KR101485346B1 - 가변속 풍력터빈의 특성 파라미터를 산출하기 위한 장치 및 그 방법 - Google Patents

가변속 풍력터빈의 특성 파라미터를 산출하기 위한 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 가변속 풍력터빈의 특성 파라미터를 산출하기 위한 장치 및 그 방법이 개시된다.
본 발명에 따른 가변속 풍력터빈의 특성 파라미터를 산출하기 위한 장치는 풍력 터빈의 기본 데이터와 풍속별 출력 데이터를 입력 받고, 입력 받은 상기 풍력 터빈의 기본 데이터와 상기 풍속별 출력 데이터를 기반으로 풍속별 출력 계수를 계산하는 출력계수 계산부; 계산된 상기 풍속별 출력 계수를 이용하여 풍속별 회전 속도를 계산하는 회전속도 계산부; 계산된 상기 풍속별 회전 속도를 기반으로 풍속별 토크 및 주속비를 계산하는 토크/주속비 계산부; 상기 계산된 정보들을 이용하여 풍력터빈 출력계수의 특성 상수를 산출하는 특성상수 산출부; 및 상기 계산된 정보들을 이용하여 각 풍속에 대한 피치각을 계산하는 피치각 계산부를 포함한다.

Description

가변속 풍력터빈의 특성 파라미터를 산출하기 위한 장치 및 그 방법{APPARATUS FOR ESTIMATING CHARACTERISTIC PARAMETERS OF VARIABLE SPEED WIND TURBINE AND METHOD THEREOF}
본 발명은 특성 파라미터 산출 방법에 관한 것으로, 특히, 풍력 터빈의 기본 데이터와 풍속별 출력 데이터를 입력 받고, 입력 받은 상기 풍력 터빈의 기본 데이터와 상기 풍속별 출력 데이터를 기반으로 상세 모델링을 위한 특성 파라미터를 산출하도록 하는 가변속 풍력터빈의 특성 파라미터를 산출하기 위한 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
풍력 발전시스템을 설치 운전하기에 앞서 시스템의 응동 특성을 해석하여 다른 부하 또는 전원 또는 연계되는 전력계통에 영향이 있는지를 분석하는 것은 필수적이며, 많은 전력 회사에서는 이를 위하여 풍력 발전기의 해석 모델과 파라미터를 제공하도록 요구하고 있다.
그러나 풍력 발전시스템의 특성 변수들은 매우 다양하며, 공기역학적 기계적 및 전기적 특성이 결합되어 풍력터빈의 정확한 출력특성 파라미터를 산출하기는 매우 어렵다.
본 발명의 배경기술은 일본 공개특허공보 특개2007-162697호(2007.06.28)에 개시되어 있다
따라서 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 풍력 터빈의 기본 데이터와 풍속별 출력 데이터를 입력 받고, 입력 받은 상기 풍력 터빈의 기본 데이터와 상기 풍속별 출력 데이터를 기반으로 상세 모델링을 위한 특성 파라미터를 산출하도록 하는 가변속 풍력터빈의 특성 파라미터를 산출하기 위한 장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.
그러나 본 발명의 목적은 상기에 언급된 사항으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 한 관점에 따른 가변속 풍력터빈의 특성 파라미터를 산출하기 위한 장치는 풍력 터빈의 기본 데이터와 풍속별 출력 데이터를 입력 받고, 입력 받은 상기 풍력 터빈의 기본 데이터와 상기 풍속별 출력 데이터를 기반으로 풍속별 출력 계수를 계산하는 출력계수 계산부; 계산된 상기 풍속별 출력 계수를 이용하여 풍속별 회전 속도를 계산하는 회전속도 계산부; 계산된 상기 풍속별 회전 속도를 기반으로 풍속별 토크 및 주속비를 계산하는 토크/주속비 계산부; 상기 계산된 정보들을 이용하여 풍력터빈 출력계수의 특성 상수를 산출하는 특성상수 산출부; 및 상기 계산된 정보들을 이용하여 각 풍속에 대한 피치각을 계산하는 피치각 계산부를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 출력계수 계산부는 상기 풍속별 출력계수 CP를 다음의 수학식
Figure 112012094388829-pat00001
에 의해 구하고, 여기서, 상기 PM은 풍력 터빈 기계 출력을 나타내고, 상기 ρ는 공기 밀도를 나타내며, 상기 R은 블레이드 반지름을 나타내며, 그리고 상기 VWIND는 풍속을 나타내는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 회전속도 계산부는 계산된 상기 풍속별 출력 계수를 이용하여 풍력 터빈의 출력 제어 구간을 구분하고, 구분된 상기 각 출력제어 구간의 경계 지점의 터빈 속도를 설정하여 설정된 상기 경계 지점의 터빈 속도를 기반으로 각 출력제어 구간의 풍속별 회전 속도를 계산하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 회전속도 계산부는 입력 받은 상기 풍력터빈 기본 데이터와 계산된 상기 풍속별 출력계수를 이용하여 출력제어 구간을 구분하되, 정격 풍속 이상의 구간은 정격출력 제어 구간, 출력계수가 최대출력계수 부근인 풍속 구간은 최대출력제어 구간, 최대출력제어구간보다 낮은 풍속 구간은 정속제어 구간, 정격출력제어 구간과 최대 출력제어 구간 사이는 정속제어 구간으로 구분하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 토크/주속비 계산부는 상기 풍속별 토크 TM를 다음의 수학식
Figure 112012094388829-pat00002
에 의해 구하고, 상기 주속비 λ를 다음의 수학식
Figure 112012094388829-pat00003
에 의해 구하며, 여기서, 상기 PM은 풍력 터빈 기계 출력을 나타내고, 상기 VWIND는 풍속을 나타내며, 상기 R은 블레이드 반지름을 나타내며, 상기 ωM은 풍력터빈 회전속도를 나타내는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 특성상수 산출부는 상기 특성 상수 C1, C2, C3, C4, C5를 다음의 수학식
Figure 112012094388829-pat00004
에 의해 구하고, 여기서, 상기 CP는 풍력터빈 출력계수를 나타내고, 상기 CP , MAX는 최대출력 계수를 나타내며, 상기 β는 피치각을 나타내며, 그리고 상기 λ는 주속비를 나타내는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 한 관점에 따른 가변속 풍력터빈의 특성 파라미터를 산출하기 위한 방법은 풍력 터빈의 기본 데이터와 풍속별 출력 데이터를 입력 받고, 입력 받은 상기 풍력 터빈의 기본 데이터와 상기 풍속별 출력 데이터를 기반으로 풍속별 출력 계수를 계산하는 출력계수 계산단계; 계산된 상기 풍속별 출력 계수를 이용하여 풍속별 회전 속도를 계산하는 회전속도 계산단계; 계산된 상기 풍속별 회전 속도를 기반으로 풍속별 토크 및 주속비를 계산하는 토크/주속비 계산단계; 상기 계산된 정보들을 이용하여 풍력터빈 출력계수의 특성 상수를 산출하는 특성상수 산출단계; 및 상기 계산된 정보들을 이용하여 각 풍속에 대한 피치각을 계산하는 피치각 계산단계를 포함한다.
바람직하게, 상기 출력계수 계산단계는 상기 풍속별 출력계수 CP를 다음의 수학식
Figure 112012094388829-pat00005
에 의해 구하고, 여기서, 상기 PM은 풍력 터빈 기계 출력을 나타내고, 상기 ρ는 공기 밀도를 나타내며, 상기 R은 블레이드 반지름을 나타내며, 그리고 상기 VWIND는 풍속을 나타내는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 회전속도 계산단계는 계산된 상기 풍속별 출력 계수를 이용하여 풍력 터빈의 출력 제어 구간을 구분하고, 구분된 상기 각 출력제어 구간의 경계 지점의 터빈 속도를 설정하여 설정된 상기 경계 지점의 터빈 속도를 기반으로 각 출력제어 구간의 풍속별 회전 속도를 계산하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 회전속도 계산단계는 입력 받은 상기 풍력터빈 기본 데이터와 계산된 상기 풍속별 출력계수를 이용하여 출력제어 구간을 구분하되, 정격 풍속 이상의 구간은 정격출력 제어 구간, 출력계수가 최대출력계수 부근인 풍속 구간은 최대출력제어 구간, 최대출력제어구간보다 낮은 풍속 구간은 정속제어 구간, 정격출력제어 구간과 최대 출력제어 구간 사이는 정속제어 구간으로 구분하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 토크/주속비 계산단계는 상기 풍속별 토크 TM를 다음의 수학식
Figure 112012094388829-pat00006
에 의해 구하고, 상기 주속비 λ를 다음의 수학식
Figure 112012094388829-pat00007
에 의해 구하며, 여기서, 상기 PM은 풍력 터빈 기계 출력을 나타내고, 상기 VWIND는 풍속을 나타내며, 상기 R은 블레이드 반지름을 나타내며, 상기 ωM은 풍력터빈 회전속도를 나타내는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 특성상수 산출단계는 상기 특성 상수 C1, C2, C3, C4, C5를 다음의 수학식
Figure 112012094388829-pat00008
에 의해 구하고, 여기서, 상기 CP는 풍력터빈 출력계수를 나타내고, 상기 CP , MAX는 최대출력 계수를 나타내며, 상기 β는 피치각을 나타내며, 그리고 상기 λ는 주속비를 나타내는 것을 특징으로 한다.
이를 통해, 본 발명은 풍력 터빈의 기본 데이터와 풍속별 출력 데이터를 입력 받고, 입력 받은 상기 풍력 터빈의 기본 데이터와 상기 풍속별 출력 데이터를 기반으로 상세 모델링을 위한 특성 파라미터를 산출하도록 함으로써, 실제 고가의 측정 장비들을 이용하여 측정하는 경우에 비하여 막대한 비용과 시간을 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 정확한 모델링을 위한 특성 파라미터를 제공하기 때문에 풍력터빈의 안정적인 계통연계를 위한 모의 및 해석의 정확도를 높일 수 있을 뿐 아니라 이로 인하여 비용 효율적인 시스템 설계 및 운전이 가능할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 특성 파라미터를 산출하기 위한 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 특성 파라미터를 산출하기 위한 방법을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈의 기본 데이터를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예 따른 풍속별 출력 데이터를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변속 풍력터빈 출력도를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 산출된 특성 파라미터를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 산출된 출력계수 특성식으로 계산된 값을 보여주는 도면이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 가변속 풍력터빈의 특성 파라미터를 산출하기 위한 장치 및 그 방법을 첨부한 도 1 내지 도 7을 참조하여 설명한다. 본 발명에 따른 동작 및 작용을 이해하는데 필요한 부분을 중심으로 상세히 설명한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 동일한 명칭의 구성 요소에 대하여 도면에 따라 다른 참조부호를 부여할 수도 있으며, 서로 다른 도면임에도 불구하고 동일한 참조부호를 부여할 수도 있다. 그러나, 이와 같은 경우라 하더라도 해당 구성 요소가 실시예에 따라 서로 다른 기능을 갖는다는 것을 의미하거나, 서로 다른 실시예에서 동일한 기능을 갖는다는 것을 의미하는 것은 아니며, 각각의 구성 요소의 기능은 해당 실시예에서의 각각의 구성요소에 대한 설명에 기초하여 판단하여야 할 것이다.
특히, 본 발명은 풍력 터빈의 기본 데이터와 풍속별 출력 데이터를 입력 받고, 입력 받은 상기 풍력 터빈의 기본 데이터와 상기 풍속별 출력 데이터를 기반으로 상세 모델링을 위한 특성 파라미터를 산출하도록 하는 새로운 방안을 제안한다. 즉, 본 발명에서는 형발전기 제조업체에서 제시하는 기본 특성 데이터를 바탕으로, 풍력터빈의 기계 및 전기적 특성과 출력제어 특성을 고려하여 풍력터빈의 출력계수식의 상수들 및 피치제어각 등의 핵심 파라미터를 산출하는 방법을 안출한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 특성 파라미터를 산출하기 위한 장치를 나타내는 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 특성 파라미터를 산출하기 위한 장치는 출력계수 계산부(110), 회전속도 계산부(120), 토크/주속비 계산부(130), 특성상수 산출부(140), 및 피치각 계산부(150) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
출력계수 계산부(110)는 풍력 터빈의 기본 데이터와 풍속별 출력 데이터를 입력 받고, 입력 받은 풍력 터빈의 기본 데이터와 풍속별 출력 데이터를 기반으로 풍속별 출력 계수를 계산할 수 있다.
회전속도 계산부(120)는 계산된 풍속별 출력 계수를 이용하여 풍력 터빈의 출력 제어 구간을 구분하고, 그 구분된 각 출력제어 구간의 경계 지점의 터빈 속도를 설정하고, 이를 기반으로 각 출력제어 구간의 풍속별 회전 속도를 계산할 수 있다.
토크/주속비 계산부(130)는 계산된 풍속별 회전 속도를 기반으로 풍속별 토크 및 주속비를 계산할 수 있다.
특성상수 산출부(140)는 계산된 정보를 이용하여 풍력터빈 출력계수의 특성 상수를 산출할 수 있다.
피치각 계산부(150)는 계산된 정보를 이용하여 각 풍속에 대한 피치각(pitch angle)을 계산할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 특성 파라미터를 산출하기 위한 방법을 나타내는 도면이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 특성 파라미터를 산출하기 위한 장치(이하 산출 장치라고 한다)는 풍력 터빈의 기본 데이터와 풍속별 출력 데이터를 입력 받을 수 있다(S210).
이때, 풍력 터빈의 기본 데이터는 제품 카다로그 등에서 손쉽게 얻을 수 있고 풍속별 출력 데이터는 제조업체에서 제공 받을 수 있는데, 도 3 내지 도 4를 참조한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈의 기본 데이터를 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예 따른 풍속별 출력 데이터를 나타내는 도면이다.
도 3에서는 풍력 터빈의 기본 데이터를 나타내는데, 예컨대, 풍력터빈 정격출력, 블레이드 지름, 정격 회전속도, 회전속도 운전범위, 정격 풍속, 시동 풍속, 정지 풍속, 대기 밀도 등을 포함할 수 있다. 도 4에서는 풍속별 출력 데이터를 나타내는데, 기 설정된 특정 조건에서 풍속별 풍력터빈의 기계 출력을 나타낸다.
다음으로, 산출 장치는 입력 받은 풍력 터빈의 기본 데이터와 풍속별 출력 데이터를 기반으로 풍속별 출력 계수를 계산할 수 있는데(S220), 다음의 [수학식 1]을 이용한다.
[수학식 1]
Figure 112012094388829-pat00009
여기서, PM은 풍력 터빈 기계 출력을 나타내고, ρ는 공기 밀도를 나타내며, R은 블레이드 반지름을 나타내며, CP는 출력 계수를 나타내며, VWIND는 풍속을 나타낸다.
다음으로, 산출 장치는 계산된 풍속별 출력 계수를 이용하여 풍력 터빈의 출력 제어 구간을 구분할 수 있다(S230).
가변속 풍력 터빈의 경우 풍속 구간에 대하여 다른 출력 제어 방식을 사용하는데, 저풍속인 AB 구간은 풍력터빈이 회전속도가 일정하도록 정속제어를 하며, BC 구간은 주어진 풍속에서 최대한 출력을 끌어낼 수 있는 최대출력추종 제어를 하며, 정격 출력에 이르기 직전인 CD구간에서는 다시 정속제어를 하고, 정격풍속 이상이 되는 DE구간에서는 풍속에 관계없이 정격출력을 내도록 정출력제어를 하게 된다. 풍력터빈에 따라서 AB 구간 또는 CD 구간을 생략하기도 한다.
입력 받은 풍력터빈 기본 데이터와 계산된 풍속별 출력계수를 이용하여 출력제어 구간을 구분하는데, 이러한 출력제어 구간은 1)정격 풍속 이상이면 정격출력 제어 구간, 2)출력계수가 최대출력계수 부근인 풍속 구간은 최대출력제어 구간, 3)최대출력제어구간보다 낮은 풍속 구간에서는 정속제어 구간, 4)정격출력제어 구간과 최대 출력제어 구간 사이는 정속제어 구간으로 구분하게 된다.
다음으로, 산출 장치는 구분된 각 출력제어 구간의 경계 지점의 터빈 속도를 설정하고, 이를 기반으로 각 출력제어 구간의 풍속별 회전 속도를 계산할 수 있다(S240).
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변속 풍력터빈 출력도를 나타내는 도면이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 가변속 풍력터빈 출력제어 구간 특성도 즉, (a)에서는 풍속별 풍력터빈 출력도를 나타내고, (b)에서는 회전속도별 풍력터빈 출력도를 나타낸다.
(a)에서 AB 및 CD 구간에서의 회전 속도를 설정하는데, CD 구간은 풍력터빈의 정격 회전속도이며, AB 구간의 회전 속도는 최대 출력제어 구간의 가장 낮은 회전속도와 일치하므로 최대 출력제어 구간의 풍속별 회전속도를 알면 구할 수 있다.
이러한 가변속 풍력터빈의 풍속별 회전속도는 다음의 [수학식 3]을 이용하여 구할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112012094388829-pat00010
여기서, PMAX는 풍력터빈 최대출력을 나타내고, K는 최대 출력상수를 나타내며, ωM은 풍력터빈 회전속도를 나타낸다.
상수 K는 풍속별 출력계수 곡선의 값을 이용하여 구하게 되며, 상수 K가 구해지면 풍속별 출력곡선을 이용하여 최대출력제어 구간의 풍속별 회전속도를 구할 수 있다. 이 구간들 중 가장 낮은 풍속의 회전속도가 AB구간의 회전속도가 된다.
다음으로, 산출 장치는 계산된 풍속별 회전 속도를 기반으로 풍속별 토크 및 주속비를 계산할 수 있다(S250).
이러한 풍속별 토크 및 주속비는 다음의 [수학식 4]와 [수학식 5]를 이용한다.
[수학식 4]
Figure 112012094388829-pat00011
[수학식 5]
Figure 112012094388829-pat00012
여기서, TM은 풍력터빈 토크를 나타내고, λ는 주속비를 나타낸다.
다음으로, 산출 장치는 계산된 정보를 이용하여 풍력터빈 출력계수의 특성 상수를 산출할 수 있다(S260). 이러한 풍력터빈 출력계수는 다음의 [수학식 6]과 같이 나타낸다.
[수학식 6]
Figure 112012094388829-pat00013
여기서, CP , MAX는 최대출력 계수를 나타내고, β는 피치각을 나타내며, 그리고 특성 상수 C1, C2, C3, C4, C5는 풍력터빈의 특성에 따라 결정되는 상수들을 각각 나타낸다.
최대출력 계수 CP , MAX는 S320에서 풍속별 출력계수에서 최대 출력제어 구간의 출력계수 값에서 구할 수 있으며, 상수 C1, C2, C3, C4 및 C5를 유추하는 방법은 다음과 같다.
최대출력제어 구간에서는 피치각 β는 0으로 고정되며 주속비 λ는 S350 단계에서 얻어지므로 [수학식 5]에서는 상수 C2, C3의 두 변수가 남게 되며, S320 단계에서 얻어진 풍속별 출력계수 중 최대출력제어 구간에서 임의의 두 지점의 값들을 [수학식 5]에 대입하여 구할 수 있다. 나머지 상수 C1, C4, C5를 구할 때는 다음 조건에 부합하도록 시동 풍속, 정격 풍속과 정지 풍속에서의 피치각 β를 가정하고, 이 세 가지 풍속에 대한 출력계수 값을 이용하여 상수 C1, C4, C5를 구한다.
조건 1: 초기 정속구간의 피치각은 2-3도 이하일 것
조건 2: 정격풍속 시 피치각은 10도 미만일 것
조건 3: 정지풍속에서의 피치각은 2-30도 내외일 것
다음으로, 산출 장치는 상기 [수학식 1]과 상기 [수학식 5]를 이용하여 각 풍속에 대한 피치각(pitch angle)을 계산할 수 있다(S270). 이때, 시동풍속, 정격풍속, 및 정지풍속에서의 피치각은 S360 단계에서 설정한 값과 동일하여야 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 산출된 특성 파라미터를 나타내는 도면이다.
도 6에 도시한 바와 같이, 산출된 특성 파라미터들은 터빈 출력, 토크, 회전 속도, 출력 계수, 주속비, 피치각, 출력계수 계산값, 터빈 출력 계산값 등을 포함한다.
그리고 이렇게 계산된 가변속 풍력 터빈의 파라미터로부터 출력계수 특성식을 유추할 수 있는데, 이러한 출력계수 특성식은 다음의 [수학식 7]과 같이 나타낸다.
[수학식 7]
Figure 112012094388829-pat00014

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 산출된 출력계수 특성식으로 계산된 값을 보여주는 도면이다.
도 7에 도시한 바와 같이, 제조업체에서 제시한 풍속별 터빈 출력값과 이를 기반으로 계산된 풍속별 출력계수, 회전속도별 터빈출력 값을 상기 [수학식 7]을 이용하여 계산한 값들과 비교하여 보여주고 있다.
(a)에서는 풍속 대 터빈출력에 대한 곡선을 보여주고, (b)에서는 풍속 대 출력계수에 대한 곡선을 보여주면, (c)에서는 회전속도 대 터빈출력에 대한 곡선을 보여준다.
한편, 이상에서 설명한 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 기재되어 있다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성 요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성 요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 또한, 이와 같은 컴퓨터 프로그램은 USB 메모리, CD 디스크, 플래쉬 메모리 등과 같은 컴퓨터가 읽을 수 있는 저장매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 저장매체로서는 자기 기록매체, 광 기록매체, 캐리어 웨이브 매체 등이 포함될 수 있다.
이상에서 설명한 실시예들은 그 일 예로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 출력계수 계산부
120: 회전속도 계산부
130: 토크/주속비 계산부
140: 특성상수 산출부
150: 피치각 계산부

Claims (12)

  1. 풍력 터빈의 기본 데이터와 풍속별 출력 데이터를 입력 받고, 입력 받은 상기 풍력 터빈의 기본 데이터와 상기 풍속별 출력 데이터를 기반으로 풍속별 출력 계수를 계산하는 출력계수 계산부;
    계산된 상기 풍속별 출력 계수를 이용하여 풍속별 회전 속도를 계산하는 회전속도 계산부;
    계산된 상기 풍속별 회전 속도를 기반으로 풍속별 토크 및 주속비를 계산하는 토크/주속비 계산부;
    상기 계산된 정보들을 이용하여 풍력터빈 출력계수의 특성 상수를 산출하는 특성상수 산출부; 및
    상기 계산된 정보들을 이용하여 각 풍속에 대한 피치각을 계산하는 피치각 계산부;
    를 포함하며,
    상기 특성상수 산출부는,
    상기 특성 상수 C1, C2, C3, C4 및 C5를 다음의 수학식
    Figure 112014056735803-pat00030
    에 의해 구하되, 상기 풍속별 출력계수 중 최대출력제어 구간에서 선택된 두 지점의 풍속별 출력계수를 기초로 상기 특성 상수 C2와 C3를 산출하고, 하기 조건 1 내지 3을 만족하는 풍속별 출력계수를 기초로 상기 특성 상수 C1, C4 및 C5를 산출하며,
    조건 1 : 초기 정속구간의 피치각은 2-3도 이하일 것,
    조건 2 : 정격풍속 시 피치각은 10도 미만일 것,
    조건 3 : 정지풍속에서의 피치각은 2-30도 내외일 것,
    여기서, 상기 CP는 풍력터빈 출력계수를 나타내고, 상기 CP,MAX는 최대출력 계수를 나타내며, 상기 β는 피치각을 나타내며, 상기 λ는 주속비를 나타내는 것을 특징으로 하는 가변속 풍력터빈의 특성 파라미터를 산출하기 위한 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 출력계수 계산부는,
    상기 풍속별 출력계수 CP를 다음의 수학식
    Figure 112012094388829-pat00015
    에 의해 구하고,
    여기서, 상기 PM은 풍력 터빈 기계 출력을 나타내고, 상기 ρ는 공기 밀도를 나타내며, 상기 R은 블레이드 반지름을 나타내며, 그리고 상기 VWIND는 풍속을 나타내는 것을 특징으로 하는 가변속 풍력터빈의 특성 파라미터를 산출하기 위한 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 회전속도 계산부는,
    계산된 상기 풍속별 출력 계수를 이용하여 풍력 터빈의 출력 제어 구간을 구분하고,
    구분된 상기 각 출력제어 구간의 경계 지점의 터빈 속도를 설정하여 설정된 상기 경계 지점의 터빈 속도를 기반으로 각 출력제어 구간의 풍속별 회전 속도를 계산하는 것을 특징으로 하는 가변속 풍력터빈의 특성 파라미터를 산출하기 위한 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 회전속도 계산부는,
    입력 받은 상기 풍력터빈 기본 데이터와 계산된 상기 풍속별 출력계수를 이용하여 출력제어 구간을 구분하되,
    정격 풍속 이상의 구간은 정격출력 제어 구간, 출력계수가 최대출력계수 부근인 풍속 구간은 최대출력제어 구간, 최대출력제어구간보다 낮은 풍속 구간은 정속제어 구간, 정격출력제어 구간과 최대 출력제어 구간 사이는 정속제어 구간으로 구분하는 것을 특징으로 하는 가변속 풍력터빈의 특성 파라미터를 산출하기 위한 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 토크/주속비 계산부는,
    상기 풍속별 토크 TM를 다음의 수학식
    Figure 112012094388829-pat00016
    에 의해 구하고, 상기 주속비 λ를 다음의 수학식
    Figure 112012094388829-pat00017
    에 의해 구하며,
    여기서, 상기 PM은 풍력 터빈 기계 출력을 나타내고, 상기 VWIND는 풍속을 나타내며, 상기 R은 블레이드 반지름을 나타내며, 상기 ωM은 풍력터빈 회전속도를 나타내는 것을 특징으로 하는 가변속 풍력터빈의 특성 파라미터를 산출하기 위한 장치.
  6. 삭제
  7. 풍력 터빈의 기본 데이터와 풍속별 출력 데이터를 입력 받고, 입력 받은 상기 풍력 터빈의 기본 데이터와 상기 풍속별 출력 데이터를 기반으로 풍속별 출력 계수를 계산하는 출력계수 계산단계;
    계산된 상기 풍속별 출력 계수를 이용하여 풍속별 회전 속도를 계산하는 회전속도 계산단계;
    계산된 상기 풍속별 회전 속도를 기반으로 풍속별 토크 및 주속비를 계산하는 토크/주속비 계산단계;
    상기 계산된 정보들을 이용하여 풍력터빈 출력계수의 특성 상수를 산출하는 특성상수 산출단계; 및
    상기 계산된 정보들을 이용하여 각 풍속에 대한 피치각을 계산하는 피치각 계산단계;
    를 포함하며,
    상기 특성상수 산출단계는,
    상기 특성 상수 C1, C2, C3, C4 및 C5를 다음의 수학식
    Figure 112014056735803-pat00031
    에 의해 구하되, 상기 풍속별 출력계수 중 최대출력제어 구간에서 선택된 두 지점의 풍속별 출력계수를 기초로 상기 특성 상수 C2와 C3를 산출하고, 하기 조건 1 내지 3을 만족하는 풍속별 출력계수를 기초로 상기 특성 상수 C1, C4 및 C5를 산출하며,
    조건 1 : 초기 정속구간의 피치각은 2-3도 이하일 것,
    조건 2 : 정격풍속 시 피치각은 10도 미만일 것,
    조건 3 : 정지풍속에서의 피치각은 2-30도 내외일 것,
    여기서, 상기 CP는 풍력터빈 출력계수를 나타내고, 상기 CP,MAX는 최대출력 계수를 나타내며, 상기 β는 피치각을 나타내며, 상기 λ는 주속비를 나타내는 것을 특징으로 하는 가변속 풍력터빈의 특성 파라미터를 산출하기 위한 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 출력계수 계산단계는,
    상기 풍속별 출력계수 CP를 다음의 수학식
    Figure 112012094388829-pat00019
    에 의해 구하고,
    여기서, 상기 PM은 풍력 터빈 기계 출력을 나타내고, 상기 ρ는 공기 밀도를 나타내며, 상기 R은 블레이드 반지름을 나타내며, 그리고 상기 VWIND는 풍속을 나타내는 것을 특징으로 하는 가변속 풍력터빈의 특성 파라미터를 산출하기 위한 방법.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 회전속도 계산단계는,
    계산된 상기 풍속별 출력 계수를 이용하여 풍력 터빈의 출력 제어 구간을 구분하고,
    구분된 상기 각 출력제어 구간의 경계 지점의 터빈 속도를 설정하여 설정된 상기 경계 지점의 터빈 속도를 기반으로 각 출력제어 구간의 풍속별 회전 속도를 계산하는 것을 특징으로 하는 가변속 풍력터빈의 특성 파라미터를 산출하기 위한 방법.
  10. 제7 항에 있어서,
    상기 회전속도 계산단계는,
    입력 받은 상기 풍력터빈 기본 데이터와 계산된 상기 풍속별 출력계수를 이용하여 출력제어 구간을 구분하되,
    정격 풍속 이상의 구간은 정격출력 제어 구간, 출력계수가 최대출력계수 부근인 풍속 구간은 최대출력제어 구간, 최대출력제어구간보다 낮은 풍속 구간은 정속제어 구간, 정격출력제어 구간과 최대 출력제어 구간 사이는 정속제어 구간으로 구분하는 것을 특징으로 하는 가변속 풍력터빈의 특성 파라미터를 산출하기 위한 방법.
  11. 제7 항에 있어서,
    상기 토크/주속비 계산단계는,
    상기 풍속별 토크 TM를 다음의 수학식
    Figure 112012094388829-pat00020
    에 의해 구하고, 상기 주속비 λ를 다음의 수학식
    Figure 112012094388829-pat00021
    에 의해 구하며,
    여기서, 상기 PM은 풍력 터빈 기계 출력을 나타내고, 상기 VWIND는 풍속을 나타내며, 상기 R은 블레이드 반지름을 나타내며, 상기 ωM은 풍력터빈 회전속도를 나타내는 것을 특징으로 하는 가변속 풍력터빈의 특성 파라미터를 산출하기 위한 방법.
  12. 삭제
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