KR102221576B1 - 풍력 발전기의 출력증가 및 하중감소를 위한 나셀 라이다를 이용한 풍력발전기 제어시스템 및 이를 이용한 풍력발전기 제어방법 - Google Patents

풍력 발전기의 출력증가 및 하중감소를 위한 나셀 라이다를 이용한 풍력발전기 제어시스템 및 이를 이용한 풍력발전기 제어방법 Download PDF

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Abstract

나셀 라이다를 이용한 풍력발전기 제어시스템 및 이를 이용한 풍력발전기 제어방법에서, 상기 풍력발전기 제어시스템은 나셀 라이다, 연산부 및 제어부를 포함한다. 상기 나셀 라이다는 전방의 미래의 풍속, 및 전방의 과거 및 미래의 풍향을 측정한다. 상기 연산부는 상기 나셀 라이다의 측정 결과를 바탕으로 미래의 풍속변화를 연산하는 풍속 연산부, 및 상기 나셀 라이다의 측정 결과를 바탕으로 미래의 풍향변화를 연산하는 풍향 연산부를 포함한다. 상기 제어부는 상기 풍속 연산부의 연산 결과를 바탕으로 풍력 발전기의 피치(pitch)를 제어하는 피치 제어부, 및 상기 풍향 연산부의 연산 결과를 바탕으로 풍력 발전기의 요(yaw)를 제어하는 요 제어부를 포함한다.

Description

풍력 발전기의 출력증가 및 하중감소를 위한 나셀 라이다를 이용한 풍력발전기 제어시스템 및 이를 이용한 풍력발전기 제어방법{CONTROL SYSTEM FOR AEROGENERATOR USING NACELLE LIDAR AND METHOD FOR CONTROLLING AEROGENERATOR USING THE SAME}
본 발명은 나셀 라이다를 이용한 풍력발전기 제어시스템 및 이를 이용한 풍력발전기 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 풍력발전기의 나셀 라이다의 측정 결과를 바탕으로 풍속 변화 및 풍향 변화를 미리 감지하여 풍력발전기의 피치(pitch)와 요(yaw)를 제어할 수 있는 나셀 라이다를 이용한 풍력발전기 제어시스템 및 이를 이용한 풍력발전기 제어방법에 관한 것이다.
풍력 발전기의 나셀(Nacelle) 상부에는 바람의 속도와 방향을 계측하는 풍향계 및 풍속계가 구비되는데, 일반적으로, 풍향계에서 측정되는 바람의 방향을 바탕으로 풍력발전기에 대한 제어가 수행되며, 풍속계는 풍력발전기에 대한 제어에는 사용되지 않는다.
이러한 풍력 발전기에 제어와 관련하여, 대한민국 등록특허 제10-1280764호에서는 풍속 피드포워드 제어를 이용한 풍력 터빈 제어방법을 개시하고 있으며, 풍력 발전기의 거동에서 풍속을 추정하여 이를 바탕으로 풍력 터빈의 제어를 수행하는 기술을 개시하고 있다.
또한, 대한민국 등록특허 제10-1956715호에서는 풍력 터빈의 요 제어를 위한 풍향 예측 방법 빛 장치를 개시하며, 과거의 풍향 데이터를 바탕으로 풍력 터빈의 요 제어를 수행하는 기술을 개시하고 있다.
이상과 같이, 종래 대부분의 풍력 발전기의 제어에서는, 측정된 데이터, 즉 과거의 측정 데이터를 바탕으로 풍력 발전기를 제어하는 것으로 이러한 제어의 경우, 풍속 변화 이후에 풍력 발전기가 후속하여 제어되는 것으로 정확한 제어가 어려우며, 풍력 발전기에 인가되는 하중이 증가하는 등의 문제를 야기하게 된다.
대한민국 등록특허 제10-1280764호 대한민국 등록특허 제10-1956715호
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 풍력발전기의 나셀 라이다의 측정결과를 바탕으로 풍속 변화 및 풍향 변화를 미리 감지하여 풍력발전기의 피치(pitch)와 요(yaw)를 제어할 수 있는 나셀 라이다를 이용한 풍력발전기 제어시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 풍력발전기 제어시스템을 이용한 풍력발전기 제어방법을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 의한 풍력발전기 제어시스템은 나셀 라이다, 연산부 및 제어부를 포함한다. 상기 나셀 라이다는 전방의 미래의 풍속, 및 전방의 과거 및 미래의 풍향을 측정한다. 상기 연산부는 상기 나셀 라이다의 측정 결과를 바탕으로 미래의 풍속변화를 연산하는 풍속 연산부, 및 상기 나셀 라이다의 측정 결과를 바탕으로 미래의 풍향변화를 연산하는 풍향 연산부를 포함한다. 상기 제어부는 상기 풍속 연산부의 연산 결과를 바탕으로 풍력 발전기의 피치(pitch)를 제어하는 피치 제어부, 및 상기 풍향 연산부의 연산 결과를 바탕으로 풍력 발전기의 요(yaw)를 제어하는 요 제어부를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 피치 제어부는 상기 풍력 발전기의 날개부의 각도를 제어하고, 상기 요 제어부는 상기 풍력 발전기가 향하는 방향을 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 피치 제어부는, 상기 풍력 발전기의 터빈을 제어함과 동시에, 상기 풍속 연산부의 연산 결과를 바탕으로 풍력 발전기의 피치를 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 나셀 라이다는 상기 나셀 라이다보다 소정 거리 전방에서의 풍속을 측정하며, 상기 나셀 라이다는 상기 나셀 라이다를 통과한 풍향, 및 상기 나셀 라이다보다 소정 거리 전방에서의 풍향을 측정할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 풍향 연산부는, 과거의 특정 시간으로부터 현재까지의 요에러(yaw error)와 현재의 요에러를 동시에 고려하여 상기 미래의 풍향변화를 연산할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 풍향 연산부는, 상기 과거의 특정 시간으로부터 현재까지의 요에러에 제1 가중치를 인가하고, 상기 미래의 요에러에 제2 가중치를 인가하여 상기 미래의 풍향변화를 연산할 수 있다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 의한 풍력발전기 제어방법은, 나셀 라이다로 미래의 풍속을 측정하는 단계, 상기 나셀 라이다의 측정 결과를 바탕으로 미래의 풍속 변화를 연산하는 단계, 상기 미래의 풍속 변화를 바탕으로 풍력 발전기의 피치 제어값을 연산하는 단계, 상기 나셀 라이다로 과거 및 미래의 풍향을 측정하는 단계, 상기 나셀 라이다의 측정 결과를 바탕으로 미래의 풍향 변화를 연산하는 단계, 상기 미래의 풍향변화를 바탕으로 상기 풍력 발전기의 요 제어값을 연산하는 단계, 및 상기 연산된 피치 제어값 및 요 제어값을 바탕으로 상기 풍력발전기의 피치와 요를 제어하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 나셀 라이다는 상기 나셀 라이다보다 소정 거리 전방에서의 풍속을 측정하여 미래의 풍속을 측정하고, 상기 나셀 라이다는 상기 나셀 라이다를 통과한 풍향, 및 상기 나셀 라이다보다 소정 거리 전방에서의 풍향을 측정하여, 과거 및 미래의 풍향을 측정할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 나셀 라이다의 측정 결과를 바탕으로, 미래의 풍속변화 및 풍향변화를 모두 연산할 수 있으며, 이에 따라 이미 변화된 풍속이나 풍향을 후속하여 추종하지 않고 실시간으로 변화하는 풍속과 풍향을 추종할 수 있다.
이를 통해, 특히 풍속변화를 바탕으로 한 피치의 실시간 제어를 통해, 갑자기 돌풍이 부는 등의 상황에서의 효과적인 추종으로 풍력 발전기에 인가되는 하중을 최소화할 수 있다.
또한, 풍향변화를 바탕으로 한 요의 실시간 제어도 가능하여, 풍력 발전기의 요 에러를 크게 감소시킬 수 있어, 풍력 발전기의 출력 증가를 도모할 수 있다.
특히, 미래의 풍향변화의 연산을 과거의 특정 시간으로부터 현재까지의 요에러와, 미래의 요에러를 동시에 고려하며, 필요에 따라 서로 다른 가중치를 인가하거나, 나아가 로우패스필터의 계수를 변경하여 예측할 수 있으므로, 미래의 풍향변화에 대한 보다 정확한 예측이 가능하게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 풍력발전기 제어시스템에 의해 제어되는 풍력 발전기를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 풍력발전기 제어시스템을 도시한 블록도이다.
도 3은 도 1의 풍력발전기 제어시스템에 의해 고려되는 풍속 변화 또는 풍향 변화를 도시한 모식도이다.
도 4는 종래기술에 의한 풍력발전기 제어시스템과 도 1의 풍력발전기 제어시스템의 제어 결과를 비교하여 도시한 그래프들이다.
도 5는 도 1의 풍력발전기 제어시스템을 이용한 풍력발전기 제어방법을 도시한 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 풍력발전기 제어시스템에 의해 제어되는 풍력 발전기를 도시한 사시도이다. 도 2는 도 1의 풍력발전기 제어시스템을 도시한 블록도이다. 도 3은 도 1의 풍력발전기 제어시스템에 의해 고려되는 풍속 변화 또는 풍향 변화를 도시한 모식도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 실시예에 의한 풍력발전기 제어시스템(1)은 풍력 발전기(10), 나셀 라이다(Nacelle Lidar)(20), 연산부(30) 및 제어부(40)를 포함한다.
상기 풍력 발전기(10)는 상부 방향으로 지면으로부터 연장되는 기둥부(11), 상기 기둥부(11)의 끝단에 전면(前面)을 향하며 회전하는 날개부(12), 및 상기 날개부(12)의 후측이나 상기 기둥부(11)의 상측 끝단에 위치하여, 상기 날개부(12)의 동작을 제어하는 제어부(40) 등이 구비되는 나셀(13)을 포함한다.
상기 나셀 라이다(Nacelle Lidar)(20)는 상기 나셀(13)에 위치하여, 상기 풍력 발전기(10)가 향하는 전방의 풍속이나 풍향을 측정한다.
이 경우, 상기 나셀 라이다(20)는 전방의 바람의 방향 및 속도를 측정하는 것으로, 전방의 특정 위치에서의 X, Y, Z 방향으로의 바람의 방향, 및 각 방향으로의 바람의 속도를 측정하게 된다.
보다 구체적으로, 상기 나셀 라이다(20)는 풍력 발전기(10)의 전방에서의 풍속을 측정함으로써, 결국 상기 풍력 발전기(10)에 도달하는 미래의 풍속을 측정한다.
즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 풍력 발전기(10)로부터 제1 거리(S1)에 위치한 바람(51)의 제1 풍속, 제2 거리(S2)에 위치한 바람(52)의 제2 풍속, 제3 거리(S3)에 위치한 바람(53)의 제3 풍속 등을 각각 측정할 수 있다. (이 경우, S1<S2<S3라 가정함)
즉, 상기 제1 거리(S1)에 위치한 바람(51)의 제1 풍속이 현재로부터 제1 시간(t1) 후에 상기 풍력 발전기(10)로 도달하게 되며, 상기 제2 거리(S2)에 위치한 바람(52)의 제2 풍속이 현재로부터 제2 시간(t2) 후에 상기 풍력 발전기(10)로 도달하게 되며, 상기 제3 거리(S3)에 위치한 바람(53)의 제3 풍속이 현재로부터 제3 시간(t3) 후에 상기 풍력 발전기(10)로 도달하게 되므로(이 경우, t1<t2<t3), 상기 나셀 라이다(20)는 상기 전방의 바람의 풍속을 측정함으로써, 상기 풍력 발전기(10)에 도달하는 미래의 풍속을 측정하게 된다.
이와 달리, 상기 나셀 라이다(20)는 일정한 제1 거리(S1)에 위치한 바람(51)의 제1 풍속을 지속적으로 측정함으로써, 상기 풍력 발전기(10)로 제1 시간(t1) 이후에 도달하는 바람의 풍속을 연속적으로 측정할 수도 있다.
이와 같이, 상기 나셀 라이다(20)에서는 상기 풍력 발전기(10)에 도달하는 미래의 풍속을 측정하여, 상기 연산부(30)로 제공한다.
상기 나셀 라이다(20)는 상기 풍력 발전기(10)를 기 통과한 과거의 풍향을 측정하는 것은 물론, 상기 풍력 발전기(10)의 전방에서의 풍향을 측정함으로써, 결국 상기 풍력 발전기(10)에 도달한 과거의 풍향 및 상기 풍력 발전기(10)에 도달하는 미래의 풍향을 측정한다.
즉, 상기 나셀 라이다(20)는 도시하지는 않았으나, 상기 나셀 라이다(20)를 기 통과한 과거의 풍향을 측정하여 해당 측정 결과를 상기 연산부(30)로 제공한다. 이 경우, 상기 나셀 라이다(20)는 전방의 바람의 풍향을 측정할 수 있으므로, 과거 시간에서의 전방의 바람의 풍향 정보가 곧 과거의 풍향 정보라 할 수 있으므로, 과거의 풍향을 측정하는 것이 가능하다.
또한, 상기 나셀 라이다(20)와 유사하게, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 풍력 발전기(10)로부터 제1 거리(S1)에 위치한 바람(51)의 제1 풍향, 제2 거리(S2)에 위치한 바람(52)의 제2 풍향, 제3 거리(S3)에 위치한 바람(53)의 제3 풍향 등을 각각 측정할 수 있다.
즉, 상기 제1 거리(S1)에 위치한 바람(51)의 제1 풍향이 현재로부터 제1 시간(t1) 후에 상기 풍력 발전기(10)로 도달하게 되며, 상기 제2 거리(S2)에 위치한 바람(52)의 제2 풍향이 현재로부터 제2 시간(t2) 후에 상기 풍력 발전기(10)로 도달하게 되며, 상기 제3 거리(S3)에 위치한 바람(53)의 제3 풍향이 현재로부터 제3 시간(t3) 후에 상기 풍력 발전기(10)로 도달하게 되므로, 상기 나셀 라이다(20)는 상기 전방의 바람의 풍향을 측정함으로써, 상기 풍력 발전기(10)에 도달하는 미래의 풍향을 측정하게 된다.
이와 달리, 상기 나셀 라이다(20)는 일정한 제1 거리(S1)에 위치한 바람(51)의 제1 풍향을 지속적으로 측정함으로써, 상기 풍력 발전기(10)로 제1 시간(t1) 이후에 도달하는 바람의 풍향을 연속적으로 측정할 수도 있다.
이와 같이, 상기 나셀 라이다(20)에서는 상기 풍력 발전기(10)에 도달하는 미래의 풍향을 측정하여, 상기 연산부(30)로 제공한다.
상기 연산부(30)는 풍속 연산부(31) 및 풍향 연산부(32)를 포함한다.
상기 풍속 연산부(31)는 상기 나셀 라이다(20)로부터, 상기 풍력 발전기(10)로 도달하는 미래의 풍속에 대한 측정 결과를 바탕으로, 미래의 풍속변화를 연산한다.
즉, 상기 풍속 연산부(31)에서는, 상기 나셀 라이다(20)에서 측정된 상기 풍력 발전기(10)로부터 소정 거리 전방에 위치한 바람의 풍속에 대한 측정 결과와, 상기 바람이 위치하는 전방까지의 소정 거리에 대한 정보, 상기 바람이 상기 풍력 발전기(10)에 도달하기까지의 예상 시간에 대한 정보 등을 바탕으로, 미래, 즉 현재로부터 일정 시간 경과한 이후의 시간에서의 풍속을 연산하고, 이렇게 일정 시간 경과한 이후의 시간에서의 풍속 연산결과를 연속적으로 수행함으로써, 미래의 풍속 변화를 연속적으로 연산하게 된다.
이상과 같이, 상기 풍속 연산부(31)에서 미래의 풍속 변화를 연산하면, 이를 바탕으로 풍력 발전기의 피치 제어값을 연산할 수 있다.
상기 풍향 연산부(32)는 상기 나셀 라이다(20)로부터, 상기 풍력 발전기(10)를 통과한 과거의 풍향에 대한 측정 결과와, 상기 풍력 발전기(10)로 도달하는 미래의 풍향에 대한 측정 결과를 바탕으로, 미래의 풍향변화를 연산한다.
이 경우, 상기 풍향 연산부(32)에서는, 풍향과 관련하여 결국, 상기 풍력 발전기(10)가 향하는 방향과, 바람이 진행하는 방향의 차이로 정의되는 요 에러(yaw error)를 연산함으로써, 미래의 풍향 변화를 연산한다.
즉, 상기 풍향 연산부(32)에서는, 상기 나셀 라이다(20)에서 측정된 상기 풍력 발전기(10)를 통과한 바람의 풍향에 대한 측정 결과를 바탕으로, 과거의 특정 시간으로부터 현재까지의 요에러를 연산한다.
또한, 상기 풍향 연산부(32)에서는, 상기 나셀 라이다(20)에서 측정된 상기 풍력 발전기(10)로부터 소정 거리 전방에 위치한 바람의 풍향에 대한 측정 결과와, 상기 바람이 위치하는 전방까지의 소정 거리에 대한 정보, 상기 바람이 상기 풍력 발전기(10)에 도달하기까지의 예상 시간에 대한 정보 등을 바탕으로, 미래, 즉 현재로부터 일정 시간 경과한 이후의 시간에서의 풍향에 의한 요에러를 연산하고, 이렇게 일정 시간 경과한 이후의 시간에서의 요에러의 연산결과를 연속적으로 수행함으로써, 미래의 요에러를 연속적으로 연산하게 된다.
이상과 같이, 상기 풍향 연산부(32)에서는, 과거의 풍향으로부터 과거의 특정시간으로부터 현재까지의 요에러를 연산하고, 미래의 풍향으로부터 미래의 요에러를 연산하며, 상기 과거의 요에러와 미래의 요에러를 동시에 고려하여 미래의 풍향변화를 연산한다.
예를 들어, 상기 풍향 연산부(32)에서는, 상기 과거의 요에러에 대하여 제1 가중치를 인가하고, 상기 미래의 요에러에 대하여 제2 가중치를 인가하여, 상기 미래의 풍향변화를 연산할 수 있다.
이 경우, 상기 제1 가중치와 상기 제2 가중치는 다양하게 설정할 수 있으며, 미래의 풍향 변화를 예측하는 것으로, 미래의 풍향에 대한 정보가 더 고려되어야 함을 고려하면, 상기 제1 가중치가 상기 제2 가중치보다 작게 설정될 수 있다.
이와 달리, 상기 풍향 연산부(320)에서는 상기 과거의 요에러와 상기 미래의 요에러에 대하여, 각각 로우패스필터(low path filter)의 계수를 서로 다르게 변경하여 미래의 풍향변화를 연산할 수도 있다.
이상과 같이, 상기 풍향 연산부(32)에서, 미래의 요에러에 추가하여 과거의 요에러를 고려하는 것은, 상기 풍력 발전기(10)의 날개부(12)를 제어하여 바람의 방향에 맞도록 상기 날개부(12)를 회전시키는 것은 상대적으로 많은 시간이 필요한 것으로, 상기 날개부(12)를 회전시키는 과정에서 미래의 요에러가 추가로 변화할 수 있기 때문이다.
즉, 단순히 미래의 요에러만 고려하여 미래의 요에러에 부합하도록 상기 날개부(12)를 회전시키는 경우, 날개부(12)가 특정 미래 시간에서의 요에러에 부합하도록 회전하여 위치하기도 전에 미래의 요에러가 변화될 수 있으며, 이에 따라 미래의 요에러만을 추종하게 되면 상기 날개부(12)에 대한 제어는 정확한 바람의 방향을 추종하기 어려워진다.
따라서, 과거의 요에러도 동시에 고려함으로써, 미래의 요에러의 변화 요인을 일정 부분 상쇄하면서, 상대적으로 많은 시간이 소요됨에 따라 급격하게 변화하는 경우의 미래의 요에러를 정확하게 추정하지 못하는 날개부(12)의 회전 속도의 한계를 보상하여, 요에러를 최소화하도록 상기 풍력 발전기(10)를 제어할 수 있다.
이상과 같이, 상기 풍향 연산부(32)에서 미래의 풍향 변화를 연산하면, 이를 바탕으로 풍력 발전기의 요 제어값을 연산할 수 있다.
상기 제어부(40)는 피치 제어부(41) 및 요 제어부(42)를 포함한다.
상기 피치 제어부(41)는 상기 풍속 연산부(31)에서 연산된 미래의 풍속 변화의 연산 결과를 바탕으로, 미래의 풍속에 부합하도록 상기 풍력 발전기(10)의 날개부(12)의 각도를 제어한다.
즉, 상기 미래의 풍속 변화의 연산 결과로부터 피치 제어값이 연산되면, 이를 바탕으로 상기 풍력 발전기(10)의 피치, 즉 날개부(12)의 각도를 제어하게 된다.
이와 같이, 상기 풍력 발전기(10)의 날개부(12)의 각도를 제어함으로써, 상기 풍력 발전기(10)의 출력을 일정하게 유지시킬 수 있다.
한편, 종래의 경우, 상기 피치 제어부(41)에서는 단순히 상기 풍력 발전기의 터빈을 제어하여 출력을 일정하게 유지시키는 것만 수행하였으나, 본 실시예의 경우, 상기 터빈의 제어는 물론, 상기와 같이 미래의 풍속에 부합하도록 상기 날개부(12)의 각도를 제어함으로서, 상기 풍력 발전기(10)의 출력을 보다 일정하게 제어할 수 있다.
상기 요 제어부(42)는 상기 풍향 연산부(32)로부터 연산된 미래의 풍향 변화의 연산 결과를 바탕으로, 미래의 풍향에 부합하도록 상기 풍력 발전기(10)의 날개부(12)가 향하는 방향을 제어한다.
즉, 상기 미래의 풍향 변화의 연산 결과로부터 요 제어값이 연산되면, 이를 바탕으로 상기 풍력 발전기(10)의 요, 즉 상기 풍력 발전기(10)가 향하는 방향을 제어하게 된다.
이 경우, 앞서 설명한 바와 같이, 상기 풍력 발전기(10)가 향하는 방향을 제어하는 것은, 상대적으로 시간이 많이 소요되는 것으로, 상기 미래의 풍향 변화의 연산에서 이러한 제어 속도의 특성을 고려하여 과거의 풍향에 대한 정보도 동시에 고려하여 최적화된 제어를 수행하게 된다.
도 4는 종래기술에 의한 풍력발전기 제어시스템과 도 1의 풍력발전기 제어시스템의 제어 결과를 비교하여 도시한 그래프들이다.
도 4에서는, 시간의 경과에 따른 풍속 변화에 대하여, 종래의 풍력발전기 제어시스템, 즉 현재의 풍속에 대한 정보만을 바탕으로 풍력발전기를 제어하는 경우의 피치각도, 로터 속도 및 하중의 변화와, 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 실시예에서의 풍력발전기 제어시스템을 이용하여 풍력발전기를 제어하는 경우의 피치각도, 로터 속도 및 하중의 변화를 도시하였다.
도 4를 참조하면, 특정 시간(t)에서 급격한 풍속이 변화하는 경우에 대하여, 종래의 제어시스템에 의하면, 상기 급격한 풍속 변화가 발생하는 시간(t)으로부터 소정 시간이 경과한 이후에 비로소 풍력 발전기의 피치 각도가 상기 풍속 변화를 추종하고 있으나, 본 실시예에 의하면, 상기 풍속 변화가 발생하는 시간(t)과 거의 일치하는 시간에 풍력 발전기의 피치 각도가 변화하여, 상기 풍속 변화를 거의 그대로 추종함을 확인할 수 있다.
또한, 종래 제어시스템의 경우, 풍속이 급격하게 변화하는 시간(t) 이후, 날개부의 회전속도, 즉 로터 속도의 변화량이 증가함을 확인할 수 있지만, 본 실시예의 경우, 상기 풍속의 급격한 변화와 무관하게 날개부의 회전속도가 일정하게 유지함을 확인할 수 있다.
나아가, 종래 제어시스템의 경우, 풍속이 급격하게 변화하는 시간(t) 이후, 상기 풍력 발전기의 전방 및 후방의 하중이 급격하게 변화하여 하중 변화가 매우 큰 것을 확인할 수 있으나, 본 실시예의 경우, 상기 풍속의 변화와 무관하게 하중은 거의 일정하게 유지되는 것을 확인할 수 있다.
이상과 같이, 본 실시예에 의한 풍력발전기 제어시스템을 통한 제어의 경우, 날개부의 회전방향이 바람의 방향을 잘 추종하는 것은 물론, 날개부의 회전속도 및 풍력발전기에 인가되는 하중은 전체적으로 풍속의 변화와 무관하게 일정하게 유지되는 것을 확인할 수 있다.
도 5는 도 1의 풍력발전기 제어시스템을 이용한 풍력발전기 제어방법을 도시한 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 상기 풍력발전기 제어시스템(1)을 이용한 풍력발전기 제어방법에서는, 우선, 상기 나셀 라이다(20)를 이용하여 미래의 풍속을 측정하고(단계 S10), 상기 측정된 미래의 풍속의 측정 결과를 바탕으로 상기 풍속 연산부(31)에서 미래의 풍속 변화를 연산한다(단계 S20).
이 경우, 상기 풍속 연산부(31)에서는 상기 미래의 풍속 변화에 대한 정보를 바탕으로, 상기 풍력 발전기(10)의 피치 제어값을 연산하며(단계 S30), 이렇게 연산된 상기 피치 제어값을 바탕으로, 상기 피치 제어부(41)에서는 상기 풍력발전기(10)의 피치를 제어한다(단계 S40).
이와 동시에, 상기 풍력발전기 제어방법에서는, 상기 나셀 라이다(20)를 이용하여 과거 및 미래의 풍향을 측정하고(단계 S11), 상기 측정된 과거 및 미래의 풍향을 바탕으로 상기 풍향 연산부(32)는 미래의 풍향 변화를 연산한다(단계 S21).
이 경우, 상기 풍향 연산부(32)에서는, 상기 미래의 풍향 변화를 바탕으로, 상기 풍력 발전기(10)의 요 제어값을 연산하며(단계 S31), 이렇게 연산된 요 제어값을 바탕으로, 상기 요 제어부(42)에서는 상기 풍력발전기(10)의 요를 제어한다(단계 S40).
한편, 상기 풍력발전기 제어방법에서, 각 단계에서의 나셀 라이다(20)의 풍속 및 풍향 측정, 연산부(30)의 풍속 및 풍향 연산, 제어부(40)의 피치 및 요 제어에 대하여는 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 상기 풍력발전기 제어시스템(1)에 대한 설명과 동일하므로 중복되는 설명은 이를 생략한다.
상기와 같은 본 발명의 실시예들에 의하면, 나셀 라이다의 측정 결과를 바탕으로, 미래의 풍속변화 및 풍향변화를 모두 연산할 수 있으며, 이에 따라 이미 변화된 풍속이나 풍향을 후속하여 추종하지 않고 실시간으로 변화하는 풍속과 풍향을 추종할 수 있다.
이를 통해, 특히 풍속변화를 바탕으로 한 피치의 실시간 제어를 통해, 갑자기 돌풍이 부는 등의 상황에서의 효과적인 추종으로 풍력 발전기에 인가되는 하중을 최소화할 수 있다.
또한, 풍향변화를 바탕으로 한 요의 실시간 제어도 가능하여, 풍력 발전기의 요 에러를 크게 감소시킬 수 있어, 풍력 발전기의 출력 증가를 도모할 수 있다.
특히, 미래의 풍향변화의 연산을 과거의 특정 시간으로부터 현재까지의 요에러와, 미래의 요에러를 동시에 고려하며, 필요에 따라 서로 다른 가중치를 인가하여 예측할 수 있으므로, 미래의 풍향변화에 대한 보다 정확한 예측이 가능하게 된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1 : 풍력 발전기 제어시스템
10 : 풍력발전기 11 : 기둥부
12 : 날개부 13 : 나셀
20 : 나셀 라이다 30 : 연산부
40 : 제어부 41 : 피치제어부
42 : 요제어부

Claims (8)

  1. 전방의 미래의 풍속, 및 전방의 과거 및 미래의 풍향을 측정하는 나셀 라이다;
    상기 나셀 라이다의 측정 결과를 바탕으로 미래의 풍속변화를 연산하는 풍속 연산부, 및 상기 나셀 라이다의 측정 결과를 바탕으로 미래의 풍향변화를 연산하는 풍향 연산부를 포함하는 연산부; 및
    상기 풍속 연산부의 연산 결과를 바탕으로 풍력 발전기의 피치(pitch)를 제어하는 피치 제어부, 및 상기 풍향 연산부의 연산 결과를 바탕으로 풍력 발전기의 요(yaw)를 제어하는 요 제어부를 포함하는 제어부를 포함하고,
    상기 풍향 연산부는, 과거의 특정 시간으로부터 현재까지의 요에러에 제1 가중치를 인가하고, 미래의 요에러에 제2 가중치를 인가하여 상기 미래의 풍향변화를 연산하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기 제어시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 피치 제어부는 상기 풍력 발전기의 날개부의 각도를 제어하고,
    상기 요 제어부는 상기 풍력 발전기가 향하는 방향을 제어하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기 제어시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 피치 제어부는,
    상기 풍력 발전기의 터빈을 제어함과 동시에, 상기 풍속 연산부의 연산 결과를 바탕으로 풍력 발전기의 피치를 제어하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기 제어시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 나셀 라이다는 상기 나셀 라이다보다 소정 거리 전방에서의 풍속을 측정하며,
    상기 나셀 라이다는 상기 나셀 라이다를 통과한 풍향, 및 상기 나셀 라이다보다 소정 거리 전방에서의 풍향을 측정하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기 제어시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 풍향 연산부는,
    상기 나셀 라이다의 측정 결과를 바탕으로, 과거의 특정 시간으로부터 현재까지의 요에러(yaw error)와 미래의 요에러를 동시에 고려하여 상기 미래의 풍향변화를 연산하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기 제어시스템.
  6. 삭제
  7. 나셀 라이다로 미래의 풍속을 측정하는 단계;
    상기 나셀 라이다의 측정 결과를 바탕으로 미래의 풍속 변화를 연산하는 단계;
    상기 미래의 풍속 변화를 바탕으로 풍력 발전기의 피치 제어값을 연산하는 단계;
    상기 나셀 라이다로 과거 및 미래의 풍향을 측정하는 단계;
    상기 나셀 라이다의 측정 결과를 바탕으로 미래의 풍향 변화를 연산하는 단계;
    상기 미래의 풍향변화를 바탕으로 상기 풍력 발전기의 요 제어값을 연산하는 단계; 및
    상기 연산된 피치 제어값 및 요 제어값을 바탕으로 상기 풍력발전기의 피치와 요를 제어하는 단계를 포함하고,
    상기 미래의 풍향 변화를 연산하는 단계에서, 과거의 특정 시간으로부터 현재까지의 요에러에 제1 가중치를 인가하고, 미래의 요에러에 제2 가중치를 인가하여 상기 미래의 풍향변화를 연산하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기 제어방법.
  8. ◈청구항 8은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제7항에 있어서,
    상기 나셀 라이다는 상기 나셀 라이다보다 소정 거리 전방에서의 풍속을 측정하여 미래의 풍속을 측정하고,
    상기 나셀 라이다는 상기 나셀 라이다를 통과한 풍향, 및 상기 나셀 라이다보다 소정 거리 전방에서의 풍향을 측정하여, 과거 및 미래의 풍향을 측정하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기 제어방법.
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