KR20160037715A - 병렬형 풍력 발전기의 외란 관측기 기반 속도 제어기 및 그 운영 방법 - Google Patents

병렬형 풍력 발전기의 외란 관측기 기반 속도 제어기 및 그 운영 방법 Download PDF

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KR20160037715A KR1020140196018A KR20140196018A KR20160037715A KR 20160037715 A KR20160037715 A KR 20160037715A KR 1020140196018 A KR1020140196018 A KR 1020140196018A KR 20140196018 A KR20140196018 A KR 20140196018A KR 20160037715 A KR20160037715 A KR 20160037715A
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Abstract

본 발명에 의한 병렬형 풍력 발전기의 외란 관측기 기반 속도 제어기 및 그 운영 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 외란 관측기 기반 속도 제어기는 입력 받은 상단 발전기의 전류 제어 지령치와 하단 발전기의 전류 제어 지령치를 기반으로 상단 발전기의 인가 토크와 하단 발전기의 인가 토크를 출력하는 전기 시스템; 입력 받은 상단 발전기의 인가 토크와 하단 발전기의 인가 토크를 기반으로 상단 발전기의 회전속도와 하단 발전기의 회전속도를 출력하는 기계 시스템; 및 입력 받은 이전 주기의 상단/하단 발전기의 회전속도, 상단/하단 발전기의 전류 제어 지령치를 기반으로 상단/하단 발전기의 출력값을 각각 출력하는 외란 관측기를 포함하되, 상기 상단 발전기의 전류 제어 지령치와 하단 발전기의 전류 제어 지령치는 상단 발전기의 속도 제어기의 출력값, 하단 발전기의 속도 제어기의 출력값과 상단 발전기의 외란 관측기의 출력값, 하단 발전기의 외란 관측기의 출력값 각각의 차이값으로 생성되는 것을 특징으로 한다.

Description

병렬형 풍력 발전기의 외란 관측기 기반 속도 제어기 및 그 운영 방법{DISTURBANCE OBSERVER BASED SPEED CONTROLLER FOR DUAL GENERATOR TYPE WIND TURBINE AND OPERATING METHOD THEREOF}
본 발명은 병렬형 풍력 발전기의 외란 관측기 기반 속도 제어기 설계 및 그 운영 방법에 관한 것이다.
풍력발전기는 바람의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치로서, 풍력발전기의 회전축 방향에 따라 수평형 풍력발전기(Horizontal Axis Wind Tubine; HAWT)와 수직형 풍력발전기(Vertical Axis Wind Tubine)로 구분된다.
최근에 이러한 수직형 풍력발전기와 수평형 풍력 발전기의 장단점을 고려한 새로운 형태의 수평 병렬형 풍력발전기가 제안된 바 있다. 수평 병렬형 풍력 발전기는 기존 수평형 풍력발전기와 달리 너셀 안에 베벨 기어와 중공축으로 구성되어 있고, 두 대의 발전기는 수직형 풍력발전기와 같이 지상에 설치되어 송전선 꼬임을 해결할 수 있다. 로터에서 생산된 동력은 지상과 수평하게 설치된 두 개의 베벨 기어와 수직으로 설치된 중공축을 통해서 지상의 발전기로 전달된다.
그러나 병렬형 풍력발전기의 룰축과 요축은 서로 커플링 되어 있어 서로에 대한 영향을 받게 된다. 그 영향은 외란과 마찬가지로 속도를 제어함에 있어 좋지 않은 영향을 끼치게 된다.
따라서 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 외란 관측기를 추가 구성하여 그 추가 구성된 외란 관측기에서 상하단 발전기의 회전 속도, 상하단 발전기의 전류 제어 지령치를 이용하여 롤축 회전 속도와 요축 회전 속도를 제어하도록 하는 병렬형 풍력 발전기의 외란 관측기 기반 속도 제어기 및 그 운영 방법을 제공하는데 있다.
그러나 본 발명의 목적은 상기에 언급된 사항으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 한 관점에 따른 외란 관측기 기반 속도 제어기는 입력 받은 상단 발전기의 전류 제어 지령치와 하단 발전기의 전류 제어 지령치를 기반으로 상단 발전기의 인가 토크와 하단 발전기의 인가 토크를 출력하는 전기 시스템; 입력 받은 상단 발전기의 인가 토크와 하단 발전기의 인가 토크를 기반으로 상단 발전기의 회전속도와 하단 발전기의 회전속도를 출력하는 기계 시스템; 및 입력 받은 이전 주기의 상단/하단 발전기의 회전속도, 상단/하단 발전기의 전류 제어 지령치를 기반으로 상단/하단 발전기의 출력값을 각각 출력하는 외란 관측기를 포함하되, 상기 상단 발전기의 전류 제어 지령치와 하단 발전기의 전류 제어 지령치는 상단 발전기의 속도 제어기의 출력값, 하단 발전기의 속도 제어기의 출력값과 상단 발전기의 외란 관측기의 출력값, 하단 발전기의 외란 관측기의 출력값 각각의 차이값으로 생성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 전기 시스템은 상기 상단 발전기의 전류 제어 지령치와 상기 하단 발전기의 전류 제어 지령치 각각에 토크 상수를 곱하고 그 곱한 결과로 상기 상단 발전기의 인가 토크와 상기 하단 발전기의 인가 토크를 생성하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 기계 시스템은 입력 받은 상기 상단 발전기의 인가 토크와 상기 하단 발전기의 인가 토크를 기반으로 롤축 토크와 요축 토크를 생성하고, 생성된 상기 롤축 토크와 상기 요축 토크를 기반으로 롤축 회전속도와 요축 회전속도를 생성하며, 생성된 상기 롤축 회전속도와 상기 요축 회전속도를 기반으로 상단 발전기의 회전속도와 하단 발전기의 회전속도를 생성하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 기계 시스템은 수학식
Figure pat00001
을 이용하여 롤축 토크 τr와 요축 토크 τy를 생성하되, 여기서, 상기 τT는 상단 발전기의 인가 토크, 상기 τB는 하단 발전기의 인가 토크, 상기 ρ는 기어비를 나타내는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 기계 시스템은 수학식
Figure pat00002
을 이용하여 롤축 회전 속도 ωr와 요축 회전 속도 ωy를 생성하되, 여기서, τF, τR는 바람에 의해서 터빈에 인가 되는 토크,
Figure pat00003
는 롤축과 요축에 인가 되는 외란 토크, τr, τy는롤축과 요축에 인가하는 발전기의 토크, Jrr, brr는 롤축의 관성 모멘트와 마찰 계수, Jyy, byy는 요축의 관성 모멘트와 마찰 계수, Jry, bry는 요축 회전으로 인하여 발생하는 롤축 관성 모멘트와 마찰 계수, Jyr, byr는 롤축 회전으로 인하여 발생하는 요축 관성 모멘트와 마찰 계수를 나타내는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 기계 시스템은 수학식
Figure pat00004
을 이용하여 상단 발전기의 회전속도 ωT와 하단 발전기의 회전속도 ωB를 생성하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 외란 관측기는 수학식
Figure pat00005
Figure pat00006
,
Figure pat00007
,
Figure pat00008
를 이용하여 상단 발전기의 외란 관측기의 출력값
Figure pat00009
와 하단 발전기의 외란 관측기의 출력값
Figure pat00010
를 생성하되, 여기서,
Figure pat00011
는 롤-요축과 상/하단 발전기 측 변수 사이의 관계를 나타내는 좌표 변환이고, ωr,Q,ωy,Q는 저주파 통과 필터 Q(s)의 대역폭,
Figure pat00012
는 공칭 시스템의 롤축 관성 모멘트와 마찰 계수,
Figure pat00013
는 공칭 시스템의 요축 관성 모멘트와 마찰 계수를 나타내는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 한 관점에 따른 외란 관측기 기반 속도 제어기의 운영 방법은 전기 시스템이 입력 받은 상단 발전기의 전류 제어 지령치와 하단 발전기의 전류 제어 지령치를 기반으로 상단 발전기의 인가 토크와 하단 발전기의 인가 토크를 출력하는 단계; 기계 시스템이 입력 받은 상단 발전기의 인가 토크와 하단 발전기의 인가 토크를 기반으로 상단 발전기의 회전속도와 하단 발전기의 회전속도를 출력하는 단계; 및 외란 관측기가 입력 받은 이전 주기의 상단/하단 발전기의 회전속도, 상단/하단 발전기의 전류 제어 지령치를 기반으로 상단/하단 발전기의 출력값을 각각 출력하는 단계를 포함하되, 상기 상단 발전기의 전류 제어 지령치와 하단 발전기의 전류 제어 지령치는 상단 발전기의 속도 제어기의 출력값, 하단 발전기의 속도 제어기의 출력값과 상단 발전기의 외란 관측기의 출력값, 하단 발전기의 외란 관측기의 출력값 각각의 차이값으로 생성되는 것을 특징으로 한다.
이를 통해, 본 발명은 외란 관측기를 추가 구성하여 그 추가 구성된 외란 관측기에서 상하단 발전기의 회전 속도, 상하단 발전기의 전류 제어 지령치를 이용하여 롤축 회전 속도와 요축 회전 속도를 제어하도록 함으로써, 외란과 파라미터 불확실성에 대해서 강인성을 갖는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 추가 구성된 외란 관측기를 이용하여 롤축 회전 속도와 요축 회전 속도를 제어하기 때문에 전기/기계 시스템을 공칭 시스템과 유사하게 동작시킬 수 있는 효과가 있다. 이에 따라 외루프 제어기 즉, 속도 제어기의 설계가 용이할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬형 풍력 발전 시스템의 외란 관측기 기반 속도 제어기를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 시스템의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기계 시스템의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 외란 관측기의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 공칭 시스템의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 속도 제어기의 운영 방법을 나타내는 도면이다.
도 7a 내지 도 7b는 정현파 형태 외란에 대한 롤축/요축 각속도를 보여주는 도면이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 병렬형 풍력 발전기의 외란 관측기 기반 속도 제어기 및 그 운영 방법을 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명에 따른 동작 및 작용을 이해하는 데 필요한 부분을 중심으로 상세히 설명한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 동일한 명칭의 구성 요소에 대하여 도면에 따라 다른 참조부호를 부여할 수도 있으며, 서로 다른 도면임에도 불구하고 동일한 참조부호를 부여할 수도 있다. 그러나, 이와 같은 경우라 하더라도 해당 구성 요소가 실시예에 따라 서로 다른 기능을 갖는다는 것을 의미하거나, 서로 다른 실시예에서 동일한 기능을 갖는다는 것을 의미하는 것은 아니며, 각각의 구성 요소의 기능은 해당 실시예에서의 각각의 구성 요소에 대한 설명에 기초하여 판단하여야 할 것이다.
특히, 본 발명에서는 외란 관측기를 추가 구성하여 그 추가 구성된 외란 관측기에서 상하단 발전기의 회전 속도와 상하단 발전기의 전류 제어 지령치를 이용하여 롤축 회전 속도와 요축 회전 속도를 제어하도록 하는 새로운 방안을 제안한다.
여기서, 외란 관측기(Disturbance Observer)는 기본적으로 동적 시스템에 인가되는 외란을 추정하는 알고리즘이다. 외란 관측기는 상황에 따라 외란 자체를 추정하는 것이 주된 목표일 수 있고 추정된 외란을 기반으로 외란을 억제하거나 제거하는 제어 입력을 생성함으로써 보다 강인한 제어 시스템을 구성하는데도 사용될 수 있다.
외란은 마찰과 같이 실제로 시스템 구동에 영향을 끼치는 외부 요인 뿐 아니라 시스템의 불확실성에 의해 발생하는 예상치 못한 거동이라 생각할 수 있으므로 외란에 의한 영향을 효과적으로 억제하는 것은 강인한 제어 시스템의 구성을 위해 필수적이다.
외란 관측기는 이처럼 강인한 제어 시스템을 구성할 수 있다는 면에서 탁월한 성능을 갖는다는 것이 알려져 있으며, 다양한 산업 현장에서 널리 사용되고 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬형 풍력 발전 시스템의 외란 관측기 기반 속도 제어기를 나타내는 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 외란 관측기 기반 속도 제어기는 속도 제어기(110), 전기 시스템(120), 기계 시스템(130), 외란 관측기(140)를 포함할 수 있다.
속도 제어기(110)는 입력 받은 기준 롤축 회전 속도, 기준 요축 회전 속도와 이전 주기의 상단 발전기의 회전 속도, 하단 발전기의 회전 속도를 기반으로 상단 발전기 속도 제어기의 출력과 하단 발전기의 속도 제어기의 출력값을 출력할 수 있다.
이때, 속도 제어기(110)로부터 출력된 상단 발전기 속도 제어기의 출력값
Figure pat00014
, 하단 발전기의 속도 제어기의 출력값
Figure pat00015
과 상단 발전기의 외란 관측기의 출력값
Figure pat00016
, 하단 발전기의 외란 관측기의 출력값
Figure pat00017
이 각각 감산되어 전기 시스템의 입력값 즉, 상단 발전기의 전류 제어 지령치
Figure pat00018
와 하단 발전기의 전류 제어 지령치
Figure pat00019
로 인가 된다.
전기 시스템(120)은 상단 발전기의 전류 제어 지령치와 하단 발전기의 전류 제어 지령치를 입력 받아 그 입력 받은 상단 발전기의 전류 제어 지령치와 하단 발전기의 전류 제어 지령치를 기반으로 상단 발전기의 인가 토크와 하단 발전기의 인가 토크를 출력할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 시스템의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 전기 시스템(120)은 입력 신호로서 상단 발전기의 전류 제어 지령치
Figure pat00020
과 하단 발전기의 전류 제어 지령치
Figure pat00021
을 입력 받을 수 있다.
전기 시스템(120)은 입력 받은 상단 발전기의 전류 제어 지령치
Figure pat00022
과 하단 발전기의 전류 제어 지령치
Figure pat00023
을 기반으로 상단 발전기의 인가 토크 τT와 하단 발전기의 인가 토크 τB를 생성할 수 있다.
이때, 전류 제어 지령치와 인가 토크 간의 관계는 다음의 [수학식 1]과 같이 나타낸다.
[수학식 1]
Figure pat00024
Figure pat00025
여기서, Kt는 토크 상수를 나타낸다.
전기 시스템(120)은 전류 제어기와 전기 시스템을 통합한 시스템으로서, 생성된 상단 발전기의 인가 토크 τT와 하단 발전기의 인가 토크 τB를 출력할 수 있다.
기계 시스템(130)은 상단 발전기의 인가 토크와 하단 발전기의 인가 토크를 입력 받아 그 입력 받은 상단 발전기의 인가 토크와 하단 발전기의 인가 토크를 기반으로 상단 발전기의 회전 속도와 하단 발전기의 회전 속도를 출력할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기계 시스템의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 기계 시스템(130)은 전기 시스템(120)으로부터 상단 발전기의 인가 토크 τT와 하단 발전기의 인가 토크 τB를 입력 받을 수 있다.
기계 시스템(130)은 입력 받은 상단 발전기의 인가 토크 τT와 하단 발전기의 인가 토크 τB를 기반으로 롤축 토크 τr와 요축 토크 τy를 생성할 수 있다.
이러한 인가 토크와 롤축, 요축 토크 간의 관계는 다음의 [수학식 2]와 같이 나타낸다.
[수학식 2]
Figure pat00026
여기서, ρ는 기어비를 나타낸다.
기계 시스템(130)은 생성된 롤축 토크 τr와 요축 토크 τy를 기반으로 롤축 회전 속도 ωr와 요축 회전 속도 ωy를 생성할 수 있다.
이때, 롤축/요축 토크와 회전 속도 간의 관계는 다음의 [수학식 3]과 같이 나타낸다.
[수학식 3]
Figure pat00027
여기서, τF, τR는 바람에 의해서 터빈에 인가 되는 토크,
Figure pat00028
는 롤축과 요축에 인가 되는 외란 토크, τr, τy는롤축과 요축에 인가하는 발전기의 토크, Jrr, brr는 롤축의 관성 모멘트와 마찰 계수, Jyy, byy는 요축의 관성 모멘트와 마찰 계수, Jry, bry는 요축 회전으로 인하여 발생하는 롤축 관성 모멘트와 마찰 계수, Jyr, byr는 롤축 회전으로 인하여 발생하는 요축 관성 모멘트와 마찰 계수를 나타낸다.
기계 시스템(130)은 생성된 롤축 회전 속도 ωr와 요축 회전 속도 ωy를 기반으로 상단 발전기의 회전 속도 ωT와 하단 발전기의 회전 속도 ωB를 생성할 수 있다.
이때, 롤축/요축과 발전기 회전속도 간의 관계는 다음의 [수학식 4]와 같이 나타낸다.
[수학식 4]
Figure pat00029
기계 시스템(130)은 생성된 상단 발전기의 회전 속도 ωT와 하단 발전기의 회전 속도 ωB를 출력할 수 있다.
외란 관측기(140)는 이전 주기의 상단/하단 발전기의 회전 속도, 상단/하단 발전기의 전류 제어 지령치를 입력 받아 그 입력 받은 이전 주기의 상단/하단 발전기의 회전 속도, 상단/하단 발전기의 전류 제어 지령치를 기반으로 상단 발전기의 외란 관측기의 출력값과 하단 발전기의 외란 관측기의 출력값을 출력할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 외란 관측기의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 외란 관측기(140)는 기계 시스템(130)으로부터 출력된 이전 주기의 상단 발전기의 회전 속도 ωT, 하단 발전기의 회전 속도 ωB, 상단 발전기의 전류 제어 지령치
Figure pat00030
, 하단 발전기의 전류 제어 지령치
Figure pat00031
를 기반으로 상단 발전기의 외란 관측기의 출력값
Figure pat00032
와 하단 발전기의 외란 관측기의 출력값
Figure pat00033
를 출력할 수 있다.
이때, 상하단 발전기의 와란 관측기의 출력값은 다음의 [수학식 5]와 같이 나타낸다.
[수학식 5]
Figure pat00034
Figure pat00035
,
Figure pat00036
,
Figure pat00037
여기서, Q(s)는 저주파 통과 필터를 나타내고, Pn(s)는 플랜트의 파라미터 불확실성을 고려한 공칭값을 나타낸다. 또한,
Figure pat00038
는 롤-요축과 상/하단 발전기 측 변수 사이의 관계를 나타내는 좌표 변환이고, ωr,Q,ωy,Q는 저주파 통과 필터 Q(s)의 대역폭,
Figure pat00039
는 공칭 시스템의 롤축 관성 모멘트와 마찰 계수,
Figure pat00040
는 공칭 시스템의 요축 관성 모멘트와 마찰 계수를 나타낸다.
이때, 외란 관측기를 설계할 때 중요한 것은 공칭 플랜트 선정과 Q-필터 선정이다. 이러한 이유는 외란 관측기가 공칭 플랜트와 Q-필터로 구성되어 있기 때문이다.
외란 관측기는 등가 외란을 제거함으로써 공칭 플랜트처럼 동작하게 되며 실제 이러한 특성은 Q-필터의 절점 주파수 이하의 대역에서 유효하게 된다. 이와 같은 주된 특징을 역으로 해석하면 외란 관측기가 적용된 시스템이 가졌으면 하는 특성이 보이도록 공칭 플랜트를 선정할 수도 있다. 통상적으로 공칭 플랜트는 실제 제어 대상과 최대한 근사하게 선정할 것으로 권고한다.
이러한 상황을 고려하여 병렬형 풍력 발전기 시스템에서 공칭 플랜드는 롤축과 요축이 디커플링될 수 있도록 다음의 [수학식 6]과 같이 선정된다.
[수학식 6]
Figure pat00041
Q-필터는 안정한 저주파 통과 필터이며 그 상대차수가 공칭 플랜드(Pn)의 상대차수보다 같거나 커야한다. 이는 전달함수 를 실제로 구현 가능케 하기 위함이다.
병렬형 풍력 발전기 시스템에서 Q-필터를 다음의 [수학식 7]과 같이 선정한다.
[수학식 7]
Figure pat00042
이러한 전기 시스템(120)과 기계 시스템(130)은 공칭 시스템과 유사하게 동작한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 공칭 시스템의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 외란 관측기를 통해 시스템(120)과 기계 시스템(130)은 공칭 시스템과 유사하게 동작한다. 이러한 공칭 시스템은 시스템 외란과 파라미터 불확실성이 없는 디커플링된 시스템이기 때문에 속도 제어기 설계를 쉽게 할 수 있다.
부연 설명하면, 병렬형 풍력 발전기의 중요한 이슈는 롤축과 요축이 각각 발전과 위치 제어를 최대한 잘 할 수 있도록 하는 것이다. 롤축과 요축은 서로 커플링 되어있기 때문에 서로에 대해 영향을 받게 된다. 서로에 대한 영향은 분명 외란과 마찬가지로 속도를 제어하는데 안 좋은 영향을 미치게 될 것이다. 이러한 영향에 대해 외란 관측기를 통해서 커플링 되어 있는 롤축과 요축 시스템이 마치 디커플링 된 것처럼 동작하도록 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 속도 제어기의 운영 방법을 나타내는 도면이다.
도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 외란 관측기 기반 속도 제어기는 상단 발전기의 전류 제어 지령치와 하단 발전기의 전류 제어 지령치를 입력 받을 수 있다(S610).
이때, 상단 발전기의 전류 제어 지령치와 하단 발전기의 전류 제어 지령치는 상단 발전기의 속도 제어기의 출력값과 하단 발전기의 속도 제어기의 출력값, 및 이전 주기의 상단 발전기의 외란 관측기의 출력값과 하단 발전기의 외란 관측기의 출력값 각각의 차이값으로 생성된다.
다음으로, 외란 관측기 기반 속도 제어기는 입력 받은 상단 발전기의 전류 제어 지령치와 하단 발전기의 전류 제어 지령치를 기반으로 상단 발전기의 인가 토크와 하단 발전기의 인가 토크를 생성할 수 있다(S620).
다음으로, 외란 관측기 기반 속도 제어기는 생성된 상단 발전기의 인가 토크와 하단 발전기의 인가 토크를 기반으로 상단 발전기의 회전속도와 하단 발전기의 회전속도를 생성할 수 있다.
구체적으로 설명하면, 외란 관측기 기반 속도 제어기는 입력 받은 상기 상단 발전기의 인가 토크와 상기 하단 발전기의 인가 토크를 기반으로 롤축 토크와 요축 토크를 생성하고(S630), 생성된 상기 롤축 토크와 상기 요축 토크를 기반으로 롤축 회전속도와 요축 회전속도를 생성하며(S640), 생성된 상기 롤축 회전속도와 상기 요축 회전속도를 기반으로 상단 발전기의 회전속도와 하단 발전기의 회전속도를 생성하게 된다(S650).
다음으로, 외란 관측기 기반 속도 제어기는 생성된 상단 발전기의 회전속도와 하단 발전기의 회전속도, 입력 받은 상단 발전기의 전류 제어 지령치와 하단 발전기의 전류 제어 지령치를 기반으로 상단 발전기의 외란 관측기의 출력값과 하단 발전기의 외란 관측기의 출력값을 각각 출력하여 피드백할 수 있다(S660).
이하에서는 본 발명에 따른 병렬형 풍력 발전기를 위한 외란 관측기 기반 속도 제어기를 시뮬레이션하고 그 시뮬레이션한 결과를 설명하기로 한다.
1. 시뮬레이션 파라미터 선정: 시뮬레이션에서 전류 제어기의 대역폭은 속도 제어기보다 충분히 빠르게 선정하고 공칭 플랜트와 실제 플랜트는 아래와 같이 선정하였다.
- ωcc(전류 제어기의 대역폭) = 500[rad/s]
- ωcs(속도 제어기의 대역폭) = 100[rad/s]
- 공칭플랜트
Figure pat00043
- 공칭플랜트
Figure pat00044
시뮬레이션에 사용된 병렬형 풍력 발전기의 파라미터는 다음의 [표 1]과 같다.
이름 심볼 값
정격속도 ω 400[rpm]
정격전압 E 220[Vac](3phase)
정격출력 Po 1[kW]
역기전력 상수 Ke 0.875[V/(rad/s)]
관성 모멘트 J 0.026[kgm2]
상 저항 R 8.4Ω
상 인덕턴스 L 57[mH]
2. 시뮬레이션 결과: 시뮬레이션 결과는 롤축과 요축에 각각 정현파 형태의 외란이 가해질 경우, 선형 PI 속도 제어기와 외란 관측기가 적용된 PI 속도 제어기를 비교한 것이다.
롤축은 10[rad/s]로 속도제어를 하고 있고 8[s]에 5·sin(1t)[N·m] 형태의 외란을 가하였다. 요축은 0~2[s]에서 0[rad/s], 2[s]부터 5[rad/s]로 속도제어를 하고 있으며, 5[s]에서 50·sin(0.5t)[N·m] 형태의 외란을 가하였다.
도 7a 내지 도 7b는 정현파 형태 외란에 대한 롤축/요축 각속도를 보여주는 도면이다.
도 7a 내지 도 7b에 도시한 바와 같이, 외란 관측기를 적용한 시스템의 경우 정현파 외란에 대해 영향을 받지 않으며 외란을 잘 제거하여 속도 제어가 잘되는 것을 볼 수 있다.
또한, PI 속도 제어기만 적용한 롤축을 보게 되면 2[s] 구간에서 요축의 영향을 받아 속도 값이 변하고 있지만 외란 관측기를 적용한 롤축은 거의 영향을 받지 않는 것을 알 수 있다.
즉, 기존의 선형 PI 속도 제어기와 외란에 대한 속도 추종 성능을 비교하면 외란 관측기 기반 속도 제어기가 정현파 형태의 외란에 대해서 강인성을 가짐을 알 수 있다.
또한 외란 관측기 기반 속도 제어기는 롤축과 요축이 디커플링 된 것처럼 동작하는 결과를 얻었다. 이 결과는 롤축과 요축에 대해서 각각 제어기를 설계할 수 있는 장점이 있다.
한편, 이상에서 설명한 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 기재되어 있다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성 요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성 요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 또한, 이와 같은 컴퓨터 프로그램은 USB 메모리, CD 디스크, 플래쉬 메모리 등과 같은 컴퓨터가 읽을 수 있는 저장매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 저장매체로서는 자기 기록매체, 광 기록매체, 캐리어 웨이브 매체 등이 포함될 수 있다.
이상에서 설명한 실시예들은 그 일 예로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 속도 제어기
120: 전기 시스템
130: 기계 시스템
140: 외란 관측기

Claims (14)

  1. 입력 받은 상단 발전기의 전류 제어 지령치와 하단 발전기의 전류 제어 지령치를 기반으로 상단 발전기의 인가 토크와 하단 발전기의 인가 토크를 출력하는 전기 시스템;
    입력 받은 상단 발전기의 인가 토크와 하단 발전기의 인가 토크를 기반으로 상단 발전기의 회전속도와 하단 발전기의 회전속도를 출력하는 기계 시스템; 및
    입력 받은 이전 주기의 상단/하단 발전기의 회전속도, 상단/하단 발전기의 전류 제어 지령치를 기반으로 상단/하단 발전기의 출력값을 각각 출력하는 외란 관측기;
    를 포함하되, 상기 상단 발전기의 전류 제어 지령치와 하단 발전기의 전류 제어 지령치는 상단 발전기의 속도 제어기의 출력값, 하단 발전기의 속도 제어기의 출력값과 상단 발전기의 외란 관측기의 출력값, 하단 발전기의 외란 관측기의 출력값 각각의 차이값으로 생성되는 것을 특징으로 하는 외란 관측기 기반 속도 제어기.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 전기 시스템은,
    상기 상단 발전기의 전류 제어 지령치와 상기 하단 발전기의 전류 제어 지령치 각각에 토크 상수를 곱하고 그 곱한 결과로 상기 상단 발전기의 인가 토크와 상기 하단 발전기의 인가 토크를 생성하는 것을 특징으로 하는 외란 관측기 기반 속도 제어기.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 기계 시스템은,
    입력 받은 상기 상단 발전기의 인가 토크와 상기 하단 발전기의 인가 토크를 기반으로 롤축 토크와 요축 토크를 생성하고,
    생성된 상기 롤축 토크와 상기 요축 토크를 기반으로 롤축 회전속도와 요축 회전속도를 생성하며,
    생성된 상기 롤축 회전속도와 상기 요축 회전속도를 기반으로 상단 발전기의 회전속도와 하단 발전기의 회전속도를 생성하는 것을 특징으로 하는 외란 관측기 기반 속도 제어기.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 기계 시스템은,
    수학식
    Figure pat00045
    을 이용하여 롤축 토크 τr와 요축 토크 τy를 생성하되,
    여기서, 상기 τT는 상단 발전기의 인가 토크, 상기 τB는 하단 발전기의 인가 토크, 상기 ρ는 기어비를 나타내는 것을 특징으로 하는 외란 관측기 기반 속도 제어기.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 기계 시스템은,
    수학식
    Figure pat00046
    을 이용하여 롤축 회전 속도 ωr와 요축 회전 속도 ωy를 생성하되,
    여기서, τF, τR는 바람에 의해서 터빈에 인가 되는 토크,
    Figure pat00047
    는 롤축과 요축에 인가 되는 외란 토크, τr, τy는롤축과 요축에 인가하는 발전기의 토크, Jrr, brr는 롤축의 관성 모멘트와 마찰 계수, Jyy, byy는 요축의 관성 모멘트와 마찰 계수, Jry, bry는 요축 회전으로 인하여 발생하는 롤축 관성 모멘트와 마찰 계수, Jyr, byr는 롤축 회전으로 인하여 발생하는 요축 관성 모멘트와 마찰 계수를 나타내는 것을 특징으로 하는 외란 관측기 기반 속도 제어기.
  6. 제3 항에 있어서,
    상기 기계 시스템은,
    수학식
    Figure pat00048
    을 이용하여 상단 발전기의 회전속도 ωT와 하단 발전기의 회전속도 ωB를 생성하는 것을 특징으로 하는 외란 관측기 기반 속도 제어기.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 외란 관측기는,
    수학식
    Figure pat00049
    Figure pat00050
    ,
    Figure pat00051
    ,
    Figure pat00052
    를 이용하여 상단 발전기의 외란 관측기의 출력값
    Figure pat00053
    와 하단 발전기의 외란 관측기의 출력값
    Figure pat00054
    를 생성하되,
    여기서,
    Figure pat00055
    는 롤-요축과 상/하단 발전기 측 변수 사이의 관계를 나타내는 좌표 변환이고, ωr,Q,ωy,Q는 저주파 통과 필터 Q(s)의 대역폭,
    Figure pat00056
    는 공칭 시스템의 롤축 관성 모멘트와 마찰 계수,
    Figure pat00057
    는 공칭 시스템의 요축 관성 모멘트와 마찰 계수를 나타내는 것을 특징으로 하는 외란 관측기 기반 속도 제어기.
  8. 전기 시스템이 입력 받은 상단 발전기의 전류 제어 지령치와 하단 발전기의 전류 제어 지령치를 기반으로 상단 발전기의 인가 토크와 하단 발전기의 인가 토크를 출력하는 단계;
    기계 시스템이 입력 받은 상단 발전기의 인가 토크와 하단 발전기의 인가 토크를 기반으로 상단 발전기의 회전속도와 하단 발전기의 회전속도를 출력하는 단계; 및
    외란 관측기가 입력 받은 이전 주기의 상단/하단 발전기의 회전속도, 상단/하단 발전기의 전류 제어 지령치를 기반으로 상단/하단 발전기의 출력값을 각각 출력하는 단계;
    를 포함하되, 상기 상단 발전기의 전류 제어 지령치와 하단 발전기의 전류 제어 지령치는 상단 발전기의 속도 제어기의 출력값, 하단 발전기의 속도 제어기의 출력값과 상단 발전기의 외란 관측기의 출력값, 하단 발전기의 외란 관측기의 출력값 각각의 차이값으로 생성되는 것을 특징으로 하는 외란 관측기 기반 속도 제어기의 운영 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 인가 토크를 출력하는 단계는,
    상기 상단 발전기의 전류 제어 지령치와 상기 하단 발전기의 전류 제어 지령치 각각에 토크 상수를 곱하고 그 곱한 결과로 상기 상단 발전기의 인가 토크와 상기 하단 발전기의 인가 토크를 생성하는 것을 특징으로 하는 외란 관측기 기반 속도 제어기의 운영 방법.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 회전속도를 출력하는 단계는,
    입력 받은 상기 상단 발전기의 인가 토크와 상기 하단 발전기의 인가 토크를 기반으로 롤축 토크와 요축 토크를 생성하고,
    생성된 상기 롤축 토크와 상기 요축 토크를 기반으로 롤축 회전속도와 요축 회전속도를 생성하며,
    생성된 상기 롤축 회전속도와 상기 요축 회전속도를 기반으로 상단 발전기의 회전속도와 하단 발전기의 회전속도를 생성하는 것을 특징으로 하는 외란 관측기 기반 속도 제어기의 운영 방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 회전속도를 출력하는 단계는,
    수학식
    Figure pat00058
    을 이용하여 롤축 토크 τr와 요축 토크 τy를 생성하되,
    여기서, 상기 τT는 상단 발전기의 인가 토크, 상기 τB는 하단 발전기의 인가 토크, 상기 ρ는 기어비를 나타내는 것을 특징으로 하는 외란 관측기 기반 속도 제어기의 운영 방법.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 회전속도를 출력하는 단계는,
    수학식
    Figure pat00059
    을 이용하여 롤축 회전 속도 ωr와 요축 회전 속도 ωy를 생성하되,
    여기서, τF, τR는 바람에 의해서 터빈에 인가 되는 토크,
    Figure pat00060
    는 롤축과 요축에 인가 되는 외란 토크, τr, τy는롤축과 요축에 인가하는 발전기의 토크, Jrr, brr는 롤축의 관성 모멘트와 마찰 계수, Jyy, byy는 요축의 관성 모멘트와 마찰 계수, Jry, bry는 요축 회전으로 인하여 발생하는 롤축 관성 모멘트와 마찰 계수, Jyr, byr는 롤축 회전으로 인하여 발생하는 요축 관성 모멘트와 마찰 계수를 나타내는 것을 특징으로 하는 외란 관측기 기반 속도 제어기의 운영 방법.
  13. 제10 항에 있어서,
    상기 회전속도를 출력하는 단계는,
    수학식
    Figure pat00061
    을 이용하여 상단 발전기의 회전속도 ωT와 하단 발전기의 회전속도 ωB를 생성하는 것을 특징으로 하는 외란 관측기 기반 속도 제어기의 운영 방법.
  14. 제8 항에 있어서,
    상기 출력값을 출력하는 단계는,
    수학식
    Figure pat00062
    Figure pat00063
    ,
    Figure pat00064
    ,
    Figure pat00065
    를 이용하여 상단 발전기의 외란 관측기의 출력값
    Figure pat00066
    와 하단 발전기의 외란 관측기의 출력값
    Figure pat00067
    를 생성하되,
    여기서,
    Figure pat00068
    는 롤-요축과 상/하단 발전기 측 변수 사이의 관계를 나타내는 좌표 변환이고, ωr,Q,ωy,Q는 저주파 통과 필터 Q(s)의 대역폭,
    Figure pat00069
    는 공칭 시스템의 롤축 관성 모멘트와 마찰 계수,
    Figure pat00070
    는 공칭 시스템의 요축 관성 모멘트와 마찰 계수를 나타내는 것을 특징으로 하는 외란 관측기 기반 속도 제어기의 운영 방법.
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