KR20190087095A - Method and system for yaw control of WindTurbin - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method and a system for yaw control of a wind turbine which can minimize a control parameter of a yaw control system (YCS) to simultaneously minimize a yaw error and use of a yaw actuator. The method for yaw control of a wind turbine comprises: a step of constructing a first yaw control system for performing a yaw control operation based on a normal wind direction measurement result and a second yaw control system for performing a yaw control operation based on an indirect wind direction measurement result; a step of defining an objective function and constraints for yaw error and yaw actuator minimization for the first and the second yaw control system; a step of optimizing each parameter of the first and the second yaw control system by data mining based on multi-objective particle swarm optimization (MOPSO) to acquire an optimal solution for each yaw control system; a step of comparing and analyzing the optimal solution for each yaw control system to generate a performance comparison analysis table; and a step of referring to the performance comparison analysis table if a system driving condition is inputted to select and drive a yaw control system satisfying the system driving condition.

Description

풍력 터빈의 요 제어 방법 및 시스템{Method and system for yaw control of WindTurbin}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a wind turbine,

본 발명은 풍력 터빈의 요 제어 방법 및 시스템에 관한 것으로, 특히 요 오차 및 요 액츄에이터 사용의 최소화를 동시에 달성하도록, 요 제어 시스템의 제어 파라미터의 최적화할 수 있도록 하는 풍력 터빈의 요 제어 방법 및 시스템을 제공하고자 한다. The present invention relates to a yaw control method and system for a wind turbine, and more particularly, to a yaw control method and system for a wind turbine that can optimize control parameters of a yaw control system so as to simultaneously minimize the use of yaw errors and yaw actuators .

최근 풍력 에너지에 대한 비중이 높아지면서, 풍력을 획득하고 발전시키는 주요 장비인 풍력 터빈(WT)의 성능 최적화에 관심이 모아지고 있다. 이에 비용을 최소화하면서 고성능을 보장하기 위해 풍력 터빈에 대한 최적의 솔루션이 지속적으로 개발되고 있으며, 다양한 솔루션 중에서 통제 기술은 풍력 터빈의 전력 생산 및 구성 요소 부하에 직접적으로 영향을 주는 필수적인 역할을 한다. Recently, interest in wind turbine (WT), which is the main equipment to acquire and develop wind power, has been focused on optimizing performance of wind turbine. In order to ensure high performance while minimizing costs, an optimal solution for wind turbines is continuously being developed. Among various solutions, control technology plays an essential role in directly affecting the power production and component load of the wind turbine.

풍력 터빈은 일반적으로 피치 액추에이터, 토크 액추에이터 및 요 액추에이터와 같은 3 개의 제어 액추에이터를 가진다. 피치 액추에이터 및 토크 액추에이터는 풍속 변화에 대한 빠른 응답성을 제공할 수 있기 때문에 두 개의 지배적인 액추에이터로 간주되어, 이에 대한 많은 기술 개발이 진행되었으나, 요 제어 시스템에 관한 기술 개발은 상대적으로 부진한 상태이다. Wind turbines generally have three control actuators, such as pitch actuators, torque actuators and yaw actuators. Pitch actuators and torque actuators are regarded as two dominant actuators because they can provide fast response to wind speed changes, and many technical developments have been made, but the development of technology related to yaw control systems is relatively sluggish .

요 제어 시스템(YCS; yaw control system)는 풍향과 나셀 위치의 차이인 요 오차의 최소화와 요 액츄에이터의 사용 최소화를 주요 목표로 한다. 요 오차의 증가는 수평축 WT에 의해 추출된 풍력을 감소시키며, 구성 요소의 구조적 하중에 영향을 미치고, 요 액추에이터의 동작은 요 모터 및 요 브레이크의 수명에 직접 영향을 미치고, 전력을 소비하기 때문이다. The yaw control system (YCS) aims at minimizing the yaw error, which is the difference between the wind direction and the nacelle position, and minimizing the use of the yaw actuator. The increase in yaw rate reduces the wind force extracted by the horizontal axis WT, affects the structural load of the component, and the operation of the yaw actuator directly affects the life of the yaw motor and yaw brakes and consumes power .

그러나 요 오차의 최소화는 요 액츄에이터의 연속 동작을 필요로 하기 때문에, 요 오차의 최소화는 요 액츄에이터의 사용 감소와 모순된다. However, since minimizing the yaw error requires continuous operation of the yaw actuator, minimizing the yaw error is inconsistent with the reduction in yaw actuator usage.

산업용 WT의 경우, YCS의 2 가지 목표를 충분히 만족시키는 못하는 한계가 있다. WT 운영에 관한 연구에 따르면, 정적 요 오차는 풍속이 20m/s 이하인 경우에 각각 약 10도 및 5도이며, 요 고장률이 전체 고장률의 약 12.5 %를 차지한다고 보고되고 있다. 이에 YCS의 성능 개선에 대한 필요성이 발생하였다. YCS의 하드웨어는 이미 고도화된 제조 기술을 사용하여 사전 설계되어 있으므로, 성능은 전적으로 채택된 제어 전략에 달려 있다.In the case of industrial WT, there are limitations that can not sufficiently meet the two goals of YCS. According to studies on WT operation, the static urine error is about 10 degrees and 5 degrees, respectively, when the wind speed is less than 20m / s, and the failure rate accounts for about 12.5% of the total failure rate. Therefore, there is a need to improve the performance of YCS. Because the YCS's hardware is pre-engineered using advanced manufacturing techniques, performance is entirely dependent on the control strategy employed.

풍향 측정 기술에 기반한 YCS의 제어 전략은 1) 풍향 측정이 없는 제어, 2) 정상 측정의 제어, 3) 고급 측정의 제어 및 4) 간접 측정을 통한 제어와 같은 4 가지 유형으로 분류될 수 있다. The control strategy of YCS based on wind direction measurement technology can be classified into 4 types such as 1) control without wind direction measurement, 2) control of normal measurement, 3) control of advanced measurement, and 4) control through indirect measurement.

이 4 가지 유형 중 바람에 의한 측정 정보를 사용하는 두 번째 유형은 산업용 WT에서 널리 사용되었지만, 성능은 WT 작동에 의해 방해받는 부정확한 측정으로 인해 어려움을 겪고 있다. 대안으로, 최대 전력점(MPP)을 직접 검색하는 첫 번째 유형이 제안되었으나, WT의 MPP는 풍속 및 풍향에 따라 달라지므로 이러한 유형의 컨트롤을 적용하면 적절한 측정을 사용하지 않고 MPP를 찾는 것이 매우 어렵다는 큰 한계가 있다. 최근에 Lidar와 초음파 (Sodar) 기술을 사용하여 풍향 정보를 얻는 세 번째 유형이 최근에 제안되었으나, 이는 고가의 측정 장치를 필요로 하여 고출력 WT에서만 사용가능한 한계가 있다. 세 번째 유형과 비교하여, 일부 예측 알고리즘에 의해 제공되는 예측된 미래 정보를 사용하는 네 번째 유형의 제어는 유사한 성능을 제공하고 비용 효과적이다. 이러한 점을 참고하면, YCS에 대한 두 가지 유리한 유형의 제어 전략, 즉 정상 측정과 간접 측정을 통한 제어가 있을 수 있음을 보여준다.Of these four types, the second type using wind-induced measurement information is widely used in industrial WTs, but performance is suffering due to inaccurate measurements interrupted by WT operation. Alternatively, the first type of direct retrieval of the maximum power point (MPP) has been proposed, but since the MPP of the WT depends on wind speed and direction, applying this type of control makes it very difficult There is a big limit. Recently, a third type of obtaining wind direction information using Lidar and ultrasonic (Sodar) technology has recently been proposed, but it requires a costly measuring device and is limited to high power WT only. Compared with the third type, the fourth type of control using predicted future information provided by some prediction algorithms provides similar performance and is cost effective. With this in mind, we show that there are two favorable types of control strategies for YCS, namely normal and indirect measurements.

정상 측정을 통한 제어 전략은 비교적 간단하며, 풍향계로 측정된 요 오차가 일부 임계 값을 초과하면 요 액추에이터가 활성화된다. 그럼에도 불구하고, 측정된 풍향은 항상 고주파 소음과 특이치를 포함한다. 이 문제를 해결하기 위해 평균 또는 저역 통과 필터를 사용하여 요 운동에 대한 레퍼런스를 제공한다. 한편, 요 액츄에이터의 과도한 사용을 피하기 위해, 요 시스템은 사전 정의된 로직 컨트롤을 사용하여 이산 간격으로 항상 활성화된다. 전형적인 제어 전략은 NREL CART3 (Controls Advanced Research Turbine 3-Bladed) 터빈에 의해 사용되는 [선행기술문헌 1: Kragh KA; Fleming PA. Rotor Speed Dependent Yaw Control of Wind Turbines Based on Empirical Data. AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition. 2012.]에 기록되어있다. 몇 가지 파라미터가 제어 전략에 사용되지만 최적화되지 않은 방식으로 사전 정의된다. 파라미터 최적화에 대한 조사는 이 제어 전략의 잠재적 성능을 이해하는 데 중요하다.The control strategy through normal measurement is relatively simple, and the yaw actuators are activated when the yaw error measured by the weather vane exceeds some threshold. Nevertheless, the measured wind direction always includes high frequency noise and singularity. To solve this problem, an averaging or low-pass filter is used to provide a reference to the yawing motion. On the other hand, to avoid excessive use of yaw actuators, yaw systems are always activated at discrete intervals using predefined logic controls. A typical control strategy is used by the NREL CART3 (Controls Advanced Research Turbine 3-Bladed) turbine [prior art document 1: Kragh KA; Fleming PA. Rotor Speed Dependent Yaw Control of Wind Turbines Based on Empirical Data. AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition. 2012]. Several parameters are used in the control strategy but are predefined in an unoptimized manner. Investigation of parameter optimization is important to understand the potential performance of this control strategy.

이에 비해 간접 측정을 통한 제어는 보다 유연하며 간단한 제어뿐만 아니라 복잡한 제어를 사용할 수 있다. 첨단 예측 기술에 의해 제공되는 풍향의 단기 예측을 사용하여 YCS의 예측 모델을 구축 할 수 있다. 따라서, 예측 모델을 기반으로 한 정교한 제어가 채택하기 쉽다. 그 중 모델 예측 제어(model predictive control, MPC)가 YCS [선행기술문헌 2: Song D, Yang J, Fan X, Liu Y, Liu A, Chen G, Joo YH. Maximum power extraction for wind turbines through a novel yaw control solution using predicted wind directions. Energy Conversion and Management 2018; 157: 587-99.]에서 제안되었다. On the other hand, the indirect measurement control is more flexible and allows not only simple control but also complex control. A predictive model of the YCS can be constructed using short-term predictions of the wind direction provided by advanced forecasting techniques. Therefore, sophisticated control based on predictive models is easy to adopt. Among them, the model predictive control (MPC) is YCS [Prior Art Document 2: Song D, Yang J, Fan X, Liu Y, Liu A, Chen G, and Joo YH. Maximum power extraction for wind turbines through a novel yaw control solution using predicted wind directions. Energy Conversion and Management 2018; 157: 587-99.

MPC는 미래의 플랜트 모델을 사용하여 향후 행동을 예측할 수 있기 때문에 WT의 제어 전략에 대한 자연스러운 선택으로 간주되며 WT의 설계자가 부과한 제한을 존중하면서 최적의 제어 문제를 해결할 수 있다. Because MPC can predict future behavior using future plant models, it is considered a natural choice for WT's control strategy and can solve optimal control problems while respecting the constraints imposed by WT's designers.

한편, 파라미터 결정은 MPC 설계의 중요한 부분이나, MPC가 YCS에 도움이 될 수 있다는 내용의 간행물이 있지만 파라미터 선택 절차를 지원하지 못하는 한계가 있다. On the other hand, parameter determination is an important part of the MPC design, but there is a publication that states that the MPC can be helpful to the YCS, but it does not support the parameter selection procedure.

1. Kragh KA; Fleming PA. Rotor Speed Dependent Yaw Control of Wind Turbines Based on Empirical Data. AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition. 2012.1. Kragh KA; Fleming PA. Rotor Speed Dependent Yaw Control of Wind Turbines Based on Empirical Data. AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition. 2012. 2. Song D, Yang J, Fan X, Liu Y, Liu A, Chen G, Joo YH. Maximum power extraction for wind turbines through a novel yaw control solution using predicted wind directions. Energy Conversion and Management 2018; 157: 587-99.2. Song D, Yang J, Fan X, Liu Y, Liu A, Chen G, Joo YH. Maximum power extraction for wind turbines through a novel yaw control solution using predicted wind directions. Energy Conversion and Management 2018; 157: 587-99. 3. Coello CAC, Lechuga MS. MOPSO: A Proposal for Multiple Objective Particle Swarm Optimization. In Proceedings of Congress on Evolutionary Computation. 2002; 2: 1051-56.3. Coello CAC, Lechuga MS. MOPSO: A Proposal for Multiple Objective Particle Swarm Optimization. In Proceedings of Congress on Evolutionary Computation. 2002; 2: 1051-56.

이에 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 요 오차 및 요 액츄에이터 사용의 최소화를 동시에 달성하도록, YCS의 제어 파라미터의 최적화할 수 있도록 하는 풍력 터빈의 요 제어 방법 및 시스템을 제공하고자 한다. In order to solve the above problems, the present invention is to provide a yaw control method and system for a wind turbine that can optimize control parameters of a YCS to simultaneously minimize yaw error and yaw actuator use.

또한 본 발명은 다수의 YCS를 구비하고, 다수의 YCS 각각의 성능을 파악함으로써, 시스템 구동 조건에 적합한 YCS 만을 선택적을 구동시킬 수 있도록 하는 풍력 터빈의 요 제어 방법 및 시스템을 제공하고자 한다. Another object of the present invention is to provide a yaw control method and system for a wind turbine that has a plurality of YCSs and can selectively drive only YCSs suited to system drive conditions by grasping the performance of each of a plurality of YCSs.

더하여 본 발명은 풍향 조건 변화에 따른 영향을 파악할 수도 있도록 하는 풍력 터빈의 요 제어 방법 및 시스템을 제공하고자 한다. In addition, the present invention is intended to provide a yaw control method and system for a wind turbine that can detect the influence of wind direction changes.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 일 실시 형태에 따르면 풍향 정상 측정 결과에 기반한 요 제어 동작을 수행하는 제1 요 제어 시스템과, 풍향 간접 측정 결과에 기반한 요 제어 동작을 수행하는 제2 요 제어 시스템을 구성하는 단계; 요 오차 및 요 엑츄에이터 최소화를 위한 목적 함수 및 제한사항을 상기 제1 및 제2 요 제어 시스템 각각에 대해 정의하는 단계; MOPSO(Multi-Objective Particle Swarm Optimization) 기반 데이터마이닝을 통해 상기 제1 및 제2 요 제어 시스템 각각의 파라미터 최적화를 수행함으로써, 요 제어 시스템별 최적 솔루션을 획득하는 단계; 상기 요 제어 시스템별 최적 솔루션을 비교 분석하여, 성능 비교 분석표를 생성하는 단계; 및 시스템 구동 조건이 입력되면, 상기 성능 비교 분석표를 참고하여 상기 시스템 구동 조건을 만족시키는 하나의 요 제어 시스템을 선택 및 구동시키는 단계를 포함하는 풍력 터빈의 요 제어 방법을 제공한다. As a means for solving the above-mentioned problems, according to an embodiment of the present invention, there is provided a method for controlling a yaw control system, comprising: a first yaw control system for performing a yaw control operation based on a wind direction normal measurement result; Configuring a yaw control system; Defining an objective function and constraints for minimizing a yaw error and a yaw actuator for each of the first and second yaw control systems; Acquiring an optimal solution for each of the first and second yaw control systems by performing parameter optimization of each of the first and second yaw control systems through data mining based on Multi-Objective Particle Swarm Optimization (MOPSO); Comparing and analyzing the optimum solution for each yaw control system to generate a performance comparison analysis table; And selecting and operating one yaw control system satisfying the system driving condition with reference to the performance comparison analysis table when a system driving condition is input.

상기 제1 요 제어 시스템은 나셀 위치를 조정하며, 상기 나셀 위치를 풍향과 비교하여 요 오차를 산출하는 제1 요 시스템; 및 상기 요 오차를 제1 시간(Tfast) 및 제2 시간(Tslow, Tslow > Tfast)으로 로우 패스 필터링하여 제1 변화 측정값(erfast)과 제2 변화 측정값(erslow)을 생성하고, 상기 제1 변화 측정값(erfast)의 적분 결과가 임계값(Th)에 도달할 때에 상기 요 시스템의 나셀 위치를 상기 제2 측정값(erslow) 기반으로 이동시키는 제1 요 제어기를 포함할 수 있다. Wherein the first yaw control system adjusts a nacelle position and compares the nacelle position with a wind direction to calculate a yaw error; And low pass filtering the urine error to a first time T fast and a second time T slow and T slow > T fast to obtain a first change measurement value er fast and a second change measurement value er slow , (N) of the nose system is shifted based on the second measured value er slow when the integration result of the first change measurement value er fast reaches the threshold value Th Controller.

상기 제2 요 제어 시스템은 나셀 위치를 조정하며, 상기 나셀 위치를 풍향과 비교하여 요 오차를 산출하는 제2 요 시스템; 및 상기 나셀 위치와 상기 요 오차를 기반으로 풍향 예측치를 산출하는 이상적 예측 모듈, 상기 풍향 예측치 및 상기 나셀 위치를 기반으로 요 오차 예측치를 산출하는 예측 모델, 요 오차와 요 엑추에이터 사용을 최소화하는 목적 함수를 구성한 후, 상기 목적 함수 최소화를 통해 상기 요 오차 예측치가 최소화되는 나셀 위치값을 예측 및 제공하는 목적 함수 최소화부를 포함하는 제2 요 제어기를 포함할 수 있다. Wherein the second yaw control system adjusts the nacelle position and compares the nacelle position with the wind direction to calculate a yaw error; An ideal prediction module for calculating a wind direction prediction value based on the nacelle position and the yaw error, a prediction model for calculating a yaw error prediction value based on the wind direction prediction value and the nacelle position, an objective function for minimizing the use of yaw error and yaw actuator And a second yaw controller including an objective function minimizing unit for predicting and providing a nacelle position value in which the yaw error prediction value is minimized through the objective function minimization.

상기 요 제어기는 각 샘플링 기간의 풍향 예측 결과를 업데이트하여 다음 샘플링 시점에서의 풍향 예측치를 산출하는 이상적 예측 모듈; 상기 풍향 예측치, 상기 나셀 위치, 다음 샘플링 시점에서의 나셀 허용 속도값을 기반으로 다음 샘플링 시점에서의 요 오차 예측치를 산출하는 예측 모듈; 및 요 오차 및 요 엑츄에이터 사용량을 산출하는 제1 및 제2 목적 함수를 구성한 후, 상기 제1 및 제2 목적 함수의 최소화를 통해 상기 요 오차 예측치가 최소화되는 나셀 위치 값을 예측 및 제공하는 품질 함수 최소화부를 포함할 수 있다. Wherein the yaw control unit includes: an ideal prediction module for updating a wind direction prediction result of each sampling period to calculate a wind direction prediction value at a next sampling time; A prediction module for calculating a yaw error prediction value at a next sampling time based on the wind direction prediction value, the nacelle position, and a nacelle allowable speed value at a next sampling time; And a quality function for predicting and providing a nacelle position value in which the yaw error prediction value is minimized through minimizing the first and second objective functions after the first and second objective functions are calculated to calculate the yaw error and the yaw actuator use amount, And a minimization unit.

상기 파라미터 최적화를 수행하는 단계는 풍향 데이터, 요 제어 시스템, MOPSO 파라미터, 목적 함수를 포함하는 초기 모델을 생성하는 단계; MOPSO 알고리즘의 초기 제어 파라미터를 사용하여, 상기 풍향 데이터, 상기 요 제어 시스템, 및 상기 MOPSO 파라미터에 기반한 시물레이션 테스트를 반복 수행하는 단계; 및 상기 목적 함수와 제한 조건을 기반으로 모집단의 각 개체를 순차적으로 평가한 후, 비지배적 솔루션을 최적 솔루션으로 획득 및 저장하는 단계를 포함할 수 있다. Wherein performing the parameter optimization comprises: generating an initial model including wind direction data, a yaw control system, a MOPSO parameter, and an objective function; Repeatedly performing a simulation test based on the wind direction data, the yaw control system, and the MOPSO parameter using an initial control parameter of the MOPSO algorithm; And sequentially evaluating each entity of the population based on the objective function and the constraint, and then acquiring and storing the non-dominant solution as an optimal solution.

상기 요 제어 시스템이 상기 제1 요 제어 시스템인 경우, 상기 목적 함수는 요 오차 최소화를 위한 제1 목적 함수와, 요 엑츄에이터 사용량 최소화를 위한 제2 목적 함수로 구성되고, 상기 제1 목적 함수는 "

Figure pat00001
"으로 표현되고, 상기 제2 목적 함수는 "
Figure pat00002
"로 표현되며, 상기 제한 조건은 '
Figure pat00003
" 및 "
Figure pat00004
"인 것을 특징으로 한다. Wherein when the yaw control system is the first yaw control system, the objective function is constituted by a first objective function for minimizing a yaw error and a second objective function for minimizing a yaw actuator usage amount,
Figure pat00001
Quot; and the second objective function is expressed as "
Figure pat00002
Quot ;, and the constraint is expressed as "
Figure pat00003
"And"
Figure pat00004
"

상기 요 제어 시스템이 상기 제2 요 제어 시스템인 경우, 상기 목적 함수는 요 오차 최소화를 위한 제1 품질 함수와, 요 엑츄에이터 사용량 최소화를 위한 제2 품질 함수로 구성되고, 상기 제1 품질 함수는 "

Figure pat00005
"로 표현되고, 상기 제2 품질 함수는 "
Figure pat00006
"로 표현되고, 상기 제한 조건은 "
Figure pat00007
" 및 "
Figure pat00008
"이며, 상기 θye는 요 오차, 상기
Figure pat00009
는 요 속도, 상기 w1 및 w2는 목적 함수 최적화를 통해 조정되는 가중치인 것을 특징으로 한다. Wherein when the yaw control system is the second yaw control system, the objective function is constituted by a first quality function for minimizing a yaw error and a second quality function for minimizing a yaw actuator usage amount,
Figure pat00005
Quot; and the second quality function is expressed as "
Figure pat00006
Quot; and the constraint is expressed as "
Figure pat00007
"And"
Figure pat00008
Quot ;, and &thetas; ye denotes a yaw error,
Figure pat00009
Is a yaw rate, and w 1 and w 2 are weights adjusted through objective function optimization.

상기 방법은 상기 풍향 데이터의 풍향 조건을 달리하면서 상기 제1 및 제2 요 제어 시스템 각각을 최적화시킨 후 최적화 결과를 비교 분석함으로써, 요 제어 시스템별로 풍향 조건에 따른 민감도를 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다. The method may further include the step of calculating the sensitivity according to the wind direction condition for each yaw control system by optimizing each of the first and second yaw control systems while comparing and analyzing the optimization results while varying the wind direction conditions of the wind direction data .

또한 상기 방법은 상기 풍향 데이터의 풍향 조건이 바뀌면, 상기 제1 요 제어 시스템의 파라미터 최적화만을 재수행하는 단계를 더 포함할 수 있다. The method may further include re-executing only the parameter optimization of the first yaw control system when the wind direction condition of the wind direction data is changed.

상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면 풍향 정상 측정 결과에 기반한 요 제어 동작을 수행하는 제1 요 제어 시스템; 풍향 간접 측정 결과에 기반한 요 제어 동작을 수행하는 제2 요 제어 시스템; 요 오차 및 요 엑츄에이터 최소화를 위한 목적 함수 및 제한사항을 상기 제1 및 제2 요 제어 시스템 각각에 대해 정의한 후, MOPSO(Multi-Objective Particle Swarm Optimization) 기반 데이터마이닝을 통해 상기 제1 및 제2 요 제어 시스템 각각의 파라미터 최적화를 수행함으로써, 요 제어 시스템별 최적 솔루션을 획득하는 최적화 수행부; 상기 요 제어 시스템별 최적 솔루션을 비교 분석하여, 성능 비교 분석표를 생성하는 성능 비교 분석부; 및 시스템 구동 조건이 입력되면, 상기 성능 비교 분석표를 참고하여 상기 시스템 구동 조건을 만족시키는 하나의 요 제어 시스템을 선택 및 구동시키는 시스템 선택부를 포함하는 풍력 터빈의 요 제어 통합 시스템을 제공한다. According to another aspect of the present invention, there is provided a first yaw control system for performing a yaw control operation based on a wind direction normal measurement result; A second yaw control system for performing a yaw control operation based on the wind direction indirect measurement result; The objective function and the restriction for minimizing the yaw error and the yaw actuator are defined for each of the first and second yaw control systems, and then the first and second yaw control motions are performed through data mining based on Multi-Objective Particle Swarm Optimization (MOPSO) An optimization performing unit for acquiring an optimum solution for each yaw control system by performing parameter optimization of each control system; A performance comparison and analysis unit for comparing and analyzing the optimal solution for each yaw control system to generate a performance comparison analysis table; And a system selecting unit for selecting and operating one yaw control system satisfying the system driving condition by referring to the performance comparison analysis table when the system driving conditions are inputted.

본 발명은 YCS의 제어 파라미터를 최적화하기 위한 새로운 MOPSO 기반 데이터 마이닝 알고리즘을 제안한다. 풍력 발전소가 일정한 바람 조건을 가질 수 있다는 사실을 고려하여 풍향 이력 데이터를 수집한 후 MOPSO 알고리즘의 입력으로 사용하여 두 YCS의 최적화 파라미터를 얻는다. MOPSO를 사용하면 유효하지 않은 솔루션을 쉽게 폐기할 수 있으므로, 최적의 솔루션을 효율적으로 검색 할 수 있다.The present invention proposes a new MOPSO-based data mining algorithm for optimizing control parameters of YCS. Considering the fact that a wind farm can have certain wind conditions, we collect the wind direction history data and use it as an input to the MOPSO algorithm to obtain the optimization parameters of the two YCSs. With MOPSO, you can easily discard invalid solutions, so you can efficiently search for optimal solutions.

또한 본 발명은 두 YCS의 잠재적인 성능을 조사한다. 기존 발명에 따르면 요 오차 및 액추에이터 사용량을 줄이는 두 가지 측면에서 정상 풍향을 사용하는 MPC가 정상 측정을 사용하는 로직 제어보다 중요할 수 있지만, 파라미터 최적화의 결과로 향상된 성능의 궁극적인 잠재력은 비교 및 정량화되지 않는다. 파라미터 최적화를 통해 다양한 제어 전략의 성능 한계를 설정하면, 잠재적으로 요 제어 시스템에 더 많은 이점을 제공할 제어 전략이 무엇인지 파악할 수 있게 된다. The present invention also examines the potential performance of both YCSs. According to the existing invention, MPC using normal wind direction in two aspects of reducing the yaw error and actuator usage may be more important than logic control using normal measurement, but the ultimate potential of improved performance as a result of parameter optimization is compared and quantified It does not. By setting parameter limits to performance limits for various control strategies, you can identify which control strategies will potentially provide more benefits to the yaw control system.

더하여, 본 발명은 풍향 조건이 파라미터 최적화와 두 YCS의 잠재적 성능에 미치는 영향을 조사한다. YCS는 풍향을 추적하는 것을 목표로 하므로 풍향 조건이 YCS에 중요한 영향을 줄 수 있다. 그러나 종래에서는 이러한 중요한 문제에 대해 전혀 고려된 바 없다. 이에 본 발명에서는 풍향 조건이 YCS에 미치는 영향을 파악 및 활용할 수 있도록 한다. In addition, the present invention investigates the effect of wind direction conditions on parameter optimization and potential performance of both YCSs. Since the YCS aims to track the wind direction, wind direction conditions can have a significant impact on YCS. However, in the past, this important problem has not been considered at all. Accordingly, the present invention enables to understand and utilize the influence of wind direction conditions on YCS.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈의 요 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 YCS의 구성을 도시한 도면이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 YCS의 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 풍향 이력 데이터를 입력으로 사용하여 반복 시뮬레이션을 통해 최적의 파라미터를 검색하는 파라미터 최적화 방법을 설명하는 도면이다.
도 5는 풍향 조건 변화에 따른 YCS의 민감도를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈의 요 제어 통합 시스템을 도시한 도면이다.
1 is a view for explaining a yaw control method of a wind turbine according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram illustrating a configuration of a first YCS according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating a configuration of a second YCS according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram for explaining a parameter optimization method for searching for optimal parameters through repeated simulation using wind direction history data as an input.
5 is a diagram for explaining the sensitivity of YCS according to a change in wind direction condition.
6 is a diagram illustrating a yaw control integrated system of a wind turbine according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 목적 및 효과, 그리고 그것들을 달성하기 위한 기술적 구성들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 레퍼런스하면 명확해질 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other objects, features and advantages of the present invention will be more apparent from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings, in which: FIG. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다.The following terms are defined in consideration of the functions of the present invention, and these may be changed according to the intention of the user, the operator, or the like.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. These embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art to which the present invention pertains. Only. Therefore, the definition should be based on the contents throughout this specification.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈의 요 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다. 1 is a view for explaining a yaw control method of a wind turbine according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참고하면, 본 발명의 방법은 크게 풍향 정상 측정 결과에 기반한 요 제어 동작을 수행하는 제1 요 제어 시스템과, 풍향 간접 측정 결과에 기반한 요 제어 동작을 수행하는 제2 요 제어 시스템을 구성하는 단계(S1), 요 오차 및 요 엑츄에이터 최소화를 위한 목적 함수 및 제한사항을 상기 제1 및 제2 요 제어 시스템 각각에 대해 정의하는 단계(S2), MOPSO(Multi-Objective Particle Swarm Optimization) 기반 데이터마이닝을 통해 상기 제1 및 제2 요 제어 시스템 각각의 파라미터 최적화를 수행함으로써, 요 제어 시스템별 최적 솔루션을 획득하는 단계(S3), 상기 요 제어 시스템별 최적 솔루션을 비교 분석하여, 성능 비교 분석표를 생성하는 단계(S4), 시스템 구동 조건이 입력되면(S5), 상기 성능 비교 분석표를 참고하여 상기 시스템 구동 조건을 만족시키는 하나의 요 제어 시스템을 선택 및 구동시키는 단계(S6) 등을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1, the method of the present invention includes a first yaw control system that performs a yaw control operation based on a wind direction normal measurement result, and a second yaw control system that performs a yaw control operation based on a wind direction indirect measurement result (S2) of defining an objective function and a restriction for minimizing a yaw error and a yaw actuator, for each of the first and second yaw control systems, a step (S2) for generating a multi-objective particle swarm optimization (MOPSO) (S3) of acquiring an optimum solution for each of the first and second yaw control systems by performing parameter optimization of each of the first and second yaw control systems through mining, comparing and analyzing the optimal solutions for each of the yaw control systems, (S4), and when a system driving condition is inputted (S5), a requirement It may include a step (S6), such as to select and drive the system.

이하, 도 2 내지 도5를 참고하여, 본 발명의 방법을 보다 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, with reference to Figs. 2 to 5, the method of the present invention will be described in more detail.

먼저, 단계 S1에 대해 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.First, step S1 will be described in more detail as follows.

요 시스템은 블레이드 로터를 풍향에 정렬시킴으로써 풍력 발전을 극대화할 수 있다. 그러나 요 시스템은 저속 동작하며 부피가 큰 기계 장치로 구현되어, 풍향 추적 속도의 저하가 불가피하다. 풍향 추적 능력을 향상시키기 위해서는 제어 전략이 핵심 역할을 하는 요 제어 시스템(yaw control system, 이하 YCS)이 적절히 설계되어야한다. The yaw system can maximize wind power by aligning the blade rotor with the wind direction. However, the yawing system is implemented as a low-speed, bulky machinery, and the speed of wind direction tracking is inevitable. In order to improve wind direction tracking capability, a yaw control system (YCS) in which a control strategy plays a key role should be appropriately designed.

이에 본 발명은 두 종류의 YCS를 제안하고, 시스템 구동 조건에 따라 이 두 종류의 YCS을 선택적으로 구동시켜 최고의 성능을 보다 안정적으로 보장할 수 있도록 한다. Accordingly, the present invention proposes two types of YCS, and selectively drives the two types of YCS according to the system driving conditions, thereby ensuring the highest performance more stably.

YCS의 성능은 다음의 인덱스들을 통해 평가될 수 있다. The performance of the YCS can be evaluated through the following indices.

YCS의 풍력 추출 및 요우 액추에이터 사용으로 지칭되며, 이는 각각 요 오차 및 요 동작 시간의 관련 데이터를 검사하여 평가할 수 있다. 요 오차(θye)는 풍향(θwd)과 나셀 위치(θnp)의 차이값으로, 수학식 1과 같이 공식화 될 수 있다.YCS wind-force extraction and yaw actuator use, which can be evaluated by examining the relative data of yaw error and yaw operation time, respectively. Yaw error (θ ye) is the difference of the wind direction (θ wd) and nacelle position (θ np), can be formulated as equation (1).

[수학식1][Equation 1]

Figure pat00010
Figure pat00010

요 오차는 풍향 추적 성능을 평가하는 데 사용할 수 있지만, 이의 통계 값(예를 들어, 평균 절대 오차, 평균 제곱 오차)은 특정 기간 내 전체 성능을 평가하는 것이 더 효율적이다. 그러나 이러한 요 오차 값은 YCS의 전력 추출 용량을 명시적으로 표시할 수 없다. 요 오차(θye)와 Pout(전원 출력)는 비선형 관계를 가지며, 수학식2과 같이 표현될 수 있다. The yaw error can be used to evaluate wind direction tracking performance, but its statistical value (eg, mean absolute error, mean square error) is more efficient to evaluate overall performance over a specific time period. However, such a yaw error value can not express the power extraction capacity of YCS explicitly. The yaw error (? Ye ) and Pout (power output) have a non-linear relationship and can be expressed as Equation (2).

[수학식2]&Quot; (2) "

Figure pat00011
Figure pat00011

이때, ρ는 공기 밀도, Ar는 로터 영역, Cp는 공력 계수(aerodynamic power coefficient), V0는 자유 흐름 풍속(free stream wind speed), 그리고 k는 실험 결과 기반으로 추청된 상수값으로, 예를 들어 1.8일 수 있다. In this case, ρ is the air density, A r is the rotor area, C p is the aerodynamic power coefficient, V 0 is the free stream wind speed, and k is the estimated constant value, For example 1.8.

서로 다른 YCS 하에서 요 오차(θye)가 Pout(전원 출력)에 미치는 영향을 더 잘 평가하기 위한 전력 감소 계수(ζ)는 수학식 3으로 기반으로 계산된다. The power reduction factor ([zeta]) to better evaluate the effect of the yaw error ([theta] ye ) on P out (power output) under different YCSs is calculated based on Equation (3).

[수학식3]&Quot; (3) "

Figure pat00012
Figure pat00012

이때, Te는 평가 시간 길이이다. At this time, T e is the evaluation time length.

요 동작 시간(tyaw)는 수학식4로 표현되며,

Figure pat00013
는 요 속도, 요 동작 시간은 요 동작시에 증가된다. The yaw operation time (t yaw ) is expressed by Equation (4)
Figure pat00013
The yaw rate and yaw operation time are increased during yaw operation.

[수학식4]&Quot; (4) "

Figure pat00014
Figure pat00014

일반적인 풍력 터빈의 경우, YCS의 동작 메커니즘을 다음과 같이 설명 할 수 있다.In the case of a typical wind turbine, the operating mechanism of the YCS can be described as follows.

1 단계 : 풍향계와 나셀 위치 변환기는 각각 요 오차와 나셀 위치를 측정한 후, 이를 요 제어기로 입력으로 보낸다.Step 1: The weather vane and nacelle position transducer measure the yaw error and nacelle position, respectively, and send it to the input to the yaw control.

2 단계 : 요 제어기는 입력을 처리하고, 요 모터의 전원을 켜거나 끄는 데 사용되는 릴레이의 출력을 결정한다.Step 2: The yaw controller processes the input and determines the output of the relay used to turn the yaw motor on and off.

3 단계 : 나셀은 요 모터에 의해 구동되는 기어에 의해 움직이다.Step 3: The nacelle is moved by a motor driven gear.

위의 단계에서 관찰하면, 그 성능은 채택된 제어 전략에 의해 결정된다는 것을 알 수 있다. 앞서 설명된 바와 같이, 종래 기술에서는 두 가지 바람직한 유형의 제어 전략이 제안된 바 있다. Observed in the above step, it can be seen that the performance is determined by the adopted control strategy. As described above, two prior types of control strategies have been proposed in the prior art.

이에 본 발명에서는 선행기술문헌 1 및 2에 기반하여 풍향 정상 측정 결과에 기반한 요 제어 동작을 수행하는 제1 YCS과, 풍향 간접 측정 결과에 기반한 요 제어 동작을 수행하는 제2 YCS을 동시 구축된 YCS을 제안한다. Therefore, in the present invention, a first YCS that performs a yaw control operation based on the wind direction normal measurement result based on the prior art documents 1 and 2, and a second YCS that performs a yaw control operation based on the wind direction indirect measurement result, .

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 YCS의 구성을 도시한 도면이다. 2 is a diagram illustrating a configuration of a first YCS according to an embodiment of the present invention.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 YCS(100)은 요 시스템(110)과 요 제어기(120)를 포함한다. 요 시스템(110)은 나셀 위치를 조정하며, 나셀 위치를 풍향과 계측 및 비교하여 요 오차를 산출 및 통보하며, 요 제어기(120)는 요 오차를 제1 시간(Tfast) 및 제2 시간(Tslow, Tslow > Tfast)으로 로우 패스 필터링하여 제1 변화 측정값(erfast)과 제2 변화 측정값(erslow)을 생성하고, 제1 변화 측정값(erfast)의 적분 결과가 임계치(Th)에 도달할 때에 상기 요 시스템의 나셀 위치를 상기 제2 측정값(erslow) 기반으로 이동시키도록 한다. As shown in FIG. 2, the first YCS 100 of the present invention includes a yaw system 110 and a yaw controller 120. The yaw system 110 adjusts the position of the nacelle and calculates and reports the yaw error by measuring and comparing the position of the nacelle with the wind direction and the yaw controller 120 calculates the yaw rate at the first time T fast and the second time the integration of the T slow, T slow> T fast) with low-pass filtering by the first change measurements (er fast) and second change measurements (er slow) the formation, and the first change in measured values (er fast) And moves the nacelle position of the urine system based on the second measured value er slow when the threshold value Th is reached.

즉, 요 오차(θye)를 2개의 저역 통과 필터링하여 시간 상수 Tfast = 1 초를 가지는 제1 변화 측정값(erfast)과 시간 상수 Tslow = 60초를 가지는 제2 변화 측정값(erslow)를 생성하고, erfast를 적분 및 모니터링한다. 그리고 제1 변화 측정값(erfast)의 적분 오류(AccErr)가 10 분 동안 10도 벗어나는 임계값(Th = 6000)에 도달하면, 나셀 위치를 erslow에 의해 결정되는 설정 위치로 이동시킨다.That is, the yaw error (θ ye) two low-pass filtered by the time constant T fast = first change measure having 1 second (er fast) and the time constant T slow = having 60 seconds, the second change measurements (er slow ), and er fast is integrated and monitored. And the first change measurement value (er fast ) When the integration error (AccErr) reaches a threshold value (Th = 6000) that deviates by 10 degrees for 10 minutes, the nacelle position is moved to the setting position determined by er slow .

도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 YCS의 구성을 도시한 도면이다. 3 is a diagram illustrating a configuration of a second YCS according to an embodiment of the present invention.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 YCS(200) 또한 요 시스템(210)과 요 제어기(220)를 포함한다. 요 시스템(210)은 나셀 위치를 조정하며, 나셀 위치를 풍향과 비교하여 요 오차를 산출한다. 요 제어기(220)는 나셀 위치와 요 오차를 기반으로 풍향 예측치를 산출하는 이상적 예측 모듈(221), 상기 풍향 예측치 및 상기 나셀 위치를 기반으로 요 오차 예측치를 산출하는 예측 모델(222), 요 오차와 요 엑추에이터 사용을 최소화하는 품질 함수를 구성한 후, 상기 품질 함수 최소화를 통해 상기 요 오차 예측치가 최소화되는 나셀 위치값을 예측 및 제공하는 품질 함수 최소화부(223)를 포함한다. As shown in FIG. 3, the second YCS 200 of the present invention also includes a yaw system 210 and a yaw controller 220. The urine system 210 adjusts the nacelle position and compares the nacelle position with the wind direction to calculate the urine error. The yaw controller 220 includes an ideal prediction module 221 for calculating a wind direction prediction value based on a nacelle position and a yaw error, a prediction model 222 for calculating a yaw error prediction value based on the wind direction prediction value and the nacelle position, And a quality function minimizing unit 223 for predicting and providing a nacelle position value in which the yaw error prediction value is minimized by minimizing the quality function after configuring a quality function that minimizes the use of the yaw actuator.

본 발명은 선행기술문헌 2에서 제시된 풍향 예측 방향을 포함한 MPC 기반의 방법을 다음과 같은 두 가지 측면에서 수정하여 이용하도록 한다.The present invention modifies the MPC-based method including the wind direction prediction direction disclosed in the prior art document 2 in the following two aspects.

차이점 1 : 본 발명은 ARIMA-KF 모듈 대신에 이상적 예측 모듈을 통해 풍향 예측치를 산출한다. 본 발명의 주 목적은 제어 전략에 대한 이상적 예측 모듈을 포함하여 채택된 제어 전략의 잠재적 성능을 조사하는 것이므로 객관적 성취를 용이하게 한다. ARIMA-KF 알고리즘에 의해 제공되는 예측 정확도는 풍향의 다른 시계열에 대해 불확실할 수 있으므로, 이상적 예측 모듈을 사용하는 것이 합리적이기 때문이다.Difference 1: The present invention calculates the wind direction prediction value through the ideal prediction module instead of the ARIMA-KF module. The main purpose of the present invention is to facilitate the objective achievement by examining the potential performance of the adopted control strategy including the ideal prediction module for the control strategy. Because the prediction accuracy provided by the ARIMA-KF algorithm may be uncertain for other time series of wind direction, it is reasonable to use an ideal prediction module.

차이점 2 : 본 발명에서 정의된 품질 함수는 요 오차와 요 시간의 두 부분을 언급하는 반면, 선행기술문헌 2에서 정의된 것은 다른 부분, 즉 요 동작 횟수를 포함한다. 요 동작 횟수는 요 동작 시간과 요 동작 횟수 사이에 선형 관계가 있음을 고려하여, 본 발명에서는 사용하지 않도록 한다. Difference 2: The quality function defined in the present invention refers to the two parts of the yaw error and the yaw time, whereas the one defined in the prior art document 2 includes the other part, that is, the yaw operation frequency. Considering that there is a linear relationship between the yaw operation time and the number of yaw operation, the number of yaw operation times is not used in the present invention.

이상적 예측 모듈(221)은 이산 데이터인 각 샘플링 기간의 풍향 예측 결과를 업데이트하여 다음 샘플링 시점에서의 풍향 예측치를 산출한다. 멀티-스텝 예측 결과가 아닌 정확한 원-스텝 결과만을 예측 모델(222)에서 사용하도록 한다. 출력은 수학식 5와 같이 표현될 수 있다. The ideal prediction module 221 updates the wind direction prediction result of each sampling period, which is discrete data, to calculate the wind direction prediction value at the next sampling time. Only the accurate one-step result is used in the prediction model 222, not the multi-step prediction result. The output can be expressed as Equation (5).

[수학식5]&Quot; (5) "

Figure pat00015
Figure pat00015

이때,

Figure pat00016
는 샘플링 주기의 평균값이다. At this time,
Figure pat00016
Is the average value of the sampling period.

예측 모델(222)는 풍향 예측치, 나셀 위치, 나셀 속도를 기반으로 다음 샘플링 시점에서의 요 오차 예측치를 산출하며, 이는 수학식 6과 같이 공식화될 수 있다.The prediction model 222 calculates the yaw error prediction value at the next sampling time based on the wind direction prediction value, the nacelle position, and the nacelle velocity, which can be formulated as shown in Equation (6).

[수학식 6]&Quot; (6) "

Figure pat00017
Figure pat00017

이때,

Figure pat00018
는 다음 샘플링 시점에서의 나셀 허용 속도값이고, 수학식 7의 유한 집합으로 분류할 수 있습니다.At this time,
Figure pat00018
Is the nacelle allowable speed value at the next sampling time, and can be classified into the finite set of Equation (7).

[수학식 7]&Quot; (7) "

Figure pat00019
Figure pat00019

품질 함수 최소화부(223)는 요 오차 및 요 엑츄에이터 사용량을 산출하는 제1 및 제2 품질 함수(QF1,QF2)로 구성되는 품질 함수(QF)를 생성한다. The quality function minimizing unit 223 generates a quality function QF composed of first and second quality functions QF1 and QF2 for calculating a yaw error and a yaw actuator usage amount.

[수학식 8]&Quot; (8) "

Figure pat00020
Figure pat00020

이때, w1 및 w2는 2개의 가중치이다. In this case, w 1 and w 2 are two weight values.

QF의 최소화는 "for"주기로 구현되며, 이는 수학식 7의 3 가지 허용 제어 동작에 대한 수학식 6의 요 오차를 예측하고, 수학식 8에 따라 평가하고, 최소값(QF (min))을 저장하는 방식을 수행되며, 이는 다음과 같은 의사 코드를 통해 설명될 수 있다. The minimization of QF is implemented in a "for " period, which estimates the yaw error of Equation 6 for the three admission control operations of Equation 7, evaluates it in accordance with Equation 8 and stores the minimum value QF (min) This can be explained by the following pseudo code.

Set QF(min) To inf and Set min To inf Set QF (min) To inf and Set min To inf

For j = 0: 2 For j = 0: 2

Calculate QF( j) Using Eqs. (6-8) Calculate QF (j) Using Eqs. (6-8)

If QF( j) < QF(min) Set QF(min) To QF( j) And Set min To j If QF (j) < QF (min) Set QF (min) To QF (j) And Set min To j

EndEnd

EndEnd

Apply

Figure pat00021
Apply
Figure pat00021

이어서, 단계 S2에 대해 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.Step S2 will now be described in more detail.

본 발명에서, YCS의 성능은 두 가지 명확한 인덱스, 즉 요 오차 최소화 및 액추에이터 사용 최소화에 의해 결정된다. 따라서 파라미터 최적화는 실제로 다목적 최적화 문제(MOP)이며, 이는 수학식9과 같이 공식화될 수 있다.In the present invention, the performance of the YCS is determined by two distinct indices, namely the minimization of the yaw error and the minimization of the actuator usage. Thus, the parameter optimization is indeed a multipurpose optimization problem (MOP), which can be formulated as in equation (9).

[수학식 9]&Quot; (9) &quot;

Figure pat00022
Figure pat00022

이때, X=(x1,x2,…,xn)T는 비공의 가용 영역(nonempty feasible region, S⊂Rn)에 속하는 결정 벡터이고, F(x)는 m 목적 함수를 포함하는 목적 함수 벡터(f1(X),f2(X),…,fm(X))로 표기됨)이다. MOP에서, F(x)는 다른 구성 요소 중 적어도 하나에 저하없이 구성 요소를 더 이상 향상시킬 수 없는 경우, 최적이다. 수학적 용어로, 모든 i(i = 1,2,…,m에 대해 fi(X) ≤ fi(X*))가 되고, 적어도 하나의 j(j=1,2,…,m)에 대해 fj(X) ≤ fj(X*))가 되도록 다른 벡터 x∈S가 없으면, X*를 비지배 솔루션 세트(non-dominated solution set) 또는 파레토 최적(Pareto optimal)이라고 한다. 따라서, F(X*)는 PF(Pareto Front)로 간주된다. MOP 솔루션은 완전히 맞춰질 수 없는 벡터이므로, 모든 파레토 최적 솔루션은 동등하게 바람직하며, 그 중에서도 가장 선호되는 솔루션은 사용자의 선호도에 따라 식별되어야 한다. In this case, X = (x 1 , x 2 , ..., x n ) T is a decision vector belonging to a nonempty feasible region (S⊂R n ) (Denoted by f 1 (X), f 2 (X), ..., f m (X)). In the MOP, F (x) is optimal if at least one of the other components can not further improve the component without degradation. In mathematical terms, f i (X) ≤ f i (X * ) for all i (i = 1,2, ..., m) and at least one j X * is called a non-dominated solution set or Pareto optimal if there is no other vector x∈S such that f j (X) ≤ f j (X * )). Therefore, F (X * ) is regarded as PF (Pareto Front). Since the MOP solution is an incomplete vector, all Pareto optimal solutions are equally desirable, with the most preferred solution being identified according to the user's preference.

현재 파레토 최적 이론에 기반한 다목적 최적화가 집중적으로 발명되어 왔고 지능형 진화 알고리즘 풍력 터빈 설계에 적용된다. 그 중에서도 PSO(Partial Swarm Optimization)는 코딩 구현 및 계산 효율성이 간편한 간단한 개념 알고리즘으로 인식된다. At present, multi-objective optimization based on Pareto optimal theory has been intensively invented and applied to the design of intelligent evolutionary wind turbine. Among them, Partial Swarm Optimization (PSO) is recognized as a simple conceptual algorithm that is easy to implement coding and calculation efficiency.

본 발명에서는 파레토 개념의 원리에 따라 최적 솔루션 그룹을 찾기 위해 MOPSO 방법을 사용한다. MOPSO 기반 방법을 기반으로 최적화된 파라미터를 얻을 수 있으므로, 본 발명에서는 이를 기반으로 2개의 YCS의 잠재적 성능을 조사하고 비교할 수 있다.The present invention uses the MOPSO method to find the optimal solution group according to the Pareto concept principle. Since the optimized parameters can be obtained based on the MOPSO based method, the potential performance of two YCSs can be investigated and compared based on the optimized parameters.

도 4는 풍향 이력 데이터를 입력으로 사용하여 반복 시뮬레이션을 통해 최적의 파라미터를 검색하는 파라미터 최적화 방법을 설명하는 도면이다. 4 is a diagram for explaining a parameter optimization method for searching for optimal parameters through repeated simulation using wind direction history data as an input.

첫 번째로, 수집된 풍향의 이력 데이터, YCS, MOPSO 파라미터 및 목적 함수를 포함하는 초기 모델을 생성한다(S11).First, an initial model including history data of the collected wind direction, YCS, MOPSO parameters and objective function is generated (S11).

두 번째로, MOPSO 알고리즘에 의해 제공되는 초기 제어 파라미터를 사용하여 시뮬레이션 테스트를 실행한다. 시뮬레이션 테스트는 풍향 이력 데이터가 완전히 소모될 때까지 계속 실행된다(S12). Second, the simulation test is performed using the initial control parameters provided by the MOPSO algorithm. The simulation test is continued until the wind direction history data is completely consumed (S12).

세 번째로, 목적 함수와 제한 조건을 기반으로 모집단의 각 개체를 평가한다(S13).Third, each entity of the population is evaluated based on the objective function and the constraint (S13).

마지막으로, 중지 원칙(즉, 반복 시간의 최대 값에 도달하는 경우에 중지함)에 따라 최적화 결과를 판단한다. 중지 원칙이 만족되면 비지배 솔루션은 궁극적인 최적 솔루션으로 저장된다. 그렇지 않으면 반복이 계속되고, 평가 결과는 차세대 제어 파라미터를 생성하는 MOPSO 알고리즘에 의해 사용된다(S14).Finally, the optimization result is determined according to the stopping principle (that is, stopped when the maximum value of the iteration time is reached). When the stopping principle is satisfied, the non-dominant solution is stored as the ultimate optimal solution. Otherwise, the iteration continues and the evaluation result is used by the MOPSO algorithm to generate the next generation control parameter (S14).

MOPSO 알고리즘MOPSO algorithm

PSO 알고리즘은 1995 년에 Kennedy와 Eberhart에 의해 처음 제안되었다 [39, 40]. PSO에서 알고리즘은 솔루션 세트를 초기화하고 모집단 변화를 통해 솔루션을 업데이트하여 최적의 솔루션을 검색한다. 잠재적 솔루션 세트는 협동 작업으로 검색 공간에서 움직이는 집단(swarm)이라고 하는 파티클 셋트이다. 속도 연산자는 수학식 10a을 기반으로 로컬 구성 요소와 소셜 구성 요소에 의해 가이드되는 이동을 수행한다.The PSO algorithm was first proposed by Kennedy and Eberhart in 1995 [39, 40]. At the PSO, the algorithm initializes the solution set and updates the solution through population changes to retrieve the optimal solution. A potential solution set is a set of particles called swarms that move in search space as a collaborative operation. The velocity operator performs the movement guided by the local and social components based on Equation 10a.

[수학식 10a]Equation (10a)

Figure pat00023
Figure pat00023

[수학식 10b]Equation (10b)

Figure pat00024
Figure pat00024

이때, t=1,2,…,Tmax는 세대의 실행 인덱스(running index of the generation)를 나타내고, Tmax는 인구의 최대 수이다. t는 현재 세대이다. i=1,2,…,Nip은 파티클의 실행 인덱스(running index of particles)이고, Nip은 파티클 크기이다. D는 파티클 차원(particle dimension)이고, D는 차원 크기를 나타낸다. vid(t)는 t 세대의 파티클 i의 속도를 나타낸다. 유사하게, xid(t)는 파티클 위치를 나타낸다. pid(t)는 파티클 i에 의해 발견된 개체(individual)의 가장 좋은 위치이며, pgd(t)는 전체 집단(swarm)에서 지금까지 발견된 가장 좋은 글로벌 위치이다. 상수 c1, c2는 가속 계수이고, r1, r2는 [0,1]에 균일 분포된 랜덤 값이고, w는 수학식 10c에 주어진 관성 중량이다.At this time, t = 1, 2, ... , T max denotes the running index of the generation, and T max is the maximum number of the population. t is the current generation. i = 1, 2, ... , N ip is the running index of particles of the particle, and N ip is the particle size. D is the particle dimension, and D is the dimension size. v id (t) represents the velocity of particle i in t-th generation. Similarly, x id (t) represents the particle position. p id (t) is the best position for the individual found by particle i, and p gd (t) is the best global position ever found in the entire swarm. Constants c1 and c2 are acceleration coefficients, r1 and r2 are random values uniformly distributed in [0,1], and w is an inertia weight given in Equation 10c.

[수학식 10c](10c)

Figure pat00025
Figure pat00025

이때, wmax 및 wmin는 각각 최대 및 최소 관성 중량이다. Where w max and w min are the maximum and minimum inertia weights, respectively.

MOPSO 알고리즘의 주요 아이디어는 PSO의 출력이 비지배 솔루션 또는 PF로 명명된 솔루션 집합이라는 것이다. 본 발명에서는 [41]에서 Li에 의해 제안된 NSPSO(Non-dominated Sorting PSO) 알고리즘을 사용하여 전력 감소 및 요 액츄에이터 사용을 동시에 최소화한다. 이 방법의 주요 특징은 전체 파티클에서 모든 파티클의 개인적 베스트와 그들의 자손을 비교하여 각 파티클을 업데이트하는 것이므로, 집단 인구(swarm population)를 PF쪽으로 추진하는 데 적절한 선택 압력을 제공하는 데 효과적이다. 또한, 다양한 비지배 솔루션 집합을 유지하기 위해, 본 발명은 Pgd(t)를 선택하는 밀집 거리 니칭 방법을 사용한다.The main idea of the MOPSO algorithm is that the output of the PSO is a non-dominant solution or a solution set named PF. In the present invention, power reduction and yaw actuator use are simultaneously minimized by using NSPSO (Non-dominated Sorting PSO) algorithm proposed by Li in [41]. A key feature of this method is that it provides an appropriate selection pressure to propel the swarm population toward the PF, since it updates each particle by comparing its individual offspring with the individual best of all particles on the whole particle. In addition, to maintain a variety of non-dominant solution sets, the present invention uses a dense distance method of selecting Pgd (t).

목적 함수들 및 설계된 제어 파라미터Objective functions and designed control parameters

먼저, 제1 YCS(100)은 다음의 제1 목적 함수와 제2 목적 함수를 가진다. First, the first YCS 100 has the following first and second objective functions.

YCS의 파라미터 최적화는 요 오차 최소화와 액추에이터 사용 최소화를 목표로 하기 때문에, 성능 인덱스를 사용하도록 한다. 따라서, 제1 목적 함수는 수학식 11과 같이 표현되며, 요 오차 최소화에 따른 전력 감소량을 결정하도록 한다. The parameter optimization of the YCS is aimed at minimizing the error and minimizing the actuator usage, so use the performance index. Therefore, the first objective function is expressed as Equation (11), and the amount of power reduction due to the minimization of the error is determined.

[수학식 11]&Quot; (11) &quot;

Figure pat00026
Figure pat00026

이때, N은 풍향 이력 데이터의 샘플링 수이고,

Figure pat00027
는 s번째 샘플링 시점에서의 요 오차이다. Here, N is a sampling number of the wind direction history data,
Figure pat00027
Is the yaw error at the s-th sampling point.

제2 목적 함수는 요 엑츄에이터 사용량을 산출하며, 이는 수학식 12과 같이 표현되는 요 동작 시간을 통해 계산된다. The second objective function calculates the yaw actuator use amount, which is calculated through the yaw operation time expressed by Equation (12).

[수학식 12]&Quot; (12) &quot;

Figure pat00028
Figure pat00028

설계된 제어 파라미터를 선택하는 것은 성능 최적화에 중요하다. 제어시스템 1은 Tfast와 Th가 논리적으로 연결되어 있기 때문에, Tslow와 Th가 설계된 제어 파라미터로 선택되는 3 가지 제어 파라미터(Tfast, Tslow 및 Th 포함)를 정의한다. 물리적 의미를 고려할 때 Tslow와 Th는 다음 범위에서 선택된다. Choosing designed control parameters is important for performance optimization. Control system 1 defines three control parameters (including T fast , T slow, and Th) that are selected by the designed control parameters, T slow and Th, because T fast and Th are logically connected. Considering the physical meaning, T slow and Th are chosen in the following ranges.

[수학식 13]&Quot; (13) &quot;

Figure pat00029
Figure pat00029

게다가 수학식 13에서 주어진 개별 범위 외에, Tfast와 Th는 달성 가능한 목적 함수에 의한 집합으로 제한된다.Furthermore, besides the individual ranges given in equation (13), T fast and Th are limited to a set of achievable objective functions.

[수학식 14]&Quot; (14) &quot;

Figure pat00030
Figure pat00030

수학식 14에서, 제어 파라미터 세트는 지배 솔루션 세트로 간주되고, 전력 감소 백분율이 10 % 이상이거나 요 액츄에이터 사용률이 15 % 이상이 될 때 폐기된다.In Equation 14, the set of control parameters is considered a dominant solution set and discarded when the power reduction percentage is greater than 10% or the yaw actuator utilization is greater than 15%.

그리고 제2 YCS(200)은 두 개의 제어 파라미터인 w1과 w2를 정의한 MPC 기반 제어 전략을 사용하며, 앞서 설명된 제1 및 제2 품질함수를 제1 및 제2 목적 함수로 이용하도록 한다. 이에 이들 2 개의 파라미터는 설계된 제어 파라미터로서 선택되고, 그 배열은 각각 다음과 같이 미리 선택된다.Then, the second YCS 200 uses an MPC-based control strategy that defines two control parameters w 1 and w 2 , and uses the first and second quality functions described above as the first and second objective functions . These two parameters are selected as the designed control parameters, and the arrangement is preselected as follows.

[수학식 15]&Quot; (15) &quot;

Figure pat00031
Figure pat00031

유사하게, 제어 파라메터 셋트는 수학식 16으로 제한된다. Similarly, the control parameter set is limited to Equation (16).

[수학식 16]&Quot; (16) &quot;

Figure pat00032
Figure pat00032

이어서, 단계 S3에 대해 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.Step S3 will now be described in more detail.

본 발명의 풍향 데이터는 운전 중인 풍력 터빈의 나셀에 탑재된 풍향계에 의해 수집된 실제 풍향 데이터일 수 있다. 또한 소정 시간에 걸쳐 반복적으로 측정 및 수집한 시계열 데이터일 수 있다. 예를 들어, 3 일 동안 측정되며, 표 1에서와 같은 풍향 변화값(θ(δwd))을 가지는 시계열 데이터일 수 있다. 이때, 풍향 변화값(θ(δwd))은 수학식 17에 의해 계산될 수 있다. The wind direction data of the present invention may be actual wind direction data collected by a weather vane mounted on a nacelle of an operating wind turbine. And may be time series data repeatedly measured and collected over a predetermined period of time. For example, it may be time series data measured for 3 days and having a wind direction change value (? (? Wd ) as shown in Table 1). At this time, the wind direction change value (? (? Wd )) can be calculated by the following equation (17).

[표 1][Table 1]

Figure pat00033
Figure pat00033

[수학식 17]&Quot; (17) &quot;

Figure pat00034
Figure pat00034

다만, 실제 풍향 데이터는 고주파 잡음 및 일부 외란을 포함할 수 있으나, 고주파 잡음 및 외란을 일부 데이터 처리 알고리즘으로 제거하는 경우 제어 성능 평가에 영향을 줄 수 있다. 이에 본 발명은 고주파 잡음 및 일부 외란이 포함된 실제 풍향 데이터, 즉 원본 데이터를 모델 입력으로 직접 사용하도록 한다. However, the actual wind direction data may include high frequency noise and some disturbances, but high frequency noise and disturbance may be influenced by some data processing algorithms when evaluating control performance. Therefore, the present invention allows direct use of actual wind direction data including high frequency noise and some disturbance, that is, original data, as model inputs.

본 발명의 MOPSO 파라미터는 다음과 같이 선택될 수 있다.The MOPSO parameter of the present invention can be selected as follows.

- 모집단 크기(Population size): Nip =100;- Population size: N ip = 100;

- 세대 최대수(Maximum number of generation): Tmax =100;- Maximum number of generation: T max = 100;

- 가속 계수(Acceleration coefficients): c1=0.8, c2=2.0;Acceleration coefficients: c1 = 0.8, c2 = 2.0;

- 관성 중량(Inertia weights): wmax =0.9, wmin =0.4- Inertia weights: w max = 0.9, w min = 0.4

표 1에서 볼 수 있듯이 풍향 변화는 DAY 1,2,3 각각에 대해 5.17, 4.16 및 6.54이다. 성능 분석의 편의를 위해 DAY 3의 풍향 데이터를 기반으로 한 결과는 두 가지 YCS의 파라미터 최적화 및 잠재적 성능 조사에 초점을 맞춘 상세한 분석에 사용된다. 또한, DAY 1,2의 결과는 다른 풍향 조건을 고려한 민감도 분석에 사용된다.As shown in Table 1, the wind direction change is 5.17, 4.16 and 6.54 for DAY 1,2,3 respectively. For ease of performance analysis, results based on DAY 3 wind direction data are used for detailed analysis focusing on parameter optimization and potential performance studies of two YCSs. Also, the results of DAY 1,2 are used for sensitivity analysis considering other wind direction conditions.

이러한 경우, 제1 YCS(100)은 다음과 같은 최적화 결과값을 획득하게 된다. In this case, the first YCS 100 acquires the following optimization result value.

제1 YCS(100)에 대한 도 4의 최적화 방법을 수행하면, 표2와 같은 초기 제어 파라미터(레퍼런스) 및 PF(솔루션 1, 2, 3 및 4)이 획득될 수 있다. By performing the optimization method of FIG. 4 for the first YCS 100, initial control parameters (reference) and PF (solutions 1, 2, 3 and 4) as shown in Table 2 can be obtained.

[표 2][Table 2]

Figure pat00035
Figure pat00035

그리고 동일한 방식으로 제2 YCS(200)에 대한 도 4의 최적화 방법을 수행하면, 표3와 같은 초기 제어 파라미터(레퍼런스) 및 PF(솔루션 1, 및 2)이 획득될 수 있다. Then, by performing the optimization method of FIG. 4 for the second YCS 200 in the same manner, initial control parameters (reference) and PF (solutions 1 and 2) as shown in Table 3 can be obtained.

[표 3][Table 3]

Figure pat00036
Figure pat00036

이어서, 단계 S4에 대해 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.Next, step S4 will be described in more detail as follows.

그리고 제1 YCS(100)의 최적화를 통해 획득된 솔루션과, 제2 YCS(200)의 최적화를 통해 획득된 솔루션을 비교 분석하여, 이하 표 4과 같은 성능 비교 분석 결과를 획득하도록 한다. The solution obtained through the optimization of the first YCS 100 and the solution obtained through the optimization of the second YCS 200 are compared and analyzed to obtain the performance comparison analysis result as shown in Table 4 below.

표 4의 성능 비교 분석 결과를 참고하면, 2개의 요 두 제어 시스템이 서로 다른 성능을 가짐을 명확히 알 수 있다. 요 엑츄에이터 사용량이 특정 값보다 높을 때 제2 YCS(200)의 성능이 제1 YCS(100)에 비해 우수하고, 그렇지 않으면 그 반대임을 알 수 있다. From the performance comparison analysis results in Table 4, it can be clearly seen that the two control systems have different performance. It can be seen that the performance of the second YCS 200 is superior to that of the first YCS 100 when the usage amount of the actuator is higher than a specific value, and vice versa.

[표 4][Table 4]

Figure pat00037
Figure pat00037

예를 들어, 솔루션 2(f1 = 0.0324, f2 = 0.049)를 기준으로, 요우 엑츄에이터 사용량의 4.9 % 이상 허용되면, 제2 YCS(200)의 성능이 보다 우수하고, 그렇지 않으면 제1 YCS(100)의 성능이 보다 우수하다. For example, if 4.9% or more of the yaw actuator usage is allowed for the solution 2 (f 1 = 0.0324, f 2 = 0.049), the performance of the second YCS 200 is better, 100).

그리고 솔루션 1에서와 같이 요 엑츄에이터를 14 % 사용하면, 제2 YCS(200)의 전력 추출 효율은 97.73 %로 제1 YCS(100)보다 0.54 % 더 높으며, 솔루션 3에서와 같이 요 액츄에이터 사용량의 2 %이면, 제2 요제어 시스템의 전력 추출 효율은 제1 YCS(100) 보다 0.92 % 적은 95.45 %로 감소한다. Using 14% of the actuator as in Solution 1, the power extraction efficiency of the second YCS 200 is 97.73%, which is 0.54% higher than that of the first YCS 100, and as in Solution 3, %, The power extraction efficiency of the second yaw control system is reduced to 95.45%, which is 0.92% less than that of the first YCS 100. [

이에 본 발명은 시스템 구동 조건이 입력되면(S5), 상기와 같은 성능 비교 분석표를 참고하여 해당 시스템 구동 조건을 만족시키는 YCS을 선택 및 구동하고, 이에 따라 사용자가 필요로 하는 성능을 안정적으로 확보할 수 있게 된다(S6).Therefore, when the system driving conditions are inputted (S5), the present invention selects and drives the YCS satisfying the corresponding system driving conditions by referring to the performance comparison analysis table as described above, and thereby, the performance required by the user is stably secured (S6).

더하여, 본 발명은 상기 풍향 데이터의 풍향 조건을 달리하면서 상기 제1 및 제2 요 제어 시스템 각각을 최적화시킨 후 최적화 결과를 비교 분석함으로써, 요 제어 시스템별로 풍향 조건에 따른 민감도를 산출하는 단계(S7)를 더 포함할 수도 있다. In addition, according to the present invention, the sensitivity of the yaw control system is calculated for each yaw control system by optimizing each of the first and second yaw control systems while varying the wind direction conditions of the wind direction data, ). &Lt; / RTI &gt;

도 5에서 볼 수 있듯이, 풍향의 변화가 감소하면 모든 PF 곡선은 오른쪽에서 왼쪽으로 움직이고, 동일한 요 엑츄에이터 사용을 유지하면서 전력 추출 효율의 대략 1 %가 풍향 변화 δ(θwd)는 Day 3의 6.54에서 Day 1의 5.17로 감소하고, 전력 추출의 또 다른 0.5 %는 δ(θwd)만큼 증가하여 Day 2의 4.16으로 더 감소한다. 풍향 변화가 작으면 전체적인 성능이 향상된다는 것은 YCS가 편차가 적은 풍향을 추적하기가 더 쉽다는 것을 의미한다. 5, all PF curves move from right to left as the change in direction of the wind decreases, and about 1% of the power extraction efficiency, while maintaining the same yaw actuator use, changes in the direction of wind δ (θ wd ) To 5.17 of Day 1, and another 0.5% of the power extraction increases by δ (θ wd ) and further decreases to 4.16 of Day 2. If the wind direction change is small, the overall performance is improved, which means that the YCS is easier to track the wind direction with less variation.

다만, 풍향 조건이 변화하는 경우에도 제1 및 제2 YCS(100, 200)의 성능 비교의 결과를 계속하여 유지된다. 예를 들어, 요 액추에이터의 사용이 기 설정값 보다 클 때, 제2 YCS(200)는 제1 YCS(100)보다 우수하게 수행되며, 다만, 그 값이 감소된 풍향 변화로 인해 4.9 %에서 4.3 %로 약간 감소될 뿐이다. However, even when the wind direction conditions change, the results of the performance comparison of the first and second YCSs 100 and 200 are continuously maintained. For example, when the use of the yaw actuator is greater than a pre-set value, the second YCS 200 performs better than the first YCS 100, but its value decreases from 4.9% to 4.3% %.

그러므로 다른 바람 조건 하에서 제2 YCS(200)는 수용 가능한 요 액츄에이터 사용 내에서 보다 높은 전력 추출 효율을 보장할 수 있음을 알 수 있다. Thus, under different wind conditions, it can be seen that the second YCS 200 can ensure higher power extraction efficiency within acceptable yaw actuator usage.

[표 5][Table 5]

Figure pat00038
Figure pat00038

이와 같은 민감도 분석은 다양한 풍향 조건에서 최적화된 파라미터의 효과를 조사할 수 있도록 한다. 이를 위해, 표 2와 3에 요약된 최적화된 제어 파라미터를 사용하여 성능 결과를 얻는데, 이는 도 5에 그려져 있으며 표 5에 요약되어 있다. This sensitivity analysis allows to investigate the effect of optimized parameters in various wind direction conditions. To this end, the optimized control parameters summarized in Tables 2 and 3 are used to obtain performance results, which are depicted in FIG. 5 and summarized in Table 5.

이를 참고하여, 풍향 조건에 변화에 따른 변동이 감소됨을 알 수 있으며, 이에 따라 파라미터 최적화에 의해 제1 및 제2 YCS(100, 200)의 성능은 향상되었음을 알 수 있다. 그럼에도 불구하고, DAY 3에 최적화된 설계된 제어 파라미터를 사용하는 제1 YCS(100)의 성능은 DAY 2과 DAY 3의 PF 곡선에서 벗어나는 반면, 제2 YCS(200)의 PF 곡선에서는 그렇지 않다. As a result, it can be seen that the fluctuation according to the change in the wind direction condition is reduced, and the performance of the first and second YCSs 100 and 200 is improved by parameter optimization. Nevertheless, the performance of the first YCS 100 using the designed control parameters optimized for DAY 3 deviates from the PF curves of DAY 2 and DAY 3, but not the PF curves of the second YCS 200.

이로부터, 풍향 조건이 바뀌면 제1 YCS(100)의 최적화 파라미터를 탐색해야하나, 제2 YCS(200)의 최적화 파라미터는 다시 사용할 수 있음을 알 수 있다. 즉, 풍향 데이터의 풍향 조건이 바뀌면, 제1 YCS(100)의 파라미터 최적화만을 재수행해야 함을 알 수 있다. From this, it can be seen that if the wind direction conditions change, the optimization parameters of the first YCS 100 should be searched, but the optimization parameters of the second YCS 200 can be used again. That is, when the wind direction condition of the wind direction data changes, it can be seen that only the parameter optimization of the first YCS 100 needs to be re-executed.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈의 요 제어 통합 시스템을 도시한 도면이다. 6 is a diagram illustrating a yaw control integrated system of a wind turbine according to an embodiment of the present invention.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 시스템은 풍향 정상 측정 결과에 기반한 요 제어 동작을 수행하는 제1 요 제어 시스템(100), 풍향 간접 측정 결과에 기반한 요 제어 동작을 수행하는 제2 요 제어 시스템(200), 요 오차 및 요 엑츄에이터 최소화를 위한 목적 함수 및 제한사항을 상기 제1 및 제2 요 제어 시스템 각각에 대해 정의한 후, MOPSO 기반 데이터마이닝을 통해 상기 제1 및 제2 요 제어 시스템 각각의 파라미터 최적화를 수행함으로써, 요 제어 시스템별 최적 솔루션을 획득하는 최적화 수행부(300), 상기 요 제어 시스템별 최적 솔루션을 비교 분석하여, 성능 비교 분석표를 생성하는 성능 비교 분석부(400), 시스템 구동 조건이 입력되면, 상기 성능 비교 분석표를 참고하여 상기 시스템 구동 조건을 만족시키는 하나의 요 제어 시스템을 선택 및 구동시키는 시스템 선택부(500) 등을 포함할 수 있다. As shown in FIG. 6, the system of the present invention includes a first yaw control system 100 for performing a yaw control operation based on a wind direction normal measurement result, a second yaw control system 100 for performing a yaw control operation based on a wind direction indirect measurement result, After defining the objective function and constraints for system 200, yaw error and yaw actuator minimization for each of the first and second yaw control systems, the first and second yaw control systems A performance comparison and analysis unit 400 for comparing and analyzing the optimal solutions for each of the yaw control systems to generate a performance comparison analysis table, When the driving condition is input, one yaw control system satisfying the system driving condition is selected and driven by referring to the performance comparison analysis table It may include system selection unit 500 and the like.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents should be construed as falling within the scope of the present invention.

Claims (10)

풍향 정상 측정 결과에 기반한 요 제어 동작을 수행하는 제1 요 제어 시스템과, 풍향 간접 측정 결과에 기반한 요 제어 동작을 수행하는 제2 요 제어 시스템을 구성하는 단계;
요 오차 및 요 엑츄에이터 최소화를 위한 목적 함수 및 제한사항을 상기 제1 및 제2 요 제어 시스템 각각에 대해 정의하는 단계;
MOPSO(Multi-Objective Particle Swarm Optimization) 기반 데이터마이닝을 통해 상기 제1 및 제2 요 제어 시스템 각각의 파라미터 최적화를 수행함으로써, 요 제어 시스템별 최적 솔루션을 획득하는 단계;
상기 요 제어 시스템별 최적 솔루션을 비교 분석하여, 성능 비교 분석표를 생성하는 단계; 및
시스템 구동 조건이 입력되면, 상기 성능 비교 분석표를 참고하여 상기 시스템 구동 조건을 만족시키는 하나의 요 제어 시스템을 선택 및 구동시키는 단계를 포함하는 풍력 터빈의 요 제어 방법.
A first yaw control system for performing a yaw control operation based on a wind direction normal measurement result and a second yaw control system for performing a yaw control operation based on a wind direction indirect measurement result;
Defining an objective function and constraints for minimizing a yaw error and a yaw actuator for each of the first and second yaw control systems;
Acquiring an optimal solution for each of the first and second yaw control systems by performing parameter optimization of each of the first and second yaw control systems through data mining based on Multi-Objective Particle Swarm Optimization (MOPSO);
Comparing and analyzing the optimum solution for each yaw control system to generate a performance comparison analysis table; And
And selecting and operating one yaw control system satisfying the system drive condition by referring to the performance comparison analysis table when the system drive condition is inputted.
제1항에 있어서, 상기 제1 요 제어 시스템은
나셀 위치를 조정하며, 상기 나셀 위치를 풍향과 비교하여 요 오차를 산출하는 제1 요 시스템; 및
상기 요 오차를 제1 시간(Tfast) 및 제2 시간(Tslow, Tslow > Tfast)으로 로우 패스 필터링하여 제1 변화 측정값(erfast)과 제2 변화 측정값(erslow)을 생성하고, 상기 제1 변화 측정값(erfast)의 적분 결과가 임계값(Th)에 도달할 때에 상기 요 시스템의 나셀 위치를 상기 제2 측정값(erslow) 기반으로 이동시키는 제1 요 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 요 제어 방법.
2. The system of claim 1, wherein the first yaw control system
A first urine system for adjusting a nacelle position and calculating a urine error by comparing the nacelle position with a wind direction; And
Pass filtering the urine error to a first time T fast and a second time T slow and T slow > T fast to obtain a first change measurement value er fast and a second change measurement value er slow And for moving the nacelle position of the urine system based on the second measured value er slow when the integration result of the first change measurement value er fast reaches the threshold value Th, And controlling the yaw rate of the wind turbine.
제1항에 있어서, 상기 제2 요 제어 시스템은
나셀 위치를 조정하며, 상기 나셀 위치를 풍향과 비교하여 요 오차를 산출하는 제2 요 시스템; 및
상기 나셀 위치와 상기 요 오차를 기반으로 풍향 예측치를 산출하는 이상적 예측 모듈, 상기 풍향 예측치 및 상기 나셀 위치를 기반으로 요 오차 예측치를 산출하는 예측 모델, 요 오차와 요 엑추에이터 사용을 최소화하는 목적 함수를 구성한 후, 상기 목적 함수 최소화를 통해 상기 요 오차 예측치가 최소화되는 나셀 위치값을 예측 및 제공하는 목적 함수 최소화부를 포함하는 제2 요 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 요 제어 방법.
2. The system of claim 1, wherein the second yaw control system
A second urine system for adjusting a nacelle position and calculating a urine error by comparing the nacelle position with a wind direction; And
An ideal prediction module for calculating a wind direction prediction value based on the nacelle position and the yaw error, a prediction model for calculating a yaw error prediction value based on the wind direction prediction value and the nacelle position, an objective function for minimizing a yaw error and a yaw actuator use, And a second yaw control unit including an objective function minimizing unit for predicting and providing a nacelle position value in which the yaw error prediction value is minimized through the objective function minimization.
제3항에 있어서, 상기 요 제어기는
각 샘플링 기간의 풍향 예측 결과를 업데이트하여 다음 샘플링 시점에서의 풍향 예측치를 산출하는 이상적 예측 모듈;
상기 풍향 예측치, 상기 나셀 위치, 다음 샘플링 시점에서의 나셀 허용 속도값을 기반으로 다음 샘플링 시점에서의 요 오차 예측치를 산출하는 예측 모듈; 및
요 오차 및 요 엑츄에이터 사용량을 산출하는 제1 및 제2 목적 함수를 구성한 후, 상기 제1 및 제2 목적 함수의 최소화를 통해 상기 요 오차 예측치가 최소화되는 나셀 위치값을 예측 및 제공하는 품질함수 최소화부를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 요 제어 방법.
4. The system of claim 3, wherein the yaw control device
An ideal prediction module for updating a wind direction prediction result of each sampling period to calculate a wind direction prediction value at a next sampling time;
A prediction module for calculating a yaw error prediction value at a next sampling time based on the wind direction prediction value, the nacelle position, and a nacelle allowable speed value at a next sampling time; And
A first and a second objective function for calculating a yaw error and a yaw actuator usage amount and then minimizing a quality function to predict and provide a nacelle position value in which the yaw error prediction value is minimized by minimizing the first and second objective functions And a control unit for controlling the yaw control of the wind turbine.
제2항 또는 제4항에 있어서, 상기 파라미터 최적화를 수행하는 단계는
풍향 데이터, 요 제어 시스템, MOPSO 파라미터, 목적 함수를 포함하는 초기 모델을 생성하는 단계;
MOPSO 알고리즘의 초기 제어 파라미터를 사용하여, 상기 풍향 데이터, 상기 요 제어 시스템, 및 상기 MOPSO 파라미터에 기반한 시물레이션 테스트를 반복 수행하는 단계; 및
상기 목적 함수와 제한 조건을 기반으로 모집단의 각 개체를 순차적으로 평가한 후, 비지배적 솔루션을 최적 솔루션으로 획득 및 저장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 요 제어 방법.
5. The method of claim 2 or 4, wherein performing the parameter optimization comprises:
Generating an initial model including wind direction data, a yaw control system, a MOPSO parameter, and an objective function;
Repeatedly performing a simulation test based on the wind direction data, the yaw control system, and the MOPSO parameter using an initial control parameter of the MOPSO algorithm; And
Sequentially evaluating each entity of the population based on the objective function and the constraint, and acquiring and storing the non-dominant solution as an optimal solution.
제5항에 있어서,
상기 요 제어 시스템이 상기 제1 요 제어 시스템인 경우,
상기 목적 함수는 요 오차 최소화를 위한 제1 목적 함수와, 요 엑츄에이터 사용량 최소화를 위한 제2 목적 함수로 구성되고,
상기 제1 목적 함수는 "
Figure pat00039
"으로 표현되고, 상기 제2 목적 함수는 "
Figure pat00040
"로 표현되며,
상기 제한 조건은 '
Figure pat00041
" 및 "
Figure pat00042
"인 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 요 제어 방법.
6. The method of claim 5,
When the yaw control system is the first yaw control system,
Wherein the objective function is constituted by a first objective function for minimizing a yaw error and a second objective function for minimizing a yaw actuator usage amount,
The first objective function is "
Figure pat00039
Quot; and the second objective function is expressed as "
Figure pat00040
"
The restriction condition is'
Figure pat00041
"And"
Figure pat00042
&Quot;.&lt; / RTI &gt;
제5항에 있어서,
상기 요 제어 시스템이 상기 제2 요 제어 시스템인 경우,
상기 목적 함수는 요 오차 최소화를 위한 제1 품질 함수와, 요 엑츄에이터 사용량 최소화를 위한 제2 품질 함수로 구성되고,
상기 제1 품질 함수는 "
Figure pat00043
"로 표현되고, 상기 제2 품질 함수는 "
Figure pat00044
"로 표현되고,
상기 제한 조건은 "
Figure pat00045
" 및 "
Figure pat00046
"이며,
상기 θye는 요 오차, 상기
Figure pat00047
는 요 속도, 상기 w1 및 w2는 목적 함수 최적화를 통해 조정되는 가중치인 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 요 제어 방법.
6. The method of claim 5,
When the yaw control system is the second yaw control system,
Wherein the objective function is constituted by a first quality function for minimizing a yaw error and a second quality function for minimizing a yaw actuator usage amount,
The first quality function is "
Figure pat00043
Quot; and the second quality function is expressed as "
Figure pat00044
"
The restriction condition is "
Figure pat00045
"And"
Figure pat00046
"
Ye is the θ yaw error, the
Figure pat00047
Is a yaw rate, and w 1 and w 2 are weights adjusted through objective function optimization.
제1항에 있어서,
상기 풍향 데이터의 풍향 조건을 달리하면서 상기 제1 및 제2 요 제어 시스템 각각을 최적화시킨 후 최적화 결과를 비교 분석함으로써, 요 제어 시스템별로 풍향 조건에 따른 민감도를 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 요 제어 방법.
The method according to claim 1,
Further comprising the step of calculating the sensitivity according to the wind direction condition for each yaw control system by optimizing each of the first and second yaw control systems while comparing the wind direction data of the wind direction data with the optimization result, A method for controlling yaw of a wind turbine.
제8항에 있어서,
상기 풍향 데이터의 풍향 조건이 바뀌면, 상기 제1 요 제어 시스템의 파라미터 최적화만을 재수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 요 제어 방법.
9. The method of claim 8,
Further comprising the step of re-executing only the parameter optimization of the first yaw control system when the wind direction condition of the wind direction data is changed.
풍향 정상 측정 결과에 기반한 요 제어 동작을 수행하는 제1 요 제어 시스템;
풍향 간접 측정 결과에 기반한 요 제어 동작을 수행하는 제2 요 제어 시스템;
요 오차 및 요 엑츄에이터 최소화를 위한 목적 함수 및 제한사항을 상기 제1 및 제2 요 제어 시스템 각각에 대해 정의한 후, MOPSO(Multi-Objective Particle Swarm Optimization) 기반 데이터마이닝을 통해 상기 제1 및 제2 요 제어 시스템 각각의 파라미터 최적화를 수행함으로써, 요 제어 시스템별 최적 솔루션을 획득하는 최적화 수행부;
상기 요 제어 시스템별 최적 솔루션을 비교 분석하여, 성능 비교 분석표를 생성하는 성능 비교 분석부; 및
시스템 구동 조건이 입력되면, 상기 성능 비교 분석표를 참고하여 상기 시스템 구동 조건을 만족시키는 하나의 요 제어 시스템을 선택 및 구동시키는 시스템 선택부를 포함하는 풍력 터빈의 요 제어 통합 시스템.
A first yaw control system for performing a yaw control operation based on the wind direction normal measurement result;
A second yaw control system for performing a yaw control operation based on the wind direction indirect measurement result;
The objective function and the restriction for minimizing the yaw error and the yaw actuator are defined for each of the first and second yaw control systems, and then the first and second yaw control motions are performed through data mining based on Multi-Objective Particle Swarm Optimization (MOPSO) An optimization performing unit for acquiring an optimum solution for each yaw control system by performing parameter optimization of each control system;
A performance comparison and analysis unit for comparing and analyzing the optimal solution for each yaw control system to generate a performance comparison analysis table; And
And a system selector for selecting and operating one of the yaw control systems satisfying the system drive condition by referring to the performance comparison analysis table when the system drive condition is inputted.
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