KR20230159861A - 부유식 풍력 터빈의 작동을 제어하는 방법 및 디바이스 - Google Patents

부유식 풍력 터빈의 작동을 제어하는 방법 및 디바이스 Download PDF

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카를로스 알베르토 카비치올리 곤자가
카스페르 라우게센
헨릭 스테펜센
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지멘스 가메사 리뉴어블 에너지 아/에스
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Abstract

요 회전, 롤 회전 및 피치 회전을 수행하는 부유식 풍력 터빈(1)의 작동을 제어하는 방법이 설명된다. 이 방법은 피치 회전(b)을 결정하고; 롤 회전(c)을 결정하고; 결정된 피치 회전(b)과 풍력 터빈 피치 레퍼런스(f) 사이의 피치 차이(d)를 계산하고; 결정된 롤 회전(c)과 풍력 터빈 롤 레퍼런스(h) 사이의 롤 차이(g)를 계산하고; 피치 차이(d) 및 롤 차이(g)에 기초하여 피치 및 롤 충격값(i)을 결정하고; 파라미터(a)의 미리정의된 레퍼런스(k)와 피치 및 롤 충격값(i)에 기초하여 파라미터(a)의 레퍼런스(j)를 결정하고; 그리고 파라미터(a)의 레퍼런스(j)에 기초하여 풍력 터빈(1)의 파라미터(a)를 제어함으로써 풍력 터빈(1)의 작동의 파라미터(a)를 제어한다

Description

부유식 풍력 터빈의 작동을 제어하는 방법 및 디바이스
본 발명은 부유식 풍력 터빈(floating wind turbine)의 속도, 가속도 또는 롤(roll) 및 피치(pitch) 동작들의 진폭을 나타내는 회전 조건들을 제어하거나 보호하기 위한 부유식 풍력 터빈의 작동을 제어하는 방법 및 디바이스(device)에 관한 것이다.
부유식 풍력 터빈들(FWT들)은 기존의 바닥 고정식 터빈들에 비해 추가 자유도(DOF)들로 인해 추가적인 동작들을 겪는 것으로 공지되어 있다. 예를 들어, FWT들은 블레이드 피치 각도 작동을 통한 표준 로터 속도 제어와의 결합으로 인해 증폭될 수 있는 플로터 피치(floater pitch) 회전 동작을 경험한다. 따라서, 높은 로터 속도, 높은 블레이드 피치 작동 및 과도한 타워 바닥/플로터 하중들이 발생하여 타워/기초부 설계와 관련된 재료 비용들이 증가한다.
따라서, 제어기 성능을 극대화하고 플로터 피치 동작을 최소화하는 목적은 산업계와 학계 모두에서 주목하고 있는 큰 관심사이다.
플로터 피치 동작은 허브 가속도들 및 타워 가속도의 다른 성분들로부터 회전 속도를 결정하는 것과 같은 기존 추정치에서 더 많은 문제를 야기한다. 예를 들어, 헤이브 동작(heave motion)은 가속도계와 자이로스코프들을 방해하여 제어기에서 사용되는 잘못된 추정치들을 생성할 수 있다. 또한, 롤 동작과 같은 다른 플로터 구조 모드들은 터빈 작동 중에 여기될 수 있다. 또한, 제어기는 바람직하지 않게 증폭되는 플로터 자연 동작에 대처할 수 있어야 한다.
플로터 피치 동작 불안정성은 제어기 레퍼런스가 플로팅 시스템을 방해하지 않는 방식으로 속도-피치 제어에 추가의 레퍼런스 속도 신호를 추가하여 이전에 해결되었다. 이 입력은 기울기 각도/각속도를 측정하는 자이로스코프 및/또는 타워 및/또는 나셀 가속도들을 측정하는 가속도계에서 제공된다. 또한, 속도 피치 제어기를 디튠(detune)하여 대역폭(진동수)을 낮추어 플로터 피치 진동수에 반응하지 않도록 하는 다른 해결책들도 만들어졌다. 하지만 이 경우 회전 속도 추적 기능들이 저하된다. 디튜닝은 안정성과 제어 성능 사이의 절충점이다. 그럼에도 불구하고, 플로터 롤 자연 모드 감쇠를 포함하는 데 작은 초점을 맞추었다.
플로터 피치 동작으로 인한 공기역학적 토크(aerodynamic torque) 변화들로 인한 로터 속도 변화는 여전히 문제가 되고 있으며, 따라서 속도 조절이 여전히 필요하다.
본 발명은 부유식 풍력 터빈의 작동을 제어하는 개선된 방법 및 개선된 디바이스를 제공하는 것을 목적으로 한다. 이 목적은 독립 청구항들에 따른 주제들에 의해 달성될 수 있다. 본 발명은 종속 청구항들에 명시된 바와 같이 더욱 발전된다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 부유식 풍력 터빈의 작동을 제어하는 방법이 제공된다. 부유식 풍력 터빈은 타워, 나셀 요 축선을 중심으로 회전 가능한 타워에 장착되는 나셀, 허브 회전 축선을 중심으로 회전 가능한 나셀에 장착되는 허브, 및 허브에 장착되는 블레이드들을 포함한다.
풍력 터빈은 풍력 터빈이 나셀 요 축선과 본질적으로 평행한 풍력 터빈 요 축선을 중심으로 한 풍력 터빈 요 회전, 풍력 터빈 요 축선에 대해 본질적으로 수직이고 허브 회전 축선과 본질적으로 평행한 풍력 터빈 롤 축선을 중심으로 한 풍력 터빈 롤 회전, 및 풍력 터빈 롤 축선과 풍력 터빈 요 축선에 대해 본질적으로 수직인 풍력 터빈 피치 축선을 중심으로 한 풍력 터빈 피치 회전을 수행할 수 있도록 플로팅된다.
이 방법은 풍력 터빈의 피치 회전을 결정하는 단계; 풍력 터빈의 롤 회전을 결정하는 단계; 결정된 피치 회전과 풍력 터빈 피치 레퍼런스 사이의 피치 차이를 계산하는 단계; 결정된 롤 회전과 풍력 터빈 롤 레퍼런스 사이의 롤 차이를 계산하는 단계; 피치 차이 및 롤 차이에 기초하여 피치 및 롤 충격값을 결정하는 단계; 파라미터의 미리정해진 레퍼런스와 피치 및 롤 충격값에 기초하여 파라미터의 레퍼런스를 결정하는 단계; 및 파라미터의 레퍼런스에 기초하여 풍력 터빈의 파라미터를 제어하는 단계에 의해 부유식 풍력 터빈의 작동에 대한 적어도 하나의 파라미터를 제어한다. 적어도 하나의 파라미터는 부유식 풍력 터빈을 작동하는 데 사용되는 임의의 파라미터일 수 있다.
본 발명은 로터 속도를 레퍼런스에 가깝게 유지하기 위해 종래의 속도-피치 제어기를 통해 블레이드 피치 각도들을 수정하는 대신, 목적을 달성하기 위해 개선된 제어 핸들들을 제안한다. 유리하게는, 부유식 풍력 터빈의 롤 및 피치 동작들의 속도, 가속도 또는 진폭을 나타내는 회전 조건들을 제어하거나 보호할 수 있다.
일 실시예에서, 파라미터의 레퍼런스는 풍력 터빈의 목표 출력 파워이다. 일 실시예에서, 풍력 터빈의 출력 파워는 블레이드 피치 각도 변화들 및/또는 공기 역학적 감쇠 변화들을 최소화하는 속도 조절을 위한 목표 출력 파워에 기초하여 제어되고; 그리고/또는 풍력 터빈의 출력 파워는 풍력 터빈 롤 회전을 감쇠시키는 카운터 토크를 생성하기 위한 목표 출력 파워에 기초하여 제어된다.
일 실시예에서, 파라미터의 레퍼런스는 블레이드들 중 적어도 하나 상의 부가 부재(add-on member)의 목표 포지션이며, 이 부가 부재는 블레이드의 공기역학적 특성을 변경한다. 일 실시예에서, 블레이드 상의 부가 부재들의 포지션은 블레이드들 상의 부가 부재들의 목표 포지션에 기초하여 제어되어, 속도 피치 제어기로부터의 음의(negative) 감쇠를 상쇄하여 풍력 터빈 피치 회전을 감쇠시키기 위해 풍력 터빈에 양의(positive) 감쇠를 구현하고; 그리고/또는 블레이드 상의 부가 부재들의 포지션은 각각의 블레이드에 대해 개별적으로 블레이드들 상의 부가 부재들의 목표 포지션에 기초하여 제어되어 풍력 터빈 롤 회전을 감쇠시키는 카운터 토크를 구현한다.
일 실시예에서, 파라미터의 레퍼런스는 허브의 목표 회전 속도 또는 블레이드들의 블레이드 피치 각도이다.
일 실시예에서, 풍력 터빈의 피치 회전은 G-센서에 의해 측정되는 타워 최상부 가속도에 기초하여 결정되고; 풍력 터빈의 롤 회전은 G-센서에 의해 측정되는 타워 최상부 가속도에 기초하여 결정되고; 피치 회전 및/또는 롤 회전은 G-센서에 의해 측정되는 피치 및/또는 롤 좌표들의 가속도로부터 결정되고; 피치 회전 및/또는 롤 회전은 자이로스코프에 의해 측정되는 피치 및/또는 롤 좌표들의 속도로부터 결정되고; 피치 회전 및/또는 롤 회전은 경사계에 의해 측정되는 피치 및/또는 롤 좌표들의 각도들로부터 결정되고; 그리고/또는 피치 회전 및/또는 롤 회전은 블레이드들 중 적어도 하나에 대한 부하를 측정하는 블레이드 부하 센서에 의해 측정된 블레이드에 대한 부하로부터, 예를 들어 적절한 좌표 변환과 공격각으로 결정된다.
일 실시예에서, 이 방법은, 풍력 터빈 롤 회전 및/또는 풍력 터빈 피치 회전의 고유 진동수 추정 단계; 한편으로는 풍력 터빈 롤 회전 및/또는 풍력 터빈 피치 회전의 진동수와 다른 한편으로는 입력 센서 신호의 진동수 사이에 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio)를 제공하기 위한 여과 단계; 여과 단계가 예상 진동수를 목표로 하는지 확인하기 위한 파라미터 업데이팅 단계 중 적어도 하나를 더 포함한다.
일 실시예에서, 피치 및 롤 충격값은 피치 차이 및 롤 차이의 값들이 인자들로서 저장되는 룩업 테이블로부터 결정된다.
일 실시예에서, 파라미터의 레퍼런스는 미리정의된 레퍼런스의 값들과 피치 및 롤 충격값이 인자들로서 저장되는 룩업 테이블로부터 결정된다.
일 실시예에서, 풍력 터빈의 파라미터는 부유식 풍력 터빈의 속도, 가속도, 롤 및/또는 피치 동작들의 진폭 중 적어도 하나를 제어하기 위해 제어된다.
본 발명의 제2 양태에 따르면, 부유식 풍력 터빈의 작동을 제어하기 위한 제어 디바이스가 제공된다. 부유식 풍력 터빈은 타워; 나셀 요 축선을 중심으로 회전 가능한 타워에 장착되고 허브 회전 축선을 중심으로 회전 가능한 나셀에 장착되는 허브를 포함하는 나셀; 및 허브에 장착되는 블레이드들을 포함한다. 풍력 터빈은, 풍력 터빈이 나셀 요 축선에 평행한 풍력 터빈 요 축선을 중심으로 한 풍력 터빈 요 회전, 풍력 터빈 요 축선에 수직이고 허브 회전 축선에 평행한 풍력 터빈 롤 축선을 중심으로 한 풍력 터빈 롤 회전 및 풍력 터빈 롤 축선 및 풍력 터빈 요 축선에 수직인 풍력 터빈 피치 축선을 중심으로 한 풍력 터빈 피치 회전을 수행할 수 있도록 부유된다. 제어 디바이스는, 풍력 터빈의 피치 회전을 결정하고; 풍력 터빈의 롤 회전을 결정하고; 결정된 피치 회전과 풍력 터빈 피치 레퍼런스 사이의 피치 차이를 계산하고; 결정된 롤 회전과 풍력 터빈 롤 레퍼런스 사이의 롤 차이를 계산하고; 피치 차이와 롤 차이에 기초하여 피치 및 롤 충격값을 결정하고; 파라미터의 미리정해진 파라미터 레퍼런스와 피치 및 롤 충격값에 기초하여 파라미터의 레퍼런스를 결정하고; 그리고 파라미터의 레퍼런스에 기초하여 풍력 터빈의 파라미터를 제어함으로써 부유식 풍력 터빈의 작동에 대한 적어도 하나의 파라미터를 제어하도록 구성된다.
본 발명은 로터 속도를 레퍼런스에 가깝게 유지하기 위해 기존의 속도-피치 제어기를 통해 블레이드 피치 각도들을 수정하는 대신, 피치 및 롤 충격값에 기초하여 소위 통합 동작 제어(Uni-fied-Motion-Control)(UMC)를 사용하여 목표를 달성한다.
따라서, 제어기는 로터에 대한 공기 역학적 감쇠 변화들을 최소화하고 롤 방향의 플로터 동작을 감쇠할 수 있다. UMC 제어기는 다변수 제어 전략을 특징짓는 두 가지 오류 신호들에 기초하여 필요한 제어 동작(출력 파워 또는 블레이드들 상의 활성 부가 부재들의 작동과 관련)을 얻을 수 있다는 점은 주목할 만한다.
유리하게도, 본 발명은 롤 방향과 피치 방향을 함께 커버하는 UMC 제어에 의해 플로터 동작 불안정성을 최소화할 수 있다.
또한, 타워 및 플로터 수반되는, 설계, 제작 등에서의 비용들은 감소될 수 있는데, 왜냐하면 이들의 구성요소들의 기계적 피로 부하들을 억제하기(driving down) 때문이다. 또한, 본 발명은, 이의 주요 제어 입력이 블레이드 피치 각도 작동을 완화하는 발전기 토크일 수 있기 때문에, 종래 기술에 비해 연장된 블레이드 베어링 수명을 레버리지한다(leverage).
또한, (블레이드 피치 각도 대신) 전기 토크를 조작 변수로서 사용하여 플로터 피치 동작과 로터 속도 사이의 커플링을 제거하고 측면 타워 최상부 동작과 직접적으로 관련된 플로터 롤 동작을 줄일 수 있다.
본 발명의 추가의 양태에 따르면, 전술한 실시예들 중 어느 하나에 따른 부유식 풍력 터빈의 동작을 제어하기 위한 제어 디바이스를 구비한 부유식 풍력 터빈이 제공된다.
본 발명의 실시예들은 서로 다른 주제들과 관련하여 설명되었음에 유의해야 한다. 특히, 일부 실시예들은 장치 유형 청구항들을 참조하여 설명된 반면, 다른 실시예들은 방법 유형 청구항들을 참조하여 설명되었다. 그러나, 당업자는 상기 및 다음의 설명으로부터, 달리 명시되지 않는 한, 하나의 주제 유형에 속하는 특징들의 임의의 조합 이외에 서로 다른 주제들에 관련된 특징들 사이의 임의의 조합, 특히 장치 유형 청구항들의 특징들과 방법 유형 청구항들의 특징들 사이의 임의의 조합이 본 출원에 개시된 것으로 간주된다는 것을 알 수 있을 것이다.
상기에 규정된 양태들 및 본 발명의 추가의 양태들은 이하에서 설명될 실시예의 예들로부터 명백하며, 실시예의 예들을 참조하여 설명된다. 이하, 본 발명은 실시예의 예들을 참조하여 보다 상세하게 설명될 것이나, 이에 의해 본 발명이 제한되는 것은 아니다.
도 1은 풍력 터빈 및 풍력 터빈의 서로 다른 요소들을 도시하고;
도 2는 부유식 풍력 터빈의 측면 운동들을 도시하고;
도 3은 부유식 풍력 터빈의 회전 운동들을 도시하고; 그리고
도 4는 풍력 터빈의 작동을 제어하기 위한 블록도를 도시한다.
도면들에서의 예시들은 개략적인 것이다. 서로 다른 도면들에서 유사하거나 동일한 요소들에는 동일한 참조 부호들이 제공되는 것이 유의된다.
도 1은 풍력 터빈(1)을 도시한다. 풍력 터빈(1)은 나셀(3) 및 타워(2)를 포함한다. 나셀(3)은 타워(2)의 최상부에 장착된다. 나셀(3)은 요 베어링을 통해 타워(2)에 대해 회전 가능하게 장착된다. 타워(2)에 대한 나셀(3)의 회전 축선을 나셀 요 축선(9)이라고 한다.
풍력 터빈(1)은 3 개의 로터 블레이드들(6)(이들 중 2 개의 로터 블레이드들(6)은 도 1에 묘사되어 있음)이 있는 허브(4)를 또한 포함한다. 허브(4)는 메인 베어링(7)에 의해 나셀(3)에 대해 회전 가능하게 장착된다. 허브(4)는 로터 회전 축선(8)을 중심으로 회전 가능하게 장착된다.
풍력 터빈(1)은 발전기(5)를 더 포함한다. 발전기(5)는 발전기(5)와 허브(4)를 연결하는 로터를 포함한다. 허브(4)가 발전기(5)에 직접 연결되는 경우, 풍력 터빈(1)을 기어리스, 직접 구동식 풍력 터빈이라고 한다. 이러한 발전기(5)를 직접 구동 발전기(5)라고 한다. 대안으로서, 허브(4)는 기어 박스를 통해 발전기(5)에 연결될 수도 있다. 이러한 유형의 풍력 터빈(1)을 기어형 풍력 터빈이라고 한다. 본 발명은 두 가지 유형들의 풍력 터빈(1)에 모두 적합하다.
발전기(5)는 나셀(3) 내에 수용된다. 발전기(5)는 허브(4)로부터의 회전 에너지를 AC 전력 형태의 전기 에너지로 변환하도록 배열되고 준비된다.
부유식 풍력 터빈(1)은 수면에 떠 있는 부유 기초부(10)를 포함한다. 부유 기초부(10)는 로프들(11)에 의해 해저에 고정된다. 일 실시예에서, 로프들(11)의 길이는 높은 풍속들 또는 높은 파도들에서 부유식 풍력 터빈(1)을 안정화시키기 위해 가변적으로 제어될 수 있다.
도 2는 부유식 풍력 터빈(1)의 측면 이동들을 도시하고, 도 3은 부유식 풍력 터빈(1)의 회전 이동들을 도시한다. 부유식 풍력 터빈(1)은 여러 변수들과 여러 자유도들(DOF)을 가진 복잡한 시스템이다. 바람, 파도, 전류 하중들은 모두 본질적으로 불규칙하며 공기역학적, 구조적, 수력학적인 커플링들과 제어 작동들이 더해져 매우 복잡한 동적 거동을 유발한다.
x, y 및 z 축선들을 갖는 전역 좌표계에서, 플로터 동작은 x-축을 따라 서지, y-축을 따라 스웨이, y-축을 따라 헤이브의 세 가지 병진이동들과, 세 가지 회전들, 즉 x-축을 중심으로 한 플로터 롤, y-축을 중심으로 한 플로터 피치, z-축을 중심으로 한 플로터 요의 6 가지 개별 DOF로 나누어질 수 있다. 블레이드들(6)의 피치와 풍력 터빈(1)의 피치 사이의 명칭이 유사하기 때문에 풍력 터빈 피치와 블레이드 피치로 구분하여 명확하게 구분한다. 즉, 풍력 터빈 피치는 회전 지점을 중심으로 한 부유식 풍력 터빈(1)의 회전이며, 블레이드 피치는 블레이드들(6)의 제어된 피치를 정의한다. 마찬가지로 풍력 터빈 요는 수직축(z)을 중심으로 한 풍력 터빈(1)의 회전을 정의하고, 로터 요는 나셀 요 축선(9)을 중심으로 한 로터-나셀 조립체(RNA)의 회전을 정의한다.
일반적으로, 풍력 터빈(1)은 풍력 터빈(1)이 나셀 요 축선(9)과 평행한 풍력 터빈 요 축선(z)을 중심으로 한 풍력 터빈 요 회전, 풍력 터빈 요 축선(z)에 수직이고 허브 회전 축선(8)과 평행한 풍력 터빈 롤 축선(x)을 중심으로 한 풍력 터빈 롤 회전, 풍력 터빈 롤 축선(x) 및 풍력 터빈 요 축선(z)에 수직인 풍력 터빈 피치 축선(y)을 중심으로 한 풍력 터빈 피치 회전을 수행할 수 있도록 플로팅되어 있다.
도 4는 풍력 터빈(1)의 동작을 제어하기 위한 블록도를 도시한다. 풍력 터빈(1)은 이하의 단계들에 의해 부유식 풍력 터빈(1)의 작동의 파라미터(a)를 제어하는 제어 디바이스(도시되지 않음)를 포함하며, UMC는 파워 레퍼런스를 제어 핸들로서 사용하여 적용된다:
풍력 터빈(1)의 피치 회전(b) 및 풍력 터빈(1)의 롤 회전(c)이 결정된다. 결정된 피치 회전(b)과 풍력 터빈 피치 레퍼런스(f) 사이의 피치 차이(d)가 계산되고, 결정된 롤 회전(c)과 풍력 터빈 롤 레퍼런스(h) 사이의 롤 차이(g)가 계산된다.
블록(20)에서, 피치 및 롤 충격값(i)은 피치 차이(d) 및 롤 차이(g)에 기초하여 결정된다. 블록(20)은 피치 차이(d) 및 롤 차이(g)의 조합을 고려할 때 통합 동작 제어(UMC)를 사용한다. 블록(21)에서, 파라미터(a)의 레퍼런스(j)는 파라미터(a)의 미리정의된(예를 들어, 파워) 레퍼런스(k)와 피치 및 롤 충격값(i)에 기초하여 결정된다. 블록(21)은 파라미터(a)의 공칭 레퍼런스(k)와 통합 동작 제어기에 의해 계산된 피치 및 롤 충격값(i)을 조정/결합하는 것을 목표로 하는 제어기일 수 있다. 블록(21)은 파라미터(a)의 레퍼런스(j)가 상충되지 않는 목표들의 결과 및/또는 가장 높은 우선순위를 목표로 한다는 의미에서 이 두 신호들이 호환되도록 보장하는 제어기일 수 있다. 가장 간단한 경우에는 레퍼런스 합산이라고 설명할 수 있다.
결국, 풍력 터빈(1)의 파라미터(a)는 파라미터(a)의 레퍼런스(j)에 기초하여 제어된다. 예를 들어, 부유식 풍력 터빈(1)의 속도, 가속도 및 롤 및 피치 동작들의 진폭 중 적어도 하나가 미리정해진 임계값을 초과하지 않도록 풍력 터빈의 파라미터(a)가 제어될 수 있다.
블록(23)과 블록(24)은 각각 피치 이벤트 스케줄러와 롤 이벤트 스케줄러를 지정한다. 스케줄러는 감독 제어 레이어와 같이 원하는 레퍼런스를 결정하는 일반적인 블록으로 설명할 수 있다. 몇 가지 예들을 들면 다음과 같다:
- 터빈의 작동 조건 및 상태들(예를 들어, 부하들 측정/추정들) 또는 바람/파도 조건들을 레퍼런스를 결정하기 위한 입력들로서 사용할 수 있도록 이벤트 트리거형 스케줄러들. 간단한 예로 룩업 테이블을 들 수 있다.
- 순시치가 서로 다른 원하는 레퍼런스 수준을 정의하는 변수가 될 수 있는 시간 트리거형 스케줄러들.
- 값들을 수동으로 설정할 수 있도록 수동 트리거형 스케줄러.
도 1의 실시예에서, 파라미터(a)의 레퍼런스(j)는 풍력 터빈(1)의 목표 출력 파워이다. 풍력 터빈(1)의 출력 파워는 블레이드 피치 각도 변화들 및/또는 공기 역학적 감쇠 변화들을 최소화하는 속도 조절을 위한 목표 출력 파워에 기초하여 제어된다. 추가적으로 또는 대안적으로, 풍력 터빈(1)의 출력 파워는 풍력 터빈 롤 회전을 감쇠시키는 카운터 토크를 생성하기 위한 목표 출력 파워에 기초하여 제어될 수 있다.
다른 실시예에서, 파라미터(a)의 레퍼런스(j)는 블레이드들(6) 중 적어도 하나에 대한 부가 부재의 목표 포지션일 수 있으며, 이 부가 부재는 블레이드(6)의 공기역학적 특성을 변화시킨다. 블레이드(6) 상의 부가 부재들의 포지션은 블레이드들(6) 상의 부가 부재들의 목표 포지션에 기초하여 제어될 수 있어, 속도 피치 제어기로부터의 음의 감쇠를 상쇄하고 그리고 이에 의한 풍력 터빈 피치 회전을 감쇠시키기 위한 풍력 터빈(1)에 양의 감쇠를 구현한다. 추가적으로 또는 대안적으로, 블레이드(6) 상의 부가 부재들의 포지션은 각각의 블레이드(6)에 대해 개별적으로 블레이드들(6) 상의 부가 부재들의 목표 포지션에 기초하여 제어되어 풍력 터빈 롤 회전을 감쇠시키는 카운터 토크를 구현할 수 있다.
다른 실시예에서, 파라미터(a)의 레퍼런스(j)는 허브(4)의 목표 회전 속도 또는 블레이드들(6)의 블레이드 피치 각도일 수 있다.
물리적 파라미터들은 다음을 기반으로 측정 또는 결정될 수 있다: 풍력 터빈(1)의 피치 회전은 G-센서에 의해 측정되는 타워 최상부 가속도에 기초하여 결정될 수 있고; 풍력 터빈(1)의 롤 회전은 G-센서에 의해 측정되는 타워 최상부 가속도에 기초하여 결정될 수 있고; 피치 회전 및/또는 롤 회전은 G-센서에 의해 측정되는 피치 및/또는 롤 좌표들의 가속도로부터 결정될 수 있고; 피치 회전 및/또는 롤 회전은 자이로스코프에 의해 측정되는 피치 및/또는 롤 좌표들의 속도로부터 결정될 수 있고; 피치 회전 및/또는 롤 회전은 경사계에 의해 측정되는 피치 및/또는 롤 좌표들의 각도들로부터 결정될 수 있고; 그리고/또는 피치 회전은 블레이드 하중 센서에 의해 측정된 블레이드(6)의 하중으로부터 결정될 수 있다.
도 3에 따르면, 타워 최상부 가속도는 타워(2)의 최상부(12)에서의 가속도이다. 타워 최상부 가속도는 G-센서로 측정할 수 있는 힘들(Fgx, Fgy, Fgz)에 의해 유도된다. 도 3에서, 피치 회전 및/또는 롤 회전은 "오프셋"이라는 용어로 지정되며, 경사계, G-센서 또는 자이로스코프에 의해, 예를 들어, 측정된 피치 및/또는 롤 좌표들로부터 결정될 수 있다.
일 구현예에서, 피치 및 롤 충격값(i)은 피치 차이(d) 및 롤 차이(g)의 값들이 미리 인자들로서 저장된 룩업 테이블로부터 결정될 수 있다. 피치 및 롤 충격값(i)은 블록(20)의 제어 알고리즘에 의해 결정되는 제어 동작으로서 간주될 수 있다. 같은 방식으로, 파라미터(a)의 레퍼런스(j)는 미리정의된 레퍼런스(k)의 값들과 피치 및 롤 충격값(i)이 인자들로서 미리 저장되어 있는 룩업 테이블로부터 결정될 수 있다. 파라미터의 피치 및 롤 충격값(i) 및 레퍼런스(j)는 PI, PID와 같은 고전적인 제어 전략들 및/또는 MPC, 슬라이딩 모드, 상태 피드백, LQR 등과 같은 고급 제어 전략들과 같은 서로 다른 제어 전략들을 사용하여 결정될 수 있다.
본 발명은, 풍력 터빈 롤 회전, 예를 들어 롤 회전(c) 및/또는 풍력 터빈 피치 회전, 예를 들어 피치 회전(b)의 고유 진동수를 추정하는 단계; 한편으로는 풍력 터빈 롤 회전, 예를 들어 롤 회전(c) 및/또는 풍력 터빈 피치 회전, 예를 들어 피치 회전(b)의 진동수와 다른 한편으로는 입력 센서 신호의 진동수 사이에 신호 대 잡음비를 제공하기 위한 여과 단계; 여과 단계가 예상 진동수를 목표로 하는지 확인하기 위한 파라미터 업데이팅 단계 중 적어도 하나를 추가적으로 포함한다.
"포함하는"이란 용어는 다른 요소들 또는 단계들을 배제하지 않으며, 단수 형태는 복수를 배제하지 않는다는 점에 유의해야 한다. 또한, 서로 다른 실시예들과 관련하여 설명된 요소들은 결합될 수 있다. 또한, 청구항들의 참조 부호들이 청구항들의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다는 점에 유의해야 한다.

Claims (15)

  1. 부유식 풍력 터빈(floating wind turbine)(1)의 작동을 제어하는 방법으로서,
    상기 부유식 풍력 터빈(1)은 타워(tower)(2), 나셀 요 축선(nacelle yaw axis)(9)을 중심으로 상기 타워(2)에 회전 가능하게 장착된 나셀(nacelle)(3), 허브(hub) 회전 축선(8)을 중심으로 회전 가능하게 상기 나셀(3)에 장착된 허브(4) 및 상기 허브(4)에 장착된 블레이드(blade)들(6)을 포함하며,
    상기 부유식 풍력 터빈(1)은, 상기 풍력 터빈(1)이 상기 나셀 요 축선(9)에 평행한 풍력 터빈 요 축선(z)을 중심으로 한 풍력 터빈 요 회전, 상기 풍력 터빈 요 축선(z)에 수직이고 상기 허브 회전 축선(8)에 평행한 풍력 터빈 롤(roll) 축선(x)을 중심으로 한 풍력 터빈 롤 회전 및 상기 풍력 터빈 롤 축선(x) 및 상기 풍력 터빈 요 축선(z)에 수직인 풍력 터빈 피치(pitch) 축선(y)을 중심으로 한 풍력 터빈 피치 회전을 수행할 수 있도록 부유되고,
    상기 방법은,
    상기 풍력 터빈(1)의 피치 회전(b)을 결정하는 단계;
    상기 풍력 터빈(1)의 롤 회전(c)을 결정하는 단계;
    상기 결정된 피치 회전(b)과 풍력 터빈 피치 레퍼런스(wind turbine pitch reference)(f) 사이의 피치 차이(d)를 계산하는 단계;
    상기 결정된 롤 회전(c)과 풍력 터빈 롤 레퍼런스(h) 사이의 롤 차이(g)를 계산하는 단계;
    상기 피치 차이(d) 및 상기 롤 차이(g)에 기초하여 피치 및 롤 충격값(i)을 결정하는 단계;
    파라미터(parameter)(a)의 미리정의된 레퍼런스(k) 및 상기 피치 및 롤 충격값(i)에 기초하여 상기 파라미터(a)의 레퍼런스(j)를 결정하는 단계; 및
    상기 파라미터(a)의 레퍼런스(j)에 기초하여 상기 풍력 터빈(1)의 파라미터(a)를 제어하는 단계에 의해 상기 부유식 풍력 터빈(1)의 작동에 대한 상기 적어도 하나의 파라미터(a)를 제어하는,
    부유식 풍력 터빈의 작동을 제어하는 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 파라미터(a)의 레퍼런스(j)가 상기 풍력 터빈(1)의 목표 출력 파워(target output power)인,
    부유식 풍력 터빈의 작동을 제어하는 방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 풍력 터빈(1)의 출력 파워는 블레이드 피치 각도 변화들 및/또는 공기역학적 감쇠(aerodynamic damping) 변화들을 최소화하는 속도 조절을 위한 상기 목표 출력 파워에 기초하여 제어되는,
    부유식 풍력 터빈의 작동을 제어하는 방법.
  4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 풍력 터빈(1)의 출력 파워는 상기 풍력 터빈 롤 회전(c)을 감쇠시키는 카운터 토크(counter torque)를 생성하기 위한 목표 출력 파워에 기초하여 제어되는,
    부유식 풍력 터빈의 작동을 제어하는 방법.
  5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파라미터(a)의 레퍼런스(j)는 상기 블레이드들(6) 중 적어도 하나 상의 부가 부재(add-on member)의 목표 포지션이고, 상기 부가 부재는 상기 블레이드(6)의 공기역학적 특성을 변경하는,
    부유식 풍력 터빈의 작동을 제어하는 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 블레이드(6) 상의 부가 부재의 포지션이 상기 블레이드(6) 상의 부가 부재의 목표 포지션에 기초하여 제어되어, 속도 피치 제어기로부터의 음의(negative) 감쇠를 상쇄하고 그리고 이에 의해 상기 풍력 터빈 피치 회전을 감쇠시키기 위해 상기 풍력 터빈(1) 내로의 양의(positive) 감쇠를 구현시키는,
    부유식 풍력 터빈의 작동을 제어하는 방법.
  7. 제5 항 또는 제6 항에 있어서,
    상기 블레이드들(6) 상의 부가 부재들의 포지션은, 상기 각각의 블레이드(6)에 대해 개별적으로 상기 블레이드들(6) 상의 부가 부재들의 목표 포지션에 기초하여 제어되어, 상기 풍력 터빈 롤 회전을 감쇠시키기 위해 카운터 토크를 구현하는,
    부유식 풍력 터빈의 작동을 제어하는 방법.
  8. 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파라미터(a)의 레퍼런스(j)는 상기 허브(4)의 목표 회전 속도 또는 상기 블레이드들(6)의 블레이드 피치 각도인,
    부유식 풍력 터빈의 작동을 제어하는 방법.
  9. 제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 풍력 터빈(1)의 피치 회전(b)은 G-센서(sensor)에 의해 측정되는 상기 타워(2)의 최상부(12)에서의 타워 최상부 가속도(tower top acceleration)에 기초하여 결정되고,
    상기 풍력 터빈(1)의 롤 회전(c)은 상기 G-센서에 의해 측정되는 타워 최상부 가속도에 기초하여 결정되고,
    상기 피치 회전(b) 및/또는 상기 롤 회전(c)은 상기 G-센서에 의해 측정되는 상기 피치 및/또는 롤 좌표들의 가속도로부터 결정되고,
    상기 피치 회전(b) 및/또는 상기 롤 회전(c)은 자이로스코프(gyroscope)에 의해 측정되는 상기 피치 및/또는 롤 좌표들의 속도로부터 결정되고,
    상기 피치 회전(b) 및/또는 상기 롤 회전(c)은 경사계에 의해 측정되는 상기 피치 및/또는 롤 좌표들의 각도들로부터 결정되고, 그리고/또는
    상기 피치 회전(b) 및/또는 상기 롤 회전(c)은 상기 블레이드들(6) 중 적어도 하나에 대한 하중을 측정하는 블레이드 하중 센서(blade load sensor)에 의해 측정된 블레이드(6)에 대한 하중으로부터 결정되는,
    부유식 풍력 터빈의 작동을 제어하는 방법.
  10. 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법은,
    상기 풍력 터빈 롤 회전 및/또는 상기 풍력 터빈 피치 회전의 고유 진동수를 추정하는 단계; 및
    여과 단계 ─ 상기 여과 단계는, 특히 상기 여과 단계가 예상 진동수를 목표로 하고 있는지 확인하기 위한 파라미터 업데이팅 단계(parametrical updating step)와 함께, 한편으로는 풍력 터빈 롤 회전 및/또는 풍력 터빈 피치 회전의 진동수와 다른 한편으로는 입력 센서 신호의 진동수 사이에 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio)를 제공하기 위한 것임 ─ 중 적어도 하나를 더 포함하는,
    부유식 풍력 터빈의 작동을 제어하는 방법.
  11. 제1 항 내지 제10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피치 및 롤 충격값(i)은 상기 피치 차이(d) 및 상기 롤 차이(g)의 값들이 인자(argument)들로서 저장되는 룩업 테이블(lookup-table)로부터 결정되는,
    부유식 풍력 터빈의 작동을 제어하는 방법.
  12. 제1 항 내지 제11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파라미터(a)의 레퍼런스(j)는 미리정의된 레퍼런스(k)의 값들과 상기 피치 및 롤 충격값(i)이 인자들로서 저장된 룩업 테이블로부터 결정되는,
    부유식 풍력 터빈의 작동을 제어하는 방법.
  13. 제1 항 내지 제12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 풍력 터빈(1)의 파라미터(a)가 상기 부유식 풍력 터빈(1)의 속도, 가속도 및 롤 및/또는 피치 동작들의 진폭 중 적어도 하나를 제어하기 위해 제어되는,
    부유식 풍력 터빈의 작동을 제어하는 방법.
  14. 부유식 풍력 터빈(1)의 작동을 제어하기 위한 제어 디바이스(control device)로서,
    상기 부유식 풍력 터빈(1)은 타워(2), 나셀 요 축선(9)을 중심으로 상기 타워(2)에 회전 가능하게 장착된 나셀(3), 허브 회전 축선(8)을 중심으로 회전 가능하게 상기 나셀(3)에 장착된 허브(4), 및 상기 허브(4)에 장착된 블레이드들(6)을 포함하며,
    상기 풍력 터빈(1)은, 상기 풍력 터빈(1)이 상기 나셀 요 축선(9)에 평행한 풍력 터빈 요 축선(z)을 중심으로 한 풍력 터빈 요 회전, 상기 풍력 터빈 요 축선(z)에 수직이고 상기 허브 회전 축선(8)에 평행한 풍력 터빈 롤 축선(x)을 중심으로 한 풍력 터빈 롤 회전 및 상기 풍력 터빈 롤 축선(x) 및 상기 풍력 터빈 요 축선(z)에 수직인 풍력 터빈 피치 축선(y)을 중심으로 한 풍력 터빈 피치 회전을 수행할 수 있도록 부유되고,
    상기 제어 디바이스는,
    상기 풍력 터빈(1)의 피치 회전(b)을 결정하고;
    상기 풍력 터빈(1)의 롤 회전(c)을 결정하고;
    상기 결정된 피치 회전(b)과 풍력 터빈 피치 레퍼런스(f) 사이의 피치 차이(d)를 계산하고;
    상기 결정된 롤 회전(c)과 풍력 터빈 롤 레퍼런스(h) 사이의 롤 차이(g)를 계산하고;
    상기 피치 차이(d) 및 상기 롤 차이(g)에 기초하여 피치 및 롤 충격값(i)을 결정하고;
    상기 부유식 풍력 터빈(1)의 작동에 대한 적어도 하나의 파라미터(a)의 미리정의된 레퍼런스(k)와 상기 피치 및 롤 충격값(i)에 기초하여 상기 파라미터(a)의 레퍼런스(j)를 결정하고; 그리고
    상기 파라미터(a)의 레퍼런스(j)에 기초하여 상기 풍력 터빈(1)의 파라미터(a)를 제어함으로써 상기 파라미터(a)를 제어하도록 구성되는,
    부유식 풍력 터빈의 작동을 제어하기 위한 제어 디바이스.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 파라미터(a)의 레퍼런스(j)는 상기 풍력 터빈(1)의 목표 출력 파워이고, 특히 상기 제어 디바이스는,
    블레이드 피치 각도 변화들 및/또는 공기 역학적 감쇠 변화들을 최소화하는 속도 조절을 위한 목표 출력 파워에 기초하여 상기 풍력 터빈(1)의 출력 파워를 제어하고, 그리고/또는
    상기 풍력 터빈 롤 회전을 감쇠시키는 카운터 토크를 발생시키기 위한 상기 목표 출력 파워에 따라 상기 풍력 터빈(1)의 출력 파워를 제어하도록 구성되는,
    부유식 풍력 터빈의 작동을 제어하기 위한 제어 디바이스.
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