KR20120118996A - 풍속 피드포워드 제어를 이용한 풍력 터빈 제어 방법 및 그 장치 - Google Patents

풍속 피드포워드 제어를 이용한 풍력 터빈 제어 방법 및 그 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예들은 풍속 피드포워드 제어를 이용한 풍력 터빈 제어 방법 및 그 장치에 관련된 것으로, 보다 상세하게는 풍속을 추정할 수 있는 풍속 추정기를 설계하고 이를 활용하여 피치 피드포워드 제어를 수행한다. 본 발명에 의하면, 풍속을 예측하고, 그 예측된 풍속을 이용하여 피치 피드포워드 제어를 수행함으로써 피치 제어의 효율성을 개선할 수 있다.

Description

풍속 피드포워드 제어를 이용한 풍력 터빈 제어 방법 및 그 장치{METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLLING WIND TURBINE USING WIND SPEED FEEDFORWARD CONTROL}
아래 실시예들은 풍속 피드포워드 제어를 이용한 풍력 터빈 제어 방법 및 그 장치에 관련된 것으로, 보다 상세하게는 풍속을 추정할 수 있는 풍속 추정기를 설계하고 이를 활용하여 피치 피드포워드 제어를 수행한다.
MW급 규모의 풍력 터빈은 정격 풍속 이상의 풍속 영역에서 풍력 터빈의 출력을 정격 출력으로 유지시키기 위하여, 일반적으로 피치 제어를 이용한다.
그러나, 피치 제어를 이용하는 방식은 블레이드 로터나 발전기 로터의 회전속도를 피드백 받아서 사용하기 때문에 그에 따른 지연 시간이 발생할 수 있다.
즉, 종래의 피치 제어를 이용하는 방식은 풍속 변화에 대한 공기역학적 효과로 로터의 회전 속도가 변하는 경우, 상기 변하는 회전 속도를 감지하여 피치제어가 수행되기 때문에, 풍속 변화에 대한 피치 응답이 일반적으로 느릴 수 있다. 이에 따라 종래에서 피치 제어를 이용하는 방식은 제어의 효율성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 풍속을 예측하고, 그 예측된 풍속을 이용하여 피치 피드포워드 제어를 수행함으로써 피치 제어의 효율성을 개선할 수 있는 풍속 피드포워드 제어를 이용한 풍력 터빈 제어 방법 및 그 장치를 제공한다.
특히, 본 발명의 실시예에 의하면, 풍력 터빈에서 블레이드 로터의 회전 속도 변동으로 인해 발생할 수 있는 출력 변동을 저감시킬 수 있는 풍속 피드포워드 제어를 이용한 풍력 터빈 제어 방법 및 그 장치를 제공한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 풍력 터빈의 작동 상태에 부합하는 풍속을 추정함으로써, 로터에서 발생 가능한 잘못된 풍속 검출을 방지할 수 있는 풍속 피드포워드 제어를 이용한 풍력 터빈 제어 방법 및 그 장치를 제공한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 더욱 안정적인 출력을 얻기 위하여, 풍력 터빈 블레이드의 피치각을 이용하여 일정한 정격 출력을 유지할 수 있는 풍속 피드포워드 제어를 이용한 풍력 터빈 제어 방법 및 그 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈을 제어하는 방법은 상기 풍력 터빈의 로터 회전 속도 및 발전기 토크 값을 기초로 상기 풍력 터빈의 로터에서 발생하는 공력 토크를 추정하는 단계와, 상기 풍력 터빈의 작동 상태를 고려하여, 상기 추정된 공력 토크에 대응하는 풍속을 추정하는 단계와, 상기 추정된 풍속 및 상기 로터 회전 속도를 기초로 피드포워드 피치량을 산출하는 단계와, 상기 산출된 피드포워드 피치량을 상기 풍력 터빈의 피치 명령으로 입력하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 풍력 터빈의 로터에서 발생하는 공력 토크를 추정하는 단계는 상기 풍력 터빈의 드라이브 트레인 모델에 대한 운동 방정식을 기초로, 상기 공력 토크를 추정할 수 있다.
또한, 상기 풍력 터빈의 로터에서 발생하는 공력 토크를 추정하는 단계는 입력 프로세스 노이즈, 출력 신호 노이즈 및 상기 풍력 터빈의 상태변수 벡터 중 적어도 하나를 고려하는 칼만 필터를 이용하여, 상기 공력 토크를 추정할 수 있다.
또한, 상기 칼만 필터를 이용하기 위한 상기 추정할 공력 토크를 상태변수로 하는 상태 공간식은 아래와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00001
여기서,
Figure pat00002
는 입력 프로세스 노이즈를 나타내고,
Figure pat00003
는 출력 신호 노이즈를 나타낸다.
또한, 상기 칼만 필터는 아래의 수학식으로 표현될 수 있다.
Figure pat00004
여기서,
Figure pat00005
는 상기 칼만 필터에 대한 상태변수 백터이고, L은 칼만 필터 이득값이다.
또한, 상기 추정된 공력 토크에 대응하는 풍속을 추정하는 단계는 상기 공력 토크, 피치각, 로터 회전 속도 및 풍속간의 관계식을 이용하여, 상기 추정된 공력 토크에 대응하는 풍속을 획득할 수 있다.
또한, 상기 공력 토크, 피치각, 로터 회전 속도 및 풍속간의 관계식은 아래와 같이 수식화할 수 있다.
Figure pat00006
여기서,
Figure pat00007
는 공기 밀도이고, R은 로터 반경이고,
Figure pat00008
는 피치각이고, v는 풍속이고,
Figure pat00009
는 선단 속도비이고,
Figure pat00010
는 공력 토크이다.
또한, 상기 풍력 터빈 제어 방법은 상기 관계식을 기초로, 일정 범위의 피치각, 회전속도 및 공력 토크에 대응하여 풍속이 설정된 룩업 테이블을 작성하는 단계를 더 포함하고, 상기 추정된 공력 토크에 대응하는 풍속을 추정하는 단계는 상기 작성된 룩업 테이블을 기초로, 상기 추정된 공력 토크에 대응하는 풍속을 획득할 수 있다.
또한, 상기 로터 회전 속도 및 상기 추정된 풍속의 각각에 대한 변화량을 기초로, 상기 풍력 터빈의 출력을 정격 출력이 되도록 하는 명령을 상기 풍력 터빈의 피치 명령으로 더 입력하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 풍력 터빈의 출력을 정격 출력이 되도록 하는 명령을 상기 풍력 터빈의 피치 명령으로 더 입력하는 단계는 풍속이나 로터 회전 속도가 변화하더라도 상기 풍력 터빈의 출력이 정격 출력을 지속적으로 생성하기 위한 피치각을 상기 풍력 터빈의 피치 명령으로 더 입력할 수 있다.
또한, 상기 피치각은 풍속이나 로터 회전 속도가 정상 상태의 값들인
Figure pat00011
및
Figure pat00012
에서,
Figure pat00013
및
Figure pat00014
만큼 변화했을 때, 아래의 수학식을 통해 도출될 수 있다.
Figure pat00015
여기서, 미분계수
Figure pat00016
및
Figure pat00017
는 피치각 및 풍속간의 상호 관계를 통해 도출되고,
Figure pat00018
은 상기 풍력 터빈의 출력을 정격 출력이 되도록 하는 피치각이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 풍력 터빈을 제어하는 장치는 상기 풍력 터빈의 로터 회전 속도 및 발전기 토크 값을 센싱하는 센싱부와, 상기 센싱부를 통해 센싱된 상기 로터 회전 속도 및 상기 발전기 토크 값을 기초로 상기 풍력 터빈의 로터에서 발생하는 공력 토크를 추정하는 공력 토크 추정부와, 상기 풍력 터빈의 작동 상태를 고려하여, 상기 추정된 공력 토크에 대응하는 풍속을 추정하는 풍속 추정부와, 상기 추정된 풍속 및 상기 로터 회전 속도를 기초로 피드포워드 피치량을 산출하고, 상기 산출된 피드포워드 피치량을 상기 풍력 터빈의 피치 명령으로 입력하는 피드포워드 처리부를 포함한다.
이때, 상기 공력 토크 추정부는 상기 풍력 터빈의 드라이브 트레인 모델에 대한 운동 방정식을 기초로, 상기 공력 토크를 추정할 수 있다.
또한, 상기 공력 토크 추정부는 입력 프로세스 노이즈, 출력 신호 노이즈 및 상기 풍력 터빈의 상태변수 벡터 중 적어도 하나를 고려하는 칼만 필터를 이용하여, 상기 공력 토크를 추정할 수 있다.
또한, 상기 공력 토크 추정부는 상기 칼만 필터를 이용하기 위해, 상기 추정할 공력 토크를 상태변수로 하며 아래와 같이 표현된 상태 공간식을 이용할 수 있다.
Figure pat00019
여기서,
Figure pat00020
는 입력 프로세스 노이즈를 나타내고,
Figure pat00021
는 출력 신호 노이즈를 나타낸다.
또한, 상기 공력 토크 추정부는 아래의 수학식으로 표현된 칼만 필터를 이용할 수 있다.
Figure pat00022
여기서,
Figure pat00023
는 상기 칼만 필터에 대한 상태변수 백터이고, L은 칼만 필터 이득값이다.
또한, 상기 풍속 추정부는 상기 공력 토크, 피치각, 로터 회전 속도 및 풍속간의 관계식을 이용하여, 상기 추정된 공력 토크에 대응하는 풍속을 획득할 수 있다.
또한, 상기 풍속 추정부는 아래의 수학식을 이용하여, 상기 추정된 공력 토크에 대응하는 풍속을 획득할 수 있다.
Figure pat00024
여기서,
Figure pat00025
는 공기 밀도이고, R은 로터 반경이고,
Figure pat00026
는 피치각이고, v는 풍속이고,
Figure pat00027
는 선단 속도비이고,
Figure pat00028
는 공력 토크이다.
또한, 상기 관계식을 기초로, 일정 범위의 피치각, 회전속도 및 공력 토크에 대응하여 풍속이 미리 설정된 룩업 테이블을 더 포함하고, 상기 풍속 추정부는 상기 작성된 룩업 테이블을 기초로, 상기 추정된 공력 토크에 대응하는 풍속을 획득할 수 있다.
또한, 상기 피드포워드 처리부는 상기 로터 회전 속도 및 상기 추정된 풍속의 각각에 대한 변화량을 기초로, 상기 풍력 터빈의 출력을 정격 출력이 되도록 하는 명령을 상기 풍력 터빈의 피치 명령으로 더 입력할 수 있다.
또한, 상기 피드포워드 처리부는 풍속이나 로터 회전 속도가 변화하더라도 상기 풍력 터빈의 출력이 정격 출력을 지속적으로 생성하기 위한 피치각을 산출하고, 상기 산출된 피치각을 상기 풍력 터빈의 피치 명령으로 더 입력할 수 있다.
또한, 상기 피드포워드 처리부는 풍속이나 로터 회전 속도가 정상 상태의 값들인
Figure pat00029
및
Figure pat00030
에서,
Figure pat00031
및
Figure pat00032
만큼 변화했을 때, 아래의 수학식을 통해 상기 풍력 터빈의 출력이 정격 출력을 지속적으로 생성하기 위한 피치각을 도출할 수 있다.
Figure pat00033
여기서, 미분계수
Figure pat00034
및
Figure pat00035
는 피치각 및 풍속간의 상호 관계를 통해 도출되고,
Figure pat00036
은 상기 풍력 터빈의 출력을 정격 출력이 되도록 하는 피치각이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 풍력 터빈 제어 시스템은 풍력 터빈의 로터 회전 속도 및 발전기 토크 값을 센싱하는 센싱기와, 상기 센싱기를 통해 센싱된 상기 로터 회전 속도 및 상기 발전기 토크 값을 기초로 상기 풍력 터빈의 로터에서 발생하는 공력 토크를 추정하고, 상기 풍력 터빈의 작동 상태를 고려하여, 상기 추정된 공력 토크에 대응하는 풍속을 추정하고, 상기 추정된 풍속 및 상기 로터 회전 속도를 기초로 피드포워드 피치량을 산출하는 피드포워드 제어기와, 상기 피드포워드 제어기에 의해 산출된 피드포워드 피치량을 기초로, 상기 풍력 터빈의 피치각을 제어하는 풍력 터빈 제어기를 포함한다.
이때, 상기 피드포워드 제어기는 상기 로터 회전 속도 및 상기 추정된 풍속의 각각에 대한 변화량을 기초로, 상기 풍력 터빈의 출력을 정격 출력이 되도록 하는 명령을 상기 풍력 터빈 제어기에 더 입력할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 피치 작동기의 기계적 또는 전기적 장치를 부가하지 않고도 제어 알고리즘만으로 풍력 터빈에 대한 피치 응답을 개선할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 풍력 터빈에서 블레이드 로터의 회전 속도 변동으로 인해 발생할 수 있는 출력 변동을 저감시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 피치 제어를 이용한 풍력 터빈의 제어 방식에 부가적인 피치 입력을 생성함으로써, 전력 품질을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 피치 피드포워드 제어는 난류에 의한 발전기 토크의 리플(ripple) 크기를 줄일 수 있고, 이에 따라 날개의 회전 속도도 정격으로 유지시키는 데 도움이 될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈 제어 장치의 간략한 구성을 보여주는 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈 제어 장치를 위한 피드포워드 제어기의 구조 예시를 보여주는 도면.
도 3은 풍력 터빈의 출력과 풍속 및 피치각간의 관계를 보여주는 그래프.
도 4는 도 1에 도시된 피드포워드 제어기의 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면.
도 5는 개루프 상태 추정기 및 수학식 3에 따른 칼만 필터가 적용된 하단의 폐루프 상태 추정기의 구성 예시를 보여주는 도면.
도 6 및 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력 터빈 제어 장치에서, 룩업 테이블을 생성하는 프로그램에 의해 얻어질 수 있는 중간 결과를 보여주는 도면.
도 8 및 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력 터빈 제어 장치에서, 피치각 및 풍속간의 관계를 설명하기 위한 도면.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 풍속 피드포워드 제어를 이용한 풍력 터빈 제어 장치는 풍속 변화에 의해 풍력 터빈의 피치 제어 응답이 지연되는 점을 보완하기 위하여, 피치 피드포워드 제어 알고리즘을 이용한다.
종래에 사용되는 풍력 터빈의 피치제어 알고리즘은 로터의 회전속도만을 피드백하여 일정한 회전 속도를 유지한다. 이에 따라 피치 제어 시스템의 응답 특성에 따라 로터 회전 속도의 변동이 결정될 수 있으므로, 본 발명의 실시예에서의 피치 피드포워드 제어 알고리즘은 부가적인 기계적 장치를 이용하지 않고, 제어 알고리즘만으로 출력변동을 감소시킨다.
이러한 피치 피드포워드 제어 알고리즘을 수행하는 풍력 터빈 제어 장치는 일반적인 피치 입력외에도 풍속을 추정하여 계산되는 부가적인 피치 명령을 생성한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈 제어 장치의 간략한 구성을 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 상기 풍력 터빈 제어 장치는 상기 피치 피드포워드 제어 알고리즘을 수행하여, 공력 토크, 풍속, 피드포워드 피치량을 피치 입력으로서 출력한다.
상기 풍력 터빈 제어 장치는 상기 피치 피드포워드 제어 알고리즘의 수행을 위하여, 공력 토크 추정부(100), 풍속 추정부(110) 및 피드포워드 피치량 산출부(120)를 포함한다.
공력 토크 추정부(100)는 풍력 터빈의 로터 회전 속도 및 발전기 토크 값을 기초로 상기 풍력 터빈의 로터에서 발생하는 공력 토크를 추정한다. 이때, 상기 공력 토크 추정부(100)는 칼만 필터(Kalman filter)를 이용하여, 상기 공력 토크를 추정할 수도 있다.
여기서, 상기 추정된 공력 토크는 센서를 통해 측정되는 피치각 및 로터의 회전 속도와 함께 풍속 추정부(110)에 입력된다. 또한, 상기 공력 토크의 추정은 추가적인 센싱이 아닌 수학적 계산에 의한 것이므로, 측정하고자 하는 물리량 또는 측정하기 어려운 물리량을 센서를 통하지 않고도 추정할 수 있다.
풍속 추정부(110)는 풍력 터빈의 작동 상태에 관련된 정보를 이용하는 공력 토크의 관계식을 통해, 상기 추정된 공력 토크에 대응하는 풍속을 추정한다. 실제 풍력 터빈을 불어오는 바람은 풍력 터빈의 허브를 중심으로 수직방향과 수평방향의 풍속이 다르며, 이에 따라 로터에 작용되는 풍속이 각 지점마다 다를 수 있다. 이에 따라, 풍속계를 이용한 특정 지점에서 측정되는 풍속은 풍력 터빈의 작동 상태에 따른 풍속과 차이가 있을 수 있기 때문에, 풍속 추정부(110)는 풍력 터빈의 작동 상태를 고려하여, 상기 추정된 공력 토크에 대응하는 풍속을 추정한다.
피드포워드 피치량 산출부(120)는 로터의 회전 속도의 변화량 및 상기 추정된 풍속의 변화량을 기초로, 피드포워드 피치량을 계산한다. 그리고, 피드포워드 피치량 산출부(120)는 상기 계산된 피드포워드 피치량뿐 아니라, 각 변화량에 대하여 풍력 터빈의 출력을 정격출력이 되도록 하는 부가적인 피치 명령을 출력하여 상기 풍력 터빈의 피치 명령으로 입력할 수 있다.
피드포워드 피치량 산출부(120)는 미리 작성된 룩-업 테이블을 이용하여, 상기 풍력 터빈의 출력, 풍속, 피치각, 로터의 회전 속도의 관계식에 따른 피드포워드 피치량을 출력할 수 있다. 즉, 피드포워드 피치량 산출부(120)는 상기 룩-업 테이블에 로터의 회전 속도 및 상기 추정된 풍속을 입력하고, 상기 입력에 대응하는 피드포워드 피치량을 획득할 수 있다.
이와 같은 피치 피드포워드 제어 알고리즘은 Matlab/Simulink 기반에서 시뮬레이션을 통해 성능을 테스트할 수 있으며, 그 결과, 정격풍속보다 높은 풍속 영역에서 로터의 회전 속도나 출력 파워의 변동이 기존보다 낮아진 테스트 결과를 얻을 수 있다.
정리하자면, 실제 풍속계에서 측정되는 풍속의 경우, 특정 지점 및 시점의 풍속이기 때문에 풍력 터빈의 작동 상태와 정확히 일치하지 않을 수 있다. 따라서, 상기 피치 피드포워드 제어 알고리즘은 풍력 터빈의 작동 상태를 기초로 풍속을 추정하고, 상기 추정된 풍속을 이후의 피치 피드포워드 제어에 이용함으로써, 풍력 터빈의 작동 상태와 일치하는 풍속을 피치 피드포워드 제어에 이용할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈 제어 장치를 위한 피드포워드 제어기의 구조 예시를 보여준다.
도 2를 참조하면, 상기 피드포워드 제어기는 토크 추정기(200), 룩업 테이블(210) 및 산출부(220)를 포함한다.
토크 추정기(200)는 로터의 회전 속도(
Figure pat00037
) 및 발전기 토크(
Figure pat00038
)를 기초로, 공력 토크(
Figure pat00039
)를 추정한다. 특히, 토크 추정기(200)는 아래의 수학식 1과 같은 풍력 터빈의 드라이브 트레인 모델에 대한 운동 방정식을 기초로, 상기 로터에서 측정되는 로터 회전 속도를 미분한 정보를 이용하여 공력 토크를 추정할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00040
여기서,
Figure pat00041
이고,
Figure pat00042
는 로터 관성 질량, N은 증속비,
Figure pat00043
는 발전기 회전자 관성질량이고,
Figure pat00044
는 발전기 토크이고,
Figure pat00045
는 마찰 토크이다.
또한, 토크 추정기(200)는 다른 실시예로서, 칼만 필터를 이용하여 공력 토크를 추정할 수 있다. 상기 칼만 필터는 상기 추정 대상의 공력 토크를 상태 변수로 하는 상태 공간식이 이용될 수 있으며, 상기 상태 공간식은 아래와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00046
여기서,
Figure pat00047
는 입력 프로세스 노이즈를 나타내고,
Figure pat00048
는 출력 신호 노이즈를 나타낸다. 그리고, 수학식 2는 수학식 1에 공력 토크를 부가하여 얻은 상태공간식 표현이므로, 수학식 2의 상태변수 벡터는 아래의 수학식 3과 같은 칼만 필터를 적용하여 추정할 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00049
여기서, L은 칼만 필터 이득값을 나타낸다.
상기 피드포워드 제어기는 공력 토크, 피치각, 로터의 회전속도 및 풍속간의 관계식을 기초로, 토크 추정기(200)에 의해 추정된 공력 토크에 대응하는 풍속을 산출할 수 있다. 이때, 공력 토크, 피치각, 로터의 회전속도 및 풍속간의 관계식은 아래의 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
Figure pat00050
여기서,
Figure pat00051
는 공기 밀도이고, R은 로터 반경이고,
Figure pat00052
는 피치각이고, v는 풍속이고,
Figure pat00053
는 선단 속도비이고,
Figure pat00054
는 공력 토크이다. 따라서, 상기 피드포워드 제어기는 토크 추정기(200)에 의해 추정된 공력 토크를 이용하여, 풍속의 추정치인
Figure pat00055
를 계산할 수 있다.
상기 피드포워드 제어기는 이러한 관계식에 따른 데이터를 기초로, 룩업 테이블(210)을 미리 작성할 수 있다. 즉, 상기 피드포워드 제어기는 수학식 4를 기초로, 일정 범위의 피치각, 회전속도, 및 공력 토크에 대한 풍속들을 결정할 수 있으며, 상기 결정된 풍속들이 포함된 3차원 테이블을 상기 룩업 테이블(210)로 구성할 수 있다.
따라서, 룩업 테이블(210)은 토크 추정기(200)로부터 입력되는 공력 토크 추정치(
Figure pat00056
)에 대응하여, 풍속 추정치(
Figure pat00057
)를 출력한다.
한편, 풍력 터빈의 출력은 정격 풍속 이상에서 아래의 수학식 5와 같이 일정한 파워
Figure pat00058
를 생산할 필요가 있다.
[수학식 5]
Figure pat00059
여기서, v는 풍속이고, R은 로터 반경이고,
Figure pat00060
는 피치각이다. 이러한 관계를 그래프로 표현하면 도 3과 같이 나타낼 수 있다.
도 3을 참조하면, 정격 파워를 출력하기 위한 8개의 로터 회전 속도(
Figure pat00061
)에서의 피치각(pitch angle) 및 풍속(wind speed)간의 관계를 보여준다. 여기서 점들과 함께 그려진 선(300)이 정격 로터 회전 속도 상태에서 풍력 터빈이 정격 파워를 생산할 수 있도록 하는 풍속 및 피치각 간의 관계를 보여준다. 그리고, 20 m/s 이상의 고풍속 영역을 기준으로, 선(300) 위의 5개의 다른 선은 로터의 회전속도가 정격 이하일 때를 나타내며, 선(300) 아래의 3개의 또 다른 선은 로터의 회전속도가 정격 이상일 때를 나타낸다.
정격 파워 출력 상태를 유지하는 조건을 등가적으로 표현하면, 아래의 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 6]
Figure pat00062
만약, 풍속이나 로터 회전 속도가 정상 상태의 값들인
Figure pat00063
및
Figure pat00064
에서,
Figure pat00065
및
Figure pat00066
만큼 변화했을 때, 풍력 터빈의 출력이 정격 출력을 지속적으로 생성하려면, 아래의 수학식 7을 만족할 필요가 있다.
[수학식 7]
Figure pat00067
여기서, 미분계수
Figure pat00068
및
Figure pat00069
는 도 3의 그래프에 따른 피치각(pitch angle) 및 풍속(wind speed)간의 관계를 통해 도출할 수 있다. 그리고, 상기 수학식 7의
Figure pat00070
가 상기 피드포워드 제어기의 최종 출력이다.
도 4는 도 1에 도시된 풍력 터빈 제어 장치의 시뮬레이션 결과를 보여준다. 상기 시뮬레이션 결과는 평균 풍속 16m/s 및 난류강도 18%의 바람에 대하여 시뮬레이션한 결과의 예시를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 실선은 피드포워드 제어를 이용한 경우이고, 점선은 피드 포워드 제어를 이용하지 않은 경우의 시간 응답을 도시한다. 그리고, 각각의 그래프는 상기 피드포워드 제어를 이용하는 경우 및 이용하지 않는 경우에 대해, 풍속(wind), 추정 풍속(Est. wind), 로터 회전 속도(rotor), 피치각(pitch), 출력전력(power) 및 피드포워드량(feedforward)에 대한 값들을 보여준다.
특히, 피치각의 그래프(410)를 살펴보면, 추정 풍속(Est. wind)에 따라 피치각(pitch)이 어떻게 변화하는 지를 알 수 있다. 또한, 로터 회전 속도(rotor)의 그래프(400) 및 출력 전력(power)의 그래프(420)에서는, 상기 피드포워드 제어를 이용하는 경우(실선)이 이용하지 않는 경우(점선)에 비해 출력 신호들의 변동(fluctuation)이 크게 줄어들 수 있음을 볼 수 있다.
한편, 토크 추정기(200)는 칼만 필터를 이용하여 공력 토크를 추정할 수 있다. 이러한 칼만 필터는 앞서 설명된 수학식 3에 따른 구성으로 구현될 수 있다.
도 5는 개루프 상태 추정기(open loop observer)(500) 및 상기 수학식 3에 따른 칼만 필터가 적용된 폐루프 상태 추정기(closed loop observer)(510)의 구성 예시를 보여준다.
또 한편, 상기 피드포워드 제어기는 공력 토크를 추정한 후, 상기 추정된 공력 토크를 상기 공력 토크, 피치각, 로터 회전 속도 및 풍속간의 관계식에 적용하여 풍속을 추정한다. 여기서, 상기 공력 토크, 피치각, 로터 회전 속도 및 풍속간의 관계식은 수학식 4에 해당되며, 측정 가능한 변수들인 피치각, 로터 회전 속도, 추정 공력 토크, 및 풍속간의 관계를 보여준다.
따라서, 상기 피드포워드 제어기는 이러한 관계식을 기초로, 3차원 룩업 테이블의 데이터들을 작성할 수 있다. 다시 말해서, 상기 피드포워드 제어기는 일정 범위의 피치각, 로터 회전 속도 및 공력 토크에 대하여, 상기 관계식을 기초로 풍속들을 미리 설정할 수 있으며, 상기 설정에 따른 결과 데이터들을 3차원 룩업 테이블로 작성할 수 있다.
예컨대, 상기 피드포워드 제어기는 매틀랩(Matlab)을 이용하여, 룩업 테이블 데이터들을 모두 찾는다면, 3개의 테이블 입력 신호의 범위는 아래와 같이 나타낼 수 있다.
rpm _ tw = [0.92 0.95 0.97 1 1.03 1.06 1.09 1.13]* rpm _ rated ; (% rotor rpm )
pitch _t= [0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 25 30]; (% pitch degree )
artq _t= [0.4 0.6 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.4]* aT _ rated ; (% aero tq )
상기 범위의 값들은 모두 정격 값으로부터 변화된 값이다. 예컨대, 로터 회전 속도(
Figure pat00071
)의 범위는 92%의 정격 rpm으로부터 대략 3% 간격으로 113%의 정격 rpm까지 변화될 수 있다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력 터빈 제어 장치에서, 룩업 테이블을 생성하는 프로그램에 의해 얻어질 수 있는 중간 결과를 도시한다.
도 6을 참조하면, 그래프는 로터 회전 속도(
Figure pat00072
)가 정격의 113%이고, 피치각이 30 deg인 조건에서, 풍속 변화에 따른 공력 토크 변화를 보여준다. 즉, 상기 그래프에서 곡선 600은 로터 회전 속도 및 피치각이 미리 정해진 상태에서, 상기 관계식에 따른 풍속 및 공력토크의 관계를 보여준다. 그리고, 상기 그래프에서 610, 620 및 630의 선들은 공력 토크의 값이 정격 값의 40%, 120%, 그리고 140%인 조건에 각각 대응된다.
상기 그래프로부터 로터 회전 속도가 정격의 113%이고, 피치각이 30 deg인 조건에서, 또한 공력 토크가 아래와 같이 변한다면,
artq _t= [0.4 0.6 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.4]* aT _ rated ; (% aero tq )
상기 공력 토크, 피치각, 로터 회전 속도 및 풍속간의 관계식을 만족하는 각각의 풍속을 모두 획득할 수 있다.
마찬가지로, 상기 풍력 터빈 제어 장치는 모든 범위의 로터 회전 속도 및 피치각에 대해서도, 8 개 공력 토크 값에 대한 풍속을 모두 획득할 수 있다.
도 7의 그래프는 각각의 선 700 내지 712을 통해, 로터의 회전 속도가 정격의 92%일 때, 13개 피치각 변화에 따른 풍속과 공력 토크의 관계를 보여준다. 즉 우측에 있는 선일수록, 높은 피치각 조건에 해당된다. 그리고, 풍속이 커지면 공력 토크도 커진다. 따라서, 값이 서로 다른 풍속에 대하여, 동일한 공력 토크가 생성되려면, 높은 풍속에서의 피치각이 낮은 풍속에서의 피치각보다 커야한다. 도 7의 그래프에는 이러한 물리적 현상이 내포될 수 있다.
한편, 피드포워드 피치량 산출부(120)는 상기 추정된 풍속 및 상기 로터 회전 속도를 기초로 피드포워드 피치량을 산출한다. 여기서, 상기 풍력 터빈의 출력은 아래의 수학식 8와 같이 정격 풍속이상에서 일정한 파워 (
Figure pat00073
)를 출력할 필요가 있다.
[수학식 8]
Figure pat00074
여기서, v는 풍속이고,
Figure pat00075
는 피치각이다. 상기 수학식 8에 따른 피치각 및 풍속간의 관계는 도 8을 통해 나타날 수 있다.
도 8을 참조하면, 점들과 함께 그려진 선은 정격 로터 회전 속도 상태에서 풍력터빈이 정격 파워를 생산하기 위한 풍속과 피치각과의 관계들을 각각의 서로 다른 rpm별로 도시한다. 특히, 20 m/s이상의 고풍속 영역을 기준으로, 위에서 5개의 선은 로터의 회전속도가 정격보다 낮은 경우를 나타내고, 아래의 3개의 선은 정격보다 큰 경우를 나타낸다. 상기 각 선들에 대한 rpm은 아래와 같이 설정될 수 있다.
rpm _t=[0.8 0.85 0.9 0.95 0.98 1 1.02 1.05 1.1]* rpm _ rated ;
여기서, 상기 각 선들은 정격 파워 출력 상태를 유지하는 조건들을 가질 수 있으며, 상기 조건들은 수학식 6 및 7에 의해 도출될 수 있다.
또한, 상기 그래프에서 점과 함께 그려진 선은 정격 회전속도 조건을 의미한다. 상기 그래프를 통해, 정격 풍속 이상의 바람 조건에서 두 미분 계수의 부호 서로 반대라는 것을 알 수 있다.
즉, 정격 풍속 이상의 바람영역에서
Figure pat00076
의 부호는 (+)인데, 이것의 물리적 의미는 풍속이 증가되었을 때, 정격 파워를 지속적으로 출력하려면, 피치각의 크기도 커져야 한다는 것을 뜻한다. 한편,
Figure pat00077
의 부호가 (-)이어야 한다는 것은 날개의 회전속도가 증가하면, 정격 출력을 유지하기 위하여, 피치각의 크기는 작아져야 한다는 것을 의미한다.
도 9를 참조하면,
Figure pat00078
의 부호가 왜 부호가 (-)이어야 하는 지를 알 수 있다. 여기서, w는 로터 회전 속도이고, α 및 θ는 피치각을 나타낸다. 즉, 풍속이 일정한 상태에서 로터 회전 속도가 증가하면, 블레이드의 받음각(angle of attack)의 크기가 감소하므로, 공력 토크도 감소하게 된다. 이러한 점을 상쇄하기 위하여, 블레이드의 회전각을 감소시키는 경우, 받음각의 크기를 일정하게 유지될 수 있다.
결과적으로, 풍속이나 로터 회전 속도가 정상 상태의 값들인
Figure pat00079
및
Figure pat00080
에서,
Figure pat00081
및
Figure pat00082
만큼 변화했을 때, 지속적으로 정격 파워를 생산하려면 아래의 수학식 9으로 결정되는 피치각을 보상할 필요가 있다.
[수학식 9]
Figure pat00083
상기 수학식 9을 Matlab/simulink 블록으로 나타내면, 도 11의 블록도와 같이 도시될 수 있다. 특히, 도 11을 참조하면, 수학식 9에 나타난 미분계수를 얻기 위한 풍속과 로터스피드 변화에 따른 비선형 관계식을 보여준다. 따라서, 도 11과 같은 모델의 선형화를 통해, 수학식 9의 미분계수 값을 얻을 수 있다. 결과적으로, 상기 수학식 9에 따른 결과값은 도 2에 도시된 피드포워드 제어기의 최종 출력에 해당한다.
본 발명의 실시 예에 따른 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (24)

  1. 풍력 터빈을 제어하는 방법에 있어서,
    상기 풍력 터빈의 로터 회전 속도 및 발전기 토크 값을 기초로 상기 풍력 터빈의 로터에서 발생하는 공력 토크를 추정하는 단계;
    상기 풍력 터빈의 작동 상태를 고려하여, 상기 추정된 공력 토크에 대응하는 풍속을 추정하는 단계;
    상기 추정된 풍속 및 상기 로터 회전 속도를 기초로 피드포워드 피치량을 산출하는 단계; 및
    상기 산출된 피드포워드 피치량을 상기 풍력 터빈의 피치 명령으로 입력하는 단계
    를 포함하는 풍력 터빈 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 풍력 터빈의 로터에서 발생하는 공력 토크를 추정하는 단계는
    상기 풍력 터빈의 드라이브 트레인 모델에 대한 운동 방정식을 기초로, 상기 공력 토크를 추정하는
    풍력 터빈 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 풍력 터빈의 로터에서 발생하는 공력 토크를 추정하는 단계는
    입력 프로세스 노이즈, 출력 신호 노이즈 및 상기 풍력 터빈의 상태변수 벡터 중 적어도 하나를 고려하는 칼만 필터를 이용하여, 상기 공력 토크를 추정하는
    풍력 터빈 제어 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 칼만 필터를 이용하기 위해, 상기 추정할 공력 토크를 상태변수로 하는 상태 공간식은 아래와 같이 표현될 수 있는
    Figure pat00084

    (여기서,
    Figure pat00085
    는 입력 프로세스 노이즈를 나타내고,
    Figure pat00086
    는 출력 신호 노이즈를 나타냄)
    풍력 터빈 제어 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 칼만 필터는 아래의 수학식으로 표현될 수 있는
    Figure pat00087

    (여기서,
    Figure pat00088
    는 상기 칼만 필터에 대한 상태변수 백터이고, L은 칼만 필터 이득값임)
    풍력 터빈 제어 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 추정된 공력 토크에 대응하는 풍속을 추정하는 단계는
    상기 공력 토크, 피치각, 로터 회전 속도 및 풍속간의 관계식을 이용하여, 상기 추정된 공력 토크에 대응하는 풍속을 획득하는
    풍력 터빈 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 공력 토크, 피치각, 로터 회전 속도 및 풍속간의 관계식은 아래와 같이 수식화할 수 있는
    Figure pat00089

    (여기서,
    Figure pat00090
    는 공기 밀도이고, R은 로터 반경이고,
    Figure pat00091
    는 피치각이고, v는 풍속이고,
    Figure pat00092
    는 선단 속도비이고,
    Figure pat00093
    는 공력 토크임)
    풍력 터빈 제어 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 관계식을 기초로, 일정 범위의 피치각, 회전속도 및 공력 토크에 대응하여 풍속이 설정된 룩업 테이블을 작성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 추정된 공력 토크에 대응하는 풍속을 추정하는 단계는
    상기 작성된 룩업 테이블을 기초로, 상기 추정된 공력 토크에 대응하는 풍속을 획득하는
    풍력 터빈 제어 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 로터 회전 속도 및 상기 추정된 풍속의 각각에 대한 변화량을 기초로, 상기 풍력 터빈의 출력을 정격 출력이 되도록 하는 명령을 상기 풍력 터빈의 피치 명령으로 더 입력하는 단계
    를 더 포함하는 풍력 터빈 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 풍력 터빈의 출력을 정격 출력이 되도록 하는 명령을 상기 풍력 터빈의 피치 명령으로 더 입력하는 단계는
    풍속이나 로터 회전 속도가 변화하더라도 상기 풍력 터빈의 출력이 정격 출력을 지속적으로 생성하기 위한 피치각을 상기 풍력 터빈의 피치 명령으로 더 입력하는
    풍력 터빈 제어 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 피치각은
    풍속이나 로터 회전 속도가 정상 상태의 값들인
    Figure pat00094
    및
    Figure pat00095
    에서,
    Figure pat00096
    및
    Figure pat00097
    만큼 변화했을 때, 아래의 수학식을 통해 도출되는
    Figure pat00098

    (여기서, 미분계수
    Figure pat00099
    및
    Figure pat00100
    는 피치각 및 풍속간의 상호 관계를 통해 도출되고,
    Figure pat00101
    은 상기 풍력 터빈의 출력을 정격 출력이 되도록 하는 피치각임)
    풍력 터빈 제어 방법.
  12. 풍력 터빈을 제어하는 장치에 있어서,
    상기 풍력 터빈의 로터 회전 속도 및 발전기 토크 값을 센싱하는 센싱부;
    상기 센싱부를 통해 센싱된 상기 로터 회전 속도 및 상기 발전기 토크 값을 기초로 상기 풍력 터빈의 로터에서 발생하는 공력 토크를 추정하는 공력 토크 추정부;
    상기 풍력 터빈의 작동 상태를 고려하여, 상기 추정된 공력 토크에 대응하는 풍속을 추정하는 풍속 추정부; 및
    상기 추정된 풍속 및 상기 로터 회전 속도를 기초로 피드포워드 피치량을 산출하고, 상기 산출된 피드포워드 피치량을 상기 풍력 터빈의 피치 명령으로 입력하는 피드포워드 처리부
    를 포함하는 풍력 터빈 제어 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 공력 토크 추정부는
    상기 풍력 터빈의 드라이브 트레인 모델에 대한 운동 방정식을 기초로, 상기 공력 토크를 추정하는
    풍력 터빈 제어 장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 공력 토크 추정부는
    입력 프로세스 노이즈, 출력 신호 노이즈 및 상기 풍력 터빈의 상태변수 벡터 중 적어도 하나를 고려하는 칼만 필터를 이용하여, 상기 공력 토크를 추정하는
    풍력 터빈 제어 장치
  15. 제14항에 있어서,
    상기 공력 토크 추정부는
    상기 칼만 필터를 이용하기 위해, 상기 추정할 공력 토크를 상태변수로 하며 아래와 같이 표현된 상태 공간식을 이용하는
    Figure pat00102

    (여기서,
    Figure pat00103
    는 입력 프로세스 노이즈를 나타내고,
    Figure pat00104
    는 출력 신호 노이즈를 나타냄)
    풍력 터빈 제어 장치
  16. 제15항에 있어서,
    상기 공력 토크 추정부는
    아래의 수학식으로 표현된 칼만 필터를 이용하는
    Figure pat00105

    (여기서,
    Figure pat00106
    는 상기 칼만 필터에 대한 상태변수 백터이고, L은 칼만 필터 이득값임)
    풍력 터빈 제어 장치
  17. 제12항에 있어서,
    상기 풍속 추정부는
    상기 공력 토크, 피치각, 로터 회전 속도 및 풍속간의 관계식을 이용하여, 상기 추정된 공력 토크에 대응하는 풍속을 획득하는
    풍력 터빈 제어 장치
  18. 제17항에 있어서,
    상기 풍속 추정부는
    아래의 수학식을 이용하여, 상기 추정된 공력 토크에 대응하는 풍속을 획득하는
    Figure pat00107

    (여기서,
    Figure pat00108
    는 공기 밀도이고, R은 로터 반경이고,
    Figure pat00109
    는 피치각이고, v는 풍속이고,
    Figure pat00110
    는 선단 속도비이고,
    Figure pat00111
    는 공력 토크임)
    풍력 터빈 제어 장치.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 관계식을 기초로, 일정 범위의 피치각, 회전속도 및 공력 토크에 대응하여 풍속이 미리 설정된 룩업 테이블을 더 포함하고,
    상기 풍속 추정부는
    상기 작성된 룩업 테이블을 기초로, 상기 추정된 공력 토크에 대응하는 풍속을 획득하는
    풍력 터빈 제어 장치.
  20. 제12항에 있어서,
    상기 피드포워드 처리부는
    상기 로터 회전 속도 및 상기 추정된 풍속의 각각에 대한 변화량을 기초로, 상기 풍력 터빈의 출력을 정격 출력이 되도록 하는 명령을 상기 풍력 터빈의 피치 명령으로 더 입력하는 풍력 터빈 제어 장치.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 피드포워드 처리부는
    풍속이나 로터 회전 속도가 변화하더라도 상기 풍력 터빈의 출력이 정격 출력을 지속적으로 생성하기 위한 피치각을 산출하고, 상기 산출된 피치각을 상기 풍력 터빈의 피치 명령으로 더 입력하는
    풍력 터빈 제어 장치.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 피드포워드 처리부는
    풍속이나 로터 회전 속도가 정상 상태의 값들인
    Figure pat00112
    및
    Figure pat00113
    에서,
    Figure pat00114
    및
    Figure pat00115
    만큼 변화했을 때, 아래의 수학식을 통해 상기 풍력 터빈의 출력이 정격 출력을 지속적으로 생성하기 위한 피치각을 도출하는
    Figure pat00116

    (여기서, 미분계수
    Figure pat00117
    및
    Figure pat00118
    는 피치각 및 풍속간의 상호 관계를 통해 도출되고,
    Figure pat00119
    은 상기 풍력 터빈의 출력을 정격 출력이 되도록 하는 피치각임)
    풍력 터빈 제어 장치.
  23. 풍력 터빈의 로터 회전 속도 및 발전기 토크 값을 센싱하는 센싱기;
    상기 센싱기를 통해 센싱된 상기 로터 회전 속도 및 상기 발전기 토크 값을 기초로 상기 풍력 터빈의 로터에서 발생하는 공력 토크를 추정하고, 상기 풍력 터빈의 작동 상태를 고려하여, 상기 추정된 공력 토크에 대응하는 풍속을 추정하고, 상기 추정된 풍속 및 상기 로터 회전 속도를 기초로 피드포워드 피치량을 산출하는 피드포워드 제어기; 및
    상기 피드포워드 제어기에 의해 산출된 피드포워드 피치량을 기초로, 상기 풍력 터빈의 피치각을 제어하는 풍력 터빈 제어기
    를 포함하는 풍력 터빈 제어 시스템.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 피드포워드 제어기는
    상기 로터 회전 속도 및 상기 추정된 풍속의 각각에 대한 변화량을 기초로, 상기 풍력 터빈의 출력을 정격 출력이 되도록 하는 명령을 상기 풍력 터빈 제어기에 더 입력하는
    풍력 터빈 제어 시스템.
KR1020110036692A 2011-04-20 2011-04-20 풍속 피드포워드 제어를 이용한 풍력 터빈 제어 방법 및 그 장치 KR101280764B1 (ko)

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