KR20140072364A - 풍력터빈 피치제어기의 성능 평가장치 및 그 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 풍력터빈 실시간 모의장치를 고안하는데 있어서 검증된 풍력터빈 모델링 소프트웨어 툴을 사용하여 풍력터빈 동역학 모델식을 세우되, 풍력터빈의 회전기 회전 속도뿐만 아니라 풍력터빈 회전기의 회전날개들에 가해지는 기계적 피로 하중 정도를 판단할 수 있는 회전날개의 루트(root) 부분의 회전기 회전 평면 외(out of plane) 굽힘 모멘트(bending moment)를 계산하여 그 값을 피치제어기에 전달하여, 풍력터빈의 기계적 피로 하중을 줄일 수 있도록 성능 시험이 가능한, 풍력터빈 피치제어기의 성능 평가장치 및 그 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 풍력터빈의 상용 피치제어기의 성능을 평가하는 새로운 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히, 풍력터빈 회전기허브의 회전날개들의 각각의 피치각을 제어하는 피치제어기의 성능을 평가하는 장치와 그 방법에 관한 것이다.
풍력터빈시스템 제어에 있어 중요한 기능들을 수행하는 피치제어기의 성능평가를 위하여, 실제 풍력터빈시스템과 풍동 시설이 물리적으로 구비된 시험 환경은 다양한 시험 조건을 설정하는데 있어 시스템 용량과 크기의 다양화에 제약을 받으며 시험 비용, 소요 시간 그리고 인력 운용 등 많은 면에서 비효율적이다. 따라서 실시간으로 실제 풍력터빈시스템을 모의하는 풍력터빈 실시간 모의장치와 피치제어기에 의하여 제어되는 풍력터빈시스템을 운전하고 동작 현황을 모니터링할 수 있는 장치를 통하여 보다 간편하고 효율적으로 풍력터빈시스템의 피치제어기 성능을 평가하는 방법이 요구되고 있다.
풍력터빈 모의장치를 통한 실제 풍력터빈시스템 모의에 관한 특허로는 대한민국특허등록번호 10-0930956이 있다. 이러한 종래 기술에서는 풍력터빈 모의장치를 실시간으로 모의하되 풍력터빈시스템의 기계적인 구동력을 생성하는 회전기 부분을 상용 모터를 사용하여 모의하도록 풍력터빈 회전기의 회전 속도 지령치만 생성하여 모터 드라이브에 전달한다. 이러한 경우 풍력터빈 회전기의 회전속도와 토크를 모의할 수 있으나 각종 풍황에 의한 각각의 회전날개의 공기 동역학에 의한 반응은 모의할 수 없다.
풍력터빈시스템의 피치제어기의 제어 목적은 크게 두 가지인데, 첫 번째는 정격 풍속 이상 조건에서 풍력터빈시스템의 출력을 정격으로 일정하게 유지하도록 회전날개의 피치 각을 조절하여 바람으로부터의 에너지 회수 비율을 낮추는 것이고, 두 번째는 다양한 바람 조건 하에서 회전날개에서 발생하는 진동으로 인하여 풍력터빈시스템에서 이와 연계된 다른 구조물에 직, 간접적으로 발생하는 기계적 피로 하중을 줄여서 기구 수명 단축과 출력 저하를 방지하는 목적이다.
그러나, 위와 같은 종래의 특허와 같은 풍력터빈 모의장치로 피치제어기 성능평가 장치를 구성하는 경우에, 풍력터빈 모의장치에서 계산되는 풍력터빈 모델식에 각각의 회전날개 피치각으로 좌우되는 풍력터빈 회전기 회전 속도식을 추가하면 되지만, 다양한 바람 조건에 의하여 풍력터빈에 가해지는 기계적 피로 하중을 계산하는 식을 추가할 수 없으며, 풍력터빈 모의장치 이후의 모터-발전기 조합에서도 물리적으로 풍력터빈 회전기에서 발생하는 기계적 피로 하중을 구현하여 측정할 방법이 없다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 풍력터빈 실시간 모의장치를 고안하는데 있어서 검증된 풍력터빈 모델링 소프트웨어 툴을 사용하여 풍력터빈 동역학 모델식을 세우되, 풍력터빈의 회전기 회전 속도뿐만 아니라 풍력터빈 회전기의 회전날개들에 가해지는 기계적 피로 하중 정도를 판단할 수 있는 회전날개의 루트(root) 부분의 회전기 회전 평면 외(out of plane) 굽힘 모멘트(bending moment)를 계산하여 그 값을 피치제어기에 전달하여, 풍력터빈의 기계적 피로 하중을 줄일 수 있도록 성능 시험이 가능한, 풍력터빈 피치제어기의 성능 평가장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.
먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 본 발명의 일면에 따른, 풍력터빈시스템의 회전 날개 피치각 제어를 위한 피치제어기의 성능을 모의 시험하기 위한 풍력터빈 피치제어기의 성능 평가장치에 있어서, 풍력터빈 실시간 모의장치; 사용자의 설정에 따른 풍황정보를 포함하는 동작 명령들을 발생하고 상기 풍력터빈 실시간 모의장치로부터 풍력터빈 동작 데이터들을 수신하여 표시장치에 표시하기 위한 풍력터빈 운전 및 모니터링 장치; 상기 풍황정보에 따라, 정격 풍속 이하 영역에서는 상기 풍력터빈 실시간 모의장치로부터 입력되는 임의의 발전기 회전 속도에서 최대 출력 계수를 유지하도록 발전기 토크 지령치를 상기 풍력터빈 실시간 모의장치로 출력하고, 정격풍속 이상에서는 상기 풍력터빈 실시간 모의장치에서의 정격 출력을 위하여 피치제어 동작명령을 발생하는 주 제어기; 및 상기 정격 풍속 이하 영역에서는 동작을 하지 않다가, 상기 정격풍속 이상 영역에서 상기 동작명령에 따라 풍력터빈시스템의 회전날개 피치각 제어를 위한 지령치를 발생하는 피치제어기를 포함하고, 풍력터빈시스템에 대한 수학적 모델 기반의 처리 수단을 동작하는 상기 풍력터빈 실시간 모의장치는, 상기 동작 명령들, 상기 발전기 토크 지령치와 상기 회전날개 피치각 제어를 위한 지령치에 따라 동작하여, 상기 발전기 회전 속도, 및 상기 지령치를 발생의 기초가 되는 풍력터빈시스템의 회전날개 회전 속도와 각 회전날개의 회전 평면 외 굽힘 모멘트를 포함하는 상기 풍력터빈 동작 데이터들을 발생하는 것을 특징으로 한다.
상기 풍력터빈 실시간 모의장치는, 상기 풍력터빈 동작 데이터들을 발생하기 위한 FPGA(Field Programmable Gate Array) 반도체 회로 모듈 기반의 프로세서, 상기 풍력터빈 운전 및 모니터링 장치와 TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol) 통신을 하기 위한 TCP/IP 통신부, 및 상기 주 제어기 또는 상기 피치제이기와 상기 풍력터빈 동작 데이터들을 입출력하는 아날로그/디지털 입출력 단자를 포함한다.
상기 프로세서는, 상기 풍력터빈시스템에 대한 수학적 모델에 따라 상기 풍력터빈 동작 데이터들을 계산하는 계산부, 상기 운전 및 모니터링 장치로 보낼 상기 풍력터빈 동작 데이터들을 수집하는 데이터 수집부, 및 상기 데이터 수집부로부터 데이터들을 받아서 상기 TCP/IP 통신부로 전달하기 위하여 데이터를 변환하는 데이터 변환부를 포함한다.
상기 피치제어기는, 상기 회전날개 회전 속도를 적분한 방위각과 상기 각 회전날개의 회전 평면 외 굽힘 모멘트에 따라 각 회전날개 진동을 감쇠시키는 개별피치제어 피치각을 계산하는 개별피치제어부, 상기 회전날개 회전 속도에 따라 풍력터빈시스템의 상기 정격 출력 유지를 위하여 각 회전날개 회전 속도를 유지하는 통합피치제어 피치각을 계산하는 통합피치제어부, 및 상기 각 회전날개의 개별피치제어 피치각과 통합피치제어 피치각을 합산하여 상기 풍력터빈 실시간 모의장치로 출력하는 합산부를 포함한다.
상기 풍력터빈 운전 및 모니터링 장치는, 화면표시부; TCP/IP 통신부; 사용자의 설정에 따른 상기 풍황정보를 포함하는 상기 동작 명령들을 발생하는 사용자 설정 입력부, 및 상기 동작 명령들이 상기 화면표시부에 표시되도록 데이터 변환하고, 상기 동작 명령들을 상기 TCP/IP 통신부를 통해 송신하기 위한 데이터로 변환하는 데이터 변환부를 포함한다.
상기 풍력터빈 실시간 모의장치는, 상기 정격 출력 Prated 을 하기의 수학식으로 계산하여 상기 풍력터빈 동작 데이터들을 발생하며,
여기서, 선단 속도비 λ와 피치각 β의 함수인 출력 계수 Cp는 수학식
에 의해 결정되고, ρ는 공기 밀도, R은 회전날개의 길이, υ는 풍속, Ωr은 회전날개 회전 속도인 것을 특징으로 한다.
상기 풍력터빈 실시간 모의장치는, 하기의 수학식을 이용하여 상기 발전기 회전 속도 Ωg와 상기 회전날개 회전 속도 Ωr를 계산하며,
여기서, Jr 은 회전날개인 회전기 관성, Ta는 공력 토크, N은 낫셀 기어박스의 증속비, Ks 는 낫셀 동력 전달축의 비틀림 계수, Bs는 동력 전달축의 댐핑 계수, θr은 회전기의 회전각도, θg는 발전기의 회전각도, Br은 저속 회전축의 댐핑 계수, Bg는 고속 회전축의 댐핑 계수, Jg 는 발전기 관성, Tg는 발전기 반력 토크인 것을 특징으로 한다.
상기 풍력터빈 실시간 모의장치는, B개의 회전날개가 있는 풍력터빈시스템의 i 번 회전날개의 회전 좌표계의 y축 방향에서의 상기 평면 외 굽힘 모멘트 My ,i를 하기의 수학식을 이용하여 계산하며,
여기서, ρ는 공기 밀도, R은 회전날개의 길이, υw,i 는 i번 회전날개에 가해지는 풍속, Ωr은 회전날개 회전 속도, υ0,i 는 i번 회전날개의 유효 풍속, xfa는 풍력터빈 타워의 전후(fore-aft) 변위, H는 지면에서 허브까지의 높이, θi는 i번 회전날개의 방위각, CMy(υw,i, βi, Ωr)는 i번 회전날개의 평면 외 굽힘 모멘트 계수인 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른, 풍력터빈시스템의 회전 날개 피치각 제어를 위한 피치제어기의 성능을 모의 시험하기 위한 풍력터빈 피치제어기의 성능 평가방법에 있어서, 풍력터빈 운전 및 모니터링 장치에서 사용자의 설정에 따른 풍황정보를 포함하는 동작 명령들을 발생하고 풍력터빈 실시간 모의장치로부터 풍력터빈 동작 데이터들을 수신하여 표시장치에 표시하는 단계; 주 제어기에서 상기 풍황정보에 따라, 정격 풍속 이하 영역에서는 상기 풍력터빈 실시간 모의장치로부터 입력되는 임의의 발전기 회전 속도에서 최대 출력 계수를 유지하도록 발전기 토크 지령치를 상기 풍력터빈 실시간 모의장치로 출력하고, 정격풍속 이상에서는 상기 풍력터빈 실시간 모의장치에서의 정격 출력을 위하여 피치제어 동작명령을 발생하는 단계; 피치제어기에서 상기 정격 풍속 이하 영역에서는 동작을 하지 않다가, 상기 정격풍속 이상 영역에서 상기 동작명령에 따라 풍력터빈시스템의 회전날개 피치각 제어를 위한 지령치를 발생하는 단계; 및 풍력터빈시스템에 대한 수학적 모델 기반의 처리 수단을 동작하는 상기 풍력터빈 실시간 모의장치에서, 상기 동작 명령들, 상기 발전기 토크 지령치와 상기 회전날개 피치각 제어를 위한 지령치에 따라 동작하여, 상기 발전기 회전 속도, 및 상기 지령치를 발생의 기초가 되는 풍력터빈시스템의 회전날개 회전 속도와 각 회전날개의 회전 평면 외 굽힘 모멘트를 포함하는 상기 풍력터빈 동작 데이터들을 발생하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 풍력터빈 피치제어기의 성능 평가장치 및 그 방법에 따르면, 피치제어기 등 풍력터빈제어시스템을 개발하기 위해서는 다양한 시험조건들에 대한 개발 기술의 검증시험이 필수적인데, 이를 위하여 실제 풍력터빈시스템을 구축하여 운용하는 것은 장소, 비용, 운용 및 유지보수 등의 측면에서 비현실적이다. 따라서 컴퓨터 기반의 검증된 도구를 이용하여 실제 풍력터빈시스템을 실시간으로 모의하는 실시간 모의장치를 구축하여 활용하면, 풍력터빈시스템의 정상상태 운전뿐 만 아니라 각종 사고 시의 과도상태 시험도 반복 수행할 수 있게 되어 개발기간 단축 및 비용절감 효과를 동시에 얻을 수 있다.
특히, 본 발명에 따라, 풍력터빈 실시간 모의장치를 고안하는데 있어서 검증된 풍력터빈 모델링 소프트웨어 툴을 사용하여 풍력터빈 동역학 모델식을 세우되, 풍력터빈의 회전기 회전 속도뿐만 아니라 풍력터빈 회전기의 회전날개들에 가해지는 기계적 피로 하중 정도를 판단할 수 있는 회전날개의 루트(root) 부분의 회전기 회전 평면 외(out of plane) 굽힘 모멘트(bending moment)를 계산하여 그 값을 피치제어기에 전달하여, 풍력터빈의 기계적 피로 하중을 줄일 수 있도록 성능 시험이 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 풍력터빈시스템과 풍력터빈제어시스템과의 연계를 보여주는 도면.
도 2는 풍속 변화에 따른 제어 영역 구분을 보여주는 도면.
도 3은 다양한 피치각들에 대하여 선단 속도비와 출력 계수와의 관계를 보여주는 도면.
도 4는 두 개 질량 동력 전달 장치 모델을 보여주는 도면.
도 5는 윈드 쉬어 조건에서 회전날개가 주기적으로 가진되는 원리를 보여주는 도면.
도 6은 본 발명에 따른 피치제어기 성능평가 시스템을 보여주는 도면.
도 7은 풍력터빈의 굽힘 모멘트들을 보여주는 도면.
도 2는 풍속 변화에 따른 제어 영역 구분을 보여주는 도면.
도 3은 다양한 피치각들에 대하여 선단 속도비와 출력 계수와의 관계를 보여주는 도면.
도 4는 두 개 질량 동력 전달 장치 모델을 보여주는 도면.
도 5는 윈드 쉬어 조건에서 회전날개가 주기적으로 가진되는 원리를 보여주는 도면.
도 6은 본 발명에 따른 피치제어기 성능평가 시스템을 보여주는 도면.
도 7은 풍력터빈의 굽힘 모멘트들을 보여주는 도면.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 풍력터빈 피치제어기 성능평가 장치는 호스트-타겟 구조를 가지며, 호스트는 타겟의 각종 데이터들을 모니터링 및 변경할 수 있는 HMI(Human-Machine Interface)로 구현되고, 타겟은 실시간 운영체제(Real Time Operating System) 기반의 플랜트인 풍력터빈시스템으로서 이에 대한 수학적 동역학 모델을 실시간으로 계산하여 모의할 수 있도록 하였다. 하기하는 바와 같이 호스트와 타겟은 데이터 수수를 위하여 서로 TCP/IP 통신으로 연결된다. 피치제어기로 제어되는 풍력터빈시스템의 동작 상황을 운전자나 평가자가 직접 확인하여 피치제어기의 성능을 용이하게 판단할 수 있도록 호스트 PC에서 HMI 환경을 구비한다. 이러한 풍력터빈 운전 및 모니터링 장치는 피치제어기의 제어 성능들을 판단할 수 있는 풍력터빈 동작 정보들을 그래프나 수치 또는 애니메이션 등 다양한 형식으로 현시할 뿐만 아니라, 풍속, 풍향, 윈드 쉬어(wind shear), 타워 교란 그리고 난류 등을 변화시키거나 발생시킬 수 있는 수단을 제공하여 피치제어기에 대하여 다양한 조건에서의 시험을 가능하게 하여 보다 신뢰성 높은 성능 평가 수단을 제공한다.
풍력터빈시스템을 제어하는 피치제어기의 개발을 위해서는 다양한 시험조건(임의로 변동하는 풍황에 따른 다양한 운전 조건 및 고장 모델)들에 대한 개발 기술의 검증시험이 필수적인데, 이를 위하여 실제 풍력터빈시스템을 구축하여 운용하는 것은 장소, 비용, 운용 및 유지보수 등의 측면에서 매우 비현실적이다. 따라서 컴퓨터 기반의 검증된 도구를 이용하여 실제 풍력터빈시스템을 실시간으로 모의하는 실시간 시뮬레이터를 구축하여 활용하면, 풍력터빈시스템의 정상상태 운전뿐만 아니라 각종 고장 시의 과도상태 시험도 반복 수행할 수 있어서 개발기간 단축 및 비용절감 등의 효과를 동시에 얻을 수 있다. 실제 풍력터빈시스템에 대한 모의 시험을 위하여 검증된 소프트웨어 툴을 이용하여 동역학 모델링을 세우고, 이를 VxWorks와 같은 실시간 운영체제가 탑재된 고속 중앙처리장치를 갖는 재구성 가능한 FPGA(Field Programmable Gate Array) 반도체 회로 모듈 기반의 실시간 풍력터빈 모의장치에 다운로드하여 실시간으로 실행되도록 하여 풍력터빈의 실시간 동작을 모의할 수 있도록 하였다. 그리고 실시간 풍력터빈 모의장치는 피시험 대상인 임의의 피치제어기와 다양한 입출력 신호들을 연결하기 위하여 필요한 아날로그 및 디지털 입출력 모듈들을 구비한다.
도 1은 실시간으로 모의하고자 하는 본 발명에 따른 풍력터빈시스템(100)과 풍력터빈제어시스템(160, 170, 180)과의 연계를 보여주는 도면이다.
도 1과 같이, 풍력터빈시스템(100)은 타워(170) 위에 장착된 낫셀(140)과 낫셀(140)과 연결된 회전기허브(110)를 포함한다. 회전기허브(110)는 회전날개(111)들과 회전날개(111)들이 회전기허브(110)에 결합되는 루트(114) 그리고 각 회전날개(111)의 피치각(112)을 변동시키는 피치 액추에이터(113)로 구성된다. 낫셀(140)에는 동력 전달장치(150)와 전기시스템(160)이 포함된다. 동력 전달장치(150)는 회전기허브(110)로부터 회전력이 전달되는 저속 회전축(152), 기어박스 형태의 증속기(151)와 고속 회전축(153)으로 구성되고, 전기시스템(160)은 발전기(162)와 전력변환부(163)를 포함한다. 풍력터빈시스템(100)을 제어하기 위한 풍력터빈제어시스템(180)는 주 제어기(181)와 피치제어기(182) 그리고 전력변환제어기(183) 등으로 구성된다.
본 발명은 피치제어기(182)에 대한 성능평가장치에 관한 것이므로 피치제어기(182)와 풍력터빈시스템(100)과의 연계를 설명하면, 피치제어기(182)가 회전기허브(110)에서 측정된 회전날개 회전 속도값(115)과 회전 평면 외 굽힘 모멘트값들(120, 121, 122)에 따라, 정격 풍속 이상의 조건에서 정격 출력을 위한 정격 회전날개 회전 속도를 유지하고 동시에 회전날개(111)의 진동을 감쇠시키기 위한 피치각(112)을 계산하여, 회전기허브(110)의 피치 액추에이터(113)로 해당 제어 신호(117, 118, 119)를 출력하며, 이에 따라 피치 액추에이터(113)는 입력받은 피치각(112)이 되도록 각 회전날개(111)의 피치각을 변화시킨다.
주 제어기(181)는 풍황 즉 바람(130)의 풍속과 풍향 등의 정보를 입력 받아서 풍력터빈시스템(100)의 제어 영역들을 구분하며 정격 풍속 이하에서는 피치제어기(182)가 동작하지 않도록 하고, 대신 풍력터빈시스템(100)으로부터 발전기 회전 속도값(161)을 입력 받아서 해당 속도에서 최대 출력 계수를 가지는 발전기(162) 토크 지령치를 전력변환 제어기(183)에 출력한다. 전력변환 제어기(183)는 정격 풍속 이하 영역에서 최대 출력 계수를 가지도록 발전기(162)의 토크를 제어하며 풍력터빈시스템(100)이 생산한 전력을 AC 전력 계통에 알맞은 전력으로 공급될 수 있도록 전력 변환장치(163)의 전력변환 제어를 수행한다. 정격 풍속 이상이 되면 주 제어기(181)는 피치제어기(182)를 작동시켜서 피치제어기(182)가 풍력터빈시스템의 정격 출력을 유지하고 회전날개(111)의 진동을 감쇠시킬 수 있도록 제어하게 한다.
도 2는 풍속(211)의 변화에 따라 제어 영역(215, 216)이 구분되는 것을 보여준다. 기동풍속(212)과 정격풍속(213) 사이의 영역(215)에서는 최대 출력 계수를 가지도록 전력변환 제어기(180)에 의해 발전기(142)의 토크를 제어를 하며 정격풍속(213)과 차단풍속(214) 사이의 영역(216)에서는 정격 출력(217)을 내도록 피치제어기(160)에 의해 피치(각) 제어를 수행한다. 차단풍속(217) 이상의 풍속 조건에서는 풍력터빈시스템(100)의 운전을 정지한다.
도 3은 다양한 피치각들에 대하여 선단 속도비(302) 변화에 대한 출력 계수(301)의 변화를 보여주는 도표로서, 이 도표를 통해 피치각(303) 별로 선단 속도비(302)와 출력 계수(301)의 변화 추이가 변하는 것을 알 수 있다. 도표에서 볼 수 있듯이 선단 속도비(302)와 출력 계수(301)의 관계는 포물선을 그리며 최대 출력 계수가 되는 선단 속도비를 최적 선단 속도비로 하여 최적의 선단 속도비가 나오도록 발전기(162)의 토크를 제어한다. 선단 속도비(302)와 출력 계수(301)의 관계에서 피치각(303)이 변함에 따라 출력 계수(301)도 변하는 것을 알 수 있다. 도표에서 보듯이 피치각(303)이 증가할수록 출력 계수(301)가 낮아지므로, 정격 풍속 이상 영역에서 풍속이(211)이 증가하여도 피치 제어를 통해 풍력터빈시스템(100)의 출력 파워가 더 이상 증가하지 않고 정격 출력에서 머물 수 있음을 보여 준다.
도 4는 풍력터빈시스템(100)의 낫셀(140)에서의 두 개 질량(411, 422) 동력 전달장치에 대한 모델을 보여 준다. 이 모델에서 뉴튼 운동 방정식에 의한 동역학 모델식을 세워서 회전기(저속 회전축(152)) 회전 속도(419)와 고속 회전축(153), 즉 발전기 회전 속도(424) 등을 계산한다.
도 5는 윈드 쉬어(512) 현상에 의해서 풍력터빈시스템(100)의 각 회전날개(111)에서 어떻게 회전 주기적으로 진동이 발생하는지 그 원리를 보여 준다. 윈드 쉬어(512) 상황에서는 회전날개(111)가 최상위(513)에 왔을 때 바람 에너지를 가장 크게 받고 최하위(514) 왔을 때 바람 에너지를 가장 작게 받게 되는데, 이렇게 회전날개(111)가 회전하면서 주기적으로 달라지는 바람 에너지를 받게 되면 회전날개(111) 한 개 당 회전기 1회전 주기, 즉 1P(516) 내에서 회전날개(111)의 정현적인 진동(515)이 발생하게 된다. 이렇게 주기적으로 가해지는 회전날개(111)의 진동이 회전기허브(522)에서 발생하여 후단의 도 1의 140, 170에 해당하는 낫셀(520)과 타워(521) 등으로 전달되어 기계적 피로 하중으로 작용하여 전체 시스템의 기구적 수명 단축과 출력 저하의 원인이 된다. 이러한 주기적 회전날개(111) 진동 문제를 해결하기 위한 방법으로 회전날개(111)의 피치각(112)을 회전날개(111)의 회전 위치 별로 다르게 변화시켜 주는데 앞의 윈드 쉬어 영향에 의한 진동을 줄이기 위해서는 회전날개(111)가 최상위에 왔을 때 피치각을 최대(517)로 키우고 회전날개가 하위로 갈수록 피치각을 최소(518)로 줄이면 회전날개의 정현적 진동이 감쇠(523)된다. 풍력터빈시스템(100)의 회전날개(111)들이 회전하면서 각각의 회전날개(111)의 위치가 다르므로 회전날개(111) 별로 다르게 적절한 피치각(112)으로 변화시켜야 하며 이러한 피치제어를 개별피치제어라고 부른다.
도 6은 본 발명에 따른 피치제어기 성능평가 시스템을 보여주는 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 피치제어기 성능평가 시스템은, 위와 같은 도 1의 풍력터빈시스템(100)을 수학적 모델로 모의하여 풍력터빈 피치제어기(182)의 성능을 평가하기 위한 시스템으로서, 풍력터빈시스템(100)을 수학적 모델로 모의하여 실시간으로 풍력터빈 동작을 계산하여 그 결과를 입출력하는 풍력터빈 실시간 모의장치(600), 도1의 181, 182에 해당하는 풍력터빈 주제어기(650)와 피치제어기(640) 및 사용자(운전원이나 평가자 등)가 풍력터빈 피치제어기(640)의 성능을 평가할 수 있도록 풍력터빈 실시간 모의장치(600)의 각종 동작 결과를 LCD와 같은 화면표시부(661)를 통해 보여주고 풍황 등의 동작 환경(665)이나 동작 명령(666) 등을 설정하여 풍력터빈 실시간 모의장치(600)로 전달할 수 있는 HMI 형태의 풍력터빈 운전 및 모니터링 장치(660)를 포함한다.
풍력터빈 실시간 모의장치(600)는 실시간 운영체제가 탑재되어 동작하는 FPGA(Field Programmable Gate Array) 반도체 회로 모듈 기반의 프로세서(610), 풍력터빈 운전 및 모니터링 장치(660)와 TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol) 통신을 하기 위한 TCP/IP 통신부(620), 그리고 주 제어기(650), 피치제이기(640)와 데이터를 입출력하는 아날로그/디지털 입출력 단자(630)를 포함한다. 실시간 운영체제 기반의 프로세서(610)에는 실제 풍력터빈시스템을 수학적으로 모델링하여 실시간으로 풍력터빈시스템 동작을 계산하는 풍력터빈시스템 수학적 모델을 갖는 계산부(611)와 계산 결과를 풍력터빈 운전 및 모니터링 장치(660)로 보낼 데이터들을 수집하는 데이터 수집부(612)와 데이터 수집부(612)로부터 데이터들을 받아서 TCP/IP 통신부(620)로 전달하기 위하여 데이터를 변환하는 데이터 변환부(613)들이 있다. 데이터 변환부(613)는 풍력터빈 운전 및 모니터링 장치(660)로부터 TCP/IP 통신부(620)를 통해 TCP/IP 통신으로 받는 사용자 설정의 동작 명령들을 변환하여 계산부(611)로 입력하여, 계산부(611)에서 풍력터빈시스템에 대한 수학적 모델 기반으로 도 1과 같은 풍력터빈시스템의 기본적인 동작에 관한 해당 수학적 모델 기반의 계산을 수행하여 풍력터빈 동작 데이터들을 생성하도록 할 수 있다. 이외에도 풍력터빈시스템 수학적 모델 기반의 계산부(611)가 입력받는 데이터들은 주 제어기(650)와 피치제어기(640)로부터 입출력 단자(630)를 통해 A/D(Analog to Digital) 변환되어 오는 발전기 토크 지령치(615)와 회전날개 각각의 피치각 지령치들(635, 636, 637) 그리고 데이터 변환부(613)로부터 오는 사용자 설정 데이터(614)이다. 풍력터빈시스템 수학적 모델 기반의 계산부(611)가 출력하는 데이터들은 회전날개 회전 속도(631), 회전기 허브(522)의 루트(113)에서 측정된 각 회전날개의 회전 평면 외 굽힘 모멘트 값들(632, 633, 634), 그리고 발전기 회전 속도(638)이다. 발전기 회전 속도(638)는 도 1에서 고속 회전축(153)의 회전 속도에 해당한다. 풍력터빈 실시간 모의장치(600)의 TCP/IP 통신부(620)는 풍력터빈 운전 및 모니터링 장치(660)와 TCP/IP 통신으로 데이터를 송수신(666)하는데, 풍력터빈 운전 및 모니터링 장치(660)로부터 사용자 설정 데이터들을 수신하고 풍력터빈시스템 수학적 모델 기반의 계산부(611)로부터 계산된 풍력터빈 동작 결과 데이터들을 송신한다.
주 제어기(650)는 풍력터빈 운전 및 모니터링 장치(660)로부터 사용자가 설정한 풍황 정보(665)를 입력받아서 풍력터빈시스템에 대한 제어 영역을 결정한다. 정격 풍속 이하 영역에서는 풍력터빈 실시간 모의장치(600)로부터 입력되는 임의의 발전기 회전 속도(638) 조건에서 최대 출력 계수를 유지하도록 발전기 토크 지령치(615)를 풍력터빈 실시간 모의장치(600)로 출력하고, 정격풍속 이상에서는 피치제어기(640)가 피치제어를 수행하도록 명령한다.
피치제어기(640)는 정격풍속 이하의 제어 영역에서는 동작을 하지 않다가, 정격풍속 이상 제어 영역에서 주 제어기(650)로부터 동작 명령을 받는 경우 통합피치제어부(642)에서 통합피치제어 알고리즘을 수행하고 개별피치제어부(641)에서 개별피치제어 알고리즘을 수행한다. 개별피치제어부(641)에서는 풍력터빈 실시간 모의장치(600)로부터의 회전날개 회전 속도(631)를 적분한 방위각과 실시간 모의장치(600)로부터의 각 회전날개의 회전 평면 외 굽힘 모멘트(632, 633, 634)들에 기초하여 회전날개 진동을 감쇠시키는 개별피치제어 피치각을 계산하고, 통합피치제어부(642)에서는 풍력터빈 실시간 모의장치(600)로부터 회전날개 회전 속도(631)를 입력받아서 정격 출력 유지를 위하여 회전날개 회전 속도를 유지하는 통합피치제어 피치각을 계산한다. 이들 각각의 제어부에서 계산된 피치각들을 합산부에서 합산하여 각 회전날개 피치각 지령치(635, 636, 637)를 풍력터빈 실시간 모의장치(600)로 출력한다.
풍력터빈 운전 및 모니터링 장치(660)는 화면 표시부(661), 사용자 설정 입력부(662), TCP/IP 통신부(663), 그리고 데이터 변환부(664)들로 구성된다. TCP/IP 통신부(663)는 풍력터빈 실시간 모의장치(600)로부터 TCP/IP 통신으로 전달되는 풍력터빈 동작 데이터들을 수신하고, 사용자 설정 입력부(662)를 통해 사용자가 설정한 값을 역시 TCP/IP 통신으로 풍력터빈 실시간 모의장치(600)로 전달한다. 데이터 변환부(664)는 TCP/IP 통신부(663)에서 수신된 데이터를 화면 표시부(661)로 전달하기 전에 데이터를 변환하거나 사용자 설정 입력부(662)에서 설정한 값을 TCP/IP 통신부(663)에서 송신하기 위한 데이터로 변환한다. 사용자 설정 입력부(662)에서 사용자는 풍력터빈시스템의 각종 환경 즉 풍황 등을 설정할 수 있고 여러 동작 명령들을 설정할 수 있다. 화면 표시부(661)는 풍력터빈 실시간 모의장치(600)로부터 TCP/IP 통신으로 전달된 동작 데이터들을 LCD등 표시장치로 현시하여 사용자가 피치제어기(640)의 피치제어에 의한 풍력터빈 동작을 확인할 수 있도록 하므로 이를 통해 피치제어기(640)의 성능을 평가할 수 있다. 풍력터빈 운전 및 모니터링 장치(660)의 사용자 설정 입력부(662)에서 설정된 풍황 정보가 주 제어기(650)로 입력되어 제어 영역을 판단할 수 있도록 한다.
도 7은 풍력터빈의 굽힘 모멘트들을 보여주는 도면이다. 회전 날개에서의 좌표계는 회전기허브를 중심점으로 한 고정 좌표계(710)또는 회전날개들(예, 3개) 중 i번 회전날개(721)에 의한 회전 좌표계(720)를 설정할 수 있으며, 회전 좌표계(720)에서 x-축은 낫셀 방향으로 향하도록 하고 Mx ,i 는 x-축 방향 굽힘 모멘트(722)이고, z-축은 i번 회전날개와 같은 축을 이루도록 하여 Mz ,i 는 z-축 방향 굽힘 모멘트(724)이며, y-축은 오른손 법칙에 의하여x-축과 z-축과 각각 반시계 방향으로 90도를 이루어 My ,i 는 y-축 방향 굽힘 모멘트(723)라 정의한다. 이와 같은 Mx,i, My ,i, Mz ,i 가 회전날개 회전 평면(730) 외 굽힘 모멘트(632, 633, 634)에 해당하며 개별피치제어부(641)에서 회전날개 진동을 감쇠시키는 개별피치제어에 사용된다.
한편, 이와 같은 본 발명에 따른 피치제어기 성능평가 시스템의 동작 원리에 기반한, 피치제어기(640)는 크게 두 가지의 제어 목적을 가진다. 첫째는 풍력터빈시스템(100)의 기동 풍속(212)과 정격 풍속(213) 이하의 영역(215)에서는 바람(130)으로부터 에너지를 최대로 회수할 수 있도록 일정한 최소 각도로 회전날개(111) 피치 각(112)을 유지하다가, 정격 풍속(213) 이상과 차단 풍속(214) 이하의 영역(216)에서 피치제어기(640)가 작동하여 해당 풍력터빈시스템(100)이 정격 출력(217)을 일정하게 유지하도록 제한하는 제어 목적을 가진다.
둘째는 풍력터빈시스템(100)이 동작하는 실제 환경은 윈드 쉬어(wind shear)(512)나 타워 쇄도우(tower shadow) 또는 난류 등의 영향으로 인하여 각 회전날개(111)가 차별적으로 가진되어 그 진동이 도 1의 로터허브(110) 후단의 낫셀(140) 그리고 타워(170) 등으로 전달되면서 기계적 피로 하중으로 작용하는데, 이러한 풍력터빈시스템에 가해지는 기계적 피로 하중을 줄이는 제어 목적을 가진다.
풍력터빈시스템(100)에 가해지는 바람(130)의 풍속(211)이 정격 풍속(213) 이상이 되면, 발전기(162) 토크를 일정하게 유지하면서 피치제어기(182)가 회전날개(111)의 피치각(112)을 제어하여 바람 에너지의 회수 효율을 낮추어 풍력터빈시스템(100)의 출력 파워(210)를 정격으로 유지하도록 한다. 풍력터빈시스템(100)의 출력 파워(210)를 정격 Prated(217)으로 일정하게 유지하려면 [수학식1]과 같은 조건에서 바람(130) 에너지의 회수 효율을 나타내는 출력 계수 Cp(301)가 [수학식2]와 같이 풍속 υ (211)의 3제곱에 반비례해야 함을 알 수 있다. 이를 위해서는 회전날개(111) 단면의 바람의 받음각이 작아지도록 회전날개(111)의 피치각 β (112)을 증가시키면 된다. 여기서 ρ는 공기 밀도, R은 회전날개의 길이(116). [수학식2]에서 출력 계수 Cp(301)는 선단 속도비(302) λ와 피치각 β (112)의 함수이고, 선단 속도비 λ는 [수학식3]과 같이 풍속 υ에 대한 회전 날개(111) 끝단의 회전 속도(RΩr)의 비를 의미하고, 회전 날개(111) 끝단의 회전 속도는 회전날개의 길이 R과 회전날개 회전 속도 Ωr의 곱이다. 실시간 모의장치(600)는 모델에서 이와 같은 수학식들을 이용한다.
[수학식1]
[수학식2]
[수학식3]
도 3에서 선단 속도비(302) λ와 출력 계수 Cp(301)의 관계에서 피치각(303,112) β이 변함에 따라 출력 계수 Cp(301)도 변하는 것을 알 수 있다. 도 3의 도표에서 보듯이 피치각(303)이 증가할수록 출력 계수(301)가 낮아지므로, 피치 제어를 통해 풍속(211)이 증가하여도 풍력터빈시스템의 출력 파워(210)가 더 이상 증가하지 않고 정격 출력(217)에서 머물 수 있음을 보여 준다.
실제로 각 회전날개(111)의 피치각(112)은 유압 또는 전기 모터 형태의 피치 액추에이터(113)에서 조절되는데, 피치제어기(640)는 정격 풍속(213) 이상에서 정격 출력(217)을 유지해야 하는 제어 목적을 달성하기 위하여 정해진 정격의 회전날개 속도 기준값과 풍력터빈시스템(100)의 센서로부터 입력되는 회전날개의 회전 속도(115)를 서로 비교하여 정격 회전날개 속도가 유지되도록 제어 알고리즘으로 계산된 피치각 값(117, 118, 119)을 지령치의 형태로 피치 액추에이터(113)에 전달한다. 풍력터빈 실시간 모의장치(600)에는 피치 액추에이터(113)에 관한 모델도 포함시켜서 피치 제어기(640)로부터 오는 피치각 지령치(635, 636, 637)를 입력받아서 피치 액추에이터(113) 모델에서 회전날개 피치각(112)의 변화를 모의하면, 지령치대로 변화된 피치각(112)에서의 회전기의 회전 속도(631)를 계산하여 풍력터빈 실시간 모의장치(600)가 피치제어기(640)로 출력한다. 원래 피치제어기(182)는 풍력터빈의 회전기 회전속도(115) 측정 센서로부터 오는 값을 수령하므로 실시간 모의장치(600)는 모델에서 회전날개 회전속도(631)에 센서 노이즈를 포함시켜서 출력하도록 한다.
다음 [수학식4], [수학식5]는 도 4의 풍력터빈시스템 낫셀(140)의 두 개 질량 동력 전달장치(150)에 대한 뉴튼 운동 방정식에 의한 동역학 모델식으로 실시간 모의장치(600)는 이를 이용해 회전기 회전 속도(115)(저속 회전축(152) 회전 속도 또는 회전날개 회전 속도)와 발전기 회전 속도(161)(고속 회전축(153) 회전 속도)들을 계산한다.
[수학식4]
[수학식5]
여기서 Jr 은 회전기 관성(411), Ta는 공력 토크(412), N은 기어박스(131, 413)의 증속비(414), Ks 는 동력 전달축(415)의 비틀림 계수(416), Bs는 동력 전달축(415)의 댐핑 계수(417), θr은 회전기의 회전각도(418), θg는 발전기의 회전각도(425), Br은 저속 회전축(132, 424)의 댐핑 계수(420), Bg는 고속 회전축(133, 425)의 댐핑 계수(421), Jg 는 발전기 관성(422), Tg는 발전기 반력 토크(423), 그리고 Ωr과 Ωg는 각각 회전기의 회전 속도(115, 419)와 발전기 회전 속도(141, 424)이다.
풍력터빈시스템(100)이 대형화되면서 회전날개(111)가 길어지므로 회전날개(111)의 재료를 경량화하고 유연한 것으로 사용하는 추세이다. 그렇다 보니 회전날개(111)의 댐핑이 상대적으로 줄어들어서 회전날개(111)가 회전하면서 주기적으로 회전날개(111) 별로 차별적 진동이 발생하고 이렇게 발생하는 진동이 풍력터빈시스템(100) 전체 또는 각 부분에 기계적 하중으로 작용하여 풍력터빈시스템(100)의 수명 단축과 출력 저하의 원인이 된다. 도 5에서는 윈드 쉬어(512) 현상에 의해서 풍력터빈시스템(100)의 각 회전날개(111)에서 어떻게 회전 주기적으로 진동이 발생하는지 그 원리를 보여 준다. 윈드 쉬어(512) 현상은 대형 풍력터빈시스템(100)에서 길이가 길어진 회전날개(111)가 회전하면서 고도가 달라짐에 따라 받는 풍속(211)이 달라지는 것이다. 즉 회전날개(111)가 최상위(513)에 왔을 때 바람 에너지를 가장 크게 받고 최하위(514) 왔을 때 바람 에너지를 가장 작게 받게 된다. 이렇게 회전날개(111)가 회전하면서 주기적으로 달라지는 바람 에너지를 받게 되면 회전날개(111) 한 개 당 회전기 1회전 주기의 정현적인 진동(515)이 발생하게 된다. 예를 들어 3개의 회전날개(111)를 가진 풍력터빈의 경우 회전기 회전 주파수(1P)(516)의 3배(3P)에 해당하는 진동 성분이 발생한다. 이러한 주기적 회전날개(111) 진동 문제를 해결하기 위한 방법으로 회전날개(111)의 피치각(112)을 회전날개(111)의 회전 위치 별로 다르게 변화시켜 주는데 앞의 윈드 쉬어(512) 영향에 의한 진동을 줄이기 위해서는 회전날개(111)가 최상위에 왔을 때 피치각(517)을 최대로 키우고 회전날개가 하위로 갈수록 피치각(518)을 줄이면 된다. 풍력터빈시스템(100)의 회전날개(111)들이 회전하면서 각각의 회전날개(111)의 위치가 다르므로 회전날개(111) 별로 다르게 적절한 피치각(112)으로 변화시켜야 하며 이러한 피치제어를 개별피치제어기(641)가 수행한다. 개별피치제어기(641)와 구별하여 앞서 기술한 정격 출력(217)을 유지하기 위한 피치제어는 일단 각 회전날개(111)의 피치각(112)에 동일한 값을 지령하므로 이는 통합피치제어기(642)가 수행한다.
피치제어기(640)는 회전날개(111)의 진동에 의한 풍력터빈시스템(100)의 기계적 하중을 줄이기 위하여 여러 가지 알고리즘들을 수행할 수 있는데 가장 일반적인 개별피치제어(641) 알고리즘은 각각의 회전날개(111)의 루트(root)(114) 위치에서 회전 평면(511, 730) 외 방향(out of plane)으로의 굽힘 모멘트(bending moment) 값(120, 121, 122)과 회전기의 회전 방위각(519)을 사용한다. 이를 위하여 풍력터빈 모의장치(600)는 각 회전날개(111)의 회전 평면(511, 730) 외 굽힘 모멘트(632, 633, 634)를 계산하여 센서 측정값처럼 센서 노이즈를 포함시켜서 피치제어기(640)로 출력하고 통합피치제어에 사용되는 회전기 회전 속도(631)도 피치제어기(640)로 출력한다. 개별피치제어를 수행하는 피치제어기(640)는 회전날개 평면(511, 730) 외 굽힘 모멘트 측정값들(120, 121, 122)과 회전기 회전 속도 측정값(115)들을 필터링하여 사용하는데 회전기의 회전 방위각(519)은 회전기 회전 속도값(115)을 적분하여 사용한다. 풍력터빈시스템(100)으로부터 입력되는 회전날개 평면(511, 730) 외 굽힘 모멘트값들(120, 121, 122)은 회전 좌표계(720)에 기반한 값으로 이들을 고정 좌표계(710) 기반의 선형 시불변 모델로 변환하면 효과적인 개별피치제어 알고리즘을 설계할 수 있다.
피치제어기(640)의 개별피치제어기(641)는 개별피치제어를 수행하기 위하여 풍력터빈 모의장치(600)의 풍력터빈시스템 수학적 모델(611)에서 계산하여 출력해야 할 중요한 값이 회전날개 평면(730) 외 굽힘 모멘트값들(632, 633, 634)이며 [수학식6]과 같다.
[수학식6]
여기서 My ,i는 i 번(총 B개의 회전날개가 있는 풍력터빈의 경우) 회전날개(721) 회전 좌표계의 y축 방향 모멘트(723)로 i번 회전날개(721)의 평면(730) 외 굽힘 모멘트가 되고, x, z축에 대한 평면(730) 외 굽힘 모멘트를 포함한 평면(730) 외 굽힘 모멘트들이 유하하게 계산될 수 있다. CMy(υw,i, βi, Ωr)는 i번 회전날개(721)의 평면(511, 730) 외 굽힘 모멘트(632, 633, 634) 계수이고 υw,i 는 i번 회전날개(721)에 가해지는 상대 풍속으로 [수학식7]과 같다.
[수학식7]
여기서 υ0,i 는 i번 회전날개(721)의 유효 풍속, xfa는 풍력터빈 타워(521)의 전후(fore-aft) 변위, H는 지면에서 허브(522)까지의 높이 그리고 θi는 i번 회전날개(721)의 방위각(519)이다.
어떤 특정 풍력터빈시스템(100) 모델을 모사하는 실시간 모의장치(600)는 해당 풍력터빈시스템(100) 모델에 대한 파라메터들을 가지고 있고 앞의 공기 역학식들을 풀어서 피치제어기(640)로 통합피치제어(642)와 개별피치제어(641) 알고리즘에 필요한 회전날개(111) 회전속도 Ωr (115, 622)와 총 B개의 회전날개(111)들 각각의 평면(511, 730) 외 굽힘 모멘트 My ,i (723)를 실시간으로 출력한다. 피치제어기(640)는 풍력터빈 실시간 모의장치(600)로부터 회전날개 회전속도 Ωr (631)를 입력받아서 정격풍속(213) 이상 영역(216)에서 정해진 정격 회전날개 회전속도를 유지하도록 제어 알고리즘을 수행하여 통합피치제어(642) 값을 계산하고 각 회전날개(111)의 평면(511, 730) 외 굽힘 모멘트 My ,i (723)를 입력받아서 이를 줄여서 풍력터빈시스템(100)의 기계적 하중을 줄이는 제어 알고리즘을 수행하여 개별피치제어(641) 값들을 계산하고 최종적으로 통합피치제어(642) 값과 개별피치제어(641) 값들을 합하여 각 회전날개(111) 별로 피치제어 값(635, 636, 637)을 풍력터빈 실시간 모의장치(600)로 출력한다.
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.
600: 풍력터빈 실시간 모의장치
640: 성능평가 피시험 대상인 피치제어기
650: 주 제어기
660: 풍력터빈 운전 및 모니터링 장치
610: 실시간 운영체제 기반 프로세서
611: 풍력터빈시스템 수학적 모델
630: 아날로그 및 디지털 입출력 단자
641: 개별피치제어부
642: 통합피치제어부
640: 성능평가 피시험 대상인 피치제어기
650: 주 제어기
660: 풍력터빈 운전 및 모니터링 장치
610: 실시간 운영체제 기반 프로세서
611: 풍력터빈시스템 수학적 모델
630: 아날로그 및 디지털 입출력 단자
641: 개별피치제어부
642: 통합피치제어부
Claims (9)
- 풍력터빈시스템의 회전 날개 피치각 제어를 위한 피치제어기의 성능을 모의 시험하기 위한 풍력터빈 피치제어기의 성능 평가장치에 있어서,
풍력터빈 실시간 모의장치; 사용자의 설정에 따른 풍황정보를 포함하는 동작 명령들을 발생하고 상기 풍력터빈 실시간 모의장치로부터 풍력터빈 동작 데이터들을 수신하여 표시장치에 표시하기 위한 풍력터빈 운전 및 모니터링 장치;
상기 풍황정보에 따라, 정격 풍속 이하 영역에서는 상기 풍력터빈 실시간 모의장치로부터 입력되는 임의의 발전기 회전 속도에서 최대 출력 계수를 유지하도록 발전기 토크 지령치를 상기 풍력터빈 실시간 모의장치로 출력하고, 정격풍속 이상에서는 상기 풍력터빈 실시간 모의장치에서의 정격 출력을 위하여 피치제어 동작명령을 발생하는 주 제어기; 및
상기 정격 풍속 이하 영역에서는 동작을 하지 않다가, 상기 정격풍속 이상 영역에서 상기 동작명령에 따라 풍력터빈시스템의 회전날개 피치각 제어를 위한 지령치를 발생하는 피치제어기를 포함하고,
풍력터빈시스템에 대한 수학적 모델 기반의 처리 수단을 동작하는 상기 풍력터빈 실시간 모의장치는, 상기 동작 명령들, 상기 발전기 토크 지령치와 상기 회전날개 피치각 제어를 위한 지령치에 따라 동작하여, 상기 발전기 회전 속도, 및 상기 지령치를 발생의 기초가 되는 풍력터빈시스템의 회전날개 회전 속도와 각 회전날개의 회전 평면 외 굽힘 모멘트를 포함하는 상기 풍력터빈 동작 데이터들을 발생하는 것을 특징으로 하는 풍력터빈 피치제어기의 성능 평가장치. - 제1항에 있어서,
상기 풍력터빈 실시간 모의장치는,
상기 풍력터빈 동작 데이터들을 발생하기 위한 FPGA(Field Programmable Gate Array) 반도체 회로 모듈 기반의 프로세서,
상기 풍력터빈 운전 및 모니터링 장치와 TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol) 통신을 하기 위한 TCP/IP 통신부, 및
상기 주 제어기 또는 상기 피치제이기와 상기 풍력터빈 동작 데이터들을 입출력하는 아날로그/디지털 입출력 단자
를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력터빈 피치제어기의 성능 평가장치. - 제2항에 있어서,
상기 프로세서는, 상기 풍력터빈시스템에 대한 수학적 모델에 따라 상기 풍력터빈 동작 데이터들을 계산하는 계산부,
상기 운전 및 모니터링 장치로 보낼 상기 풍력터빈 동작 데이터들을 수집하는 데이터 수집부, 및
상기 데이터 수집부로부터 데이터들을 받아서 상기 TCP/IP 통신부로 전달하기 위하여 데이터를 변환하는 데이터 변환부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력터빈 피치제어기의 성능 평가장치. - 제1항에 있어서,
상기 피치제어기는,
상기 회전날개 회전 속도를 적분한 방위각과 상기 각 회전날개의 회전 평면 외 굽힘 모멘트에 따라 각 회전날개 진동을 감쇠시키는 개별피치제어 피치각을 계산하는 개별피치제어부,
상기 회전날개 회전 속도에 따라 풍력터빈시스템의 상기 정격 출력 유지를 위하여 각 회전날개 회전 속도를 유지하는 통합피치제어 피치각을 계산하는 통합피치제어부, 및
상기 각 회전날개의 개별피치제어 피치각과 통합피치제어 피치각을 합산하여 상기 풍력터빈 실시간 모의장치로 출력하는 합산부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력터빈 피치제어기의 성능 평가장치. - 제1항에 있어서,
상기 풍력터빈 운전 및 모니터링 장치는,
화면표시부; TCP/IP 통신부; 사용자의 설정에 따른 상기 풍황정보를 포함하는 상기 동작 명령들을 발생하는 사용자 설정 입력부, 및
상기 동작 명령들이 상기 화면표시부에 표시되도록 데이터 변환하고, 상기 동작 명령들을 상기 TCP/IP 통신부를 통해 송신하기 위한 데이터로 변환하는 데이터 변환부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력터빈 피치제어기의 성능 평가장치. - 제1항에 있어서,
상기 풍력터빈 실시간 모의장치는,
상기 정격 출력 Prated 을 하기의 수학식으로 계산하여 상기 풍력터빈 동작 데이터들을 발생하며,
여기서, 선단 속도비 λ와 피치각 β의 함수인 출력 계수 Cp는 수학식
에 의해 결정되고, ρ는 공기 밀도, R은 회전날개의 길이, υ는 풍속, Ωr은 회전날개 회전 속도인 것을 특징으로 하는 풍력터빈 피치제어기의 성능 평가장치. - 제1항에 있어서,
상기 풍력터빈 실시간 모의장치는,
하기의 수학식을 이용하여 상기 발전기 회전 속도 Ωg와 상기 회전날개 회전 속도 Ωr를 계산하며,
여기서, Jr 은 회전날개인 회전기 관성, Ta는 공력 토크, N은 낫셀 기어박스의 증속비, Ks 는 낫셀 동력 전달축의 비틀림 계수, Bs는 동력 전달축의 댐핑 계수, θr은 회전기의 회전각도, θg는 발전기의 회전각도, Br은 저속 회전축의 댐핑 계수, Bg는 고속 회전축의 댐핑 계수, Jg 는 발전기 관성, Tg는 발전기 반력 토크인 것을 특징으로 하는 풍력터빈 피치제어기의 성능 평가장치. - 제1항에 있어서,
상기 풍력터빈 실시간 모의장치는,
B개의 회전날개가 있는 풍력터빈시스템의 i 번 회전날개의 회전 좌표계의 y축 방향에서의 상기 평면 외 굽힘 모멘트 My ,i를 하기의 수학식을 이용하여 계산하며,
여기서, ρ는 공기 밀도, R은 회전날개의 길이, υw,i 는 i번 회전날개에 가해지는 풍속, Ωr은 회전날개 회전 속도, υ0,i 는 i번 회전날개의 유효 풍속, xfa는 풍력터빈 타워의 전후(fore-aft) 변위, H는 지면에서 허브까지의 높이, θi는 i번 회전날개의 방위각, CMy(υw,i, βi, Ωr)는 i번 회전날개의 평면외 굽힘 모멘트 계수인 것을 특징으로 하는 풍력터빈 피치제어기의 성능 평가장치. - 풍력터빈시스템의 회전 날개 피치각 제어를 위한 피치제어기의 성능을 모의 시험하기 위한 풍력터빈 피치제어기의 성능 평가방법에 있어서,
풍력터빈 운전 및 모니터링 장치에서 사용자의 설정에 따른 풍황정보를 포함하는 동작 명령들을 발생하고 풍력터빈 실시간 모의장치로부터 풍력터빈 동작 데이터들을 수신하여 표시장치에 표시하는 단계;
주 제어기에서 상기 풍황정보에 따라, 정격 풍속 이하 영역에서는 상기 풍력터빈 실시간 모의장치로부터 입력되는 임의의 발전기 회전 속도에서 최대 출력 계수를 유지하도록 발전기 토크 지령치를 상기 풍력터빈 실시간 모의장치로 출력하고, 정격풍속 이상에서는 상기 풍력터빈 실시간 모의장치에서의 정격 출력을 위하여 피치제어 동작명령을 발생하는 단계;
피치제어기에서 상기 정격 풍속 이하 영역에서는 동작을 하지 않다가, 상기 정격풍속 이상 영역에서 상기 동작명령에 따라 풍력터빈시스템의 회전날개 피치각 제어를 위한 지령치를 발생하는 단계; 및
풍력터빈시스템에 대한 수학적 모델 기반의 처리 수단을 동작하는 상기 풍력터빈 실시간 모의장치에서, 상기 동작 명령들, 상기 발전기 토크 지령치와 상기 회전날개 피치각 제어를 위한 지령치에 따라 동작하여, 상기 발전기 회전 속도, 및 상기 지령치를 발생의 기초가 되는 풍력터빈시스템의 회전날개 회전 속도와 각 회전날개의 회전 평면 외 굽힘 모멘트를 포함하는 상기 풍력터빈 동작 데이터들을 발생하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력터빈 피치제어기의 성능 평가방법.
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| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |