KR20190063655A - 풍력터빈 제어시스템의 피치제어기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력터빈 제어시스템의 피치제어기에 관한 것으로서,
블레이드의 피치각의 가감 제어에 의하여 시스템 하중을 최소화하는 풍력터빈에서의 각각의 블레이드를 개별피치제어하기 위하여 로터의 회전수에 따라 제어하는 피치제어기(Pitch controller)를 가지는 시스템에 있어서; 상기 피치제어기는 피치변화량 제어방식으로 피치각(θ)이 0 보다 크거나 또는, 발전기의 회전수(rpm)가 기준 회전수(rpm)보다 큰 경우에 피치의 변화량을 제어하되,
피치변화량제어에 있어서, 발전기의 기준회전수(rpm)와 현재의 회전수(rpm)의 오차에 대해서, 저장된 이전 오차값과 측정된 현재 오차값의 차이에 대해서 게인을 곱한 값과, 이전 오차값과 현재 오차값의 합에 대해서 게인을 곱한 값을 더하고,
추가로 돌풍에 대비해서 이전 오차값과 현재 오차값의 차이값에 대해서 이전 데이터와의 이동합이 일정 값 이상인 경우에 오차 차이값의 이동합에 게인을 곱한 값을 더하여 피치 변화량으로 하고,
이전 피치값에 현재 피치변화량을 합하여 피치제어기의 출력으로 제공하는 것을 특징으로 한다.

Description

풍력터빈 제어시스템의 피치제어기{Pitch controller of control system of Wind turbine}

본 발명은 풍력터빈의 제어시스템에 관한 것으로, 더욱 상세히는 풍력터빈에 있어서 블레이드의 피치를 개별적으로 제어함으로써 풍력터빈의 하중감소와 시스템의 안정성을 도모하는 제어시스템에서의 특이환경, 특히 돌풍(Gust) 발생 시에 대한 부가적인 제어방법의 제공에 관한 것이다.

수평축 풍력발전기는 불어오는 바람에 의해서 로터를 회전시키고, 회전하는 로터에 의해서 전기를 생산하게 된다.

한번 설치된 풍력발전기는 일반적으로 20년 이라는 수명을 갖고 있다. 20년 이상의 수명을 유지하기 위해서는 구조적으로 안정화가 되어야 하며 구조적으로 안정화가 되려면 무엇보다 구조물이 받는 하중을 최소화 시키는 것이 중요하다.

전체 풍력터빈 시스템의 하중을 줄이기 위해서는 구조적으로 하중을 적게 받도록 설계를 하거나, 제어기술을 이용하여 하중을 줄일 수 있으며 구조적으로 하중을 적게 받도록 설계를 하는 것은 출력량이 감소하는 한계가 있기 때문에, 제어 기술을 이용하여 하중을 저감하는 것이 바람직한 것으로서 밝혀졌다.

일반적으로 사용하는 풍력발전기의 제어는 정격풍속 이상에서 블레이드의 피치각도를 조절하여 일정량의 바람을 흘려보냄으로써, 바람에 의하여 받는 하중을 적게 받는 제어를 한다.

최근에 들어 널리 보급된 것으로서, 풍력발전기의 대형화가 됨에 따라 고도에 따른 블레이드의 하중 차이가 커지는 문제점에 대응할 수 없게 되어 제안된 것이 종래로부터의 개별피치제어 (Indivisual Pitch Control, IPC)를 들 수 있다.

개별피치제어기 설계의 개념은 허브 고정좌표계에서 틸팅과 요잉 모멘트 성분의 크기를 최소화시키는 것이며, 이는 블레이드 회전좌표계에서 블레이드 하중의 크기를 최소화시키는 제어기를 설계해야 한다는 것을 의미한다.

개별피치제어의 필요성은 수직고도 및 수평이동거리 차이에 따른 풍속의 차이의 고려, 타워구조물에 의한 풍속의 교란, 바람자체의 난류특성, 요잉(Yawing)불완전성의 고려 및 블레이드자체의 중력효과등을 수행할 수 있기 때문이다.

피치제어기의 목적은 중대형 풍력시스템에서 피치제어기는 과풍속의 상황에서 터빈이 최대 회전수(rpm)이상으로 회전하지 않도록 하기 위하여 날개를 접어주는 역할을 하여 중대형 풍력시스템에 정격 하중 이내로 풍력-공력에너지를 받도록 한다. 또한 정격이상의 풍속에서도 정해진 범위의 풍속에서는 최대파워를 지속적으로 출력할 수 있어야 피치각이 원활히 조정되어야 한다.

이는 도 4에서와 같이, 풍속(좌종축) 및 발전기의 회전수(우종축)에 대한 발전기의 발전량(횡축)이 정격영역(Cp)이상의 일정한 풍속(13m/s)이상에서도 일정하게 유지되도록 블레이드의 피치각(θ)이 제어되어 정속과 정격출력을 유지하여야 함을 말하는 것이다.

종래 개발 되었던 개별피치제어는 각각 블레이드의 방위각에 따라 하중을 계산하여, 각각의 블레이드에 피치 명령 값을 입력하여 블레이드 마다 피치각이 다르게 동작되는 제어 방식이다.

이러한 제어방식은 하중적인 면에서는 좋을 수 있지만, 성능적인 면에서는 출력량이 감소하게 되는 것을 불가피한 측면이 있다.

특히, 개별피치제어를 수행함으로서 고풍속영역에서 저풍속영역으로의 천이구간에서의 제어가 고려되지 않고 있어 이러한 천이구간에서의 기계적인 진동이나 하중의 불균형이 유발되어 수명을 단축하는 문제점을 해결하기 위한 기술도 존재하고 있고 또한, 풍력터빈 타워(Tower) 자체의 풍력에 의한 진동이나 부하를 고려하지 않고 블레이드의 개별피치제어를 수행함으로써 역시 적절한 제어와 하중의 설계가 이루어지지 않는다는 문제점을 가지고 있어 본 발명자는 선행출원으로서 도 1에서와 같이,

로터의 위치각도(0도~360도:a) 및 로터의 회전자속도(r) 값을 측정하는 센서부(100), 고풍속영역게인스케쥴링부(200),액튜에이터(A1,A2,A3)를 구동제어하는 액튜에이터부(500)와 연산부(600) 및 사용자의 조작에 의한 출력제어(I) 값에 따른 토오크제어스케쥴링부(700)를 구비하여, 정격 풍속 이상 구간에서 로터의 위치 및 회전속도 측정값에 의해서 고풍속 영역 PI 스케쥴링를 통해서 각각의 블레이드 위치에 따라서 피치각의 가감 제어에 의하여 시스템 하중을 최소화하는 풍력터빈에서의 각각의 블레이드를 개별피치제어하는 시스템에 있어서, 상기 고풍속영역게인스케쥴링부(200)에 부가하여 천이풍속영역게인스케쥴링부(300) 및, 상기 고풍속영역게인스케쥴링부(200)와 천이풍속영역게인스케쥴링부(300)를 선택하는 모드스위치(400)와, 상기 토오크제어스케쥴링부(700)로부터의 값과 연산부(600)에서 연산되어 나오는 출력 및 회전수값 및 상기 모드스위치(400)의 고풍속-천이풍속설정모드정보를 입력값으로 하여 상기 액튜에이터부(500)로 전송하여 각각의 액튜에이터(A1,A2,A3)의 피치각값을 보정제어하는 피크세이빙피치스케쥴링부(60)와, 타워모멘트값에 따른 보정치를 계산하여 연산부(600)에서 연산된 타워모멘트값에 기초하여 블레이드 구동의 개별의 액튜에이터(A1,A2,A3)의 피치각값을 보정제어하는 타워댐퍼(70)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구성을 제안한 바 있다.

상기와 같은 본 발명자의 선행 기술은,

(1) 측정된 풍속의 세기, 계산된 윈드시어, 블레이드 회전각속도, 로터 회전수 등을 계산하여, 회전 중심의 위쪽과 아래쪽에서 회전하는 블레이드의 피치각이 다르게 결정되며, 바람장 영역에 놓여지는 각각의 블레이드의 로터에 가해지는 공력의 크기가 평행을 이루도록 제어하고,

(2) 블레이드 각각의 피치 시스템에서 블레이드 중심축 아래 영역을 통과하는 로터-블레이드 피치각과 중심축 위쪽 영역을 통과 하는 블레이드 피치각을 다르게 적용하여, 바람장의 영역에서 블레이드에 가해지는 공력의 크기를 대칭적으로 같게 제어하며,

(3) 정격 풍속이상에서 각각의 블레이드 피치각이 다르게 제어함으로써, 풍력터빈에 가해지는 공력 및 하중을 최소화하도록 제어하는 특성을 가지게 되도록 제안한 바 있다.

그러나 본 선행 발명에서 고려되지 않은 것은 풍속의 급격한 변화에 따른 작동부재, 예를 들면 블레이드 피치각 구동용의 액튜에이터의 급격한 구동에 따른 기계적인 수명의 저하라는 문제가 있었다.

한국 공개공보 1992-0001092

이는 바람환경에서 급격한 풍속의 변화를 순간순간 야기하는 돌풍(Gust)의 경우, 종래로부터의 제어시스템에서는 미시적인 순간순간의 로터블레이드의 피치제어를 수행하게 되어 급격한 블레이드구동용의 액튜에이터의 작동이 급격하게 순간순간 작동하게 된다.

이러한 돌풍의 발생은 풍속의 변화가 매우 급격하여 이를 추종(follow)하여 피치제어를 수행하게 되는 경우 액튜에이터에 무리가 가게 되고 어떤 경우에는 파손되어 버리는 문제가 다발하고 있어 돌풍에 대한 대응방법이 필요하여 왔다.

본 발명의 풍력터빈 제어시스템의 피치제어기는,

블레이드의 피치각의 가감 제어에 의하여 시스템 하중을 최소화하는 풍력터빈에서의 각각의 블레이드를 개별피치제어하기 위하여 로터의 회전수에 따라 제어하는 피치제어기(Pitch controller)를 가지는 시스템에 있어서;

상기 피치제어기는 피치변화량 제어방식으로 피치각(θ)이 0 보다 크거나 또는, 발전기의 회전수(rpm)가 기준 회전수(rpm)보다 큰 경우에 피치의 변화량을 제어하되, 피치변화량제어에 있어서, 발전기의 기준회전수(rpm)와 현재의 회전수(rpm)의 오차에 대해서, 저장된 이전 오차값과 측정된 현재 오차값의 차이에 대해서 게인을 곱한 값과, 이전 오차값과 현재 오차값의 합에 대해서 게인을 곱한 값을 더하고, 추가로 돌풍에 대비해서 이전 오차값과 현재 오차값의 차이값에 대해서 이전 데이터와의 이동합이 일정 값 이상인 경우에 오차 차이값의 이동합에 게인을 곱한 값을 더하여 피치 변화량으로 하고, 이전 피치값에 현재 피치변화량을 합하여 피치제어기의 출력으로 제공하는 것을 기술적인 특징으로 한다.

본 발명에 따른 풍력터빈 제어시스템의 피치제어기는, 통상적인 블레이드의 제어에 부가하여 돌풍등의 급격한 풍속변화에 대응하여 전체 시스템을 안정적으로 유지할 수 있게 하는 작용효과를 제공한다.

도 1은 본 발명자의 선행기술을 도시하는 풍력터빈 제어시스템의 블록다이아그램도.
도 2은 풍력터빈의 풍속 대 출력곡선도.
도 3은 풍력터빈의 일반적인 제어시스템의 구성도.
도 4는 풍력터빈에서의 블레이드의 피치각의 개념을 도시하는 블레이드단면도와 정격영역을 도시하는 풍속대 발전기출력곡선도.
도 5는 종래의 로터 블레이드의 피치제어기의 구성을 도시하는 블럭다이아그램.
도 6은 본 발명의 로터 블레이드의 피치제어기의 구성을 도시하는 블럭다이아그램이다.

이하, 본 발명의 풍력터빈의 제어시스템의 바람직한 실시 예에 따른 구성과 작용을 첨부된 도면에 의하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 풍력터빈의 풍속 대 출력곡선도, 도 3은 풍력터빈의 일반적인 제어시스템의 구성도,도 4는 풍력터빈에서의 블레이드의 피치각의 개념을 도시하는 블레이드단면도와 정격영역을 도시하는 풍속대 발전기출력곡선도,도 5는 종래의 로터 블레이드의 피치제어기의 구성을 도시하는 블럭다이아그램, 도 6은 본 발명의 로터 블레이드의 피치제어기의 구성을 도시하는 블럭다이아그램이다.

본 발명에서 제안하는 주요한 기술의 사상은 하기와 같다.

풍력발전시스템(Wind Turbine)은 바람을 이용하여 풍속에 의해 발생된 풍력에너지를 1차적으로 풍력터빈의 회전날개(Blade)에 의하여 기계적 에너지로 변환되며, 이 변환된 기계적 에너지를 이용하여 발전기의 회전자를 구동시켜 최종적으로 전기적 에너지를 출력 시키는 것으로서,

풍력발전시스템을 구성하고 있는 요소 중에서 날개는 외부의 직접적인 힘을 받으며 날개의 회전운동은 풍력시스템의 안정성에 매우 중요한 요소로서,

정격출력 이하에서는 최고 효율의 출력을 낼 수 있는 출력계수를 유지하도록 피치각을 제어하여 주고, 정격출력 이상에서는 최고출력을 낼 수 있도록 출력계수를 유지하도록 제어하여야 하나 이는 터빈 발전기의 하중을 과중 시키는 결과가 되어 발전기는 과부하 상태에 놓이게 된다.

이를 방지하고 터빈 발전기의 기계적 하중 부담을 제한하기 위하여 출력계수를 낮추어 주는 방법은 날개의 피치각을 제어하여 주는 것이다. 피치각을 조절하면, 바람으로부터 날개가 받는 회전력을 감소 시킬 수 있으므로 출력계수가 감소하는 작용을 하여 발전기는 어느정도 일정한 정격범위에서 동작할 수 있도록 한다.

풍속에 의한, 로터회전속도, 발전기의 출력은 항상 변화하고 이에 따른 주속비(TSR, Tip Speed Ratio)와 출력계수(Cp) 역시 변화되어진다.

풍속,날개회전속도, 그리고 발전기 출력은 측정되어지며, 블레이드의 피치각(θ)과 기준피치각(θref)의 오차(θerr)를 계산할 수 있다. 기존 피치제어기는 오차(θerr)의 값에 따라 블레이드의 피치제어를 수행하게 된다.

초기 측정치와 측정치에 따른 변화값들은 매 순간 바뀌므로 이러한 값들을 매 순간순간 추종하는 것은 블레이드의 피칭구동부분에 기계적인 부담을 가중시키는 결과 및 터빈의 내구성에 영향을 준다.

특히 상술한 바와 같이 돌풍(Gust)의 발생 시에는 이러한 문제가 더욱 심각하게 대두되어 그 해결책이 필요하였던 것이다.

본 발명의 풍력터빈 제어시스템의 피치제어기는 이러한 문제점을 해결하기 위한 피치제어기, 특히 로터의 회전수를 사용하여 제어하는 방법을 종래 시스템에 더 부여하는 것을 특징으로 한다.

특히 본 발명의 발명자의 선행출원인 도 1에서의 회전수(rpm)을 기준입력값으로 하는 고풍속영역게인스케쥴링부(200)에 적용되는 제어방법이며,

더욱 일반적으로는 종래로부터의 일반적인 제어시스템은 도 3에서와 같이, 소망하는 기준 로터(발전기)의 회전수(Wd)에 기초하여 실제 스피드센서(Speed sensor)에 의하여 측정된 회전수(W)를 반영하여 유압제어기(Hydraulic pitch)로서 피치각을 제어하는 피치콘트롤러(Pitch controller)와, 로드토오크가 되는 블레이드가 장착되는 바디체인 나셀(Nacelle)과 파워콘트롤러(PCS)를 제어하는 토오크콘트롤러(Torque controller)를 제어하여 최종피치각(β)을 결정함에 있어서 피치콘트롤러의 제어방법을 개선한 것에 관한 것이다.

종래로부터의 고풍속영역게인스케쥴링부(200)와 같은 피치제어기의 구성은 도 5에서와 같이, 발전기의 현재의 회전수(rpm)보다 기준 회전수보다 작은 경우 블레이드의 피치각(θ)은 그대로 출력 피치각이 된다.

그러나 발전기의 현재의 회전수(rpm)보다 기준 회전수보다 큰 경우에는 이 기준유입되는 출력 정보를 이용하여 정격이상의 출력인 경우에 피치각(θ)을 증가시키는 역할을 하는바, 통상적으로 입력되는 파워정보로서 발전기의 회전수(rpm) 정보가 많이 활용되고, 이 회전수(rpm) 정보를 활용한 PI(비례 적분) 디지털제어기 형태로서 피치각(θ)을 변동제어하였다. 이러한 제어방식으로는 순간순간적인 피치각의 급격한 추종은 가능하지만 상술하는 구동부의 부하가 크게 되어 파손되는 우려가 존재한다.

이러한 점을 감안하여 본 발명에서는 풍력터빈 제어시스템의 피치제어기를 구성함에 있어서,

풍력시스템의 피치제어기 성능은 바람의 조건에 따라 유입되는 파워의 변동이 다르기 때문에 도 2의 풍속대 출력곡선에서와 같이, 피치콘트롤(pictch control)로서 발전기의 최대 rpm이상으로 회전하지 않도록 하고, 정해진 풍속범위내에서는 지속적으로 일정한 회전수(rpm)을 유지하기 위해서(스톨조절(stall regulation)는 피치제어기가 바람조건에 맞게 최적으로 조정되게 하는 것을 구성적인 목적으로 한다.

하지만, 바람의 조건별로 회전수의 변동량이 심하거나(돌풍-Gust), 최대 회전수을 초과하는 경우가 발생하여 전체 풍력시스템이 정지해야 하는 경우가 발생한다.

이에 본 발명의 풍력터빈 제어시스템의 피치제어기에서는;

기존 피치제어기와 같이 발전기(즉 로터)의 회전수(rpm)가 기준 회전수(rpm)보다 큰 경우에만 피치각(θ)을 제어하지만, 본 발명에서는 피치제어기는 피치변화량 제어방식으로 피치각(θ)이 0보다 크거나 또는, 발전기의 회전수(rpm)가 기준 회전수(rpm)보다 큰 경우에 피치의 변화량을 제어하되,

피치변화량제어에 있어서 도 6에서와 같이,

발전기의 제어시스템에서 설정된 기준회전수(rpm)와 현재의 회전수(rpm)의 오차에 대해서,

저장된 이전 오차값과 측정된 현재 오차값의 차이에 대해서 게인을 곱한 값과, 이전 오차값과 현재 오차값의 합에 대해서 게인을 곱한 값을 더하고,

추가로 돌풍에 대비해서 이전 오차값과 현재 오차값의 차이값에 대해서 이전 데이터와의 이동합이 일정 값 이상인 경우에 오차 차이값의 이동합에 게인을 곱한 값을 더하여 피치 변화량으로 하고, 이전 피치값에 현재 피치변화량을 합하여 피치제어기의 출력으로 한다.

상기와 같이, 제어함으로서 얻게 되는 효과는 다음과 같다.

피치변화량 제어의 효과로서 기준 회전수(rpm) 이하에서 피치각(θ)이 0보다 큰 경우에도 피치각(θ)을 0으로 급격히 감소시키기 보다는 피치각(θ)을 서서히 감소시켜서 안정적으로 회전수(rpm)를 유지할 수 있고, 기준 회전수(rpm)근처에서 회전수 변동량을 감소시킬 수 있다.

또한, 오차 차이값의 이동합을 누적게인으로서 이용함으로써 급격히 증가하는 회전수의 발생의 경우, 즉 돌풍(gust)의 경우에도, 피치각이 급격히 증가됨에 기인하는 회전수(rpm)의 급격한 증가를 방지하여(즉, 블레이드 액튜에이터의 급격한 작동을 방지하여) 전체 풍력시스템이 정지하지 않게 할 수 있으며 내구성 또한 증대시킬 수 있게 된다. 즉, 급격한 돌풍에 의한 발전기의 회전수변동에 따른 블레이드의 피치구동의 액튜에이터의 급격한 구동을 지양하게 하고 게인에 따른 평균적이고 안정적인 구동이 가능하게 되는 것이다.

β: (종래 설명에서의 블레이드의) 피치각
θ: (본 발명에서의 블레이드의) 피치각
rpm: (발전기 또는 로터의) 회전수

Claims (1)

1. 블레이드의 피치각의 가감 제어에 의하여 시스템 하중을 최소화하는 풍력터빈에서의 각각의 블레이드를 개별피치제어하기 위하여 로터의 회전수에 따라 제어하는 피치제어기(Pitch controller)를 가지는 시스템에 있어서;
   상기 피치제어기는 피치변화량 제어방식으로 블레이드의 피치각(θ)이 0 보다 크거나 또는, 발전기의 회전수(rpm)가 제어시스템의 설정된 기준 회전수(rpm)보다 큰 경우에 피치의 변화량을 제어하되,
   발전기의 기준회전수(rpm)와 현재의 회전수(rpm)의 오차에 대해서, 저장된 이전 오차값과 측정된 현재 오차값의 차이에 대해서 게인을 곱한 값과, 이전 오차값과 현재 오차값의 합에 대해서 게인을 곱한 값을 더하고,
   추가로 돌풍에 대비해서 이전 오차값과 현재 오차값의 차이값에 대해서 이전 데이터와의 이동합이 일정 값 이상인 경우에 오차 차이값의 이동합에 게인을 곱한 값을 더하여 피치 변화량으로 하고,
   이전 피치값에 현재 피치변화량을 합하여 피치제어기의 출력으로 제공하는 것을 특징으로 하는 풍력터빈 제어시스템의 피치제어기.

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