KR101956922B1 - 풍력 터빈 장치 및 이의 작동 방법 - Google Patents

풍력 터빈 장치 및 이의 작동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 풍차 터빈 장치를 제공한다. 상기 풍차 터빈 장치는 피치각이 가변인 블레이드를 구비하는 풍차 로터와, 상기 블레이드의 구동 속도 및 구동 타이밍을 제어하는 제어 수단과, 상기 블레이드의 피치각을 산출하여 피치각 신호를 출력하는 피치각 제어부와, 상기 블레이드의 플랩 모멘트로부터 상기 블레이드의 회전 방향의 반대 방향에서의 성분인 역상성분에 대한 제어 정보를 제공하는 제어 정보 제공부를 포함한다.

Description

풍력 터빈 장치 및 이의 작동 방법{Wind Turbine apparatus and Method for operating the same}
본 발명은 풍력 터빈 장치 및 이의 작동 방법에 관한 것이다.
풍력 터빈은 풍력에 의한 동력 에너지를 기계적인 에너지로 전환시키는 기계이다. 기계적인 에너지가 물을 펌핑(pumping)하거나 밀(mill)을 가는 것과 같은 기계에 의해 직접 사용된다면, 풍력 터빈은 풍차라고 할 수 있다. 유사하게, 기계적인 에너지가 전기로 전환된다면, 기계는 풍력 발전기 또는 풍력 발전 플랜트라고 할 수 있다. 풍력 터빈은 어느 곳에나 산재되어 있는 무공해, 무한정의 바람을 이용하므로 환경에 미치는 영향이 거의 없고, 국토를 효율적으로 이용할 수 있다. 게다가 풍력 발전은 발전 단가도 기존의 발전 방식과 경쟁 가능한 수준으로 신에너지 생성 수단으로서 대두되고 있다. 풍력 터빈에서는 불어오는 바람에 최적화시키기 위해서 블레이드의 피치를 제어할 필요가 있다. 현재 널리 사용되고 있는 피치 제어 장치는 구동축의 회전 속도 및 풍속을 이용한 제어 기법에 기반을 두고 있다. 종래 피치 제어를 위한 기술이 국내 공개특허공보 10-20102-0068559에 개시되어 있다.
이러한 풍력 터빈 제어 시스템은 바람에너지 회수 효율을 최대화할 수 있도록 설계되어 하지만, 풍력 터빈이 받는 기계적 스트레싱(stressing)은 최소화 하도록 설계되어야 한다.
현재 풍력터빈의 부품 하중 저감 알고리즘을 위하여 가장 주목 받고 있는 제어 방식은 개별 피치제어 방식이다. 개별피치 제어 방식은 3개의 블레이드의 피치각을 각각 제어함으로써 wind shear등과 같은 바람의 특성을 고려했을 때 최적의 효율을 낼 수 있도록 제어되고 있는 방식이라고 볼 수 있다. 이 개별피치 제어 방식은 블레이드의 플랩 모멘트(flap moment)를 방위각(azimuth angle)에 따라 좌표계 변환을 하여 제어하는 방식으로 부품 하중의 저감을 효율적으로 할 수 있게 된다.
그런데, 회전 날개의 기계적 하중 완화를 목표로 하는 개별 피치제어(IPC, individual pitch control)의 경우, 블레이드의 회전속도의 1배와 2배에 해당하는 정상성분에 대하여 좌표계 변환을 실시하고 나머지 성분을 고려하지 않으므로, 정밀한 제어가 이루어지지 않았다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 정밀한 피치 제어를 위한 풍력 터빈 장치를 제공하는데 있다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 풍차 터빈 장치는 피치각이 가변인 블레이드를 구비하는 풍차 로터와, 상기 블레이드의 구동 속도 및 구동 타이밍을 제어하는 제어 수단과, 상기 블레이드의 피치각을 산출하여 피치각 신호를 출력하는 피치각 제어부와, 상기 블레이드의 플랩 모멘트로부터 상기 블레이드의 회전 방향의 반대 방향에서의 성분인 역상성분에 대한 제어 정보를 제공하는 제어 정보 제공부를 포함한다.
상기 제어 정보 제공부는 상기 블레이드의 플랩 모멘트를 검출하는 플랩 모멘트 검출부와, 상기 플랩 모멘트에서 플랩 모멘트의 정상 성분에 대한 좌표계 변환을 수행하여 정상성분 좌표 정보를 출력하는 정상성분 좌표계 변환부와, 상기 플랩 모멘트의 역상 성분에 대한 좌표계 변환을 수행하여 역상성분 좌표 정보를 출력하는 역상성분 좌표계 변환부를 포함할 수 있다.
상기 피치각 제어부는 상기 정상성분 좌표 정보와 상기 역상성분 좌표 정보를 이용하여 상기 풍차 터빈 장치출력을 소정값으로 하기 위한 상기 블레이드의 피치각을 산출하여 피치각 신호를 출력할 수 있다.
본 발명에 따른 풍력 터빈 장치에 의하면, 역상성분을 고려하여 개별 피치 제어를 수행하므로, 저층 난류(wind shear)나 타워 섀도우(tower shadow), 정렬 불량(yaw misalignment) 등에 의한 부품 하중의 불평형 성분에 대한 평형제어를 할 수 있다.
도 1은 본 실시형태에 따른 풍력 터빈 장치의 개략 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제어 정보 제공부의 블록 구성도를 나타낸다.
이하 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장된 것이며, 도면상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다.
도 1은 본 실시형태에 따른 풍력 터빈 장치의 개략 구성을 나타낸 블록도이다.
도 1을 참조하면, 풍력 터빈 장치는 타워(도시생략) 상부에 설치된 풍차 로터(110), 풍차 블레이드(120) 및 나셀(130)을 주된 구성요소로 하는 기계적 부분과, 풍차 블레이드의 피치각의 전환 제어를 실행하는 피치각 제어부(200) 및 피치각 제어를 위한 제어 정보를 제공하는 제어정보 제공부(210)을 포함한다. 또한, 상기 나셀(130)은 상기 블레이드의 구동 속도 및 구동 타이밍을 제어하는 제어 수단으로서, 증속기(140) 및 발전기(150)를 구비하고 있다.
풍차 블레이드(120)는 풍차 로터(110)에 복수매가 방사상으로 장착되어 있다. 풍차 로터(110)와 증속기(104) 및 발전기(150)는 주축(180)이나 도시하지 않은 기어박스 등을 거쳐서 기계적으로 연결되어 일체로 회전 가능하게 되어 있다. 따라서, 풍차 블레이드(120)가 풍력 에너지를 받아 풍차 로터(110)과 함께 회전하며, 증속기(140)에 의해 증속된 후, 발전기(150)를 구동하여 발전함으로써 풍력 에너지를 전기 에너지로 변환하게 되어 있다.
피치각 제어부(200)는, 풍차 로터(110)의 회전수나 풍력 발전 장치의 출력에 근거해서, 풍력 발전 장치의 출력을 소정값으로 하기 위한 풍차 블레이드(120)의 피치각을 산출하여 발전용 피치각 신호를 출력한다.
이를 위해 피치각 제어부(200)는 피치각 제어를 위한 제어 정보를 제공하는 제어정보 제공부(210)를 포함한다. 제어 정보 제공부(210)는 기존에 정상성분만으로 좌표계 변환을 하여 제어 정보를 생성하는 것과 달리, 마이너스 방위각(azimuth angle)인 역상 성분에 대한 좌표계 변환을 하여 역상성분 좌표 정보를 산출한다.
다시 말해, 종래에는 플랩 모멘트에서 회전 방향에서의 성분만을 이용하여 좌표계 변환을 하여 개별 피치 제어를 수행하였다. 본 발명에서는 회전 역방향에서의 성분을 고려하여 개별 피치 제어를 수행한다.
이를 위한 제어정보 제공부(210)의 구성 및 동작을 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제어 정보 제공부(210)의 블록 구성도를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 제어정보 제공부(210)는 플랩 모멘트(Flap moment) 검출부(211), 정상성분 좌표계 변환부(212) 및 역상성분 좌표계 변환부(214)를 포함한다.
플랩 모멘트 검출부(211)는 풍차 블레이드(120)의 플랩 모멘트를 검출한다. 여기에서, 플랩 모멘트 검출부(211)는 검출된 플랩 모멘트에서 풍차 블레이드(120)의 회전 방향에서의 성분을 정상성분 좌표계 변환부(212)에 제공한다. 정상성분 좌표계 변환부(212)는 플랩 모멘트의 정상 성분에 대한 좌표계 변환을 수행하여 정상성분 좌표 정보를 출력한다.
또한, 플랩 모멘트 검출부(211)는 검출된 플랩 모멘트에서 풍차 블레이드(120)의 회전 방향의 반대 방향, 즉 회전 역방향에서의 성분을 역상성분 좌표계 변환부(214)에 제공한다.
역상성분 좌표계 변환부(214)는 플랩 모멘트의 역상 성분에 대한 좌표계 변환을 수행하여 역상성분 좌표 정보를 출력한다.
제어정보 제공부(210)는 정상성분 좌표계 변환부(212)로부터의 정상성분 좌표 정보와 역상성분 좌표계 변환부(214)로부터의 역상성분 좌표 정보를 피치각 제어부(200)에 제공한다.
피치각 제어부(200)는 정상성분 좌표 정보와 역상성분 좌표 정보를 이용하여, 풍력 터빈 장치의 출력을 소정값으로 하기 위한 풍차 블레이드(12)의 피치각을 산출하여 발전용 피치각 신호를 출력한다.
본 발명에 따라, 플랩 모멘트의 정상성분 뿐만 아니라 역상 성분을 이용하여 블레이드의 각 피치각을 제어하고 있기 때문에, 역상 성분이 나타내는 불평형 성분을 고려하기 때문에, 피치각을 더 정밀하게 제어할 수 있다.
이와 같이, 역상성분을 고려하여 개별 피치 제어를 수행하므로, 저층 난류(wind shear)나 타워 섀도우(tower shadow), 정렬 불량(yaw misalignment) 등에 의한 부품 하중의 불평형 성분에 대한 평형제어를 할 수 있다.
이상 도면과 명세서에서 최적 실시예들이 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
110: 풍차 로터
120: 풍차 블레이드
130: 나셀
140: 증속기
150: 발전기
200: 피치각 제어부
210: 제어 정보 제공부
211: 플랩 모멘트 검출부
212: 정상성분 좌표계 변환부
214: 역상성분 좌표계 변환부

Claims (10)

  1. 피치각이 가변인 블레이드를 구비하는 풍차 로터와,
    상기 블레이드의 피치각을 산출하여 피치각 신호를 출력하는 피치각 제어부와,
    상기 블레이드의 플랩 모멘트로부터 각각 도출된 상기 블레이드의 회전 방향의 성분인 정상성분 및 상기 회전 방향의 반대 방향에서의 성분인 역상성분에 대한 제어 정보를 상기 피치각 제어부에 제공하는 제어 정보 제공부를 포함하는 풍력 터빈 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 정보 제공부는,
    상기 블레이드의 플랩 모멘트를 검출하는 플랩 모멘트 검출부와,
    상기 플랩 모멘트 검출부에서 검출된 상기 플랩 모멘트으로부터 상기 플랩 모멘트의 정상성분을 출력하는 정상성분 좌표계 변환부와,
    상기 플랩 모멘트 검출부에서 검출된 상기 플랩 모멘트으로부터 상기 플랩 모멘트의 역상성분을 출력하는 역상성분 좌표계 변환부를 포함하는 풍력 터빈 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 피치각 제어부는 상기 정상성분 좌표 정보와 상기 역상성분 좌표 정보를 이용하여 상기 풍력 터빈 장치의 출력을 소정값으로 하기 위한 상기 블레이드의 피치각을 산출하여 피치각 신호를 출력하는 풍력 터빈 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 정상성분 좌표계 변환부는 상기 플랩 모멘트의 정상성분을 좌표계 변환하여 상기 플랩 모멘트의 정상성분 좌표 정보를 출력하는 풍력 터빈 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 역상성분 좌표계 변환부는 상기 플랩 모멘트의 역상성분을 좌표계 변환하여 상기 플랩 모멘트의 역상성분 좌표 정보를 출력하는 풍력 터빈 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 블레이드의 구동 속도 및 구동 타이밍을 제어하는 제어 수단을 더 포함하는 풍력 터빈 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어 수단은 상기 블레이드의 회전 속도를 제어하는 증속기를 포함하는 풍력 터빈 장치.
  8. 피치각이 가변인 블레이드가 결합된 풍차 로터를 마련하는 단계;
    제어 정보 제공부가 상기 블레이드의 플랩 모멘트로부터 각각 도출된 상기 블레이드의 회전 방향의 성분인 정상성분 및 상기 회전 방향의 반대 방향에서의 성분인 역상성분에 대한 제어 정보를 피치각 제어부에 제공하는 단계; 및
    상기 피치각 제어부가 상기 제어 정보 제공부로부터 제공받은 상기 제어 정보로부터 상기 블레이드의 피치각을 산출하여 피치각 신호를 출력하는 단계를 포함하는 풍력 터빈 장치의 작동 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어 정보 제공부는,
    상기 블레이드의 플랩 모멘트를 검출하는 플랩 모멘트 검출부와,
    상기 플랩 모멘트 검출부에서 검출된 상기 플랩 모멘트으로부터 상기 플랩 모멘트의 정상성분을 출력하는 정상성분 좌표계 변환부와,
    상기 플랩 모멘트 검출부에서 검출된 상기 플랩 모멘트으로부터 상기 플랩 모멘트의 역상성분을 출력하는 역상성분 좌표계 변환부를 포함하는 풍력 터빈 장치의 작동 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 피치각 제어부는 상기 정상성분 좌표 정보와 상기 역상성분 좌표 정보를 이용하여 풍력 터빈 장치의 출력을 소정값으로 하기 위한 상기 블레이드의 피치각을 산출하여 피치각 신호를 출력하는 풍력 터빈 장치의 작동 방법.
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