KR101466082B1 - 풍력 발전기 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

풍력 발전기 제어 방법이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전기 제어 방법은 (a) 개별 피치 제어 방식으로 풍력 발전기를 작동시키는 단계; (b) 개별 피치 제어 방식에서 블레이드에 걸리는 풍하중을 감지하는 풍하중 센서의 이상 여부를 판단하는 단계; (c) 풍하중 센서에 이상이 발생한 경우, 콜렉티브 피치 제어 방식으로 전환하는 단계; 및 (d) 정격 풍속에서 블레이드에 걸리는 풍하중의 피크값을 낮추는 단계를 포함한다.

Description

풍력 발전기 제어 방법{Method of controlling wind power generator}
본 발명은 풍력 발전기 제어 방법에 관한 것이다.
풍력은, 자연 상태의 무공해 에너지원으로서, 대체 에너지원 중 경제성이 높은 에너지원의 하나이다. 이러한 풍력을 이용한 풍력 발전기는 바람의 에너지를 회전 운동 에너지로 변환한 후, 다시 이를 전기 에너지로 변환하는 전력 변환 장치를 말한다.
풍력 발전기는, 허브 및 허브에 결합되는 복수 개의 블레이드를 포함하는 로터, 로터가 회전 가능하게 결합되는 나셀, 그리고 나셀을 지지하는 타워를 포함한다. 전방에서 불어오는 바람에 의해 로터가 회전하면서 회전 에너지를 생성하고, 이 회전 에너지는 나셀의 발전기에 의해 전기 에너지로 변환된다.
풍력 발전기가 작동하는 동안 블레이드의 피치는 제어될 수 있다. 블레이드의 피치 제어 방식은 크게 개별 피치 제어(IPC) 방식과 콜렉티브 피치 제어(CPC) 방식이 있다. 먼저, 개별 피치 제어 방식은 복수의 블레이드의 피치를 개별적으로 제어하는 방식이다. 이 경우, 각 블레이드에 걸리는 하중을 반영하여 블레이드의 피치를 개별적으로 제어한다. 콜렉티브 피치 제어(CPC) 방식은 모든 블레이드의 피치를 동일하게 제어하는 방식이다. 이 경우, 풍속에 따라 모든 블레이드의 피치가 동일하게 조정된다.
도 1은 개별 피치 제어 방식과 콜렉티브 피치 제어 방식에서 풍속에 따라 블레이드에 걸리는 풍하중을 나타내는 도면이다. 참고로 이러한 도면은 풍력 발전기를 운용하는 과정에서 블레이드에 걸리는 풍하중을 직접 모니터링하여 얻거나 수치해석 등을 통해 간접적으로 얻을 수 있다.
도 1을 참조하면, 풍하중은 두 방식 모두 정격 풍속(V1)까지 증가하다가 정격 풍속(V1) 이후 영역에서 감소하고, 콜렉티브 피치 제어 방식은 개별 피치 제어 방식에 비해 전체적으로 큰 풍하중을 갖는다.
보다 상세히, 도 1과 같이 정격 풍속(V1) 이하에서 콜렉티브 피치 제어 방식은 개별 피치 제어 방식과 동일한 크기의 풍하중을 가진다. 또는 도시되지 않았으나 정격 풍속(V1) 이하에서 콜렉티브 피치 제어 방식은 개별 피치 제어 방식에 비해 큰 풍하중을 가질 수 있으나 이 경우 콜렉티브 피치 제어 방식과 개별 피치 제어 방식 간의 풍하중의 차이는 근소하다.
정격 풍속(V1) 이상에서 콜렉티브 제어 방식은 개별 피치 제어 방식에 비해 상당히 큰 풍하중을 가진다. 즉, 정격 풍속(V1) 이상에서 콜렉티브 제어 방식은 개별 피치 제어 방식에 비해 풍하중의 감소율이 상당히 작다.
이와 같이 콜렉티브 피치 제어 방식은 개별 피치 제어 방식에 비해 전체적으로 큰 풍하중을 갖는다.
이와 같은 특성으로 인해 일반적으로 개별 피치 제어 방식이 널리 사용되고 있다. 그런데 블레이드의 풍하중을 감지하는 센서가 오작동하는 경우 개별 피치 제어 방식을 사용하지 못하는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 종래 풍하중의 증가로 인한 블레이드의 파손을 방지하기 위해 풍력발전기의 출력을 다운시켜 블레이드에 작용하는 풍하중을 감소시키는 소위 디레이팅(derating) 방법이 사용되고 있다. 이러한 디레이팅 방법은 블레이드 파손은 일정 부분 방지할 수 있으나 풍력 발전기 출력이 현저히 감소하여 발전량에서 큰 손해를 본다.
공개특허공보 제10-2013-0046871호(2013.05.08) 공개특허공보 제10-2013-0122856호(2013.11.11)
본 발명의 실시예는, 개별 피치 제어 방식을 사용하지 못하는 경우에도 운용 가능한 풍력 발전기 제어 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, (a) 개별 피치 제어 방식으로 풍력 발전기를 작동시키는 단계; (b) 상기 개별 피치 제어 방식에서 블레이드에 걸리는 풍하중을 감지하는 풍하중 센서의 이상 여부를 판단하는 단계; (c) 상기 풍하중 센서에 이상이 발생한 경우, 콜렉티브 피치 제어 방식으로 전환하는 단계; 및 (d) 정격 풍속에서 상기 블레이드에 걸리는 풍하중의 피크값을 낮추는 단계를 포함하는, 풍력 발전기 제어 방법이 제공될 수 있다.
상기 (a) 단계는, 정격 풍속에서 상기 블레이드에 걸리는 풍하중의 피크값을 P0에서 P1으로 낮추는 단계를 포함하고, 상기 (d) 단계는, 정격 풍속에서 상기 블레이드에 걸리는 풍하중의 피크값을 P0에서 P2로 낮추는 단계를 포함하고, 상기 P2는 상기 P1보다 작을 수 있다.
상기 개별 피치 제어 방식에서 상기 콜렉티브 피치 제어 방식으로 전환함으로써 상기 정격 풍속을 넘는 소정의 풍속 구간에서 상기 블레이드에 가중되는 피로 하중이 상쇄되도록 상기 피크값을 낮출 수 있다.
상기 피로 하중은, 상기 풍속 구간에서 상기 블레이드에 걸리는 풍하중과 상기 풍속 구간의 지속 시간을 곱하여 산출될 수 있다.
상기 피로 하중은, 상기 풍력 발전기가 설치된 위치에서 소정의 기간 동안 획득한 풍속 별 지속 시간에 대한 데이터를 기초로 산출될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 개별 피치 제어 방식을 사용하지 못하는 경우 콜렉티브 피치 제어 방식으로 전환되어 풍력 발전기가 운용될 수 있다.
나아가 개별 피치 제어방식에서 콜렉티브 제어 방식으로 전환됨으로써 가중된 피로 하중을 상쇄함으로써, 피로 하중에 대한 풍력 발전기의 안정성 및 내구성이 향상된다.
도 1은 개별 피치 제어 방식과 콜렉티브 피치 제어 방식에서 풍속에 따라 블레이드에 걸리는 풍하중 곡선을 나타내는 도면이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 방법에 의해 작동하는 풍력 발전기를 나타내는 도면이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 방법의 순서도를 나타내는 도면이고,
도 4는 일반적인 풍속에 따른 풍하중 곡선을 나타내는 도면이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기 제어 방법을 설명하기 위한 도면이고,
도 6은 풍속별 지속 시간에 데이터를 나타내는 표이다.
본 발명은 다양한 변환을 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 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 방법에 의해 작동하는 풍력 발전기를 나타내는 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 방법의 순서도를 나타내는 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 풍력 발전기(1)는 로터(10)와 제어부(30)를 포함한다. 로터(10)는 허브(11)와 허브(11)에 방사상으로 결합된 복수의 블레이드(13)를 포함한다. 블레이드(13)에는 풍하중 센서(15)가 장착된다. 풍하중은 블레이드(13)에 걸리는 풍하중을 감지한다.
본 실시예에 따르면, 초기에 제어부(30)는 풍력 발전기를 개별 피치 제어 방식으로 작동시킨다(S100). 이 경우, 풍하중 센서(15)는 블레이드(13)에 걸리는 풍하중을 실시간으로 감지하고, 제어부(30)는 이를 수신하고 이를 기초로 블레이드(13)의 피치를 조절한다.
제어부(30)는 풍하중 센서(15)의 이상 여부를 판단한다(S200). 제어부(30)는 예컨대 풍하중 센서(15)에서 감지된 값이 정상 범위를 넘거나 작동 불능 상태에 있을 때 풍하중 센서(15)에 이상이 발생한 것으로 판단한다.
풍하중 센서(15)에 이상이 발생한 경우, 제어부(30)는 풍력 발전기를 콜렉티브 피치 제어 방식으로 전환하여 작동시킨다(S300). 콜렉티브 피치 제어 방식으로 전환한 후, 제어부(30)는 정격 풍속에서 블레이드(13)에 걸리는 풍하중의 피크값을 낮춘다(S400).
도 4는 일반적인 풍속에 따른 풍하중 곡선을 나타내는 도면이다. 참고로 도 4의 풍하중 곡선은 개별 피치 제어 방식 및 콜렉티브 제어 방식 모두 가능하다.
도 4를 참조하면, 일반적으로 풍하중 곡선은 정격 풍속(V1)에서 뾰족한 피크값(PA)을 갖는다. 그런데 정격 풍속(V1)에서 블레이드(13)(도 2 참조)의 피치값을 미세하게 조정하면 풍하중 곡선은 정격 풍속(V1)에서 뾰족한 피크값(PA)보다 크기가 작고 모양이 완만한 피크값(PB)을 가질 수 있다. 이렇게 정격 풍속(V1)에서 풍하중의 피크값을 완만하게 하는 것을 일명 스러스트 리미터(thruster limiter) 기법이라고 한다.
정격 풍속(V1)에서 뾰족한 피크값(PA)을 가지면 정격 풍속(V1)에서 풍하중이 급변하여 블레이드(13)(도 2 참조)가 손상될 가능성이 있다. 따라서 정격 풍속(V1)에서 완만한 피크값을 갖도록 하면 블레이드(13)(도 2 참조)의 손상 가능성이 낮아진다.
스러스트 리미터 기법을 사용하여, 정격 풍속에서 블레이드(13)(도 2 참조)에 걸리는 풍하중은 완만한 피크값(PB)을 갖도록 미리 설정될 수 있다. 스러스트 리미터 기법을 사용하는 경우, 정격 풍속에서 풍하중의 피크값(PB)은 블레이드(13)(도 2 참조)의 피치값에 의해 결정된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 5를 참조하면, P0은 일반적인 풍하중 곡선에서 정격 풍속(V1)에서 의 뾰족한 피크값을 나타내고, P1은 스러스트 리미터 기법에 의해 정격 풍속(V1)에서 갖도록 미리 결정된 완만한 피크값을 나타낸다.
개별 피치 제어 방식으로 작동하는 과정에서 제어부(30)는 정격 풍속(V1)에서 스러스트 리미터 기법을 적용하여 풍하중의 피크값을 P0에서 P1으로 낮춘다. P1은 개별 피치 제어 방식으로 이상 없이 작동함을 전제로 미리 설정될 수 있다.
개별 피치 제어 방식에서 콜렉티브 피치 제어 방식으로 전환되면 제어부(30)는 정격 풍속(V1)에서 스러스트 리미터 기법을 적용하여 풍하중의 피크값을 P0에서 P2로 낮춘다. 달리 표현하면 제어부(30)는 개별 피치 제어 방식으로 이상 없이 작동함을 전제로 미리 설정된 풍하중의 피크값인 P1을 P2로 변경한다. P2는 P1보다 작다. 이에 대한 설명은 후술한다.
도 5를 참조하면, 정격 풍속(V1)을 넘는 풍속 구간에서는 콜렉티브 피치 제어 방식이 개별 피치 제어 방식에 비해 풍하중의 크기가 크고, 풍하중의 감소량이 작다. 따라서 정격 풍속(V1)을 넘는 풍속 구간에서 콜렉티브 피치 제어 방식은 개별 피치 제어 방식 보다 블레이드(13)(도 2 참조)에 풍하중이 가중된다.
예컨대, 콜렉티브 피치 제어 방식은 개별 피치 제어 방식에 비해, V2에서 V3 사이의 풍속 구간에서 빗금친 영역(A1)의 면적만큼의 추가적인 풍하중이 블레이드(13)(도 2 참조)에 가중된다. 콜렉티브 피치 제어 방식으로 전환함으로써 가중된 풍하중과 풍속 구간(V2~V3)의 지속시간을 곱하면 풍속 구간(V2~V3)에서의 추가적인 피로 하중이 산출된다.
도 5를 참조하면, 콜렉티브 피치 제어 방식으로 전환된 상태에서 정격 풍속(V1)에서 기 설정된 풍하중의 피크값(P1)을 P2로 낮추면 정격 풍속 구간(V1a~V1b)에서 블레이드(13)(도 2 참조)에 걸리는 풍하중은 빗금친 영역(A2)의 면적만큼 저감된다. 이와 같이 저감된 풍하중과 정격 풍속 구간(V1a~V1b)의 지속 시간을 곱하면 정격 풍속 구간(V1a~V1b)에서의 저감된 피로 하중이 산출된다.
풍하중의 피크값을 P0에서 P2로 또는 기 설정된 P1에서 P2로 낮추기 위해 스러스트 리미터 기법이 사용된다. 예컨대, 정격 풍속에서 풍하중의 피크값이 P1이 되도록 미리 결정된 블레이드(13)(도 2 참조)의 피치값을 스러스트 리미터 기법을 사용하여 상향 조정하면 풍하중의 피크값이 P2로 낮아진다.
본 실시예에 따르면, 정격 풍속(V1)을 넘는 소정의 풍속 구간(V2~V3)에서 블레이드(13)에 가중된 피로 하중은 정격 풍속 구간(V1a~V1b)에서 저감된 피로 하중에 의해 상쇄된다.
가중된 피로 하중과 저감된 피로 하중을 구하는 방법은 다음과 같다. 도 6은 풍속별 지속 시간에 데이터를 나타내는 표이다. 도 5 및 도 6을 참조하면, 풍력 발전기가 설치된 위치에서 소정의 기간 동안 풍속 별 지속 시간에 대한 데이터를 획득할 수 있다.
예컨대 100일 간 모니터링 한 결과 정격 풍속(V1)을 포함하는 정격 풍속 구간(V1a~V1b)은 80일 동안 지속되었고, 정격 풍속(V1)을 넘는 소정의 풍속 구간(V2~V3)은 8일 동안 지속되었다. 예컨대, 정격 풍속 구간(V1a~V1b)과 비교되는 풍속 구간(V1~V2)은 정격 풍속(V1)을 넘는 풍속 구간 중 가장 오랫동안 지속되는 구간이 선정될 수 있다.
풍속 구간(V2~V3)에서 가중된 피로 하중은 도 5의 면적 A1과 도 6의 8일을 곱하여 산출되고, 정격 풍속 구간(V1a~V1b)에서 저감된 피로 하중은 도 5의 면적 A2와 도 6의 80일을 곱하여 산출된다.
이와 같이 산출된 정격 풍속 구간(V1a~V1b)의 저감된 피로 하중은 풍속 구간(V2~V3)의 가중된 피로 하중을 상쇄한다.
이상에서 살펴본 본 실시예에 따른 풍력 발전기 제어 방법은 개별 피치 제어 방식을 사용하지 못하는 경우 콜렉티브 피치 제어 방식으로 전환하여 풍력 발전기를 운용할 수 있다. 또한 개별 피치 제어방식에서 콜렉티브 피치 제어 방식으로 전환됨으로써 가중된 피로 하중을 상쇄함으로써, 피로 하중에 대한 풍력 발전기의 안정성 및 내구성이 향상된다. 또한 본 실시예에 따른 풍력 발전기 제어 방법은 풍력 발전기의 출력을 감소시켜 풍력 발전기의 파손을 방지하는 종래 디레이팅 방법에 비해 많은 발전량을 가진다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
1 : 풍력 발전기 10 : 로터
11 : 허브 13 : 블레이드
15 : 풍하중 센서 30 : 제어부

Claims (5)

  1. (a) 개별 피치 제어 방식으로 풍력 발전기를 작동시키는 단계;
    (b) 상기 개별 피치 제어 방식에서 블레이드에 걸리는 풍하중을 감지하는 풍하중 센서의 이상 여부를 판단하는 단계;
    (c) 상기 풍하중 센서에 이상이 발생한 경우, 콜렉티브 피치 제어 방식으로 전환하는 단계; 및
    (d) 정격 풍속에서 상기 블레이드에 걸리는 풍하중의 피크값을 낮추는 단계를 포함하는, 풍력 발전기 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    정격 풍속에서 상기 블레이드에 걸리는 풍하중의 피크값을 P0에서 P1으로 낮추는 단계를 포함하고,
    상기 (d) 단계는,
    정격 풍속에서 상기 블레이드에 걸리는 풍하중의 피크값을 P0에서 P2로 낮추는 단계를 포함하고,
    상기 P2는 상기 P1보다 작은, 풍력 발전기 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 개별 피치 제어 방식에서 상기 콜렉티브 피치 제어 방식으로 전환함으로써 상기 정격 풍속을 넘는 소정의 풍속 구간에서 상기 블레이드에 가중되는 피로 하중이 상쇄되도록 상기 피크값을 낮추는, 풍력 발전기 제어 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 피로 하중은,
    상기 풍속 구간에서 상기 블레이드에 걸리는 풍하중과 상기 풍속 구간의 지속 시간을 곱하여 산출되는, 풍력 발전기 제어 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 피로 하중은,
    상기 풍력 발전기가 설치된 위치에서 소정의 기간 동안 획득한 풍속 별 지속 시간에 대한 데이터를 기초로 산출되는, 풍력 발전기 제어 방법.
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