KR20180019726A - 풍력 터빈 파워 인출을 조정하는 방법 - Google Patents

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안드레 겐나데비취 마솔로프
이반 알레단드로비취 파디프
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오브쉐스트보 에스 오그라니첸노이 오트베트스트벤노스트유 "브이디엠-테크니카"
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Abstract

본 발명은 풍력 에너지 분야에 관한 것으로서, 연평균 풍속 (3-6 m / s)을 포함하는 다양한 풍력 조건에서 보다 효율적으로 작동하는 것과 같이 풍력 에너지 설비(wind energy installations)를 생성 및 수정하는 데 사용 될 수 있다. 풍력 에너지 설비는 조절 가능한 풍력 터빈 파워 인출 시스템(wind turbine power take-off system)의 도움으로 제어된다. 풍력 터빈 파워 인출 장치는 회전자 위치 센서(rotor position sensor)가 있는 영구 자석 동기 발전기(permanent magnet synchronous generator); 마이크로 프로세서 컨트롤러(microprocessor controller)를 갖는 능동 정류기(active rectifier); 전원 공급 장치(power supply); 제동 장치(braking system); 밸러스트(ballast); 및 다운 컨버터(down converter)를 포함한다. 풍속이 공칭 파워 값(nominal power value)에 상응하는 예상 속도(projected speed)보다 높을 때 에너지기 샤프트(generator shaft)의 전자기 토크(electromagnetic torque)를 안정화시키고 전체 작동 범위에 걸쳐 파워 계수(power coefficient)를 증가시키는 이 유형의 풍력 에너지 설비의 조정 방법이 제안된다. 조정 방법은 설정된 시간주기(set period of time)에 걸쳐 생성된 에너지의 변화를 평가하고 새로운 회전 주파수 값을 설정하는 회전 주파수 최적화 알고리즘(rotation frequency optimization algorithm)에 따라 풍력 터빈의 회전 주파수를 제어하는 것에 기초한다.

Description

풍력 터빈 파워 인출을 조정하는 방법
본 발명은 풍력 파워(wind power)의 분야에 관한 것으로서 보다 효율적으로 작동하는 것과 같이 풍력 에너지 설비를 생성 및 변경하는데 사용될 수 있다.
US4525633은 독립형 풍력 파워 발전 시스템을 통해 전달되는 파워의 레벨을 제어하기 위한 방법 및 장치를 제시한다. 이 방법의 주요한 포인트는 속도 센서와 풍력 파워 변환 시스템을 사용하여 최적의 회전 속도와 풍속 비율로 출력을 계산하는 것이다. 이 방법의 단점은 속도 센서를 적용 할 필요가 있으며, 속도 센서는 충분히 정확하지 않거나 비용이 높으며 동시에 가능한 기능 장애의 원인이 될 수 있다.
US4695736은 풍력 터빈 구조의 제어 및 구현 방법을 제시한다. 이 방법은 풍력 터빈의 효율성을 높이기 위해 생성된 파워에 대한 발전기 속도를 정의하는 스케줄링에 따라 토크 제어를 기반으로 한다. 따라서 최적 속도가 실제 속도보다 낮으면 파워에 대응하는 주파수가 실제 주파수보다 낮아지고, 회전 속도가 감소하는 방향으로 전류 기준 (토크)이 생성된다. 실제 주파수보다 높은 최적 주파수에서, 파워는 더 높은 회전 주파수에 상응 할 것이고, 풍력 터빈은 가속 할 것이다. 이 방법의 단점은 풍력 설비의 실제 성능과는 다른 사전 정의 된 그래프를 사용할 필요가 있다는 것이다.
US8242620는 현재 작업을 생성하여 미리 정해진 범위 내에서 회전 속도를 제어 할 수 있는 능동 정류기의 사용을 제공하는 풍력 터빈의 구조를 설명한다. 이는 회전 속도를 안정화시키고 풍력 터빈의 속도에 상응하는 특정 풍속에서 풍력 터빈의 효율적인 작동을 보장한다. 이 프로토 타입의 단점은 다양한 풍속에서 풍력 터빈의 작동 효율이 낮다는 것이다.
본 발명의 목적은 평균 풍속 (3-6m / s)의 낮은 값을 포함하는 다양한 풍속(wind speed)에서 풍력 터빈의 작동의 효율성을 증가시킬 수 있다. 청구된 발명(claimed invention)의 기술적 결과는 풍력 터빈의 작동하는 속도의 전체 범위에서 풍력 파워 변환 계수(wind power conversion coefficient)를 증가시킬 수 있다.
청구된 발명의 기술적 결과는 다음의 풍력 터빈 파워 인출을 조정하는 방법에 의거하여 성취된다. 풍력 터빈 파워 인출 조정하는 방법은 회전 속도(rotational speed)가 변화하고 획득된 값에 기초하는 새로운 회전 속도 값을 설정함에 따라 주어진 시간 간격 동안 생산된 에너지의 변화를 추정하는 최적 속도 탐색 알고리즘에 따라 풍력 터빈의 속도를 제어하는 것을 포함하고, 작동하는 풍속의 전체 범위에서 속도 제어하는 것은 파워 인출 시스템에 의해 수행되는 동안 계산된 풍속보다 더 높은 풍속에서 동기 전기 발전기의 샤프트에 대한 전자기 토크를 안정화하고, 파워 인출 시스템은 풍력 터빈의 샤프트에 장착된 회전자 위치 센서를 갖는 영구 자석을 갖는 동기 전기 발전기; 전기 기기의 출력에 직접적으로 연결된 전자 장치를 위한 자체 전원 공급 장치; 마이크로프로세서 프로그래머블 컨트롤러에 의해 벡터 제어되는 능동 정류기 - 능동 정류기는 발전기의 위상 권선에서 주어진 진폭의 EMF 전류와 정현파 동 위상을 형성하는 것에 의해 전자기 토크를 지정할 수 있고, 상기 능동 정류기의 출력에서 사용자 지정된 출력 전압보다 더 높은 전압을 갖는 DC 링크 콘덴서의 충전 전류로 변환하며, 값의 미리 설정된 범위에서 전압의 안정화는 컨슈머에 의해 출력 파워의 최대 선택에서 마이크로프로세서 컨트롤러의 제어 하에 있는 다운 컨버터에 의해 제공되며, 컨슈머에 의한 최대 파워 인출의 불가능한 경우 마이크로프로세서 컨트롤러의 제어하에 있는 밸러스트 및 다운 컨버터의 결합된 작동에 의해 보증됨 - ;
마이크로 프로세서 컨트롤러의 제어 하에 동작하며, 미리 설정된 값의 범위 내에서 능동 정류기와 다운 컨버터 간의 DC 링크의 전압을 유지할 뿐만 아니라 출력 전압을 컨슈머의 원하는 레벨로 낮추고 단락 회로로부터 보호를 위해 최대 전류 값을 제한하는 다운 컨버터; 마이크로 프로세서 컨트롤러의 제어 하에 과도한 전기를 제거하는 밸러스트(ballast); 마이크로 프로세서 컨트롤러의 제어 하에 동기 전기 발전기의 계단식 브레이킹 또는 풍력 터빈의 비상 정지를 발생시키는 동기 전기 발전기의 권선과 관련된 브레이킹 시스템을 포함한다.
일 실시예에 따르면, PWM 스위칭을 갖는 밸러스트(ballast)가 제공되는 풍력 터빈 파워 인출을 조정하는 청구된 방법의 구현의 특별한 경우, B에 의해 제거된 파워를 부드럽게 조절할 수 있고, DC의 작동을 방해하는 것 없이 콘덴서 전압을 이용가능한 수준으로 감소시킬 수 있고, 파워를 컨슈머에게 전달할 수 있다. (In a particular case of the implementation of the claimed method of adjusting wind turbine power take-off, a ballast with PWM switching is provided, this allows smoothly adjusting the power removed by the B and reducing the condenser voltage to an acceptable level without interrupting the operation of the DC and transferring power to the consumer. )
일 실시예에 따르면, 풍력 터빈의 파워 인출을 제어하기 위해 청구된 방법을 구현하는 특별한 경우, 동기 전기 발전기(synchronous electric generator, 4)는 고정자(stator)의 양측에 배치되고 단단히 상호 연결되는 두 개의 동축 디스크를 갖는 회전자로 구성된 축 방향 자화를 갖는 영구 자석을 갖는 디스크 구조를 가지며, 토로이드형 고정자(toroidal stator)의 부피(volume), 전기자와 자기 플럭스의 반응을 감소시킴으로써 특정 손실을 감소시킬 뿐만 아니라 동기 전기 발전기의 작동 효율성을 증가 시키며, 고정자의 슬롯 없는 환형 자기 코어(annular magnetic core)의 사용은 동기 전기 발전기의 정적 저항(static resistance)의 토크를 감소시키고 풍력 터빈의 권선의 토크를 감소시키는 것을 가능하게 하는 반면에, 풍력 터빈과의 도킹(docking)을 단순화 할 수 있다.( In a special case of implementing the claimed method for controlling the power take-off of a wind turbine, the synchronous electric generator (4) has a disk structure with permanent magnets with axial magnetization consisting of a rotor with two coaxial disks located on both sides of the stator and rigidly connected to each other, the volume of the toroidal stator, reduce the reaction of the armature and the path of the magnetic flux, thereby reducing the specific losses, as well as increasing the operational efficiency of the synchronous electric generator, simplify the docking with the wind turbine, while the usage of the slotless annular magnetic core of the stator makes reduction of the torque of static resistance of the synchronous electric generator and reduction of the torque of the winding of the wind turbine possible.)
조정 가능한 풍력 터빈 파워 인출 장치 (PTO) 시스템의 사용은 회 전자 위치 센서가 있는 영구 자석상에 동기식 전기 발전기, 마이크로 프로세서 컨트롤러가 있는 능동 정류기, 전원 공급 장치, 브레이킹 시스템, 밸러스트 및 다운 컨버터로 구성된다. 이러한 구조의 경우 제어 방법이 구현되어 전체 동작 속도 범위에서 풍력 파워 변환 계수를 증가시키고 파워의 공칭 값에 상응하는 설계 값보다 높은 풍속에서 발전기 축의 전자기 토크를 안정화시킨다. 제어 방법은 최적 속도 탐색 알고리즘에 따른 풍력 터빈의 속도의 제어에 기반하며, 최적 속도 탐색 알고리즘은 주어진 시간 간격 동안 발생 에너지의 변화를 추정하고 회전의 주파수의 새로운 값을 설정한다.
일 실시예에 따르면, 회전 속도(rotational speed)가 변화하고 새로운 속도 값(speed value) - 새로운 속도 값은 획득된 값에 기초함- 을 설정함에 따라 주어진 시간 간격 동안 출력 에너지(output energy)의 변화를 추정하는 최적 속도 탐색 알고리즘(optimum speed search algorithm)에 따라 풍력 터빈의 속도를 제어하는 것에 기초하는 풍력 터빈 파워 인출을 조정하는 방법에 있어서, 상기 방법은, 상기 계산된 풍속(wind speed)보다 더 높은 풍속 - 파워의 공칭 값(nominal value of power)에 상응함- 에서 동기 와인딩 샤프트(synchronous winding shaft)에 대한 전자기 토크(electromagnetic torque)를 안정화하며, 동시에 작동하는(working) 풍속의 전체 범위에서 회전의 속도를 제어하는 것은 파워 인출 시스템(power take-off system)에 의해 수행되며, 상기 파워 인출 시스템은, 풍력 터빈의 단일 샤프트(single shaft)에 장착된(mounted on) 회전자 위치 센서를 갖는 영구 자석(permanent magnets)을 갖는 동기 발전기(synchronous generator); 전기 기기(electrical machine)의 출력에 직접 연결되는 전자 장치(electronic devices)를 위한 자체 전원 공급 장치(own power supply unit); 마이크로프로세서 프로그래머블 컨트롤러에 의해 벡터 제어를 갖는 능동 정류기(active rectifier) - 상기 능동 정류기는 발전기의 위상 권선(phase winding)에서 주어진 진폭의 EMF 전류와 정현파 동 위상(sinusoidal in-phase)을 형성하는 전자기 토크를 지정(specifying)할 수 있는 가능성을 제공하고 상기 능동 정류기의 출력에서 사용자 지정된 출력 전압 보다 더 높은 전압을 갖는 DC 링크 콘덴서의 충전 전류로 변환하며, 값의 미리 설정된 값의 범위에서 전압의 안정화는 컨슈머(consumer)에 의해 최대 파워 출력 선택에서 마이크로프로세서 컨트롤러의 제어 하에 있는 다운 컨버터(m)에 의해 제공되며, 최대 파워 인출의 불가능한 경우 마이크로프로세서 컨트롤러의 제어 하에서 다운 컨버터와 밸러스트의 협력(teamwork)에 의해 보증됨 - ; 마이크로 프로세서 컨트롤러에 의해 동작되며, 미리 설정된 값의 범위 내에서 능동 정류기와 다운 컨버터 사이의 전압 DC 링크를 지원할 뿐만 아니라 출력 전압을 컨슈머의 원하는 레벨로 낮추고 단락 회로로부터 보호를 위해 최대 전류 값을 제한하는 다운 컨버터; 마이크로 프로세서 컨트롤러의 제어 하에 과도한 전기를 제거하는 밸러스트(ballast); 마이크로 프로세서 컨트롤러의 제어 하에 동기 전기 발전기의 계단식 브레이킹 또는 풍력 터빈의 비상 정지를 발생시키는 동기 전기 발전기의 권선과 관련된 브레이킹 시스템을 포함하는 풍력 터빈 파워 인출을 조정하는 방법일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 펄스-폭 변조 스위칭을 갖는 밸러스트(ballast)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 파워 인출을 조정하는 방법일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 동기 파워 발전기(synchronous power generator, 4)는 축 방향 자화(axial magnetization)를 갖는 영구 자석을 갖는 디스크 구조(disk structure)이고, 상기 회전자는 상기 고정자(stator)의 양측에 배치되고 단단히 상호 연결되는 2 개의 동축 디스크(coaxial discs)로 구성되는 것을 특징으로하는 PTO 터빈 제어 방법일 수 있다.
본 발명의 구체적인 사항, 특징 및 장점은 아래와 같은 도면을 이용하여 풍력 터빈의 파워 인출을 제어하는 청구된 방법의 실시예의 설명에서 도출될 수 있다.
도 1은 풍력 터빈의 구조를 나타낸다.
도 2는 파워 인출 시스템의 구조를 나타낸다.
도 3은 풍력 터빈의 최적 속도를 탐색하는 알고리즘을 나타낸다.
도 4a은 회전 주파수 레귤레이터(rotation frequency regulator)의 다이어그램을 나타낸다.
도 4b는 능동 정류기 제어의 다이어그램을 나타낸다.
도 1은 풍력 터빈의 구조를 보여 주고 있으며, 생성된 파워를 컨슈머(3)에게 전달하는 PTO제어 시스템(2)에 부착된 풍력 터빈(1)을 포함한다.
풍력 터빈(1)은 샤프트에서 바람 흐름의 특성에 따라 토크 Tr 을 생성한다. 풍력 터빈(2)의 파워 인출 시스템은 샤프트에 전자기 토크 Te 를 생성하여 풍력 터빈(1)의 기계적 에너지를 컨슈머(3) 전압 Uc 및 설정 전류 Ic 에 필요한 전기 에너지로 변환합니다. 컨슈머(3)로서, 특정한 전압의 배터리 또는 네트워크 인버터의 배터리가 고려될 수 있다.
도 2는 풍력 터빈(WT)의 PTO 시스템의 구조를 나타내고, PTO 시스템은 WT와 같은 샤프트에 장착된 회전자 위치 센서(RPS, 5)로부터(from the rotor position sensor (RPS) (5)) 동기 전기 발전기(SEG, 4)로 구성되며, 동기 전기 발전기는 SEG의 출력에서 전원 공급 장치(PS, 6)와 연결된다. 마이크로 프로세서 컨트롤러(MPC, 7)는 SEG의 권선(winding)에 연결된 브레이킹 시스템(BS, 8)의 동작을 제어한다; 마이크로 프로세서 컨트롤러(MPC, 7)는 출력에서 전압 센서 VS및 입력에서 위상 전류 센서 CSa, CSb, CSc에 연결된 능동 정류기(AR, 9)의 동작을 제어한다; 마이크로 프로세서 컨트롤러(MPC, 7)는 밸러스트(B, 10)의 동작을 제어하고, 출력에서 전류 센서 CS2를 갖는 다운 컨버터(DC, 11)의 동작을 제어한다.
PTO터빈 시스템은 에너지 출력 변화를 추정하고 새로운 기준 속도 값을 생성하는 탐색 알고리즘 최적 회전 주파수에 따라 터빈 속도를 제어하는 것이 주요한 목적인 제어 기기와 파워를 포함한다.
다양한 범위의 풍속에 대한 풍력 파워 변환 계수를 증가시키는 문제의 해결책은 다음과 같은 가능성에 의해 제공된다.
- 동기 전기 발전기의 샤프트에 전자기 토크 Te 를 설정하고, 동기 전기 발전기의 전류 값(current value)의 선형 값에 비례하며, 개발된 알고리즘에 따라 마이크로 프로세서 기반 프로그래머블 컨트롤러로부터 벡터 제어의 능동 정류기에 의해 형성된 위상 전류 iA, iB, iC에 의해 결정된다;
- 동기 전기 발전기의 권선에 추가 고조파 성분 없이 EMF 제너레이터와 위상이 일치하는 정현파 형태로 전류 iA, iB, iC를 설정함으로서, 동작 회전 주파수의 전체 범위에서 효율성을 증가시킬 수 있다.
- Uc보다 큰 Uin 및 Uc 및 Ic의 필요한 값을 제공하는 다운 컨버터와 관련하여 능동 정류기 부스트 컨버터 기능 동작을 구현한다. 따라서, 높은 효율성 값의 동기 전기 발전기를 사용할 수 있다.
마이크로 프로세서-기반 프로그래머블 컨트롤러는 동기 전기 발전기의 회전자의 회전 각도 (
Figure pct00001
)의 값에 따라 PWM1 펄스 폭 변조 (PWM) 신호를 형성함으로써 능동 정류기의 벡터 제어를 구현한다. 회전자 각도
Figure pct00002
의 값은 회전자 위치 센서의 값을 판독하여 결정된다.( The value of rotor angle
Figure pct00003
determined by the readings of the rotor position sensor.)
회전자 위치 센서는 능동형 정류기의 벡터 제어를 구현하고 발전기의 회 전자의 회전 속도를 계산하도록 설계된다. 회전자 위치 센서와 함께 벡터 제어에서 약간의 시간 지연을 갖는 회전자의 위치를 정확하게 결정하면 전기 기기의 동적 특성이 상당히 향상되고 완전한 제어 - 제어는 풍력 터빈의 작동을 제어하기 위한 알고리즘의 효과적인 작동에 필수적임 - 를 제공한다. (The rotor position sensor is designed to implement the vector control of the active rectifier and to calculate the rotation speed of the generator's rotor. Precise determination of the position of the rotor with a small time lag in vector control with the rotor position sensor significantly improves the dynamic characteristics of the electric machine and provides complete controllability, which is necessary for the effective operation of the algorithms for regulating the operation of the wind turbine.)
전류 루프에 대한 피드백은 전류 센서 CSa, CSb, CSb
Figure pct00004
의 사용과 함께 구성된다.
동기 전기 발전기의 출력에 직접 연결된 전원 공급 장치는 전자 장치들에 저전압 파워를 공급한다.
WT의 PTO 시스템 중 하나의 디바이스가 고장인 경우 풍력 터빈 비상 정지 또는 전압이 임계값 Uin을 초과할 때, 브레이킹 시스템은 마이크로 프로세서 프로그래머블 컨트롤러 명령에 의해 동기 전기 발전기를 계단식으로 정지할 수 있다.
다운 컨버터는 마이크로 프로세서-기반 프로그래머블 컨트롤러의 신호 PWM3 및 PWM2에 의해 전류 센서 CS2의 판독 값에 따라 전류 Ic 제어 및 전류 센서 CS1의 판독 값에 따른 전류 Iin제어에 따르는 전압 센서 VS의 판독 값에 따른 Uin의 미리 설정된 소정 범위 내에서 능동 정류기와 다운 컨버터 사이의 콘덴서 (C0)상의 DC 링크의 전압을 유지한다. 다운 컨버터는 전압을 원하는 레벨 Uc로 낮출 수 있고 전류 Ic의 최대 값을 제한할 수 있으므로, 단락 회로(short circuit)로부터 보호할 수 있다.
프로그램 가능한 마이크로 프로세서 컨트롤러의 제어 하에 동기 전기 발생기의 최소한의 공칭 파워의 용량 B는 Uin의 미리 설정된 값을 초과하는 경우 초과 전기 파워를 전환(divert)시킨다.
풍력 터빈 파워 인출 장치의 청구된 방법은 풍력 터빈의 동작하는 속도의 전체범위에서 풍력 파워 변환 계수를 증가시키고 발전기 샤프트상의 전자기 토크를 파워의 공칭 값에 상응하는 정격 속도(rated speed) 보다 높은 풍속에서 안정화시킨다. 제어 방법은 주어진 시간 간격에서 생성된 에너지의 변화를 추정하고 새로운 속도의 값을 설정하는 최적 속도 탐색 알고리즘에 따라 풍력 터빈의 속도를 제어하는 것에 기반한다.
파워 인출 시스템은 세 가지 주요 동작 모드를 구현한다:
1. SEG가 정격 파워를 발생시키는 최저 작동에서 정격까지의 풍속 범위에서 동작 모드.
최소 동작에서부터 MPC가 있는 PWM1 ~ AR까지의 공칭 PWM 신호까지의 속도 범위에서 SEG 권선의 스위칭이 수행된다. 이 경우 주어진 진폭의 EMF전류를 가지는 정현파 동위상(sinusoidal in-phase)는 SEG의 권선 안에서 손실을 최소화할 수 있고 개발된 알고리즘에 따라 SEG의 샤프트 상에서 회전의 최적 속도를 형성할 수 있는 발생기 iA, iB, iC의 위상 안에서 형성된다. Synphase 및 정현파 전류는 DPR 판독에 따라 벡터 제어에 의해 제공된다. 능동 정류기는 SEG 및 가변 위상 전류 iA, iB, iC의 EMF를 콘덴서 C0 Uin전압으로 일정한 출력 전류 Iin으로 변환한다.
최대 파워 출력에서, 미리 결정된 범위의 값에서 콘덴서 (C0)의 선택 전압 안정화 사용자 Uin는 표시(CS2)의 변조된 PWM 신호 PWM3 MPC에 대해 현재의 전류 제어 Ic에 의해 DC를 제공받는다.
컨슈머를 위한 완전한 PTO가 불가능할 때 (Ic는 컨슈머에 의해 제한된다), 주어진 범위의 값에서 콘덴서 C0상의 전압 Uin의 안정화는 DC와 B의 조인트 동작(joint operation)에 의해 보장된다. 현재의 전류 제어 Ic판독 값은 CS2 변조된 PWM 신호 PWM3 및 B에 연결된 PWM2 MPC를 만들 수 있다.
2. 계산 된 값을 초과하는 풍속 값의 범위에서 동작 모드.
풍속 값이 풍력 터빈의 풍속의 계산된 값을 초과하면, HP는 동기 전기 발전기의 전자기 토크 Te의 공칭 값을 초과하는 샤프트 Tr에 토크를 생성한다. SEG의 회전 주파수는 공칭 값보다 높아지고 AR은 다이오드 브리지 모드에서 작동하기 시작한다. 이 경우, AR의 출력으로부터 공급되는 전기 파워의 양은 정격 값을 초과하고, DC는 콘덴서 (C0)의 전압(Uin)을 안정화시킬 수 없다.
콘덴서 임계치 전압 Uin에 도달하면 MPC는 PWM 신호 PWM2 - 밸러스트를 연결하고 표시(indications) DT1상의 다중 유닛은 전자기 토크 TE를 생성하는 공칭(nominal)보다 AR의 출력에서 전류
Figure pct00005
를 생성함 - 를 생성한다. 만약 생성된 토크 TE가 SEG 및 WT의 샤프트상에 작용하는 MR을 초과하면, 속도는 줄어들고 풍력 터빈은 동작 모드 1로 전환한다.( Upon reaching the condenser
Figure pct00006
threshold voltage Uin the MPC generated PWM signal PWM2, which connects the ballast and on indications DT1 multiple unit generates a current
Figure pct00007
at the output of AR than nominal creates an electromagnetic torque Te. If the generated torque Te exceeds MR acting on the shaft of the SEG and WT, the speed is reduced and the wind turbine enters the operation mode 1.)
생성된 토크(TE)가 SEG를 제동하기에 불충분 한 경우, SEG 회전 속도가 증가하고, SEG의 EMF가 증가하며, BS는 단계적으로 SEG와 WT의 브레이킹을 수행한 이후에, VS의 표시에 따라 MPC는 신호 s1을 BS에 송신 한다. BS의 동작, AR 전류의 형성 및 콘덴서 (C0)의 충전 동안, DC는 파워를 계속 생성하고, 이는 설정값 이하의 VS상의 전압 Ui를 감소시킨다. BS가 트리거한 후, 동기 발전기의 권선은 전압이 풍력 터빈이 밸러스트와 함께 동작 모드 2로 전환된 이후 설정값 이하로 떨어질 때까지 단락된 상태를 유지한다.
3. WT의 PTO 시스템로부터 장치 중 하나가 고장난 경우의 풍력 터빈의 비상 동작. 이 경우, BS는 풍력 터빈을 정지시킨다.
도 3은 터빈의 회전의 최적 주파수 탐색하는 알고리즘을 보여준다. 이 알고리즘은 주어진 시간 간격 동안 생성된 에너지의 평균값에 기초한 최적의 회전 속도에 대한 탐색에 기초한다. 블록(12)은 초기의 파라미터를 나타낸다: E_n - 싸이클의 마지막 반복에서 얻은 총 "에너지", w_ (n-1) - 싸이클의 마지막 반복에서 지정된 속도, w_req - 싸이클의 이런 반복에서 지정된 회전 속도, k - 사이클 패스의 수. 블록 (13)은 패스의 수를 주어진 한계값과 비교한다. 블록(14)은 사이클의 시간 지연을 나타낸다. 블록(15)은 전압 Uq 및 전류 Iq에 대한 q 성분의 값을 제공한다. 블록(16)은 루프의 이러한 반복에서 총 "에너지" En의 값을 더한다. 이러한 경우의 "에너지"의 개념은 순간 파워 값이 한 위상의 전류 및 전압의 진폭 값에 대해 합산되고 총 값이 발전기의 실제 생성된 에너지와 같지 않기 때문에 예약(reservation)으로 적용되지만, 항상 같은 계수로 그것에 비례한다. 따라서 획득한 "에너지"의 값은 알고리즘에서 사용되는 서로 정확하게 비교 될 수 있다. 블록(17)은 통과 카운터를 증가시키고 한계 값에 도달하면 "에너지"의 변화의 프로덕트와 과거 및 현재 반복 사이의 회전 주파수와의 결과를 0과 비교하여 블록 (18)이 실행된다. 0보다 큰 값은 속도가 증가하고 "에너지"값이 증가했거나 또는 속도가 감소하고 "에너지"값이 감소했기 때문에 유닛(19)에 의해 수행되는 속도가 증가할 필요가 있다는 것을 의미한다. 0보다 작은 값은 회전 속도가 감소하고 에너지 값이 증가하거나 또는 회전 속도가 증가하고 에너지 값이 감소한 것을 의미하며, 그러므로, 유닛(20)이 수행하는 풍력 터빈의 속도를 감소시킬 것이 요구된다.
도 4a는 속도 컨트롤러의 기능 다이어그램을 나타낸다. 벡터 제어 방식은 구현된다. 가산기(21)는 설정된 속도 값(wreq)과 실제 속도 값(wrot) 사이의 차이를 계산하고, 차이 값은 PI 조절기 (22)에 제공된다. 유닛 (23)은 모터 모드로의 전달을 피하고 허용가능한 전류 값을 초과하지 않도록 전기 기계의 공칭 값에서 0까지의 범위로 제한되도록 전류
Figure pct00008
를 설정을 제공한다.
도 4b 는 능동 정류기 제어의 기능 다이어그램을 나타낸다. 측정된 위상 전류의 값은 Park-Clarke 변환을 구현하는 블록 (24)으로 제공된다. d-q 성분의 결과 값은 주어진 값이 실제 값으로부터 감산되고 PID 조절기 (27), (28)에 의해 변환되는 블록 (25) 및 (26)에 도달한다. 블록 (29)에서, 각 위상에 대한 기준 값이 복원되고, 이러한 값에 기초하여 블록 (30)의 제어 펄스가 능동 정류기에 공급된다.
1 - 풍력 터빈; 2 - 파워 인출 시스템; 3 - 생성된 전기 파워의 컨슈머; 4 - 동기 전기 발전기; 5 - 회전자 위치 센서; 6 - 전원 공급 장치; 7- 마이크로프로세서 컨트롤러; 8 - 브레이킹 시스템; 9 - 능동 정류기; 10 - 밸러스트; 11 - 다운 컨버터; 12-20 는 풍력 터빈 파워 인출 제어 시스템의 작동을 위한 알고리즘 블록을 나타냄; 21-23는 속도 컨트롤러의 기능 회로의 블록을 나타냄; 24-30는 능동 정류기의 기능 제어 회로의 블록을 나타냄.

Claims (3)

  1. 회전 속도(rotational speed)가 변화하고 새로운 속도 값(speed value) - 새로운 속도 값은 획득된 값에 기초함- 을 설정함에 따라 주어진 시간 간격 동안 출력 에너지(output energy)의 변화를 추정하는 최적 속도 탐색 알고리즘(optimum speed search algorithm)에 따라 풍력 터빈의 속도를 제어하는 것에 기초하는 풍력 터빈 파워 인출을 조정하는 방법에 있어서,
    상기 방법은,
    상기 계산된 풍속(wind speed)보다 더 높은 풍속 - 파워의 공칭 값(nominal value of power)에 상응함- 에서 동기 와인딩 샤프트(synchronous winding shaft)에 대한 전자기 토크(electromagnetic torque)를 안정화하며, 동시에 작동하는(working) 풍속의 전체 범위에서 회전의 속도를 제어하는 것은 파워 인출 시스템(power take-off system)에 의해 수행되며, 상기 파워 인출 시스템은,
    풍력 터빈의 단일 샤프트(single shaft)에 장착된(mounted on) 회전자 위치 센서를 갖는 영구 자석(permanent magnets)을 갖는 동기 발전기(synchronous generator);
    전기 기기(electrical machine)의 출력에 직접 연결되는 전자 장치(electronic devices)를 위한 자체 전원 공급 장치(own power supply unit);
    마이크로프로세서 프로그래머블 컨트롤러에 의해 벡터 제어를 갖는 능동 정류기(active rectifier) - 상기 능동 정류기는 발전기의 위상 권선(phase winding)에서 주어진 진폭의 EMF 전류와 정현파 동 위상(sinusoidal in-phase)을 형성하는 전자기 토크를 지정(specifying)할 수 있는 가능성을 제공하고 상기 능동 정류기의 출력에서 사용자 지정된 출력 전압 보다 더 높은 전압을 갖는 DC 링크 콘덴서의 충전 전류로 변환하며, 값의 미리 설정된 값의 범위에서 전압의 안정화는 컨슈머(consumer)에 의해 최대 파워 출력 선택에서 마이크로프로세서 컨트롤러의 제어 하에 있는 다운 컨버터(m)에 의해 제공되며, 최대 파워 인출의 불가능한 경우 마이크로프로세서 컨트롤러의 제어 하에서 다운 컨버터와 밸러스트의 협력(teamwork)에 의해 보증됨 - ;
    마이크로 프로세서 컨트롤러에 의해 동작되며, 미리 설정된 값의 범위 내에서 능동 정류기와 다운 컨버터 사이의 전압 DC 링크를 지원할 뿐만 아니라 출력 전압을 컨슈머의 원하는 레벨로 낮추고 단락 회로로부터 보호를 위해 최대 전류 값을 제한하는 다운 컨버터;
    마이크로 프로세서 컨트롤러의 제어 하에 과도한 전기를 제거하는 밸러스트(ballast);
    마이크로 프로세서 컨트롤러의 제어 하에 동기 전기 발전기의 계단식 브레이킹 또는 풍력 터빈의 비상 정지를 발생시키는 동기 전기 발전기의 권선과 관련된 브레이킹 시스템
    을 포함하는 풍력 터빈 파워 인출을 조정하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 펄스-폭 변조 스위칭을 갖는 밸러스트(ballast)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 파워 인출을 조정하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 동기 파워 발전기(synchronous power generator, 4)는 축 방향 자화(axial magnetization)를 갖는 영구 자석을 갖는 디스크 구조(disk structure)이고, 상기 회전자는 상기 고정자(stator)의 양측에 배치되고 단단히 상호 연결되는 2 개의 동축 디스크(coaxial discs)로 구성되는 것을 특징으로하는 PTO 터빈 제어 방법.
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