KR20090098828A - 풍력 발전 장치 및 풍력 발전 장치의 요 선회 구동 방법 - Google Patents

풍력 발전 장치 및 풍력 발전 장치의 요 선회 구동 방법 Download PDF

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Abstract

요 구동 장치의 완전 또는 부분 삭감 및 나셀내에 있어서의 소비 전력의 저감을 가능하게 하는 것을 목적으로 한다. 풍차 타워축 주위의 모멘트를 산출하고, 해당 모멘트를 상쇄하기 위한 기준 지령치에 대하여, 요 주위 제어 지령치를 가산함으로써, 풍차 타워축 주위의 각도 지령치를 산출하고, 풍차 타워축 주위의 각도 지령치에 근거하여, 각 풍차 날개의 피치 각도 지령치를 설정한다.

Description

풍력 발전 장치 및 풍력 발전 장치의 요 선회 구동 방법{WIND-DRIVEN GENERATOR AND YAW ROTATION DRIVE METHOD FOR WIND-DRIVEN GENERATOR}
본 발명은 풍력 발전 장치 및 풍력 발전 장치의 요(yaw) 선회 구동 방법에 관한 것이다.
풍력 발전 장치는 풍차 타워의 상단에 풍차 및 풍차에 의해 회전 구동되는 발전기를 갖는 풍차 발전 유닛이 요 회전가능하게 마련되어 있다. 또한, 풍력 발전 장치는 풍차가 정면으로부터 풍력을 받도록 풍향에 따라 풍차 발전 유닛이 풍차 타워에 대하여 요 선회(대략 수평면상의 선회)하도록 구성되어 있다.
상기 풍력 발전 장치에 있어서는, 구동 기어(drive gear)를 타워측에 고정 배치하는 동시에, 해당 구동 기어와 맞물리는 피니언(pinion)을 풍차 발전 유닛측에 배치하고, 이 피니언을 요 모터에 의해 회전 구동함으로써, 풍차 발전 유닛의 요 선회 구동이 실행되고 있다(예컨대, 특허문헌 1 참조).
특허문헌 1 : 일본 공개 특허 제 2001-289149 호 공보
그런데, 최근 풍차의 대형화에 따라, 상기 요 모터나 구동 기어 등이 대형화하고 있다. 요 모터는 나셀(nacelle)의 요 선회 구동을 위해 빈번하게 기동되지만, 대형화됨으로써 더욱더 소비 전력의 증대를 초래하게 된다.
또한, 나셀의 소형화·경량화를 도모할 경우에는, 상기 요 모터 등의 구성의 소형화·경량화가 중요한 과제가 된다.
본 발명은 나셀내에 있어서의 소비 전력의 저감 및 나셀의 소형화를 가능하게 하는 풍력 발전 장치 및 풍력 발전 장치의 요 선회 구동 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은 이하의 수단을 채용한다.
본 발명의 제 1 태양은, 각 풍차 날개의 하중을 계측하는 하중 계측부와, 상기 하중 계측부에 의해 계측된 각 풍차 날개의 하중을 좌표 변환함으로써, 풍차 타워축 주위의 모멘트를 산출하는 모멘트 산출부와, 상기 모멘트 산출부에 의해 산출된 상기 모멘트를 상쇄하기 위한 기준 지령치에 대하여, 요 주위 제어 지령치를 가산함으로써, 상기 풍차 타워축 주위의 각도 지령치를 산출하는 성분 지령치 설정부와, 상기 풍차 타워축 주위의 각도 지령치에 근거하여, 각 풍차 날개의 피치 각도 지령치를 설정하는 피치 각도 지령 설정부를 구비하는 풍력 발전 장치이다.
각 풍차 날개에 따른 풍차 타워축 주위의 하중을 상쇄하기 위한 기준 지령치에 대하여, 요 주위 제어 지령치가 가산되어서 각도 지령치가 산출되고, 이 각도 지령치에 근거해서 각 풍차 날개의 피치 각도 지령치가 설정되므로, 요 주위 제어 지령치에 따라 풍차 날개에 발생하는 모멘트를 이용하여, 나셀을 풍차 타워축 주위(요 주위)에 선회시키는 것이 가능해진다. 이와 같이, 각 풍차 날개의 피치 각도를 제어하는 것에 의해, 공기력을 이용하여 나셀을 선회시키므로, 요 모터의 소형화 및 사용 빈도의 저감을 도모하는 것이 가능해진다. 이 결과, 나셀의 경량화를 도모할 수 있는 동시에, 요 모터에 의한 전력 소비를 억제하는 것이 가능해진다. 또한, 요 모터를 불필요하게 하는 것도 가능하고, 이 경우에는, 더욱더 나셀의 소형화·경량화가 가능해지는 동시에, 더욱더 전력 소비의 저감을 도모할 수 있다.
상기 풍력 발전 장치에 있어서, 상기 요 주위 제어 지령치는 풍향에 따라 주어지는 것으로 해도 좋다.
이와 같이, 풍향에 따른 요 주위 제어 지령치를 주는 것에 의해, 풍향에 대하여 적절한 방향으로 나셀을 회동시키는 것이 가능해진다.
상기 풍력 발전 장치에 있어서, 상기 요 주위 제어 지령치는, 예컨대 풍향 편차에 근거하여 설정된다.
본 발명의 제 2 태양은, 각 풍차 날개의 하중을 각각 계측하는 과정과, 각 풍차 날개의 하중을 좌표 변환함으로써, 풍차 타워축 주위의 모멘트를 산출하는 과정과, 상기 모멘트를 제로(zero)로 하기 위한 기준 지령치에 대하여, 요 주위 제어 지령치를 가산함으로써, 상기 풍차 타워축 주위의 각도 지령치를 산출하는 과정과, 상기 풍차 타워축 주위의 각도 지령에 근거하여, 각 풍차 날개의 피치 각도 지령치를 설정하는 과정을 갖는 풍력 발전 장치의 요 선회 구동 방법이다.
본 발명에 의하면, 나셀내에 있어서의 소비 전력의 저감 및 나셀의 소형화를 도모할 수 있는 효과를 발휘한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 풍력 발전 장치의 전체 구성예를 도시한 도면,
도 2는 나셀내의 개략 구성을 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 풍차 제어 장치가 구비하는 피치 각도제어에 관한 제어 블록을 도시한 도면,
도 4는 z, y, z축의 정의를 설명하기 위한 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 요 주위 제어 지령치 설정부에 의해 실행되는 처리의 순서를 나타내는 흐름도,
도 6은 요 주위 제어 지령치 테이블의 일례를 나타내는 도면.
(부호의 설명)
1 : 풍력 발전 장치 2 : 풍차 타워
3 : 나셀 4 : 로터 헤드
5 : 풍차 날개 7 : 풍속계
8 : 풍향계 9 : 하중 계측 센서
10 : 증속기 11 : 발전기
20 : 풍차 제어 장치 21 : 가변 피치 기구
31 : 모멘트 산출부 32 : 성분 지령치 설정부
33 : 피치 각도 지령 설정부 34 : 요 주위 제어 지령치 설정부
이하에, 본 발명에 따른 풍력 발전 장치 및 풍력 발전 장치의 요 선회 구동 방법의 일 실시형태에 대하여 도면을 참조해서 설명한다.
도 1은 본 실시형태에 따른 풍력 발전 장치의 개략 구성을 도시한 블록도이다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 풍력 발전 장치(1)는, 풍차 타워(2)와, 풍차 타워(2)의 상단에 설치되는 나셀(3)과, 대략 수평인 축선 주위로 회전가능하게 해서 나셀(3)에 마련되는 로터 헤드(4)를 갖고 있다. 로터 헤드(4)에는, 그 회전 축선 주위로 방사상으로 해서 복수매의 풍차 날개(5)가 장착되어 있다. 이 결과, 로터 헤드(4)의 회전 축선방향으로부터 풍차 날개(5)에 부딪히는 바람의 힘이 로터 헤드(4)를 회전 축선 주위로 회전시키는 동력으로 변환되도록 되어 있다. 또, 본 실시형태에서는, 3장의 풍차 날개(5)를 구비하는 경우에 대하여 설명한다.
나셀(3)의 외주면 적소(예컨대, 상부 등)에는, 주변의 풍속치를 측정하는 풍속계(7)와, 풍향을 측정하는 풍향계(8)가 설치되어 있다. 또한, 각 풍차 날개(5)에는, 각각의 풍차 날개(5)에 있어서의 하중을 계측하기 위한 하중 계측 센서(예컨대, 광파이버 센서)(9)가 마련되어 있다.
상기 풍향계(8)는, 풍향 편차를 계측하여, 이 풍향 편차를 계측치로서 출력 하는 것이다. 또한, 하중 계측 센서(9)는, 예컨대 풍차 날개(5)의 왜곡을 계측하여, 이 왜곡량에 따라 하중을 계측하는 것이다.
나셀(3)의 내부에는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 로터 헤드(4)와 동축의 증속기(10)를 거쳐서 연결된 발전기(11)가 설치되어 있다. 즉, 로터 헤드(4)의 회전을 증속기(10)로 증속해서 발전기(11)를 구동함으로써, 발전기(11)로부터 발전기 출력을 얻을 수 있도록 되어 있다. 더욱이, 나셀(3) 내부에는, 풍차의 운전 제어를 실행하는 풍차 제어 장치(20), 및 풍차 제어 장치(20)로부터의 제어 신호를 받아서, 각 풍차 날개의 피치 각도를 변화시키는 가변 피치 기구(21)가 마련되어 있다.
풍차 제어 장치(20)에는, 각 하중 계측 센서(9)에 의해 계측된 각 풍차 날개(5)의 하중 계측치, 풍향계(8)에 의해 계측되는 풍향 편차, 및 풍속계(7)에 의해 계측되는 풍속이 입력되도록 되어 있다. 풍차 제어 장치(20)는, 이들 입력 정보에 근거하여 각 풍차 날개(5)의 피치 각도를 설정하고, 설정한 피치 각도에 따른 제어 신호를 가변 피치 기구(21)에 출력한다. 가변 피치 기구(21)는 풍차 제어 장치(20)로부터 주어지는 제어 신호에 근거하여 각 풍차 날개(5)의 피치 각도를 각각 변화시킨다.
도 3은 상기 풍차 제어 장치(20)가 구비하는 피치 각도 제어에 관한 제어 블록을 도시한 도면이다. 도 3에 도시하는 바와 같이, 풍차 제어 장치(20)는, 모멘트 산출부(31), 성분 지령치 설정부(32), 피치 각도 지령 설정부(33), 요 주위 제어 지령치 설정부(34)를 구비하고 있다.
상기 모멘트 산출부(31)는, 각 하중 계측 센서(9)에 의해 계측된 각 풍차 날개(5)의 하중(M1, M2, M3)을 좌표 변환함으로써, 도 4에 도시하는 z축 주위의 모멘트(Mz) 및 y축 주위의 모멘트(My)를 산출한다. 도 4에 도시하는 바와 같이, z축은 풍차 타워(2)의 주축에 평행한 축선이며, x축은 로터 헤드(4)의 회전축이며, y축은 z축 및 x축에 직교하는 축선이다.
모멘트 산출부(31)는, 모멘트(My, Mz)를 산출하면, 이들을 성분 지령치 설정부(32)에 출력한다. 성분 지령치 설정부(32)는 모멘트 산출부(31)에 의해 산출된 모멘트(Mz, My)에 근거하여 y축에 대한 각도 지령치(θy)와 z축에 관한 각도 지령치(θz)를 설정한다.
구체적으로는, 성분 지령치 설정부(32)는, y축 주위의 모멘트(My)를 상쇄하는 기준 지령치를 구하고, 이 기준 지령치를 y축 주위의 각도 지령치(θy)로 한다. 또한, 성분 지령치 설정부(32)는, z축 주위의 모멘트(Mz)를 상쇄하는 기준 지령치를 구하고, 또한 이 기준 지령치에 대하여 요 주위 제어 지령치 설정부(34)로부터 입력되는 요 주위 제어 지령치(Mz')을 가산하고, 이 값을 z축 주위의 각도 지령치(θz')으로 한다. 성분 지령치 설정부(32)는 각도 지령치(θy, θz')를 피치 각도 지령 설정부(33)에 출력한다.
피치 각도 지령 설정부(33)는, 입력된 각도 지령치(θy, θz')를 좌표 변환함으로써, 각 풍차 날개(5)의 피치 각도 지령(θ1, θ2, θ3)을 설정하고, 이들을 가변 피치 기구(21)에 출력한다. 이로써, 가변 피치 기구(21)에 의해 각 풍차 날개(5)의 피치 각도가 피치 각도 지령(θ1, θ2, θ3)에 근거하여 변화시켜진다. 이 결과, 각 풍차 날개(5)에 있어서의 하중이 저감되는 동시에, 요 주위 제어 지령치(Mz')에 따른 양만큼, 나셀(3)이 z축 주위로 회동시켜진다.
다음에, 상술한 요 주위 제어 지령치 설정부(34)에 대해서 도 5를 참조해서 설명한다. 도 5는 요 주위 제어 지령치 설정부(34)에 의해 실행되는 처리의 순서를 도시한 흐름도이다. 또, 도 5에 도시되는 처리는 소정 시간 간격으로 반복 실행되는 것으로 한다.
요 주위 제어 지령치 설정부(34)는 풍향계(8)로부터 입력되는 풍향 편차의 과거 소정 기간의 평균을 산출한다(도 5의 단계 SA1). 계속해서, 단계 SA1에 있어서 산출한 평균 풍향 편차가 미리 설정되어 있는 문턱값보다도 큰지 여부를 판정한다(도 5의 단계 SA2). 이 결과, 평균 풍향 편차가 문턱값 이하인 경우에는, 나셀(3)이 풍향에 대하여 바람직한 방향을 향하고 있다고 판단하고, 나셀(3)의 요 선회 구동을 실행하지 않고, 해당 처리를 종료한다.
한편, 평균 풍향 편차가 문턱값을 초과한 경우에는, 나셀(3)이 풍향에 대하여 적합한 방향으로 되어 있지 않다고 판단하고, 요 주위 제어 지령치(Mz')를 설정한다(도 5의 단계 SA3). 구체적으로는, 요 주위 제어 지령치 설정부(34)는, 미리 보유하고 있는 요 주위 제어 지령치 테이블을 참조하여, 단계 SA1에 있어서 산출된 평균 풍향 편차와 풍속계(7)로부터 입력되는 풍속에 의해 특정되는 요 주위 제어 지령치(Mz')를 취득한다. 도 6에 요 주위 제어 지령치 테이블의 일례를 나타낸다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 요 주위 제어 지령치 테이블에는, 풍속과 평균 풍향 편차의 세트에 대응하여서 요 주위 제어 지령치(Mz')가 각각 설정되어 있다. 요 주 위 제어 지령치 설정부(34)는 취득한 요 주위 제어 지령치(Mz')를 성분 지령치 설정부(32)에 출력한다(도 5의 단계 SA4).
이로써, 풍속과 풍향에 따라 설정된 요 주위 제어 지령치(Mz')가 z축 주위의 기준 지령치에 대하여 가산됨으로써, 요 주위 제어 지령치(Mz')에 따른 양만큼, 나셀(3)을 z축 주위로 선회시키는 것이 가능해진다.
이상, 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 따른 풍력 발전 장치(1)에 의하면, 요 주위 제어 지령치(Mz')에 따른 양의 모멘트를 각 풍차 날개(5)에 발생시키고, 이 모멘트를 이용해서 나셀(3)을 풍차 타워(2)의 주축 주위로 선회시키는 것이 가능해진다. 이렇게, 각 풍차 날개(5)의 피치 각도를 제어하는 것에 의해, 공기력을 이용해서 나셀(3)을 선회시키므로, 나셀(3)내에 배치되어 있는 요 모터(도시 생략)의 소형화를 도모하는 것이 가능해진다. 또한, 요 모터의 사용 빈도를 저감시키는 것이 가능해져, 소비 출력의 저감을 도모하는 것이 가능해진다.
또, 상술한 실시형태에 있어서는, 요 주위 제어 지령치 설정부(34)가 요 주위 제어 지령치 테이블로부터 요 주위 제어 지령치를 취득하는 것으로 했지만, 이 대신에, 평균 풍향 편차와 풍속을 파라미터로 한 연산식을 요 주위 제어 지령치 설정부(34)가 갖고 있어, 이 연산식에 평균 풍향 편차 및 풍속을 대입함으로써, 요 주위 제어 지령치를 얻는 것으로 해도 좋다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대해서 도면을 참조해서 상술하였지만, 구체적인 구성은 이 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위의 설계 변경 등도 포함된다.

Claims (4)

  1. 각 풍차 날개의 하중을 계측하는 하중 계측부와,
    상기 하중 계측부에 의해 계측된 각 풍차 날개의 하중을 좌표 변환함으로써, 풍차 타워축 주위의 모멘트를 산출하는 모멘트 산출부와,
    상기 모멘트 산출부에 의해 산출된 상기 모멘트를 상쇄하기 위한 기준 지령치에 대하여, 요 주위 제어 지령치를 가산함으로써, 상기 풍차 타워축 주위의 각도 지령치를 산출하는 성분 지령치 설정부와,
    상기 풍차 타워축 주위의 각도 지령치에 근거하여, 각 풍차 날개의 피치 각도 지령치를 설정하는 피치 각도 지령 설정부를 구비하는
    풍력 발전 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 요 주위 제어 지령치는 풍향에 따라 주어지는
    풍력 발전 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 요 주위 제어 지령치는 풍향 편차에 근거하여 설정되는
    풍력 발전 장치.
  4. 각 풍차 날개의 하중을 각각 계측하는 과정과,
    각 풍차 날개의 하중을 좌표 변환함으로써, 풍차 타워축 주위의 모멘트를 산출하는 과정과,
    상기 모멘트를 제로로 하기 위한 기준 지령치에 대하여, 타워축 주위 제어 지령치를 가산함으로써, 상기 풍차 타워축 주위의 각도 지령치를 산출하는 과정과,
    상기 풍차 타워축 주위의 각도 지령치에 근거하여, 각 풍차 날개의 피치 각도 지령치를 설정하는 과정을 갖는
    풍력 발전 장치의 요 선회 구동 방법.
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