KR101709126B1 - 부유식 해상용 풍력발전기의 자세안정화 제어방법 - Google Patents

부유식 해상용 풍력발전기의 자세안정화 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 부유식 해상용 풍력발전기는 해풍으로 회전되는 로터(3)에 의해 발전을 하는 풍력터빈(2)을 부력으로 수직하게 세운 플로터(5), 해풍과 파도의 변화에 의한 x,y,z 좌표계의 3차원 모션(3 dimension motion)중 y축의 피치모션(pitch motion)에 대해 상기 플로터(5)에 추력을 생성해 줌으로써, 상기 피치모션의 변화가 감소되고 상기 로터의 회전에 유리한 바람응시자세가 유지되도록 하는 자세안정화장치(10)를 포함하고, 해풍과 파도의 변화에 대해 트러스터(thruster)(40)의 추력을 이용함으로써 낮은 고유진동수(natural frequency)하에서도 부성저항효과(negative damping effect)로 발전되지 않는 시스템 안정성을 유지하고, 특히 3차원 모션중 상대적으로 가장 크게 형성되는 y축의 피치 모션을 감쇠하는 부가추력의 제어로 자세제어 안정화 효율성도 매우 우수한 특징을 갖는다.

Description

부유식 해상용 풍력발전기의 자세안정화 제어방법{Control Method for Stabilizing the Floating Offshore Wind Turbine}
본 발명은 해상용 풍력발전기 제어방법에 관한 것으로, 특히 해상 부유 환경 하에서 시스템의 자세를 시스템 추력제어로 안정화시키는 추력제어방식의 부유식 해상용 풍력발전기 및 자세안정화 제어방법에 관한 것이다.
최근 들어 친환경 및 대체에너지 수단으로 각광받는 풍력발전기는 발전설비 구축에 따른 많은 공간상 제약이 있는 육상을 벗어나 해상으로 그 공간 확장이 이루어지고 있다.
특히, 해상공간은 육상공간대비 안전성과 경제성이 낮음에도 불구하고, 발전설비에 필요한 입지제약 해소가 가능함과 더불어 풍속과 풍향의 변화가 적으면서 육상풍속의 약 1.5배 이상에 달하는 풍속 세기가 지속될 수 있다는 장점을 제공할 수 있다.
해상공간에 적용된 해상용 풍력발전기의 예로, 고정식 해상용 풍력발전기와 부유식 해상용 풍력발전기가 있다. 상기 고정식 해상용 풍력발전기는 해저기반 기초의 토대 위에 풍력발전기의 지지대를 고정함으로써 연근해에 주로 적용된다. 반면, 상기 부유식 해상용 풍력발전기는 해상의 부유구조물 위에 풍력발전기의 지지대를 고정함으로써 연근해를 벗어날 수 있는 장점을 제공한다.
국내특허공개 10-2015-0031795(2015년03월25일)
하지만, 부유식 해상용 풍력발전기는 강한 바람과 파랑 및 와류와 더불어 바람 및 파도의 세기 변화 등에 의한 진동과 같이 육상 환경에 존재하지 않는 해상 환경에 노출됨으로써 x,y,z 좌표계의 3차원 모션(3 dimension motion)이 끊임없이 변할 수밖에 없다. 여기서, 3차원 모션(3 dimension motion)은 x축의 롤모션(roll motion), y축의 피치모션(pitch motion), z축의 요모션(yaw motion)을 의미한다.
특히, 해상환경에서 x축의 롤모션과 z축의 요모션에 비해 y축의 피치모션이 상대적으로 크게 형성됨으로써 y축의 피치모션 증가는 부유식 해상용 풍력발전기의 시스템 추력을 감소시키고, 나아가 로터(rotor)의 블레이드 피치각(blade pitch angle)을 증가시킴으로써 로터가 바람을 효율적으로 이용하지 못해 전기 생산 저하로 이어질 수밖에 없다.
이러한 시스템 추력 감소는 고정식 해상용 풍력발전기의 fn(고유진동수(natural frequency))은 0.3Hz인데 반해 부유식 해상용 풍력발전기의 fn은 0.1Hz로 낮은 시스템 응답성을 고려할 때, 부유식 해상용 풍력발전기의 발전 효율을 더욱 저하시킬 수밖에 없다.
이로 인해, 부유식 해상용 풍력발전기는 고정식 해상용 풍력발전기에 비해 연근해를 벗어나 설치된다는 장점에도 불구하고 그 이용성이 낮은 현실이다.
이에 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 x,y,z 좌표계의 3차원 모션(3 dimension motion)을 변화시키는 해풍과 파도의 영향에 따른 시스템의 추력 감소를 부가적인 추력(thrust force)으로 보강해줌으로써 y축의 피치모션 증가에 의한 부성저항효과(negative damping effect)의 발전을 방지하고, 특히 부가적인 추력(thrust force)으로 시스템 추력 감소를 직접 보상함으로써 시스템 응답성을 지연시키는 낮은 고유진동수(natural frequency)하에서도 시스템 자세제어 안정화 효율성도 매우 우수한 추력제어방식이면서 부유식 해상용 풍력발전기의 자세안정화 제어방법의 제공에 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 부유식 해상용 풍력발전기는 해풍으로 회전되는 로터에 의해 발전을 하는 풍력터빈을 부력으로 수직하게 세운 플로터, 해풍과 파도의 변화에 의한 x,y,z 좌표계의 3차원 모션(3 dimension motion)중 y축의 피치모션(pitch motion)에 대해 상기 플로터에 추력을 생성해 줌으로써 상기 피치모션의 변화가 감소되고 상기 로터의 회전에 유리한 바람응시자세가 유지되도록 하는 자세안정화장치를 포함한 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예로서, 상기 자세안정화장치는 바닷물을 밀어내 상기 추력을 생성하도록 상기 플로터의 외부에 장착된 트러스터(thruster)를 구비하고, 상기 트러스터는 스크루 프로펠러(screw propeller)이다.
바람직한 다른 실시예로서, 상기 자세안정화장치는 컨트롤러를 구비하고, 상기 컨트롤러는 상기 로터의 피치 각, 상기 타워의 타워 가속도, 윈드 스피드를 set function과 output function으로 하며, 상기 set function의 변화 값으로 상기 트러스터의 구동여부를 결정하고, 상기 output function의 변화 값으로 상기 트러스터의 출력을 계산한다. 상기 컨트롤러는 상기 로터의 블레이드 각으로 피치 각을 검출하는 로터 피치각 센서, 상기 타워 가속도를 검출하는 가속도 센서, 상기 윈드 스피드를 검출하는 풍속센서와 연계된다. 상기 자세안정화장치는 배터리를 구비하고, 상기 배터리는 상기 플로터의 내부공간에 탑재되어 상기 트러스터에 전원을 공급한다.
바람직한 실시예로서, 상기 플로터는 내부 공간에 상기 자세안정화장치의 구성요소가 탑재되는 직육면체(rectangular parallelepiped)의 구조물이다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 부유식 해상용 풍력발전기의 자세안정화 제어방법은 (A) 부유식 해상용 풍력발전기가 해상에서 정격풍속으로 발전이 이루어지는지 컨트롤러에 의해 모니터링되는 단계; (B) 해풍의 윈드 스피드, 해풍으로 회전되는 로터의 피치 각, 상기 로터로 발전되는 풍력터빈을 수직하게 세우도록 부력을 생성하는 플로터에 고정된 타워의 타워 가속도를 검출하고, 상기 정격풍속이 변화되었는지 상기 컨트롤러에 의해 판단되는 단계; (C) 상기 정격풍속의 변화에 의한 시스템 추력 감소 보완을 위한 부가 추력이 상기 플로터에 구비된 트러스터의 구동으로 발생되고, 상기 트러스터의 출력이 상기 컨트롤러의 제어로 조정되는 단계; (D) 상기 타워 가속도의 변화 시 상기 트러스터의 구동이 상기 컨트롤러의 제어로 정지되는 단계; 로 수행되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예로서, 상기 정격풍속에 의한 발전여부는 상기 풍력터빈의 최대 발전기속도로 판단된다. 상기 로터의 피치 각은 로터 피치각 센서로 검출하고, 상기 타워의 가속도는 가속도 센서로 검출하며, 상기 윈드 스피드는 풍속센서로 검출한다.
바람직한 실시예로서, 상기 트러스터의 구동은 상기 피치 각, 상기 타워 가속도, 상기 윈드 스피드를 set function으로 하고, 상기 set function이 임계값1을 초과 할 때 이루어지고, 상기 트러스터의 출력은 상기 피치 각, 상기 타워 가속도, 상기 윈드 스피드를 output function으로 하고, 상기 output function이 상기 트러스터의 최대 출력을 초과하지 않는 크기로 발생된다. 상기 트러스터의 구동정지는 상기 타워 가속도가 임계값2를 초과 할 때 이루어진다.
바람직한 실시예로서, 상기 임계값1은 dimensionless 한 수치로 90~100을 적용한다. 상기 임계값2는 x,y,z 좌표계의 x축 타워 가속도, y축 타워 가속도, z축 타워 가속도로 구분된 시스템 진동 값에 대한 dimensionless한 수치로 5~10을 적용하거나 또는 x,y,z 좌표계의 x축 타워 가속도로 구분된 시스템 진동 값에 대한 dimensionless한 수치로 5~10을 적용한다.
바람직한 실시예로서, 상기 트러스터는 상기 플로터에 네 귀퉁이에 각각 구비되어 바닷물을 밀어냄으로써 상기 추력을 생성하는 스크루 프로펠러(screw propeller)이고, 상기 플로터는 내부 공간에 상기 트러스터에 전원을 공급하는 배터리가 탑재된 직육면체(rectangular parallelepiped)의 구조물이다.
이러한 본 발명의 부유식 해상용 풍력발전기는 해상 부유 환경 하에서 부가적인 추력(thrust force)으로 시스템의 추력 감소를 직접 보강함으로써 다음과 같은 장점 및 효과를 제공한다.
첫째, 바람과 파도의 세기가 시시각각 변화되는 해상환경에서 y축의 피치모션증가시에도 시스템 추력의 안정적인 유지로 부성저항효과(negative damping effect)로 발전되지 않음으로써 로터(rotor)의 바람 이용율이 증가되고 풍력터빈의 발전효율이 크게 향상된다. 둘째, 부가적인 추력(thrust force)으로 시스템 추력감소를 직접 제어함으로써 시스템 응답성을 지연시키는 낮은 고유진동수(natural frequency)하에서도 시스템 자세제어 안정화 효율성도 매우 우수하다. 셋째, 바람조건이 좋은 심해설치가 가능하면서 설치 및 해체 작업도 간편한 부유식 해상용 풍력발전기의 장점으로 규모 증가가 이루어지는 시장에서 기술우위로 경쟁력을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 추력제어방식의 부유식 해상용 풍력발전기의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 자세안정화장치의 세부 구성이며, 도 3은 본 발명에 따른 자세안정화장치의 트러스터(thruster)의 레이아웃 예이며, 도 4는 본 발명에 따른 부유식 해상용 풍력발전기의 자세안정화 제어방법의 순서도이고, 도 5는 본 발명에 따른 부유식 해상용 풍력발전기의 자세 안정화를 위한 자세안정화장치의 추력 제어 선도의 예이며, 도 6은 본 발명에 따른 자세안정화장치의 작동상태이고, 도 7은 본 발명에 따른 자세안정화장치가 해상 환경의 변화에 맞춰 능동적으로 가동되는 작동상태이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 실시예에 따른 추력제어방식의 부유식 해상용 풍력발전기의 구성을 나타낸다.
도시된 바와 같이, 부유식 해상용 풍력발전기(1)는 일체화된 자세안정화장치(10)를 구비하고, 상기 자세안정화장치(10)는 해상환경에서 지속적으로 변화되는 부유식 해상용 풍력발전기(1)의 x,y,z 좌표계의 3차원 모션(3 dimension motion)중 y축의 피치모션에 의한 시스템 추력 감소가 일어날 때, 부가적인 추력(thrust force)의 발생으로 시스템 추력 감소를 방지함으로써 0.1Hz의 낮은 고유진동수(natural frequency)하에서도 y축의 피치모션 증가가 부성저항효과(negative damping effect)로 발전되지 않도록 한다.
구체적으로, 상기 부유식 해상용 풍력발전기(1)는 풍력터빈(2), 터빈 축(2-1), 로터(3), 타워(tower)(4), 플로터(floater)(5), 무빙라인(moving line)(6)으로 구성된다. 일례로, 상기 풍력터빈(2)과 상기 로터(3)는 터빈 축(2-1)으로 연결된 풍력 발전기로 작용하여 전기를 생산하고, 상기 타워(4)는 지지대로 작용하여 풍력 터빈(2)의 하부와 연결되며, 상기 플로터(5)는 수심이 깊은 해상에 부유할 수 있도록 부력을 제공하여 해상에서 일정 높이로 수직하게 세워진 타워(4)가 종방향으로 연결되고, 상기 무빙라인(6)은 앵커 등으로 해저면에 고정된 상태에서 플로터(5)와 연결되어 조류에 의한 플로터(5)의 지정위치이탈을 방지한다. 그러므로, 상기 부유식 해상용 풍력발전기(1)는 부유식 해상용 풍력발전기이고, 바람과 파도의 세기가 시시각각 변화되는 해상환경으로 인해 x,y,z 좌표계의 3차원 모션(3 dimension motion)인 x축의 롤모션(roll motion), y축의 피치모션(pitch motion), z축의 요모션(yaw motion)이 지속적으로 변환된다. 이 경우, 상기 y축의 피치모션(pitch motion)은 바람에 의한 영향으로 크게 받음으로써 x축의 롤모션(roll motion)과 z축의 요모션(yaw motion)에 비해 상대적으로 크게 형성된다. 또한, 상기 부유식 해상용 풍력발전기(1)는 도시되지 않았으나 생산된 전기를 송전하는 송전라인과 연결된다.
구체적으로, 상기 자세안정화장치(10)는 부유식 해상용 풍력발전기(1)의 플로터(5)에 장착된다. 이를 위해, 상기 플로터(5)는 직육면체(rectangular parallelepiped)의 구조물로 구성되고, 장치의 설치 및 고정 구조와 함께 탑재를 위한 내부공간을 형성한다.
한편, 도 2는 자세안정화장치(10)의 세부 구성요소를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 상기 자세안정화장치(10)의 구성요소는 컨트롤러(20), 배터리(30), 트러스터(thruster)(40), 복수의 센서(50-1,50-2,50-3)로 구성된다.
구체적으로, 상기 컨트롤러(20)는 부유식 해상용 풍력발전기(1)의 x,y,z 좌표계의 3차원 모션(3 dimension motion)에 의한 시스템 추력 감소를 검출한다. 이를 위해, 상기 컨트롤러(20)는 풍속과 관련된 시스템의 추력변화값을 포함한 각종 데이터를 갖춘 Look-Up-Table이 구빈된 메모리(21), 복수의 센서(50-1,50-2,50-3)의 검출값을 입력 데이터로 하여 3차원 모션(3 dimension motion)에 의한 시스템 추력 감소를 계산하고 동시에 부가적인 추력 생성을 위한 트러스터(40)의 출력을 계산하는 연산부(23), 연산부(23)의 계산 결과에 따라 트러스터(40)를 가동시키는 제어신호가 출력되는 출력부(63)로 구성된다. 특히, 상기 연산부(23)는 메모리(21)의 Look-Up-Table 데이터를 읽어 들인다. 상기 출력부(63)의 출력 신호는 트러스터(40)의 정회전 또는 역회전을 위한 ON/OFF 신호일 수 있으나 PWM(Pulse Width Modulation)의 DUTY 출력이 바람직하다. 그러므로, 상기 컨트롤러(20)는 pitch(+) 또는 pitch(-)의 증가시 트러스터(40)의 구동을 결정하는 set function 및 트러스터(40)의 출력을 결정하는 output function 이 로터 블레이드의 피치 각과 풍속 및 3차원 모션등 과 매칭되는 로직을 포함한다.
구체적으로, 상기 배터리(30)는 플로터(5)의 내부공간에 탑재되어 트러스터(40)와 컨트롤러(20)에 전원을 공급한다. 특히, 상기 배터리(30)는 부유식 해상용 풍력발전기(1)에서 생산된 전기를 공급받아 SOC(State Of Charge)를 충족할 수 있다. 상기 배터리(30)의 용량은 부유식 해상용 풍력발전기(1)의 발전 사양 및 크기에 맞춰 적합한 사양으로 변경될 수 있다. 특히, 상기 배터리(30)는 파워 릴레이(30-1)로 컨트롤러(20)와 트러스터(40)의 전기회로를 형성할 수 있다. 이 경우 컨트롤러(20)는 트러스터(40)의의 가동 시 파워 릴레이(30-1)를 ON시켜줌으로써 트러스터(40)에 배터리(30)의 전원을 통전시켜줄 수 있다.
구체적으로, 상기 트러스터(40)는 부유식 해상용 풍력발전기(1)의 x,y,z 좌표계의 y축과 90도를 형성하는 x축의 좌우쪽에서 y축 방향으로 배열되어 플로터(5)에 장착됨으로써 부유식 해상용 풍력발전기(1)의 시스템 추력을 감소시키는 y축의 피치모션인 pitch(+)(뒤로 젖혀지는 현상)와 pitch(-)(앞으로 숙여지는 현상)를 감쇠 또는 상쇄시켜준다. 이를 위해, 상기 트러스터(40)는 정역회전하는 모터(41), 모터(41)로 정회전되어 정방향 추력과 역방향 추력을 발생하는 스크루 프로펠러(screw propeller)(43), 스크루 프로펠러(43)를 원형으로 감싸 유속조정을 가능하게 하는 덕트(45)로 구성된다. 여기서, 로터(3)가 바람 방향과 일치하는 방향을 전방으로 할 때, 상기 스크루 프로펠러(43)의 정방향 추력은 피치모션이 형성되는 x축을 따르는 한쪽방향(전방방향)으로 나가는 추력으로 정의되고, 반면 상기 스크루 프로펠러(43)의 역방향 추력은 반대쪽방향(후방방향)으로 나가는 추력으로 정의된다. 그러므로, 상기 트러스터(40)의 정방향 추력은 y축의 pitch(+)증가 시 로터(3)의 바람응시자세를 정면으로 하여 시스템 추력이 최대가 되도록 y축의 pitch(+)를 감쇠하거나 상쇄시킨다. 반면, 역방향 추력은 y축의 pitch(-)증가 시 로터(3)의 바람응시자세를 정면으로 하여 시스템 추력이 최대가 되도록 y축의 pitch(-)를 감쇠하거나 상쇄시키도록 작용한다. 본 실시예에서, 상기 트러스터(40)는 2개나 또는 4개로 구성될 수 있다.
구체적으로, 상기 복수의 센서(50-1,50-2,50-3)는 로터(3)의 블레이드 각(blade angle)인 피치각을 검출하는 로터 피치각 센서(50-1), 바람과 파동의 세기 변화로부터 풍력터빈(2)이나 타워(4) 또는 플로터(5)의 흔들림에 따른 자세변화를 검출하는 가속도센서(도는 중력센서)(50-1), 바람의 풍속을 검출하는 풍속센서(50-2)로 구성된다. 특히, 상기 로터 피치각 센서(50-1)는 풍력터빈(2)이나 로터(3)에 설치될 수 있고, 상기 가속도센서(50-1)는 타워(4)에 설치되어 타워 가속도를 검출하며, 상기 풍속센서(50-2)는 로터(3)의 회전영역을 벗어난 위치에서 타워(4) 또는 플로터(5)에 설치될 수 있다.
한편, 도 3은 트러스터(40)의 플로터(5)에 대한 레이아웃으로서, 상기 트러스터(40)는 2개나 또는 4개로 구성됨을 나타낸다.
일례로, 상기 트러스터(40)가 2개의 제1 트러스터(40-1)와 제2 트러스터(40-2)로 구성된 경우, 상기 제1 트러스터(40-1)는 플로터(5)의 x,y,z좌표의 x축 방향의 한쪽방향(로터(3)의 바람 응시방향인 전방방향)에서 추력이 y축의 전방 또는 후방을 향하도록 설치되고 반면 상기 제2 트러스터(40-2)는 x축 방향의 반대쪽 방향(로터(3)의 뒤쪽인 후방방향)에서 추력이 y축의 전방 또는 후방을 향하도록 설치된다. 이 경우, 제1,2 트러스터(40-1,40-2)는 플로터(5)의 길이 L과 폭W를 고려하여 플로터(5)의 안정성을 해치지 않도록 위치된다.
일례로, 상기 트러스터(40)가 4개의 제1 트러스터(40-1)와 제2 트러스터(40-2), 제3 트러스터(40-3) 및 제4 트러스터(40-4)로 구성된 경우, 상기 제1 트러스터(40-1)와 상기 제3 트러스터(40-3)는 플로터(5)의 x,y,z좌표의 x축 방향의 한쪽방향(로터(3)의 바람 응시방향인 전방방향)에서 추력이 y축의 전방 또는 후방을 향하도록 간격을 두고 설치되고 반면 상기 제2 트러스터(40-2)와 상기 제4 트러스터(40-4)는 x축 방향의 반대쪽 방향(로터(3)의 뒷쪽인 후방방향)에서 추력이 y축의 전방 또는 후방을 향하도록 간격을 두고 설치된다. 이 경우, 제1,2,3,4 트러스터(40-1,40-2,40-3,40-4)는 플로터(5)의 길이 L과 폭W를 고려하여 플로터(5)의 안정성을 해치지 않도록 위치된다.
특히, 상기 제1 트러스터(40-1)내지 상기 제4 트러스터(40-4)는 가변피치 프로펠러(controllable pitch propeller)를 적용할 수 있다.
한편, 도 4는 본 실시예에 따른 부유식 해상용 풍력발전기(1)의 자세안정화 제어방법의 순서를 나타낸다.
이하, 자세안정화 제어방법을 도 5내지 도 7을 참조로 상세히 설명하며, 트러스터(40)의 추력제어는 컨트롤러(20)로 수행되고, 트러스터(40)는 4개의 제1 트러스터(40-1)와 제2 트러스터(40-2), 제3 트러스터(40-3) 및 제4 트러스터(40-4)로 구성된 경우로 가정한다. 또한, 부유식 해상용 풍력발전기(1)는 시스템(1)으로, 부유식 해상용 풍력발전기(1)의 추력은 시스템 추력으로, 트러스터(40)의 출력은 부가추력으로 정의한다.
S10은 컨트롤러(20)에 의해 시스템(1)이 해상에서 정격풍속으로 발전이 이루어지고 있는지 모니터링되는 단계이다. 이 경우 모니터링 데이터는 로터(3)의 피치 각, 타워(4)의 타워 가속도, 윈드 스피드(바람의 풍속)와 함께 배터리(30)의 SOC, 풍력터빈(20의 발전량, 로터(3)의 회전속도, 제1내지 제4 트러스터(40-1~40-4)의 각각에 대한 모터(41)의 회전수 등이 포함될 수 있다.
상기와 같은 시스템 모니터링의 필요성은 도 5를 통해 예시된다. 도시된 바와 같이, 풍속선도는 윈드 스피드ν가 약 140초경과 시점에서도 지속적으로 증가되다 약 200초경과 시점에서 발전 최대 풍속 12m/s에 도달됨을 나타낸다. 상기와 같은 풍속조건일 때, 발전기속도선도는 풍력터빈(2)의 발전기 속도(rpm)가 약 140초경과 시점에서 약 1000rpm 이상의 최대 회전수(rpm)에 도달되어 일정하게 유지되고, 블레이드 각도선도(피치각선도)는 로터(3)의 피치 각(deg)이 약 140초 이전까지 변화 없이 유지되다 그 이후 시점에서부터 변화되면서 약 200초경과 시점에서 최대 피치각 6도에 도달됨을 나타낸다. 또한, 시스템 추력선도는 시스템 추력이 발전기 속도(rpm)의 최대 회전수(rpm)도달 시까지 지속적으로 증가하다 이후 안정적으로 유지됨을 나타낸다. 그러므로, 시스템(1)의 발전 용량은 풍력터빈(2)의 최대 회전수(rpm)도달 후 시스템 추력이 안정되는 시점에서 최대 효율로 구현됨을 알 수 있고, 이때의 풍속을 정격풍속으로 칭한다.
그러나, 해상환경은 바람의 세기를 정격풍속 이하 또는 그 이상으로 심하게 변화되고, 더불어 파도 세기 변화는 시스템(1)의 3차원 모션 중 y축의 피치모션을 증가시킴으로써 시스템 추력은 안정적인 상태를 유지하지 못하고 감소할 수밖에 없다.
다시 도 4를 참조하면, S20은 정격풍속이 변화됨으로써 컨트롤러(20)에 의해 시스템(1)의 시스템 추력 감소가 체크되는 단계이다. 이를 위해 컨트롤러(20)는 연산부(23)에서 메모리(21)의 데이터를 읽어 현재 풍속과 시스템 추력을 비교하여 감소여부를 판단할 수 있다. 그 결과, 시스템 추력이 정상범위인 경우 S100으로 전환함으로써 제1내지 제4 트러스터(40-1~40-4)의 정지를 확인하고 출력부(25)의 출력을 이용해 운영자에게 알람을 제공한다. 상기 알람은 도시되지 않았으나 버저에 의한 소리 발생이나 LED점등에 의한 시각적 인식일 수 있으며, 이를 위한 전기회로가 부유식 해상용 풍력발전기(1)와 도시되지 않은 운전실에 이어질 수 있다.
S30은 S20에서 시스템 추력이 정상범위에 속하지 않은 경우 컨트롤러(20)에 의해 set function이 계산되는 단계이다. 이를 위해, 컨트롤러(20)의 연산부(23)는 모니터링 데이터들로부터 set function을 검출하고, set function의 데이터를 이용하여 시스템(1)의 시스템 추력을 계산한다. 이를 위해, 상기 연산부(23)는 메모리(21)의 Look-Up-Table의 데이터를 읽어들인다. 이 경우, 상기 set function은 피치 각 Θ, 타워 가속도 x .. , 윈드 스피드 ν 의 함수인 S(Θ,ν,x .. )이고 다음 수학식을 적용한다.
Figure 112015093214964-pat00001
본 실시예에서 상기 수학식의 각 변수들은 특정값으로 구체화되지 않는다. 이는, 상기 수학식의 각 변수들은 부유식 해상용 풍력발전기(1)의 발전사양과 특정한 해상환경에서의 set function 데이터 및 제1내지 제4 트러스터(40-1~40-4)의 사양에 따라 달라져 특정한 값으로 한정될 수 없기 때문이다. 이어, 컨트롤러(20)의 연산부(23)는 set function S(Θ,ν,x .. )를 계산한다.
S30은 컨트롤러(20)에 의해 S(Θ,ν,x .. )으로 제1내지 제4 트러스터(40-1~40-4)의 구동이 결정되는 단계이다. 이를 위해, 컨트롤러(20)는 S(Θ,ν,x .. )에 대한 임계값(threshold)을 이용하고, 다음 조건식을 적용한다.
조건식 1 : S(Θ,ν,x .. ) > 임계값1
여기서, 상기 임계값1은 output function F(Θ,ν,x .. )의 계산이 요구되는 S(Θ,ν,x .. )의 변화 값을 의미한다. 그리고, ">"은 두 값의 크기를 나타내는 부등호로서, S(Θ,ν,x .. ) > 임계값1은 S(Θ,ν,x .. )가 임계값1 보다 큰 값임을 의미한다.
일례로, 상기 set function S(Θ,ν,x .. )는 관련한 위의 수학식과 같이 Factor인 k1, k2, k3 등과 LUT(Look up table)등 여러 요인의 영향을 받는 점을 고려할 때, 상기 임계값1은 Θ,ν,x .. 를 고려한 결과값으로 dimensionless 값이며, 실제적인 시뮬레이션 결과로부터 약 90~100으로 수치 한정됨이 적절함으로 입증되었다.
S30의 체크 결과 S(Θ,ν,x .. )가 임계값1 보다 크지 않으면 컨트롤러(20)는 S100으로 전환함으로써 제1내지 제4 트러스터(40-1~40-4)의 정지를 확인하고 출력부(25)의 출력을 이용해 운영자에게 알람을 제공한다.
S40은 S30의 체크 결과 S(Θ,ν,x .. )가 임계값1 보다 큰 경우 제1내지 제4 트러스터(40-1~40-4)의 구동을 결정한 컨트롤러(20)에 의해 output function이 계산되는 단계이다. 이를 위해, 컨트롤러(20)는 모니터링 데이터들로부터 output function을 검출하고, output function의 데이터를 이용하여 시스템(1)의 현재 시스템 추력을 계산한다. 이 경우, 상기 output function은 피치 각 Θ, 타워 가속도 x .. , 윈드 스피드 ν 의 함수인 F(Θ,ν,x .. )이고 다음 수학식을 적용한다.
Figure 112015093214964-pat00002
본 실시예에서 상기 수학식의 각 변수들은 특정값으로 구체화되지 않는다. 이는, 상기 수학식의 각 변수들은 부유식 해상용 풍력발전기(1)의 발전사양과 특정한 해상환경에서의 set function 데이터 및 제1내지 제4 트러스터(40-1~40-4)의 사양에 따라 달라져 특정한 값으로 한정될 수 없기 때문이다. 이어, 컨트롤러(20)에 의해 계산된 set function F(Θ,ν,x .. )가 계산된다.
S60은 제1내지 제4 트러스터(40-1~40-4)의 부가 추력을 위한 출력 Fout이 컨트롤러(20)에 의해 계산되는 단계이다. 이를 위해, 컨트롤러(20)의 연산부(23)는 제1내지 제4 트러스터(40-1~40-4)의 출력 Fout을 계산하고, 출력부(25)는 계산된 Fout에 맞는 출력신호를 PWN duty로 출력한다. 상기 Fout은 다음 수학식으로 계산된다.
수학식 : Fout = Min[Fmax , F(Θ,ν,x .. )]
여기서, Fmax는 제1내지 제4 트러스터(40-1~40-4)의 최대 출력을 의미한다. 그러므로, Fout 은 제1내지 제4 트러스터(40-1~40-4)의 최대 출력 이내로 계산됨을 의미한다.
그 결과, 제1내지 제4 트러스터(40-1~40-4)의 각각이 구동이 이루어짐으로써 시스템(1)의 시스템 추력 감소는 부가추력으로 증가되어 안정적인 상태로 전환된다.
상기 제1내지 제4 트러스터(40-1~40-4)의 구동은 도 6을 통해 예시된다. 도시된 바와 같이, 컨트롤러(20)의 출력부(25)의 출력신호 a-1은 제1,2 트러스터(40-1~40-2)로 각각 전송되고 동시에 출력신호 a-2는 제3,4 트러스터(40-3~40-4)로 각각 전송된다. 이 경우, 부유식 해상용 풍력발전기(1)는 y축의 pitch(+)의 진행 경향을 보이는 것으로 간주하고, 제1내지 제4 트러스터(40-1~40-4)의 각 추력세기는 모두 동일하다고 가정한다.
그러면, 컨트롤러(20)의 출력신호 a-1과 a-2로 제1,2 트러스터(40-1~40-2)와 제3,4 트러스터(40-3~40-4)의 모터(41)의 정회전과 함께 스크루 프로펠러(43)의 정회전이 이루어지고, 스크루 프로펠러(43)의 정회전은 정방향 추력은 제1 내지 4 트러스터(40-1~40-4)의 추력으로 발생된다. 그 결과, 제1 내지 4 트러스터(40-1~40-4)의 추력은 y축의 pitch(-)의 진행 방향으로 작용함으로써 y축의 pitch(+)는 이에 상응하는 y축의 pitch(-)로 인해 그 진행 경향이 감쇠 또는 억제된다. 이러한 y축의 pitch(+)의 감쇠 또는 억제는 결과적으로 시스템(1)의 감소된 추력을 다시 증가시켜줌으로써 시스템(1)은 최상의 발전효율로 유지될 수 있다.
다시 도 4를 참조하면, S70은 부가추력의 지속여부가 컨트롤러(20)에 의해 판단되는 단계이다. 이를 위해, 컨트롤러(20)의 연산부(23)는 시스템 진동 값(vibration value) A xyz를 이용하고, 다음 조건식 2를 적용한다.
조건식 2 : A xyz > 임계값 2
여기서, ">"은 두 값의 크기를 나타내는 부등호로서, A xyz > 임계값 2는 A xyz 가 임계값2 보다 큰 값임을 의미한다.
그리고, 상기 시스템 진동 값 A .. 는 다음과 같이 정의된다.
Figure 112015093214964-pat00003
그러므로, 상기 임계값2는 시스템 진동 값 A xyz의 세기에 따라 시스템(1)을 비상정지하기 위한 판단의 목적으로 적용한다. 일례로, 상기 시스템 진동 값 A xyz는 관련한 위의 정의와 같이 Factor인 kx, ky, kz 와 같은 요인의 영향을 받는 점을 고려할 때, 상기 임계값2는 A xyz에 대한 결과값으로 dimensionless 값이며, 실제적인 시뮬레이션 결과로부터 약 5~10으로 수치 한정됨이 적절함으로 입증되었다.
S70의 체크 결과 A xyz가 임계값2 보다 크지 않으면 컨트롤러(20)는 S80으로 진입함으로써 제1내지 제4 트러스터(40-1~40-4)의 출력을 조절하여 부가 추력의 크기를 조정하고, 제1내지 제4 트러스터(40-1~40-4)의 구동을 지속한 다음 A xyz가 임계값2 보다 큰지 여부를 판단한다. 이러한 과정은 A xyz가 임계값2 보다 클 때까지 반복된다.
반면, S70의 체크 결과 A xyz가 임계값1 보다 크면 컨트롤러(20)는 S90으로 전환함으로써 제1내지 제4 트러스터(40-1~40-4)의 구동을 중지한다. 이어, S100으로 진입함으로써 제1내지 제4 트러스터(40-1~40-4)의 정지를 확인하고 출력부(25)의 출력을 이용해 운영자에게 알람을 제공한다.
하지만, 상기 시스템 진동 값 A xyz는 타워 가속도를 x,y,z,좌표의 3가지 분력으로 세분함으로써 set function S(Θ,ν,x .. )과 output function F(Θ,ν,x .. )의 축 방향의 타워 가속도 x .. 를 포함한다. 그러므로, 상기 시스템 진동 값 A xyz는 타워 가속도 x .. 로 한정될 수 있다. 이는, 타워 가속도 x .. 가 타워 가속도 y .. 와 타워 가속도 z .. 에 비해 시스템(1)의 자세변화를 상대적으로 크게 좌우하므로 타워 가속도 x .. 를 주요 인자로 적용하더라도 시스템(1)의 자세 안정화 제어 반응성이 우수함에 기인한다.
그러므로, 상기 조건식2는 하기와 같이 변경될 수 있다.
조건식 2-1 : x .. > 임계값 2
결과적으로, 상기 조건식 2-1을 이용한 시스템(1)의 자세 안정화 제어 로직은 트러스터(4)의 긴급정지 시 상기 조건식 2에 비해 상대적으로 단순화되고 보다 빠른 대응시간을 구현할 수 있는 장점이 있다.
한편, 상기 제1내지 제4 트러스터(40-1~40-4)의 출력조절은 도 7을 통해 예시된다. 도시된 바와 같이, 컨트롤러(20)의 출력부(25)의 출력신호 b는 제1내지 제4 트러스터(40-1~40-4)로 각각 전송된다. 그러면, 제1내지 제4 트러스터(40-1~40-4)의 출력은 출력신호 b에 맞춰 회전수가 증가(또는 감소)됨으로써 제1 내지 4 트러스터(40-1~40-4)의 추력은 y축의 pitch(+)의 진행 경향을 감쇠 또는 억제하고, 결과적으로 시스템(1)의 감소된 추력은 다시 증가함으로써 시스템(1)은 최상의 발전효율로 유지될 수 있다.
전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 부유식 해상용 풍력발전기는 해풍으로 회전되는 로터(3)에 의해 발전을 하는 풍력터빈(2)을 부력으로 수직하게 세운 플로터(5), 해풍과 파도의 변화에 의한 x,y,z 좌표계의 3차원 모션(3 dimension motion)중 y축의 피치모션(pitch motion)에 대해 상기 플로터(5)에 추력을 생성해 줌으로써, 상기 피치모션의 변화가 감소되고 상기 로터의 회전에 유리한 바람응시자세가 유지되도록 하는 자세안정화장치(10)를 포함하고, 해풍과 파도의 변화에 대해 트러스터(thruster)(40)의 추력을 이용한 부유식 해상용 풍력발전기의 자세안정화 제어방법을 구현함으로써 낮은 고유진동수(natural frequency)하에서도 부성저항효과(negative damping effect)로 발전되지 않는 시스템 안정성을 유지하고, 특히 3차원 모션중 상대적으로 가장 크게 형성되는 y축의 피치 모션을 감쇠하는 부가추력의 제어로 자세제어 안정화 효율성도 매우 우수하다.
1 : 부유식 해상용 풍력발전기
2 : 풍력터빈 2-1 : 터빈 축
3 : 로터 4 : 타워(tower)
5 : 플로터(floater) 6 : 무빙라인(moving line)
10 : 자세안정화시스템
20 : 컨트롤러 21 : 메모리
23 : 연산부 ２5 : 출력부
30 : 배터리 30-1 : 파워 릴레이
40 : 트러스터(thruster)
41 : 모터 43 : 스크루 프로펠러(screw propeller)
45 : 덕트 50-1 : 로터 피치각 센서
50-2 : 가속도센서 50-3 : 풍속센서

Claims (18)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. (A) 부유식 해상용 풍력발전기가 해상에서 정격풍속으로 발전이 이루어지는지 컨트롤러에 의해 모니터링되는 단계;
    (B) 해풍의 윈드 스피드, 해풍으로 회전되는 로터의 피치 각, 상기 로터로 발전되는 풍력터빈을 수직하게 세우도록 부력을 생성하는 플로터에 고정된 타워의 타워 가속도를 검출하고, 상기 정격풍속이 변화되었는지 상기 컨트롤러에 의해 판단되는 단계;
    (C) 상기 정격풍속의 변화에 의한 시스템 추력 감소 보완을 위한 부가 추력이 상기 플로터(5)에 구비된 트러스터의 구동으로 발생되고, 상기 트러스터의 출력이 상기 컨트롤러의 제어로 조정되는 단계;
    (D) 상기 타워 가속도의 변화 시 상기 트러스터의 구동이 상기 컨트롤러의 제어로 정지되는 단계;로 수행되고,
    상기 트러스터의 구동은 상기 피치 각, 상기 타워 가속도, 상기 윈드 스피드를 set function으로 하고, 상기 set function이 임계값1을 초과 할 때 이루어지고, 상기 트러스터의 출력은 상기 피치 각, 상기 타워 가속도, 상기 윈드 스피드를 output function으로 하고, 상기 output function이 상기 트러스터의 최대 출력을 초과하지 않는 크기로 발생되며, 상기 트러스터의 구동정지는 상기 타워 가속도가 임계값2를 초과 할 때 이루어지고;
    상기 임계값1은 상기 set function을 S(Θ,ν,x.. )로 하여 S(Θ,ν,x.. )>임계값1을 조건식으로 하며, 상기 임계값2는 상기 타워 가속도를 A xyz로하여A xyz > 임계값2를 조건식으로 하고,
    Figure 112016095773619-pat00011

    이고,
    Figure 112016095773619-pat00012
    인
    것을 특징으로 하는 부유식 해상용 풍력발전기의 자세안정화 제어방법.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 정격풍속에 의한 발전여부는 상기 풍력터빈의 최대 발전기속도로 판단되는 것을 특징으로 하는 부유식 해상용 풍력발전기의 자세안정화 제어방법.
  11. 청구항 9에 있어서, 상기 로터의 피치 각은 로터 피치각 센서로 검출하고, 상기 타워의 가속도는 가속도 센서로 검출하며, 상기 윈드 스피드는 풍속센서로 검출하는 것을 특징으로 하는 부유식 해상용 풍력발전기의 자세안정화 제어방법.
  12. 삭제
  13. 청구항 9에 있어서, 상기 임계값1은 dimensionless 한 수치로 90~100인 것을 특징으로 하는 부유식 해상용 풍력발전기의 자세안정화 제어방법.
  14. 삭제
  15. 청구항 9에 있어서, 상기 임계값2는 x,y,z 좌표계의 x축 타워 가속도, y축 타워 가속도, z축 타워 가속도로 구분된 시스템 진동 값에 대한 dimensionless한 수치로 5~10인 것을 특징으로 하는 부유식 해상용 풍력발전기의 자세안정화 제어방법.
  16. 청구항 9에 있어서, 상기 임계값2는 x,y,z 좌표계의 x축 타워 가속도로 구분된 시스템 진동 값에 대한 dimensionless한 수치로 5~10인 것을 특징으로 하는 부유식 해상용 풍력발전기의 자세안정화 제어방법.
  17. 청구항 9에 있어서, 상기 트러스터는 바닷물을 밀어내어 상기 추력을 생성하는 스크루 프로펠러(screw propeller)인 것을 특징으로 하는 부유식 해상용 풍력발전기의 자세안정화 제어방법.
  18. 청구항 17에 있어서, 상기 트러스터는 상기 플로터에 네 귀퉁이에 각각 구비되고, 상기 플로터는 내부 공간에 상기 트러스터에 전원을 공급하는 배터리가 탑재된 직육면체(rectangular parallelepiped)의 구조물인 것을 특징으로 하는 부유식 해상용 풍력발전기의 자세안정화 제어방법.
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