KR101242766B1 - 로터 하중 저감 장치가 설치된 풍력 발전기 및 로터 하중 저감 장치가 설치된 풍력 발전기의 로터 하중 저감 방법 - Google Patents

로터 하중 저감 장치가 설치된 풍력 발전기 및 로터 하중 저감 장치가 설치된 풍력 발전기의 로터 하중 저감 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 로터 하중 저감 장치가 설치된 풍력 발전기 및 로터 하중 저감 장치가 설치된 풍력 발전기의 로터 하중 저감 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 풍력 발전기의 블레이드 일측에 플랩 구조를 구비시킴으로써 로터의 과도한 회전을 방지함으로써 풍력 발전기의 손상을 방지하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 로터의 회전 속도를 감지하여 로터의 회전 속도를 정격 회전속도로 유지시키는 것이 가능하게 되므로 풍력 발전기의 손상을 방지하는 것이 가능하다는 점을 들 수 있다.

Description

로터 하중 저감 장치가 설치된 풍력 발전기 및 로터 하중 저감 장치가 설치된 풍력 발전기의 로터 하중 저감 방법{wind-driven generator with Apparatus of reducing rotor load and method of reducing rotor load for wind-driven generator with Apparatus of reducing rotor load}
본 발명은 로터 하중 저감 장치가 설치된 풍력 발전기 및 로터 하중 저감 장치가 설치된 풍력 발전기의 로터 하중 저감 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 갑작스러운 돌풍 등으로 인해 발생하는 풍력 발전기의 로터 하중을 저감하는 장치 및 방법에 대한 것이다.
풍력 발전이란 공기의 유동이 가진 운동 에너지의 공기역학적(aerodynamic) 특성을 이용하여 로터(rotor)를 회전시켜 기계적 에너지로 변환시키고 이 기계적 에너지를 이용하여 전기를 얻는 기술이다.
이러한 풍력을 이용하는 풍력 발전기는 주요 구성 요소로서 날개(blade)와 허브(hub)로 구성된 로터와 회전에 의하여 구동되며 나셀(Nacelle) 내부에 위치되는 발전기로 구성된다.
이러한 풍력 발전기는 환경오염을 발생시키지 않고 무한정의 바람을 사용하므로, 세계적으로 환경에 대한 관심이 고조되고 있는 요즘, 전기 에너지의 발전 장치로서 관심이 높아지고 있다.
풍력발전은 운전방식에 따라 일정속 운전과 가변속 운전으로 나뉜다. 이 중 일정속 운전은 풍속의 변화에 관계없이 터빈을 일정한 속도로 회전시키는 방식으로, 터빈 속도를 제어할 필요가 없다는 장점이 있으나 설계 풍속을 벗어나는 다른 풍속에서는 에너지 변환 효율이 낮다. 특히 우리나라처럼 풍속이 일정치 않은 지역에서는 항상 낮은 효율을 지니므로 대용량 풍력발전 시스템에서는 점차 사용하지 않는 추세이다.
이와 달리, 가변속 운전 방식의 풍력발전은 풍속에 따라 최대 전력점이 변화하기 때문에 터빈속도를 블레이드의 최적 주속비(풍속에 대한 블레이드 끝점 속도의 비)로 동작하도록 피치(pitch) 제어함으로써 항상 최대전력을 얻을 수 있게 하는 방식을 말한다.
그런데, 이러한 종래 피치 제어 방식의 경우, 정격 운전 풍속보다 낮은 범위에서 정격 풍속보다 높은 범위로 변환되어 풍력 발전기가 운전이 될 환경에 많이 노출되기 쉽다.
특히, 우리나라와 같이 산간 지역, 태풍, 돌풍 등이 발생하기 쉬우므로 풍력 발전기의 발전기 측에 과도한 힘이 전달되기 쉽다.
부연하면, 갑작스러운 돌풍 등으로 인해 정격 풍속 범위로 변환될 때, 풍력 발전기의 에어로 토크(즉, 로터의 토크)가 갑작스럽게 증가되어 풍력 발전기의 발전기 측으로 과도한 힘이 전달된다. 이때, 로터의 과도한 회전으로 인해 로터 하중이 발생하게 되며, 이는 풍력 발전기 내부 Drive-train, 샤프트(shaft)에 피해를 가하게 된다.
본 발명은 위에서 제기된 문제점을 해소하기 위해, 갑작스러운 돌풍 등을 인한 로터의 과도한 회전을 저감하는 풍력 발전기의 로터 하중 저감 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 갑작스러운 돌풍 등을 인한 로터의 과도한 회전을 저감하기 위해 로터의 회전 속도를 감지하여 이를 제어하는 풍력 발전기의 로터 하중 저감 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제기된 과제를 해결하기 위해, 풍력 발전기의 로터 하중 저감 장치를 제공한다. 이 풍력 발전기의 로터 하중 저감 장치는, 일측에 플랩 구조가 구비된 다수의 블레이드를 회전시키는 로터의 회전속도를 감지하는 검출기; 상기 로터의 감지된 회전속도를 미리 설정된 정격속도와 비교하여 감속 회전속도를 생성하는 제어기; 상기 감속 회전 속도에 따라 상기 플랩 구조를 동작시켜 상기 로터의 회전속도를 감속시키는 플랩 액츄에이터; 및 상기 감속 회전 속도와 상기 플랩 액츄에이터에 의해 감속된 로터의 출력 회전속도를 추적하여 비교하고 상기 비교에 따른 오차를 보정하는 에러 추적기를 포함한다.
이때, 상기 플랩 구조는, 일측에 설치되며 개폐가 가능한 플랩; 상기 플랩을 개폐하는 구동부; 및 상기 구동부를 기계적 방식을 이용하여 동작시키며 상기 플랩 액츄에이터의 제어에 따라 동작되는 구동 모터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 플랩의 개폐는 소정 각도로 개폐되는 것을 특징으로 한다.
또한, 풍력 발전기의 로터 하중 저감 장치는, 상기 로터의 감지된 회전속도에 대한 민감도를 상승시키는 미분 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예는, 검출기가 일측에 플랩 구조가 구비된 다수의 블레이드를 회전시키는 로터의 회전속도를 감지하는 회전속도 감지 단계; 제어기가 상기 로터의 감지된 회전속도를 미리 설정된 정격속도와 비교하여 감속 회전속도를 생성하는 감속 회전속도 산출 단계; 플랩 액츄에이터가 상기 감속 회전 속도에 따라 상기 플랩 구조를 동작시켜 상기 로터의 회전속도를 감속시키는 회전속도 감속 단계; 및 에러 추적기가 상기 감속 회전 속도와 상기 플랩 액츄에이터에 의해 감속된 로터의 출력 회전속도를 비교하고 상기 비교에 따른 오차를 보정하는 오차 보정 단계를 포함하는 풍력 발전기의 로터 하중 저감 방법을 제공한다.
이때, 상기 감속 회전속도 산출 단계는, 미분 제어기가 상기 로터의 감지된 회전속도에 대한 민감도를 상승시키는 민감도 상승 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 풍력 발전기의 블레이드 일측에 플랩 구조를 구비시킴으로써 로터의 과도한 회전을 방지함으로써 풍력 발전기의 손상을 방지하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 로터의 회전 속도를 감지하여 로터의 회전 속도를 정격 회전속도로 유지시키는 것이 가능하게 되므로 풍력 발전기의 손상을 방지하는 것이 가능하다는 점을 들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력 발전기의 개요도이다.
도 2는 도 1에 도시된 블레이드(130)의 구성을 보여주는 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력 발전기의 로터 하중 저감을 위한 제어 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 풍력 발전기의 로터 하중 저감을 제어하는 순서도이다.
도 5는 일반적인 과도 기간을 나타내는 그래프이고, 도 6은 과도 구간이 D-E로 변경된 것을 나타낸 도면이다.
도 7은 풍속에 따른 출력 그래프 및 풍속에 따른 Cp(Power coefficient factor)곡선을 나타내는 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 공정, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 공정, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 풍력 발전기의 로터 하중 저감 장치 및 방법을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력 발전기의 개요도이다. 도 1을 참조하면, 풍력 발전기(100)는 풍속이 어느 정도 유지되는 산지나 해상에 설치되어 바람에 의해 전기를 생산하는 장치로, 타워(120)의 단부에 너셀(140)을 회전제어 가능하도록 설치하고 너셀(140)의 회전축(160)에는 풍력 블레이드(130)를 복수로 설치하게 된다.
너셀(140)의 내부에는 회전축(160)에 로터(미도시)가 포함된 발전기(미도시)가 장착되는데, 풍력에 의해 풍력 블레이드(130)가 회전하면서 로터도 회전하게 되어 발전기가 전기를 생산하도록 되어 있다.
풍력 블레이드(130)가 높은 발전 용량을 갖기 위해서는 대형화가 필수적으로 요구된다. 일례로 750kW급의 경우 풍력 블레이드(130) 하나의 길이는 25m가 되며 3MW급의 경우 풍력 블레이드(130)의 길이는 45m로 급격히 증가한다.
풍력 블레이드(130)의 대형화는 높은 무게 대 강성비를 요구되므로, 대형화에 따른 무게 증가를 효과적으로 감소시키고 강성비를 확보하기 위해 복합소재(composite material)를 적극적으로 사용하고 있다.
복합소재로는 GFRP(glass fiber reinforced plastic)와 PVC/발사우드가 흔히 혼용된다. 풍하중과 자중을 지지하기 위해 웹(shear web)이 위치하는 풍력 블레이드(130)의 중앙 부분은 강도가 높은 GFRP를 사용하고, 공기역학적 구조물을 형성하는 나머지 부분은 GFRP 스킨의 내부를 PVC 혹은 발사우드로 채워 넣어 무게를 줄이는 방법을 택하고 있다.
또한, 하중을 특히 많이 받는 풍력 블레이드(130) 뿌리(root) 주변부와 하중이 실리지 않는 풍력 블레이드(130)의 팁 주위의 재료 두께 또한 차이가 난다.
도 2는 도 1에 도시된 블레이드(130)의 구성을 보여주는 구성도이다. 도 2를 참조하면, 블레이드(130)의 일측에는 풍속에 따른 블레이드(130)의 회전을 감속시키기 위한 플랩 구조가 구비된다. 즉, 블레이드(130)의 표면과 일정 각도로 개폐되는 플랩(200)과, 이 플랩(200)을 회동시키는 구동부(220)와, 이 구동부(220)를 회전시키는 모터(210) 등이 구성된다.
물론, 모터(210)와 구동부(220)간의 연결은 이를테면 서로 기어 방식으로 맞물릴 수도 있고, 모터(210)에 직접 구동부(220)가 연결되는 직접 방식이 될 수도 있다.
모터(210)는 일반 AC(Alternating Current), DC(Direct Current) 모터도 가능하고, 스텝핑(Stepping) 모터도 가능하다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력 발전기의 로터 하중 저감을 위한 제어 블럭도이다. 부연하면, 도 3은 도 2에 도시된 플랩 구조를 구동하기 위한 제어 블럭도이다. 도 3을 참조하면, 이 제어 블럭도는 플랩 구조가 구비된 다수의 블레이드(도 2의 130)를 회전시키는 로터(미도시)의 회전속도를 감지하는 검출기(300);상기 로터의 감지된 회전속도를 미리 설정된 정격속도와 비교하여 감속 회전속도를 생성하는 제어기(320); 상기 감속 회전 속도에 따라 상기 플랩 구조를 동작시켜 상기 로터의 회전속도를 감속시키는 플랩 액츄에이터(330); 및 상기 감속 회전 속도와 상기 플랩 액츄에이터에 의해 감속된 로터의 출력 회전속도를 추적하여 비교하고 상기 비교에 따른 오차를 보정하는 에러 추적기(340) 등을 포함하여 구성된다.
검출기(300)는 다수의 블레이드(도 1의 130) 중심축에 연결된 로터(미도시)의 회전속도(301)와 도 2에 도시된 플랩 구조에 의해 감속된 로터의 출력 회전속도(331)를 검출하는 기능을 수행한다.
적분기(310)는 검출기(300)에 의해 검출된 로터의 회전속도 또는/및 로터의 출력 회전속도를 소정 기간 동안 적분하여 누적값을 계산하고 이 값들을 제어기(320)에 전송한다.
제어기(320)는 마이크로프로세서로 구성되어 로터의 감지된 회전속도를 미리 설정된 정격속도와 비교하여 감속 회전속도를 생성하는 기능을 수행한다. 보통, 발전 기간은 과도 구간 동안에 이루어지는데, 과도 구간은 과도구간(B-C)은 풍력발전기의 피치가 동작하기 시작하는 순간 전의 상태를 말한다. 최대의 파워(Power)를 생산하기 위해서 정격풍속보다 낮은 범위에서 피치는 동작하지 않아야 한다.
이를 이해하기 쉽게 도시한 도면이 도 5에 도시된다. 도 5를 참조하면, 풍속이 A지점에서 B지점으로 증가 되었을 때 로터의 회전 토크는 증가하게 된다. 풍력발전기 로터 토크는 다음식과 같다.
Figure 112011007763009-pat00001
여기서, Tr:로터의 회전 토크, P:파워(Power), R:블레이드길이, Cp:파워 계수(Power coefficient factor), V:풍속, Ωr:정격 로터 회전속도를 나타낸다.
가변속 풍력 발전 시스템의 경우 정격 회전속도(Ωr)에서 최대의 효율이 나오도록 제어를 하기 위해서 풍력 발전기의 최대 파워 곡선(PN)의 괘적 범위 내에서 운전되어야 최대의 전력이 생산될 수 있다.
VDS에서 VN구간으로 풍속이 증가되는 구간을 과도구간이라고 하는데(즉 B-C 구간), 이때 풍력발전기의 안정적인 운전을 위하여 피치 제어를 실시하게 된다.
Ωr(정격 로터 회전속도)을 초과하는 시점에 피치 제어가 실시됨에 따라 풍력 발전기에서 순간적으로 하중이 줄어들게 되나, 이는 이론적인 사항이며, 시스템의 제어기의 시간지연으로 Ωr은 정격속도 범위를 초과하게 된다.
더구나, 돌풍이 심한 우리나라의 경우에는 VDS - VN인 풍속구간이 갑작스럽게 변경됨에 따라서 로터 회전 토크(Tr)도 급상승하게 되며, 이에 따라서 풍력 발전기시스템에 큰 하중을 미치게 된다. 피치 제어기가 동작하므로 회전 토크를 줄일 수는 있으나, 순간적으로 풍력발전기에 손상(Damage)을 입힐 수 있다.
도 6은 과도 구간이 D-E로 변경된 것을 나타낸 도면이다. 부연하면, 로터의 회전속도(τ/s)가 증가함에 따라 과도 구간이 D-E로 변경된 것을 나타낸다.
도 7은 풍속에 따른 출력 그래프 및 풍속에 따른 Cp(Power coefficient factor)곡선을 나타내는 도면이다. 부연하면, 위쪽 그래프는 출력 그래프를 나타내고, 아래쪽 그래프는 Cp (Power coefficient factor)곡선을 각각 나타낸다.
도 3을 계속 참조하면 설명하면, 제어기(320)는 기존의 피치 제어 방식을 이용하지 않고, B→C 구간으로 변경시에 로터의 회전속도를 감지하여 플랩(도 2의 200)을 동작시킴으로써 로터의 과도한 회전속도로 인해 발생하는 하중을 저감하게 된다.
플랩 액츄에이터(330)는 제어기(320)의 제어에 따라 구동 모터(도 2의 210)를 동작시킴으로써 플랩(도 2의 200)의 각도를 가변한다.
에러 추적기(340)는 플랩(도 2의 200)의 가변된 각도에 따라 로터(미도시)의 속도가 변화되며, 이 감속된 로터의 출력 회전속도(331)를 추적하여 검출기(300)에 제공하는 기능을 수행한다.
물론, 이와 함께 로터의 감지된 회전속도에 대한 민감도를 향상시키는 미분 제어기(미도시)를 더 구성할 수 있다. 왜냐 하면, 로터의 회전속도의 변화율(가속도)가 상당히 크므로 미분 제어기를 더 구성시켜 감지된 회전속도에 대한 민감도를 더 향상시키는 것도 가능하다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 풍력 발전기의 로터 하중 저감을 제어하는 순서도이다. 도 4를 참조하면, 발전 모드에서 검출기(도 3의 300)가 로터의 회전속도를 감지한다(단계 S400,410).
제어기(도 3의 320)는 감지된 로터의 회전속도가 미리 설정된 정격속도보다 더 큰지를 판단한다(단계 S420).
판단 결과, 감지된 로터의 회전속도가 크면 플랩 액츄에이터(330)를 온시켜 플랩(도 2의 200)을 소정 각도로 오픈시킨다(단계 S421). 이 경우, 단계 S410 내지 단계 S420가 다시 진행된다.
이와 달리, 판단 결과, 감지된 로터의 회전속도가 작으면 플랩 액츄에이터(330)를 오프시킨 상태가 유지된다(단계 S430).
100: 풍력 발전기 120: 타워
130: 블레이드 140: 너셀
160: 회전축 200: 플랩(flap)
210: 구동 모터 220: 구동부
300: 검출기 310: 적분기
320: 제어기 330: 플랩 액츄에이터
340: 에러 추적기

Claims (8)

  1. 타워;
    내부에 설치되는 회전축, 상기 회전축에 장착되는 발전기, 상기 발전기에 포함되는 로터를 포함하여, 상기 타워의 단부에 설치되는 너셀;
    일측에 플랩 구조가 구비되어 상기 회전축에 설치되며, 중앙 부분이 GFRP(glass fiber reinforced plastic)로 이루어지고 그 나머지 부분이 PVC/발사우드로 이루어지는 풍력 블레이드;
    상기 풍력 블레이드를 회전시키는 상기 로터의 회전속도를 감지하는 검출기;
    상기 로터의 감지된 회전속도를 미리 설정된 정격속도와 비교하여 감속 회전속도를 생성하는 제어기;
    상기 감속 회전 속도에 따라 상기 플랩 구조를 동작시켜 상기 로터의 회전속도를 감속시키는 플랩 액츄에이터;
    상기 감속 회전 속도와 상기 플랩 액츄에이터에 의해 감속된 로터의 출력 회전속도를 추적하여 비교하고 상기 비교에 따른 오차를 보정하는 에러 추적기; 및
    상기 로터의 감지된 회전속도에 대한 민감도를 향상시키는 미분 제어기;를 포함하며,
    상기 플랩 구조는
    상기 블레이드의 일측면을 따라 설치되며 개폐가 가능한 플랩, 상기 플랩을 개폐하는 구동부, 및 상기 구동부를 기계적 방식을 이용하여 동작시키며 상기 플랩 액츄에이터의 제어에 따라 동작되는 구동 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 로터 하중 저감 장치가 설치된 풍력 발전기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 의한, 로터 하중 저감 장치가 설치된 풍력 발전기의 로터 하중 저감 방법에 있어서,
    상기 검출기가 상기 풍력 블레이드를 회전시키는 상기 로터의 회전속도를 감지하는 회전속도 감지 단계;
    상기 제어기가 상기 로터의 감지된 회전속도를 미리 설정된 정격속도와 비교하여 감속 회전속도를 생성하는 감속 회전속도 산출 단계;
    상기 플랩 액츄에이터가 상기 감속 회전 속도에 따라 상기 플랩 구조를 동작시켜 상기 로터의 회전속도를 감속시키는 회전속도 감속 단계;
    상기 에러 추적기가 상기 감속 회전 속도와 상기 플랩 액츄에이터에 의해 감속된 상기 로터의 출력 회전속도를 비교하고 상기 비교에 따른 오차를 보정하는 오차 보정 단계; 및
    미분 제어기가 상기 로터의 감지된 회전속도에 대한 민감도를 향상시키는 민감도 상승 단계;를 포함하는 로터 하중 저감 장치가 설치된 풍력 발전기의 로터 하중 저감 방법.
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