KR20130074260A - 풍력 터빈의 극한 풍속 제어 장치 및 제어 방법 - Google Patents

풍력 터빈의 극한 풍속 제어 장치 및 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 풍력 터빈에 포함된 블레이드의 회전속도 또는 출력량을 조절하는 조절부와, 풍력 터빈에 가해지는 풍속을 감지하는 풍속감지부와, 풍속감지부에 의해 감지된 풍속이 설정된 셧다운 풍속(shut down speed) 이상인 경우, 조절부를 제어하여 발전기의 회전속도 또는 출력량을 감소시킴으로써 시동풍속과 종단풍속의 차이를 증가시키도록 제어하는 제어부를 포함하는 풍력 터빈의 극한 풍속 제어 장치 및 제어 방법이 제공될 수 있다.
본 발명에 따르면, 고풍속에서 발생하게 되는 전력 손실을 감소시킬 수 있고, 풍력 터빈의 정지 시간을 감소시킴으로써 풍력 터빈의 이용률과 연간 에너지 생산량(Annual Energy Production : AEP)을 증대시킬 수 있다.

Description

풍력 터빈의 극한 풍속 제어 장치 및 제어 방법{APPARATUS FOR CONTROLLING WIND TURBINE IN EXTREME WIND SPEEDS AND METHOD USING THE SAME}
본 발명은 풍력 터빈의 극한 풍속 제어 장치 및 제어 방법에 관한 것으로서, 고풍속으로 인한 풍력 터빈의 운정 정지로 인해 발생하게 되는 전력 손실을 감소 및 계통에 원활하게 전력을 공급 할 수 있도록 구성된 풍력 터빈의 극한 풍속 제어 장치 및 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 풍력 에너지는 급성장하는 에너지 공급원으로서, 화석 기반 에너지 공급원에 비하여 청정하면서 재생 가능하며, 생태학적으로 자연 친화적인 에너지를 제공한다. 따라서, 풍력 발전은 유력한 대체 에너지원으로 인정받고 있으며, 그 이용이 늘어가고 있는 추세이다.
풍력 발전에 사용되는 풍력 터빈(Wind Turbine Generator; WTG)는 여러 가지 형태나 구조의 블레이드를 이용하여 바람 에너지를 회전 에너지와 같은 기계적 에너지로 변환하고, 변환된 기계적 에너지를 이용하여 발전기를 구동시킴으로써 전력을 생산하도록 한다.
최근에는 발전 용량의 증가로 인해 대단위 풍력 터빈 단지가 조성됨으로써 전국적으로 소비자에게 전기를 전달할 수 있는 전력망 내에 통합이 가능해지고, 풍력 발전을 위한 풍력 터빈(Wind Turbine Generator; WTG)의 성능이 전력을 전달받게 되는 계통(power gird)의 특성에 큰 영향을 미치게 되므로, 외적인 극한 상황에서도 풍력 터빈이 계통과 연결되어 발전을 수행할 수 있어야 한다.
그러나, 도 1에 도시된 풍력 터빈의 풍속 대비 출력을 나타내는 그래프(도 1의 (a))와 운전시간에 따른 출력의 변화량을 나타내는 그래프(도 1의 (b))에서와 같이, 종래의 풍력 터빈은 고풍속(V_out), 즉 풍속이 셧다운 풍속(shut down speed, 제한 풍속)에 도달하는 경우, 운전을 정지하게 되고, 이러한 풍력 터빈의 운전 정지로 인해 전력 생산이 감소하게 되며, 재운전할 때까지의 운전 정지 기간(T1)이 길어지게 되는 문제가 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 고풍속에서 발생하게 되는 전력 손실을 감소시키도록 하고, 풍력 터빈의 운전 정지 시간을 감소시킴으로써 풍력 터빈의 이용률과 연간 에너지 생산량(Annual Energy Production : AEP)을 증대시키도록 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 풍력 터빈의 극한 풍속 제어 장치로서, 상기 풍력 터빈(10)에 포함된 블레이드(11)의 회전속도 및 발전기(12)의 출력량 중 어느 하나 이상을 조절하는 조절부(110); 상기 풍력 터빈(10)에 가해지는 풍속을 감지하는 풍속감지부(120); 및 상기 풍속감지부(120)에 의해 감지된 풍속이 설정된 셧다운 풍속(shut down speed) 이상인 경우, 상기 조절부(110)를 제어하여 상기 블레이드(11)의 회전속도 및 발전기(12)의 출력량 중 어느 하나 이상을 감소시키도록 제어하는 제어부(130);를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 극한 풍속 제어 장치를 제공한다.
상기 조절부(110)는, 블레이드(11)가 바람을 맞이하는 방향과 상기 블레이드(11)로 부는 바람의 방향 사이의 풍향 편차값을 조절하여 상기 블레이드(11)의 회전속도 및 발전기(12)의 출력량 중 어느 하나 이상을 조절하는 것;을 특징으로 한다.
상기 제어부(130)는, 상기 풍력 터빈(10)에 가해지는 풍하중이 설정된 풍하중 이상인 경우, 상기 풍력 터빈(10)의 운전을 정지하는 것;을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 풍력 터빈의 극한 풍속 제어 장치로서, 상기 풍력 터빈(10)에 가해지는 풍속이 설정된 셧다운 풍속(shut down speed) 이상인 경우, 블레이드(11)가 바람을 맞이하는 방향과 상기 블레이드(11)로 부는 바람의 방향 사이의 풍향 편차값을 크게 하여 상기 블레이드(11)의 회전속도 및 발전기(12)의 출력량을 줄이는 것; 을 특징으로 하는 풍력 터빈의 극한 풍속 제어 장치를 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 풍력 터빈의 극한 풍속 제어 방법으로서, 상기 풍력 터빈(10)에 가해지는 풍속을 감지하는 단계(S12); 및 상기 풍속을 감지하는 단계(S12)에서 상기 풍속이 설정된 셧다운 풍속(shut down speed) 이상인 경우 블레이드(11)의 회전속도 및 발전기(12)의 출력량 중 어느 하나 이상을 감소시키는 단계(S13);를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 극한 풍속 제어 방법을 제공한다.
상기 블레이드(11)의 회전속도 및 발전기(12)의 출력량 중 어느 하나 이상을 감소시키는 단계(S13)를 수행하는 과정에서 상기 풍력 터빈(10)에 가해지는 풍하중이 설정된 풍하중 이상인 경우, 상기 풍력 터빈(10)의 운전을 정지시키는 단계(S14);를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 풍력 터빈이 정지하는 과정에서도 전력을 생산케함으로써 고풍속에서 발생하게 되는 전력 손실을 감소시킬 수 있고, 풍력 터빈의 운전 정지 기간도 감소되어 풍력 터빈의 이용률과 연간 에너지 생산량(Annual Energy Production : AEP)을 증대시킬 수 있다.
도 1의 (a)는 종래의 기술에 따른 풍력 터빈의 풍속 대비 출력을 나타낸 그래프이며, (b)는 운전시간에 따른 출력의 변화량을 나타내는 그래프.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈의 극한 풍속 제어 장치를 도시한 구성도.
도 3의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 극한 풍속 제어 장치에 의한 풍력 터빈의 풍속 대비 출력을 나타낸 그래프이며, (b) 운전시간에 따른 출력의 변화량을 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈의 극한 풍속 제어 방법을 도시한 흐름도.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈의 극한 풍속 제어 장치를 도시한 구성도이고, 도 3의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 극한 풍속 제어 장치에 의한 풍력 터빈의 풍속 대비 출력을 나타낸 그래프이며, (b) 운전시간에 따른 출력의 변화량을 나타낸 그래프이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈의 극한 풍속 제어 방법을 도시한 흐름도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈의 극한 풍속 제어 장치를 도시한 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈의 극한 풍속 제어 장치(100)는 풍력 터빈(10)에 포함된 발전기(12)의 회전속도 또는 출력량을 조절하는 조절부(110)와, 조절부(110)를 제어하는 제어부(130)를 포함할 수 있다.
한편, 풍력 터빈(10)은 풍력에 의해 회전하도록 회전축에 의해 설치되는 블레이드(11)와, 블레이드(11)에 회전력을 전달받도록 연결되어 회전 에너지로부터 전력을 생산하도록 하는 발전기(12)를 포함할 수 있고, 나아가서, 발전기(12)로부터 생산된 전력을 교류 전력으로 변환하여 계통(20)에 공급되도록 하는 컨버터와, 컨버터에 의해 변환된 교류 전력을 전자 상호 유도 작용을 이용하여 계통(20)에 사용되기에 적합한 전압을 가지도록 변환시키는 전력변환기(13)를 포함할 수 있다.
조절부(110)는 블레이드(11)의 회전속도 및 발전기(12)의 출력량(일례로 생산 전력) 중 어느 하나 이상을 조절할 수 있는데, 발전기(12)의 출력량은 예컨대 블레이드(11)로부터 전달되는 회전속도를 가감속기어들을 포함하는 회전속도가변유닛 등을 이용하여 변환시키거나, 발전기(12)의 회전축에 토크를 조절하도록 설치되는 토크조절유닛을 이용하여 변환시키거나, 회로적인 구성으로 발전기(12)의 출력량을 변환시킬 수 있다.
제어부(130)는 풍력 터빈(10)에 가해지는 풍속이 설정된 셧다운 풍속(shut down speed) 이상인 경우, 블레이드(11)의 회전속도 및 발전기(12)의 출력량 중 어느 하나 이상을 감소시키도록 조절부(110)를 제어할 수 있다.
여기서, 도 3에 도시된 바와 같이, 셧다운 풍속(V_con)는 고풍속 영역으로서 풍력 터빈(10)의 구동을 멈추고 전력 생산을 중단시키고자 하는 풍력 터빈(10)의 운전 제한 풍속에 해당하는 풍속으로서, 풍력 터빈(10)의 용량, 정격 속도 등을 고려하여 미리 설정될 수 있으며, 시동풍속(V_in)은 풍력 터빈(10)의 운전이 시작(기동)되는 풍속을 의미하고, 종단풍속(V_out)은 풍력 터빈(10)의 운전이 실제로 정지되는 풍속을 의미한다.
도 3의 (a)는 일정시간(예를 들면, 10분)의 평균풍속에 따른 출력을 나타낸 도면으로서, 풍속의 순간적인 변화로 인한 시스템 충격을 미연에 방지하기 위해서 풍속에 일정시간 평균의 개념을 도입할 수 있다. 그리고, 도 3의 (b)는 일정시간(예를 들면, 1초)에 따른 출력을 나타낸 도면이다.
이렇게 풍력 터빈(10)에 가해지는 풍속이 설정된 셧다운 풍속(shut down speed) 이상에 해당하여 풍력 터빈(10)을 정지하더라도 극한풍속 제어구간(t) 중에 블레이드(11)의 회전속도 및 발전기(12)의 출력량 중 어느 하나 이상을 감소시키면서 전력을 생산할 수 있으므로 전력 손실이 감소하게 된다.
또한, 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 운전 정지 기간(T2)도 종래의 종전 정지 기간(T1)보다 짧아지므로 풍력 터빈 이용률 및 AEP가 증가할 수 있게 된다.
조절부(110)는 블레이드(11)가 바람을 맞이하는 방향과 블레이드(11)로 부는 바람의 방향 사이의 풍향 편차값을 조절하여 블레이드(11)의 회전속도 및 발전기(12)의 출력량 중 어느 하나 이상을 조절할 수도 있다.
제어부(130)는 본 실시예에서처럼 발전기(12)로부터 생산된 전력을 계통(20)에 공급하기에 적절한 교류 전력으로 변환시키는 컨버터의 기능을 함께 수행하도록 구성될 수 있고, 이와 달리, 컨버터와는 별개로 이루어져서 발전기(12)의 회전속도를 조절할 수 있다.
또한, 제어부(130)는 블레이드(11)의 회전속도를 직접 추출하고, 이를 풍속으로 환산하여 풍력 터빈(10)에 가해지는 풍속을 산출하도록 블레이드(11)에 설치되는 엔코더 또는 자기 홀센서를 가질 수 있는데, 이와 달리, 본 실시예에서처럼 풍력 터빈(10)에 가해지는 풍속을 감지하기 위한 별도의 풍속감지부(120)가 마련될 수 있다.
풍속감지부(120)는 풍력 터빈(10)에 인접 내지 주위에 설치되고, 풍력 터빈(10)에 가해지는 풍속을 감지하여 감지신호로 제어부(130)에 출력할 수 있으며, 이로 인해 제어부(130)가 풍속에 따라 조절부(110)를 제어하도록 한다.
제어부(130)는 풍력 터빈(10)에 가해지는 풍하중이 설정된 풍하중, 예컨대 풍력 터빈(10)의 안전을 위해 풍력 터빈(10)에 가해지는 기준치의 풍하중 이상인 경우, 풍력 터빈(10)의 운전을 정지하도록 제어할 수 있다.
여기서, 제어부(130)는 풍속감지부(120)에 의해 감지된 풍속으로부터 풍력 터빈(10)에 가해지는 풍하중을 산출하도록 할 수 있으며, 풍속 대비 풍하중에 대하여 미리 산출된 데이터를 통해서 풍력 터빈(10)의 정지를 제어할 수 있다.
또한, 나셀(nacelle)에 진동센서를 설치하여 기준치 이상의 진동이 발생하는 경우 설정된 풍하중을 넘는 것으로 판단하여 풍력 터빈(10)의 운전을 정지하도록 제어할 수도 있을 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈의 극한 풍속 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈의 극한 풍속 제어 방법은 풍속을 감지하는 단계(S12)와, 블레이드(11)의 회전속도 및 발전기(12)의 출력량 중 어느 하나 이상을 감소시키는 단계(S13)를 포함할 수 있다.
풍속을 감지하는 단계(S12)에 의하면, 풍력 터빈(10)을 구동(S11)시킨 다음, 풍속감지부(120)를 통해서 풍속을 감지함으로써 풍력 터빈(10)에 가해지는 풍속을 감지하도록 한다.
블레이드의 회전속도 및 발전기의 출력량 중 어느 하나 이상을 감소시키는 단계(S13)에 의하면, 풍속을 감지하는 단계(S12)에서 감지된 풍속이 미리 설정된 셧다운 풍속(shut down speed), 즉 고풍속 영역으로서 풍력 터빈(10)의 운전 제한 풍속에 해당하는 풍속 이상인 경우, 제어부(130)는 조절부(110)의 제어에 의해 블레이드(11)의 회전속도 및 발전기(12)의 출력량 중 어느 하나 이상을 감소시킨다.
여기서, 셧다운 풍속는 풍력 터빈(10)의 용량, 구조나 정격 속도 등에 따라 달라질 수 있으며, 예컨대 20 ∼ 25m/sec일 수 있다.
한편, 블레이드의 회전속도 및 발전기의 출력량 중 어느 하나 이상을 감소시키는 단계(S13)를 수행하는 과정에서 풍력 터빈(10)에 가해지는 풍하중이 설정된 풍하중 이상인 경우, 풍력 터빈(10)의 운전을 정지시키도록 제어할 수 있다(S14).
따라서, 풍력 터빈(10)이 과도한 풍하중에 의해 손상되는 것을 방지하도록 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 풍력 터빈의 극한 풍속 제어 장치 및 제어 방법에 의하면, 고풍속에서 발생하게 되는 전력 손실을 감소시킬 수 있고, 풍력 터빈의 정지 기간이 감소되어 풍력 터빈의 이용률과 연간 에너지 생산량(Annual Energy Production : AEP)을 증대시킬 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
10 : 풍력 터빈 11 : 블레이드
12 : 발전기 13 : 전력변환기
20 : 계통 110 : 조절부
120 : 풍속감지부 130 : 제어부
t : 극한풍속 제어구간 T2 : 운전 정지 기간

Claims (6)

  1. 풍력 터빈의 극한 풍속 제어 장치로서,
    상기 풍력 터빈(10)에 포함된 블레이드(11)의 회전속도 및 발전기(12)의 출력량 중 어느 하나 이상을 조절하는 조절부(110);
    상기 풍력 터빈(10)에 가해지는 풍속을 감지하는 풍속감지부(120); 및
    상기 풍속감지부(120)에 의해 감지된 풍속이 설정된 셧다운 풍속(shut down speed) 이상인 경우, 상기 조절부(110)를 제어하여 상기 블레이드(11)의 회전속도 및 발전기(12)의 출력량 중 어느 하나 이상을 감소시키도록 제어하는 제어부(130);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 극한 풍속 제어 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 조절부(110)는,
    블레이드(11)가 바람을 맞이하는 방향과 상기 블레이드(11)로 부는 바람의 방향 사이의 풍향 편차값을 조절하여 상기 블레이드(11)의 회전속도 및 발전기(12)의 출력량 중 어느 하나 이상을 조절하는 것;
    을 특징으로 하는 풍력 터빈의 극한 풍속 제어 장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 제어부(130)는,
    상기 풍력 터빈(10)에 가해지는 풍하중이 설정된 풍하중 이상인 경우, 상기 풍력 터빈(10)의 운전을 정지하는 것;
    을 특징으로 하는 풍력 터빈의 극한 풍속 제어 장치.
  4. 풍력 터빈의 극한 풍속 제어 장치로서,
    상기 풍력 터빈(10)에 가해지는 풍속이 설정된 셧다운 풍속(shut down speed) 이상인 경우, 블레이드(11)가 바람을 맞이하는 방향과 상기 블레이드(11)로 부는 바람의 방향 사이의 풍향 편차값을 크게 하여 상기 블레이드(11)의 회전속도 및 발전기(12)의 출력량을 줄이는 것;
    을 특징으로 하는 풍력 터빈의 극한 풍속 제어 장치.
  5. 풍력 터빈의 극한 풍속 제어 방법으로서,
    상기 풍력 터빈(10)에 가해지는 풍속을 감지하는 단계(S12); 및
    상기 풍속을 감지하는 단계(S12)에서 상기 풍속이 설정된 셧다운 풍속(shut down speed) 이상인 경우 블레이드(11)의 회전속도 및 발전기(12)의 출력량 중 어느 하나 이상을 감소시키는 단계(S13);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 극한 풍속 제어 방법.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 블레이드(11)의 회전속도 및 발전기(12)의 출력량 중 어느 하나 이상을 감소시키는 단계(S13)를 수행하는 과정에서 상기 풍력 터빈(10)에 가해지는 풍하중이 설정된 풍하중 이상인 경우, 상기 풍력 터빈(10)의 운전을 정지시키는 단계(S14);
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 극한 풍속 제어 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN103899477A (zh) * 2012-12-27 2014-07-02 中国科学院工程热物理研究所 调节风力机转速的装置
KR101676968B1 (ko) * 2015-12-10 2016-11-16 한밭대학교 산학협력단 풍속 관측기를 이용한 풍력터빈의 토크제어방법 및 그 장치

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KR101676968B1 (ko) * 2015-12-10 2016-11-16 한밭대학교 산학협력단 풍속 관측기를 이용한 풍력터빈의 토크제어방법 및 그 장치

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