KR20110028256A - 풍력 발전 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

풍력 발전 시스템이, 피치각이 가변인 블레이드를 구비하는 풍차 로터와, 풍차 로터에 의해 구동되는 발전기와, 풍차 로터 또는 발전기의 회전수에 응답하여, 발전기의 출력 전력과 블레이드의 피치각을 제어하는 제어 장치를 구비하고 있다. 제어 장치는, 회전수가 증대되어 소정의 정격 회전수에 도달할 때까지의 동안, 소정의 전력-회전수 곡선에 따라서 출력 전력을 제어하는 제1 제어를 행하고, 회전수가 정격 회전수를 초과하였을 때 출력 전력을 소정의 정격 전력으로 제어하는 제2 제어를 행한다. 제어 장치는, 일단 제2 제어를 행하는 상태로 설정된 후에 회전수가 정격 회전수보다도 작아졌을 때, 피치각에 응답하여 제2 제어를 행하는 상태를 유지하거나, 또는 제1 제어를 행하는 상태로 천이한다.

Description

풍력 발전 시스템 및 그 제어 방법{WIND POWER GENERATION SYSTEM, AND ITS CONTROL METHOD}
본 발명은, 풍력 발전 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 특히 가변속 가변 피치 제어 방식을 채용하는 풍력 발전 시스템의 출력 전력 및 피치각의 제어에 관한 것이다.
풍력 발전 시스템의 유력한 제어 방식 중 하나는, 풍차 로터의 회전수(즉, 발전기의 회전수)가 가변이고, 또한 블레이드의 피치각이 가변인, 가변속 가변 피치 제어 방식이다. 가변속 가변 피치 제어 방식은, 바람으로부터 에너지를 보다 많이 취득할 수 있고, 또한 출력 변동이 작다고 하는 이점이 있다.
가변속 가변 피치 제어 방식에서는, 발전기의 출력 전력 및 블레이드의 피치각의 제어의 최적화가 중요하다. 일본 특허 출원 공표 제2001-512804호 공보는, 자계 오리엔테이션 제어에 의해 발전기의 토크를 제어하는 한편, 발전기의 토크와 독립적으로 피치각을 제어하는 제어 방법을 개시하고 있다. 개시된 제어 방법에서는, 발전기의 회전수에 응답하여 발전기의 목표 출력 전력이 룩업 테이블을 사용하여 결정되고, 그 목표 출력 전력으로부터 발전기의 토크 지령이 결정된다. 이 토크 지령에 응답하여, 자계 오리엔테이션 제어에 의해 발전기의 토크가 제어된다. 한편, 블레이드의 피치각은, 발전기의 회전수와 목표 회전수의 편차에 따른 PID 제어, PI 제어, 또는 PD 제어에 의해 제어된다.
풍력 발전 시스템의 제어에 있어서의 하나의 문제는, 일시적인 잔잔해짐(transient wind null)이 발생한 경우, 즉 풍속이 단시간만 저하된 경우에 대한 대응이다. 풍력 발전 시스템은, 일반적으로 풍차 로터의 회전수가 정격 회전수 이상인 경우에 정격 전력을 발생하도록 설계된다. 이러한 풍력 발전 시스템에서는, 일시적인 잔잔해짐이 발생하여 풍차 로터의 회전수가 정격 회전수보다도 작아지면, 출력 전력이 정격 전력보다도 작아져 버린다. 이것은, 출력 전력의 변동이나 발전 효율의 저하를 초래한다.
따라서, 본 발명의 목적은, 일시적인 잔잔해짐이 발생해도 출력 전력의 변동이나 발전 효율의 저하가 일어나기 어려운 풍력 발전 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 관점에서는, 풍력 발전 시스템은, 피치각이 가변인 블레이드를 구비하는 풍차 로터와, 풍차 로터에 의해 구동되는 발전기와, 풍차 로터 또는 발전기의 회전수에 응답하여, 발전기의 출력 전력과 블레이드의 피치각을 제어하는 제어 장치를 구비한다. 제어 장치는, 회전수가 증대되어 소정의 정격 회전수에 도달할 때까지의 동안, 소정의 전력-회전수 곡선에 따라서 출력 전력을 제어하는 제1 제어를 행하고, 회전수가 정격 회전수를 초과하였을 때 출력 전력을 소정의 정격 전력으로 제어하는 제2 제어를 행하고, 제어 장치는, 일단 제2 제어를 행하는 상태로 설정된 후에 회전수가 정격 회전수보다도 작아졌을 때, 피치각에 응답하여 제2 제어를 행하는 상태를 유지하거나, 또는 제1 제어를 행하는 상태로 천이한다. 여기서, 피치각이라 함은, 블레이드의 익현과 로터 회전면이 이루는 각도이다. 즉, 피치각이 작으면, 풍차 로터는 보다 많은 에너지를 바람으로부터 취출하고, 피치각이 크면, 풍차 로터는 보다 적은 에너지를 바람으로부터 취출하게 된다.
이러한 구성의 풍력 발전 시스템에서는, 단시간밖에 풍속이 저하되어 있지 않은 경우에는, 풍차 로터의 회전 에너지를 이용함으로써 출력 전력의 변동을 억제할 수 있다. 이것은, 본 발명의 풍력 발전 시스템에서는, 상기 회전수가 상기 정격 회전수보다도 작아진 경우에, 출력 전력이 블레이드의 피치각에 따라서 소정의 정격 전력으로 유지되기 때문이다. 블레이드의 피치각으로부터 출력 전력을 소정의 정격 전력으로 유지 가능한 상태라고 판단되는 경우에는 출력 전력을 정격 전력으로 유지함으로써, 풍차 로터의 회전 에너지가 유효하게 취출되어, 출력 전력의 변동과 발전 효율의 저하를 억제할 수 있다.
제어 장치는, 일단 제2 제어를 행하는 상태로 설정된 후에 회전수가 정격 회전수보다도 작아졌을 때, 피치각이 소정의 피치각보다도 큰 경우에는 상기 제2 제어를 행하는 상태를 유지하고, 피치각이 소정의 피치각에 도달하여 비로소 제1 제어를 행하는 상태로 천이하는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 제어 장치는, 일단 상기 제2 제어를 행하는 상태로 설정된 후에 상기 회전수가 상기 정격 회전수보다도 작은 소정의 임계치 회전수보다도 작아졌을 때, 상기 피치각에 관계없이 상기 제1 제어를 행하는 상태로 천이하는 것이 바람직하다.
제어 장치는, 풍차 로터 또는 발전기의 회전수와 소정의 정격 회전수의 차 및 출력 전력과 정격 전력의 차에 응답하여 상기 피치각을 제어하는 것이 바람직하다.
이 경우, 제어 장치는 출력 전력이 정격 전력보다도 작은 경우, 피치각이 감소되도록 피치각을 제어하는 것이 바람직하다.
제어 장치는, 거스트를 검출한 경우, 상기 회전수에 응답하여 발전기의 출력 전력을 증가시키는 것이 바람직하다.
또한, 당해 풍력 발전 시스템이, 풍차 로터의 회전면의 방향을 선회시키는 선회 기구와, 바람이 불어오는 방향을 검출하는 풍향 검출기를 더 구비하고, 풍차 로터가, 블레이드를 구동하는 피치 구동 기구를 구비하고 있는 경우, 제어 장치는 피치 구동 기구의 고장을 검출하였을 때, 풍차 로터의 회전면이 바람이 불어오는 방향으로부터 퇴피되도록 선회 기구를 제어하는 것이 바람직하다.
제어 장치는, 발전기에 접속된 전력 계통의 전압에 응답하여 발전기로부터 전력 계통에 출력되는 무효 전력을 제어하고, 또한 상기 무효 전력에 따라서 상기 피치각을 제어하는 것이 바람직하다.
당해 풍력 발전 시스템이, 비상용 배터리와, 전력 계통으로부터 수취한 전력에 의해 비상용 배터리를 충전하는 충전 장치를 더 구비하고, 풍차 로터가, 블레이드를 구동시키는 피치 구동 기구를 구비하고, 비상용 배터리가, 발전기에 접속된 전력 계통의 전압이 저하되었을 때에 피치 구동 기구와 제어 장치에 전력을 공급하는 경우, 제어 장치는 비상용 배터리가 충전되어 있는 동안, 출력 전력을 증가시키도록 출력 전력을 제어하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 풍력 발전 시스템의 제어 방법은, 피치각이 가변인 블레이드를 구비하는 풍차 로터와, 풍차 로터에 의해 구동되는 발전기를 구비하는 풍력 발전 시스템의 제어 방법이다. 당해 제어 방법은, 풍차 로터 또는 발전기의 회전수에 응답하여, 발전기의 출력 전력과 상기 블레이드의 피치각을 제어하는 스텝을 구비한다. 상기 제어하는 스텝은,
(A) 상기 회전수가 증대되어 소정의 정격 회전수에 도달할 때까지의 동안, 소정의 전력-회전수 곡선에 따라서 상기 출력 전력을 제어하는 제1 제어가 행하는 스텝과,
(B) 상기 회전수가 상기 정격 회전수를 초과하였을 때 상기 출력 전력을 소정의 정격 전력으로 제어하는 제2 제어를 행하는 스텝과,
(C) 일단, 상기 제2 제어를 행하는 상태로 설정된 후에 상기 회전수가 상기 정격 회전수보다도 작아졌을 때, 상기 피치각에 응답하여 상기 제2 제어를 행하는 상태를 유지하거나, 또는 상기 제1 제어를 행하는 상태로 천이하는 스텝을 구비한다.
본 발명에 의해, 일시적인 잔잔해짐이 발생해도 출력 전력의 변동이나 발전 효율의 저하가 일어나기 어려운 풍력 발전 시스템이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 풍력 발전 시스템의 구성을 도시하는 측면도이다.
도 2는 본 실시 형태의 풍력 발전 시스템의 피치 구동 기구의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 3은 본 실시 형태의 풍력 발전 시스템의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 4는 본 실시 형태의 풍력 발전 시스템에 있어서 행해지는 전력 제어의 방법을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 실시 형태의 풍력 발전 시스템의 주 제어 장치의 구성의 일례를 도시하는 블록도이다.
도 6은 본 실시 형태의 풍력 발전 시스템의 전력 제어부 및 피치 제어부의 동작을 설명하는 표이다.
도 7은 본 실시 형태의 풍력 발전 시스템의 동작의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 실시 형태의 풍력 발전 시스템의 다른 구성을 도시하는 블록도이다.
도 9는 본 실시 형태의 풍력 발전 시스템에서 행해지는 적합한 제어의 흐름도이다.
도 10은 본 실시 형태의 풍력 발전 시스템에서 행해지는 다른 적합한 제어의 흐름도이다.
도 11은 본 실시 형태의 풍력 발전 시스템에서 행해지는 또 다른 적합한 제어의 흐름도이다.
도 12는 본 실시 형태의 풍력 발전 시스템에서 행해지는 또 다른 적합한 제어의 흐름도이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 풍력 발전 시스템(1)의 구성을 도시하는 측면도이다. 풍력 발전 시스템(1)은, 타워(2)와, 타워(2)의 상단부에 설치된 너셀(3)을 구비하고 있다. 너셀(3)은, 요(yaw) 방향으로 선회 가능하고, 너셀 선회 기구(4)에 의해 원하는 방향을 향하게 된다. 너셀(3)에는, 권선 유도 발전기(5)와 기어(6)가 탑재되어 있다. 권선 유도 발전기(5)의 로터는, 기어(6)를 통해 풍차 로터(7)에 접합되어 있다.
풍차 로터(7)는, 블레이드(8)와, 블레이드(8)를 지지하는 허브(9)를 구비하고 있다. 블레이드(8)는, 그 피치각이 가변이도록 설치되어 있다. 상세하게는, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 허브(9)에는 블레이드(8)를 구동시키는 유압 실린더(11)와, 유압 실린더(11)에 유압을 공급하는 서보 밸브(12)가 수용되어 있다. 서보 밸브(12)의 개방도에 의해 유압 실린더(11)에 공급되는 유압이 제어되고, 이에 의해 블레이드(8)가 원하는 피치각으로 제어된다.
도 1로 되돌아가, 너셀(3)에는 또한 풍속계(10)가 설치되어 있다. 풍속계(10)는 풍속과 풍향을 측정한다. 후술되는 바와 같이, 너셀(3)은 풍속계(10)에 의해 측정된 풍속과 풍향에 응답하여 선회된다.
도 3은 풍력 발전 시스템(1)의 구성의 상세를 도시하는 블록도이다. 본 실시 형태의 풍력 발전 시스템(1)은, 2중 공급 가변속 풍력 터빈 시스템(doubly-fed variable speed wind turbine system)의 일종이다. 즉, 본 실시 형태의 풍력 발전 시스템(1)은, 권선 유도 발전기(5)가 발생하는 전력이 스테이터 권선 및 로터 권선의 양쪽으로부터 전력 계통(13)에 출력 가능하도록 구성되어 있다. 구체적으로는, 권선 유도 발전기(5)는 그 스테이터 권선이 전력 계통(13)에 직접적으로 접속되고, 로터 권선이 AC-DC-AC 컨버터(17)를 통해 전력 계통(13)에 접속되어 있다.
AC-DC-AC 컨버터(17)는 능동 정류기(14), DC 버스(15) 및 인버터(16)로 구성되어 있고, 로터 권선으로부터 수취한 교류 전력을 전력 계통(13)의 주파수에 적합한 교류 전력으로 변환한다. 능동 정류기(14)는, 로터 권선에 발생된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하고, 그 직류 전력을 DC 버스(15)에 출력한다. 인버터(16)는, DC 버스(15)로부터 수취한 직류 전력을 전력 계통(13)과 동일한 주파수의 교류 전력으로 변환하고, 그 교류 전력을 전력 계통(13)에 출력한다. 권선 유도 발전기(5)가 전력 계통(13)에 출력하는 출력 전력은, 능동 정류기(14) 및 인버터(16)에 의해 제어된다.
AC-DC-AC 컨버터(17)는, 전력 계통(13)으로부터 수취한 교류 전력을 로터 권선의 주파수에 적합한 교류 전력으로 변환하는 기능도 갖고 있고, 풍력 발전 시스템(1)의 운전의 상황에 따라서는 로터 권선을 여기(勵起)하기 위해서도 사용된다. 이 경우, 인버터(16)는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하고, 그 직류 전력을 DC 버스(15)에 출력한다. 능동 정류기(14)는, DC 버스(15)로부터 수취한 직류 전력을 로터 권선의 주파수에 적합한 교류 전력으로 변환하고, 그 교류 전력을 권선 유도 발전기(5)의 로터 권선에 공급한다.
풍력 발전 시스템(1)의 제어계는, PLG(pulse logic generator)(18)와, 주 제어 장치(19)와, 전압/전류 센서(20)와, 컨버터 구동 제어 장치(21)와, 피치 제어 장치(22)와, 요 제어 장치(23)로 구성되어 있다.
PLG(18)는, 권선 유도 발전기(5)의 회전수(ω)[이하,「발전기 회전수(ω)」라 함]를 측정한다.
주 제어 장치(19)는, PLG(18)에 의해 측정된 발전기 회전수(ω)에 응답하여 유효 전력 지령(P*), 무효 전력 지령(Q*) 및 피치 지령(β*)을 생성하고, 또한 풍속계(10)에 의해 측정된 풍속 및 풍향에 응답하여 요 지령을 생성한다. 이후에 상세하게 서술되는 바와 같이, 본 실시 형태의 풍력 발전 시스템(1)의 특징 중 하나는, 유효 전력 지령(P*) 및 피치 지령(β*)을 생성하기 위한 제어 알고리즘에 있다.
전압/전류 센서(20)는, 권선 유도 발전기(5)를 전력 계통(13)에 접속하는 전력선에 설치되어 있고, 전력 계통(13)의 전압(Vgrid)(계통 전압)과, 권선 유도 발전기(5)로부터 전력 계통(13)에 출력되는 출력 전류(Igrid)를 측정한다.
컨버터 구동 제어 장치(21)는, 유효 전력 지령(P*), 무효 전력 지령(Q*)에 응답하여 전력 계통(13)에 출력되는 유효 전력(P)과 무효 전력(Q)을 제어한다. 능동 정류기(14) 및 인버터(16)의 파워 트랜지스터의 온 오프를 제어한다. 구체적으로는, 컨버터 구동 제어 장치(21)는 전압/전류 센서(20)에 의해 측정된 전력 계통(13)의 전압(Vgrid) 및 출력 전류(Igrid)로부터, 전력 계통(13)에 출력되는 유효 전력(P)과 무효 전력(Q)을 산출한다. 또한, 컨버터 구동 제어 장치(21)는, 유효 전력(P)과 유효 전력 지령(P*)의 차 및 무효 전력(Q)과 무효 전력 지령(Q*)의 차에 응답하여 PWM 제어를 행하여 PWM 신호를 생성하고, 생성된 PWM 신호를 능동 정류기(14) 및 인버터(16)에 공급한다. 이에 의해, 전력 계통(13)에 출력되는 유효 전력(P)과 무효 전력(Q)이 제어된다.
피치 제어 장치(22)는 주 제어 장치(19)로부터 보내지는 피치 지령(β*)에 응답하여, 블레이드(8)의 피치각(β)을 제어한다. 블레이드(8)의 피치각(β)은, 피치 지령(β*)에 일치하도록 제어된다.
요 제어 장치(23)는, 주 제어 장치(19)로부터 보내지는 요 지령에 응답하여, 너셀 선회 기구(4)를 제어한다. 너셀(3)은, 요 지령에 의해 지시된 방향을 향하게 된다.
전력 계통(13)과 권선 유도 발전기(5)를 접속하는 전력선에는, AC/DC 컨버터(24)가 접속되어 있다. 이 AC/DC 컨버터(24)는, 전력 계통(13)으로부터 수취한 교류 전력으로부터 직류 전력을 생성하고, 그 직류 전력을 풍력 발전 시스템(1)의 제어계, 특히 블레이드(8)의 피치각(β)을 제어하기 위해 사용되는 서보 밸브(12), 주 제어 장치(19) 및 피치 제어 장치(22)에 공급한다.
또한, 서보 밸브(12), 주 제어 장치(19) 및 피치 제어 장치(22)에 안정적으로 직류 전력을 공급하기 위해, 풍력 발전 시스템(1)에는 충전 장치(27)와 비상용 배터리(28)를 구비한 무정전 전원 시스템(26)이 설치되어 있다. 풍력 발전 시스템의 규격의 요구에 의해, 가령 계통 전압(Vgrid)이 저하된 경우라도, 권선 유도 발전기(5)가 전력 계통(13)에 접속된 상태가 유지될 필요가 있다. 이것을 위해서는, 전력 계통(13)의 전압이 저하된 경우라도 블레이드(8)의 피치각이 적절하게 제어되고, 이에 의해 권선 유도 발전기(5)의 회전수가 원하는 값으로 유지될 필요가 있다. 이러한 요구를 만족시키기 위해, 계통 전압(Vgrid)이 소정의 전압까지 저하된 경우, 무정전 전원 시스템(26)이 스위치(25)에 의해 서보 밸브(12), 주 제어 장치(19) 및 피치 제어 장치(22)에 접속되고, 전력이, 비상용 배터리(28)로부터 서보 밸브(12), 주 제어 장치(19) 및 피치 제어 장치(22)에 공급된다. 이에 의해, 블레이드(8)의 피치각의 제어가 유지된다. 비상용 배터리(28)는 충전 장치(27)에 접속되어 있다. 충전 장치(27)는 AC/DC 컨버터(24)로부터 공급되는 직류 전력에 의해 비상용 배터리(28)를 충전한다.
본 실시 형태의 풍력 발전 시스템(1)의 특징 중 하나는, 권선 유도 발전기(5)의 출력 전력(P)의 제어의 최적화에 있다. 도 4는, 유효 전력 지령(P*)과 권선 유도 발전기(5)의 회전수(ω) 사이의 관계를 나타내는 그래프로, 본 실시 형태의 풍력 발전 시스템(1)에 있어서 행해지는 출력 전력(P)의 제어 방법을 나타내고 있다.
발전기 회전수(ω)가 최소 회전수(ωmin)보다도 작은 경우, 권선 유도 발전기(5)의 유효 전력 지령(P*)은 0으로 제어된다. 최소 회전수(ωmin)라 함은, 권선 유도 발전기(5)에 의해 발전이 행해지는 최소의 회전수이며, 풍력 발전 시스템(1)의 특성에 따라서 결정된다.
발전기 회전수(ω)가 최소 회전수(ωmin)보다도 큰 경우에는, 유효 전력 지령(P*)은, 2개의 제어 모드:최적 커브 제어 모드와 정격치 제어 모드로부터 선택된 한쪽 제어 모드로 제어된다.
최적 커브 제어 모드에서는, 유효 전력 지령(P*)이, 하기 식:
로 정의되는 최적화 전력치(Popt)에 일치하도록 제어된다. K는 소정의 상수이다. 풍력 발전 시스템(1)에서는, 출력 전력을 발전기의 회전수의 3제곱에 비례하여 제어하는 것이 최적인 것이 알려져 있고, 제1 제어 모드에서는, 출력 전력(P)이 권선 유도 발전기(5)의 발전기 회전수(ω)의 3제곱에 비례하도록 제어된다.
최적 커브 제어 모드는, 주로 발전기 회전수(ω)가 최소 회전수(ωmin)보다도 크고, 정격 회전수(ωmax)보다도 작은 범위에서 사용된다. 여기서, 정격 회전수(ωmax)라 함은, 권선 유도 발전기(5)가 정상적으로 운전되는 회전수이다. 발전기 회전수(ω)는, 블레이드(8)의 피치각의 제어에 의해, (그것이 가능한 한) 정격 회전수(ωmax)로 제어된다.
한편, 정격치 제어 모드에서는, 출력 전력(P)이 정격 전력(Prated)에 일치된다. 정격치 제어 모드는, 주로 발전기 회전수(ω)가 정격 회전수(ωmax) 이상의 범위에서 사용된다. 정격 풍속으로 바람이 불고 있는 정상 상태에서는, 발전기 회전수(ω)가 정격 회전수(ωmax)로 되도록 제어되는 한편, 출력 전력(P)은 정격 전력(Prated)으로 되도록 제어된다.
본 실시 형태의 풍력 발전 시스템(1)의 중요한 특성은, 정격치 제어 모드로부터 최적 커브 제어 모드로의 천이가, 블레이드(8)의 피치각(β)에 따라서 행해지는 점에 있다. 발전기 회전수(ω)가 증가하여 정격 회전수(ωmax)에 도달한 경우에는, 전력 제어가 최적 커브 제어 모드로부터 정격치 제어 모드로 천이한다. 한편, 발전기 회전수(ω)가 감소하여 정격 회전수(ωmax)보다도 작아진 경우에는, 우선 피치각(β)이 감소되고, 또한 피치각(β)이 최소치(βmin)로 되어 비로소, 전력 제어가 정격치 제어 모드로부터 최적 커브 제어 모드로 천이된다. 즉, 유효 전력 지령(P*)이 정격 전력(Prated)으로부터 최적화 전력치(Popt)로 전환된다. 환언하면, 피치각(β)이 최소치(βmin)에 도달하지 않는 한[즉, 피치 지령(β*)이 최소치(βmin)에 도달하지 않는 한], 유효 전력 지령(P*)이 정격 전력(Prated)으로 유지된다. 피치각(β)이라 함은, 블레이드(8)의 익현과 로터 회전면이 이루는 각도이므로, 피치각(β)이 최소치(βmin)라 함은, 피치각(β)이 파인측의 한계치로 설정되어, 풍차 로터(7)의 출력 계수가 최대인 경우를 의미하고 있는 것에 유의바란다.
피치각(β)이 최소치(βmin)에 도달할 때까지 출력 전력(P)을 정격 전력(Prated)으로 유지하는 제어는, 일시적인 잔잔해짐이 발생한 경우에 있어서의 출력 전력의 변동을 억제하고, 또한 발전 효율의 저하를 방지하기 위해 유리하다. 상기와 같은 제어에서는, 발전기 회전수(ω)가 정격 회전수(ωmax)보다도 작아져도, 그것이 단시간밖에 계속되지 않으면 유효 전력 지령(P*)이 정격 전력(Prated)으로 유지되고, 이에 의해 출력 전력(P)의 변동이 억제된다. 덧붙여, 본 실시 형태의 풍력 발전 시스템(1)에서는, 발전기 회전수(ω)가 정격 회전수(ωmax)보다도 작아졌을 때에, 피치각(β)의 감소에 의한 풍차 로터(7)의 출력 계수의 증대를 할 수 없게 되어 비로소 출력 전력(P)이 정격 전력(Prated)으로부터 감소되므로, 풍차 로터(7)의 회전 에너지가 유효하게 활용되어, 발전 효율을 유효하게 향상시킬 수 있다.
단, 발전기 회전수(ω)가 정격 회전수(ωmax)보다도 낮은 소정의 임계치 회전수(ω'M)보다도 작아진 경우에는, 피치각(β)[또는 피치 지령(β*)]에 관계없이, 전력 제어가 정격치 제어 모드로부터 최적 커브 제어 모드로 전환된다. 발전기 회전수(ω)가 과소인 경우에 출력 전력(P)을 정격 전력(Prated)으로 유지하려고 하는 것은, 제어의 안정성을 유지하기 위해 바람직하지 않다. 적합하게는, 임계치 회전수(ω'M)는, 하기 식:
Figure pct00002
에 의해 정해지는 회전수인 것이 바람직하다. 여기서, ωM은, 중간 회전수이며,
Figure pct00003
로서 정의된다.
도 5는, 도 4에 도시되어 있는 바와 같은 제어를 실현하기 위한 주 제어 장치(19)의 구성의 예를 도시하는 블록도이다. 도 5는, 주 제어 장치(19)의 구성의 일례를 도시하고 있는 것에 불과하며, 주 제어 장치(19)는 하드웨어, 소프트웨어 및 하드웨어와 소프트웨어의 조합 중 어느 것에 의해 실현되어도 되는 것에 유의바란다. 주 제어 장치(19)는 유효 전력 지령(P*) 및 무효 전력 지령(Q*)을 생성하는 전력 제어부(31)와, 피치 지령(β*)을 생성하는 피치 제어부(32)를 구비하고 있다.
전력 제어부(31)는 선택기(33)와, 감산기(34)와, PI 제어부(35)와, 파워 제한부(36)와, 전력 설정 계산부(37)를 구비하고 있다. 한편, 피치 제어부(32)는 감산기(38)와, PI 제어부(39)와, 감산기(40)와, PI 제어부(41)와 가산기(42)를 구비하고 있다. 선택기(33), 감산기(34), PI 제어부(35), 파워 제한부(36), 전력 설정 계산부(37), 감산기(38), PI 제어부(39), 감산기(40), PI 제어부(41) 및 가산기(42)는, 주 제어 장치(19)에 있어서 사용되는 클럭에 동기하여 각각에 연산 스텝을 실행하고, 이에 의해 유효 전력 지령(P*), 무효 전력 지령(Q*) 및 피치 지령(β*)이 생성된다.
상세하게는, 선택기(33)는 발전기 회전수(ω)에 응답하여, 최소 회전수(ωmin)와 정격 회전수(ωmax) 중 한쪽을 전력 제어 회전수 지령(ωP *)으로서 선택한다. 보다 구체적으로는, 선택기(33)는 발전기 회전수(ω)가 중간 회전수(ωM) 이하인 경우, 전력 제어 회전수 지령(ωP *)을 최소 회전수(ωmin)로 설정하고, 발전기 회전수(ω)가 중간 회전수(ωM)보다도 큰 경우, 전력 제어 회전수 지령(ωP *)을 정격 회전수(ωmax)로 설정한다.
감산기(34)는 발전기 회전수(ω)로부터 전력 제어 회전수 지령(ωP *)을 빼고 편차(ΔωP)를 산출한다.
PI 제어부(35)는 편차(ΔωP)에 응답하여 PI 제어를 행하고, 유효 전력 지령(P*)을 생성한다. 단, 생성되는 유효 전력 지령(P*)의 범위는, 파워 제한부(36)로부터 공급되는 전력 지령 하한(Pmin)과 전력 지령 상한(Pmax)에 의해 제한된다. 즉, 유효 전력 지령(P*)은, 전력 지령 하한(Pmin) 이상, 전력 지령 하한(Pmax) 이하로 제한된다.
파워 제한부(36)는 발전기 회전수(ω) 및 피치 지령(β*)에 응답하여, PI 제어부(35)에 공급되는 전력 지령 하한(Pmin) 및 전력 지령 하한(Pmax)을 결정한다. 파워 제한부(36)는, 또한 정격 전력(Prated)을 피치 제어부(32)의 감산기(40)에 공급한다. 후술되는 바와 같이, 파워 제한부(36)에 의해 생성되는 전력 지령 하한(Pmin), 전력 지령 하한(Pmax) 및 상술한 선택기(33)에 의해 결정되는 전력 제어 회전수 지령(ωP *)을 적절하게 결정함으로써, 도 4에 도시되어 있는 바와 같은 전력 제어가 행해진다.
전력 설정 계산부(37)는, PI 제어부(35)에 의해 생성된 유효 전력 지령(P*)과, 풍력 발전 시스템(1)으로부터 출력되는 교류 전력의 역률을 지정하는 역률 지령으로부터 무효 전력 지령(Q*)을 생성하고, 유효 전력 지령(P*)과 무효 전력 지령(Q*)을 출력한다. 상술되어 있는 바와 같이, 유효 전력 지령(P*)과 무효 전력 지령(Q*)은, 풍력 발전 시스템(1)으로부터 출력되는 유효 전력(P) 및 무효 전력(Q)의 제어에 사용된다.
한편, 피치 제어부(32)의 감산기(38)는, 발전기 회전수(ω)로부터 피치 제어 회전수 지령(ωβ *)을 빼고 편차(Δωβ)를 산출한다. 피치 제어 회전수 지령(ωβ *)은, 정격 회전수(ωmax)에 일치하고 있고, 따라서 편차(Δωβ)는 발전기 회전수(ω)와 정격 회전수(ωmax)의 차를 나타내고 있다.
PI 제어부(39)는 편차(Δωβ)에 응답하여 PI 제어를 행하고, 피치 지령 기초치(βin *)를 생성한다. 피치각 지령 기초치(βin *)는, 최종적으로 생성되는 피치 지령(β*)을 주로 지배하지만, 피치 지령(β*)에 완전히 일치하는 것은 아니다. 피치각 지령 기초치(βin *)는, 발전기 회전수(ω)가 정격 회전수(ωmax)로 제어되도록 결정된다.
감산기(40)는 유효 전력 지령(P*)으로부터 정격 전력(Prated)을 빼고 편차(ΔP)를 생성하고, PI 제어부(41)는 편차(ΔP)에 응답하여 PI 제어를 행하여, 보정치(Δβ*)를 생성한다. 가산기(42)는 피치각 지령 기초치(βin *)와 보정치(Δβ*)를 가산하여 피치 지령(β*)을 생성한다.
피치 제어부(32)의 감산기(40) 및 PI 제어부(41)는, 발전기 회전수(ω)가 정격 회전수(ωmax)까지 증가하여 전력 제어가 최적 커브 제어 모드로부터 정격치 제어 모드로 전환될 때에, 피치 제어부(32)가 전력 제어에 원하지 않게 간섭하는 것을 억제하는 역할을 갖고 있다. 피치 제어부(32)의 PI 제어부(39)는, 발전기 회전수(ω)를 정격 회전수(ωmax)로 조정하려고 한다. 이로 인해, 전력으로서 취출해야 하는 공력 에너지가 원하지 않게 버려져 버리는 경우가 있다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 정격 전력(Prated)과 유효 전력 지령(P*)의 차에 응답하여 PI 제어부(41)에 의해 보정치(Δβ*)를 생성하고, 이 보정치(Δβ*)에 의해 피치 지령(β*)이 보정된다. 보정치(Δβ*)는, 유효 전력 지령(P*)이 정격 전력(Prated)보다도 작은 경우에, 즉 편차(ΔP)(＝P*－Prated)가 마이너스이면, 피치 지령(β*)이 피치각 지령 기초치(βin *)보다도 작아지도록, 즉 피치각(β)이 보다 파인측으로 되도록 결정된다. 이러한 제어에 의해, 유효 전력 지령(P*)이 정격 전력(Prated)에 도달하기 직전에서는, 피치각(β)이 페더측으로 되는 것이 억제된다. 유효 전력 지령(P*)이 정격 전력(Prated)에 도달한 후에는, 편차(ΔP)는 0이 되고, 보정치(Δβ*)도 0이 된다.
도 6은 주 제어 장치(19)의 전력 제어부(31) 및 피치 제어부(32)의 동작을 나타내는 표이다. 이하에서는, 전력 제어부(31) 및 피치 제어부(32)의 동작이, 이하의 5개의 케이스로 나누어 설명된다.
케이스 (1) : 발전기 회전수(ω)가 최소 회전수(ωmin) 이상, 중간 회전수(ωM)[＝(ωmin＋ωmax)/2] 이하인 경우
이 경우, 전력 제어 회전수 지령(ωP *)은, 선택기(33)에 의해 최소 회전수(ωmin)로 설정되고, 또한 전력 지령 하한(Pmin) 및 전력 지령 상한(Pmax)이, 각각 0, Popt(＝Kω3)로 설정된다. 덧붙여, 편차(ΔωP)(＝ω－ωmin)가 플러스이고, 또한 발전기 회전수(ω)가 정격 회전수(ωmax)로 되도록 제어되므로, 유효 전력 지령(P*)은 항상 전력 지령 상한(Pmax)에 붙게 된다. 전력 지령 상한(Pmax)은 Popt이므로, 결과적으로 유효 전력 지령(P*)은 최적화 전력치(Popt)로 설정된다. 환언하면, 전력 제어는 최적 커브 제어 모드로 설정된다.
이 경우, 피치 지령(β*)은 피치 제어부(32)에 의해 발전기 회전수(ω)가 정격 회전수(ωmax)로 되도록 제어되므로, 결과적으로 피치 지령(β*)은 파인측의 한계치로, 즉 최소 피치각(βmin)으로 설정되게 된다.
케이스 (2) : 발전기 회전수(ω)가, 중간 회전수(ωM)를 초과함으로써, 중간 회전수(ωM)보다 크고 회전수(ω'M)보다도 작은 범위에 있는 경우
이 경우, 전력 제어 회전수 지령(ωP *)은, 선택기(33)에 의해 정격 회전수(ωmax)로 설정되고, 또한 전력 지령 하한(Pmin) 및 전력 지령 상한(Pmax)이, 각각 Popt, Prated로 설정된다. 이 경우, 편차(ΔωP)(＝ω－ωmax)가 마이너스이고, 또한 발전기 회전수(ω)가 피치 제어부(32)에 의해 정격 회전수(ωmax)로 되도록 제어되므로, 유효 전력 지령(P*)은 항상 전력 지령 하한(Pmin)에 붙게 된다. 전력 지령 하한(Pmax)은 Popt이므로, 결과적으로 유효 전력 지령(P*)은 최적화 전력치(Popt)로 설정된다. 환언하면, 전력 제어는 최적 커브 제어 모드로 설정된다.
상술된 보정치(Δβ*)에 의한 피치 지령(β*)의 보정은, 케이스 (2)에 있어서 유효하게 기능한다. 케이스 (2)에서는, 유효 전력 지령(P*)이 정격 전력(Prated)보다도 작으므로, 편차(ΔP)가 마이너스가 되고, 따라서 보정치(Δβ*)도 마이너스가 된다. 따라서, 피치 지령(β*)이 피치각 지령 기초치(βin *)보다도 작아지는, 즉 피치각(β)이 보다 파인측으로 된다. 이에 의해, 공력 에너지가 보다 유효하게 전력으로 변환된다.
케이스 (3) : 발전기 회전수(ω)가 임계치 회전수(ω'M) 이상이고, 또한 피치각(β)이 최소 피치각(βmin)에 도달되어 있는 경우
이 경우, 전력 제어 회전수 지령(ωP *)이 선택기(33)에 의해 정격 회전수(ωmax)로 설정되고, 전력 지령 하한(Pmin) 및 전력 지령 상한(Pmax)이, 각각 Popt, 정격 전력(Prated)으로 설정된다.
발전기 회전수(ω)가 임계치 회전수(ω'M) 이상이고, 또한 정격 회전수(ωmax)보다도 작은 범위에 있는 경우에는, 편차(ΔωP)(＝ω－ωmax)가 마이너스이고, 유효 전력 지령(P*)은 항상 전력 지령 하한(Pmin)에 붙게 된다. 전력 지령 하한(Pmax)은 Popt이므로, 결과적으로 유효 전력 지령(P*)은 최적화 전력치(Popt)로 설정된다.
발전기 회전수(ω)가 정격 회전수(ωmax)보다도 커지면, 편차(ΔωP)(＝ω－ωmax)가 플러스이고, 유효 전력 지령(P*)은 항상 전력 지령 상한(Pmax)에 붙게 된다. 따라서, 유효 전력 지령(P*)은 정격 전력(Prated)으로 설정된다. 환언하면, 전력 제어는 정격치 제어 모드로 설정된다.
한편, 피치 지령(β*)은, 발전기 회전수(ω)가 정격 회전수(ω'M) 이상이고, 또한 정격 회전수(ωmax)보다도 작은 범위에 있는 경우에는, PI 제어에 의해 발전기 회전수(ω)가 정격 회전수(ωmax)로 되도록 제어되므로, 결과적으로 피치 지령(β*)은 파인측의 한계치로, 즉 최소 피치각(βmin)으로 설정되게 된다.
발전기 회전수(ω)가 정격 회전수(ωmax)보다도 커지고, 또한 유효 전력 지령(P*)이, 정격 전력(Prated)에 도달되어 있지 않을 때에는, 상술된 보정치(Δβ*)에 의한 피치 지령(β*)의 보정이 유효하게 기능한다. 유효 전력 지령(P*)이 정격 전력(Prated)보다도 작으므로, 편차(ΔP)가 마이너스가 되고, 따라서 보정치(Δβ*)도 마이너스가 된다. 따라서, 피치 지령(β*)이 피치각 지령 기초치(βin *)보다도 작아지는, 즉 피치각(β)이 보다 파인측으로 된다. 이에 의해, 공력 에너지가 보다 유효하게 전력으로 변환된다. 유효 전력 지령(P*)이, 정격 전력(Prated)에 도달하면, PI 제어에 의해 발전기 회전수(ω)가 정격 회전수(ωmax)로 되도록 제어된다.
케이스 (4) : 발전기 회전수(ω)가 임계치 회전수(ω'M) 이상이고, 또한 피치각(β)이 최소 피치각(βmin)에 도달되어 있지 않은 경우
이 경우, 전력 제어 회전수 지령(ωP *)이 선택기(33)에 의해 정격 회전수(ωmax)로 설정된다. 또한, 전력 지령 하한(Pmin)이, 1 연산 스텝 전의 유효 전력 지령(P*)과, 현 연산 스텝의 전력 지령 상한(Pmax) 중 작은 쪽으로 설정되고, 전력 지령 상한(Pmax)이 정격 전력(Prated)으로 설정된다. 이 결과, 유효 전력 지령(P*)은, 정격 전력(Prated)으로 설정된다. 환언하면, 전력 제어는 정격 회전수(ωmax)보다도 작아져도 정격치 제어 모드로 유지된다. 피치각(β)이 최소 피치각(βmin)에 도달되어 있는지 여부는, 피치 지령(β*)이 최소 피치각(βmin)에 일치하고 있는지 여부에 기초하여 판단된다.
한편, 피치 지령(β*)은 발전기 회전수(ω)가 임계치 회전수(ω'M) 이상이고, 또한 정격 회전수(ωmax)보다도 작은 범위에 있는 경우에는, PI 제어에 의해 발전기 회전수(ω)가 정격 회전수(ωmax)로 되도록 제어되므로, 결과적으로 피치 지령(β*)은 파인측의 한계치로, 즉 최소 피치각(βmin)으로 설정되게 된다.
발전기 회전수(ω)가 정격 회전수(ωmax)보다도 커지고, 또한 유효 전력 지령(P*)이, 정격 전력(Prated)에 도달되어 있지 않을 때에는, 상술된 보정치(Δβ*)에 의한 피치 지령(β*)의 보정이 유효하게 기능한다. 유효 전력 지령(P*)이 정격 전력(Prated)보다도 작으므로, 편차(ΔP)가 마이너스가 되고, 따라서 보정치(Δβ*)도 마이너스가 된다. 따라서, 피치 지령(β*)이 피치각 지령 기초치(βin *)보다도 작아지는, 즉 피치각(β)이 보다 파인측으로 된다. 이에 의해, 공력 에너지가 보다 유효하게 전력으로 변환된다. 유효 전력 지령(P*)이, 정격 전력(Prated)에 도달하면 PI 제어에 의해 발전기 회전수(ω)가 정격 회전수(ωmax)로 되도록 제어된다.
케이스 (5) : 발전기 회전수(ω)가, 임계치 회전수(ω'M)보다도 작아지고, 중간 회전수(ωM)보다도 큰 범위에 있는 경우
이 경우, 전력 제어 회전수 지령(ωP *)은 선택기(33)에 의해 정격 회전수(ωmax)로 설정되고, 또한 전력 지령 하한(Pmin) 및 전력 지령 상한(Pmax)이 각각 Popt, Prated로 설정된다. 이 경우, 편차(ΔωP)(＝ω－ωmax)가 마이너스이고, 또한 발전기 회전수(ω)가 피치 제어부(32)에 의해 정격 회전수(ωmax)가 되도록 제어되므로, 유효 전력 지령(P*)은 항상 전력 지령 하한(Pmin)에 붙게 된다. 전력 지령 하한(Pmax)은 Popt이므로, 결과적으로 유효 전력 지령(P*)은 최적화 전력치(Popt)로 설정된다. 환언하면, 전력 제어는 정격치 제어 모드로부터 최적 커브 제어 모드로 설정된다.
도 7은 본 실시 형태에 있어서의 풍력 발전 시스템(1)의 동작의 일례를 나타내는 그래프이다. 풍력 발전 시스템(1)의 동작이 개시된 후, 발전기 회전수(ω)가 정격 회전수(ωmax)에 도달할 때까지 유효 전력 지령(P*)은 최적화 전력치(Popt)로 설정된다[상술한 케이스 (2)]. 이에 의해, 출력되는 유효 전력(P)은, 발전기 회전수(ω)의 증가와 함께 증가된다. 발전기 회전수(ω)를 정격 회전수(ωmax)에 도달시키기 위해, 피치 지령(β*)은 최소 피치각(βmin)으로 설정된다.
발전기 회전수(ω)가 정격 회전수(ωmax)를 초과하면, 유효 전력 지령(P*)은 정격 전력(Prated)으로 설정된다[상술한 케이스 (3)]. 이에 의해, 출력되는 유효 전력(P)은 정격 전력(Prated)으로 유지된다. 발전기 회전수(ω)가 정격 회전수(ωmax)를 초과하고 있으므로, 피치 지령(β*)이 증가하고, 피치각(β)이 페더측으로 이행한다.
일시적인 잔잔해짐이 발생하면, 발전기 회전수(ω)가 급감한다. 피치 제어부(32)는 발전기 회전수(ω)를 정격 회전수(ωmax)로 유지하려고 하여, 피치 지령(β*)을 감소시키고, 이에 의해 피치각(β)을 감소시키는, 즉 파인측으로 이행시킨다. 유효 전력 지령(P*)은, 발전기 회전수(ω)가 정격 회전수(ωmax)보다도 작아져도 피치각(β)이 최소 피치각(βmin)에 도달하지 않는 한 정격 전력(Prated)으로 유지된다. 따라서, 출력되는 유효 전력(P)도 정격 전력(Prated)으로 유지된다.
도 7의 동작에서는, 피치각(β)이 최소 피치각(βmin)에 도달하기 전에 발전기 회전수(ω)가 정격 회전수(ωmax)로 다시 복귀되어 있고, 따라서 유효 전력(P)은 정격 전력(Prated)으로 유지된다. 이와 같이, 본 실시 형태의 풍력 발전 시스템(1)에서는, 일시적인 잔잔해짐이 발생한 경우에 있어서의 출력 전력의 변동이 억제된다. 또한, 본 실시 형태의 풍력 발전 시스템(1)에서는, 발전기 회전수(ω)가 정격 회전수(ωmax)보다도 작아졌을 때에, 피치각(β)의 감소에 의한 풍차 로터(7)의 출력 계수의 증대를 할 수 없게 되어 비로소 출력 전력(P)이 정격 전력(Prated)으로부터 감소되므로, 풍차 로터(7)의 회전 에너지가 유효하게 활용되어, 발전 효율을 유효하게 향상시킬 수 있다.
본 실시 형태의 풍력 발전 시스템(1)은, 또한 다양한 운전 상황에 따른 다양한 제어 방법을 실행하도록 구성되는 것이 바람직하다. 도 8은 다양한 운전 상황에 따른 제어를 행하는 풍력 발전 시스템(1)의 적합한 구성을 도시하고 있다.
우선, 도 8의 풍력 발전 시스템(1)에서는, 주 제어 장치(19)는 풍속계(10)에 의해 계측된 풍속 및 풍향에 의해 거스트(돌풍)의 발생을 검지한다. 풍속 및 풍향 대신에, 발전기 회전수에 기초하여 거스트의 발생을 검출해도 좋다. 거스트의 발생이 검지된 경우에는, 풍차 로터(7)의 회전수가 과잉으로 증대되지 않도록, 유효 전력 지령(P*)이 제어된다. 구체적으로는, 도 9에 도시되어 있는 바와 같이, 풍속 및 풍향에 의해 거스트의 발생이 검지되면(스텝 S01), 풍차 로터(7)의 가속도(로터 가속도) 또는 풍차 로터(7)의 회전수(로터 회전수)가 감시된다. 로터 가속도 또는 로터 회전수가 소정의 제한치를 초과하면(스텝 S02), 유효 전력 지령(P*)이 증대된다(스텝 S03). 유효 전력 지령(P*)이 직전까지 정격 전력(Prated)으로 제어되어 있었던 경우에는, 유효 전력 지령(P*)은 정격 전력(Prated)보다도 커지도록 제어된다. 이에 의해, 풍차 로터(7)의 회전 에너지가 전기 에너지로 변환되어 전력 계통(13)에서 소비된다. 이에 의해, 풍차 로터(7)가 감속된다.
또한, 도 8의 풍력 발전 시스템(1)은, 블레이드(8)를 구동시키는 피치 구동 기구에 고장이 검지된 경우에는, 너셀 선회 기구(4)에 의해 풍차 로터(7)의 회전면을 바람이 불어오는 방향으로부터 퇴피시키고, 이에 의해 풍차 로터(7)를 정지시키도록 구성되어 있다. 이 목적을 달성하기 위해, 피치 제어 장치(22)가, 도 2의 유압 실린더(11) 및/또는 서보 밸브(12)의 고장을 검출할 수 있도록 구성되어 있다. 주 제어 장치(19)는 유압 실린더(11) 및/또는 서보 밸브(12)의 고장이 검출되면, 그것에 응답하여 요 지령을 생성한다.
도 10은 풍차 로터(7)의 회전면이 바람이 불어오는 방향으로부터 퇴피되는 수순을 도시하고 있다. 피치 제어 장치(22)에 의해 유압 실린더(11) 및/또는 서보 밸브(12)의 고장이 검출되면(스텝 S06) 피치 고장 신호가 활성화된다. 주 제어 장치(19)는 피치 고장 신호의 활성화에 응답하여 요 지령을 너셀(3)의 요각을 제어하고, 이에 의해 풍차 로터(7)의 회전면을 바람이 불어오는 방향으로부터 퇴피시킨다(스텝 S07). 바람이 불어오는 방향은, 풍속계(10)에 의해 계측된 풍향에 의해 판단 가능하다. 풍차 로터(7)의 회전면이 바람이 불어오는 방향으로부터 퇴피됨으로써, 풍차 로터(7)로 유입되는 바람의 풍속이 감소되어, 회전 토크가 감소된다(스텝 S08). 이 결과, 풍차 로터(7)가 감속되어 정지된다.
덧붙여, 도 8의 풍력 발전 시스템(1)은, 계통 전압(Vgrid)의 과잉의 증가 및 감소가 발생하였을 때에 전력 계통(13)에 공급되는 무효 전력(Q)을 제어하고, 또한 그 무효 전력(Q)에 따라서 피치 제어가 행해지도록 구성되어 있다. 도 11은 이러한 제어의 수순을 나타내는 흐름도이다.
계통 전압(Vgrid)이 소정의 정격 전압(Vrated)의 X%를 초과한 경우(X는, 100보다도 큰 소정치), 또는 소정의 정격 전압(Vrated)의 Y%보다도 작아진 경우(Y는, 100보다도 작은 소정치)(스텝 S11), 전력 제어부(31)에 부여되는 역률 지령이 수정된다(스텝 S12). 수정된 역률 지령은, 전력 계통(13)의 제어 시스템으로부터 부여되는 것이 가능하고, 또한 주 제어 장치(19) 자신이 계통 전압(Vgrid)에 따라서 역률 지령을 수정하는 것도 가능하다. 이에 의해, 계통 전압(Vgrid)이 소정의 정격 전압(Vrated)의 X%를 초과한 경우에는 무효 전력 지령(Q*)이 감소되고, 계통 전압(Vgrid)이 소정의 정격 전압(Vrated)의 Y%를 초과한 경우에는 무효 전력 지령(Q*)이 증가된다. 풍력 발전 시스템(1)으로부터 전력 계통(13)에 공급되는 피상 전력(S)은 일정하므로, 무효 전력 지령(Q*)이 감소될 때에는 유효 전력 지령(P*)이 증가되고, 무효 전력 지령(Q*)이 증가될 때에는 유효 전력 지령(P*)이 감소되게 된다. AC-DC-AC 컨버터(17)가 유효 전력 지령(P*) 및 무효 전력 지령(Q*)에 응답하여 제어됨으로써, 전력 계통(13)에 공급되는 무효 전력(Q)이 제어된다(스텝 S13).
무효 전력 지령(Q*)이 크게 증대된 경우에는, 유효 전력 지령(P*)이 감소되게 되고, 이것은 풍력 발전 시스템(1)의 출력을 저하시킨다. 이러한 문제를 회피하기 위해, 무효 전력 지령(Q*)의 증대가 소정의 증가량보다도 큰 경우에는, 피치 지령(β*)을 감소시킴으로써[즉, 피치 지령(β*)이 파인측으로 이행됨으로써], 유효 전력(P)이 증대된다(스텝 S15).
무효 전력 지령(Q*)이 크게 감소된 경우에는, 유효 전력 지령(P*)이 증가되게 되고, 이것은 풍력 발전 시스템(1)의 출력을 불필요하게 증가시킨다. 이러한 문제를 회피하기 위해, 무효 전력 지령(Q*)의 감소가 소정의 감소량보다도 큰 경우에는, 피치 지령(β*)을 증가시킴으로써[즉, 피치 지령(β*)이 페더측으로 이행됨으로써], 유효 전력(P)이 감소된다.
또한, 도 8의 풍력 발전 시스템(1)은, 비상용 배터리(28)가 충전되는 동안, 출력하는 유효 전력(P)을 증대시키도록 구성되어 있다. 이것은, 비상용 배터리(28)의 충전에 사용되는 전력분을 보상하기 위함이다. 구체적으로는, 도 12에 나타내어져 있는 바와 같이, 충전 장치(27)가 비상용 배터리(28)의 충전을 개시하면(스텝 S21), 충전 장치(27)는 충전 개시 신호를 활성화한다. 주 제어 장치(19)는 충전 개시 신호의 활성화에 응답하여, 유효 전력 지령(P*)을 증가시킨다(스텝 S22). 유효 전력 지령(P*)의 증가량은, 비상용 배터리(28)의 충전에 사용되는 전력의 양과 동일하게 설정된다. 충전이 행해지지 않는 경우에는, PI 제어부(35)에 의해 생성된 유효 전력 지령(P*)이 AC-DC-AC 컨버터(17)의 제어에 사용된다.
또한, 본 발명은 상술되어 있는 실시 형태에 한정되어 해석되어서는 안 된다. 예를 들어, 본 실시 형태의 풍력 발전 시스템(1)은, 2중 공급 가변속 풍력 터빈 시스템이지만, 본 발명은 풍차 로터의 회전수 및 피치각의 양쪽이 가변인 다른 형식의 풍력 발전 시스템에도 적용 가능하다. 예를 들어, 본 발명은 발전기에 의해 발전된 교류 전력 전부가, AC-DC-AC 컨버터에 의해 전력 계통의 주파수에 맞춘 교류 전력으로 변환되는 풍력 발전 시스템에 적용 가능하다.
또한, 비상용 배터리(28)의 충전은, 전력 계통으로부터 수취한 전력이 아니라, 발전기로부터 출력되는 전력에 의해 행해지는 것도 가능하다.
또한, 풍차 로터(7)의 회전수는, 발전기 회전수(ω)에 의존하고 있으므로, 발전기 회전수(ω) 대신에 풍차 로터(7)의 회전수를 사용해도 되는 것은, 당업자에게는 자명하다. 예를 들어, 본 실시 형태와 같이, 풍차 로터(7)가 기어(6)를 통해 권선 유도 발전기(5)에 접속되는 경우에는, 풍차 로터(7)의 회전수는, 발전기 회전수(ω)에 1대 1로 대응하고 있다. 또한, 기어(6) 대신에 트로이달 변속기와 같은 무단계 변속기가 사용되는 경우라도, 발전기 회전수(ω)가 풍차 로터(7)의 회전수의 증대에 수반하여 증대되므로, 발전기 회전수(ω) 대신에 풍차 로터(7)의 회전수를 사용할 수 있다.

Claims (10)

  1. 피치각이 가변인 블레이드를 구비하는 풍차 로터와,
    상기 풍차 로터에 의해 구동되는 발전기와,
    상기 풍차 로터 또는 상기 발전기의 회전수에 응답하여, 상기 발전기의 출력 전력과 상기 블레이드의 상기 피치각을 제어하는 제어 장치를 구비하고,
    상기 제어 장치는, 상기 회전수가 증대되어 소정의 정격 회전수에 도달할 때까지의 동안, 소정의 전력-회전수 곡선에 따라서 상기 출력 전력을 제어하는 제1 제어를 행하고, 상기 회전수가 상기 정격 회전수를 초과하였을 때 상기 출력 전력을 소정의 정격 전력으로 제어하는 제2 제어를 행하고,
    상기 제어 장치는, 일단 상기 제2 제어를 행하는 상태로 설정된 후에 상기 회전수가 상기 정격 회전수보다도 작아졌을 때, 상기 피치각이 소정의 피치각보다도 큰 경우에는 상기 제2 제어를 행하는 상태를 유지하고, 상기 피치각이 상기 소정의 피치각에 도달하여 비로소 상기 제1 제어를 행하는 상태로 천이하고, 또한 일단 상기 제2 제어를 행하는 상태로 설정된 후에 상기 회전수가 상기 정격 회전수보다도 작은 소정의 임계치 회전수보다도 작아졌을 때, 상기 피치각에 관계없이 상기 제1 제어를 행하는 상태로 천이하는, 풍력 발전 시스템.
  2. (19조 보정에 의한 삭제)
  3. (19조 보정에 의한 삭제)
  4. 제1항에 있어서, 상기 제어 장치는, 상기 회전수와 소정의 정격 회전수의 차 및 상기 출력 전력과 상기 정격 전력의 차에 응답하여 상기 피치각을 제어하는, 풍력 발전 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제어 장치는, 상기 출력 전력이 상기 정격 전력보다도 작은 경우에 상기 피치각이 감소되도록 상기 피치각을 제어하는, 풍력 발전 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제어 장치는, 거스트를 검출한 경우, 상기 회전수에 응답하여 상기 발전기의 출력 전력을 증가시키는, 풍력 발전 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 풍차 로터의 회전면의 방향을 선회시키는 선회 기구와,
    바람이 불어오는 방향을 검출하는 풍향 검출기를 더 구비하고,
    상기 풍차 로터는, 상기 블레이드를 구동하는 피치 구동 기구를 구비하고,
    상기 제어 장치는, 상기 피치 구동 기구의 고장을 검출하였을 때, 상기 풍차 로터의 회전면이 상기 바람이 불어오는 방향으로부터 퇴피되도록 상기 선회 기구를 제어하는, 풍력 발전 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제어 장치는, 상기 발전기에 접속된 전력 계통의 전압에 응답하여 상기 발전기로부터 상기 전력 계통에 출력되는 무효 전력을 제어하고, 또한 상기 무효 전력에 따라서 상기 피치각을 제어하는, 풍력 발전 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 비상용 배터리와,
    상기 전력 계통으로부터 수취한 전력에 의해 상기 비상용 배터리를 충전하는 충전 장치를 더 구비하고,
    상기 풍차 로터는, 상기 블레이드를 구동하는 피치 구동 기구를 구비하고,
    상기 비상용 배터리는, 발전기에 접속된 전력 계통의 전압이 저하되었을 때에 상기 피치 구동 기구와 상기 제어 장치에 전력을 공급하고,
    상기 제어 장치는, 상기 비상용 배터리가 충전되어 있는 동안, 상기 출력 전력을 증가시키도록 상기 출력 전력을 제어하는, 풍력 발전 시스템.
  10. 피치각이 가변인 블레이드를 구비하는 풍차 로터와,
    상기 풍차 로터에 의해 구동되는 발전기를 구비하는 풍력 발전 시스템의 제어 방법이며,
    상기 풍차 로터 또는 상기 발전기의 회전수에 응답하여, 상기 발전기의 출력 전력과 상기 블레이드의 상기 피치각을 제어하는 스텝을 구비하고,
    상기 제어하는 스텝은,
    (A) 상기 회전수가 증대되어 소정의 정격 회전수에 도달할 때까지의 동안, 소정의 전력-회전수 곡선에 따라서 상기 출력 전력을 제어하는 제1 제어가 행하는 스텝과,
    (B) 상기 회전수가 상기 정격 회전수를 초과하였을 때 상기 출력 전력을 소정의 정격 전력으로 제어하는 제2 제어를 행하는 스텝과,
    (C) 일단, 상기 제2 제어를 행하는 상태로 설정된 후에 상기 회전수가 상기 정격 회전수보다도 작아졌을 때, 상기 피치각이 소정의 피치각보다도 큰 경우에는 상기 제2 제어를 행하는 상태를 유지하고, 상기 피치각이 상기 소정의 피치각에 도달하여 비로소 상기 제1 제어를 행하는 상태로 천이하는 스텝과,
    (D) 일단, 상기 제2 제어를 행하는 상태로 설정된 후에 상기 회전수가 상기 정격 회전수보다도 작은 소정의 임계치 회전수보다도 작아졌을 때, 상기 피치각에 관계없이 상기 제1 제어를 행하는 상태로 천이하는 스텝을 구비하는, 풍력 발전 시스템의 제어 방법.
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