KR101032930B1 - The apparatus and method of wind speed estimator for wind turbine generation system - Google Patents

The apparatus and method of wind speed estimator for wind turbine generation system Download PDF

Info

Publication number
KR101032930B1
KR101032930B1 KR1020100099751A KR20100099751A KR101032930B1 KR 101032930 B1 KR101032930 B1 KR 101032930B1 KR 1020100099751 A KR1020100099751 A KR 1020100099751A KR 20100099751 A KR20100099751 A KR 20100099751A KR 101032930 B1 KR101032930 B1 KR 101032930B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
speed
wind
wind speed
data
digital
Prior art date
Application number
KR1020100099751A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
김성호
육의수
Original Assignee
군산대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 군산대학교산학협력단 filed Critical 군산대학교산학협력단
Priority to KR1020100099751A priority Critical patent/KR101032930B1/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101032930B1 publication Critical patent/KR101032930B1/en

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03DWIND MOTORS
    • F03D7/00Controlling wind motors 
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/42Devices characterised by the use of electric or magnetic means
    • G01P3/44Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/02Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring forces exerted by the fluid on solid bodies, e.g. anemometer
    • G01P5/06Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring forces exerted by the fluid on solid bodies, e.g. anemometer using rotation of vanes
    • G01P5/07Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring forces exerted by the fluid on solid bodies, e.g. anemometer using rotation of vanes with electrical coupling to the indicating device
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/04Control effected upon non-electric prime mover and dependent upon electric output value of the generator
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70Wind energy
    • Y02E10/72Wind turbines with rotation axis in wind direction

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Eletrric Generators (AREA)
  • Wind Motors (AREA)

Abstract

PURPOSE: An optimum control type integrated management device for an aerogenerator using a digital wind speed estimation module and a variable speed control module and a method thereof are provided to estimate the speed of the wind blown from the front end of the aerogenerator using the output characteristic of the aerogenerator. CONSTITUTION: An optimum control type integrated management device for an aerogenerator using a digital wind speed estimation module and a variable speed control module comprises a digital wind speed estimation module(100), a variable speed control module(200), and an integrated management server(300). The digital wind speed estimation module measures the speed of rotation of a blade, a pitch angle, and the output power of a generator. The digital wind speed estimation module estimates the wind speed of the front end of the blade. The variable speed control module uses the wind speed information transmitted from the digital wind speed estimation module. The variable speed control module estimates the speed of the rotation in order to obtain the maximum power from the present speed of the wind. The variable speed control module controls the output of a DC-DC converter. The integrated management server collects the transmitted sensor data and estimated data through an LAN(Local Area Network) The integrated management server saves the collected data in the database.

Description

디지털 풍속 추정 모듈과 가변속제어모듈을 통한 풍력발전기 최적제어형 통합 관리 장치 및 방법{THE APPARATUS AND METHOD OF WIND SPEED ESTIMATOR FOR WIND TURBINE GENERATION SYSTEM}Integrated control system and method for optimal control of wind power generator using digital wind speed estimation module and variable speed control module {THE APPARATUS AND METHOD OF WIND SPEED ESTIMATOR FOR WIND TURBINE GENERATION SYSTEM}

본 발명은 디지털 풍속 추정 모듈과 가변속제어모듈을 통한 풍력발전기 최적제어형 통합 관리 장치 및 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a wind turbine optimal control type integrated management apparatus and method through a digital wind speed estimation module and a variable speed control module.

최근 화석에너지의 고갈에 대비한 친환경적인 대체 에너지원으로 풍력발전이 주목을 받고 있다. 독일, 네덜란드 및 덴마크를 중심으로 서유럽 여러 나라에서는 1970년대부터 풍력발전에 대한 많은 연구가 있어 왔고, 그 결과 최근에는 수 MW급 풍력발전 시스템을 상용화하기에 이르렀다. Recently, wind power has attracted attention as an environmentally friendly alternative energy source for the depletion of fossil energy. In Western Europe, especially in Germany, the Netherlands, and Denmark, there have been many studies of wind power generation since the 1970s. As a result, several MW wind power systems have recently been commercialized.

국내에서도 다수의 연구기관을 중심으로 풍력발전 시스템의 국산화 연구개발이 활발히 진행되고 있으며 또한 정부 지원의 에너지 사업을 통해 제주도 등 다수의 지역에 중대형 국내외 시스템이 도입되어 설치 운전되면서 국내 풍력 자원 개발의 가능성을 검토하고 있는 실정이다. Domestic research and development of wind power generation system is actively underway, with a large number of research institutes in Korea, and the development of domestic wind resources is possible due to the introduction of medium-large and large-scale domestic and overseas systems installed and operated in numerous regions including Jeju Island through government-supported energy projects. The situation is under review.

특히 서해안 군산지역에 시범설치된 풍력발전 단지는 약 160억의 사업비를 들여 덴마크 NEG-Micon사의 750KW 모델(NM48) 6기와 덴마크VESTAS사의 850KW 모델(V52) 4기로 구성되어 총 7.9MW의 발전용량을 갖고 있어 약 3천 세대에서 사용할 수 있는 전기를 공급하도록 설계되었다. In particular, the wind farms installed in the Gunsan region on the west coast consisted of six 750KW models (NM48) from NEG-Micon of Denmark and four 850KW models (V52) of VESTAS from Denmark with a total cost of 7.9MW. It is designed to provide electricity for nearly 3,000 generations.

각 발전기의 허브까지의 높이는 45m와 49m이며, NM48은 스톨제어방식이고, V52는 피치제어방식을 채택하고 있다. The height of each generator's hub is 45m and 49m, NM48 is stall control method and V52 is pitch control method.

대부분의 풍력 발전 단지(wind farm)는 수 십대의 풍력발전기와 높이에 따른 풍속 및 풍향의 측정을 위한 기상타워(meteorological tower)로 구성된다. 터빈 블레이드의 허브 높이에서의 풍속은 발전 용량과 밀접한 관계가 있으며 이는 허브 높이에서의 풍속이 지표면으로부터 허브까지의 높이에 따라 속도 프로파일이 변하지 않는다는 것을 가정하고 있으나 풍력 발전기가 설치된 위치와 기상 타워가 설치된 위치사이의 지형 변화로 인해 실제 풍력발전기의 허브단에서의 풍속은 정확히 알기가 어려운 실정이다. Most wind farms consist of several decades of wind turbines and a meteorological tower for measuring wind speed and wind direction along height. The wind speed at the hub height of the turbine blade is closely related to the generating capacity, which assumes that the velocity profile at the hub height does not change with the height from the ground to the hub, but the location where the wind generator is installed and the weather tower are installed. Due to the change of topography between the locations, the wind speed at the hub of the actual wind turbine is difficult to know exactly.

풍력발전 시스템은 운전방식에 따라 고정속-고정피치(Fixed-speed Fixed-Pitch), 고정속-가변피치(Fixed-speed Variable-Pitch),가변속-고정피치(Variable-Speed Fixed-Pitch) 및 가변속-가변피치(Variable-speed Variable-Pitch) 등으로 구분되며 운전효율적인 측면에서는 고정속 보다는 가변속제어 시스템이 유리하다. 가변속 시스템은 cut-in 속도이상부터 정격 풍속까지의 풍속 범위내에서 블레이드가 바람으로부터 얻을 수 있는 에너지를 최대한 얻고자 하는 제어 방식으로 이를 위해서는 블레이드 허브단에서의 정확한 풍속의 계측이 필수적으로 요구된다. Wind power generation systems have fixed-speed fixed-pitch, fixed-speed variable-pitch, variable-speed fixed-pitch and variable speed depending on the operating method. -Variable-speed Variable-Pitch is classified into variable speed control system. The variable speed system is a control method to obtain the maximum energy that the blade can obtain from the wind within the wind speed range from the cut-in speed to the rated wind speed. This requires accurate wind speed measurement at the blade hub stage.

그러나 수평축 풍력발전기의 경우, 허브단에 풍속계의 직접적인 설치는 어려운 상태이며 또한 설치한다 하더라도 블레이드의 회전으로 인해 계측된 풍속값은 정확하지 않게 된다. However, in the case of a horizontal axis wind power generator, it is difficult to directly install the anemometer at the hub stage, and even if it is installed, the measured wind speed value is not accurate due to the rotation of the blade.

또한, 풍력발전기는 블레이드의 출력특성에 따라 각 풍속하에서 최적의 출력을 낼 수 있는 최대 출력점이 달라지게 되며, 최대 출력포인트를 찾기 위해서는 정확한 풍속을 알고 있어야 한다.In addition, the wind power generator is the maximum output point that can produce the optimum output under each wind speed depending on the output characteristics of the blade, and to find the maximum output point, you need to know the exact wind speed.

하지만, 풍력발전기의 구조상 풍력발전기의 전단부에 풍속계를 설치하여 풍속을 측정하기 어려우며, 후단부에 풍속계를 설치할 경우 블레이드의 난류 및 기구부를 지나며 발생되는 공기의 밀도차에 의해 정확한 풍속을 계측하기 어려운 실정이다.However, due to the structure of the wind power generator, it is difficult to measure the wind speed by installing the anemometer at the front end of the wind power generator, and when installing the anemometer at the rear end, it is difficult to accurately measure the wind speed due to the difference in the air density generated by the turbulence of the blade and the mechanism. It is true.

또한 소형 풍력발전기의 경우 풍력발전기의 전체 제작비용 중 제어기가 차지하는 비용이 10%미만으로 풍속계와 같은 고가의 센서 적용이 어려운 실정이며, 이로 인해 제어방식 또한 단순화되어 풍속에 대한 최적제어가 어려운 실정이다.
In addition, in the case of small wind turbines, the controller occupies less than 10% of the total manufacturing cost of wind turbines, making it difficult to apply expensive sensors such as anemometers. .

국내특허등록공보 제10-0830518호(2008년05월21일 공고)Domestic Patent Registration Publication No. 10-0830518 (announced May 21, 2008)

상기의 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 풍력발전기의 출력특성을 이용하여 풍력발전기의 전단부에서 불어오는 풍속을 추정할 수 있고, 소형 풍력발전기는 물론 기존의 풍력발전기에도 호환시킬 수 있으며, 무엇보다 추정된 풍속을 기반으로 짧은 시간내에 동일 풍속에서 최대의 전력을 얻을 수 있는 디지털 풍속 추정 모듈과 가변속제어모듈을 통한 풍력 발전기 최적 제어 및 통합관리장치을 제공하는데 그 목적이 있다.
In order to solve the above problems, the present invention can estimate the wind speed blowing from the front end of the wind power generator using the output characteristics of the wind power generator, can be compatible with the existing wind power generator as well as the small wind power generator, It is an object of the present invention to provide an optimal control and integrated management system for a wind generator through a digital wind speed estimation module and a variable speed control module that can obtain the maximum power at the same wind speed within a short time based on the estimated wind speed.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 디지털 풍속 추정 모듈과 블레이드 속도가변모듈을 통한 풍력 발전기 최적 제어 장치는In order to achieve the above object, the optimum control system for a wind power generator using a digital wind speed estimation module and a blade speed change module according to the present invention

풍속의 변화에 따라 회전되는 블레이드와, 블레이드 후단에 위치되어 풍력에너지를 직류로 발전시키는 제너레이터와, 제너레이터에 축적된 전압을 정류시키는 정류부(Rectifier)와, 정류부를 통해 정류된 전압을 사용용량에 맞게 다운 또는 승압시키는 DC-DC컨버터부와, DC-DC컨버터부를 통해 다운 또는 승압된 전압을 직류에서 교류로 변환시키는 인버터로 이루어져 풍력을 전기에너지로 변환시켜 풍력발전기 출력전력을 최적제어하는 통합관리장치(1)로 이루어지고,The blade rotated according to the change of wind speed, the generator located at the rear end of the blade to generate wind energy by direct current, rectifier for rectifying the voltage accumulated in the generator, and the voltage rectified through the rectifier according to the usage capacity. DC-DC converter to down or boost, and DC-DC converter to convert the voltage down or boosted from DC to AC integrated management device for optimal control of wind power output power by converting wind power into electrical energy Made of (1),

상기 풍력발전기 최적제어형 통합관리장치(1)는 풍속의 변화에 따른 블레이드의 회전속도, 피치각 및 제너레이터의 출력전력을 측정한 후 블레이드 앞단 풍속을 추정하는 디지털 풍속추정모듈(100)과,The wind turbine optimal control type integrated management device (1) is a digital wind speed estimation module (100) for estimating the front wind speed of the blade after measuring the rotational speed, pitch angle and output power of the generator according to the change in wind speed, and

디지털 풍속추정모듈로부터 전송된 풍속정보를 이용하여 현재 풍속에서 최대 전력을 얻기 위한 최적의 회전속도(Wmopt)를 추정하고 RPM 센서로부터 측정된 회전속도(Wmact)가 최적의 회전속도를 추적하도록 DC-DC 컨버터의 출력을 제어하는 가변속 제어모듈(200)과,By using the wind speed information transmitted from the digital velocity estimation module estimates the optimum rotation speed (W mopt) for obtaining the maximum power at the current wind speed and the rotation speed measured by the RPM sensor (W mact) to track the optimum rotational speed of the Variable speed control module 200 for controlling the output of the DC-DC converter,

디지털 풍속추정모듈 및 가변속제어모듈에서 전송된 센서데이터 및 추정데이터를 LAN을 통해 수집하고, 수집된 데이터를 DB에 장기 저장하며, PC 모니터상에 그래프형태 및 숫자형태로 표시하고, 원격 사용자가 자료 요청시 웹프로그램을 이용하여 자료를 제공하는 통합관리서버(300)로 구성됨으로서 달성된다.
Collect sensor data and estimated data transmitted from digital wind speed estimation module and variable speed control module through LAN, store collected data in DB for a long time, and display in graph form and numeric form on PC monitor, This is achieved by configuring the integrated management server 300 to provide data using a web program on request.

또한, 본 발명에 따른 디지털 풍속 추정 모듈과 블레이드 속도가변모듈을 통한 풍력 발전기 최적 제어 방법은In addition, the optimal control method of the wind power generator through the digital wind speed estimation module and the blade speed variable module according to the present invention

풍력 발전기의 블레이드 앞단 풍속을 추정하는 풍속추정단계(S100)와,Wind speed estimation step (S100) for estimating the wind speed of the blade front end of the wind generator,

풍력 발전기의 회전속도를 최적의 회전속도로 가변시켜 최대출력을 제어하는 가변속제어단계(S200)와,Variable speed control step (S200) for controlling the maximum output by varying the rotational speed of the wind generator to the optimum rotational speed,

풍속추정단계와 가변속제어단계에서 생성된 데이터를 수집하고, 저장하며, PC 모니터상에 표시하는 통합관리단계(S300)로 이루어짐으로서 달성된다.
It is achieved by the integrated management step (S300) of collecting, storing, and displaying data generated in the wind speed estimation step and the variable speed control step.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 풍력발전기의 출력특성을 이용하여 풍력발전기의 전단부에서 불어오는 풍속을 추정할 수 있고, 추정된 전단부 풍속을 기반으로 최대의 전력을 얻을 수 있으며, 모니터링 서버를 통한 효율적 관리 및 외부에서의 데이터 요청시 정보제공이 가능하고, 풍력발전기에 이상 발생시 모니터링 서버에서의 분석데이터를 통해 효과적으로 문제를 처리할 수 있다는 장점이 있다.
As described above, in the present invention, the wind speed blowing from the front end of the wind power generator can be estimated using the output characteristics of the wind power generator, and the maximum power can be obtained based on the estimated front wind speed. Efficient management and information can be provided when requesting data from the outside, and if an abnormality occurs in the wind turbine, it can effectively deal with the problem through the analysis data from the monitoring server.

도 1은 본 발명에 따른 디지털 풍속 추정 모듈과 가변속제어모듈을 통한 풍력발전기 최적제어형 통합 관리 장치의 구성요소를 도시한 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 디지털 풍속추정모듈(100)의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 3은 본 발명에 따른 가변속제어모듈(200)의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 4는 본 발명에 따른 디지털 풍속추정모듈(100), 가변속제어모듈(200)이 하나의 PCB기판으로 형성된 것을 도시한 일실시예도,
도 5는 본 발명에 따른 풍력발전기의 구성요소를 도시한 구성도,
도 6은 본 발명에 따른 전력계수 곡선을 도시한 그래프,
도 7은 본 발명에 따른

Figure 112010066085213-pat00001
곡선을 도시한 그래프,
도 8은 본 발명에 따른 최대값을 갖는 포인트들에 해당하는 X축 데이터와 풍속과의 관계그래프를 생성한 전력곡선그래프,
도 9는 본 발명에 따른 X축에 풍속값을 1개의 입력뉴런으로 사용하고, Y축에 최적의 Wmopt값으로 1개의 뉴런이 사용한 학습데이터를 도시한 일실시예도,
도 10은 본 발명에 따른 디지털 풍속 추정 모듈과 블레이드 속도가변모듈을 통한 풍력 발전기 최적 제어 방법을 도시한 순서도,
도 11은 본 발명에 따른 풍속추정단계(S100)를 구체적으로 도시한 순서도,
도 12는 본 발명에 따른 가변속제어단계(S200)를 구체적으로 도시한 순서도,
도 13은 본 발명에 따른 통합관리단계(S300)를 구체적으로 도시한 순서도.1 is a block diagram showing the components of the integrated control device for optimal control of the wind power generator through the digital wind speed estimation module and the variable speed control module according to the present invention,
2 is a block diagram showing the components of the digital wind speed estimation module 100 according to the present invention;
3 is a block diagram showing the components of the variable speed control module 200 according to the present invention;
Figure 4 is an embodiment showing that the digital wind speed estimation module 100, the variable speed control module 200 according to the present invention is formed of one PCB substrate,
5 is a configuration diagram showing the components of the wind power generator according to the present invention;
6 is a graph showing a power coefficient curve according to the present invention;
7 is in accordance with the present invention
Figure 112010066085213-pat00001
Graph showing the curve,
8 is a power curve graph for generating a graph of the relationship between the X-axis data and the wind speed corresponding to the points having the maximum value according to the present invention;
FIG. 9 is a diagram illustrating learning data used by one neuron with an optimal W mopt value on the Y axis and a wind speed value on the X axis according to the present invention;
10 is a flowchart illustrating a method for optimally controlling a wind power generator using a digital wind speed estimation module and a blade speed change module according to the present invention;
11 is a flowchart specifically showing a wind speed estimation step S100 according to the present invention;
12 is a flowchart specifically showing a variable speed control step S200 according to the present invention;
Figure 13 is a flow chart showing in detail the integrated management step (S300) according to the present invention.

먼저, 본 발명에서 설명되는 풍력발전기는 도 5에서 도시한 바와 같이, 풍속의 변화에 따라 회전되는 블레이드와, 블레이드 후단에 위치되어 풍력에너지를 직류로 발전시키는 제너레이터와, 제너레이터에 축적된 전압을 정류시키는 정류부(Rectifier)와, 정류부를 통해 정류된 전압을 사용용량에 맞게 다운 또는 승압시키는 DC-DC컨버터부와, DC-DC컨버터부를 통해 다운 또는 승압된 전압을 직류에서 교류로 변환시키는 인버터로 구성된다.First, as illustrated in FIG. 5, the wind power generator described in the present invention rectifies a blade rotated according to a change in wind speed, a generator positioned at a rear end of the blade to generate wind energy by direct current, and a voltage accumulated in the generator. It consists of rectifier, DC-DC converter to down or boost the voltage rectified through the rectifier according to the usage capacity, and inverter to convert voltage down or boosted through DC-DC converter from DC to AC. do.

그리고, 본 발명에 따른 디지털 풍속추정모듈(100)은 블레이드, 제너레이터 일측과 연결되어 블레이드의 피치각(β), 블레이드의 회전속도(ωr), 제너레이터의 출력전력(Pg)을 측정하도록 구성된다.And, the digital wind speed estimation module 100 according to the present invention is connected to one side of the blade, the generator is configured to measure the pitch angle (β) of the blade, the rotational speed (ω r ) of the blade, the output power (Pg) of the generator .

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 첨부하여 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 디지털 풍속 추정 모듈과 가변속제어모듈을 통한 풍력발전기 최적제어형 통합 관리 장치의 구성요소를 도시한 구성도에 관한 것으로, 이는 크게 디지털 풍속추정모듈(100), 가변속제어모듈(200), 통합관리서버(300)로 구성된다.
1 is a block diagram showing the components of the integrated control apparatus for optimal control of the wind power generator through the digital wind speed estimation module and the variable speed control module according to the present invention, which is largely the digital wind speed estimation module 100 and the variable speed control module ( 200), the integrated management server 300.

먼저, 본 발명에 따른 디지털 풍속추정모듈(100)에 관해 설명한다.First, the digital wind speed estimation module 100 according to the present invention will be described.

상기 디지털 풍속추정모듈(100)은 풍속의 변화에 따른 블레이드의 회전속도, 피치각 및 제너레이터의 출력전력을 측정한 후 블레이드 앞단 풍속을 추정하는 역할을 하는 것으로, 이는 RPM 센서(110), 전압트랜스듀서(120), 전류트랜스듀서(130), 카운터부(140), 제1A/D컨버터(150), 제2A/D컨버터(160), 블레이드토오크추정부(170), 풍속추정부(180), 제1 데이터 전송부(190)로 구성된다.
The digital wind speed estimation module 100 measures the rotational speed, pitch angle, and output power of the generator according to the change of the wind speed, and serves to estimate the wind speed at the front end of the blade, which is an RPM sensor 110 and a voltage transformer. The producer 120, the current transducer 130, the counter unit 140, the first A / D converter 150, the second A / D converter 160, the blade torque estimation unit 170, the wind speed estimation unit 180 , The first data transmission unit 190.

상기 RPM센서(110)는 풍력발전기 내부에 설치되어 유입되는 풍력에 의해 회전되는 블레이드의 회전속도 또는 제너레이터의 회전속도를 측정하는 역할을 한다.
The RPM sensor 110 serves to measure the rotational speed of the blade or the rotational speed of the generator rotated by the wind power introduced into the wind generator.

상기 전압트랜스듀서(120)는 제너레이터 출력단에 연결되어 풍력에 의해 변환되는 전압의 변화량을 측정하는 역할을 한다.
The voltage transducer 120 is connected to the generator output terminal and serves to measure the amount of change in the voltage converted by the wind.

상기 전류트랜스듀서(130)는 제너레이터 출력단에 연결되어 풍력에 의해 변환되는 전류의 변화량을 측정하는 역할을 한다.The current transducer 130 is connected to the generator output stage and serves to measure the amount of change in the current converted by the wind.

상기 카운터부(140)는 상기 RPM센서에서 출력되는 펄스 형태의 신호를 디지털 신호값으로 변환시키는 역할을 한다.
The counter 140 plays a role of converting a pulse type signal output from the RPM sensor into a digital signal value.

상기 제1A/D컨버터(150)는 전압트랜스듀서와 연결되어 전압트랜스듀서에서 출력되는 아날로그 형태의 전압신호를 디지털 신호값으로 변환시키는 역할을 한다.
The first A / D converter 150 is connected to the voltage transducer to convert an analog voltage signal output from the voltage transducer into a digital signal value.

상기 제2A/D컨버터(160)는 상기 전류트랜스듀서와 연결되어 전류트랜스듀서에서 출력되는 출력되는 아날로그 형태의 전압신호를 디지털 신호값으로 변환시키는 역할을 한다.
The second A / D converter 160 is connected to the current transducer to convert an analog voltage signal output from the current transducer into a digital signal value.

상기 블레이드 토오크 추정부(170)는 풍력발전기를 모델을 이용하여 RPM 센서에서 계측된 회전속도와 회전속도 및 제너레이터의 출력 전류 및 전압을 통해 계산된 제너레이터의 토오크(Tg)를 블레이드의 토오크(Ta)를 추정하는 역할을 한다.
The blade torque estimator 170 calculates the torque T g of the generator calculated from the rotation speed and the rotation speed measured by the RPM sensor using the wind turbine model, and the output current and voltage of the generator. a ) to estimate;

상기 풍속추정부(180)는 블레이드 토오크 추정부에서 추정된 토오크와 전력계수곡선으로부터 계산된 단조 또는 비단조 함수를 이용하여 얻은 주속비(tip speed ratio)를 통해 풍속을 추정하는 역할을 한다.
The wind speed estimating unit 180 serves to estimate the wind speed through a tip speed ratio obtained by using a forging or non-forging function calculated from a torque estimated by a blade torque estimating unit and a power coefficient curve.

상기 제1 데이터 전송부(190)는 RPM 센서 및 전압 & 전류 트랜스튜서로부터 측정된 데이터 및 추정된 풍속 데이터를 가변속제어모듈(200) 및 통합관리서버(300)로 전송하는 역할을 한다. The first data transmitter 190 transmits the measured data and the estimated wind speed data from the RPM sensor and the voltage & current transmitter to the variable speed control module 200 and the integrated management server 300.

이는 LAN선 또는 RS232케이블로 구성되어, 가변속제어모듈(200) 및 통합관리서버(300)과 연결되어 데이터를 전송한다.
It is composed of a LAN line or an RS232 cable, and is connected to the variable speed control module 200 and the integrated management server 300 to transmit data.

다음으로, 본 발명에 따른 가변속제어모듈(200)에 관해 설명한다.Next, the variable speed control module 200 according to the present invention will be described.

상기 가변속제어모듈(200)은 디지털 풍속추정모듈로부터 전송된 풍속정보를 이용하여 현재 풍속에서 최대 전력을 얻기 위한 최적의 회전속도(Wmopt)를 추정하고 RPM 센서로부터 측정된 회전속도(Wmact)가 최적의 회전속도를 추적하도록 DC-DC 컨버터의 출력을 제어하는 역할을 하는 것으로, 이는 제1데이터수신부(210), 카운터부(220), 최적속도추정부(230), PI(Proportional plus Integral)제어기부(240), PWM 제어부(250), 데이터전송부(260)로 구성된다. The variable speed control module 200 estimates an optimum rotation speed (W mopt ) for obtaining the maximum power at the current wind speed by using the wind speed information transmitted from the digital wind speed estimation module and measures the rotation speed (W mact ) measured from the RPM sensor. To control the output of the DC-DC converter to track the optimum rotational speed, which is the first data receiving unit 210, the counter unit 220, the optimum speed estimation unit 230, PI (Proportional plus Integral) The controller unit 240, the PWM control unit 250, and the data transmission unit 260.

본 발명에 따른 가변속제어모듈(200)은 디지털 풍속추정모듈로부터 추정된 풍속데이터 및 RPM센서에서 계측된 회전속도 데이터를 이용하여 풍력발전기의 회전속도가 최적의 회전속도로 회전하도록 가변시켜 최대 출력을 제어하는 역할을 한다.The variable speed control module 200 according to the present invention uses the wind speed data estimated from the digital wind speed estimation module and the rotation speed data measured by the RPM sensor to change the rotation speed of the wind power generator to rotate at the optimum rotation speed. It has a role to control.

상기 제1데이터 수신부(210)는 디지털 풍속추정모듈로부터 전송된 데이터를 수신하는 역할을 한다. The first data receiver 210 serves to receive data transmitted from the digital wind speed estimation module.

이는 LAN선 또는 RS232케이블로 구성되어, 디지털 풍속추정모듈과 연결되어 데이터를 수신한다.It consists of LAN line or RS232 cable and is connected to digital wind speed estimation module to receive data.

여기서, 데이터는 RPM 센서 및 전압 & 전류 트랜스튜서로부터 측정된 데이터 및 추정된 풍속 데이터를 말한다.
Here, data refers to data measured from RPM sensors and voltage & current transducers, and estimated wind speed data.

상기 카운터부(220)는 블레이드의 회전속도를 측정하는 RPM 센서로부터 출력되는 펄스신호를 디지털 신호로 변환시키는 역할을 한다.
The counter 220 serves to convert the pulse signal output from the RPM sensor for measuring the rotational speed of the blade into a digital signal.

상기 최적속도추정부(230)는 디지털 풍속추정모듈로부터 수신된 풍속데이터를 풍속 입력시 풍속에 해당하는 최적회전속도(Wmopt)를 출력되도록 학습된 신경망의 입력으로 하여 최적의 회전속도를 추정하게 된다.The optimum speed estimator 230 estimates the optimum rotation speed by using the learned wind speed data received from the digital wind speed estimation module as input of a neural network learned to output the optimum rotation speed W mopt corresponding to the wind speed when the wind speed is input. do.

여기서, 학습된 신경망이란 블레이드 설계시 주어지는 도 6의 전력계수 곡선과 수학식 4로부터 얻어진 도 8의 전력곡선에서 최대값을 갖는 포인트들에 해당하는 X축 데이터와 풍속과의 관계그래프를 생성하여 그것을 학습입력으로 사용한 것을 말한다.
Here, the learned neural network generates a graph of the relationship between the X-axis data and the wind speed corresponding to the points having the maximum value in the power coefficient curve of FIG. 6 and the power curve of FIG. It is used as a learning input.

상기 PI(Proportional plus Integral) 제어기(240)는 풍속추정연산제어부로부터 추정된 풍속 및 풍력발전기의 전력곡선테이블에 의해 추정된 최적의 속도값(Wmopt)과 실제 계측된 현재 블레이드의 속도값(Wmact)의 차이값(error)을 계산한 후, 에러(error)를 줄이기 위해 PWM 제어기의 레퍼런스 전압신호를 생성하는 역할을 한다.
The PI (Proportional plus Integral) controller 240 is an optimum speed value (W mopt ) estimated by the wind speed and the wind power generator power curve table estimated from the wind speed estimation calculation control unit and the actual speed value of the current blade (Wmact) After calculating the difference between the error (error), and generates a reference voltage signal of the PWM controller to reduce the error (error).

상기 PWM 제어부(250)는 PI(Proportional plus Integral) 제어기로부터 PWM 제어기의 비교기 레퍼런스전압을 입력받아, 비교기 내부 연산을 통해 기준 톱니파 신호와 비교한 후, 제너레이터의 출력을 제어하는 DC/DC 컨버터의 PWM 듀티비를 조절하는 역할을 한다.
The PWM controller 250 receives the comparator reference voltage of the PWM controller from a PI (Proportional plus Integral) controller, compares it with a reference sawtooth signal through an internal operation of the comparator, and then controls the output of the generator. It controls the duty ratio.

상기 제2 데이터 전송부(260)는 가변속제어모듈로부터 추정된 최적회전속도(Wmopt)와 현재 제어출력에 대한 데이터를 통합관리서버로 전송하는 역할을 한다. The second data transmitter 260 serves to transmit data about the optimum rotation speed W mopt estimated from the variable speed control module and the current control output to the integrated management server.

이는 LAN선 또는 RS232케이블로 구성되어, 통합관리서버(300)과 연결되어 데이터를 전송한다.
It is composed of a LAN line or RS232 cable, and is connected to the integrated management server 300 to transmit data.

다음으로 본 발명에 따른 통합관리서버(300)에 관해 설명한다.Next, the integrated management server 300 according to the present invention will be described.

상기 통합관리서버(300)는 디지털 풍속추정모듈 및 가변속제어모듈에서 전송된 센서데이터 및 추정데이터를 LAN을 통해 수집하고, 수집된 데이터를 DB에 장기 저장하며, PC 모니터상에 그래프형태 및 숫자형태로 표시하고, 원격 사용자가 자료 요청시 웹프로그램을 이용하여 자료를 제공하는 역할을 하는 것으로, 이는 제2데이터 수신부(310), 디스플레이부(320), 데이터 저장부(330), 웹서비스부(340)로 구성된다. The integrated management server 300 collects sensor data and estimated data transmitted from the digital wind speed estimation module and the variable speed control module through a LAN, stores the collected data in a DB for a long time, and displays a graph and a number on a PC monitor. In this case, the remote user serves to provide data by using a web program when requesting data. The second data receiving unit 310, the display unit 320, the data storage unit 330, and the web service unit ( 340.

상기 제2 데이터 수신부(310)는 LAN 통신을 이용하여 원격의 디지털 풍속추정모듈 및 가변속 제어모듈로부터 전송되는 센서 데이터(RPM센서, 전류 & 전압 트랜스튜서 등), 추정데이터(풍속, 최적회전속도 등)을 수신하는 역할을 한다.
The second data receiver 310 transmits sensor data (RPM sensor, current & voltage transducer, etc.) and estimated data (wind speed, optimum rotation speed, etc.) transmitted from a remote digital wind speed estimation module and a variable speed control module using LAN communication. ) To receive

상기 디스플레이부(320)는 수집된 데이터를 모니터에 그래프 형태 또는 숫자형태로 표시하는 역할을 한다.
The display unit 320 serves to display the collected data in graph form or numeric form on a monitor.

상기 데이터저장부(330)는 SQL 서버를 이용하여 제작된 DB 파일에 수신된 데이터를 순서데로 기록하는 역할을 한다.
The data storage unit 330 serves to record the data received in a DB file produced using a SQL server in order.

상기 웹서비스부(340)는 원격에서 서비스 요청시 웹브라우저 상에서 동작되는 웹프로그램에 의해 원하는 서비스를 제공하는 역할을 한다.
The web service unit 340 serves to provide a desired service by a web program operated on a web browser when a service request is made remotely.

이하, 본 발명에 따른 디지털 풍속 추정 모듈과 가변속제어모듈을 통한 풍력발전기 최적제어형 통합 관리 방법에 대한 구체적인 과정에 관해 설명한다.Hereinafter, a detailed process of the integrated wind turbine generator control method using the digital wind speed estimation module and the variable speed control module according to the present invention will be described.

이는 풍력 발전기의 블레이드 앞단 풍속을 추정하는 풍속추정단계(S100)와, 풍력 발전기의 회전속도를 최적의 회전속도로 가변시켜 최대출력을 제어하는 가변속제어단계(S200)와, 풍속추정단계와 가변속제어단계에서 생성된 데이터를 수집하고, 저장하며, PC 모니터상에 표시하는 통합관리단계(S300)로 이루어진다.
The wind speed estimation step (S100) of estimating the wind speed of the blade front of the wind generator, the variable speed control step (S200) of controlling the maximum output by varying the rotation speed of the wind generator to the optimum rotation speed, wind speed estimation step and variable speed control Collecting and storing the data generated in the step, it consists of an integrated management step (S300) to be displayed on the PC monitor.

[풍속추정단계(S100)][Wind velocity estimation step (S100)]

먼저, 블레이드의 회전속도 및 제너레이터의 전류, 전압을 측정한다(S110).First, the rotational speed of the blade and the current and voltage of the generator are measured (S110).

이는 RPM센서를 통해 풍력에 의해 회전되는 블레이드의 회전속도를 측정하고, 전압트랜스듀서를 통해 풍력에 의해 변환되는 전압의 변화량을 측정하며, 전류트랜스듀서를 통해 풍력에 의해 변환되는 전류의 변화량을 측정한다.
It measures the rotational speed of the blade rotated by the wind through the RPM sensor, measures the amount of change in voltage converted by the wind through the voltage transducer, and measures the amount of change in the current converted by the wind through the current transducer. do.

이어서, 측정된 회전속도와 제너레이터의 전류, 전압을 이용하여 토오크를 연산한다(S120).Subsequently, the torque is calculated using the measured rotation speed, the current and voltage of the generator (S120).

이때 사용되는 토오크 연산식은 다음의 수학식 1과 같다.At this time, the torque calculation equation is used as Equation 1 below.

Figure 112010066085213-pat00002
Figure 112010066085213-pat00002

이어서, 측정된 회전속도(ωr) 및 연산된 제너레이터 토오크(Tg)를 칼만필터 알고리즘을 통해 현재 풍력발전기의 토오크(

Figure 112010066085213-pat00003
) 및 현재 풍력발전기의 회전속도(
Figure 112010066085213-pat00004
)를 추정하게 된다(S130). The measured rotational speed (ω r ) and the calculated generator torque (T g ) are then calculated using the Kalman filter algorithm and the torque of the current wind turbine (
Figure 112010066085213-pat00003
) And current wind speed
Figure 112010066085213-pat00004
) Is estimated (S130).

현재 풍력발전기의 토오크 및 회전속도는 칼만필터 알고리즘(kalman filter)를 이용하여 추정된다.Torque and rotational speed of wind turbines are estimated using the Kalman filter.

여기서, 칼만필터 알고리즘(kalman filter)은

Figure 112010066085213-pat00005
로 이루어져 추정치를 구하는 알고리즘이다.
Here, the Kalman filter algorithm
Figure 112010066085213-pat00005
An algorithm that calculates the estimates.

이어서, 칼만필터 알고리즘(kalman filter)를 통해 추정된 현재 풍력발전기의 토오크 및 회전속도를 풍력에너지로부터 터빈에 의해 흡수되는 에너지(Pa) 연산알고리즘(수학식 2-1), 주속비(λ)연산알고리즘(수학식2-2)에 의해 계산된 단조·비단조 함수에 관한 제1연산알고리즘(수학식 2-3)을

Figure 112010066085213-pat00006
으로 전개한 단조·비단조 함수에 관한 제2연산알고리즘(수학식 2-4)으로 정리한다(S140).
Subsequently, the torque (Pa) calculation algorithm (Equation 2-1) and the main speed ratio (λ) calculation of the torque and rotational speed of the current wind generator estimated by the Kalman filter algorithm are absorbed by the turbine from the wind energy. The first computational algorithm (Equation 2-3) for the monotonic and non-forged functions calculated by the algorithm (Equation 2-2)
Figure 112010066085213-pat00006
It sums up by the 2nd algorithm (Equation 2-4) regarding the forging and non-forging function developed by (S140).

Figure 112010066085213-pat00007
Figure 112010066085213-pat00007

Figure 112010066085213-pat00008
(2)
Figure 112010066085213-pat00008
(2)

Figure 112010066085213-pat00009
(3)
Figure 112010066085213-pat00009
(3)

Figure 112010066085213-pat00010
(4)
Figure 112010066085213-pat00010
(4)

여기서, 상기 수학식 2-1은 풍력에너지로부터 터빈에 의해 흡수되는 에너지(Pa) 연산알고리즘을 나타낸 것이고, 상기 수학식2-2는 주속비(λ)연산알고리즘을 나타낸 것이며, 상기 수학식 2-3은 단조·비단조 함수에 관한 제1연산알고리즘을 나타낸 것이고, 상기 수학식 2-4는

Figure 112010066085213-pat00011
으로 전개한 단조·비단조 함수에 관한 제2연산알고리즘을 나타낸 것이며, Pa는 풍력에너지로부터 터빈에 의해 흡수되는 에너지를 나타낸 것이고, R는 회전자의 반경(m), ρ는 공기의 밀도로 약 1.25[kg/㎥]이며, λ는 주속비(tip-speed ratio)를 나타내며, Cp(λ,β)는 전력계수를 나타낸 것이다.
Here, Equation 2-1 represents the energy (Pa) calculation algorithm is absorbed by the turbine from the wind energy, Equation 2-2 represents the circumferential speed ratio (λ) calculation algorithm, Equation 2- 3 represents a first operation algorithm for a monotonic / non-forged function, and Equation 2-4
Figure 112010066085213-pat00011
Shows the second algorithm for the forging and non-forging functions developed by the equation, Pa is the energy absorbed by the turbine from wind energy, R is the radius of the rotor (m), and ρ is the air density. 1.25 [kg / ㎥], λ represents the tip-speed ratio, Cp (λ, β) represents the power coefficient.

이어서,

Figure 112010066085213-pat00012
로 정리된 단조·비단조 함수에 관한 제2연산알고리즘을 통해 주속비(Tip speed ratio)(λ)를 연산한 후, 풍속추정연산알고리즘(수학식 3)에 대입시켜 현재 풍속을 추정한다(S150).next,
Figure 112010066085213-pat00012
Calculate the tip speed ratio (λ) through the second algorithm for the forging and non-forging functions, and then substitute the wind speed estimation algorithm (Equation 3) to estimate the current wind speed (S150). ).

즉, 블레이드 설계시 제공되는 도 6에서 도시된 전력계수곡선(Cp-λ)의 y축 Cp(λ,β)을 x축 λ에 3승을 한 값으로 나누게 되면, 도 7에서 도시한 바와 같이,

Figure 112010066085213-pat00013
곡선을 얻을 수가 있게 된다.That is, when the y-axis Cp (λ, β) of the power coefficient curve Cp-λ shown in FIG. 6 provided in the blade design is divided by the value of the power of the x-axis λ, as shown in FIG. ,
Figure 112010066085213-pat00013
You can get a curve.

때문에

Figure 112010066085213-pat00014
로 정리된 단조·비단조 함수에 관한 제2연산알고리즘에서 연산된 값은 도 7의 y축 값으로 이에 해당하는 λ를 얻게 되면 다음의 수학식 3(풍속추정연산알고리즘)에 의해 풍속을 추정하게 된다.Because of
Figure 112010066085213-pat00014
The value calculated in the second operation algorithm for the monotonic and non-forged functions summarized as is the y-axis value of FIG. 7, and when λ corresponding thereto is obtained, the wind speed is estimated by the following equation 3 (wind velocity estimation algorithm). do.

Figure 112010066085213-pat00015
Figure 112010066085213-pat00015

여기서, 수학식 3은 풍속추정연산알고리즘을 나타낸 것이다.Here, Equation 3 shows the wind speed estimation algorithm.

즉, 도 7의

Figure 112010066085213-pat00016
-λ곡선은 피치값에 따라 단조 또는 비단조 함수가 된다. 일반적으로 수학식 2(현재 풍속추정연산알고리즘)에서 연산된 값에 의해 λ를 얻기 위해서는 각 피치각에
Figure 112010066085213-pat00017
-λ곡선에 대한 테이블 데이터가 필요하게 된다.That is, in FIG.
Figure 112010066085213-pat00016
The −λ curve becomes a monotonic or non-monostatic function depending on the pitch value. In general, in order to obtain λ by the value calculated in Equation 2 (current wind speed estimation algorithm),
Figure 112010066085213-pat00017
You will need table data for the -λ curve.

이때 테이블 데이터로서 본 발명에서는 비선형 특성의

Figure 112010066085213-pat00018
-λ를 효율적으로 처리하기 위해 인공신경망을 이용한다.In this case, as the table data, in the present invention,
Figure 112010066085213-pat00018
Artificial neural networks are used to efficiently process -λ.

여기서, 인공신경망 학습시에 사용되는 학습데이터는 도 7로부터 구할 수 있으며, 피치각과 수학식 2에서 연산된

Figure 112010066085213-pat00019
값이 신경망의 입력으로 사용되기 때문에 입력뉴런이 2개가 사용되며, 출력에는 1개의 뉴런이 사용되며 λ가 출력된다.
Here, the training data used in the artificial neural network learning can be obtained from FIG. 7, calculated by the pitch angle and the equation (2).
Figure 112010066085213-pat00019
Since the value is used as the input of the neural network, two input neurons are used, one neuron is used for output, and λ is output.

끝으로, 풍속추정이 완료되면 제1데이터전송부를 통해 가변속제어모듈(200) 및 통합관리서버(300)로 RPM 센서 및 전압 & 전류 트랜스튜서로부터 측정된 데이터 및 추정된 풍속 데이터를 전송시킨다(S160).Finally, when the wind speed estimation is completed, the measured data and the estimated wind speed data are transmitted from the RPM sensor and the voltage & current transmitter to the variable speed control module 200 and the integrated management server 300 through the first data transmission unit. S160).

이때, 전송방법에는 UART 통신이 사용된다.
At this time, UART communication is used for the transmission method.

[가변속제어단계([Variable Speed Control Step ( S200S200 )])]

먼저, 디지털 풍속추정모듈로부터 추정된 풍속데이터를 수신한다(S210).First, the wind speed data estimated from the digital wind speed estimation module is received (S210).

이는 LAN선 또는 RS232케이블로 구성되어, 디지털 풍속추정모듈과 연결되어 데이터를 수신한다.
It consists of LAN line or RS232 cable and is connected to digital wind speed estimation module to receive data.

이어서, 수신된 추정 풍속데이터를 미리 학습된 인공신경망에 입력되어 현재 풍속에서의 최적 회전속도(Wmopt)를 추정한다(S220).Subsequently, the received estimated wind speed data is input to a pre-learned artificial neural network to estimate an optimum rotation speed W mopt at the current wind speed (S220).

여기서, 학습된 인공신경망의 학습데이터는 블레이드 설계시 주어진 도6의 전력계수곡선그래프와 수학식 2-1과 같은 풍력에너지로부터 터빈에 의해 흡수되는 에너지(Pa) 연산알고리즘으로부터 얻어진 도 8의 전력곡선그래프에서 최대값을 갖는 포인트들에 해당하는 X축 데이터와 풍속과의 관계그래프를 생성하여 그것을 학습데이터로 사용한 것을 말한다.Here, the learning data of the learned artificial neural network is the power coefficient curve of FIG. 6 given in the blade design and the power curve of FIG. 8 obtained from the energy (Pa) calculation algorithm absorbed by the turbine from the wind energy such as Equation 2-1. Refers to the relationship between the X-axis data and the wind speed corresponding to the points with the maximum value in the graph, and uses it as learning data.

즉, 학습데이터는 현재의 풍속값(X축)으로 1개의 입력뉴런을 사용하며, 출력은 현재 풍속에 해당하는 최적의 Wmopt값으로 1개의 뉴런이 사용된다.That is, the learning data uses one input neuron as the current wind speed value (X axis), and the output uses one neuron as the optimal W mopt value corresponding to the current wind speed.

일예로, 학습데이터는 도 9에 도시한 바와 같이, X축에 풍속값을 1개의 입력뉴런으로 사용하고, Y축에 최적의 Wmopt값으로 1개의 뉴런이 사용한다.
For example, as shown in FIG. 9, the learning data uses a wind speed value as one input neuron on the X axis and one neuron as an optimal W mopt value on the Y axis.

이어서, 최적속도가 추정되면, 추정된 최적속도와 RPM센서에서 계측된 현재 속도값의 차이값(정상상태오차)을 연산한다(S230).
Subsequently, when the optimum speed is estimated, a difference value (steady state error) between the estimated optimum speed and the current speed value measured by the RPM sensor is calculated (S230).

이어서, 정상상태오차를 PI 제어기의 입력으로 사용되고, PI 제어기에서 정상상태 오차가 0이 되도록 PWM 제어부의 레퍼런스 전압을 조정한다(S240).Subsequently, the steady state error is used as an input of the PI controller, and the reference voltage of the PWM controller is adjusted so that the steady state error is zero in the PI controller (S240).

즉, 현재속도가 최적속도를 추적하도록 하는 레퍼런스 전압을 생성하게 된다.
That is, a reference voltage is generated so that the current speed tracks the optimum speed.

이어서, PWM 제어부를 통해 PI제어기에서 출력되는 레퍼런스 전압과 PWM 기준 톱니파 신호를 비교하여 듀티비를 조절한다(S250).Subsequently, the duty ratio is adjusted by comparing the reference voltage output from the PI controller with the PWM reference sawtooth signal through the PWM controller (S250).

이때 듀티비를 조절하는 것에 따라 풍력발전기의 회전속도가 가변하게 된다.
At this time, as the duty ratio is adjusted, the rotation speed of the wind turbine is variable.

끝으로, 제2 데이터 전송부(260)를 통해 가변속제어모듈로부터 추정된 최적회전속도(Wmopt)와 현재 제어출력에 대한 데이터를 통합관리서버로 전송시킨다(S260).Finally, the data about the optimum rotation speed W mopt estimated from the variable speed control module and the current control output are transmitted to the integrated management server through the second data transmitter 260 (S260).

이는 LAN선 또는 RS232케이블로 구성되어, 통합관리서버(300)과 연결되어 데이터를 전송한다.
It is composed of a LAN line or RS232 cable, and is connected to the integrated management server 300 to transmit data.

[통합관리단계(S300)][Integrated management step (S300)]

먼저, 제2 데이터 수신부(310)에서 LAN 통신을 이용하여 원격의 디지털 풍속추정모듈 및 가변속 제어모듈로부터 전송되는 센서 데이터(RPM센서, 전류 & 전압 트랜스튜서 등), 추정데이터(풍속, 최적회전속도 등)을 수신한다(S310).
First, sensor data (RPM sensor, current & voltage transducer, etc.) transmitted from a remote digital wind speed estimation module and a variable speed control module using LAN communication in the second data receiver 310, and estimation data (wind speed, optimal rotation speed). Etc.) (S310).

이어서, 디스플레이부(320)에서 수집된 데이터를 모니터에 그래프 형태 또는 숫자형태로 표시한다(S320).
Subsequently, the data collected by the display unit 320 is displayed on the monitor in the form of a graph or a number (S320).

이어서, 데이터저장부(330)에서 SQL 서버를 이용하여 제작된 DB 파일에 수신된 데이터를 순서대로 기록한다(S330).
Subsequently, the data storage unit 330 sequentially records the data received in the DB file produced using the SQL server (S330).

이어서, 웹서비스부(340)를 통해 원격에서 서비스 요청시 웹브라우저 상에서 동작되는 웹프로그램에 의해 원하는 서비스를 제공한다(S340).
Subsequently, when a service request is made remotely through the web service unit 340, a desired service is provided by a web program operated on a web browser (S340).

100 : 디지털 풍속추정모듈 110 : RPM 센서
120 : 전압트랜스듀서 130 : 전류트랜스듀서
140 : 카운터부 150 : 제1A/D컨버터
160 : 제2A/D컨버터 170 : 블레이드토오크추정부
180 : 풍속추정부 109 : 제1 데이터 전송부
200 : 가변속제어모듈 300 : 통합관리서버
100: digital wind speed estimation module 110: RPM sensor
120: voltage transducer 130: current transducer
140: counter 150: 1A / D converter
160: 2 A / D converter 170: blade torque estimate
180: wind speed estimation unit 109: first data transmission unit
200: variable speed control module 300: integrated management server

Claims (6)

풍속의 변화에 따라 회전되는 블레이드와, 블레이드 후단에 위치되어 풍력에너지를 직류로 발전시키는 제너레이터와, 제너레이터에 축적된 전압을 정류시키는 정류부(Rectifier)와, 정류부를 통해 정류된 전압을 사용용량에 맞게 다운 또는 승압시키는 DC-DC컨버터부와, DC-DC컨버터부를 통해 다운 또는 승압된 전압을 직류에서 교류로 변환시키는 인버터로 이루어져 풍력을 전기에너지로 변환시켜 풍력발전기 출력전력을 최적제어하는 통합관리장치(1)에 있어서,
상기 풍력발전기 최적제어형 통합관리장치(1)는 풍속의 변화에 따른 블레이드의 회전속도, 피치각 및 제너레이터의 출력전력을 측정한 후 블레이드 앞단 풍속을 추정하는 디지털 풍속추정모듈(100)과,
디지털 풍속추정모듈로부터 전송된 풍속정보를 이용하여 현재 풍속에서 최대 전력을 얻기 위한 최적의 회전속도(Wmopt)를 추정하고 RPM 센서로부터 측정된 회전속도(Wmact)가 최적의 회전속도를 추적하도록 DC-DC 컨버터의 출력을 제어하는 가변속 제어모듈(200)과,
디지털 풍속추정모듈 및 가변속제어모듈에서 전송된 센서데이터 및 추정데이터를 LAN을 통해 수집하고, 수집된 데이터를 DB에 장기 저장하며, PC 모니터상에 그래프형태 및 숫자형태로 표시하고, 원격 사용자가 자료 요청시 웹프로그램을 이용하여 자료를 제공하는 통합관리서버(300)로 구성되는 것을 특징으로 하는 디지털 풍속 추정 모듈과 가변속제어모듈을 통한 풍력발전기 최적제어형 통합 관리 장치.
The blade rotated according to the change of wind speed, the generator located at the rear end of the blade to generate wind energy by direct current, rectifier for rectifying the voltage accumulated in the generator, and the voltage rectified through the rectifier according to the usage capacity. DC-DC converter to down or boost, and DC-DC converter to convert the voltage down or boosted from DC to AC integrated management device for optimal control of wind power output power by converting wind power into electrical energy In (1),
The wind turbine optimal control type integrated management device (1) is a digital wind speed estimation module (100) for estimating the front wind speed of the blade after measuring the rotational speed, pitch angle and output power of the generator according to the change in wind speed, and
By using the wind speed information transmitted from the digital velocity estimation module estimates the optimum rotation speed (W mopt) for obtaining the maximum power at the current wind speed and the rotation speed measured by the RPM sensor (W mact) to track the optimum rotational speed of the Variable speed control module 200 for controlling the output of the DC-DC converter,
Collect sensor data and estimated data transmitted from digital wind speed estimation module and variable speed control module through LAN, store collected data in DB for a long time, and display in graph form and numeric form on PC monitor, Optimal control type integrated management device for a wind turbine with a digital wind speed estimation module and a variable speed control module, characterized in that the integrated management server 300 provides data using a web program on request.
제1항에 있어서, 디지털 풍속추정모듈(100)은
풍력발전기 내부에 설치되어 유입되는 풍력에 의해 회전되는 블레이드의 회전속도 또는 제너레이터의 회전속도를 측정하는 RPM센서(110)와,
제너레이터 출력단에 연결되어 풍력에 의해 변환되는 전압의 변화량을 측정하는 전압트랜스듀서(120)와,
제너레이터 출력단에 연결되어 풍력에 의해 변환되는 전류의 변화량을 측정하는 전류트랜스듀서(130)와,
상기 RPM센서에서 출력되는 펄스 형태의 신호를 디지털 신호값으로 변환시키는 카운터부(140)와,
전압트랜스듀서와 연결되어 전압트랜스듀서에서 출력되는 아날로그 형태의 전압신호를 디지털 신호값으로 변환시키는 제1A/D컨버터(150)와,
상기 전류트랜스듀서와 연결되어 전류트랜스듀서에서 출력되는 출력되는 아날로그 형태의 전압신호를 디지털 신호값으로 변환시키는 제2A/D컨버터(160)와,
풍력발전기를 모델을 이용하여 RPM 센서에서 계측된 회전속도와 회전속도 및 제너레이터의 출력 전류 및 전압을 통해 계산된 제너레이터의 토오크(Tg)를 블레이드의 토오크(Ta)를 추정하는 블레이드 토오크 추정부(170)와,
블레이드 토오크 추정부에서 추정된 토오크와 전력계수곡선으로부터 계산된 단조 또는 비단조 함수를 이용하여 얻은 주속비(tip speed ratio)를 통해 풍속을 추정하는 풍속추정부(180)와,
RPM 센서 및 전압 & 전류 트랜스튜서로부터 측정된 데이터 및 추정된 풍속 데이터를 가변속제어모듈(200) 및 통합관리서버(300)로 전송하는 제1 데이터 전송부(190)로 구성되는 것을 특징으로 하는 디지털 풍속 추정 모듈과 가변속제어모듈을 통한 풍력발전기 최적제어형 통합 관리 장치.
The method of claim 1, wherein the digital wind speed estimation module 100
RPM sensor 110 for measuring the rotational speed of the blade or the rotational speed of the generator rotated by the wind power is installed inside the wind generator, and
A voltage transducer 120 connected to the generator output terminal and measuring a change amount of the voltage converted by the wind power;
A current transducer 130 connected to the generator output terminal and measuring a change amount of the current converted by wind power;
A counter unit 140 for converting a pulse type signal output from the RPM sensor into a digital signal value;
A first A / D converter 150 connected to the voltage transducer and converting an analog voltage signal output from the voltage transducer into a digital signal value;
A second A / D converter 160 connected to the current transducer and converting an analog voltage signal output from the current transducer into a digital signal value;
Blade torque estimator for estimating the torque (T a ) of the blade (T g ) of the generator calculated from the rotation speed, rotation speed, and generator output current and voltage measured using the wind turbine model. With 170,
Wind speed estimation unit 180 for estimating the wind speed through the tip speed ratio obtained by using the forged or non-forged function calculated from the torque and power coefficient curve estimated by the blade torque estimation unit,
Characterized in that the first data transmission unit 190 for transmitting the measured data and the estimated wind speed data from the RPM sensor and voltage & current transducer to the variable speed control module 200 and the integrated management server 300 Optimal control integrated wind turbine generator with digital wind speed estimation module and variable speed control module.
제1항에 있어서, 가변속제어모듈(200)은
디지털 풍속추정모듈로부터 전송된 데이터를 수신하는 제1데이터 수신부(210)와,
블레이드의 회전속도를 측정하는 RPM 센서로부터 출력되는 펄스신호를 디지털 신호로 변환시키는 카운터부(220)와,
디지털 풍속추정모듈로부터 수신된 풍속데이터를 풍속 입력시 풍속에 해당하는 최적회전속도(Wmopt)를 출력되도록 학습된 신경망의 입력으로 하여 최적의 회전속도를 추정하는 최적속도추정부(230)와,
풍속추정연산제어부로부터 추정된 풍속 및 풍력발전기의 전력곡선테이블에 의해 추정된 최적의 속도값(Wmopt)과 실제 계측된 현재 블레이드의 속도값(Wmact)의 차이값(error)을 계산한 후, 에러(error)를 줄이기 위해 PWM 제어기의 레퍼런스 전압신호를 생성하는 PI(Proportional plus Integral) 제어기(240)와,
PI(Proportional plus Integral) 제어기로부터 PWM 제어기의 비교기 레퍼런스전압을 입력받아, 비교기 내부 연산을 통해 기준 톱니파 신호와 비교한 후, 제너레이터의 출력을 제어하는 DC/DC 컨버터의 PWM 듀티비를 조절하는 PWM 제어부(250)와,
가변속제어모듈로부터 추정된 최적회전속도(Wmopt)와 현재 제어출력에 대한 데이터를 통합관리서버로 전송하는 제2 데이터 전송부(260)로 구성되는 것을 특징으로 하는 디지털 풍속 추정 모듈과 가변속제어모듈을 통한 풍력발전기 최적제어형 통합 관리 장치.
The variable speed control module 200 of claim 1,
A first data receiver 210 for receiving data transmitted from the digital wind speed estimation module;
Counter unit 220 for converting the pulse signal output from the RPM sensor for measuring the rotational speed of the blade into a digital signal,
An optimum speed estimator 230 for estimating an optimum rotation speed by inputting the wind speed data received from the digital wind speed estimation module as input of a neural network learned to output an optimum rotation speed W mopt corresponding to the wind speed when the wind speed is input;
After calculating the error (difference) between the wind speed estimated from the wind speed estimation and control unit and the optimum speed value (W mopt ) estimated by the power curve table of the wind turbine and the actual measured speed value (Wmact) of the blade, A PI (Proportional plus Integral) controller 240 for generating a reference voltage signal of the PWM controller to reduce errors;
The PWM control unit receives the comparator reference voltage of the PWM controller from the PI (Proportional plus Integral) controller, compares it with the reference sawtooth signal through the internal operation of the comparator, and adjusts the PWM duty ratio of the DC / DC converter that controls the generator output. 250,
The digital wind speed estimation module and the variable speed control module, comprising a second data transmission unit 260 which transmits data about the optimum rotation speed W mopt estimated from the variable speed control module and the current control output to the integrated management server. Integrated control device for optimal control of wind power generators.
풍력 발전기의 블레이드 앞단 풍속을 추정하는 풍속추정단계(S100)와,
풍력 발전기의 회전속도를 최적의 회전속도로 가변시켜 최대출력을 제어하는 가변속제어단계(S200)와,
풍속추정단계와 가변속제어단계에서 생성된 데이터를 수집하고, 저장하며, PC 모니터상에 표시하는 통합관리단계(S300)로 이루어지는 것에 있어서,
상기 가변속제어단계(S200)는
디지털 풍속추정모듈로부터 추정된 풍속데이터를 수신하는 단계(S210)와,
수신된 추정 풍속데이터를 미리 학습된 인공신경망에 입력되어 현재 풍속에서의 최적 회전속도(Wmopt)를 추정하는 단계(S220)와,
최적속도가 추정되면, 추정된 최적속도와 RPM센서에서 계측된 현재 속도값의 차이값(정상상태오차)을 연산하는 단계(S230)와,
정상상태오차를 PI 제어기의 입력으로 사용되고, PI 제어기에서 정상상태 오차가 0이 되도록 PWM 제어부의 레퍼런스 전압을 조정하는 단계(S240)와,
PWM 제어부를 통해 PI제어기에서 출력되는 레퍼런스 전압과 PWM 기준 톱니파 신호를 비교하여 듀티비를 조절하는 단계(S250)와,
제2 데이터 전송부(260)를 통해 가변속제어모듈로부터 추정된 최적회전속도(Wmopt)와 현재 제어출력에 대한 데이터를 통합관리서버로 전송시키는 단계(S260)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 디지털 풍속 추정 모듈과 가변속제어모듈을 통한 풍력발전기 최적제어형 통합관리방법.
Wind speed estimation step (S100) for estimating the wind speed of the blade front end of the wind generator,
Variable speed control step (S200) for controlling the maximum output by varying the rotational speed of the wind generator to the optimum rotational speed,
In the integrated management step (S300) of collecting, storing, and displaying data generated in the wind speed estimation step and the variable speed control step, and displayed on a PC monitor,
The variable speed control step (S200)
Receiving the estimated wind speed data from the digital wind speed estimation module (S210);
Estimating the optimum rotational speed (W mopt ) at the current wind speed by inputting the received estimated wind speed data to a pre-learned artificial neural network (S220);
If the optimum speed is estimated, calculating a difference value (steady state error) between the estimated optimum speed and the current speed value measured by the RPM sensor (S230);
Adjusting the reference voltage of the PWM controller so that the steady state error is used as an input of the PI controller and the steady state error is zero in the PI controller (S240);
Comparing the reference voltage output from the PI controller with the PWM reference sawtooth signal through the PWM controller to adjust the duty ratio (S250);
Digital wind speed estimation, comprising the step (S260) of transmitting the data about the optimum rotation speed (W mopt ) and the current control output estimated from the variable speed control module via the second data transmission unit 260 to the integrated management server Optimal control type integrated management method of wind power generator through module and variable speed control module.
삭제delete 삭제delete
KR1020100099751A 2010-10-13 2010-10-13 The apparatus and method of wind speed estimator for wind turbine generation system KR101032930B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100099751A KR101032930B1 (en) 2010-10-13 2010-10-13 The apparatus and method of wind speed estimator for wind turbine generation system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100099751A KR101032930B1 (en) 2010-10-13 2010-10-13 The apparatus and method of wind speed estimator for wind turbine generation system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101032930B1 true KR101032930B1 (en) 2011-05-06

Family

ID=44365631

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020100099751A KR101032930B1 (en) 2010-10-13 2010-10-13 The apparatus and method of wind speed estimator for wind turbine generation system

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101032930B1 (en)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101113073B1 (en) 2011-07-29 2012-02-15 헵시바주식회사 Maximum power controllable wind energy conversion system with algorithm to avoid vibration
KR101314716B1 (en) * 2011-11-30 2013-10-08 안성준 Wind turbine check system based app.
KR101318167B1 (en) * 2012-05-09 2013-10-15 주식회사 엘시스 System and method for controlling wind power generator
KR20140034631A (en) * 2012-09-12 2014-03-20 한국전력공사 Simulator of wind power generation system
KR20180119960A (en) * 2017-04-26 2018-11-05 군산대학교산학협력단 Model Predictive Control With Finite Control Set For Variable-speed Wind Turbines
CN117152925A (en) * 2023-10-27 2023-12-01 吉林省吉能电力通信有限公司 Big data-based power communication data processing system

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20030087712A (en) * 2002-05-09 2003-11-15 주식회사 준마엔지니어링 A Remote Monitoring System of A Wind Power Generator
JP2008157171A (en) 2006-12-26 2008-07-10 Matsushita Electric Ind Co Ltd Wind power generator with wind speed measuring function
KR20090101440A (en) * 2006-10-20 2009-09-28 사우스웨스트 윈드파워, 인크. Method and system for deriving wind speed in a stall controlled wind turbine

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20030087712A (en) * 2002-05-09 2003-11-15 주식회사 준마엔지니어링 A Remote Monitoring System of A Wind Power Generator
KR20090101440A (en) * 2006-10-20 2009-09-28 사우스웨스트 윈드파워, 인크. Method and system for deriving wind speed in a stall controlled wind turbine
JP2008157171A (en) 2006-12-26 2008-07-10 Matsushita Electric Ind Co Ltd Wind power generator with wind speed measuring function

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101113073B1 (en) 2011-07-29 2012-02-15 헵시바주식회사 Maximum power controllable wind energy conversion system with algorithm to avoid vibration
KR101314716B1 (en) * 2011-11-30 2013-10-08 안성준 Wind turbine check system based app.
KR101318167B1 (en) * 2012-05-09 2013-10-15 주식회사 엘시스 System and method for controlling wind power generator
KR20140034631A (en) * 2012-09-12 2014-03-20 한국전력공사 Simulator of wind power generation system
KR20180119960A (en) * 2017-04-26 2018-11-05 군산대학교산학협력단 Model Predictive Control With Finite Control Set For Variable-speed Wind Turbines
KR101939903B1 (en) 2017-04-26 2019-01-17 군산대학교산학협력단 Model Predictive Control With Finite Control Set For Variable-speed Wind Turbines
CN117152925A (en) * 2023-10-27 2023-12-01 吉林省吉能电力通信有限公司 Big data-based power communication data processing system
CN117152925B (en) * 2023-10-27 2024-01-16 吉林省吉能电力通信有限公司 Big data-based power communication data processing system

Similar Documents

Publication Publication Date Title
AU2017269206B2 (en) System and method for forecasting power output of a wind farm
Dai et al. Research on power coefficient of wind turbines based on SCADA data
US10371124B2 (en) System and method for determining wind farm wake loss
KR101032930B1 (en) The apparatus and method of wind speed estimator for wind turbine generation system
CN104066978B (en) Wind field with real-time measuring wind speed
EP3263889A1 (en) System and method for assessing farm-level performance of a wind farm
US9606518B2 (en) Control system and method of predicting wind turbine power generation
WO2014056504A2 (en) Line impedance compensation system
US11761425B2 (en) Turbulence intensity estimation
CN113217279A (en) System and method for optimizing wake management in a wind farm
CN114033617B (en) Controllable wind power generation method and system with control parameters adjusted in self-adaptive mode
JP2022107523A (en) Thrust control for wind turbines using active sensing of wind turbulence
EP3930136A1 (en) System and method for controlling a power generating system
CN105370495B (en) A kind of method that wind power generating set output is improved using On-line Timing Plan Selection control algolithm
EP4060430A1 (en) Systems and methods for operating power generating assets
CN108537372B (en) Wind direction prediction method and yaw control method of wind generating set
US20230141934A1 (en) System and method for controlling a power generating facility
Xiaoming et al. Analysis of factors affecting wind farm output power
EP3406897B1 (en) System and method for determining wind farm wake loss
CN214836884U (en) Device for measuring power characteristics of offshore wind turbine generator system
US11530685B2 (en) System and method for managing output flicker generated by a wind farm
KR101885063B1 (en) Wind power generation system
Hau et al. Power output and energy yield
CN114718820A (en) Offshore wind power equipment data processing method and equipment based on edge cloud cooperation
CN115680987A (en) System and method for operating a wind farm

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
A302 Request for accelerated examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140409

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150422

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160408

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170403

Year of fee payment: 7

LAPS Lapse due to unpaid annual fee