KR101894975B1 - Control system of Wind turbin - Google Patents

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Abstract

본 발명은 풍력터빈의 제어시스템에 관한 것으로서, 로터의 위치각도 및 로터의 회전자속도 값을 측정하는 센서부, 고풍속영역게인스케쥴링부, 액튜에이터를 구동제어하는 액튜에이터부와 연산부 및 사용자의 조작에 의한 출력제어 값에 따른 토오크제어스케쥴링부를 구비하여, 정격 풍속 이상 구간에서 로터의 위치 및 회전속도 측정값에 의해서 고풍속 영역 PI 스케쥴링를 통해서 각각의 블레이드 위치에 따라서 피치각의 가감 제어에 의하여 시스템 하중을 최소화하는 풍력터빈에서의 각각의 블레이드를 개별피치제어하는 시스템에 있어서; 상기 고풍속영역게인스케쥴링부에 부가하여 천이풍속영역게인스케쥴링부 및, 상기 고풍속영역게인스케쥴링부와 천이풍속영역게인스케쥴링부를 선택하는 모드스위치와, 상기 토오크제어스케쥴링부로부터의 값과 연산부에서 연산되어 나오는 출력 및 회전수값 및 상기 모드스위치의 고풍속-천이풍속설정모드정보를 입력값으로 하여 상기 액튜에이터부로 전송하여 각각의 액튜에이터의 피치각값을 보정제어하는 피크세이빙피치스케쥴링부와, 타워모멘트값에 따른 보정치를 계산하여 연산부에서 연산된 타워모멘트값에 기초하여 블레이드 구동의 개별의 액튜에이터의 피치각값을 보정제어하는 타워댐퍼를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a control system for a wind turbine, and more particularly, to a control system for a wind turbine, which comprises a sensor unit for measuring a position angle of the rotor and a rotor speed value of the rotor, a high wind speed region gain scheduling unit, an actuator unit for driving and controlling the actuator, And a torque control scheduling unit according to the output control value by the pitch control unit. The system load is controlled by adding and subtracting the pitch angle according to the position of each blade through the high wind speed area PI scheduling according to the rotor position and rotation speed measurement values in the range exceeding the rated wind speed 1. A system for individual pitch control of each blade in a wind turbine that minimizes; A mode switch for selecting the high wind speed region gain scheduling unit and the transition wind speed region gain scheduling unit in addition to the high wind speed region gain scheduling unit and the mode switch for selecting the high wind speed region gain scheduling unit and the transition wind speed region gain scheduling unit, A pitch-saving pitch scheduling unit for transmitting an output value and a rotational speed value of the mode switch and a high-speed-transient wind speed setting mode information of the mode switch as input values to the actuator unit to correct and control the pitch angle values of the respective actuators; And a tower damper for correcting and controlling the pitch angle values of the individual actuators of the blades based on the tower moment values calculated by the calculation unit.

Description

풍력터빈의 제어시스템{Control system of Wind turbin}Control system of wind turbine [0001]

본 발명은 풍력터빈의 제어시스템에 관한 것으로, 풍력터빈에 있어서 블레이드의 피치를 개별적으로 제어함으로써 풍력터빈의 하중감소와 시스템의 안정성을 더욱 도모할 수 있는 구성의 제공에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a control system for a wind turbine, and more particularly, to a configuration capable of further reducing the load on the wind turbine and further stabilizing the system by controlling the pitch of the blades individually in the wind turbine.

수평축 풍력발전기는 불어오는 바람에 의해서 로터를 회전시키고, 회전하는 로터에 의해서 전기를 생산하게 된다. 이 때, 불어오는 바람은 도 1에 도시하는 바와 같이, 일반적으로 고도에 따라서 바람의 세기가 세지며, 이를 윈드시어(Wind Shear) 라고 한다. 풍력발전기가 대형화 될수록, 또는 타워의 높이가 높아질수록 바람의 세기가 커짐을 뜻한다.The horizontal axis wind turbine rotates the rotor by the blowing wind and produces electricity by the rotating rotor. As shown in FIG. 1, the wind blowing at this time is generally called wind shear. The larger the size of the wind power generator, or the higher the height of the tower, the greater the wind intensity.

또한, 실제로 부는 난류 바람장에서는 바람장을 2차원 평면으로 봤을 때, 역시 도 1과 2에서 도시하는 바와 같이, 모든 영역에서의 바람의 세기가 다르다. 이는 풍력발전기의 전체적인 면적 (타워의 면적, 로터 회전 면적) 이 넓어질수록 각각의 영역이 받는 바람의 세기가 다르게 됨을 의미한다.In addition, when the wind field is viewed in a two-dimensional plane in a turbulent wind field actually blowing, as shown in FIGS. 1 and 2, wind intensities in all regions are also different. This means that as the overall area of the wind turbine (the area of the tower, the rotor rotation area) is widened, the wind intensity received by each area becomes different.

위와 같은 현상은 블레이드 또는 타워가 받는 하중과 직접적인 연관을 갖고 있다. 블레이드의 방위각이 0 일 때는 바람의 세기가 허브 높이에서의 풍속보다 강하고, 180 일 때는 허브 높이에서의 풍속보다 낮을 것이다. 이는 곧 블레이드의 하중을 방위각 0, 180 두 가지에 대해서 비교해보면 0 일 때가 크게 된다.The above phenomenon is directly related to the load received by the blade or tower. When the blade azimuth angle is 0, the wind intensity is stronger than the wind speed at the hub height, and at 180 days it will be lower than the wind speed at the hub height. That is, when the blade load is compared with the azimuth angle of 0 and 180, it becomes zero.

한번 설치된 풍력발전기는 일반적으로 20년 이라는 수명을 갖고 있다. 20년 이상의 수명을 유지하기 위해서는 구조적으로 안정화가 되어야 하며 구조적으로 안정화가 되려면 무엇보다 구조물이 받는 하중을 최소화 시키는 것이 중요하다.Once installed, wind generators typically have a lifetime of 20 years. In order to maintain a lifetime of more than 20 years, it is necessary to stabilize the structure. In order to stabilize the structure, it is important to minimize the load applied to the structure.

전체 풍력터빈 시스템의 하중을 줄이기 위해서는 구조적으로 하중을 적게 받도록 설계를 하거나, 제어기술을 이용하여 하중을 줄일 수 있다.In order to reduce the load of the entire wind turbine system, it is possible to design the structure to receive less load or to reduce the load using control technology.

구조적으로 하중을 적게 받도록 설계를 하는 것은 출력량이 감소하는 한계가 있기 때문에, 제어 기술을 이용하여 하중을 저감하는 것이 바람직한 것으로서 밝혀졌다.It has been found that it is desirable to reduce the load by using the control technique because there is a limit in reducing the amount of output when structurally designing to receive less load.

일반적으로 사용하는 풍력발전기의 제어는 정격풍속 이상에서 블레이드의 피치각도를 조절하여 일정량의 바람을 흘려보냄으로써, 바람에 의하여 받는 하중을 적게 받는 제어를 한다.In general, the control of the wind turbine is controlled by controlling the pitch angle of the blade at the rated wind speed or more to flow a certain amount of wind to reduce the load received by the wind.

블레이드 3개의 피치각을 동시에 조절하는 통합피치제어 (Collective Pitch Control, CPC)를 사용 하는 것이 일반적이다. 통합피치제어는 바람의 힘에 의해서 회전하는 로터의 회전속도 값을 센싱하여 제어하게 된다.It is common to use the Collective Pitch Control (CPC), which simultaneously adjusts the pitch of three blades. Integrated pitch control is controlled by sensing the rotational speed of the rotating rotor by wind force.

통합피치제어가 통상적으로 많이 사용되지만, 풍력발전기의 대형화가 됨에 따라 상기한 고도에 따른 블레이드의 하중 차이가 커지는 문제점에 대응할 수 없게 된다. 이러한 문제를 해결 할 수 있는 제어방법으로 제안된 것이 종래로부터의 개별피치제어 (Indivisual Pitch Control, IPC)를 들 수 있다.Integrated pitch control is commonly used. However, as the size of the wind turbine becomes larger, it is impossible to cope with the problem that the difference in load of the blades increases according to the above-mentioned altitude. A conventional control method for solving such a problem is the conventional IPC (Indivisual Pitch Control).

개별피치제어기 설계의 개념은 허브 고정좌표계에서 틸팅과 요잉 모멘트 성분의 크기를 최소화시키는 것이며, 이는 블레이드 회전좌표계에서 1p 성분 블레이드 하중의 크기를 최소화시키는 제어기를 설계해야 한다는 것을 의미한다.The concept of the individual pitch controller design is to minimize the magnitude of tilting and yaw moment components in the hub fixed coordinate system, which means that the controller should be designed to minimize the magnitude of the 1p component blade load in the blade rotating coordinate system.

개별피치제어의 필요성은 수직고도 및 수평이동거리 차이에 따른 풍속의 차이의 고려, 타워구조물에 의한 풍속의 교란, 바람자체의 난류특성, 요잉(Yawing)불완전성의 고려 및 블레이드자체의 중력효과등을 수행할 수 있기 때문이다.The necessity of individual pitch control is to consider the difference of wind speed according to vertical altitude and horizontal movement distance disturbance, disturbance of wind speed by tower structure, turbulence characteristic of wind itself, consideration of yawing incompleteness and gravity effect of blade itself It can be done.

종래 개발 되었던 개별피치제어는 각각 블레이드의 방위각에 따라 하중을 계산하여, 각각의 블레이드에 피치 명령 값을 입력하여 블레이드 마다 피치각이 다르게 동작되는 제어 방식이다.Conventionally developed individual pitch control is a control method in which the load is calculated according to the azimuth angle of each blade, and the pitch command value is input to each blade so that the pitch angles are operated differently for each blade.

이러한 제어방식은 하중적인 면에서는 좋을 수 있지만, 성능적인 면에서는 출력량이 감소하게 되는 것을 불가피한 측면이 있다.Such a control method may be good in terms of load, but it is inevitable that the amount of output decreases in terms of performance.

특히 도 6에 시스템을 도시하는 한국 등록특허 제10-1375768호에서는 개별블레이드의 피치제어방법 및 시스템을 도시하면서 도 에서와 같은 제어시스템을 제시하고,In particular, Korean Patent No. 10-1375768, which is a system shown in Fig. 6, discloses a control system as shown in Fig.

발전기의 정격 각속도와 실시간 발전기 각속도를 더하는 PI 제어기에 의해 산출된 연산값과 리미터를 이용하여 통합 블레이드 피치 각을 제어하는 제1제어부; 각각의 블레이드에 설치된 센서를 통해 실시간으로 감지되는 기계적 부하 값을 이용하여 개별 블레이드 피치 각을 제어하는 제2제어부; 최대 출력, 부하감소를 위한 목적함수를 최소화시키는 개별 블레이드 피치 각의 가중치를 결정하는 제3제어부; 상기 제2제어부에서 출력된 개별 블레이드 피치 각과, 상기 제3제어부에서 출력된 개별 블레이드 피치 각 가중치를 곱하여 산출된 가중 피치 각에 상기 제1제어부에서 제어된 통합 블레이드 피치 각을 더하는 과정을 통해 각각의 블레이드 최종 피치 각을 산출하는 연산부;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 개별블레이드 피치 제어 시스템을 제공하고 있다.A first controller for controlling an integrated blade pitch angle using a computed value and a limiter calculated by a PI controller for adding a rated angular velocity of the generator and a real time angular velocity of the generator; A second controller for controlling an individual blade pitch angle using a mechanical load value sensed in real time through a sensor installed in each blade; A third controller for determining a weight of an individual blade pitch angle that minimizes an objective function for maximum output and load reduction; And adding the integrated blade pitch angle controlled by the first controller to the weighted pitch angle calculated by multiplying the individual blade pitch angle outputted from the second controller by the individual blade pitch angle weight outputted from the third controller, And an operation unit for calculating a final pitch angle of the blade.

그러나 본 선행특허에서는 풍속영역을 구분하지 않고 개별피치제어를 수행함으로서 고풍속영역에서 저풍속영역으로의 천이구간에서의 제어가 고려되지 않고 있어 이러한 천이구간에서의 기계적인 진동이나 하중의 불균형이 유발되어 수명을 단축하는 문제점이 있었다.However, this prior art patent does not consider the control of the transition section from the high wind speed region to the low wind speed region by performing the individual pitch control without distinguishing the wind speed region, so that the mechanical vibration or the load imbalance occurs in such a transition portion Thereby shortening the life span.

또한, 풍력터빈 타워(Tower) 자체의 풍력에 의한 진동이나 부하를 고려하지 않고 블레이드의 개별피치제어를 수행함으로써 역시 적절한 제어와 하중의 설계가 이루어지지 않는 다는 문제점을 가지고 있었다.In addition, there has been a problem in that proper control and load design can not be achieved by performing individual pitch control of the blades without considering vibration or load caused by wind power of the wind turbine tower itself.

한국등록특허 10-1375768( 2014.03.18)Korean Patent No. 10-1375768 (Apr. 31, 2014) 한국등록특허 10-11179633( 2012.09.05)Korean Patent No. 10-11179633 (September 5, 2012)

일반적으로 수평축 풍력터빈의 로터의 회전에 의한 면적은 원을 그리며 바람장이 만들어진다. 지면에서 고도가 높을수록 윈드시워(Wind Shear)에 의해서 바람의 세기가 다르며, 같은 높이에서도 수평 거리에 따라서 풍속의 세기는 다르다.Generally, the area of rotation of the rotor of the horizontal axis wind turbine is formed in a circle and the wind field is created. The higher the altitude on the ground, the greater the wind intensity by the wind shear, and the wind speed varies with the horizontal distance at the same elevation.

그에 따라서, 난류 또는 바람장의 모든 영역에서 풍속의 세기는 다르며, 이로 인해 회전자 로터의 위치에 따라서 공력이 다르게 된다. 정격 풍속 이상에서 출력을 제한하는 종래의 개별 피치 제어는 회전운동에 의한 바람의 세기가 모든 영역에서 다르게 영향을 받는 구조에서 출력 제어는 가능하지만, 바람장의 영역에서 블레이드에 가해지는 공력의 크기가 다르게 운전되어 하중의 영향으로 인해 시스템에 무리 또는 블레이드에 가해지는 하중 영향으로 시스템에 심각한 영향을 받는 문제점이 있었다.Accordingly, the strength of the wind speed is different in every region of the turbulence or the wind field, which results in different aerodynamic forces depending on the position of the rotor rotor. Conventional individual pitch control, which limits the output above the rated wind speed, is capable of controlling the output in a structure where the wind intensity due to rotational motion is affected differently in all areas, but the magnitude of the aerodynamic force applied to the blade in the wind field area is different There is a problem that the system is seriously affected by the load due to the load or the load applied to the system due to the influence of the load operated.

본 발명에서는 개별피치제어를 수행하면서 발전영역인 고풍속영역과 저풍속 영역의 천이구간에서의 하중충격을 최소화하는 구성의 제공과 타워의 댐핑수단을 더 제공함으로써 타워자체의 하중을 저감하는 수단을 더 제공하는 것을 특징으로 한다.The present invention provides a structure for minimizing a load impact in a transition section between a high wind speed region and a low wind speed region which are power generation regions while performing individual pitch control and a means for reducing the load of the tower itself by further providing a damping means of the tower And the like.

본 발명의 풍력터빈의 제어시스템은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위하여 발명한 것으로서, 로터의 위치각도(0도~360도:a) 및 로터의 회전자속도(r) 값을 측정하는 센서부(100), 고풍속영역게인스케쥴링부(200),액튜에이터(A1,A2,A3)를 구동제어하는 액튜에이터부(500)와 연산부(600) 및 사용자의 조작에 의한 출력제어(I) 값에 따른 토오크제어스케쥴링부(700)를 구비하여, 정격 풍속 이상 구간에서 로터의 위치 및 회전속도 측정값에 의해서 고풍속 영역 PI 스케쥴링를 통해서 각각의 블레이드 위치에 따라서 피치각의 가감 제어에 의하여 시스템 하중을 최소화하는 풍력터빈에서의 각각의 블레이드를 개별피치제어하는 시스템에 있어서; 상기 고풍속영역게인스케쥴링부(200)에 부가하여 천이풍속영역게인스케쥴링부(300) 및, 상기 고풍속영역게인스케쥴링부(200)와 천이풍속영역게인스케쥴링부(300)를 선택하는 모드스위치(400)와, 상기 토오크제어스케쥴링부(700)로부터의 값과 연산부(600)에서 연산되어 나오는 출력 및 회전수값 및 상기 모드스위치(400)의 고풍속-천이풍속설정모드정보를 입력값으로 하여 상기 액튜에이터부(500)로 전송하여 각각의 액튜에이터(A1,A2,A3)의 피치각값을 보정제어하는 피크세이빙피치스케쥴링부(60)와, 타워모멘트값에 따른 보정치를 계산하여 연산부(600)에서 연산된 타워모멘트값에 기초하여 블레이드 구동의 개별의 액튜에이터(A1,A2,A3)의 피치각값을 보정제어하는 타워댐퍼(70)를 더 포함하는 것을 기본적인 특징으로 한다.A control system for a wind turbine according to the present invention has been developed in order to solve the above-mentioned problems of the prior art. The control system of the present invention measures the position angle of the rotor (0 degree to 360 degrees: a) and the rotor speed An actuator section 500 for driving and controlling the sensor section 100, the high wind speed region gain scheduling section 200 and the actuators A1, A2 and A3, an arithmetic section 600 and an output control value I And a torque control scheduling unit 700 according to the present invention is configured to control the system load by increasing / decreasing the pitch angle according to the position of each blade through the high wind speed region PI scheduling based on the rotor position and rotational speed measurement value in the section over the rated wind speed 1. A system for individual pitch control of each blade in a wind turbine that minimizes; A transition velocity range gain scheduling unit 300 in addition to the high wind speed region gain scheduling unit 200 and a mode switch for selecting the high wind speed region gain scheduling unit 200 and the transition wind speed region gain scheduling unit 300 And a high wind speed-transient wind speed setting mode information of the mode switch (400) as input values, an output value and a rotational speed value calculated from the torque control scheduling unit (700) A peak saving pitch scheduling unit 60 for transmitting a correction value to the actuator unit 500 and correcting the pitch angle values of the actuators A1, A2 and A3; a correction value calculation unit for calculating a correction value according to the tower moment value, And a tower damper 70 for correcting and controlling the pitch angular values of the individual actuators A1, A2, and A3 driven by the blades based on the calculated tower moment values.

나아가, 상기 타워댐퍼(70)는 타워 구조물 자체의 기계적인 하중을 저감시키는 것으로서 타워의 전후방향 운동하중에서 1차진동모드의 구조물감쇠비를 증가시키는 제어알고리즘으로서 위상보상필터를 적용하여 타워의 전후방향하중 및 좌우방향굽힘모멘트의 크기를 감소시키도록, 위상보상필터(Phase Compensation Filter) 구성으로서 3개의 노치필터와 게인 스케쥴링된 PI 제어기로 구성하고,Further, the tower damper 70 reduces the mechanical load of the tower structure itself. As a control algorithm for increasing the damping ratio of the primary vibration mode at the forward and backward motion loads of the towers, a phase compensation filter is applied, A 3-notch filter and a gain-scheduled PI controller are used as a phase compensation filter to reduce the magnitude of the load and the lateral bending moment,

상기 피크세이빙피치스케쥴링부(60)는 토오크제어스케쥴링부(700)부터의 신호값과 연산부(600)로부터의 출력 및 회전수값에 기초하여 액튜에이터부(500)를 보정하며,The peak-saving pitch scheduling unit 60 corrects the actuator unit 500 based on the signal value from the torque control scheduling unit 700 and the output and the rotational speed value from the operation unit 600,

상기 고풍속영역게인스케쥴링부(200)와 천이풍속영역게인스케쥴링부(300)로 전달되는 로터의 회전자속도(r)는 3p노치필터 또는 밴드패스필터(BPF) 등의 필터(F)를 거쳐서 입력되는 것은 한정적인 구성의 특징이다.The rotor speed r of the rotor which is transmitted to the high wind speed region gain scheduling unit 200 and the transition wind speed region gain scheduling unit 300 is transmitted through a filter F such as a 3p notch filter or a band pass filter What is input is a characteristic of the limited configuration.

본 발명에 따른 풍력터빈의 제어시스템은 발전을 수행하는 고풍속 영역 뿐만아니라 고풍속영역과 저풍송영역의 천이영역에서의 부하하중을 최소화함으로서 하중을 감소시키는 제어시스템을 제공할 수 있다.The control system of the wind turbine according to the present invention can provide a control system that reduces the load by minimizing the load load in the transition region of the high wind speed region and the low wind speed region as well as the high wind speed region in which power generation is performed.

나아가 타워 자체의 댐핑수단을 더 구비함으로서 타워의 하중을 반영하여 최소화하는 제어가 가능하게 되어 잔체 풍력터빈장치의 수명의 증대와 출력의 최대화를 도모할 수 있는 유용성을 가진다.Further, by providing the damping means of the tower itself, it is possible to control the tower by minimizing the load by reflecting the load, which is useful in increasing the lifetime of the residual wind turbine device and maximizing the output.

도 1은 풍력터빈에서의 블레이드에 가해지는 바람장을 도시하는 설명도.
도 2은 풍력터빈에서의 블레이드 위치에 따른 피치각값의 제어를 설명하는 설명도.
도 3은 본 발명의 풍력터빈의 제어시스템의 목적을 설명하는 그래프도.
도 4는 본 발명의 풍력터빈의 제어시스템을 설명하는 블럭다이아그램.
도 5는 본 발명의 풍력터빈의 제어시스템의 효과를 설명하는 그래프도.
도 6은은 종래 선원의 고풍속영역에서의 개별피치제어를 수행하는 시스템의 블럭다이아그램도이다.
1 is an explanatory view showing a wind field applied to a blade in a wind turbine;
2 is an explanatory view for explaining control of a pitch angle value according to a blade position in a wind turbine;
3 is a graph illustrating the purpose of the control system of the wind turbine of the present invention.
4 is a block diagram illustrating a control system of a wind turbine of the present invention.
5 is a graph illustrating the effect of the control system of the wind turbine of the present invention.
Figure 6 is a block diagram of a system for performing individual pitch control in the high wind speed region of a conventional source.

이하, 본 발명의 풍력터빈의 제어시스템의 바람직한 실시 예에 따른 구성과 작용을 첨부도면에 의하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a configuration and operation of a control system for a wind turbine according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 풍력터빈에서의 블레이드에 가해지는 바람장을 도시하는 설명도, 도 2은 풍력터빈에서의 블레이드 위치에 따른 피치각값의 제어를 설명하는 설명도, 도 3은 본 발명의 풍력터빈의 제어시스템의 목적을 설명하는 그래프도, 도 4는 본 발명의 풍력터빈의 제어시스템을 설명하는 블럭다이아그램, 도 5는 본 발명의 풍력터빈의 제어시스템의 효과를 설명하는 그래프도로서 함께 본발명을 설명한다.FIG. 1 is an explanatory view showing a wind field applied to a blade in a wind turbine, FIG. 2 is an explanatory view illustrating control of a pitch angle value according to a blade position in a wind turbine, FIG. Fig. 4 is a block diagram illustrating the control system of the wind turbine of the present invention, Fig. 5 is a graph illustrating the effect of the control system of the wind turbine of the present invention, Explain.

본 발명에서 제안하는 주요한 기술의 사상은 하기와 같다.The main idea proposed in the present invention is as follows.

난류 또는 바람장의 풍속 세기에 적합하게 출력 및 피치 제어 방식으로서 제안된 풍력터빈의 제어시스템 구조에서,In a control system structure of a wind turbine proposed as an output and pitch control method suitable for wind velocity or turbulence intensity,

토크제어 루프에는 동력전달축 운동모드와 블레이드의 평면내 방향 운동모드에 의한 회전축의 진동을 저감시키기 위하여, 동력전달축 댐퍼를 채용하며, 토크제어 루프의 동력 전달축 댐퍼처럼 원활한 제어를 하기위해서 필터를 추가적으로 적용하였으며, 피치제어 게인들은 풍력터빈 운전조건에 따라 값들이 변화되는 게인 스케쥴링(gain scheduling) 기법을 적용하며, 풍력터빈의 블레이드와 타워의 하중을 경감시기키 위한 세 개의 제어구조로 구성된다.The torque control loop employs a power transmission shaft damper to reduce the vibration of the rotary shaft due to the power transmission shaft motion mode and the blade in-plane motion mode. In order to smoothly control the transmission shaft damper of the torque control loop, The pitch control gains are applied by gain scheduling method which changes the values according to wind turbine operating conditions and consist of three control structures to reduce the load of the wind turbine blades and towers .

(1) 종래로부터의 블레이드의 루트(root)부 기계적 하중의 크기를 감소시키는 개별피치제어(1) Individual pitch control that reduces the size of the root portion mechanical load of a conventional blade

(2) 타워 구조물의 전후방향 운동모드의 감쇠비를 증대하는 역할을 하는 타워 댐퍼(tower damper)(2) a tower damper that acts to increase the damping ratio of the forward and backward motion modes of the tower structure,

(3) 피치 동작시(천이구간) 최대 하중 저감 피크 쉐이빙(Peak Shaving)제어기;를 각각 채용한다.(3) peak load reduction peak shaving controller at the time of pitch operation (transition section).

풍력터빈의 운전영역에 따라 적절하게 피치/토크 제어루프를 on/off하는 기능은 매우 중요하다. 정격이하의 운전조건에서는 우수한 피치(Fine pitch)위치로 피치각을 고정시켜야하며, 정격이상의 운전 조건에서는 피치제어 루프를 정상적으로 작동하게 만들어야 한다.The ability to turn the pitch / torque control loop on and off appropriately according to the operating area of the wind turbine is very important. The pitch angle should be fixed to a fine pitch position under the rated operating conditions, and the pitch control loop should be operated normally when operating above the rated value.

운전 조건에서 대하여 피치제어 루프에 피치 동작 정보를 제대로 알려 주지 못한다면, 토크제어와 피치제어 시스템이 중복적으로 로터 회전속도를 서로 정격으로 유지하려는 제어기 충돌이 발생되며, 이는 풍력터빈의 제어 오동작이며, 이러한 동시 동작 제어를 방지하기 위해서 채용되는 것이 모드변화(Mode Switching)신호이며 피치, 토크 제어루프에 적절한 피치 동작 정보를 알려주는 역할을 한다. 모드변환 로직을 사용하여, 토크 PI 제어와 피치 PI제어가 간섭을 일으키는 문제를 해결 할 수 있다.If the pitch control loop does not accurately inform the pitch control information in the operating condition, a controller collision occurs in which the torque control and the pitch control system repeatedly keep the rotor rotation speeds at each other at a rated value. This is a control malfunction of the wind turbine, To prevent such simultaneous operation control, a mode switching signal is used to inform the pitch and torque control loop of appropriate pitch operation information. By using the mode conversion logic, it is possible to solve the problem that the torque PI control and the pitch PI control cause interference.

바람의 공력에 의해서 회전하는 블레이드(날개)는 최저 영역 통과시 블레이드에 가해지는 공력은 최고점을 지나는 블레이드의 공력보다 작다.블레이드 회전시 최고 및 최저 영역 구간에서 블레이드에 공력에 의한 하중이 비대칭으로 터빈에 작용하며, 최고점 영영을 지나는 블레이드는 안정도가 매우 불안하게 되어 시스템 내구성 및 신뢰성에 영향 받는다.The blade (blade) that rotates by the aerodynamic force of the wind is less than the aerodynamic force of the blade passing through the peak when passing through the lowermost region. At the highest and lowest regions of the blade rotation, the aerodynamic load on the blade is asymmetric, And the blade passing through the highest point is very unstable in stability and is affected by system durability and reliability.

정격 풍속이상의 풍속구간에서 로터의 중심 선상에서 위쪽으로 회전과 동시에 피치각(β)은 기준치 값보다 증감되며, 최고점에 최대의 피치각값이 결정되면 최고점을 지나 아래쪽으로 회전 영역에서는 피치각값은 감소되어 로터의 중심축에 기준 피치 값을 갖는다.The pitch angle (β) is increased or decreased as the pitch angle (β) is increased or decreased from the center line of the rotor in the wind speed range above the rated wind speed, and when the maximum pitch angle value is determined at the highest point, And has a reference pitch value at the center axis of the rotor.

정격 풍속이상의 풍속구간에서 로터의 중심 선상에서 아래쪽으로 회전과 동시에 피치각(β)은 기준치 값보다 감소 되며, 최저점에 최소의 피치각값이 결정되면 최저점을 지나 위쪽으로 회전 영역에서는 피치각값은 증감되어 로터의 중심축에 기준 피치 값을 갖는다.When the pitch angle (β) is reduced from the center value of the rotor in the wind speed range above the rated wind speed, the pitch angle (β) is reduced from the reference value and when the minimum pitch angle value is determined at the lowest point, And has a reference pitch value at the center axis of the rotor.

따라서 본 발명이 수행하고자 하는 풍력터빈의 제어시스템이 구현하여야 하는 작용은 하기와 같다.Therefore, the operation of the wind turbine control system to be implemented by the present invention is as follows.

(1) 측정된 풍속의 세기, 계산된 윈드시어, 블레이드 회전각속도, 로터 회전수 등을 계산하여, 회전 중심의 위쪽과 아래쪽에서 회전하는 블레이드의 피치각이 다르게 결정되며, 바람장 영역에 놓여지는 각각의 블레이드의 로터에 가해지는 공력의 크기가 평행을 이루도록 제어한다.(1) By calculating the measured wind speed, calculated wind shear, blade rotational angular velocity, rotor rotational speed, etc., the pitch angles of the rotating blades are determined differently from above and below the rotational center, So that the magnitude of the aerodynamic force applied to the rotor of each blade is made parallel.

(2) 블레이드 각각의 피치 시스템에서 블레이드 중심축 아래 영역을 통과하는 로터-블레이드 피치각과 중심축 위쪽 영역을 통과 하는 블레이드 피치각을 다르게 적용하여, 바람장의 영역에서 블레이드에 가해지는 공력의 크기를 대칭적으로 같게 제어한다.(2) By varying the blade pitch angles passing through the rotor-blade pitch angle and the area above the central axis in the pitch system of each of the blades through the area below the center axis of the blades, the magnitude of the aerodynamic force exerted on the blades in the area of the wind field is mirrored Controls are equal to each other.

(3) 정격 풍속이상에서 각각의 블레이드 피치각이 다르게 제어함으로써, 풍력터빈에 가해지는 공력 및 하중을 최소화하도록 제어한다.(3) By controlling different blade pitch angles above the rated wind speed, control is made to minimize the aerodynamic force and load applied to the wind turbine.

도 4 는 본 발명의 풍력터빈의 제어시스템을 도시하는 블럭구성도이다.4 is a block diagram showing a control system of a wind turbine according to the present invention.

이하의 설명에서 각각의 부재는 대부분이 알고리즘으로 구성되는 실험적이고도 통계적인 논리부를 포함하고 있고 액튜에이터부(500)는 기계적인 구동부이다.In the following description, each member includes an empirical and statistical logic portion, which is mostly composed of an algorithm, and the actuator portion 500 is a mechanical driving portion.

본 발명의 제어시스템은 센서부(100)와 고풍속영역게인스케쥴링부(200) 및 (고-저풍속의) 천이풍속영역게인스케쥴링부(300)와, 상기의 고풍속영역게인스케쥴링부(200)와 천이풍속영역게인스케쥴링부(300)의 어느 하나를 선택하여 액튜에이터부(500)의 액튜에이터(A1,A2,A3)를 초기 구동하여 블레이드의 피치각(βc)을 조절하는 모드스위치(400), 실제적인 블레이드의 피치각(β)을 구동제어하는 액튜에이터(A1,A2,A3)를 구동제어하는 액튜에이터부(500)와 연산부(600) 및 토오크제어스케쥴링부(700)를 기본적인 제어로직, 알고리즘 및 기구적인 구동부로서 구비한다.The control system of the present invention includes a sensor unit 100, a high wind speed region gain scheduling unit 200, a high speed wind speed region gain scheduling unit 300, a high wind speed region gain scheduling unit 200 A mode switch 400 for controlling the pitch angle beta c of the blades by initially driving one of the actuators A1, A2, and A3 of the actuator unit 500 by selecting any one of the gain and velocity gain region gain scheduling unit 300, An actuator unit 500 for driving and controlling actuators A1, A2 and A3 for driving and controlling a pitch angle beta of an actual blade, an arithmetic unit 600 and a torque control scheduling unit 700 as basic control logic, And a mechanical drive unit.

고풍속영역게인스케쥴링부(200)와 천이풍속영역게인스케쥴링부(300)는 PI게인스케쥴링을 수행하는 통상의 알고리즘이다.The high wind speed region gain scheduling unit 200 and the transition wind speed region gain scheduling unit 300 are general algorithms for performing PI gain scheduling.

센서부(100)는 로터의 위치각도(0도~360도:a) 및 로터의 회전자속도(r) 값을 고풍속영역게인스케쥴링부(200)와 천이풍속영역게인스케쥴링부(300)로 전달하고, 로터의 회전자속도(r)는 3p노치필터 또는 밴드패스필터(BPF) 등의 필터(F)를 거쳐서 각각 입력된다.The sensor unit 100 measures the position angle of the rotor (0 degrees to 360 degrees: a) and the rotor speed r of the rotor to the high wind speed region gain scheduling unit 200 and the transition wind speed region gain scheduling unit 300 And the rotor speed r of the rotor is input via a filter F such as a 3p notch filter or a band-pass filter (BPF).

사용자의 조작에 의한 출력제어(I) 값에 따른 토오크제어스케쥴링부(700)에서 스케쥴링된 값은 연산부(600)로 신호값이 전달되어 토오크기준값으로서 사용되고,그 출력제어값은 역시 모드스위치(400)로 보내어져서 고풍속영역게인스케쥴링부(200)와 천이풍속영역게인스케쥴링부(300)의 선택의 기준값으로서 사용된다.A signal value is delivered to the operation unit 600 and used as a torque reference value, and the output control value is also input to the mode switch 400 And is used as a reference value for selection of the high wind speed region gain scheduling unit 200 and the transition wind speed region gain scheduling unit 300.

모드스위치(400)에 의하여 선택된 블레이드피치각값은 액튜에이터부(500)로 전달되어 액튜에이터(A1,A2,A3)를 구동하여 부하에 따른 피치변환 즉 패들링을 수행하고, 그 값은 하기와 같은 본 발명의 특징적인 구성요소에 의하여 보정 및 조정되어진다.The blade pitch angle value selected by the mode switch 400 is transmitted to the actuator unit 500 to drive the actuators A1, A2, and A3 to perform pitch conversion or padding according to the load, And is calibrated and adjusted by the characteristic elements of FIG.

본 발명의 제어시스템의 특징적인 구성이 이하의 피크세이빙피치스케쥴링부(60)에서의 피크값조절이다. 통상적으로 블레이드를 접을때에 즉 패들링 시에 피크값의 변이적인 하중분포를 보여주므로 이를 평탄화할 필요가 있다. 이러한 목적으로 역시 알고리즘인 피크세이빙피치스케쥴링부(60)가 채용된다.The characteristic configuration of the control system of the present invention is the peak value adjustment in the peak-saving pitch scheduling unit 60 described below. It is usually necessary to planarize the blade because it exhibits a load distribution that is mutually different in peak value when the blade is folded or paddled. For this purpose, a peak-saving pitch scheduling unit 60, which is also an algorithm, is employed.

피크세이빙피치스케쥴링부(60)는 토오크제어스케쥴링부(700)로부터의 값과 연산부(600)에서 연산되어 나오는 출력 및 회전수값을 입력변수로 하고, 이 값들은 다시 다시 모드스위치(400)로 보내어져서 모드를 결정하면서 천이구간에서의 피크세이빙피치스케쥴링부(60)에서 보정값을 발하여 액튜에이터부(500)로 전송하여 각각의 액튜에이터(A1,A2,A3)의 피치각값을 조정한다.The peak-saving pitch scheduling unit 60 takes the values from the torque control scheduling unit 700 and the output and rotation speed values calculated by the operation unit 600 as input variables and sends them again to the mode switch 400 The pitch-saving pitch scheduling unit 60 in the transition interval transmits a correction value to the actuator unit 500 to adjust the pitch angle values of the respective actuators A1, A2, and A3.

이러한 작동에 따라서 도 3의 출력-풍속 그래프도에서, 고-저풍속의 천이영역(풍속12m/s 인접구간)에서의 헤자드가 감소된다.According to this operation, in the output-wind velocity graph of FIG. 3, the hezard is reduced in the transition region of high-low wind speed (wind speed 12m / s adjacent region).

연산부(600)에서 액튜에이터부(500)로부터의 각각의 액튜에이터(A1,A2,A3)의 피치각값 및 토오크제어스케쥴링부(700)로부터의 토오크에 기초하여 연산을 수행하여 개별피치제어부(80)에서 각각의 개별피치각값을 액튜에이터부(500)의 각각의 액튜에이터(A1,A2,A3)를 다른 피치각값으로서 보정하여 구동하게 하는 것이다.The calculation unit 600 performs an operation based on the pitch angle values of the actuators A1, A2, and A3 from the actuator unit 500 and the torque from the torque control scheduling unit 700, And the respective individual pitch angle values are corrected by correcting the respective actuators A1, A2, and A3 of the actuator unit 500 as different pitch angle values.

이러한 구성에 부가하여 본 발명의 특징적인 제어로서는;In addition to this configuration, the characteristic control of the present invention includes:

타워에 설치된 센서(도시하지 아니함)로부터의 타워모멘트값에 따른 보정치를 타워댐퍼(70:알고리즘)에서 계산하여 연산부(600)에서 연산된 타워모멘트값에 기초하여 블레이드 구동의 개별의 액튜에이터(A1,A2,A3)의 피치각값을 조정하는 것이다.A tower damper 70 (algorithm) calculates a correction value corresponding to a tower moment value from a sensor (not shown) installed on the tower, and calculates the blade moment of the individual actuators A1, A2, and A3) of each of the plurality of pixels.

타워댐퍼(70)란 타워 구조물 자체의 기계적인 하중을 저감시키는 것으로서 타워의 전후방향 운동하중에서 1차진동모드의 구조물감쇠비를 증가시키는 제어알고리즘으로서 위상보상필터를 적용하여 타워의 전후방향하중 및 좌우방향굽힘모멘트의 크기를 감소할 수 있는 것으로서, 타워 댐퍼(70)에서 사용되는 위상보상필터(Phase Compensation Filter) 구성으로서 3개의 노치필터와 게인 스케쥴링된 PI 제어기로 구성하였다.The tower damper 70 is a control algorithm for reducing the mechanical load of the tower structure itself and increasing the damping ratio of the primary vibration mode at the forward and backward motion loads of the tower. The phase compensation filter is applied to the forward / The three-notch filter and the gain-scheduled PI controller are used as a phase compensation filter used in the tower damper 70, which can reduce the magnitude of the direction bending moment.

이러한 설계로서 동력 전달축 댐퍼를 실제 풍력터빈에 적용할 때 발생할 수도 있는 해석적인 모드 주파수와 실제적인 모드 주파수간의 불일치 문제를 상당히 해소할 수 있게 된다. 도 5에서와 같은 풍속/db 선도에서와 같이 타워댐퍼(70)를 설치한 쪽이 하중피크가 감소됨을 알 수 있다.As a result of this design, the problem of inconsistency between the analytical mode frequency and the actual mode frequency, which may occur when the power transmission shaft damper is applied to an actual wind turbine, can be largely eliminated. It can be seen that the load peak is reduced by installing the tower damper 70 as in the case of the wind speed / db diagram as shown in FIG.

연산부(600)로부터의 출력과 회전수정보는 다시 토오크제어스케쥴링부(700)와 모드스위치(400)로 전달되어 알고리즘인 모드스위치(400)의 판단의 기초값이 되고 토오크제어스케쥴링부(700)및 피크세이빙피치스케쥴링부(60)로 전달되어 기준값으로서 사용된다.The output from the arithmetic unit 600 and the rotation correction signal are transmitted to the torque control scheduling unit 700 and the mode switch 400 again to become a base value for the determination of the mode switch 400 as an algorithm, and the torque control scheduling unit 700 and Is delivered to the peak-saving pitch scheduling unit 60 and used as a reference value.

이상과 같은 본 발명의 풍력터빈의 제어시스템은 고-저풍속의 천이구간에서의 하중을 감소시키고 타워 자체의 영향을 고려한 하중감소설계를 가능하게 하는 유용성을 가진다.The control system of the wind turbine of the present invention as described above has the advantage of reducing the load at the high-low wind speed transition section and enabling the load reduction design considering the influence of the tower itself.

100: 센서부
200: 고풍속영역게인스케쥴링부
300: 천이풍속영역게인스케쥴링부
400: 모드스위치
500: 액튜에이터부
600: 연산부
700: 토오크제어스케쥴링부
100:
200: high wind speed region gain scheduling unit
300: Transient velocity region gain scheduling unit
400: Mode switch
500: Actuator part
600:
700: Torque control scheduling unit

Claims (5)

로터의 위치각도(0도~360도:a) 및 로터의 회전자속도(r) 값을 측정하는 센서부(100), 고풍속영역게인스케쥴링부(200),액튜에이터(A1,A2,A3)를 구동제어하는 액튜에이터부(500)와 연산부(600) 및 사용자의 조작에 의한 출력제어(I) 값에 따른 토오크제어스케쥴링부(700)를 구비하여, 정격 풍속 이상 구간에서 로터의 위치 및 회전속도 측정값에 의해서 고풍속 영역 PI 스케쥴링를 통해서 각각의 블레이드 위치에 따라서 피치각의 가감 제어에 의하여 시스템 하중을 최소화하는 풍력터빈에서의 각각의 블레이드를 개별피치제어하는 시스템에 있어서;
상기 고풍속영역게인스케쥴링부(200)에 부가하여 천이풍속영역게인스케쥴링부(300) 및, 상기 고풍속영역게인스케쥴링부(200)와 천이풍속영역게인스케쥴링부(300)를 선택하는 모드스위치(400)와,
상기 토오크제어스케쥴링부(700)로부터의 값과 연산부(600)에서 연산되어 나오는 출력 및 회전수값 및 상기 모드스위치(400)의 고풍속-천이풍속설정모드정보를 입력값으로 하여 상기 액튜에이터부(500)로 전송하여 각각의 액튜에이터(A1,A2,A3)의 피치각값을 보정제어하는 피크세이빙피치스케쥴링부(60)와,
타워모멘트값에 따른 보정치를 계산하여 연산부(600)에서 연산된 타워모멘트값에 기초하여 블레이드 구동의 개별의 액튜에이터(A1,A2,A3)의 피치각값을 보정제어하는 타워댐퍼(70)를 더 포함하는 것을 특징으로하는 풍력터빈의 제어시스템.
A sensor section 100, a high wind speed region gain scheduling section 200, and actuators A1, A2, and A3 that measure rotor position angles (0 to 360 degrees: a) and rotor rotor speed (r) And a torque control scheduling unit 700 according to a value of an output control (I) by a user's operation, so that the position and rotation speed of the rotor in the rated wind speed exceeding the rated speed range, 1. A system for individual pitch control of each blade in a wind turbine that minimizes system loading by increasing / decreasing the pitch angle according to a respective blade position through a high wind speed area PI scheduling by a measured value;
A transition velocity range gain scheduling unit 300 in addition to the high wind speed region gain scheduling unit 200 and a mode switch for selecting the high wind speed region gain scheduling unit 200 and the transition wind speed region gain scheduling unit 300 400,
The actuator unit 500 is controlled by using the value from the torque control scheduling unit 700, the output and rotation speed values calculated by the operation unit 600, and the high wind speed-transition air speed setting mode information of the mode switch 400 as input values. A peak-saving pitch scheduling unit 60 for correcting and controlling the pitch angle values of the actuators A1, A2, and A3,
And further includes a tower damper 70 for correcting and controlling the pitch angular values of the individual actuators A1, A2, A3 of the blades driven based on the tower moment values calculated by the arithmetic unit 600 by calculating correction values according to the tower moment values And a control unit for controlling the wind turbine.
제 1 항에 있어서,
상기 타워댐퍼(70)는 타워 구조물 자체의 기계적인 하중을 저감시키는 것으로서 타워의 전후방향 운동하중에서 1차진동모드의 구조물감쇠비를 증가시키는 제어알고리즘으로서 위상보상필터를 적용하여 타워의 전후방향하중 및 좌우방향굽힘모멘트의 크기를 감소시키도록, 위상보상필터(Phase Compensation Filter) 구성으로서 3개의 노치필터와 게인 스케쥴링된 PI 제어기로 구성하는 것을 특징으로 하는 풍력터빈의 제어시스템.
The method according to claim 1,
The tower damper 70 is a control algorithm for reducing the mechanical load of the tower structure itself and increasing the damping ratio of the structure in the primary vibration mode at the forward and backward motion loads of the towers as a phase compensation filter, Wherein the three-notch filter and the gain-scheduled PI controller are configured as a phase compensation filter to reduce the magnitude of the lateral bending moment.
제 1 항에 있어서,
상기 피크세이빙피치스케쥴링부(60)는 토오크제어스케쥴링부(700)부터의 신호값과 연산부(600)로부터의 출력 및 회전수값에 기초하여 액튜에이터부(500)를 보정하는 것을 특징으로 하는 풍력터빈의 제어시스템.
The method according to claim 1,
The peak saving pitch scheduling unit 60 corrects the actuator unit 500 based on the signal value from the torque control scheduling unit 700 and the output value and the rotation number value from the operation unit 600. [ Control system.
제 1 항에 있어서,
상기 고풍속영역게인스케쥴링부(200)와 천이풍속영역게인스케쥴링부(300)로 전달되는 로터의 회전자속도(r)는 3p노치필터 또는 밴드패스필터(BPF) 등의 필터(F)를 거쳐서 입력되는 것을 특징으로 하는 풍력터빈의 제어시스템.
The method according to claim 1,
The rotor speed r of the rotor which is transmitted to the high wind speed region gain scheduling unit 200 and the transition wind speed region gain scheduling unit 300 is transmitted through a filter F such as a 3p notch filter or a band pass filter And a control unit for controlling the wind turbine.
제 1 항에 있어서,
상기 모드스위치(400)는 토크제어와 피치제어 시스템이 중복적으로 로터 회전속도를 서로 정격으로 유지하려는 제어기 충돌이 발생되는 풍력터빈의 제어 오동작을 방지하기 위하여 채용되는 것을 특징으로 하는 풍력터빈의 제어시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the mode switch (400) is employed to prevent control malfunction of the wind turbine in which a controller collision occurs in which the torque control and the pitch control system overlap the rotor rotation speeds to maintain the rated rotor rotation speeds relative to each other. system.
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