KR101114814B1 - 풍력 발전 장치 및 그 날개 피치각 제어 방법 - Google Patents
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Abstract
셧다운시의 풍차 로터의 공력 언밸런스를 보다 저감하여 풍차의 최대 하중을 보다 저감함으로써, 장치의 저중량화?저비용화를 도모할 수 있는 풍력 발전 장치 및 그 날개 피치각 제어 방법을 제공한다. 각 풍차 블레이드의 날개 피치각에 공통인 기준 피치각 지령값을 생성하는 기준 피치각 제어부 (11) 와, 각 풍차 블레이드에 고유한 독립 피치각 지령값을 생성하는 독립 피치각 생성부 (13) 와, 각 독립 피치각 지령값에 각각 독립 피치각 게인을 곱하는 승산기 (21 ～ 23) 와, 독립 피치각 게인 생성부 (14) 와, 승산기 (21 ～ 23) 출력에 기준 피치각 지령값을 가산하여, 각 풍차 블레이드에 고유한 피치 액츄에이터 (31 ～ 33) 에 각각 공급하는 가산기 (24 ～ 26) 를 구비하고, 셧다운을 실시할 때, 독립 피치각 게인 생성부 (14) 에 의해 그 셧다운 전의 소정 독립 피치각 게인이 제 1 설정 시간 후에 제로가 되도록 독립 피치각 게인을 조정한다.
Description
본 발명은 독립 피치각 제어 방식의 풍력 발전 장치 및 그 날개 피치각 제어 방법에 관한 것으로, 특히, 셧다운시의 풍차 로터의 공력 (空力) 언밸런스를 보다 저감하여 풍차의 설계 제약이 되는 최대 하중을 보다 저감함으로써, 장치의 저중량화?저비용화를 도모할 수 있는 풍력 발전 장치 및 그 날개 피치각 제어 방법에 관한 것이다.
풍력 발전 장치에 사용되는 프로펠러형 풍차는, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 복수 장의 풍차 블레이드 (통상은 3 장으로, 본 명세서에서는 3 장의 풍차 블레이드를 갖는 구성에 관해서 설명한다) 를 구비하고, 풍황 (風況) 에 따라서 소정의 회전 속도와 출력을 얻도록 날개 피치각의 제어가 행해진다. 또한, 최근의 풍차에서는, 풍차 블레이드의 날개 길이의 확대에 수반하여 날개 피치각 제어에 독립 피치각 제어가 실장되도록 되고 있다 (예를 들어 특허문헌 1 등). 이것은 모든 풍차 블레이드에 대하여 동일한 기준 피치각 지령값에, 각 풍차 블레이드의 방위각 또는 하중 등에 따라서 산출되는 풍차 블레이드마다 독립된 독립 피치각 지령값을 가산하고, 그 가산값에 기초하여 날개 피치각을 제어하는 것이다. 이 독립 피치각 제어에 의해, 로터면 외(外)하중 (풍차 로터의 회전면에 수직인 하중) 의 변동량을 저감할 수 있어, 풍차의 피로 수명을 연장시킬 수 있다.
그런데, 경보 검지 등의 경우에는, 풍차 블레이드의 날개 피치각을 급속히 닫고 풍차를 빠르게 정지시키기 위해서 셧다운 제어가 실시된다. 상기 독립 피치각 제어를 실장한 풍차에서 셧다운 제어를 실시하는 경우, 셧다운 개시시에도 각 풍차 블레이드의 날개 피치각은 상이한 상태에 있고, 이 상태로부터 모든 풍차 블레이드에 관해서 동일 피치 레이트로 날개 피치각을 닫아 가는 (즉, 날개 피치각을 풍향과 평행하게 되도록 페더링 (feathering) 하는) 제어가 실시되게 된다. 이 경우, 셧다운 제어 중에는, 각 풍차 블레이드의 날개 피치각이 방위각 또는 하중의 크기와는 관계없이 서로 상이한 상태에서 풍차 로터가 회전하여, 공력 언밸런스가 풍차 로터에 발생하게 된다. 이 공력 언밸런스에 의해서 풍차 전체에 생기는 과대 하중은 풍차의 설계 제약의 하나로도 일컬어지고 있어, 공력 언밸런스의 저감이 요망되었다.
이러한 문제에 대하여, 특허문헌 2 에서는 다음과 같은 제어 수법을 제안하고 있다. 날개 피치각이 가장 파인측에 있던 풍차 블레이드 (제 1 날개로 한다) 에 관해서는 규정된 최대 피치 레이트로 날개 피치각을 닫아 가고, 한편, 페더측에 있던 다른 풍차 블레이드에 관해서는, 제 1 날개의 날개 피치각이 따라올 때까지 최대 피치 레이트보다 작은 피치 레이트로 날개 피치각을 닫아 나간다. 그리고 날개 피치각이 제 1 날개의 날개 피치각과 동일하게 된 후에는 그 제 1 날개와 동일한 피치 레이트로 날개 피치각을 닫아 나가, 3 장의 풍차 블레이드의 날개 피치각을 빠르게 일치시켜 페더링한다 (풍차를 정지시킨다).
그러나, 상기 서술한 특허문헌 2 에 개시된 기술에 있어서는, 셧다운 개시 후의 각 풍차 블레이드의 날개 피치각이 일치하기까지의 기간에 있어서는, 각각의 날개 피치각을 방위각 또는 하중의 크기와는 관계없는 소정의 피치 레이트로 닫아 나가기 때문에, 각 풍차 블레이드의 날개 피치각의 차이에서 기인한 공력 언밸런스가 풍차 로터에 발생할 수 있다. 따라서, 공력 언밸런스에 의해서 풍차 전체에 발생하는 과대 하중이 풍차의 설계 제약으로서 남게 된다. 이 과대 하중은 기계 부품의 강도 설계에 반영되어, 장치의 중량 상승이나 비용 상승으로 이어진다는 사정이 있었다.
본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 셧다운시의 풍차 로터의 공력 언밸런스를 보다 저감하여 풍차의 설계 제약이 되는 최대 하중을 보다 저감함으로써, 장치의 저중량화?저비용화를 도모할 수 있는 풍력 발전 장치 및 그 날개 피치각 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은 이하의 수단을 채용한다.
본 발명의 제 1 양태는, 복수 장의 풍차 블레이드의 날개 피치각에 공통인 기준 피치각 지령값을 생성하는 기준 피치각 생성 수단과, 각 풍차 블레이드에 고유한 독립 피치각 지령값을 생성하는 독립 피치각 생성 수단과, 상기 독립 피치각 생성 수단의 각 독립 피치각 지령값에 각각 독립 피치각 게인을 곱하는 승산 (乘算) 수단과, 셧다운을 실시할 때에, 그 셧다운 전의 소정 독립 피치각 게인이 제 1 설정 시간 후에 제로가 되도록 상기 독립 피치각 게인을 조정하는 독립 피치각 게인 생성 수단과, 상기 승산 수단에 의한 승산 결과에 각각 상기 기준 피치각 지령값을 가산하여, 각 풍차 블레이드에 고유한 피치 액츄에이터에 각각 공급하는 가산 수단을 갖는 풍력 발전 장치이다.
본 양태에 의하면, 셧다운을 실시할 때, 독립 피치각 게인의 조정에 의해 독립 피치각 지령값 (절대값) 을 서서히 작게 함으로써 각 날개의 피치각을 일치시켜 페더링을 실시할 수 있다. 또한, 셧다운 개시 후에도 독립 피치각 게인이 제로가 되기까지의 일정 시간, 독립 피치각 제어가 계속되기 때문에, 셧다운 개시 후에도 각 날개의 피치각의 차이를 각 날개에 작용하는 로터면 외의 하중의 차이와 대응시킬 수 있다. 이로써, 풍차 로터의 공력 언밸런스를 증가시키지 않고, 보다 저감할 수 있다. 그 결과로, 풍차의 설계 제약이 되는 최대 하중을 보다 저감하여, 장치의 저중량화?저비용화를 도모할 수 있는 풍력 발전 장치를 실현할 수 있다.
상기 양태에서는, 상기 독립 피치각 게인 생성 수단은, n 차의 감소 함수 또는 이들의 조합에 기초하여 상기 독립 피치각 게인을 조정하도록 해도 된다.
본 양태에 의하면, 독립 피치각 게인의 감소 레이트를 시간 추이에 따라서 가변 설정할 수 있으며, 풍황, 운전 상황, 장치 규모, 또는 경보 등에서 기인하는 종류별 등등, 다양한 시츄에이션에도 유연하게 대응하여 셧다운 제어를 실시할 수 있다.
또, 여기서 n 은 1 이상의 정수이다.
상기 양태에서는, 상기 독립 피치각 게인 생성 수단은, 셧다운 전의 소정 독립 피치각 게인을 셧다운 개시로부터 상기 제 1 설정 시간보다 작은 제 2 설정 시간까지의 사이에, 유지하도록 해도 된다.
또한, 상기 양태에서는, 상기 제 1 설정 시간 또는 상기 제 2 설정 시간은, 당해 풍력 발전 장치의 발전 출력, 풍차 로터의 회전수 또는 상기 기준 피치각 지령값에 기초하여 설정되도록 해도 된다.
제 1 설정 시간의 설정은 독립 피치각 게인의 감소 레이트의 설정과 등가 (等價) 이고, 제 2 설정 시간의 설정은 독립 피치각 게인의 감소 개시 타이밍의 설정과 등가이다. 이와 같이, 독립 피치각 게인의 감소 개시 타이밍이나 감소 레이트를, 당해 풍력 발전 장치의 발전 출력, 풍차 로터의 회전수 또는 기준 피치각 지령값에 기초하여 설정함으로써, 풍황, 운전 상황, 장치 규모, 또는 경보 등에서 기인하는 종류별 등등, 다양한 시츄에이션에도 유연하게 대응하여 셧다운 제어를 실시할 수 있다.
본 발명의 제 2 양태는, 복수 장의 풍차 블레이드의 날개 피치각에 공통인 기준 피치각 지령값을 생성하는 기준 피치각 생성 단계와, 각 풍차 블레이드에 고유한 독립 피치각 지령값을 생성하는 독립 피치각 생성 단계와, 상기 독립 피치각 생성 수단의 각 독립 피치각 지령값에 각각 독립 피치각 게인을 곱하는 승산 단계와, 셧다운을 실시할 때에, 그 셧다운 전의 소정 독립 피치각 게인이 제 1 설정 시간 후에 제로가 되도록 상기 독립 피치각 게인을 조정하는 독립 피치각 게인 생성 단계와, 상기 승산 단계에 의한 승산 결과에 각각 상기 기준 피치각 지령값을 가산하여, 각 풍차 블레이드에 고유한 피치 액츄에이터에 각각 공급하는 가산 단계를 구비하는 풍력 발전 장치의 날개 피치각 제어 방법이다.
본 양태에 의하면, 셧다운을 실시할 때, 독립 피치각 게인의 조정에 의해 독립 피치각 지령값 (절대값) 을 서서히 작게 함으로써 각 날개의 피치각을 일치시켜 페더링을 실시할 수 있다. 또한, 셧다운 개시 후에도 독립 피치각 게인이 제로가 되기까지의 일정 시간, 독립 피치각 제어가 계속되기 때문에, 셧다운 개시 후에도 각 날개의 피치각의 차이는 각 날개에 작용하는 로터면 외의 하중의 차이와 대응시킬 수 있다. 이로써, 풍차 로터의 공력 언밸런스를 증가시키지 않고, 보다 저감할 수 있다. 그 결과, 풍차의 설계 제약이 되는 최대 하중을 보다 저감하여, 장치의 저중량화?저비용화를 도모할 수 있는 풍력 발전 장치의 날개 피치각 제어 방법을 실현할 수 있다.
상기 양태에서는, 상기 독립 피치각 게인 생성 단계는, n 차의 감소 함수 또는 이들의 조합에 기초하여 상기 독립 피치각 게인을 조정하도록 해도 된다.
본 양태에 의하면, 독립 피치각 게인의 감소 레이트를 시간 추이에 따라서 가변 설정할 수 있으며, 풍황, 운전 상황, 장치 규모, 또는 경보 등에서 기인하는 종류별 등등, 다양한 시츄에이션에도 유연하게 대응하여 셧다운 제어를 실시할 수 있다.
또, 여기서 n 은 1 이상의 정수이다.
상기 양태에서는, 상기 독립 피치각 게인 생성 단계는, 셧다운 전의 소정 독립 피치각 게인을 셧다운 개시로부터 상기 제 1 설정 시간보다 작은 제 2 설정 시간까지의 사이에, 유지하도록 해도 된다.
또한, 상기 양태에서는, 상기 제 1 설정 시간 또는 상기 제 2 설정 시간은, 당해 풍력 발전 장치의 발전 출력, 풍차 로터의 회전수 또는 상기 기준 피치각 지령값에 기초하여 설정되도록 해도 된다.
본 양태에 의하면, 독립 피치각 게인의 감소 개시 타이밍이나 감소 레이트를, 당해 풍력 발전 장치의 발전 출력, 풍차 로터의 회전수 또는 기준 피치각 지령값에 기초하여 설정함으로써, 풍황, 운전 상황, 장치 규모, 또는 경보 등에서 기인하는 종류별 등등, 다양한 시츄에이션에도 유연하게 대응하여 셧다운 제어를 실시할 수 있다.
본 발명에 의하면, 셧다운을 실시할 때, 셧다운 개시 후에도 풍차 로터의 공력 언밸런스를 증가시키지 않고, 보다 저감할 수 있다. 결과적으로, 풍차의 설계 제약이 되는 최대 하중을 보다 저감하여, 장치의 저중량화?저비용화를 도모할 수 있는 풍력 발전 장치의 날개 피치각 제어 방법을 실현할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시형태에 관련된 풍력 발전 장치에 있어서의 날개 피치각 제어부의 개략 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2 는 본 발명이 적용되는 풍차의 개략 구성을 나타내는 사시도이다.
도 3 은 도 2 의 풍차 블레이드 부분을 나타내고, 방위각을 설명하는 부분 정면도이다.
도 4 는 본 실시형태의 풍력 발전 장치에 있어서 날개 피치각 제어에 있어서의 기준 피치각 지령값의 시간적 추이를 나타내는 그래프이다.
도 5 는 본 실시형태의 풍력 발전 장치에 있어서 날개 피치각 제어에 있어서의 독립 피치각 게인의 시간적 추이를 나타내는 그래프이다.
도 6 은 본 실시형태의 풍력 발전 장치에 있어서 날개 피치각 제어에 있어서의 독립 피치각 지령값의 시간적 추이를 나타내는 그래프이다.
도 7 은 본 실시형태의 풍력 발전 장치에 있어서 날개 피치각 제어에 있어서의 피치각의 시간적 추이를 나타내는 그래프이다.
도 8 은 제 1 종래예의 날개 피치각 제어에 있어서의 기준 피치각 지령값의 시간적 추이를 나타내는 그래프이다.
도 9 는 제 1 종래예의 날개 피치각 제어에 있어서의 독립 피치각 게인의 시간적 추이를 나타내는 그래프이다.
도 10 은 제 1 종래예의 날개 피치각 제어에 있어서의 독립 피치각 지령값의 시간적 추이를 나타내는 그래프이다.
도 11 은 제 1 종래예의 날개 피치각 제어에 있어서의 피치각의 시간적 추이를 나타내는 그래프이다.
도 12 는 제 2 종래예의 날개 피치각 제어에 있어서의 기준 피치각 지령값의 시간적 추이를 나타내는 그래프이다.
도 13 은 제 2 종래예의 날개 피치각 제어에 있어서의 독립 피치각 게인의 시간적 추이를 나타내는 그래프이다.
도 14 는 제 2 종래예의 날개 피치각 제어에 있어서의 독립 피치각 지령값의 시간적 추이를 나타내는 그래프이다.
도 15 는 제 2 종래예의 날개 피치각 제어에 있어서의 피치각의 시간적 추이를 나타내는 그래프이다.
도 16 은 제 1 변형예의 독립 피치각 게인의 시간적 추이를 예시하는 설명도이다.
도 17 은 제 2 변형예의 독립 피치각 게인의 시간적 추이를 예시하는 설명도이다.
도 2 는 본 발명이 적용되는 풍차의 개략 구성을 나타내는 사시도이다.
도 3 은 도 2 의 풍차 블레이드 부분을 나타내고, 방위각을 설명하는 부분 정면도이다.
도 4 는 본 실시형태의 풍력 발전 장치에 있어서 날개 피치각 제어에 있어서의 기준 피치각 지령값의 시간적 추이를 나타내는 그래프이다.
도 5 는 본 실시형태의 풍력 발전 장치에 있어서 날개 피치각 제어에 있어서의 독립 피치각 게인의 시간적 추이를 나타내는 그래프이다.
도 6 은 본 실시형태의 풍력 발전 장치에 있어서 날개 피치각 제어에 있어서의 독립 피치각 지령값의 시간적 추이를 나타내는 그래프이다.
도 7 은 본 실시형태의 풍력 발전 장치에 있어서 날개 피치각 제어에 있어서의 피치각의 시간적 추이를 나타내는 그래프이다.
도 8 은 제 1 종래예의 날개 피치각 제어에 있어서의 기준 피치각 지령값의 시간적 추이를 나타내는 그래프이다.
도 9 는 제 1 종래예의 날개 피치각 제어에 있어서의 독립 피치각 게인의 시간적 추이를 나타내는 그래프이다.
도 10 은 제 1 종래예의 날개 피치각 제어에 있어서의 독립 피치각 지령값의 시간적 추이를 나타내는 그래프이다.
도 11 은 제 1 종래예의 날개 피치각 제어에 있어서의 피치각의 시간적 추이를 나타내는 그래프이다.
도 12 는 제 2 종래예의 날개 피치각 제어에 있어서의 기준 피치각 지령값의 시간적 추이를 나타내는 그래프이다.
도 13 은 제 2 종래예의 날개 피치각 제어에 있어서의 독립 피치각 게인의 시간적 추이를 나타내는 그래프이다.
도 14 는 제 2 종래예의 날개 피치각 제어에 있어서의 독립 피치각 지령값의 시간적 추이를 나타내는 그래프이다.
도 15 는 제 2 종래예의 날개 피치각 제어에 있어서의 피치각의 시간적 추이를 나타내는 그래프이다.
도 16 은 제 1 변형예의 독립 피치각 게인의 시간적 추이를 예시하는 설명도이다.
도 17 은 제 2 변형예의 독립 피치각 게인의 시간적 추이를 예시하는 설명도이다.
발명을 실시하기 위한 형태
이하, 본 발명의 풍력 발전 장치 및 그 날개 피치각 제어 방법의 실시형태에 관해서, 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 여기서 먼저, 본 발명이 적용되는 풍차의 개요에 관해서 도 2 를 참조하여 설명해 둔다.
본 발명의 풍력 발전 장치가 적용되는 프로펠러형 풍차는, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 풍차 로터에 장착된 3 장의 풍차 블레이드, 즉 풍차 블레이드 (1), 풍차 블레이드 (2) 및 풍차 블레이드 (3) 을 구비하고 있다. 풍차 로터는 원통형상 타워 (4) 의 상부에 설치된 나셀 내의 증속기에 연결되어 있다. 프로펠러형 풍차는, 3 장의 풍차 블레이드 (1, 2, 3) 가 바람을 받아 풍차 로터와 함께 회전하고, 증속기에 의해서 증속된 후에 발전기를 구동시켜 발전함으로써 풍력 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것이다.
〔실시형태〕
도 1 은 본 발명의 일 실시형태에 관련된 풍력 발전 장치에 있어서의 날개 피치각 제어부의 개략 구성을 나타내는 블록도이다.
도 1 에 있어서, 본 실시형태의 풍력 발전 장치의 날개 피치각 제어부 (10) 는, 기준 피치각 제어부 (11), 독립 피치각 제어부 (12), 감산기 (20), 승산기 (21, 22, 23), 가산기 (24, 25, 26), 제 1 날개 피치 액츄에이터 (31), 제 2 날개 피치 액츄에이터 (32) 및 제 3 날개 피치 액츄에이터 (33) 를 구비하여 구성되어 있다.
기준 피치각 제어부 (11) 는, 특허청구의 범위에서 말하는 기준 피치각 생성 수단에 해당하며, 3 장의 풍차 블레이드 (1, 2, 3) 의 날개 피치각에 공통인 기준 피치각 지령값을 생성한다. 회전 속도 및 발전 출력의 설정값과 현재의 제어량의 편차가 감산기 (20) 에 의해 구해지고, 기준 피치각 지령값 (15) 은 이 편차에 기초하여 생성된다.
또한, 독립 피치각 제어부 (12) 에는, 독립 피치각 생성부 (독립 피치각 생성 수단 : 13) 및 독립 피치각 게인 생성부 (14) 가 구비되어 있다. 독립 피치각 생성부 (13) 는, 방위각이나 하중 등의 계측값에 기초하여 각 풍차 블레이드 (1, 2, 3) 에 고유한 독립 피치각 지령값을 생성한다. 여기서, 방위각은, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 풍차 블레이드가 연직 방향 (z 방향) 과 이루는 각도를 말한다. 기준으로 하는 풍차 블레이드가 풍차의 최상부에 위치할 때 방위각은 O°, 최하부에 위치할 때 방위각은 180°이다.
독립 피치각 생성부 (13) 에 있어서의 독립 피치각 지령값의 생성 수법에 대해서는 특별히 한정되지 않고, 공지된 기술을 적용하면 된다. 예를 들어, 계측한 방위각에 기초하여, 풍속, 공기 밀도 및 발전 출력에 따라서 독립 피치각 지령값을 생성하는 수법이 일본 공개특허공보 제2005-83308호 등에 개시되어 있으며, 또한, 계측한 하중에 기초하여 독립 피치각 지령값을 생성하는 수법이 일본 공개특허공보 제2003-113769호나 일본 공개특허공보 제2005-325742호 등에 개시되어 있다.
또한, 독립 피치각 게인 생성부 (14) 는, 셧다운을 실시할 때에, 그 셧다운 전의 소정의 독립 피치각 게인 (= 1) 이 제 1 설정 시간 후에 제로가 되도록 독립 피치각 게인 (16) 을 조정한다. 본 발명의 특징적인 구성은, 승산기 (21, 22, 23) 에 의해서, 독립 피치각 생성부 (13) 에서 생성한 각 날개마다의 독립 피치각 지령값에 독립 피치각 게인 생성부 (14) 가 생성하는 독립 피치각 게인 (16) 을 곱하여, 제 1 날개 피치각 지령값 (17), 제 2 날개 피치각 지령값 (18) 및 제 3 날개 피치각 지령값 (19) 을 생성하는 점에 있다.
독립 피치각 게인 (16) 은 통상 운전시에는 1 이다. 이 때 독립 피치각 생성부 (13) 에서 생성한 날개마다의 독립 피치각 지령값이 그대로 제 1 날개 피치각 지령값 (17), 제 2 날개 피치각 지령값 (18) 및 제 3 날개 피치각 지령값 (19) 이 된다. 또한 셧다운을 실시할 때에는, 독립 피치각 게인 (16) 은 1 차의 감소 함수에 기초하여 서서히 감소하여, 셧다운 개시로부터 제 1 설정 시간이 경과된 시점에서 제로가 된다. 요컨대, 셧다운 개시로부터 제 1 설정 시간까지의 사이에, 제 1 날개 피치각 지령값 (17), 제 2 날개 피치각 지령값 (18) 및 제 3 날개 피치각 지령값 (19) 은, 독립 피치각 생성부 (13) 에서 생성한 날개마다의 독립 피치각 지령값에서부터 제로로 서서히 좁혀들어 가게 된다.
그리고, 승산기 (21, 22, 23) 각각의 출력인 제 1 날개 피치각 지령값 (17), 제 2 날개 피치각 지령값 (18) 및 제 3 날개 피치각 지령값 (19) 에, 각각 가산기 (24, 25, 26) 에 의해 기준 피치각 제어부 (11) 가 생성하는 기준 피치각 지령값 (15) 이 더해지고, 각각 제 1 날개 피치 액츄에이터 (31), 제 2 날개 피치 액츄에이터 (32) 및 제 3 날개 피치 액츄에이터 (33) 에 공급된다.
여기서, 제 1 날개 피치 액츄에이터 (31), 제 2 날개 피치 액츄에이터 (32) 및 제 3 날개 피치 액츄에이터 (33) 는 각각 풍차 블레이드 (1, 2, 3) 에 고유한 피치 액츄에이터로서, 예를 들어 유압 실린더나 전동 모터에 의해 구동된다.
다음으로, 이상과 같은 구성 요소를 구비한 풍력 발전 장치의 날개 피치각 제어 방법에 관해서, 도 4 ～ 도 15 를 참조하여 설명한다. 여기서, 도 4 ～ 도 7 은 본 실시형태의 풍력 발전 장치에 있어서의 날개 피치각 제어를 설명하는 것이다. 도 8 ～ 도 11 은 제 1 종래예에 있어서의 날개 피치각 제어를 설명하는 것이다. 도 12 ～ 도 15 는 제 2 종래예에 있어서의 날개 피치각 제어를 설명하는 것이다. 또한, 도 4, 도 8 및 도 12 는 셧다운 개시 전후의 기준 피치각 지령값 (15) 의 시간적 추이를 나타내는 그래프이다. 도 5, 도 9 및 도 13 은 셧다운 개시 전후의 독립 피치각 게인 (16) 의 시간적 추이를 나타내는 그래프이다. 도 6, 도 10 및 도 14 는 셧다운 개시 전후의 제 1 날개 피치각 지령값 (17), 제 2 날개 피치각 지령값 (18) 및 제 3 날개 피치각 지령값 (19) 의 시간적 추이를 나타내는 그래프이다. 도 7, 도 11 및 도 15 는 셧다운 개시 전후의 각 날개의 피치각의 시간적 추이를 나타내는 그래프이다. 또한, 도 5, 도 9 및 도 13 을 제외한 각 도면에 있어서, 세로축은 각각의 날개 피치각에 따른 것인데, 그래프의 상방측이 페더측에 해당하고, 그래프의 하방측이 파인측에 해당한다.
또, 제 2 종래예는 특허문헌 2 의 기법을 본 실시형태의 풍력 발전 장치의 구성에 적용시킨 것이고, 제 1 종래예는 특허문헌 2 의 기법이 적용되어 있지 않은 공지된 기법 (예를 들어 특허문헌 1 등) 을 본 실시형태의 풍력 발전 장치의 구성에 적용시킨 것이다. 또, 제 1 종래예 및 제 2 종래예에는 독립 피치각 게인 자체가 존재하지 않지만, 본 실시형태와의 대비를 위해 나타낸 것이다.
먼저, 셧다운 개시 전의 통상 운전시에 있어서의 독립 피치각 제어에 관해서, (대표적으로) 도 4 ～ 도 7 을 참조하여 설명한다. 또, 통상 운전시에는 본 실시형태, 제 1 종래예 및 제 2 종래예는 동일한 제어가 실시되는 것으로 가정한다.
통상 운전시에는, 기준 피치각 제어부 (11) 에 의해 3 장의 풍차 블레이드 (1, 2, 3) 의 날개 피치각에 공통인 기준 피치각 지령값 (15) 이 생성된다. 도 4 에서는 셧다운 개시 전의 20 [sec] 라는 짧은 시간인 점에서 일정값으로서 예시되어 있다. 또한, 이 때 독립 피치각 게인 생성부 (14) 로부터 출력되는 독립 피치각 게인 (16) 은, 도 5 에 나타내는 바와 같이 독립 피치각 게인 = 1 이다.
또한, 독립 피치각 생성부 (13) 에 의해, 방위각이나 하중 등의 계측값에 기초하여 각 풍차 블레이드 (1, 2, 3) 에 고유한 독립 피치각 지령값 (제 1 날개 피치각 지령값 (17), 제 2 날개 피치각 지령값 (18) 및 제 3 날개 피치각 지령값 (19)) 이 생성된다 (도 6 참조). 또, 도 6 에서는 각 날개의 독립 피치각 지령값의 시간 변화를 여현 (餘弦) 으로서 예시하고 있는데, 알기 쉽게 하기 위해 정상풍 (시간적, 평면적으로 균일한 풍속) 을 상정한 것으로, 엄밀하게는 실제의 것과는 상이하다.
또한, 도 4 의 기준 피치각 지령값 (15) 및 도 6 의 각 날개의 독립 피치각 지령값이 각각 더해지고, 각각이 각 날개의 제 1 날개 피치 액츄에이터 (31), 제 2 날개 피치 액츄에이터 (32) 및 제 3 날개 피치 액츄에이터 (33) 에 공급되어, 각 날개의 피치각은 도 7 에 나타내는 바와 같이 된다. 이러한 독립 피치각 제어에 의해, 로터면 외하중 (풍차 로터의 회전면에 수직인 하중 ; 도 2 에 있어서 x 방향에 관한 하중) 의 변동량을 저감할 수 있다.
다음으로, 셧다운 개시 후의 셧다운 제어시에 있어서의 독립 피치각 제어에 관해서, 제 1 종래예, 제 2 종래예, 본 실시형태의 순으로 설명한다.
먼저 제 1 종래예에서는, 셧다운 제어시에, 기준 피치각 지령값은 풍차 로터의 정지를 목적으로 하여, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 각 날개 동일의 일정 피치 레이트로 풀 페더 각도까지 제어된다. 또한, 독립 피치각 생성부 (13) 에 의한 각 날개의 독립 피치각 지령값의 생성은, 셧다운 개시와 동시에 정지되고 (도 10 참조), 독립 피치각 게인도 1 에서 0 으로 바로 바뀌게 된다 (도 9 참조).
또한, 셧다운 개시시에는, 각 풍차 블레이드의 날개 피치각이 상대적으로 어긋난 관계에 있는데, 제 1 종래예의 셧다운 제어에서는, 이 날개 피치각이 상대적으로 어긋난 관계를 유지한 채로, 기준 피치각 지령값에 기초하는 페더링이 행해지게 된다 (도 11 참조). 따라서, 셧다운 제어 중에 각 풍차 블레이드의 날개 피치각이 (하중의 크기와는 관계없이) 상이한 상태에서 풍차 로터가 회전하여, 공력 언밸런스가 풍차 로터에 발생하게 된다.
다음으로, 제 2 종래예에서도, 도 12 에 나타내는 바와 같이, 제 1 종래예와 동일하게 기준 피치각 지령값은 각 날개 동일의 일정 피치 레이트로 풀 페더 각도까지 제어된다. 또한, 독립 피치각 생성부 (13) 에 의한 각 날개의 독립 피치각 지령값의 생성도 셧다운 개시와 동시에 정지되고 (도 14 참조), 독립 피치각 게인도 1 에서 0 으로 바로 바뀌게 된다 (도 13 참조).
또한, 셧다운 개시시에는 각 풍차 블레이드의 날개 피치각은 상대적으로 어긋난 관계에 있는데, 제 2 종래예의 셧다운 제어에서는, 날개 피치각이 가장 파인측에 있던 풍차 블레이드 (도 14 에서는 제 2 날개) 를 규정된 최대 피치 레이트로 페더링시키고, 페더측에 있던 다른 풍차 블레이드 (도 14 에서는 제 1 날개 및 제 3 날개) 에 관해서는 제 2 날개의 날개 피치각이 따라올 때까지 최대 피치 레이트보다 작은 피치 레이트로 페더링시킨다. 그리고 제 1 날개 및 제 3 날개의 날개 피치각이 제 2 날개의 날개 피치각과 동일해진 후에는 최대 피치 레이트로 페더링시킨다. 이로써, 이들 3 장의 풍차 블레이드의 날개 피치각을 빠르게 일치시켜 페더링한다.
도 15 에 나타내는 바와 같이, 제 2 종래예의 셧다운 제어에서는, 셧다운 개시 후의 각 풍차 블레이드의 날개 피치각이 일치하기까지의 기간 (도 15 에서는 약 12sec 동안) 에 있어서는, 각각의 날개 피치각을 하중의 크기와는 관계없는 소정의 피치 레이트로 닫아 나가고 있어, 각 풍차 블레이드의 날개 피치각의 차이에서 기인한 공력 언밸런스가 풍차 로터에 발생할 수 있다.
이들 제 1 종래예 및 제 2 종래예에 대하여, 본 실시형태에서는, 셧다운 제어시에, 기준 피치각 지령값은 풍차 로터의 정지를 목적으로 하여, 도 4 에 나타내는 바와 같이 각 날개 동일의 일정 피치 레이트로 풀 페더 각도까지 제어된다.
또한, 독립 피치각 생성부 (13) 에 의한 각 날개의 독립 피치각 지령값의 생성은 셧다운 개시 후에도 셧다운 개시 전과 동일하게 계속되는데, 1 차의 감소 함수에 기초하여 서서히 감소하는 독립 피치각 게인 (16) (도 5 참조) 과의 곱셈에 의해, 서서히 제로로 좁혀져 간다 (도 6 참조). 또, 도 5 에서는 독립 피치각 게인 생성부 (14) 에 있어서의 제 1 설정 시간을 10sec 로 하고 있다.
또, 셧다운 개시시에는 각 풍차 블레이드의 날개 피치각은 상대적으로 어긋난 관계에 있는데, 본 실시형태의 셧다운 제어에서는, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 셧다운 개시 시점부터 각 풍차 블레이드의 날개 피치각이 기준 피치각 지령값 (15) 에 일치하기까지의 기간 (도 7 에서는 10sec 동안) 에 있어서도, 서서히 감소하면서도 독립 피치각 제어가 계속된다. 이로써, 셧다운 개시 후에도 각 날개의 피치각의 차이가 각 날개에 작용하는 로터면 외의 하중의 차이와 대응되게 되어, 풍차 로터의 공력 언밸런스를 증가시키지 않고, 종래와 비교하여 보다 저감할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태의 풍력 발전 장치 및 그 날개 피치각 제어 방법에서는, 각 풍차 블레이드의 날개 피치각에 공통인 기준 피치각 지령값 (15) 을 생성하는 기준 피치각 제어부 (11) 와, 각 풍차 블레이드에 고유한 독립 피치각 지령값을 생성하는 독립 피치각 생성부 (13) 와, 각 독립 피치각 지령값에 각각 독립 피치각 게인 (16) 을 곱하여 제 1 날개 피치각 지령값 (17), 제 2 날개 피치각 지령값 (18) 및 제 3 날개 피치각 지령값 (19) 을 생성하는 승산기 (21 ～ 23) 와, 독립 피치각 게인 생성부 (14) 와, 승산기 (21 ～ 23) 출력에 각각 기준 피치각 지령값 (15) 을 가산하여, 각 풍차 블레이드에 고유한 피치 액츄에이터 (31 ～ 33) 에 각각 공급하는 가산기 (24 ～ 26) 를 구비하고, 셧다운을 실시할 때, 독립 피치각 게인 생성부 (14) 에 의해 그 셧다운 전의 소정 독립 피치각 게인이 제 1 설정 시간 후에 제로가 되도록 독립 피치각 게인을 조정하도록 되어 있다.
이와 같이, 셧다운을 실시할 때, 독립 피치각 게인 (16) 의 조정에 의해 독립 피치각 지령값 (절대값) 을 서서히 작게 하는 제 1 날개 피치각 지령값 (17), 제 2 날개 피치각 지령값 (18) 및 제 3 날개 피치각 지령값 (19) 을 생성함으로써 각 날개의 피치각을 일치시켜 페더링을 실시하는데, 셧다운 개시 후에도 독립 피치각 제어가 일정 시간 계속된다. 따라서, 셧다운 개시 후의 각 날개의 피치각의 차이는 각 날개에 작용하는 로터면 외의 하중의 차이와 대응되어 있어, 풍차 로터의 공력 언밸런스를 증가시키지 않고, 종래와 비교하여 보다 저감할 수 있다. 그 결과, 풍차의 설계 제약이 되는 최대 하중을 보다 저감하여, 장치의 저중량화?저비용화를 도모할 수 있는 풍력 발전 장치 및 그 날개 피치각 제어 방법을 실현할 수 있다.
또한, 독립 피치각 게인 (16) 이 제로가 될 때까지 동안에는 하중의 변동이 줄어들기 때문에, 풍차의 피로 하중의 저감 효과가 셧다운 개시 후에도 계속해서 얻어져, 풍차의 피로 수명을 보다 연장시킬 수 있다는 효과도 나타낸다.
〔제 1 변형예〕
이상 설명한 실시형태에서는, 셧다운을 실시할 때, 독립 피치각 게인 생성부 (14) 에 의해 셧다운 전의 소정 독립 피치각 게인이 제 1 설정 시간 후에 제로가 되도록 독립 피치각 게인 (16) 을 조정하도록 하고, 셧다운 개시와 동시에 독립 피치각 게인 (16) 의 감소도 개시하였는데, 셧다운 전의 소정 독립 피치각 게인을 셧다운 개시로부터 제 2 설정 시간 (제 2 설정 시간은 제 1 설정 시간보다 적다) 까지의 사이에 유지하고, 제 2 설정 시간부터 제 1 설정 시간까지의 사이에 독립 피치각 게인이 서서히 감소하도록 조정해도 된다.
도 16 에, 본 변형예의 독립 피치각 게인 (16) 의 시간적 추이 (G1) 를 예시한다. 도 16 의 G1 에서는, 제 2 설정 시간 (T1) 을 4sec 로 하고, 제 1 설정 시간을 12sec 로 하여, 제 2 설정 시간부터 제 1 설정 시간까지의 사이를 1 차의 감소 함수에 기초하여 서서히 감소시키는 예를 나타내고 있다.
또한, 이상의 설명에서는 제 1 설정 시간 및 제 2 설정 시간 (T1) 을 단순히 시간으로 설정하는 것으로 하였지만, 이들 제 1 설정 시간 및 제 2 설정 시간 (T1) 을, 풍력 발전 장치의 발전 출력, 풍차 로터의 회전수 또는 기준 피치각 지령값에 기초하여 설정하도록 해도 된다.
제 2 설정 시간 (T1) 에 관해서는, 발전 출력, 풍차 로터의 회전수 또는 기준 피치각 지령값의 문턱값을 미리 설정해 두고, 발전 출력, 풍차 로터의 회전수 또는 기준 피치각 지령값 (15) 이 그 문턱값에 도달하였을 때에, 독립 피치각 게인의 감소를 시작하도록 해도 된다.
또한, 제 1 설정 시간의 설정은 독립 피치각 게인 (16) 의 감소 레이트의 설정과 등가이다. 이 제 1 설정 시간에 관해서는, 발전 출력, 풍차 로터의 회전수 또는 기준 피치각 지령값에 따른 제 1 설정 시간의 대응표를 미리 준비해 두고, 셧다운시의 발전 출력, 풍차 로터의 회전수 또는 기준 피치각 지령값 (15) 에 따라서 설정해도 된다.
이와 같이, 독립 피치각 게인 (16) 의 감소 개시 타이밍이나 감소 레이트를 풍력 발전 장치의 발전 출력, 풍차 로터의 회전수 또는 기준 피치각 지령값에 기초하여 설정함으로써, 풍황, 운전 상황, 장치 규모, 또는 경보 등에서 기인하는 종류별 등등, 다양한 시츄에이션에도 유연하게 대응하여 셧다운 제어를 실시할 수 있다.
〔제 2 변형예〕
또한, 이상 설명한 실시형태 및 제 1 변형예에 있어서는, 셧다운을 실시할 때, 독립 피치각 게인 생성부 (14) 에 의해 독립 피치각 게인 (16) 을 1 차의 감소 함수에 기초하여 서서히 감소시켰으나, n 차의 감소 함수 (예를 들어 2 차 감소 함수) 또는 이들의 조합에 기초하여 독립 피치각 게인을 조정하도록 해도 된다.
도 17 에, 본 변형예의 독립 피치각 게인 (16) 의 시간적 추이 (G2) 를 예시한다. 도 17 의 G2 에서는, 독립 피치각 게인 (16) 이 1 에서 0.5 까지의 사이를 타원 함수에 기초하고, 독립 피치각 게인이 0.5 에서 0 까지의 사이를 역함수에 기초하여, 서서히 감소시키는 예를 나타내고 있다.
이와 같이, 독립 피치각 게인 (16) 의 감소 레이트를 시간 추이에 따라 가변 설정 가능하게 함으로써, 풍황, 운전 상황, 장치 규모, 또는 경보 등에서 기인하는 종류별 등등, 다양한 시츄에이션에도 유연하게 대응하여 셧다운 제어를 실시할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시형태 및 그 변형예에 관해서 도면을 참조하여 상세히 서술하였지만, 본 발명은 이들 실시형태 및 그 변형예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위의 설계 변경 등이 있어도 본 발명에 포함된다. 예를 들어, 풍차 블레이드의 장수는 3 장에 한정되는 것이 아니라, 2 장 또는 4 장 이상이어도 된다.
1, 2, 3 … 풍차 블레이드
4 … 타워
11 … 기준 피치각 제어부 (기준 피치각 생성 수단)
l2 … 독립 피치각 제어부
13 … 독립 피치각 생성부 (독립 피치각 생성 수단)
14 … 독립 피치각 게인 생성부 (독립 피치각 게인 생성 수단)
20 … 감산기
21, 22, 23 … 승산기 (승산 수단)
24, 25, 26 … 가산기 (가산 수단)
31 … 제 1 날개 피치 액츄에이터
32 … 제 2 날개 피치 액츄에이터
33 … 제 3 날개 피치 액츄에이터
4 … 타워
11 … 기준 피치각 제어부 (기준 피치각 생성 수단)
l2 … 독립 피치각 제어부
13 … 독립 피치각 생성부 (독립 피치각 생성 수단)
14 … 독립 피치각 게인 생성부 (독립 피치각 게인 생성 수단)
20 … 감산기
21, 22, 23 … 승산기 (승산 수단)
24, 25, 26 … 가산기 (가산 수단)
31 … 제 1 날개 피치 액츄에이터
32 … 제 2 날개 피치 액츄에이터
33 … 제 3 날개 피치 액츄에이터
Claims (8)
- 복수 장의 풍차 블레이드의 날개 피치각에 공통인 기준 피치각 지령값을 생성하는 기준 피치각 생성 수단과,
각 풍차 블레이드에 고유한 독립 피치각 지령값을 생성하는 독립 피치각 생성 수단과,
상기 독립 피치각 생성 수단의 각 독립 피치각 지령값에 각각 독립 피치각 게인을 곱하는 승산 수단과,
셧다운을 실시할 때에, 상기 셧다운 전의 소정 독립 피치각 게인이 제 1 설정 시간 후에 제로가 되도록 상기 독립 피치각 게인을 조정하는 독립 피치각 게인 생성 수단과,
상기 승산 수단에 의한 승산 결과에 각각 상기 기준 피치각 지령값을 가산하여, 각 풍차 블레이드에 고유한 피치 액츄에이터에 각각 공급하는 가산 수단을 갖는, 풍력 발전 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 독립 피치각 게인 생성 수단은, n 차의 감소 함수 또는 이들의 조합에 기초하여 상기 독립 피치각 게인을 조정하는, 풍력 발전 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 독립 피치각 게인 생성 수단은, 상기 셧다운 전의 소정 독립 피치각 게인을 셧다운 개시로부터 상기 제 1 설정 시간보다 작은 제 2 설정 시간까지의 사이에, 유지하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치. - 제 3 항에 있어서,
상기 제 1 설정 시간 또는 상기 제 2 설정 시간은, 당해 풍력 발전 장치의 발전 출력, 풍차 로터의 회전수 또는 상기 기준 피치각 지령값에 기초하여 설정되는, 풍력 발전 장치. - 복수 장의 풍차 블레이드의 날개 피치각에 공통인 기준 피치각 지령값을 생성하는 기준 피치각 생성 단계와,
각 풍차 블레이드에 고유한 독립 피치각 지령값을 생성하는 독립 피치각 생성 단계와,
상기 독립 피치각 생성 수단의 각 독립 피치각 지령값에 각각 독립 피치각 게인을 곱하는 승산 단계와,
셧다운을 실시할 때에, 상기 셧다운 전의 소정 독립 피치각 게인이 제 1 설정 시간 후에 제로가 되도록 상기 독립 피치각 게인을 조정하는 독립 피치각 게인 생성 단계와,
상기 승산 단계에 의한 승산 결과에 각각 상기 기준 피치각 지령값을 가산하여, 각 풍차 블레이드에 고유한 피치 액츄에이터에 각각 공급하는 가산 단계를 갖는, 풍력 발전 장치의 날개 피치각 제어 방법. - 제 5 항에 있어서,
상기 독립 피치각 게인 생성 단계는, n 차의 감소 함수 또는 이들의 조합에 기초하여 상기 독립 피치각 게인을 조정하는, 풍력 발전 장치의 날개 피치각 제어 방법. - 제 5 항에 있어서,
상기 독립 피치각 게인 생성 단계는, 상기 셧다운 전의 소정 독립 피치각 게인을 셧다운 개시로부터 상기 제 1 설정 시간보다 작은 제 2 설정 시간까지의 사이에, 유지하는, 풍력 발전 장치의 날개 피치각 제어 방법. - 제 7 항에 있어서,
상기 제 1 설정 시간 또는 상기 제 2 설정 시간은, 당해 풍력 발전 장치의 발전 출력, 풍차 로터의 회전수 또는 상기 기준 피치각 지령값에 기초하여 설정되는, 풍력 발전 장치의 날개 피치각 제어 방법.
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