KR101043430B1 - 풍력 발전기의 피치 제어 시스템 - Google Patents

풍력 발전기의 피치 제어 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 풍력 발전기의 피치 제어 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 복수의 풍력 발전시스템의 피치값을 제어하는 피치 제어 시스템을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 피치 제어 시스템은 상기 풍력 발전시스템의 동작에 따른 발전기 측정 신호와 발전기 기준 신호의 차이에 근거하여 오차 신호를 산출하는 발전기 비교부, 상기 오차 신호를 이용하여 기준 피치값을 산출하는 기준 피치값 산출부 및 상기 기준 피치값과 보상 피치값 산출장치로부터 산출되는 분배 보상 피치값을 이용하여 피치값을 산출하는 피치 서보부를 포함하는 복수의 피치 제어 장치 및 상기 복수의 풍력 발전시스템이 연결되는 계통연계점에서 산출한 오차 전압값 또는 오차 주파수값을 이용하여 상기 분배 보상 피치값을 산출하는 보상 피치값 산출장치를 포함한다.
주파수, 계통연계점, 보상 피치값

Description

풍력 발전기의 피치 제어 시스템{System for pitch angle control of wind turbine}
본 발명은 풍력 발전기의 피치 제어 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 복수의 풍력 발전기에서 계통 저전압 발생시 보상 피치값을 생성하여 풍력 발전기의 피치값을 제어하는 풍력 발전기의 피치 제어 시스템에 관한 것이다.
풍력 발전은 어느 곳에나 산재되어 있는 무공해, 무한정의 바람을 이용하므로 환경에 미치는 영향이 거의 없고, 국토를 효율적으로 이용할 수 있다.
또한, 풍력 발전은 대규모 발전단지의 경우에는 발전단가도 기존의 발전 방식과 경쟁 가능한 수준의 신에너지 발전 기술이다.
최근 에너지 비용의 상승에 따라 풍력발전과 같이 수용가 지역에 분산 설치되는 분산전원의 시장 확대가 가속화되고 있다. 분산 전원의 경우 분산전원을 각각 제어하는 것이 효율적으로 발전 시스템을 운영하는 데 있어 매우 중요하다.
종래의 풍력발전 시스템에 적용되고 있는 전압 제어 방법은 무효전력보상장치(capacitor bank)를 이용한 역률제어(Qref)에 기반을 두고 있다.
풍력 발전 시스템은 기존의 상용전력계통과 연계되어 전력을 공급하는데, 이 경우계통연결의 안정성 및 효율성 구현이 매우 중요하다.
하지만, 종래의 풍력 발전 시스템은 전력사고 시 상용계통에 연계되어 운전되고 있던 특히 분산형 전원을 이용하는 발전기들이 동시에 차단되었는데, 이 경우 계통의 전압과 주파수의 변동을 초래하여 전력계통의 안정도에 심각한 문제를 초래하게 된다.
또한, 종래의 풍력 발전 시스템의 방법을 이용하면 대용량 풍력발전으로 인한 계통 안정화에 바람직하지 못한 상황을 초래할 수 있으며 최근에 강화되고 있는 분산전원을 이용한 발전시스템들의 상용계통연계 조건을 보장하기가 어려워지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로, 복수의 풍력 발전기에서 계통연계점의 주파수 또는 전압 변동 시 변동 주파수 또는 변동 전압에 따른 보상 피치값을 생성하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 복수의 풍력 발전시스템의 피치값을 제어하는 피치 제어 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 피치 제어 시스템은 상기 풍력 발전시스템의 동작에 따른 발전기 측정 신호와 발전기 기준 신호의 차이에 근거하여 오차 신호를 산출하는 발전기 비교부, 상기 오차 신호를 이용하여 기준 피치값을 산출하는 기준 피치값 산출부 및 상기 기준 피치값과 보상 피치값 산출장치로부터 산출되는 분배 보상 피치값을 이용하여 피치값을 산출하는 피치 서보부를 포함하는 복수의 피치 제어 장치 및 상기 복수의 풍력 발전시스템이 연결되는 계통연계점에서 산출한 오차 전압값 또는 오차 주파수값을 이용하여 상기 분배 보상 피치값을 산출하는 보상 피치값 산출장치를 포함한다.
본 발명은 복수의 풍력 발전기의 계통연계점에서 전압 또는 주파수변동 시 정격 전압 또는 정격 주파수 이상으로 유도되는 전압 또는 주파수를 감지하여 풍력 발전기의 피치값을 제어함으로써 계통연계점의 전압 또는 주파수를 기준 범위내에서 지속적으로 운영할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 복수의 풍력 발전기의 피치 제어 장치에 보상 피치값 산출장치를 부가함으로써, 추가적인 장비나 공정없이 신뢰성 있고 효율적인 발전 시스템을 구현하여 안정적인 전력품질 및 계통운영의 신뢰성을 얻을 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 피치 제어 장치(10), 보상 피치값 산출장치(30) 및 풍력 발전 시스템의 관계를 나타낸 도면이다.
풍력 발전 시스템은 일반적으로 피치값을 제어하는 피치 제어 장치(10)를 구비하고 있다. 여기서, 피치 제어 장치(10)는 풍력 발전기의 구동 속도, 출력 등의 변동을 감지하고 변동량에 따라 피치값을 제어한다.
본 발명에 따른 보상 피치값 산출장치(30)는 풍력 발전기의 오차값에 따른 보상 피치값을 생성하여 피치 제어 장치(10)로 전달함으로써, 풍력 발전기의 피치값을 제어할 수 있다. 여기서, 오차값은 기준값과 측정값의 차이로, 계통 연계점의 전압 또는 주파수의 변동에 따라 생성될 수 있다.
도 1을 참조하면, 풍력 발전 시스템은 발전기(1), 발전기(1)에 연결되며 발전기(1)에서 생산되는 전력을 변환하는 전력변환부(2) 및 계통연계점(20)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 보상 피치값 산출장치(30)는 풍력 발전 시스템의 계통 연계점(20)의 주파수를 측정하고, 측정 주파수의 변동에 따른 보상 피치값을 산출하여 피치 제어 장치(10)로 전달함으로써 풍력 발전 시스템의 피치값을 제어할 수 있다. 계통 연계점(20)의 주파수는 계통 저전압 발생 시 정격 주파수 이상으로 유도될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 보상 피치값 산출장치(30)는 풍력 발전 시스템의 계통 연계점(20)에서 전압을 측정하고, 측정전압의 변동에 따른 보상 피치값을 산출함으로써 풍력 발전 시스템의 피치값을 제어할 수 있다. 계통 연계점(20)의 전압은 계통 저전압 발생 시 정격 전압 이상으로 유도될 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 보상 피치값 산출장치(30)는 계통 저전압으로 발생하는 풍력 발전 시스템의 오차값을 이용하여 보상 피치값을 생성할 수 있다.
이하의 모든 설명에서는 발명의 이해와 설명의 편의를 도모하고자 오차값이 계통연계점(20)의 오차 주파수인 경우로 가정하여 설명한다. 하지만, 본 발명은 이에 한정되지 아니하고, 본 발명에 따른 보상 피치값 산출장치(30)의 오차값은 계통 저전압으로 발생하는 풍력 발전 시스템의 오차값이라면 아무런 제한없이 적용될 수 있음은 자명하다. 여기서, 풍력 발전 시스템의 오차값은 앞서 상술한 계통연계점의 오차 주파수 또는 오차 전압이 될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 시스템의 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 발전 시스템은 복수의 피치 제어 장치(10), 복수의 단위 발전 시스템(40)이 연결되는 계통연계점(20), 피치 제어 장치(10)마다 연결되며, 계통연계점(20)의 오차주파수(ef)를 산출하고, 이를 이용하여 피치 제어 장치(10)로 분배 보상 피치값을 입력하는 보상 피치값 산출장치(30) 및 단위발전 시스템(40)을 포함할 수 있다. 보다 자세하게, 본 발명에 따른 발전 시스템은 n개(n은 자연수)의 단위 발전 시스템(40) 및 피치 제어 장치(10)로 구성될 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 보상 피치값 산출장치(30)는 풍력발전 시스템의 보상 피치값 산출장치가 바람직하나, 그 외에 피치 제어 장치(10)을 이용한 발전 시스템에 적용될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
보상 피치값 산출장치(30)는 계통연계점(20)에서 오차 주파수를 산출하기 위한 주파수 비교부(32), 오차 주파수에 상응하는 보상 피치값을 산출하기 위한 보상 피치값 산출부(34) 및 분배 보상 피치값을 산출하여 피치 제어 장치(10)로 입력하는 분배 보상 피치값 산출부(35)를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 보상 피치값 산출장치(30)는 이후 도 3 내지 도 5에서 상세히 후술한다.
다음으로, 단위 발전 시스템(40)은 피치 제어 장치(10)과 함께 운영되는 전력발생장치(미도시)를 포함할 수 있다. 여기서, 전력발생장치는 발전기가 될 수 있다. 여기서, 발전기는 농형유도기 발전기 또는 영구자석 발전기 일 수 있으며, 발전기로 사용될 수 있는 발전기이면 적용될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
다음으로, 피치 제어 장치(10)는 풍력 발전기가 바람의 에너지에서 최대출력을 얻을 수 있는 피치값을 제어하는 장치이다. 본 발명에 따른 피치 제어 장치(10)를 포함하는 발전 시스템은 풍력발전 시스템에 적용하는 것이 바람직하나, 이외 자연력을 이용한 발전 시스템에 적용될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
또한, 본 발명에 따른 피치 제어 시스템은 보상 피치값 산출장치(30)를 포함하여 구현되거나, 피치 제어 장치(10)와 연결된 외부 장치로 구현될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
본 발명에 따른 피치 제어 장치(10)는 이후 도 3에서 상세히 후술한다.
다음으로, 계통연계점(20)은 전력이 실제로 사용자에게 공급되기 위해 상용전력계통망(미도시)과 발전 시스템이 만나는 지점이다. 계통연계점(20)의 주파수는 본 발명에 따른 보상 피치값 산출장치(30)에 의해 생성되는 보상 피치값을 이용하여 제어된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 피치 제어 시스템을 나타낸 구성도이다. 보다 상세하게, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 보상 피치값 산출장치(30) 및 피치 제어 장치(10)를 포함하는 피치 제어 시스템을 나타낸 구성도이다. 여기서, 본 발명에 따른 피치 제어 시스템은 복수의 피치 제어 장치(10)와 하나의 보상 피치값 산출장치(30)로 구성될 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 보상 피치값 산출장치(30)는 복수의 단위 발전 시스템(40)의 피치값을 제어하는 복수의 피치 제어 장치(10)로 각각 보상 피치값을 전달할 수 있다.
도 3을 참조하면, 피치 제어 시스템은 피치 제어 장치(10) 및 보상 피치값 산출장치(30)를 포함할 수 있다.
피치 제어 장치(10)는 기준 피치값 산출부(12), 기준 피치값 산출부(12)에 연결되어 기준 피치값 산출부(12)에서 생성되는 기준 피치값을 이용하여 피치값을 산출하는 피치 서보부(14)를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 피치 제어 시스템은 도 2에서 상술한 보상 피치값 산출장치(30)를 포함한다. 여기서, 보상 피치값 산출장치(30)는 계통연계점(20)의 오차 주파수 신호에 상응하는 보상 피치값을 피치 서보부(14)로 출력하는 제어기들을 포함할 수 있다.
보상 피치값 산출장치(30)는 이후 도 4 및 도 5를 참조하여 상세히 후술한다.
이하, 도 3을 참조하여 피치 제어 장치(10)의 구성부를 상세히 설명한다.
기준 피치값 산출부(12)로 입력되는 기준 피치값 산출부 입력(ex=Xref-X)은 오차신호이다. 여기서, 오차신호는 발전기 속도 차이, 발전기 출력 차이 등이 될 수 있으며, 사용자에 의해 미리 설정될 수 있다. 즉, X는 발전기 동작에 따른 측정 신호이며, Xref는 지정된 기준신호 일 수 있다.
예를 들어, 기준 피치값 산출부 입력이 발전기 속도 차이라고 가정한다면, X는 발전기 속도를 측정한 값이고, Xref는 사용자에 의해 미리 설정된 발전기 속도 기준값이 된다. 그래서, 발전기 속도의 오차신호(ex)는 발전기 속도 측정값(X)과 발전기 속도 기준값(Xref)을 이용해서 산출될 수 있다.
다음으로, 기준 피치값 산출부(12)는 입력되는 오차신호(ex=Xref-X)에 상응하는 기준 피치값을 산출한다. 여기서, 기준 피치값 산출부(12)는 선형 제어기로 구성될 수 있다. 여기서, 선형 제어기는 비례 제어기, 비례 미분 제어기, 비례 적분 제어기 또는 비례 적분미분 제어기를 포함할 수 있다.
예를 들어, 기준 피치값 산출부(12)는 비례 적분 제어기로 구성될 경우, 다 음과 같은 수학식 1에 의해 기준 피치값을 산출할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112009004947030-pat00001
여기서, F는 비례 적분 제어기로 가정한다. t는 시간으로 단위는 초(second)이며, 제어기의 비례값이 1, 적분값이 5, 단위는 degree/rpm 이고, 입력값인 오차속도가 5 rpm일 때, 시간 0.2초에서의 출력값인 기준피치값은 5 degree가 된다. 즉, 다음과 같이 연산될 수 있다.
Figure 112009004947030-pat00002
기준 피치값 산출부(12)는 오차신호를 입력받으면 이 오차신호에 상응하는 값으로 오차신호를 보상하는 값을 산출하는데, 이 산출된 값이 기준 피치값이 된다.
여기서, 기준 피치값은 기준 피치값 산출부(12)가 미리 설정된 기준값(Xref)과 측정값(X)의 차이를 보상하기 위해 산출한 피치값이고, 피치 서보부(14)의 입력값이 된다.
다음으로, 피치 서보부(14)는 기준 피치값 산출부(12)로부터 기준 피치값을 입력받고, 보상 피치값 산출장치(30)로부터 보상 피치값을 입력받아 피치값을 산출 한다. 여기서, 피치값은 피드백(feedback)으로 피치 서보부(14)의 입력이 된다.
예를 들어, 피치 서보부(14)는 다음의 수학식 2에 의해 피치값을 산출할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112009004947030-pat00003
여기서, F는 피치서보로 1차 시스템과 같다고 가정한다. t는 시간(단위는 초)이고, 기준 피치값, 보상피치값, 피드백된 피치값의 단위는 각도(degree)이다. 입력값으로 기준피차각이 2.2 degree, 보상피치값이 3 degree, 피드백된 피치값이4 degree, 시스템정수가 5, 단위는 1/초일 경우, 시간 0.2초일 때 출력값인 피치값은0.92 degree이다. 즉, 다음과 같이 연산될 수 있다.
Figure 112009004947030-pat00004
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 보상 피치값 산출장치(30)의 블록도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 보상 피치값 산출장치(30)의 구성도이다.
우선, 도 4 및 도 5를 참조하면, 보상 피치값 산출장치(30)는 주파수 비교부(32), 오차 주파수 제한부(33), 보상 피치값 산출부(34) 및 분배 보상 피치값 산출부(35), 보상 피치값 비교부(36), 누적방지부(37)를 포함할 수 있다.
주파수 비교부(32)는 계통연계점(20)에서 측정된 측정 주파수(fm)와 계통연계점(20)에서의 기준 주파수(fs) 차이에 근거하여 주파수 차인 오차 주파수(ef)를 산출한다. 여기서, 기준 주파수(fs)는 전력을 안정적으로 공급하기 위한 주파수로 운용자에 의해 미리 설정될 수 있다.
본 발명에 따른 주파수 비교부(32)는 오차값에 따라 변경될 수 있다. 예를 들어, 오차값이 오차 전압인 경우, 전압 비교부(미도시)가 적용될 수 있다.
다음으로, 오차 주파수 제한부(33)는 사용자에 의해 미리 설정된 최대 주파수(fmax) 및 최소 주파수(fmin)을 이용하여 오차 주파수의 한계를 결정한다.
즉, 오차 주파수 제한부(33)는 입력되는 오차 주파수 중에서 최대 주파수(fmax) 및 최소 주파수(fmin)의 범위 안에 포함되는 허용 오차 주파수만을 통과시킨다.
예를 들어, 최소 주파수(fmin)가 0 Hz, 최대 주파수(fmax)가 1 Hz로 설정되고, 입력되는 오차 주파수(ef)가 2 Hz인 경우, 오차 주파수 제한부(33)는 오차 주파수(ef)를 통과시키지 않는다. 이로 인해, 보상 피치값 산출장치(30)는 작동을 하지 않으므로, 보상 피치값은0 degree가 된다. 또한, 오차 주파수(ef)가 0.5 Hz이면 허용 오차 주파수는 0.5 Hz가 된다.
입력되는 오차 주파수의 한계를 결정하는 것은 발전 시스템의 피치값이 과도하게 변경되어 발전 시스템이 정지하여 전력계통에 큰 충격을 가하는 것을 방지하 고, 피치값이 한번에 너무 많이 변경되는 것을 방지하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 오차 주파수 제한부(33)는 오차값에 따라 변경될 수 있다. 예를 들어, 오차값이 오차 전압인 경우, 오차 전압 제한부(미도시)가 적용될 수 있다.
다음으로, 보상 피치값 산출부(34)는 오차 주파수(ef)에 대해 선형제어를 수행하여 계통연계 점의 주파수 제어를 위해 필요한 보상 피치 값(U)을 산출한다.
다음으로, 분배 보상 피치값 산출부(35)는 보상 피치값 산출부(34)를 통해 산출된 보상 피치값(U)을 n개(n은 자연수)로 분배하는 보상 피치값 분배기(352), 각각의 보상 피치값(U)의 분배값과 피치값 변동 한계 값(Umax)의 비교를 수행하여 분배 보상 피치값(Usetj,s)을 산출하는 분배 보상 피치값 산출기(354)를 포함한다.
다음으로, 보상 피치값 비교부(36)는 편차신호(es)를 산출하고, 누적방지부(37)는 보상 피치값 산출부(34)의 누적현상(saturation)을 방지한다.
이하, 본 발명에 따른 주파수를 이용한 보상 피치값 산출장치(30)는 도 5를참조하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 보상 피치값 산출부(34)는 출력값을 궤환(feedback)하여 제어하는 제어기인 비례적분(PI) 제어기, 비례미분(PD) 제어기 또는 비례적분미분(PID) 제어기 중 어느 하나일 수 있으나, 바람직하게는 도 5와 같이 비례제어기(P),정상상태 응답을 개선하는 적분제어기(I) 및 응답속도를 개선하는 미분제어기(D)의 장점을 모두 구비하는 비례적분미분(PID) 제어기로 구성할 수 있다.
다음으로, 누적 방지부(37)는 분배 보상 피치값 산출부(35)의 보상 피치값 비교부(36)로부터 궤환되는 편차신호(es)에 근거하여 보상 피치값 산출부(34)의 누적현상을 방지한다.
누적 방지부(37)는 비례미분(PI) 제어기 또는 비례적분미분(PID) 제어기와 같이 적분제어기(I)를 포함하는 제어기의 동작 시 입력단과 출력단의 차이로 인한 누적현상을 방지한다. 여기서, 누적현상은 과도응답 특성과 정상상태 응답 특성을 감소시켜 보상 피치값 산출부(34)의 성능을 저하시키게 된다.
따라서, 본 발명에서는 누적방지 기법(anti-windup)의 누적 방지부(37)를 추가로 구성하여 누적 방지 기능을 부여함으로 적분제어기를 포함하는 보상 피치값 산출부(34)의 오작동을 방지할 수 있다.
누적 방지부(37)는 보상 피치값 산출부(34)의 출력이 설정치 변화량을 초과하지 않도록 하는 설정치 제한방식, 샘플링순간마다 제어신호를 증분을 계산하여 보상 피치값 산출부(34)의 동작을 제어하는 증분형 알고리즘 방식, 보상 피치값 산출부(34)의 출력과 분배 보상 피치값 산출기(354)의 출력 차이를 궤환하여 적분기를 제어하는 추적형 방식 등 중 어느 하나를 이용하여 보상 피치값 산출부(34)의 누적 현상을 방지할 수 있다.
이하에서는 누적 방지부(37)에 대해 더욱 상세히 설명한다.
우선, 누적 방지부(37)는 편차신호(es)에 추적시정수(Tracking TimeConstant: kt)를 곱한다. 여기서, 편차신호(es)는 보상 피치값 분배기(352)에 의해 분배된 보상 피치값(U)의 합과 분배 보상 피치값 산출기(354) 출력의 합을 비 교하여 산출된다. 누적 방지부(37)는 추적시정수(Tracking TimeConstant: kt)를 곱한 편차신호(es)를 오차 주파수 값에 합하여 보상 피치값 산출부(34)의 적분제어기(I)로 입력시킨다.
따라서, 누적 방지부(37)는 분배 보상 피치값 산출부(35)의 포화가 없는 경우 편차신호(es)는 0이므로 분배 보상 피치값 산출부(35)의 포화가 발생되지 않는 범위에서 정상적인 동작에 전혀 영향을 주지 않는다.
반면에, 누적 방지부(37)는 분배 보상 피치값 산출부(35)가 포화되면, 편차신호(es≠0)가 발생되고, 궤환 경로에 의해 보상 피치값 산출부(34)의 적분제어기(I)의 입력을 감소시켜서 누적을 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 분배 보상 피치값 산출부(35)는 보상 피치값 분배기(352), 분배 보상 피치값 산출기(354) 및 보상 피치값 비교부(36)를 포함할 수 있다.
먼저, 보상 피치값 분배기(352)는 보상 피치값 산출부(34)의 출력인 보상 피치 값(U)을 분배하여 분배 보상 피치값 산출기(354)로 공급한다. 여기서, 분배 보상 피치값 산출기(354)는 복수의 피치 제어 장치(10)마다 구비되는 피치 서보부(14)에제어신호를 제공한다.
다음으로, 분배 보상 피치값 산출기(354)는 피치값 변동 한계값(Umax)과 보상 피치값 분배기(352)로부터 전달받는 분배된 보상 피치 값(U)을 비교하는 처리과정을 통해서 각각의 피치 서보부(14)에 해당하는 분배 보상 피치값(Usetj,s)을 산출한다.
분배 보상 피치값 산출기(354)는 산출된 보상 피치값(Usetj,s)을복수의 피치 서보부(14)마다 제어신호로 제공한다. 여기서, 분배 보상 피치값(Usetj,s)은 계통연계점(20)의 오차 주파수를 보상하는 보상 피치값(U)을 분배한 값으로, 각 피치 제어 장치(10)로 인가되며,다음의 수학식 3을 이용하여 계산될 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112009004947030-pat00005
여기서, 상기 Usetj,s는 분배 보상 피치값 산출부(35)에 의해 j번째 피치 제어장치(10)에 제공되는 제어신호인 보상 피치값이고,
상기 Pj,c는 계통연계점(20) 측에서측정된 j번째 단위발전시스템(40)의 유효전력 값이며,
상기
Figure 112009004947030-pat00006
은 계통연계점(20) 측에서측정된 1부터 j번째까지의 단위발전시스템(40)의 유효전력 값의 합이며, 상기 Umax는 피치값 변동 한계 값이다.
이러한, 상기 수학식 3에서 min{a,b}는 a와 b중 작은 값을 취함을 의미하고, 아래첨자 j는 1,2,3,...,n으로 피치 제어 장치(10) 수를 의미하는 자연수이며, 위첨자 max는 최대값을 의미한다.
다음으로, 보상 피치값 비교부(36)는 보상 피치값 분배기(352)에 의해 분배된 보상 피치값(U)의 합과 분배 보상 피치값 산출기(354)의 출력인 보상 피치값(Usetj,s)의 합을 비교하여 편차신호(es)을 산출하고, 누적방지부(37)로 궤환시킨다.
상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 의한 보상 피치값 산출장치(30)의 보상 피치값 산출 방법은 도 6에서 상세히 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 보상 피치값 산출장치(30)의 보상 피치값 산출 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
단계 S610에서 주파수 비교부(32)는 계통연계점(20)의 주파수를측정하여 측정주파수(fm)을 얻는다.
단계 S620에서 주파수 비교부(32)는 측정된 측정주파수(fm)와 계통연계점의 기준주파수(fs) 차이에 근거하여 오차주파수(ef)를 산출한다.
단계 S630에서 보상 피치값 산출부(34)는 주파수 비교부(32)로부터 산출된 오차주파수(ef)를수신하고, 보상 피치값 산출부(34) 내에 구비되는 제어기로 선형제어를 수행하여 보상 피치값(U)을 산출한다. 즉, 보상 피치값 산출부(34)는 오차 주파수(ef)를비례제어기(P)의 입력으로 전달받아 오차 주파수(ef)에 비례이득(kp)을 곱하는 과정을 수행한다. 또한, 보상 피치값 산출부(34)는 오차주파수(ef)를 적분제어기(I)의 입력으로 전달받아 오차주파수(ef)을 적분하고 적분이득(ki)을 곱하는 과정을 수행하게 된다.
이와 동시에, 보상 피치값 산출부(34)는 계통연계점(20)에서 측정된 측정주파수(fm)를 미분제어기(D)의 입력으로 전달받아 측정주파수(fm)를 미분하고, 미분이득(kd)을 곱하는 과정을 수행하게 된다.
이어서, 보상 피치값 산출부(34)는 비례제어기(P), 적분제어기(I) 및 미분제어기(D)의 각각의 출력값를 합하여 보상 피치값(U)을 산출한다.
단계 S640에서 분배 보상 피치값 산출부(35)는 보상 피치값(U)과 피치값 변동 한계 값(Umax)을 이용하여 분배 보상 피치값(Usetj,s)을산출한다. 보상 피치값 분배기(352)는 보상 피치값 산출부(34)로부터 산출된 보상 피치값(U)을 입력 받아 n개(n은 자연수)로 분배한다. 분배 보상 피치값 산출기(354)는 보상 피치값(U)의 분배값을 전달받아 복수의 피치 제어 장치(10)에 제어신호로써 보상 피치값을 인가한다. 여기서, 분배 보상 피치값 산출기(354)는 피치값 변동 한계 값(Umax)과 보상 피치값 분배기(352)에서 분배되어 전달되는 분배 보상 피치값을이용하여 상술한 수학식 3을 수행하고, 복수의 피치 서보부(14)마다 해당되는 분배 보상 피치값(Usetj,s)을산출한다.
단계 S650에서 분배 보상 피치값 산출기(354)는 산출된 분배 보상 피치 값(Usetj,s)을피치 제어 장치(10)에 인가함으로써 피치 제어 장치(10)을 제어한다. 보상 피치값 산출장치(30)는 피치 제어 장치(10)을제어함으로써, 본 발명에 따른 발전 시스템의 구동을 안정적으로 용이하게 제어할 수 있게 된다.
이어서, 단계 S660에서 보상 피치값 비교부(36)는 분배 보상 피치값(Usetj,s)의 합과 보상 피치값 분배기(352)를 통해 분배된 보상 피치값(U)의 합의 차이에 근거하여 편차신호(es)를 산출한다.
이어서, 단계 S670에서 누적 방지부(344)는 편차신호(es)에 추적시정수(Tracking Time Constant: kt)를 곱하여 출력된 값을 오차주파수(ef)에 합하여 보상 피치값 산출부(34)의 적분제어기(I)로 입력한다.
여기서, 누적방지부(37)는 궤환 경로에 의해 적분제어기(I) 입력을 감소시켜서 보상 피치값 산출부(34)의 누적현상을 방지할 수 있다.
따라서, 누적 방지부(37)는 분배 보상 피치값 산출부(35)의 포화가 없는 경우 편차신호(es)가 0 이므로, 분배 보상 피치값 산출부(35)의 포화가 발생되지 않는 범위에서 정상적인 동작에 전혀 영향을 주지 않는다.
반면에, 누적방지부(37)는 분배 보상 피치값 산출부(35)가 포화되어 편차신호(es≠0)가 발생하면, 누적방지부(37)의 추적시정수를 통한 궤환 경로에 의해 적분제어기(I) 입력을 감소 시켜서 누적을 방지할 수 있다.
본 발명은 계통연계점의 오차 주파수에 따른 보상 피치값을 생성함으로써 수행되는 계통연계점 주파수 제어를 이용하여 추가적인 장비나 공정 없이도 신뢰성 있고, 효율적인 발전시스템을 구현하여 안정적인 전력품질과 계통운영의 신뢰성을 얻을 수 있다.
특히, 본 발명은 피치 제어 장치(10)을 구비한 발전 시스템의구조나 규모에 상관없이 적용 가능하며 범용성을 추구할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 보상 피치값 산출 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
컴퓨터 판독 가능 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 분야 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 또한 상술한 매체는 프로그램 명령, 데이터 구조 등을 지정하는 신호를 전송하는 반송파를 포함하는 광 또는 금속선, 도파관 등의 전송 매체일 수도 있다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
상술한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 피치 제어 장치, 보상 피치값 산출장치 및 풍력 발전 시스템의 관계를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 시스템의 구성도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 피치 제어 시스템을 나타낸 구성도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 보상 피치값 산출장치의 블록도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 보상 피치값 산출장치의 구성도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 보상 피치값 산출장치의 보상 피치값 산출 방법을 설명하기 위한 흐름도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 피치 제어 장치 12: 기준 피치값 산출부
14: 피치 서보부 20: 계통연계점
30: 보상 피치값 산출장치 32: 주파수 비교부
33: 오차 주파수 제한부 34: 보상 피치값 산출부
35: 분배 보상 피치값 산출부 352: 보상 피치값 분배기
354: 분배 보상 피치값 산출기 36: 보상 피치값 비교부
37: 누적 방지부 40: 단위발전시스템

Claims (11)

  1. 복수의 풍력 발전시스템의 피치값을 제어하는 피치 제어 시스템에 있어서,
    상기 풍력 발전시스템의 동작에 따른 발전기 측정 신호와 발전기 기준 신호의 차이에 근거하여 오차 신호를 산출하는 발전기 비교부;
    상기 오차 신호를 이용하여 기준 피치값을 산출하는 기준 피치값 산출부; 및
    상기 기준 피치값과 보상 피치값 산출장치로부터 산출되는 분배 보상 피치값을 이용하여 피치값을 산출하는 피치 서보부를 포함하는 복수의 피치 제어 장치; 및
    상기 복수의 풍력 발전시스템이 연결되는 계통연계점에서 산출한 오차 전압값 또는 오차 주파수값을 이용하여 상기 분배 보상 피치값을 산출하는 보상 피치값 산출장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 피치 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발전기 측정 신호는 발전기 구동축의 회전 속도 또는 발전기의 출력에 대한 측정 신호이고, 상기 발전기 기준 신호는 상기 발전기 측정 신호에 상응하여 미리 설정된 기준 신호인 것을 특징으로 하는 피치 제어 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 오차 전압값은
    상기 풍력 발전시스템의 계통연계점에서 측정된 전압과 상기 측정된 전압에 상응하여 미리 설정된 기준 전압의 차이에 근거하여 산출되는 것을 특징으로 하는 피치 제어 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 오차 주파수값은
    상기 풍력 발전시스템의 계통연계점에서 측정된 측정 주파수와 상기 측정 주파수에 상응하여 미리 설정된 기준 주파수의 차이에 근거하여 산출되는 것을 특징으로 하는 피치 제어 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 보상 피치값 산출장치는
    상기 오차 전압값 또는 상기 오차 주파수값을 이용하여 보상 피치값을 산출하는 보상 피치값 산출부; 및
    상기 보상 피치값과 미리 설정된 피치 변동 한계값을 이용하여 상기 피치제어장치에 인가하는 복수의 분배 보상 피치값을 산출하는 분배 보상 피치값 산출부 를 포함하는 것을 특징으로 하는 피치 제어 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 분배 보상 피치값 산출부는
    상기 보상 피치값을 분배하여 복수의 제1 분배 보상 피치값을 산출하는 보상피치값 분배기; 및
    상기 복수의 제1 분배 보상 피치값과 미리 설정된 피치 변동 한계값을 이용하여 상기 피치제어장치에 인가하는 복수의 제2 분배 보상 피치값을 산출하는 분배 보상 피치값 산출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 피치 제어 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 분배 보상 피치값 산출부는 상기 피치 변동 한계값 내에 포함되는 상기 제1 분배 보상 피치값을 통과시켜 상기 제2 분배 보상 피치값을 산출하는 것을 특징으로 하는 피치 제어 시스템.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 보상 피치값 산출장치는
    상기 오차 전압값 또는 상기 오차 주파수값을 산출하는 비교부; 및
    상기 오차 전압값 또는 상기 오차 주파수값이 미리 설정된 전압 또는 주파수 범위를 벗어난 경우, 상기 오차 전압값 또는 상기 오차 주파수값을 미리 설정된 전압 또는 주파수 범위의 허용 오차 전압값 또는 허용 오차 주파수값으로 변경하는 오차 제한부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피치 제어 시스템.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 보상 피치값 산출장치는
    상기 제1 분배 보상 피치값의 합과 상기 제2 분배 보상 피치값의 합을 이용하여 편차신호를 산출하는 보상 피치값 비교부; 및
    상기 편차 신호와 상기 오차 전압값 또는 상기 오차 주파수값을 이용하여 상기 보상 피치값 산출부의 누적을 방지하는 누적 방지부를 더 포함하는 피치 제어 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 누적 방지부는 상기 편차 신호에 추적시정수(Tracking Time Constant: kt)를 곱한 값을 상기 오차 전압값 또는 상기 오차 주파수값에 합하여 상기 보상 피치값 산출부로 입력시키는 것을 특징으로 하는 피치 제어 시스템.
  11. 제6항에 있어서,
    풍력 발전시스템은 j(j는 자연수)개이며, j개의 피치 제어 장치가 상기 풍력 발전시스템에 각각 연결되며, 상기 제2 분배 보상 피치값은 하기의 수학식 3에 의해 산출되는 피치 제어 시스템.
    [수학식 3]
    Figure 112010084476453-pat00007
    여기서, 상기 Usetj,s는 보상 피치값 산출장치의 분배 보상 피치값 산출부에 의해 j번째 피치 제어장치에 제공되는 제어신호인 분배 보상 피치값이고,
    상기 Pj,c는 j번째 단위 풍력 발전기의 유효전력 값이며,
    상기
    Figure 112010084476453-pat00008
    은 1부터 j번째까지의 단위 풍력 발전시스템의 유효전력 값의 합이며, 상기 Umax는 피치 변동 한계값이다.
    이러한, 상기 수학식 3에서 min{a,b}는 a와 b중 작은 값을 취함을 의미하고, 아래첨자 j는 1,2,3,...,n으로 피치 제어 장치의 수를 의미하는 자연수이며, 위첨자 max는 최대값을 의미함.
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