KR102065612B1

KR102065612B1 - 풍력발전기의 개별 피치 제어 시스템 및 이를 포함하는 풍력발전시스템

Info

Publication number: KR102065612B1
Application number: KR1020180048768A
Authority: KR
Inventors: 윤영술; 강태중; 김대영
Original assignee: 주식회사 한진산업
Priority date: 2018-04-26
Filing date: 2018-04-26
Publication date: 2020-01-14
Also published as: KR20190124599A

Abstract

본 발명은 블레이드에 가해지는 실제 하중을 토대로 블레이드의 피로손상은 최소화하면서 발전효율을 최대화하도록 피치제어를 수행하는 풍력발전기의 개별 피치 제어 시스템 및 이를 포함하는 풍력발전 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 풍력 발전기의 개별 피치 제어 시스템은 복수의 블레이드 각각에 설치되어 상기 블레이드에 가해지는 풍압, 풍속 및 상기 블레이드의 형태 변형 중 어느 하나 이상을 측정하여 측정값을 생성하는 센서들을 구비하는 센서부; 상기 측정값을 전달받아 상기 블레이드에 가해지는 하중을 산출하여 하중값을 작성하는 압력산출부; 상기 하중값과 미리 저장되는 기준값을 비교하여 피치제어 여부와 피치 제어 각도 정보를 포함하는 제어정보를 생성하는 제어결정부; 및 상기 제어결정부의 제어정보에 따라 블레이드 가동부의 구동을 제어하여 복수의 상기 블레이드 각각의 피치를 변경하는 피치제어부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

풍력발전기의 개별 피치 제어 시스템 및 이를 포함하는 풍력발전시스템{INDIVIDUAL PITCH CONTROL SYSTEM FOR WIND POWER GENERATOR AND WIND POWER GENERATOR SYSTEM COMPRISING THEREOF}

본 발명은 풍력발전기의 개별 피치 제어 시스템 및 이를 포함하는 풍력발전시스템에 관한 것으로 특히, 블레이드에 가해지는 실제 하중을 토대로 블레이드의 피로손상은 최소화하면서 발전효율을 최대화하도록 피치제어를 수행하는 풍력발전기의 개별 피치 제어 시스템 및 이를 포함하는 풍력발전 시스템에 관한 것이다.

풍력발전기는 일반적으로 복수의 블레이드를 구비하며, 블레이드의 회전에 의해 발전기를 회전시켜 전력을 생산한다.

이러한 풍력발전기는 종류에 따라 스톨제어나 피치제어를 수행하여 발전기의 회전을 제어하는 방법이 일반적이다. 이 중 흔히 접할 수 있는 풍력발전기는 피치제어를 통해 블레이드의 각도를 조절하여 발전기의 회전 속도를 조절하게 된다.

이러한 피치제어는 컷인(Cut-in) 풍속에서는 회전력을 최대한 얻도록 블레이드의 각도를 조절하게 된다. 그리고, 피치제어는 정격풍속에서는 최대발전량이 발생되도록 블레이드의 각도를 조절하며, 정격풍속을 초과하는 경우 발전기의 손상이 발생되지 않도록 블레이드의 각도를 조절하게 된다.

이와 같은 피치제어를 수행하기 위해, 기존에는 레이져 측정기와 같이 풍속을 측정하는 수단을 나셀(nacelle)에 구성하고, 바람의 속도를 측정하여 블레이드의 피치 조절을 수행하게 된다.

그러나, 이러한 방법은 바람의 속도만을 고려하기 때문에 블레이드에 과도한 하중이 가해져 피로손상에 의한 파손이 발생하는 경우가 빈번하다.

특히, 기존에 블레이드별로 개별 피치 제어를 수행하는 경우 블레이드의 최종 조절각이 동일해져, 블레이드별로 피치 제어를 수행하는 것이 단순히 구동장치의 크기를 감소시키는 효과를 제공하는데 그치고 있다.

대한민국 공개특허공보 10-2014-0083832(공개일 2014.07.04.)

따라서, 본 발명이 목적은 블레이드에 가해지는 실제 하중을 토대로 블레이드의 피로손상은 최소화하면서 발전효율을 최대화하도록 피치제어를 수행하는 풍력발전기의 개별 피치 제어 시스템 및 이를 포함하는 풍력발전 시스템을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 블레이드에 가해지는 하중이 각 블레이드에 분산되도록 블레이드별 또는 위치에 따라 독립적인 피치제어가 이루어질 수 있도록 하는 풍력발전기의 개별 피치 제어 시스템 및 이를 포함하는 풍력발전 시스템을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 풍력 발전기의 개별 피치 제어 시스템은 복수의 블레이드 각각에 설치되어 상기 블레이드에 가해지는 풍압, 풍속 및 상기 블레이드의 형태 변형 중 어느 하나 이상을 측정하여 측정값을 생성하는 센서들을 구비하는 센서부; 상기 측정값을 전달받아 상기 블레이드에 가해지는 하중을 산출하여 하중값을 작성하는 압력산출부; 상기 하중값과 미리 저장되는 기준값을 비교하여 피치제어 여부와 피치 제어 각도 정보를 포함하는 제어정보를 생성하는 제어결정부; 및 상기 제어결정부의 제어정보에 따라 블레이드 가동부의 구동을 제어하여 복수의 상기 블레이드 각각의 피치를 변경하는 피치제어부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 풍력발전 시스템은 타워; 상기 타워에 결합되어 지지되는 나셀; 상기 나셀에 허브에 의해 회전 가능하게 결합되며 복수의 블레이드를 구비하는 로터; 상기 로터의 회전에 의해 전력을 생산하는 발전부; 복수의 상기 블레이드 각각에 설치되어 상기 블레이드에 가해지는 풍압, 풍속 및 상기 블레이드의 형태 변형 중 어느 하나 이상을 측정하여 측정값을 생성하는 센서부, 상기 측정값을 이용하여 상기 블레이드에 가해지는 하중을 산출하여 하중값을 작성하는 압력산출부, 상기 하중값과 미리 저장되는 기준값을 비교하여 피치제어 여부와 피치 제어 각도 정보를 포함하는 제어정보를 생성하는 제어결정부 및 상기 제어결정부의 제어정보에 따라 블레이드 가동부의 구동을 제어하여 상기 블레이드 각각의 피치를 변경하는 피치제어부를 구비하는 피치제어 시스템을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 피치제어시스템;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 풍력발전 시스템 및 이를 포함하는 풍력발전 시스템은 블레이드에 가해지는 실제 하중을 토대로 블레이드의 피로손상은 최소화하면서 발전효율을 최대화하도록 하는 것이 가능하다.

또한, 본 발명에 따른 풍력발전 시스템 및 이를 포함하는 풍력발전 시스템은 블레이드에 가해지는 하중이 각 블레이드에 분산되도록 블레이드별 또는 블레이드의 위치에 따라 독립적인 피치제어가 이루어질 수 있도록 하여, 피치제어에 의한 시스템 효율 향상을 최대화하는 것이 가능하다.

도 1은 풍력발전기의 일반적인 형태를 도시한 예시도.
도 2는 본 발명에 따른 피치제어 시스템을 포함하는 풍력발전시스템을 개략적으로 도시한 예시도.
도 3은 본 발명에 따른 개별 피치제어시스템의 구성을 블록 형태로 도시한 블록 예시도.
도 4는 압력산출부에 의해 산출되는 하중값을 그래프 형태로 도시한 예시도.
도 5는 블레이드의 위치별 피치각 제어를 설명하기 위한 예시도.
도 6는 압력센서를 이용한 센서유닛의 구성예를 도시한 예시도.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다. 첨부된 도면들에서 구성에 표기된 도면번호는 다른 도면에서도 동일한 구성을 표기할 때에 가능한 한 동일한 도면번호를 사용하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고 도면에 제시된 어떤 특징들은 설명의 용이함을 위해 확대, 축소 또는 단순화된 것이고, 도면 및 그 구성요소들이 반드시 적절한 비율로 도시되어 있지는 않다. 그러나 당업자라면 이러한 상세 사항들을 쉽게 이해할 것이다.

도 1은 풍력발전기의 일반적인 형태를 도시한 예시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 피치제어 시스템을 포함하는 풍력발전시스템을 개략적으로 도시한 예시도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 풍력발전기는 선정된 부지에 기초구조물(1)을 마련하고, 이 기초구조물(1) 상에 풍력발전기(100)가 설치된다. 이러한 기초구조물(1)은 지상에서는 일반적으로 콘크리트 구조물일 수 있으며, 해상에서는 부유물과 이에 설치되는 철골 구조물일 수 있다.

이러한 풍력발전기(100)는 타워(11), 나셀(20) 및 로터(50)를 포함하여 구성된다.

타워(11)는 나셀(20)과 로터(50)를 지상 또는 수면과 이격시켜 이격시켜 로터(50)가 원활하게 회전할 수 있게 하며, 나셀(20)과 로터(50)를 지지하는 역할을 한다. 일반적으로 타워(11)는 내부가 빈 파이프 형태의 구조물로 형성되고, 내부에 전력전송을 위한 전선, 제어신호의 전송을 위한 제어신호라인이 설치될 수 있다. 또한, 풍력발전기(100)가 대형으로 구성되는 경우 내부에 전력 변환 및 전송을 위한 변환장치가 마련될 수 있으나, 제시된 바에 의해 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

여기서, 타워(11)와 나셀(20)의 연결부위에는 요잉(yawing)을 위한 구동부(미도시)가 구성될 수 있다. 이 구동부는 나셀(20)과 로터(50)를 바람이 불어오는 방향을 향하도록 나셀(20)과 로터(50)를 타워(11)를 축으로하여 회전시키는 역할을 한다.

나셀(20)은 로터(50)가 회전 가능하게 결합되고, 로터(50)의 회전에 따라 전력을 생산하는 발전시스템(95)과, 로터(50)의 제어를 위한 피치제어시스템(10)이 마련된다.

나셀(20)에는 발전시스템(95)는 로터(50)의 회전에 따라 회전하여 전력을 생산하는 회전자를 가지는 발전부와, 회전자의 회전 속도를 조절하기 위한 기어박스, 로터(50)와 기어박스, 로터(50)와 로터부를 연결하기 위한 샤프트, 로터(50)의 회전속도를 제한하기 위한 브레이크가 마련된다. 여기서, 발전시스템(95)의 전력 변환장치 예를 들어, 발전부에서 생산된 교류 전압을 변압하거나, 교류전압을 직류전압으로 변환하는 컨버터가 마련될 수 있다. 그러나, 컨버터는 별도로 설치될 수도 있는 것으로, 제시된 바에 의해 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 브레이크는 생략이 가능하며, 브레이크의 생략시 블레이의 실속을 유발하는 공력학 브레이크를 이용하여 속도조절이 가능한 것으로, 제시된 바에 의해 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

아울러, 나셀(20)과 허브(51)에는 피치제어시스템(10)이 마련된다. 특히, 블레이드 가동부의 구동부가 허브(51)에 마련되고 동력원은 허브(51) 또는 나셀(20)에 마련될 수 있다. 구동부는 블레이드 각각에 독립적으로 부여되고, 동력원의 동력에 의해 블레이드를 개별적으로 설정되는 피치각으로 회전시키게 된다. 이러한 피치제어시스템(10)에 대해서는 이하에서 좀 더 상세히 설명하기로 한다.

로터(50)는 샤프트 및 샤프트의 회전을 보장하는 베어링 수단에 의해 나셀(20)에 결합된다. 이러한 로터(50)는 바람에 의해 회전하고, 회전력을 샤프트를 통해 발전부에 전달하여 로터를 회전시키게 된다.

이러한 로터(50)는 복수의 블레이드(60)와 블레이드(60)가 결합되는 허브(51)를 포함하여 구성된다. 허브(51)는 샤프트와 결합되어 로터(50)의 회전을 샤프트에 전달한다. 허브(51)에는 피치제어시스템(10)의 블레이드 가동부의 일부가 마련되어, 제어정보에 따라 블레이드(60) 각각의 피치를 독립적으로 조절하게 된다.

블레이드(60 : 60a, 60b, 60c)에는 센서부(61)가 구성된다. 이 센서부(61)는 각 블레이드별(60a, 60b, 60c)로 복수로 구성되는 센서(61a, 61b, 61c)를 포함하여 구성된다. 본 발명에서 제1 내지 제3블레이드(60a, 60b, 60c)에 각각 제1 내지 제3센서(61a, 61b, 61c)가 구성되는 예가 도시되어 있다. 그러나, 블레이드의 수가 변경되는 경우 센서의 수도 변경된다.

이러한 센서부(61)는 블레이드(60a, 60b, 60c) 각각에 가해지는 풍압하중을 블레이드 위치별로 측정하여 피치제어시스템(10)에 전달하게 된다. 이에 대해서는 하기의 도 3을 참조하여 좀 더 상세히 설명하기로 한다.

아울러, 본 발명을 설명함에 있어서, 위에서 설명되지 않은 사항들은 공지의 풍력발전기 또는 발전시스템의 기술이 적용 가능함을 의미하며, 본 발명에서는 발명에 필수적인 구성에 대해서만 설명을 진행하기로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 개별 피치제어시스템의 구성을 블록 형태로 도시한 블록 예시도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 피치제어 시스템은 센서부(61 : 61a, 61b, 61c), 압력산출부(70), 저장부(75), 제어결정부(80), 피치제어부(85) 및 블레이드 가동부(90)를 포함하여 구성된다.

센서부(61)는 블레이드(60a, 60b, 60c)에 가해지는 하중을 감지하고 감지결과를 압력산출부(70)에 전달한다. 이를 위해 센서부(61)는 도 2에 도시된 바와 같이 제1 내지 제3블레이드(60a, 60b, 60c) 각각에 설치된다. 여기서, 본 발명에서는 블레이드(60)가 제1, 제2 및 제3블레이드(60a, 60b, 60c)의 2조로 구성되고, 센서부(61)의 각 센서도 제1, 제2 및 제3센서(61a, 61b, 61c)로 구성된 경우를 가정하여 설명하기로 한다. 그러나, 블레이드의 수는 변경이 가능하며, 블레이드의 수에 따라 센서의 수가 변경될 수 있는 것으로, 제시된 바에 의해 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 구체적으로 제1블레이드(60a)에는 제1센서(61a), 제2블레이드(60b)에는 제2센서(61b), 제3블레이드(60c)에는 제3센서(61c)가 설치된다.

제1 내지 제3센서(61a, 61b, 61c)는 각각 복수의 센서유닛(A, B, C)을 포함하여 구성된다. 복수의 센서유닛(A : A1 내지 A3, B : B1 내지 B3, C : C1 내지 C3)은 블레이드(60)의 허브(51)와 인접한 위치, 팁(66)과 인접한 위치 및 이들의 중간에 구성될 수 있다. 여기서, 센서유닛(A, B, C)은 블레이드(60)의 길이에 따라 수가 달라질 수 있다. 예를 들어, 블레이드의 길이가 짧은 경우 B 센서유닛이 생략되어 구성될 수 있다. 반면에 블레이드(60)의 길이가 긴 경우 B 센서유닛을 복수로 구성하여 이용할 수 있다. 여기서, 팁(66)은 블레이드(60)의 일측 종단측을 의미하며, 블레이드(60)에서 허브(51)와 반대되는 위치의 종단부분을 의미한다.

이러한, 각 센서(61)를 구성하는 센서유닛(A, B, C)은 허브(51)와 팁(66)을 잇는 가상의 직선 상에 미리 지정된 간격으로 설치된다. 이를 통해 각 센서(61)는 센서유닛(A, B, C)이 설치된 위치에 가해지는 바람에 의해 발생되는 하중을 측정하게 된다.

이를 위해 센서유닛(A, B, C)은 바람의 압력을 측정하는 풍압센서, 바람의 속도를 측정하는 풍속센서, 블레이드(60)의 변형을 측정하는 센서 중 어느 하나를 이용하여 구성될 수 있다. 여기서, 센서의 종류는 일례로 제시된 것일뿐, 블레이드(60)의 상태를 측정할 수 있는 센서이면 다양하게 적용이 가능하다.

이러한 제1 내지 제3센서(61a, 61b, 61c)는 유선 또는 무선 통신채널에 의해 압력산출부(70)와 연결되고, 측정값을 미리 지정된 주기마다 압력산출부(70)에 전달하게 된다. 이러한 주기는 통신상황 또는 제어정밀도에 따라 달라지는 것으로, 연속적으로 제공될 수도 있으며, 제시된 바에 의해서 기간이나 횟수를 한정하는 것은 아니다. 다만, 설명의 편의를 위해 측정값이 연속적으로 전달되는 것으로 가정하여 설명을 진행하기로 한다.

압력산출부(70)는 센서(61)로부터 측정값을 전달받아 블레이드(60)에 가해지는 하중을 산출하게 된다. 구체적으로 압력산출부(70)는 센서(61)의 각 센서유닛(A, B, C)로부터 전달되는 측정값을 이용하여 연속적인 하중의 분포로 산출하게 된다. 좀더 구체적으로, 압력산출부(70)는 데이터의 연속적인 처리가 가능한 경우, 블레이드(60)의 회전위치를 따라 표현되는 연속적인 하중값으로 산출한다. 즉, 0도 내지 360도의 궤적에 대해 하중의 변화를 연속적인 값으로 표현하게 된다. 여기서, 데이터를 이산(discrete) 처리하는 경우 미리 지정된 각도 또는 일정한 각도 단위로 하중값을 산출할 수 있다. 이를 통해, 압력산출부(70)는 회전 궤적을 따라 하중의 변화와 수치적인 값을 포함하는 하중 값을 산출하고 이를 제어결정부(80)에 전달하게 된다.

여기서, 센서부(61)가 풍압, 풍속, 또는 변형력과 같은 값을 전달하는 경우, 압력산출부(70)는 측정값의 종류에 따라 적합한 환산 알고리즘을 적용하여, 측정값을 하중값을 변환하는 과정을 수행할 수 있다. 아울러, 센서부(61)에 의해 작성되는 측정값은 블레이드의 위치 즉, 각도 정보를 포함한다. 이러한 각도 정보는 센서유닛에 의해 작성될 수도 있고, 샤프트의 회전을 검출하여 각 블레이드의 위치정보를 수집함으로써 작성될 수도 있다.

저장부(75)는 기준값과 제어결정부(80)에 의해 피치제어가 이루어지도록 하는 알고리즘 또는 프로그램이 저장된다. 기준값은 블레이드(60)의 설계와 사용상태를 반영하여 미리 정해지는 값으로 피치제어를 위한 기준이 되는 값이다. 즉, 제어결정부(80)가 피치제어여부와 피치정도를 결정할 때, 하중 값과의 비교를 위한 기준값으로 이용된다. 이를 위해 이 기준값은 최고값, 최저값, 평균값, 급변값을 포함할 수 있다.

제어결정부(80)는 하중값을 전달받아 저장부(75)의 기준값과 비교하고, 비교결과에 따라 피치 제어여부와 피치 제어정도를 결정하여 제어정보를 작성한다. 그리고, 제어결정부(80)는 작성된 제어정보를 피치제어부(85)에 전달하여 블레이드별(60) 피치제어가 이루어질 수 있게 한다.

이를 위해, 제어결정부(80)는 연속적인 값으로 전달되는 하중값을 통해, 블레이드(60)들의 위치별 하중, 블레이드 각각의 하중, 블레이드의 부위별 하중을 포함하는 세부하중 정보를 산출한다. 여기서, 세부하중 정보는 압력산출부(70)에 의해 산출되어 제어결정부(80)에 전달되도록 하는 것이 가능하다. 위치별 하중과 블레이드 각각의 하중은 블레이드(60) 마다 설치되는 센서유닛들에 대응되는 하중값을 평균 내어 산출하거나, 이들 값 중 중간값 또는 제일 큰 값을 대표값으로 하여 산출될 수 있다.

즉, 위치별 하중은 블레이드가 위치한 각도에서 각 센서유닛의 측정값을 통해 산출되는 하중값을 평균하거나, 이 중 중간값 또는 최대값을 선택하여 연속적인 값 또는 미리 정해진 각도에서의 값으로 산출한 것이다. 여기서, 미리 정해진 각도 외에 위치별로 블레이드(60)들에 가해지는 하중이 공통적으로 변하하는 위치를 찾아 위치를 선정(급변점)하고, 급변점 별로 위치별 하중을 산출하도록 할 수 있다. 이를 위해 제어결정부(80)는 기준값에 포함된 금변값을 이용하여 하중의 변화 정도가 금변값에 정해진 값보다 큰 경우 해당 위치 또는 구간을 급변점으로 지정할 수 있다.

마찬가지로 블레이드 각각의 하중은 제1 내지 제3블레이드(60a 내지 60c) 중 어느 하나가 1회전 하는 동안의 하중을 평균낸 값일 수 있다. 이때, 어느 하나의 블레이드(60a 내지 60c)에 설치되는 센서유닛(A, B, C) 각각에 대해 산출된 하중값을 평균한 평균값, 이들 중 중간 하중을 나타내는 중간 하중값 또는 최대 하중값 중 어느 하나를 선택하여 블레이드별 하중을 산출할 수 있다.

이를 통해, 제어결정부(80)는 산출된 하중값을 기준값과 비교하여 정상운전 범위 내의 하중이 블레이드(60)에 가해지는지와 같은 운전상황을 판단함과 아울러, 상세하중정보를 미리 적용된 판단절차에 따라 판단하여 피치각 제어여부와 피치가 제어 각도를 결정하게 된다.

좀 더 구체적으로 제어결정부(80)는 블레이드(60)가 정격속도 내에서 운행되고 있고, 상세하중 정보에 나타낸 하중의 범위가 정상범위인 경우, 발전량이 최대가 되도록 블레이드의 피치를 제어한다. 즉, 제어결정부(80)는 블레이드의 위치별 하중이 유사 또는 동일하게 나타나고, 각 블레이드별 하중을 비교한 값의 차이가 미리 정해진 범위 이내이며, 블레이드 부위별 하중이 미리 정해진 범위 이내인 경우 정삼범위로 판단하게 된다. 그리고, 제어결정부(80)는 정상범위에서 각각의 블레이드(60)가 동일한 피치각이 되도록 현재의 피치각을 확인하여 제어정도 즉, 제어각도를 결정하여 제어정보를 작성하게 된다.

이때, 세부하중 정보에 기록된 하중이 정상범위를 벗어나는 경우 제어결정부(80)는 하중의 분포를 균일해지도록 블레이드별 또는 블레이드의 위치별로 피치각을 조절하게 된다.

구체적으로 제어결정부(80)는 로터(50)의 회전에 따라 블레이드(60)이 특정 회전각도에 도달했을 때 하중이 기준값에 기록된 급변값 이상으로 변하는 경우 위치별 하중이 불균일한 것으로 판단한다. 이와 같이 위치별 하중이 불균일 한 것으로 판단되면, 제어결정부(80)는 위치별 하중의 불균일이 최소가 되도록 블레이드(60)의 위치를 확인하여 위치별로 각각의 블레이드(60)의 피치를 제어하게 된다. 즉, 제어결정부(80)는 하중을 크게 받는 위치의 블레이드(60)의 받음각이 감소하도록 피치각을 조절하고, 하중이 상대적으로 작은 위치의 블레이드(60)는 받음각이 커지도록 피치각을 설정하게 된다. 이를 통해 제어결정부(80)는 로터(50)의 회전력 손실을 최소화하면서 특정 위치에서 블레이드에 가해지는 하중을 감소시켜 손상을 방지하게 된다.

또한, 제어결정부(80)는 특정 블레이드(60)에 가해지는 하중이 다른 블레이드(60)와 차이가 있는 경우 해당 블레이드(60)의 받음각은 감소시키고, 나머지 블레이드(60)의 받음각은 커지도록 각 블레이드(60)의 피치각도를 설정하게 된다.

그리고, 제어결정부(80)는 부위별 하중을 확인하여, 특정 블레이드(60)의 어느 한 부위에서 관측되는 하중값이 다른 부위의 하중과 기준값 이상의 차이를 보이는 경우 또는 특정 블레이드(60)의 어느 한 부위에서 관측되는 하중값이 다른 블레이드(60)의 동일 부위에서 관측되는 하중값과 다른 경우 차이를 줄이는 방향으로 각 블레이드(60)의 피치각을 조절하게 된다. 특히, 제어결정부(80)는 특정 블레이드의 어느 한 부분 예를 들어, 제1블레이드(60a)의 팁(66) 부분의 하중이 다른 블레이드(60b, 60c)의 팁(66) 부분 하중에 비해 큰 경우 제1블레이드(60a)의 하중이 감소되도록 피치각을 조절하게 된다.

즉, 제어결정부(80)는 세부하중정보를 확인하여 위치별 또는 블레이드별 하중이 균일해지도록 각 블레이드(60)의 피치각을 개별적으로 설정하여 제어정보를 작성하고 이를 피치 제어부(85)에 전달하게 된다.

피치제어부(85)는 제어결정부(80)로부터 제어정보를 전달받고, 제어정보에 기재된 각도로 피치가 조정되도록 블레이드 가동부(90)의 구동을 제어한다.

블레이드 가동부(90)는 피치제어부(85)의 제어에 의해 동작하여, 블레이드(60)를 회전시켜 피치를 조절한다. 이를 위해 블레이드 가동부(90)는 전술한 바와 같이 너셀(20)과 허브(51)에 설치된다. 이 블레이드 가동부(90)는 동력원과 동력원에 의해 구동되어 블레이드를 회전시키는 가동부로 구성될 수 있다. 동력원은 전기모터, 유압펌프와 같이 동력을 생산한다. 가동부는 동력원에 의해 생산된 동력에 의해 블레이드(60)와 허브(51)의 연결부위 구성되는 기어를 회전시켜 블레이드를 제어 목적 각도로 회전 시키게 된다.

도 4는 압력산출부에 의해 산출되는 하중값을 그래프 형태로 도시한 예시도이다. 한편, 도 5는 블레이드의 위치별 피치각 제어를 설명하기 위한 예시도이다.

도 4 및 도 5를 참조하면 제1 블레이드(60a)의 위치별 하중 분포가 도 4와 같이 VGUS될 수 있다. 도 4에서는 3개의 각도 P1, P2, P3 지점에서 센서유닛(A1, B1, C1)의 하중을 화살표로 나타낸 것이다. 도 4에서 원은 로터(50)의 회전에 따라 센서유닛(A1, B1, C1)의 궤적을 나타낸 것이다.

여기서 P1의 하중이 P2 또는 P3 지점에서의 하중에 비해 큰 것으로 도시되어 있다.

이와 같이 블레이드의 하중이 위치에 따라 다른 경우, 제어결정부(80)는 하중의 차이를 균일하게 하기 위해 위치에 따라 블레이드별(60) 피치제어를 수행하게 된다.

예를 들어 도시된 바와 같이 하중이 P1>P2>P3이면 도 5에서와 같이 P1에서 위치한 블레이드(60)의 하중이 적어지도록 피치각을 조절하게 된다. 이를 위해 제어결정부(80)는 P1 위치의 블레이드(60)를 받음각이 다른 블레이드(60)에 비해 적어지도록 회전시키게 된다. 그리고, P2위치의 블레이드는 받음각이 P1위치의 블레이드(60)에 비해 크고, P3 위치의 블레이드(60)에 비해 작아지도록 피치각이 조절된다. 마찬가지로, P3위치의 블레이드(60)는 다른 블레이드에 비해 하중이 커치조록 피치각이 조절된다.

이를 통해, 각 위치의 불균일한 하중 분포를 균일하게 하여 특정 블레이드에 하중이 가중되고 이를 통해 피로손상이 발생되는 것을 지연 및 방지하게 된다.

도 6는 압력센서를 이용한 센서유닛의 구성예를 도시한 예시도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 피치제어시스템에 구성되는 센서는 풍압센서, 풍속센서, 블레이드의 변형을 측정하는 센서 중 어느 하나로 구성될 수 있다. 도 5에는 블레이드의 변형을 측정하는 센서유닛(A)의 예가 도시되어 있다.

일반적으로, 블레이드는 양력(Lift force)와 항력(Drag force)를 고려하여 설계된다. 때문에 정상적인 발전이 이루어지는 정격풍속하에서는 양력이 우세하여 항력에 의해 블레이드가 바람이 부는 방향(X)으로의 휨이 크게 발생되지 않는다. 그러나, 정격풍속을 초과하는 경우 항력이 크게 증가하여 휨이 발생하게 된다.

즉, 블레이드 정격풍속 미만, 정격풍속 및 정격풍속 초과 상태에 따라 블레이드(60)의 휨이 발생된다.

본 발명에서는 이를 측정하여 블레이드에 가해지는 하중을 산출할 수 있게 된다.

이를 위해 센서유닛(A)은 센서(63)와 압력부재(64)를 포함하여 구성된다.

이 센서유닛(A)는 블레이드(60)의 전방 표면에 설치된다. 여기서 전방 표면은 바람이 불어오는 방향을 마주 대하는 면을 의미한다.

센서(63)가 블레이드(60)의 표면에 설치되고, 압력부재(64)는 센서(63)의 표면을 덮도록 블레이드(60)의 표면에 부착되어 고정된다.

이러한 압력부재(64)는 블레이드(60)의 길이방향(팁과 허브를 잇는 가상의 선을 길이방향, 이와 수직이되는 방향을 단면방향으로 정의한다)으로 양측 종단이 블레이드(60)의 표면에 접합된다. 이를 통해 블레이드(60)의 휨이 발생되는 경우 이에 대응하여 센서(63)에 압력을 가하거나 해제하게 된다. 이를 위해 센서(63)와의 접촉면은 센서에 접합되지 않고 접촉된 상태만 유지하게 된다. 이러한 압력부재(64)는 연질의 합성수지를 이용하여 형성될 수도 있으나, 블레이드(60)의 재질과 동일한 재질로 형성될 수도 있다.

센서(63)는 압력부재(64)에 의해 발생되는 압력 정도를 측정하여 측정값을 생성한다. 이러한 센서는 도시된 바와 같이 블레이드(60)의 표면에 부착된다. 이때 센서(63)는 길이방향 일측만 블레이드(60) 표면에 결합된다. 좀 더 구체적으로 센서(63)가 정면에서 바라봤을 대 사각 판상으로 형성된 경우 팁 또는 허브를 향하는 방향의 일측 모서리만 블레이드(60)의 표면에 접합되게 된다.

이를 통해 블레이드(60)의 휨이 발생되는 경우 블레이드(60)의 휨새에 따라 센서(63)의 휨이 발생되지 않고, 형태를 유지하여 압력부재(64)의 변형에 따른 압력만 측정할 수 있게 된다.

이상에서 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 예로 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기와 같이 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 국한되지 않고, 여려가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 실시될 수 있다. 따라서, 그와 같은 변형도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 하며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.

11 : 타워 10 ; 피치제어시스템
20 : 나셀 50 : 로터
51 : 허브 60 : 블레이드
61 : 센서 66 : 팁
70 : 압력 산출부 75 : 저장부
80 : 제어결정부 85 : 피치제어부
90 ; 블레이드 가동부 95 : 발전시스템
100 : 풍력발전기

Claims

복수의 블레이드 각각에 설치되어 상기 블레이드에 가해지는 풍압, 풍속 및 상기 블레이드의 형태 변형 중 어느 하나 이상을 측정하여 측정값을 생성하는 센서들을 구비하는 센서부;
상기 측정값을 전달받아 상기 블레이드에 가해지는 하중을 산출하여 하중값을 작성하는 압력산출부;
상기 하중값과 미리 저장되는 기준값을 비교하여 피치제어 여부와 피치 제어 각도 정보를 포함하는 제어정보를 생성하는 제어결정부; 및
상기 제어결정부의 제어정보에 따라 블레이드 가동부의 구동을 제어하여 복수의 상기 블레이드 각각의 피치를 변경하는 피치제어부;를 포함하여 구성되고,
상기 센서부는 상기 블레이드의 길이방향을 따라 미리 정해진 간격으로 설치되는 복수의 센서유닛을 포함하여 구성되며,
상기 센서유닛은 블레이드의 표면에 설치되는 센서와 상기 센서를 덮도록 블레이드의 표면에 부착되어 고정되는 압력부재를 포함하고,
상기 압력부재는 상기 블레이드의 팁과 허브를 잇는 길이방향의 양측 종단이 블레이드 표면에 접합되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기를 위한 개별 피치제어시스템.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 제어결정부는
상기 블레이드의 회전 위치별 하중, 상기 블레이드 각각의 하중 및 상기 블레이드의 부위별 하중 정보를 포함하는 세부하중 정보를 산출하고,
상기 세부하중정보의 각 하중을 상호 비교하거나, 미리 저장된 기준값과 비교하여 상기 제어정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기를 위한 개별 피치제어 시스템.
제 3 항에 있어서,
상기 제어결정부는
상기 세부하중 정보의 각 하중값이 불균일한 경우, 상기 하중값의 차이가 최소가 되도록 복수의 상기 블레이드 각각의 피치각을 서로 다르게 하여 상기 제어정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기를 위한 개별 피치제어 시스템.
제 3 항 또는 제4항에 있어서,
상기 제어결정부는
상기 세부하중정보의 각 하중값 중 값이 큰 블레이드의 받음각은 감소시키고, 하중값이 작은 블레이드는 받음각을 증가시키는 것을 특징으로 하는 풍력발전기를 위한 개별 피치제어 시스템.
타워;
상기 타워에 결합되어 지지되는 나셀;
상기 나셀에 허브에 의해 회전 가능하게 결합되며 복수의 블레이드를 구비하는 로터;
상기 로터의 회전에 의해 전력을 생산하는 발전부;
복수의 상기 블레이드 각각에 설치되어 상기 블레이드에 가해지는 풍압, 풍속 및 상기 블레이드의 형태 변형 중 어느 하나 이상을 측정하여 측정값을 생성하는 센서부, 상기 측정값을 이용하여 상기 블레이드에 가해지는 하중을 산출하여 하중값을 작성하는 압력산출부, 상기 하중값과 미리 저장되는 기준값을 비교하여 피치제어 여부와 피치 제어 각도 정보를 포함하는 제어정보를 생성하는 제어결정부 및 상기 제어결정부의 제어정보에 따라 블레이드 가동부의 구동을 제어하여 상기 블레이드 각각의 피치를 변경하는 피치제어부를 구비하고,
상기 센서부는 상기 블레이드의 길이방향을 따라 미리 정해진 간격으로 설치되는 복수의 센서유닛을 포함하며,
상기 센서유닛은 블레이드의 표면에 설치되는 센서와 상기 센서를 덮도록 블레이드의 표면에 부착되어 고정되는 압력부재를 포함하고,
상기 압력부재는 상기 블레이드의 팁과 허브를 잇는 길이방향의 양측 종단이 블레이드 표면에 접합되는 것을 특징으로 하는 풍력발전 시스템.
삭제
제 6 항에 있어서,
상기 제어결정부는
상기 블레이드의 회전 위치별 하중, 상기 블레이드 각각의 하중 및 상기 블레이드의 부위별 하중 정보를 포함하는 세부하중 정보를 산출하고,
상기 세부하중정보의 각 하중을 상호 비교하거나, 미리 저장된 기준값과 비교하여 상기 제어정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 풍력발전 시스템.
제 8 항에 있어서,
상기 제어결정부는
상기 세부하중 정보의 각 하중값이 불균일한 경우, 상기 하중값의 차이가 최소가 되도록 복수의 상기 블레이드 각각의 피치각을 서로 다르게 하여 상기 제어정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 풍력발전 시스템.
제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
상기 제어결정부는
상기 세부하중정보의 각 하중값 중 값이 큰 블레이드의 받음각은 감소시키고, 하중값이 작은 블레이드는 받음각을 증가시키는 것을 특징으로 하는 풍력발전 시스템.