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KR101179884B1 - 풍력터빈의 발전량 향상 시스템 및 그 방법 - Google Patents

풍력터빈의 발전량 향상 시스템 및 그 방법 Download PDF

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KR101179884B1
KR101179884B1 KR1020100092800A KR20100092800A KR101179884B1 KR 101179884 B1 KR101179884 B1 KR 101179884B1 KR 1020100092800 A KR1020100092800 A KR 1020100092800A KR 20100092800 A KR20100092800 A KR 20100092800A KR 101179884 B1 KR101179884 B1 KR 101179884B1
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이준신
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한국전력공사
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Abstract

풍력터빈의 발전량 향상 시스템 및 그 방법이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 풍력터빈의 발전량 향상 시스템은 풍력발전단지 주변 위치의 정보를 수집 및 저장하는 풍력발전단지DB(Data Base); 상기 풍력발전단지DB에 저장된 상기 정보를 바탕으로 각각의 풍력터빈 위치에서의 풍속 및 풍향을 예측하여 발전기 회전속도 신호 및 주풍향 신호를 송출하는 예측부; 상기 예측부에서 송출된 상기 발전기 회전속도 신호 및 상기 주풍향 신호에 의하여 블레이드의 피치(pitch) 및 요(yaw)를 제어하는 블레이드 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

풍력터빈의 발전량 향상 시스템 및 그 방법{POWER PERFORMANCE ENHANCEMENT OF WIND TURBINE AND METHOD OF THE SAME}
본 발명은 풍력터빈의 발전량 향상 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 풍력터빈 및 풍력발전단지 예측제어를 통한 풍력터빈의 발전량 향상 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 종래 MW급 풍력터빈의 발전량 향상 시스템에서는 발전량이 정격(rated power)에 도달하여 발전기에 과부하가 걸리게 되면 블레이드 피치(pitch)를 조정하여 블레이드의 경사각을 감소시킴으로써 로터의 회전속도를 조절하는 방식을 사용하였다.
즉, 종래 풍력터빈의 발전량 향상 시스템에서는 발전기의 회전속도를 기준으로 블레이드 제어를 수행하였는데, 발전기는 상대적으로 큰 관성모멘트를 갖는 블레이드와 연결되어 있어 블레이드 관성모멘트에 따른 시간지연으로 블레이드 제어에 한계가 존재한다는 문제점이 있었다.
보다 구체적으로, 풍속에 적합한 블레이드 각도를 조절하는데 시간지연이 발생하므로, 블레이드가 최적 각도로 맞춰지기 전까지 이미 풍력터빈이 과도한 하중을 받게되어 블레이드의 수명이 단축되는 문제점이 있었으며, 갑자기 돌풍이 발생하는 경우에는 풍력터빈의 파손을 방지하기 위하여 풍력터빈을 정지시켜야 하므로 전력생산량이 감소하는 문제점이 있었다.
따라서, 풍력터빈의 발전량 향상 시스템에 있어 풍속에 적합한 블레이드 각도(피치 및 요) 제어를 향상시키기 위한 방안이 모색된다.
본 발명의 실시예들은 풍력발전단지 주변 위치의 정보를 데이터 베이스로 구축하고, 이를 기반으로 풍력발전단지 및 각 풍력터빈 설치 위치에서의 풍속 및 풍향을 예측하여 블레이드의 피치 및 요를 제어함으로써 풍력터빈의 발전량을 향상시키는 풍력터빈의 발전량 향상 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 풍력터빈의 발전량 향상 시스템에 있어서, 풍력발전단지 주변 위치의 정보를 수집 및 저장하는 풍력발전단지DB(Data Base); 상기 풍력발전단지DB에 저장된 상기 정보를 바탕으로 각각의 풍력터빈 위치에서의 풍속 및 풍향을 예측하여 발전기 회전속도 신호 및 주풍향 신호를 송출하는 예측부; 상기 예측부에서 송출된 상기 발전기 회전속도 신호 및 상기 주풍향 신호에 의하여 블레이드의 피치(pitch) 및 요(yaw)를 제어하는 블레이드 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력터빈의 발전량 향상 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 상기 블레이드 제어부는, 상기 예측부에서 송출된 상기 발전기 회전속도 신호에 의하여 블레이드 피치를 제어하는 피치 제어부; 및 상기 예측부에서 송출된 상기 주풍향 신호에 의하여 블레이드 요를 제어하는 요 제어부를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 풍력발전단지DB는, 풍력발전단지 주변 위치의 지형, 풍속, 풍향, 공기 밀도, 기압 또는 온도 중 적어도 하나를 측정하는 측정부; 및 상기 측정부에서 측정된 상기 정보를 바탕으로 바람지도(Wind Map)를 생성 및 저장하는 지도생성부를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 예측부는 각각의 풍력터빈 위치에서의 풍속을 예측하는 풍속예측부; 상기 예측된 풍속을 발전기 회전속도로 환산하는 속도환산부; 및 상기 풍력터빈 위치에서의 풍향을 예측하는 풍향예측부를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 피치 제어부는 상기 속도환산부에서 환산된 상기 발전기 회전속도와 실제 발전기 회전속도 및 정격출력 하에서의 발전기 회전속도를 비교하여 블레이드의 피치를 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 요 제어부는 상기 예측부에서 송출된 상기 주풍향 신호와 실제 측정된 풍향을 비교하여 블레이드의 요를 제어시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 풍력터빈의 발전량 향상 방법에 있어서, 풍력발전단지 주변 위치의 정보를 수집 및 저장하는 단계; 상기 저장된 정보를 바탕으로 각각의 풍력터빈 위치에서의 풍속 및 풍향을 예측하는 단계; 상기 예측된 풍속 및 풍향을 바탕으로 발전기 회전속도 및 주풍향을 산출하는 단계; 상기 발전기 회전속도와 실제 발전기 회전속도 및 정격출력 하에서의 발전기 회전속도를 비교하여 블레이드 피치를 제어하는 단계; 및 상기 주풍향과 실제 측정된 풍향을 비교하여 블레이드 요를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력터빈의 발전량 향상 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 풍력발전단지 주변 위치의 정보는 풍력발전단지 주변 위치의 풍속, 풍향, 온도, 기압, 지형의 거칠기 또는 고도 중 적어도 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 예측된 풍속신호를 피치 제어부에 반영함으로써, 종단 속도이상의 풍속에서도 블레이드 피치의 우선제어를 통하여 풍력터빈의 발전량을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 예측된 풍향신호를 요 제어부에 반영함으로써, 블레이드를 주풍향 방향으로 신속하게 변경하여 풍력터빈의 발전량을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 풍력터빈의 발전량 향상 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 풍력터빈의 발전량 향상 방법의 순서도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 풍력터빈의 발전량 향상 시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 풍력터빈의 발전량 향상 시스템은 풍력발전단지DB(Data Base)(100), 예측부(200) 및 블레이드 제어부(300)을 포함한다.
풍력발전단지DB(100)는 풍력발전단지 주변 위치의 정보를 수집 및 저장하는 역할을 수행한다. 한편, 풍력발전단지DB(100)는 풍력발전단지 주변 위치의 정보를 측정하는 측정부(120) 및 측정부(120)에서 측정된 상기 정보를 바탕으로 바람지도(Wind Map)를 생성 및 저장하는 지도생성부(140)를 포함할 수 있다.
측정부(120)에서 측정하는 상기 풍력발전단지 주변 위치의 정보는 풍력발전단지 주변 위치의 풍속, 풍향, 온도, 기압 등의 데이터와 지형의 거칠기, 고도등의 발전단지에 관한 정보일 수 있다.
상기 풍력발전단지 주변 위치의 정보를 측정하는 방안은 예를 들면, 풍속감지센서, 풍향감지센서, 온도감지센서, 기압감지센서등을 이용할 수 있다. 풍력발전단지 지형의 거칠기 및 고도등은 개별적으로 측정하거나 알려진 정보를 이용하는 것이 가능하다.
지도생성부(140)에서 생성하는 상기 바람지도는 상기 풍력발전단지 주변 위치의 정보를 지도상에 표시하여 작업자가 한눈에 알아볼 수 있도록 만든 지도를 의미한다. 상기 바람지도의 생성형태는 상기 풍력발전단지 주변 위치 정보를 지도상에 표시한 형태이면 되고, 특별한 형태에 한정되지 않는다.
예측부(200)는 풍력발전단지DB(100)에 저장된 상기 풍력발전단지 주변 위치의 정보를 바탕으로 각각의 풍력터빈 위치에서의 풍속 및 풍향을 예측하는 역할을 수행한다.
예측부(200)는 각각의 풍력터빈 위치에서의 풍속을 예측하는 풍속예측부(220)와 풍속예측부(220)에서 예측된 풍속을 발전기 회전속도로 환산하는 속도환산부(222) 및 상기 풍력터빈 위치에서의 풍향을 예측하는 풍향예측부(240)를 포함할 수 있다.
상기 풍속 및 풍향을 예측하는 방법은 풍력발전단지DB(100)에 저장된 정보를 바탕으로 측정 장비가 설치된 위치, 각각의 풍력터빈이 설치된 위치 사이의 거리, 풍속에 영향을 주는 장애물 또는 지표면 거칠기등을 산출함으로써 수행될 수 있다. 한편, 상기 예측된 풍속 및 풍향은 다시 풍력발전단지DB(100)에 저장할 수 있다.
예측부(200)는 풍속예측부(220)에서 예측된 상기 풍속을 속도환산부(222)에서 발전기 회전속도로 환산하고, 상기 발전기 회전속도 정보에 관한 신호를 블레이드 제어부(300)에 송출한다. 또한, 풍향예측부(240)에서 예측된 상기 풍향을 바탕으로 주풍향을 지정하여, 상기 주풍향에 관한 신호를 블레이드 제어부(300)에 송출한다.
블레이드 제어부(300)는 예측부(200)에서 송출된 상기 발전기 회전속도 신호 및 상기 주풍향 신호에 의하여 블레이드의 피치(pitch) 및 요(yaw)를 제어하는 역할을 수행한다.
블레이드 제어부(300)는 예측부(200)에서 송출된 상기 발전기 회전속도 신호에 의하여 블레이드 피치를 제어하는 피치 제어부(320)와 예측부(200)에서 송출된 상기 주풍향 신호에 의하여 블레이드 요를 제어하는 요 제어부(340)를 포함할 수 있다.
피치 제어부(320)는 예측부(200)의 속도환산부(222)에서 환산된 상기 발전기 회전속도와 실제 발전기 회전속도 및 정격출력 하에서의 발전기 회전속도를 비교하여 블레이드 피치를 제어할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 환산된 발전기 회전속도가 실제 발전기 회전속도 및 정격출력 하에서의 발전기 회전속도보다 큰 경우에는, 풍속이 앞으로 커짐을 의미하므로 블레이드를 접어 터빈 하중을 경감시킴으로써 고풍속 하에서도 풍력터빈이 작동할 수 있도록 한다.
또한, 상기 환산된 발전기 회전속도가 실제 발전기 회전속도보다는 크지만, 정격출력 하에서의 발전기 회전속도보다는 작은 경우에는, 실제 발전기 회전속도를 기준으로 하여 발전기 회전속도가 최대 출력을 내도록 한다.
또한, 상기 환산된 발전기 회전속도가 실제 발전기 회전속도보다 작지만, 정격출력 하에서의 발전기 회전속도보다 클 경우에는, 풍력터빈이 큰 하중을 계속 받고 있음을 의미하므로 실제 발전기 회전속도를 기준으로 하여 블레이드 제어를 수행한다.
마지막으로, 상기 환산된 발전기 회전속도가 실제 발전기 회전속도 및 정격출력 하에서의 발전기 회전속도보다 작은 경우에는, 실제 발전기 회전속도를 기준으로 하여 발전기 회전속도가 최대 출력을 내도록 한다.
요 제어부(340)는 예측부(200)의 풍향예측부(240)에서 예측된 풍향을 주풍향으로 지정하고, 실제 측정된 풍향을 비교하여 블레이드의 요를 제어할 수 있다.
보다 구체적으로, 요 제어부(340)는 상기 예측된 풍향과 실제 측정된 풍향과의 차이를 산출하고, 상기 차이를 신호처리 기법을 이용하여 가공함으로써 얻어낸 풍향에 대응하여 블레이드의 요를 제어한다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 풍력터빈의 발전량 향상 방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 풍력터빈의 발전량 향상 방법의 순서도이다.
도 2를 참조하면, 풍력터빈의 발전량 향상 방법은 풍력발전단지 주변 위치의 정보를 수집 및 저장하는 단계(S100); 상기 저장된 정보를 바탕으로 각각의 풍력터빈 위치에서의 풍속 및 풍향을 예측하는 단계(S200); 상기 예측된 풍속 및 풍향을 바탕으로 발전기 회전속도 및 주풍향을 산출하는 단계(S300, S320); 상기 발전기 회전속도와 실제 발전기 회전속도 및 정격출력 하에서의 발전기 회전속도를 비교하여 블레이드 피치를 제어하는 단계(S400); 및 상기 주풍향과 실제 측정된 풍향을 비교하여 블레이드 요를 제어하는 단계(S420)를 포함한다.
상기 풍력발전단지 주변 위치의 정보는 풍력발전단지 주변 위치의 풍속, 풍향, 온도, 기압, 지형의 거칠기 또는 고도 중 적어도 하나일 수 있다.
상기 풍속 및 풍향을 예측하는 방법, 상기 발전기 회전속도 및 주풍향을 산출하는 방법, 상기 발전기 회전속도와 실제 발전기 회전속도 및 정격출력 하에서의 발전기 회전속도를 비교하는 방법, 상기 주풍향과 실제 측정된 풍향을 비교하는 방법에 대하여는 전술한 실시예에서 기재한 것과 동일 또는 유사하므로 여기에서는 상세한 설명을 생략하기로 한다.
한편, 블레이드 피치를 제어하는 단계(S400) 및 블레이드 요를 제어하는 단계(S420)는 순서가 한정되지 않으며, 동시에 수행되는 것도 가능하다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 예측된 풍속신호를 피치 제어부에 반영함으로써, 종단 속도이상의 풍속에서도 블레이드 피치의 우선제어를 통하여 풍력터빈의 발전량을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 예측된 풍향신호를 요 제어부에 반영함으로써, 블레이드를 주풍향 방향으로 신속하게 변경하여 풍력터빈의 발전량을 향상시키는 효과가 있다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
100 풍력발전단지DB 120 측정부
140 지도생성부 200 예측부
220 풍속예측부 222 속도환산부
240 풍향예측부 300 블레이드 제어부
320 피치 제어부 340 요 제어부

Claims (8)

  1. 풍력터빈의 발전량 향상 시스템에 있어서,
    풍력발전단지 주변 위치의 정보를 수집 및 저장하는 풍력발전단지DB(Data Base)(100);
    상기 풍력발전단지DB(100)에 저장된 상기 정보를 바탕으로 각각의 풍력터빈 위치에서의 풍속을 예측하고 예측된 풍속을 발전기 회전속도로 환산한 발전기 회전속도 신호와, 각각의 풍력터빈 위치에서의 풍향을 예측하고 예측된 풍향을 주풍향으로 지정한 주풍향 신호를 송출하는 예측부(200); 및
    상기 예측부(200)에서 송출된 상기 발전기 회전속도 신호와 실제 발전기 회전속도, 그리고 정격출력 하에서의 발전기 회전속도를 상호 비교하여 블레이드 피치(pitch)를 제어하거나 발전기 회전 속도의 출력을 제어하고, 상기 주풍향 신호를 실제 측정된 풍향과 비교하여 블레이드의 요(yaw)를 제어하는 블레이드 제어부(300)를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력터빈의 발전량 향상 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 블레이드 제어부(300)는,
    상기 예측부(200)에서 송출된 상기 발전기 회전속도 신호에 의하여 블레이드 피치(pitch)를 제어하는 피치 제어부(320); 및
    상기 예측부(200)에서 송출된 상기 주풍향 신호에 의하여 블레이드 요(yaw)를 제어하는 요 제어부(340)를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력터빈의 발전량 향상 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 풍력발전단지DB(100)는,
    풍력발전단지 주변 위치의 지형, 풍속, 풍향, 공기 밀도, 기압 또는 온도 중 적어도 하나를 측정하는 측정부(120); 및
    상기 측정부(120)에서 측정된 상기 정보를 바탕으로 바람지도(Wind Map)를 생성 및 저장하는 지도생성부(140)를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력터빈의 발전량 향상 시스템.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 예측부(200)는 각각의 풍력터빈 위치에서의 풍속을 예측하는 풍속예측부(220);
    상기 예측된 풍속을 발전기 회전속도로 환산하는 속도환산부(222); 및
    상기 풍력터빈 위치에서의 풍향을 예측하는 풍향예측부(240)를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력터빈의 발전량 향상 시스템.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 풍력터빈의 발전량 향상 방법에 있어서,
    풍력발전단지 주변 위치의 정보를 수집 및 저장하는 단계(S100);
    상기 저장된 정보를 바탕으로 각각의 풍력터빈 위치에서의 풍속 및 풍향을 예측하는 단계(S200);
    상기 예측된 풍속 및 풍향을 바탕으로 발전기 회전속도 및 주풍향을 산출하는 단계(S300,S320);
    상기 발전기 회전속도와 실제 발전기 회전속도 및 정격출력 하에서의 발전기 회전속도를 상호 비교하여 블레이드 피치를 제어하거나 발전기 회전속도의 출력을 제어하는 단계(S400); 및
    상기 주풍향과 실제 측정된 풍향을 비교하여 블레이드 요를 제어하는 단계(S420)를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력터빈의 발전량 향상 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 풍력발전단지 주변 위치의 정보는 풍력발전단지 주변 위치의 풍속, 풍향, 온도, 기압, 지형의 거칠기 또는 고도 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 풍력터빈의 발전량 향상 방법.
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