KR20140025716A - Windmill generator control system - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 풍력발전기 제어 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 풍력발전기의 출력을 향상시키는 제어방식을 포함하는 풍력발전기 제어 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a wind turbine control system, and more particularly to a wind turbine control system including a control scheme for improving the output of the wind turbine.
일반적으로 풍력발전기는 블레이드가 마련되고, 상기 블레이드에 바람이 부딪히면 회전하는 풍력터빈, 상기 풍력터빈에 축으로 연결되어 상기 풍력터빈의 회전에 따라 회전하며 전력을 생산하는 발전기를 포함한다.In general, a wind turbine is provided with a blade, a wind turbine that rotates when the wind hits the blade, the generator is connected to the shaft to the wind turbine rotates in accordance with the rotation of the wind turbine includes a generator for generating power.
이때, 상기 발전기의 전력 생산량은 발전기의 출력 토크에 발전기의 회전속도를 곱한 값이 된다.At this time, the power output of the generator is a value multiplied by the rotational speed of the generator output torque.
일반적인 풍력발전기의 발전기 출력 토크 제어는 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 발전기의 회전속도 증가에 따라 발전기 출력 토크가 증가하는 단계(S10) 및 상기 발전기의 정격회전속도에 도달하면 상기 발전기의 회전속도는 일정하고 상기 발전기의 출력 토크가 상기 발전기에서 허용되는 최대치에 도달할 때까지 발전기 출력토크가 증가하는 단계(S20)를 거치게 된다.Generator output torque control of a general wind power generator, as shown in Figure 1, the step of increasing the generator output torque in accordance with the increase in the rotational speed of the generator (S10) and when the rated rotational speed of the generator reaches the rotational speed of the generator Is constant and the generator output torque is increased (S20) until the generator output torque reaches the maximum value allowed by the generator.
이때, 상기 S10단계의 그래프는,At this time, the graph of step S10,
발전기 출력토크 = koptΩ2 Generator output torque = k opt Ω 2
로 표시된다. 이때, kopt는 상기 블레이드의 특성과 형상 등에 따라 정해지는 고유의 값이다. 또한, Ω는 발전기의 회전속도이다.. In this case, k opt is an inherent value determined according to the characteristics and shape of the blade. Also, Ω is the rotational speed of the generator.
한편, 상기 풍력발전기의 생산 전력을 증가시키기 위해, 상기 풍력발전기의 다른 장치는 변경하지 않고 상기 블레이드의 길이만 증가시킬 경우 kopt가 증가하므로 S10'의 단계를 거치게 되고, 따라서 저속에서도 상기 풍력발전기의 생산 전력을 증가시킬 수 있다.On the other hand, in order to increase the production power of the wind turbine, k opt increases if only the length of the blade without increasing the other device of the wind turbine goes through the step of S10 ', and thus the wind turbine at low speed Can increase the production power.
그러나, 상기 S10'의 단계의 경우 상기 발전기의 정격회전속도에 도달하지 못하고 상기 발전기의 출력 토크가 상기 발전기에서 허용되는 최대치에 도달하게 된다.However, in the step of S10 'does not reach the rated rotational speed of the generator and the output torque of the generator reaches the maximum value allowed by the generator.
이때, 상기 발전기의 전력은 발전기의 출력 토크에 발전기의 회전속도를 곱한 값이 되므로, 결국 S10단계에서 상기 블레이드의 길이만 증가시켜 S10'단계를 거치도록 상기 풍력발전기를 제어하는 경우 A면적에 해당하는 생산가능한 전력을 생산하지 못하는 문제점이 있다.At this time, the power of the generator is the value of the output torque of the generator multiplied by the rotational speed of the generator, so in step S10 only increases the length of the blade in step S10 'when controlling the wind turbine to go through the step A corresponds to the area A There is a problem that can not produce a power that can be produced.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 풍력발전기에서 생산가능한 최대 전력을 생산할 수 있는 풍력발전기 제어 시스템을 제공한다.The present invention is to solve the above problems, and provides a wind turbine control system capable of producing the maximum power that can be produced in a wind turbine.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical object of the present invention is not limited to the above-mentioned technical objects and other technical objects which are not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description will be.
상술한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 바람에 의해 회전하는 풍력터빈과, 상기 풍력터빈과 연결되어 전력을 생산하는 발전기를 포함하고, 상기 풍력터빈의 회전속도 증가에 따라 상기 발전기의 회전속도가 증가하고, 상기 발전기의 회전속도 증가에 따라 상기 발전기의 출력 토크가 증가하는 단계; 및 상기 출력 토크가 상기 발전기에서 허용되는 최대치에 도달한 경우 상기 풍력터빈 및 발전기의 회전속도가 증가하여도 상기 출력 토크는 상기 최대치로 유지되는 단계; 를 포함하는 풍력발전기 제어 시스템을 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention includes a wind turbine that rotates by wind, and a generator connected to the wind turbine to produce power, the rotational speed of the generator in accordance with the increase in the rotational speed of the wind turbine Increasing the output torque of the generator as the rotational speed of the generator increases; And when the output torque reaches the maximum value allowed by the generator, the output torque is maintained at the maximum value even if the wind speed of the wind turbine and generator increases. It provides a wind turbine control system comprising a.
또한, 발전기의 회전속도 증가에 따라 상기 발전기의 출력 토크를 증가시키고, 상기 발전기의 출력 토크가 상기 발전기에서 허용되는 최대치에 도달한 경우 상기 발전기의 출력 토크를 일정하게 유지시키는 제어기; 바람에 의해 회전하고, 상기 발전기와 연결되어 상기 발전기를 회전시키고 출력 토크를 생산하게 하는 풍력터빈; 및 상기 풍력터빈의 회전속도를 안정화하는 뎀퍼; 를 포함하는 풍력발전기 제어 시스템을 제공한다.In addition, the controller increases the output torque of the generator in accordance with the increase in the rotational speed of the generator, and maintains the output torque of the generator constant when the output torque of the generator reaches the maximum value allowed by the generator; A wind turbine that is rotated by wind and connected with the generator to rotate the generator and produce output torque; And a damper to stabilize the rotational speed of the wind turbine. It provides a wind turbine control system comprising a.
또한, 상기 제어기는 발전기의 출력토크 및 회전속도를 피드백 제어하는 것일 수 있다.In addition, the controller may be to feedback control the output torque and the rotational speed of the generator.
또한, 상기 풍력터빈은 상기 뎀퍼에 의해 피드백 제어되는 것일 수 있다.In addition, the wind turbine may be feedback controlled by the damper.
또한, 상기 풍력터빈은 블레이드가 마련되고, 상기 블레이드의 피치(pitch)각을 제어하는 피치제어기; 를 더 포함하는 것일 수 있다.In addition, the wind turbine is provided with a blade, the pitch controller for controlling the pitch (pitch) angle of the blade; As shown in Fig.
또한, 상기 풍력터빈의 회전속도는 상기 피치제어기에 의해 피드백 제어되는 것일 수 있다.In addition, the rotational speed of the wind turbine may be feedback controlled by the pitch controller.
본 발명에 따르면, 풍력발전기에서 발전기에 허용되는 최대 출력 토크에서 계속적으로 발전기의 회전속도를 증가시키는 제어를 함으로써 풍력발전기가 생산할 수 있는 최대의 전력량을 생산할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, by controlling the increase in the rotational speed of the generator continuously at the maximum output torque allowed for the generator in the wind turbine has an effect that can produce the maximum amount of power that the wind turbine can produce.
또한, 기존의 풍력발전기에서 다른 장치의 변경 없이 블레이드의 길이만을 증가시킨 경우 풍력터빈의 저속회전 구간에서도 전력생산을 증가시킬 수 있고, 전체적으로 기존의 풍력발전기에 비해 전력생산을 현저히 증가시킬 수 있는 효과가 있다.In addition, if the blade length is increased without changing other devices in the existing wind turbine, the power generation can be increased even in the low speed rotation section of the wind turbine, and the overall power generation can be significantly increased compared to the conventional wind turbine. There is.
도 1은 일반적인 풍력발전기 제어 시스템의 제어특성곡선을 나타낸 그래프,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기 제어 시스템의 제어특성곡선을 나타낸 그래프,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기 제어 시스템의 제어방법을 나타낸 구성도,
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 풍력발전기 제어 시스템의 제어방법을 나타낸 구성도이다.1 is a graph showing a control characteristic curve of a general wind turbine control system;
2 is a graph showing a control characteristic curve of a wind turbine control system according to an embodiment of the present invention;
3 is a configuration diagram showing a control method of a wind turbine control system according to an embodiment of the present invention;
4 is a configuration diagram showing a control method of a wind turbine control system according to another embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다. 그리고 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위내에서 다른 실시예를 용이하게 실시할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 범위 내에 속함은 물론이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The sizes and shapes of the components shown in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience. In addition, terms defined in consideration of the configuration and operation of the present invention may be changed according to the intention or custom of the user, the operator. Definitions of these terms should be based on the content of this specification. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the inventions. Of course.
본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기 제어 시스템의 제어방법은 도 1에 도시된 바와 같다. 이때, 상기 풍력발전기는 바람에 의해 회전하는 풍력터빈(200)과, 상기 풍력터빈(200)과 연결되어 전력을 생산하는 발전기를 포함한다.Control method of the wind turbine control system according to an embodiment of the present invention is as shown in FIG. In this case, the wind generator includes a wind turbine (200) rotated by the wind, the generator is connected to the
먼저, 상기 풍력터빈(200)의 회전속도 증가에 따라 상기 발전기의 회전속도가 증가하고, 상기 발전기의 회전속도 증가에 따라 상기 발전기 출력 토크가 증가하는 단계를 거친다(S100).First, the rotational speed of the generator increases as the rotational speed of the
이때, 이때, 상기 S20단계의 그래프는,At this time, the graph of step S20,
발전기 출력토크 = koptΩ2 Generator output torque = k opt Ω 2
로 표시된다. 이때, kopt는 상기 블레이드의 특성과 형상 등에 따라 정해지는 고유의 값이다. 또한, Ω는 발전기의 회전속도이다.. In this case, k opt is an inherent value determined according to the characteristics and shape of the blade. Also, Ω is the rotational speed of the generator.
이때, 상기 블레이드의 길이가 S10단계의 경우보다 증가한 결과 kopt가 증가하여 S10단계보다 발전기의 전력 생산량이 증가한다.At this time, as the length of the blade is increased than in the case of step S10, k opt is increased to increase the power output of the generator than in step S10.
이는 생산 전력을 나타내는 그래프의 하부면적이 S10단계보다 S100단계가 더 넓은 점에서 명확하다. 즉, 상기 발전기의 전력 생산량은 발전기의 출력 토크에 발전기의 회전속도를 곱한 값이 되기 때문이다.This is evident in that the lower area of the graph representing the power generated is larger in step S100 than in step S10. That is, the power output of the generator is because the output torque of the generator multiplied by the rotational speed of the generator.
다음으로, 상기 출력 토크가 상기 발전기에서 허용되는 최대토크 도달한 경우 상기 풍력터빈(200) 및 발전기의 회전속도가 증가하여도 상기 출력 토크는 상기 최대토크로 유지되는 단계를 거친다(S200).Next, when the output torque reaches the maximum torque allowed by the generator, the output torque is maintained at the maximum torque even when the
상기 S200단계를 거치면서 상기 S100단계만으로는 생산 불가능한 B면적 만큼의 전력을 더 생산할 수 있다.Through the step S200, it is possible to further produce power as much as the area B that cannot be produced by the step S100 alone.
본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기 제어 시스템은 도 3에 도시된 바와 같이, 제어기(100), 풍력터빈(200) 및 뎀퍼(300)를 포함한다.Wind turbine control system according to an embodiment of the present invention, as shown in Figure 3, the
상기 제어기(100)는 상기 발전기에서 허용되는 최대 토크에 도달할 때까지 발전기의 회전속도 증가에 따라 상기 발전기의 출력 토크를 증가시키는 역할을 한다. 이때, 상기 출력 토크와 회전속도의 관계식은 이미 상술하였다.The
또한, 상기 제어기(100)는 상기 출력 토크가 상기 발전기에서 허용되는 최대 토크에 도달한 경우 상기 풍력터빈(200) 및 발전기의 회전속도가 증가하여도 상기 출력 토크는 일정하게 유지하는 역할을 한다.In addition, when the output torque reaches the maximum torque allowed by the generator, the
상기 풍력터빈(200)은 바람에 의해 회전하고, 상기 발전기와 연결되어 상기 발전기를 회전시키고 출력 토크를 생산하게 하는 역할을 한다.The
상기 풍력터빈(200)의 회전속도는 상기 제어기(100)에 입력되고 입력된 상기 풍력터빈(200)의 회전속도에 따라 상기 제어기(100)는 상기 발전기의 출력 토크 및 회전속도를 제어한다. 따라서, 상기 제어기(100)는 상기 풍력터빈(200)의 회전속도에 따라 상기 S100단계 또는 S200단계를 선택하는 것이다.The rotational speed of the
상기 풍력발전기 제어 시스템은 상기 제어기(100)에 의해 상기 풍력터빈(200)의 회전속도를 피드백 제어하는 방식으로 상기 발전기의 회전속도를 제어한다.The wind generator control system controls the rotation speed of the generator in such a manner as to feedback control the rotation speed of the
즉, 상기 제어기(100)에는 상기 발전기의 정격회전속도가 설정되어 입력되고, 상기 발전기 최대 토크가 입력된다. 또한, 상기 풍력터빈(200)의 회전속도가 피드백되어 상기 제어기(100)에 입력되면 상기 풍력터빈(200)의 회전속도로부터 상기 발전기의 회전속도가 연산되고, 연산된 상기 발전기의 회전속도에 따라 상기 발전기의 출력 토크가 지정된다.That is, the rated rotational speed of the generator is set and input to the
이때, 상기 제어기(100)는 상기 발전기 회전속도에 따른 상기 발전기의 출력 토크가 상기 발전기 최대토크 이하이면 상기 S100단계의 제어를 하고, 상기 발전기 최대토크 이상이면 상기 S100단계의 제어를 하여 상기 풍력발전기의 전력 생산량을 극대화 할 수 있다.At this time, the
상기 뎀퍼(300)는 상기 풍력터빈(200)의 회전속도가 일정하도록 안정화하는 역할을 하고, 급작스런 풍속의 변화 등에서 상기 풍력터빈(200)의 회전 속도가 급변하는 것을 예방하는 역할을 한다.The
이때, 상기 뎀퍼(300)는 상기 풍력터빈(200)의 회전속도를 안정화하기 위해 상기 풍력터빈(200)의 회전속도를 피드백 제어하는 것으로 구성하는 것이 바람직하다.At this time, the
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 풍력발전기 제어 시스템은 도 4에 도시된 바와 같이, 피치제어기(400)를 더 포함한다.Wind turbine control system according to another embodiment of the present invention further includes a
상기 풍력터빈(200)의 블레이드가 풍력터빈(200) 회전축과 이루는 피치각(pitch angle)을 조절하여 상기 풍력터빈(200)의 회전속도를 증가시킬 수 있다.The rotation speed of the
상기 피치제어기(400)는 설정된 발전기의 정격회전속도를 입력받아 이에 상응하는 상기 풍력터빈(200)의 회전속도가 상기 발전기의 정격회전속도에 가깝도록 상기 피치각을 조절하게 된다. 이때, 상기 피치제어기(400)는 풍향, 풍속 등을 고려하여 상기 피치각을 조절하게 된다.The
또한, 상기 피치제어기(400)는 상기 발전기가 정격회전속도에 가까이 도달할 수 있도록 상기 발전기 회전속도를 피드백 받아 상기 풍력터빈(200)의 피치각을 피드백 제어하는 것으로 구성하는 것이 바람직하다.In addition, the
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.While the invention has been shown and described with reference to certain preferred embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the following claims.
100: 제어기
200: 풍력터빈
300: 뎀퍼
400: 피치제어기100:
200: wind turbine
300: damper
400: pitch controller
Claims (6)
상기 풍력터빈의 회전속도 증가에 따라 상기 발전기의 회전속도가 증가하고, 상기 발전기의 회전속도 증가에 따라 상기 발전기의 출력 토크가 증가하는 단계; 및
상기 출력 토크가 상기 발전기에서 허용되는 최대치에 도달한 경우 상기 풍력터빈 및 발전기의 회전속도가 증가하여도 상기 출력 토크는 상기 최대치로 유지되는 단계; 를 포함하는 풍력발전기 제어 시스템.A wind turbine rotating by wind, and a generator connected to the wind turbine to generate power,
Increasing the rotational speed of the generator as the rotational speed of the wind turbine increases, and increasing the output torque of the generator as the rotational speed of the generator increases; And
When the output torque reaches the maximum value allowed by the generator, maintaining the output torque at the maximum value even if the wind turbine and generator speed increases; Wind turbine control system comprising a.
바람에 의해 회전하고, 상기 발전기와 연결되어 상기 발전기를 회전시키고 출력 토크를 생산하게 하는 풍력터빈; 및
상기 풍력터빈의 회전속도를 안정화하는 뎀퍼; 를 포함하는 풍력발전기 제어 시스템.A controller that increases the output torque of the generator as the rotation speed of the generator increases, and maintains the output torque of the generator constant when the output torque of the generator reaches the maximum value allowed by the generator;
A wind turbine that is rotated by wind and connected with the generator to rotate the generator and produce output torque; And
A damper to stabilize the rotational speed of the wind turbine; Wind turbine control system comprising a.
상기 제어기는 발전기의 출력토크 및 회전속도를 피드백 제어하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기 제어 시스템.3. The method of claim 2,
The controller is characterized in that for controlling the output torque and the rotational speed of the generator generator.
상기 풍력터빈은 상기 뎀퍼에 의해 피드백 제어되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기 제어 시스템.3. The method of claim 2,
The wind turbine is a wind turbine control system, characterized in that the feedback control by the damper.
상기 풍력터빈은 블레이드가 마련되고, 상기 블레이드의 피치(pitch)각을 제어하는 피치제어기; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기 제어 시스템.3. The method of claim 2,
The wind turbine is provided with a blade, the pitch controller for controlling the pitch (pitch) angle of the blade; A wind turbine control system further comprising a.
상기 풍력터빈의 회전속도는 상기 피치제어기에 의해 피드백 제어되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기 제어 시스템.6. The method of claim 5,
Wind speed control system, characterized in that the rotational speed of the wind turbine is feedback-controlled by the pitch controller.
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