KR100608075B1 - 풍력 터빈을 위한 공기 밀도에 의존적인 전력 제어 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력 발전 설비의 동작 관리를 위한 제어 장치를 구비한 풍력 발전 설비와 동작 관리를 위한 제어 방법을 제공한다. 바람으로부터 최대 에너지를 흡수하기 위하여 제어 장치는 풍력 발전 설비가 세워진 장소의 고도 및/또는 풍력 발전 설비의 높이를 고려한다.

본 발명에 따른 방법은 공기 밀도를 검출해서 상기 공기 밀도로부터 유도하여 상기 제어 장치에 공기 밀도를 나타내는 신호를 전송하며, 상기 공기 밀도는 동작 관리에 있어서 제어 장치에 의해 참작된다.

풍력 발전, 효율, 공기 밀도.

Description

풍력 터빈을 위한 공기 밀도에 의존적인 전력 제어{ATMOSPHERIC DENSITY-DEPENDENT POWER ADJUSTMENT FOR WIND TURBINES}

본 발명은 풍력 발전 설비(wind power installation)의 동작 관리를 위한 제어 장치를 구비한 풍력 발전 설비 및 동작 관리를 위한 제어 장치를 구비한 풍력 발전 설비를 제어하는 방법에 관한 것이다.

풍력 발전 설비는 바람에 담겨 있는 운동에너지를 전기에너지로 변환한다. 이와 같은 목적에서, 풍력 발전 설비는 바람으로부터 운동에너지를 얻어 이를 회전 에너지로 변환하는 회전자(rotor)를 가지고 있다.

독일 연방 공화국 특허 DE 198 44 258 A1호에는 풍력 발전 설비와 동작 방법에 관한 기술이 개시되어 있는데, 풍력 발전 설비에서 공기 밀도의 불균일성이 존재하는 상황 하에서 센서의 감지 결과에 따라 작동 관리되는 시스템으로서, 더 높은 고도에서 공기 밀도가 감소하면 풍력 발전 설비 가동이 셧다운 되는 속도를 설정한다.

따라서, 만일 보통 수준의 공기 밀도에서 셧다운 속도가 선정된 값을 가정하는 한편, 공기 밀도가 적어지면 셧다운 스피드는 증가되어야 한다. 풍력 발전 설비의 제어 장치에는 관련 발전기 전력을 확인하기 위하여 풍속에 따라 확인된 회전 자 속도에 기초하여 풍력 발전 설비의 제어 수단을 허용하는 전력 특성이 저장되어 있다.

풍력 발전 설비가 제공하고자 의도된 발전기 전력은 필요한 여자기 전력 (exciter power)을 제공하고, 그리고 나면 이로부터 발전기 모멘트(moment)를 제공한다. 상기 소요 발전기 모멘트를 생산하기 위해서 회전자는 구동 트레인(drive train)에 의해 최소한의 회전자 모멘트를 제공하여야 한다.

풍력 발전 설비의 전력 P는 풍력 발전 설비의 회전자 회로(rotor circuit)를 통해 들어오는 에너지 양에 해당하고, 다음 방정식에 따라 회전자의 원형 표면 면적에 대응하는 단면적 F로부터 발생한다.

주어진 풍속

와 회전자의 선정된 원형 표면적 F에서 상기 수학식 1은 에너지의 공기 밀도

에 대한 의존성을 가르쳐 준다. 만일, 에너지 양이 너무 낮은 경우에는 회전자는 모멘트를 인가할 수 없어 과도한 발전기 모멘트의 결과 회전자 속도가 감속되게 된다.

본 발명의 목적은 최대 허용 에너지 즉 최대 전력을 얻기 위하여 풍력 발전 설비의 동작을 최적화하는데 있다. 본 발명의 목적은 특허청구범위 제1항에 기술된 방법과 특허청구범위 제3항에 개시된 풍력 발전 설비에 의해 달성된다.

전술한 풍력 발전 설비에서 특성 커브 이외에도 고속 주행 변수(high-speed running variable) λ도 또한 선정된다. 이 점에 있어서, 고속 주행 변수는 회전자 날개 팁(tip)의 주변 속도(peripheral speed)와 풍속의 비에 해당된다.

이미 기술한 바와 같이, 전력 특성이 공기 밀도에 적합하지 않은 경우에는 제어 장치에서 고정되어 있는 고속 주행 변수 λ에 편차가 발생한다. 본 발명에 있어서, 제어 장치는 풍력 발전 설비의 탑 위치에 높이 및/또는 풍력 발전 설비의 높이, 즉 풍력 발전 설비에서의 공기 밀도를 취한다.

본 발명은 고도가 높아짐에 따라 공기 밀도가 낮아지는 것을 구현함에 기초하고 있다. 기준면은 해수면 NZ(normal zero)이다. 해수면 NZ로부터 위에 풍력 발전 설비가 세워지는 곳이 높아질수록 공기 밀도는 더 낮아져서 그 결과 바람에 함유되어 있는 에너지가 떨어진다.

본 발명의 양호한 실시예에 따라, 해수면 NZ 위에 세워지는 풍력 발전 설비의 위치 고도를 고려한다는 것은, 발전기 전력 특성에 있어서 공기 밀도를 고려하는 것을 의미한다. 이와 같이 해서, 회전자 회전 속도(rotor speed)와 관련되고 그 결과 고속 주행 변수(high-speed running variable) λ에 관련되는 생산 전력은 공기 밀도의 크기에 따라 적응적으로 조절될 수 있으며, 그 결과 제어 장치에 의해 제공되는 여자기 전력(exciter power)을 적응적으로 조절함으로 해서 발전기 모멘트(generator moment)는 회전자에 의해 제공되는 토크를 초과하지 않도록 제어할 수 있다.

본 발명의 특별히 양호한 실시예로서, 풍력 발전 설비를 세우는 위치 고도 및/또는 풍력 발전 설비의 높이는 조절될 수 있으며, 이는 다시 말해서 스위치, 형상 파라미터(configurational parameter) 등과 같은 적절한 설정 수단에 의해 적절한 파라미터가 통신 되는 위치 의존 제어를 제공한다.

본 발명의 양호한 실시예로서, 풍력 발전 설비는 공기 밀도를 감지하는 측정 장치와 특히 공기압과 온도를 탐지하는 측정 장치를 구비한다. 공기 밀도는 상기 두 가지 데이터로부터 결정될 수 있다. 이와 같이 해서 측정 장치에 의해 획득되는 데이터들로부터 제어 장치가 자동으로 상기 파라미터들을 확인하므로 파라미터를 설정하는 것이 가능하다.

본 발명의 양호한 실시예로서, 풍력 발전 장치의 제어가 제어 소프트웨어의 기초 하에 구현되도록 상기 제어 장치는 최소한 하나의 마이크로프로세서를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 목적은 아래의 방법에 의해 달성된다:

(a) 공기 밀도가 검출되고,

(b) 공기 밀도로부터 유도되고 상기 공기 밀도를 나타내는 신호가 제어 장치로 전송되고,

(c) 작동 관리에서 상기 제어 장치에 의해 상기 공기 밀도가 고려된다.

이와 같이 해서 상기 단계 (a)에서 공기압과 온도는 검출되며, 단계(b)에서 상기 공기 밀도를 나타내는 신호가 선정된 알고리즘에 따라서 상기 공기압과 온도로부터 유도된다.

본 발명에 따른 양호한 실시예가 부속 청구항에 개시된다. 본 발명의 양호한 실시예가 첨부 도면을 참조하여 좀 더 상세히 설명된다.

첨부 도면 도1은 본 발명의 개략 블록 회로도이다.

도1은 회전자(10), 발전기(12), 회전자와 발전기 사이의 동력 전송 수단 (force transmission; 14), 공기압 검출 장치(16), 온도 측정 장치(18) 및 마이크로프로세서를 구비한 제어 장치(20)를 보여주고 있다.

공기압을 측정하는 장치(16)는 상기 제어 장치(20)에 연결 수단(22)에 의해 접속되어 있으며, 온도 측정 장치는 제어 장치(20)에 연결 수단(24)을 경유해서 연결되어 있고, 회전자 속도는 연결 수단(26)에 의해 제어 장치(20)에 전달된다.

상기 연결 수단들은 예를 들어 갈바노 전기 접속(galvanic connection) 또는 무선 접속과 같은 다른 접속 수단으로 구현될 수 있다. 상기 전송되는 정보로부터, 제어 장치(20)는 발전기에 의해 배송될 전력을 선정된 전력 데이터에 기초해서 확인하고, 연결 수단(28)을 경유해서 발전기(12)에 인입되는 여자기 전력(exciter power)에 영향을 준다.

이점에 있어서, 상기 제어 장치(20)의 작동 모드는 공기압 또는 온도에 있어서의 변화로부터 확인되는 공기 밀도의 변화가 선정된 임계치를 넘어서거나 또는/및 상기 변화가 선정된 임계 시간 동안 확인되는 경우에만 상기 제어 장치(20)에 의해 참작된다.

상기 공기 밀도를 검출하는 대신에 각각 위치에서 공기 밀도에 관한 값을 미리 선정하는 것이 가능하다. 예를 들어, 이러한 점에서 풍력 발전 설비의 해수면 NZ 상의 고도 또는 풍력 발전 설비의 회전자 허브는 역시 고려되어 진다.

선정된 높이에서의 해당 공기 밀도에 관한 평균치를 선정할 수 있으며, 이를 제어 장치에 저장해 둘 수 있다. 따라서, 본 발명은 풍력 발전 설비의 각각의 전력 특성은 풍력 발전 설비가 설치된 위치에서의 공기 밀도에 따라 적응적으로 변화될 수 있다.

이와 같이 해서 풍력 발전 설비의 효율이 최대값을 항시 유지하도록 할 수 있으며, 보다 구체적으로는 공기 밀도가 상당히 요동치는 경우 또는 풍력 발전 설비가 해수면 NZ로부터 상당히 높이 설치되거나, 심지어는 전력 특성이 해수면 NZ 위에 높은 곳에 있는 경우에도 최대값을 유지할 수 있다.

본 발명은 풍력 발전 설비의 동작 관리를 위한 제어 장치를 구비한 풍력 발전 설비와 동작 관리를 위한 제어 방법을 제공한다. 바람으로부터 최대 에너지를 흡수하기 위하여 제어 장치는 풍력 발전 설비가 세워진 장소의 고도 및/또는 풍력 발전 설비의 높이를 고려한다.

본 발명에 따른 방법은 공기 밀도를 검출해서 상기 공기 밀도로부터 유도하여 상기 제어 장치에 공기 밀도를 나타내는 신호를 전송하며, 상기 공기 밀도는 동작 관리에 있어서 제어 장치에 의해 참작된다.

Claims (8)

1. 전기 발전기(electric generator)를 구비한 풍력 발전 설비의 제어 방법에 있어서,

   상기 발전기의 전력 데이터뿐 아니라 상기 풍력 발전 설비가 위치하는 장소에서의 공기 밀도 데이터를 처리하는 단계; 및

   상기 공기 밀도 데이터에 따라 상기 발전기의 전력 데이터를 조절하여, 그 결과 발전기 모멘트가 상기 풍력 발전 설비의 회전자(rotor)에 의해 제공되는 토크(torque)를 초과하지 않도록 하는 단계

   를 포함하는 풍력 발전 설비 제어 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 발전기 모멘트를 제어하기 위하여 공기 밀도 데이터에 따라 전기 발전기에 공급되는 여자기 전력(exciter power)을 조절하는 단계를 더 포함하는 풍력 발전 설비 제어 방법.
3. 전기 발전기(electric generator)와;

   상기 전기 발전기의 동작 관리를 위한 제어 장치(control device)와;

   공기 밀도 데이터를 적어도 검출하고 설정하기 위한 공기 밀도 데이터 처리수단

   을 포함하고, 상기 제어 장치는 상기 공기 밀도 데이터에 따라 상기 전기 발전기의 전력 데이터를 조절하고 그 결과 발전기 모멘트가 상기 풍력 발전 설비의 회전자가 공급하는 토크를 초과하지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
4. 제3항에 있어서, 상기 제어 장치는 상기 발전기 모멘트를 제어하도록 공기 밀도 데이터에 따라 상기 전기 발전기에 제공되는 여자기 전력을 조절하도록 하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 공기 밀도를 검출하는 측정 수단(16, 18)이 제공되고, 상기 측정 수단은 상기 제어 장치에 연결됨을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
6. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 공기 밀도를 검출하는 측정 수단(16, 18)이 제공되고, 상기 측정 수단은 상기 제어 장치에 연결되고, 상기 측정 수단(16, 18)은 상기 풍력 발전 설비의 위치에서의 공기압(16)과 온도(18)를 검출하는 수단을 적어도 하나 구비함을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
7. 제3항 또는 제4항에 있어서, 공기 밀도 데이터를 입력받는 수단을 구비하고, 상기 입력된 공기 밀도 데이터는 상기 제어 장치에 저장됨을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
8. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 제어 장치는 상기 풍력 발전 설비의 제어 프로그램과 함께 상기 공기 밀도 데이터가 처리되는 마이크로프로세서를 포함함을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.

Images