KR101637699B1

KR101637699B1 - 풍력 발전기 속도 제어 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR101637699B1
Application number: KR1020140141688A
Authority: KR
Inventors: 이승찬; 주완돈; 최병주
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2014-10-20
Filing date: 2014-10-20
Publication date: 2016-07-07
Also published as: KR20160046147A

Abstract

본 발명은 풍력 발전기에서 돌풍이나 태풍에 의해 급속한 풍속 변화가 발생할 때, 풍력에 따라 회전하는 블레이드의 회전에 의한 가속도를 검출하여 선제적으로 풍력 발전기의 발전 동작을 제어함으로써 풍력 발전기의 하중 저감을 유도할 수 있도록 하는 풍력 발전기 속도 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 풍력 발전기 속도 제어 시스템은, 풍력에 의한 회전력을 제공하는 블레이드; 상기 블레이드로부터 제공된 회전력을 이용하여 발전하는 발전부; 상기 발전부의 회전 속도를 미분하여 가속도를 검출하는 속도 검출부; 및 상기 속도 검출부에 의해 검출된 가속도가 급격한 풍속 변화로 일정 기준값 이상으로 증가하는 경우에 상기 발전부의 발전 동작이 정지되도록 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

풍력 발전기 속도 제어 시스템 및 방법{Velocity control method and system in wind power generator}

본 발명은 풍력 발전기 속도 제어 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 풍력 발전기에서 돌풍이나 태풍에 의해 급속한 풍속 변화가 발생할 때, 풍력에 따라 회전하는 블레이드의 회전에 의한 가속도를 검출하여 선제적으로 풍력 발전기의 발전 동작을 제어함으로써 풍력 발전기의 하중 저감을 유도할 수 있도록 하는 풍력 발전기 속도 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 풍력 발전기는 바람 에너지를 이용하여 전기를 생산하는 발전기로써, 자연적인 바람에 의한 대형 블레이드의 회전력을 전기 에너지로 전환할 수 있도록 구성된다.

이때, 블레이드는 풍력 발전기의 가장 핵심 구성품으로써, 바람 에너지를 회전력으로 전환하여 발전기를 구동하는 역할을 한다.

특히, 블레이드는 단면과 바람이 이루는 받음각에 따라 블레이드에 작용하는 하중이나 로터면에서 발생하는 출력의 양과 하중이 달라지게 된다. 이로 인해, 종래에는 블레이드의 전체 피치 제어를 통해 로터면에서 발생되는 출력과 하중의 제어가 이루어질 수 있도록 하고 있다.

즉, 저풍속 상태일 경우 높은 받음각이 되도록 함으로써 보다 높은 출력이 생산될 수 있도록 하고, 고풍속 상태일 경우 낮은 받음각이 되도록 함으로써 정격 출력을 생산할 수 있도록 한 것이다. 이때, 받음각은 블레이드의 에어포일(airfoil)이 이루는 시위선(wing chord line)과 블레이드의 주위를 흐르는 자유류가 이루는 상대각을 의미한다.

한편, 풍력 발전기를 제어할 때는 발전기의 속도, 출력 값을 사용한다. 설정한 기준값을 초과할 때 제어에서 정한 조건에 따라 풍력 발전기를 정지시킴으로써 제품의 건전성을 유지하고 있다.

그런데, 태풍과 같이 급격한 풍속 변화로 인해 발전기의 속도가 빠르게 증가하는 경우, 블레이드의 회전력이 급속하게 증가하게 되고, 풍속이 늘어났을 때의 과잉한 회전 상승은 풍력 발전기의 고장 및 파괴로 이어질 가능성이 있다.

따라서, 급격한 풍속 변화가 발생할 때 선제적으로 풍력 발전기를 정지시킴으로써 해당 조건에서 풍력 발전기의 하중 저감을 유도할 수 있는 기술이 요구되고 있다.

국제 공개특허공보 제WO 2012/130761호(국제공개일 : 2012년10월04일)

전술한 요구사항에 부응하기 위한 본 발명의 목적은, 풍력 발전기에서 돌풍이나 태풍에 의해 급속한 풍속 변화가 발생할 때, 풍력에 따라 회전하는 블레이드의 회전에 의한 가속도를 검출하여 선제적으로 풍력 발전기의 발전 동작을 제어함으로써 풍력 발전기의 하중 저감을 유도할 수 있도록 하는 풍력 발전기 속도 제어 시스템 및 방법을 제공함에 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 풍력에 의한 회전력을 제공하는 블레이드; 상기 블레이드로부터 제공된 회전력을 이용하여 발전하는 발전부; 상기 발전부의 회전 속도를 미분하여 가속도를 검출하는 속도 검출부; 및 상기 속도 검출부에 의해 검출된 가속도가 급격한 풍속 변화로 일정 기준값 이상으로 증가하는 경우에 상기 발전부의 발전 동작이 정지되도록 제어하는 제어부;를 포함하며, 상기 발전부는, 상기 발전부에 포함되는 발전기로부터 발생되는 실제출력과 예측출력간의 오차를 도출하는 계산부; 상기 계산부에서 도출된 출력 예측 오차가 입력, 통과하며 저주파성분과 고주파성분으로 구분되는 저역필터를 포함하는 필터부; 및 상기 필터부를 통과한 출력 예측 오차에 기초하여 에너지 저장장치와 전력계통부가 대비 또는 보상해야 하는 출력용량을 제어하는 발전제어부;를 포함하되, 상기 발전제어부는 상기 필터부를 통과한 출력 예측 오차에 기초하여 상기 전력계통부 내의 발전설비가 보유한 여유 공급 능력으로 대응이 가능한지에 대한 여부를 확인하고, 대응이 가능할 시 고주파 영역에 포함되는 출력 예측 오차를 이용하여 발전설비의 출력과 에너지 저장장치의 출력 및 저장용량을 산정하며, 대응이 불가능할 시 저역필터의 차단 주파수를 감소시킴으로써 발전설비가 대비해야 하는 출력 예측 오차를 감소시키는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기 속도 제어 시스템이 제공된다.

또한, 상기 속도 검출부는 상기 발전부에 구비된 필터부의 시간에 따른 성능 변화를 나타내는 필터 타임(Filter Time)을 이용하여 가속도를 검출하게 된다.

또한, 상기 제어부는 상기 발전부의 필터값에 따른 스톱 로직(Stop Logic)에 따라 상기 발전부의 발전 동작을 정지시키게 된다.

또한, 상기 스톱 로직(Stop Logic)은 상기 발전부에 있는 터빈의 회전 동작을 정지시키기 위해, 각 회전 속도(Speed)에 따라 각각의 정지 단계로 구분하고, 각 정지 단계에 따라 각각의 정지 동작을 수행하게 된다.

그리고, 상기 스톱 로직은, 제1 정지 단계, 제2 정지 단계, 제3 정지 단계, , 제n 정지 단계로 구분하고, 상기 제1 정지 단계에서는 에어 브레이크(Air Brake)로 정지 동작을 수행하고, 상기 제2 정지 단계에서는 블레이드의 각도를 조정해 정지 동작을 수행하거나, 상기 제3 정지 단계에서는 샤프트를 제어해 정지 동작을 수행하거나, 상기 제n 정지 단계에서는 브레이크 패드를 제어해 정지 동작을 수행하는 것을 포함할 수 있다.

한편, 전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 블레이드, 속도 검출부, 발전부 및 제어부를 포함하는 풍력 발전기의 속도 제어 방법으로서, (a)상기 블레이드가 풍력에 의한 회전력을 제공하는 단계; (b)상기 발전부가 상기 블레이드로부터 제공된 회전력을 이용하여 발전하는 단계; (c)상기 속도 검출부가 상기 발전부의 회전 속도를 미분하여 가속도를 검출하는 단계; 및 (d)상기 제어부가 상기 검출된 가속도가 급격한 풍속 변화로 일정 기준값 이상으로 증가하는 경우에 상기 발전부의 발전 동작이 정지되도록 제어하는 단계;를 포함하며, 상기 발전하는 단계는, 실제출력과 예측출력간의 오차를 도출하는 출력 예측 오차 계산단계; 상기 도출된 출력 예측 오차를 저주파 성분과 고주파 성분으로 구분되는 필터링 단계; 상기 필터링된 출력 예측 오차에 기초하여 에너지 저장장치와 전력계통부가 대비 또는 보상해야 하는 출력용량을 제어하는 발전제어단계;를 포함하되, 상기 발전제어단계는 상기 필터링된 출력 예측 오차에 기초하여 상기 전력계통부 내의 발전설비가 보유한 여유 공급 능력으로 대응이 가능한지에 대한 여부를 확인하고, 대응이 가능할 시 고주파 영역에 포함되는 출력 예측 오차를 이용하여 발전설비의 출력과 에너지 저장장치의 출력 및 저장용량을 산정하며, 대응이 불가능할 시 저역필터의 차단 주파수를 감소시킴으로써 발전설비가 대비해야 하는 출력 예측 오차를 감소시키는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기 속도 제어방법이 제공된다.

또한, 상기 (c) 단계에서 상기 속도 검출부는 상기 발전부에 구비된 필터부의 시간에 따른 성능 변화를 나타내는 필터 타임(Filter Time)을 이용하여 가속도를 검출하게 된다.

또한, 상기 (d) 단계에서 상기 제어부는 상기 발전부의 필터값에 따른 스톱 로직(Stop Logic)에 따라 상기 발전부의 발전 동작을 정지시키게 된다.

또한, 상기 스톱 로직(Stop Logic)은 상기 발전부에 있는 터빈의 회전 동작을 정지시키기 위해, 각 회전 속도(Speed)에 따라 각각의 정지 단계로 구분하고, 각 정지 단계에 따라 각각의 정지 동작을 수행할 수 있다

본 발명에 의하면, 태풍과 같이 급격한 풍속 변화로 인해 발전기의 속도가 빠르게 증가하는 경우에, 선제적으로 풍력 발전기를 정지시킴으로써 해당 조건에서 풍력 발전기의 하중 저감을 유도할 수 있다.

따라서, 급격한 풍속 변화로 블레이드의 회전력이 급속하게 증가하게 될 때, 풍력 발전기의 발전 동작을 일시적으로 정지시키게 됨으로써 풍력 발전기의 고장 및 파괴를 미연에 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전기 속도 제어 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전기의 외관 구조 및 블레이드 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 블레이드의 외관 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전기 속도 제어 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 돌풍에 의해 발전부의 회전 가속도가 갑자기 증가하는 예를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 발전부의 기능 블록을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 저역필터를 이용하여 예측 오차를 구분하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 발전부의 실제 출력과 출력 예측으로부터 발생한 출력 예측 오차가 저역필터를 통과하여 에너지 저장 장치와 전력 계통부 내의 발전설비에 할당되는 예를 나타낸 도면이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 특정한 실시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에 따른 풍력 발전기 속도 제어 시스템 및 방법의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 첨부도면을 참조하여 설명함에 있어 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전기 속도 제어 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 풍력 발전기 속도 제어 시스템(100)은, 블레이드(110), 속도 검출부(120), 발전부(130), 제어부(140) 및 전력 계통부(150)를 포함한다.

블레이드(110)는 바람에 의한 풍력에 따라 회전하게 되고, 그 회전에 따른 회전력을 제공한다.

즉, 블레이드(110)는 바람 에너지를 회전력으로 전환하여 발전부(130)에 전달하고, 허브(112)의 둘레 면을 따라 방사 방향을 향해 설치된다. 따라서, 발전부(130)는 그 회전력을 제공받아 발전 동작을 수행할 수 있도록 하는 역할을 한다.

여기서, 블레이드(110)는 도 2에 도시된 바와 같이 허브(112)에 다수 개로 연결된 구조를 이룬다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전기의 외관 구조 및 블레이드 구조를 나타낸 도면이다. 도 2에서, 풍력 발전기는 블레이드(110)가 바람의 영향에 의해 회전되면서 그 회전력을 이용해 전기 에너지를 발생시키는 일련의 구성으로써, 허브(112) 및 복수의 블레이드(110)를 포함한다. 블레이드(110)는 도 3에 도시된 바와 같이 루트(root) 부위(310)로부터 팁(tip) 부위(320)에 이르기까지 점진적으로 축소되는 형상으로 형성됨과 더불어 각 부위별 단면은 에어포일(airfoil)의 형상을 이루도록 형성된다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 블레이드의 외관 구조를 나타낸 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이 블레이드(110)의 각 부위 중 뒷전(trailling edge) 부위에는 장착홈이 요입 형성될 수 있다.

속도 검출부(120)는 블레이드(110)가 바람에 따라 회전하여 발전부(130)에 회전력을 제공하는 경우, 발전부(130)가 그 회전력으로 터빈을 돌려 발전 동작을 수행함에 따른 회전 속도가 증가할 때, 그 회전 속도를 미분하여 회전 가속도를 검출한다.

제어부(140)는 갑작스런 돌풍으로 속도 검출부(120)에 의해 검출된 회전 가속도가 일정 기준값 이상으로 증가하는 경우에, 발전부(130)의 발전 동작이 정지되도록 제어한다.

이때, 제어부(140)는 필터값에 따른 스톱 로직(Stop Logic)에 따라 발전부(130)의 터빈의 회전을 중지시켜 발전 동작을 정지시키게 된다.

전력 계통부(150)는 발전부(130)에서 발생된 전력 에너지를 전력 계통에 공급한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전기 속도 제어 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도를 나타낸 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 풍력 발전기 속도 제어 시스템(100)은, 먼저 블레이드(110)가 바람에 의해 회전하여 회전력을 제공한다(S410).

이에, 발전부(130)가 블레이드(110)의 회전력에 따라 발전 동작을 실행하게 된다.

즉, 발전부(130)는 블레이드(110)에 의한 회전력을 통해 터빈을 회전시키고, 그 회전력을 이용해 전기 에너지를 발생시킨다.

이때, 갑자기 돌풍이 발생하게 되면, 일반적인 풍력에 의해 터빈이 회전하여 발생하는 회전 가속도보다 갑작스런 돌풍에 의해 발생되는 급격한 풍속 변화로 도 5에 도시된 바와 같이 회전 가속도가 일정 기준값 이상으로 갑자기 증가하는 현상이 발생한다.

이어, 속도 검출부(120)는 블레이드(110)의 회전력 제공에 따른 발전부(130)의 회전 가속도를 검출한다(S420).

즉, 속도 검출부(120)는 필터 타임(Filter Time)을 이용하여 블레이드(110)의 회전력 제공에 따른 발전부(130)의 터빈 회전에 따른 회전 속도를 미분하여 회전 가속도를 검출하게 된다.

여기서, 태풍이나 돌풍과 같이 급하고 강한 바람이 순간적으로 강력하게 부는 경우에, 갑작스런 강한 풍력에 의해 블레이드(110)의 회전력이 갑자기 커지게 되고, 그 회전력을 전달받은 발전부(130)는 터빈이 갑자기 급하게 회전하게 됨에 따라 도 5에 도시된 바와 같이 그 회전력에 의한 회전 가속도가 기준값 이상으로 증가하게 된다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따라 돌풍에 의해 발전부의 회전 가속도가 갑자기 증가하는 예를 나타낸 도면이다. 도 5에서, 블레이드(110)의 회전에 따른 발전부의 회전 가속도(Generator acceleration) 값이 일정한 상태를 유지하는 평상 시의 발전부의 회전 가속도 값을 기준값으로 선정하고, 이때의 필터 타임(Filter Time)을 대응시켜 저장해 둘 수 있다.

따라서, 속도 검출부(120)는 필터 타임을 이용하여 돌풍이나 태풍에 의한 블레이드(110)의 갑작스런 회전력 증가에 따른 발전부(130)의 회전 가속도의 증가를 검출할 수 있다.

다음으로, 필터 타임에 대해 설명한다.

발전부(130)는 도 6에 도시된 바와 같이 계산부(610)와 필터부(620), 발전제어부(630) 및 발전기(640)를 포함한다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 발전부의 기능 블록을 나타낸 도면이다. 계산부(610)는 발전기(640)의 실제 출력과 출력 예측으로부터 출력 예측 오차를 도출한다. 계산부(610)의 출력 예측 오차는 계통 운영 시 에너지 저장 장치와 계통 내 발전설비가 대비하도록 하기 위해 필터부(620)의 저역필터를 통과한다. 필터부(620)의 저역필터(830)에는 미리 결정된 차단 주파수가 설정되어 있다. 발전제어부(630)는 필터부(620)를 통과한 출력 예측 오차에 기초하여 에너지 저장 장치와 전력 계통 내 발전설비가 대비해야 하는 설비의 용량을 산정한다.

발전부(130)는 실제 출력과 출력예측으로부터 발생한 출력 예측 오차가 필터부(620)(이를 테면, 저역 통과 필터)를 통과하면, 발전제어부(630)가 필터링된 출력 예측 오차에 기초하여 에너지 저장 장치와 전력 계통부 내의 발전설비의 출력을 제어한다.

발전제어부(630)는 필터부(620)를 통과한 출력 예측 오차에 대해 계통 내 발전설비가 보유한 여유 공급 능력으로 대응이 가능한지에 대한 여부를 확인하고, 계통 내 발전설비가 보유한 여유 공급능력으로 대응이 가능한 경우, 차단 주파수 이상의 주파수 영역에 포함되는 출력 예측 오차를 이용하여 발전설비의 출력과 에너지 저장 장치의 출력 및 저장용량을 산정한다.

반대로, 계통 내 발전설비가 보유하고 있는 여유 공급능력으로 대비가 불가능한 경우, 차단 주파수의 갱신을 통해 저역필터의 차단 주파수를 감소시킴으로써 발전설비가 대비해야 하는 출력 예측 오차를 감소시킨다. 차단 주파수의 갱신은 저역필터를 통과한 출력 예측 오차에 대해 발전설비로 대비가 가능한 차단 주파수를 찾을 때까지 반복한다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 저역필터를 이용하여 예측 오차를 구분하는 과정을 나타낸 도면이다. 계산부(610)에서 산출된 출력 예측 오차를 차단 주파수가 설정된 필터부(620)의 저역필터(830)에 통과시킴으로써, 발전 설비를 제어하는 제1 제어 정보 및 에너지 저장 장치를 제어하는 제2 제어 정보를 추출한다. 출력 예측 오차가 저역필터의 입력으로 들어가면 도 7에서 도시된 바와 같이 저주파 성분(느린 성분 또는 제1 정보)과 고주파 성분(빠른 성분 또는 제2 정보)으로 구분된다. 저주파 성분은 저역필터의 차단 주파수보다 낮은 주파수 성분이며, 고주파 성분은 저역필터의 차단 주파수보다 높은 주파수 성분이다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따라 발전부의 실제 출력과 출력 예측으로부터 발생한 출력 예측 오차가 저역필터를 통과하여 에너지 저장 장치와 전력 계통부 내의 발전설비에 할당되는 예를 나타낸 도면이다. 도 8에서, 발전부(130)의 실제 출력(810)과 출력 예측(820)으로부터 출력 예측 오차가 도출되고, 출력 예측 오차는 저역필터(830)에 입력된다. 에너지 저장 장치가 전력 계통부에 연결되어 발전부(130)에서 발생하는 출력 예측 오차를 보상하고, 전력 계통부 내 발전설비와 함께 계통의 효율적이고 안정적인 운영을 돕는다. 저역필터(830)는 미리 설정된 차단 주파수가 설정되어 있어, 계통 내 발전 설비와 에너지 저장 장치가 대비해야 하는 출력 예측 오차를 주파수 영역에서 차단 주파수를 기준으로 구분한다.

다음 표 1은 발전부(130)의 출력 예측 값인 풍력 예측과, 1시간 내의 일정 시간 간격 Δt로 측정된 실제 출력을 나타낸다. 즉, 20시부터 20시 59분 사이의 발전부(130)의 출력 예측값과 1분 간격으로 측정된 실제 출력을 나타낸다.

시간	20:00	20:01	20:02	...	20:58	20:59
실제출력(MW)	5.1	5.5	3.8	...	4.8	3.2
풍력예측(MW)	5	5	5	...	5	5

풍력발전 예측 오차는 실제 출력에서 풍력발전 예측을 뺀 값으로 아래 표 2에서 20시부터 20시 59분까지 1분 간격으로 풍력발전 예측 오차를 산정할 수 있다.

시간	20:00	20:01	20:02	...	20:58	20:59
설비용량(MW)	5.1	5.5	3.8	...	4.8	3.2
풍력예측(MW)	5	5	5	...	5	5
예측오차(MW)	0.1	0.5	-1.2	...	-0.2	-1.8

△t 간격의 풍력발전설비의 예측 오차가 저역필터를 통과하여 느린 변동성을 갖는 성분이 발전기 설비에 할당되었다고 할 경우 발전 설비가 이에 대한 대비가 가능한지의 여부를 확인하여야 한다.

따라서, 전술한 필터부의 저역필터의 시간에 따른 성능 변화를 필터 타임이라 하고, 이러한 필터 타임을 이용하여 돌풍이나 태풍에 의한 블레이드(110)의 갑작스런 회전력 증가에 따른 발전부(130)의 회전 가속도의 증가를 검출할 수 있는 것이다.

한편, 로터(114)에 제공되는 풍력에 의한 블레이드(110)의 회전 속도를 알게 되면, 블레이드(110)의 각 부위별 적용 하중을 계산할 수 있으며, 이러한 계산을 통해 블레이드(110)의 동작도 제어함으로써 블레이드(110)의 모든 부위에 대한 하중이 균일하게 이루어지도록 할 수도 있다.

따라서, 로터(114)에 제공되는 블레이드(110)의 풍력에 의한 회전 속도와 그에 따른 가속도, 기준값, 그리고 이러한 회전 속도와 가속도에 따른 블레이드(110)의 각 부위별 적용 하중은 해당 블레이드(110)에 대한 설계 과정에서 미리 계산하여, 제어부(140)와 연계된 데이터베이스(미도시)에 테이블화 된 상태로 저장할 수 있다.

이어, 속도 검출부(120)에 의해 검출된 회전 가속도가 기준값 이상으로 증가하는 경우에(S430-예), 제어부(140)는 발전부(130)의 발전 동작을 정지시키게 된다(S440).

이때, 제어부(140)는 필터값에 따른 스톱 로직(Stop Logic)에 따라 발전부(130)의 터빈(Turbine)에 의한 발전 동작을 정지시키게 된다.

여기서, 스톱 로직(Stop Logic)은 발전부(130)에 있는 터빈의 회전 동작을 정지시키기 위해, 각 회전 속도(Speed)에 따라 각각의 정지 단계로 구분하고, 각 정지 단계에 따라 각각의 정지 동작을 수행하도록 하는 것이다.

예를 들면, 제1 정지 단계, 제2 정지 단계, , 제n 정지 단계로 나누고, 제1 정지 단계에서는 에어 브레이크(Air Brake)로 정지 동작을 수행하고, 제2 정지 단계에서는 블레이드의 각도를 조정해 정지 동작을 수행하거나, 제3 정지 단계에서는 샤프트를 제어해 정지 동작을 수행하거나, 제n 정지 단계에서는 브레이크 패드를 제어해 정지 동작을 수행하는 것 등이 될 수 있다.

따라서, 급격한 풍속 변화로 인해 발전기의 속도가 빠르게 증가하는 경우에 선제적으로 풍력 발전기의 발전 동작을 정지시킴으로써 해당 조건에서 하중 저감을 유도할 수 있다.

전술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 태풍과 같이 급속한 풍속 변화가 발생할 때, 풍력에 따라 회전하는 블레이드의 회전에 의한 가속도를 검출하여 선제적으로 풍력 발전기의 발전 동작을 제어함으로써 풍력 발전기의 하중 저감을 유도할 수 있도록 하는 풍력 발전기 속도 제어 시스템 및 방법을 실현할 수 있다.

본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

본 발명은 풍력 발전기에서 돌풍이나 태풍에 의해 급속한 풍속 변화가 발생할 때, 선제적으로 풍력 발전기의 발전 동작을 제어함으로써 풍력 발전기의 하중 저감을 유도할 수 있도록 하는 풍력 발전기 속도 제어 시스템 및 방법에 적용할 수 있다.

100 : 풍력 발전기 속도 제어 시스템 110 : 블레이드
112 : 허브 114 : 로터
120 : 속도 검출부 130 : 발전부
140 : 제어부 150 : 전력 계통부
310 : 루트 부위 320 : 팁 부위

Claims

풍력에 의한 회전력을 제공하는 블레이드;
상기 블레이드로부터 제공된 회전력을 이용하여 발전하는 발전부;
상기 발전부의 회전 속도를 미분하여 가속도를 검출하는 속도 검출부; 및
상기 속도 검출부에 의해 검출된 가속도가 급격한 풍속 변화로 일정 기준값 이상으로 증가하는 경우에 상기 발전부의 발전 동작이 정지되도록 제어하는 제어부;를 포함하며,
상기 발전부는,
상기 발전부에 포함되는 발전기로부터 발생되는 실제출력과 예측출력간의 오차를 도출하는 계산부;
상기 계산부에서 도출된 출력 예측 오차가 입력, 통과하며 저주파성분과 고주파성분으로 구분되는 저역필터를 포함하는 필터부; 및
상기 필터부를 통과한 출력 예측 오차에 기초하여 에너지 저장장치와 전력계통부가 대비 또는 보상해야 하는 출력용량을 제어하는 발전제어부;를 포함하되,
상기 발전제어부는 상기 필터부를 통과한 출력 예측 오차에 기초하여 상기 전력계통부 내의 발전설비가 보유한 여유 공급 능력으로 대응이 가능한지에 대한 여부를 확인하고, 대응이 가능할 시 고주파 영역에 포함되는 출력 예측 오차를 이용하여 발전설비의 출력과 에너지 저장장치의 출력 및 저장용량을 산정하며, 대응이 불가능할 시 저역필터의 차단 주파수를 감소시킴으로써 발전설비가 대비해야 하는 출력 예측 오차를 감소시키는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기 속도 제어 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 속도 검출부는 상기 발전부에 구비된 필터부의 시간에 따른 성능 변화를 나타내는 필터 타임(Filter Time)을 이용하여 가속도를 검출하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기 속도 제어 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 제어부는 상기 발전부의 필터값에 따른 스톱 로직(Stop Logic)에 따라 상기 발전부의 발전 동작을 정지시키는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기 속도 제어 시스템.
청구항 3에 있어서,
상기 스톱 로직(Stop Logic)은 상기 발전부에 있는 터빈의 회전 동작을 정지시키기 위해, 각 회전 속도(Speed)에 따라 각각의 정지 단계로 구분하고, 각 정지 단계에 따라 각각의 정지 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기 속도 제어 시스템.
청구항 4에 있어서,
상기 스톱 로직은, 제1 정지 단계, 제2 정지 단계, 제3 정지 단계, , 제n 정지 단계로 구분하고, 상기 제1 정지 단계에서는 에어 브레이크(Air Brake)로 정지 동작을 수행하고, 상기 제2 정지 단계에서는 블레이드의 각도를 조정해 정지 동작을 수행하거나, 상기 제3 정지 단계에서는 샤프트를 제어해 정지 동작을 수행하거나, 상기 제n 정지 단계에서는 브레이크 패드를 제어해 정지 동작을 수행하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기 속도 제어 시스템.
블레이드, 속도 검출부, 발전부 및 제어부를 포함하는 풍력 발전기의 속도 제어 방법으로서,
(a) 상기 블레이드가 풍력에 의한 회전력을 제공하는 단계;
(b) 상기 발전부가 상기 블레이드로부터 제공된 회전력을 이용하여 발전하는 단계;
(c) 상기 속도 검출부가 상기 발전부의 회전 속도를 미분하여 가속도를 검출하는 단계; 및
(d) 상기 제어부가 상기 검출된 가속도가 급격한 풍속 변화로 일정 기준값 이상으로 증가하는 경우에 상기 발전부의 발전 동작이 정지되도록 제어하는 단계; 를 포함하며,
상기 발전하는 단계는,
실제출력과 예측출력간의 오차를 도출하는 출력 예측 오차 계산단계;
상기 도출된 출력 예측 오차를 저주파 성분과 고주파 성분으로 구분되는 필터링 단계;
상기 필터링된 출력 예측 오차에 기초하여 에너지 저장장치와 전력계통부가 대비 또는 보상해야 하는 출력용량을 제어하는 발전제어단계;를 포함하되,
상기 발전제어단계는 상기 필터링된 출력 예측 오차에 기초하여 상기 전력계통부 내의 발전설비가 보유한 여유 공급 능력으로 대응이 가능한지에 대한 여부를 확인하고, 대응이 가능할 시 고주파 영역에 포함되는 출력 예측 오차를 이용하여 발전설비의 출력과 에너지 저장장치의 출력 및 저장용량을 산정하며, 대응이 불가능할 시 저역필터의 차단 주파수를 감소시킴으로써 발전설비가 대비해야 하는 출력 예측 오차를 감소시키는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기 속도 제어방법.
청구항 6에 있어서,
상기 (c) 단계에서 상기 속도 검출부는 상기 발전부에 구비된 필터부의 시간에 따른 성능 변화를 나타내는 필터 타임(Filter Time)을 이용하여 가속도를 검출하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기 속도 제어 방법.
청구항 6에 있어서,
상기 (d) 단계에서 상기 제어부는 상기 발전부의 필터값에 따른 스톱 로직(Stop Logic)에 따라 상기 발전부의 발전 동작을 정지시키는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기 속도 제어 방법.
청구항 8에 있어서,
상기 스톱 로직(Stop Logic)은 상기 발전부에 있는 터빈의 회전 동작을 정지시키기 위해, 각 회전 속도(Speed)에 따라 각각의 정지 단계로 구분하고, 각 정지 단계에 따라 각각의 정지 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기 속도 제어 방법.
청구항 8 또는 청구항 9에 있어서,
상기 스톱 로직은, 제1 정지 단계, 제2 정지 단계, 제3 정지 단계, , 제n 정지 단계로 구분하고, 상기 제1 정지 단계에서는 에어 브레이크(Air Brake)로 정지 동작을 수행하고, 상기 제2 정지 단계에서는 블레이드의 각도를 조정해 정지 동작을 수행하거나, 상기 제3 정지 단계에서는 샤프트를 제어해 정지 동작을 수행하거나, 상기 제n 정지 단계에서는 브레이크 패드를 제어해 정지 동작을 수행하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기 속도 제어 방법.