KR101411637B1 - 블레이드 제어 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

블레이드 제어 시스템 및 방법이 개시된다. 본 발명의 일측면에 따른 블레이드 제어 시스템은 바람의 속도를 측정하기 위한 풍속센서; 블레이드의 회전을 위한 구동모터; 구동모터의 구동에 따른 블레이드의 회전속도를 가변하기 위한 가변 기어; 및 풍속센서에 의해 측정된 풍속에 상응하도록 가변 기어의 기어비를 설정하는 제어기를 포함한다.

Description

블레이드 제어 시스템 및 방법{System and method for controlling blade}

본 발명은 풍력발전기의 블레이드 제어에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 변속기를 이용하여 블레이드의 피치각 변화를 위한 회전 속도를 제어하는 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

현재 대부분의 상용 풍력발전기는 3개의 블레이드를 통해 바람을 받아 발전을 행한다. 이러한 형태의 일반적인 상용 풍력발전기는 회전수를 정속으로 유지하기 위하여 바람의 양에 따라 블레이드의 바람받는 각도인 피치각(pitch angle)을 능동적으로 제어하도록 하는 것이 대부분이다.

　피치각을 제어하기 위한 구동장치는 유압을 사용하거나 전기모터를 사용한다. 전기모터를 이용한 블레이드 피치각 조절장치는 유압형에 비해 고속의 동작이 가능하고 메카니즘이 상대적으로 간편하여 현재 많은 적용이 진행되고 있다. 이러한 종래의 전기식 구동장치는 구동모터를 감속기어를 통해 고정된 기어비로 블레이드를 회전시킨다.

　전기식 구동장치는 빠른 구동이 가능한 반면 구동 토크가 작아 이로 인한 부하 과잉에 의해 피로손상이나 장비의 고장이 발생한다. 이를 방지하기 위하여 현재 피치 구동장비는 최대 부하 상황 등을 고려하여 모터의 정격을 결정하여 설계된다. 이렇게 결정된 모터의 정격 및 고정된 기어비는 필요토크와 속도측면에서 일정 한계를 가지게 되어 예상치 못한 토크가 필요한 경우 구동을 하지 못하게 된다. 이로 인해 정확한 안전 처리(safety process)를 통한 셧다운(shutdown)을 하지 못하여 풍력발전기의 손상으로 이어지기도 하며, 빠른 속도를 통한 제어를 행하지 못하여 발전효율을 저하시키는 원인이 된다. 또한 근래의 발전기 대형화로 인한 대용량 모터의 채용이 필요하여 대형모터로 인한 구조물의 불안정성이나 제작비용의 상승이 초래되고 있다. 또한 허브공간의 제한으로 인하여 대용량 모터의 설치가 불가능한 경우도 발생하여 다수의 모터를 채용하기도 하는데, 이러한 경우엔 구조적 문제뿐만 아니라 제어 구조도 복잡해지는 문제점이 발생하고 있다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 블레이드의 피치각을 변화시킴에 있어 변속기어를 이용하여 풍속과 부하토크에 적합하도록 그 속도를 제어하는 블레이드 제어 시스템 및 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적들은 이하에 서술되는 바람직한 실시예를 통하여 보다 명확해질 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 바람의 속도를 측정하기 위한 풍속센서; 블레이드의 회전을 위한 구동모터; 상기 구동모터의 구동에 따른 상기 블레이드의 회전속도를 가변하기 위한 가변 기어; 및 상기 풍속센서에 의해 측정된 풍속에 상응하도록 상기 가변 기어의 기어비를 설정하는 제어기를 포함하는 블레이드 제어 시스템이 제공된다.

여기서, 상기 제어기는 상기 구동모터에 가해지는 부하토크에 상응하도록 상기 기어비를 설정할 수 있다.

또한, 상기 기본 기어비는 발전모드 및 셧다운 모드를 위한 값이 각각 설정되며, 상기 제어기는 현재의 모드에 설정된 기본 기어비로 상기 가변 기어를 제어하며, 측정된 현재 부하토크를 현재 풍속과 현재 기어비를 기반으로 산출된 가용 부하토크와 비교함으로써 주기적으로 기어비를 조절할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 가변 기어를 구비한 블레이드 제어 시스템에서의 블레이드 조절 방법에 있어서, 현재 모드에 대응되도록 미리 설정된 기본 기어비로 가변 기어를 설정하여 블레이드를 회전시키는 단계; 주기적으로 측정되는 풍속과 상기 블레이드의 구동을 위한 구동모터에 걸리는 부하토크를 기준으로 적정 기어비 여부를 판단하는 단계; 및 판단 결과에 따라 상기 가변 기어의 기어비를 증가 또는 감소시키는 단계를 포함하는 블레이드 제어 방법 및 그 방법을 실행하는 프로그램이 기록된 기록매체가 제공된다.

여기서, 상기 적정 기어비 여부를 판단하는 단계는, 피치각 변화속도를 산출하고, 상기 변화속도가 풍속의 변화에 대응되는 범위 내인지 여부와 상기 부하토크가 규정범위 내인지 여부를 판단함으로써 수행될 수 있다.

본 발명에 따르면, 블레이드의 피치각을 변화시킴에 있어 변속기어를 이용하여 풍속과 부하토크에 적합하도록 그 속도를 가변적으로 제어함으로써, 보다 빠르고 안정적으로 블레이드의 회전을 제어할 수 있다.

도 1은 일반적인 풍력발전기를 도시한 정면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드의 피치 회전을 제어하는 블레이드 제어 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 구성도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전동작 모드에서의 블레이드 회전 제어 과정을 도시한 흐름도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 셧다운 모드에서의 블레이드 회전 제어 과정을 도시한 흐름도.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 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 이해되어야 한다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어 도면 부호에 상관없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 일반적인 풍력발전기를 도시한 정면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드의 피치 회전을 제어하는 블레이드 제어 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 구성도이다.

도 1을 참조하면, 풍력발전기는 허브(60)에 연결되어 발전을 일으키기 위해 바람에 의한 회전력을 얻기 위한 날개 형태의 블레이드(10)가 복수개 구비된다.

또한 블레이드(10)는 도 2에 도시된 바와 같이 불어오는 바람과의 각도인 피치각(pitch angle)을 조절하기 위해, 블레이드의 길이방향을 기준으로 한 횡축으로도 회전된다.

상기한 바와 같은 블레이드(10)의 회전을 제어하기 위한 본 실시예에 따른 시스템은 허브(60)에 설치될 수 있으며, 바람의 속도인 풍속을 측정하기 위한 풍속센서(20), 블레이드(10)의 회전을 위한 구동모터(30) 및 변속기어(40)와 각 구성부를 제어하기 위한 제어기(50)를 포함한다.

변속기어(40)는 구동모터(30)로부터 블레이드(10)의 허브 베어링에 연결된 기어를 연결하는 장비이며 기어비가 변경될 수 있다. 제어기(50)는 구동모터(30)와 연결된 변속기어(40)의 기어비를 제어한다. 또한 구동모터(30)도 제어기(50)에 의해 구동이 제어되며, 부하토크 등의 피드백 신호를 제어기(50)에 제공한다. 풍속센서(20)는 현재의 바람상태를 감지하여 풍속이나 풍향정보 등을 제어기(50)에 제공한다. 제어기(50)는 풍속센서(20)로부터의 풍속 등의 상태정보와, 구동모터(30)로부터의 부하토크에 대한 정보를 확보하고, 제어 알고리즘에 의해 구동모터(30) 및 변속기어(40)를 제어함으로써 풍속과 부하토크에 적합하도록 블레이드(10)의 회전속도를 제어한다.

일례에 따르면, 제어기(50)는 발전기의 주제어기(미도시)로부터 수신되는 목표 피치각에 최적화된 변속기어(40)의 기어비를 설정하여 빠르고 정밀하게 구동모터(30)를 구동하고, 위험상황에서 부하토크를 고려한 셧다운(shutdown) 동작을 자체적으로 수행한다.

본 실시예에 따른 시스템에 의하면, 기존의 고정된 기어비를 가진 기어 대신 기어비를 변경할 수 있는 변속기어(40)를 사용하여, 구동모터(30)에 인가되는 부하토크 및 풍속의 변화량에 대응되는 블레이드(10)의 회전속도(즉 피치각의 변화속도)에 적합한 기어비를 설정할 수 있어, 속도를 우선으로 하는 회전과 부하토크를 우선으로 하는 회전을 모두 제어할 수 있도록 한다.

제어기(50)에서의 제어를 위한 기본전제는 고속구동을 우선으로 한다는 것이며 요구토크가 모터의 용량 범위내에 있어 충분히 제어가 가능한 경우 되도록 고속의 제어를 하도록 처리한다. 만일, 풍속센서(20)를 통한 현재의 풍속과 모터에 가해지는 부하토크를 입력받은 결과, 구동모터(30)의 구동토크에 대한 요구량이 현재의 기어비에서 가능한 범위를 넘어서면 제어기(50)는 변속기어(40)의 기어비를 낮추어서 구동모터(30)에서의 구동토크를 좀더 발생시키도록 한다.

이하, 제어기(50)가 각 모드(발전동작 모드 또는 셧다운 모드)에서의 블레이드(10) 회전을 제어하는 과정을 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전동작 모드에서의 블레이드 회전 제어 과정을 도시한 흐름도이다.

위험상황 등을 고려한 부하를 기준으로 사양이 설정된 모터와 고정된 기어비로 구성된 기존의 시스템은 일반적 상황에서 좀더 고속의 동작을 행하지 못하여 발전량의 안정적인 생산을 위한 제어를 저해한다. 이에 비해 본 발명에 따른 시스템은 발전동작 모드에서는 기어비를 크게 하여 고속으로 블레이드(10)를 회전시키도록 하는 것이 목적이다.

이를 위한 제어 과정을 도시한 도 3을 참조하면, 제어기(50)는 기본 기어비로 가변 기어를 설정하고 구동모터(30)를 구동시켜 블레이드(10)의 회전을 시작한다(S310).

그리고, 제어기(50)는 주기적으로 풍속 및 부하토크에 대한 정보를 취득하고(S315), 고속 회전 가능성을 판단하여 현재의 기어비가 적정한지에 대한 적정 기어비 여부를 판단한다(S320, 325). 고속 회전 가능성은 풍속의 변화량이 기준값을 초과하는지 여부(S320), 현재의 부하토크가 제한 부하토크 미만인지 여부를 판단함으로써(S325) 수행될 수 있다. 풍속의 변화량이 심할수록 고속으로 블레이드(10)를 회전시키는 것이 바람직하기 때문이며, 부하토크가 작다면 더 높은 기어비로 블레이드(10)를 회전시킬 수 있기 때문이다.

여기서, 제한 부하토크는 현재의 풍속 또는 풍속 변화량에 대응되도록 그 값이 가변될 수도 있다. 그리고, 현재 부하토크가 제한 부하토크보다 높다면 기어비는 감소될 것이다.

고속 회전 가능성이 존재하면, 제어기(50)는 변속기어(40)의 기어비를 증가시킨다. 여기서, 일례에 따르면 시스템의 안전성 확보를 위해 기어비의 증가 또는 감소는 한 단계씩 수행되는 것이 바람직하다. 쉽게 말해, 1단 기어에서는 2단 기어로만 증가가 가능하며, 또한 고속 회전 가능성이 그래도 존재하면 다시 2단에서 3단으로 증가될 수 있음은 당연하다.

이후, 제어기(50)는 피치 변화속도(즉 블레이드(10)의 회전속도)를 산출하고(S335), 변화속도가 현재의 풍속 또는 풍속의 변화량에 적합한 규정범위 내 인지 여부를 판단한다(S340). 여기서, 피치 변화속도는 블레이드(10)의 피치각을 복수번 측정함으로써 산출될 수 있음은 당업자에게는 자명할 것이다.

만일 피치 변화속도가 규정범위보다 느리면, S320으로 진행하여 다시 고속 회전 가능성을 판단하여 기어비의 증가를 시도한다.

이와 달리, 피치 변화속도가 규정범위인 경우, 현재의 기어비를 유지하며 현재의 부하토크가 제한 부하토크를 초과하는지 여부를 판단한다(S345). 즉, S330에서 기어비를 증가하였으므로, 다시 측정된 부하토크가 제한 부하토크를 초과하는지 여부를 판단함으로써 과부하 여부를 판단하는 것이다. 제어기(50)는 부하토크가 제한 부하토크를 초과하는 경우 기어비를 한 단계 감소하고(S350), S340으로 진행한다. 만일 부하토크가 제한 부하토크를 초과하지 않는 경우엔, 피치 변화속도가 규정범위 내에 존재하며 부하토크도 안정된 상태라 판단될 수 있으므로 현재의 기어비를 유지하도록 한다(도면에서는 S340과 S345가 반복 수행되는 것으로 표현함). 그리고, 도면에는 도시되지 않았으나 이러한 프로세스는 블레이드(10)의 피치각이 목적한 목적 피치각이 되면 종료될 수 있을 것이다.

본 실시예에 따른 풍속과 구동모터(30)에 걸리는 부하토크를 기반으로 블레이드(10)의 회전을 위한 기어비를 조절하는 방식을 간략하게 정리하자면, 부하토크가 임계값을 넘으면 시스템의 안전을 위해 기어비를 줄이며 풍속의 변화량이 심하고 피치 변화속도가 작을수록 기어비를 증가시키는 것이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 셧다운 모드에서의 블레이드 회전 제어 과정을 도시한 흐름도이다.

예를 들어 급격한 측풍 등에 의한 발전기 셧다운 동작 중 블레이드(10)가 바람받지 않도록 하는 페더링(feathering) 동작을 셧다운 모드로서 가정하면, 빠른 회전을 시도하되 풍속과 부하토크를 감지하여 일정범위를 초과하는 부하토크가 발생하는 경우 기어비를 낮춰 회전 속도가 느리더라도 과부하로 인한 구동모터(30) 트립(trip) 등을 피하고 안정적으로 페더링(feathering)을 완료하여 발전기를 안전한 상태로 정지시킨다.

이에 따른 제어 과정을 도시한 도 4를 참조하면, 제어기(50)는 셧다운 신호를 감지하면(S410), 기본 기어비로 블레이드(10)를 회전시켜 페더링을 시작한다(S420). 일례에 따르면 셧다운 신호는 풍력발전기의 주제어기로부터 수신될 수 있으며, 또는 제어기(50)가 자체적으로 셧다운 신호를 생성할 수도 있는데, 쉬운 예를 하나 들자면 풍속센서(20)에 의해 측정된 풍속이 미리 설정된 임계값을 넘어가는 경우 제어기(50)는 셧다운 신호를 생성할 수 있다.

그리고 셧다운 모드에서의 기본 기어비는 풍속에 의해 동적으로 설정될 수 있으며, 또한 최대한 높은 기어비를 갖는 것이 바람직하다. 이는 보다 빠르게 블레이드(10)를 회전시켜 페더링을 빠른 시간 내에 완료하기 위함이다.

마찬가지로 제어기(50)는 주기적으로 풍속과 구동모터(30)에 걸리는 부하토크에 대한 정보를 취득한다. 제어기(50)는 측정된 풍속과 현재의 기어비를 기반으로 가용부하토크를 산출하고(S430), 현재의 부하토크가 가용부하토크를 초과하는지 여부를 판단함으로써 현재의 기어비가 적정한 기어비인지 여부를 판단한다(S430).

만일, 현재 부하토크가 가용부하토크를 초과하는 경우 구동모터(30)에 과부하가 걸리고 있는 것으로 인식될 수 있으므로, 제어기(50)는 기어비를 감소한다(S450).

제어기(50)는 페더링이 완료되었는지 여부를 판단하고(S460), 완료되지 않는 경우 다시 S430으로 진행한다.

본 실시예에 따르면, 풍속에 상응하도록 최초 기본 기어비를 최대한 높게 설정하여 블레이드(10)의 회전을 시작하고, 구동모터(30)에 인가되는 부하토크에 적합하도록 기어비를 조절함으로써, 안정적이면서도 신속하게 페더링이 수행된다.

상술한 본 발명에 블레이드 제어 방법은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현되는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체로는 컴퓨터 시스템에 의하여 해독될 수 있는 데이터가 저장된 모든 종류의 기록 매체를 포함한다. 예를 들어, ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), 자기 테이프, 자기 디스크, 플래쉬 메모리, 광 데이터 저장장치 등이 있을 수 있다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 통신망으로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 읽을 수 있는 코드로서 저장되고 실행될 수 있다.

또한, 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10 : 블레이드 20 : 풍속센서
30 : 구동모터 40 : 변속기어
50 : 제어기; 60 : 허브

Claims (5)

1. 바람의 속도를 측정하기 위한 풍속센서;
   블레이드의 회전을 위한 구동모터;
   상기 구동모터의 구동에 따른 상기 블레이드의 회전속도를 가변하기 위한 가변 기어; 및
   페더링 제어 시, 상기 풍속센서에 의해 측정된 풍속에 상응하도록 상기 가변 기어의 기어비를 최대치로 설정하여 상기 블레이드의 회전을 제어하고, 순차적으로 상기 구동모터에 가해지는 부하토크에 상응하도록 상기 기어비를 조절하는 제어기;를 포함하는 블레이드 제어 시스템.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   기본 기어비는 발전모드 및 셧다운 모드를 위한 값이 각각 설정되며, 상기 제어기는 현재의 모드에 설정된 상기 기본 기어비로 상기 가변 기어를 제어하며, 측정된 현재 부하토크를 현재 풍속과 현재 기어비를 기반으로 산출된 가용 부하토크와 비교함으로써 주기적으로 기어비를 조절하는 블레이드 제어 시스템.
4. 가변 기어를 구비한 블레이드 제어 시스템에서의 블레이드 조절 방법에 있어서,
   현재 모드에 대응되도록 미리 설정된 기본 기어비로 가변 기어를 설정하여 블레이드를 회전시키는 단계;
   페더링 제어 시, 측정되는 풍속에 상응하기 위한 상기 가변 기어의 적정 기어비를 판단하는 단계;
   상기 가변 기어의 적정 기어비를 최대치로 설정하여 상기 블레이드의 회전을 제어하는 단계;
   상기 블레이드의 구동을 위한 구동모터에 가해지는 부하토크에 상응하기 위한 상기 가변 기어의 적정 기어비를 추가 판단하는 단계;
   추가 판단한 결과를 토대로 상기 가변 기어의 적정 기어비를 조절하는 단계; 및
   상기 가변 기어의 적정 기어비에 대한 조절 폭에 따라 상기 블레이드의 회전을 추가 제어하는 단계;를 포함하는 블레이드 제어 방법.
   
5. 삭제

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