KR101454378B1 - 풍력발전기의 피치 시스템에 대한 고장 시 비상 제어 방법 및 이에 적용되는 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력발전기의 피치 시스템에 대한 고장 시 비상 제어 방법 및 이에 적용되는 장치를 개시한다. 본 발명에 따른 풍력발전기의 피치 시스템에 대한 고장 시 비상 제어 방법 및 이에 적용되는 장치는 풍력발전기의 피치 시스템에 고장이 발생한 경우 단일의 한계 스위치 접점에 의해 기 정해진 과도응답 특성으로 블레이드의 회전 제어를 수행하는 구성을 갖춘다. 따라서, 본 발명은 풍력발전기의 정지를 위한 페더링(Feathering) 제어의 안정도를 향상시킬 수 있으며, 한계 스위치 접점을 통과하는 지점에서 각속도의 크기가 급격하게 변화하는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 회전 관성에 의해 블레이드가 목표 지점을 경유함에 따른 역회전 제어를 전혀 수행할 필요가 없다.

Description

풍력발전기의 피치 시스템에 대한 고장 시 비상 제어 방법 및 이에 적용되는 장치{CONTROLLING METHOD IN EMERGENCY WHEN PITCH SYSTEM OF AEROGENERATOR IS ERROR}

본 발명은 풍력발전기의 피치 시스템에 대한 고장 시 비상 제어 방법 및 이에 적용되는 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 풍력발전기의 피치 시스템에 고장이 발생한 경우 단일의 한계 스위치 접점에 의해 기 정해진 과도응답 특성으로 블레이드의 회전 제어를 수행함으로써, 풍력발전기의 정지를 위한 페더링(Feathering) 제어의 안정도를 향상시키는 풍력발전기의 피치 시스템에 대한 고장 시 비상 제어 방법 및 이에 적용되는 장치에 관한 것이다.

통상적으로, 풍력발전기의 피치 시스템은 비상 시에 가장 중요한 역할을 담당한다. 비상 시에는 풍력발전기의 로터가 회전하지 않도록 블레이드의 날을 특정 각도(예: 91도)로 세워 풍력발전기를 정지시킨다.

블레이드의 각 변위 위치와 관계없이 무조건 블레이드의 날을 특정 각도(예: 91도)로 세우는 것을 페더링(Feathering)이라고 한다.

여기서, 피치 시스템 자체가 고장인 경우에도 전술된 페더링(Feathering)을 실시하도록 되어 있으며, 특정 상황에서는 센서리스(Sensorless) 제어가 필요한 경우가 있다.

종래의 풍력발전기의 피치 시스템은 블레이드마다 모터 엔코더와 블레이드 엔코더를 사용한다. 이러한 두 개의 엔코더 값을 비교한 결과, 오차 범위 이내인 경우에는 피치 시스템을 정상 작동하도록 설계되어 있다.

또한, 모터 엔코더가 고장인 경우 피치 시스템은 현재의 각 변위를 확인할 수 없기 때문에 센서리스(Sensorless) 제어모드로 작동한다.

이러한 센서리스(Sensorless) 제어모드에서는 한쪽 방향(예: 시계 방향)으로 계속 회전을 하기 때문에, 한계 스위치의 접점을 이용하여 블레이드의 회전을 정지할 위치를 찾는다.

전술한 한계 스위치의 접점은 제1 한계 스위치 접점 및 제2 한계 스위치 접점으로 구분되며, 통상적으로 제1 한계 스위치 접점은 87도로 설정되고, 제2 한계 스위치 접점은 94도로 설정된다.

예컨대, 각 변위가 0도에 위치한 블레이드에 대한 센서리스(Sensorless) 제어 시, 87도까지 5 deg/s의 속도로 회전한다. 이후, 87도의 제1 한계 스위치 접점에 진입하면 3 deg/s의 속도로 낮추어 회전을 지속한다. 이에, 3 deg/s의 속도로 낮춰서 회전을 지속한다고 하더라도 회전 관성에 의하여 제2 한계 스위치 접점인 94도까지 블레이드가 회전한다.

또한, 94도의 제2 한계 스위치 접점에 진입하면 1 deg/s의 속도로 낮추어 반대방향으로 블레이드 회전을 제어한다. 이를 통해 블레이드 회전 정지의 최종 목표지점인 91도에서 블레이드 회전 정지를 하게 된다.

즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 블레이드에 대한 센서리스(Sensorless) 제어 시 제1 한계 스위치 접점 및 제2 한계 스위치 접점을 각각 통과하는 지점에서 각속도의 크기가 급격하게 변하여 피치 시스템의 피로도가 누적될 뿐만 아니라, 회전 관성에 의해 블레이드가 목표 지점을 경유한 후 재차 역회전 제어를 통해 목표 지점에 이르게 하는 문제점이 있다.

일본 공개특허공보 제2003-197565(2003.07.11)

따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 풍력발전기의 피치 시스템에 고장이 발생한 경우 단일의 한계 스위치 접점에 의해 기 정해진 과도응답 특성으로 블레이드의 회전 제어를 수행함으로써, 풍력발전기의 정지를 위한 페더링(Feathering) 제어의 안정도를 향상시키는 풍력발전기의 피치 시스템에 대한 고장 시 비상 제어 방법 및 이에 적용되는 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 관점에 따른 풍력발전기의 피치 시스템에 대한 고장 시 비상 제어 방법은 풍력발전기의 피치 시스템에 고장이 발생한 경우 블레이드의 회전 제어를 비상 제어 모드로 수행하는 단계, 한계 스위치로부터 접점 신호를 수신할 시 임의의 블레이드가 한계 스위치 접점에 진입한 것으로 판정하는 단계, 상기 판정을 한 시점 이후 상기 블레이드의 회전 제어를 기 정해진 과도응답 특성을 갖는 회전 제어로 변경하여 수행하는 단계 및 상기 임의의 블레이드에 대한 목표 지점 진입에 따라 상기 비상 제어 모드를 종료하는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 상기 비상 제어 모드로 수행하는 단계는 상기 한계 스위치 접점에 진입하기 전까지 기 정해진 특정 각속도를 지속하는 회전 제어를 수행한다.

바람직하게는, 상기 한계 스위치 접점은 단일 개수로 구비된다.

바람직하게는, 상기 과도응답 특성을 갖는 회전 제어는 다음의 수식을 갖는 함수를 통해 수행된다.

[수식]

(단, y: 각속도(deg/s), a: 밑, x: 진수)

바람직하게는, 상기 x의 양의 값은 큰 값에서 작은 값으로 변하는 값이다.

바람직하게는, 상기 x의 양의 값은 32에서 1로 변하는 값이며, 상기 a의 값은 2이다.

그리고, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2 관점에 따른 풍력발전기의 피치 시스템은 블레이드, 상기 블레이드의 회전속도 및 회전각을 측정하는 엔코더, 풍력발전기의 피치 시스템에 이상이 발생하여 비상 제어 모드로 상기 블레이드에 대한 회전 제어가 수행되는 경우 상기 블레이드의 회전에 대해 한계 스위치 접점을 제공하기 위한 단일의 한계 스위치 및 상기 엔코더 및 상기 한계 스위치로부터 각각 제공되는 출력 신호를 판정한 결과를 통해 상기 블레이드의 회전 제어를 기 정해진 특정 각속도로 지속하고, 상기 블레이드의 한계 스위치 접점을 경유하는 시점 이후로는 기 정해진 과도응답 특성으로 상기 블레이드의 회전 제어를 수행하는 제어기를 포함한다.

바람직하게는, 상기 제어기는 상기 과도응답 특성을 갖는 회전 제어를 통한 상기 블레이드의 회전 감소를 통해 목표 지점에서 상기 블레이드의 정지를 완료한다.

바람직하게는, 상기 제어기는 상기 과도응답 특성을 갖는 회전 제어를 수행하면서 상기 블레이드의 목표 지점 도달 여부를 추가 판정한 후, 추가 판정 결과에 기초하여 상기 블레이드의 정지를 완료한다.

따라서, 본 발명에서는 풍력발전기의 피치 시스템에 고장이 발생한 경우 단일의 한계 스위치 접점에 의해 기 정해진 과도응답 특성으로 블레이드의 회전 제어를 수행함으로써, 풍력발전기의 정지를 위한 페더링(Feathering) 제어의 안정도를 향상시킬 수 있으며, 한계 스위치 접점을 통과하는 지점에서 각속도의 크기가 급격하게 변화하는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 회전 관성에 의해 블레이드가 목표 지점을 경유함에 따른 역회전 제어를 전혀 수행할 필요가 없는 이점이 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 종래의 기술에 따른 피치 시스템에 대한 비상 제어 시의 각속도 변화를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 풍력발전기의 피치 시스템을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 피치 시스템에 대한 비상 제어 시의 각속도 변화를 일실시 예로 나타내는 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 피치 시스템의 한계 스위치 접점을 일실시 예로 나타내는 도면이다.
그리고, 도 5는 도 2에 도시된 피치 시스템의 동작 과정을 일실시 예로 나타내는 도면이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 다음과 같이 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 풍력발전기의 피치 시스템을 나타내는 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 풍력발전기의 피치 시스템은 피치 시스템에 고장이 발생한 경우 단일의 한계 스위치(300) 접점에 의해 기 정해진 과도응답 특성으로 블레이드(100)의 회전 제어를 수행하기 위한 구성을 갖춘다.

이를 위해, 풍력발전기의 피치 시스템은 풍력에 의해 회전하는 블레이드(100), 피치 시스템의 최종 출력값을 나타내는 블레이드(100)의 회전속도 및 회전각을 측정하는 엔코더(200), 피치 시스템에 이상이 발생한 경우 비상 제어 모드로 동작하는 블레이드(100)의 회전 제어와 관련하여 한계 스위치(300) 접점을 제공하기 위한 단일의 한계 스위치(300), 및 전술한 엔코더(200) 및 한계 스위치(300)로부터 제공되는 출력 신호를 판정한 결과에 따라 피치 시스템에 고장이 발생한 경우 블레이드(100)가 단일의 한계 스위치(300) 접점을 경유할 때 기 정해진 과도응답 특성으로 블레이드(100)의 회전 제어를 수행하는 제어기(400)를 포함할 수 있다.

여기서, 위에서 설명된 단일의 한계 스위치(300) 접점은 87도로 설정될 수 있다. 이하, 87도로 단일의 한계 스위치(300) 접점이 설정된 것을 일례로 하여 본 발명을 설명한다.

제어기(400)는 87도의 한계 스위치(300) 접점으로 블레이드(100)가 진입하기 전까지 블레이드(100)에 대한 회전 제어를 5 deg/s의 각속도로 동일하게 유지한다. 이때, 5 deg/s의 각속도라 함은 피치 시스템에서의 블레이드(100) 회전 제어 시에 통상 수행하는 각속도를 일례로 한 것이며, 다른 각속도로 설정될 수 있다.

또한, 제어기(400)는 블레이드(100)가 단일의 한계 스위치(300) 접점에 진입한 경우, 비상 정지를 위한 목표 지점(예: 91도)까지 기 정해진 과도응답 특성으로 블레이드(100) 회전 제어를 수행하여 한계 스위치(300) 접점을 통과하는 지점에서 각속도의 크기가 임계 변위 이상으로 급격하게 변화하는 것을 방지하고, 회전 관성에 의해 블레이드(100)가 목표 지점을 지나쳐 이후 역회전 제어가 요구되는 상황을 방지할 수 있다.

즉, 87도에 설치된 단일의 한계 스위치(300)에 대한 접점이 발생한 이후 목표 지점이 91도인 경우에 목표 지점에 도달하기 위해서는 4도를 더 블레이드(100) 회전을 하여야 한다.

또한, 모터와 블레이드(100) 베어링 사이의 기어 비는 '1630 대 1'로 구비될 수 있다. 이는, 모터가 1630번 회전을 하면 블레이드(100)는 1회전(360도 회전)을 한다는 것을 의미한다. 다음의 수식 1을 통해 표현 가능하다.

[수식 1]

1630 : 360 = r : 4

전술된 수식 1에 따라, 모터는 87도에 위치한 한계 스위치(300) 접점을 지난 후 18.1 회전을 하면 목표 지점에 도달 가능하다.

모터가 18.1 회전을 하는 동안 블레이드(100)의 각속도를 기 정해진 과도응답 특성으로 회전 제어하여야 목표 지점에 정확히 도달 및 정지하는 것이 가능하다.

예컨대, 위 언급된 과도응답 특성의 회전 제어라 함은 도 3에 도시된 바와 같이 로그함수로 줄어드는 함수를 갖는 회전 제어로 설정될 수 있다.

즉, 블레이드(100)가 단일의 한계 스위치(300) 접점에 도달할 경우 다음의 수식 2에 의한 회전 제어를 통해 동작 될 수 있다.

[수식 2]

(단, y: 각속도(deg/s), a: 밑, x: 진수)

수식 2에서, (-x)는 x가 커질수록 y의 값이 작아진다. 즉, x의 양의 값이 큰 값에서 작은 값으로 변할수록 y의 값은 0에 수렴하게 된다.

이를 정리하여, 진수의 값이 작아지는 로그함수를 다시 도출하면 다음의 수식 3과 같다.

[수식 3]

(단, y: 각속도(deg/s), a: 2, x: 32 에서 1)

x가 32일 때, 'y = 5 deg/s'이며, x가 1일 때, 'y = 0 deg/s'가 된다.

따라서, 87도의 한계 스위치(300) 접점에 블레이드(100)가 진입한 것을 나타내는 접점 신호가 수신되면 모터의 속도는 점차적으로 줄어들게 되며, 이후 안정된 센서리스(Sensorless)를 하게 된다. 즉, 블레이드(100)가 18.1 회전을 하는 동안 x는 32에서 1로 디스카운트하면 가능하다.

도 4는 도 2에 도시된 피치 시스템의 한계 스위치(300) 접점을 일실시 예로 나타내는 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 피치 시스템의 비상 제어 시에 블레이드(100) 회전 제어는 5 deg/s의 각속도를 단일의 한계 스위치(300) 접점에 진입하기 전까지 지속한다.

이후, 제어기(400)는 한계 스위치(300)로부터 접점 신호를 수신하는 경우, 수신한 접점 신호를 통해 블레이드(100)가 단일의 한계 스위치(300) 접점에 진입한 것으로 판정하고, 판정 시점 이후의 블레이드(100) 회전 제어를 기 정해진 과도응답 특성을 갖는 회전 제어로 변경한다. 즉, 기 정해진 과도응답 특성이라 함은 도 3에 도시된 함수를 갖는 특성이 될 수 있다.

이에 따라, 블레이드(100)의 회전은 기 정해진 과도응답 특성으로 회전을 하게 되고, 이로 인한 점차적인 회전속도 감소로 인해 목표 지점(예: 91도)에 정확히 도달하여 정지할 수 있게 된다.

그리고, 도 5는 도 2에 도시된 피치 시스템의 동작 과정을 일실시 예로 나타내는 도면이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 풍력발전기의 피치 시스템에 대한 고장 시 비상 제어 방법은 풍력발전기의 피치 시스템에 고장이 발생한 경우 비상 제어 모드로 동작하는 것으로 진행된다(S1 및 S3).

이후, 회전 중인 블레이드(100)가 단일의 한계 스위치(300) 접점에 진입하기 전인 상태인지 여부를 판정한다(S5).

S5 단계의 판정 결과, 회전 중인 블레이드(100)가 단일의 한계 스위치(300) 접점에 진입하기 전인 상태이면, 회전 중이던 각속도(예: 5 deg/s)를 동일하게 유지하는 제어를 지속한다(S7).

반면에, S5 단계의 판정 결과에서 회전 중인 블레이드(100)가 단일의 한계 스위치(300) 접점에 진입하는 시점 이후로는 기 정해진 과도응답 특성으로 블레이드(100)의 각속도를 단계적으로 줄이는 회전 제어를 수행한다(S9).

이후, 블레이드(100)가 목표 지점(예: 91도)에 도달하였는지 여부를 지속적으로 판정하여 전술된 과도응답 특성을 갖는 회전 제어를 지속할 것인지 또는 블레이드(100)의 회전 제어를 정지할 것인지를 판정한 후 그 결과에 따른 추후 제어를 진행하거나, 전술된 바와 같이 단일의 한계 스위치(300) 접점을 지나는 시점 이후 기 정해진 과도응답 특성을 갖는 제어를 수행한 결과로 목표 지점에서 정확히 블레이드(100) 정지를 수행하도록 설정되는 것이 가능하다(S11 및 S13).

이상과 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

또한, 본 발명은 풍력발전기의 피치 시스템에 고장이 발생한 경우 단일의 한계 스위치 접점에 의해 기 정해진 과도응답 특성으로 블레이드의 회전 제어를 수행함으로써, 풍력발전기의 정지를 위한 페더링(Feathering) 제어의 안정도를 향상시키는 것임에 따라, 시판 또는 영업의 가능성이 충분할 뿐만 아니라 현실적으로 명백하게 실시할 수 있는 정도이므로 산업상 이용가능성이 있는 발명이다.

100: 블레이드 200: 엔코더
300: 한계 스위치 400: 제어기

Claims (9)

1. 풍력발전기의 피치 시스템에 고장이 발생한 경우 블레이드의 회전 제어를 비상 제어 모드로 수행하는 단계;
   한계 스위치로부터 접점 신호를 수신할 시 임의의 블레이드가 한계 스위치 접점에 진입한 것으로 판정하는 단계;
   상기 판정을 한 시점 이후 상기 블레이드의 회전 제어를 기 정해진 과도응답 특성을 갖는 회전 제어로 변경하여 수행하는 단계; 및
   상기 임의의 블레이드에 대한 목표 지점 진입에 따라 상기 비상 제어 모드를 종료하는 단계;를 포함하는 풍력발전기의 피치 시스템에 대한 고장 시 비상 제어 방법.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 비상 제어 모드로 수행하는 단계는 상기 한계 스위치 접점에 진입하기 전까지 기 정해진 특정 각속도를 지속하는 회전 제어를 수행하는 풍력발전기의 피치 시스템에 대한 고장 시 비상 제어 방법.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 한계 스위치 접점은 단일 개수로 구비되는 풍력발전기의 피치 시스템에 대한 고장 시 비상 제어 방법.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 과도응답 특성을 갖는 회전 제어는 다음의 수식을 갖는 함수를 통해 수행되는 풍력발전기의 피치 시스템에 대한 고장 시 비상 제어 방법.
   [수식]
   

   

   
   (단, y: 각속도(deg/s), a: 밑, x: 진수)
5. 제4 항에 있어서,
   상기 x의 양의 값은 큰 값에서 작은 값으로 변하는 값인 풍력발전기의 피치 시스템에 대한 고장 시 비상 제어 방법.
6. 제5 항에 있어서,
   상기 x의 양의 값은 32에서 1로 변하는 값이며, 상기 a의 값은 2인 풍력발전기의 피치 시스템에 대한 고장 시 비상 제어 방법.
7. 블레이드;
   상기 블레이드의 회전속도 및 회전각을 측정하는 엔코더;
   풍력발전기의 피치 시스템에 이상이 발생하여 비상 제어 모드로 상기 블레이드에 대한 회전 제어가 수행되는 경우 상기 블레이드의 회전에 대해 한계 스위치 접점을 제공하기 위한 단일의 한계 스위치; 및
   상기 엔코더 및 상기 한계 스위치로부터 각각 제공되는 출력 신호를 판정한 결과를 통해 상기 블레이드의 회전 제어를 기 정해진 특정 각속도로 지속하고, 상기 블레이드의 한계 스위치 접점을 경유하는 시점 이후로는 기 정해진 과도응답 특성으로 상기 블레이드의 회전 제어를 수행하는 제어기;를 포함하는 풍력발전기의 피치 시스템.
8. 제7 항에 있어서,
   상기 제어기는 상기 과도응답 특성을 갖는 회전 제어를 통한 상기 블레이드의 회전 감소를 통해 목표 지점에서 상기 블레이드의 정지를 완료하는 풍력발전기의 피치 시스템.
9. 제7 항에 있어서,
   상기 제어기는 상기 과도응답 특성을 갖는 회전 제어를 수행하면서 상기 블레이드의 목표 지점 도달 여부를 추가 판정한 후, 추가 판정 결과에 기초하여 상기 블레이드의 정지를 완료하는 풍력발전기의 피치 시스템.

Images