WO2010032909A1 - 풍력 발전기의 피치 제어 장치 및 시스템 - Google Patents

풍력 발전기의 피치 제어 장치 및 시스템 Download PDF

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WO2010032909A1
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pitch
compensation
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pitch value
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PCT/KR2009/001724
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고희상
강윤태
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삼성중공업 주식회사
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Definitions

  • the present invention relates to a pitch control apparatus and system of a wind generator, and more particularly, to a pitch control apparatus and system of a wind generator for generating a compensation pitch value when a system low voltage occurs to control the pitch value of the wind generator.
  • Wind power generation uses no-pollution and infinite wind scattered everywhere, so there is little impact on the environment and the land can be used efficiently.
  • wind power generation is a new energy generation technology that can compete with existing power generation in the case of large-scale power generation.
  • the voltage control method applied to the conventional wind power generation system is based on power factor control (Qref) using a reactive power compensation device (capacitor bank).
  • Wind power generation systems supply power in conjunction with existing commercial power systems. In this case, the stability and efficiency of grid connection is very important.
  • the conventional wind power generation system may cause undesirable conditions for stabilization of the system due to large-scale wind power generation, and it is difficult to guarantee commercial system linkage conditions of power generation systems using distributed power sources that have recently been strengthened. There is a problem.
  • 1 is a view showing the relationship between the pitch control device 10, the compensation pitch value calculation unit 40 and the wind power generation system according to the present invention.
  • the wind power generation system generally includes a pitch control device 10 for controlling a pitch value.
  • the pitch control device 10 detects a change in the driving speed, output, etc. of the wind generator and controls the pitch value according to the change amount.
  • Compensation pitch value calculation unit 40 by generating a compensation pitch value according to the error value of the wind generator and transmits to the pitch control device 10, it is possible to control the pitch value of the wind generator.
  • the error value is a difference between the reference value and the measured value, and may be generated according to the variation of the voltage or frequency of the grid connection point, the rotor speed of the generator 1, the voltage of the DC capacitor 3, and the like.
  • the wind power generation system may include a generator 1, a power converter 2 connected to the generator 1, and a grid connection point 4 for converting power generated by the generator 1.
  • the power converter 2 may include a DC capacitor (3).
  • Compensation pitch value calculation unit 40 measures the frequency of the grid connection point 4 of the wind power generation system, calculates the compensation pitch value according to the variation of the measurement frequency pitch control device 10 ), The pitch value of the wind power generation system can be controlled.
  • the frequency of the grid connection point 20 may be induced above the rated frequency when the grid low voltage occurs.
  • the compensation pitch value calculation unit 40 measures the voltage of the DC capacitor (3) of the wind power generation system, calculates the compensation pitch value according to the variation of the measured voltage pitch control device ( 10) to control the pitch value of the wind power generation system.
  • the DC capacitor 3 generates a system undervoltage, an overcurrent may be introduced to generate an overvoltage.
  • the compensation pitch value calculation unit 40 measures the voltage at the grid connection point 20 of the wind power generation system, and calculates the compensation pitch value according to the variation of the measured voltage wind power generation system The pitch value of can be controlled.
  • the voltage of the grid connection point 20 may be induced above the rated voltage when the grid low voltage occurs.
  • the compensation pitch value calculation unit 40 can measure the rotor speed of the wind generator, calculate the compensation pitch value according to the variation of the measurement speed to control the pitch value of the wind generator have.
  • the rotor of a wind generator can increase speed at system undervoltage.
  • the compensation pitch value calculation unit 40 may generate the compensation pitch value using the error value of the wind power generation system generated by the system low voltage.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a pitch control device 10 according to an embodiment of the present invention. More specifically, FIG. 2 is a diagram illustrating a pitch control device 10 including a compensation pitch value calculator 40 according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the compensation pitch value calculation unit 40 may be included in the pitch control device 10, it may be implemented as an external device connected to the pitch control device 10.
  • the pitch control device 10 is a device for controlling the pitch value that can obtain the maximum output from the energy of the wind.
  • the power generation system including the pitch control device 10 according to the present invention is preferably applied to the wind power generation system, it will be apparent to those skilled in the art that can be applied to other power generation systems that require pitch control.
  • the pitch control apparatus 10 is connected to the reference pitch value calculator 20 and the reference pitch value calculator 20 to operate by the reference pitch value generated by the reference pitch value calculator 20.
  • the pitch servo unit 30 may be included.
  • the pitch control apparatus 10 may further include the compensation pitch value calculator 40 described above with reference to FIG. 1.
  • the pitch control device 10 includes the compensation pitch value calculation unit 40, and the invention will be described.
  • the error signal may be a generator driving speed difference, a generator output difference, or the like, and may be preset by the user. That is, X is a measurement signal according to the generator operation, X ref may be a designated reference signal.
  • the generator drive speed may be the rotational speed of the generator drive shaft and may be proportional to the output of the generator.
  • the pitch controller input is a generator drive speed difference
  • X is a value for measuring the generator drive speed
  • X ref is a generator speed reference value preset by the user.
  • the error signal e x of the generator speed can be calculated using the generator speed measurement value X and the generator speed reference value X ref .
  • the reference pitch value calculator 20 may be configured as a linear controller.
  • the linear controller may include a proportional controller, a proportional differential controller, a proportional integral controller, or a proportional integral differential controller.
  • the reference pitch value calculation unit 20 may calculate the reference pitch value according to Equation 1 below.
  • F is assumed to be a proportional integral controller.
  • t is the time, and the unit is second, the controller's proportional value is 1, the integral value is 5, the unit is degree / rpm, and when the error rate is 5 rpm, the output value at time 0.2 seconds
  • the pitch value is 5 degrees. That is, it can be calculated as follows.
  • the reference pitch value calculator 20 calculates a value for compensating the error signal by a value corresponding to the error signal, and the calculated value becomes a reference pitch value.
  • the reference pitch value is a pitch value calculated by the reference pitch value calculator 20 to compensate for a difference between the preset reference value X ref and the measured value X, and the input value of the pitch servo unit 30 is do.
  • the pitch servo unit 30 receives a reference pitch value from the reference pitch value calculator 20, and receives a compensation pitch value from the compensation pitch value calculator 40 to calculate a pitch value.
  • the pitch value is input to the pitch servo unit 30 as a feedback.
  • the pitch servo unit 30 may calculate the pitch value by the following equation (2).
  • F is assumed to be the same as the primary system with pitch servo.
  • t is time (unit is second), and the unit of a reference pitch value, a compensation pitch value, and a feedback pitch value is an angle. If the input pitch is 2.2 degree, the compensation pitch is 3 degree, the feedback pitch is 4 degree, the system constant is 5, and the unit is 1 / sec, the pitch value is 0.92 degree when the time is 0.2 seconds. That is, it can be calculated as follows.
  • 3 is a block diagram of the compensation pitch value calculation unit 40 according to an embodiment of the present invention.
  • the compensating pitch value calculator 40 may include a voltage comparator 41 which calculates an error voltage by comparing a measured voltage measured by the DC capacitor 3 with a preset DC capacitor 3 reference voltage; It may include a compensation pitch value calculator 48 for calculating a compensation pitch value.
  • the voltage comparator 41 compares the measured voltage V measured by the DC capacitor 3 and the reference voltage V ref of the DC capacitor 3 to calculate an error voltage e V that is a voltage difference.
  • the reference voltage V ref is a voltage for stably operating the system and stably supplying power, and may be preset by the operator corresponding to the measured voltage V.
  • the compensation pitch value calculator 48 calculates a compensation pitch value corresponding to the error voltage e V received from the voltage comparator 41. That is, the compensation pitch value calculator 48 calculates a compensation pitch value that finally makes the error voltage value zero by using an integrator.
  • the compensation pitch value calculator 48 may calculate the compensation pitch value by Equation 3 as follows.
  • F is assumed to be a proportional integral controller.
  • t is time, and the unit is second, the proportional value of controller is 1, integral value is 5, unit is degree / rpm, and when input error voltage is 5V, compensation pitch is output value at time 0.2 seconds
  • the value is 5 degrees. That is, it can be calculated as follows.
  • the compensation pitch value calculator 48 has an input as an error voltage and an output as a compensation pitch value.
  • the compensation pitch value is used as an input value of the pitch servo unit 30 of the pitch control device 10.
  • the compensation pitch value calculator 48 may be any one of the proportional controller, the proportional derivative controller, the proportional integral controller, or the proportional integral derivative controller, or mixed, and performs linear control.
  • the compensation pitch value calculator 40 may further include a compensation active power calculator 46 for calculating the compensation effective power. That is, the compensation pitch value calculation unit 40 according to another embodiment of the present invention includes a voltage comparison unit 41 which calculates an error voltage by comparing the measured voltage measured at the grid connection point with a preset grid connection point reference voltage, The compensation active power calculator 46 may be configured to calculate the compensation active power value, and the compensation pitch value calculator 48 may be used to calculate the compensation pitch value.
  • the compensation active power calculator 46 calculates an active power value for compensating the error voltage by using the error voltage received from the voltage comparator 41.
  • the calculated effective power value is transmitted to the compensation pitch value calculator 48.
  • the compensation active power calculator 46 may calculate the compensation active power value by Equation 4 as follows.
  • F is assumed to be a proportional integral controller.
  • t is time and unit is second.
  • the controller proportional value is 1
  • the integral value is 5
  • the unit is Watt / V
  • the input error voltage is 0.5V
  • the compensation active power value as the output value is 0.55 watt (watt). That is, it can be calculated as follows.
  • the compensation pitch value calculator 48 may calculate the compensation pitch value according to Equation 4 above.
  • the compensation pitch value which is the output value becomes 1.1 degree.
  • the controller proportional value is 1, the integral value is 5, and the unit is degree / Watt. That is, it can be calculated as follows.
  • the active power value is calculated here because the voltage and the active power have a close relationship, and the voltage changes according to the change of the active power.
  • the compensation active power calculator 46 calculates a compensation active power value that compensates for the error voltage by a value corresponding to the error voltage.
  • the compensation active power calculator 46 and the compensation pitch value calculator 48 may be implemented by one controller.
  • the input may be an error voltage and the output may be a compensation pitch value.
  • the compensation active power calculator 46 and the compensation pitch value calculator 48 may be any one of a proportional controller, a proportional derivative controller, a proportional integral controller, or a proportional integral derivative controller, or a mixed one, and perform linear control.
  • FIG. 4 is a configuration diagram of a compensation pitch value calculator 40 according to another embodiment of the present invention.
  • the compensation pitch value calculator 40 compares the measured frequency measured at the grid connection point with a preset grid connection point reference frequency to calculate an error frequency, and a limit of the error frequency. Error frequency limiter 44 to determine the compensation active power calculator 46 for calculating the compensation effective power value, and a compensation pitch value calculator 48 for calculating the compensation pitch value.
  • the frequency comparator 42 compares the measured frequency f measured at the grid connection point and the reference frequency f ref of the grid connection point to calculate an error frequency e f that is a frequency difference.
  • the reference frequency f ref is a frequency for stably operating the system frequency and stably supplying power, and may be preset by the operator corresponding to the measurement frequency f.
  • the error frequency limiter 44 determines the limit of the error frequency by using the maximum frequency f max and the minimum frequency f min preset by the user.
  • the error frequency limiter 44 passes only the allowable error frequency included in the range of the maximum frequency fmax and the minimum frequency f min among the input error frequencies.
  • the determination of the limit of the input error frequency is to prevent the generator from being excessively changed due to excessive change in the pitch value of the generator and preventing a large impact on the power system, and preventing the pitch value from being changed too much at once.
  • the compensation active power calculator 46 calculates an active power value that compensates for the error frequency by using the allowable error frequency received through the error frequency limiter 44.
  • the effective power value is calculated because the frequency and the active power have a close relationship, and the frequency changes according to the change of the active power.
  • the compensation active power calculator 46 calculates a compensation active power value that compensates for the error frequency by a value corresponding to the allowable error frequency.
  • the compensation active power calculator 46 may calculate the compensation active power value by Equation 5 as follows.
  • F is assumed to be a proportional integral controller.
  • t is time and unit is second.
  • the controller proportional value is 1
  • the integral value is 5
  • the unit is Watt / Hz
  • the allowable error frequency which is an input value
  • the compensation active power value which is an output value
  • it can be calculated as follows.
  • the compensation pitch value calculator 48 calculates a compensation pitch value corresponding to the compensation active power value received from the compensation active power calculator 46. That is, the compensation pitch value calculator 48 calculates a compensation pitch value that finally makes the error frequency value zero by using an integrator.
  • the compensation pitch value calculator 48 may calculate the compensation pitch value by the following Equation 6.
  • F is assumed to be a proportional integral controller.
  • t is time, and the unit is second, the controller's proportional value is 1, the integral value is 5, the unit is degree / Watt, and the input compensation power is 0.55 watt. It becomes degree. That is, it can be calculated as follows.
  • FIG. 5 is a configuration diagram of the compensation pitch value calculator 40 according to another embodiment of the present invention.
  • the compensating pitch value calculator 40 may include a speed comparator 43 for calculating an error speed by comparing a measured speed measured by a rotor of the generator 1 with a reference speed of a preset generator rotor, It may include a compensation pitch value calculator 48 for calculating a compensation pitch value.
  • the speed comparator 43 compares the measured speed W measured by the rotor of the DC generator with the reference speed W ref of the generator rotor to calculate an error speed e W that is a speed difference.
  • the reference speed W ref is a speed of the generator rotor for stably operating the system and stably supplying power, and may be preset by the operator corresponding to the measurement speed W.
  • the compensation pitch value calculator 48 calculates a compensation pitch value corresponding to the error speed e W received from the frequency comparator 43. That is, the compensation pitch value calculator 48 calculates a compensation pitch value that finally makes the error speed value zero by using an integrator.
  • the compensation pitch value calculator 48 may calculate the compensation pitch value by the following equation (7).
  • F is assumed to be a proportional integral controller.
  • t is the time, and the unit is second, the proportional value of the controller is 1, the integral value is 5, the unit is degree / rpm, and when the input error speed is 5 rpm, the compensation pitch value is 5 degree. Becomes That is, it can be calculated as follows.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a method of generating a compensation pitch value according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a method of generating a compensation pitch value for performing a pitch control method according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the functions of the respective configurations described with reference to FIG. 3 are processed in the compensation pitch value calculation unit 40 according to the embodiment of the present invention.
  • the compensation pitch value calculation unit 40 As the subject.
  • the compensation pitch value calculator 40 measures the voltage at the DC capacitor 3 (S610). In addition, as another embodiment, the compensation pitch value calculator 40 may measure a voltage at a grid connection point.
  • the compensation pitch value calculator 40 calculates an error voltage using the measured voltage and the reference voltage of the DC capacitor 3 (S620).
  • the compensation pitch value calculator 40 may calculate an error voltage using the measured voltage and the reference voltage of the grid connection point.
  • the reference voltage may be preset by the user in correspondence with the measured voltage.
  • the compensation pitch value calculator 40 calculates a compensation pitch value corresponding to the error voltage using the error voltage (S630).
  • the compensation pitch value calculator 40 may calculate a compensation active power value corresponding to the error voltage, and calculate a compensation pitch value corresponding to the compensation active power value using the compensation active power value. have.
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating a method of generating a compensation pitch value according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • the functions of the respective configurations described with reference to FIG. 4 are processed in the compensation pitch value calculation unit 40 according to another embodiment of the present invention.
  • the compensation pitch value calculation unit ( 40) is mainly explained.
  • the compensation pitch value calculator 40 measures a frequency at a grid connection point (S710).
  • the compensation pitch value calculator 40 calculates an error frequency using the measured frequency and the reference frequency of the grid connection point (S720).
  • the reference frequency may be preset by the user.
  • the error frequency is the difference between the reference frequency and the measurement frequency.
  • the compensation pitch value calculator 40 determines the allowable threshold of the error frequency (S730).
  • the determination of the allowable threshold is performed by passing only the allowable error frequency included in the range of the maximum and minimum frequencies among the error frequencies using the preset maximum and minimum frequencies.
  • the compensation pitch value calculator 40 calculates a compensation active power value corresponding to the allowable error frequency at which the threshold is determined (S740).
  • the compensation pitch value calculator 40 calculates a compensation pitch value corresponding to the compensation active power value using the compensation active power value (S750).
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating a method of generating a compensation pitch value according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • the functions of the respective configurations described with reference to FIG. 8 are processed in the compensation pitch value calculation unit 40 according to another embodiment of the present invention.
  • the compensation pitch value calculation unit ( 40) is mainly explained.
  • the compensation pitch value calculator 40 measures the speed at the generator rotor (S810).
  • the compensation pitch value calculator 40 calculates an error speed using the measured speed and the reference speed of the generator rotor (S820).
  • the reference speed may be preset by the user.
  • the compensation pitch value calculator 40 calculates a compensation pitch value corresponding to the error speed using the error speed (S830).
  • FIG. 9 is a view showing the relationship between the pitch control device 10, the compensation pitch value calculating device 50 and the wind power generation system according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating the relationship between the pitch control device 10, the compensation pitch value calculating device 50, and the wind power generation system in the plurality of wind power generation systems.
  • the plurality of wind power generation systems includes a plurality of pitch control devices 10 and a compensation pitch value calculation device 50 that transmits a compensation pitch value to each pitch control device 10.
  • Compensation pitch value calculating device 50 measures the frequency of the grid connection point 4 of the plurality of wind power generation system, calculates the compensation pitch value according to the variation of the measurement frequency and transmits to the pitch control device 10 by the wind power generation
  • the pitch value of the system can be controlled.
  • the frequency of the grid connection point 4 can be induced above the rated frequency in the event of a grid undervoltage.
  • the compensation pitch value calculating apparatus 50 measures the voltage at the grid connection point 4 of the plurality of wind power generation system, and calculates the compensation pitch value according to the variation of the measured voltage
  • the pitch value of the power generation system can be controlled.
  • the voltage at the grid linkage point 4 can be induced above the rated voltage in the event of a grid undervoltage.
  • the compensation pitch value calculator 50 may generate a compensation pitch value by using an error value at a grid connection point of a plurality of wind power generation systems.
  • the error value is the error frequency of the grid connection point 4 for the convenience of understanding and explanation of the invention.
  • the present invention is not limited thereto, and the error value of the compensation pitch value calculating device 50 according to the present invention may be applied without any limitation as long as the error value of the wind power generation system generated by the system low voltage.
  • the error value of the wind power generation system may be the error frequency or error voltage of the aforementioned grid connection point.
  • FIG. 10 is a block diagram of a wind power generation system according to another embodiment of the present invention.
  • the wind power generation system is connected to each of the grid connection point 4 and the pitch control device 10 to which the plurality of pitch control devices 10 and the plurality of unit power generation systems 60 are connected.
  • Compensation pitch value calculating device 30 and unit power generation system 60 for calculating the error frequency ef of the grid connection point 4 and inputting the distribution compensation pitch value to the pitch control device 10 using the same. It may include. More specifically, the wind power generation system may be composed of n unit power generation system 60 and the pitch control device 10 (n is a natural number).
  • the compensation pitch value calculation device 50 is preferably a compensation pitch value calculation device of the wind power generation system, it will be apparent to those skilled in the art that can be applied to the power generation system using the pitch control device 10 in addition.
  • Compensation pitch value calculation device 50 is a frequency comparison unit 52 for calculating the error frequency at the grid connection point 4, a compensation pitch value calculation unit 54 for calculating a compensation pitch value corresponding to the error frequency and
  • the distribution compensation pitch value calculator 55 may be configured to calculate the distribution compensation pitch value and input the same to the pitch control device 10.
  • the unit power generation system 60 may include a power generator (not shown) operated together with the pitch control device 10.
  • the power generator may be a generator.
  • the generator may be a squirrel cage generator or permanent magnet generator, it is apparent to those skilled in the art that the generator can be applied as long as it can be used as a generator.
  • the pitch control device 10 is a device for controlling the pitch value that the wind generator can obtain the maximum output from the energy of the wind.
  • the power generation system including the pitch control device 10 according to the present invention is preferably applied to the wind power generation system, it will be apparent to those skilled in the art that can be applied to the power generation system using a natural force.
  • the pitch control system may be implemented by including a compensation pitch value calculating device 50 or an external device connected to the pitch control device 10.
  • the pitch control device 10 according to the present invention will be described later in detail in FIG.
  • the grid connection point 4 is a point where the commercial power system network (not shown) and the power generation system meet in order to actually supply power to the user.
  • the frequency of the grid connection point 4 is controlled using the compensation pitch value generated by the compensation pitch value calculating device 50 according to the present invention.
  • FIG. 11 is a block diagram showing a pitch control system according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a block diagram illustrating a pitch control system including a compensation pitch value calculator 50 and a pitch control device 10 according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • the pitch control system according to the present invention may be composed of a plurality of pitch control device 10 and one compensation pitch value calculating device (50). That is, the compensation pitch value calculator 50 according to another embodiment of the present invention may transmit the compensation pitch values to the plurality of pitch control devices 10 that control the pitch values of the plurality of unit power generation systems 60, respectively. .
  • the pitch control system may include a pitch control device 10 and a compensation pitch value calculation device 50.
  • the pitch control device 10 may include a reference pitch value calculator 20 and a pitch servo unit 30 that calculates a pitch value using the reference pitch value generated by the reference pitch value calculator 20.
  • the pitch control system includes the compensation pitch value calculating device 50 described above with reference to FIG.
  • the compensation pitch value calculator 50 may include controllers for outputting a compensation pitch value corresponding to the error frequency signal of the grid connection point 4 to the pitch servo unit 30.
  • the compensation pitch value calculator 50 will be described later in detail with reference to FIGS. 12 and 13.
  • FIG. 12 is a block diagram of the compensation pitch value calculation device 50 according to another embodiment of the present invention
  • Figure 13 is a block diagram of the compensation pitch value calculation device 50 according to another embodiment of the present invention.
  • the compensation pitch value calculator 50 includes a frequency comparator 52, an error frequency limiter 53, a compensation pitch value calculator 54, and a distribution compensation pitch value calculator 55. ), A compensation pitch comparison unit 56 and a cumulative prevention unit 57 may be included.
  • the frequency comparator 52 calculates an error frequency ef which is a frequency difference based on the difference between the measured frequency fm measured at the grid link point 4 and the reference frequency fs at the grid link point 4.
  • the reference frequency fs may be preset by the operator as a frequency for stably supplying power.
  • the frequency comparator 32 may be changed according to an error value.
  • the error value is an error voltage
  • a voltage comparison unit (not shown) may be applied.
  • the error frequency limiter 53 determines the limit of the error frequency using the maximum frequency f max and the minimum frequency f min preset by the user.
  • the error frequency limiter 53 passes only the allowable error frequency included in the range of the maximum frequency f max and the minimum frequency f min among the input error frequencies.
  • the error frequency limiting unit 33 is an error. Do not pass the frequency e f . For this reason, since the compensation pitch value calculating device 50 does not operate, the compensation pitch value becomes 0 degree. If the error frequency e f is 0.5 Hz, the allowable error frequency is 0.5 Hz.
  • Determining the limit of the input error frequency is to prevent the power generation system from being excessively changed so that the power generation system is stopped and causing a large impact on the power system, and to prevent the pitch value from being changed too much at once.
  • the error frequency limiter 53 may be changed according to the error value. For example, when the error value is an error voltage, an error voltage limiter (not shown) may be applied.
  • the compensation pitch value calculation unit 54 performs a linear control on the error frequency (ef) to calculate the compensation pitch value (U) required for the frequency control of the grid connection point.
  • the distribution compensation pitch value calculation unit 55 distributes the compensation pitch value divider 552 calculated by the compensation pitch value calculation unit 54 to n pieces (n is a natural number), A distribution compensation pitch value calculator 554 for performing a comparison of the distribution value of each compensation pitch value U and the pitch value variation limit value U max to calculate the distribution compensation pitch value U set j, s. Include.
  • the compensation pitch value comparison unit 56 calculates the deviation signal es, and the accumulation prevention unit 57 prevents the saturation of the compensation pitch value calculation unit 54.
  • the compensation pitch value calculation unit 54 may be any one of a proportional integral (PI) controller, a proportional differential (PD) controller, or a proportional integral differential (PID) controller, which is a controller for feeding back and controlling an output value.
  • PI proportional integral
  • PD proportional differential
  • PID proportional integral differential
  • FIG. 13 a proportional integral derivative (PID) controller having all the advantages of the proportional controller P, the integral controller I for improving the steady state response, and the differential controller D for improving the response speed is configured. can do.
  • the accumulation prevention unit 57 accumulates the compensation pitch value calculation unit 54 based on the deviation signal es fed back from the compensation pitch value comparison unit 56 of the distribution compensation pitch value calculation unit 55. To prevent.
  • the accumulation prevention unit 57 prevents the accumulation phenomenon due to the difference between the input terminal and the output terminal during the operation of the controller including the integral controller I, such as a proportional differential (PI) controller or a proportional integral differential (PID) controller.
  • the cumulative phenomenon decreases the transient response characteristic and the steady state response characteristic, thereby degrading the performance of the compensation pitch value calculation unit 54.
  • the cumulative prevention part 57 of the anti-windup method is additionally configured to provide a cumulative prevention function, thereby preventing malfunction of the compensation pitch value calculation part 54 including the integral controller. have.
  • the accumulation prevention unit 57 performs the operation of the compensation pitch value calculation unit 54 by calculating an increment of the control signal at every sampling moment, and setting value limiting method such that the output of the compensation pitch value calculation unit 54 does not exceed the set value change amount. Computation of the compensation pitch value using any one of an incremental algorithm for controlling and a tracking method for controlling the integrator by feeding back the difference between the output of the compensation pitch value calculator 54 and the output of the distribution compensation pitch value calculator 554. Accumulation of the portion 54 can be prevented.
  • the accumulation prevention unit 57 multiplies the deviation signal es by the tracking time constant (kt).
  • the deviation signal es is calculated by comparing the sum of the compensation pitch values U distributed by the compensation pitch value divider 552 and the sum of the outputs of the distribution compensation pitch value calculator 554.
  • the cumulative prevention unit 57 inputs the deviation signal es multiplied by the tracking time constant (kt) to the integral controller I of the compensation pitch value calculation unit 54 by adding the error frequency value.
  • the saturation prevention unit 57 does not have saturation of the distribution compensation pitch value calculation unit 55, the deviation signal es is 0, and thus, the cumulative prevention unit 57 operates normally in a range where saturation of the distribution compensation pitch value calculation unit 55 does not occur. Does not affect at all.
  • the accumulation prevention unit 57 when the distribution compensation pitch value calculation unit 55 is saturated, the accumulation prevention unit 57 generates a deviation signal (es ⁇ 0), and the integral controller of the compensation pitch value calculation unit 54 by the feedback path ( Accumulation can be prevented by reducing the input of I).
  • the distribution compensation pitch value calculator 55 may include a compensation pitch value divider 552, a distribution compensation pitch value calculator 554, and a compensation pitch value comparator 56.
  • the compensation pitch value divider 552 distributes the compensation pitch value U, which is the output of the compensation pitch value calculator 54, and supplies it to the distribution compensation pitch value calculator 554.
  • the distribution compensation pitch value calculator 554 provides a control signal to the pitch servo unit 30 provided for each of the plurality of pitch control devices 10.
  • the distribution compensation pitch value calculator 554 compares the pitch variation limit value U max with the distributed compensation pitch value U received from the compensation pitch value divider 552.
  • the distribution compensation pitch value U set j, s corresponding to the pitch servo unit 30 is calculated.
  • the distribution compensation pitch value calculator 554 provides the calculated compensation pitch values U set j, s as control signals for each of the plurality of pitch servo units 30.
  • the distribution compensation pitch value U set j, s is a value obtained by distributing a compensation pitch value U for compensating the error frequency of the grid connection point 4, and is applied to each pitch control device 10. It can be calculated using Equation (8).
  • the U set j, s is a compensation pitch value which is a control signal provided to the j-th pitch control device 10 by the distribution compensation pitch value calculation unit 55,
  • Pj, c is an active power value of the j-th unit power generation system 60 measured at the grid link point 4 side,
  • min ⁇ a, b ⁇ means taking a smaller value of a and b
  • subscript j denotes the number of pitch control devices 10 as 1,2,3, ..., n. It is a natural number meaning that the superscript max means the maximum value.
  • the compensation pitch value comparator 56 sets the sum of the compensation pitch values U distributed by the compensation pitch value divider 552 and the compensation pitch value U set which is an output of the distribution compensation pitch value calculator 554.
  • the deviation signal es is calculated by comparing the sum of j and s, and fed back to the accumulation preventing unit 57.
  • FIG. 14 is a flowchart illustrating a compensation pitch value calculation method of the compensation pitch value calculator 50 according to another embodiment of the present invention.
  • step S1410 the frequency comparison unit 52 measures the frequency of the grid connection point 4 to obtain a measurement frequency fm.
  • the frequency comparison unit 52 calculates an error frequency ef based on the difference between the measured measurement frequency fm and the reference frequency fs of the grid connection point.
  • the compensation pitch value calculation unit 54 receives the error frequency ef calculated from the frequency comparison unit 52 and performs a linear control with a controller provided in the compensation pitch value calculation unit 54 to compensate the pitch. Calculate the value U. That is, the compensation pitch value calculator 54 receives the error frequency ef as an input of the proportional controller P and multiplies the error frequency ef by a proportional gain kp. In addition, the compensation pitch value calculation unit 54 receives the error frequency ef as an input of the integration controller I to integrate the error frequency ef and multiply the integral gain ki.
  • the compensation pitch value calculation unit 54 receives the measurement frequency fm measured at the grid connection point 4 as an input of the derivative controller D, differentiates the measurement frequency fm, and obtains the derivative gain kd. Multiply by).
  • the compensation pitch value calculator 54 calculates the compensation pitch value U by summing output values of the proportional controller P, the integration controller I, and the derivative controller D, respectively.
  • the distribution compensation pitch value calculator 55 calculates the distribution compensation pitch values U set j and s using the compensation pitch value U and the pitch value variation limit value U max .
  • the compensation pitch value divider 552 receives the compensation pitch values U calculated from the compensation pitch value calculator 54 and distributes them to n pieces (n is a natural number).
  • the distribution compensation pitch value calculator 554 receives the distribution value of the compensation pitch value U and applies the compensation pitch value to the plurality of pitch control devices 10 as a control signal.
  • the distribution compensation pitch value calculator 554 performs the above Equation 8 using the pitch value variation limit value U max and the distribution compensation pitch value distributed by the compensation pitch value distributor 552.
  • the distribution compensation pitch value U set j, s corresponding to each of the plurality of pitch servo units 30 is calculated.
  • step S1450 the distribution compensation pitch value calculator 554 controls the pitch control device 10 by applying the calculated distribution compensation pitch value U set j, s to the pitch control device 10.
  • Compensation pitch value calculating device 50 by controlling the pitch control device 10, it is possible to stably and easily control the drive of the wind power generation system according to the present invention.
  • step S1460 the compensation pitch value comparator 56 is based on a difference between the sum of the distribution compensation pitch values U set j, s and the sum of the compensation pitch values U distributed through the compensation pitch value divider 552. To calculate the deviation signal es.
  • step S1470 the accumulation prevention unit 544 multiplies the deviation signal es by the tracking time constant (kt), and adds the output value to the error frequency ef to determine the compensation pitch value calculation unit 54.
  • Input to integral controller (I) Input to integral controller (I).
  • the accumulation preventing unit 57 may prevent the accumulation phenomenon of the compensation pitch value calculation unit 54 by reducing the input of the integration controller I by the feedback path.
  • the cumulative prevention unit 57 normally operates within the range where saturation of the distribution compensation pitch value calculation unit 55 does not occur. It does not affect the operation at all.
  • the accumulation prevention unit 57 integrates the feedback path through the tracking time constant of the accumulation prevention unit 57. Accumulation can be prevented by reducing the controller (I) input.
  • 1 is a view showing the relationship between the pitch control device 10, the compensation pitch value calculation unit 40 and the wind power generation system according to the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a pitch control device 10 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a block diagram of a compensation pitch value calculation unit 40 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a block diagram of a compensation pitch value calculation unit 40 according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a block diagram of a compensation pitch value calculation unit 40 according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a method of generating a compensation pitch value according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating a method of generating a compensation pitch value according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating a method of generating a compensation pitch value according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a view showing the relationship between the pitch control device 10, the compensation pitch value calculating device 50 and the wind power generation system according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a block diagram of a wind power generation system according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a block diagram showing a pitch control system according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a block diagram of an apparatus 50 for calculating a compensation pitch value according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a block diagram of a compensation pitch value calculating device 50 according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a flowchart illustrating a compensation pitch value calculation method of the compensation pitch value calculation device 50 according to another embodiment of the present invention.
  • pitch control device 20 reference pitch value calculation unit
  • the present invention has the effect of improving the ability to overcome the system low voltage of the wind power generator by controlling the pitch value of the wind generator by detecting an overvoltage induced in the DC capacitor connected to the generator when the system low voltage is higher than the rated voltage.
  • the present invention by controlling the pitch value of the wind generator to detect the voltage or frequency induced above the rated voltage or frequency when the voltage or frequency change in the grid connection point to maintain the voltage or frequency of the grid connection point within the reference range It is effective to operate as.
  • the present invention has the effect of preventing the generator rotor speed increase due to the system low voltage by detecting and controlling the variable speed of the generator rotor when the low voltage of the grid connection point occurs.
  • the present invention is to detect the voltage or frequency induced by more than the rated voltage or frequency when the voltage or frequency changes in the grid connection points of the plurality of wind generators to control the pitch value of the wind generator to adjust the voltage or frequency of the grid connection point It is effective to operate continuously within the standard range.
  • the present invention by adding a compensation pitch value calculating device to the pitch control device of a plurality of wind generators, it is possible to implement a reliable and efficient power generation system without additional equipment or processes to obtain a stable power quality and reliability of system operation have.

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Abstract

본 발명은 풍력 발전기의 피치 제어 장치 및 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 풍력 발전 시스템의 피치값을 제어하는 피치 제어 장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 피치 제어 장치는 풍력 발전 시스템의 동작에 따른 발전기 측정 신호와 발전기 기준 신호의 차이에 근거하여 오차 신호를 산출하는 발전기 비교부, 오차 신호를 이용하여 기준 피치값을 산출하는 기준 피치값 산출부, 풍력 발전 시스템의 오차값을 이용하여 보상 피치값을 산출하는 보상 피치값 산출부 및 기준 피치값, 보상 피치값을 이용하여 피치값을 산출하는 피치값 산출부를 포함하되, 오차값은 풍력 발전 시스템의 전력 변환부에 포함된 직류 커패시터의 오차 전압값, 풍력 발전 시스템의 계통연계점의 오차 전압값, 풍력 발전 시스템의 회전자의 오차 속도값, 풍력 발전 시스템의 계통 연계점의 오차 주파수 값 중 어느 하나이다.

Description

풍력 발전기의 피치 제어 장치 및 시스템
본 발명은 풍력 발전기의 피치 제어 장치 및 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 계통 저전압 발생시 보상 피치값을 생성하여 풍력 발전기의 피치값을 제어하는 풍력 발전기의 피치 제어 장치 및 시스템에 관한 것이다.
풍력 발전은 어느 곳에나 산재되어 있는 무공해, 무한정의 바람을 이용하므로 환경에 미치는 영향이 거의 없고, 국토를 효율적으로 이용할 수 있다.
또한, 풍력 발전은 대규모 발전단지의 경우에는 발전단가도 기존의 발전 방식과 경쟁 가능한 수준의 신에너지 발전 기술이다.
최근 에너지 비용의 상승에 따라 풍력발전과 같이 수용가 지역에 분산 설치되는 분산전원의 시장 확대가 가속화되고 있다. 분산 전원의 경우 분산전원을 각각 제어하는 것이 효율적으로 발전 시스템을 운영하는 데 있어 매우 중요하다.
종래의 풍력발전 시스템에 적용되고 있는 전압 제어 방법은 무효전력보상장치(capacitor bank)를 이용한 역률제어(Qref)에 기반을 두고 있다.
풍력 발전 시스템은 기존의 상용전력계통과 연계되어 전력을 공급하는데, 이 경우 계통연결의 안정성 및 효율성 구현이 매우 중요하다.
하지만, 종래의 풍력 발전 시스템은 전력사고 시 상용계통에 연계되어 운전되고 있던 특히 분산형 전원을 이용하는 발전기들이 동시에 차단되었는데, 이 경우 계통의 전압과 주파수의 변동을 초래하여 전력계통의 안정도에 심각한 문제를 초래하게 된다.
또한, 종래의 풍력 발전 시스템의 방법을 이용하면 대용량 풍력발전으로 인한 계통 안정화에 바람직하지 못한 상황을 초래할 수 있으며 최근에 강화되고 있는 분산전원을 이용한 발전시스템들의 상용계통연계 조건을 보장하기가 어려워지는 문제점이 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 피치 제어 장치(10), 보상 피치값 산출부(40) 및 풍력 발전 시스템의 관계를 나타낸 도면이다.
풍력 발전 시스템은 일반적으로 피치값을 제어하는 피치 제어 장치(10)를 구비하고 있다. 여기서, 피치 제어 장치(10)는 풍력 발전기의 구동 속도, 출력 등의 변동을 감지하고 변동량에 따라 피치값을 제어한다.
본 발명에 따른 보상 피치값 산출부(40)는 풍력 발전기의 오차값에 따른 보상 피치값을 생성하여 피치 제어 장치(10)로 전달함으로써, 풍력 발전기의 피치값을 제어할 수 있다. 여기서, 오차값은 기준값과 측정값의 차이로, 계통 연계점의 전압 또는 주파수, 발전기(1)의 회전자 속도, 직류 커패시터(3)의 전압 등의 변동에 따라 생성될 수 있다.
도 1을 참조하면, 풍력 발전 시스템은 발전기(1), 발전기(1)에 연결되며 발전기(1)에서 생산되는 전력을 변환하는 전력변환부(2) 및 계통연계점(4)을 포함할 수 있다. 여기서, 전력 변환부(2)는 직류 커패시터(3)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 보상 피치값 산출부(40)는 풍력 발전 시스템의 계통 연계점(4)의 주파수를 측정하고, 측정 주파수의 변동에 따른 보상 피치값을 산출하여 피치 제어 장치(10)로 전달함으로써 풍력 발전 시스템의 피치값을 제어할 수 있다. 계통 연계점(20)의 주파수는 계통 저전압 발생 시 정격 주파수 이상으로 유도될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 보상 피치값 산출부(40)는 풍력 발전 시스템의 직류 커패시터(3)의 전압을 측정하고, 측정전압의 변동에 따른 보상 피치값을 산출하여 피치 제어 장치(10)로 전달함으로써 풍력 발전 시스템의 피치값을 제어할 수 있다. 직류 커패시터(3)는 계통 저전압 발생 시 과전류가 유입되어 과전압이 발생할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 보상 피치값 산출부(40)는 풍력 발전 시스템의 계통 연계점(20)에서 전압을 측정하고, 측정전압의 변동에 따른 보상 피치값을 산출함으로써 풍력 발전 시스템의 피치값을 제어할 수 있다. 계통 연계점(20)의 전압은 계통 저전압 발생 시 정격 전압 이상으로 유도될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 보상 피치값 산출부(40)는 풍력 발전기의 회전자 속도를 측정하고, 측정 속도의 변동에 따른 보상 피치값을 산출하여 풍력 발전기의 피치값을 제어할 수 있다. 풍력 발전기의 회전자는 계통 저전압 시 속도가 증가할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 보상 피치값 산출부(40)는 계통 저전압으로 발생하는 풍력 발전 시스템의 오차값을 이용하여 보상 피치값을 생성할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 피치 제어 장치(10)를 나타낸 구성도이다. 보다 상세하게는, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 보상 피치값 산출부(40)를 포함하는 피치 제어 장치(10)를 나타낸 구성도이다. 여기서, 본 발명의 실시예에 따른 보상 피치값 산출부(40)는 피치 제어 장치(10) 내에 포함될 수 있으며, 피치 제어 장치(10)와 연결된 외부 장치로 구현될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 피치 제어 장치(10)는 바람의 에너지에서 최대출력을 얻을 수 있는 피치값을 제어하는 장치이다. 본 발명의 따른 피치 제어 장치(10)를 포함하는 발전 시스템은 풍력 발전 시스템에 적용하는 것이 바람직하나, 이외 피치 제어가 필요한 발전 시스템에 적용될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
도 2를 참조하면, 피치 제어 장치(10)는 기준 피치값 산출부(20), 기준 피치값 산출부(20)에 연결되어 기준 피치값 산출부(20)에서 생성되는 기준 피치값에 의해 동작하는 피치 서보부(30)을 포함할 수 있다.
또한, 피치 제어 장치(10)는 도 1에서 상술한 보상 피치값 산출부(40)를 더 포함할 수 있다.
이하에서는 피치 제어 장치(10)가 보상 피치값 산출부(40)를 포함하는 것으로 가정하고, 발명을 설명하기로 한다.
이하, 도 2를 참조하여 피치 제어 장치(10)를 상세히 설명한다.
기준 피치값 산출부 입력(ex=Xref-X)은 기준 피치값 산출부(20)로 입력되는 오차신호이다. 여기서, 오차신호는 발전기 구동 속도 차이, 발전기 출력 차이 등이 될 수 있으며, 사용자에 의해 미리 설정될 수 있다. 즉, X는 발전기 동작에 따른 측정 신호이며, Xref는 지정된 기준신호 일 수 있다.
또한, 발전기 구동 속도는 발전기 구동 축의 회전 속도일 수 있고, 발전기의 출력에 비례할 수 있음은 당업자에게 자명하다.
예를 들어, 피치 제어기 입력이 발전기 구동 속도 차이라고 가정한다면, X는 발전기 구동 속도를 측정한 값이고, Xref는 사용자에 의해 미리 설정된 발전기 속도 기준 값이 된다. 그래서, 발전기 속도의 오차신호(ex)는 발전기 속도 측정값(X)과 발전기 속도 기준 값(Xref)을 이용해서 산출될 수 있다.
다음으로, 기준 피치값 산출부(20)는 입력되는 오차신호(ex=Xref-X)에 상응하는 기준 피치값을 산출한다. 여기서, 기준 피치값 산출부(20)는 선형 제어기로 구성될 수 있다. 여기서, 선형 제어기는 비례 제어기, 비례 미분 제어기, 비례 적분 제어기 또는 비례 적분미분 제어기를 포함할 수 있다.
예를 들어, 기준 피치값 산출부(20)는 비례 적분 제어기로 구성될 경우, 다음과 같은 수학식 1에 의해 기준 피치값을 산출할 수 있다.
[수학식 1]
Figure PCTKR2009001724-appb-I000001
여기서, F는 비례 적분 제어기로 가정한다. t는 시간으로 단위는 초(second)이며, 제어기의 비례값이 1, 적분값이 5, 단위는 degree/rpm 이고, 입력값인 오차속도가 5 rpm일 때, 시간 0.2초에서의 출력값인 기준피치값은 5 degree가 된다. 즉, 다음과 같이 연산될 수 있다.
Figure PCTKR2009001724-appb-I000002
기준 피치값 산출부(20)는 오차신호를 입력받으면 이 오차신호에 상응하는 값으로 오차신호를 보상하는 값을 산출하는데, 이 산출된 값이 기준 피치값이 된다.
여기서, 기준 피치값은 기준 피치값 산출부(20)가 미리 설정된 기준값(Xref)과 측정값(X)의 차이를 보상하기 위해 산출한 피치값이고, 피치 서보부(30)의 입력 값이 된다.
다음으로, 피치 서보부(30)는 기준 피치값 산출부(20)로부터 기준 피치값을 입력받고, 보상 피치값 산출부(40)로부터 보상 피치값을 입력받아 피치값을 산출한다. 여기서, 피치값은 피드백(feedback)으로 피치 서보부(30)의 입력이 된다.
예를 들어, 피치 서보부(30)는 다음의 수학식 2에 의해 피치값을 산출할 수 있다.
[수학식 2]
Figure PCTKR2009001724-appb-I000003
여기서, F는 피치서보로 1차 시스템과 같다고 가정한다. t는 시간(단위는 초)이고, 기준 피치값, 보상피치값, 피드백된 피치값의 단위는 각도(degree)이다. 입력값으로 기준피차각이 2.2 degree, 보상피치값이 3 degree, 피드백된 피치값이 4 degree, 시스템정수가 5, 단위는 1/초일 경우, 시간 0.2초일 때 출력값인 피치값은 0.92 degree이다. 즉, 다음과 같이 연산될 수 있다.
Figure PCTKR2009001724-appb-I000004
Figure PCTKR2009001724-appb-I000005
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 보상 피치값 산출부(40)의 구성도이다.
도 3을 참조하면, 보상 피치값 산출부(40)는 직류 커패시터(3)에서 측정된 측정 전압과 미리 설정된 직류 커패시터(3) 기준 전압을 비교하여 오차 전압을 산출하는 전압 비교부(41), 보상 피치값을 산출하는 보상 피치값 산출기(48)를 포함할 수 있다.
우선, 전압 비교부(41)는 직류 커패시터(3)에서 측정된 측정 전압(V)과 직류 커패시터(3)의 기준 전압(Vref)을 비교하여 전압 차인 오차 전압(eV)을 산출한다.
여기서, 기준 전압(Vref)은 계통의 안정적인 운용과 전력을 안정적으로 공급하기 위한 전압으로, 측정 전압(V)에 상응하여 운용자에 의해 미리 설정될 수 있다.
다음으로, 보상 피치값 산출기(48)는 전압 비교부(41)로부터 입력받은 오차 전압(eV)에 상응하는 보상 피치값을 산출한다. 즉, 보상 피치값 산출기(48)는 적분기를 이용해 최종적으로 오차전압 값이 영이 되게 하는 보상 피치값을 산출한다.
예를 들어, 보상 피치값 산출기(48)는 다음과 같이 수학식 3에 의해 보상 피치값을 산출할 수 있다.
[수학식 3]
Figure PCTKR2009001724-appb-I000006
여기서, F는 비례 적분 제어기로 가정한다. t는 시간으로 단위는 초(second)이며, 제어기의 비례값이 1, 적분값이 5, 단위는 degree/rpm 이고, 입력값인 오차전압이 5V일 때, 시간 0.2초에서의 출력값인 보상피치값은 5 degree가 된다. 즉, 다음과 같이 연산될 수 있다.
Figure PCTKR2009001724-appb-I000007
즉, 보상 피치값 산출기(48)는 입력이 오차 전압이 되고, 출력이 보상 피치값이 된다. 여기서, 보상 피치값은 피치 제어 장치(10)의 피치 서보부(30)의 입력값으로 이용된다. 또한, 보상 피치값 산출기(48)는 비례 제어기, 비례 미분 제어기, 비례 적분 제어기 또는 비례 적분미분 제어기 중 어느 하나　또는 혼용일 수 있으며, 선형 제어를 수행한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 보상 피치값 산출부(40)는 보상유효 전력을 산출하는 보상 유효전력 산출기(46)를 더 포함할 수 있다. 즉, 본 발명의 다른 실시예에 따른 보상 피치값 산출부(40)는 계통연계점에서 측정된 측정 전압과 미리 설정된 계통연계점 기준 전압을 비교하여 오차 전압을 산출하는 전압 비교부(41), 보상 유효 전력값을 산출하는 보상 유효전력 산출기(46), 보상 피치값을 산출하는 보상 피치값 산출기(48)를 포함할 수 있다.
여기서, 보상 유효전력 산출기(46)는 전압 비교부(41)로부터 입력받은 오차 전압을 이용하여 오차 전압을 보상하는 유효 전력값을 산출한다. 산출된 유효 전력값은 보상 피치값 산출기(48)로 전달된다.
예를 들어, 보상 유효전력 산출기(46)는 다음과 같이 수학식 4에 의해 보상 유효전력값을 산출할 수 있다.
[수학식 4]
Figure PCTKR2009001724-appb-I000008
여기서, F는 비례 적분 제어기로 가정한다. t는 시간으로 단위는 초(second)이다. 제어기 비례값이 1, 적분값이 5, 단위는 Watt/V 이고, 입력값인 오차전압이 0.5V일 때, 출력값인 보상 유효전력값은 0.55와트(watt)가 된다. 즉, 다음과 같이 연산될 수 있다.
Figure PCTKR2009001724-appb-I000009
그리고, 보상 피치값 산출기(48)는 상기 수학식 4에 의해 보상 피치값을 산출할 수 있다.
즉, 보상 피치값 산출기(48)의 입력값인 보상유효전력이 0.55 Watt일 때, 출력값인 보상 피치값은 1.1 degree가 된다. 여기서, 제어기 비례값이 1, 적분값이 5, 단위는 degree/Watt 이다. 즉, 다음과 같이 연산될 수 있다.
Figure PCTKR2009001724-appb-I000010
여기서, 유효 전력값을 산출하는 것은 전압과 유효전력은 밀접한 관계를 가지고 있어, 유효전력의 변화에 따라 전압이 변하기 때문이다.
즉, 보상 유효전력 산출기(46)는 오차 전압에 상응한 값으로 오차 전압을 보상하는 보상 유효전력값을 산출한다.
보상 유효전력 산출기(46) 및 보상 피치값 산출기(48)는 하나의 제어기로 구현될 수 있다. 그래서, 하나로 구현된 제어기는 입력이 오차 전압이 되고, 출력이 보상 피치값이 될 수 있다.
또한, 보상 유효전력 산출기(46) 및 보상 피치값 산출기(48)는 비례 제어기, 비례 미분 제어기, 비례 적분 제어기 또는 비례 적분미분 제어기 중 어느 하나　또는 혼용일 수 있으며, 선형 제어를 수행한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 보상 피치값 산출부(40)의 구성도이다.
도 4를 참조하면, 보상 피치값 산출부(40)는 계통연계점에서 측정된 측정 주파수와 미리 설정된 계통연계점 기준 주파수를 비교하여 오차 주파수를 산출하는 주파수 비교부(42), 오차 주파수의 한계를 결정하는 오차 주파수 제한부(44), 보상 유효 전력값을 산출하는 보상 유효전력 산출기(46), 보상 피치값을 산출하는 보상 피치값 산출기(48)를 포함할 수 있다.
우선, 주파수 비교부(42)는 계통연계점에서 측정된 측정 주파수(f)와 계통연계점의 기준 주파수(fref)를 비교하여 주파수 차인 오차 주파수(ef)를 산출한다.
여기서, 기준 주파수(fref)는 계통 주파수의 안정적인 운용과 전력을 안정적으로 공급하기 위한 주파수로, 측정 주파수(f)에 상응하여 운용자에 의해 미리 설정될 수 있다.
다음으로, 오차 주파수 제한부(44)는 사용자에 의해 미리 설정된 최대 주파수(fmax) 및 최소 주파수(fmin)을 이용하여 오차 주파수의 한계를 결정한다.
즉, 오차 주파수 제한부(44)는 입력되는 오차 주파수 중에서 최대 주파수(fmax) 및 최소 주파수(fmin)의 범위 안에 포함되는 허용 오차 주파수만을 통과시킨다.
예를 들어, 도 4에서 최소 주파수(fmin)가 0 Hz, 최대 주파수(fmax)가 1 Hz일 경우, 오차 주파수(ef)가 2 Hz이면, 도4는 작동을 하지 않으므로, 보상 피치값은 0 degree가 된다. 오차 주파수(ef)가 0.5 Hz이면 허용 오차 주파수는 0.5 Hz가 된다.
여기서, 입력되는 오차 주파수의 한계를 결정하는 것은 발전기의 피치값이 과도하게 변경되어 발전기가 정지하여 전력계통에 큰 충격을 가하는 것을 방지하고, 피치값이 한번에 너무 많이 변경되는 것을 방지하기 위한 것이다.
다음으로, 보상 유효전력 산출기(46)는 오차 주파수 제한부(44)를 통해 입력받은 허용 오차 주파수를 이용하여 오차 주파수를 보상하는 유효 전력값을 산출한다.
여기서, 유효 전력값을 산출하는 것은 주파수와 유효전력은 밀접한 관계를 가지고 있어, 유효전력의 변화에 따라 주파수가 변하기 때문이다.
즉, 보상 유효전력 산출기(46)는 허용 오차 주파수에 상응한 값으로 오차 주파수를 보상하는 보상 유효 전력값을 산출한다.
예를 들어, 보상 유효전력 산출기(46)는 다음과 같은 수학식 5에 의해 보상 유효 전력값을 산출할 수 있다.
[수학식 5]
Figure PCTKR2009001724-appb-I000011
여기서, F는 비례 적분 제어기로 가정한다. t는 시간으로 단위는 초(second)이다. 제어기 비례값이 1, 적분값이 5, 단위는 Watt/Hz이고, 입력값인 허용 오차 주파수가 0.5Hz일 때, 출력값인 보상 유효전력값은 0.55와트(watt)가 된다. 즉, 다음과 같이 연산될 수 있다.
Figure PCTKR2009001724-appb-I000012
다음으로, 보상 피치값 산출기(48)는 보상 유효전력 산출기(46)로부터 입력받은 보상 유효 전력값에 상응하는 보상 피치값을 산출한다. 즉, 보상 피치값 산출기(48)는 적분기를 이용해 최종적으로 오차 주파수 값이 영이 되게 하는 보상 피치값을 산출한다.
예를 들어, 보상 피치값 산출기(48)는 다음과 같은 수학식 6에 의해 보상 피치값을 산출할 수 있다.
[수학식 6]
Figure PCTKR2009001724-appb-I000013
여기서, F는 비례 적분 제어기로 가정한다. t는 시간으로 단위는 초(second)이며, 제어기의 비례값이 1, 적분값이 5, 단위는 degree/Watt이고, 입력값인 보상유효전력이 0.55 watt일 때, 출력값인 보상 피치값은 1.1 degree가 된다. 즉, 다음과 같이 연산될 수 있다.
Figure PCTKR2009001724-appb-I000014
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 보상 피치값 산출부(40)의 구성도이다.
도 5를 참조하면, 보상 피치값 산출부(40)는 발전기(1)의 회전자에서 측정된 측정 속도와 미리 설정된 발전기 회전자의 기준 속도를 비교하여 오차 속도를 산출하는 속도 비교기(43), 보상 피치값을 산출하는 보상 피치값 산출기(48)를 포함할 수 있다.
우선, 속도 비교기(43)는 직류 발전기의 회전자에서 측정된 측정 속도(W)와 발전기 회전자의 기준 속도(Wref)를 비교하여 속도 차인 오차 속도(eW)을 산출한다.
여기서, 기준 속도(Wref)는 계통의 안정적인 운용과 전력을 안정적으로 공급하기 위한 발전기 회전자의 속도로, 측정 속도(W)에 상응하여 운용자에 의해 미리 설정될 수 있다.
다음으로, 보상 피치값 산출기(48)는 주파수 비교부(43)로부터 입력받은 오차 속도(eW)에 상응하는 보상 피치값을 산출한다. 즉, 보상 피치값 산출기(48)는 적분기를 이용해 최종적으로 오차 속도 값이 영이 되게 하는 보상 피치값을 산출한다.
예를 들어, 보상 피치값 산출기(48)는 다음과 같은 수학식 7에 의해 보상 피치값을 산출할 수 있다.
[수학식 7]
Figure PCTKR2009001724-appb-I000015
여기서, F는 비례 적분 제어기로 가정한다. t는 시간으로 단위는 초(second)이며, 제어기의 비례값이 1, 적분값이 5, 단위는 degree/rpm이고, 입력값인 오차속도가 5 rpm일 때, 출력값인 보상 피치값은 5 degree가 된다. 즉, 다음과 같이 연산될 수 있다.
Figure PCTKR2009001724-appb-I000016
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 보상 피치값 생성 방법을 나타낸 흐름도이다. 보다 상세하게, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 피치 제어 방법을 수행하기 위한 보상 피치값 생성 방법을 나타낸 흐름도이다.
이하, 도 3을 참조하여 설명한 각 구성의 기능이 본 발명의 실시예에 따른 보상 피치값 산출부(40)내에서 처리되는바, 본 발명의 이해를 도모하기 위해서, 보상 피치값 산출부(40)를 주체로 설명한다.
도 6을 참조하면, 보상 피치값 산출부(40)는 직류 커패시터(3)에서 전압을 측정한다(S610). 또한, 보상 피치값 산출부(40)는 다른 실시예로써, 계통연계점에서 전압을 측정할 수 있다.
이어서, 보상 피치값 산출부(40)는 직류 커패시터(3)의 측정 전압과 기준 전압을 이용하여 오차 전압을 산출한다(S620). 또한, 보상 피치값 산출부(40)는 계통연계점의 측정 전압과 기준 전압을 이용하여 오차 전압을 산출할 수 있다. 여기서, 기준 전압은 측정 전압에 상응하여 사용자에 의해 미리 설정될 수 있다.
이어서, 보상 피치값 산출부(40)는 오차 전압을 이용하여 오차 전압에 상응하는 보상 피치값을 산출한다(S630). 또한, 보상 피치값 산출부(40)는 다른 실시예로써, 오차 전압에 상응하는 보상 유효전력값을 산출하고, 보상 유효전력값을 이용하여 보상 유효전력값에 상응하는 보상 피치값을 산출할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 보상 피치값 생성 방법을 나타낸 흐름도이다.
이하, 도 4를 참조하여 설명한 각 구성의 기능이 본 발명의 다른 실시예에 따른 보상 피치값 산출부(40)내에서 처리되는바, 본 발명의 이해를 도모하기 위해서, 보상 피치값 산출부(40)를 주체로 설명한다.
도 7을 참조하면, 보상 피치값 산출부(40)는 계통연계점에서 주파수를 측정한다(S710).
이어서, 보상 피치값 산출부(40)는 계통연계점의 측정 주파수와 기준 주파수를 이용하여 오차 주파수를 산출한다(S720). 여기서, 기준 주파수는 사용자에 의해 미리 설정될 수 있다. 또한, 오차 주파수는 기준 주파수와 측정 주파수의 차이이다.
이어서, 보상 피치값 산출부(40)는 오차 주파수의 허용 한계점을 결정한다(S730). 여기서, 허용 한계점을 결정하는 것은 미리 설정된 최대 및 최소 주파수를 이용하여 오차 주파수 중 최대 및 최소 주파수의 범위내에 포함되는 허용 오차 주파수만을 통과시켜 수행된다.
이어서, 보상 피치값 산출부(40)는 한계점이 결정된 허용 오차 주파수에 상응하는 보상 유효 전력값을 산출한다(S740).
이어서, 보상 피치값 산출부(40)는 보상 유효 전력값을 이용하여 보상 유효전력값에 상응하는 보상 피치값을 산출한다(S750).
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 보상 피치값 생성 방법을 나타낸 흐름도이다.
이하, 도 8을 참조하여 설명한 각 구성의 기능이 본 발명의 다른 실시예에 따른 보상 피치값 산출부(40)내에서 처리되는바, 본 발명의 이해를 도모하기 위해서, 보상 피치값 산출부(40)를 주체로 설명한다.
도 8을 참조하면, 보상 피치값 산출부(40)는 발전기 회전자에서 속도를 측정한다(S810).
이어서, 보상 피치값 산출부(40)는 발전기 회전자의 측정 속도와 기준 속도를 이용하여 오차 속도를 산출한다(S820). 여기서, 기준 속도는 사용자에 의해 미리 설정될 수 있다.
이어서, 보상 피치값 산출부(40)는 오차 속도를 이용하여 오차 속도에 상응하는 보상 피치값을 산출한다(S830).
도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 피치 제어 장치(10), 보상 피치값 산출장치(50) 및 풍력 발전 시스템의 관계를 나타낸 도면이다. 보다 상세하게, 도 9는 복수의 풍력 발전 시스템에서 피치 제어 장치(10), 보상 피치값 산출장치(50) 및 풍력 발전 시스템의 관계를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 복수의 풍력 발전 시스템은 복수의 피치 제어 장치(10) 및 각 피치 제어 장치(10)로 보상 피치값을 전달하는 보상 피치값 산출 장치(50)를 포함한다.
보상 피치값 산출장치(50)는 복수의 풍력 발전 시스템의 계통 연계점(4)의 주파수를 측정하고, 측정 주파수의 변동에 따른 보상 피치값을 산출하여 피치 제어 장치(10)로 전달함으로써 풍력 발전 시스템의 피치값을 제어할 수 있다. 계통 연계점(4)의 주파수는 계통 저전압 발생 시 정격 주파수 이상으로 유도될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 보상 피치값 산출장치(50)는 복수의 풍력 발전 시스템의 계통 연계점(4)에서 전압을 측정하고, 측정전압의 변동에 따른 보상 피치값을 산출함으로써 풍력 발전 시스템의 피치값을 제어할 수 있다. 계통 연계점(4)의 전압은 계통 저전압 발생 시 정격 전압 이상으로 유도될 수 있다.
즉, 보상 피치값 산출장치(50)는 복수의 풍력 발전 시스템의 계통 연계점에서의 오차값을 이용하여 보상 피치값을 생성할 수 있다.
이하의 설명에서는 발명의 이해와 설명의 편의를 도모하고자 오차값이 계통연계점(4)의 오차 주파수인 경우로 가정하여 설명한다. 하지만, 본 발명은 이에 한정되지 아니하고, 본 발명에 따른 보상 피치값 산출장치(50)의 오차값은 계통 저전압으로 발생하는 풍력 발전 시스템의 오차값이라면 아무런 제한없이 적용될 수 있음은 자명하다. 여기서, 풍력 발전 시스템의 오차값은 앞서 상술한 계통연계점의 오차 주파수 또는 오차 전압이 될 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력 발전 시스템의 구성도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 풍력 발전 시스템은 복수의 피치 제어 장치(10), 복수의 단위 발전 시스템(60)이 연결되는 계통연계점(4), 피치 제어 장치(10)마다 연결되며, 계통연계점(4)의 오차주파수(ef)를 산출하고, 이를 이용하여 피치 제어 장치(10)로 분배 보상 피치값을 입력하는 보상 피치값 산출장치(30) 및 단위발전 시스템(60)을 포함할 수 있다. 보다 자세하게, 풍력 발전 시스템은 n개(n은 자연수)의 단위 발전 시스템(60) 및 피치 제어 장치(10)로 구성될 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 보상 피치값 산출장치(50)는 풍력 발전 시스템의 보상 피치값 산출장치가 바람직하나, 그 외에 피치 제어 장치(10)을 이용한 발전 시스템에 적용될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
보상 피치값 산출장치(50)는 계통연계점(4)에서 오차 주파수를 산출하기 위한 주파수 비교부(52), 오차 주파수에 상응하는 보상 피치값을 산출하기 위한 보상 피치값 산출부(54) 및 분배 보상 피치값을 산출하여 피치 제어 장치(10)로 입력하는 분배 보상 피치값 산출부(55)를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 보상 피치값 산출장치(50)는 이후 도 11 내지 도 13에서 상세히 후술한다.
다음으로, 단위 발전 시스템(60)은 피치 제어 장치(10)과 함께 운영되는 전력발생장치(미도시)를 포함할 수 있다. 여기서, 전력발생장치는 발전기가 될 수 있다. 여기서, 발전기는 농형유도기 발전기 또는 영구자석 발전기 일 수 있으며, 발전기로 사용될 수 있는 발전기이면 적용될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
다음으로, 피치 제어 장치(10)는 풍력 발전기가 바람의 에너지에서 최대출력을 얻을 수 있는 피치값을 제어하는 장치이다. 본 발명에 따른 피치 제어 장치(10)를 포함하는 발전 시스템은 풍력발전 시스템에 적용하는 것이 바람직하나, 이외 자연력을 이용한 발전 시스템에 적용될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
또한, 본 발명에 따른 피치 제어 시스템은 보상 피치값 산출장치(50)를 포함하여 구현되거나, 피치 제어 장치(10)와 연결된 외부 장치로 구현될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
본 발명에 따른 피치 제어 장치(10)는 이후 도 11에서 상세히 후술한다.
다음으로, 계통연계점(4)은 전력이 실제로 사용자에게 공급되기 위해 상용전력계통망(미도시)과 발전 시스템이 만나는 지점이다. 계통연계점(4)의 주파수는 본 발명에 따른 보상 피치값 산출장치(50)에 의해 생성되는 보상 피치값을 이용하여 제어된다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 피치 제어 시스템을 나타낸 구성도이다. 보다 상세하게, 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 보상 피치값 산출장치(50) 및 피치 제어 장치(10)를 포함하는 피치 제어 시스템을 나타낸 구성도이다. 여기서, 본 발명에 따른 피치 제어 시스템은 복수의 피치 제어 장치(10)와 하나의 보상 피치값 산출장치(50)로 구성될 수 있다. 즉, 본 발명의 다른 실시예에 따른 보상 피치값 산출장치(50)는 복수의 단위 발전 시스템(60)의 피치값을 제어하는 복수의 피치 제어 장치(10)로 각각 보상 피치값을 전달할 수 있다.
도 11을 참조하면, 피치 제어 시스템은 피치 제어 장치(10) 및 보상 피치값 산출장치(50)를 포함할 수 있다.
피치 제어 장치(10)는 기준 피치값 산출부(20), 기준 피치값 산출부(20)에서 생성되는 기준 피치값을 이용하여 피치값을 산출하는 피치 서보부(30)를 포함할 수 있다.
피치 제어 시스템은 도 10에서 상술한 보상 피치값 산출장치(50)를 포함한다. 여기서, 보상 피치값 산출장치(50)는 계통연계점(4)의 오차 주파수 신호에 상응하는 보상 피치값을 피치 서보부(30)로 출력하는 제어기들을 포함할 수 있다.
보상 피치값 산출장치(50)는 이후 도 12 및 도 13를 참조하여 상세히 후술한다.
이하, 피치 제어 장치(10)의 구성부는 도 2에서 상술하였으므로 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
Figure PCTKR2009001724-appb-I000017
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 보상 피치값 산출장치(50)의 블록도이고, 도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 보상 피치값 산출장치(50)의 구성도이다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 보상 피치값 산출장치(50)는 주파수 비교부(52), 오차 주파수 제한부(53), 보상 피치값 산출부(54), 분배 보상 피치값 산출부(55), 보상 피치값 비교부(56) 및 누적방지부(57)를 포함할 수 있다.
주파수 비교부(52)는 계통연계점(4)에서 측정된 측정 주파수(fm)와 계통연계점(4)에서의 기준 주파수(fs) 차이에 근거하여 주파수 차인 오차 주파수(ef)를 산출한다. 여기서, 기준 주파수(fs)는 전력을 안정적으로 공급하기 위한 주파수로 운용자에 의해 미리 설정될 수 있다.
주파수 비교부(32)는 오차값에 따라 변경될 수 있다. 예를 들어, 오차값이 오차 전압인 경우, 전압 비교부(미도시)가 적용될 수 있다.
다음으로, 오차 주파수 제한부(53)는 사용자에 의해 미리 설정된 최대 주파수(fmax) 및 최소 주파수(fmin)을 이용하여 오차 주파수의 한계를 결정한다.
즉, 오차 주파수 제한부(53)는 입력되는 오차 주파수 중에서 최대 주파수(fmax) 및 최소 주파수(fmin)의 범위 안에 포함되는 허용 오차 주파수만을 통과시킨다.
예를 들어, 최소 주파수(fmin)가 0 Hz, 최대 주파수(fmax)가 1 Hz로 설정되고, 입력되는 오차 주파수(ef)가 2 Hz인 경우, 오차 주파수 제한부(33)는 오차 주파수(ef)를 통과시키지 않는다. 이로 인해, 보상 피치값 산출장치(50)는 작동을 하지 않으므로, 보상 피치값은 0 degree가 된다. 또한, 오차 주파수(ef)가 0.5 Hz이면 허용 오차 주파수는 0.5 Hz가 된다.
입력되는 오차 주파수의 한계를 결정하는 것은 발전 시스템의 피치값이 과도하게 변경되어 발전 시스템이 정지하여 전력계통에 큰 충격을 가하는 것을 방지하고, 피치값이 한번에 너무 많이 변경되는 것을 방지하기 위한 것이다.
오차 주파수 제한부(53)는 오차값에 따라 변경될 수 있다. 예를 들어, 오차값이 오차 전압인 경우, 오차 전압 제한부(미도시)가 적용될 수 있다.
다음으로, 보상 피치값 산출부(54)는 오차 주파수(ef)에 대해 선형제어를 수행하여 계통연계 점의 주파수 제어를 위해 필요한 보상 피치 값(U)을 산출한다.
다음으로, 분배 보상 피치값 산출부(55)는 보상 피치값 산출부(54)를 통해 산출된 보상 피치값(U)을 n개(n은 자연수)로 분배하는 보상 피치값 분배기(552), 각각의 보상 피치값(U)의 분배값과 피치값 변동 한계 값(Umax)의 비교를 수행하여 분배 보상 피치값(Usetj,s)을 산출하는 분배 보상 피치값 산출기(554)를 포함한다.
다음으로, 보상 피치값 비교부(56)는 편차신호(es)를 산출하고, 누적방지부(57)는 보상 피치값 산출부(54)의 누적현상(saturation)을 방지한다.
이하, 본 발명에 따른 주파수를 이용한 보상 피치값 산출장치(50)는 도 13를　참조하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 보상 피치값 산출부(54)는 출력값을 궤환(feedback)하여 제어하는 제어기인 비례적분(PI) 제어기, 비례미분(PD) 제어기 또는 비례적분미분(PID) 제어기 중 어느 하나일 수 있으나, 바람직하게는 도 13과 같이 비례제어기(P), 정상상태 응답을 개선하는 적분제어기(I) 및 응답속도를 개선하는 미분제어기(D)의 장점을 모두 구비하는 비례적분미분(PID) 제어기로 구성할 수 있다.
다음으로, 누적 방지부(57)는 분배 보상 피치값 산출부(55)의 보상 피치값 비교부(56)로부터 궤환되는 편차신호(es)에 근거하여 보상 피치값 산출부(54)의 누적현상을 방지한다.
누적 방지부(57)는 비례미분(PI) 제어기 또는 비례적분미분(PID) 제어기와 같이 적분제어기(I)를 포함하는 제어기의 동작 시 입력단과 출력단의 차이로 인한 누적현상을 방지한다. 여기서, 누적현상은 과도응답 특성과 정상상태 응답 특성을 감소시켜 보상 피치값 산출부(54)의 성능을 저하시키게 된다.
따라서, 본 발명에서는 누적방지 기법(anti-windup)의 누적 방지부(57)를 추가로 구성하여 누적 방지 기능을 부여함으로 적분제어기를 포함하는 보상 피치값 산출부(54)의 오작동을 방지할 수 있다.
누적 방지부(57)는 보상 피치값 산출부(54)의 출력이 설정치 변화량을 초과하지 않도록 하는 설정치 제한방식, 샘플링순간마다 제어신호를 증분을 계산하여 보상 피치값 산출부(54)의 동작을 제어하는 증분형 알고리즘 방식, 보상 피치값 산출부(54)의 출력과 분배 보상 피치값 산출기(554)의 출력 차이를 궤환하여 적분기를 제어하는 추적형 방식 중 어느 하나를 이용하여 보상 피치값 산출부(54)의 누적 현상을 방지할 수 있다.
이하에서는 누적 방지부(57)에 대해 더욱 상세히 설명한다.
우선, 누적 방지부(57)는 편차신호(es)에 추적시정수(Tracking TimeConstant: kt)를 곱한다. 여기서, 편차신호(es)는 보상 피치값 분배기(552)에 의해 분배된 보상 피치값(U)의 합과 분배 보상 피치값 산출기(554) 출력의 합을 비교하여 산출된다. 누적 방지부(57)는 추적시정수(Tracking TimeConstant: kt)를 곱한 편차신호(es)를 오차 주파수 값에 합하여 보상 피치값 산출부(54)의 적분제어기(I)로 입력시킨다.
따라서, 누적 방지부(57)는 분배 보상 피치값 산출부(55)의 포화가 없는 경우 편차신호(es)는 0이므로 분배 보상 피치값 산출부(55)의 포화가 발생되지 않는 범위에서 정상적인 동작에 전혀 영향을 주지 않는다.
반면에, 누적 방지부(57)는 분배 보상 피치값 산출부(55)가 포화되면, 편차신호(es≠0)가 발생되고, 궤환 경로에 의해 보상 피치값 산출부(54)의 적분제어기(I)의 입력을 감소시켜서 누적을 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 분배 보상 피치값 산출부(55)는 보상 피치값 분배기(552), 분배 보상 피치값 산출기(554) 및 보상 피치값 비교부(56)를 포함할 수 있다.
먼저, 보상 피치값 분배기(552)는 보상 피치값 산출부(54)의 출력인 보상 피치 값(U)을 분배하여 분배 보상 피치값 산출기(554)로 공급한다. 여기서, 분배 보상 피치값 산출기(554)는 복수의 피치 제어 장치(10)마다 구비되는 피치 서보부(30)에 제어신호를 제공한다.
다음으로, 분배 보상 피치값 산출기(554)는 피치값 변동 한계값(Umax)과 보상 피치값 분배기(552)로부터 전달받는 분배된 보상 피치 값(U)을 비교하는 처리과정을 통해서 각각의 피치 서보부(30)에 해당하는 분배 보상 피치값(Usetj,s)을 산출한다.
분배 보상 피치값 산출기(554)는 산출된 보상 피치값(Usetj,s)을　복수의 피치 서보부(30)마다 제어신호로 제공한다. 여기서, 분배 보상 피치값(Usetj,s)은 계통연계점(4)의 오차 주파수를 보상하는 보상 피치값(U)을 분배한 값으로, 각 피치 제어 장치(10)로 인가되며,　다음의 수학식 8을 이용하여 계산될 수 있다.
[수학식 8]
Figure PCTKR2009001724-appb-I000018
여기서, 상기 Usetj,s는 분배 보상 피치값 산출부(55)에 의해 j번째 피치 제어장치(10)에 제공되는 제어신호인 보상 피치값이고,
상기 Pj,c는 계통연계점(4) 측에서　측정된 j번째 단위발전시스템(60)의 유효전력 값이며,
상기
Figure PCTKR2009001724-appb-I000019
은 계통연계점(4) 측에서　측정된 1부터 j번째까지의 단위발전시스템(60)의 유효전력 값의 합이며, 상기 Umax는 피치값 변동 한계 값이다.
이러한, 상기 수학식 8에서 min{a,b}는 a와 b중 작은 값을 취함을 의미하고, 아래첨자 j는 1,2,3,...,n으로 피치 제어 장치(10) 수를 의미하는 자연수이며, 위첨자 max는 최대값을 의미한다.
다음으로, 보상 피치값 비교부(56)는 보상 피치값 분배기(552)에 의해 분배된 보상 피치값(U)의 합과 분배 보상 피치값 산출기(554)의 출력인 보상 피치값(Usetj,s)의 합을 비교하여 편차신호(es)을 산출하고, 누적방지부(57)로 궤환시킨다.
상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 의한 보상 피치값 산출장치(50)의 보상 피치값 산출 방법은 도 14에서 상세히 설명하기로 한다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 보상 피치값 산출장치(50)의 보상 피치값 산출 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
단계 S1410에서 주파수 비교부(52)는 계통연계점(4)의 주파수를　측정하여 측정주파수(fm)을 얻는다.
단계 S1420에서 주파수 비교부(52)는 측정된 측정주파수(fm)와 계통연계점의 기준주파수(fs) 차이에 근거하여 오차주파수(ef)를 산출한다.
단계 S1430에서 보상 피치값 산출부(54)는 주파수 비교부(52)로부터 산출된 오차주파수(ef)를　수신하고, 보상 피치값 산출부(54) 내에 구비되는 제어기로 선형제어를 수행하여 보상 피치값(U)을 산출한다. 즉, 보상 피치값 산출부(54)는 오차 주파수(ef)를　비례제어기(P)의 입력으로 전달받아 오차 주파수(ef)에 비례이득(kp)을 곱하는 과정을 수행한다. 또한, 보상 피치값 산출부(54)는 오차주파수(ef)를 적분제어기(I)의 입력으로 전달받아 오차주파수(ef)을 적분하고 적분이득(ki)을 곱하는 과정을 수행하게 된다.
이와 동시에, 보상 피치값 산출부(54)는 계통연계점(4)에서 측정된 측정주파수(fm)를 미분제어기(D)의 입력으로 전달받아 측정주파수(fm)를 미분하고, 미분이득(kd)을 곱하는 과정을 수행하게 된다.
이어서, 보상 피치값 산출부(54)는 비례제어기(P), 적분제어기(I) 및 미분제어기(D)의 각각의 출력값를 합하여 보상 피치값(U)을 산출한다.
단계 S1440에서 분배 보상 피치값 산출부(55)는 보상 피치값(U)과 피치값 변동 한계 값(Umax)을 이용하여 분배 보상 피치값(Usetj,s)을　산출한다. 보상 피치값 분배기(552)는 보상 피치값 산출부(54)로부터 산출된 보상 피치값(U)을 입력 받아 n개(n은 자연수)로 분배한다. 분배 보상 피치값 산출기(554)는 보상 피치값(U)의 분배값을 전달받아 복수의 피치 제어 장치(10)에 제어신호로써 보상 피치값을 인가한다. 여기서, 분배 보상 피치값 산출기(554)는 피치값 변동 한계 값(Umax)과 보상 피치값 분배기(552)에서 분배되어 전달되는 분배 보상 피치값을　이용하여 상술한 수학식 8을 수행하고, 복수의 피치 서보부(30)마다 해당되는 분배 보상 피치값(Usetj,s)을　산출한다.
단계 S1450에서 분배 보상 피치값 산출기(554)는 산출된 분배 보상 피치값(Usetj,s)을　피치 제어 장치(10)에 인가함으로써 피치 제어 장치(10)을 제어한다. 보상 피치값 산출장치(50)는 피치 제어 장치(10)을　제어함으로써, 본 발명에 따른 풍력 발전 시스템의 구동을 안정적으로 용이하게 제어할 수 있게 된다.
이어서, 단계 S1460에서 보상 피치값 비교부(56)는 분배 보상 피치값(Usetj,s)의 합과 보상 피치값 분배기(552)를 통해 분배된 보상 피치값(U)의 합의 차이에 근거하여 편차신호(es)를 산출한다.
이어서, 단계 S1470에서 누적 방지부(544)는 편차신호(es)에 추적시정수(Tracking Time Constant: kt)를 곱하여 출력된 값을 오차주파수(ef)에 합하여 보상 피치값 산출부(54)의 적분제어기(I)로 입력한다.
여기서, 누적방지부(57)는 궤환 경로에 의해 적분제어기(I) 입력을 감소시켜서 보상 피치값 산출부(54)의 누적현상을 방지할 수 있다.
따라서, 누적 방지부(57)는 분배 보상 피치값 산출부(55)의 포화가 없는 경우 편차신호(es)가 0 이므로, 분배 보상 피치값 산출부(55)의 포화가 발생되지 않는 범위에서 정상적인 동작에 전혀 영향을 주지 않는다.
반면에, 누적방지부(57)는 분배 보상 피치값 산출부(35)가 포화되어 편차신호(es≠0)가 발생하면, 누적방지부(57)의 추적시정수를 통한 궤환 경로에 의해 적분제어기(I) 입력을 감소 시켜서 누적을 방지할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 피치 제어 장치(10), 보상 피치값 산출부(40) 및 풍력 발전 시스템의 관계를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 피치 제어 장치(10)를 나타낸 구성도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 보상 피치값 산출부(40)의 구성도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 보상 피치값 산출부(40)의 구성도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 보상 피치값 산출부(40)의 구성도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 보상 피치값 생성 방법을 나타낸 흐름도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 보상 피치값 생성 방법을 나타낸 흐름도.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 보상 피치값 생성 방법을 나타낸 흐름도.
도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 피치 제어 장치(10), 보상 피치값 산출장치(50) 및 풍력 발전 시스템의 관계를 나타낸 도면.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력 발전 시스템의 구성도.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 피치 제어 시스템을 나타낸 구성도.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 보상 피치값 산출장치(50)의 블록도.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 보상 피치값 산출장치(50)의 구성도.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 보상 피치값 산출장치(50)의 보상 피치값 산출 방법을 설명하기 위한 흐름도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 피치 제어 장치 20: 기준 피치값 산출부
30: 피치 서보부 40: 보상 피치값 산출부
50: 보상 피치값 산출 장치
본 발명은 계통 저전압 발생 시 발전기에 연결된 전력변환부의 직류 커패시터에 정격 전압 이상으로 유도되는 과전압을 감지하여 풍력 발전기의 피치값을 제어함으로써 풍력 발전기의 계통 저전압 극복 능력을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 계통연계점에서 전압 또는 주파수 변동 시 정격 전압 또는 정격 주파수 이상으로 유도되는 전압 또는 주파수를 감지하여 풍력 발전기의 피치값을 제어함으로써 계통연계점의 전압 또는 주파수를 기준 범위내에서 지속적으로 운영할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 계통연계점의 저전압 발생시 발전기 회전자의 변동속도를 감지 및 제어함으로써 계통 저전압으로 인한 발전기 회전자 속도 증가를 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 복수의 풍력 발전기의 계통연계점에서 전압 또는 주파수 변동 시 정격 전압 또는 정격 주파수 이상으로 유도되는 전압 또는 주파수를 감지하여 풍력 발전기의 피치값을 제어함으로써 계통연계점의 전압 또는 주파수를 기준 범위내에서 지속적으로 운영할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 복수의 풍력 발전기의 피치 제어 장치에 보상 피치값 산출장치를 부가함으로써, 추가적인 장비나 공정없이 신뢰성 있고 효율적인 발전 시스템을 구현하여 안정적인 전력품질 및 계통운영의 신뢰성을 얻을 수 있는 효과가 있다.

Claims (22)

  1. 풍력 발전 시스템의 피치값을 제어하는 피치 제어 장치에 있어서,
    상기 풍력 발전 시스템의 동작에 따른 발전기 측정 신호와 발전기 기준 신호의 차이에 근거하여 오차 신호를 산출하는 발전기 비교부;
    상기 오차 신호를 이용하여 기준 피치값을 산출하는 기준 피치값 산출부;
    상기 풍력 발전 시스템의 오차값을 이용하여 보상 피치값을 산출하는 보상 피치값 산출부; 및
    상기 기준 피치값, 상기 보상 피치값을 이용하여 피치값을 산출하는 피치값 산출부를 포함하되,
    상기 오차값은 상기 풍력 발전 시스템의 전력 변환부에 포함된 직류 커패시터의 오차 전압값, 상기 풍력 발전 시스템의 계통연계점의 오차 전압값, 상기 풍력 발전 시스템의 회전자의 오차 속도값, 상기 풍력 발전 시스템의 계통 연계점의 오차 주파수 값 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 피치 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발전기 측정 신호는 발전기 구동축의 회전 속도 또는 발전기의 출력에 대한 측정 신호이고, 상기 발전기 기준 신호는 상기 발전기 측정 신호에 상응하여 미리 설정된 기준 신호인 것을 특징으로 하는 피치 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 오차 전압값은
    상기 풍력 발전 시스템의 전력 변환부에 포함된 직류 커패시터에서 측정된 전압과 상기 측정된 전압에 상응하여 미리 설정된 기준 전압의 차이에 근거하여 산출되거나 상기 풍력 발전 시스템의 계통 연계점에서 측정된 전압과 상기 측정된 전압에 상응하여 미리 설정된 기준 전압의 차이에 근거하여 산출되는 것을 특징으로 하는 피치 제어 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 오차 주파수값은
    상기 풍력 발전 시스템의 계통 연계점에서 측정된 측정 주파수와 상기 측정 주파수에 상응하여 미리 설정된 기준 주파수의 차이에 근거하여 산출되는 것을 특징으로 하는 피치 제어 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 오차 속도값은
    상기 풍력 발전 시스템의 회전자에서 측정된 측정 속도와 상기 측정 속도에 상응하여 미리 설정된 기준 속도의 차이에 근거하여 산출되는 것을 특징으로 하는 피치 제어 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 보상 피치값 산출부는,
    상기 오차 전압값을 이용하여 보상 유효 전력값을 산출하는 보상 유효전력 산출기; 및
    상기 보상 유효 전력값을 이용하여 보상 피치값을 산출하는 보상 피치값 산출기를 포함하는 피치 제어 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 보상 피치값 산출부는
    상기 오차 주파수값을 이용하여 보상 유효 전력값을 산출하는 보상 유효전력 산출기; 및
    상기 산출된 보상 유효 전력값을 이용하여 보상 피치값을 산출하는 보상 피치값 산출기를 포함하는 피치 제어 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 보상 피치값 산출부는
    상기 오차 속도값을 이용하여 보상 유효 전력값을 산출하는 보상 유효전력 산출기; 및
    상기 산출된 보상 유효 전력값을 이용하여 보상 피치값을 산출하는 보상 피치값 산출기를 포함하는 피치 제어 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 보상 피치값 산출부는
    상기 오차 전압값을 산출하는 비교기; 및
    상기 오차 전압값이 미리 설정된 전압 범위를 벗어난 경우, 상기 오차 전압값을 상기 미리 설정된 전압 범위의 허용 오차 전압값으로 변경하는 오차 제한기를 더 포함하는 피치 제어 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 보상 피치값 산출부는
    상기 오차 주파수값을 산출하는 비교기; 및
    상기 오차 주파수값이 미리 설정된 주파수 범위를 벗어난 경우, 상기 오차 주파수값을 상기 미리 설정된 주파수 범위의 허용 오차 주파수값으로 변경하는 오차 제한기를 더 포함하는 피치 제어 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 보상 피치값 산출부는
    상기 오차 속도값을 산출하는 비교기; 및
    상기 오차 속도값이 미리 설정된 속도 범위를 벗어난 경우, 상기 오차 속도값을 상기 미리 설정된 속도 범위의 허용 오차 속도값으로 변경하는 오차 제한기를 더 포함하는 피치 제어 장치.
  12. 복수의 풍력 발전시스템의 피치값을 제어하는 피치 제어 시스템에 있어서,
    상기 풍력 발전시스템의 동작에 따른 발전기 측정 신호와 발전기 기준 신호의 차이에 근거하여 오차 신호를 산출하는 발전기 비교부;
    상기 오차 신호를 이용하여 기준 피치값을 산출하는 기준 피치값 산출부; 및
    상기 기준 피치값과 보상 피치값 산출장치로부터 산출되는 분배 보상 피치값을 이용하여 피치값을 산출하는 피치값 산출부를 포함하는 복수의 피치 제어 장치; 및
    상기 복수의 풍력 발전시스템이 연결되는 계통연계점에서 산출한 오차 전압값 또는 오차 주파수값을 이용하여 상기 분배 보상 피치값을 산출하는 보상 피치값 산출장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 피치 제어 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 발전기 측정 신호는 발전기 구동축의 회전 속도 또는 발전기의 출력에 대한 측정 신호이고, 상기 발전기 기준 신호는 상기 발전기 측정 신호에 상응하여 미리 설정된 기준 신호인 것을 특징으로 하는 피치 제어 시스템.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 오차 전압값은
    상기 풍력 발전시스템의 계통연계점에서 측정된 전압과 상기 측정된 전압에 상응하여 미리 설정된 기준 전압의 차이에 근거하여 산출되는 것을 특징으로 하는 피치 제어 시스템.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 오차 주파수값은
    상기 풍력 발전시스템의 계통연계점에서 측정된 측정 주파수와 상기 측정 주파수에 상응하여 미리 설정된 기준 주파수의 차이에 근거하여 산출되는 것을 특징으로 하는 피치 제어 시스템.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 보상 피치값 산출장치는
    상기 오차 전압값 또는 상기 오차 주파수값을 이용하여 보상 피치값을 산출하는 보상 피치값 산출부; 및
    상기 보상 피치값과 미리 설정된 피치 변동 한계값을 이용하여 상기 피치제어장치에 인가하는 복수의 분배 보상 피치값을 산출하는 분배 보상 피치값 산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 피치 제어 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 분배 보상 피치값 산출부는
    상기 보상 피치값을 분배하여 복수의 제1 분배 보상 피치값을 산출하는 보상피치값 분배기; 및
    상기 복수의 제1 분배 보상 피치값과 미리 설정된 피치 변동 한계값을 이용하여 상기 피치 제어 장치에 인가하는 복수의 제2 분배 보상 피치값을 산출하는 분배 보상 피치값 산출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 피치 제어 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 분배 보상 피치값 산출부는 상기 피치 변동 한계값 내에 포함되는 상기 제1 분배 보상 피치값을 통과시켜 상기 제2 분배 보상 피치값을 산출하는 것을 특징으로 하는 피치 제어 시스템.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 보상 피치값 산출장치는
    상기 오차 전압값 또는 상기 오차 주파수값을 산출하는 비교부; 및
    상기 오차 전압값 또는 상기 오차 주파수값이 미리 설정된 전압 또는 주파수 범위를 벗어난 경우, 상기 오차 전압값 또는 상기 오차 주파수값을 미리 설정된 전압 또는 주파수 범위의 허용 오차 전압값 또는 허용 오차 주파수값으로 변경하는 오차 제한부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피치 제어 시스템.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 보상 피치값 산출장치는
    제1 분배 보상 피치값의 합과 제2 분배 보상 피치값의 합을 이용하여 편차신호를 산출하는 보상 피치값 비교부; 및
    상기 편차 신호와 상기 오차 전압값 또는 상기 오차 주파수값을 이용하여 상기 보상 피치값 산출부의 누적을 방지하는 누적 방지부를 더 포함하는 피치 제어 시스템.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 누적 방지부는 상기 편차 신호에 추적시정수(Tracking Time Constant: kt)를 곱한 값을 상기 오차 전압값 또는 상기 오차 주파수값에 합하여 상기 보상 피치값 산출부로 입력시키는 것을 특징으로 하는 피치 제어 시스템.
  22. 제17항에 있어서,
    풍력 발전 시스템은 j(j는 자연수)개이며, j개의 피치 제어 장치가 상기 풍력 발전 시스템에 각각 연결되며, 상기 제2 분배 보상 피치값은 하기의 수학식에 의해 산출되는 피치 제어 시스템.
    Figure PCTKR2009001724-appb-I000020
    여기서, 상기 Usetj,s는 보상 피치값 산출장치의 분배 보상 피치값 산출부에 의해 j번째 피치 제어장치에 제공되는 제어신호인 분배 보상 피치값이고,
    상기 Pj,c는 j번째 단위 풍력 발전기의 유효전력 값이며,
    상기
    Figure PCTKR2009001724-appb-I000021
    은 1부터 j번째까지의 단위 풍력 발전시스템의 유효전력 값의 합이며, 상기 Umax는 피치 변동 한계값이다.
    이러한, 상기 수학식에서 min{a,b}는 a와 b중 작은 값을 취함을 의미하고, 아래첨자 j는 1,2,3,...,n으로 피치 제어 장치의 수를 의미하는 자연수이며, 위첨자 max는 최대값을 의미함.
PCT/KR2009/001724 2008-09-18 2009-04-03 풍력 발전기의 피치 제어 장치 및 시스템 WO2010032909A1 (ko)

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