KR101304402B1 - Variable speed wind turbine system - Google Patents
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Abstract
가변속 풍력 터빈 시스템이 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 가변속 풍력 터빈 시스템은 블레이드를 포함하는 로터; 로터와 연결된 발전기; 공기 밀도를 측정하는 공기 밀도 측정 또는 추정기; 나셀 외부의 풍속을 측정하는 풍속기; 싱기 발전기를 통하여 출력되는 전압 및 전류를 일정한 전압 및 전류로 변환하여 계통으로 전달하는 전력 변환기; 블레이드의 직경, 로터와 발전기 사이의 기어비, 로터로부터 입력되는 피치각, 로터의 회전 속도 측정값, 공기 밀도 측정 또는 추정기로부터 입력되는 공기 밀도 측정 또는 추정값, 풍속기로부터 입력되는 풍속 측정값 및 발전기로부터 입력되는 발전기 회전 속도 측정값에 근거하여 발전기의 토크를 제어하기 위한 토크 지령을 출력하는 시스템 제어기를 포함한다. A variable speed wind turbine system is provided. A variable speed wind turbine system according to an embodiment of the present invention includes a rotor including a blade; A generator connected to the rotor; An air density measurer or estimator for measuring the air density; An wind speed measuring wind speed outside the nacelle; A power converter converting the voltage and current output through the singer generator into a constant voltage and current and transmitting the same to a system; The diameter of the blade, the gear ratio between the rotor and the generator, the pitch angle input from the rotor, the rotational speed measurement of the rotor, the air density measurement or estimate input from the air density measurement or estimator, the wind speed measurement input from the wind speed generator and the generator And a system controller for outputting a torque command for controlling the torque of the generator based on the input generator rotation speed measurement value.
Description
풍력 터빈 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공기 밀도의 변화에 근거한 가변속 풍력 터빈 시스템에 관한 것이다. It relates to a wind turbine system, and more particularly to a variable speed wind turbine system based on a change in air density.
풍력 터빈은 풍력에 의한 동력 에너지를 기계적인 에너지로 전환시키는 기계이다. 기계적인 에너지가 물을 펌핑(pumping)하거나 밀(mill)을 가는 것과 같은 기계에 의해 직접 사용된다면, 풍력 터빈은 풍차라고 할 수 있다. 유사하게, 기계적인 에너지가 전기로 전환된다면, 기계는 풍력 발전기 또는 풍력 발전 플랜트라고 할 수 있다. 풍력 터빈은 어느 곳에나 산재되어 있는 무공해, 무한정의 바람을 이용하므로 환경에 미치는 영향이 거의 없고, 국토를 효율적으로 이용할 수 있다. 게다가 풍력 발전은 다른 발전 방식에 비해 구조나 설치가 상대적으로 간단하여 운영 및 관리가 쉬우며, 무인화/자동화 운전이 가능해서 기존의 발전 방식과 경쟁 가능한 수준으로 신에너지 생성 수단으로서 대두되고 있다. Wind turbines are machines that convert power energy from wind into mechanical energy. If mechanical energy is used directly by a machine, such as pumping water or grinding a mill, a wind turbine is a windmill. Similarly, if the mechanical energy is converted to electricity, the machine can be called a wind turbine or wind power plant. Since wind turbines use pollution-free and indefinite winds scattered everywhere, there is little effect on the environment and the land can be used efficiently. In addition, wind power generation is easier to operate and manage because it is relatively simple in structure and installation as compared with other power generation methods, and can be operated unmanned / automated, and thus it is emerging as a new energy generation means at a level that can compete with existing power generation methods.
신에너지 생성 수단으로서 주어진 자연 환경하에서 풍력 터빈의 출력을 최대화하는 것이 무엇보다도 중요하다. 게다가 풍력 터빈은 한번 설치되면 20년 이상의 장시간 설치 상태를 유지하기 때문에 풍력 터빈의 피로 하중을 최소화해야 한다. 따라서, 풍력 터빈의 출력을 최대로 유지하면서 예측하지 못한 하중에 의하여 풍력 터빈의 출력이 감소하는 것을 억제하는 것이 매우 중요하다. As a means of generating new energy, it is of paramount importance to maximize the output of the wind turbine under the given natural environment. In addition, wind turbines must be installed for longer than 20 years once installed, minimizing the fatigue load of the wind turbine. Therefore, it is very important to suppress the reduction of the output of the wind turbine by an unexpected load while maintaining the output of the wind turbine at its maximum.
본 발명은 저온 환경에서의 공기 밀도의 변화에 따라 변화된 토크 지령을 생성하고 이에 근거하여 발전기의 회전 속도를 제어함으로써 출력 성능을 향상시키고 피로 하중에 의한 영향을 최소화할 수 있는 풍력 터빈 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention provides a wind turbine system capable of improving output performance and minimizing the effect of fatigue load by generating a torque command changed according to the change of air density in a low temperature environment and controlling the rotation speed of the generator based on the change. For the purpose of
본 발명의 일 측면에 따르면, 블레이드를 포함하는 로터, 상기 로터와 연결된 발전기, 공기 밀도를 측정하는 공기 밀도 측정 또는 추정기, 상기 나셀 외부의 풍속을 측정하는 풍속기, 싱기 발전기를 통하여 출력되는 전압 및 전류를 일정한 전압 및 전류로 변환하여 계통으로 전달하는 전력 변환기; 및 상기 블레이드의 직경, 상기 로터와 발전기 사이의 기어비, 상기 로터로부터 입력되는 피치각, 상기 공기 밀도 측정 또는 추정기로부터 입력되는 공기 밀도 측정 또는 추정값, 상기 풍속기로부터 입력되는 풍속 측정값 및 상기 발전기로부터 입력되는 발전기 회전 속도 측정값에 근거하여 상기 발전기의 토크를 제어하기 위한 토크 지령을 출력하는 시스템 제어기를 포함하는 가변속 풍력 터빈 시스템이 제공된다.According to an aspect of the present invention, a rotor including a blade, a generator connected to the rotor, an air density measuring or estimator for measuring air density, an wind speed measuring wind speed outside the nacelle, a voltage output through a singer generator, and A power converter that converts the current into a constant voltage and current and transfers it to the grid; And a diameter of the blade, a gear ratio between the rotor and the generator, a pitch angle input from the rotor, an air density measurement or estimated value input from the air density measurement or estimator, a wind speed measurement value input from the wind speed generator, and the generator. A variable speed wind turbine system is provided that includes a system controller that outputs a torque command for controlling torque of the generator based on an input generator rotation speed measurement.
또한, 상기 전력변환기는 상기 토크 지령, 계통으로부터 입력되는 전압 및 주파수 측정값, 상기 전력 변환기 내부 전압 및 전류 값에 근거하여 상기 발전기의 전력 생성을 제어할 수 있다. The power converter may control power generation of the generator based on the torque command, a voltage and frequency measurement value input from the system, and an internal voltage and current value of the power converter.
또한, 외기의 온도가 지정된 기준온도값보다 저온인 경우 상기 발전기의 정격 속도는 상기 기준온도값일 경우의 정격 속도보다 낮도록 설정될 수 있다.In addition, when the temperature of the outside air is lower than the specified reference temperature value, the rated speed of the generator may be set to be lower than the rated speed when the reference temperature value.
시스템 제어기는 최대 출력 제어 구간에서는 상기 블레이드의 피치가 최적 피치가 되도록 피치각을 제어함과 동시에 상기 발전기의 출력이 최대가 되도록 상기 토크 지령을 출력하고, 피치각 제어 구간에서는 상기 발전기의 토크가 일정값으로 유지되도록 상기 토크 지령을 출력하고 상기 발전기가 정격 출력을 유지할 수 있도록 상기 피치각을 변동 제어할 수 있다. The system controller outputs the torque command so that the output of the generator is maximum while controlling the pitch angle so that the pitch of the blade is the optimum pitch in the maximum output control section, and the torque of the generator is constant in the pitch angle control section. The torque command may be output to maintain the value, and the pitch angle may be controlled to fluctuate so that the generator maintains the rated output.
상기 출력은 하기 수학식 1 및 수학식 2에 근거하여 계산되고, 상기 토크 지령은 하기 수학식 3에 근거하여 계산될 수 있다. The output is calculated based on
[수학식 1][Equation 1]
상기 식중 ρ*는 상기 공기 밀도 측정 또는 추정값이고, R은 상기 블레이드의 직경이고, Cp는 출력 계수를, β는 피치각을, υ는 상기 풍속 측정값을 나타내고, λ는 하기 수학식 2로 표시되고, Where ρ * is the air density measurement or estimated value, R is the diameter of the blade, Cp is the output coefficient, β is the pitch angle, υ is the wind speed measurement, and λ is expressed by the following equation Become,
[수학식 2]&Quot; (2) "
ωr 은 상기 로터의 회전 속도 측정값이고, ω r is the rotational speed measurement of the rotor,
[수학식 3]&Quot; (3) "
ωg는 상기 발전기의 회전 속도 측정값이고, G는 상기 로터와 발전기 사이의 기어 비이다. ω g is the rotational speed measurement of the generator and G is the gear ratio between the rotor and the generator.
상기 공기 밀도 측정 또는 추정기는 공기 밀도를 직접적으로 측정하도록 구성된 하나의 측정 장치이거나, 상기 풍력 터빈 시스템에 설치되어 있는 압력 센서, 온도 센서 및 습도 센서로부터 전달되는 압력, 온도, 습도 측정값에 근거하여 공기 밀도를 추정할 수 있는 장치일 수 있다. The air density measurement or estimator is a measurement device configured to measure air density directly or based on pressure, temperature and humidity measurements transmitted from pressure sensors, temperature sensors and humidity sensors installed in the wind turbine system. It may be a device capable of estimating the air density.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다. The details of other embodiments are included in the detailed description and drawings.
본 발명의 실시예에 따른 풍력 터빈 시스템은 출력 성능을 향상시키고 공기 밀도의 변화에 따른 피로 하중에 의한 영향을 최소화할 수 있다. Wind turbine system according to an embodiment of the present invention can improve the output performance and can minimize the effect of the fatigue load due to the change in air density.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈 시스템이 요구되는 이유를 설명하기 위한 풍력 터빈의 운전 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈 시스템의 전력 특성 그래프와 함께 발전기의 운전 그래프를 나타낸 그래프이다.
도 3은 도 2에 개시되어 있는 운전 그래프가 적용될 수 있도록 구현된 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈 시스템의 개략적인 구성도이다. 1 is a driving graph of a wind turbine for explaining why a wind turbine system according to an embodiment of the present invention is required.
2 is a graph showing an operating graph of a generator along with a power characteristic graph of a wind turbine system according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic configuration diagram of a wind turbine system according to an embodiment of the present invention implemented to apply the driving graph illustrated in FIG. 2.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 실시예들에서, 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다. 다른 정의가 없다면 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 개략도 및/또는 흐름도들을 참고하여 설명될 것이다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. Advantages and features of the present invention and methods for achieving them will be apparent with reference to the embodiments described below in detail with the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as being limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. Is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims. Thus, in some embodiments, well-known techniques are not specifically described to avoid an undesirable interpretation of the present invention. Unless defined otherwise, all terms (including technical and scientific terms) used herein may be used in a sense commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Also, commonly used predefined terms are not ideally or excessively interpreted unless explicitly defined otherwise. Whenever a component is referred to as "including" an element throughout the specification, it is to be understood that the element may include other elements, not the exclusion of any other element, unless the context clearly dictates otherwise. Also, singular forms include plural forms unless the context clearly dictates otherwise. Embodiments described herein will be described with reference to schematic diagrams and / or flow diagrams, which are ideal illustrations of the invention. Thus, the regions illustrated in the figures have schematic attributes and are not intended to limit the scope of the invention. Like reference numerals refer to like elements throughout.
도 1는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈 시스템이 요구되는 이유를 설명하기 위한 그래프이다. 도 1에 예시되어 있는 그래프 ①은 1기압, 외부의 평균 온도 9.3℃(기준온도) 조건 하의 공기 밀도 값인 1.225kg/㎥ 에 근거하여 풍력 터빈의 발전기를 운전할 경우를 나타내고, 그래프 ②는 외기 온도 -30°C 조건 하의 공기 밀도 값인 1.452kg/㎥ 인 경우를 나타낸다. 도 1을 참조하면, 공기 밀도가 높아지면 출력 계수를 최대로 하는 최적의 주속비를 유지하기 위해 같은 발전기 회전 속도에서 더 높은 토크를 필요로 함을 알 수 있다. 이는 출력 상승으로 이어지게 된다. 이와 같은 발견에 기초하여 발명자는 공기 밀도에 근거하여 운전함으로써 정격 회전 속도 이하에서 출력 성능을 향상시키는 풍력 터빈 시스템을 착안하였다. 1 is a graph illustrating a reason why a wind turbine system according to an embodiment of the present invention is required. The
이하 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈 시스템에 대해서 설명한다. Hereinafter, a wind turbine system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 and 3.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈 시스템의 전력 특성 그래프와 함께 발전기의 운전 그래프를 나타낸 그래프이다. 본 발명의 일 실시예에 다른 풍력 터빈 시스템은 저온 환경에 놓여져 있는 풍력 터빈 시스템일 수 있다. 풍력 터빈 시스템은 매우 다양한 저온 환경에 놓여질 수 있다. 예를 들면, 외기 온도가 영하 30 이하가 되는 한랭지에 설치될 수도 있으며, 일교차가 아주 큰 지역이나 계절의 변화가 매우 큰 지역에 설치될 수도 있다. 저온 환경이 되면 공기 밀도가 증가한다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈 시스템은 운전시 공기 밀도의 변화를 반영한다. 2 is a graph showing an operating graph of a generator along with a power characteristic graph of a wind turbine system according to an embodiment of the present invention. Another wind turbine system in one embodiment of the invention may be a wind turbine system placed in a low temperature environment. Wind turbine systems can be placed in a wide variety of low temperature environments. For example, it may be installed in a cold district where the outside temperature is below 30 degrees Celsius, or may be installed in a region with a large daily crossing or a region with a great seasonal change. At low temperatures, the air density increases. Thus, the wind turbine system according to an embodiment of the present invention reflects a change in air density during operation.
도 2에서 A-B 구간은 발전기 최소 속도운전 구간이고, B-C 구간은 최대 출력 제어 구간이고, C-D 구간은 발전기 일정속 구간이고, D-E 구간은 피치각 제어 구간이다. 미설명된 υmin, υrated , υmax는 각각 최소 또는 시동(cut in) 풍속, 정격 풍속, 최대(cut out) 풍속을 각각 나타낸다. AB section in Figure 2 is the generator minimum speed The driving section, the BC section is the maximum output control section, the CD section is the generator constant speed section, the DE section is the pitch angle control section. Unexplained υ min , υ rated and υ max represent the minimum or cut in wind speed, rated wind speed and cut out wind speed, respectively.
도 3은 도 2에 개시되어 있는 운전 그래프가 적용될 수 있도록 구현된 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈 시스템의(100)의 개략적인 구성도이다. 3 is a schematic configuration diagram of a wind turbine system 100 according to an embodiment of the present invention, which is implemented to apply the driving graph illustrated in FIG. 2.
풍력 터빈 시스템(100)은 공기의 유동이 가진 운동 에너지의 공기 역학적(aerodynamic) 특성을 이용하여 허브(5)와 블레이드(6)로 구성된 로터(4)를 회전시켜 기계적 에너지로 변환시키고 이 기계적 에너지가 발전기(7)의 회전자를 회전시켜 전기적인 에너지로 변환한다. 그런데, 발전기(7)를 통하여 출력되는 전압 및 전류는 일정하지 않기 때문에 전력 변환기(20)를 통하여 이를 일정한 전압 및 전류로 변환하여 계통(30)으로 전달한다. The wind turbine system 100 uses the aerodynamic characteristics of the kinetic energy of the flow of air to rotate the rotor 4 consisting of the
풍력 발전 시스템(100)을 초기 구동시키거나 보수/점검을 위해 일시 정지시킨 후 다시 구동시킨 직후의 로터(4)를 회전시키기에 충분한 풍속 즉 시동 풍속(cut-in wind speed,υmin)에 도달하면, 시스템 제어기(40)는 블레이드(6)의 피치(β)가 공칭 피치(nominal pitch)가 되도록 하는 피치 지령(βC)을 로터(4)에 전달한다. 공칭 피치에서 부동력은 토크를 생성하고 로터(4)를 가속할 수 있게 된다. 공칭 피치에서 발전기(7)의 속도가 최소 회전 속도에 도달하게 되면, 발전기의 토크 또한 증가하기 시작한다. 이 구간이 발전기 최소 속도 운전 구간(도 2의 A-B 구간)에 해당한다. A wind speed, ie, cut-in wind speed (υ min ), is reached that is sufficient to rotate the rotor 4 immediately after the wind power generation system 100 is initially started or paused for maintenance / check and then driven again. In turn, the
최대 출력 제어 구간(도 2의 B-C 구간)에서는 바람의 속도가 정격 속도(υrated) 이하이다. 이 구간에서의 제어 목표는 최대의 출력을 생산하도록 하는 것이다. 출력은 하기 수학식 1로 표시될 수 있다. In the maximum output control section (BC section in FIG. 2), the wind speed is below the rated speed (υ rated ). The control goal in this section is to produce the maximum output. The output may be represented by
[수학식 1][Equation 1]
상기 식중 (ρ*)는 상기 공기 밀도 측정 또는 추정값이고, R은 상기 블레이드의 직경이고, Cp는 출력 계수를, β는 피치각을, υ는 풍속 측정값을 나타낸다. (Ρ *) is the air density measurement or the estimated value, R is the diameter of the blade, Cp is the output coefficient, β is the pitch angle, υ represents the wind speed measurement value.
수학식 1로부터 알 수 있듯이, 출력(P)을 최대로 하기 위해서는 출력 계수(Cp(λ, β))를 최대로 해야 한다. 그런데, 블레이드(6)의 피치를 최적 피치(βopt)로 유지할 때, 공력 토크(Tr)을 최대로 할 수 있는 최적 주속비(λopt)가 존재한다는 사실이 알려져 있다. 주속비(λ)는 아래 수학식 2로 구해질 수 있다.As can be seen from
[수학식 2]&Quot; (2) "
ωr은 로터의 회전 속도이다.ω r is the rotational speed of the rotor.
일반적으로, 주속비(λ)와 최적 피치(βopt)의 함수인 출력 계수(Cp(λ, βopt))는 주속비(λ)가 최적 주속비(λopt)일 때 최대가 된다. In general, the output coefficients Cp ([lambda], [beta] opt), which are functions of the main speed ratio [lambda] and the optimum pitch [beta] opt, become maximum when the main speed ratio [lambda] is the optimum main speed ratio [lambda] opt.
결론적으로, 출력 계수(Cp(λ, βopt))를 최대로 유지하기 위해서는 풍속이 커질수록 로터(4)의 회전 속도를 선형적으로 증가시켜 주속비가 최적 주속비(λopt)가 되도록 제어해야 한다. In conclusion, in order to keep the output coefficient Cp (λ, βopt) at maximum, the rotational speed of the rotor 4 should be linearly increased as the wind speed increases, so that the peripheral speed ratio becomes the optimal peripheral speed ratio λopt.
로터(4)의 회전 속도(ωr)의 증가는 발전기의 토크(Tg)를 제어함으로써 제어할 수 있다. The increase in the rotational speed ωr of the rotor 4 can be controlled by controlling the torque Tg of the generator.
따라서, 시스템 제어기(40)는 발전기의 토크(Tg)를 제어하기 위한 토크 지령를 출력하고 출력 계수(Cp(λ, βopt))가 최대가 되도록 하여 결과적으로 최대 출력(P)이 생산될 수 있도록 한다. Therefore, the
토크 지령은 아래 수학식 3으로 구해질 수 있다. The torque command can be obtained by
[수학식 3]&Quot; (3) "
ωg는 발전기(7)의 회전 속도이고, G는 로터(4)와 발전기(7) 사이의 기어 비이다. ω g is the rotational speed of the
종래의 풍력 터빈 시스템에서는 공기 밀도(ρ)를 고정 상수로 하여 토크 지령을 출력하였으나 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈 시스템(100)에서는 공기 밀도 측정 또는 추정기(50)에서 발전기(7)와 전력 변환기(20)가 설치되는 나셀(3) 외부의 공기 밀도를 측정하여 측정된 공기 밀도 측정 또는 추정값(ρ*)을 시스템 제어기(40)로 입력한다. 시스템 제어기(40)는 풍속기(20)로부터 입력되는 풍속(υ), 로터(4)로부터 입력되는 로터(4)의 회전 속도(ωr) 등과 공기 밀도 측정 또는 추정기(50)에서 입력된 공기 밀도값(ρ*)에 근거하여 토크 지령를 출력하여 정격 속도(υrated) 이하의 바람의 속도에서 최대의 출력을 생산하도록 한다. In the conventional wind turbine system, the torque command is output with the air density ρ as a fixed constant, but in the wind turbine system 100 according to the exemplary embodiment of the present invention, the
만약, 종래와 같이 공기의 밀도를 고정된 하나의 값을 사용하여 토크 지령를 출력하면 출력을 최대화할 수 없는 문제가 발생할 수 있다. 만약, 나셀(3) 외기의 공기가 저온으로 되어 실제 공기 밀도가 커졌음에도 불구하고 고정된 공기 밀도에 근거하여 토크 지령을 출력하면 바람에 의해 로터(4)에 가해지는 공력 토크(Tr)와 토크 지령에 의해 제어되는 발전기의 토크(Tg)의 크기 차이가 커져, 목표한 작동점이 아닌 곳으로 발전기 회전 속도(ωg)가 이동하고 목표 작동점이 아닌 지점에서 로터(4)의 회전 속도(ωr)가 평형을 이루게 된다. 결국 풍속(υ)은 일정하지만 로터(4)의 회전 속도(ωr)가 변화했기 때문에 주속비(λ)가 변하였고, 주속비(λ)의 변화에 따라 출력 계수(Cp(λ, β))는 더 이상 최대값이 아니기 때문에 출력은 목표 출력에 못 미치게 된다.If the torque command is output using a fixed value of air density as in the related art, a problem may occur in which the output cannot be maximized. If the air in the outside air of the
반면에 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈 시스템(100)에서는 실제 공기 밀도를 측정 또는 추정하여 이 값에 근거하여 토크 지령을 생성하기 때문에 출력을 최대 목표 출력이 되도록 할 수 있다. On the other hand, in the wind turbine system 100 according to an embodiment of the present invention, since the torque command is generated based on this value by measuring or estimating the actual air density, the output may be the maximum target output.
본 실시예에 따르면, 시스템 제어기(40)에서 출력된 토크 지령은 전력 변환기(20)의 제어기(28)로 입력된다. 전력 변환기(20)의 제어기(28)는 발전기(7)측 컨버터(22)와 계통(30)측 컨버터(26)로부터 전달되는 전류와 전압값(23, 27) 및/또는 커패시터(24)로부터 전달되는 DC 전압의 값(25), 계통(30)으로부터 입력되는 전압(V*)과 주파수(f*)값과 입력되는 토크 지령에 근거해서 컨버터(22, 26)의 스위칭 소자(예를 들면, IGBT, MOSFETs, GTOs, 또는 SCRs)의 턴-온 또는 턴-오프를 제어하는 펄스 폭 변조(PWM) 신호(29)를 생성한다. 즉 컨버터(22, 26)의 스위치의 턴-온 턴-오프 제어를 통해서 전력 변환기(20)에서 생성되는 전력을 안정적으로 계통(30)에 공급할 수 있도록 한다. According to the present embodiment, the torque command output from the
발전기 일정속 구간(도 2의 C-D 구간)에서는 풍속이 정격 풍속(υrated)에 가까워짐에 따라 발전기(7)의 속도(ωg)가 정격 속도에 먼저 도달한다. 이는 일반적으로 풍력 터빈의 기계적인 하중이나 로터(4)에서 발생되는 소음의 영향 때문이다. 따라서, 이 구간에서는 발전기(7) 속도(ωg)의 아핀 함수(affine function)로 토크 지령을 계산한다. 즉, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 발전기 속도는 정격 속도로 유지되지만 토크는 지속적으로 증가하는 전이(transition) 상태가 된다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 저온 환경하에서 측정된 공기 밀도값(ρ*)이 적용될 경우, 정격 속도가 종래의 1기압, 외기 온도 9.3℃ 조건 하의 공기 밀도 값인 1.225kg/㎥ 조건하에서 적용되는 정격 속도에 비해 낮게 설정되어야 함을 알 수 있다. 그러므로, 풍력 터빈 시스템(100)은 저온 환경하에서 공기 밀도가 변화(증가)하므로, 외기의 온도가 소정 기준온도값(예; 9.3℃) 보다 저온인 경우 발전기(7)의 정격 속도를 상기 기준온도값일 경우의 정격 속도보다 낮도록 설정함으로써 공기 밀도의 변화에 따라 변화된 토크 지령을 출력할 수 있다. 이 때, 상기 기준온도값은 외기의 온도에 의해 변화되는 공기 밀도 변화(증가)를 추정하기 위한 값으로 사용될 수 있으며, 외기의 온도 변화만으로도 밀도의 변화를 예측할 수 있기 때문에 지역적(예; 한랭지), 계절적 온도 변화에 대처하여 효과적으로 최대 출력을 생산하도록 할 수 있다.In the generator constant speed section (CD section in Fig. 2), the speed (ωg) of the
피치각 제어 구간(도 2의 D-E 구간)은 풍속이 정격 출력을 낼 수 있는 정격 풍속(υrated) 또는 그 이상의 값인 구간이다. 이 때는 발전기의 토크(Tg)가 일정값으로 유지되도록 토크 지령을 생성하고, 시스템 제어기(40)에서 피치각을 점차 증가시켜 발전 효율을 떨어뜨려 정격 출력을 유지할 수 있도록 하는 피치 지령(βc)을 내리는 피치 제어를 한다. The pitch angle control section (DE section in FIG. 2) is a section in which the wind speed is a value of the rated wind speed υ rated or higher. At this time, generate a torque command so that the torque Tg of the generator is maintained at a constant value, and gradually increase the pitch angle in the
도 3에 예시되어 있는 공기 밀도 측정 또는 추정기(50)는 공기 밀도를 직접적으로 측정하도록 구성된 하나의 장치이거나, 기존의 풍력 터빈 시스템에 이미 설치되어 있는 압력 센서, 온도 센서 및 습도 센서로부터 전달되는 압력, 온도, 습도 측정값에 근거하여 공기 밀도를 추정할 수 있는 장치일 수 있다. The air density measurement or estimator 50 illustrated in FIG. 3 is one device configured to measure air density directly, or pressure delivered from pressure sensors, temperature sensors and humidity sensors already installed in existing wind turbine systems. It may be a device capable of estimating the air density based on the temperature, humidity, and measurement values.
본 발명의 실시예에 따른 풍력 터빈 시스템(100)은 공기 밀도의 변화에 따라 변화된 토크 지령을 생성하고 이에 근거하여 발전기의 회전 속도를 제어하기 때문에 출력 성능을 향상시키고 피로 하중에 의한 영향을 최소화할 수 있다. The wind turbine system 100 according to the embodiment of the present invention generates a torque command that is changed according to the change in air density and controls the rotational speed of the generator based thereon, thereby improving output performance and minimizing the influence of fatigue load. Can be.
지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description of the present invention are illustrative and explanatory only and are intended to be illustrative of the invention and are not to be construed as limiting the scope of the invention as defined by the appended claims. It is not. Therefore, those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible from this. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.
2: 타워 3: 나셀
4: 로터 5: 허브
6: 블레이드 7: 발전기
20: 전력 변환기 30: 계통
40: 시스템 제어기 50: 공기 밀도 측정 또는 추정기
60:풍속기2: tower 3: nacelle
4: rotor 5: hub
6: blade 7: generator
20: power converter 30: system
40: system controller 50: air density measurement or estimator
60: wind fan
Claims (6)
상기 로터와 연결된 발전기;
공기 밀도를 측정하는 공기 밀도 측정 또는 추정기;
나셀 외부의 풍속을 측정하는 풍속기;
상기 발전기를 통하여 출력되는 전압 및 전류를 일정한 전압 및 전류로 변환하여 계통으로 전달하는 전력 변환기; 및
상기 블레이드의 직경, 상기 로터와 발전기 사이의 기어비, 상기 로터로부터 입력되는 피치각, 상기 로터의 회전 속도 측정값, 상기 공기 밀도 측정 또는 추정기로부터 입력되는 공기 밀도 측정 또는 추정값, 상기 풍속기로부터 입력되는 풍속 측정값 및 상기 발전기로부터 입력되는 발전기 회전 속도 측정값에 근거하여 상기 발전기의 토크를 제어하기 위한 토크 지령을 출력하는 시스템 제어기를 포함하되,
상기 시스템 제어기는 외기의 온도가 소정 기준온도값보다 저온인 경우 상기 발전기의 정격 속도를 상기 기준온도값일 경우의 정격 속도보다 낮도록 설정하는 것을 특징으로 하는 가변속 풍력 터빈 시스템.A rotor comprising a blade;
A generator connected with the rotor;
An air density measurer or estimator for measuring the air density;
An wind speed measuring wind speed outside the nacelle;
A power converter converting the voltage and current output through the generator into a constant voltage and current and transmitting the same to a system; And
Diameter of the blade, gear ratio between the rotor and the generator, pitch angle input from the rotor, rotation speed measurement value of the rotor, air density measurement or estimation value input from the air density measurement or estimator, input from the wind speed controller A system controller for outputting a torque command for controlling the torque of the generator based on the wind speed measurement value and the generator rotation speed measurement value input from the generator,
And the system controller sets the rated speed of the generator to be lower than the rated speed of the generator when the temperature of the outside air is lower than the predetermined reference temperature.
상기 전력 변환기는 상기 토크 지령, 계통으로부터 입력되는 전압 및 주파수 측정값, 상기 전력 변환기 내부 전압 및 전류 값에 근거하여 전력 생성을 제어하는 것을 특징으로 하는 가변속 풍력 터빈 시스템.The method according to claim 1,
And the power converter controls power generation based on the torque command, voltage and frequency measurement values input from the system, and internal voltage and current values of the power converter.
상기 시스템 제어기는
최대 출력 제어 구간에서는 상기 블레이드의 피치가 최적 피치가 되도록 피치각을 제어하고, 상기 발전기의 출력이 최대가 되도록 상기 토크 지령을 출력하고,
피치각 제어 구간에서는 상기 발전기의 토크가 일정값으로 유지되도록 상기 토크 지령을 출력하고, 상기 발전기가 정격 출력을 유지할 수 있도록 상기 피치각을 변동 제어하는 것을 특징으로 하는 가변속 풍력 터빈 시스템.The method of claim 2,
The system controller
In the maximum output control section, the pitch angle is controlled so that the pitch of the blade is the optimum pitch, and the torque command is output so that the output of the generator is maximum,
In the pitch angle control section, the variable speed wind turbine system, characterized in that for outputting the torque command so that the torque of the generator is maintained at a constant value, and controlling the pitch angle so that the generator maintains the rated output.
[수학식 1]
상기 식중 ρ*는 상기 공기 밀도 측정 또는 추정값이고, R은 상기 블레이드의 직경이고, Cp는 출력 계수를, β는 피치각을, υ는 상기 풍속 측정값을 나타내고, λ는 하기 수학식 2로 표시되고,
[수학식 2]
ωr은 상기 로터의 회전 속도 측정값이고,
[수학식 3]
ωg는 상기 발전기의 회전 속도 측정값이고, G는 상기 로터와 발전기 사이의 기어 비이다. The variable speed wind turbine system according to claim 4, wherein the output is calculated based on Equations 1 and 2, and the torque command is calculated based on Equation 3 below.
[Equation 1]
Where ρ * is the air density measurement or estimated value, R is the diameter of the blade, Cp is the output coefficient, β is the pitch angle, υ is the wind speed measurement, and λ is expressed by the following equation Become,
&Quot; (2) "
ωr is the rotational speed measurement of the rotor,
&Quot; (3) "
ω g is the rotational speed measurement of the generator and G is the gear ratio between the rotor and the generator.
상기 공기 밀도 측정 또는 추정기는 공기 밀도를 직접적으로 측정하도록 구성된 하나의 측정 장치이거나, 상기 풍력 터빈 시스템에 설치되어 있는 압력 센서, 온도 센서 및 습도 센서로부터 전달되는 압력, 온도, 습도 측정값에 근거하여 공기 밀도를 추정할 수 있는 장치인 것을 특징으로 하는 가변속 풍력 터빈 시스템.
.3. The method according to claim 1 or 2,
The air density measurement or estimator is a measurement device configured to measure air density directly or based on pressure, temperature and humidity measurements transmitted from pressure sensors, temperature sensors and humidity sensors installed in the wind turbine system. A variable speed wind turbine system, characterized in that the device that can estimate the air density.
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