KR20170110299A - 풍력 터빈의 피치 제어 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

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KR20170110299A
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천종민
홍지태
이주훈
김무림
조창희
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Abstract

본 발명은 풍력 터빈의 피치 제어 시스템에 관한 것으로서, 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 감지부와, 감지된 상기 회전자의 회전속도와 기설정된 정격회전속도 간의 오차 및 상기 오차의 변화량에 기초한 제어신호를 생성하되, 적분이득에 기초하여 결정된 제1변수와 비례이득에 기초하여 결정된 제2변수가 상기 오차 및 상기 오차의 변화량 각각에 대응되는 변수로 적용되도록 하는 피치 제어부와, 상기 제어신호에 따라 상기 블레이드의 피치각을 조절하여 상기 회전자를 구동하는 피치 구동부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 이산 PI 제어기를 사용함에 있어서 이산 PI 제어기와의 동치 관계를 이용하여 이산 퍼지 PI 제어기의 초기 파라미터를 선정하였고, 이 과정에서 이산 퍼지 PI 제어기의 파라미터 조정에 필요한 노력을 줄일 수 있다. 초기 파라미터로 구성된 이산 퍼지 PI 제어기는 이산 PI 제어기와 동등한 성능을 보이고, 여기서 파라미터를 수정하면 종래의 이산 PI 제어기보다 우수한 성능을 나타내는 효과가 있다.

Description

풍력 터빈의 피치 제어 시스템 및 그 제어방법{PITCH CONTROL SYSTEM OF WIND TURBINES AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 풍력 터빈의 피치 제어 시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, PI 제어기와의 동치관계에 기초하여 이산 퍼지 PI 제어기의 파라미터를 조정한 후 생성된 제어신호에 따라 블레이드의 피치 각을 조절하여 풍력 터빈의 회전자를 원하는 회전속도로 구동하는 풍력 터빈의 피치 제어 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
풍력 발전이란 공기의 유동이 가진 운동 에너지의 공기역학적(aerodynamic) 특성을 이용하여 풍력 터빈의 회전자(rotor)를 회전시켜 바람의 에너지를 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 장치로서의 관심이 높아지고 있다.
이러한 풍력발전의 경우, 풍력 터빈으로 불어오는 바람이 정격전력 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, 풍속이 정격속도 이상인 경우에 발전기에 걸리는 부하를 줄이기 위한 피치 제어 시스템이 요구된다.
그러나, 종래의 PID(Proportional Integral Derivative) 제어를 이용한 피치 제어 방식은 하나의 동작점(operating point)에 대해서 설계가 되므로 고려하지 않은 동작점에서의 성능은 보장되지 않는 문제점이 있었다.
KR 10-1177838 B1 KR 10-2004-0070399 A
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 이산 PI 제어기와 동치 관계에 있는 이산 퍼지 PI 제어기를 이용한 피치 제어를 통해 특정 동작점 이외에도 최적의 성능을 나타낼 수 있는 풍력 터빈의 피치 제어 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 풍력 터빈의 피치 제어 시스템은, 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 감지부와, 감지된 상기 회전자의 회전속도와 기설정된 정격회전속도 간의 오차 및 상기 오차의 변화량에 기초한 제어신호를 생성하되, 적분이득에 기초하여 결정된 제1변수와 비례이득에 기초하여 결정된 제2변수가 상기 오차 및 상기 오차의 변화량 각각에 대응되는 변수로 적용되도록 하는 피치 제어부와, 상기 제어신호에 따라 상기 블레이드의 피치각을 조절하여 상기 회전자를 구동하는 피치 구동부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 일면에 따른 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 회전 속도를 감지하는 단계와, 감지된 상기 회전자의 회전속도와 기설정된 정격회전속도 간의 오차 및 상기 오차의 변화량에 기초한 제어신호를 생성하는 단계와, 생성된 제어신호에 따라 상기 블레이드의 피치각을 조절하여 상기 회전자를 구동하는 단계를 포함하며, 상기 생성하는 단계는, 적분이득에 기초하여 결정된 제1변수와 비례이득에 기초하여 결정된 제2변수가 상기 오차 및 상기 오차의 변화량 각각에 대응되는 변수로 적용되도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 이산 PI 제어기와 이산 퍼지 PI 제어기의 동치 관계를 이용하여 제어신호 생성에 필요한 이산 퍼지 PI 제어기의 설정 파라미터의 개수를 줄일 수 있고, 풍력 터빈의 피치 제어 시 특정 동작점 이외에도 최적의 성능을 나타내어 종래의 PI 제어기보다 우수한 성능을 나타내는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 풍력 터빈의 질량 모델을 나타내는 도면이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈의 피치 제어 시스템의 구성을 간략하게 도시한 블록도이고,
도 3은 본 발명에 따른 이산 퍼지 PI 제어기의 입력변수의 소속 함수를 나타내는 그래프이고,
도 4는 본 발명에 따른 이산 퍼지 PI 제어기의 IF-THEN 규칙의 활성 영역을 도시한 그래프이고,
도 5a 내지 도 5c는 단계적인 풍속의 변화가 있는 경우, 종래의 PI 제어기와 본 발명에 따른 이산 퍼지 PI 제어기의 회전 속도 및 피치 각 명령을 비교하기 위한 그래프이고,
도 6a 내지 도 6c는 급격한 풍속의 변화가 있는 경우, 종래의 PI 제어기와 본 발명에 따른 이산 퍼지 PI 제어기의 회전 속도 및 피치 각 명령을 비교하기 위한 그래프이다.
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.
일반적인 풍력 터빈이 바람으로부터 회수할 수 있는 출력, 즉, 바람에 의한 공기역학적 힘(Pa)은 아래의 수학식 1로 나타낼 수 있다. 여기서, ρ는 공기밀도이고, R은 회전자의 반지름이고, Cp(λ,β)는 출력계수이고, Vw는 풍속이다.
Figure pat00001
출력계수(Cp(λ,β))는 회전날개(blade)의 피치각(β)과 선단 속도 비(λ)에 기초하여 결정된다. 여기서, ωr은 회전자의 각속도이고, ωrR은 선단 선속도를 나타내고, 선단 속도비(λ)는 아래의 수학식 2로 나타낼 수 있다. ρ,R 및 VW는 제어할 수 없는 변수에 해당하므로, 출력계수(Cp(λ,β))를 제어함으로써 공기역학적 힘(Pa)을 조절할 수 있게 된다.
Figure pat00002
이때, 토크-출력 간 관계(Pa = ωrTa)와 수학식 2를 이용하면, 바람에 의한 공기역학 회전 토크(Ta), 즉, 회전날개의 회전 동력을 아래의 수학식 3으로 나타낼 수 있다.
Figure pat00003
도 1은 일반적인 풍력 터빈의 질량 모델을 나타내는 도면으로서, 보다 상세하게는, 회전날개의 회전 동력을 회전자(rotor) 및 발전기(generator)로 전달하기 위한 구동 관계를 나타낸다.
먼저, 회전날개의 회전 동력을 전달받은 회전자(rotor) 측의 운동 방정식을 아래의 수학식 4로 나타낼 수 있다.
여기서, Jr은 회전날개, 허브, 저속 회전축의 효과를 모두 고려한 회전자의 관성 질량(moment of inertia)을 나타내고, Kr은 회전날개의 외부 댐핑계수(damping coefficient)이고, Bls는 저속 회전축의 강성계수(stiffness coefficient)이고, Kls는 저속 회전축의 댐핑계수이고, θr는 회전날개의 회전각도이고, θls는 저속 회전축의 회전각도이고, ωls는 저속 회전축의 각속도이다.
Figure pat00004
다음으로, 회전자(rotor)를 통해 회전 동력을 전달받은 발전기(generator) 측의 운동 방정식을 아래의 수학식 5로 나타낼 수 있다.
여기서, Jg는 발전기의 관성 질량을 나타내고, Ths는 고속 회전축 토크이고, Kg는 고속 회전축의 외부 댐핑계수이고, ωg는 발전기의 각속도이고, Tg는 발전기 반력(reaction) 토크이다.
Figure pat00005
이때, 회전자와 발전기 사이를 연결하는 기어박스의 감속비(ng)는 아래의 수학식 6의 관계를 가지고 있다.
Figure pat00006
만약 회전자와 기어박스 사이의 저속 축이 완전한 강성체(rigid body)라고 가정하면, 수학식 3 내지 수학식 5를 정리하여 아래의 수학식 7로 나타낼 수 있다.
Figure pat00007
수학식 7을 재배열하면, 회전자의 속도 변화량(
Figure pat00008
)을 아래의 수학식 8로 나타낼 수 있다.
Figure pat00009
또한, 상기 수학식 8에 포함된
Figure pat00010
,
Figure pat00011
,
Figure pat00012
는 아래의 수학식 9 내지 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00013
Figure pat00014
Figure pat00015
전술한 모델링 과정에서 보는 것과 같이 일반적인 풍력 터빈은 비선형적인 요소들을 포함하고 있고, 제어할 수 없는 요소인 풍속의 영향을 크게 받을 뿐 아니라, 모델링 시 고려하지 못했던 역학이나 여러 외란 요소들도 존재할 수 있게 된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈의 피치 제어 시스템의 구성을 간략하게 도시한 블록도이고, 도 3은 본 발명에 따른 이산 퍼지 PI 제어기의 입력 변수의 소속 함수(membership function)를 나타내는 그래프이다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 풍력 터빈의 피치 제어 시스템을 설명하도록 한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 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.
회전속도 감지부(100)는 상기 회전자의 회전속도(ωr)를 감지하기 위한 것이다.
피치 제어부(200)는, 회전속도 감지부(100)에 의해 감지된 상기 회전자의 회전속도(ωr)와 기설정된 정격회전속도(ωd) 간의 오차(e) 및 상기 오차의 변화량(r)에 기초한 제어신호(u)를 생성하되, 적분이득에 기초하여 결정된 제1변수(α)와 비례이득에 기초하여 결정된 제2변수(β)가 상기 오차(e) 및 상기 오차의 변화량(r) 각각에 대응되는 변수로 적용되도록 한다.
구체적으로, 피치 제어부(200)는, 상기 블레이드의 회전속도(ωr)와 상기 정격회전속도(ωd) 간의 오차(e)를 계산하고 기설정된 샘플링 주기(T)에 대한 상기 오차의 변화량(r)을 계산하는 오차 계산부(210)와, 상기 제1변수(α)에 대응되는 다수 개의 파라미터(α1,α2,α3,α4)가 상기 제1변수와 동일한 값을 갖도록 설정하고 상기 제2변수(β)에 대응되는 다수 개의 파라미터(β1,β2,β3,β4)가 상기 제2변수와 동일한 값을 갖도록 설정하는 변수 설정부(220)와, 상기 오차(e) 및 상기 오차의 변화량(r)에 기초한 제어신호(u)를 생성하되 변수 설정부(220)에 의해 설정된 파라미터값이 상기 오차(e) 및 상기 오차의 변화량(r) 각각에 대응되는 변수로 적용되도록 하는 제어신호 생성부(230)를 포함할 수 있다.
여기서, 오차 계산부(210)는, 회전속도 감지부(100)에 의해 감지된 상기 블레이드의 회전속도(ωr)와 기설정된 정격회전속도(ωd) 간의 오차(e)를 계산하고, 기설정된 샘플링 주기(T)에 대한 상기 오차의 변화량(r) 즉, 상기 오차의 일계미분을 계산하기 위한 것이다.
먼저, 오차 계산부(210)는 아래의 수학식 12에 따라 상기 오차(e)를 계산할 수 있다. 여기서, e는 블레이드의 회전속도(ωr)와 정격회전속도(ωd) 간의 오차이다.
Figure pat00016
다음으로, 오차 계산부(210)는 전술한 수학식 12에 따라 계산된 k번째의 오차(e(k))와 (k-1)번째의 오차(e(k-1))를 이용하여 기설정된 샘플링 주기(T)에 대한 오차 변화량(r)을 계산할 수 있다.
Figure pat00017
여기서, 변수 설정부(220)는, 상기 제1변수(α)에 대응되는 다수 개의 파라미터(α1,α2,α3,α4)가 상기 제1변수와 동일한 값을 갖도록 설정하고 상기 제2변수(β)에 대응되는 다수 개의 파라미터(β1,β2,β3,β4)가 상기 제2변수와 동일한 값을 갖도록 설정함에 따라, 제어신호(u)에 포함되는 파라미터의 개수를 총 8개에서 2개(α,β)로 최소화하여 조정하기 수월하도록 설정하게 된다.
여기서, 제어신호 생성부(230)는, 오차 계산부(210)에서 계산된 상기 오차(e) 및 상기 오차의 변화량(r)에 기초한 제어신호(u)를 생성하되 변수 설정부(220)에 의해 설정된 파라미터값(α,β)이 상기 오차(e) 및 상기 오차의 변화량(r) 각각에 대응되는 변수로 적용되도록 하기 위한 것이다.
구체적으로, 제어신호 생성부(230)는 아래의 수학식 14에 따른 제어신호(u)를 생성할 수 있다. 여기서, u(k)는 k번째의 제어신호이고, u(k-1)은 (k-1)번째의 제어신호이고, α는 제1변수이고, β는 제2변수이고, e(k)는 목표값과 측정값의 오차이고, r(k)는 상기 오차의 일계미분이다.
Figure pat00018
본 발명에 따른 이산 퍼지 PI 제어기에서 출력되는 제어신호(u)와 관련하여, 이산 퍼지 PI 제어기와 이산 PI 제어기의 관계에 대해 설명하도록 한다.
먼저, 증분 형태(incremental type)의 이산 퍼지 PI 제어기는 아래의 수학식 15 내지 수학식 18로 나타낼 수 있는 소속 함수(membership function)를 이용한다. 여기서, EN(Error Negative) 및 EP(Error Positive)는 상기 오차인 e(k)의 퍼지 집합을 나타내고, RN(Rate Negative) 및 RP(Rate Positive)는 상기 오차의 일계미분인 r(k)의 퍼지 집합을 나타낸다.
Figure pat00019
Figure pat00020
Figure pat00021
Figure pat00022
예컨대, 도 3을 참조하면, μEN과 μEP를 더한 값과 μRN과 μRP를 더한 값은 모두 1이다.
또한, 이산 퍼지 PI 제어기는 "IF-THEN" 형식의 언어적 규칙에 의해 매 순간 시스템의 상황에 맞춰 제어하는 장치로서, 아래의 R1 내지 R4에 해당하는 IF-THEN 규칙이 적용될 수 있다. 여기서, R1 내지 R4가 활성화(activation)되는 영역은 도 4에 도시된 바와 같다.
R1: IF e(k) is EN AND r(k) is RN THEN Δu(k) is α1 e(k) + β1 r(k)
R2: IF e(k) is EN AND r(k) is RP THEN Δu(k) is α2 e(k) + β2 r(k)
R3: IF e(k) is EP AND r(k) is RN THEN Δu(k) is α3 e(k) + β3 r(k)
R4: IF e(k) is EP AND r(k) is RP THEN Δu(k) is α4 e(k) + β4 r(k)
여기서, MIN 연산자는 AND 연산자로서 사용되며, μ1내지 μ4을 아래와 같이 MIN 연산자의 형태로 나타낼 수 있다.
μ1 = MIN(μEN,μRN)
μ2 = MIN(μEN,μRP)
μ3 = MIN(μEP,μRN)
μ4 = MIN(μEP,μRP)
이에 따라, 이산 퍼지 PI 제어기로부터 출력되는 제어신호(u)는 전술된 "IF-THEN" 규칙에 기초하여, 아래의 수학식 19로 나타낼 수 있게 된다.
Figure pat00023
다음으로, 연속시간 영역(continuous domain)에서의 PI 제어기, 즉, 연속 PI 제어기로부터 출력되는 제어신호(u(t))는 아래의 수학식 20로 나타낼 수 있다. 여기서, K는 제어기 이득이고, TI는 적분시간이고, KP,C는 연속 PI 제어기의 비례(P) 이득이고, KI,C는 연속 PI 제어기의 적분(I) 이득을 나타낸다.
Figure pat00024
연속 PI 제어기는 오일러 방법(Euler method)을 이용하여 이산 PI 제어기로 변환 가능하며, 이때, 이산 PI 제어기의 제어신호(u(k))는 아래의 수학식 21로 나타낼 수 있다.
Figure pat00025
상기 수학식 21을 정리하면, 아래의 수학식 22로 정리할 수 있다. 여기서, KP,D는 증분형 이산 PI 제어기의 비례(P) 이득을 나타내고, KI,D는 증분형 이산 PI 제어기의 적분(I) 이득을 나타낸다.
Figure pat00026
본 발명에서는 이산 PI 제어기가 이산 퍼지 PI 제어기의 특수한 형태인 점에 착안하여, 이산 퍼지 PI 제어기로부터의 출력(수학식 19)과 이산 PI 제어기로부터의 출력(수학식 22)을 동치관계로 두고 비교한다.
만일 이산 퍼지 PI 제어기의 제1변수(α)에 대응되는 다수 개의 파라미터(α1,α2,α3,α4)가 상기 제1변수와 동일한 값을 갖도록 설정하고, 이산 퍼지 PI 제어기의 제2변수(β)에 대응되는 다수 개의 파라미터(β1,β2,β3,β4)가 상기 제2변수와 동일한 값을 갖도록 설정한다면, 상기 제1변수와 상기 제2변수는 아래의 수학식 23 및 24로 나타낼 수 있다.
Figure pat00027
Figure pat00028
여기서, α는 제1변수이고, β는 제2변수이고, KI,D는 이산 PI 제어기의 적분이득이고, KP,D는 이산 PI 제어기의 비례이득이고, KI,C는 연속 PI 제어기의 적분이득이고, KP,C는 연속 PI 제어기의 비례이득이고, T는 샘플링 주기이다.
이에 따라, 본 발명에 따른 이산 퍼지 PI 제어기에서 출력되는 제어신호(u)의 오차(e)에 대응되는 변수로 적용되는 제1변수(α)는 이산 PI 제어기의 적분이득(KI,D)에 기초하여 결정되고, 상기 오차(e)의 일계미분에 해당하는 오차의 변화량(r)에 대응되는 변수로 적용되는 제2변수(β)는 이산 PI 제어기의 비례이득(KP,D)에 기초하여 결정되게 된다.
전술한 내용을 바탕으로 연속 PI 제어기를 먼저 설계한 후 수학식 21을 이용하여 이산 PI 제어기로 변환하는 방법의 일례를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 참고문헌[J.Jonkman, S.Butterfield, W.Musial and G.Scott, Definition of a 5-MW Reference Wind Turbine for Offshore System Development]에서 제안한 모델 선형화(model linearization) 기법을 이용하여 특정 동작점에서 선형화된 모델을 구한 후 연속 PI 제어기의 이득을 구한다.
이때, 동작점(VWO,ωRO,βO)에서 선형화된 모델은 아래의 수학식 25로 나타낼 수 있다. 여기서, A는 시스템 행렬, B는 제어 입력 벡터, Bd는 외란 입력 벡터이다.
Figure pat00029
또한, 연속 PI 제어기를 라플라스 영역(Laplace domain)에서 나타내면 아래의 수학식 26과 같다. 여기서, U(s)는 제어 입력(u)의 라플라스 변환 결과이다.
Figure pat00030
수학식 26을 수학식 25의 라플라스 변환 결과에 대입하면 아래의 수학식 27과 같은 전달 함수(transfer function)로 나타낼 수 있다.
Figure pat00031
수학식 27의 분모 부분을 아래의 수학식 28과 같은 일반적인 이차 전달함수의 특성 방정식과 비교한 결과, 연속 PI의 제어기의 비례이득 및 적분이득은 아래의 수학식 29 및 수학식 30으로 각각 나타내게 된다.
Figure pat00032
Figure pat00033
Figure pat00034
예컨대, 전술한 바와 같이 동작점이 '(VWO,ωRO,βO)=(18m/s,12.1rpm,15°)'일 때, 수학식 29 및 수학식 30에 포함되는 각 변수(A,B,Bd,ωn,ζ)가 'A= -0.55366','B= -1.1878','Bd= 0.027752','ωn= 0.6rad/sec','ζ= 1.0'인 경우, 수학식 29 및 수학식 30을 이용하여 계산한 연속 PI 제어기의 비례이득(KP,C) 및 적분이득(KI,C)은 'KP,C= 0.544'와 'KI,C= 0.303'이 된다.
다음으로, 수학식 23과 수학식 24를 이용하여 최종적으로 이산 PI 제어기의 이득을 계산한다.
예컨대, 전술한 바와 같이 연속 PI 제어기의 비례이득(KP,C) 및 적분이득(KI,C)이 'KP,C= 0.544'와 'KI,C= 0.303'일 때, 제어 주기(T)가 '0.01sec'인 경우, 수학식 23 및 수학식 24를 이용하여 계산한 이산 PI 제어기의 비례이득(KP,D) 및 적분이득(KI,D)은 'KP,D= 0.00544'와 'KI,D= 0.00303'이 된다.
이때, 이산 퍼지 PI 제어기의 초기 파라미터(α,β)를 'α1 = α2 = α3 = α4 = 0.00303'와 'β1 = β2 = β3 = β4 = 0.00544'로 선정하게 되면, 이산 퍼지 PI 제어기의 파라미터 조정에 필요한 노력을 줄일 수 있고, 초기 파라미터로 구성된 이산 퍼지 PI 제어기는 이산 PI 제어기와 동등한 성능을 나타내므로, 초기 파라미터에서부터 이산 퍼지 PI 제어기의 파라미터를 수정하면 종래의 이산 PI 제어기보다 우수한 성능을 나타내게 된다.
도 5a 내지 도 5c는 단계적인 풍속의 변화가 있는 경우, 종래의 PI 제어기와 본 발명에 따른 이산 퍼지 PI 제어기의 회전 속도 및 피치 각 명령을 비교하기 위한 그래프이고, 도 6a 내지 도 6c는 급격한 풍속의 변화가 있는 경우, 종래의 PI 제어기와 본 발명에 따른 이산 퍼지 PI 제어기의 회전 속도 및 피치 각 명령을 비교하기 위한 그래프이다. 여기서, 종래의 PI 제어기와 본 발명에 따른 피치 제어 시스템은 회전자의 회전 속도를 정격회전속도인 12.1rpm에 근접하도록 제어하는 것을 목표로 한다. 해당 예에서는 퍼지 PI 제어기의 속응성을 높이기 위해 도 4의 R2와 R3에 해당하는 파라미터(α2,α3,β2,β3)를 3배로 조정하였다.
먼저, 도 5a에 도시된 바와 같이 단계적인 풍속의 변화가 있는 경우, 본 발명에 따른 피치 제어 시스템은, 도 5b에 도시된 바와 같이, 종래의 PI 제어기보다 더욱 적은 오버슈트(overshoot)를 보이면서 더욱 빨리 정격 각속도(12.1rpm)로 수렴하고, 도 5c에 도시된 바와 같이, 종래의 PI 제어기보다 풍속 변화에 더 빨리 대응하여 피치 각을 제어하게 된다.
다음으로, 도 6a에 도시된 바와 같이 급격한 풍속의 변화가 있는 경우, 본 발명에 따른 피치 제어 시스템은, 도 6b에 도시된 바와 같이, 종래의 PI 제어기보다 회전 날개의 각속도를 정격 각속도(12.1rpm)에 더 잘 추종하도록 제어하고, 도 6c에 도시된 바와 같이, 종래의 PI 제어기보다 풍속 변화에 더 빨리 대응하여 피치 각을 제어하게 된다.
즉, 본 발명에 따른 풍력 터빈의 피치 제어 시스템은 종래의 PI 제어기와 비교하여 높은 수렴성과 빠른 응답성을 가지는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈의 피치 제어 시스템을 이용하면, 이산 PI 제어기와 이산 퍼지 PI 제어기의 동치 관계를 이용하여 제어신호 생성에 필요한 파라미터의 개수를 줄일 수 있고, 풍력 터빈의 피치 제어 시 특정 동작점 이외에도 최적의 성능을 나타내어 종래의 PI 제어기보다 우수한 성능을 나타내는 효과가 있다.
이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위 내에서 다양하게 실시될 수 있다.
100: 회전속도 감지부 200: 피치 제어부
210: 오차 계산부 220: 변수 설정부
230: 제어신호 생성부 300: 피치 구동부

Claims (10)

  1. 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 기설정된 정격회전속도 간의 오차 및 상기 오차의 변화량에 기초한 제어신호를 생성하되, 적분이득에 기초하여 결정된 제1변수와 비례이득에 기초하여 결정된 제2변수가 상기 오차 및 상기 오차의 변화량 각각에 대응되는 변수로 적용되도록 하는 피치 제어부; 및
    상기 제어신호에 따라 상기 블레이드의 피치각을 조절하여 상기 회전자를 구동하는 피치 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 피치 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 피치 제어부는,
    상기 블레이드의 회전속도와 상기 정격회전속도 간의 오차를 계산하고, 기설정된 샘플링 주기에 대한 상기 오차의 변화량을 계산하는 오차 계산부;
    상기 제1변수에 대응되는 다수 개의 파라미터가 상기 제1변수와 동일한 값을 갖도록 설정하고, 상기 제2변수에 대응되는 다수 개의 파라미터가 상기 제2변수와 동일한 값을 갖도록 설정하는 변수 설정부;
    상기 오차 및 상기 오차의 변화량에 기초한 제어신호를 생성하되, 설정된 파라미터값이 상기 오차 및 상기 오차의 변화량 각각에 대응되는 변수로 적용되도록 하는 제어신호 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 피치 제어 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 오차 계산부는,
    상기 오차 및 상기 오차의 변화량을 아래의 수학식 I,II에 따라 각각 계산하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 피치 제어 시스템.
    (수학식 I)
    Figure pat00035

    (수학식 II)
    Figure pat00036

    ωr은 블레이드의 회전속도이고, ωd는 정격회전속도이고, e(k)는 블레이드의 회전속도와 정격회전속도 간의 k번째 오차이고, r은 상기 오차의 변화량이고, T는 샘플링 주기이다.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제어신호 생성부는,
    아래의 수학식 III에 따른 제어신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 피치 제어 시스템.
    (수학식 III)
    Figure pat00037

    u는 제어신호값이고, e는 블레이드의 회전속도와 정격회전속도 간의 오차이고, r은 상기 오차의 변화량이고, α는 제1변수이고, β는 제2변수이다.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1변수와 상기 제2변수는 아래의 수학식 IV,V에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 피치 제어 시스템.
    (수학식 IV)
    Figure pat00038

    (수학식 V)
    Figure pat00039

    α는 제1변수이고, β는 제2변수이고, KI,D는 이산 PI 제어기의 적분이득이고, KP,D는 이산 PI 제어기의 비례이득이고, KI,C는 연속 PI 제어기의 적분이득이고, KP,C는 연속 PI 제어기의 비례이득이고, T는 샘플링 주기이다.
  6. 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 회전 속도를 감지하는 단계;
    감지된 상기 회전자의 회전속도와 기설정된 정격회전속도 간의 오차 및 상기 오차의 변화량에 기초한 제어신호를 생성하는 단계; 및
    생성된 제어신호에 따라 상기 블레이드의 피치각을 조절하여 상기 회전자를 구동하는 단계를 포함하며,
    상기 생성하는 단계는, 적분이득에 기초하여 결정된 제1변수와 비례이득에 기초하여 결정된 제2변수가 상기 오차 및 상기 오차의 변화량 각각에 대응되는 변수로 적용되도록 하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 피치 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 생성하는 단계는,
    상기 블레이드의 회전속도와 상기 정격회전속도 간의 오차를 계산하는 단계;
    기설정된 샘플링 주기에 대한 상기 오차의 변화량을 계산하는 단계; 및
    상기 제1변수에 대응되는 다수 개의 파라미터가 상기 제1변수와 동일한 값을 갖도록 설정하고, 상기 제2변수에 대응되는 다수 개의 파라미터가 상기 제2변수와 동일한 값을 갖도록 설정한 후, 설정된 파라미터값이 상기 오차 및 상기 오차의 변화량 각각에 대응되는 변수로 적용되는 제어신호를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 피치 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 오차를 계산하는 단계와 상기 오차의 변화량을 계산하는 단계는,
    상기 오차와 상기 오차의 변화량을 아래의 수학식 I,II에 따라 각각 계산하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 피치 제어 방법.
    (수학식 I)
    Figure pat00040

    (수학식 II)
    Figure pat00041

    ωr은 블레이드의 회전속도이고, ωd는 정격회전속도이고, e(k)는 블레이드의 회전속도와 정격회전속도 간의 k번째 오차이고, r은 상기 오차의 변화량이고, T는 샘플링 주기이다.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제어신호를 생성하는 단계는,
    아래의 수학식 III에 따른 제어신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 피치 제어 방법.
    (수학식 III)
    Figure pat00042

    u는 제어신호값이고, e는 블레이드의 회전속도와 정격회전속도 간의 오차이고, r은 상기 오차의 변화량이고, α는 제1변수이고, β는 제2변수이다.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 제1변수와 상기 제2변수는 아래의 수학식 IV,V에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 피치 제어 방법.
    (수학식 IV)
    Figure pat00043

    (수학식 V)
    Figure pat00044

    α는 제1변수이고, β는 제2변수이고, KI,D는 이산 PI 제어기의 적분이득이고, KP,D는 이산 PI 제어기의 비례이득이고, KI,C는 연속 PI 제어기의 적분이득이고, KP,C는 연속 PI 제어기의 비례이득이고, T는 샘플링 주기이다.
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