KR20130116152A

KR20130116152A - 발전 장치 및 발전 시스템

Info

Publication number: KR20130116152A
Application number: KR1020120115600A
Authority: KR
Inventors: 야스히로 미야모토
Original assignee: 가부시키가이샤 야스카와덴키
Priority date: 2012-04-12
Filing date: 2012-10-17
Publication date: 2013-10-23
Also published as: JP2013221404A; US20130270829A1; BR102012024164A2; CN103375335A; EP2650531A2

Abstract

일 실시예에 따른 발전 장치는 프로펠러, 위치 검출기, 및 피치 제어기를 구비한다. 프로펠러는 그 피치 각도가 변경될 수 있는 복수의 블레이드를 구비하고 유체에 의해 회전된다. 위치 검출기는 프로펠러의 회전 위치를 검출한다. 피치 제어기는 프로펠러의 회전 위치에 의해 특정되는 블레이드 각각의 위치에 따라 피치 각도를 변경하기 위한 피치 제어 처리를 수행한다.

Description

발전 장치 및 발전 시스템{POWER GENERATOR AND POWER GENERATING SYSTEM}

본 발명은 발전 장치 및 발전 시스템에 관한 것이다.

종래에 널리 알려져 있는 것은, 바람 및 해류와 같은 유체에 의해 프로펠러를 회전시킴으로써 전력을 발전하는 프로펠러식 발전 장치이다. 예를 들어, 풍력 발전 장치는 바람을 받아서 회전하는 프로펠러의 기계 에너지를 발전기에 의해 전기 에너지로 변환한다.

근년에, 프로펠러식 발전 장치에서의 블레이드 사이의 추력 및 모멘트 차이를 없애기 위해, 각 블레이드에 대한 하중을 검출하여 이렇게 검출된 하중에 따라 각 블레이드의 피치 각도를 개별 제어하기 위한 기술이 개발되었다. 관련 기술은 예를 들어 일본 특허 공개 제 2003-113769 호에 개시되어 있다.

그러나, 일본 특허 공개 제 2003-113769 호에 개시된 기술은 각 블레이드의 위치에 따라서 각 블레이드의 피치 각도를 개별적으로 변경하지 못한다.

상기 단점을 감안하여, 본 발명의 목적은, 각 블레이드의 위치에 따라 각 블레이드의 피치 각도를 개별적으로 변경할 수 있는 발전 장치 및 발전 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 실시예의 일 양태에 따른 발전 장치는 프로펠러, 위치 검출기, 및 피치 제어기를 구비한다. 프로펠러는 그 피치 각도가 변경될 수 있는 다수의 블레이드를 구비하며 유체에 의해 회전된다. 위치 검출기는 프로펠러의 회전 위치를 검출한다. 피치 제어기는 프로펠러의 회전 위치에 의해 특정되는 각각의 블레이드의 위치에 따라 피치 각도를 변경하기 위한 피치 제어 처리를 수행한다.

본 발명의 실시예의 일 양태에 따르면, 각 블레이드의 위치에 따라 각 블레이드의 피치 각도를 개별적으로 변경할 수 있다.

첨부 도면과 함께 하기의 실시예에 대한 설명을 참조하면 본 발명이 보다 완전히 인식될 수 있고 그 장점이 쉽게 이해될 수 있다.
도 1은 제 1 실시예에 따른 풍력 발전 장치의 구성의 도시도이다.
도 2a는 지표 부근에서의 풍속과 상공에서의 풍속 사이의 차이를 설명하기 위한 도면이다.
도 2b는 제 1 실시예에 따른 피치 제어 처리의 예시적 동작의 도시도이다.
도 3은 피치 제어기에 기억된 회전 위치-피치 각도 변환 정보의 일 예의 도시도이다.
도 4는 피치 구동 유닛의 구조의 도시도이다.
도 5는 블레이드를 제거하기 위해 수행되는 프로펠러 위치 제어 처리 및 피치 제어 처리의 예시적 동작의 도시도이다.
도 6은 블레이드를 제거하기 위한 프로세스와 피치 각도 사이의 관계의 일 예의 도시도이다.
도 7a 및 도 7b는 프로펠러 위치 제어 처리에서의 피치 제어 처리의 다른 예시적 동작의 도시도이다.
도 8은 제 1 실시예에 따른 풍력 발전 장치의 구성의 블록선도이다.
도 9는 전력 변환 유닛의 예시적 구성의 블록선도이다.
도 10은 토크 지령 생성 유닛의 구성의 블록선도이다.
도 11은 제 2 실시예에 따른 풍력 발전 단지(wind farm)의 구성의 도시도이다.

이하에서는 본 출원에 개시된 발전 장치 및 발전 시스템의 예시적 실시예가 첨부 도면을 참조하여 더 상세히 설명된다. 하기 실시예는 본 발명을 제한하도록 의도되지 않음에 유의해야 한다.

도 1은 제 1 실시예에 따른 풍력 발전 장치의 구성의 도시도이다. 도 1에 도시하듯이, 제 1 실시예에 따른 풍력 발전 장치(1)는 풍력 발전 유닛(10)과 전력 변환 장치(20)를 구비하며, 전력 계통(30)에 전력을 공급한다. 설명의 편의상, 구성의 일부는 도 1에 도시되지 않았다. 도시되지 않은 구성은 도 8 및 다른 도면을 참조하여 설명될 것이다.

풍력 발전 유닛(10)은 탑체(tower body)(11), 나셀(nacelle)(12), 및 프로펠러(13)를 갖는 풍차(14)를 구비한다. 나셀(12)은 탑체(11)에 의해 회전 가능하게 지지된다. 프로펠러(13)는 허브(13a) 및 허브(13a) 상의 상이한 위치에 부착되는 다수의 블레이드(13b)를 구비한다. 블레이드(13b)의 피치 각도는 변경될 수 있다.

여기에서 피치 각도는 프로펠러(13)의 회전 평면과 블레이드(13b)의 익현(chord) 사이의 각도를 의미한다. 피치 각도가 작아질수록, 블레이드(13b)가 바람을 받는 면적이 증가하는바, 즉 바람에 의해 블레이드(13b)에 초래되는 항력이 증가한다. 그 결과, 바람으로부터 더 많은 에너지를 취할 수 있다.

이하에서, 바람으로부터 에너지를 가장 효과적으로 취할 수 있는 피치 각도(예를 들면, 0도)는 "파인(fine) 각도"로 지칭되며, 바람으로부터 취하는 에너지가 최소인 피치 각도(예를 들면, 90도)는 "페더링(feathering) 각도"로 지칭된다.

제 1 실시예에서는, 허브(13a)에 세 개의 블레이드(13b)가 등간격으로(즉, 120도 간격으로) 부착되는 예를 설명한다. 그러나, 허브(13a)에 부착되는 블레이드(13b)의 개수는 세 개로 제한되지 않는다.

나셀(12)은 샤프트(17)(주축)를 거쳐서 프로펠러(13)에 연결된 발전기(15)를 수납한다. 발전기(15)는 전동기로도 사용될 수 있는 회전 전기 기계이며, 예를 들면 영구 자석식 회전 전기 기계이다. 샤프트(17)는 프로펠러(13)의 허브(13a)에 연결된다.

추가로, 나셀(12)은 풍력에 의해 회전되는 프로펠러(13)의 회전 위치를 검출하는 위치 검출기(16)를 수납한다. 위치 검출기(16)는 예를 들어 절대치 인코더이며, 샤프트(17)의 회전 위치를 검출함으로써 프로펠러(13)의 회전 위치를 검출한다. 위치 검출기(16)에 의해 검출된 프로펠러(13)의 회전 위치는 후술되는 통합 제어기(40)로 출력된다.

전력 변환 장치(20)는 전력 변환 유닛(21), 변환 제어기(22) 및 조작 유닛(23)을 구비한다. 전력 변환 장치(20)는 탑체(11) 내에 배치된다.

전력 변환 유닛(21)은 풍력 발전 유닛(10)의 발전기(15)와 전력 계통(30) 사이에서 쌍방향으로 전력 변환을 수행한다. 전력 변환 유닛(21)으로서는 예를 들어 매트릭스 컨버터가 사용될 수 있다. 전력 변환 유닛(21)의 예시적인 구성은 도 8을 참조하여 후술될 것이다.

변환 제어기(22)는 전력 변환 유닛(21)에 제어 신호를 출력하며, 전력 변환 유닛(21)이 발전기(15)로부터 전력 계통(30)으로의 전력 변환을 수행하게 하기 위한 발전 제어 처리를 수행한다. 그 결과, 발전기(15)에 의해 발전된 전력은 전력 변환 유닛(21)에 의해 직류(DC)에서 직류로 변환되며, 전력 계통(30)에 공급된다.

추가로, 변환 제어기(22)는 전력 변환 유닛(21)에 제어 신호를 출력하며, 전력 변환 유닛(21)이 전력 계통(30)으로부터 발전기(15)로의 전력 변환을 수행하게 한다. 따라서, 변환 제어기(22)는 발전기(15)를 전동기로 사용함으로써 프로펠러(13)의 회전 위치를 제어하기 위한 프로펠러 위치 제어 처리를 수행한다. 프로펠러 위치 제어 처리는 예를 들어 블레이드(13b) 교환 작업 시의 조작 유닛(23)에 대한 조작 입력에 기초하여 실행되며, 이에 대해서는 후술한다.

전술했듯이, 변환 제어기(22)는 전력 변환 유닛(21)에 제어 신호를 출력하며, 전력 변환 유닛(21)이 발전기(15)와 전력 계통(30) 사이에서 쌍방향으로 전력 변환을 수행하게 한다. 따라서, 변환 제어기(22)는 발전 제어 처리 및 프로펠러 위치 제어 처리를 수행한다.

풍력 발전 장치(1)는 통합 제어기(40) 및 피치 제어기(50)를 추가로 구비하며, 위치 검출기(16)로부터 출력되는 프로펠러(13)의 회전 위치에 기초하여 블레이드(13b)의 피치 각도를 블레이드(13b)의 위치에 대응하는 피치 각도로 변경하기 위한 피치 제어 처리를 수행한다. 통합 제어기(40)는 탑체(11) 내에 배치되며, 피치 제어기(50)는 예를 들어 나셀(12) 내에 배치된다.

통합 제어기(40)는 위치 검출기(16)로부터 프로펠러(13)의 회전 위치를 취득하며, 이렇게 취득된 회전 위치를 피치 제어기(50)에 출력한다. 이와 같이, 위치 검출기(16)에 의해 검출된 프로펠러(13)의 회전 위치는 통합 제어기(40)를 거쳐서 피치 제어기(50)에 입력된다.

위치 검출기(16)에 의해 검출된 프로펠러(13)의 회전 위치가 통합 제어기(40)를 거쳐서 수용되면, 피치 제어기(50)는 프로펠러(13)의 회전 위치에 대응하는 피치 각도 변경 지령을 각각의 블레이드(13b)에 대해 생성하고, 이렇게 각각의 블레이드(13b)에 대해 생성된 피치 각도 변경 지령에 따라서 블레이드(13b)의 피치 각도를 변경한다.

이제, 발전 제어 처리에서 수행되는 피치 제어 처리의 내용을 도 2a 및 도 2b를 참조하여 설명할 것이다. 도 2a는 지표 부근에서의 풍속과 상공에서의 풍속 사이의 차이를 설명하기 위한 도면이다. 도 2b는 제 1 실시예에 따른 피치 제어 처리의 예시적 동작의 도시도이다.

도 2a 및 도 2b를 참조하여 설명되는 피치 제어 처리는, 변환 제어기(22)에 의해 발전 제어 처리가 수행될 때, 즉 변환 제어기(22)에 의해 전력 변환 유닛(21)이 발전기(15)로부터 전력 계통(30)으로의 전력 변환을 수행할 때 이루어진다.

도 2a에 도시하듯이, 지표 부근에서의 풍속은 예를 들어 지표면에서의 마찰의 영향으로 인해 상공에서의 풍속보다 낮은 경향이 있다. 그 결과, 지표에 대해 낮은 위치에 위치하는 블레이드(13b)에 바람이 초래하는 항력은 지표에 대해 높은 위치에 위치하는 블레이드(13b)에 바람이 초래하는 항력보다 낮은 경향이 있다.

따라서, 지표에 대해 높은 위치에 위치하는 블레이드(13b)의 피치 각도가 지표에 대해 낮은 위치에 위치하는 블레이드(13b)의 피치 각도와 동일하면, 이들 블레이드(13b) 사이에는 추력 및 부하에 치우침이 발생할 수 있다. 종래의 기술에서는, 각 블레이드의 피치 각도가 각 블레이드의 위치에 따라 개별적으로 변경되지 않기 때문에, 전술한 추력 및 부하의 치우침이 발생할 가능성이 있다.

이를 해결하기 위해, 피치 제어기(50)는 피치 제어 처리를 수행하며, 따라서 낮은 위치에 위치한 블레이드(13b)가 바람을 받는 면적이 더 크게 만든다. 이로 인해 블레이드(13b) 사이에서 추력 및 부하의 치우침이 감소될 수 있다.

도 2b에 점선으로 도시하듯이, 예를 들어 블레이드(13b1)의 선단이 지표에 대해 최고 위치에 위치하는 것으로 가정된다. 이 경우에, 피치 제어기(50)는 블레이드(13b1)의 피치 각도를 예를 들어 페더링 각도, 즉 바람을 가장 받기 어려운 각도로 변경한다. 또한, 피치 제어기(50)는 블레이드(13b1)보다 낮은 위치에 위치하는 블레이드(13b2) 및 블레이드(13b3)의 피치 각도를 페더링 각도보다 큰 각도, 즉 블레이드(13b1)보다 바람을 받기 쉬운 각도로 변경한다.

프로펠러(13)가 바람을 받아서 회전하고 회전에 의해 블레이드(13b1, 13b2, 13b3)의 위치가 변화되면, 피치 제어기(50)는 이 변화에 따라 블레이드(13b1, 13b2, 13b3)의 피치 각도를 변경한다.

예를 들면, 블레이드(13b1, 13b2, 13b3)의 위치가 도 2b에 점선으로 도시된 위치로부터 실선으로 도시된 위치로 변화되고, 블레이드(13b3)의 선단이 지표에 가장 가까운 위치에 위치하는 것으로 가정한다. 이 경우에, 블레이드(13b3)는 도 2b에 점선으로 도시된 위치보다 지표에 가까워진다. 따라서, 피치 제어기(50)는 블레이드(13b3)의 피치 각도를 도 2b에 점선으로 도시된 위치에서의 그 피치 각도보다 작은 피치 각도(예를 들면, 파인 각도)로 변경한다.

블레이드(13b1)는 또한 도 2b에서 점선으로 도시된 위치보다 지표에 가까워진다. 따라서, 피치 제어기(50)는 블레이드(13b1)의 피치 각도를 도 2b에 점선으로 도시된 위치에서의 그 피치 각도보다 작은 피치 각도로 변경한다. 대조적으로, 블레이드(13b2)는 도 2b에 점선으로 도시된 위치에 비해 지표로부터 멀어진다. 따라서, 피치 제어기(50)는 블레이드(13b2)의 피치 각도를 도 2b에 점선으로 도시된 위치에서의 그 피치 각도보다 큰 피치 각도로 변경한다.

전술했듯이, 제 1 실시예에 따른 피치 제어기(50)는, 낮은 위치에 위치한 블레이드(13b)가 작은 피치 각도를 갖도록, 즉 지표에 가까운 위치에 위치한 블레이드(13b)가 바람을 받는 면적이 크도록, 각각의 블레이드(13b)에 대해 피치 각도를 변경한다. 따라서, 블레이드(13b) 사이에 추력 및 부하의 치우침이 발생하는 것을 억제할 수 있다.

이제 피치 제어 처리에 대해 보다 구체적으로 설명한다. 피치 제어기(50)는 위치 검출기(16)로부터 통합 제어기(40)를 거쳐서 프로펠러(13)의 회전 위치를 취득하고, 이렇게 취득한 회전 위치에 대응하는 피치 각도 변경 지령을 생성한다. 이제, 피치 제어기(50)에 의해 수행되는 피치 각도 변경 지령의 생성 처리에 대해 도 3을 참조하여 설명한다. 도 3은 피치 제어기(50)에 기억된 회전 위치-피치 각도 변환 정보의 일 예의 도시도이다.

피치 제어기(50)는 도시되지 않은 기억 유닛을 구비한다. 기억 유닛에는 도 3에 도시된 회전 위치-피치 각도 변환 정보가 기억된다. 도 3에 도시된 회전 위치-피치 각도 변환 정보는 프로펠러(13)의 회전 위치가 블레이드(13b1, 13b2, 13b3)의 피치 각도와 연관되는 정보이다.

프로펠러(13)의 회전 위치를 취득하면, 피치 제어기(50)는 프로펠러(13)의 회전 위치에 대응하는 블레이드(13b1, 13b2, 13b3)의 피치 각도를 도 3에 도시된 회전 위치-피치 각도 변환 정보를 사용하여 결정하며, 이렇게 결정된 피치 각도에 따라 피치 각도 변경 지령을 각각 생성한다.

예를 들어, 도 3에 도시하듯이, 위치 검출기(16)로부터 취득한 회전 위치가 "p1"이면, 피치 제어기(50)는 블레이드(13b1, 13b2, 13b3)의 피치 각도를 각각 "θ1", "θ2", "θ3"로 결정한다. 이후 피치 제어기(50)는 블레이드(13b1, 13b2, 13b3)의 피치 각도를 "θ1", "θ2", "θ3"으로 변경하기 위한 피치 각도 변경 지령을 블레이드(13b1, 13b2, 13b3) 각각에 대해 생성한다.

피치 제어기(50)는 이후 이렇게 생성된 피치 각도 변경 지령에 따라 각 블레이드(13b)의 피치 각도를 변경한다. 구체적으로, 각 블레이드(13b)에는 피치 구동 유닛이 제공되며, 피치 제어기(50)는 피치 각도 변경 지령에 따라 피치 구동 유닛을 제어함으로써, 각 블레이드(13b)의 피치 각도를 변경한다.

도 4는 피치 구동 유닛의 구성의 도시도이다. 도 4에 도시하듯이, 각각의 블레이드(13b)에는 피치 구동 유닛(31)이 제공된다. 피치 구동 유닛(31)은 허브(13a) 내에 배치된다. 도 4에는 세 개의 블레이드(13b) 중 두 개의 블레이드(13b)가 도시되어 있지만, 나머지 블레이드(13b)에도 유사한 피치 구동 유닛(31)이 제공된다.

피치 구동 유닛(31)은 기어(31a), 모터(31b), 및 교류(AC) 드라이버(31c)를 구비한다. 피치 구동 유닛(31)은 AC 드라이버(31c)를 사용하여 모터(31b)를 구동시키고, 모터(31b)의 회전에 수반하여 기어(31a)를 회전시키며, 따라서 기어(31a)에 연결된 블레이드(13b)를 회전시킨다. 따라서, 블레이드(13b)의 피치 각도가 변경된다.

각각의 블레이드(13b)에는 위치 검출기(32)가 제공된다. 위치 검출기(32)는 예를 들어 절대치 인코더이며, 블레이드(13b) 내에 배치된다. 위치 검출기(32)는 블레이드(13b)의 피치 각도를 검출하며, 이 피치 각도를 피치 제어기(50)에 출력한다.

피치 제어기(50)는 위치 검출기(32)로부터 취득한 현재의 피치 각도와 피치 각도 변경 지령을 사용하여 목표 피치 각도와 현재 피치 각도의 차이를 산출한다. 이후 피치 제어기(50)는 이렇게 산출된 차이가 감소되도록 피치 구동 유닛(31)의 AC 드라이버(31c)를 제어한다. 따라서, 피치 제어기(50)는 각 블레이드(13b)의 피치 각도를 각 블레이드(13b)의 위치에 대응하는 소정 피치 각도로 변경할 수 있다.

피치 제어기(50)는 신호 라인(82)을 거쳐서 각 피치 구동 유닛(31)의 AC 드라이버(31c)에 연결되며, 신호 라인(83)을 거쳐서 각 위치 검출기(32)에 연결된다. 피치 제어기(50)는 각각의 위치 검출기(32)로부터 신호 라인(83)을 거쳐서 각 블레이드(13b)의 현재 피치 각도를 취득하며, 각각의 AC 드라이버(31c)에 신호 라인(82)을 거쳐서 제어 신호를 송신한다. 각각의 AC 드라이버(31c)는 급전 케이블(81)을 거쳐서 급전 유닛(60)에 연결되며, 급전 유닛(60)으로부터 급전 케이블(81)을 거쳐서 전력이 공급된다.

위치 검출기(16)에 의해 검출되는 프로펠러(13)의 회전 위치는 피치 제어 처리뿐만 아니라 변환 제어기(22)에 의해 수행되는 프로펠러 위치 제어 처리에 사용된다. 또한, 변환 제어기(22)가 프로펠러 위치 제어 처리를 수행하는 경우, 피치 제어기(50)는 프로펠러 위치 제어 처리에 대응하는 피치 제어 처리를 수행한다. 이하 설명에서는, 프로펠러 위치 제어 처리의 설명 이후에 프로펠러 위치 제어 처리에서의 피치 제어 처리를 설명할 것이다.

이제 프로펠러 위치 제어 처리를 설명할 것이다. 변환 제어기(22)는 조작 유닛(23)에 대한 조작 입력에 기초하여 전력 변환 유닛(21)에 제어 신호를 출력하며, 전력 변환 유닛(21)이 프로펠러 위치 제어 처리 또는 발전 제어 처리를 수행하게 만든다. 프로펠러 위치 제어 처리는, 전력 계통(30)으로부터 출력되는 전력을 변환하여 이 전력을 발전기(15)에 공급하고 발전기(15)를 전동기로서 동작시키기 위한 처리이다. 발전 제어 처리는, 발전기(15)로부터 출력되는 전력을 전력 계통(30)에 대응하는 전력으로 변환하고 이 전력을 전력 계통(30)에 출력하기 위한 처리이다.

조작 유닛(23)에 대한 조작 입력에 의해 프로펠러 위치 제어 처리가 선택되면, 변환 제어기(22)는 프로펠러 위치 제어 처리를 수행한다.

프로펠러 위치 제어 처리는 예를 들어 허브(13a)에 블레이드(13b)를 부착하기 위해, 허브(13a)로부터 블레이드(13b)를 제거하기 위해, 블레이드(13b)의 점검 및 정비를 수행하기 위해 이루어진다. 프로펠러 위치 제어 처리를 실행함으로써, 변환 제어기(22)는 예를 들어 조작 유닛(23)에 대한 조작 입력에 의해 지정되는 목표 위치(부착 위치 또는 제거 위치에 상당)에 블레이드(13b)의 위치를 일치시킨다.

목표 위치의 정보는 블레이드(13b)의 부착 및 제거가 용이한 위치로서 각각의 블레이드(13b)마다 변환 제어기(22) 내에 미리 설정되어 있으며, 조작 유닛(23)에 대한 조작 입력에 의해 선택된다. 대안적으로, 조작 유닛(23)에 대한 조작에 의해 입력되는 위치 정보를 목표 위치로 사용함으로써, 임의의 목표 위치가 설정될 수도 있다.

위치 검출기(16)에 의해 검출된 프로펠러(13)의 회전 위치 및 조작 유닛(23)에 대한 조작 입력에 의해 특정되는 목표 위치에 기초하여, 변환 제어기(22)는 프로펠러(13)의 회전 위치를 목표 위치와 일치시키기 위한 제어 신호를 생성한다. 이후 변환 제어기(22)는 이렇게 생성된 제어 신호를 전력 변환 유닛(21)에 출력한다.

변환 제어기(22)는 위치 검출기(16)에 의해 검출된 프로펠러(13)의 회전 위치를 통합 제어기(40)를 거쳐서 취득한다(도 1 참조). 즉, 통합 제어기(40)는 위치 검출기(16)로부터 프로펠러(13)의 회전 위치를 취득하고, 이렇게 취득한 회전 위치를 피치 제어기(50) 및 변환 제어기(22)에 출력한다.

전술했듯이, 제 1 실시예에 따른 풍력 발전 장치(1)는 위치 검출기(16)에 의해 검출되는 프로펠러(13)의 회전 위치를 통합 제어기(40)에 입력하고, 프로펠러(13)의 회전 위치를 통합 제어기(40)로부터 변환 제어기(22) 및 피치 제어기(50)에 분배한다. 따라서, 위치 검출기(16)에 의해 검출되는 프로펠러(13)의 회전 위치는 피치 제어 처리뿐만 아니라, 프로펠러 위치 제어 처리 및 후술되는 발전 제어 처리에 사용될 수 있다.

풍력 발전 장치(1)는, 위치 검출기(16)에 의해 검출되는 프로펠러(13)의 회전 위치를 통합 제어기(40)를 거치지 않고 직접 변환 제어기(22) 및 피치 제어기(50)에 입력하도록 구성될 수도 있다.

이제 프로펠러 위치 제어 처리에서 피치 제어기(50)에 의해 수행되는 피치 제어 처리를 설명할 것이다. 일 예로서, 블레이드(13b)를 제거하기 위해 수행되는 프로펠러 위치 제어 처리 및 피치 제어 처리를 도 5 및 도 6을 참조하여 설명할 것이다. 도 5는 블레이드(13b)를 제거하기 위해 수행되는 프로펠러 위치 제어 처리 및 피치 제어 처리의 예시적 동작의 도시도이다. 도 6은 블레이드(13b)를 제거하기 위한 프로세스와 피치 각도 사이의 관계의 일 예의 도시도이다.

블레이드(13b1, 13b2, 13b3)는 블레이드(13b1, 13b2, 13b3)의 순서대로 제거되는 것으로 가정된다.

작업자는 조작 유닛(23)을 조작하여 프로펠러 위치 제어 처리를 지정하고, 허브(13a)로부터 제거될 블레이드로서 블레이드(13b1)를 선택한다. 이 조작에 의해, 변환 제어기(22)는 블레이드(13b1)의 제거가 수행되어야 하는 목표 위치, 즉 블레이드(13b1)의 제거가 용이한 위치를 특정한다. 목표 위치는, 예를 들면, 블레이드(13b1)의 선단이 수직 하방을 향하는 위치, 즉 블레이드(13b1)의 선단이 지표에 가장 가까운 위치이다.

변환 제어기(22)는 프로펠러(13)의 회전 위치를 통합 제어기(40)로부터 취득하고, 이렇게 취득한 회전 위치와 조작 유닛(23)에 의해 지정된 목표 위치 사이의 차이를 검출한다. 프로펠러(13)의 회전 위치와 목표 위치 사이의 차이에 기초하여, 변환 제어기(22)는 프로펠러(13)의 회전 위치를 목표 위치와 일치시키기 위한 제어 신호를 생성하며, 이 제어 신호를 전력 변환 유닛(21)에 입력한다. 그 결과, 프로펠러(13)의 회전 위치가 목표 위치로 시프트되고, 풍차(14)는 도 5에 도시하듯이 목표 위치, 즉 블레이드(13b1)의 제거가 용이한 위치에서 정지된다.

허브(13a)로부터 제거될 블레이드로서 블레이드(13b1)가 선택되면, 제거에 대한 조작 정보가 통합 제어기(40)를 거쳐서 피치 제어기(50)에 입력된다. 상기 조작 정보가 수신되면, 피치 제어기(50)는 블레이드(13b1)에 대응하는 피치 구동 유닛(31)(도 4 참조)을 구동시켜, 블레이드(13b1)의 피치 각도를 블레이드(13b1)의 제거가 용이한 피치 각도(이하, "제거 각도"로 지칭됨)로 변경한다.

전술했듯이, 제 1 실시예에서는, 프로펠러 위치 제어 처리에 의해 제거 대상 블레이드(13b)를 목표 위치에서 자동적으로 정지시킬 수 있고, 피치 제어 처리에 의해 제거 대상 블레이드(13b)의 피치 각도를 그 제거가 용이한 피치 각도로 자동적으로 변경할 수 있다. 따라서, 제 1 실시예에 따른 풍력 발전 장치(1)는 블레이드(13b)의 제거 작업을 용이하게 한다.

추가로, 도 5에 도시하듯이, 피치 제어기(50)는 제거 대상이 아닌 블레이드(13b2) 및 블레이드(13b3)의 피치 각도를 "페더링 각도", 즉 바람이 블레이드(13b2) 및 블레이드(13b3)에 초래하는 항력이 최저인 피치 각도로 변경한다.

그 결과, 블레이드(13b1)의 제거 작업 중에 돌풍이 불어도, 블레이드(13b2, 13b3)는 바람이 통과하게 하며, 따라서 블레이드(13b1)의 오정렬이 발생하기 어렵다. 따라서, 제거 대상 블레이드(13b1)는 더 안정적으로 정지 유지될 수 있다.

전술했듯이, 블레이드(13b1)를 허브(13a)로부터 제거하기 위해, 피치 제어기(50)는 블레이드(13b1)의 피치 각도를 "제거 각도"로 변경하며, 블레이드(13b2, 13b3)의 피치 각도를 "페더링 각도"로 변경한다(도 6에서의 단계 S01 참조).

즉, 세 개의 블레이드(13b)가 모두 부착되어 있는 상태에서 하나의 블레이드(13b)를 허브(13a)로부터 제거하기 위해서, 피치 제어기(50)는 제거 대상 블레이드(13b)의 피치 각도를 "제거 각도"로 변경하고, 나머지 블레이드(13b)의 피치 각도를 "페더링 각도"로 변경한다. 제거 대상이 아닌 블레이드(13b)의 피치 각도는 반드시 "페더링 각도"일 필요는 없다.

프로펠러 위치 제어 처리에서의 피치 제어 처리는 제거 대상 블레이드(13b)가 목표 위치에 도달한 후에 수행될 수도 있거나, 또는 제거 대상 블레이드(13b)가 목표 위치에 도달하는 조작 타이밍에서 각 블레이드(13b)의 피치 각도의 변경이 완료되도록 수행될 수도 있다.

이어서, 작업자는 조작 유닛(23)을 조작하여 허브(13a)로부터 제거될 블레이드로서 블레이드(13b2)를 선택한다. 이 조작에 의해, 변환 제어기(22)는 블레이드(13b2)의 제거가 수행되어야 하는 목표 위치를 지정한다. 변환 제어기(22)는 프로펠러(13)의 회전 위치를 신규 목표 위치와 일치시키기 위한 제어 신호를 생성하며, 이 제어 신호를 전력 변환 유닛(21)에 입력한다. 그 결과, 프로펠러(13)의 회전 위치가 목표 위치로 시프트되며, 블레이드(13b2)는 목표 위치에서 정지된다.

이 프로세스에서, 피치 제어기(50)는 제거 대상이 아닌 블레이드(13b3)의 피치 각도를 페더링 각도로 유지하면서 제거 대상 블레이드(13b2)의 피치 각도를 제거 각도로 변경한다(도 6에서의 단계 S02 참조).

또한, 작업자는 조작 유닛(23)을 조작하여 허브(13a)로부터 제거될 블레이드로서 블레이드(13b3)를 선택한다. 따라서, 변환 제어기(22)는 상기와 동일한 처리를 수행하며, 따라서 블레이드(13b3)는 목표 위치에서 정지한다. 이어서, 피치 제어기(50)는 제거 대상 블레이드(13b3)의 피치 각도를 제거 각도로 변경함으로써(도 6에서의 단계 S03 참조), 조작자의 블레이드(13b3) 제거를 용이하게 한다.

상기 설명에서는, 블레이드(13b)를 허브(13a)로부터 제거하기 위한 프로세스에 대해 설명하였다. 그러나, 블레이드(13b)를 허브(13a)에 부착하기 위해서도, 변환 제어기(22)는 프로펠러(13)의 회전 위치를 목표 위치와 일치시킬 수 있다. 이로 인해, 샤프트(17)는 목표 위치에서 정지할 수 있으며, 따라서 블레이드(13b)의 부착을 그 제거와 마찬가지로 용이하게 할 수 있다.

블레이드(13b)를 허브(13a)에 부착하기 위해, 피치 제어기(50)는 부착 대상 블레이드(13b)의 피치 각도를 사전결정된 부착 각도로 변경하고, 이미 부착 완료된 블레이드(13b)의 피치 각도를 페더링 각도로 변경한다. 이로 인해 블레이드(13b)의 부착을 그 제거와 마찬가지로 간단하게 안정적으로 수행할 수 있다.

전술했듯이, 제 1 실시예에서, 변환 제어기(22)(위치 제어기의 일 예에 상당)는 프로펠러(13)의 회전 위치를 제어하여 복수의 블레이드(13b) 중 하나를 사전결정된 부착 위치 또는 사전결정된 제거 위치에 위치시키기 위한 위치 제어 처리를 수행한다. 변환 제어기(22)가 프로펠러 위치 제어 처리를 수행하는 경우, 피치 제어기(50)는 부착 또는 제거 대상인 블레이드(13b)의 피치 각도를 부착 위치 또는 제거 위치에 대응하는 피치 각도로 변경한다. 따라서, 블레이드(13b)의 부착 및 제거를 용이하게 할 수 있다.

프로펠러 위치 제어 처리에서의 피치 제어 처리는 전술한 처리 내용에 한정되지 않는다. 프로펠러 위치 제어 처리에서의 피치 제어 처리의 다른 예시적 동작에 대해 설명이 이루어질 것이다. 도 7a 및 도 7b는 프로펠러 위치 제어 처리에서의 피치 제어 처리의 다른 예시적 동작의 도시도이다.

상기 설명에서는, 블레이드(13b1)를 허브(13a)로부터 제거하기 위해, 제거 대상이 아닌 블레이드(13b2, 13b3)의 피치 각도가 페더링 각도로 변경됨으로써, 프로펠러(13)의 회전 위치가 안정화된다. 그러나, 블레이드(13b2, 13b3)의 피치 각도는 페더링 각도 이외의 각도일 수도 있다.

도 7a에 도시하듯이, 예를 들어, 피치 제어기(50)는 블레이드(13b2)의 피치 각도를 파인 각도로 변경할 수도 있고, 블레이드(13b3)의 피치 각도를 파인 각도로부터 180도 반전된 역 파인 각도로 변경할 수도 있다.

도 7a에 도시하듯이, 그 피치 각도가 파인 각도로 변경되는 블레이드(13b2)는 바람을 받아서 프로펠러(13)의 회전 방향과 같은 방향으로 회전하려고 한다. 대조적으로, 그 피치 각도가 역 파인 각도로 변경되는 블레이드(13b3)는 바람을 받아서 프로펠러(13)의 회전 방향과 역방향으로 회전하려고 한다. 그 결과, 프로펠러(13)를 회전시키는 블레이드(13b2)의 힘과 프로펠러(13)를 회전시키는 블레이드(13b3)의 힘이 균형잡히며, 따라서 샤프트(17)는 안정적으로 정지 유지될 수 있다.

도 7a에서, 블레이드(13b2)의 피치 각도는 파인 각도이며, 블레이드(13b3)의 피치 각도는 역 파인 각도이다. 대안적으로, 블레이드(13b2)의 피치 각도는 역 파인 각도일 수도 있고, 블레이드(13b3)의 피치 각도는 파인 각도일 수도 있다.

상기 설명에서는, 블레이드(13b2)를 허브(13a)로부터 제거하기 위해, 블레이드(13b3)의 피치 각도는 페더링 각도로 변경된다(도 6에서 단계 S02 참조). 그러나, 피치 제어기(50)는 블레이드(13b3)의 피치 각도를 도 7b에 도시하듯이 역 파인 각도로 변경시킬 수도 있다.

세 개의 블레이드(13b) 전부가 부착되는 상태(예를 들면, 도 5 참조)에서는, 제거 대상이 아닌 두 개의 블레이드(13b)[도 5에서는 블레이드(13b2, 13b3)]의 중량에 의해 좌우 밸런스가 유지된다. 그러나, 도 7b에 도시하듯이 세 개의 블레이드(13b) 중 하나가 이미 제거된 상태에서는, 상기 밸런스가 붕괴되며, 프로펠러(13)의 회전 위치를 유지하기 위해 더 큰 힘이 요구된다.

이를 해결하기 위해, 피치 제어기(50)는 제거 대상이 아닌 블레이드(13b3)의 피치 각도를 역 파인 각도로 변경할 수도 있다. 그 결과, 블레이드(13b3)는 바람을 받아서 블레이드(13b3)가 그 자중에 의해 샤프트(17)를 회전시키는 방향과 반대 방향으로 회전하려고 한다. 즉, 블레이드(13b3)가 그 자중에 의해 샤프트(17)를 회전시키는 힘을, 블레이드(13b3)가 풍력에 의해 샤프트(17)를 회전시키는 힘에 의해 완화시킴으로써, 샤프트(17)가 안정적으로 정지 유지될 수 있다.

도 7b에 도시된 상태와 반대로, 블레이드(13b3)가 이미 제거되어 있고 블레이드(13b1)가 허브(13a)에 부착되어 있으면, 블레이드(13b1)의 피치 각도는 파인 각도일 수도 있다. 전술했듯이, 제거 대상이 아닌 하나의 블레이드(13b)가 남아있으면, 블레이드(13b)가 풍력에 의해 샤프트(17)를 회전시키는 방향이 블레이드(13b)가 그 자중에 의해 샤프트(17)를 회전시키는 방향과 반대이도록 블레이드(13b)의 피치 각도가 변경될 수도 있다.

발전 제어 처리에서의 피치 제어 처리를 수행하기 위한 모드로부터 프로펠러 위치 제어 처리에서의 피치 제어 처리를 수행하기 위한 모드로의 모드 전환은 작업자에 의한 조작 유닛(23)에 대한 조작 입력에 기초하여 이루어진다.

즉, 작업자가 조작 유닛(23)을 조작하여 프로펠러 위치 제어 처리를 지정하면, 프로펠러 위치 제어 처리가 지정됨을 나타내는 정보가 통합 제어기(40)에 출력된다. 이 정보가 수신되면, 통합 제어기(40)는 피치 제어기(50)에 모드 전환 지령을 출력한다. 그 결과, 피치 제어기(50)는 발전 제어 처리에서의 피치 제어 처리를 수행하기 위한 모드로부터 프로펠러 위치 제어 처리에서의 피치 제어 처리를 수행하기 위한 모드로 처리 모드를 전환한다.

각각의 블레이드(13b)가 허브(13a)에 부착되어 있는지 여부는, 예를 들면, 허브(13a) 내에 부착되어 각 블레이드(13b)의 존재를 검출하는 블레이드 검출 센서로부터의 출력에 기초하여 결정될 수 있다.

이제 제 1 실시예에 따른 풍력 발전 장치(1)의 구성을 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명할 것이다. 도 8은 제 1 실시예에 따른 풍력 발전 장치의 구성의 블록선도이다.

도 8에 도시하듯이, 풍력 발전 장치(1)는 풍력 발전 유닛(10), 전력 변환 장치(20), 통합 제어기(40), 및 피치 제어기(50)를 구비한다. 풍력 발전 유닛(10)은 풍차, 발전기(15) 및 위치 검출기(16)에 더하여 바람 검출기(18)를 추가로 구비한다. 바람 검출기(18)는 풍차(14) 주위의 풍속을 검출하고, 이렇게 검출된 풍속을 풍속 검출치로서 통합 제어기(40)에 출력한다.

전력 변환 장치(20)는 발전기 전류 검출기(19), 전력 변환 유닛(21), 변환 제어기(22), 및 조작 유닛(23)을 구비한다. 변환 제어기(22)는 풍력 발전 유닛(10)의 발전기(15)에 의해 발전된 전력에 의해 동작된다. 발전기(15)로부터 전력이 전혀 제공될 수 없는 경우에, 변환 제어기(22)는 도시되지 않은 무정전 전원 장치(uninterruptible power supply: UPS)로부터 공급되는 전력에 의해 동작될 수도 있다.

발전기 전류 검출기(19)는 전력 변환 유닛(21)과 발전기(15) 사이에 흐르는 전류를 검출하고, 이렇게 검출된 전류의 순간 값을 발전기 전류 검출치로서 변환 제어기(22)에 출력한다. 발전기 전류 검출기(19)로서는, 예를 들어, 자기-전기 변환 소자로 작용하는 홀 소자(hall element)에 의해 전류를 검출하는 전류 센서가 사용될 수 있다.

전력 변환 유닛(21)은 발전기(15)와 전력 계통(30) 사이에서 쌍방향으로 전력 변환을 수행한다. 이제 전력 변환 유닛(21)의 예시적 구성을 도 9를 참조하여 설명할 것이다. 도 9는 전력 변환 유닛의 예시적 구성의 블록선도이다.

도 9에 도시하듯이, 전력 변환 유닛(21)은 발전기(15)의 각 상(U상, V상, W상)과 전력 계통(30)의 각 상(R상, S상, 및 T상)을 연결하는 다수의 쌍방향 스위치(SW1 내지 SW9)를 구비한다. 발전기(15)의 각 상과 전력 변환 유닛(21) 사이에는 발전기 전류 검출기(19)가 배치되지만, 도 9에서 발전기 전류 검출기(19)는 설명의 편의상 도시되어 있지 않다.

쌍방향 스위치(SW1 내지 SW9)는 예를 들어 단일 방향 스위칭 소자를 상호 역방향으로 병렬 연결함으로써 얻어진 두 개의 소자로 형성된다. 스위칭 소자로서는 예를 들어 IGBT(insulated gate bipolar transistor)와 같은 반도체 스위치가 사용된다. 반도체 스위치의 게이트에 신호를 입력하여 반도체 스위치를 ON/OFF시킴으로써, 통전 방향이 제어된다.

쌍방향 스위치(SW1 내지 SW3)는 발전기(15)의 U상, V상, W상을 전력 계통(30)의 R상에 연결하는 쌍방향 스위치이다. 쌍방향 스위치(SW4 내지 SW6)는 발전기(15)의 U상, V상, W상을 전력 계통(30)의 S상에 연결하는 쌍방향 스위치이다. 쌍방향 스위치(SW7 내지 SW9)는 발전기(15)의 U상, V상, W상을 전력 계통(30)의 T상에 연결하는 쌍방향 스위치이다. 후술하는 제어 신호 발생 유닛(66)에 의해 쌍방향 스위치(SW1 내지 SW9)가 PWM(pulse width modulation) 제어됨으로써, 발전기(15)와 전력 계통(30) 사이에서 전력이 변환된다.

전력 변환 유닛(21)의 구성은 도 9에 도시된 구성에 한정되지 않는다. 예를 들어, 전력 변환 유닛(21)은 단상 매트릭스 컨버터가 각 상마다 직렬 연결되어 있는 직렬 다중 매트릭스 컨버터일 수도 있다. 예를 들어 전력 변환 유닛(21)이 쌍방향 전력 변환을 단독으로 수행하는 매트릭스 컨버터인 경우에 대해 설명이 이루어졌다. 대안적으로, 전력 변환 유닛(21)은 발전기(15)로부터 전력 계통(30)으로의 전력 변환을 수행하는 매트릭스 컨버터 및 전력 계통(30)으로부터 발전기(15)로의 전력 변환을 수행하는 매트릭스 컨버터를 구비할 수도 있다.

또한, 예를 들어 전력 변환 유닛(21)이 매트릭스 컨버터인 경우에 대해 설명이 이루어졌다. 그러나, 전력 변환 유닛(21)은 매트릭스 컨버터와 같이 AC-AC 직접 변환을 수행하는 전력 변환 유닛에 한정되지 않으며, AC-DC-AC 변환을 수행하는 전력 변환 유닛일 수도 있다.

도 8로 돌아가서, 이제 변환 제어기(22)의 구성을 설명할 것이다. 변환 제어기(22)는 토크 지령 생성 유닛(61), 전압 지령 생성 유닛(62), 계통 전압 검출 유닛(63), 전압 위상 생성 유닛(65), 제어 신호 발생 유닛(66), 및 속도 연산 유닛(67)을 구비한다.

속도 연산 유닛(67)은 위치 검출기(16)로부터 통합 제어기(40)를 거쳐서 프로펠러(13)의 회전 위치를 취득하고, 이렇게 취득한 프로펠러(13)의 회전 위치로부터 발전기(15)의 회전 속도를 연산한다.

샤프트(17)의 회전을 증속하여 발전기(15)에 출력하는 증속 기어를 거치지 않고 샤프트(17)가 발전기(15)에 연결되는 경우, 발전기(15)의 회전 속도는 샤프트(17)의 회전 속도와 동일하다. 따라서, 속도 연산 유닛(67)은 프로펠러(13)의 회전 위치의 정보로부터 샤프트(17)의 회전 속도를 연산함으로써 발전기(15)의 회전 속도를 얻을 수 있다.

대조적으로, 증속 기어를 거쳐서 샤프트(17)가 발전기(15)에 연결되는 경우, 속도 연산 유닛(67)은 프로펠러(13)의 회전 위치의 정보로부터 샤프트(17)의 회전 속도를 연산하고, 증속 기어의 증속비에 비례하는 계수를 연산 결과에 곱한다. 이렇게 해서, 속도 연산 유닛(67)은 발전기(15)의 회전 속도를 얻을 수 있다.

전술했듯이, 제 1 실시예에 따른 풍력 발전 장치(1)에서는, 속도 연산 유닛(67)이 위치 검출기(16)에 의해 검출된 프로펠러(13)의 회전 위치를 사용하여 발전기(15)의 회전 속도를 연산한다. 따라서, 제 1 실시예에 따른 풍력 발전 장치(1)에 의하면, 발전기(15)의 회전 속도를 검출하는 속도 검출기를 별도로 설치하지 않고서도 발전기(15)의 회전 속도를 얻을 수 있다.

제 1 실시예에 따른 풍력 발전 장치(1)에서는, 속도 연산 유닛(67)이 발전기(15)의 회전 속도를 연산한다. 대안적으로, 통합 제어기(40)가 발전기(15)의 회전 속도를 연산할 수도 있다.

발전기(15)의 회전 속도는 토크 지령 생성 유닛(61) 및 위치 제어기(69)에 입력된다. 토크 지령 생성 유닛(61)은 발전기(15)의 회전 토크를 결정하기 위한 토크 지령을 생성하여, 이 토크 지령을 출력한다. 이제 토크 지령 생성 유닛(61)의 구성을 도 10을 참조하여 설명할 것이다. 도 10은 토크 지령 생성 유닛(61)의 구성의 블록선도이다.

도 10에 도시하듯이, 토크 지령 생성 유닛(61)은 제 1 감산 유닛(61a), 각속도 지령 변환 유닛(61b), 제 2 감산 유닛(61c), 및 토크 지령 변환 유닛(61d)을 구비한다.

제 1 감산 유닛(61a)은 외부로부터 전송되는 각도 위치 지령 및 통합 제어기(40)로부터 전송되는 발전기(15)의 회전 위치를 수신한다. 발전기(15)의 회전 위치는 프로펠러(13)의 회전 위치에 기초하여 통합 제어기(40)에 의해 산출된다. 제 1 감산 유닛(61a)은 각도 위치 지령으로부터 발전기(15)의 회전 위치를 감산하고, 이 각도 위치 지령을 각속도 지령 변환 유닛(61b)에 출력한다.

즉, 제 1 감산 유닛(61a)은 각도 위치 지령에 의해 규정되는 목표 각도 위치를 발전기(15)의 현재 회전 위치와 비교하고, 목표 각도 위치와 발전기(15)의 현재 회전 위치의 차이를 위치 차이 신호로서 각속도 지령 변환 유닛(61b)에 출력한다.

각속도 지령 변환 유닛(61b)은 제 1 감산 유닛(61a)으로부터 취득한 위치 차이 신호를 미분하여 각속도 지령을 생성하고, 이렇게 생성된 각속도 지령을 제 2 감산 유닛(61c)에 출력한다.

제 2 감산 유닛(61c)은 각속도 지령 변환 유닛(61b)으로부터 전송되는 각속도 지령 및 속도 연산 유닛(67)으로부터 전송되는 발전기(15)의 회전 속도를 수신한다. 제 2 감산 유닛(61c)은 각속도 지령으로부터 회전 속도를 감산하고, 이 각속도 지령을 토크 지령 변환 유닛(61d)에 출력한다. 즉, 제 2 감산 유닛(61c)은 각속도 지령에 의해 규정되는 목표 각속도를 발전기(15)의 현재 회전 속도와 비교하고, 그 차이를 속도 차이 신호로서 토크 지령 변환 유닛(61d)에 출력한다.

이후 토크 지령 변환 유닛(61d)은 제 2 감산 유닛(61c)으로부터 취득한 속도 차이 신호를 사용하여 토크 지령을 생성하고, 이 토크 지령을 전환기(switcher)(70)를 거쳐서 전압 지령 생성 유닛(62)에 출력한다.

전술했듯이, 위치 검출기(16)에 의해 검출된 프로펠러(13)의 회전 위치로부터 얻어진 발전기(15)의 회전 위치 및 회전 속도를 사용하여 피드백 제어를 수행함으로써, 토크 지령 생성 유닛(61)은 더 정확한 토크 지령을 출력할 수 있다.

도 8로 돌아가서, 이제 전압 지령 생성 유닛(62)을 설명할 것이다. 전압 지령 생성 유닛(62)은 이렇게 수신되는 토크 지령에 따라 발전기(15)에 대한 전압 지령을 생성하고, 이 전압 지령을 제어 신호 발생 유닛(66)에 출력한다. 예를 들어, 토크 지령 생성 유닛(61)으로부터 토크 지령을 취득하면, 전압 지령 생성 유닛(62)은 그 토크 지령에 기초하여 전압 지령을 생성하고, 이 전압 지령을 제어 신호 발생 유닛(66)에 출력한다. 이 경우, 예시적 방법으로서, 전압 지령 생성 유닛(62)은 전압 지령을 생성하기 위해 발전기 전류 검출기(19)에 의해 검출된 발전기 전류 검출치를 취득하며, 발전기 전류 검출치로부터 토크 발생에 기여하는 토크 전류 성분을 추출한다. 전압 지령 생성 유닛(62)은 이렇게 추출된 토크 전류 성분과 토크 지령 생성 유닛(61)으로부터 취득한 토크 지령 사이의 편차에 기초하여 전압 지령을 생성한다.

계통 전압 검출 유닛(63)은 전력 변환 유닛(21)과 전력 계통(30) 사이의 연결점을 감시하여 전력 계통(30)의 전압을 검출하며, 이렇게 검출된 전압의 순간 값을 계통 전압 검출치로서 전압 위상 생성 유닛(65)과 제어 신호 발생 유닛(66)에 출력한다.

전압 위상 생성 유닛(65)은 전력 계통(30)의 3상의 전압치로부터 전력 계통(30)의 전압 위상에 대한 정보를 생성하며, 이 정보를 제어 신호 발생 유닛(66)에 출력한다.

제어 신호 발생 유닛(66)은 전력 변환 유닛(21)에 전력 변환을 수행시키기 위한 PWM 펄스 패턴의 제어 신호를 생성하고, 이렇게 생성된 제어 신호를 전력 변환 유닛(21)에 출력한다. 제어 신호 발생 유닛(66)은 전압 지령 생성 유닛(62)으로부터 취득한 전압 지령, 계통 전압 검출 유닛(63)으로부터 취득한 계통 전압 검출치, 및 전압 위상 생성 유닛(65)으로부터 취득한 전압 위상 정보에 기초하여 제어 신호를 발생시킨다.

제어 신호 발생 유닛(66)으로부터 출력되는 PWM 펄스 패턴의 제어 신호에 기초하여, 전력 변환 유닛(21)은 쌍방향 스위치(SW1 내지 SW9)(도 9 참조)를 ON/OFF시켜 전력 변환을 수행한다. 입력될 전압을 쌍방향 스위치(SW1 내지 SW9)에 의해 직접 스위칭함으로써, 전력 변환 유닛(21)은 발전기(15)에 대한 제어와 전력 계통(30)에 대한 제어를 개별적으로 수행한다. 그 결과, 전력 변환 유닛(21)은 발전기(15)에 의해 발생된 전력을 전력 계통(30)의 전압 값 및 주파수에 따라 변환할 수 있고, 이 전력을 출력할 수 있다.

전술했듯이, 변환 제어기(22)는 위치 검출기(16)에 의해 검출되는 프로펠러(13)의 회전 위치로부터 얻어진 발전기(15)의 회전 속도에 기초하여 토크 지령을 생성한다. 변환 제어기(22)는 토크 지령에 따라 전력 변환 유닛(21)을 제어하여 발전기(15)에 의한 발전을 제어한다. 즉, 제 1 실시예에 따른 풍력 발전 장치(1)에서는, 위치 검출기(16)에 의해 검출되는 프로펠러(13)의 회전 위치가 발전 제어 처리에도 사용될 수 있다.

변환 제어기(22)는 위치 지령 유닛(68), 위치 제어기(69), 및 전환기(70)를 추가로 구비한다. 변환 제어기(22)는 이들 처리 유닛을 사용하여 프로펠러 위치 제어 처리를 수행한다.

위치 지령 유닛(68)은 목표 위치를 규정하는 위치 지령의 정보의 다수 피스를 내부 기억 유닛에 기억해둔다. 위치 지령 유닛(68)은 조작 유닛(23)에 의해 지정된 프로펠러(13)의 회전 위치에 대응하는 위치 지령을 내부 기억 유닛으로부터 읽어들이고, 그 위치 지령을 위치 제어기(69)에 출력한다. 위치 지령 유닛(68)에 기억되는 위치 지령은, 각 블레이드(13b)의 부착 또는 제거에 최적인 허브(13a)의 위치가 목표 위치임을 나타내는 정보이다. 대안적으로, 조작 유닛(23)에 목표 위치를 직접 입력함으로써, 프로펠러(13)는 블레이드(13b)의 부착 또는 제거에 최적인 회전 위치에서뿐만 아니라 임의의 회전 위치에서 정지될 수 있다.

예를 들어, 허브(13a)의 0도 회전 위치가 블레이드(13b1)의 제거에 적합한 위치이고 허브(13a)의 120도 회전 위치가 블레이드(13b2)의 제거에 적합한 위치인 것으로 가정한다. 또한, 예를 들어 허브(13a)의 240도 회전 위치가 블레이드(13b3)의 제거에 적합한 위치인 것으로 가정한다.

이 경우에, 위치 지령 유닛(68)은 허브(13a)의 0도 회전 위치, 허브(13a)의 120도 회전 위치 또는 허브(13a)의 240도 회전 위치가 목표 위치임을 각각 나타내는 위치 지령을 내부 기억 유닛에 기억한다. 예를 들어 조작 유닛(23)이 블레이드(13b2)를 지정하면, 위치 지령 유닛(68)은 허브(13a)의 120도 회전 위치가 내부 기억 유닛으로부터의 목표 위치임을 나타내는 위치 지령을 읽어들이고, 그 위치 지령을 위치 제어기(69)에 출력한다.

위치 지령 유닛(68)은 조작 유닛(23)에 의해 지정된 허브(13a)의 회전 위치에 대응하는 위치 지령을 생성할 수도 있으며, 이 위치 지령을 위치 제어기(69)에 출력할 수도 있다. 또한, 위치 지령 유닛(68)은 예를 들어 허브(13a)의 0도 이상 360도 미만의 각각의 회전 위치(예를 들면 1도 마다의 회전 위치)가 목표 위치임을 나타내는 위치 지령을 내부 기억 유닛에 기억할 수도 있다. 이 경우, 조작 유닛(23)이 허브(13a)의 회전 위치를 지정하면, 위치 지령 유닛(68)은 이렇게 지정된 회전 위치가 목표 위치임을 나타내는 위치 지령을 내부 기억 유닛으로부터 읽어들이고, 그 위치 지령을 위치 제어기(69)에 출력한다.

추가로, 조작 유닛(23)이 허브(13a)의 회전 위치를 지정하면, 위치 지령 유닛(68)은 전환기(70)에 전환 신호를 출력한다. 이 전환 신호에 의해, 전환기(70)는 전압 지령 생성 유닛(62)에 입력될 토크 지령을 토크 지령 생성 유닛(61)으로부터 전송되는 토크 지령으로부터 위치 제어기(69)로부터 전송되는 토크 지령으로 전환한다.

위치 제어기(69)는 위치 지령 유닛(68)으로부터 출력되는 위치 지령, 통합 제어기(40)로부터 출력되는 회전 위치, 및 속도 연산 유닛(67)으로부터 출력되는 회전 속도를 취득한다. 위치 제어기(69)는 이후 위치 지령, 회전 위치, 및 회전 속도에 기초하여, 프로펠러(13)의 회전 위치를 위치 지령에 의해 규정되는 목표 위치와 일치시키기 위한 토크 지령을 출력한다.

구체적으로, 위치 제어기(69)는 위치 지령으로부터 위치 검출치를 감산하여 위치 차이 신호를 생성한다. 이후 위치 제어기(69)는 이렇게 생성된 위치 차이 신호에 대해 PI(proportional-integral: 비례적분) 증폭을 수행하여, 위치 차이 신호를 속도 신호로 변환한다. 이어서, 위치 제어기(69)는 속도 신호로부터 속도 검출치를 감산하여 속도 차이 신호를 생성한다. 이후 위치 제어기(69)는 이렇게 생성된 속도 차이 신호에 대해 PI 증폭을 수행하여, 속도 차이 신호를 토크 지령으로 변환한다. 이후 위치 제어기(69)는 토크 지령을 전환기(70)에 출력한다.

위치 제어기(69)로부터 출력되는 토크 지령은 전환기(70)에 의해 수용되고, 전환기(70)로부터 전압 지령 생성 유닛(62)에 출력된다. 전압 지령 생성 유닛(62)은 위치 제어기(69)로부터 수신되는 토크 지령에 대응하는 전압 지령을 제어 신호 발생 유닛(66)에 출력한다. 그 결과, 전력 계통(30)으로부터 발전기(15)로의 전력 변환이 이루어지며, 따라서 프로펠러(13)는 조작 유닛(23)에 의해 지정되는 목표 위치로 이동하고 목표 위치에서 정지한다.

전술했듯이, 전력 변환 장치(20)는 위치 지령 유닛(68)과 위치 제어기(69)를 사용하여 프로펠러 위치 제어 처리를 수행한다. 즉, 변환 제어기(22)는 예를 들어 발전기(15)를 전동기로 사용하여 프로펠러(13)의 회전 위치를 제어하도록 전력 변환 유닛(21)을 제어함으로써, 크레인 또는 유압 시스템을 사용하지 않고서 블레이드(13b)를 부착 위치 또는 제거 위치에 위치시킨다. 그 결과, 블레이드(13b)의 부착 및 제거가 용이하도록 프로펠러(13)가 정지되며, 따라서 풍력 발전 유닛(10)에 대한 설치 작업 및 보수 작업의 작업성을 향상시킬 수 있다.

프로펠러(13)의 회전 위치가 목표 위치에 도달한 후, 위치 제어기(69)는 계속해서 제어 신호 발생 유닛(66)이 프로펠러(13)의 회전 위치와 목표 위치에 기초한 제어 신호를 전력 변환 유닛(21)에 출력하게 한다. 이 조작은 프로펠러(13)의 회전 위치가 목표 위치에 도달한 후에 프로펠러(13)의 회전 위치를 목표 위치에 정지 유지시킬 수 있다.

전술했듯이, 제 1 실시예에서는, 풍력 발전 장치(1)가 프로펠러(13), 위치 검출기(16), 및 피치 제어기(50)를 구비한다. 프로펠러(13)는 그 피치 각도가 변경될 수 있는 블레이드(13b)를 구비하며, 바람(유체의 일 예)에 의해 회전된다. 위치 검출기(16)는 프로펠러(13)의 회전 위치를 검출한다. 피치 제어기(50)는 프로펠러(13)의 회전 위치에 의해 특정되는 블레이드(13b) 각각의 위치에 따라 피치 각도를 변경하기 위한 피치 제어를 수행한다. 따라서, 제 1 실시예에 따르면, 블레이드(13b) 각각의 위치에 따라서 블레이드(13b) 각각의 피치 각도를 개별적으로 변경할 수 있다.

프로펠러(13)의 회전 속도는 통상 풍속의 변동에 대해 약간 지연되어 변동한다. 예를 들어, 풍속이 증가하면, 풍속 변동으로부터 약간 지연되어 프로펠러(13)의 회전 속도가 빨라진다. 이를 해결하기 위해, 피치 제어기(50)는 바람 검출기(18)에 의해 검출되는 풍속에 기초하여 프로펠러(13)의 회전 속도의 변화를 예측할 수 있으며, 예측 결과에 기초하여 피치 제어 처리를 보정할 수 있다.

예를 들어, 피치 제어기(50)는 바람 검출기(18)로부터의 풍속 검출치를 통합 제어기(40)를 거쳐서 취득한다. 피치 제어기(50)는 도시되지 않은 기억 유닛을 구비하며, 기억 유닛에는 직전에 취득한 풍속 검출치가 기억된다.

이후 피치 제어기(50)는 새로 취득되는 풍속 검출치를 기억 유닛에 기억된 풍속 검출치와 비교한다. 새로 취득되는 풍속 검출치가 기억 유닛에 기억된 풍속 검출치보다 크면, 피치 제어기(50)는 프로펠러(13)의 회전 속도가 빨라지는 것으로 판정한다. 프로펠러(13)의 회전 속도가 빨라지는 것으로 판정되면, 피치 제어기(50)는 블레이드(13b) 각각의 피치 각도를 전체적으로 크게 만든다. 이 조작은 프로펠러(13)의 과도한 회전을 방지할 수 있다.

대조적으로, 새로 취득한 풍속 검출치가 기억 유닛에 기억된 풍속 검출치보다 작으면, 피치 제어기(50)는 프로펠러(13)의 회전 속도가 느려지는 것으로 판정한다. 프로펠러(13)의 회전 속도가 느려지는 것으로 판정되면, 피치 제어기(50)는 블레이드(13b) 각각의 피치 각도를 전체적으로 작게 만든다. 이 조작은 프로펠러(13)의 회전 부족에 의한 발전 부족을 방지할 수 있다.

전술했듯이, 피치 제어기(50)는 바람 검출기(18)에 의해 검출되는 풍속에 기초하여 프로펠러(13)의 회전 속도의 변화를 예측할 수 있으며, 예측 결과에 기초하여 피치 제어 처리를 보정할 수 있다.

제 1 실시예에서는, 풍력 발전 유닛(10)과 전력 변환 장치(20)를 구비하는 풍력 발전기(1)에 대해 설명하였다. 제 2 실시예에서는, 복수의 풍력 발전 장치가 설치되는 풍력 발전 단지에 대해 설명이 이루어질 것이다. 도 11은 제 2 실시예에 따른 풍력 발전 단지의 구성의 도시도이다. 제 2 실시예에 따른 풍력 발전 단지는 본원에 개시된 발전 시스템의 일 예이다.

도 11에 도시하듯이, 제 2 실시예에 따른 풍력 발전 단지(100)는 복수의 풍력 발전 장치(110)를 구비하며, 각각의 풍력 발전 장치(110)는 송전선(140)에 연결된다. 각각의 풍력 발전 장치(110)는 풍력 발전 유닛(120)과 전력 변환 장치(130)를 구비한다.

풍력 발전 장치(110) 각각은 제 1 실시예에 따른 풍력 발전 장치(1)와 동일한 구성을 갖는다. 즉, 풍력 발전 유닛(120)은 풍력 발전 유닛(10)과 동일한 구성을 가지며, 전력 변환 장치(130)는 전력 변환 장치(20)와 동일한 구성을 갖는다.

전력 변환 장치(130)에 의해 송전선(140)에 출력되는 전압은 전력 계통의 전압에 합치된다. 즉, 전력 변환 장치(130) 내의 전력 변환 유닛으로서 예를 들어 매트릭스 컨버터가 사용된다. 또한, 매트릭스 컨버터에 구비되는 변압기로는, 예를 들어 일차측 정격 전압이 전력 계통의 전압과 동일한 변압비를 갖는 변압기가 사용된다. 이 구성으로 인해 전력 변환 장치(130)가 송전선(140)에 직접 연결될 수 있다.

따라서, 매트릭스 컨버터가 전력 변환 장치(130)의 전력 변환 유닛으로서 사용되면, 별도로 변압기를 제공할 필요가 없다. 그 결과, 구성의 간략화 및 공간 절약을 달성할 수 있다.

매트릭스 컨버터에 구비되는 변압기의 일차 권선에 복수의 탭(tap)을 제공하고, 전력 계통의 전압에 합치되는 탭을 선택하며, 이 탭을 송전선(140)에 연결함으로써, 구성의 간략화 및 공간 절약을 달성하는 동시에, 전력 변환 장치(130)를 상이한 전압을 갖는 전력 계통에 연결할 수 있다.

또한, 풍력 발전 유닛(120)의 발전기를 전동기로서 동작시킴으로써 풍차의 회전 위치가 제어되기 때문에, 블레이드의 부착 및 제거가 용이해질 수 있다. 그 결과, 전체 풍력 발전 단지(100)의 건설 공사를 보다 효율적으로 수행할 수 있고 공사 기간을 단축할 수 있다.

상기 실시예에서는, 본원에 개시된 발전 장치가 풍력 발전 장치에 적용되는 예를 설명하였다. 그러나, 본원에 개시된 발전 장치는, 해류에 의해 프로펠러를 회전시켜 전력을 발생시키는 조류 발전 장치와 같은, 풍력 발전 장치 이외의 프로펠러-타입 발전 장치에 적용될 수도 있다.

상기 실시예에서는, 변환 제어기(22)가 발전기(15)를 전동기로서 사용하여 프로펠러(13)의 회전 위치를 제어하도록 전력 변환 유닛(21)을 제어함으로써 프로펠러 위치 제어 처리를 수행한다. 그러나, 프로펠러 위치 제어 처리는 발전기(15)가 전동기로서 사용되는 경우에 한정되지 않는다.

예를 들어, 변환 제어기(22)는 위치 검출기(16)에 의해 겁출되는 프로펠러(13)의 회전 위치에 기초하여 발전기(15)의 출력축에 제공되는 제동 장치(도시되지 않음)를 제어함으로써, 프로펠러(13)의 회전 위치를 각각의 블레이드(13b)에 대해 블레이드(13b)의 부착 위치 또는 제거 위치로서 결정된 위치와 일치시킬 수 있다.

상기 실시예에서는, 피치 제어기(50)가 통합 제어기(40)와 별개로 제공되는 예를 설명하였다. 대안적으로, 피치 제어기(50)는 통합 제어기(40)와 일체로 구성될 수도 있다.

1: 풍력 발전 장치 10: 풍력 발전 유닛
13: 프로펠러 13b: 블레이드
15: 발전기 16: 위치 검출기
18: 바람 검출기 19: 발전기 전류 검출기
20: 전력 변환 장치 21: 전력 변환 유닛
22: 변환 제어기 23: 조작 유닛
30: 전력 계통 31: 피치 구동 유닛
32: 위치 검출기 40: 통합 제어기
50: 피치 제어기 61: 토크 지령 생성 유닛
62: 전압 지령 생성 유닛 63: 계통 전압 검출 유닛
65: 전압 위상 생성 유닛 66: 제어 신호 발생 유닛
67: 속도 연산 유닛 68: 위치 지령 유닛
69: 위치 제어기 70: 전환기

Claims

발전 장치에 있어서,
피치 각도가 변경될 수 있는 복수의 블레이드를 구비하고, 유체에 의해 회전되는 프로펠러와,
상기 프로펠러의 회전 위치를 검출하는 위치 검출기와,
상기 프로펠러의 회전 위치에 의해 특정되는 각각의 블레이드의 위치에 따라 상기 피치 각도를 변경하기 위한 피치 제어 처리를 수행하는 피치 제어기를 포함하는
발전 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 프로펠러의 회전 위치를 제어하여 상기 복수의 블레이드 중 하나의 블레이드를 사전결정된 부착 위치 또는 사전결정된 제거 위치에 위치시키기 위한 위치 제어 처리를 수행하는 위치 제어기를 추가로 포함하며,
상기 위치 제어기가 상기 위치 제어 처리를 수행할 때, 상기 피치 제어기는 상기 하나의 블레이드의 피치 각도를 상기 부착 위치 또는 상기 제거 위치에 대응하는 피치 각도로 변경하는
발전 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 위치 검출기로부터 상기 프로펠러의 회전 위치를 취득하는 회전 위치 취득 유닛을 추가로 포함하며,
상기 회전 위치 취득 유닛은 상기 위치 검출기로부터 취득한 상기 프로펠러의 회전 위치를 상기 피치 제어기 및 상기 위치 제어기 양자에 출력하는
발전 장치.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 프로펠러의 회전에 의해 발전을 수행하는 발전기, 및
상기 발전기에 의해 발전된 전력을 변환하여 전력 계통에 공급하는 전력 변환 유닛을 추가로 포함하며,
상기 위치 제어기는, 상기 발전기를 전동기로서 사용하여 상기 프로펠러의 회전 위치를 제어하도록 상기 전력 변환 유닛을 제어함으로써, 상기 복수의 블레이드 중 하나의 블레이드를 상기 부착 위치 또는 상기 제거 위치에 위치시키는
발전 장치.
제 4 항에 있어서,
상기 위치 제어기는 상기 위치 검출기에 의해 검출되는 상기 프로펠러의 회전 위치에 기초하여 상기 위치 제어 처리를 수행하고, 상기 위치 검출기에 의해 검출되는 상기 프로펠러의 회전 위치로부터 얻어지는 상기 발전기의 회전 속도에 기초하여, 상기 전력 변환 유닛을 제어하여 상기 발전기에 의해 수행되는 발전을 제어하기 위한 발전 제어 처리를 수행하는
발전 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 피치 제어기는, 상기 피치 제어 처리를 수행함으로써, 낮은 위치에 위치하는 블레이드일수록 상기 유체를 받는 면적을 더 크게 갖게 하는
발전 장치.
제 6 항에 있어서,
상기 프로펠러 주위의 상기 유체의 속도를 검출하는 유체 검출기를 추가로 포함하며,
상기 피치 제어기는 상기 유체 검출기에 의해 검출되는 유체 속도에 기초하여 상기 프로펠러의 회전 속도의 변화를 예측하고, 예측 결과에 기초하여 상기 피치 제어 처리를 보정하는
발전 장치.
발전 시스템에 있어서,
복수의 발전 장치를 포함하며,
각각의 발전 장치는,
피치 각도가 변경될 수 있는 복수의 블레이드를 구비하고, 유체에 의해 회전되는 프로펠러와,
상기 프로펠러의 회전 위치를 검출하는 위치 검출기와,
상기 프로펠러의 회전 위치에 의해 특정되는 각각의 블레이드의 위치에 따라 상기 피치 각도를 변경하기 위한 피치 제어 처리를 수행하는 피치 제어기를 포함하는
발전 시스템.