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KR101028960B1 - 풍력터빈설비 - Google Patents

풍력터빈설비 Download PDF

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KR101028960B1
KR101028960B1 KR1020080127659A KR20080127659A KR101028960B1 KR 101028960 B1 KR101028960 B1 KR 101028960B1 KR 1020080127659 A KR1020080127659 A KR 1020080127659A KR 20080127659 A KR20080127659 A KR 20080127659A KR 101028960 B1 KR101028960 B1 KR 101028960B1
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KR
South Korea
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generator
speed
wind turbine
gear
blade
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이정훈
박종포
김성태
조한규
박현용
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두산중공업 주식회사
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Abstract

풍력터빈설비가 제공된다. 개시된 풍력터빈설비는 블레이드, 블레이드에 연결되는 증속기, 및 증속기로부터의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 발전기를 구비하고, 증속기와 발전기 사이에 위치하여 발전기 축의 속도를 일정하게 유지하도록 조절하는 차동기어장치, 및 차동기어장치에 연결되는 유도장치를 포함하며, 유도장치는 상기 차동기어장치를 구성하는 구동기어들의 회전속도를 조절함으로써 발전기가 일정한 속도를 낼 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 풍력터빈설비는 동력전달을 위해 증속기와 발전기 사이에 위치하는 차동기어장치 및 차동기어장치를 제어하는 유도장치를 구비하여 유도장치의 작동으로 블레이드의 어떤 속도변화나 블레이드에 가해지는 급격한 부하에도 불구하고 발전기의 출력축 속도를 일정하게 유지하게 한다는 특징이 있게 된다.
차동기어장치, 유도장치, 발전기, 증속기, 풍력터빈

Description

풍력터빈설비{Wind Turbine Equipment}
본 발명은 풍력터빈설비에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 블레이드 및 증속기로부터 가변적인 동력을 전달받는 발전기의 출력 속도를 일정하게 유지할 수 있도록 하는 풍력터빈설비에 관한 것이다.
일반적으로, 풍력터빈설비는 나셀 내부에 증속기, 발전기, 인버터 등이 구비된다. 증속기에는 블레이드가 연결 고정된다. 바람에 의해 저속으로 회전하는 블레이드는 증속기를 통해 1500rpm 이상의 고속으로 운동 에너지를 발생시키고 발전기는 상기 운동에너지를 전기에너지로 변화시킨다. 발전기에서 생산된 전기는 인버터에서 정류되어 전송된다.
풍력터빈설비에서 보게 되면, 블레이드가 정격회전속도(Rated speed) 이하에서 동작 시 증속기는 블레이드와의 연결축 속도를 가변하며 이를 통해 풍속에 따른 블레이드 에너지 변환 효율을 극대화시킨다. 이러한 경우 기존 풍력터빈설비는 고정형 증속비를 가지게 되어 발전기의 회전속도가 증속기의 회전속에 따라 변경된 다. 발전기에서 생산된 전력은 모두 계통에 연결되어야 하므로 발전기 회전속도 변경의 영향을 극복하고자 보통 부분 전력 변환기(partial converter)를 이용한 이중 권선형 유도 발전기(double fed induction generator)를 채용하거나, 혹은 완전 전력 변환기(full converter)를 이용하여 생산된 전력을 모두 일정 주파수로 변환하여 발전기의 grid에 전송한다.
상기와 같이 발전기는 블레이드의 회전속도에 따라 가변하게 되므로 일정한 출력을 보장하기 위해서는 발전기로 입력되는 동력을 일정하게 유지할 필요가 있게 된다.
발전기의 일정한 출력을 위해서는 복잡한 기계장치를 이용해서 가능할 수 있지만 부피가 거대해지고 비용이 높다는 단점이 있게 된다.
한편으로, 일반적인 종래의 기술에서는 발전기에 각속도 제어신호를 입력하고 디지털 신호처리기에서 적절한 방법을 사용하여 발전기의 토크요구량을 생성하여 발전기와 연결된 인버터나 컨버터에서 이를 전류신호로 변경하여 발전기의 출력속도를 제어하는 방법이 있는데, 이러한 방법의 경우에도 인버터나 컨버터가 고가이므로 풍력터빈설비의 비용을 높이는 결과를 초래한다는 단점이 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해서, 동력전달을 위해 증속기와 발전기 사이에 위치하는 차동기어장치 및 상기 차동기어장치를 제어하는 유도장치를 구비함으로써 유동장치의 작동으로 발전기의 출력 축 속도를 일정하게 유지하게 하는 풍력터빈설비를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 제공되는 본 발명의 일 관점에 따른 풍력터빈설비는 블레이드, 상기 블레이드에 연결되는 증속기, 및 상기 증속기로부터의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 발전기를 구비하고, 상기 증속기와 상기 발전기 사이에 위치하여 상기 발전기 축의 속도를 일정하게 유지하도록 조절하는 차동기어장치, 및 상기 차동기어장치에 연결되는 유도장치를 포함하며, 상기 유도장치는 상기 차동기어장치를 구성하는 구동기어들의 회전속도를 조절함으로써 상기 발전기가 일정한 출력을 낼 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 차동기어장치를 구성하는 구동기어들은 상기 발전기의 입력단에 연결되는 태양기어, 상기 태양기어 주위를 공전하는 유성기어, 상기 증속기의 출력단에 연결되어 상기 유성기어의 중심부를 연결하는 유성캐리어, 및 상기 유도장치에 연결되어 상기 유성기어에 외접하는 링기어로 이루어질 수 있다.
한편으로, 상기 유도장치에는 태양기어가 연결되고, 상기 발전기의 입력단에는 링기어가 연결될 수 있다.
상기 풍력터빈설비는 상기 블레이드, 발전기, 및 유도장치에 연결되는 풍력터빈제어기를 더 포함하며, 상기 풍력터빈제어기는 상기 블레이드 및 발전기에 과부하 등이 걸리는 경우에는 직접 상기 블레이드 및 발전기를 제어하거나 상기 유도 장치를 통해 제어할 수 있다.
상기 풍력터빈설비는 상기 유도장치의 토크를 조절하는 전력변환장치를 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 제공되는 본 발명의 다른 관점에 따른 풍력터빈설비의 제어방법은 태양기어, 상기 태양기어 주위를 공전하는 유성기어, 상기 유성기어의 중심부를 연결하는 유성캐리어, 및 상기 유성기어에 외접하는 링기어로 구성되어 상기 증속기와 상기 발전기 사이에 위치하는 차동기어장치가 제공되고, 블레이드의 회전에 의해 증속기의 출력축에 연결되는 유성캐리어를 구동하고, 상기 유성캐리어의 구동으로 상기 태양기어가 회전함으로써 상기 태양기어에 연결되는 상기 발전기의 축이 구동하고, 상기 블레이드의 회전속도가 가변됨에 따라 상기 발전기에 연결되는 제어기가 상기 발전기 출력의 가변 여부를 감지하고, 상기 제어기는 상기 링기어에 연결되는 유도장치를 제어함으로써 상기 링기어의 회전 속도를 조절하고, 상기 링기어의 회전 속도를 조절에 의해서 상기 발전기 축의 속도를 일정하게 유지하도록 조절할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 풍력터빈설비는 동력전달을 위해 증속기와 발전기 사이에 위치하는 차동기어장치 및 상기 차동기어장치를 제어하는 유도장치를 구비하여 상기 유도장치의 작동으로 블레이드의 어떤 속도변화나 블레이드에 가해지는 급격한 부하에도 불구하고 발전기의 출력 축 속도를 일정하게 유지하게 한다는 특징이 있게 된다.
또한, 본 발명에서는 차동기어장치에 연결된 제어기로 유도장치 또는 동 기기와 같은 전기 시스템을 제어함으로 인해서 설비 전체 효율이 상승하고 가격이 낮은 설비 시스템을 구성할 수 있게 된다.
본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 풍력터빈설비를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 따른 풍력터빈설비의 전체적인 구조를 설명하는 구조도, 도 2는 본 발명에 적용되는 차동기어의 구체적인 구조를 나타내는 도면, 및 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 따른 풍력터빈설비의 전체적인 구조를 설명하는 구조도이다.
이하, 본 발명의 실시 예에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력터빈설비(100)의 나셀(101)은 증속기(110), 차동기어장치(120), 발전기(130), 유도장치(140), 풍력터빈제어기(150)를 구비한다. 상기 증속기(110)의 선단에 연결되어 나셀(101)의 전방에 장착되는 블레이드(103)가 구비되는데, 블레이드(103)는 메인 샤프트(104) 상에 원주방향으로 일정간격으로 배치되고, 메인 샤프트(104)는 허브(105)를 통해 증속기(110)에 연결된다. 나셀(101)은 지반(미도시) 상에 견고하게 지지되는 타워(102) 상에 설치된다. 타워(102)는 중공의 형상일 수 있고 다단으로 축조되어질 수 있다.
바람에 의해 저속으로 회전하는 블레이드(103)는 증속기(110)를 통해 1500rpm 이상의 고속으로 운동 에너지를 발생시키고 발전기(130)는 상기 운동에너지를 전기에너지로 변화시킨다. 발전기(130)에서 생산된 전기는 인버터(미도시)에 서 정류되어 계통(106)으로 전송된다.
증속기(110)와 발전기(130) 사이에는 차동기어장치(120)가 배치되어 발전기(130) 축의 속도를 일정하게 유지하도록 조절한다. 차동기어장치(130)를 구성하는 구동기어들의 회전속도가 조절됨에 의해서 발전기(130)가 일정한 출력을 낼 수 있게 된다.
이하 도 1 및 도 2를 참조하여, 차동기어장치(130)를 구성하는 구동기어들의 결합상태에 대해 일 실시예를 들어 살핀다.
상기 차동기어장치(130)는 태양기어(121), 태양기어(121) 주위를 공전하는 유성기어(122), 유성기어(122)의 중심부를 연결하는 유성캐리어(124), 및 유성기어(122)에 외접하는 링기어(123)으로 이루어진다. 태양기어(121)는 발전기(130)의 입력축(132)에 연결되고, 링기어(123)는 유도장치(140)의 입력축(142)에 연결된다.
유도장치(140)로서는 유도기, 동기기를 포함한 일반 산업용 모터나 발전기가 사용될 수 있으며 이를 제어할 수 있는 제어 시스템이 적용될 수 있다. 이를 위해서 부가적인 전력변환장치(미도시)가 더 구비될 수 있는데, 부분 전력에 대한 제어를 필요로 하므로 작은 용량이면 충분할 수 있다.
유성캐리어(124)는 증속기(110)의 출력축단(112)에 접속되어져 블레이드(103)로부터 증속된 회전 운동 에너지를 제공받아 회전을 개시하게 된다. 일 예를 들어 설명하면, 링기어(123)가 고정된 상태에서 유성캐리어(124)가 시계방향으로 회전할 경우에는 유성기어(122)가 반시계 방향으로 회전한다. 그에 따라 유성기어(122)에 내측에서 접하는 태양기어(121)는 시계방향으로 구동하게 된다.
이하, 풍력터빈제어기(150) 및 유도장치(140)를 이용해서 발전기(130)의 출력을 일정하게 유지하는 과정에 대해서 설명한다.
풍력터빈제어기(150)는 블레이드(103)와 발전기(130)에 전기적으로 접속된 상태에 있게 되는데, 발전기(130)의 출력축 속도가 일정 기준치에 미치지 못할 경우에는 풍력터빈제어기(150)가 유도장치(140)를 제어하거나 또는 직접 블레이드의 구동속도를 제어할 수 있게 된다.
발전기(130)의 입력축(132) 속도가 설정 기준치를 상향하는 경우에는 풍력터빈제어기(150)가 블레이드(103)에 일정한 부하를 걸어서 증속기(110)로부터 제공되는 기계적 회전에너지를 감해지도록 할 수 있다. 다른 방법으로 유도장치(140)에 접속되는 링기어(123)을 정방향 또는 역방향으로 회전시켜 그에 따라 유성기어(122) 및 태양기어(121)의 회전속도를 적절히 제어할 수 있다.
다시 설명하면, 태양기어(121)의 속도가 발전기(130)의 그리드(grid) 주파수보다 높을 경우에는 추가적인 부하를 블레이드(103)에 가하여 증속기(110)의 출력축(112)에 입력되는 파워를 감소시킴으로써 결과적으로 발전기(130)의 입력축(132) 속도를 낮추거나 또는 일정하게 유지할 수 있다. 여기에서, 발전기(130)의 회전자는 그리드(grid) 주파수의 정확한 배수로 동기화되어 회전한다. 회전자의 각도를 제로위상 그리드인 아이들(idle) 지점을 기준으로 변화시키면 그리드에서 전력을 더하거나 줄여 발전기를 작동시킬 수 있다.
한편, 발전기(130)의 입력축(132) 속도가 설정 기준치를 하향하는 경우에는 풍력터빈제어기(150)가 블레이드(103)에 추가 동력을 제공할 수 있게 하는데, 상기 방법의 경우는 자연적인 풍력을 이용한다는 본래의 목적을 벗어나지 않는 차원에서 제한적으로 이뤄져야 한다. 다시 설명하면, 발전기(130)의 입력축(132)에 연결되는 태양기어(121)의 속도가 발전기(130)의 그리드(grid) 주파수보다 낮을 경우에는 블레이드(103)의 회전 속도를 높여 증속기(110)의 출력축(112)에 입력되는 파워를 증가시킴으로써 태양기어(121)의 회전속도를 높일 수 있게 된다.
블레이드(103)가 정격회전속도(Rated revolution speed) 이하 영역에서 동작하는 경우에 블레이드(103)와 연결되는 메인샤프트(104)는 입력되는 바람의 속도에 따라서 정격회전속도보다 낮게 회전하게 된다. 이때 발전기(130)에서 발생한 전기신호는 풍력터빈제어기(150)를 통해 유도장치(140)에 전달되어 태양기어(121)를 일정속도로 유지하게 하여 메인샤프트(104)의 회전속도가 정격회전속도보다 낮음에도 발전기(130)의 입력축(132) 속도가 그리드 주파수와 연관된 일정속도로 회전할 수 있도록 제어한다. 상기의 경우에 발전기(130)에서 발생한 전기에너지는 유도장치(140) 및 풍력터빈제어기(150) 등을 구동하게 되는데, 잔여 에너지에 대해서는 계통(106)에 전달하게 된다.
블레이드(103)가 정격회전속도에 도달한 이후에도 유도장치(140)는 태양기어(121)의 회전속도를 일정하게 유지하기 위해서 실시간으로 제어될 수 있다. 특히 블레이드(103)에 입력되는 바람에 돌풍이 존재하여 순간적으로 많은 에너지가 입력됨으로 인해서 블레이드(103) 로터(rotor)의 회전속도가 급격히 상승할 경우에 적절한 제어를 통하여 발전기(103) 입력단의 회적속도를 일정속도로 유지하게 한다.
상기의 경우에 유도장치(140)는 모터로서가 아닌 발전기의 개념으로 사용되 어 부하를 제공하는 수단으로서 작용할 수 있으며 생산된 에너지는 계통에 전달된다. 즉, 모터는 구동력을 제공하는 수단임에 비해서 발전기라는 개념은 제공되는 기계적 동력을 전기적인 동력으로 변환하는 부하의 개념으로 쓰일 수 있는 것이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력터빈설비(100')에 대해서 도 3을 참조하여 설명한다. 풍력터빈설비의 다른 실시예(100')는 차동기어장치(120)를 구성하는 구동기어들의 연결상태가 일 실시예(100)에 비해 다소 다른 좀이 있으므로 이에 그 차이점을 중심으로 살핀다.
태양기어(121)는 유도장치(140)에 연결되고, 링기어(123)는 발전기(130)의 입력축(134)에 연결되어진다. 유성캐리어(124)는 증속기(110)의 출력축단(112)에 접속되어져 블레이드(103)로부터 증속된 회전 운동 에너지를 제공받아 회전을 개시하게 된다. 일 예를 들어 설명하면, 태양기어(121)가 고정된 상태에서 유성캐리어(124)가 시계방향으로 회전할 경우에는 유성캐리어(124)의 주위를 시계방향으로 공전하면서 시계방향으로 자전을 동시에 하게 된다. 그럼으로써, 자연스럽게 유성기어(122)와 맞물리는 링기어(123)가 시계 방향으로 회전한다.
풍력터빈제어기(150) 및 유도장치(140)를 이용해서 발전기(130)의 출력을 일정하게 유지하는 과정에 대해서 설명하면 다음과 같다.
발전기(130)의 입력축(134) 속도가 설정 기준치를 상향하는 경우에는 풍력터빈제어기(150)가 블레이드(103)에 일정한 부하를 걸어서 증속기(110)로부터 제공되는 기계적 회전에너지를 감해지도록 할 수 있다. 다른 방법으로 유도장치(140)에 접속되는 태양기어(121)을 정방향 또는 역방향으로 회전시켜 그에 따라 유성기 어(122) 및 링기어(123)의 회전속도를 적절히 제어할 수 있다.
다시 설명하면, 링기어(123)와 연동하는 발전기(130)의 입력축(134)의 속도가 발전기(130)의 그리드(grid) 주파수보다 높을 경우에는 추가적인 부하를 블레이드(103)에 가하여 증속기(110)의 출력축(112)에 입력되는 파워를 감소시킴으로써 결과적으로 발전기(130)의 입력축(134) 속도를 낮추거나 또는 일정하게 유지할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 따른 풍력터빈설비의 전체적인 구조를 설명하는 구조도,
도 2는 본 발명에 적용되는 차동기어장치의 구체적인 구조를 나타내는 도면, 및
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 따른 풍력터빈설비의 전체적인 구조를 설명하는 구조도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100,100' : 풍력터빈설비 101 : 나셀
102 : 타워 103 : 블레이드
104 : 메인 샤프트 105 : 허브
106 : 계통 110 : 증속기
120 : 차동기어장치 121 : 태양기어
122 : 유성기어 123 : 링기어
124 : 유성캐리어 130 : 발전기
140 : 유도 장치 150 : 풍력터빈제어기

Claims (6)

  1. 블레이드, 상기 블레이드에 연결되는 증속기, 및 상기 증속기로부터의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 발전기를 구비하는 풍력터빈설비에서,
    상기 증속기와 상기 발전기 사이에 위치하여 상기 발전기 축의 속도를 일정하게 유지하도록 조절하는 차동기어장치;
    상기 차동기어장치에 연결되는 유도장치; 및
    상기 블레이드, 발전기, 및 유도장치에 연결되는 풍력터빈제어기;를 포함하며,
    상기 유도장치는 상기 차동기어장치를 구성하는 구동기어들의 회전속도를 조절함으로써 상기 발전기가 일정한 속도를 낼 수 있도록 하고,
    상기 풍력터빈제어기는 상기 블레이드 및 발전기에 과부하 등이 걸리는 경우에는 직접 상기 블레이드 및 발전기를 제어하거나 상기 유도장치를 통해 제어하는 것을 특징으로 하는 풍력터빈설비.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 차동기어장치를 구성하는 구동기어들은 상기 발전기의 입력단에 연결되는 태양기어, 상기 태양기어 주위를 공전하는 유성기어, 상기 증속기의 출력단에 연결되어 상기 유성기어의 중심부를 연결하는 유성캐리어, 및 상기 유도장치에 연결되어 상기 유성기어에 외접하는 링기어로 이루어지는 것을 특징으로 하는 풍력터빈설비.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 차동기어장치를 구성하는 구동기어들은 상기 유도장치에 연결되는 태양기어, 상기 태양기어 주위를 공전하는 유성기어, 상기 증속기의 출력단에 연결되어 상기 유성기어의 중심부를 연결하는 유성캐리어, 및 상기 발전기의 입력단에 연결되어 상기 유성기어에 외접하는 링기어로 이루어지는 것을 특징으로 하는 풍력터빈설비.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 유도장치의 토크를 조절하는 전력변환장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력터빈설비.
  6. 블레이드, 상기 블레이드에 연결되는 증속기, 및 상기 증속기로부터의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 발전기를 구비하는 풍력터빈설비가 제공되고, 상기 발전기 축의 출력속도를 일정하게 유지하는 풍력터빈설비의 제어방법에서,
    태양기어, 상기 태양기어 주위를 공전하는 유성기어, 상기 유성기어의 중심부를 연결하는 유성캐리어, 및 상기 유성기어에 외접하는 링기어로 구성되어 상기 증속기와 상기 발전기 사이에 위치하는 차동기어장치가 제공되고,
    상기 블레이드의 회전에 의해 상기 증속기의 출력축에 연결되는 유성캐리어를 구동하는 단계;
    상기 유성캐리어의 구동으로 상기 태양기어가 회전함으로써 상기 태양기어에 연결되는 상기 발전기의 축이 구동하는 단계;
    상기 블레이드의 회전속도가 가변됨에 따라 상기 발전기에 연결되는 풍력터빈제어기가 상기 발전기 출력의 가변 여부를 감지하는 단계;
    상기 풍력터빈제어기는 상기 링기어에 연결되는 유도장치를 제어함으로써 상기 링기어의 회전 속도를 조절하는 단계; 및
    상기 링기어의 회전 속도를 조절함에 의해서 상기 태양기어의 속도를 조절하여 상기 발전기 축의 속도를 일정하게 유지하도록 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력터빈설비의 제어방법.
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