KR20010052057A - 가변 속도 풍력 터빈 발전기 - Google Patents

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크레이그 엘. 크리스텐슨
케빈.엘. 코우지노우
윌리암 엘. 어드만
윌리암 이. 홀리
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우마노프 아담
존드 에너지 시스템즈 인코포레이티드
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Abstract

예를들어 풍력 터빈과 같은 시스템에 사용하기 위한 가변 속도 시스템이 설명되어 있다. 상기 시스템은 권선된 회전자 유도 발전기(620), 토오크 제어기(623), 및 비례, 적분 유도(PID) 피치 제어기(1010)를 포함한다. 상기 토오크 제어기는 필드 지향 제어를 사용하여 발전기 토오크를 제어하고 상기 PID 제어기는 발전기 회전자 속도에 기초하여 피치 조절을 수행한다.

Description

가변 속도 풍력 터빈 발전기 {VARIABLE SPEED WIND TURBINE GENERATOR}
최근들어서, 풍력 터빈은 환경친화적이고 상대적으로 경제적인 대체 에너지원으로서 주목받게 되었다. 관심의 증가와 더불어서, 신뢰성있고 효율적인 풍력 터빈을 개발하기 위한 상당한 노력이 경주되어 왔다.
일반적으로, 풍력 터빈은 다수의 블레이드(miltiple blade)를 가지는 로우터 즉, 회전자(rotor)를 포함하고 있다. 상기 회전자는 트러스 또는 튜브형 타워의 상부에 위치하는 하우징 내부에 설치된다. 터빈의 블레이드는 풍력 에너지를, 기어 박스를 통하여 회전자에 회전가능하게 연결된 하나 또는 그 이상의 발전기를 구동시키는 회전 토오크 또는 회전력으로 변환시킨다. 상기 기어 박스는 발전기가 기계적 에너지를 유틸리티 그리드(Utility Grid)에 공급될 전기적 에너지로 효과적으로 변환시키도록 하기 위하여 원래는 낮은 터빈 회전자의 회전 속도를 단계적으로 상승시킨다.
많은 형식의 발전기가 풍력 터빈에 사용되어 왔다. 종래 기술에 따른 풍력 터빈에서 적어도 하나의 풍력 터빈은 이중 급전형으로 권선된 회전자 발전기를 포함하고 있다. 이에 대한 참조 문헌으로서, "이중 급전형 발전기의 가변 속도 발생 제어 장치(Doubly Fed Generator Variable Speed Generation Control System)"이라는 제목으로 1991년 2월 19일 발행된 미국특허공보 제 4,994,684호가 있다.
권선형 회전자 유도 발전기(wound rotor induction generator; WRIG)는 통상적으로 고정자와, 회전자와, 슬립 링과, 그리고 베어링을 구비한 단부 캡의 4개의 주요 부품을 포함하고 있다. 2극 3상 발전기의 단면도가 도 1에 도시되어 있으며, 이 도면에는 권선이 한쌍의 도체로 간략화하여 나타나 있다. 도 1을 참조하면, 발전기(100)는 고정자(101), 회전자(102), 및 상기 회전자와 고정자 각각에 대한 권선 위상 A(각각 103 및 104)을 포함하여 이루어진다. 또한 풍력 터빈의 블레이드를 기어 박스를 통하여 발전기(100)에 연결시키는 샤프트(105)가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 권선형 회전자 유도 발전기(WRIG) 장치에서, 고정자 권선은(104)은 통상적으로 예컨대 480 볼트(V), 3상 그리드(201)와 같은 3상 유틸리티 전력 그리드에 연결되고, 그리고 회전자 권선(103)은 슬립 링(도시되지 않음)을 통하여 발전기측 인버터(202)에 연결된다. 상기 고정자 권선(103)은 또한 라인측 인버터(203)와 병렬로 상기 480 볼트, 3상 소오스(201)에 연결된다. 상기 라인측 인버터(203) 및 발전기측 인버터(202)는 DC 버스(204)에 의해 함께 연결된다. 도 2에 도시된 구성(즉, 라인측 인버터(203), DC 버스(204), 및 발전기측 인버터(202))은 전력이 회전자 권선(103) 내부로 흘러 들어가거나 또는 전력이 회전자 권선(103)으로부터 외부로 흘러 나오는 것이 가능하도록 한다. 상기 2개의 인버터는 모두가 디지털 시그널 프로세서(DSP)(205)의 제어하에 있다. 많은 수의 종래의 풍력 터빈은 일정한 주파수, 예컨대 미국의 경우 교류 전류의 기준이 되는 초당 60 사이클(60 Hz) 또는 유럽의 경우에는 50 Hz의 일정한 주파수의 전기를 만들어내기 위하여 일정한 속도로 회전한다. 풍속은 끊임없이 변화하기 때문에, 이들 풍력 터빈은 일정한 터빈 회전자 속도를 유지하기 위하여 종래의 다람쥐 집 유도 발전기(squirrel cage induction generator)의 특성과 조합하여 능동적(피치 조절; pitich regulation) 또는 수동적(스톨 조절; stall regulation) 공기역학적 제어를 이용한다.
일부 터빈은 그들의 출력을 조정하기 위하여 전력 컨버터를 사용함으로써 가변 속도에서 작동한다. 터빈 회전자의 속도가 요동함에 따라 발전기로부터 흐르는 교류 전류의 주파수도 또한 변화한다. 발전기와 그리드 사이에 위치하는 전력 컨버터는 주파수가 변화하는 교류 전류를 직류 전류로 변환시키고, 그런 다음에 직류전류를 다시 일정 주파수의 교류 전류로 변환시킨다. 발전기의 총 전력 출력은 상기 컨버터(총 변환)에 의해 결합된다. 이와 같은 터빈의 예로서, "가변 속도 풍력 터빈(Variable Speed Wind Turbine)"이라는 제목으로 1992년 1월 21일 발행된 미국특허공보 제 5,083,039호가 있다.
전력을 만들어내는데 가변 속도 풍력 터빈을 사용하는 것은 상당히 많은 장점을 가지며, 이러한 장점으로는 일정 속도 풍력 터빈에 비하여 보다 높은 추진 효율과, 높은 리액티브 전력--VARs 및 역율의 제어와, 그리고 부하의 완화가 있다.
일부의 종래의 가변 속도 풍력 터빈은 풍력 터빈의 전체 전력 출력을 완전히 정류하는 전력 컨버터를 사용하는 총 변환 장치이다. 즉, 가변 주파수에서 작동하는 풍력 터빈은 가변 주파수를 출력을 생성하고, 그리드로 나아가기 위하여 이것을 고정 주파수로 변환시킨다. 총 변환을 사용하는 이러한 장치의 경우 높은 비용이 소요된다. 비용 때문에, 당사자들은 예컨대 부분 변환을 이용하는 권선형 회전자 발전기 장치와 같은 저 비용의 해결방안을 모색하고 있다. 여기에서는, 풍력 터빈의 출력 중에서 단지 일부 만이 정류되고 그리고 전력 컨버터에 의해 인버팅된다.
부분 변환 공정을 제어하기 위하여 전력 컨버터에 의해 사용되는 다양한 제어 알고리즘과 관련하여 일부 문제점이 현재에도 존재하고 있다. 예를 들어, 어떤 장치는 이들이 전력 및 토오크에서 매우 큰 진동을 가진다는 안정성에 대한 문제점을 가지고 있으며, 또한 다른 장치는 중요 구성 부품을 과열시키지 않고서는 충분한 전력을 생산하지 못하거나 또는 일련의 생산을 위한 비용면에서 효과적인 해결책을 제공하기 위해 용이하게 개량될 수 없는 문제점이 있다.
따라서, 종래 기술이 가지는 안정성에 대한 문제점을 가지지 않으면서도, 여전히 많은 양의 전력을 생산하고 비용면에서도 효율적이며 과량의 열을 발생시키지도 않으며, 그리고 효과적인 비용으로 쉽게 만들어질 수 있는 설계로서 용이하게 개량될 수 있는 저 비용의 풍력 터빈에 대한 요구가 아직까지 존재하고 있다.
본 발명은 풍력 터빈 분야에 관한 것이고, 보다 상세하게는 이중 급전형 발전기(doubly fed generator)를 가지고 발전기의 회전자 속도에 기초를 둔 피치 조절 및 토오크 제어를 적용한 가변 속도 풍력 터빈 발전기(variable speed wind turbine generator)에 관한 것이다.
본 발명은 본 발명의 다양한 실시예에 대한 첨부 도면 및 그에 대하여 후술될 상세한 설명을 통하여 보다 명확하게 이해될 수 있을 것이다. 물론, 이들 실시예 및 그 도면은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것이지 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
도 1은 간략화된 권선형 회전자 유도 발전기의 단면도이다.
도 2는 권선형 회전자 유도 발전기가 일체화된 전형적인 장치의 구성을 도시한 것이다.
도 3은 토오크 사이의 균등성 및 전류와 플럭스의 크로스 프로덕트(Cross Product; 벡터적)를 도시한 것이다.
도 4는 권선형 계자 직류 모터(wound field DC motor)를 도시한 것이다.
도 5는 단지 "A" 위상 만이 활성화될 때의 플럭스 방향을 도시한 것이다.
도 6a는 본 발명에 따른 장치의 일 실시예의 흐름도이다.
도 6b는 본 발명의 권선형 회전자 발전기 및 토오크 제어기의 일 실시예의 블록도이다.
도 6c는 플럭스 벡터와 회전자 전류 벡터 간의 관계를 도시한 것이다.
도 6d는 회전자 전류의 성분들을 도시한 것이다.
도 7은 전력/토오크 제어기에 대한 인에이블/디스에이블 시퀀스 및 피치 제어기의 다른 모드를 나타낸 본 발명의 풍력 터빈 제어기의 일 실시예의 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 피치 조절 모드의 일 실시예의 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 알피엠(rpm) 조절 모드의 일 실시예의 흐름도이다.
도 10a는 본 발명의 피치 제어 장치의 일 실시예의 블록도이다.
도 10b는 본 발명의 피아이디(PID; 비례, 적분, 유도) 피치 제어기의 일 실시예의 블록도이다.
이하에서는, 장치, 예컨대 풍력 터빈과 같은 장치 내에서 사용하기 위한 가변 속도 장치을 설명하기로 한다. 상기 장치는 권선형 회전자 유도 발전기와, 토오크 제어기와, 그리고 피치 제어기를 포함하여 이루어진다. 상기 토오크 제어기는 필드 지향 제어 방법을 사용하여 발전기 토오크를 제어한다. 상기 피치 제어기는 토오크 제어기와 독립하여 발전기 회전자 속도에 기초를 두고서 피치 조절을 수행한다.
가변 속도 장치가 설명된다. 후술된 설명에서는 많은 수의 세부 항목, 예컨대 세트 포인트, 와트 수 등과 같은 항목이 설명될 것이다. 그러나, 이 기술분야의 당업자에게는 본 발명이 이와 같은 특정된 세부 항목없이도 실시가능하다는 것이 명백할 것이다. 다른 예에서는, 본 발명의 이해를 어렵게하는 것을 방지하고자 공지된 구조 및 장치는 이들을 세부적으로 나타내기 보다는 블록도의 형태로 나타내었다.
본 발명은 가변 속도 시스템을 제공한다.
일 실시예에서, 상기 가변 속도 시스템은 전력/토오크 가능 출력을 구비한 풍력 터빈 발전기를 포함하여 이루어지고, 이 풍력 터빈 발전기는 그리드에 연결되어 발전된 전력을 그리드에 공급한다.
일 실시예로서, 본 발명의 발전기는 와운드 로터 유도 발전기(wound rotor induction generator(WRIG), 또는 이중 페드 발전기(doubly fed generator: DFG))와, 모든 풍속에 대한 최적의 전력을 만들어 내기 위한 베리어블 스피드 오퍼레이션(variable speed operation)과 블레이드 피치 조절(blade pitch regulation)을 사용한 로터로 구성된다.
유도 발전기의 전력 생성능력은 회전 속도에서의 토크 생성능력과 같다. 발전기의 로터에 회전 반대방향의 토크가 걸리면 로터의 기계 에너지가 전기 에너지로 전환된다. 유도 발전기에서는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 전류와 플럭스간의 상호작용으로부터 토크가 유도되는데, 보다 상세히는, 토크가 전류와 플럭스의 벡터곱이다. 주어진 플럭스 레벨에 대한 최대 토크를 얻으려면, 로터 전류 벡터의 방향이 플럭스의 방향으로부터 정확히 90°를 유지하여야 한다. DC모터에서는, 플럭스와 아마츄어 전류 간의 수직관계가 정류자(commutator)에 의해 달성된다.
도 4는 와운드(wound) 필드 DC모터의 기계적인 구조를 나타낸다. 분리된 아마츄어와 필드 와인딩에 의해, DC모터는 요구되는 토크 출력에 대한 아마츄어 전류를 조절함으로써, 그리고 요구되는 플럭스 인텐시티(flux intensity)에 대한 필드 와인딩 전류를 조절함으로써 컨트롤 가능하다.
유도 발전기에서의 토크 생성은 DC모터에서와 동일한 원리로 작동된다. 양자간의 주요한 차이점은, DC모터에서는 플럭스와 아마츄어 전류의 방향이 모두 고정되어 있으나, 유도 발전기에서는 이들 두 벡터가 지속적으로 회전한다는 점이다.
필드 오리엔티드 컨트롤(field oriented control: FOC)은 플럭스 벡터를 식별하고 이에 따라 토크생성 전류를 조절하는 알고리즘이다.
도 5는 스테이터 와인딩 페이즈(stator winding phase)(A)만이 충전(energized)될 때의 플럭스 방향을 나타낸다. 도 2에서 보인 시스템에서는, 스테이터 페이즈가 3-페이즈 전압원에 의해 연속적으로 충전되고, 이것이 회전 플럭스 벡터를 생성한다.
플럭스와 3-페이즈 전류는 모두 2차원(2D) 벡터이고(즉, 크기와 각을 가짐), 로터 전류가 제로이면, 다음의 대수식에 의해 플럭스 벡터(Ψ)가 스테이터 전류 벡터(Is)와 다음의 대수식에 의한 관계를 갖는다는 점에 주목하여야 한다.
(1) Ψ = Ls* Is
여기서, Ls는 스테이터 인덕턴스이다. 로터 와인딩이 충전되지 않으면, 발전기는 인덕터처럼 동작하는데, 즉 스테이터 전류가 스테이터 전압에 대해 90°지연된다. 보다 상세히는,
(2)
여기서, Vs는 스테이터 전압을 나타낸다.
FOC에서 주요 요소는 플럭스 모델이다. 플럭스 모델은 플럭스 벡터를 식별하는데 이용된다. 식(1)은 WRIG에 대한 플럭스 모델의 매우 간단한 형태이고, 스테이터 전류 측정치(Is)와 스테이터 인덕턴스(Ls)를 곱함으로써 플럭스 벡터가 간단히 식별될 수 있다는 것을 나타낸다. 플럭스 모델을 사용함으로써, 프럭스 벡터가 식별되고 토크가 조절되어 전력을 생성할 수 있다.
비록 하기에서는 본 발명을 베리어블 윈드 스피드 터빈(variable wind speed turbine)의 측면에서 기술하고 있으나, 본 발명은 이 외의 전기, 기계 시스템에 적용될 수 있다. 예컨데, 본 발명의 발전기는 하이드로일렉트릭, 가스 터빈 또는 일반적인 프라임 무버 시스템(prime mover system) 등과 같은 발전기 로터에 연결된 축을 회전시키는 다른 소스를 가지는 시스템에 사용될 수 있다.
일 실시예로서, 본 발명의 윈드 터빈은, 3-블레이드의 로터로 구성되고, 풀 스팬 블레이드 피치 컨트롤(full span blade pitch control), 피치 베어링 및 허브를 포함한다. 이와 같은 윈드 터빈 로터는 동 기술분야에 잘 알려져 있다. 블레이드의 수가 몇 개이든, 터빈의 구성이 어떠하든 본 발명에 사용될 수 있다는 점에 주목하여야 한다. 윈드 터빈 로터는 주축(main shaft)을 포함하는 집적(integrated) 드라이브 트레인에 연결된다. 상기 주축은 발전기에 연결된다.
본 발명의 시스템은 또한 이중 페드 와운드 로터 유도 발전기의 그리드(grid) 및 와운드(wound) 로터 사이의 익사이테이션(excitation) 회로 내에 전력 변환기를 포함한다. 스터이터는 컨텍터(contactor)를 거쳐 그리드에 연결된다. 변환기가 로터 회로 내에 있기 때문에, 터빈 로터의 총 정격 킬로와트(KW) 출력의 일부를 처리(즉, 변환)한다. 일 실시예에 있어서, 터빈 로터의 총 정격 출력은 750KW이고, 변환기는 많아야 총 정격 출력의 25-30%(즉, 160KW)를 변환시킨다. 일 실시예에 있어서, 발전기는 750KW, 460volt, 와운드 로터 유도 발전기로 구송된다.
일 실시예에 있어서, 본 발명은 와운드 로터 유도 발전기, 토크 제어기, 비례-적분-미분(PID) 피치(또는 속도) 제어기를 보유하는 베리어블 스피드 시스템을 제공한다. 본 발명의 유도 발전기는 슬립 링(slip ring) 또는 논-슬립 링 유도 발전기로 구성될 수 있다. 베리어블 스피드 시스템은 전력 변환기 시스템을 가진 와운드 로터 유도 발전기를 사용하여 일정한 주파수의 전력이 그리드로 확실히 전달되도록 한다. 비록 그리드에의 응용을 기술하고 있으나, 당해 기술분야에서의 전문가라면 본 발명이 스탠드-얼론(stand-alone) 전력 시스템과 같은 다른 응용분야에도 적용될 수 있음은 명백하다.
일반적으로 전력 변환기의 일부분인 토크 제어기는 발전기의 토크를 제어한다. 일 실시예에 있어서, 상기 토크 제어기는 필드 오리엔티드 컨트롤(FOC) 방법으로 플럭스 벡터 컨트롤을 이용하여 발전기의 토크를 발전기 속도의 함수로서 제어한다. 토크 제어기는 커트-인(cut-in)에서부터 정격 풍속까지 발전기에 동작한다. 일 실시예에 있어서, 커트-인은 발전기나 터빈이 동작하도록 설계된 최저 풍속을 의미하는 반면, 정격 속도는 터빈이 최대 전력(예컨데 750kw)을 생성하는 최대 풍속이다. 일 실시예에서, 상기 정격 풍속에서 토크 제어기는 발전기 로터가 일정한 전력을 유지하도록 한다.
일 실시예에서, 전력 제어기는 발전기 로터 속도의 함수로서 전력값을 출력하는 룩 업 테이블(LUT)로 구성된다. 전력 제어기는 인코디드(encoded) 전력-속도 고선을 포함하는 LUT를 보간하여 목표 출력 전력을 얻는다. 그 후 이 전력은 측정된 발전기 로터 속도로 나누어져, 식 T=P/ω(토크=전력/각속도)로부터 원하는 발전기 토크를 얻는다. 일 실시예에서, LUT의 출력은, 실제 출력 전력에 비해 목적 출력 전력이고, 비교기(comparator)나 구별용(differencing) 하드웨어 및 소프트웨어를 이용하여 전력 오차의 표시를 발생시킨다. 비례-적분(PI) 제어기는 전력 오차 표시에 대해 조정된 실제 출력 전력값을 생성하고, 이는 디바이더 하드웨어나 소프트웨어를 이용하여 측정된 발전기 로터 속도로 나누어짐으로써 커맨드 토크(commanded torque)를 만들어 낸다. 커맨드 토크는 특정된 로터 전류 벡터로 하여금 식별된 플럭스 벡터와 상호작용하는 로터 상에 가해지도록(impressed) 하여 원하는 발전기 토크를 생성하게 한다.
따라서, 본 발명은 또한 실제 발전기 로터 속도를 측정하고, 목표 출력 전력을 얻기 위해 측정된 로터 속도를 이용하여 LUT에 접근하고, 실제 출력 전력을 목표 출력 전력과 비교하고, 실제 출력 전력과 목표 출력 전력의 비교에 근거한 미리 정해진 출력을 유지하기 위한 토크 계산을 수정함으로써 커맨드 토크를 생성하는 것에 의하여, 발전기 토크를 제어한다.
일 실시예에 있어서, 이러한 베리어블 스피드 시스템을 동기시키기 위한 과정이 사용되어 발전기 스테이터를 연결하고, 발전기 로터를 연결하고, 로터 전류 자화(magnetizing) 전류 Ird(로터 전류 중 토크 생성 요소)를 램프 업(ramp up)하고, 로터 전류 Irq 중 플럭스 생성 요소를 제어함으로써 발전기 토크를 조절하는 것을 포함한다.
본 발명의 시스템은 또한, 비례-적분-미분(PID) 제어기를 이용하여 실시간 비례 피치 위치(real-time proportional pitch position) 및 터빈 속도 조절(regulation)을 제공하는 속도 조절 서브시스템과 베리어블 피치를 포함한다.
상기 PID제어기는 발전기 로터 속도에 기초하여 피치 조절을 행하고, 전력 변환기 내의 토크 제어기와는 독립적으로 작동한다. 일 실시예에 있어서, PID제어기는 정격 풍속 혹은 그 이상에서 피치 속도(pitch velocity)를 생성하여 피치 조절을 행하는 폐루프 PID제어기이다. 일 실시예에 있어서, PID제어기는 정격 풍속이하에서 피치 조절을 행하기 시작한다. 일 실시예에 있어서, 정격 속도 이하에서, 피치 각은 풀 파워-온 위치(full power-on position)에 고정된다.
PID제어기는 윈드 터빈의 블레이드를 어떤 각도로 정함(pitching)으로써 발전기 로터 속도를 제어한다. 일 실시예에 있어서, PID제어기는 목표 로터 속도와 측정(혹은 실제) 로터 속도 간의 차이에 대한 출력 전압을 생성하고, 비선형 LUT(일 실시예로서, 도 10의 표 1011)가 이를 이용하여 그에 대응하는 피치 속도를 출력한다.
비록 본 발명은 PID제어기를 연계시켜 기술하였으나, 비례-적분(PI) 제어기, 비례-미분(PD) 제어기, 또는 비례 제어기도 실시예로서 이용될 수 있다. 다른 진-지상(lead-lag) 혹은 지-진상(lag-lead) 제어기 또한 사용될 수 있다. 또한, 비록 본 발명은 폐루프 제어기를 연계시켜 기술하였으나, 미분 텀(derivetive term)을 가진 개루프 제어기와 같은 개루프 제어기도 사용될 수 있다. 이와 같은 제어기들은 당해 기술분야에서 잘 알려져 있다.
시스템 개관
도 6A는 본 발명에 의한 시스템의 일 실시예를 나타낸다. 도 6A를 참조하면, 베리어블 속도 변환기 내의 발전기 토크 제어(603)가, 측정된 rpm(607)과 미리 선택된 최대 토크 셋 포인트(602)에 기초하여 계산되어진 토크(601)를 수용하도록 연결된다.
일 실시예에서, 계산된 토크(601)은 테이블을 기초로한 발전기의 측정된 rpm의 함수이다. 테이블(640)의 출력은 분할기(641)를 이용하여 측정된 rpm(607)에 의하여 분할된다.
일 실시예에서, 최대 토크(602)는 약 5250 Nm에서 설정되며 최대 토크의 선택은 변환기 시스템 열 등급(rating)으로부터 이용가능한 최대 전류에 기초한다. 즉, 상기 선택은 특별한 터빈 로터 설계를 위하여 계산된 토크 속도 특성 커브에 기초한다. 일 실시예에서, 상기 선택은 290 amps의 여자(excitation)에 기초한다.
이러한 입력에 대응하여, 토크 제어부(603)는 발전기 로터(604)를 제어하기 위하여 토크 명령을 발생한다. 토크 제어부(603)는 또한 VAR 또는 동력 요소 명령(642)을 수용하기 위하여 연결된다.
발전기 로터(604)는 발전기 토크 제어부(603)으로부터 토크 명령을 수용하기 위하여 연결되며 플럭스 갭을 경유하여 발전기 스태터 출력부(605)로 동력을 공급하기 위하여 연결된다. 피드백(612)은 발전기 스태터 출력부(605)로부터 발전기 로터(604)의 입력부로 연결된다. 발전기 로터(604)의 출력부 및 발전기 스태터(605)는 유틸리티 그리드(606)로 연결된다.
발전기 로터(604)는 또한 발전기 로터(604)의 측정된 속도(607)(rpm으로)를 생성하는 측정 장치로 연결된다. 일 실시예에서, 측정 장치는 위치 뿐만 아니라 발전기 로터(604)의 회전 속도를 제공하는 광학 부호기를 포함한다.
비례, 적분, 미분(PID) 제어기 및 피치율 제한 블록(609)는 측정된 속도(607) 및 작동 속도(rpm) 설정점(608)을 수용하기 위하여 연결된다. 작동 속도 설정점은 최대 토크 설정점을 얻기 위하여 이용되는 동일한 토크 속도 특성에 기초하여 설정될 수 있다. 일 실시예에서, 작동 속도 설정점은 최대 토크 및 동력에 기초한다. 일 실시예에서, 작동 속도 설정점(608)은 1423 rpm이다. 이러한 입력에 대응하여, PID 및 피치율 제한 블록(609)은 전압 출력을 발생한다.
가변 전압 출력은 가변률에서 피치 실린더를 작동시킴으로써 블레이드를 피치(pitch)시키는 유압 시스템에서 비례치에 적용된다. 그리하여, 가변 피티 제어부는 공기 역학 토크를 제어함으로써 rpm을 조절한다.
피치률 제한 블록(609)은 측정된 rpm(607)PID 및 작동 속도(rpm) 설정점(608), VPC(610) 및 블레이드 피치 시스템(650)으로부터 블레이드 로터(611)를 포함하는 반면, 측정된 rpm(607) 및 도 6A의 시스템의 나머지 부분은 동력 변환기 및 발전기 시스템(651)의 부분이다. 일 실시예에서 측정된 rpm(607)은 블레이드 피치 시스템(650) 및 동력 변환기/발전기 시스템(652)에 의하여 동시에 이용된다는 것에 주목하여야 한다.
본 발명의 동력 변환기
본 발명에서, 동력 변환기는 예비결정된 동력-속도 곡선에 따라 권선형 로터 유도 발전기를 제어한다. 예비결정된 동력-속도 커브에 의하여, 가변 속도 시스템은 감소된 정격 바람 속도(cut-in to rated wind speeds)로부터 최대 동력 계수(Cp)에서 터빈을 작동시킬 수 있으며, 최대 동력 계수는 본 명세서에서 영역 Ⅱ로서 지칭되며, 그럼으로써 최대 공기 역학 에너지가 달성되는 것을 보장한다. P = Tω이므로, 동력-속도 곡선은 토크-속도 곡선에 관련된다는 것을 주목하여야 한다.
일 실시예에서, 동력-속도 곡선은 동력 및 대응 발전기 속도의 룩업 테이블(LUT)의 형식으로 동력 변환기에서 기호화된다. LUT는 하드웨어 또는 소프트웨어에 존재한다. 토크를 제어하기 위하여, 동력 변환기는 발전기 로터 속도를 측정하며, LUT를 목표 터빈 출력 동력을 결정하기 위하여 삽입한며, 바람직한 발전기 토크를 발전기 로터 속도를 이용하여 관계식 T = P /ω로부터 계산한다. 일 실시예에서, 이 토크는 요구된 동력 벡터를 결정함으로써 생성되며, 공지된 펄스 폭 모듈 기술을 이용하여 상기 벡터가 생성된다.
일 실시예에서, 이론과 실제 사이의 근소한 차이에 기인하여, 본 발명의 동력 변환기는 실제 터빈 동력 출력과 목표 또는 바람직한 출력을 비교하며 바람직한터빈 출력을 달성 및 유지하기 위하여 토크 계산으로 작은 조정을 하는 폐쇄 루프(PI) 제어기가 이용된다.
동력 변환기의 토크 제어기는 발전기 로터 속도의 함수로서 발전기 토크를 생성하기 위하여 피일드 오리엔티드 컨트롤(FOC)를 이용한다. 입력으로서 스태터 전류, 로터 전류 및 로터 각도를 이용하여, 동력 변환기의 토크 제어기는 플럭스 벡터를 확인하며 스태터 플럭스 벡터와 상호 반응할 때 바람직한 발전기 토크를 생성하는 요구된 로터 전류 벡터를 지배한다. 로터 전류는 미국 특허 제 5,083,039호에 상술되며 명칭이 "가변 속도 윈드 터빈"이며 1992년 1월 21일에 출원된 것으로서 공지된 펄스 폭 모듈(PWM) 전류 조절 기술을 이용하여 변환기의 적절한 스위칭에 의하여 절연 게이트 쌍극성 트랜지스터(IGBTs)가 생성된다. 이 방식에서, 동력 제어 시스템은 공기 역학적으로 최적화된 동력/토크-속도 프로파일을 따른다.
동력/토크-속도 프로파일을 포함하는 룩업 테이블 값은 특별한 윈드 터빈 로터 및 윈도 테빈 로터 형상에 기초된다는 것을 주목하라. 그러므로, 테이블 값 설정은 다른 터빈 로터에 대하여 변화될 수 있다.
토크 제어기 및 권선형 로터 유도 발전기의 적합 부분의 일 실시예는 도 6b에 도시된다 토크는 수학식 3과 같이 표현된다.
Td = k * Ψ *Irq
상기 수학식 3에서 k는 발전기 매개변수이다. 제어기 관점으로부터, 수학식 3으로부터 수학식 4가 이끌어진다.
Irq = Td / (k * Ψ)
수학식 4로부터 토크 명령 제어기(623)으로부터의 출력인 주어진 바람직한 토크(Td)에 대해 로터 전류의 크기를 얻을 수 있다.
도 6b를 참조하면, 토크 제어기(623)는 동력 테이블(623A), PI 제어기(623B), 분할기(623C), 스위치(629) 및 차이값을 생성하기 위하여 하드웨어 또는 소프트웨어에서 실행될 수 있는 비교기(623D, 623E), 및 공급전방 완충 여과기(623F)를 포함한다. 동력 테이블(623A)은 발전기 속도(607)를 수용하기 위하여 결합된 LUT이며 발전기 속도(607)에 대응하는 목표 동력값을 출력한다. 동력 테이블(623A)의 일 실시예가 표 1에 보여진다.
발전기 속도 RPM 전력(kW)
7508008509009501000105011001150120012501300135014001450150015501600 -177-177135167203247287335388450507575647743750750750750
목표 출력 동력은 목표 출력 동력과 실제 출력 동력 사이의 차이를 생성하기 위하여 비교기(623D)에 의하여 비교된다. 결과적인 차이는 본 명세서에서 상술되는 것으로서 동력을 조정하는 PI 제어기(623B)로 입력된다. 분할기(623C)는 명령 토크를 출력하기 위하여 PI 제어기(623B) 및 발전기 속도(607)로부터 조정된 동력을 수용하기 위하여 연결된다.
명령 토크는 공급전방 완화 여과기(623F)에 의하여 생성된 토크 값에 의하여 조정될 수 있다. 완화 여과기(623F)는 비강성(컴플라이언트(compliant)) 축(본 발명을 불명확하게 하는 것을 피하기 위해 도시되지 않음)의 진동 운동(공진일 때)을 감지하는데, 상기 진동 운동은 두개의 개별적인 관성체 사이의 결합이 원인이 되며, 하나는 기어 박스 및 발전기에 의하며 나머지는 터빈의 블레이드에 의한다. 상기 감지에 대하여, 완화 여과기(623F)는 두개의 관성체 사이의 상대적인 운동을 감소시키기 위하여 음의 토크가 적용된다. 일 실시예에서, 완화 여과기(623F)는 대역이 두개의 관성체 및 축의 공진 주파수에서 집중되는 대역 여과기를 포함한다.
결과적인 명령 토크는 유도 발전기의 권선형 로터에게 영향을 준다.
스위치(629)는 더욱 상세하게 후술되듯이, 명령 토크를 최대 일정 토크(660)로 스위치하기 위하여 브레이킹 유도(예를 들면, 신호(들))에 반응하여 작동한다.
토크 생성 작동을 위하여, 로터 전류 부품(Irq)은 플럭스(도 6D 참조)의 수직방향을 따르기 위하여 제어된다. Irq의 크기는 다음 식에 의하여 주어진다.
Irq = Td / (k * Ψ)
여기서, k는 발전기 변수이다. 하기에 보다 상세히 기술되어질 회전자 전류 (Ird)는 발전기 플럭스를 발생시키며 토오크 생성에 기여하지 않음을 주목하라.
회전자 전류 성분 블록(622)은 장방형 대 극 좌표 변형 블록(626)으로부터 플럭스 벡터의 스칼라 성분 및 커멘드 토오크를 수용하기 위해 결합되며, 플럭스 모델(621)로부터 플럭스 벡터를 극 좌표로 변환시킨다. 이러한 입력량에 응답하여, 회전자 전류 성분 블록(622)은 회전자 전류 토오크 성분(Irq)을 발생시킨다.
플럭스 모델(621)은 플럭스 벡터를 식별한다. 플럭스 벡터를 식별하기 위해서는, 전류 변환기 블록(621A,621B)은 고정자 전류 벡터 및 회전자 전류 벡터를 얻는다. 전류 벡터가 3개의 상 전류의 두개를 측정함으로써 측정될 수 있음으로 인해, 두개의 전류 센서(도시되지 않음)만이 요구됨을 주목하라. 발전기(620)의 회전자 각(621B)을 갖는 고정자 전류 벡터는 프레임 변형 블록(627C)으로의 입력량이다. 프레임 변형 블록(627C)은 고정자 전류를 회전자 고정 프레임으로 변형시킨다. 프레임 변형 블록(627C)으로부터, 고정자 인덕턴스(Ls)는 블록(621D)에서 측정된다. 회전자 전류 벡터로부터, 회전자 인덕턴스(Lr)는 블록(621F)으로부터 측정된다. 플럭스 벡터는 고정자 인덕턴스(Ls) 및 회전자 인덕턴스(Lr)로부터 생성된다.
플러그 벡터가 측정되면, 인버터(624)로부터 회전자 전류 벡터 출력은 토오크를 발생시키기 위해 플럭스의 수직 방향에 "위치된다". 회전자 전류가 회전자 조립체에 대해 구분됨으로, 회전자 전류 커맨드는 플럭스 각 및 회전자 각에 따라 달라진다. 특히, 플럭스 각은 먼저 회전자 고정 기준 프레임으로 변형되며, 이러한 참조 프레임에서, 회전자 전류 커맨드의 방향은 플럭스 방향에 수직인 방향이다. 이러한 절차는 도 6c에 도시되어 있다.
변형 블록(626)의 출력의 유도 부분과 결합된 회전자 전류 성분(Irq)을 이용하여, 인버터(624)의 입력부에서 전류 기준치가 발생된다. DC 버스(631)를 거쳐 인버터(624)에 결합된 인버터(630)가 도시되어 있으며, 발전기(620)의 고정자 측면(라인 측면)에 결합되어 있다.
회전자 전류가 회전자 와인딩을 통해 유동되도록 할 대, 소정의 토오크(Td)가 전개되어 전력(Td*ω)이 발생되며, 이 때 ω는 회전자의 속도이다. 상기 전력은 그리드로 반환되는 고정자 전류의 형태로 발생된다. 고정자 전류를 운반하는 전력은 고정자 전압을 갖는 동상(in-phase)이다.
전력이 발전기에 의해 생성될 때, 전술한 식(1)에 나타난 플럭스 모델은 고정자 전류(Is)가 플럭스 생성 성분 및 전류 운반 성분의, 두개의 성분으로 구성되기 때문에 더 이상 유효하지 않다. 상기 전력 운반 성분은 플럭스 생성에 기여하지 않는데, 이는 토오크가 반대 방향으로 회전자 전류를 생성함에 따라 전류 성분이 (와인딩 비에 의해 정상화된 이후에) 동일한 등급을 갖기 때문이다. 즉, 함께 합산된 두개의 전류 벡터에 의해 발생된 플럭스(즉, 전력 운반 고정자 및 토오크 생성 회전자 전류)는 0 이다. 고정자 전류 측정치로부터 전력 운반 성분을 제거하기 위해서는, 회전자 전류(Ir)는 전술한 식(1)에 부가된다. 즉,
Ψ = Ls*Is + Lr*Ir
여기서, Lr은 회전자의 인덕턴스이다. Ls 및 Lr은 와인딩 비에 의해 달라진다.
전술한 작동에서, 전력 운반 고정자 전류 성분은 고정자 전압과 동상이며, 플럭스 생성 성분은 고정자 전압을 90°로 지연시킨다. 이러한 플럭스 생성 전류 성분은 불균일 고정자 전류 요소를 초래한다. 고정자 측면 상에 단일 전력 요소를 달성하기 위해 플럭스 생성 전류가 전압을 90°로 지연시킴으로 인해, 플럭스는 회전자 와인딩에 의해 생성된다.
회전자 와인딩에 의해 플럭스를 생성하기 위해서는, 회전자 전류의 추가 성분(Ird)이 지시되어져야 한다. 이러한 추가 성분은 도 6d에 도시되어진 것과 같이 플럭스의 방향을 따라 향하고 있어야 한다.
회전자 전류(Ird)의 플럭스 생성 성분이 증가됨에 따라, 플럭스 생성 고정자 전류는 감소된다. 이는 플럭스 등급이 (전술한 식(2)으로 부터) 일정한 고정자 전압에 의해 일정하게 유지되어야 함으로 인함이다. 회전자 전류(Ird)의 플럭스 생성 성분은 플럭스가 그리드 전압에서와 같이 동일한 전압을 유도하는 방식으로 제어될 수 있다. 즉, 유도 전압은 동상이며 그리드 전압과 동일한 등급을 갖는다. 이러한 경우에, 유도된 전압은 그리드 전압을 역 작동시키며, 고정자 와인딩은 고정자 전류를 유인하지 못한다. 이는 시스템 균일 전력 요소의 케이스이다.
VAR 생성을 제어하기 위해 VAR/ 전력 요소 제어기(670)가 시스템 내부로 포함됨을 주목하라. (토오크가 생성되지 않을 때) 고정자 전압(Vs) 및 고정자 전류 벡터(Is)의 곱은 발전기에 의해 요구되는 자화 VAR을 나타낸다.
터빈 작동의 가능
전력 변환기는 가능한 경우에만 작동한다. 터빈 제어기는 도 7의 블록(705)에 도시되어진 것과 같이 전력 변환기를 실행 가능 및 실행 불능하게 한다. 이러한 터빈 제어기는 컴퓨터 또는 제어기를 기초로 한 시스템에서와 같이 하드 웨어, 소프트웨어, 또는 두개의 조합으로 수행될 수 있다. 일실시예에서, 본 발명은 전력 변환기를 실행 가능 및 실행 불능하게 하는 2진 논리 전압을 이용하며, 본 명세서에 변환기 실행가능 신호로 지칭된다.
일실시예에서, 터빈 제어기가 본 명세서에서 자동 모드로 지칭되는, 정상 작동 모드에 놓여 있을 때, 터빈 제어기는 터빈을 벗어나게 하며 터빈의 블레이드를 완전 전력 위치로 조정한다. 완전 전력 위치는 당업자들에 의해 인지되어질 것이다. 충분한 와인드가 주어지면, 블레이드는 회전을 시작하고 발전기 속도는 가속화된다. 발전기 속도가 미리선택된 변환기 실행가능 속도에 달하게 되면, 터빈 제어기는 변환기 실행가능 신호를 전력 변환기로 전송한다. 일실시예에서, 미리선택된 변환기 실행가능 속도는 820 rpm으로 구성된다.
변환기 실행가능 신호를 수용함에 따라, 변환기 작업개시 시퀀스가 작동된다. 일실시예에서, 시스템은 초기에 AC 라인 컨텍터(인버터(630))를 차단시키고, 라인 매트릭스(인버터(630))는 그리드에 연결된다. 미리결정된 지연 시간은 컨텍터가 차단되어 임의의 과도전류가 정해지도록 한다. 일실시예에서, 이러한 미리결정된 지연시간은 1.5초이다. 실행가능 시퀀스는 도 7의 블록(714,715,716,717)과 연관되어 보다 상세히 설명되어질 것이다.
컨텍터가 차단된 이후에, 버스가 완전 충전되어 순간 토오크를 조절하도록 버스 프리차아지 사이클(bus precharge cycle)이 발생된다. 이러한 경우에, DC 버스 전압은 소정 수치의 볼트로 조절된다. 일실시예에서, 미리결정된 수치의 볼트는 750 볼트 DC 로 구성된다. 또 다른 지연시간은 버스가 적절히 조절되도록 하기 위해 충분히 미리충전되도록 이용될 수 있다. 일실시예에서, 지연 시간은 5초이다. 일실시예에서, 버스가 조절되지 못한다면, 버스 과다/과소 전압 폴트는 터빈 제어기로 발송된다.
발전기 속도가 미리선택된 속도 도는 전술한 속도에 달하게 되거나 미리측정된 버스 지연시간이 소멸되면(즉, 5초 동안의 버스 완전 충전 이후에), 고정자 컨텍터는 차단되어(블록(714)), 고정자 와인딩을 활성화시키고 회전 고정자 플럭스를 생성시킨다. 고정자 와인딩은 전압으로만 작동된다. 고정자 와인딩의 인덕턴스로 인해, 쇄도 전류는 매우 작으며, 또 다른 실시예에서는 최대 작동 전류의 75%만으로 구성된다. 일 실시예에서, 미리선택된 속도는 900 rpm이다. 지연시간은 고정자 컨텍터가 차단되어 과도전류가 정해지도록 하는데 이용될 수 있다. 일실시예에서, 지연 시간은 3초이다.
발전기 속도가 미리선택된 속도 및 전술한 속도에 달하고, 회전자 전압이 미리결정된 번압의 피크 아래로 입증될 때, 회전자 컨텍터는 차단되며(블록(715)), 발전기 매트릭스를 감겨진 회전자 유도 발전기의 회전자에 연결시킨다. 일실시예에서, 미리선택된 속도는 1000 rpm이며, 미리결정된 전압 피크는 318 볼트이다. 지연 시간은 회전자 컨텍터를 차단하는데 이용될 수 있다. 일실시예에서, 지연 시간은 1/2초이다. 상기 시간까지, 회전자 측면 IGBTs(인버터(624))는 아직까지 스위칭 작동되지 않으며, 전류가 유동하지 않으며, 과도전류 또는 전력 생성이 없다. 실 전력이 없기 때문에(반응 전력만이 존재함), 토오크 스파이크는 발생되지 않는다.
전력의 생성은 소정의 토오크를 생성하기 위해 요구되는 전류 벡터를 발생시키는 회전자 측면 IGBTs의 게이팅으로 개시된다. 일실시예에서, 전류 벡터는 토오크 제어기(예를 들어, 프로세서)로부터 커맨드에 응답하여 발생된다. 초기에, 이러한 토오크는 0에서 최적의 전력/토오크-속도 곡선에 의해 특정화된 수치로 상승된다. 램프-업(블록(716))은 전력 또는 토오크 이탈을 제거시키며 터빈이 온라인에서 원활하게 이르도록 한다.
본 발명에 따른 동기화(synchronization)는 동시 또는 스퀴럴(squirrel) 유도기에 사용되는 종래의 "동기화" 공정과는 다름을 주목하라. 본 발명에서는, 터빈 온라인의 접속과 관련된 쇄도, 과도전류 또는 전력 진동이 발생하지 않는다.
일단 동기화되면, 전력 변환기는 터빈 제어기에 실행 불능될때까지 전술한(블록(717)) 전력 속도 곡선을 따르게 된다.
변환기 스타트업 시퀀스에 대해 상기한 딜레이는 시스템에서 사용된 성분 및 터빈 사이트(turbine site)에 존재하는 환경 조건에 기초하여 조절될 수도 있음에 주목해야 한다. 이러한 조절은 소프트웨어, 하드웨어, 또는 이들 모두에 적용될 수도 있다.
일실시예에서, 터빈에 제공되는 전력은 윈드(wind)에 의해 제공된다. 만일 풍속이 변화된다면, 터빈 입력 전력이 변화될 것이다. 입력 전력의 변화를 보상하기 위해, 본 발명은 발전기 토크를 업데이트하기 위한 업데이트 공정을 제공한다. 발전기 토크가 전력 변환기에 의해 (순간적으로) 고정되기 때문에, 발전기 속도는 전력 공식 P=Tω과 관련하여 증가한다. 발전기 속도를 연속적으로 시험하는 전력 변환기는 속도의 변화를 인지하고, 새로운 속도를 식별하며, 룩킹-업 테이블로부터 원하는 전력을 업데이트한다. 전력 변환기는 원하는 전력으로부터 새로운 토크를 결정하며, FOC에 기초하여 발전기 회전자 상에 가해지는 새로운 전력 벡터를 계산한다. 일실시예에서, 엡데이트 공정은 매 33밀리초 마다 또는 60Hz에서 라인에 대한 매 2주기 마다 일어나서, 터빈이 유연하고 정확하게 전력-속도 곡선을 따르도록 한다. 엡데이트 속도는 공정 동안 역동적으로 변경되거나 변화될 수 있다.
정격 풍속 아래(즉, 영역 II)에서, 블레이드는 미리 선택된 전력 포착 각도로 유지되며, 발전기/터빈 속도는 지령된 토크 및 풍속 전력 입력에 기인한다. 이는 전력 속도 곡선이 정확하게 선택되었음을 확인시킨다. 일실시예에서, 미리 선택된 전력 포착 각도는 최대 전력 포착 각도(즉, 0, 1, 또는 2°). 각도는 풍속의 함수로써 변화한다.
정격 전력은 미리 결정된 발전기 회전자 속도에서 발생한다. 일실시예에서, 정력 전력이 발생하는 발전기 속도는 1423rpm이다. 정격 풍속 위에서, 발전기 회전자 속도는 발전기 회전자 속도 표시에 응답하여 블레이드를 이동시키는 PID 제어기에 의해 제어된다. 이러한 표시는 레지스터에 저장된 속도값 또는 신호를 포함하는 여러 형태를 가질 수도 있는데, 이에 국한되지 않는다. 중요하게, PID 피치 제어기는 전력 변환기와 독립적으로 작동한다. 만일 전력 변환기가 손상된다면, PID 제어기는 보다 큰 블레이드 피치 각도를 지령함으로써 발전기 속도(일실시예에서 1423rpm)를 유지한다. 이렇게 함으로써, 이러한 시스템은 내장형 손상 안정 작동(built-in fail safe operation)을 가진다.
정력 전력이 발생하는 발전기 속도 이상의 발전기 속도(즉, 1423rpm 이상)에 대해, 전력 속도 곡선은 전력 변환기가 현저한 변동 없이 전력을 일정하게 유지하도록 한다. 그런데, 정격 속도 위에서, 터빈 속도를 증차시키는 경향이 있는 윈드는 발전기 전력에 아무런 영향을 미치지 않는데, 이는 PID 제어기가 발전기 회전자 속도에 응답하여 속도를 조정하기 때문이다. 그렇지만, PID 제어기의 응답은 회전자 속도를 효과적으로 제어할 수 있는데, 즉 전력 편위를 대략 5% 이내로 제어함으로써, 정격 풍속 이상의 풍속에 대한 거의 편평한 전력을 발생시킨다.
권취된 회전자 유도 발전기의 회전자에 의해 과도한 전력이 발생될 때, 정격 전력은 그리드 전압에 아무런 영향을 미치지 않는데, 이는 고정자 전력이 일정하게 유지되기 때문이다. 회전자 전류( 및 고정자 전류)는 토크를 일정하게 유지시킴으로써(토크가 전력에 비례하도록) 전력 변환기에 의한 편위 동안 일정하게 유지된다. 회전자 전류는 이들 광풍이 일어나는 동안 일정하기 때문에, 회전자 전력의 증가는 회전자 전압의 증가에 기인한다. 그렇지만, 발전기 회전자와 그리드 사이에 위치된 전력 변환기가 변화하는 회전자 전압을 일정한 AC 파형(즉, 60 주기 460볼트 AV 파형)으로 전기적으로 변환시키기 때문에, 그리드는 이러한 전압의 증가에 의해 영향을 받지 않는다.
전체 팽창형 가변 피치 제어 시스템 (Full Span Variable Pitch Control System)
본 발명의 가변 피치 제어 시스템(VPC)은 윈드 터빈의 피치 위치 및 회전자 속도 제어에 대한 실시간 분포 서보 시스템이다. VPC는 블레이드 피치 위치, 피치 속도, 및 발전기 회전 속도를 모니터링하고 제어한다.
일실시예에서, 피치 위치 트랜스듀서는 블레이드 피치 위치에 비례하는 아날로그 신호를 제공하며, 터빈 블레이드의 전류 위치를 식벽하도록 후에 디지털로 변환된다. 블레이드에 연결된 블레이드 작동기는 블레이드의 피치를 기계적으로 변화시키기 위해 사용된다.
도 7은 본 발명의 피치 조절 시스템의 일실시예를 도시한 흐름도이다. 시스템에서의 제어 또는 프로세싱 로직은 시스템 내의 전기적/기계적 하드웨어와 협력하여 일부 작동을 수행한다. 제어/프로세싱 로직은 컴퓨터 또는 제어기 시스템과 같은 하드웨어, 소프트웨어, 또는 이들의 조합에서 수행될 수도 있다.
도 7을 참조하면, 피치 조절 시스템은 회전자 속도를 측정함으로써 개시된다(블록 701). 동시에, 시스템은 그의 작동 상태를 결정한다(블록 702). 시험은 피치 조절 시스템이 자동 모드인지의 여부를 결정한다(블록 703). 만일 시스템의 작동 모드가 자동 모드가 아니면, 시험은 발전기 회전자 속도(rpm)가 미리 결정된 속도 보다 작은 경우를 결정한다(블록 704). 일실시예에서, 미리 결정된 속도는 1035rpm 이다. 시스템이 자동 모드가 아니고, 발전기 회전자 속도가 미리 결정된 속도 보다 작다면, 전력 변환기에는 디스에이블 시퀀스(disable sequence)를 개시하라는 신호가 인가되는(블록 705) 반면, 시스템은 현재 상태로 유지된다.
시스템이 자동 모드인 경우, 프로세싱은 발전기 회전가 속도가 증가함을 결정하는 블록(106)에서 계속된다. 발전기 회전자 속도가 증가하지 않는 경우, 시험은 발전기 회전자 속도가 미리 결정된 셋 포인트 보다 작은지의 여부를 결정한다(블록 707). 일실시예예서 미리 결정된 셋 포인트는 835rpm이다. 만일 발전기 회전자 속도가 증가하지 않고 835rpm 미만인 경우, 전력 변환기에는 디스에이블 시퀀스를 개시하라는 신호가 인가되는(블록 705) 반면, 시스템은 현재 상태로 유지된다.
일실시예에서, 디스에이블 시퀀스는 회전자 전류를 다운시키는 단계(블록 708)와, 발전기 회전자를 단절시키는 단계(블록 709)와, 그리고 발전기의 고정자를 단절시키는 단계(블록 710)를 포함한다.
만일 발전기 회전자 속도가 블록(706)에서 결정된대로 증가한다면, 시험은 발전기 회전자 속도가 100rpm 보다 큰지의 여부를 결정한다(블록 711). 발전기 회전자 속도가 100rpm 보다 큰 경우, 피치는 미리 결정된 셋 포인트로 설정된다(프로세싱 블록 713). 일실시예에서, 미리 결정된 셋 포인트는 0°이다. 다른 실시예에서, 피치는 소정의 다수의 각도로 설정될 수도 있으며, 1°, 2°, 또는 3°를 포함하는 일부분으로 설정될 수도 있다. 일실시예에서, 미리 결정된 셋 포인트는 변할 수 있다.
또한, 만일 발전기 회전자 속도가 100rpm 보다 큰 경우, 시험은 발전기 회전자 속도가 미리 결정된 속도 보다 큰지의 여부를 결정한다(블록 712). 일실시예에서, 결정된 속도는 820rpm이다. 만일, 발전기 회전자 속도가 미리 결정된 속도 보다 큰 경우, 변환기에는 언에이블 시퀀스(enable sequence)를 개시하라는 신호가 인가된다(프로세싱 블록 705). 따라서, 일실시예에서, 전력 변환기는 발전기 회전자 속도가 820rpm 보다 큰 경우에 언에이블된다.
일실시예에서, 언에이블 시퀀스는 다음의 단계를 포함한다. 먼저, 발전기 고정자가 그리드에 연결된다(블록 714). 발전기 고정자가 연결된 후, 발전기 회전자 전류의 플럭스 소자, 즉 Ird가 램프-업(ramp-up)되고, 이후 발전기 토크가 조절된다(블록 717). 이러한 언에이블 시퀀스는 회전자 전류가 0으로 온-라인되도록 발전기를 연결하는 수동식 동기화 기술이다. 이는 본 발명의 권취된 회전자 유도 발전기와 협력하여 벡터를 제어할 수 있다.
만일 발전기 회전자 속도가 증가하지만 100rpm을 초과하지 않음을 결정한다면(블록 711), 피치는 미리 결정된 여러 각도로 설정된다(블록 718). 일실시예에서, 피치는 25°로 설정된다. 이러한 피치는 변화될 수도 있는 피치이다. 이러한 피치는 터빈이 보다 고속으로 작동할 수 있는 부가 상승을 수득하도록 선택되어야 한다.
본 발명은 또한 시스템의 피치 위치 분할을 수행한다. 먼저, 공지된 측정 장치를 사용하여 피치 위치가 측정된다(블록 720). 피치 위치가 측정된 후, 실제 피치와 미리 결정된 설정 피치 사이의 피치 위치 에러가 계산된다(블록 721).
피치 위치 에러가 계산된 후, 피치 위치 에러는 증폭된다(블록 722). 증폭된 피치 위치 에러 및 측정된 속도를 가지고서(블록 701), 동적인 피치율의 변화가 한정된다(블록 723).
동적인 피치율을 미리 결정된 값으로 한정한 후, 발전기 회전자 속도가 미리 결정된 속도 보다 큰 지의 여부를 결정하는 시험을 행한다. 일실시예에서, 이러한 셋 포인트는 1423rpm이다. 발전기 속도가 미리 결정된 속도 보다 큰 경우, 피치 조절 시스템은 고정된 피치 위치 모드를 개시한다(블록 726). 반면, 피치 조절 시스템은 RPM 조절 모드를 개시한다(블록 727).
피치 조절 모드
본 명세서에 기술된 바와 같이, 피치 조절은 정력 전력 아래에서의 작동을 위해 설계 작동 위치로 블레이드 피치 각도를 유지하는 것을 의미한다. 일실시예에서, 이러한 위치는 0°이다. 그렇지만, 다른 위치가 적용될 수도 있다. 자체 공칭 0도의 설정점쪽으로 초당 얼마간의 정도(예컨대 1.0)의 일정한 속도로 자체 초기 정지(예컨대 90도) 또는 페더링 위치로부터 피치 실린더를 움직이는 음전압을 명령함으로써 VPC는 피치 조절을 수행한다.
본 발명에 있어서, 위치 명령 전압이 명령 위치(Pc)와 피드백 위치(Pf) 사이의 차이에 비례하는 에러 출력을 산출하도록 에러 증폭기에 인가된다. 일실시예에서, 에러 증폭기는 산출 소프트웨어이다. 그러나, 그러한 증폭기는 하드웨어에서 작동될 수도 있다.
출력 에러는 증폭되어 비례값으로 보내진다. 위치 비율 리미터는 피치 비율을 초당 1도로 초기에 제한하는데 사용된다. 이것은 높고 낮은 윈드 양자에서 회전자의 가속을 제한하며, 또한 과속의 문제없이 산출로의 원할한 전환을 허용한다.
일단 터빈이 자체 0도 위치에 도달하면, 비례 증폭기는 유압 시스템 압력의 블리드 다운(bleed down)에 기인하여 발생할 수 있는 임의의 에러에 비례하는 전압을 발생시킴으로써 상기 위치를 유지하는데 도움을 준다. 만일 작동 피치 각도로의 초기 피칭 동안에 발전기 속도가 소정의 속도(예컨대 100 rpm)를 초과하지 않는다면, 시스템은 소정의 값(예컨대 25도)으로 블레이드를 피칭한다. 이것은 매우 가벼운 윈드에서 회전하는 회전자의 시동을 돕는다. 일단 발전기 속도가 예정 속도 이상이 되면, 시스템은 블레이드를 공칭 0도 위치로 피칭한다.
피치 조절은 발전기 속도가 자체 정격 설정점(예컨대 1423 rpm) 이하일 때 정격 동력(즉, 영역(Ⅱ)) 이상에서 발생한다. 일실시예에 있어서, 정격 이하로부터 정격 이상으로 전환되는 동안에, PID 시스템은 발전기 회전자 속도 신호(예컨대 블록(607)로부터)의 가속도에 따라 정격 설정점(예컨대 1423 rpm)에 발전기 속도가 도달하기 전에 페더쪽으로 블레이드를 피칭하기 시작한다.
정격 동력 이하의 피치 조절은 피치 속도의 변화가 초당 1 도로만 제한되기 때문에 완전한 PID 시스템을 필요로 하지 않는다.
도 8은 본 발명의 피치 위치 모드의 일실시예를 도시하고 있다. 도 8을 참고하면, 명령 위치(Pc)와 피드백 위치(Pf) 사이의 차이에 비례하는 피치 위치 에러값이 계산된다(블록(800)). 그 다음에, 테스트는 피치 에러가 양인가를 결정한다(블록(801)). 만일 피치 에러가 양이 아니면, 테스트는 회전자 속도가 제 1 예정 속도 설정점보다 큰지를 결정한다(블록(803)). 일실시예에 있어서, 예정 속도 설정점은 블록(802)에서 측정된 바와 같이 1200 rpm이다. 만일 피치 에러가 양이 아니고 발전기 회전자 속도가 제 1 예정 속도 설정점보다 크지 않다면, 공정은 블록(804)으로 진행하여, 피치 비율 제한치는 Y1과 동일하게 설정되고 동적 피치 비율 리미터(805)로 입력된다.
만일 회전자 속도가 제 1 예정 속도 설정점보다 크면, 테스트는 회전자 속도가 더 높은 제 2 예정 속도 설정점보다 큰지를 결정한다(블록(806)). 일실시예에서, 제 2 예정 속도 설정점은 1250 rpm이다. 만일 회전자 속도가 제 2 예정 속도 설정점보다 크다면, 공정은 블록(807)으로 진행하여, 피치 비율 제한값(Y)은 Y2로 설정되고 동적 피치 비율 리미터로 입력된다(블록(805)). 만일 회전자 속도가 제 2 예정 속도 설정점보다 크지 않다면, 피치 비율 제한값(Y)은 Y1과 Y2 사이에 있는 회전자 속도의 함수로 설정되고(블록(808)), 피치 비율 제한값(Y)은 동적 피치 비율 리미터로 보내진다(블록(805)). 일실시예에서, 상기 함수는 최소값과 최대값 사이에서 경사지는 피치 비율 리미터의 선형 함수이다. 만일 피치 에러가 양이면, 테스트는 회전자 속도가 제 3 예정 속도 설정점보다 큰지를 결정한다(블록(809)). 일실시예에 있어서, 제 3 예정 속도 설정점은 1100 rpm이다. 만일 피치 에러가 양이고 발전기 회전자 속도가 제 3 예정 속도 설정점보다 크지 않다면, 공정은 블록(810)으로 진행하여, 피치 비율 제한치(Y)는 Y1과 동일하게 설정되고 동적 피치 비율 리미터로 입력된다(블록(805)).
만일 회전자 속도가 제 3 예정 속도 설정점보다 크면, 테스트는 회전자 속도가 제 4 예정 속도 설정점보다 큰지를 결정한다(블록(811)). 일실시예에서, 제 4 예정 속도 설정점은 1150 rpm이다. 만일 회전자 속도가 제 4 예정 속도 설정점보다 크다면, 공정은 블록(812)으로 진행하여, 피치 비율 제한값(Y)은 Y2로 설정되고 동적 피치 비율 리미터로 입력된다(블록(805)). 만일 회전자 속도가 제 4 예정 속도 설정점보다 크지 않다면, 피치 비율 제한값(Y)은 Y1과 Y2 사이에 있는 회전자 속도의 함수로 설정되고(블록(813)), 피치 비율 제한값(Y)은 동적 피치 비율 리미터로 보내진다(블록(805)). 따라서, 함수는 전술한 바와 같은 블록(808)의 함수의 대향 방향에 있다. 일실시예에서, 상기 함수는 최대값(Y1)과 최소값(Y2) 사이에서 경사지는 피치 비율 리미터의 선형 함수이다.
블록(800)에서 결정된 피치 위치 에러 값은 증폭되어(블록(814)) 동적 피치 비율 리미터로 입력된다(블록(805)). 피치 비율 제한값(Y) 및 증폭된 피치 위치 에러 값에 응하여, 피치 비율 변화는 낮고 높은 윈드 양자에서 회전자의 가속을 제한하도록 초당 0도로 초기 제한되며 과속의 문제없이 발생으로의 원할한 변환을 허용한다.
테스트는 블록(802)으로부터 측정된 회전자 속도가 제 5 예정 속도 설정점보다 큰지를 결정한다(블록(815)). 일실시예에 있어서, 제 5 예정 속도 설정점은 1423 rpm이다. 만일 측정된 회전자 속도가 제 5 예정 속도 설정점보다 크다면, 시스템은 RPM 조절 모드로 진입한다(블록(816)). 반면에, 측정된 회전자 속도가 제 5 예정 속도 설정점보다 크지 않다면, 피치 비율은 2진 전압으로 나타날 수 있는 프로그램된 값으로 설정되고(블록(817)), 그리고 공정은 블록(818)으로 진행한다.
블록(818)에서, 테스트는 시스템이 자동 모드에 있는가를 결정한다. 일실시예에서, 상기 테스트는 블록(819)에서 탐지되는 결함의 결과로서 정지 상태/정지 결함 모드에 있는지를 검사함으로써 결정된다. 만일 시스템이 자동 모드에 있지 않다면, 공정은 블록(820)으로 진행하여, 시스템을 차단하도록 피치 제어는 무시된다. 일실시예에서, 시스템은 90˚로 블레이드를 피칭함으로써 차단된다. 만일 시스템이 자동 모드에 있다면, 프로그램된 값을 나타내는 2진 전압은 아날로그로 전환되어(블록(821)) 동적 시스템 비례값을 구동한다(블록(822)).
일실시예에서, 단일 디지털-아날로그 변환기(D/A)는 동적 비례값에 의해 요구되는 전압을 발생시킨다. 이러한 전압은 동적 피치 실린더의 속도, 즉 블레이드 피치 위치의 변화율에 정비례한다. 일실시예에서, 양전압은 페더 방향쪽으로 블레이드를 피칭하고(페더로의 피치), 반면에 음전압은 동력 방향쪽으로 블레이드를 피칭한다(동력으로의 피치). 피치 비율은 D/A 출력 전압의 진폭에 의해 제어된다. 일실시예에서, D/A의 출력 샘플 비율은 10 Hz에서 고정된다.
RPM 조절 모드
VPC 시스템은 발전기 속도를 조절한다. 일실시예에서, 발전기 속도는 터빈 블레이드 피치 각도의 비례, 적분 및 도함수(PID) 제어에 의해 조절된다. VPC 시스템은 일실시예에 있어서 소프트웨어를 통해 계산 후에 에러를 증폭시켜, 명령 속도(Rc; 예컨대 1423 rpm)와 피드백 속도(Rf) 사이의 차이에 비례하는 출력 에러를 산출한다. 본 발명은 비례값의 정확한 속도 제어에 필요한 PID 값, 즉 블레이드 피치 각도를 생성하는데 상기 출력을 이용한다.
회전자 속도가 예정 설정점(예컨대 1423 rpm)에 가까울 때, PID 제어기는 페더쪽으로 블레이드를 피칭하는 전압을 생성한다. 역으로, 회전자 속도가 예정 설정점(예컨대 1423 rpm) 밑으로 떨어질 때, PID 제어기는 공칭 피치 설정에 도달하거나 공칭 예정 설정점(예컨대 1423 rpm)을 초과할 때가지 동력쪽으로 블레이드를 피칭하는 전압을 생성한다.
PID 속도 조절 제어기는 속도 기초 시스템이다. 일실시예에서, 비례값에 인가되는 특정 전압으로 PID 제어 논리에 의해 생성된 피치 비율값을 변경시키는데 표가 이용된다. 이러한 표의 일례가 표 2에 개시되어 있다. 일실시예에서, 페더 속도에 대한 최대 피치는 초당 12도인 반면에, (속도 조절 동안에) 동력 속도에 대한 최대 피치는 초당 8도이다. 이들은 각각 5.1 및 4.1의 출력 D/A 전압에 상응한다.
구동 전압 변환에 대한 피치 비율의 표
전압 비율(도/초)
-8.25-7.90-7.55-7.20-6.85-6.50-6.15-5.80-5.45-5.10-4.75-4.40-4.05-3.41-3.12-2.88-2.67-2.3401.96-1.450.001.832.332.713.123.463.794.084.254.454.654.855.055.255.455.655.856.056.256.456.65 -20-19-18-17-16-15-14-13-12-11-10-09-08-07-06-05-04-03-02-01000102030405060708091011121314151617181920
테이블 2에서, 동력에 대한 피치는 네거티브 피치율이며, 페더에 대한 피치는 제로 또는 포지티브 피치율이다.
한 실시예에서, 밸브 제어 스위치는 명령받은 정지 및 스탠바이 모드중에 비례 밸브를 차단한다.
도 9 에는, 본 발명의 rpm 규정모드의 한 실시예가 도시되어 있다. 도 9를 참조하면, 블록 902로부터 측정된 rpm(Pf) 및 블록 930으로 부터 명령받은 rpm(Pc)사이의 편차와 비례하는 속도 에러값은 블록 900에서 계산된다.
테스트는 rpm 에러가 포지티브(901)한지를 결정한다. 속도 에러가 포지티브하지 않으면, 회전속도가 제 1 소정의 속도 설정 포인트(블록 903)보다 큰지를 결정한다. 한 실시예에서, 소정의 속도 설정 포인트는 1200rpm이 된다. rpm에러가 포지티브하지 않고 발전기 회전속도가 제 1 소정의 속도 설정 포인트보다 크지 않으면, 공정은 블록 904에서 계속 진행된다. 블록 904에서, 피치율 한계값은 Y1에 동일하게 설정되며, 동적인 피치율 리미터(905)에 전송된다.
회전속도가 소정의 제 1 속도 설정 포인트보다 크면, 이때 회전 속도가 소정의 제 2 속도 포인트(블록 906)보다 큰지를 결정하는 테스트가 시행된다. 한 실시예에서, 소정의 제 2 속도 설정 포인트는 1250rpm이다. 회전속도가 소정의 제 2 속도 설정 포인트보다 크게되는 경우, 공정은 블록 907에서 계속 진행된다. 상기 블록 907에서, 피치율 한계값(Y)는 Y2로 설정되며, 동적인 피치율 리미터(905)에 전송된다.
회전속도가 소정의 제 2 속도 설정 포인트보다 크게되는 경우, 피치율 한계값(Y)가 블록 908에서 회전속도의 함수로 설정된다. 한 실시예에서, 이러한 함수는 Y1 및 Y2사이에서 왔다갔다하는 피치율 리미터의 선형함수이다.
속도 에러가 포지티브하다면, 이때 피치율 한계값(Y)는 블록 912에서 Y2로 설정되며, 블록 905에서 동적인 피치율 리미터속으로 입력된다.
속도 에러 값을 계산한 후, 가속이 매우 빨라 블록 940에서 피치를 설정할것인지를 PID 시스템은 결정한다. PID 루프(940)의 출력 및 피치율 한계값(Y)에 대응하여, 피치율은 블록 905에서 초당 1도로 초기에 제한된다.
이때, 블록 902에서 측정된 회전자가 소정의 제 3 속도 설정 포인트보다 큰지를 결정하는 테스트가 수행된다. 한 실시예에서, 소정의 제 3 설정 포인트는 1423rpm이다. 측정된 회전속도가 소정의 제 3 설정 포인트보다 작게된다면, 시스템은 블록 916에서 피치 위치 모드로 들어가게 된다. 다른 한편, 측정된 회전 속도가 소정의 제 3 속도 설정 포인트보다 크다면, 피치율은 상술된 전압 변환 테이블(블록 917)을 구동시키기 위해 사용가능한 피치율로 전환된다. 또한, 공정은 블록 918에서 계속 진행된다.
블록 918에서, 시스템이 자동모드에 있는지를 결정하는 데스트가 수행된다. 이러한 실시예에서, 시스템이 스탠바이/정지 폴트(FAULT)모드에 있는지를 조사하므로서 상기 테스트는 결정된다. 상기 폴트 모드는 블록 919에서 탐지된다. 시스템이 자동모드에 있지 않다면, 공정은 블록 920에서 계속 수행되며, 상기 블록 920에서는 피치 제어가 시스템을 차단하도록 과도하게 주행된다. 한 실시예에서, 시스템은 블레이드를 90도의 각도로 피치하므로서 차단된다. 시스템이 자동모드인 경우에는, 피치율 값을 나타내는 전압은 아날로그로 변환되며(블록 921), 유압 시스템의 비례밸브에 적용되어 피칭 작용(블록 922)을 초기화 한다.(블록 922)
PID 제어기를 갖춘 피치 시스템
도 10a는 한 피치 시스템의 실시예를 나타낸다. 도 10a를 참조하면, 피치 시스템은 피치 속도 입력을 전압 출력으로 전환하기 위해 선형 테이블(1011) 및 밀폐 루프 PID 제어기(1010)를 구비한다. 테이블(1011)에 의해서 수용된 피치 속도 값은 비교 로직 또는 소프트웨어에 의해서 결정되는 바와 같이, 명령받은 속도 및 출력 속도에서의 편차에 대응하여 PID 제어기(1010)에 의해서 발생된다. 테이블(1011)로부터의 전압 출력은 비례비율에 적용되며, 블레이드 피치 작용을 야기하게 된다.
PID 제어기의 한 실시예의 작동 흐름의 블록 다이아그램은 도 10b에 도시된바와 같다. 도 10b를 참조하면, 비교로직(예를들어, 서브트랙터(SUBTRACTOR)) 또는 소프트웨어(1001)에 의해서 위치 명열된 값(Pc)로 부터 위치 피이드백 값(Pf)의 편차를 결정한다. 이러한 편차는 위치 에러를 나타낸다. 위치 에러는 증폭기(1002)의 스케일 요소에 의해서 증폭되어 값(yc)을 발생한다. 한 실시예에서, K는 0.5로 설정된다. 상기 값(yc)은 리미터 제어기(1004)에 의해서 제어되는 리미터(1005)에 연결되어, 상기 리미터에 제공된다. 상기 리미터(1005)는 피치 이송 위치중에 블레이드의 피치율을 제한한다. 한 실시예에서, 피치율은 작게된다. 제어기(1004)는 제너레이터 속도 피이드백을 수용하도록 결합되며, 제너레이터 속도(rpm)를 기초로 하여 리미터(1005)를 변화시킨다. 상기 리미터 제어기(블록 1004)은 최대 피치로 부터 페더로 변화되거나, rpm의 측정값의 선형 함수를 이용하는 동력비율로 변화된다.
PID 제어기들은 비교 로직 또는 소프트웨어(1003)를 구비하므로, 명령받은 제너레이터 속도(Rc) 및 실제 제너레이터 속도(Rf)의 편차를 발생한다. 비교 블록(1003)의 출력은 PID 알고리즘 블록(1006,1007)에 의해서 수용되는 속도 에러 값(x)이며, 상기 PID 알고리즘은 속도 에러값의 비례, 집적 및 이탈 함수를 기초로 하여 소정의 피치율를 계산한다. 속도 에러 입력의 함수로서 피치율의 출력은 피치 위치의 함수로서 얻어지는 습득(GAIN)스케쥴링을 포함한다. 습득율 스케쥴러(블록 1012)는 피치 위치 피이드백을 기초로 하여 배율기(E)에 제공되며, 상기 배율기는 두개의 매개변수(E1, E2)로 설정된다. 한 실시예에서, 두 매개변수(E1,E2)는 각각 -0.85 및 0.0028된다. 블록(1005)의 출력은 블록(1006)의 출력에 연결되며, 상기 값(yc)는 블록(1008)로 이송된다. 리미터(1005)는 페더에 대해 피치의 최대속도로 제한하며, 속도의 규정모드중에는 동력에 대해 제한한다.
리미터(1008)의 출력은 전압 제너레이터(1009)의 입력을 제공하며, PID 알고리즘 블록(1007)속으로 이송된다. 전압 제너레이터(1009)의 출력은 스위치의 입력에 연결되며, 상기 스위치는 터빈을 정지시키는 명령에 대해 비례밸브를 차단하도록 제어된다. 스위치(1010)의 출력은 D/A 제어기(1011)에 연결되며, 상기 제어기는 블레이드 피치 작용을 구동하는 비례밸브에 적용되는 시스템용 전압 출력을 제공한다.
동적인 블레이킹
동적인 블레이킹을 달성하기 위해, 본 발명의 토오크-속도 곡선은 상당히 굴곡된다. 한 실시예에서, 동력 변환기는 최대로 일정한 토오크를 명령한다. 이럽게 일정한 최대 토오크는 폴트상태에 대응하여 시스템속으로 스위치되며, 결국 회전속도를 감소시킨다. 도 6b는 일정한 최대 토오크(660) 및 스위치(629)를 포함하는 동력 변환기를 나타낸다.
한 실시예에서, 안전 시스템은 초기에 부드러운 브레이크에 적용되며, 블레이드를 90도로 피치시킨다. 추후에, 폴트인지에 대한 테스트가 수행된다. 한 실시예에서, 동적인 블레이킹은 강한 정지 폴트에 대응하여 사용될뿐이다. 다른 실시예에서, 동적인 블레이킹은 다른 형태(예를들어, 연성, 강성등)의 폴트용으로 사용될수도 있다.
강성(hard) 정지 폴트가 일어나는 것에 대응하여, 본 발명은 블레이드를 90각도로 피치시키며, 일정한 최대 토오크값을 명령한다. 토오크는 제너레이터 회전자에 가해지며, 그 결과 터어빈 속도를 감소시킨다. 한 실시예에서, 터어빈은 소정의 속도로 감소된다. 소정의 속도에 도달된후, 블레이킹은 자동적으로 또는 수동적(예를들어, 작동자에 의해 수동으로 설정됨)으로 해제된다.
동력 인자 및 VAR 보상
동력 변환기가 회전자 전류를 직접 제어하기 때문에, 전체 시스템의 동력 인자는 터어빈 출력 레벨에 불구하고 0.90 보다 크거나 작게 동적으로 제어되어 조절된다. 본발명에서는, VARs는 유도 제너레이터의 제 2부분에 제공된다. 그래서, 동력 변환기는 유용성에 대한 VAR 보상기로서 작용할수 있다. 이것은 SCADA 시스템을 통해 각 터어빈으로 부터 특정한 KVARs를 명령하는 제어 시스템에 의해서 이루어진다. 도 6b는 VARs를 제어하기 위한 출력(670)를 나타낸다. 상기 제너레이터의 제 부분에 대한 제 VARs의 공급을 조절하므로서, 전체 시스템VARs은 동적으로 선택된다.
소망의 동력 요소는 래깅 0.90와 리딩 0.90사이의 어떠한 정상값에서도 설정될 수 있거나 그리드 전압 변동에 대응해서 변한다. 그러므로, SCADA를 통해서 작동하는 동력 변환기는 일정한 동력 요소 모드, 일정한 VAR 모드 또는 전압 조절 모드내에서 작동할 수 있다.
본 발명의 동력 최적화의 약간의 이익은 동력 요소 제어뿐만 아니라 최대 에너지 포획, 토오크 제어, 전압 플리커의 제거를 제공하는 것이다. 추가로, 동적 동력 요소 조정을 이용할 수 있다. 더욱이 본 발명의 가변 속도는 토오크 스파이크를 완화하기 위해서 제공된다. 구동 트레인 성분에 전압 플리커와 손상을 야기하는 토오크의 과도량은 회전자 속도의 증가, 그러므로써 회전자 블레이드의 회전 관성력의 돌풍의 "저장" 추가 에너지의 증가를 허용하면 감쇠된다. 이 에너지는 돌풍이 가라않거나 바람으로부터 블레이드를 피칭함으로서 "덤프"될 수 있으면, 회전자 속도를 감소함으로써 그리드로 추출 및 공급될 수 있다. 그러므로, 가변 속도 작업은 토오크 과도량을 매우 감소할 수 있어 풍력 터빈 구동 트레인의 비용을 보다 줄이고 수명을 보다 연장할 수 있다.
상술한 상세한 설명의 약간에서는 컴퓨터 메모리내의 데이터 비트상의 작업을 알고리즘적 및 기호적인 용어를 사용해서 표현하고 있다. 이들 알고리즘적 설명과 표현은 이 분야에 숙련된 자에 이들 작업의 본질을 가장 효과적으로 전달하기 위해서 테이터 처리 기술에서 숙련된 자에 의해 사용된 의미이다. 여기서, 알고리즘은 일반적으로 소망의 결과에 도달하는 자체-일괄 과정의 단계들로 생각될 수 있다. 이런 단계는 물리량의 물리적 조정에 필요한 것이다. 대개, 필요하지는 않지만, 이들 량은 저장, 변경, 조합, 비교 및 그렇지 않으면 조정될 수 있는 전기 또는 자기 신호의 형태를 취한다. 대개 통상의 사용시, 이들 신호를 비트, 값, 요소, 심볼, 문자, 용어, 숫자 등으로 언급하는 것이 편리하다.
그러나, 이들 및 유사한 용어 모두는 적합한 물리양과 연관지워 단지 이들 량에 편리한 라벨을 적용하는 것이 명심해야 한다. 특별히 아래의 설명에서 언급하지 않으면, 본 발명의 전체에서, "처리" 또는 "컴퓨팅" 또는 " 계산" 또는 " 결정" 또는 "디스플레이" 등과 같은 용어를 이용한 설명이 컴퓨터 시스템의 작동 및 처리또는 유사한 전자 컴퓨팅 장치로 언급될 수 있으며, 이런 시스템은 컴퓨터 시스템의 레지스터 및 메모리내의 물리(전자)량으로서 표현된 데이터를 컴퓨터 시스템 메모리 또는 레지스터 또는 정보 저장, 전달 또는 디스플레이 장치와 같은 여러 장치내의 물리량으로서 유사하게 표현된 다른 데이터로 조정 및 변형한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 또한 작동을 수행하기 위한 장치에 관한 것이다. 이 장치는 특히 요구한 목적으로 구성될 수 있으며 컴퓨터내에 저장된 컴퓨터 프로그램에 의해 선택적으로 활성 또는 재구성된 일반적인 목적의 컴퓨터를 포함할 수 있다. 이런 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터 시스템 버스에 각각 연결된, 플로피 디스크, 광디스크, CD-ROM과 자기 광학 디스크를 포함하는 형태의 디스크, 판독전용 메모리(ROM), 랜덤 억세스 메모리(RAM), EPROM, EEPROM, 자기 또는 광학 카드, 또는 전자 명령을 저장하기에 적합한 형태의 메체 등과 같은 컴퓨터 판독가능한 저장매체내에 저장될 수 있다. 여기에 표현한 알고리즘은 본래 어느 특정 컴퓨터 또는 다른 장치에 관련없다. 다양한 일반적인 목적의 기계는 여기서 설명한 내용에 따라서 프로그램에 사용될 수 있으며 또는 요구한 방법 단계를 수행하기 위해서 보다 특정화된 장치로 구성하는 것이 편리하다. 이들 기계의 변화에 대한 필요한 구성은 아래의 상세한 설명에 기재되어 있다. 추가로, 본 발명은 어느 특정 프로그램밍 언어를 참고로 설명되어 있지 않다. 다양한 플로그램밍 언어가 여기서 설명한 본 발명의 내용을 이루는데 사용될 수 있음을 알수 있다.
당업자라면 누구나 상술한 설명을 읽은 후 본 발명의 많은 변경과 개량을 실시할 수 있음이 분명하므로, 여기서 설명한 특정 실시예로 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 그러므로, 다양한 실시예의 상세한 설명은 본 발명에 필수 요소로서 간주된 특성만을 열거한 것으로 청구범위의 범주를 제한하고 있는 것은 아니다.

Claims (56)

  1. 가변 속도 풍력 터빈 시스템에서,
    권선형 회전자 유도 발전기와,
    상기 발전기에 결합되고 필드 방위 제어를 사용해서 발전기 토오크를 제어하는 토어크 제어기와,
    상기 발전기에 결합되고 발전기 회전자 속도를 근거로 피치 조절을 수행하고 상기 토오크 제어기와 무관하게 작동하는 피치 제어기를 포함하는 가변 속도 풍력 터빈 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 피치 제어기는 PID 피치 제어기를 포함하는 시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 피치 제어기는 PI 피치 제어기를 포함하는 시스템.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 피치 제어기는 PD 피치 제어기를 포함하는 시스템.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 피치 제어기는 래그-리드 제어기를 포함하는 시스템.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 피치 제어기는 리드-래그(Lead-Lag) 제어기를 포함하는 시스템.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 피치 제어기는 도함수 항을 가진 개방 루프 제어기를 포함하는 시스템.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 권선형 회전자 유도 발전기는 넌-슬립 랭 유도 발전기를 포함하는 시스템.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 토오크 제어기는 터빈 블레이드와 발전기 사이의 검출된 진동 모션을 근거로 명령된 토오크를 감소하는 완충 필터를 포함하는 시스템.
  10. 가변 속도 시스템에서,
    동력을 발생하기 위한 권선형 회전자 유도 발생 수단과,
    필드 방위 제어를 사용해서 발전기 토오크를 제어하는 토어크 제어 수단과,
    발전기 회전자 속도를 근거로 피치 조절을 수행하고 상기 토오크 제어기와 무관하게 작동하는 피치 제어 수단을 포함하는 시스템.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 피치 제어기는 PID 피치 제어기를 포함하는 시스템.
  12. 가변 속도 풍력 터빈 시스템에서,
    권선형 회전자 유도 발전기와,
    상기 발전기에 결합되고 필드 방위 제어를 사용해서 발전기 토오크를 제어하는 토어크 제어기와,
    상기 발전기에 결합되고 발전기 회전자 속도를 근거로 피치 조절을 수행하는 PID 피치 제어기를 포함하는 시스템.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 권선형 회전자 유도 발전기는 넌-슬립 링 유도 발전기를 포함하는 시스템.
  14. 제 12항에 있어서, 상기 동력 제어기는 발전기 속도의 함수로서 발전기 동력과 토오크를 제어하는 시스템.
  15. 제 12항에 있어서, 상기 전력 제어기는 자계 배향 제어(FOC)를 사용하여 전력 검색 테이블(LUT)로부터 발전기 속도의 함수로서 발전기 전력을 제어하는 장치.
  16. 제 12항에 있어서, 상기 전력 제어기가 전력 및 그에 상응하는 발전기 회전자 속도로 이루어진 검색 테이블(LUT)을 포함하고 있으며, 상기 전력 제어기는 측정된 발전기 회전자 속도를 사용해서 상기 검색 테이블(LUT)의 보간법에 의해 목표 출력 전력을 결정하며, 상기 토오크 제어기는 상기 측정된 발전기 회전자 속도를 사용해서 상기 목표 출력 전력으로부터 소정의 발전기 토오크를 결정하는 장치.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 전력 제어기에 의해서 상기 발전기가 상기 검색 테이블(LUT)에 암호화되어 있는 소정의 전력-속도 곡선을 따라 작동하는 장치.
  18. 제 12항에 있어서, 상기 전력 제어기가,
    소정의 전력-속도 곡선을 암호화시키는 검색 테이블로서, 측정되는 발전기 회전자 속도에 응답하여 목표 출력 전력을 출력시키는 검색 테이블과,
    상기 목표 출력 전력에 대해서 실제 출력 전력에 근거한 출력 오류 표시를 발생시키는 비교기와,
    계산된 전력 오류 표시에 응답하여 조절된 실제 출력 전력을 발생시키도록 상기 전력 오류 표시에 연결된 비례 적분식(PID) 제어기와, 그리고
    상기 측정된 발전기 회전자 속도와 상기 조절된 실제 출력 전력에 응답하여 지령된 토오크를 발생시키는 분할기를 포함하고 있는 장치.
  19. 제 18항에 있어서, 상기 발전기 회전자 속도에 응답하여 지령된 토오크를 변화시키도록 연결된 피드포워드 완충 조건 필터를 더 포함하고 있는 장치.
  20. 제 12항에 있어서, 상기 전력 제어기가 소정의 발전기 토오크를 발생시키도록 확인된 플럭스 벡터와 상호작용하는 소정의 회전자 전류 벡터에 명령함으로써 상기 발전기 토오크를 제어하는 장치.
  21. 제 12항에 있어서, 상기 전력 제어기가 적어도 삽입화면(cut-in)으로부터 정격 풍속으로 토오크를 제어하는 장치.
  22. 제 12항에 있어서, 상기 전력 제어기가 삽입화면(cut-in)으로부터 정격 풍속으로 토오크를 제어하는 장치.
  23. 제 12항에 있어서, 상기 전력 제어기에 의해서 상기 발전기가 소정의 전력-속도 곡선을 따라 작동하는 장치.
  24. 제 12항에 있어서, 상기 전력 제어기가 소정 크기의 일정한 토오크를 명령하여서 감겨진 회전자를 감속시키는 장치.
  25. 제 24항에 있어서, 상기 소정 크기의 일정한 토오크가 최대의 소정 크기의 일정한 토오크로 구성되어 있는 장치.
  26. 제 12항에 있어서, 상기 전력 제어기와 상기 비례 적분식(PID) 제어기의 각각의 입력측에 연결된 발전기 속도 표시기를 더 포함하고 있는 장치.
  27. 제 12항에 있어서, 상기 전력 제어기가 상기 비례 적분식(PID) 피치 제어기와는 독립적으로 작동하는 장치.
  28. 제 12항에 있어서, 상기 비례 적분식(PID) 피치 제어기가 뒤쪽으로 공급되는 피치 각도를 갖는 폐쇄 루프식 비례 적분식 제어기를 포함하고 있는 장치.
  29. 제 12항에 있어서, 상기 비례 적분식(PID) 피치 제어기가 도함수 조건을 갖는 개방 루프식 제어기를 포함하고 있는 장치.
  30. 제 12항에 있어서, 상기 비례 적분식(PID) 피치 제어기가 피치 속도를 발생시켜서 피치 조절을 수행하는 장치.
  31. 제 12항에 있어서, 상기 발전기에 연결된 적어도 하나의 블레이드를 갖춘 풍력 터빈을 더 포함하고 있으며, 상기 비례 적분식(PID) 피치 제어기가 상기 적어도 하나의 블레이드의 피치에 의해서 발전기 회전자 속도를 제어하는 장치.
  32. 제 31항에 있어서, 상기 비례 적분식(PID) 피치 제어기가 실제 속도와 지령된 발전기 회전자 속도의 차이에 근거하여 상기 적어도 하나의 블레이드를 피치시키는 장치.
  33. 제 12항에 있어서,
    측정된 발전기 회전자 속도와 목표 발전기 회전자 속도의 비교에 근거한 속도 오류 표시를 발생시키는 비교기로서, 상기 비례 적분식(PID) 피치 제어기가 상기 속도 오류 표시에 근거하여 출력 피치 속도 값을 발생시키도록 구성되어 있는 비교기와, 그리고
    명령 전압을 출력시켜서 비례 값을 유도하여 상기 피치 속도 값에 응답한 피치 작동을 수행하도록 연결되어 있는 비선형 LUT를 더 포함하고 있는 장치.
  34. 다수의 블레이드를 갖춘 가변 속도 풍력 터어빈에 있어서,
    꼬불 꼬불한 회전자를 갖춘 이중 공급식 발전기와,
    상기 이중 공급식 발전기의 꼬불 꼬불한 회전자에 연결되어 있는 전력 변환기로서, 암호화된 전력-속도 곡선을 포함한 LUT를 갖추고 있으며, 상기 발전기 회전자 속도를 샘플링하고, 상기 발전기 회전자 속도를 사용하여 상기 LUT로부터 소정의 출력 전력을 갱신시키고, 갱신된 소정의 출력 전력에 근거한 새로운 토오크를 결정하고, 그리고 상기 꼬불 꼬불한 회전자상에 가해지는 새로운 전류 벡터를 계산하는 전력 변환기와, 그리고
    상기 발전기 회전자 속도에 근거하여 상기 다수의 블레이드롤 피치시키도록 연결된 페쇄 루프의 비례 적분식(PID) 피치 제어기를 포함하고 있는 터어빈.
  35. 제 34항에 있어서, 상기 전력 변환기 및 상기 비례 적분식(PID) 피치 제어기가 서로 독립적으로 작동하는 터어빈.
  36. 제 34항에 있어서, 상기 전력 변환기가 전력을 일정하게 정격 풍력 속도 이상으로 유지시키는 터어빈.
  37. 제 36항에 있어서, 상기 전력 변환기가 회전자 전류를 제어하여 적절한 토오크를 발생시킴으로써 전력을 일정하게 유지시키는 터어빈.
  38. 졔 34항에 있어서, 상기 비례 적분식(PID) 피치 제어기가 피치 속도를 발생시켜서 피치 조절을 수행하는 터어빈.
  39. 제 34항에 있어서, 상기 비례 적분식(PID) 피치 제어기가 실제 발전기 회전자 속도와 명령된 발전기 회전자 속도의 차이에 근거하여 상기 다수의 블레이드를 피치시키는 터어빈.
  40. 제 34항에 있어서,
    측정된 발전기 회전자 속도와 목표 발전기 회전자 속도의 비교에 근거한 속도 오류 표시를 발생시키는 비교기로서, 상기 비례 적분식(PID) 피치 제어기가 상기 속도 오류 표시에 응답한 피치 속도 명령을 발생시키도록 구성되어 있는 비교기와, 그리고
    비례 값에 적용될 구동 전압을 출력시켜서 피치 속도 명령에 응답한 블레이드의 피치 작동을 수행하도록 연결되어 있는 비선형 LUT를 더 포함하고 있는 장치.
  41. 다수의 블레이드를 갖춘 가변 속도 풍력 터어빈에 있어서,
    전력을 발생시키기 위한 이중 공급식 발전 수단으로서, 꼬불 꼬불한 회전자를 갖추고 있는 발전 수단과,
    교류를 직류로 변환시키는 전력 변환기로서, 암호화된 전력-속도 곡선을 포함한 LUT를 갖추고 있으며, 상기 발전기 회전자 속도를 샘플링하는 수단, 상기 발전기 회전자 속도를 사용하여 상기 LUT로부터 소정의 출력 전력을 갱신시키는 수단, 갱신된 소정의 출력 전력에 근거한 새로운 토오크를 결정하는 수단, 및 상기 꼬불 꼬불한 회전자상에 가해지는 새로운 전류 벡터를 계산하는 수단을 보유하고 있는 전력 변환기와, 그리고
    상기 발전기 회전자 속도에 근거하여 상기 다수의 블레이드롤 피치시키는 수단을 제어하기 위한 페쇄 루프의 비례 적분식(PID) 피치 제어 수단을 포함하고 있는 터어빈.
  42. 제 41항에 있어서, 상기 전력 변환 수단 및 상기 비례 적분식(PID) 피치 제어 수단이 서로 독립적으로 작동하는 터어빈.
  43. 제 41 항에 있어서, 상기 동력 변환수단은 측정된 풍속 이상으로 동력을 일정하게 유지하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈.
  44. 제 43 항에 있어서, 상기 동력 변환수단은 적합한 토오크를 제공하도록 회전자 전류를 제어함으로써 동력을 일정하게 유지하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈.
  45. 발전기 동력을 제어하는 방법으로서,
    발전기 회전자의 속도를 측정하는 단계와,
    목표 출력 동력을 얻기 위해 측정된 회전자의 속도를 사용하여 LUT를 액세스하는 단계와,
    실제 출력 동력과 목표 출력 동력을 비교하는 단계, 및
    실제 출력 동력을 목표 출력 동력의 비교에 기초하여 예정된 출력을 유지하도록 토오크 계산값을 조절함으로써 명령 토오크를 발생하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전기 동력 제어 방법.
  46. 제 45 항에 있어서, 상기 명령 토오크는 발전기의 회전자 속도를 늦추기 위한 예정된 일정 토오크를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  47. 제 45 항에 있어서, 상기 예정된 토오크는 최대의 일정 토오크를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  48. 발전기의 동력을 제어하기 위한 장치로서,
    발전기의 회전자 속도를 측정하기 위한 수단과,
    목표 출력 동력을 얻기 위해 측정된 회전자 속도를 사용하여 LUT를 액세스하기 위한 수단과,
    실제 동력과 목표 출력 동력을 비교하기 위한 수단, 및
    실제 출력 동력을 목표 출력 동력의 비교에 기초하여 예정된 출력을 유지하도록 토오크 계산값을 조절함으로써 명령 토오크를 발생하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 발전기 동력 제어 장치.
  49. 가변 속도 시스템의 발전기 토오크를 제어하는 방법으로서,
    고정자 플럭스 벡터를 확인하는 단계와,
    회전자 전류 벡터를 명령하는 단계, 및
    상기 고정자 플럭스 벡터와 회전자 전류 벡터를 상호작용시킴으로써 소정의 발전기 토오크를 발생하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 속도 시스템의 발전기 토오크 제어 방법.
  50. 발전기를 갖춘 가변 속도 시스템용 동기화 방법으로서,
    발전기 고정자를 연결하는 단계와,
    발전기 회전자를 연결하는 단계와,
    회전자 전류를 램프 업하는 단계, 및
    발전기 토오크를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 속도 시스템용 동기화 방법.
  51. 제 50 항에 있어서, 발전기 고정자를 연결하는 단계는 제 1 발전기 속도에서 발생하는 것을 특징으로 하는 방법.
  52. 제 51 항에 있어서, 발전기 고정자를 연결하는 단계는 제 1 발전기 속도보다 높은 제 2 발전기 속도 및 회전자 전압이 제 1 전압일때 발생하는 것을 특징으로 하는 방법.
  53. 제 52 항에 있어서, 발전기 토오크를 조절하는 단계는 회전자측 변환기를 가능하게 하고 회전자측 IGBTs를 게이팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  54. 제 52 항에 있어서, 발전기 토오크를 조절하는 단계는 소정의 토오크를 발생할 수 있는 전류 벡터를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  55. 터빈 블레이드를 갖춘 가변 속도 풍력 터빈 시스템으로서,
    권선된 회전자 유도 발전기와,
    상기 발전기에 연결되며, 터빈 블레이드와 발전기 사이의 검출된 진동운동에 기초하여 명령 토오크를 감소시키기 위한 완충 필터를 갖춘 토오크 제어기, 및
    발전기 회전자 속도에 기초하여 피치 조절을 수행하도록 발전기에 연결되고 상기 토오크 제어기와는 별개로 작동하는 피치 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 속도 풍력 터빈 시스템.
  56. 제 55 항에 있어서, 상기 완충 필터는 상기 발전기와 터빈 블레이드의 공명 주파수에서 생성되는 통과 대역을 갖는 대역 필터 및 상기 발전기와 터빈 블레이드를 서로 연결하는 샤프트를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
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