KR20140039823A - 풍력 발전기 및 그 운전 제어 방법 - Google Patents

풍력 발전기 및 그 운전 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 나셀(nacelle)을 구비하는 풍력 발전기의 운전 제어 방법은, 컨트롤러가 전기 브레이크를 해제하는 단계; 상기 컨트롤러로부터 인가되는 속도 신호에 기초하여 인버터가 전기 모터의 속도를 0 deg/s로 설정하는 단계; 상기 컨트롤러로부터 인가되는 압력 정보에 기초하여 유압 장치가 유압 브레이크를 해제하는 단계; 및 상기 컨트롤러로부터 인가되는 속도 신호에 기초하여 상기 인버터가 상기 전기 모터의 속도를 특정 속도로 설정하는 단계를 포함한다.

Description

풍력 발전기 및 그 운전 제어 방법{WIND TURBINE AND METHOD OF CONTROLLING OPERATION THE SAME}
본 발명은 풍력 발전기에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 요잉(yawing) 운전 시 발생될 수 있는 소음을 억제할 수 있는 풍력 발전기 및 그 운전 제어 방법에 관한 것이다.
풍력 발전기는 바람의 운동에너지를 기계적 에너지로 변환하고, 변환된 기계적 에너지로 발전기를 구동하여 전력을 생산하는 장치로서, 화석연료의 고갈과 환경 문제로 인해 풍력 발전기를 이용한 전력생산이 증대되고 있다.
이러한 풍력 발전기는 타워(tower), 타워의 상부에 설치된 나셀(nacelle), 나셀의 전방에 설치되어 바람에 의해 회전되는 다수의 블레이드(blade)와 다수의 블레이드가 연결된 허브(hub)를 구비한 로터(rotor)를 포함한다. 이때, 나셀은 로터의 회전운동을 전달받아 동력을 발생시켜 전기에너지를 생산하는 등 풍력 발전기를 구동시키는 데 있어 중요한 역할을 담당하는 구성요소들이 결합되어 있다.
한편, 풍력 발전기의 경우, 최고 효율로 전력을 생산하기 위하여 바람의 방향에 맞게 나셀과 로터의 방향 전체를 회전시키는 시스템을 구비하고 있는데, 이러한 시스템을 요 시스템(yaw system)이라 하며, 이러한 나셀의 회전운동을 요잉(Yawing) 운전이라 한다.
이러한 요 시스템은 전기 모터 시스템과 유압 시스템의 상호 운전으로 구성된다. 그러나, 전기 모터 시스템과 유압 시스템으로 구성된 요 시스템에 있어서, 유압 브레이크가 동작하고 있는 상태에서 전기 모터의 속도가 제어되기 때문에 브레이크와 브레이크 디스크 사이의 마찰로 인한 소음이 발생하게 되므로 이에 대한 적절한 대안이 요구된다.
한국등록특허 제10-823124호(2008.04.18.공고)
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 요잉(yawing) 운전 시 발생될 수 있는 소음을 억제할 수 있는 풍력 발전기 및 그 운전 제어 방법을 제공하는 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 실시예에 따른 나셀(nacelle)을 구비하는 풍력 발전기의 운전 제어 방법은, 컨트롤러가 전기 브레이크를 해제하는 단계; 상기 컨트롤러로부터 인가되는 속도 신호에 기초하여 인버터가 전기 모터의 속도를 0 deg/s로 설정하는 단계; 상기 컨트롤러로부터 인가되는 압력 정보에 기초하여 유압 장치가 유압 브레이크를 해제하는 단계; 및 상기 컨트롤러로부터 인가되는 속도 신호에 기초하여 상기 인버터가 상기 전기 모터의 속도를 특정 속도로 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 전기 모터의 속도를 0 deg/s로 설정하는 단계는, 상기 인버터가 상기 컨트롤러로부터 인가되는 속도 신호에 대응하는 토크 및 전력을 상기 전기 모터로 공급하기 위한 자기장을 형성하여 상기 전기 모터의 속도를 0 deg/s로 설정할 수 있다.
상기 전기 모터의 속도를 특정 속도로 설정하는 단계는, 상기 컨트롤러로부터 상기 특정 속도에 상응하는 속도 신호가 입력되는 경우, 상기 인버터는 미리 형성된 자기장을 이용하여 상기 특정 속도에 대응하는 토크 및 전력을 상기 전기 모터로 공급할 수 있다.
상기 유압 브레이크를 해제하는 단계 이후에, 상기 컨트롤러는 소정의 지연 시간 이후 상기 전기 모터의 속도가 특정 속도로 설정되도록 할 수 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 실시예에 따른 나셀을 구비하는 풍력 발전기의 운전 제어 방법은, 컨트롤러로부터 인가되는 속도 신호에 기초하여 인버터가 전기 모터의 속도를 0 deg/s로 설정하는 단계; 상기 컨트롤러가 전기 브레이크를 구동하는 단계; 및 상기 컨트롤러로부터 인가되는 압력 정보에 기초하여 유압 장치가 유압 브레이크를 구동하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 전기 브레이크를 구동하는 단계는, 소정의 시간 동안 상기 전기 모터의 속도가 감소된 이후, 상기 컨트롤러가 상기 전기 브레이크를 구동할 수 있다.
상기 유압 브레이크를 구동하는 단계는, 상기 전기 브레이크가 구동되어 상기 전기 모터의 동작이 중단된 이후, 상기 컨트롤러로부터 인가되는 압력 정보에 기초하여 상기 유압 장치가 상기 유압 브레이크를 구동할 수 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 실시예에 따른 풍력 발전기는, 바람에 의해 회전되는 복수의 블레이드(blade); 허브를 통해 상기 복수의 블레이드와 연결되며, 요잉 운전을 제어하기 위한 컨트롤러, 유압 시스템 및 전기 모터 시스템을 구비하는 나셀; 및 상기 복수의 블레이드, 상기 허브 및 상기 나셀을 지지하는 타워를 포함하며, 상기 요잉 운전을 시작하는 경우, 상기 컨트롤러는 전기 브레이크를 해제하고, 전기 모터의 속도가 0 deg/s로 설정되도록 인버터를 제어하고, 유압 브레이크가 해제되도록 유압 장치를 제어하고, 상기 전기 모터의 속도가 특정 속도로 설정되도록 상기 인버터를 제어하며, 상기 요잉 운전을 정지하는 경우, 상기 컨트롤러는 상기 전기 모터의 속도가 0 deg/s로 설정되도록 상기 인버터를 제어하고, 상기 전기 모터의 속도가 감소된 이후 상기 전기 브레이크를 구동하고, 상기 유압 브레이크가 구동되도록 상기 유압 장치를 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 요잉(yawing) 운전 시 유압 시스템과 전기 모터 시스템의 동작 순서를 개선함으로써 운전 시 발생될 수 있는 소음을 억제할 수 있으며, 인버터의 활용도를 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 나셀의 일 실시예에 따른 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 요잉 운전 시작 시의 운전 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 요잉 운전 정지 시의 운전 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.
본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있으므로 특정실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 풍력 발전기(10)는 복수의 블레이드(blade, 110), 허브(hub, 120), 나셀(nacelle, 200) 및 타워(tower, 300)를 포함한다.
복수의 블레이드(110)는 바람에 의해 회전되면서 회전운동을 하고, 바람의 풍력 에너지를 회전 에너지로 변환한다. 복수의 블레이드(110)는 허브(120)를 중심으로 연결되어 있다. 본 발명의 실시예에서는 풍력 발전기(10)가 2개의 블레이드(110)로 구성된 예를 도시하고 있지만, 풍력 발전기(10)를 구성하는 블레이드의 수는 이에 한정되지 않는다.
나셀(200)은 허브(120)와 연결되며, 블레이드(110)의 회전 에너지를 전달받아 동력을 발생시켜 전기 에너지를 생산한다. 나셀(200)은 유압 시스템(220, 도 2 참조) 및 전기 모터 시스템(230, 도 2 참조)을 포함하며, 이들에 의해 요잉 운전을 제어한다.
타워(300)는 나셀(200)의 하부에 연결될 수 있으며, 복수의 블레이드(110), 허브(120), 및 나셀(200)을 지지한다.
도 2는 도 1에 도시된 나셀의 일 실시예에 따른 블록도이다. 도 2를 참조하면, 나셀(200)은 컨트롤러(210), 유압 시스템(220) 및 전기 모터 시스템(230)을 포함한다. 또한, 유압 시스템(220)은 유압 장치(240), 유압 브레이크(250)를 포함하며, 전기 모터 시스템(230)은 인버터(260) 및 전기 모터(270)를 포함한다.
컨트롤러(210)는 나셀(200)의 전반적인 동작을 제어하며, 나셀(200)의 회전 운동을 위해 유압 장치(240)로 압력 정보를 출력하고 인버터(260)로 속도 신호를 출력할 수 있다. 또한, 컨트롤러(210)는 전기 모터(270)에 포함된 전기 브레이크(271)의 동작을 제어할 수 있다.
유압 장치(240)는 컨트롤러(210)로부터 출력된 압력 정보에 기초하여 유압 브레이크(250)로 압력을 발생할 수 있다. 유압 브레이크(250)는 유압 장치(240)로부터 발생된 압력에 기초하여 구동되며, 풍력 발전기(10)의 운전을 제어할 수 있다.
인버터(260)는 컨트롤러(210)로부터 출력된 속도 신호에 기초하여 자기장을 형성하고, 형성된 자기장에 기초하여 전기 모터(270)의 운전 속도를 제어하기 위한 토크(torque) 및 전력을 제공할 수 있다.
전기 모터(270)는 인버터(260)로부터 발생된 토크 및 전력에 기초하여 구동되며, 나셀(200)의 방향을 조절하기 위한 구동력을 발생시킬 수 있다. 전기 모터(270)는 전기 브레이크(271)에 의해 그 동작이 제어될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 요잉 운전 시작 시의 운전 제어 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 2 내지 도 3을 참조하면, 컨트롤러(210)는 전기 브레이크(271)를 해제하고(S110), 인버터(260)는 컨트롤러(210)로부터 인가되는 속도 신호에 기초하여 전기 모터(270)의 속도를 0 deg/s로 설정한다(S130).
이때, 컨트롤러(210)로부터 인가되는 속도 신호에 대응하는 토크 및 전력을 전기 모터(270)로 공급하기 위해, 인버터(260)는 내부에서 자기장을 형성함으로써 전기 모터(270)의 속도를 0 deg/s로 유지시킬 수 있다.
유압 장치(240)는 컨트롤러(210)로부터 인가되는 압력 정보에 기초하여 유압 브레이크(250)를 해제한다(S150).
이때, 컨트롤러(210)는 유압 브레이크(250)가 해제되고 소정의 지연 시간 이후에 전기 모터(270)가 동작되도록 인버터(260)를 제어함으로써 전기 모터(270)에서 발생할 수 있는 부하를 줄일 수 있게 된다.
즉, 인버터(260)는 소정의 지연 시간 이후 컨트롤러(210)로부터 인가되는 속도 신호에 기초하여 전기 모터(270)의 속도를 특정 속도로 설정한다(S170). 이를 위해 인버터(260)는, 컨트롤러(210)로부터 특정 속도에 상응하는 속도 신호가 입력될 때, S130 단계에서 미리 형성된 자기장을 이용하여 특정 속도에 대응하는 토크 및 전력을 전기 모터(270)로 공급함으로써 전기 모터(270)의 동작 속도를 제어할 수 있게 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 요잉 운전 정지 시의 운전 제어 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 2 및 도 4를 참조하면, 인버터(260)는 컨트롤러(210)로부터 인가되는 속도 신호에 기초하여 전기 모터(270)의 속도를 0 deg/s로 설정한다(S210).
컨트롤러(210)는 전기 브레이크(271)를 구동한다(S230). 이때, 컨트롤러(210)는 전기 모터(270)의 속도가 감소되고 소정의 지연 시간 이후에 전기 브레이크(271)를 구동시킴으로써, 전기 모터(270)에서 발생할 수 있는 부하를 줄일 수 있게 된다.
다음으로, 유압 장치(240)는 컨트롤러(210)로부터 인가되는 압력 정보에 기초하여 유압 브레이크(250)를 구동한다(S250). 즉, 전기 브레이크(271)가 구동되어 전기 모터(270)의 동작이 중단된 이후, 유압 브레이크(250)의 동작에 의해 나셀(200)의 운전이 완전히 정지하게 된다.
본 실시예에서는, S230 단계 이후에 S250 단계가 수행되는 예를 도시하였으나 본 발명이 이에 한정되지 않으며, S230 단계와 S250 단계가 동시에 수행되거나 S250 단계가 먼저 수행된 이후 S230 단계가 수행될 수도 있음은 물론이다.
따라서, 본 실시예에 따른 풍력 발전기(10)에 의하면, 요잉 운전 시작 및 정지 시 유압 브레이크(250)와 전기 모터(270)의 구동을 독립적으로 제어할 수 있기 때문에, 요잉 운전 시 발생하는 소음을 억제할 수 있게 된다.
이와 같이 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
10: 풍력 발전기 110: 복수의 블레이드
120: 허브 200: 나셀
210: 컨트롤러 220: 유압 시스템
230: 전기 모터 시스템 240: 유압 장치
250: 유압 브레이크 260: 인버터
270: 전기 모터 300: 타워

Claims (8)

  1. 나셀(nacelle)을 구비하는 풍력 발전기의 운전 제어 방법에 있어서,
    컨트롤러가 전기 브레이크를 해제하는 단계;
    상기 컨트롤러로부터 인가되는 속도 신호에 기초하여 인버터가 전기 모터의 속도를 0 deg/s로 설정하는 단계;
    상기 컨트롤러로부터 인가되는 압력 정보에 기초하여 유압 장치가 유압 브레이크를 해제하는 단계; 및
    상기 컨트롤러로부터 인가되는 속도 신호에 기초하여 상기 인버터가 상기 전기 모터의 속도를 특정 속도로 설정하는 단계를 포함하는 풍력 발전기의 운전 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전기 모터의 속도를 0 deg/s로 설정하는 단계는,
    상기 인버터가 상기 컨트롤러로부터 인가되는 속도 신호에 대응하는 토크 및 전력을 상기 전기 모터로 공급하기 위한 자기장을 형성하여 상기 전기 모터의 속도를 0 deg/s로 설정하는 풍력 발전기의 운전 제어 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 전기 모터의 속도를 특정 속도로 설정하는 단계는,
    상기 컨트롤러로부터 상기 특정 속도에 상응하는 속도 신호가 입력되는 경우, 상기 인버터는 미리 형성된 자기장을 이용하여 상기 특정 속도에 대응하는 토크 및 전력을 상기 전기 모터로 공급하는 풍력 발전기의 운전 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 유압 브레이크를 해제하는 단계 이후에,
    상기 컨트롤러는 소정의 지연 시간 이후 상기 전기 모터의 속도가 특정 속도로 설정되도록 하는 풍력 발전기의 운전 제어 방법.
  5. 나셀을 구비하는 풍력 발전기의 운전 제어 방법에 있어서,
    컨트롤러로부터 인가되는 속도 신호에 기초하여 인버터가 전기 모터의 속도를 0 deg/s로 설정하는 단계;
    상기 컨트롤러가 전기 브레이크를 구동하는 단계; 및
    상기 컨트롤러로부터 인가되는 압력 정보에 기초하여 유압 장치가 유압 브레이크를 구동하는 단계를 포함하는 풍력 발전기의 운전 제어 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 전기 브레이크를 구동하는 단계는,
    소정의 시간 동안 상기 전기 모터의 속도가 감소된 이후, 상기 컨트롤러가 상기 전기 브레이크를 구동하는 풍력 발전기의 운전 제어 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 유압 브레이크를 구동하는 단계는,
    상기 전기 브레이크가 구동되어 상기 전기 모터의 동작이 중단된 이후, 상기 컨트롤러로부터 인가되는 압력 정보에 기초하여 상기 유압 장치가 상기 유압 브레이크를 구동하는 풍력 발전기의 운전 제어 방법.
  8. 바람에 의해 회전되는 복수의 블레이드(blade);
    허브를 통해 상기 복수의 블레이드와 연결되며, 요잉 운전을 제어하기 위한 컨트롤러, 유압 시스템 및 전기 모터 시스템을 구비하는 나셀; 및
    상기 복수의 블레이드, 상기 허브 및 상기 나셀을 지지하는 타워를 포함하며,
    상기 요잉 운전을 시작하는 경우, 상기 컨트롤러는 전기 브레이크를 해제하고, 전기 모터의 속도가 0 deg/s로 설정되도록 인버터를 제어하고, 유압 브레이크가 해제되도록 유압 장치를 제어하고, 상기 전기 모터의 속도가 특정 속도로 설정되도록 상기 인버터를 제어하며,
    상기 요잉 운전을 정지하는 경우, 상기 컨트롤러는 상기 전기 모터의 속도가 0 deg/s로 설정되도록 상기 인버터를 제어하고, 상기 전기 모터의 속도가 감소된 이후 상기 전기 브레이크를 구동하고, 상기 유압 브레이크가 구동되도록 상기 유압 장치를 제어하는 풍력 발전기.
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