KR20150047846A - 풍력발전기의 케이블 꼬임 제어방법 - Google Patents

풍력발전기의 케이블 꼬임 제어방법 Download PDF

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Abstract

발전이 정지되는 발전가능 최저풍속(cut in wind speed) 이하에서 꼬인 케이블을 풀어줌으로써 발전중 꼬인 케이블을 풀기 위해 발전을 정지하는 시간을 최소화하도록 한 풍력발전기의 케이블 꼬임 제어방법에 관한 것으로서, 풍속 센서를 통해 풍속을 측정하고, 평균 풍속을 계산하며 엔코더를 통해 케이블 꼬임 량을 검출하는 단계; 터빈이 발전 정지 또는 에러가 발생상태인지를 확인하는 단계; 상기 터빈이 발전 정지 또는 에러 상태가 아닐 경우, 제어기에서 평균 풍속 또는 측정한 풍속과 발전가능 최저풍속을 비교하는 단계; 측정 풍속 또는 평균풍속이 상기 발전가능 최저풍속보다 작을 경우, 검출한 케이블 꼬임 량과 케이블 꼬임 해제를 위해 미리 설정된 제1설정치를 비교하는 단계; 케이블 꼬임 량이 상기 제1설정치 이상일 경우 요 모터를 구동시켜 꼬인 케이블을 풀어주는 단계를 수행함으로써, 발전 동작을 수행하지 않는 구간에서 꼬인 케이블을 풀어줌으로써 발전 손실이 전혀 발생하지 않으며, 발전 동작이 이루어지지 않는 구간에서 미리 꼬인 케이블을 풀어줌으로써, 추후 발전 동작시 케이블이 완전히 꼬이는 경우를 줄이게 된다.

Description

풍력발전기의 케이블 꼬임 제어방법{Method for cable twist controlling in wind power generator}
본 발명은 풍력발전기의 케이블 꼬임(cable twist) 제어에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발전이 정지되는 발전가능 최저풍속(cut in wind speed) 이하에서 꼬인 케이블을 풀어줌으로써 발전중 꼬인 케이블을 풀기 위해 발전을 정지하는 시간을 최소화하는 풍력발전기의 케이블 꼬임 제어방법에 관한 것이다.
풍력(바람의 힘)을 이용하여 전기에너지를 발생시키는 풍력발전기는 산업의 발달과 인구 증가에 의한 석유, 석탄, 천연가스 등의 천연자원의 고갈에 따라 대체 에너지원으로 많은 연구가 진행되고 있다.
풍력발전이란 공기 유동이 갖는 운동에너지를 기계적 에너지로 변환시킨 후 다시 전기에너지를 생산하는 기술로서, 자연에 존재하는 바람을 에너지원으로 이용하므로 비용이 들지 않으면서도 친환경적인 바, 점차 사용 범위가 증가하고 있다.
일반적인 풍력 발전기에 대한 구성이 도 1에 도시되어 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 일반적인 풍력 발전기(1)는 나셀(nacelle)(2), 타워(tower)(3) 및 로터(rotor)(4)로 구성된다.
타워(3)는 지면에 세워지는 고층의 구조물로서, 타워(3) 상단에 증속기, 발전기 등을 포함하는 발전장치 및 제어장치를 포함하는 나셀(2)이 설치되고, 나셀(2)에는 복수의 블레이드(5) 및 이 블레이드가 결합되는 허브(6)로 구성되는 로터(4)가 장착된다. 아울러 타워(3)의 내부와 나셀(2)의 사이에는 상기 나셀(2)을 회전시키는 요 시스템(yaw system)(7)이 구비된다.
풍력 발전기(1)는 항상 최대의 전기 에너지를 생산할 수 있도록 바람의 방향이 바뀔 때마다 블레이드(5)가 바람을 정면으로 맞이하도록 할 필요가 있으며, 이를 위해 로터(4)를 바람이 불어오는 방향에 위치하도록 나셀(2)을 회전시키는 데, 이때 사용되는 것이 요 시스템(7)이다.
이러한 요 시스템(7)에는 요 베어링(Yaw bearing), 요 모터(Yaw Motor), 엔코더(Encoder), 제어기(Controller)가 구비된다. 요 모터는 나셀(2)을 회전시키기 위한 구동 모터이고, 엔코더는 케이블의 꼬임 량을 판단하기 위한 센서이며, 제어기는 엔코더에 의해 케이블 꼬임 량을 검출하고, 검출한 케이블 꼬임 량이 한계치에 도달하면 발전을 중지하고, 나셀(2)을 회전시켜 꼬인 케이블을 풀기 위해 제어를 한다.
풍력 발전기의 상부에서 타워 하부까지는 전력 케이블과 각종 신호 케이블이 연결되어 있어, 나셀은 무한히 회전할 수 없으며, 케이블 꼬임 0을 기준으로 한쪽 방향에 약 2바퀴 정도 회전이 가능하도록 여유를 두고 각종 케이블을 설치한다.
발전중이나 대기상태에서 요잉(Yawing)(나셀을 회전시키는 동작) 실시 중 임계치에 도달하면 발전을 정지하고, 케이블 꼬임을 최소화한 상태에서 바람을 마주보도록 요 모터를 제어하게 된다. 이때 발전 가능한 풍속에서 케이블 꼬임을 풀기 위해 수십분간 발전을 정지한다. 즉, 요의 속도가 MW급 터빈에서 통상 1deg/s이하임을 감안하면, 꼬여진 두 바퀴(한계치)의 케이블을 풀기 위해서는 속도에 따라 수 십분 동안 발전을 정지한다.
한편, 풍력발전기에서 케이블 꼬임을 방지하기 위한 종래의 기술이 하기의 <특허문헌 1> 대한민국 공개특허 공개번호 10-2013-0091014호(2013.08.16. 공개)에 개시되었다.
<특허문헌 1>은 나셀에 연결되며, 바람에 의해 회전되는 블레이드, 나셀과 블레이드의 축 방향 하중을 지지하며, 내부에 케이블이 배치되는 타워, 미리 결정된 구간 내에서 케이블을 업/다운 이동 가능하게 지지하며, 블레이드의 요잉 운전에 따른 케이블의 트위스트 현상에 의해 케이블의 길이가 초기 상태보다 단축되는 것을 보상하는 케이블의 단축 길이 보상 유닛을 구비한다. 이러한 구성에 의해 케이블 손상 문제, 전력 송전 손실 문제, 케이블 비용 증가 문제를 해결하게 된다.
대한민국 공개특허 공개번호 10-2013-0091014호(2013.08.16. 공개)
그러나 상기와 같은 일반적인 풍력발전기 및 종래기술은 케이블 꼬임 량이 한계치에 도달하면 발전을 정지하고, 케이블 꼬임을 최소화한 상태에서 바람을 마주보도록 요 모터를 제어하여 케이블 꼬임을 풀게 된다. 이때 발전 가능한 풍속에서도 케이블 꼬임을 풀기 위해 수십분간 발전을 정지하기 때문에, 발전 손실이 발생하는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 일반적인 풍력발전기 및 종래기술에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로, 발전이 정지되는 발전가능 최저풍속(cut in wind speed) 이하에서 꼬인 케이블을 풀어줌으로써 발전중 꼬인 케이블을 풀기 위해 발전을 정지하는 시간을 최소화하도록 한 풍력발전기의 케이블 꼬임 제어방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 풍력발전기의 케이블 꼬임 제어방법은 (a) 풍속을 측정하고, 평균풍속을 계산하며 케이블 꼬임 량을 검출하는 단계; (b) 터빈이 발전 정지 또는 에러가 발생상태인지를 확인하는 단계; (c) 상기 터빈이 발전 정지 또는 에러 상태가 아닐 경우, 상기 측정 풍속 또는 계산한 평균 풍속과 발전 불가능한 발전가능 최저풍속을 비교하는 단계; (d) 상기 측정 풍속 또는 계산한 평균 풍속이 상기 발전가능 최저풍속보다 작을 경우, 검출한 케이블 꼬임 량과 케이블 꼬임 해제를 위해 미리 설정된 제1설정치를 비교하는 단계; (e) 상기 케이블 꼬임 량이 상기 제1설정치 이상일 경우 요 모터를 구동시켜 꼬인 케이블을 풀어주는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 제1설정치는 풍향과 케이블의 꼬임 정도 및 오프셋 값을 기초로 설정하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 제1설정치는 발전을 정지하고 케이블 꼬임을 풀기 위해 설정된 제2설정치보다 작게 설정하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 (d)단계는 케이블 꼬임이 1바퀴 이하이고 현재 풍향과 일치하는 지점까지 꼬인 케이블을 풀어주는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 풍력발전기의 케이블 꼬임 제어방법은 (f) 상기 (b)단계의 비교결과, 측정 풍속 또는 계산한 평균 풍속이 상기 발전 가능 최저풍속보다 클 경우, 발전을 시작하고, 검출한 케이블 꼬임 량과 발전을 정지하고 케이블 꼬임을 풀기 위해 설정된 제2설정치와 비교하는 단계; (g) 상기 검출한 케이블 꼬임 량이 상기 제2설정치보다 작을 경우 현재 상태를 유지하고, 상기 케이블 꼬임 량이 상기 제2설정치보다 클 경우 발전을 정지하고, 요 모터를 구동시켜 꼬인 케이블을 풀어주는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 (f)단계는 케이블 꼬임이 1바퀴 이하이고 현재 풍향과 일치하는 지점까지 꼬인 케이블을 풀어주는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 발전이 정지되는 발전가능 최저풍속(cut in wind speed)에서 꼬인 케이블을 풀어줌으로써 발전중 꼬인 케이블을 풀기 위해 발전을 정지하는 것을 방지할 수 있으므로, 꼬인 케이블을 풀기 위해 발생하는 발전 손실을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면 꼬인 케이블을 풀기 위해 발전중 발전을 정지하는 것을 최소화할 수 있어, 지속적인 발전이 가능하고, 이로 인해 발전 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 일반적인 풍력발전기의 개략 구성도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 풍력발전기의 케이블 꼬임 제어방법을 보인 흐름도.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 풍력발전기의 케이블 꼬임 제어방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명이 적용되는 풍력발전기의 구성은 도 1에 도시한 일반적인 풍력 발전기의 구성과 동일하며, 요 시스템 또한 [발명의 배경이 되는 기술] 항목에서 언급한 일반적인 요 시스템(7)과 동일하게, 요 베어링(Yaw bearing), 요 모터(Yaw Motor), 엔코더(Encoder), 제어기(Controller)를 포함한다. 다만, 본 발명에서는 상기와 같이 구성되는 요 시스템에 부가적으로 일반적인 풍력 발전기에 구비된 풍속 센서를 더 포함할 수 있다.
요 모터는 나셀을 회전시키기 위한 구동 모터이고, 엔코더는 케이블의 꼬임 량을 판단하기 위한 센서이며, 제어기는 엔코더에 의해 케이블 꼬임 량을 검출하고, 검출한 케이블 꼬임 량이 한계치에 도달하면 발전을 중지하고, 나셀을 회전시켜 꼬인 케이블을 풀기 위해 제어를 수행하는 역할을 한다. 풍속 센서는 풍속을 측정하여 상기 제어기에 전달하는 역할을 한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 풍력발전기의 케이블 꼬임 제어방법을 보인 흐름도로서, S는 단계(step)를 나타내며, 상기 제어기에서 소프트웨어적으로 꼬인 케이블의 풀림을 제어하는 방법을 나타낸 것이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 풍력발전기의 케이블 꼬임 제어 방법은, (a) 풍속 센서를 통해 풍속을 측정하여 평균 풍속을 계산하며 엔코더를 통해 케이블 꼬임 량을 검출하는 단계(S101); (b) 터빈이 발전 정지 또는 에러가 발생상태인지를 확인하는 단계(S11); (c) 상기 터빈이 발전 정지 또는 에러 상태가 아닐 경우, 상기 측정 풍속 또는 계산한 평균 풍속과 발전가능 최저풍속을 비교하는 단계(S102); (d) 상기 측정 풍속 또는 계산한 평균풍속이 상기 발전가능 최저풍속보다 작을 경우, 검출한 케이블 꼬임 량과 케이블 꼬임 해제를 위해 미리 설정된 제1설정치를 비교하는 단계(S107 ~ S108); (e) 상기 케이블 꼬임 량이 상기 제1설정치 이상일 경우 요 모터를 구동시켜 꼬인 케이블을 풀어주는 단계(S109); (f) 상기 (b)단계의 비교결과, 측정 풍속 또는 평균 풍속이 상기 발전가능 최저풍속보다 클 경우, 발전을 시작하고, 검출한 케이블 꼬임 량과 발전을 정지하고 케이블 꼬임을 풀기 위해 설정된 제2설정치와 비교하는 단계(S103 ~ S104); (g) 상기 검출한 케이블 꼬임 량이 상기 제2설정치보다 작을 경우 현재 상태를 유지하고, 상기 케이블 꼬임 량이 상기 제2설정치 보다 클 경우 발전을 정지하고, 요 모터를 구동시켜 꼬인 케이블을 풀어주는 단계(S105, S106)를 포함한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 풍력발전기의 케이블 꼬임 제어 방법은, 단계 S101에서 풍속 센서를 통해 풍속을 측정하여 평균 풍속을 계산하고, 엔코더를 통해 케이블 꼬임 량을 검출한다. 여기서 엔코더를 이용하여 케이블 꼬임 량을 검출하는 방법은, 초기 케이블 꼬임이 0인 상태에서 엔코더 신호를 0으로 리셋한 후, 요 모터의 동작에 따라 베어링에 설치된 엔코더의 아날로그 신호를 사용하는 방식을 이용할 수 있다. 그리고 제어기에서 검출한 엔코더의 아날로그 신호와 회전 방향을 고려하여 케이블 꼬임 량을 측정하게 된다. 이는 요 모터가 한쪽 방향으로만 회전하는 것이 아니고, 정방향 또는 역방향으로 모두 회전이 가능하므로, 엔코더의 신호와 회전 방향을 고려해야만 정확한 케이블 꼬임 량을 알 수 있게 된다.
다음으로, 단계 S110에서 터빈이 정지 상태인지 또는 에러상태인지를 확인한다. 이 확인 결과 터빈이 정지상태 또는 에러 상태이면 처음 단계로 리턴하고, 이와는 달리 터빈이 동작 상태이고, 에러가 발생하지 않은 상태이면, 단계 S102에서 측정 풍속 또는 계산한 평균 풍속과 발전가능 최저풍속(Cut in wind speed)을 비교한다. 상기 비교 결과, 측정 풍속 또는 평균풍속이 상기 발전가능 최저풍속보다 클 경우에는 단계 S103으로 이동하여 발전을 시작하고, 단계 S104에서 검출한 케이블 꼬임 량과 발전을 정지하고 케이블 꼬임을 풀기 위해 설정된 제2설정치를 비교한다. 여기서 제2설정치는 통상 케이블 꼬임이 0인 상태에서 2바퀴 정도 꼬인 상태의 꼬임 량으로서, 이를 초과하는 경우에는 케이블 손상이나 장비 파손이 발생할 우려가 있다.
상기 검출한 케이블 꼬임 량이 상기 제2설정치보다 작을 경우에는 단계 S105에서 현재 상태 즉, 발전을 정상적으로 수행하는 정상 운영 상태를 유지하고, 이와는 달리 상기 케이블 꼬임 량이 상기 제2설정치보다 클 경우에는 단계 S106으로 이동하여 발전을 정지하고, 요 모터를 구동시켜 꼬인 케이블을 풀어주게 된다. 이때, 케이블 꼬임을 풀어주는 방법은 케이블 꼬임이 0이 될 때까지 케이블 꼬임을 푸는 것은 아니고, 케이블 꼬임이 1바퀴 이하이고 현재 풍향과 일치하는 지점까지 꼬인 케이블을 풀어준다. 여기서 꼬인 케이블을 케이블 꼬임이 0이 될 때까지 풀지 않고 꼬임이 1바퀴 이하이고, 현재 풍향과 일치하는 지점까지 푸는 이유는 꼬임이 0인 지점까지 푸는 경우 발전시작을 위해 다시 풍향과 마주보는 지점까지 요잉을 실시해야하기 때문이다.
한편, 단계 S102의 확인 결과 측정 풍속 또는 평균풍속이 상기 발전가능 최저풍속보다 작을 경우, 단계 S107에서와 같이 바람을 대기하면서, 단계 S108로 이동하여 검출한 케이블 꼬임 량과 케이블 꼬임 해제를 위해 미리 설정된 제1설정치를 비교한다. 여기서 제1설정치는 절대 각도로 설정하기보다는 풍향과 케이블의 꼬임 정도 및 오프셋 값을 기초로 설정하는 것이 바람직하다. 여기서 제1설정치를 특정 각도(예를 들어, 1바퀴)로 설정하지 않은 이유는, 특정 각도로 정하게 되면 그 특정한 각도와 풍향이 비슷한 경우 상시 변화하는 풍향으로 인해 풍향을 추종하는 요잉(Yawing)과 꼬인 케이블을 풀고자 하는 동작이 계속해서 발생할 수 있기 때문에, 이를 방지하기 위해서 특정 각도로 설정하지 않고 풍향과 케이블의 꼬임 정도 및 오프셋 값을 기초로 해당 풍력발전기별로 알맞게 설정하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게, 상기 제1설정치는 발전을 정지하고 케이블 꼬임을 풀기 위해 설정된 제2설정치보다 작게 설정하게 된다.
상기 단계 S108의 비교결과, 케이블 꼬임 량이 상기 제1설정치보다 작을 경우에는 단계 S101로 리턴하여 그 이하의 동작을 반복 수행하고, 이와는 달리 상기 케이블 꼬임 량이 상기 제1설정치보다 클 경우에는 단계 S109로 이동하여 꼬인 케이블을 풀게 된다. 이때, 케이블 꼬임을 풀어주는 방법은 케이블 꼬임이 0이 될 때까지 케이블 꼬임을 푸는 것은 아니고, 케이블 꼬임이 1바퀴 이하이고 현재 풍향과 일치하는 지점까지 꼬인 케이블을 풀어준다. 여기서도 케이블 꼬임이 0이 될 때까지 풀지 않고 꼬임이 1바퀴 이하이고, 현재 풍향과 일치하는 지점까지 푸는 이유는 꼬임이 0인 지점까지 푸는 경우 발전시작을 위해 다시 풍향과 마주보는 지점까지 요잉을 실시해야하기 때문이다.
이와 같이 본 발명은 발전 동작을 수행하지 않는 발전가능 최저풍속 이하에서, 케이블 꼬임 량이 어느 정도(완전히 꼬이기 전)이면, 꼬인 케이블을 적절하게 풀어주게 된다. 이 경우에는 발전 동작을 수행하지 않는 상태이므로, 꼬인 케이블을 풀어주는 동작을 하여도 실제 발전 손실이 전혀 발생하지 않는다. 그리고 이렇게 발전 동작이 이루어지지 않는 구간에서 미리 꼬인 케이블을 풀어줌으로써, 추후 발전 동작시 케이블이 완전히 꼬이는 경우를 줄일 수 있다. 이로 인해 기존과 같이 발전 도중에 꼬인 케이블을 풀기 위해 발전을 정지함으로써 발생하는 발전 손실이 전혀 발생하지 않으며, 지속적인 발전이 가능하여 발전 효율을 향상시킬 수 있게 되는 것이다.
본 발명에서는 발전 가능 및 발전 불가능을 판단하기 위해 측정된 풍속 또는 평군 풍속을 이용하였으나, 이 방법 이외에 일정 피치각에서의 로터 속도나 발전기 속도를 이용하는 것도 가능하다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
본 발명은 풍력 에너지를 전기 에너지로 변환하여 전기 에너지를 생산하는 풍력발전기에 적용된다.
1: 풍력발전기
2: 나셀
3: 타워
4: 로터
7: 요 시스템

Claims (6)

  1. (a) 풍속 센서를 통해 풍속을 측정하고, 평균 풍속을 계산하며 엔코더를 통해 케이블 꼬임 량을 검출하는 단계;
    (b) 터빈이 발전 정지 또는 에러가 발생상태인지를 확인하는 단계;
    (c) 상기 터빈이 발전 정지 또는 에러 상태가 아닐 경우, 제어기에서 평균 풍속 또는 측정한 풍속과 발전가능 최저풍속을 비교하는 단계;
    (d) 상기 측정 풍속 또는 평균풍속이 상기 발전가능 최저풍속보다 작을 경우, 검출한 케이블 꼬임 량과 케이블 꼬임 해제를 위해 미리 설정된 제1설정치를 비교하는 단계;
    (e) 상기 케이블 꼬임 량이 상기 제1설정치 이상일 경우 요 모터를 구동시켜 꼬인 케이블을 풀어주는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 케이블 꼬임 제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1설정치는 풍향과 케이블의 꼬임 정도 및 오프셋 값을 기초로 설정하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 케이블 꼬임 제어방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 제1설정치는 발전을 정지하고 케이블 꼬임을 풀기 위해 설정된 제2설정치보다 작게 설정하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 케이블 꼬임 제어방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 (e)단계는 케이블 꼬임이 1바퀴 이하이고 현재 풍향과 일치하는 지점까지 꼬인 케이블을 풀어주는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 케이블 꼬임 제어방법.
  5. 청구항 1에 있어서, (f) 상기 (b)단계의 비교결과, 측정 풍속 또는 평균 풍속이 상기 발전가능 최저풍속보다 클 경우, 발전을 시작하고, 검출한 케이블 꼬임 량과 발전을 정지하고 케이블 꼬임을 풀기 위해 설정된 제2설정치와 비교하는 단계; (g) 상기 검출한 케이블 꼬임 량이 상기 제2설정치보다 작을 경우 현재 상태를 유지하고, 상기 케이블 꼬임 량이 상기 제2설정치보다 클 경우 발전을 정지하고, 요 모터를 구동시켜 꼬인 케이블을 풀어주는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 케이블 꼬임 제어방법.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 (g)단계는 케이블 꼬임이 1바퀴 이하이고 현재 풍향과 일치하는 지점까지 꼬인 케이블을 풀어주는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 케이블 꼬임 제어방법.
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