KR20200053561A - 풍력 터빈 및 풍력 터빈의 작동 방법 - Google Patents

풍력 터빈 및 풍력 터빈의 작동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 바람으로부터 전력을 생성하기 위한 풍력 터빈(200)의 작동 방법에 관한 것으로서, 풍력 터빈(200)은 로터 허브 및 블레이드 피치 각도(α)가 조절 가능한 로터 블레이드(201, 202, 203)를 구비하는 공기 역학적 로터를 포함하고, 공기 역학적 로터는 가변 회전 속도로 작동될 수 있고, 풍력 터빈(200)은 발전기 전력을 생성하기 위해 공기 역학적 로터에 결합된 발전기를 포함하고, 발전기는 가변 발전기 토크로 작동될 수 있고, 상기 방법은 풍력 터빈(200)에 대한 바람 하중을 나타내는 하중 크기를 결정하는 단계; 및 하중 작동 시 하중 크기의 함수로서 회전 속도 및/또는 발전기 전력을 감소시키는 단계를 포함하고, 하중 크기를 결정하기 위해 또는 하중 크기로서 풍력 터빈(200)에 작용하는 적어도 하나의 힘 크기(F)가 사용된다.

Description

풍력 터빈 및 풍력 터빈의 작동 방법
본 발명은 풍력 터빈의 작동 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이러한 풍력 터빈에 관한 것이다.
풍력 터빈은 공지되어 있고, 이러한 풍력 터빈은 바람으로부터 전력을 생성한다. 그러나, 바람이 너무 강한 경우, 특히 바람이 폭풍 속도에 도달하는 경우, 풍력 터빈이 보호를 위해 셧다운되고, 특히 플래그 위치로 위치되어, 폭풍에 대해 가능한 한 작은 접촉 면적을 제공하는 것이 유용할 수 있다.
이러한 셧다운을 방지하기 위해, 또는 적어도 가능한 한 늦게, 즉 가능한 한 높은 풍속에서 터빈이 효율적으로 셧다운되도록 이러한 셧다운을 지연시키기 위해, 매우 높은, 위험한 풍속에서 우선 단지 풍력 터빈의 회전 속도 또는 전력만을 감소시킬 수 있는 일부 해결 방안들이 제안되어 있다. 이에 대한 예는 공개 공보 DE 195 32 409호에서 제공된다. 여기에서는, 초기 셧다운 속도로부터 풍속이 계속 증가함에 따라, 풍력 터빈을 셧다운하는 대신, 회전 속도 및 전력이 감소된다.
이러한 조절이 유용한 것으로 입증되었지만, 그럼에도 불구하고 개선이 제안될 수 있다.
예를 들어 풍력 터빈에 대한 하중은 우세한, 즉 평균적인 풍속에 의해서만 발생하는 것은 아니고, 바람의 돌풍도 또한 하중에 중요한 역할을 할 수 있다. 또한, 풍향의 변화도 하중에 중요한 역할을 할 수 있다.
돌풍은 특성 곡선을 이에 대응하여 신속하게 이동시킴으로써, 즉 단지 풍속의 급격한 변화로만 간주될 때에만 고려될 수 있다. 그러나, 이에 대응하여 신속한 조절이 필요할 수 있다.
변경되는 풍향은 대응하는 방위각 조절에 의해 고려될 수 있다. 그러나, 여기에서도 하중의 감소를 달성하기 위해서는 신속한 조절을 또한 필요로 한다.
또한, 이러한 신속한 조절의 경우, 변화하는 풍속뿐만 아니라, 변화하는 풍향에 대해서도 풍력 터빈의 설정, 특히 로터 블레이드의 블레이드 피치 각도도 또한 변경되고, 이것은 다시 하중에 영향을 미친다.
또한, 현대의 풍력 터빈은 그 직경이 140 미터 이상일 수 있는 점점 커지는 로터를 포함한다는 사실도 추가된다. 이러한 큰 로터 직경 및 이에 대응하는 큰 로터 표면, 즉 로터 블레이드가 지나가는 표면에서는, 국부적으로 변경되는 풍속도 또한 중요한 역할을 한다.
결과적으로, 풍력 터빈의 하중을 증가시킬 수 있는 많은 인자들이 발생한다. 또한, 풍력 터빈의 과도한 응력이 자동적으로 파손으로 이어지는 것은 아니고, 오히려 피로의 징후가 풍력 터빈의 전체 수명에 영향을 줄 수 있다는 점에 주목해야 한다. 이와 관련하여 예상되는 폭풍 하중 및 이에 대해 대응하는 방법은, 이미 풍력 터빈의 설계에서 중요한 역할을 할 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 방법은, 안전 예비량이 제공되는 방식으로 풍력 터빈의 하중 감소 작동 모드를 구성하는 것이다. 따라서, 풍력 터빈은 예를 들어 예방 조치로서, 필요할 수 있는 것보다 더 낮은 회전 속도 및 더 적은 출력으로 작동될 수 있다. 이러한 조절에 의해, 풍력 터빈의 안전 및 계산된 작동 시간이 보장될 수 있지만, 그러나 이것은 수율 손실이 감수되어야 한다.
독일 특허 및 상표청은 본 출원에 대한 우선권 출원에서 다음과 같은 종래 기술을 조사하였다: DE 195 32 409 A1호; DE 10 2006 034 106 A1호; US 2009/0060740 A1호; US 2009/0261588 A1호; WO 2015/086024 A1호 및 WO 2017/036481 A1호.
따라서, 본 발명의 과제는 설명된 문제점들 중 적어도 하나를 해결하는 것이다. 특히, 풍력 터빈은 높은 풍속에서, 풍력 터빈이 과도한 응력을 받지 않고, 그럼에도 불구하고 가능한 한 많은 수율이 달성될 수 있도록 작동되고, 여기서 바람직하게는 바람의 불균일함도 또한 고려될 수 있는 해결 방안이 제안되어야 한다. 적어도, 지금까지 공지된 해결 방안들에 대해 대안적인 해결 방안이 제안되어야 한다.
본 발명에 따르면, 청구항 제1항에 따른 방법이 제안된다. 이에 따르면, 풍력 터빈이 바람으로부터 전력을 생성하기 위해 작동되고, 로터 허브 및 그 블레이드 피치 각도가 조절될 수 있는 로터 블레이드를 구비하는 공기 역학적 로터를 포함한다. 공기 역학적 로터는 또한 가변 회전 속도로 작동될 수 있다. 이를 위해, 풍력 터빈은 발전기 전력을 생성하기 위해 공기 역학적 로터에 결합된 발전기를 포함한다. 또한, 발전기는 가변 발전기 토크로 작동될 수 있다. 발전기 토크는 예를 들어 발전기의 회전자에서의 여자 전류에 의해 영향을 받을 수 있다.
이러한 풍력 터빈을 작동하기 위해, 풍력 터빈에 대한 바람 하중을 나타내는 하중 크기가 결정되는 것이 제안된다. 즉, 풍속을 고려하는 것뿐만 아니라, 하중 크기를 직접 결정하고, 이에 따라 풍력 터빈의 하중에 대한 직접적인 정보를 획득하는 것이 제안된다. 이 경우, 이러한 하중이 직접 고려될 수 있으며, 안전 관련 영향은 고려될 필요가 없거나 또는 그다지 크게 고려될 필요가 없게 된다. 하중 크기를 직접 결정하는 것은, 하중을 인식하고, 이로부터 남은 수명에 대한 영향을 추정하는 것을 또한 가능하게 한다.
이제, 하중 작동 시 하중 한계값의 함수로서 회전 속도 및/또는 발전기 전력이 감소되는 것이 제안된다. 하중 크기가 사전 결정될 수 있는 하중 한계값에 도달하는 경우, 적어도 회전 속도 및 발전기 전력, 또는 변수들 중 적어도 하나가 감소된다. 따라서, 하중이 흡수되지만, 그러나 우선 풍력 터빈의 표준 작동으로부터 벗어나지는 않게 된다. 이 경우, 하중 작동으로 전환될 수 있다. 이는 하중 크기에 의존하여, 또는 풍속 검출에 기초하여 또한 수행될 수 있다. 하중 작동이 존재하는 경우, 하중 크기의 함수로서 회전 속도 및/또는 발전기 전력이 감소될 수 있다. 2개의 변수를 모두 감소시키는 것은, 이 둘이 터빈에 대한 하중도 또한 감소시키기 때문에 특히 유리하다. 그러나 또한, 둘 중 하나만 우선 감소시킨 다음, 하중이 증가함에 따라 다른 변수도 또한 감소시키는 것, 즉 두 가지 모두를 감소시키는 것이 특히 고려된다.
가장 간단한 경우에, 이러한 결정된 하중 크기가 사전 결정될 수 있는 하중 한계값에 도달하는 경우, 하중 작동 시 회전 속도 및 발전기 전력이 감소되는 것이 제공된다. 따라서, 이 경우 이러한 하중 한계값에 도달할 때, 하중 작동으로 변경된다. 사전 설정 가능한 하중 한계값은 풍력 터빈이 위험에 처하게 되는 한계값일 필요는 없고, 이러한 하중 한계값은 또한 더 낮게 선택될 수도 있다. 또한, 이것이 즉시 회전 속도와 발전기 전력이 동시에 감소되지 않는다는 것을 의미할 수 있거나 또는 이를 포함할 수 있다. 그러나, 이들의 감소는 하중 작동 시, 바람직하게는 또한 동시에, 그리고 하중 작동으로의 변화가 시작될 때 동일하게 제공된다.
이제 이를 위해, 하중 크기를 결정하기 위해 풍력 터빈에 작용하는 힘 크기가 사용되는 것이 제공된다. 이것은 직접적으로 진행하는 힘 또는 회전 방향 또는 굽힘 방향으로 작용하는 힘 크기일 수 있다. 이것은 또한, 풍력 터빈에 작용하는 이러한 힘 크기가 직접적으로 하중 크기로서 사용되는 것을 의미할 수도 있다. 따라서, 기계적인 하중이 여기에서 기본으로서 사용된다. 이와 관련하여, 풍력 터빈에 작용하는 힘 크기는 풍력 터빈에 작용하는 기계적인 하중으로서 동의어로 또한 지칭될 수 있다. 이것은 또한 굽힘 및 비틀림 모멘트 또는 이들의 조합을 포함한다.
어떤 경우에든, 풍력 터빈에 작용하는 힘 크기가 직접 사용되는 경우, 직접적인 하중 감소 또는 하중 제한 조절이 달성될 수 있다는 것이 인식되었다. 이 경우, 이러한 힘 크기로부터 전체적으로 명확한 하중이 도출될 수 있다. 이 경우, 이러한 하중은 풍력 터빈의 다양한 구성 요소에 대해서도 또한 발생할 수 있다. 경험 값 또는 이전에 기록된 시뮬레이션으로부터, 경우에 따라서는 풍력 터빈의 다양한 위치에서의 다양한 하중은 특정 위치에서의 하중으로부터 또한 도출될 수 있다. 이 경우, 하중, 특히 고려되는 힘 크기는 값으로서 반드시 정적으로만 간주되어야 하는 것은 아니다. 예를 들어 또한 진동으로 발생할 수 있는 힘 크기의 변화도 또한 고려된다. 이러한 특성에 의존하여, 기본적인 힘 크기는 풍력 터빈의 상이한 지점에서 관련 하중 피크를 유발할 수 있다.
풍력 터빈에 작용하는 힘 크기는 특히 측정으로부터 결정될 수 있는데, 그러나 이것은 복수의 측정으로 구성되거나, 또는 그 결정을 위해 풍력 터빈의 상이한 위치에서의 복수의 측정이 기초로 사용되는 것이 또한 고려될 수 있다. 예를 들어 3개의 로터 블레이드를 구비하는 현대의 풍력 터빈에서, 각각의 로터 블레이드에 대해 하중 측정이 수행될 수 있고, 다른 위치에서 전체적으로 작용하는 힘 크기가 3개의 로터 블레이드에 대한 하중 측정으로부터 결정될 수 있다.
하중 작동은 특히 폭풍에 대응하거나, 또는 그보다 높은 풍속이 발생하는 폭풍의 경우 또는 폭풍 작동을 나타낸다. 이러한 높은 풍속은 특히 풍력 터빈에 큰 하중을 가하거나, 또는 심지어 위험에 처하게 할 수 있다.
바람직하게는, 허브 굽힘 모멘트가 검출되고, 허브 굽힘 모멘트가 하중 크기를 결정하기 위해 또는 하중 크기로서 사용되는 것이 제안된다. 이러한 허브 굽힘 모멘트는 모든 로터 블레이드에 작용하는 힘이 전체적으로 허브에 작용하여 이에 따라 허브 굽힘 모멘트에 크게 영향을 미치기 때문에, 특히 하중 크기로서 적합하다. 이 경우, 허브 굽힘 모멘트는 로터 블레이드 근처에서 바로 작용하고, 풍력 터빈의 하중의 대부분을 흡수한다. 또한, 허브는 로터 베어링 바로 근처에 있고, 이에 따라 공기 역학적 로터 상의 상당한 하중을 흡수해야 하고 이를 통해 경우에 따라서는 손상될 수 있는 부품 바로 근처에 있다.
또한, 허브 굽힘 모멘트는 절대값뿐만 아니라, 방향성 값도 또한 포함할 수 있다.
특히 폭풍의 경우, 높은 풍속이 발생할 수 있을 뿐만 아니라, 이 경우 바람도 또한 일반적으로 일정하지 않다. 풍속은 시간에 의해서뿐만 아니라, 위치, 특히 높이에 따라 빠르게 변경될 수 있다. 현대의 풍력 터빈은 넓은 로터 표면을 갖고, 로터 평면에 따라 변하는 풍속은 로터의 균일하지 않은 하중을 유발할 수 있다. 이것은 다시 허브 굽힘 모멘트에 반영될 수 있다. 풍력 터빈은 또한 이러한 균일하지 않은 하중에 의해, 때때로 오직 높은 풍속만에 의한 것보다 더 많은 하중을 받거나 또는 위험에 처할 수 있다. 따라서, 풍력 터빈의 하중에 대한 기준으로서 풍속은 크게 의미 있는 것으로 간주되지는 않는데, 왜냐하면 결정된 풍속이 어떻게 그리고 얼마나 강하게 변화하는지에 따라 매우 다른 하중을 유발할 수 있고, 이는 풍속의 레벨에 걸쳐 값으로 반영되지 않기 때문이다.
실제의 하중 크기, 특히 허브 굽힘 모멘트를 결정함으로써, 실제 하중이 더 잘 고려될 수 있다. 특히, 로터 필드에 걸쳐 불균일한 하중이 고려될 수 있고, 이에 대해 보다 구체적으로 반응할 수 있다. 특히, 풍속값에 기초하여, 바람 필드에 따라 회전 속도 및/또는 발전기 전력이 조기에 또는 추후에 감소될 수 있다.
허브 굽힘 모멘트를 고려하는 대신에, 또는 이에 추가적으로, 샤프트 굽힘 모멘트, 축 굽힘 모멘트 및/또는 타워 헤드 굽힘 모멘트가 하중 크기를 결정하기 위해 또는 하중 크기로서 사용될 수 있다. 허브 굽힘 모멘트에 대해 설명되는 진술 및 이점도 또한 이러한 모멘트에 유사하게 적용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 풍력 터빈에 작용하는 힘 크기를 검출하기 위해, 특히 허브 굽힘 모멘트를 검출하기 위해, 적어도 하나의 스트레인 측정이 로터 허브 상에서, 추가적으로 또는 대안적으로 적어도 하나의 로터 블레이드, 특히 블레이드 루트 상에서 또는 블레이드 루트에서 수행되는 것이 제안된다. 바람직하게는, 각각의 로터 블레이드 상에서 또는 각각의 블레이드 루트 상에서 또는 각각의 블레이드 루트에서 스트레인 측정이 수행된다. 바람직하게는, 거기서 각각 복수의 스트레인 측정, 특히 각각 2개의 스트레인 측정이 수행되고, 이를 통해 상이한 하중 방향을 수용할 수 있다.
여기서, 이러한 하중 측정은 스트레인 측정, 즉 각각 적어도 하나의 스트레인 게이지에 의한 측정에 의해 간단한 방식으로 수행될 수 있으며, 종종 다른 응용에도 또한 사용될 수 있다는 것이 인식되었다. 특히, 이러한 스트레인 측정은 개별 블레이드 조절을 위해 제공될 수 있다. 그러나, 여기서 풍력 터빈에 작용하는 전체적인 힘 크기를 검출하기 위해, 스트레인 측정을 사용하는 것이 제안되는데, 이는 하중 크기를 결정하기에 적합하다. 이를 통해, 따라서 풍력 터빈에 전체적으로 관련되는 하중 크기가 결정되고, 그런 다음 이 하중 크기는 하중 작동에 대해, 회전 속도 및 발전기 전력을 감소시키기 위해 사용된다.
다른 실시예에 따르면, 본 방법은 하중 크기를 결정하는 단계가 하중을 나타내는 측정에 기초하여, 시스템 기술적 추정 알고리즘에 의해 수행되는 것을 특징으로 한다. 이 경우, 복수의 위치에서 복수의 측정이 또한 사용될 수도 있다. 여기서 측정이라 함은, 실질적으로 연속적인 측정인 것으로 이해되어야 한다. 여기서 연속적인 측정에는, 예를 들어 높은 샘플링 속도로 이산적으로 측정되는 준-연속적인 측정도 또한 포함된다.
특히, 로터 허브 상에서의, 그리고 추가적으로 또는 대안적으로 로터 블레이드의 블레이드 루트 상에서의 또는 로터 블레이드의 블레이드 루트의 영역에서의 스트레인 측정을 기초로 한다. 블레이드 루트의 영역에서의 위치는 특히 관련된 로터 블레이드가 허브 상에 고정되는 블레이드 어댑터 상의 위치이다. 따라서, 이러한 측정 또는 적어도 하나의 대표적인 측정은 이러한 추정 알고리즘을 위한 입력 신호 또는 입력 변수로서 사용된다.
이러한 시스템 기술적 추정 알고리즘은 특히 각각의 측정과 결정될 하중 크기 사이의 관계를 알고 있는 사전 계산 단계로서 설계될 수 있다. 예를 들어 블레이드 루트에서의 하중이 스트레인 게이지에 의해 측정될 수 있다. 그런 다음, 이로부터 시스템 기술적 추정 알고리즘에 의해, 굽힘 모멘트가 하중 크기로서 검출된다. 이를 위해, 이러한 예에서 추정 알고리즘을 형성할 수 있는 계산 알고리즘은, 블레이드 루트 상의 각각의 하중과 결과적인 굽힘 모멘트, 즉 예를 들어 허브 굽힘 모멘트 사이의 관계에 기초한다.
이러한 관계는 테스트 구조에서 입력 및 출력 변수가 측정되는 경우, 예를 들어 대표적인 측정을 통해 기록될 수 있는데, 즉 여기서 블레이드 루트 상에서의 측정은 입력 변수로서 그리고 결과적인 허브 굽힘 모멘트는 출력 변수로서 기록될 수 있고, 이로부터 예를 들어 공지된 시스템 식별의 방법에 의해, 이러한 관계를 위한 시스템 모델이 생성될 수 있다. 이러한 관계는 하중 시뮬레이션을 통해 결정되는 것이 또한 고려될 수 있다. 이러한 하중 시뮬레이션은 풍력 터빈의 영향을 받는 요소의 양호한 모델을 기반으로 한다. 예를 들어 이러한 모델은 유한 요소 방법을 통해 결정될 수 있다. 각각의 로터 블레이드에 대해, 관계가 기록되고 고려될 수 있다. 이 경우, 이러한 예에서 일반적으로 여기서 3개의 로터 블레이드 및 이에 따라 3개의 블레이드 루트가 가정될 수 있는 경우, 각각의 블레이드 루트에 대한 하중으로부터, 그 크기와 방향에 따라 부분 허브 굽힘 모멘트가 발생된다. 이러한 부분 허브 굽힘 모멘트는 예를 들어 대응하는 벡터, 즉 힘 크기 벡터로 고려될 수 있거나 또는 표현될 수 있다. 이러한 3개의 부분 허브 굽힘 모멘트는, 3개의 로터 블레이드가 존재하는 경우, 벡터적으로 합산되어 총 허브 굽힘 모멘트를 형성할 수 있다.
바람직하게는, 블레이드 루트 굽힘 모멘트로부터 허브 모멘트로 이어지도록, 매트릭스 곱셈이 또한 수행될 수 있다. 이것은 힘의 평형으로부터 추론될 수 있다.
그러나, 허브 굽힘 모멘트에 대해 추가적인 힘, 특히 중량 힘이 보완되는 것도 또한 고려될 수 있다. 여기서 필요한 경우, 중량 힘은 또한 로터 블레이드의 위치에 따라, 블레이드 루트 상에서의 각각 기록되는 블레이드 하중에 영향을 미치는 정도까지 계산된다. 일 변형예에 따르면, 이러한 중량 하중은 각각 블레이드 위치를 고려하여 블레이드 루트 상의 각각의 하중과, 이에 이해 수반되는 결과적인 부분 굽힘 모멘트 사이의 관계를 고려할 수 있다. 예를 들어 블레이드가 수직 상향으로, 즉 소위 12시 위치에 있고, - 구체적인 예시로서 - 로터 블레이드에 바람이 없다면, 이는 또한 블레이드 루트 상의 하중이 스트레인 게이지에 의해 검출되지 않는 것을 의미할 수 있다. 그러나, 로터 블레이드의 위치 및 그 중량으로부터, 이러한 중량만으로 이미 허브 굽힘 모멘트를 초래하는 것이 알려져 있으며, 이것은 정확히 함께 고려될 수 있다. 대안적으로, 언급된 스트레인 게이지는 또한 이러한 중량 힘을 함께 고려할 수 있다.
이것은 또한, 사용된 측정값과 관련하여 바람직한 예이다. 그러나, 예를 들어 블레이드 루트에 대한 하중으로부터 전체 베어링 하중을 결정하는 것도 또한 고려될 수 있다. 타워 헤드의 움직임을 검출하고, 이로부터 타워 헤드 상에서의 하중을 추론하는 것도 또한 고려될 수 있다.
다른 변형예에 따르면, 시스템 기술적 추정 알고리즘은 상태 관측기로서 구현될 수 있다. 이러한 상태 관측기에서, 대표적인 측정 또는 적어도 하나의 대표적인 측정이 입력 변수로서 수신될 수 있다. 이 경우, 상태 관측기는 예를 들어 출력 변수로서 회전 속도를 갖는 모델을 포함할 수 있으며, 이러한 회전 속도는 무엇보다도 하중으로부터 발생한다. 여기서 모델은 풍력 터빈과 같이 거동된다. 이러한 관측기의 회전 속도의 출력과, 일반적으로 양호한 정확도로 존재하는 풍력 터빈의 회전 속도의 실제 회전 속도를 비교함으로써, 관측 오류가 형성될 수 있고, 관측기의 설정을 위해 추적될 수 있다. 예를 들어 블레이드 피치 각도를 조절함으로써 회전 속도가 조정되면, 블레이드 피치 각도를 조절하기 위한 신호는 추가의 입력 변수들을 형성할 수 있으며, 이러한 입력 변수들은 또한 모델에 입력된다. 또는, 블레이드 조절 신호가 유일한 입력 변수들을 형성하여, 다른 예를 제공할 수 있다.
대안적으로, 시스템 기술적 추정 알고리즘 또는 상태 관측기는 칼만 필터로서 구현될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 우세한 공칭 바람에서 정상 작동 시 기본 하중으로서 검출된 하중 크기의 함수로서 하중 한계값이 설정되는 것이 제안된다. 따라서, 이와 관련하여 동의어로 공칭 작동으로도 또한 지칭될 수 있는 우세한 공칭 바람에서 정상 작동 시 하중이 검출된다. 이러한 하중은 시뮬레이션에서, 또는 작동이 진행 중일 때에도 또한 사전에 기록될 수 있다. 이 경우, 이러한 하중 측정에 따라, 하중 한계값은 더 높은 값, 특히 2배 더 높은 값으로 설정될 수 있다. 그러나, 시스템 기술적 예비 검사는 공칭 작동에서 설정되었던 기본 하중에 비해 하중 한계값이 얼마나 큰지를 설정할 수도 있다.
이것은 이에 대응하여 잘못된 하중 크기로 또한 이어질 수 있는 시스템적인 측정 오류가 문제가 되는 경우가 적어진다는 이점이 있는데, 예를 들어 20 %의 너무 낮은 하중 크기의 결정이 수행되는 경우, 기본 하중을 결정할 때에도 또한 이러한 오류가 발생하기 때문이다. 이것은 다시, 하중 한계값이 이에 대응하여 20 %로 너무 낮게 설정되는 것을 또한 초래한다. 따라서, 이 경우 너무 작게 결정된 하중 크기는 너무 작게 결정된 하중 한계값과 비교되므로, 비교의 결과는 실질적으로 정확하다.
바람직하게는, 회전 속도 및 추가적으로 또는 대안적으로 발전기 전력은 검출된 하중의 함수로서 감소된다. 따라서 이와 관련하여, 결정된 하중 크기는 회전 속도 또는 발전기 전력을 감소시키기 위한 입력 변수를 형성한다.
이것은 하중 크기가 하중 한계값을 초과하지 않도록 수행될 수 있다. 따라서, 회전 속도 및 발전기 전력은 증가하는 하중 크기에 따라 감소되는데, 하중 크기가 하중 한계값을 초과하지는 않는다. 이것은 예를 들어 하중 한계값이 목표값으로서 그리고 하중 크기가 실제값으로서 사용되는 대응하는 조절에 의해 수행될 수 있다. 그런 다음, 목표-실제값 비교가 수행되며, 여기서 하중 크기가 하중 한계값으로부터 차감되고, 이러한 소위 조절 편차에 의해, 조절 알고리즘이 회전 속도 및 전력을 감소시킬 수 있다.
이와 관련하여, 회전 속도와 발전기 전력의 감소를 통해, 하중 크기를 하중 한계값으로 조절하는 것이 또한 제안된다. 따라서, 하중 크기가 하중 한계값을 초과하지 않도록 설계된 조절기가 제공될 수 있다. 이것은 하중 크기가 하중 한계값보다 훨씬 낮을 수도 있다는 것을 의미한다. 예를 들어 안전 거리가 제안될 수 있으며, 이를 통해 하중 한계값 대신에 하중 한계값보다 더 낮은 값, 예를 들어 10 % 정도 더 작은 값이 목표값으로서 사용되는 것이 구현될 수 있다.
하중 크기가 하중 한계값에 대해 조절되는 경우, 하중 크기가 하중 한계값에 도달하지 않았을 때, 조절은 기본적으로 회전 속도 및 발전기 전력을 또한 대응하게 증가시키도록 시도한다.
일 실시예에 따르면, 회전 속도 및/또는 발전기 전력이 감소되어, 하중 크기는 하중 한계값을 초과하지 않고, 추가적으로 로터 블레이드는 블레이드 피치 각도가 각각 바람으로부터의 방향으로 조절되며, 또한 발전기 토크는 발전기 공칭 토크를 초과하지 않고, 또한 발전기 토크는 풍속이 증가함에 따라 감소되는 것이 제안된다.
바람에 기초하여 로터 블레이드를 조절함으로써, 회전 속도가 감소되고, 이것은 하중 경감으로 이어진다. 추가적으로, 로터 블레이드의 유동 각도가 감소되고, 이것도 마찬가지로 하중 경감으로 이어진다. 추가적으로, 발전기 토크는 발전기 공칭 토크를 초과하지 않고, 이에 따라 대응하는 전기적 과부하가 방지되지만, 그러나 토크에 의해 과도한 기계적 하중도 또한 방지되는 것이 제공된다.
또한, 로터 블레이드가 바람에 의해 충분히 회전되지 않을 때, 회전 속도가 증가될 수 있게 하는, 풍속이 증가함에 따라 발전기 토크가 감소되는 것이 제안된다. 그러나, 회전 속도 감소가 또한 제공되기 때문에, 로터 블레이드는 발전기 토크의 감소에도 불구하고 회전 속도 감소가 뒤따르는 방식으로, 이에 대응하여 바람으로부터 강하게 회전된다. 따라서, 발전기 토크가 감소되고, 회전 속도가 감소된다는 사실의 결과로 발전기 전력도 또한 감소된다.
풍속은 종래의 풍속 측정 장치, 특히 나셀 풍속계에 의해 매우 정확하게 검출될 수 없기 때문에, 풍속의 추정이 여기서 제안될 수 있다. 이 경우, 풍속은 공지된 블레이드 피치 각도, 설정된 발전기 토크 및 결과적인 회전 속도 또는 회전 속도의 시간적 미분으로부터 검출될 수 있다. 이러한 풍속 추정을 개선하기 위해, 결정된 하중 크기를 추가적으로 고려하는 것이 제안된다. 또한, 풍속의 이러한 추정은 시스템 기술적 추정 알고리즘을 통해 수행될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 회전 속도는 결정된 하중 크기의 함수로서 감소되고, 발전기 전력은 하중 작동을 위한 회전 속도-전력 특성 곡선의 함수로서 감소되는 것이 제안되고, 이에 대해 하중 작동을 위한 회전 속도-전력 특성 곡선은, 부분 부하 작동을 위한 회전 속도-전력 특성 곡선과는 구별되는 것이 제안된다. 부분 부하 작동 시에는 발전기 공칭 전력이 달성될 수 없을 정도로 바람이 약하다. 따라서, 특수한 회전 속도-전력 특성 곡선이 여기서 사전 설정되고, 이러한 회전 속도-전력 특성 곡선은 각각 현재 회전 속도에 대해 설정될 전력값, 즉 발전기 전력에 대한 값을 지정한다. 예를 들어 하중 크기의 함수로서, 회전 속도가 감소되도록 로터 블레이드의 조절이 수행될 수 있다. 그런 다음, 회전 속도가 설정되고, 이러한 회전 속도에 의존하여 회전 속도-전력 특성 곡선에 따라 발전기 전력이 설정된다. 이 경우, 이것은 회전 속도에 영향을 주도록 발생할 수 있다. 그런 다음, 회전 속도가 변경될 수 있으며, 안정된 동작점이 발생될 때까지 변경된 회전 속도에 대해 발전기 전력의 새로운 값이 다시 설정될 수 있다. 이러한 설명은 예시를 위해 사용되고, 일반적으로, 설명된 조절에 의해, 작동점은 회전 속도-전력 특성 곡선에서 안정된 지점으로 조절되게 된다.
바람직하게는, 로터 블레이드는 하중 크기의 함수로서 조절되어, 바람직하게는 하중 크기가 고정된 값으로 조정된다. 바람 하중이 증가되는 경우, 블레이드는 바람에 의해 더 회전되어, 결정된 하중 크기가 결과적으로 증가하는 바람 하중에 의해 증가하지 않는다.
하중 작동을 위한 언급된 회전 속도-전력 특성 곡선은 부분 부하 작동을 위한 회전 속도-전력 특성 곡선과는 구별된다. 부분 부하 작동에서도, 발전기 전력이 각각 회전 속도의 함수로서 설정되는 것이 제공될 수 있다. 그러나, 이러한 경우, 로터 블레이드는 고정 블레이드 피치 각도를 유지하고, 회전 속도 변화는 바람의 변화로부터만 발생하는 것이 일반적이다. 부분 부하 작동 시 이러한 회전 속도-전력 특성 곡선은 풍속이 공칭 풍속을 달성하거나 또는 이를 초과할 때까지 기초로 사용될 수 있다.
바람직하게는, 하중 작동을 위한 회전 속도-전력 특성 곡선은 적어도 부분 회전 속도 범위에서, 특히 공칭 회전 속도의 10 % 내지 90 %의 회전 속도 범위에서, 부분 부하 작동을 위한 회전 속도-전력 특성 곡선보다 더 높은 전력값을 각각 갖는 것이 제안된다. 따라서, 하중 작동을 위한 회전 속도-전력 특성 곡선은 동일한 회전 속도에서, 실질적으로 부분 부하 작동에 비해 더 높은 전력을 발생시킨다. 2개의 회전 속도-전력 특성 곡선은 제로의 회전 속도 및 공칭 회전 속도 근처에서 동일할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 발전기 전력을 공급하기 위해, 발전기에 의해 생성된 전류는 정류되어, 제1 직류 전압 중간 회로에 공급되는 것이 제안된다. 또한, 정류된 전류가 제1 직류 전압 중간 회로로부터 제2 직류 전압 중간 회로로 공급되는 것이 제안된다. 이 경우, 제1 직류 전압 중간 회로와 제2 직류 전압 중간 회로 사이에 승압 컨버터가 배치된다. 이러한 승압 컨버터는 필요한 경우, 제1 직류 전압 중간 회로의 제1 직류 전압을 제2 직류 전압 중간 회로의 제2 전압으로 승압시킨다. 또한, 제2 직류 전압 중간 회로의 전류는 인버터에 의해 전기 공급 네트워크로 공급하기 위한 교류 전류로 변환된다. 이를 위해, 이제 승압 컨버터는 전환 회전 속도 미만의 회전 속도에 대해서만 제1 직류 전압을 제2 직류 전압으로 승압시켜, 제2 직류 전압은 제1 직류 전압보다 더 높은 것이 제안된다. 또한, 마지막으로, 부분 부하 작동 시 전환 회전 속도는 하중 작동의 경우보다 더 높은 것이 제안된다.
이를 통해, 승압 컨버터의 특수 구동을 포함하여, 전력의 공급이 또한 폭풍 작동에 적응되는 것이 달성될 수 있다. 다시 말해서, 하중 작동에서 더 작은 회전 속도 범위만이 승압 컨버터 작동을 사용한다. 따라서 풍속과 관련하여, 하중 작동은 매우 늦은 시기에만, 즉 매우 높은 풍속에서 승압 컨버터 작동으로 전환된다.
일 실시예에 따르면, 허브 굽힘 모멘트가 로터 위치의 함수로서 최대 및 최소 허브 굽힘 모멘트 사이에서 변화되는 것이 제안되고, 이에 대해 하중 크기는 최대 허브 굽힘 모멘트의 함수로서 결정되는 것이 제안된다. 따라서, 여기서 작은 허브 굽힘 모멘트는 무시되고, 단지 최대 허브 굽힘 모멘트만이 결정된다. 이를 통해, 궁극적으로 가장 중요한 큰 허브 굽힘 모멘트가 실제로 고려되는 것이 보장될 수 있다.
추가적으로 또는 대안적으로, 하중 크기는 최대 허브 굽힘 모멘트와 최소 허브 굽힘 모멘트 간의 차이의 함수로서 결정되는 것이 제안된다. 이러한 경우, 이러한 차이만으로도 하중 크기를 결정하는 것이 일 변형예로서 고려될 수 있다. 여기서, 높은 하중에서 로터의 회전을 통해, 하중 변동도 또한 증가한다는 것이 특히 고려된다. 예를 들어 허브 굽힘 모멘트의 이러한 변형은, 각각의 로터 블레이드가 타워를 통과할 때, 즉 로터 블레이드가 타워를 지나갈 때, 풍속이 증가함에 따라 또한 증가하게 되는 강한 하중 변동을 겪게 됨으로써 발생할 수 있다. 또한, 높이에 따라 변하는 풍속도 허브 굽힘 모멘트 또는 다른 하중 크기의 변형에 대한 원인일 수 있다. 이를 고려하기 위해, 하중 크기를 결정하기 위한 허브 굽힘 모멘트의 절대값과 함께 보완적으로, 이러한 하중 변동, 즉 최대 허브 굽힘 모멘트와 최소 허브 굽힘 모멘트 간의 차이를 사용하는 것도 또한 고려된다.
추가적으로 또는 대안적으로, 하중 크기로서, 최대 허브 굽힘 모멘트가 각각 고려될 수 있다. 따라서, 하중 크기는 최대 허브 굽힘 모멘트에 따라 간접적으로 결정되는 것이 아니라, 최대 허브 굽힘 모멘트가 직접적으로 각각 하중 크기를 형성한다. 이 경우, 하중 크기는 물론 프로세스 컴퓨터에서 처리하기 위해 스케일링될 수 있다.
다른 변형예에 따르면, 하중 크기로서, 최대 허브 굽힘 모멘트와 최소 허브 굽힘 모멘트 간의 차이가 각각 고려되는 것이 제안된다. 여기서 또한, 이러한 차이는, 이러한 하중 크기를 결정하기 위해, 출력 변수를 형성할 뿐만 아니라, 이러한 차이는 하중 크기로서 직접적으로 사용되기도 한다. 또한, 여기서 스케일링이 물론 고려될 수 있다.
본 발명에 따르면, 바람으로부터 전력을 생성하기 위한 풍력 터빈이 또한 제안된다. 이러한 풍력 터빈은 로터 허브 및 블레이드 피치 각도가 조절될 수 있는 로터 블레이드를 구비하는 공기 역학적 로터를 포함한다. 로터는 또한 가변 회전 속도로 작동될 수 있다. 또한, 공기 역학적 로터에 결합된 발전기를 포함하고, 이에 의해 발전기 전력이 생성된다. 발전기는 가변 발전기 토크로 작동될 수 있다. 발전기 토크는 무엇보다도 여자 전류를 변화시킴으로써 변화될 수 있다. 이와 관련하여, 여기서 타여자 동기식 기계가 특히 제공된다.
또한, 하중 크기, 즉 바람에 의한 풍력 터빈에 대한 하중을 나타내는 하중 크기를 결정하기 위한 검출 장치가 제공된다. 따라서, 검출 장치는 예를 들어 측정들로부터 또는 측정으로부터 이러한 하중 크기를 결정하도록 동작하고, 이 경우 이러한 하중 크기는 하중을 나타낸다. 이 경우, 하중 크기는 예를 들어 그 값에 따라, 풍력 터빈이 바람에 의해 얼마나 많이 부하가 가해지는지를 나타낸다. 또한, 하중 작동에서 회전 속도 및/또는 발전기 전력을 감소시키도록 준비되는 제어 장치가 제공된다. 이러한 하중 작동은 하중 크기가 사전 결정될 수 있는 하중 한계값에 도달하는 작동이다. 이것은 하중 크기가 사전 결정될 수 있는 하중 한계값을 초과하는 경우도 또한 포함할 수 있다. 이것은 하중 작동에 대한 정의일 수 있다. 그러나, 하중 한계값이 하중 상황에 대한 지향값을 형성하는 것도 또한 고려될 수 있으며, 이 값을 초과하는 것도 또한 제공될 수 있다.
따라서, 우선 하중 작동이 존재하는지의 여부가 인식될 수 있다. 존재한다면, 제어 장치는 회전 속도 및 발전기 전력의 감소를 제어할 수 있다. 이것은 예를 들어 로터 블레이드를 조절하기 위한 제어 신호가 출력되는 방식으로 수행될 수 있으므로, 공기 역학적 로터는 더 적은 풍력을 수용하여, 이를 통해 회전 속도 및 이에 따라 발전기 전력도 또한 감소될 수 있다. 이것은 제어 기술적으로, 감소된 목표 회전 속도가 사전 설정되는 방식으로 구현될 수 있다.
또한, 검출 장치는 하중 크기를 결정하기 위해 또는 하중 크기로서 풍력 터빈에 작용하는 힘 크기를 사용할 수 있도록 준비된다. 이에 대응하여, 검출 장치는 이러한 힘 크기에 관한 정보를 기록할 수 있다. 이러한 정보는 이러한 힘 크기를 결정하기 위해 처리될 수 있다. 이 경우, 이러한 힘 크기에 따라 하중 크기가 결정될 수 있다. 대안적으로, 이러한 힘 크기는 이미 하중 크기를 나타낸다. 그러나, 풍력 터빈에 작용하는 복수의 힘을 사용하는 것도 또한 고려된다. 그런 다음, 이로부터 하중 크기가 결정될 수 있다. 하중 크기가 예를 들어 벡터이고 이를 통해 복수의 힘, 예를 들어 종방향 힘 및 횡방향 힘을 포함할 수 있는 경우에, 풍력 터빈에 작용하는 복수의 힘을 하중 크기로서 사용하는 것 그 자체가 고려될 수도 있다.
바람직하게는, 풍력 터빈은 전술한 적어도 하나의 실시예에 따른 방법을 수행하도록 준비된다. 특히, 이를 위해 대응하는 방법 단계들, 특히 제어를 위한 방법 단계들은 제어 장치에서 구현될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 방법 단계들, 특히 하중 크기들을 결정하기 위한 방법 단계들은 검출 장치에서 구현될 수 있다.
풍력 터빈은 대응하는 하드웨어, 특히 물리적 변수, 특히 전기적 및/또는 기계적 변수를 검출하기 위한 측정 수단을 포함하는 것이 또한 고려될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 풍력 터빈에 대해, 풍력 터빈에 작용하는 힘 크기를 검출하기 위해, 또는 허브 굽힘 모멘트를 검출하기 위해, 적어도 하나의 힘 측정 수단이 제공되는 것이 제안된다. 또한, 적어도 하나의 힘 측정 수단을 검출 장치로 연결하는 적어도 하나의 연결부가 제공되어, 적어도 하나의 힘 측정 수단의 측정값이 검출 장치로 전송될 수 있어, 이러한 측정값에 따라 하중 크기가 결정될 수 있다. 따라서, 이에 대응하는 힘 크기는 힘 측정 수단에 의해 측정될 수 있고, 그 결과는 검출 장치로 전송될 수 있다. 그런 다음, 검출 장치는 이로부터 하중 크기를 결정할 수 있다. 적어도 하나의 힘 측정 수단으로부터 검출 장치로의 연결부로서, 대응하는 라인, 특히 전기 라인이 제공된다. 또한, 이것은 데이터 버스 또는 신호 버스로서 형성될 수 있다. 그러나, 기본적으로 적어도 부분적으로 무선 연결이 사용되는 것도 또한 고려될 수 있다. 특히, 회전 도파관(rotating joint)을 통한 전송은 무선, 광학적으로 또는 예를 들어 슬립 링 또는 이들의 가능성의 조합을 통해 수행될 수 있다. 또한, 광학적 전송도 고려될 수 있다.
특히, 적어도 하나의 힘 측정 수단은 로터 허브 상에 그리고/또는 각각의 로터 블레이드 상에 또는 각각의 블레이드 루트 상에 또는 각각의 블레이드 루트에서 스트레인 게이지를 포함하는 것이 제안된다. 특히, 이러한 스트레인 게이지는 힘 측정 수단을 형성한다.
따라서, 풍력 터빈은 이러한 힘 측정 수단, 특히 스트레인 게이지에 의해 대응하는 힘을 수용한 다음, 이로부터 검출 장치에서 하중 크기를 결정할 수 있다. 이 경우, 하중 크기는 이러한 기계적 측정에 직접적으로 의존한다. 따라서, 여기서 실제로 발생하는 힘이 평가되어, 이로부터 하중 크기가 결정될 수 있다. 이 경우, 하중 크기는 가능하게는 단순화된 또는 요약된 값 또는 힘 벡터일 수도 있지만, 그러나 힘 측정을 기반으로 하므로, 따라서 실제 기계적 하중을 기반으로 한다.
하중 작동은 이와 관련하여, 바람이 너무 강해서 풍력 터빈을 보호하기 위해 회전 속도 및 발전기 전력이 감소되어야 할 때 전환되는 작동이다. 하중 크기가 예를 들어 하중 한계값과 동일할 수 있거나, 또는 다른 값, 특히 더 낮은 값을 포함하는 하중 트리거 한계값을 초과하는 경우, 이러한 하중 작동은 하중 크기에 따라 트리거될 수 있다. 그러나, 하중 작동은 예를 들어 검출된 풍속에 따라 다른 방식으로도 또한 스위칭 온될 수 있다. 또한, 이러한 하중 작동은 블레이드 피치 각도에 따라 스위칭 온될 수도 있다. 이러한 변수들을 조합하는 것도 기준으로서 또한 고려될 수 있다. 특히, 하중 크기와 블레이드 피치 각도의 평가가 고려될 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 예시적인 실시예를 사용하여 이하에서 예시적으로 보다 상세하게 설명된다.
도 1은 풍력 터빈을 사시도로 도시한다.
도 2는 하중 크기로서 허브 굽힘 모멘트를 검출하기 위한 예시적인 구조를 도시한다.
도 3은 하중 작동 시 회전 속도 및 발전기 전력을 감소시키기 위한 구조를 도시한다.
도 1은 타워(102) 및 나셀(104)을 갖는 풍력 터빈(100)을 도시한다. 나셀(104) 상에는 3개의 로터 블레이드(108)와 스피너(110)를 구비하는 로터(106)가 배치된다. 로터(106)는 작동 시 바람에 의해 회전 운동하고, 이에 의해 나셀(104) 상의 발전기를 구동시킨다.
도 2는 풍력 터빈(200)의 일부를 상징적으로 도시한다. 이러한 풍력 터빈(200)은 3개의 로터 블레이드(201, 202 및 203)를 포함한다. 이들은 나셀(206) 내에 배치된 허브에 고정된다. 이러한 허브에는 3개의 로터 블레이드(201, 202 및 203)가 각각 블레이드 루트(211, 212 또는 213)를 통해 고정된다. 각각의 블레이드 루트(211 내지 213)에는 힘 측정 수단으로서 스트레인 게이지(221, 222 또는 223)가 각각 배치된다. 도 2는 각각의 블레이드 루트(211 내지 213)에 대해 각각 스트레인 게이지(221 내지 223)를 도시한다. 그러나 바람직하게는, 서로 90도로 오프셋된 적어도 2개의 스트레인 게이지가 각각의 블레이드 루트에 대해 제공된다. 어떤 경우에든, 각각의 스트레인 게이지(221 내지 223)에 의해, 각각 힘 크기(F1, F2 또는 F3)가 결정된다. 이러한 힘 크기는 여기서 굽힘 모멘트일 수 있으며, 이는 각각 스트레인 게이지의 측정값으로부터 발생한다. 이러한 3개의 힘 크기(F1 내지 F3)는 검출 블록(230)에 입력된다. 이 경우, 힘 크기(F1 내지 F3)는 또한 각각 벡터 크기일 수 있는데, 이러한 벡터 크기는 각각의 블레이드 루트(211 내지 213) 상의 대응하는 힘을 크기와 방향에 따라 지정한다. 따라서, 이렇게 검출된 이러한 힘 크기(F1 내지 F3)는 우선 검출 블록(230)에서 검출된다.
추가적으로, 검출 블록(230)에는 블레이드 피치 각도(α), 회전 속도(n) 및 로터 위치(ß)가 입력된다. 개별 블레이드 조절의 경우, 즉, 로터 블레이드를 개별적으로, 즉 다른 2개의 로터 블레이드와 무관하게 각각의 개별 로터 블레이드를 조절할 수 있는 것이 가능한 경우, 블레이드 피치 각도(α) 대신에, 3개의 개별 블레이드 피치 각도(α1, α2 및 α3)가 기록될 수 있다.
이러한 변수들, 즉 하나 이상의 블레이드 피치 각도(α), 로터 회전 속도(n) 및 로터 위치(ß)를 수신하기 위해, 작동 제어 블록(232)이 예시적으로 도시되어 있다. 이러한 작동 제어 블록(232)을 사용하는 것은, 특히 언급된 변수들이 기본적으로 풍력 터빈(200)의 작동 제어기에서 알려져 있다는 것을 또한 설명한다. 이와 관련하여, 이러한 변수들은 단지 작동 제어기로부터만 취출될 필요가 있는데, 이 작동 제어기에 대해 여기서 작동 제어 블록(232)이 상징적으로 도시되어 있다. 작동 제어 블록(232)은 단지 예시를 목적으로 타워(234)의 상부 영역에 배치된다. 그러나, 일반적으로 작동 제어기 및 이에 따라 이러한 작동 제어 블록(232)은 나셀(206) 내에 배치될 수 있고, 거기서 이러한 변수들을 전체 작동 제어기로부터 직접적으로 획득할 수 있다.
어떤 경우에든, 검출 블록(230)은 이러한 검출 블록에 입력되는 변수들로부터, 각각 허브 굽힘 모멘트 성분들(MB1, MB2 및 MB3)을 계산한다. 이러한 허브 굽힘 모멘트 성분들(MB1, MB2 및 MB3)은 각각 검출된 힘 크기들(F1, F2 또는 F3)로 피드백된다. 다시 말해서, 힘 크기들(F1, F2 또는 F3)로부터 각각 블레이드 루트 굽힘 모멘트로도 또한 지칭될 수 있는 허브 굽힘 모멘트 성분들(MB1, MB2 및 MB3)이 계산되며, 이러한 계산을 위해, 변수들(α, n 및 ß), 즉 블레이드 피치 각도(α), 로터 회전 속도(n) 및 로터 위치(ß)가 또한 고려된다. 따라서, 이러한 검출 블록(230)의 제1 중간 결과는 이러한 3개의 허브 굽힘 모멘트 성분들(MB1 내지 MB3)이며, 이들은 특히 각각 그 자체로 벡터로서 또한 표현될 수도 있다. 따라서, 바람직하게는 이러한 허브 굽힘 모멘트 성분들(MB1 내지 MB3)의 각각은 단지 개별적인 스칼라 값이 아니라, 진폭 및 방향을 나타내는 벡터이다. 이 경우, 이러한 3개의 변수들은 병합 블록(236)에서 단일 하중 변수로, 즉 도 2의 예에서 공통 허브 굽힘 모멘트(MB)로 병합된다. 이러한 공통 허브 굽힘 모멘트(MB)는 예를 들어 이러한 개별 허브 굽힘 모멘트 성분들(MB1 내지 MB3)이 각각 벡터인 경우, 3개의 개별 벡터들(MB1, MB2 및 MB3)의 벡터 합일 수 있다. 단지 다른 예를 언급하자면, 이러한 계산이 단지 양에 기초한 경우, 예를 들어 병합 블록(236)에서 평균값 형성이 수행될 수 있다.
어떤 경우에든, 도 2는 스트레인 게이지(221 내지 223)에 의한 블레이드 루트(211 내지 213)에서의 힘 측정으로부터 개별 하중 변수, 즉 여기서 허브 굽힘 모멘트(MB)가 어떻게 결정될 수 있는지를 도시한다.
그런 다음, 하중 작동 시 풍력 터빈을 제어하기 위해, 도 2에 도시된 바와 같이 결정되는 허브 굽힘 모멘트(MB)는 예를 들어 도 3에 따른 구조에 따라 사용된다.
그 외에, 스트레인도 또한 측정될 수 있고, 그런 다음 중량 기반 교정을 통해 블레이드 루트 굽힘 모멘트가 도출될 수 있다. 이것은 대안적으로, 검출 블록(230)에서 또한 수행될 수 있다.
도 3에 따른 조절 구조에서, 결정된 허브 굽힘 모멘트(MB)는 합산 부재(340)에서 허브 굽힘 모멘트(MBS)에 대한 목표값으로부터 감산되는 것이 제공된다. 그 결과는 조절 오류로서, 여기서는 조절 편차로, 즉 토크 조절 편차(eM)로도 지칭된다. 그런 다음, 이러한 토크 조절 편차(eM)는 PI-조절 블록(342)에 입력되고, 이러한 PI-조절 블록(342)은 결과로서 목표 회전 속도(nS)를 출력한다.
그런 다음, 이렇게 결정된 목표 회전 속도(nS)로부터, 회전 속도 합산 부재(344)에서 풍력 터빈(300)의 현재 회전 속도가 감산된다. 그 결과는 회전 속도 조절 편차(en)이다. 이것은 각도 결정 블록(346)에 입력되고, 이 각도 결정 블록은 이로부터 설정될 블레이드 피치 각도(αS)를 결정한다. 이와 관련하여, 이러한 블레이드 피치 각도(αS)는 목표값이고, 블레이드 조절을 위한 대응하는 구현을 위해 풍력 터빈(300)에 입력된다.
여기서 풍력 터빈(300)으로서, 블레이드 피치 각도 영역(B), 발전기 영역(G) 및 나머지 풍력 터빈(W)으로 세분되는 대응하는 블록으로 매우 개략적으로 도시되어 있다. 따라서, 목표 각도(αS)는 블레이드 영역(348)에 작용한다.
동시에, 회전 속도(n)는 전력 블록(350)에 입력되고, 이 전력 블록은 이로부터 발전기 영역(352)에 입력되는 목표 전력(PS)을 결정한다.
특히, 이러한 2개의 값들, 즉 블레이드 목표 각도(αS) 및 목표 전력(PS)은 이제 이러한 고려를 위해 풍력 터빈(300)에 대한 입력 변수들을 형성한다. 예비적으로, 여기서 블레이드 피치 각도(αS)만이 상정된다는 점을 유의해야 한다. 물론, 개별 블레이드 피치 각도가 설정되는 것도 또한 고려된다. 이러한 경우에 대해, 여기서 각도 결정 블록(346)의 출력을 형성하는 블레이드 피치 각도(αS)는 기본 각도로 간주될 수 있으며, 이는 개별 각도의 개별 조절에 의해 각각 대응하여 보완될 수 있다.
어떤 경우에든, 풍력 터빈(300)의 결과는 적어도 하나의 힘 크기(F)이며, 이 힘 크기는 여기서 도 2의 예시에 따른 3개의 개별 힘(F1, F2 및 F3)으로 구성될 수 있다. 이 경우, 이러한 힘 크기(F)는 검출 장치(354)에 입력된다. 검출 장치(354)는 예를 들어 도 2에 따른 검출 블록(230) 및 병합 블록(236)으로 구성될 수 있다. 이와 관련하여, 2개의 블록들, 즉 검출 블록(230) 및 병합 블록(236)은 검출 장치(238)로 또한 지칭될 수 있다.
어떤 경우에든, 도 3의 구조는 다음과 같이 요약되는 바와 같이 기능한다. 하중 작동에서, 이러한 구조는 도 3에 따라 처음부터 동작한다. 여기서, 기본적으로 하중에 의존하는 조정은 허브 굽힘 모멘트(MB)가 허브 굽힘 모멘트의 목표값(MBS)으로 조정되는 방식으로 수행된다. 토크 조절 편차(eM)가 PI-조절 블록(342)에 따른 PI-조절기에 의해 목표 회전 속도로 이어지도록 수행된다. 따라서, 허브 굽힘 모멘트(MB)가 정확히 그 목표값(MBS)을 달성하면, 조절 편차는 0이고, 목표 회전 속도는 PI-조절 블록(342)에서 필수 성분에 기초하여 최종 값으로 유지된다.
이러한 목표 회전 속도를 실제 회전 속도로 구현하는 것은 목표-실제값 비교를 통해 회전 속도 합산 부재(344)에서 시작되는 조절 루프에 의해 수행된다. 이러한 목표-실제값 비교의 결과, 즉 회전 속도 조절 편차(en)는 그 후 각도 제어 블록(346)을 통해, 초기에, 블레이드 영역(348)에서 실제로 구현되는 목표값으로서 대응하는 각도로 변환된다.
그러나 동시에, 회전 속도의 함수로서, 특성 곡선에 따라 전력, 즉 발전기 전력이 사전 설정된다. 이에 대응하여, 이러한 회전 속도 의존적 전력 특성 곡선은 전력 블록(350)에 저장된다. 이에 대응하여, 전력 블록(350)은 전력에 대한 목표값을 출력하고, 이러한 목표값(PS)은 발전기 영역(352)에서 구현된다. 이것이 전력의 변화를 발생시킨다면, 회전 속도는 또한 변경될 수 있고, 그런 다음 전력은 특성 곡선에 따라, 이에 따라 전력 블록(350)에 의해 재조정된다.
이를 통해 전력이 감소되면, 이에 따라 발전기 토크도 또한 감소되는데, 이것은 다시 회전 속도 증가를 유도할 수 있다. 이것은 여기서 블레이드 피치 각도가 감소됨으로써, 회전 속도 조절로, 특히 각도 결정 블록(346)에 의해 상쇄된다. 그러나, 이것은 또한 하중의 변화 및 이에 따라 힘 크기(F)의 변화로 또한 이어질 수도 있다. 이에 대응하여, 허브 굽힘 모멘트(MB)는 그 후 변경될 수 있으며, 이것은 토크 조절 편차(eM) 및 PI-조절 블록(342)을 통해 목표 회전 속도의 변화를 발생시킬 수 있다.
어떤 경우에든, 이러한 구조에 의해, 허브 굽힘 모멘트가 증가될 때, 이는 우선 회전 속도를 감소시키고 이에 따라 전력 블록(350)에서의 특성 곡선에 의존하여 전력도 또한 업데이트, 즉 감소됨으로써 상쇄된다.

Claims (14)

  1. 바람으로부터 전력을 생성하기 위한 풍력 터빈(200)의 작동 방법으로서,
    - 상기 풍력 터빈(200)은 로터 허브 및 블레이드 피치 각도(α)가 조절될 수 있는 로터 블레이드(201, 202, 203)를 구비하는 공기 역학적 로터를 포함하고, 상기 공기 역학적 로터는 가변 회전 속도로 작동될 수 있고,
    - 상기 풍력 터빈(200)은 발전기 전력을 생성하기 위해 상기 공기 역학적 로터에 결합된 발전기를 포함하고,
    - 상기 발전기는 가변 발전기 토크로 작동될 수 있고,
    상기 풍력 터빈의 작동 방법은
    - 상기 풍력 터빈(200)에 대한 바람 하중을 나타내는 하중 크기를 결정하는 단계, 및
    - 하중 작동 시 상기 하중 크기의 함수로서 상기 회전 속도 및/또는 상기 발전기 전력을 감소시키는 단계
    를 포함하고,
    - 상기 하중 크기를 결정하기 위해, 또는 하중 크기로서 상기 풍력 터빈(200)에 작용하는 적어도 하나의 힘 크기(F)가 사용되는 것인, 풍력 터빈의 작동 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    - 허브 굽힘 모멘트, 샤프트 굽힘 모멘트, 축 굽힘 모멘트 및/또는 타워 헤드 굽힘 모멘트가 검출되고,
    - 상기 허브 굽힘 모멘트, 상기 샤프트 굽힘 모멘트, 상기 축 굽힘 모멘트 및/또는 상기 타워 헤드 굽힘 모멘트는 상기 하중 크기를 결정하기 위해 사용되거나 또는 상기 하중 크기로서 사용되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 작동 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 풍력 터빈(200)에 작용하는 상기 힘 크기(F)를 검출하기 위해, 또는 상기 허브 굽힘 모멘트를 검출하기 위해, 적어도 하나의 스트레인 측정이 상기 로터 허브 상에서 그리고/또는 적어도 하나의 로터 블레이드, 특히 상기 블레이드 루트 상에서 또는 상기 블레이드 루트에서 수행되고, 특히 각각의 로터 블레이드 상에서 또는 각각의 블레이드 루트(211, 212, 213) 상에서 또는 각각의 블레이드 루트(211, 212, 213)에서 수행되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 작동 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하중 크기를 결정하는 상기 단계는, 상기 하중을 나타내는 적어도 하나의 측정에 기초하여, 특히 상기 로터 블레이드 상에서의, 특히 상기 로터 허브 상에서의 그리고/또는 상기 로터 블레이드(201, 202, 203)의 적어도 하나의 블레이드 루트 상에서의 스트레인 측정에 기초하여 시스템 기술적 추정 알고리즘에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 작동 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    우세한 공칭 바람에서 정상 작동 시 기본 하중으로서 검출된 하중 크기의 함수로서 하중 한계값이 설정되어, 특히 상기 하중 한계값은 적어도 상기 기본 하중의 2배의 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 작동 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전 속도 및/또는 상기 발전기 전력은 상기 검출된 하중의 함수로서 감소되어, 특히
    - 상기 하중 크기는 상기 하중 한계값을 초과하지 않고, 그리고/또는
    - 상기 하중 크기는 상기 회전 속도 및 상기 발전기 전력을 감소시킴으로써 목표값으로서의 상기 하중 한계로 또는 목표값보다 낮은 값으로 조절되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 작동 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전 속도 및 상기 발전기 전력은,
    - 상기 하중 크기가 상기 하중 한계값을 초과하지 않고,
    - 상기 로터 블레이드(201, 202, 203)의 블레이드 피치 각도(a)가 상기 바람으로부터의 방향으로 각각 조절되고,
    - 상기 발전기 토크는 발전기 공칭 토크를 초과하지 않고,
    - 상기 발전기 토크는 풍속이 증가함에 따라 감소되도록
    감소되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 작동 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 회전 속도는 상기 결정된 하중 크기의 함수로서 감소되고,
    - 상기 발전기 전력은 상기 하중 작동을 위한 회전 속도-전력-특성 곡선의 함수로서 감소되고,
    - 상기 하중 작동을 위한 상기 회전 속도-전력-특성 곡선은, 상기 바람이 발전기 공칭 전력을 달성할 수 없을 정도로 약한 부분 부하 작동을 위한 회전 속도-전력-특성 곡선과는 구별되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 작동 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 하중 작동을 위한 상기 회전 속도-전력-특성 곡선은 적어도 부분 회전 속도 범위에서, 특히 공칭 회전 속도의 10 % 내지 90 %의 회전 속도 범위에서, 상기 부분 부하 작동을 위한 상기 회전 속도-전력-특성 곡선보다 더 높은 전력값을 각각 갖는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 작동 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발전기 전력을 공급하기 위해,
    - 상기 발전기에 의해 생성된 전류는 정류되어, 제1 직류 전압 중간 회로에 공급되고,
    - 상기 정류된 전류는 상기 제1 직류 전압 중간 회로로부터 제2 직류 전압 중간 회로로 공급되고,
    - 상기 제1 직류 전압 중간 회로와 상기 제2 직류 전압 중간 회로 사이에 승압 컨버터가 배치되어, 필요한 경우, 상기 제1 직류 전압 중간 회로의 제1 직류 전압을 상기 제2 직류 전압 중간 회로의 제2 전압으로 승압시킬 수 있고,
    - 상기 제2 직류 전압 중간 회로의 상기 전류는 인버터에 의해 전기 공급 네트워크로 공급하기 위한 교류 전류로 변환되고,
    - 상기 승압 컨버터는 전환 회전 속도 미만의 회전 속도에 대해서만 상기 제1 직류 전압을 상기 제2 직류 전압으로 승압시켜, 상기 제2 직류 전압은 상기 제1 직류 전압보다 더 높고,
    - 상기 부분 부하 작동 시 상기 전환 회전 속도는 상기 하중 작동의 경우보다 더 높은 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 작동 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 허브 굽힘 모멘트는 로터 위치(ß)의 함수로서 최대 및 최소 허브 굽힘 모멘트 사이에서 변화되고,
    - 상기 하중 크기는 상기 최대 허브 굽힘 모멘트의 함수로서 결정되고, 그리고/또는
    - 상기 하중 크기는 상기 최대 허브 굽힘 모멘트와 상기 최소 허브 굽힘 모멘트 간의 차이의 함수로서 결정되고, 그리고/또는
    - 하중 크기로서, 상기 최대 허브 굽힘 모멘트가 각각 고려되고, 또는
    - 하중 크기로서, 상기 최대 허브 굽힘 모멘트와 상기 최소 허브 굽힘 모멘트 간의 차이가 각각 고려되는 것을 특징으로 하는 허브 굽힘 모멘트.
  12. 바람으로부터 전력을 생성하기 위한 풍력 터빈(200)으로서,
    - 로터 허브 및 블레이드 피치 각도(α)가 조절될 수 있는 로터 블레이드를 구비하는 공기 역학적 로터 - 상기 공기 역학적 로터는 가변 회전 속도로 작동될 수 있음 -,
    - 발전기 전력을 생성하기 위해 상기 공기 역학적 로터에 결합된 발전기 - 상기 발전기는 가변 발전기 토크로 작동될 수 있음 -,
    - 상기 풍력 터빈(200)에 대한 바람 하중을 나타내는 하중 크기를 결정하기 위한 검출 장치, 및
    - 하중 작동 시 상기 하중 크기의 함수로서 상기 회전 속도 및/또는 상기 발전기 전력을 감소시키도록 구성되는 제어 장치
    를 포함하고,
    - 상기 검출 장치는 상기 하중 크기를 결정하기 위해 또는 하중 크기로서 상기 풍력 터빈(200)에 작용하는 적어도 하나의 힘 크기(F)를 사용하도록 구성되는 것인, 풍력 터빈.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 풍력 터빈(200)은 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    - 상기 풍력 터빈(200)에 작용하는 상기 힘 크기(F)를 검출하기 위해, 또는 상기 허브 굽힘 모멘트를 검출하기 위해, 적어도 하나의 힘 측정 수단이 제공되고,
    - 상기 적어도 하나의 힘 측정 수단을 상기 검출 장치로 연결하는 적어도 하나의 연결부가 제공되어, 상기 적어도 하나의 힘 측정 수단의 측정값이 상기 검출 장치로 전송될 수 있어, 상기 측정값에 따라 상기 하중 크기가 결정될 수 있고,
    특히 상기 적어도 하나의 힘 측정 수단은
    - 상기 로터 블레이드 상에, 특히 상기 로터 허브 상에 그리고/또는 각각의 로터 블레이드 상에 또는 각각의 블레이드 루트(211, 212, 213) 상에 또는 각각의 블레이드 루트(211, 212, 213)에서 적어도 하나의 스트레인 게이지(221, 222, 223)를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈.
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