KR101753286B1 - 풍력 발전기 출력 제어 장치 및 방법 - Google Patents

풍력 발전기 출력 제어 장치 및 방법 Download PDF

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KR101753286B1 KR1020160032668A KR20160032668A KR101753286B1 KR 101753286 B1 KR101753286 B1 KR 101753286B1 KR 1020160032668 A KR1020160032668 A KR 1020160032668A KR 20160032668 A KR20160032668 A KR 20160032668A KR 101753286 B1 KR101753286 B1 KR 101753286B1
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Abstract

풍력 발전기의 출력을 제어하는 기술, 더 자세히는 피치각이 일정한 조건에서 출력 계수 및 주속비의 관계를 이용하여 풍력 발전기의 출력을 제어하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
제안된 발명이 해결하고자 하는 하나의 과제는 피치각이 일정한 조건에서의 출력 계수 및 주속비의 관계를 이용하여 최적 모드에서의 풍력 발전기의 출력을 제어하는 것이다.
일 양상에 있어서, 풍력 발전기 출력 제어 장치는 현재 계통 주파수에 따른 풍력 발전기의 출력비와 풍력 발전기의 목표 출력비의 차이인 출력비 차이값을 산출하는 출력비 차이값 산출부, 상기 출력비 차이값으로부터 목표 주속비를 산출하는 목표 주속비 산출부, 상기 목표 주속비로부터 최적 모드 게인을 산출하는 최적 모드 게인 산출부 및 상기 최적 모드 게인으로부터 목표 토크값을 산출하는 목표 토크값 산출부를 포함한다.

Description

풍력 발전기 출력 제어 장치 및 방법{Apparatus and method for controlling output of wind power generator}
풍력 발전기의 출력을 제어하는 기술, 더 자세히는 피치각이 일정한 조건에서 출력 계수 및 주속비의 관계를 이용하여 풍력 발전기의 출력을 제어하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
풍력 발전기는 바람이 가진 운동에너지를 블레이드 회전에 의한 기계적인 에너지로 변환시킨다. 변환된 기계적인 에너지는 발전기를 통하여 전기 에너지로 변환된다.
풍력 발전기의 출력 계수가 최대가 되는 주속비 값을 최적 주속비라고 한다. 출력 계수를 최대로 하기 위해서는 주속비를 최적 주속비로 유지해야 하기에, 풍속에 변화량에 따라 로터의 회전 속도를 증가 또는 감소 시켜야 한다. 풍력 발전기의 주속비가 최적 주속비를 유지하고 있는 상태를 최적(Optinal) 모드라고 한다.
종래에는 최적 모드에서 풍력 발전기의 출력을 제어하기 위해 블레이드의 피치각을 조절하였다. 그러나, 최적 모드에서 풍력 발전기의 출력을 제어하기 위해 블레이드의 피치각을 조절하는 방법에만 의존하지 않고, 다른 방법을 통해서 풍력 발전기의 출력을 제어할 필요가 있다.
KR10-1292184호
제안된 발명이 해결하고자 하는 하나의 과제는 피치각이 일정한 조건에서의 출력 계수 및 주속비의 관계를 이용하여 최적 모드에서의 풍력 발전기의 출력을 제어하는 것이다.
일 양상에 있어서, 풍력 발전기 출력 제어 장치는 현재 계통 주파수에 따른 풍력 발전기의 출력비와 풍력 발전기의 목표 출력비의 차이인 출력비 차이값을 산출하는 출력비 차이값 산출부, 상기 출력비 차이값으로부터 목표 주속비를 산출하는 목표 주속비 산출부, 상기 목표 주속비로부터 최적 모드 게인을 산출하는 최적 모드 게인 산출부 및 상기 최적 모드 게인으로부터 목표 토크값을 산출하는 목표 토크값 산출부를 포함한다.
다른 양상에 있어서, 상기 목표 주속비 산출부는 출력비 차이값으로부터 출력 계수 차이값에 대한 주속비 차이값의 세제곱의 비율을 산출하고, 주속비(
Figure 112016026160220-pat00001
)에 따른 출력 계수(Cp)의 데이터로부터 목표 출력 계수 및 목표 주속비를 산출하는 것을 특징으로 한다.
또 다른 양상에 있어서, 상기 최적 모드 게인 산출부는 목표 출력 계수 및 목표 주속비를 통해 최적 모드 게인을 산출하는 것을 특징으로 한다.
또 다른 양상에 있어서, 상기 목표 토크값 산출부는 상기 최적 모드 게인 및 로터 회전속도로부터 목표 토크값을 산출하는 것을 특징으로 한다.
또 다른 양상에 있어서, 상기 풍력 발전기 출력 제어 장치는 상기 목표 토크값 및 로터 회전속도로부터 목표 출력비를 산출하는 목표 출력비 산출부를 더 포함한다.
제안된 발명은 피치각이 일정한 조건에서의 출력 계수 및 주속비의 관계를 이용하여 최적 모드에서의 풍력 발전기의 출력을 제어할 수 있다.
도 1은 풍력 발전기 출력 제어 장치의 전체적인 구성을 도시한다.
도 2는 풍력 발전기 출력 제어 방법의 흐름도이다.
도 3은 계통 주파수에 따른 출력비의 그래프를 도시한다.
도 4는 주속비에 따른 출력 계수의 그래프를 도시한다.
전술한, 그리고 추가적인 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명하는 실시예들을 통해 구체화된다. 각 실시예들의 구성 요소들은 다른 언급이나 상호간에 모순이 없는 한 실시예 내에서 다양한 조합이 가능한 것으로 이해된다. 나아가 제안된 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면에서 제안된 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 그리고, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
명세서에서 기술한 부란, "하드웨어 또는 소프트웨어의 시스템을 변경이나 플러그인 가능하도록 구성한 블록"을 의미하는 것으로서, 즉 하드웨어나 소프트웨어에 있어 특정 기능을 수행하는 하나의 단위 또는 블록을 의미한다.
도 1은 풍력 발전기 출력 제어 장치의 전체적인 구성을 도시한다.
일 양상에 있어서, 풍력 발전기 출력 제어 장치는 출력비 차이값 산출부(110), 출력 계수 차이값 산출부(120), 목표 주속비 산출부(130), 최적 모드 게인 산출부(140) 및 목표 토크값 산출부(150)를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 출력비 차이값 산출부(110)는 현재 계통 주파수(Grid frequency)에 따른 풍력 발전기의 출력비와 풍력 발전기의 목표 출력비의 차이인 출력비 차이값을 산출한다. 출력비는 현재 풍력 발전기의 출력에 대한 풍력 발전기의 최대 출력의 비율이다. 계통 주파수에 따른 출력비에 관한 데이터는 풍력 발전기 출력 제어 장치의 저장부에 저장되어 있어 출력비 차이값 산출부(110)는 계통 주파수가 정해지면 그에 따른 출력비를 산출할 수 있다. 풍력 발전기는 풍력 발전기 출력 제어 장치 및 계통 주파수 측정 유닛을 포함하는데, 계통 주파수 측정 유닛은 계통 주파수를 측정한다.
출력비 차이값 산출부(110)는 계통 주파수 측정 유닛이 측정한 현재 계통 주파수 및 계통 주파수에 따른 출력비에 관한 데이터를 통해 현재 계통 주파수에 따른 풍력 발전기의 출력비를 산출한다. 목표 출력비는 기설정된 값으로, 풍력 발전기의 출력비로 설정하고자 하는 출력비이다. 목표 출력비는 기설정된 값이기에 출력비 차이값 산출부(110)는 현재 계통 주파수에 따른 풍력 발전기의 출력비에서 목표 출력비의 차이를 통해 출력비 차이값을 산출한다.
일 실시예에 있어서, 목표 주속비 산출부(130)는 상기 출력비 차이값으로부터 목표 주속비를 산출한다. 목표 주속비 산출부(130)는 주속비(
Figure 112016026160220-pat00002
)에 따른 출력 계수(Cp)의 데이터를 통해 목표 주속비를 산출하는데, 자세한 산출 과정은 후술한다.
일 실시예에 있어서, 최적 모드 게인 산출부(140)는 목표 주속비로부터 최적 모드 게인을 산출한다. 최적 모드 게인 산출부(140)는 목표 주속비를 인자로 하여 특정 수식을 통해 최적 모드 게인을 산출한다. 최적 모드 게인 산출부(140)가 최적 모드 게인을 산출하는 자세한 과정은 후술한다.
일 실시예에 있어서, 목표 토크값 산출부(150)는 최적 모드 게인으로부터 목표 토크값을 산출한다. 목표 토크값 산출부(150)는 최적 모드 게인을 인자로 하여 특정 수식을 통해 목표 토크값을 산출한다. 목표 토크값 산출부(150)가 목표 토크값을 산출하는 자세한 과정은 후술한다.
일 실시예에 있어서, 목표 주속비 산출부(130)는 출력비 차이값으로부터 출력 계수 차이값에 대한 주속비 차이값의 세제곱의 비율을 산출하고, 주속비(
Figure 112016026160220-pat00003
)에 따른 출력 계수(Cp)의 데이터로부터 목표 출력 계수 및 목표 주속비를 산출하는 것을 특징으로 한다.
목표 주속비 산출부(130)는 후술할 수식1 및 출력 계수와 주속비의 관계 데이터를 이용하여 목표 주속비를 산출한다.
수식1
Figure 112016026160220-pat00004
목표 주속비 산출부(130)는 출력비 차이값에서 최대 출력을 곱하여 출력 차이값을 산출한다. 산출된 출력 차이값을 수식1의 P에 대입한다. 수식 1에서
Figure 112016026160220-pat00005
는 공기밀도, R은 로터의 반경, Cp는 출력 계수,
Figure 112016026160220-pat00006
은 주속비 및 G는 기어박스의 기어비로 로터측 기어 및 발전기측 기어의 기어비, w는 발전기의 속도이다.
수식1의 P에 출력 차이값이 대입된 상태에서 출력 계수 및 주속비를 제외한 모든 변수들이 대입되면, 출력 계수에 대한 주속비 세제곱의 비율이 산출된다. P에는 출력 차이값이 대입되어 있기 때문에 산출된 출력 계수에 대한 주속비 세제곱의 비율은 출력 계수 차이값에 대한 주속비 차이값의 비율이다. 출력이 변화하면 출력 계수 및 주속비도 그에 따라 변화하기 때문이다.
산출된 출력 계수 차이값에 대한 주속비 차이값의 비율과 출력 계수와 주속비의 관계 데이터로부터 목표 주속비는 산출될 수 있다.
출력 계수(Cp)는 주속비(
Figure 112016026160220-pat00007
) 및 피치각의 함수이다. 풍력 발전기 출력 제어 장치의 저장부는 피치각은 일정하게 고정시킨 상태에서 주속비(
Figure 112016026160220-pat00008
)에 따른 출력 계수(Cp)의 데이터를 저장하고 있다. 여기서, 고정되는 피치각은 2.2 deg이다. 고정되는 피치각은 전술한 수치에 한정되는 것은 아니고, 다른 수치로 고정될 수 있다.
목표 주속비 산출부(130)는 전술한 피치각이 고정된 상태에서의 주속비(
Figure 112016026160220-pat00009
)에 따른 출력 계수에 대한 데이터를 통해 목표 주속비를 산출한다. 처음 설정된 출력 계수는 풍력 발전기의 주속비가 최적 주속비를 유지하는 상태인 최적(Optinal) 모드에서의 출력 계수이다. 최적 주속비에서 출력 계수는 최대이기에 처음 설정된 출력 계수는 출력 계수 중 최대인 출력 계수로 출력 계수의 최대값이다. 처음 설정된 주속비는 전술한 최적 주속비이다.
목표 주속비 산출부(130)는 산출된 출력 계수 차이값에 대한 주속비 차이값의 비율과 후술할 도 4에 도시된 주속비(
Figure 112016026160220-pat00010
)에 따른 출력 계수에 대한 데이터를 기초로 목표 출력 계수와 목표 출력 계수에 대응하는 목표 주속비를 동시에 산출한다. 출력 계수 차이값은 전술한 처음 설정된 출력 계수와 목표 출력 계수의 차이이다. 주속비 차이값은 전술한 처음 설정된 주속비와 목표 주속비의 차이이다.
목표 주속비 산출부(130)는 출력 계수 차이값에 대한 주속비 차이값의 비율, 처음 설정된 출력 계수 및 처음 설정된 주속비의 값 및 도 4에 도시된 목표 출력 계수와 목표 주속비의 관계 데이터로부터 목표 출력 계수 및 목표 주속비를 산출할 수 있는 것이다.
일 실시예에 있어서, 최적 모드 게인 산출부(140)는 목표 출력 계수 및 목표 주속비를 통해 최적 모드 게인을 산출한다.
최적 모드 게인 산출부(140)는 후술할 수식2를 통해 최적 모드 게인을 산출한다.
수식2
Figure 112016026160220-pat00011
Kopt는 최적 모드 게인,
Figure 112016026160220-pat00012
는 공기밀도, R은 로터의 반경, Cp는 출력 계수,
Figure 112016026160220-pat00013
은 주속비 및 G는 기어박스의 기어비로 로터측 기어 및 발전기측 기어의 기어비이다. 출력 계수는 주속비 및 피치각의 함수이지만, 피치각은 고정된 상수라고 전술하였고 그에 따라 출력 계수는 주속비에 따른 함수가 된다.
수식 2의 출력 계수는 전술한 목표 출력 계수이고, 주속비는 전술한 목표 주속비이다. 로터의 반경은 풍력 발전기마다 고유의 값을 가지기에 고정된 상수이다. 기어비는 로터측 기어 및 발전기측 기어의 기어비로 이 역시 풍력 발전기마다 고유의 값을 가지기에 고정된 상수이다.
일 실시예에 있어서, 목표 토크값 산출부(150)는 상기 최적 모드 게인 및 로터 회전 속도로부터 목표 토크값을 산출하는 것을 특징으로 한다.
목표 토크값 산출부(150)는 수식 3을 통해 로터 회전 속도를 산출한다.
수식 3
Figure 112016026160220-pat00014
Figure 112016026160220-pat00015
는 로터 회전속도,
Figure 112016026160220-pat00016
는 주속비, R은 로터의 반경, V는 풍속이다.
수식 3에서 주속비는 전술한 목표 주속비이고, 로터의 반경은 풍력 발전기마다 고유의 값을 가지기에 고정된 상수이다. 풍속 또한 풍력 발전기가 설치된 위치 등에 따라 정해지는 고유의 값으로 고정된 상수이다.
목표 토크값 산출부(150)는 수식 3을 통해 로터 회전 속도를 산출하고 후술할 수식 4를 통해 목표 토크값을 산출한다.
수식 4
Figure 112016026160220-pat00017
Kopt는 최적 모드 게인,
Figure 112016026160220-pat00018
는 로터 회전속도, Qd는 목표 토크값이다.
최적 모드 게인은 최적 모드 게인 산출부(140)가 수식 2를 통해 산출하고, 로터 회전 속도는 목표 토크값 산출부(150)가 수식 3을 통해 산출한다. 목표 토크값 산출부(150)는 로터 회전 속도를 제곱하여 최적 모드 게인에 곱함에 따라 목표 토크값을 산출한다.
일 양상에 있어서, 풍력 발전기 출력 제어 장치는 목표 출력비 산출부(160)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 목표 출력비 산출부(160)는 토크값 및 로터 회전속도로부터 목표 출력비를 산출한다.
목표 출력비 산출부(160)는 수식 5를 통해 목표 출력을 산출한다.
수식 5
Figure 112016026160220-pat00019
Qd는 목표 토크값이고,
Figure 112016026160220-pat00020
는 로터 회전속도로 목표 토크값과 로터 회전속도를 곱해서 목표 출력을 산출한다. 목표 출력비 산출부(160)는 목표 출력에 대한 풍력 발전기의 최대 출력의 비율이다. 풍력 발전기 출력 제어 장치는 기설정된 목표 출력비와 목표 출력비 산출부(160)가 산출한 목표 출력비가 동일한지 판단한다.
풍력 발전기 출력 제어 장치(100)는 10ms 또는 5ms를 주기로 전술한 출력비 차이값 산출부(110), 목표 주속비 산출부(120), 최적 모드 게인 산출부(130), 목표 토크값 산출부(140) 및 목표 출력비 산출부(150)가 수행한 연산을 반복한다. 각 단계를 반복하여, 목표 출력비가 산출되는지 정밀하게 확인할 수 있다.
도 2는 풍력 발전기 출력 제어 방법의 흐름도이다.
일 양상에 있어서, 풍력 발전기 출력 제어 장치는 출력비 차이값 산출 단계(S610), 출력 계수 차이값 산출 단계(S620), 목표 주속비 산출 단계(S630), 최적 모드 게인 산출 단계(S640) 및 목표 토크값 산출 단계(S650)를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 출력비 차이값 산출 단계(S610)는 현재 계통 주파수(Grid frequency)에 따른 풍력 발전기의 출력비와 풍력 발전기의 목표 출력비의 차이인 출력비 차이값을 산출한다. 출력비는 현재 풍력 발전기의 출력에 대한 풍력 발전기의 최대 출력의 비율이다. 계통 주파수에 따른 출력비에 관한 데이터는 풍력 발전기 출력 제어 장치의 저장부에 저장되어 있어 출력비 차이값 산출 단계(S610)는 계통 주파수가 정해지면 그에 따른 출력비를 산출할 수 있다. 풍력 발전기는 풍력 발전기 출력 제어 장치 및 계통 주파수 측정 유닛을 포함하는데, 계통 주파수 측정 유닛은 계통 주파수를 측정한다.
출력비 차이값 산출 단계(S610)는 계통 주파수 측정 유닛이 측정한 현재 계통 주파수 및 계통 주파수에 따른 출력비에 관한 데이터를 통해 현재 계통 주파수에 따른 풍력 발전기의 출력비를 산출한다. 목표 출력비는 기설정된 값으로, 풍력 발전기의 출력비로 설정하고자 하는 출력비이다. 목표 출력비는 기설정된 값이기에 출력비 차이값 산출 단계(S610)는 현재 계통 주파수에 따른 풍력 발전기의 출력비에서 목표 출력비의 차이를 통해 출력비 차이값을 산출한다.
일 실시예에 있어서, 목표 주속비 산출 단계(S630)는 상기 출력비 차이값으로부터 목표 주속비를 산출한다. 목표 주속비 산출 단계(S630)는 주속비(
Figure 112016026160220-pat00021
)에 따른 출력 계수(Cp)의 데이터를 통해 목표 주속비를 산출하는데, 자세한 산출 과정은 후술한다.
일 실시예에 있어서, 최적 모드 게인 산출 단계(S640)는 목표 주속비로부터 최적 모드 게인을 산출한다. 최적 모드 게인 산출 단계(S640)는 목표 주속비를 인자로 하여 특정 수식을 통해 최적 모드 게인을 산출한다. 최적 모드 게인 산출 단계(S640)가 최적 모드 게인을 산출하는 자세한 과정은 후술한다.
일 실시예에 있어서, 목표 토크값 산출 단계(S650)는 최적 모드 게인으로부터 목표 토크값을 산출한다. 목표 토크값 산출 단계(S650)는 최적 모드 게인을 인자로 하여 특정 수식을 통해 목표 토크값을 산출한다. 목표 토크값 산출 단계(S650)가 목표 토크값을 산출하는 자세한 과정은 후술한다.
일 실시예에 있어서, 목표 주속비 산출 단계(S630)는 출력비 차이값으로부터 출력 계수 차이값에 대한 주속비 차이값의 세제곱의 비율을 산출하고, 주속비(
Figure 112016026160220-pat00022
)에 따른 출력 계수(Cp)의 데이터로부터 목표 출력 계수 및 목표 주속비를 산출하는 것을 특징으로 한다.
목표 주속비 산출 단계(S630)는 후술할 수식1 및 출력 계수와 주속비의 관계 데이터를 이용하여 목표 주속비를 산출한다.
수식1
Figure 112016026160220-pat00023
목표 주속비 산출 단계(S630)는 출력비 차이값에서 최대 출력을 곱하여 출력 차이값을 산출한다. 산출된 출력 차이값을 수식1의 P에 대입한다. 수식 1에서
Figure 112016026160220-pat00024
는 공기밀도, R은 로터의 반경, Cp는 출력 계수,
Figure 112016026160220-pat00025
은 주속비 및 G는 기어박스의 기어비로 로터측 기어 및 발전기측 기어의 기어비, w는 발전기의 속도이다.
수식1의 P에 출력 차이값이 대입된 상태에서 출력 계수 및 주속비를 제외한 모든 변수들이 대입되면, 출력 계수에 대한 주속비 세제곱의 비율이 산출된다. P에는 출력 차이값이 대입되어 있기 때문에 산출된 출력 계수에 대한 주속비 세제곱의 비율은 출력 계수 차이값에 대한 주속비 차이값의 비율이다. 출력이 변화하면 출력 계수 및 주속비도 그에 따라 변화하기 때문이다.
산출된 출력 계수 차이값에 대한 주속비 차이값의 비율과 출력 계수와 주속비의 관계 데이터로부터 목표 주속비는 산출될 수 있다.
출력 계수(Cp)는 주속비(
Figure 112016026160220-pat00026
) 및 피치각의 함수이다. 풍력 발전기 출력 제어 장치의 저장부는 피치각은 일정하게 고정시킨 상태에서 주속비(
Figure 112016026160220-pat00027
)에 따른 출력 계수(Cp)의 데이터를 저장하고 있다. 여기서, 고정되는 피치각은 2.2 deg이다. 고정되는 피치각은 전술한 수치에 한정되는 것은 아니고, 다른 수치로 고정될 수 있다.
목표 주속비 산출 단계(S630)는 전술한 피치각이 고정된 상태에서의 주속비(
Figure 112016026160220-pat00028
)에 따른 출력 계수에 대한 데이터를 통해 목표 주속비를 산출한다. 처음 설정된 출력 계수는 풍력 발전기의 주속비가 최적 주속비를 유지하는 상태인 최적(Optinal) 모드에서의 출력 계수이다. 최적 주속비에서 출력 계수는 최대이기에 처음 설정된 출력 계수는 출력 계수 중 최대인 출력 계수로 출력 계수의 최대값이다. 처음 설정된 주속비는 전술한 최적 주속비이다.
목표 주속비 산출 단계(S630)는 산출된 출력 계수 차이값에 대한 주속비 차이값의 비율과 후술할 도 4에 도시된 주속비(
Figure 112016026160220-pat00029
)에 따른 출력 계수에 대한 데이터를 기초로 목표 출력계수와 목표 출력 계수에 대응하는 목표 주속비를 동시에 산출한다. 출력 계수 차이값은 전술한 처음 설정된 출력 계수와 목표 출력 계수의 차이이다. 주속비 차이값은 전술한 처음 설정된 주속비와 목표 주속비의 차이이다.
목표 주속비 산출 단계(S630)는 출력 계수 차이값에 대한 주속비 차이값의 비율, 처음 설정된 출력 계수 및 처음 설정된 주속비의 값 및 도 4에 도시된 목표 출력 계수와 목표 주속비의 관계 데이터로부터 목표 출력 계수 및 목표 주속비를 산출할 수 있는 것이다.
일 실시예에 있어서, 최적 모드 게인 산출 단계(S640)는 목표 출력 계수 및 목표 주속비를 통해 최적 모드 게인을 산출한다.
최적 모드 게인 산출 단계(S640)는 후술할 수식2를 통해 최적 모드 게인을 산출한다.
수식2
Figure 112016026160220-pat00030
Kopt는 최적 모드 게인,
Figure 112016026160220-pat00031
는 공기밀도, R은 로터의 반경, Cp는 출력 계수,
Figure 112016026160220-pat00032
은 주속비 및 G는 기어박스의 기어비로 로터측 기어 및 발전기측 기어의 기어비이다. 출력 계수는 주속비 및 피치각의 함수이지만, 피치각은 고정된 상수라고 전술하였고 그에 따라 출력 계수는 주속비에 따른 함수가 된다.
수식 2의 출력 계수는 전술한 목표 출력 계수이고, 주속비는 전술한 목표 주속비이다. 로터의 반경은 풍력 발전기마다 고유의 값을 가지기에 고정된 상수이다. 기어비는 로터측 기어 및 발전기측 기어의 기어비로 이 역시 풍력 발전기마다 고유의 값을 가지기에 고정된 상수이다.
일 실시예에 있어서, 목표 토크값 산출 단계(S650)는 상기 최적 모드 게인 및 로터 회전 속도로부터 목표 토크값을 산출하는 것을 특징으로 한다.
목표 토크값 산출 단계(S650)는 수식 3을 통해 로터 회전 속도를 산출한다.
수식 3
Figure 112016026160220-pat00033
Figure 112016026160220-pat00034
는 로터 회전속도,
Figure 112016026160220-pat00035
는 주속비, R은 로터의 반경, V는 풍속이다.
수식 3에서 주속비는 전술한 목표 주속비이고, 로터의 반경은 풍력 발전기마다 고유의 값을 가지기에 고정된 상수이다. 풍속 또한 풍력 발전기가 설치된 위치 등에 따라 정해지는 고유의 값으로 고정된 상수이다.
목표 토크값 산출 단계(S650)는 수식 3을 통해 로터 회전 속도를 산출하고 후술할 수식 4를 통해 목표 토크값을 산출한다.
수식 4
Figure 112016026160220-pat00036
Kopt는 최적 모드 게인,
Figure 112016026160220-pat00037
는 로터 회전속도, Qd는 목표 토크값이다.
최적 모드 게인은 최적 모드 게인 산출 단계(S640)가 수식 2를 통해 산출하고, 로터 회전 속도는 목표 토크값 산출 단계(S650)가 수식 3을 통해 산출한다. 목표 토크값 산출 단계(S650)는 로터 회전 속도를 제곱하여 최적 모드 게인에 곱함에 따라 목표 토크값을 산출한다.
일 양상에 있어서, 풍력 발전기 출력 제어 방법은 목표 출력비 산출 단계(S660)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 목표 출력비 산출 단계(S660)는 토크값 및 로터 회전속도로부터 목표 출력비를 산출한다.
목표 출력비 산출 단계(S660)는 수식 5를 통해 목표 출력을 산출한다.
수식 5
Figure 112016026160220-pat00038
Qd는 목표 토크값이고,
Figure 112016026160220-pat00039
는 로터 회전속도로 목표 토크값과 로터 회전속도를 곱해서 목표 출력을 산출한다. 목표 출력비 산출 단계(S660)는 목표 출력에 대한 풍력 발전기의 최대 출력의 비율이다. 풍력 발전기 출력 제어 장치는 기설정된 목표 출력비와 목표 출력비 산출 단계(S660)가 산출한 목표 출력비가 동일한지 판단한다. 풍력 발전기 출력 제어 방법은 10ms 또는 5ms를 주기로 전술한 각 단계를 반복한다. 각 단계를 반복하여, 목표 출력비가 산출되는지 정밀하게 확인할 수 있다.
도 3은 계통 주파수에 따른 출력비의 그래프를 도시한다.
출력비 차이값 산출부(110)는 도 3에 도시된 계통 주파수(Grid frequency) 및 출력비(Power ratio)의 관계로부터 현재 계통 주파수에 따른 풍력 발전기의 출력비를 산출한다.
도 4는 주속비에 따른 출력 계수의 그래프를 도시한다.
도 4에 따른 그래프는 피치각은 일정하게 고정시킨 상태에서 주속비(
Figure 112016026160220-pat00040
)에 따른 출력 계수(Cp)의 그래프이다. 여기서, 고정되는 피치각은 2.2 deg이다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해 져야 할 것이다.
100: 풍력 발전기 출력 제어 장치
110: 출력비 차이값 산출부
120: 출력 계수 차이값 산출부
130: 목표 주속비 산출부
140: 목표 출력비 산출부

Claims (10)

  1. 현재 계통 주파수에 따른 풍력 발전기의 출력비와 풍력 발전기의 목표 출력비의 차이인 출력비 차이값을 산출하는 출력비 차이값 산출부;
    상기 출력비 차이값으로부터 주속비에 따른 출력 계수의 데이터를 통해 목표 주속비를 산출하는 목표 주속비 산출부;
    상기 목표 주속비를 인자로 하여 기 설정된 수식으로부터 최적 모드 게인을 산출하는 최적 모드 게인 산출부; 및
    상기 최적 모드 게인을 인자로 하여 기 설정된 수식으로부터 목표 토크값을 산출하는 목표 토크값 산출부;를 포함하는 풍력 발전기 출력 제어 장치.

  2. 제 1 항에 있어서, 상기 목표 주속비 산출부는,
    출력비 차이값으로부터 출력 계수 차이값에 대한 주속비 차이값의 세제곱의 비율을 산출하고, 주속비(
    Figure 112016026160220-pat00041
    )에 따른 출력 계수(Cp)의 데이터로부터 목표 출력 계수 및 목표 주속비를 산출하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기 출력 제어 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 최적 모드 게인 산출부는,
    목표 출력 계수 및 목표 주속비를 통해 최적 모드 게인을 산출하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기 출력 제어 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 목표 토크값 산출부는,
    상기 최적 모드 게인 및 로터 회전 속도로부터 목표 토크값을 산출하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기 출력 제어 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 풍력 발전기 출력 제어 장치는,
    상기 목표 토크값 및 로터 회전속도로부터 목표 출력비를 산출하는 목표 출력비 산출부;를 더 포함하는 풍력 발전기 출력 제어 장치.
  6. 현재 계통 주파수에 따른 풍력 발전기의 출력비와 풍력 발전기의 목표 출력비의 차이인 출력비 차이값을 산출하는 출력비 차이값 산출 단계;
    상기 출력비 차이값으로부터 주속비에 따른 출력 계수의 데이터를 통해 목표 주속비를 산출하는 목표 주속비 산출 단계;
    상기 목표 주속비를 인자로 하여 기 설정된 수식으로부터 최적 모드 게인을 산출하는 최적 모드 게인 산출 단계; 및
    상기 최적 모드 게인을 인자로 하여 기 설정된 수식으로부터 목표 토크값을 산출하는 목표 토크값 산출 단계;를 포함하는 풍력 발전기 출력 제어 방법.

  7. 제 6 항에 있어서, 상기 목표 주속비 산출 단계는,
    출력비 차이값으로부터 출력 계수 차이값에 대한 주속비 차이값의 세제곱의 비율을 산출하고, 주속비(
    Figure 112017009028281-pat00042
    )에 따른 출력 계수(Cp)의 데이터로부터 목표 출력 계수 및 목표 주속비를 산출하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기 출력 제어 방법.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 최적 모드 게인 산출 단계는,
    목표 출력 계수 및 목표 주속비를 통해 최적 모드 게인을 산출하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기 출력 제어 방법.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 목표 토크값 산출 단계는,
    상기 최적 모드 게인 및 로터 회전 속도로부터 목표 토크값을 산출하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기 출력 제어 방법.
  10. 제 6 항에 있어서, 상기 풍력 발전기 출력 제어 방법은,
    상기 목표 토크값 및 로터 회전속도로부터 목표 출력비를 산출하는 목표 출력비 산출 단계;를 더 포함하는 풍력 발전기 출력 제어 방법.
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