KR101580042B1

KR101580042B1 - 풍력 발전 시스템

Info

Publication number: KR101580042B1
Application number: KR1020140049229A
Authority: KR
Inventors: 고이치 오바; 쥰지 후지이; 에이지 와타나베; 야스히로 미야모토
Original assignee: 가부시키가이샤 야스카와덴키
Priority date: 2013-07-01
Filing date: 2014-04-24
Publication date: 2015-12-23
Also published as: JP2015010579A; IN2014CH02072A; CN104279121A; EP2821642B1; NO2821642T3; US20150001847A1; EP2821642A1; KR20150003663A

Abstract

풍력에 의해서 발전을 행하는 풍력 발전 시스템(1)으로서, AC/DC 변환부(21a)와, 컨버터 냉각 팬(21b)과, 회전 속도 검출 센서(33)와, 냉각 제어부(11)를 구비한다. AC/DC 변환부(21a)는 발전된 전력의 변환을 행한다. 컨버터 냉각 팬(21b)은 AC/DC 변환부(21a)의 냉각을 행한다. 회전 속도 검출 센서(33)는 풍황 데이터를 취득한다. 냉각 제어부(11)는 회전 속도 검출 센서(33)에 의해서 취득된 풍황 데이터에 근거하여, 컨버터 냉각 팬(21b)의 동작을 제어한다.

Description

풍력 발전 시스템{WIND POWER GENERATION SYSTEM}

본 발명은 풍력 발전 시스템에 관한 것이다.

발전 시스템의 대형화 혹은 고출력화 등에 수반하여, 발전기의 냉각 등을 행하는 보조기(補機)를 구비하는 풍력 발전 시스템이 있다. 이러한, 발전기의 냉각 등을 행하는 보조기를 구비하는 풍력 발전 시스템이, 예를 들면 국제 공개 제2012/120595호에 기재되어 있다.

보조기를 구비하는 풍력 발전 시스템에서는, 보조기를 동작시키기 위한 전력이 필요하게 된다. 이 때문에, 발전된 전력량으로부터 보조기가 소비하는 전력량을 감산한 전력량이 풍력 발전 시스템의 출력 전력량으로 된다. 이러한 풍력 발전 시스템에서는, 발전 효율을 올리기 위해서, 보조기에 의해서 소비되는 전력을 억제하는 것이 요구된다.

그래서, 본 발명은 효율적으로 발전하는 것이 가능한 풍력 발전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른, 풍력에 의해서 발전을 행하는 풍력 발전 시스템은 변환부, 제 1 냉각부, 풍황(風況) 데이터 취득부, 및 냉각 제어부를 구비한다. 변환부는 발전된 전력의 변환을 행한다. 제 1 냉각부는 변환부의 냉각을 행한다. 풍황 데이터 취득부는 풍황 데이터를 취득한다. 냉각 제어부는 풍황 데이터 취득부에 의해서 취득된 풍황 데이터에 근거하여 제 1 냉각부의 동작을 제어한다.

본 발명에 의하면, 효율적으로 발전하는 것이 가능해진다.

도 1은 일 실시 형태에 따른 풍력 발전 시스템의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 나타내는 풍력 발전 시스템의 기능 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 3(a)는 전력 변환 장치에 마련된 냉각 팬의 온도 변화에 근거하는 ON/OFF 제어를 나타내는 도면이고, 도 3(b)는 증속(增速) 장치 냉각 팬 및 발전 장치 냉각 팬의 온도 변화에 근거하는 ON/OFF 제어를 나타내는 도면이다.
도 4(a)는 전력 변환 장치에 마련된 냉각 팬을 제어하기 위한 속도 지령값의 지령 패턴을 나타내는 도면이고, 도 4(b)는 증속 장치 냉각 팬 및 발전 장치 냉각 팬을 제어하기 위한 속도 지령값의 지령 패턴을 나타내는 도면이다.
도 5(a)는 회전축의 회전 속도의 변동을 나타내는 도면이고, 도 5(b)는 냉각 팬의 소비 전력을 나타내는 도면이다.

이하, 실시 형태에 대해 도면을 참조하면서 설명한다. 또, 도면의 설명에서 동일한 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 중복되는 설명을 생략한다.

도 1에 나타내는 바와 같이, 풍력 발전 시스템(1)은 타워(2), 나셀(nacelle)(3), 허브(4), 및 복수의 블레이드(5)를 포함하여 구성된다. 타워(2)는 기초(6) 상에 설치되고, 위쪽으로 향해 연장되고 있다. 나셀(3)은 타워(2)의 상단에 설치된다. 허브(4)는 나셀(3)에 마련되고, 대략 수평 방향으로 연장되는 축선 주위로 회전한다. 복수(예를 들면 3개)의 블레이드(5)는 허브(4)의 회전축 주위로 방사 형상으로 퍼지도록 허브(4)에 장착된다.

도 2에 나타내는 바와 같이, 나셀(3) 내에는, 증속 장치(31), 발전 장치(32), 회전 속도 검출 센서(풍황 데이터 취득부)(33), 및 인버터 장치(330)가 마련된다. 증속 장치(31)는 증속부(31a), 증속 장치 냉각 팬(31b), 및 증속 장치 온도 센서(31c)를 구비한다. 증속부(31a)는 블레이드(5)가 바람을 받는 것에 의해 회전하게 되는 허브(4)로부터 연장되는 회전축(4a)에 접속되고, 회전축(4a)의 회전수를 증속시킨다. 증속 장치 냉각 팬(31b)은 바람을 내뿜는 것에 의해서 증속부(31a)를 냉각한다. 증속 장치 냉각 팬(31b)의 회전수는 인버터 장치(330)에 의해서 제어된다. 증속 장치 온도 센서(31c)는 증속부(31a)의 온도를 검출한다.

발전 장치(32)는 발전부(32a), 발전 장치 냉각 팬(제 2 냉각부)(32b), 및 발전 장치 온도 센서(제 2 온도 검출부)(32c)를 구비한다. 발전부(32a)에는, 증속 장치(31)에 의해서 증속된 회전축(4b)의 회전력이 입력되고, 입력된 회전력에 의해서 발전을 행한다. 발전 장치 냉각 팬(32b)은 바람을 내뿜는 것에 의해서 발전부(32a)를 냉각한다. 발전 장치 냉각 팬(32b)의 회전수는 인버터 장치(330)에 의해서 제어된다. 발전 장치 온도 센서(32c)는 발전부(32a)의 온도를 검출한다. 발전 장치(32)는 예컨대, 동기 발전기(synchronous generator) 또는 유도 발전기(instruction generator) 등이다.

회전 속도 검출 센서(33)는 회전축(4a)의 회전 속도를 검출한다. 즉, 회전 속도 검출 센서(33)에서 회전축(4a)의 회전 속도를 검출하는 것에 의해서, 풍황 데이터로서의 풍속 등의 강약 레벨을 추정할 수 있다.

인버터 장치(330)는 제 1 인버터(INV.)(331b) 및 제 2 인버터(INV.)(332b)를 구비한다. 제 1 인버터(331b)는 후술하는 제어부(10)의 냉각 제어부(11)로부터의 속도 지령값에 근거하여 증속 장치 냉각 팬(31b)의 회전을 제어한다. 마찬가지로, 제 2 인버터(332b)는 냉각 제어부(11)로부터의 속도 지령값에 근거하여 발전 장치 냉각 팬(32b)의 회전을 제어한다.

타워(2) 내에는, 제어부(10), 전력 변환 장치(20), 및 인버터 장치(220)가 마련된다. 전력 변환 장치(20)는 컨버터(21) 및 트랜스(23)를 구비한다. 컨버터(21)는 발전 장치(32)에 의해서 발전된 전력의 주파수를 변환한다. 일례로서, 본 실시 형태에 있어서의 컨버터(21)는 AC/DC 변환부(21a), 컨버터 냉각 팬(제 1 냉각부)(21b) 및 컨버터 온도 센서(제 1 온도 검출부)(21c), 및, DC/AC 변환부(22a), 컨버터 냉각 팬(제 1 냉각부)(22b) 및 컨버터 온도 센서(제 1 온도 검출부)(22c)를 구비한다. AC/DC 변환부(21a) 및 DC/AC 변환부(22a)에 의해, 발전 장치(32)에 의해서 발전된 전력의 주파수가 소정의 주파수로 변환된다. 또, 컨버터(21)로서, 교류를 직접, 소정의 주파수의 교류로 변환하는 매트릭스 컨버터를 이용하여도 좋다. 이 경우, 매트릭스 컨버터는 교류를 직접 소정의 주파수의 교류로 변환하는 변환부, 컨버터 냉각 팬(제 1 냉각부) 및 컨버터 온도 센서(제 1 온도 검출부)를 구비하고 있다.

컨버터 냉각 팬(21b)은 바람을 내뿜는 것에 의해서 AC/DC 변환부(21a)를 냉각한다. 컨버터 냉각 팬(21b)의 회전수는 인버터 장치(220)에 의해서 제어된다. 컨버터 온도 센서(21c)는 AC/DC 변환부(21a)의 온도를 검출한다. 컨버터 냉각 팬(22b)은 바람을 내뿜는 것에 의해서 DC/AC 변환부(22a)를 냉각한다. 컨버터 냉각 팬(22b)의 회전수는 인버터 장치(220)에 의해서 제어된다. 컨버터 온도 센서(22c)는 DC/AC 변환부(22a)의 온도를 검출한다.

트랜스(23)는 변압부(23a), 트랜스 냉각 팬(제 1 냉각부)(23b), 및 트랜스 온도 센서(제 1 온도 검출부)(23c)를 구비한다. 변압부(23a)는 컨버터(21)에 의해서 주파수의 변환이 행해진 전력의 전압을 변환한다. 트랜스 냉각 팬(23b)은 바람을 내뿜는 것에 의해서 변압부(23a)를 냉각한다. 트랜스 냉각 팬(23b)의 회전수는 인버터 장치(220)에 의해서 제어된다. 트랜스 온도 센서(23c)는 변압부(23a)의 온도를 검출한다.

인버터 장치(220)는 제 1 인버터(INV.)(221b), 제 2 인버터(INV.)(222b), 및 제 3 인버터(INV.)(223b)를 구비한다. 제 1 인버터(221b)는 냉각 제어부(11)로부터의 속도 지령값에 근거하여 컨버터 냉각 팬(21b)의 회전을 제어한다. 마찬가지로, 제 2 인버터(222b)는 냉각 제어부(11)로부터의 속도 지령값에 근거하여 컨버터 냉각 팬(22b)의 회전을 제어한다. 제 3 인버터(223b)는 냉각 제어부(11)로부터의 속도 지령값에 근거하여 트랜스 냉각 팬(23b)의 회전을 제어한다.

제어부(10)는 냉각 제어부(11), 메인터넌스 예측부(12), 및 기억부(13)를 구비한다. 냉각 제어부(11)는 컨버터 냉각 팬(21b) 등의 냉각 팬을 동작시킬 때의 회전수의 속도 지령값을 제 1 인버터(221b) 등의 인버터에 출력한다. 냉각 제어부(11)는, 도 3(a)에 나타내는 바와 같이, AC/DC 변환부(21a)의 온도가 80도 이상으로 된 것이 컨버터 온도 센서(21c)에 의해서 검출된 경우에 컨버터 냉각 팬(21b)을 동작(ON)시킨다. 또, 냉각 제어부(11)는 회전 속도 검출 센서(33)에 의한 검출 결과를, 풍력 발전 시스템(1) 전체를 제어하는 다른 제어부를 거쳐서 취득하여도 좋다. 또한, 냉각 제어부(11)는 컨버터 온도 센서(21c)에 의한 검출 결과를, 풍력 발전 시스템(1) 전체를 제어하는 다른 제어부를 거쳐서 취득하여도 좋다. 또한, 냉각 제어부(11)는, 컨버터 온도 센서(22c) 등의 다른 온도 센서에 의한 검출 결과에 대해서도, 풍력 발전 시스템(1) 전체를 제어하는 다른 제어부를 거쳐서 취득하여도 좋다. 또한, 냉각 제어부(11)는, 컨버터 냉각 팬(21b)을 동작시키고 있는 상태에서, AC/DC 변환부(21a)의 온도가 60도 미만으로 된 것이 컨버터 온도 센서(21c)에 의해서 검출된 경우에, 컨버터 냉각 팬(21b)의 동작을 정지(OFF)시킨다.

냉각 제어부(11)는, 컨버터 냉각 팬(21b)과 마찬가지로, DC/AC 변환부(22a)의 온도가 80도 이상으로 된 것이 컨버터 온도 센서(22c)에 의해서 검출된 경우에 컨버터 냉각 팬(22b)을 동작시키고, 컨버터 냉각 팬(22b)을 동작시키고 있는 상태에서, DC/AC 변환부(22a)의 온도가 60도 미만으로 된 것이 컨버터 온도 센서(22c)에 의해서 검출된 경우에, 컨버터 냉각 팬(22b)의 동작을 정지시킨다. 또한, 냉각 제어부(11)는, 컨버터 냉각 팬(21b)과 마찬가지로, 변압부(23a)의 온도가 80도 이상으로 된 것이 트랜스 온도 센서(23c)에 의해서 검출된 경우에 트랜스 냉각 팬(23b)을 동작시키고, 변압부(23a)의 온도가 60도 미만으로 된 것이 트랜스 온도 센서(23c)에 의해서 검출된 경우에 트랜스 냉각 팬(23b)의 동작을 정지시킨다.

또, 냉각 제어부(11)는, 도 3(b)에 나타내는 바와 같이, 증속부(31a)의 온도가 80도 이상으로 된 것이 증속 장치 온도 센서(31c)에 의해서 검출된 경우에 증속 장치 냉각 팬(31b)을 동작시킨다. 또한, 냉각 제어부(11)는, 증속 장치 냉각 팬(31b)을 동작시키고 있는 상태에서, 증속부(31a)의 온도가 50도 미만으로 된 것이 증속 장치 온도 센서(31c)에 의해서 검출된 경우에, 증속 장치 냉각 팬(31b)의 동작을 정지시킨다.

냉각 제어부(11)는, 증속 장치 냉각 팬(31b)과 마찬가지로, 발전부(32a)의 온도가 80도 이상으로 된 것이 발전 장치 온도 센서(32c)에 의해서 검출된 경우에 발전 장치 냉각 팬(32b)을 동작시킨다. 또한, 냉각 제어부(11)는, 발전 장치 냉각 팬(32b)을 동작시키고 있는 상태에서, 발전부(32a)의 온도가 50도 미만으로 된 것이 발전 장치 온도 센서(32c)에 의해서 검출된 경우에, 발전 장치 냉각 팬(32b)의 동작을 정지시킨다.

이와 같이, 냉각 제어부(11)는, 컨버터 온도 센서(21c) 등의 온도 센서에 의해서 검출된 온도에 근거하여, 컨버터 냉각 팬(21b) 등의 냉각 팬의 ON/OFF 동작을 전환한다. 또, 상기에서 설명한 50도, 60도 및 80도 등의 ON/OFF 동작의 전환의 경계로 되는 온도는 일례로서, 각종 조건 등에 따라 이외의 온도를 설정할 수 있다.

또, 냉각 제어부(11)는, 기억부(13)에 기억된 속도 지령값의 지령 패턴에 근거해 속도 지령값을 결정하고, 컨버터 냉각 팬(21b) 등의 냉각 팬의 동작을 제어한다. 여기서, 기억부(13)가 기억하는 속도 지령값의 지령 패턴에 대해 설명한다. 기억부(13)는 냉각 팬에 의한 냉각의 대상으로 되는 증속부(31a), 발전부(32a), AC/DC 변환부(21a), DC/AC 변환부(22a), 및 변압부(23a)의 각각에 대해, 냉각 팬의 회전수의 속도 지령값의 지령 패턴을 기억한다. 이 속도 지령값의 지령 패턴은 냉각 대상물의 온도마다 냉각 팬의 속도 지령값이 대응지어져 있다. 또, 지령 패턴에 대해서는, 그래프 형식에 한정되지 않고, 냉각 대상물의 온도마다 냉각 팬의 속도 지령값이 대응지어진 것이면, 데이터 처리 가능한 표 형식 등, 각종 형식의 데이터를 이용할 수 있다.

또한, 속도 지령값의 지령 패턴은 냉각 대상물의 열시정수를 고려하여 속도 지령값이 설정된다. 이것에 의해, 예를 들면, 냉각 대상물이 냉각되기 어렵거나 혹은 냉각되어 쉽다는 냉각 대상물의 열적인 특성에 따라, 냉각 대상물마다 적절히 냉각을 행하는 것이 가능해진다. 또한, 속도 지령값은 회전 속도 검출 센서(33)에 의해서 검출된 회전 속도, 즉, 발전시에 냉각 대상물에 가하는 부하마다 설정된다. 또, 회전 속도 검출 센서(33)에 의해서 검출되는 회전 속도가 빨라짐에 따라, 발전 출력이 증대한다. 즉, 부하도 커져, 냉각 대상물의 온도 상승의 변동이 커진다.

여기서, 구체적인 일례로서, 냉각 제어부(11)가 컨버터 냉각 팬(21b)을 제어할 때에 이용하는 속도 지령값의 지령 패턴을, 도 4(a)를 이용하여 설명한다. 도 4(a)에 나타내는 바와 같이, 컨버터 냉각 팬(21b)을 동작시킬 때에 제 1 인버터(221b)에 입력되는 속도 지령값은, 발전시에 있어 AC/DC 변환부(21a)에 가하는 부하마다, 3개의 지령 패턴이 설정된다. 패턴 1은 풀 부하시의 속도 지령값, 패턴 2는 50% 부하시의 속도 지령값, 패턴 3은 0% 부하시 및 애프터 쿨링(after cooling)시의 속도 지령값을 나타낸다.

도 4(a)에 나타내는 예에서는, 모든 속도 지령값의 지령 패턴 모두, 컨버터 온도 센서(21c)에 의해서 검출된 온도가 80도 이상인 경우, 컨버터 냉각 팬(21b)의 회전 속도가 최대 회전 속도에 대해 100%로 되는 속도 지령값이 설정되어 있다. 한편, 모든 속도 지령값의 지령 패턴 모두, 컨버터 온도 센서(21c)에 의해서 검출된 온도가 60도 미만인 경우, 컨버터 냉각 팬(21b)의 회전 속도가 최대 회전 속도에 대해 0%, 즉, 동작을 정지시키는 속도 지령값이 설정되어 있다.

또한, 도 4(a)에 나타내는 예에서는, 컨버터 온도 센서(21c)에 의해서 검출된 온도가 60도 이상 80도 미만인 경우, 패턴 1, 패턴 2, 패턴 3의 순으로 높은 값의 속도 지령값이 설정된다. 이와 같이, AC/DC 변환부(21a)에 가하는 부하에 따라, 속도 지령값을 바꾸고 있다. 여기서는, 부하가 높은 경우에, 속도 지령값을 높게 설정하고 있다. 이것에 의해, AC/DC 변환부(21a)에 가하는 부하가 커질수록, 컨버터 냉각 팬(21b)의 속도 지령값이 커져 회전 속도가 상승하여, 컨버터 냉각 팬(21b)의 냉각 능력이 상승한다.

또, 구체적인 다른 일례로서, 냉각 제어부(11)가 발전 장치 냉각 팬(32b)을 제어할 때에 이용하는 속도 지령값의 지령 패턴을, 도 4(b)를 이용하여 설명한다. 도 4(b)에 나타내는 바와 같이, 발전 장치 냉각 팬(32b)을 동작시킬 때에 제 2 인버터(332b)에 입력되는 속도 지령값은, 도 4(a)에 나타내는 속도 지령값과 마찬가지로, 발전시에 있어 발전부(32a)에 가하는 부하마다, 3개의 지령 패턴이 설정된다. 패턴 1은 풀 부하시의 속도 지령값, 패턴 2는 50% 부하시의 속도 지령값, 패턴 3은 0% 부하시 및 애프터 쿨링시의 속도 지령값을 나타낸다.

또한, 도 4(b)에 나타내는 예에 대해도, 발전 장치 온도 센서(32c)에 의해서 검출된 온도가 50도 이상 80도 미만인 경우, 패턴 1, 패턴 2, 패턴 3의 순으로 높은 값의 속도 지령값이 설정된다. 이와 같이, 발전부(32a)에 가하는 부하에 따라, 속도 지령값을 바꾸고 있다. 여기서는, 부하가 높은 경우에, 속도 지령값을 높게 설정하고 있다.

도 4(a) 및 도 4(b)에 나타내는 예에서는, 냉각 대상물에 가하는 부하마다 3개의 속도 지령값의 지령 패턴을 설정했지만, 지령 패턴의 수는 3개에 한정되지 않는다. 또한, 속도 지령값의 지령 패턴에 있어서, 속도 지령값의 커브의 형상(변화의 방식)에 대해서도, 도 4(a) 및 도 4(b)에 나타내는 것에 한정되지 않는다.

또, 기억부(13)는, 컨버터 냉각 팬(21b)을 제어할 때에 이용되는 속도 지령값의 지령 패턴(도 4(a) 참조)과 마찬가지로, 컨버터 냉각 팬(22b) 및 트랜스 냉각 팬(23b)을 제어할 때에 이용되는 속도 지령값의 지령 패턴을 기억한다. 또한, 기억부(13)는 발전 장치 냉각 팬(32b)을 제어할 때에 이용되는 속도 지령값의 지령 패턴(도 4(b) 참조)과 마찬가지로, 증속 장치 냉각 팬(31b)을 제어할 때에 이용되는 속도 지령값의 지령 패턴을 기억한다.

냉각 제어부(11)는, 컨버터 냉각 팬(21b)의 회전을 제어하는 경우, 기억부(13)가 기억하는 속도 지령값의 지령 패턴(도 4(a) 참조)을 참조하여, 속도 지령값의 3개의 지령 패턴 중, 회전 속도 검출 센서(33)에 의해서 검출된 회전 속도(즉, 부하)에 근거하여 최적인 패턴을 선택한다. 그리고, 냉각 제어부(11)는, 선택한 속도 지령값의 지령 패턴과, 컨버터 온도 센서(21c)에 의해서 검출된 온도에 근거하여, 속도 지령값을 결정한다. 이 때, 냉각 제어부(11)는, 도 3(a)을 이용하여 설명한 바와 같이, 온도의 변화에 근거하는 컨버터 냉각 팬(21b)의 ON/OFF 제어도 고려하여 속도 지령값을 결정한다. 냉각 제어부(11)는 결정한 속도 지령값을 제 1 인버터(221b)에 출력한다.

냉각 제어부(11)는, 컨버터 냉각 팬(21b) 이외의 다른 냉각 팬(컨버터 냉각 팬(22b), 발전 장치 냉각 팬(32b) 등)을 제어하는 경우에 있어서도, 컨버터 냉각 팬(21b)을 제어하는 경우와 마찬가지로, 기억부(13)가 기억하는 속도 지령값의 지령 패턴을 참조하여, 속도 지령값의 복수의 지령 패턴 중, 회전 속도 검출 센서(33)에 의해서 검출된 회전 속도에 근거해서 최적인 지령 패턴을 선택한다. 그리고, 냉각 제어부(11)는, 기억부(13)에 기억된 속도 지령값의 지령 패턴과, 냉각 대상물의 온도를 검출하는 온도 센서(컨버터 온도 센서(22c), 발전 장치 온도 센서(32c) 등)에 의해서 검출된 온도에 근거하여, 속도 지령값을 결정한다. 이 때, 냉각 제어부(11)는, 도 3(a) 및 도 3(b)을 이용하여 설명한 바와 같이, 온도의 변화에 근거하는 냉각 팬의 ON/OFF 제어도 고려하여 속도 지령값을 결정한다. 냉각 제어부(11)는 결정한 속도 지령값을, 냉각 팬을 제어하는 인버터(제 2 인버터(222b), 제 2 인버터(332b) 등)에 출력한다.

또한, 냉각 제어부(11)는, 발전이 정지한 후에 애프터 쿨링을 행하는 경우, 기억부(13)에 기억된 속도 지령값의 지령 패턴으로부터 애프터 쿨링용의 속도 지령값의 패턴을 선택하고, 선택한 속도 지령값의 패턴과 온도 센서에 의해서 검출된 온도에 근거하여 속도 지령값을 결정하고, 결정한 속도 지령값을 인버터에 출력한다.

이와 같이, 냉각 제어부(11)는, 회전 속도 검출 센서(33)에 의해서 검출되는 회전 속도(풍황)가 빠른 경우, 즉, 바람이 강한 경우에는 발전 장치(32) 등의 부하가 커지기 때문에 발전 장치 냉각 팬(32b) 등의 냉각 능력을 올리고, 반대로, 회전 속도 검출 센서(33)에 의해서 검출되는 회전 속도가 느린 경우, 즉, 바람이 약한 경우에는 발전 장치(32) 등의 부하가 작아지기 때문에 발전 장치 냉각 팬(32b) 등의 냉각 판의 냉각 능력을 낮춘다. 이것에 의해, 회전 속도 검출 센서(33)에 의해서 검출되는 회전 속도, 즉, 발전 장치(32) 등에 가하는 부하에 따라 적절히 발전 장치 냉각 팬(32b) 등의 냉각 팬을 제어할 수 있다.

다음으로, 회전 속도 검출 센서(33)의 검출 결과에 근거하여 발전 장치 냉각 팬(32b) 등의 냉각 팬을 제어한 경우에, 풍력 발전 시스템(1)의 냉각 팬이 소비하는 전력의 변화에 대해 설명한다. 일례로서, 도 5(a)에 나타내는 바와 같이, 풍속이 시간의 경과와 함께 변동하여, 회전 속도 검출 센서(33)에 의해서 검출되는 회전 속도도 변동하고 있는 것으로 한다. 이 경우, 풍속이 빨라져 시각 t1로부터 발전이 개시되고, 그 후, 풍속이 느려져 시각 t2에서 발전이 정지하는 것으로 한다.

냉각 제어부(11)는, 회전 속도 검출 센서(33)에 의해서 검출되는 회전 속도에 근거하여, 풍력 발전 시스템(1)에 구비된 컨버터 냉각 팬(21b) 등의 모든 냉각 팬의 냉각 능력을 변동시킨다. 이 때문에, 도 5(b)에서 라인 L1로 나타내는 바와 같이, 모든 냉각 팬(증속 장치 냉각 팬(31b), 발전 장치 냉각 팬(32b), 컨버터 냉각 팬(21b), 컨버터 냉각 팬(22b), 및 트랜스 냉각 팬(23b))에서의 소비 전력의 합계값도, 시각 t1로부터 시각 t2의 사이에서 회전 속도 검출 센서(33)에 의해서 검출되는 회전 속도에 연동하여 변동한다. 또한, 냉각 제어부(11)는, 시각 t2로부터 시각 t3까지의 사이에서, 애프터 쿨링이 행해지도록 각 냉각 팬을 제어한다. 애프터 쿨링시에서 냉각 제어부(11)는 발전부(32a) 등의 냉각 대상물의 온도 저하에 수반하여 서서히 속도 지령값을 내린다(도 4(a) 및 도 4(b)의 패턴 3의 속도 지령값 참조). 이 때문에, 애프터 쿨링시에 있어서, 모든 냉각 팬에서의 소비 전력의 합계값도 서서히 저하한다.

비교를 위해, 예를 들면, 냉각 제어부(11)가, 발전을 개시하는 시각 t1로부터 애프터 쿨링이 종료하는 시각 t3까지의 사이에 각 냉각 팬을 최대의 냉각 능력으로 일정하게 제어한 경우, 도 5(b)에서 라인 L2로 나타내는 바와 같이, 모든 냉각 팬에 의해서 소비되는 소비 전력의 합계값도 시각 t1로부터 시각 t3의 사이에서 일정하게 된다. 이 때문에, 회전 속도 검출 센서(33)에 의한 검출 결과에 근거하여 각 냉각 팬의 회전 속도를 변화시키는 경우에는, 라인 L2와 라인 L1의 사이의 소비 전력분만큼, 소비 전력을 삭감할 수 있다.

도 2의 설명으로 되돌아가서, 메인터넌스 예측부(12)는 제 1 메인터넌스 예측부(12a) 및 제 2 메인터넌스 예측부(12b)를 구비한다. 제 1 메인터넌스 예측부(12a)는, 냉각 제어부(11)에 의한 과거의 컨버터 냉각 팬(21b), 컨버터 냉각 팬(22b) 및 트랜스 냉각 팬(23b)의 제어 상황에 근거하여, 이들의 냉각 팬의 부품 수명 등을 고려한 메인터넌스 시기를 예측한다. 여기서는, 메인터넌스 시기뿐만 아니라, 현재까지의 가동 시간 등을 출력하여도 좋다.

예를 들면, 컨버터 냉각 팬(21b)의 메인터넌스 시기를 예측하는 경우, 제 1 메인터넌스 예측부(12a)는 컨버터 냉각 팬(21b)을 제어하기 위해서 제 1 인버터(221b)에 출력되는 속도 지령값을 냉각 제어부(11)로부터 취득한다. 제 1 메인터넌스 예측부(12a)는, 취득한 속도 지령값으로부터, 컨버터 냉각 팬(21b)의 총 회전수 혹은 총 가동 시간 등을 산출하고, 컨버터 냉각 팬(21b)에 미리 설정된 내용 연수(耐用年數) 등으로부터 메인터넌스 시기를 예측한다. 마찬가지로, 제 1 메인터넌스 예측부(12a)는, 제 2 인버터(222b) 및 제 3 인버터(223b)에 출력되는 속도 지령값을 취득하고, 컨버터 냉각 팬(22b) 및 트랜스 냉각 팬(23b)의 메인터넌스 시기를 각각 예측한다.

제 2 메인터넌스 예측부(12b)는, 냉각 제어부(11)에 의한 과거의 증속 장치 냉각 팬(31b) 및 발전 장치 냉각 팬(32b)의 제어 상황에 근거하여, 이들의 냉각 팬의 부품 수명 등을 고려한 메인터넌스 시기를 예측한다. 구체적으로는, 제 2 메인터넌스 예측부(12b)는, 제 1 메인터넌스 예측부(12a)와 마찬가지로, 제 1 인버터(331b) 및 제 2 인버터(332b)에 출력되는 속도 지령값을 냉각 제어부(11)로부터 취득하고, 증속 장치 냉각 팬(31b) 및 발전 장치 냉각 팬(32b)의 메인터넌스 시기를 각각 예측한다.

본 실시 형태는 이상과 같이 구성되고, 풍력 발전 시스템(1)에서는, 회전 속도 검출 센서(33)에 의해서 검출되는 회전축(4a)의 회전 속도, 즉, 풍황 데이터에 따라 전력 변환 장치(20)에 마련된 컨버터 냉각 팬(21b), 컨버터 냉각 팬(22b) 및 트랜스 냉각 팬(23b)의 제어가 행해진다. 이 때문에, 예를 들면, 풍속이 작고, 회전축(4a)의 회전 속도가 느린 경우에 냉각 팬의 냉각 능력을 낮게 하는(회전수를 떨어뜨리는) 제어가 가능해져, 전력 변환 장치(20)에 마련된 냉각 팬에 의해서 소비되는 전력을 억제할 수 있다. 따라서, 발전된 전력을 냉각 팬이 소비하는 양이 억제되어, 효율 좋게 발전하는 것이 가능한 풍력 발전 시스템(1)을 제공할 수 있다. 또한, 풍속이 작은 경우에는, 컨버터 냉각 팬(21b), 컨버터 냉각 팬(22b) 및 트랜스 냉각 팬(23b)의 냉각 능력을 저하시키는, 즉 냉각 팬의 회전수를 낮게 하는 것에 의해, 냉각 팬(예를 들면, 냉각 팬을 구성하는 베어링 등)의 수명이 길어진다. 이것에 의해, 메인터넌스 빈도를 저감할 수 있어, 풍력 발전 시스템(1)의 운영 비용(running cost)을 억제할 수 있다.

냉각 제어부(11)는, 컨버터 온도 센서(21c), 컨버터 온도 센서(22c) 및 트랜스 온도 센서(23c)에 의해서 검출된 온도도 고려하여, 각각 컨버터 냉각 팬(21b), 컨버터 냉각 팬(22b) 및 트랜스 냉각 팬(23b)의 제어를 행한다. 이것에 의해, AC/DC 변환부(21a), DC/AC 변환부(22a) 및 변압부(23a)의 현재의 온도에 근거하여, 각각 컨버터 냉각 팬(21b), 컨버터 냉각 팬(22b) 및 트랜스 냉각 팬(23b)의 피드백 제어가 가능해진다.

기억부(13)는 열시정수를 고려한 속도 지령값의 지령 패턴을 기억한다. 냉각 제어부(11)는, 열시정수가 고려된 속도 지령값의 지령 패턴에 근거하여, 컨버터 냉각 팬(21b), 컨버터 냉각 팬(22b) 및 트랜스 냉각 팬(23b)을 제어할 때의 속도 지령값을 각각 결정한다. 이것에 의해, 냉각 대상으로 되는 AC/DC 변환부(21a), DC/AC 변환부(22a) 및 변압부(23a)의 열적인 특성에 따라, 냉각 대상물마다 적절히 냉각을 행할 수 있다. 또한, 냉각 대상물마다 열시정수를 고려하여 속도 지령값이 설정되기 때문에, 냉각 팬에 의해서 소비되는 전력의 억제 효과는 상이하다. 컨버터(21)(AC/DC 변환부(21a), DC/AC 변환부(22a))의 열시정수는, 일반적으로 증속부(31a) 및 발전부(32a)의 열시정수보다 (현격히) 작기 때문에, 증속부(31a) 및 발전부(32a)에 비해, 풍속의 변동에 따라 냉각 팬의 회전수의 변동은 커진다. 즉, 컨버터(21)에 마련된 냉각 팬에 의해서 소비되는 전력의 억제 효과는 특히 커지는 것을 기대할 수 있다.

제 1 메인터넌스 예측부(12a)는, 컨버터 냉각 팬(21b), 컨버터 냉각 팬(22b) 및 트랜스 냉각 팬(23b)을 제어하기 위한 속도 지령값을 냉각 제어부(11)로부터 취득하고, 취득한 속도 지령값에 근거하여 컨버터 냉각 팬(21b), 컨버터 냉각 팬(22b) 및 트랜스 냉각 팬(23b)의 각각의 메인터넌스 시기를 예측한다. 이와 같이, 전력 변환 장치(20)에 마련된 냉각 팬을 제어할 때의 속도 지령값을 이용함으로써, 메인터넌스 시기를 용이하게 예측할 수 있다.

또한, 냉각 제어부(11)는, 회전 속도 검출 센서(33)에 의해서 검출되는 회전축(4a)의 회전 속도에 따라, 증속 장치(31)에 마련된 증속 장치 냉각 팬(31b) 및 발전 장치(32)에 마련된 발전 장치 냉각 팬(32b)의 제어를 행한다. 이 때문에, 예를 들면, 풍속이 작고, 회전축(4a)의 회전 속도가 느린 경우에 냉각 팬의 냉각 능력을 낮게 하는(회전수를 떨어뜨리는) 제어가 가능해져, 증속 장치(31) 및 발전 장치(32)에 마련된 냉각 팬에 의해서 소비되는 전력을 억제할 수 있다. 따라서, 보다 더 효율 좋게 발전하는 것이 가능한 풍력 발전 시스템(1)을 제공할 수 있다. 또한, 풍속이 작은 경우에는, 증속 장치 냉각 팬(31b) 및 발전 장치 냉각 팬(32b)의 냉각 능력을 저하시키는, 즉 냉각 팬의 회전수를 낮게 하는 것에 의해, 냉각 팬(예를 들면, 냉각 팬을 구성하는 베어링 등)의 수명이 길어진다. 이것에 의해, 메인터넌스 빈도를 저감할 수 있어 풍력 발전 시스템(1)의 운영 비용을 억제할 수 있다.

냉각 제어부(11)는, 증속 장치 온도 센서(31c) 및 발전 장치 온도 센서(32c)에 의해서 검출된 온도도 고려하여, 각각 증속 장치 냉각 팬(31b) 및 발전 장치 냉각 팬(32b)의 제어를 행한다. 이것에 의해, 현재의 증속부(31a) 및 발전부(32a)의 온도에 근거하여, 각각 증속 장치 냉각 팬(31b) 및 발전 장치 냉각 팬(32b)의 피드백 제어가 가능해진다.

기억부(13)는 열시정수를 고려한 속도 지령값의 지령 패턴을 기억한다. 냉각 제어부(11)는, 열시정수가 고려된 속도 지령값의 지령 패턴에 근거하여, 증속 장치 냉각 팬(31b) 및 발전 장치 냉각 팬(32b)을 제어할 때의 속도 지령값을 각각 결정한다. 이것에 의해, 냉각 대상으로 되는 증속부(31a) 및 발전부(32a)의 열적인 특성에 따라, 냉각 대상물마다 적절히 냉각을 행할 수 있다.

제 2 메인터넌스 예측부(12b)는, 증속 장치 냉각 팬(31b) 및 발전 장치 냉각 팬(32b)을 제어하기 위한 속도 지령값을 냉각 제어부(11)로부터 취득하고, 취득한 속도 지령값에 근거하여 증속 장치 냉각 팬(31b) 및 발전 장치 냉각 팬(32b)의 각각의 메인터넌스 시기를 예측한다. 이와 같이, 냉각 팬을 제어할 때의 속도 지령값을 이용함으로써, 메인터넌스 시기를 용이하게 예측할 수 있다.

이상, 실시 형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 블레이드(5)가 받는 바람 상태를 나타내는 풍황 데이터로서, 회전 속도 검출 센서(33)에 의해서 검출된 회전축(4a)의 회전 속도를 이용했지만, 예를 들면, 풍속을 측정하는 측정기의 검출 결과 등, 풍황을 나타내는 것이면 다른 데이터를 이용하여도 좋다.

AC/DC 변환부(21a) 등의 냉각 대상물을 냉각하는 것으로서, 컨버터 냉각 팬(21b) 등의 냉각 팬을 이용하는 것으로 했지만, 바람을 내뿜어 냉각을 행하는 것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 물을 공급함으로써 냉각 대상물을 냉각하는 수냉식의 냉각 장치를 이용하여, 수냉 펌프 등을 냉각 제어부(11)가 제어하여도 좋다. 또한, 냉각 대상물(AC/DC 변환부(21a) 등)과 냉각 팬(컨버터 냉각 팬(21b) 등)은 일체이더라도 좋고, 예를 들면, 칠러 등을 이용하여 냉각 대상물을 냉각하는 등의 경우에는, 냉각 대상물과 칠러 등을 다른 위치에 마련할 수도 있다.

전력 변환 장치(20)를 타워(2) 내에 마련하는 것으로 했지만, 타워(2)에 한정되지 않고 나셀(3) 내에 마련하여도 좋고, 타워(2) 및 나셀(3) 이외의 장소에 마련하여도 좋다. 또한, 제어부(10)를 마련하는 위치에 대해서도, 나셀(3) 내이더라도 좋고, 타워(2) 및 나셀(3) 이외의 장소이더라도 좋다.

바람이 약하여 발전을 행하지 않는 등의 경우에는, 제어부(10) 및 전력 변환 장치(20) 등, 풍력 발전 시스템(1) 내에 마련된 기기의 전원을 OFF로 하여도 좋다. 이것에 의해, 풍력 발전 시스템(1) 내에 마련된 기기가 소비하는 대기 전력을 억제할 수 있다.

Claims

풍력에 의해서 발전을 행하는 풍력 발전 시스템으로서,
발전된 전력의 변환을 행하는 변환부와,
상기 변환부의 냉각을 행하는 제 1 냉각부와,
풍황(風況) 데이터를 취득하는 풍황 데이터 취득부와,
상기 제 1 냉각부의 동작을 제어하는 냉각 제어부와,
상기 변환부의 온도를 검출하는 제 1 온도 검출부와,
상기 냉각 제어부가 상기 냉각 팬의 회전 속도를 제어할 때에 이용하는 속도 지령값의 지령 패턴을 복수 기억하는 기억부
를 구비하되,
상기 냉각 제어부는,
상기 제 1 온도 검출부에 의해서 검출된 상기 변환부의 온도에 근거하여 상기 제 1 냉각부의 ON/OFF 동작을 전환하고,
상기 제 1 냉각부를 동작시키는 경우, 상기 기억부가 기억하는 복수의 상기 지령 패턴 중, 상기 풍황 데이터에 근거하여 최적의 상기 지령 패턴을 선택하고, 선택한 상기 지령 패턴에 근거해서, 상기 제 1 냉각부의 냉각 팬의 회전 속도를 제어하는
풍력 발전 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 변환부와 상기 제 1 냉각부에 의해 전력 변환 장치가 구성되는 풍력 발전 시스템.
삭제
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제 1 항에 있어서,
상기 냉각 제어부는 또한, 상기 변환부의 열시정수에 근거하여 상기 제 1 냉각부의 동작을 제어하는 풍력 발전 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 냉각 제어부는 또한, 상기 변환부의 열시정수에 근거하여 상기 제 1 냉각부의 동작을 제어하는 풍력 발전 시스템.
삭제
삭제
제 1 항, 제 2 항, 제 5 항, 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 냉각 제어부가 행하는 상기 제 1 냉각부의 과거의 제어 상황에 근거하여, 상기 제 1 냉각부의 메인터넌스(maintenance) 시기를 예측하는 제 1 메인터넌스 예측부를 더 구비하는 풍력 발전 시스템.
제 1 항, 제 2 항, 제 5 항, 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
풍력에 의해서 발전을 행하는 발전부와,
상기 발전부의 냉각을 행하는 제 2 냉각부와,
상기 발전부의 온도를 검출하는 제 2 온도 검출부를 더 구비하며,
상기 냉각 제어부는 또한,
상기 제 2 온도 검출부에 의해서 검출된 상기 발전부의 온도에 근거하여 상기 제 2 냉각부의 ON/OFF 동작을 전환하고,
상기 제 2 냉각부를 동작시키는 경우, 상기 풍황 데이터 취득부에 의해서 취득된 상기 풍황 데이터에 근거하여, 상기 제 2 냉각부의 냉각 팬의 회전 속도를 제어하는
풍력 발전 시스템.
제 10 항에 있어서,
상기 발전부와 상기 제 2 냉각부에 의해 발전 장치가 구성되는 풍력 발전 시스템.
삭제
삭제
제 10 항에 있어서,
상기 냉각 제어부는 또한, 상기 발전부의 열시정수에 근거하여 상기 제 2 냉각부의 동작을 제어하는 풍력 발전 시스템.
제 11 항에 있어서,
상기 냉각 제어부는 또한, 상기 발전부의 열시정수에 근거하여 상기 제 2 냉각부의 동작을 제어하는 풍력 발전 시스템.
삭제
삭제
제 10 항에 있어서,
상기 냉각 제어부가 행하는 상기 제 2 냉각부의 과거의 제어 상황에 근거하여, 상기 제 2 냉각부의 메인터넌스 시기를 예측하는 제 2 메인터넌스 예측부를 더 구비하는 풍력 발전 시스템.