KR101844823B1 - 유압식 풍력발전기 제어장치 및 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 출원의 일 실시예에 의한 유압식 풍력발전기 제어장치는, 유압식 풍력발전기의 축압기 압력, 유압펌프 유량 및 유압모터 유량을 측정하는 측정부; 유압모터 사판각에 따라 축압기에서 공급 받는 유압 에너지를 조절하고, 상기 유압 에너지를 기계동력으로 변환하는 유압모터; 상기 유압모터로부터 상기 기계동력을 전달 받아서 전기에너지를 생성하는 발전기; 및 상기 축압기 압력, 상기 유압펌프 유량 및 상기 유압모터 유량에 따라 유압모터 사판각을 조절하여 상기 전기에너지의 생성량을 평활화하는 모터 제어부를 포함할 수 있다.

Description

유압식 풍력발전기 제어장치 및 제어방법{Apparatus for controlling hydraulic type wind turbine and Method for the same}
본 출원은, 유압식 풍력발전기 제어장치 및 제어방법에 관한 것이다. 특히 유압모터 사판각 및 유압펌프 사판각을 제어함으로써, 풍속에 따라 최대출력을 얻을 수 있도록 풍력 터빈의 회전 속도를 제어하고, 변화하는 풍속에 따라 발전량 변동이 심하게 발생되지 않도록 발전량을 평활화시킬 수 있는 유압식 풍력발전기 제어장치 및 제어방법에 관한 것이다.
유압식 풍력발전기는 기어식 풍력발전기와 달리 기어박스를 대체하는 유압식 변속 및 동력전달장치를 사용하는 것이 특징이다. 기어식 풍력발전기는 기어박스를 이용하거나 풍력 터빈 블레이드에서 발생하는 저속, 고토크의 기계동력을 고속, 저토크의 기계동력으로 변환하여 발전기를 구동하지만, 유압식 풍력발전에서는 기어박스가 없거나, 저단의 기어박스를 사용하고 변속 및 동력전달을 유압계통이 담당한다. 풍력 터빈에서 공급되는 저속, 고토크의 기계동력을 유압동력으로 변환하는 장치가 유압펌프 또는 유압실린더이며, 이들 장치는 고압의 작동유를 펌핑한다.
기존의 유압식 풍력발전기의 제어장치는 각 풍속에서 최대출력을 얻을 수 있는 풍력 터빈 속도 제어를 위해 풍력 터빈의 회전축에 직결되어 있는 펌프의 토크제어를 이용하였고, 상기 펌프의 토크는 축압기 압력에 따라서 제어하였다.
종래에는 축압기 압력을 조절하기 위해 고압축압기 외에 저압축압기를 별도로 설치하고, 상기 고압축압기와 상기 저압축압기 사이에 유량제어밸브를 배치하여 고압축압기에서 저압축압기로의 유량을 제어하여 고압축압기에 저장되어 있는 유압 에너지를 저압축압기로 전달시켜 고압축압기의 압력을 조절하는 방식을 사용하였다.
다만, 상기한 종래 방식은 저압축압기로 이동된 유압에너지가 작동유 탱크로 전달되는 경우가 발생하여, 저압축압기의 유압에너지가 열에너지로 변환되면서 소모되어 유압식 풍력 시스템의 전체적인 효율이 저하되는 문제점이 있었다. 또한, 종래 방식의 경우 축압기 압력을 높이고자 하는 경우 압력조절능력이 떨어지는 단점이 있었다.
이 밖에도, 종래의 압력 조절 방식은 작동유 온도를 상승시키게 되어서 작동유 냉각을 위한 추가적인 작동유 냉각장치를 설치해야 했고, 유량제어밸브 및 저압축압기 등이 추가적으로 필요하여 제작 단가가 높아지는 문제점이 있었다.
대한민국 공개특허공보 제10-2013-0060768호 (2013.06.10.)
본 출원은 유압모터 사판각 및 유압펌프 사판각을 제어함으로써, 풍속에 따라 최대출력을 얻을 수 있도록 풍력 터빈의 회전 속도를 제어하고, 변화하는 풍속에 따라 발전량 변동이 심하게 발생되지 않도록 발전량을 평활화시킬 수 있는 유압식 풍력발전기 제어장치 및 제어방법을 제공하고자 한다.
본 출원의 일 실시예에 의한 유압식 풍력발전기 제어장치는, 유압식 풍력 발전기의 축압기 압력, 유압펌프 유량 및 유압모터 유량을 측정하는 측정부; 유압모터 사판각에 따라 축압기에서 공급 받는 유압 에너지를 조절하고, 상기 유압 에너지를 기계동력으로 변환하는 유압모터; 상기 유압모터로부터 상기 기계동력을 전달 받아서 전기에너지를 생성하는 발전기; 및 상기 축압기 압력, 상기 유압펌프 유량 및 상기 유압모터 유량에 따라 유압모터 사판각을 조절하여 상기 전기에너지 생성량을 평활화하는 모터 제어부를 포함할 수 있다.
여기서 상기 모터 제어부는, 상기 축압기 압력과 상기 유압모터 유량을 곱하여 유압모터 동력값을 구하고, 특정 시간동안 펌프에서 공급된 동력의 평균인 펌프동력 평균값을 구하여 상기 유압모터 동력값 및 상기 펌프동력 평균값을 이용하여 상기 유압모터 사판각을 조절할 수 있다.
여기서 상기 모터 제어부는, 상기 축압기 압력과 상기 유압펌프 유량을 곱하여 구한 유압펌프 동력값을 적분하여 유압 에너지값을 출력하는 적분기; 상기 유압 에너지값을 지연시간만큼 지연시켜 과거 유압 에너지값으로 출력하는 시간지연기; 상기 유압 에너지값과 상기 과거 유압 에너지값의 차이값을 상기 지연시간으로 나눠서 펌프동력 평균값을 계산하는 평균동력 산출기; 및 상기 유압모터 동력값이 상기 펌프동력 평균값을 추종하도록 상기 유압모터 사판각을 제어하는 모터 사판각 조절부를 포함할 수 있다.
본 출원의 일 실시예에 의한 유압식 풍력발전기 제어장치는, 상기 측정부가 풍속 및 풍력 터빈의 회전 속도를 더 측정할 수 있고, 유압펌프 사판각에 따라 상기 풍력 터빈의 회전 속도를 조절하고, 상기 풍력 터빈의 회전 속도에 부응하여 유압 에너지를 생성하는 유압펌프; 및 풍속에 따라 기 설정된 최적터빈속도를 추출하고, 상기 최적터빈속도와 상기 풍력 터빈의 회전 속도의 차이값에 따라 상기 유압펌프 사판각을 제어하는 펌프 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 출원의 일 실시예에 의한 유압식 풍력발전기 제어방법은, 축압기, 유압 펌프 및 유압 모터를 구비하는 유압식 풍력발전기 제어 방법에 있어서, 축압기 압력, 유압펌프 유량 및 유압모터 유량을 측정하는 유압 측정단계; 상기 축압기 압력, 유압펌프 유량 및 상기 유압모터 유량을 이용하여 유압모터 동력값 및 펌프동력 평균값을 계산하는 평균동력 연산단계; 및 상기 유압모터 동력값과 상기 펌프동력 평균값을 비교하고 유압모터 사판각을 제어하는 모터 제어단계를 포함할 수 있다.
여기서 상기 평균동력 연산단계에서는, 상기 축압기 압력 및 상기 유압펌프 유량을 곱하여 상기 유압모터 동력값을 구하는 모터동력 연산단계; 상기 축압기 압력 및 상기 유압펌프 유량을 곱하여 구한 유압펌프 동력값을 적분하여 유압 에너지값을 구하는 유압에너지 연산단계; 및 지연시간 간격으로 생성된 상기 유압 에너지값들의 차이값을 구하고 상기 차이값을 상기 지연시간으로 나누어 펌프동력 평균값을 구하는 펌프동력 연산단계를 포함할 수 있다.
본 출원의 일 실시예에 의한 유압식 풍력발전기 제어방법은, 외부의 풍속을 측정하는 풍속 측정단계; 상기 풍속에 따라 기 설정된 최적터빈속도를 추출하는 최적속도 추출단계; 및 상기 최적터빈속도와 풍력터빈 속도의 차이값을 구하고, 상기 차이값을 이용하여 유압펌프 사판각을 제어하는 펌프 제어단계를 더 포함할 수 있다.
덧붙여 상기한 과제의 해결수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것이 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
본 출원의 일 실시예에 의한 유압식 풍력발전기 제어장치 및 제어방법에 의하면, 축압기의 압력 및 변화하는 풍속에 따른 전기에너지 생성양의 변동성을 적게 하여 발전전력의 품질을 향상시킬 수 있다.
본 출원의 일 실시예에 의한 유압식 풍력발전기 제어장치 및 제어방법에 의하면, 축압기 압력과 관계없이 유압펌프를 제어할 수 있다.
본 출원의 일 실시예에 의한 유압식 풍력발전기 제어장치 및 제어방법에 의하면, 풍속 변화에 따라 풍력 터빈이 최적풍력터빈속도를 추종하도록 유압펌프를 제어할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 의한 유압식 풍력발전기 제어장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 의한 유압식 풍력발전기 제어장치 중 모터 제어부의 일 실시예를 나타내는 블록도이다.
도 3 내지 도5는, 본 발명의 일 실시예에 의한 유압식 풍력발전기 제어장치의 효과를 설명하기 위한 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 의한 유압식 풍력발전기 제어방법의 순서도이다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 의한 유압식 풍력발전기 제어방법 중 평균동력 연산단계의 일 실시예를 나타낸 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 의한 유압식 풍력발전기 제어장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 유압식 풍력발전기 제어장치는 측정부(10), 모터 제어부(20) 및 펌프 제어부(30)를 포함할 수 있고, 유압식 풍력발전기는 풍력 터빈(1), 유압 펌프(2), 축압기(3), 유압 모터(4) 및 발전기(5)를 포함할 수 있다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 유압식 풍력발전기 제어장치를 설명한다.
도 1을 참조하면, 유압식 풍력발전기의 풍력 터빈(1)은 바람에 의해 회전할 수 있다. 상기 풍력 터빈(1)은 유압 펌프(2)와 연결될 수 있다. 따라서, 상기 풍력 터빈(1)의 회전에 의한 저속, 고토크의 기계동력이 상기 유압 펌프(2)로 전달될 수 있다.
유압 펌프(2)는 상기 풍력 터빈(1)에서 기계동력을 전달 받아서 회전하며 압력을 가해 오일을 펌핑할 수 있다. 상기 유압 펌프(2)는 내부에 사판(swash plate)을 구비할 수 있다. 상기 유압 펌프(2)는 가변 용량형 유압 펌프일 수 있다. 상기 유압 펌프(2)의 사판은 그 각도(즉, 유압펌프 사판각)가 변경될 수 있다. 상기 유압 펌프(2)는 유압 펌프 사판각에 따라 상기 풍력 터빈(1)의 회전 속도를 조절하고, 상기 풍력 터빈(1)의 회전 속도에 부응하여 유압 에너지를 생성할 수 있다.
축압기(3)는 상기 유압 펌프(2)가 생성한 유압 에너지를 전달 받아 저장할 수 있다. 또한, 상기 축압기(3)는 상기 유압 에너지를 유압 모터(4)로 전달할 수 있고, 이 경우에 상기 축압기(3)는 일정한 압력으로 상기 유압 에너지를 상기 유압 모터(4)로 전달할 수 있다. 상기 축압기(3)의 압력은 상기 유압 펌프(2)의 토크값을 제어하는데 사용될 수 있다.
유압 모터(4)는 사판을 구비할 수 있고, 상기 유압 모터(4)는 상기 유압 모터(4)의 사판의 각도(즉, 유압모터 사판각)에 따라 용량이 변하는 가변 용량형 유압 모터일 수 있다. 즉, 유압 모터 사판각에 따라 축압기(3)에서 공급 받는 유압 에너지를 조절하고, 상기 유압 에너지를 기계동력으로 변환할 수 있다.
발전기(5)는 유압 모터(4)로부터 상기 기계동력을 전달 받아서 전기에너지를 생성할 수 있다. 구체적으로, 상기 발전기(5)는 상기 유압 모터(4)의 회전속도에 부응하여 회전되면서 교류전압을 발생시킬 수 있다.
측정부(10)는 유압식 풍력발전기의 축압기 압력, 유압펌프 유량 및 유압모터 유량을 측정할 수 있다. 상기 축압기 압력은 축압기(3)로부터 유압 모터(4)에 인가되는 압력일 수 있다. 상기 유압펌프 유량은 풍력 터빈(1)의 회전축에 체결된 펌프에서 펌핑되는 유량을 말한다. 상기 유압모터 유량은 상기 유압모터가 상기 축압기(3)에서 전달 받는 작동유 등의 유량을 말한다. 상기 측정부(10)는 적어도 하나 이상의 압력 센서 및 유량 센서를 구비할 수 있다. 상기 압력 센서 및 유량 센서는 압력 및 유량을 측정할 수 있는 주지의 어떤 센서라도 가능하다.
상기 측정부(10)는 측정한 상기 축압기 압력, 상기 유압펌프 유량 및 상기 유압모터 유량을 모터 제어부(20)로 전송할 수 있다.
측정부(10)는 풍속 및 풍력 터빈(1)의 회전 속도를 더 측정할 수 있다. 이 경우 상기 측정부(10)는 측정한 풍속 및 풍력 터빈(1)의 회전 속도를 펌프 제어부(30)로 전송할 수 있다.
모터 제어부(20)는 상기 축압기 압력, 상기 유압펌프 유량 및 상기 유압모터 유량에 따라 상기 유압모터 사판각을 조절함으로써, 전기에너지의 생성량을 평활화시킬 수 있다. 상기 모터 제어부(20)는 상기 유압 펌프(2) 동력의 일정 시간 동안의 평균인 펌프동력 평균값을 구할 수 있다. 또한, 상기 모터 제어부(20)는 상기 축압기 압력과 상기 유압모터 유량을 곱하여 유압모터 동력값을 구할 수 있다. 상기 모터 제어부(20)는 상기 유압모터 동력값이 상기 펌프동력 평균값을 추종하도록 상기 유압모터 사판각을 조절할 수 있다.
구체적으로, 상기 모터 제어부(20)는 상기 유압모터 사판각을 조절함으로써, 상기 유압 모터(4)가 축압기(3)에서 공급 받는 유압 에너지를 조절할 수 있다. 따라서, 상기 유압 모터(4)가 상기 유압 에너지를 변환하여 생성하는 기계동력의 양을 조절할 수 있다. 따라서, 상기 모터 제어부(20)는 발전기(5)가 전기에너지로 변환할 기계동력의 양을 조절할 수 있다.
상기 모터 제어부(20)는 바람이 많이 불어서 전기에너지의 생성량이 많은 경우에는 상기 유압모터 사판각을 조절하여 유압에너지를 상기 축압기(3)에 저장된 상태로 보존되도록 할 수 있다. 반대로 바람이 적게 부는 경우에는 상기 유압모터 사판각을 조절하여 상기 유압 모터(4)가 상기 축압기(3)에 저장된 유압 에너지를 더 공급 받도록 할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 의한 유압식 풍력발전기 제어 장치에 의하면, 바람의 양이나 풍속과 상관없이 유압식 풍력발전기가 생성하는 전기에너지를 평활화시키는 것이 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 의한 유압식 풍력발전기 제어장치에 의하면, 상기 모터 제어부(20)는 축압기 압력 및 유압모터 유량을 곱하여 유압모터 동력값을 구할 수 있다. 또한, 모터 제어부(20)는 특정 시간동안 펌프에서 공급된 동력의 평균인 펌프동력 평균값을 구하여 상기 유압모터 동력값 및 상기 펌프동력 평균값을 이용하여 상기 유압모터 사판각을 조절할 수 있다.
구체적으로, 상기 모터 제어부(20)는 상기 펌프동력 평균값이 상기 유압모터 동력값 이상이면 유압모터 사판각을 증가시켜서 축압기 압력을 증가시킬 수 있다. 상기 축압기 압력이 증가하면 상기 유압모터 동력값이 증가하게 된다. 또한, 반대로 상기 모터 제어부(20)는 상기 펌프동력 평균값이 상기 유압모터 동력값 미만인 경우에는 상기 유압 모터(4)의 사판을 열어주어 상기 축압기 압력을 감소시킬 수 있다. 이 경우에, 상기 유압모터 동력값은 상기 축압기 압력에 대응하여 감소하게 된다. 본 출원에서, 상기 유압모터 사판각을 증가시킨다는 것은 상기 유압모터(4)의 사판을 닫아주는 쪽으로 상기 유압모터(4)의 사판 각도를 조절하는 것을 말한다.
예를 들어, 유압식 풍력발전기의 풍력 터빈(1)이 정지상태에 있다가 풍속이 적정 수준에 이르게 되면 상기 풍력 터빈(1)이 가동을 시작하는데, 이 경우 상기 축압기(3)의 압력은 0bar이므로 적정 압력으로 상기 축압기 압력이 상승할 때까지는 축압기(3)의 용량에 따라 일정한 시간이 필요하다. 이 경우에, 상기 모터 제어부(20)는 상기 축압기 압력이 정정 압력에 이를 때까지는 유압 모터(4)의 사판을 닫아준다. 또한, 상기 모터 제어부(20)는 상기 축압기 압력이 적정 압력에 도달하면 상기 유압모터 동력값 및 상기 펌프동력 평균값에 따라 상기 유압모터 사판각을 제어한다. 이후, 다시 상기 축압기 압력이 최소압력 이하로 떨어진 경우 상기 모터 제어부(20)는 다시 유압 모터(4)의 사판을 닫아주어 상기 축압기(3)에 유압동력을 저장할 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 유압식 풍력발전기 제어장치는 펌프 제어부(30)를 더 포함할 수 있다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 유압식 풍력발전기 제어장치의 펌프 제어부(30)를 설명한다.
유압식 풍력발전기 제어장치가 펌프 제어부(30)를 구비한 경우, 측정부(10)는 풍속 및 풍력 터빈(1)의 회전 속도를 더 측정할 수 있다. 이 경우 상기 측정부(10)는 측정한 풍속 및 풍력 터빈(1)의 회전 속도를 펌프 제어부(30)로 전송할 수 있다.
펌프 제어부(30)는 풍속에 따라 기 설정된 최적터빈속도를 추출할 수 있다. 상기 최적터빈속도는 각각의 풍속에 따라 별도의 테이블로 정리되어 미리 저장되어 있을 수 있다. 상기 최적터빈속도는 유압식 풍력발전기를 운전한 결과 얻게 된 정보를 토대로 얻은 결과를 저장한 것일 수 있다. 이 경우에 상기 펌프 제어부(30)는 측정된 풍속에 해당되는 최적터빈속도를 상기 테이블에서 추출할 수 있다. 상기 펌프 제어부(30)는 상기 최적터빈속도와 상기 풍력 터빈(1)의 회전 속도의 차이값에 따라 상기 유압펌프 사판각을 제어할 수 있다. 결국, 상기 펌프 제어부(30)는 상기 유압펌프 사판각을 제어함으로써, 상기 풍력 터빈(1)의 회전 속도를 조절할 수 있다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 의한 유압식 풍력발전기 제어장치 중 모터 제어부(20)의 일 실시예를 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 유압식 풍력발전기 제어장치 중 모터 제어부(20)는 적분기(21), 시간지연기(22), 평균동력 산출기(23) 및 모터 사판각 조절부(24)를 포함할 수 있다.
이하, 도 2을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 유압식 풍력발전기 제어장치 중 모터 제어부(20)를 설명한다.
적분기(21)는 축압기 압력 및 유압펌프 유량을 곱한 값인 유압펌프 동력값을 적분하여 유압 에너지값을 출력할 수 있다. 상기 적분기(21)는 상기 유압 에너지값을 시간지연기(22)에 전송할 수 있다.
시간지연기(22)는 상기 유압 에너지값을 지연시간만큼 지연시켜 과거 유압 에너지값으로 출력할 수 있다. 여기서, 상기 지연시간은 사용자가 임의대로 설정할 수 있다. 예를 들어, 상기 시간지연기(22)는 상기 적분기(21)가 전송한 유압 에너지값을 5초 후에 출력할 수 있다. 이 경우 지연시간은 5초가 되고, 현재의 유압 에너지값은 상기 적분기(21)가 생성하고 있으므로, 사용자는 과거 유압 에너지값 및 현재의 유압 에너지값을 모두 얻을 수 있다.
평균동력 산출기(23)는 상기 유압 에너지값과 상기 과거 유압 에너지값의 차이값을 상기 지연시간으로 나눠서 펌프동력 평균값을 계산할 수 있다. 상기 펌프동력 평균값은 모터 사판각 조절부(24)가 유압모터 사판각을 제어하기 위한 기준값이 될 수 있다.
모터 사판각 조절부(24)는 축압기 압력과 유압모터 유량을 곱하여 구한 유압모터 동력값이 상기 펌프동력 평균값을 추종하도록 상기 유압모터 사판각을 제어할 수 있다. 구체적으로, 상기 모터 사판각 조절부(24)는 증폭기 및 PI제어기를 구비할 수 있다. 상기 증폭기는 상기 유압모터 동력값과 상기 펌프동력 평균값의 차이값을 증폭할 수 있다. 이 경우 증폭된 상기 차이값은 PI제어기의 입력값으로 들어갈 수 있다. 상기 PI제어기는 유압모터 사판각을 조절하기 위한 제어신호를 출력할 수 있다. 상기 모터 사판각 조절부(24)는 상기 유압모터 동력값이 상기 펌프동력 평균값이 될 때까지 계속적으로 상기 유압모터 사판각을 조절할 수 있다.
도 3 내지 도5는, 본 발명의 일 실시예에 의한 유압식 풍력발전기 제어장치의 효과를 설명하기 위한 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 3은 서남해의 실측 풍속 데이터를 나타내는 도면이고, 도 4는 풍력 터빈(1) 및 펌프의 회전속도를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 풍속에 비례하여 풍력 터빈(1) 및 펌프의 회전속도가 변화하는 것을 알 수 있다. 도 4에서, 상기 풍력 터빈(1) 기동 초기 시간에서는 최적풍력속도와 실제 풍력 터빈(1)의 회전 속도에 차이가 발생하여 측정 그래프의 선이 두껍게 중첩되어 보인다. 다만, 150초에서 200초 경과 후에는 상기 최적풍력속도와 실제 풍력 터빈(1)의 회전 속도에 차이가 없어져 상호 거의 일치하는 선명한 하나의 라인이 측정 결과로 나타난 것을 확인할 수 있다.
도 5는 유압 모터(4)의 출력을 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 아무런 보정 없는 경우에 상기 유압 모터(4)의 출력은 퐁속 변화에 상응하여 변동이 심한 것을 확인할 수 있다. 도 5를 참조하면, 본 출원의 일 실시예에 의한 유압식 풍력발전기 제어장치의 모터 제어부(20)가 동작하는 경우에는 출력의 평활화가 이루어져서 안정적인 출력이 나오는 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 출원의 일 실시예에 의하면, 풍속에 무관하게 안정적으로 전기에너지를 생산하여 공급할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 의한 유압식 풍력발전기 제어방법의 순서도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 유압식 풍력발전기 제어방법은 유압 측정단계(S10), 평균동력 연산단계(S20) 및 모터 제어단계(S30)를 포함할 수 있다.
이하, 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 유압식 풍력발전기 제어방법을 설명한다.
유압 측정단계(S10)에서는 축압기 압력, 유압펌프 유량 및 유압모터 유량을 측정할 수 있다. 상기 유압 측정단계(S10)에서는 상기 축압기 압력, 유압펌프 유량 및 유압모터 유량을 모터 제어부(20)로 전송할 수 있다.
평균동력 연산단계(S20)에서는 모터 제어부(20)가 상기 축압기 압력, 유압펌프 유량 및 상기 유압모터 유량을 이용하여 유압모터 동력값 및 펌프동력 평균값을 계산할 수 있다. 상기 평균동력 연산단계(S20)에서는 상기 축압기 압력과 상기 유압펌프 유량을 곱하여 유압펌프 동력값을 구할 수 있다. 상기 평균동력 연산단계(S20)에서는 연속적으로 측정한 상기 유압펌프 동력값의 평균을 구하여 상기 펌프동력 평균값을 구할 수 있다. 상기 평균동력 연산단계(S20)에서는 상기 축압기 압력과 상기 유압모터 유량을 곱하여 유압모터 동력값을 구할 수 있다.
모터 제어단계(S30)에서는 상기 유압모터 동력값과 상기 펌프동력 평균값을 비교하고 유압모터 사판각을 제어할 수 있다. 구체적으로, 상기 모터 제어단계(S30)에서는 상기 유압모터 동력값이 상기 펌프동력 평균값에 도달할 때까지 상기 유압모터 사판각을 제어함으로써, 상기 유압 모터(4)가 상기 축압기(3)로부터 공급 받는 유압 에너지를 조절할 수 있다. 따라서, 상기 모터 제어단계(S30)에서는 상기 유압모터 사판각을 조절해 상기 축압기 압력을 제어함으로써, 상기 유압모터 동력값을 변화시킬 수 있다. 또한, 상기 모터 제어단계(S30)에서는 축압기(3)로부터 공급 받는 유압 에너지를 조절함으로써, 상기 유압 모터(4)의 출력을 일정하게 유지할 수 있다. 결국, 유압식 풍력발전기에서 생산하는 전기에너지의 양을 평활화하여 안전적인 전력 공급이 이뤄지게 할 수 있다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 유압식 풍력발전기 제어방법은 풍속 측정단계(S40), 최적속도 추출단계(S50) 및 펌프 제어단계(S60)를 더 포함할 수 있다.
풍속 측정단계(S40)에서는 외부의 풍속을 측정할 수 있다. 상기 풍속 측정에는 풍속을 측정할 수 있는 주지의 풍속계라면 어떠한 것이라도 사용될 수 있다. 상기 풍속 측정단계(S40)에서는, 풍속 이외에 풍력 터빈(1)의 회전 속도 또한 측정할 수 있다.
최적속도 추출단계(S50)에서는 상기 풍속에 따라 기 설정된 최적터빈속도를 추출할 수 있다. 구체적으로, 풍속에 따른 최적터빈속도는 풍력발전기를 운전하면서 쌓인 데이터를 통해 테이블로 미리 저장되어 있을 수 있다. 또는 상기 최적터빈속도는 풍속에 따라 고효율을 낼 수 있는 풍력 터빈(1)의 속도를 별도의 수학식을 통해 설정해 놓은 것일 수 있다. 상기 최적속도 추출단계(S50)에서는 미리 저장된 최적터빈속도 테이블에서 측정된 풍속에 대응하는 최적터빈속도를 추출하여 펌프 제어부(30)로 전송할 수 있다.
펌프 제어단계(S60)에서는 상기 최적터빈속도와 풍력 터빈(1)의 속도의 차이값을 구하고, 상기 차이값을 이용하여 유압펌프 사판각을 제어할 수 있다. 구체적으로, 풍력 터빈(1)의 속도는 유압펌프 사판각에 따라 제어될 수 있다. 따라서, 펌프 제어단계(S60)에서는 상기 유압펌프 사판각을 제어함으로써, 풍속에 무관하게 풍력 터빈(1)의 속도를 일정하게 유지할 수 있다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 의한 유압식 풍력발전기 제어방법 중 평균동력 연산단계(S20)의 일 실시예를 나타낸 순서도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 유압식 풍력발전기 제어방법 중 평균동력 연산단계(S20)는 모터동력 연산단계(S21), 유압에너지 연산단계(S22) 및 펌프동력 연산단계(S23)를 포함할 수 있다.
이하, 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 유압식 풍력발전기 제어방법 중 평균동력 연산단계(S20)를 설명한다.
모터동력 연산단계(S21)에서는 상기 축압기 압력 및 상기 유압모터 유량을 곱하여 유압모터 동력값을 구할 수 있다.
유압에너지 연산단계(S22)에서는 축압기 압력 및 유압펌프 유량을 곱하여 구한 유압펌프 동력값을 적분하여 유압 에너지값을 구할 수 있다. 구체적으로, 상기 유압에너지 연산단계(S22)에서는 상기 유압펌프 동력값을 적분기(21)에 입력할 수 있다. 상기 유압에너지 연산단계(S22)에서는, 상기 적분기(21)가 상기 유압펌프 동력값을 적분하여 유압 에너지값을 출력할 수 있다.
펌프동력 연산단계(S23)에서는 지연시간 간격으로 생성된 상기 유압 에너지값들의 차이값을 구하고 상기 차이값을 상기 지연시간으로 나누어 펌프동력 평균값을 구할 수 있다. 구체적으로, 상기 펌프동력 연산단계(S23)에서는 상기 유압 에너지값을 지연시간만큼 시간 지연시켜 과거 유압 에너지값을 출력할 수 있다. 이 경우에, 상기 펌프동력 연산단계(S23)에서는 연속적으로 생성된 유압 에너지값과 상기 과거 유압 에너지값의 차이값을 상기 지연시간으로 나누어 펌프동력 평균값을 계산할 수 있다.
본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명에 따른 구성요소를 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것이 명백할 것이다.
1: 풍력 터빈 2: 유압 펌프
3: 축압기 4: 유압 모터
5: 발전기
10: 측정부 20: 모터 제어부
21: 적분기 22: 시간지연기
23: 평균동력 산출기 24: 모터 사판각 조절부
30: 펌프 제어부
S10: 유압 측정단계
S20: 평균동력 연산단계
S21: 모터동력 연산단계
S22: 유압에너지 연산단계
S23: 펌프동력 연산단계
S30: 모터 제어단계
S40: 풍속 측정단계
S50: 최적속도 추출단계
S60: 펌프 제어단계

Claims (7)

  1. 유압식 풍력 발전기의 축압기 압력, 유압펌프 유량 및 유압모터 유량을 측정하는 측정부;
    유압모터 사판각에 따라 축압기에서 공급 받는 유압 에너지를 조절하고, 상기 유압 에너지를 기계동력으로 변환하는 유압모터;
    상기 유압모터로부터 상기 기계동력을 전달 받아서 전기에너지를 생성하는 발전기; 및
    상기 축압기 압력, 상기 유압펌프 유량 및 상기 유압모터 유량에 따라 상기 유압모터 사판각을 조절하여 상기 전기에너지의 생성량을 평활화하는 모터 제어부를 포함하고,
    상기 모터 제어부는
    상기 축압기 압력과 상기 유압모터 유량을 곱하여 유압모터 동력값을 구하고,
    특정 시간동안 펌프에서 공급된 동력의 평균인 펌프동력 평균값을 구하여
    상기 유압모터 동력값 및 상기 펌프동력 평균값을 이용하여 상기 유압모터 사판각을 조절하는 유압식 풍력발전기 제어장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 모터 제어부는
    상기 축압기 압력과 상기 유압펌프 유량을 곱하여 구한 유압펌프 동력값을 적분하여 유압 에너지값을 출력하는 적분기;
    상기 유압 에너지값을 지연시간만큼 지연시켜 과거 유압 에너지값으로 출력하는 시간지연기;
    상기 유압 에너지값과 상기 과거 유압 에너지값의 차이값을 상기 지연시간으로 나눠서 펌프동력 평균값을 계산하는 평균동력 산출기; 및
    상기 유압모터 동력값이 상기 펌프동력 평균값을 추종하도록 상기 유압모터 사판각을 제어하는 모터 사판각 조절부를 포함하는 유압식 풍력발전기 제어장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 측정부는 풍속 및 풍력 터빈의 회전 속도를 더 측정하고,
    유압펌프 사판각에 따라 상기 풍력 터빈의 회전 속도를 조절하고, 상기 풍력 터빈의 회전 속도에 부응하여 유압 에너지를 생성하는 유압펌프; 및
    풍속에 따라 기 설정된 최적터빈속도를 추출하고, 상기 최적터빈속도와 상기 풍력 터빈의 회전 속도의 차이값에 따라 상기 유압펌프 사판각을 제어하는 펌프 제어부를 더 포함하는 유압식 풍력발전기 제어장치.
  5. 축압기, 유압 펌프 및 유압 모터를 구비하는 유압식 풍력발전기 제어 방법에 있어서,
    축압기 압력, 유압펌프 유량 및 유압모터 유량을 측정하는 유압 측정단계;
    상기 축압기 압력, 유압펌프 유량 및 상기 유압모터 유량을 이용하여 유압모터 동력값 및 펌프동력 평균값을 계산하는 평균동력 연산단계; 및
    상기 유압모터 동력값과 상기 펌프동력 평균값을 비교하고 유압모터 사판각을 제어하는 모터 제어단계를 포함하는 유압식 풍력발전기 제어 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 평균동력 연산단계는
    상기 축압기 압력 및 상기 유압모터 유량을 곱하여 유압모터 동력값을 구하는 모터동력 연산단계;
    상기 축압기 압력 및 상기 유압펌프 유량을 곱하여 구한 유압펌프 동력값을 적분하여 유압 에너지값을 구하는 유압에너지 연산단계; 및
    지연시간 간격으로 생성된 상기 유압 에너지값들의 차이값을 구하고 상기 차이값을 상기 지연시간으로 나누어 펌프동력 평균값을 구하는 펌프동력 연산단계를 포함하는 유압식 풍력발전기 제어 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    외부의 풍속을 측정하는 풍속 측정단계;
    상기 풍속에 따라 기 설정된 최적터빈속도를 추출하는 최적속도 추출단계; 및
    상기 최적터빈속도와 풍력터빈 속도의 차이값을 구하고, 상기 차이값을 이용하여 유압펌프 사판각을 제어하는 펌프 제어단계를 더 포함하는 유압식 풍력발전기 제어 방법.

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