[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

KR102128848B1 - 등가 풍속을 결정하는 방법 - Google Patents

등가 풍속을 결정하는 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102128848B1
KR102128848B1 KR1020187027201A KR20187027201A KR102128848B1 KR 102128848 B1 KR102128848 B1 KR 102128848B1 KR 1020187027201 A KR1020187027201 A KR 1020187027201A KR 20187027201 A KR20187027201 A KR 20187027201A KR 102128848 B1 KR102128848 B1 KR 102128848B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
power
wind
available
rotor
speed
Prior art date
Application number
KR1020187027201A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20180114185A (ko
Inventor
죈케 엥겔켄
Original Assignee
보벤 프로퍼티즈 게엠베하
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 보벤 프로퍼티즈 게엠베하 filed Critical 보벤 프로퍼티즈 게엠베하
Publication of KR20180114185A publication Critical patent/KR20180114185A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102128848B1 publication Critical patent/KR102128848B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D17/00—Monitoring or testing of wind motors, e.g. diagnostics
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/028—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor controlling wind motor output power
    • F03D7/0284—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor controlling wind motor output power in relation to the state of the electric grid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/20—Rotors
    • F05B2240/21—Rotors for wind turbines
    • F05B2240/221—Rotors for wind turbines with horizontal axis
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/82—Forecasts
    • F05B2260/821—Parameter estimation or prediction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2270/00—Control
    • F05B2270/30—Control parameters, e.g. input parameters
    • F05B2270/32—Wind speeds
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2270/00—Control
    • F05B2270/30—Control parameters, e.g. input parameters
    • F05B2270/327—Rotor or generator speeds
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2270/00—Control
    • F05B2270/30—Control parameters, e.g. input parameters
    • F05B2270/328—Blade pitch angle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2270/00—Control
    • F05B2270/30—Control parameters, e.g. input parameters
    • F05B2270/335—Output power or torque
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2270/00—Control
    • F05B2270/30—Control parameters, e.g. input parameters
    • F05B2270/337—Electrical grid status parameters, e.g. voltage, frequency or power demand
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction
    • Y02E10/723—

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Wind Motors (AREA)
  • Control Of Eletrric Generators (AREA)

Abstract

본 발명은 블레이드 각도가 조절될 수 있는 로터 블레이드(108)를 갖는 로터(106)를 구비하는 풍력 발전 설비(100)의 로터 블레이드 평면의 등가 풍속을 결정하는 방법에 관한 것으로, 다음과 같은 단계: 검출된 전력(PDC) 및 상기 로터(106)의 검출된 회전 속도(ω)에 따라 상기 풍력 발전 설비(100)에서 전기적으로 이용 가능한 내부 전력(Pava,DC)을 결정하는 단계, 및 상기 결정된 이용 가능한 내부 전력(Pava,DC) 및 상기 검출된 회전 속도(ω)에 따라 상기 등가 풍속(VWind)을 결정하는 단계를 포함한다.

Description

등가 풍속을 결정하는 방법
본 발명은 풍력 발전 설비의 로터 블레이드 평면의 등가 풍속을 결정하는 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 로터 블레이드 평면의 등가 풍속을 검출하도록 준비된 풍력 발전 설비에 관한 것이고, 본 발명은 풍력 발전 단지에 관한 것이다.
풍력 발전 설비는 잘 알려져 있으며, 일반적으로 하나의, 대부분은 복수의 로터 블레이드를 포함하고, 상기 로터 블레이드는 로터 축을 중심으로 회전하고, 여기서 로터 표면, 즉 원형 표면 위를 지나간다. 풍력 발전 설비는 풍력으로부터 에너지, 궁극적으로는 전류를 생성하기 때문에, 풍력 및 이에 따른 풍속은 풍력 발전 설비에서 보다 중요한 의미를 갖는다.
보통의, 통상적인 작동 시 풍력 발전 설비는, 예를 들어 로터 블레이드를 포함하는 공기 역학적 로터의 로터 회전 속도에 의존하여, 전력이 예를 들어 사전 설정된 회전 속도/전력 특성 곡선에 따라 조정됨으로써, 풍속의 검출 없이도 작동할 수 있다.
그러나, 이제 풍속에 대한 지식을 필요로 하거나 또는 적어도 도움이 될 수 있는 상황이 점차 늘어나고 있다. 여기에는 예를 들어, 전기 공급 네트워크를 지원하기 위해 풍력 발전 설비의 전력이 아래 레벨로 제어되어야 하는 상황이 포함된다. 이에 대해 예를 들어, 전기 공급 네트워크에서 주파수 지원을 위한 제어 전력을 제공해야 하는 필요성과 같은 다양한 이유가 존재할 수 있다. 이러한 경우, 풍력 발전 설비는 우세한 풍력 상태에 기초하여 가능한 것보다 적은 전력 또는 에너지를 전기 공급 네트워크로 전달하게 된다. 이러한 경우에 종종 단순히 네트워크로도 지칭될 수 있는 전기 공급 네트워크에 공급될 수 있는 전력에 대한 보상 청구가 발생하지만, 언급된 감소로 인해 공급되지 못 한다. 이러한 보상 청구를 올바르게 추정할 수 있기 위해서는, 실제로 얼마나 많은 풍력이 존재하는지가 중요하다. 보상의 계산 외에도, 특히 제어 전력의 발생을 위한 공급 전력의 감소 시 전력 감소의 정확한 추정은 또한 이러한 전력 서비스의 제공을 위한 풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 단지의 승인을 위한 전제 조건이 될 수도 있다.
과거에는 풍력 발전 설비의 감축 조절로 인한 보상의 계산에 대한 기초로서, 간소화를 위해, 아직 감소 없이 공급되었던 전력 공급의 최종 값이 기초가 되었다. 그러나 감소되어야 하는 시간의 지속 기간에 따라, 이것은 부정확하거나 또는 심지어 무용한 기초가 되게 된다. 이에 대한 개선된 가능성은 풍력 발전 설비의 특성의 인식을 통해 얼마나 많은 전력이 공급될 수 있는지를 계산하기 위해, 예를 들어 일반적으로 존재하는 나셀 풍속계를 통해 풍속을 측정하는 것이다. 여기서 문제가 되는 것은 이러한 풍력 측정이 비교적 정확하지 않다는 것이다. 풍속 및 바람의 돌발성에 따라 이러한 부정확성이 상당히 클 수 있다. 또한, 풍속은 로터 블레이드 평면에 걸쳐 일정하지 않다. 특히, 고도와 함께 풍속의 값도 또한 변할 수 있다.
특히 대응하는 전력 생산 또는 관련된 풍력 발전 설비의 가능한 전력 생산에 할당될 수 있는 이러한 풍속의 편차 또는 등가 풍속의 편차는 적어도 기본적으로 알려져 있다. 이러한 부정확성은 또한 이러한 정확하지 않은 값에 기인하는 전력 결정에 대한 대응하는 영향을 미치게 된다. 일정한 한계 내에서, 예를 들어 보정 계수와 같은 보정 값에 의해 이러한 영향을 보상하는 것이 가능할 수 있다. 그러나, 이러한 보정은 이 경우 경험적 값에 기초하며, 따라서 풍속 검출에 있어서의 시스템으로 인한 부족한 점에 대해서만 제한적으로 보상할 수 있다.
결과적으로, 시스템의 작동의 감소 없이 생성될 수 있는 이러한 생성 가능한 전력을 양호한 정확도로 결정하는 것은 여전히 어려운 상태이다. 특히, 강한 감축 조절의 경우 이러한 전력 결정은 매우 부정확하지만, 강한 감축 조절로 인해 이에 대응하여 높은 보상이 계산될 수 있기 때문에, 바로 이러한 경우에 특히 정확한 전력 결정을 필요로 한다.
독일 특허 및 상표청은 본 출원에 대한 우선권 출원에서 다음과 같은 종래 기술을 조사하였다: US 2011/0204635 A1호.
따라서, 본 발명의 과제는 상기 언급된 문제들 중 적어도 하나를 해결하는 것이다. 특히, 가능한 한 정확하게, 특히 종래 기술에서 알려진 것보다 더 정확하게 생성 가능한 전력을 결정하기 위한 해결 방안이 제공되어야 한다. 적어도 이전에 알려진 것에 대해 대안적인 해결 방안이 제안되어야 한다.
본 발명에 따르면, 청구항 제1항에 따른 방법이 제안된다.
본 발명은 블레이드 각도가 조절될 수 있는 로터 블레이드를 갖는 로터를 포함하는 풍력 발전 설비의 로터 블레이드 평면의 등가 풍속을 결정하는 방법에 관한 것이다. 로터 평면이라고도 지칭될 수 있는 로터 블레이드 평면은 풍력 발전 설비의 작동 중에 로터 블레이드가 위로 지나가는 평면이다. 이 경우, 풍력이 전체 로터 블레이드 평면에 대해 균일하고 실질적으로 수직으로 작용하는 풍속에 대응하는 풍속이 결정된다. 이는 여기서 로터 블레이드 평면의 등가 풍속으로 지칭된다.
이를 위해 제1 단계에서 풍력 발전 설비에서 전기적으로 이용 가능한 내부 전력이 결정된다. 이는 각각의 순간에 특히 DC 중간 링크에서 전력으로서 사용할 수 있는 순간 전력이다. 풍력 발전 설비에서 전기적으로 이용 가능한 이러한 내부 전력은 이하에서 간단하게 내부 전력 또는 이용 가능한 내부 전력으로도 지칭되고, 여기서 검출된 전력 및 로터의 검출된 회전 속도에 따라 결정된다. 이와 관련하여, 검출된 전력은 풍력 발전 설비에서 전기적으로 이용 가능한 내부 전력으로서 직접적으로 사용되는 것이 아니라, 검출된 전력으로부터 로터의 검출된 회전 속도를 추가로 고려하여 이용 가능한 내부 전력이 결정된다.
적어도 단순화된 설명으로서, 이상적인 정지 상태에서 이용 가능한 내부 전력은 검출된 전력에 대응하는 것으로 가정될 수 있다. 특히, 바람직하게는 검출된 전력은 풀 컨버터 개념이 존재하는 경우, 인버터의 DC 중간 링크에 공급되는 전력에 대응한다. 여기서 이용 가능한 내부 전력은 DC 중간 링크를 기반으로 한 이용 가능한 전력에 대응한다. 이상적으로 가정된 정지 상태에서, 특히 로터의 일정한 회전 속도에서 이러한 두 전력은 대응할 수 있다. 실제로 이러한 이상적인 상태는 실제적으로는 존재하지 않으며, 경우에 따라 때때로 단순화되어 가정될 수 있다. 그러나, 실제로는 풍속은 기본적으로 중단되지 않고 변동하고, 그에 상응하게 실제로 이용 가능한 전력, 즉 이용 가능한 내부 전력도 변동한다. 이는 회전 속도를 통해 고려될 수 있으며, 이에 대응하여 검출된 전력 및 로터의 검출된 회전 속도에 따라 이용 가능한 내부 전력을 결정하는 것이 제안된다. 전적으로 예비적으로, 기어 부착형 풍력 발전 설비의 경우 공기 역학적 로터의 회전 속도로부터 발전기의 로터의 회전 속도로의 대응하는 변환이 이루어질 수 있다는 것을 주목해야 한다. 두 회전 속도 중 어느 것이 사용되는지는 파라미터화의 문제이다. 현대의 기어리스형 풍력 발전 설비를 사용하는 경우 이러한 고려 사항은 생략할 수 있다.
어떤 경우에도, 등가 풍속은 이러한 결정된 이용 가능한 내부 전력에 따라 그리고 검출된 회전 속도에 따라 결정된다. 따라서, 등가 풍속의 이러한 결정을 위해 검출된 회전 속도뿐만 아니라 결정된 이용 가능한 내부 전력도 또한 고려된다. 따라서, 특히 회전 속도는 등가 풍속의 이러한 결정에 직접적으로 영향을 미치며, 검출된 회전 속도의 이러한 의존성은 검출된 회전 속도에 따라 내부 전력이 이미 결정되는 것을 통해 간접적인 의존성에는 영향을 미치지 않는다. 따라서, 검출된 회전 속도는 등가 풍속을 결정하기 위해 또 한 번 고려된다.
또한 바람직하게는, 풍력 발전 설비의 발전기의 발전기 손실도 또한 고려된다. 특히, 결정된 이용 가능한 내부 전력의 이러한 발전기 손실이 추가된다. 따라서, 이러한 합계는 발전기 입력 전력에 대응한다. 즉, 여기서 이용 가능한 내부 전력을 결정할 때, 발전기 입력 전력은 발전기 손실을 제하고, 즉 발전기 손실 전력을 제하고 결정된다. 이제 이러한 발전기 손실은 이러한 발전기 입력 전력을 계산적으로 얻기 위해 계산적으로 합산된다. 발전기 손실 이외에, 공기 역학적 에너지를 전기 에너지로 변환할 때, 특히 여기서 사용된 측정 지점에 존재하는 바와 같은 형태의 전기 에너지로 변환할 때 발생하는 추가의 손실도 또한 고려될 수 있다. 이는 예를 들어, 기어를 포함하는 기계적 구동 트레인의 마찰 손실 및 교류에서 직류로의 변환 시의 전기적 손실일 수도 있다. 그러나, 현대의 기어리스형 풍력 발전 설비의 경우, 후자의 손실은 종종 무시할 수 있으므로, 더욱 단순화된 방식으로 발전기 손실이 언급된다.
부가적으로 또는 대안적으로, 등가 풍속을 결정하기 위한 이러한 단계에서 로터 블레이드의 적어도 하나의 블레이드 각도가 고려된다. 종종 충분히 단순하고 일반화된 경우에는, 로터 블레이드가 동기식으로 조절되므로, 로터의 모든 로터 블레이드는 동일한 블레이드 각도를 포함한다. 따라서, 이러한 하나의 블레이드 각도가 사용될 수 있다. 복수의 로터 블레이드의 블레이드 각도를 개별적으로 조절하면, 각각 모든 블레이드 각도의 산술 평균값이 사용되도록 고려될 수 있다.
그런 다음, 등가 풍속을 결정하기 위한 이러한 단계에서 발전기 입력 전력의 고려가 사용되는데, 즉 이용 가능한 내부 전력과 발전기 손실의 합계를 고려하여 등가 풍속을 결정하기 위해 로터 회전 속도 및 블레이드 각도가 사용될 수 있다. 특히 블레이드 각도는 풍력으로부터 취출되었거나 또는 취출 가능한 전력의 양에도 또한 영향을 미치며, 따라서 등가 풍속을 결정하는데 포함될 수 있다. 이용 가능한 내부 전력의 결정을 위해, 임의의 경우에 일 실시예에 따른 블레이드 각도는 중요하지 않다.
일 실시예에 따르면, 이용 가능한 내부 전력을 결정하기 위해 전력 관측기가 사용되고, 부가적으로 또는 대안적으로 등가 풍속을 결정하기 위해 풍력 관측기가 사용되는 것이 제안된다. 따라서, 상기 전력 관측기와 상기 풍력 관측기는 제어 기술의 관점에서 상태 관측기이다. 이들은 또한 전력을 관측하거나 또는 추정하기 위한 상태 관측기 또는 풍속을 관측하거나 또는 추정하기 위한 상태 관측기와 동의어로 지칭될 수도 있다.
따라서, 특히 두 상태 관측기가 조합되는 경우, 전력 관측기는 이용 가능한 내부 전력을 관측하고, 이 이용 가능한 내부 전력을 입력 변수로서 또는 손실 전력의 합산을 통해 수정된 입력 변수로서 풍력 관측기에 대해 제공하고, 상기 풍력 관측기는 최종적으로 출력 변수로서 등가 풍속을 출력한다.
바람직하게는, 풍력 관측기는 3개의 입력 변수, 즉 검출된 또는 결정된 발전기 손실을 가산한 결정된 이용 가능한 내부 전력, 검출된 회전 속도 및 적어도 하나의 블레이드 각도를 갖는다. 등가 풍속 외에도, 풍력 관측기에 이용 가능한 전력이 출력 변수로서 출력되며, 상기 이용 가능한 전력은, 즉 최적의 블레이드 각도 및 최적의 팁 속도 비에서 검출된 등가 풍속의 경우에 형성되어야 한다. 마지막으로, 일 실시예에 따르면, 현재의 팁 속도 비를 제3 출력 변수로서 출력하는 것도 또한 제안된다. 따라서, 풍력 관측기는 3개의 입력 변수를 기반으로 이러한 3개의 출력 변수를 확인할 수 있다. 특히, 여기서 팁 속도 비는 타당성에 대한 결과를 검사하기 위한 추가 정보가 될 수 있다.
특히, 제안된 상태 관측기의 사용을 통해, 각각의 기초가 되는 시스템은 간단하고 특히 지연 없는 또는 지연이 거의 없는 방식으로 높은 정확도로 고려될 수 있다.
각각의 상태 관측기는 기본적으로 알려진 제어 기술 접근법을 통해 언급된 입력 및 출력 변수에 대한 인식 하에 생성되고 규격이 정해질 수 있다. 본 발명의 일부인 중요한 양태는 특히 제1 상태 관측기에 의해 이용 가능한 내부 전력이 검출된 전력 및 검출된 회전 속도로부터 결정되고, 제2 상태 관측기에 대해 검출된 회전 속도와 함께 입력 변수가 형성될 수 있고, 상기 관측기는 이 경우 이로부터 특히 등가 풍속의 원하는 변수를 결정한다. 이를 위해 바람직하게는 상태 관측기의 사용이 제안되지만, 언급된 입력 변수로부터 언급된 출력 변수를 각각 결정하기 위한 유일한 해결 방안일 필요는 없다.
일 실시예에 따르면, 풍력 발전 설비는 DC 중간 링크를 포함하는 인버터에 의해 전기 공급 네트워크에 전력을 공급하고, 이용 가능한 내부 전력은 DC 중간 링크에서 이용 가능한 전력을 나타내는 것이 제안된다. 여기서, 특히 이러한 DC 중간 링크를 포함하는 풀 컨버터 개념이 기초가 된다. 바람직하게는, 이용 가능한 내부 전력을 결정하기 위한 입력 변수는 로터의 측정된 회전 속도 및 DC 중간 링크에 공급된 전력이다. 전력 관측기가 사용되는 한, 이러한 두 변수는 이러한 전력 관측기의 입력 변수를 형성한다. 따라서, DC 중간 링크에 공급되는 전력은 측정된 회전 속도와 함께 이용 가능한 내부 전력을 결정하기 위해 우선 사용되는 입력 변수이다. 특히, 측정된 공급 전력은 이를 통해 기본적으로 최종적으로 등가 풍속을 결정하는데 보다 적합한 정도까지 개선된다.
일 실시예에 따르면, 이용 가능한 내부 전력을 확인하기 위해 사용되는 전력 관측기가 다음의 구조식에 의해 정의되는 것을 특징으로 하는 방법이 제안된다:
Figure 112018093436817-pct00001
여기서,
- J는 로터 및 발전기의 공통 관성 모멘트를 나타내고,
- ω는 발전기의 회전 속도이고,
- kω 및 k T 는 관측기의 다이내믹에 영향을 미치는 파라미터이며,
- Tel는 전기 토크로 지칭되고, 전기적 임시 저장소에 공급된 전력(PDC)과 회전 속도(ω)의 비로 계산되며, 그리고
- Tmech는 로터 및 발전기의 기계적 토크를 나타내고, 관측된 변수는 ^ 기호로 표시되고, 시간에 따른 도함수는 점으로 표시되며, 확인되는 이용 가능한 전력은 관측된 회전 속도(
Figure 112019130360041-pct00002
)와 관측된 기계적 토크(
Figure 112019130360041-pct00003
)의 곱으로 계산된다.
따라서, 이것은 상태 관측기, 즉 이용 가능한 내부 전력이 결정될 수 있게 하여 등가 풍속을 결정하기 위한 추가적인 사용에도 또한 특히 적합한 전력 관측기의 구체적인 표현이다. 이러한 구체적으로 제안된 전력 관측기는 풍력 발전 설비의 대응하는 다이내믹을 간단한 방식으로 고려한다는 것을 알 수 있다. 여기서 기어가 존재하지 않는 경우, 발전기의 회전 속도(ω)는 로터의 회전 속도에 대응할 수 있다.
추가적인 실시예에 따르면, 결정된 등가 풍속으로부터, 풍력으로부터 취출 가능하고 전기 공급 네트워크에 공급하기 위한 총 이용 가능한 전력이 확인되는 것이 제안된다. 여기서, 설명된 실시예에 따라 결정된 등가 풍속은 그 결정의 방식에 의해 비교적 높은 정확도를 포함하고, 따라서 시스템이 스로틀링에 종속되지 않는 경우, 전기 공급 네트워크에 공급될 수 있는 전력을 결정하기 위한 기초로서의 역할을 할 수 있다는 사실이 이용된다. 이에 대응하여, 이는 바람직하게는 풍력 발전 설비가 스로틀링된 작동으로 작동될 때 수행된다. 그러나 바람직하게는, 풍력 발전 설비가 스로틀링되지 않으면, 공급 가능한 전력의 이러한 계산도 또한 이루어질 수 있다. 그 결과는 이 경우 현재 공급되는 실제 전력과 일치해야 한다. 예를 들어, 인식 가능한 시스템적인 편차와 같은 일반적인 차이가 발생하는 경우, 이는 방법을 조정하는 데 사용될 수 있다. 이것은 확인된 등가 풍속에도 또한 적용된다. 이미 설명한 바와 같이, 나셀 풍속계로 측정된 풍속은 단기 변동에 종속되고, 시간적 평균이 짧으면 풍력 발전 설비의 생성된 전력을 대표하지 않는다. 특히, 풍력 발전 설비가 스로틀링되지 않은 경우, 계산된 등가 풍속은 측정된 풍속과의 비교를 가능하게 하며, 이를 기초로 하여 예를 들어 보정 특성 곡선이 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 블레이드 각도가 조절될 수 있고 로터 블레이드 평면 위를 지나가는 로터 블레이드를 포함하는 로터를 구비하는 풍력 발전 설비가 또한 제안된다. 풍력 발전 설비는 로터 블레이드 평면의 등가 풍속을 검출할 수 있도록 준비되며, 또한 전력 관측 수단과 풍력 관측 수단을 포함한다. 전력 관측 수단은 검출된 전력에 따라 그리고 로터의 검출된 회전 속도에 따라 풍력 발전 설비에서 전기적으로 이용 가능한 내부 전력을 결정하도록 준비된다. 따라서, 검출된 전력 및 로터의 검출된 회전 속도는 특히 전력 관측 수단의 입력 변수이다. 풍력 관측 수단은 결정된 내부 전력 및 검출된 회전 속도에 따라 등가 풍속을 결정하도록 준비된다. 따라서, 특히 결정된 내부 전력 및 검출된 회전 속도는 풍력 관측 수단에 대한 입력 변수를 각각 형성한다. 이 경우, 특히 결정된 내부 전력은, 즉 발전기 손실이 처음에 합산될 수 있는 수정된 변수로 사용할 수 있다. 대안적으로, 풍력 관측 수단은 발전기 손실의 합산과 같은 수정을 제공할 수 있다.
바람직하게는, 상기 풍력 발전 설비에서는 상기 설명된 적어도 하나의 실시예와 관련하여 설명된 방법이 수행된다.
본 발명에 따르면, 상기 설명된 적어도 하나의 실시예에 따른 적어도 2개의 풍력 발전 설비를 포함하는 풍력 발전 단지가 또한 제안된다. 풍력 발전 단지는 이와 관련하여 공통 네트워크 연결 지점을 통해 함께 전기 공급 네트워크에 전력을 공급하는 복수의 풍력 발전 설비의 통합이다. 풍력 발전 단지의 특별한 이점은 많은 풍력 발전 설비의 전력을 공동으로 공급함으로써 높은 제어 전력을 제공할 수 있다는 것이다. 이에 대응하여, 풍력 발전 단지는 예를 들어 전기 공급 네트워크 작동자의 사전 설정 조건을 통해 또는 전기 공급 네트워크의 상태에 따라 비교적 많은 제어 전력을 제공할 수 있다. 이에 대응하여, 실제로 공급되는 전력과 이용 가능한 전력 사이에는 큰 전력 차이가 또한 발생한다. 따라서, 여기서는 이용 가능한 전력 또는 이용 가능한 전력과 공급된 전력 사이의 차이를 가능한 한 정확하게 결정하는 것이 특히 중요하다. 등가 풍속의 제안된 결정은 이에 대한 좋은 기초를 제공할 수 있다.
특히, 전기 공급 네트워크에 공급되는 총 전력의 계산은 풍력 발전 설비에 의해 각각 개별적으로 계산된 값을 합산함으로써 수행된다.
본 발명은 이제 실시예에 기초하여 첨부된 도면을 참조하여 이하에서 예시적으로 보다 상세히 설명된다.
도 1은 풍력 발전 설비의 사시도를 개략적으로 도시한다.
도 2는 등가 풍속의 결정의 기초가 되는 알고리즘을 설명하기 위한 블록도를 도시한다.
도 3은 이전의 접근법에 대한 본 발명의 실시예에 따른 결과를 비교하기 위한 도면을 도시한다.
도 4는 풍력 발전 단지를 개략적으로 도시한다.
도 1은 타워(102) 및 나셀(104)을 갖는 풍력 발전 설비(100)를 도시한다. 나셀(104) 상에 3개의 로터 블레이드(108)와 스피너(110)를 가진 로터(106)가 배치된다. 로터(106)는 작동 시 풍력에 의해 회전 운동하고, 이로 인해 나셀(104) 내의 발전기를 구동한다.
도 4는 동일하거나 또는 상이할 수 있는 3개의 풍력 발전 설비(100)를 구비하는 풍력 발전 단지(112)를 예시적으로 도시한다. 따라서, 3개의 풍력 발전 설비(100)는 실질적으로 풍력 발전 단지(112)의 임의의 개수의 풍력 발전 설비를 나타낸다. 풍력 발전 설비(100)는 그들의 전력, 즉 특히 전기 발전 지역 네트워크(114)를 통해 생성된 전류를 제공한다. 이 경우, 개별적인 풍력 발전 설비(100)의 각각 생성된 전류 또는 전력이 합산되고, 대부분 변압기(116)가 제공되는데, 상기 변압기는 일반적으로 PCC로도 지칭되는 공급 지점(118)에서 공급 네트워크(120)로 전력을 공급하기 위해 발전 지역 내의 전압을 상향 변압한다. 도 4는 물론 제어기가 존재함에도 불구하고, 예를 들어 제어기가 도시되어 있지 않은 풍력 발전 단지(112)의 단지 간략화된 도면이다. 또한, 예를 들어 단지 다른 실시예를 언급하기 위해, 발전 지역 네트워크(114)는 다르게 설계될 수 있는데, 예를 들어 각각의 풍력 발전 설비(100)의 출력부에 변압기가 또한 존재한다.
본 발명은 풍력 발전 설비(WEA)의 로터 블레이트 평면에서 등가 풍속을 결정하기 위한 방법 및 대응하는 장치에 관한 것이다. 특히, 일 실시예에 따르면, 이는 전력, 로터의 회전 속도 및 블레이드 각도에 대한 측정 데이터를 사용하여 이루어진다.
이하에서 설명되는 실시예는 2개의 관측기의 사용에 (제어 기술적인 관점에서) 기초하는데, 상기 2개의 관측기는 상호 작용하여 이용 가능한 최대 전력 및 유효 풍속의 다이내믹하고 가능한 한 정확한 결정을 허용한다.
제안된 해결 방안의 주요 사용 목적은 풍력 발전 설비가 외부 사전 설정 조건에 의해 그 전력이 감소되거나 제한되지 않는 경우, 이용 가능한 전력, 즉 풍력 발전 설비가 생산할 수 있는 전력을 계산하는 것이다. 이것은 특히 음의 (1차/2차) 제어 전력을 제공하기 위해, 즉 특히 에너지 시스템의 초과 주파수에서 풍력 발전 설비를 감축 조절하기 위해 사용될 수 있다. 이용 가능한 전력의 계산을 정확하게 하려면, 해당 방법의 정확도가 결정적인 역할을 할 수 있다.
프리 라이딩으로도 지칭될 수 있는 비 전력 감소 작동에서, 풍력 발전 설비는 현재의 풍속에 의존하는 전력을 생성하고, 상기 전력은 풍력 발전 설비의 각 유형에 대한 풍속-전력-특성 곡선에 의해 측정을 통해 정확하게 결정된다. 따라서, 풍속에 대한 정확한 인식을 통해 이러한 특성 곡선을 기초로 하여 이용 가능한 전력이 결정될 수 있다.
따라서, 각 작동 상태에서 이용 가능한 전력을 결정하는 하나의 가능성은, 일반적으로 풍력 발전 설비의 나셀 상에 설치된 풍속계로 풍속을 측정하는 것에 의해 수행된다. 그러나, 이러한 측정은 오늘날의 초음파 풍속계로 매우 정확하게 수행 가능함에도 불구하고, 언급된 용도에 부분적으로만 유용하다. 한편으로는, 풍속계는 로터 블레이드에 의해 정의된 평면의 중간에서만 풍속을 측정한다. 현재 풍력 발전 설비에서 나셀로부터 50미터 이상 떨어져 있는 블레이드 팁에서의 풍속은 측정될 수 없다. 또한, 로터 블레이드 후방의 풍속계의 위치에 의한 난류 및 음영으로 인해 측정에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 나셀 풍속계의 측정값은 10분 이상의 장시간에 걸친 평균의 경우에만 풍력 발전 설비의 실제 전력값과 양호한 상관 관계를 포함하게 된다. 따라서, 이들은 참고 문헌 [1]에서도 알 수 있는 바와 같이, 현재 이용 가능한 전력을 결정하기에 적합하지 않다.
제2 가능성은 현재의 풍력 발전 설비의 전력(예를 들어, 풀 컨버터를 갖는 풍력 발전 설비에서의 DC 중간 링크에 공급되는 전력) 및 풍력 발전 설비의 블레이드 각도로부터 이용 가능한 전력을 계산하는 것이다. 풍력 발전 설비는 그 전력이 이용 가능한 전력 이하로 제한되면, 기계적 전력의 공급이 감소되어야 한다. 이것은 블레이드 각도의 증가에 의해 수행될 수 있다. 이 경우, 공기 역학적 전력 계수(cp(λ,α))의 감소는 블레이드 각도(α)의 증가 시 일반적으로 팁 속도 비(λ)에 의존한다.
이제 풍력 발전 설비가 알려진 전력 또는 회전 속도 제어에 의해 일정하게 그리고 또한 변화하는 풍속에서도 동일한 팁 속도 비, 특히 최적의 팁 속도 비(λopt)에서 작동되면, 결정된 최적의 블레이드 각도(αopt)에 대한 블레이드 각도의 증가에 의해 고정된 전력 감소가 발생한다. 각각의 블레이드 각도에 대해 전력 감소 효과가 결정되면, 현재의 풍력 발전 설비 전력(P ist) 및 전력 감소 계수(k(α) = 1 - cp(λopt,α)/cp(λopt,αopt))로부터 이용 가능한 전력의 계산이 다음의 식에 따라 수행된다:
Figure 112018093436817-pct00004
그러나, 일정한 팁 속도 비는 모든 작동 조건 하에서 유지될 수 있는 것은 아니다. 특히, 강한 감축 조절의 경우 최적값으로부터 편차가 발생할 수 있다. 전력 감소 계수와 추정된 이용 가능한 전력 사이의 반비례 비율로 인해, 여기서 특히 강한 감축 조절의 경우 가정된 전력 감소 계수의 작은 편차가 이미 이용 가능한 전력의 계산에서의 오류를 발생시킬 수 있다.
이제 해결 방안을 위해, 이용 가능한 전력을 풍속에 따라 그리고 이에 따라 풍력 발전 설비의 모든 작동 지점에서 가능한 한 신뢰성 있게 추정할 수 있는 알고리즘이 제안된다.
이를 위해, 일 실시예에 따르면, 도 2에 도시된 방법이 제안된다. 따라서, 도 2는 제안된 알고리즘의 블록도(1) 및 이에 따른 등가 풍속(VWind)을 결정하기 위한 제안된 방법의 블록도(1)를 도시한다.
여기에는 결정된 측정 변수에 기초하여 다른 측정 불가능한 값을 관측하거나 또는 추정하는 2개의 관측기를 사용한다.
도 2에 도시된 전력 관측기(2)는 DC 중간 링크에 공급되어 측정되는 전력(PDC) 및 로터 회전 속도(ω)로부터 DC 중간 링크에서 이용 가능한 전력(Pava,DC)으로서 이용 가능한 내부 전력을 결정한다.
따라서, 측정을 통해 회전 속도(ω) 및 DC 중간 링크의 전력(PDC) 변수가 검출된다. 발전기의 회전 속도(ω)는, 기어가 존재하지 않는 한, 로터의 회전 속도에 해당한다. 이로부터, 상태 관측기(2)의 도움으로 이용 가능한 내부 전력(Pava,DC)이 결정되거나 또는 산출되며, 이는 또한 중간 링크에 관한 이용 가능한 공기 역학적 전력(
Figure 112018093436817-pct00005
)으로도 지칭될 수 있는데, 즉 이는 공기 역학적 전력에서 발전기 손실을 빼고 그리고 궁극적으로 마찰 또는 전력 변환 손실과 같은 추가적인 손실을 뺀 것에 대응한다.
전력 관측기는 회전하는 단일 질량 시스템의 가속 방정식이라고도 지칭될 수 있는 다음과 같은 간단한 시스템 설명을 기초로 할 수 있다:
Figure 112018093436817-pct00006
이러한 공식에서,
Figure 112019130360041-pct00007
는 풍력 발전 설비의 회전 질량의 관성 모멘트를 나타내고, ω는 풍력 발전 설비의 회전 속도를 나타내고,
Figure 112019130360041-pct00008
및
Figure 112019130360041-pct00009
는 축에서 풍력을 통해 발생되는 토크 또는 전력을 나타내고, 그리고
Figure 112019130360041-pct00010
/
Figure 112019130360041-pct00011
는 발전기의 전기 기계적 토크 또는 전력을 나타낸다. 여기에서 다시, 점으로, 시간에 따른 변수의 도함수가 표시된다. 기계적 출력을 초과하는 발전기 전력이 일정 기간 동안 취출되면, 풍력 발전 설비의 감속이 따른다.
전력 관측기(2)에 대해 그리고 회전 단일 질량 시스템의 상기의 가속 방정식에 기초하여, 상태 가변적인 회전 속도(ω)와 기계적 토크(Tmech)를 갖는 풍력 발전 설비의 다음 상태 공간 모델이 설정될 수 있다:
Figure 112018093436817-pct00012
여기서 사용된 변수 중 기계적 토크(Tmech)는 측정될 수 없으므로, 상태 관측기를 통해 측정 데이터로부터 산출되어야 한다. 또한, 회전 속도 신호는 종종 오직 저해상도로 그리고 낮은 주사율로 측정되기 때문에, 이러한 값에 대해서도 상태 관측기가 또한 제안된다. 적합한 관측기 구조는 다음과 같이 공식화될 수 있고, 참고 문헌 [4]에 보다 자세한 설명이 참조된다:
Figure 112018093436817-pct00013
여기서 관측된 변수는 측정된 입력 변수와 대조하여, 회전 속도(ω) 및 전기적 토크(
Figure 112018093436817-pct00014
)에 ^로 표시된다. (PDC)는 DC 중간 링크에 공급되는 전력이다. 2개의 파라미터(kω 및 k T )는 다이내믹 특성에 영향을 주며, 이산 시간 구현의 경우에는 상태 관측기의 안정성에도 영향을 주므로, 이러한 양태를 고려하여 선택되어야 한다.
공기 역학적 전력(
Figure 112018093436817-pct00015
)의 계산은 회전 속도와 토크의 곱을 통해 이루어진다. 이것은 이 경우 결정된 이용 가능한 내부 전력(Pava,DC)에 해당한다.
이용 가능한 내부 전력(Pava,DC)을 결정하기 위한 입력 변수는 DC 중간 링크로 공급되는 측정된 전력(PDC) 및 측정된 풍력 발전 설비의 회전 속도(ω)이다. 따라서, 출력값은 DC 중간 링크에 대한 이용 가능한 전력(Pava,DC)이다. 이러한 관측기는 풍력 발전 설비가 특정 상황에서 전력(PDC)이 바로 이용 가능한 풍력에 대응하는 고정된 작동 지점에 위치하는 것이 아니라, 정상 작동 중에 거의 항상 가속 또는 감속되며, 예컨대 회전 운동 에너지로부터 에너지가 취해지는 네트워크 지원에 대해서는, 일반적인 회전 속도-전력-특성 곡선과 다를 수 있기 때문에 중요하다.
DC 중간 링크와 관련된 이용 가능한 내부 전력(Pava,DC)에 대해 발전기 손실(PVGen)이 추가된다. 이러한 손실은 작동 중 측정에 의해 결정되거나 또는 (경우에 따라서는 온도 측정값을 고려하여) 각 발전기 작동 지점에 대한 특성 곡선으로부터 추측될 수 있다. 추가적으로, 관련이 있는 경우, 마찰 및 전력 변환 손실도 또한 추가될 수도 있다. 이러한 추가의 결과는 간단하게 Paero로도 표시되는 풍력 발전 설비의 이용 가능한 발전기 입력 전력이다. 이러한 계산을 위해, 현재 발전기 손실 대신에 최대 이용 가능한 입력 전력에 대해 예상되는 발전기 손실이 사용되어야 한다.
이러한 전력 및 측정된 풍력 발전 설비의 회전 속도(ω) 및 현재의 블레이드 각도(α)는 제2 관측기, 풍력 관측기(4)에 대해 입력값으로서 사용된다. 이것은 현재 블레이드 각도(α)에서 이용 가능한 전력을 유도하는 풍속(VWind)을 관측한다. 원칙적으로 이것은 방정식에 대한 해법(v)이고,
Figure 112018093436817-pct00016
,
여기서 Paero는 전력 관측기(2)에 의해 알려진 것으로 가정하고,
Figure 112019130360041-pct00017
는 공기 밀도이고, A는 로터 표면이며, Cp(λ,α)는 팁 속도 비(λ) 및 블레이드 각도(α)에 따른 전력 계수를 나타낸다. 이것은 풍속(v)이 팁 속도 비(
Figure 112019130360041-pct00018
)를 통해 직접 및 간접적으로 포함되는 비선형 방정식이다(여기서, ω는 다시 풍력 발전 설비 회전 속도를 rad/s로 나타내고, R은 공기 역학적 로터의 반경을 나타낸다). 이에 대한 다양한 해결 방안이 참고 문헌 [2]로부터 알려져 있다.
방정식의 비선형 특성으로 인해 풍속을 결정하는 비선형 접근법은 풍력 관측기의 기초로서 유리한 것으로 입증되었으며, 이머젼 및 불변성이라는 개념 하에 유도되는 접근법이 참고 문헌 [2, 3]에서 참조된다.
그러나, 참고 문헌[2] 및 [3]의 경우와는 달리, 여기에서 제안되는 해결 방안에서는 풍력 관측기(4)에 대한 입력 변수로서 측정된 풍력 발전 설비의 전력이 사용되지 않고, 전력 관측기(2)를 통해 결정되거나 또는 산출된 이용 가능한 내부 전력이 사용된다. 이는 풍력 발전 설비의 일시적인 작동 시(즉, 예를 들어 회전 운동 에너지로부터 에너지가 취해지는 네트워크 지원에 대해 강한 가속 또는 감속 시) 풍력 관측기(4)의 정확하고 적어도 바람직한 작동 방식을 위해 중요하다.
바람직하게는, 풍력 관측기(4)는 또한 풍력 발전 설비의 이용 가능한 전력(Pava(αopt, λopt))도 출력한다. 이것은 최적의 블레이드 각도(αopt)와 최적의 팁 속도 비(λopt)가 설정되는 경우, 풍력 관측기(4)에 의해 결정된 등가 풍속(VWind)에서 풍력 발전 설비에 의해 생성될 수 있는 전력이다. 예를 들어, 등가 풍속(VWind)에 기초하여, 언급된 조건[최적의 블레이드 각도(αopt) 및 최적의 팁 속도 비(λopt)]에서 풍력과 생성된 전력 사이의 알려진 관계를 고려하여 계산될 수 있다. 이를 위해, 예를 들어 해당 특성 곡선이 저장될 수 있다. 추가적으로, 풍속, 회전 속도 및 로터 직경으로부터 계산될 수 있는 현재 팁 속도 비(λ)를 출력할 수 있는 것이 제안된다.
제안된 전력 및 풍력 관측기의 결과는 도 3에서 이용 가능한 전력의 종래의 계산과 비교된다. 도 3에 도시된 결과의 기초는 조사된 측정 윈도우의 제1 350초 동안 일정한 1°의 블레이드 각도에서 작동되고, 그 다음 블레이드 각도를 17.5°로 조정하는 Enercon E-70 E4 유형에 의한 풍력 발전 설비에 대한 측정이다. 풍속(VW) 및 중간 링크로 공급되는 전력(PDC)이 측정되었다. 추정된 풍속(VWind)은 제2 그래프에 도시되고, 풍력 관측기(4)에 기초하여 확인된 추정된 이용 가능한 내부 전력(Pava,DC)은 제3 그래프에 도시된다. 비교를 위해, 종래의 방법에 따라 검출된 이용 가능한 전력(Pava,conv)도 또한 제3 그래프에 도시된다.
제안된 해결 방안은 1차 제어 에너지뿐만 아니라 2차 제어 에너지 모두와 같은, 풍력 에너지를 이용한 양의 제어 에너지 및 음의 제어 에너지의 적용에 사용될 수 있다. 여기서 특히, 개선된 정확도가 중요할 수 있다. 해결 방안은 제2 나셀 풍속계에 대한 대체물로서 사용할 수 있다.
풍속의 정확한 결정, 적어도 높은 정확도를 갖는 결정에 의해, 많은 작동 상태에서 풍력 발전 설비의 최대 이용 가능한 전력이 계산될 수 있다. 이는 풍력 발전 설비나 풍력 발전 단지가 그 전력을 이용 가능한 전력 이하로 결정된 값만큼 감소시켜야 하는 예를 들어 생성된 음의 제어 전력의 정확하고 적어도 비교적 정확한 결정을 가능하게 한다. 또한, 경우에 따라서는 제2 풍력 측정 장치에 대한 요건, 예를 들어 하드웨어 대신 소프트웨어를 사용하여 안전 관련 요건을 충족시키기 위한 요건을 해결할 수 있다.
제안된 해결 방안은 이전에 알려진 해결 방안보다 적어도 개선된 방안이다. 풍속의 결정의 핵심 문제는 공기 역학적 전력 방정식의 해법에 존재한다:
Figure 112018093436817-pct00019
, (1)
여기서,
Figure 112019130360041-pct00020
는 공기 밀도, A는 로터 블레이드 표면의 동의어로도 지칭될 수 있는 로터 표면, v는 풍속, 그리고 C p(λ,α)는 팁 속도 비(λ) 및 블레이드 각도(α)의 함수로서의 전력 계수를 나타낸다. 이러한 방정식은 엄밀히 해석하면 발전기 로터에서의 로터의 기계적 성능을 나타내지만, 측정된 전력 및 추정되거나 또는 산출된 발전기 손실로부터 대략적으로 결정될 수 있으므로, 알려진 것으로 가정될 수 있지만, 노이즈가 존재하는 변수로 가정될 수 있다. 미지수(v)에 따른 이러한 방정식의 해법에서의 어려움은 이제 직접(v 3)뿐만 아니라 팁 속도 비(
Figure 112019130360041-pct00021
)를 통한 방정식에의 변수의 이중 입력에 있다(ωm은 다시 풍력 발전 설비의 회전 속도를 rad/s로 나타냄).
참고 문헌 [2]에 따른 수치적으로 효율적이고 동시에 정확한 해결 방안이 참고 문헌 [3]에서 도시된 바와 같이, "이머젼 및 불변성"의 원리에 따라 관측기를 통해 달성될 수 있다. 이를 위해, 아래의 상태 방정식이 구현된다:
Figure 112018093436817-pct00022
(2)
Figure 112018093436817-pct00023
, (3)
Figure 112019130360041-pct00024
여기서, J는 풍력 발전 설비 로터의 관성 모멘트를 나타내고, P mech는 전력 관측기에 의해 추정된 발전기의 이용 가능한 DC 전력과 발전기의 손실을 가산하여 나타낸 것이고,
Figure 112019130360041-pct00025
은 필터의 조정 가능한 적응 파라미터를 나타내고,
Figure 112019130360041-pct00026
는 공기 압력을 나타내고, A는 로터 표면을 나타내고, r은 풍력 발전 설비의 로터 반경을 나타낸다. 시간에 따른 변수
Figure 112019130360041-pct00027
의 도함수는 점으로 표시된다.
이러한 상태 방정식 시스템의 수치적 해법을 통해 풍력 관측기의 출력값이 산출된다. 이 경우, 방정식(3)에서 산출된 변수
Figure 112019130360041-pct00028
는 추정된 풍속(vWind)을 형성한다. 추정된 팁 속도 비(λ)는 이 경우 상기 언급된 방정식에 따라 측정된 회전 속도 및 추정된 풍속으로부터 형성된다. 이용 가능한 전력은 풍력 발전 설비에서 추정된 최적의 작동 지점에서 발생하는 손실 및 이러한 이용 가능한 전력을 제한할 수 있는 기술적 또는 작동 상의 제한을 고려하여 방정식(1)의 해법에 따라 형성된다.
참고 문헌 [3]에서 설명된 해결 방안에 비해 여기서 설명되는 풍력 관측기의 결정적인 변화는 이러한 방정식(2)(
Figure 112019130360041-pct00029
)의 계산을 위해 별도의 관측기를 통해 추정된 이용 가능한 전력을 사용하는 것이다. 참고 문헌 [3]에서는 그 대신에 직접 측정된 전력 또는 전기 토크가 풍력 발전 설비가 항상 최적의 작동 지점 근처의 부분 부하 범위에서 작동된다는 가정 하에 사용된다. 그러나, 실제로, 가변 풍속에서의 가속 및 감속 프로세스로 인해, 그리고 부분적으로는 또한 의도적으로 회전 운동 에너지로부터의 에너지가 취해지는 네트워크 주파수 지원과 같은 결정된 요건으로 인해, 실제 전력과 최적의 작동 지점에서 달성 가능한 전력 또는 풍력에서 이용 가능한 전력 사이에 상당한 편차가 있으므로, 모든 작동 지점에서의 풍속을 정확하게 결정하기 위해 풍력 관측기를 통한 공기 역학적 전력 방정식의 해법 이전에 이용 가능한 전력의 개별적 결정이 제안된다.
참고 문헌 [3]에서 제시된 해결 방안에 대한 또 다른 차이점은 전력 계수(C p(λ,α))를 결정할 때 현재의 블레이드 각도(α)를 고려한다는 것이다. 이는 풍력 발전 설비의 감축 조절된 작동에서 블레이드 각도가 일반적으로 최적 블레이드 각도보다 높기 때문에, 가능한 한 최대 전력을 결정하기 위해 풍력 관측기를 사용하는데에 있어서 결정적으로 중요하다. 따라서, 최대 이용 가능한 전력을 결정하기 위해 풍력 관측기에 의해 추정된 풍속 및 이러한 풍속 그리고 최적의 블레이드 각도(αopt)에 대한 전력 계수와 최적의 팁 속도 비(λopt), 즉 C p(λopt, αopt)의 계산, 그리고 추정된 풍속과 최적의 C p(λopt, αopt)에서 공기 역학적 전력 방정식(1)의 해법이 유리하다.
따라서, 감축 조절이 강한 경우 이용 가능한 전력을 결정하는 정확도의 개선이 제공된다.
제안된 해결 방안의 특별한 이점은
- 풍력 발전 설비가 작동되는 모든 가능한 작동 지점에서 이용 가능한 전력을 결정하고,
- 특히 네트워크 서비스를 제공하는 경우, 풍력 발전 설비가 정지된 작동 지점으로부터 벗어난 작동 상태에 대해 고려하고,
- 추가적인 센서 없이 로터 평면에서의 등가 풍속을 결정하고, 추가적으로
- 대응하는 구현 시 풍력 발전 설비의 회전 속도와 가속도를 매우 정확하게 결정한다는 것이다.
참고 문헌
[1] K. E. Johnson, L.Y. Pao, M.J. Balas, L.J. Fingersh: 가변속 풍력 터빈의 제어 - 에너지 포착을 극대화하기 위한 표준 및 적응 기술. IEEE 제어 시스템 매거진, 2006년 6월, 페이지 70-81.
[2] M. Soltani, T. Knudsen, M. Svenstrup, R. Wisniewski, P. Brath, R. Ortega, K. Johnson: 로터 유효 풍속의 추정: 비교. IEEE 제어 시스템 기술에 대한 트랜잭션, 21(4)권, 2013년 7월, 페이지 1155-1167.
[3] R. Ortega, F. Macilla-David, F. Jaramillo: 풍차 시스템을 위한 전 세계적으로 수렴되는 풍속 추정기. IEEE 50th 결정 및 제어에 대한 회의 회의록, 미국 플로리다 올랜도, 2011년 12월, 페이지 6079-6084.
[4] C.M. Verrelli, A. Savoia, M. Mengoni, R. Marino, P. Tomei, L. Zarri : 유도 기계의 권선 저항 및 부하 토크에 대한 온라인 식별. IEEE 통제 시스템 기술에 대한 트랜잭션, 22(4)권, 2014년 7월.

Claims (11)

  1. 블레이드 각도가 조절될 수 있는 로터 블레이드(108)를 갖는 로터(106)를 구비하는 풍력 발전 설비(100)의 로터 블레이드 평면의 등가 풍속을 결정하는 방법에 있어서,
    - 검출된 전력(PDC) 및 상기 로터(106)의 검출된 회전 속도(ω)에 따라 상기 풍력 발전 설비(100)에서 이용 가능한 내부 전력(Pava,DC)을 결정하는 단계; 및
    - 결정된 상기 이용 가능한 내부 전력(Pava,DC) 및 검출된 상기 회전 속도(ω)에 따라 상기 등가 풍속(VWind)을 결정하는 단계
    를 포함하고,
    상기 이용 가능한 내부 전력(Pava,DC)을 결정하기 위해 전력 관측기(2)가 사용되고, 상기 등가 풍속(VWind)을 결정하기 위해 풍력 관측기(4)가 사용되며,
    상기 풍력 발전 설비(100)는 DC 중간 링크를 포함하는 인버터에 의해 전기 공급 네트워크(120)에 전력을 공급하고, 상기 이용 가능한 내부 전력(Pava,DC)은 상기 DC 중간 링크에서 이용 가능한 전력을 나타내며,
    상기 로터(106)의 측정된 상기 회전 속도(ω) 및 상기 DC 중간 링크로 공급되는 상기 전력(PDC)이 상기 이용 가능한 내부 전력(Pava,DC)을 결정하기 위한 상기 전력 관측기(2)에 대한 입력 변수로서 사용되고,
    상기 풍력 관측기(4)는 입력 변수로서,
    - 검출된 또는 결정된 발전기 손실(PVGen)을 가산한 결정된 상기 이용 가능한 내부 전력(Pava,DC),
    - 검출된 상기 회전 속도(ω), 및
    - 적어도 하나의 블레이드 각도(α)
    를 포함하고,
    상기 풍력 관측기(4)는 출력 변수로서,
    - 상기 등가 풍속(VWind),
    - 최적의 블레이드 각도(α) 및 최적의 팁 속도 비에서 이용 가능한 전력, 및
    - 현재 팁 속도 비(λ)
    를 출력하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 등가 풍속(VWind)을 결정하는 단계에서,
    - 상기 로터 블레이드(108)의 적어도 하나의 블레이드 각도(α)가 고려되고, 추가적으로 또는 대안적으로
    - 발전기의 발전기 손실과, 회전 부품의 마찰 손실 또는 상기 풍력 발전 설비(100)의 하나 이상의 전력 컨버터의 전력 변환 손실이 고려되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 이용 가능한 내부 전력(Pava,DC)을 확인하기 위해 사용되는 상기 전력 관측기(2)는 다음의 구조에 의해 정의되고:
    Figure 112019130360041-pct00030

    여기서,
    - J는 상기 로터 및 발전기의 공통 관성 모멘트를 나타내고,
    - ω는 상기 발전기의 회전 속도이고,
    - kω 및 kT 는 상기 관측기의 다이내믹에 영향을 미치는 파라미터이며,
    - Tel는 전기 토크로 지칭되고, 전기적 임시 저장소에 공급된 전력(PDC)과 상기 회전 속도(ω)의 비로 계산되며,
    - Tmech는 상기 로터 및 발전기의 기계적 토크를 나타내고,
    상기 관측된 변수는 ^ 기호로 표시되고, 시간 도함수는 점으로 표시되며, 확인되는 상기 이용 가능한 전력은 관측된 회전 속도(
    Figure 112019130360041-pct00031
    )와 관측된 기계적 토크(
    Figure 112019130360041-pct00032
    )의 곱으로 계산되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 결정된 상기 등가 풍속(VWind)으로부터, 풍력으로부터 취출 가능하고 상기 전기 공급 네트워크(120)에 공급될 총 이용 가능한 전력(Pava,DC)이 확인되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 블레이드 각도(α)가 조절될 수 있고 로터 블레이드 평면 위를 지나가는 로터 블레이드(108)를 갖는 로터(106)를 구비하며, 상기 로터 블레이드 평면의 등가 풍속(VWind)을 검출하도록 마련되고, 제1항 또는 제2항에 따른 방법이 수행되는 풍력 발전 설비(100)에 있어서,
    - 검출된 전력(PDC) 및 상기 로터(106)의 검출된 회전 속도(ω)에 따라 상기 풍력 발전 설비에서 이용 가능한 내부 전력(Pava,DC)을 결정하도록 마련되는 전력 관측기(2), 및
    - 결정된 상기 내부 전력(Pava,DC) 및 검출된 상기 회전 속도(ω)에 따라 상기 등가 풍속(VWind)을 결정하도록 마련되는 풍력 관측기(4)
    를 포함하고,
    상기 풍력 발전 설비(100)는 DC 중간 링크를 포함하는 인버터에 의해 전기 공급 네트워크(120)에 전력을 공급하고, 상기 이용 가능한 내부 전력(Pava,DC)은 상기 DC 중간 링크에서 이용 가능한 전력을 나타내며,
    상기 로터(106)의 측정된 회전 속도(ω) 및 상기 DC 중간 링크로 공급되는 상기 전력(PDC)이 상기 이용 가능한 내부 전력(Pava,DC)을 결정하기 위한 상기 전력 관측기(2)에 대한 입력 변수로서 사용되고,
    상기 풍력 관측기(4)는 입력 변수로서,
    - 검출된 또는 결정된 발전기 손실(PVGen)을 가산한 결정된 상기 이용 가능한 내부 전력(Pava,DC),
    - 검출된 상기 회전 속도(ω), 및
    - 적어도 하나의 블레이드 각도(α)
    를 포함하고,
    상기 풍력 관측기(4)는 출력 변수로서,
    - 상기 등가 풍속(VWind),
    - 최적의 블레이드 각도(α) 및 최적의 팁 속도 비에서 이용 가능한 전력, 및
    - 현재 팁 속도 비(λ)
    를 출력하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
  6. 제5항에 따른 적어도 2개의 풍력 발전 설비(100)를 구비하는 풍력 발전 단지(112)에 있어서,
    상기 전기 공급 네트워크에 공급될 총 전력의 계산이 상기 풍력 발전 설비를 통해 각각 개별적으로 계산된 값들을 합산함으로써 수행되는 것인 풍력 발전 단지.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
KR1020187027201A 2016-02-24 2017-02-24 등가 풍속을 결정하는 방법 KR102128848B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102016103254.9 2016-02-24
DE102016103254.9A DE102016103254A1 (de) 2016-02-24 2016-02-24 Verfahren zum Bestimmen einer äquivalenten Windgeschwindigkeit
PCT/EP2017/054265 WO2017144631A1 (de) 2016-02-24 2017-02-24 Verfahren zum bestimmen einer äquivalenten windgeschwindigkeit

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180114185A KR20180114185A (ko) 2018-10-17
KR102128848B1 true KR102128848B1 (ko) 2020-07-02

Family

ID=58159072

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020187027201A KR102128848B1 (ko) 2016-02-24 2017-02-24 등가 풍속을 결정하는 방법

Country Status (12)

Country Link
US (1) US10914286B2 (ko)
EP (1) EP3420226B1 (ko)
JP (1) JP6748725B2 (ko)
KR (1) KR102128848B1 (ko)
CN (1) CN108700038B (ko)
BR (1) BR112018017284A2 (ko)
CA (1) CA3011771C (ko)
DE (1) DE102016103254A1 (ko)
DK (1) DK3420226T3 (ko)
ES (1) ES2773700T3 (ko)
PT (1) PT3420226T (ko)
WO (1) WO2017144631A1 (ko)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109931230B (zh) * 2017-12-19 2020-02-28 北京金风科创风电设备有限公司 检测风力发电机组的有功功率的方法和设备
EP3536948A1 (en) 2018-03-08 2019-09-11 Siemens Gamesa Renewable Energy A/S Determining control settings for a wind turbine
US11319926B2 (en) 2018-10-22 2022-05-03 General Electric Company System and method for protecting wind turbines from extreme and fatigue loads
EP3647587A1 (en) 2018-11-01 2020-05-06 Wobben Properties GmbH Method for controlling a wind turbine and corresponding wind turbine
CN109753759B (zh) * 2019-02-25 2020-10-27 华北电力大学 一种基于等效功率的风轮等效风速计算方法
CN110263477B (zh) * 2019-06-28 2023-06-23 湘电风能有限公司 一种风力发电机组叶尖速比获取方法
DE102019118036A1 (de) 2019-07-04 2021-01-07 Wobben Properties Gmbh Verfahren zum Bestimmen einer Windgeschwindigkeit im Bereich einer Windenergieanlage sowie Windenergieanlage zum Ausführen des Verfahrens
EP4421313A3 (de) * 2020-05-26 2024-10-30 Wobben Properties GmbH Verfahren zum steuern einer windenergieanlage
FR3116123B1 (fr) * 2020-11-06 2022-10-14 Ifp Energies Now Procédé de détermination de la vitesse du vent dans le plan du rotor d’une éolienne
CN114412721B (zh) * 2021-12-13 2024-10-22 明阳智慧能源集团股份公司 一种风力发电机组叶轮等效风速观测方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004040949A (ja) * 2002-07-05 2004-02-05 Yaskawa Electric Corp 風力発電システムおよび方法
JP2015002597A (ja) * 2013-06-14 2015-01-05 学校法人東京電機大学 風力発電システム

Family Cites Families (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4357542A (en) * 1979-07-12 1982-11-02 Westinghouse Electric Corp. Wind turbine generator system
DE10022129C2 (de) 2000-05-06 2002-04-18 Aloys Wobben Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage sowie Windenergieanlage zur Durchführung des Verfahrens
JP4064900B2 (ja) 2003-09-10 2008-03-19 三菱重工業株式会社 ブレードピッチ角度制御装置及び風力発電装置
JP2005240725A (ja) * 2004-02-27 2005-09-08 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 風力発電装置およびその発電出力制御方法
US8183707B2 (en) * 2007-10-30 2012-05-22 General Electric Company Method of controlling a wind energy system and wind speed sensor free wind energy system
KR101253854B1 (ko) 2008-10-16 2013-04-12 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤 풍력 발전 시스템 및 그 제어 방법
DE102010014165A1 (de) 2010-04-08 2011-10-13 Repower Systems Ag Dynamische Trägheitsregelung
CN103154509B (zh) * 2010-08-23 2016-03-16 维斯塔斯风力系统集团公司 运行风力涡轮机的方法和风力涡轮机
US8076789B2 (en) * 2010-12-21 2011-12-13 General Electric Company System and method for controlling wind turbine power output
WO2012147118A1 (ja) * 2011-04-25 2012-11-01 株式会社 日立製作所 風力発電システム及び風力発電システムを用いた装置及びそれらの運転方法
WO2013016593A1 (en) * 2011-07-26 2013-01-31 Wing Power Energy, Inc. System and method for efficient wind power generation
BR112014017866B1 (pt) * 2012-01-25 2021-11-09 Abb Schweiz Ag Sistema para a produção de energia elétrica, método de predição de uma magnitude de produção de energia elétrica, produto de programa de computador e meio de armazenamento que pode ser lido em computador
DK177553B1 (en) * 2012-04-16 2013-10-07 Envision Energy Denmark Aps Wind Turbine with a Primary and a Secondary Generator and Method of Operating such Wind Turbine
DE102012215422A1 (de) 2012-08-30 2014-03-06 Wobben Properties Gmbh Windpark
CN103410659B (zh) 2013-05-03 2015-06-17 浙江大学 基于High-Gain观测器的风力发电机组有效风速获取方法
US9551321B2 (en) * 2013-06-26 2017-01-24 General Electric Company System and method for controlling a wind turbine
ES2879915T3 (es) * 2013-11-29 2021-11-23 Ge Renewable Tech Wind Bv Procedimientos para operar una turbina eólica, y turbinas eólicas
US9551322B2 (en) * 2014-04-29 2017-01-24 General Electric Company Systems and methods for optimizing operation of a wind farm
EP3221582B1 (en) * 2014-11-21 2021-04-21 Vestas Wind Systems A/S A method for estimating a wind speed including calculating a pitch angle adjusted for blade torsion
DE102015208554A1 (de) * 2015-05-07 2016-11-10 Wobben Properties Gmbh Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage
CN105587474A (zh) 2015-12-10 2016-05-18 中国电力科学研究院 一种风电机组风轮等效风速的测试方法和装置
EP3225837B1 (en) * 2016-03-30 2022-10-19 Siemens Gamesa Renewable Energy A/S Method and arrangement for continuous calibration of a wind direction measurement
EP3225838A1 (en) * 2016-03-30 2017-10-04 Siemens Aktiengesellschaft Method and arrangement for performing a wind direction measurement

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004040949A (ja) * 2002-07-05 2004-02-05 Yaskawa Electric Corp 風力発電システムおよび方法
JP2015002597A (ja) * 2013-06-14 2015-01-05 学校法人東京電機大学 風力発電システム

Also Published As

Publication number Publication date
BR112018017284A2 (pt) 2019-01-15
ES2773700T3 (es) 2020-07-14
US10914286B2 (en) 2021-02-09
CA3011771C (en) 2020-07-07
WO2017144631A1 (de) 2017-08-31
PT3420226T (pt) 2020-03-06
JP6748725B2 (ja) 2020-09-02
EP3420226A1 (de) 2019-01-02
DE102016103254A1 (de) 2017-08-24
KR20180114185A (ko) 2018-10-17
DK3420226T3 (da) 2020-03-09
CN108700038B (zh) 2020-09-18
EP3420226B1 (de) 2019-12-04
CN108700038A (zh) 2018-10-23
JP2019512057A (ja) 2019-05-09
US20190048853A1 (en) 2019-02-14
CA3011771A1 (en) 2017-08-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102128848B1 (ko) 등가 풍속을 결정하는 방법
Dai et al. Research on power coefficient of wind turbines based on SCADA data
EP3317519B1 (en) Control method and system for wind turbines
KR20190122840A (ko) 풍력 발전 단지의 가용 전력을 결정하기 위한 방법, 및 관련 풍력 발전 단지
US8178986B2 (en) Wind turbine operation system and method
CN106795857B (zh) 改善风力涡轮机中的转子的平衡的方法及风力涡轮机系统
US20150292484A1 (en) System and method for extending the operating life of a wind turbine gear train based on energy storage
US10578080B2 (en) Initialisation of wind turbine control functions
WO2008041066A1 (en) Wind turbine with blade pitch control to compensate for wind shear and wind misalignment
EP2923078B1 (en) System and method for extending the operating life of a wind turbine gear train based on energy storage
US11536247B2 (en) System and method for improved extreme load control for wind turbine components
KR102064576B1 (ko) 풍력 발전 설비를 운전하기 위한 방법
JP6909292B2 (ja) 風力発電設備の運転方法、風力発電設備の開ループおよび／または閉ループ制御のための装置、およびロータと電力生成のためにロータによって駆動される発電機とを有する風力発電設備
WO2015097842A1 (ja) 回転電機システム
US12152565B2 (en) Vibrations in wind turbines
US11372384B2 (en) System and method for adjusting a multi-dimensional operating space of a wind turbine
DK201570851A1 (en) Method and system of controlling wind turbines in a wind turbine farm

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
PA0105 International application

Patent event date: 20180919

Patent event code: PA01051R01D

Comment text: International Patent Application

PA0201 Request for examination
PG1501 Laying open of application
E902 Notification of reason for refusal
PE0902 Notice of grounds for rejection

Comment text: Notification of reason for refusal

Patent event date: 20190927

Patent event code: PE09021S01D

E701 Decision to grant or registration of patent right
PE0701 Decision of registration

Patent event code: PE07011S01D

Comment text: Decision to Grant Registration

Patent event date: 20200409

PR0701 Registration of establishment

Comment text: Registration of Establishment

Patent event date: 20200625

Patent event code: PR07011E01D

PR1002 Payment of registration fee

Payment date: 20200626

End annual number: 3

Start annual number: 1

PG1601 Publication of registration
PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20240614

Start annual number: 5

End annual number: 5