KR101375768B1 - 풍력발전기의 개별 블레이드 피치 제어 방법 및 제어 시스템 - Google Patents

풍력발전기의 개별 블레이드 피치 제어 방법 및 제어 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 풍력발전기의 개별 블레이드 피치 제어 방법 및 제어 시스템에 관한 것으로, 본 발명에 따른 풍력발전기의 개별 블레이드 피치 제어 시스템은 통합 블레이드 피치 각을 제어하는 제1제어부와, 개별 블레이드 피치 각을 제어하는 제2제어부와; 개별 블레이드 피치 각의 가중치를 결정하는 제3제어부와, 각각의 블레이드 최종 피치 각을 산출하는 연산부;를 포함하여 이루어진다.
또한, 본 발명에 따른 풍력발전기의 개별 블레이드 피치 제어 방법은 통합 블레이드 피치 각 제어단계; 개별 블레이드 피치 각 제어단계; 개별 블레이드 피치 각 가중치 결정단계; 각각의 블레이드 최종 피치 각을 산출하는 연산단계;를 포함하여 이루어진다.
상기 풍력발전기의 개별 블레이드 피치 제어 방법 및 제어 시스템에 따르면, 정격 풍속 이상에서 일정한 최대 출력 전력을 유지하면서 풍력발전기의 기계적 부하를 감소시킬 수 있다.

Description

풍력발전기의 개별 블레이드 피치 제어 방법 및 제어 시스템{The Wind turbine individual blade pitch controlling method and controlling system}
본 발명은 풍력발전기의 제어기에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 풍력발전기의 개별 블레이드 각도를 조절하여 풍력발전기의 기계적 부하 감소 및 일정한 최대 출력 발전을 가능하게 하는 풍력발전기의 개별 블레이드 피치 제어 방법 및 제어 시스템에 관한 것이다.
최근 세계적으로 에너지 고갈 및 환경오염을 대비하기 위해 친환경 신 재생 에너지 설치가 증가하면서 대표적인 신 재생 에너지인 풍력발전기의 수요가 증가하고 있는 추세이다.
풍력발전기의 궁극적인 목표는 바람에너지를 전기에너지로 변환하여 전기를 생산하는 것으로, 불규칙한 바람을 이용하여 일정한 최대 전력을 생산하는 기술이 중요하다. 따라서, 불규칙한 바람의 영향을 제어하기 위해 내부에 다양한 제어기법 및 시스템을 탑재한 가변풍속 풍력발전기가 개발되었다.
상기 가변풍속 풍력발전기의 가장 중요한 제어방법이 블레이드의 피치 각도를 제어하여 정격속도 이상의 바람이 불 때 일정한 최대 출력을 발생하도록 하는 것이다. 이를 위해 기존의 풍력발전기들은 풍속과 운전중인 발전기 각속도 값을 입력으로 하고 최대 출력을 발생시키는 발전기 각속도 값을 더하는 구조로 구성된 PI 제어기와 리미터를 이용한 블레이드 피치 제어 기법을 널리 사용하고 있다. 또한, 신경회로망, 퍼지제어기법 등의 인공지능 기법이 연구되고 있다. 이는 일정한 최대 출력을 목표로 하는 기법으로 풍력발전기의 모든 블레이드의 피치 각을 동일한 값으로 제어하는 즉, 통합 블레이드 피치 제어 방식을 사용하고 있다.
또한, 최근 풍력발전기의 대형화로 인하여 블레이드의 기계적 부하가 증가하게 되면서 풍력발전기의 일정한 최대 출력뿐만 아니라 풍력발전기 수명 증가를 위한 기계적 부하 감소가 주된 관심사가 되고 있다. 이를 위해 각각의 블레이드에 기계적 부하를 측정할 수 있는 센서를 설치하고, 상기 센서에서 나오는 실시간 출력 부하 값을 이용해 각각의 개별 블레이드 피치 각을 제어하는 기법이 적용되고 있다. 하지만, 현재 적용되고 있는 방식은 기존에 사용되는 통합 블레이드 피치 제어 방식의 출력 값인 피치 각에 개별 피치 제어 방식의 출력인 1도∼10도 정도의 각을 더해 최종 개별 블레이드 피치 각을 산출한다.
그러나, 도 1에 도시한 바와 같이 상기 피치 각 1도의 차이가 출력 전력 값에 크게 영향을 미칠 수 있기 때문에 기계적 부하 감소를 위한 개별 피치 방식의 적용은 기계적 부하를 감소시킬 수는 있지만, 풍력발전기 출력 전력 값을 일정하게 유지하기는 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 정격 풍속 이상에서 일정한 최대 출력 전력을 유지하면서 풍력발전기의 기계적 부하를 감소시킬 수 있도록 하는 풍력발전기의 개별 블레이드 피치 제어 방법 및 제어 시스템을 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 풍력발전기의 개별 블레이드 피치 제어 시스템은 발전기의 정격 각속도와 실시간 발전기 각속도를 더하는 PI 제어기에 의해 산출된 연산값과 리미터를 이용하여 통합 블레이드 피치 각을 제어하는 제1제어부; 각각의 블레이드에 설치된 센서를 통해 실시간으로 감지되는 기계적 부하 값을 이용하여 개별 블레이드 피치 각을 제어하는 제2제어부; 최대 출력, 부하감소를 위한 목적함수를 최소화시키는 개별 블레이드 피치 각의 가중치를 결정하는 제3제어부; 상기 제2제어부에서 출력된 개별 블레이드 피치 각과, 상기 제3제어부에서 출력된 개별 블레이드 피치 각 가중치를 곱하여 산출된 가중 피치 각에 상기 제1제어부에서 제어된 통합 블레이드 피치 각을 더하는 과정을 통해 각각의 블레이드 최종 피치 각을 산출하는 연산부;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 제2제어부는 기계적 부하 값을 감소시킬 수 있는 피치 각을 계산하기 위하여 d-q변환기와 PI 제어기 등을 사용하며, 상기 기계적 부하 값은 웨이블릿 필 터를 사용하여 센서 노이즈를 제거한다.
상기 제3제어부의 목적함수는 풍속, 블레이드 피치 각에 따른 풍력발전기의 특성곡선, 발전기 각속도, 개별 피치 각, 개별 블레이드 부하를 입력하여 결정된다.
본 발명에 따른 풍력발전기의 개별 블레이드 피치 제어 방법은 풍력발전기의 모든 블레이드의 피치 각을 동일한 값으로 제어하는 통합 블레이드 피치 각 제어단계; 각각의 블레이드에 설치된 센서를 통해 실시간으로 제공되는 기계적 부하 값을 감소시킬 수 있는 개별 블레이드 피치 각을 제어하는 개별 블레이드 피치 각 제어단계; 최대 출력, 부하감소를 위한 목적함수를 최소화시키는 개별 블레이드 피치 각의 가중치를 결정하는 개별 블레이드 피치 각 가중치 결정단계; 상기 개별 블레이드의 피치 각에 개별 블레이드 피치각 가중치를 곱하여 산출된 개별 피치각을 상기 통합 블레이드 피치 각과 더하여 각각의 블레이드 최종 피치 각을 산출하는 연산단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 통합 블레이드 피치 각 제어단계는 발전기의 정격 각속도와 실시간 발전기 각속도를 더하는 PI 제어기와 리미터를 이용하여 제어한다.
상기 개별 블레이드 피치 각 제어 단계에서 기계적 부하 값은 웨이블릿 필터를 사용하여 센서 노이즈를 제거하는 과정을 거친다.
상기 개별 블레이드 피치 각 가중치 결정단계에서 목적함수는 풍속, 블레이드 피치 각에 따른 풍력발전기의 특성곡선, 발전기 각속도, 개별 피치 각, 개별 블레이드 부하를 입력하여 결정된다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명 풍력발전기의 개별 블레이드 피치 제어 방법 및 제어 시스템에 따르면, 정격 풍속 이상에서 일정한 최대 출력 전력을 유지하면서 풍력발전기의 기계적 부하를 감소시킬 수 있어 제품의 상품성 및 신뢰성을 향상시키는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 먼저, 발명에 따른 풍력발전기의 개별 블레이드 피치 제어 시스템을 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명 풍력발전기의 개별 블레이드 피치 제어시스템을 도시한 구성도이다.
먼저, 상기 풍력발전기의 개별 블레이드 피치 제어 시스템의 제어 동작은 정격 풍속 이상의 바람이 불 때 시작한다.
도시한 바와 같이 본 발명에 따른 풍력발전기의 개별 블레이드 피치 제어 시스템은 통합 블레이드 피치 각을 제어하는 제1제어부(100)와, 개별 블레이드 피치 각을 제어하는 제2제어부(200)와; 개별 블레이드 피치 각의 가중치를 결정하는 제3제어부(300)와, 각각의 블레이드 최종 피치 각을 산출하는 연산부(400);를 포함하여 이루어진다.
상기 제1제어부(100)는 정격 풍속 이상에서 일정한 최대 출력을 유지할 수 있는 기준 피치 각을 제공하기 위하여 발전기의 정격 각속도(110)와 실시간 발전기 각속도(120)를 더하는 구조로 구성된 PI 제어기(130)와 리미터(140)를 이용하여 통 합 블레이드 피치 각을 제어한다.
상기 제2제어부(200)는 각각의 블레이드(210)에 설치된 센서(220)를 통해 실시간으로 제공되는 기계적 부하 값을 감소시킬 수 있는 피치 각을 계산하기 위하여 d-q변환기(240)와 PI제어기(250) 등을 사용한다. 그리고, 상기 기계적 부하 값은 웨이블릿 필터(230)를 통해 센서 노이즈를 제거한다.
상기 제3제어부(300)는 풍속, 블레이드 피치 각에 따른 풍력발전기의 특성곡선, 발전기 각속도, 개별 피치 각, 개별 블레이드 부하(310)를 모두 입력 또는 일부를 입력하여 최대 출력, 부하 감소를 위한 목적함수를 결정(320)한 다음, Linear Programming, 인공지능 및 예측 해석 기법(330)을 적용하여 목적함수를 최소화(340)시키는 개별 피치 각의 가중치를 결정(350)한다.
상기 연산부(400)는 제1제어부(100)에서 출력되는 통합 블레이드 피치 각, 제2제어부(200)에서 출력되는 개별 블레이드 피치 각, 제3제어부(300)에서 출력되는 개별 블레이드 피치 각의 가중치를 연산하여 각각의 블레이드 최종 피치 각을 산출한다.
상기 연산은 제2제어부(200)에서 출력되는 개별 블레이드 피치 각과 상기 제3제어부(300)에서 출력되는 개별 블레이드 피치 각의 가중치를 곱하여 산출된 개별 피치 각을 상기 제1제어부(100)에서 출력되는 통합 블레이드 피치 각과 더하는 과정을 통해 각각의 블레이드 최종 피치 각을 산출하게 된다.
상기 산출된 개별 블레이드의 최종 피치 각은 정격 풍속 이상에서 일정한 최대 출력 전력을 유지하면서 블레이드의 기계적 부하를 감소시키게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 발명에 따른 풍력발전기의 개별 블레이드 피치 제어 방법을 상세히 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명 풍력발전기의 개별 블레이드 피치 제어 방법을 도시한 순서도이다.
먼저, 상기 풍력발전기의 개별 블레이드 피치 제어 시스템의 제어 동작은 정격 풍속 이상의 바람이 불 때 시작한다.
상기 풍력발전기의 개별 블레이드 피치 제어 방법은 통합 블레이드 피치 각 제어단계(S100); 개별 블레이드 피치 각 제어단계(S200); 개별 블레이드 피치 각 가중치 결정단계(S300); 각각의 블레이드 최종 피치 각을 산출하는 연산단계(S400);를 포함하여 이루어진다.
상기 통합 블레이드 피치 각 제어단계(S100)는 발전기의 정격 각속도(110)와 실시간 발전기 각속도(120)를 더하는 PI 제어기(130)와 리미터(140)를 이용하여 풍력발전기의 모든 블레이드의 피치 각을 동일한 값으로 하는 통합 블레이드 피치 각을 계산한다.
상기 개별 블레이드 피치 각 제어단계(S200)는 각각의 블레이드(210)에 설치된 센서(220)를 통해 실시간으로 제공되는 기계적 부하 값을 웨이블릿 필터(230)를 사용하여 센서 노이즈를 제거하는 과정을 거치고, d-q변환기(240), PI 제어기(250) 등을 사용하여 기계적 부하값을 감소시킬 수 있는 피치 각을 계산한다.
상기 개별 피치 각 가중치 결정단계(S300)는 풍속, 블레이드 피치 각에 따른 풍력발전기의 특성곡선, 발전기 각속도, 개별 피치 각, 개별 블레이드 부하(310)를 모두 또는 일부 입력하여 최대 출력, 부하 감소를 위한 목적함수를 결정(320)한 다음, Linear Programming, 인공지능 및 예측 해석 기법(330)을 적용하여 목적함수를 최소화(340)시키는 개별 피치 각의 가중치를 결정(350)한다.
상기 연산단계(S400)는 개별 블레이드 피치 각 제어단계(S200)에서 출력된 개별 블레이드의 피치 각에 상기 개별 피치 각 가중치 결정단계(S300)에서 출력된 개별 블레이드 피치각 가중치를 곱하여 산출된 개별 피치 각을 상기 통합 블레이드 피치 각 제어단계(100)에서 출력된 통합블레이드 피치 각과 더하여 각각의 블레이드 최종 피치 각을 산출한다.
상기의 방법으로 산출된 개별 블레이드의 최종 피치 각은 정격 풍속 이상에서 일정한 최대 출력 전력을 유지하면서 블레이드의 기계적 부하를 감소시키게 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형 가능함은 물론이다.
따라서 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라, 상기 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 종래 개별 블레이드 피치 각에 따른 풍력발전기 특성 곡선을 도시한 도면.
도 2는 본 발명 풍력발전기의 개별 블레이드 피치 제어시스템을 도시한 구성도.
도 3은 본 발명 풍력발전기의 개별 블레이드 피치 제어방법을 도시한 순서도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100: 제1제어부 200: 제2제어부
300: 제3제어부 400: 연산부
S100: 통합 블레이드 피치 각 제어단계
S200: 개별 블레이드 피치 각 제어단계
S300: 개별 블레이드 피치 각 가중치 결정단계
S400: 연산단계

Claims (7)

  1. 발전기의 정격 각속도와 실시간 발전기 각속도를 더하는 PI 제어기에 의해 산출된 연산값과 리미터를 이용하여 통합 블레이드 피치 각을 제어하는 제1제어부;
    각각의 블레이드에 설치된 센서를 통해 실시간으로 감지되는 기계적 부하 값을 이용하여 개별 블레이드 피치 각을 제어하는 제2제어부;
    최대 출력, 부하감소를 위한 목적함수를 최소화시키는 개별 블레이드 피치 각의 가중치를 결정하는 제3제어부;
    상기 제2제어부에서 출력된 개별 블레이드 피치 각과, 상기 제3제어부에서 출력된 개별 블레이드 피치 각 가중치를 곱하여 산출된 가중 피치 각에 상기 제1제어부에서 제어된 통합 블레이드 피치 각을 더하는 과정을 통해 각각의 블레이드 최종 피치 각을 산출하는 연산부;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 개별 블레이드 피치 제어 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제2제어부는 기계적 부하 값을 감소시킬 수 있는 피치 각을 계산하기 위하여 d-q변환기와 PI 제어기를 사용하며, 상기 기계적 부하 값은 웨이블릿 필터를 사용하여 센서 노이즈를 제거하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 개별 블레이드 피치 제어시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제3제어부의 목적함수는 풍속, 블레이드 피치 각에 따른 풍력발전기의 특성곡선, 발전기 각속도, 개별 피치 각, 개별 블레이드 부하를 모두 입력하여 결정되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 개별 블레이드 피치 제어시스템.
  4. 풍력발전기의 모든 블레이드의 피치 각을 동일한 값으로 제어하는 통합 블레이드 피치 각 제어단계;
    각각의 블레이드에 설치된 센서를 통해 실시간으로 제공되는 기계적 부하 값을 감소시킬 수 있는 개별 블레이드 피치 각을 제어하는 개별 블레이드 피치 각 제어단계;
    최대 출력, 부하감소를 위한 목적함수를 최소화시키는 개별 블레이드 피치 각의 가중치를 결정하는 개별 블레이드 피치 각 가중치 결정단계;
    상기 개별 블레이드의 피치 각에 개별 블레이드 피치각 가중치를 곱하여 산출된 가중 피치각에 상기 통합 블레이드 피치 각을 더하여 각각의 블레이드 최종 피치 각을 산출하는 연산단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 개별 블레이드 피치 제어방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 통합 블레이드 피치 각 제어단계는 발전기의 정격 각속도와 실시간 발전기 각속도를 더하는 PI 제어기와 리미터를 이용하여 제어하는 것을 특징으로 하 는 풍력발전기의 개별 블레이드 피치 제어방법.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 개별 블레이드 피치 각 제어 단계에서 기계적 부하 값은 웨이블릿 필터를 사용하여 센서 노이즈를 제거하는 과정을 거치는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 개별 블레이드 피치 제어방법.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 개별 블레이드 피치 각 가중치 결정단계에서 목적함수는 풍속, 블레이드 피치 각에 따른 풍력발전기의 특성곡선, 발전기 각속도, 개별 피치 각, 개별 블레이드 부하를 입력하여 결정되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 개별 블레이드 피치 제어방법.
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