WO2016108388A1 - Disturbance observer-based speed controller for parallel-type wind power generator, and method of operating same - Google Patents

Disturbance observer-based speed controller for parallel-type wind power generator, and method of operating same Download PDF

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WO2016108388A1
WO2016108388A1 PCT/KR2015/008770 KR2015008770W WO2016108388A1 WO 2016108388 A1 WO2016108388 A1 WO 2016108388A1 KR 2015008770 W KR2015008770 W KR 2015008770W WO 2016108388 A1 WO2016108388 A1 WO 2016108388A1
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yaw
roll
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백주훈
김승욱
김덕진
이국선
최익
조황
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광운대학교 산학협력단
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Abstract

Disclosed are a disturbance observer-based speed controller for a parallel-type wind power generator, and a method of operating same according to the present invention. The disturbance observer-based speed controller according to the present invention is characterized by comprising: an electrical system for outputting an applied torque for an upper stage generator and an applied torque for a lower stage generator based on an input current control command value for the upper stage generator and an input current control command value for the lower stage generator; a mechanical system for outputting the rotating speed of the upper stage generator and the rotating speed of the lower stage generator based on the received applied torque for the upper stage generator and the received applied torque for the lower stage generator; and a disturbance observer for respectively outputting the output values of the upper and lower stage generators based on the received rotating speeds of the upper and lower stage generators and the current control command values for the upper and lower stage generators in the previous cycle. The current control command value for the upper stage generator and the current control command value for the lower stage generator are respectively generated as the value for the difference between the output value of a speed controller of the upper stage generator and an output value of a speed controller of the lower stage generator and a value for the difference between the output value of the disturbance observer for the upper stage generator and the output value of the disturbance observer for the lower stage generator.

Description

병렬형 풍력 발전기의 외란 관측기 기반 속도 제어기 및 그 운영 방법Disturbance Observer Based Speed Controller for Parallel Wind Generators and Its Operation Method
본 발명은 병렬형 풍력 발전기의 외란 관측기 기반 속도 제어기 설계 및 그 운영 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a disturbance observer based speed controller design and a method of operating the parallel wind generator.
풍력발전기는 바람의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치로서, 풍력발전기의 회전축 방향에 따라 수평형 풍력발전기(Horizontal Axis Wind Tubine; HAWT)와 수직형 풍력발전기(Vertical Axis Wind Tubine)로 구분된다.The wind turbine is a device that converts the kinetic energy of the wind into electrical energy, and is divided into a horizontal axis wind turbine (HAWT) and a vertical axis wind turbine (HWT) according to the rotation axis direction of the wind generator.
최근에 이러한 수직형 풍력발전기와 수평형 풍력 발전기의 장단점을 고려한 새로운 형태의 수평 병렬형 풍력발전기가 제안된 바 있다. 수평 병렬형 풍력 발전기는 기존 수평형 풍력발전기와 달리 너셀 안에 베벨 기어와 중공축으로 구성되어 있고, 두 대의 발전기는 수직형 풍력발전기와 같이 지상에 설치되어 송전선 꼬임을 해결할 수 있다. 로터에서 생산된 동력은 지상과 수평하게 설치된 두 개의 베벨 기어와 수직으로 설치된 중공축을 통해서 지상의 발전기로 전달된다.Recently, a new type of horizontal parallel wind power generator has been proposed considering the advantages and disadvantages of the vertical wind power generator and the horizontal wind power generator. Unlike the existing horizontal wind generators, horizontal parallel wind generators are composed of bevel gears and hollow shafts in the nussel, and two generators can be installed on the ground like vertical wind generators to solve transmission line twists. The power produced by the rotor is transmitted to the ground generator through two bevel gears installed horizontally with the ground and a hollow shaft installed vertically.
그러나 병렬형 풍력발전기의 룰축과 요축은 서로 커플링 되어 있어 서로에 대한 영향을 받게 된다. 그 영향은 외란과 마찬가지로 속도를 제어함에 있어 좋지 않은 영향을 끼치게 된다.However, the rule axis and yaw axis of the parallel wind power generator are coupled to each other and are affected by each other. Its influence, like disturbance, has a bad effect on controlling the speed.
따라서 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 외란 관측기를 추가 구성하여 그 추가 구성된 외란 관측기에서 상하단 발전기의 회전 속도, 상하단 발전기의 전류 제어 지령치를 이용하여 롤축 회전 속도와 요축 회전 속도를 제어하도록 하는 병렬형 풍력 발전기의 외란 관측기 기반 속도 제어기 및 그 운영 방법을 제공하는데 있다.Therefore, to solve the problems of the prior art, an object of the present invention is to further configure the disturbance observer using the rotation speed of the upper and lower generators, the current control command value of the upper and lower generators in the additionally configured disturbance observer roll axis rotation speed and yaw axis rotation It is to provide a disturbance observer based speed controller and a method of operating the parallel wind generator to control the speed.
그러나 본 발명의 목적은 상기에 언급된 사항으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the object of the present invention is not limited to the above-mentioned matters, and other objects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상기 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 한 관점에 따른 외란 관측기 기반 속도 제어기는 입력 받은 상단 발전기의 전류 제어 지령치와 하단 발전기의 전류 제어 지령치를 기반으로 상단 발전기의 인가 토크와 하단 발전기의 인가 토크를 출력하는 전기 시스템; 입력 받은 상단 발전기의 인가 토크와 하단 발전기의 인가 토크를 기반으로 상단 발전기의 회전속도와 하단 발전기의 회전속도를 출력하는 기계 시스템; 및 입력 받은 이전 주기의 상단/하단 발전기의 회전속도, 상단/하단 발전기의 전류 제어 지령치를 기반으로 상단/하단 발전기의 출력값을 각각 출력하는 외란 관측기를 포함하되, 상기 상단 발전기의 전류 제어 지령치와 하단 발전기의 전류 제어 지령치는 상단 발전기의 속도 제어기의 출력값, 하단 발전기의 속도 제어기의 출력값과 상단 발전기의 외란 관측기의 출력값, 하단 발전기의 외란 관측기의 출력값 각각의 차이값으로 생성되는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above objects, the disturbance observer-based speed controller according to an aspect of the present invention is based on the input current control command value of the upper generator and the current control command value of the lower generator input torque of the upper generator and the applied torque of the lower generator. Electrical system to output; A mechanical system for outputting the rotational speed of the upper generator and the rotational speed of the lower generator based on the input torque of the upper generator and the applied torque of the lower generator; And a disturbance observer that outputs output values of the upper and lower generators, respectively, based on the rotation speeds of the upper and lower generators of the previous cycle and the current control command values of the upper and lower generators, respectively. The generator current control command value is generated by the difference between the output value of the speed controller of the upper generator, the output value of the speed controller of the lower generator and the output value of the disturbance observer of the upper generator, and the output value of the disturbance observer of the lower generator.
바람직하게, 상기 전기 시스템은 상기 상단 발전기의 전류 제어 지령치와 상기 하단 발전기의 전류 제어 지령치 각각에 토크 상수를 곱하고 그 곱한 결과로 상기 상단 발전기의 인가 토크와 상기 하단 발전기의 인가 토크를 생성하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the electric system multiplies the current control command value of the upper generator and the current control command value of the lower generator by a torque constant and generates an applied torque of the upper generator and an applied torque of the lower generator as a result of the multiplication. It is done.
바람직하게, 상기 기계 시스템은 입력 받은 상기 상단 발전기의 인가 토크와 상기 하단 발전기의 인가 토크를 기반으로 롤축 토크와 요축 토크를 생성하고, 생성된 상기 롤축 토크와 상기 요축 토크를 기반으로 롤축 회전속도와 요축 회전속도를 생성하며, 생성된 상기 롤축 회전속도와 상기 요축 회전속도를 기반으로 상단 발전기의 회전속도와 하단 발전기의 회전속도를 생성하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the mechanical system generates a roll shaft torque and a yaw shaft torque based on the input torque of the upper generator and the input torque of the lower generator, and the roll shaft rotational speed and the roll shaft torque based on the generated roll shaft torque and the yaw shaft torque The yaw axis rotation speed is generated, and the rotation speed of the upper generator and the rotation speed of the lower generator are generated based on the generated roll shaft rotation speed and the yaw shaft rotation speed.
바람직하게, 상기 기계 시스템은 수학식
Figure PCTKR2015008770-appb-I000001
을 이용하여 롤축 토크 τr와 요축 토크 τy를 생성하되, 여기서, 상기 τT는 상단 발전기의 인가 토크, 상기 τB는 하단 발전기의 인가 토크, 상기 ρ는 기어비를 나타내는 것을 특징으로 한다.
Preferably, the mechanical system is
Figure PCTKR2015008770-appb-I000001
The roll shaft torque τ r and the yaw shaft torque τ y are generated using the above, wherein τ T is an applied torque of the upper generator, τ B is an applied torque of the lower generator, and ρ represents a gear ratio.
바람직하게, 상기 기계 시스템은 수학식
Figure PCTKR2015008770-appb-I000002
을 이용하여 롤축 회전 속도 ωr와 요축 회전 속도 ωy를 생성하되, 여기서, τF, τR는 바람에 의해서 터빈에 인가 되는 토크,
Figure PCTKR2015008770-appb-I000003
,
Figure PCTKR2015008770-appb-I000004
는 롤축과 요축에 인가 되는 외란 토크, τr, τy는롤축과 요축에 인가하는 발전기의 토크, Jrr, brr는 롤축의 관성 모멘트와 마찰 계수, Jyy, byy는 요축의 관성 모멘트와 마찰 계수, Jry, bry는 요축 회전으로 인하여 발생하는 롤축 관성 모멘트와 마찰 계수, Jyr, byr는 롤축 회전으로 인하여 발생하는 요축 관성 모멘트와 마찰 계수를 나타내는 것을 특징으로 한다.
Preferably, the mechanical system is
Figure PCTKR2015008770-appb-I000002
To generate the roll shaft rotational speed ω r and the yaw shaft rotational speed ω y , where τ F , τ R are the torque applied to the turbine by wind,
Figure PCTKR2015008770-appb-I000003
,
Figure PCTKR2015008770-appb-I000004
Is the disturbance torque applied to the roll and yaw axes, τ r , τ y is the torque of the generator applied to the roll and yaw axes, J rr , b rr is the moment of inertia and friction of the roll axis, and J yy , b yy is the moment of inertia of the yaw shaft And the friction coefficients, J ry and b ry, are the roll axis inertia moments generated by the yaw axis rotation, and the friction coefficients, J yr , b yr, are the yaw axis inertia moments and friction coefficients generated by the roll axis rotation.
바람직하게, 상기 기계 시스템은 수학식
Figure PCTKR2015008770-appb-I000005
을 이용하여 상단 발전기의 회전속도 ωT와 하단 발전기의 회전속도 ωB를 생성하는 것을 특징으로 한다.
Preferably, the mechanical system is
Figure PCTKR2015008770-appb-I000005
Using to generate the rotational speed ω T of the upper generator and the rotational speed ω B of the lower generator.
바람직하게, 상기 외란 관측기는 수학식
Figure PCTKR2015008770-appb-I000006
,
Figure PCTKR2015008770-appb-I000007
,
Figure PCTKR2015008770-appb-I000008
를 이용하여 상단 발전기의 외란 관측기의 출력값
Figure PCTKR2015008770-appb-I000009
와 하단 발전기의 외란 관측기의 출력값
Figure PCTKR2015008770-appb-I000010
를 생성하되, 여기서,
Figure PCTKR2015008770-appb-I000011
,
Figure PCTKR2015008770-appb-I000012
는 롤-요축과 상/하단 발전기 측 변수 사이의 관계를 나타내는 좌표 변환이고, ωr,Qy,Q는 저주파 통과 필터 Q(s)의 대역폭,
Figure PCTKR2015008770-appb-I000013
,
Figure PCTKR2015008770-appb-I000014
는 공칭 시스템의 롤축 관성 모멘트와 마찰 계수,
Figure PCTKR2015008770-appb-I000015
,
Figure PCTKR2015008770-appb-I000016
는 공칭 시스템의 요축 관성 모멘트와 마찰 계수를 나타내는 것을 특징으로 한다.
Preferably, the disturbance observer is
Figure PCTKR2015008770-appb-I000006
,
Figure PCTKR2015008770-appb-I000007
,
Figure PCTKR2015008770-appb-I000008
Output of the disturbance observer of the upper generator using
Figure PCTKR2015008770-appb-I000009
Output of disturbance observer
Figure PCTKR2015008770-appb-I000010
Create a, where
Figure PCTKR2015008770-appb-I000011
,
Figure PCTKR2015008770-appb-I000012
Is the coordinate transformation representing the relationship between the roll-yaw axis and the upper / lower generator side variables, ω r, Q , ω y, Q are the bandwidths of the low pass filter Q (s),
Figure PCTKR2015008770-appb-I000013
,
Figure PCTKR2015008770-appb-I000014
Is the roll axis inertia moment and friction coefficient of the nominal system,
Figure PCTKR2015008770-appb-I000015
,
Figure PCTKR2015008770-appb-I000016
Is the yaw axis inertia moment and friction coefficient of the nominal system.
본 발명의 다른 한 관점에 따른 외란 관측기 기반 속도 제어기의 운영 방법은 전기 시스템이 입력 받은 상단 발전기의 전류 제어 지령치와 하단 발전기의 전류 제어 지령치를 기반으로 상단 발전기의 인가 토크와 하단 발전기의 인가 토크를 출력하는 단계; 기계 시스템이 입력 받은 상단 발전기의 인가 토크와 하단 발전기의 인가 토크를 기반으로 상단 발전기의 회전속도와 하단 발전기의 회전속도를 출력하는 단계; 및 외란 관측기가 입력 받은 이전 주기의 상단/하단 발전기의 회전속도, 상단/하단 발전기의 전류 제어 지령치를 기반으로 상단/하단 발전기의 출력값을 각각 출력하는 단계를 포함하되, 상기 상단 발전기의 전류 제어 지령치와 하단 발전기의 전류 제어 지령치는 상단 발전기의 속도 제어기의 출력값, 하단 발전기의 속도 제어기의 출력값과 상단 발전기의 외란 관측기의 출력값, 하단 발전기의 외란 관측기의 출력값 각각의 차이값으로 생성되는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, a method of operating a disturbance observer-based speed controller includes an applied torque of an upper generator and an applied torque of a lower generator based on an electric current control command value of an upper generator and an electric current control command value of a lower generator inputted by an electric system. Outputting; Outputting, by the mechanical system, the rotational speed of the upper generator and the rotational speed of the lower generator based on the input torque of the upper generator and the applied torque of the lower generator; And outputting the output values of the upper / lower generators based on the rotational speeds of the upper / lower generators and the current control command of the upper / lower generators of the previous cycle inputted by the disturbance observer, respectively. And the current control command value of the lower generator is generated by the difference between the output value of the speed controller of the upper generator, the output value of the speed controller of the lower generator and the output value of the disturbance observer of the upper generator, and the output value of the disturbance observer of the lower generator. .
이를 통해, 본 발명은 외란 관측기를 추가 구성하여 그 추가 구성된 외란 관측기에서 상하단 발전기의 회전 속도, 상하단 발전기의 전류 제어 지령치를 이용하여 롤축 회전 속도와 요축 회전 속도를 제어하도록 함으로써, 외란과 파라미터 불확실성에 대해서 강인성을 갖는 효과가 있다.Through this, the present invention further configures the disturbance observer to control the roll axis rotation speed and yaw axis rotation speed by using the rotational speed of the upper and lower generators, the current control command value of the upper and lower generators in the additionally configured disturbance observer, thereby preventing disturbance and parameter uncertainty There is an effect having toughness against.
또한, 본 발명은 추가 구성된 외란 관측기를 이용하여 롤축 회전 속도와 요축 회전 속도를 제어하기 때문에 전기/기계 시스템을 공칭 시스템과 유사하게 동작시킬 수 있는 효과가 있다. 이에 따라 외루프 제어기 즉, 속도 제어기의 설계가 용이할 수 있다.In addition, the present invention has the effect of operating the electric / mechanical system similar to the nominal system because it controls the roll axis rotation speed and yaw axis rotation speed using an additional configured disturbance observer. Accordingly, the design of the outer loop controller, that is, the speed controller may be easy.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬형 풍력 발전 시스템의 외란 관측기 기반 속도 제어기를 나타내는 도면이다.1 is a diagram illustrating a disturbance observer based speed controller of a parallel wind power generation system according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 시스템의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.2 is a view for explaining the principle of operation of the electrical system according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기계 시스템의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.3 is a view for explaining the principle of operation of the mechanical system according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 외란 관측기의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.4 is a view for explaining the principle of operation of the disturbance observer according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 공칭 시스템의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.5 is a view for explaining the principle of operation of the nominal system according to an embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 속도 제어기의 운영 방법을 나타내는 도면이다.6 is a view showing a method of operating a speed controller according to an embodiment of the present invention.
도 7a 내지 도 7b는 정현파 형태 외란에 대한 롤축/요축 각속도를 보여주는 도면이다.7A to 7B are diagrams showing roll axis / yaw shaft angular velocities for sinusoidal shape disturbances.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 병렬형 풍력 발전기의 외란 관측기 기반 속도 제어기 및 그 운영 방법을 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명에 따른 동작 및 작용을 이해하는 데 필요한 부분을 중심으로 상세히 설명한다.Hereinafter, a disturbance observer based speed controller and a method of operating the parallel wind generator according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. It will be described in detail focusing on the parts necessary to understand the operation and action according to the present invention.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 동일한 명칭의 구성 요소에 대하여 도면에 따라 다른 참조부호를 부여할 수도 있으며, 서로 다른 도면임에도 불구하고 동일한 참조부호를 부여할 수도 있다. 그러나, 이와 같은 경우라 하더라도 해당 구성 요소가 실시예에 따라 서로 다른 기능을 갖는다는 것을 의미하거나, 서로 다른 실시예에서 동일한 기능을 갖는다는 것을 의미하는 것은 아니며, 각각의 구성 요소의 기능은 해당 실시예에서의 각각의 구성 요소에 대한 설명에 기초하여 판단하여야 할 것이다.In addition, in describing the components of the present invention, different reference numerals may be given to components having the same name according to the drawings, and the same reference numerals may be given even though they are different drawings. However, even in such a case, it does not mean that the corresponding components have different functions according to the embodiments, or does not mean that they have the same functions in different embodiments, and the functions of the respective components may be implemented. Judgment should be made based on the description of each component in the example.
특히, 본 발명에서는 외란 관측기를 추가 구성하여 그 추가 구성된 외란 관측기에서 상하단 발전기의 회전 속도와 상하단 발전기의 전류 제어 지령치를 이용하여 롤축 회전 속도와 요축 회전 속도를 제어하도록 하는 새로운 방안을 제안한다.In particular, the present invention proposes a new method to further configure the disturbance observer to control the roll axis rotation speed and yaw axis rotation speed by using the rotation speed of the upper and lower generators and the current control command value of the upper and lower generators in the additionally configured disturbance observer.
여기서, 외란 관측기(Disturbance Observer)는 기본적으로 동적 시스템에 인가되는 외란을 추정하는 알고리즘이다. 외란 관측기는 상황에 따라 외란 자체를 추정하는 것이 주된 목표일 수 있고 추정된 외란을 기반으로 외란을 억제하거나 제거하는 제어 입력을 생성함으로써 보다 강인한 제어 시스템을 구성하는데도 사용될 수 있다.Here, the disturbance observer is basically an algorithm for estimating the disturbance applied to the dynamic system. Disturbance observer can be the main goal of estimating disturbance itself depending on the situation and can also be used to construct a more robust control system by generating control inputs that suppress or eliminate disturbance based on the estimated disturbance.
외란은 마찰과 같이 실제로 시스템 구동에 영향을 끼치는 외부 요인 뿐 아니라 시스템의 불확실성에 의해 발생하는 예상치 못한 거동이라 생각할 수 있으므로 외란에 의한 영향을 효과적으로 억제하는 것은 강인한 제어 시스템의 구성을 위해 필수적이다.Disturbance can be thought of as unexpected behavior caused by system uncertainty as well as external factors that actually affect system operation, such as friction, so effectively suppressing the effects of disturbance is essential for the construction of robust control systems.
외란 관측기는 이처럼 강인한 제어 시스템을 구성할 수 있다는 면에서 탁월한 성능을 갖는다는 것이 알려져 있으며, 다양한 산업 현장에서 널리 사용되고 있다.Disturbance observers are known for their outstanding performance in terms of being able to construct such robust control systems and are widely used in various industrial sites.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬형 풍력 발전 시스템의 외란 관측기 기반 속도 제어기를 나타내는 도면이다.1 is a diagram illustrating a disturbance observer based speed controller of a parallel wind power generation system according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 외란 관측기 기반 속도 제어기는 속도 제어기(110), 전기 시스템(120), 기계 시스템(130), 외란 관측기(140)를 포함할 수 있다.As shown in FIG. 1, the disturbance observer based speed controller according to the present invention may include a speed controller 110, an electrical system 120, a mechanical system 130, and a disturbance observer 140.
속도 제어기(110)는 입력 받은 기준 롤축 회전 속도, 기준 요축 회전 속도와 이전 주기의 상단 발전기의 회전 속도, 하단 발전기의 회전 속도를 기반으로 상단 발전기 속도 제어기의 출력과 하단 발전기의 속도 제어기의 출력값을 출력할 수 있다.The speed controller 110 outputs the output of the upper generator speed controller and the output of the speed controller of the lower generator based on the input reference roll shaft rotation speed, the reference yaw rotation speed, the rotation speed of the upper generator of the previous cycle, and the rotation speed of the lower generator. You can print
이때, 속도 제어기(110)로부터 출력된 상단 발전기 속도 제어기의 출력값
Figure PCTKR2015008770-appb-I000017
, 하단 발전기의 속도 제어기의 출력값
Figure PCTKR2015008770-appb-I000018
과 상단 발전기의 외란 관측기의 출력값
Figure PCTKR2015008770-appb-I000019
, 하단 발전기의 외란 관측기의 출력값
Figure PCTKR2015008770-appb-I000020
이 각각 감산되어 전기 시스템의 입력값 즉, 상단 발전기의 전류 제어 지령치
Figure PCTKR2015008770-appb-I000021
와 하단 발전기의 전류 제어 지령치
Figure PCTKR2015008770-appb-I000022
로 인가 된다.
At this time, the output value of the top generator speed controller output from the speed controller 110
Figure PCTKR2015008770-appb-I000017
, Output value of speed controller of lower generator
Figure PCTKR2015008770-appb-I000018
Output of disturbance observer
Figure PCTKR2015008770-appb-I000019
Output of disturbance observer
Figure PCTKR2015008770-appb-I000020
Each of these is subtracted and the input value of the electrical system, i.e. the current control command value
Figure PCTKR2015008770-appb-I000021
Control setpoints for generator and lower generator
Figure PCTKR2015008770-appb-I000022
Is applied.
전기 시스템(120)은 상단 발전기의 전류 제어 지령치와 하단 발전기의 전류 제어 지령치를 입력 받아 그 입력 받은 상단 발전기의 전류 제어 지령치와 하단 발전기의 전류 제어 지령치를 기반으로 상단 발전기의 인가 토크와 하단 발전기의 인가 토크를 출력할 수 있다.The electric system 120 receives the current control command value of the upper generator and the current control command value of the lower generator and receives the applied torque of the upper generator and the lower generator based on the input current control command value of the upper generator and the lower generator current control command value. The applied torque can be output.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 시스템의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.2 is a view for explaining the principle of operation of the electrical system according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 전기 시스템(120)은 입력 신호로서 상단 발전기의 전류 제어 지령치
Figure PCTKR2015008770-appb-I000023
과 하단 발전기의 전류 제어 지령치
Figure PCTKR2015008770-appb-I000024
을 입력 받을 수 있다.
Referring to Figure 2, the electrical system 120 according to the present invention is a current control command value of the upper generator as an input signal
Figure PCTKR2015008770-appb-I000023
Current control setpoints
Figure PCTKR2015008770-appb-I000024
Can be input.
전기 시스템(120)은 입력 받은 상단 발전기의 전류 제어 지령치
Figure PCTKR2015008770-appb-I000025
과 하단 발전기의 전류 제어 지령치
Figure PCTKR2015008770-appb-I000026
을 기반으로 상단 발전기의 인가 토크 τT와 하단 발전기의 인가 토크 τB를 생성할 수 있다.
Electrical system 120 is the input current control command value of the upper generator
Figure PCTKR2015008770-appb-I000025
Current control setpoints
Figure PCTKR2015008770-appb-I000026
Based on the applied torque τ T of the upper generator and the applied torque τ B of the lower generator can be generated.
이때, 전류 제어 지령치와 인가 토크 간의 관계는 다음의 [수학식 1]과 같이 나타낸다.At this time, the relationship between the current control command value and the applied torque is expressed by the following [Equation 1].
[수학식 1][Equation 1]
Figure PCTKR2015008770-appb-I000027
Figure PCTKR2015008770-appb-I000027
Figure PCTKR2015008770-appb-I000028
Figure PCTKR2015008770-appb-I000028
여기서, Kt는 토크 상수를 나타낸다.Here, K t represents a torque constant.
전기 시스템(120)은 전류 제어기와 전기 시스템을 통합한 시스템으로서, 생성된 상단 발전기의 인가 토크 τT와 하단 발전기의 인가 토크 τB를 출력할 수 있다.The electrical system 120 is an integrated system of a current controller and an electrical system, and may output the generated applied torque τ T of the upper generator and the applied torque τ B of the lower generator.
기계 시스템(130)은 상단 발전기의 인가 토크와 하단 발전기의 인가 토크를 입력 받아 그 입력 받은 상단 발전기의 인가 토크와 하단 발전기의 인가 토크를 기반으로 상단 발전기의 회전 속도와 하단 발전기의 회전 속도를 출력할 수 있다.The mechanical system 130 receives the applied torque of the upper generator and the applied torque of the lower generator and outputs the rotational speed of the upper generator and the rotational speed of the lower generator based on the input torque of the upper generator and the applied torque of the lower generator. can do.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기계 시스템의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.3 is a view for explaining the principle of operation of the mechanical system according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 기계 시스템(130)은 전기 시스템(120)으로부터 상단 발전기의 인가 토크 τT와 하단 발전기의 인가 토크 τB를 입력 받을 수 있다.Referring to FIG. 3, the mechanical system 130 according to the present invention may receive an input torque τ T of the upper generator and an applied torque τ B of the lower generator from the electrical system 120.
기계 시스템(130)은 입력 받은 상단 발전기의 인가 토크 τT와 하단 발전기의 인가 토크 τB를 기반으로 롤축 토크 τr와 요축 토크 τy를 생성할 수 있다.The mechanical system 130 may generate the roll shaft torque τ r and the yaw shaft torque τ y based on the input torque τ T of the upper generator and the applied torque τ B of the lower generator.
이러한 인가 토크와 롤축, 요축 토크 간의 관계는 다음의 [수학식 2]와 같이 나타낸다.The relationship between the applied torque, the roll shaft, and the yaw shaft torque is expressed by the following [Equation 2].
[수학식 2][Equation 2]
Figure PCTKR2015008770-appb-I000029
Figure PCTKR2015008770-appb-I000029
여기서, ρ는 기어비를 나타낸다.Where p represents the gear ratio.
기계 시스템(130)은 생성된 롤축 토크 τr와 요축 토크 τy를 기반으로 롤축 회전 속도 ωr와 요축 회전 속도 ωy를 생성할 수 있다.The mechanical system 130 may generate the roll shaft rotational speed ω r and the yaw shaft rotational speed ω y based on the generated roll shaft torque τ r and the yaw shaft torque τ y .
이때, 롤축/요축 토크와 회전 속도 간의 관계는 다음의 [수학식 3]과 같이 나타낸다.At this time, the relationship between the roll shaft / yaw shaft torque and the rotational speed is expressed by the following [Equation 3].
[수학식 3][Equation 3]
Figure PCTKR2015008770-appb-I000030
Figure PCTKR2015008770-appb-I000030
여기서, τF, τR는 바람에 의해서 터빈에 인가 되는 토크,
Figure PCTKR2015008770-appb-I000031
,
Figure PCTKR2015008770-appb-I000032
는 롤축과 요축에 인가 되는 외란 토크, τr, τy는롤축과 요축에 인가하는 발전기의 토크, Jrr, brr는 롤축의 관성 모멘트와 마찰 계수, Jyy, byy는 요축의 관성 모멘트와 마찰 계수, Jry, bry는 요축 회전으로 인하여 발생하는 롤축 관성 모멘트와 마찰 계수, Jyr, byr는 롤축 회전으로 인하여 발생하는 요축 관성 모멘트와 마찰 계수를 나타낸다.
Here, τ F , τ R is the torque applied to the turbine by wind,
Figure PCTKR2015008770-appb-I000031
,
Figure PCTKR2015008770-appb-I000032
Is the disturbance torque applied to the roll and yaw axes, τ r , τ y is the torque of the generator applied to the roll and yaw axes, J rr , b rr is the moment of inertia and friction of the roll axis, and J yy , b yy is the moment of inertia of the yaw shaft And the friction coefficients, J ry and b ry, are the roll axis inertia moments caused by the yaw axis rotation and the friction coefficients, J yr , b yr represent the yaw axis moments of inertia and friction coefficient due to the roll axis rotation.
기계 시스템(130)은 생성된 롤축 회전 속도 ωr와 요축 회전 속도 ωy를 기반으로 상단 발전기의 회전 속도 ωT와 하단 발전기의 회전 속도 ωB를 생성할 수 있다.The mechanical system 130 may generate the rotational speed ω T of the upper generator and the rotational speed ω B of the lower generator based on the generated roll shaft rotational speed ω r and the yaw axis rotational speed ω y .
이때, 롤축/요축과 발전기 회전속도 간의 관계는 다음의 [수학식 4]와 같이 나타낸다.At this time, the relationship between the roll shaft / yaw shaft and the generator rotational speed is represented by the following [Equation 4].
[수학식 4][Equation 4]
Figure PCTKR2015008770-appb-I000033
Figure PCTKR2015008770-appb-I000033
기계 시스템(130)은 생성된 상단 발전기의 회전 속도 ωT와 하단 발전기의 회전 속도 ωB를 출력할 수 있다.The mechanical system 130 may output the generated rotational speed ω T of the upper generator and the rotational speed ω B of the lower generator.
외란 관측기(140)는 이전 주기의 상단/하단 발전기의 회전 속도, 상단/하단 발전기의 전류 제어 지령치를 입력 받아 그 입력 받은 이전 주기의 상단/하단 발전기의 회전 속도, 상단/하단 발전기의 전류 제어 지령치를 기반으로 상단 발전기의 외란 관측기의 출력값과 하단 발전기의 외란 관측기의 출력값을 출력할 수 있다.The disturbance observer 140 receives the rotation speed of the top / bottom generator of the previous cycle, the current control command of the top / bottom generator, and receives the rotation speed of the top / bottom generator of the previous cycle, and the current control command of the top / bottom generator. Based on the output value of the disturbance observer of the upper generator and the output value of the disturbance observer of the lower generator can be output.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 외란 관측기의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.4 is a view for explaining the principle of operation of the disturbance observer according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 외란 관측기(140)는 기계 시스템(130)으로부터 출력된 이전 주기의 상단 발전기의 회전 속도 ωT, 하단 발전기의 회전 속도 ωB, 상단 발전기의 전류 제어 지령치
Figure PCTKR2015008770-appb-I000034
, 하단 발전기의 전류 제어 지령치
Figure PCTKR2015008770-appb-I000035
를 기반으로 상단 발전기의 외란 관측기의 출력값
Figure PCTKR2015008770-appb-I000036
와 하단 발전기의 외란 관측기의 출력값
Figure PCTKR2015008770-appb-I000037
를 출력할 수 있다.
4, the disturbance observer 140 according to the present invention is the rotational speed ω T of the upper generator of the previous cycle output from the mechanical system 130, the rotational speed ω B of the lower generator, current control command value of the upper generator
Figure PCTKR2015008770-appb-I000034
Current control setpoint of lower generator
Figure PCTKR2015008770-appb-I000035
Output of the disturbance observer of the top generator based on
Figure PCTKR2015008770-appb-I000036
Output of disturbance observer
Figure PCTKR2015008770-appb-I000037
You can output
이때, 상하단 발전기의 와란 관측기의 출력값은 다음의 [수학식 5]와 같이 나타낸다.At this time, the output value of the Warran observer of the upper and lower generators is represented by the following [Equation 5].
[수학식 5][Equation 5]
Figure PCTKR2015008770-appb-I000038
,
Figure PCTKR2015008770-appb-I000039
,
Figure PCTKR2015008770-appb-I000040
Figure PCTKR2015008770-appb-I000038
,
Figure PCTKR2015008770-appb-I000039
,
Figure PCTKR2015008770-appb-I000040
여기서, Q(s)는 저주파 통과 필터를 나타내고, Pn(s)는 플랜트의 파라미터 불확실성을 고려한 공칭값을 나타낸다. 또한,
Figure PCTKR2015008770-appb-I000041
,
Figure PCTKR2015008770-appb-I000042
는 롤-요축과 상/하단 발전기 측 변수 사이의 관계를 나타내는 좌표 변환이고, ωr,Qy,Q는 저주파 통과 필터 Q(s)의 대역폭,
Figure PCTKR2015008770-appb-I000043
,
Figure PCTKR2015008770-appb-I000044
는 공칭 시스템의 롤축 관성 모멘트와 마찰 계수,
Figure PCTKR2015008770-appb-I000045
,
Figure PCTKR2015008770-appb-I000046
는 공칭 시스템의 요축 관성 모멘트와 마찰 계수를 나타낸다.
Where Q (s) represents the low pass filter and P n (s) represents the nominal value taking into account the parameter uncertainty of the plant. Also,
Figure PCTKR2015008770-appb-I000041
,
Figure PCTKR2015008770-appb-I000042
Is the coordinate transformation representing the relationship between the roll-yaw axis and the upper / lower generator side variables, ω r, Q , ω y, Q are the bandwidths of the low pass filter Q (s),
Figure PCTKR2015008770-appb-I000043
,
Figure PCTKR2015008770-appb-I000044
Is the roll axis inertia moment and friction coefficient of the nominal system,
Figure PCTKR2015008770-appb-I000045
,
Figure PCTKR2015008770-appb-I000046
Represents the yaw axis moment of inertia and the coefficient of friction of the nominal system.
이때, 외란 관측기를 설계할 때 중요한 것은 공칭 플랜트 선정과 Q-필터 선정이다. 이러한 이유는 외란 관측기가 공칭 플랜트와 Q-필터로 구성되어 있기 때문이다.In designing the disturbance observer, it is important to select a nominal plant and select a Q-filter. This is because the disturbance observer consists of a nominal plant and a Q-filter.
외란 관측기는 등가 외란을 제거함으로써 공칭 플랜트처럼 동작하게 되며 실제 이러한 특성은 Q-필터의 절점 주파수 이하의 대역에서 유효하게 된다. 이와 같은 주된 특징을 역으로 해석하면 외란 관측기가 적용된 시스템이 가졌으면 하는 특성이 보이도록 공칭 플랜트를 선정할 수도 있다. 통상적으로 공칭 플랜트는 실제 제어 대상과 최대한 근사하게 선정할 것으로 권고한다.The disturbance observer acts like a nominal plant by eliminating equivalent disturbances and in practice this characteristic is valid in the band below the nodal frequency of the Q-filter. Inversely interpreting these main features, a nominal plant can be selected to show the characteristics that a system to which a disturbance observer is applied would have. It is usually recommended that nominal plants be selected as close as possible to the actual control target.
이러한 상황을 고려하여 병렬형 풍력 발전기 시스템에서 공칭 플랜드는 롤축과 요축이 디커플링될 수 있도록 다음의 [수학식 6]과 같이 선정된다.Considering this situation, in the parallel wind generator system, the nominal plant is selected as shown in [Equation 6] so that the roll shaft and the yaw shaft can be decoupled.
[수학식 6][Equation 6]
Figure PCTKR2015008770-appb-I000047
Figure PCTKR2015008770-appb-I000047
Q-필터는 안정한 저주파 통과 필터이며 그 상대차수가 공칭 플랜드(Pn)의 상대차수보다 같거나 커야한다. 이는 전달함수
Figure PCTKR2015008770-appb-I000048
를 실제로 구현 가능케 하기 위함이다.
The Q-filter is a stable low pass filter and its relative order must be equal to or greater than the relative order of the nominal plant P n . This is a transfer function
Figure PCTKR2015008770-appb-I000048
To actually implement
병렬형 풍력 발전기 시스템에서 Q-필터를 다음의 [수학식 7]과 같이 선정한다.In the parallel wind generator system, the Q-filter is selected as shown in [Equation 7].
[수학식 7][Equation 7]
Figure PCTKR2015008770-appb-I000049
Figure PCTKR2015008770-appb-I000049
이러한 전기 시스템(120)과 기계 시스템(130)은 공칭 시스템과 유사하게 동작한다.This electrical system 120 and mechanical system 130 operate similarly to the nominal system.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 공칭 시스템의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.5 is a view for explaining the principle of operation of the nominal system according to an embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 외란 관측기를 통해 시스템(120)과 기계 시스템(130)은 공칭 시스템과 유사하게 동작한다. 이러한 공칭 시스템은 시스템 외란과 파라미터 불확실성이 없는 디커플링된 시스템이기 때문에 속도 제어기 설계를 쉽게 할 수 있다.Referring to FIG. 5, through a disturbance observer, system 120 and mechanical system 130 operate similarly to nominal systems. This nominal system is a decoupled system with no system disturbances and parameter uncertainties, making the speed controller design easy.
부연 설명하면, 병렬형 풍력 발전기의 중요한 이슈는 롤축과 요축이 각각 발전과 위치 제어를 최대한 잘 할 수 있도록 하는 것이다. 롤축과 요축은 서로 커플링 되어있기 때문에 서로에 대해 영향을 받게 된다. 서로에 대한 영향은 분명 외란과 마찬가지로 속도를 제어하는데 안 좋은 영향을 미치게 될 것이다. 이러한 영향에 대해 외란 관측기를 통해서 커플링 되어 있는 롤축과 요축 시스템이 마치 디커플링 된 것처럼 동작하도록 한다.In other words, an important issue for parallel wind generators is to ensure that the roll and yaw axes are capable of generating and controlling position respectively. Since the roll and yaw axes are coupled to each other, they are affected by each other. The effects on each other will obviously have a negative impact on speed as well as disturbances. To this effect, the roll and yaw axis systems coupled through the disturbance observer act as if they were decoupled.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 속도 제어기의 운영 방법을 나타내는 도면이다.6 is a view showing a method of operating a speed controller according to an embodiment of the present invention.
도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 외란 관측기 기반 속도 제어기는 상단 발전기의 전류 제어 지령치와 하단 발전기의 전류 제어 지령치를 입력 받을 수 있다(S610).As shown in FIG. 6, the disturbance observer-based speed controller according to the present invention may receive the current control command value of the upper generator and the current control command value of the lower generator (S610).
이때, 상단 발전기의 전류 제어 지령치와 하단 발전기의 전류 제어 지령치는 상단 발전기의 속도 제어기의 출력값과 하단 발전기의 속도 제어기의 출력값, 및 이전 주기의 상단 발전기의 외란 관측기의 출력값과 하단 발전기의 외란 관측기의 출력값 각각의 차이값으로 생성된다.At this time, the current control command value of the upper generator and the current control command value of the lower generator, the output value of the speed controller of the upper generator and the output value of the speed controller of the lower generator, the output value of the disturbance observer of the upper generator of the previous cycle and the disturbance observer of the lower generator Generated as the difference between each output value.
다음으로, 외란 관측기 기반 속도 제어기는 입력 받은 상단 발전기의 전류 제어 지령치와 하단 발전기의 전류 제어 지령치를 기반으로 상단 발전기의 인가 토크와 하단 발전기의 인가 토크를 생성할 수 있다(S620).Next, the disturbance observer-based speed controller may generate the applied torque of the upper generator and the applied torque of the lower generator based on the input current control command of the upper generator and the current control command of the lower generator (S620).
다음으로, 외란 관측기 기반 속도 제어기는 생성된 상단 발전기의 인가 토크와 하단 발전기의 인가 토크를 기반으로 상단 발전기의 회전속도와 하단 발전기의 회전속도를 생성할 수 있다.Next, the disturbance observer-based speed controller may generate the rotational speed of the upper generator and the rotational speed of the lower generator based on the generated torque of the upper generator and the applied torque of the lower generator.
구체적으로 설명하면, 외란 관측기 기반 속도 제어기는 입력 받은 상기 상단 발전기의 인가 토크와 상기 하단 발전기의 인가 토크를 기반으로 롤축 토크와 요축 토크를 생성하고(S630), 생성된 상기 롤축 토크와 상기 요축 토크를 기반으로 롤축 회전속도와 요축 회전속도를 생성하며(S640), 생성된 상기 롤축 회전속도와 상기 요축 회전속도를 기반으로 상단 발전기의 회전속도와 하단 발전기의 회전속도를 생성하게 된다(S650).In detail, the disturbance observer-based speed controller generates a roll shaft torque and a yaw shaft torque based on the input torque of the upper generator and the applied torque of the lower generator (S630), and generates the roll shaft torque and the yaw shaft torque. It generates a roll shaft rotational speed and yaw axis rotational speed based on (S640), and generates the rotational speed of the upper generator and the rotational speed of the lower generator based on the roll shaft rotational speed and the yaw shaft rotational speed generated (S650).
다음으로, 외란 관측기 기반 속도 제어기는 생성된 상단 발전기의 회전속도와 하단 발전기의 회전속도, 입력 받은 상단 발전기의 전류 제어 지령치와 하단 발전기의 전류 제어 지령치를 기반으로 상단 발전기의 외란 관측기의 출력값과 하단 발전기의 외란 관측기의 출력값을 각각 출력하여 피드백할 수 있다(S660).Next, the disturbance observer-based speed controller outputs the output value of the disturbance observer of the upper generator and the lower part based on the generated rotational speed of the upper generator and the lower generator, the input current control command of the upper generator and the current control command of the lower generator. The output values of the disturbance observer of the generator may be output and fed back (S660).
이하에서는 본 발명에 따른 병렬형 풍력 발전기를 위한 외란 관측기 기반 속도 제어기를 시뮬레이션하고 그 시뮬레이션한 결과를 설명하기로 한다.Hereinafter, a disturbance observer based speed controller for a parallel wind generator according to the present invention will be described and the results of the simulation will be described.
1. 시뮬레이션 파라미터 선정: 시뮬레이션에서 전류 제어기의 대역폭은 속도 제어기보다 충분히 빠르게 선정하고 공칭 플랜트와 실제 플랜트는 아래와 같이 선정하였다.1. Selection of simulation parameters: In the simulation, the bandwidth of the current controller was selected faster than the speed controller, and the nominal and actual plants were selected as follows.
- ωcc(전류 제어기의 대역폭) = 500[rad/s]ω cc (bandwidth of the current controller) = 500 [rad / s]
- ωcs(속도 제어기의 대역폭) = 100[rad/s]ω cs (bandwidth of the speed controller) = 100 [rad / s]
- 공칭플랜트
Figure PCTKR2015008770-appb-I000050
,
Figure PCTKR2015008770-appb-I000051
-Nominal plant
Figure PCTKR2015008770-appb-I000050
,
Figure PCTKR2015008770-appb-I000051
- 공칭플랜트
Figure PCTKR2015008770-appb-I000052
,
Figure PCTKR2015008770-appb-I000053
-Nominal plant
Figure PCTKR2015008770-appb-I000052
,
Figure PCTKR2015008770-appb-I000053
시뮬레이션에 사용된 병렬형 풍력 발전기의 파라미터는 다음의 [표 1]과 같다.The parameters of the parallel wind generator used in the simulation are shown in the following [Table 1].
이름name 심볼symbol value
정격속도Rated speed ωω 400[rpm]400 [rpm]
정격전압Rated voltage EE 220[Vac](3phase)220 [V ac ] (3phase)
정격출력Rated output Po P o 1[kW]1 [kW]
역기전력 상수Back EMF Constant Ke K e 0.875[V/(rad/s)]0.875 [V / (rad / s)]
관성 모멘트Moment of inertia JJ 0.026[kgm2]0.026 [kgm 2 ]
상 저항Phase resistance RR 8.4Ω8.4Ω
상 인덕턴스Phase inductance LL 57[mH]57 [mH]
2. 시뮬레이션 결과: 시뮬레이션 결과는 롤축과 요축에 각각 정현파 형태의 외란이 가해질 경우, 선형 PI 속도 제어기와 외란 관측기가 적용된 PI 속도 제어기를 비교한 것이다.2. Simulation results: The simulation results compare the PI speed controller with the linear PI speed controller and the disturbance observer when the sinusoidal disturbance is applied to the roll and yaw axes respectively.
롤축은 10[rad/s]로 속도제어를 하고 있고 8[s]에 5·sin(1t)[N·m] 형태의 외란을 가하였다. 요축은 0~2[s]에서 0[rad/s], 2[s]부터 5[rad/s]로 속도제어를 하고 있으며, 5[s]에서 50·sin(0.5t)[N·m] 형태의 외란을 가하였다.The roll axis was controlled at 10 [rad / s] speed and the disturbance of 5 · sin (1t) [N · m] type was applied to 8 [s]. The yaw axis is speed controlled from 0 [2] to 0 [rad / s], 2 [s] to 5 [rad / s], and 50 · sin (0.5t) [N · m to 5 [s]. ] Form a disturbance.
도 7a 내지 도 7b는 정현파 형태 외란에 대한 롤축/요축 각속도를 보여주는 도면이다.7A to 7B are diagrams showing roll axis / yaw shaft angular velocities for sinusoidal shape disturbances.
도 7a 내지 도 7b에 도시한 바와 같이, 외란 관측기를 적용한 시스템의 경우 정현파 외란에 대해 영향을 받지 않으며 외란을 잘 제거하여 속도 제어가 잘되는 것을 볼 수 있다.As shown in FIG. 7A to FIG. 7B, the system using the disturbance observer is not affected by the sine wave disturbance, and it can be seen that the speed control is well removed by removing the disturbance well.
또한, PI 속도 제어기만 적용한 롤축을 보게 되면 2[s] 구간에서 요축의 영향을 받아 속도 값이 변하고 있지만 외란 관측기를 적용한 롤축은 거의 영향을 받지 않는 것을 알 수 있다.In addition, when looking at the roll axis using only the PI speed controller, the velocity value is changed by the yaw axis in the 2 [s] section, but the roll axis using the disturbance observer is hardly affected.
즉, 기존의 선형 PI 속도 제어기와 외란에 대한 속도 추종 성능을 비교하면 외란 관측기 기반 속도 제어기가 정현파 형태의 외란에 대해서 강인성을 가짐을 알 수 있다.In other words, comparing the speed tracking performance with the conventional linear PI speed controller and the disturbance, it can be seen that the disturbance observer-based speed controller has robustness against the sinusoidal type disturbance.
또한 외란 관측기 기반 속도 제어기는 롤축과 요축이 디커플링 된 것처럼 동작하는 결과를 얻었다. 이 결과는 롤축과 요축에 대해서 각각 제어기를 설계할 수 있는 장점이 있다.In addition, the disturbance observer-based speed controller has been shown to operate as if the roll and yaw axes are decoupled. This result has the advantage that the controller can be designed for the roll axis and yaw axis respectively.
한편, 이상에서 설명한 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 기재되어 있다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성 요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성 요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 또한, 이와 같은 컴퓨터 프로그램은 USB 메모리, CD 디스크, 플래쉬 메모리 등과 같은 컴퓨터가 읽을 수 있는 저장매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 저장매체로서는 자기 기록매체, 광 기록매체, 캐리어 웨이브 매체 등이 포함될 수 있다.On the other hand, even if all the components constituting the embodiments of the present invention described above are described as being combined or operating in combination, the present invention is not necessarily limited to these embodiments. In other words, within the scope of the present invention, all of the components may be selectively operated in combination with one or more. In addition, although all of the components may be implemented in one independent hardware, each or all of the components may be selectively combined to perform some or all functions combined in one or a plurality of hardware. It may be implemented as a computer program having a. In addition, such a computer program may be stored in a computer readable medium such as a USB memory, a CD disk, a flash memory, and the like, and read and executed by a computer, thereby implementing embodiments of the present invention. The storage medium of the computer program may include a magnetic recording medium, an optical recording medium, a carrier wave medium, and the like.
이상에서 설명한 실시예들은 그 일 예로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The embodiments described above are just one example, and various modifications and changes may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical idea of the present invention but to describe the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The protection scope of the present invention should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within the equivalent scope should be interpreted as being included in the scope of the present invention.

Claims (14)

  1. 입력 받은 상단 발전기의 전류 제어 지령치와 하단 발전기의 전류 제어 지령치를 기반으로 상단 발전기의 인가 토크와 하단 발전기의 인가 토크를 출력하는 전기 시스템;An electric system for outputting an applied torque of the upper generator and an applied torque of the lower generator based on the input current control command value of the upper generator and the current control command value of the lower generator;
    입력 받은 상단 발전기의 인가 토크와 하단 발전기의 인가 토크를 기반으로 상단 발전기의 회전속도와 하단 발전기의 회전속도를 출력하는 기계 시스템; 및A mechanical system for outputting the rotational speed of the upper generator and the rotational speed of the lower generator based on the input torque of the upper generator and the applied torque of the lower generator; And
    입력 받은 이전 주기의 상단/하단 발전기의 회전속도, 상단/하단 발전기의 전류 제어 지령치를 기반으로 상단/하단 발전기의 출력값을 각각 출력하는 외란 관측기;Disturbance observer for outputting the output value of the upper and lower generators based on the rotational speed of the upper / lower generator and the current control command value of the upper / lower generator of the previous cycle received;
    를 포함하되, 상기 상단 발전기의 전류 제어 지령치와 하단 발전기의 전류 제어 지령치는 상단 발전기의 속도 제어기의 출력값, 하단 발전기의 속도 제어기의 출력값과 상단 발전기의 외란 관측기의 출력값, 하단 발전기의 외란 관측기의 출력값 각각의 차이값으로 생성되는 것을 특징으로 하는 외란 관측기 기반 속도 제어기.It includes, but the current control command value of the upper generator and the current control command value of the lower generator output value of the speed controller of the upper generator, output value of the speed controller of the lower generator and output value of the disturbance observer of the upper generator, output value of the disturbance observer of the lower generator Disturbance observer-based speed controller, characterized in that generated by each difference value.
  2. 제1 항에 있어서,According to claim 1,
    상기 전기 시스템은,The electrical system,
    상기 상단 발전기의 전류 제어 지령치와 상기 하단 발전기의 전류 제어 지령치 각각에 토크 상수를 곱하고 그 곱한 결과로 상기 상단 발전기의 인가 토크와 상기 하단 발전기의 인가 토크를 생성하는 것을 특징으로 하는 외란 관측기 기반 속도 제어기.Disturbance observer-based speed controller characterized in that the multiplication of the current control command value of the upper generator and the current control command value of the lower generator multiplied by the torque constant to generate the applied torque of the upper generator and the applied torque of the lower generator. .
  3. 제1 항에 있어서,According to claim 1,
    상기 기계 시스템은,The mechanical system,
    입력 받은 상기 상단 발전기의 인가 토크와 상기 하단 발전기의 인가 토크를 기반으로 롤축 토크와 요축 토크를 생성하고,The roll shaft torque and the yaw shaft torque are generated based on the input torque of the upper generator and the applied torque of the lower generator.
    생성된 상기 롤축 토크와 상기 요축 토크를 기반으로 롤축 회전속도와 요축 회전속도를 생성하며,Generating a roll shaft rotation speed and a yaw shaft rotation speed based on the generated roll shaft torque and the yaw shaft torque,
    생성된 상기 롤축 회전속도와 상기 요축 회전속도를 기반으로 상단 발전기의 회전속도와 하단 발전기의 회전속도를 생성하는 것을 특징으로 하는 외란 관측기 기반 속도 제어기.Disturbance observer-based speed controller, characterized in that for generating the rotational speed of the upper generator and the rotational speed of the lower generator based on the roll axis rotation speed and the yaw axis rotation speed generated.
  4. 제3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein
    상기 기계 시스템은,The mechanical system,
    수학식
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000054
    을 이용하여 롤축 토크 τr와 요축 토크 τy를 생성하되,
    Equation
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000054
    To generate roll axis torque τ r and yaw axis torque τ y ,
    여기서, 상기 τT는 상단 발전기의 인가 토크, 상기 τB는 하단 발전기의 인가 토크, 상기 ρ는 기어비를 나타내는 것을 특징으로 하는 외란 관측기 기반 속도 제어기.Wherein τ T is the torque applied to the top generator, τ B is the torque applied to the bottom generator, and ρ represents the gear ratio.
  5. 제3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein
    상기 기계 시스템은,The mechanical system,
    수학식
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000055
    을 이용하여 롤축 회전 속도 ωr와 요축 회전 속도 ωy를 생성하되,
    Equation
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000055
    To produce roll axis rotation speed ω r and yaw axis rotation speed ω y ,
    여기서, τF, τR는 바람에 의해서 터빈에 인가 되는 토크,
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000056
    ,
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000057
    는 롤축과 요축에 인가 되는 외란 토크, τr, τy는롤축과 요축에 인가하는 발전기의 토크, Jrr, brr는 롤축의 관성 모멘트와 마찰 계수, Jyy, byy는 요축의 관성 모멘트와 마찰 계수, Jry, bry는 요축 회전으로 인하여 발생하는 롤축 관성 모멘트와 마찰 계수, Jyr, byr는 롤축 회전으로 인하여 발생하는 요축 관성 모멘트와 마찰 계수를 나타내는 것을 특징으로 하는 외란 관측기 기반 속도 제어기.
    Here, τ F , τ R is the torque applied to the turbine by wind,
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000056
    ,
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000057
    Is the disturbance torque applied to the roll and yaw axes, τ r , τ y is the torque of the generator applied to the roll and yaw axes, J rr , b rr is the moment of inertia and friction of the roll axis, and J yy , b yy is the moment of inertia of the yaw shaft And friction coefficients, J ry and b ry are the roll axis inertia moments generated by the yaw axis rotation and friction coefficients, J yr , b yr represent the yaw axis inertia moments and friction coefficients generated by the roll axis rotation. Speed controller.
  6. 제3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein
    상기 기계 시스템은,The mechanical system,
    수학식
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000058
    을 이용하여 상단 발전기의 회전속도 ωT와 하단 발전기의 회전속도 ωB를 생성하는 것을 특징으로 하는 외란 관측기 기반 속도 제어기.
    Equation
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000058
    Disturbance observer-based speed controller, characterized in that for generating the rotational speed ω T of the upper generator and the rotational speed ω B of the lower generator by using.
  7. 제1 항에 있어서,According to claim 1,
    상기 외란 관측기는,The disturbance observer,
    수학식
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000059
    ,
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000060
    ,
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000061
    를 이용하여 상단 발전기의 외란 관측기의 출력값
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000062
    와 하단 발전기의 외란 관측기의 출력값
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000063
    를 생성하되,
    Equation
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000059
    ,
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000060
    ,
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000061
    Output of the disturbance observer of the upper generator using
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000062
    Output of disturbance observer
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000063
    Create a,
    여기서,
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000064
    ,
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000065
    는 롤-요축과 상/하단 발전기 측 변수 사이의 관계를 나타내는 좌표 변환이고, ωr,Qy,Q는 저주파 통과 필터 Q(s)의 대역폭,
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000066
    ,
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000067
    는 공칭 시스템의 롤축 관성 모멘트와 마찰 계수,
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000068
    ,
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000069
    는 공칭 시스템의 요축 관성 모멘트와 마찰 계수를 나타내는 것을 특징으로 하는 외란 관측기 기반 속도 제어기.
    here,
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000064
    ,
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000065
    Is the coordinate transformation representing the relationship between the roll-yaw axis and the upper / lower generator side variables, ω r, Q , ω y, Q are the bandwidths of the low pass filter Q (s),
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000066
    ,
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000067
    Is the roll axis inertia moment and friction coefficient of the nominal system,
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000068
    ,
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000069
    Disturbance observer-based speed controller, characterized by the yaw axis of inertia and friction coefficient of the nominal system.
  8. 전기 시스템이 입력 받은 상단 발전기의 전류 제어 지령치와 하단 발전기의 전류 제어 지령치를 기반으로 상단 발전기의 인가 토크와 하단 발전기의 인가 토크를 출력하는 단계;Outputting the applied torque of the upper generator and the applied torque of the lower generator based on the current control command value of the upper generator and the current control command value of the lower generator received by the electrical system;
    기계 시스템이 입력 받은 상단 발전기의 인가 토크와 하단 발전기의 인가 토크를 기반으로 상단 발전기의 회전속도와 하단 발전기의 회전속도를 출력하는 단계; 및Outputting, by the mechanical system, the rotational speed of the upper generator and the rotational speed of the lower generator based on the input torque of the upper generator and the applied torque of the lower generator; And
    외란 관측기가 입력 받은 이전 주기의 상단/하단 발전기의 회전속도, 상단/하단 발전기의 전류 제어 지령치를 기반으로 상단/하단 발전기의 출력값을 각각 출력하는 단계;Outputting the output values of the upper and lower generators based on the rotational speeds of the upper and lower generators and the current control command values of the upper and lower generators received by the disturbance observer;
    를 포함하되, 상기 상단 발전기의 전류 제어 지령치와 하단 발전기의 전류 제어 지령치는 상단 발전기의 속도 제어기의 출력값, 하단 발전기의 속도 제어기의 출력값과 상단 발전기의 외란 관측기의 출력값, 하단 발전기의 외란 관측기의 출력값 각각의 차이값으로 생성되는 것을 특징으로 하는 외란 관측기 기반 속도 제어기의 운영 방법.It includes, but the current control command value of the upper generator and the current control command value of the lower generator output value of the speed controller of the upper generator, output value of the speed controller of the lower generator and output value of the disturbance observer of the upper generator, output value of the disturbance observer of the lower generator Method for operating the disturbance observer-based speed controller, characterized in that generated by each difference value.
  9. 제8 항에 있어서,The method of claim 8,
    상기 인가 토크를 출력하는 단계는,Outputting the applied torque,
    상기 상단 발전기의 전류 제어 지령치와 상기 하단 발전기의 전류 제어 지령치 각각에 토크 상수를 곱하고 그 곱한 결과로 상기 상단 발전기의 인가 토크와 상기 하단 발전기의 인가 토크를 생성하는 것을 특징으로 하는 외란 관측기 기반 속도 제어기의 운영 방법.Disturbance observer-based speed controller characterized in that the multiplication of the current control command value of the upper generator and the current control command value of the lower generator multiplied by the torque constant to generate the applied torque of the upper generator and the applied torque of the lower generator. Method of operation.
  10. 제8 항에 있어서,The method of claim 8,
    상기 회전속도를 출력하는 단계는,Outputting the rotational speed,
    입력 받은 상기 상단 발전기의 인가 토크와 상기 하단 발전기의 인가 토크를 기반으로 롤축 토크와 요축 토크를 생성하고,The roll shaft torque and the yaw shaft torque are generated based on the input torque of the upper generator and the applied torque of the lower generator.
    생성된 상기 롤축 토크와 상기 요축 토크를 기반으로 롤축 회전속도와 요축 회전속도를 생성하며,Generating a roll shaft rotation speed and a yaw shaft rotation speed based on the generated roll shaft torque and the yaw shaft torque,
    생성된 상기 롤축 회전속도와 상기 요축 회전속도를 기반으로 상단 발전기의 회전속도와 하단 발전기의 회전속도를 생성하는 것을 특징으로 하는 외란 관측기 기반 속도 제어기의 운영 방법.The method of operating the disturbance observer-based speed controller, characterized in that for generating the rotational speed of the upper generator and the rotational speed of the lower generator based on the generated roll axis rotation speed and the yaw axis rotation speed.
  11. 제10 항에 있어서,The method of claim 10,
    상기 회전속도를 출력하는 단계는,Outputting the rotational speed,
    수학식
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000070
    을 이용하여 롤축 토크 τr와 요축 토크 τy를 생성하되,
    Equation
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000070
    To generate roll axis torque τ r and yaw axis torque τ y ,
    여기서, 상기 τT는 상단 발전기의 인가 토크, 상기 τB는 하단 발전기의 인가 토크, 상기 ρ는 기어비를 나타내는 것을 특징으로 하는 외란 관측기 기반 속도 제어기의 운영 방법.Here, τ T is the torque applied to the top generator, τ B is the torque applied to the bottom generator, ρ is the operating method of the disturbance observer based speed controller, characterized in that the gear ratio.
  12. 제10 항에 있어서,The method of claim 10,
    상기 회전속도를 출력하는 단계는,Outputting the rotational speed,
    수학식
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000071
    을 이용하여 롤축 회전 속도 ωr와 요축 회전 속도 ωy를 생성하되,
    Equation
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000071
    To produce roll axis rotation speed ω r and yaw axis rotation speed ω y ,
    여기서, τF, τR는 바람에 의해서 터빈에 인가 되는 토크,
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000072
    ,
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000073
    는 롤축과 요축에 인가 되는 외란 토크, τr, τy는롤축과 요축에 인가하는 발전기의 토크, Jrr, brr는 롤축의 관성 모멘트와 마찰 계수, Jyy, byy는 요축의 관성 모멘트와 마찰 계수, Jry, bry는 요축 회전으로 인하여 발생하는 롤축 관성 모멘트와 마찰 계수, Jyr, byr는 롤축 회전으로 인하여 발생하는 요축 관성 모멘트와 마찰 계수를 나타내는 것을 특징으로 하는 외란 관측기 기반 속도 제어기의 운영 방법.
    Here, τ F , τ R is the torque applied to the turbine by wind,
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000072
    ,
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000073
    Is the disturbance torque applied to the roll and yaw axes, τ r , τ y is the torque of the generator applied to the roll and yaw axes, J rr , b rr is the moment of inertia and friction of the roll axis, and J yy , b yy is the moment of inertia of the yaw shaft And friction coefficients, J ry and b ry are the roll axis inertia moments generated by the yaw axis rotation and friction coefficients, J yr , b yr represent the yaw axis inertia moments and friction coefficients generated by the roll axis rotation. How to operate the speed controller.
  13. 제10 항에 있어서,The method of claim 10,
    상기 회전속도를 출력하는 단계는,Outputting the rotational speed,
    수학식
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000074
    을 이용하여 상단 발전기의 회전속도 ωT와 하단 발전기의 회전속도 ωB를 생성하는 것을 특징으로 하는 외란 관측기 기반 속도 제어기의 운영 방법.
    Equation
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000074
    Method for operating the disturbance observer-based speed controller, characterized in that for generating the rotational speed ω T of the upper generator and the rotational speed ω B of the lower generator by using.
  14. 제8 항에 있어서,The method of claim 8,
    상기 출력값을 출력하는 단계는,The step of outputting the output value,
    수학식
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000075
    ,
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000076
    ,
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000077
    를 이용하여 상단 발전기의 외란 관측기의 출력값
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000078
    와 하단 발전기의 외란 관측기의 출력값
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000079
    를 생성하되,
    Equation
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000075
    ,
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000076
    ,
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000077
    Output of the disturbance observer of the upper generator using
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000078
    Output of disturbance observer
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000079
    Create a,
    여기서,
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000080
    ,
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000081
    는 롤-요축과 상/하단 발전기 측 변수 사이의 관계를 나타내는 좌표 변환이고, ωr,Qy,Q는 저주파 통과 필터 Q(s)의 대역폭,
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000082
    ,
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000083
    는 공칭 시스템의 롤축 관성 모멘트와 마찰 계수,
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000084
    ,
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000085
    는 공칭 시스템의 요축 관성 모멘트와 마찰 계수를 나타내는 것을 특징으로 하는 외란 관측기 기반 속도 제어기의 운영 방법.
    here,
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000080
    ,
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000081
    Is the coordinate transformation representing the relationship between the roll-yaw axis and the upper / lower generator side variables, ω r, Q , ω y, Q are the bandwidths of the low pass filter Q (s),
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000082
    ,
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000083
    Is the roll axis inertia moment and friction coefficient of the nominal system,
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000084
    ,
    Figure PCTKR2015008770-appb-I000085
    Is a method of operating a disturbance observer-based speed controller, characterized by the yaw axis of inertia and friction coefficient of the nominal system.
PCT/KR2015/008770 2014-09-26 2015-08-21 Disturbance observer-based speed controller for parallel-type wind power generator, and method of operating same WO2016108388A1 (en)

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