KR101294929B1 - Wind Power Generation System and Control Method Thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은풍력 발전 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 실시 예에 따른 풍력발전 시스템은 블레이드와, 상기 블레이드의 후단에 위치하여 풍력에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전기와, 상기 발전기의 출력단에 연결되어 DC 전압을 생성하는 정류부와, 상기 정류된 전압을 사용용량에 따라 다운 또는 승압시키는 DC-DC 컨버터, 및 상기 DC-DC 컨버터의 PWM 듀티비(duty ratio)를 조절하여 최대 전력점을 추종(Maximum Power Point Tracking)하도록 제어하는 MPPT 제어 모듈를 포함하고, MPPT 제어 모듈은, 상기 발전기의 설계시 결정되는 풍속에 따른 블레이드의 회전 속도에 대한 전력량이 실제 측정된 풍속에 따른 블레이드의 회전 속도에 대한 전력량과 달라지는 경우 상기 실제 측정된 풍속에 따른 블레이드의 회전 속도에 대한 전력량을 기초로 풍속에 따른 블레이드의 기준 회전 속도에 대한 토크의 함수를 포함하는 룩업테이블을 수정하고 상기 수정된 룩업테이블을 이용하여 최대 전력점을 추종하도록 제어한다.
본 발명에 따르면 본 발명의 발전 시스템 및 그의 제어 방법은 풍력 발전기의 경년화에 따른 블레이드의 회전 속도에 대한 토크함수를 포함하는 룩업테이블을 수정하고, 수정된 룩업테이블을 기초로 풍력발전기의 최대 전력점을 추종함으로써, 발전 효율을 최대화 할 수 있는 효과가 있다.The present invention relates to a wind power generation system. Wind power generation system according to an embodiment of the present invention is a blade, a generator positioned at the rear end of the blade to convert the wind energy into electrical energy, a rectifier connected to the output terminal of the generator to generate a DC voltage, and the rectified DC-DC converter to down or boost the voltage according to the capacity, and MPPT control module for controlling the maximum power point tracking by adjusting the PWM duty ratio (duty duty ratio) of the DC-DC converter And, the MPPT control module, when the amount of power for the rotational speed of the blade according to the wind speed determined in the design of the generator is different from the amount of power for the rotational speed of the blade according to the measured wind speed of the blade of the actual measured wind speed Contains a function of the torque for the reference rotational speed of the blade according to the wind speed based on the amount of power to the rotational speed It is controlled so as to follow the maximum power point by using a look-up table corrected by the look-up table and the modified.
According to the present invention, the power generation system of the present invention and its control method modify the lookup table including the torque function for the rotational speed of the blade according to the aging of the wind generator, and the maximum power of the wind turbine based on the modified lookup table. By following the point, there is an effect that can maximize the power generation efficiency.

Description

풍력 발전 시스템 및 그의 제어 방법 {Wind Power Generation System and Control Method Thereof}Wind Power Generation System and Control Method Thereof

풍력 발전 시스템 및 그의 제어 방법에 관한 것으로 풍력 발전기의 경년화를 고려하여 룩업테이블을 수정하는 풍력 발전 시스템 및 그의 제어 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a wind power generation system and a control method thereof, and a wind power generation system for modifying a lookup table in consideration of the aging of a wind generator, and a control method thereof.

최근 화석에너지의 고갈에 대비한 친환경적인 대체 에너지원으로 풍력발전이 주목을 받고 있다. 독일, 네덜란드 및 덴마크를 중심으로 서유럽 여러 나라에서는 1970년대부터 풍력발전에 대한 많은 연구가 있어 왔고, 그 결과 최근에는 수 MW급 풍력발전 시스템을 상용화하기에 이르렀다. 국내에서도 다수의 연구기관을 중심으로 풍력발전 시스템의 국산화 연구개발이 활발히 진행되고 있으며 또한 정부 지원의 지역 에너지 사업을 통해 제주도 등 다수의 지역에 중대형 국내외 시스템이 도입되어 설치 운전되면서 국내 풍력 자원 개발의 가능성을 검토하고 있는 실정이다.Recently, wind power has attracted attention as an environmentally friendly alternative energy source for the depletion of fossil energy. In Western Europe, especially in Germany, the Netherlands, and Denmark, there have been many studies of wind power generation since the 1970s. As a result, several MW wind power systems have recently been commercialized. In Korea, localized R & D of wind power generation system is actively progressed by a number of research institutes. Also, through the government-sponsored regional energy project, large and large domestic and overseas systems were introduced and operated in many regions including Jeju Island. It is considering the possibility.

최근 국내에서는 10kW급 이하의 소형 풍력발전 시스템에 대한 관심이 높아지고 있어 풍력가로등, 태양광 하이브리드 풍력 발전기 등 다양한 형태의 어플리케이션 개발되고 있다. 한국공개특허 10-2009-0086859에는 풍력발전 시스템이 개시되어 있다.Recently, interest in small-scale wind power generation systems of less than 10kW is increasing, and various types of applications such as wind street lamps and solar hybrid wind generators are being developed. Korean Patent Publication No. 10-2009-0086859 discloses a wind power generation system.

대형 풍력발전 시스템은 설치후 약 20년간의 사용연한을 갖도록 설계되지만 소형 풍력발전시스템에 대한 사용연한은 일반적으로 5~10년으로 만들어진다. Large wind power generation systems are designed to have a service life of about 20 years after installation, but the service life for small wind power generation systems is typically 5 to 10 years.

따라서, 소형 풍력발전기의 경년화가 진행됨에 따라 초기의 토크 레퍼런스 곡선을 사용하여 최대전력을 추종 알고리즘을 적용한다면 도 1에 도시된 바와 같이 최대 전력점(A)을 추종할 수 없게 된다.Therefore, as the miniature wind turbine ages, if the maximum power tracking algorithm is applied using the initial torque reference curve, the maximum power point A cannot be followed as shown in FIG. 1.

따라서 발전기의 사용시간의 증가에 따른 경년화를 고려하지 않고 초기에 설정된 파라미터에 근거하여 최대 전력점을 추종하게 되면 풍력 발전기의 성능이 나빠지는 문제점이 있다.Therefore, there is a problem in that the performance of the wind generator is deteriorated when the maximum power point is followed based on a parameter initially set without considering the aging according to the increase in the use time of the generator.

본 발명의 목적은 풍력 발전기의 경년화에 따른 블레이드의 회전 속도에 대한 토크의 함수를 포함하는 룩업테이블을 수정하고, 수정된 룩업테이블을 기초로 풍력발전기의 최대 전력점을 추종함으로써, 발전 효율을 최대화 할 수 있는 풍력 발전 시스템 및 그의 제어 방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to modify the lookup table, which includes a function of torque for the rotational speed of the blades as the wind generator ages, and to follow the maximum power point of the wind turbine based on the modified lookup table, thereby improving power generation efficiency. It is to provide a wind power generation system and a control method thereof that can be maximized.

또한, 본 발명의 목적은 룩업테이블의 수정을 통하여 풍력 발전기의 효율을 증가시키는 것으로 별도의 비용이 증가하지 않고 발전기의 수명을 연장할 수 있는 풍력 발전 시스템 및 그의 제어 방법을 제공하는 것이다.In addition, an object of the present invention is to increase the efficiency of the wind power generator by modifying the look-up table to provide a wind power generation system and a control method thereof that can extend the life of the generator without increasing the cost.

위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시 예에 따른 풍력 발전 시스템은 블레이드와, 상기 블레이드의 후단에 위치하여 풍력에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전기와, 상기 발전기의 출력단에 연결되어 DC 전압을 생성하는 정류부와, 상기 정류된 전압을 사용용량에 따라 다운 또는 승압시키는 DC-DC 컨버터, 및 상기 DC-DC 컨버터의 PWM 듀티비(duty ratio)를 조절하여 최대 전력점을 추종(Maximum Power Point Tracking)하도록 제어하는 MPPT 제어 모듈를 포함하고, MPPT 제어 모듈은, 상기 발전기의 설계시 결정되는 풍속에 따른 블레이드의 회전 속도에 대한 전력량이 실제 측정된 풍속에 따른 블레이드의 회전 속도에 대한 전력량과 달라지는 경우 상기 실제 측정된 풍속에 따른 블레이드의 회전 속도에 대한 전력량을 기초로 풍속에 따른 블레이드의 기준 회전 속도에 대한 토크의 함수를 포함하는 룩업테이블을 수정하고 상기 수정된 룩업테이블을 이용하여 최대 전력점을 추종하도록 제어한다.In order to achieve the above object, the wind power generation system according to an embodiment of the present invention is a blade, a generator located at the rear end of the blade to convert the wind energy into electrical energy, and connected to the output terminal of the generator to the DC voltage Maximum power point tracking by adjusting the rectifying unit to generate, a DC-DC converter for down or boosting the rectified voltage according to a usable capacity, and a PWM duty ratio of the DC-DC converter. The MPPT control module includes a MPPT control module for controlling the power of the blade according to the wind speed determined at the time of designing the generator. Blade standard according to wind speed based on the amount of power on the rotational speed of the blade according to the actually measured wind speed Modifying the look-up table containing a function of the torque over the entire speed and is controlled so as to follow the maximum power point by using the corrected look-up table.

상기 MPPT 제어 모듈은, 상기 발전기의 설계시 결정되는 풍속에 따른 블레이드의 회전 속도에 대한 전력량이 상기 실제 측정된 풍속에 따른 블레이드의 회전 속도에 대한 전력량과 달라졌는지 판단하는 판단부와, 판단부의 판단 결과 달라진 경우 상기 실제 측정된 풍속에 따른 블레이드의 회전 속도에 대한 전력량을 저장하는 저장부와, 상기 저장부에 저장된 상기 실제 측정된 풍속에 따른 블레이드의 회전 속도에 대한 전력량을 기초로 풍속에 따른 블레이드의 기준 회전 속도에 대한 토크의 함수를 포함하는 룩업테이블을 수정하는 수정부와, 상기 수정된 룩업테이블을 이용하여 블레이드의 기준 회전 속도값을 출력하는 출력부와, 상기 출력부에서 출력된 상기 블레이드의 기준 회전 속도값과 상기 실제 블레이드의 회전 속도값의 차이값을 계산한 후, 에러(error)를 줄이기 위한 레퍼런스 전압신호를 생성하여 출력하는 PI(Proportional plus Integral) 제어부, 및 상기 PI(Proportional plus Integral) 제어부로부터 출력된 상기 레퍼런스 전압을 톱니파 신호와 비교한 후, 상기 발전기의 출력을 제어하는 DC/DC 컨버터의 PWM(Pulse Width Modulation) 듀티비(duty ratio)를 조절하는 제어 신호(CTL)를 출력하는 PWM 제어부를 더 포함한다.The MPPT control module may be configured to determine whether the amount of power for the rotational speed of the blade according to the wind speed determined at the time of designing the generator is different from the amount of power for the rotational speed of the blade according to the actually measured wind speed; If the result is different, the storage unit stores the amount of power for the rotational speed of the blade according to the actual measured wind speed, and the blade according to the wind speed based on the amount of power for the rotational speed of the blade according to the actual measured wind speed stored in the storage unit A correction unit for modifying a lookup table including a function of torque for a reference rotational speed of the output unit, an output unit for outputting a reference rotational speed value of the blade using the modified lookup table, and the blade outputted from the output unit After calculating the difference between the reference rotational speed value and the actual rotational speed value of the blade After comparing the reference voltage output from the Proportional plus Integral (PI) control unit for generating and outputting a reference voltage signal for reducing an error, and the Proportional plus Integral (PI) control unit with the sawtooth wave signal, The apparatus may further include a PWM controller configured to output a control signal (CTL) for adjusting a pulse width modulation (PWM) duty ratio of the DC / DC converter for controlling the output.

상기 룩업테이블은 전력 계수와 주속비의 변경여부를 측정하고 상기 전력 계수와 상기 주속비가 변경값을 고려하여 상기 룩업테이블을 수정한다.The lookup table measures whether the power factor and the main speed ratio are changed, and modifies the lookup table in consideration of the change value of the power factor and the main speed ratio.

본 발명의 실시 예에 따른 풍력 발전 시스템의 제어 방법은 풍력 발전기의 설계시 결정되는 풍속에 따른 블레이드의 회전 속도에 대한 전력량이 실제 측정된 풍속에 따른 블레이드의 회전 속도에 대한 전력량과 일치하는지 판단하는 단계와, 상기 판단 결과 일치하지 않는 경우 상기 실제 측정된 풍속에 따른 블레이드의 회전 속도에 대한 전력량을 저장하는 단계와, 상기 저장된 실제 측정된 풍속에 따른 블레이드의 회전 속도에 대한 전력량 을 기초로 풍속에 따른 블레이드의 기준 회전 속도에 대한 토크값의 함수를 포함하는 룩업테이블을 수정하는 단계와, 상기 수정된 룩업테이블을 이용하여 최대 전력점을 추종하는 단계를 포함한다.The control method of the wind power generation system according to an embodiment of the present invention is to determine whether the amount of power for the rotational speed of the blade according to the wind speed determined in the design of the wind generator is matched with the amount of power for the rotational speed of the blade according to the measured wind speed And storing the amount of power for the rotational speed of the blade according to the actual measured wind speed if the result of the determination does not match, and the amount of power for the rotational speed of the blade according to the stored actual measured wind speed. And modifying a lookup table comprising a function of torque value relative to the reference rotational speed of the blade, and following the maximum power point using the modified lookup table.

실시 예에 따라 상기 룩업테이블을 이용하여 최대 전력점을 추종하는 단계는, PI 제어부와, PWM 제어부를 이용하여 DC/DC 컨버터의 PWM 듀티비를 조절함으로써 이루어질 수 있다.According to an embodiment, the tracking of the maximum power point using the lookup table may be performed by adjusting the PWM duty ratio of the DC / DC converter using the PI controller and the PWM controller.

본 발명의 풍력 발전 시스템 및 그의 제어 방법은 풍력 발전기의 경년화에 따른 블레이드의 회전 속도에 대한 토크의 함수를 포함하는 룩업테이블을 수정하고, 수정된 룩업테이블을 기초로 풍력발전기의 최대 전력점을 추종함으로써, 발전 효율을 최대화 할 수 있는 효과가 있다.The wind power generation system of the present invention and its control method modify a lookup table that includes a function of torque for the rotational speed of the blade as the wind generator ages, and based on the modified lookup table, the maximum power point of the wind turbine is determined. By following, there is an effect that can maximize the power generation efficiency.

또한, 본 발명의 풍력 발전 시스템 및 그의 제어 방법은 룩업테이블의 수정을 통하여 발전기 효율을 증가시키는 것으로 별도의 비용이 증가하지 않고 풍력 발전기의 수명을 연장할 수 있는 효과가 있다.In addition, the wind power generation system of the present invention and its control method increase the generator efficiency through the modification of the look-up table, there is an effect that can extend the life of the wind generator without any additional cost.

도 1은 풍력 발전기의 경년화에 따라 변화된 풍속 변화에 따른 블레이드의 회전 속도에 대한 전력량에 적용된 최대 전력점 추종 특성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 풍력 발전 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 3은 도 2에 도시된 MPPT 제어 모듈을 나타내는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 풍력 발전 시스템의 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5는 주속비 변화에 따른 전력 계수 그래프이다.
도 6은 설계시의 풍속 변화에 따른 블레이드의 회전 속도에 대한 전력량 그래프이다.
도 7은 경년화가 진행된 후의 실제 풍속 변화에 따른 블레이드의 회전 속도에 대한 전력량 그래프이다.
도 8은 블레이드의 기준 회전속도에 대한 토크 곡선을 나타내는 도면이다.
도 9는 수정된 룩업테이블을 이용하여 회전 속도에 대한 전력량에 적용된 최대 전력점 추종 특성을 나타내는 도면이다.1 is a view showing the maximum power point following characteristics applied to the amount of power to the rotational speed of the blade according to the wind speed change according to the aging of the wind generator.
2 is a block diagram illustrating a wind power generation system according to an exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a block diagram illustrating the MPPT control module shown in FIG. 2.
4 is a flowchart illustrating a control method of a wind power generation system according to an exemplary embodiment of the present invention.
5 is a power coefficient graph according to the change in the main speed ratio.
6 is a graph of the power amount versus the rotational speed of the blade according to the wind speed change in the design.
7 is a graph of the power amount of the rotational speed of the blade according to the actual wind speed change after aging.
8 is a view showing a torque curve with respect to the reference rotational speed of the blade.
FIG. 9 is a diagram illustrating a maximum power point following characteristic applied to a power amount with respect to a rotation speed by using a modified lookup table.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Note that, in the drawings, the same components are denoted by the same reference symbols as possible. Further, the detailed description of known functions and configurations that may obscure the gist of the present invention will be omitted. For the same reason, some of the components in the drawings are exaggerated, omitted, or schematically illustrated.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 풍력 발전 시스템을 나타내는 블록도이고, 도 3은 도 2에 도시된 MPPT 제어 모듈을 나타내는 블록도이다.2 is a block diagram showing a wind power generation system according to an embodiment of the present invention, Figure 3 is a block diagram showing an MPPT control module shown in FIG.

본 발명의 실시 예에 따른 풍력 발전 시스템(10)은 블레이드(110), 발전기(120), 정류부(130), DC/DC 컨버터(140), 인버터(150), 및 MPPT 제어 모듈(200)을 포함한다.Wind power generation system 10 according to an embodiment of the present invention is a blade 110, generator 120, rectifier 130, DC / DC converter 140, inverter 150, and MPPT control module 200 Include.

블레이드(110)는 풍속의 변화에 따라 회전하며, 발전기(120)와 물리적으로 연결되어 있다. 발전기(120)는 블레이드(110) 후단에 위치되어 풍력에너지를 전기에너지로 변환시킨다. 실시 예에 따라 발전기(120)는 3상 동기 발전기일 수 있다.The blade 110 rotates according to the change in the wind speed, and is physically connected to the generator 120. The generator 120 is located at the rear end of the blade 110 to convert wind energy into electrical energy. According to an embodiment, the generator 120 may be a three-phase synchronous generator.

정류부(130)는 발전기(120)에 축적된 전압을 정류시킨다. 정류부(130)는 실시 예에 따라 3상 브릿지 다이오드를 포함할 수 있다. DC/DC컨버터(140)는 정류부(130)를 통해 정류된 전압을 그리드에서 요구하는 사용용량에 맞게 다운 또는 승압시키고, 인버터(150)는 DC/DC컨버터(140)를 통해 다운 또는 승압된 전압을 직류에서 교류로 변환시킨다.The rectifier 130 rectifies the voltage accumulated in the generator 120. The rectifier 130 may include a three-phase bridge diode according to an embodiment. The DC / DC converter 140 down or boosts the voltage rectified by the rectifier 130 according to the use capacity required by the grid, and the inverter 150 is down or boosted by the DC / DC converter 140. Is converted from direct current to alternating current.

도 3에 도시된 바와 같이, MPPT 제어 모듈(200)은 판단부(210), 저장부(220), 수정부(230), 출력부(240), PI(Proportional plus Integral) 제어부(250), 및 PWM(Pulse Width Modulation) 제어부(260)를 포함한다. As shown in FIG. 3, the MPPT control module 200 includes a determination unit 210, a storage unit 220, a correction unit 230, an output unit 240, a PI (Proportional plus Integral) control unit 250, And a pulse width modulation (PWM) control unit 260.

판단부(210)는 DC/DC 컨버터(140)에서 출력된 전압값(V), 전류값(I)과 실제 측정된 풍속에 따른 블레이드의 회전 속도(Wr)로부터 실제 풍속에 따른 블레이드의 회전 속도(Wr2)에 대한 전력량(Pt2)을 구하고, 발전기(120)의 설계시 결정되는 풍속에 따른 블레이드의 회전 속도(Wr1)에 대한 전력량(Pt1)과 일치하는지 여부를 판단한다.The determination unit 210 is a rotation speed of the blade according to the actual wind speed from the rotation speed (Wr) of the blade according to the voltage value (V), the current value (I) and the actual measured wind speed output from the DC / DC converter 140 The power amount Pt2 for Wr2 is obtained, and it is determined whether or not the power amount Pt2 corresponds to the power amount Pt1 for the rotational speed Wr1 of the blade according to the wind speed determined at the time of designing the generator 120.

저장부(220)는 판단부(210)의 판단 결과 일치하지 않는 경우 실제 측정된 풍속에 따른 블레이드의 회전 속도(Wr2)에 대한 전력량(Pt2)을 저장한다. 저장된 실제 측정된 풍속에 따른 블레이드의 회전 속도(Wr2)에 대한 전력량(Pt2)은 이후 룩업테이블(Lookup Table; 135)을 수정하는 기초자료로 이용된다.The storage unit 220 stores the amount of power Pt2 with respect to the rotational speed Wr2 of the blade according to the actually measured wind speed when the determination result of the determination unit 210 does not match. The amount of power Pt2 for the rotational speed Wr2 of the blade according to the stored measured wind speed is then used as a basis for modifying the lookup table 135.

여기서, 룩업 테이블(Lookup Table) 이란, 한 데이터 형태에서 다른 데이터 형태로 변환하는 데 이용되는 것으로, 룩업 테이블은 단순한 계산식으로 계산이 힘들 경우나 궤환회로를 이용하여 특정 값에 수렴하게 만들기 힘들 경우에 이용한다. 즉, 프로그램으로 구현하고자 할 때는 이 값과 변수에 대한 모든 값을 테이블화 하여 만든 후, 이것의 값을 넣은 메모리에 대한 주소 값을 포인터 등으로 지정하여 사용하는 것을 말한다.Here, a lookup table is used to convert from one data type to another data type. A lookup table is a simple calculation that is difficult to calculate or to make it difficult to converge to a specific value using a feedback circuit. I use it. In other words, if you want to implement it as a program, make a table of all the values for this value and the variable, and then specify the address value of the memory where you put this value as a pointer.

본 발명의 룩업테이블(Lookup Table)은 실시 예에 따라 블레이드의 기준 회전 속도값(Wref)을 함수로서 토크값(Tref)을 출력하거나, 토크값(Tref)을 함수로 블레이드의 회전 속도값(Wref)을 출력한다.The lookup table of the present invention outputs the torque value Tref as a function of the reference rotational speed value Wref of the blade, or the rotational speed value Wref of the blade as a function of the torque value Tref. )

수정부(230)는 상기 저장부(220)에 저장된 실제 측정된 풍속에 따른 블레이드의 회전 속도(Wr2)에 대한 전력량(Pt2)을 기초로 풍속에 따른 블레이드의 기준 회전 속도(Wref)에 대한 토크값(Tref)의 함수를 포함하는 룩업테이블(235)을 수정한다.The correction unit 230 is a torque for the reference rotational speed (Wref) of the blade according to the wind speed based on the amount of power (Pt2) for the rotational speed (Wr2) of the blade according to the actual measured wind speed stored in the storage unit 220. Modify the lookup table 235 including the function of the value Tref.

출력부(240)는 상기 수정된 룩업테이블(235)을 이용하여 블레이드의 기준 회전 속도값(Wref)을 출력한다.The output unit 240 outputs the reference rotation speed value Wref of the blade by using the modified lookup table 235.

PI(Proportional plus Integral) 제어부(250)는 상기 출력부(240)에서 출력된 블레이드의 기준 회전 속도값(Wref)과 실제 블레이드의 회전 속도값(Wr)의 차이값을 계산한 후, 레퍼런스 전압신호(도면에 도시되지 않음)를 생성하여 출력한다. The PI (Proportional plus Integral) control unit 250 calculates the difference between the reference rotational speed value (Wref) of the blade output from the output unit 240 and the actual rotational speed value (Wr) of the blade, the reference voltage signal Create and output (not shown).

PWM 제어부(260)는 상기 PI(Proportional plus Integral) 제어부(310)로부터 출력된 레퍼런스 전압을 톱니파 신호와 비교한 후, 발전기(120)의 출력을 제어하는 DC/DC 컨버터(140)의 PWM(Pulse Width Modulation) 듀티비(duty ratio)를 조절하는 제어 신호(CTL)를 출력한다.The PWM controller 260 compares the reference voltage output from the Proportional Plus Integral (PI) controller 310 with the sawtooth signal, and then PWM (Pulse) of the DC / DC converter 140 controlling the output of the generator 120. Width Modulation) Outputs a control signal (CTL) for adjusting the duty ratio.

이때 PWM 듀티비를 조절함에 따라 풍력발전기의 최대 전력점을 추종하게 된다. 여기서, 최대 전력점 추종(Maximum Power Point Tracking; MPPT)이란, 풍속이 변화함에 따라 최대 전력의 인출을 하기 위하여 발전기 또는 블레이드를 규정된 속도로 회전시키는 것을 말한다.
At this time, by adjusting the PWM duty ratio, the maximum power point of the wind power generator is followed. Here, Maximum Power Point Tracking (MPPT) refers to rotating a generator or a blade at a prescribed speed in order to draw out the maximum power as the wind speed changes.

이하, 도면을 참고하여 본 발명의 실시 예에 따른 풍력 발전 시스템의 제어 방법을 살펴본다.Hereinafter, with reference to the drawings looks at the control method of the wind power generation system according to an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 풍력 발전 시스템의 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 5는 주속비 변화에 따른 전력 계수 그래프이고, 도 6은 설계시의 풍속 변화에 따른 블레이드의 회전 속도에 대한 전력량 그래프이다.
4 is a flowchart illustrating a control method of a wind power generation system according to an exemplary embodiment of the present invention, FIG. 5 is a power coefficient graph according to a change in main speed ratio, and FIG. Power graph for.

우선, 실제 측정된 풍속에 따른 블레이드의 회전 속도(Wr2)에 대한 전력량(Pt2)을 측정하고(S410), 발전기(120)의 설계시 결정되는 풍속에 따른 블레이드의 회전 속도(Wr1)에 대한 전력량(Pt1)이 실제 측정된 풍속에 따른 블레이드의 회전 속도(Wr2)에 대한 전력량(Pt2)이 일치하는지 판단한다(S420).First, the amount of power (Pt2) for the rotational speed (Wr2) of the blade according to the actual measured wind speed is measured (S410), the amount of power for the rotational speed (Wr1) of the blade according to the wind speed determined at the time of designing the generator 120 It is determined whether the power amount Pt2 with respect to the rotational speed Wr2 of the blade according to the actually measured wind speed Pt1 matches (S420).

여기서, 설계시 결정되는 풍속에 따른 블레이드의 회전 속도(Wr1)에 대한 전력량(Pt1)은 도 6에 도시된 곡선으로 나타난다.Here, the power amount Pt1 with respect to the rotational speed Wr1 of the blade according to the wind speed determined in the design is represented by the curve shown in FIG. 6.

이에 대해 구체적으로 살펴보면, 풍력에너지로부터 터빈에 의해 흡수되는 에너지는 수학식 1과 같은 비선형 함수에 의해 표현이 가능하다.Specifically, the energy absorbed by the turbine from the wind energy may be represented by a nonlinear function such as Equation (1).

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112011099334004-pat00001
Figure 112011099334004-pat00001

Figure 112011099334004-pat00002
는 회전자의 반경[
Figure 112011099334004-pat00003
],
Figure 112011099334004-pat00004
는 공기의 밀도로 약 1.25[
Figure 112011099334004-pat00005
]이다.
Figure 112011099334004-pat00002
Is the radius of the rotor [
Figure 112011099334004-pat00003
],
Figure 112011099334004-pat00004
Is about 1.25 [
Figure 112011099334004-pat00005
]to be.

상기 식에서 전력계수

Figure 112013068798411-pat00006
란 풍속
Figure 112013068798411-pat00007
의 바람이 갖고 있는 에너지 중에서 블레이드가 받아들이는 에너지의 비율을 의미하며 풍속에 3승에 비례한다.
Figure 112013068798411-pat00008
는 풍속에 대한 블레이드의 회전 속도비인 주속비(TSR: Tip-Speed Ratio)로 아래 수학식 2와 같이 표현되며, β는 블레이드의 피치각이다.Power coefficient in the above formula
Figure 112013068798411-pat00006
Column wind speed
Figure 112013068798411-pat00007
The ratio of energy received by the blade to the wind energy of the wind is proportional to the third power of the wind speed.
Figure 112013068798411-pat00008
Is the tip-speed ratio (TSR), which is the ratio of the rotational speed of the blade to the wind speed, as expressed by Equation 2 below, and β is the pitch angle of the blade.

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure 112011099334004-pat00009
Figure 112011099334004-pat00009

따라서, 풍속의 변화나 발전기(120)의 회전속도 변화는

Figure 112011099334004-pat00010
의 변화를 가져오며, 이는 수학식 1의 전력 계수
Figure 112011099334004-pat00011
의 변화를 초래한다. 전형적인 전력 계수
Figure 112011099334004-pat00012
곡선은 도 5와 같다. 도 5에 도시된 바와 같이, 발전기(120)가 회전을 개시하여 주속비(
Figure 112011099334004-pat00013
)가 점점 커지면 젼력 계수(
Figure 112011099334004-pat00014
), 즉 효율이 증가하다가 어느 속도 이상으로 회전하게 되면 효율이 떨어지게 되며, 이러한 전력 계수(
Figure 112011099334004-pat00015
)는 블레이드 설계시 결정된다. Therefore, the change in the wind speed or the change in the rotational speed of the generator 120
Figure 112011099334004-pat00010
Resulting in the power factor of Equation 1
Figure 112011099334004-pat00011
Brings about a change. Typical power factor
Figure 112011099334004-pat00012
The curve is shown in FIG. As shown in FIG. 5, the generator 120 starts rotating to generate a main speed ratio (
Figure 112011099334004-pat00013
), The larger the power factor (
Figure 112011099334004-pat00014
), That is, if the efficiency increases and then rotates above a certain speed, the efficiency decreases.
Figure 112011099334004-pat00015
) Is determined during blade design.

여기서, 주속비(

Figure 112011099334004-pat00016
)와 전력 계수(
Figure 112011099334004-pat00017
)는 발전기(120)의 경년화 진행에 따라 설계시 설정된 토크(Tref)값을 변경시키는 원인이 된다. Where the main speed ratio (
Figure 112011099334004-pat00016
) And power factor (
Figure 112011099334004-pat00017
) Causes a change in the torque Tref value set at design time as the generator 120 progresses.

도 5에 도시된 주속비(

Figure 112011099334004-pat00018
) 대 전력계수(
Figure 112011099334004-pat00019
)의 관계로부터 도 6에 도시된 설계시 결정되는 풍속에 따른 블레이드의 회전 속도(Wr1)에 대한 전력량(Pt1)이 결정된다.The main speed ratio shown in FIG.
Figure 112011099334004-pat00018
) Vs. power factor
Figure 112011099334004-pat00019
), The amount of power Pt1 with respect to the rotational speed Wr1 of the blade according to the wind speed determined in the design shown in FIG. 6 is determined.

도 7은 경년화가 진행된 후의 실제 풍속 변화에 따른 블레이드의 회전 속도에 대한 전력량 그래프이고, 도 8은 블레이드의 기준 회전속도에 대한 토크 그래프를 나타내는 도면이고, 도 9는 수정된 룩업테이블을 이용하여 회전 속도에 대한 전력량에 적용된 최대 전력점 추종 특성을 나타내는 도면이다.7 is a graph of the amount of power versus the rotational speed of the blade according to the actual wind speed change after aging, Figure 8 is a view showing a torque graph of the reference rotational speed of the blade, Figure 9 is rotated using a modified lookup table It is a figure which shows the maximum power point following characteristic applied to the electric power with respect to speed.

도 7에 도시된 풍속에 따른 실제 블레이드의 회전속도(Wr2)에 따른 전력량(Pt2)은 DC/DC 컨버터로부터 출력된 전압(V)과 전류(I) 및 블레이드의 실제 회전속도(Wr2)로부터 구할 수 있다.The power amount Pt2 according to the rotational speed Wr2 of the blade according to the wind speed shown in FIG. 7 is obtained from the voltage V and the current I output from the DC / DC converter and the actual rotational speed Wr2 of the blade. Can be.

실제 블레이드의 회전속도(Wr2)에 따른 전력량(Pt2)은 발전기(120)의 경년화가 진행됨에 따라, 전력 계수(

Figure 112011099334004-pat00020
)와 주속비(
Figure 112011099334004-pat00021
)가 변하게 되고 도 7에 도시된 그래프와 같이 곡선이 오른쪽으로 기울어진다.The amount of power Pt2 according to the rotational speed Wr2 of the actual blade is a power factor (A) as the generator 120 ages.
Figure 112011099334004-pat00020
) And speed ratio (
Figure 112011099334004-pat00021
) Changes and the curve is tilted to the right as shown in the graph shown in FIG. 7.

발전기(120)의 설계시 결정되는 풍속에 따른 블레이드의 회전 속도(Wr1)에 대한 전력량(Pt1)이 실제 측정된 풍속에 따른 블레이드의 회전 속도(Wr2)에 대한 전력량(Pt2)이 일치 여부 판단결과, 발전기(120)의 설계시 결정되는 풍속에 따른 블레이드의 회전 속도(Wr1)에 대한 전력량(Pt1)이 실제 측정된 풍속에 따른 블레이드의 회전 속도(Wr2)에 대한 전력량(Pt2)과 일치하지 않는다면 실제 측정된 풍속에 따른 블레이드의 회전 속도(Wr2)에 대한 전력량(Pt2)을 저장한다(S430).Determination result of whether the power amount Pt1 for the rotational speed Wr1 of the blade according to the wind speed determined at the time of designing the generator 120 coincides with the power amount Pt2 for the rotational speed Wr2 of the blade according to the actually measured wind speed. If the power amount Pt1 for the rotational speed Wr1 of the blade according to the wind speed determined in the design of the generator 120 does not match the power amount Pt2 for the rotational speed Wr2 of the blade according to the measured wind speed, The power amount Pt2 for the rotational speed Wr2 of the blade according to the actually measured wind speed is stored (S430).

이어, 상기 저장된 실제 풍속에 따른 블레이드의 회전 속도(Wr2)에 대한 전력량(Pt2)을 기초로 풍속에 따른 블레이드의 기준 회전 속도(Wref)에 대한 토크값(Tref)의 함수를 포함하는 룩업테이블(135)을 수정한다(S440). 룩업테이블(135)의 수정은 발전기(120)의 경년화에 따른 전력 계수(Cp)와 주속비(

Figure 112011099334004-pat00022
)의 변경값을 고려하여 이루어지며, 수정된 룩업테이블(135)은 도 8에 도시된 바와 같은 그래프로 나타낼 수 있다. Subsequently, the lookup table includes a function of a torque value Tref of the reference rotational speed Wref of the blade according to the wind speed based on the amount of power Pt2 of the blade rotation speed Wr2 according to the stored actual wind speed ( 135) (S440). The modification of the lookup table 135 is based on the power factor Cp and the main speed ratio according to the aging of the generator 120.
Figure 112011099334004-pat00022
), And the modified lookup table 135 may be represented by a graph as shown in FIG. 8.

블레이드의 기준 회전 속도(Wref)와 토크값(Tref)은 아래의 수학식 3과 같은 관계식을 갖는다.The reference rotational speed Wref and the torque value Tref of the blade have a relationship as shown in Equation 3 below.

[수학식 3]&Quot; (3) "

Figure 112013068798411-pat00034
Figure 112013068798411-pat00034

여기서, Tref는 토크값이고, Cp는 경년화가 반영된 전력 계수이고, Wref은 블레이드의 기준 회전 속도이고,

Figure 112011099334004-pat00024
m는 경년화가 반영된 주속비이다. Where Tref is the torque value, Cp is the power factor reflecting aging, Wref is the reference rotational speed of the blade,
Figure 112011099334004-pat00024
m is the speed ratio reflecting aging.

이어, 수정된 룩업테이블(135)을 이용하여 도 7에 도시된 최대 전력점(Pm)을 추종하게 된다(S450). 실시 예에 따라, 룩업테이블(135)을 이용하여 최대 전력점(Pm) 추종은 PI 제어부(250)와, PWM 제어부(260)를 이용하여 DC/DC 컨버터(140)의 PWM 듀티비를 조절함으로써 이루어질 수 있다.Subsequently, the maximum power point Pm illustrated in FIG. 7 is followed using the modified lookup table 135 (S450). According to an exemplary embodiment, tracking of the maximum power point Pm using the lookup table 135 may be performed by adjusting the PWM duty ratio of the DC / DC converter 140 using the PI controller 250 and the PWM controller 260. Can be done.

수정된 룩업테이블(135)을 이용하여 최대 전력점(Pm)을 추종하게 되면 도 9에 도시된 바와 같이 설계시 결정되는 풍속에 따른 블레이드의 회전 속도(Wr1)에 대한 전력량(Pt1)이 발전기(120)의 경년화 진행에 따라 달라지더라고 최대 전력점(B)을 추종함을 알 수 있다.
When the maximum power point Pm is followed using the modified lookup table 135, the power amount Pt1 with respect to the rotational speed Wr1 of the blade according to the wind speed determined in the design as shown in FIG. It can be seen that the maximum power point (B) is followed even if it changes according to the aging process of 120).

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예 들은 본 발명이 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다. On the other hand, the embodiments of the present invention disclosed in the specification and drawings are merely presented specific examples to easily explain the technical contents and help the understanding of the present invention, and are not intended to limit the scope of the present invention. It will be apparent to those skilled in the art that other modifications based on the technical idea of the present invention can be carried out in addition to the embodiments disclosed herein.

10 : 풍력 발전 시스템
110 : 블레이드
120 : 발전기
130 : 정류부
140 : DC/DC 컨버터
150 : 인버터
200 : MPPT 제어 모듈
210 : 판단부
220 : 저장부
230 : 수정부
235 : 룩업테이블(Lookup Table)
240 : 출력부
250 : PI(Proportional plus Integral) 제어부
260 : PWM(Pulse Width Modulation) 제어부10: wind power generation system
110: blade
120: generator
130: rectification part
140: DC / DC converter
150: inverter
200: MPPT Control Module
210: judgment unit
220:
230: government
235Lookup Table
240: output unit
250: PI (Proportional plus Integral) control unit
260: PWM (Pulse Width Modulation) control unit

Claims (5)

블레이드;
상기 블레이드의 후단에 위치하여 풍력에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전기;
상기 발전기의 출력단에 연결되어 DC 전압을 생성하는 정류부;
상기 정류된 전압을 사용용량에 따라 다운 또는 승압시키는 DC-DC 컨버터;
및
상기 DC-DC 컨버터의 PWM 듀티비(duty ratio)를 조절하여 최대 전력점을 추종(Maximum Power Point Tracking)하도록 제어하는 MPPT 제어 모듈을 포함하고,
상기 MPPT 제어 모듈은,
상기 발전기의 설계시 결정되는 풍속에 따른 블레이드의 회전 속도에 대한 전력량이 실제 측정된 풍속에 따른 블레이드의 회전 속도에 대한 전력량과 달라지는 경우 상기 실제 측정된 풍속에 따른 블레이드의 회전 속도에 대한 전력량을 기초로 풍속에 따른 블레이드의 기준 회전 속도에 대한 토크의 함수를 포함하는 룩업테이블을 수정하고 상기 수정된 룩업테이블을 이용하여 최대 전력점을 추종하도록 제어하는 풍력 발전 시스템.blade;
A generator positioned at a rear end of the blade to convert wind energy into electrical energy;
A rectifier connected to an output of the generator to generate a DC voltage;
A DC-DC converter for down or boosting the rectified voltage according to a use capacity;
And
And an MPPT control module for controlling the maximum power point tracking by adjusting a PWM duty ratio of the DC-DC converter.
The MPPT control module,
If the amount of power for the rotational speed of the blade according to the wind speed determined in the design of the generator is different from the amount of power for the rotational speed of the blade according to the measured wind speed based on the amount of power for the rotational speed of the blade according to the actual measured wind speed A wind power generation system for modifying a lookup table that includes a function of torque to a reference rotational speed of a blade according to furnace wind speed and controlling to follow the maximum power point using the modified lookup table. 제1항에 있어서,
상기 MPPT 제어 모듈은,
상기 발전기의 설계시 결정되는 상기 풍속에 따른 블레이드의 회전 속도에 대한 전력량이 상기 실제 측정된 풍속에 따른 블레이드의 회전 속도에 대한 전력량과 달라졌는지 판단하는 판단부;
상기 판단부의 판단 결과 달라진 경우 상기 실제 측정된 풍속에 따른 블레이드의 회전 속도에 대한 전력량을 저장하는 저장부;
상기 저장부에 저장된 상기 실제 측정된 풍속에 따른 블레이드의 회전 속도에 대한 전력량을 기초로 풍속에 따른 블레이드의 기준 회전 속도에 대한 토크의 함수를 포함하는 룩업테이블을 수정하는 수정부;
상기 수정된 룩업테이블을 이용하여 블레이드의 기준 회전 속도값을 출력하는 출력부;
상기 출력부에서 출력된 상기 블레이드의 기준 회전 속도값과 상기 실제 블레이드의 회전 속도값의 차이값을 계산한 후, 에러(error)를 줄이기 위한 레퍼런스 전압신호를 생성하여 출력하는 PI(Proportional plus Integral) 제어부; 및
상기 PI(Proportional plus Integral) 제어부로부터 출력된 상기 레퍼런스 전압을 톱니파 신호와 비교한 후, 상기 발전기의 출력을 제어하는 상기 DC/DC 컨버터의 상기 PWM(Pulse Width Modulation) 듀티비(duty ratio)를 조절하는 제어 신호를 출력하는 PWM 제어부를 더 포함하는 풍력 발전 시스템.The method of claim 1,
The MPPT control module,
A determination unit that determines whether the amount of power for the rotational speed of the blade according to the wind speed determined at the time of designing the generator is different from the amount of power for the rotational speed of the blade according to the actually measured wind speed;
A storage unit for storing the amount of power for the rotational speed of the blade according to the actual measured wind speed if the determination result of the determination unit is different;
A correction unit for modifying a lookup table including a function of torque for a reference rotational speed of the blade according to the wind speed based on the amount of power for the rotational speed of the blade according to the actual measured wind speed stored in the storage unit;
An output unit for outputting a reference rotation speed value of the blade using the modified lookup table;
PI (Proportional plus Integral) for generating a reference voltage signal to reduce the error (error) after calculating the difference between the reference rotational speed value of the blade and the actual blade rotational speed value output from the output unit Control unit; And
The pulse width modulation (PWM) duty ratio of the DC / DC converter controlling the output of the generator is adjusted after comparing the reference voltage output from the proportional plus integral (PI) controller with the sawtooth signal. A wind power generation system further comprising a PWM control unit for outputting a control signal. 제1항에 있어서,
상기 룩업테이블은 상기 발전기의 경년화에 따른 전력 계수의 변경값과 주속비의 변경값을 고려하여 상기 룩업테이블을 수정하는 풍력 발전 시스템.The method of claim 1,
The look-up table is a wind power generation system for modifying the look-up table in consideration of the change value of the power factor and the change in the main speed ratio according to the aging of the generator. 풍력 발전기의 설계시 결정되는 풍속에 따른 블레이드의 회전 속도에 대한 전력량이 실제 측정된 풍속에 따른 블레이드의 회전 속도에 대한 전력량이 달라졌는지 판단하는 단계;
상기 판단 결과 달라진 경우 상기 실제 측정된 풍속에 따른 블레이드의 회전 속도에 대한 전력량을 저장하는 단계;
상기 저장된 실제 측정된 풍속에 따른 블레이드의 회전 속도에 대한 전력량 을 기초로 풍속에 따른 블레이드의 기준 회전 속도에 대한 토크의 함수를 포함하는 룩업테이블을 수정하는 단계; 및
상기 수정된 룩업테이블을 이용하여 최대 전력점을 추종하는 단계를 포함하는 풍력 발전 시스템의 제어 방법.Determining whether the amount of power for the rotational speed of the blade according to the measured wind speed is changed according to the wind speed determined at the time of designing the wind generator;
Storing the amount of power for the rotational speed of the blade according to the actually measured wind speed when the determination result is changed;
Modifying a lookup table comprising a function of torque for a reference rotational speed of the blade according to the wind speed based on the amount of power for the rotational speed of the blade according to the actually measured wind speed stored; And
Tracking a maximum power point using the modified lookup table. 제4항에 있어서,
상기 룩업테이블을 이용하여 최대 전력점을 추종하는 단계는,
PI 제어부와, PWM 제어부를 이용하여 DC/DC 컨버터의 PWM 듀티비를 조절함으로써 이루어지는 풍력 발전 시스템의 제어 방법.


5. The method of claim 4,
Following the maximum power point using the lookup table,
A control method of a wind power generation system formed by adjusting a PWM duty ratio of a DC / DC converter using a PI control unit and a PWM control unit.


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