KR20170000933A - 시간 지연 추정을 이용한 풍력 터빈의 피치 제어 시스템 - Google Patents

시간 지연 추정을 이용한 풍력 터빈의 피치 제어 시스템 Download PDF

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KR20170000933A
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Abstract

본 발명은 시간 지연 추정을 이용한 풍력 터빈의 피치 제어 방법에 관한 것으로서, 바람에 의하여 회전할 수 있는 블레이드와, 상기 블레이드에 연결되어 상기 블레이드의 회전 동력을 전달받아 회전하는 회전자를 포함하는 풍력 터빈과; 상기 회전자의 회전속도를 감지하는 회전속도 감지부와; 감지된 상기 회전자의 회전속도와 기 설정된 정격회전속도 간의 편차 및 상기 편차의 변화량과, 기 저장된 상기 제1시각일 때의 제어신호값을 이용하여 상기 제2시각일 때의 제어신호값을 계산하는 피치 제어부와; 상기 계산된 제어신호값에 따라 상기 블레이드의 피치각을 조절하여 상기 회전자를 구동하는 피치 구동부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 시간 지연 추정을 이용한 피치 제어를 통해 특정 동작점 이외에도 최적의 성능을 나타낼 수 있는 효과가 있다.

Description

시간 지연 추정을 이용한 풍력 터빈의 피치 제어 시스템{PITCH CONTROL SYSTEM OF WIND TURBINES USING TIME DELAY ESTIMATION AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 풍력 터빈의 피치 제어 시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 시간 지연 추정을 이용하여 계산된 제어신호에 따라 블레이드의 피치 각을 조절하여 회전자를 원하는 회전속도로 구동하는 풍력 터빈의 피치 제어 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
풍력 발전이란 공기의 유동이 가진 운동 에너지의 공기역학적(aerodynamic) 특성을 이용하여 회전자(rotor)를 회전시켜 기계적 에너지로 변환시킨 후 이 기계적 에너지로 전기를 얻는 기술로서, 주요 구성 요소는 날개(blade)와 허브(hub)로 구성된 회전자와, 상기 회전자의 회전에 의하여 구동되며 나셀(Nacelle) 내부에 위치하는 발전기로 구성된다. 이러한 풍력발전기는 환경오염을 발생시키지 않고 무한정의 바람을 사용하므로, 세계적으로 환경에 대한 관심이 고조되고 있는 요즘, 전기에너지의 발전 장치로서 관심이 높아지고 있다.
이러한 풍력발전의 경우, 풍력 터빈으로 불어오는 바람이 정격파워 이하로 출력을 유지할 필요성이 있다. 예컨대, 풍력 터빈으로 불어오는 바람이 정격속도 이상으로 강할 경우, 발전기는 정격 이상으로 전력을 생산해야 하고, 이는 풍력 발전기의 수명을 단축시키는 원인이 되기 때문이다. 이에 따라, 정격속도 이상인 경우에 발전기에 걸리는 부하를 줄이기 위한 피치 제어 시스템이 요구된다.
그러나, 종래의 PI(Proportioanl Integral) 제어를 이용한 피치 제어 방식의 경우, 특정 동작점(예컨대, 특정 바람 속도, 특정 로터 회전속도, 특정 피치각 등) 근처에서만 잘 동작할 수 있기 때문에, 다른 동작점에서는 좋은 성능을 나타내지 못하는 문제점이 있다.
KR 10-1177838 B1 KR 10-1235907 B1
본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 시간 지연 추정을 이용한 피치 제어를 통해 특정 동작점 이외에도 최적의 성능을 나타낼 수 있는 풍력 터빈의 피치 제어 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일면에 따른 시간 지연 추정을 이용한 풍력 터빈의 피치 제어 시스템은, 바람에 의하여 회전할 수 있는 블레이드와, 상기 블레이드에 연결되어 상기 블레이드의 회전 동력을 전달받아 회전하는 회전자를 포함하는 풍력 터빈과; 상기 회전자의 회전속도를 감지하는 회전속도 감지부와; 감지된 상기 회전자의 회전속도와 기 설정된 정격회전속도 간의 편차 및 상기 편차의 변화량과, 기 저장된 상기 제1시각일 때의 제어신호값을 이용하여 상기 제2시각일 때의 제어신호값을 계산하는 피치 제어부와; 상기 계산된 제어신호값에 따라 상기 블레이드의 피치각을 조절하여 상기 회전자를 구동하는 피치 구동부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 일면에 따른 시간 지연 추정을 이용한 풍력 터빈의 피치 제어 방법은, 바람에 의하여 회전할 수 있는 블레이드와, 상기 블레이드에 연결되어 상기 블레이드의 회전 동력을 전달받아 회전하는 회전자를 포함하는 풍력 터빈의 피치 제어 방법에 있어서, 상기 회전자의 회전속도를 감지하는 단계와; 감지된 상기 회전자의 회전속도와 기 설정된 정격회전속도 간의 편차 및 상기 편차의 변화량과, 기 저장된 제1시각일 때의 제어신호값을 이용하여 상기 제1시각 이후의 제2시각일 때의 제어신호값을 계산하는 단계와; 상기 계산된 제어신호값에 따라 상기 블레이드의 피치각을 조절하여 상기 회전자를 구동하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 시간 지연 추정을 이용한 피치 제어를 통해 특정 동작점 이외에도 최적의 성능을 나타낼 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 시간 지연 추정을 이용한 풍력 터빈의 피치 제어 시스템의 구성을 간략하게 도시한 블록도이고,
도 2는 도 1에 도시된 풍력 터빈의 질량 모델을 나타내는 도면이고,
도 3은 단계적인 풍속의 변화가 있는 경우, 종래의 PI 제어기와 본 발명에 따른 피치 제어 시스템의 회전 속도 및 피치 각 명령을 비교하기 위한 그래프이고,
도 4는 급격한 풍속의 변화가 있는 경우, 종래의 PI 제어기와 본 발명에 따른 피치 제어 시스템의 회전 속도 및 피치 각 명령을 비교하기 위한 그래프이다.
이상과 같은 본 발명에 대한 해결하려는 과제, 과제의 해결수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시예 및 도면에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 시간 지연 추정을 이용한 풍력 터빈의 피치 제어 시스템을 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 시간 지연 추정을 이용한 풍력 터빈의 피치 제어 시스템의 구성을 간략하게 도시한 블록도이고, 도 2는 도 1에 도시된 풍력 터빈의 질량 모델을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 시간 지연 추정을 이용한 풍력 터빈의 피치 제어 시스템은 회전속도 감지부(100), 피치 제어부(200) 및 피치 구동부(300)를 포함한다. 여기서, 상기 풍력 터빈은 바람에 의하여 회전할 수 있는 블레이드와, 상기 블레이드에 연결되어 상기 블레이드의 회전 동력을 전달받아 회전하는 회전자를 포함할 수 있다.
회전속도 감지부(100)는 상기 회전자의 회전속도(ωr)를 감지하기 위한 것이다.
저장부(220)에는 후술될 에러 계산부(210)에 의해 계산된 제1시각(t-L)일 때의 편차값(et-L)이 기 저장되어 있다.
피치 제어부(200)는, 상기 회전속도 감지부(100)에 의해 감지된 상기 회전자의 회전속도와 기 설정된 정격회전속도 간의 편차 및 상기 편차의 변화량과, 기 저장된 상기 제1시각일 때의 제어신호값을 이용하여 상기 제1시각 이후의 제2시각일 때의 제어신호값을 계산한다.
구체적으로, 피치 제어부(200)는, 상기 블레이드의 회전속도(ωr)와 상기 정격회전속도(ωd) 간의 편차(e)를 계산하고, 상기 제1시각(t-L)일 때 계산된 편차값(et-L)과 상기 제2시각(t)일 때 계산한 편차(et)를 이용하여 편차 변화량을 계산하는 에러 계산부(210)와, 상기 계산된 편차 및 편차 변화량과 기 저장된 상기 제1시각에서의 제어신호값을 이용하여 상기 제2시각에서의 제어신호값을 계산하는 제어신호 계산부(230)를 포함할 수 있다.
여기서, 에러 계산부(210)는, 상기 회전속도 감지부(100)에 의해 감지된 상기 블레이드의 회전속도(ωr)와 기 설정된 정격회전속도(ωd) 간의 편차를 계산하고, 상기 편차의 변화량을 계산하기 위한 것이다.
먼저, 상기 에러 계산부(210)는 아래의 수학식 1에 따라 상기 편차를 계산할 수 있다. 여기서, e는 블레이드의 회전속도(ωr)와 정격회전속도(ωd) 간의 편차이다.
Figure pat00001
이때, 상기 수학식 1은 오차 역학(error dynamics)에 따라 아래의 수학식 2로 나타낼 수 있다. 여기서, k는 양의 상수이고, 상기 수학식 2에서 편차(e)는 0으로 수렴하게 된다.
Figure pat00002
다음으로, 상기 에러 계산부(210)는, 제1시각(t-L)일 때 계산된 편차값과 제2시각(t)일 때 계산한 편차를 이용하여 아래의 수학식 3에 따라 편차 변화량을 계산할 수 있다.
Figure pat00003
여기서, 제어신호 계산부(230)는 상기 에러 계산부(210)에서 계산된 편차 및 상기 편차의 변화량과, 기 저장된 상기 제1시각일 때의 제어신호값을 이용하여 상기 제1시각 이후의 제2시각일 때의 제어신호값을 계산하기 위한 것이다.
구체적으로, 제어신호 계산부(230)는 상기 에러 계산부(210)에서 계산된 편차(e)에 제1상수(K)를 곱한 값(Ke)과 상기 계산된 편차 변화량을 더한 후 제2상수(g)를 곱한 값에 상기 제1시각(t-L)에서의 제어신호값을 더하여 상기 제2시각(t)에서의 제어신호값을 계산할 수 있다.
이하, 상기 제2시각(t)에서의 제어신호값을 구하는 구체적인 방법에 대해 설명하도록 한다.
먼저, 상기 바람에 의한 공기역학적 힘(Pa)은 아래의 수학식 4로 나타낼 수 있다. 여기서, ρ는 공기밀도이고, R은 회전자의 반지름이고, CP(λ,β)는 동력계수이고, Vw는 허브의 풍속이다.
Figure pat00004
상기 동력계수는 블레이드 피치각(β)과 아래의 수학식 5에 따른 날개 끝 속도 비(λ)에 기초하여 결정된다. 여기서, ωr은 회전자의 각속도이고, ωrR은 선형 블레이드의 날개 끝 속도를 나타낸다. 상기 수학식 1과 수학식 2에서 ρ,R 및 Vw는 제어할 수 없는 변수에 해당하므로, 상기 동력계수(CP(λ,β))를 제어함으로써 공기역학적 힘(Pa)을 조절할 수 있게 된다.
Figure pat00005
토크와 힘 사이의 관계를 나타내는 "Pa = ωrTa"의 공식을 이용하면, 상기 바람에 의한 공기역학 토크(Ta), 즉, 상기 블레이드의 회전동력을 아래의 수학식 6으로 나타낼 수 있다.
Figure pat00006
도 2는 상기 블레이드의 회전 동력을 회전자(r; rotor) 및 발전기(g; generator)로 전달하기 위한 구동 관계를 도시한 도면이다.
먼저, 상기 블레이드의 회전 동력을 전달받은 회전자 측의 운동 방정식을 아래의 수학식 7로 나타낼 수 있다. 여기서, Jr은 회전자의 관성을 나타내고, Br은 회전자의 외부 댐핑계수이고, Kls는 저속 축 강성계수이고, Bls는 저속 축 댐핑계수이고, θr은 회전자의 회전각이고, θls는 저속 축의 회전각이고, ωr는 저속 축의 각속도이고, Tls는 Ta에 반대되는 방향으로 작용하는 저속 축 토크이다.
Figure pat00007
다음으로, 상기 회전자를 통해 회전 동력을 전달받은 상기 발전기 측의 운동방정식을 아래의 수학식 8로 나타낼 수 있다. 여기서, Jg는 발전기의 관성을 나타내고, Ths는 고속 축 토크이고, Bg는 발전기의 외부 댐핑계수이고, ωg는 발전기의 각속도이고, Tg는 발전기의 전기적 토크이다.
Figure pat00008
이때, 상기 회전자와 상기 발전기 사이를 연결하는 기어박스(ng)의 비를 아래의 수학식 9로 나타낼 수 있다.
Figure pat00009
만약 상기 회전자와 상기 기어박스 사이의 저속 축이 완전한 경질체에 해당한다면, 전술한 수학식 7, 수학식 8 및 수학식 9를 정리하여 아래의 수학식 10으로 나타낼 수 있다.
Figure pat00010
상기 수학식 10을 재배열하면, 회전자의 속도 변화량(
Figure pat00011
)을 아래의 수학식 11 및 수학식 12로 나타낼 수 있다. 여기서, ΔTu는 모델링되지 않은 동력을 나타내고, d는 연속적이며 제한된 외란을 나타내고, Ta, Bk 및 Tg는 조정 가능한 상수이다.
Figure pat00012
Figure pat00013
상기 편차에 관한 수학식 1 및 수학식 2를 이용하여 상기 수학식 12를 정리하면, 상기 편차의 변화량을 아래의 수학식 13으로 나타낼 수 있다. 여기서 f(e)는 연속적인 함수이고,
Figure pat00014
는 조정 가능한 상수이다.
Figure pat00015
만일 시간지연 L의 값이 무시할 수 있을 만큼 아주 작다면, f(e)t -L을 나타내는 아래의 수학식 14로부터 근사값인 f(e)t의 값을 구할 수 있다. 이처럼, t-L시각에서의 값에 기초한 근사값 추정 방법을 시간 지연 추정(TDC: Time Delay Estimation)이라 한다.
Figure pat00016
또한, 만일
Figure pat00017
가 0이 아닌 상수로 설정된다면, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어신호(u)는, 전술한 수학식 2, 수학식 13 및 수학식 14에 기초하여, 아래의 수학식 15로 나타낼 수 있다.
Figure pat00018
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 시간 지연 추정을 이용한 풍력터빈의 피치 제어 시스템에 의하면, 제1시각(t-L)일 때의 제어신호값과 편차 변화량 등의 시간 지연 정보를 이용하여 제2시각(t)일 때의 제어신호값을 계산할 수 있게 된다.
다음으로, 피치 구동부(300)는, 상기 피치 제어부(200)에 의해 계산된 제어신호값에 따라 상기 블레이드의 피치각을 조절하여 상기 회전자를 구동한다.
도 3은 단계적인 풍속의 변화가 있는 경우, 종래의 PI 제어기와 본 발명에 따른 피치 제어 시스템의 회전 속도 및 피치 각 명령을 비교하기 위한 그래프이고, 도 4는 급격한 풍속의 변화가 있는 경우, 종래의 PI 제어기와 본 발명에 따른 피치 제어 시스템의 회전 속도 및 피치 각 명령을 비교하기 위한 그래프이다. 여기서, 종래의 PI 제어기와 본 발명에 따른 피치 제어 시스템(TDC)은 회전자의 회전 속도를 정격회전속도인 12.1 rpm에 근접하도록 제어하는 것을 목표로 한다.
먼저, 도 3(a)에 도시된 바와 같이 단계적인 풍속의 변화가 있는 경우, 본 발명에 따른 피치 제어 시스템(TDC)은, 도 3(b)에 도시된 바와 같이, 종래의 PI 제어기보다 12.1 rpm에 더 가까운 회전 속도를 가지도록 제어하고, 도 3(c)에 도시된 바와 같이, 종래의 PI 제어기보다 풍속 변화에 더 빨리 대응하여 피치 각을 제어하게 된다.
다음으로, 도 4(a)에 도시된 바와 같이 급격한 풍속의 변화가 있는 경우, 본 발명에 따른 피치 제어 시스템(TDC)은, 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 종래의 PI 제어기보다 12.1 rpm에 더 가까운 회전 속도를 가지도록 제어하고, 도 4(c)에 도시된 바와 같이, 종래의 PI 제어기보다 풍속 변화에 더 빨리 대응하여 피치 각을 제어하게 된다.
즉, 본 발명에 따른 시간 지연 추정을 이용한 풍력 터빈의 피치 제어 시스템은 종래의 PI 제어기와 비교하여 높은 수렴성과 빠른 응답성을 가지는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 시간 지연 추정을 이용한 풍력터빈의 피치 제어 시스템을 이용하면, 시간 지연 추정을 이용한 피치 제어를 통해 특정 동작점 이외에도 최적의 성능을 나타낼 수 있게 된다.
이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위 내에서 다양하게 실시될 수 있다.
100: 회전속도 감지부 200: 피치 제어부
210: 에러 계산부 220: 저장부
230: 제어신호 계산부 300: 피치 구동부

Claims (8)

  1. 바람에 의하여 회전할 수 있는 블레이드와, 상기 블레이드에 연결되어 상기 블레이드의 회전 동력을 전달받아 회전하는 회전자를 포함하는 풍력 터빈의 피치 제어 시스템에 있어서,
    상기 회전자의 회전속도를 감지하는 회전속도 감지부;
    감지된 상기 회전자의 회전속도와 기 설정된 정격회전속도 간의 편차 및 상기 편차의 변화량과, 기 저장된 상기 제1시각일 때의 제어신호값을 이용하여 상기 제1시각 이후의 제2시각일 때의 제어신호값을 계산하는 피치 제어부; 및
    상기 계산된 제어신호값에 따라 상기 블레이드의 피치각을 조절하여 상기 회전자를 구동하는 피치 구동부;를 포함하는 시간 지연 추정을 이용한 풍력 터빈의 피치 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 피치 제어부는,
    상기 블레이드의 회전속도와 상기 정격회전속도 간의 편차를 계산하고, 상기 제1시각일 때 계산된 편차값과 상기 제2시각일 때 계산한 편차를 이용하여 편차 변화량을 계산하는 에러 계산부;
    상기 제1시각일 때의 편차값이 기 저장된 저장부; 및
    상기 계산된 편차 및 편차 변화량과 기 저장된 상기 제1시각에서의 제어신호값을 이용하여 상기 제2시각에서의 제어신호값을 계산하는 제어신호 계산부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 시간 지연 추정을 이용한 풍력 터빈의 피치 제어 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어신호 계산부는,
    상기 계산된 편차에 제1상수를 곱한 값과 상기 계산된 편차 변화량을 더한 후 제2상수를 곱한 값에 상기 제1시각에서의 제어신호값을 더하여 상기 제2시각에서의 제어신호값을 계산하는 것을 특징으로 하는 시간 지연 추정을 이용한 풍력 터빈의 피치 제어 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 에러 계산부는,
    상기 편차 및 상기 편차 변화량을 아래의 수학식 I,II에 따라 각각 계산하는 것을 특징으로 하는 시간 지연 추정을 이용한 풍력 터빈의 피치 제어 시스템.
    (수학식 I)
    Figure pat00019

    (수학식 II)
    Figure pat00020

    ωr은 블레이드의 회전속도이고, ωd는 정격회전속도이고, e는 블레이드의 회전속도와 정격회전속도 간의 편차이고,
    Figure pat00021
    는 편차 변화량이고, et는 제2시각(t)일 때의 편차값이고, et-L은 제1시각(t-L)일 때의 편차값이다.
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 제어신호 계산부는,
    상기 제2시각에서의 제어신호값을 아래의 수학식 III에 따라 계산하는 것을 특징으로 하는 시간 지연 추정을 이용한 풍력 터빈의 피치 제어 시스템.
    (수학식 III)
    Figure pat00022

    ut는 제2시각에서의 제어신호값이고, ut -L은 제1시각에서의 제어신호값이고, e는 블레이드의 회전속도와 정격회전속도 간의 편차이고, K는 제1상수이고,
    Figure pat00023
    은 편차 변화량이고,
    Figure pat00024
    은 제2상수이다.
  6. 바람에 의하여 회전할 수 있는 블레이드와, 상기 블레이드에 연결되어 상기 블레이드의 회전 동력을 전달받아 회전하는 회전자를 포함하는 풍력 터빈의 피치 제어 방법에 있어서,
    상기 회전자의 회전속도를 감지하는 단계;
    감지된 상기 회전자의 회전속도와 기 설정된 정격회전속도 간의 편차 및 상기 편차의 변화량과, 기 저장된 제1시각일 때의 제어신호값을 이용하여 상기 제1시각 이후의 제2시각일 때의 제어신호값을 계산하는 단계;
    상기 계산된 제어신호값에 따라 상기 블레이드의 피치각을 조절하여 상기 회전자를 구동하는 단계;를 포함하는 시간 지연 추정을 이용한 풍력 터빈의 피치 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 계산하는 단계는,
    상기 제2시각일 때의 상기 블레이드의 회전속도 및 정격회전속도 간의 편차를 계산하는 단계;
    상기 계산된 제2시각일 때의 편차와 기 저장된 상기 제1시각일 때의 편차값을 이용하여 상기 편차 변화량을 계산하는 단계; 및
    상기 계산된 편차 및 편차 변화량과 상기 제1시각에서의 제어신호값을 이용하여 상기 제2시각일 때의 제어신호값을 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 시간 지연 추정을 이용한 풍력 터빈의 피치 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어신호값을 계산하는 단계는,
    상기 계산된 편차에 제1상수를 곱한 값과 상기 계산된 편차 변화량을 더한 후 제2상수를 곱한 값에 상기 제1시각일 때의 제어신호값을 더하여 상기 제2시각일 때의 제어신호값을 계산하는 것을 특징으로 하는 시간 지연 추정을 이용한 풍력 터빈의 피치 제어 방법.
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