KR840002220B1 - 풍동 터어빈의 멀티 모우드(multi-mode) 제어 시스템 - Google Patents

풍동 터어빈의 멀티 모우드(multi-mode) 제어 시스템 Download PDF

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KR840002220B1
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미첼 코스 조셉
피터 패트릭 존
아이번 하너 커미트
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벨번. 피. 윌리암스.
유나이티드 테크놀로지스 코오포레이숀
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Abstract

내용 없음.

Description

풍동 터어빈의 멀티 모우드(MULTI-MODE) 제어 시스템
제1도는 전형적 풍동 터어빈의 다이어그램,
제2도는 날개 경사각 제어기를 포함한 풍동 터어빈 전력발전 시스템의 개략적인 다이어그램,
제3도는 제2도의 날개 경사각 제어기의 세부를 보여주는 개략적인 다이어그램,
제4도는 제3도의 회전자 속도제어기의 개략적인 다이어그램,
제5도는 제3도의 가속도 제어기와 감속도 제어기의 개략적인 다이어그램,
제6도는 제3도의 축토오크 제어기의 개략적인 다이어그램,
제7도는 제3도의 모우드 선택기의 개략적인 다이어그램,
제8도는 제3도의 적분기의 개략적인 다이어그램,
본 발명은 전력을 생산하기 위해 풍력을 이용하는 가변경사 수평축 풍력 변환 시스템에 대한 제어 시스템과 특히 자동적으로 안전작동을 제공하고 바람에서 에너지획득을 최적화하기 위해 풍동 터어빈의 경사각을 조정하는 제어시스템에 관한 것이다. 풍동 터어빈 회전자는 유용한 파워 그리드에 전력을 공급하기 위해 연결된 동기발전기를 돌리며, 이 제어시스템은 요구되는 전기주파수와 위상을 유지하기 위해 돌풍과 난류의 효과를 최소로 하고, 다른 기계장치 요소와 회전자 날개의 응력을 감소하기 위해 날개 경사각을 재빨리 조정한다.
최근의 에너지 위기와 석탄의 높은 가격은 자연 바람에 의해 회전하고 에너지를 얻는 커다란 크기의 풍동 터어빈, 사실상 커다란 풍차에 관심과 개발을 부활시켰다. 풍동터어빈의 회전자 날개는 최대직경이 91.50m이고, 전력으로 변환될 때 출력은 메가와트(MW)로 측정된다.
어떤 풍동터어빈은 발생되는 동력이 직접 기계동력 장치에 사용되나, 대부분 장치에서 회전에너지가 축적될 수 있는 전기에너지로 변환되어 멀리 떨어진 장치에 직접 전력으로 사용되거나 궁극적 송전을 위해 유용한 파워 그리드에 인가된다.
풍동터어빈의 주 문제점은 특히 풍동터어빈의 큰 전기회로에 연결된 동기발전기를 작동시킬 때 예기치 못한 돌풍과 난류의 발생으로부터 전기출력의 위상과 주파수를 조정하는 것이다. 고속의 바람에서는 어떠한 조그만 난류상태가 동기발전기를 동위상으로부터 이탈시켜서 그리드와 연결이 차단되기에 충분한 크기의 축토오크 동요를 유발할 수 있다.
이 문제를 극복하기 위해 풍동터어빈에서 풍속, 회전자 속도 출력과 같은 선택된 작동 변수들에 의해 날개각을 재빨리 변화시키는 제어시스템과 가변 경사각 회전자 날개가 제공되었다. 이 형태의 전형적 제어시스템은 본출원의 양수인에게 양도된 1978년 6월 15일에 각기 출원된 미합중국 특허제4,161,658호, 제4,160,170호와, 제4,189,648호에 발표되었으며 이들은 이러한 종류의 제어시스템을 완전하게 설명을 했다. 요약하면 전술된 종래 기술 제어시스템은 발전기의 단속 여부에 의해 일정한 속도와 동력을 얻기위해 폐쇄회로에서 그리고 시동과 정지시에 개방회로에서 회전자 날개 경사각을 조정한다.
본 발명은 전술된 제어시스템을 개량하여 개선된 동적성능과 순간반응특성을 제공하는 풍속터어빈 회전자 날개 경사각 제어기를 제공한다. 개선된 작동은 각각 시동과 정지시회전과 가속도 및 감속도의 폐쇄회로 제어기에 의해서 이루어지며, 모든 폐쇄회로 작동 형태에 대해 하나의 제어 적분기를 사용하고 적분기의 지나친 운전을 막기 위해서 적분기 앞에 속도 제한기를 설치하고 상기 적분기는 회전자 속도와 풍속의 함수로서 가변적인 최소의 날개각 정지값과 최대의 날개각 정지값을 지닌다. 또한 작동은 온라인 동력 제어를 위한 폐쇄회로 축토오크 제어기를 사용하여 이루어지며, 토오크 제어기는 회전자 속도와 발전기 속도의 차이로부터 합성되는 축토오크의 변화 비율에서 비례, 미분 및 적분 제어과정을 지닌다. 따라서, 본 발명의 목적은 여러가지 선택된 작업조건에 상응한 풍동터어빈 날개각을 조절하는 풍동터어빈의 개선된 경사각 제어기를 제공하는데 있다. 본 발명의 다른 목적은 작동 및 정지과정 중에 날개의 응력과 축토오크 변화를 최소로 하기 위해서 폐쇄회로방식에서 날개각을 선정하는 풍동 터어빈의 전자 경사각 제어기를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 동기 발전기가 오프라인일 때 속도를 조절하고 동기발전기가 온라인일 때 토오크를 조절하는 풍동터어빈의 폐쇄회로 전자 경사각 제어기를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 모든 폐쇄 회로 작업형태에 대해 하나의 제어 적분기를 사용하는데 있다.
발명의 또 다른 목적은 적분기의 과도 운전을 방지하기 위해 제어 적분기 앞에 속도제한 회로를 사용하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 회전자 속도와 풍속의 함수로서 선정되는 전자제 어적분기에서 가변최소날개각 정지값을 사용하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 온라인 토오크 제어를 위해 비례, 미분 및 적분 보상회로를 사용하고 오프라인 속도제어를 위해 비례 및 적분 보상회로를 사용하는데 있다.
본 발명에 의해, 2개의 날개를 지닌 수평축의 가변 경사 풍동터어빈 회전자는 지속연결축, 단계식 기어박스 및 고속연결축을 통하여 유용한 파워 그리드에 교류전력을 공급하기 위해 회전에너지를 변환시키는 동기발전기에 연결된다. 전자 제어기는 그에 반응해서 회전자 날개 경사각을 변하게 하는 폐쇄회로 유압 경사각 변환장치에 대한 기준 날개각을 설정한다.
풍동터어빈의 시동 및 정지시 폐쇄회로 적분제어기는 회전자 가속도 및 감속도를 안전값으로 유지시키기 위한 날개각을 선정한다. 오프라인 작업중에는 폐쇄회로 속도제어기는 요구되는 속도를 유지시키기 위해 날개각을 조절한다. 온라인 작업중에는 폐쇄회로축 토오크 제어기가 동기발전기에 의해 공급되는 필요한 전력값을 유지하기 위해 날개각을 조절한다. 토오크 제어기는 비례미분 및 적분 보상회로를 사용하여 축토오크의 변화비율이 회전자 속도와 발전기 속도사이의 차이로부터 합성된다. 속도제어기는 비례 및 적분보상회로를 사용한다.
본 발명의 신규한 장치는 각 회로안에 적분추적회로의 필요를 없애는 각각의 전자 폐쇄회로 제어기를 위한 통상의 전자적분기를 사용한다.
본 발명의 다른 특징은 불안정성을 야기시키는 적분기의 과도운전을 방지하는 경사각 변환장치의 회전비율과 같거나 그보다 약간 적은 속도 제한값을 지니는 제어적분기의 전방에 위치된 속도 제한기를 사용하는 것이다. 제어적분기는 최대 및 최소 날개각 정지값을 지니며 최소 날개각 정지값은 가변적이고 회전자 속도를 풍속으로 나눈것과 같은 속도비율의 함수로서 선정된다. 본 발명의 제어시스템은 비록 아날로그 회로가 사용되었으나 디지탈 전자부품을 사용할 수 있다.
본 발명은 첨부한 도면에 도시된 실시예를 통해서 설명될 것이다.
제1도에는 탑(12)에 설치되고 직경 방향으로 정반대로 위치한 두 개의 동일한 회전자 날개(10)(전체직경이 약 30.5 내지 91.5m)로 구성된 전형적인 풍동 터어빈 구조가 도시되어 있다. 기계적 요소들, 제어장치, 발전장치는 나셀(nacelle)(14)안에 내장된다. 이러한 터어빈 구조는 잘 알려진 것이므로, 세부적으로 설명할 필요는 없을 것이다. 또한 날개를 바람쪽으로 향하게 하기 위한 요우(yaw)식 제어도 효과적인 작동을 위해서는 필수적인 것이나, 잘 알려져 있으므로 더이상 설명하지 않겠다.
제2도에 도시된 바와같이, 터어빈 회전자 날개는 동기발전기(24)에 저속 연결축(18), 기어박스(20) 그리고 고속축(22)을 통해 연결된 허브(16)에 정착되어 있다. 기어박스(20)는 동기발전기(24)의 극쌍의 수 및 요구되는 교류출력 주파수에 따른 비율로 축(18)의 회전운동을 단계적으로 증가시킨다. 발전기(24)의 전기적인 출력은 도선(26)과 스위치(28)와 도선(30)을 통해 부하로 이송되는데, 그 부하는 전선을 통해 동력을 먼지역으로 이송시켜 주는 전기설비의 파워 그리드(power grid)일 수 있을 것이다. 발전기(24)로부터의 출력이 파워 그리드의 출력과 정합(match)되어 발전기가 온라인 연결될 때 스위치는 통상의 위상 및 주파수 동기회로에 의해 발생되어 신호선(32)을 통해 전달되는 신호에 의해 폐쇄된다.
스위치(28)의 상태를 나타내는 신호 및 그에 따른 시스템의 온라인 오프라인 상태는 신호선(34)을 통해 날개경사각제어기(36)에 전달된다.
도선(34)의 신호는 디지탈 또는 아날로그 전압 또는 전류일 수 있는 것으로, 발전기가 온라인 상태일때는 1로 되고 오프라인 상태일때는 0으로 될 것이다.
날개경사각제어기(36)는 풍동터어빈제어시스템의 핵심부로서, 도면을 참조해 더욱 상세히 설명하겠다. 요약해서, 제어기(36)는 요구되는 풍동터어빈 작동정도를 나타내는 입력신호와 실제 풍동터어빈 작동변수를 측정하는 감지기로부터의 신호를 수신하고, 폐쇄회로 전자제어기를 사용하여 전자유압식 폐쇄회로의 경사변환기구(38)를 통해 날개의 경사각을 조정한다. 제어기(36)는 도선(40)을 통해 경사변환기구로 보내지는 요구되는 또는 기준날개각신호(βR)를 발생시키며, 전자유압식경사변환기구는 전기적인 기준날개각신호(βR)를 실제날개각(βP)으로 변환시킨다.
제어기(36)에 필요한 작동데이터를 제공하기 위하여, 풍동터어빈의 선택된 위치에 피이드백 감지기가 설치된다. 허브(16)에는 변환기(46)가 접속되어, 회전자속도(NR)를 나타내는 신호를 도선(48)에 공급한다.
동기발전기(24)의 발전기속도(NG)를 나타내는 신호를 도선(52)에 공급하기 위해 유사한 변환기(50)가 발전기(24)의 축에 접속되어 있다. 또한 통상의 스트레인 게이지와 같은 변환기(54)가 축(22), 또는 축(18) 또는 기어박스(20)의 축에 연결되어, 축 토오크(
Figure kpo00001
S)를 나타내는 신호를 도선(56)에 공급하게 된다. 도시하지는 않았지만, 발전기 전력 또는 전류는 축 토오크 대신에 아날로그 방식으로도 감지할 수 있을 것이다. 도선(48), (52)와 (56)의 각 신호는 제어기(36)에 입력으로서 수신된다.
또한, 제어기(36)에는 아날로그 형식 또는 디지탈 형식의 전압으로 된 고정 또는 가변적인 다수의 기준신호가 전달된다. 기준신호 공급원으로는 블록(58)에 표시된 회전자 속도 기준신호 공급원과, 블록(60), (62)에 각각 표시된 회전자 가속도 제한기와 회전자 감속도 제한기를 들 수 있고, 그들로부터 발생되는 신호들은 각각 신호선(64), (66), (68)을 통해 제어기(36)에 전달된다. 작동정지스위치(70)는 신호선(72)을 통해 제어기(36)에 신호를 공급하는데, 그 신호는 풍동터어빈을 작동시키는 경우에는 1로 되며 풍동터어빈을 정지시키는 경우에는 0으로 된다. 회전자속도기준 신호는 도시하지 않은 시스템의 다른 부분으로부터 공급될 것이다. 풍속(Vw)은 풍속 감지기(74)에 의해 감지되며, 그 풍속을 나타내는 신호는 신호선(76)을 통해 제어기(36)에 공급된다. 풍속감지기(74)의 동적 특성은 도선(76)에 공급되는 풍속 신호가 순간 풍속보다는 평균풍속을 나타내게끔 되어있다. 도면에 도시하지는 않았지만 선전압, 유압, 오일 정도, 오일 온도, 베어링 온도, 진동과 발전기 전압 등의 근본적인 변수를 감지하고 표시하는 것과 같은 다른 기능은 풍동터어빈제어시스템에 의해 실행될 것이다.
오작동에 응답하는 비상정지기구가 또한 시스템의 일부로서 제공될 수 있을 것이다.
디지탈 전자소자를 사용하는 제어기가 이와같은 보조기능에 보다 용이하게 적용되며, 명령을 수신하여 실행할 수 있도록 용이하게 프로그램될 수 있을 것이다.
풍동터어빈제어기(36)는 네개의 독특한 작동형식을 제공한다. 제1제어형식은 시동으로서, 풍동터어빈과 발전기가 유효동력을 제공할 수 있을 정도로 평균 풍속이 일정치에 도달하였을 때 발생한다. 이때, 날개는 실속되거나 큰 가속응력을 발생시킴이 없이 회전자 및 발전기를 일정율의 속도 상태까지 가속시킬 수 있게 토오크를 제공할 수 있도록 페더링(feathering) 위치(90°)에서 저경사 위치로 이동해야만 한다.
제2제어형식은 오프라인 속도 제어이다. 발전기의 속도가 원하는 전기 출력주파수를 공급하는데 요구되는 값까지 증가함에 따라, 날개각을 조정하여 요구되는 속도를 유지시키게 하는 속도제어가 필요하다. 속도제어는 또한 동기발전기가 회로망에 연결될 수 있도록 동기발전기와 파워 그리드간의 위상관계를 조정하는데 사용될 수 있다. 회전자 속도기준신호는 이러한 목적에 따라 변화될 수도 있을 것이다. 위상조정에 사용되는 속도제어는 예로, 미합중국 특허 제4,160,170호에 기술되어 있다. 기본이론적으로, 발전기와 회전자의 속도를 제어하는 것은 가능하나, 그러한 제어는 회전자속도를 조정하는 경우 실행하는 것이 보다 쉬워진다.
제3제어형식은 온라인 동력제어이다. 일단 발전기가 요구되는 주파수를 발생시킬 수 있는 속도에 다다르고 발전기 위상이 파워 그리드의 위상과 같도록 조정되어지면, 발전기는 회로망에 접속되게 된다. 그러면 발전기에 의해 발생되는 동력을 요구되는 정도로 유지시킬 수 있도록 회전자 날개의 경사각이 조정된다. 고속의 풍속에서 회전자는 수배의 동력을 발생시킬 수 있게 된다. 바람의 평균속도가 높은 지역에서 바람이 심하게 난류화 되면, 현저한 교란이 발생하게 되고, 따라서 이와같은 난류상태 중에는 동력변동을 최소화시킬 수 있도록 급속한 경사조정이 필요하게 된다. 동력제어는 축 토오크 측정에 의해 제공된다. 속도는 온라인 작동시 근본적으로 일정하므로 축 토오크의 측정은 직접적인 동력의 측정과 같은 것이다. 동력을 제어하는데 사용될 수 있는 다른 매개변수들은 발전기 전류와 전력이다.
제4제어형식은 정지이다. 시스템을 어떤 이유로 정지시켜야 하는 경우에는 날개각을 90°의 페더링 위치로 증가시켜야 한다. 이때, 날개각을 매우 빨리 증가시킨다면 큰 감속 토오크가 발생하게 된다.
제2도의 날개경사각제어기(36)를 제3도에 블록다이어그램으로 도시하였다. 블록(78)으로 도시된 회전자속도제어기는 선(72)상의 작동정지신호는 물론이고 선(76)상의 평균풍속신호(VW), 선(64)상의 회전자속도기준신호(NRREF) 그리고 선(48)상의 회전자 속도신호(NR)를 입력으로 수신하게 된다.
제4도에 상세히 도시된 회전자속도제어기는 최대값 선택회로(82)에 신호선(80)을 통해 이송되는 회전자속도. 날개각 비율신호(
Figure kpo00002
N)를 발생시킨다. 블록(84)에 도시된 가속도 제어기는 선(66)에 회전자 가속도 제한신호(NRAC LIM), 그리고 선(48)에 회전자 속도신호(NR)를 입력으로 수신하여, 최대값 선택회로(82)에 신호선(86)을 통해 이송되는 가속도 날개각 비율신호(
Figure kpo00003
A
최대값 선택회로(82)는 도선(80 또는 66)에서 날개각 감소의 최저비율 또는 날개각 증가의 최고비율을 초래하는 날개각 비율 신호를 선택하며, 날개각 증가의 최고비율은 페더링 90°위치에서 최대의 날개 경사각을 유지하는 날개각 비율을 말한다. 선택된 날개각비율신호는 신호선(88)을 통해 최소값 선택회로(90)에 전달된다. 도선(88)에 이 선택된 날개각 신호는 (
Figure kpo00004
MX)로 표시된다.
또한 최소값 선택회로(90)에 블록(94)에서 도시된 감속도 제어기에 의해서 발생되는 신호선(92)의 감속도 날개각 비율 신호(
Figure kpo00005
D)가 전달된다. 감속도 제어기(94)는 도선(68)의 회전자 감속도 제한신호(NRDCLIM)와 도선(48)의 회전자 속도신호(NR)를 그곳에 입력으로 수신한다. 감속제어기(94)는 제5도에서 좀더 상세히 서술될 것이다.
최소값 선택회로(90)는 도선(88 또는 92)의 가장 빠른 날개각 감속도 비율을 요구하는 날개각 비율신호를 선택한다. 최소값 선택회로(90)로부터의 출력은 신호선(95)에 나타내진 최소비율신호(
Figure kpo00006
MN)이고 모우드 선택회로(96)에 입력으로 전달된다.
또한 모우드 선택회로(96)에 신호선(98)의 축 토오크 날개각 비율신호(
Figure kpo00007
Q)가 입력으로 수신된다. 이러한 신호는 블록(100)으로 도시되는 축 토오크 제어기에 의해서 발생되는데 이 축 토오크 제어기는 도선(76)의 평균 풍속신호(VW), 도선(56)의 축 토오크 신호(
Figure kpo00008
S R G
제2도의 동기발전기(24)는 스위치(28)를 통하여 파워 그리드에 접속되었는가를 나타내는 도선(34)의 오프 온라인 신호는 모우드 선택기(96)에 입력 수신된다. 제7도에서 좀더 상세히 도시된 모우드 선택기(96)는 동기 발전기가 오프라인일 때 도선(95)의 최소값 날개각 비율과 동기발전기가 온라인일 때 도선(98)의 토오크 날개각 비율을 선택한다. 선택된 신호는 날개각 기준비율신호(
Figure kpo00009
R)로 표시되고 전자적분기(1O4)에 신호선(102)을 통해 통과한다. 또한 적분기는 도선(48)의 회전자 속도신호(NR)와 도선(76)의 평균 풍속신호(VW)를 입력 수신한다. 제8도에서 더욱 상세히 서술되는 적분기(104)는 모우드 선택회로(96)으로부터의 출력을 적분하고 제2도에 도시된 날개각 기준신호(βR)를 도선(40)의 출력으로 발생시킨다. 제3도를 참조하면, 시동명령이 주어지면 디지탈 1이 신호선(72)에 나타나며 회전자 속도제어기(78)의 속도기준신호(NRREF)가 0에서 그 공칭값으로 변화된다. 그후에 속도제어기(78)는 도선(80)에 큰 네가티브 날개각 비율(
Figure kpo00010
N
Figure kpo00011
A
Figure kpo00012
A A
Figure kpo00013
A
회전자속도가 증가하면 신호선(80)의 (
Figure kpo00014
N)값이 (
Figure kpo00015
A)값보다 커질때까지 증가된다. (보다 적은 네가티브가 된다) 이때에 최대값 선택회로(82)는 (
Figure kpo00016
N)를 선택한다. (
Figure kpo00017
N)값은 도선(92)의 (
Figure kpo00018
D)보다 여전히 낮기 때문에 최소값 선택회로(90)는 모우드 선택회로(96)를 통해 (
Figure kpo00019
N)값을 적분기(104)로 통과시킨다. 지금은 시스템이 회전자 속도제어기에서 작동되고 정상의 일정 풍속조건에 있어서 (
Figure kpo00020
N)은 0에 접근하며 (
Figure kpo00021
A)는 네가티브값이 되며 (
Figure kpo00022
D)는 포지티브 값이 된다.
만약 지금 풍통터어빈을 정지시키는 명령이 주어진다면, 회전가 속도제어기의 기준속도는 신호선(72)의 디지탈 0의 정지신호에 의하여 공칭값으로부터 0로 된다. 회전자 속도제어기(78)가 가속도 제어기(84)에 의해서 명령된 비율보다 매우 큰 포지티브 날개각 비율을 명령한다. 그러면 최대값 선택회로(82)는 (
Figure kpo00023
N
Figure kpo00024
D
Figure kpo00025
D
Figure kpo00026
Q
제3도에 도시된 4개의 제어회로의 동적 특성과 모우드 선택기(96) 및 비율제한적분기(104)가 하기도면을 참조로 설명된다.
제4도는 제3도의 회전자속도 제어기의 세부를 나타낸다. 도선(72)의 작동/정지신호는 도선(64)의 속도기준신호(NRREF)와 함께 체배기(110)에 전달된다. 작동/정지신호는 속도기준신호를 위한 체배기에도 전달되는데 디지탈 1이 풍동터어빈을 작동시키려면 도선(72)에 나타나고 풍동터어빈을 정지시키려면 디지탈 0이 나타난다. 도선(72)에 디지탈 1이 나타나면 체배기(110)는 접속부(114)에 입력 접수되는 도선(64)의 신호(NRREF)를 출력선(112)을 통하여 통과시킨다. 또한, 도선(48)의 회전자 속도신호(NR)가 접속부(114)에 입력 접수된다. 도선(112)의 회전자 기준속도는 접속부(114)에서 도선(48)의 실제 회전자 속도와 비교되고 어떤 속도오차가 신호선(116)에 나타난다. 그후에 도선(116)의 속도오차는 보상회로(118)를 통과하여 신호선(120)을 통하여 체배기(122)로 전달된다. 보상회로(118)는 아날로그 형태로 도시된 리드래그 회로망을 지닌다.
이득(K2)은 일정하며 수동조절가능한 제어이득으로 표시된다. 평균풍속의 함수로 예정된 신호선(124)의 가변 이득은 체배기(122)로 전달된다. 도선(76)의 풍속신호(VW)는 가변이득(K2)을 풍속함수로서 예정하는 함수발생기(126)로 전달된다. 가변이득의 사용은 회전자 토오크가 날개각과 함께 변화하는 비선형회전자 공기 역학 특성을 보상하는 것이 좋다. 함수발생기(126)에서 발생되는 도선(124)의 가변이득은 체배기(122)속에서 도선(120)의 속도제어신호와 급해지게 된다. 체배기(122)의 출력은 신호선(80)의 회전자속도날개각 비율신호(
Figure kpo00027
N)이다.
풍동 터어빈 속도제어는 발전기 속도 또는 회전자 속도를 직접 제어하므로서 얻을 수 있다. 회전자속도제어를 선택하는 이유는 발전기속도를 이용하여 상응한 제어를 이루기 위해서는 제어기는 긴 회전자 지연을 보상할 뿐아니라 회전자 및 발전기 관성과 연결되는 축강성에 의해 발생되는 공진을 보상하기 위한 2차리이드 보상을 제공하는 보상회로망을 제공해야만 하기 때문이다. 풍동터어빈을 사용하기 위해서는, 이러한 2차리이드보상이 발전기 속도보다는 오히려 회전자 속도를 검출하여서 자동적으로 이루어진다. 속도제어를 위해 회전자속도를 검출하는 것은 상응한 속도제어를 이루기 위해서 회전자 지연에 대한 리이드 보상만을 필요로 한다.
제5도는 제3도의 연합된 가속도 제어기(84)와 감속도 제어기(94)의 세부를 도시한다. 도선(48)의 회전자 속도신호(NR)는 블록에 도시된 것 같은 전달함수로 미분회로망으로 전송된다.
미분회로망(128)으로부터의 출력은 회전자 속도변화 비율에 비례하며 신호선(130)에 나타난다. 도선(130)의 신호는 접속부(132)에서 도선(66)의 회전자 가속도 제한신호(
Figure kpo00028
RAC LIM)와 비교된다. 그들 사이의 어떤 차이, 즉 가속도 오차신호는 가속도 날개각 비율신호(
Figure kpo00029
A)를 신호선(86)에 발생시키도록 신호선(136)을 통하여 가속도제어 이득회로(138)로 전송된다. 또한 신호선(130)의 회전자 속도 비율신호(
Figure kpo00030
R)는 접속부(134)에서 신호선(68)의 회전자 감속도 제한신호(
Figure kpo00031
RDC LIM)와 비교되어서 그 사이에 차이가 신호선(92)의 감속도 날개각 비율 신호(
Figure kpo00032
D)를 발생시키도록 신호선(140)과 이득회로(142)를 통하여 전송된다. 가속과 감속중에는, 날개각은 일정한 회전자 가속도 또는 감속도 비율을 유지하도록 조정된다. 가속도 및 감속도 제한치(
Figure kpo00033
R)는 약 100%의 정격토오크의 가속도 토오크로부터 발생되는 가속도를 계산하여서 이루이진다. 실제로 가속도 및 감속도 제어기는 시동시에는 ＋100%로 정지중에는 -100%로 회전자 토오크 값을 제한하여서 이러한 작업상태에서 날개의 응력을 최소화한다. 공기 역학적 토오크 변화로부터 회전자 가속도로의 전달함수속에는 긴 지연이 없기 때문에, 단순한 적분 제어가 만족스러우며 미분회로망(128) 속의 시간상수 T3가 잡음 필터링을 위해서 사용된다.
제6도는 제3도의 온라인 축 토오크제어기(100)의 세부를 도시한다. 토오크 기준신호(QREF)는 도선(76)에 나타나 있는 평균 풍속신호(VW)의 함수로서 함수발생기(144)속에 선정되어 있으며 토오크 기준신호는 신호선(76)에 나타나며 가산접속부(148)에 입력 수신된다. 토오크 기준신호는 가산접속부(148)속에서 신호선(56)에 나타나는 실제 토오크신호(
Figure kpo00034
S)와 비교되고 토오크 오차를 표시하는 신호가 신호선(150)에 나타나며 토오크 오차신호에 대해 이득과 지연을 제공하는 동적보상회로(152)를 통과한다. 축 토오크의 미분값은 방정식(NN-NG발생기 비율), 즉 회전자와 발생기 사이의 비틀림스프링 비율에 의해서 대략적으로 얻어진다. 이러한 방정식은 제6도에 암시되어 있다. 도선(48)의 회전자속도(NR)는 가산접속부(158)에 입력수신되고 신호선(52)의 발전기 속도신호(NG)는 발전기 속도가 회전자와 발전기 사이의 기어비율에 상응한 숫자로 나누어지는 분할 회로(160)로 수신된다. 따라서, 도선(162)에 나타나는 신호는 토오크가 없을 때의 회전자속도에 상응한다. 도선(162)의 신호는 가산접속부(158)에 다른 입력으로 수신된다. 2개의 신호는 가산접속부(158)속에서 비교되어서 축 토오크의 미분값에 비례하는 발전기 속도와 회전자 속도사이의 차이를 나타내는 신호를 신호선(161)에 발생시킨다. 그후에 이러한 신호는 동적보상 회로망(163)과 신호선(164)을 통해서 보상축 토오크 미분신호가 도선(154)의 지연 토오크 오차신호에 합산되는 가산접속부(156)로 송신된다. 블록(163)의 리이드 보상회로는 지연 T1을 통한 속도오차 및 속도오차의 비율변화의 함수를 출력으로 만든다. 속도오차가 축 토오크
Figure kpo00035
S 1
Figure kpo00036
S
Figure kpo00037
S
Figure kpo00038
S
Figure kpo00039
S
Figure kpo00040
S
가산 접속부(156)로부터의 출력은 신호선(170)에 나타나는 가변 이득신호(KQ)와 급해지는 체배기(168)로 신호선(166)을 통하여 송신된다. 가변이득은 도선(76)의 평균풍속(VW)의 함수로서 함수발생기 블록(172)속에 제공된다. 체배기(168)로부터의 출력은 도선(98)의 축 토오크 날개각 비율신호(
Figure kpo00041
Q)이다. 가변이득과 체배기(168)를 사용하는 것이 비선형 회전자동적 특성을 보상하는데 바람직하다. 사실상, 제6도에 도시된 제어형태는 동력제어 회로속에 존재하는 온라인 비틀림 공명을 보상하기 위한 2차리이드 보상을 제공한다. 이러한 공명은 회전자 관성과 회전자와 파워 그리드 사이의 상응한 스프링 비율에 의해서 주로 결정된다. 미분 이득은 이러한 공명을 완화시키는데 양호하게 제공된다.
발생기가 큰 파워그리드 회로망에 연결되면, 발전기 속도는 거의 일정하게 되어서 도선(52)의 발전기속도신호(NG)는 시스템의 성능에 큰 효과를 주지않고 발전기 속도의 일정한 동기값에 의해서 교체될 수 있다.
제7도는 제3도의 모우드 선택회로(96)를 양호하게 도시한다. 도선(34)의 오프 온라인 신호가 가산접속부(174)와 체배기(176)에 송신된다. 오프 온라인 신호는 제2도의 스위치(28)속에서 발생되며, 동기발전기가 오프라인이면 0이고 동기발전기가 파워그리드에 도선으로 연결되어 있으면 1이다. 또한 신호선(178)의 신호 1은 가산 접속부(174)로 송신된다. 가산접속부(174)로부터의 출력은 신호선(180)을 통하여 체배기(182)로 송신된다. 최소값 날개각 비율 신호(
Figure kpo00042
MM)도 도선(94)을 통하여 체배기(192)로 송신된다. 체배기(182)로부터의 출력이 도선(184)를 통하여 가산접속부(186)에 입력 수신된다. 또한, 신호선(98)의 토오크 날개각 비율신호(
Figure kpo00043
Q)가 체배기(176)에 입력 수신된다. 체배기(176)로부터의 출력이 신호선(188)을 통하여 가산접속부(186)에 2차 입력으로 수신된다. 가산접속부(186)로부터의 출력은 도선(102)에 기준 날개각 비율 신호(
Figure kpo00044
R)로서 나타난다.
제어시스템이 동기발전기가 오프 라인되게 작동되면 신호 0가 신호선(34)에 나타나고 가산접속부(174)속에서 신호 1과 비교되며 가산접속부로부터의 출력이 신호선(180)에서 신호 1이 되며, 따라서 도선(94)의 최소값 날개각 신호(
Figure kpo00045
MN
Figure kpo00046
Q
제3도에 도시된 하나의 통상의 적분기(104)는 모든 제어형태에서 사용된다. 제8도의 블록선도는 최대 및 최소 위치정지값을 지니는 비율제한 적분기를 양호하게 도시한다. 제8도를 참조하면, 신호선(102)의 기준날개각 비율신호(
Figure kpo00047
R)가 비율제한회로(190)로 송신되며 신호선(192)을 통하여 접속부(194)로 송신된다. 비율신호(
Figure kpo00048
R)의 적분이 신호선(40)상에 날개각 기준신호(βR)를 제공한다. 비율 제한회로(190)속의 비율 제한값은 유압 피치 변화회로의 회전 비율가능출력과 같거나 보다 낮게 조정된다. 따라서, 날개각 기준비율신호(
Figure kpo00049
R
비율제한은 제어적분기(198)가 지나치게 작동되지 않게 하기 위하여 중요하다. 비율 제한기가 없으면, 피치 변환장치의 회전비율가능출력을 초과하는 (
Figure kpo00050
R)을 발생시키는 거대한 난류의 바람이 제어 적분기를 지나치게 작동시킨다. 즉 기준날개각(βR)과 실제의 날개각 사이의 오차가 크게 된다. 이러한 경우에 있어서 가혹한 제한 작동 불안정성이 야기된다. 비율제한기는 이러한 불안정성이 발생되지 않게 한다.
제어 적분기(198)는 최대 및 최소 위치 정지값을 지닌다. 디지탈 전자 제어시스템에서는, 이러한 정지값이 디지탈 표시로 나타난다. 최대 정지값은 페더링 또는 90°위치에 상응하며 제어 적분기의 최소정지값은 λ의 함수로 선정된 변수이고, 여기서 λ는 회전자 속도대 풍속의 비율이다. 제8도를 참조하면 λ는 도선(48)의 회전자 속도신호(NR)를 도선(76)의 평균풍속신호(VW)로 나누는 분할회로(200)속에서 계산된다. 분할회로(200)로부터의 출력이 신호선(202)상에 나타나는 속도비율 λ이고 신호선(206)상의 최소값 날개각 신호(MIN B)를 그 함수로서 선정한다. 함수 발생기(204) 속에 도시된 최소값 날개각은 날개각을 최대값 회전자 토오크에 상응하게 설정하여서 얻어진다.
도선(206)의 최소값 날개각 신호는 회로(210)에 송신되고, 신호선(40)의 날개각 기준신호(βR)는 회로(210)에 입력수신된다. 최대 및 최소 적분정지값을 지니는 회로(210)는 날개각 기준(βR)이 90°보다 크거나 최소날개각 미만이면 언제나 신호선(212)상에 높은 이득 출력신호를 발생시킨다. 날개각이 최소 및 최대의 제한값 사이에 있으면 회로(210)의 출력은 0이 되고, 신호선(212)의 높은 이득 피이드백 신호는 도선(40)의 적분기 출력이 제한값을 넘지 못하게 하는 적분기(198)에 입력을 발생시키도록 가산 접속부(194)속에서 도선(192)의 신호와 비교된다.
제8도에서 알 수 있듯이, 회로 블록(210)속의 최소값 날개각이 도선(206)을 통하여 선정된 최소값 날개각의 함수로서 가변적이다. 최소값 날개각은 낮은 풍속으로 작동될때만 높은 풍속에서 작동되면 제3도의 가속도 제어기(84)에 의해 요구되는 비율로 회전자를 가속시키기 위해서는 보다 충분한 동력이 요구된다. 이러한 가속도 비율은 약 6.5%속도/초이다.
이러한 조건에서는, 가속도 제어기가 작동작업을 지배하고 최소의 날개각 제한값이 고려되지 않는다. 매우 낮은 속도에서 시동되면 바람의 동력이 회전자를 요구되는 속도로 가속시키기에 불충분하다. 이러한 조건에서는 최소의 날개각 제한값이 고려되며 100%의 가속도 토오크보다 적은 최대값이 발생된다. 전자적분기 속에서 폐쇄회로가 속도 제어값과 가변 최소날개각 정지값의 결합이 작동중에 회전자의 실속을 방지시키며 회전자가 모든 풍속조건하에서 100%의 가속도 토오크에 상응한 속도보다 빠르지 않은 가능한 최대속도로 가속되게 한다.
풍동터어빈 제어시스템은 양호한 실시예에서 서술되었고, 이후의 청구범위에서 처럼 발명의 범위로부터 이탈됨없이 부분적인 변경이 이루어짐이 명확하다.

Claims (1)

  1. 경사각 가변 날개(10)를 갖는 회전자를 구비한 풍동터어빈용 제어시스템에 있어서, 제어시스템의 작동상태에 응답하여 요구되는 날개 경사각 변화비율을 지시하는 제어신호를 발생시키는 폐쇄회로 제어기(38)와, 상기 제어신호를 수신하여 날개 경사각 변화비율을 예정된 범위내로 유지시키는 제한기(190)와 요구되는 날개 경사각 신호를 예정된 범위내로 유지시키는 경사각 제한기(204, 210)를 가지며 상기 제어신호를부터 요구되는 날개 경사각을 지시하는 신호를 발생시키는 적분기(198)와 요구되는 상기 날개 경사각 신호에 응답하여 날개 경사각을 변화시키는 날개 경사각 변환장치를 구비한 것을 특징으로 하는 풍동터어빈의 복수형 제어시스템.
KR7902702A 1978-08-17 1979-08-08 풍동 터어빈의 멀티 모우드(multi-mode) 제어 시스템 KR840002220B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US05/934,658 US4193005A (en) 1978-08-17 1978-08-17 Multi-mode control system for wind turbines
US934,658 1978-08-17

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR830001519A KR830001519A (ko) 1983-05-17
KR840002220B1 true KR840002220B1 (ko) 1984-12-03

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ID=25465874

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR7902702A KR840002220B1 (ko) 1978-08-17 1979-08-08 풍동 터어빈의 멀티 모우드(multi-mode) 제어 시스템

Country Status (15)

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US (1) US4193005A (ko)
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