터 상의 추력이 미리 정해진 추력 한계 미만에 있도록 상기 풍력 터빈을 작동시키는 단계는 상기 선택된 추력 한계를 상기 로터 상의 상기 추력과 비교하는 단계, 및 상기 추력이 상기 선택된 추력 한계를 초과하는 경우, 공통의 피치 신호를 상기 로터의 블레이드들로 전송하여 상기 블레이드들의 피치를 조절하고 상기 로터 상의 상기 추력을 감소시키는 단계를 포함한다.
제13항: 풍력 터빈은,
복수의 블레이드들을 갖는 로터;
상기 블레이드들을 상기 블레이드들의 길이방향 축선을 중심으로 회전시키도록 상기 블레이드들로 구성된 피치 시스템.;
상기 풍력 터빈에 장착되고, 유입되는 바람 흐름의 풍속을 검출하기 위해 상기 풍력 터빈에 있어서의 바람방향과 반대로 측정 빔들을 생성하는 도플러 라이다 시스템을 포함하는 능동 감지 시스템; 및
상기 도플러 라이다 시스템과 통신하는 제어 시스템을 포함하고, 상기 제어 시스템은:
상기 유입되는 바람의 풍속을 실질적으로 지속적으로 측정하고 상기 측정된 풍속으로부터의 풍속 변동들에 대응하는 난류 매개변수를 계산하고;
상기 난류 매개변수 및 상기 측정된 풍속에 기초하여 추력 수준을 선택하고 - 상기 추력 수준은 상이한 난류 범위들에 대한 복수의 추력 한계들로부터 선택되며, 상기 복수의 추력 한계들은 상기 풍속의 풍속 분포 및 상기 난류 매개변수의 분위수-기반 회귀분석에 의해 결정됨 -; 그리고
상기 로터 상의 공기역학적 추력이 상기 선택된 추력 수준 미만에 있도록 상기 피치 시스템에 신호들을 전송하여 상기 블레이드들의 피치를 공통적으로 조절하도록 구성되는 제어 시스템을 포함한다.
제14항: 제13항에 따른 풍력 터빈으로서, 상기 도플러 라이다 시스템은 상기 유입되는 바람 흐름을 샘플링하기 위해 상기 풍력 터빈에 있어서의 바람방향과 반대로 다수의 고정 측정 빔들을 생성하도록 구성되며, 상기 고정 측정 빔들 각각은 상기 로터의 축선에 대하여 상이한 각도 및 상기 로터로부터의 복수의 상이한 범위들에서 풍속을 검출한다.
제15항: 제14항에 따른 풍력 터빈으로서, 나셀을 추가로 포함하고, 상기 도플러 라이다 시스템은 상기 나셀의 상단 위에 장착되고, 상기 고정 측정 빔들은 중앙 축방향 빔 및 복수의 추가 빔들을 포함하고, 상기 복수의 추가 빔들은 상기 중앙 축방향 빔으로부터 멀어지는 각도로 투사되고 원형 둘레에 걸쳐 등간격으로 이격된다.
제16항: 제15항에 따른 풍력 터빈으로서, 상기 제어 시스템은 각각의 고정 측정 빔에 대해 상기 복수의 상이한 범위들로부터의 상기 풍속 측정치들을 사용하여 상기 유입되는 바람 흐름의 평균 풍속 및 상기 풍속의 표준 편차를 계산하도록 구성되며, 상기 풍속의 표준 편차는 상기 난류 매개변수에 대응한다.
제17항: 제16항에 따른 풍력 터빈으로서, 상기 풍속 측정치들 및 상기 표준 편차의 계산은 적어도 4Hz의 속도로 상기 제어 시스템에 의해 수행되고, 상기 표준 편차 계산은 저역 필터에 의해 평활화된다.
제18항: 제17항에 따른 풍력 터빈으로서, 상기 제어 시스템은, 상기 유입되는 바람 흐름의 전형적인 풍속 및 상기 로터로부터의 풍속 측정치들의 평균 범위에 근사하게 하도록 저역 필터에 대한 필터 시간 상수를 설정한다.
본 명세서에서 기술한 설명은 최선의 모드를 포함하는 본 발명을 개시하는 예를 사용하며, 또한 당업자가 임의의 장치 또는 시스템을 만들고 사용하고, 임의의 통합된 방법을 수행하는 것을 포함하여 본 발명을 실사할 수 있도록 하는 데 사용한다. 본 발명의 특허가능 범위는 청구항들에 의해 한정되며, 당업자에게 발생하는 다른 예를 포함할 수 있다 그러한 다른 예는 청구항들의 문자적 언어와 상이하지 않은 구조적 요소를 포함하거나 청구항들의 문자적 언어와 실질적인 차이가 있는 동등한 구조적 요소를 포함하는 경우, 청구항들의 범위 내에 있는 것으로 의도된다.

Claims (18)

  1. 현장에 위치되고 복수의 블레이드들을 갖는 로터를 구비하는 풍력 터빈에 대한 복수의 추력 한계들을 규정하는 방법으로서, 상기 추력 한계들은 작동시 초과되지 않도록 상기 로터 상에 공기역학적 추력의 값들을 규정하고, 상기 방법은:
    상기 현장을 대표하는 풍속 분포를 제공하는 단계:
    난류 매개변수를 풍속의 함수로서 나타내는 일정한 난류 확률의 하나 이상의 등치선(isoline)들을 규정하는 단계 - 상기 등치선들은 상기 풍속 분포의 난류의 분위수 수준(quantile level)들에 대응하고, 상기 난류 매개변수는 풍속 변동을 나타내고,
    상기 난류 매개변수는 능동 감지 시스템에 의해 상기 로터의 상류에서 풍속을 실질적으로 지속적으로 측정하고 상기 측정된 풍속으로부터 상기 풍속 변동들을 계산함으로써 결정됨 -;
    상기 등치선들에 대하여 난류 범위들을 규정하는 단계; 및
    상기 난류 범위들에 대한 추력 한계들을 규정하는 단계
    를 포함하는 것인 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 능동 감지 시스템은 유입되는 바람 흐름을 샘플링하기 위해 도플러 라이다 시스템(Doppler lidar system)을 사용하여 상기 풍력 터빈에 있어서의 바람방향과 반대로 지향되는 다수의 측정 빔들을 생성하는 것인 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 측정 빔들은 상기 로터로부터의 거리가 증가함에 따라 증가하는 샘플 필드를 한정하기 위해 상기 로터의 축선에 대해 상이한 각도로 지향되는 고정 측정 빔들이고, 상기 고정 측정 빔들 각각은 풍속을 상기 로터로부터 복수의 상이한 범위들에서 측정하는 것인 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 도플러 라이다 시스템은 5개의 고정 측정 빔들을 생성하고, 각각의 고정 측정 빔은 상기 로터로부터 10개의 상이한 범위들에서 풍속을 검출하는 것인 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 풍력 터빈은 나셀(nacelle)을 포함하고, 상기 도플러 라이다 시스템은 상기 나셀의 상단 위에 장착되고, 상기 고정 측정 빔들은 중앙 축방향 빔 및 복수의 추가 빔들을 포함하고, 상기 복수의 추가 빔들은 상기 중앙 축방향 빔으로부터 멀어지는 각도로 투사되고 원형 둘레에 걸쳐 등간격으로 이격되는 것인 방법.
  6. 제3항에 있어서,
    각각의 고정 측정 빔에 대해 상기 복수의 상이한 범위들로부터의 풍속 측정치들이 유입되는 바람 흐름의 평균 풍속 및 상기 풍속의 표준 편차를 계산하는 데 사용되며, 상기 풍속의 표준 편차는 상기 난류 매개변수에 대응하는 것인 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 풍속 측정치들 및 상기 표준 편차의 계산은 적어도 4Hz의 속도로 수행되고, 상기 표준 편차 계산은 저역 필터에 의해 평활화되는 것인 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 저역 필터에 대한 필터 시간 상수는 조정가능하고, 상기 유입되는 바람 흐름의 전형적인 풍속 및 상기 로터로부터의 상기 풍속 측정치들의 평균 범위에 근사하게 하도록 선택되는 것인 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 등치선들은 풍속 범위 내에서 상기 풍속의 선형 함수로서 상기 표준 편차를 규정하는 것인 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 현장에 대한 상기 풍속 분포는 상기 풍력 터빈의 현장에서의 풍력 측정치들에 기초로 하는 것인 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 결정된 난류 매개변수 및 상기 결정된 풍속에 기초하여 상기 추력 한계들 중 하나를 선택하는 단계, 및 상기 로터 상의 추력이 선택된 추력 한계 미만에 있도록 상기 풍력 터빈을 작동시키는 단계를 추가로 포함하는 것인 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 로터 상의 추력이 미리 정해진 추력 한계 미만에 있도록 상기 풍력 터빈을 작동시키는 단계는 상기 선택된 추력 한계를 상기 로터 상의 상기 추력과 비교하는 단계, 및 상기 추력이 상기 선택된 추력 한계를 초과하는 경우, 공통의 피치 신호를 상기 로터의 블레이드들로 전송하여 상기 블레이드들의 피치를 조절하고 상기 로터 상의 상기 추력을 감소시키는 단계를 포함하는 것인 방법.
  13. 풍력 터빈으로서:
    복수의 블레이드들을 갖는 로터;
    상기 블레이드들을 상기 블레이드들의 길이방향 축선을 중심으로 회전시키도록 상기 블레이드들로 구성된 피치 시스템;
    상기 풍력 터빈에 장착되고, 유입되는 바람 흐름의 풍속을 검출하기 위해 상기 풍력 터빈에 있어서의 바람방향과 반대로 측정 빔들을 생성하는 도플러 라이다 시스템을 포함하는 능동 감지 시스템; 및
    상기 도플러 라이다 시스템과 통신하는 제어 시스템
    을 포함하며, 상기 제어 시스템은,
    상기 유입되는 바람의 풍속을 실질적으로 지속적으로 측정하고 상기 측정된 풍속으로부터의 풍속 변동들에 대응하는 난류 매개변수를 계산하고;
    상기 난류 매개변수 및 상기 측정된 풍속에 기초하여 추력 수준을 선택하고 - 상기 추력 수준은 상이한 난류 범위들에 대한 복수의 추력 한계들로부터 선택되며, 상기 복수의 추력 한계들은 상기 풍속의 풍속 분포 및 상기 난류 매개변수의 분위수-기반 회귀분석(quantile-based regression)에 의해 결정됨 -; 그리고
    상기 로터 상의 공기역학적 추력이 상기 선택된 추력 수준 미만에 있도록 상기 피치 시스템에 신호들을 전송하여 상기 블레이드들의 피치를 공통적으로 조절하도록
    구성되는 것인 풍력 터빈.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 도플러 라이다 시스템은 상기 유입되는 바람 흐름을 샘플링하기 위해 상기 풍력 터빈에 있어서의 바람방향과 반대로 다수의 고정 측정 빔들을 생성하도록 구성되며, 상기 고정 측정 빔들 각각은 상기 로터의 축선에 대하여 상이한 각도 및 상기 로터로부터의 복수의 상이한 범위들에서 풍속을 검출하는 것인 풍력 터빈.
  15. 제14항에 있어서,
    나셀을 추가로 포함하고, 상기 도플러 라이다 시스템은 상기 나셀의 상단 위에 장착되고, 상기 고정 측정 빔들은 중앙 축방향 빔 및 복수의 추가 빔들을 포함하고, 상기 복수의 추가 빔들은 상기 중앙 축방향 빔으로부터 멀어지는 각도로 투사되고 원형 둘레에 걸쳐 등간격으로 이격되는 것인 풍력 터빈.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제어 시스템은 각각의 고정 측정 빔에 대해 상기 복수의 상이한 범위들로부터의 상기 풍속 측정치들을 사용하여 상기 유입되는 바람 흐름의 평균 풍속 및 상기 풍속의 표준 편차를 계산하도록 구성되며, 상기 풍속의 표준 편차는 상기 난류 매개변수에 대응하는 것인 풍력 터빈.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 풍속 측정치들 및 상기 표준 편차의 계산은 적어도 4Hz의 속도로 상기 제어 시스템에 의해 수행되고, 상기 표준 편차 계산은 저역 필터에 의해 평활화되는 것인 풍력 터빈.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제어 시스템은, 상기 유입되는 바람 흐름의 전형적인 풍속 및 상기 로터로부터의 풍속 측정치들의 평균 범위에 근사하게 하도록 저역 필터에 대한 필터 시간 상수를 설정하는 것인 풍력 터빈.
KR1020220000960A 2021-01-08 2022-01-04 바람 난류의 능동 감지를 사용하는 풍력 터빈의 추력 제어 KR20220100526A (ko)

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