KR20220126650A

KR20220126650A - 풍력 터빈 셋포인트 감소

Info

Publication number: KR20220126650A
Application number: KR1020220028733A
Authority: KR
Inventors: 아모 이사악 피네다
Original assignee: 제너럴 일렉트릭 레노바블레스 에스빠냐 에스.엘.유.
Priority date: 2021-03-09
Filing date: 2022-03-07
Publication date: 2022-09-16
Also published as: US11933270B2; CN115045805A; JP2022138119A; US20220290652A1; EP4056838A1

Abstract

본 개시는 하나 이상의 풍력 터빈 구성요소의 온도를 결정하는 단계와, 풍력 터빈 구성요소의 온도와 대응하는 구성요소를 위한 온도 문턱값 간의 차를 결정하는 것에 의해 하나 이상의 구성요소 온도 오차를 결정하는 단계를 포함하는 풍력 터빈을 위한 최대 전력 셋포인트를 결정하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 풍력 터빈의 현재 전력 출력을 결정하는 단계와, 구성요소 온도 오차 및 풍력 터빈의 현재 전력 출력에 적어도 부분적으로 기초하여 최대 전력 셋포인트를 결정하는 단계를 더 포함한다. 본 개시는 또한 셋포인트 감소를 결정하는 방법과, 그러한 방법을 위해 구성된 풍력 터빈 제어 시스템 및 풍력 터빈에 관한 것이다.

Description

풍력 터빈 셋포인트 감소{WIND TURBINE SETPOINT REDUCTION}

본 개시는 풍력 터빈에 관한 것으로, 구체적으로는 셋포인트 감소와 풍력 터빈 구성요소의 온도에 기초하여 최대 출력 셋포인트를 결정하는 방법에 관한 것이다.

최신 풍력 터빈은 통상적으로 전력망에 전기를 공급하는 데 사용된다. 이러한 유형의 풍력 터빈은 대체로 타워 및 이 타워 상에 배치되는 로터를 포함한다. 통상적으로 허브와 복수 개의 블레이드를 포함하는 로터는 블레이드에 대한 바람의 영향을 받아 회전하도록 설정된다. 상기한 회전은 대개 로터 샤프트를 통해 직접 또는 기어박스를 통해 발전기로 전달되는 토크를 생성한다. 이러한 방식으로, 발전기는 전력망에 공급될 수 있는 전력을 생성한다.

풍력 터빈 허브는 나셀의 전방에 회전 가능하게 커플링될 수 있다. 풍력 터빈 허브는 로터 샤프트에 연결될 수 있고, 로터 샤프트는 나셀 내부의 프레임에 배열된 하나 이상의 로터 샤프트 베어링을 사용하여 나셀에 회전 가능하게 장착될 수 있다. 나셀은 풍력 터빈 타워의 상부에 배치된 하우징으로, 예컨대 기어 박스(존재하는 경우)와 발전기, 그리고 풍력 터빈에 따라 파워 컨버터와 같은 추가의 구성요소와 보조 시스템을 포함하고 보호한다.

가변 속도 풍력 터빈에서, 풍력 터빈 제어기는 변하는 바람 상태에 맞도록 풍력 터빈의 제어 세팅을 변경할 수 있다. 특히, 블레이드의 피치각과 발전기 토크는 바람 상태에 맞게 변경될 수 있다. 공칭 또는 “정격” 풍속 미만의 풍속에서, 제어 목적은 일반적으로 풍력 터빈의 전력 출력을 최대화화는 것으로, 즉 피치와 발전기 토크가, 전력망에 최대 전력 출력을 전달할 수 있도록 변경된다. 상기 공칭 풍속을 초과할 시(그리고 공칭 풍속 주변 상황에 따라), 제어 목적은 특히 제어 하에서 하중을 유지하는 것일 수 있으며, 즉 (하중에 대한 제약을 감안할 때) 전력 출력을 가능한 최고 수준으로 유지하면서, 피치 및 발전기 토크가 풍력 터빈에 대한 하중을 허용 가능한 수준으로 감소시키도록 변경된다.

풍력 터빈은 광범위하게 상이한 세팅; 즉 연안용, 해상용, 온대 기후 및 냉대 기후에서 사용될 수 있다. 주위 온도가 상승하면, 풍력 터빈 구성요소의 온도도 또한 상승할 수 있다. 주위 온도가 매우 높거나 장기간 동안 고온으로 유지되면, 풍력 터빈 구성요소의 온도가 너무 높아질 수 있고, 풍력 터빈의 작동을, 풍력 터빈 구성요소의 온도를 허용 가능한 수준으로 유지하도록 조정해야만 할 수 있다.

상기한 상황에 대처하는 2가지 상이한 방법이 알려져 있다. 한가지 기지의 해결책에서는, 상이한 주위 온도를 위한 상이한 최대 전력 셋포인트(즉, 전력 한계)가 정해진다. 상기한 주위 온도에 따른 최대 전력 셋포인트는 풍력 터빈 제조업자와 오퍼레이터 간의 계약으로 고정될 수 있다.

작동 시, 주위 온도가 모니터링될 수 있고, 주위 온도에 따라 미리 정해진 최대 전력 셋포인트가 이용된다. 특히, 이것은 공칭 속도를 초과하는 경우, 정격 전력이 전력망으로 전달되기 보다는, 감소된 전력량이 전달됨을 의미한다. 풍력 터빈의 작동은 낮은 풍속의 경우에 정상일 수 있다: 최대 전력 셋포인트가 주위 온도에 기초하여 결정되더라도, 심지어는 최적 작동에서도 이 최대 전력에 도달할 수 없는 바람 상태가 조성될 수 있다. 이러한 접근법의 한가지 단점은, 최대 전력 셋포인트가 일반적으로 매우 보수적으로 설정되고, 이것인 전력 출력에 영향을 준다는 것이다.

다른 기지의 해결책에서, 풍력 터빈 구성요소의 온도는 작동 중에 측정되고, 상응하는 풍력 터빈 구성요소의 문턱값이 미리 정해진다. 풍력 터빈 구성요소의 온도가 상응하는 문턱값 미만에 머무르면, 최대 전력 셋포인트는 영향을 받지 않는데, 즉 바람 상태가 양호한 경우에 공칭 정격 전력이 전력망으로 전달될 수 있다. 풍력 터빈 구성요소의 온도 중 하나가 대응하는 문턱값에 도달하면, 전력 출력은 (대체로) 대폭 감소되어, 풍력 터빈 구성요소를 냉각시킨다. 이 접근법의 한가지 단점은, 전력 출력이 감소된 경우 일반적으로 구성요소의 안전 작동을 보장하기 위해 급속하게 감소되어야만 한다는 것이다. 전력 출력의 변화가 이에 따라 중요할 수 있다.

본 개시의 양태에서, 풍력 터빈을 위한 최대 전력 셋포인트를 결정하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 제1 풍력 터빈 구성요소의 온도를 결정하는 단계와, 제1 풍력 터빈 구성요소의 온도와 제1 풍력 터빈 구성요소를 위한 대응하는 온도 문턱값 간의 차를 결정하는 것에 의해 제1 구성요소 온도 오차를 결정하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 풍력 터빈의 현재 전력 출력을 결정하는 단계와, 제1 구성요소 온도 오차 및 풍력 터빈의 현재 전력 출력에 적어도 부분적으로 기초하여 최대 전력 셋포인트를 결정하는 단계를 포함한다.

이 양태에 따른 방법에 따르면, 최대 전력 셋포인트는 풍력 터빈 구성요소의 실제 온도보다는 주위 온도에 기초하여 결정된다. 동시에, 셋포인트 감소는 구성요소를 위한 실제 온도 한계에 도달하기 전에 반응함으로써 원활해질 수 있다. 온도 오차(즉, 목표 온도나 온도 한계와 실제 온도 사이의 차)를 모니터링하는 것에 의해, 상기한 한계에 도달하기 전에 제어가 대응할 것이다. 현재 전력 출력은 향후 온도 전개의 예측기처럼 작용할 수 있다.

다른 양태에서, 풍력 터빈 구성요소의 제1 온도를 결정하고, 풍력 터빈의 현재 전력 출력을 결정하도록 구성된 풍력 터빈의 제어 시스템이 제공된다. 제어 시스템은 풍력 터빈 구성요소의 제1 온도와 풍력 터빈 구성요소의 온도 문턱값 간의 차를 결정하고, 제1 구성요소 온도 오차와 현재 전력 출력에 적어도 부분적으로 기초하여 최대 전력 셋포인트를 결정하도록 더욱 구성된다. 제어 시스템은 최대 전력 셋포인트에 기초하여 풍력 터빈을 제어하도록 더욱 구성된다.

또 다른 양태에서는, 풍력 터빈의 제1 전기 구성요소의 제1 온도를 측정하는 단계와, 상기 제1 온도를 제1 전기 구성요소를 위해 정해진 제1 온도 문턱값과 비교하여 제1 온도 오차값을 결정하는 단계를 포함하는 풍력 터빈을 위한 최대 전력 셋포인트를 결정하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 풍력 터빈의 현재 전력 출력을 결정하는 단계와, 제1 온도 오차값에 기초한 피드백 제어 및 풍력 터빈의 현재 전력 출력에 기초한 피드포워드 제어를 포함하는 풍력 터빈의 제1 전력 셋포인트를 제어하는 단계를 더 포함한다.

본 개시 전반에 걸쳐, 공칭 전력 또는 “정격 전력”은 풍력 터빈의 표준 작동에 따른 최대 전력 출력으로서 이해되어야만 하며, 즉 이러한 공칭 또는 정격 전력은 공칭 풍속 이상의 풍속에서 전력망으로 전달될 수 있다.

본 개시 전반에 걸쳐, 최대 전력 셋포인트는 조성된 바람 상태와는 무관한 풍력 터빈의 최대 전력 출력으로서 이해되어야만 하고, 즉 더 많은 전력이 전력망으로 전달될 수 있을 만큼 풍속이 높고, 특히 공칭 정격 전력 출력이 전력망에 전달될 수 있더라도, 풍력 터빈의 작동은 전력을 가능한 것보다 적게 생산하도록 제한된다.

“셋포인트 감소”는 공칭 또는 정격 전력 미만을 생산하고 전력망에 전달하도록 제한되는 풍력 터빈 작동으로서 이해되어야만 한다. 이러한 작동 제한은 조성되는 바람 상태에 기인하는 것이 아니라, 다른 상황에 기인하는 것이다. 그리고 특히 본 개시 내에서, 이러한 작동 제한은 예정된 주위 온도 및 구성요소 온도를 포함하는 온도 또는 열적 제한과, 주위 온도나 구성요소 온도와 관련된 열적 제한에 기인하는 것이다.

도 1은 풍력 터빈의 일례에 관한 개략적인 사시도.
도 2는 도 1의 풍력 터빈에 있는 나셀의 일례의 단순한 내부도.
도 3은 주위 온도에 기초한 최대 전력 셋포인트 곡선의 예를 개략적으로 보여주는 도면.
도 4 및 도 5는 최대 전력 셋포인트를 결정하는 방법의 일례를 보여주는 도면.
도 6은 최대 전력 셋포인트를 결정하는 방법에 관한 다른 예를 개략적으로 도시한 도면.

이제, 본 발명의 실시예 - 이 실시예의 하나 이상의 예가 도면에 도시되어 있음 - 를 상세히 참고하겠다. 각각의 예는 본 발명을 제한하는 것이 아니라, 본 발명을 설명하기 위해 제공된다. 사실상, 본 발명의 범위 또는 사상으로부터 벗어나는 일 없이 본 발명에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있다는 점이 당업자에게 명백할 것이다. 예컨대, 일실시예의 부분으로서 예시되거나 설명되는 피쳐는 다른 실시예와 함께 사용되어 또 다른 실시예를 구성할 수 있다. 이에 따라, 본 발명은, 첨부된 청구범위 및 그 등가물의 범위 내에 속하는 한 그러한 수정 및 변형을 포함한다.

도 1은 풍력 터빈(160)의 일례의 사시도를 보여준다. 도시한 바와 같이, 풍력 터빈(160)은 지지면(150)으로부터 연장되는 타워(170), 타워(170) 상에 장착되는 나셀(161), 및 나셀(161)에 커플링되는 로터(115)를 포함한다. 로터(115)는 회전식 허브(110)와, 이 허브(110)에 커플링되고, 허브로부터 외측방향으로 연장되는 적어도 하나의 로터 블레이드(120)를 포함한다, 예컨대, 예시한 실시예에서, 로터(115)는 3개의 로터 블레이드(120)를 포함한다. 그러나, 변형예에서 로터(115)는 3개보다 많거나 적은 로터 블레이드(120)를 포함할 수 있다. 각각의 로터 블레이드(120)는 로터(115)의 회전을 용이하게 하도록 허브(110) 둘레에서 이격되어, 운동 에너지가 바람으로부터 가용 기계 에너지로 그리고 이어서 전기 에너지로 변환되게 한다. 예컨대, 허브(110)는 나셀(161) 내에 위치 설정되어 에너지가 생성되게 하는 발전기(162)(도 2)에 회전 가능하게 커플링될 수 있다.

도 2는 도 1의 풍력 터빈(160)에 있는 나셀(161)의 일례의 단순한 내부도를 보여준다. 도시한 바와 같이, 발전기(162)는 나셀(161) 내에 배치될 수 있다. 일반적으로, 발전기(162)는 로터(115)에 의해 생성되는 회전 에너지로부터 전력을 생성하도록 풍력 터빈(160)의 로터(115)에 커플링될 수 있다. 예컨대, 로터(115)는 허브(110)에 커플링되어 함께 회전하는 메인 로터 샤프트(163)를 포함할 수 있다. 발전기(162)는 로터 샤프트(163)의 회전이 발전기(162)를 구동하도록 로터 샤프트(163)에 커플링될 수 있다. 예컨대, 예시한 실시예에서 발전기(162)는 기어박스(164)를 통해 로터 샤프트(163)에 회전 가능하게 커플링되는 발전기 샤프트(166)를 포함한다.

로터 샤프트(163), 기어 박스(164) 및 발전기(162)는 일반적으로 풍력 터빈 타워(170) 상부에 위치 설정되는 지지 프레임 또는 베드플레이트(165)에 의해 나셀(161) 내에서 지지될 수 있다는 점을 이해해야만 한다.

나셀(161)은 요축(YA)을 중심으로 회전 가능한 방식으로 요 시스템(20)을 통해 타워(170)에 회전 가능하게 커플링될 수도 있고, 로터를 바람에 대해 원하는 각도로 위치 설정하는 다른 방법이 있을 수 있다. 요 시스템이 마련되는 경우, 상기한 시스템은 통상 서로에 대해 회전하도록 구성된 2개의 베어링 구성요소를 갖는 요 베어링을 포함할 것이다. 타워(170)는 베어링 구성요소들 중 어느 하나에 커플링되고, 나셀(161)의 베드플레이트나 지지 프레임(165)은 다른 하나의 베어링 구성요소에 커플링된다. 요 시스템(20)은 환형 기어(21)와, 모터(23), 기어박스(24) 및 베어링 구성요소들 중 어느 하나를 다른 하나에 대해 회전시키기 위해 환형 기어와 맞물리는 피니언(25)을 지닌 복수 개의 요 구동부(22)를 포함한다.

전술한 바와 같이, 블레이드(120)는 블레이드(120)와 허브(110) 사이의 피치 베어링(100)에 의해 허브(110)에 커플링된다. 피치 베어링(100)은 내측 링(103) 및 외측 링(104)을 포함한다. 풍력 터빈 블레이드는 내측 베어링 링이나 외측 베어링 링 중 어느 하나에 부착될 수 있고, 허브는 나머지 하나에 연결된다. 블레이드(120)는 피치 시스템(107)이 활성화되면 허브(110)에 대해 상대 회전 운동을 수행할 수 있다. 내측 베어링 링은 이에 따라 도 2에서 외측 베어링 링에 대해 회전 운동을 수행할 수 있다, 도 2의 피치 시스템(107)은 내측 베어링 링에 마련되는 환형 기어(109)와 맞물려 풍력 터빈 블레이드를 피치축(PA)을 중심으로 회전하도록 설정하는 피니언(108)을 포함한다.

도 3은 주위 온도에 기초한 최대 전력 셋포인트 곡선의 예를 개략적으로 보여준다. 다양한 주위 온도에 대해서, 최대 전력 출력이 정해진다. 상기한 협약은 풍력 터빈 제조업자와 풍력 터빈 오퍼레이터나 클라이언트 간의 계약에 포함될 수 있다.

비교적 낮은 주위 온도에서, 최대 전력 출력은 풍력 터빈의 공칭 전력일 수 있다. 낮은 주위 온도에서는, 구성요소 온도가 그 작동 한계에 도달할 수 있는 우려가 없고, 이에 따라 전력 저감이 필요하지 않다.

높은 주위 온도에서는, 특히 풍력 터빈이 잠시 동안 그 최대 용량으로 작동했다면 구성요소 온도가 그 작동 한계에 도달할 수 있다. 풍력 터빈 구성요소를 보호하고 안전 작동을 보장하기 위해, 풍력 터빈의 전력 출력이 제한될 수 있고, 최대 전력 셋포인트가 감소될 수 있다.

그러나, 주위 온도와 구성요소 온도 사이에는 직접적이거나 선형의 관계가 성립되지 않는다. 특히, 구성요소 온도는 주위 온도에 뒤쳐질 수 있다. 더욱이, 구성요소 온도는 주위 온도에 좌우될 뿐만 아니라, 구성요소의 열 이력 및 관성에도 좌우되고, 이러한 열 이력 및 관성 풍력 터빈의 최근 작동에서의 전력 생산에 좌우된다.

본 개시는 특히 하나 이상의 풍력 터빈 구성요소의 온도를 결정하는 단계를 포함하는 풍력 터빈을 위한 최대 전력 셋포인트를 결정하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 풍력 터빈 구성요소의 온도와 대응하는 구성요소를 위한 온도 문턱값 간의 차를 결정하는 것에 의해 하나 이상의 구성요소 온도를 결정하는 단계와, 적어도 구성요소 온도 오차에 적어도 부분적으로 기초한 최대 전력 셋포인트를 결정하는 단계를 더 포함한다.

특히, 하나 이상의 풍력 터빈 구성요소는 하나 이상의 전기 풍력 터빈 구성요소 또는 전기 풍력 터빈 구성요소의 부품이나 부분을 포함할 수 있다. 풍력 터빈의 전기 구성요소는 다른 구성요소보다 과열되기 쉬울 수 있고, 그 온도는 적어도 부분적으로 터빈의 전력 출력에 좌우된다. 그 온도는 적어도 부분적으로 풍력 터빈 전력 출력을 제어하는 것에 의해, 특히 최대 전력 출력을 (너무) 높지 않게 보장하는 것에 의해 제어될 수 있다.

도 4 및 도 5은 최대 전력 셋포인트를 결정하는 방법의 일례를 개략적으로 보여준다. 도 5는 변압기, 특히 주 변압기에 있어서 온도 오차를 결정할 수 있는 방법을 개략적으로 보여준다. 변압기의 온도를 측정하여 목표 온도와 비교할 수 있다. 목표 온도는 온도 문턱값일 수 있다. 문턱값은 구성요소, 이 경우에는 변압기의 작동 한계에 상응할 수 있다. 다른 예에서, 온도 문턱값은 작동 한계보다 낮게, 예컨대 구성요소의 작동 한계보다 미리 정해진 크기 또는 예정된 퍼센티지만큼 낮게 설정될 수 있다.

200에서 실제 온도를 목표 온도와 비교하는 것에 의해, 온도 오차값이 얻어진다. 오차값은 블럭 210에서 피드백 제어에 이용될 수 있다. 오차값이 작으면, 구성요소의 온도는 문턱값에 더 근접한다. 피드백 제어의 출력은 변압기를 위한 최대 전력 셋포인트일 수 있다. 도 5에서, 피드백 제어(210)의 출력은 전력 셋포인트 증분, 즉 전력 셋포인트의 증감량일 수 있다.

220에서, 전력 셋포인트의 증감은 풍력 터빈의 공칭 또는 정격 전력에 추가된다. 도 5의 예에서의 결과는 변압기를 위한 전력 셋포인트, 즉 변압기 온도에 기초하여 결정된 최대 전력 셋포인트이다. 변압기 온도에 기초한 최대 전력 셋포인트는 풍력 터빈의 실제 정격 전력보다 높을 수 있다는 점에 유념해야만 한다. 이것은, 여기에서 설명하겠지만 풍력 터빈이 상기한 높은 전력 셋포인트에서 작동한다는 것을 의미하지 않는다.

상기한 방법은 거의 연속적으로, 예컨대 매분 또는 5분 내지 30분마다 실행될 수 있고, 온도를 결정할 수 있으며, 최대 전력 셋포인트를 재산출할 수 있다. 상기 방법은 일정한 빈도로 수행될 수도 있고, 빈도가 변할 수도 있다. 예컨대,결정, 측정 및또는 계산의 빈도는 온도가 한계 온도에 가까워질수록 증가할 수 있다.

몇몇 예에서, 최대 전력 셋포인트는 구성요소 온도 오차에 기초한 PID 제어를 포함한다. 비례-적분-미분제어기(PID 제어기)는 피드백을 채용하는 제어 루프 기구이다. PID 제어기는 원하는 셋포인트(온도 문턱값)과 측정된 프로세스 변수(구성요소 온도) 간의 차이를 오차값(이 예에서는 “온도 오차값”)으로 계산하여, 비례, 적분, 및 미분(각각 P, I 및 D로 표기함) 항목에 기초하여 교정을 적용한다.

PID 제어는 여기에서 반드시 3개의 항목(비례, 적분 및 미분) 모두를 사용한다는 것을 의미하는 것으로 이해해서는 안 된다. 본 개시의 예에서, 이들 항목 중 어느 하나 또는 2개가 0의 게인 인자를 가질 수 있는데, 즉 PID 제어는, 예컨대 PI 제어 또는 PD 제어일 수 있다.

대안으로서, 여기에서 PID 제어로서 구현되는 피드백 제어는 모델 예측 제어(Model Predictive Control; MPC), H-infinity 방법, LQ(Linear-Quadratic) 조절기 중 임의의 것으로 구현될 수 있다. 피드백 제어를 위한 다른 적절한 알고리즘도 또한 사용될 수 있다. PID(또는 다른 피드백)의 출력은 구성요소 온도에 기초한 전력 셋포인트일 수 있다.

이 예에서, 최대 전력 셋포인트는 구성요소 온도에 기초한 전력 셋포인트가 정격 전력보다 높으면 풍력 터빈을 위한 정격 전력으로서 결정될 수 있다. 풍력 터빈의 하나 이상의 구성요소의 온도에 기초한 최대 전력 셋포인트는, 계산된 최대 전력 셋포인트가 공칭 전력보다 낮은 경우에만 실현될 수 있고, 계산된 최대 전력 셋포인트가 공칭 전력 이상인 경우에는 실현되지 않는다. 그렇지 않으면, 공칭 전력을 최대 전력 셋포인트로서 취할 수 있다. 이 경우, 풍력 터빈 작동은 정상적일 수 있다.

온도 측정 및 대응하는 최대 전력 셋포인트 결정이 도 5에서 변압기에 적용되는 것으로 도시되었다. 유사한 측정 및 결정이 다른 풍력 터빈 구성요소, 구체적으로는 전기 풍력 터빈 구성요소, 보다 구체적으로는 도 4에 예시한 바와 같이 풍력 터빈의 발전기 및 파워 컨버터에 대해서 이루어질 수 있다. 이들 구성요소 각각에 있어서, 그 개별 온도에 기초한 대응하는 최대 전력 셋포인트가 결정될 수 있다. 도 4에 예시한 것에 따르면, 특히 가장 제한적인 전력 셋포인트가 풍력 터빈의 정격 전력보다 낮으면, 이 가장 제한적인 전력 셋포인트가 풍력 터빈의 제어를 위해 이용될 수 있다.

도 5의 예에 따르면, 최대 전력 셋포인트를 결정하는 방법은 풍력 터빈의 현재 전력 출력을 결정하는 단계와, 구성요소 온도 오차 및 현재 전력 출력에 기초하여 최대 전력 셋포인트를 결정하는 단계를 더 포함한다. 풍력 터빈의 전력 출력은 상이한 전기 구성요소에서의 열 생성을 결정하고, 이에 따라 전기 구성요소의 향후 온도 추정을 돕는 입력을 형성할 수 있다.

몇몇 예에서는 도 5에 예시한 바와 같이, 제1 오프셋 전력 셋포인트가 [피드백 제어기(210)에서] 구성요소 온도 오차에 기초하여 결정되고, 제2 오프셋 전력 셋포인트가 [피드포워드 제어기(260)에서] 현재 전력 출력에 기초하여 결정된다.

도 5의 예에서, 최대 전력 셋포인트가 220에서, 풍력 터빈의 정격 출력(Pn), 제1 오프셋 전력 셋포인트 및 제2 오프셋 전력 세포인트의 합산으로서 결정된다. 블럭 230에서, 상기 합계가 풍력 터빈의 정격 전력 미만이면 최대 전력 셋포인트가 풍력 터빈 제어기(240)에 제공된다. 상기 합계가 정격 전력을 초과하면, 정격 전력이 풍력 터빈 제어기(240)에 전달된다.

블럭 250에서, 풍력 터빈 발전기(WTG)가 최대 전력 셋포인트 및 실제 바람 상태에 기초하여 제어된다. 그 결과가 풍력 터빈의 현재 전력 출력이며, 이는 피드포워드 제어기(210)로 전달될 수 있다.

조성된 바람 상태에 따라, 풍력 터빈의 작동이 표준이 될 수 있다. 그러나, 특히 높은 풍속에서 풍력 터빈의 작동은 전력을 최대 전력 셋포인트로 줄이도록 맞춰질 수 있다.

도 5의 예에서는, 그 온도 조건이 셋포인트 감소를 일으키고 풍력 터빈 작동을 제한할 수 있는 전기 구성요소의 일례로서 풍력 터빈 변압기, 특히 주 풍력 터빈 변압기가 제시된다. 다른 예에서, 상기 방법은 다른 풍력 터빈 구성요소, 구체적으로 전기 구성요소, 보다 구체적으로 발전기 및/또는 파워 컨버터에 적용될 수 있다.

최대 전력 셋포인트를 결정하는 방법의 다른 예가 도 6에 개략적으로 도시되어 있다. 도 6의 예는, 피드포워드 제어와 피드백 제어 모두가 포함된다는 점에서 대체로 도 5의 예에 상응한다/ 그러나, 제어의 피드백 측에 다수의 요소가 추가되었다. 이와 동일하거나 유사한 요소가 피드백 제어만을 갖는 예에도 또한 추가될 수 있다는 점이 명백할 것이다.

도 5의 예에서 관해서, 변압기의 온도가 측정될 수도 있고, 이와 달리 결정될 수도 있다. 210에서, 변압기의 온도를 이용하여 이전과 같이 변압기 온도 오차를 결정한다. 이것은 도 5의 예와 같이 PID 제어를 위한 기본적인 입력을 형성할 수 있다.

온도 측정은 풍력 터빈이 현재 전력 출력에 의해 결정되는 변압기의 작동뿐만 아니라 변압기의 냉각 시스템에 대한 정보에 의해 보완될 수 있다. 열역학적 모델은 실제 온도 측정을 보완하는 데 사용될 수 있다. 열역학적 모델을 위한 입력은 냉각 시스템의 활동 및 특징에 대한 정보와 현재 전력 출력에 대한 정보를 포함한다. 결과적인 변압기 온도는 도 6에 도시한 바와 같이 변압기 냉각 시스템의 활동을 결정하기 위한 입력을 형성할 수 있다. 이 예에서는 또한, 풍력 터빈 변압기가 예로서 선택되었지만, 이러한 교시는 다른 전기 구성요소 그리고 그 대응하는 냉각 시스템에도 또한 적용 또는 확장될 수 있다는 점이 명백할 것이다.

다른 양태에서, 여기에 개시된 최대 전력 셋포인트를 결정하는 방법들 중 임의의 방법을 실행하도록 구성된 풍력 터빈을 위한 제어 시스템이 제공된다. 풍력 터빈의 제어 시스템은 제1 풍력 터빈 구성요소의 제1 온도를 결정하고, 풍력 터빈 구성요소의 제1 온도와 제1 구성요소를 위한 온도 문턱값의 차를 결정하는 것에 의해 제1 구성요소 온도 오차를 결정하도록 구성된다. 제어 시스템은 현재 전력 출력을 결정하고, 제1 구성요소 온도 오차와 현재 전력 출력에 적어도 부분적으로 기초하여 최대 전력 셋포인트를 결정하도록 더욱 구성된다. 제어 시스템은 최대 전력 셋포인트에 기초하여 풍력 터빈을 제어하도록 더욱 구성될 수 있다.

풍력 터빈 구성요소는 전기 발전기(로터 또는 스테이터 또는 이들 모두), 파워 컨버터, 또는 전기 변압기일 수 있다.

예에서, 풍력 터빈 제어 시스템은 풍력 터빈 구성요소(들)의 온도(들)를 결정하는 하나 이상의 센서를 포함할 수 있다. 다른 예에서, 풍력 터빈 제어 시스템은 유무선 접속을 통해 온도 정보를 수신할 수 있다.

또 다른 양태에서, 본 개시는 여기에 개시한 예들 중 임의의 예에 따른 풍력 터빈 제어 시스템을 포함하는 풍력 터빈에 관한 것이다.

지금까지 예시한 예에서는, 단일 (전기) 풍력 터빈 구성요소에 초점을 맞췄다. 그러나, 상기 방법은 다수의 상이한 구성요소에 대해 동시에 실행될 수도 있다. 상이한 구성요소들은 상이한 최대 전력 셋포인트나 셋포인트 감소를 정할 수 있다.

도 4에 도시한 바와 같이, 주 풍력 터빈 변압기, 풍력 터빈 발전기 및 파워 컨버터와 같은 상이한 구성요소에 의해 정해진 상이한 셋포인트를 고려하여, 풍력 터빈 셋포인트 감소가 가장 제한적인 최대 전력 셋포인트로서 결정될 수 있다. 상이한 구성요소들을 위한 최대 전력 셋포인트 중 하나 이상이 풍력 터빈의 공칭 전력보다 낮은 경우에만 실제 전력 셋포인트 감소가 발생한다.

도 4에 도시한 바와 같이, 결과적인 셋포인트 감소가 풍력 터빈 제어기에 공급될 수 있으며, 이는, 예컨대 피치 시스템, 발전기 토크의 작동 세팅을 제어한다. 다른 작동 세팅으로는, 예컨대 요 각도(yaw angle)가 있다. 실제 작동 세팅은 셋포인트 감소뿐만 아니라, 조성되는 바람 상태에도 좌우된다. 예에서, 방법은 셋포인트 감소에 따라 작동하도록 블레이드를 피칭하는 단계 및/또는 로터 속도를 줄이는 단계를 더 포함할 수 있다. 블레이드를 피칭하는 것 및 로터 속도를 줄이는 것에 의해, 전력 출력이 감소될 수 있다.

이에 따르면 또 다른 양태에서는, 풍력 터빈을 위한 최대 전력 셋포인트를 결정하는 방법이 제공된다. 풍력 터빈을 위한 최대 전력 셋포인트를 결정하는 방법은 풍력 터빈의 제1 전기 구성요소의 제1 온도를 측정하는 단계와, 상기 제1 온도를 제1 전기 구성요소를 위해 정해진 제1 온도 문턱값과 비교하여 제1 온도 오차값을 결정하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 풍력 터빈의 현재 전력 출력을 결정하는 단계와, 제1 온도 오차값에 기초한 피드백 제어 및 풍력 터빈의 현재 전력 출력에 기초한 피드포워드 제어를 포함하는 풍력 터빈의 제1 전력 셋포인트를 제어하는 단계를 더 포함한다.

도 4에서와 같이, 제1 전기 구성요소는 발전기 부분일 수 있다.

몇몇 예에서, 상기 방법은 풍력 터빈의 제2 전기 구성요소의 제2 온도를 측정하는 단계와, 제2 온도를 제2 전기 구성요소에 대해 설정된 제2 온도 문턱값과 비교하여 제2 온도 오차값을 결정하는 단계, 그리고 제2 온도 오차값에 기초한 피드백 제어 및 풍력 터빈의 현재 전력 출력에 기초한 피드포워드 제어를 포함하는 풍력 터빈의 제2 전력 셋포인트를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다. 제2 전기 구성요소는, 예컨대 컨버터(부분)일 수 있다.

몇몇 예에서, 상기 방법은 풍력 터빈의 정격 전력, 제1 전력 셋포인트 및 제2 전력 셋포인트 중 낮은 것을 풍력 터빈을 위한 최대 전력 셋포인트로 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

몇몇 예에서, 상기 방법은 최대 전력 셋포인트에 따라 풍력 터빈을 작동시키는 단계를 더 포함할 수 있고, 이 풍력 터빈을 작동시키는 단계는 풍력 터빈의 하나 이상의 블레이드를 피칭하는 단계 및/또는 최대 전력 셋포인트에 따라 작동하도록 로터 속도를 감속하는 단계를 포함한다.

몇몇 예에서, 상기 방법은 풍력 터빈의 제3 전기 구성요소(예컨대, 변압기)의 제3 온도를 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 방법은 제3 온도를 제3 전기 구성요소에 대해 설정된 제3 문턱값과 비교하여, 제3 온도 오차값을 결정하는 단계와, 제3 온도 오차값에 기초하여 제3 전력 셋포인트를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 방법은 풍력 터빈의 정격 전력, 제1 전력 셋포인트, 제2 전력 셋포인트, 및 제3 전력 셋포인트 중 낮은 것을 풍력 터빈을 위한 최대 전력 셋포인트로 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

앞서 예시한 바와 같이, 상기 방법은 풍력 터빈의 현재 전력 출력을 결정하는 단계와, 제1 및 제2 온도 오차값 각각과 풍력 터빈의 현재 전력 출력에 기초하여 제1 및 제2 전력 셋포인트를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

도 6의 예의 피드포워드 제어 및 피드백 제어 양자 모두는 PID 알고리즘에 의존할 수 있다. 도 5의 예에 관하여 전술한 바와 같이, 적절한 대안의 제어 알고리즘은, 예컨대 H-infinity, LQ, 및 MPC를 포함한다. 개별 구성요소를 위한 피드포워드 제어 및 피드백 제어에 있어서 PID(또는 다른 알고리즘)을 위한 게인값은 상이할 수 있다.

당업자라면, 여기에서 본 개시와 연계되어 설명되는 다양한 예시적인 논리 블럭, 모듈, 회로 및 알고리즘 단계가 전자 하드웨어, 컴퓨터 소프트웨어 또는 이들 양자 모두의 조합으로서 구현될 수 있다는 것을 더욱 이해할 것이다. 이러한 하드웨어 및 소프트웨어의 호환성을 명확히 예시하기 위해, 다양한 예시적인 구성요소, 블럭, 모듈, 회로 및 단계가 일반적으로 그 기능 관점에서 전술되었다. 상기한 기능이 하드웨어로 구현되는지 소프트웨어로 구현되는지 여부는 특정 어플리케이션과 전체 시스템에 부여되는 설계 제약에 좌우된다. 당업자는 각각의 특정 어플리케이션을 위해 다양한 방식으로 전술한 기능을 구현할 수 있다.

여기에서 본 개시와 연계하여 설명되는 다양한 예시적인 논리 블럭, 모듈 및 회로는 하나 이상의 범용 프로세서, 디지털 신호 프로세서(DSP), 클라우드 컴퓨팅 아키텍쳐, ASIC(Application Specific Integrated Circuit), FPGA(Field Programmable Gate Array), PLC(Programmable Logic Controller) 또는 다른 프로그래밍 가능한 논리 디바이스, 별개의 게이트 또는 트랜지스터 로직, 별개의 하드웨어 구성요소, 또는 여기에서 설명한 기능을 수행하도록 구성된 이들의 임의의 조합에 의해 구현되거나 수행될 수 있다. 범용 프로세서는 마이크로프로세서일 수도 있고, 변형예에서 프로세서는 임의의 종래의 프로세서, 제어기, 마이크로제어기 또는 상태 기계(state machine)일 수도 있다. 프로세서는 또한 컴퓨팅 디바이스들의 조합, 예컨대 DSP와 마이크로프로세서의 조합, 복수 개의 마이크로 프로세서, DSP와 연계된 하나 이상의 마이크로프로세서, 또는 상기한 임의의 기타 구성으로 구현될 수 있다.

본 개시는 또한 여기에 개시한 방법들 중 임의의 방법을 실행하도록 구성된 컴퓨팅 시스템에 관한 것이다.

본 개시는 또한, 실행 시에 여기에 개시한 방법들 중 임의의 방법을 수행하는 명령(코드)를 포함하는 컴퓨터 프로그램 또는 컴퓨터 프로그램 제품에 관한 것이다.

컴퓨터 프로그램은 소스 코드, 객체 코드, 부분 컴파일된 형태나 프로세스의 구현에 사용하기에 적합한 임의의 다른 형태와 같은 코드 중간 소스 및 객체 코드 형태일 수 있다. 캐리어는 컴퓨터 프로그램을 저장할 수 있는 임의의 개체 또는 디바이스일 수 있다.

기능은 소프트웨어/펌웨어로 구현되는 경우, 하나 이상의 명령 또는 코드로서 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장되거나 전송된다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 한 위치에서 다른 위치로의 컴퓨터 프로그램 전달을 용이하게 하는 임의의 매체를 포함하는 컴퓨터 저장 매체 및 통신 매체 모두를 포함한다. 저장 매체는 범용 또는 전용 컴퓨터에 의해 액세스 가능한 임의의 가용 매체일 수 있다. 예컨대, 제한하는 것은 아니지만, 그러한 컴퓨터 판독 가능 매체는 RAM, ROM, EEPROM, CD/DVD 또는 다른 광학 디스크 저장 장치, 자기 디스크 저장 장치, 또는 다른 자기 저장 장치, 또는 명령 또는 데이터 구조의 형태로 원하는 프로그램 코드 수단을 수용하거나 저장하는 데 사용될 수 있고 범용이나 전용 컴퓨터 또는 범용이나 전용 프로세서에 의해 액세스될 수 있다. 또한, 임의의 접속은 적절하게 컴퓨터 판독 가능 매체로 지칭된다. 예컨대, 동축 케이블, 광섬유 케이블, 트위스트 페어, 디지털 가입자 회선(DSL) 또는 적외선, 라디오 및 마이크로파와 같은 무선 기술을 사용하여 웹 사이트, 서버 또는 기타 원격 소스로부터 소프트웨어/펌웨어를 전송하면, 동축 케이블, 광섬유 케이블, 연선, DSL 또는 적외선, 무선 및 마이크로파와 같은 무선 기술은 매체의 정의에 포함된다. 여기에서 사용되는 디스크는 CD, 레이저 디스크, 광학 디스크, DVD (digital versatile disc), 플로피 디스크 및 블루레이 디스크를 포함하며, 디스크는 일반적으로 데이터를 자기적으로 재생하지만, 디스크는 레이저로 광학적으로 데이터를 재생하기도 한다 . 상기의 조합 또한 컴퓨터 판독 가능 매체의 범위 내에 포함되어야만 한다.

여기에서 다수의 예를 개시하였지만, 다른 변형, 수정, 용도 및/또는 그 등가물도 가능하다. 더욱이, 전술한 예의 모든 가능한 조합도 또한 포함된다. 이에 따라, 본 개시의 범위는 특정 예에 의해 제한되어서는 안 되며, 단지 이어지는 청구범위를 정확히 읽어보는 것에 의해서만 결정되어야만 한다.

Claims

풍력 터빈을 위한 최대 전력 셋포인트 결정 방법으로서,
제1 풍력 터빈 구성요소의 온도를 결정하는 단계;
제1 풍력 터빈 구성요소의 온도와 제1 풍력 터빈 구성요소를 위한 대응하는 온도 문턱값 간의 차를 결정하는 것에 의해 제1 구성요소 온도 오차를 결정하는 단계;
풍력 터빈의 현재 전력 출력을 결정하는 단계; 및
제1 구성요소 온도 오차 및 풍력 터빈의 현재 전력 출력에 적어도 부분적으로 기초하여 최대 전력 셋포인트를 결정하는 단계
를 포함하는 최대 전력 셋포인트 결정 방법.
제1항에 있어서, 최대 전력 셋포인트를 결정하는 단계는, 구성요소 온도 오차에 기초한 피드백 제어, 선택적으로 PID 제어를 포함하는 것인 최대 전력 셋포인트 결정 방법.
제2항에 있어서, 피드백 제어의 출력은 구성요소 온도에 기초한 전력 셋포인트인 것인 최대 전력 셋포인트 결정 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 풍력 터빈의 현재 전력 출력에 기초하여 최대 전력 셋포인트를 결정하는 단계는 피드포워드 제어를 포함하는 것인 최대 전력 셋포인트 결정 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 구성요소 온도 오차와 현재 전력 출력에 기초한 전력 셋포인트가 풍력 터빈의 정격 전력보다 높은 경우, 최대 전력 셋포인트는 풍력 터빈의 정격 전력으로서 결정되는 것인 최대 전력 셋포인트 결정 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 구성요소 온도 오차와 현재 전력 출력에 기초한 전력 셋포인트가 풍력 터빈의 정격 전력보다 낮은 경우, 최대 전력 셋포인트는 구성요소 온도 오차와 현재 전력 출력에 기초한 전력 셋포인트로서 결정되는 것인 최대 전력 셋포인트 결정 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 오프셋 전력 셋포인트가 구성요소 온도 오차에 기초하여 결정되고, 제2 오프셋 전력 셋포인트가 현재 전력 출력에 기초하여 결정되는 것인 최대 전력 셋포인트 결정 방법.
제7항에 있어서, 풍력 터빈의 정격 전력, 제1 오프셋 전력 셋포인트 및 제2 오프셋 전력 셋포인트의 합계가 풍력 터빈의 정격 전력보다 낮은 경우, 최대 전력 셋포인트는 상기 합계인 것인 최대 전력 셋포인트 결정 방법.
제7항에 있어서, 현재 전력 출력, 제1 오프셋 전력 셋포인트 및 제2 오프셋 전력 셋포인트의 합계가 풍력 터빈의 정격 전력보다 낮은 경우, 최대 전력 셋포인트는 상기 합계인 것인 최대 전력 셋포인트 결정 방법.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 구성요소는 발전기, 주 변압기 또는 파워 컨버터 중 어느 하나인 것인 최대 전력 셋포인트 결정 방법.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 최대 전력 셋포인트에 따라 풍력 터빈을 작동시키는 단계를 더 포함하고, 상기 최대 전력 셋포인트에 따라 풍력 터빈을 작동시키는 단계는 로터 속도 및/또는 풍력 터빈 블레이드의 피치각을 줄이는 단계를 포함하는 것인 최대 전력 셋포인트 결정 방법.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
제2 풍력 터빈 구성요소의 온도를 결정하는 단계;
제2 풍력 터빈 구성요소의 온도와 제2 풍력 터빈 구성요소를 위한 온도 문턱값 간의 차를 결정하는 것에 의해 제2 구성요소 온도 오차를 결정하는 단계;
풍력 터빈의 현재 전력 출력을 결정하는 단계; 및
제1 구성요소 온도 오차, 제2 구성요소 온도 오차 및 풍력 터빈의 현재 전력 출력에 적어도 부분적으로 기초하여 최대 전력 셋포인트를 결정하는 단계
를 포함하는 최대 전력 셋포인트 결정 방법.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항의 방법을 실행하도록 구성된 풍력 터빈 제어 시스템.
제13항에 따른 풍력 터빈 제어 시스템을 포함하는 풍력 터빈.
제14항에 있어서, 풍력 터빈 구성요소의 온도를 결정하는 하나 이상의 센서를 포함하는 풍력 터빈.