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KR20130000285A - 풍력 발전 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

풍력 발전 장치 및 그 제어 방법 Download PDF

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KR20130000285A
KR20130000285A KR1020110060885A KR20110060885A KR20130000285A KR 20130000285 A KR20130000285 A KR 20130000285A KR 1020110060885 A KR1020110060885 A KR 1020110060885A KR 20110060885 A KR20110060885 A KR 20110060885A KR 20130000285 A KR20130000285 A KR 20130000285A
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KR
South Korea
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rotor
nacelle
torque
pitch angle
wind
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Application number
KR1020110060885A
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아바지 타라테 카일라쉬
Original Assignee
삼성중공업 주식회사
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Publication date
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Abstract

풍력 발전 장치는 복수의 블레이드가 부착된 로터, 상기 로터에 연결되어 상기 로터의 회전에 따라 전기 에너지를 생성하는 나셀, 및 상기 로터가 오버스피드로 회전할 때, 나셀의 방향을 단계적으로 조절하여 상기 로터의 토크를 감소시키는 나셀각 제어부를 포함한다. 오버스피드로 구동하는 풍력 발전 장치를 기계적 충격 없이 안전하게 정지시킬 수 있다.

Description

풍력 발전 장치 및 그 제어 방법{WIND-POWER GENERATION DEVICE AND CONTROL METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 풍력 발전 장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 오버스피드(overspeed)로 구동하는 풍력 발전 장치를 안전하게 정지시킬 수 있는 풍력 발전 장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
풍력 발전 장치는 증속기 및 발전기를 포함하는 나셀, 블레이드가 창작된 로터 등의 중량의 구조물이 수십 m 높이의 타워의 상부에 설치되는 구조로 되어 있다.
로터는 풍력을 회전력으로 변환하여 증속기 전달하고, 증속기는 회전속도를 증가시켜 발전기에 전달하고, 발전기는 회전력을 전기 에너지로 변환하여 출력한다. 증속기는 발전기에서 최대의 전력을 생산할 수 있도록 로터의 회전력으로부터 최대의 회전속도를 얻는다. 즉, 로터의 회전속도는 풍력 발전 장치가 최대 전력을 생산하는데 있어 매우 중요하다.
이러한 풍력 발전 장치에 있어서, 정지 풍속(cut-out wind speed)이상의 바람, 갑작스런 돌풍, 제어 시스템의 고장, 계통 사고 등에 의해 풍력 발전 장치의 로터가 오버스피드(overspeed)로 회전할 수 있다. 로터가 오버스피드로 회전하게 되고 풍력 발전 장치가 제어 불능 상태가 되면, 블레이드가 파괴되는 등의 기계적 충격이 발생할 수 있고 심지어 나셀에 화재가 발생할 수도 있다.
오버스피드로 구동하는 풍력 발전 장치를 기계적 충격 없이 안전하게 정지시킬 수 있는 방법이 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 오버스피드로 구동하는 풍력 발전 장치를 안전하게 정지시킬 수 있는 풍력 발전 장치 및 그 제어방법을 제공함에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 장치는 복수의 블레이드가 부착된 로터, 상기 로터에 연결되어 상기 로터의 회전에 따라 전기 에너지를 생성하는 나셀, 및 상기 로터가 오버스피드로 회전할 때, 나셀의 방향을 단계적으로 조절하여 상기 로터의 토크를 감소시키는 나셀각 제어부를 포함한다.
상기 로터가 오버스피드로 회전할 때, 상기 복수의 블레이드의 피치각을 단계적으로 조절하여 상기 로터의 토크를 감소시키는 피치각 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 나셀각 제어부는 상기 피치각 제어부에 의해 상기 블레이드의 피치각 조절로 상기 로터의 토크가 감소되지 않으면 상기 나셀의 방향을 단계적으로 조절할 수 있다.
상기 로터의 토크가 목표치 이하로 감소하면 브레이크를 구동시켜 상기 로터의 회전을 정지시키는 브레이크 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 나셀각 제어부는 나셀의 방향을 단계적으로 조절하여 상기 로터의 토크를 목표치 이하로 감소시킨 이후, 상기 브레이크에 의해 상기 로터의 회전이 정지된 상태에서 풍속이 정지 풍속 이상이면 상기 나셀의 방향을 풍향과 90도를 이루도록 조절할 수 있다.
복수의 블레이드가 부착된 로터, 상기 로터의 회전에 따라 전기 에너지를 생성하는 나셀을 포함하는 풍력 발전 장치의 제어 방법은 상기 로터의 회전속도가 기준범위를 초과하는 오버스피드를 검출하는 단계, 상기 나셀의 방향을 단계적으로 조절하여 상기 로터의 토크를 감소시키는 단계, 및 상기 로터의 토크가 목표치 이하로 감소하면 브레이크를 이용하여 상기 로터의 회전을 정지시키는 단계를 포함한다.
상기 복수의 블레이드의 피치각을 단계적으로 조절하여 상기 로터의 토크를 감소시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 블레이드의 피치각의 조절로 상기 로터의 토크가 감소되지 않는 경우, 상기 나셀의 방향을 단계적으로 조절할 수 있다.
상기 나셀의 방향을 단계적으로 조절하는 단계는, 적어도 3단계 이상의 나셀각 조절 단계를 가질 수 있다.
상기 복수의 블레이드의 피치각을 단계적으로 조절하는 단계는, 적어도 3단계 이상의 피치각 조절 단계를 가질 수 있다.
상기 나셀의 방향을 단계적으로 조절하여 상기 로터의 토크를 감소시키는 단계는, 상기 복수의 블레이드의 피치각을 현재의 피치각으로 유지할 수 있다.
상기 브레이크를 이용하여 상기 로터의 회전을 정지시킨 이후 풍속이 정지 풍속 이상이면 상기 나셀의 방향을 풍향과 90도를 이루도록 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.
오버스피드로 구동하는 풍력 발전 장치를 기계적 충격 없이 안전하게 정지시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 장치를 간략하게 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 장치의 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력 발전 장치의 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
또한, 여러 실시예들에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1 실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1 실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 장치를 간략하게 도시한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 풍력 발전 장치는 풍력에 의해 회전하는 로터(10), 로터(10)에 연결되어 로터(10)의 회전에 따라 전기 에너지를 생성하는 나셀(20), 및 나셀(20)을 지지하는 타워(40)를 포함한다.
로터(10)는 주축(21)에 연결되는 허브(11), 허브(11)에서 방사상으로 형성되는 복수의 블레이드(12), 및 블레이드(12)의 각도를 변경시키는 피치 구동부(13)를 포함한다.
나셀(20)은 주축(21), 증속부(22), 브레이크부(23), 발전부(24), 요 구동부(yaw drive)(25), 요 베어링(yaw bearings)(26), 및 제어부(30)를 포함한다. 제어부(30)는 피치각 제어부(31), 브레이크 제어부(32) 및 나셀각 제어부(33)를 포함한다.
허브(11)는 복수의 블레이드(12)와 주축(21)을 연결한다.
복수의 블레이드(12)는 바람과의 작용으로 양력을 발생시키는 익형(airfoil)의 형상으로 형성될 수 있다.
피치 구동부(13)는 피치각 제어부(31)의 제어에 따라 복수의 블레이드(12)의 시위선(chord line)이 추축(21)에 수직인 기준면과 이루는 각도를 변경한다. 블레이드(12)의 시위선과 추축(21)에 수직인 면이 이루는 각도를 피치각이라 한다. 피치 구동부(13)는 전기식 또는 유압식으로 구성될 수 있다. 전기식 피치 구동부는 허브(11)와 블레이드(12)를 연결시키는 베어링, 블레이드(12)를 회전시키는 서보 모터 및 보조 전원장치 등으로 구성될 수 있다. 유압식 피치 구동부는 나셀(20)에 설치되는 유압 공급 장치로부터 유압을 전달받아 블레이드(12)를 회전시키는 유압 엑추에이터 등으로 구성될 수 있다.
주축(21)은 로터(10)의 토크를 증속부(22)에 전달한다.
증속부(22)는 저속의 로터(10)의 회전수를 발전기용 고속 회전으로 변환한다. 증속부(22)는 원통 기어, 유성 기어 등의 다양한 조합에 따라 다양한 형태로 구성될 수 있다.
브레이크부(23)는 로터(10)의 회전을 기계적으로 정지시킨다. 브레이크부(23)는 기계식 디스크 브레이크를 포함한다.
발전부(24)는 증속부(22)에서 변환된 고속 회전을 이용하여 전기 에너지를 생성한다. 발전부(24)는 생성된 전기 에너지를 계통 시스템에 전달한다. 계통 시스템은 풍력 발전 장치에서 생산된 전력을 저장하는 배터리, 생산된 전력을 소비하는 부하 또는 상용 계통을 포함한다.
요 구동부(25)는 나셀각 제어부(33)의 제어에 따라 요 베어링(26)을 회전시켜 나셀(20)의 방향을 변경한다.
피치각 제어부(31)는 로터(10)가 정해진 범위 내의 회전속도로 회전할 수 있도록 로터(10)의 회전속도에 근거하여 블레이드(12)의 피치각을 조절한다. 특히, 피치각 제어부(31)는 정지 풍속(cut-out wind speed)이상의 바람, 갑작스런 돌풍, 제어 시스템의 고장, 계통 사고 등에 의해 로터(10)가 오버스피드(overspeed)로 회전할 때, 복수의 블레이드(12)의 피치각을 단계적으로 증가시켜 페더링(feathering)을 수행한다.
피치각 제어부(31)는 능동형 실속제어(active stall control) 방식 또는 피치제어(pitch control) 방식으로 피치각을 단계적으로 증가시킬 수 있다. 능동형 실속제어 방식은 바람의 받음각(angle of attack)을 증가시키는 방향으로 블레이드(12)의 각도를 변경하는 방식이다. 피치제어 방식은 바람의 받음각을 감소시키는 방향으로 블레이드(12)의 각도를 변경하는 방식이다. 예를 들어, 익형의 형상으로 형성된 블레이드(12)의 양력은 받음각이 0도 이상일 때 증가하여 대략 10도 부근에서 최대의 양력을 발생시킨다. 받음각이 10도 이상이 되면 급격하게 양력을 잃게 되는 실속(stall) 현상이 발생한다. 따라서, 피치각 제어부(31)는 능동형 실속 제어 방식에 따라 받음각이 10도 이상이 되도록 블레이드(12)의 피치각을 조절하여 로터(10)의 회전속도를 줄일 수 있다. 또는 피치각 제어부(31)는 피치제어 방식에 따라 받음각이 0도 이하로 되도록 블레이드(12)의 피치각을 조절하여 로터(10)의 회전속도를 줄일 수 있다.
능동형 실속제어 방식 및 피치제어 방식은 블레이드(12)의 각도를 변경하는 방향이 반대일 뿐이며, 블레이드(12)의 시위선과 주축(21)에 수직인 기준면이 이루는 피치각을 증가시키는 것은 동일하므로, 피치각 제어부(31)가 피치각을 단계적으로 증가시키는 방식은 능동형 실속제어 방식 및 피치제어 방식을 포함한다.
나셀각 제어부(33)는 평상시에 풍력에 의한 로터(10)의 회전 효율을 높이기 위해 나셀(20)의 방향이 풍향과 일치하도록 요 구동부(25)를 제어하여 나셀(20)의 방향을 조절한다. 나셀(20)의 방향은 주축(21)의 방향을 의미하며, 나셀(20)의 방향과 풍향이 이루는 각을 나셀각이라 한다. 나셀각 제어부(33)는 로터(10)가 오버스피드로 회전할 때, 나셀각을 단계적으로 증가시켜 로터(10)의 회전속도를 줄인다.
브레이크 제어부(32)는 페더링 및/또는 나셀각 조절로 오버스피드로 회전하는 로터(10)의 토크가 목표치 이하로 감소하면 브레이크부(23)를 구동시켜 로터(10)를 정지시킨다.
이제, 오버스피드로 구동하는 풍력 발전 장치를 기계적 충격 없이 안전하게 정지시킬 수 있는 방법에 대하여 도 2 및 3을 참조하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 장치의 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 제어부(30)는 풍력 발전 장치의 발전 상태를 측정한다(S110). 즉, 제어부(30)는 로터(10)의 회전속도, 토크, 출력 전기 에너지, 블레이드(12)의 피치각, 풍속 등을 측정할 수 있다.
제어부(30)는 로터(10)의 회전속도가 기준범위를 초과하는 로터(10)의 오버스피드를 검출할 수 있다(S115). 로터(10)의 오버스피드는 정지 풍속 이상의 바람, 갑작스런 돌풍, 제어 시스템의 고장, 계통 사고 등에 의하여 발생할 수 있다.
로터(10)의 오버스피드가 검출되면, 제어부(30)는 풍력 발전 장치를 계통 시스템과 분리시키지 않은 상태에서 블레이드(12)의 피치각 및 로터(10)의 요구 토크를 단계적으로 조절하여 로터(10)의 회전속도를 서서히 줄인 후 브레이크부(22)를 이용하여 로터(10)의 회전을 정지시킨다. 풍력 발전 장치를 계통 시스템과 연결된 상태에서 풍력 발전 장치에서 발생하는 전기 에너지를 계통 시스템으로 전달하여 에너지의 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 발생된 전류를 전기부하 브레이크로써 이용할 수 있다.
먼저, 제어부(30)는 블레이드(12)의 피치각 및 로터(10)의 요구 토크를 제1 피치각 및 제1 요구 토크로 조절한다(S120). 제1 피치각은 로터(10)의 회전축에 수직인 기준면에 대해 블레이드(12)의 시위선이 이루는 제1 각도이다. 제1 피치각은 평상시의 블레이드(12)의 피치각에 대비하여 소정 각도 증가된 피치각이다.
평상시의 블레이드(12)의 피치각은 10도보다 작고, 제1 피치각은 대략 10도일 수 있다. 평상시에 익형의 형상으로 형성된 블레이드(12)의 받음각은 0도 내지 10도 사이를 유지한다. 받음각은 풍속 벡터와 블레이드(12)의 선속도 벡터(기준면의 접선 방향 벡터)의 합벡터와 블레이드(12)의 시위선이 이루는 각이다. 따라서, 평상시에 블레이드(12)의 시위선과 주축(21)에 수직인 기준면이 이루는 피치각은 받음각보다 작은 각을 갖는다. 즉, 평상시의 블레이드(12)의 피치각은 10도 이하를 유지한다. 제어부(30)가 블레이드(12)의 피치각을 10도로 조절하면, 블레이드(12)의 받음각은 10도보다 커지고 실속 현상에 따라 블레이드(12)의 양력이 감소한다.
블레이드(12)의 양력이 감소함에 따라 로터(10)의 요구 토크는 최대 토크에 대비하여 소정 비율 감소된 제1 요구 토크로 조절될 수 있다. 제1 요구 토크는 로터(10)의 최대 토크 또는 오버스피드가 검출될 때의 로터(10)의 토크에 대비하여 10% 감소된 토크일 수 있다.
제어부(30)는 풍력 발전 장치의 출력 및 토크를 측정한다(S125). 즉, 제어부(30)는 발전부(24)에서 출력되는 전기 에너지 및 로터(10)의 토크를 측정할 수 있으며, 이를 기반으로 블레이드(12)의 피치각을 검출할 수 있다.
제어부(30)는 풍력 발전 장치의 출력 및 토크가 감소되는지 여부를 판단한다(S130). 즉, 제어부(30)는 로터(10)의 토크가 제1 요구 토크로 감소하는지 여부를 판단한다. 그리고 제어부(30)는 로터(10)의 토크 감소에 따라 발전부(24)에서 출력되는 전기 에너지가 감소하는지 여부를 판단한다. 제어부(30)는 풍력 발전 장치의 출력 및 토크의 감소 여부에 따라 블레이드(12)의 피치각이 제1 피치각으로 정상적으로 증가되었는지 여부를 판단할 수 있다. 블레이드(12)의 피치각이 제1 피치각으로 정상적으로 증가되면 로터(10)의 토크가 제1 요구 토크로 감소되고 출력되는 전기 에너지가 감소되어야 하기 때문이다.
로터(10)의 토크 및 발전부(24)의 출력이 감소되지 않는 것은, 피치각 제어부(31)에 의해 피치각이 정상적으로 조절되지 않거나 피치각의 조절 과정만으로 로터(10)의 오버스피드를 제어할 수 없는 것을 의미한다. 따라서, 제어부(30)는 로터(10)의 토크 및 발전부(24)의 출력이 감소되지 않으면 나셀(20)의 방향을 조절하여 로터(10)의 토크를 감소시키는 A1 과정을 수행한다. A1 과정에 대해서는 도 3에서 후술한다.
로터(10)의 토크 및 발전부(24)의 출력이 감소되면, 제어부(30)는 블레이드(12)의 피치각 및 로터(10)의 요구 토크를 제2 피치각 및 제2 요구 토크로 조절한다(S140). 제2 피치각은 제1 피치각에 대비하여 소정 각도 큰 피치각이다. 제1 피치각이 10도 라고 할 때, 제2 피치각은 20도로 정해질 수 있다. 제2 요구 토크는 제1 요구 토크와 동일하거나 더 큰 비율로 감소된 요구 토크일 수 있다. 제1 요구 토크가 로터(10)의 최대 토크 또는 오버스피드가 검출될 때의 로터(10)의 토크에 대비하여 10% 감소된 토크일 때, 제2 요구 토크는 15% 감소된 토크일 수 있다.
제어부(30)는 풍력 발전 장치의 출력 및 토크를 측정한다(S145). 제어부(30)는 로터(10)의 토크 또는 발전부(24)에서 출력되는 전기 에너지를 기반으로 블레이드(12)의 피치각을 검출할 수 있다.
제어부(30)는 로터(10)의 토크가 제2 요구 토크로 감소하는지 및 발전부(24)에서 출력되는 전기 에너지가 감소하는지 여부를 판단하다(S150). 즉, 제어부(30)는 피치각 제어부(31)에 의해 피치각이 제2 피치각으로 정상적으로 조절되고, 이에 따라 로터(10)의 토크가 제2 요구 토크로 감소하고 발전부(24)의 출력이 감소하는지 여부를 판단한다.
제어부(30)는 로터(10)의 토크 및 발전부(24)의 출력이 감소되지 않으면 A1 과정을 수행한다.
로터(10)의 토크 및 발전부(24)의 출력이 감소되면, 제어부(30)는 블레이드(12)의 피치각 및 로터(10)의 요구 토크를 제3 피치각 및 제3 요구 토크로 조절한다(S140). 제3 피치각은 블레이드(12)를 제2 피치각에 대비하여 소정 각도 큰 피치각이다. 제2 피치각이 20도 라고 할 때, 제3 피치각은 30도로 정해질 수 있다. 제3 요구 토크는 제2 요구 토크와 동일하거나 더 큰 비율로 감소된 요구 토크일 수 있다. 제3 요구 토크가 로터(10)의 최대 토크 또는 오버스피드가 검출될 때의 로터(10)의 토크에 대비하여 15% 감소된 토크일 수 있다.
제어부(30)는 풍력 발전 장치의 출력 및 토크를 측정한다(S165). 제어부(30)는 로터(10)의 토크 또는 발전부(24)에서 출력되는 전기 에너지를 기반으로 블레이드(12)의 피치각을 검출할 수 있다.
제어부(30)는 로터(10)의 토크가 제3 요구 토크로 감소하는지 및 발전부(24)에서 출력되는 전기 에너지가 감소하는지 여부를 판단하다(S170). 즉, 제어부(30)는 피치각 제어부(31)에 의해 피치각이 제3 피치각으로 정상적으로 조절되고, 이에 따라 로터(10)의 토크가 제3 요구 토크로 감소하고 발전부(24)의 출력이 감소하는지 여부를 판단한다.
제어부(30)는 로터(10)의 토크 및 발전부(24)의 출력이 감소되지 않으면 A1 과정을 수행한다.
로터(10)의 토크 및 발전부(24)의 출력이 목표치 이하로 감소되면, 제어부(30)는 브레이크부(22)를 이용하여 풍력 발전을 정지시킨다(S180). 블레이드(12)의 피치각을 제3 피치각까지 단계적으로 조절하여 로터(10)의 토크를 제3 요구 토크까지 줄이는데 소요되는 시간은 대략 60~80초 정도될 수 있다. 블레이드(12)의 피치각을 제3 피치각까지 조절함에 따라 바람에 의해 풍력 발전 장치에 가해지는 로드(load)는 대략 40% 이하로 줄어든다. 즉, 제어부(30)는 적어도 3단계 이상의 피치각 조절 단계를 통하여 풍력 발전 장치에 가해지는 로드(load)를 목표치 이하로 감소시킬 수 있으며, 로드가 목표치 이하로 감소되면 브레이크부(22)를 이용하여 로터(10)의 회전을 정지시킬 수 있다.
로터(10)를 오버스피드로 구동시키는 바람에 의해 풍력 발전 장치에 가해지는 로드가 증가된 상태에서 브레이크부(22)를 이용하여 로터(10)의 회전을 정지시키면, 바람에 의한 로드로 인해 풍력 발전 장치에 기계적 충격이 발생할 수 있고, 이로 인해 풍력 발전 장치가 고장날 수 있다. 그러나, 제안하는 방법에 따라 블레이드(12)의 피치각을 대략 60-80초 동안 단계적으로 조절하여 바람에 의한 로드를 줄인 후 브레이크부(22)를 이용하여 로터(10)의 회전을 정지시키면, 풍력 발전 장치를 기계적 충격 없이 안전하게 정지시킬 수 있다.
이제, 나셀(20)의 방향을 조절하여 로터(10)의 토크를 감소시키는 과정에 대하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력 발전 장치의 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 로터(10)가 오버스피드로 회전하는 상태에서 블레이드(12)의 피치각이 정상적으로 조절되지 않거나 피치각의 조절 과정만으로 로터(10)의 오버스피드를 제어할 수 없는 경우, 제어부(30)는 나셀(20)의 방향을 단계적으로 또는 연속적으로 조절하여 로터(10)의 토크를 감소시킨 후 브레이크부(22)를 이용하여 로터(10)의 회전을 정지시킨다.
제어부(30)는 나셀(20)의 방향 및 로터(10)의 요구 토크를 제1 나셀 방향 및 제1 요구 토크로 조절한다(S210). 제1 나셀 방향은 풍향에 대해 나셀(20)이 향하는 방향이 소정의 제1 나셀각을 이루도록 하는 방향이다. 평상시에 나셀(20)의 방향은 풍향과 일치하도록 제어되는데, 제어부(30)는 제1 나셀 방향이 풍향에 대해 10도의 제1 나셀각을 이루도록 조절할 수 있다.
평상시에 나셀(20)의 방향이 풍향과 일치할 때 복수의 블레이드(12)에 가해지는 풍압이 A라고 하고, 제1 나셀각을 θ1이라 하자. 나셀(20)의 방향이 제1 나셀 방향으로 조절되면 복수의 블레이드(12)에 가해지는 풍압 A'은 A'= A cosθ1 이 된다. 즉, 나셀(20)의 방향을 제1 나셀각으로 조절함에 따라 복수의 블레이드(12)에 가해지는 풍압이 줄어들고, 이에 따라 로터(10)의 요구 토크는 최대 토크에 대비하여 소정 비율 감소된 제1 요구 토크로 조절될 수 있다. 제1 요구 토크는 로터(10)의 최대 토크 또는 오버스피드가 검출될 때의 로터(10)의 토크에 대비하여 10% 감소된 토크일 수 있다.
한편, 나셀(20)의 방향을 조절하는 과정에서는 블레이드(12)의 피치각은 현재의 피치각을 유지하거나 0도로 조절되는 것이 바람직하다. 나셀(20)의 방향이 10도의 제1 나셀각으로 조절되고, 블레이드(12)의 피치각이 현재의 피치각을 유지하면, 블레이드(12)의 받음각은 0도보다 작아지거나 10도보다 커지게 되어 블레이드(12)의 양력이 감소하는 효과를 얻을 수 있다.
제어부(30)는 나셀(20)의 방향 및 로터(10)의 요구 토크를 제2 나셀 방향 및 제2 요구 토크로 조절한다(S220). 제2 나셀 방향은 풍향에 대해 나셀(20)이 향하는 방향이 제1 나셀각보다 큰 제2 나셀각을 이루도록 하는 방향이다. 제2 나셀각은 20도일 수 있다. 제2 요구 토크는 제1 요구 토크와 동일하거나 더 큰 비율로 감소된 요구 토크로서, 로터(10)의 최대 토크 또는 오버스피드가 검출될 때의 로터(10)의 토크에 대비하여 10% 감소된 토크일 수 있다. 나셀(20)의 방향이 제2 나셀각으로 조절됨에 따라 복수의 블레이드(12)에 가해지는 풍압이 더욱 줄어든다. 그리고 블레이드(12)의 받음각도 더욱 작아지거나 더욱 커지게 되어 블레이드(12)의 양력도 더욱 감소하게 된다.
제어부(30)는 나셀(20)의 방향 및 로터(10)의 요구 토크를 제3 나셀 방향 및 제3 요구 토크로 조절한다(S230). 제3 나셀 방향은 풍향에 대해 나셀(20)이 향하는 방향이 제2 나셀각보다 큰 제3 나셀각을 이루도록 하는 방향이다. 제3 나셀각은 30도일 수 있다. 제3 요구 토크는 제2 요구 토크와 동일하거나 더 큰 비율로 감소된 요구 토크로서, 로터(10)의 최대 토크 또는 오버스피드가 검출될 때의 로터(10)의 토크에 대비하여 15% 감소된 토크일 수 있다.
제어부(30)는 나셀(20)의 방향 및 로터(10)의 요구 토크를 제4 나셀 방향 및 제4 요구 토크로 조절한다(S240). 제4 나셀 방향은 풍향에 대해 나셀(20)이 향하는 방향이 제3 나셀각보다 큰 제4 나셀각을 이루도록 하는 방향이다. 제4 나셀각은 40도일 수 있다. 제4 요구 토크는 제3 요구 토크와 동일하거나 더 큰 비율로 감소된 요구 토크로서, 로터(10)의 최대 토크 또는 오버스피드가 검출될 때의 로터(10)의 토크에 대비하여 15% 감소된 토크일 수 있다.
나셀(20)의 방향을 제4 나셀 방향까지 단계적 또는 연속적으로 조절한 후, 제어부(30)는 브레이크부(22)를 이용하여 풍력 발전을 정지시킨다(S250). 나셀(20)의 방향을 제4 나셀 방향까지 조절하면, 로터(10)의 토크는 대략 50% 정도로 줄어들게 된다. 로터(10)의 토크가 대략 50% 정도의 목표치로 감소하면, 제어부(30)는 브레이크부(22)를 이용하여 로터(10)의 회전을 정지시킨다. 즉, 제어부(30)는 적어도 3단계 이상의 나셀각 조절 단계를 통하여 로터(10)의 토크를 목표치 이하로 감소시킬 수 있고, 로터(10)의 토크가 목표치 이하로 감소되면 브레이크부(22)를 이용하여 로터(10)의 회전을 정지시킬 수 있다.
그리고, 로터(10)의 회전을 정지시킨 이후에도 풍속이 정지 풍속 이상을 유지하는 경우, 제어부(30)는 나셀(20)의 방향이 풍향과 90도를 이루도록 조절할 수 있다.
이와 같이, 나셀(20)의 방향이 풍향에 비켜나도록 단계적 또는 연속적으로 조절하여 바람에 의한 로드를 줄인 후 브레이크부(22)를 이용하여 로터(10)의 회전을 정지시키면, 풍력 발전 장치를 기계적 충격 없이 안전하게 정지시킬 수 있다.
한편, 로터(10)가 오버스피드로 회전하는 상태에서 블레이드(12)의 피치각이 정상적으로 조절되지 않거나 피치각의 조절 과정만으로 로터(10)의 오버스피드를 제어할 수 없는 경우에 나셀(20)의 방향을 조절하는 것으로 설명하였으나, 블레이드(12)의 피치각을 조절하는 과정이 생략되고 나셀(20)의 방향을 조절하는 과정이 수행될 수도 있다. 즉, 풍력 발전 장치의 로터(10)가 오버스피드로 회전하면, 제어부(30)는 나셀(20)의 방향을 단계적 또는 연속적으로 조절하여 로터(10)의 토크를 감소시키고, 로터(10)의 토크가 소정의 목표치에 도달하면 브레이크부(22)를 이용하여 로터(10)의 회전을 정지시킬 수 있다.
지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10 : 로터
11 : 허브
12 : 블레이드
13 : 피치 구동부
20 : 나셀
21 : 주축
22 : 증속부
23 : 브레이크부
24 : 발전부
30 : 제어부
31 : 피치각 제어부
32 : 브레이크 제어부
33 : 나셀각 제어부

Claims (12)

  1. 복수의 블레이드가 부착된 로터;
    상기 로터에 연결되어 상기 로터의 회전에 따라 전기 에너지를 생성하는 나셀; 및
    상기 로터가 오버스피드로 회전할 때, 나셀의 방향을 단계적으로 조절하여 상기 로터의 토크를 감소시키는 나셀각 제어부를 포함하는 풍력 발전 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 로터가 오버스피드로 회전할 때, 상기 복수의 블레이드의 피치각을 단계적으로 조절하여 상기 로터의 토크를 감소시키는 피치각 제어부를 더 포함하는 풍력 발전 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 나셀각 제어부는 상기 피치각 제어부에 의해 상기 블레이드의 피치각 조절로 상기 로터의 토크가 감소되지 않으면 상기 나셀의 방향을 단계적으로 조절하는 풍력 발전 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 로터의 토크가 목표치 이하로 감소하면 브레이크를 구동시켜 상기 로터의 회전을 정지시키는 브레이크 제어부를 더 포함하는 풍력 발전 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 나셀각 제어부는 나셀의 방향을 단계적으로 조절하여 상기 로터의 토크를 목표치 이하로 감소시킨 이후, 상기 브레이크에 의해 상기 로터의 회전이 정지된 상태에서 풍속이 정지 풍속 이상이면 상기 나셀의 방향을 풍향과 90도를 이루도록 조절하는 풍력 발전 장치.
  6. 복수의 블레이드가 부착된 로터, 상기 로터의 회전에 따라 전기 에너지를 생성하는 나셀을 포함하는 풍력 발전 장치의 제어 방법에 있어서,
    상기 로터의 회전속도가 기준범위를 초과하는 오버스피드를 검출하는 단계;
    상기 나셀의 방향을 단계적으로 조절하여 상기 로터의 토크를 감소시키는 단계; 및
    상기 로터의 토크가 목표치 이하로 감소하면 브레이크를 이용하여 상기 로터의 회전을 정지시키는 단계를 포함하는 풍력 발전 장치의 제어 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 복수의 블레이드의 피치각을 단계적으로 조절하여 상기 로터의 토크를 감소시키는 단계를 더 포함하는 풍력 발전 장치의 제어 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 복수의 블레이드의 피치각의 조절로 상기 로터의 토크가 감소되지 않는 경우, 상기 나셀의 방향을 단계적으로 조절하는 풍력 발전 장치의 제어 방법.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 나셀의 방향을 단계적으로 조절하는 단계는, 적어도 3단계 이상의 나셀각 조절 단계를 갖는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치의 제어 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 복수의 블레이드의 피치각을 단계적으로 조절하는 단계는, 적어도 3단계 이상의 피치각 조절 단계를 갖는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치의 제어 방법.
  11. 제6 항에 있어서,
    상기 나셀의 방향을 단계적으로 조절하여 상기 로터의 토크를 감소시키는 단계는,
    상기 복수의 블레이드의 피치각을 현재의 피치각으로 유지하는 단계를 포함하는 풍력 발전 장치의 제어 방법.
  12. 제6 항에 있어서,
    상기 브레이크를 이용하여 상기 로터의 회전을 정지시킨 이후 풍속이 정지 풍속 이상이면 상기 나셀의 방향을 풍향과 90도를 이루도록 조절하는 단계를 더 포함하는 풍력 발전 장치의 제어 방법.
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