KR20170058589A - 풍력발전기의 피치래칫 제어방법 - Google Patents

풍력발전기의 피치래칫 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제어기를 기반으로 풍력발전기의 피치각을 제어하는 방법에 있어서: 발전기와 바람의 속도를 입력하여 처리하는 단계(S10); 상기 속도 신호를 재가공하여 설정된 피치래칫을 기준으로 피치각 명령치를 생성하는 스피드 바이어싱 단계(S20); 및 상기 피치각 명령치가 피치래칫 이상인지 비교하는 단계(S40);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 고난류지역에 설치된 풍력발전기에서 오버스피드/오버파워 등으로 인한 셧다운을 방지하여 주요부의 손상을 배제하는 동시에 터빈의 가동율과 전력생산성을 향상하는 효과가 있다.

Description

풍력발전기의 피치래칫 제어방법{Pitch rachet control method for wind power generator}
본 발명은 풍력발전기 제어방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 갑작스런 풍속의 변화로 유발되는 오버스피드/오버파워 현상을 방지하기 위한 풍력발전기의 피치래칫 제어방법에 관한 것이다.
통상적으로 풍력발전기가 정격근처 또는 정격 운전 중일 때, 갑작스런 풍속의 변화가 일어나는 경우 토크/피치제어와 시스템의 특성으로 인해 오버스피드/오퍼파워(Overspeed/Overpower) 등이 발생하여 셧다운이 초래되기도 한다. 이는 일반적인 알고리즘에 의한 토크제어/피치제어의 조합에 기인한다.
이와 관련되는 선행기술문헌으로서 한국 공개특허공보 제2014-0001374호(선행문헌 1), 한국 등록특허공보 제1093003호(선행문헌 2) 등이 알려져 있다.
선행문헌 1은 로터 중심고도에서의 중심풍속, 서로 다른 고도에서의 제1 풍속 및 제2 풍속을 측정하는 레이저 풍속계; 상기 제1 풍속 및 상기 제2 풍속으로부터 출력계수를 계산하고, 최적 피치 데이터에 기초하여 개별 블레이드에 대한 제어신호를 생성하는 주 제어부; 및 상기 주 제어부로부터의 제어신호에 기초하여 상기 블레이드의 피치를 조정하는 피치 구동부를 포함한다.
선행문헌 2는 풍력발전단지의 증발률/감발률이 전력망 연계기준을 벗어난 경우, 함께 제어할 풍력발전기의 수를 정하는 단계; 풍력발전기를 제 1 내지 제 N그룹으로 그룹화하는 단계; 상기 그룹화 단계를 통해 형성된 각 그룹의 제어 시작 시간 및 제어 완료 시간을 결정하는 단계; 상기 결정된 제어 시작 시간 및 제어 완료 시간 내에 각 그룹의 풍력발전기를 제어하는 단계;를 포함한다.
그러나, 선행문헌 1은 출력계수과 최적 피치 데이터를 활용하고 선행문헌 2는 단지내 풍력발전기의 그룹화 제어를 요지로 하므로 오버스피드/오퍼파워에 의한 셧다운 현상을 방지하기에 미흡하다.
1. 한국 공개특허공보 제2014-0001374호 "풍력발전 시스템의 피치제어 장치 및 그 방법" (공개일자 : 2015.07.15.) 2. 한국 등록특허공보 제1093003호 "급격한 풍속 변화시 풍력발전단지 제어 방법 및 시스템" (공개일자 : 2011.12.12.)
상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 고난류지역에 설치된 풍력발전기를 대상으로 통상의 피치제어에 추가적인 로직을 부가하는 방식으로 정격 운전시 안정적으로 터빈을 운용하여 전력 생산성을 높이고자 하는 풍력발전기의 피치래칫 제어방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 제어기를 기반으로 풍력발전기의 피치각을 제어하는 방법에 있어서: 발전기와 바람의 속도를 입력하여 처리하는 단계(S10); 상기 속도 신호를 재가공하여 설정된 피치래칫을 기준으로 피치각 명령치를 생성하는 스피드 바이어싱 단계(S20); 및 상기 피치각 명령치가 피치래칫 이상인지 비교하는 단계(S40);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 단계 S20은 발전기 속도의 감소시 감소율에 대한 피치래칫과, 발전기 속도의 증가시 증가율에 대한 피치래칫을 차등적으로 적용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 단계 S20은 풍속의 감소시 급속한 상승에 대비하여 피치각을 느리게 변동하고, 풍속의 증가시 피치각을 빠르게 변동하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 단계 S20의 처리 과정에서 발전기 속도와 피치각의 관계를 저장하고 갱신하는 룩업테이블 스케쥴링 단계(S30)를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 단계 S40에서 피치각 명령치가 피치래칫 미만이면 상기 단계를 반복적으로 수행하고, 피치각 명령치가 피치래칫 이상이면 피치보정값을 생성하고 상기 단계를 반복하는 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 고난류지역에 설치된 풍력발전기에서 오버스피드/오버파워 등으로 인한 셧다운을 방지하여 주요부의 손상을 배제하는 동시에 터빈의 가동율과 전력생산성을 향상하는 효과가 있다.
도 1은 종래의 풍력발전기 피치제어를 위한 주요부를 나타내는 블록도
도 2는 본 발명에 따른 풍력발전기의 피치래칫 제어를 위한 주요부를 나타내는 블록도
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 제어기를 기반으로 풍력발전기의 피치각을 제어하는 방법에 관하여 제안한다. 풍력발전기는 블레이드의 피치각을 제어하기 위해 제어기, 피치각 제어와 관련된 신호를 검출하는 센서, 피치각 제어와 관련된 구동력을 제공하는 엑츄에이터 등을 구비한다. 제어기는 피치각 제어의 로직을 구현하는 것으로서 PLC를 사용할 수 있으나 반드시 이에 국한되는 것은 아니다.
도 1을 참조하면 종래의 제어기는 신호를 입력하고, 피치를 제어하고, 피치각 명령치를 생성하는 과정으로 진행하며, 피치를 제어하는 단계에서 기준 속도를 판단하는 PID 방식을 기반으로 한다. 기준 속도와 측정 속도의 차이를 이용하여 생성된 피치각 명령치로 정력출력파워를 유지할 수 있다. 다만, 고난류 지역 등에 설치된 경우라면 급격한 풍속의 변화에 따라 유발되는 풍력발전기(터빈)의 오버스피드/오버파워 현상을 방지하기 곤란하다.
본 발명에 따른 단계 S10은 발전기와 바람의 속도를 입력하여 처리하는 과정으로 진행된다. 제어기는 rpm센서를 통하여 발전기의 회전속도를 입력하고, 풍속센서를 통하여 풍속을 입력한다. 이외에 제어기는 엔코더를 통하여 블레이드의 피치각을 입력한다. 입력된 신호는 로패스, 노치, 하이패스 필터 등을 사용하여 노이즈를 제거한다.
본 발명에 따른 단계 S20은 상기 속도 신호를 재가공하여 설정된 피치래칫을 기준으로 피치각 명령치를 생성하는 스피드 바이어싱 과정으로 진행된다. 신호의 재가공은 설정된 로직으로 수행되며 속도 증감의 변동율을 산출한다. 피치래칫은 변동율을 속도의 급격한 증가와 감소를 완화하기 위해 터빈의 제원에 따라 설계되고 실측된 값으로 결정된다. 스피드 바이어싱은 피치각 명령치를 생성하는 과정으로서 터빈의 오버스피드/오버파워를 완화하는 로직을 요지로 한다. 즉, 풍속의 변화에 따라 발전기 속도가 떨어질 때와 상승할 때의 대응 속도에 있어 변화를 줄 수 있도록 제어한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 단계 S20은 발전기 속도의 감소시 감소율에 대한 피치래칫과, 발전기 속도의 증가시 증가율에 대한 피치래칫을 차등적으로 적용하는 것을 특징으로 한다. 발전기 속도가 감소하는 경우 피치각 명령치는 실제 속도 감소분보다 천천히 감소하도록 감소율을 제한하고, 발전기 속도가 증가하는 경우 피치각 명령치는 실제 속도 증가분과 비슷하게 증가하도록 증가율을 제한한다. 즉, 감소율의 피치래칫과 증가율의 피치래칫을 차등화하여 고난류에 대응하는 오버스피드/오버파워 완화 기능을 수행한다.
부연하면, 터빈의 정격속도와 정상적 풍속에서 피치각은 0˚이고 발전기 속도와 풍속이 증가할수록 피치각은 90˚에 근접한다. 제어기는 정격속도를 초과하는 상황에서 피치각을 상대적으로 빠르게 증가시키고 정격속도로 복귀하는 과정에서 피치각을 상대적으로 느리게 감소시킨다. 도 2의 우측 플로우에 의하면 정격이하에서는 토크제어를 사용하며, 정격이상의 운전 중일 때는 토크와 피치를 동시에 제어하여 정격으로 운전할 수 있도록 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 단계 S20은 풍속의 감소시 급속한 상승에 대비하여 피치각을 느리게 변동하고, 풍속의 증가시 피치각을 빠르게 변동하는 것을 특징으로 한다. 풍속이 감소되면 피치각을 피치래칫 값으로 천천히 움직이도록 하지만, 풍속이 증가되면 피치각을 빠르게 변동하여 오버스피드 또는 오버파워를 방지한다. 실제 터빈의 피치각 제어에 있어서 오버스피드/오버파워는 응답속도 등으로 인해 급격한 풍속의 변화에 따라 가질 못해서 발생한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 단계 S20의 처리 과정에서 발전기 속도와 피치각의 관계를 저장하고 갱신하는 룩업테이블 스케쥴링 단계(S30)를 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 룩업테이블 스케쥴링은 발전기 속도와 피치각과의 관계를 나타내는 테이블을 참조하는 것으로서 최종 피치명령을 조절하기 위한 로직의 일부로 포함되어 진행된다. 이러한 테이블 상의 정보는 시뮬레이션 또는 실측을 통하여 결정된다.
본 발명에 따른 단계 S40은 상기 피치각 명령치가 피치래칫 이상인지 비교하는 과정으로 진행된다. 고난류의 지역 등에 설치된 터빈이 정격근처 또는 정격으로 운전중일 때 풍속의 급속한 변화로 인한 오버스피드/오버파워를 판단하고 대처하는 과정이다.
본 발명의 세부 구성으로서, 단계 S40에서 피치각 명령치가 피치래칫 미만이면 상기 단계를 반복적으로 수행하고, 피치각 명령치가 피치래칫 이상이면 피치보정값을 생성하고 상기 단계를 반복하는 것을 특징으로 한다. 단계 S40에서 no로 판단되면 단계 S10으로 진행하여 속도검출 및 필터링 후 단계 S20, S30을 반복하고, yes로 판단되면 피치보정값을 생성한 후에 동일한 방식으로 단계 S10, S20, S30을 반복적으로 수행한다. 피치보정값은 피치각 명령치의 수정된 값으로서 사전에 저장되고 갱신된다.
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.
S10~S40: 단계

Claims (5)

  1. 제어기를 기반으로 풍력발전기의 피치각을 제어하는 방법에 있어서:
    발전기와 바람의 속도를 입력하여 처리하는 단계(S10);
    상기 속도 신호를 재가공하여 설정된 피치래칫을 기준으로 피치각 명령치를 생성하는 스피드 바이어싱 단계(S20); 및
    상기 피치각 명령치가 피치래칫 이상인지 비교하는 단계(S40);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 피치래칫 제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 단계 S20은 발전기 속도의 감소시 감소율에 대한 피치래칫과, 발전기 속도의 증가시 증가율에 대한 피치래칫을 차등적으로 적용하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 피치래칫 제어방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 단계 S20은 풍속의 감소시 급속한 상승에 대비하여 피치각을 느리게 변동하고, 풍속의 증가시 피치각을 빠르게 변동하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 피치래칫 제어방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 단계 S20의 처리 과정에서 발전기 속도와 피치각의 관계를 저장하고 갱신하는 룩업테이블 스케쥴링 단계(S30)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 피치래칫 제어방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 단계 S40에서 피치각 명령치가 피치래칫 미만이면 상기 단계를 반복적으로 수행하고, 피치각 명령치가 피치래칫 이상이면 피치보정값을 생성하고 상기 단계를 반복하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 피치래칫 제어방법.
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