KR101104127B1 - 풍력터빈 시뮬레이션 시스템 및 그 방법 - Google Patents

풍력터빈 시뮬레이션 시스템 및 그 방법 Download PDF

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이준신
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한국전력공사
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Abstract

풍력터빈 시뮬레이션 시스템 및 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력터빈 시뮬레이션 시스템은 실제 풍력터빈의 운전조건을 모사하는 풍력터빈 시뮬레이션 시스템에 있어서, 표면에 복수 개의 스트레인 센서가 장착된 모사 블레이드와 상기 모사 블레이드가 배치되는 허브를 구비하는 로터 및 상기 로터의 회전 속도를 증감시키고 동력을 전달하는 구동열을 포함하는 풍력터빈 모델부; 상기 로터를 구동시키는 구동모터를 포함하는 구동부; 상기 풍력터빈 모델부에서 발생된 회전력을 전기 에너지로 변환시키는 발전기를 포함하는 발전부; 및 상기 풍력터빈 모델부, 구동부 또는 발전부 중 하나 이상을 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

풍력터빈 시뮬레이션 시스템 및 그 방법{WIND TURBINE SIMULATION SYSTEM AND METHOD OF THE SAME}
본 발명은 풍력터빈 시뮬레이션 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 풍력터빈의 상태감시를 통하여 풍력터빈을 최적 운전하고, 요소부품의 피로수명을 예측하여 부품 교체주기를 결정하기 위한 풍력터빈 시뮬레이션 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
풍력 발전 시스템은 에너지원인 풍속의 가변성에 기인한 출력의 불규칙성으로 인해 주변 계통 수용가와 부하의 전압, 주파수 등의 전력품질을 저하시킬 수 있으므로, 실제 풍력 발전 시스템의 특정 운전 조건을 재현할 수 있는 풍력발전 시뮬레이터 내지는 풍력터빈 시뮬레이션 시스템의 개발이 요구되고 있다.
이와 관련하여, 종래 풍력터빈 시뮬레이션 시스템은 풍력터빈 기어박스 또는 발전기의 성능을 평가하는 기능만을 수행하였다. 즉, 종래 풍력터빈 시뮬레이션 시스템은 풍력터빈에 작용하는 바람의 모사 없이 모터에 기어박스 또는 발전기를 바로 연결하여 성능평가만을 수행하였으므로, 풍력터빈의 실제 운전조건을 모사할 수 없다는 한계점을 가진다는 문제점이 존재하였다.
또한, 종래 풍력터빈 시뮬레이션 시스템에서는 블레이드의 관성을 모사하기 위하여 플라이휠(flywheel)을 사용하였으나, 이 경우 시스템이 복잡해지고 비용이 증가하는 문제점이 추가적으로 발생하였다.
따라서, MW급 풍력터빈과 상사성을 가져, 실제 풍력터빈의 운전 환경을 구현할 수 있는 풍력터빈 시뮬레이션 시스템의 개발이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명의 실시예들은 실제 풍력터빈과 상사성을 가지도록 설계되어, 실제 풍력터빈의 운전조건을 모사할 수 있는 풍력터빈 시뮬레이션 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 실제 풍력터빈의 운전조건을 모사하는 풍력터빈 시뮬레이션 시스템에 있어서, 표면에 복수 개의 스트레인 센서가 장착된 모사 블레이드와 상기 모사 블레이드가 배치되는 허브를 구비하는 로터 및 상기 로터의 회전 속도를 증감시키고 동력을 전달하는 구동열을 포함하는 풍력터빈 모델부; 상기 로터를 구동시키는 구동모터를 포함하는 구동부; 상기 풍력터빈 모델부에서 발생된 회전력을 전기 에너지로 변환시키는 발전기를 포함하는 발전부; 및 상기 풍력터빈 모델부, 구동부 또는 발전부 중 하나 이상을 제어하는 제어부를 포함하는 풍력터빈 시뮬레이션 시스템이 제공될 수 있다.
상기 풍력터빈 모델부의 상기 허브에는 환기구가 형성될 수 있다.
또한, 상기 풍력터빈 모델부의 상기 구동열은, 상기 모사 블레이드의 회전 속도를 상기 발전부의 발전에 적합한 회전 속도로 회전할 수 있도록 증속시키는 증속기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 발전부는 상기 발전기의 회전속도데이터 또는 토크 데이터 중 적어도 하나를 입력받아 상기 제어부로 송수신하는 발전기 인버터를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 구동열 및 상기 발전부에는 복수 개의 가속도 센서, 온도 센서 또는 타코 센서(tacho sensor) 중 적어도 하나 이상이 장착될 수 있다.
또한, 상기 구동열은 상기 로터 및 상기 발전기 사이에 배치되는 제1 감속기를 더 포함하고, 상기 구동부는 상기 구동모터 및 상기 로터 사이에 배치되는 제2 감속기를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 제어부는, 상기 구동부의 구동모터의 토크량 또는 상기 풍력터빈 모델부의 상기 모사 블레이드의 피치각을 제어하는 구동 제어부; 상기 풍력터빈 모델부 및 상기 발전부로부터 토크 데이터, 회전속도 데이터, 각속도 데이터, 온도 데이터 또는 스트레인 데이터를 전송받아 가공 처리하는 상태 감시부; 및 상기 발전기 인버터로부터 상기 발전기의 회전속도데이터 또는 토크 데이터 중 적어도 하나를 송수신하여 상기 발전기의 생산전력을 제어하는 발전기 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 풍력터빈 시뮬레이션 시스템은 상기 실제 풍력터빈에 대하여 하기 [식1]을 만족시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
[식 1]
Figure 112011068750440-pat00001
(여기에서, J는 관성모멘트, w는 블레이드 회전속도, P는 정격출력, R은 블레이드의 반지름, v는 정격풍속을 나타냄. 한편, 하첨자 a는 실제 풍력터빈을 의미하고, 하첨자 s는 풍력터빈 시뮬레이션 시스템을 나타냄.)
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 풍력터빈 시뮬레이션 시스템을 구동시키기 위한 풍력터빈 시뮬레이션 방법에 있어서, 모사 블레이드의 피치각 및 발전기 회전속도를 입력받고, 상기 발전기 회전속도를 정격출력에서의 회전속도와 비교하는 제1 단계; 상기 발전기 회전속도가 상기 정격출력에서의 회전속도 미만인 경우에는, 모사 바람을 생성하고, 상기 모사 바람에 따라 산출되는 모터토크를 기초로 구동모터를 제어하는 제2 단계; 및 상기 발전기 회전속도가 상기 정격출력에서의 회전속도 이상인 경우에는, 모사 바람을 생성하고, 상기 발전기 회전속도에 따른 상기 모사 블레이드의 피치각 데이터와 상기 모사 바람에 따라 산출되는 모터토크를 기초로 상기 모사 블레이드의 피치각 및 구동모터를 제어하는 제3 단계를 포함하는 풍력터빈 시뮬레이션 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 모사 바람은 시간영역에서의 상기 모사 블레이드에 작용하는 바람이 생성되는 것일 수 있다.
한편, 상기 제 ２단계는, 상기 모사 바람에 대응하는 공력토크를 산출하는 단계; 로터 관성 전달함수를 이용하여 상기 모사 블레이드의 동특성을 반영하는 모터토크를 산출하는 단계; 및 상기 모터토크에 기초로 구동모터를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 ３단계는, 상기 발전기 회전속도에 따른 상기 모사 블레이드의 피치각 데이터를 산출하는 단계; 상기 모사 바람에 대응하는 공력토크를 산출하는 단계; 로터 관성 전달함수를 이용하여 상기 모사 블레이드의 동특성을 반영하는 제1 모터토크를 산출하는 단계; 상기 제1 모터토크를 데이터 처리하여, 상기 모사 바람에 따른 상기 모사 블레이드의 피치각 변화를 반영하는 제2 모터토크를 산출하는 단계; 및 상기 모사 블레이드의 피치각 데이터를 기초로 상기 모사 블레이드의 피치각을 제어하고, 상기 제2 모터토크를 기초로 구동모터를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 실제 풍력터빈과 상사성을 가지도록 풍력터빈 시뮬레이터 시스템을 설계함으로써, 실제 풍력터빈의 운전조건을 모사 가능하다.
또한, 로터관성 전달함수를 이용하여 블레이드 동특성을 제어부에 반영하여 동특성이 반영된 모터토크를 산출함으로써, 보다 간단하고 저비용의 풍력터빈 시뮬레이터 시스템을 구축 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력터빈 시뮬레이션 시스템의 개략도이다.
도 2는 도 1의 A부분을 확대하여 도시한 확대도이다.
도 3은 도 1의 풍력터빈 시뮬레이션 시스템의 변형예를 나타낸 개략도이다.
도 4는 도 1의 풍력터빈 시뮬레이션 시스템의 데이터 송수신을 나타내는 도면이다.
도 5는 도 1의 풍력터빈 시뮬레이션 시스템에서 발전기의 토크곡선 생성 과정을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력터빈 시뮬레이션 방법의 제어 알고리즘이다.
도 7은 도 6에서 모사 바람 생성 알고리즘이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력터빈 시뮬레이션 시스템(100)의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 풍력터빈 시뮬레이션 시스템(100)은 실제 풍력터빈의 움직임을 모사하는 풍력터빈 모델부(120), 풍력터빈 모델부(120)를 구동시키는 구동부(140), 풍력터빈 모델부(120)에서 발생된 회전력을 전기 에너지로 변환시키는 발전부(160) 및 풍력터빈 모델부(120), 구동부(140) 또는 발전부(160) 중 하나 이상을 제어하는 제어부(180)를 포함할 수 있다. 이하에서 각 구성에 대하여 설명하도록 한다.
풍력터빈 시뮬레이션 시스템(100)은 베이스 프레임(B) 상에 설치될 수 있으며, 베이스 프레임(B)의 형상, 크기 등은 한정되지 않는다. 한편, 베이스 프레임(B)은 풍력터빈 시뮬레이션 시스템(100)의 블레이드 회전시 충돌을 막기 위해, 일부에 개구부(미표기)가 형성될 수 있다.
풍력터빈 모델부(120)는 실제 풍력터빈의 움직임을 모사하는 역할을 수행하며, 모사 블레이드(121)와 모사 블레이드(121)가 배치되는 허브(123)를 구비하는 로터(R); 및 로터(R)의 회전 속도를 증감시키고 동력을 전달하는 구동열(Drive Train)(125)을 포함할 수 있다.
허브(123)에 배치되는 모사 블레이드(121)의 표면에는 복수 개의 스트레인 센서(121a)가 장착될 수 있다. 스트레인 센서(121a)는 모사 블레이드(121)의 회전시 모사 블레이드(121)에 가해지는 스트레인 분포를 측정하는 역할을 수행한다. 스트레인 센서(121a)가 장착되는 위치는 한정되지 않는다. 예를 들어, 스트레인 센서(121a)는 상황에 따른 블레이드 모델을 분석하고, 상기 분석 결과를 기초로 하여 블레이드 표면에서 스트레인이 가장 많이 걸리는 위치에 장착될 수 있다.
허브(123) 내부에는 모사 블레이드(121)의 표면에 장착된 스트레인 센서(121a)로부터 측정된 스트레인 데이터를 취합하는 DAQ(Data acquisition, 미도시)가 설치될 수 있다.
이와 관련하여, 도 2는 도 1의 A부분을 확대하여 도시한 확대도이다. 도 2를 참조하면, 허브(123)에는 환기구(123a)가 형성될 수 있다. 환기구(123a)는 허브(123) 내부에 상술한 DAQ등의 장비가 설치되는 경우, 상기 장비의 과열을 방지하는 역할을 수행한다.
다시 도 1을 참조하면, 구동열(125)은 로터(R)의 회전 속도를 증감시키는 역할을 수행하며, 증속기(125a), 베어링 하우징(125c) 및 토크미터(125d)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 구동열(125)은 도 1에 도시된 바와 같이, 로터(R) 후단에 회전축을 따라 베어링 하우징(125c), 제1 토크미터(125d), 증속기(125a), 제2 토크미터(125d) 순으로 연결될 수 있다.
증속기(125a)는 모사 블레이드(122)의 회전 속도를 발전부(160)의 발전에 적합한 회전 속도로 회전할 수 있도록 증속시키는 역할을 수행한다. 증속기(125a)는 통상의 풍력터빈에서 사용되는 증속기를 이용할 수 있다. 한편, 증속기(125a)는 기어에 열처리를 수행하여 진동이 발생하지 않는 증속기와, 열처리를 수행하지 않아 진동이 발생하는 증속기로 구성되어 풍력 터빈의 이상 발생시 데이터를 측정할 수 있다.
토크미터(125d)는 증속기(125a) 전단 및 후단에 연결되어 회전축의 토크 계측을 수행할 수 있다.
구동부(140)는 로터(R)를 구동시키는 구동모터(141)를 포함한다. 구동모터(141)는 허브(123) 전단에 연결되어 배치될 수 있다.
발전부(160)는 풍력터빈 모델부(120)에서 발생된 회전력을 전기 에너지로 변환시키는 발전기(161)을 포함한다. 발전기(161)은 구동열(125) 후단에 연결되어 배치될 수 있다.
또한, 발전부(160)는 발전기(161)와 연결되는 발전기 인버터(162)를 더 포함할 수 있다. 발전기 인버터(162)는 발전기(161)의 회전속도데이터 또는 토크 데이터 중 적어도 하나를 입력받아 전압과 주파수를 가변시키고, 제어부(180)로 송수신하는 역할을 수행한다.
한편, 구동열(125) 및 발전부(160)에는 복수 개의 센서(S)들이 장착될 수 있다. 상기 센서(S)들은 가속도계(accelerometer)와 같은 가속도 센서(S1), 온도 센서(S2) 또는 타코 센서(S3, tacho sensor)일 수 있다.
예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 베어링 하우징(125c), 증속기(125a)의 기어 위치부위, 발전기(161)의 베어링 위치부위에는 가속도 센서(S1)가 배치되고, 증속기(125a)의 고속기어 베어링 위치, 발전기(161)의 베어링 위치에는 온도 센서(S2)가 배치되고, 발전기(161)의 전단에는 태코 센서(S3)가 배치될 수 있다. 상기 센서(S)들은 각 부품들의 토크, 가속도, 스트레인, 온도 또는 각속도 등에 관한 데이터를 측정하여 제어부(180)로 전송하는 역할을 수행할 수 있다.
제어부(180)는 풍력터빈 모델부(120), 구동부(140) 또는 발전부(160) 중 하나 이상을 제어하는 역할을 수행하며, 제어부(180)에 대해서는 다른 도면을 참조하여 후술하기로 한다.
도 3은 도 1의 풍력터빈 시뮬레이션 시스템(100)의 변형예를 나타낸 개략도이다. 이하에서는 전술한 실시예와 차이나는 부분을 중심으로 설명하도록 한다. 또한, 전술한 실시예와 동일 또는 유사한 구성에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 표기하였음을 밝혀둔다.
도 3을 참조하면, 풍력터빈 시뮬레이션 시스템(100)은 풍력터빈 모델부(120), 구동부(140), 발전부(160) 및 제어부(180)을 포함할 수 있다. 풍력터빈 모델부(120)는 모사 블레이드(121), 허브(123) 및 베어링(미표기)을 구비하는 로터(R)와 구동열(125)을 포함할 수 있다.
특히, 본 변형예가 전술한 실시예와 다른 점은 로터(R)를 베이스 프레임(B) 상부로부터 이격되어 높이를 가지도록 설치한 점이다. 따라서, 모사 블레이드(121) 회전시 충돌을 막기 위해 베이스 프레임(B) 일부에 별도의 개구부를 형성시킬 필요가 없다. 한편, 상기 이격 높이는 모사 블레이드(122)의 단부가 베이스 프레임(B)가 닿지 않는 정도면 되고, 특정 높이로 한정되지는 않는다. 로터(R)는 1 이상의 타워(미표기)에 지지되어 상기 이격 높이를 가질 수 있으며, 이 때 로터(R) 회전을 위해, 회전축의 회전력을 상기 베어링에 전달하는 벨트 또는 체인(미표기)를 설치할 수 있다.
본 변형예에 따른 풍력터빈 시뮬레이션 시스템(100)에서 풍력터빈 모델부(120)의 구동열(125)은 제1 감속기(125b)를 더 포함하고, 구동부(140)는 제2 감속기(142)를 더 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 감속기(125b)는 구동열(125)의 증속기(125a) 및 발전기(161) 사이에 배치될 수 있고, 제2 감속기(142)는 구동모터(141) 및 로터(R) 사이에 배치될 수 있다. 제1 감속기(125b) 및 제2 감속기(142)는 구동모터(141)가 모사 블레이드(121)의 운전에 있어 요구되는 토크를 발생시킬 수 없는 경우 또는 발전기(161)가 요구되는 토크를 생산하지 못하는 경우에 구동모터(141) 또는 발전기(161)의 회전속도를 낮추어 토크를 높이는 역할을 수행할 수 있다.
상술한 점을 제외하고, 본 변형예에 따른 풍력터빈 시뮬레이션 시스템(100)은 전술한 실시예와 동일하므로 기타 구성에 대한 설명은 생략하도록 한다.
도 4는 도 1의 풍력터빈 시뮬레이션 시스템(100)의 데이터 송수신을 나타내는 도면이다.
도4를 참조하면, 풍력터빈 시뮬레이션 시스템(100)은 풍력터빈 모델부(120), 구동부(140), 발전부(160) 및 제어부(180)를 포함할 수 있다. 발전부(160)는 발전기(161) 및 발전기 인버터(162)를 포함할 수 있다. 또한, 제어부(180)는 구동제어부(181), 상태감시부(183) 및 발전기 제어부(185)를 포함할 수 있다. 이하, 각 구성에서의 데이터 송수신에 대하여 설명하도록 한다.
구동제어부(181)는 구동부(140)에 배치되는 구동모터(141)의 토크량 또는 풍력터빈 모델부(120)의 모사 블레이드(121)의 피치각을 제어하는 역할을 수행한다. 이를 위하여, 구동제어부(181)는 구동부(140)와 모터토크 데이터 및 모터 제어신호(TM)를 송수신할 수 있으며, 풍력터빈 모델부(120)로부터 블레이드 피치 데이터(θP)를 수신받고, 블레이드 피치 제어신호(θD)를 송신할 수 있다.
상태 감시부(183)는 풍력터빈 모델부(120) 및 발전부(160)로부터 토크 데이터, 회전속도 데이터, 각속도 데이터, 온도 데이터 또는 스트레인 데이터 등을 전송받아 가공 처리하는 역할을 수행한다. 이를 위하여, 상태 감시부(183)는 풍력터빈 모델부(120) 및 발전부(160)에 장착되는 가속도 센서, 온도 센서, 타코 센서 등으로부터 센서 데이터(DS)를 수신할 수 있다.
발전기 제어부(185)는 발전기(161)의 생산전력을 제어하는 역할을 수행한다. 이를 위하여, 발전기 제어부(185)는 발전기 인버터(162)로부터 발전기(161)의 회전속도데이터(ΩG) 또는 발전기 토크 데이터(TG)를 송수신할 수 있다. 한편, 구동제어부(181), 상태 감시부(183) 및 발전기 제어부(185)는 상기 데이터들을 서로 주고 받도록 통합 설계될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 풍력터빈 시뮬레이션 시스템(100)은 실제 풍력터빈과 상사성을 가지도록 설계됨으로써, 실제 풍력터빈의 운전조건을 모사 가능하다. 이를 위하여, 풍력터빈 시뮬레이션 시스템(100)은 실제 풍력터빈에 대하여 하기 [식 1]을 만족시키도록 설계된다.
[식 1]
Figure 112011068750440-pat00002
상기 [식 1]에서, J는 관성모멘트, w는 블레이드 회전속도, P는 정격출력, R은 블레이드의 반지름, v는 정격풍속을 나타낸다. 한편, 하첨자 a는 실제 풍력터빈을 의미하고, 하첨자 s는 풍력터빈 시뮬레이션 시스템을 의미한다.
이와 관련하여, 도 5는 도 1의 풍력터빈 시뮬레이션 시스템(100)에서 발전기(161)의 토크곡선 생성 과정을 나타내는 도면이다. 도 5를 참조하면, 풍력터빈 시뮬레이션 시스템(100)은 실제 풍력터빈과 상사성을 갖도록 하기 위해 실제 풍력터빈 토크커브를 하기 [식 2]를 이용하여 로터부에서의 토크 곡선을 생성한 다음, 상기 [식 1]을 이용하여 풍력터빈 시뮬레이션 시스템(100)의 로터부에서의 토크곡선을 생성할 수 있다. 다음으로, 상기 로터부에서의 토크곡선을 하기 [식 2]을 이용하여 풍력터빈 시뮬레이션 시스템(100)의 발전기 토크 곡선으로 환산할 수 있다.
[식 2]
Figure 112011068750440-pat00003
상기 [식 2]에서 w는 회전속도, T는 토크, 하첨자 R은 로터, 하첨자 G는 발전기를 의미한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력터빈 시뮬레이션 시스템(100)은 실제 풍력터빈과 상사성을 가짐으로써, 실제 풍력터빈의 운전 환경을 구현 가능하다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력터빈 시뮬레이션 방법에 대하여 설명하도록 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력터빈 시뮬레이션 방법의 제어 알고리즘(S100)이다. 상기 제어 알고리즘은 상술한 풍력터빈 시뮬레이션 시스템을 구동시키는 알고리즘에 해당한다.
도 6을 참조하면, 우선 모사 블레이드의 피치각(θpitch) 및 발전기 회전속도(ΩG)를 입력받는다(S111). 다음으로, 발전기 회전속도(ΩG)를 정격출력에서의 회전속도(ΩRated)와 비교한다(S112).
발전기 회전속도(ΩG)가 정격출력에서의 회전속도(ΩRated) 미만인 경우에는, 평균 풍속을 기준으로 바람 생성기(Wind Generator)에서 모사 바람을 생성하고, 상기 모사 바람에 따라 산출되는 모터토크(TMotor)를 기초로 구동모터를 제어한다. 한편, 상기 모사 바람에 대해서는 다른 도면을 참조하여 후술하기로 한다.
보다 구체적으로, 생성된 모사 바람의 풍속 및 풍력토크의 룩 업 테이블을 만들어 공력토크를 산출하고(wind speed-Torque Lookup Table), 블레이드 관성모멘트에 의해 발생하는 동특성을 반영하기 위해 로터관성 전달함수(roter inertia transfer function)을 이용하여 상기 모사 블레이드의 동특성을 반영하는 모터토크를 산출한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력터빈 시뮬레이션 방법(S100)은 종래 플라이휠을 사용하지 않고 상기 로터관성 전달함수를 이용하여 블레이드 관성을 구현함으로써, 보다 간단하고 저비용의 풍력터빈 시뮬레이션 시스템을 구축 가능하다.
한편, 발전기 회전속도(ΩG)가 정격출력 회전속도(ΩRated)에 도달하지 않았으므로, 블레이드의 피치각은 바람을 최대로 받을 수 있도록 0으로 설정한다(θDemand=0). 상기와 같이 설정된 블레이드 피치각도(θDemand=0) 및 모터토크(TMotor)는 제어부로 전송됨으로써 구동모터를 제어 가능하다(S113).
발전기 회전속도(ΩG)가 정격출력 회전속도(ΩRated) 이상인 경우에는, 우선 발전기 회전속도(ΩG)에 따른 모사 블레이드의 피치각 데이터(θDemand)를 산출한다. 이는 정격풍속 이상인 경우 피치제어를 수행하여 모사 블레이드가 공력을 적게 받도록 하기 위함이다. 모사 블레이드의 피치각 데이터(θDemand)를 산출하는 방법은 발전기 회전속도(ΩG) 및 모사 블레이드의 피치각 데이터(θDemand)의 룩 업 테이블을 사용할 수 있다(ΩG- θDemand Lookup Table).
다음으로, 평균 풍속을 기준으로 바람 생성기(wind generator)에서 모사 바람을 생성하고, 상기 모사 바람에 따라 공력토크를 산출하고(Wind speed-Torque Lookup Table), 로터 관성 전달함수(roter inertia transfer function)를 이용하여 상기 모사 블레이드의 동특성을 반영함으로써, 상기 모사 블레이드의 관성모멘트에 따른 제1 모터토크를 산출한다.
다음으로, 상기 제1 모터토크는 모사 블레이드 각도가 0°인 경우 발생하는 로터 토크이므로, 상기 제1 모터토크를 데이터 처리하여 상기 모사 바람에 따른 모사 블레이드의 피치각 변화를 반영하는 제2 모터토크를 산출한다. 산출방법은 제1 모터토크와 정격토크(TRated)와의 차(△T)를 구하여 모사 블레이드 각도에 의하여 공력토크가 감소하는 것을 모사하고, 타임디레이를 이용하여 현재 블레이드 피치각(θPitch(t)) 및 한 스텝 이전의 블레이드 피치각(θPitch(t-1))의 차(△θPitch)를 이용하여 스케일 팩터(scale factor(k))를 산출한 다음, 상기 스케일 팩터 값을 상기 제1 모터토크와 정격토크(TRated)와의 차(△T)와 곱한 후에, 상기 정격토크(TRated)와 합하여 제2 모터토크를 산출한다. 한편, 상기 스케일 팩터 값은 블레이드 각도 변화에 따라 블레이드 토크가 선형적으로 감소하지 않고 비선형적으로 감소하는 것을 반영하기 위함이며, 블레이드 피치각의 차 및 스케일팩터의 룩 업 테이블을 사용하여 산출 할 수 있다(△θPitch-Scale Factor Lookup Table).
상기와 같이 설정된 모사 블레이드의 피치각 데이터(θDemand)를 기초로 모사 블레이드의 피치각을 제어하고, 상기 제2 모터토크를 기초로 구동모터를 제어 가능하다(S114).
도 7은 도 6에서 모사 바람 생성 알고리즘이다. 상기 모사 바람은 시간영역에서의 모사 블레이드에 작용하는 바람을 생성하는 것으로, 도 7에 도시된 알고리즘에 따른다. 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력터빈 시뮬레이션 방법에서 바람 생성기(Wind Generator)는 세 종류의 바람 생성이 가능하다. 첫 번째는 난류가 없는 일정속도의 바람이고, 두 번째는 IEC 61400 풍력표준에서 규정하는 난류 바람으로 'Kaimal spectrum' 및 'Von Karmal spectrum'이다. 세 번째는 덴마크 신재생연구소(Riso)에서 제시한 'Riso Smooth Terrain spectrum'이다.
상기 모델에 적합한 주파수 스펙트럼을 생성하기 위해서 각 모델의 위상 및 크기의 곱으로 표현되는 하기 [식 3]을 사용하여 최종적인 시간영역에서의 바람이 생성될 수 있다. 따라서, 사용자가 희망하는 바람 종류 및 필요한 변수를 설정하면 원하는 바람을 생성시킬 수 있다.
[식 3]
Figure 112011068750440-pat00004
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
100: 풍력터빈 시뮬레이션 시스템
120: 풍력터빈 모델부 121: 모사블레이드
121a: 스트레인 센서 123: 허브
R: 로터 B: 베이스 프레임
123a: 환기구 125: 구동열
125a: 증속기 125b: 제1 감속기
125c: 베어링 하우징 125d: 토크미터
S: 센서 S1: 가속도 센서
S2: 온도 센서
S3: 타코 센서 140: 구동부
141: 구동모터 142: 제2 감속기
160: 발전부 161: 발전기
162: 발전기 인버터 180: 제어부
181: 구동제어부 183: 상태감시부
185: 발전기 제어부

Claims (12)

  1. 실제 풍력터빈의 운전조건을 모사하는 풍력터빈 시뮬레이션 시스템에 있어서,
    표면에 복수 개의 스트레인 센서가 장착된 모사 블레이드와 상기 모사 블레이드가 배치되는 허브를 구비하는 로터 및 상기 로터의 회전 속도를 증감시키고 동력을 전달하는 구동열을 포함하는 풍력터빈 모델부;
    상기 로터를 구동시키는 구동모터를 포함하는 구동부;
    상기 풍력터빈 모델부에서 발생된 회전력을 전기 에너지로 변환시키는 발전기를 포함하는 발전부; 및
    상기 풍력터빈 모델부, 구동부 또는 발전부 중 하나 이상을 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 풍력터빈 모델부의 상기 구동열은,
    상기 모사 블레이드의 회전 속도를 상기 발전부의 발전에 적합한 회전 속도로 회전할 수 있도록 증속시키는 증속기; 및
    상기 로터 및 상기 발전기 사이에 배치되는 제1 감속기를 포함하고,
    상기 구동부는 상기 구동모터 및 상기 로터 사이에 배치되는 제2 감속기를 더 포함하는 풍력터빈 시뮬레이션 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 풍력터빈 모델부의 상기 허브에는 환기구가 형성되는 풍력터빈 시뮬레이션 시스템.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 발전부는 상기 발전기의 회전속도데이터 또는 토크 데이터 중 적어도 하나를 입력받아 상기 제어부로 송수신하는 발전기 인버터를 더 포함하는 풍력터빈 시뮬레이션 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 구동열 및 상기 발전부에는 복수 개의 가속도 센서, 온도 센서 또는 타코 센서(tacho sensor) 중 적어도 하나 이상이 장착되는 풍력터빈 시뮬레이션 시스템.
  6. 삭제
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 구동부의 구동모터의 토크량 또는 상기 풍력터빈 모델부의 상기 모사 블레이드의 피치각을 제어하는 구동 제어부;
    상기 풍력터빈 모델부 및 상기 발전부로부터 토크 데이터, 회전속도 데이터, 각속도 데이터, 온도 데이터 또는 스트레인 데이터를 전송받아 가공 처리하는 상태 감시부; 및
    상기 발전기 인버터로부터 상기 발전기의 회전속도데이터 또는 토크 데이터 중 적어도 하나를 송수신하여 상기 발전기의 생산전력을 제어하는 발전기 제어부를 포함하는 풍력터빈 시뮬레이션 시스템.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 풍력터빈 시뮬레이션 시스템은 상기 실제 풍력터빈에 대하여 하기 [식1]을 만족시키는 것을 특징으로 하는 풍력터빈 시뮬레이션 시스템.
    [식 1]
    Figure 112011068750440-pat00005

    (여기에서, J는 관성모멘트, w는 블레이드 회전속도, P는 정격출력, R은 블레이드의 반지름, v는 정격풍속을 나타냄. 한편, 하첨자 a는 실제 풍력터빈을 의미하고, 하첨자 s는 풍력터빈 시뮬레이션 시스템을 나타냄.)
  9. 제 1항에 따른 풍력터빈 시뮬레이션 시스템을 구동시키기 위한 풍력터빈 시뮬레이션 방법에 있어서,
    모사 블레이드의 피치각 및 발전기 회전속도를 입력받고, 상기 발전기 회전속도를 정격출력에서의 회전속도와 비교하는 제1 단계;
    상기 발전기 회전속도가 상기 정격출력에서의 회전속도 미만인 경우에는, 모사 바람을 생성하고, 상기 모사 바람에 따라 산출되는 모터토크를 기초로 구동모터를 제어하는 제2 단계; 및
    상기 발전기 회전속도가 상기 정격출력에서의 회전속도 이상인 경우에는, 모사 바람을 생성하고, 상기 발전기 회전속도에 따른 상기 모사 블레이드의 피치각 데이터와 상기 모사 바람에 따라 산출되는 모터토크를 기초로 상기 모사 블레이드의 피치각 및 구동모터를 제어하는 제3 단계를 포함하는 풍력터빈 시뮬레이션 방법．
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 모사 바람은 시간영역에서의 상기 모사 블레이드에 작용하는 바람이 생성되는 것인 풍력터빈 시뮬레이션 방법.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 제 ２단계는,
    상기 모사 바람에 대응하는 공력토크를 산출하는 단계;
    로터 관성 전달함수를 이용하여 상기 모사 블레이드의 동특성을 반영하는 모터토크를 산출하는 단계; 및
    상기 모터토크에 기초로 구동모터를 제어하는 단계를 포함하는 풍력터빈 시뮬레이션 방법.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 제 ３단계는,
    상기 발전기 회전속도에 따른 상기 모사 블레이드의 피치각 데이터를 산출하는 단계;
    상기 모사 바람에 대응하는 공력토크를 산출하는 단계;
    로터 관성 전달함수를 이용하여 상기 모사 블레이드의 동특성을 반영하는 제1 모터토크를 산출하는 단계;
    상기 제1 모터토크를 데이터 처리하여, 상기 모사 바람에 따른 상기 모사 블레이드의 피치각 변화를 반영하는 제2 모터토크를 산출하는 단계; 및
    상기 모사 블레이드의 피치각 데이터를 기초로 상기 모사 블레이드의 피치각을 제어하고, 상기 제2 모터토크를 기초로 구동모터를 제어하는 단계를 포함하는 풍력터빈 시뮬레이션 방법.
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