KR20090071550A - 풍력 발전 장치 - Google Patents

Abstract

풍속계의 측정값에 관한 이상의 유무를 감시함으로써, 컷아웃 제어를 한층 더 정확하게 실시할 수 있는 풍력 발전 장치를 제공한다. 지지 기둥 상에 설치된 나셀(3)에, 풍차 날개(5)를 장착한 로터 헤드(4)에 연결되어 일체로 회전하는 주축과, 상기 주축의 회전을 증속하여 출력하는 증속기(10)와, 상기 증속기(10)의 출력에 의해 구동되는 발전기(11)와, 풍속계(7)의 측정값이 소정값 이상이 되는 강풍시에 컷아웃 제어를 실시하는 제어부(20)를 구비하고 있는 풍력 발전 장치에 있어서, 제어부(20)가, 풍차 날개(5)의 날개 피치 각도 및 발전기(11)의 출력의 관계로부터 얻어지는 추정 풍속값과, 풍속계(7)의 측정값과의 사이에 소정값 이상의 차가 발생한 경우에 풍속계 이상이라고 판단한다.

Description

풍력 발전 장치{WIND-DRIVEN GENERATOR}

본 발명은, 자연 에너지인 바람을 회전력으로 변환하는 풍차를 이용하여 발전을 행하는 풍력 발전 장치에 관한 것이다.

종래, 자연 에너지인 풍력을 이용하여 발전을 행하는 풍력 발전 장치가 알려져 있다. 이러한 종류의 풍력 발전 장치는, 지지 기둥 상에 설치된 나셀(nacelle)에, 풍차 날개를 장착한 로터 헤드와, 이 로터 헤드와 일체로 회전하도록 연결된 주축과, 풍차 날개에 풍력을 받아 회전하는 주축을 연결한 증속기와, 증속기의 축 출력에 의해 구동되는 발전기를 설치한 것이다. 이와 같이 구성된 풍력 발전 장치에 있어서는, 풍력을 회전력으로 변환하는 풍차 날개를 구비한 로터 헤드 및 주축이 회전하여 축 출력을 발생하고, 주축에 연결된 증속기를 통해 회전수를 증속한 축 출력이 발전기에 전달된다. 이로 인해, 풍력을 회전력으로 변환하여 얻어지는 축 출력을 발전기의 구동원으로 하고, 발전기의 동력으로서 풍력을 이용한 발전을 행할 수 있다.

상술한 종래의 풍력 발전 장치에 있어서는, 풍속계에서 측정한 풍속값의 신호에 따라서 기동 및 정지의 제어를 자동적으로 행하고 있다.

특히, 상술한 풍속값이 소정값 이상이 되는 강풍시에는, 장치 보호를 위해 풍차 날개의 피치 각도를 변화시켜 발전을 정지하는 컷아웃 제어가 행해지고 있다(예를 들어, 특허 문헌 1 참조).

특허 문헌 1 : 일본 특허 출원 공개 제2004-84527호 공보

도 1은 본 발명에 관한 풍력 발전 장치의 일 실시 형태를 도시하는 주요부의 블록도이다.

도 2는 풍력 발전 장치의 전체 구성예를 도시하는 도면이다.

도 3은 도 1의 제어부에 있어서의 풍속계의 이상 판단을 나타내는 흐름도이다.

도 4는 풍속(V)과 발전기 출력(W)과의 관계를 날개 피치 각도마다 나타내는 풍차 날개의 특성을 나타내는 그래프이다.

도 5는 도 3의 변형예를 나타내는 흐름도이다.

[부호의 설명]

1 : 풍력 발전 장치

2 : 지지 기둥

3 : 나셀

4 : 로터 헤드

5 : 풍차 날개

7 : 풍속계

11 : 발전기

12 : 외기 온도 센서

20 : 제어부

30 : 가변 피치 기구

그런데, 상술한 컷아웃 제어를 정확하게 행하기 위해서는, 풍속계의 측정값이 중요해진다. 즉, 풍속계에 어떠한 이상이 발생한 경우에는, 실제의 풍속과 풍속계의 측정값의 사이에 큰 오차가 발생하므로, 정확한 컷아웃 제어를 실시할 수 없게 된다.

여기서, 풍속계의 이상에 관한 구체예를 들면, 예를 들어 한랭지의 대설 지대에 설치한 풍력 발전 장치의 경우, 풍속계의 풍속 검출 부분 등에 착빙(着氷)됨으로써 실제의 풍속보다 낮은 측정값이 출력되는 경우가 있다. 이러한 측정값의 오차는, 컷아웃 제어의 실시가 필요해지는 강풍을 과소 평가하는 것을 의미하고 있으므로 바람직하지 않다.

이러한 배경으로부터, 풍속계의 측정값에 관한 이상의 유무를 감시하는 수단을 설치함으로써, 컷아웃 제어를 한층 더 정확하게 실시하는 것이 요망된다.

본 발명은, 상기한 사정에 비추어 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 것은, 풍속계의 측정값에 관한 이상의 유무를 감시함으로써, 컷아웃 제어를 한층 더 정확하게 실시할 수 있는 풍력 발전 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명은, 상기한 과제를 해결하기 위해 하기의 수단을 채용하였다.

지지 기둥 상에 설치된 나셀에, 풍차 날개를 장착한 로터 헤드에 연결되어 일체로 회전하는 주축과, 상기 주축의 회전을 증속하여 출력하는 증속기와, 상기 증속기의 출력에 의해 구동되는 발전기와, 풍속계의 측정값이 소정값 이상이 되는 강풍시에 컷아웃 제어를 실시하는 제어부를 구비하고 있는 풍력 발전 장치에 있어서,

상기 제어부가, 상기 풍차 날개의 날개 피치 각도 및 상기 발전기의 출력의 관계로부터 얻어지는 추정 풍속값과, 상기 풍속계의 측정값의 사이에 소정값 이상의 차가 발생한 경우에 풍속계 이상이라고 판단하는 구성으로 되어 있는 것이다.

이러한 본 발명의 풍력 발전 장치에 따르면, 제어부가, 풍차 날개의 날개 피치 각도 및 발전기의 출력의 관계로부터 얻어지는 추정 풍속값과, 풍속계의 측정값의 사이에 소정값 이상의 차가 발생한 경우에 풍속계 이상이라고 판단하므로, 풍속계의 이상을 확실하게 검출할 수 있다.

상기한 발명에 있어서, 상기 제어부는, 상기 풍속계 이상을 판단할 때에 외기 온도의 검출값을 이용하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 낮은 외기온시에 발생하는 풍속계에의 착빙에 기인한 풍속계 이상을 확실하게 검출할 수 있다.

상기한 발명에 있어서, 상기 제어부는, 상기 풍속계 이상이라고 판단하였을 때에 컷아웃 제어를 실시하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 풍력 발전 장치의 컷아웃 제어를 확실하게 실시하는 것이 가능해진다.

상술한 본 발명의 풍력 발전 장치에 따르면, 컷아웃 제어를 실시하는 풍속계의 측정값에 관한 이상을 확실하게 검출함으로써, 특히 착빙 등에 의해 실제의 풍속값보다 작은 측정값이 출력되는 풍속계의 이상시에 있어서도, 컷아웃 제어를 확실하게 실시하여 풍속 발전 장치를 강풍으로부터 보호할 수 있다.

이하, 본 발명에 관한 풍력 발전 장치의 일 실시 형태를 도면을 기초로 하여 설명한다.

풍력 발전 장치(1)는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 기초(6) 상에 기립 설치되는 지지 기둥(2)과, 지지 기둥(2)의 상단부에 설치되는 나셀(3)과, 대략 수평인 축선 주위로 회전 가능하게 하여 나셀(3)에 설치되는 로터 헤드(4)를 갖고 있다.

로터 헤드(4)에는, 그 회전 축선 주위에 방사 형상으로 하여 복수매의 풍차 날개(5)가 장착되어 있다. 이 결과, 로터 헤드(4)의 회전 축선 방향으로부터 풍차 날개(5)에 닿은 바람의 힘이, 로터 헤드(4)를 회전 축선 주위로 회전시키는 동력으로 변환되도록 되어 있다.

나셀(3)의 외주면 적소(예를 들어, 상부 등)에는, 주변의 풍속값을 측정하는 풍속계(7)와, 풍향을 측정하는 풍향계(8)와, 피뢰침(9)이 설치되어 있다.

나셀(3)의 내부에는, 로터 헤드(4)와 동축의 증속기(10)를 통해 연결된 발전기(11)가 설치되어 있다. 즉, 로터 헤드(4)의 회전을 증속기(10)에서 증속하여 발전기(11)를 구동함으로써, 발전기(11)로부터 발전기 출력(W)이 얻어지도록 되어 있다.

풍력 발전 장치(1)의 적소에는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 각종 운전 제어를 행하기 위한 제어부(20)가 설치되어 있다. 이 제어부(20)의 제어에는, 풍속계(7)의 측정값을 기초로 하여 실시되는 발전의 기동·정지, 풍속계(7)의 측정값이 소정값 이상이 되는 강풍시에 실시되는 컷아웃 제어가 포함되어 있다.

제어부(20)에는, 풍속계(7)에서 측정한 풍속(V)의 출력 신호와, 발전기(11)에서 발전한 발전기 출력(W)을 검출한 출력 신호와, 적소에 설치한 외기 온도 센서(12)에서 측정한 외기 온도(T)의 출력 신호가 입력된다.

또한, 제어부(20)는 가변 피치 기구(30)의 제어가 가능하게 접속되어 있다. 이 가변 피치 기구(30)는, 풍차 날개(5)의 피치 각도를 풍속 등의 여러 조건에 따라서 적절하게 변화시키기 위한 기구이다. 또한, 이 가변 피치 기구(30)는, 강풍시에 제어부(20)가 출력하는 컷아웃 신호(21)를 받은 경우에는, 풍차 날개(5)의 피치 각도를 변화시킴으로써 로터 헤드(4)의 회전을 정지시키는 컷아웃 제어의 동작도 실시 가능하게 된다.

상술한 제어부(20)는, 풍속계(7)의 측정값에서 풍속(V)이 소정값(Vc) 이상이 되는 강풍시에 컷아웃 제어를 실시하는 동시에, 풍차 날개(5)의 날개 피치 각도 및 발전기(11)의 출력(W)의 관계로부터 얻어지는 추정 풍속값(Va)과, 풍속계(7)의 측정값인 풍속(V)의 사이에 소정값(ΔV) 이상의 차가 발생한 경우에 풍속계 이상이라 판단한다.

이하, 제어부(20)에 있어서의 풍속계 이상의 판단 과정에 대해, 도 3의 흐름도를 기초로 하여 구체적으로 설명한다.

최초의 스텝 S1에 있어서, 풍력 발전기(1)가 운전되어 발전을 행하고 있다. 이러한 발전 중에는, 스텝 S2에서 풍속계(7)에 의해 풍속(V)을 측정하여 제어부(20)에 입력함으로써, 풍속(V)이 항상 감시되고 있다.

스텝 S2의 풍속 감시와 동시에, 스텝 S3에서는 발전기(11)의 발전기 출력(W)을 측정하여 제어부(20)에 입력한다. 이 발전기 출력(W)은, 풍차 날개(5)의 피치 각도(α)를 변화시키는 가변 피치 기구(30)의 제어에 사용된다. 즉, 가변 피치 기구(30)는 발전기 출력(W)의 측정값을 기초로 하여 풍차 날개(5)의 피치 각도(α)를 최적값으로 변화시킨다.

스텝 S3에서 얻어진 발전기 출력(W) 및 피치 각도(α)는, 다음 스텝 S4에서 추정 풍속(Va)을 산출하기 위해 사용된다. 이 추정 풍속(Va)은, 예를 들어 도 4에 나타내는 그래프를 기초로 하여 산출된다. 이 그래프는, 종축을 발전기 출력(W), 횡축을 풍속(V)으로 하여, 풍차 날개(5)의 특성을 나타낸 것이며, 풍속(V)에 의해 얻어지는 발전기 출력(W)이 날개 피치 각도(α)마다 나타내어져 있다. 따라서, 발전기 출력(W) 및 피치 각도(α)를 알면 풍속(V)을 역산할 수 있다. 이로 인해, 이 발전기 출력(W) 및 피치 각도(α)로부터의 역산에 의해 얻어진 풍속을 추정 풍속(Va)이라 정의한다. 즉, 발전기 출력(W) 및 피치 각도(α)에 부가하여 풍속계(7)가 정상이면, 풍속계(7)에서 측정한 풍속(V)과 추정 풍속(Va)이 대략 일치하게 된다. 또한, 풍차 날개(5)의 특성에는, 풍차의 운전이 가능해지는 상한 풍속을 의미하는 컷아웃 풍속값(Vc)이 정해져 있다.

그래서, 다음 스텝 S5에서는, 풍속(V)과 추정 풍속값(Va)의 차를 산출하고, 그 절대값이 소정값(ΔV) 이상(│V-Vs│≥ΔV)으로 커지는지 여부를 판단한다. 이 결과, 풍속(V) 및 추정 풍속값(Va)의 차의 절대값이 ΔV 이상으로 큰 경우("예"인 경우)에는, 다음 스텝 S6으로 진행하여 풍속계(7)에 어떠한 이상이 발생한 것이라고 판단한다. 즉, 풍속계(7)로부터 입력된 풍속(V)의 바람이 불고 있는 운전 상황에 있어서, 실제로 입력된 발전기 출력(W)이, 풍력 발전 장치(1)의 풍차 날개(5)를 피치 각도(α)로 하여 운전한 경우에 도 4의 그래프로부터 얻어지는 계산상의 발전기 출력과 상이한 경우에는, 풍속계(7)에 이상이 발생하여 부정확한 측정값을 출력하고 있다고 생각된다.

풍속계(7)에 이상이 발생한 상태에서 풍력 발전 장치(1)의 운전을 계속하면, 중대한 문제를 일으키는 것이 우려되므로, 다음 스텝 S7로 진행하여 컷아웃 신호를 출력한다. 이와 같이 하여 컷아웃 신호가 출력되면, 가변 피치 기구(30)가 동작하여 날개 피치 각도(α)를 페더링(feathering) 각도로 변화시킨다. 이 결과, 바람의 에너지를 릴리프함으로써, 로터 헤드(4)의 회전수 및 발전기 출력(W)은 서서히 저하되어, 최종적으로는 대기(컷아웃의 리셋 대기) 상태가 된다.

이와 같이, 제어부(20)가, 날개 피치 각도(α) 및 발전기 출력(W)의 관계로부터 얻어지는 추정 풍속값(Va)과, 풍속계(7)의 측정값인 풍속(V)의 사이에 소정값(ΔV) 이상의 차가 발생한 경우에 풍속계 이상이라고 판단하므로, 풍속계(7)의 이상을 확실하게 검출할 수 있다.

상술한 제어부(20)는, 적소에 설치한 외기 온도 센서(12)에서 측정한 외기 온도(T)를 사용함으로써, 착빙에 기인하여 발생하는 풍속계(7)의 이상을 인식할 수 있다. 이하, 도 5에 나타내는 변형예의 흐름도를 기초로 하여, 제어부(20)가 착빙에 의한 풍속계(7)의 이상을 판단하는 제어를 구체적으로 설명한다. 또한, 상술한 도 3의 흐름도와 동일한 부분에는 동일한 부호를 붙이고, 그 상세한 설명은 생략한다.

이 제어에서는, 상술한 스텝 S2에 있어서의 풍속(V)의 감시, 스텝 S3에 있어서의 날개 피치 각도(α)의 감시와 동시에, 스텝 S11에 있어서 외기 온도 센서(12)에 의해 외기 온도(T)를 감시하고 있다.

스텝 S11에서 얻어진 외기 온도(T)는, 상술한 스텝 S5에서 풍속(V) 및 추정 풍속값(Va)의 차의 절대값이 ΔV 이상으로 크다고 판단한 경우("예"인 경우), 스텝 S12에 있어서 소정값 이하의 저온인지 여부의 판단을 한다. 이 결과, 외기 온도(T)가 소정값 이하의 저온인 경우("예"인 경우)에는, 다음 스텝 S13으로 진행하여, 풍속계(7)가 착빙에 의한 이상 상태에 있다고 판단한다. 즉, 외기 온도(T)가 예를 들어 빙점하가 되는 저온에서는, 풍속계(7)에 눈이나 얼음이 부착되는 착빙에 기인하여 이상이 발생된 확률이 높다고 판단할 수 있다. 환언하면, 제어부(20)는 풍속계(7)의 이상을 판단할 때에 외기 온도(T)의 검출값을 이용함으로써, 낮은 외기온시에 발생하는 풍속계(7)에의 착빙에 기인한 풍속계 이상을 확실하게 검출할 수 있다.

이러한 판단에 의해, 다음 스텝 S7에서는, 외기 온도(T)가 소정값보다 높은 경우("아니오"인 경우)와 마찬가지로, 컷아웃 신호를 출력한다. 또한, 스텝 S7의 컷아웃 신호 출력 후에 대해서는 상술한 도 3의 경우와 동일하다.

상술한 본 발명의 풍력 발전 장치(1)에 따르면, 컷아웃 제어를 실시하는 풍속계(7)의 측정값인 풍속(V)에 관한 이상을 확실하게 검출할 수 있게 된다. 특히, 외기 온도(T)의 조건을 부가함으로써 착빙 등에 의해 실제의 풍속값보다 작은 측정값[풍속(V)]이 출력되는 풍속계(7)의 이상시에 있어서도, 컷아웃 제어를 확실하게 실시하여 풍력 발전 장치(1)를 강풍으로부터 보호할 수 있다. 즉, 컷아웃 풍속 이상의 강풍시에 확실하게 컷아웃 제어를 행함으로써, 풍력 발전기(1)에 있어서의 기계적인 스트레스가 저감된다.

또한, 본 발명은 상술한 실시 형태에 한정되는 일은 없으며, 그 요지를 일탈하지 않는 범위 내에 있어서 적절하게 변경할 수 있다.

Claims (3)

1. 지지 기둥 상에 설치된 나셀에, 풍차 날개를 장착한 로터 헤드에 연결되어 일체로 회전하는 주축과, 상기 주축의 회전을 증속하여 출력하는 증속기와, 상기 증속기의 출력에 의해 구동되는 발전기와, 풍속계의 측정값이 소정값 이상이 되는 강풍시에 컷아웃 제어를 실시하는 제어부를 구비하고 있는 풍력 발전 장치에 있어서,

   상기 제어부가, 상기 풍차 날개의 날개 피치 각도 및 상기 발전기의 출력의 관계로부터 얻어지는 추정 풍속값과, 상기 풍속계의 측정값과의 사이에 소정값 이상의 차가 발생한 경우에 풍속계 이상이라고 판단하는 구성으로 되어 있는, 풍력 발전 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 풍속계 이상을 판단할 때에 외기 온도의 검출값을 이용하는 구성으로 되어 있는, 풍력 발전 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 풍속계 이상이라고 판단하였을 때에 컷아웃 제어를 실시하는 구성으로 되어 있는, 풍력 발전 장치.