KR20150076737A - 풍력 터빈의 풍력 속도 추정 장치 및 그 풍력 속도 추정 방법 - Google Patents

풍력 터빈의 풍력 속도 추정 장치 및 그 풍력 속도 추정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 로터 회전 시 발생하는 실제 터빈 운동 정보를 감지하는 제1감지부; 추정된 풍력 속도에 근거한 공기역학적 토크 정보를 감지하는 제2감지부; 및 실제 터빈 운동 정보와 공기역학적 토크 정보의 차이를 판단하는 풍력 속도 판단부를 포함하는 풍력 터빈의 풍력 속도 추정 장치 및 그 풍력 속도 추정 방법을 제공한다.

Description

풍력 터빈의 풍력 속도 추정 장치 및 그 풍력 속도 추정 방법{Apparatus for estimating wind power speed of wind power turbine and method for estimating wind power speed thereof}
본 발명은 풍력 터빈의 풍력 속도 추정 장치 및 그 풍력 속도 추정 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 종래 풍력 터빈은 바람의 운동 에너지를 기계적인 에너지로 변환시켜 전력을 생산하도록 제공되었다.
즉, 종래 풍력 터빈은 바람에 의해 복수개의 블레이드가 회전 운동하고, 전력 변환기를 통해 바람의 운동 에너지를 기계적인 에너지로 변환시켜 전력을 생산하도록 제공되었다.
이러한, 종래 풍력 터빈은 외부 환경 요인에 따라 변화되는 현재 풍력 속도를 감지하는데에 한계가 있었다.
따라서, 종래 풍력 터빈은 외부 환경 요인에 따라 변화되는 현재 풍력 속도 를 정확하게 계측하는데에 한계가 있었다.
이에 따라, 기존 풍력 터빈에 설치된 풍속 계측기의 부정확함으로 인해 보다 정확한 풍력 속도 계측 방법이 필요한 실정이다.
일예로, 유럽 공개특허 EP2056210에 개시된 풍력 에너지 시스템은 로터 회전속도, 피치각, 출력특성, 로터 토크 및 풍향을 이용하여 유효풍속을 계산함으로써 풍속을 계측하였으나, 풍속을 계측하는데에 있어 정확성을 높히는데에 한계가 있었다.
유럽 공개특허 EP2056210(2009. 05. 06)
본 발명의 목적은, 풍력 속도를 정확하게 계측할 수가 있는 풍력 터빈의 풍력 속도 추정 장치 및 그 풍력 속도 추정 방법을 제공하는데에 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 로터 회전 시 발생하는 실제 터빈 운동 정보를 감지하는 제1감지부; 추정된 풍력 속도에 근거한 공기역학적 토크 정보를 감지하는 제2감지부; 및 실제 터빈 운동 정보와 공기역학적 토크 정보의 차이를 판단하는 풍력 속도 판단부를 포함한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 실제 터빈 운동 정보는 샤프트의 회전 손실, 발전기 토크 및 회전 관성 모멘트를 포함한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 공기역학적 토크 정보는 추정된 공기역학적 토크를 포함한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 공기 역학적 토크 정보는 로터 파워와 로터 회전 속도를 더 포함하고, 추정된 공기역학적 토크는 로터 파워와 로터 회전 속도의 상관관계에 의해 결정되고, 로터 파워는 공기 밀도, 추정된 풍력 속도, 풍속 대비 블레이드 팁(tip) 속도 비율 및 피치(pitch)각의 상관관계에 의해 결정된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 풍력 속도 판단부는 실제 터빈 운동 정보와 공기역학적 토크 정보의 차이를 추정된 공기역학적 토크, 샤프트의 회전 손실, 발전기 토크, 회전 관성 모멘트 및 로터 회전 속도의 상관관계에 의해 결정되는 에러 값에 따라 판단한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 풍력 속도 판단부에서 실제 터빈 운동 정보와 공기역학적 토크 정보의 차이가 일정 범위를 벗어나는 것으로 판단하는 경우, 실제 터빈 운동 정보와 공기역학적 토크 정보의 차이가 감소되도록 추정된 풍력 속도를 보상하는 풍력 속도 보상부를 더 포함한다.
또한, 본 발명은 로터 회전 시에 발생하는 실제 터빈 운동 정보를 감지하는 제1감지단계; 추정된 풍력 속도에 근거한 공기 역학적 토크 정보를 감지하는 제2감지단계; 실제 터빈 운동 정보와 공기 역학적 토크 정보의 차이를 판단하는 풍력 속도 판단 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 실제 터빈 운동 정보와 공기역학적 토크 정보의 차이가 일정 범위를 벗어나는 것으로 판단하는 경우, 실제 터빈 운동 정보와 공기역학적 토크 정보의 차이가 감소되도록 추정된 풍력 속도를 보상하는 풍력 속도 보상 단계를 더 포함한다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 풍력 터빈의 풍력 속도 추정 장치 및 그 풍력 속도 추정 방법은 풍력 속도를 정확하게 계측할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈의 풍력 속도 추정 장치가 로터에 연결된 상태를 나타낸 블럭 구성도.
도 2는 도 1에 도시한 풍력 터빈의 풍력 속도 추정 장치를 일예로 나타낸 블럭 구성도.
도 3은 종래 풍력 터빈의 허브에 설치된 풍력 속도 측정기에 의해 측정된 풍력 속도의 특성(A)을 나타낸 그래프와, 본 발명의 알고리즘에 의해 추정된 풍력 속도의 특성(B)을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈의 풍력 속도 추정 장치의 풍력 속도 추정 방법을 나타낸 순서도.
이하에서는 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈의 풍력 속도 추정 장치가 로터에 연결된 상태를 나타낸 블럭 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시한 풍력 터빈의 풍력 속도 추정 장치를 일예로 나타낸 블럭 구성도이다.
도 3은 종래 풍력 터빈의 허브에 설치된 풍력 속도 측정기에 의해 측정된 풍력 속도의 특성(A)을 나타낸 그래프와, 본 발명의 알고리즘에 의해 추정된 풍력 속도의 특성(B)을 나타낸 그래프이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈의 풍력 속도 추정 장치(100)는 제 1 감지부(101)와 제 2 감지부(102) 및 풍력 속도 판단부(104)를 포함한다.
제 1 감지부(101)는 로터(10) 회전 시 발생하는 실제 터빈 운동 정보를 감지하도록 제공되고, 제 2 감지부(102)는 추정된 풍력 속도에 근거한 공기역학적 토크 정보를 감지하도록 제공된다.
풍력 속도 판단부(104)는 실제 터빈 운동 정보와 공기역학적 토크 정보의 차이를 판단하도록 제공된다.
이때, 실제 터빈 운동 정보는 샤프트의 회전 손실(
Figure pat00001
), 발전기 토크(
Figure pat00002
) 및 회전 관성 모멘트(I)를 포함할 수가 있다.
또한, 공기역학적 토크 정보는 추정된 공기역학적 토크(
Figure pat00003
)를 포함할 수가 있다.
여기서, 공기 역학적 토크 정보는 로터 파워(
Figure pat00004
)와 로터 회전 속도(
Figure pat00005
)를 더 포함할 수가 있고, 추정된 공기역학적 토크(
Figure pat00006
)는 하기 [수학식 1]과 같이 로터 파워(
Figure pat00007
)와 로터 회전 속도(
Figure pat00008
)의 상관관계에 의해 결정될 수가 있다.
[수학식 1]
Figure pat00009
여기서, 로터 파워(
Figure pat00010
)는 하기 [수학식 2]와 같이 공기 밀도(
Figure pat00011
), 추정된 풍력 속도(
Figure pat00012
), 풍속 대비 블레이드 팁(tip) 속도 비율(
Figure pat00013
) 및 피치(pitch)각(
Figure pat00014
)의 상관관계에 의해 결정될 수가 있다.
이때, 로터 파워(
Figure pat00015
)는 역률 값(
Figure pat00016
)을 더 고려하여 결정될 수가 있다.
[수학식 2]
Figure pat00017

여기서, 풍력 속도 판단부(104)는 하기 [수학식 3]과 같이 실제 터빈 운동 정보와 공기역학적 토크 정보의 차이를 추정된 공기역학적 토크(
Figure pat00018
), 샤프트의 회전 손실(
Figure pat00019
), 발전기 토크(
Figure pat00020
), 회전 관성 모멘트(I) 및 로터 회전 속도(
Figure pat00021
)의 상관관계에 의해 결정되는 에러 값(
Figure pat00022
)에 따라 판단할 수가 있다.
이때, 풍력 속도 판단부(104)는 회전을 위한 기어비율(
Figure pat00023
)을 더 고려하여 결정될 수가 있다.
[수학식 3]
Figure pat00024
이때, 도 3은 풍력 터빈의 허브에 설치된 풍력 속도 측정기에 의해 측정된 풍력 속도의 그래프 특성(A)과, 본 발명의 알고리즘에 의해 추정된 풍력 속도의 그래프 특성(B)을 나타낸다.
풍력 속도 보상부(106)는 풍력 속도 판단부(104)에서 실제 터빈 운동 정보와 공기역학적 토크 정보의 차이가 일정 범위를 벗어나는 것으로 판단하는 경우, 실제 터빈 운동 정보와 공기역학적 토크 정보의 차이가 감소되도록, 예를 들어 에러 값(
Figure pat00025
)의 절대값이 감소되도록 추정된 풍력 속도를 보상한다.
이때, 추정된 풍력 속도의 오차는 추정된 풍력 속도로부터 구한 공기역학적 토크값(수학식 3의
Figure pat00026
)과 현재 터빈의 운동 정보(수학식 3의
Figure pat00027
,
Figure pat00028
,
Figure pat00029
등)의 차이인 에러값(수학식 3의
Figure pat00030
)을 근거로 하며, 에러값(수학식 3의
Figure pat00031
)이 PI 제어기에 입력값으로 입력되면 PI 제어기가 추정된 풍력 속도를 보상하여 보상된 풍력 속도를 출력값으로 출력한다.
이러한, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈의 풍력 속도 추정 장치(100)를 이용하여 풍력 터빈의 풍력 속도를 추정하기 위한 풍력 속도 추정 방법을 살펴보면 다음 도 4와 같다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈의 풍력 속도 추정 장치의 풍력 속도 추정 방법을 나타낸 순서도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈의 풍력 속도 추정 장치(도1 및 도2의 100)의 풍력 속도 추정 방법(400)은 제 1 감지 단계(S402)와 제 2 감지 단계(S404) 및 풍력 속도 판단 단계(S406)와 풍력 속도 보상 단계(S408)를 포함합니다.
제 1 감지 단계(S402)는 로터 회전 시에 발생하는 실제 터빈 운동 정보를 감지하고, 제 2 감지 단계(S404)는 추정된 풍력 속도에 근거한 공기 역학적 토크 정보를 감지한다.
풍력 속도 판단 단계(S406)는 실제 터빈 운동 정보와 공기 역학적 토크 정보의 차이를 판단한다.
이때, 실제 터빈 운동 정보는 샤프트의 회전 손실(
Figure pat00032
), 발전기 토크(
Figure pat00033
) 및 회전 관성 모멘트(I)를 포함할 수가 있다.
또한, 공기역학적 토크 정보는 추정된 공기역학적 토크(
Figure pat00034
)를 포함할 수가 있다.
여기서, 공기 역학적 토크 정보는 로터 파워(
Figure pat00035
)와 로터 회전 속도(
Figure pat00036
)를 더 포함할 수가 있고, 추정된 공기역학적 토크(
Figure pat00037
)는 하기 [수학식 1]과 같이 로터 파워(
Figure pat00038
)와 로터 회전 속도(
Figure pat00039
)의 상관관계에 의해 결정될 수가 있다.
[수학식 1]
Figure pat00040
여기서, 로터 파워(
Figure pat00041
)는 하기 [수학식 2]와 같이 공기 밀도(
Figure pat00042
), 추정된 풍력 속도(
Figure pat00043
), 풍속 대비 블레이드 팁(tip) 속도 비율(
Figure pat00044
) 및 피치(pitch)각(
Figure pat00045
)의 상관관계에 의해 결정될 수가 있다.
이때, 로터 파워(
Figure pat00046
)는 역률 값(
Figure pat00047
)을 더 고려하여 결정될 수가 있다.
[수학식 2]
Figure pat00048

여기서, 풍력 속도 판단 단계(S406)는 하기 [수학식 3]과 같이 실제 터빈 운동 정보와 공기역학적 토크 정보의 차이를 추정된 공기역학적 토크(
Figure pat00049
), 샤프트의 회전 손실(
Figure pat00050
), 발전기 토크(
Figure pat00051
), 회전 관성 모멘트(I) 및 로터 회전 속도(
Figure pat00052
)의 상관관계에 의해 결정되는 에러 값(
Figure pat00053
)에 따라 판단할 수가 있다.
이때, 풍력 속도 판단 단계(S406)는 회전을 위한 기어비율(
Figure pat00054
)을 더 고려하여 결정될 수가 있다.
[수학식 3]
Figure pat00055
풍력 속도 보상 단계(S408)는 실제 터빈 운동 정보와 공기역학적 토크 정보의 차이가 일정 범위를 벗어나는 것으로 판단하는 경우, 실제 터빈 운동 정보와 공기역학적 토크 정보의 차이가 감소되도록, 예를 들어 에러값(수학식 3의
Figure pat00056
)의 절대값이 감소되도록 추정된 풍력 속도를 보상한다.
이때, 추정된 풍력 속도의 오차는 추정된 풍력 속도로부터 구한 공기역학적 토크값(수학식 3의
Figure pat00057
)과 현재 터빈의 운동 정보(수학식 3의
Figure pat00058
,
Figure pat00059
,
Figure pat00060
등)의 차이인 에러값(수학식 3의
Figure pat00061
)을 근거로 하며, 에러값(수학식 3의
Figure pat00062
)이 PI 제어기에 입력값으로 입력되면 PI 제어기가 추정된 풍력 속도를 보상하여 보상된 풍력 속도를 출력값으로 출력한다.
이와 같은, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈의 풍력 속도 추정 장치(100) 및 그 풍력 속도 추정 방법(400)은 제 1 감지부(101)와 제 2 감지부(102) 및 풍력 속도 판단부(104)와 풍력 속도 보상부(106)를 포함하여 제 1 감지 단계(S402)와 제 2 감지 단계(S404) 및 풍력 속도 판단 단계(S406)와 풍력 속도 보상 단계(S408)를 수행한다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈의 풍력 속도 제어 장치(100) 및 그 풍력 속도 제어 방법(400)은 공기역학적 토크 정보로부터 현재 풍력 속도를 감지하여 판단할 수가 있으므로, 풍력 속도를 정확하게 계측할 수가 있게 된다.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (8)

  1. 로터 회전 시 발생하는 실제 터빈 운동 정보를 감지하는 제1감지부;
    추정된 풍력 속도에 근거한 공기역학적 토크 정보를 감지하는 제2감지부; 및
    상기 실제 터빈 운동 정보와 상기 공기역학적 토크 정보의 차이를 판단하는 풍력 속도 판단부를 포함하는 풍력 터빈의 풍력 속도 추정 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 실제 터빈 운동 정보는 샤프트의 회전 손실, 발전기 토크 및 회전 관성 모멘트를 포함하는 풍력 터빈의 풍력 속도 추정 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 공기역학적 토크 정보는 추정된 공기역학적 토크를 포함하는 풍력 터빈의 풍력 속도 추정 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 공기 역학적 토크 정보는 로터 파워와 로터 회전 속도를 더 포함하고,
    상기 추정된 공기역학적 토크는 상기 로터 파워와 상기 로터 회전 속도의 상관관계에 의해 결정되고,
    상기 로터 파워는 공기 밀도, 추정된 풍력 속도, 풍속 대비 블레이드 팁(tip) 속도 비율 및 피치(pitch)각의 상관관계에 의해 결정되는 풍력 터빈의 풍력 속도 추정 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 풍력 속도 판단부는
    상기 실제 터빈 운동 정보와 상기 공기역학적 토크 정보의 차이를 상기 추정된 공기역학적 토크, 샤프트의 회전 손실, 발전기 토크, 회전 관성 모멘트 및 로터 회전 속도의 상관관계에 의해 결정되는 에러 값에 따라 판단하는 풍력 터빈의 풍력 속도 추정 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 풍력 속도 판단부에서 상기 실제 터빈 운동 정보와 상기 공기역학적 토크 정보의 차이가 일정 범위를 벗어나는 것으로 판단하는 경우, 상기 실제 터빈 운동 정보와 상기 공기역학적 토크 정보의 차이가 감소되도록 상기 추정된 풍력 속도를 보상하는 풍력 속도 보상부를 더 포함하는 풍력 터빈의 풍력 속도 추정 장치.
  7. 로터 회전 시에 발생하는 실제 터빈 운동 정보를 감지하는 제1감지단계;
    추정된 풍력 속도에 근거한 공기 역학적 토크 정보를 감지하는 제2감지단계;
    상기 실제 터빈 운동 정보와 상기 공기 역학적 토크 정보의 차이를 판단하는 풍력 속도 판단 단계를 포함하는 풍력 터빈의 풍력 속도 추정 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 실제 터빈 운동 정보와 상기 공기역학적 토크 정보의 차이가 일정 범위를 벗어나는 것으로 판단하는 경우, 상기 실제 터빈 운동 정보와 상기 공기역학적 토크 정보의 차이가 감소되도록 상기 추정된 풍력 속도를 보상하는 풍력 속도 보상 단계를 더 포함하는 풍력 터빈의 풍력 속도 추정 방법.
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