KR101338120B1 - Fault simulator for wind turbine control system, and method of simulating fault of wind turbine control system - Google Patents
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Abstract
풍력발전시스템의 고장 모의시험장치는 발전기를 구동하는 전동기를 포함하는 풍력발전 시스템의 고장 모의시험장치에 관한 것으로, 고장 발생기, 전동기 제어기, 및 발전기 제어기를 포함한다. 고장 발생기는 바람속도 데이터를 고장 발생 데이터 모델을 이용하여 바람속도 정상신호 또는 바람속도 고장신호로 변환하여 발생한다. 전동기 제어기는 바람속도 정상신호에 응답하여 전동기의 회전 속도를 제어한다. 발전기 제어기는 바람속도 정상신호 또는 바람속도 고장신호에 응답하여 발전기의 토크를 제어한다.The failure simulation apparatus for a wind power generation system relates to a failure simulation apparatus for a wind power generation system including an electric motor for driving a generator, and includes a failure generator, an electric motor controller, and a generator controller. The fault generator is generated by converting the wind speed data into a normal wind speed signal or a wind speed fault signal using the fault occurrence data model. The motor controller controls the rotation speed of the motor in response to the wind speed steady signal. The generator controller controls the torque of the generator in response to the wind speed steady signal or the wind speed failure signal.
Description
본 발명은 풍력 발전 시스템(wind power generation system)(풍력 터빈 시스템)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 풍력발전시스템의 고장을 모의하여 시험할 수 있는 장치, 및 풍력발전시스템의 고장 모의시험방법에 관한 것이다.The present invention relates to a wind power generation system (wind power generation system), and more particularly, to a device capable of simulating and testing a failure of a wind power generation system, and a failure simulation method of a wind power generation system. It is about.
일반적으로, 풍력 발전이란 자연의 바람으로 블레이드를 돌리고, 이것을 기어기구 등을 이용하여 속도를 높여 발전기를 돌리는 발전 방식을 의미하며, 이에 따라 풍력 발전이 이루어지는 풍력 발전 설비의 경우 기상 조건에 따라 출력이 상시로 변동하는 특성을 가지게 된다.In general, wind power generation refers to a power generation method in which a blade is rotated by natural wind, and the speed is increased by using a gear mechanism to turn a generator. Accordingly, in the case of a wind power generation facility in which wind power generation is performed, the output is dependent on weather conditions. It has the characteristic of constantly changing.
풍력 발전 시스템은 신재생 에너지 발전 시스템 중에서 가장 급격하게 보급이 이루어지고 있는 에너지원으로 지구 온난화를 방지를 위한 CO2 저감에 있어서 필수적인 발전수단이다.The wind power generation system is the most rapidly spreading energy source among renewable energy generation systems, and is an essential power generation means for reducing CO 2 to prevent global warming.
풍력발전은 바람이 많은 지역에 일정한 고도로 풍력발전기를 설치하여 자연적으로 발생한 바람을 전력으로 변환하는 발전방법이다. 이와 같은 풍력발전은 고유가시대를 맞이하여 경제적 대체에너지로써 대단히 부각되고 있다.Wind power generation is a power generation method that converts naturally generated wind into electricity by installing wind generators at a high level in windy areas. Such wind power generation is emerging as an economical alternative energy in the high oil price era.
상기 풍력발전에 사용되는 대부분의 풍력발전기는 기계구성과 제어구성으로 구분된다. 이 때, 상기 풍력발전기의 기계적 구성은 특정의 위치에 풍력발전기를 설치하기 위한 기초설계구성, 풍력발전기를 일정한 고도로 위치시키기 위한 타워, 바람에 의해 회전하여 발전을 수행하는 블레이드, 허브, 및 기어 등의 여러 구성이 결합된 것이다. 또한, 상기 풍력발전기의 제어구성은 기계구성이 구동함에 따라 전력을 축전하고 기계구성의 구동상태를 상황별로 구분하여 제어하도록 하는 전기 및 전자적인 회로로 구성된다.Most of the wind power generators used in the wind power generation is divided into a mechanical configuration and a control configuration. At this time, the mechanical configuration of the wind turbine is a basic design configuration for installing the wind turbine in a specific position, a tower for positioning the wind generator at a high altitude, blades, hubs, and gears that rotate by wind to generate power The various configurations of are combined. In addition, the control configuration of the wind power generator is composed of electrical and electronic circuits to store power as the mechanical configuration is driven and to control the driving state of the mechanical configuration according to the situation.
특히, 상기 풍력발전기의 제어구성 중 발전기 내부의 구동상태를 상황별로 감지하기 위해 각 기계구성에는 각종 센서가 설치된다. 이와 같은 센서는 풍력발전기 내부의 구동상황을 파악하기 위한 온도센서, 타코(tacho)센서, 또는 유압센서 등이 적용되며, 이들 대부분의 센서는 물리적 부하(stress)가 가장 높은 너셀(nacelle) 내부에 설치된다. 본 발명의 풍력발전시스템의 고장 모의시험장치에 관련되고 상기 풍력발전기를 시뮬레이션 하는 시스템의 일례가, 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0035583호(2011.4.6.) 및 등록특허공보 제10-0930956호(2009.12.02)에 개시(disclosure)되어 있다.In particular, in order to detect the driving state of the inside of the generator of the control configuration of the wind turbine for each situation, various sensors are installed in each machine configuration. Such sensors are applied to temperature sensors, tacho sensors, or hydraulic sensors to detect driving conditions inside the wind turbine, and most of these sensors are located in a nacelle having the highest physical stress. Is installed. An example of a system for simulating the wind turbine generator in relation to the failure simulation apparatus of the wind turbine generator system of the present invention is disclosed in Republic of Korea Patent Publication No. 10-2011-0035583 (2011.4.6.) And Patent Registration No. 10-0930956 It is disclosed in the issue (Dec. 02, 2009).
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 블레이드, 로터, 및 피치 제어기를 대신하는 시험 장치에 고장을 발생시키는 장치(고장 발생기)가 추가로 구성(설치된)된 풍력발전시스템의 고장 모의시험장치, 및 풍력발전시스템의 고장 모의시험방법을 제공하는 것이다.The technical problem to be solved by the present invention is a failure simulation apparatus for a wind power generation system further comprising (installed) a device (failure generator) for generating a failure in a test device in place of a blade, a rotor, and a pitch controller, and It is to provide a simulation method for the failure of wind power generation systems.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전시스템의 고장 모의시험장치는, 발전기를 구동하는 전동기를 포함하는 풍력발전 시스템의 고장 모의시험장치에 관한 것으로서, 바람속도 데이터를 고장 발생 데이터 모델을 이용하여 바람속도 정상신호 또는 바람속도 고장신호로 변환하여 발생하는 고장 발생기; 상기 바람속도 정상신호에 응답하여 상기 전동기의 회전 속도를 제어하는 전동기 제어기; 및 상기 바람속도 정상신호 또는 상기 바람속도 고장신호에 응답하여 상기 발전기의 토크를 제어하는 발전기 제어기를 포함할 수 있다.In order to achieve the above technical problem, the fault simulation apparatus for a wind power generation system according to an embodiment of the present invention relates to a fault simulation apparatus for a wind power generation system including an electric motor for driving a generator, the wind speed data failure A fault generator generated by converting the wind speed steady signal or the wind speed fault signal using the generation data model; An electric motor controller for controlling the rotational speed of the electric motor in response to the wind speed steady signal; And a generator controller controlling torque of the generator in response to the wind speed normal signal or the wind speed failure signal.
상기 바람속도 데이터는 바람속도 생성을 위한 수학적 모델 데이터 또는 실제 바람속도 데이터일 수 있다.The wind speed data may be mathematical model data or actual wind speed data for generating wind speed.
상기 고장 발생기는 상기 전동기의 회전속도를 감지하는 센서 신호를 상기 고장 발생 데이터 모델을 이용하여 전동기 회전속도 정상 신호 또는 전동기 회전속도 고장신호로 변환하여 발생하고, 상기 발전기 제어기는 상기 전동기 회전속도 정상 신호 또는 상기 전동기 회전속도 고장신호에 응답하여 상기 발전기의 토크를 제어할 수 있다.The failure generator is generated by converting a sensor signal for detecting the rotational speed of the motor into a motor rotational speed normal signal or a motor rotational speed failure signal using the failure generation data model, the generator controller is the motor rotational speed normal signal Alternatively, the torque of the generator may be controlled in response to the motor rotation speed failure signal.
상기 고장 발생기는 상기 발전기의 토크를 감지하는 센서 신호를 상기 고장 발생 데이터 모델을 이용하여 발전기 토크 정상 신호 또는 발전기 토크 고장 신호로 변환하여 발생하고, 상기 발전기 제어기는 상기 발전기 토크 정상 신호 또는 상기 발전기 토크 고장 신호에 응답하여 상기 발전기의 토크를 제어할 수 있다.The fault generator is generated by converting a sensor signal detecting the torque of the generator into a generator torque normal signal or a generator torque failure signal using the failure generation data model, and the generator controller generates the generator torque normal signal or the generator torque. The torque of the generator can be controlled in response to the failure signal.
상기 고장 발생기는 상기 발전기의 내부 구동 상태를 센싱(sensing)하는 센서 신호를 상기 고장 발생 데이터 모델을 이용하여 센서 정상 신호 또는 센서 고장 신호로 변환하여 발생하고, 상기 발전기 제어기는 상기 센서 정상 신호 또는 상기 센서 고장 신호에 응답하여 상기 발전기의 토크를 제어할 수 있다.The fault generator is generated by converting a sensor signal for sensing the internal driving state of the generator into a sensor normal signal or a sensor fault signal using the fault generation data model, and the generator controller generates the sensor normal signal or the The torque of the generator may be controlled in response to a sensor failure signal.
상기 고장 발생 데이터 모델은 상기 바람속도 정상 신호, 상기 전동기 회전속도 정상 신호, 상기 발전기 토크 정상 신호, 또는 상기 센서 정상 신호를 포함하는 정상 신호값와 무관하게 상기 바람속도 고장 신호, 상기 전동기 회전속도 고장 신호, 상기 발전기 토크 고장 신호, 또는 상기 센서 고장 신호를 포함하는 고장 신호 값을 상수값으로 설정할 수 있다.The fault occurrence data model includes the wind speed failure signal and the motor rotation speed failure signal irrespective of the normal signal value including the wind speed normal signal, the motor rotation speed normal signal, the generator torque normal signal, or the sensor normal signal. The failure signal value including the generator torque failure signal or the sensor failure signal may be set to a constant value.
상기 고장 발생 데이터 모델은 상기 바람속도 정상 신호, 상기 전동기 회전속도 정상 신호, 상기 발전기 토크 정상 신호, 또는 상기 센서 정상 신호를 포함하는 정상 신호값에 상수값을 더한 값을 상기 바람속도 고장 신호, 상기 전동기 회전속도 고장 신호, 상기 발전기 토크 고장 신호, 또는 상기 센서 고장 신호를 포함하는 고장 신호 값으로 설정할 수 있다.The fault occurrence data model may include a constant value added to a constant signal value including the wind speed normal signal, the motor rotation speed normal signal, the generator torque normal signal, or the sensor normal signal, and the wind speed failure signal. It may be set to a failure signal value including the motor rotation speed failure signal, the generator torque failure signal, or the sensor failure signal.
상기 고장 발생 데이터 모델은 상기 바람속도 정상 신호, 상기 전동기 회전속도 정상 신호, 상기 발전기 토크 정상 신호, 또는 상기 센서 정상 신호를 포함하는 정상 신호값에 상수값을 곱한 값을 상기 바람속도 고장 신호, 상기 전동기 회전속도 고장 신호, 상기 발전기 토크 고장 신호, 또는 상기 센서 고장 신호를 포함하는 고장 신호 값으로 설정할 수 있다.The fault occurrence data model may include the wind speed fault signal, the wind speed normal signal, the motor rotation speed normal signal, the generator torque normal signal, or the normal signal value including the sensor normal signal multiplied by a constant value. It may be set to a failure signal value including the motor rotation speed failure signal, the generator torque failure signal, or the sensor failure signal.
상기 고장 발생 데이터 모델은 상기 바람속도 정상 신호, 상기 전동기 회전속도 정상 신호, 상기 발전기 토크 정상 신호, 또는 상기 센서 정상 신호를 포함하는 정상 신호값에 허용범위 이상의 시간의 변화에 따른 랜덤 신호값을 더한 값을 상기 바람속도 고장 신호, 상기 전동기 회전속도 고장 신호, 상기 발전기 토크 고장 신호, 또는 상기 센서 고장 신호를 포함하는 고장 신호 값으로 설정할 수 있다.The failure occurrence data model may include a random signal value according to a change in time over an allowable range to a normal signal value including the wind speed normal signal, the motor rotation speed normal signal, the generator torque normal signal, or the sensor normal signal. The value may be set to a fault signal value including the wind speed fault signal, the motor rotation speed fault signal, the generator torque fault signal, or the sensor fault signal.
상기 고장 발생기는, 상기 바람속도 데이터, 상기 전동기 회전속도를 감지하는 센서 신호, 상기 발전기 토크를 감지하는 센서 신호, 또는 상기 발전기의 내부 구동 상태를 센싱하는 센서 신호의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기; 상기 아날로그-디지털 변환기로부터 출력되는 디지털 신호를 상기 고장 발생 데이터 모델을 이용하여 디지털 신호 처리하는 디지털 신호 처리 장치; 및 상기 디지털 신호 처리 장치로부터 출력되는 신호를 아날로그 신호로 변환하여 상기 발전기 제어기에 제공하는 디지털-아날로그 변환기를 포함할 수 있다.The fault generator may convert an analog signal of the wind speed data, a sensor signal sensing the motor rotation speed, a sensor signal sensing the generator torque, or a sensor signal sensing the internal driving state of the generator into a digital signal. Analog-to-digital converters; A digital signal processing device for digitally processing the digital signal output from the analog-digital converter by using the failure generation data model; And a digital-to-analog converter for converting a signal output from the digital signal processing device into an analog signal and providing the signal to the generator controller.
상기 고장 발생기는 상기 발전기 제어기로부터 출력되고 상기 풍력발전시스템의 블레이드의 피치각을 조절하는 피치지령에 응답하여, 상기 피치각을 조절하는 피치 액추에이터의 구동과 관련된 정상피치 액추에이터 신호 또는 고장피치 액추에이터 신호를 상기 피치 액추에이터를 모델링한 데이터 모델을 이용하여 발생하고, 상기 발전기 제어기는 상기 정상피치 액추에이터 신호 또는 상기 고장피치 액추에이터 신호에 응답하여 상기 발전기의 토크를 제어할 수 있다.The fault generator outputs a normal pitch actuator signal or fault pitch actuator signal associated with driving the pitch actuator for adjusting the pitch angle in response to a pitch command for outputting from the generator controller and adjusting the pitch angle of the blade of the wind power generation system. The generator may be generated using a data model that models the pitch actuator, and the generator controller may control the torque of the generator in response to the normal pitch actuator signal or the faulty pitch actuator signal.
상기 고장 발생기는 상기 피치 액추에이터의 고장을 모델링한 1차 전달함수 또는 2차 전달함수를 이용하여 상기 고장피치 액추에이터 신호를 발생할 수 있다.The failure generator may generate the failure pitch actuator signal by using a first transfer function or a second transfer function that models a failure of the pitch actuator.
상기 고장 발생기는, 상기 피치 지령의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기; 상기 아날로그-디지털 변환기로부터 출력되는 디지털 신호를 상기 피치 액추에이터를 모델링한 데이터 모델인 전달함수 데이터 모델을 이용하여 디지털 신호 처리하는 디지털 신호 처리 장치; 및 상기 디지털 신호 처리 장치로부터 출력되는 신호를 아날로그 신호로 변환하여 상기 정상피치 액추에이터 신호 또는 상기 고장피치 액추에이터 신호를 상기 발전기 제어기에 제공하는 디지털-아날로그 변환기를 포함할 수 있다.The fault generator may include an analog-digital converter for converting an analog signal of the pitch command into a digital signal; A digital signal processing device for digitally processing the digital signal output from the analog-to-digital converter using a transfer function data model which is a data model that models the pitch actuator; And a digital-to-analog converter for converting the signal output from the digital signal processing apparatus into an analog signal and providing the normal pitch actuator signal or the faulty pitch actuator signal to the generator controller.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전시스템의 고장 모의시험방법은, 발전기를 구동하는 전동기를 포함하는 풍력발전 시스템의 고장 모의시험방법에 관한 것으로서, (a) 고장 발생기가 바람속도 데이터를 고장 발생 데이터 모델을 이용하여 바람속도 정상신호 또는 바람속도 고장신호로 변환하여 발생하는 단계; (b) 전동 제어기가 상기 바람속도 정상신호에 응답하여 상기 전동기의 회전 속도를 제어하는 단계; 및 (c) 상기 발전기 제어기가 상기 바람속도 정상신호 또는 상기 바람속도 고장신호에 응답하여 상기 발전기의 토크를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.In order to achieve the above technical problem, the fault simulation method of the wind power generation system according to the embodiment of the present invention relates to a fault simulation method of a wind power generation system including an electric motor for driving a generator, (a) fault generator Generating wind speed data by converting the wind speed data into a normal wind speed signal or a wind speed failure signal using a failure occurrence data model; (b) the motor controller controlling the rotation speed of the electric motor in response to the wind speed steady signal; And (c) controlling, by the generator controller, torque of the generator in response to the wind speed normal signal or the wind speed failure signal.
본 발명에 따른 풍력발전시스템의 고장 모의시험장치, 및 풍력발전시스템의 고장 모의시험방법은, 블레이드, 로터(rotor), 및 피치 제어기를 대신하는 시험 장치에 고장 발생기를 추가하여 풍력발전기 시험(실험), 알고리즘(풍력발전시스템의 제어를 위한 알고리즘) 개발, 또는 검증(제어 알고리즘의 검증) 등에 사용할 수 있고 특히 풍력발전시스템의 발전기에 포함된 구성요소(예를 들어, 센서)의 고장 상황에서 신뢰성 있는 풍력발전시스템을 개발하는 시험 장치로 사용될 수 있다. 풍력발전량의 증가와 해상풍력발전시스템 보급의 증가로 고장에 강인한 풍력발전시스템 개발이 중요해지고 있으므로 본 발명이 제안하는 장치는 고장에 강인한 풍력발전시스템의 개발 도구가 될 수 있다.The fault simulation apparatus for a wind power generation system and the fault simulation method for a wind power generation system according to the present invention include a fault generator in addition to a blade, a rotor, and a pitch controller in place of a wind generator test. Can be used to develop algorithms (algorithms for control of wind power generation systems), or to verify (validation of control algorithms), especially in the event of failure of components (eg sensors) included in generators of wind power systems. It can be used as a test device for developing wind power generation systems. The development of a wind power generation system that is robust against failures is increasing due to the increase in wind power generation and the increase of offshore wind power generation systems. Therefore, the device proposed by the present invention can be a development tool of a wind power generation system that is robust against failures.
또한 본 발명에 따른 풍력발전시스템의 고장 모의시험장치, 및 풍력발전시스템의 고장 모의시험방법은, 풍력발전시스템의 블레이드 및 로터가 없는 풍력발전시스템의 모의장치에 고장발생기를 추가하여 고장 상황에서 풍력발전시스템의 동작 상태를 확인할 수 있도록 하고, 고장에 강인한 시스템을 설계 및 시험할 수 있도록 할 수 있다.In addition, the fault simulation apparatus of the wind power generation system, and the fault simulation method of the wind power generation system according to the present invention, by adding a fault generator to the simulation apparatus of the wind power generation system without blades and rotors of the wind power generation system, It is possible to check the operation status of the power generation system and to design and test a system that is resistant to failure.
또한 본 발명은, 블레이드 및 로터를 모의(simulation)한 전동기에 연결(결합)된 발전기를 가지는 풍력발전 모의시험 장치(즉, 전동기와 발전기가 하나의 세트(set)로 결합된 구조를 가지는 모의시험 장치)를 포함하므로, 풍력발전기 시험, 알고리즘 개발, 또는 검증 등에 사용할 수 있고 추가적으로 센서 고장 및 피치 액추에이터(pitch actuator) 고장을 계획적으로 발생할 수 있다, 따라서 본 발명은 고장 상황에서 신뢰성있는 풍력 발전시스템을 개발하는 시험 장치로 사용될 수 있다.In addition, the present invention, the wind power simulation device having a generator connected to (coupled) to a motor simulating a blade and a rotor (that is, a simulation having a structure in which the motor and the generator combined in one set) Device, which can be used for wind turbine testing, algorithm development, or verification, and can additionally intentionally generate sensor failures and pitch actuator failures. It can be used as a developing test device.
또한 본 발명의 모의시험 장치는 고장신호 또는 정상신호를 발생시키는 하나의 고장 발생기를 포함하므로, 이 발명은 제조 가격이 저렴하고 소형이며 풍력발전시스템의 발전기 등에 대한 효율적인 시뮬레이션을 수행할 수 있다.In addition, since the simulation apparatus of the present invention includes one fault generator for generating a fault signal or a normal signal, the present invention can perform an efficient simulation of a generator of a wind power generation system, which is inexpensive in manufacturing price and compact.
본 발명의 상세한 설명에서 사용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여, 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 종단속도비(λ)(12)와 피치각(β)에 따른 파워계수(Cp)(11)를 나타내는 그래프(graph)이다.
도 2는 바람 속도(Vwind)로부터 전력(Pgrid)이 발생하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 3은 바람 속도(Vwind)에 따른 풍력 발전기의 출력 제어 영역을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전시스템의 고장 모의시험장치를 설명하는 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 고장 발생기(200)의 실시예를 나타내는 블락 다이어그램(block diagram)이다.
도 6은 도 4에 도시된 고장 발생기(200)의 실시예가 생성하는 고장 신호(고장 값) 또는 정상 신호를 설명하는 블락도이다.
도 7은 도 4에 도시된 고장 발생기(200)의 실시예가 정상 피치 액추에이터 신호 또는 고장 피치 액추에이터 신호를 생성하는 방법을 설명하는 도면이다.In order to more fully understand the drawings used in the detailed description of the invention, a brief description of each drawing is provided.
FIG. 1 is a graph showing the
2 is a diagram illustrating a process of generating power Pgrid from wind speed Vwind.
3 is a view for explaining the output control region of the wind generator according to the wind speed (Vwind).
4 is a view illustrating a failure simulation apparatus for a wind power generation system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a block diagram illustrating an embodiment of the
FIG. 6 is a block diagram illustrating a failure signal (fault value) or a normal signal generated by the embodiment of the
FIG. 7 is a diagram illustrating a method of generating the normal pitch actuator signal or the failure pitch actuator signal by the embodiment of the
본 발명 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는, 본 발명의 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용이 참조되어야 한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS For a better understanding of the present invention and the objects attained by the practice of the invention, reference should be made to the accompanying drawings, which illustrate embodiments of the invention, and to the description in the accompanying drawings.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하는 것에 의해, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 나타낸다.BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings. Like reference numerals in the drawings denote like elements.
풍력 발전 시스템(풍력터빈 시스템)은 바람의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 시스템으로서, 블레이드, 로터, 드라이브 트레인(drive-train)(동력전달장치), 발전기, 피치 조절기(피치 제어기), 및 개별 제어기(예를 들어, 요(yaw) 제어기) 등으로 구성될 수 있다.Wind power generation systems (wind turbine systems) convert wind kinetic energy into electrical energy, which are blades, rotors, drive-trains (power trains), generators, pitch regulators (pitch controllers), and individual Controller (eg, yaw controller) or the like.
발전기 및 발전기 제어기의 개발자가 풍력터빈 시스템을 완벽하게 구비하여 시험하기에는 공간적 또는 경제적으로 어려움이 있어 블레이드 및 로터를 대신하는 전동기로 발전기를 회전시키는 시스템이 사용되고 있다.It is difficult for the developers of generators and generator controllers to fully equip and test the wind turbine system. Therefore, a system for rotating a generator by an electric motor instead of a blade and a rotor is used.
바람에 의해 발생되는 파워(P 또는 Pblade)는 아래의 [수학식1]과 같다.Power generated by the wind (P or Pblade) is shown in
[수학식1][Equation 1]
[수학식1]에서, A는 블레이드(회전날개)의 단면적이고, Vwind는 바람속도(풍속)이고, ρ는 공기밀도이고, Cp는 파워계수이다.In
파워계수(Cp)는 종단속도비(cut-out speed ratio) 와 피치각(β)의 함수로서 블레이드에 따라 다른 값을 가지며 아래의 [수학식2]와 같다. 상기 종단속도비(λ)의 수식에서 R은 로터(회전자)의 반지름이고 Ωr은 로터의 회전속도(회전 각속도)이다. 피치(pitch) 각은 블레이드의 경사각(뒤틀림각)을 의미한다.Power factor (Cp) is the cut-out speed ratio It has a different value depending on the blade as a function of and the pitch angle (β), as shown in Equation 2 below. In the formula of the terminal speed ratio λ, R is the radius of the rotor (rotor) and Ωr is the rotational speed (rotational angular velocity) of the rotor. Pitch angle means the inclination angle (twist angle) of the blade.
[수학식2]&Quot; (2) "
[수학식2]에서, 이고, 이다.In Equation 2, ego, to be.
도 1은 종단속도비(λ)(12)와 피치각(β)에 따른 파워계수(Cp)(11)를 나타내는 그래프(graph)이다.FIG. 1 is a graph showing the
도 1을 참조하면, 도 1은 [수학식2]에서 피치각(β)을 고정한 상태(β= 0도(degree), 5도, 또는 10도)에서 종단속도비(λ)에 따른 파워계수(Cp)를 나타낸 것으로, 참조번호들(13, 14, 15)로 지시(indication)되는 곡선과 같이 피치각(β)이 0 도(degree)일 때 파워계수값(Cp)이 가장 크고 피치각이 5 도(degree) 및 10 도(degree)로 커질수록 파워계수(Cp)가 작아지므로 [수학식1]에서의 파워(P)는 감소된다.Referring to FIG. 1, FIG. 1 shows a power coefficient according to the terminal speed ratio λ in a state in which the pitch angle β is fixed (β = 0 degrees, 5 degrees, or 10 degrees) in [Equation 2]. (Cp), the power coefficient value (Cp) is the largest and the pitch angle when the pitch angle (β) is 0 degrees, such as a curve indicated by reference numerals (13, 14, 15) As the power factor Cp decreases as the degree increases to 5 degrees and 10 degrees, the power P in
피치각(β)이 0 도(degree)일 때 파워계수(Cp)가 최대가 되는 종단속도비(λ)는 8.18이고 그 때의 파워계수(Cp)는 0.49이다. 주어진 파워(P)와 로터의 회전속도(Ωr)에서의 발전기 토크(Tg)는 아래의 [수학식3]과 같다.When the pitch angle β is 0 degrees, the terminal speed ratio λ at which the power coefficient Cp becomes maximum is 8.18, and the power coefficient Cp at that time is 0.49. The generator torque Tg at the given power P and the rotational speed Ωr of the rotor is given by Equation 3 below.
[수학식3]&Quot; (3) "
도 2는 바람 속도(Vwind)로부터 전력(Pgrid)이 발생하는 과정을 나타내는 도면이다.2 is a diagram illustrating a process of generating power Pgrid from wind speed Vwind.
도 2를 참조하면, 수식1(수학식1)에 바람 속도(Vwind) 및 로터의 회전 속도(Ωr)가 입력되면 수식1에 의해 파워(Pblade 또는 P)가 출력(계산)된다.Referring to FIG. 2, when the wind speed Vwind and the rotational speed Ωr of the rotor are input to Equation 1 (Equation 1), power Pblade or P is output (calculated) by
수식3(수학식3)에 파워(Pblade) 및 로터의 회전속도(Ωr)가 제공되면 수식3에 의해 발전기 토크(Tg)가 계산된다. 상기 계산된 발전기 토크(Tg)는 발전기 제어(21)에 이용되고 발전기는 전력(Pgrid)을 발생한다. 전력(Pgrid)은 전력 계통(또는 배전 계통)(미도시)에 공급될 수 있다.When the power Pblade and the rotational speed Ωr of the rotor are provided in Equation 3 (Equation 3), the generator torque Tg is calculated by Equation 3. The calculated generator torque Tg is used for
도 3은 바람 속도(Vwind)에 따른 풍력 발전기의 출력(Pgrid) 제어 영역을 설명하는 도면이다.3 is a view for explaining an output (Pgrid) control region of the wind generator according to the wind speed (Vwind).
도 3을 참조하면, 발전기의 출력 제어 영역 중 제1 영역(31)에서 블레이드의 피치각은 고정 피치각이고 발전기(또는 발전기와 연결된 로터)가 가변 속도인 상태에서 제어되고 일정한 정격 전력(제2 영역(32)의 발전기 출력 전력)을 발생하기 위해 가변해야 할 속도는 아래의 [수학식4]와 같다.Referring to FIG. 3, the pitch angle of the blade in the
[수학식4]&Quot; (4) "
[수학식4]에서, λ0은 [수학식2]의 파워계수(Cp)를 최대로 만드는 값(피치각(β)이 0 도(degree)일 때의 값)으로 8.18이다.In [Equation 4], [lambda] 0 is 8.18, which is the value (maximum value of pitch angle [beta] at 0 degree) that maximizes the power coefficient Cp of [Equation 2].
발전기의 출력 제어 영역 중 제2 영역(32)에서 발전기는 고정 속도를 가지고 블레이드의 피치는 가변 피치인 상태에서 제어된다. 제2 영역(32)에서 전력(Pgrid)을 일정하게 하기 위해, [수학식1]에서 바람속도(Vwind)가 정격 풍속(Vrate)보다 상대적으로 증가하므로 [수학식2]의 파워계수(Cp) 값이 감소되어야 한다. 이를 위해 도 1의 그래프에 도시된 바와 같이 블레이드의 피치각이 커지도록 제어된다. 전술한 피치제어 방식(pitch control)은 블레이드의 피치각을 유압기기 또는 전동기로 제어하여 날개의 변환 효율을 제어하는 방식일 수 있다.In the
도 3에서, 제1 영역(31) 및 제2 영역(32)을 제외한 영역은 발전 개시를 위한 최저풍속(또는 시동 풍속)(Vcut-in) 미만 또는 운전가능 풍속(또는 종단 풍속, 최대 풍속)(Vcut-out)을 초과하는 풍속에 대응하는 영역이고 풍력 터빈의 운전이 정지되는 영역일 수 있다.In FIG. 3, the regions except for the
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전시스템의 고장 모의시험장치를 설명하는 도면이다.4 is a view illustrating a failure simulation apparatus for a wind power generation system according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 풍력발전시스템의 고장 모의시험장치는, 전동기(101), 발전기(102), 고장 발생기(200), 전동기 제어기(300), 및 발전기 제어기(400)를 포함한다. 상기 풍력발전시스템의 고장 모의시험장치는, 예를 들어, 수평축 풍력 발전기의 시뮬레이션에 적용될 수 있다.Referring to FIG. 4, the failure simulation apparatus of the wind power generation system includes an
상기 풍력발전시스템의 고장 모의시험장치는 감속기(103) 및 발전기(104)를 더 포함할 수 있다. 감속기(103)는 예를 들어 치차 감속기로서 발전기(102)의 회전속도를 감소시켜 발전기(104)의 과속(과회전)을 방지하는 기능을 수행할 수 있다.The failure simulation apparatus of the wind power generation system may further include a
발전기(102)는 이중여자방식발전기(이중여자유도 발전기(DFIG, douly-fed induction generator))일 수 있으며, 이중여자방식발전기와 영구자석형 발전기의 극수가 다르기 때문에 발전을 위한 회전수가 서로 차이가 난다. 이를 보상하기 위해서 영구자석형 발전기(104)를 위해 감속기를 설치한다. 예를 들어 이중여자방식발전기의 극수를 4극이라고 할 때 발전을 위한 회전수는 1800[rpm] 이상이고, 영구자석형 발전기의 극수는 통상 이중여자방식발전기 극수보다 많기 때문에 24극으로 가정할 때 300[rpm] 이상에서 발전이 가능하다. 따라서 둘 사이의 극수 차이를 보상하기 위하여 6:1의 감속기를 중간에 설치하여 이중여자 방식 발전기가 1800 [rpm] 이상으로 회전할 때 영구자석 방식 발전기(104)는 300 [rpm] 이상으로 회전하게 한다. 감속기(103) 및 발전기(104)는 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력발전시스템의 고장 모의시험장치에서 제거(생략)될 수 있다.The
전동기(101)와 발전기(102)는 동력전달을 단속하기 위한 동력변환장치(드라이브 트레인)를 통해 연결될 수 있고, 전동기(101)는 발전기(102)를 구동한다. 전동기(101)는, 예를 들어, 직류 전동기 또는 농형 유도 전동기일 수 있고, 발전기(102)는 이중여자방식의 발전기(102)일 수 있다. The
전동기(101)는 풍력 발전 시스템의 블레이드와 로터를 대신한다. 전동기 제어기(전동기 드라이버(driver))(300)는 고장 발생기(200)로부터 제공되는 회전 속도 값(Ωm)(즉, 바람속도 정상신호)에 응답하여 전동기(101)의 회전 속도(전동기 회전자의 회전속도)를 제어한다. 전동기 제어기(300)는 고장 발생기(200)로부터의 속도 지령(명령)에 응답하여 벡터제어(vector control)를 통해(전력소자의 스위칭을 이용하여) 전동기(101)의 고정자 권선 또는 회전자 권선에 투입되는 전류(전류량)를 조절하여 전동기(101)의 속도를 제어한다. 전동기 제어기(300)는 상기 회전 속도값을 수신하여 발전기 제어기(400)에 제공할 수 있다.The
고장 발생기(200)는 제어기로서 풍력발전 시스템 내부의 센서의 고장 또는 피치 액추에이터(pitch actuator)의 고장을 모의(모의시험)할 수 있고, 바람 속도를 생성하여 전동기 제어기(300)로 상기 바람 속도에 대응하는 회전속도 값을 제공한다. 고장 발생기(200)는 전동기 제어기(300)를 통해 전동기(101)에 속도 지령을 한다. 상기 피치 액추에이터는 블레이드의 피치(pitch) 각을 조정(조절)하는 구동장치일 수 있다.The
고장 발생기(200)가 바람속도를 생성하도록, 고장 발생기(200)에는 바람속도 생성을 위한 수학적 모델 데이터(바람속도 데이터 또는 풍속 모델) 또는 실제 바람속도(풍속) 데이터가 입력될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 수학적 모델 데이터 또는 실제 바람속도 데이터는 고장 발생기(200)의 메모리(미도시)에 이미 저장되어 있을 수도 있다. 고장 발생기(200)는 바람속도 데이터를 내장된 고장 발생 데이터 모델을 이용하여 바람속도 정상신호 또는 바람속도 고장신호로 변환하여 발생할 수도 있다.In order for the
고장 발생기(200)는 상기 수학적 모델 데이터 또는 실제 바람속도 데이터를 이용하여 바람 속도(Vwind)를 생성한 후 아래의 [수학식5]를 이용하여 전동기(101)의 회전 속도(Ωm)를 결정한다.The
[수학식5][Equation 5]
도 5는 도 4에 도시된 고장 발생기(200)의 실시예를 나타내는 블락 다이어그램(block diagram)이다.FIG. 5 is a block diagram illustrating an embodiment of the
도 5를 참조하면, 고장 발생기(200)는 A/D(아날로그-디지털 변환기, ADC(analog-to-digital converter))(201), 디지털 신호 처리 장치(DSP: Digital Signal Processor)(202), 및 D/A(디지털-아날로그 변환기, DAC(digital-to-analog converter)(203)를 포함한다.Referring to FIG. 5, the
아날로그-디지털 변환기(201)는 고장 발생기(200)에 입력되는 아날로그 입력 신호를 디지털 신호로 변환한다. 상기 아날로그 입력 신호는, 예를 들어, 바람속도 생성을 위한 수학적 모델 데이터 또는 실제 바람 데이터일 수 있다.The analog-to-
디지털 신호 처리 장치(202)는 아날로그-디지털 변환기(201)로부터 전달되는 디지털 신호를 이용하여 전동기 제어기(300)에 제공되는 회전 속도값(Ωm)을 생성할 수 있다. 디지털 신호 처리 장치(202)는 디지털 필터를 포함할 수 있다.The digital
디지털 신호 처리 장치(202)의 처리 속도는 발전기 제어기(400)의 처리 속도보다 상대적으로 빠르므로, 본 발명의 풍력발전시스템의 고장 모의시험장치에서는 왜곡된 제어 현상이 발생되지 않을 수 있다.Since the processing speed of the digital
디지털-아날로그 변환기(203)는 디지털 신호 처리 장치(202)로부터 출력되는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환한다. 디지털-아날로그 변환기(203)는 회전 속도값(Ωm)에 대응하는 아날로그 신호를 생성하여 전동기 제어기(300)로 전송할 수 있다.The digital-
다시 도 4를 참조하면, 전동기(101)의 회전자가 바람 속도(Vwind)에 따라 [수학식5]에서 계산한 속도로 회전할 때, 발전기 제어기(400)는 도 3에 도시된 시동 풍속(Vcut-in) 이상에서 바람 속도(Vwind)가 제1 영역(31)에 있다면 피치각(β)을 0 도(degree)로 설정하고 토크 레퍼런스(발전기의 토크)를 계산하며 전동기 제어기(300)와 마찬가지로 전력소자의 스위칭을 통해 발전기(102)의 고정자 권선 또는 회전자 권선에 투입되는 전류값을 조절(제어)하여 발전기(102)의 토크를 제어한다.Referring back to FIG. 4, when the rotor of the
발전기 제어기(400)는 바람 속도(Vwind)가 도 3에 도시된 제2 영역(32)에 있다면 발전기(102)의 속도를 일정하게 제어하고 [수학식2]의 파워계수(Cp)에서 피치각(β)을 계산하여 고장 발생기(200)로 피치각 지령값을 전달한다. 고장 발생기(200)는 피치 액추에이터를 모델링한 수식을 통해 피치값(피치각)을 계산하여 발전기 제어기(400)로 전송한다. 발전기 제어기(400)는 블레이드의 피치각을 조절하는 피치 제어기를 대신하여 그 기능을 수행할 수 있다.The
고장 발생기(400)의 고장 발생 기능을 설명하면 다음과 같다. 발전기 제어기(400)는 바람속도(Vwind), 전동기(101)의 회전속도 값(Ωm), 토크 제어 결과인 토크 피드백 센서값(발전기 토크 센서값), 및 피치 액추에이터 모델을 이용하여 계산된 피치각을 수신한다. 토크 피드백 센서(미도시)는 발전기(102)의 내부에 설치될 수 있다.The failure generation function of the
도 6은 도 4에 도시된 고장 발생기(200)의 실시예가 생성하는 고장 신호(고장 값) 또는 정상 신호를 설명하는 블락도이다.FIG. 6 is a block diagram illustrating a failure signal (fault value) or a normal signal generated by the embodiment of the
도 4 및 도 6을 참조하면, 고장 발생기(200)(또는 고장 발생기(200)의 DSP(202))는 고장 발생기(200)의 A/D(도 5의 201)를 통해 바람속도 데이터, 전동기(101)의 회전 속도(Ωm) 아날로그 신호, 및 발전기 토크 센서 신호를 수신하고 상기 수신된 신호들을 내장된 고장 발생 모델링 데이터(고장 발생 데이터 모델)를 이용하여 바람속도 정상신호 또는 바람속도 고장신호와, 전동기 회전속도 정상신호 또는 전동기 회전속도 고장신호와, 발전기 토크 정상신호 또는 발전기 토크 고장신호를 고장 발생기(200)의 D/A(도 5의 203)를 통해 출력한다. 전동기(101)의 회전 속도(Ωm) 아날로그 신호는 전동기(101)에 설치된 회전 속도를 측정하는 센서(미도시)에 의해 발생되는 신호일 수 있다.4 and 6, the failure generator 200 (or the
부연하여 설명하면, 고장 발생기(200)는 바람속도 데이터를 내부의 고장 발생 데이터 모델을 이용하여 바람속도 정상신호 또는 바람속도 고장신호로 변환하여 발생한다. 바람속도 데이터는, 전술한 바와 같이, 바람속도 생성을 위한 수학적 모델 데이터 또는 실제 바람속도 데이터일 수 있다. 상기 고장 발생 데이터 모델은 롬(ROM) 또는 램(RAM)과 같은 저장매체에 구현된 데이터 테이블일 수 있고, 정상신호와 고장신호를 생성하기 위한 룩업 테이블(look-up table)일 수 있다. 전동기 제어기(300)는 상기 바람속도 정상신호(즉, 회전 속도값(Ωm))에 응답하여 전동기(101)의 회전 속도를 제어한다. 발전기 제어기(400)는 바람속도 정상신호 또는 바람속도 고장신호에 응답하여 발전기(102)의 토크를 제어한다.In detail, the
고장 발생기(200)는 전동기(101)의 회전속도를 감지하는 센서 신호를 상기 고장 발생 데이터 모델을 이용하여 전동기 회전속도 정상 신호 또는 전동기 회전속도 고장신호로 변환하여 발생한다. 발전기 제어기(400)는 전동기 회전속도 정상 신호 또는 전동기 회전속도 고장신호에 응답하여 발전기(102)의 토크를 제어한다.The
고장 발생기(200)는 발전기(102)의 토크를 감지하는 센서 신호를 상기 고장 발생 데이터 모델을 이용하여 발전기 토크 정상 신호 또는 발전기 토크 고장 신호로 변환하여 발생한다. 발전기 제어기(400)는 발전기 토크 정상 신호 또는 상기 발전기 토크 고장 신호에 응답하여 발전기(102)의 토크를 제어한다.The
또한 고장 발생기(600)에는 발전기(102)에 설치되는 다른 센서를 위한 센서 스페어 신호들(Spare1 ~ Spare N)이 입력될 수 있다. 상기 다른 센서는, 예를 들어, 발전기(102)에 설치되는 발전기(102)가 구동할 때 발생하는 열을 감지하여 검출하는 서미스터(thermistor)와 같은 온도감지센서, 가속도계(accelerometer), 또는 회전속도계(tachometer)일 수 있다. 고장 발생기(200)는 발전기(102)의 내부 구동 상태(발전기의 내부온도 또는 가속도 등과 같은 내부 동작 상태)를 센싱(sensing)하는 센서 신호(Spare 1 내지 Spare N 중 어느 하나)를 상기 고장 발생 데이터 모델을 이용하여 센서 정상 신호 또는 센서 고장 신호로 변환하여 발생한다. 발전기 제어기(400)는 센서 정상 신호 또는 센서 고장 신호(Spare 1 정상 신호 또는 Spare 1 고장 신호 내지 Spare N 정상 신호 또는 Spare N 고장 신호 중 어느 하나)에 응답하여 발전기(102)의 토크를 제어한다.In addition, the failure generator 600 may receive sensor spare signals Spare1 to Spare N for other sensors installed in the
상기 고장 발생 데이터 모델은 다음과 같은 방법으로 모델링될 수 있다.The failure occurrence data model may be modeled in the following manner.
첫째 방법의 경우, 정상신호를 시간에 따라 변하는 값인 S(t)라고 할 때 고장신호는 일정한 상수값인 Sc 값으로 고정되도록 모델링(설정)한다. 둘째 방법의 경우, 정상신호가 S(t)일 때 고장신호는 S(t)+Soffset 값(즉, 정상신호값에 일정한 오프셋이 더해진 값)이 되도록 모델링한다. 셋째 방법의 경우, 정상신호가 S(t)일 때 고장신호는 S(t)*K 값(즉, 정상신호값에 일정한 이득(K)이 곱해진 값)이 되도록 모델링한다. 넷째 방법의 경우, 정상신호가 S(t)일 때 고장신호는 S(t)+random(t) 값(즉, 정상신호값에 고장을 발생시키기 위한 허용범위 이상의 시간의 변화에 따른 랜덤 신호가 더해진 값)이 되도록 모델링한다.In the first method, when the normal signal is S (t), which is a value that changes over time, the failure signal is modeled (set) to be fixed at a constant constant Sc value. In the second method, when the normal signal is S (t), the failure signal is modeled to be S (t) + Soffset value (that is, a constant offset is added to the normal signal value). In the third method, when the normal signal is S (t), the failure signal is modeled to be an S (t) * K value (ie, a value obtained by multiplying the normal signal value by a constant gain K). In the fourth method, when the normal signal is S (t), the failure signal is a S (t) + random (t) value (i.e., a random signal according to the change of time beyond the allowable range for generating a failure in the normal signal value). Added value).
부연하여 설명하면, 상기 고장 발생 데이터 모델은 상기 바람속도 정상 신호, 상기 전동기 회전속도 정상 신호, 상기 발전기 토크 정상 신호, 또는 상기 센서 정상 신호를 포함하는 정상 신호값와 무관하게 상기 바람속도 고장 신호, 상기 전동기 회전속도 고장 신호, 상기 발전기 토크 고장 신호, 또는 상기 센서 고장 신호를 포함하는 고장 신호 값을 상수값으로 설정할 수 있다.In detail, the failure occurrence data model includes the wind speed failure signal regardless of the normal signal value including the wind speed normal signal, the motor rotation speed normal signal, the generator torque normal signal, or the sensor normal signal. The fault signal value including the motor rotation speed fault signal, the generator torque fault signal, or the sensor fault signal may be set to a constant value.
상기 고장 발생 데이터 모델은 상기 바람속도 정상 신호, 상기 전동기 회전속도 정상 신호, 상기 발전기 토크 정상 신호, 또는 상기 센서 정상 신호를 포함하는 정상 신호값에 상수값을 더한 값을 상기 바람속도 고장 신호, 상기 전동기 회전속도 고장 신호, 상기 발전기 토크 고장 신호, 또는 상기 센서 고장 신호를 포함하는 고장 신호 값으로 설정할 수 있다.The fault occurrence data model may include a constant value added to a constant signal value including the wind speed normal signal, the motor rotation speed normal signal, the generator torque normal signal, or the sensor normal signal, and the wind speed failure signal. It may be set to a failure signal value including the motor rotation speed failure signal, the generator torque failure signal, or the sensor failure signal.
상기 고장 발생 데이터 모델은 상기 바람속도 정상 신호, 상기 전동기 회전속도 정상 신호, 상기 발전기 토크 정상 신호, 또는 상기 센서 정상 신호를 포함하는 정상 신호값에 상수값(이득)을 곱한 값을 상기 바람속도 고장 신호, 상기 전동기 회전속도 고장 신호, 상기 발전기 토크 고장 신호, 또는 상기 센서 고장 신호를 포함하는 고장 신호 값으로 설정할 수 있다.The fault occurrence data model may be configured to multiply a normal signal value including the wind speed normal signal, the motor rotation speed normal signal, the generator torque normal signal, or the sensor normal signal by a constant value (gain) to determine the wind speed failure. It may be set to a failure signal value including a signal, the motor rotation speed failure signal, the generator torque failure signal, or the sensor failure signal.
상기 고장 발생 데이터 모델은 상기 바람속도 정상 신호, 상기 전동기 회전속도 정상 신호, 상기 발전기 토크 정상 신호, 또는 상기 센서 정상 신호를 포함하는 정상 신호값에 허용범위 이상의 시간의 변화에 따른 랜덤 신호값을 더한(가산한) 값을 상기 바람속도 고장 신호, 상기 전동기 회전속도 고장 신호, 상기 발전기 토크 고장 신호, 또는 상기 센서 고장 신호를 포함하는 고장 신호 값으로 설정할 수 있다.The failure occurrence data model may include a random signal value according to a change in time over an allowable range to a normal signal value including the wind speed normal signal, the motor rotation speed normal signal, the generator torque normal signal, or the sensor normal signal. The (added) value may be set to a failure signal value including the wind speed failure signal, the motor rotation speed failure signal, the generator torque failure signal, or the sensor failure signal.
발전기 제어기(400)는 고장 신호 또는 정상 신호(예를 들어, 바람속도 고장 신호 또는 바람속도 정상신호)를 수신하여 내부의 고장 판단 알고리즘을 이용하여 발전기(102)를 도 3에 도시된 출력 제어 영역의 제어방식에 대응되도록 제어할 수 있다.The
도 5 및 도 6을 참조하여 고장 발생기(200)가 정상 신호 및 고장 신호를 발생하는 구성의 실시예가 다음과 같이 설명된다.5 and 6, an embodiment of the configuration in which the
고장 발생기(200)의 아날로그-디지털 변환기(201)는 바람속도 데이터, 전동기 회전속도를 감지하는 센서 신호, 발전기 토크를 감지하는 센서 신호, 또는 발전기의 내부 구동 상태를 센싱(sensing)하는 센서 신호(Spare 1 내지 Spare N 중 어느 하나)의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다.The analog-to-
디지털 신호 처리 장치(202)는 아날로그-디지털 변환기(201)로부터 출력되는 디지털 신호를 상기 고장 발생 데이터 모델을 이용하여 디지털 신호 처리(디지털 연산 처리)한다.The digital
디지털-아날로그 변환기(203)는 디지털 신호 처리 장치(202)로부터 출력되는 신호를 아날로그 신호로 변환하여 상기 변환된 바람속도 정상 신호, 전동기 회전속도 정상 신호, 발전기 토크 정상 신호, 센서 정상 신호, 바람속도 고장 신호, 전동기 회전속도 고장 신호, 발전기 토크 고장 신호, 또는 센서 고장 신호를 발전기 제어기(400)에 제공한다.The digital-to-
도 7은 도 4에 도시된 고장 발생기(200)의 실시예가 정상 피치 액추에이터 신호 또는 고장 피치 액추에이터 신호를 생성하는 방법을 설명하는 도면이다.FIG. 7 is a diagram illustrating a method of generating the normal pitch actuator signal or the failure pitch actuator signal by the embodiment of the
도 7을 참조하면, 고장 발생기(200)는 제1 전달함수 부(transfer function unit)(211), 제2 전달함수 부(212), 제3 전달함수 부(213), 제1 스위치(214), 및 제2 스위치(215)를 포함한다. 제1 전달함수 부(211), 제2 전달함수 부(212), 및 제3 전달함수 부(213)는 롬 또는 램과 같은 저장 매체일 수 있다.Referring to FIG. 7, the
풍력발전 시스템에 포함된 피치 액추에이터는 전동기 또는 유압을 사용하여 동작하는 데 전동기의 고장 또는 유압의 기름 부족 또는 유압 회로 내에 공기 주입과 같은 고장이 발생하면 동일 레퍼런스(동일 액추에이터 구동 신호)에 대해 출력값이 변경되는 현상을 가질 수 있다. 이러한 현상을 고장 발생기(200) 내에서 각각 다른 전달함수로 구현(모델링)할 수 있다.Pitch actuators included in wind power systems operate using motors or hydraulics, and if the motor breaks down or there is a failure such as oil shortage in the hydraulics or air injection into the hydraulic circuit, the output value for the same reference (same actuator drive signal) The phenomenon may be changed. Such a phenomenon may be implemented (modeled) by different transfer functions in the
제1 전달함수 부(211)의 전달함수는 비정상적인(고장) 액추에이터 동작을 2차로 모델링한 값이다. 제2 전달함수 부(212)의 전달함수는 비정상적인 액추에이터 동작을 1차로 모델링한 값이다. 제3 전달함수 부(213)의 전달함수는 정상적인(normal) 액추에이터 동작을 1차로 모델링한 값이다.The transfer function of the first
고장 발생기(200)에 포함된 제어부(미도시)는 제1 및 제2 스위치들(214, 215)을 제어하여 제1 전달함수 및 제2 전달함수 중 하나를 선택하여 고장 피치 액추에이터 신호(고장피치 액추에이터 값)를 생성한 후 정상 피치 액추에이터 값과 비정상(고장) 피치 액추에이터 값을 D/A(도 5의 203)를 통해 발전기 제어기(400)에 전달한다.The controller (not shown) included in the
부연하여 설명하면, 고장 발생기(200)는 발전기 제어기(400)로부터 출력되고 풍력발전시스템의 블레이드의 피치각을 조절하는 피치지령에 응답하여, 상기 피치각을 조절하는 피치 액추에이터의 구동과 관련된 정상피치 액추에이터 신호(정상피치 액추에이터 값) 또는 고장피치 액추에이터 신호(고장피치 액추에이터 값)를, 상기 피치 액추에이터를 수학적으로 모델링한 데이터 모델(예를 들어, 전달함수 데이터 모델)을 이용하여 발생한다. 발전기 제어기(400)는 상기 정상피치 액추에이터 신호 또는 상기 고장피치 액추에이터 신호에 응답하여 도 3에 도시된 출력 제어 영역의 제어방식에 대응되도록 발전기(102)의 토크(발전기 회전자의 토크)를 제어한다.In detail, the
고장 발생기(200)는 상기 피치 액추에이터의 고장을 모델링한 1차 전달함수 또는 2차 전달함수를 이용하여 고장피치 액추에이터 신호를 발생한다.The
도 5 및 도 7을 참조하여 고장 발생기(200)가 정상 신호 및 고장 신호를 발생하는 구성의 실시예가 다음과 같이 설명된다.5 and 7, an embodiment of a configuration in which the
고장 발생기(200)의 아날로그-디지털 변환기(201)는 피치 지령의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다.The analog-to-
디지털 신호 처리 장치(202)는 아날로그-디지털 변환기(201)로부터 출력되는 디지털 신호를 상기 피치 액추에이터를 모델링한 데이터 모델인 전달함수 데이터 모델을 이용하여 디지털 신호 처리한다.The digital
디지털-아날로그 변환기(203)는 디지털 신호 처리 장치(202)로부터 출력되는 신호를 아날로그 신호로 변환하여 상기 변환된 정상피치 액추에이터 신호 또는 고장피치 액추에이터 신호를 발전기 제어기(400)에 제공한다.The digital-to-
전술한 바와 같이, 본 발명은 모터(전동기)와 발전기로 구성된 풍력발전시스템 모의 장치에 추가적인 기능을 하는 고장 발생기를 구비하여 센서의 고장 또는 피치 액추에이터의 고장 등을 모의하고 시험하는 방법을 제안한다. 보다 구체적으로 설명하면, 모터와 발전기로 구성된 풍력발전 모의 장치에 디지털신호처리장치를 가진 제어기(고장 발생기)를 추가적으로 구성하여 정상 센서 신호 또는 정상 피치 액추에이터 동작 신호와 함께 계획된(모델링된) 고장 센서 신호와 고장 피치 액추에이터 신호를 발전기 제어기에 전달한다. 발전기 제어기는 고장 신호 또는 정상 신호를 받아서 그에 상응하는 제어 동작을 수행할 수 있다.As described above, the present invention proposes a method of simulating and testing a failure of a sensor, a failure of a pitch actuator, and the like by including a failure generator having an additional function in a wind power generation system simulation device including a motor and a generator. More specifically, the fault generator signal (modeled) along with the normal sensor signal or the normal pitch actuator operation signal by additionally configuring a controller (failure generator) with a digital signal processing device in the wind power simulation device comprising a motor and a generator. And fault pitch actuator signal to the generator controller. The generator controller may receive a fault signal or a normal signal and perform a corresponding control operation.
이상에서와 같이, 도면과 명세서에서 실시예가 개시되었다. 여기서, 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이며 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명으로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.As described above, the embodiments have been disclosed in the drawings and specification. Although specific terms are used herein, they are used for the purpose of describing the present invention only and are not used to limit the scope of the present invention described in the claims or the claims. Therefore, it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent embodiments are possible from the present invention. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.
101: 전동기
102: 발전기
200: 고장 발생기
201: A/D
202: DSP
203: D/A
211: 제1 전달함수 부
212: 제2 전달함수부
213: 제3 전달함수부
214: 제1 스위치
215: 제2 스위치
300: 전동기 제어기
400: 발전기 제어기101: electric motor
102: generator
200: fault generator
201: A / D
202: DSP
203: D / A
211: first transfer function part
212: second transfer function
213: third transfer function
214: first switch
215: second switch
300: motor controller
400: generator controller
Claims (14)
바람속도 데이터를 고장 발생 데이터 모델을 이용하여 바람속도 정상신호 또는 바람속도 고장신호로 변환하여 발생하는 고장 발생기;
상기 바람속도 정상신호에 응답하여 상기 전동기의 회전 속도를 제어하는 전동기 제어기; 및
상기 바람속도 정상신호 또는 상기 바람속도 고장신호에 응답하여 상기 발전기의 토크를 제어하는 발전기 제어기를 포함하며,
상기 고장 발생기는 상기 전동기의 회전속도를 감지하는 센서 신호를 상기 고장 발생 데이터 모델을 이용하여 전동기 회전속도 정상 신호 또는 전동기 회전속도 고장신호로 변환하여 발생하고,
상기 발전기 제어기는 상기 전동기 회전속도 정상 신호 또는 상기 전동기 회전속도 고장신호에 응답하여 상기 발전기의 토크를 제어하는 풍력발전시스템의 고장 모의시험장치.In the failure simulation apparatus of the wind power generation system including an electric motor driving a generator,
A failure generator generated by converting the wind speed data into a wind speed steady signal or a wind speed failure signal using a failure occurrence data model;
An electric motor controller for controlling the rotational speed of the electric motor in response to the wind speed steady signal; And
And a generator controller controlling torque of the generator in response to the wind speed normal signal or the wind speed failure signal.
The failure generator is generated by converting a sensor signal for detecting the rotational speed of the motor into a motor rotational speed normal signal or a motor rotational speed failure signal using the failure occurrence data model,
The generator controller is a failure simulation apparatus of the wind power generation system for controlling the torque of the generator in response to the motor speed normal signal or the motor speed error signal.
상기 바람속도 데이터는 바람속도 생성을 위한 수학적 모델 데이터 또는 실제 바람속도 데이터인 풍력발전시스템의 고장 모의시험장치.The method of claim 1,
The wind speed data is a fault simulation apparatus for a wind power generation system that is a mathematical model data or actual wind speed data for generating wind speed.
바람속도 데이터를 고장 발생 데이터 모델을 이용하여 바람속도 정상신호 또는 바람속도 고장신호로 변환하여 발생하는 고장 발생기;
상기 바람속도 정상신호에 응답하여 상기 전동기의 회전 속도를 제어하는 전동기 제어기; 및
상기 바람속도 정상신호 또는 상기 바람속도 고장신호에 응답하여 상기 발전기의 토크를 제어하는 발전기 제어기를 포함하며,
상기 고장 발생기는 상기 발전기의 토크를 감지하는 센서 신호를 상기 고장 발생 데이터 모델을 이용하여 발전기 토크 정상 신호 또는 발전기 토크 고장 신호로 변환하여 발생하고,
상기 발전기 제어기는 상기 발전기 토크 정상 신호 또는 상기 발전기 토크 고장 신호에 응답하여 상기 발전기의 토크를 제어하는 풍력발전시스템의 고장 모의시험장치.In the failure simulation apparatus of the wind power generation system including an electric motor driving a generator,
A failure generator generated by converting the wind speed data into a wind speed steady signal or a wind speed failure signal using a failure occurrence data model;
An electric motor controller for controlling the rotational speed of the electric motor in response to the wind speed steady signal; And
And a generator controller controlling torque of the generator in response to the wind speed normal signal or the wind speed failure signal.
The failure generator is generated by converting a sensor signal for detecting the torque of the generator into a generator torque normal signal or a generator torque failure signal using the failure generation data model,
The generator controller is a failure simulation apparatus of the wind power generation system for controlling the torque of the generator in response to the generator torque normal signal or the generator torque failure signal.
바람속도 데이터를 고장 발생 데이터 모델을 이용하여 바람속도 정상신호 또는 바람속도 고장신호로 변환하여 발생하는 고장 발생기;
상기 바람속도 정상신호에 응답하여 상기 전동기의 회전 속도를 제어하는 전동기 제어기; 및
상기 바람속도 정상신호 또는 상기 바람속도 고장신호에 응답하여 상기 발전기의 토크를 제어하는 발전기 제어기를 포함하며,
상기 고장 발생기는 상기 발전기의 내부 구동 상태를 센싱(sensing)하는 센서 신호를 상기 고장 발생 데이터 모델을 이용하여 센서 정상 신호 또는 센서 고장 신호로 변환하여 발생하고,
상기 발전기 제어기는 상기 센서 정상 신호 또는 상기 센서 고장 신호에 응답하여 상기 발전기의 토크를 제어하는 풍력발전시스템의 고장 모의시험장치.In the failure simulation apparatus of the wind power generation system including an electric motor driving a generator,
A failure generator generated by converting the wind speed data into a wind speed steady signal or a wind speed failure signal using a failure occurrence data model;
An electric motor controller for controlling the rotational speed of the electric motor in response to the wind speed steady signal; And
And a generator controller controlling torque of the generator in response to the wind speed normal signal or the wind speed failure signal.
The fault generator is generated by converting a sensor signal sensing the internal driving state of the generator into a sensor normal signal or a sensor fault signal using the fault occurrence data model,
The generator controller is a failure simulation apparatus of the wind power generation system for controlling the torque of the generator in response to the sensor normal signal or the sensor failure signal.
상기 고장 발생 데이터 모델은 상기 바람속도 정상 신호, 상기 전동기 회전속도 정상 신호, 상기 발전기 토크 정상 신호, 또는 상기 센서 정상 신호를 포함하는 정상 신호값와 무관하게 상기 바람속도 고장 신호, 상기 전동기 회전속도 고장 신호, 상기 발전기 토크 고장 신호, 또는 상기 센서 고장 신호를 포함하는 고장 신호 값을 상수값으로 설정하는 풍력발전시스템의 고장 모의시험장치.The method according to any one of claims 1, 2, 4, and 5,
The fault occurrence data model includes the wind speed failure signal and the motor rotation speed failure signal irrespective of the normal signal value including the wind speed normal signal, the motor rotation speed normal signal, the generator torque normal signal, or the sensor normal signal. And a failure simulation apparatus for a wind power generation system that sets a failure signal value including the generator torque failure signal or the sensor failure signal to a constant value.
상기 고장 발생 데이터 모델은 상기 바람속도 정상 신호, 상기 전동기 회전속도 정상 신호, 상기 발전기 토크 정상 신호, 또는 상기 센서 정상 신호를 포함하는 정상 신호값에 상수값을 더한 값을 상기 바람속도 고장 신호, 상기 전동기 회전속도 고장 신호, 상기 발전기 토크 고장 신호, 또는 상기 센서 고장 신호를 포함하는 고장 신호 값으로 설정하는 풍력발전시스템의 고장 모의시험장치.The method according to any one of claims 1, 2, 4, and 5,
The fault occurrence data model may include a constant value added to a constant signal value including the wind speed normal signal, the motor rotation speed normal signal, the generator torque normal signal, or the sensor normal signal, and the wind speed failure signal. A fault simulation apparatus for a wind power generation system that sets a fault signal value including a motor rotation speed fault signal, the generator torque fault signal, or the sensor fault signal.
상기 고장 발생 데이터 모델은 상기 바람속도 정상 신호, 상기 전동기 회전속도 정상 신호, 상기 발전기 토크 정상 신호, 또는 상기 센서 정상 신호를 포함하는 정상 신호값에 상수값을 곱한 값을 상기 바람속도 고장 신호, 상기 전동기 회전속도 고장 신호, 상기 발전기 토크 고장 신호, 또는 상기 센서 고장 신호를 포함하는 고장 신호 값으로 설정하는 풍력발전시스템의 고장 모의시험장치.The method according to any one of claims 1, 2, 4, and 5,
The fault occurrence data model may include the wind speed fault signal, the wind speed normal signal, the motor rotation speed normal signal, the generator torque normal signal, or the normal signal value including the sensor normal signal multiplied by a constant value. A fault simulation apparatus for a wind power generation system that sets a fault signal value including a motor rotation speed fault signal, the generator torque fault signal, or the sensor fault signal.
상기 고장 발생 데이터 모델은 상기 바람속도 정상 신호, 상기 전동기 회전속도 정상 신호, 상기 발전기 토크 정상 신호, 또는 상기 센서 정상 신호를 포함하는 정상 신호값에 시간의 변화에 따른 랜덤 신호값을 더한 값을 상기 바람속도 고장 신호, 상기 전동기 회전속도 고장 신호, 상기 발전기 토크 고장 신호, 또는 상기 센서 고장 신호를 포함하는 고장 신호 값으로 설정하는 풍력발전시스템의 고장 모의시험장치.The method according to any one of claims 1, 2, 4, and 5,
The failure occurrence data model may be configured to add a random signal value according to a change of time to a normal signal value including the wind speed normal signal, the motor rotation speed normal signal, the generator torque normal signal, or the sensor normal signal. A fault simulation apparatus for a wind power generation system that sets a fault signal value including a wind speed fault signal, the motor rotation speed fault signal, the generator torque fault signal, or the sensor fault signal.
상기 고장 발생기는,
상기 바람속도 데이터, 상기 전동기 회전속도를 감지하는 센서 신호, 상기 발전기 토크를 감지하는 센서 신호, 또는 상기 발전기의 내부 구동 상태를 센싱하는 센서 신호의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기;
상기 아날로그-디지털 변환기로부터 출력되는 디지털 신호를 상기 고장 발생 데이터 모델을 이용하여 디지털 신호 처리하는 디지털 신호 처리 장치; 및
상기 디지털 신호 처리 장치로부터 출력되는 신호를 아날로그 신호로 변환하여 상기 발전기 제어기에 제공하는 디지털-아날로그 변환기를 포함하는 풍력발전시스템의 고장 모의시험장치.The method according to any one of claims 1, 2, 4, and 5,
The fault generator,
An analog-to-digital converter configured to convert an analog signal of the wind speed data, a sensor signal sensing the motor rotation speed, a sensor signal sensing the generator torque, or a sensor signal sensing the internal driving state of the generator into a digital signal;
A digital signal processing device for digitally processing the digital signal output from the analog-digital converter by using the failure generation data model; And
And a digital-to-analog converter for converting a signal output from the digital signal processing device into an analog signal and providing it to the generator controller.
바람속도 데이터를 고장 발생 데이터 모델을 이용하여 바람속도 정상신호 또는 바람속도 고장신호로 변환하여 발생하는 고장 발생기;
상기 바람속도 정상신호에 응답하여 상기 전동기의 회전 속도를 제어하는 전동기 제어기; 및
상기 바람속도 정상신호 또는 상기 바람속도 고장신호에 응답하여 상기 발전기의 토크를 제어하는 발전기 제어기를 포함하며,
상기 고장 발생기는 상기 발전기 제어기로부터 출력되고 상기 풍력발전시스템의 블레이드의 피치각을 조절하는 피치지령에 응답하여, 상기 피치각을 조절하는 피치 액추에이터의 구동과 관련된 정상피치 액추에이터 신호 또는 고장피치 액추에이터 신호를 상기 피치 액추에이터를 모델링한 데이터 모델을 이용하여 발생하고,
상기 발전기 제어기는 상기 정상피치 액추에이터 신호 또는 상기 고장피치 액추에이터 신호에 응답하여 상기 발전기의 토크를 제어하는 풍력발전시스템의 고장 모의시험장치.In the failure simulation apparatus of the wind power generation system including an electric motor driving a generator,
A failure generator generated by converting the wind speed data into a wind speed steady signal or a wind speed failure signal using a failure occurrence data model;
An electric motor controller for controlling the rotational speed of the electric motor in response to the wind speed steady signal; And
And a generator controller controlling torque of the generator in response to the wind speed normal signal or the wind speed failure signal.
The fault generator outputs a normal pitch actuator signal or fault pitch actuator signal associated with driving the pitch actuator for adjusting the pitch angle in response to a pitch command for outputting from the generator controller and adjusting the pitch angle of the blade of the wind power generation system. Generated using a data model modeling the pitch actuator,
The generator controller is a failure simulation apparatus of the wind power generation system for controlling the torque of the generator in response to the normal pitch actuator signal or the faulty pitch actuator signal.
상기 고장 발생기는 상기 피치 액추에이터의 고장을 모델링한 1차 전달함수 또는 2차 전달함수를 이용하여 상기 고장피치 액추에이터 신호를 발생하는 풍력발전시스템의 고장 모의시험장치.12. The method of claim 11,
The fault generator is a failure simulation apparatus of the wind power generation system for generating the fault pitch actuator signal using a first transfer function or a second transfer function modeling the failure of the pitch actuator.
상기 고장 발생기는,
상기 피치 지령의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기;
상기 아날로그-디지털 변환기로부터 출력되는 디지털 신호를 상기 피치 액추에이터를 모델링한 데이터 모델인 전달함수 데이터 모델을 이용하여 디지털 신호 처리하는 디지털 신호 처리 장치; 및
상기 디지털 신호 처리 장치로부터 출력되는 신호를 아날로그 신호로 변환하여 상기 정상피치 액추에이터 신호 또는 상기 고장피치 액추에이터 신호를 상기 발전기 제어기에 제공하는 디지털-아날로그 변환기를 포함하는 풍력발전시스템의 고장 모의시험장치.12. The method of claim 11,
The fault generator,
An analog-digital converter for converting the analog signal of the pitch command into a digital signal;
A digital signal processing device for digitally processing the digital signal output from the analog-to-digital converter using a transfer function data model which is a data model that models the pitch actuator; And
And a digital-to-analog converter for converting the signal output from the digital signal processing device into an analog signal and providing the normal pitch actuator signal or the faulty pitch actuator signal to the generator controller.
(a) 고장 발생기가 바람속도 데이터를 고장 발생 데이터 모델을 이용하여 바람속도 정상신호 또는 바람속도 고장신호로 변환하여 발생하는 단계;
(b) 전동기 제어기가 상기 바람속도 정상신호에 응답하여 상기 전동기의 회전 속도를 제어하는 단계; 및
(c) 발전기 제어기가 상기 바람속도 정상신호 또는 상기 바람속도 고장신호에 응답하여 상기 발전기의 토크를 제어하는 단계를 포함하며,
상기 고장 발생기는 상기 전동기의 회전속도를 감지하는 센서 신호를 상기 고장 발생 데이터 모델을 이용하여 전동기 회전속도 정상 신호 또는 전동기 회전속도 고장신호로 변환하여 발생하고,
상기 발전기 제어기는 상기 전동기 회전속도 정상 신호 또는 상기 전동기 회전속도 고장신호에 응답하여 상기 발전기의 토크를 제어하는 풍력발전시스템의 고장 모의시험방법.In the failure simulation method of a wind power generation system including an electric motor driving a generator,
(a) generating, by the fault generator, converting the wind speed data into a wind speed steady signal or a wind speed failure signal using the failure occurrence data model;
(b) a motor controller controlling the rotation speed of the motor in response to the wind speed steady signal; And
(c) a generator controller controlling torque of the generator in response to the wind speed normal signal or the wind speed failure signal;
The failure generator is generated by converting a sensor signal for detecting the rotational speed of the motor into a motor rotational speed normal signal or a motor rotational speed failure signal using the failure occurrence data model,
And the generator controller controls the torque of the generator in response to the motor rotation speed normal signal or the motor rotation speed failure signal.
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