WO2013032077A1 - 풍력터빈 시뮬레이션 시스템 및 그 방법 - Google Patents

풍력터빈 시뮬레이션 시스템 및 그 방법 Download PDF

Info

Publication number
WO2013032077A1
WO2013032077A1 PCT/KR2012/001061 KR2012001061W WO2013032077A1 WO 2013032077 A1 WO2013032077 A1 WO 2013032077A1 KR 2012001061 W KR2012001061 W KR 2012001061W WO 2013032077 A1 WO2013032077 A1 WO 2013032077A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
wind turbine
generator
wind
simulation
blade
Prior art date
Application number
PCT/KR2012/001061
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
오기용
이재경
박준영
이준신
Original Assignee
한국전력공사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국전력공사 filed Critical 한국전력공사
Priority to CN201280036725.5A priority Critical patent/CN103797246B/zh
Publication of WO2013032077A1 publication Critical patent/WO2013032077A1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D80/00—Details, components or accessories not provided for in groups F03D1/00 - F03D17/00
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D17/00—Monitoring or testing of wind motors, e.g. diagnostics
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/83—Testing, e.g. methods, components or tools therefor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/84—Modelling or simulation
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the present invention relates to a wind turbine simulation system and a method thereof, and more particularly, a wind turbine simulation for optimally operating a wind turbine through the state monitoring of a wind turbine, and determining the replacement cycle by estimating the fatigue life of the component parts.
  • a system and method thereof are provided.
  • Wind power generation system can reduce power quality such as voltage and frequency of surrounding system customers and load due to irregularities in output due to the variability of wind speed as an energy source, so that wind power can reproduce specific operating conditions of actual wind power generation system. Development of power generation simulators or wind turbine simulation systems is required.
  • the conventional wind turbine simulation system only performed the function of evaluating the performance of the wind turbine gearbox or generator. That is, the conventional wind turbine simulation system has only a performance evaluation by directly connecting a gearbox or a generator to a motor without simulating wind acting on the wind turbine, and thus has a limitation in that it cannot simulate actual operating conditions of the wind turbine. Existed.
  • Embodiments of the present invention are designed to have a similarity to an actual wind turbine, to provide a wind turbine simulation system and method that can simulate the operating conditions of the actual wind turbine.
  • Wind turbine model unit including a driving heat for increasing and decreasing the rotational speed of the power
  • a driving unit including a driving motor for driving the rotor
  • a power generation unit including a generator for converting the rotational force generated by the wind turbine model unit into electrical energy
  • a wind turbine simulation system including a control unit for controlling one or more of the wind turbine model unit, drive unit or power generation unit.
  • Vents may be formed in the hub of the wind turbine model unit.
  • the drive train of the wind turbine model unit may include a speed increaser for increasing the rotation speed of the replica blade to rotate at a rotation speed suitable for power generation of the power generation unit.
  • the generator may further include a generator inverter configured to receive at least one of the rotational speed data and the torque data of the generator and transmit and receive the same to the controller.
  • At least one of a plurality of acceleration sensors, temperature sensors, and tacho sensors may be mounted on the driving heat and the power generation unit.
  • the driving train may further include a first reducer disposed between the rotor and the generator, and the driving unit may further include a second reducer disposed between the drive motor and the rotor.
  • control unit the drive control unit for controlling the torque of the drive motor of the drive unit or the pitch angle of the simulated blade of the wind turbine model unit;
  • a state monitoring unit which receives and processes torque data, rotational speed data, angular velocity data, temperature data or strain data from the wind turbine model unit and the power generation unit;
  • a generator controller configured to control at least one of rotation speed data and torque data of the generator from the generator inverter to control the production power of the generator.
  • the wind turbine simulation system may be characterized by satisfying the following [Equation 1] for the actual wind turbine.
  • the wind turbine simulation method for driving the wind turbine simulation system receiving the pitch angle and the generator rotational speed of the simulation blade, and compares the generator rotational speed with the rotational speed at the rated output A first step of doing; A second step of generating a simulated wind and controlling a driving motor based on a motor torque calculated according to the simulated wind when the generator rotational speed is less than the rotational speed at the rated output; And when the generator rotational speed is equal to or greater than the rotational speed at the rated output, generates a simulation wind, and based on the pitch angle data of the simulation blade according to the generator rotational speed and the motor torque calculated according to the simulation wind.
  • Wind turbine simulation method comprising a third step of controlling the pitch angle and the driving motor of the replica blade can be provided.
  • simulation wind may be a wind that acts on the simulation blade in the time domain.
  • the second step the step of calculating the aerodynamic torque corresponding to the simulation wind; Calculating motor torque that reflects dynamic characteristics of the simulated blade using a rotor inertial transfer function; And controlling the driving motor based on the motor torque.
  • the third step may include calculating pitch angle data of the simulation blade according to the generator rotation speed; Calculating aerodynamic torque corresponding to the simulated wind; Calculating a first motor torque that reflects dynamic characteristics of the simulated blade using a rotor inertial transfer function; Processing the first motor torque to calculate a second motor torque reflecting a change in pitch angle of the simulated blade according to the simulation wind; And controlling the pitch angle of the simulation blade based on the pitch angle data of the simulation blade, and controlling the driving motor based on the second motor torque.
  • Embodiments of the present invention can simulate the operating conditions of the actual wind turbine by designing a wind turbine simulator system to have a similarity with the actual wind turbine.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a wind turbine simulation system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an enlarged view illustrating an enlarged portion A of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a schematic view showing a modification of the wind turbine simulation system of FIG.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating data transmission and reception of the wind turbine simulation system of FIG. 1.
  • FIG. 5 is a view illustrating a torque curve generation process of a generator in the wind turbine simulation system of FIG. 1.
  • FIG. 6 is a control algorithm of a wind turbine simulation method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a simulation wind generation algorithm of FIG. 6.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a wind turbine simulation system 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the wind turbine simulation system 100 includes a wind turbine model unit 120 that simulates the movement of an actual wind turbine, a driver 140 driving the wind turbine model unit 120, and a wind turbine model unit ( And a control unit 180 for controlling one or more of the power generation unit 160 and the wind turbine model unit 120, the driving unit 140, or the power generation unit 160 for converting the rotational force generated in the 120 into electrical energy.
  • a control unit 180 for controlling one or more of the power generation unit 160 and the wind turbine model unit 120, the driving unit 140, or the power generation unit 160 for converting the rotational force generated in the 120 into electrical energy.
  • the wind turbine simulation system 100 may be installed on the base frame B, and the shape, size, etc. of the base frame B are not limited.
  • the base frame (B) may be formed in some openings (not shown) in order to prevent a collision during blade rotation of the wind turbine simulation system 100.
  • Wind turbine model unit 120 serves to simulate the movement of the actual wind turbine, the rotor (R) having a hub 123, the simulation blade 121 and the simulation blade 121 is disposed; And a drive train 125 that increases or decreases the rotational speed of the rotor R and transmits power.
  • a plurality of strain sensors 121a may be mounted on the surface of the simulation blade 121 disposed on the hub 123.
  • the strain sensor 121a measures a strain distribution applied to the simulation blade 122 when the simulation blade 121 rotates.
  • the position at which the strain sensor 121a is mounted is not limited.
  • the strain sensor 121a may analyze a blade model according to a situation and may be mounted at a position where strain is most applied on the blade surface based on the analysis result.
  • a data acquisition (DAQ) (not shown) for collecting the strain data measured from the strain sensor 122a mounted on the surface of the simulation blade 121.
  • DAQ data acquisition
  • FIG. 2 is an enlarged view illustrating an enlarged portion A of FIG. 1.
  • a vent 123a may be formed in the hub 123.
  • the ventilation hole 123a serves to prevent overheating of the equipment when the above-described equipment such as DAQ is installed in the hub 123.
  • the driving train 125 may increase or decrease the rotational speed of the rotor R, and may include an increaser 125a, a bearing housing 125c, and a torque meter 125d.
  • the drive train 125 may include a bearing housing 125c, a first torque meter 125d, a speed increaser 125a, and a second torque along the rotation axis at the rear end of the rotor R.
  • Meters 125d may be connected in order.
  • the speed increaser 125a serves to increase the rotation speed of the replica blade 122 to rotate at a rotation speed suitable for power generation of the power generation unit 160.
  • the speed increaser 125a may use a speed increaser used in a conventional wind turbine. Meanwhile, the speed increaser 125a may include a speed increaser that does not generate vibration by performing heat treatment on the gear, and a speed increaser that generates vibration by not performing heat treatment to measure data when an abnormality occurs in the wind turbine.
  • the torque meter 125d may be connected to the front and rear ends of the speed increaser 125a to perform torque measurement of the rotating shaft.
  • the driving unit 140 includes a driving motor 141 for driving the rotor R.
  • the driving motor 141 may be arranged to be connected to the front end of the hub 123.
  • the generator 160 includes a generator 161 that converts the rotational force generated by the wind turbine model unit 120 into electrical energy.
  • the generator 161 may be arranged to be connected to the rear end of the gearbox 125.
  • the generator 160 may further include a generator inverter 162 connected to the generator 161.
  • the generator inverter 162 receives at least one of the rotational speed data or the torque data of the generator 161 to change the voltage and the frequency, and transmit and receive the data to the controller 180.
  • a plurality of sensors S may be mounted in the driving train 125 and the power generation unit 160.
  • the sensors S may be an acceleration sensor S1 such as an accelerometer, a temperature sensor S2 or a tacho sensor S3.
  • the acceleration sensor S1 is disposed at the bearing housing 125c, the gear position of the gearbox 125a, and the bearing position of the generator 161, and the gearbox 125a.
  • the sensors S may serve to measure and transmit data on torque, acceleration, strain, temperature, or angular velocity of each component to the controller 180.
  • the controller 180 controls one or more of the wind turbine model unit 120, the driving unit 140, or the power generation unit 160.
  • the controller 180 will be described later with reference to other drawings.
  • FIG. 3 is a schematic view showing a modification of the wind turbine simulation system 100 of FIG.
  • description will be made mainly on the parts that differ from the above-described embodiment.
  • the same or similar configuration as in the above-described embodiment is indicated using the same reference numerals.
  • the wind turbine simulation system 100 may include a wind turbine model unit 120, a driving unit 140, a power generation unit 160, and a controller 180.
  • the wind turbine model unit 120 may include a rotor R having a replica blade 121, a hub 123, and a bearing (not shown) and a driving train 125.
  • the present modification is different from the above-described embodiment is that the rotor (R) is installed so as to have a height spaced apart from the upper base frame (B). Therefore, it is not necessary to form a separate opening in a part of the base frame (B) in order to prevent the collision during the rotation of the replica blade 121.
  • the said clearance height should just be the grade which the base frame B does not reach the edge part of the simulation blade 122, and is not limited to a specific height.
  • the rotor R may be supported by one or more towers (not shown) to have the separation height, and in order to rotate the rotor R, a belt or a chain (not shown) for transmitting the rotational force of the rotating shaft to the bearing may be installed. have.
  • the driving train 125 of the wind turbine model unit 120 further includes a first reducer 125b, and the driving unit 140 may include the second reducer 142. It may further include. As shown in FIG. 3, the first reducer 125b may be disposed between the speed increaser 125a of the drive train 125 and the generator 161, and the second reducer 142 may be the drive motor 141. And the rotor R may be disposed. The first reducer 125b and the second reducer 142 may not produce the torque required when the driving motor 141 cannot generate the torque required for the operation of the simulation blade 121 or the generator 161. If not, it may serve to increase the torque by lowering the rotational speed of the drive motor 141 or the generator 161.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating data transmission and reception of the wind turbine simulation system 100 of FIG. 1.
  • the wind turbine simulation system 100 may include a wind turbine model unit 120, a driver 140, a generator 160, and a controller 180.
  • the power generation unit 160 may include a generator 161 and a generator inverter 162.
  • the controller 180 may include a driving controller 181, a state monitor 183, and a generator controller 185.
  • the drive controller 181 controls the amount of torque of the drive motor 141 disposed in the drive unit 140 or the pitch angle of the simulation blade 121 of the wind turbine model unit 120. To this end, the drive controller 181 may transmit and receive the motor torque data and the motor control signal (T M ) with the drive unit 140, receives the blade pitch data ( ⁇ P ) from the wind turbine model unit 120, The blade pitch control signal ⁇ D can be transmitted.
  • the state monitoring unit 183 receives torque data, rotational speed data, angular velocity data, temperature data, strain data, etc. from the wind turbine model unit 120 and the power generation unit 160 and performs processing. To this end, the state monitoring unit 183 may receive sensor data D S from an acceleration sensor, a temperature sensor, a taco sensor, and the like installed in the wind turbine model unit 120 and the power generation unit 160.
  • the generator control unit 185 controls the production power of the generator 161. To this end, the generator control unit 185 may transmit and receive the rotational speed data ( G ) or the generator torque data (T G ) of the generator 161 from the generator inverter 162. On the other hand, the drive control unit 181, the state monitoring unit 183 and the generator control unit 185 may be integrated design to send and receive the data.
  • Wind turbine simulation system 100 is designed to have similarity with the actual wind turbine, it is possible to simulate the operating conditions of the actual wind turbine. To this end, the wind turbine simulation system 100 is designed to satisfy the following [Equation 1] for the actual wind turbine.
  • Equation 1 J is the moment of inertia, w is the blade rotation speed, P is the rated output, R is the blade radius, v is the rated wind speed. Meanwhile, the subscript a means the actual wind turbine, and the subscript s means the wind turbine simulation system.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a torque curve generation process of the generator 161 in the wind turbine simulation system 100 of FIG. 1.
  • the wind turbine simulation system 100 generates a torque curve in the rotor unit by using an actual wind turbine torque curve in order to have similarity with an actual wind turbine.
  • Equation 1 a torque curve in the rotor portion of the wind turbine simulation system 100 may be generated.
  • the torque curve in the rotor unit can be converted into a generator torque curve of the wind turbine simulation system 100 using the following [Equation 2].
  • Equation 2 w is a rotational speed, T is a torque, a subscript R is a rotor, and a subscript G is a generator.
  • the wind turbine simulation system 100 has similarity with an actual wind turbine, so that an operating environment of an actual wind turbine can be realized.
  • control algorithm (S100) of the wind turbine simulation method according to an embodiment of the present invention corresponds to an algorithm for driving the wind turbine simulation system described above.
  • a pitch angle ⁇ pitch of a simulation blade and a generator rotational speed ⁇ G are input (S111).
  • the generator rotational speed ( G ) is compared with the rotational speed ( Rated ) at the rated output (S112).
  • the wind generator When the generator rotational speed ( G ) is less than the rotational speed ( Rated ) at the rated output, the wind generator generates a simulated wind on the basis of the average wind speed, and the motor torque calculated according to the simulated wind ( T motor ) to control the driving motor. Meanwhile, the simulation wind will be described later with reference to other drawings.
  • a wind speed-torque lookup table is generated by creating a look-up table of wind speed and wind torque of the generated simulated wind, and a rotor inertia transfer function ( Rotor inertia transfer function) is used to calculate motor torque that reflects the dynamic characteristics of the simulated blades.
  • Wind turbine simulation method (S100) according to an embodiment of the present invention by implementing the blade inertia using the rotor inertia transfer function without using a conventional flywheel, it is possible to build a simpler and lower cost wind turbine simulation system.
  • the pitch angle data ( ⁇ Demand ) of the simulated blades corresponding to the generator rotational speed ( G ) is calculated. This is to perform the pitch control when the wind speed is higher than the rated wind speed so that the simulation blade receives less aerodynamic force.
  • Method for calculating the pitch angle data of the simulated blade ( ⁇ Demand) may use a look-up table in the generator rotation speed ( ⁇ G) and pitch angle data ( ⁇ Demand) of the simulated blade ( ⁇ G - ⁇ Demand Lookup Table ) .
  • a simulated wind is generated by a wind generator based on the average wind speed, aerodynamic torque is calculated according to the simulated wind (Wind speed-Torque Lookup Table), and a rotor inertia transfer function.
  • the first motor torque according to the moment of inertia of the simulated blade is calculated.
  • the second motor torque reflects the pitch angle change of the simulation blade according to the simulation wind by data processing the first motor torque.
  • the calculation method calculates a difference ( ⁇ T) between the first motor torque and the rated torque (T Rated ), simulates the reduction of aerodynamic torque by the simulated blade angle, and uses the time delay to calculate the current blade pitch angle ( ⁇ Pitch ( t)) and a step prior to the blade pitch is calculated for each ( ⁇ pitch (t-1) ) of the difference ( ⁇ ⁇ pitch) the scale factor (scale factor (k)) using the following, wherein the scale factor value After multiplying the difference [Delta] T between the first motor torque and the rated torque T Rated , the second motor torque is calculated by summing with the rated torque T Rated .
  • the scale factor value is intended to reflect that the blade torque does not decrease linearly with the blade angle change, but decreases linearly, and can be calculated using the difference of blade pitch angles and the look-up table of the scale factor. (? ⁇ Pitch- Scale Factor Lookup Table).
  • the pitch angle of the simulation blade may be controlled based on the pitch angle data ⁇ demand of the simulation blade set as described above, and the driving motor may be controlled based on the second motor torque (S114).
  • FIG. 7 is a simulation wind generation algorithm of FIG. 6.
  • the simulated wind generates wind acting on the simulated blades in the time domain, and follows the algorithm shown in FIG. 7.
  • three types of wind generators may be generated. The first is a constant velocity wind without turbulence, and the second is a turbulent wind defined by the IEC 61400 wind standard, which is the 'Kaimal spectrum' and the 'Von Karmal spectrum'. The third is the 'Riso Smooth Terrain spectrum' presented by the Danish Renewable Research Institute (Riso).
  • the wind in the final time domain can be generated using Equation 3 expressed as a product of phase and magnitude of each model. Therefore, if the user sets the desired wind type and necessary parameters, the desired wind can be generated.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Wind Motors (AREA)
  • Control Of Eletrric Generators (AREA)

Abstract

풍력터빈 시뮬레이션 시스템 및 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력터빈 시뮬레이션 시스템은 실제 풍력터빈의 운전조건을 모사하는 풍력터빈 시뮬레이션 시스템에 있어서, 표면에 복수 개의 스트레인 센서가 장착된 모사 블레이드와 상기 모사 블레이드가 배치되는 허브를 구비하는 로터 및 상기 로터의 회전 속도를 증감시키고 동력을 전달하는 구동열을 포함하는 풍력터빈 모델부; 상기 로터를 구동시키는 구동모터를 포함하는 구동부; 상기 풍력터빈 모델부에서 발생된 회전력을 전기 에너지로 변환시키는 발전기를 포함하는 발전부; 및 상기 풍력터빈 모델부, 구동부 또는 발전부 중 하나 이상을 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

풍력터빈 시뮬레이션 시스템 및 그 방법
본 발명은 풍력터빈 시뮬레이션 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 풍력터빈의 상태감시를 통하여 풍력터빈을 최적 운전하고, 요소부품의 피로수명을 예측하여 부품 교체주기를 결정하기 위한 풍력터빈 시뮬레이션 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
풍력 발전 시스템은 에너지원인 풍속의 가변성에 기인한 출력의 불규칙성으로 인해 주변 계통 수용가와 부하의 전압, 주파수 등의 전력품질을 저하시킬 수 있으므로, 실제 풍력 발전 시스템의 특정 운전 조건을 재현할 수 있는 풍력발전 시뮬레이터 내지는 풍력터빈 시뮬레이션 시스템의 개발이 요구되고 있다.
이와 관련하여, 종래 풍력터빈 시뮬레이션 시스템은 풍력터빈 기어박스 또는 발전기의 성능을 평가하는 기능만을 수행하였다. 즉, 종래 풍력터빈 시뮬레이션 시스템은 풍력터빈에 작용하는 바람의 모사 없이 모터에 기어박스 또는 발전기를 바로 연결하여 성능평가만을 수행하였으므로, 풍력터빈의 실제 운전조건을 모사할 수 없다는 한계점을 가진다는 문제점이 존재하였다.
또한, 종래 풍력터빈 시뮬레이션 시스템에서는 블레이드의 관성을 모사하기 위하여 플라이휠(flywheel)을 사용하였으나, 이 경우 시스템이 복잡해지고 비용이 증가하는 문제점이 추가적으로 발생하였다.
따라서, MW급 풍력터빈과 상사성을 가져, 실제 풍력터빈의 운전 환경을 구현할 수 있는 풍력터빈 시뮬레이션 시스템의 개발이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명의 실시예들은 실제 풍력터빈과 상사성을 가지도록 설계되어, 실제 풍력터빈의 운전조건을 모사할 수 있는 풍력터빈 시뮬레이션 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 실제 풍력터빈의 운전조건을 모사하는 풍력터빈 시뮬레이션 시스템에 있어서, 표면에 복수 개의 스트레인 센서가 장착된 모사 블레이드와 상기 모사 블레이드가 배치되는 허브를 구비하는 로터 및 상기 로터의 회전 속도를 증감시키고 동력을 전달하는 구동열을 포함하는 풍력터빈 모델부; 상기 로터를 구동시키는 구동모터를 포함하는 구동부; 상기 풍력터빈 모델부에서 발생된 회전력을 전기 에너지로 변환시키는 발전기를 포함하는 발전부; 및 상기 풍력터빈 모델부, 구동부 또는 발전부 중 하나 이상을 제어하는 제어부를 포함하는 풍력터빈 시뮬레이션 시스템이 제공될 수 있다.
상기 풍력터빈 모델부의 상기 허브에는 환기구가 형성될 수 있다.
또한, 상기 풍력터빈 모델부의 상기 구동열은, 상기 모사 블레이드의 회전 속도를 상기 발전부의 발전에 적합한 회전 속도로 회전할 수 있도록 증속시키는 증속기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 발전부는 상기 발전기의 회전속도데이터 또는 토크 데이터 중 적어도 하나를 입력받아 상기 제어부로 송수신하는 발전기 인버터를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 구동열 및 상기 발전부에는 복수 개의 가속도 센서, 온도 센서 또는 타코 센서(tacho sensor) 중 적어도 하나 이상이 장착될 수 있다.
또한, 상기 구동열은 상기 로터 및 상기 발전기 사이에 배치되는 제1 감속기를 더 포함하고, 상기 구동부는 상기 구동모터 및 상기 로터 사이에 배치되는 제2 감속기를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 제어부는, 상기 구동부의 구동모터의 토크량 또는 상기 풍력터빈 모델부의 상기 모사 블레이드의 피치각을 제어하는 구동 제어부; 상기 풍력터빈 모델부 및 상기 발전부로부터 토크 데이터, 회전속도 데이터, 각속도 데이터, 온도 데이터 또는 스트레인 데이터를 전송받아 가공 처리하는 상태 감시부; 및 상기 발전기 인버터로부터 상기 발전기의 회전속도데이터 또는 토크 데이터 중 적어도 하나를 송수신하여 상기 발전기의 생산전력을 제어하는 발전기 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 풍력터빈 시뮬레이션 시스템은 상기 실제 풍력터빈에 대하여 하기 [식1]을 만족시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
[식 1]
Figure PCTKR2012001061-appb-I000001
(여기에서, J는 관성모멘트, w는 블레이드 회전속도, P는 정격출력, R은 블레이드의 반지름, v는 정격풍속을 나타냄. 한편, 하첨자 a는 실제 풍력터빈을 의미하고, 하첨자 s는 풍력터빈 시뮬레이션 시스템을 나타냄.)
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 풍력터빈 시뮬레이션 시스템을 구동시키기 위한 풍력터빈 시뮬레이션 방법에 있어서, 모사 블레이드의 피치각 및 발전기 회전속도를 입력받고, 상기 발전기 회전속도를 정격출력에서의 회전속도와 비교하는 제1 단계; 상기 발전기 회전속도가 상기 정격출력에서의 회전속도 미만인 경우에는, 모사 바람을 생성하고, 상기 모사 바람에 따라 산출되는 모터토크를 기초로 구동모터를 제어하는 제2 단계; 및 상기 발전기 회전속도가 상기 정격출력에서의 회전속도 이상인 경우에는, 모사 바람을 생성하고, 상기 발전기 회전속도에 따른 상기 모사 블레이드의 피치각 데이터와 상기 모사 바람에 따라 산출되는 모터토크를 기초로 상기 모사 블레이드의 피치각 및 구동모터를 제어하는 제3 단계를 포함하는 풍력터빈 시뮬레이션 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 모사 바람은 시간영역에서의 상기 모사 블레이드에 작용하는 바람이 생성되는 것일 수 있다.
한편, 상기 제 ２단계는, 상기 모사 바람에 대응하는 공력토크를 산출하는 단계; 로터 관성 전달함수를 이용하여 상기 모사 블레이드의 동특성을 반영하는 모터토크를 산출하는 단계; 및 상기 모터토크에 기초로 구동모터를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 ３단계는, 상기 발전기 회전속도에 따른 상기 모사 블레이드의 피치각 데이터를 산출하는 단계; 상기 모사 바람에 대응하는 공력토크를 산출하는 단계; 로터 관성 전달함수를 이용하여 상기 모사 블레이드의 동특성을 반영하는 제1 모터토크를 산출하는 단계; 상기 제1 모터토크를 데이터 처리하여, 상기 모사 바람에 따른 상기 모사 블레이드의 피치각 변화를 반영하는 제2 모터토크를 산출하는 단계; 및 상기 모사 블레이드의 피치각 데이터를 기초로 상기 모사 블레이드의 피치각을 제어하고, 상기 제2 모터토크를 기초로 구동모터를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 실제 풍력터빈과 상사성을 가지도록 풍력터빈 시뮬레이터 시스템을 설계함으로써, 실제 풍력터빈의 운전조건을 모사 가능하다.
또한, 로터관성 전달함수를 이용하여 블레이드 동특성을 제어부에 반영하여 동특성이 반영된 모터토크를 산출함으로써, 보다 간단하고 저비용의 풍력터빈 시뮬레이터 시스템을 구축 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력터빈 시뮬레이션 시스템의 개략도이다.
도 2는 도 1의 A부분을 확대하여 도시한 확대도이다.
도 3은 도 1의 풍력터빈 시뮬레이션 시스템의 변형예를 나타낸 개략도이다.
도 4는 도 1의 풍력터빈 시뮬레이션 시스템의 데이터 송수신을 나타내는 도면이다.
도 5는 도 1의 풍력터빈 시뮬레이션 시스템에서 발전기의 토크곡선 생성 과정을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력터빈 시뮬레이션 방법의 제어 알고리즘이다.
도 7은 도 6에서 모사 바람 생성 알고리즘이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력터빈 시뮬레이션 시스템(100)의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 풍력터빈 시뮬레이션 시스템(100)은 실제 풍력터빈의 움직임을 모사하는 풍력터빈 모델부(120), 풍력터빈 모델부(120)를 구동시키는 구동부(140), 풍력터빈 모델부(120)에서 발생된 회전력을 전기 에너지로 변환시키는 발전부(160) 및 풍력터빈 모델부(120), 구동부(140) 또는 발전부(160) 중 하나 이상을 제어하는 제어부(180)를 포함할 수 있다. 이하에서 각 구성에 대하여 설명하도록 한다.
풍력터빈 시뮬레이션 시스템(100)은 베이스 프레임(B) 상에 설치될 수 있으며, 베이스 프레임(B)의 형상, 크기 등은 한정되지 않는다. 한편, 베이스 프레임(B)은 풍력터빈 시뮬레이션 시스템(100)의 블레이드 회전시 충돌을 막기 위해, 일부에 개구부(미표기)가 형성될 수 있다.
풍력터빈 모델부(120)는 실제 풍력터빈의 움직임을 모사하는 역할을 수행하며, 모사 블레이드(121)와 모사 블레이드(121)가 배치되는 허브(123)를 구비하는 로터(R); 및 로터(R)의 회전 속도를 증감시키고 동력을 전달하는 구동열(Drive Train)(125)을 포함할 수 있다.
허브(123)에 배치되는 모사 블레이드(121)의 표면에는 복수 개의 스트레인 센서(121a)가 장착될 수 있다. 스트레인 센서(121a)는 모사 블레이드(121)의 회전시 모사 블레이드(122)에 가해지는 스트레인 분포를 측정하는 역할을 수행한다. 스트레인 센서(121a)가 장착되는 위치는 한정되지 않는다. 예를 들어, 스트레인 센서(121a)는 상황에 따른 블레이드 모델을 분석하고, 상기 분석 결과를 기초로 하여 블레이드 표면에서 스트레인이 가장 많이 걸리는 위치에 장착될 수 있다.
허브(123) 내부에는 모사 블레이드(121)의 표면에 장착된 스트레인 센서(122a)로부터 측정된 스트레인 데이터를 취합하는 DAQ(Data acquisition, 미도시)가 설치될 수 있다.
이와 관련하여, 도 2는 도 1의 A부분을 확대하여 도시한 확대도이다. 도 2를 참조하면, 허브(123)에는 환기구(123a)가 형성될 수 있다. 환기구(123a)는 허브(123) 내부에 상술한 DAQ등의 장비가 설치되는 경우, 상기 장비의 과열을 방지하는 역할을 수행한다.
다시 도 1을 참조하면, 구동열(125)은 로터(R)의 회전 속도를 증감시키는 역할을 수행하며, 증속기(125a), 베어링 하우징(125c) 및 토크미터(125d)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 구동열(125)은 도 1에 도시된 바와 같이, 로터(R) 후단에 회전축을 따라 베어링 하우징(125c), 제1 토크미터(125d), 증속기(125a), 제2 토크미터(125d) 순으로 연결될 수 있다.
증속기(125a)는 모사 블레이드(122)의 회전 속도를 발전부(160)의 발전에 적합한 회전 속도로 회전할 수 있도록 증속시키는 역할을 수행한다. 증속기(125a)는 통상의 풍력터빈에서 사용되는 증속기를 이용할 수 있다. 한편, 증속기(125a)는 기어에 열처리를 수행하여 진동이 발생하지 않는 증속기와, 열처리를 수행하지 않아 진동이 발생하는 증속기로 구성되어 풍력 터빈의 이상 발생시 데이터를 측정할 수 있다.
토크미터(125d)는 증속기(125a) 전단 및 후단에 연결되어 회전축의 토크 계측을 수행할 수 있다.
구동부(140)는 로터(R)를 구동시키는 구동모터(141)를 포함한다. 구동모터(141)는 허브(123) 전단에 연결되어 배치될 수 있다.
발전부(160)는 풍력터빈 모델부(120)에서 발생된 회전력을 전기 에너지로 변환시키는 발전기(161)을 포함한다. 발전기(161)은 기어박스(125) 후단에 연결되어 배치될 수 있다.
또한, 발전부(160)는 발전기(161)와 연결되는 발전기 인버터(162)를 더 포함할 수 있다. 발전기 인버터(162)는 발전기(161)의 회전속도데이터 또는 토크 데이터 중 적어도 하나를 입력받아 전압과 주파수를 가변시키고, 제어부(180)로 송수신하는 역할을 수행한다.
한편, 구동열(125) 및 발전부(160)에는 복수 개의 센서(S)들이 장착될 수 있다. 상기 센서(S)들은 가속도계(accelerometer)와 같은 가속도 센서(S1), 온도 센서(S2) 또는 타코 센서(S3, tacho sensor)일 수 있다.
예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 베어링 하우징(125c), 증속기(125a)의 기어 위치부위, 발전기(161)의 베어링 위치부위에는 가속도 센서(S1)가 배치되고, 증속기(125a)의 고속기어 베어링 위치, 발전기(161)의 베어링 위치에는 온도 센서(S2)가 배치되고, 발전기(161)의 전단에는 태코 센서(S3)가 배치될 수 있다. 상기 센서(S)들은 각 부품들의 토크, 가속도, 스트레인, 온도 또는 각속도 등에 관한 데이터를 측정하여 제어부(180)로 전송하는 역할을 수행할 수 있다.
제어부(180)는 풍력터빈 모델부(120), 구동부(140) 또는 발전부(160) 중 하나 이상을 제어하는 역할을 수행하며, 제어부(180)에 대해서는 다른 도면을 참조하여 후술하기로 한다.
도 3은 도 1의 풍력터빈 시뮬레이션 시스템(100)의 변형예를 나타낸 개략도이다. 이하에서는 전술한 실시예와 차이나는 부분을 중심으로 설명하도록 한다. 또한, 전술한 실시예와 동일 또는 유사한 구성에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 표기하였음을 밝혀둔다.
도 3을 참조하면, 풍력터빈 시뮬레이션 시스템(100)은 풍력터빈 모델부(120), 구동부(140), 발전부(160) 및 제어부(180)을 포함할 수 있다. 풍력터빈 모델부(120)는 모사 블레이드(121), 허브(123) 및 베어링(미표기)을 구비하는 로터(R)와 구동열(125)을 포함할 수 있다.
특히, 본 변형예가 전술한 실시예와 다른 점은 로터(R)를 베이스 프레임(B) 상부로부터 이격되어 높이를 가지도록 설치한 점이다. 따라서, 모사 블레이드(121) 회전시 충돌을 막기 위해 베이스 프레임(B) 일부에 별도의 개구부를 형성시킬 필요가 없다. 한편, 상기 이격 높이는 모사 블레이드(122)의 단부가 베이스 프레임(B)가 닿지 않는 정도면 되고, 특정 높이로 한정되지는 않는다. 로터(R)는 1 이상의 타워(미표기)에 지지되어 상기 이격 높이를 가질 수 있으며, 이 때 로터(R) 회전을 위해, 회전축의 회전력을 상기 베어링에 전달하는 벨트 또는 체인(미표기)를 설치할 수 있다.
본 변형예에 따른 풍력터빈 시뮬레이션 시스템(100)에서 풍력터빈 모델부(120)의 구동열(125)은 제1 감속기(125b)를 더 포함하고, 구동부(140)는 제2 감속기(142)를 더 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 감속기(125b)는 구동열(125)의 증속기(125a) 및 발전기(161) 사이에 배치될 수 있고, 제2 감속기(142)는 구동모터(141) 및 로터(R) 사이에 배치될 수 있다. 제1 감속기(125b) 및 제2 감속기(142)는 구동모터(141)가 모사 블레이드(121)의 운전에 있어 요구되는 토크를 발생시킬 수 없는 경우 또는 발전기(161)가 요구되는 토크를 생산하지 못하는 경우에 구동모터(141) 또는 발전기(161)의 회전속도를 낮추어 토크를 높이는 역할을 수행할 수 있다.
상술한 점을 제외하고, 본 변형예에 따른 풍력터빈 시뮬레이션 시스템(100)은 전술한 실시예와 동일하므로 기타 구성에 대한 설명은 생략하도록 한다.
도 4는 도 1의 풍력터빈 시뮬레이션 시스템(100)의 데이터 송수신을 나타내는 도면이다.
도4를 참조하면, 풍력터빈 시뮬레이션 시스템(100)은 풍력터빈 모델부(120), 구동부(140), 발전부(160) 및 제어부(180)를 포함할 수 있다. 발전부(160)는 발전기(161) 및 발전기 인버터(162)를 포함할 수 있다. 또한, 제어부(180)는 구동제어부(181), 상태감시부(183) 및 발전기 제어부(185)를 포함할 수 있다. 이하, 각 구성에서의 데이터 송수신에 대하여 설명하도록 한다.
구동제어부(181)는 구동부(140)에 배치되는 구동모터(141)의 토크량 또는 풍력터빈 모델부(120)의 모사 블레이드(121)의 피치각을 제어하는 역할을 수행한다. 이를 위하여, 구동제어부(181)는 구동부(140)와 모터토크 데이터 및 모터 제어신호(TM)를 송수신할 수 있으며, 풍력터빈 모델부(120)로부터 블레이드 피치 데이터(θP)를 수신받고, 블레이드 피치 제어신호(θD)를 송신할 수 있다.
상태 감시부(183)는 풍력터빈 모델부(120) 및 발전부(160)로부터 토크 데이터, 회전속도 데이터, 각속도 데이터, 온도 데이터 또는 스트레인 데이터 등을 전송받아 가공 처리하는 역할을 수행한다. 이를 위하여, 상태 감시부(183)는 풍력터빈 모델부(120) 및 발전부(160)에 장착되는 가속도 센서, 온도 센서, 타코 센서 등으로부터 센서 데이터(DS)를 수신할 수 있다.
발전기 제어부(185)는 발전기(161)의 생산전력을 제어하는 역할을 수행한다. 이를 위하여, 발전기 제어부(185)는 발전기 인버터(162)로부터 발전기(161)의 회전속도데이터(ΩG) 또는 발전기 토크 데이터(TG)를 송수신할 수 있다. 한편, 구동제어부(181), 상태 감시부(183) 및 발전기 제어부(185)는 상기 데이터들을 서로 주고 받도록 통합 설계될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 풍력터빈 시뮬레이션 시스템(100)은 실제 풍력터빈과 상사성을 가지도록 설계됨으로써, 실제 풍력터빈의 운전조건을 모사 가능하다. 이를 위하여, 풍력터빈 시뮬레이션 시스템(100)은 실제 풍력터빈에 대하여 하기 [식 1]을 만족시키도록 설계된다.
[식 1]
Figure PCTKR2012001061-appb-I000002
상기 [식 1]에서, J는 관성모멘트, w는 블레이드 회전속도, P는 정격출력, R은 블레이드의 반지름, v는 정격풍속을 나타낸다. 한편, 하첨자 a는 실제 풍력터빈을 의미하고, 하첨자 s는 풍력터빈 시뮬레이션 시스템을 의미한다.
이와 관련하여, 도 5는 도 1의 풍력터빈 시뮬레이션 시스템(100)에서 발전기(161)의 토크곡선 생성 과정을 나타내는 도면이다. 도 5를 참조하면, 풍력터빈 시뮬레이션 시스템(100)은 실제 풍력터빈과 상사성을 갖도록 하기 위해 실제 풍력터빈 토크커브를 하기 [식 2]를 이용하여 로터부에서의 토크 곡선을 생성한 다음, 상기 [식 1]을 이용하여 풍력터빈 시뮬레이션 시스템(100)의 로터부에서의 토크곡선을 생성할 수 있다. 다음으로, 상기 로터부에서의 토크곡선을 하기 [식 2]을 이용하여 풍력터빈 시뮬레이션 시스템(100)의 발전기 토크 곡선으로 환산할 수 있다.
[식 2]
ωR = ωG / Gearbox ratio
TR = TG * Gearbox ratio
상기 [식 2]에서 w는 회전속도, T는 토크, 하첨자 R은 로터, 하첨자 G는 발전기를 의미한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력터빈 시뮬레이션 시스템(100)은 실제 풍력터빈과 상사성을 가짐으로써, 실제 풍력터빈의 운전 환경을 구현 가능하다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력터빈 시뮬레이션 방법에 대하여 설명하도록 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력터빈 시뮬레이션 방법의 제어 알고리즘(S100)이다. 상기 제어 알고리즘은 상술한 풍력터빈 시뮬레이션 시스템을 구동시키는 알고리즘에 해당한다.
도 6을 참조하면, 우선 모사 블레이드의 피치각(θpitch) 및 발전기 회전속도(ΩG)를 입력받는다(S111). 다음으로, 발전기 회전속도(ΩG)를 정격출력에서의 회전속도(ΩRated)와 비교한다(S112).
발전기 회전속도(ΩG)가 정격출력에서의 회전속도(ΩRated) 미만인 경우에는, 평균 풍속을 기준으로 바람 생성기(Wind Generator)에서 모사 바람을 생성하고, 상기 모사 바람에 따라 산출되는 모터토크(TMotor)를 기초로 구동모터를 제어한다. 한편, 상기 모사 바람에 대해서는 다른 도면을 참조하여 후술하기로 한다.
보다 구체적으로, 생성된 모사 바람의 풍속 및 풍력토크의 룩 업 테이블을 만들어 공력토크를 산출하고(wind speed-Torque Lookup Table), 블레이드 관성모멘트에 의해 발생하는 동특성을 반영하기 위해 로터관성 전달함수(roter inertia transfer function)을 이용하여 상기 모사 블레이드의 동특성을 반영하는 모터토크를 산출한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력터빈 시뮬레이션 방법(S100)은 종래 플라이휠을 사용하지 않고 상기 로터관성 전달함수를 이용하여 블레이드 관성을 구현함으로써, 보다 간단하고 저비용의 풍력터빈 시뮬레이션 시스템을 구축 가능하다.
한편, 발전기 회전속도(ΩG)가 정격출력 회전속도(ΩRated)에 도달하지 않았으므로, 블레이드의 피치각은 바람을 최대로 받을 수 있도록 0으로 설정한다(θDemand=0). 상기와 같이 설정된 블레이드 피치각도(θDemand=0) 및 모터토크(TMotor)는 제어부로 전송됨으로써 구동모터를 제어 가능하다(S113).
발전기 회전속도(ΩG)가 정격출력 회전속도(ΩRated) 이상인 경우에는, 우선 발전기 회전속도(ΩG)에 따른 모사 블레이드의 피치각 데이터(θDemand)를 산출한다. 이는 정격풍속 이상인 경우 피치제어를 수행하여 모사 블레이드가 공력을 적게 받도록 하기 위함이다. 모사 블레이드의 피치각 데이터(θDemand)를 산출하는 방법은 발전기 회전속도(ΩG) 및 모사 블레이드의 피치각 데이터(θDemand)의 룩 업 테이블을 사용할 수 있다(ΩG- θDemand Lookup Table).
다음으로, 평균 풍속을 기준으로 바람 생성기(wind generator)에서 모사 바람을 생성하고, 상기 모사 바람에 따라 공력토크를 산출하고(Wind speed-Torque Lookup Table), 로터 관성 전달함수(roter inertia transfer function)를 이용하여 상기 모사 블레이드의 동특성을 반영함으로써, 상기 모사 블레이드의 관성모멘트에 따른 제1 모터토크를 산출한다.
다음으로, 상기 제1 모터토크는 모사 블레이드 각도가 0°인 경우 발생하는 로터 토크이므로, 상기 제1 모터토크를 데이터 처리하여 상기 모사 바람에 따른 모사 블레이드의 피치각 변화를 반영하는 제2 모터토크를 산출한다. 산출방법은 제1 모터토크와 정격토크(TRated)와의 차(△T)를 구하여 모사 블레이드 각도에 의하여 공력토크가 감소하는 것을 모사하고, 타임디레이를 이용하여 현재 블레이드 피치각(θPitch(t)) 및 한 스텝 이전의 블레이드 피치각(θPitch(t-1))의 차(△θPitch)를 이용하여 스케일 팩터(scale factor(k))를 산출한 다음, 상기 스케일 팩터 값을 상기 제1 모터토크와 정격토크(TRated)와의 차(△T)와 곱한 후에, 상기 정격토크(TRated)와 합하여 제2 모터토크를 산출한다. 한편, 상기 스케일 팩터 값은 블레이드 각도 변화에 따라 블레이드 토크가 선형적으로 감소하지 않고 비선형적으로 감소하는 것을 반영하기 위함이며, 블레이드 피치각의 차 및 스케일팩터의 룩 업 테이블을 사용하여 산출 할 수 있다(△θPitch-Scale Factor Lookup Table).
상기와 같이 설정된 모사 블레이드의 피치각 데이터(θDemand)를 기초로 모사 블레이드의 피치각을 제어하고, 상기 제2 모터토크를 기초로 구동모터를 제어 가능하다(S114).
도 7은 도 6에서 모사 바람 생성 알고리즘이다. 상기 모사 바람은 시간영역에서의 모사 블레이드에 작용하는 바람을 생성하는 것으로, 도 7에 도시된 알고리즘에 따른다. 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력터빈 시뮬레이션 방법에서 바람 생성기(Wind Generator)는 세 종류의 바람 생성이 가능하다. 첫 번째는 난류가 없는 일정속도의 바람이고, 두 번째는 IEC 61400 풍력표준에서 규정하는 난류 바람으로 'Kaimal spectrum' 및 'Von Karmal spectrum'이다. 세 번째는 덴마크 신재생연구소(Riso)에서 제시한 'Riso Smooth Terrain spectrum'이다.
상기 모델에 적합한 주파수 스펙트럼을 생성하기 위해서 각 모델의 위상 및 크기의 곱으로 표현되는 하기 [식 3]을 사용하여 최종적인 시간영역에서의 바람이 생성될 수 있다. 따라서, 사용자가 희망하는 바람 종류 및 필요한 변수를 설정하면 원하는 바람을 생성시킬 수 있다.
[식 3]
Figure PCTKR2012001061-appb-I000003
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

Claims (12)

  1. 실제 풍력터빈의 운전조건을 모사하는 풍력터빈 시뮬레이션 시스템에 있어서,
    표면에 복수 개의 스트레인 센서가 장착된 모사 블레이드와 상기 모사 블레이드가 배치되는 허브를 구비하는 로터 및 상기 로터의 회전 속도를 증감시키고 동력을 전달하는 구동열을 포함하는 풍력터빈 모델부;
    상기 로터를 구동시키는 구동모터를 포함하는 구동부;
    상기 풍력터빈 모델부에서 발생된 회전력을 전기 에너지로 변환시키는 발전기를 포함하는 발전부; 및
    상기 풍력터빈 모델부, 구동부 또는 발전부 중 하나 이상을 제어하는 제어부를 포함하는 풍력터빈 시뮬레이션 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 풍력터빈 모델부의 상기 허브에는 환기구가 형성되는 풍력터빈 시뮬레이션 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 풍력터빈 모델부의 상기 구동열은,
    상기 모사 블레이드의 회전 속도를 상기 발전부의 발전에 적합한 회전 속도로 회전할 수 있도록 증속시키는 증속기를 포함하는 풍력터빈 시뮬레이션 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 발전부는 상기 발전기의 회전속도데이터 또는 토크 데이터 중 적어도 하나를 입력받아 상기 제어부로 송수신하는 발전기 인버터를 더 포함하는 풍력터빈 시뮬레이션 시스템.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 구동열 및 상기 발전부에는 복수 개의 가속도 센서, 온도 센서 또는 타코 센서(tacho sensor) 중 적어도 하나 이상이 장착되는 풍력터빈 시뮬레이션 시스템.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 구동열은 상기 로터 및 상기 발전기 사이에 배치되는 제1 감속기를 더 포함하고,
    상기 구동부는 상기 구동모터 및 상기 로터 사이에 배치되는 제2 감속기를 더 포함하는 풍력터빈 시뮬레이션 시스템.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 구동부의 구동모터의 토크량 또는 상기 풍력터빈 모델부의 상기 모사 블레이드의 피치각을 제어하는 구동 제어부;
    상기 풍력터빈 모델부 및 상기 발전부로부터 토크 데이터, 회전속도 데이터, 각속도 데이터, 온도 데이터 또는 스트레인 데이터를 전송받아 가공 처리하는 상태 감시부; 및
    상기 발전기 인버터로부터 상기 발전기의 회전속도데이터 또는 토크 데이터 중 적어도 하나를 송수신하여 상기 발전기의 생산전력을 제어하는 발전기 제어부를 포함하는 풍력터빈 시뮬레이션 시스템.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 풍력터빈 시뮬레이션 시스템은 상기 실제 풍력터빈에 대하여 하기 [식1]을 만족시키는 것을 특징으로 하는 풍력터빈 시뮬레이션 시스템.
    [식 1]
    Figure PCTKR2012001061-appb-I000004
    (여기에서, J는 관성모멘트, w는 블레이드 회전속도, P는 정격출력, R은 블레이드의 반지름, v는 정격풍속을 나타냄. 한편, 하첨자 a는 실제 풍력터빈을 의미하고, 하첨자 s는 풍력터빈 시뮬레이션 시스템을 나타냄.)
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 따른 풍력터빈 시뮬레이션 시스템을 구동시키기 위한 풍력터빈 시뮬레이션 방법에 있어서,
    모사 블레이드의 피치각 및 발전기 회전속도를 입력받고, 상기 발전기 회전속도를 정격출력에서의 회전속도와 비교하는 제1 단계;
    상기 발전기 회전속도가 상기 정격출력에서의 회전속도 미만인 경우에는, 모사 바람을 생성하고, 상기 모사 바람에 따라 산출되는 모터토크를 기초로 구동모터를 제어하는 제2 단계; 및
    상기 발전기 회전속도가 상기 정격출력에서의 회전속도 이상인 경우에는, 모사 바람을 생성하고, 상기 발전기 회전속도에 따른 상기 모사 블레이드의 피치각 데이터와 상기 모사 바람에 따라 산출되는 모터토크를 기초로 상기 모사 블레이드의 피치각 및 구동모터를 제어하는 제3 단계를 포함하는 풍력터빈 시뮬레이션 방법．
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 모사 바람은 시간영역에서의 상기 모사 블레이드에 작용하는 바람이 생성되는 것인 풍력터빈 시뮬레이션 방법.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 제 ２단계는,
    상기 모사 바람에 대응하는 공력토크를 산출하는 단계;
    로터 관성 전달함수를 이용하여 상기 모사 블레이드의 동특성을 반영하는 모터토크를 산출하는 단계; 및
    상기 모터토크에 기초로 구동모터를 제어하는 단계를 포함하는 풍력터빈 시뮬레이션 방법.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 제 ３단계는,
    상기 발전기 회전속도에 따른 상기 모사 블레이드의 피치각 데이터를 산출하는 단계;
    상기 모사 바람에 대응하는 공력토크를 산출하는 단계;
    로터 관성 전달함수를 이용하여 상기 모사 블레이드의 동특성을 반영하는 제1 모터토크를 산출하는 단계;
    상기 제1 모터토크를 데이터 처리하여, 상기 모사 바람에 따른 상기 모사 블레이드의 피치각 변화를 반영하는 제2 모터토크를 산출하는 단계; 및
    상기 모사 블레이드의 피치각 데이터를 기초로 상기 모사 블레이드의 피치각을 제어하고, 상기 제2 모터토크를 기초로 구동모터를 제어하는 단계를 포함하는 풍력터빈 시뮬레이션 방법.
PCT/KR2012/001061 2011-09-02 2012-02-13 풍력터빈 시뮬레이션 시스템 및 그 방법 WO2013032077A1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201280036725.5A CN103797246B (zh) 2011-09-02 2012-02-13 风力机模拟系统及其方法

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110088924A KR101104127B1 (ko) 2011-09-02 2011-09-02 풍력터빈 시뮬레이션 시스템 및 그 방법
KR10-2011-0088924 2011-09-02

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2013032077A1 true WO2013032077A1 (ko) 2013-03-07

Family

ID=45614015

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2012/001061 WO2013032077A1 (ko) 2011-09-02 2012-02-13 풍력터빈 시뮬레이션 시스템 및 그 방법

Country Status (3)

Country Link
KR (1) KR101104127B1 (ko)
CN (1) CN103797246B (ko)
WO (1) WO2013032077A1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015014368A1 (en) * 2013-07-29 2015-02-05 Vestas Wind Systems A/S Simulation of a maximum power output of a wind turbine
CN113722863A (zh) * 2021-09-10 2021-11-30 南京邮电大学 一种风力机动态特性模拟系统

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101343076B1 (ko) * 2012-05-03 2013-12-20 주식회사 해성산전 풍력 발전기용 요 드라이브 및 피치 드라이브의 테스트장치
CN103575537A (zh) * 2012-08-06 2014-02-12 西门子风力发电设备(上海)有限公司 变桨带载测试平台的桨叶位置模拟装置
KR101375268B1 (ko) 2012-10-11 2014-03-17 삼성중공업 주식회사 풍력 발전기의 회전속도 측정장치 및 방법
KR101449535B1 (ko) * 2013-08-05 2014-10-13 한국전력공사 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시를 위한 신호 처리 장치 및 그 방법
KR101519483B1 (ko) 2013-09-27 2015-05-12 한국전력공사 풍력발전단지의 시뮬레이션 장치
CN104912747A (zh) * 2015-04-21 2015-09-16 中国民航大学 一种可控式风力发电机模拟系统
CN107016177A (zh) * 2017-03-24 2017-08-04 南京理工大学 一种风力机模拟实验平台
CN108131258B (zh) * 2018-01-16 2019-10-11 绍兴市梓昂新材料有限公司 一种用于风力发电机的采用光电计数的转速监测装置
TWI682352B (zh) * 2018-05-23 2020-01-11 崑山科技大學 風力發電模擬系統
CN109458307B (zh) * 2018-12-21 2023-08-08 沈阳航空航天大学 一种风力机气动效率和系统发电效率同步测量装置及方法
KR102563462B1 (ko) * 2021-11-08 2023-08-04 재단법인 한국기계전기전자시험연구원 풍력발전 시뮬레이션 장치
KR102638569B1 (ko) * 2023-10-05 2024-02-20 (주)제스엔지니어링 풍력 발전기 모델을 기반으로 하는 풍력 발전 제어기의 검증 장치

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4087927A (en) * 1977-02-22 1978-05-09 Megatech Corporation Wind power demonstration apparatus
KR100930956B1 (ko) * 2006-09-27 2009-12-10 한국전기연구원 풍력발전 시스템의 실시간 시뮬레이터
KR20090130186A (ko) * 2007-10-05 2009-12-18 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤 풍력 발전 장치
US20100175480A1 (en) * 2007-05-30 2010-07-15 Vestas Wind Systems A/S Fatigue Testing Device for Wind Turbine Blade Testing, a Method of Testing Wind Turbine Blades and a Control System for a Blade Testing Actuator

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101839220B (zh) * 2010-04-08 2011-11-23 金钢 一种风向跟踪风力发电模拟装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4087927A (en) * 1977-02-22 1978-05-09 Megatech Corporation Wind power demonstration apparatus
KR100930956B1 (ko) * 2006-09-27 2009-12-10 한국전기연구원 풍력발전 시스템의 실시간 시뮬레이터
US20100175480A1 (en) * 2007-05-30 2010-07-15 Vestas Wind Systems A/S Fatigue Testing Device for Wind Turbine Blade Testing, a Method of Testing Wind Turbine Blades and a Control System for a Blade Testing Actuator
KR20090130186A (ko) * 2007-10-05 2009-12-18 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤 풍력 발전 장치

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015014368A1 (en) * 2013-07-29 2015-02-05 Vestas Wind Systems A/S Simulation of a maximum power output of a wind turbine
CN105593518A (zh) * 2013-07-29 2016-05-18 维斯塔斯风力系统集团公司 对风力涡轮机的最大功率输出的模拟
US10318666B2 (en) 2013-07-29 2019-06-11 Vestas Wind Systems A/S Simulation of a maximum power output of a wind turbine
CN113722863A (zh) * 2021-09-10 2021-11-30 南京邮电大学 一种风力机动态特性模拟系统
CN113722863B (zh) * 2021-09-10 2023-07-04 南京邮电大学 一种风力机动态特性模拟系统

Also Published As

Publication number Publication date
KR101104127B1 (ko) 2012-01-13
CN103797246A (zh) 2014-05-14
CN103797246B (zh) 2016-11-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2013032077A1 (ko) 풍력터빈 시뮬레이션 시스템 및 그 방법
CN102330638B (zh) 用于监测风力涡轮的转子叶片的状况的系统和方法
CN109297723B (zh) 一种电动汽车行驶工况模拟试验台及模拟方法
CN101871844B (zh) 风力机性能分析与故障模拟实验系统
CN101684774B (zh) 一种风力发电系统及风力发电机的测风方法
CN204740114U (zh) 一种双馈式风力发电机组轴系振动测试装置
CN205262736U (zh) 一种多级行星齿轮箱综合试验台
CN101016881A (zh) 兆瓦级半直驱动式风力发电机组
EP2317132A2 (en) Systems and methods for determining the angular position of a wind turbine rotor
CN102749853A (zh) 基于dSPACE的风电机组整机控制半实物仿真平台
CN101430246A (zh) 风力发电模拟试验平台
CN112906210B (zh) 基于失稳特征提取的风电机组试验台时延辨识方法及系统
CN103091109A (zh) 用于风力发电机动态特性测试的风轮机模拟器及控制方法
CN216037978U (zh) 一种电梯控制柜可靠性地面等效验证系统
CN202329931U (zh) 一种基于电机拖动的动态扭矩校准装置
CN110849575A (zh) 一种风力机整机空气动力测定系统及方法
KR101413565B1 (ko) 풍력터빈 피치제어기의 성능 평가장치 및 그 방법
CN110901951A (zh) 一种多功能尾桨试验系统
CN112978523A (zh) 一种电梯控制柜可靠性地面等效验证系统及方法
CN108438250A (zh) 串联式混合动力飞机动力系统测试台架
CN102156044B (zh) 适用于直驱型风电机组测试的风力机模拟器选型方法
CN108343565B (zh) 风电机组永磁直驱变桨距系统动态负载模拟装置和方法
WO2015020263A1 (ko) 풍력 터빈 블레이드의 상태 감시를 위한 신호 처리 장치 및 그 방법
JP2019532215A (ja) 風力タービンの負荷を決定する方法
CN104931265B (zh) 大型风力发电机组工作性能试验装置及其试验方法

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 12828335

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 12828335

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1