KR20180131738A

KR20180131738A - 풍력 터빈의 전역적 전력 조정 방법 및 그 시스템

Info

Publication number: KR20180131738A
Application number: KR1020170068175A
Authority: KR
Inventors: 주영훈
Original assignee: 군산대학교산학협력단
Priority date: 2017-06-01
Filing date: 2017-06-01
Publication date: 2018-12-11
Also published as: KR101939908B1

Abstract

본 발명은 풍력 터빈의 전역적 전력 조정 방법 및 그 시스템에 관한 것으로서, 특히 새로운 풍속 측정기와 피치 제어 기법을 융합한 풍력 터빈의 전역적 전력 조정 방법 및 그 시스템에 관한 것이다.

Description

풍력 터빈의 전역적 전력 조정 방법 및 그 시스템{Global Power Regulation of Wind Turbines}

풍력 터빈은 바람의 에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 회전 기구로서, 현재는 기계적 에너지를 전기 에너지로 전환하여 전력을 생산하는 풍력 발전기로 주로 이용되고 있다.

도1 은 기존의 풍력 발전기용 풍력 터빈의 일예를 나타낸다.

도1 을 참조하면, 풍력 터빈은 복수개의 블레이드(BL)을 구비하여 바람에 의해 회전하는 로터(RT)와, 로터(RT)를 지지하고, 저속 샤프트(LSS)를 통해 전달되는 로터(RT)의 회전을 전기 에너지로 변환하는 너셀(nacelle)(NC) 및 너셀(NC)을 지지하는 타워(TW)를 구비한다.

너셀(NC)은 로터(RT)의 회전축인 저속 샤프트(LSS)와 저속 샤프트(LSS)의 회전 속도를 미리 설정된 기어비에 따라 전환하여 고속 샤프트(HSS)를 회전시키는 기어 박스(GB) 및 고속 샤프트(HSS)의 회전 운동을 전기 에너지로 변환하는 발전기(GEN)를 포함한다. 여기서 저속 샤프트(LSS)와 기어 박스(GB) 및 고속 샤프트(HSS)는 로터(RT)의 회전 운동을 발전기(GEN)으로 전달하는 동력 전달계통(drive train)이다.

그리고 타워(TW)는 상단에 배치되는 너셀(NC)에 결합된 로터(RT)가 바람 방향을 향하도록 조절하기 위한 요 모터(Yaw Motor) 및 요 드라이브(Yaw drive)를 구비한다.

한편 도1 에 도시된 바와 같이, 현재 풍력 발전용 풍력 터빈은 대부분 너셀(NC) 내부에 제어 장치(CON)를 구비한다. 제어 장치(CON)는 도1 에 도시된 바와 같이 너셀(NC)의 외부에 부착되는 풍속계(anemometer)(ane) 및 풍향계(wind vane)(wv)를 통해 측정된 바람의 상태를 확인하고, 확인된 바람의 상태에 따라 풍력 터빈의 내부 구성요소의 동작을 제어함으로써, 풍력 터빈의 전력 생산성을 향상시키고, 동시에 내부 구성 요소에 가해지는 부하를 줄임으로써 풍력 터빈의 내구성을 높일 수 있다. 일예로 제어 장치(CON)는 로터(RT)의 복수개의 블레이드(BL)의 피치각 또는 브레이크(BK)를 제어하여, 현재 풍속에서 풍력 터빈의 전력 생산 효율을 높이고 부하를 경감할 수 있도록 로터(RT)의 회전 속도를 조절할 수 있다.

그러나 풍력 터빈의 제어에 대한 다양한 연구가 수행되었음에도 불구하고, 풍력 터빈이 비선형적인 공력(aerodynamics) 특성을 가질 뿐만 아니라, 시간 및 공간 차원 양측에서 가변되는 확률적 변수인 풍속에 의해 구동되기 때문에, 풍력 터빈의 효율적인 제어는 용이하지 않다.

상기한 바와 같이 풍력 터빈이 주로 풍속에 의해 구동되므로, 풍력 터빈의 제어 장치(CON)는 정확한 풍속 정보를 획득할 필요가 있다. 현재 상업용 풍력 터빈에서 풍속은 도1 에 도시된 바와 같이, 너셀(NC) 외부에 부착된 풍속계(ane)를 통해 측정되고 있으나, 측정된 풍속이 풍속계(ane)의 배치 위치에서 측정된다는 결함과 함께 외란에 취약하다는 한계가 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해, 풍력 터빈 자체를 이용하여 유효 풍속(Effective Wind Speed : 이하 EWS)을 추정하는 방식이 제안되었다. 즉 너셀(NC)의 외부에 별도의 풍속계(ane)를 부착하지 않고, 제어 장치(CON)가 로터(RT)의 회전 운동을 기반으로 풍속을 추정하는 방식이 제안되었다.

EWS는 풍력 터빈(WT)에 영향을 받지 않는 바람의 흐름(wind stream)이 있는 로터 시프트 영역(rotor shift area)에 걸친 바람장(wind field)의 공간적 평균으로 정의된다. 즉 블레이드(BL) 길이에 따른 로터(RT) 영역에 인가되는 풍속의 평균을 의미한다. 상기한 바와 같이, EWS는 제어 장치(CON)가 풍력 터빈 자체를 이용하여 추정되므로, EWS를 정확하게 추정하기 위해서는, 제어 장치(CON)는 제어할 풍력 터빈에 대한 특성 정보를 풍력 터빈 모델 정보로 미리 획득하고 있어야 한다. 제어 장치(CON)는 획득된 풍력 터빈 모델 정보를 측정 가능한 다른 여러 정보와 함께 이용하여 EWS를 추정할 수 있다.

이렇게 풍력 터빈 모델 정보를 측정 가능한 여러 정보와 함께 이용하여 EWS를 추정하는 방식을 모델 기반 추정 기법이라고 한다. 모델 기반 추정 기법에서는 대표적으로 풍력 터빈의 각 모델에 대한 정보를 최대한 활용하는 것을 강조한 3가지 EWS 추정기가 제안된 바 있다. 3가지 EWS 추정기는 전력 균형 추정기(power balance estimator), 칼만 필터 기반 추정기(Kalman filter (KF)-based estimator : 이하 KF 기반 추정기) 및 확장 칼만 필터 기반 추정기(extended Kalman filter (EKF)-based estimator : 이하 EKF 기반 추정기)이다.

전력 균형 추정기는 모델 기반 추정 기법에서 가장 기본적인 추정기이고, KF 기반 추정기는 전력 균형 추정기를 개선한 추정기이다. 전력 균형 추정기와 KF 기반 추정기는 모두 공력 토크(aerodynamic torque)에 대한 방정식을 재구성하는 단계와 뉴턴-랩슨(Newton-Raphson) 수치 반복 기법을 이용하여 방정식에서 TSR(Tip Speed Ratio)의 해를 찾는 단계를 포함하는 점에서 유사성이 있다. KF 기반 추정기가 공력 토크를 재구성 단계에서 전력 균형 추정기보다 더 나은 성능을 나타내지만, KF 기반 추정기 또한 선형 칼만 필터 기반 방식이므로, 비선형 특성을 갖는 풍력 터빈에 대한 최적의 추정 결과를 제공하기는 어렵다. 따라서 비선형 기반 추정기가 요구되고 있으나, 현실적으로 완전한 비선형 기반 추정기를 개발하는 것은 불가능하다.

이에 대안으로 풍력 터빈 모델의 동력 전달계통에 대한 선형 모델과 바람에 의한 비선형 공력 모델을 결합하고, 비선형 알고리즘을 이용하여 EWS를 직접 추정하는 EKF 기반 추정기가 제안되었다. EWS를 직접 추정하는 연속-이산 EKF 기반 추정기는 EWS 추정을 표준 추정 문제(standard estimation problem)로 접근하여, 풍력 터빈 위치에서 EWS를 추정 및 예측할 수 있도록 제안되었다. 그러나 EKF 기반 추정기는 너셀에서 측정되는 풍속이 가우시안 잡음(Gaussian noise)으로 포함하는 것으로 가정하는 반면, 실시간 환경에서 풍속의 측정은 항상 가우시안 잡음 형태를 따르지 않는다. 따라서 EWS 추종 결과가 부정확하게 도출될 수 있으며, 이 추종 결과를 이용하여 풍력 터빈을 제어하는 경우, 전력 생산성 향상과 부하를 경감하고자 하는 풍력 터빈 제어 목적을 달성하지 못하는 문제가 있다.

이와 관련한 선행 문헌으로 한국 등록 특허 제10-1314811호가 존재한다.

또한, 풍력 터빈을 제어하기 위해 가장 어려운 것은 풍력 터빈의 비선형성과 동역학적 성질을 제어하는 것이다. 만족스러운 성능을 제공하기 위해 전통적인 제어 방법에서는 다음의 전략을 이용했다.

- 풍력 터빈의 동역학적 성질을 구속하기 위해 동작 궤적을 정의하였다.

- PI 게인을 구하기 위해 게인 스케쥴링 기법을 도입하였고, 설정된 동작 궤적 상의 풍력 터빈기의 파라미터의 변화를 보상하였다.

- 큰 난류와 돌풍이 발생 시 과속도 문제를 저감시키기 위해 비선형 제어 유닛(과속도 방지기)를 설계하였다.

이러한 전통적인 제어 방법들은 많은 산업 설비에 활용되었지만, 이는 전역적 전력 조정을 위해서는 존재할 수 없는 고정된 동작 궤적에 의존하고 있다는 근본적 문제점이 있다. 따라서, 전역적 전력 조정에 있어서 전통적인 제어 방법은 다음의 문제점을 가지고 있다.

- 많은 수의 동작 궤적이 미리 설정되어야 한다. 각각의 (P^reg _g , ω^s _r)에 대해서, 풍속 피치각 동작 궤적이 존재하기 때문이다.

- 많은 수의 제어 파라미터들이 튜닝이 되어야 한다.

- 한번 얻어진 제어기의 경우라도, 각각 다른 풍력 터빈에 대하여는 재설계되어야 한다.

본 발명에서는 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 전통적인 풍력 터빈의 전역적 전력 조정 방법이 가지는 상기의 문제를 해결하기 위해 피치 조정기 및 서보 시스템 조정기를 활용하여 속도 목표점 및 피치 목표점을 추종하여 효율성과 정확성을 높이는 전역적 전력 조정 방법을 제공한다.

본 발명에서는 상기의 문제를 해결하기 위해 다음과 같은 과제 해결 수단을 제공한다.

첫번째 실시예로서, 블레이드(10)와, 로터(20)와, 상기 로터(20)와 연결되어 회전하는 저속 샤프트(30)와, 고속 샤프트(50)와, 상기 저속 샤프트(30)와 상기 고속 샤프트(50)를 연결하는 기어 박스(40)와, 상기 고속 샤프트(50)에 연결되어 전기를 발생시키는 발전기(60)와, 상기 로터(20)의 회전 속도 및 피치각을 제어하는 제어부(70)와, 속도 목표점을 추종하는 피치 조정기와, 피치각 목표점을 추종하는 서보 시스템 조정기를 포함하는 풍력 터빈 시스템을 제공하고,

상기 피치 조정기 및 상기 서보 시스템 조정기는 다음의 수학식 10을 기초로 하여 상기 속도 목표점과 상기 피치각 목표점을 추종하는,

풍력 터빈의 전역적 전력 조정 시스템을 제공한다.

(수학식 10)

또한, 상기 피치 조정기는, 수학식 13에 기초하여 속도 목표점을 추종하는,

풍력 터빈의 전역적 전력 조정 시스템을 제공한다.

(수학식 13)

또한, 상기 서보 시스템 조정기는 수학식 26에 기초하여 피치각 목표점을 추종하는, 풍력 터빈의 전역적 전력 조정 시스템을 제공한다.

(수학식 26)

또 다른 실시예로서, 블레이드(10)와, 로터(20)와, 상기 로터(20)와 연결되어 회전하는 저속 샤프트(30)와, 고속 샤프트(50)와, 상기 저속 샤프트(30)와 상기 고속 샤프트(50)를 연결하는 기어 박스(40)와, 상기 고속 샤프트(50)에 연결되어 전기를 발생시키는 발전기(60)와, 상기 로터(20)의 회전 속도 및 피치각을 제어하는 제어부(70)와, 속도 목표점을 추종하는 피치 조정기와, 피치각 목표점을 추종하는 서보 시스템 조정기를 포함하는 풍력 터빈의 전역적 전력 조정 방법에 있어서,

상기 피치 조정기 및 상기 서보 시스템 조정기는 다음의 수학식 10을 기초로 하여 상기 속도 목표점과 상기 피치각 목표점을 추종하는 것을 특징으로 하는, 풍력 터빈의 전역적 전력 조정 방법을 제공한다.

(수학식 10)

또한, 상기 피치 조정기는, 수학식 13에 기초하여 속도 목표점을 추종하는, 풍력 터빈의 전역적 전력 조정 방법을 제공한다.

(수학식 13)

또한, 상기 서보 시스템 조정기는 수학식 26에 기초하여 피치각 목표점을 추종하는, 풍력 터빈의 전역적 전력 조정 방법을 제공한다.

(수학식 26)

본 발명에 따르면, 전통적인 풍력 터빈의 전역적 전력 조정 방법이 가지는 상기의 문제를 해결하기 위해 피치 조정기 및 서보 시스템 조정기를 활용하여 속도 목표점 및 피치 목표점을 추종하여 효율성과 정확성을 높이는 전역적 전력 조정 방법을 제공하는 효과가 있다.

도 1은 기존의 풍력 발전기용 풍력 터빈의 일 예의 도면.
도 2는 풍력 터빈의 운전 구간을 설명하는 도면.
도 3은 풍력 터빈에서 Cp 커브를 표시한 도면.
도 4는 풍력 터빈의 전역적 전력 조정을 위한 전통적인 제어 구조를 도시한 도면.
도 5는 전력과 발전기 속도의 커브 스케쥴러의 예시 도면.
도 6은 본 발명에서 제안하는 풍력 터빈의 전역적 전력 조정을 위한 제어 구조.
도 7 및 도 8은 본 발명이 제공되는 시스템의 구성도.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 “...부”, “...기”, “모듈”, “블록” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

일반적으로 풍력 터빈의 모델 기반 추정 방법은 이용하는 3가지 추정기 중 KF 기반 추정기와 EKF 기반 추정기를 제공한다. 상기한 바와 같이 모델 기반 추정 기법은 너셀(NC)의 외부에 별도의 풍속계(ane)가 부착되지 않더라도, 로터(RT)의 회전 운동을 기반으로 EWS를 추정할 수 있다. 그러나 EWS 추정을 이용하는 풍력 터빈에서도 풍속계(ane)를 이용하여 풍속을 측정할 수 있으므로, 풍력 터빈의 구성은 기본적으로 도1 과 동일하다. 따라서 본 발명의 풍력 터빈을 별도로 도시하지 않고 도1 을 참조하여 설명한다.

그리고 EKF 기반 EWS 추정기는 제어 장치(CON)의 내부에 별도 장치 또는 회로로 구현될 수도 있으나, 제어 장치(CON)와 일체로 구현될 수 있다. 특히 제어 장치(CON)에 저장되어 구동되는 소프트웨어 프로그램으로 구현될 수도 있다.

모델 기반 추정 기법을 이용하는 추정기는 풍력 터빈의 모델 정보를 획득해야만 한다. 그리고 현재 산업용 풍력 터빈의 경우, 가용한 측정값들로 피치 각(pitch angle), 전력(electrical power), 로터 속도(rotor speed 또는 발전기 속도(generator speed)) 및 너셀 가속도(nacelle acceleration speed) 등을 미리 제공하고 있다.

따라서 모델링 되는 전체 모델 세트에는 공력(aerodynamics), 피치 시스템(pitch system), 동력 전달계통(drive train), 변환 시스템(converter system) 및 타워 모델(tower model) 이상의 것이 포함되지 않아야 한다. 특히 본 발명에서는 EKF 기반 추정기에 대한 일반적인 사례를 고려하여, EWS를 정확하게 추정할 수 있도록 하는 동력 전달계통과 공력 모델을 제안한다.

풍력 터빈의 동력 전달계통은 스프링과 댐퍼(damper)에 의한 관성의 상호 간섭에 의한 2 자유도(DOF : Degrees of Freedom) 시스템으로 모델링될 수 있다. 또한 2 자유도 시스템에서 외력(T_sh)은 저속 샤프트(LSS)의 공력 토크(aerodynamic torque)(T_a) 및 고속 샤프트(HSS)의 발전기(GEN) 반작용 토크(reaction torque)(T_g)이므로, 동력 전달계통에 대한 방정식은 수학식 1로 설명될 수 있다.

(수학식 1)

(여기서,

이고, θ_r 및 θ_g 은 각각 로터 및 발전기의 회전각이며, ω_r및 ω_g는 각각 로터의 회전 속도와 발전기의 회전 속도값이다. s_dt 및 d_dt 는 각각 동력 전달계통의 강성(stiffness) 및 감쇠(damping) 계수를 나타낸다. 그리고 J_r 및 J_g 는 각각 블레이드 로터와 발전기의 관성을 나타내고, T_a 및 T_g 는 각각 공력 토크와 발전기 토크를 나타내며, N은 저속 샤프트(LSS)와 고속 샤프트(HSS)를 연결하는 기어 박스(GB)의 기어비를 나타낸다.)

한편 공력 토크(T_a) 모델은 수학식 2와 같이 표현되고, 공력 파워(P_a) 모델은 수학식 3과 같이 표현된다.

(수학식 2)

(수학식 3)

여기서, ρ는 공기 밀도이고, R은 로터 반경, V_e(혹은 V)는 EWS를 나타내고, C_q(λ, β)는 공력 파워 계수로서 블레이드(BL)의 팁(Tip)의 각속도와 바람의 속도 비율을 나타내는 TSR(Tip Speed Ratio)(λ)과 피치각(β)의 비선형 함수이다.

한편 TSR(λ)은 수학식 4로 정의된다.

(수학식 4)

이를 다른 표현으로 바꾸면 다음과 같다.

(수학식 5)

전기 서보 시스템에서, 피치 액츄에이터를 지배하는 운동 방정식은 다음과 같이 표현된다.

(수학식 6)

여기에서 J_β는 관성 모멘트이고, B는 감쇠(댐핑) 계수이다. T_l은 외력 교란(external load disturbance), 비선형 마찰 및 예측 불가능한 비확실성을 표현한다. T_e는 전기적 토크를 나타낸다. 적절한 외부 강압 전류 또는 자속 기준 제어(Field Oriented Control) 상황에서는, T_e는 다음과 같이 간단하게 표시될 수 있다.

(수학식 7)

여기에서, K_t는 토크 상수를, i는 토크 전류를 의미한다.

도 2는 풍력 터빈의 운전 구간을 설명하고 있다. 1구간은 정격 출력(regulated power) 미만에서 동작하는 구간이고, 2구간은 정격 출력 이상에서 동작하는 구간이다.

정격 출력 P^reg _g 는 풍력 발전 지대 제어기로부터 얻어져서 각각의 풍력 터빈에 보내진다. 특정 P^reg _g 에 대해서, 풍속 V^reg 는 P^reg _g = P_a 라는 가정하에 수학식 (5)로부터 획득된다. 풍속이 V^reg 보다 작은 경우에는 풍력 터빈은 1구간에서, 큰 경우에는 2구간에서 동작하게 된다. 1구간에서 최적의 TSR은 적합한 제어 전략에 의해 최대의 출력을 얻어낼 수 있도록 유지되어야 한다.

2구간에서는, 풍력 터빈의 전력 생산은 P^reg _g 로 줄어야 한다. 수학식 5로부터 알 수 있듯이, 풍력 감소는 Cp 를 감소시키는 것이다. Cp 는 λ 와 β 모두와 연관되어 있다. 다만, Cp는 λ 보다는 β에 더욱 민감하다. 풍력 조정을 위한 가장 효과적인 방법은 λ (또는 ω_r )보다도 β를 조절하는 것이다. ω_r 의 큰 변화는 대부분 풍력 터빈의 큰 하중을 유발한다. 따라서, 전력 조정의 효과적인 방법은 ω_r 을 유지하고 β를 조절하는 것이다.

따라서, 풍력 조정 방법은 다음과 같은 2가지의 단계로 구분된다.

첫째, 정격 전력 P^reg _g 에 맞게 풍속 목표점 ω^s _{r ,}토크 목표점 T^s _g 를 결정한다.

둘째, ω^s _r및 T^s _g 를 피치각 조정기와 토크 조정기를 이용하여 각각 트래킹한다.

도 3은 풍력 터빈에서 Cp 커브를 도시하고 있다.

도 4는 풍력 터빈의 전역적 전력 조정을 위한 전통적인 제어 구조를 도시하고 있다.

전력-풍속 스케쥴러는, 1개 이상의 솔루션이 존재할 수 있다. 도 5는 전력과 발전기 속도의 커브 스케쥴러의 예이다.

토크 제어 서브 시스템은, 그 제어 목적이 토크 조정기를 통하여 토크 목표점을 트래킹 하는 것이다. 제어 방법은 풍력 터빈의 운전보다 에너지 보존 위상과 관련되어 있다. 본 발명에서는 DFIG 제어를 사용하였다. 이에 대해서는 공지된 기술이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

피치 제어 서브 시스템은, 그 제어 목적이 PI 기반의 피치 조정기와 오버 속도 방지장치로 구성된 피치 조정기를 통하여 ω^s _r을 추종(track)하는 것이다.

풍력 터빈을 제어하기 위해 가장 어려운 것은 풍력 터빈의 비선형성과 동역학적 성질을 제어하는 것이다. 만족스러운 성능을 제공하기 위해 전통적인 제어 방법에서는 다음의 전략을 이용했다.

- PI 게인을 적응하기 위해 게인 스케쥴링 기법을 도입하였고, 설정된 동작 궤적 상의 풍력 터빈의 파라미터의 변화를 보상하였다.

- 큰 난류와 돌풍이 발생 시에 과속도 문제를 저감시키기 위해 비선형 제어 유닛(과속도 방지기)를 설계하였다.

- 많은 수의 제어 파라미터들이 튜닝이 되어야 한다.

기존의 전통적인 제어 구조와 달리, 본 발명에서 제안하는 풍력 터빈의 전역적 전력 조정을 위한 제어 구조는 도 6에 도시되어 있다.

외부 제어 루프는 3에서 표시된 바와 같이 피치 조정기에 의해 ω^s _r을 트래킹하는데 활용된다.

내부 제어 루프는 4에서 표시된 바와 같이 서보 시스템 조정기에 의해 β^s 를 트래킹하는데 활용된다.

외부 제어 루프에 대해 구체적으로 설명한다.

첫째. 비선형 피치 조정기 디자인에 관한 것이다.

수학식 1은 ω_r = ω_g/ N 을 이용하면, 다음과 같이 표현된다.

(수학식 8)

수학식 8은 다음과 같이 재구성될 수 있다.

(수학식 9)

여기에서,

이다.

수학식 9의 시간 미분 형태는 다음과 같다.

(수학식 10)

로터 속도 추적 문제를 고려하면, 최종적인 폐루프 시스템은 다음과 같은 이상적인 2차의 동역학 시스템으로 가정될 수 있다.

(수학식 11)

여기에서

은 추적 에러이고,

는 댐핑 계수(감쇠 율)이고, ωb는 교차(crossover) 주파수를 의미한다. 속도 목표점의 동역학을 무시하면, 수학식 11은 다음과 같이 단순화 된다.

(수학식 12)

수학식 10 및 수학식 12를 결합하면 ( ω_r = ω^m _r ), 제어 동작

는 다음과 같이 유도된다.

(수학식 13)

로터의 회전 속도의 향후 값을 예측하기 위해서, 풍력 터빈의 비선형 특성을 포함하는 연관 상태 변수를 얻어야 하는데, 이는 로터의 회전 속도와 풍속(

)의 도함수들(

)이다.

비표준 EKF 기반 풍속 평가 디자인에 대해 좀더 구체적으로 설명한다.

일반적으로, KF 기반 추정은 측정 정보와 모델링 지식을 활용하기 위한 융합 도구로 칼만 필터(KF)를 사용한다. 그러나 KF 기반 추정은 입력 추정보다 상태 추정에 적합한 방식이다. KF 기반 추정기에서는 기존에 공개된 KF 기반 추정기와 마찬가지로 공력 토크(T_a)가 미지의 입력을 상태 변수로 이용하여 모델링된다. 다만 KF 기반 추정기는 공력 토크(T_a)를 추정하기 위해 기존의 KF 기반 추정기에 적용되는 일원 동력 전달계통 모델(one-mass drive-train model)이 아닌 2원 동력 전달계통 모델(two-mass drive-train model)을 이용하여 공력 토크(T_a)를 추정할 수 있다.

EKF 기반 추정기 또한 KF 기반 추정기에 대한 모델과의 일관성을 유지하기 위해 2원 동력 전달계통 모델을 이용한다. EWS를 추정하기 위한 EKF 기반 추정기는 비선형 형태의 시스템 모델로 수학식 14과 같이 모델링될 수 있다.

(수학식 14)

여기서 x는 상태 변수이고, u는 입력 변수이며, y는 출력 변수이다. 그리고 f(x,u) 및 h(x,u)는 2원 동력 전달계통 모델의 2개의 전달 함수이며, w와 v는 공정 잡음 및 측정 잡음이다.

풍력 터빈 모델은 수학식 1에 따른 2원 동력 전달계통 모델을 참조하여 수학식 15와 같이 재구성될 수 있다.

(수학식 15)

여기서 a_r 및 a_g는 각각 로터와 발전기의 가속도이고, w_ar 및 w_ag 는 각각 로터와 발전기의 가속도(a_r, a_g)의 공정 잡음이다.

수학식 2에 근거하여, 공력 모델은 다음과 같이 재구성될 수 있다.

(수학식 16)

또는 동일한 식으로 다음과 같이 표현도 가능하다.

EWS 모델은 비록 표준 EWS 모델이 아니지만, 일 예로 바람의 상태에 대한 통계 정보를 이용하여 EWS를 모델링하는 방식이 제안된 바 있다. 그러나 바람의 상태에 대한 통계 정보를 획득하는 것은 매우 어렵다. 이에 본 발명에서는 타워 그림자 효과(tower shadow effect)를 고려하여 EWS 모델을 수학식 17과 같이 설정한다.

(수학식 17)

여기서 V₁는 EWS(V)의 미분계수이고, V₂는 V₁의 미분계수이다. 그리고 w_V, w_V1, 및 w_V2는 각각 V_, V₁ 및 V₂의 공정 잡음이다. 타워 그림자 효과는 로터 속도와 블레이드 개수(N_b)의 함수로 구체화될 수 있는 반면, 감쇠율(damping factor)(d_V)에 의해 감쇠된다.

상태 모델 세트 이외에 측정 부분이 요구된다. 측정된 정보에 의해 EKF 기반 추정기의 성능을 향상 시킬 수 있다는 점을 고려할 때, 간접 계산을 통해 더 많은 측정값을 정의하는 것이 바람직하다. 비표준형 EKF 기반 풍속 추정기를 위해 가상 풍속 측정값이 다음을 통해 유도된다.

(수학식 18)

공력은 다음과 같이 계산되어 진다.

(수학식 19)

이외에도, 상태변수를 포함하는 측정 부분이 포함된다. 위의 수학식을 이용하면, 전체 모델은 다음과 같은 형태로 정해진다. 상태 변수 x, 입력 변수 u, 출력 변수 y는 다음과 같은 모델 세트로 설정될 수 있다.

(수학식 20)

(수학식 21)

(수학식 22)

변수들을 표준 EKF 알고리즘에 적용하는 기법은 공지되어 있으므로, 수학식 20 내지 수학식 22를 표준 EKF 알고리즘에 적용하여 용이하게 EWS를 추정할 수 있다.

다음은 내부 제어 루프 디자인에 대해 자세하게 설명한다.

외부 제어 루프 디자인에서, 내부 루프 디자인은 이상적인 피치각 추종 유닛으로 고려될 수 있다. 이러한 2개의 제어 루프를 조직하기 위해서는 표준 캐스케이드 제어 원칙이 따라야 하고, 외부 제어 루프의 교차 주파수가 내부 제어 루프의 그것보다 적어도 3 내지 10 배 이상이 되어야 한다.

전기적 서보 시스템 모델을 고려하면, 앞의 식은 다음과 같이 된다.

(수학식 23)

비슷하게, 제어 루프는 다음과 같이 이상적인 2차 동역학 시스템으로서 고려될 수 있다.

(수학식 24)

여기에서,

는 추적 오차이고,

는 감쇠율(댐핑 팩터), ω_β 는 교차 주파수 이다.

β^s 를 무시하면, 수학식 24는 다음과 같이 된다.

(수학식 25)

수학식 23 및 수학식 25를 결합하면 (β = β^m ), 제어 동작(액션)은 다음과 같이 유도된다.

(수학식 26)

제어 파라미터 결정에 대해 자세하게 설명한다.

제안된 캐스캐이드 제어기에 있어서, 풍력 터빈의 성능은 앞에서 설명한 2개의 감쇠율(댐핑 팩터)와 2개의 교차 주파수에 의해 결정된다. 이러한 파라미터는 전통적인 선형 제어 이론에 근거하여 결정된다. 감쇠율(댐핑 팩터)는 0,4 에서 0,8 사이의 값을 가지는 것이 바람직하다. 감쇠율(댐핑 팩터)가 고정되면, 교차 주파수가 세팅 시간을 결정한다. 큰 교차 주파수는 세팅 시간 감소에 유리하나, 액츄에이터 시스템에 있어서 고성능을 요구한다.

EKF 기반 추정기를 개발하기 위해서는 비선형 모델을 선형화하고, 초기 상태(

), 초기 상태 예측 공분산(P₀), 공정 및 측정 잡음 공분산(Q, R)을 조정해야 한다. EKF 알고리즘이 온라인 선형화를 이용하여 비선형 시스템을 해석하므로, 공력 토크 계수(C_q(λ, β))는 수학식으로 정의 되어야만 미분 계수를 획득할 수 있다. 본 발명에서는 공력 토크 계수(C_q(λ, β))를 다음과 같은 형식으로 유도한다.

(수학식 27)

여기서

는 미리 지정된 파라미터이다.

초기 상태(

) 및 초기 상태 예측 공분산(P₀)은 일예로 수학식 31과 같이 주어질 수 있다.

도 7은 본 발명에 따른 제어기 설계 및 동작 흐름을 도시하는 도면이다.

앞에서, 수학식 10을 기반으로 한 로터 속도 추적에 대해 부연 설명을 하면 다음과 같다. 샘플링 시간 Ts에 대한 이산 시간 형태가 k번째의 샘플링 순간에서의 각각의 제어 세트를 위한 로터 회전 속도의 미래의 동역학을 예측하기 위해 사용될 수 있다.

로터의 회전 속도의 2차 도함수는 수학식 28과 같다.

(수학식 28)

이를 수학식 16에 대입하면, 로터의 회전 속도의 동역학은 다음과 같이 표현된다.

(수학식 29)

로터의 회전 속도의 도함수는 다음과 같다.

(수학식 30)

이를 수학식 28에 대입하면, k+1 번째의 샘플링 순간의 예측된 로터의 회전 속도는 다음에 의해서 얻어질 수 있다.

(수학식 31)

수학식 31을 이용하면, 로터의 회전 속도의 향후 값은 k 시간에서의 제어 세트

,

와 다른 연관 상태 변수를 통해서 예측될 수 있다.

가변 속도 WT에 있어서, 정격 풍속 미만 또는 초과의 2개의 운전 구간으로 구별된다. 이러한 각각의 운전 구간 내에서의 제어 목적은 서로 다르다. 제어 목적은 정격 풍속 미만에서 풍력을 최대로 끌어올리는 것과, 정격 풍속 이상에서 출력을 미리 정한 값으로 제어하는 것이다. 이러한 제어 목적은 수학식 32와 같이 몇 가지의 구속 조건을 가진 최적화 문제로 형성될 수 있다.

(수학식 32)

P_g는 발전기의 출력을, P^opt _g는 최적 파워를 의미한다. 풍력 터빈의 파워 손실을 무시할 수 있다고 가정하면, P^opt _g는 P_a와 동일하다.

수학식 3에서 P_a는 C_p가 최적일 때 최대가 된다. C_p는 다음과 같은 특징을 갖는다.

(1) TSR을 따라가면서 풀어보면, 각각의 피치각에 대한 오직 하나의 최대 C_p가 존재한다.

(2) 전체적인 최대 C_p와 매칭되는 하나의 최적의 피치각 β^opt 가 존재한다.

(3) 피치각이 증가함에 따라 C_p가 단조 감소한다.

따라서, 수학식 32는 수학식 33 및 수학식 34로 분리될 수 있다.

(수학식 33)

(수학식 34)

수학식 33및 수학식 34로부터 로터의 회전 속도(ω_r)를 제어함으로써, 제어 목적이 수행됨은 명확해진다.

(4) 제어 목적은 정격 풍속 미만에서 최적의 값 ω^opt _r를 추적하는 것이다.

(5) 제어 목적은 정격 풍속 초과에서 정격 값 ω^rated _r를 유지하는 것이다.

대부분의 산업용 풍력 터빈은 흔히 사용되는 PI 기반 제어 방법에 근거하여 제어 전략을 수립하는 것이 일반적이다. 정격 풍속 미만에서, 피치각은 β^opt 으로 고정하고, 최적 속도 추적이 PI 기반 토크 제어기에 의해 수행되어 진다.

정격 풍속 초과에서는 토크 제어기가 정격값으로 고정되고, PI 기반 피치 제어기에 의해 정격 속도가 유지된다. 이때 피치각은 미리 설정된 최소값과 최대값 사이에서 가변된다.

이하 본 발명에 따른 제어 전략에 대해서 설명하기로 한다. 본 발명에 따른 제어 전략은 다음의 순서를 따르게 된다.

(1) 특성 함수(QF, quality function)를 정의한다.

(2) 풍력 터빈의 모델을 구축하고, 그것의 가능한 제어 세트를 수립한다.

(3) 예측을 위한 제어된 변수들의 모델을 구축한다.

(4) 각각의 제어 세트에 대한 예측값을 평가하고, 그 예측값 중 특성 함수의 최소값을 갖는 하나를 선택한다.

본 발명에서 제어된 변수는 로터의 회전속도가 바람직하다. 따라서, 예측 모델은 로터의 회전 속도의 행동을 예측하기 위해 필요하다. 풍력 터빈의 비선형적이고 스타캐스틱 동역학을 풀기 위해서, 비표준형의 EKF 기반 추정기가 필요한 정보를 가진 예측 모델을 제공하기 위해 도입된다.

제어 전략은 다음 단계를 통해 수행된다.

(1) 평가된 풍속에 의해 참조 로터 회전 속도 ω^*가 얻어지고 결정된다. 실제 로터 회전 속도는 EKF 기반 추정기에 의해 평가된 값 ω(k)를 사용한다.

(2) 풍력 터빈 모델은 각각의 제어 세트 T^set _g (k)와 β^set (k)에 대한 k+n 시간에서 로터의 회전 속도 ω(k+n)를 예측하기 위해 사용된다.

(3) 특성 함수 QF는 시간 k+n 에서의 각각의 제어 세트의 크기를 평가하고, 특성 함수 QF 를 최소화하는 제어 세트가 선택되고 풍력 터빈 액츄에이터에 적용된다.

풍력 터빈은 피치 액츄에이터와 토크 액츄에이터의 두 개의 제어 액츄에이터를 구비한다. 본 발명에서 제어 목적은 토크 액츄에이터와 피치 액츄에이터에 의해 조작되는 두 부분으로 나누어진다. 수학식 33및 수학식 34서 본 바와 같이, 오직 하나의 액츄에이터는 특정한 제어 목적을 수행하기 위해 활성화된다. 이를 위해, 제어 세트의 크기는 크게 감소하고, 유한 제어 세트는 쉽게 풀어질 수 있다.

본 발명에서는, 액츄에이터의 동작은 움직임 속도의 형태로 표현된다. 피치 속도와 토크 속도는 기구부의 제한을 만족해야 하기 때문에, 이러한 값의 가능한 범위는 다음과 같이 표현될 수 있다.

(수학식 35)

(수학식 36)

토크 속도의 최소 변화 크기

와 피치 속도의 최소 변화 크기

를 고려할 때, 피치와 토크의 제어 세트는 다음과 같다.

(수학식 37)

(수학식 38)

특성 함수 QF는 모델과 그것의 참고값으로부터 예측된 변수를 이용하여 제어 목적에 따라 수립되어야 한다. 본 발명에서는 이차의 특성 함수가 사용된다.

특성함수는 다음과 같이 표현된다.

(수학식 39)

(수학식 40)

w¹ _g, w² _g, w¹ _β, w² _β는 가중 계수이다.

이하 도면을 참조하여 보다 상세하게 본 발명에 대해 설명하기로 한다.

도 7 및 도 8은 본 발명이 제공되는 시스템의 구성도를 나타낸다.

첫번째 실시예로서, 도 7을 참조하면 블레이드(10)와, 로터(20)와, 상기 로터(20)와 연결되어 회전하는 저속 샤프트(30)와, 고속 샤프트(50)와, 상기 저속 샤프트(30)와 상기 고속 샤프트(50)를 연결하는 기어 박스(40)와, 상기 고속 샤프트(50)에 연결되어 전기를 발생시키는 발전기(60)와, 상기 로터(20)의 회전 속도 및 피치각을 제어하는 제어부(70)와, 속도 목표점을 추종하는 피치 조정기와, 피치각 목표점을 추종하는 서보 시스템 조정기를 포함하는 풍력 터빈 시스템을 제공하고,

상기 피치 조정기 및 상기 서보 시스템 조정기는 다음의 수학식 10을 기초로 하여 상기 속도 목표점과 상기 피치각 목표점을 추종하는, 풍력 터빈의 전역적 전력 조정 시스템을 제공한다. 상기 피치 조정기 및 서보 시스템 조정기는 제어부(70) 내에 일체적으로 구성되거나 또는 제어부(70)에 연결된 별도의 서브 제어 루프 형태로 배치 가능하다.

(수학식 10)

또한, 상기 피치 조정기는, 수학식 13에 기초하여 속도 목표점을 추종하는, 풍력 터빈의 전역적 전력 조정 시스템을 제공한다.

(수학식 13)

또한, 상기 서보 시스템 조정기는 수학식 26에 기초하여 피치각 목표점을 추종하는,풍력 터빈의 전역적 전력 조정 시스템을 제공한다.

(수학식 26)

또 다른 실시예로서, 도 8을 참조하면 블레이드(10)와, 로터(20)와, 상기 로터(20)와 연결되어 회전하는 저속 샤프트(30)와, 고속 샤프트(50)와, 상기 저속 샤프트(30)와 상기 고속 샤프트(50)를 연결하는 기어 박스(40)와, 상기 고속 샤프트(50)에 연결되어 전기를 발생시키는 발전기(60)와, 상기 로터(20)의 회전 속도 및 피치각을 제어하는 제어부(70)와, 속도 목표점을 추종하는 피치 조정기와, 피치각 목표점을 추종하는 서보 시스템 조정기를 포함하는 풍력 터빈의 전역적 전력 조정 방법에 있어서,

상기 피치 조정기 및 상기 서보 시스템 조정기는 다음의 수학식 10을 기초로 하여 상기 속도 목표점과 상기 피치각 목표점을 추종하는 것을 특징으로 하는,풍력 터빈의 전역적 전력 조정 방법을 제공한다. 상기 피치 조정기 및 서보 시스템 조정기는 제어부(70) 내에 일체적으로 구성되거나 또는 제어부(70)에 연결된 별도의 서브 제어 루프 형태로 배치 가능하다. 한편, 제어부(70)는 EKF 기반 추정기(75)를 더 포함한 상태에서 풍속과 상기 풍속에 따른 참조(reference) 로터 회전 속도를 기반으로 하여, 상기 EKF 기반 추정기(75)를 통하여 실제 로터 회전 속도를 사용할 수 있다.

(수학식 10)

(수학식 13)

또한, 상기 서보 시스템 조정기는 수학식 26에 기초하여 피치각 목표점을 추종하는,풍력 터빈의 전역적 전력 조정 방법을 제공한다.

(수학식 26)

본 발명에 따른 방법은 컴퓨터에서 실행 시키기 위한 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램으로 구현될 수 있다. 여기서 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스 될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 또한 컴퓨터 저장 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함하며, ROM(판독 전용 메모리), RAM(랜덤 액세스 메모리), CD(컴팩트 디스크)-ROM, DVD(디지털 비디오 디스크)-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등을 포함할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

10 : 블레이드
20 : 로터
30 : 저속 샤프트
40 : 기어박스
50 : 고속샤프트
60 : 발전기
70 : 제어부

Claims

블레이드(10)와, 로터(20)와, 상기 로터(20)와 연결되어 회전하는 저속 샤프트(30)와, 고속 샤프트(50)와, 상기 저속 샤프트(30)와 상기 고속 샤프트(50)를 연결하는 기어 박스(40)와, 상기 고속 샤프트(50)에 연결되어 전기를 발생시키는 발전기(60)와, 상기 로터(20)의 회전 속도 및 피치각을 제어하는 제어부(70)와, 속도 목표점을 추종하는 피치 조정기와, 피치각 목표점을 추종하는 서보 시스템 조정기를 포함하는 풍력 터빈 시스템에서,
상기 피치 조정기 및 상기 서보 시스템 조정기는 다음의 수학식 10을 기초로 하여 상기 속도 목표점과 상기 피치각 목표점을 추종하는, 풍력 터빈의 전역적 전력 조정 시스템.

(수학식 10)
여기서, J_r 은 블레이드 로터의 관성을 나타내고, ω_r는 로터의 회전 속도값을 나타내고, T_a 및 T_g 는 각각 공력 토크와 발전기 토크를 나타내고, β는 피치각을 나타내고, N은 저속 샤프트(LSS)와 고속 샤프트(HSS)를 연결하는 기어 박스(GB)의 기어비를 나타낸다.
청구항 1에 있어서,
상기 피치 조정기는, 수학식 13에 기초하여 속도 목표점을 추종하는,
풍력 터빈의 전역적 전력 조정 시스템.

(수학식 13)
여기서, J_r 은 블레이드 로터의 관성을 나타내고, ω_r는 로터의 회전 속도값을 나타내고,
는 댐핑 계수(감쇠 율)이고, ωb는 교차(crossover) 주파수를 나타낸다. T_a 및 T_g 는 각각 공력 토크와 발전기 토크를 나타내고, β는 피치각을 나타내고, N은 저속 샤프트(LSS)와 고속 샤프트(HSS)를 연결하는 기어 박스(GB)의 기어비를 나타낸다.
청구항 1에 있어서,
상기 서보 시스템 조정기는 수학식 26에 기초하여 피치각 목표점을 추종하는, 풍력 터빈의 전역적 전력 조정 시스템.

(수학식 26)
여기에서, J_β는 관성 모멘트이고, B는 감쇠(댐핑) 계수이다. T_l은 외력 교란(external load disturbance), 비선형 마찰 및 예측 불가능한 비확실성을 표현한다.
는 댐핑 계수(감쇠 율)이고, ωb는 교차(crossover) 주파수를 나타낸다. i는 토크 전류를 의미한다.
블레이드(10)와, 로터(20)와, 상기 로터(20)와 연결되어 회전하는 저속 샤프트(30)와, 고속 샤프트(50)와, 상기 저속 샤프트(30)와 상기 고속 샤프트(50)를 연결하는 기어 박스(40)와, 상기 고속 샤프트(50)에 연결되어 전기를 발생시키는 발전기(60)와, 상기 로터(20)의 회전 속도 및 피치각을 제어하는 제어부(70)와, 속도 목표점을 추종하는 피치 조정기와, 피치각 목표점을 추종하는 서보 시스템 조정기를 포함하는 풍력 터빈의 전역적 전력 조정 방법에 있어서,
상기 피치 조정기 및 상기 서보 시스템 조정기는 다음의 수학식 10을 기초로 하여 상기 속도 목표점과 상기 피치각 목표점을 추종하는 것을 특징으로 하는, 풍력 터빈의 전역적 전력 조정 방법.

(수학식 10)
여기서, J_r 은 블레이드 로터의 관성을 나타내고, ω_r는 로터의 회전 속도값을 나타내고, T_a 및 T_g 는 각각 공력 토크와 발전기 토크를 나타내고, β는 피치각을 나타내고, N은 저속 샤프트(LSS)와 고속 샤프트(HSS)를 연결하는 기어 박스(GB)의 기어비를 나타낸다.
청구항 4에 있어서,
상기 피치 조정기는, 수학식 13에 기초하여 속도 목표점을 추종하는,
풍력 터빈의 전역적 전력 조정 방법.

(수학식 13)
여기서, J_r 은 블레이드 로터의 관성을 나타내고, ω_r는 로터의 회전 속도값을 나타내고,
는 댐핑 계수(감쇠 율)이고, ωb는 교차(crossover) 주파수를 나타낸다. T_a 및 T_g 는 각각 공력 토크와 발전기 토크를 나타내고, β는 피치각을 나타내고, N은 저속 샤프트(LSS)와 고속 샤프트(HSS)를 연결하는 기어 박스(GB)의 기어비를 나타낸다.
청구항 4에 있어서,
상기 서보 시스템 조정기는 수학식 26에 기초하여 피치각 목표점을 추종하는, 풍력 터빈의 전역적 전력 조정 방법.

(수학식 26)
여기에서, J_β는 관성 모멘트이고, B는 감쇠(댐핑) 계수이다. T_l은 외력 교란(external load disturbance), 비선형 마찰 및 예측 불가능한 비확실성을 표현한다.
는 댐핑 계수(감쇠 율)이고, ωb는 교차(crossover) 주파수를 나타낸다. i는 토크 전류를 의미한다.