KR101245685B1 - 풍력 발전기 패더링 제어 장치, 그 장치를 갖는 풍력 발전기 및 풍력 발전기 패더링 제어 방법 - Google Patents

풍력 발전기 패더링 제어 장치, 그 장치를 갖는 풍력 발전기 및 풍력 발전기 패더링 제어 방법 Download PDF

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Abstract

다수의 블레이드를 포함하는 풍력 발전기의 페더링 제어 장치가 개시된다. 상기 풍력 발전기의 상기 페더링 제어 장치는 상기 풍력 발전기로 불어오는 바람의 평균 풍속을 계산하는 풍속 측정기, 측정된 평균 풍속을 기준 풍속과 비교하는 풍속 비교 회로, 및 비교 결과에 따라, 상기 다수의 블레이드 각각의 상기 페더링 동작 시, 단위 시간당 변화하는 상기 다수의 블레이드 각각의 피치 각을 조절하는 블레이드 피치 조절기를 포함한다.

Description

풍력 발전기 패더링 제어 장치, 그 장치를 갖는 풍력 발전기 및 풍력 발전기 패더링 제어 방법{APPARATUS FOR CONTROLLING WIND TURBINE FEATHERING, WIND TURBINE HAVING THE SAME AND METHOD FOR CONTROLLING FEATHERING}
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 풍력 발전기 풍력 발전기 패더링 제어 장치, 그 장치를 갖는 풍력 발전기 및 풍력 발전기 패더링 제어 방법에 관한 것이다.
풍력 발전기의 출력은 풍속의 3승에 비례하여 증가한다. 따라서 풍속이 정격값을 넘었을 때 상기 풍력 발전기가 과부하 상태가 되지 않도록 상기 풍력 발전기의 상기 출력이 제어되어야 한다. 풍력 발전기의 출력을 제어하는 방식에는 스톨(stall) 제어 방식과 피치(pitch) 제어 방식이 있다.
스톨 제어 방식은 피치 각은 고정되어 있고 풍속이 정격 값 이상이 되면 블레이드의 형태에 따른 공기 역학적 특성에 의해 실속(stall) 현상을 일으켜 출력이 저하되는 것을 이용한 제어 방식이다.
실속 현상은 블레이드 윗면에 흐르던 공기가 갑자기 블레이드 표면으로 내려와서 회전하여 난류 상태가 되고, 상기 난류 상태에서 상기 블레이드 윗면에 생긴 저압부로 인해 발생되던 양력이 사라지는 현상이다.
피치 제어 방식은 풍속이 커트-인(cut-in) 풍속(3m/s~5m/s) 보다 크고 정격 풍속(8m/s~16m/s) 보다 작은 경우, 상기 풍력 발전기가 풍력 에너지를 최대한 받아들일 수 있도록 블레이드의 피치 각을 최소 값으로 고정한다.
상기 커트-인 풍속은 풍력 발전기가 발전을 시작하는 풍속이고, 상기 정격 풍속은 풍력 발전기의 모터에 설계 동력을 발생시킬 수 있는 최소 풍속이다.
상기 피치 제어 방식은 풍속이 정격 풍속보다 큰 경우 풍력 발전기의 출력이 일정하게 되도록 유압 또는 전동기로 피치 각을 제어하여 풍력 에너지를 흘려 보낸다.
상기 피치 제어 방식은 풍속이 커트 아웃 풍속(25m/s) 보다 큰 경우, 블레이드의 피치 각을 풍향에 평행하게 맞추어 대기 상태가 되도록 한다.
상기 커트 아웃 풍속은 풍속이 지나치게 큰 경우 풍력 발전기의 손상을 방지하기 위해 풍력 발전기의 전력 발생을 중단시키는 풍속이다.
블레이드 피치 각이 상기 대기 상태로 제어될 때, 일반적으로 블레이드 피치 각은 초당 90도씩 조절되어 풍향과 평행하게 맞추어 진다.
특허 문헌 1은 풍향 풍속계로부터 수신된 데이터를 참조하여 임펠러 (impeller)로 입사되는 풍량을 조절하는 수직축 풍력 발전 시스템의 제어장치에 관한 발명으로서, 풍향 및 풍속 데이터를 수신하여 유도 날개를 제어하여 이미 설정된 최대 전력을 발생시키도록 한다.
또한 특허 문헌 1은 상기 풍향 및 풍속 데이터를 수신하고, 수신한 풍속이 이미 설정 값에서 벗어남에 따라 유도 날개, 발전기, 또는 임펠러의 제동 신호를 발생시키도록 하지만 풍속에 따라 제동 속도를 조절하지는 못하여 이에 따른 기계적인 스트레스(stress)가 발생하는 문제점이 있었다.
특허 문헌 1 : 한국 등록 특허 제 10-0883099호 (2009년 2월 11일 공고)
본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는 블레이드의 패더링 속도가 일정한 상태에서 기계적인 스트레스가 발생하는 문제점을 해결하기 위하여 평균 풍속에 따라 단위 시간당 변화하는 블레이드의 피치 각을 조절할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 다수의 블레이드들을 포함하는 풍력 발전기의 페더링 동작을 제어하는 페더링 제어 장치에 있어서, 상기 풍력 발전기로 불어오는 바람의 평균 풍속을 계산하는 풍속 측정기, 계산된 평균 풍속을 기준 풍속과 비교하는 풍속 비교 회로, 및 비교 결과에 따라, 단위 시간당 변화하는 블레이드의 피치 각을 다르게 하여 상기 블레이드의 피치 각을 조절하는 블레이드 피치 조절기를 포함하는 페더링 제어 장치가 제공된다.
상기 피치 조절기는, 상기 평균 풍속이 상기 기준 풍속보다 클 때에 조절된 상기 단위 시간당 변화하는 블레이드의 피치 각이, 상기 평균 풍속이 상기 기준 풍속보다 작을 때에 조절된 상기 단위 시간당 변화하는 블레이드의 피치 각보다 크게 조절할 수 있다.
상기 피치 조절기는 상기 블레이드의 피치각이 90˚가 될 때까지 조절할 수 있다.
상기 기준 풍속은 복수 개이고, 상기 풍속 비교 회로는 상기 복수 개의 기준 풍속과 평균 풍속을 각각 비교하고, 상기 피치 조절기는 비교 결과에 따라 단위 시간당 변화하는 블레이드의 피치 각을 서로 다르게 하여 상기 블레이드의 피치 각을 조절할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 페더링 제어장치를 포함하는 풍력 발전기가 제공된다.
또한, 본 발명은 다수의 블레이드들을 포함하는 풍력 발전기의 페더링 동작을 제어하는 풍력 발전기 페더링 제어 방법에 있어서, 풍력 발전기로 불어오는 바람의 평균 풍속을 계산하는 단계, 계산된 평균 풍속을 기준 풍속과 비교하는 단계, 및 비교 결과 상기 평균 풍속이 상기 기준 풍속보다 작은 경우, 단위 시간당 변화하는 블레이드 피치 각을 제1각도로 하고, 상기 평균 풍속이 상기 기준 풍속보다 크거나 같은 경우, 단위 시간당 변화하는 블레이드 피치 각을 제2각도로 하여 상기 블레이드의 피치 각을 변화시키는 단계를 포함하는 풍력 발전기 페더링 제어 방법이 제공된다.
상기 제1각도는 상기 제2각도보다 작다.
본 발명의 실시 예에 따른 방법과 장치는 특정 풍속에 대한 블레이드 페더링 동작 시간을 좀 더 길게 설정하여 블레이드 페더링 동작으로 인한 풍력 발전기의 기계적인 스트레스를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 상세한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력 발전기의 측면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 풍력 발전기의 블레이드의 피치 각을 나타내기 위한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 페더링 제어 장치의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 페더링 제어 방법의 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 페더링 제어 방법의 흐름도이다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태들로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 특정한 개시 형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.
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. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 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 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력 발전기의 측면도이다.
도 1을 참조하면, 풍력 발전기(100)는 다수의 블레이드들(10), 허브(hub;20), 나셀 (nacelle;30), 풍향 풍속계(40), 지지대(50), 및 기초 구조물(60)을 포함한다.
블레이드들(10)이 정면에서 불어오는 바람을 받으면 상기 바람의 방향과 직각 방향으로 양력이 발생하고, 블레이드들(10)은 상기 양력을 이용하여 회전 운동을 한다. 즉, 블레이드들(10)은 풍력 발전기(100)로 불어오는 바람의 풍력 에너지를 회전 에너지로 변환한다.
허브(20)는 블레이드들(10)이 연결되어 있는 중심 부분이다.
나셀(30)은 풍력 발전기(100)의 패더링(feathering) 동작을 제어하는 패더링 제어 장치(200), 블레이드들(10)의 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기(미도시), 브레이크(미도시), 및 유압 장치(미도시) 등을 포함할 수 있다.
패더링 제어 장치(200)는 도 3에서 상세히 설명된다.
풍향 풍속계(40)는 풍력 발전기(100)로 불어오는 바람의 방향과 속도를 측정한다. 풍향 풍속계(40)는 실시 예에 따라 풍속 측정기(도 3의 32)에 포함될 수 있다.
지지대(50)는 나셀(30)의 하부에 연결될 수 있으며, 블레이드들(10), 허브(20), 나셀(30), 및 풍향 풍속계(40)를 지지한다.
기초 구조물(60)은 지지대(50)를 세우기 위하여 지상에 설치된다. 기초 구조물(60)은 지지대(50)의 하부에 위치하며, 지지대(50)를 고정시킬 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 풍력 발전기의 블레이드의 피치 각을 나타내기 위한 개념도이다.
도 1과 도 2를 참조하면, 풍력 발전기(100)로 불어오는 바람의 방향이 X축 방향일 때 제1상태의 블레이드(10-1)는 상기 바람의 방향과 90도의 각도를 가지는 상태이다.
제1상태의 블레이드(10-1)는 상기 바람의 풍속이 풍력 발전기(100)가 발전을 시작하는 커트-인(cut-in) 풍속보다 크고 정격 풍속보다 작은 경우 풍력 에너지를 받아들이기 위해서 사용되는 상태이다.
풍력 발전기(100)로 불어오는 바람의 방향이 X축 방향일 때 제2상태의 블레이드(10-2)는 상기 바람의 방향과 일치하도록 피치 각이 조절된 상태이다. 이 경우 조절된 피치 각(10-3)은 90도이다.
제2상태의 블레이드(10-2)는 상기 바람의 풍속이 커트 아웃 풍속보다 큰 경우 풍력 에너지를 흘려보내기 위해서 사용되는 상태이다.
풍력 발전기(100)의 패더링(feathering) 동작은 제1상태의 블레이드(10-1)를 제2상태의 블레이드(10-2)로 제어하는 과정일 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 페더링 제어 장치의 블록도이다.
도 1과 도 3을 참조하면, 페더링 제어 장치(200)는 풍속 측정기(32), 메모리(34), 풍속 비교 회로(36), 블레이드 피치 조절기(38)를 포함한다.
풍속 측정기(32)는 일정 시간 동안 풍력 발전기(100)로 불어오는 바람의 풍속을 측정하고, 측정된 풍속에 따라 평균 풍속(EW)을 계산한다. 풍속 측정기(32)는 실시 예에 따라 풍향 풍속계(40)를 포함할 수 있다.
메모리(34)는 풍속 측정기(32)에서 측정된 평균 풍속(EW), 평균 풍속(EW)과의 비교 기준이 되는 기준 풍속(RW) 등에 관한 정보를 저장할 수 있다.
풍속 비교 회로(36)는 측정된 평균 풍속(EW)과 메모리(34)에 저장된 기준 풍속(RW)을 비교하고, 비교 결과에 따라 비교 신호(CS)를 발생한다. 기준 풍속(RW)은 실시 예에 따라 2개 이상일 수 있다.
블레이드 피치 조절기(38)는 풍속 비교 회로(36)에서 발생 된 비교 신호(CS)에 따라, 풍력 발전기(100)의 패더링 동작시 단위 시간당 변화하는 블레이드의 피치 각을 조절한다.
실시 예에 따라, 상기 비교 결과 평균 풍속(EW)이 기준 풍속(RW)보다 클 때 조절된 단위 시간당 변화하는 블레이드의 피치 각이 평균 풍속(EW)이 기준 풍속(RW)보다 작을 때 조절된 단위 시간당 변화하는 블레이드의 피치 각보다 클 수 있다.
블레이드의 피치 각을 조절하여 풍력 발전기(100)의 출력을 제어하는 피치 콘트롤(pitch controll) 방식의 경우, 블레이드의 피치 각이 유압으로 조절될 수 있다.
블레이드의 피치 각을 유압으로 조절하는 경우 블레이드들(10)과 유압 장치 실린더 간의 기계적 연결부분의 손상이 발생한다.
이 경우, 블레이드 피치 조절기(38)는 단위 시간당 변화하는 블레이드의 피치 각을 줄여서 페더링 동작을 하는 시간을 늘일 수 있다. 페더링 동작을 하는 시간이 길어짐에 따라 페더링 동작으로 인해 발생하는 블레이드들(10)과 유압 장치 실린더 간의 기계적 연결부분의 손상이 줄어들 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 페더링 제어 방법의 흐름도이다.
도 1, 도 3, 및 도 4를 참조하면, 풍속 측정기(32)는 풍력 발전기(100)로 불어오는 바람의 평균 풍속(EW)을 계산한다(S10). 평균 풍속(EW)은 정해진 시간 동안 풍력 발전기(100)로 불어오는 바람의 풍속을 측정하고, 측정된 풍속을 기초로 하여 계산될 수 있다.
풍속 비교 회로(36)는 측정된 평균 풍속(EW)과 메모리(34)에 저장된 기준 풍속(RW)을 비교한다(S12).
메모리(34)는 실시 예에 따라 평균 풍속(EW)과 상기 기준 풍속(RW)에 관한 정보를 저장하고 있다가 풍속 비교 회로(36)가 평균 풍속(EW)과 상기 기준 풍속(RW)을 비교하는 단계에서 상기 정보를 제공할 수 있다.
비교 결과 평균 풍속(EW)이 기준 풍속(RW)보다 작은 경우, 블레이드 피치 조절기(38)는 패더링 동작 시 단위 시간당 변화하는 블레이드의 피치 각을 제1각도로 조절한다(S14).
비교 결과 평균 풍속(EW)이 기준 풍속(RW)보다 크거나 같은 경우, 블레이드 피치 조절기(38)는 패더링 동작시 단위 시간당 변화하는 블레이드의 피치 각을 제2각도로 조절한다(S16).
실시 예에 따라 상기 제1각도는 상기 제2각도보다 작을 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 페더링 제어 방법의 흐름도이다.
도 1, 도 3, 및 도 5를 참조하면, 풍속 측정기(32)는 풍력 발전기(100)로 불어오는 바람의 평균 풍속(EW)을 계산한다(S20).
풍속 비교 회로(36)는 측정된 평균 풍속(EW)과 메모리(34)에 저장된 제1기준 풍속을 비교한다(S22).
비교 결과 평균 풍속(EW)이 상기 제1기준 풍속보다 작은 경우, 블레이드 피치 조절기(38)는 패더링 동작 시 단위 시간당 변화하는 블레이드의 피치 각을 제1각도로 조절한다(S24).
비교 결과 평균 풍속(EW)이 상기 제1기준 풍속보다 크거나 같은 경우, 풍속 비교 회로(36)는 측정된 평균 풍속(EW)과 메모리(34)에 저장된 제2기준 풍속을 비교한다(S26).
비교 결과 평균 풍속(EW)이 상기 제2기준 풍속보다 작은 경우, 블레이드 피치 조절기(38)는 패더링 동작 시 단위 시간당 변화하는 블레이드의 피치 각을 제2각도로 조절한다(S28).
비교 결과 평균 풍속(EW)이 상기 제2기준 풍속보다 크거나 같은 경우, 풍속 비교 회로(36)는 측정된 평균 풍속(EW)과 메모리(34)에 저장된 제3기준 풍속을 비교한다(S30).
비교 결과 평균 풍속(EW)이 상기 제3기준 풍속보다 작은 경우, 블레이드 피치 조절기(38)는 패더링 동작 시 단위 시간당 변화하는 블레이드의 피치 각을 제3각도로 조절한다(S32).
비교 결과 평균 풍속(EW)이 상기 제3기준 풍속보다 크거나 같은 경우, 블레이드 피치 조절기(38)는 패더링 동작 시 단위 시간당 변화하는 블레이드의 피치 각을 제4각도로 조절한다(S32).
실시 예에 따라 상기 제2각도는 상기 제1각도보다 크고, 상기 제3각도는 상기 제2각도보다 크고, 상기 제4각도는 상기 제3각도보다 클 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10, 10-1, 10-2 : 블레이드
20 : 허브
30 : 나셀
50 : 지지대
100 : 풍력 발전기
200 : 페더링 제어 장치

Claims (7)

  1. 다수의 블레이드들을 포함하는 풍력 발전기의 페더링 동작을 제어하는 페더링 제어 장치에 있어서,
    상기 풍력 발전기로 불어오는 바람의 평균 풍속을 계산하는 풍속 측정기;
    계산된 평균 풍속을 기준 풍속과 비교하는 풍속 비교 회로; 및
    비교 결과에 따라, 단위 시간당 변화하는 블레이드의 피치 각을 다르게 하여 상기 블레이드의 피치 각을 조절하는 블레이드 피치 조절기를 포함하는 풍력 발전기 페더링 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 블레이드 피치 조절기는, 상기 평균 풍속이 상기 기준 풍속보다 클 때에 조절된 상기 단위 시간당 변화하는 블레이드의 피치 각이, 상기 평균 풍속이 상기 기준 풍속보다 작을 때에 조절된 상기 단위 시간당 변화하는 블레이드의 피치 각보다 크게 조절하는 풍력 발전기 페더링 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 블레이드 피치 조절기는 상기 블레이드의 피치각이 90˚가 될 때까지 조절하는 풍력 발전기 페더링 제어 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기준 풍속은 복수 개이고,
    상기 풍속 비교 회로는 상기 복수 개의 기준 풍속과 평균 풍속을 각각 비교하고,
    상기 피치 조절기는 비교 결과에 따라 단위 시간당 변화하는 블레이드의 피치 각을 서로 다르게 하여 상기 블레이드의 피치 각을 조절하는 풍력 발전기 페더링 제어 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 풍력 발전기 페더링 제어장치를 포함하는 풍력 발전기.
  6. 다수의 블레이드들을 포함하는 풍력 발전기의 페더링 동작을 제어하는 풍력 발전기 페더링 제어 방법에 있어서,
    풍력 발전기로 불어오는 바람의 평균 풍속을 계산하는 단계;
    계산된 평균 풍속을 기준 풍속과 비교하는 단계; 및
    비교 결과 상기 평균 풍속이 상기 기준 풍속보다 작은 경우, 단위 시간당 변화하는 블레이드 피치 각을 제1각도로 하고,
    상기 평균 풍속이 상기 기준 풍속보다 크거나 같은 경우, 단위 시간당 변화하는 블레이드 피치 각을 제2각도로 하여 상기 블레이드의 피치 각을 변화시키는 단계를 포함하는 풍력 발전기 페더링 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1각도는 상기 제2각도보다 작은 풍력 발전기 페더링 제어 방법.
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