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KR20160036214A - 풍력발전기 - Google Patents

풍력발전기 Download PDF

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KR20160036214A
KR20160036214A KR1020140128044A KR20140128044A KR20160036214A KR 20160036214 A KR20160036214 A KR 20160036214A KR 1020140128044 A KR1020140128044 A KR 1020140128044A KR 20140128044 A KR20140128044 A KR 20140128044A KR 20160036214 A KR20160036214 A KR 20160036214A
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South Korea
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wind
blade
control unit
pitch angle
pressure
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KR1020140128044A
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박어진
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삼성중공업 주식회사
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Publication date
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Abstract

풍력발전기 및 풍력발전기의 제어방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기는, 블레이드, 나셀 및 타워를 포함하는 풍력발전기에 있어서, 상기 블레이드에 설치되는 압력센서; 블레이드 회전면이 바람에 대향되도록 상기 나셀을 회전시키는 요잉각 조절유닛; 및 상기 압력센서로부터, 상기 블레이드 회전면의 방위각에 따른 압력분포를 수신하여 상기 블레이드 회전면이 바람에 대향되도록 상기 요잉각 조절유닛을 제어하는 제1 제어부를 포함한다.

Description

풍력발전기 및 풍력발전기의 제어방법{WIND TURBINE GENERATOR AND CONTROL METHOD FOR WIND TURBINE GENERATOR}
본 발명은, 풍력발전기 및 풍력발전기의 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 블레이드의 회전영역인 블레이드 회전면을 바람에 대향되게 회전시키는 풍력발전기 및 풍력발전기의 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로, 전기를 생산하기 위한 대표적인 발전 형태로는 화석연료를 에너지원으로 하는 화력발전 및 핵분열을 이용하는 원자력발전을 들 수 있다.
그러나, 화력발전은 화석연료의 연소에 의해 발생하는 에너지를 이용함에 따른 공해유발의 문제와 함께 막대한 건설비가 요구되는 문제점이 있다.
그리고, 원자력발전은 많은 양의 전기를 생산하는데 유리하지만 방사선 누출을 차단하기 위한 막대한 시설비가 요구됨은 물론 방사선 누출의 위험성 때문에 지역주민들의 강한 반발이 예상되며, 나아가 폐기물처리도 쉽지 않으며, 사소한 사고라할지라도 심각한 환경파괴를 초래할 수 있는 위험이 항상 존재하는 등 다양한 문제점이 있다.
이에, 화력이나 원자력 발전으로 인한 공해문제로부터 자유롭고 고갈될 염려없는 영구적인 에너지원으로서 풍력, 조력, 수력, 태양열 등과 같은 자연 에너지를 에너지원으로 활용하려는 연구들이 활발하게 진행되고 있다.
특히, 자연 에너지를 이용한 발전 가운데 청정 에너지원을 이용한다는 측면에서 풍력발전이 대안으로 부각되고 있으며, 풍력발전은 구조나 설치 등이 간단함과 동시에 운영 및 관리가 용이하고 무인화 및 자동화 운전이 가능하기 때문에 최근에 도입이 비약적으로 증가하고 있는 실정이다.
한편, 과거에는 풍력발전 구조물들이 주로 육상에서 이루어졌으나, 소음과 진동 등에 의한 환경피해가 속출하고 발전용량이 대형화되고, 미관, 장소의 제약 등의 여러문제로 인하여 최근에는 해상에 풍력발전단지를 집약적으로 집단화시켜 건설하는 것이 추세이다.
풍력발전기는 바람에 의한 회전에너지로부터 전기에너지를 생산하는 장치로서, 풍력발전기는 바람에 의해 회전되는 복수의 블레이드(blade)가 연결되는 허브(hub)를 구비한 로터(rotor)와, 로터와 연결되는 나셀(nacelle)과, 블레이드, 로터, 나셀 등을 지지하는 타워(tower)를 포함한다.
블레이드는 공기 역학적으로 설계된 형상을 이용하여 바람 에너지에서 유용한 공력 토크(torque)를 발생시키고, 공력 토크를 이용하여 발전기를 회전시켜 전기를 발생시킨다.
블레이드는 전기 발생량을 증가시키기 위해 공기 역학적 형상이 중요할 뿐만 아니라, 구조적으로 그 형상으로부터 유발되는 하중을 적절히 지지할 수 있어야 한다.
하중은 공기역학적 형상에 지배적이지만 구조적인 최적 설계를 통해 동일한 하중을 지지하면서도 최대한 가벼운 블레이드를 설계하는 것이 또 하나의 중요한 설계 기술이다.
한편, 일반적으로 풍력발전은 블레이드가 회전하는 영역인 블레이드 회전면이 바람이 불어오는 방향을 향하고 있어야 최대한 넓은 면적으로 바람을 받아 출력을 높일 수 있다. 따라서, 블레이드 회전면을 바람이 불어오는 방향, 즉 바람에 대향되게 회전시켜야 한다.
그러나, 일반적으로 풍향계가 로터 후방의 나셀에 설치되므로, 바람이 블레이드 회전면을 지나 풍향계에 도달하는 경우 블레이드 회전면의 전방에서의 바람 특성과 차이가 있다. 이는, 블레이드 회전면을 통과한 바람은 난류 및 후류 등을 발생시키고 블레이드를 회전시킴에 따라 에너지가 감소되기 때문이다.
상기와 같이, 풍향계를 로터 후방의 나셀에 설치하는 경우에 바람 특성에 오류가 발생하게 되므로, 바람의 풍향에 대한 정확도가 저하되는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허 제10-2011-0102137호 (미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤) 2011년 9월 16일 공개
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 블레이드에 압력센서를 설치하고, 압력센서로부터 바람의 풍향을 검출하여 블레이드 회전면을 바람에 대향되게 회전시키는 풍력발전기 및 풍력발전기의 제어방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 블레이드, 나셀 및 타워를 포함하는 풍력발전기에 있어서, 상기 블레이드에 설치되는 압력센서; 블레이드 회전면이 바람에 대향되도록 상기 나셀을 회전시키는 요잉각 조절유닛; 및 상기 압력센서로부터, 상기 블레이드 회전면의 방위각에 따른 압력분포를 수신하여 상기 블레이드 회전면이 바람에 대향되도록 상기 요잉각 조절유닛을 제어하는 제1 제어부를 포함하는 풍력발전기가 제공될 수 있다.
상기 제1 제어부는, 상기 블레이드 회전면의 수평방향 압력을 비교하고, 상기 요잉각 조절유닛을 제어하여 상기 블레이드에 가해지는 수평방향 압력이 균일하게 되는 방향으로 상기 나셀을 회전시킬 수 있다.
상기 압력센서는, 상기 블레이드의 팁부에 설치된 피토관(pitot tube)을 포함하며, 상기 바람의 풍속은
Figure pat00001
에 의해 결정될 수 있다.(여기서, V는 바람의 풍속, Pd는 바람의 동압(dynamic pressure)으로서 상기 피토관의 전압 측정구에서 측정한 바람의 전압(Pt)과 정압 측정구에서 측정한 바람의 정압(Ps)의 차이, ρ는 공기밀도)
상기 블레이드에 설치된 가속도 센서; 상기 블레이드의 피치각을 조절하는 피치각 조절유닛; 및 상기 가속도센서로부터 상기 블레이드의 평균 회전속도와 상기 블레이드의 평균 회전속도에 대한 표준편차인 상기 블레이드의 회전속도 변동량을 전송받아, 상기 피치각 조절유닛을 제어하여 상기 블레이드의 피치각을 조절하는 제2 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 제어부는, 상기 바람의 풍속에 대한 상기 블레이드의 최소 피치각을 제한하는 피치명령 제한값을 설정하고, 상기 설정된 피치명령 제한값에 따라 상기 피치각 조절유닛을 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예는, 블레이드에 압력센서를 설치하고, 압력센서로부터 블레이드 회전면의 압력분포를 전송받아 바람의 풍향을 검출하여 블레이드 회전면을 바람에 대향되게 회전시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드 회전면을 통과하는 바람의 풍향과 풍속을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드 회전면 및 블레이드 피치각을 제어하기 위한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력센서 설치위치를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 피토관에 의한 바람의 풍속을 산출하는 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기의 블레이드의 피치각 제어를 나타내는 개념도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 블레이드의 최소 피치각을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기의 제어방법을 나타내는 순서도이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부된 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 풍력발전기를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 풍력발전기(100)는 바람에 의해 회전되는 복수의 블레이드(110, blade)와, 블레이드(110)의 회전에 따라 회전하되 블레이드(110)가 연결되는 허브(121)를 구비한 로터(120,rotor)와, 로터(120)와 연결되는 나셀(130,nacelle)과, 블레이드(110)와 로터(120)와 나셀(130)을 지지하는 타워(140,tower)를 포함한다.
블레이드(110)는 바람에 의해 회전되어 회전운동을 발생시키는 일종의 날개이다.
로터(120)를 기준으로 방사상으로 배치되는 블레이드(110)는 바람에 의해 쉽게 회전될 수 있도록 유선형의 날개 형상을 가진다.
그리고, 본 실시예에 따른 풍력발전기(110)는 바람의 특성을 최대한 활용하면서 안정성을 추구할 수 있도록 3개의 블레이드(110)를 구비하나, 이에 한정되지 않으며 블레이드(110)의 개수에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지 않는다.
블레이드(110)는 시계 또는 반시계 방향으로 자유롭게 회전가능한 양방향 타입으로 설치되며, 특히 낮에는 육지쪽으로, 밤에는 바다쪽으로 부는 바람을 고려하여 설치되어야 한다.
로터(120)의 허브(121)는 복수의 블레이드(110)가 연결되는 장소이다.
허브(121)는 정면에서 바라볼 때 대략 원형의 형상을 가지며, 측면에서 바라볼 때는 돔(dome)형상을 가질 수 있다.
그리고, 허브(121)의 일측에는 블레이드(110)의 회전운동을 전달받아 전기에너지를 생산하는 나셀(130)이 연결된다.
나셀(130)에는 블레이드(110)의 회전운동을 전달받아 전기에너지를 생산하는 등 풍력발전기(100)를 구동시키는데 있어 중요한 역할을 담당하는 기계부품들, 예컨대 메인 샤프트(main shaft, 미도시), 기어박스(gear box, 미도시), 발전기(generator, 미도시)와 같은 기계부품들이 구조적으로 결합되어 있는 구조체가 내재된다.
그리고, 나셀(130)은 외기에 그대로 노출되어 눈, 비 혹은 햇볕 등에 상시 노출되기 때문에 어느 정도의 강성이 보장되어야 한다. 따라서 나셀(130)은 내구성이 우수한 비금속 혹은 금속 복합 재질로 제작된다.
한편, 타워(140)는 상하로 길게 배치되는 축으로서, 복수의 블레이드(110), 허브(121), 나셀(130) 등의 구조물에 대한 축 방향 하중을 지지한다.
타워(140)는 위치별로 아랫부분의 로워 타워(lower tower)와, 윗부분의 어퍼 타워(upper tower)로 구분될 수 있다.
타워(140)는 내부가 빈 파이프(pipe) 형의 구조물이며, 타워(140)의 내부 빈 공간을 통해 케이블(cable) 등이 통과된다. 케이블은 송전용 파워 케이블(power cable), 통신용 케이블(cable) 등을 포함한 다양한 종류의 케이블일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드 회전면을 통과하는 바람의 풍향과 풍속을 나타내는 도면이다.
한편, 도 2를 참조하면, 블레이드(110)가 회전하는 영역인 블레이드 회전면(200)을 통과한 바람의 특성은 블레이드 회전면(200)의 전방에서의 바람 특성과 차이가 있다. 이는 블레이드 회전면(200)을 통과한 바람은 난류 및 후류 등을 발생시키고 블레이드(110)를 회전시킴에 따라 바람이 갖는 에너지가 감소되기 때문이다.
이처럼, 블레이드 회전면(200)의 전방과 후방에서의 바람 특성인 풍향, 풍속 등의 차이가 크기 때문에 종래와 같이 로터(120) 후방의 나셀(130)에 풍향계 등을 설치하여 바람의 방향 등을 측정하는 경우 정확도가 저하되는 문제점이 있다.
따라서, 본 실시예에서는 바람의 풍향, 풍속 등을 보다 정확하게 측정하여 블레이드 회전면(200)을 바람에 대향되게 회전(yawing)시키고, 아울러 바람의 풍속에 대한 블레이드(110)의 회전속도 변동량을 산출하여 블레이드(110)의 최소 피치각을 제한하는 피치 명령 제한값을 설정함으로써 갑작스런 풍속 변화에도 불구하고 풍력발전기(100)를 안전하게 운전하고자 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드 회전면 및 블레이드 피치각을 제어하기 위한 블록도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력센서 설치위치를 나타내는 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 피토관에 의한 바람의 풍속을 산출하는 개념도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기(100)는 적어도 하나 이상의 블레이드(110)에 설치된 압력센서(210)와, 압력센서(210)로부터 블레이드 회전면(200)의 방위각에 따른 압력분포를 전송받고 블레이드 회전면(200)을 바람에 대향되게 제어하는 제1 제어부(230)와, 제1 제어부(230)에 연결되어 나셀(130)을 바람에 대향되게 회전, 즉 블레이드 회전면(200)을 바람에 대향되게 회전(yawing)시키는 요잉각 조절유닛(300)을 더 포함한다.
본 실시예에서 압력센서(210)는 바람의 풍압과, 풍속 등을 측정하는 역할을 한다.
그리고, 본 실시예에서 압력센서(210)는 블레이드 회전면(200)의 외주면에 인접하도록 블레이드(110) 팁부에 설치한다. 그리고, 압력센서(210)는 적어도 하나 이상의 블레이드(110) 팁부에 설치가능하다.
구체적으로 도 4에서 도시한 바와 같이, 블레이드(110) 단면의 코드(chord,C) 길이방향으로 리딩에지(leadin edge)에 인접하게 압력센서(210)를 설치한다.
이는, 도 2에서 도시한 바와 같이, 블레이드(110)의 길이방향을 따라 바람의 풍향 및 풍속의 변화가 심하고 특히 블레이드(110) 팁부를 통과하는 바람의 풍향 및 풍속의 변화가 가장 심하므로, 블레이드(110)의 팁부에 인접하게 설치하여 블레이드(110)의 회전에 따른 바람의 풍향 및 풍속의 왜곡에 의한 압력센서(210)의 오차를 감소시키기 위함이다.
그리고, 본 실시예에서 압력센서(210)는 블레이드(110)의 팁부에 설치된 피토관(pitot tube)을 포함하여 구성될 수 있다.
피토관(210)은 측정된 바람의 전압(Pt total pressure)을 통해 바람의 풍압을 산출할 수 있다.
또한, 피토관(210)에 의해 산출된 바람의 풍압을 이용하여 바람의 풍속을 산출할 수 있다. 피토관(210)에서 측정된 바람의 풍속은
Figure pat00002
에 의해 결정된다.
여기서, V는 바람의 풍속이고, Pd는 바람의 동압(dynamic pressure)으로서 바람의 풍압을 나타내며 도 5에서 도시한 바와 같이 피토관(210)의 전압 측정구(211)에서 측정한 바람의 전압(Pt,total pressure)과 피토관(210)의 정압 측정구(213)에서 측정한 바람의 정압(Ps,static pressure)의 차이(
Figure pat00003
)이고, ρ는 공기밀도이다.
이처럼, 피토관(210)으로 측정된 바람의 전압(Pt)으로부터 바람의 풍압인 바람의 동압(Pd)을 산출하고 또한 바람의 풍속을 산출할 수 있다. 피토관(210)에 의해 측정된 바람의 전압(Pt)이 클수록 바람의 풍속이 더 크다.
그리고, 피토관(210)으로 측정된 바람의 풍압으로 블레이드 회전면(200)의 방위각에 따른 압력분포를 산출할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 제1 제어부(230)는, 압력센서(210)로부터 블레이드 회전면(200)의 방위각에 따른 압력분포를 전송받아 블레이드 회전면(200)을 바람에 대향되게 회전시켜 블레이드 회전면(200)이 최대한 넓은 면적으로 바람을 받아 출력을 높일 수 있도록 하는 역할을 한다.
제1 제어부(230)는 압력센서(210)로부터 전송받은 블레이드 회전면(200)의 방위각에 따른 압력분포 중 수평방향 압력, 도 2에서 도시한 바와 같이 방위각이 90°와 270°인 지점에서의 바람의 풍압을 상호 비교하여 바람의 풍향을 산출한다.
예를들어, 방위각이 90°인 지점에서 바람의 풍압이 270°인 지점에서의 바람의 풍압보다 큰 경우에, 요잉각 조절유닛(300)으로 블레이드 회전면(200)을 타워(140)를 중심축으로 방위각이 270°에서 90° 방향인 반시계방향으로 회전시킨다.
블레이드 회전면(200)이 바람에 대향되는지 여부는 방위각이 90°와 270°인 지점에서의 바람의 풍압이 동일한지 여부로 판단한다. 또한, 블레이드 회전면(200)이 바람에 대향되는지 여부는 방위각이 0°와 180°인 지점에서의 바람의 풍압이 동일한지 여부도 고려하여야 한다.
상기와 같이, 블레이드 회전면(200)을 바람에 대향되게 회전시킨 경우, 바람의 풍속이 증가할수록 블레이드(110)의 회전속도와 토크가 상승되고 정격출력 지점에 이를때까지 출력이 증가된다.
그러나, 정격출력이 발생하는 정격풍속 이상의 구간에서는 바람이 풍력발전기(100)가 생산할 수 있는 출력 이상의 에너지를 가지고 있으므로, 정격출력을 초과하는 에너지를 흘려보내고 블레이드(110)가 일정한 회전속도와 토크를 유지하도록 블레이드(110)의 피치를 제어하여야 한다.
또한, 풍력발전기(100)의 피치 제어가 적용되는 풍속구간에서는 난류, 후류 영향(wake effect) 및 윈드시어(wind shear) 등을 이유로 풍력발전기(100)가 경험하는 풍속에 변동이 있으며, 풍속 변동에 따라 바람의 에너지가 변하므로 블레이드(110)가 해당 피치각도에서 일정한 회전속도와 토크를 유지하지 못한다.
따라서, 블레이드(110)의 회전속도와 토크를 일정하게 유지하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기(100)는 적어도 하나 이상의 블레이드(110)에 설치된 가속도센서(250)와, 가속도센서(250)로부터 블레이드(110)의 평균 회전속도와 블레이드(110)의 평균 회전속도에 대한 표준편차인 블레이드(110)의 회전속도 변동량을 전송받아 블레이드(110)의 피치각을 제어하는 제2 제어부(270)와, 제2 제어부(270)에 연결되어 블레이드(110)의 피치각을 조절하는 피치각 조절유닛(350)을 더 포함한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기의 블레이드의 피치각 제어를 나타내는 개념도이다.
한편, 블레이드(110)의 피치각 제어에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 6을 참조하면, 풍력발전기(100)로 불어오는 바람의 풍향이 X축방향일 때, 제1 상태의 블레이드(110)의 피치각(110-1)은 바람의 풍향과 90°의 각도를 가지는 상태이다. 이때, 조절된 블레이드(110)의 피치각(110-1)은 0°이다.
제1 상태의 블레이드(110)의 피치각(110-1)은 바람의 풍속이 풍력발전기(100)가 발전을 시작하는 커트-인(cut-in) 풍속보다 크고 정격풍속보다 작은 경우 바람의 에너지를 받아들이기 위한 것이다.
그리고, 바람의 풍향이 X방향일 때, 제2 상태의 블레이드(110)의 피치각(110-2)은 바람의 풍향과 일치하도록 조절된 상태이다. 이때, 조절된 블레이드(110)의 피치각(110-2)은 90°이다.
제2 상태의 블레이드(110)의 피치각(110-2)은 바람의 풍속이 커트-아웃(cut-out) 풍속보다 큰 경우 바람의 에너지를 흘려보내기 위한 것이다.
이처럼, 풍력발전기(100)의 블레이드(110)의 피치각 제어는 제1 상태의 블레이드(110)의 피치각(110-1)과 제2 상태의 블레이드(110)의 피치각(110-2) 사이에서 제어하는 과정이다.
한편, 본 실시예에서 가속도센서(250)는 블레이드(110)의 회전속도를 측정하는 역할을 한다.
또한, 도 1에서와 도시한 바와 같이, 가속도센서(250)는 블레이드(110)의 팁부에 설치하여 블레이드(110)의 회전속도뿐만 아니라 바람의 풍압에 의한 블레이드(110)의 변형, 블레이드(110) 팁부의 위치와 변형방향까지 파악할 수 있다.
그리고, 3차원 가속도센서(250)를 사용하는 경우에 블레이드(110) 팁부의 3차원공간에서의 궤적을 파악할 수 있으며, 이로써, 블레이드 회전면(200)의 불균형 하중을 파악할 수 있는 이점이 있다.
그리고, 제2 제어부(270)는 가속도센서(250)로부터 블레이드(110)의 평균 회전속도와 블레이드(110)의 평균 회전속도에 대한 표준편차인 블레이드(110)의 회전속도 변동량을 전송받아, 바람의 풍속에 대한 블레이드(110)의 회전속도와 토크가 일정하게 유지되도록 블레이드(110)의 피치각을 제어하는 역할을 한다.
여기서 바람의 풍속은 전술한 바와 같이, 압력센서(210)인 피토관(210)으로부터 알 수 있다.
또한, 갑작스런 풍속 변화에도 불구하고 풍력발전기(100)의 안전운전을 위해 제2 제어부(270)는 바람의 풍속에 대한 블레이드(110)의 최소 피치각을 제한하는 피치명령 제한값을 설정하고, 피치명령 제한값에 따라 피치각 조절유닛(350)을 제어한다.
제2 제어부(270)에 의한 피치명령 제한값을 설정하는 동작을 살펴보면 다음과 같다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 블레이드의 최소 피치각을 설명하기 위한 도면이다.
도 7에서 A는 소정시간 동안 풍력발전기(100)가 운전되는 경우에 바람의 풍속에 대한 블레이드(110)의 피치각을 나타내는 것으로 소정시간 동안 블레이드(110)의 피치각이 연속적으로 변하는 것을 나타내며, B는 소정시간 동안 변화되는 블레이드(110)의 피치각을 평균한 것으로 소정시간 동안 바람의 풍속에 대한 블레이드(110)의 피치각의 정상상태를 나타낸다.
도 7의 A에서와 같이 블레이드(110)의 피치각은 바람의 풍속에 따라 넓은 범위에 걸쳐 변하기 때문에, 바람의 풍속 변화에 따라 블레이드(110)의 피치각이 급격히 증가하거나 감소하는 경우 풍력발전기(100), 특히 블레이드(110)가 받는 부하하중은 정상상태에서 보다 크게 작용하게되며 풍력발전기(100)의 안전운행을 저해하게 된다.
따라서, 본 실시예에서는 바람의 풍속변화에 따라 블레이드(110)가 받는 부하하중을 완화하여 풍력발전기(100)를 안전하게 운전하기 위해 블레이드(110)의 최소 피치각을 설정한다.
도 7에서 C는 풍력발전기(100)의 안전을 고려하여 바람의 풍속에 대한 블레이드(110)의 최소 피치각을 나타낸다. 즉, 제2 제어부(270)는 블레이드(110)의 피치각이 블레이드(110)의 최소 피치각 미만 값을 갖지 않도록 피치명령 제한값을 설정한다.
이에 따라 피치각 조절유닛(350)은 블레이드(110)의 피치각이 블레이드(110)의 최소 피치각 미만으로 동작되지 않도록 조절한다.
한편, 블레이드(110)의 회전속도 변동량은 블레이드(110)의 피치각 변화와 밀접한 관련이 있다. 즉, 블레이드(110)의 피치각 변화에 대응하여 블레이드(110)의 회전속도 변동이 발생되며, 블레이드(110)의 피치각 변화가 클수록 블레이드(110)의 회전속도 변동량도 이에 비례하여 커지게 된다.
따라서, 본 실시예에서는 블레이드(110)의 피치각 변화에 대응되는 블레이드(110)의 회전속도 변동량을 기준으로 제2 제어부(270)가 블레이드(110)의 최소 피치각을 설정하는 피치명령 제한값으로 피치각 조절유닛(350)을 제어하도록 한다.
블레이드(110)의 최소 피치각 조절은, 소정시간 동안 바람의 평균 풍속과 블레이드(110)의 평균 회전속도 및 회전속도 변동량을 구하고, 블레이드(110)의 회전속도 변동량이 풍력발전기(100)의 안전운전을 위해 바람의 풍속, 난류 강도 등을 고려한 설정값(예를들어, 바람의 평균 풍속에 대한 블레이드(110)의 정격 회전속도 대비 5% 절대값을 초과한 경우)을 초과한 경우에 제2 제어부(270)는 블레이드(110)의 최소 피치각을 도 7의 C에서 D로 상승시키는 피치명령 제한값을 피치각 조절유닛(350)으로 전달한다.
상기한 바와 같이, 바람의 풍속변화에 따른 블레이드(110)의 회전속도 변동량은 실제 블레이드(110)가 경험하는 바람의 풍속, 난류 강도 등을 나타내는 것으로서, 블레이드(110)의 회전속도 변동량을 기준으로 블레이드(110)의 최소 피치각을 제어하는 경우 풍력발전기(100)의 출력이 정격출력보다 낮을 수 있으나, 블레이드(110)가 받는 부하하중이 감소되므로 비정상적인 외부 환경으로부터 풍력발전기(100)를 안전하게 운전할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기의 제어방법을 설명하면 다음과 같다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기의 제어방법을 나타내는 순서도이다.
도 1 내지 도 3 및 도 8을 참조하면, 풍력발전기(100)의 출력을 향상시키기 위해서 블레이드 회전면(200)을 바람에 대향되게 배치하여야 한다.
본 실시예에서는 바람의 풍압을 이용하여 바람의 풍향을 검출하기 위해, 바람이 블레이드(110)에 가하는 압력을 측정하도록 블레이드(110)의 팁부에 압력센서(210)를 설치한다(S100).
압력센서(210)는 피토관(210)으로 구성되며, 피토관(210)을 이용하여 블레이드 회전면(200)의 방위각에 따른 압력분포를 산출한다(S200).
그리고, 요잉각 조절유닛(300)을 이용하여 블레이드 회전면(200)을 블레이드 회전면(200)의 방위각에 따른 압력분포에 대응하여 바람에 대향되게 회전시킨다(S300).
블레이드 회전면(200)을 바람에 대향되게 회전시키기 위해, 블레이드 회전면(200)의 방위각에 따른 압력분포 중 수평방향 압력, 즉 방위각이 90°와 270°인 지점에서의 풍압을 상호 비교하여 방위각이 90°와 270°인 지점에서의 바람의 풍압이 균일하게 되는 방향, 즉 풍압이 동일한지 여부로 바람의 풍향을 판단한다.
그리고, 블레이드 회전면(200)을 바람에 대향되게 회전시킨 경우, 바람의 풍속에 대해 블레이드(110)의 회전속도 및 토크를 일정하게 유지하여야 한다.
이를 위해, 먼저 블레이드(110)의 팁부에 설치한 압력센서(210)를 이용하여 바람의 풍속을 산출한다(S400).
그리고, 바람의 풍속에 대해 블레이드(110)의 회전속도 변동량을 산출한다.
블레이드(110)의 회전속도 변동량 산출은, 먼저 블레이드(110)의 팁부에 가속도 센서를 설치한다(S510).
가속도센서(250)로부터 소정시간 동안 블레이드(110)의 평균 회전속도를 산출하고(S530), 산출된 블레이드(110)의 평균 회전속도에 대한 표준편차인 블레이드(110)의 회전속도 변동량을 산출한다(S550).
그리고, 블레이드(110)의 회전속도 변동량을 산출한 경우, 바람의 풍속에 대한 블레이드(110)의 회전속도 변동량을 설계상의 설정값과 비교한다(S600).
여기서, 설계상의 설정값은 풍력발전기(100) 설계에 적용한 바람의 풍속, 난류강도, 블레이드(110)의 회전속도에 관한 정보 등을 수집하여 결정한다.
블레이드(110)의 회전속도 변동량을 설계상의 설정값과 비교한 후 블레이드(110)의 피치각을 조절하여 블레이드(110)의 회전속도를 일정하게 유지시킨다.
이때, 블레이드(110)의 피치각 조절은 다음과 같다.
바람의 풍속에 대한 블레이드(110)의 회전속도 변동량이 설계상의 설정값을 초과한 경우 피치각 조절유닛(350)을 이용하여 블레이드(110)의 최소 피치각을 증가시킨다(S610).
또한, 바람의 풍속에 대한 블레이드(110)의 회전속도 변동량이 설계상의 설정값 이하인 경우 블레이드의 최소 피치각을 현상태로 유지한다(S630).
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.
100: 풍력발전기 110: 블레이드
120: 로터 121: 허브
130: 나셀 140: 타워
200: 블레이드 회전면 210: 압력센서
230: 제1 제어부 250: 가속도센서
270: 제2 제어부 300: 요잉각 조절유닛
350: 피치각 조절유닛

Claims (5)

  1. 블레이드, 나셀 및 타워를 포함하는 풍력발전기에 있어서,
    상기 블레이드에 설치되는 압력센서;
    블레이드 회전면이 바람에 대향되도록 상기 나셀을 회전시키는 요잉각 조절유닛; 및
    상기 압력센서로부터, 상기 블레이드 회전면의 방위각에 따른 압력분포를 수신하여 상기 블레이드 회전면이 바람에 대향되도록 상기 요잉각 조절유닛을 제어하는 제1 제어부를 포함하는 풍력발전기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 제어부는,
    상기 블레이드 회전면의 수평방향 압력을 비교하고, 상기 요잉각 조절유닛을 제어하여 상기 블레이드에 가해지는 수평방향 압력이 균일하게 되는 방향으로 상기 나셀을 회전시키는 풍력발전기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 압력센서는,
    상기 블레이드의 팁부에 설치된 피토관(pitot tube)을 포함하며,
    상기 바람의 풍속은
    Figure pat00004
    에 의해 결정되는 풍력발전기.
    (여기서, V는 바람의 풍속, Pd는 바람의 동압(dynamic pressure)으로서 상기 피토관의 전압 측정구에서 측정한 바람의 전압(Pt)과 정압 측정구에서 측정한 바람의 정압(Ps)의 차이, ρ는 공기밀도)
  4. 제1항에 있어서,
    상기 블레이드에 설치된 가속도 센서;
    상기 블레이드의 피치각을 조절하는 피치각 조절유닛; 및
    상기 가속도센서로부터 상기 블레이드의 평균 회전속도와 상기 블레이드의 평균 회전속도에 대한 표준편차인 상기 블레이드의 회전속도 변동량을 전송받아, 상기 피치각 조절유닛을 제어하여 상기 블레이드의 피치각을 조절하는 제2 제어부를 더 포함하는 풍력발전기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 제어부는,
    상기 바람의 풍속에 대한 상기 블레이드의 최소 피치각을 제한하는 피치명령 제한값을 설정하고, 상기 설정된 피치명령 제한값에 따라 상기 피치각 조절유닛을 제어하는 풍력발전기.
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