KR20170054828A - Control system for reducing vibration of wind turbine tower - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a vibration reduction control system of a wind turbine tower, comprising: a nacelle (10) having a pitch driver (15) on a hub (11), and having a speed sensor (23) on a generator (13); an acceleration sensor (21) provided on the nacelle (10) for generating a signal corresponding to vibration; and a controller (30) for inputting a signal of the acceleration sensor (21) and applying an output to the pitch driver (15) in accordance with a set algorithm. Accordingly, the present invention is able to reduce a tower load without installing a physical damper by changing rotor thrust by controlling a pitch angle of the wind turbine, and as a result, a weight saving design can be achieved.

Description

풍력발전기 타워의 진동저감 제어시스템{Control system for reducing vibration of wind turbine tower}[0001] The present invention relates to a control system for a wind turbine tower,

본 발명은 풍력발전기의 진동저감에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 풍력발전기의 피치각 조절로 로터 추력을 변동하여 댐핑력으로 진동을 축소하는 풍력발전기 타워의 진동저감 제어시스템에 관한 것이다.More particularly, the present invention relates to a vibration reduction control system for a wind power generator tower that reduces vibration by damping force by varying the rotor thrust by controlling the pitch angle of the wind power generator.

풍력발전기는 풍하중에 의해 발전 중 타워가 고유주파수로 진동을 하는데, 이러한 진동은 타워의 피로하중을 발생시키는 주요 요인이다. 기존에는 풍력발전기 타워의 진동을 저감하기 위해 타워 내부에 트러스 구조물 등의 물리적인 방법이 사용되기도 하였다.In wind power generators, towers generate vibrations at natural frequency during the power generation by wind load, and these vibrations are the main factors causing the tower fatigue load. In the past, physical methods such as truss structures have been used inside the tower to reduce the vibration of the wind power generator tower.

소프트웨어적인 방법으로 하기 한국 등록특허공보 제1413565호(선행문헌 1), 한국 공개특허공보 제2015-0063568호(선행문헌 2) 등을 참조할 수 있다.As a software method, reference can be made to Korean Patent Registration No. 1413565 (Prior Art 1), Korean Patent Laid-Open Publication No. 2015-0063568 (Prior Art 2), and the like.

선행문헌 1은 검증된 소프트웨어 툴을 사용하여 풍력터빈 동역학 모델식을 세우되, 풍력터빈의 회전기 회전 속도뿐만 아니라 회전날개들에 가해지는 기계적 피로 하중 정도를 판단할 수 있는 회전날개의 루트 부분의 회전기 회전 평면 외 굽힘 모멘트를 계산하여 그 값을 피치제어기에 전달한다. 이에, 개발기간 단축, 비용절감, 성능 시험의 용이성을 도모한다.In the prior art 1, a wind turbine dynamical model equation is established using a verified software tool, and the rotational speed of the wind turbine rotor, as well as the degree of mechanical fatigue load applied to the rotating blades, Calculates the out-of-plane bending moment and transfers the value to the pitch controller. Therefore, the development period is shortened, the cost is reduced, and the performance test is facilitated.

선행문헌 2에 의하면 진동 저감을 위한 조치는, 예정된 유지 시간 주기 동안 현재 피치각을 현재값으로 유지하는 단계, 특히 조절 속도가 감소하도록, 사용된 피치-조절 알고리즘을 교체하는 단계, 예정된 아지무스 각도만큼 아지무스 위치를 조절하는 단계, 특성 곡선에 기초한 운전을 전환하는 단계 등을 포함한다. 이에, 간단한 방식으로 길이방향 진동을 저지하는 효과를 기대한다.According to the prior art document 2, the measures for vibration reduction include maintaining the current pitch angle at the current value during the predetermined holding time period, replacing the pitch-adjusting algorithm used, in particular reducing the adjusting speed, Adjusting the azimuth position as much as possible, switching the operation based on the characteristic curve, and the like. Thus, an effect of preventing longitudinal vibration in a simple manner is expected.

선행문헌 1은 풍력발전기의 블레이드 속도를 이용하여 굽힘모멘트를 계산하여 피치를 제어하므로 진동 저감의 모델링을 달성하기 미흡하고, 선행문헌 2는 과도하게 알고리즘 지향적이면서 로터의 길이(축) 방향 진동 감소를 요지로 하여 타워의 진동을 저감하기 한계성을 보인다.Prior art 1 is not sufficient to achieve modeling of vibration reduction because it controls pitch by calculating bending moment using blade speed of wind turbine. Prior literature 2 shows that it is overly algorithm-oriented and reduces the length (axial) vibration of rotor It is pointed out that there is a limit to reduce the vibration of the tower.

1. "풍력터빈 피치제어기의 성능 평가장치 및 그 방법" (공개일자 : 2014.06.13.)1. "Apparatus and method for evaluating the performance of a wind turbine pitch controller" (Publication date: Apr. 13, 2014) 2. 한국 공개특허공보 제2015-0063568호 "풍력 발전 설비의 운전 방법" (공개일자 : 2014.04.17.)2. KOKAI Publication No. 2015-0063568 "Method of operating a wind power generation facility" (Publication date: Apr. 17, 2014).

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 타워 상부의 진동속도에 비례하도록 추가적인 추력을 발생시키는 방식으로 타워 운동방정식에서 댐핑텀의 크기를 증가시켜 결과적으로 타워 진동을 줄이는 풍력발전기 타워의 진동저감 제어시스템을 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to overcome the above-mentioned problems of the prior art by providing a wind turbine generator that increases the size of a damping term in a tower motion equation and consequently reduces tower vibration, And a vibration reduction control system of the tower.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 풍력발전기 타워의 진동을 저감하는 제어시스템에 있어서: 허브 상에 피치구동기를 지니고, 발전기 상에 속도센서를 지니는 너셀; 상기 너셀 상에 설치되어 진동에 대응한 신호를 생성하는 가속도센서; 및 상기 가속도센서의 신호를 입력하여 설정된 알고리즘으로 피치구동기에 출력을 인가하는 제어기;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a control system for reducing vibration of a wind turbine tower, comprising: a nacelle having a pitch driver on a hub and a speed sensor on the generator; An acceleration sensor installed on the nacelle for generating a signal corresponding to vibration; And a controller for inputting a signal of the acceleration sensor and applying an output to the pitch driver in accordance with the set algorithm.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어기는 속도센서의 신호로 기준피치각을 연산하는 제1제어부, 가속도센서의 신호로 보정피치각을 연산하는 제2제어부, 기준피치각과 보정피치각을 합산하여 통합피치각을 생성하는 통합연산부를 구비하는 것을 특징으로 한다.The controller includes a first controller for calculating a reference pitch angle with a signal of a speed sensor, a second controller for calculating a correction pitch angle with a signal of the acceleration sensor, And an integrated arithmetic unit for generating a pitch angle.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어기는 가속도 신호의 적분으로 속도 신호를 생성하고, 게인 1을 이용하여 부가추력을 산출하고, 게인 2를 연산하여 보정피치각을 산출하는 것을 특징으로 한다.In a detailed configuration of the present invention, the controller generates a speed signal by integration of an acceleration signal, calculates an additional thrust by using gain 1, and calculates a correction pitch angle by calculating gain 2.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어기는 부가추력의 산출에 있어서

Figure pat00001
의 연산식 1을 이용하고, 보정피치각의 산출에 있어서
Figure pat00002
의 연산식 2를 이용하는 것을 특징으로 한다.In a detailed configuration of the present invention,
Figure pat00001
The calculation formula 1 of the correction pitch angle is used, and in calculation of the correction pitch angle
Figure pat00002
The following equation 2 is used.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어기는 게인 2의 연산 과정에서 상기 연산식 1 및 상기 연산식 2를 이용하여 트라이얼에러 방식으로 값을 선정하는 것을 특징으로 한다.In the detailed configuration of the present invention, the controller selects a value by a trial error method using the calculation formula 1 and the calculation formula 2 in the calculation process of the gain 2.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 풍력발전기의 피치각 조절을 통해 로터 추력에 변화를 주는 방식으로 물리적인 댐퍼를 설치하지 않아도 타워 하중을 감소시킬 수 있어서 결과적으로 경량화 설계를 달성하는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, it is possible to reduce the tower load without providing a physical damper by changing the rotor thrust through the adjustment of the pitch angle of the wind power generator, and as a result, the lighter design can be achieved.

도 1은 본 발명에 따른 시스템을 전체적으로 나타내는 구성도
도 2는 본 발명에 따른 시스템의 제어기를 나타내는 블록도
도 3은 본 발명에 따른 시스템의 제어기 작동을 나타내는 플로우차트
도 4는 본 발명에 따른 시스템의 제어기 연산에 참조되는 그래프
도 5는 본 발명에 따른 시스템의 작동예를 나타내는 플로우차트1 is a block diagram generally illustrating a system according to the present invention;
2 is a block diagram illustrating a controller of a system according to the present invention;
Figure 3 is a flow chart illustrating the controller operation of the system according to the present invention;
Figure 4 is a graph that is referenced to the controller operation of the system according to the present invention.
5 is a flowchart showing an operation example of the system according to the present invention

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 풍력발전기 타워의 진동을 저감하는 제어시스템에 관하여 제안한다. 타워 상부에 탑재되는 너셀(10)의 전방으로 허브(11)가 설치되고 후방으로 발전기(13)가 수용되는 형태의 풍력발전기를 대상으로 하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다.The present invention proposes a control system for reducing vibration of a wind turbine tower. The present invention is not necessarily limited to a wind turbine in which a hub 11 is installed in front of a nacelle 10 mounted on an upper portion of a tower and a generator 13 is accommodated in a rear portion.

본 발명에 따르면 너셀(10)이 허브(11) 상에 피치구동기(15)를 지니고, 발전기(13) 상에 속도센서(23)를 지니는 구조이다. 허브(11)에 장착되는 블레이드(12)는 각각 피치구동기(15)를 개재하여 피치각 변동이 가능하다. 통상 풍속이 증가할수록 피치각을 비례적으로 증가시킨다. 속도센서(23)는 발전기(13)에 설치되어 현재 발전 상태의 회전수를 설정된 주기로 실시간 검출한다.According to the present invention, the nacelle 10 has a pitch driver 15 on the hub 11 and a speed sensor 23 on the generator 13. The pitch of the blades 12 mounted on the hub 11 can be varied by the pitch driver 15, respectively. As the wind speed increases, the pitch angle increases proportionally. The speed sensor 23 is installed in the generator 13 to detect the current number of revolutions of the power generator at a predetermined period in real time.

또, 본 발명에 따르면 가속도센서(21)가 상기 너셀(10) 상에 설치되어 진동에 대응한 신호를 생성하는 구조이다. 가속도센서(21)는 너셀(10)에 복수로 설치함이 신뢰성을 확보하는 측면에서 유리하지만 연산에 요하는 시간이 증가되므로 시스템에 따라서 최적의 수량을 선택한다. 가속도센서(21)의 종류로 관성식이나 자이로식보다 실리콘반도체 방식이 선호된다.In addition, according to the present invention, an acceleration sensor 21 is provided on the nacelle 10 to generate a signal corresponding to vibration. Although a plurality of acceleration sensors 21 are provided in the nacelle 10 in terms of ensuring reliability, the time required for the calculation is increased, so that the optimum quantity is selected according to the system. The acceleration sensor 21 is preferably of a silicon semiconductor type rather than an inertia type or a gyro type.

또, 본 발명에 따르면 제어기(30)가 상기 가속도센서(21)의 신호를 입력하여 설정된 알고리즘으로 피치구동기(15)에 출력을 인가하는 구조이다. 제어기(30)는 마이크로프로세서, 메모리, 입출력인터페이스를 구비하는 마이컴회로를 기반으로 한다. 제어기(30)의 메모리에 후술하는 제어 알고리즘이 갱신 가능하게 탑재된다. 입출력인터페이스에 가속도센서(21), 속도센서(23), 피치각센서(25), 피치구동기(15) 등이 결합된다.According to the present invention, the controller 30 inputs a signal of the acceleration sensor 21 and applies an output to the pitch driver 15 in accordance with a set algorithm. The controller 30 is based on a microprocessor, a memory, and a microcomputer circuit having an input / output interface. A control algorithm, which will be described later, is installed in the memory of the controller 30 in a renewable manner. An acceleration sensor 21, a velocity sensor 23, a pitch angle sensor 25, a pitch driver 15, and the like are coupled to the input / output interface.

본 발명에서 가속도센서(21)와 제어기(30)를 연계하는 하드웨어-소프트웨어적 방식으로 타워의 진동을 저감할 수 있으며, 이러한 결과는 타워의 피로하중 감소를 유발하여 경량화 설계를 달성할 수 있도록 한다.In the present invention, it is possible to reduce the vibration of the tower in a hardware-software manner in which the acceleration sensor 21 and the controller 30 are associated with each other, and this result causes the fatigue load reduction of the tower to achieve a lightweight design .

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어기(30)는 속도센서(23)의 신호로 기준피치각(β1)을 연산하는 제1제어부(31), 가속도센서(21)의 신호로 보정피치각(Δβ)을 연산하는 제2제어부(32), 기준피치각과 보정피치각을 합산하여 통합피치각(β)을 생성하는 통합연산부(35)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 타워진동 저감을 위한 제어기(30)는 제1제어부(31), 제2제어부(32), 통합연산부(35)로 이루어진다. 제1제어부(31)는 발전기(13)의 회전 상태를 검출하고, 제2제어부(32)는 타워 상부의 진동 상태를 검출하고, 통합연산부(35)는 양자의 값을 이용하여 피치구동기(15)에 인가하는 출력을 결정한다.The controller 30 includes a first controller 31 for calculating a reference pitch angle beta 1 with a signal from the speed sensor 23, A second control unit 32 for calculating an integrated pitch angle beta and an integrated pitch angle beta by summing the reference pitch angle and the corrected pitch angle. The controller 30 for tower vibration reduction comprises a first control unit 31, a second control unit 32, and an integrated operation unit 35. The first control unit 31 detects the rotation state of the generator 13 and the second control unit 32 detects the vibration state of the tower top and the integrated operation unit 35 uses the values of both to detect the vibration state of the pitch driver 15 ) Of the output signal.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어기(30)는 가속도 신호의 적분으로 속도 신호를 생성하고, 게인 1을 이용하여 부가추력(ΔF)을 산출하고, 게인 2를 연산하여 보정피치각(Δβ)을 산출하는 것을 특징으로 한다. 제어기(30)는 적분식을 포함하여 필터 및 게인의 조합으로 구성되고, 계산 결과로 나온 보정피치각은 실시간 계산되는 기준피치각에 더해져 통합피치각으로 생성되며, 일련의 연산과정을 거쳐 부가추력(ΔF)과 보정피치각(Δβ)을 산출한다. 필터는 원치않는 주파수를 제거하기 위한 것으로서 노치필터(notch filter), 로패스필터(low pass filter) 등을 적용한다. As a detailed configuration of the present invention, the controller 30 generates a speed signal by integration of an acceleration signal, calculates an additional thrust (? F) using gain 1, calculates a gain 2 to calculate a corrected pitch angle? . The controller 30 is composed of a combination of a filter and a gain including integrating, and the correction pitch angle resulting from the calculation is added to the reference pitch angle to be calculated in real time, and is generated as an integrated pitch angle. (DELTA F) and the correction pitch angle DELTA beta. A filter is used to remove unwanted frequencies, such as a notch filter, a low pass filter, and the like.

통상적으로 풍력발전기 타워의 운동방정식은

Figure pat00003
라고 표현되며, 추력(F)에 부가되는 부가추력(ΔF)은 댐핑력으로 간주된다. 도 3에서 게인 1은 가속도센서(21)의 신호로 산출된 속도로부터 필요로 하는 추가적인 추력을 연산하기 위한 것으로서 풍력발전기의 제원에 따라서 사전에 실측되고 저장된다. 물론, 풍력발전기의 주요부 설계변경이 있는 경우 게인 1은 갱신될 수 있다. 게인 2는 후술하는 방식으로 연산에 의하여 산출될 수 있다. The equation of motion of a wind turbine tower is typically
Figure pat00003
And the additional thrust F added to the thrust F is regarded as the damping force. In FIG. 3, the gain 1 is used to calculate an additional thrust required from the speed calculated by the signal of the acceleration sensor 21, and is previously measured and stored according to the specification of the wind power generator. Of course, if there is a major design change in the wind turbine, gain 1 can be updated. The gain 2 can be calculated by the following method.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어기(30)는 부가추력(ΔF)의 산출에 있어서

Figure pat00004
의 연산식 1을 이용하고, 보정피치각(Δβ)의 산출에 있어서
Figure pat00005
의 연산식 2를 이용하는 것을 특징으로 한다. 도 4는 피치각에 따른 추력의 변화를 예시하는 그래프로서 연산식 1 및 연산식 2를 적용하는 기준으로 삼을 수 있다. 연산식 1은 부가추력(ΔF)이 추력계수변동(ΔCt)과 관계되는 것을 나타내고, 연산식 2는 추력계수변동(ΔCt)이 보정피치각(Δβ)의 함수로 연계되는 것을 나타낸다.As a detailed configuration of the present invention, the controller 30 calculates the addition thrust (? F)
Figure pat00004
, And the calculation of the correction pitch angle?
Figure pat00005
The following equation 2 is used. FIG. 4 is a graph illustrating a change in thrust according to the pitch angle, which can be used as a reference for applying Equation 1 and Equation 2. Equation 1 indicates that the additional thrust force? F is related to the thrust force coefficient variation? C t , and Equation 2 indicates that the thrust force coefficient variation? C t is associated with a function of the correction pitch angle?.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어기(30)는 게인 2의 연산 과정에서 상기 연산식 1 및 상기 연산식 2를 이용하여 트라이얼에러 방식으로 값을 선정하는 것을 특징으로 한다. 도 3에서 게인 2는 산출된 추가적인 추력으로부터 타워진동 저감을 위한 보정피치각을 연산하데 활용된다. 게인 1과 게인 2는 공히 트라이얼에러(trial & error) 방식으로 적절한 값을 선정할 수 있다. 전술한 것처럼 추력은 피치각의 함수로 표현할 수 있기 때문에 물리적인 관계식에 의해 게인 2의 대략적인 값을 유추할 수 있다.As a detailed configuration of the present invention, the controller 30 is configured to select a value in a trial error manner using the arithmetic expression 1 and the arithmetic expression 2 in the calculation process of the gain 2. In Fig. 3, gain 2 is used to calculate a correction pitch angle for tower vibration reduction from the calculated additional thrust. Gain 1 and Gain 2 can be selected appropriately by trial and error method. Since the thrust can be expressed as a function of the pitch angle as described above, it is possible to approximate the approximate value of the gain 2 by the physical relation.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.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 and scope of the invention as defined by the appended claims. It is therefore intended that such variations and modifications fall within the scope of the appended claims.

10: 너셀 11: 허브
12: 블레이드 13: 발전기
15: 피치구동기 21: 가속도센서
23: 속도센서 25: 피치각센서
30: 제어기 31: 제1제어부
32: 제2제어부 35: 통합연산부10: Nacelle 11: Hub
12: blade 13: generator
15: Pitch driver 21: Acceleration sensor
23: Speed sensor 25: Pitch angle sensor
30: controller 31: first control unit
32: second control unit 35: integrated operation unit

Claims (5)

풍력발전기 타워의 진동을 저감하는 제어시스템에 있어서:
허브(11) 상에 피치구동기(15)를 지니고, 발전기(13) 상에 속도센서(23)를 지니는 너셀(10);
상기 너셀(10) 상에 설치되어 진동에 대응한 신호를 생성하는 가속도센서(21); 및
상기 가속도센서(21)의 신호를 입력하여 설정된 알고리즘으로 피치구동기(15)에 출력을 인가하는 제어기(30);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 풍력발전기 타워의 진동저감 제어시스템.A control system for reducing vibration of a wind turbine tower, comprising:
A nose cell 10 having a pitch driver 15 on the hub 11 and having a speed sensor 23 on the generator 13;
An acceleration sensor (21) provided on the nacelle (10) to generate a signal corresponding to vibration; And
And a controller (30) for inputting a signal of the acceleration sensor (21) and applying an output to the pitch driver (15) in accordance with a set algorithm. 청구항 1에 있어서,
상기 제어기(30)는 속도센서(23)의 신호로 기준피치각(β1)을 연산하는 제1제어부(31), 가속도센서(21)의 신호로 보정피치각(Δβ)을 연산하는 제2제어부(32), 기준피치각과 보정피치각을 합산하여 통합피치각(β)을 생성하는 통합연산부(35)를 구비하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기 타워의 진동저감 제어시스템.The method according to claim 1,
The controller 30 includes a first controller 31 for calculating a reference pitch angle beta 1 using a signal from the speed sensor 23 and a second controller 31 for calculating a correction pitch angle? A control unit (32), and an integrated arithmetic operation unit (35) for summing a reference pitch angle and a correction pitch angle to generate an integrated pitch angle (beta). 청구항 2에 있어서,
상기 제어기(30)는 가속도 신호의 적분으로 속도 신호를 생성하고, 게인 1을 이용하여 부가추력(ΔF)을 산출하고, 게인 2를 연산하여 보정피치각(Δβ)을 산출하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기 타워의 진동저감 제어시스템.The method of claim 2,
Wherein the controller (30) generates a speed signal by integration of an acceleration signal, calculates an additional thrust (? F) using gain 1, and calculates a gain 2 to calculate a corrected pitch angle? Vibration reduction control system of generator tower. 청구항 3에 있어서,
상기 제어기(30)는 부가추력(ΔF)의 산출에 있어서
Figure pat00006
의 연산식 1을 이용하고, 보정피치각(Δβ)의 산출에 있어서
Figure pat00007
의 연산식 2를 이용하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기 타워의 진동저감 제어시스템.The method of claim 3,
In the calculation of the additional thrust (? F), the controller (30)
Figure pat00006
, And the calculation of the correction pitch angle?
Figure pat00007
Of the vibration reduction control system of the wind power generator tower. 청구항 4에 있어서,
상기 제어기(30)는 게인 2의 연산 과정에서 상기 연산식 1 및 상기 연산식 2를 이용하여 트라이얼에러 방식으로 값을 선정하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기 타워의 진동저감 제어시스템.The method of claim 4,
Wherein the controller (30) selects a value in a trial error manner using the calculation formula (1) and the calculation formula (2) in the calculation process of the gain (2).
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