KR20170000933A - Pitch control system of wind turbines using time delay estimation and control method thereof - Google Patents

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KR20170000933A
KR20170000933A KR1020150090159A KR20150090159A KR20170000933A KR 20170000933 A KR20170000933 A KR 20170000933A KR 1020150090159 A KR1020150090159 A KR 1020150090159A KR 20150090159 A KR20150090159 A KR 20150090159A KR 20170000933 A KR20170000933 A KR 20170000933A
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김진욱
천종민
이주훈
조창희
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한국전기연구원
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Abstract

The present invention relates to a pitch control system of a wind turbine using time delay estimation, which comprises: a wind turbine which comprises: a blade which is able to rotate by wind; and a rotor which is connected to the blade to receive the rotating power of the blade and to rotate; a rotation speed detector unit which detects the rotation speed of the rotor; a pitch control unit which uses the difference between the detected rotation speed of the rotor and a preset rated rotation speed, the change volume of the difference, and a pre-saved control signal value at a first time to calculate a control signal value at a second time; and a pitch driving unit which controls the pitch angle of the blade in accordance with the calculated control signal value to drive the rotor. Accordingly, the present invention can show enhanced performance of other points than a specific operation point through pitch control using time delay estimation.

Description

시간 지연 추정을 이용한 풍력 터빈의 피치 제어 시스템{PITCH CONTROL SYSTEM OF WIND TURBINES USING TIME DELAY ESTIMATION AND CONTROL METHOD THEREOF}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a pitch control system for a wind turbine using time delay estimation,

본 발명은 풍력 터빈의 피치 제어 시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 시간 지연 추정을 이용하여 계산된 제어신호에 따라 블레이드의 피치 각을 조절하여 회전자를 원하는 회전속도로 구동하는 풍력 터빈의 피치 제어 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.The present invention relates to a pitch control system for a wind turbine and a control method thereof, and more particularly, to a pitch control system for a wind turbine that controls a pitch angle of a blade in accordance with a control signal calculated using a time delay estimation, To a pitch control system for a wind turbine and a control method thereof.

풍력 발전이란 공기의 유동이 가진 운동 에너지의 공기역학적(aerodynamic) 특성을 이용하여 회전자(rotor)를 회전시켜 기계적 에너지로 변환시킨 후 이 기계적 에너지로 전기를 얻는 기술로서, 주요 구성 요소는 날개(blade)와 허브(hub)로 구성된 회전자와, 상기 회전자의 회전에 의하여 구동되며 나셀(Nacelle) 내부에 위치하는 발전기로 구성된다. 이러한 풍력발전기는 환경오염을 발생시키지 않고 무한정의 바람을 사용하므로, 세계적으로 환경에 대한 관심이 고조되고 있는 요즘, 전기에너지의 발전 장치로서 관심이 높아지고 있다.Wind power generation is a technology that uses the aerodynamic characteristics of the kinetic energy of the air flow to convert the rotor into mechanical energy and then obtain electricity using this mechanical energy. a rotor composed of a blade and a hub, and a generator driven by the rotation of the rotor and located inside the Nacelle. Since such wind power generators use infinite winds without generating environmental pollution, interest in the environment is increasing worldwide, and attention is increasing as electric power generation devices.

이러한 풍력발전의 경우, 풍력 터빈으로 불어오는 바람이 정격파워 이하로 출력을 유지할 필요성이 있다. 예컨대, 풍력 터빈으로 불어오는 바람이 정격속도 이상으로 강할 경우, 발전기는 정격 이상으로 전력을 생산해야 하고, 이는 풍력 발전기의 수명을 단축시키는 원인이 되기 때문이다. 이에 따라, 정격속도 이상인 경우에 발전기에 걸리는 부하를 줄이기 위한 피치 제어 시스템이 요구된다.In the case of such wind power generation, it is necessary that the wind blowing to the wind turbine maintains the output power below the rated power. For example, if the wind blowing into the wind turbine is stronger than the rated speed, the generator must produce power above its rated value, which will shorten the life of the wind turbine. Accordingly, a pitch control system is required to reduce the load on the generator when the speed is higher than the rated speed.

그러나, 종래의 PI(Proportioanl Integral) 제어를 이용한 피치 제어 방식의 경우, 특정 동작점(예컨대, 특정 바람 속도, 특정 로터 회전속도, 특정 피치각 등) 근처에서만 잘 동작할 수 있기 때문에, 다른 동작점에서는 좋은 성능을 나타내지 못하는 문제점이 있다.However, in the case of the conventional pitch control method using PI (Proportional Integral) control, since it can operate only near a specific operating point (for example, a specific wind speed, a specific rotor rotational speed, a specific pitch angle, There is a problem that good performance is not exhibited.

KRKR 10-117783810-1177838 B1B1 KRKR 10-123590710-1235907 B1B1

본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 시간 지연 추정을 이용한 피치 제어를 통해 특정 동작점 이외에도 최적의 성능을 나타낼 수 있는 풍력 터빈의 피치 제어 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a pitch control system for a wind turbine and a control method thereof that can exhibit optimum performance in addition to specific operating points through pitch control using time delay estimation .

본 발명의 일면에 따른 시간 지연 추정을 이용한 풍력 터빈의 피치 제어 시스템은, 바람에 의하여 회전할 수 있는 블레이드와, 상기 블레이드에 연결되어 상기 블레이드의 회전 동력을 전달받아 회전하는 회전자를 포함하는 풍력 터빈과; 상기 회전자의 회전속도를 감지하는 회전속도 감지부와; 감지된 상기 회전자의 회전속도와 기 설정된 정격회전속도 간의 편차 및 상기 편차의 변화량과, 기 저장된 상기 제1시각일 때의 제어신호값을 이용하여 상기 제2시각일 때의 제어신호값을 계산하는 피치 제어부와; 상기 계산된 제어신호값에 따라 상기 블레이드의 피치각을 조절하여 상기 회전자를 구동하는 피치 구동부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.A pitch control system for a wind turbine using time delay estimation according to an aspect of the present invention includes a blade capable of rotating by wind and a wind turbine including a rotor connected to the blade and rotated by receiving rotation power of the blade A turbine; A rotation speed sensing unit for sensing a rotation speed of the rotor; The control signal value at the second time is calculated using the deviation between the sensed rotational speed of the rotor and the predetermined rated rotational speed and the variation amount of the deviation and the control signal value at the previously stored first time ; And a pitch driver for driving the rotor by adjusting a pitch angle of the blade according to the calculated control signal value.

또한, 본 발명의 다른 일면에 따른 시간 지연 추정을 이용한 풍력 터빈의 피치 제어 방법은, 바람에 의하여 회전할 수 있는 블레이드와, 상기 블레이드에 연결되어 상기 블레이드의 회전 동력을 전달받아 회전하는 회전자를 포함하는 풍력 터빈의 피치 제어 방법에 있어서, 상기 회전자의 회전속도를 감지하는 단계와; 감지된 상기 회전자의 회전속도와 기 설정된 정격회전속도 간의 편차 및 상기 편차의 변화량과, 기 저장된 제1시각일 때의 제어신호값을 이용하여 상기 제1시각 이후의 제2시각일 때의 제어신호값을 계산하는 단계와; 상기 계산된 제어신호값에 따라 상기 블레이드의 피치각을 조절하여 상기 회전자를 구동하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of controlling a pitch of a wind turbine using time delay estimation, the method comprising: a blade capable of rotating by wind; a rotor connected to the blade, A method for controlling a pitch of a wind turbine, the method comprising: sensing a rotational speed of the rotor; Using the deviation between the detected rotational speed of the rotor and the predetermined rated rotational speed and the variation amount of the deviation and the control signal value at the previously stored first time to control at the second time after the first time Calculating a signal value; And driving the rotor by adjusting a pitch angle of the blade according to the calculated control signal value.

본 발명에 따르면, 시간 지연 추정을 이용한 피치 제어를 통해 특정 동작점 이외에도 최적의 성능을 나타낼 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, it is possible to exhibit optimal performance in addition to a specific operating point through pitch control using time delay estimation.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 시간 지연 추정을 이용한 풍력 터빈의 피치 제어 시스템의 구성을 간략하게 도시한 블록도이고,
도 2는 도 1에 도시된 풍력 터빈의 질량 모델을 나타내는 도면이고,
도 3은 단계적인 풍속의 변화가 있는 경우, 종래의 PI 제어기와 본 발명에 따른 피치 제어 시스템의 회전 속도 및 피치 각 명령을 비교하기 위한 그래프이고,
도 4는 급격한 풍속의 변화가 있는 경우, 종래의 PI 제어기와 본 발명에 따른 피치 제어 시스템의 회전 속도 및 피치 각 명령을 비교하기 위한 그래프이다.FIG. 1 is a block diagram briefly showing a configuration of a pitch control system of a wind turbine using time delay estimation according to an embodiment of the present invention,
Fig. 2 is a view showing a mass model of the wind turbine shown in Fig. 1,
3 is a graph for comparing the rotational speed and the pitch angle command of the conventional PI controller with the pitch control system according to the present invention when there is a change in the stepwise wind speed,
4 is a graph for comparing the rotational speed and the pitch angle command of the conventional PI controller and the pitch control system according to the present invention in the case of a sudden change in wind speed.

이상과 같은 본 발명에 대한 해결하려는 과제, 과제의 해결수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시예 및 도면에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.The foregoing and other objects, features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of the present invention when taken in conjunction with the accompanying drawings. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention, and the manner of achieving them, will be apparent from and elucidated with reference to the embodiments described hereinafter in conjunction with the accompanying drawings. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.

이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 시간 지연 추정을 이용한 풍력 터빈의 피치 제어 시스템을 설명하도록 한다.Hereinafter, a pitch control system for a wind turbine using time delay estimation according to embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 시간 지연 추정을 이용한 풍력 터빈의 피치 제어 시스템의 구성을 간략하게 도시한 블록도이고, 도 2는 도 1에 도시된 풍력 터빈의 질량 모델을 나타내는 도면이다.FIG. 1 is a block diagram briefly showing a configuration of a pitch control system of a wind turbine using time delay estimation according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a diagram showing a mass model of the wind turbine shown in FIG. 1 .

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 시간 지연 추정을 이용한 풍력 터빈의 피치 제어 시스템은 회전속도 감지부(100), 피치 제어부(200) 및 피치 구동부(300)를 포함한다. 여기서, 상기 풍력 터빈은 바람에 의하여 회전할 수 있는 블레이드와, 상기 블레이드에 연결되어 상기 블레이드의 회전 동력을 전달받아 회전하는 회전자를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, a pitch control system for a wind turbine using time delay estimation according to an embodiment of the present invention includes a rotation speed sensing unit 100, a pitch controller 200, and a pitch driver 300. The wind turbine may include a blade rotatable by the wind, and a rotor connected to the blade and rotated by receiving the rotational power of the blade.

회전속도 감지부(100)는 상기 회전자의 회전속도(ωr)를 감지하기 위한 것이다.The rotational speed sensing unit 100 senses the rotational speed r of the rotor.

저장부(220)에는 후술될 에러 계산부(210)에 의해 계산된 제1시각(t-L)일 때의 편차값(et-L)이 기 저장되어 있다.The storage unit 220 stores the deviation value e tL at the first time t L calculated by the error calculation unit 210 to be described later.

피치 제어부(200)는, 상기 회전속도 감지부(100)에 의해 감지된 상기 회전자의 회전속도와 기 설정된 정격회전속도 간의 편차 및 상기 편차의 변화량과, 기 저장된 상기 제1시각일 때의 제어신호값을 이용하여 상기 제1시각 이후의 제2시각일 때의 제어신호값을 계산한다.The pitch controller 200 may control the deviation between the rotational speed of the rotor sensed by the rotational speed sensing unit 100 and the predetermined rated rotational speed and the variation amount of the deviation, And calculates the control signal value at the second time after the first time using the signal value.

구체적으로, 피치 제어부(200)는, 상기 블레이드의 회전속도(ωr)와 상기 정격회전속도(ωd) 간의 편차(e)를 계산하고, 상기 제1시각(t-L)일 때 계산된 편차값(et-L)과 상기 제2시각(t)일 때 계산한 편차(et)를 이용하여 편차 변화량을 계산하는 에러 계산부(210)와, 상기 계산된 편차 및 편차 변화량과 기 저장된 상기 제1시각에서의 제어신호값을 이용하여 상기 제2시각에서의 제어신호값을 계산하는 제어신호 계산부(230)를 포함할 수 있다.Specifically, the pitch controller 200 calculates a deviation e between the rotational speed? R of the blade and the rated rotational speed? D , and calculates a deviation value? E calculated at the first time tL an error calculator 210 for calculating a deviation variation using the deviation e tL calculated at the first time t and the deviation e t calculated at the second time t, And a control signal calculator 230 for calculating the control signal value at the second time using the control signal value at the time.

여기서, 에러 계산부(210)는, 상기 회전속도 감지부(100)에 의해 감지된 상기 블레이드의 회전속도(ωr)와 기 설정된 정격회전속도(ωd) 간의 편차를 계산하고, 상기 편차의 변화량을 계산하기 위한 것이다.Here, the error calculator 210 calculates a deviation between the rotation speed? R of the blade sensed by the rotation speed sensing unit 100 and a predetermined rated rotation speed? D , To calculate the amount of change.

먼저, 상기 에러 계산부(210)는 아래의 수학식 1에 따라 상기 편차를 계산할 수 있다. 여기서, e는 블레이드의 회전속도(ωr)와 정격회전속도(ωd) 간의 편차이다.First, the error calculator 210 may calculate the deviation according to the following equation (1). Here, e is a deviation between the rotation speed ( r ) of the blade and the rated rotation speed ( d ).

Figure pat00001
Figure pat00001

이때, 상기 수학식 1은 오차 역학(error dynamics)에 따라 아래의 수학식 2로 나타낼 수 있다. 여기서, k는 양의 상수이고, 상기 수학식 2에서 편차(e)는 0으로 수렴하게 된다.The equation (1) can be expressed by the following equation (2) according to the error dynamics. Here, k is a positive constant, and the deviation e in the equation (2) converges to zero.

Figure pat00002
Figure pat00002

다음으로, 상기 에러 계산부(210)는, 제1시각(t-L)일 때 계산된 편차값과 제2시각(t)일 때 계산한 편차를 이용하여 아래의 수학식 3에 따라 편차 변화량을 계산할 수 있다.Next, the error calculator 210 calculates a deviation variation using the deviation calculated at the first time (tL) and the deviation calculated at the second time (t) according to the following equation (3) .

Figure pat00003
Figure pat00003

여기서, 제어신호 계산부(230)는 상기 에러 계산부(210)에서 계산된 편차 및 상기 편차의 변화량과, 기 저장된 상기 제1시각일 때의 제어신호값을 이용하여 상기 제1시각 이후의 제2시각일 때의 제어신호값을 계산하기 위한 것이다.Here, the control signal calculator 230 may calculate the control signal using the difference between the deviation calculated in the error calculator 210 and the deviation, and the control signal value at the first time, 2 < / RTI > time.

구체적으로, 제어신호 계산부(230)는 상기 에러 계산부(210)에서 계산된 편차(e)에 제1상수(K)를 곱한 값(Ke)과 상기 계산된 편차 변화량을 더한 후 제2상수(g)를 곱한 값에 상기 제1시각(t-L)에서의 제어신호값을 더하여 상기 제2시각(t)에서의 제어신호값을 계산할 수 있다.Specifically, the control signal calculation unit 230 adds the calculated deviation variation amount Ke to a value (Ke) obtained by multiplying the deviation e calculated by the error calculation unit 210 by the first constant K, the control signal value at the second time t may be calculated by adding the control signal value at the first time tL to the value obtained by multiplying the value obtained by multiplying the value obtained by multiplying the control signal value g by the predetermined value g.

이하, 상기 제2시각(t)에서의 제어신호값을 구하는 구체적인 방법에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, a specific method of obtaining the control signal value at the second time t will be described.

먼저, 상기 바람에 의한 공기역학적 힘(Pa)은 아래의 수학식 4로 나타낼 수 있다. 여기서, ρ는 공기밀도이고, R은 회전자의 반지름이고, CP(λ,β)는 동력계수이고, Vw는 허브의 풍속이다.First, the aerodynamic force P a due to the wind can be expressed by the following equation (4). Here, ρ is the air density, R is the radius of the rotor, C P (λ, β) is the power coefficient, and V w is the wind speed of the hub.

Figure pat00004
Figure pat00004

상기 동력계수는 블레이드 피치각(β)과 아래의 수학식 5에 따른 날개 끝 속도 비(λ)에 기초하여 결정된다. 여기서, ωr은 회전자의 각속도이고, ωrR은 선형 블레이드의 날개 끝 속도를 나타낸다. 상기 수학식 1과 수학식 2에서 ρ,R 및 Vw는 제어할 수 없는 변수에 해당하므로, 상기 동력계수(CP(λ,β))를 제어함으로써 공기역학적 힘(Pa)을 조절할 수 있게 된다.The power coefficient is determined based on the blade pitch angle beta and the blade tip speed ratio [lambda] in accordance with Equation (5) below. Here, ω r is the rotor angular speed, ω r R represents a linear speed of the blade wing tip. In Equations (1) and (2), since ρ, R and V w correspond to uncontrollable variables, the aerodynamic force P a can be controlled by controlling the power coefficient C P .

Figure pat00005
Figure pat00005

토크와 힘 사이의 관계를 나타내는 "Pa = ωrTa"의 공식을 이용하면, 상기 바람에 의한 공기역학 토크(Ta), 즉, 상기 블레이드의 회전동력을 아래의 수학식 6으로 나타낼 수 있다.Using the formula Pa = ω r T a, which represents the relationship between torque and force, the wind-induced aerodynamic torque T a , that is, the rotational power of the blade, can be expressed by the following equation have.

Figure pat00006
Figure pat00006

도 2는 상기 블레이드의 회전 동력을 회전자(r; rotor) 및 발전기(g; generator)로 전달하기 위한 구동 관계를 도시한 도면이다.2 is a view showing a drive relationship for transmitting the rotational power of the blade to a rotor (rotor) and a generator (g).

먼저, 상기 블레이드의 회전 동력을 전달받은 회전자 측의 운동 방정식을 아래의 수학식 7로 나타낼 수 있다. 여기서, Jr은 회전자의 관성을 나타내고, Br은 회전자의 외부 댐핑계수이고, Kls는 저속 축 강성계수이고, Bls는 저속 축 댐핑계수이고, θr은 회전자의 회전각이고, θls는 저속 축의 회전각이고, ωr는 저속 축의 각속도이고, Tls는 Ta에 반대되는 방향으로 작용하는 저속 축 토크이다.First, the equation of motion on the rotor side, which receives the rotational power of the blade, can be expressed by Equation (7) below. Here, J r denotes a rotor inertia, B r is the outside of the damping coefficient of the rotor, K ls is a low speed shaft stiffness coefficient, B ls is a low speed shaft damping coefficient, θ r is the angle of rotation of the rotor, and ,? ls is the rotation angle of the low speed shaft,? r is the angular speed of the low speed shaft, and T ls is the low speed shaft torque acting in the direction opposite to T a .

Figure pat00007
Figure pat00007

다음으로, 상기 회전자를 통해 회전 동력을 전달받은 상기 발전기 측의 운동방정식을 아래의 수학식 8로 나타낼 수 있다. 여기서, Jg는 발전기의 관성을 나타내고, Ths는 고속 축 토크이고, Bg는 발전기의 외부 댐핑계수이고, ωg는 발전기의 각속도이고, Tg는 발전기의 전기적 토크이다.Next, the equation of motion of the generator, which receives the rotational power through the rotor, can be expressed by the following equation (8). Here, J represents the inertia of the generator g, T hs is a high-speed shaft torque, B g is the damping coefficient of the external generator, ω g is the angular velocity of the generator, T g is the electrical torque of the generator.

Figure pat00008
Figure pat00008

이때, 상기 회전자와 상기 발전기 사이를 연결하는 기어박스(ng)의 비를 아래의 수학식 9로 나타낼 수 있다.At this time, the ratio of the gear box (n g ) connecting between the rotor and the generator can be expressed by Equation (9) below.

Figure pat00009
Figure pat00009

만약 상기 회전자와 상기 기어박스 사이의 저속 축이 완전한 경질체에 해당한다면, 전술한 수학식 7, 수학식 8 및 수학식 9를 정리하여 아래의 수학식 10으로 나타낼 수 있다.If the low speed shaft between the rotor and the gear box corresponds to a complete rigid body, the above Equations (7), (8) and (9) can be summarized as Equation (10).

Figure pat00010
Figure pat00010

상기 수학식 10을 재배열하면, 회전자의 속도 변화량(

Figure pat00011
)을 아래의 수학식 11 및 수학식 12로 나타낼 수 있다. 여기서, ΔTu는 모델링되지 않은 동력을 나타내고, d는 연속적이며 제한된 외란을 나타내고, Ta, Bk 및 Tg는 조정 가능한 상수이다.By rearranging Equation (10), the speed change amount of the rotor
Figure pat00011
) Can be expressed by the following equations (11) and (12). Here, ΔT u denotes a non-modeling power, d is a continuous and represents a limited disturbance, T a, and k B T g is an adjustable constant.

Figure pat00012
Figure pat00012

Figure pat00013
Figure pat00013

상기 편차에 관한 수학식 1 및 수학식 2를 이용하여 상기 수학식 12를 정리하면, 상기 편차의 변화량을 아래의 수학식 13으로 나타낼 수 있다. 여기서 f(e)는 연속적인 함수이고,

Figure pat00014
는 조정 가능한 상수이다.Using Equation (1) and Equation (2) with respect to the deviation, the equation (12) can be summarized, and the variation of the deviation can be expressed by Equation (13) below. Where f (e) is a continuous function,
Figure pat00014
Is an adjustable constant.

Figure pat00015
Figure pat00015

만일 시간지연 L의 값이 무시할 수 있을 만큼 아주 작다면, f(e)t -L을 나타내는 아래의 수학식 14로부터 근사값인 f(e)t의 값을 구할 수 있다. 이처럼, t-L시각에서의 값에 기초한 근사값 추정 방법을 시간 지연 추정(TDC: Time Delay Estimation)이라 한다.If the value of the time delay L is negligibly small, the value of f (e) t , which is an approximation, can be obtained from the following expression (14) representing f (e) t -L . As described above, the approximate value estimation method based on the value at time tL is called time delay estimation (TDC).

Figure pat00016
Figure pat00016

또한, 만일

Figure pat00017
가 0이 아닌 상수로 설정된다면, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어신호(u)는, 전술한 수학식 2, 수학식 13 및 수학식 14에 기초하여, 아래의 수학식 15로 나타낼 수 있다.Also,
Figure pat00017
Is set to a constant other than 0, the control signal u according to the embodiment of the present invention can be expressed by the following expression (15) on the basis of the above-described expressions (2), (13) and .

Figure pat00018
Figure pat00018

이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 시간 지연 추정을 이용한 풍력터빈의 피치 제어 시스템에 의하면, 제1시각(t-L)일 때의 제어신호값과 편차 변화량 등의 시간 지연 정보를 이용하여 제2시각(t)일 때의 제어신호값을 계산할 수 있게 된다.Thus, according to the pitch control system of a wind turbine using the time delay estimation according to the embodiment of the present invention, by using the time delay information such as the control signal value at the first time tL and the deviation amount, It is possible to calculate the control signal value at time t.

다음으로, 피치 구동부(300)는, 상기 피치 제어부(200)에 의해 계산된 제어신호값에 따라 상기 블레이드의 피치각을 조절하여 상기 회전자를 구동한다.Next, the pitch driver 300 drives the rotor by adjusting the pitch angle of the blades in accordance with the control signal value calculated by the pitch controller 200.

도 3은 단계적인 풍속의 변화가 있는 경우, 종래의 PI 제어기와 본 발명에 따른 피치 제어 시스템의 회전 속도 및 피치 각 명령을 비교하기 위한 그래프이고, 도 4는 급격한 풍속의 변화가 있는 경우, 종래의 PI 제어기와 본 발명에 따른 피치 제어 시스템의 회전 속도 및 피치 각 명령을 비교하기 위한 그래프이다. 여기서, 종래의 PI 제어기와 본 발명에 따른 피치 제어 시스템(TDC)은 회전자의 회전 속도를 정격회전속도인 12.1 rpm에 근접하도록 제어하는 것을 목표로 한다.FIG. 3 is a graph for comparing the rotation speed and the pitch angle command of the conventional PI controller and the pitch control system according to the present invention when there is a change in the stepwise wind speed. FIG. In order to compare the rotational speed and the pitch angle command of the PI controller of the present invention with the PI controller of the present invention. Here, the conventional PI controller and the pitch control system (TDC) according to the present invention aim to control the rotational speed of the rotor so as to approach the rated rotational speed of 12.1 rpm.

먼저, 도 3(a)에 도시된 바와 같이 단계적인 풍속의 변화가 있는 경우, 본 발명에 따른 피치 제어 시스템(TDC)은, 도 3(b)에 도시된 바와 같이, 종래의 PI 제어기보다 12.1 rpm에 더 가까운 회전 속도를 가지도록 제어하고, 도 3(c)에 도시된 바와 같이, 종래의 PI 제어기보다 풍속 변화에 더 빨리 대응하여 피치 각을 제어하게 된다.3 (a), the pitch control system (TDC) according to the present invention, as shown in FIG. 3 (b), has a 12.1 the pitch angle is controlled so as to have a rotation speed closer to that of the rpm than the conventional PI controller as shown in Fig.

다음으로, 도 4(a)에 도시된 바와 같이 급격한 풍속의 변화가 있는 경우, 본 발명에 따른 피치 제어 시스템(TDC)은, 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 종래의 PI 제어기보다 12.1 rpm에 더 가까운 회전 속도를 가지도록 제어하고, 도 4(c)에 도시된 바와 같이, 종래의 PI 제어기보다 풍속 변화에 더 빨리 대응하여 피치 각을 제어하게 된다.4 (a), the pitch control system (TDC) according to the present invention, as shown in Fig. 4 (b), has a 12.1 the pitch angle is controlled so as to have a rotation speed closer to the rpm than the conventional PI controller as shown in Fig.

즉, 본 발명에 따른 시간 지연 추정을 이용한 풍력 터빈의 피치 제어 시스템은 종래의 PI 제어기와 비교하여 높은 수렴성과 빠른 응답성을 가지는 것을 확인할 수 있다.That is, it can be confirmed that the pitch control system of the wind turbine using the time delay estimation according to the present invention has higher convergence and faster response than the conventional PI controller.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 시간 지연 추정을 이용한 풍력터빈의 피치 제어 시스템을 이용하면, 시간 지연 추정을 이용한 피치 제어를 통해 특정 동작점 이외에도 최적의 성능을 나타낼 수 있게 된다.Therefore, by using the pitch control system of the wind turbine using the time delay estimation according to the embodiment of the present invention, it is possible to exhibit optimal performance in addition to the specific operating point through the pitch control using the time delay estimation.

이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위 내에서 다양하게 실시될 수 있다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments.

100: 회전속도 감지부 200: 피치 제어부
210: 에러 계산부 220: 저장부
230: 제어신호 계산부 300: 피치 구동부100: rotation speed sensing unit 200: pitch control unit
210: error calculation unit 220:
230: control signal calculator 300: pitch driver

Claims (8)

바람에 의하여 회전할 수 있는 블레이드와, 상기 블레이드에 연결되어 상기 블레이드의 회전 동력을 전달받아 회전하는 회전자를 포함하는 풍력 터빈의 피치 제어 시스템에 있어서,
상기 회전자의 회전속도를 감지하는 회전속도 감지부;
감지된 상기 회전자의 회전속도와 기 설정된 정격회전속도 간의 편차 및 상기 편차의 변화량과, 기 저장된 상기 제1시각일 때의 제어신호값을 이용하여 상기 제1시각 이후의 제2시각일 때의 제어신호값을 계산하는 피치 제어부; 및
상기 계산된 제어신호값에 따라 상기 블레이드의 피치각을 조절하여 상기 회전자를 구동하는 피치 구동부;를 포함하는 시간 지연 추정을 이용한 풍력 터빈의 피치 제어 시스템.1. A pitch control system for a wind turbine including a wind rotatable blade and a rotor connected to the blade and rotated by receiving rotational power of the blade,
A rotation speed sensing unit for sensing a rotation speed of the rotor;
And a control signal value at a first time after the first time, based on a deviation between the sensed rotational speed of the rotor and a predetermined rated rotational speed and a variation amount of the deviation, A pitch controller for calculating a control signal value; And
And a pitch driver for driving the rotor by adjusting a pitch angle of the blades according to the calculated control signal value. 제1항에 있어서,
상기 피치 제어부는,
상기 블레이드의 회전속도와 상기 정격회전속도 간의 편차를 계산하고, 상기 제1시각일 때 계산된 편차값과 상기 제2시각일 때 계산한 편차를 이용하여 편차 변화량을 계산하는 에러 계산부;
상기 제1시각일 때의 편차값이 기 저장된 저장부; 및
상기 계산된 편차 및 편차 변화량과 기 저장된 상기 제1시각에서의 제어신호값을 이용하여 상기 제2시각에서의 제어신호값을 계산하는 제어신호 계산부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 시간 지연 추정을 이용한 풍력 터빈의 피치 제어 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the pitch control unit includes:
An error calculator calculating a deviation between the rotation speed of the blade and the rated rotation speed and calculating a deviation variation using the deviation calculated at the first time and the deviation calculated at the second time;
A storage unit for storing a deviation value at the first time; And
And a control signal calculator for calculating a control signal value at the second time point by using the calculated deviation and deviation variation amount and the control signal value at the first stored time point. Pitch Control System of Wind Turbine. 제2항에 있어서,
상기 제어신호 계산부는,
상기 계산된 편차에 제1상수를 곱한 값과 상기 계산된 편차 변화량을 더한 후 제2상수를 곱한 값에 상기 제1시각에서의 제어신호값을 더하여 상기 제2시각에서의 제어신호값을 계산하는 것을 특징으로 하는 시간 지연 추정을 이용한 풍력 터빈의 피치 제어 시스템.3. The method of claim 2,
Wherein the control signal calculator comprises:
A control signal value at the second time is calculated by adding a control signal value at the first time to a value obtained by multiplying the calculated deviation by a first constant and the calculated deviation variation amount and then by a second constant Wherein the pitch control system comprises: 제2항에 있어서,
상기 에러 계산부는,
상기 편차 및 상기 편차 변화량을 아래의 수학식 I,II에 따라 각각 계산하는 것을 특징으로 하는 시간 지연 추정을 이용한 풍력 터빈의 피치 제어 시스템.
(수학식 I)
Figure pat00019

(수학식 II)
Figure pat00020

ωr은 블레이드의 회전속도이고, ωd는 정격회전속도이고, e는 블레이드의 회전속도와 정격회전속도 간의 편차이고,
Figure pat00021
는 편차 변화량이고, et는 제2시각(t)일 때의 편차값이고, et-L은 제1시각(t-L)일 때의 편차값이다.3. The method of claim 2,
Wherein the error calculator comprises:
And calculating the deviation and the deviation variation amount according to the following equations (I) and (II), respectively.
(I)
Figure pat00019

(II)
Figure pat00020

? r is the rotational speed of the blade,? d is the rated rotational speed, e is the deviation between the rotational speed of the blade and the rated rotational speed,
Figure pat00021
E t is the deviation value at the second time (t), and e tL is the deviation value at the first time (t L). 제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 제어신호 계산부는,
상기 제2시각에서의 제어신호값을 아래의 수학식 III에 따라 계산하는 것을 특징으로 하는 시간 지연 추정을 이용한 풍력 터빈의 피치 제어 시스템.
(수학식 III)
Figure pat00022

ut는 제2시각에서의 제어신호값이고, ut -L은 제1시각에서의 제어신호값이고, e는 블레이드의 회전속도와 정격회전속도 간의 편차이고, K는 제1상수이고,
Figure pat00023
은 편차 변화량이고,
Figure pat00024
은 제2상수이다.The method according to claim 2 or 3,
Wherein the control signal calculator comprises:
And the control signal value at the second time is calculated according to the following equation (III).
(III)
Figure pat00022

u t is the control signal value at the second time, u t -L is the control signal value at the first time, e is the deviation between the rotational speed of the blade and the rated rotational speed, K is the first constant,
Figure pat00023
Is a variation variation amount,
Figure pat00024
Is a second constant. 바람에 의하여 회전할 수 있는 블레이드와, 상기 블레이드에 연결되어 상기 블레이드의 회전 동력을 전달받아 회전하는 회전자를 포함하는 풍력 터빈의 피치 제어 방법에 있어서,
상기 회전자의 회전속도를 감지하는 단계;
감지된 상기 회전자의 회전속도와 기 설정된 정격회전속도 간의 편차 및 상기 편차의 변화량과, 기 저장된 제1시각일 때의 제어신호값을 이용하여 상기 제1시각 이후의 제2시각일 때의 제어신호값을 계산하는 단계;
상기 계산된 제어신호값에 따라 상기 블레이드의 피치각을 조절하여 상기 회전자를 구동하는 단계;를 포함하는 시간 지연 추정을 이용한 풍력 터빈의 피치 제어 방법.A pitch control method of a wind turbine including a wind rotatable blade and a rotor connected to the blade and rotated by receiving rotation power of the blade,
Sensing a rotational speed of the rotor;
Using the deviation between the detected rotational speed of the rotor and the predetermined rated rotational speed and the variation amount of the deviation and the control signal value at the previously stored first time to control at the second time after the first time Calculating a signal value;
And controlling the pitch angle of the blades according to the calculated control signal value to drive the rotor. The method of controlling a pitch of a wind turbine using time delay estimation. 제6항에 있어서,
상기 계산하는 단계는,
상기 제2시각일 때의 상기 블레이드의 회전속도 및 정격회전속도 간의 편차를 계산하는 단계;
상기 계산된 제2시각일 때의 편차와 기 저장된 상기 제1시각일 때의 편차값을 이용하여 상기 편차 변화량을 계산하는 단계; 및
상기 계산된 편차 및 편차 변화량과 상기 제1시각에서의 제어신호값을 이용하여 상기 제2시각일 때의 제어신호값을 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 시간 지연 추정을 이용한 풍력 터빈의 피치 제어 방법.The method according to claim 6,
Wherein the calculating step comprises:
Calculating a deviation between the rotational speed and the rated rotational speed of the blade at the second time;
Calculating the deviation variation by using the calculated deviation at the second time and the deviation value at the first stored time; And
And calculating a control signal value at the second time using the calculated deviation and the deviation change amount and the control signal value at the first time. Pitch control method. 제7항에 있어서,
상기 제어신호값을 계산하는 단계는,
상기 계산된 편차에 제1상수를 곱한 값과 상기 계산된 편차 변화량을 더한 후 제2상수를 곱한 값에 상기 제1시각일 때의 제어신호값을 더하여 상기 제2시각일 때의 제어신호값을 계산하는 것을 특징으로 하는 시간 지연 추정을 이용한 풍력 터빈의 피치 제어 방법.8. The method of claim 7,
Wherein the step of calculating the control signal value comprises:
A control signal value at the first time is added to a value obtained by multiplying the calculated deviation by a first constant and the calculated deviation variation amount and then multiplied by a second constant to obtain a control signal value at the second time And estimating the time delay of the wind turbine based on the estimated time delay.
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