KR101716073B1 - Method and apparatus for controlling torque mode switch of wind turbine - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method to control a torque mode switch of a wind turbine and a system thereof, comprising: a rotary speed measurement unit to measure a rotary speed of a generator in real time; a pitch controller to calculate a pitch command angle of a blade in real time; a pitch angle limit device unit limiting a pitch command angle to determine a pitch angle of an actual blade; the torque mode switch to select a mode value based on the rotary speed measured in the rotary speed measurement unit, and the pitch angle determined in the pitch controller and the pitch angle limit device unit; and a torque controller to control torque of the generator in accordance with the mode value selected by the torque mode switch. Thus, a torque chattering problem occurring due to the torque mode switch when a wind speed is rapidly dropped to a wind speed lower than the rating wind speed from a wind speed higher than the rating wind speed can be prevented, and the torque controller can be stably operated.

Description

풍력터빈의 토크모드스위치 제어방법 및 그 시스템{Method and apparatus for controlling torque mode switch of wind turbine}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a method of controlling a torque mode switch of a wind turbine,

본 발명은 풍력터빈의 토크모드스위치 제어방법 및 그 시스템에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 풍력터빈에서 정격출력 이하인 경우와 정격출력 이상인 경우에 따라서 발전기의 토크크기를 변화시키는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method and a system for controlling a torque mode switch of a wind turbine. More particularly, the present invention relates to a method for changing the torque magnitude of a generator depending on whether the output power of the wind turbine is less than or equal to the rated output and the rated output or greater.

일반적으로 풍력터빈은 바람이 가진 운동에너지를 블레이드 회전을 통하여 기계적인 에너지로 변화시키고 기계적인 에너지를 발전기를 이용하여 전기에너지로 변환시키는 기계이다. Generally, a wind turbine is a machine that converts the kinetic energy of the wind into mechanical energy through rotation of the blades and converts the mechanical energy into electric energy by using the generator.

풍력터빈의 출력제어 방법은 개념적으로 발전기의 회전속도를 제어하는 토크제어와 피치각을 제어하는 피치제어 두 가지 방법으로 구분할 수 있다. 정격풍속 이하의 영역에서는 토크제어를 수행하고 정격풍속 이상의 영역에서는 피치제어를 수행한다. The output control method of the wind turbine is conceptually divided into two methods, torque control for controlling the rotation speed of the generator and pitch control for controlling the pitch angle. Torque control is performed in the region below the rated wind speed and pitch control is performed in the region above the rated wind speed.

토크제어기는 정격풍속 이하의 영역에서 최대출력을 얻기 위하여 발전기의 토크크기를 제어하게 되고, 피치제어기에서는 정격풍속 이상의 영역에서 정격출력이 유지되도록 피치각을 조절하게 된다. The torque controller controls the torque magnitude of the generator to obtain the maximum output in the region below the rated wind speed, and the pitch controller adjusts the pitch angle so that the rated output is maintained in the region above the rated wind speed.

풍력터빈의 토크제어기는 정격출력 이상인 경우 두 가지 제어로직을 가지고 있다. 그 중 하나는 발전기의 토크크기를 일정하게 정격토크크기로 유지하도록 하는 방법이고, 또 다른 하나는 발전기의 출력파워를 정격출력파워로 일정하게 유지하도록 하는 방법이다. The torque controller of the wind turbine has two control logic when it is above the rated output. One of them is a method of keeping the torque magnitude of the generator constant at a rated torque magnitude and the other is a method of keeping the output power of the generator constant at the rated output power.

이와 같은 풍력터빈의 토크제어에 있어서 중요하게 고려되어야 할 사항은 바람이 정격 이하로 불 때와 정격이상으로 불 때 발전기의 토크크기를 다르게 사용해야 한다. 따라서 발전기의 토크크기를 변화시키기 위한 토크모드스위치를 적절하게 제어하는 방법이 필요하다. The important consideration in the torque control of such wind turbines is that the torque of the generator should be different when the wind is below the rated value or above the rated value. Therefore, there is a need for a method of appropriately controlling the torque mode switch for changing the torque magnitude of the generator.

일반적인 풍력터빈의 토크모드스위치 제어방법에는 발전기 회전속도와 블레이드 피치각의 두 가지 정보를 고려한다. 발전기의 회전속도가 정격회전속도 이상이고 피치각이 파인피치각(Fine Pitch Angle)보다 크면, 정격풍속 이상인 경우라고 판단하여 토크모드스위치를 이용하여 정격 토크크기의 발전기 토크를 발생시킨다. The torque mode switch control method of a general wind turbine considers two kinds of information: the generator rotation speed and the blade pitch angle. If the rotation speed of the generator is higher than the rated rotation speed and the pitch angle is larger than the fine pitch angle, it is determined that the rated wind speed is higher than the rated wind speed and the generator mode torque of the rated torque magnitude is generated using the torque mode switch.

같은 이치로 발전기의 회전속도가 정격회전속도보다 작고 피치각이 파인피치각(Fine Pitch Angle)이면, 정격풍속 이하인 경우라고 판단하고 토크모드스위치를 이용하여 미리 계산된 순람표를 따라 발전기 토크를 발생시킨다. 이러한 방법을 통하여 토크모드스위치를 이용하지 않은 경우보다 더 좋은 출력파워를 얻을 수 있다. If the rotation speed of the generator is smaller than the rated rotation speed and the pitch angle is fine pitch angle, it is determined that the speed is less than the rated wind speed, and the generator torque is generated along the pre-calculated turn table using the torque mode switch . In this way, better output power can be obtained than when the torque mode switch is not used.

하지만 토크모드스위치를 이용할 경우 풍속이 정격풍속 이상에서 정격풍속 이하로 떨어질 때 토크채터링이 발생하는 문제점이 있다. 토크채터링이 발생하기 때문에 토크제어기 자체의 안정성 문제와 발전기 토크크기의 급격한 변화로 풍력터빈의 실제 수명이 감소할 가능성이 있다.However, when the torque mode switch is used, torque chattering occurs when the wind speed falls below the rated wind speed from the rated wind speed. Since torque chattering occurs, there is a possibility that the stability problem of the torque controller itself and the abrupt change in the generator torque magnitude may cause the actual life of the wind turbine to decrease.

따라서, 이러한 토크채터링 문제점을 극복할 수 있는 토크모드스위치 제어방법이 요구되었다. Therefore, there is a need for a torque mode switch control method capable of overcoming such torque chattering problems.

한국등록특허 제1251285호Korean Patent No. 1251285 한국공개특허 제2012-0130892호Korea Patent No. 2012-0130892 한국등록특허 제1264169호Korea Patent No. 1264169 한국등록특허 제1282540호Korean Patent No. 1282540

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 일실시예에 따르면, 풍력터빈의 토크제어 있어서 풍속이 정격풍속 이상에서 정격풍속 이하로 급격히 떨어질 때 토크모드스위치로 인해 발생하는 토크채터링 문제를 방지할 수 있고, 안정적으로 토크제어기를 작동시킬 수 있는 풍력터빈의 토크모드스위치 제어방법 및 그 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다. SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made keeping in mind the above problems occurring in the prior art, and it is an object of the present invention to provide a torque mode control device and a torque mode control method for controlling the torque mode of a wind turbine, And to provide a method and system for controlling a torque mode switch of a wind turbine capable of preventing a torque chattering problem caused by a torque converter and operating the torque controller stably.

또한, 본 발명의 일실시예 따르면, 발전기 회전속도와 블레이드 피치각의 두 가지 정보를 모두 고려하고, 풍속이 정격출력 이상에서 정격출력 이하로 급격히 변하는 경우에는 토크모드스위치의 값을 “이전 값”으로 사용하게 됨으로써, 토크채터링을 방지할 수 있는 풍력터빈의 토크모드스위치 제어방법 및 그 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다. According to an embodiment of the present invention, both of the information on the generator rotation speed and the blade pitch angle are taken into consideration, and when the wind speed suddenly changes from the rated output to the rated output, the value of the torque mode switch is changed to the " And to provide a method and a system for controlling a torque mode switch of a wind turbine which can prevent torque chattering.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description of the present invention are exemplary and explanatory and are not intended to limit the invention to the precise form disclosed. It can be understood.

본 발명의 제1목적은, 발전기 회전속도를 실시간으로 측정하는 회전속도 측정부; 블레이드의 피치 명령각을 실시간으로 연산하는 피치제어기; 피치 명령각을 제한하여 실제 블레이드의 피치각을 결정하는 피치각 제한장치부; 상기 회전속도 측정부에서 측정된 회전속도와 피치제어기와 피치각 제한장치부에서 결정된 피치각을 기준으로, 모드값을 선택하는 토크모드스위치; 및 상기 토크모드스위치에서 선택된 모드값에 따라 발전기의 토크를 제어하는 토크제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력터빈의 토크모드스위치 제어 시스템으로서 달성될 수 있다. SUMMARY OF THE INVENTION A first object of the present invention is to provide a rotary speed measuring device for measuring a rotational speed of a generator in real time; A pitch controller for calculating a pitch command angle of the blade in real time; A pitch angle restricting unit for limiting a pitch command angle to determine a pitch angle of an actual blade; A torque mode switch for selecting a mode value based on the rotational speed measured by the rotational speed measuring unit and the pitch angle determined by the pitch controller and the pitch angle limiting unit; And a torque controller for controlling the torque of the generator according to the mode value selected in the torque mode switch.

또한, 상기 토크모드스위치는 상기 회전속도와 상기 피치각을 기준으로 정격풍속이하라고 판단되면 제1모드값을 선택하고, 정격풍속이상이라고 판단되면 제2모드값을 선택하며, 상기 토크제어기는, 상기 제1모드값의 경우, 기 연산된 회전속도에 따른 토크값으로 상기 발전기토크를 제어하고, 상기 제2모드값의 경우, 정격토크크기로 상기 발전기 토크를 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다. The torque mode switch selects a first mode value when it is determined that the rated wind speed is based on the rotation speed and the pitch angle and selects a second mode value when it is determined that the rated wind speed is higher than the rated wind speed, The controller may control the generator torque at a torque value corresponding to the pre-calculated rotational speed in the case of the first mode value and the generator torque at a rated torque size in the case of the second mode value.

그리고, 상기 기 연산된 회전속도에 따른 토크값은 이하의 수학식 1과 수학식 2에 의해 연산되는 것을 특징으로 할 수 있다. The torque value according to the pre-calculated rotational speed may be calculated by the following equations (1) and (2).

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112016012032223-pat00001
Figure 112016012032223-pat00001

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure 112016012032223-pat00002
Figure 112016012032223-pat00002

Ωg는 발전기 회전속도, Tg(t)는 제1모드값에서 제어되는 발전기 토크, Kopt는 최적모드게인, CP,max는 최대출력계수, λopt는 최적주속비, R은 블레이드 길이, ρ은 공기밀도, Ngb는 기어비이다.Ω g is the generator rotational speed, T g (t) is the first mode value, the generator torque is controlled in, K opt is the optimum mode gain, C P, max is the maximum power coefficient, λ opt is the optimal state sokbi, R is blade length , rho is the air density, and N gb is the gear ratio.

그리고, 상기 토크모드스위치는, 상기 회전속도가 정격회전속도 이상이고 상기 피치각이 파인피치각을 초과하는 경우 상기 제2모드값을 선택하고, 상기 회전속도가 정격회전속도 이상이고, 상기 피치각이 파인피치각 이하인 경우 상기 제2모드값을 선택하며, 상기 회전속도가 정격회전속도 미만이고, 상기 피치각이 파인피치각을 초과하는 경우, 이전 선택된 모드값을 그대로 선택하고, 상기 회전속도가 정격회전속도 미만이고, 상기 피치각이 파인피치각 이하인 경우 제1모드값을 선택하는 것을 특징으로 할 수 있다. The torque mode switch selects the second mode value when the rotational speed is equal to or higher than the rated rotational speed and the pitch angle exceeds the pitch angle with the pitch, Selects the second mode value when the pitch angle is less than the fine pitch angle and selects the previously selected mode value as it is when the rotation speed is less than the rated rotation speed and the pitch angle exceeds the pitch angle which is a fine pitch, And selects the first mode value when the pitch angle is less than the rated rotation speed and the pitch angle is not greater than the fine pitch angle.

또한, 상기 회전속도가 정격회전속도 이하인 경우 피치각을 파인피치각으로 유지하고, 피치제어기는 회전속도가 정격회전속도를 초과하는 경우 상기 회전속도와 상기 정격회전속도의 오차를 기반으로 상기 피치 명령각을 연산하고, 상기 피치각 제한장치부는 기설정된 최소피치각과 최대피치각 사이로 피치 명령각을 제한하여 실제 블레이드의 피치각을 결정하는 것을 특징으로 할 수 있다. The pitch controller maintains the pitch angle at a fine pitch angle when the rotation speed is equal to or lower than the rated rotation speed and the pitch controller controls the pitch command based on the error between the rotation speed and the rated rotation speed when the rotation speed exceeds the rated rotation speed. And the pitch angle limiting unit determines the pitch angle of the actual blade by restricting the pitch command angle between the predetermined minimum pitch angle and the maximum pitch angle.

본 발명의 제2목적은, 정격회전속도와, 파인피치각, 정격토크크기를 설정하는 단계; 회전속도 측정부가 발전기 회전속도를 실시간으로 측정하고, 피치제어기가 블레이드의 피치 명령각을 실시간으로 계산하고, 피치각 제한장치부가 피치 명령각을 제한하여 실제 블레이드의 피치각을 결정하는 단계; 토크모드스위치가 상기 회전속도측정부에서 측정된 회전속도와 피치제어기와 피치각 제한장치부에서 결정된 피치각을 기준으로, 모드값을 선택하는 단계; 및 토크제어기가 상기 토크모드스위치에서 선택된 모드값에 따라 발전기의 토크를 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력터빈의 토크모드스위치 제어 방법으로서 달성될 수 있다. A second object of the present invention is to provide a method of controlling a vehicle, comprising: setting a rated rotational speed, a fine pitch angle, and a rated torque magnitude; Determining a pitch angle of the actual blade by the rotational speed measuring unit in real time, measuring the rotational speed of the generator in real time, calculating the pitch command angle of the blade in real time by the pitch controller, and limiting the pitch angle limiter with the pitch angle limit; Selecting a mode value based on the rotational speed measured by the rotational speed measuring unit and the pitch angle determined by the pitch controller and the pitch angle limiter; And controlling the torque of the generator in accordance with the mode value selected in the torque mode switch by the torque controller.

그리고, 본 발명의 제2목적에 따르면, 상기 선택하는 단계에서, 상기 토크모드스위치는 상기 회전속도와 상기 피치각을 기준으로 정격풍속이하라고 판단되면 제1모드값을 선택하고, 정격풍속이상이라고 판단되면 제2모드값을 선택하며, 상기 제어하는 단계에서, 상기 토크제어기는 상기 제1모드값의 경우, 기 연산된 회전속도에 따른 토크값으로 상기 발전기토크를 제어하고, 상기 제2모드값의 경우, 정격토크크기로 상기 발전기 토크를 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다. According to a second aspect of the present invention, in the selecting step, the torque mode switch selects a first mode value when it is determined that the rated wind speed is based on the rotation speed and the pitch angle, The torque controller controls the generator torque at a torque value corresponding to the pre-calculated rotational speed in the case of the first mode value, and the second mode value , The generator torque is controlled by the rated torque magnitude.

그리고, 본 발명의 제2목적에 따르면, 상기 기 연산된 회전속도에 따른 토크값은 이하의 수학식 1과 수학식 2에 의해 연산되는 것을 특징으로 할 수 있다. According to a second aspect of the present invention, the torque value according to the pre-computed rotation speed is calculated by the following equations (1) and (2).

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112016012032223-pat00003
Figure 112016012032223-pat00003

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure 112016012032223-pat00004
Figure 112016012032223-pat00004

Ωg는 발전기 회전속도, Tg(t)는 제1모드값에서 제어되는 발전기 토크, Kopt는 최적모드게인, CP,max는 최대출력계수, λopt는 최적주속비, R은 블레이드 길이, ρ은 공기밀도, Ngb는 기어비이다.Ω g is the generator rotational speed, T g (t) is the first mode value, the generator torque is controlled in, K opt is the optimum mode gain, C P, max is the maximum power coefficient, λ opt is the optimal state sokbi, R is blade length , rho is the air density, and N gb is the gear ratio.

그리고, 본 발명의 제2목적에 따르면, 상기 선택하는 단계에서, 상기 토크모드스위치는, 상기 회전속도가 정격회전속도 이상이고 상기 피치각이 파인피치각을 초과하는 경우 상기 제2모드값을 선택하고, 상기 회전속도가 정격회전속도 이상이고, 상기 피치각이 파인피치각 이하인 경우 상기 제2모드값을 선택하며, 상기 회전속도가 정격회전속도 미만이고, 상기 피치각이 파인피치각을 초과하는 경우, 이전 선택된 모드값을 그대로 선택하고, 상기 회전속도가 정격회전속도 미만이고, 상기 피치각이 파인피치각 이하인 경우 제1모드값을 선택하는 것을 특징으로 할 수 있다. According to a second object of the present invention, in the selecting step, the torque mode switch selects the second mode value when the rotation speed is equal to or higher than the rated rotation speed and the pitch angle exceeds a pitch angle which is a pitch And the second mode value is selected when the rotation speed is equal to or higher than the rated rotation speed and the pitch angle is equal to or less than the finite pitch angle and the rotation speed is less than the rated rotation speed and the pitch angle exceeds the fine pitch angle , The first mode value is selected as it is, and the first mode value is selected when the rotation speed is less than the rated rotation speed and the pitch angle is less than the pitch angle.

그리고, 본 발명의 제2목적에 따르면, 상기 회전속도가 정격회전속도 이하인 경우 피치각을 파인피치각으로 유지하고, 피치제어기는 회전속도가 정격회전속도를 초과하는 경우 상기 회전속도와 상기 정격회전속도의 오차를 기반으로 상기 피치 명령각을 연산하고, 상기 피치각 제한장치부는 기설정된 최소피치각과 최대피치각 사이로 피치 명령각을 제한하여 실제 블레이드의 피치각을 결정하는 것을 특징으로 할 수 있다. According to a second aspect of the present invention, in the case where the rotational speed is equal to or lower than the rated rotational speed, the pitch angle is maintained at a fine pitch angle, and when the rotational speed exceeds the rated rotational speed, The pitch angle limiting unit calculates the pitch angle of the actual blade by limiting the pitch command angle between the predetermined minimum pitch angle and the maximum pitch angle.

본 발명의 일실시예에 따르면, 풍력터빈의 토크제어 있어서 풍속이 정격풍속 이상에서 정격풍속 이하로 급격히 떨어질 때 토크모드스위치로 인해 발생하는 토크채터링 문제를 방지할 수 있고, 안정적으로 토크제어기를 작동할 수 있는 효과를 갖는다. According to an embodiment of the present invention, it is possible to prevent the torque chattering problem caused by the torque mode switch when the wind speed suddenly drops below the rated wind speed in the torque control of the wind turbine at a speed higher than the rated wind speed, It has an effect that can be operated.

또한, 본 발명의 일실시예 따르면, 발전기 회전속도와 블레이드 피치각의 두 가지 정보를 모두 고려하고, 풍속이 정격출력 이상에서 정격출력 이하로 급격히 변하는 경우에는 토크모드스위치의 값을 “이전 값”으로 사용하게 됨으로써, 토크채터링을 방지할 수 있는 효과를 갖는다. According to an embodiment of the present invention, both of the information on the generator rotation speed and the blade pitch angle are taken into consideration, and when the wind speed suddenly changes from the rated output to the rated output, the value of the torque mode switch is changed to the " So that torque chattering can be prevented.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.It should be understood, however, that the effects obtained by the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned may be clearly understood by those skilled in the art to which the present invention belongs It will be possible.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력터빈의 토크모드스위치 제어시스템의 구성을 나타낸 블록도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 풍력터빈의 토크모드스위치 제어방법의 흐름도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 발전기 회전속도에 대한 발전기 토크 그래프,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 피치제어기의 블록선도,
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 토크모드스위치와 토크제어방법을 나타낸 블록도,
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 토크모드스위치의 블록도,
도 7은 계단풍속을 나타낸 시간에 대한 풍속 그래프,
도 8은 본 발명의 제1실시예에 따른 계단 응답그래프,
도 9는 본 발명의 제1실시예에 따른 토크채터링 분석 그래프,
도 10은 시간에 따른 피치각 응답 그래프,
도 11은 본 발명의 제2실시예에 따른 계단 응답그래프,
도 12는 본 발명의 제2실시예에 따른 토크채터링 분석 그래프,
도 13은 제1실시예와 제2실시예의 계단응답 비교 그래프,
도 14는 본 발명의 제2실시예에 따른 토크모드스위치의 블록도,
도 15는 시간에 따른 난류풍속 그래프,
도 16은 도 15에서 정격풍속 이하인 것을 표시한 그래프,
도 17은 본 발명의 제1실시예에 따른 난류풍속 수치실험 결과(1) 그래프,
도 18은 본 발명의 제1실시예에 따른 난류풍속 수치실험 결과(2) 그래프,
도 19는 본 발명의 제1실시예에 따른 난류풍속 수치실험 결과(3) 그래프,
도 20은 본 발명의 제2실시예에 따른 난류풍속 수치실험 결과(1) 그래프,
도 21은 본 발명의 제2실시예에 따른 난류풍속 수치실험 결과(2) 그래프,
도 22는 본 발명의 제2실시예에 따른 난류풍속 수치실험 결과(3) 그래프를 도시한 것이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The accompanying drawings, which are incorporated in and constitute a part of the specification, illustrate preferred embodiments of the invention and, together with the description, serve to further the understanding of the technical idea of the invention, It should not be construed as limited.
1 is a block diagram showing a configuration of a torque mode switch control system of a wind turbine according to an embodiment of the present invention;
2 is a flow chart of a method of controlling a torque mode switch of a wind turbine according to an embodiment of the present invention,
3 is a graph of generator torque versus generator rotational speed according to an embodiment of the present invention,
4 is a block diagram of a pitch controller according to an embodiment of the present invention,
5 is a block diagram illustrating a torque mode switch and a torque control method according to a first embodiment of the present invention;
6 is a block diagram of a torque mode switch according to a first embodiment of the present invention;
FIG. 7 is a graph showing an air velocity versus time representing a stair wind speed,
8 is a graph showing a step response graph according to the first embodiment of the present invention,
9 is a graph showing a torque chattering analysis graph according to the first embodiment of the present invention,
Figure 10 is a graph of the pitch angle response over time,
11 is a step response graph according to the second embodiment of the present invention,
12 is a graph showing the torque chattering analysis graph according to the second embodiment of the present invention,
13 is a step response comparison graph of the first embodiment and the second embodiment,
14 is a block diagram of a torque mode switch according to a second embodiment of the present invention;
FIG. 15 is a graph of a turbulent wind speed over time,
Fig. 16 is a graph showing that the wind speed is lower than the rated wind speed in Fig. 15,
17 is a graph (1) of a turbulent wind speed numerical experiment result according to the first embodiment of the present invention,
18 is a graph (2) of a turbulent wind speed numerical experiment result according to the first embodiment of the present invention,
19 is a graph (3) of a turbulent wind velocity numerical experiment result according to the first embodiment of the present invention,
20 is a graph (1) of a turbulent wind speed numerical experiment result according to the second embodiment of the present invention,
21 is a graph (2) of a turbulent wind speed numerical experiment result according to the second embodiment of the present invention,
FIG. 22 is a graph showing the result (3) of a turbulent wind speed numerical experiment result according to the second embodiment of the present invention.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other objects, features, and advantages of the present invention will become more readily apparent from the following description of preferred embodiments with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. Rather, the embodiments disclosed herein are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the concept of the invention to those skilled in the art.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.In this specification, when an element is referred to as being on another element, it may be directly formed on another element, or a third element may be interposed therebetween. Also in the figures, the thickness of the components is exaggerated for an effective description of the technical content.

본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.Embodiments described herein will be described with reference to cross-sectional views and / or plan views that are ideal illustrations of the present invention. In the drawings, the thicknesses of the films and regions are exaggerated for an effective description of the technical content. Thus, the shape of the illustrations may be modified by manufacturing techniques and / or tolerances. Accordingly, the embodiments of the present invention are not limited to the specific forms shown, but also include changes in the shapes that are produced according to the manufacturing process. For example, the area shown at right angles may be rounded or may have a shape with a certain curvature. Thus, the regions illustrated in the figures have attributes, and the shapes of the regions illustrated in the figures are intended to illustrate specific forms of regions of the elements and are not intended to limit the scope of the invention. Although the terms first, second, etc. have been used in various embodiments of the present disclosure to describe various components, these components should not be limited by these terms. These terms have only been used to distinguish one component from another. The embodiments described and exemplified herein also include their complementary embodiments.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for the purpose of illustrating embodiments and is not intended to be limiting of the present invention. In the present specification, the singular form includes plural forms unless otherwise specified in the specification. The terms "comprises" and / or "comprising" used in the specification do not exclude the presence or addition of one or more other elements.

아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.In describing the specific embodiments below, various specific details have been set forth in order to explain the invention in greater detail and to assist in understanding it. However, it will be appreciated by those skilled in the art that the present invention may be understood by those skilled in the art without departing from such specific details. In some instances, it should be noted that portions of the invention that are not commonly known in the description of the invention and are not significantly related to the invention do not describe confusing reasons to explain the present invention.

<구성><Configuration>

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 풍력터빈의 토크모드스위치 제어시스템의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력터빈의 토크모드스위치 제어시스템의 구성을 나타낸 블록도를 도시한 것이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 풍력터빈의 토크모드스위치 제어방법의 흐름도를 도시한 것이다. Hereinafter, the configuration and function of a torque mode switch control system for a wind turbine according to an embodiment of the present invention will be described. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a torque mode switch control system for a wind turbine according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a block diagram of a torque mode switch control system of a wind turbine according to an exemplary embodiment of the present invention. &Lt; / RTI &gt;

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 풍력터빈의 토크모드스위치 제어시스템은, 회전속도 측정부(10), 피치각 제한장치부(20), 토크모드스위치(30), 토크제어기(40), 피치제어기(50) 등을 포함하여 구성될 수 있음을 알 수 있다.  1, a torque mode switch control system for a wind turbine according to an embodiment of the present invention includes a rotation speed measurement unit 10, a pitch angle limit unit 20, a torque mode switch 30, A torque controller 40, a pitch controller 50, and the like.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 발전기 회전속도에 대한 발전기 토크 그래프를 도시한 것이다. 3 shows a generator torque graph for the generator rotation speed according to an embodiment of the present invention.

풍력터빈의 토크제어기(40)는 정격출력 이상인 경우와 이하인 경우 두 가지로 나눌 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, “토크모드 1”은 정격출력 이하인 경우와, “토크모드 2”는 정격출력 이상인 경우로 구분된다. 후에 설명되는 바와 같이, 토크모드스위치(30)에 의해 제1모드값이 선택될 때, 토크제어기(40)는 토크모드 1로, 제2모드값이 선택될 때, 토크모드 2로 발전기토크를 제어하게 된다. The torque controller 40 of the wind turbine can be divided into two cases when the output power is higher than or equal to the rated output power. As shown in Fig. 3, the "torque mode 1" is divided into a case where the output is equal to or lower than the rated output, and the case where the "torque mode 2" is equal to or higher than the rated output. As will be described later, when the first mode value is selected by the torque mode switch 30, the torque controller 40 sets the generator torque to the torque mode 1, and when the second mode value is selected, Respectively.

도 3에 도시된 바와 같이,“SpeedSet1”은 발전기 토크크기의 제어가 시작되는 발전기 회전속도이다.“SpeedSet2”는 발전기의 정격토크크기를 유지하기 시작할 때의 발전기 회전속도로써 일반적으로 발전기의 정격회전속도이다.3, &quot; SpeedSet1 &quot; is the generator rotation speed at which control of the generator torque magnitude is started, &quot; SpeedSet2 &quot; is the generator rotation speed at the start of maintaining the rated torque magnitude of the generator, Speed.

정격출력 이하에서의 토크제어기(40)는 풍속의 크기에 따라 최적 주속비(λopt)를 얻기 위하여 토크-속도의 정상상태 관계특성을 나타내는 이하의 수학식 1을 이용하여 발전기의 토크(Tg)를 발전기의 회전속도(Ωg)의 제곱에 비례하도록 제어하는 것으로 비선형 제어방법이다. 정격출력 이하에서의 토크제어기(40)는 도 3에 도시된 “토크모드 1”에서 표시한 것과 같이 기 연산된 순람표(lookup table)를 사용하여 발전기 토크를 발생시킨다.The torque controller 40 at the rated output or less uses the torque T g (t ) of the generator using Equation 1 below, which represents the steady-state relationship characteristic of the torque-speed in order to obtain the optimum main speed ratio λ opt according to the magnitude of the wind speed ) Is proportional to the square of the rotational speed (? G ) of the generator. The torque controller 40 at or below the rated output generates a generator torque using a pre-calculated lookup table, as shown in &quot; torque mode 1 &quot;

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112016012032223-pat00005
Figure 112016012032223-pat00005

Kopt는 최적모드게인으로 발전기의 토크와 발전기의 회전속도 사이의 이차특성을 나타내는 계수값으로 이하의 수학식 2와 같이 정의된다. K opt is a coefficient indicating the secondary characteristic between the torque of the generator and the rotational speed of the generator as the optimum mode gain, and is defined by the following equation (2).

[수학식 2]&Quot; (2) &quot;

Figure 112016012032223-pat00006
Figure 112016012032223-pat00006

여기서, CP,max는 최대출력계수, λopt는 최적주속비, R은 블레이드 길이, ρ은 공기밀도, Ngb는 기어비이다.Here, C P, max is the maximum output coefficient, λ opt is the optimum principal speed ratio, R is the blade length, ρ is the air density, and N gb is the gear ratio.

또한, 풍력터빈의 토크제어기(40)는 정격출력 이상인 경우 두 가지 제어로직을 가지고 있다. 하나는 발전기의 토크크기를 정격토크크기로 일정하게 유지하도록 하는 방법이고, 또 하나는 발전기의 출력파워를 정격출력파워로 일정하게 유지하도록 하는 방법이다. 본 발명의 일실시예에서는 도 3에서 “토크 모드 2”로 표시된 것과 같이 발전기의 토크크기를 일정하게 유지하는 제어방법을 사용한다. 발전기의 토크크기를 정격토크크기로 일정하게 유지하도록 하는 계산식은 이하의 수학식 3과 같다. Also, the torque controller 40 of the wind turbine has two control logic when it is above the rated power. One is a method of keeping the torque magnitude of the generator constant at the rated torque magnitude and the other is a method of keeping the output power of the generator constant at the rated output power. In one embodiment of the present invention, a control method of keeping the torque magnitude of the generator constant as indicated by &quot; torque mode 2 &quot; in Fig. 3 is used. The equation for keeping the torque magnitude of the generator constant at the rated torque magnitude is shown in Equation 3 below.

[수학식 3]&Quot; (3) &quot;

Figure 112016012032223-pat00007
Figure 112016012032223-pat00007

여기서

Figure 112016012032223-pat00008
는 일반적으로 발전기의 정격토크크기이다. here
Figure 112016012032223-pat00008
Is generally the rated torque magnitude of the generator.

본 발명의 일실시예에 따른 하는 풍력터빈의 토크 제어 방법은 전체적으로 먼저, 정격회전속도와, 파인피치각, 정격토크크기를 설정하게 된다(S10). The torque control method of a wind turbine according to an embodiment of the present invention first sets the rated rotation speed, the fine pitch angle, and the rated torque magnitude (S10).

그리고, 회전속도 측정부(10)가 발전기 회전속도를 실시간으로 측정하고, 피치제어기(50)가 블레이드의 피치 명령각을 실시간으로 계산하고, 피치각 제한장치부(20)가 피치 명령각을 제한하여 실제 블레이드의 피치각을 결정한다(S20). 그리고, 토크모드스위치(30)는 회전속도 측정부(10)에서 측정된 회전속도와 피치제어기(50)와 피치각 제한장치부(20)에서 결정된 피치각을 기준으로, 모드값을 선택하게 된다. Then, the rotational speed measuring unit 10 measures the generator rotational speed in real time, the pitch controller 50 calculates the pitch command angle of the blade in real time, and the pitch angle limiter unit 20 limits the pitch command angle To determine the pitch angle of the actual blade (S20). The torque mode switch 30 selects the mode value based on the rotational speed measured by the rotational speed measuring unit 10 and the pitch angle determined by the pitch controller 50 and the pitch angle limiter unit 20 .

그리고, 토크제어기(40)는 토크모드스위치(30)에서 선택된 모드값에 따라 발전기의 토크를 제어하게 된다. Then, the torque controller 40 controls the torque of the generator in accordance with the mode value selected by the torque mode switch 30.

토크모드스위치(30)는 회전속도와 피치각을 기준으로 정격풍속이하라고 판단되면 제1모드값을 선택하고, 정격풍속이상이라고 판단되면 제2모드값을 선택하게 된다. The torque mode switch 30 selects the first mode value when it is determined that the rated wind speed is based on the rotation speed and the pitch angle, and selects the second mode value when it is determined that the rated wind speed is higher than the rated wind speed.

그리고, 토크제어기(40)는 앞서 언급한 바와 같이, 제1모드값의 경우, 기 연산된 회전속도에 따른 토크값으로 발전기토크를 제어하고, 제2모드값의 경우, 정격토크크기로 발전기 토크를 제어하게 된다. As described above, in the case of the first mode value, the torque controller 40 controls the generator torque by the torque value according to the pre-calculated rotational speed, and in the case of the second mode value, by the rated torque size, .

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 제어시스템은 피치제어기(50)를 더 포함할 수 있다. 풍력터빈의 토크모드스위치(30)에서는 발전기의 회전속도만 고려하는 것이 아니라 블레이드의 피치각도 고려한다. In addition, the control system according to an embodiment of the present invention may further include a pitch controller (50). In the torque mode switch 30 of the wind turbine, not only the rotational speed of the generator is considered but the pitch angle of the blade is taken into consideration.

정격이하의 풍속에서 블레이드의 피치각은 최대의 출력파워를 생산하기 위하여 최적의 일정한 값인 파인피치각(Fine Pitch Angle)으로 유지한다. 일반적으로 파인피치각은 “0도”가 대표적이다. At a wind speed below the rated value, the pitch angle of the blade is maintained at a fine pitch angle which is an optimal constant value to produce the maximum output power. Generally, the fine pitch angle is "0 degree".

여기서는 파인피치각은“0도”로 두고 설정한다. 평균풍속이 정격이상인 경우에도 실제 풍속은 난류풍속이여서 발전기의 회전속도는 정격속도를 중심으로 변화하기 때문에 정격속도보다 작은 경우가 발생한다. 이런 상황에서도 출력파워를 향상하기 위하여 회전속도는 정격속도보다 작고 피치각은 파인피치보다 크면 토크모드스위치(30)를 이용하여 계속 정격토크크기를 유지한다. 이를 통해 더 많은 정격파워를 유지할 수 있게 된다. Here, the fine pitch angle is set to &quot; 0 degree &quot;. Even when the average wind speed is higher than the rated wind speed, the actual wind speed is the turbulent wind speed, and the rotational speed of the generator changes around the rated speed. If the rotational speed is smaller than the rated speed and the pitch angle is larger than the fine pitch in order to improve the output power even in this situation, the torque mode switch 30 keeps the rated torque magnitude constantly. This allows more rated power to be maintained.

풍력터빈의 출력제어에 있어서 정격풍속 이상에서는 피치제어기(50)가 작동한다. 풍력터빈의 피치제어기(50)는 일반적으로 속도제어 루프 형태의 PI 제어기와 피치 게인-스케쥴링을 사용하며, 피치제어기(50)는 발전기의 회전속도를 피드백하여 기준입력인 발전기 정격회전속도(SpeedSet2)와의 오차를 PI 제어기를 통해 정격 풍속이상에서 블레이드의 피치각을 조절하는 방법이다. In the output control of the wind turbine, the pitch controller 50 operates above the rated wind speed. The pitch controller 50 of the wind turbine generally uses pitch gain-scheduling with a PI controller in the form of a speed control loop, and the pitch controller 50 feeds back the rotational speed of the generator to calculate the generator's rated rotational speed (SpeedSet2) And the pitch angle of the blade is controlled by the PI controller over the rated wind speed.

피치 게인-스케쥴링의 개념은 풍속이 증가할수록 피치각에 대한 공력토크의 비선형 파라미터의 절대값이 커져서 피치제어기(50)의 고유진동수를 증가시키기 때문에, 고정된 PI 게인값을 사용하는 것이 아니라 풍속이 증가할수록 작은 PI 게인값을 사용하기 위해 게인제수를 이용하여 PI 게인값을 줄여주는 방법이다.The concept of the pitch gain-scheduling is that the absolute value of the nonlinear parameter of the aerodynamic torque with respect to the pitch angle becomes larger as the wind speed increases, so that the natural frequency of the pitch controller 50 is increased. The PI gain value is reduced by using the gain multiplier in order to use a smaller PI gain value.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 피치제어기(50)의 블록선도를 도시한 것이다. 실제 전 풍속구간에서 피치제어기(50)의 시스템 형태는 도 4와 같은 블록선도로 표시된다. 도 4에 도시된 바와 같이,

Figure 112016012032223-pat00009
는 피드백 되는 발전기 회전속도(Ωg)와 기준입력인 발전기 정격 회전속도(Ωref)와의 오차이다. 4 shows a block diagram of a pitch controller 50 according to an embodiment of the present invention. The system configuration of the pitch controller 50 in the actual front wind speed section is indicated by a block diagram as shown in FIG. As shown in Figure 4,
Figure 112016012032223-pat00009
Is the error between the generator rotational speed (Ω g ) being fed back and the generator rated rotational speed (Ω ref ) being the reference input.

피치제어기(50)는 발전기 회전속도(Ωg)를 피드백하여 기준입력인 발전기 정격 회전속도(Ωref)와의 오차(

Figure 112016012032223-pat00010
)를 최소화하도록 피치 명령각(βc)을 조절한다. 실제적으로 피치각(β)은 피치각 제한장치(20)를 통하여 이하의 수학식 4와 같이 피치각의 최소값과 최대값 사이로 제한한다. The pitch controller 50 feeds back the generator rotation speed? G to calculate an error (? Ref ) with the generator input rotation speed? Ref
Figure 112016012032223-pat00010
) To minimize the pitch command angle ([beta] c). In practice, the pitch angle? Is limited between the minimum value and the maximum value of the pitch angle through the pitch angle limiter 20 as shown in Equation (4) below.

[수학식 4]&Quot; (4) &quot;

βmin ≤ β ≤ βmax ? min ????? max

βmin 는 피치각의 최소값이고, 일반적으로 파인피치각(βfine) 값을 이용한다. 여기서 파인피치각(βfine) 값은“0 도”이다. 정격풍속 이하에서 최대의 출력파워를 생산하기 위하여 파인피치각(βfine)으로 제한된다. 피치각의 최대값(βmax)은 피치각의 최대값이고, 풍력터빈에 따라 임의로 설정할 수 있다.β min is the minimum value of the pitch angle, and generally uses a fine pitch angle (β fine ) value. Here, the fine pitch angle (beta fine ) value is &quot; 0 degree &quot;. Is limited to a fine pitch angle (beta fine ) to produce the maximum output power below the rated wind speed. The maximum value (? Max ) of the pitch angle is the maximum value of the pitch angle and can be set arbitrarily according to the wind turbine.

<토크모드스위치 제어방법>&Lt; Torque mode switch control method >

이하에서는 앞서 언급한 토크모드스위치(30)의 제어방법에 대해 설명하도록 한다. 즉, 어떠한 경우에 제1모드값(이하 ‘0’) 또는 제2모드값(이하 ‘1’)을 선택하게 되는지 설명하도록 한다. Hereinafter, a control method of the torque mode switch 30 will be described. That is, it will be explained how the first mode value (hereinafter, referred to as '0') or the second mode value (hereinafter, '1') is selected.

본 발명의 제1실시예에 따른 토크모드스위치 제어방법은, 발전기의 회전속도와 피치각에 따라 이하와 같이 네 가지 경우로 나눌 수 있다. 네 가지 경우는 다음과 같다. The torque mode switch control method according to the first embodiment of the present invention can be divided into the following four cases according to the rotational speed and the pitch angle of the generator. The four cases are as follows.

“경우1 (Case1)”:"Case 1 (Case1)":

If Ωg ≥ Ωgrat and β 〉βfine If Ω g ≥ Ω grat and β> β fine

토크모드스위치 모드값 = ‘1’(Tg = Tgrat)Torque mode switch mode value = '1' (T g = T grat )

“경우2 (Case2)”:"Case 2 (Case 2)":

If Ωg ≥ Ωgrat and β ≤ βfine If Ω g ≥ Ω grat and β ≤ β fine

토크모드스위치 모드값 = ‘1’(Tg = Tgrat)Torque mode switch mode value = '1' (T g = T grat )

“경우3 (Case3)”:"Case 3 (Case 3)":

If Ωg 〈 Ωgrat and β 〉βfine If Ω ggrat and β> β fine

토크모드스위치 모드값 = ‘1’(Tg = Tgrat)Torque mode switch mode value = '1' (T g = T grat )

“경우4 (Case4)”:"Case 4 (Case 4)":

If Ωg〈 Ωgrat and β ≤ βfine If Ω ggrat and β ≤ β fine

토크모드스위치 모드값 = ‘0’(Tg = Lookup Table)Torque mode switch mode value = '0' (T g = Lookup Table)

여기서, Ωg 는 발전기 회전속도, Ωgrat 는 발전기 정격회전속도, β는 블레이드의 피치각, βfine는 피치각의 파인피치각, Tg 는 발전기의 토크크기, Tgrat는 발전기의 정격토크크기이다. Where ω g is the generator rotation speed, Ω grat is the generator rated rotation speed, β is the blade pitch angle, β fine is the pitch angle of the pitch angle , T g is the torque magnitude of the generator, and T grat is the rated torque magnitude to be.

앞서 언급한 바와 같이, 토크모드스위치(30)의 모드값이 “1”인 경우 발전기의 토크는 정격 토크크기를 사용한다. 토크모드스위치(30)의 모드값이 “0”인 경우 미리 계산된 순람표(Lookup Table)를 사용한다. As mentioned above, when the mode value of the torque mode switch 30 is &quot; 1 &quot;, the torque of the generator uses the rated torque magnitude. When the mode value of the torque mode switch 30 is &quot; 0 &quot;, a precomputed lookup table is used.

도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 토크모드스위치(30)와 토크제어방법을 나타낸 블록도를 도시한 것이다. 도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 토크모드스위치(30)의 블록도를 도시한 것이다. 정격풍속 이상일 때는 발전기의 정격 토크크기를 사용하도록 토크모드스위치(30)의 값을 “1”로 한다. 정격풍속 이하일 때는 최적모드게인을 이용하여 미리 계산된 순람표(Lookup Table)를 사용하여 발전기 토크를 발생시키도록 토크모드스위치(30)의 값을“0”으로 한다. 상기의 네 가지 경우를 토크모드스위치(30)로 구현하는 방법은 여러 가지가 가능한데 그 중 하나가 로직회로 “OR”문을 이용하여 구현하는 방법이다. 5 is a block diagram showing a torque mode switch 30 and a torque control method according to the first embodiment of the present invention. 6 shows a block diagram of a torque mode switch 30 according to a first embodiment of the present invention. When the rated wind speed is higher than the rated wind speed, set the value of the torque mode switch (30) to "1" to use the rated torque magnitude of the generator. When the engine speed is less than the rated wind speed, the value of the torque mode switch 30 is set to &quot; 0 &quot; so as to generate the generator torque using a pre-calculated lookup table using the optimum mode gain. There are many ways to implement the above four cases with the torque mode switch 30, one of which is implemented using a logic circuit &quot; OR &quot; statement.

이 구현의 의미는 발전기의 회전속도가 정격회전속도 이상이고 피치각이 파인피치각(Fine Pitch Angle)보다 크면 정격풍속 이상인 경우라고 판단하고 토크모드스위치(30)를 통해 정격 토크크기의 발전기 토크를 발생시키다. “OR”문의 구현은 도면 6과 같다. 이러한 본 발명의 제1실시예에 따른 토크모드스위치 제어방법을 통하여 난류풍속 등의 영향으로 토크크기가 순간적으로 떨어지는 문제를 방지할 수 있게 된다.The meaning of this implementation is that when the rotation speed of the generator is higher than the rated rotation speed and the pitch angle is larger than the fine pitch angle, it is judged that it is higher than the rated wind speed and the generator torque of the rated torque size is determined through the torque mode switch 30 Generate. The implementation of the "OR" statement is shown in FIG. The torque mode switch control method according to the first embodiment of the present invention can prevent the instantaneous drop in the torque magnitude due to the influence of the turbulent air velocity or the like.

그러나, 앞서 언급한 제1실시예에 따른 제어방법은, 정격풍속 이상에서 정격풍속 이하로 떨어질 때 발전기의 토크크기에서 토크채터링이 발생하는 문제를 가지고 있다. However, the control method according to the above-mentioned first embodiment has a problem that torque chattering occurs at the torque magnitude of the generator when the rated wind speed is lower than the rated wind speed.

이러한 토크채터링의 문제를 해결하기 위하여 우선 토크채터링이 발생하는 이유를 분석해 보기 위해, 2MW 풍력터빈을 예시로 설명하고자 한다. 풍력터빈의 수치실험 시 토크채터링이 발생하는 이유를 분석하기 위하여 계단풍속을 이용하였다. 도 7은 계단풍속을 나타낸 시간에 대한 풍속 그래프를 도시한 것이다. In order to solve the problem of torque chattering, a 2MW wind turbine will be described as an example in order to analyze why torque chattering occurs. In order to analyze the cause of torque chattering in the numerical experiments of wind turbine, step wind speed was used. FIG. 7 shows a graph of the wind speed versus time showing the stair wind speed.

2MW 풍력터빈의 정격풍속은 약 12m/s(11.7m/s)이고 발전기의 정격회전속도는 1,500rpm이다. 풍력터빈의 정격The rated wind speed of a 2MW wind turbine is about 12m / s (11.7m / s) and the generator's rated rotation speed is 1,500rpm. Rated wind turbine

풍속 이상에서 정격풍속 이하로 급격하게 떨어지는 경우의 분석을 위하여 도 7에 도시된 바와 같이 13m/s에서 11m/s로 변하는 계단풍속을 사용하였다. 그 실험의 결과는 도 8에 도시된 바와 같다. 도면 7에서 V는 풍속이다.For the analysis of the case where the wind speed suddenly drops below the rated wind speed, a stair wind speed varying from 13 m / s to 11 m / s is used as shown in FIG. The results of the experiment are as shown in Fig. In FIG. 7, V is the wind speed.

먼저, 정격풍속 이상과 정격풍속 이하에서의 정상상태를 구분하여 확인해보면, 그 수치실험 결과는 도 8과 같다. 도면 8에서 Pg는 발전기의 출력파워, Tg는 발전기의 토크 크기, Ωg는 발전기의 회전속도, β는 블레이드의 피치각이다. 도 8의 계단응답을 시간대 별로 그에 해당하는 경우(Case)를 구분하여 분석하면 도 9 및 이하의 표 1과 같다. 표 1에서 t는 시간을 나타낸다.First, when the steady state at the rated wind speed or more and the rated wind speed or less is discriminated and checked, the numerical experiment result is as shown in FIG. 8, P g is the output power of the generator, T g is the torque magnitude of the generator, Ω g is the rotational speed of the generator, and β is the pitch angle of the blade. FIG. 9 and Table 1 below show the case where the step response in FIG. 8 is divided into cases corresponding to time zones. In Table 1, t represents time.

[표 1][Table 1]

Figure 112016012032223-pat00011
Figure 112016012032223-pat00011

정격풍속 이상에서의 정상상태를 설명하면, 0~5초 동안에는 풍속이 13m/s로 정격풍속 이상이어서 발전기의 회전속도는 정격회전속도인 1,500rpm이다. 이때 정격출력을 유지하기 위해서는 블레이드에서 발생하는 공력토크를 줄여야한다. Explaining the steady state above the rated wind speed, the wind speed is 13 m / s for 0 to 5 seconds, which is higher than the rated wind speed, and the generator rotation speed is 1,500 rpm, which is the rated rotation speed. In order to maintain the rated output, the aerodynamic torque generated by the blade must be reduced.

블레이드의 피치각이 파인피치각인 “0도”보다 커지면 공력토크는 줄어드는데, 풍속이 13m/s인 경우 피치각의 정상상태 값은 도 10에 도시된 바와 같이, 약 “6.5도”로 유지된다. 이때의 토크모드스위치(30)는 “경우 1”에 해당되고 발전기의 토크크기는 정격토크크기를 발생시킨다.When the pitch angle of the blades is larger than the fine pitch angle &quot; 0 DEG C &quot;, the aerodynamic torque is reduced. When the wind speed is 13 m / s, the steady state value of the pitch angle is maintained at about 6.5 DEG . The torque mode switch 30 at this time corresponds to &quot; Case 1 &quot;, and the torque magnitude of the generator generates the rated torque magnitude.

정격풍속 이하에서의 정상상태를 설명하면, 7.67~15초 동안에는 풍속이 11m/s로 정격풍속 이하이어서 발전기의 회전속도는 정격회전속도보다 작은 1,494rpm이다. 그리고 풍속이 정격풍속 이하로 떨어지기 때문에 더 많은 공력토크를 얻기 위하여 피치각이 파인피치각인 “0도”로 떨어진 후 유지된다. 이때의 토크모드스위치(30)는 “경우 4”에 해당되고 발전기의 토크크기는 발전기의 회전속도에 따라 발전기의 토크크기를 조절한다. Explaining the steady state below the rated wind speed, the wind speed is 11 m / s for 7.67 to 15 seconds, and the rotational speed of the generator is 1,494 rpm less than the rated rotational speed, which is less than the rated wind speed. Since the wind speed falls below the rated wind speed, the pitch angle is maintained at a pitch angle of "0 degrees" to obtain more aerodynamic torque. At this time, the torque mode switch 30 corresponds to &quot; Case 4 &quot;, and the torque magnitude of the generator adjusts the torque magnitude of the generator according to the rotational speed of the generator.

다음으로 정격풍속 이상에서 정격풍속 이하로 급격히 떨어질 때 과도응답으로 인해 발생하는 토크채터링의 문제점을 확인해보도록 한다. Next, let's examine the problem of torque chattering caused by the transient response when it suddenly falls below the rated wind speed above the rated wind speed.

5~7.67초 동안에는 공력토크와 발전기 토크가 바뀌면 발전기의 회전속도가 변하는데 이에 따라서 풍력터빈의 동특성으로 인해 과도응답이 발생한다. 그러나 정격풍속 이하에서는 발전기의 회전속도가 항상 정격회전속도 이하이므로 토크채터링의 발생과는 상관이 없다. 블레이드 피치각 또한 피치제어기(50)의 동특성으로 인해 과도응답이 발생하는데, 피치각이 파인피치각인 “0도”로 되는 6.27초에서 바로 멈추지 않고 6.27초 이후에 “0도”를 중심으로 몇 차례 진동한 후에 “0도”로 유지된다. “0도”를 중심으로 진동할 때 피치각은 피치각 제한장치로 인해 파인피치각의 최솟값인 “0도”보다 작아지지는 않지만 “0도”보다 조금 커지는 경우가 발생하여 토크채터링에 영향을 미치게 된다. For 5 ~ 7.67 seconds, when the aerodynamic torque and the generator torque are changed, the rotational speed of the generator changes, resulting in the transient response due to the dynamic characteristics of the wind turbine. However, below the rated wind speed, the rotation speed of the generator is always less than the rated rotation speed, so that there is no relation to the occurrence of torque chattering. The blade pitch angle also causes transient response due to the dynamic characteristics of the pitch controller 50. The pitch angle does not stop immediately at 6.27 seconds, which is a pitch angle of &quot; 0 degrees &quot;, but after 6.27 seconds, And remains at &quot; 0 degrees &quot; after vibrating. When vibrating around "0 degree", the pitch angle is not smaller than "0", which is the minimum value of the fine pitch angle due to the pitch angle limiter, but is slightly larger than "0" .

이러한 현상으로 인해 토크모드스위치(30)는 정격풍속 이상에서 정격풍속 이하로 급격하게 떨어질 때 “경우 1”에서 “경우 4”로 바뀐 후 “경우 4”의 상태가 지속적으로 유지되지 않고 피치각이 파인피치각인 “0도”보다 큰 경우가 발생하여 다시 “경우 3”으로 바뀌고 또 다시 “경우 4”로 바뀌는 현상을 반복한다. 이때 “경우 3”에서는 정격토크크기를 발생시키고 “경우 4”에서는 발전기의 회전속도에 따라 발전기의 토크크기를 조절하는데, “경우 3”과 “경우 4”가 짧은 시간에 반복되는 현상 때문에 토크크기가 급격히 바뀌어 토크채터링이 발생된다. Due to this phenomenon, when the torque mode switch 30 is suddenly dropped below the rated wind speed above the rated wind speed, the state of "Case 4" is not maintained constantly after "Case 1" to "Case 4" The case where the fine pitch impression is greater than "0 degree" occurs, and then the state changes to "Case 3" again and then to "Case 4". In case "Case 3", the rated torque is generated. In case 4, the torque of the generator is adjusted in accordance with the rotational speed of the generator. Because "Case 3" and "Case 4" The torque chattering occurs.

도 8은 풍속이 13m/s에서 11m/s로 급격히 바뀐 후 피치각 “0도”로 떨어지는 시점에서부터 약 1.5초 동안 토크채터링이 발생함을 보여준다. 이때 피치각은 약 1.5초 동안 “0~0.02도”사이에서 매우 작은 진동이 여러 번 발생한 후에 “0도”로 유지되는 것을 확인할 수 있다.FIG. 8 shows that torque chattering occurs for about 1.5 seconds from the time when the wind speed is changed from 13 m / s to 11 m / s and then falls to the pitch angle "0". At this time, it can be seen that the pitch angle is maintained at "0 degree" after several very small vibrations occur between "0 and 0.02 degrees" for about 1.5 seconds.

상기와 같은 이유로 발생한 토크채터링의 문제는 토크모드스위치(30)의 “경우3”에서 나타나는 현상이므로 “경우3”을 보완할 필요성이 있다. The problem of torque chattering caused by the above-described reason is a phenomenon appearing in &quot; Case 3 &quot; of the torque mode switch 30, and therefore, there is a need to compensate for &quot; Case 3 &quot;.

이하에서 설명되는 본 발명의 제2실시예에 따른 토크모드스위치(30)의 제어방법은 제1실시예에서 나타난 토크채터링 문제를 해결하기 위한 것이다. 본 발명의 제2실시예에 따라 토크모드스위치(30)를 제어할 때 제1실시예와 동일하게 발전기의 회전속도와 블레이드의 피치각 두 가지 정보를 모두 고려한다. The control method of the torque mode switch 30 according to the second embodiment of the present invention described below is intended to solve the torque chattering problem shown in the first embodiment. When controlling the torque mode switch 30 according to the second embodiment of the present invention, both of the rotational speed of the generator and the pitch angle of the blade are considered as in the first embodiment.

앞서 언급한 바와 같이, 제1실시예를 적용하면 풍속이 정격풍속 이상에서 정격풍속 이하로 급격히 떨어질 때 피치각은 피치제어기(50)의 동특성으로 인해 발생하는 토크채터링 때문에 파인피치각인 “0도”를 중심으로 변동하는 매우 작은 진동이 발생한다. As described above, when the first embodiment is applied, when the wind speed suddenly drops below the rated wind speed from the rated wind speed to below the rated wind speed, the pitch angle becomes a fine pitch angle &quot; 0 &quot; due to torque chattering caused by the dynamic characteristics of the pitch controller 50 &Quot;, a very small vibration is generated.

앞서 언급한 바와 같이, 발전기의 회전속도가 정격회전속도보다 작은 경우에 블레이드의 피치각이 “0도” 부근에서 진동하게 되면 토크모드스위치(30)의 네 가지 경우 중 “경우 3”으로 인해 토크채터링이 발생한다. 풍력터빈이 정격출력 이상에서 정격출력 이하로 급격히 떨어질 때 피치각이 “0도”부근에서 진동하는 현상은 물리적으로 피할 수 없지만 “경우 3”의 토크모드스위치 값은 제어가 가능하다. As mentioned above, when the rotational speed of the generator is smaller than the rated rotational speed and the pitch angle of the blade vibrates about &quot; 0 degrees &quot;, the &quot; Case 3 &quot; out of the four cases of the torque mode switch 30 causes the torque Chattering occurs. When the wind turbine suddenly falls below the rated power at or above the rated power, the phenomenon that the pitch angle oscillates near "0 degrees" is physically inevitable, but the "3" torque mode switch value is controllable.

토크채터링을 방지하기 위하여 토크채터링의 발생과 관련이 있는 “경우 3”에서는 토크모드스위치(30)의 값을 항상 “1”로 사용하는 대신에 “1” 또는 “0”을 사용하는 것이 필요하다. “1” 과 “0”을 결정하기 위한 판단이 필요한데, 토크모드스위치(30)의 “이전 값”을 사용하면 “0” 과 “1”을 판단할 수 있다. In case 3, which is related to the occurrence of torque chattering in order to prevent torque chattering, it is preferable to use "1" or "0" instead of always using the value of the torque mode switch 30 as "1" need. 0 &quot; and &quot; 1 &quot; can be determined by using the &quot; previous value &quot; of the torque mode switch 30. [

토크채터링 문제를 해결하기 위해 제안되는 본 발명의 제2실시예에 따른 토크모드스위치(30)의 제어방법은 다음과 같다. 발전기의 회전속도와 피치각에 따라서 네 가지 경우로 나눌 수 있다. A control method of the torque mode switch 30 according to the second embodiment of the present invention proposed to solve the torque chattering problem is as follows. It can be divided into four cases according to the rotational speed and pitch angle of the generator.

“경우 1 (Case1)”:"Case 1 (Case1)":

If Ωg ≥ Ωgrat and β 〉βfine If Ω g ≥ Ω grat and β> β fine

토크모드스위치 모드값 = ‘1’(Tg = Tgrat)Torque mode switch mode value = '1' (T g = T grat )

“경우 2 (Case2)”:"Case 2 (Case 2)":

If Ωg ≥ Ωgrat and β ≤ βfine If Ω g ≥ Ω grat and β ≤ β fine

토크모드스위치 모드값 = ‘1’(Tg = Tgrat)Torque mode switch mode value = '1' (T g = T grat )

“경우 3 (Case3)”:"Case 3 (Case 3)":

If Ωg 〈 Ωgrat and β 〉βfine If Ω ggrat and β> β fine

토크모드스위치 모드값(k) = 토크모드스위치 모드값(k-1)Torque mode switch mode value (k) = torque mode switch mode value (k-1)

(‘1’ 또는‘0’)('1' or '0')

(Tg = Tgrat 또는 Tg = Lookup Table)(T g = T grat or T g = Lookup Table)

“경우 4 (Case4)”:"Case 4 (Case 4)":

If Ωg〈 Ωgrat and β ≤ βfine If Ω ggrat and β ≤ β fine

토크모드스위치 모드값 = ‘0’(Tg = Lookup Table)Torque mode switch mode value = '0' (T g = Lookup Table)

여기서 k는 “현재 상태”이고 k-1은 “이전 상태”를 의미한다. Where k is "current state" and k-1 means "previous state".

“경우3”에서 토크모드스위치(30)의 “이전 상태”를 사용한 결과에 대해 정격풍속 이상에서 정격풍속 이하로 떨어지는 도면 5의 계단풍속에 대하여 동일하게 살펴보도록 한다. 수치실험 결과는 도 10과 같다. 또한, 도 11의 계단응답을 시간대 별로 그에 해당하는 경우를 구분하여 분석하면 도 12 및 이하의 표 2와 같다. 표 2에서 t는 시간을 나타낸다.5 for the result of using the &quot; previous state &quot; of the torque mode switch 30 in &quot; Case 3 &quot; falling below the rated wind speed above the rated wind speed. The numerical experiment results are shown in Fig. 11 is divided into time-based responses, and the result is shown in FIG. 12 and Table 2 below. In Table 2, t represents time.

[표 2][Table 2]

Figure 112016012032223-pat00012
Figure 112016012032223-pat00012

먼저, 정격풍속 이상과 정격풍속 이하에서의 정상상태를 구분하여 확인해보도록 한다. 정격풍속 이상에서의 정상상태를 설명하면, 0~5초 동안에는 풍속이 13m/s로 정격풍속 이상이므로 발전기의 회전속도는 정격회전속도인 1,500rpm이고 피치각은 약 “6.5도”로 파인피치각보다 크다. 이는 “경우 1”에 해당되고 토크모드스위치(30)의 값은 “1”로 유지된다. 이는 제1실시예의 결과와 동일하다. First, check the steady state under the rated wind speed and below the rated wind speed separately. Explaining the steady state above the rated wind speed, the speed of the generator is 1,500 rpm, which is the rated rotation speed, and the pitch angle is about "6.5 degrees" because the wind speed is 13 m / s over the rated wind speed for 0 to 5 seconds. Lt; / RTI &gt; This corresponds to "Case 1" and the value of the torque mode switch 30 is maintained at "1". This is the same as the result of the first embodiment.

정격풍속 이하에서의 정상상태를 설명하면, 11.17~15초 동안에는 풍속이 11m/s로 정격풍속 이하이어서 발전기의 회전속도는 1,494rpm으로 정격회전속도보다 작고 피치각은 “0도”로 파인피치각이다. 이는 “경우 4”에 해당되고 토크모드스위치(30)의 값은 “0”으로 유지된다. 이는 제1실시예의 결과와 동일하다. When the steady state at the rated wind speed or below is explained, the wind speed is 11 m / s for 11.17 to 15 seconds, the rated wind speed is less than the rated wind speed, and the generator rotation speed is 1,494 rpm and the pitch angle is smaller than the rated rotation speed. to be. This corresponds to "Case 4" and the value of the torque mode switch 30 is maintained at "0". This is the same as the result of the first embodiment.

다음으로 정격풍속 이상에서 정격풍속 이하로 급격히 떨어질 때 발생하는 과도응답에서의 토크모드스위치(30)의 작동을 확인해 보도록 한다. Next, check the operation of the torque mode switch 30 in the transient response that occurs when the rated wind speed drops below the rated wind speed.

우선, 풍속이 11m/s로 바뀐 후 5~6.27초 동안의 과도응답을 살펴보면 발전기의 회전속도는 정격회전속도보다 작지만 피치각은 파인피치각보다 크다. 이는 “경우 3”에 해당되므로 토크모드스위치(30)의 값은 “1” 과 “0”중에서 판단해야한다. First, when the transient response is 5 ~ 6.27 seconds after changing the wind speed to 11m / s, the rotational speed of the generator is smaller than the rated rotational speed, but the pitch angle is larger than the fine pitch angle. Since this corresponds to &quot; Case 3 &quot;, the value of the torque mode switch 30 should be judged from &quot; 1 &quot;

이 경우 토크모드스위치(30)의 “이전 값”이 “1”이므로 “1”로 판단되어 “1”로 유지된다. 다음으로, 6.27초일 때 피치각이 파인피치각인 “0도”로 떨어진다. 이때 발전기의 회전속도는 정격회전속도보다 작고 피치각은 파인피치각이기 때문에 “경우 4”에 해당되고 토크모드스위치(30)의 값은 “0”으로 바뀐다. 다음으로 6.27~11.17초 동안에는 피치제어기(50)의 동특성 때문에 피치각이 다시 파인피치각보다 커지기 된다. In this case, since the &quot; previous value &quot; of the torque mode switch 30 is &quot; 1 &quot;, it is determined to be &quot; 1 &quot; Next, at 6.27 seconds, the pitch angle falls to a pitch angle of &quot; 0 degrees &quot;. At this time, since the rotation speed of the generator is smaller than the rated rotation speed and the pitch angle is a fine pitch angle, it corresponds to "Case 4" and the value of the torque mode switch 30 changes to "0". Next, during 6.27 to 11.17 seconds, the pitch angle becomes larger than the pitch angle again due to the dynamic characteristics of the pitch controller 50.

이는 “경우 3”에 해당되므로 토크모드스위치(30)의 값은 “1” 과 “0” 중에서 판단해야한다. 이 경우 토크모드스위치(30)의 “이전 값”이 “0”이므로 “0”으로 판단되어 “1”로 바뀌지 않고 “0”으로 유지된다. 이때 발전기의 토크 크기는 정격토크 크기로 급격하게 바뀌지 않으므로 토크채터링을 방지할 수 있다. Since this corresponds to &quot; Case 3 &quot;, the value of the torque mode switch 30 should be judged from &quot; 1 &quot; In this case, since the &quot; previous value &quot; of the torque mode switch 30 is &quot; 0 &quot;, it is judged as &quot; 0 &quot; At this time, the torque magnitude of the generator does not change abruptly to the rated torque magnitude, so torque chattering can be prevented.

그러므로 이와 같이 피치각이 파인 피치각인 “0도”로 떨어진 후 피치제어기(50)의 동특성으로 인해 피치각이 “0도” 부근에서 진동하여도, 토크모드스위치(30)의 값을 “이전 값”으로 사용하면 기존 방법의 “경우3”에서 나타나는 토크채터링의 발생을 방지할 수 있게 됨을 알 수 있다. Therefore, even if the pitch angle oscillates near &quot; 0 degree &quot; due to the dynamic characteristic of the pitch controller 50 after the pitch angle has fallen to the pitch angle of &quot; 0 degrees &quot;, the value of the torque mode switch 30 is &Quot;, it can be seen that the occurrence of torque chattering which is indicated in &quot; Case 3 &quot; of the conventional method can be prevented.

제1실시예의 토크모드스위치 제어방법과 제2실시예의 방법을 계단풍속으로 비교한 수치실험 결과는 도 13과 같다. 제2실시예에 따른 토크모드스위치(30)의 제어방법을 적용하면 토크채터링이 방지되고 이로 인해 과도응답 특성이 향상됨을 확인할 수 있다. The results of numerical experiments comparing the torque mode switch control method of the first embodiment and the method of the second embodiment with respect to the stair wind speed are shown in Fig. It can be seen that the torque chattering is prevented by applying the control method of the torque mode switch 30 according to the second embodiment, thereby improving the transient response characteristic.

본 발명의 제2실시예에 따른 토크모드스위치(30)의 제어방법을 상기와 같은 논리에 따라서 제안된 방법을 Matlab/Simulink로 구현한 것은 도 14와 같다. 이는 여러 가지 구현방법 중 하나이고 로직회로 “AND”와 정수지연(Integer Delay) z-1을 이용하여 구현되었다. 여기서 z-1은 “이전 값”을 의미한다. The control method of the torque mode switch 30 according to the second embodiment of the present invention is as shown in FIG. 14 in which the proposed method according to the above logic is implemented by Matlab / Simulink. This is one of several implementations and is implemented using logic circuit "AND" and integer delay z -1 . Where z -1 means "previous value".

제안된 구현에서 발전기의 회전속도가 정격속도 이상이면 정격출력 이상으로 판단하여 토크모드스위치(30)의 값은 “1”이 된다. 발전기의 회전속도가 정격속도보다 작고 피치각이 파인피치각이면 정격출력 이하로 판단하여 토크모드스위치(30)의 값은 “0”이 된다. 또한 발전기의 회전속도가 정격속도보다 작고 피치각이 파인피치각보다 크면 정수지연(Integer Delay) 기능을 사용하여 토크모드스위치(30)의 값은 “이전 값”이 된다.In the proposed implementation, when the rotational speed of the generator is equal to or higher than the rated speed, the torque mode switch 30 is judged to be equal to or higher than the rated output and the value of the torque mode switch 30 becomes "1". If the rotation speed of the generator is smaller than the rated speed and the pitch angle is a pitch angle, the value of the torque mode switch 30 is determined to be "0". If the rotational speed of the generator is smaller than the rated speed and the pitch angle is larger than the pitch angle, the value of the torque mode switch 30 becomes "previous value" by using the integral delay function.

<수치실험 데이터><Numerical Experiment Data>

이하에서는 토크채터링 문제 해결여부를 비교한 제1실시예와 제2실시예의 수치실험데이터를 설명하도록 한다. 실제와 유사한 풍속인 난류풍속을 사용하여 풍력터빈 제어시스템의 출력성능을 평가하는 것은 매우 중요하다. 풍속이 정격풍속 이상에서 정격풍속 이하로 급격히 떨어질 때 발생하는 토크채터링의 문제를 확인하기 위하여 도 15와 같은 난류풍속을 사용하였다. 사용한 난류풍속은 IEC-61400-1의 규정에 따라서 생성되었는데 10분 동안의 평균풍속은 16m/s이고 난류강도는 17.6%이다. The numerical experiment data of the first embodiment and the second embodiment in which the torque chattering problem is solved will be described below. It is very important to evaluate the output performance of a wind turbine control system using turbulent wind speeds that are similar to actual wind speeds. Turbulent wind speeds as shown in Fig. 15 were used to confirm the problem of torque chattering occurring when the wind speed suddenly drops below the rated wind speed above the rated wind speed. The turbulent wind velocity used was generated according to IEC-61400-1, with an average wind speed of 16m / s for 10 minutes and a turbulent intensity of 17.6%.

도 15에 도시된 바와 같이, 실제 난류풍속은 난류강도가 매우 커서 정격풍속(약 12m/s) 이상에서 정격풍속 이하로 떨어지는 경우가 여러 번 발생하므로 올바른 토크모드스위치(30)의 작동이 중요하다. As shown in Fig. 15, the actual turbulence wind speed is very large and the operation of the correct torque mode switch 30 is important because the turbulence intensity is very large and the wind speed falls below the rated wind speed more than the rated wind speed (about 12 m / s) .

도 16에서 표시한 것처럼 정격풍속 이상에서 정격풍속 이하로 떨어지는 경우는 13.5초(1), 46.1초(2), 56.6초(3), 97.5초(4), 205.9초(5), 228.1초(6), 264.2초(7), 277.8초(8), 376.2초(9), 389.7초(10), 435.2초(11), 489.5초(12), 571.2초(13), 585.6초(14) 부근으로 총 14회 발생하였다. 난류풍속을 이용하여 제1실시예에 따른 토크모드스위치(30)의 제어방법을 적용한 수치실험의 결과는 도 17과 같고 토크채터링을 확인하기 위해 확대하여 표시한 도면은 도 18 및 도 19과 같다.(1), 46.1 seconds (2), 56.6 seconds (3), 97.5 seconds (4), 205.9 seconds (5), and 228.1 seconds when the wind speed drops below the rated wind speed above the rated wind speed as shown in FIG. 6), 264.2 seconds (7), 277.8 seconds (8), 376.2 seconds (9), 389.7 seconds (10), 435.2 seconds (11), 489.5 seconds (12), 571.2 seconds (13), 585.6 seconds 14 times in total. The results of the numerical experiments using the turbulent wind speed and the control method of the torque mode switch 30 according to the first embodiment are as shown in Fig. 17, and the enlarged views for confirming torque chattering are shown in Figs. 18 and 19 same.

풍속이 정격풍속 이상에서 정격풍속 이하로 떨어지는 14회 중에서 세 번을 제외한 총 11회(도 16에서 1, 2, 3, 4, 6, 7, 8, 9, 11, 12, 13의 경우에 해당하는 시간 부근)에서 피치각이 파인피치각인 “0도”로 떨어졌다. 이때 도 17을 보면 토크채터링이 여러 차례 발생하는 것을 확인할 수 있는데, 피치각이 파인피치각인 “0도”로 떨어지는 11회 중에서 토크채터링은 총 8회(도 16에서 1, 4, 6, 7, 9, 11, 12, 13의 경우에 해당하는 시간 부근) 발생하였다. 그중에 토크채터링의 정도가 큰 경우는 도 18 및 도 19에서 표시한 97.5초(4)와 489.5초(12) 부근에서 발생하였다. In the case of 14 times of falling wind speed below the rated wind speed from the rated wind speed to below the rated wind speed, a total of 11 times (corresponding to 1, 2, 3, 4, 6, 7, 8, 9, 11, 12, The pitch angle fell to &quot; 0 deg. &Quot; 17 shows that torque chattering occurs several times. Among the 11 times that the pitch angle falls to a pitch angle of &quot; 0 degrees &quot;, the torque chattering is performed 8 times in total (1, 4, 6, 7, 9, 11, 12, and 13). In the meantime, when the degree of torque chattering was large, it occurred in the vicinity of 97.5 seconds (4) and 489.5 seconds (12) shown in FIG. 18 and FIG.

또한, 본 발명의 제2실시예에 따른 제어방법을 적용한 수치실험의 결과는 도 20과 같고 토크채터링의 해결 효과를 확인하기 위해 확대하여 표시한 도면은 도 21 및 도 22과 같다. 이 경우에는 풍속이 정격풍속 이상에서 정격풍속 이하로 급격히 떨어질 때 발생하는 토크채터링 문제를 방지할 수 있음을 확인할 수 있다. The results of the numerical experiment using the control method according to the second embodiment of the present invention are as shown in FIG. 20, and the enlarged views are shown in FIGS. 21 and 22 to confirm the solution of the torque chattering. In this case, it can be seen that the problem of torque chattering which occurs when the wind speed suddenly drops from the rated wind speed to the rated wind speed or less can be prevented.

제1실시예에 따른 토크모드스위치(30)의 제어방법을 적용한 경우 평균 출력파워는 1.97MW이고, 제2실시예에 따른 제어방법을 적용한 경우의 평균 출력파워 또한 1.97MW로 동일하다. 그러므로 실제 난류풍속에서 제2실시예에 따른 토크모드스위치(30)의 제어방법을 사용하면 제1실시예에 따른 토크모드스위치 제어방법의 문제점인 토크채터링의 발생을 방지하면서 동일한 출력파워를 얻을 수 있는 이점이 있음을 알 수 있다. When the control method of the torque mode switch 30 according to the first embodiment is applied, the average output power is 1.97 MW, and the average output power when the control method according to the second embodiment is applied is also equal to 1.97 MW. Therefore, by using the control method of the torque mode switch 30 according to the second embodiment at the actual turbulent air velocity, it is possible to prevent the occurrence of torque chattering, which is a problem of the torque mode switch control method according to the first embodiment, It can be seen that there is an advantage to be able to do.

따라서 본 발명의 제2실시예에 따르면, 앞서 언급한 바와 같이, 풍력터빈이 정격풍속 이상에서 정격풍속 이하로 급격히 떨어질 때 발생하는 토크채터링의 문제를 완전히 해결할 수 있었고, 또한 안정적으로 발전기의 토크크기를 제어할 수 있다.Therefore, according to the second embodiment of the present invention, as described above, the problem of torque chattering which occurs when the wind turbine suddenly falls below the rated wind speed in excess of the rated wind speed can be completely solved, and the torque of the generator You can control the size.

또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.It should be noted that the above-described apparatus and method are not limited to the configurations and methods of the embodiments described above, but the embodiments may be modified so that all or some of the embodiments are selectively combined .

10:회전속도 측정부
20:피치각 제한장치부
30:토크모드스위치
40:토크제어기
50:피치제어기
10: rotational speed measuring unit
20: Pitch angle limiter unit
30: Torque mode switch
40: torque controller
50: pitch controller

Claims (10)

발전기 회전속도를 실시간으로 측정하는 회전속도 측정부;
블레이드의 피치 명령각을 실시간으로 계산하는 피치제어기;
피치 명령각을 제한하여 실제 블레이드의 피치각을 결정하는 피치각 제한장치부;
상기 회전속도 측정부에서 측정된 회전속도와 피치제어기와 피치각 제한장치부에서 결정된 피치각을 기준으로, 모드값을 선택하는 토크모드스위치; 및
상기 토크모드스위치에서 선택된 모드값에 따라 발전기의 토크를 제어하는 토크제어기를 포함하고,
상기 토크모드스위치는 상기 회전속도와 상기 피치각을 기준으로 정격풍속이하라고 판단되면 제1모드값을 선택하고, 정격풍속이상이라고 판단되면 제2모드값을 선택하며,
상기 토크제어기는, 상기 제1모드값의 경우, 기 연산된 회전속도에 따른 토크값으로 상기 발전기토크를 제어하고, 상기 제2모드값의 경우, 정격토크크기로 상기 발전기 토크를 제어하고,
상기 토크모드스위치는, 상기 회전속도가 정격회전속도 이상이고 상기 피치각이 파인피치각을 초과하는 경우 상기 제2모드값을 선택하고, 상기 회전속도가 정격회전속도 이상이고, 상기 피치각이 파인피치각 이하인 경우 상기 제2모드값을 선택하며, 상기 회전속도가 정격회전속도 미만이고, 상기 피치각이 파인피치각을 초과하는 경우, 이전 선택된 모드값을 그대로 선택하고, 상기 회전속도가 정격회전속도 미만이고, 상기 피치각이 파인피치각 이하인 경우 제1모드값을 선택하는 것을 특징으로 하는 풍력터빈의 토크모드스위치 제어 시스템.
A rotational speed measuring unit for measuring the rotational speed of the generator in real time;
A pitch controller for calculating the pitch command angle of the blade in real time;
A pitch angle restricting unit for limiting a pitch command angle to determine a pitch angle of an actual blade;
A torque mode switch for selecting a mode value based on the rotational speed measured by the rotational speed measuring unit and the pitch angle determined by the pitch controller and the pitch angle limiting unit; And
And a torque controller for controlling the torque of the generator according to the mode value selected in the torque mode switch,
Wherein the torque mode switch selects a first mode value when it is determined that the rated wind speed is based on the rotation speed and the pitch angle and selects a second mode value when it is determined that the rated wind speed is higher than the rated wind speed,
Wherein the torque controller controls the generator torque at a torque value according to the pre-calculated rotational speed in the case of the first mode value, controls the generator torque at a rated torque size in the case of the second mode value,
Wherein the torque mode switch selects the second mode value when the rotational speed is equal to or higher than the rated rotational speed and the pitch angle exceeds a pitch angle which is a pitch and the rotational speed is equal to or higher than the rated rotational speed, When the rotation speed is less than the rated rotation speed and the pitch angle exceeds a pitch angle which is a fine pitch angle, the previously selected mode value is directly selected, and when the rotation speed is lower than the rated rotation speed And when the pitch angle is less than or equal to the fine pitch angle, the first mode value is selected.
삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 기 연산된 회전속도에 따른 토크값은 이하의 수학식 1과 수학식 2에 의해 연산되는 것을 특징으로 하는 풍력터빈의 토크모드스위치 제어 시스템:
[수학식 1]
Figure 112017003957321-pat00013

[수학식 2]
Figure 112017003957321-pat00014

Ωg는 발전기 회전속도, Tg(t)는 제1모드값에서 제어되는 발전기 토크, Kopt는 최적모드게인, CP,max는 최대출력계수, λopt는 최적주속비, R은 블레이드 길이, ρ은 공기밀도, Ngb는 기어비이다.
The method according to claim 1,
Wherein the torque value according to the pre-calculated rotational speed is calculated by the following equations (1) and (2): &lt; EMI ID = 1.0 &gt;
[Equation 1]
Figure 112017003957321-pat00013

&Quot; (2) &quot;
Figure 112017003957321-pat00014

Ω g is the generator rotation speed, T g (t) is the generator torque controlled at the first mode value, K opt is the optimum mode gain, C p, max is the maximum output coefficient, λ opt is the optimum primary speed ratio, R is the blade length, ρ is the air density, and N gb is the gear ratio.
삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 회전속도가 정격회전속도 이하인 경우 피치각을 파인피치각으로 유지하고, 피치제어기는 회전속도가 정격회전속도를 초과하는 경우 상기 회전속도와 상기 정격회전속도의 오차를 기반으로 상기 피치 명령각을 연산하고, 상기 피치각 제한장치부는 기설정된 최소피치각과 최대피치각 사이로 피치 명령각을 제한하여 실제 블레이드의 피치각을 결정하는 것을 특징으로 하는 풍력터빈의 토크모드스위치 제어 시스템.
The method according to claim 1,
The pitch controller maintains the pitch angle at a fine pitch angle when the rotational speed is equal to or lower than the rated rotational speed and the pitch controller calculates the pitch command angle based on the error between the rotational speed and the rated rotational speed when the rotational speed exceeds the rated rotational speed And the pitch angle limiting unit determines the pitch angle of the actual blade by limiting a pitch command angle between a predetermined minimum pitch angle and a maximum pitch angle.
정격회전속도와, 파인피치각, 정격토크크기를 설정하는 단계;
회전속도 측정부가 발전기 회전속도를 실시간으로 측정하고, 피치제어기가 블레이드의 피치 명령각을 실시간으로 계산하고, 피치각 제한장치부가 피치 명령각을 제한하여 실제 블레이드의 피치각을 결정하는 단계;
토크모드스위치가 상기 회전속도 측정부에서 측정된 회전속도와 피치제어기와 피치각 제한장치부에서 결정된 피치각을 기준으로, 모드값을 선택하는 단계; 및
토크제어기가 상기 토크모드스위치에서 선택된 모드값에 따라 발전기의 토크를 제어하는 단계;를 포함하고,
상기 선택하는 단계에서, 상기 토크모드스위치는 상기 회전속도와 상기 피치각을 기준으로 정격풍속이하라고 판단되면 제1모드값을 선택하고, 정격풍속이상이라고 판단되면 제2모드값을 선택하며,
상기 제어하는 단계에서, 상기 토크제어기는 상기 제1모드값의 경우, 기 연산된 회전속도에 따른 토크값으로 상기 발전기토크를 제어하고, 상기 제2모드값의 경우, 정격토크크기로 상기 발전기 토크를 제어하고,
상기 선택하는 단계에서, 상기 토크모드스위치는, 상기 회전속도가 정격회전속도 이상이고 상기 피치각이 파인피치각을 초과하는 경우 상기 제2모드값을 선택하고, 상기 회전속도가 정격회전속도 이상이고, 상기 피치각이 파인피치각 이하인 경우 상기 제2모드값을 선택하며, 상기 회전속도가 정격회전속도 미만이고, 상기 피치각이 파인피치각을 초과하는 경우, 이전 선택된 모드값을 그대로 선택하고, 상기 회전속도가 정격회전속도 미만이고, 상기 피치각이 파인피치각 이하인 경우 제1모드값을 선택하는 것을 특징으로 하는 풍력터빈의 토크모드스위치 제어 방법.
Setting a rated rotational speed, a fine pitch angle, and a rated torque magnitude;
Determining a pitch angle of the actual blade by the rotational speed measuring unit in real time, measuring the rotational speed of the generator in real time, calculating the pitch command angle of the blade in real time by the pitch controller, and limiting the pitch angle limiter with the pitch angle limit;
Selecting a mode value based on the rotational speed measured by the rotational speed measuring unit and the pitch angle determined by the pitch controller and the pitch angle limiter; And
And a torque controller controlling the torque of the generator according to the mode value selected in the torque mode switch,
Wherein the torque mode switch selects the first mode value when it is determined that the rated wind speed is based on the rotation speed and the pitch angle and selects the second mode value when it is determined that the rated wind speed is higher than the rated wind speed,
In the controlling step, the torque controller controls the generator torque at a torque value according to the pre-computed rotational speed in the case of the first mode value, and controls the generator torque at the rated torque size in the case of the second mode value. Lt; / RTI &gt;
In the selecting step, the torque mode switch selects the second mode value when the rotation speed is equal to or higher than the rated rotation speed and the pitch angle exceeds the pitch angle, and when the rotation speed is equal to or higher than the rated rotation speed And selecting the second mode value when the pitch angle is less than or equal to the finite pitch angle, selecting the previously selected mode value as it is when the rotation speed is less than the rated rotation speed and the pitch angle exceeds the pitch angle, Wherein the first mode value is selected when the rotation speed is less than the rated rotation speed and the pitch angle is less than or equal to the pitch angle.
삭제delete 제 6항에 있어서,
상기 기 연산된 회전속도에 따른 토크값은 이하의 수학식 1과 수학식 2에 의해 연산되는 것을 특징으로 하는 풍력터빈의 토크모드스위치 제어 방법:
[수학식 1]
Figure 112017003957321-pat00015

[수학식 2]
Figure 112017003957321-pat00016

Ωg는 발전기 회전속도, Tg(t)는 제1모드값에서 제어되는 발전기 토크, Kopt는 최적모드게인, CP,max는 최대출력계수, λopt는 최적주속비, R은 블레이드 길이, ρ은 공기밀도, Ngb는 기어비이다.
The method according to claim 6,
Wherein the torque value according to the pre-calculated rotational speed is calculated by the following equations (1) and (2): &lt; EMI ID = 1.0 &gt;
[Equation 1]
Figure 112017003957321-pat00015

&Quot; (2) &quot;
Figure 112017003957321-pat00016

Ω g is the generator rotation speed, T g (t) is the generator torque controlled at the first mode value, K opt is the optimum mode gain, C p, max is the maximum output coefficient, λ opt is the optimum primary speed ratio, R is the blade length, ρ is the air density, and N gb is the gear ratio.
삭제delete 제 6항에 있어서,
상기 회전속도가 정격회전속도 이하인 경우 피치각을 파인피치각으로 유지하고, 피치제어기는 회전속도가 정격회전속도를 초과하는 경우 상기 회전속도와 상기 정격회전속도의 오차를 기반으로 상기 피치 명령각을 연산하고, 상기 피치각 제한장치부는 기설정된 최소피치각과 최대피치각 사이로 피치 명령각을 제한하여 실제 블레이드의 피치각을 결정하는 것을 특징으로 하는 풍력터빈의 토크모드스위치 제어 방법.
The method according to claim 6,
The pitch controller maintains the pitch angle at a fine pitch angle when the rotational speed is equal to or lower than the rated rotational speed and the pitch controller calculates the pitch command angle based on the error between the rotational speed and the rated rotational speed when the rotational speed exceeds the rated rotational speed Wherein the pitch angle limiting unit determines the pitch angle of the actual blade by limiting a pitch command angle between a predetermined minimum pitch angle and a maximum pitch angle.
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