KR102036679B1 - Method for step up breaking wind power generator for preventing propeller over speed - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 소형 풍력발전기에 적용될 수 있는 기술로서, 풍력발전기가 과회전되는 것을 방지하기 위한 제동력을 단계적으로 증가시키는 방식의 제어 방법에 관한 것이며, 구체적으로는, 과회전 상태에서 제동 구간을 누진제동구간과 지속제동구간으로 나누고, 누진제동구간에서는 점차적으로 제동력을 높이는 과정을 상대적으로 짧은 시간 동안 가하고, 이후 지속제동구간에서는 제동력을 지속시키는 과정을 거치는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a technology that can be applied to a small wind power generator, and relates to a control method of a method of increasing a braking force in a stepwise manner to prevent the wind power generator from over-rotating. The present invention relates to a technology of dividing into a braking section and a continuous braking section, applying a braking force gradually in a progressive braking section for a relatively short time, and then continuing a braking force in a continuous braking section.
일반적으로, 풍력발전기는 바람의 에너지를 전기에너지로 바꿔주는 장치로서, 풍력 발전기의 날개를 자연적인 바람으로 회전시켜서 생긴 날개의 회전력으로 전기를 생산한다. 풍력 발전기는 크게 날개, 변속장치, 발전기의 세 부분으로 구성되며, 날개는 바람에 의해 회전되어 풍력 에너지를 기계적인 에너지로 변환시키는 장치이고, 변속장치는 날개에서 발생한 회전력이 중심 회전축을 통해서 변속기어에 전달되어 발전기에서 요구되는 회전수로 높여서 발전기를 회전시킨다.In general, the wind turbine is a device that converts the energy of the wind into electrical energy, and produces electricity by the rotational force of the blade generated by rotating the blades of the wind generator natural wind. A wind generator is composed of three parts, a wing, a transmission, and a generator, and a wing is a device that rotates by wind to convert wind energy into mechanical energy. It is transmitted to and rotates the generator by raising the required number of revolutions in the generator.
그런데 바람의 속도가 강하게 부는 환경에서 풍력발전기의 날개가 과도하게 높은 속도로 회전할 경우에 부품의 물리적인 파손 및 과도한 전기의 생산으로 인한 풍력발전기의 고장이나 손상이 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위한 종래의 기술로 한국 등록특허 10-0798939호 '풍력발전기 강풍제어장치'가 제시되어 있으며, 바람에 의해 회전 운동하는 회전날개가 구비된 회전부의 회전력을 전기에너지로 변환시키는 발전기와 본체 사이에 한쌍의 브레이크 디스크와 마찰패드가 소정의 간격만큼 이격되게 배치되어 회전날개가 허용속도 이상으로 회전시 스프링의 반력을 갖는 브레이크 디스크를 마찰패드에 접촉시켜 회전날개가 허용속도 이상으로 회전하는 것을 제어하는 풍력발전기로써, 상기 본체의 내치기어에 발전기의 발전기축을 조립하여 발전기축에 형성되는 샤프트기어가 내치기어를 따라 전,후로 슬라이딩되면서 브레이크디스크를 마찰패드에 접촉시키도록 구성하되, 상기 스프링은 발전기축의 나사탭에 형성되는 너트에 일측단을 고정하고 타측단은 발전기축의 선단부를 지지하는 고정판의 스프링커버에 각각 고정되는 등의 내용을 개시하고 있다.However, if the wind turbine blade rotates at an excessively high speed in an environment where the wind speed is strong, the wind turbine may fail or be damaged due to physical breakdown of parts and excessive production of electricity. As a conventional technology for preventing this, Korean Patent No. 10-0798939, 'Wind Power Generator Strong Wind Control Device', is proposed, and a generator and a main body converting the rotational force of the rotating part provided with the rotary blades rotating by the wind into electrical energy. A pair of brake discs and friction pads are spaced apart by a predetermined distance therebetween, so that when the rotor blades rotate above the allowable speed, the brake discs having spring reaction force contact the friction pads so that the rotor blades rotate above the allowable speed. As a wind turbine for controlling, assembling the generator shaft of the generator to the internal gear of the main body is configured to contact the brake disk with the friction pad while the shaft gear formed on the generator shaft slides forward and backward along the internal gear, the spring is One end is fixed to the nut formed on the screw tab of the generator shaft and the other end is It discloses the contents, such as is fixed to the spring cover of the fixed plate for supporting the leading end electrical axis.
또한 한국 등록특허 10-1361042호 '수직축 풍력발전기용 과풍속 제동장치'는 과풍속의 발생시 코일여자부에 전류를 공급하여 와전류를 발생시킴으로써 비접촉식으로 풍력발전기의 회전자가 정격 속도 이상으로 회전되는 것을 방지하는 방식으로, 지주에 설치되는 수직축 풍력발전기에 있어서 적어도 하나의 블레이드가 연결된 회전자와 상기 회전자의 회전을 통해 전력을 발생시키는 고정자가 구비되는 발전기; 상기 회전자의 하부에 배치되는 판상의 도체 디스크와 상기 지주에 고정설치되어 외부로부터 전류를 공급받아 자속을 만들어 주는 코일여자부가 구비되는 제동부; 및 상기 회전자의 회전속도를 검출하여 상기 코일여자부 측으로 전류의 공급을 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 제어부는 과풍속시 상기 코일여자부를 자화시켜 상기 도체 디스크에 와전류에 의한 제동토크를 발생시킴으로써 상기 회전자가 정격속도 이내로 회전되도록 하는 내용을 개시하고 있다.In addition, Korean Patent No. 10-1361042 'Overwind speed braking device for a vertical shaft wind power generator' provides an electric current to the coil excitation part when an overwind occurs, thereby generating an eddy current to prevent the rotor of the wind turbine from rotating above the rated speed. In the vertical wind turbine generator is installed on the prop in the manner of a generator having at least one blade is connected to the rotor and the stator for generating power through the rotation of the rotor; A braking portion provided with a plate-shaped conductor disk disposed below the rotor and a coil excitation portion fixedly installed on the support to receive magnetic current from outside to create magnetic flux; And a control unit for detecting a rotational speed of the rotor to control supply of current to the coil excitation unit, wherein the control unit magnetizes the coil excitation unit during overwind speed to generate braking torque due to eddy current in the conductor disk. Disclosed is that the rotor is rotated within the rated speed.
그런데, 종래의 풍력발전기 제동장치에 있어서, 기계식 풍력발전 제동장치는 전방에서 부는 강풍에 의해 날개부가 후방으로 밀리면서 제동장치의 트리거가 작동하는 방식으로 제조되므로, 후면과 측면 등에서 부는 강풍에 대해서는 제동이 되지 못하는 한계점이 있었다. 또한, 상기 수직축 풍력발전기용 과풍속 제동장치는 날개부의 회전속도를 검출하여 과풍속시 코일여자부에 전류를 공급하여 코일여자부에서 발생하는 와전류로 제동토크를 형성하는 단순한 구조이므로, 비정기적인 시간 간격으로 강풍이 부는 경우와 장시간의 강풍이 부는 경우에 계획적인 대응이 어렵고, 배터리에 축적된 전력량을 고려하지 않고 풍속에 따른 과풍속의 제동이 되므로 전력의 충전과 사용이 비효율적이게 되는 한계점이 있었다.However, in the conventional wind turbine braking device, the mechanical wind turbine braking device is manufactured in such a way that the trigger of the braking device is operated while the wing part is pushed backward by the strong wind blowing from the front, and thus the braking device against the strong wind blowing from the rear and the side, etc. There was a limit to this. In addition, the super-wind braking device for the vertical wind turbine generator detects the rotational speed of the wing and supplies a current to the coil excitation unit during overwind, thereby forming a braking torque with the eddy current generated from the coil excitation unit, and thus, at irregular time intervals. In the case of strong winds and long-term strong winds, it is difficult to plan and respond to the excessive wind speed depending on the wind speed without considering the amount of power accumulated in the battery.
특히, 독립형 초소형 가로등 풍력발전기에서는 과풍속에 따른 과회전으로 터빈 장치의 소손 위험성과 과회전으로 인한 가로등 주변인의 불안감과 과충전으로 인한 배터리의 수명 단축 및 폭발 위험성 등이 존재하는 문제가 있다.In particular, there is a problem in the stand-alone miniature street lamp wind power generator, the risk of burnout of the turbine device due to over-rotation according to the overwind speed and the anxiety of the people around the street lamp due to over-rotation and shortening the life of the battery due to overcharging and explosion risk.
본 발명은 소형 풍력발전기의 과회전을 효과적으로 제동하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.It is an object of the present invention to provide a method for effectively braking over-rotation of a small wind turbine.
본 발명은 풍력발전기 과회전을 방지하기 위해 제동력을 단계적으로 증가시키면서 제동하는 제어 방법으로서 아래 각 단계를 거쳐 제동하는 방법을 제공한다.The present invention provides a method of braking through the following steps as a control method for braking while increasing the braking force step by step to prevent the wind turbine over-rotation.
풍력발전기에 가하는 최대 제동력을 설정하는 1단계; 풍력발전기 블레이드 회전으로 생성되는 정류 전압을 체크하는 2단계; 상기 정류 전압이 설정된 제동 개시전압 이상이면 제동을 개시하는 3단계; 상기 3단계에서 제동을 개시한 시점부터 1초 동안 0.2초씩 5구간으로 나누어 제1제동구간 내지 제5제동구간으로 구별하여 제동력을 가하는 4단계; 상기 제4단계 후 10분 동안 최대 제동력을 지속적으로 가하는 5단계; 상기 5단계 후, 블레이드 회전으로 생성되는 정류 전압을 다시 체크하는 6단계; 및 상기 6단계에서 체크된 정류 전압이 상기 제동 개시전압 이상이면 제동력을 계속하여 유지하는 7단계;를 포함하고,Setting a maximum braking force applied to the wind turbine; Checking the rectified voltage generated by the wind turbine blade rotation; Starting braking if the rectified voltage is equal to or greater than a set braking start voltage; A fourth step of applying braking force by dividing the vehicle into five sections at 0.2 seconds for one second from the time when the braking is started in the third step; Step 5 of continuously applying the maximum braking force for 10 minutes after the fourth step; After step 5, step 6 of again checking the rectified voltage generated by the blade rotation; And continuing to maintain the braking force when the rectified voltage checked in the sixth step is equal to or greater than the braking start voltage.
상기 4단계에서, 제1제동구간에서는 상기 최대 제동력의 20% 제동력을 가하고, 제2제동구간에서는 상기 최대 제동력의 40% 제동력을 가하고, 제3제동구간에서는 상기 최대 제동력의 60% 제동력을 가하고, 제4제동구간에서는 상기 최대 제동력의 80% 제동력을 가하고, 제5제동구간에서는 상기 최대 제동력의 100% 제동력을 가하는 것이 특징이다.In step 4, a 20% braking force of the maximum braking force is applied in the first braking section, a 40% braking force of the maximum braking force is applied in the second braking section, and a 60% braking force of the maximum braking force is applied in the third braking section, In the fourth braking section, a braking force of 80% of the maximum braking force is applied, and a braking force of 100% of the maximum braking force is applied in the fifth braking section.
본 발명은 상기 구성에 의해서 제동력을 한꺼번에 가하는 것이 아니라, 누진제동구간에서 점차적으로 제동력을 높이는 과정을 상대적으로 짧은 시간 동안 가하고 이후 제동력을 지속시키는 지속제동구간에서 지속적으로 제동력을 가함으로써 풍력발전기를 효과적으로 제동할 수 있게 되어, 블레이드 과회전에 따른 발전 정류전압이 상승하여 풍력발전기의 제어부, 충전부, 회로부 등이 손상되는 문제를 해결하는 효과가 발생한다.The present invention does not apply the braking force at the same time by the above configuration, but by applying the braking force gradually in the progressive braking section for a relatively short time and continuously applying the braking force in the continuous braking section to maintain the braking force thereafter. Since the braking is possible, the rectified voltage generated by the over-rotation of the blades is increased to solve the problem of damaging the control unit, the charging unit, the circuit unit, etc. of the wind turbine.
도 1은 본 발명에 따른 풍력발전기 과회전 방지를 위한 제동력의 단계적 증가 제동방법의 흐름도이다.1 is a flowchart of a method of increasing braking step by step of braking force for preventing the wind generator over-rotation according to the present invention.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 또한, 사용된 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써, 이는 사용자 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.The objects, specific advantages and novel features of the present invention will become more apparent from the following detailed description and preferred embodiments in conjunction with the accompanying drawings. In addition, the terms used are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to the intention or convention of the user operator. Therefore, the definitions of these terms should be made based on the contents throughout the present specification.
도 1은 본 발명에 따른 풍력발전기 과회전 방지를 위한 제동력의 단계적 증가 제동방법의 흐름도이다.1 is a flowchart of a method of increasing braking step by step of braking force for preventing the wind generator over-rotation according to the present invention.
본 발명에 따른 제동방법은 풍력발전기에 모두 적용가능할 것이나, 바람직하게는 소형의 수직축 풍력발전기가 바람직하다. 특히, 본 발명은 배터리를 사용하는 독립형 소형풍력발전시스템으로서, 사보니우스 초소형 풍력발전시스템에서 풍력이 발생하여 배터리를 충전하는 충전 매커니즘에 따른 충전 과정에서 배터리의 과도한 충전상태 및 방전 상태에서 과풍속이 발생하는 것을 방지하기 위한 것이다. The braking method according to the invention will be applicable to both wind turbines, but preferably a small vertical axis wind turbine is preferred. In particular, the present invention is a stand-alone small wind power generation system using a battery, overwind speed in the state of excessive charge and discharge of the battery in the charging process according to the charging mechanism to charge the battery by generating wind in the Savonius micro wind power generation system It is to prevent this from happening.
본 발명은, 풍력발전기의 블레이드 회전에서 발전되는 정류 전압을 체크하고, 이를 토대로 일정 정류전압 이상에서는 과풍속으로 판단하여 제동함으로써 과회전을 방지하기 위한 것이다.The present invention is to prevent over-rotation by checking the rectified voltage generated in the blade rotation of the wind power generator, and braking by determining the overwind speed above a certain rectified voltage based on this.
기존의 풍력발전기에서는 과회전 방지를 위한 제동방법으로 단순히 회전하는 축에 제동력을 가하는 방법이었으나, 본 발명에서는 제동력을 점진적 누진적으로 설정된 누진제동구간에서 가하고 이후 제동력을 설정된 지속제동구간에서 지속적으로 가하는 것을 특징으로 한다. 이렇게 제동력을 가하는 구간을 나누어서 제동력을 가하는 이유는 회로 소자에 순간적인 에너지가 흐르는 것을 방지하기 위함이다.In the conventional wind power generator, a method of simply applying a braking force to a rotating shaft as a braking method for preventing over-rotation, but in the present invention, the braking force is gradually applied to the progressive braking section set gradually and then the braking force is continuously applied to the set braking section. It is characterized by. The reason for applying the braking force by dividing the braking force section is to prevent the instantaneous energy flow to the circuit element.
본 발명은 풍력발전기 과회전을 방지하기 위해 제동력을 단계적으로 증가시키면서 제동하는 제어 방법으로서 도 1에 도시된 것과 같은 각 단계를 거쳐 제동하는 방법을 제공한다.The present invention provides a method of braking through each step as shown in FIG. 1 as a control method for braking while gradually increasing the braking force to prevent the wind turbine over-rotation.
즉, 본 발명은, 먼저, 풍력발전기에 가하는 최대 제동력을 설정한다. 이것은 풍력발전기의 용량이나 발전용량 등 각각의 개별 풍력발전기의 특성을 고려하고 풍력발전기가 설치되는 지역의 풍속 등 환경영향을 고려하여 적절한 수치로 설정한다.That is, the present invention first sets the maximum braking force applied to the wind turbine. This value is set in consideration of the characteristics of each individual wind power generator such as the capacity of the wind power generator and power generation capacity, and in consideration of the environmental impact such as the wind speed in the area where the wind power generator is installed.
그리고, 풍력발전기의 블레이드가 회전하면서 생성하는 정류 전압을 체크하는 단계를 거치게 되며, 정류 전압이 과도하게 되면 블레이드 과회전 즉 과풍속으로 판단하게 된다. 그래서, 측정된 상기 정류 전압이 설정된 제동 개시전압 이상이면 제동을 개시하게 된다. 본 발명에 따른 수직축 풍력발전기에서는 상기 제동 개시전압은 48V로 설정하였다. 그러나, 상기 제동 개시전압은 풍력발전기의 특성 등을 고려하여 적절한 수치로 변경 가능할 것이다.Then, the step of checking the rectified voltage generated while the blade of the wind turbine rotates, if the rectified voltage is excessive, it is determined that the blade over-rotation, that is, the overwind speed. Thus, braking is started when the measured rectified voltage is equal to or greater than the set braking start voltage. In the vertical axis wind power generator according to the present invention, the braking start voltage was set to 48V. However, the braking start voltage may be changed to an appropriate value in consideration of characteristics of the wind power generator.
본 발명은, 점진적 누진적 제동력을 가하는 것이 특징이며, 구체적으로 상기 제동을 개시한 시점부터 1초 동안 0.2초씩 5구간으로 나누어 제동력을 가한다. 상기 5구간은 각각 제1제동구간 내지 제5제동구간이며, 제1제동구간에서는 상기 최대 제동력의 20% 제동력을 가하고, 제2제동구간에서는 상기 최대 제동력의 40% 제동력을 가하고, 제3제동구간에서는 상기 최대 제동력의 60% 제동력을 가하고, 제4제동구간에서는 상기 최대 제동력의 80% 제동력을 가하고, 제5제동구간에서는 상기 최대 제동력의 100% 제동력을 가하는 것이 특징이다.The present invention is characterized in that the progressive progressive braking force is applied, and specifically, the braking force is applied by dividing the braking force into five sections by 0.2 seconds for one second from the time of starting the braking. The five sections are the first to fifth braking sections, respectively, in the first braking section, 20% of the maximum braking force is applied, in the second braking section, 40% of the maximum braking force is applied, and the third braking section is applied. In the present invention, the braking force of 60% of the maximum braking force is applied, the braking force of 80% of the maximum braking force is applied in the fourth braking section, and the braking force of 100% of the maximum braking force is applied in the fifth braking section.
그리고 상기 5구간의 단계적 제동 후에는 10분 동안 최대 제동력을 지속적으로 가하는 것이 특징이다. 이후, 블레이드 회전으로 생성되는 정류 전압을 다시 체크하고, 체크된 정류 전압이 상기 제동 개시전압 이상이면 최대 제동력을 다시 계속하여 유지하게 된다.In addition, after the step braking of the five sections is characterized in that the maximum braking force for 10 minutes continuously. Thereafter, the rectified voltage generated by the blade rotation is checked again, and when the checked rectified voltage is equal to or greater than the braking start voltage, the maximum braking force is continuously maintained again.
본 발명은 풍력발전기 과회전 방지를 위한 제어방법을 개발하면서 다수의 시험과정을 거친 후 도출한 것으로 제동력을 한꺼번에 가하는 것이 아니라, 누진제동구간에서 점차적으로 제동력을 높이는 과정을 짧은 시간 동안 가하고 이후 제동력을 지속시키는 지속제동구간에서 지속적으로 가하는 것이 매우 효과적인 제동방법임을 개발한 것이다.The present invention is derived after a number of test procedures while developing a control method for preventing over-rotation of a wind power generator. Instead of applying the braking force at once, the braking force is gradually applied in the progressive braking section for a short time and then the braking force is applied. It was developed that it is very effective braking method to apply continuously in the sustained braking section.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 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.Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concepts of the present invention defined in the following claims are also provided. It belongs to the scope of rights.
Claims (3)
풍력발전기 블레이드 회전으로 생성되는 정류 전압을 체크하는 2단계;
상기 정류 전압이 설정된 제동 개시전압 이상이면 제동을 개시하는 3단계;
상기 3단계에서 제동을 개시한 시점부터 1초 동안 0.2초씩 5구간으로 나누어 제1제동구간 내지 제5제동구간으로 구별하여 제동력을 가하는 4단계; 및
상기 4단계 후 10분 동안 최대 제동력을 지속적으로 가하는 5단계;로 이루어지고,
상기 4단계에서, 제1제동구간에서는 상기 최대 제동력의 20% 제동력을 가하고, 제2제동구간에서는 상기 최대 제동력의 40% 제동력을 가하고, 제3제동구간에서는 상기 최대 제동력의 60% 제동력을 가하고, 제4제동구간에서는 상기 최대 제동력의 80% 제동력을 가하고, 제5제동구간에서는 상기 최대 제동력의 100% 제동력을 가하는,
풍력발전기 과회전 방지를 위한 제동력의 단계적 증가 제동방법.Setting a maximum braking force applied to the wind turbine;
Checking the rectified voltage generated by the wind turbine blade rotation;
Starting braking if the rectified voltage is equal to or greater than a set braking start voltage;
4 steps of applying a braking force by dividing into 5 sections by 0.2 seconds for 1 second from the time when the braking is started in 3 steps; And
5 stages of continuously applying the maximum braking force for 10 minutes after the four stages,
In step 4, a 20% braking force of the maximum braking force is applied in the first braking section, a 40% braking force of the maximum braking force is applied in the second braking section, and a 60% braking force of the maximum braking force is applied in the third braking section, In a fourth braking section, 80% of the maximum braking force is applied, and in the fifth braking section, 100% of the maximum braking force is applied.
Stepwise increase of braking force to prevent wind turbine over-rotation.
상기 3단계에서, 상기 제동 개시전압은 48V인 것을 특징으로 하는,
풍력발전기 과회전 방지를 위한 제동력의 단계적 증가 제동방법.The method of claim 1,
In the third step, the braking start voltage is characterized in that 48V,
Stepwise increase of braking force to prevent wind turbine over-rotation.
상기 5단계 후, 블레이드 회전으로 생성되는 정류 전압을 다시 체크하는 6단계; 및
상기 6단계에서 체크된 정류 전압이 상기 제동 개시전압 이상이면 제동력을 계속하여 유지하는 7단계;를 포함하는,
풍력발전기 과회전 방지를 위한 제동력의 단계적 증가 제동방법.The method of claim 1,
After step 5, step 6 of again checking the rectified voltage generated by the blade rotation; And
If the rectified voltage checked in the step 6 is equal to or greater than the braking start voltage, step 7 of continuing to maintain the braking force; includes;
Stepwise increase of braking force to prevent wind turbine over-rotation.
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Cited By (2)
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| KR20240100876A (en) | 2022-12-23 | 2024-07-02 | 주식회사 에스티 | Method For Controling Wind Power Generator |
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