KR20130016332A - 재생 에너지형 발전 장치 및 그 운전 방법 - Google Patents

재생 에너지형 발전 장치 및 그 운전 방법 Download PDF

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가즈히사 츠츠미
마사유키 시미즈
니올 칼드웰
다니일 덤노브
윌리엄 람펜
스테판 라이어드
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미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 재생 에너지의 변동에 따라 신속히 소망의 토크를 얻을 수 있는 재생 에너지형 발전 장치 및 이 장치를 운전하는 방법을 제공한다. 재생 에너지원으로부터 전력을 생성하는 재생 에너지형 발전 장치는, 재생 에너지에 의해서 구동되는 회전 샤프트(8)와, 회전 샤프트(8)에 의해서 구동되는 가변 용량형의 유압 펌프(12)와, 유압 펌프(12)로부터 공급되는 압유에 의해서 구동되는 유압 모터(14)와, 유압 모터(14)에 연결된 발전기(20)와, 유압 펌프(12)의 토출측을 유압 모터(14)의 흡입측에 연통시키는 고압유 라인(16)과, 유압 펌프(12)의 목표 토크(Td) 및 고압유 라인(16)의 작동유 압력에 근거하여 유압 펌프의 변위용적 요구값(Dp)을 결정하는 펌프 요구값 결정 유닛(44)과, 유압 펌프(12)의 변위용적을 결정된 변위용적 요구값(Dp)으로 조절하는 펌프 제어기(46)를 구비한다.

Description

재생 에너지형 발전 장치 및 그 운전 방법{POWER GENERATING APPARATUS OF RENEWABLE ENERGY TYPE AND METHOD OF OPERATING THE SAME}
본 발명은, 유압 펌프 및 유압 모터를 조합한 유압 트랜스미션을 거쳐서, 재생 에너지원으로부터 얻어지는 로터의 회전 에너지를 발전기에 전달하는 재생 에너지형 발전 장치 및 이 재생 에너지형 발전 장치의 운전 방법에 관한 것이다.
최근에, 환경의 보전의 관점으로부터, 풍력을 이용한 풍력 발전 장치나, 조류를 이용한 조류 발전 장치 등의 재생 에너지형 발전 장치를 이용하는 것이 진행되고 있다.
이러한 재생 에너지 장치는 종래부터 기어박스 형태의 트랜스미션이 이용되었고, 이러한 트랜스미션은, 재생 에너지원의 동적 에너지가 입력되는 풍력 또는 조류 발전 장치의 로터와 같은 에너지 추출 기구의 저속 회전을 동력 발생 장치를 구동하기 위한 고속 회전으로 변환한다. 예를 들면, 일반적인 풍력 발전 장치에서는, 로터의 회전 속도는 대략 수 rpm 내지 수십 rpm인데 반하여, 동력 발생 장치의 정격 회전 속도는 통상 1500rpm 또는 1800rpm이다. 따라서, 기계식 기어박스는 로터와 발전기 사이에 마련되어 있다. 특히, 로터의 회전 속도는 기어박스에 의해 발전기의 정격 회전 속도까지 증속된 후, 발전기에 입력된다.
이러한 기어박스 형태의 트랜스미션은, 고장나기 쉽거나, 유지보수 및 교환, 혹은 수리의 비용이 커지거나 하는 경향이 있기 때문에, 설계 및 건설을 변경하는 과제로 되었다.
다른 과제로서, 모든 조건하에 있어서, 에너지 추출 기구에 의해 최적 양의 에너지를 추출 가능한 재생 에너지형 발전 장치를 설계하는 것을 들 수 있다. 이와 같은 설계를 실현하는 가장 효과적인 장치로서 피치각이 고정된 상태에서 블레이드를 보지하고, "선단 속도비(tip speed ratio)"가 거의 일정해지도록, 동작 범위의 대부분에 풍속 또는 유속에 대하여 비례적으로 블레이드의 회전 속도를 변화시키는 것이 있다. 비용 효율이 높은 규모의 재생 에너지형 발전 장치에서 기어박스는 이 비가 항상 고정되어 있으며, 그 때문에 복잡화하고 고장나기 쉬운 전력 변환 장치에 의해 AC 전력망으로 전력을 공급해야만 한다.
최근에, 기계식 기어박스를 대신하여, 가변 용량형의 유압 펌프 및 유압 모터를 조합한 유압 트랜스미션을 채용한 재생 에너지형 발전 장치가 주목받고 있다. 이와 같은 발전 장치에서는, 대규모에 대해서도 유압 트랜스미션 가변비를 실현할 수 있다. 이러한 유압 트랜스미션은 기어박스보다 경량이고 또한 로버스트(robust)이며, 또한 다이렉트 드라이브 유닛보다 경량이다. 따라서, 발전에 따른 전체 비용을 삭감할 수 있다.
예를 들면, 특허문헌 1에는, 로터에 의해 회전되는 유압 펌프와, 발전기에 접속된 유압 모터와, 유압 펌프 및 유압 모터의 사이에 마련된 작동유 유로로 이루어지는 유압 트랜스미션을 이용한 풍력 발전 장치가 기재되어 있다. 이 풍력 발전 장치의 유압 트랜스미션에서는, 복수조의 피스톤 및 실린더와, 실린더 내에서 피스톤을 주기적으로 왕복운동시키는 캠과, 피스톤의 왕복운동에 맞추어 개폐되는 고압 밸브 및 저압 밸브로 유압 펌프가 구성되어 있다. 그리고, 상사점 근방에서 피스톤을 래치함으로써, 실린더와 피스톤으로 둘러싸인 작동실은 비작동 상태로 되어 유압 펌프의 변위용적을 변화시킨다.
또한, 특허문헌 2에는, 풍력 발전 장치의 로터 회전 속도를 조절하는 장치가 개시되어 있다. 이 장치는, 로터에 의해 구동되는 회전 샤프트와, 회전 샤프트에 의해 액티브화되는 다단 펌프를 구비한다. 각 단은 공통의 작동유 흡입 라인을 단과 연결하는 흡입 수단과, 공통의 작동유 배출 라인을 단과 연결하는 배출 수단을 구비한다. 제 1 제어 수단이 단으로부터 공통의 배출 라인에 배치되어, 단들의 펌핑 상태를 변경시킨다. 회전 에너지가 효과적으로 풍력 에너지로 변환되는 범위 내에서 회전 샤프트의 회전 속도가 유지되도록, 아이들(idling) 상태의 실린더의 비율을 변화시켜 회전 샤프트의 토크를 조절하도록 되어 있다.
미국 특허 출원 공개 제 2010/0040470 호 미국 특허 제 4,496,847 호
상기한 바와 같은 특허문헌 1 및 2 등에 기재되는 재생 에너지형 발전 장치에 있어서는, 재생 에너지원으로부터 효율적으로 에너지를 추출하여, 높은 발전 효율을 유지하는 것이 요구된다. 그러나, 이와 같은 발전 장치에 이용되는 재생 에너지원에는, 통상, 풍력이나 조류 등의 자연 에너지가 이용되기 때문에 발전에 이용 가능한 에너지의 변동이 상당히 크다. 따라서, 가장 효율적인 에너지 추출을 실행하는 것은 곤란했다. 특히, 재생 에너지는 단기간에서의 시간적 불안정성이 높으며, 효율적인 에너지 추출을 실행하기 위해서는, 에너지 변동에 대응하여 제어하는 것이 필요해진다.
여기서, 특허문헌 2에는, 풍력 에너지를 효과적으로 변환 가능한 범위 내에 회전 샤프트의 회전 속도가 유지되도록 회전 샤프트의 토크를 조절하는 구성이 기재되어 있지만, 토크 조절에 관한 것은 상세하게 개시되어 있지 않았다. 재생 에너지의 변동에 따라 신속히 소망의 회전 샤프트의 토크를 얻기 위한 운전 제어 기술은 아직도 확립되어 있지 않다.
상술의 사정에 감안하여, 본 발명의 목적은 재생 에너지의 변동에 따라 신속히 소망의 회전 샤프트의 토크를 얻을 수 있는 재생 에너지형 발전 장치 및 이 장치의 운전 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 재생 에너지원로부터 전력을 생성하는 재생 에너지형 발전 장치를 제공한다. 본 발명에 관한 발전 장치는, 재생 에너지에 의해서 구동되는 회전 샤프트와; 상기 회전 샤프트에 의해서 구동되는 가변 용량형의 유압 펌프와; 상기 유압 펌프로부터 공급되는 압유에 의해서 구동되는 유압 모터와; 상기 유압 모터에 연결된 발전기와; 상기 유압 펌프의 토출측을 상기 유압 모터의 흡입측에 연통시키는 고압유 라인과; 상기 유압 펌프의 목표 토크 및 상기 고압유 라인의 작동유 압력에 근거하여 유압 펌프의 변위용적 요구값(Dp)을 결정하는 펌프 요구값 결정 유닛과; 상기 유압 펌프의 변위용적을 결정된 변위용적 요구값(Dp)으로 조절하는 펌프 제어기를 구비하지만, 이것으로만 제한되지 않는다.
상기 재생 에너지형 발전 장치에서는, 펌프 요구값 결정 유닛은 유압 펌프의 목표 토크 및 고압유 라인의 작동유 압력에 근거하여 유압 펌프의 변위용적 요구값(Dp)을 결정하고, 펌프 제어기는 유압 펌프의 변위용적을 결정된 변위용적 요구값(Dp)으로 조절한다. 따라서, 소망의 토크, 즉 재생 에너지원으로부터 효율적으로 에너지를 추출 가능한 최적인 최적 토크를 얻는 것이 가능해진다. 특히, 유압 펌프의 목표 토크를 재생 에너지의 변동에 대응하여 변화시킴으로써, 재생 에너지의 변동에 추종하여 토크를 신속하게 조절할 수 있다.
상술한 바와 같이, 고압유 라인에 있어서의 작동유 압력은 유압 펌프의 변위용적 요구값(Dp)을 결정하도록 펌프에 사용된다. 고압유 라인에 있어서의 작동유 압력은 유압 펌프의 압력의 실측값 또는 설정값(목표 압력)일 수 있다.
상술한 상기 재생 에너지형 발전 장치는, 파워 계수가 최대가 되는 상기 회전 샤프트의 이상 토크에 근거하여 유압 펌프의 목표 토크를 결정하는 목표 토크 결정 유닛을 추가로 구비하는 것이 바람직하다.
목표 토크 결정 유닛은, 파워 계수가 최대가 되는 회전 샤프트의 이상 토크에 근거하여, 유압 펌프의 목표 토크를 결정한다. 따라서, 재생 에너지형 발전 장치의 발전 효율을 높게 유지할 수 있다.
상술한 상기 재생 에너지형 발전 장치는, 상기 회전 샤프트의 회전 속도를 계측하는 회전 속도계와, 상기 회전 샤프트의 계측된 회전 속도에 근거하여, 상기 회전 샤프트의 상기 이상 토크를 결정하는 이상 토크 결정 유닛을 추가로 구비하는 것이 바람직하다.
이 재생 에너지형 발전 장치에 있어서, 회전 샤프트의 계측된 회전 속도에 근거하여 회전 샤프트의 이상 토크가 결정되며, 이에 의해 재생 에너지형 발전 장치의 발전 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 회전 샤프트의 회전 속도는 회전 속도계에 의해 고정밀도로 계측 가능하다. 따라서, 회전 샤프트의 계측된 회전 속도에 근거하여 이상 토크를 결정하는 것에 의해, 유압 펌프를 적절하게 제어하는 것이 가능하다.
이 재생 에너지형 발전 장치에 있어서, 바람직하게 복수의 회전 속도계가 마련되며, 상기 이상 토크 결정 유닛은, 회전 속도계들에 의해 계측된 상기 회전 샤프트의 회전 속도의 평균값에 근거하여, 상기 회전 샤프트의 상기 이상 토크를 결정한다.
이와 같이, 복수의 회전 속도계가 마련되어, 이상 토크 산출의 정확성이 향상하는 동시에, 회전 속도계 자체 또는 외적 요인 등에 의한 노이즈를 제거할 수 있다.
선택적으로, 상기 재생 에너지형 발전 장치는, 상기 회전 샤프트의 회전 속도를 계측하는 회전 속도계와, 상기 회전 샤프트의 계측된 회전 속도로부터 추정되는 재생 에너지원의 에너지 흐름의 추정 속도에 근거하여 상기 회전 샤프트의 상기 이상 토크를 결정하는 이상 토크 결정 유닛을 추가로 구비하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 이상 토크는 회전 샤프트의 계측된 회전 속도로부터 추정되는 재생 에너지원의 에너지 흐름의 추정 속도에 의거하여 구해진다. 따라서, 재생 에너지형 발전 장치의 발전 효율을 향상시킬 수 있다. 에너지 흐름의 유속은, 회전 속도계에 의해 계측된 회전 속도로부터 추정된다. 따라서, 높은 정밀도로 에너지 흐름의 유속을 추정할 수 있고, 유압 펌프를 적절하게 제어할 수 있다. 또한, 에너지 흐름의 유속을 계측하는 유속계를 설치하지 않는 발전 장치를 구성하여, 비용 삭감을 도모하는 것도 가능하다.
이 재생 에너지형 발전 장치에 있어서, 바람직하게 복수의 회전 속도계가 마련되며, 상기 에너지 흐름의 추정 유속은 회전 속도계들에 의해 계측된 상기 회전 샤프트의 회전 속도의 평균값으로부터 추정된다.
이와 같이, 복수의 회전 속도계가 마련되어, 회전 속도계들에 의해 계측된 회전 샤프트의 회전 속도의 평균값으로부터 에너지 흐름의 추정 유속이 추정되어, 이 에너지 흐름의 유속에 따라서 이상 토크를 산출한다. 그 결과, 이상 토크의 산출의 정확성이 향상하고, 또한 회전 속도계 자체 또는 외적 요인 등에 의한 노이즈를 제거할 수 있다.
상기 재생 에너지형 발전 장치는, 재생 에너지원의 에너지 흐름의 유속을 계측하는 유속계와, 상기 에너지 흐름의 계측된 유속에 근거하여 상기 회전 샤프트의 상기 이상 토크를 결정하는 이상 토크 결정 유닛을 추가로 구비할 수 있다.
이와 같이, 이상 토크는 유속계에 의해서 계측된 에너지 흐름의 계측 유속에 근거하여 결정된다. 따라서, 재생 에너지형 발전 장치의 발전 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 에너지 흐름의 유속은, 유속계에 의해 유속을 직접 계측함으로써 고정밀도로 구해질 수 있다. 따라서, 유압 펌프를 적절하게 제어할 수 있다.
이 재생 에너지형 발전 장치에 있어서, 바람직하게 복수의 유속계가 마련되며, 상기 이상 토크 결정 유닛은, 복수의 유속계에 의해 계측된 상기 에너지 흐름의 유속의 평균값에 근거하여 상기 회전 샤프트의 상기 이상 토크를 결정한다.
이와 같이, 복수의 유속계가 마련되고, 회전 샤프트의 이상 토크는 이들 유속계에 의해 계측된 속도의 평균값에 근거하여 결정된다. 이것은 이상 토크 산출의 정확성이 향상시키고, 또한 유속계 자체 또는 외적 요인 등에 의한 노이즈를 제거할 수 있다.
상기 재생 에너지형 발전 장치는, 상기 재생 에너지원의 에너지 흐름으로부터의 상기 회전 샤프트로의 입력 토크의 추정값으로부터 상기 목표 토크 결정 유닛에서 결정된 상기 목표 토크를 감산하여 얻어지는 편차에 따라서, 상기 목표 토크 결정 유닛에서 결정된 상기 목표 토크를 보정하는 목표 토크 보정 유닛을 추가로 구비한다. 상기 입력 토크의 추정값은 목표 토크의 현재값 및 상기 회전 샤프트의 가속 토크의 합에 의해 얻어진다.
이와 같이, 목표 토크 결정 유닛에서 결정된 목표 토크가, 재생 에너지의 에너지 흐름으로부터의 회전 샤프트로의 입력 토크의 추정값으로부터 목표 토크 결정 유닛에서 결정된 목표 토크를 감산하여 얻어지는 편차에 근거하여, 목표 토크 보정 유닛에 의해 보정된다. 따라서, 회전 샤프트의 가속 및 감속시에, 회전 샤프트의 소망의 회전 속도가 될 때까지의 시간을 단축 가능한 목표 토크를 구할 수 있다. 그 결과, 재생 에너지의 변동에 따라 유압 펌프를 신속하게 제어할 수 있다.
이 재생 에너지형 발전 장치에 있어서, 바람직하게 상기 목표 토크 보정 유닛은, 상기 편차에 게인(G)을 승산하여 도출된 보정값(Tfeedforward)을 상기 목표 토크 결정 유닛에 의해 결정된 상기 목표 토크에서 감산함으로써, 상기 목표 토크 결정 유닛에 의해 결정된 상기 목표 토크를 보정한다.
상술한 바와 같이, 목표 토크 보정 유닛은 편차에 게인(G)을 승산하여 도출된 보정값(Tfeedforward)을 구한다. 게인(G)을 적절한 값으로 설정함으로써, 목표 토크를 보다 적절한 값으로 보정할 수 있다. 특히, 목표 토크의 보정량을 게인(G)에 의해서 조정함으로써, 재생 에너지의 변동의 추종성을 조정할 수 있다.
상기 재생 에너지형 발전 장치에 있어서, 바람직하게 상기 목표 토크 결정 유닛은, 상기 회전 샤프트의 상기 이상 토크에 스케일 계수(M)를 승산하여, 상기 유압 펌프의 상기 목표 토크를 결정한다.
이와 같이, 목표 토크 결정 유닛은, 회전 샤프트의 이상 토크에 스케일 계수(M)를 승산하여, 목표 토크 결정 유닛에 의해 결정된다. 따라서, 스케일 계수(M)를 적절히 조절하는 것에 의해서, 에너지 흐름의 유속 변동을 추종할 수 있다.
상기 재생 에너지형 발전 장치는, 상기 발전 장치의 분위기 온도를 계측하는 분위기 온도 센서를 또한 포함한다. 바람직하게, 회전 샤프트의 이상 토크는 계측된 분위기 온도에 의거하여 보정된다.
일반적으로, 재생 에너지원의 에너지 밀도는 재생 에너지형 발전 장치의 온도에 의해서 변동한다. 따라서, 재생 에너지형 발전 장치의 분위기 온도를 계측하고, 이 계측된 분위기 온도에 근거하여 이상 토크를 보정함으로써, 보다 한층 정밀도를 향상시킬 수 있다.
상기 재생 에너지형 발전 장치에 있어서, 바람직하게 상기 펌프 요구값 결정 유닛은, 상기 유압 펌프의 목표 토크를 상기 고압유 라인의 작동유 압력으로 제산하여, 상기 유압 펌프의 변위용적 요구값(Dp)을 결정한다.
회전 샤프트가 유압 펌프로부터 받는 토크는, 유압 펌프의 변위용적과 고압유 라인의 작동유 압력의 적(積)으로 구해진다. 따라서, 목표 토크를 얻기 위한 유압 펌프의 변위용적은, 목표 토크를 고압유 라인의 작동유 압력으로 제산함으로써 용이하게 구해질 수 있다. 이와 같이, 유압 펌프의 변위용적 요구값(Dp)을 구함으로써, 회전 샤프트의 실제 토크를 보다 한층 목표 토크에 근접되게 조절할 수 있다.
상기 재생 에너지형 발전 장치는, 상기 고압유 라인의 작동유 압력이 소정 범위에 유지되도록, 상기 유압 펌프의 변위용적 요구값(Dp)을 보정하는 펌프 요구값 보정 유닛을 추가로 구비한다.
이와 같이, 고압유 라인의 작동유 압력이 펌프 요구값 보정 유닛에 의해 소정 범위에 유지된다. 안정된 운전을 확보하도록 유압 펌프의 변위용적 요구값(Dp)을 보정하는 것이 가능하다.
상기 재생 에너지형 발전 장치는, 상기 고압유 라인의 작동유의 온도를 계측하는 유온 센서와; 상기 고압유 라인의 계측된 작동유 온도에 근거하여, 상기 유압 펌프의 변위용적 요구값(Dp)을 보정하는 펌프 요구값 보정 유닛을 추가로 구비한다.
이와 같이, 유온 센서에 의해 계측된 고압유 라인의 작동유 온도에 근거하여, 유압 펌프의 변위용적 요구값(Dp)이 펌프 요구값 보정 유닛에 의해서 보정된다. 따라서, 오일의 열팽창을 고려하여, 설명한 바와 같이 유압 펌프를 제어할 수 있다.
상기 재생 에너지형 발전 장치는, 재생 에너지원으로서의 바람으로부터 전력을 생성하는 풍력 발전 장치이다.
풍력 에너지는 풍력 발전 장치에서 실질적으로 변동하지만, 상기 재생 에너지형 발전 장치를 채용함으로써, 풍력 에너지의 변동에 따라 회전 샤프트의 소망의 토크를 신속하게 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은 재생 에너지에 의해서 구동되는 회전 샤프트와; 상기 회전 샤프트에 의해서 구동되는 가변 용량형의 유압 펌프와; 상기 유압 펌프로부터 공급되는 압유에 의해서 구동되는 유압 모터와; 상기 유압 모터에 연결된 발전기와; 상기 유압 펌프의 토출측을 상기 유압 모터의 흡입측에 연통시키는 고압유 라인과; 상기 유압 펌프의 흡입측을 상기 유압 모터의 토출측에 연통시키는 저압유 라인을 구비하는 재생 에너지형 발전 장치의 운전 방법을 제공한다. 본 발명에 관한 이 방법은 상기 유압 펌프의 목표 토크 및 상기 고압유 라인의 작동유 압력에 근거하여 상기 유압 펌프의 변위용적 요구값(Dp)을 결정하는 단계와; 상기 유압 펌프의 변위용적을 상기 변위용적 요구값(Dp)으로 조절하는 단계를 구비한다.
이 재생 에너지형 발전 장치의 운전 방법에 있어서, 유압 펌프의 변위용적 요구값(Dp)은 유압 펌프의 목표 토크 및 고압유 라인의 작동유 압력에 근거하여 결정되고, 유압 펌프의 변위용적은 변위용적 요구값(Dp)으로 조절된다. 따라서, 소망의 토크, 즉 재생 에너지원으로부터 효율적으로 에너지를 추출 가능한 최적인 토크를 얻을 수 있다. 특히, 유압 펌프의 목표 토크를 재생 에너지의 변동에 대응하여 변화시킴으로써, 재생 에너지의 변동에 추종하여 토크를 신속하게 조절할 수 있다.
본 발명에 따르면, 유압 펌프의 변위용적 요구값(Dp)은 유압 펌프의 목표 토크 및 고압유 라인의 작동유 압력에 근거하여 결정되고, 유압 펌프의 변위용적은 변위용적 요구값(Dp)으로 조절된다. 따라서, 소망의 토크, 즉 재생 에너지원으로부터 효율적으로 에너지를 추출 가능한 최적인 토크를 얻을 수 있다. 특히, 유압 펌프의 목표 토크를 재생 에너지의 변동에 대응하여 변화시킴으로써, 재생 에너지의 변동에 추종하여 토크를 신속하게 조절할 수 있다.
도 1은 풍력 발전 장치의 구성예를 도시하는 개략도이다.
도 2는 풍력 발전 장치의 유압 트랜스미션 및 발전기의 구성을 도시하는 개략도이다.
도 3은 제어 유닛의 기억 유닛에 기억된 Cp 최대 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 4는 제어 유닛의 기억 유닛에 기억된 Cp 최대 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 5는 제어 유닛에 의한 유압 펌프의 제어의 프로세스를 도시하는 흐름도이다.
도 6은 제어 유닛의 신호 흐름을 나타내는 개략도이다.
도 7은 유압 펌프의 구체적인 구성을 도시하는 도면이다.
도 8은 유압 모터의 구체적인 구성을 도시하는 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특별히 언급하지 않는 한, 치수, 재질, 형상, 그 상대적 배치 등은 단지 설명을 위한 것이며, 본 발명의 범위를 제한하지 않는다.
도 1은 풍력 발전 장치의 구성예를 도시하는 도면이다. 도 3은 피치 구동 메카니즘의 구성을 도시하는 도면이다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 풍력 발전 장치(1)는 바람에 의해 회전되는 로터(2)와, 로터(2)의 회전 속도를 증가시키는 유압 트랜스미션(10)과, 전력을 발생시키는 발전기(20)와, 나셀(22)과, 나셀(22)을 지지하는 타워(24)와, 풍력 발전 장치(1)의 유압 트랜스미션(10)을 제어하는 제어 유닛(40)(도 2 참조)과, 압력계(31) 및 회전 속도계(32)를 포함하는 각종 센서를 구비한다.
로터(2)는, 블레이드(4)를 갖는 허브(6)에 회전 샤프트(8)가 연결된 구성을 갖는다. 특히, 3매의 블레이드(4)가 허브(6)로부터 방사상으로 연장되어 있으며, 각각의 블레이드(4)가 회전 샤프트(8)와 연결된 허브(6)에 장착되어 있다. 이것에 의해, 블레이드(4)에 작용하는 바람의 파워에 의해서 로터(2) 전체가 회전하고, 회전 샤프트(8)를 거쳐서 유압 트랜스미션(10)에 로터(2)의 회전이 입력된다. 이것에 의해, 블레이드(4)에 작용하는 바람의 힘에 의해서 로터(2) 전체가 회전하고, 회전 샤프트(8)를 거쳐서 유압 트랜스미션(10)에 로터(2)의 회전이 입력된다.
유압 트랜스미션(10)은, 도 2에 도시하는 바와 같이, 회전 샤프트(8)에 의해 회전되는 용량 가변형의 유압 펌프(12)와, 발전기(20)에 접속된 용량 가변형의 유압 모터(14)와, 유압 펌프(12)와 유압 모터(14) 사이에 마련된 고압유 라인(16) 및 저압유 라인(18)을 갖는다.
유압 펌프(12)의 토출측은, 고압유 라인(16)에 의해서 유압 모터(14)의 흡입측에 접속되어 있다. 유압 펌프(12)의 흡입측은, 저압유 라인(18)에 의해서 유압 모터(14)의 토출측에 접속되어 있다. 유압 펌프(12)로부터 토출된 작동유(저압유)는, 고압유 라인(16)을 거쳐서 유압 모터에 유입한다. 유압 모터(14)에서 작업을 실행한 작동유는, 저압유 라인(18)을 거쳐서 유압 펌프(12)에 유입하고, 다음에 유압 펌프(12)에 의해 그 압력이 승압되고, 마지막으로 작동유는 유압 모터(14)에 유입되어 유압 모터(14)를 구동시킨다.
도 2는 유압 모터(14)를 1개만 포함한 유압 트랜스미션(10)의 예시적인 실시예를 도시하고 있다. 그러나, 복수의 유압 모터(14)를 마련하고, 각각의 유압 모터(14)를 유압 펌프(12)에 접속하는 것도 가능하다.
여기서, 일 예로서 유압 펌프와 유압 모터의 구체적인 구성예를 설명한다. 도 7은 유압 펌프의 구체적인 구성을 도시하는 도면이고, 도 8은 유압 모터의 구체적인 구성을 도시하는 도면이다.
유압 펌프(12)는, 도 7에 도시하는 바와 같이, 실린더(80) 및 피스톤(82)에 의해 각각 형성되는 복수의 유압실(83)과, 피스톤(82)에 결합하는 캠 곡면을 갖는 캠(84)과, 각 유압실(83)에 대하여 마련되는 고압 밸브(86) 및 저압 밸브(88)에 의해 구성된다.
고압 밸브(86)는, 각 유압실(83)과 고압유 라인(16) 사이의 고압 연통로(87)에 마련되고, 저압 밸브(88)는, 각 유압실(83)과 저압유 라인(18) 사이의 저압 연통로(89)에 마련되어 있다.
이 유압 펌프(12)에서는, 회전 샤프트(8)와 함께 캠(84)이 회전하면, 캠 곡선에 맞추어 피스톤(82)이 주기적으로 상하 운동하여, 하사점으로부터 시작하여 상사점에 도달하는 피스톤(82)의 펌프 사이클과, 상사점으로부터 시작하여 하사점에 도달하는 피스톤의 흡입 사이클이 반복된다.
유압 모터(14)는, 도 8에 도시하는 바와 같이, 실린더(90)와 피스톤(92) 사이에 형성되는 복수의 유압실(93)과, 피스톤(92)에 결합하는 캠 곡면을 갖는 캠(94)과, 각 유압실(93)에 대하여 마련된 고압 밸브(96) 및 저압 밸브(98)에 의해 구성된다.
고압 밸브(96)는, 각 유압실(93)과 고압유 라인(16) 사이의 고압 연통로(97)에 마련된다. 한편, 저압 밸브(98)는, 각 유압실(93)과 저압유 라인(18) 사이의 저압 연통로(99)에 마련된, 통상적으로 개방 형태의 포핏 솔레노이드 밸브이다. 저압 밸브(98)는 통상적으로 폐쇄된 형태이다.
피스톤 사이클 곡선(130)으로 도시된 바와 같은 유압 모터(14)에 있어서, 피스톤(92)이 주기적으로 상하 운동하여, 상사점으로부터 시작하여 하사점에 도달하는 피스톤(92)의 모터 사이클과, 하사점으로부터 시작하여 상사점에 도달하는 배출 사이클이 반복된다.
유압 펌프 및 유압 모터는 상술한 바와 같이 피스톤 형태이다. 그러나, 이것으로 제한되지 않으며, 유압 펌프 및 유압 모터는 베인 형태와 같은 가변 용량형의 모든 형태의 유압 메카니즘일 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 각종 센서로서 회전 샤프트(8)의 회전 속도를 계측하는 회전 속도계(32)와, 고압유 라인(16) 내의 압력을 계측하는 압력계(31)가 마련되어 있다. 또한, 각종 센서로서, 나셀(22)의 외부에 장착되어 풍속을 계측하는 풍속계(33), 풍력 발전 장치(1)의 분위기 온도를 계측하는 온도 센서(34)와, 고압유 라인(16)의 작동유 온도를 계측하는 유온 센서(35)가 마련될 수 있다. 이들 센서의 계측 결과는 제어 유닛(40)에 전달되어, 유압 펌프(12)를 제어한다. 또한, 도면에는 센서들 중 각각의 1세트가 도시되어 있다. 그러나, 이것으로 제한되지 않으며, 센서들 각각의 1세트 이상 마련될 수 있다.
또한, 고압유 라인(16) 및 저압유 라인(18)에는 맥동 방지용 어큐물레이터(64)가 마련되어 있다. 이것에 의해, 고압유 라인(16) 및 저압유 라인(18)의 압력 변동(맥동)이 억제된다. 또한, 저압유 라인(18)에는, 작동유 중의 불순물을 제거하는 오일 필터(66)와, 작동유를 냉각하는 오일 쿨러(68)가 마련되어 있다.
고압유 라인(16)과 저압유 라인(18) 사이에는, 유압 모터(14)를 바이패스하는 바이패스 유로(60)가 마련되고, 바이패스 유로(60)에는, 고압유 라인(16)의 압력을 설정 압력 이하로 유지하는 릴리프 밸브(62)가 마련되어 있다. 이것에 의해, 고압유 라인(16) 내의 압력이 릴리프 밸브(62)의 설정 압력까지 상승하면, 릴리프 밸브(62)가 자동적으로 개방되고, 고압유는 바이패스 유로(60)를 거쳐서 저압유 라인(18)으로 빠져나가게 된다.
또한, 유압 트랜스미션(10)은 오일 탱크(70), 보충 라인(72), 부스트 펌프(74), 오일 필터(76), 반송 라인(78), 저압 릴리프 밸브(79)를 구비한다.
몇몇 실시예에 있어서, 유압 모터(14)로부터의 리턴 흐름의 전부 또는 일부는 이들 유닛 중 하나 또는 그 이상을 통과한다.
오일 탱크(70)에는 보충용의 작동유가 저류되어 있다. 보충 라인(72)은 오일 탱크(70)를 저압유 라인(18)에 접속하고 있다. 부스트 펌프(74)는 보충 라인(72)에 마련되어, 오일 탱크(70)로부터 저압유 라인(18)에 보충 작동유를 공급하도록 되어 있다. 이러한 경우에, 저압유 라인(18)에 공급되는 작동유는, 보충 라인(72)에 마련된 오일 필터(76)에 의해서 불순물이 제거된다.
작동유의 누설이 유압 트랜스미션(10)의 내부에서 생길지라도, 부스트 펌프(74)에 의해서 오일 탱크(70)로부터 저압유 라인(18)에 작동유가 보충되므로, 유압 트랜스미션(10) 내를 순환하는 작동유의 양을 유지할 수 있다.
반송 라인(78)은 오일 탱크(70)와 저압유 라인(18) 사이에 배치되어 있다. 저압 릴리프 밸브(79)는 반송 라인(78)에 마련되어 있으며, 저압유 라인(18) 내의 압력을 설정 압력 근방으로 유지된다.
이것에 의해, 부스트 펌프(74)에 의해서 작동유가 저압유 라인(18)에 공급되어도, 저압유 라인(18) 내의 압력이 저압 릴리프 밸브(79)의 설정 압력에 도달하면, 저압 릴리프 밸브(79)가 자동적으로 개방되어, 반송 라인(78)을 거쳐서 오일 탱크(70)에 작동유를 배출할 수 있다. 따라서, 유압 트랜스미션(10) 내를 순환하는 작동유의 양을 적절히 유지할 수 있다.
발전기(20)는 전력 계통(grid)(50)에 연계되어 있으며, 발전기(20)에 의해 발전된 전력은 전력 계통(50)에 공급된다. 발전기(20)는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 유압 모터(14)의 출력축(15)에 접속된 회전자(20A)와, 전력 계통(50)에 접속된 회전자(20B)로 구성된 전자석 동기 발전기를 포함한다. 발전기(20)의 회전자(20A)에는 여자기(52)가 접속되어 있으며, 회전자(20A)에 흐르는 계자 전류를 변화시켜, 발전기(20)의 회전자(20B)에 발생하는 전력의 역률을 조절할 수 있도록 되어 있다. 이것에 의해, 소망의 역률로 조정된 양질의 전력이 전력 계통(50)에 공급된다.
도 1에 도시하는 나셀(22)은, 로터(2)의 허브(6)를 회전 가능하게 지지하는 동시에, 유압 트랜스미션(10) 및 발전기(20) 등의 각종 기기를 수납하고 있다. 또한, 나셀(22)은 타워(24)에 회전 가능하게 지지될 수 있고, 요 모터(yaw motor)(도시하지 않음)에 의해 풍향을 따라 선회된다.
타워(24)는 기초(26)로부터 상방으로 연장되는 기둥 형상으로 형성된다. 예를 들면, 한 개의 기둥 부재로 구성될 수 있거나, 수직 방향으로 연결하여 기둥 형상으로 연결된 복수의 유닛으로 구성될 수 있다. 타워(24)가 복수의 유닛으로 구성되어 있는 경우에는, 최상부 유닛 상에 나셀(22)이 설치된다.
여기서, 도 2를 참조하여 제어 유닛(40)의 구성을 설명한다. 또한, 제어 유닛(40)은, 제어 유닛(40) 및 각종 제어 장치(41 내지 47)가 상이한 위치, 즉 나셀(22)의 내부 또는 외부에 배치되도록 구성된 분산형의 제어 시스템을 구성할 수 있다. 제어 유닛(40) 및 이 제어 유닛(40)을 구성하는 제어 장치(41 내지 47)의 기능 중 적어도 하나가 처리 유닛에 조립될 수도 있다.
제어 유닛(40)은 이상 토크 결정 유닛(41)과, 목표 토크 보정 유닛(43)과, 목표 토크 결정 유닛(42)과, 펌프 요구값 결정 유닛(44)과, 펌프 요구값 보정 유닛(45)과, 펌프 제어기(46)와, 기억 유닛(47)을 갖는다.
목표 토크 결정 유닛(42)은, 파워 계수(Cp)가 최대가 되는 회전 샤프트(8)의 이상 토크에 의거하여 유압 펌프의 목표 토크를 결정한다. 이것에 부가하여, 목표 토크 결정 유닛(42)은, 회전 샤프트(8)의 이상 토크에 스케일 계수(M)를 승산하여, 유압 펌프(12)의 목표 토크를 결정하는 것이 바람직하다.
이상 토크 결정 유닛(41)은, 회전 샤프트(8)의 계측된 회전 속도에 따라서 회전 샤프트(8)의 이상 토크를 결정한다. 이상 토크란, 풍력 에너지가 회전 샤프트(8)의 회전 에너지로 효율적으로 변환될 수 있는 토크, 즉 풍력 에너지로부터 추출 효율이 높은 토크를 말한다.
이상 토크 결정 유닛(41)의 예시적인 구성을 이하에 상세하게 설명한다.
이상 토크 결정 유닛(41)은, 회전 속도계(32)에 의해 계측된 회전 샤프트(8)의 계측된 회전 속도에 근거하여, 파워 계수(Cp)가 최대가 되는 이상 토크를 결정한다. 또한, 회전 속도계(32)에 의해 계측된 회전 샤프트(8)의 회전 속도의 평균값에 따라서, 회전 샤프트(8)의 이상 토크를 결정할 수도 있다.
선택적으로, 이상 토크 결정 유닛(41)은, 회전 속도계(32)에 의해 계측된 회전 샤프트(8)의 계측된 회전 속도로부터 추정되는 추정 풍속에 근거하여 회전 샤프트(8)의 이상 토크를 결정할 수도 있다. 또한, 회전 속도계(32)에 의해 계측된 회전 샤프트(8)의 계측된 회전 속도의 평균값으로부터 추정되는 추정 풍속에 따라서 회전 샤프트(8)의 이상 토크를 결정할 수도 있다. 또한, 풍속계(33)에 의해 직접 풍속을 구할 수도 있다. 또한, 풍속계(33)가 복수 마련되어 있는 경우에는, 풍속의 평균값을 이용될 수 있다.
이상 토크 결정 유닛(41)은, 분위기 온도 센서(34)에서 계측되는 풍력 발전 장치(1)의 측정된 분위기 온도에 근거하여, 회전 샤프트(8)의 이상 토크를 보정할 수 있다. 회전 샤프트(8)의 토크에 영향을 주는 인자 중의 하나로서, 풍력 발전 장치(1)의 분위기 온도가 있다. 기술적으로는, 풍력 에너지는 바람 유량(질량 유량)과 풍속으로 결정된다. 풍력 발전 장치(1)의 분위기 온도의 변화에 따라서, 공기 밀도가 변화된다. 이것은 공기의 질량을 변화시킨다. 따라서, 풍력 발전 장치(1)의 분위기 온도에 근거하여 이상 토크가 보정됨으로써, 이상 토크의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
목표 토크 보정 유닛(43)은 목표 토크 결정 유닛(42)에 의해 결정된 목표 토크를 보정한다. 구체적으로는, 공기역학적 토크의 추정값으로부터 목표 토크 결정 유닛(42)에 의해 결정된 결정 목표 토크를 감산하여 얻어지는 편차에 근거하여, 목표 토크 결정 유닛(42)에서 결정되는 결정 목표 토크가 보정된다. 입력 토크의 추정값은 회전 샤프트(8)의 가속 토크와 목표 토크의 현재값의 합으로부터 도출된다. 공기역학적 토크는 재생 에너지원의 에너지 흐름으로부터의 회전 샤프트(8)로의 입력 토크이다.
목표 토크 보정 유닛(43)은, 분위기 온도 센서(34)에 의해 계측된 풍력 발전 장치(1)의 분위기 온도에 근거하여, 공기역학적 토크를 결정할 수 있다. 회전 샤프트(8)의 토크에 영향을 부여하는 인자의 하나로서, 회전 샤프트(8)의 가속 토크 이외에, 풍력 발전 장치(1)의 분위기 온도가 있다. 분위기 온도가 변화함으로써 공기 밀도가 변화하고, 이것에 따라 공기 질량이 변화한다. 이것은 회전 샤프트(8)의 토크에 영향을 미치는 것이다.
또한, 목표 토크 보정 유닛(43)의 상기 구성에 부가하여, 공기역학적 토크와 목표 토크의 편차에 게인(G)을 승산하여 도출된 보정값(Tfeedforward)을 구하고, 해당 보정값(Tfeedforward)을 목표 토크 결정 유닛(44)에 의해 결정된 목표 토크에서 감산함으로써, 목표 토크 보정 유닛(43)은 목표 토크 결정 유닛(42)으로부터 결정된 목표 토크를 보정한다.
펌프 요구값 결정 유닛(44)은, 유압 펌프(12)의 목표 토크 및 고압유 라인(16)의 작동유 압력에 의거하여 유압 펌프(12)가 변위용적 요구값(Dp)을 결정한다.
펌프 요구값 보정 유닛(45)은, 고압유 라인(16)의 작동유 압력이 소정 범위에 유지되도록 유압 펌프(12)가 변위용적 요구값(Dp)을 보정한다.
선택적으로, 펌프 요구값 보정 유닛(45)은, 유온 센서(35)에 의해 계측된 고압유 라인(16)의 계측된 작동유 온도에 근거하여, 유압 펌프(12)가 변위용적 요구값(Dp)을 보정한다.
펌프 제어기(36)는 유압 펌프(12)를 제어하며, 여기에서는 특히 유압 펌프의 변위용적을 결정된 변위용적 요구값(Dp)으로 조절한다.
또한, 상기한 제어 유닛에 추가하여 모터 제어부(도시하지 않음)를 제공할 수 있다. 모터 제어부는, 유압 펌프(12)의 변위용적(Dp)으로부터 구한 유압 펌프(12)의 토출양(Qp)에 근거하여 발전기(20)의 회전 속도를 일정하게 유지하도록 유압 모터(14)가 변위용적 요구값(Dm)을 결정한다.
유압 펌프(12) 및 유압 모터(14)의 제어에 대해서는 후술한다.
기억 유닛(47)은 풍력 발전 장치(1)의 제어에 이용하는 Cp 최대 곡선 및 목표 압력 설정 곡선을 기억한다.
도 3 및 도 4는 기억 유닛(37)에 기억된 Cp 최대 곡선을 도시하는 그래프이다. Cp 최대 곡선은, 파워 계수(Cp)가 최대가 되는 점을 연결하여 형성된다. 도 3은 x축에 풍속(V)을 그리고 y축에 회전 샤프트(8)의 회전 속도(Wr)를 갖는 Cp 최대 곡선(100)을 나타낸 것이다. 도 4는 x축에 회전 샤프트(8)의 회전 속도(Wr)를 그리고 y축에 유압 펌프(12)의 목표 토크를 갖는 Cp 최대 곡선(102)을 나타낸 것이다.
제어 유닛(40)의 동작에 관한 알고리즘을 도 5의 흐름도를 이용하여 설명한다.
최초로, 회전 속도계(32)는 회전 샤프트(8)의 회전 속도(Wr)를 계측한다(단계 S1). 이상 토크 결정 유닛(41)은 계측된 회전 속도(Wr)에 따라 파워 계수(Cp)가 최대가 되는 이상 토크(Ti)를 결정한다(단계 S2). 구체적으로는, 파워 계수(Cp)가 최대의 운전 상태로 유지되어 있는 조건에서, Cp 최대 곡선(100)(도 3 참조)이 기억 유닛(47)으로부터 판독되고, 계측된 회전 속도(Wr)에 대응하는 풍속(V)은 Cp 최대 곡선(100)(도 3 참조)에 근거하여 구한다. 그리고, 이상 토크 결정 유닛(41)은 기억 유닛(47)으로부터 Cp 최대 곡선(102)(도 4 참조)을 판독하고, 상술한 바와 같이 추정된 풍속(V)에 대응하는 유압 펌프(12)의 이상 토크(Ti)를 구한다. 도 4는 추정된 풍속(V)이 V2인 경우에 유압 펌프(12)의 이상 토크(Ti)가 구해지는 예를 나타냈다.
목표 토크 결정 유닛(42)은, 이상 토크 결정 유닛(41)에 의해 결정한 이상 토크(Ti)에 스케일 계수(M)를 승산하여, 조정 이상 토크(MTi)를 결정한다(단계 S3). 스케일 계수(M)는 통상적으로 0.9와 1.0 사이이며, 가동 중 바람의 상황이나 시간이 지남에 따라 블레이드(4)의 공기역학적 변화에 따라 변경할 수 있다. M＜1의 경우, 회전 샤프트(8)에 부여되는 토크는 이상 토크보다 조금 작은 값을 갖는 전제조건이 있다. 회전 샤프트(8)의 회전 속도는 이상 토크의 경우에 비하여 대응하는 양에 대해 조금 상승한다. 따라서, 풍속의 급속한 변화에 따라 회전 샤프트(8)의 회전 속도를 조절할 수 있다. 또한, 돌풍은 풍력 발전 장치(1)의 허용 풍속 범위의 상한값 이하인 것을 전제 조건으로 하고 있다. 허용 풍속 범위는, 로터(2)가 과회전이 되지 않으며 통상 운전 가능한 풍속의 범위이며, 일반적으로 정격 풍속 범위의 상한값보다 높게 설정되어 있다.
　상술한 구성을 채용함으로써, 소강상태에는 이상 토크가 최적인 토크로부터 조금 벗어나게 된다. 그러나, 돌풍시에 풍력 에너지로부터 변환되는 회전 에너지는 소강상태에서 보다 상당히 크다. 따라서, 풍력 발전 장치 전체적으로 얻을 수 있는 전력이 매우 많아진다. 상기 구성을 채용하는 것이 매우 유리하다.
목표 토크 보정 유닛(43)은, 회전 샤프트(8)의 회전 속도(Wr)의 변화량으로부터 회전 샤프트(8)의 각 가속도(ar)를 결정한다(단계 S4).
또한, 목표 토크 보정 유닛(43)은 공기역학적 토크(Taero)를 결정한다(단계 S5). 공기역학적 토크(Taero)는, 현 시점에서 바람에 의해 회전 샤프트(8)에 가해지는 토크의 실제 양이다. 공기역학적 토크(Taero)는, 전회의 목표 토크(Td ( prev ))에 의해서 유압 펌프(12)로부터 회전 샤프트(8)에 가해진 토크와, 로터(2)[회전 샤프트(8)를 포함] 및 유압 펌프(12)의 관성 모멘트(Jrotor + pump)와 회전 샤프트(8)의 각 가속도(ar)의 적으로 이루어지는 총 가속 토크와의 합이다. 전회의 목표 토크(Td( prev ))는, 유압 펌프(12)의 선택된 총 용적율과, 고압유 라인의 계측된 압력으로부터 구해질 수 있다.
다음에, 목표 토크 보정 유닛(43)은, 단계 S5에서 구해진 공기역학적 토크와, 단계 S3에서 조절된 이상 토크(MTi)와의 편차로부터 과잉 토크(Texcess)를 산출한다(단계 S6). 이 과잉 토크(Texcess)는 가속(플러스인 경우) 또는 감속(마이너스인 경우)하는 것으로 기대된다.
또한, 목표 토크 보정 유닛(43)은, 과잉 토크(Texcess)에 게인(G)을 승산하여 보정 토크(Tfeedforward)를 산출한다(단계 S7). 여기서, 보다 복잡한 피드 포워드(feed forward) 함수를 사용할 수 있는데, 예를 들면 리드 또는 래그 컨트롤러에 의해 풍속 추종성을 더욱 개선시킬 수도 있다.
이어서, 목표 토크 결정 유닛(42)은, 조정 이상 토크(MTi)와 보정 토크(Tfeedforward)를 승산하여 목표 토크(Td)를 산출한다(단계 S8).
그리고, 펌프 요구값 결정 유닛(44)은, 목표 토크(Td)와 고압유 라인의 작동유 압력(Ps)(고압유 압력)으로부터, 다음의 식 1에 의해 유압 펌프의 소망 변위용적(Dp)을 결정한다(단계 S9).
(식 1)
변위용적 요구값(Dp)=목표 토크(Td)/고압유 압력(Ps)
그리고, 펌프 제어기(46)에 의해, 유압 펌프(12)의 소망 변위용적(Dp)을 조절한다(단계 S10).
이제, 도 7에 도시하는 펌프 제어기(46)가 유압 펌프(12)를 어떻게 제어하는가를 설명한다.
펌프 제어기(32)는 유압 펌프(12)의 소망의 변위용적 요구값(Dp)이 얻어지도록 비작동 오일 챔버의 개수를 변화시키며, 상기 비작동 오일 챔버는, 하사점으로부터 시작해서, 상사점에 도달하고 다시 하사점으로 되돌아오는 유압 펌프(12)의 피스톤(82)의 사이클 동안에, 유압 펌프(12)의 고압 밸브(86)가 폐쇄되고 그리고 유압 펌프(12)의 저압 밸브(88)가 개방으로 잔류하도록 유지된다. 특히, 펌프 제어기(32)는 유압 펌프(12)의 변위용적 요구값(Dp)으로부터 비작동실의 수를 결정하고, 이것에 근거하여 유압 펌프(12)를 제어한다.
또한, 펌프 제어기(32)에 있어서의 제어에 있어서, 피스톤 사이클 중에 고압 밸브(86, 96)가 열리는 시간을 변화시켜 유압 펌프(12) 또는 유압 모터(14)의 변위용적을 조절하도록 하여도 좋다.
다음에, 도 6을 참조하여, 제어 유닛(40)의 신호 흐름을 설명한다. 또한, 도 6은 도 5에 나타낸 알고리즘의 흐름도에 대응하고 있다.
우선 최초로, 회전 속도계(32)에 의해서 계측되는 회전 샤프트(8)의 회전 속도(Wr)로부터 이상 토크(Ti)를 결정한다. 이 프로세스에서, 파워 계수(Cp)가 최대가 되는 이상 토크(Ti)는 도 4에 나타낸 목표 토크[여기에서는 이상 토크(Ti)]와 회전 속도(Wr)의 함수(102)로부터 결정된다.
이상 토크(Ti)에 이상 토크 스케일 계수(M)를 승산하여 이상 토크(Ti)가 조절되어, 조정 이상 토크(MTi)를 제공한다. 이상 토크 스케일 계수(M)는 0 내지 1의 모든 수자일 수 있으며, 바람직하게는 0.9 내지 1의 범위 내의 값이다. 이상 토크(Ti)로부터 조정 이상 토크(MTi)의 약간 감소는 회전 속도를 증가시키고, 돌풍 시에는 회전 샤프트(8)가 보다 급속히 가속하게 되며, 그에 따라 펌프 토크가 이상 함수로부터 스케일 계수(M)에 의해 스케일되지 않은 경우에 비하여 보다 큰 출력을 얻을 수 있다.
스케일 계수(M)를 이용함으로써 로터가 보다 완만하게 감속되게 하며, 그에 따라 소강상태 동안에 그 최적 작동점으로부터 벗어나서 운전하게 된다. 그러나, 돌풍에 대하여 추종시키는 것에 의해 얻어지는 추가 출력은 소강상태 동안의 준최적 운전 동안에 출력 손실보다 크다.
목표 토크(Td)는 조정 이상 토크(MTi)와 토크 피드백 컨트롤러(201)의 출력값 사이의 차이이다. 토크 피드백 컨트롤러(201)는 목표 토크 보정 유닛(43)에 포함되는 것이다. 이 토크 피드백 컨트롤러(201)는 현재 토크 목표값과 가속 토크의 합으로부터 추정 공기역학적 토크(Taero)를 산출한다. 가속 토크는, 회전 샤프트(8)의 각가속도와, 로터(2)의 회전 관성 모멘트(J)를 승산함으로써 구해진다. 토크 피드백 컨트롤러(201)의 출력값은, 추정 공기역학적 토크와 조정 이상 토크와의 편차(Texcess)이며, 이 편차에 피드백 게인(G)을 승산하여, 피드백 토크(Tfeedback)를 산출한다. 피드백 게인(G)은 0 내지 0보다 큰 모든 수자의 범위 내의 어느 값이며, 게인(G)이 0인 경우, 토크 피드백 컨트롤러(201)는 무효가 된다.
토크 피드백 컨트롤러(201)는, 조정 이상 토크(MTi)로부터 보정 토크를 감산함으로써 에너지 추출의 가속 및 감속에 대응한다. 구체적으로는, 가속의 경우에는, 목표 토크를 약간 저감하고, 감속의 경우에는, 조정 이상 토크에 보정 토크를 가산하여, 목표 토크는 약간 증가한다. 이것에 의해, 조정 이상 토크의 제어만인 경우에 비하여, 입력 에너지의 변화에 응답하여 회전 샤프트(8)를 보다 신속히 가속 및 감속시킬 수 있으며, 그에 따라 바람으로부터 회수할 수 있는 에너지의 총량이 증가하게 된다.
이어서, 목표 토크(Td)를 고압유 라인(16)의 계측 작동유 압력으로 제산하여 유압 펌프(12)의 변위용적 요구값(Dp)이 산출된다. 이 변위용적 요구값(Dp)은 압력 리미터(202)로 보정해도 좋다. 압력 리미터(202)는, 출력값이 컨트롤러의 펌프 요구값(Dp)인 PID식 컨트롤러라도 좋다. 압력 리미터(202)는 펌프 요구값 보정 유닛(45)에 포함되는 것이다. 압력 리미터(202)는 유압 펌프(12)의 압력을 허용가능 범위 내로 유지하는데, 즉 펌프 요구 양자 유체 이동 속도를 수정하여, 풍력 발전 장치의 안전 운전 가능한 최대 레벨 미만으로 유지한다. 릴리프 밸브(62)를 거쳐서 에너지를 소산하는 것이 바람직한 일부 운전 모드에서는, 압력 리미터는 무효로 하여도 좋은데, 예를 들어 극도의 돌풍시에는 풍력 발전 장치가 정격 속도 이상으로 동작하는 것을 방지하는 등, 용도에 따라서 다르게 해도 좋다. 또한, 펌프 요구값 보정 유닛(45)은, 유온 센서(35)에서 계측된 고압유 라인(16)의 작동유의 온도에 근거하여, 유압 펌프(12)의 변위용적 요구값(Dp)을 보정하도록 하여도 좋다.
유압 펌프(12)의 변위용적 요구값(Dp)을 결정할 때에, 전력 요구 지령에 근거하여 목표 토크(Td)를 보정하도록 어저스터(203)가 마련될 수 있다. 전력 요구 지령은, 예를 들면, 풍력 발전 장치(1)가 속하는 풍력 팜의 풍력 팜 제어 장치로부터 입력된다. 이와 같이, 전력 요구 지령에 근거하여 목표 토크(Td)를 보정함으로써, 필요에 따른 발전 출력을 얻을 수 있다.
상술한 바람직한 실시예에서, 펌프 요구값 결정 유닛(44)은 유압 펌프(12)의 목표 토크(Td) 및 고압유 라인(16)의 작동유 압력(Ps)에 근거하여 유압 펌프(12)의 변위용적 요구값(Dp)을 결정하고, 펌프 제어기(46)는 유압 펌프(12)의 변위용적을 결정 변위용적 요구값(Dp)으로 조절한다. 따라서, 소망의 토크, 즉 재생 에너지로부터 효율적인 에너지 추출에 최적인 최적 토크를 얻을 수 있다. 특히, 유압 펌프(12)의 목표 토크(Td)를 재생 에너지의 변동에 대응하여 변화시킴으로써, 재생 에너지의 변동에 추종하여 신속하게 토크를 조절할 수 있다.
이상 토크 결정 유닛(41)에서는, 회전 속도계(32)에 의한 회전 샤프트(8)의 계측 회전 속도에 근거하여 회전 샤프트(8)의 이상 토크를 결정하도록 했으므로, 풍력 발전 장치(1)의 발전 효율을 향상시킬 수 있다. 회전 샤프트(8)의 회전 속도는 회전 속도계(32)에 의해 고정밀도로 계측 가능하다. 이상 토크는 회전 속도계(32)에 의해 계측된 회전 샤프트(8)의 실제 회전 속도에 의거하여 결정되어, 유압 펌프를 적절하게 제어한다.
특히, 상술의 바람직한 실시형태에서는, 계측 회전 속도로부터 추정된 풍속으로부터 이상 토크를 구하고, 그에 따라 높은 정밀도로 풍속을 추정할 수 있고 그리고 유압 펌프(12)의 제어를 적절히 실행할 수 있다. 풍속계(33)를 설치하지 않아서 비용을 감소시킬 수 있다.
선택적으로, 회전 샤프트(8)의 이상 토크(Ti) 또는 풍속은 회전 속도계(32)에 의해 계측된 회전 샤프트(8)의 회전 속도의 평균값에 근거하여 결정될 수 있다. 이 경우에, 이상 토크 산출의 정확성이 향상하는 동시에, 회전 속도계 자체 또는 외적 요인 등에 의한 노이즈를 제거할 수 있다.
회전 속도계(32)에 의해 이상 토크를 결정하는 대신에, 풍속계(33)에 의해서 계측된 풍속에 근거하여 이상 토크가 결정될 수 있다. 이것은 풍력 발전 장치(1)의 발전 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 풍속계(33)로 풍속을 직접 계측함으로써 고정밀도로 풍속을 취득 가능하다. 따라서, 유압 펌프(12)의 제어를 적절히 실행할 수 있다.
또한, 회전 샤프트(8)의 이상 토크(Ti)는 풍속계(33)에 의해 계측된 풍속의 평균값에 근거하여 결정될 수 있다. 이것은 이상 토크 산출의 정확성이 향상시키고, 또한 풍속계 자체, 또는 외적 요인 등에 의한 노이즈를 제거할 수 있다.
목표 토크 보정 유닛(43)은 재생 에너지원의 에너지 흐름으로부터의 회전 샤프트(8)로의 입력 토크의 추정값으로부터 결정 목표 토크를 감산하여 얻어지는 편차에 근거하여 목표 토크 결정 유닛에 의해 결정된 목표 토크를 보정한다. 따라서, 회전 샤프트(8)의 가속 및 감속시에 회전 샤프트(8)의 소망의 회전 속도가 될 때까지의 시간을 단축 가능한 목표 토크를 도출할 수 있다. 그 결과, 재생 에너지의 변동에 따라 유압 펌프(12)를 신속히 제어하는 것이 가능해진다.
펌프 요구값 결정 유닛(44)은 유압 펌프(12)의 목표 토크를 고압유 라인(16)의 작동유 압력으로 제산하여 유압 펌프(12)의 변위용적 요구값(Dp)을 결정한다. 따라서, 회전 샤프트(8)의 실제 토크를 보다 한층 목표 토크에 근접시켜서 조절하는 것이 가능해진다.
또한, 펌프 요구값 보정 유닛(45)은, 고압유 라인(16)의 작동유 압력이 소정 범위에 유지되도록, 유압 펌프(12)의 변위용적 요구값(Dp)을 보정한다. 따라서, 유압 펌프(12)의 변위용적 요구값(Dp)을 보정하여, 풍력 발전 장치의 안전 작동을 보장하는 것이 가능하다.
또한, 펌프 요구값 보정 유닛(45)은 유온 센서(35)에 의해 계측된 고압유 라인(16)의 계측 작동유 온도에 근거하여 유압 펌프(12)의 변위용적 요구값(Dp)을 보정한다. 따라서, 오일의 열팽창을 고려하여, 유압 펌프(12)를 적절하게 제어하는 것이 가능해진다.
이상, 예시적인 실시형태를 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명의 영역을 벗어남이 없이 다양한 변경이 이뤄질 수 있다는 것은 당 업자에게 자명하다.
예를 들면, 상술의 실시형태는, 본 발명을 풍력 발전 장치에 적용한 예 경우를 이용했다. 그러나, 본 발명은 조류 발전 장치에 적용하여도 좋다. 여기서 말하는 "조류 발전 장치(tidal current generator)"는 바다, 강 또는 호수 등에 설치되어, 조류의 에너지를 이용하는 발전기를 가리킨다. 조류 발전 장치는, 로터(2)가 바람이 아니라 조류를 받아 회전하는 점을 제외하면 풍력 발전 장치(1)와 동일한 기본적인 구성을 갖고 있다. 조류 발전 장치는, 조류를 받아 회전하는 로터(2)와, 로터(2)의 회전 속도를 증속하는 유압 트랜스미션(10)과, 전력을 발생시키는 발전기(20)와, 조류 발전 장치의 각 유닛을 제어하는 제어 유닛(40)을 구비한다.
여기서, 조류 발전 장치의 제어 유닛(40)은 파워 계수가 최대가 되는 유압 펌프(12)의 목표 토크를 구하고, 다음에 목표 토크 및 고압유 라인(16)에 있어서의 작동유 압력에 의거하여 유압 펌프의 변위용적(Dp)을 결정하여, 유압 펌프(12)를 제어한다. 그 결과, 소망의 토크를 얻는 것이 가능해져, 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 조류 발전 장치를 이용하는 경우에, 풍속계(33)에 의해 계측된 풍속 대신에 속도계로 계측한 조류의 속도에 의거하여, Cp 최대 곡선(102)(도 4 참조)을 이용하여, 유압 펌프(12)의 목표 토크를 구할 수 있다.
1 : 풍력 발전 장치 2 : 로터
4 : 블레이드 6 : 허브
8 : 회전 샤프트 10 : 유압 트랜스미션
12 : 유압 펌프 14 : 유압 모터
16 : 고압유 라인 18 : 저압유 라인
20 : 발전기 22 : 나셀
24 : 타워 26 : 기초
31 : 압력계 32 : 회전 속도계
33 : 풍속계 34 : 분위기 온도 센서
35 : 유온 센서 40 : 제어 유닛
41 : 이상 토크 결정 유닛 42 : 목표 토크 결정 유닛
43 : 목표 토크 보정 유닛 44 : 펌프 요구값 결정 유닛
45 : 펌프 요구값 보정 유닛 46 : 펌프 제어기
47 : 기억 유닛 50 : 전력 계통
52 : 여자기 60 : 바이패스 유로
62 : 릴리프 밸브 64 : 맥동 방지용 누산기
66 : 오일 필터 68 : 오일 쿨러
70 : 오일 탱크 72 : 보충 라인
74 : 부스트 펌프 76 : 오일 필터
78 : 반송 라인 79 : 저압 릴리프 밸브
100 : Cp 최대 곡선 102 : Cp 최대 곡선

Claims (17)

  1. 재생 에너지원로부터 전력을 생성하는 재생 에너지형 발전 장치에 있어서,
    재생 에너지에 의해서 구동되는 회전 샤프트와,
    상기 회전 샤프트에 의해서 구동되는 가변 용량형의 유압 펌프와,
    상기 유압 펌프로부터 공급되는 압유에 의해서 구동되는 유압 모터와,
    상기 유압 모터에 연결된 발전기와,
    상기 유압 펌프의 토출측을 상기 유압 모터의 흡입측에 연통시키는 고압유 라인과,
    상기 유압 펌프의 목표 토크 및 상기 고압유 라인의 작동유 압력에 근거하여 상기 유압 펌프의 변위용적 요구값(Dp)을 결정하는 펌프 요구값 결정 유닛과,
    상기 유압 펌프의 변위용적을 결정된 변위용적 요구값(Dp)으로 조절하는 펌프 제어기를 구비하는
    재생 에너지형 발전 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    파워 계수가 최대가 되는 상기 회전 샤프트의 이상 토크에 의거하여 상기 유압 펌프의 상기 목표 토크를 결정하는 목표 토크 결정 유닛을 추가로 구비하는
    재생 에너지형 발전 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 회전 샤프트의 회전 속도를 계측하는 회전 속도계와,
    상기 회전 샤프트의 계측 회전 속도에 따라서 상기 회전 샤프트의 이상 토크를 결정하는 이상 토크 결정 유닛을 추가로 구비하는
    재생 에너지형 발전 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    복수의 회전 속도계가 마련되며,
    상기 이상 토크 결정 유닛은, 상기 회전 속도계들에 의해 계측된 상기 회전 샤프트의 회전 속도의 평균값에 따라서, 상기 회전 샤프트의 상기 이상 토크를 결정하는
    재생 에너지형 발전 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 회전 샤프트의 회전 속도를 계측하는 회전 속도계와,
    상기 회전 샤프트의 계측된 회전 속도로부터 추정되는 상기 재생 에너지원의 에너지 흐름의 추정된 속도에 따라서, 상기 회전 샤프트의 상기 이상 토크를 결정하는 이상 토크 결정 유닛을 추가로 구비하는
    재생 에너지형 발전 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    복수의 회전 속도계가 마련되며,
    상기 에너지 흐름의 추정 속도는 상기 회전 속도계들에 의해 계측된 상기 회전 샤프트의 회전 속도의 평균값으로부터 추정되는
    재생 에너지형 발전 장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 재생 에너지원의 에너지 흐름의 유속을 계측하는 유속계와,
    상기 에너지 흐름의 계측된 속도에 따라서 상기 회전 샤프트의 상기 이상 토크를 결정하는 이상 토크 결정 유닛을 추가로 구비하는
    재생 에너지형 발전 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    복수의 유속계가 마련되며,
    상기 이상 토크 결정 유닛은, 상기 유속계들에 의해 계측된 상기 에너지 흐름의 유속의 평균값에 따라서, 상기 회전 샤프트의 상기 이상 토크를 결정하는
    재생 에너지형 발전 장치.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 재생 에너지원의 에너지 흐름으로부터의 상기 회전 샤프트로의 입력 토크의 추정값으로부터 상기 목표 토크 결정 유닛에서 결정된 상기 목표 토크를 감산하여 얻어지는 편차에 따라서, 상기 목표 토크 결정 유닛에서 결정된 상기 목표 토크를 보정하는 목표 토크 보정 유닛을 추가로 구비하며, 상기 입력 토크의 추정값은 목표 토크의 현재값 및 상기 회전 샤프트의 가속 토크의 합에 의해 얻어지는
    재생 에너지형 발전 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 목표 토크 보정 유닛은, 상기 편차에 게인(G)을 승산하여 도출된 보정값(Tfeedforward)을 상기 목표 토크 결정 유닛에 의해 결정된 상기 목표 토크에서 감산함으로써, 상기 목표 토크 결정 유닛에 의해 결정된 상기 목표 토크를 보정하는
    재생 에너지형 발전 장치.
  11. 제 2 항에 있어서,
    상기 목표 토크 결정 유닛은, 상기 회전 샤프트의 상기 이상 토크에 스케일 계수(M)를 승산하여, 상기 유압 펌프의 상기 목표 토크를 결정하는
    재생 에너지형 발전 장치.
  12. 제 2 항에 있어서,
    상기 발전 장치의 분위기 온도를 계측하는 분위기 온도 센서를 추가로 구비하고,
    상기 회전 샤프트의 상기 이상 토크는 계측된 분위기 온도에 의거하여 보정되는
    재생 에너지형 발전 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 펌프 요구값 결정 유닛은, 상기 유압 펌프의 목표 토크를 상기 고압유 라인의 작동유 압력으로 제산하여, 상기 유압 펌프의 변위용적 요구값(Dp)을 결정하는
    재생 에너지형 발전 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 고압유 라인의 작동유 압력이 소정 범위에 유지되도록, 상기 유압 펌프의 변위용적 요구값(Dp)을 보정하는 펌프 요구값 보정 유닛을 추가로 구비하는
    재생 에너지형 발전 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 고압유 라인의 작동유의 온도를 계측하는 유온 센서와; 상기 고압유 라인의 계측된 작동유 온도에 근거하여, 상기 유압 펌프의 변위용적 요구값(Dp)을 보정하는 펌프 요구값 보정 유닛을 추가로 구비하는
    재생 에너지형 발전 장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 발전 장치는 재생 에너지원으로서의 바람으로부터 전력을 생성하는 풍력 발전 장치인
    재생 에너지형 발전 장치.
  17. 재생 에너지에 의해서 구동되는 회전 샤프트와; 상기 회전 샤프트에 의해서 구동되는 가변 용량형의 유압 펌프와; 상기 유압 펌프로부터 공급되는 압유에 의해서 구동되는 유압 모터와; 상기 유압 모터에 연결된 발전기와; 상기 유압 펌프의 토출측을 상기 유압 모터의 흡입측에 연통시키는 고압유 라인과; 상기 유압 펌프의 흡입측을 상기 유압 모터의 토출측에 연통시키는 저압유 라인을 구비하는 재생 에너지형 발전 장치의 운전 방법에 있어서,
    상기 유압 펌프의 목표 토크 및 상기 고압유 라인의 작동유 압력에 근거하여 상기 유압 펌프의 변위용적 요구값(Dp)을 결정하는 단계와,
    상기 유압 펌프의 변위용적을 상기 변위용적 요구값(Dp)으로 조절하는 단계를 구비하는
    재생 에너지형 발전 장치의 운전 방법.
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