KR101375268B1 - 풍력 발전기의 회전속도 측정장치 및 방법 - Google Patents

풍력 발전기의 회전속도 측정장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

풍력 발전기의 회전속도 측정장치가 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따른 풍력 발전기의 회전속도 측정장치는 허브와 상기 허브에 연결된 복수 개의 블레이드를 갖는 로터가 설치된 풍력 발전기의 회전속도 측정장치에 있어서, 상기 로터에 설치되어 허브의 회전속도를 측정하는 자이로스코프, 및 상기 로터에 고정 설치되어 상기 자이로스코프에서 측정된 회전속도를 보정하는 가속도계를 포함한다.

Description

풍력 발전기의 회전속도 측정장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING ROTATION VELOCITY OF WIND POWER GENERATOR}
본 발명은 풍력 발전기의 회전속도를 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 풍력 발전기는 공기의 운동 에너지 즉, 바람의 자원으로부터 얻어진 에너지를 회전 운동 에너지로 변환한 후, 전기 에너지로 변환하는 전력 변환 장치이다.
풍력 발전기는 바람에 의하여 회전하는 로터와 로터의 회전력을 전력으로 변환하는 너셀, 및 너셀과 로터를 지지하는 타워부를 포함한다. 로터는 복수 개의 블레이드와 블레이드를 지지하는 허브를 포함한다.
풍력 터빈이 정격풍속(rated wind speed) 이상에서 일정한 출력을 유지하기 위해서는 로터의 회전속도 또는 발전기의 회전속도를 정격회전속도로 유지하는 것이 중요하다. 일정한 회전속도를 유지하기 위해서 터빈의 출력 제어기는 발전기의 토크와 피치의 각도를 조절하게 되며, 이 때 정격회전속도와 회전속도 측정값의 차이를 제어 입력으로 사용한다.
일반적으로 로터의 회전속도 측정에는 인코더(Encoder)가 적용된다. 로터가 회전하면서 인코더에 물려 있는 기어를 돌려주고, 단위시간당 인코더의 기어 치차가 돌아가는 숫자를 계산하여 회전속도를 측정하는 방식이다. 인코더는 회전체의 회전속도 측정을 위해 광범위하게 사용될 정도로 신뢰도가 높은 방법이며, 기계적으로 물려 있어 정확한 회전을 반영할 수 있다는 장점이 있다.
그러나 인코더를 설치하기 위해서는 기어의 간섭이 없도록 설치 공간에 여유가 있어야 하고, 설치를 위한 구조체의 설계 변경이 수반된다. 또한, 인코더를 오랜 시간 사용하는 경우, 마모가 발생하여 측정 오차가 커질 우려도 있으며, 정밀한 회전속도 측정을 위해서는 인코더의 가격이 급격히 상승한다는 점도 잠재적인 부담이 된다.
풍력 터빈의 운영 특성상 고장이 발생하여 가동을 멈추는 시간이 곧 손실이 되므로, 주요 센서는 중복으로 설치하여 고장이 발생해도 수리시점까지 운영을 지속하도록 고안하는 것이 주요 운영전략 중 하나이다. 그러나 풍력 터빈에 설치하는 인코더는 공간적 제약과 상대적으로 높은 가격으로 중복으로 설치하는 경우가 드물다. 따라서 인코더에 고장이 발생하는 경우 운영을 멈출 수 밖에 없으며, 특히 해상용 터빈은 육상용 터빈 대비 접근이 용이하지 않으므로 센서의 고장으로 인한 운영 중단은 큰 손실을 가져온다.
이러한 문제를 해결하기 위해서 보조 인코더를 설치하고 있으나, 이는 큰 비용의 증가를 가져오고 인코더의 설치를 위한 공간 낭비가 생기는 문제가 있다.
본 발명의 실시예는 마모 및 고장 발생을 감소시킬 수 있는 풍력 발전기의 회전속도 측정장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 풍력 발전기의 회전속도 측정장치는 허브와 상기 허브에 연결된 복수 개의 블레이드를 갖는 로터가 설치된 풍력 발전기의 회전속도 측정장치에 있어서, 상기 로터에 설치되어 허브의 회전속도를 측정하는 자이로스코프, 및 상기 로터에 고정 설치되어 상기 자이로스코프에서 측정된 회전속도를 보정하는 가속도계를 포함한다.
상기 자이로스코프의 회전축은 상기 로터의 회전축과 평행하게 배치되며, 상기 가속도계는 상기 로터의 회전축에서 이격 배치될 수 있다.
복수 개의 가속도계가 기 설정된 각도로 이격되어 배치될 수 있다.
상기 가속도계는 2축 가속도계 또는 3축 가속도계로 이루어지고, 상기 가속도계의 하나의 축은 상기 블레이드의 길이방향과 평행하게 배치되고, 상기 가속도계의 다른 하나의 축은 상기 블이드의 폭방향과 평행하게 배치될 수 있다.
또한, 상기 자이로스코프는 블레이드 루트부가 연결되는 상기 허브의 평면 또는 너셀을 향하는 상기 허브 내부 평면에 설치될 수 있다.
또한, 상기 가속도계는 상기 블레이드 루트부가 연결되는 상기 허브의 평면 또는 블레이드의 루트부에 설치될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 풍력 발전기의 회전속도 측정방법은 자이로스코프를 이용하여 로터의 회전속도를 측정하는 단계와, 가속도계를 이용하여 가속도의 변화를 측정하는 단계와, 측정된 로터의 회전속도를 적분하여 로터의 회전각도를 연산하는 단계, 및 상기 로터의 회전각도를 가속도 변화를 이용하여 보정하는 단계를 포함한다.
상기 보정하는 단계는 가속도의 최대값 또는 최소값을 상기 로터의 회전각도와 일치시킨다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 자이로스코프와 가속도계를 갖는 회전속도 측정장치를 이용하여 마모에 따른 고장이나 오작동 없이 로터의 회전속도를 측정할 수 있다.
또한, 자이로스코프와 가속도계의 상호 보완에 의하여 로터의 회전속도를 정밀하게 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 풍력 발전기의 측면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 로터의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 로터의 정면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가속도계와 자이로스코프를 이용하여 측정된 회전속도를 적분한 회전각을 보정한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 로터의 평면도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 로터의 정면도이다.
도 7a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가속도계의 사시도이다.
도 7b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가속도계의 사시도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 측면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 허브의 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 풍력 발전기는 바람에 의하여 회전하는 로터(1)와 로터(1)의 회전력을 전력으로 변환하는 너셀(2), 및 너셀(2)과 로터(1)를 지지하는 타워(3)를 포함한다. 너셀(2)은 타워(3)의 상부에 설치되며 내부에 회전토크를 전달 받아 전력을 생산하는 발전기가 설치된다.
로터(1)는 복수 개의 블레이드(12)와 블레이드들(12)을 지지하는 허브(13)를 포함한다. 본 실시예에서는 허브(13)에 3개의 블레이드(12)가 설치된 것으로 예시하고 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 블레이드(12)는 2개 이상 설치되면 충분하다.
한편, 허브(13)는 블레이드(12)와 함께 회전하며, 로터(1)에는 허브(13)의 회전속도를 측정하는 회전속도 측정장치가 설치된다. 회전속도 측정장치는 허브(13)에 설치된 자이로스코프(21)와 가속도계(23)를 포함한다.
자이로스코프(21)는 블레이드(12)의 루트부가 연결되는 허브(13)의 평면 또는 너셀(2)을 향하는 허브(13) 내부 평면에 설치될 수 있으며, 자이로스코프(21)의 회전 축은 허브(13)의 회전축(18)과 평행하게 배치된다. 본 기재에서 블레이드(12)의 루트부라 함은 불레이드(12)에서 허브와 연결되는 뿌리 부분을 의미한다.
가속도계(23)는 허브(13)의 중심축에서 기 설정된 거리만큼 이격 배치된다. 본 실시예에서는 블레이드(12) 루트부가 연결되는 허브(13)의 평면에 가속도계(23)가 설치되며, 로터(1)에는 3개의 가속도계(23)가 설치된다. 가속도계(23)는 1축 가속도계가 적용될 수 있으며, 여기서 가속도계(23)의 축은 블레이드(12)의 길이방향과 평행하게 설치될 수 있다.
다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 가속도계(23)의 축은 허브(13)의 회전방향에 대하여 수직으로 배치되어 원심력에 의한 가속도를 측정할 수 있으면 충분하다. 또한, 가속도계(23)는 2축 가속도계 또는 3축 가속도계로 이루어질 수 있다. 또한, 본 실시예에서는 3개의 가속도계(23)가 설치된 것으로 예시하고 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며 하나의 가속도계가 설치될 수도 있다.
허브(13)에 적용되는 가속도는 중력가속도와 원심력에 의한 가속도의 영향으로 결정된다. 중력 가속도는 항상 아래를 향하는 반면, 원심력에 의한 가속도는 회전방향에 대하여 수직인 방향으로 작용한다.
가속도계(23)가 허브(13)의 하단에 위치하는 경우, 중력 가속도와 원심력에 의한 가속도의 방향이 일치하여 가속도는 최대가 된다. 또한, 가속도계(23)가 허브(13)의 상단에 위치하는 경우, 중력 가속도와 원심력에 의한 가속도의 방향이 반대방향이 되어 가속도는 최소가 된다. 가속도계(23)가 허브의 회전중심축에서 1m 이격 배치되고, 허브가 12rpm으로 회전할 때, 최대 가속도는 10.37m/s2이 되고, 최소 가속도는 8.25m/s2가 된다. 이와 같이 가속도계(23)의 위치에 따라 가속도의 값이 달라지므로 가속도의 변화에 따라 로터(1)의 회전각을 예측할 수 있다.
또한, 자이로스코프(21)를 통해서 측정된 회전속도를 적분하면, 로터(1)의 회전각을 계산할 수 있다, 자이로스코프(21)를 통해서 측정된 회전속도는 인코더를 통해서 측정된 회전속도에 비하여 정확하지 않은 문제가 있다. 따라서 자이로스코프(21)를 통해서 측정된 회전속도를 적분한 회전각은 오차로 인하여 발산하는 문제가 생기며, 회전수가 증가함에 따라 회전각의 오차는 더욱 커지게 된다. 한편, 가속도계(23)를 이용하면 로터(1)의 회전 위치를 파악할 수 있지만, 누적된 회전각과 회전속도를 측정할 수 없는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해서, 자이로스코프(21)에서 측정된 회전속도를 적분한 회전각을 가속도계에서 측정된 가속도 값에 따라 보정하여 자이로스코프(21)의 오차를 수정한다.
즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 가속도가 최소가 되는 지점과 1회전시의 회전각이 일치하도록 보정하면, 로터(1)의 회전각도를 정밀하게 측정할 수 있다. 본 실시예에서는 3개의 가속도계(23)가 설치되는 바, 각 가속도계(23)의 최대 가속도와 최소 가속도에 따라 회전각을 보정하면, 60도 마다 회전각을 보정하여 더욱 정밀하게 회전속도 및 회전각을 측정할 수 있다.
또한, 보정된 로터(1)의 회전각도의 변화를 미분하면 로터(1)의 회전속도를 정밀하게 측정할 수 있다. 이러한 보정은 로터(1)에 설치된 제어기를 통해서 실시될 수 있다.
본 제1 실시예에 따른 풍력 발전기의 회전속도 측정방법은 자이로스코프(21)를 이용하여 로터(1)의 회전속도를 측정하는 단계와, 가속도계(23)를 이용하여 가속도의 변화를 측정하는 단계와, 측정된 로터(1)의 회전속도를 적분하여 로터(1)의 회전각도를 연산하는 단계, 및 로터(1)의 회전각도를 가속도의 변화를 이용하여 보정하는 단계를 포함한다.
여기서, 보정하는 단계에서는 연산된 회전각도와 가속도의 최대값 또는 최소값을 로터(1)의 회전각도와 일치시킨다. 가속도의 최대값 및 최소값은 가속도계(23)의 회전 위치에 따라 달라진다. 가속도계(23)의 회전각도가 180도 또는 360도의 정수배 일 때, 가속도가 최대값 또는 최소값이 되므로 이 때의 각도와 적분하여 얻은 회전각도를 일치시킨다. 이에 따라 회전각도 및 회전속도의 오차를 보정하여 정밀한 회전속도 및 회전각도를 얻을 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 실시예에 따르면 자이로스코프(21)와 가속도계(23)를 이용하여 로터(1)의 회전속도와 회전각도를 정밀하게 측정할 수 있다. 또한, 자이로스코프(21)와 가속도계(23)는 마모현상이 없으므로 마모에 따른 고장이나 오작동을 방지할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 자이로스코프(21)와 가속도계(23)는 인코더의 보조적인 역할을 하도록 설치될 수 있다. 즉, 설치된 인코더가 고장난 경우에 인코더를 보수하는 동안 자이로스코프와 가속도계를 이용하여 로터(1)의 회전속도를 측정할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 로터를 도시한 평면도이고, 도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 로터를 도시한 정면도이다.
도 5 및 도 6을 참고하여 설명하면, 로터(4)는 허브(13)와 허브(13)에 고정된 블레이드(12)를 포함하며, 허브(13)는 블레이드(12)와 함께 회전한다. 로터(4)에는 허브(13)의 회전속도를 측정하는 회전속도 측정장치가 설치되는 바, 회전속도 측정장치는 블레이드(12)의 루트부가 연결되는 허브(13)의 평면 또는 너셀을 향하는 허브(13) 내부 평면에 설치된 자이로스코프(41)와 블레이드(12)의 루트부에 설치된 가속도계(42)를 포함한다. 자이로스코프(41)의 회전 축은 허브(13)의 회전축과 평행하게 배치된다.
또한, 가속도계(42)는 허브(13)의 중심축에서 기 설정된 거리만큼 이격 배치되며, 가속도계(42)는 블레이드에 고정 설치된다. 가속도계(42)는 블레이드(12)에서 허브(13)와 연결되는 루트 부분에 고정 설치되며, 블레이드(12) 루트부에는 하나의 가속도계(42)가 설치된다. 즉, 어느 하나의 블레이드(12)의 블레이드(12) 루트부가 연결되는 허브(13)의 평면 또는 너셀을 향하는 허브(13) 내부 평면에 자이로스코프(41)가 설치되며, 다른 블레이드(12)의 루트부에 가속도계(42)가 설치된다.
도 7a에 도시된 바와 같이, 가속도계(42)는 3축 가속도계가 적용될 수 있으며, 가속도계(42)의 하나의 축은 블레이드(12)의 길이방향과 평행하게 설치되며, 다른 축은 블레이드(12)의 폭방향과 평행하게 설치된다.
가속도계(42)의 하나의 축(y축)이 블레이드(12)의 길이방향과 평행하게 배치되면 회전에 따른 가속도의 변화를 측정할 수 있다. 또한, 다른 축이 블레이드(12)의 폭방향과 평행하게 설치되면, 블레이드(12)의 피치 움직임을 측정하여 피치 구동의 이상 여부를 판별할 수 있다.
또한, 가속도계(43)는 도 7b에 도시된 바와 같이, 2축 가속도계가 적용될 수 있으며, 가속도계(43)의 하나의 축은 블레이드(12)의 길이방향과 평행하게 설치되며, 다른 축은 블레이드(12)의 폭방향과 평행하게 설치된다.
가속도계(43)의 하나의 축(y축)이 블레이드(12)의 길이방향과 평행하게 배치되면 회전에 따른 가속도의 변화를 측정할 수 있다. 또한, 다른 축이 블레이드(12)의 폭방향과 평행하게 설치되면, 블레이드(12)의 피치 움직임을 측정하여 피치 구동의 이상 여부를 판별할 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
1, 4: 로터 2: 너셀
3: 타워 12: 블레이드
13: 허브 18: 회전축
21, 41: 자이로스코프 23, 42, 43: 가속도계

Claims (8)

  1. 허브와 상기 허브에 연결된 복수 개의 블레이드를 갖는 로터가 설치된 풍력 발전기의 회전속도 측정장치에 있어서,
    상기 로터에 설치되어 허브의 회전속도를 측정하는 자이로스코프; 및
    상기 로터에 고정 설치되어 상기 자이로스코프에서 측정된 회전속도를 보정하는 가속도계;를 포함하는 풍력 발전기의 회전속도 측정장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 자이로스코프의 회전축은 상기 로터의 회전축과 평행하게 배치되며,
    상기 가속도계는 상기 로터의 회전축에서 이격 배치된 풍력 발전기의 회전속도 측정장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    복수 개의 가속도계가 기 설정된 각도로 이격되어 배치된 풍력 발전기의 회전속도 측정장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 가속도계는 2축 가속도계 또는 3축 가속도계로 이루어지고, 상기 가속도계의 하나의 축은 상기 블레이드의 길이방향과 평행하게 배치되고, 상기 가속도계의 다른 하나의 축은 상기 블레이드의 폭방향과 평행하게 배치된 풍력 발전기의 회전속도 측정장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 자이로스코프는 블레이드 루트부가 연결되는 상기 허브의 평면 또는 너셀을 향하는 상기 허브 내부 평면에 설치된 풍력 발전기의 회전속도 측정장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 가속도계는 상기 블레이드 루트부가 연결되는 상기 허브의 평면 또는 블레이드의 루트부에 설치된 풍력 발전기의 회전속도 측정장치.
  7. 자이로스코프를 이용하여 로터의 회전속도를 측정하는 단계;
    가속도계를 이용하여 가속도의 변화를 측정하는 단계;
    측정된 로터의 회전속도를 적분하여 로터의 회전각도를 연산하는 단계; 및
    상기 로터의 회전각도를 가속도 변화를 이용하여 보정하는 단계;를 포함하는 풍력 발전기의 회전속도 측정방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 보정하는 단계는 가속도의 최대값 또는 최소값을 상기 로터의 회전각도와 일치시키는 풍력 발전기의 회전속도 측정방법.
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