KR101387747B1 - 풍력 발전기의 피치 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

풍력 발전기의 피치 제어 방법이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 피치 제어 방법은, 풍력 터빈으로 향하는 풍속을 시간순으로 연속하여 계측하는 풍속 계측 단계; 상기 풍속 계측 단계에서 계측된 풍속을 임의의 시간 구간 전체로 이동 평균하여 시간 구간 전체의 이동평균 풍속을 산출하는 시간 구간 전체 이동평균 풍속 산출 단계; 상기 풍속 계측 단계에서 계측된 풍속을 임의의 시간 구간 중 일부 시간 구간으로 이동 평균하여 일부 시간 구간의 이동평균 풍속을 산출하는 일부 시간 구간 이동평균 풍속 산출 단계; 상기 일부 시간 구간 이동평균 풍속 산출 단계에서 산출된 일부 시간 구간의 이동평균 풍속이 상기 시간 구간 전체 이동평균 풍속 산출 단계에서 산출된 구간 전체의 이동평균 풍속보다 큰 풍속인지 여부를 비교하는 이동평균 풍속 비교 단계; 및 상기 이동평균 풍속 비교 단계에서 일부 시간 구간 이동평균 풍속이 상기 시간 구간 전체의 이동평균 풍속보다 증가된 것으로 판단되면, 풍력 터빈의 토크를 증가시켜 상기 풍속의 증가에 따른 풍력 터빈의 토크 감소 부분을 일정한 크기만큼 복구시켜 주기 위하여 로터 블레이드의 피치각을 제어하는 피치각 제어 단계를 포함한다.

Description

풍력 발전기의 피치 제어 방법{PITCH CONTROL METHOD OF WIND POWER GENERATING DEVICE}
본 발명은 풍력 발전기의 피치 제어 방법에 관한 것이다.
최근에는, 환경 문제에 대한 관심이 증대하면서 자연 에너지의 이용이 급속하게 개발되고 있으며, 클린 에너지로서 바람의 에너지를 전기 에너지로 변환하는 풍력 발전이 중요한 발전 장치로서 주목을 받고 있다.
이러한 풍력 발전에 이용되는 풍력 발전기는, 회전축 방향에 따라 분류하면, 바람이 불어오는 방향과 평행하게 축이 놓이는 수평축 타입과, 바람이 불어오는 방향에 수직으로 설치되는 수직축 타입으로 크게 구분된다.
이러한 수평축 타입의 풍력 발전기(1)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 로터 블레이드(10)와, 상기 로터 블레이드(10)에 결합되는 허브(20)와, 상기 로터 블레이드(10)의 샤프트에 장착되는 변속기를 이용하여 구동되는 발전기와, 상기 변속기 및 발전기 등을 수용하는 너셀(30)과, 상기 너셀(30)을 일정한 높이로 유지하는 타워(40)를 포함한다.
이와 같은 풍력 발전기(10)는, 대기중의 바람이 갖고 있는 운동에너지가 로터 블레이드(10)를 회전시키고, 이러한 로터 블레이드(10)의 회전은 나셀(30) 안에 장착되어 있는 변속기에서 증속 과정을 거처 최종적으로 발전기를 구동시켜 출력을 생산하게 된다. 이러한 발전기의 생산 출력(P)을 수식으로 나타내면 다음과 같다.
　　P = (1/2xCp) x ρ x (A x V3) 　------ (1)
　여기서, P는 발전기의 출력, Cp는 출력계수, ρ는 공기 밀도, A는 블레이드 회전 면적, V는 바람의 풍속을 나타낸다.
　식(1)에서 발전기의 출력(P)은 풍속(V)의 3제곱에 비례함을 알 수 있다.
　일반적으로 대기 중 바람의 풍속은 일정하지 않고, 끊임없이 변하기 때문에 풍속의 시간적 변화는 도 3과 같이 매우 불규칙한 특성을 보인다. 따라서 식(1)에서도 알 수 있듯이 풍속(V)의 변화와 함께 생산되는 출력 또한 매우 불규칙한 특성을 보인다.
　풍력 발전기를 전체적으로 본다면 도 4에 도시된 바와 같이 로터 블레이드(10), 변속기(50), 발전기(60)의 순으로 연결되어 있고, 로터 블레이드(10)와 변속기(50) 사이에 동력 전달을 위해 저속 샤프트(70)가 연결되고, 변속기(50)와 발전기(60) 사이에 동력 전달을 위해 고속 샤프트(80)가 연결되어 있다. 먼저, 로터 블레이드(10)는 대형 블레이드의 경우 개당 무게가 대략 10톤 정도에 이르므로, 3개의 블레이드를 장착한 터빈의 경우 질량이 대략 30톤 정도에 이른다. 또한 변속기와 발전기에 이르는 구성품의 질량도 상당하다.
그리고, 회전하는 물체의 운동방정식을 수식으로 나타내면 다음과 같다.
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　T = I x α ------　(2)
여기서, T는 토크, I는 관성모멘트, α는 각가속도를 나타낸다.
질량 분포에 따라 틀리지만, 질량이 크면 관성모멘트 값도 일반적으로 크기 때문에, 토크를 높여 준다고 하더라도, 관성모멘트 값이 크면 각가속도가 작아서, 각 속도의 시간적 변화가 즉각적이지 않다. 즉, 풍력 발전기에서 풍속이 점점 증가되는 상황에서는 발전기 전체 회전부품의 관성모멘트가 크게 되므로, 회전 속도는 풍속 변화에 민감하지 못하고 일정수준의 회전 속도를 얻기까지 시간 지연 상황이 발생하게 된다.
　　　이를 수식으로 표현하면 다음과 같다.
Figure 112012022948811-pat00001
------ (3)
　식(1)을 고쳐 쓰면, 식(3)과 같이 표현할 수 있다. 여기서, 박스의 왼쪽 부분은 토크(T) 부분이며, 박스의 오른쪽 부분은 각속도(ω) 부분이다. 즉, 출력(P)은 토크(T)와 각속도(ω)로 표현되는데, 회전관성(관성모멘트) 때문에 토크(T)가 충분히 크더라도 각속도(ω)의 크기가 작아서, 최종 출력은 손실을 볼 수 있다. 이때, 생산되는 출력을 보상해 주기 위해서는 토크의 크기를 높여 주어 토크 항의 크기를 커지게 하거나, 토크가 커짐에 따라 회전관성을 극복하여 일정 수준의 회전속도를 빨리 확보하여야 한다. 반대의 경우 즉, 풍속이 점점 작아지는 환경에서는 일부러 토크 항을 크거나 작게 할 필요는 없다.
도 5 및 도 6은 실제 풍력 터빈에서 생산 출력이 조금 늦게 반응하는 것을 나타내고 있다.
식(3)을 다시 살펴 보면, 토크 부분은 주속비(λ), 출력계수(Cp), 블레이드 팁속도(Vtip), 로터 블레이드 반경(R)으로 결정됨을 알 수 있다. 이 중에서 로터 블레이드 반경(R)은 터빈에서 불변하므로, 결국 터빈의 토크(T)는 주속비(λ), 출력계수(Cp), 팁속도(Vtip)의 함수임을 알 수 있는데, 다음의 식에서 블레이드 팁속도(Vtip)도 결국에는 주속비(λ)에 따라 결정 됨을 알 수 있다.
Figure 112012022948811-pat00002
----- (4)　
일반적으로 풍력 터빈은 최대의 출력계수(Cp)값을 나타내는 주속비에서 운전된다.　그런데, 만일 풍속이 빨라지는데 로터 블레이드의 회전속도가 그만큼 크지 못하게 되면 식(4)에서도 알 수 있듯이 주속비가 작아지게 되므로, 결국 출력계수(Cp)는 하락하게 된다. 이는 풍속이 증가하는 만큼 블레이드의 회전이 충분히 빠르게 증가하지 못하기 때문이다.
이와 같이, 종래에는 풍력 터빈으로 향하는 풍속이 갑자기 증가되어도 로터 블레이드의 회전속도가 그만큼 크지 못하게 되어 풍력 터빈의 토크값이 풍속에 비해 빠르게 증가하지 못하게 되므로, 그만큼 풍력 터빈의 성능이 저하되는 문제점이 있었다.
본 발명의 일 실시예는 풍력 터빈으로 향하는 풍속이 갑자기 증가되어도 로터 블레이드의 회전속도를 증가시켜 풍력 터빈의 토크값이 풍속에 비해 빠르게 증가될 수 있도록 하여 풍력 터빈의 성능을 향상할 수 있는 풍력 발전기의 피치 제어 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 풍력 터빈으로 향하는 풍속을 시간순으로 연속하여 계측하는 풍속 계측 단계;
상기 풍속 계측 단계에서 계측된 풍속을 임의의 시간 구간 전체로 이동 평균하여 시간 구간 전체의 이동평균 풍속을 산출하는 시간 구간 전체 이동평균 풍속 산출 단계;
상기 풍속 계측 단계에서 계측된 풍속을 임의의 시간 구간 중 일부 시간 구간으로 이동 평균하여 일부 시간 구간의 이동평균 풍속을 산출하는 일부 시간 구간 이동평균 풍속 산출 단계;
상기 일부 시간 구간 이동평균 풍속 산출 단계에서 산출된 일부 시간 구간의 이동평균 풍속이 상기 시간 구간 전체 이동평균 풍속 산출 단계에서 산출된 구간 전체의 이동평균 풍속보다 큰 풍속인지 여부를 비교하는 이동평균 풍속 비교 단계; 및
상기 이동평균 풍속 비교 단계에서 일부 시간 구간 이동평균 풍속이 상기 시간 구간 전체의 이동평균 풍속보다 증가된 것으로 판단되면, 풍력 터빈의 토크를 증가시켜 상기 풍속의 증가에 따른 풍력 터빈의 토크 감소 부분을 일정한 크기만큼 복구시켜 주기 위하여 로터 블레이드의 피치각을 제어하는 피치각 제어 단계를 포함하는 풍력 발전기의 피치 제어 방법이 제공될 될 수 있다.
이 때, 상기 피치각 제어 단계에서 증가된 상기 풍력 터빈의 토크가 상기 일부 시간 구간의 이동평균 풍속에 필요한 토크로 복구되었는지 여부를 판단하는 토크 복구 여부 판단 단계를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 토크 복구 여부 판단 단계에서 풍력 터빈의 토크가 상기 일부 시간 구간의 이동평균 풍속에 필요한 토크로 복구되었다고 판단된 경우, 상기 로터 블레이드의 피치각을 원래대로 복귀시키는 피치각 복귀 단계를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 피치각 제어 단계는 풍력 발전기의 주속비를 이용하여 상기 구간 전체의 이동평균 풍속에서 출력되는 시간 구간 전체의 터빈 토크를 계산하는 시간 구간 전체의 토크 계산 단계;
상기 풍력 발전기의 주속비에 따른 상기 일부 시간 구간의 이동평균 풍속에 필요한 터빈 토크를 계산하는 일부 시간 구간의 토크 계산 단계;
상기 일부 시간 구간의 토크 계산 단계에서 계산된 토크와 상기 시간 구간 전체의 이동평균 풍속에서 출력되는 구간 전체의 토크의 차이를 계산하는 토크 차이 계산 단계; 및
상기 토크 차이 계산 단계에서 계산된 토크만큼 증가시켜 줄 수 있도록 상기 로터 블레이드의 피치각을 조절하는 피치각 조절 단계를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 일부 시간 구간은 상기 시간 구간 전체의 시간 간격 보다 작은 시간 간격으로 설정될 수 있다.
이 때, 상기 일부 시간 구간의 시간 간격은 10초 내지 1분 범위 내에서 설정될 수 있으며, 상기 시간 구간 전체의 시간 간격은 1분 내지 15분 범위 내에서 설정될 수 있다.
이 때, 상기 일부 시간 구간의 시간 간격은 30초로 설정되고, 상기 시간 구간 전체의 시간 간격은 10분으로 설정될 수 있다.
이 때, 상기 피치각 제어 단계의 피치각 제어는 풍속 기준으로 풍력 터빈의 시동 풍속(cut-in)부터 정격 출력이 발생되는 정격 풍속(rated wind speed)까지 실행될 수 있다.
이 때, 상기 피치각 제어 단계에서 피치각 제어는 풍속이 갑자기 증가하는 경우에도 상기 풍력 터빈의 토크를 상기 일부 시간 구간의 이동평균 풍속에 필요한 토크로 증가시켜 줄 수 있도록 일정한 크기 범위 내에서 기준 피치각에서 마이너스 각도 방향으로 조절할 수 있다.
이 때, 상기 기준 피치각은 정격 풍속에서 터빈이 가장 효율적으로 운전되는 최적 피치각(Fine Pitch Angle)일 수 있다.
이 때, 상기 피치각은 최적 피치각에서 마이너스 각도 방향으로 5도 이내의 범위 내에서 조절될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 풍력 터빈으로 향하는 풍속이 갑자기 증가되어도 로터 블레이드의 회전 속도를 증가시켜 풍력 터빈의 토크값이 풍속에 비해 빠르게 증가될 수 있도록 하여 풍력 터빈의 성능을 향상할 수 있다.
도 1은 일반적인 풍력 발전기의 정면도이다.
도 2는 일반적인 풍력 발전기의 측면도이다.
도 3은 대기중의 풍속과 풍력 발전기에서 생산되는 출력의 시간적 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 일반적인 풍력 발전기의 내부의 구조를 도시한 개략적인 도면이다.
도 5는 대기중의 풍속이 최저로 낮아지는 경우의 풍속 변화와 생산되는 출력의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 6은 대기중의 풍속이 빨라지는 경우의 풍속 변화와 생산되는 출력의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 피치 제어 방법에 따른 구성도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 피치 제어 방법에 따른 순서도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 피치 제어 방법에 따른 풍속 변화와 생산되는 출력의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 피치 제어 방법에 의하여 출력이 증가한 경우와 종래의 경우를 비교하여, 대기중의 풍속이 빨라지는 경우의 풍속 변화와 생산되는 출력의 관계를 나타낸 그래프이다.
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 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 피치 제어 방법에 따른 구성도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 피치 제어 방법은, 풍력 터빈에 설치된 풍속계에서 바람의 풍속을 시간순으로 연속하여 계측하는 풍속 계측 단계(S10);
상기 풍속 계측 단계(S10)에서 계측된 풍속을 임의의 시간 구간 전체로 이동 평균하여 시간 구간 전체의 이동평균 풍속을 산출하는 시간 구간 전체 이동평균 풍속 산출 단계(S20);
상기 풍속 계측 단계(S10)에서 계측된 풍속을 임의의 시간 구간 중 일부 시간 구간으로 이동 평균하여 일부 시간 구간의 이동평균 풍속을 산출하는 일부 시간 구간 이동평균 풍속 산출 단계(S30); 및
상기 일부 시간 구간 이동평균 풍속 산출 단계(S30)에서 산출된 일부 시간 구간의 이동평균 풍속이 상기 시간 구간 전체 이동평균 풍속 산출 단계(S20)에서 산출된 시간 구간 전체의 이동평균 풍속보다 큰 풍속인지 여부를 비교하는 이동평균 풍속 비교 단계(S40)를 포함할 수 있다.
상기 이동평균 풍속 비교 단계(S40)에서 일부 시간 구간 이동평균 풍속이 상기 시간 구간 전체의 이동평균 풍속보다 증가된 것으로 판단되면, 풍력 터빈의 토크를 증가시켜 상기 풍속의 증가에 따른 풍력 터빈의 토크 감소 부분을 일정한 크기만큼 복구시켜 주기 위하여 로터 블레이드의 피치각을 제어하는 피치각 제어 단계(S50)를 포함한다.
여기서, 상기 로터 블레이드 피치각은 로터 블레이드가 장착된 중심선을 기준으로 돌아가는 각도를 가리킨다.
또한, 상기 피치각 제어 단계(S50)에서 증가된 상기 풍력 터빈의 토크가 상기 일부 시간 구간의 이동평균 풍속에 필요한 토크로 복구되었는지 여부를 판단하는 토크 복구 여부 판단 단계(S60)를 포함할 수 있다.
상기 토크 복구 여부 판단 단계(S60)에서 풍력 터빈의 토크가 상기 일부 시간 구간의 이동평균 풍속에 필요한 토크로 복구되었다고 판단된 경우, 상기 로터 블레이드의 피치각을 원래대로 복귀시키는 피치각 복귀 단계(S70)를 포함할 수 있다.
상기 일부 시간 구간의 이동평균 풍속과 상기 시간 구간 전체의 이동평균 풍속은, 예컨대, 1/100초 등의 간격으로 측정된 풍속을 이용할 수 있으며, 제어부에서 풍속을 수집하는 방식에 따라 변경될 수 있다.
상기 일부 시간 구간은 상기 시간 구간 전체의 시간 간격 보다 작은 시간 간격으로 설정될 수 있으며, 상기 일부 시간 구간과 상기 시간 구간 전체의 시간 간격은 풍력 발전기가 설치되는 지역의 풍황 조건에 따라 가변될 수 있다.
또한, 상기 일부 시간 구간의 시간 간격은 예컨대, 10초 내지 1분 범위 내에서 설정될 수 있으며, 상기 시간 구간 전체의 시간 간격은 예컨대, 1분 내지 15분 범위 내에서 설정될 수 있다.
특히, 상기 일부 시간 구간의 시간 간격은 예컨대, 30초로 설정되고, 상기 시간 구간 전체의 시간 간격은 예컨대, 10분으로 설정될 수 있다.
또한, 상기 피치각 제어 단계(S50)의 피치각 제어는 풍속 기준으로 풍력 터빈의 시동 풍속(cut-in)부터 정격 출력이 발생되는 정격 풍속(rated wind speed)까지 실행될 수 있다.
상기 피치각 제어 단계(S50)는 풍력 발전기의 주속비를 이용하여 상기 시간 구간 전체의 이동평균 풍속에서 출력되는 시간 구간 전체의 터빈 토크를 계산하는 시간 구간 전체의 토크 계산 단계(S51);
상기 풍력 발전기의 주속비에 따른 상기 일부 시간 구간의 이동평균 풍속에 필요한 터빈 토크를 계산하는 일부 시간 구간의 토크 계산 단계(S53);
상기 일부 시간 구간의 토크 계산 단계(S53)에서 계산된 토크와 상기 시간 구간 전체의 이동평균 풍속에서 출력되는 구간 전체의 토크의 차이를 계산하는 토크 차이 계산 단계(S55); 및
상기 토크 차이 계산 단계(S55)에서 계산된 토크만큼 증가시켜 줄 수 있도록 상기 로터 블레이드의 피치각을 조절하는 피치각 조절 단계(S57)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 풍력 발전기의 주속비(TSR, tip speed ratio)는 풍속에 대한 블레이드 끝단의 속도비를 말한다.
상기 피치각 제어 단계(S50)에서 피치각 제어는 풍속이 갑자기 증가하는 경우에도 상기 풍력 터빈의 토크를 상기 일부 시간 구간의 이동평균 풍속에 필요한 토크로 증가시켜 줄 수 있도록 일정한 크기 범위 내에서 기준 피치각에서 마이너스 각도 방향으로 조절하게 되는데, 이와 같이 로터 블레이드 피치각을 기준 피치각에서 마이너스 각도 방향으로 조절하면 풍력 터빈의 토크를 증가시켜 그 만큼 로터 블레이드의 회전 속도를 증가시킬 수 있다. 이때, 상기 일부 시간 구간의 이동평균 풍속에 필요한 토크는 풍속 증가에 따른 토크 감소 부분을 일정한 크기만큼 복구할 수 있다.
여기서, 상기 기준 피치각은 정격 풍속에서 터빈이 가장 효율적으로 운전되는 최적 피치각(Fine Pitch Angle)을 의미한다. 상기 최적 피치각은 풍력 터빈에 따라 다를 수 있다.
또한, 풍력 터빈의 출력은 토크와 회전속도의 곱인데, 풍속이 갑자기 증가하는 경우에 풍속의 증가에 따라 블레이드의 회전속도도 증가해야 하지만, 실제로는 블레이드와 허브 등의 관성이 크기 때문에 블레이드의 회전속도는 증가하지 못한다. 따라서, 본 발명은 풍속이 갑자기 증가하는 경우에 로터 블레이드의 피치각을 최적 피치각에서 마이너스 각도 방향으로 조절함으로써, 토크가 높아지고, 커진 토크에 의해 블레이드의 회전속도를 증가시킬 수 있다.
또한, 상기 피치각 제어 단계(S50)에서 상기 로터 블레이드의 피치각은 -10도 이내의 범위까지 최적 피치각에서 마이너스 각도 방향으로 조절될 수 있다. 바람직하게는 상기 로터 블레이드의 피치각은 최적 피치각에서 -5도 이내의 범위까지 마이너스 각도 방향으로 조절될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 피치 제어 방법에 따른 순서도이다.
도 8을 참조하면, 먼저 풍력 터빈에 설치된 풍속계에서 바람의 풍속을 예컨대, 1/100초 간격으로 계측한다(S100).
그리고, 풍력 터빈의 제어부(미도시)에서 상기 계측된 풍속을 일정한 시간 구간 전체로 이동평균하여 시간 구간 전체, 예컨대 10분 간격에 대한 이동평균 풍속을 산출하고(S110), 아울러 풍력 터빈의 제어부(미도시)에서 상기 계측된 풍속을 상기 시간 구간 중 일부 시간 구간으로 이동평균하여 일부 시간, 예컨대 30초 간격에 대한 일부 시간 구간의 이동평균 풍속을 산출한다(S120).
상기 단계(S110, S120)에서 산출된 상기 시간 구간 전체의 이동평균 풍속과 일부 시간 구간의 이동평균 풍속을 비교하여, 상기 일부 시간 구간의 이동평균 풍속이 상기 시간 구간 전체의 이동평균 풍속보다 큰 풍속인지를 판단한다(S130).
상기 일부 시간 구간의 이동평균 풍속이 상기 시간 구간 전체의 이동평균 풍속보다 작은 풍속인 것으로 판단된 경우에는, 풍속 계측 단계(S100)로 되돌아 간다.
그리고, 상기 일부 시간 구간의 이동평균 풍속이 상기 시간 구간 전체의 이동평균 풍속보다 큰 풍속인 것으로 판단된 경우, 로터 블레이드의 피치각을 제어한다(S140).
즉, 풍력 발전기의 주속비를 이용하여 상기 시간 구간 전체의 이동평균 풍속에서 출력되는 시간 구간 전체의 토크를 계산하고, 아울러 상기 풍력 발전기의 주속비에 따른 상기 일부 시간 구간의 이동평균 풍속에 필요한 토크를 계산하고, 상기 일부 시간 구간의 토크 계산 단계(S53)에서 계산된 토크와 상기 시간 구간 전체의 이동평균 풍속에서 출력되는 시간 구간 전체의 토크의 차이를 계산한 후 상기 로터 블레이드의 피치각을 상기 계산된 토크 차이만큼 증가시켜줄 수 있도록, 로터 블레이드의 피치각을 최적 피치각에서 예컨대, 마이너스 각도 방향으로 2도 정도 조절한다.
이와 같이, 로터 블레이드의 피치각을 최적 피치각에서 마이너스 각도 방향으로 조절하면, 로터 블레이드의 회전 속도가 증가하게 되어 풍력 터빈의 토크가 상기 풍력 발전기의 주속비에 따른 상기 일부 시간 구간의 이동평균 풍속에 필요한 토크로 증가하게 된다.
상기와 같이 풍력 터빈의 토크가 증가하면, 증가된 풍력 터빈의 토크가, 풍속이 증가하여도 토크가 정상적으로 증가하지 못하여 생기는 성능 감소 부분보다 일정한 크기만큼 복구되었는지 여부를 판단한다(S150).
상기 증가된 풍력 터빈의 토크가 상기 풍력 발전기의 주속비에 따른 상기 일부 시간 구간의 이동평균 풍속에 필요한 토크로 복구되지 않은 것으로 판단된 경우에는, 피치각 제어 단계(S140)로 되돌아 간다. 피치각은 최적 피치각에서 더 마이너스로 조절할 수도 있고, 그대로 유지할 수도 있다.
그리고, 상기 증가된 풍력 터빈의 토크가, 풍속이 증가하여도 토크가 정상적으로 증가하지 못하여 생기는 성능 감소 부분보다 일정한 크기만큼 복구되었다고 판단된 경우에는, 로터 블레이드의 피치각을 원래대로 복귀시킨다(S160).
여기서, 상기 피치각 제어는 풍속 기준으로 풍력 터빈의 시동 풍속(cut-in)부터 정격 출력이 발생되는 정격 풍속(rated wind speed)까지 실행된다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 피치 제어 방법에 따른 풍속 변화와 생산되는 출력의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 9를 참조하면, 예컨대, 주속비(TSR)가 8.6일 때, 풍속 8m/s에서 나와야 할 출력(power)(네모 부분)과, 갑작스런 풍속 증가에 따라 주속비(TSR)가 낮아져서 낮아진 출력(세모 부분)이 도시되어 있으며, 갑작스런 풍속 증가에 따라 주속비(TSR)가 낮아져서 출력(세모 부분)은 풍속 8m/s에서 나와야 할 출력(네모 부분)에 비하여 소정의 크기만큼 감소되어 있다.
여기서, 주속비(TSR, tip speed ratio)는 풍속에 대한 블레이드 끝단의 속도비를 말한다. 즉, 풍속에 대비하여 블레이드 끝단의 속도가 얼마나 빠른지 나타내는 지표이다. 블레이드의 회전속도가 빠르면 주속비는 커지고, 블레이드의 회전속도가 동일하더라도 블레이드의 길이가 길면 주속비는 커진다.
그리고, 본 발명에 따른 풍력 발전기의 피치 제어 방법에 따라 블레이드의 피치각을 -2도로 조절한 경우의 출력(둥근 부분)은, 갑작스런 풍속 증가에 따라 주속비(TSR)가 낮아져서 낮아진 출력(세모 부분)보다 일정한 크기만큼 증가되어, 일정한 크기만큼 출력을 복구하였다.
또한, 예컨대, 주속비(TSR)가 8.6일 때, 풍속 7m/s일 경우에도 상기와 같은 결과가 도출됨을 알 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 피치 제어 방법에 의하여 출력이 증가한 경우와 종래의 경우를 비교하여, 대기중의 풍속이 빨라지는 경우의 풍속 변화와 생산되는 출력의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 10을 참조하면, 대기중의 풍속이 빨라지는 경우, 풍속이 증가하면 같이 증가해야 하는 출력(실선)과, 대기중의 풍속이 빨라지는 경우에도, 토크가 정상적으로 증가하지 못하여 생기는 출력(점선)과, 로터 블레이드의 피치각을 마이너스 각도로 조절하여 대기중의 풍속이 빨라지는 경우에도 출력을 증가시켜, 토크가 정상적으로 증가하지 못하여 생기는 감소부분을 복구하고 있는 출력(일점쇄선)을 나타내고 있다.
여기서, 대기중의 풍속이 빨라지는 경우에도, 토크가 정상적으로 증가하지 못하여 생기는 출력(점선)은, 풍속이 증가하면 같이 증가해야 하는 출력(실선)보다 일정한 크기만큼 감소되어 있다.
본 발명에 따라 로터 블레이드의 피치각을 마이너스 각도로 조절하면, 터빈 토크를 증가시켜, 대기중의 풍속이 빨라지는 경우에도 토크가 정상적으로 증가하지 못하여 생기는 출력 감소부분을 일정한 크기만큼 복구시켜 주고 있다.
이에 따라, 풍력 터빈으로 향하는 풍속이 갑자기 증가되어도 로터 블레이드의 회전 속도를 증가시켜 풍력 터빈의 토크가 풍속에 비해 빠르게 증가될 수 있도록 하여 풍력 터빈의 성능을 향상할 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.
10 로터 블레이드 20 허브
30 너셀 40 타워
S10 풍속 계측 단계
S20 시간 구간 전체 이동평균 풍속 산출 단계
S30 일부 시간 구간 이동평균 풍속 산출 단계
S40 이동평균 풍속 비교 단계
S50 피치각 제어 단계
S60 토크 복구 여부 판단 단계
S70 피치각 복귀 단계

Claims (11)

  1. 풍력 터빈으로 향하는 풍속을 시간순으로 연속하여 계측하는 풍속 계측 단계;
    상기 풍속 계측 단계에서 계측된 풍속을 임의의 시간 구간 전체로 이동 평균하여 시간 구간 전체의 이동평균 풍속을 산출하는 시간 구간 전체 이동평균 풍속 산출 단계;
    상기 풍속 계측 단계에서 계측된 풍속을 임의의 시간 구간 중 일부 시간 구간으로 이동 평균하여 일부 시간 구간의 이동평균 풍속을 산출하는 일부 시간 구간 이동평균 풍속 산출 단계;
    상기 일부 시간 구간 이동평균 풍속 산출 단계에서 산출된 일부 시간 구간의 이동평균 풍속이 상기 시간 구간 전체 이동평균 풍속 산출 단계에서 산출된 구간 전체의 이동평균 풍속보다 큰 풍속인지 여부를 비교하는 이동평균 풍속 비교 단계; 및
    상기 이동평균 풍속 비교 단계에서 일부 시간 구간 이동평균 풍속이 상기 시간 구간 전체의 이동평균 풍속보다 증가된 것으로 판단되면, 풍력 터빈의 토크를 증가시켜 상기 풍속의 증가에 따른 풍력 터빈의 토크 감소 부분을 일정한 크기만큼 복구시켜 주기 위하여 로터 블레이드의 피치각을 제어하는 피치각 제어 단계
    를 포함하는 풍력 발전기의 피치 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 피치각 제어 단계에서 증가된 상기 풍력 터빈의 토크가 상기 일부 시간 구간의 이동평균 풍속에 필요한 토크로 복구되었는지 여부를 판단하는 토크 복구 여부 판단 단계를 포함하는 풍력 발전기의 피치 제어 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 토크 복구 여부 판단 단계에서 풍력 터빈의 토크가 상기 일부 시간 구간의 이동평균 풍속에 필요한 토크로 복구되었다고 판단된 경우, 상기 로터 블레이드의 피치각을 원래대로 복귀시키는 피치각 복귀 단계를 포함하는 풍력 발전기의 피치 제어 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 피치각 제어 단계는 풍력 발전기의 주속비를 이용하여 상기 시간 구간 전체의 이동평균 풍속에서 출력되는 시간 구간 전체의 터빈 토크를 계산하는 시간 구간 전체의 토크 계산 단계;
    상기 풍력 발전기의 주속비에 따른 상기 일부 시간 구간의 이동평균 풍속에 필요한 터빈 토크를 계산하는 일부 시간 구간의 토크 계산 단계;
    상기 일부 시간 구간의 토크 계산 단계에서 계산된 토크와 상기 시간 구간 전체의 이동평균 풍속에서 출력되는 시간 구간 전체의 토크의 차이를 계산하는 토크 차이 계산 단계; 및
    상기 토크 차이 계산 단계에서 계산된 토크만큼 증가시켜 줄 수 있도록 상기 로터 블레이드의 피치각을 조절하는 피치각 조절 단계
    를 포함하는 풍력 발전기의 피치 제어 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 일부 시간 구간은 상기 시간 구간 전체의 시간 간격 보다 작은 시간 간격으로 설정되는 풍력 발전기의 피치 제어 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 일부 시간 구간의 시간 간격은 10초 내지 1분 범위 내에서 설정될 수 있으며, 상기 시간 구간 전체의 시간 간격은 1분 내지 15분 범위 내에서 설정되는 풍력 발전기의 피치 제어 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 일부 시간 구간의 시간 간격은 30초로 설정되고, 상기 시간 구간 전체의 시간 간격은 10분으로 설정되는 풍력 발전기의 피치 제어 방법.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 피치각 제어 단계의 피치각 제어는 풍속 기준으로 풍력 터빈의 시동 풍속(cut-in)부터 정격 출력이 발생되는 정격 풍속(rated wind speed)까지 실행되는 풍력 발전기의 피치 제어 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 피치각 제어 단계에서 피치각 제어는 풍속이 갑자기 증가하는 경우에도 상기 풍력 터빈의 토크를 상기 일부 시간 구간의 이동평균 풍속에 필요한 토크로 증가시켜 줄 수 있도록 일정한 크기 범위 내에서 기준 피치각에서 마이너스 각도 방향으로 조절하는 풍력 발전기의 피치 제어 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 기준 피치각은 정격 풍속에서 터빈이 가장 효율적으로 운전되는 최적 피치각(Fine Pitch Angle)인 풍력 발전기의 피치 제어 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 피치각은 최적 피치각에서 마이너스 각도 방향으로 5도 이내의 범위 내에서 조절되는 풍력 발전기의 피치 제어 방법.
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