KR101551219B1 - 풍력 발전 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

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조한규
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Abstract

풍력 발전 장치 및 그 제어 방법가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, (a) 풍속 및 요에러를 측정하는 단계, (b) 풍속 및 요에러가 기 설정된 기준조건에 도달하였는지 판단하는 단계, (c) 기준조건에 도달한 것으로 판단되면 기 설정된 제1 단위 시간을 제어 실행 시간으로 설정하는 단계, (d) 블레이드의 피치 각도를 기 설정된 하한값 이상이 되도록 조절하는 단계 및 (e) 상기 제어 실행 시간에서 기 설정된 제2 단위 시간만큼 차감한 값을 제어 실행 시간으로 재설정하는 단계를 포함하는, 풍력 발전기의 제어 방법이 제공된다.

Description

풍력 발전 장치 및 그 제어 방법{CONTROL APPARATUS FOR WIND POWER PLANT AND CONTROL METHOD FOR WIND POWER PLANT}
본 발명은 풍력 발전 장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 풍력 발전 장치에 대하여 풍속 및 요에러가 급변하는 바람 환경이 발생하면 로터의 피치 각도에 하한값을 설정하여 하중이 저감될 수 있도록 제어하는 풍력 발전 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
전 세계적으로 화석 연료 고갈과 온실 가스 배출에 따른 문제에 대한 위기의식으로 재생에너지 개발 기술에 대한 관심이 높아졌다. 이러한 분위기 속에서 재생 에너지 중에 하나인 풍력 에너지는 에너지의 양적인 측면에서 방대한 잠재력을 가진 것으로 알려져 있으며 다른 재생 에너지원에 비해 경제성 및 기술 성숙도가 뛰어나 빠르게 성장하고 있다.
풍력 발전 장치는 바람이 가진 에너지를 로터를 회전시켜 기계적 에너지로 변환한 후 발전기를 통해 전기적 에너지로 변환하여 우리가 실제 사용할 수 있는 에너지로 변환시키는 구조물이다. 이러한 풍력 발전 장치는 복수의 블레이드가 구비되어 바람에 의해 회전하며 토크를 발생시키는 로터, 발생한 토크를 전달하는 주축, 발전기에 전달되는 토크와 회전속도를 조절하는 기어박스, 실제 전기를 발생시키는 발전기 등으로 구성되는 것이 일반적이다.
그런데, 풍력 발전 장치에 대한 풍속 또는 요에러(yaw error)의 급격한 변화가 발생하는 경우, 로터의 블레이드에는 관성에 의한 굽힘 모멘트(bending moment)와 같은 하중이 과도하게 작용한다.
이러한 하중이 풍력 발전 장치가 견딜 수 있는 한계 수준을 넘어서는 경우가 반복적으로 누적되면 블레이드의 파손 및 풍력 발전 장치 전체의 수명 단축을 야기하게 되는 바, 풍력 발전 장치는 한번 설치되면 20년 이상의 장시간 설치 상태를 유지하기 때문에 풍력 발전 장치의 굽힘 모멘트(bending moment)를 비롯한 하중을 최소화하는 것이 매우 중요하다.
또한, 과부하에도 견딜 수 있도록 풍력 발전 장치의 블레이드 구조를 설계하는 경우, 풍력 발전 시스템의 전체 중량과 재료비가 증가한다는 문제점이 있다.
대한민국 특허공개공보 제10-2012-0053422호: 대형 수평축 풍력 발전기의 제작 단가 저감을 위한 고속 회전 로터 시스템(2012.05.25)
본 발명은 전술된 종래기술의 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 풍력 발전 장치에 대한 풍속 및 요에러가 급격히 변화하는 바람 환경이 발생하면 블레이드의 피치 각도에 하한값을 설정함으로써, 블레이드에 인가되는 하중을 저감시킬 수 있는 풍력 발전 장치 및 그 제어 방법을 제공하고자 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 복수의 블레이드가 구비되어 바람에 의해 회전하는 로터의 회전력을 전기 에너지로 변환하는 풍력 발전 장치에 있어서, 풍속 및 요에러를 측정하는 센서 및 측정된 풍속 및 요에러가 기 설정된 기준조건에 도달하였는지 판단하고, 상기 기준조건에 도달한 것으로 판단되면, 기 설정된 제1 단위 시간을 제어 실행 시간으로 설정하며 블레이드의 피치 각도를 기 설정된 하한값 이상이 되도록 조절하고, 상기 제어 실행 시간에서 기 설정된 제2 단위 시간만큼 차감한 값을 제어 실행 시간으로 재설정하는 제어 장치를 포함하는, 풍력 발전기가 제공된다.
상기 제어 장치는, 상기 기준조건 도달 여부의 판단 결과 상기 기준조건에 도달하지 않은 것으로 판단되면 제어 실행 시간이 양의 값인지 판단하고, 상기 제어 실행 시간이 양의 값인 것으로 판단되는 경우에만 상기 블레이드의 피치 각도를 기 설정된 하한값 이상이 되도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어 장치는, 상기 측정된 풍속 및 요에러가 기 설정된 기준조건에 도달하였는지 판단하고, 상기 기준조건에 도달한 것으로 판단되면, 기 설정된 제1 단위 시간을 제어 실행 시간으로 설정하며 블레이드의 피치 각도를 기 설정된 하한값 이상이 되도록 제어하고, 상기 제어 실행 시간에서 기 설정된 제2 단위 시간만큼 차감한 값을 제어 실행 시간으로 재설정하는 일련의 데이터 처리를 상기 제2 시간마다 1회씩 순환 반복할 수 있다.
또한, 상기 제어 장치는, 상기 블레이드의 피치 각속도가 기설정된 상한값 이하가 되도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 기준조건은 풍속 기준값 및 요에러 기준값을 포함할 수 있다.
또한, 상기 기준조건에는 풍속 변화율 기준값이 더 포함되고, 상기 제어 장치는, 풍속, 요에러 및 풍속의 변화율이 모두 상기 기준조건에 도달하였는지 판단할 수 있다.
또한, 상기 제어 장치는, 풍속, 요에러 또는 풍속의 변화율에 근거하여 상기 제1 단위 시간 또는 제2 단위 시간의 크기를 조절할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, (a) 풍속 및 요에러를 측정하는 단계, (b) 풍속 및 요에러가 기 설정된 기준조건에 도달하였는지 판단하는 단계, (c) 기준조건에 도달한 것으로 판단되면 기 설정된 제1 단위 시간을 제어 실행 시간으로 설정하는 단계, (d) 블레이드의 피치 각도를 기 설정된 하한값 이상이 되도록 조절하는 단계 및 (e) 상기 제어 실행 시간에서 기 설정된 제2 단위 시간만큼 차감한 값을 제어 실행 시간으로 재설정하는 단계를 포함하는, 풍력 발전기의 제어 방법이 제공된다.
또한, (b-1) 상기 (b)단계에서의 판단 결과 상기 기준조건에 도달하지 않은 것으로 판단되면, 제어 실행 시간이 양의 값인지 판단하는 단계를 더 포함하고, 상기 (b-1)단계에서의 판단결과, 상기 제어 실행 시간이 양의 값인 것으로 판단되면 상기 (d)단계를 수행하고, 상기 제어 실행 시간이 0 또는 음의 값인 것으로 판단되면 상기 (d)단계 및 (e)단계를 생략할 수 있다.
또한, 상기 제2 시간마다 상기 모든 단계들이 1회씩 순환 반복될 수 있다.
또한, 상기 (d)단계는, 상기 블레이드의 피치 각속도가 기설정된 상한값 이하가 되도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 기준조건은 풍속 기준값 및 요에러 기준값을 포함할 수 있다.
또한, 상기 기준조건에는 풍속 변화율 기준값이 더 포함되고, 상기 (b) 단계는, 풍속, 요에러 및 풍속의 변화율이 모두 상기 기준조건에 도달하였는지 판단할 수 있다.
또한, 풍속, 요에러 또는 풍속의 변화율에 근거하여 상기 제1 단위 시간 또는 제2 단위 시간의 크기를 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 풍력 발전 장치에 대한 풍속 및 요에러가 급격히 변화하는 바람 환경이 발생하면 블레이드의 피치 각도에 하한값을 설정함으로써, 블레이드에 인가되는 하중을 저감시킬 수 있는 풍력 발전 장치 및 그 제어 방법을 제공할 수 있다.
또한, 저감된 하중에 맞춰 블레이드의 구조를 설계함으로써, 풍력 발전 시스템의 전체 중량 및 재료비를 절감할 수 있다.
또한, 풍속, 요에러 또는 풍속 변화율에 근거하여 제어 개시를 위한 기준조건, 피치 각도 하한값, 피치 각속도 상한값, 제어 실행 시간, 1회 반복 시간(즉, 이하 설명될 제2 단위 시간) 등을 적응적(adaptive)으로 변경 설정함으로써, 바람 환경에 맞춘 정밀한 제어 방법을 제공할 수 있다.
한편, 본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 이하에서 설명할 내용으로부터 통상의 기술자에게 자명한 범위 내에서 다양한 효과들이 포함될 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따라 풍속에 근거하여 시간에 대한 블레이드의 피치 각도를 변화시키는 일반적인 제어 방식에 대한 그래프이다.
도 2a는 풍력 발전 장치에서 발생할 수 있는 시간에 대한 풍속 변화의 일 예를 나타낸 그래프이고, 도 2b는 풍력 발전 장치에서 발생할 수 있는 시간에 대한 요에러 변화의 일 예를 나타낸 그래프이다.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 제어 개시를 위한 기준조건을 만족하는 바람 환경이 풍력 발전 장치에 발생한 경우, 시간에 대한 블레이드의 피치 각도 변화를 개략적으로 나타낸 그래프이고, 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전 장치에서 시간에 대한 블레이드의 피치 각도 변화를 시뮬레이션한 결과를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 풍력 발전 장치를 제어하는 경우에 블레이드에 작용하는 굽힘 모멘트(bending moment)의 변화를 나태낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전 장치의 제어 방법에 포함된 각 단계를 순차적으로 도시한 순서도이다.
본 명세서에서 개시되는 실시예들은 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 해석되거나 이용되지 않아야 할 것이다. 이 분야의 통상의 기술자에게 본 명세서의 실시예를 포함한 설명은 다양한 응용을 갖는다는 것이 당연하다. 따라서, 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상, 임의의 실시예는 본 발명을 보다 잘 설명하기 위한 예시적인 것이며 본 발명의 범위가 실시예들로 한정되는 것을 의도하지 않는다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예들에 따른 풍력 발전 장치는 나셀(naccelle) 내에 구비되어 있거나 외부에서 나셀(naccelle)과 유무선통신을 수행하는 제어 장치(30)에 의해 제어될 수 있다. 이러한, 제어 장치(30)는 발전량 제어부 및 피치각 제어부를 포함할 수 있다.
구체적으로, 발전량 제어부는 전력 계통으로부터 요구되는 발전량, 현재의 발전기의 발전량, 로터(10)의 회전속도, 블레이드(11)의 피치각, 풍향 또는 풍속 등에 근거하여 발전기의 발전량을 제어하기 위한 신호를 생성하여 발전기 측으로 송신할 수 있다.
피치각 제어부는 현재의 피치각, 블레이드(11)에 인가되는 풍속 및 로터(10)의 회전속도 등에 근거하여 블레이드(11)의 피치각을 제어하기 위한 신호를 생성한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 종래 기술에 따라 풍속에 근거하여 시간에 대한 블레이드(11)의 피치 각도를 변화시키는 일반적인 제어 방식에 대한 그래프이다.
도 1을 참조하면, 풍력 발전 장치에서는 발전 능력이 한정되어 있기 때문에 일정 속도를 초과하는 바람이 불어오는 조건에서는 로터(10) 회전 속도를 제어할 필요가 있다. 즉, 정격 출력에 미치지 않는 비교적 약풍 시에는 발전 효율이 향상되도록 블레이드(11)의 피치 각도를 감소시키고, 반대로 정격 출력에 도달할 수 있는 비교적 강풍 시에는 발전 효율이 저하되도록 블레이드(11)의 피치 각도를 증가시키는 제어를 행하여 로터(10) 회전 속도 제어를 수행하는 것이 일반적이다.
이러한 일반적인 제어 방식은 풍속에 대응하여 블레이드(11)의 피치 각도를 크거나 작게 변화시킴으로써 풍력 발전 장치의 발전 효율을 얻는 데에 도움을 주는 장점이 있다.
그러나, 풍속 또는 요에러(yaw error)가 단시간 내에 크게 변화하는 극단적인 바람 환경이 풍력 발전 장치에 발생하는 경우까지 도 1을 참조하여 전술한 방식을 그대로 이용하여 제어를 수행하면, 블레이드(11)에 과도한 하중이 인가되어 풍력 발전 장치에 큰 손모를 끼칠 가능성이 커진다는 문제가 있다.
도 2a는 풍력 발전 장치에서 발생할 수 있는 시간에 대한 풍속 변화의 일 예를 나타낸 그래프이고, 도 2b는 풍력 발전 장치에서 발생할 수 있는 시간에 대한 요에러(yaw error) 변화의 일 예를 나타낸 그래프이며, 도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 제어 개시를 위한 기준조건을 만족하는 바람 환경이 풍력 발전 장치에 발생한 경우, 시간에 대한 블레이드(11)의 피치 각도 변화를 개략적으로 나타낸 그래프이고, 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전 장치에서 시간에 대한 블레이드(11)의 피치 각도 변화를 시뮬레이션한 결과를 도시한 것이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따라 풍력 발전 장치를 제어하는 경우에 블레이드(11)에 작용하는 굽힘 모멘트(bending moment)의 변화를 나태낸 그래프이다. 도 3a 및 도 3b에서 점선은 종래기술에 따른 풍력 발전 장치에서의 시간에 대한 블레이드(11)의 피치 각도를 도시한 것이고, 실선은 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전 장치에서의 시간에 대한 블레이드(11)의 피치 각도를 도시한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전 장치는 바람 환경이, 제어 개시를 위하여 기 설정된 기준조건에 도달한 경우에 블레이드(11)의 피치 각도에 대한 제어를 수행할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전 장치는 복수의 블레이드(11)가 구비되어 바람에 의해 회전하는 로터(10)의 회전력을 전기 에너지로 변환하는 풍력 발전 장치로서, 풍속 및 요에러(yaw error)를 측정하는 센서(20)를 포함한다. 또한, 상기 측정된 풍속 및 요에러(yaw error)가 기 설정된 기준조건에 도달하였는지 판단하고, 상기 기준조건에 도달한 것으로 판단되면, 기 설정된 제1 단위 시간을 제어 실행 시간(Tc)으로 설정하며 블레이드(11)의 피치 각도를 기 설정된 하한값 이상이 되도록 조절하고, 상기 제어 실행 시간(Tc)에서 기 설정된 제2 단위 시간만큼 차감한 값을 제어 실행 시간(Tc)으로 재설정하는 제어 장치(30)를 포함한다. 상기 하한값(예, 7도)은 피치 각도에 따른 풍력 발전 장치마다의 발전 효율 및 하중 변화에 근거하여 실험 또는 시뮬레이션한 결과를 통해 도출되는 값일 수 있다.
이때, 제어 장치(30)는, 풍속 및 요에러(yaw error)가 기 설정된 기준조건에 도달하였는지 판단하고, 상기 기준조건에 도달한 것으로 판단되면, 기 설정된 제1 단위 시간을 제어 실행 시(Tc)간으로 설정하며 블레이드(11)의 피치 각도를 기 설정된 하한값 이상이 되도록 제어하고, 상기 제어 실행 시간(Tc)에서 기 설정된 제2 단위 시간만큼 차감한 값을 제어 실행 시간(Tc)으로 재설정하는 일련의 데이터 처리를 제2 시간마다 1회씩 순환 반복할 수 있다.
이때, 제어 장치(30)는 풍속 및 요에러(yaw error)를 측정한 후 제2 단위 시간이 경과하면, 풍속 및 요에러(yaw error)가 기준조건에 도달하였는지 여부와 무관하게 다시 풍속 및 요에러(yaw error)를 측정할 수 있다.
상기 제1 단위 시간(예, 60초)은, 풍속 및 요에러(yaw error)가 상기 기준조건에 도달한 경우, 블레이드(11)의 피치 각도가 기 설정된 하한값 이상으로 유지되는 시간을 의미한다. 이러한 제1 단위 시간이 제어 실행 시간(Tc)으로 할당되면, 제어 장치(30)는 제어 실행 시간(Tc) 동안 풍속 및 요에러(yaw error)가 상기 기준조건 미만으로 변화하더라도 블레이드(11)의 피치 각도가 기 설정된 하한값 이상으로 유지되도록 제어한다.
상기 기준조건은 풍속 기준값(예, 11m/s) 및 요에러(yaw error) 기준값(예, 37도)을 포함하여 미리 설정될 수 있다. 바람이 고속인 경우는 상대적으로 저속인 경우에 비하여 동일한 각도만큼 방향을 변화시키는 데에 더 큰 힘이 필요하다. 반대로, 동일한 힘을 인가하였을 때 바람의 방향이 상대적으로 크게 변화한다면 풍속이 상대적으로 낮다는 것을 의미한다.
즉, 임의의 풍속에서 풍력 발전 장치의 요에러(yaw error)가 상대적으로 더 크다는 것은 요에러(yaw error)가 상대적으로 더 작은 경우에 비하여 주변 바람 환경에 큰 변화가 발생하였다는 의미가 내재되어 있다. 또한, 임의의 요에러(yaw error)에서 풍력 발전 장치가 받는 풍속이 상대적으로 더 크다는 것은 요에러(yaw error)가 상대적으로 더 작은 경우에 비하여 주변 바람 환경에 큰 변화가 발생하였다는 의미가 내재되어 있다.
따라서, 상기 기준조건은 위와 같은 풍속 및 요에러(yaw error)의 관계에 근거하여 설정될 수 있다.
풍력 발전 장치마다 급격한 풍속 및 요에러(yaw error)의 발생에 견딜 수 있는 내구성이 다를 수 있으므로, 상기 기준조건은 풍력 발전 장치마다 또는 동일 풍력 발전 장치라도 주변 상황에 따라 다르게 설정할 수 있음은 당연하다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 시간 A-B 구간에서 풍속 및 요에러(yaw error)가 모두 기준조건의 기준값 이상에 공통적으로 도달한 것을 확인할 수 있다. 이 경우, 제어 장치(30)는 시간 A부터 시간 (B+제1 단위 시간)까지 블레이드(11)의 피치 각도를 기 설정된 하한값 이상이 되도록 조절할 수 있다.
도 3a는 시간 A부터 시간 (B+제1 단위 시간)까지의 구간에서 피치 각도 변화를 도시하였으며, 점선을 통해 확인할 수 있듯이 종래기술에 따른 제어 방식은 요에러(yaw error)의 급격한 변화 여부에 대한 고려없이 풍속의 변화를 중심으로 블레이드(11)의 피치 각도를 제어한다. 일 예로, 로터(10)의 회전속도가 정격 회전속도에 미달되는 경우에, 요에러(yaw error)가 급격히 변화(즉, 기 설정된 기준조건 이상)하더라도, 제어 장치(30)는 로터(10)의 회전속도를 정격 회전속도까지 증가시키기 위해서 블레이드(11)의 피치 각도를 상기 하한값 미만으로 감소시켜 바람을 받는 블레이드(11)의 면적이 넓어지도록 한다. 이에 따라, 블레이드(11)에 과도한 하중이 인가되어 풍력 발전 장치에 손모를 야기할 우려가 있다.
전술한 종래기술의 문제점을 극복하기 위해 제안된 본 발명의 실시예에 따르면, 도 3a에 도시된 실선을 통해 확인할 수 있듯이, 풍속과 요에러(yaw error)를 모두 고려하여 블레이드(11)의 피치 각도를 제어한다. 일 예로, 풍속 및 요에러(yaw error)에 급격한 변화(즉, 기 설정된 기준조건 이상)가 발생하면, 로터(10)의 회전속도가 정격 회전속도에 미달되는 상태인 경우라도 블레이드(11)의 피치 각도를 상기 하한값 이상이 되도록 증가시켜 바람을 받는 블레이드(11)의 면적이 좁아지도록 한다. 이에 따라, 블레이드(11)에 과도한 하중이 인가되어 풍력 발전 장치에 손모를 야기할 우려를 해소할 수 있다.
또한, 시간에 대한 블레이드(11)의 피치 각도 변화를 시뮬레이션한 결과인 도 3b에서도, 풍속 및 요에러(yaw error)가 기준조건을 만족하여 본 발명의 실시예(적색선)에 따라 블레이드(11)의 피치 각도를 기 설정된 하한값 이상이 되도록 조절하는 15초부터 30초까지의 구간에서, 종래 기술(청색선)은 블레이드(11)의 피치 각도를 하한값 미만으로 조절하는 것이 도시되어 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 제어 장치(30)는 블레이드(11)의 피치 각도를 기 설정된 하한값 이상이 되도록 조절할 때, 블레이드(11)의 피치 각속도가 기설정된 상한값 이하가 되도록 제어할 수 있다. 블레이드(11)의 피치 각도를 소정 속도 수준 이상 빠르게 변화시키는 경우에서 발생할 수 있는 하중을 완화하기 위함이다. 이러한 상한값은 피치 각도에 따른 풍력 발전 장치마다의 발전 효율 및 하중 변화에 근거하여 실험 또는 시뮬레이션한 결과를 통해 도출되는 값일 수 있다.
제어 장치(30)는 제2 단위 시간마다 제어 실행 시간(Tc)에서 제2 단위 시간만큼 차감한 값을 제어 실행 시간(Tc)으로 재설정한다. 제어 실행 시간(Tc)은 제1 단위 시간과 같고, 제1 단위 시간은 제2 단위 시간보다 길다. 예를 들어, 0초에서 풍속 및 요에러(yaw error)가 기준조건에 도달하여 제어 실행 시간(Tc)이 30초로 설정되어 블레이드(11)의 피치 각도를 기 설정된 하한값 이상이 되도록 제어하고, 제2 단위 시간은 3초로 설정된 경우를 가정할 수 있다. 이때, 제어 장치(30)는, 제2 단위 시간인 3초 동안 '풍속 및 요에러(yaw error) 측정부터 블레이드(11)의 피치 각도를 기 설정된 하한값 이상이 되도록 조절'하는 제어를 수행한 후 30초에서 3초를 차감한 27초를 제어 실행 시간(Tc)으로 재설정한다. 만약, 0초~30초 동안(즉, 제2 단위 시간이 10번 반복되는 동안) 풍속 및 요에러(yaw error)가 기준조건 미만이라면 제2 단위 시간이 10번 반복된 이후의 제어 실행 시간(Tc)은 0초로 설정되고, 제2 단위 시간이 11번 반복되는 시점에서의 풍속 및 요에러(yaw error)도 기준조건 미만이면, 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전 장치의 제어는 중단된다.
즉, 제어 실행 시간(Tc)에서 기 설정된 제2 단위 시간만큼 차감한 값을 제어 실행 시간(Tc)으로 재설정하는 과정을 반복하여, 제어 실행 시간(Tc)의 값이 0 또는 음의 값을 가지면, 블레이드(11)의 피치 각도를 기 설정된 하한값 이상이 되도록 제어하는 것을 중지시키는 것이다. 이는, 풍속 및 요에러(yaw error)의 급격한 변화가 발생하지 않는 바람 환경에서는 종래 기술에 따라 발전 효율이 높아지도록 피치 각도를 조절하기 위함이다.
구체적으로, 풍속 및 요에러(yaw error)를 기준으로 블레이드(11)의 피치 각도를 기 설정된 하한값 이상이 되도록 제어하는 데에 소요되는 데이터 처리 시간이 제2 단위 시간이 된다. 제어 장치(30)는 제어 실행 시간(Tc) 동안에 제2 단위 시간마다 풍속 및 요에러(yaw error)를 기준으로 블레이드(11)의 피치 각도를 기 설정된 하한값 이상이 되도록 제어할지 여부를 결정한다.
예를 들어, 제1 단위 시간은 60초, 제2 단위 시간은 2초로 기 설정되고, 0초에서 풍속 및 요에러(yaw error)가 기준조건에 도달하여 제어 실행 시간(Tc)이 제1 단위 시간인 60초로 설정된 경우를 가정할 수 있다. 만약, 제2 단위 시간이 30번 소요될 때까지(즉, 60초) 사이에 풍속 및 요에러(yaw error)가 기준조건 미만이라면 블레이드(11)의 피치 각도는 60초까지만 기 설정된 하한값 이상으로 제어될 것이다. 만약, 제2 단위 시간이 15번 소요된 시점(즉, 30초)에서 풍속 및 요에러(yaw error)가 기준조건에 다시 도달하면 제어 실행 시간(Tc)이 제1 단위 시간인 60초로 다시 설정되므로, 블레이드(11)의 피치 각도는 총 90초까지 기 설정된 하한값 이상으로 제어될 것이다.
또한, 제어 장치(30)는 상기 기준조건 도달 여부의 판단 결과, 상기 기준조건에 도달하지 않은 것으로 판단되면 제어 실행 시간(Tc)이 양의 값인지 판단하고, 상기 제어 실행 시간(Tc)이 양의 값인 것으로 판단되는 경우에만 상기 블레이드(11)의 피치 각도를 기 설정된 하한값 이상이 되도록 제어할 수 있다. 즉, 양의 값을 가지는 제어 실행 시간(Tc) 동안에는 풍속 및 요에러(yaw error)가 상기 기준조건 미만으로 변화하더라도, 블레이드(11)의 피치 각도가 기 설정된 하한값 이상으로 유지되도록 제어하는 것이다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기준조건에는 풍속 변화율 기준값이 더 포함될 수 있다. 동일한 풍속 및 요에러(yaw error)에서 풍속 변화율이 더 높다는 것은 바람 환경이 더 급격히 변화한다는 것을 의미하므로, 풍력 발전 장치에 대한 보다 정밀한 제어를 위하여 기준조건에 풍속 변화율 기준값을 추가할 수 있다. 제어 장치(30)는 풍속, 요에러(yaw error) 및 풍속의 변화율이 모두 상기 기준조건에 도달하였는지 판단할 수 있다.
또한, 제어 장치(30)는 풍속, 요에러(yaw error) 또는 풍속의 변화율에 근거하여 상기 제1 단위 시간 또는 제2 단위 시간의 크기를 조절할 수 있다. 예를 들어, 풍속, 요에러(yaw error) 또는 풍속의 변화율이 기준조건을 크게 초과할수록 제1 단위 시간을 증가시켜 블레이드(11)의 피치 각도가 기 설정된 하한값 이상으로 더 오래 유지되도록 제어하고, 제2 단위 시간은 감소시켜 풍속 및 요에러(yaw error)를 보다 빠르게 측정할 수 있도록 제어할 수 있다.
도 4를 참조하면, 전술한 본 발명의 실시예에 따라 풍속 및 요에러(yaw error)가 기 설정된 기준조건에 도달하면 블레이드(11)의 피치 각도를 기 설정된 하한값 이상이 되도록 조절함으로써, 본 발명(적색선)은 종래 기술(청색선)에 비하여 블레이드(11)에 작용하는 굽힘 모멘트(bending moment)가 저감되는 것을 확인할 수 있다.
한편, 도 2 및 도 3a에는 기준조건에 도달하면 즉시 피치 각도를 조절하는 것으로 도시되어 있으나, 이는 설명의 편의를 위한 것이며, 풍속 및 요에러(yaw error)가 측정된 시점과 이에 근거하여 블레이드(11)의 피치 각도가 조절되는 시점은 신호 딜레이(delay)에 의해 소정의 시간 차가 존재할 수 있다는 것은 당업자라면 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 또한, 전술한 풍속, 요에러(yaw error) 및 풍속 변화율은 하나 이상의 범위를 갖는 시간동안의 평균값(예, 10분 평균)일 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전 장치의 제어 방법에 포함된 각 단계를 순차적으로 도시한 순서도이다. 도 1 내지 도 4를 참조하여 전술한 내용과 동일한 내용은 일부 생략하기로 한다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전 장치의 제어 방법은, (a) 풍속 및 요에러(yaw error)를 측정하는 단계(S510), (b) 풍속 및 요에러(yaw error)가 기 설정된 기준조건에 도달하였는지 판단하는 단계(S520), (c) 기준조건에 도달한 것으로 판단되면 기 설정된 제1 단위 시간을 제어 실행 시간(Tc)으로 설정하는 단계(S530), (d) 블레이드(11)의 피치 각도를 기 설정된 하한값 이상이 되도록 조절하는 단계(S540) 및 (e) 제어 실행 시간(Tc)에서 기 설정된 제2 단위 시간만큼 차감한 값을 제어 실행 시간(Tc)으로 재설정하는 단계(S550)를 포함한다. 여기서, 기준조건에는 풍속 기준값 및 요에러(yaw error) 기준값이 포함되고, 상기 (a) 내지 (e)단계는 제2 시간마다 1회씩 순환 반복된다.
이때, (b)단계에서의 판단 결과 상기 기준조건에 도달하지 않은 것으로 판단되면, 제어 실행 시간(Tc)이 양의 값인지 판단하는 단계(S525)가 수행된다. 판단결과, 제어 실행 시간(Tc)이 양의 값인 것으로 판단되면 상기 (d)단계를 수행할 수 있다. 만약, 제어 실행 시간(Tc)이 0 또는 음의 값인 것으로 판단되면 상기 (d)단계 및 (e)단계를 생략할 수 있다.
또한, (d)단계에서는 블레이드(11)의 피치 각도를 조절하는 중에 피치 각속도가 기설정된 상한값 이하가 되도록 제어할 수 있다. 단시간 내에 피치 각도를 하한값 이상으로 급격히 조절하면 과도한 하중이 발생할 수 있기 때문이다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 기준조건에는 풍속 변화율 기준값이 더 포함되어 (b)단계가 수행될 때 풍속, 요에러(yaw error) 및 풍속의 변화율이 모두 기준조건에 도달하였는지 판단할 수 있다. 또한, 제1 단위 시간 또는 제2 단위 시간의 크기는 풍속, 요에러(yaw error) 또는 풍속의 변화율에 근거하여 조절될 수 있다. 이는 풍속, 요에러(yaw error) 및 풍속의 변화율을 종합적으로 고려하여 블레이드(11)의 피치 각도를 더욱 정밀하게 제어하기 위함이다.
또한, 상기 제어 장치(30)는 적어도 하나 이상의 입력부(예, 키보드), 데이터 저장부(예, 하드 디스크), 데이터 처리부(예, 컴퓨터 프로세서)를 포함하여 구성될 수 있으며, 제어와 관련된 정보를 출력하는 출력부(예, 모니터)를 더 포함할 수 있다.
이상에서 기재된 "포함하다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
위에서 설명된 본 발명의 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 이들에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명에 대한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정 및 변경을 가할 수 있을 것이며, 이러한 수정 및 변경은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
10: 로터
11: 블레이드
20: 센서
30: 제어 장치
Tc: 제어 실행 시간

Claims (14)

  1. 복수의 블레이드가 구비되어 바람에 의해 회전하는 로터의 회전력을 전기 에너지로 변환하는 풍력 발전 장치에 있어서,
    풍속 및 요에러를 측정하는 센서; 및
    측정된 풍속 및 요에러가 기 설정된 기준조건에 도달하였는지 판단하고, 상기 기준조건에 도달한 것으로 판단되면, 기 설정된 제1 단위 시간을 제어 실행 시간으로 설정하며 블레이드의 피치 각도를 기 설정된 하한값 이상이 되도록 조절하고, 상기 제어 실행 시간에서 기 설정된 제2 단위 시간만큼 차감한 값을 제어 실행 시간으로 재설정하는 제어 장치;
    를 포함하고
    상기 제2 단위 시간은 풍속 및 요에러 측정부터 블레이드의 피치 각도를 기 설정된 하한값 이상이 되도록 조절하는데 소요되는 시간 이상, 제1 단위 시간 이하인, 풍력 발전기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 장치는,
    상기 기준조건 도달 여부의 판단 결과 상기 기준조건에 도달하지 않은 것으로 판단되면 제어 실행 시간이 양의 값인지 판단하고, 상기 제어 실행 시간이 양의 값인 것으로 판단되는 경우에만 상기 블레이드의 피치 각도를 기 설정된 하한값 이상이 되도록 제어하는, 풍력 발전기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어 장치는,
    상기 측정된 풍속 및 요에러가 기 설정된 기준조건에 도달하였는지 판단하고, 상기 기준조건에 도달한 것으로 판단되면, 기 설정된 제1 단위 시간을 제어 실행 시간으로 설정하며 블레이드의 피치 각도를 기 설정된 하한값 이상이 되도록 제어하고, 상기 제어 실행 시간에서 기 설정된 제2 단위 시간만큼 차감한 값을 제어 실행 시간으로 재설정하는 일련의 데이터 처리를 상기 제2 시간마다 1회씩 순환 반복하는, 풍력 발전기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어 장치는,
    상기 블레이드의 피치 각속도가 기설정된 상한값 이하가 되도록 제어하는, 풍력 발전기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기준조건은 풍속 기준값 및 요에러 기준값을 포함하는, 풍력 발전기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 기준조건에는 풍속 변화율 기준값이 더 포함되고,
    상기 제어 장치는,
    풍속, 요에러 및 풍속의 변화율이 모두 상기 기준조건에 도달하였는지 판단하는, 풍력 발전기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어 장치는,
    풍속, 요에러 또는 풍속의 변화율에 근거하여 상기 제1 단위 시간 또는 제2 단위 시간의 크기를 조절하는, 풍력 발전기.
  8. (a) 풍속 및 요에러를 측정하는 단계;
    (b) 풍속 및 요에러가 기 설정된 기준조건에 도달하였는지 판단하는 단계;
    (c) 기준조건에 도달한 것으로 판단되면 기 설정된 제1 단위 시간을 제어 실행 시간으로 설정하는 단계;
    (d) 블레이드의 피치 각도를 기 설정된 하한값 이상이 되도록 조절하는 단계; 및
    (e) 상기 제어 실행 시간에서 기 설정된 제2 단위 시간만큼 차감한 값을 제어 실행 시간으로 재설정하는 단계;
    를 포함하고
    상기 제2 단위 시간은 풍속 및 요에러 측정부터 블레이드의 피치 각도를 기 설정된 하한값 이상이 되도록 조절하는데 소요되는 시간 이상, 제1 단위 시간 이하인, 풍력 발전기의 제어 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    (b-1) 상기 (b)단계에서의 판단 결과 상기 기준조건에 도달하지 않은 것으로 판단되면, 제어 실행 시간이 양의 값인지 판단하는 단계;
    를 더 포함하고,
    상기 (b-1)단계에서의 판단결과,
    상기 제어 실행 시간이 양의 값인 것으로 판단되면 상기 (d)단계를 수행하고, 상기 제어 실행 시간이 0 또는 음의 값인 것으로 판단되면 상기 (d)단계 및 (e)단계를 생략하는, 풍력 발전기의 제어 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제2 단위 시간마다 상기 모든 단계들이 1회씩 순환 반복되는, 풍력 발전기의 제어 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 (d)단계는,
    상기 블레이드의 피치 각속도가 기설정된 상한값 이하가 되도록 제어하는, 풍력 발전기의 제어 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 기준조건은 풍속 기준값 및 요에러 기준값을 포함하는, 풍력 발전기의 제어 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 기준조건에는 풍속 변화율 기준값이 더 포함되고,
    상기 (b) 단계는,
    풍속, 요에러 및 풍속의 변화율이 모두 상기 기준조건에 도달하였는지 판단하는, 풍력 발전기의 제어 방법.
  14. 제8항에 있어서,
    풍속, 요에러 또는 풍속의 변화율에 근거하여 상기 제1 단위 시간 또는 제2 단위 시간의 크기를 조절하는, 풍력 발전기의 제어 방법.
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