KR102008230B1 - 제한출력 풍력발전기 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 의한 제한출력 풍력발전기(100) 및 그 제어방법은, 에너지저장장치의 용량이 차게 되면, 전력을 수용가에서 사용할 수 있도록 가변시켜서 출력시킬 수 있다. 일례로서, 평소에 100%의 전력을 생산하여 에너지저장장치에 충전하였다면, 수용가에서 사용할 수 있도록 상기 전력의 50%로 낮춰진 전력을 생산하여 수용가로 바로 공급할 수 있다. 물론, 이때 상기 전력변환시스템을 통해서 수용가에서 사용할 수 있도록 정류과정을 거치고 전압이 일정하도록 조정됨은 물론이다. 다시 말하면, 본원은 에너지저장장치의 충전이 완료된 상태에서도 발전에 용이한 바람이 분다면, 이러한 풍력을 버리지 않고 전력으로 변환하여 수용가로 인가함으로써 발전 효율을 향상시킬 수 있다. 즉, 시간당 부는 풍량 대비 발전용량을 배경기술에 비해서 향상시킬 수 있다.

Description

제한출력 풍력발전기 및 그 제어방법 {Wind turbine system with limitting output and method controlling the same}
본 발명은 제한출력 풍력발전기 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세히는 전력을 생산할 풍력은 충분하지만 에너지 저장장치의 용량이 차서 더 이상 전력을 저장할 수 없을 때, 풍력터빈을 멈추지 않고 지속적으로 가동시키면서 정격전력보다 낮은 전력을 생산하여 바로 수용가로 전기를 인가할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 제한출력 풍력발전기 및 그 제어방법에 관한 것이다.
원자력 발전의 방사능 위험성 및 화석연료의 고갈과 공해 문제를 해결하기 위한 친환경 에너지로서 태양발전과 더불어 풍력발전이 대안으로 부상하고 있다.
특히, 풍력발전은 산악 및 바다에서 지속적으로 부는 바람의 힘, 즉 풍력을 이용하여 기계적인 회전력을 얻고, 이것을 다시 전기에너지로 변환하여 수용가 및 전력계통으로 공급하는 것으로서, 온실가스를 발생시키지도 고갈되지도 않을 뿐만 아니라 경제성도 좋기 때문에 청정 에너지로 유럽, 중국 등 전세계적으로 널리 보급되고 있는 실정이다. 이러한 풍력발전은 앞으로도 에너지 고갈과 기후변화를 해결하는 대안적 에너지로 큰 역할을 할 것으로 전망되고 있다.
이러한 풍력발전이 가능하도록 하는 풍력발전기는 수평 상태의 회전축 좌우에 블레이드와 발전기가 붙어 있는 형태로 되어 있다. 바람이 불면 블레이드가 돌아가고, 이 회전력은 회전축을 통해 발전기를 돌림으로써 전기에너지로 변환된다. 풍력발전의 발전량은 바람 세기의 세제곱에 비례한다. 바람은 지표면으로부터 높이 올라갈수록 강해지기 때문에 발전기의 높이가 커질수록 발전량도 증가한다. 또한, 상기 블레이드는 바람의 방향에 대해서 회동하므로 회전축의 회전속도를 가변시킬 수 있도록 구성된다.
상기 풍력발전기가 수용가 또는 전력계통(Grid)에 전력을 공급하기 위해서 전력변환시스템(PCS; Power Conditioning System)에 접속되고, 상기 전력변환시스템은 에너지저장장치(ESS; Energy Storage System)에 접속되어 풍력발전기에서 발생된 전력을 충전할 수 있도록 구성된다. 그리고 에너지저장장치에 충전된 전력은 상기 전력변환시스템을 통해서 수용가에서 사용할 수 있는 전압으로 정류되어 수용가 내지는 전력계통(Grid)으로 공급되도록 구성된다.
그런데, 상기 풍력발전시스템은 다음과 같은 문제점이 있었다.
상기 에너지저장장치에 전력 충전이 완료된 경우에도 전력이 충전되면 폭발 사고가 발생할 수 있으므로 상기 풍력발전기에 제동을 걸어서 회전을 정지시켜 충전이 중단되도록 한다. 따라서, 충분히 발전시킬 수 있는 바람이 불어도 더이상 발전은 일어나지 않게 된다. 이때 수용가는 에너지저장장치를 통해서 전력변환장치를 거친 전력을 공급받아서 사용하게 된다. 그리고 에너지저장장치에 규정된 양의 전력이 방전되면 다시 풍력발전기에 건 제동을 풀어서 발전 기능을 하도록 하여 에너지저장장치가 충전되도록 한다.
이러한 종래의 풍력발전기에 의하면 에너지저장장치의 용량이 찬 경우에 전기를 발생시킬 만한 충분한 풍속의 바람이 불어도 전기를 발생시키지 않으므로 효율이 떨어지는 문제점이 있었다. 상기 효율은 전력량/풍량으로 계산될 수 있다.
한국 특허등록 제10-1420678호 (2014년 07월 11일)
본 발명에 의한 제한출력 풍력발전기 및 그 제어방법은 다음 사항을 해결하고자 한다.
배경기술에 의하면 충분히 발전시킬 수 있는 바람이 불어도 안전 때문에 발전을 중지시킬 수밖에 없다. 따라서, 에너지저장장치의 용량이 찬 경우에 전기를 발생시킬 만한 충분한 풍속의 바람이 불어도 전기를 발생시키지 않으므로 풍량 대비 전력 발생 효율이 떨어지는 문제점이 있었다.
본 발명에 의한 제한출력 풍력발전기는 상기 과제를 해결하기 위해서 다음과 같이 구성된다.
수용 기능을 하는 하우징과, 상기 하우징에 회전하도록 장착된 회전축과, 상기 회전축에 연결되고 상기 하우징의 외부로 노출된 블레이드와, 상기 회전축과 상기 블레이드 사이에 개재되어 상기 블레이드의 피치각도를 가변시키는 액튜에이터와, 상기 하우징 내부에 수납되고 상기 회전축에 연결된 발전기를 포함하는 풍력발전기에 있어서;
상기 풍력발전기에 장착되어 상기 피치각도, 상기 회전축의 회전속도, 상기 발전기에서 출력되는 전력 데이터를 감지하는 센서부와, 상기 센서부에 연계되는 것으로서, 설정된 전력을 출력하라는 시그널인 출력지령을 입력받은 후, 상기 회전속도, 상기 피치각도, 상기 전력 데이터를 입력받아서, 상기 전력 데이터가 상기 출력지령에 부합하면 입력된 상기 피치각도를 가변시키지 않고, 상기 전력 데이터가 상기 출력지령에 부합하지 않은 상태에서 상기 회전속도가 설정값에 부합하지 않으면, 상기 액튜에이터를 구동시켜서 피치각도를 조정하여 상기 회전속도를 설정된 값으로 가변시키는 피치 컨트롤부와, 상기 출력지령을 입력받은 후, 상기 회전속도를 입력받아 설정값이면 상기 설정값에 대응되는 토오크 데이터를 출력하는 토오크 컨트롤부와, 상기 토오크 컨트롤부에 연계되고 상기 발전기에 접속되는 것으로서 상기 토오크 데이터를 수신하여 상기 출력지령에 부합하도록 전력을 가변시키는 전력가변기를 포함한다.
또한, 상기 피치 컨트롤부는,
상기 출력지령을 수신한 후, 상기 센서부로부터 상기 회전속도, 상기 피치각도, 상기 전력 데이터를 입력받아서, 상기 전력 데이터가 상기 출력지령에 부합하면 피치각도 가변을 허락하지 않고, 상기 전력 데이터가 상기 출력지령에 부합하지 않은 상태에서 상기 회전속도가 설정값에 부합하면, 피치각도 가변을 허락하지 않고, 상기 출력지령에 부합하지 않은 상태에서 상기 회전속도가 설정값에 부합하지 않으면, 피치각도 가변을 명령하는 제1모드스위치와, 상기 제1모드스위치에 연계되어 상기 피치각도 가변 명령을 감지한 후, 상기 센서부에서 현재의 피치각도와 현재의 회전속도를 수신한 후, 상기 회전속도와 설정된 회전속도의 차를 연산하여 상기 차에 비례하여 피치각도 가변을 상기 액튜에이터에 명령하는 피치 비례적분 제어기(pitch PI controller)를 포함한다.
또한, 상기 토오크 컨트롤부는,
상기 출력지령을 수신한 후, 상기 회전속도를 수신하여 설정값이면, 상기 출력지령에 대응되는 토오크값을 상기 전력가변기로 명령하는 제2모드스위치를 포함한다.
본 발명에 의한 제한출력 풍력발전기의 제어방법은 상기 과제를 해결하기 위해서 다음과 같은 과정으로 이루어진다.
상기 제한출력 풍력발전기를 이용하는 것으로서,
상기 출력지령이 상기 제1모드스위치와 제2모드스위치로 입력되는 입력단계가 이루어진다.
상기 입력단계 이후에, 상기 제1모드스위치가 상기 센서부로부터 상기 회전속도, 상기 피치각도, 상기 전력 데이터를 입력받고, 상기 제2모드스위치가 상기 센서부에서 상기 회전속도를 수신하는 피드백단계가 이루어진다.
상기 피드백단계 이후에, 상기 제1모드스위치는 상기 전력 데이터가 상기 출력지령에 부합하면 피치각도 가변을 허락하지 않고, 상기 전력 데이터가 상기 출력지령에 부합하지 않은 상태에서 상기 회전속도가 설정값에 부합하면, 피치각도 가변을 허락하지 않고, 상기 출력지령에 부합하지 않은 상태에서 상기 회전속도가 설정값에 부합하지 않으면, 피치각도 가변을 명령하는 과정을 포함하고, 상기 피치 비례적분 제어기는 상기 피치각도 가변 명령을 감지한 후, 상기 센서부에서 현재의 피치각도와 현재의 회전속도를 수신한 후, 상기 회전속도와 설정된 회전속도의 차를 연산하여 상기 차에 비례하여 피치각도 가변을 상기 액튜에이터에 명령하는 회전속도 조정단계가 이루어진다.
상기 회전속도 조정단계 이후에, 상기 제2모드스위치는 상기 회전속도를 수신하여 설정값이면, 상기 출력지령에 대응되는 토오크값을 상기 전력가변기로 명령하는 토오크 조정단계와, 상기 토오크 조정단계 이후에, 상기 전력가변기는 상기 발전기에서 발전된 전력을 출력지령에 부합하도록 조정하여 출력시키는 출력단계가 이루어진다.
상기 피드백단계에서 출력단계까지의 과정이 반복된다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또다른 제한출력 풍력발전기의 구성을 살펴보면 다음과 같다.
수용 기능을 하는 하우징과, 상기 하우징에 회전하도록 장착된 회전축과, 상기 회전축에 연결되고 상기 하우징의 외부로 노출된 블레이드와, 상기 회전축과 상기 블레이드 사이에 개재되어 상기 블레이드의 피치각도를 가변시키는 액튜에이터와, 상기 하우징 내부에 수납되고 상기 회전축에 연결된 발전기를 포함하는 풍력발전기에 있어서;
상기 풍력발전기에 장착되어 상기 피치각도, 상기 회전축의 회전속도, 상기 발전기에서 출력되는 전력 데이터를 감지하는 센서부와, 상기 센서부에 연계되는 것으로서, 설정된 전력을 출력하라는 시그널인 출력지령을 입력받은 후, 상기 전력 데이터를 입력받아서, 상기 전력 데이터가 상기 출력지령에 부합하면 입력된 상기 피치각도와 토오크의 가변을 허락하지 않고, 상기 전력 데이터가 상기 출력지령에 부합하지 않으면 상기 피치각도와 토오크의 가변을 허락하는 모드스위치와, 상기 출력지령에 해당하는 회전속도 및 토오크의 설정치를 제공하는 룩업테이블(lookup table)과, 상기 모드스위치, 상기 센서부, 상기 액튜에이터에 연계되는 것으로서, 상기 모드스위치의 피치각도의 가변 시그널을 수신한 후, 현재의 회전속도를 상기 센서부로부터 수신하고, 상기 룩업테이블로부터 상기 출력지령에 대한 회전속도의 설정치를 서치하여, 현재의 회전속도와 설정치의 차이값을 연산하여 비례적으로 상기 액튜에이터를 가변시켜, 회전속도가 상기 설정치가 되도록 하는 피치 비례적분 제어기(pitch PI controller)와, 상기 모드스위치에 연계되어 토오크 가변 시그널을 수신하여 상기 회전속도의 설정치에 해당하는 토오크의 설정치를 상기 룩업테이블에서 서치하여 출력하는 토오크 컨트롤러와, 상기 토오크 컨트롤러에 연계되고 상기 발전기에 접속되는 것으로서 상기 토오크 데이터를 수신하여 상기 출력지령에 부합하도록 전력을 가변시키는 전력가변기를 포함한다.
또다른 상기 제한출력 풍력발전기의 제어방법으로서,
상기 모드스위치로 설정된 전력을 출력하라는 시그널인 출력지령이 입력되는 입력단계가 이루어진다.
상기 입력단계 이후에, 상기 모드스위치가 상기 전력데이터를 입력 받은 후 상기 전력 데이터가 상기 출력지령에 부합하면 입력된 상기 피치각도와 토오크의 가변을 허락하지 않고, 상기 전력 데이터가 상기 출력지령에 부합하지 않으면 상기 피치각도와 토오크의 가변을 허락하는 연산단계가 이루어진다.
상기 연산단계 이후에, 상기 피치 비례적분 제어기가 상기 모드스위치의 피치각도의 가변 시그널을 수신한 후, 현재의 회전속도를 상기 센서부로부터 수신하고, 상기 룩업테이블로부터 상기 출력지령에 대한 회전속도의 설정치를 서치하여, 현재의 회전속도와 설정치의 차이값을 연산하여 비례적으로 상기 액튜에이터를 가변시켜, 회전속도가 상기 설정치가 되도록 하는 회전속도 조정단계가 이루어진다.
상기 회전속도 조정단계 이후에, 상기 토오크 컨트롤러가 상기 모드스위치에 연계되어 토오크 가변 시그널을 수신하여 상기 회전속도의 설정치에 해당하는 토오크의 설정치를 상기 룩업테이블에서 서치하여 상기 전력가변기로 출력하여, 상기 출력지령에 부합하는 전력을 출력시키는 출력단계가 이루어진다.
본 발명에 의한 제한출력 풍력발전기 및 그 제어방법은 상기 해결수단에 의해서 다음과 같은 효과를 발휘할 수 있다.
에너지저장장치의 충전이 완료된 상태에서 발전을 일으킬 충분한 풍력의 바람이 분다면 풍력발전기를 제동시키지 않고 지속적으로 전기를 발생시키도록 하되, 수용가로 바로 공급할 수 있도록 조정된 전력을 발전시킬 수 있도록 한다. 따라서, 풍량 대비 전력량을 배경기술에 비해서 향상시키므로 전력발생 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 의한 제한출력 풍력발전기의 제1실시예를 도시한 회로도.
도 2는 본 발명에 의한 제한출력 풍력발전기의 제1실시예의 제어 순서를 도시한 플로차트.
도 3은 본 발명에 의한 제한출력 풍력발전기의 제2실시예를 도시한 회로도.
도 4는 본 발명에 의한 제한출력 풍력발전기의 제2실시예의 제어 순서를 도시한 플로차트.
이하, 본 문서의 다양한 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 그러나 이는 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 문서의 실시예의 다양한 변경(modifications), 균등물(equivalents), 및/또는 대체물(alternatives)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.
또한, 본 문서에서 사용된 "제1," "제2," 등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 예를 들면, '제1 부분'과 '제2 부분'은 순서 또는 중요도와 무관하게, 서로 다른 부분을 나타낼 수 있다. 예를 들면, 본 문서에 기재된 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 바꾸어 명명될 수 있다.
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(제한출력 풍력발전기, 제1실시예)
먼저, 일반적인 풍력발전기의 구성을 도 1과 함께 살펴보면 다음과 같다.
수용 기능을 하는 것으로서 타워(107)의 상단에 연결된 하우징(101)이 구성되고, 상기 하우징(101)에 회전하도록 수평으로 장착된 회전축이 구성된다. 또한, 상기 회전축에 연결되고 상기 하우징(101)의 외부로 노출된 블레이드(105)가 구성된다. 그리고 상기 회전축과 상기 블레이드(105) 사이에 개재되어 상기 블레이드(105)의 피치각도를 가변시키는 액튜에이터가 구성된다. 상기 액튜에이터는 서보모터 내지는 유압실린더 등으로 구성될 수 있다. 아울러, 상기 하우징(101) 내부에 수납되고 상기 회전축에 연결된 발전기가 포함된다.
본 발명에 의한 제한출력 풍력발전기(100)는 상기 구성에서 기존의 전력보다 제한된 전력을 출력할 수 있도록 구성하므로 에너지저장장치가 충전 완료된 상태에서 수용가로 직접적으로 전력을 인가할 수 있는 기술을 추가한 것을 특징으로 한다.
이를 위하여 본 발명에서는 다음과 같이 구성된다.
상기 풍력발전기에 장착되어 상기 피치각도, 상기 회전축의 회전속도, 상기 발전기에서 출력되는 전력 데이터를 감지하는 센서부가 구성된다. 일례로서, 상기액튜에이터에 장착되어 피치각도를 감지하는 마그네틱 변위 센서가 구성될 수 있다. 또한, 상기 전력을 측정하기 위해서 상기 발전기에 접속되어 출력되는 전기의 전압과 전류 및 시간을 측정하여 전력을 연산하여 발신하는 전력계가 구성된다. 또한, 상기 회전축에 장착되어 회전수를 카운터하는 엔코더가 구성될 수 있다.
또한, 상기 센서부에 연계되는 것으로서, 설정된 전력을 출력하라는 시그널인 출력지령을 입력받은 후, 상기 회전속도, 상기 피치각도, 상기 전력 데이터를 입력받아서, 상기 전력 데이터가 상기 출력지령에 부합하면 입력된 상기 피치각도를 가변시키지 않고, 상기 전력 데이터가 상기 출력지령에 부합하지 않은 상태에서 상기 회전속도가 설정값에 부합하지 않으면, 상기 액튜에이터를 구동시켜서 피치각도를 조정하여 상기 회전속도를 설정된 값으로 가변시키는 피치 컨트롤부(110)가 구성된다.
상기 피치 컨트롤부(110)는 일례로서 다음과 같이 구성된다.
상기 출력지령을 수신한 후, 상기 센서부로부터 상기 회전속도, 상기 피치각도, 상기 전력 데이터를 입력받아서, 상기 전력 데이터가 상기 출력지령에 부합하면 피치각도 가변을 허락하지 않고, 상기 전력 데이터가 상기 출력지령에 부합하지 않은 상태에서 상기 회전속도가 설정값에 부합하면, 피치각도 가변을 허락하지 않고, 상기 출력지령에 부합하지 않은 상태에서 상기 회전속도가 설정값에 부합하지 않으면, 피치각도 가변을 명령하는 제1모드스위치(111)가 구성된다.
또한, 상기 제1모드스위치(111)에 연계되어 상기 피치각도 가변 명령을 감지한 후, 상기 센서부에서 현재의 피치각도와 현재의 회전속도를 수신한 후, 상기 회전속도와 설정된 회전속도의 차를 연산하여 상기 차에 비례하여 피치각도 가변을 상기 액튜에이터에 명령하는 피치 비례적분 제어기(113, pitch PI controller)가 구성된다. 즉, 상기 차가 0(zero)가 되도록 피치각도를 정역 방향으로 회동시키면서 회전속도를 일정하게 할 수 있도록 구성된다.
또한, 상기 출력지령을 입력받은 후, 상기 회전속도를 입력받아 설정값이면 상기 설정값에 대응되는 토오크 데이터를 출력하는 토오크 컨트롤부(120)가 구성되는데, 상기 출력지령을 수신한 후, 상기 회전속도를 수신하여 설정값이면, 상기 출력지령에 대응되는 토오크값을 상기 전력가변기로 명령하는 제2모드스위치(121)가 구성된다.
또한, 상기 토오크 컨트롤부(120)에 연계되고 상기 발전기에 접속되는 것으로서 상기 토오크 데이터를 수신하여 상기 출력지령에 부합하도록 전력을 가변시키는 전력가변기가 구성된다.
또한, 풍력이 너무 약하여 피치각도를 조정하더라도 상기 설정된 회전속도가 출력되지 않는다면 상기 제2모드스위치(121)는 토오크스케쥴(140)로 접속하도록 구성된다. 상기 토오크스케쥴(140)에는 회전속도의 설정치 이하의 회전속도에 대한 토오크가 정리된 것으로서 상기 제2모드스위치(121)는 상기 센서부로부터 현재의 회전속도를 입력받은 상태에서 설정치 이하의 회전속도가 감지되면 상기 토오크스케쥴(140)에서 상기 회전속도에 해당하는 토오크 값을 출력하여 상기 전력가변기로 입력하도록 구성된다. 그러면, 상기 전력가변기에서는 출력 지령에 해당하는 전력을 출력하도록 구성된다.
즉, P=ΩT
P: 전력, Ω: 회전수, T: 토오크
이므로 상기 회전수가 설정치로 유지될 경우 토오크의 가변에 의해서 전력을 출력 지령에 부합하도록 조정할 수 있다. 또한, 피치 각도의 조정으로도 회전속도의 설정치가 출력되지 않을 경우, 상기 회전수가 가변되므로 이에 해당하는 토오크를 상기 토오크스케쥴(140)에서 서치하여 출력하도록 구성된다.
(제한출력 풍력발전기의 제어방법, 제1실시예)
상기 제1실시예에 의한 제한출력 풍력발전기의 제어방법을 도 1 및 도 2와 함께 살펴보면 다음과 같다.
1. 입력단계
상기 출력지령이 상기 제1모드스위치(111)와 제2모드스위치(121)로 입력되는 입력단계가 이루어진다. 상기 출력지령은 평소 출력되어 에너지저장장치에 충전되는 전력보다 작은 전력의 시그널로서 수용가로 바로 공급될 수 있는 전력이다. 이러한 출력지령에 해당하는 전력은 평소 전력 이하의 값이 된다. 일례로서, 평소 100%의 전력을 생산하여 에너지저장장치에 충전하다가 충전이 완료되면 상기 전력의 50%를 생산하여 수용가로 직접적으로 인가할 수 있도록 하는데 이처럼 수용가로 직접적으로 인가되는 전력이 출력지령에 해당된다.
2. 회전속도 조정단계
상기 입력단계 이후에, 상기 제1모드스위치(111)가 상기 센서부로부터 상기 회전속도, 상기 피치각도, 상기 전력 데이터를 입력받고, 상기 제2모드스위치(121)가 상기 센서부에서 상기 회전속도를 수신하는 피드백단계가 이루어진다.
상기 피드백단계 이후에, 상기 제1모드스위치(111)는 상기 전력 데이터가 상기 출력지령에 부합하면 피치각도 가변을 허락하지 않는다. 또한, 상기 전력 데이터가 상기 출력지령에 부합하지 않은 상태에서 상기 회전속도가 설정값에 부합하면, 피치각도 가변을 허락하지 않는다. 또한, 상기 출력지령에 부합하지 않은 상태에서 상기 회전속도가 설정값에 부합하지 않으면, 피치각도 가변을 명령하는 과정을 포함한다. 그리고 상기 피치 비례적분 제어기(113)는 상기 피치각도 가변 명령을 감지한 후, 상기 센서부에서 현재의 피치각도와 현재의 회전속도를 수신한 후, 상기 회전속도와 설정된 회전속도의 차를 연산하여 상기 차에 비례하여 피치각도 가변을 상기 액튜에이터에 명령하는 회전속도 조정단계가 이루어진다. 따라서, 상기 회전축은 설정된 회전속도로 일정하게 회전한다. 따라서, 회전속도의 가변 없이 토오크만 변경하므로 용이하게 전력을 가변시킬 수 있다.
3. 토오크 조정단계
상기 회전속도 조정단계 이후에, 상기 제2모드스위치(121)는 상기 회전속도를 수신하여 설정값이면, 상기 출력지령에 대응되는 토오크값을 상기 전력가변기로 명령하는 토오크 조정단계가 이루어진다.
또한, 다른 실시예로서, 풍력이 너무 약하여 피치각도를 조정하더라도 상기 설정된 회전속도가 출력되지 않는다면 상기 제2모드스위치(121)는 토오크스케쥴(140)로 접속시킨다. 상기 토오크스케쥴(140)에는 회전속도의 설정치 이하의 회전속도에 대한 토오크가 정리된 것으로서 상기 제2모드스위치(121)는 상기 센서부로부터 현재의 회전속도를 입력받은 상태에서 설정치 이하의 회전속도가 감지되면 상기 토오크스케쥴(140)에서 상기 회전속도에 해당하는 토오크 값을 출력하여 상기 전력가변기로 입력하도록 한다. 그러면, 상기 전력가변기에서는 출력 지령에 해당하는 전력을 출력하도록 한다.
4. 출력단계
상기 토오크 조정단계 이후에, 상기 전력가변기는 상기 발전기에서 발전된 전력을 출력지령에 부합하도록 조정하여 출력시키는 출력단계가 이루어진다. 이처럼, 본원에서는 물리적으로 토오크 값을 가변시키는 게 아니고, 출력되는 전력에서 토오크에 대응되는 전압 내지는 전류로 가변시키므로 전력을 출력지령에 부합하는 값으로 출력할 수 있도록 한다. 이러한 과정을 상기 전력가변기를 통해서 이루어지도록 한다.
이상, 상기 피드백단계에서 출력단계까지의 과정이 반복되므로 원하는 전력을 출력할 수 있다.
(제한출력 풍력발전기, 제2실시예)
먼저, 일반적인 풍력발전기의 구성을 도 3과 함께 살펴보면 다음과 같다.
수용 기능을 하는 것으로서 타워(107)의 상단에 연결된 하우징(101)이 구성되고, 상기 하우징(101)에 회전하도록 수평으로 장착된 회전축이 구성된다. 또한, 상기 회전축에 연결되고 상기 하우징(101)의 외부로 노출된 블레이드(105)가 구성된다. 그리고 상기 회전축과 상기 블레이드(105) 사이에 개재되어 상기 블레이드(105)의 피치각도를 가변시키는 액튜에이터가 구성된다. 상기 액튜에이터는 서보모터 내지는 유압실린더 등으로 구성될 수 있다. 아울러, 상기 하우징(101) 내부에 수납되고 상기 회전축에 연결된 발전기가 포함된다.
본 발명의 제2실시예에 의한 제한출력 풍력발전기(100)는 상기 구성에서 기존의 전력보다 제한된 전력을 출력할 수 있도록 구성하므로 에너지저장장치가 충전 완료된 상태에서 수용가로 직접적으로 전력을 인가할 수 있는 기술을 추가한 것을 특징으로 한다.
이를 위하여 본 발명에서는 다음과 같이 구성된다.
상기 풍력발전기에 장착되어 상기 피치각도, 상기 회전축의 회전속도, 상기 발전기에서 출력되는 전력 데이터를 감지하는 센서부가 구성된다. 일례로서, 상기액튜에이터에 장착되어 피치각도를 감지하는 마그네틱 변위 센서가 구성될 수 있다. 또한, 상기 전력을 측정하기 위해서 상기 발전기에 접속되어 출력되는 전기의 전압과 전류 및 시간을 측정하여 전력을 연산하여 발신하는 전력계가 구성된다. 또한, 상기 회전축에 장착되어 회전수를 카운터하는 엔코더가 구성될 수 있다.
또한, 상기 센서부에 연계되는 것으로서, 설정된 전력을 출력하라는 시그널인 출력지령을 입력받은 후, 상기 전력 데이터를 입력받아서, 상기 전력 데이터가 상기 출력지령에 부합하면 입력된 상기 피치각도와 토오크의 가변을 허락하지 않고, 상기 전력 데이터가 상기 출력지령에 부합하지 않으면 상기 피치각도와 토오크의 가변을 허락하는 모드스위치(150)가 구성된다.
또한, 상기 출력지령에 해당하는 회전속도 및 토오크의 설정치를 제공하는 룩업테이블(160, lookup table)가 구성된다.
또한, 상기 모드스위치(150), 상기 센서부, 상기 액튜에이터에 연계되는 것으로서, 상기 모드스위치의 피치각도의 가변 시그널을 수신한 후, 현재의 회전속도를 상기 센서부로부터 수신하고, 상기 룩업테이블(160)로부터 상기 출력지령에 대한 회전속도의 설정치를 서치하여, 현재의 회전속도와 설정치의 차이값을 연산하여 비례적으로 상기 액튜에이터를 가변시켜, 회전속도가 상기 설정치가 되도록 하는 피치 비례적분 제어기(170, pitch PI controller)가 구성된다.
또한, 상기 모드스위치(150)에 연계되어 토오크 가변 시그널을 수신하여 상기 회전속도의 설정치에 해당하는 토오크의 설정치를 상기 룩업테이블(160)에서 서치하여 출력하는 토오크 컨트롤러(180)가 구성된다.
또한, 상기 토오크 컨트롤러(180)에 연계되고 상기 발전기에 접속되는 것으로서 상기 토오크 데이터를 수신하여 상기 출력지령에 부합하도록 전력을 가변시키는 전력가변기가 구성된다.
또한, 풍력이 너무 약하여 피치각도를 조정하더라도 상기 룩업테이블(160)에 정리된 회전속도가 출력되지 않는다면 상기 모드스위치(150)는 토오크스케쥴(190)로 접속하도록 구성된다. 상기 토오크스케쥴(190)에는 회전속도의 설정치 이하의 회전속도에 대한 토오크가 정리된 것으로서 상기 모드스위치(150)는 상기 센서부로부터 현재의 회전속도를 입력받은 상태에서 설정치 이하의 회전속도가 감지되면 상기 토오크스케쥴(190)에서 상기 회전속도에 해당하는 토오크 값을 출력하여 상기 전력가변기로 입력하도록 구성된다. 그러면, 상기 전력가변기에서는 출력 지령에 해당하는 전력을 출력하도록 구성된다.
(제한출력 풍력발전기의 제어방법, 제2실시예)
상기 제2실시예에 의한 제한출력 풍력발전기(100)의 제어방법을 도 3 및 도 4와 함께 살펴보면 다음과 같다.
1. 입력단계
상기 모드스위치(150)로 설정된 전력을 출력하라는 시그널인 출력지령이 입력되는 입력단계가 이루어진다.
2. 연산단계
상기 입력단계 이후에, 상기 모드스위치(150)가 상기 전력데이터를 입력 받은 후 상기 전력 데이터가 상기 출력지령에 부합하면 입력된 상기 피치각도와 토오크의 가변을 허락하지 않고, 상기 전력 데이터가 상기 출력지령에 부합하지 않으면 상기 피치각도와 토오크의 가변을 허락하는 연산단계가 이루어진다.
3. 회전속도 조정단계
상기 연산단계 이후에, 상기 피치 비례적분 제어기(170)가 상기 모드스위치(150)의 피치각도의 가변 시그널을 수신한 후, 현재의 회전속도를 상기 센서부로부터 수신하고, 상기 룩업테이블(160)로부터 상기 출력지령에 대한 회전속도의 설정치를 서치하여, 현재의 회전속도와 설정치의 차이값을 연산하여 비례적으로 상기 액튜에이터를 가변시켜, 회전속도가 상기 설정치가 되도록 하는 회전속도 조정단계가 이루어진다. 즉, 상기 룩업테이블(160)에는 다양한 전력에 대한 회전속도 및 토오크가 정리되어 있다. 따라서, 출력지령에 따라서 해당하는 회전속도를 출력시킬 수 있다.
4. 출력단계
회전속도 조정단계 이후에, 상기 토오크 컨트롤러(180)가 상기 모드스위치(150)에 연계되어 토오크 가변 시그널을 수신하고 상기 회전속도의 설정치에 해당하는 토오크의 설정치를 상기 룩업테이블(160)에서 서치하여 상기 전력가변기로 출력하여, 상기 출력지령에 부합하는 전력을 출력시키는 출력단계가 이루어진다.
또한, 다른 실시예로서, 풍력이 너무 약하여 피치각도를 조정하더라도 상기 룩업테이블(160)의 회전속도가 출력되지 않는다면, 풍력이 너무 약하여 피치각도를 조정하더라도 상기 룩업테이블(160)에 정리된 회전속도가 출력되지 않는다면 상기 모드스위치(150)는 토오크스케쥴(190)로 접속하도록 한다. 상기 토오크스케쥴(190)에는 회전속도의 설정치 이하의 회전속도에 대한 토오크가 정리된 것으로서 상기 모드스위치(150)는 상기 센서부로부터 현재의 회전속도를 입력받은 상태에서 설정치 이하의 회전속도가 감지되면 상기 토오크스케쥴(190)에서 상기 회전속도에 해당하는 토오크 값을 출력하여 상기 전력가변기로 입력하도록 한다. 그러면, 상기 전력가변기에서는 출력 지령에 해당하는 전력을 출력하게 된다.
상기 각 실시예에 의한 본 발명에 의한 제한출력 풍력발전기(100)는, 수용가 또는 전력계통(Grid)에 전력을 공급하기 위해서 전력변환시스템(PCS; Power Conditioning System)에 접속되고, 상기 전력변환시스템은 에너지저장장치(ESS; Energy Storage System)에 접속되어 풍력발전기에서 발생된 전력을 충전할 수 있도록 구성된다. 그리고 에너지저장장치에 충전된 전력은 상기 전력변환시스템을 통해서 수용가에서 사용할 수 있는 전압으로 정류되어 수용가 내지는 전력계통(Grid)으로 공급되도록 구성된다.
이 상태에서 상기 에너지저장장치의 충전이 완료된다면 배경기술에서는 발전을 멈출 수밖에 없었지만, 본원에서는 전력을 수용가에서 사용할 수 있도록 가변시켜서 출력시킬 수 있다. 일례로서, 평소에 100%의 전력을 생산하여 에너지저장장치에 충전하였다면, 수용가에서 사용할 수 있도록 상기 전력의 50%로 낮춰진 전력을 생산하여 수용가로 바로 공급할 수 있다. 물론, 이때 상기 전력변환시스템을 통해서 수용가에서 사용할 수 있도록 정류과정을 거치고 전압이 일정하도록 조정됨은 물론이다. 다시 말하면, 본원은 에너지저장장치의 충전이 완료된 상태에서도 발전에 용이한 바람이 분다면, 이러한 풍력을 버리지 않고 전력으로 변환하여 수용가로 인가함으로써 발전 효율을 향상시킬 수 있다. 즉, 시간당 부는 풍량 대비 발전용량을 배경기술에 비해서 향상시킬 수 있다.
100: 제한출력 풍력발전기 101: 하우징
105: 블레이드 107: 타워
110: 피치 컨트롤부 111: 제1모드스위치
113: 피치 비례적분 제어기 120: 토오크 컨트롤부
121: 제2모드스위치 140: 토오크 스케쥴
150: 모드스위치 160: 룩업테이블
170: 피치 비례적분 제어기 180: 토오크 컨트롤러
190: 토오크 스케쥴

Claims (6)

  1. 수용 기능을 하는 하우징(101)과,
    상기 하우징(101)에 회전하도록 장착된 회전축과,
    상기 회전축에 연결되고 상기 하우징(101)의 외부로 노출된 블레이드(105)와,
    상기 회전축과 상기 블레이드(105) 사이에 개재되어 상기 블레이드(105)의 피치각도를 가변시키는 액튜에이터와,
    상기 하우징(101) 내부에 수납되고 상기 회전축에 연결된 발전기를 포함하는 풍력발전기에 있어서;
    상기 풍력발전기에 장착되어 상기 피치각도, 상기 회전축의 회전속도, 상기 발전기에서 출력되는 전력 데이터를 감지하는 센서부와,
    상기 센서부에 연계되는 것으로서, 설정된 전력을 출력하라는 시그널인 출력지령을 입력받은 후, 상기 회전속도, 상기 피치각도, 상기 전력 데이터를 입력받아서, 상기 전력 데이터가 상기 출력지령에 부합하면 입력된 상기 피치각도를 가변시키지 않고, 상기 전력 데이터가 상기 출력지령에 부합하지 않은 상태에서 상기 회전속도가 설정값에 부합하지 않으면, 상기 액튜에이터를 구동시켜서 피치각도를 조정하여 상기 회전속도를 설정된 값으로 가변시키는 피치 컨트롤부(110)와,
    상기 출력지령을 입력받은 후, 상기 회전속도를 입력받아 설정값이면 상기 설정값에 대응되는 토오크 데이터를 출력하는 토오크 컨트롤부(120)와,
    상기 토오크 컨트롤부(120)에 연계되고 상기 발전기에 접속되는 것으로서 상기 토오크 데이터를 수신하여 상기 출력지령에 부합하도록 전력을 가변시키는 전력가변기를 포함하는 것을 특징으로 하는 제한출력 풍력발전기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 피치 컨트롤부(110)는,
    상기 출력지령을 수신한 후, 상기 센서부로부터 상기 회전속도, 상기 피치각도, 상기 전력 데이터를 입력받아서, 상기 전력 데이터가 상기 출력지령에 부합하면 피치각도 가변을 허락하지 않고, 상기 전력 데이터가 상기 출력지령에 부합하지 않은 상태에서 상기 회전속도가 설정값에 부합하면, 피치각도 가변을 허락하지 않고, 상기 출력지령에 부합하지 않은 상태에서 상기 회전속도가 설정값에 부합하지 않으면, 피치각도 가변을 명령하는 제1모드스위치(111)와,
    상기 제1모드스위치(111)에 연계되어 상기 피치각도 가변 명령을 감지한 후, 상기 센서부에서 현재의 피치각도와 현재의 회전속도를 수신한 후, 상기 회전속도와 설정된 회전속도의 차를 연산하여 상기 차에 비례하여 피치각도 가변을 상기 액튜에이터에 명령하는 피치 비례적분 제어기(113, pitch PI controller)를 포함하는 것을 특징으로 하는 제한출력 풍력발전기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 토오크 컨트롤부(120)는,
    상기 출력지령을 수신한 후, 상기 회전속도를 수신하여 설정값이면, 상기 출력지령에 대응되는 토오크값을 상기 전력가변기로 명령하는 제2모드스위치(121)를 포함하는 것을 특징으로 하는 제한출력 풍력발전기.
  4. 제3항에 의한 제한출력 풍력발전기의 제어방법으로서,
    상기 출력지령이 상기 제1모드스위치(111)와 제2모드스위치(121)로 입력되는 입력단계와,
    상기 입력단계 이후에, 상기 제1모드스위치(111)가 상기 센서부로부터 상기 회전속도, 상기 피치각도, 상기 전력 데이터를 입력받고, 상기 제2모드스위치(121)가 상기 센서부에서 상기 회전속도를 수신하는 피드백단계와,
    상기 피드백단계 이후에, 상기 제1모드스위치(111)는 상기 전력 데이터가 상기 출력지령에 부합하면 피치각도 가변을 허락하지 않고, 상기 전력 데이터가 상기 출력지령에 부합하지 않은 상태에서 상기 회전속도가 설정값에 부합하면, 피치각도 가변을 허락하지 않고, 상기 출력지령에 부합하지 않은 상태에서 상기 회전속도가 설정값에 부합하지 않으면, 피치각도 가변을 명령하는 과정을 포함하고, 상기 피치 비례적분 제어기는 상기 피치각도 가변 명령을 감지한 후, 상기 센서부에서 현재의 피치각도와 현재의 회전속도를 수신한 후, 상기 회전속도와 설정된 회전속도의 차를 연산하여 상기 차에 비례하여 피치각도 가변을 상기 액튜에이터에 명령하는 회전속도 조정단계와,
    상기 회전속도 조정단계 이후에, 상기 제2모드스위치(121)는 상기 회전속도를 수신하여 설정값이면, 상기 출력지령에 대응되는 토오크값을 상기 전력가변기로 명령하는 토오크 조정단계와,
    상기 토오크 조정단계 이후에, 상기 전력가변기는 상기 발전기에서 발전된 전력을 출력지령에 부합하도록 조정하여 출력시키는 출력단계를 포함하고,
    상기 피드백단계에서 출력단계까지의 과정이 반복되는 것을 특징으로 하는 제한출력 풍력발전기의 제어방법.
  5. 수용 기능을 하는 하우징(101)과,
    상기 하우징(101)에 회전하도록 장착된 회전축과,
    상기 회전축에 연결되고 상기 하우징(101)의 외부로 노출된 블레이드(105)와,
    상기 회전축과 상기 블레이드(105) 사이에 개재되어 상기 블레이드(105)의 피치각도를 가변시키는 액튜에이터와,
    상기 하우징(101) 내부에 수납되고 상기 회전축에 연결된 발전기를 포함하는 풍력발전기에 있어서;
    상기 풍력발전기에 장착되어 상기 피치각도, 상기 회전축의 회전속도, 상기 발전기에서 출력되는 전력 데이터를 감지하는 센서부와,
    상기 센서부에 연계되는 것으로서, 설정된 전력을 출력하라는 시그널인 출력지령을 입력받은 후, 상기 전력 데이터를 입력받아서, 상기 전력 데이터가 상기 출력지령에 부합하면 입력된 상기 피치각도와 토오크의 가변을 허락하지 않고, 상기 전력 데이터가 상기 출력지령에 부합하지 않으면 상기 피치각도와 토오크의 가변을 허락하는 모드스위치(150)와,
    상기 출력지령에 해당하는 회전속도 및 토오크의 설정치를 제공하는 룩업테이블(160, lookup table)과,
    상기 모드스위치(150), 상기 센서부, 상기 액튜에이터에 연계되는 것으로서, 상기 모드스위치의 피치각도의 가변 시그널을 수신한 후, 현재의 회전속도를 상기 센서부로부터 수신하고, 상기 룩업테이블(160)로부터 상기 출력지령에 대한 회전속도의 설정치를 서치하여, 현재의 회전속도와 설정치의 차이값을 연산하여 비례적으로 상기 액튜에이터를 가변시켜, 회전속도가 상기 설정치가 되도록 하는 피치 비례적분 제어기(170, pitch PI controller)와,
    상기 모드스위치(150)에 연계되어 토오크 가변 시그널을 수신하여 상기 회전속도의 설정치에 해당하는 토오크의 설정치를 상기 룩업테이블(160)에서 서치하여 출력하는 토오크 컨트롤러(180)와,
    상기 토오크 컨트롤러(180)에 연계되고 상기 발전기에 접속되는 것으로서 상기 토오크 데이터를 수신하여 상기 출력지령에 부합하도록 전력을 가변시키는 전력가변기를 포함하는 것을 특징으로 하는 제한출력 풍력발전기.
  6. 제5항에 의한 제한출력 풍력발전기의 제어방법으로서,
    상기 모드스위치(150)로 설정된 전력을 출력하라는 시그널인 출력지령이 입력되는 입력단계와,
    상기 입력단계 이후에, 상기 모드스위치(150)가 상기 전력데이터를 입력 받은 후 상기 전력 데이터가 상기 출력지령에 부합하면 입력된 상기 피치각도와 토오크의 가변을 허락하지 않고, 상기 전력 데이터가 상기 출력지령에 부합하지 않으면 상기 피치각도와 토오크의 가변을 허락하는 연산단계와,
    상기 연산단계 이후에, 상기 피치 비례적분 제어기(170)가 상기 모드스위치(150)의 피치각도의 가변 시그널을 수신한 후, 현재의 회전속도를 상기 센서부로부터 수신하고, 상기 룩업테이블(160)로부터 상기 출력지령에 대한 회전속도의 설정치를 서치하여, 현재의 회전속도와 설정치의 차이값을 연산하여 비례적으로 상기 액튜에이터를 가변시켜, 회전속도가 상기 설정치가 되도록 하는 회전속도 조정단계와,
    상기 연산단계 이후에, 상기 토오크 컨트롤러(180)가 상기 모드스위치(150)에 연계되어 토오크 가변 시그널을 수신하여 상기 회전속도의 설정치에 해당하는 토오크의 설정치를 상기 룩업테이블(160)에서 서치하여 상기 전력가변기로 출력하여, 상기 출력지령에 부합하는 전력을 출력시키는 출력단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제한출력 풍력발전기의 제어방법.
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