KR20190085081A - 낮은 침식 조건 중에 정격 위에서의 풍력 터빈의 작동 - Google Patents

낮은 침식 조건 중에 정격 위에서의 풍력 터빈의 작동 Download PDF

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히데야스 후지오카
알렉스 페리클리어스
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엠에이치아이 베스타스 오프쇼어 윈드 에이／에스
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Abstract

풍력 터빈(wind turbine)(110)을 제어하는 방법(320)이 제시되며, 상기 풍력 터빈은 하나 이상의 블레이드들(103)을 가진 풍력 터빈 로터(102)를 포함하고, 상기 풍력 터빈은 상기 풍력 터빈 로터의 정격 각회전 속도(rated angular rotation speed)(214)를 가지며, 상기 방법은, 주변 조건들(ambient conditions)에 관한 정보(323)를 얻는 단계(322), 상기 정보에 근거하여, 침식 기준(erosion criterion)이 만족되었는지를 판단하는 단계, 및 상기 침식 기준이 만족된 경우에 확장 모드(extended mode)에 따라 상기 풍력 터빈을 제어하는 단계(328)를 포함하며, 상기 확장 모드에서 상기 풍력 터빈 로터의 각회전 속도는 상기 정격 각회전 속도(214)를 초과하는 것이 허용된다.

Description

낮은 침식 조건 중에 정격 위에서의 풍력 터빈의 작동
본 발명은 풍력 터빈을 제어하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로 블레이드들의 기계적 손상의 급속한 증가 없이 각회전 속도의 증가가 허용될 수 있는 주변 조건에서 각회전 속도를 높이기 위한 풍력 터빈의 제어 방법, 대응되는 제어 시스템, 소프트웨어 및 풍력 터빈에 관한 것이다.
풍력 터빈, 예컨대 해상 풍력 터빈은 본 기술 분야에 알려진 바와 같이 풍력 터빈 타워와 로터를 포함한다. 로터는 하나 이상의 로터 블레이드들을 포함하며, 이들은 비와 같은 침전에 기인하여 기계적 손상을 입을 수 있다.
US 6,837,681 B2는 풍력 터빈 설비들의 로터 블레이드들은 예를 들어 비, 눈, 우박 또는 곤충들과 같은 주변 환경 영향을 특별한 정도로 받는다. 특히, 로터 블레이드들의 선행 에지들은 그 점에 있어서 심하게 영향을 받는다. 그 상황에서, 로터 블레이드들과 특히 그 선행 에지들은, 얼마 후에, (기계적) 손상을 입으며, 이에 의해 특히 보수를 위해 크레인이 자주 필요하기 때문에 높은 비용의 보수가 필요하게 되고, 보수로 인해 그리고 몇몇 상황에서 개개의 로터 블레이드가 보수 장소로 멀리 이송되어야 하기 때문에 전체 풍력 터빈 설비가 오랫동안 정지되어야 한다. US 6,837,681 B2의 목적은 로터 블레이드에서의 침식 손상을 감소시키고 위에서 언급한 단점들을 방지하는 것이다. US 6,837,681 B2는 센서에 영향을 주는 입자들의 수 및/또는 속도 및/또는 충격을 검출하기 위한 적어도 하나의 센서와, 센서에 의해 검출된 측정 데이터를 처리하기 위한 데이터 처리 및 제어 장치를 가진 풍력 발전 설비를 작동시키는 방법을 서술하며, 여기서 센서에 의해 측정된 입자 측정 값이 초과된 경우에, 풍력 발전 설비의 로터의 회전 속도(이는 호환 가능하게 각회전 속도로 지칭될 수 있다)가 감소하며 및/또는 풍력 발전 설비가 정지한다. 그러나, 풍력 발전 설비가 생산하는 전체 전력이 감소하게 된다.
풍력 터빈을 작동시키기 위한 개선된 방법이 유리할 것이며, 특히 풍력 터빈의 전력 생산을 증가시킬 수 있으며 이와 동시에 기계적 손상 속도의 증가를 방지할 수 있거나 또는 적어도 기계적 손상 속도의 너무 큰 증가를 방지할 수 있는 방법을 가지는 것을 유리할 것이다.
본 발명의 목적은, 풍력 터빈의 전력 생산을 증가시킬 수 있으며 이와 동시에 기계적 손상 속도의 증가를 방지할 수 있거나 또는 적어도 기계적 손상 속도의 너무 큰 증가를 방지할 수 있도록 함으로써, 위에서 언급된 문제점들을 해결하거나 완화하는 풍력 터빈을 제어하기 위한 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 해상 풍력 터빈에 적용할 수 있다.
상기한 목적은, 본 발명의 제1 측면에서 풍력 터빈을 제어하는 방법을 제공함에 의해 얻을 수 있도록 의도되며,
상기 풍력 터빈은:
- 하나 이상의 블레이드들을 가진 풍력 터빈 로터를 포함하고, 상기 풍력 터빈은 상기 풍력 터빈 로터의 정격 각회전 속도(rated angular rotation speed)를 가지며,
상기 방법은:
- 주변 조건들(ambient conditions)에 관한 정보를 얻는 단계,
- 상기 정보에 근거하여, 침식 기준(erosion criterion)을 만족하는지를 판단하는 단계, 및
- 상기 침식 기준이 만족된 경우에 확장 모드(extended mode)에 따라 상기 풍력 터빈을 제어하는 단계를 포함하며,
상기 확장 모드에서 상기 풍력 터빈 로터의 각회전 속도는 상기 정격 각회전 속도를 초과하는 것이 허용된다.
본 발명은 특히, 그러나 배타적은 아니며, 각회전 속도를 증가시킬 수 있으며 (따라서 에너지 생산을 증가시킬 수 있으며) 상기 증가와 동시에 받아들일 수 없는 침식 속도의 증가(이는 결과적으로 받아들일 수 없는 블레이드 선행 에지의 수명 감소를 초래한다)를 수반하지 않는 방법을 얻는 데 유리하다. 보다 구체적으로, 본 발명의 방법은 주변 조건들에 관한 정보를 얻으며, 이는 침식 기준이 만족되었는지를 확인할 수 있도록 함으로써, 침식 속도의 불리한 증가와 이로 인한 블레이드 수명 감소 없이 각회전 속도가 증가될 수 있다.
(풍력 터빈 로터의) 각회전 속도(ω)는 임의의 주어진 순간에서 로터의 회전수를 시간으로 나눈 것으로 이해될 수 있으며, 이는 시간당 라디안(rad/s)으로 측정될 수 있다. 각회전 속도(ω)와 로터 팁 속도(v) 사이의 관계는,
v = r * ω로 주어지며,
여기서 r은 로터의 반경이다. 각회전 속도는 선택적으로 분당 회전수(rpm)로 측정될 수도 있다.
(상기 풍력 터빈 로터의) 정격 각회전 속도(rated angular rotation speed)(ωrated)는 (예컨대, 정상 모드에서) 최대 허용 각회전 속도로 이해될 수 있으며, 이는 (각회전 속도와는 대조적으로) 고정값이다. 상기 정격 각회전 속도는 고정값, 예를 들어 터빈이 설계될 때 설정된 값을 취할 수 있다.
주변 조건들에 관한 정보는 상기 풍력 터빈 주위의 대기에 관한 정보로 이해될 수 있으며, 예를 들어 아래 사항들 중 하나 이상에 관한 정보를 포함한다.
- 침전, 예를 들어:
- 침전의 유형(예컨대, 비, 우박, 싸락눈, 눈),
- 침전의 강도(예를 들어, mm/hr 단위로 측정됨)
- 입자 크기(예를 들어, 빗방울 크기),
- 현탁액 입자들, 예컨대 안개, 여기서 상기 정보는 유형 및/또는 농도에 관한 것일 수 있다.
- 비수용성 입자들, 예컨대 먼지 또는 모래 또는 에어로졸, 여기서 상기 정보는 유형 및/또는 농도에 관한 것일 수 있다.
- 습도,
- 곤충.
실시예에 따라 제시된 방법에서, 상기 침전 강도는 축적된 침전량, 예컨대, 시간 단위당 비의 양으로서 정의되며, 이러한 침전 강도는 미리 결정된 시간, 예컨대 10분 동안의 높이로서 측정된다.
주변 조건들에 관한 정보를 얻는 것은 (예컨대, 일기 예보 또는 기상 통보를) 수신하거나 또는 (예컨대, 하나 이상의 센서들을 통해) 측정하는 것으로서 이해될 수 있다.
침식 기준(erosion criterion)은 추정된 침식의 정도에 관해 미리 결정된 기준으로서 이해될 수 있으며, 이는 직접 또는 간접적으로 주변 조건들에 관한 정보와 연관된다. 예를 들어, 상기 침식 기준은 기준이 특정 빗방울 크기로 만족되는 경우에는 주변 조건들에 관한 정보와 직접 관련된다. 예를 들어, 값이 상기 정보로부터 적어도 부분적으로 도출되고 (예컨대, 침식 기준이 주변 조건들에 관한 정보에 근거하여 적어도 부분적으로 계산되는 경우) 그 다음에 그 값이 특정 임계값보다 위 또는 아래인 경우(예컨대, 추정 침식 기준이 침식 기준 임계값보다 아래인 경우)에 침식 기준이 만족되는 경우에는, 침식 기준은 주변 조건들에 관한 정보와 간접적으로 관련된다. 예를 들어, 비가 없는 경우, 우박이 없는 경우, 빗방울의 빈도가 미리 결정된 빗방울의 빈도 임계값보다 아래인 경우, 공기 내의 미립자 레벨이 미리 결정된 임계 미립자 레벨보다 아래인 경우, 평균 빗방울 크기가 미리 결정된 빗방울 크기 임계값보다 아래인 경우, 추정 침식 속도가 미리 결정된 침식 속도 임계값보다 아래인 경우, 및/또는 잠복기가 미리 결정된 잠복기 임계값보다 위인 경우에, 상기 침식 기준이 만족될 수 있다.
일반적으로, 상기 침식 기준이 만족된 경우에는 침식 기준이 만족되지 않은 상황과 비교하여 침식의 위험이 비교적 낮다.
"확장 모드(extended mode)"는 이에 따라 풍력 터빈이 작동될 수 있는 모드로서 이해될 수 있으며, 이 모드는 적어도 하나의 다른 모드와 상이하며, 적어도 하나의 다른 모드는 정상 모드(normal mode)로서 지칭될 수 있다. 상기 정상 모드에서, 풍력 터빈 로터의 각회전 속도는 정격 각회전 속도에 의해 제한되고, 오직 정격 각회전 속도까지의 값들만 취할 수 있다. 일반적으로, 정상 모드에서, 각회전 속도는, 적어도 정격 풍속으로부터 컷-아웃 풍속까지의 범위 내의, 예컨대 정격 풍속보다 약간 낮은 풍속으로부터 컷-아웃 풍속까지의 범위 내의 풍속에 대해, 정격 각회전 속도를 초과하는 것이 허용되지 않고, 정격 각회전 속도로 유지되는 것으로 이해될 수 있다. 일반적으로, 확장 모드에, 풍력 터빈 로터의 각회전 속도는 정격 각회전 속도를 초과하는 것이 허용되는 것으로 이해될 수 있으며, 예를 들어, 정격 풍속을 초과하는 풍속에 대해, 예컨대 정격 풍속으로부터 컷-아웃 풍속까지의 범위에 대해, 풍력 터빈의 각회전 속도는 정격 각회전 속도를 초과한다.
실시예에서 제시된 방법에서, 주변 조건들에 관한 상기 정보는 상기 하나 이상의 블레이드들에 영향을 미치거나 또는 상기 하나 이상의 블레이드들에 영향을 미칠 가능성이 있는 빗방울들에 관한 정보를 포함하며, 상기 방법은:
- 상기 빗방울들의 평균 방울 크기가 미리 결정된 빗방울 크기 임계값(threshold)보다 아래인 경우에, 상기 침식 기준이 만족된 것으로 판단하는 단계를 포함한다.
침식 속도는 물방울 크기에 비례할 수 있으며, 따라서 이 방법의 이점은 침식 속도의 불리한 증가 없이 각회전 속도가 증가할 수 있는 시나리오를 확인하기 위한 매우 간단한 방법을 구현할 수 있다는 것이다. 빗방울이 없는 경우에(예컨대 건조한 날씨) 평균 빗방울 크기는 0으로 이해된다.
추가 실시예에서, 상기 침식 기준은 아래의 경우에 만족될 수 있다.
- 우박이 없는 경우,
- 빗방울의 빈도가 미리 결정된 빗방울 빈도 임계값보다 아래인 경우, 및/또는
- 공기 내의 미립자의 레벨이 미리 결정된 임계 미립자 레벨보다 아래인 경우.
실시예에서 제시된 방법에서, 주변 조건들에 관한 상기 정보는 추정 침식 속도(estimated erosion rate)를 추정할 수 있도록 하며, 상기 방법은:
- 상기 정보에 근거하여, 상기 추정 침식 속도를 추정하는 단계, 및
- 상기 추정 침식 속도가 미리 결정된 침식 속도 임계값보다 아래인 경우에, 상기 침식 기준이 만족된 것으로 판단하는 단계를 포함한다.
본 방법은, 침식 속도를 불리하게 증가시킴으로써 블레이드 수명을 감소시키지 않고서도 각회전 속도를 증가시킬 수 있는 정도로 침식 속도(예컨대, 정격 각회전 속도 또는 그 위의 각회전 속도에 대응되는 침식 속도)가 낮은지를 확인할 수 있도록 한다.
침식 속도는 블레이드들의 선행 에지들의, 예컨대 블레이드들의 (속도가 가장 높은) 팁들의 선행 에지들의 침식 속도로 이해될 수 있다. 상기 침식 속도는 kg/second/m2의 단위로 주어질 수 있다.
'추정 침식 속도를 추정할 수 있도록 한다'는 것은 주변 조건들에 관한 상기 정보는 - 선택적으로 풍력 터빈에 관한 작동 파라미터들(예컨대, 각회전 속도 또는 정격 각회전 속도) 및/또는 구조적 정보(예컨대, 로터 직경 및/또는 블레이드 선행 에지 재료)와 함께 - 시스템 및/또는 사용자가 침식 속도, 예컨대 정격 각회전 속도에서 블레이드들의 선행 에지의 팁의 침식 속도를 추정할 수 있도록 한다는 것으로 이해될 수 있다. 특히, '추정 침식 속도를 추정할 수 있도록 하는 주변 조건들에 관한 정보'는 주변 조건들에 관련된 침식 속도에 대한 모수화(parameterization)(예컨대 공식)에서의 최소한의 파라미터들에 대응된다(예컨대, 각회전 속도, 로터 직경 및 블레이드 선행 에지 재료에 관련된 임의의 잔여 파라미터들도 이용 가능하다는 것으로 이해된다).
'미리 결정된 침식 속도 임계값'은 (침식 속도와 대조적으로) 고정값으로 이해될 수 있으며, 이는 추정 침식 속도와 비교될 수 있다.
실시예에서 제시된 방법에서, 주변 조건들에 관한 상기 정보는 잠복기(incubation period)를 추정할 수 있도록 하며, 상기 방법은:
- 상기 정보에 근거하여, 상기 잠복기를 추정하는 단계, 및
- 상기 잠복기가 미리 결정된 잠복기 임계값보다 위인 경우에 상기 침식 조건이 만족되었다고 판단하는 단계를 포함한다.
잠복 시간(incubation time)(tic)은 아래의 공식에 따라 결정된다:
(예컨대, 시간[hr]의 단위로) tic ∝-1 Iα * Vt β * (V * cos(θ))γ * dδ
여기서:
- tic는 (예컨대, 시간[hr]의 단위로) 잠복 시간을 나타내며,
- I는 (예컨대, [mm/hr]의 단위로) 침전 강도(시간당 축적된 강우량)를 나타내며,
- Vt는 (예컨대, [m/s]의 단위로) 빗방울의 종단 속도를 나타내며,
- V는 (예컨대, [m/s]의 단위로) 빗방울의 충격 속도를 나타내며,
- θ는 (예컨대, 라디안[rad]의 단위로) 빗방울 충돌 각도를 나타내며,
- d는 (예컨대, [mm]의 단위로) 빗방울의 직경을 나타내며,
- α는 상수이며, 예컨대 1이고,
- β는 상수이며, 예컨대 -1이고,
- γ는 상수이며, 예컨대 6 내지 7 사이, 6 또는 6.05 또는 6.7 또는 7이고,
- δ는 상수이며, 예컨대 -1 또는 2.3 내지 3 사이이다.
이 문맥에서 '잠복 시간'은, 비가 시작된 후 예컨대, 빗방울들의 반복된 영향을 받은 블레이드 팁의 재료의 중량 손실이 더 이상 사소하지 않게 되는 때까지의 시간으로서 이해될 수 있다. 따라서, 비가 시작된 후로부터 잠복 시간까지 재료의 중량 손실이 사소한 기간이 있으며, 이는 잠복기로서 지칭된다. 상기 상수들 α, β, γ, δ는 (α, β, γ, δ)=(1, -1, 6.7, -1) 또는 (α, β, γ, δ)=(1, -1, 6.5, 2.5)와 같은 값들을 가진다.
잠복 시간 및/또는 침식 속도를 위한 공식을 도출할 수 있는 공식들은 저자 Springer, George S., 출판사 Scripta Pub. Co.에 의해 1976년에 발행된 "Erosion by liquid impact"라는 제목의 책에서 찾아볼 수 있으며, 그 전체가 여기에 참조로서 통합되고, 특히 챕터 1("General considerations"), 챕터 2("Erosion of homogeneous materials") 및 보다 구체적으로 도출된 결과들을 요약한 테이블 2-2를 참조한다.
제2 측면에서, 본 발명은, 실행될 때, 풍력 터빈을 위한 컴퓨팅 장치 또는 제어 시스템이 제1 측면에 따른 방법을 수행하도록 하는 명령들을 가진 컴퓨터 프로그램 제품에 관한 것이다.
제3 측면에서, 본 발명은 제1 측면에 따른 방법을 수행하도록 구성된, 풍력 터빈을 위한 제어 시스템에 관한 것이다.
제4 측면에서, 본 발명은 제3 측면에 따른 제어 시스템을 포함하는 풍력 터빈, 예컨대 해상 풍력 터빈에 관한 것이다.
많은 부수적인 특징들은 첨부된 도면들과 관련하여 고려되는 아래의 상세한 설명에 의해 더욱 쉽게 이해될 것이다. 바람직한 특징들은 적절하게 결합될 수 있으며, 통상의 기술자에게 명백한 바와 같이, 본 발명의 임의의 측면들과 결합될 수 있다.
도 1은 풍력 터빈을 보여준다.
도 2는 정상 모드와 확장 모드 각각에 따른 각회전 속도를 보여주는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 흐름도를 보여준다.
이하에서, 본 발명은 더욱 상세하게 설명될 것이다. 본 발명은 다양한 변형들과 대체 가능한 형태들이 가능하지만, 특정한 실시예가 예로서 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 개시된 특정한 형태로 한정되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 오히려, 본 발명은 첨부된 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 범위 내에 있는 모든 변형들, 등가물들, 및 대안들을 포괄한다.
도 1은 제4 측면에 따른 풍력 터빈(wind turbine)(100)을 보여주며, 상기 풍력 터빈은,
- 하나 이상의 블레이드들(103), 예컨대 세 개의 블레이드들을 가진 풍력 터빈 로터(102), 및
- 상기 풍력 터빈 로터의 회전 에너지에 의해 구동되도록 구성된 발전기를 포함한다.
특정 실시예에서, 도시된 풍력 터빈(100)(이는 풍력 터빈 발전기(WTG)로 지칭될 수 있다)은 타워(101)를 포함한다. 상기 로터는 상기 타워(101)의 상부에 장착된 나셀(nacelle)(104)에 연결되어 나셀 내부에 위치한 발전기를 구동시키도록 구성된다. 상기 나셀의 상부에 광학 우량계(optical rain gauge)(106)가 배치된다. 상기 풍력 터빈 로터(102)는 바람의 작용에 의해 로터 축(105) 둘레로 회전 가능하다. 바람에 의해 유도된 블레이드들(103)의 회전 에너지는 샤프트를 통해 전기 발전기로 전달된다. 따라서, 풍력 터빈(100)은 바람의 운동 에너지를 로터 블레이드들에 의해 기계적 에너지로 변환할 수 있으며, 이어서 발전기에 의해 전기 에너지로 변환할 수 있다. 상기 발전기는, 발전기의 AC 전력을 DC 전력으로 변환하기 위한 전력 변환기(power converter)와, 급전망(utility grid) 내부로 투입하기 위해 DC 전력을 AC 전력으로 변환하기 위한 전력 변환기를 포함할 수 있다. 상기 발전기는 전력 요구에 상응하는 전력을 생산하도록 제어 가능하다.
상기 블레이드들(103)은, 블레이드들의 공기역학적 특성을 변경하기 위해, 예를 들어, 풍력 에너지의 흡수를 최대화 하기 위해 그리고 강한 바람이 불 때 로터 블레이드에 너무 큰 부하가 걸리지 않도록 보장하기 위해, 피치 조절될 수 있다. 상기 풍력 터빈(100)은 피치 신호(pitch signal)를 결정하도록 구성된 제어 시스템을 포함하며, 이는 풍력 터빈을 위한 전반적인 제어기 내에 실행되거나 또는 제어 요소, 예컨대 전용 피치 제어기(pitch controller)로서 실행될 수 있다. 여기서 상기 블레이드들은, 피치 제어 시스템으로부터의 피치 신호, 예컨대 하나 이상의 각개의 블레이드들에 대응하는 하나 이상의 개별적인 블레이드 피치각(pitch angle) 제어 신호들을 포함하는 피치 신호에 따라 블레이드들을 개별적으로 피치 조절하는 유압 액추에이터와 같은 액추에이터를 포함하는 피치력 시스템(pitch force system)을 가진 피치 시스템(pitch system)에 의해 개별적으로 피치 조절된다.
도 2는 정상 모드(normal mode)와 확장 모드(extended mode)에 따라, 풍속(wind speed)(u)의 함수로서의 각회전 속도(angular rotation speed)(ω)를 보여주는 그래프이다. 정상 모드에서, 각회전 속도(여기서 임의 단위(arb.)로 보여주지만, 예컨대 분당 회전수(rpm)로 수량화될 수 있다)는 (실선이고, 두껍고, 회색의)정상 모드 곡선(210)에 따라 풍속(여기서 임의 단위(arb.)로 보여주지만, 예컨대 초당 미터(m/s)로 수량화될 수 있다)의 함수로서 제어된다. 확장 모드에서, 각회전 속도는 (점선이고, 얇으며, 흑색의) 확장 모드 곡선(211)에 따라 풍속의 함수로서 제어되며, 이는 매우 낮은 침식 조건들을 제공하는 주변 조건들을 가진 최적 상황에서 각회전 속도를 각회전 속도 임계값(ωext threshold)(216)까지 사용할 수 있다. 이러한 상황은 최적 확장 모드 곡선(212)에 대응된다. 확장 모드에서 작동할 때, 확장 모드 곡선의 높은 풍속의 각회전 속도는 정격 각회전 속도(ωrated)(214) 위로 그리고 실제 침식조건들에 따른 각회전 속도 임계값 아래로 설정된다. 예를 들어, 침전이 예상되거나 관찰되지 않지만 비-수용성 입자들(예컨대, 모래 입자들)이 높은 수준으로 존재하는 조건들은 중간 침식 상황으로 이어질 수 있으며, 중간 침식 상황에서는 높은 풍속에서 확장 모드 각회전 속도가 정격 각회전 속도와 각회전 속도 임계값 사이로 설정된다. 주변 조건들이 개선된 경우에, 확장 모드 각회전 속도 곡선(211)은 화살표(218)로 표시된 바와 같이 곡선(212)을 향해 위쪽으로 이동될 수 있으며, 주변 조건들이 악화된 경우에는, 확장 모드 각회전 속도 곡선(211)은 화살표(220)로 표시된 바와 같이 (곡선(210)을 향해) 아래쪽으로 이동될 수 있다.
특히 확장 모드에서 각회전 속도는 정격 각회전 속도를 초과하는 것이 허용된다.
일반적으로 확장 모드에서 풍력 터빈의 각회전 속도는 정격 풍속을 초과하는 풍속을 위해 정격 각회전 속도를 초과하지만, 본 실시예에서 정격 각회전 속도는 정격 풍속 아래의 풍속에서 이미 초과된다.
실시예에 따라 제시된 방법에서, 확장 모드에서 풍력 터빈 로터의 각회전 속도는 각회전 속도 임계값(216) 아래로 제한되며, 상기 각회전 속도 임계값은 풍력 터빈의 정격 각회전 속도보다 더 크다.
이 방법의 이점은, 각회전 속도를 임계값 아래로 유지하는 것이 풍력 터빈의 허용 수명을 보존하는 것과 같이 풍력 터빈의 구조적 무결성을 보장할 수 있다는 것일 수 있다.
(풍력 터빈 로터의) 각회전 속도 임계값은 (확장 모드에서) 최대 허용 각회전 속도로 이해되며, 이는 (각회전 속도와는 대조적으로) 고정된 값이며, 정격 각회전 속도보다 더 크다.
실시예에 따라 제시된 방법에서, 상기 각회전 속도 임계값(216)은:
- 추정 침식 속도(estimated erosion rate)(325)에 반비례하며, 및/또는
- 일정한 침식 속도를 유지하도록, 예컨대 블레이드 팁(tip)의 선행 에지(leading edge)의 주어진 수명에 도달할 확실한 가능성을 주도록 설정되며, 및/또는
- 미리-계산된 룩업 테이블, 예컨대 추정된 침식 속도와 최대 팁 속도에 관하여 미리-계산된 룩업 테이블에 따라 설정되며, 및/또는
- 대응되는 최대 구조적 부하(structural load)에 따라 설정되며(선택적으로 온라인 계산을 통해 설정되거나 또는 미리-계산되어 룩업 테이블 내에 삽입되며), 예컨대, 각회전 속도 임계값에 대응되는 구조적 부하(예컨대, 스러스트 부하, 주기적 부하, 구동 트레인의 부하)가 풍력 터빈 부품들 중 하나 이상에 대한 최대 허용 구조적 부하에 있거나 또는 그 아래에 있도록 설정되며, 및/또는
- 소음 레벨(noise level)(예컨대, 가장 가까운 이웃에서 또는 풍력 터빈 단지 내의 이웃한 터빈에서 최대 허용 소음 레벨)에 따라 설정된다.
추가적인 실시예에 따라 제시된 방법에서, 상기 각회전 속도 임계값(216)은 정격 각회전 속도에 대하여 102%보다 크며, 예컨대 105%보다 크며(예컨대, 105-110% 내이며), 예컨대 110%보다 크며, 예컨대 125%보다 크다.
도 2에 도시된 실시예에 따르면, 풍속이 특정 풍속값(Uthreshold) 아래인 경우에, 확장 모드의 각회전 속도는 정상 모드와 동일하다. 그러나, 상기 특정 풍속(Uthreshold) 위에서, 정상 모드에서의 각회전 속도와 확장 모드에서의 각회전 속도는 서로 상이하게 제어되며, 특히 각각 상이한 최대값들, 즉 아래의 점선 곡선(214)으로 표시된 정격 각회전 속도(ωrated)와 위의 점선 곡선(216)으로 표시된 각회전 속도 임계값(ωextended)으로 제한된다. 다른 특정 풍속값 위의 풍속에 대해, 정격 풍속(Urated) 각회전 속도는 각각의 최대값들에서 일정하게 유지된다.
도 3은 본 발명의 실시예, 더욱 구체적으로 풍력 터빈(100)을 제어하는 방법(320)에 따른 흐름도를 보여주며, 상기 풍력 터빈은:
- 하나 이상의 블레이드들(103)을 가진 풍력 터빈 로터(102)를 포함하고, 상기 풍력 터빈은 상기 풍력 터빈 로터의 정격 각회전 속도(rated angular rotation speed)(214)를 가지며,
상기 방법은:
- 주변 조건들에 관한 정보(323)를 얻는 단계(322)로서, 상기 정보는 추정 침식 속도(estimated erosion rate)를 추정할 수 있도록 하며,
- 상기 정보(323)에 근거하여 상기 추정 침식 속도(325)를 추정하는 단계(324),
- 상기 추정 침식 속도(325)가 미리 결정된 침식 속도 임계값(threshold)보다 아래인지를 판단하는 단계(326),
- 상기 추정 침식 속도(325)가 미리 결정된 침식 속도 임계값보다 아래인 경우에 확장 모드(extended mode)에 따라 상기 풍력 터빈을 제어하는 단계(328)를 포함하며,
확장 모드에서, 상기 풍력 터빈 로터의 각회전 속도가 상기 정격 각회전 속도를 초과하는 것이 허용된다.
특히, 도시된 실시예에서, 상기 단계들(322-326)은 다수 회 반복될 수 있으며, 예컨대 침식 기준(erosion criterion)을 만족하는지를 계속적으로 확인할 수 있고, 예컨대 침식 속도를 계속적으로 모니터링할 수 있다.
추정 단계(324) 및 판단 단계(326)는 상기 정보에 근거하여 침식 기준을 만족하는지를 판단하는 더욱 일반적인 단계의 실시예이다.
흐름도에 도시된 실시예에 따르면, 상기 방법은,
- 확장 모드에 따라 각회전 속도를 제어하는 단계(328),
- 주변 조건들에 관한 후속 정보(332)를 얻는 단계(330)로서, 상기 정보는 후속 추정 침식 속도를 차후에 추정할 수 있도록 하며,
- 상기 후속 정보에 근거하여 후속 추정 침식 속도(335)를 차후에 추정하는 단계(334),
- 후속 추정 침식 속도(335)가 미리 결정된 침식 속도 레벨보다 위인지를 판단하는 단계(336),
- 후속 추정 침식 속도(335)가 미리 결정된 침식 속도 레벨보다 위인 경우에 확장 모드에 따른 풍력 터빈의 제어를 중단하는 단계(338)로서, 예를 들어 후속 추정 침식 속도(335)가 미리 결정된 침식 속도 레벨을 초과한 경우에 확장 모드가 중단되고 정상 모드에 따라 작동이 수행되며, 예를 들어 터빈의 각회전 속도는 (예를 들어 풍속이 정격 풍속 위인 경우에) (원래의) 정격 회전 속도로 되돌아갈 것이다.
차후의 단계들(330-338)의 이점은 이들이 확장 모드에 따른 작동을 중단시킬 수 있도록 한다는 것이다.
도시된 특정 실시예에서, 상기 단계들(330-338)은 다수 회 반복될 수 있으며, 예컨대 침식 속도를 계속하여 모니터링할 수 있으며, 예컨대 (후속) 추정 침식 속도에 근거하여 각회전 속도를 계속하여 조절할 수 있다.
상기 미리 결정된 침식 속도 레벨은 미리 결정된 침식 속도 임계값과 유사하거나 상이할 수 있다.
실시예에 따라 제시된 방법에서, 정격 각회전 속도보다 높은 각회전 속도에서 생산된 전력량은 정격 각회전 속도에서 생산된 전력량보다 더 높다. 더욱 구체적인 실시예에서, (예컨대, 정격 풍속으로부터 컷-아웃 풍속(cut-out wind speed)까지의 범위 내의 풍속에 대해) 생산된 전력은 각회전 속도와 함께 증가함으로써, 각회전 속도가 증가할 때 (예컨대, 정격 각회전 속도를 넘어서 증가할 때) 터빈의 전력도 증가할 수 있다. 이로 인한 이점은 (M은 토크이고 ω는 각회전 속도일 때, 전력(P)은 P = M * ω에 의해 주어지는 경우에) 전력 생산이 기어박스 토크에 의해 제한될 때 전력 생산을 최대화할 수 있다는 것이며, 그래서, 토크가 제한된 터빈에 대해, 각회전 속도가 주어진 퍼센트로 증가하는 경우(예컨대, 정격 각회전 속도를 넘어서 증가하는 경우) 생산된 전력의 증가는 동일한 퍼센트로 증가할 수 있다.
실시예에 따라 제시된 방법에서, 추정 침식 속도는 풍력 터빈 블레이드들의 팁들의 선행 에지들의 추정 수명에 상호 반비례하며, 여기서 상기 추정 수명은 상기 정보와 정격 각회전 속도에 상응하는 풍력 터빈 로터의 각회전 속도에 근거하여 추정된다. 따라서, 침식 속도는 (주변 조건들에 관한) 상기 정보에 근거하여 수명을 추정하고 각회전 속도를 정격 각회전 속도로 가정함으로써 추정될 수 있으며, 상기 수명에 상반된다. 추정 수명은 잠복기(incubation period)를 계산하고 계산된 잠복기와 추정 수명을 동일시함으로써 추정될 수 있다.
실시예에 따라 제시된 방법에서, 주변 조건들에 관한 정보는 아래 사항들 중 하나 이상에 관한 정보를 포함한다.
- 풍력 터빈 주위의 공기 내의 고체 입자들, 예컨대 블레이드들에 영향을 줄 가능성이 있는 고체 입자들,
- 풍력 터빈 주위의 공기 내의 고체 입자들, 예컨대 블레이드들에 영향을 줄 가능성이 있는 액체 입자들,
- 습도.
실시예에 따라 제시된 방법에서, 주변 조건들에 관한 정보는 하나 이상의 블레이드들에 영향을 미치거나 또는 하나 이상의 블레이드들에 영향을 미칠 가능성이 있는 강수 또는 우박에 관한 정보를 포함한다.
실시예에 따라 제시된 방법에서, 상기 정보를 얻는 단계(322)는 아래 사항들 중 하나 이상을 포함한다.
- 하나 이상의 센서들을 제공하고 상기 하나 이상의 센서들로부터 데이터를 수신하며, 상기 하나 이상의 센서들은 침전 센서, 예컨대 광학 우량계(106) 또는 음향 우량계와 같은 우량계, 및 - 습도 센서를 포함하며,
- 기상 통보를 수신하고
- 일기 예보를 수신하며, 또는
- 다른 풍력 터빈(이는 이웃한 터빈, 동일한 터빈 단지 내의 터빈 또는 다른 터빈일 수 있다), 변전소(예컨대, 풍력 터빈(100)이 부분을 형성하는 풍력 터빈 단지의 변전소 또는 인근의 풍력 터빈 단지의 변전소), 또는 원격 제어 센터(예컨대 다수의 풍력 터빈들 또는 풍력 터빈 단지를 제어하기 위한 제어 센터)로부터 데이터 및/또는 예보를 수신하는 것.
실시예들에서, 상기 하나 이상의 센서는 아래 중 어느 하나일 수 있다.
- 풍력 터빈 상의 하나 이상의 센서들,
- 풍력 터빈의 옆에 배치된, 예를 들어, 풍력 터빈 단지 내의 이웃한 풍력 터빈에 배치된 하나 이상의 센서들,
- 풍력 터빈에 대하여 원격으로 배치된 하나 이상의 센서들.
실시예에 따라 제시된 방법에서, 상기 풍력 터빈(100)은:
- 하나 이상의 블레이드들의 피치각(pitch angle)을 제어하기 위한 피치 제어 시스템(pitch control system)을 더 포함하며,
상기 방법은:
- 상기 피치 제어 시스템으로 하나 이상의 블레이드들의 피치각을 제어함으로써 각회전 속도를 제어하는 단계를 더 포함한다.
선택적으로, 또는 피치 조절에 추가적으로, 발전기에 대한 전력/토크 요구를 사용함으로써 풍력 터빈의 각회전 속도를 제어하는 것이 가능하다. 이는 예를 들어 낮은 풍속에서 각회전 속도를 제어하는데 적용될 수 있다.
실시예에 따라 제시된 방법에서, 상기 주변 조건들에 관한 정보(323)를 얻는 단계(322)는, 우량계, 광학 우량계(106), 및 음향 우량계 중 하나 이상에 의한 측정을 포함한다.
광학 우량계는 수집 퍼넬들의 열(row of collection funnels)을 가진다. 각각의 아래의 밀폐된 공간 내에 레이저 다이오드와 포토 트랜지스터 검출기가 있다. 하나의 물방울을 만들기에 충분한 물이 수집된 때, 물방울은 바닥으로부터 레이저 빔 경로 내로 낙하한다. 상기 센서는 레이저에 대해 직각으로 설정됨으로써 충분한 광이 광의 갑작스런 섬광(flash)으로서 검출되도록 산란된다. 이러한 포토 검출기로부터 섬광들은 판독되어 전송되거나 기록된다.
음향 우량계(하이드로폰으로서 지칭되기도 한다)는 빗물이 우량계 내부의 수면을 타격할 때 각각의 물방울 크기에 대한 음향 신호들을 감지할 수 있다. 각각의 음향 신호는 유일하기 때문에, 수중 음장을 반전시켜 빗물 내부의 물방울-크기 분포를 추정하는 것이 가능하다.
일반적으로, 광학 또는 음향 우량계와 같은 우량계 중 하나인 센서는 풍력 터빈에, 예컨대 나셀의 상부에 설치될 수 있다. 그러나, 상기 센서는 풍력 터빈에 설치될 필요가 없으며, 예를 들어 풍력 터빈의 옆에 또는 이웃한 풍력 터빈에 설치될 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 풍력 터빈(100)은:
- 하나 이상의 블레이드들(103)의 피치각을 제어하기 위한 피치 제어 시스템을 더 포함하며,
상기 방법은:
- 상기 피치 제어 시스템으로 하나 이상의 블레이드들의 피치각을 제어함으로써 각회전 속도를 제어하는 단계를 더 포함한다.
예컨대 발전기 토크를 통해, 각회전 속도를 제어하는 다른 방법들도 구상될 수 있으며, 이는 적어도 일부 예들에(예를 들어 정격 풍속 아래에서) 채용될 수 있다.
본 발명은 특정 실시예들과 관련하여 설명되었지만, 본 발명은 제시된 예들에 제한되는 것으로 간주되어서는 안 된다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항들에 의해 만들어진다. 청구항들의 문맥에서, 용어들 "포함하는" 또는 "포함한다"은 다른 가능한 요소들을 또는 단계들을 배제하지 않는다. 또한, 예를 들어 "a" 또는 "an" 등과 같은 언급은 다수를 배제하는 것을 간주되어서는 안 된다. 청구항들에서 도면들에 표시된 요소들에 대해 참조 부호들의 사용은 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다. 또한, 다른 청구항들에서 언급된 개개의 특징들은 유리하게는 조합될 수 있으며, 다른 청구항들에서 이 특징들을 언급하는 것은 특징들의 조합이 가능하지 않고 유리하지 않다는 것을 배제하지 않는다.

Claims (15)

  1. 풍력 터빈(wind turbine)(110)을 제어하는 방법(320)으로서,
    상기 풍력 터빈은:
    - 하나 이상의 블레이드들(103)을 가진 풍력 터빈 로터(102)를 포함하고, 상기 풍력 터빈은 상기 풍력 터빈 로터의 정격 각회전 속도(rated angular rotation speed)(214)를 가지며,
    상기 방법은:
    - 주변 조건들(ambient conditions)에 관한 정보(323)를 얻는 단계(322),
    - 상기 정보에 근거하여, 침식 기준(erosion criterion)이 만족되었는지를 판단하는 단계, 및
    - 상기 침식 기준이 만족된 경우에 확장 모드(extended mode)에 따라 상기 풍력 터빈을 제어하는 단계(328)를 포함하며,
    상기 확장 모드에서 상기 풍력 터빈 로터의 각회전 속도는 상기 정격 각회전 속도(214)를 초과하는 것이 허용되는, 풍력 터빈을 제어하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    주변 조건들에 관한 상기 정보(323)는 상기 하나 이상의 블레이드들에 영향을 미치거나 또는 상기 하나 이상의 블레이드들에 영향을 미칠 가능성이 있는 빗방울들에 관한 정보를 포함하며, 상기 방법은:
    - 상기 빗방울들의 평균 방울 크기가 미리 결정된 빗방울 크기 임계값(threshold)보다 아래인 경우에, 상기 침식 기준이 만족된 것으로 판단하는 단계를 포함하는, 풍력 터빈을 제어하는 방법.
  3. 전기한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    주변 조건들에 관한 상기 정보(323)는 추정 침식 속도(estimated erosion rate)를 추정할 수 있도록 하며, 상기 방법은:
    - 상기 정보(323)에 근거하여, 상기 추정 침식 속도(325)를 추정하는 단계(324), 및
    - 상기 추정 침식 속도(325)가 미리 결정된 침식 속도 임계값보다 아래인 경우에, 상기 침식 기준이 만족된 것으로 판단하는 단계를 포함하는, 풍력 터빈을 제어하는 방법.
  4. 전기한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 정격 각회전 속도보다 위의 각회전 속도에서 생산된 전력량은 상기 정격 각회전 속도에서 생산된 전력량보다 더 높은, 풍력 터빈을 제어하는 방법.
  5. 전기한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 확장 모드에서 상기 풍력 터빈 로터의 각회전 속도는 각회전 속도 임계값(216)보다 아래로 제한되며,
    상기 각회전 속도 임계값은 상기 풍력 터빈의 정격 각회전 속도보다 더 큰, 풍력 터빈을 제어하는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 각회전 속도 임계값(216)은:
    - 상기 추정 침식 속도(325)에 반비례하며, 및/또는
    - 일정한 침식 속도를 유지하도록 설정되고, 및/또는
    - 추정 침식 속도와 최대 팁 속도에 관한 미리-계산된 룩업 테이블과 같은, 미리-계산된 룩업 테이블(lookup table)에 따라 설정되며, 및/또는
    - 최대의 상응하는 구조적 부하에 따라 설정되고, 및/또는
    - 소음 레벨에 따라 설정되는,
    풍력 터빈을 제어하는 방법.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 각회전 속도 임계값(216)은 상기 정격 각회전 속도에 대해 102%보다 큰, 풍력 터빈을 제어하는 방법.
  8. 전기한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    주변 조건들에 관한 상기 정보는, 상기 풍력 터빈 주위의 공기 내의 고체 입자들, 상기 풍력 터빈 주위의 공기 내의 액체 입자들, 및 습도 중 하나 이상에 관한 정보를 포함하는, 풍력 터빈을 제어하는 방법.
  9. 전기한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    주변 조건들에 관한 상기 정보는 상기 하나 이상의 블레이드들에 영향을 미치거나 또는 상기 하나 이상의 블레이드들에 영향을 미칠 가능성이 있는 빗방울들 또는 우박들에 관한 정보를 포함하는, 풍력 터빈을 제어하는 방법.
  10. 전기한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 정보를 얻는 단계(322)는:
    - 하나 이상의 센서들을 제공하고 상기 하나 이상의 센서들로부터 데이터를 수신하는 것, 예를 들어 상기 하나 이상의 센서들은 광학 우량계(106) 또는 음향 우량계와 같은 우량계와 같은 침전 센서(precipitation sensor), 및 습도 센서를 포함하고,
    - 기상 통보를 수신하는 것,
    - 일기 예보를 수신하는 것, 또는
    - 다른 풍력 터빈, 변전소, 또는 원격 제어 센터로부터 데이터 및/또는 예보를 수신하는 것,
    중에서 하나 이상을 포함하는, 풍력 터빈을 제어하는 방법.
  11. 전기한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법은,
    - 상기 확장 모드에 따라 각회전 속도를 제어하는 단계(328),
    - 주변 조건들에 관한 후속 정보(332)를 차후에 얻는 단계(330)로서, 상기 정보는 후속 추정 침식 속도를 추정할 수 있도록 하는, 단계(330),
    - 상기 후속 정보에 근거하여, 상기 후속 추정 침식 속도(335)를 차후에 추정하는 단계(334), 및
    - 상기 후속 추정 침식 속도(335)가 미리 결정된 침식 속도 레벨보다 위인 경우에 상기 확장 모드에 따른 풍력 터빈의 제어를 중단하는 단계(338)를 더 포함하는, 풍력 터빈을 제어하는 방법.
  12. 전기한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 풍력 터빈(100)은:
    - 상기 하나 이상의 블레이드들(103)의 피치각(pitch angle)을 제어하기 위한 피치 제어 시스템(pitch control system)을 더 포함하며,
    상기 방법은:
    - 상기 피치 제어 시스템으로 상기 하나 이상의 블레이드들의 피치각을 제어함으로써 각회전 속도를 제어하는 단계를 더 포함하는, 풍력 터빈을 제어하는 방법.
  13. 실행될 때, 풍력 터빈(100)을 위한 컴퓨팅 장치 또는 제어 시스템이 전기한 항들 중 어느 한 항에 따른 방법(320)을 수행하도록 하는 명령들을 가진 컴퓨터 프로그램 제품.
  14. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 방법(320)을 수행하도록 구성된, 풍력 터빈(100)을 위한 제어 시스템.
  15. 제14항에 따른 제어 시스템을 포함하는 풍력 터빈(100).
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