KR101280157B1 - 풍차의 제어 장치 및 제어 방법 - Google Patents

Abstract

종래에는 외부 요인에 의해 발생하는 경보 신호에 응답하여 풍차의 페더링을 개시하고 나서 정지할 때까지의 일련의 동작을 나타내는 셧다운 시퀀스를 개시하고, 경보 요인이 해제되어도 풍차 정지까지 실행되지만, 본 발명에서는, 그 셧다운 시퀀스의 도중에 경보가 해제되었을 때, 셧다운 시퀀스를 중지하여 풍차 블레이드의 피치 각도가 파인이 되도록 피치 제어하는 복구 제어 운전을 실시시킨다. 이와 같은 제어에 의해, 풍차의 셧다운에 있어서의 풍차 정지 시간을 단축할 수 있어, 윈드팜의 가동률 저하가 억제된다.

Description

풍차의 제어 장치 및 제어 방법{DEVICE AND METHOD FOR CONTROLLING WIND TURBINE}

본 발명은, 풍력 발전용 풍차의 제어와 관련되고, 특히 경보에 의한 셧다운 시퀀스시의 제어에 관한 것이다.

도 1 은, 풍력 발전 장치에 사용되는 프로펠러형 풍차의 구성예를 나타내는 측면도이다. 풍차 (11) 는, 지면에 대해 고정된 지지 기둥 (12) 과, 지지 기둥 (12) 의 상부에 지지된 나셀 (13) 을 구비한다. 나셀 (13) 의 일단에 로터헤드 (14) 가 장착된다. 로터헤드 (14) 에는, 복수 장의 풍차 블레이드 (15) 가 장착된다. 풍차 블레이드 (15) 는 통상 3 장으로, 본 명세서에서도 3 장의 풍차 블레이드 (15) 를 갖는 구성에 대해 설명하지만, 상이한 장수의 풍차 블레이드 (15) 의 경우에도 본 명세서의 설명을 적용할 수 있다. 제어부 (16) 는, 풍황 (風況) 에 따라 소정의 회전 속도와 출력을 얻도록 풍차 블레이드 (15) 의 날개 피치각의 제어를 실시한다. 또, 경보 검지 등의 때에는, 풍차 블레이드 (15) 의 날개 피치각을 급속히 닫아 풍차 (11) 를 신속하게 정지시키기 위해서 셧다운 제어가 실시된다.

풍차는, 외부 요인에 의해 통상적인 조건으로부터 일탈한 경우에, 그 외부 요인이 없어질 때까지의 동안 정지할 필요가 있다. 예를 들어, 풍속이 소정의 조건을 상회한 경우나, 온도, 습도, 계통의 주파수의 변동이 소정의 기준을 상회한 경우, 전압에 이상이 발생한 경우, 지진 등에 의한 진동이 발생한 경우 등에, 그것들을 검지하여 경보를 발신하는 센서에 응답하고, 안전을 위해서 풍차는 정지된다.

풍차의 정지는, 이하와 같이 실시된다. 풍차의 통상 운전 중에는, 풍차는 풍력을 전력으로 변환한다. 발생한 전력은 계통 전력과 주파수 등의 특성이 동일한 전력으로 변환되고, 복수의 풍차가 속하는 윈드팜 전체로 모아져 계통 전원에 연계된다.

운전 중에 어떠한 경보가 발생하면, 그 경보를 나타내는 신호에 응답하여, 풍차의 풍력 발전 기능을 완전히 정지하기 위한 일련의 제어로 이루어지는 셧다운 시퀀스가 개시된다. 셧다운 시퀀스에 있어서는 풍차의 회전에 제동력을 부여하는 브레이크가 작동하고, 피치의 페더링 (feathering) 동작이 개시되어, 피치가 파인측으로부터 페더링 위치를 향하여 동작한다. 그 동작의 결과, 풍차의 회전수가 점차 저하된다. 풍차의 회전수가 소정의 기준을 하회하면, 풍차는 윈드팜의 전력 계통으로부터 차단되어 해열 (解列) 된다. 풍차가 해열되고, 그 피치가 페더링 위치가 된 상태에서 셧다운이 완료된다.

특허문헌 1 에는, 계통 전압 저하, 혹은 계통측 전력 변환기에 있어서 과전류가 발생한 경우에 있어서의 풍력 발전 시스템의 제어 방법이 기재되어 있다.

일본 공개특허공보 2008-283747호

그러나, 상기 특허문헌 1 의 방법에서는, 윈드팜의 어떤 풍차에 대해 경보가 발생하였을 때, 그 풍차는 셧다운 시퀀스에 들어가도록 제어되고 해열되어, 일단 정지된다. 외부 요인에 의한 경미한 경보 등 일과성의 경보인 경우에는, 셧다운 시퀀스 중에 경보 요인이 복구되고, 경보가 해제되고 있는 경우가 있다. 그와 같은 경우, 풍차의 셧다운이 일단 완료된 후에, 경보를 자동 리셋하여 풍차의 기동이 실시되는데, 풍차 정지 시간이 길다는 문제가 있었다.

본 발명은, 상기 문제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 풍차의 셧다운에 의한 가동률 저하를 억제하는 제어 장치 및 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 이하의 수단을 제공한다.

본 발명의 제 1 양태는, 경보를 나타내는 신호를 취득하는 경보 취득부와, 풍차의 페더링을 개시하고 나서 정지할 때까지의 일련의 동작을 셧다운 시퀀스로 하여 기억하는 셧다운 시퀀스 기억부와, 경보를 나타내는 신호에 응답하여 셧다운 시퀀스를 개시하는 셧다운 개시부와, 셧다운 시퀀스의 도중에 경보가 해제되었을 때, 셧다운 시퀀스를 중지하여 풍차의 블레이드의 피치 각도가 파인이 되도록 제어하는 복구 제어를 실시하는 복구부를 구비하는 풍차의 제어 장치이다.

이와 같이, 셧다운 시퀀스를 중지하여 블레이드의 피치 각도가 파인으로 돌아오도록 제어함으로써, 셧다운 완료까지 실시하여 리셋하고 나서 풍차의 기동을 개시하는 종래의 기술에 비해, 풍차 정지 시간을 짧게 할 수 있다.

상기 양태에 있어서는, 복구 제어에 있어서 풍차가 해열되었을 때, 블레이드의 피치 각도가 파인에 가까워지도록 제어를 개시한 후, 풍차의 회전수가 소정의 병입 (倂入) 기준을 상회하였을 때에 풍차를 병입하는 풍차의 제어 장치로 해도 된다.

상기 양태의 또 다른 측면에 있어서, 셧다운 시퀀스는, 풍차의 페더링을 개시하고, 이어서 풍차의 회전수가 소정의 기준을 하회하면 풍차의 해열을 실시하고, 이어서 풍차의 제어를 정지하는 풍차의 제어 장치로 해도 된다.

본 발명의 제 2 양태는, 경보를 나타내는 신호를 취득하는 공정과, 경보를 나타내는 신호에 응답하여 풍차의 페더링을 개시하고 나서 정지할 때까지의 일련의 동작을 나타내는 셧다운 시퀀스를 개시하는 공정과, 셧다운 시퀀스의 도중에 경보가 해제되었을 때, 셧다운 시퀀스를 중지하여 풍차의 블레이드의 피치 각도가 파인이 되도록 제어하는 복구 제어를 실시하는 제어 방법이다.

상기 양태에 있어서는, 풍차의 제어 방법은, 복구 제어에 있어서 풍차가 해열되었을 때, 블레이드의 피치 각도가 파인에 가까워지도록 제어를 개시한 후, 풍차의 회전수가 소정의 병입 기준을 상회하였을 때에 풍차를 병입하는 제어 방법으로 해도 된다.

상기 양태의 또 다른 측면에 있어서, 셧다운 시퀀스는, 풍차의 페더링을 개시하고, 이어서 풍차의 회전수가 소정의 기준을 하회하면 풍차의 해열을 실시하고, 이어서 풍차를 정지하는 제어 방법으로 해도 된다.

본 발명에 의하면, 풍차의 셧다운에 의한 풍차 정지 시간을 짧게 할 수 있어, 윈드팜의 가동률 저하를 억제하는 효과를 발휘한다.

도 1 은, 풍차의 외관을 나타낸다.
도 2 는, 종래의 풍차의 상태 천이도이다.
도 3 은, 본 발명의 실시형태에 있어서의 풍차의 제어 장치를 나타낸다.
도 4 는, 본 발명의 실시형태에 있어서의 풍차의 상태 천이도이다.
도 5 는, 본 발명의 실시형태에 있어서의 셧다운으로부터 경보 해제 후의 운전 복귀까지를 나타내는 임계값과 시퀀스 플로우이다.
도 6 은, 본 발명의 실시형태에 있어서의 경보 발생에서 경보 해제까지의 기간을 포함하는 전후의 운전 제어 인자의 경시변화칙을 나타내는 타이밍 차트이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 관련된 경보 요인 해제시의 풍차의 제어 장치 및 제어 방법의 실시형태에 대해 설명한다. 본 실시형태에 있어서의 제어 장치 및 제어 방법은, 도 1 에 예시되는 구성의 풍차에 적용할 수 있다. 먼저, 본 발명을 설명하기 위한 종래의 풍차의 기동 및 복구시의 제어의 일례를 설명한다.

도 2 는, 풍차의 상태 천이도이다. 풍차는, 정지하여 제어로부터 벗어난 상태 (S101) 로부터, 대기 상태 (S102) 로 이행된다. 기동을 지령하는 신호를 수신하면, 풍차는 기동된다 (S103). 기동 중에 외부 요인의 검지 결과에 기초하여 경미한 경보를 나타내는 경보 신호가 발생하면, 풍차는 셧다운 시퀀스 (S105) 에 들어간다. 풍차의 기동이 정상적으로 실시되면, 풍차는 피치가 파인측을 향하여 구동되어 운전된다 (S104). 기동 중에 외부 요인의 검지 결과에 기초하여 경보를 나타내는 경보 신호가 발생하면, 풍차는 셧다운 시퀀스 (S105) 에 들어간다. 셧다운 중에 경보 신호가 발생하면, 셧다운이 완료된 후, 풍차는 대기 상태 (S102) 에 들어가고, 기동 지령을 기다린다.

경미한 경보 등 일과성의 것은, 경보 요인이 복구되었으면 풍차의 재운전을 할 수 있다. 그 때문에, 풍차의 정지 시간을 보다 적게 하여 가동률을 향상시킬 수 있다.

도 3 은, 그와 같은 가동률의 향상을 가능하게 하는 본 발명의 실시형태에 있어서의 풍차의 제어 장치를 나타낸다. 풍차 (11) 의 제어부 (16) 에 탑재되는 제어 장치 (1) 는, 경보 취득부 (2) 와, 셧다운 시퀀스 기억부 (3) 와, 셧다운 개시부 (4) 와, 복구부 (5) 를 구비한다. 이들 각 부는, 기억 장치에 저장된 프로그램을 CPU 가 판독 입력하여 실행함으로써 실현되는 기능 블록이다. 경보 취득부 (2) 는, 경보를 나타내는 신호를 취득하고, 그 경보 신호에 응답하여 풍차의 셧다운을 지령하는 신호를 생성한다. 본 실시형태에 있어서는, 단시간에 복구될 수 있는 가능성이 있는 경미한 외부 요인이 발생하였을 때에 경보 신호가 발생된다.

셧다운 시퀀스 기억부 (3) 는, 셧다운을 지령하는 신호에 응답하여 실시되는 셧다운 시퀀스 (또는 트립 시퀀스) 를 기억한다. 셧다운 시퀀스는 이하와 같이 실시된다. 통상 운전시의 풍차는, 그 날개의 피치가 풍력을 가장 효율적으로 토크로 변환할 수 있는 파인측이 되도록 제어되고 있다. 풍력에 의해 풍차가 회전하고, 풍차의 발전기는 그 회전에 의해 전력을 생성한다. 그 전력은 계통 전원과 동종의 전력으로 변환된다. 윈드팜에 속하는 복수의 풍차 중, 통상적인 운전을 실시하고 있는 풍차는 윈드팜의 전력 계통에 병입되어 있고, 그 전력은 윈드팜 전체로 모아져 계통 전원에 연계된다.

셧다운 시퀀스가 개시되면, 페더링이 개시되고, 피치가 페더링 각도를 향하여 제어된다. 페더링에 수반하여 풍차의 회전수가 저하된다. 또한, 이하와 같이 하여 풍차에 제동력이 부여된다. 풍차는 그 회전에 제동력을 부여하는 유압 계통을 구비한다. 통상 운전시에는 유압 계통에 전력이 공급되고 있다. 그 전력에 의해 전자 밸브가 유압 브레이크를 개방 상태로 제어하여, 브레이크가 효력이 없는 상태가 된다. 해열 후, 그 유압 계통에 대한 전력의 공급이 차단된다. 전자 밸브에 전력의 공급이 정지되면, 어큐뮬레이터의 기름이 브레이크에 공급되어 유압 브레이크가 효력이 있는 상태가 되어, 풍차의 회전에 일정한 제동력이 가해진다.

셧다운 시퀀스 개시부 (4) 는 미리 제 1 회전수의 기준치를 기억하고 있어, 풍차의 회전수가 소정의 기준을 하회하면, 그 풍차의 발전기의 전력 계통을 윈드팜의 풍차군이 생성하는 전력의 계통으로부터 차단하는 해열을 실시한다. 이와 같은 제어 외에, 셧다운 시퀀스가 개시되면 즉시 해열하는 제어가 채용되는 경우도 있다.

해열이 실시되고, 풍차는 유압 브레이크에 의해 회전이 억제된 상태에서 회전하거나 또는 정지한다. 이 회전이 억제된 상태에서 회전하거나 정지하는 상태가, 후술하는 도 4 의 S1 등에서 가리키는 「정지」 이며, 풍차의 발전기가 제어계나 전력계로부터 차단된 상태이다.

셧다운 시퀀스 기억부 (3) 는 이상의 예와 같은 셧다운의 순서를 기억한다. 경보 취득부 (2) 가 경보 신호를 취득하면, 셧다운 시퀀스 개시부 (4) 는 경보 신호에 응답하여 셧다운 시퀀스를 개시한다. 제어 장치 (1) 는, 셧다운 시퀀스 기억부 (3) 의 정보에 기초하여, 풍차의 페더링을 개시하고 나서 정지할 때까지의 일련의 동작을 자동적으로 시퀀셜로 실시한다.

복구부 (5) 는, 셧다운 시퀀스의 도중에 상기 경보가 해제되었을 때, 셧다운 시퀀스를 중지하여 복구 제어를 실시한다. 도 5 는, 복구부 (5) 의 동작을 나타낸다. 셧다운 중에, 복구부 (5) 는 경보 신호 상태를 감시하고 있다 (S10). 경보 요인이 복구되지 않는 동안, 복구부는 대기 처리를 실시한다 (S11 아니오). 경보 요인이 복구되면 (S11 예), 피치의 페더링을 정지한다. 이 시점에서, 피치를 파인측으로 움직이는 제어를 개시해도 된다 (S12). 풍차의 발전기가 계통에 병입되고 있는 것이 병입·해열 플래그에 의해 인식되면 (S13 예), 복구부 (5) 는 풍차를 운전 스테이트로 이행시킨다 (S14).

풍차의 발전기가 계통으로부터 해열되고 있는 것이 병입·해열 플래그에 의해 인식되면 (S13 아니오), 복구부 (5) 는 풍차를 기동 스테이트로 이행시키고 (S15), 피치를 파인측을 향하도록 제어한다 (S16). 이에 수반하여 풍차의 회전수는 점차 상승한다. 풍차의 회전수가 소정의 병입 회전수에 이를 때까지, 복구부 (5) 는 대기 처리를 한다 (S17 아니오). 풍차의 회전수가 병입 회전수에 이르면 (S17 예), 복구부 (5) 는 풍차를 계통에 병입한다 (S18). 이 제어에 의해 운전 스테이트로의 이행이 완료된다 (S19).

다음으로, 도 4 의 상태 천이도와 도 6 의 타이밍 차트를 참조하여, 본 실시형태에 있어서의 제어에 대해 설명한다. 이 예에 있어서는, 경보가 발생하면 풍차는 즉시 해열된다. 풍차가 정지한 상태 (S1) 로부터 대기 상태 (S2) 로 이행되고, 다시 기동되어 (S3) 운전 상태가 되기 (S4) 까지의 제어는, 도 2 에서 설명한 참고예와 동일하다. 또한, 셧다운이 완료된 후에 경보가 해제된 경우도 마찬가지로, 도 4 의 경로 P1 에서 나타내는 바와 같이, 대기 상태로 제어된다 (S2). 도 6 에 있어서, 시각 t0 으로부터 t1 까지는 운전 상태를 나타낸다. 이 상태에서는, 경보 신호는 출력되고 있지 않다. 피치각은 파인측의 각도를 취한다. 회전수는 풍력에 따라 대략 결정된다. 풍차를 제동하기 위한 위급 전자 밸브에는 전력이 공급되고, 제동력이 가해지지 않은 상태로 제어된다. 풍차는 풍력을 받아 토크를 생성하고, 발전기는 그 토크를 전력으로 변환한다.

도 6 의 시각 t1 에 있어서 정전 등의 경보 신호가 발생하고, 도 3 의 경보 취득부 (2) 가 경보 신호를 취득한다. 셧다운 개시부 (4) 는 경보 신호를 트리거로 하여 셧다운 시퀀스를 개시한다 (S5). 풍차는 윈드팜의 전력 계통으로부터 즉시 해열된다. 피치각이 페더링측을 향하여 제어된다. 또한, 위급 전자 밸브가 전원으로부터 차단됨으로써 위급 브레이크가 작동하여, 풍차의 회전에 제동력이 부여된다. 그 결과, 회전수가 점차 저하된다.

시각 t2 에 있어서 셧다운 시퀀스를 실행하고 있는 동안에 경보가 해제되면, 도 4 의 경로 P2 를 통하여 기동 상태 (S3) 를 향하여 제어된다. 복구부 (5) 는, 셧다운 시퀀스를 중단하고, 기동 시퀀스에 들어간다. 기동 시퀀스에 있어서, 위급 전자 밸브에 전력이 공급되고 제동이 정지된다. 블레이드의 피치가 파인측을 향하여 제어된다. 풍차의 회전수가 점차 상승한다. 시각 t3 에 있어서 회전수가 소정의 기준 (병입 회전수) 을 상회하면, 복구부 (5) 는 풍차를 윈드팜의 전력 계통에 병입하고, 풍차는 운전 상태 (S4) 가 된다.

이상의 예에서는 경보시에 즉시 해열되었지만, 경보시에 회전수가 소정의 기준을 하회하고 나서 해열하는 제어에 있어서는, 풍차가 해열되기 전에 경보가 해제되는 경우가 있다. 그 경우, 복구부 (5) 는, 도 4 의 경로 P3 을 경유하여 풍차를 운전 상태 (S4) 로 이행시킨다.

이상으로 설명한 제어에 의해, 예를 들어 사람이 항상 감시하고 있지 않은 풍차에 있어서도, 경보시의 고속 자동 재기동이 가능해진다. 또한, 통상적인 셧다운 시퀀스에 복구 처리를 추가함으로써 실현할 수 있기 때문에, 용이하게 도입할 수 있다. 또 무정전 전원 장치를 이용할 필요가 없는 제어이기 때문에, PLC (Programmable Logic Controller) 기동 불량 문제 등의 리스크를 피할 수 있다.

이상, 실시형태를 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 상기 실시형태에 여러가지 변경을 실시할 수 있다. 예를 들어, 상기 실시형태를 서로 조합할 수 있다.

1 : 제어 장치
2 : 경보 취득부
3 : 셧다운 시퀀스 기억부
4 : 셧다운 개시부
5 : 복구부
11 : 풍차
12 : 지지 기둥
13 : 나셀
14 : 로터헤드
15 : 풍차 블레이드
16 : 제어부

Claims (6)

1. 경보를 나타내는 신호를 취득하는 경보 취득부와,
   풍차의 페더링을 개시하고 나서 정지할 때까지의 일련의 동작을 셧다운 시퀀스로 하여 기억하는 셧다운 시퀀스 기억부와,
   상기 경보를 나타내는 신호에 응답하여 상기 셧다운 시퀀스를 개시하는 셧다운 개시부와,
   상기 셧다운 시퀀스의 도중에 상기 경보가 해제되었을 때, 상기 셧다운 시퀀스를 중지하여 상기 풍차의 블레이드의 피치 각도가 파인이 되도록 제어하는 복구 제어를 실시하는 복구부를 구비하는 풍차의 제어 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 복구 제어에 있어서 상기 풍차가 해열되었을 때, 상기 블레이드의 피치 각도가 파인에 가까워지도록 제어를 개시한 후, 상기 풍차의 회전수가 소정의 병입 기준을 상회하였을 때에 상기 풍차를 병입하는 풍차의 제어 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 셧다운 시퀀스는, 상기 풍차의 페더링을 개시하고, 이어서 상기 풍차의 회전수가 소정의 기준을 하회하면 상기 풍차의 해열을 실시하고, 이어서 상기 풍차의 제어를 정지하는 동작인 풍차의 제어 장치.
4. 경보를 나타내는 신호를 취득하는 공정과,
   상기 경보를 나타내는 신호에 응답하여 풍차의 페더링을 개시하고 나서 정지할 때까지의 일련의 동작을 나타내는 셧다운 시퀀스를 개시하는 공정과,
   상기 셧다운 시퀀스의 도중에 상기 경보가 해제되었을 때, 상기 셧다운 시퀀스를 중지하여 상기 풍차의 블레이드의 피치 각도가 파인이 되도록 제어하는 복구 제어를 실시하는 공정을 갖는 풍차의 제어 방법.
5. 제 4 항에 있어서,
   또한, 상기 복구 제어에 있어서 상기 풍차가 해열되었을 때, 상기 블레이드의 피치가 파인에 가까워지도록 제어를 개시한 후, 상기 풍차의 회전수가 소정의 병입 기준을 상회하였을 때에 상기 풍차를 병입하는 공정을 추가로 갖는 풍차의 제어 방법.
6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
   상기 셧다운 시퀀스는, 상기 풍차의 페더링을 개시하고, 이어서 상기 풍차의 회전수가 소정의 기준을 하회하면 상기 풍차의 해열을 실시하고, 이어서 상기 풍차의 제어를 정지하는 동작인 풍차의 제어 방법.

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