KR101651051B1 - 부체식 풍력 발전 장치의 제어 방법 및 제어 장치, 그리고 부체식 풍력 발전 장치 - Google Patents

부체식 풍력 발전 장치의 제어 방법 및 제어 장치, 그리고 부체식 풍력 발전 장치 Download PDF

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Abstract

부체 상에 풍력 발전기가 세워 설치된 부체식 풍력 발전 장치의 제어 방법은, 상기 풍력 발전기의 정지시에, 상기 풍력 발전기의 로터에 공력적 제동력이 부여되도록 상기 풍력 발전기의 블레이드의 피치각을 증대시키는 피치각 증대 스텝을 구비한다. 상기 피치각 증대 스텝에서는, 상기 부체의 동요에 의해 상기 풍력 발전기가 연직 방향보다 풍상측으로 경사지는 동작 중의 제 1 기간에 있어서의 상기 블레이드의 상기 피치각의 제 1 변화율을, 상기 부체의 동요에 의해 상기 풍력 발전기가 연직 방향보다 풍하측으로 경사지는 동작 중의 제 2 기간에 있어서의 상기 블레이드의 상기 피치각의 제 2 변화율보다 작게 한다.

Description

부체식 풍력 발전 장치의 제어 방법 및 제어 장치, 그리고 부체식 풍력 발전 장치{METHOD AND DEVICE FOR CONTROLLING FLOATING BODY WIND POWER ELECTRICITY GENERATION DEVICE, AND FLOATING BODY WIND POWER ELECTRICITY GENERATION DEVICE}
본 개시는, 부체 (浮體) 상에 풍력 발전기가 세워 설치된 부체식 풍력 발전 장치의 제어 방법 및 제어 장치, 그리고 부체식 풍력 발전 장치에 관한 것이다.
최근 지구 환경 보전의 관점에서 풍력 발전 장치의 보급이 진행되고 있다. 전형적인 풍력 발전 장치에서는, 블레이드의 피치각이 가변으로 되어 있어, 풍력 발전 장치의 운전 상태에 맞추어 피치 제어가 실시된다.
예를 들어, 부체식 풍력 발전 장치에 관한 것은 아니지만, 특허문헌 1 ∼ 3 에는, 풍력 발전 장치에 작용하는 하중을 경감하도록 한 피치 제어의 방법이 개시되어 있다. 또, 비특허문헌 1 에는, 돌풍 발생시나 계통 차단시에 있어서의 풍력 발전 장치의 극한 하중이 경감하도록, 각각의 블레이드를 개별적으로 피치 제어하는 방법이 개시되어 있다 (P. 126-127 참조).
미국 특허 제8215896호 명세서 미국 특허 제8240990호 명세서 일본 공표특허공보 2009-523208호
E.Bossanyi, B.Savini, M.Iribas, M.Hau, B.Fischer, D.Schlipf, T.vanEngelen, M.Rossetti and C.E.Carcangiu "Advancedcontroller reserch for multi-MW wind turbines in the UPWIND project", WindEnerg. 2012 ; 15 : 119-145
그런데, 부체식 풍력 발전 장치에 있어서는, 로터가 받는 스러스트 성분의 공력 (空力) 하중 (스러스트력) 과 부체의 동요 사이에는 상호 밀접한 관계가 있다.
즉, 부체의 동요에 기인하여 풍력 발전기 (로터) 가 전후로 움직이기 때문에, 로터가 바람으로부터 받는 스러스트력은 부체의 동요의 영향을 받는다. 예를 들어, 부체식 풍력 발전 장치가 부체 동요에 의해 풍상측 (風上側) 을 향해 경사지는 동안에 로터에 대한 상대 풍속은, 실제 풍속에 풍력 발전기 (로터) 의 풍상측으로의 이동 속도를 더한 것이며, 로터가 바람으로부터 받는 스러스트력은 비교적 크다. 이에 반해, 부체식 풍력 발전 장치가 부체 동요에 의해 풍하측 (風下側) 을 향해 경사지는 동안에 로터에 대한 상대 풍속은, 실제 풍속으로부터 풍력 발전기 (로터) 의 풍하측으로의 이동 속도를 뺀 것이며, 로터가 바람으로부터 받는 스러스트력은 비교적 작다.
반대로, 부체의 동요 메커니즘은, 기본적으로는, 부체식 풍력 발전 장치의 관성력과, 부체에 작용하는 부력에 기인한 복원력과, 로터에 작용하는 공력적인 스러스트력을 고려한 운동 방정식으로 기술 가능하기 때문에, 로터가 바람으로부터 받는 스러스트력이 부체의 동요에 영향을 미치는 것은 분명하다. 그 때문에, 피치 제어에 의해 로터가 바람으로부터 받는 스러스트력이 변화하면, 부체의 동요에도 그 영향이 나타난다. 예를 들어, 풍력 발전 장치가 풍상측을 향해 경사지는 동안에, 피치 제어에 의해 로터에 공력 브레이크를 걸면, 로터가 받는 공력적인 스러스트력이 급감하여 풍상측을 향하는 풍력 발전 장치의 경사를 조장해 버린다. 반대로, 풍력 발전 장치가 풍하측을 향해 경사지는 동안에, 피치 제어에 의해 로터가 받는 토크 성분의 공력 하중을 늘리고자 하면, 로터가 받는 공력적인 스러스트력도 증가하여, 역시 풍차의 경사를 조장해 버린다.
이 점, 특허문헌 1 ∼ 3 및 비특허문헌 1 에는, 풍력 발전 장치에 과대한 하중이 작용하는 것을 방지할 목적으로, 피치 제어에 의해 스러스트력을 저감시키는 방법에 대해서는 개시되어 있기는 하지만, 이들 방법은 육상 풍력 발전 장치나 착상식 (着床式) 풍력 발전 장치에 적용한 것이며, 부체의 동요와 로터가 받는 공력적인 스러스트력 사이의 관계성을 고려하여 피치 제어를 적절히 실시하도록 한 것은 아니다.
본 발명의 적어도 일 실시형태의 목적은, 풍력 발전기의 정지시 또는 기동시에 있어서, 부체의 동요와 로터가 받는 공력적인 스러스트력 사이의 관계성을 고려한 피치 제어를 실시할 수 있는 부체식 풍력 발전 장치의 제어 방법 및 제어 장치, 그리고 부체식 풍력 발전 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 적어도 일 실시형태에 관련된 부체식 풍력 발전 장치의 제어 방법은, 부체 상에 풍력 발전기가 세워 설치된 부체식 풍력 발전 장치의 제어 방법으로서, 상기 풍력 발전기의 정지시에, 상기 풍력 발전기의 로터에 공력적 제동력이 부여되도록 상기 풍력 발전기의 블레이드의 피치각을 증대시키는 피치각 증대 스텝을 구비하고, 상기 피치각 증대 스텝에서는, 상기 부체의 동요에 의해 상기 풍력 발전기가 연직 방향보다 풍상측으로 경사지는 동작 중의 제 1 기간에 있어서의 상기 블레이드의 상기 피치각의 제 1 변화율을, 상기 부체의 동요에 의해 상기 풍력 발전기가 연직 방향보다 풍하측으로 경사지는 동작 중의 제 2 기간에 있어서의 상기 블레이드의 상기 피치각의 제 2 변화율보다 작게 한 것을 특징으로 한다.
풍력 발전기의 정지시에 있어서, 풍력 발전기가 연직 방향보다 풍상측으로 경사지는 동작 중의 제 1 기간에서는, 로터가 바람으로부터 받는 스러스트력은, 풍력 발전기의 풍상측으로의 가속도의 저감 요인이고, 부체의 동요를 억제하는 데에 유리하게 작용한다. 그 때문에, 블레이드의 피치각을 증대시켜 풍력 발전기의 로터에 공력적 제동력을 부여하여 풍력 발전기를 정지시킬 때, 제 1 기간에 있어서의 블레이드의 피치각의 급격한 증대는 풍력 발전기의 풍상측으로의 가속도의 저감 요인이 작아지는 것을 의미하며, 부체의 동요가 증폭될 수 있다. 이에 반해, 풍력 발전기가 연직 방향보다 풍하측으로 경사지는 동작 중의 제 2 기간에서는, 로터가 바람으로부터 받는 스러스트력은 풍력 발전기의 풍하측으로의 가속도의 증대 요인이고, 부체의 동요를 억제하는 데에 불리하게 작용한다. 그 때문에, 블레이드의 피치각을 증대시켜 풍력 발전기의 로터에 공력적 제동력을 부여하여 풍력 발전기를 정지시킬 때, 제 2 기간에 있어서의 블레이드의 피치각의 급격한 증대는 풍력 발전기의 풍하측으로의 가속도의 증대 요인이 작아지는 것을 의미하며, 부체 동요의 억제에 기여할 수 있다.
상기 부체식 풍력 발전 장치의 제어 방법에서는, 부체의 동요와 로터가 받는 공력적인 스러스트력 사이의 상기 관계성을 고려하여, 부체의 동요에 기초하는 풍력 발전기의 자세 및 경사 동작 방향이 상이한 제 1 기간과 제 2 기간에서 피치각의 변화율 (증대 속도) 을 다르게 하고 있다. 즉, 제 1 기간에 있어서의 피치각의 제 1 변화율 (증대 속도) 을 제 2 기간에 있어서의 피치각의 제 2 변화율 (증대 속도) 보다 작게 함으로써, 부체 동요의 억제에 유리하게 작용하는 제 1 기간 중에 있어서의 공력적 스러스트력의 감소를 억제하면서, 부체 동요의 억제에 불리하게 작용하는 제 2 기간 중에 있어서의 공력적 스러스트력의 감소를 촉진할 수 있다. 따라서, 부체 동요를 억제하면서 풍력 발전기의 정지 동작을 실시할 수 있다.
몇 가지 실시형태에서는, 상기 피치각 증대 스텝에서는, 상기 풍력 발전기의 풍상측으로의 경사 동작 중의 전체 기간에 있어서의 상기 블레이드의 피치각의 변화율이, 상기 풍력 발전기의 풍하측으로의 경사 동작 중의 전체 기간에 있어서의 상기 블레이드의 피치각의 변화율보다 작다.
풍력 발전기의 풍상측으로의 경사 동작 중의 전체 기간에 있어서, 로터가 바람으로부터 받는 스러스트력은, 부체의 동요에 수반하여 풍상측을 향하는 풍력 발전기의 경사 동작의 억제에 기여한다. 한편, 풍력 발전기의 풍하측으로의 경사 동작 중의 전체 기간에 있어서는, 로터가 바람으로부터 받는 스러스트력은, 부체의 동요에 수반하여 풍하측을 향하는 풍력 발전기의 경사 동작을 조장한다. 그래서, 풍력 발전기를 피치 제어에 의해 정지시킬 때, 풍력 발전기의 경사 동작 방향을 고려하여, 풍력 발전기의 풍상측으로의 경사 동작 중의 전체 기간에 있어서, 풍력 발전기의 풍하측으로의 경사 동작 중의 전체 기간에 비해 피치각의 변화율 (증대 속도) 을 작게 하면, 부체 동요를 효과적으로 억제하면서 풍력 발전기의 정지 동작을 실시할 수 있다. 즉, 풍력 발전기의 풍상측으로의 경사 동작 중의 전체 기간에서는, 경사 동작 (부체 동요) 의 억제에 유리하게 작용하는 공력적 스러스트력의 감소를 억제하면서, 풍력 발전기의 풍하측으로의 경사 동작 중의 전체 기간에서는, 경사 동작 (부체 동요) 의 억제에 불리하게 작용하는 공력적 스러스트력의 감소를 촉진할 수 있다.
몇 가지 실시형태에서는, 상기 피치각 증대 스텝에서는, 상기 풍력 발전기가 풍상측으로 경사진 자세를 갖는 전체 기간에 있어서의 상기 블레이드의 피치각의 변화율이, 상기 풍력 발전기가 풍하측으로 경사진 자세를 갖는 전체 기간에 있어서의 상기 블레이드의 피치각의 변화율보다 작다.
부체식 풍력 발전 장치에 있어서는, 풍력 발전기의 자세는 가능한 한 연직 방향으로 세워 설치한 상태 (이하, 연직 자세라고 한다) 로 유지되는 것이 바람직하다. 그래서, 풍력 발전기를 피치 제어에 의해 정지시킬 때, 풍력 발전기의 자세를 고려하여, 풍력 발전기가 풍상측으로 경사진 자세를 갖는 전체 기간에 있어서, 풍력 발전기가 풍하측으로 경사진 자세를 갖는 전체 기간에 비해 피치각의 변화율 (증대 속도) 을 작게 하면, 풍력 발전기가 연직 자세로 되돌아가는 동작을 촉진할 수 있다. 즉, 풍력 발전기가 풍상측으로 경사진 자세를 갖는 전체 기간에서는, 풍력 발전기가 연직 자세로 되돌아가는 동작을 촉진하는 공력적 스러스트력의 감소를 억제하면서, 풍력 발전기가 풍하측으로 경사진 자세를 갖는 전체 기간에서는, 풍력 발전기가 연직 자세로 되돌아가는 동작을 저해하는 공력적 스러스트력의 감소를 촉진할 수 있다.
몇 가지 실시형태에서는, 상기 피치각 증대 스텝에서는, 상기 제 1 기간으로부터 상기 제 2 기간으로의 이행시에 상기 제 1 변화율로부터 상기 제 2 변화율로 상기 피치각의 변화율을 단조 증가시키고, 상기 제 2 기간으로부터 상기 제 1 기간으로의 이행시에 상기 제 2 변화율로부터 상기 제 1 변화율로 상기 피치각의 변화율을 단조 감소시킨다.
이와 같이, 제 1 기간으로부터 제 2 기간으로의 이행시에는, 제 1 변화율로부터 제 2 변화율로 피치각의 변화율을 단조 증가시키고, 제 2 기간으로부터 제 1 기간으로의 이행시에는, 제 2 변화율로부터 제 1 변화율로 피치각의 변화율을 단조 감소시키도록 했으므로, 피치 제어에 의한 풍력 발전기의 정지 동작을 원활하게 실시할 수 있다.
몇 가지 실시형태에서는, 상기 풍력 발전기의 기동시에, 상기 풍력 발전기의 블레이드에 작용하는 양력 (揚力) 이 증대하도록 상기 블레이드의 피치각을 감소시키는 피치각 감소 스텝을 구비하고, 상기 피치각 감소 스텝에서는, 상기 부체의 동요에 의해 상기 풍력 발전기가 연직 방향보다 풍상측으로 경사지는 동작 중의 제 3 기간에 있어서의 상기 블레이드의 상기 피치각의 제 3 변화율을, 상기 부체의 동요에 의해 상기 풍력 발전기가 연직 방향보다 풍하측으로 경사지는 동작 중의 제 4 기간에 있어서의 상기 블레이드의 상기 피치각의 제 4 변화율보다 크게 한다.
풍력 발전기의 기동시에 있어서, 풍력 발전기가 연직 방향보다 풍상측으로 경사지는 동작 중의 제 3 기간에서는, 상기 서술한 제 1 기간과 마찬가지로, 로터가 바람으로부터 받는 스러스트력은, 풍력 발전기의 풍상측으로의 가속도의 저감 요인이고, 부체의 동요를 억제하는 데에 유리하게 작용한다. 그 때문에, 블레이드의 피치각의 감소에 의해 블레이드에 작용하는 양력을 증가시켜 풍력 발전기를 기동할 때, 제 3 기간에 있어서의 블레이드의 피치각의 급격한 감소는 풍력 발전기의 풍상측으로의 가속도의 저감 요인이 커지는 것을 의미하며, 부체 동요의 억제에 기여할 수 있다. 이에 반해, 풍력 발전기가 연직 방향보다 풍하측으로 경사지는 동작 중의 제 4 기간에서는, 상기 서술한 제 2 기간과 마찬가지로, 로터가 바람으로부터 받는 스러스트력은 풍력 발전기의 풍하측으로의 가속도의 증대 요인이고, 부체의 동요를 억제하는 데에 불리하게 작용한다. 그 때문에, 블레이드의 피치각의 감소에 의해 블레이드에 작용하는 양력을 증가시켜 풍력 발전기를 기동할 때, 제 4 기간에 있어서의 블레이드의 피치각의 급격한 감소는 풍력 발전기의 풍하측으로의 가속도의 증대 요인이 커지는 것을 의미하며, 부체의 동요가 증폭될 수 있다.
그래서, 상기 부체식 풍력 발전 장치의 제어 방법에서는, 제 3 기간에 있어서의 피치각의 제 3 변화율 (감소 속도) 을 제 4 기간에 있어서의 피치각의 제 4 변화율 (감소 속도) 보다 크게 함으로써, 부체 동요의 억제에 유리하게 작용하는 제 3 기간 중에 있어서의 공력적 스러스트력의 증대를 촉진하면서, 부체 동요의 억제에 불리하게 작용하는 제 4 기간 중에 있어서의 공력적 스러스트력의 증대를 억제할 수 있다. 따라서, 부체 동요를 억제하면서 풍력 발전기의 기동 동작을 실시할 수 있다.
몇 가지 실시형태에서는, 상기 피치각 감소 스텝에서는, 상기 풍력 발전기의 풍상측으로의 경사 동작 중의 전체 기간에 있어서의 상기 블레이드의 피치각의 변화율이, 상기 풍력 발전기의 풍하측으로의 경사 동작 중의 전체 기간에 있어서의 상기 블레이드의 피치각의 변화율보다 크다.
풍력 발전기를 피치 제어에 의해 기동시킬 때, 풍력 발전기의 경사 동작 방향을 고려하여, 풍력 발전기의 풍상측으로의 경사 동작 중의 전체 기간에 있어서, 풍력 발전기의 풍하측으로의 경사 동작 중의 전체 기간에 비해 피치각의 변화율 (감소 속도) 을 크게 하면, 부체 동요를 효과적으로 억제하면서 풍력 발전기의 기동 동작을 실시할 수 있다. 즉, 풍력 발전기의 풍상측으로의 경사 동작 중의 전체 기간에서는, 경사 동작 (부체 동요) 의 억제에 유리하게 작용하는 공력적 스러스트력의 증가를 촉진하면서, 풍력 발전기의 풍하측으로의 경사 동작 중의 전체 기간에서는, 경사 동작 (부체 동요) 의 억제에 불리하게 작용하는 공력적 스러스트력의 증가를 억제할 수 있다.
몇 가지 실시형태에서는, 상기 피치각 감소 스텝에서는, 상기 풍력 발전기가 풍상측으로 경사진 자세를 갖는 전체 기간에 있어서의 상기 블레이드의 피치각의 변화율이, 상기 풍력 발전기가 풍하측으로 경사진 자세를 갖는 전체 기간에 있어서의 상기 블레이드의 피치각의 변화율보다 크다.
풍력 발전기를 피치 제어에 의해 기동시킬 때, 풍력 발전기의 자세를 고려하여, 풍력 발전기가 풍상측으로 경사진 자세를 갖는 전체 기간에 있어서, 풍력 발전기가 풍하측으로 경사진 자세를 갖는 전체 기간에 비해 피치각의 변화율 (감소 속도) 을 크게 하면, 풍력 발전기가 연직 자세로 되돌아가는 동작을 촉진할 수 있다. 즉, 풍력 발전기가 풍상측으로 경사진 자세를 갖는 전체 기간에서는, 풍력 발전기가 연직 자세로 되돌아가는 동작을 촉진하는 공력적 스러스트력의 증가를 촉진하면서, 풍력 발전기가 풍하측으로 경사진 자세를 갖는 전체 기간에서는, 풍력 발전기가 연직 자세로 되돌아가는 동작을 저해하는 공력적 스러스트력의 증대를 억제할 수 있다.
몇 가지 실시형태에서는, 상기 피치각 감소 스텝에서는, 상기 제 3 기간으로부터 상기 제 4 기간으로의 이행시에 상기 제 3 변화율로부터 상기 제 4 변화율로 상기 피치각의 변화율을 단조 감소시키고, 상기 제 4 기간으로부터 상기 제 3 기간으로의 이행시에 상기 제 4 변화율로부터 상기 제 3 변화율로 상기 피치각의 변화율을 단조 증가시킨다.
이와 같이, 제 3 기간으로부터 제 4 기간으로의 이행시에는, 제 3 변화율로부터 제 4 변화율로 피치각의 변화율을 단조 감소시키고, 제 4 기간으로부터 제 3 기간으로의 이행시에는, 제 4 변화율로부터 제 3 변화율로 피치각의 변화율을 단조 증가시키도록 했으므로, 부체의 동요를 억제하면서도 피치 제어에 의한 풍력 발전기의 기동 동작을 원활하게 실시할 수 있다.
본 발명의 적어도 일 실시형태에 관련된 부체식 풍력 발전 장치의 제어 방법은, 부체 상에 풍력 발전기가 세워 설치된 부체식 풍력 발전 장치의 제어 방법으로서, 상기 풍력 발전기의 기동시에, 상기 풍력 발전기의 블레이드에 작용하는 양력이 증대하도록 상기 블레이드의 피치각을 감소시키는 피치각 감소 스텝을 구비하고, 상기 피치각 감소 스텝에서는, 상기 부체의 동요에 의해 상기 풍력 발전기가 연직 방향보다 풍상측으로 경사지는 동작 중의 제 3 기간에 있어서의 상기 블레이드의 상기 피치각의 제 3 변화율을, 상기 부체의 동요에 의해 상기 풍력 발전기가 연직 방향보다 풍하측으로 경사지는 동작 중의 제 4 기간에 있어서의 상기 블레이드의 상기 피치각의 제 4 변화율보다 크게 한다.
상기 부체식 풍력 발전 장치의 제어 방법에서는, 풍력 발전기의 기동시에, 풍력 발전기가 연직 방향보다 풍상측으로 경사지는 동작 중의 제 3 기간에 있어서의 피치각의 제 3 변화율 (감소 속도) 은, 풍력 발전기가 연직 방향보다 풍하측으로 경사지는 동작 중의 제 4 기간에 있어서의 피치각의 제 4 변화율 (감소 속도) 보다 크다. 그 때문에, 부체 동요의 억제에 유리하게 작용하는 제 3 기간 중에 있어서의 공력적 스러스트력의 증대를 촉진하면서, 부체 동요의 억제에 불리하게 작용하는 제 4 기간 중에 있어서의 공력적 스러스트력의 증대를 억제할 수 있다. 따라서, 부체 동요를 억제하면서 풍력 발전기의 기동 동작을 실시할 수 있다.
본 발명의 적어도 일 실시형태에 관련된 부체식 풍력 발전 장치는, 부체와, 상기 부체 상에 세워 설치되고, 블레이드가 허브에 장착된 로터와, 상기 블레이드의 피치각을 조절하기 위한 피치 조절 기구를 포함하는 풍력 발전기와, 상기 풍력 발전기의 정지시에, 상기 피치각의 증대에 의해 상기 로터에 공력적 제동력이 부여되도록 상기 피치 조절 기구를 제어하기 위한 피치 제어부를 구비하고, 상기 피치 제어부는, 상기 부체의 동요에 의해 상기 풍력 발전기가 연직 방향보다 풍상측으로 경사지는 동작 중의 제 1 기간에 있어서의 상기 블레이드의 상기 피치각의 제 1 변화율을, 상기 부체의 동요에 의해 상기 풍력 발전기가 연직 방향보다 풍하측으로 경사지는 동작 중의 제 2 기간에 있어서의 상기 블레이드의 상기 피치각의 제 2 변화율보다 작게 하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 부체식 풍력 발전 장치에 의하면, 풍력 발전기의 정지시에 있어서, 제 1 기간에 있어서의 피치각의 제 1 변화율 (증대 속도) 을 제 2 기간에 있어서의 피치각의 제 2 변화율 (증대 속도) 보다 작게 했으므로, 부체 동요의 억제에 유리하게 작용하는 제 1 기간 중에 있어서의 공력적 스러스트력의 감소를 억제하면서, 부체 동요의 억제에 불리하게 작용하는 제 2 기간 중에 있어서의 공력적 스러스트력의 감소를 촉진할 수 있다. 따라서, 부체 동요를 억제하면서 풍력 발전기의 정지 동작을 실시할 수 있다.
본 발명의 적어도 일 실시형태에 관련된 부체식 풍력 발전 장치는, 부체와, 상기 부체 상에 세워 설치되고, 블레이드가 허브에 장착된 로터와, 상기 블레이드의 피치각을 조절하기 위한 피치 조절 기구를 포함하는 풍력 발전기와, 상기 풍력 발전기의 기동시에, 상기 피치각의 감소에 의해 상기 블레이드에 작용하는 양력이 증대하도록 상기 피치 조절 기구를 제어하기 위한 피치 제어부를 구비하고, 상기 피치 제어부는, 상기 부체의 동요에 의해 상기 풍력 발전기가 연직 방향보다 풍상측으로 경사지는 동작 중의 제 3 기간에 있어서의 상기 블레이드의 상기 피치각의 제 3 변화율을, 상기 부체의 동요에 의해 상기 풍력 발전기가 연직 방향보다 풍하측으로 경사지는 동작 중의 제 4 기간에 있어서의 상기 블레이드의 상기 피치각의 제 4 변화율보다 크게 하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 부체식 풍력 발전 장치에서는, 풍력 발전기의 기동시에, 풍력 발전기가 연직 방향보다 풍상측으로 경사지는 동작 중의 제 3 기간에 있어서의 피치각의 제 3 변화율 (감소 속도) 은, 풍력 발전기가 연직 방향보다 풍하측으로 경사지는 동작 중의 제 4 기간에 있어서의 피치각의 제 4 변화율 (감소 속도) 보다 크다. 그 때문에, 부체 동요의 억제에 유리하게 작용하는 제 3 기간 중에 있어서의 공력적 스러스트력의 증대를 촉진하면서, 부체 동요의 억제에 불리하게 작용하는 제 4 기간 중에 있어서의 공력적 스러스트력의 증대를 억제할 수 있다. 따라서, 부체 동요를 억제하면서 풍력 발전기의 기동 동작을 실시할 수 있다.
본 발명의 적어도 일 실시형태에 관련된 부체식 풍력 발전 장치의 제어 장치는, 블레이드가 허브에 장착된 로터와, 상기 블레이드의 피치각을 조절하기 위한 피치 조절 기구를 포함하는 풍력 발전기가 부체 상에 세워 설치된 부체식 풍력 발전 장치의 제어 장치로서, 상기 풍력 발전기의 정지시에, 상기 피치각의 증대에 의해 상기 로터에 공력적 제동력이 부여되도록 상기 피치 조절 기구를 제어하기 위한 피치 제어부를 구비하고, 상기 피치 제어부는, 상기 부체의 동요에 의해 상기 풍력 발전기가 연직 방향보다 풍상측으로 경사지는 동작 중의 제 1 기간에 있어서의 상기 블레이드의 상기 피치각의 제 1 변화율을, 상기 부체의 동요에 의해 상기 풍력 발전기가 연직 방향보다 풍하측으로 경사지는 동작 중의 제 2 기간에 있어서의 상기 블레이드의 상기 피치각의 제 2 변화율보다 작게 하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 부체식 풍력 발전 장치의 제어 장치는, 풍력 발전기의 정지시에 있어서, 제 1 기간에 있어서의 피치각의 제 1 변화율 (증대 속도) 을 제 2 기간에 있어서의 피치각의 제 2 변화율 (증대 속도) 보다 작게 하도록 구성되므로, 부체 동요의 억제에 유리하게 작용하는 제 1 기간 중에 있어서의 공력적 스러스트력의 감소를 억제하면서, 부체 동요의 억제에 불리하게 작용하는 제 2 기간 중에 있어서의 공력적 스러스트력의 감소를 촉진할 수 있다. 따라서, 부체 동요를 억제하면서 풍력 발전기의 정지 동작을 실시할 수 있다.
본 발명의 적어도 일 실시형태에 관련된 부체식 풍력 발전 장치의 제어 장치는, 블레이드가 허브에 장착된 로터와, 상기 블레이드의 피치각을 조절하기 위한 피치 조절 기구를 포함하는 풍력 발전기가 부체 상에 세워 설치된 부체식 풍력 발전 장치의 제어 장치로서, 상기 풍력 발전기의 기동시에, 상기 피치각의 감소에 의해 상기 블레이드에 작용하는 양력이 증대하도록 상기 피치 조절 기구를 제어하기 위한 피치 제어부를 구비하고, 상기 피치 제어부는, 상기 부체의 동요에 의해 상기 풍력 발전기가 연직 방향보다 풍상측으로 경사지는 동작 중의 제 3 기간에 있어서의 상기 블레이드의 상기 피치각의 제 3 변화율을, 상기 부체의 동요에 의해 상기 풍력 발전기가 연직 방향보다 풍하측으로 경사지는 동작 중의 제 4 기간에 있어서의 상기 블레이드의 상기 피치각의 제 4 변화율보다 크게 하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 부체식 풍력 발전 장치의 제어 장치는, 풍력 발전기의 기동시에, 제 3 기간에 있어서의 피치각의 제 3 변화율 (감소 속도) 을 제 4 기간에 있어서의 피치각의 제 4 변화율 (감소 속도) 보다 크게 하도록 구성되므로, 부체 동요의 억제에 유리하게 작용하는 제 3 기간 중에 있어서의 공력적 스러스트력의 증대를 촉진하면서, 부체 동요의 억제에 불리하게 작용하는 제 4 기간 중에 있어서의 공력적 스러스트력의 증대를 억제할 수 있다. 따라서, 부체 동요를 억제하면서 풍력 발전기의 기동 동작을 실시할 수 있다.
본 발명의 적어도 일 실시형태에 의하면, 풍력 발전기의 정지시에 있어서, 부체 동요의 억제에 유리하게 작용하는 제 1 기간 중에 있어서의 공력적 스러스트력의 감소를 억제하면서, 부체 동요의 억제에 불리하게 작용하는 제 2 기간 중에 있어서의 공력적 스러스트력의 감소를 촉진할 수 있다. 따라서, 부체 동요를 억제하면서 풍력 발전기의 정지 동작을 실시할 수 있다.
도 1 은, 본 발명의 실시형태에 관련된 부체식 풍력 발전 장치의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
도 2 는, 피치각을 설명하기 위한 날개 단면도이다.
도 3 은, 본 발명의 실시형태에 있어서의 풍력 발전기의 정지시의 피치 제어를 설명하는 도면이며, (A) 는 피치각의 시계열 변화를 나타내는 도면이고, (B) 는 풍력 발전기의 경사각 변화율의 시계열 변화를 나타내는 도면이고, (C) 는 풍력 발전기의 운동을 나타내는 도면이다.
도 4 는, 본 발명의 실시형태에 있어서의 풍력 발전기의 정지시의 피치 제어를 설명하는 도면이며, (A) 는 풍력 발전기의 피치각 변화율을 나타내는 도면이고, (B) 는 풍력 발전기의 운동을 나타내는 도면이다.
도 5 는, 본 발명의 실시형태에 관련된 풍력 발전기의 정지시의 피치 제어를 설명하는 플로우 차트이다.
도 6 은, 본 발명의 다른 실시형태에 있어서의 풍력 발전기의 정지시의 피치 제어를 설명하는 도면이며, (A) 는 피치각의 시계열 변화를 나타내는 도면이고, (B) 는 풍력 발전기의 경사각의 시계열 변화를 나타내는 도면이고, (C) 는 풍력 발전기의 운동을 나타내는 도면이다.
도 7 은, 본 발명의 다른 실시형태에 있어서의 풍력 발전기의 정지시의 피치 제어를 설명하는 도면이며, (A) 는 풍력 발전기의 피치각 변화율을 나타내는 도면이고, (B) 는 풍력 발전기의 운동을 나타내는 도면이고, (C) 는 풍력 발전기의 피치각 변화율의 변형예를 나타내는 도면이다.
도 8 은, 본 발명의 다른 실시형태에 관련된 풍력 발전기의 정지시의 피치 제어를 설명하는 플로우 차트이다.
도 9 는, 본 발명의 실시형태에 있어서의 풍력 발전기의 기동시의 피치 제어를 설명하는 도면이며, (A) 는 피치각의 시계열 변화를 나타내는 도면이고, (B) 는 풍력 발전기의 경사각 변화율의 시계열 변화를 나타내는 도면이고, (C) 는 풍력 발전기의 운동을 나타내는 도면이다.
도 10 은, 본 발명의 실시형태에 있어서의 풍력 발전기의 기동시의 피치 제어를 설명하는 도면이며, (A) 는 풍력 발전기의 피치각 변화율을 나타내는 도면이고, (B) 는 풍력 발전기의 운동을 나타내는 도면이다.
도 11 은, 본 발명의 실시형태에 관련된 풍력 발전기의 기동시의 피치 제어를 설명하는 플로우 차트이다.
도 12 는, 본 발명의 다른 실시형태에 있어서의 풍력 발전기의 기동시의 피치 제어를 설명하는 도면이며, (A) 는 피치각의 시계열 변화를 나타내는 도면이고, (B) 는 풍력 발전기의 경사각 변화율의 시계열 변화를 나타내는 도면이고, (C) 는 풍력 발전기의 운동을 나타내는 도면이다.
도 13 은, 본 발명의 다른 실시형태에 있어서의 풍력 발전기의 기동시의 피치 제어를 설명하는 도면이며, (A) 는 풍력 발전기의 피치각 변화율을 나타내는 도면이고, (B) 는 풍력 발전기의 운동을 나타내는 도면이다.
도 14 는, 본 발명의 다른 실시형태에 관련된 풍력 발전기의 기동시의 피치 제어를 설명하는 플로우 차트이다.
이하, 첨부 도면에 따라 본 발명의 실시형태에 대하여 설명한다. 단, 실시형태로서 이하에 기재되고, 혹은, 실시형태로서 도면에서 나타낸 구성 부품의 치수, 재질, 형상, 그 상대적 배치 등은, 본 발명의 범위를 이것에 한정하는 취지가 아니라, 단순한 설명예에 지나지 않는다.
도 1 은, 일 실시형태에 관련된 풍력 발전 장치의 전체 구성의 개략을 나타내는 도면이다.
도 1 에 나타내는 바와 같이, 일 실시형태에 있어서, 부체식 풍력 발전 장치 (100) 는, 풍력 발전기 (1) 와, 풍력 발전기 (1) 가 세워 설치되는 부체 (10) 와, 풍력 발전기 (1) 를 제어하는 제어 장치 (20) 를 구비한다.
풍력 발전기 (1) 는, 적어도 1 개의 블레이드 (2) 및 허브 (3) 로 구성되는 로터 (4) 와, 로터 (4) 를 자유롭게 회전할 수 있도록 지지하는 나셀 (5) 과, 나셀 (5) 을 지지하는 타워 (6) 를 구비한다. 또한, 허브 (3) 는, 허브 커버 (3a) 에 의해 덮여 있어도 된다.
로터 (4) 는, 도시하지 않은 드라이브 트레인을 통해서 발전기에 연결되어도 된다. 드라이브 트레인은, 허브 (3) 에 연결되는 메인 샤프트나, 그 메인 샤프트의 회전을 증속하여 발전기에 입력하기 위한 증속기 (예를 들어, 유압 트랜스미션이나 기어식 증속기) 를 포함하고 있어도 된다. 혹은, 로터 (4) 의 허브 (3) 에 발전기가 직결되어 있어도 된다. 그리고, 블레이드 (2) 가 바람을 받아 로터 (4) 가 회전함으로써 발전기로 발전이 실시된다.
또, 부체식 풍력 발전 장치 (100) 는, 허브 (3), 나셀 (5) 또는 타워 (6) 상부에 장착된 가속도 센서 (25) 나 자세 검출 센서 (26) 등의 각종 센서를 구비하고 있어도 된다.
또한, 나셀 (5) 은 타워 (6) 에 대해 요 (yaw) 선회 가능해도 된다. 일 실시형태에서는, 풍력 발전기 (1) 는, 통상 운전시에 풍향에 따라 블레이드 (2) 가 풍상측으로 배향되도록 나셀 (5) 이 요 선회하도록 구성된 업 윈도우 풍차이다.
부체 (10) 는, 부력을 가져 수면에 떠오르는 구성으로 되어 있으며, 예를 들어, 앵커와 계류 라인에 의해 연결됨으로써, 물 위의 소정 위치에 계류된다. 부체 (10) 상에는 타워 (6) 가 형성된다. 또한, 도면에는 간략화한 부체를 나타내고 있지만, 세미 서브형, 스파형 등의 각종 부체를 채용할 수 있다.
제어 장치 (20) 는, 블레이드 (2) 의 피치각을 조절하기 위한 피치 조절 기구 (21) 와, 피치 조절 기구 (21) 를 제어하기 위한 피치 제어부 (22) 를 구비하고 있다. 제어 장치 (20) 에는, 가속도 센서 (25) 나 자세 검출 센서 (26) 등의 각종 센서로부터의 신호가 입력되고, 이 신호로부터 취득되는 풍력 발전기 (1) 의 경사 동작 정보 또는 자세 정보에 기초하여, 블레이드 (2) 의 피치 제어를 실시하도록 해도 된다.
피치 조절 기구 (21) 는, 허브 (3) 내에 배치되고, 각 블레이드 (2) 마다 형성되어도 된다. 예를 들어, 블레이드 (2) 가 3 매 형성되어 있는 경우에는, 3개의 피치 조절 기구 (21) 가 형성된다. 각 피치 조절 기구 (21) 는, 각 블레이드 (2) 의 피치각을 각각 독립적으로 조절하는 구성으로 해도 되고, 모든 블레이드 (2) 의 피치각을 연동하는 조절하는 구성으로 해도 된다.
피치 제어부 (22) 는, 풍력 발전기의 정지시에, 피치각의 증대에 의해 로터 (4) 에 공력적 제동력이 부여되도록 피치 조절 기구 (21) 를 제어한다. 또, 피치 제어부 (22) 는, 풍력 발전기의 기동시에, 블레이드 (2) 에 작용하는 양력이 증대하도록 블레이드 (2) 의 피치각을 감소시키는 제어를 실시한다.
여기서, 블레이드 (2) 의 피치각에 대하여 도 3 을 이용하여 설명한다.
각 블레이드 (2) 는, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 전연 (前緣) (201) 으로부터 후연 (後緣) (202) 에 걸쳐, 정압면 (正壓面) (203) 과 부압면 (負壓面) (204) 이 연장되어 있는 날개형을 갖는다. 또한, 전연 (201) 과 후연 (202) 을 잇는 직선 (205) 은, 코드라고 불린다.
각 블레이드 (2) 는, 피치 제어부 (22) 의 제어하에서 동작하는 피치 조절 기구 (21) 에 의해, 코드 (205) 가 로터 회전 방향에 대해 각도 (a) 를 이루도록 배향된다. 이 각도 (a) 는, 코드 (205) 의 연장선 (L1) 과 날개 회전 방향 (로터 회전면) 에 평행한 직선 (L2) 사이의 각도이며, 블레이드 (2) 의 피치각을 의미한다. 풍력 발전기 (1) 의 통상 운전시에 있어서의 각 블레이드 (2) 의 피치각 (a) 은 전형적으로는 대체로 0 도이고, 이 때의 피치각은 파인 위치라고 불리는 경우가 있다. 이에 반해, 풍력 발전기 (1) 의 완전 정지시에 있어서의 각 블레이드 (2) 의 피치각 (a) 은 전형적으로는 대체로 90 도 (최대각) 이고, 이 때의 피치각은 페더 위치라고 불리는 경우가 있다. 각 블레이드 (2) 의 피치각 (a) 을 파인 위치 (약 0 도) 로부터 페더 위치 (약 90 도) 를 향하여 크게 하면, 공력적인 제동력이 로터 (4) 에 작용하여, 로터 (4) 의 회전 속도는 저하된다. 반대로, 각 블레이드 (2) 의 피치각 (a) 을 페더 위치 (약 90 도) 로부터 파인 위치 (약 0 도) 를 향하여 작게 하면, 각 블레이드 (2) 에 가해지는 양력이 증대하고, 로터 (4) 의 회전 속도는 상승한다.
그런데, 육상 풍력 발전 장치나 착상식 풍력 발전 장치의 경우, 타워의 진동에 수반하여 적잖이 풍력 발전기의 로터는 전후로 움직이는데, 이 경우의 타워의 진동 주기는, 피치 조절 기구에 의해 블레이드를 회동시켜 피치각을 변경한 영향이 스러스트력의 변화로서 실질적으로 나타나는 데에 필요로 하는 시간에 비해 충분히 짧다. 그 때문에, 피치 제어에 의해 로터가 바람으로부터 받는 스러스트력이 변화해도, 그 영향이 타워의 진동에 거의 반영되지 않는다.
이에 반해, 전형적인 부체식 풍력 발전 장치의 경우에 있어서의 부체의 동요 주기는 약 10 초이기 때문에, 풍력 발전기 (1) 의 자세가 가장 풍하측으로 기울어진 상태와 가장 풍상측으로 기울어진 상태 사이에서 변화할 때까지의 동안에, 피치 조절 기구 (21) 에 의해 블레이드 (2) 를 회동시켜 피치각을 변경한 영향이 스러스트력의 변화로서 실질적으로 나타날 수 있다. 따라서, 피치 제어에 의해 로터 (4) 가 바람으로부터 받는 스러스트력이 변화하면, 부체 (10) 의 동요에도 그 영향이 나타나게 된다.
그래서, 몇 가지 실시형태에서는, 부체 (10) 의 동요와, 로터 (4) 가 받는 공력적인 스러스트력 사이의 상기 관계성을 고려하여, 풍력 발전기 (1) 의 정지시 및 기동시에 있어서의 피치 제어를 실시한다.
이하, 도 1 에 나타낸 풍력 발전기 (1) 의 정지시 및 기동시에 있어서의 피치 제어부 (22) 에서의 블레이드 (2) 의 피치 제어에 대하여, 각각 상세하게 설명한다.
(풍력 발전기의 정지시에 있어서의 피치 제어)
도 3 은, 본 발명의 실시형태에 있어서의 풍력 발전기의 정지시의 피치 제어를 설명하는 도면이며, (A) 는 피치각의 시계열 변화를 나타내는 도면이고, (B) 는 풍력 발전기의 경사각 변화율의 시계열 변화를 나타내는 도면이고, (C) 는 풍력 발전기의 운동을 나타내는 도면이다. 도 4 는, 본 발명의 실시형태에 있어서의 풍력 발전기의 정지시의 피치 제어를 설명하는 도면이며, (A) 는 풍력 발전기의 피치각 변화율을 나타내는 도면이고, (B) 는 풍력 발전기의 운동을 나타내는 도면이다. 도 5 는, 본 발명의 실시형태에 관련된 풍력 발전기의 정지시의 피치 제어를 설명하는 플로우 차트이다. 또한, 이하의 설명에 있어서의 각 부위의 부호는, 도 1 에 나타낸 부체식 풍력 발전 장치 (100) 와 동일한 부호를 사용하고 있다.
도 3 및 도 4 를 참조하여, 부체 (10) 의 동요에 의한 풍력 발전기 (1) 의 동작을 설명한다.
도 3(C) 및 도 4(B) 에 나타내는 바와 같이, 부체 (10) 의 동요에 의해, 풍력 발전기 (1) 는 전후 (풍상측 및 풍하측) 로 경사진다. 풍력 발전기 (1) 의 전후로의 경사 동작은 반복 실시되지만, 도 3 및 도 4 에서는, 이 반복 동작 중 전후로의 1 회분의 경사 동작에 대응하는 구간 (1 주기분) 을 추출하고 있다. 즉, 풍력 발전기 (1) 가 연직 방향을 따른 상태 (이하, 연직 자세라고 한다) 인 시각 (t1) → 풍상측으로의 경사 동작에 의해 풍력 발전기 (1) 가 가장 전경 (前傾) 자세가 되는 시각 (t2) → 풍하측으로의 경사 동작에 의해 풍력 발전기 (1) 가 연직 자세로 되돌아가는 시각 (t3) → 풍하측으로의 경사 동작에 의해 풍력 발전기 (1) 가 가장 후경 (後傾) 자세가 되는 시각 (t4) → 풍상측으로의 경사 동작에 의해 풍력 발전기 (1) 가 연직 자세로 되돌아가는 시각 (t5) 을 나타내고 있다.
도 3(B) 는 상기 경사 동작에 대응한 풍력 발전기 (1) 의 경사각 변화율의 시계열 변화를 나타낸다. 또한, 도 3(B) 에서는, 풍력 발전 장치 (1) 의 풍상측으로의 경사각 변화율 (경사 속도) 을 부 (負) 로 하고, 풍하측으로의 경사각 변화율 (경사 속도) 을 정 (正) 으로 하고 있다. 풍력 발전기 (1) 의 경사각 변화율은, 풍하측으로부터 풍상측으로의 경사 동작 중이고 또한 연직 자세의 시각 (t1) 에서 최소가 되고, 가장 전경 자세의 시각 (t2) 에서 0 이 된다. 또한, 경사각 변화율은, 전경 자세로부터 풍하측으로의 경사 동작 중이고 또한 연직 자세의 시각 (t3) 에서 최대가 되고, 가장 후경 자세의 시각 (t4) 에서 0 이 된다.
다음으로, 상기한 풍력 발전기 (1) 의 동작에 대응한 블레이드 (2) 의 피치 제어에 대하여 설명한다.
도 3(A) 는 풍력 발전기 (1) 의 블레이드 (2) 의 피치각의 시계열 변화를 나타낸다. 피치 제어부 (22) 에 정지 지령이 입력되면, 피치 제어부 (22) 는, 로터 (4) 에 공력적 제동력이 부여되도록, 피치 조절 기구 (21) 를 제어하여 블레이드 (2) 의 피치각을 증대시킨다. 즉, 통상 운전시에 있어서는 블레이드 (2) 에 양력이 작용하도록 피치각은 파인측에 설정되어 있으므로, 블레이드 (2) 의 정지시에는 피치각을 파인측으로부터 페더측으로 이행시킨다. 로터 (4) 에는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 실제 풍속과 부체 (10) 의 동요에 의한 풍속에 의해, 피치각에 따른 스러스트력 (Fs) 및 토크 (Ft) 가 작용한다.
일 실시형태에 있어서, 피치 제어부 (22) 는, 블레이드 (2) 의 피치각을 증대시킬 때에, 블레이드 (2) 의 피치각이 목표 피치각 (예를 들어, 최대각) 에 도달할 때까지, 블레이드 (2) 의 피치각 변화율 (피치 레이트) 의 지령값을 연산하여 피치 조절 기구 (21) 에 부여한다. 도 4(A) 는 피치 조절 기구 (21) 에 부여하는 지령값의 시계열 데이터인 피치각 변화율 곡선을 나타낸다. 동 (同) 도면에는, 4 패턴의 피치각 변화율 곡선 (31 ∼ 34) 을 나타내고 있지만, 도 3(A) 의 피치각에 대응하는 것은 실선으로 나타내는 피치각 변화율 곡선 (31) 이다.
여기서, 풍력 발전기 (1) 가 연직 방향보다 풍상측으로 경사지는 동작 중의 제 1 기간, 즉 시각 (t1) 으로부터 시각 (t2) 까지의 기간에서는, 로터 (4) 가 바람으로부터 받는 스러스트력은, 풍력 발전기 (1) 의 풍상측으로의 가속도의 저감 요인이고, 부체 (10) 의 동요를 억제하는 데에 유리하게 작용한다. 그 때문에, 블레이드 (2) 의 피치각을 증대시켜 풍력 발전기 (1) 의 로터 (4) 에 공력적 제동력을 부여하여 풍력 발전기 (1) 를 정지시킬 때, 제 1 기간에 있어서의 블레이드 (2) 의 피치각의 급격한 증대는 풍력 발전기 (1) 의 풍상측으로의 가속도의 저감 요인이 작아지는 것을 의미하며, 부체 (10) 의 동요가 증폭될 수 있다. 이에 반해, 풍력 발전기 (1) 가 연직 방향보다 풍하측으로 경사지는 동작 중의 제 2 기간에서는, 로터 (4) 가 바람으로부터 받는 스러스트력은 풍력 발전기 (1) 의 풍하측으로의 가속도의 증대 요인이고, 부체 (10) 의 동요를 억제하는 데에 불리하게 작용한다. 그 때문에, 블레이드 (2) 의 피치각을 증대시켜 풍력 발전기 (1) 의 로터 (4) 에 공력적 제동력을 부여하여 풍력 발전기 (1) 를 정지시킬 때, 제 2 기간에 있어서의 블레이드 (2) 의 피치각의 급격한 증대는 풍력 발전기 (1) 의 풍하측으로의 가속도의 증대 요인이 작아지는 것을 의미하며, 부체 동요의 억제에 기여할 수 있다.
그래서, 몇 가지 실시형태에서는, 부체 (10) 의 동요와 로터 (4) 가 받는 공력적인 스러스트력 사이의 상기 관계성을 고려하여 이하의 피치 제어를 실시한다.
즉, 피치 제어부 (22) 는, 풍력 발전기 (1) 가 연직 방향보다 풍상측으로 경사지는 동작 중의 제 1 기간에 있어서의 블레이드 (2) 의 피치각의 제 1 변화율 (증대 속도) 이, 풍력 발전기 (1) 가 연직 방향보다 풍하측으로 경사지는 동작 중의 제 2 기간에 있어서의 블레이드 (2) 의 피치각의 제 2 변화율 (증대 속도) 보다 작아지도록 블레이드 (2) 의 피치각을 증대시킨다. 도 3(A) 및 도 4(A) 에 나타내는 예에서는, 피치각 변화율 곡선 (31) 에 따라, 시각 (t1) 으로부터 시각 (t2) 까지의 제 1 기간에 있어서 피치각 변화율을 0 으로 하여 피치각을 일정하게 유지하고, 시각 (t3) 으로부터 시각 (t4) 까지의 제 2 기간에 있어서 피치각 변화율을 0 보다 큰 값으로 하여, 피치각을 일정 속도로 증대시키고 있다.
이와 같이, 제 1 기간에 있어서의 피치각의 제 1 변화율 (증대 속도) 을 제 2 기간에 있어서의 피치각의 제 2 변화율 (증대 속도) 보다 작게 함으로써, 부체 동요의 억제에 유리하게 작용하는 제 1 기간 중에 있어서의 공력적 스러스트력의 감소를 억제하면서, 부체 동요의 억제에 불리하게 작용하는 제 2 기간 중에 있어서의 공력적 스러스트력의 감소를 촉진할 수 있다. 따라서, 부체 동요를 억제하면서 풍력 발전기 (1) 의 정지 동작을 실시할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 도 3(A) 및 도 4(A) 에 나타내는 바와 같이, 피치 제어부 (22) 는, 풍력 발전기 (1) 의 풍상측으로의 경사 동작 중의 전체 기간 (기간 A) 에 있어서의 블레이드 (2) 의 피치각의 변화율이, 풍력 발전기 (1) 의 풍하측으로의 경사 동작 중의 전체 기간 (기간 B) 에 있어서의 블레이드 (2) 의 피치각의 변화율보다 작아지도록, 피치 조절 기구 (21) 를 제어하여 블레이드 (2) 의 피치각을 증대시켜도 된다. 도 3(A) 및 도 4(A) 에 나타내는 예시적인 실시형태에서는, 피치각 변화율 곡선 (31) 에 따라, 시각 (t1) 으로부터 시각 (t2) 및 시각 (t4) 으로부터 시각 (t5) 까지의 기간 A 에 있어서의 피치각 변화율을 제로로 하고, 시각 (t2) 으로부터 시각 (t4) 까지의 기간 B 에 있어서의 피치각 변화율을 제로보다 큰 값으로 한다.
풍력 발전기 (1) 의 풍상측으로의 경사 동작 중의 전체 기간 (기간 A) 에 있어서, 로터 (4) 가 바람으로부터 받는 스러스트력은, 부체 (10) 의 동요에 수반하여 풍상측을 향하는 풍력 발전기 (1) 의 경사 동작의 억제에 기여한다. 한편, 풍력 발전기 (1) 의 풍하측으로의 경사 동작 중의 전체 기간 (기간 B) 에 있어서는, 로터 (4) 가 바람으로부터 받는 스러스트력은, 부체 (10) 의 동요에 수반하여 풍하측을 향하는 풍력 발전기 (1) 의 경사 동작을 조장한다. 그래서, 풍력 발전기 (1) 를 피치 제어에 의해 정지시킬 때, 풍력 발전기 (1) 의 경사 동작 방향을 고려하여, 풍력 발전기 (1) 의 풍상측으로의 경사 동작 중의 전체 기간 (기간 A) 에 있어서, 풍력 발전기 (1) 의 풍하측으로의 경사 동작 중의 전체 기간 (기간 B) 에 비해 피치각의 변화율 (증대 속도) 을 작게 하면, 부체 동요를 효과적으로 억제하면서 풍력 발전기 (1) 의 정지 동작을 실시할 수 있다. 즉, 풍력 발전기 (1) 의 풍상측으로의 경사 동작 중의 전체 기간 (기간 A) 에서는, 경사 동작 (부체 동요) 의 억제에 유리하게 작용하는 공력적 스러스트력의 감소를 억제하면서, 풍력 발전기 (1) 의 풍하측으로의 경사 동작 중의 전체 기간 (기간 B) 에서는, 경사 동작 (부체 동요) 의 억제에 불리하게 작용하는 공력적 스러스트력의 감소를 촉진할 수 있다.
몇 가지 실시형태에서는, 풍력 발전기 (1) 가 가장 전경하는 시각 (t2) 및 풍력 발전기 (1) 가 가장 후경하는 시각 (t4) 에 있어서, 기간 A 에 있어서의 피치각 변화율 VA 와 기간 B 에 있어서의 피치각 변화율 VB (＞ VA) 사이에서, 피치각 변화율을 스텝상으로 변화시킨다.
일 실시형태에서는, 도 4(A) 에 나타내는 피치각 변화 곡선 (31) 에 따라, 기간 A 에 있어서의 피치각 변화율 VA (=0) 와 기간 B 에 있어서의 피치각 변화율 VB (＞ 0) 사이에서 피치각 변화율을 스텝상으로 변화시킨다. 다른 실시형태에서는, 도 4(A) 에 나타내는 피치각 변화 곡선 (32) 에 따라, 기간 A 에 있어서의 제로보다 큰 피치각 변화율 VA 와 기간 B 에 있어서의 피치각 변화율 VB (＞ VA) 사이에서 피치각 변화율을 스텝상으로 변화시킨다.
다른 실시형태에서는, 도 4(A) 에 나타내는 피치각 변화율 곡선 (33, 34) 과 같이, 제 1 기간을 포함하는 기간 A 의 피치각 변화율 VA 와 제 2 기간을 포함하는 기간 B 의 피치각 변화율 VB 중 적어도 일방을 임의의 함수 F(t) 에 기초하여 설정해도 된다. 즉, 피치각 변화율 VA 또는 피치각 변화율 VB 는, 시간의 경과와 함께 연속적으로 변화시켜도 된다.
몇 가지 실시형태에서는, 제 1 기간으로부터 제 2 기간으로의 이행시에 제 1 변화율로부터 제 2 변화율로 피치각 변화율을 단조 증가시키고, 또한, 제 2 기간으로부터 제 1 기간으로의 이행시에 제 2 변화율로부터 제 1 변화율로 피치각 변화율을 단조 감소시킨다.
이와 같이, 제 1 기간으로부터 제 2 기간으로의 이행시에는, 제 1 변화율로부터 제 2 변화율로 피치각의 변화율을 단조 증가시키고, 제 2 기간으로부터 제 1 기간으로의 이행시에는, 제 2 변화율로부터 제 1 변화율로 피치각의 변화율을 단조 감소 시킴으로써, 피치 제어에 의한 풍력 발전기 (1) 의 정지 동작을 원활하게 실시할 수 있다.
그 경우, 구체적으로는, 상기 서술한 피치각 변화율 곡선 (31, 32) 과 같이 피치각 변화율을 스텝상으로 증대 또는 감소시켜도 되고, 피치각 변화율 곡선 (33, 34) 과 같이 제 1 기간과 제 2 기간의 사이에서 서서히 피치각 변화율을 증대 또는 감소시켜도 된다.
피치각 변화율을 스텝상으로 증대 또는 감소시키는 경우, 피치각 변화율 곡선 (31, 32) 에 따라, 풍력 발전기 (1) 가 가장 전경 자세가 되는 시각 (t2) 에 있어서 피치각 변화율을 스텝상으로 증대시키고, 풍력 발전기 (1) 가 가장 후경 자세가 되는 시각 (t4) 에 있어서 피치각 변화율을 스텝상으로 저감시켜도 된다. 풍력 발전기 (1) 가 가장 전경 자세가 되는 시각 (t2) 직전에 있어서는 풍력 발전기 (1) 의 전방 (풍상측) 으로의 경사 동작을 억제하기 위해서 스러스트력의 저감을 억제하고, 시각 (t2) 직후에 있어서는 풍력 발전기 (1) 의 후방 (풍하측) 으로의 경사 동작을 완화하기 위해서 로터 (4) 에 대한 스러스트력의 저감을 촉진하는 것이 바람직하다. 한편, 풍력 발전기 (1) 가 가장 후경 자세가 되는 시각 (t4) 직전에 있어서는 풍력 발전기 (1) 의 후방 (풍하측) 으로의 경사 동작을 완화하기 위해서 스러스트력의 저감을 촉진하고, 시각 (t4) 직후에 있어서는 풍력 발전기 (1) 의 전방 (풍상측) 으로의 경사 동작을 억제하기 위해서 로터 (4) 에 대한 스러스트력의 저감을 억제하는 것이 바람직하다. 즉, 풍력 발전기 (1) 가 가장 전경 자세가 되는 시각 (t2), 및, 풍력 발전기 (1) 가 가장 후경 자세가 되는 시각 (t4) 에 있어서는, 그 시각의 전후에 있어서의 스러스트력의 요구가 정반대가 된다. 따라서, 시각 (t2) 및 시각 (t4) 에 있어서 스텝상으로 피치각 변화율을 변화시킴으로써, 보다 효과적으로 부체 (10) 의 동요를 억제하면서 풍력 발전기 (1) 의 정지 동작을 원활하게 실시할 수 있다.
서서히 피치각 변화율을 증대 또는 감소시키는 경우, 피치각 변화율 곡선 (33) 과 같이, 풍력 발전기 (1) 가 연직 자세인 시각 (t1) 으로부터 전방 (풍상측) 으로 경사져 연직 자세로 되돌아가는 시각 (t3) 까지 직선적으로 피치각 변화율을 증대시키고, 시각 (t3) 으로부터 풍력 발전기 (1) 가 후방 (풍하측) 으로 경사져 연직 자세로 되돌아가는 시각 (t5) 까지 직선적으로 피치각 변화율을 감소시켜도 된다. 혹은, 피치각 변화율 곡선 (34) 과 같이, 풍력 발전기 (1) 가 연직 자세인 시각 (t1) 으로부터 전방 (풍상측) 으로 경사져 연직 자세로 되돌아가는 시각 (t3) 까지 곡선적으로 피치각 변화율을 증대시키고, 시각 (t3) 으로부터 풍력 발전기 (1) 가 후방 (풍하측) 으로 경사져 연직 자세로 되돌아가는 시각 (t5) 까지 곡선적으로 피치각 변화율을 감소시켜도 된다.
여기서, 도 5 를 참조하여, 풍력 발전기 (1) 의 정지시의 피치 제어에 대하여 설명한다. 또한, 여기서는 일례로서, 도 3 및 도 4 에 나타내는 바와 같이, 기간 A 에 있어서의 블레이드 (2) 의 피치각 변화율이 기간 B 에 있어서의 블레이드 (2) 의 피치각 변화율보다 작아지도록 블레이드 (2) 를 피치 제어하는 경우에 대하여 설명한다.
도 5 에 나타내는 바와 같이, 풍력 발전기 (1) 의 피치 제어부 (22) 에 정지 지령이 부여되면 (S11), 풍력 발전기 (1) 의 경사 동작 정보를 취득한다 (S12). 여기서, 경사 동작 정보는, 풍력 발전기 (1) 의 경사각 변화율 또는 경사 방향이어도 된다. 또, 경사각 변화율 또는 경사 방향은, 가속도 센서 (25) 나 자세 검출 센서 등의 각종 센서로부터 취득되어도 된다.
계속해서, 경사 동작 정보에 기초하여, 현재 풍력 발전기 (1) 의 동작에 대응하는 기간이 풍력 발전기 (1) 가 풍상으로 경사 중인 기간 A 에 해당하는지 여부를 판정한다 (S13). 현재 풍력 발전기 (1) 의 동작에 대응하는 기간이 기간 A 인 경우, 피치각 변화율 VA 를 설정한다 (S14). 현재 풍력 발전기 (1) 의 동작에 대응하는 기간이 기간 A 가 아닌 경우, 기간 B 라고 판단하고, 피치각 변화율 VB 를 설정한다 (S15). 이 때, 피치각 변화율 VA 는, 피치각 변화율 VB 보다 작다. 그리고, 설정된 피치각 변화율 VA 또는 피치각 변화율 VB 를 지령값으로서 피치 조절 기구 (21) 에 입력하고, 피치 조절 기구 (21) 에 의해 블레이드 (2) 의 피치각을 증대시킨다 (S16). 피치 제어부 (22) 에는 미리 목표 피치각 (예를 들어, 최대각) 이 설정되어 있고, 피치 제어부 (22) 에 의해 블레이드 (2) 의 피치각이 목표 피치각에 도달했는지 여부를 판정하고 (S17), 목표 피치각에 도달했으면 피치 제어를 종료한다.
다음으로, 도 6 ∼ 도 8 을 참조하여, 다른 실시형태에 있어서의 풍력 발전기의 정지시의 피치 제어에 대하여 설명한다.
도 6 은, 본 발명의 다른 실시형태에 있어서의 풍력 발전기의 정지시의 피치 제어를 설명하는 도면이며, (A) 는 피치각의 시계열 변화를 나타내는 도면이고, (B) 는 풍력 발전기의 경사각의 시계열 변화를 나타내는 도면이고, (C) 는 풍력 발전기의 운동을 나타내는 도면이다. 도 7 은, 본 발명의 다른 실시형태에 있어서의 풍력 발전기의 정지시의 피치 제어를 설명하는 도면이며, (A) 는 풍력 발전기의 피치각 변화율선을 나타내는 도면이고, (B) 는 풍력 발전기의 운동을 나타내는 도면이고, (C) 는 풍력 발전기의 피치각 변화율의 변형예를 나타내는 도면이다. 도 8 은, 본 발명의 다른 실시형태에 관련된 풍력 발전기의 정지시의 피치 제어를 설명하는 플로우 차트이다. 또한, 도 6 및 도 7 에 나타내는 시각 (t1 ∼ t5) 및 제 1 기간, 제 2 기간은, 상기 서술한 도 3 및 도 4 와 일치한다.
도 6(B) 에 나타내는 바와 같이, 부체 (10) 의 동요에 의한 풍력 발전기 (1) 의 경사각은 이하와 같이 추이한다. 즉, 풍력 발전기 (1) 의 경사각은, 풍하측으로부터 풍상측으로의 경사 동작 중이고 또한 연직 자세의 시각 (t1) 에서 0 이 되고, 가장 전경 자세의 시각 (t2) 에서 최소가 된다. 또한, 경사각은, 전경 자세로부터 풍하측으로의 경사 동작 중이고 또한 연직 자세의 시각 (t3) 에서 0 이 되고, 가장 후경 자세의 시각 (t4) 에서 최대가 된다.
또한, 도 6(B) 에서는, 풍력 발전 장치 (1) 의 풍상측으로의 경사각을 부로 하고, 풍하측으로의 경사각을 정으로 하고 있다.
일 실시형태에 있어서, 피치 제어부 (22) 는, 블레이드 (2) 의 피치각을 증대시킬 때에, 블레이드 (2) 의 피치각이 목표 피치각 (예를 들어, 최대각) 에 도달할 때까지, 블레이드 (2) 의 피치각 변화율 (피치 레이트) 의 지령값을 연산하여 피치 조절 기구 (21) 에 부여한다. 도 7(A) 는 피치 조절 기구 (21) 에 부여하는 지령값의 시계열 데이터인 피치각 변화율 곡선을 나타낸다. 동 도면에는, 4 패턴의 피치각 변화율 곡선 (35 ∼ 38) 을 나타내고 있지만, 도 6(A) 의 피치각에 대응하는 것은 실선으로 나타내는 피치각 변화율 곡선 (35) 이다.
일 실시형태에 있어서, 도 6(A) 및 도 7(A) 에 나타내는 바와 같이, 피치 제어부 (22) 는, 풍력 발전기 (1) 가 풍상측으로 경사진 자세를 갖는 전체 기간에 있어서의 블레이드 (2) 의 피치각의 변화율이, 풍력 발전기 (1) 가 풍하측으로 경사진 자세를 갖는 전체 기간에 있어서의 블레이드 (2) 의 피치각의 변화율보다 작아지도록, 피치 조절 기구 (21) 를 제어하여 블레이드 (2) 의 피치각을 증대시켜도 된다. 즉, 시각 (t1) 으로부터 시각 (t3) 까지의 기간 C 에 있어서는 피치각 변화율 곡선 (35) 에 따라 피치각 변화율을 0 으로 하여 피치각을 일정하게 유지하고, 시각 (t3) 으로부터 시각 (t5) 까지의 기간 D 에서는 피치각 변화율 곡선 (35) 에 따라 피치각 변화율을 0 보다 큰 값으로 하여, 피치각을 일정 속도로 증대시킨다.
부체식 풍력 발전 장치 (100) 에 있어서는, 풍력 발전기 (1) 의 자세는 가능한 한 연직 자세로 유지되는 것이 바람직하다. 그래서, 풍력 발전기 (1) 를 피치 제어에 의해 정지시킬 때, 풍력 발전기 (1) 의 자세를 고려하여, 풍력 발전기 (1) 가 풍상측으로 경사진 자세를 갖는 전체 기간에 있어서, 풍력 발전기 (1) 가 풍하측으로 경사진 자세를 갖는 전체 기간에 비해 피치각의 변화율 (증대 속도) 을 작게 하면, 풍력 발전기 (1) 가 연직 자세로 되돌아가는 동작을 촉진할 수 있다. 즉, 풍력 발전기 (1) 가 풍상측으로 경사진 자세를 갖는 전체 기간에서는, 풍력 발전기 (1) 가 연직 자세로 되돌아가는 동작을 촉진하는 공력적 스러스트력의 감소를 억제하면서, 풍력 발전기 (1) 가 풍하측으로 경사진 자세를 갖는 전체 기간에서는, 풍력 발전기 (1) 가 연직 자세로 되돌아가는 동작을 저해하는 공력적 스러스트력의 감소를 촉진할 수 있다.
또한, 상기 서술한 실시형태에서는, 기간 C 의 피치각 변화율을 0 으로 하여 피치각을 일정하게 유지하고, 기간 D 의 피치각 변화율을 0 보다 큰 값으로 하고, 피치각을 일정 속도로 증대시키는 예를 나타냈지만, 도 7(A) 에 나타내는 피치각 변화율 곡선 (36) 과 같이, 기간 C 의 피치각 변화율은, 0 보다 크고, 또한, 기간 D 의 피치각 변화율보다 작은 값으로 해도 된다. 또, 피치각 변화율 곡선 (37, 38) 과 같이, 기간 C 의 피치각 변화율과 기간 D 의 피치각 변화율 중 적어도 일방을 시간과 함께 변화시켜도 된다.
또, 도 7(A) 에 나타내는 바와 같이, 제 1 기간으로부터 제 2 기간으로의 이행시에 제 1 변화율로부터 제 2 변화율로 피치각 변화율을 단조 증가시키고, 또한, 제 2 기간으로부터 제 1 기간으로의 이행시에 제 2 변화율로부터 제 1 변화율로 피치각 변화율을 단조 감소시켜도 된다.
그 경우, 구체적으로는, 상기 서술한 피치각 변화율 곡선 (35, 36) 과 같이 피치각 변화율을 스텝상으로 증대 또는 감소시켜도 되고, 피치각 변화율 곡선 (37, 38) 과 같이 제 1 기간과 제 2 기간 사이에서 서서히 피치각 변화율을 증대 또는 감소시켜도 된다.
피치각 변화율을 스텝상으로 증대 또는 감소시키는 경우, 피치각 변화율 곡선 (35, 36) 에 따라, 풍력 발전기 (1) 가 전방 (풍상측) 으로 경사지기 직전의 연직 자세인 시각 (t1) 에 있어서 피치각 변화율을 스텝상으로 감소시키고, 풍력 발전기 (1) 가 전방으로 경사져 연직 자세로 되돌아가는 시각 (t3) 에 있어서 피치각 변화율을 스텝상으로 증대시켜도 된다.
서서히 피치각 변화율을 증대 또는 감소시키는 경우, 피치각 변화율 곡선 (37) 과 같이, 풍력 발전기 (1) 가 가장 전경 자세가 되는 시각 (t2) 으로부터 후방 (풍하측) 으로 경사져 가장 후경 자세가 되는 시각 (t4) 까지 직선적으로 피치각 변화율을 증대시키고, 시각 (t4) 으로부터 전방 (풍상측) 으로 경사져 가장 전경 자세가 되는 시각까지 직선적으로 피치각 변화율을 감소시켜도 된다.
혹은, 피치각 변화율 곡선 (38) 과 같이, 풍력 발전기 (1) 가 가장 전경 자세가 되는 시각 (t2) 으로부터 후방 (풍하측) 으로 경사져 가장 후경 자세가 되는 시각 (t4) 까지 곡선적으로 피치각 변화율을 증대시키고, 시각 (t4) 으로부터 전방 (풍상측) 으로 경사져 가장 전경 자세가 되는 시각까지 곡선적으로 피치각 변화율을 감소시켜도 된다.
나아가 또, 도 7(A) 에 나타낸 피치각 변화율 곡선 (35, 37, 38) 을, 도 7(C) 의 변형예에 나타내는 바와 같이, 시계열적으로 상류측으로 오프셋한 피치각 변화율 곡선 (35', 37', 38') 에 따라, 블레이드 (2) 의 피치 제어를 실시하도록 해도 된다. 이 때, 피치각 변화율 곡선 (35, 37, 38) 의 오프셋량은, 제 1 기간에 있어서의 피치각 변화율이 제 2 기간에 있어서의 피치각 변화율보다 작아지는 범위이면 특별히 한정되지 않는다.
다음으로, 도 8 을 참조하여, 풍력 발전기 (1) 의 정지시의 피치 제어에 대하여 설명한다. 또한, 여기서는 일례로서, 도 6 및 도 7 에 나타내는 바와 같이, 기간 C 에 있어서의 블레이드 (2) 의 피치각 변화율이 기간 D 에 있어서의 블레이드 (2) 의 피치각 변화율보다 작아지도록 블레이드 (2) 를 피치 제어하는 경우에 대하여 설명한다.
도 8 에 나타내는 바와 같이, 풍력 발전기 (1) 의 피치 제어부 (22) 에 정지 지령이 부여되면 (S21), 풍력 발전기 (1) 의 자세 정보를 취득한다 (S22). 여기서, 자세 정보는, 풍력 발전기 (1) 의 경사각이어도 된다. 또, 경사각은, 가속도 센서 (25) 나 자세 검출 센서 등의 각종 센서로부터 취득되어도 된다.
계속해서, 자세 정보에 기초하여, 현재 풍력 발전기 (1) 의 동작에 대응하는 기간이, 풍력 발전기 (1) 가 풍상측으로 경사진 자세를 갖는 기간 C 에 해당하는지 여부를 판정한다 (S23). 현재 풍력 발전기 (1) 의 자세에 대응하는 기간이 기간 C 인 경우, 피치각 변화율 VC 를 설정한다 (S24). 현재 풍력 발전기 (1) 의 동작에 대응하는 기간이 기간 C 가 아닌 경우, 기간 D 라고 판단하고, 피치각 변화율 VD 를 설정한다 (S25). 여기서, 피치각 변화율 VC 는, 피치각 변화율 VD 보다 작다. 그리고, 설정된 피치각 변화율 VC 또는 피치각 변화율 VD 를 지령값으로서 피치 조절 기구 (21) 에 입력하고, 피치 조절 기구 (21) 에 의해 블레이드 (2) 의 피치각을 증대시킨다 (S26). 피치 제어부 (22) 에는 미리 목표 피치각 (예를 들어, 최대각) 이 설정되어 있고, 피치 제어부 (22) 에 의해 블레이드 (2) 의 피치각이 목표 피치각에 도달했는지 여부를 판정하고 (S27), 목표 피치각에 도달했으면 피치 제어를 종료한다.
이상 설명한 바와 같이, 상기 서술한 실시형태에 의하면, 풍력 발전기 (1) 의 정지시에 있어서, 부체 동요의 억제에 유리하게 작용하는 제 1 기간 중에 있어서의 공력적 스러스트력의 감소를 억제하면서, 부체 동요의 억제에 불리하게 작용하는 제 2 기간 중에 있어서의 공력적 스러스트력의 감소를 촉진할 수 있다. 따라서, 부체 동요를 억제하면서 풍력 발전기 (1) 의 정지 동작을 실시할 수 있다.
(풍력 발전기의 기동시에 있어서의 피치 제어)
도 9 는, 본 발명의 실시형태에 있어서의 풍력 발전기의 기동시의 피치 제어를 설명하는 도면이며, (A) 는 피치각의 시계열 변화를 나타내는 도면이고, (B) 는 풍력 발전기의 경사각 변화율의 시계열 변화를 나타내는 도면이고, (C) 는 풍력 발전기의 운동을 나타내는 도면이다. 도 10 은, 본 발명의 실시형태에 있어서의 풍력 발전기의 기동시의 피치 제어를 설명하는 도면이며, (A) 는 풍력 발전기의 피치각 변화율을 나타내는 도면이고, (B) 는 풍력 발전기의 운동을 나타내는 도면이다. 도 11 은, 본 발명의 실시형태에 관련된 풍력 발전기 (1) 의 기동시의 피치 제어를 설명하는 플로우 차트이다.
도 9(A) 는 풍력 발전기 (1) 의 블레이드 (2) 의 피치각의 시계열 변화를 나타낸다. 피치 제어부 (22) 에 기동 지령이 입력되면, 피치 제어부 (22) 는, 피치 조절 기구 (21) 를 제어하여, 블레이드 (2) 에 작용하는 양력이 증대하도록 블레이드 (2) 의 피치각을 감소시킨다. 즉, 운전 정지시에는 블레이드 (2) 에 양력이 작용하지 않도록 피치각은 페더측에 설정되어 있으므로, 풍력 발전기 (1) 의 기동시에는 피치각을 페더측으로부터 파인측으로 이행시킨다.
일 실시형태에 있어서, 피치 제어부 (22) 는, 블레이드 (2) 의 피치각을 감소시킬 때에, 블레이드 (2) 의 피치각이 목표 피치각 (예를 들어, 0 도) 에 도달할 때까지, 블레이드 (2) 의 피치각 변화율 (피치 레이트) 의 지령값을 연산하여 피치 조절 기구 (21) 에 부여한다. 도 10(A) 는 피치 조절 기구 (21) 에 부여하는 지령값의 시계열 데이터인 피치각 변화율 곡선을 나타낸다. 동 도면에는, 4 패턴의 피치각 변화율 곡선 (41 ∼ 44) 을 나타내고 있지만, 도 9(A) 의 피치각에 대응하는 것은 실선으로 나타내는 피치각 변화율 곡선 (41) 이다.
여기서, 풍력 발전기 (1) 가 연직 방향보다 풍상측으로 경사지는 동작 중의 제 3 기간에서는, 로터 (4) 가 바람으로부터 받는 스러스트력은, 풍력 발전기 (1) 의 풍상측으로의 가속도의 저감 요인이고, 부체 (10) 의 동요를 억제하는 데에 유리하게 작용한다. 그 때문에, 블레이드 (2) 의 피치각의 감소에 의해 블레이드 (2) 에 작용하는 양력을 증가시켜 풍력 발전기 (1) 를 기동할 때, 제 3 기간에 있어서의 블레이드 (2) 의 피치각의 급격한 감소는 풍력 발전기 (1) 의 풍상측으로의 가속도의 저감 요인이 커지는 것을 의미하며, 부체 동요의 억제에 기여할 수 있다. 이에 반해, 풍력 발전기 (1) 가 연직 방향보다 풍하측으로 경사지는 동작 중의 제 4 기간에서는, 로터 (4) 가 바람으로부터 받는 스러스트력은 풍력 발전기 (1) 의 풍하측으로의 가속도의 증대 요인이고, 부체 (10) 의 동요를 억제하는 데에 불리하게 작용한다. 그 때문에, 블레이드 (2) 의 피치각의 감소에 의해 블레이드 (2) 에 작용하는 양력을 증가시켜 풍력 발전기 (1) 를 기동할 때, 제 4 기간에 있어서의 블레이드 (2) 의 피치각의 급격한 감소는 풍력 발전기 (1) 의 풍하측으로의 가속도의 증대 요인이 커지는 것을 의미하며, 부체 (10) 의 동요가 증폭될 수 있다.
그래서, 몇 가지 실시형태에서는, 부체 (10) 의 동요와 로터 (4) 가 받는 공력적인 스러스트력 사이의 상기 관계성을 고려하여 이하의 피치 제어를 실시한다.
즉, 피치 제어부 (22) 는, 풍력 발전기 (1) 가 연직 방향보다 풍상측으로 경사지는 동작 중의 제 3 기간에 있어서의 블레이드 (2) 의 피치각의 제 3 변화율 (감소 속도) 이, 풍력 발전기 (1) 가 연직 방향보다 풍하측으로 경사지는 동작 중의 제 4 기간에 있어서의 블레이드 (2) 의 피치각의 제 4 변화율 (감소 속도) 보다 커지도록 블레이드 (2) 의 피치각을 감소시킨다. 도 9(A) 및 도 10(A) 에 나타내는 예에서는, 피치각 변화율 곡선 (41) 에 따라, 시각 (t1) 으로부터 시각 (t2) 까지의 제 3 기간에 있어서 피치각 변화율을 0 보다 큰 값으로 하여, 피치각을 일정 속도로 증대시키고, 시각 (t3) 으로부터 시각 (t4) 까지의 제 4 기간에 있어서 피치각 변화율을 0 으로 하여, 피치각을 일정하게 유지하고 있다.
이와 같이, 제 3 기간에 있어서의 피치각의 제 3 변화율 (감소 속도) 을 제 4 기간에 있어서의 피치각의 제 4 변화율 (감소 속도) 보다 크게 함으로써, 부체 동요의 억제에 유리하게 작용하는 제 3 기간 중에 있어서의 공력적 스러스트력의 증대를 촉진하면서, 부체 동요의 억제에 불리하게 작용하는 제 4 기간 중에 있어서의 공력적 스러스트력의 증대를 억제할 수 있다. 따라서, 부체 동요를 억제하면서 풍력 발전기의 기동 동작을 실시할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 도 9(A) 및 도 10(A) 에 나타내는 바와 같이, 피치 제어부 (22) 는, 풍력 발전기 (1) 의 풍상측으로의 경사 동작 중의 전체 기간 (기간 E) 에 있어서의 블레이드 (2) 의 피치각의 변화율이, 풍력 발전기 (1) 의 풍하측으로의 경사 동작 중의 전체 기간 (기간 F) 에 있어서의 블레이드 (2) 의 피치각의 변화율보다 커지도록, 피치 조절 기구 (21) 를 제어하여 블레이드 (2) 의 피치각을 감소시켜도 된다. 도 9(A) 및 도 10(A) 에 나타내는 예시적인 실시형태에서는, 피치각 변화율 곡선 (41) 에 따라, 시각 (t1) 으로부터 시각 (t2) 및 시각 (t4) 으로부터 시각 (t5) 까지의 기간 E 에 있어서의 피치각 변화율을 제로보다 큰 값으로 하고, 시각 (t2) 으로부터 시각 (t4) 까지의 기간 F 에 있어서의 피치각 변화율을 제로로 한다.
풍력 발전기 (1) 의 풍상측으로의 경사 동작 중의 전체 기간 (기간 E) 에 있어서, 로터 (4) 가 바람으로부터 받는 스러스트력은, 부체 (10) 의 동요에 수반하여 풍상측을 향하는 풍력 발전기 (1) 의 경사 동작의 억제에 기여한다. 한편, 풍력 발전기 (1) 의 풍하측으로의 경사 동작 중의 전체 기간 (기간 F) 에 있어서는, 로터 (4) 가 바람으로부터 받는 스러스트력은, 부체 (10) 의 동요에 수반하여 풍하측을 향하는 풍력 발전기 (1) 의 경사 동작을 조장한다. 그래서, 풍력 발전기 (1) 를 피치 제어에 의해 기동시킬 때, 풍력 발전기의 경사 동작 방향을 고려하여, 풍력 발전기 (1) 의 풍상측으로의 경사 동작 중의 전체 기간 (기간 E) 에 있어서, 풍력 발전기 (1) 의 풍하측으로의 경사 동작 중의 전체 기간 (기간 F) 에 비해 피치각의 변화율 (감소 속도) 을 크게 하면, 부체 동요를 효과적으로 억제하면서 풍력 발전기 (1) 의 기동 동작을 실시할 수 있다. 즉, 풍력 발전기 (1) 의 풍상측으로의 경사 동작 중의 전체 기간 (기간 E) 에서는, 경사 동작 (부체 동요) 의 억제에 유리하게 작용하는 공력적 스러스트력의 증대를 촉진하면서, 풍력 발전기 (1) 의 풍하측으로의 경사 동작 중의 전체 기간 (기간 F) 에서는, 경사 동작 (부체 동요) 의 억제에 불리하게 작용하는 공력적 스러스트력의 증대를 억제할 수 있다.
몇 가지 실시형태에서는, 풍력 발전기 (1) 가 가장 전경하는 시각 (t2) 및 풍력 발전기 (1) 가 가장 후경하는 시각 (t4) 에 있어서, 기간 E 에 있어서의 피치각 변화율 VE 와 기간 F 에 있어서의 피치각 변화율 VF (＜ VE) 사이에서, 피치각 변화율을 스텝상으로 변화시킨다.
일 실시형태에서는, 도 10(A) 에 나타내는 피치각 변화 곡선 (41) 에 따라, 기간 E 에 있어서의 피치각 변화율 VE (＞ 0) 와 기간 F 에 있어서의 피치각 변화율 VF (=0) 사이에서 피치각 변화율을 스텝상으로 변화시킨다. 다른 실시형태에서는, 도 10(A) 에 나타내는 피치각 변화 곡선 (42) 에 따라, 기간 E 에 있어서의 피치각 변화율 VE 와 기간 F 에 있어서의 제로보다 큰 피치각 변화율 VF (＜ VE) 사이에서 피치각 변화율을 스텝상으로 변화시킨다.
다른 실시형태에서는, 도 10(A) 에 나타내는 피치각 변화율 곡선 (43, 44) 과 같이, 제 3 기간을 포함하는 기간 E 의 피치각 변화율 VE 와, 제 4 기간을 포함하는 기간 F 의 피치각 변화율 VF 중 적어도 일방을 임의의 함수 F(t) 에 기초하여 설정해도 된다. 즉, 피치각 변화율 VE 또는 피치각 변화율 VF 는, 시간 경과와 함께 연속적으로 변화시켜도 된다.
몇 가지 실시형태에서는, 제 3 기간으로부터 제 4 기간으로의 이행시에 제 3 변화율로부터 제 4 변화율로 피치각 변화율을 단조 감소시키고, 또한, 제 4 기간으로부터 제 3 기간으로의 이행시에 제 4 변화율로부터 제 3 변화율로 피치각 변화율을 단조 증가시킨다.
이와 같이, 제 3 기간으로부터 제 4 기간으로의 이행시에는, 제 3 변화율로부터 제 4 변화율로 피치각의 변화율을 단조 감소시키고, 제 4 기간으로부터 제 3 기간으로의 이행시에는, 제 4 변화율로부터 제 3 변화율로 피치각의 변화율을 단조 증가시킴으로써, 피치 제어에 의한 풍력 발전기 (1) 의 기동 동작을 원활하게 실시할 수 있다.
그 경우, 구체적으로는, 상기 서술한 피치각 변화율 곡선 (41, 42) 과 같이 피치각 변화율을 스텝상으로 증대 또는 감소시켜도 되고, 피치각 변화율 곡선 (43, 44) 과 같이 제 3 기간과 제 4 기간 사이에서 서서히 피치각 변화율을 증대 또는 감소시켜도 된다.
피치각 변화율을 스텝상으로 증대 또는 감소시키는 경우, 피치각 변화율 곡선 (41, 42) 에 따라, 풍력 발전기 (1) 가 가장 전경 자세가 되는 시각 (t2) 에 있어서 피치각 변화율을 스텝상으로 감소시키고, 풍력 발전기 (1) 가 가장 후경 자세가 되는 시각 (t4) 에 있어서 피치각 변화율을 스텝상으로 증대시켜도 된다. 풍력 발전기 (1) 가 가장 전경 자세가 되는 시각 (t2) 직전에 있어서는 풍력 발전기 (1) 의 전방 (풍상측) 으로의 경사 동작을 억제하기 위해서 스러스트력의 증대를 촉진하고, 시각 (t2) 직후에 있어서는 풍력 발전기 (1) 의 후방 (풍하측) 으로의 경사 동작을 완화하기 위해서 로터 (4) 에 대한 스러스트력의 증대를 억제하는 것이 바람직하다. 한편, 풍력 발전기 (1) 가 가장 후경 자세가 되는 시각 (t4) 직전에 있어서는 풍력 발전기 (1) 의 후방 (풍하측) 으로의 경사 동작을 완화하기 위해서 스러스트력의 증대를 억제하고, 시각 (t4) 직후에 있어서는 풍력 발전기 (1) 의 전방 (풍상측) 으로의 경사 동작을 억제하기 위해서 로터 (4) 에 대한 스러스트력의 증대를 촉진하는 것이 바람직하다. 즉, 풍력 발전기 (1) 가 가장 전경 자세가 되는 시각 (t2), 및, 풍력 발전기 (1) 가 가장 후경 자세가 되는 시각 (t4) 에 있어서는, 그 시각의 전후에 있어서의 스러스트력의 요구가 정반대가 된다. 따라서, 시각 (t2) 및 시각 (t4) 에 있어서 스텝상으로 피치각 변화율을 변화시킴으로써, 보다 효과적으로 부체 (10) 의 동요를 억제하면서 풍력 발전기 (1) 의 기동 동작을 원활하게 실시할 수 있다.
서서히 피치각 변화율을 증대 또는 감소시키는 경우, 피치각 변화율 곡선 (43) 과 같이, 풍력 발전기 (1) 가 연직 자세인 시각 (t1) 으로부터 전방 (풍상측) 으로 경사져 연직 자세로 되돌아가는 시각 (t3) 까지 직선적으로 피치각 변화율을 감소시키고, 시각 (t3) 으로부터 풍력 발전기 (1) 가 후방 (풍하측) 으로 경사져 연직 자세로 되돌아가는 시각 (t5) 까지 직선적으로 피치각 변화율을 증대시켜도 된다. 혹은, 피치각 변화율 곡선 (44) 과 같이, 풍력 발전기 (1) 가 연직 자세인 시각 (t1) 으로부터 전방 (풍상측) 으로 경사져 연직 자세로 되돌아가는 시각 (t3) 까지 곡선적으로 피치각 변화율을 감소시키고, 시각 (t3) 으로부터 풍력 발전기 (1) 가 후방 (풍하측) 으로 경사져 연직 자세로 되돌아가는 시각 (t5) 까지 곡선적으로 피치각 변화율을 증대시켜도 된다.
여기서, 도 11 을 참조하여, 풍력 발전기 (1) 의 기동시의 피치 제어에 대하여 설명한다. 또한, 여기서는 일례로서, 도 9 및 도 10 에 나타내는 바와 같이, 기간 E 에 있어서의 블레이드 (2) 의 피치각 변화율이 기간 F 에 있어서의 블레이드 (2) 의 피치각 변화율보다 커지도록 블레이드 (2) 를 피치 제어하는 경우에 대하여 설명한다.
도 11 에 나타내는 바와 같이, 풍력 발전기 (1) 의 피치 제어부 (22) 에 기동 지령이 부여되면 (S31), 풍력 발전기 (1) 의 경사 동작 정보를 취득한다 (S32). 여기서, 경사 동작 정보는, 풍력 발전기 (1) 의 경사각 변화율 또는 경사 방향이어도 된다. 또, 경사각 변화율 또는 경사 방향은, 가속도 센서 (25) 나 자세 검출 센서 등의 각종 센서로부터 취득되어도 된다.
계속해서, 경사 동작 정보에 기초하여, 현재 풍력 발전기 (1) 의 동작에 대응하는 기간이, 풍력 발전기 (1) 가 풍상으로 경사 중인 기간 E 에 해당하는지 여부를 판정한다 (S33). 현재 풍력 발전기 (1) 의 동작에 대응하는 기간이 기간 E 인 경우, 피치각 변화율 VE 를 설정한다 (S34). 현재 풍력 발전기 (1) 의 동작에 대응하는 기간이 기간 E 가 아닌 경우, 기간 F 라고 판단하고, 피치각 변화율 VF 를 설정한다 (S35). 이 때, 피치각 변화율 VE 는, 피치각 변화율 VF 보다 작다. 그리고, 설정된 피치각 변화율 VE 또는 피치각 변화율 VF 를 지령값으로서 피치 조절 기구 (21) 에 입력하고, 피치 조절 기구 (21) 에 의해 블레이드 (2) 의 피치각을 감소시킨다 (S36). 피치 제어부 (22) 에는 미리 목표 피치각 (예를 들어, 0 도) 이 설정되어 있고, 피치 제어부 (22) 에 의해 블레이드 (2) 의 피치각이 목표 피치각에 도달했는지 여부를 판정하고 (S37), 목표 피치각에 도달했으면 피치 제어를 종료한다.
다음으로, 도 12 ∼ 도 14 를 참조하여, 다른 실시형태에 있어서의 풍력 발전기의 기동시의 피치 제어에 대하여 설명한다.
도 12 는, 본 발명의 다른 실시형태에 있어서의 풍력 발전기의 기동시의 피치 제어를 설명하는 도면이며, (A) 는 피치각의 시계열 변화를 나타내는 도면이고, (B) 는 풍력 발전기의 경사각의 시계열 변화를 나타내는 도면이고, (C) 는 풍력 발전기의 운동을 나타내는 도면이다. 도 13 은, 본 발명의 다른 실시형태에 있어서의 풍력 발전기의 기동시의 피치 제어를 설명하는 도면이며, (A) 는 풍력 발전기의 피치각 변화율을 나타내는 도면이고, (B) 는 풍력 발전기의 운동을 나타내는 도면이다. 도 14 는, 본 발명의 다른 실시형태에 관련된 풍력 발전기의 기동시의 피치 제어를 설명하는 플로우 차트이다. 또한, 도 12 및 도 13 에 나타내는 시각 (t1 ∼ t5) 및 제 3 기간, 제 4 기간은, 상기 서술한 도 9 및 도 10 과 일치한다.
일 실시형태에 있어서, 피치 제어부 (22) 는, 블레이드 (2) 의 피치각을 감소시킬 때에, 블레이드 (2) 의 피치각이 목표 피치각 (예를 들어, 0 도) 에 도달할 때까지, 블레이드 (2) 의 피치각 변화율 (피치 레이트) 의 지령값을 연산하여 피치 조절 기구 (21) 에 부여한다. 도 13(A) 는 피치 조절 기구 (21) 에 부여하는 지령값의 시계열 데이터인 피치각 변화율 곡선을 나타낸다. 동 도면에는, 4 패턴의 피치각 변화율 곡선 (45 ∼ 48) 을 나타내고 있지만, 도 12(A) 의 피치각에 대응하는 것은 실선으로 나타내는 피치각 변화율 곡선 (45) 이다.
일 실시형태에 있어서, 도 12(A) 및 도 13(A) 에 나타내는 바와 같이, 피치 제어부 (22) 는, 풍력 발전기 (1) 가 풍상측으로 경사진 자세를 갖는 전체 기간에 있어서의 블레이드 (2) 의 피치각의 변화율이, 풍력 발전기 (1) 가 풍하측으로 경사진 자세를 갖는 전체 기간에 있어서의 블레이드 (2) 의 피치각의 변화율보다 커지도록, 피치 조절 기구 (21) 를 제어하여 블레이드 (2) 의 피치각을 감소시켜도 된다. 즉, 시각 (t1) 으로부터 시각 (t3) 까지의 기간 G 에 있어서는 피치각 변화율 곡선 (45) 에 따라 피치각 변화율을 0 보다 큰 값으로 하고, 피치각을 일정 속도로 감소시키고, 시각 (t3) 으로부터 시각 (t5) 까지의 기간 H 에서는 피치각 변화율 곡선 (45) 에 따라 피치각 변화율을 0 으로 하고, 피치각을 일정하게 유지한다.
부체식 풍력 발전 장치 (100) 에 있어서는, 풍력 발전기 (1) 의 자세는 가능한 한 연직 자세로 유지되는 것이 바람직하다. 그래서, 풍력 발전기 (1) 를 피치 제어에 의해 기동시킬 때, 풍력 발전기 (1) 의 자세를 고려하여, 풍력 발전기 (1) 가 풍상측으로 경사진 자세를 갖는 전체 기간에 있어서, 풍력 발전기 (1) 가 풍하측으로 경사진 자세를 갖는 전체 기간에 비해 피치각의 변화율 (감소 속도) 을 크게 하면, 풍력 발전기 (1) 가 연직 자세로 되돌아가는 동작을 촉진할 수 있다. 즉, 풍력 발전기 (1) 가 풍상측으로 경사진 자세를 갖는 전체 기간에서는, 풍력 발전기 (1) 가 연직 자세로 되돌아가는 동작을 촉진하는 공력적 스러스트력의 증대를 촉진하면서, 풍력 발전기 (1) 가 풍하측으로 경사진 자세를 갖는 전체 기간에서는, 풍력 발전기 (1) 가 연직 자세로 되돌아가는 동작을 저해하는 공력적 스러스트력의 증대를 억제할 수 있다.
또한, 상기 서술한 실시형태에서는, 기간 G 의 피치각 변화율을 0 보다 큰 값으로 하고, 피치각을 일정 속도로 감소시키고, 기간 H 의 피치각 변화율을 0 으로 하여 피치각을 일정하게 유지하는 예를 나타냈지만, 도 13(A) 에 나타내는 피치각 변화율 곡선 (46) 과 같이, 기간 H 의 피치각 변화율은 0 보다 크고, 또한, 기간 G 의 피치각 변화율보다 작은 값으로 해도 된다. 또, 피치각 변화율 곡선 (47, 48) 과 같이, 기간 C 의 피치각 변화율과 기간 D 의 피치각 변화율 중 적어도 일방을 시간과 함께 변화시켜도 된다.
또, 도 13(A) 에 나타내는 바와 같이, 제 3 기간으로부터 제 4 기간으로의 이행시에 제 3 변화율로부터 제 4 변화율로 피치각 변화율을 단조 감소시키고, 또한, 제 4 기간으로부터 제 3 기간으로의 이행시에 제 4 변화율로부터 제 3 변화율로 피치각 변화율을 단조 증가시켜도 된다.
그 경우, 구체적으로는, 상기 서술한 피치각 변화율 곡선 (45, 46) 과 같이 피치각 변화율을 스텝상으로 증대 또는 감소시켜도 되고, 피치각 변화율 곡선 (47, 48) 과 같이 제 3 기간과 제 4 기간 사이에서 서서히 피치각 변화율을 증대 또는 감소시켜도 된다.
피치각 변화율을 스텝상으로 증대 또는 감소시키는 경우, 피치각 변화율 곡선 (45, 46) 에 따라, 풍력 발전기 (1) 가 전방 (풍상측) 으로 경사지기 직전의 연직 자세인 시각 (t1) 에 있어서 피치각 변화율을 스텝상으로 증대시키고, 풍력 발전기 (1) 가 전방으로 경사져 연직 자세로 되돌아가는 시각 (t3) 에 있어서 피치각 변화율을 스텝상으로 감소시켜도 된다.
서서히 피치각 변화율을 증대 또는 감소시키는 경우, 피치각 변화율 곡선 (47) 과 같이, 풍력 발전기 (1) 가 가장 전경 자세가 되는 시각 (t2) 으로부터 후방 (풍하측) 으로 경사져 가장 후경 자세가 되는 시각 (t4) 까지 직선적으로 피치각 변화율을 감소시키고, 시각 (t4) 으로부터 전방 (풍상측) 으로 경사져 가장 전경 자세가 되는 시각까지 직선적으로 피치각 변화율을 증가시켜도 된다.
혹은, 피치각 변화율 곡선 (48) 과 같이, 풍력 발전기 (1) 가 가장 전경 자세가 되는 시각 (t2) 으로부터 후방 (풍하측) 으로 경사져 가장 후경 자세가 되는 시각 (t4) 까지 곡선적으로 피치각 변화율을 감소시키고, 시각 (t4) 으로부터 전방 (풍상측) 으로 경사져 가장 전경 자세가 되는 시각까지 곡선적으로 피치각 변화율을 증대시켜도 된다.
나아가 또, 도 13(A) 에 나타낸 피치각 변화율 곡선 (45, 46, 47, 48) 을 시계열적으로 상류측으로 오프셋한 피치각 변화율 곡선에 따라, 블레이드 (2) 의 피치 제어를 실시하도록 해도 된다. 이 때, 피치각 변화율 곡선 (45, 46, 47, 48) 의 오프셋량은, 제 3 기간에 있어서의 피치각 변화율이 제 4 기간에 있어서의 피치각 변화율보다 커지는 범위이면 특별히 한정되지 않는다.
다음으로, 도 14 를 참조하여, 풍력 발전기 (1) 의 기동시의 피치 제어에 대하여 설명한다. 또한, 여기서는 일례로서, 도 12 및 도 13 에 나타내는 바와 같이, 기간 G 에 있어서의 블레이드 (2) 의 피치각 변화율이 기간 H 에 있어서의 블레이드 (2) 의 피치각 변화율보다 커지도록 블레이드 (2) 를 피치 제어하는 경우에 대하여 설명한다.
도 14 에 나타내는 바와 같이, 풍력 발전기 (1) 의 피치 제어부 (22) 에 기동 지령이 부여되면 (S41), 풍력 발전기 (1) 의 자세 정보를 취득한다 (S42). 여기서, 자세 정보는, 풍력 발전기 (1) 의 경사각이어도 된다. 또, 경사각은, 가속도 센서 (25) 나 자세 검출 센서 등의 각종 센서로부터 취득되어도 된다.
계속해서, 자세 정보에 기초하여, 현재 풍력 발전기 (1) 의 동작에 대응하는 기간이, 풍력 발전기 (1) 가 풍상측으로 경사진 자세를 갖는 기간 G 에 해당하는지 여부를 판정한다 (S43). 현재 풍력 발전기 (1) 의 자세에 대응하는 기간이 기간 G 인 경우, 피치각 변화율 VG 를 설정한다 (S44). 현재 풍력 발전기 (1) 의 동작에 대응하는 기간이 기간 G 가 아닌 경우, 기간 H 라고 판단하고, 피치각 변화율 VH 를 설정한다 (S45). 여기서, 피치각 변화율 VG 는, 피치각 변화율 VH 보다 크다. 그리고, 설정된 피치각 변화율 VG 또는 피치각 변화율 VH 를 지령값으로서 피치 조절 기구 (21) 에 입력하고, 피치 조절 기구 (21) 에 의해 블레이드 (2) 의 피치각을 감소시킨다 (S46). 피치 제어부 (22) 에는 미리 목표 피치각 (예를 들어, 0 도) 이 설정되어 있고, 피치 제어부 (22) 에 의해 블레이드 (2) 의 피치각이 목표 피치각에 도달했는지 여부를 판정하고 (S47), 목표 피치각에 도달했으면 피치 제어를 종료한다.
이상 설명한 바와 같이, 상기 서술한 실시형태에 의하면, 풍력 발전기 (1) 의 기동시에 있어서, 부체 동요의 억제에 유리하게 작용하는 제 3 기간 중에 있어서의 공력적 스러스트력의 증대를 촉진하면서, 부체 동요의 억제에 불리하게 작용하는 제 4 기간 중에 있어서의 공력적 스러스트력의 증대를 억제할 수 있다. 따라서, 부체 동요를 억제하면서 풍력 발전기 (1) 의 기동 동작을 실시할 수 있다.
또, 일 실시형태에서는, 도 1 에 나타내는 풍력 발전기 (1) 의 정지시 또는 기동시에 있어서, 부체 (10) 의 동요에 대해 복원력으로서 작용하는 모멘트가 얻어지도록, 목표 피치각에 도달할 때까지의 동안, 복수의 블레이드 (2) 의 각 피치각 변화율을 각각 다르게 해도 된다. 예를 들어, 로터 회전면 내에 있어서의 각 블레이드 (2) 의 각도 위치에 따라 피치각 변화율을 다르게 한다. 구체적으로는, 정지시에 있어서, 풍력 발전기 (1) 가 연직 방향보다 전방 (풍상측) 으로 경사지는 동작 중에는, 로터 회전면의 상방에 위치하는 블레이드 (2) 의 피치각 변화율을 로터 회전면의 하방에 위치하는 블레이드 (2) 의 피치각 변화율보다 작게 한다. 이에 따라, 로터 회전면에서 스러스트력에 분포를 갖게 할 수 있고, 풍력 발전기 (1) 를 전경 자세로부터 연직 자세로 되돌리는 모멘트를 풍력 발전기 (1) 에 부여할 수 있다. 반대로, 풍력 발전기 (1) 가 연직 방향보다 후방 (풍하측) 으로 경사지는 동작 중에는, 로터 회전면의 하방에 위치하는 블레이드 (2) 의 피치각 변화율을 로터 회전면의 상방에 위치하는 블레이드 (2) 의 피치각 변화율보다 작게 함으로써, 부체 (10) 의 동요의 억제에 기여할 수 있다. 기동시에 있어서도, 복수의 블레이드 (2) 의 각 피치각 변화율을 각각 적절히 독립 제어함으로써, 부체 (10) 의 동요를 억제할 수 있다. 또한, 복수의 블레이드 (2) 의 각 피치각 변화율을 각각 다르게 하는 경우, 예를 들어, 도 4 에 나타내는 피치각 변화율 곡선에 있어서 각 블레이드 (2) 사이에서 위상을 갖게 함으로써 피치각 변화율을 각각 다르게 해도 되고, 각 블레이드 (2) 를 제어하는 피치 조절 기구 (21) 에 각각 개별의 피치각 변화율 곡선을 부여해도 된다.
또한, 다른 일 실시형태에서는, 풍력 발전기 (1) 의 정지시에 있어서, 상기 서술한 피치 제어 외에, 풍력 발전기 (1) 의 요 제어를 병용하여 로터 (4) 의 감속을 보조해도 된다. 그 경우, 풍력 발전 장치 (1) 는, 타워 (6) 에 대해 나셀 (5) 을 수평 방향으로 선회시키는 요 구동 기구와, 요 구동 기구를 제어하는 요 제어부를 추가로 구비한다. 그리고, 풍력 발전 장치 (1) 의 정지 지령이 입력되었을 때, 피치 제어에 병행하여 혹은 피치 제어에 전후하여, 로터 (4) 가 풍하측을 향하도록, 요 제어부에 의해 요 구동 기구를 제어한다. 이에 따라, 풍력 발전 장치 (1) 의 정지 동작을 신속히 실시하는 것이 가능해진다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대하여 상세하게 설명했지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에 있어서, 각종 개량이나 변형을 실시해도 되는 것은 말할 필요도 없다.
예를 들어, 상기 서술한 실시형태에서는, 업 윈도우 형식의 부체식 풍력 발전 장치를 예시하고 있지만, 다운 윈도우 형식의 부체식 풍력 발전 장치에도 적용 가능하다.
또, 상기 서술한 실시형태에서는, 풍력 발전기 (1) 의 정지·기동시에 있어서, 풍력 발전기 (1) 의 경사각 또는 풍력 발전기 (1) 의 경사각 변화율에 기초하여, 피치각 변화율 (피치각의 증대 속도 또는 감소 속도) 을 결정하는 예에 대하여 설명했지만, 피치각 변화율은 풍력 발전기 (1) 의 경사각 및 경사각 변화율의 양방에 기초하여 결정해도 된다. 또, 풍력 발전기 (1) 의 경사각이나 경사각 변화율과 같은 풍력 발전기 (1) 의 경사 정도를 나타내는 지표에 더하여, 로터 (4) 의 회전수, 현재의 피치각, 피치 제어를 개시하고 나서의 경과 시간 등의 다른 지표를 이용하여, 피치각 변화율 (피치각의 증대 속도 또는 감소 속도) 을 결정해도 된다.
1 : 풍력 발전 장치
2 : 블레이드
3 : 허브
3a : 허브 커버
4 : 로터
5 : 나셀
6 : 타워
10 : 부체
20 : 제어 장치
21 : 피치 조절 기구
22 : 피치 제어부
25 : 가속도 센서
26 : 자세 검출 센서
100 : 부체식 풍력 발전 장치

Claims (13)

  1. 부체 (浮體) 상에 풍력 발전기가 세워 설치된 부체식 풍력 발전 장치의 제어 방법으로서,
    상기 풍력 발전기를 정지하는 과정에서, 상기 풍력 발전기의 로터에 공력적 (空力的) 제동력이 부여되도록 상기 풍력 발전기의 블레이드의 피치각을 증대시키는 피치각 증대 스텝을 구비하고,
    상기 피치각 증대 스텝에서는, 상기 부체의 동요에 의해 상기 풍력 발전기가 연직 방향보다 풍상측으로 경사지는 동작 중의 제 1 기간에 있어서의 상기 블레이드의 상기 피치각의 제 1 변화율을, 상기 부체의 동요에 의해 상기 풍력 발전기가 연직 방향보다 풍하측으로 경사지는 동작 중의 제 2 기간에 있어서의 상기 블레이드의 상기 피치각의 제 2 변화율보다 작게 한 것을 특징으로 하는 부체식 풍력 발전 장치의 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 피치각 증대 스텝에서는, 상기 풍력 발전기의 풍상측으로의 경사 동작 중의 전체 기간에 있어서의 상기 블레이드의 피치각의 변화율이, 상기 풍력 발전기의 풍하측으로의 경사 동작 중의 전체 기간에 있어서의 상기 블레이드의 피치각의 변화율보다 작은 것을 특징으로 하는 부체식 풍력 발전 장치의 제어 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 피치각 증대 스텝에서는, 상기 풍력 발전기가 풍상측으로 경사진 자세를 갖는 전체 기간에 있어서의 상기 블레이드의 피치각의 변화율이, 상기 풍력 발전기가 풍하측으로 경사진 자세를 갖는 전체 기간에 있어서의 상기 블레이드의 피치각의 변화율보다 작은 것을 특징으로 하는 부체식 풍력 발전 장치의 제어 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피치각 증대 스텝에서는, 상기 제 1 기간으로부터 상기 제 2 기간으로의 이행시에 상기 제 1 변화율로부터 상기 제 2 변화율로 상기 피치각의 변화율을 단조 증가시키고, 상기 제 2 기간으로부터 상기 제 1 기간으로의 이행시에 상기 제 2 변화율로부터 상기 제 1 변화율로 상기 피치각의 변화율을 단조 감소시키는 것을 특징으로 하는 부체식 풍력 발전 장치의 제어 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 풍력 발전기를 기동하는 과정에서, 상기 풍력 발전기의 블레이드에 작용하는 양력 (揚力) 이 증대하도록 상기 블레이드의 피치각을 감소시키는 피치각 감소 스텝을 구비하고,
    상기 피치각 감소 스텝에서는, 상기 부체의 동요에 의해 상기 풍력 발전기가 연직 방향보다 풍상측으로 경사지는 동작 중의 제 3 기간에 있어서의 상기 블레이드의 상기 피치각의 제 3 변화율을, 상기 부체의 동요에 의해 상기 풍력 발전기가 연직 방향보다 풍하측으로 경사지는 동작 중의 제 4 기간에 있어서의 상기 블레이드의 상기 피치각의 제 4 변화율보다 크게 한 것을 특징으로 하는 부체식 풍력 발전 장치의 제어 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 피치각 감소 스텝에서는, 상기 풍력 발전기의 풍상측으로의 경사 동작 중의 전체 기간에 있어서의 상기 블레이드의 피치각의 변화율이, 상기 풍력 발전기의 풍하측으로의 경사 동작 중의 전체 기간에 있어서의 상기 블레이드의 피치각의 변화율보다 큰 것을 특징으로 하는 부체식 풍력 발전 장치의 제어 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 피치각 감소 스텝에서는, 상기 풍력 발전기가 풍상측으로 경사진 자세를 갖는 전체 기간에 있어서의 상기 블레이드의 피치각의 변화율이, 상기 풍력 발전기가 풍하측으로 경사진 자세를 갖는 전체 기간에 있어서의 상기 블레이드의 피치각의 변화율보다 큰 것을 특징으로 하는 부체식 풍력 발전 장치의 제어 방법.
  8. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피치각 감소 스텝에서는, 상기 제 3 기간으로부터 상기 제 4 기간으로의 이행시에 상기 제 3 변화율로부터 상기 제 4 변화율로 상기 피치각의 변화율을 단조 감소시키고, 상기 제 4 기간으로부터 상기 제 3 기간으로의 이행시에 상기 제 4 변화율로부터 상기 제 3 변화율로 상기 피치각의 변화율을 단조 증가시키는 것을 특징으로 하는 부체식 풍력 발전 장치의 제어 방법.
  9. 부체 상에 풍력 발전기가 세워 설치된 부체식 풍력 발전 장치의 제어 방법으로서,
    상기 풍력 발전기를 기동하는 과정에서, 상기 풍력 발전기의 블레이드에 작용하는 양력이 증대하도록 상기 블레이드의 피치각을 감소시키는 피치각 감소 스텝을 구비하고,
    상기 피치각 감소 스텝에서는, 상기 부체의 동요에 의해 상기 풍력 발전기가 연직 방향보다 풍상측으로 경사지는 동작 중의 제 3 기간에 있어서의 상기 블레이드의 상기 피치각의 제 3 변화율을, 상기 부체의 동요에 의해 상기 풍력 발전기가 연직 방향보다 풍하측으로 경사지는 동작 중의 제 4 기간에 있어서의 상기 블레이드의 상기 피치각의 제 4 변화율보다 크게 한 것을 특징으로 하는 부체식 풍력 발전 장치의 제어 방법.
  10. 부체와,
    상기 부체 상에 세워 설치되고, 블레이드가 허브에 장착된 로터와, 상기 블레이드의 피치각을 조절하기 위한 피치 조절 기구를 포함하는 풍력 발전기와,
    상기 풍력 발전기를 정지하는 과정에서, 상기 피치각의 증대에 의해 상기 로터에 공력적 제동력이 부여되도록 상기 피치 조절 기구를 제어하기 위한 피치 제어부를 구비하고,
    상기 피치 제어부는, 상기 부체의 동요에 의해 상기 풍력 발전기가 연직 방향보다 풍상측으로 경사지는 동작 중의 제 1 기간에 있어서의 상기 블레이드의 상기 피치각의 제 1 변화율을, 상기 부체의 동요에 의해 상기 풍력 발전기가 연직 방향보다 풍하측으로 경사지는 동작 중의 제 2 기간에 있어서의 상기 블레이드의 상기 피치각의 제 2 변화율보다 작게 하도록 구성된 것을 특징으로 하는 부체식 풍력 발전 장치.
  11. 부체와,
    상기 부체 상에 세워 설치되고, 블레이드가 허브에 장착된 로터와, 상기 블레이드의 피치각을 조절하기 위한 피치 조절 기구를 포함하는 풍력 발전기와,
    상기 풍력 발전기를 기동하는 과정에서, 상기 피치각의 감소에 의해 상기 블레이드에 작용하는 양력이 증대하도록 상기 피치 조절 기구를 제어하기 위한 피치 제어부를 구비하고,
    상기 피치 제어부는, 상기 부체의 동요에 의해 상기 풍력 발전기가 연직 방향보다 풍상측으로 경사지는 동작 중의 제 3 기간에 있어서의 상기 블레이드의 상기 피치각의 제 3 변화율을, 상기 부체의 동요에 의해 상기 풍력 발전기가 연직 방향보다 풍하측으로 경사지는 동작 중의 제 4 기간에 있어서의 상기 블레이드의 상기 피치각의 제 4 변화율보다 크게 하도록 구성된 것을 특징으로 하는 부체식 풍력 발전 장치.
  12. 블레이드가 허브에 장착된 로터와, 상기 블레이드의 피치각을 조절하기 위한 피치 조절 기구를 포함하는 풍력 발전기가 부체 상에 세워 설치된 부체식 풍력 발전 장치의 제어 장치로서,
    상기 풍력 발전기를 정지하는 과정에서, 상기 피치각의 증대에 의해 상기 로터에 공력적 제동력이 부여되도록 상기 피치 조절 기구를 제어하기 위한 피치 제어부를 구비하고,
    상기 피치 제어부는, 상기 부체의 동요에 의해 상기 풍력 발전기가 연직 방향보다 풍상측으로 경사지는 동작 중의 제 1 기간에 있어서의 상기 블레이드의 상기 피치각의 제 1 변화율을, 상기 부체의 동요에 의해 상기 풍력 발전기가 연직 방향보다 풍하측으로 경사지는 동작 중의 제 2 기간에 있어서의 상기 블레이드의 상기 피치각의 제 2 변화율보다 작게 하도록 구성된 것을 특징으로 하는 부체식 풍력 발전 장치의 제어 장치.
  13. 블레이드가 허브에 장착된 로터와, 상기 블레이드의 피치각을 조절하기 위한 피치 조절 기구를 포함하는 풍력 발전기가 부체 상에 세워 설치된 부체식 풍력 발전 장치의 제어 장치로서,
    상기 풍력 발전기를 기동하는 과정에서, 상기 피치각의 감소에 의해 상기 블레이드에 작용하는 양력이 증대하도록 상기 피치 조절 기구를 제어하기 위한 피치 제어부를 구비하고,
    상기 피치 제어부는, 상기 부체의 동요에 의해 상기 풍력 발전기가 연직 방향보다 풍상측으로 경사지는 동작 중의 제 3 기간에 있어서의 상기 블레이드의 상기 피치각의 제 3 변화율을, 상기 부체의 동요에 의해 상기 풍력 발전기가 연직 방향보다 풍하측으로 경사지는 동작 중의 제 4 기간에 있어서의 상기 블레이드의 상기 피치각의 제 4 변화율보다 크게 하도록 구성된 것을 특징으로 하는 부체식 풍력 발전 장치의 제어 장치.
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