KR101466104B1

KR101466104B1 - 풍력발전기의 피치 시스템 및 그 방법

Info

Publication number: KR101466104B1
Application number: KR1020130136522A
Authority: KR
Inventors: 김인규
Original assignee: 삼성중공업 주식회사
Priority date: 2013-11-11
Filing date: 2013-11-11
Publication date: 2014-11-27
Anticipated expiration: 2033-11-11

Abstract

풍력발전기의 피치 시스템 및 그 방법이 개시된다.
본 발명의 실시 예에 따른, 로터에 회전 가능하게 결합되는 복수의 블레이드를 갖는 풍력발전기의 피치 시스템은, 상기 복수의 블레이드 중 각 블레이드에 대응되게 설치되어 각 블레이드의 피치각을 회전시키는 복수의 피치 모터; 상기 복수의 피치 모터 중 각 피치 모터에 대응되게 설치되어, 각 피치모터를 구동시키는 복수의 피치 인버터; 상기 복수의 피치 인버터 중 적어도 하나의 피치 인버터의 고장으로 제어가 불가능한 경우, 상기 제어가 불가능한 피치 인버터에 대응하는 블레이드에 제동력을 가하는 가변 제동부; 및 상기 가변 제동부를 통해 제동력이 가해진 블레이드의 페더링 속도와 나머지 블레이드의 페더링 속도를 동기화시키는 피치 제어부를 포함하되, 상기 가변 제동부는 상기 제동력이 가해진 블레이드의 피치각 회전속도를 소정치 이하로 줄이면서 상기 제동력이 가해진 블레이드가 페더링 위치(Feathering position)로 이동하도록 상기 제동력을 제어한다.

Description

풍력발전기의 피치 시스템 및 그 방법{SYSTEM AND METHOD FOR PITCH OF WIND POWER GENERATOR}

본 발명은 풍력발전기의 피치 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 풍력발전기의 피치 제어에 문제가 발생되는 경우 안정적인 비상운전 제어를 수행하는 풍력발전기의 피치 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

풍력발전기는 바람의 에너지를 이용하여 블레이드(blade)를 회전시켜 사용 가능한 전기에너지로 변환하는 장치이다.

일반적으로 풍력발전기는 복수의 블레이드(blade)가 결합되어 바람의 힘에 의해 회전하는 로터(rotor), 로터에 연결된 메인 샤프트(main shaft)로부터 회전력을 전달받아 전기에너지로 변환하는 발전설비들을 포함하는 나셀 및 상기 로터와 나셀을 지지하는 타워로 크게 구분할 수 있다.

풍력발전기의 나셀과 로터를 지지하는 타워구조는 안정성을 위하여 블레이드,로터 및 나셀 전체의 중량을 충분이 견딜 수 있는 강성을 가져야 하기 때문에 로터와 나셀의 무게 증가는 전체 풍력발전기를 구성함에 있어서 악조건으로 작용한다.

특히, 로터는 바람에 따라 회전하는 부분으로 그 안정성이 매우 중요하므로, 로터의 중량을 줄이고 설계를 단순화하여 강건한 구조로 가져가는 것은 풍력발전기의 전체 설계에 있어 매우 중요한 요소로 작용한다.

한편, 도 1은 종래의 풍력발전기 로터에 설치되는 피치 시스템을 개략적으로 나타낸 블록도이다.

도 1을 참조하면, 종래에 풍력발전기의 피치 시스템(Pitch system)은 복수의 블레이드(1-1, 1-2, 1-3)에 각각 대응되어 개별 피치각을 조절하는 피치 인버터(2-1, 2-1, 2-3)와 주 전원이 차단되었을 때 긴급 운전을 위해 비상 전원을 공급하는 배터리(3-1, 3-2, 3-3), 그리고, 슬립링(4)을 통해 전달되는 전력을 각 피치 인버터(2-1, 2-1, 2-3)에 공급하거나 배터리(3-1, 3-2, 3-3)를 충전하고 이들의 전반적인 동작을 제어하는 피치 제어부(5)를 포함한다.

일반적인 전력안정상태에서 피치 제어부(5)로부터 전력과 회전명령을 받은 피치 인버터(2-1, 2-1, 2-3)는 각각의 블레이드를 일정각도로 운전하여 바람에너지를 회전에너지로 변환시키고 안정적인 전력을 공급하도록 한다.

그리고, 지락이나 단락 등의 계통에 이상 발생시 주 전원과의 연결이 단절되는 비상 상황 발생시 전력라인으로부터 전력을 받을 수 없는 피치 인버터(2-1, 2-1, 2-3)는 배터리(3-1, 3-2, 3-3)의 비상 전원을 이용하여 블레이드를 페더링(Feathering) 위치로 위치시켜 공기역학적 브레이크로서 역할을 하도록 제어함으로써 터빈을 정지시키는 중요한 안전 기능을 제공한다.

그러나, 주 전원 또는 비상 전원을 공급하는 배터리(3-1, 3-2, 3-3)를 구비하더라도 정작 블레이드(1-1, 1-2, 1-3)의 피치 각도를 조절하는 인버터(2-1, 2-1, 2-3)의 고장 또는 그 구동에 문제가 생기면 풍력발전기의 피치 각도는 제어될 수 없다.

예컨대, 풍력발전기를 구동하여 발전하던 중에 피치 인버터(2-1, 2-1, 2-3)의 고장 또는 구동상의 문제로 제어 불능상태가 발생되면, 블레이드의 피치각 조절이 불가능하여 안전한 위치로 이동시킬 수 없다. 또한, 펼쳐진 블레이드에 강한 바람이 불어오는 경우에는 블레이드나 로터의 손상뿐 아니라 풍력발전기가 전체가 무너지는 아주 위험한 상황에 놓이게 된다.

그래서, 이러한 인버터의 제어불능상태에서의 문제를 해결하고자 비상용 인버터를 추가로 설치하여 풍력발전기의 안정성을 확보하는 기술이 제안되고 있다.

그러나, 풍력발전기의 나셀과 로터를 지지하는 타워구조는 안정성을 위하여 블레이드, 로터 및 나셀 전체의 중량을 충분이 견딜 수 있는 강성을 가져야 하는 반면, 비상용 인버터를 로터에 추가 설치하는 경우 로터와 나셀의 무게 증가를 피할 수 없으며 그로 인해 타워구조의 안정성을 위협할 뿐 아니라 전체 풍력발전기를 구성함에 있어서 안정성과 비용이 증가되는 문제가 있다.

따라서, 비상용 인버터의 추가 없이 인버터의 제어불능상태에서 풍력발전기의 안정성을 확보할 수 있는 방안이 절실히 요구되고 있다.

특허문헌 1 : 일본공개특허 제2005-30263호 (2005.2.3. 공개)

본 발명의 실시 예는 상기한 문제점을 해결하기 위하여 비상용 인버터의 추가를 배제하고, 피치 인버터의 고장 시 가변 동적 브레이크를 이용하여 블레이드를 안전한 페더링 위치로 이동시키는 피치 피치 시스템 및 그 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 로터에 회전 가능하게 결합되는 복수의 블레이드를 갖는 풍력발전기의 피치 시스템은, 상기 복수의 블레이드 중 각 블레이드에 대응되게 설치되어 각 블레이드의 피치각을 회전시키는 복수의 피치 모터; 상기 복수의 피치 모터 중 각 피치 모터에 대응되게 설치되어, 각 피치모터를 구동시키는 복수의 피치 인버터; 상기 복수의 피치 인버터 중 적어도 하나의 피치 인버터의 고장으로 제어가 불가능한 경우, 상기 제어가 불가능한 피치 인버터에 대응하는 블레이드에 제동력을 가하는 가변 제동부; 및 상기 가변 제동부를 통해 제동력이 가해진 블레이드의 페더링 속도와 나머지 블레이드의 페더링 속도를 동기화시키는 피치 제어부를 포함하되, 상기 가변 제동부는 상기 제동력이 가해진 블레이드의 피치각 회전속도를 소정치 이하로 줄이면서 상기 제동력이 가해진 블레이드가 페더링 위치(Feathering position)로 이동하도록 상기 제동력을 제어한다.

또한, 주 전원의 공급이 중단되는 경우, 비상 전원을 공급하여 상기 복수의 블레이드의 페더링 동작을 제어할 수 있도록 하는 배터리를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 피치 제어부는, 페더링이 시작되면 상기 가변 제동부를 통해 제어되는 제1 블레이드의 피치 각도를 기준으로 나머지 제2 블레이드의 피치 각도를 수렴하고, 상기 제1 블레이드의 페더링 속도에 맞게 상기 제2 블레이드의 페더링 속도를 동기화시킬 수 있다.

또한, 상기 피치 모터는, 전원이 차단되면 개방되어 브레이크가 작동되지 않고 전원 인가 시에만 브레이크가 작동되는 상시 비접점형 모터 브레이크를 포함할 수 있다.

또한, 상기 가변 제동부는, 저항회로 또는 전기회로를 이용하여 상기 피치 모터의 제동력을 가변할 수 있다.

또한, 상기 가변 제동부는, 상기 피치 모터에 걸리는 힘에 비례하여 상기 제동력을 가변할 수 있다.

또한, 상기 가변 제동부는, 상기 블레이드가 바람의 영향을 받는 초기 제동 시점에서부터 상기 페더링 위치까지 단계적 또는 선형적으로 상기 제동력을 줄일 수 있다.

또한, 상기 피치 시스템은, 상기 모터 구동부로의 전원 공급이 차단되는 것을 감지하여 상기 가변 제동부와 피치 모터를 연결하는 릴레이 스위치를 더 포함할 수 있다.

한편 본 발명의 일 측면에 따른, 피치 베어링을 통해 로터에 회전 가능하게 결합되는 복수의 블레이드를 갖는 풍력발전기의 비상운전 방법은, a) 운전 중 제1 피치 인버터의 고장으로 제1 블레이드의 제어가 불가능한 비상상황을 파악하는 단계; b) 릴레이 스위치를 통해 상기 제1 피치 인버터와 상기 제1 블레이드의 피치각을 회전시키는 제1 피치 모터의 연결을 끊고, 바람의 회전토크에 의해 회전되는 제1 블레이드에 제동력을 가하는 제1 가변 제동부를 연결하는 단계; c) 상기 제1 가변 제동부를 통해 상기 제1 블레이드의 피치각 회전속도를 소정치 이하로 줄이면서 페더링 위치로 이동하도록 상기 제1 피치 모터의 제동력을 제어하는 단계; 및 d) 상기 제1 가변 제동부를 통해 제어되는 제1 블레이드의 페더링 속도와 나머지 정상 동작되는 제2 블레이드의 페더링 속도를 동기화시키는 단계를 포함한다.

또한, 상기 c) 단계는, 상기 제1 블레이드의 피치 각도를 기준으로 나머지 정상 동작되는 상기 제2 블레이드의 피치 각도를 수렴하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 d) 단계는, 상기 제1 블레이드의 피치각 회전속도를 측정하여 측정된 상기 회전속도와 동기된 속도로 나머지 정상 동작되는 상기 제2 블레이드의 회전속도를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 d) 단계 이후에, 블레이드가 페더링 위치로 이동한 후 가변 제동부를 최대 제동력으로하여 각 블레이드를 페더링 위치에 고정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 측면에 따른, 피치 베어링을 통해 로터에 회전 가능하게 결합되는 복수의 블레이드를 갖는 풍력발전기의 비상운전 방법은, a) 운전 중 전력 계통 사고로 인해 주 전원의 공급이 중단되어 블레이드의 제어가 불가능한 비상상황을 파악하는 단계; b) 릴레이 스위치를 통해 피치 인버터와 블레이드의 피치각을 회전시키는 피치 모터의 연결을 끊고, 바람의 회전토크에 의해 회전되는 블레이드에 제동력을 가하는 가변 제동부를 연결하는 단계; c) 각 블레이드의 페더링 제어를 위한 배터리의 비상 전원을 상기 가변 제동부에 공급하는 단계; 및 c) 상기 가변 제동부를 통해 상기 블레이드의 피치각 회전속도를 소정치 이하로 줄이면서 페더링 위치로 이동하도록 제어하는 단계를 포함한다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 풍력발전기의 운행중 피치 인버터에 고장이 발생하더라도 가변 제동부를 이용하여 블레이드를 안전한 페더링 위치로 이동시킴으로써 풍력발전기의 전체 안정도를 높일 수 있다.

그리고, 별도의 추가적인 인버터의 구성없이 블레이드의 페더링 제어가 가능하므로 허브 내 피치 시스템을 단순화 및 경량화 수 있으며 그로 인한 설치 비용을 줄 일 수 있다.

또한, 풍력발전기의 페더링 시 서로 다른 각도로 독립 제어되는 블레이드를 가변 제동부를 통해 제어되는 블레이드를 기준으로 최소한의 각도 차이를 유지하는 각도로 수렴하여 페더링을 수행함으로써 로터 임발란스로부터 발생되는 하중을 최소화할 수 있다.

도 1은 종래의 풍력발전기 로터에 설치되는 피치 시스템을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 풍력발전기의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 피치 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 가변 제동부가 피치 모터에 연결되는 구조를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 가변 제동에 따른 블레이드의 페더링 과정을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 풍력발전기의 비상운전 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 각 블레이이드의 페더링 제어 상태를 나타낸 그래프이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

명세서 전체에서, 제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.

이제 본 발명의 실시 예에 따른 풍력발전기의 피치 시스템 및 그 방법에 대하여 도면을 참조로 하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 풍력발전기의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 풍력발전기(100)는 로터(110), 나셀(120), 타워(130) 및 송전선로(140)를 포함하여 이루어진다.

로터(110)는 바람에 의해 회전되는 부분으로 복수의 블레이드(111)가 설치되며, 내부에는 각 블레이드(111)의 피치각도를 조절하는 피치 시스템(112)을 포함한다.

이하, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어서 블레이드(111)의 수를 3개로 가정하여 설명하나, 이에 한정되지 않으며 설계에 따라 그 수가 가감될 수 있다.

복수의 블레이드(111)는 바람의 방향에 대한 피치각이 조절될 수 있도록 회전 가능하게 로터(110)에 결합된다.

피치 시스템(112)은 복수의 블레이드(111)에 대한 개별 피치각을 독립적으로 제어하며, 풍력발전기의 정지상황이나 피치 인버터의 고장으로 제어가 불가능한 비상 상황에서 각 블레이드(111)의 피치각도를 안전한 페더링 위치에 정지시키는 가변 제동부(Dynamic Brake)를 포함하며, 이에 대한 설명은 뒤에서 자세히 언급하도록 한다.

한편, 나셀(120)의 내부에는 메인 샤프트(121), 증속기(122), 발전기축(123), 발전기(124) 및 컨트롤 박스(125) 등이 설치될 수 있다.

증속기(122)는 로터(110)의 회전력을 전달하는 메인 샤프트(121)에 연결되어, 로터(110)가 바람에 의해 회전되면 메인 샤프트(121)를 통하여 전달되는 회전력을 증속시켜 발전기축(123)을 통해 발전기(124)로 전달할 수 있다. 그리고, 발전기(124)는 전달되는 회전력을 전기에너지로 변환한다.

컨트롤 박스(125)는 입출력 포트(도시되지 않음) 등이 구비된 전기적 연결장치로, 예컨대, 로터(110) 및 나셀(120)에 포함되는 각종 장비와 후술되는 메인 컨트롤러(141)를 전기적으로 연결시키기 위한 단자 등을 포함한다.

이 밖에도 나셀(120)은 타워(130)에 의해 지지되며 지면으로부터 소정의 높이에서 타워(130)의 길이방향 축을 중심으로 요잉(yawing) 가능하게 설치될 수 있는데, 이는 출원 시 공지된 다양한 기술을 이용할 수 있으므로, 본 명세서에서 상세한 설명은 생략한다.

한편, 타워(130)의 내부에는 메인 컨트롤러(131), 컨버터(132)(Converter), 메인 트랜스포머(Main Transformer)(133) 및 보조 트랜스포머(Auxiliary Transformer)(134)가 설치될 수 있다.

메인 컨트롤러(131)는 풍력발전기(100)의 정상 운전이나 비상 정지의 상황에 맞게 로터(110), 나셀(120) 및 컨버터(132)에 포함된 각종 장치의 작동을 제어할 수 있다.

컨버터(132)는 로터(110)의 회전에 의해 발전기(124)로부터 생성된 전기에너지를 계통으로 공급하기에 적합한 안정적인 전력으로 변환한다.

메인 트랜스포머(133)는 컨버터(132)에서 발생된 저전압을 송전선로(140)를 통하여 전송할 수 있는 고전압으로 승압하는 작용을 할 수 있다. 예를 들어, 컨버터(132)에서 발생된 전력의 전압이 690V일 경우 메인 트랜스포머(133)는 이를 15400V 또는 22900V로 승압하여 전송할 수 있다.

보조 트랜스포머(134)는 피치 시스템(112)과 같은 풍력발전기(100) 내의 각종 장치들을 제어하는데 사용되는 주 전원의 전압을 감압한다. 예를 들어, 보조 트랜스포머(134)는 컨버터(132)로부터 인가된 전압이 690V일 경우 이를 각종 장치에서 요구되는 110 내지 400V의 이내의 전압으로 감압하여 공급할 수 있다.

한편, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 피치 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 풍력발전기(100)의 피치 시스템(112)은 복수의 블레이드(111)에 각각 대응되게 설치되는 피치 모터(10), 피치 인버터(20), 배터리(30), 가변 제동부(40), 그리고 슬립링(50)을 통해 전달되는 전력을 각 피치 구동부(20)에 공급하고 피치 시스템(112)의 전반적인 동작을 제어하는 피치 제어부(60)를 포함하여 이루어진다.

이하, 피치 시스템(112)의 세부 구성을 설명함에 있어서, 대표로 하나의 블레이드(111)와 그에 대응되는 구성들을 예로 설명하되, 동일한 나머지 구성들 또한 동일한 기능을 갖는다.

피치 모터(10)는 회전축에 형성된 기어(미도시)를 이용하여 로터(110)의 허브에 회전 가능하게 결합되는 피치 베어링(미도시)을 통해 블레이드(111)를 회전시키며, 모터 브레이크(11)를 포함한다.

이 때, 피치 모터(10)의 회전기어는 블레이드(111)에 결합된 피치 베어링의 내륜에 형성된 기어이빨과 맞물려 블레이드(111)를 회전시킬 수 있다.

여기서, 본 발명의 실시 예에 따른, 모터 브레이크(11)는 기존의 상시 접점형 브레이크(예; 무 여자 작동형)를 적용한 경우 3상 전원의 공급 중단으로 인해 자동으로 브레이크가 작동하는 것을 방지하기 위하여, 상시 비접점형(예; 여자 작동형) 브레이크를 적용한다. 따라서, 브레이크에 전원 공급이 중단되면 작동되지 않으며 브레이크 전원을 인가 시에만 브레이크가 작동하도록 한다.

피치 인버터(20)는 후술되는 피치 제어부(60)로부터 3상 전원과 회전 명령을 받아 피치 모터(10)를 구동하여 블레이드(111)의 피치 각도를 회전시킨다.

피치 인버터(20)는 산업용 인버터(inverter)로 구성될 수 있으며, 일 예로서 다이오드 및 스위치 소자와 같은 전력용 반도체를 사용하여 교류전원을 직류전원으로 변환시킨 후, 이를 다시 소정의 주파수 및 소정의 전압의 교류로 전환시켜 피치 모터(10)의 회전속도를 제어할 수 있다.

배터리(30)는 피치 인버터(20)의 고장으로 인한 비상 상황에서 피치 인버터(20)가 피치 모터(10)로부터 분리되면 비상 전원을 공급하여 각 블레이드(111)의 페더링 동작을 제어할 수 있도록 한다.

또한, 배터리(30)는 계통 사고로 인해 주 전원의 공급이 중단되는 비상 상황에도 비상 전원을 공급하여 각 블레이드(111)의 페더링 동작을 제어할 수 있도록 할 수 있다.

가변 제동부(40)는 피치 인버터(20)의 고장으로 인한 비상 운전시 바람의 영향으로 인한 회전토크에 의해 회전되는 블레이드(111)에 제동력을 가한다.

즉, 가변 제동부(40)는 비상운전 모드에서 릴레이 스위치를 통해 피치 모터(10)에 연결되며, 블레이드(111)의 피치각이 바람의 영향으로 인한 회전토크에 의해 회전하는 경우 블레이드(111)의 피치각 회전속도를 소정치 이하로 줄이면서 안전한 페더링 위치(Feathering position)로 이동하도록 피치 모터(10)의 제동력을 제어 한다.

피치 제어부(60)는 피치 시스템(112)의 운전을 위한 상기 각부의 전반적인 동작을 제어한다.

피치 제어부(60)는 풍력발전기(100)의 정상 운전 중에 블레이드(111)의 개별 피치를 제어하기 위하여 피치 인버터(20)로의 주 전원과 회전 명령을 전달하고, 적어도 하나의 피치 인버터(20)의 고장이 발생하면 페더링 명령을 전달하여 가변 제동부(40)를 통해 외부의 바람에 의해서 페더링(Feathering)하는 비상운전을 제어한다.

또한, 피치 제어부(60)는 가변 제동부(60)를 통해 제어되는 블레이드(111)의 페더링 속도를 기준으로 나머지 정상 동작되는 블레이드(111)의 페더링 속도를 동기화시키는 제어를 한다.

한편, 다음의 도 4 및 도 5를 통하여 피치 비상운전 모드에서의 가변 제동부(40)가 블레이드(111)를 안전하게 페더링 위치에 정지시키는 방법을 설명한다.

이하, 설명에 있어서 블레이드(111)의 회전은 일반적인 발전을 위한 로터 중심의 회전이 아니라 피치 베어링을 중심으로 하는 블레이드(111)의 피치각이 변경되는 것을 의미한다.

먼저, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 가변 제동부가 피치 모터에 연결되는 구조를 나타낸다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 가변 제동부(40)는 피치 인버터(30)에 이상이 발생하면, 피치 인버터(30)와 피치 모터(10)의 연결을 끊고 피치 모터(10)에 연결하는 릴레이 스위치(41)를 포함한다.

그래서, 가변 제동부(40)는 저항회로나 전기회로를 이용하여 피치 모터(10)의 제동력을 가변 제어할 수 있게 된다.

한편, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 가변 제동에 따른 블레이드의 페더링 과정을 나타낸다.

도 5를 참조하면, 블레이드(111)는 피치 각도에 따라 바람에 닿는 면적이 달라지므로 바람의 영향으로 인한 블레이드(111)의 피치각 회전 토크의 크기는 (A)>(B)>(C) 단계 순으로 달라진다.

이 때, 도 5의 (A)와 같이 초기 제동 시점에 바람의 영향을 많이 받는 피치 각도에서는 바람의 힘에 의해 블레이드(111)가 빠른 속도로 회전하려 하기 때문에 이를 그대로 방치하는 경우 각 블레이드(111)와 로터에 강한 진동이 유발되어 장비가 손상될 수 있는 문제점이 있다.

그래서, 블레이드(111)가 너무 빠른 속도로 회전하는 것을 방지하기 위하여 바람의 영향을 많이 받는 초기 제동 시점에서부터 바람의 영향이 미미한 상기 페더링 위치까지 안정적인 블레이드(111)의 회전을 위해 가해지는 제동력 또한 (A)>(B)>(C) 단계 순으로 단계적으로 또는 선형적으로 가변 할 수 있다.

한편, 다음의 도 6을 통하여 전술한 피치 시스템(112)이 구성을 바탕으로 하는 본 발명의 실시 예엘 따른 풍력발전기(100)의 비상운전 방법을 설명한다.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 풍력발전기의 비상운전 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 풍력발전기(100)의 피치 시스템(112)은 도 5의 (A)단계와 같이 블레이드(111)가 바람의 영향을 많이 받는 각도에서 운전 중 제1 피치 인버터(20-1)의 고장 발생으로 인한 비상상황인 경우 외부의 바람에 의해서 페더링(Feathering)을 하는 비상운전을 시작한다(S101).

피치 시스템(112)은 릴레이 스위치(41)를 통해 고장이 발생된 제1 피치 인버터(20-1)와 제1 피치 모터(10-1)의 연결을 끊고, 제1 가변 제동부(40-1)를 제1 피치 모터(10-1)에 연결한다(S102).

피치 시스템(112)은 제1 가변 제동부(40-1)를 이용하여 바람의 영향으로 인한 회전토크에 의해 회전되는 제1 블레이드(111-1)에 제동력을 가한다(S103). 이는 바람의 힘에 의해 제1 블레이드(11-1)의 피치 각도가 과도하게 회전하면서 발생할 수 있는 기구적인 파손을 방지하기 위한 것이다.

이 때, 피치 시스템(112)은 바람의 영향으로 회전되는 제1 블레이드(111-1)의 피치각 회전 속도가 소정치 이하를 유지하도록 제1 피치 모터(10-1)에 단계별로 제동력을 제어한다(S104).

예컨대, 제1 가변 제동부(40-1)는 도 5의 (A)단계와 같이 바람의 영향을 가장 많이 받는 초기 제동 시에는 1차적으로 높은 제동력을 가하여 제1 블레이드(111-1)의 피치각 회전 속도를 안전하게 줄여 이동시킨다.

그리고, 제1 가변 제동부(40-1)는 제1 블레이드(111-1)가 도 5의 (A) 에 비해 바람을 적게 받는 도 5의 (B) 의 위치로 이동하여 피치 모터(10)에 걸리는 힘이 줄어들면 이에 비례하여 2차적으로 제동력을 줄여서 피치각 회전 속도를 줄여 이동시킨다.

이 때, 피치 모터(10)에 걸리는 힘은 예컨대, 바람의 영향으로 블레이드(111)가 회전함에 따른 피치 모터(10)의 회전속도를 엔코더를 통해 측정하거나 별도의 센서를 통하여 파악할 수 있다.

한편, 복수의 블레이드(111)는 서로 다른 각도에서 독립 피치 제어가 이루어 지기 때문에 세 개의 블레이드(111-1, 111-2, 111-3)가 각기 다른 피치각으로부터 페더링(feathering)을 시작하는 경우 각 블레이드(111-1, 111-2, 111-3)의 피치각 차이로 인하여 로터 임발란스(Rotor imbalance)가 발생될 수 있으며, 그로 인해 기구적 손상을 입을 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 각 블레이이드의 페더링 제어 상태를 나타낸 그래프이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른, 피치 시스템(112)은 풍력발전기(100)의 안전한 정지를 위해 페더링시 제1 블레이드(111-1)의 피치 각도를 기준으로 나머지 제2 블레이드(111-2) 및 제3 블레이드(111-3)의 피치 각도를 수렴한다(S105). 즉, 페더링 명령 시 가변 동적으로 브레이크 제어되는 제1 블레이드(111-1)를 기준으로 최소한의 각도 차이를 유지하는 각도(예; 1도 이내)로 수렴하여 페더링을 수행한다.

이 때, 제2 피치 인버터(20-2) 및 제3 피치 인버터(30-3)은 정상 동작이 가능하므로, 피치 시스템(112)은 제2 블레이드(111-2) 및 제3 블레이드(111-3)의 피치 각도는 정상 동작되는 각 피치 인버터(20-2, 20-3)를 통해 제어한다.

그리고, 피치 시스템(112)은 제1 블레이드(111-1)의 피치각 회전속도를 측정하고 측정된 제1 블레이드(111-1)의 피치각 회전속도와 동기된 속도로 나머지 제2 블레이드(111-2) 및 제3 블레이드(111-3)의 회전속도를 제어한다(S106).

여기서, 본 발명의 실시 예에 따른 피치 시스템(112)이 제1 블레이드(111-1)의 피치 각도와 피치각 회전속도를 기준으로 나머지 블레이드(111-2, 111-3)를 제어하는 이유는 해당 피치 인버터(20-2, 20-3)가 정상 동작하므로 제1 블레이드(111-1)의 제동력을 가변하는 것보다 세부적인 제어에 유리하기 때문이다.

즉, 제1 가변 제동부(40-1)에 의한 제동력 제어에 비해 피치 인버터(20-2, 20-3)를 이용한 제어가 더 세밀하게 이루어 질 수 있으므로 본 발명의 실시 예에서는 제1 가변 제동부(40-1)의 페더링 동작에 맞춰 피치 인버터(20-2, 20-3)를 이용한 페더링 동작을 일치시키는 것을 특징으로 한다.

피치 시스템(112)은 제1 가변 제동부(40-1)를 통해 제1 피치 모터(10-1)에 걸리는 힘에 따라 단계적으로 제동력을 줄여서 제1 블레이드(111-1)를 안정적인 이동 속도로 바람의 영향이 가장 적게 받는 상기 도 5의 (C) 의 페더링 위치로 이동시킨다(S107; 예).

이 때, 제2 블레이드(111-2) 및 제3 블레이드(111-3)도 마찬가지로 제1 블레이드(111-1)에 기준한 동기제어에 따라 각각 페더링 위치로 이동 하게 된다.

피치 시스템(112)은 블레이드(111)가 페더링 위치로 이동한 후 가변 제동부(40)를 최대 제동력으로하여 각 블레이드(111)를 페더링 위치에 고정하여 바람에 의한 임의 각도 변화를 방지한다(S108).

이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 풍력발전기의 운행중 피치 인버터에 고장이 발생하더라도 가변 제동부를 이용하여 블레이드를 안전한 페더링 위치로 이동시킴으로써 풍력발전기의 전체 안정도를 높일 수 있는 효과가 있다.

또한, 별도의 추가적인 인버터의 구성없이 블레이드의 페더링 제어가 가능하므로 허브 내 피치 시스템을 단순화 및 경량화 수 있으며 그로 인한 설치 비용을 줄 일 수 있는 효과가 있다.

또한, 풍력발전기의 페더링 시 서로 다른 각도로 독립 제어되는 블레이드를 가변 제동부를 통해 제어되는 블레이드를 기준으로 최소한의 각도 차이를 유지하는 각도로 수렴하여 페더링을 수행함으로써 로터 임발란스로부터 발생되는 하중을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

이상에서는 본 발명의 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예에만 한정되는 것은 아니며 그 외의 다양한 변경이 가능하다.

예컨대, 도 6을 통해 설명한 본 발명의 실시 예에서는 하나의 제1 피치 인비터(20-1)가 고장이 나는 경우를 가정하여 설명하였으나 이에 한정되지 않으면, 그 이상의 피치 인버터가 고장 나는 경우에도 각각 해당 가변 제동부(40)를 이용하여 안정적인 페더링 제어할 수 있다.

또한, 상시 공급되는 주 전원을 이용하여 가변 제동부(40)를 이용한 페더링 제어를 하되, 계통측 사고로 인해 주 전원의 공급이 끊긴 경우에는 배터리(30)를 이용하여 각 가변 제동부(40)를 제어할 수 있다.

따라서, 적어도 하나 이상의 피치 인버터(20)의 고장뿐 아니라, 주 전원이 차단된 상태에서의 피치 인버터(20) 불능 상태에서도 안정적인 페더링 제어가 가능한 풍력발전기의 피치 시스템을 제공할 수 있는 이점이 있다.

본 발명의 실시 예는 이상에서 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시 예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시 예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.

이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

100: 풍력발전기 110: 로터
111: 블레이드 112: 피치 시스템
10: 피치 모터 11: 모터 브레이크
20: 피치 인버터 30: 배터리
40: 가변 제동부 41: 릴레이 스위치
50: 슬립링 60: 피치 제어부
120: 나셀 121: 메인 샤프트
122: 증속기 123: 발전기축
124: 발전기 125: 컨트롤 박스
130: 타워 131: 컨트롤러
132: 컨버터 133: 메인 트랜스포머
134: 보조 트랜스포머 140: 송전선로

Claims

로터에 회전 가능하게 결합되는 복수의 블레이드를 갖는 풍력발전기의 피치 시스템에 있어서,
상기 복수의 블레이드 중 각 블레이드에 대응되게 설치되어 각 블레이드의 피치각을 회전시키는 복수의 피치 모터;
상기 복수의 피치 모터 중 각 피치 모터에 대응되게 설치되어, 각 피치모터를 구동시키는 복수의 피치 인버터;
상기 복수의 피치 인버터 중 적어도 하나의 피치 인버터의 고장으로 제어가 불가능한 경우, 상기 제어가 불가능한 피치 인버터에 대응하는 블레이드에 제동력을 가하는 가변 제동부; 및
상기 가변 제동부를 통해 제동력이 가해진 블레이드의 페더링 속도와 나머지 블레이드의 페더링 속도를 동기화시키는 피치 제어부를 포함하되,
상기 가변 제동부는 상기 제동력이 가해진 블레이드의 피치각 회전속도를 소정치 이하로 줄이면서 상기 제동력이 가해진 블레이드가 페더링 위치(Feathering position)로 이동하도록 상기 제동력을 제어하는 풍력발전기의 피치 시스템.
제 1 항에 있어서,
주 전원의 공급이 중단되는 경우, 비상 전원을 공급하여 상기 복수의 블레이드의 페더링 동작을 제어할 수 있도록 하는 배터리를 더 포함하는 풍력발전기의 피치 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 피치 제어부는, 페더링이 시작되면 상기 가변 제동부를 통해 제어되는 제1 블레이드의 피치 각도를 기준으로 나머지 제2 블레이드의 피치 각도를 수렴하고, 상기 제1 블레이드의 페더링 속도에 맞게 상기 제2 블레이드의 페더링 속도를 동기화시키는 풍력발전기의 피치 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 피치 모터는, 전원이 차단되면 개방되어 브레이크가 작동되지 않고 전원 인가 시에만 브레이크가 작동되는 상시 비접점형 모터 브레이크를 포함하는 풍력발전기의 피치 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 가변 제동부는, 저항회로 또는 전기회로를 이용하여 상기 피치 모터의 제동력을 가변하는 풍력발전기의 피치 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 가변 제동부는, 상기 피치 모터에 걸리는 힘에 비례하여 상기 제동력을 가변하는 풍력발전기의 피치 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 가변 제동부는, 상기 블레이드가 바람의 영향을 받는 초기 제동 시점에서부터 상기 페더링 위치까지 단계적 또는 선형적으로 상기 제동력을 줄이는 풍력발전기의 피치 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 피치 시스템은, 상기 모터 구동부로의 전원 공급이 차단되는 것을 감지하여 상기 가변 제동부와 피치 모터를 연결하는 릴레이 스위치를 더 포함하는 풍력발전기의 피치 시스템.
피치 베어링을 통해 로터에 회전 가능하게 결합되는 복수의 블레이드를 갖는 풍력발전기의 비상운전 방법에 있어서,
a) 운전 중 제1 피치 인버터의 고장으로 제1 블레이드의 제어가 불가능한 비상상황을 파악하는 단계;
b) 릴레이 스위치를 통해 상기 제1 피치 인버터와 상기 제1 블레이드의 피치각을 회전시키는 제1 피치 모터의 연결을 끊고, 바람의 회전토크에 의해 회전되는 제1 블레이드에 제동력을 가하는 제1 가변 제동부를 연결하는 단계;
c) 상기 제1 가변 제동부를 통해 상기 제1 블레이드의 피치각 회전속도를 소정치 이하로 줄이면서 페더링 위치로 이동하도록 상기 제1 피치 모터의 제동력을 제어하는 단계; 및
d) 상기 제1 가변 제동부를 통해 제어되는 제1 블레이드의 페더링 속도와 나머지 정상 동작되는 제2 블레이드의 페더링 속도를 동기화시키는 단계를 포함하는 풍력발전기의 비상운전 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 c) 단계는,
상기 제1 블레이드의 피치 각도를 기준으로 나머지 정상 동작되는 상기 제2 블레이드의 피치 각도를 수렴하는 단계를 포함하는 풍력발전기의 비상운전 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 d) 단계는,
상기 제1 블레이드의 피치각 회전속도를 측정하여 측정된 상기 회전속도와 동기된 속도로 나머지 정상 동작되는 상기 제2 블레이드의 회전속도를 제어하는 단계를 포함하는 풍력발전기의 비상운전 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 d) 단계 이후에,
블레이드가 페더링 위치로 이동한 후 가변 제동부를 최대 제동력으로하여 각 블레이드를 페더링 위치에 고정하는 단계를 더 포함하는 풍력발전기의 비상운전 방법.
피치 베어링을 통해 로터에 회전 가능하게 결합되는 복수의 블레이드를 갖는 풍력발전기의 비상운전 방법에 있어서,
a) 운전 중 전력 계통 사고로 인해 주 전원의 공급이 중단되어 블레이드의 제어가 불가능한 비상상황을 파악하는 단계;
b) 릴레이 스위치를 통해 피치 인버터와 블레이드의 피치각을 회전시키는 피치 모터의 연결을 끊고, 바람의 회전토크에 의해 회전되는 블레이드에 제동력을 가하는 가변 제동부를 연결하는 단계;
c) 각 블레이드의 페더링 제어를 위한 배터리의 비상 전원을 상기 가변 제동부에 공급하는 단계; 및
c) 상기 가변 제동부를 통해 상기 블레이드의 피치각 회전속도를 소정치 이하로 줄이면서 페더링 위치로 이동하도록 제어하는 단계를 포함하는 풍력발전기의 비상운전 방법.