KR20130023524A - 풍력 발전기의 블레이드 피치 제어 시스템 - Google Patents

풍력 발전기의 블레이드 피치 제어 시스템 Download PDF

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김성호
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Abstract

본 발명은 풍력 발전기에 관한 것으로서, 특히 풍력 발전기의 블레이드 피치 제어 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 블레이드의 피치를 조절하기 위한 액추에이터; 상기 액추에이터의 작동을 제어하는 피치 제어기; 및 상기 피치 제어기로 피치 제어신호를 출력하는 주 제어기를 포함하며, 상기 주 제어기는 최적 TSR 이상의 발전 영역에서 출력 계수가 최대가 되는 피치각에 대응하는 피치 제어신호를 상기 피치 제어기로 출력하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기의 블레이드 피치 제어 시스템이 제공된다.

Description

풍력 발전기의 블레이드 피치 제어 시스템 {PITCH CONTROL SYSTEM FOR BLADE OF WIND POWER GENERATOR}
본 발명은 풍력 발전기에 관한 것으로서, 특히 풍력 발전기의 블레이드 피치 제어 시스템에 관한 것이다.
풍력 발전기는 바람 에너지를 기계적 에너지로 변환하여 발전기를 구동시킴으로써 전력을 얻는다. 풍력 발전기는 친환경적인 발전기로서 구조가 단순하고 설치가 간단하여 최근 사용이 증가하고 있다.
일반적으로 풍력 발전기는 소정의 높이를 갖는 타워와, 타워의 상단에 회전 가능하게 설치되고 내부에 발전기 등에 마련되는 나셀과, 나셀의 선단에 위치하는 허브와, 허브로부터 반경방향으로 연장된 다수의 블레이드를 구비한다. 풍력 발전시 강풍이 부는 경우에는 블레이드의 회전 속도가 필요 이상으로 높아져서 안전 사고의 위험이 있기 때문에, 블레이드의 피치(pitch)를 제어하는 장치가 사용되고 있다. 하지만, 저풍속 영역에서는 블레이드의 피치각이 고정된 상태로 발전이 이루어지기 때문에 저풍속에서의 효율이 낮다는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 저풍속 영역에서 발전 효율을 높일 수 있는 풍력 발전기의 블레이드 피치 제어 시스템을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여,
본 발명의 일측면에 따르면, 블레이드의 피치를 조절하기 위한 액추에이터; 상기 액추에이터의 작동을 제어하는 피치 제어기; 및 상기 피치 제어기로 피치 제어신호를 출력하는 주 제어기를 포함하며, 상기 주 제어기는 최적 TSR 이상의 발전 영역에서 출력 계수가 최대가 되는 피치각에 대응하는 피치 제어신호를 상기 피치 제어기로 출력하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기의 블레이드 피치 제어 시스템이 제공된다.
상기 주 제어기는 상기 최적 TSR 이상의 발전 영역에서의 피치각별 출력 계수 데이터를 포함하는 룩업 테이블 데이터가 저장된 메모리장치를 구비할 수 있다.
상기 최적 TSR 이상의 발전 영역은 TSR이 9 내지 17인 영역일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 풍력 발전기의 블레이드 피치를 제어하는 시스템에 있어서, 최적 TSR 이상의 발전 영역에서 TSR에 따라 출력 계수가 최대가 되도록 피치각을 조절하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기의 블레이드 피치 제어 시스템이 제공된다.
본 발명에 의하면 앞서서 기재한 본 발명의 목적을 모두 달성할 수 있다. 구체적으로는, 저풍속 영역에서 익단속도비(TSR)에 따라 출력 계수(CP)가 최대가 되는 피치각으로 블레이드 피치를 제어하므로 저풍속에서의 발전 효율을 증가시킬 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 블레이드 피치 제어 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 저풍속 영역에 대응하는 TSR의 변화에 따른 출력 계수의 변화를 피치각 별로 도시한 그래프이다.
도 3은 도 1에 도시된 피치 제어 시스템에 의해 저풍속에서의 피치 제어 과정이 도시된 순서도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예의 구성 및 작용을 상세히 설명한다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 블레이드 피치 제어 시스템의 구성이 개략적으로 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 풍력 발전기의 블레이드 피치 제어 시스템(100)은 피치 제어기(110)와, 액추에이터(120)와, 주 제어기(130)를 포함한다.
피치 제어기(110)는 주 제어기(130)로부터 제어신호를 입력받아서 액추에이터(120)의 작동을 제어한다.
액추에이터(120)는 피치 제어기(110)에 의해 작동하며 블레이드(B)를 구동하여, 블레이드(B)의 피치 각도를 조절한다. 상세히 도시되지는 않았으나, 액추에이터(120)는 전자-유압 액추에이터로 구성된다. 즉, 액추에이터(120)는 유압 액추에이터(미도시)와, 유압 액추에이터(미도시)에 적절한 유압을 공급하는 펌프(미도시)와, 펌프(미도시)를 구동시키는 전기 모터(미도시)를 구비한다. 실질적으로 피치 제어기(110)는 전기 모터(미도시)의 작동을 제어하여 액추에이터(120)를 제어하게 된다.
주 제어기(130)는 피치 제어기(110)로 적절한 피치 제어 신호를 출력한다. 주 제어기(130)는 마이크로프로세서(미도시)와 메모리장치(미도시)를 포함하는데, 메모리장치(미도시)에는 룩업 테이블(look up table) 데이터(131)가 저장된다. 룩업 테이블 데이터(131)는 저풍속 영역(최적 TSR 이상의 발전 영역)에서 TSR에 따른 출력 계수의 값을 피치각 별로 포함하고 있다.
도 2에는 룩업 테이블 데이터(131)에 대응하는 그래프의 한가지 예가 도시되어 있다. 도 2를 참조하면, 저풍속 영역(본 실시예에서는 대응하는 TSR의 범위가 9 내지 17인 것으로 설정됨)에서 TSR에 따른 출력 계수의 변화가 도시되어 있다. 도 2에서 가로축은 TSR(Tip Speed Ratio)이며, 세로축은 출력 계수(CP)이다. 도 2에는 -0.5도 피치각에서의 데이터, 0도 피치각에서의 데이터, 0.5도 피치각에서의 데이터, 1.0도 피치각에서의 데이터, 1.5도 피치각에서의 데이터 및 2.0도 피치각에서의 데이터가 도시되어 있다.
주 제어기(130)는 풍속 및 발전기 속도에 대응하는 전기적 신호를 입력받는다. 주 제어기(130)는 저풍속시에 룩업 테이블 데이터(131)를 이용하여 대응하는 TSR에서 최대의 출력 계수를 제공하는 최적의 피치각을 찾아서 블레이드(B)의 최적의 피치각을 갖도록 피치 제어기(110)로 제어신호를 출력한다.
TSR은 로터 속도*로터반경/풍속으로 정의되는 것으로서, 정해진 풍속에서 로터의 속도에 의해 결정된다. 출력에 직접적인 영향을 주는 CP는 TSR의 함수이며 CP가 최대값이 될 때의 TSR값(최적 TSR값)으로 운전하는 것이 출력 효율을 최대로 할수 있다. 그러나 풍속이 매우 낮은 경우(일반적으로 6m/s)에는 로터 속도 제한으로 인해 최적 TSR을 유지하기 위해 로터 속도를 낮출 수 없기 때문에, 종래에는 최적 TSR 이상에서 발전이 이루어지게 된다. 일반적으로 종래의 풍력 터빈의 피치 제어는 정격출력을 생산하지 못하면 피치각을 하나의 특정 각도로 유지하게 된다. 하지만 최적 TSR 하에서는 그 특정 각도가 최대 CCP를 발생시키지만, TSR이 최적값이 아닌 더 큰 영역에서는 다른 피치각이 더 높은 CP를 발생시키게 된다. 본 발명은 최적 TSR 이상의 TSR에서 최대 CP를 발생시키는 각각의 피치각을 미리 해석을 통해 계산하고, 이를 룩업 테이블로 만들어서, TSR에 따라 피치각을 조절함으로써 발전 효율을 향상시키는 것이다.
이제, 도 3을 참조하여 도 1에 도시된 블레이드 피치 제어 시스템에 의해 저풍속에서 블레이드 피치가 제어되는 과정을 설명한다. 도 3을 참조하면, 저풍속에서 블레이드 피치가 제어되는 과정은 TSR 확인 단계(S10)와, 저풍속 영역을 확인하는 단계(S20)와, 최대 출력 계수 대응 피치각 확인 단계(S30)와, 피치각 조절 단계(S40)를 포함한다.
TSR 확인 단계(S10)는 주 제어기(도 1의 130)가 입력받은 풍속 및 발전기 속도에 대응하는 신호로부터 TSR을 계산함으로써 수행된다.
저풍속 영역 확인 단계(S20)는 주 제어기(도 1의 130)가 저풍속 영역에 대응하는 TSR이 최적의 TSR 이상의 영역(본 실시예에서는 9 내지 17)에 포함되는지 확인함으로써 수행된다. 저풍속 영역 확인 단계(S20)에서 저풍속 영역이 아닌 것으로 판단되면, 정상적인 피치제어를 수행한다. 만일, 저풍속 영역 확인 단계(S20)에서 저풍속 영역인 것으로 판단되면, 최대 출력 계수 대응 피치각 확인 단계(S30)가 수행된다.
최대 출력 계수 대응 피치각 확인 단계(S30)는 주 제어기(도 1의 130)가 룩업 테이블 데이터(131)로부터 해당 TSR에서 최대의 출력 계수(CP)를 제공하는 피치각을 찾아냄으로써 수행된다. 예를 들어, TSR이 16인 경우에는 최대 출력 계수를 제공하는 피치각은 도 2에 도시된 바와 같이 2도가 된다. 또한, TSR이 11인 경우에는 최대 출력 계수를 제공하는 피치각은 도 2에 도시된 바와 같이 1도가 된다. 그리고, TSR이 9인 경우에는 최대 출력 계수를 제공하는 피치각은 도 2에 도시된 바와 같이 -0.5도가 된다.
피치각 조절 단계(S40)에서는 최대 출력 계수 대응 피치각 확인 단계(S30)에서 확인된 피치각으로 블레이드의 피치를 조절하기 위해 주 제어기(도 1의 130)가 피치 제어기(110)로 제어신호를 출력하고 그에 따라 액추에이터(도 1의 120)가 블레이드를 구동한다.
이상 실시예를 들어 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 실시예는 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정되거나 변경될 수 있으며, 당업자는 이러한 수정과 변경도 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.
100 : 블레이드 피치 제어 시스템 110 : 피치 제어기
120 : 액추에이터 130 : 주 제어기
131 : 룩업 테이블 데이터

Claims (4)

  1. 블레이드의 피치를 조절하기 위한 액추에이터;
    상기 액추에이터의 작동을 제어하는 피치 제어기; 및
    상기 피치 제어기로 피치 제어신호를 출력하는 주 제어기를 포함하며,
    상기 주 제어기는 최적 TSR 이상의 발전 영역에서 출력 계수가 최대가 되는 피치각에 대응하는 피치 제어신호를 상기 피치 제어기로 출력하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기의 블레이드 피치 제어 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 주 제어기는 상기 최적 TSR 이상의 발전 영역에서의 피치각별 출력 계수 데이터를 포함하는 룩업 테이블 데이터가 저장된 메모리장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기의 블레이드 피치 제어 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 최적 TSR 이상의 발전 영역은 TSR이 9 내지 17인 영역인 것을 특징으로 하는 풍력 발전기의 블레이드 피치 제어 시스템.
  4. 풍력 발전기의 블레이드 피치를 제어하는 시스템에 있어서,
    최적 TSR 이상의 발전 영역에서 TSR에 따라 출력 계수가 최대가 되도록 피치각을 조절하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기의 블레이드 피치 제어 시스템.
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KR102345365B1 (ko) 2020-08-21 2021-12-30 (주)삼원밀레니어 과회전 방지 기능을 가진 풍력발전기

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