KR20180063583A - 소형풍력발전기 다중입력 제어시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 소형풍력발전기 다중입력 제어시스템에 관한 것으로, 풍력발전기 제어시스템에 있어서,풍력발전기에 의해 발생한 3상 교류전압을 직류전압으로 변환하고, 상기 풍력발전기 블레이드의 회전 RPM, 전압 및 전류를 측정하는 센서회로와, AC/DC컨버터회로를 포함하는 AC/DC컨버터모듈, 상기 AC/DC컨버터모듈로부터 출력된 직류전압의 크기를 일정 전압으로 변환하는 DC/DC컨버터모듈, DUMP회로와 BRAKE회로를 포함하여 구성되고, 풍력발전기 최대 발전량 초과를 제어하는 브레이크모듈, 상기 AC/DC컨버터모듈로부터 전송받은 RPM, 전압 및 전류 데이터를 통해 상기 풍력발전기를 최대전력추종 제어하고, 상기 DC/DC컨버터모듈로부터 출력된 전압 및 전류를 측정하여 배터리모듈로 공급하는 MCU모듈 및 상기 배터리모듈에 저장된 직류전압을 교류전압으로 변환하는 인버터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

소형풍력발전기 다중입력 제어시스템{CONTROL SYSTEM FOR THE SMALL SCALE WIND POWER GENERATION}
본 발명은 소형풍력발전기 다중입력 제어시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다양한 센서로 소형풍력발전기의 회전, 전압 및 전류를 측정하고 최대전력추종 제어함으로써 소형풍력발전기의 발전효율이 향상되도록 제어하는 시스템에 관한 것이다.
최근, 화석연료의 고갈문제와 원자력발전의 안전성 논란으로 인해 친환경적이고 안전한 에너지원 개발에 대한 관심히 증가됨에 따라, 자연에너지를 이용한 신재생에너지 기술 개발이 미국, 유럽, 일본 등의 선진국을 중심으로 활발히 추진되고 있다. 또한 2007년부터 이산화탄소 배출감소를 의무적으로 규정한 교토협약에 의해 범세계적으로 석유를 대체할 수 있고 공해가 없는 친환경 신재생에너지사업이 확산되고 있다.
신재생에너지원 중에서도 특히, 풍력발전시스템은 여러 대체 에너지 산업 중에서도 건설비용 및 유지비용이 비교적 적고, 환경에 미치는 영향이 적은이유로 각광받고 있다.
하지만 풍력발전시스템은 풍력발전기의 블레이드가 회전하면서 발생하는 운동에너지를 전기적 에너지로 변환함에 있어서 에너지변환효율이 낮다. 또한 지역, 계절, 날씨의 영향을 크게 받아, 블레이드 회전력의 증감폭이 증가하고, 이로 인해 에너지 생산량의 변동이 큰 폭으로 차이나는 이유로 안정적인 에너지 공급원으로 이용될 수 없는 문제점이 있었다.
상기의 문제점을 해결하기 위해, 종래에는 최대전력 추종제어를 통해 풍력발전기의 발전 효율성을 증대시키고자 했다.
하지만 풍력발전기의 최대전력 추종제어방법으로는 풍력발전기의 블레이드 파워와 속도를 측정해야 하고, 측정된 정보의 변동을 관측한 후 제어를 수행하기 때문에 최대 출력점 부근에서 필연적인 진동을 가지는 문제점이 있었다.
또한 최대 출력점을 찾기위해 여러 번의 실험을 수행해야하는 점에서 시간적, 비용적 소모가 큰 문제점이 있었다.
그리고 최대전력추종제어를 통해 블레이드 파워를 최대로 유지하더라도 배터리에 인가되는 전력이나, 수용가의 부하로 인가되는 전력은 최대로 유지되지 않는 문제점이 있었다.
대한민국 등록특허공보 제10-1370542호
앞선 배경기술에서 도출된 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 풍력발전기를 이용한 배터리모듈의 충전효율을 극대화 하는 제어시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 풍력발전기를 최대전력 추종제어함에 있어서 비용을 절감하고, 효율성을 증가시키는 제어시스템을 제공하는 것이다.
한편, 본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 풍력발전기 제어시스템에 있어서, 풍력발전기에 의해 발생한 3상 교류전압을 직류전압으로 변환하는 AC/DC컨버터회로와, 상기 풍력발전기 블레이드의 회전 RPM, 전압 및 전류를 측정하는 센서회로를 포함하는 AC/DC컨버터모듈, 상기 AC/DC컨버터모듈로부터 출력된 직류전압의 크기를 일정 전압으로 변환하는 DC/DC컨버터모듈, DUMP회로와 브레이크회로를 포함하여 구성되고, 풍력발전기 최대 발전량 초과를 제어하는 브레이크모듈, 상기 AC/DC컨버터모듈로부터 전송받은 RPM, 전압 및 전류 데이터를 통해 상기 풍력발전기를 최대전력추종 제어하고, 상기 DC/DC컨버터모듈로부터 출력된 전압 및 전류를 측정하여 배터리모듈로 공급하는 MCU모듈 및 상기 배터리모듈에 저장된 직류전압을 교류전압으로 변환하는 인버터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 AC/DC컨버터모듈은 다이오드를 이용한 풀브릿지회로를 포함하여 구성되어 교류전압을 직류전압으로 정류하는 것을 특징으로 한다.
상기 DC/DC컨버터모듈은, BUCK-BOOST 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 브레이크모듈은, 3상 단자 각각에 저항을 연결하여 풍력발전기 속도를 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 MCU모듈은, CAN과 RS232 통신방식으로 외부와 통신되는 것을 특징으로 한다.
상기한 실시예에 따른 본 발명에 의하면, 센서회로를 통해 소형풍력발전기를 최대전력 추종제어를 효율적으로 하고, 배터리모듈로 인가되는 에너지를 최대화 시킬 수 있다.
또한, DC/DC컨버터모듈과 MCU모듈을 이용하여 소형풍력발전기를 RPM과 출원을 효율적으로 제어하여 비용을 절감하고 발전 효율성을 증대시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 소형풍력발전기 다중입력 제어시스템을 도시한 블록 다이어그램.
도 2는 본 발명에 따른 AC/DC컨버터회로를 도시한 회로도.
도 3은 본 발명에 따른 센서회로를 도시한 회로도.
도 4는 본 발명에 따른 DC/DC컨버터의 회로도.
도 5는 본 발명에 따른 브레이크모듈의 회로도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 그리고 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아니다. 본 명세서에서 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 한편, 해당 기술분야의 통상적인 지식을 가진자로부터 용이하게 알 수 있는 구성과 그에 대한 작용 및 효과에 대한 도시 및 상세한 설명은 간략히 하거나 생략하고 본 발명과 관련된 부분들을 중심으로 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 소형풍력발전기 다중입력 제어시스템을 도시한 블록 다이어그램이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 소형풍력발전기 다중입력 제어시스템은 교류전압을 직류전압으로 변환하는 AC/DC컨버터모듈, 직류전압을 소정의 크기의 직류전압으로 변환하는 DC/DC컨버터모듈, 풍력발전기 최대 발전량 초과를 제어하는 브레이크모듈, 풍력발전기를 최대전력추종 제어하는 MCU모듈, 전력을 저장하는 배터리모듈 및 직류전압을 교류전압으로 변환하는 인버터를 포함하여 구성될 수 있다.
이하에서는 각 구성에 대해 상세히 설명하도록 한다.
먼저, AC/DC컨버터모듈은 풍력발전기에 의해 생산된 3상 교류전압을 직류전압으로 변환하는 AC/DC컨버터회로와, 풍력발전기 블레이드의 회전 RPM과, 전압 및 전류를 측정하는 센서회로를 포함하여 구성될 수 있다.
도 2는 AC/DC컨버터회로를 도시한 회로도이고, 도 3은 센서회로를 도시한 회로도이다. AC/DC컨버터회로는 도 2와 같이 구성될 수 있고, RPM 측정, 전압 측정, 전류 측정은 도 3과 같은 회로 구성에 의해 측정될 수 있다.
이와 더불어, AC/DC컨버터모듈은 본 발명의 실시 예에 따라 다이오드를 이용한 풀브릿지회로를 포함하여 구성되어 교류전압을 직류전압으로 정류하는 것을 특징으로 할 수 있다.
DC/DC컨버터모듈은 AC/DC컨버터모듈로부터 출력된 직류전압의 크기를 소정의 일정 전압으로 변환할 수 있다.
DC/DC컨버터모듈은 PWM(Pulse Width Modulation)의 Duty를 조절하여 원하는 DC 전압을 만드는 회로를 포함하여 구성될 수 있다.
DC/DC컨버터모듈은 일 실시 예에 따라, BUCK-BOOST 컨버터 타입으로 이루어질 수 있다. 이러한 DC/DC컨버터모듈은 풍력발전기에서 발생되는 전압과 전류, RPM을 측정하고, BUCK-BOOST 컨버터의 출력 전압과 전류를 측정하여, 항상 일정한 전압을 유지할 수 있도록 PWM의 Duty 비를 조절할 수 있다.
도 4는 DC/DC컨버터모듈의 BUCK-BOOST 컨버터 회로도를 도시한 것이다.
BUCK-BOOST 컨버터는 두 개의 스위칭 소자의 동작에 의해 입력전압이 평균 출력전압보다 크거나 작게 가변될 수 있으며, 파라미터는 다음과 같이 구해질 수 있다.
상기 벅-부스트 컨버터의 입력전압 Vs와 평균 출력전압 Va의 관계는 다음의 수학식 1과 같다.
Figure pat00001
스위칭 소자의 손실분을 무시한다고 가정하면, 평균 입력전류 Is는 다음의 수학식 2와 같다.
Figure pat00002
일반적인 인덕타 L 양단의 전압은
Figure pat00003
이며, Ton 동안에 전류가 선형적으로 증가한다고 가정하면 다음의 수학식 3과 같다.
Figure pat00004
또한, Toff 동안에 인덕터 전류가 선형적으로 감소한다면 다음의 수학식 4와 같다.
Figure pat00005
스위칭 주기 T는 상기 수학식 3과 수학식 4에 의해 다음의 수학식 5와 같이 계산될 수 있다.
Figure pat00006
여기서, ΔI는 인덕터 L의 피크 대 피크 리플전류이다.
상기 수학식 5를 통해 인덕터 L과 리플전류 ΔI를 구하면 다음의 수학식 6과 같다.
Figure pat00007
ΔI는 인덕터에 흐르는 전체 전류의 20% 내지 40%로 선정한다.
커패시터의 리플전압은 다음의 수학식 7과 같다.
Figure pat00008
상기 수학식 7로부터 커패시터 값을 구하면 다음의 수학식 8과 같다.
Figure pat00009
도 5는 본 발명에 따른 브레이크모듈의 회로도이다.
도 5를 참조하여 설명하면, 브레이크모듈은 풍력발전기 최대 발전량 초과를 제어할 수 있다. 다시 말해, 브레이크모듈은 풍력발전기의 RPM을 조절하거나, 3상 출력전압의 과전압을 방지함으로써 안전 범위 내에서 발전이 가능토록 할 수 있다.
브레이크모듈은 풍력발전기의 속도를 조절할 수 있는 DUMP회로와 풍력발전기를 정지시크는 브레이크회로로 구성될 수 있다.
브레이크회로는 실시 예에 따라, 3상 단자 각각에 저항이 연결되어 풍력발전기 속도를 제어할 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 브레이크 모듈은 풍력발전기의 고정 혹은 점검 시 컨버터의 이상 발생이나 태풍과 같은 이상 기후의 경우에도 풍력발전기를 보호하기 위한 수단으로 사용될 수 있다.
본 발명의 마지막 구성인 MCU모듈은 AC/DC컨버터모듈로부터 전송받은 RPM, 전압 및 전류 데이터를 통해 상기 풍력발전기를 최대전력추종 제어하고, 상기 DC/DC컨버터모듈로부터 출력된 전압 및 전류를 측정하여 배터리모듈로 공급할 수 있다.
MCU모듈은 마이크로프로세서와 입,출력 모듈이 하나의 칩으로 만들어져 정해진 기능을 수행하는 컴퓨터를 말한다. 즉, CPU 코어, 메모리 그리고 프로그램 가능한 입/출력을 가지고 있으며, 임베디드 어플리케이션을 위해 디자인될 수 있다. 개인용 컴퓨터(PC)가 다양한 요구에 따라 동작하는 일반적인 일에 사용된다면 MCU는 기능을 설정하고 정해진 일을 수행하도록 프로그래밍되어 장치 등에 장착되어 동작한다.
또한, 풍력발전기의 이상 유무를 판단하고 이를 제어하기 위한 신호 처리도 함께 수행한다.
또한, 캔(CAN) 통신과 RS232 통신 기능이 포함되어 외부와의 통신이 가능하게 설계될 수 있음은 물론이다.
나아가, 상기 MCU 모듈은 상기 DC/DC 컨버터 모듈에 설정된 초기 듀티비 또는 이전 듀티비에 가중치를 증가시키거나 감소시켜 상기 듀티비를 제어할 수 있다. 즉, 상기 MCU 모듈은 듀티(Duty)비를 조절하면서 최대 전력점을 추적할 수 있다.
전술한 내용은 후술할 발명의 청구범위를 더욱 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 상술하였다. 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (5)

  1. 풍력발전기 제어시스템에 있어서,
    풍력발전기에 의해 발생한 3상 교류전압을 직류전압으로 변환하는 AC/DC컨버터회로와, 상기 풍력발전기 블레이드의 회전 RPM, 전압 및 전류를 측정하는 센서회로를 포함하는 AC/DC컨버터모듈;
    상기 AC/DC컨버터모듈로부터 출력된 직류전압의 크기를 일정 전압으로 변환하는 DC/DC컨버터모듈;
    DUMP회로와 브레이크회로를 포함하여 구성되고, 풍력발전기 최대 발전량 초과를 제어하는 브레이크모듈; 상기 AC/DC컨버터모듈로부터 전송받은 RPM, 전압 및 전류 데이터를 통해 상기 풍력발전기를 최대전력추종 제어하고, 상기 DC/DC컨버터모듈로부터 출력된 전압 및 전류를 측정하여 배터리모듈로 공급하는 MCU모듈; 및
    상기 배터리모듈에 저장된 직류전압을 교류전압으로 변환하는 인버터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 소형풍력발전기 다중입력 제어시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 AC/DC컨버터모듈은 다이오드를 이용한 풀브릿지회로를 포함하여 구성되어 교류전압을 직류전압으로 정류하는 것을 특징으로 하는 소형풍력발전기 다중입력 제어시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 DC/DC컨버터모듈은,
    BUCK-BOOST 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 소형풍력발전기 다중입력 제어시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 브레이크모듈은,
    3상 단자 각각에 저항을 연결하여 풍력발전기 속도를 제어하는 것을 특징으로 하는 소형풍력발전기 다중입력 제어시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 MCU모듈은,
    CAN과 RS232 통신방식으로 외부와 통신되는 것을 특징으로 하는 소형풍력발전기 다중입력 제어시스템.
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