KR101206665B1 - 블레이드 피치 제어 장치, 풍력 발전 장치, 및 블레이드 피치 제어 방법 - Google Patents

블레이드 피치 제어 장치, 풍력 발전 장치, 및 블레이드 피치 제어 방법 Download PDF

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Abstract

유압 실린더(48)는 풍력 발전 장치의 블레이드(20)에 연결되어, 구동하는 것에 의해 블레이드(20)의 피치각을 변화시키고, 가변 토출량형의 유압 펌프(44)는 유압 실린더(48)에 작동유를 공급하고, 토출 압력이 부하 압력에 추종하지 않는다. 압력 제어 밸브는, 유압 펌프(44)의 토출 압력이 설정 압력으로 된 경우에, 유압 펌프(44)의 토출량을 변화시키고, 유압 펌프(44)의 토출 압력을 컷오프 압력 미만의 압력으로 하기 위해서 개방 상태로 된다. 그리고, 설정 제어부(60)는 상기 압력이 유압 실린더(48)에 의해 피치각을 소정의 각도로 변화시키는데 필요 최저한인 압력으로 되도록, 상기 설정 압력을 유압 실린더(48)가 필요로 하는 유압에 기초해서 설정하므로, 유압 펌프(44)의 토출 압력과 부하 압력과의 차압을 감소시킬 수 있고, 또한 소비 전력의 저감을 도모할 수 있다.

Description

블레이드 피치 제어 장치, 풍력 발전 장치, 및 블레이드 피치 제어 방법{BLADE PITCH CONTROL DEVICE, WIND POWER GENERATOR, AND BLADE PITCH CONTROL METHOD}
본 발명은 블레이드 피치 제어 장치, 풍력 발전 장치, 및 블레이드 피치 제어 방법에 관한 것이다.
복수의 블레이드가 회동 가능하게 연결되어 있는 로터의 회전에 의해 발전하는 풍력 발전 장치는, 특허문헌 1에 기재와 같이, 블레이드를 구동시키기 위한 유압 실린더가 마련되어 있다. 그리고, 유압 실린더가 구동하는 것에 의해 각 블레이드가 로터에 대하여 회동하고, 블레이드의 피치가 변경되도록 되어 있다.
그리고, 유압 실린더에 작동유를 공급하는 유압 펌프로서, 가변 토출량형의 유압 펌프(예를 들면, 경사판식의 유압 펌프인 액시얼 피스톤 펌프)가 이용되는 경우가 있다. 이 유압 펌프는 토출 유량이 부하 유량에 펌프의 설정 범위내에서 추종한다고 하는 이점이 있다.
일본 공개 특허 제 2002-303255 호 공보
그러나, 상기 유압 펌프는 토출 유량이 부하 유량에 추종하는 한편, 토출 압력이 부하 압력에 추종하지 않기 때문에, 토출 압력과 부하 압력과의 차압이 손실 에너지로 되고, 주로 열 에너지로서 잃어버리고, 작동유의 온도를 상승시킨다.
그 때문에, 펌프를 구동시키기 위한 전동기의 출력이 상기 차압분만큼 과대로 되고, 또한 작동유의 온도를 적정 온도로 하기 위한 오일 쿨러를 비롯한 냉각 기능도 차압에 의한 온도 상승에 따라서 필요하게 된다.
본 발명은, 이러한 사정을 감안해서 이뤄진 것으로, 토출 압력이 부하 압력에 추종하지 않는 가변 토출량형의 유압 펌프를, 블레이드의 피치각을 변경시키기 위한 유압 실린더로의 작동유의 공급에 이용하였다고 해도, 상기 유압 펌프의 토출 압력과 부하 압력과의 차압을 감소시킬 수 있는 블레이드 피치 제어 장치, 풍력 발전 장치, 및 블레이드 피치 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 블레이드 피치 제어 장치, 풍력 발전 장치, 및 블레이드 피치 제어 방법은 이하의 수단을 채용한다.
즉, 본 발명에 관한 블레이드 피치 제어 장치는, 복수의 블레이드가 회동 가능하게 연결되어 있는 로터의 회전에 의해 발전하는 풍력 발전 장치의 블레이드 피치 제어 장치에 있어서, 상기 블레이드에 연결되어, 구동하는 것에 의해 상기 블레이드의 피치각을 변화시키는 유압 실린더와, 상기 유압 실린더에 작동유를 공급하고, 토출 압력이 부하 압력에 추종하지 않고, 또한 미리 정해진 제 1 압력 이상에서는 작동유를 토출하지 않는 가변 토출량형의 유압 펌프와, 상기 유압 펌프의 토출 압력이 설정 압력으로 된 경우에, 상기 유압 펌프의 토출량을 변화시키고, 상기 유압 펌프의 토출 압력을 상기 제 1 압력 미만의 제 2 압력으로 하기 위해서 개방 상태로 되는 밸브와, 상기 제 2 압력이 상기 유압 실린더에 의해 상기 피치각을 소정의 각도로 변화시키는 압력으로 되도록, 상기 설정 압력을, 상기 유압 실린더가 필요로 하는 유압에 기초해서 설정하는 토출 압력 설정 수단을 구비한다.
본 발명에 의하면, 유압 실린더는, 풍력 발전 장치의 블레이드에 연결되어, 구동하는 것에 의해 블레이드의 피치각을 변화시키고, 가변 토출량형의 유압 펌프는, 예를 들면 경사판식의 유압 펌프(액시얼 피스톤 펌프)나 레디얼 피스톤 펌프이며, 유압 실린더에 작동유를 공급하고, 토출 압력이 부하 압력에 추종하지 않고, 또한 미리 정해진 제 1 압력 이상에서는 작동유를 토출하지 않는다.
밸브는 유압 펌프의 토출 압력이 설정 압력으로 된 경우에 개방 상태로 되는 것에 의해, 유압 펌프의 토출량을 변화시키고, 유압 펌프의 토출 압력을 제 1 압력 미만의 제 2 압력으로 한다.
그리고, 토출 압력 설정 수단에 의해, 제 2 압력이 유압 실린더에 의해 피치각을 소정의 각도로 변화시키는 압력으로 되도록, 밸브를 개방 상태로 하는 설정 압력이 유압 실린더가 필요로 하는 유압에 기초해서 설정된다.
따라서, 유압 펌프의 토출 압력이 유압 실린더를 구동시키기 위해서 필요 최저한의 압력으로 되므로, 가변 토출량형의 유압 펌프를 블레이드의 피치각을 변경시키기 위한 유압 실린더로의 작동유의 공급에 이용했다고 해도, 유압 펌프의 토출 압력과 부하 압력과의 차압을 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 블레이드 피치 제어 장치는, 상기 유압 실린더는 복수 구비하고, 상기 토출 압력 설정 수단은, 상기 설정 압력을, 복수의 상기 유압 실린더가 필요로 하는 유압중 가장 높은 유압에 기초해서 상기 설정 압력을 설정해도 좋다.
본 발명에 따르면, 유압 실린더가 필요로 하는 유압이, 각 유압 실린더마다에 상이하게 되어도, 토출 압력 설정 수단에 의해, 밸브가 개방 상태로 되는 설정 압력이 가장 높은 유압에 기초해서 설정된다. 따라서, 풍력 발전 장치의 블레이드의 피치각이 각각 독립해서 제어되어 있어도, 유압 펌프 토출 압력과 부하 압력과의 차압을 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 블레이드 피치 제어 장치는, 상기 유압 실린더가 발생시키는 물리량을 측정하는 측정 수단을 더 구비하고, 상기 토출 압력 설정 수단은, 상기 측정 수단으로 의해 측정된 상기 물리량을 이용해서 상기 유압 실린더가 필요로 하는 유압을 도출하고, 상기 설정 압력을 상기 도출한 유압에 기초해서 설정해도 좋다.
본 발명에 따르면, 토출 압력 설정 수단에 의해, 측정 수단으로 측정된 물리량을 이용해서 유압 실린더가 필요로 하는 유압이 도출되고, 밸브가 개방 상태로 되는 설정 압력이 상기 도출된 유압에 기초해서 설정되므로, 보다 간단하게 유압 실린더가 필요로 하는 유압을 상시 도출하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명의 블레이드 피치 제어 장치는, 상기 토출 압력 설정 수단은, 상기 풍력 발전 장치가 갖는 정보를 이용해서 상기 유압 실린더가 필요로 하는 유압을 도출하고, 상기 설정 압력을 상기 도출한 유압에 기초해서 설정해도 좋다.
본 발명에 의하면, 토출 압력 설정 수단에 의해, 풍력 발전 장치가 갖는 정보를 이용해서 유압 실린더가 필요로 하는 유압이 도출되고, 밸브가 개방 상태로 되는 설정 압력이 상기 도출된 유압에 기초해서 설정되므로, 간단한 구성으로 유압 실린더가 필요로 하는 유압을 상시 도출하는 것이 가능하다.
또한, 상기 풍력 발전 장치가 갖는 정보를 상기 풍력 발전 장치가 갖는 발전기 출력, 상기 블레이드의 피치각, 상기 블레이드의 애지머스각, 및 상기 로터의 회전수중 적어도 하나로 해도 좋다.
본 발명에 의하면, 즉 기하학적으로 변환되는 실린더 추력을 이용해서 유압 실린더가 필요로 하는 유압을 도출하므로, 보다 간단하게 유압 실린더가 필요로 하는 유압을 도출하는 것이 가능하다.
한편, 본 발명에 관한 풍력 발전 장치는, 복수의 블레이드를 갖는 로터와, 상기 로터가 갖는 복수의 블레이드의 피치각을 변화시키기 위한 상기 기재의 블레이드 피치 제어 장치를 구비한다.
본 발명에 의하면, 상기 기재의 블레이드 피치 제어 장치를 구비하기 때문에, 유압 펌프의 토출 압력을 유압 실린더를 구동시키기 위해서 필요 최저한인 압력으로 하는 것이 가능하게 되므로, 유압 펌프의 토출 압력과 부하 압력과의 차압을 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 관한 블레이드 피치 제어 방법은, 블레이드에 연결되어, 구동하는 것에 의해 상기 블레이드의 피치각을 변화시키는 유압 실린더와, 상기 유압 실린더에 작동유를 공급하고, 토출 압력이 부하 압력에 추종하지 않고, 또한 미리 정해진 제 1 압력 이상에서는 작동유를 토출하지 않는 가변 토출량형의 유압 펌프를 구비한 풍력 발전 장치의 블레이드 피치 제어 방법에 있어서, 상기 유압 펌프의 토출 압력이 설정 압력으로 된 경우에, 상기 유압 펌프의 토출량을 변화시키고, 상기 유압 펌프의 토출 압력을 상기 제 1 압력 미만의 제 2 압력으로 하기 위해서 개방 상태로 되는 밸브에 의해, 상기 제 2 압력이 상기 유압 실린더에 의해 상기 피치각을 소정의 각도로 변화시키는 압력으로 되도록, 상기 설정 압력을 상기 유압 실린더가 필요로 하는 유압에 기초해서 설정하는 공정을 포함한다.
본 발명에 의하면, 유압 펌프의 토출 압력이 유압 실린더를 구동시키기 위해서 필요 최저한의 압력으로 되므로, 유압 펌프의 토출 압력과 부하 압력과의 차압을 감소시킬 수 있다.
본 발명에 의하면, 토출 압력이 부하 압력에 추종하지 않는 가변 토출량형의 유압 펌프를 블레이드의 피치각을 변경시키기 위한 유압 실린더에의 작동유의 공급에 이용했다고 해도, 상기 유압 펌프의 토출 압력과 부하 압력과의 차압을 감소시킬 수 있다고 하는 우수한 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 관한 풍력 발전 장치의 외관도,
도 2는 본 발명의 제 1 실시형태에 관한 블레이드의 피치각을 제어하기 위한 블레이드 피치 제어 장치의 구성을 도시하는 블록도,
도 3은 액시얼 피스톤 펌프의 손실 에너지의 설명에 필요로 하는 도면으로서, (A)는 액시얼 피스톤 펌프를 채용한 유압 회로의 일 예를 나타내고, (B)는 액시얼 피스톤 펌프의 토출 압력과 토출 유량과의 관계의 일 예를 나타내는 그래프,
도 4는 본 발명의 제 1 실시형태에 관한 유압 펌프의 유압 회로도,
도 5는 본 발명의 제 1 실시형태에 관한 토출 압력 제어 프로그램의 처리의 흐름을 도시하는 플로우 챠트,
도 6은 본 발명의 제 1 실시형태에 관한 압력 제어 밸브 설정 처리의 효과를 나타내는 도면,
도 7은 본 발명의 제 2 실시형태에 관한 블레이드의 피치각을 제어하기 위한 블레이드 피치 제어 장치의 구성을 도시하는 블록도,
도 8은 본 발명의 제 2 실시형태에 관한 토출 압력 제어 프로그램의 처리의 흐름을 도시하는 플로우 챠트.
이하에, 본 발명에 관한 블레이드 피치 제어 장치, 풍력 발전 장치, 및 블레이드 피치 제어 방법의 일 실시형태에 대해서 도면을 참조해서 설명한다.
[제 1 실시형태]
이하, 본 발명의 제 1 실시형태에 대해서 설명한다.
도 1은 본 제 1 실시형태에 관한 풍력 발전 장치(10)의 외관도이다.
도 1에 도시하는 풍력 발전 장치(10)는 기초(12)상에 입설된 지주(14)와, 지주(14)의 상단에 설치되는 나르셀(16)과, 대략 수평한 축선 주위에 회전 가능하게 해서 나르셀(16)에 마련되는 로터(18)를 갖고 있다.
로터(18)에는, 그 회전축선 주위에 방사상으로 해서 복수개(본 제 1 실시형태에서는 3개)의 풍차 회전익(이하, 간단히 "블레이드(20)"라고 한다)이 로터(18)에 장착되어 있다. 이것에 의해, 로터(18)의 회전축선 방향으로부터 블레이드(20)에 접촉하는 바람의 힘이 로터(18)를 회전축선 주위로 회전시키는 동력으로 변환되고, 이 동력이 발전기(도시하지 않음)에 의해 전력으로 변환되게 되어 있다. 또한, 블레이드(20)는 풍향에 대해서 회동 가능하게 로터(18)에 연결되어 있고, 블레이드(20)의 피치각이 제어 가능하게 되어 있다.
이러한 풍력 발전 장치(10)는, 예를 들면 블레이드(20)의 피치각을 개별로 제어하는 블레이드 피치 제어 장치(40)(도 2 참조)에 유압이 이용되고 있다. 또한, 블레이드(20)와 일체로 회전하는 주축을 지지하는 베어링이나, 블레이드(20) 및 주축의 회전수를 증속하는 증속기 등의 회전·미끄럼이동부에 대하여, 윤활유를 공급해서 윤활하는 윤활 장치가 마련되어 있다.
도 2는 제 1 실시형태에 관한 블레이드(20)의 피치각을 제어하기 위한 블레이드 피치 제어 장치(40)의 구성을 도시하는 블록도이다.
블레이드 피치 제어 장치(40)는 오일 탱크(42), 유압 펌프(44), 전자 비례 방향 유량 제어 밸브(46A, 46B, 46C), 및 유압 실린더(48A, 48B, 48C)를 구비하고 있고, 각각 유압 배관(50)에 의해 접속되어 있다. 또한, 전자 비례 방향 유량 제어 밸브(46A, 46B, 46C), 및 유압 실린더(48A, 48B, 48C)는 각각 블레이드(20)마다에 대응해서 구비되어 있다. 이하의 설명에 있어서, 각 전자 비례 방향 유량 제어 밸브를 구별하는 경우는 부호의 말미에 A~C중 어느 하나가 첨부되고, 각 전자 비례 방향 유량 제어 밸브를 구별하지 않는 경우는 A~C를 생략한다. 또한, 각 유압 실린더를 구별하는 경우는 부호의 말미에 A~C중 어느 하나가 첨부되고, 각 유압 실린더를 구별하지 않는 경우는 A~C를 생략한다.
오일 탱크(42)에는 작동유가 저장되어 있고, 이 작동유는 유압 펌프(44)에 의해 흡인 및 승압되고, 유압 배관(50)을 통해서 회전 조인트(52) 및 분배 블록(54)을 통해서, 각 블레이드(20)마다에 마련된 전자 비례 방향 유량 제어 밸브(46) 및 유압 실린더(48)에 공급된다.
전자 비례 방향 유량 제어 밸브(46)에는, 풍력 발전 장치(10)의 전체의 제어를 담당하는 주 제어부(56)로부터 송신되는, 블레이드(20)의 피치각의 설정값을 도시하는 피치각 지령값이 송신된다. 그리고, 전자 비례 방향 유량 제어 밸브(46)는 수신한 피치각 지령값에 따른 스풀 위치 지령값에 기초해서, 블레이드(20)의 피치각을 변화시키는 방향에 따라서 유압 유로를 전환하는 동시에, 유압 실린더(48)에 공급하는 작동유의 유량을 제어한다.
유압 실린더(48)는, 블레이드(20)에 연결되어, 구동하는 것에 의해 블레이드(20)의 피치각을 변화시키는 것이다. 유압 실린더(48)에 공급된 작동유는 전자 비례 방향 유량 제어 밸브(46)가 설정한 유압 유로 및 유량에 따라서 피스톤을 좌우 어느 한쪽으로 압압한다. 그 결과, 유압 실린더(48)의 피스톤 로드에 연결된 블레이드(20)는 피스톤의 이동 방향에 따라서 회동하고, 소망의 피치각으로 제어된다.
회전 조인트(52)는 나르셀(16)(고정부)측의 유압 배관(50)과 로터(18)(회전부)측의 유압 배관(50)을 연결하고, 분배 블록(54)은 각 전자 비례 방향 유량 제어 밸브(46)에 작동유를 분배한다.
또한, 본 제 1 실시형태에 관한 유압 실린더(48)는 각각 유압 실린더(48)가 발생시키는 물리량을 측정하는 측정부(58)를 구비하고 있다. 또한, 본 제 1 실시형태에 관한 측정부(58)는 상기 물리량으로서 유압 실린더(48)의 추력을 측정한다.
여기에서, 본 제 1 실시형태에 관한 유압 펌프(44)는 토출 유량은 부하 유량에 추종하는 것으로, 토출 압력이 부하 압력에 추종하지 않고, 또한 미리 정해진 컷오프(cutoff) 압력 이상에서는 작동유를 토출하지 않는 가변 토출량형의 유압 펌프(본 제 1 실시형태에서는 일 예로서 경사판식의 유압 펌프(소위 액시얼 피스톤 펌프))이다.
도 3의 (A)는 종래의 액시얼 피스톤 펌프(70)를 이용한 유압 회로의 일 예를 나타내고, 도 3의 (B)는 액시얼 피스톤 펌프(70)의 토출 압력과 토출 유량과의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 3의 (A)에 도시하는 바와 같이, 전동기(72)에 의해 구동되는 액시얼 피스톤 펌프(70)로부터의 토출 유량을 Qin이라 하고, 토출 압력을 Pin이라고 한다. 한편, 스로틀 밸브(74)를 거쳐서 접속되어 있는 유압 모터(부하)(76)의 부하 유량을 Qout로 하고, 부하 압력을 Pout라고 한다. 그리고, 도 3의 (B)의 실선이 액시얼 피스톤 펌프(70)에 있어서 미리 설정된 토출 압력과 토출 유량과의 관계를 도시하는 유압-유량 커브이며, 마력(토출 압력과 토출 유량과의 곱(積))이 일정으로 되도록, 마력 제어가 되고 있는 경우이다. 이 경우, 식 (1)에 나타내는 바와 같이, 토출 압력(Pin[MPa])과 부하 압력(Pout[MPa])과의 차압(ΔP)과 토출 유량(Qin[L/min])과의 곱(積)이 손실 에너지(ΔL)에 상당한다.
[식 1]
Figure 112011023978904-pct00001
한편, 일점쇄선이 마력 제어가 되지 않는 경우이며, 이 경우 컷오프 압력(Pcutoff[MPa])과 부하 압력(Pout[MPa])과의 차압과 토출 유량(Qin[L/min])과의 곱(積)이 손실 에너지에 상당한다.
[식 2]
Figure 112011023978904-pct00002
여기에서, 종래에 상기 손실 에너지는 전자 비례 방향 유량 제어 밸브에 의한 조임에 의해 소비되고, 주로 열 에너지로서 소비되고, 작동유의 온도가 상승한다. 이 때문에, 액시얼 피스톤 펌프(70)를 구동시키기 위한 전동기(72)의 출력이 상기 차압분만큼 과대로 될 뿐만 아니라, 작동유의 온도를 적정으로 유지하기 위한 오일 쿨러를 필요로 하고 있었다.
여기에서, 본 제 1 실시형태에 관한 유압 펌프(44)에는, 유압 펌프(44)의 토출 압력이 설정 압력으로 된 경우에, 유압 펌프(44)의 토출량을 변화(유압 펌프(44)의 경사판의 경전량(傾轉量)을 변화)시키는 것에 의해, 유압 펌프(44)의 토출 압력을 컷오프 압력 미만의 압력으로 하기 위해서 개방 상태로 되는 압력 제어 밸브(80)(도 4 참조)가 마련되어 있다.
도 4는 본 제 1 실시형태에 관한 유압 펌프(44)의 유압 회로도의 일 예(마력 제어가 없는 유압 펌프)이다. 도 4에 도시하는 바와 같이, 경사판(82)을 갖는 유압 펌프(44)는, 경사판(82)에 연결된 서보 피스톤(84)의 양단의 압력실(대경실(86A) 및 소경실(86B))내의 압력을 컷오프 스풀(88)과 차압 스풀(90)에 의해 제어하는 것에 의해, 펌프 토출 유량을 변화시킨다. 또한, 차압 스풀(90)의 도 4의 좌측에는, 스프링력 및 작동유의 토출 압력이 작동하는 한편, 우측에는 작동유의 토출 압력이 작동하고 있다. 그리고, 차압 스풀(90)의 도 4의 좌측에는, 유압 배관 또는 매니폴드를 거쳐서 압력 제어 밸브(80)가 접속되어 있다.
유압 펌프(44)의 토출 압력이 압력 제어 밸브(80)가 개방 상태로 되는 설정 압력보다도 낮을 경우에는, 종래 공지의 액시얼 피스톤 펌프와 마찬가지의 동작을 하기 때문에 설명을 생략하지만, 유압 펌프(44)의 토출 압력이 상기 설정 압력에 도달한 경우에는 이하와 같은 동작을 행하기 때문에, 유압 펌프(44)의 토출 압력은 상기 설정 압력에 따른 컷오프 압력 이하의 압력에 제어된다. 또한, 유압 펌프(44)의 토출 압력이 압력 제어 밸브(80)가 개방 상태로 되는 설정 압력보다도 낮을 경우는, 차압 스풀(90)은 차압 스풀(90)에 작용하는 스프링력에 의해 도 4의 우측으로 위치되어 있다.
유압 펌프(44)의 토출 압력이 압력 제어 밸브(80)가 개방 상태로 되는 설정 압력에 도달한 경우, 압력 제어 밸브(80)가 개방되고, 스로틀(92)에 의해 차압 스풀(90)의 좌우로 압력차가 발생한다. 이 압력차가 차압 스풀(90)에 작용하는 스프링력보다도 크게 된 경우에, 차압 스풀이 도 4의 좌측으로 이동한다.
이것에 의해, 토출 압력은 서보 피스톤(84)의 대경실(86A)로 유도되고, 서보 피스톤(84)은 경사판(82)의 경전량을 감소시킨다. 이 때문에, 유압 펌프(44)의 유량이 감소한다.
한편, 오리피스(92)를 통과하는 유량이 감소하면, 스로틀(92)에 의해 발생하는 압력차가 작게 되기 때문에, 차압 스풀(90)은 다시 우측으로 돌아오고, 서보 피스톤(84)은 경사판(82)의 경전량을 증가시킨다.
이 동작을 반복하는 것에 의해, 본 제 1 실시형태에 관한 유압 펌프(44)의 토출 압력은 컷오프 압력 이하의 압력(압력 제어 밸브(80)와 차압 스풀(90)의 설정 압력과의 합계의 압력)으로 제어된다.
또한, 유압 펌프(44)의 토출 압력의 최대값인 컷오프 압력은 컷오프 스풀(88)에 의해 결정되기 때문에, 컷오프 압력의 크기는 변화되지 않는다.
그리고, 본 제 1 실시형태에 관한 블레이드 피치 제어 장치(40)는 유압 펌프(44)의 토출 압력이 유압 실린더(48)에 의해 블레이드(20)의 피치각을 소정의 각도로 변화시키는 압력이 되도록, 압력 제어 밸브(80)가 개방 상태로 되는 설정 압력을, 유압 실린더(48)가 필요로 하는 유압에 기초해서 설정하는 설정 제어부(60)(도 2 참조)를 구비하고 있다. 즉, 설정 제어부(60)에 의해, 토출 압력(Pin)과 부하 압력(Pout)과의 차압(ΔP)이 작게 되도록, 압력 제어 밸브(80)가 개방 상태로 되는 압력이 설정되는 처리(이하, "압력 제어 밸브 설정 처리"라고 한다)가 행해진다. 상기 소정의 각도는 피치각 지령값에 기초하는 피치각이다. 또한, 유압 실린더(48)가 필요로 하는 유압을 이하의 설명에 있어서 "필요 압력"이라고 한다.
또한, 본 제 1 실시형태에 관한 설정 제어부(60)에는, 측정부(58)에서 측정된 유압 실린더(48)의 추력을 나타내는 추력값이 연속해서 송신된다. 그리고, 설정 제어부(60)는 상기 추력값을 이용해서 유압 실린더(48)의 필요 압력을 도출하고, 압력 제어 밸브(80)가 개방 상태로 되는 설정 압력을 상기 도출한 필요 압력에 기초해서 설정한다.
도 5는 압력 제어 밸브 설정 처리를 행할 경우에, 설정 제어부(60)에 의해 실행되는 압력 제어 밸브 설정 프로그램의 처리의 흐름을 도시하는 플로우 챠트이며, 압력 제어 밸브 설정 프로그램은 설정 제어부(60)가 구비하는 도시하지 않은 기억 장치(반도체 기억 장치 또는 자기 기억 장치)의 소정 영역에 미리 기억되어 있다. 또한, 본 프로그램은 풍력 발전 장치(10)의 동작이 개시되는 동시에 개시된다.
우선, 스텝 100에서는, 주 제어부(56)로부터 송신되는 피치각 지령값과 실제의 피치각(실제각)과의 편차를 산출하고, 계측된 유압 실린더(48)의 추력값과 상기 편차를 비롯한 피치 제어 프로그램내의 연산에 근거하여, 각 유압 실린더(48)마다에 필요한 추력(이하, "필요 추력"이라고 한다)을 산출한다.
다음의 스텝 102에서는, 스텝 100에서 산출한 각 유압 실린더(48)마다의 필요 추력으로부터, 각 유압 실린더(48)의 필요 압력을 산출한다. 또한, 이하의 설명에 있어서, 유압 실린더(48A)의 필요 압력을 PA라고 하고, 유압 실린더(48B)의 필요 압력을 PB라고 하고, 유압 실린더(48C)의 필요 압력을 PC라고 한다.
다음의 스텝 104에서는, 스텝 102에 산출한 필요 압력(PA, PB, PC)중 가장 높을 필요 압력에 기초해서, 압력 제어 밸브(80)의 설정 압력을 설정한다. 구체적으로는, 압력 제어 밸브(80)의 설정 압력은, 예를 들면 가장 높을 필요 압력에 유압 펌프(44)로부터 유압 실린더(48)까지의 압손을 가미한 압력이 유압 펌프(44)의 토출 압력으로 되도록 설정된다. 그리고, 본 프로그램은 풍력 발전 장치(10)의 동작이 정지될 때까지 반복된다.
도 6은 압력 제어 밸브 설정 처리의 효과의 일 예를 도시하는 도면이다.
압력 제어 밸브(80)가 마련되지 않은 종래의 유압 펌프에서는, 토출 압력과 각 필요 압력(PA, PB, PC)과의 차압(ΔPA'，ΔPB'，ΔPC')이 손실 에너지에 상당한다.
한편, 본 제 1 실시형태에서는, 유압 펌프(44)가 필요 압력(PA, PB, PC)중 최대값인 필요 압력(PA)과 동등의 토출 압력에서 작동유를 토출하도록, 압력 제어 밸브(80)가 개방 상태로 되는 설정 압력이 설정된다. 그 때문에, 본 제 1 실시형태에 관한 블레이드 피치 제어 장치(40)에서는, 토출 압력과 필요 압력(PA)은 거의 동등으로 되고, 유압 펌프(44)의 토출 압력이 유압 실린더(48)를 구동시키기 위해서 필요 최저한의 압력으로 되므로, 토출 압력과 필요 압력(PA)과의 차압은 무시할 수 있을 만큼 작아진다. 그리고, 토출 압력과 필요 압력(PB)과의 차압[ΔPB(ΔPB <ΔPB')], 토출 압력과 필요 압력(PC)과의 차압[ΔPC(ΔPC <ΔPC')]이 손실 에너지에 상당하기 때문에, 종래에 비교해서 손실 에너지가 저감된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 제 1 실시형태에 관한 블레이드 피치 제어 장치(40)는 유압 펌프(44)의 토출 압력이 설정 압력으로 된 경우에 개방 상태로 되는 것에 의해, 유압 펌프(44)가 갖는 경사판(82)의 경전량을 변화시키고, 유압 펌프(44)의 토출 압력을 컷오프 압력 미만의 압력으로 하는 압력 제어 밸브(80)를 구비한다. 그리고, 블레이드 피치 제어 장치(40)가 구비하는 설정 제어부(60)는, 유압 펌프(44)의 토출 압력이 유압 실린더(48)에 의해 피치각을 소정의 각도로 변화시키는 압력으로 되도록, 상기 설정 압력을 유압 실린더(48)의 필요 압력에 기초해서 설정한다.
따라서, 유압 펌프(44)의 토출 압력이 유압 실린더(48)를 구동시키기 위한 압력과 거의 동등으로 되고, 유압 펌프(44)의 토출 압력이 유압 실린더(48)를 구동시키기 위해서 필요 최저한의 압력이 되므로, 가변 토출량형의 유압 펌프(44)를 블레이드(20)의 피치각을 변경시키기 위한 유압 실린더(48)로의 작동유의 공급에 이용했다고 해도, 유압 펌프(44)의 토출 압력과 부하 압력과의 차압을 감소시킬 수 있다. 또한, 본 제 1 실시형태에 관한 블레이드 피치 제어 장치(40)는 유압 실린더(48)를 구동시키기 위한 압력을 필요 최저한의 압력으로 할 수 있기 때문에, 종래에 비교해서 소비 전력의 저감을 도모할 수 있다.
또한, 유압 실린더(48)의 필요 압력이 각 유압 실린더(48)마다에 상이해도, 설정 제어부(60)가 압력 제어 밸브(80)가 개방 상태로 되는 설정 압력을 가장 높은 필요 압력에 기초해서 설정한다. 따라서, 본 제 1 실시형태에 관한 피치 제어부(40)는, 블레이드(20)의 피치각이 각각 독립해서 제어되어 있어도, 유압 펌프(44)의 토출 압력과 부하 압력과의 차압을 감소시킬 수 있다.
또한, 설정 제어부(60)는 측정부(58)에서 측정된 유압 실린더(48)의 추력을 이용해서 유압 실린더(48)의 필요 압력을 도출하고, 압력 제어 밸브(80)가 개방 상태로 되는 설정 압력을, 상기 도출한 압력에 기초해서 설정한다. 따라서, 본 제 1 실시형태에 관한 피치 제어부(40)는 보다 간편하게 유압 실린더(48)의 필요 압력을 상시 도출할 수 있다.
또한, 본 제 1 실시형태에서는, 측정부(58)가 유압 실린더(48)의 추력을 측정하고, 측정한 추력을 이용해서 유압 실린더(48)마다의 필요 압력을 산출하는 경우에 대해서 설명했지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것이 아니고, 예를 들면 측정부(58)가 유압 실린더(48)의 압력을 측정하고, 측정한 압력을 이용해서 유압 실린더(48)마다의 필요 압력을 산출하는 형태로서도 좋다.
[제 2 실시형태]
이하, 본 발명의 제 2 실시형태에 대해서 설명한다.
도 7은 본 제 2 실시형태에 관한 블레이드 피치 제어 장치(40)의 구성을 도시한다. 또한, 도 7에 있어서의 도 2와 동일한 구성 부분에 대해서는 도 2와 동일한 도면부호를 부여하고, 그 설명을 생략한다. 또한, 본 제 2 실시형태에 관한 유압 펌프(44)의 구성은 도 4에 도시되는 제 1 실시형태에 관한 유압 펌프(44)의 구성과 동일하므로 설명을 생략한다.
본 제 2 실시형태에 관한 각 유압 실린더(48)에는, 제 1 실시형태와는 상이하게, 측정부(58)가 마련되어 있지 않다.
그리고, 본 제 2 실시형태에 관한 설정 제어부(60)(압력 제어 밸브 설정 처리)는 풍력 발전 장치(10)가 갖는 발전기의 출력(이하, "발전기 출력"이라고 한다), 블레이드(20)의 피치각, 블레이드(20)의 애지머스각, 및 로터(18)의 회전수 등의 풍력 발전 장치(10)가 갖는 정보를 이용해서, 유압 실린더(48)의 필요 압력을 추정 도출하고, 압력 제어 밸브(80)가 개방 상태로 되는 설정 압력을 상기 도출한 필요 압력에 기초해서 설정한다.
도 8은, 본 제 2 실시형태에 관한 압력 제어 밸브 설정 처리를 행할 경우에, 설정 제어부(60)에 의해 실행되어 압력 제어 밸브 설정 프로그램의 처리의 흐름을 도시하는 플로우 챠트이며, 압력 제어 밸브 설정 프로그램은 설정 제어부(60)가 구비하는 도시하지 않은 기억 장치(반도체 기억 장치 또는 자기 기억 장치)의 소정 영역에 미리 기억되어 있다. 또한, 본 프로그램은 풍력 발전 장치(10)의 동작이 개시되는 동시에 개시된다.
우선, 스텝 200에서는, 발전기 출력, 피치각, 애지머스각, 및 회전수를 이용해서, 각 블레이드(20)의 익근에 작용하는 추정 회전 토크를 산출한다.
다음의 스텝 202에서는, 피치각 지령값의 시간 변화로부터, 피치각 지령값이 블레이드(20)를 화인(Fine) 방향 또는 페더(Feather) 방향의 어느 한 방향으로 블레이드(20)를 기울게 하는 것인가를 도출한다.
다음의 스텝 204에서는, 스텝 200에서 산출된 회전 토크, 스텝 202에서 도출된 블레이드(20)를 기울게 하는 방향, 및 피치각 지령값과 실제각과의 편차에 기초해서, 각 유압 실린더(48)마다의 필요 추력을 산출한다.
다음의 스텝 206에서는, 스텝 204에서 산출한 각 유압 실린더(48)마다의 필요 추력으로부터, 각 유압 실린더(48)의 필요 압력(PA, PB, PC)을 산출한다.
다음의 스텝 208에서는, 스텝 206에서 산출한 필요 압력(PA, PB, PC)중 가장 높은 필요 압력에 기초해서, 압력 제어 밸브(80)의 설정 압력을 설정하고, 풍력 발전 장치(10)의 동작이 정지될 때까지 본 프로그램을 반복한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 제 2 실시형태에 관한 블레이드 피치 제어 장치(40)는, 풍력 발전 장치(10)가 갖는 정보를 이용해서 유압 실린더(48)의 필요 압력을 도출하고, 압력 제어 밸브(80)가 개방 상태로 되는 설정 압력을 상기 도출한 필요 압력에 기초해서 설정한다. 따라서, 본 제 2 실시형태에 관한 블레이드 피치 제어 장치(40)는 간단한 구성으로 유압 실린더(48)의 필요 압력을 도출할 수 있다.
이상, 본 발명을 상기 각 실시형태를 이용해서 설명했지만, 본 발명의 기술적 범위는 상기 실시형태에 기재의 범위에는 한정되지 않는다. 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 상기 각 실시형태에 다양한 변경 또는 개량이 가해질 수 있고, 상기 변경 또는 개량을 추가한 형태도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.
예를 들면, 상기 각 실시형태에서는, 복수의 블레이드(20)에는, 각각 피치각을 제어하기 위한 복수의 전자 비례 방향 유량 제어 밸브(46) 및 복수의 유압 실린더(48)가 마련되어, 각 블레이드(20)마다에 피치각이 독립해서 제어될 경우에 대해서 설명했지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것이 아니고, 전자 비례 방향 유량 제어 밸브(46) 및 유압 실린더(48)는 하나만 마련되어, 복수의 블레이드(20)의 피치각을 독립시키지 않고 제어하는 형태로서도 좋다.
또한, 상기 각 실시형태에서는, 가변 토출량형의 유압 펌프(44)로서, 경사판식의 유압 펌프(액시얼 피스톤 펌프)를 이용하는 경우에 대해서 설명했지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것이 아니고, 가변 토출량형의 유압 펌프로서 레디얼 피스톤 펌프를 이용하는 형태로서도 좋다.
10 : 풍력 발전 장치 18 : 로터
20 : 블레이드 40 : 블레이드 피치 제어 장치
44 : 유압 펌프 48 : 유압 실린더
58 : 측정부 60 : 설정 제어부
80 : 압력 제어 밸브 82 : 경사판

Claims (7)

  1. 복수의 블레이드가 회동 가능하게 연결되어 있는 로터의 회전에 의해 발전하는 풍력 발전 장치의 블레이드 피치 제어 장치에 있어서,
    상기 블레이드에 연결되어, 구동하는 것에 의해 상기 블레이드의 피치각을 변화시키는 유압 실린더와,
    상기 유압 실린더에 작동유를 공급하고, 토출 압력이 부하 압력에 추종하지 않고, 또한 미리 정해진 제 1 압력 이상에서는 작동유를 토출하지 않는 가변 토출량형의 유압 펌프와,
    상기 유압 펌프의 토출 압력이 설정 압력으로 된 경우에, 상기 유압 펌프의 토출량을 변화시키고, 상기 유압 펌프의 토출 압력을 상기 제 1 압력 미만의 제 2 압력으로 하기 위해서 개방 상태로 되는 밸브와,
    상기 제 2 압력이 상기 유압 실린더에 의해 상기 피치각을 소정의 각도로 변화시키는 압력으로 되도록, 상기 설정 압력을, 상기 유압 실린더가 필요로 하는 유압에 기초해서 설정하는 토출 압력 설정 수단을 구비한
    블레이드 피치 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유압 실린더는 복수 구비하고,
    상기 토출 압력 설정 수단은, 상기 설정 압력을, 복수의 상기 유압 실린더가 필요로 하는 유압중 가장 높은 유압에 기초해서 상기 설정 압력을 설정하는
    블레이드 피치 제어 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 유압 실린더가 발생시키는 물리량을 측정하는 측정 수단을 더 구비하고,
    상기 토출 압력 설정 수단은, 상기 측정 수단으로 의해 측정된 상기 물리량을 이용해서 상기 유압 실린더가 필요로 하는 유압을 도출하고, 상기 설정 압력을 상기 도출한 유압에 기초해서 설정하는
    블레이드 피치 제어 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 토출 압력 설정 수단은, 상기 풍력 발전 장치가 갖는 정보를 이용해서 상기 유압 실린더가 필요로 하는 유압을 도출하고, 상기 설정 압력을 상기 도출한 유압에 기초해서 설정하는
    블레이드 피치 제어 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 풍력 발전 장치가 갖는 정보는 상기 풍력 발전 장치가 갖는 발전기 출력, 상기 블레이드의 피치각, 상기 블레이드의 애지머스각, 및 상기 로터의 회전수중 적어도 하나인
    블레이드 피치 제어 장치.
  6. 복수의 블레이드를 갖는 로터와,
    상기 로터가 갖는 복수의 블레이드의 피치각을 변화시키기 위한 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재의 블레이드 피치 제어 장치를 구비한
    풍력 발전 장치.
  7. 블레이드에 연결되어, 구동하는 것에 의해 상기 블레이드의 피치각을 변화시키는 유압 실린더와, 상기 유압 실린더에 작동유를 공급하고, 토출 압력이 부하 압력에 추종하지 않고, 또한 미리 정해진 제 1 압력 이상에서는 작동유를 토출하지 않는 가변 토출량형의 유압 펌프를 구비한 풍력 발전 장치의 블레이드 피치 제어 방법에 있어서,
    상기 유압 펌프의 토출 압력이 설정 압력으로 된 경우에, 상기 유압 펌프의 토출량을 변화시키고, 상기 유압 펌프의 토출 압력을 상기 제 1 압력 미만의 제 2 압력으로 하기 위해서 개방 상태로 되는 밸브에 의해, 상기 제 2 압력이 상기 유압 실린더에 의해 상기 피치각을 소정의 각도로 변화시키는 압력으로 되도록, 상기 설정 압력을 상기 유압 실린더가 필요로 하는 유압에 기초해서 설정하는 공정을 포함하는
    블레이드 피치 제어 방법.
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