KR101402307B1 - Method and apparatus for controlling torque of wind turbine using aerodynamic torque observer - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method for controlling a torque of a wind turbine using a rotor velocity nonlinear parameter, which calculates a nonlinear parameter of a rotor velocity online or offline by indirectly estimating a wind velocity and uses an aerodynamic torque observer and an apparatus thereof. The apparatus for controlling a torque of a wind turbine includes: a torque command generation unit for generating a torque command by squaring the rotational velocity of a power generator and multiplying with the optimal mode gain; an aerodynamic torque estimation unit for estimating an aerodynamic torque using an aerodynamic torque observer; a reference input generation unit for generating a rotational velocity reference input of the power generator using the estimated aerodynamic torque; a wind velocity generation unit for generating a wind velocity using the estimated aerodynamic torque; an error calculation unit for calculating an error between the rotational velocity of the current wind turbine and generated rotational velocity reference input of the power generator; a rotor velocity nonlinear calculation unit to calculate a rotor velocity nonlinear parameter; and a proportional control unit for calculating a torque which will be additionally supplied by multiplying the error calculated in the error calculation unit and gain constant to the rotor velocity nonlinear parameter.

Description

공력토크 관측기를 이용한 풍력터빈의 토크제어방법 및 그 장치{Method and apparatus for controlling torque of wind turbine using aerodynamic torque observer}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a method of controlling a torque of a wind turbine using an aerodynamic torque observer,

본 발명은 로터속도 비선형 파라미터와 공력토크 관측기를 이용한 풍력터빈의 토크제어 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공력토크 관측기를 이용하여 풍속의 정보를 생성하고 로터속도의 비선형 파라미터를 온라인 또는 오프라인으로 계산하고, 이를 제어 게인으로 사용하는 공력토크 관측기를 이용한 풍력터빈의 토크제어방법 및 그 장치 에 관한 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for controlling a torque of a wind turbine using a rotor speed nonlinear parameter and an aerodynamic torque observer, and more particularly, to a method and apparatus for controlling a torque of a wind turbine using an aerodynamic torque observer, The present invention relates to a torque control method and apparatus for a wind turbine using an aerodynamic torque observer calculated offline and used as a control gain.

일반적으로, 풍력터빈은 바람이 가진 운동에너지를 블레이드 회전을 통하여 기계적인 에너지로 변환시키고 기계적인 에너지를 발전기를 이용하여 전기에너지로 변환하는 기계이다. Generally, a wind turbine is a machine that converts kinetic energy of wind into mechanical energy through rotation of a blade and converts mechanical energy into electric energy using a generator.

상기와 같은 풍력터빈의 제어에 있어서 중요하게 고려되어야 할 사항은 바람과 블레이드의 상호작용에 의한 공력토크 비선형의 영향이다. 공력토크의 비선형으로 인해 블레이드, 로터, 회전축, 기어박스, 타워, 발전기 등 풍력터빈의 각 구성요소들을 선형모델로 가정하더라도 풍력터빈의 전체 거동은 비선형적인 거동을 보이게 된다. 풍력터빈의 비선형성과 제어는 밀접한 연관성을 갖는다.The important consideration in the control of the wind turbine is the influence of the aerodynamic torque nonlinearity due to the interaction of the wind and the blade. Due to the nonlinearity of the aerodynamic torque, the overall behavior of the wind turbine exhibits a nonlinear behavior even if each component of the wind turbine, such as the blade, the rotor, the rotary shaft, the gearbox, the tower, and the generator, is assumed as a linear model. The nonlinearity and control of the wind turbine are closely related.

풍력터빈 제어에 있어서 비선형적인 3가지의 요인이 존재하는데, 입력이 되는 풍속, 토크제어에 영향을 주는 로터속도, 피치제어에 영향을 주는 피치각이 그 요인에 해당된다. 토크제어는 발전기 회전속도를 제어하기 위해서 발전기 토크 크기를 조절하여 최적의 발전기 속도를 제어하게 된다. 종래에 많이 사용해오던 토크제어 방법으로 최적모드 게인방법이 있다.There are three nonlinear factors in wind turbine control: the input wind speed, the rotor speed affecting the torque control, and the pitch angle affecting the pitch control. Torque control controls the optimum generator speed by adjusting the generator torque magnitude to control the generator rotation speed. There is an optimum mode gain method with a torque control method which has been widely used in the past.

도2는 종래에 사용되는 풍력터빈의 토크제어 방법을 도시한 블록선도이다. 상기와 같은 종래 최적모드 게인방법은 고정된 게인값인 최적모드게인(Kopt)에 발전기 회전속도(Ωg)의 제곱을 곱하여 토크입력을 제어하는 방법이다. 그러나 최적모드게인(Kopt)을 이용한 토크제어 방법을 사용할 때 다음과 같은 한계가 발생하게 된다. 근래 들어 풍력터빈은 더 많은 출력을 얻기 위해서 대형화되는 추세이며, 이에 따라 블레이드의 반경도 길어지게 되고, 블레이드의 길이 증가와 동시에 로터의 관성모멘트 또한 증가하여 토크시스템의 응답이 느려지게 된다. 최적모드게인은 풍력터빈의 블레이드의 공력특성 및 기어박스의 증속비가 결정되면 이에 따라 한 값으로 고정되므로 응답특성을 향상 시킬 수 없는 단점을 갖게 된다. 2 is a block diagram showing a conventional torque control method for a wind turbine. In the conventional optimum mode gain method as described above, the optimum mode gain Kopt) To the generator rotation speed (Ωg), And controlling the torque input. However, the optimal mode gain KoptThe following limitations arise when using the torque control method using the torque control method. Recently Wind turbines tend to be larger in order to obtain more power, which leads to a longer radius of the blades and, at the same time as the blade length increases, the moment of inertia of the rotor also increases, slowing the response of the torque system. The optimal mode gain has a disadvantage that the response characteristic can not be improved since the aerodynamic characteristic of the blade of the wind turbine and the acceleration ratio of the gear box are fixed to one value according to the determination.

이런 단점을 극복하기 위해 다른 제어 방법들이 많이 거론되고 있는 추세이며, 풍력터빈의 관성모멘트를 줄여주기 위해서 발전기 회전가속도를 이용한 토크제어방법, 발전기에 발생되는 토크와 공기역학적 생성되는 공력토크와의 오차를 줄여주기 위해서 공력토크를 이용한 토크제어 방법 등이 제시 되고 있다.
종래에 출원 등록된 '한국 등록특허 10-1322240'에는 영구자석 동기모터(permanent magnet synchronous motor, PMSM)의 토크(torque)를 제어하기 위한 것으로, 정상상태 오차(steady-state error) 없이 영구자석 동기모터의 토크를 제어하기 위해 외란관측기(disturbance observer, DOB)와 결합된 모델예측제어기(model predictivecontroller, MPC)를 제안하고 있으며, 상기 외란관측기는 루엔버거 관측기(Luenberger observer) 설계방법을 통해 간단한 방식으로 설계되며, 영구자석 동기모터의 파라미터를 추정하기 위해 이용된다.
In order to overcome these drawbacks, many other control methods have been proposed. In order to reduce the moment of inertia of a wind turbine, a torque control method using a generator rotation acceleration, an error between a torque generated in a generator and an aerodynamic torque And a torque control method using an aerodynamic torque to reduce the torque.
Korean Patent Registration No. 10-1322240 filed in the prior art is a technique for controlling the torque of a permanent magnet synchronous motor (PMSM), in which a permanent magnet synchronous motor A disturbance observer (DOB) and a model predictive controller (MPC) are proposed in order to control the torque of the motor. The disturbance observer is designed in a simple manner through a Luenberger observer design method And is used to estimate the parameters of the permanent magnet synchronous motor.

본 발명은 공력토크 관측기를 이용하여 풍속의 정보를 간접적으로 추정하여 로터속도 비선형 파라미터를 온라인(On-line) 또는 오프라인(Off-line) 으로 계산하고, 이를 제어 게인으로 이용하여 풍력터빈의 발전기 응답속도를 빠르게 하고 출력파워를 향상 시키는 공력토크 관측기를 이용한 풍력터빈의 토크제어 방법 및 그 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.The present invention indirectly estimates wind speed information using an aerodynamic torque observer to calculate rotor speed nonlinear parameters on-line or off-line, and uses this as a control gain to calculate a generator response of a wind turbine And an object of the present invention is to provide a torque control method and apparatus for a wind turbine using an aerodynamic torque observer that speeds up and improves output power.

상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 공력토크 관측기를 이용한 풍력터빈의 토크제어 장치는 발전기 회전속도를 제곱하여 최적모드 게인에 곱함으로써 토크지령을 생성하는 토크지령 생성부와, 공력토크 관측기를 이용하여 공력토크를 추정하는 공력토크 추정부, 상기 추정된 공력토크를 이용하여 발전기 회전속도 기준입력을 생성하는 기준입력 생성부, 추정된 공력토크를 이용하여 풍속을 생성하는 풍속 생성부, 현 풍력터빈의 발전기 회전속도와 생성된 발전기 회전속도 기준입력간의 오차를 계산하는 오차 계산부와, 로터속도 비선형 파라미터를 계산하기 위한 로터속도 비선형 계산부와, 상기 오차계산부에서 계산된 오차값과 로터속도 비선형 파라미터에 게인상수를 곱하여 추가적으로 공급될 토크를 계산할 비례 제어부를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an apparatus for controlling a torque of a wind turbine using an aerodynamic torque observer, comprising: a torque command generator for generating a torque command by multiplying a generator rotational speed by an optimum mode gain; An aerodynamic torque estimating section for estimating an aerodynamic torque using an aerodynamic torque observer, a reference input generating section for generating a generator rotational speed reference input using the estimated aerodynamic torque, a wind speed generating section for generating a wind speed using the estimated aerodynamic torque A rotor speed nonlinear calculation unit for calculating a rotor speed nonlinear parameter; a rotor speed nonlinear calculation unit for calculating an error between the generator rotational speed of the current wind turbine and the generated generator rotational speed reference; Value and rotor speed The proportional control to calculate the torque to be supplied additionally by multiplying the non-linear parameter by the gain constant It includes.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 로터속도 비선형 계산부는 온라인(on-line) 또는 오프라인(off-line)으로 로터속도 비선형 파라미터를 계산한다.According to an embodiment of the present invention, the rotor speed nonlinear calculation unit calculates a rotor speed nonlinear parameter on-line or off-line.

본 발명의 일 실시 예에 따른 공력토크 관측기를 이용한 풍력터빈의 토크제어방법은, 발전기의 회전속도를 제곱하고 최적모드 게인에 곱하여 토크 지령을 생성하는 단계와, 공력토크 관측기를 이용하여 공력토크를 추정하는 공력토크 추정하는 단계와, 상기 추정된 공력토크를 이용하여 발전기 회전속도 기준입력을 생성하는 단계와, 추정된 공력토크를 이용하여 풍속을 생성하는 풍속 생성하는 단계와, 현 풍력터빈의 발전기 회전속도와 생성된 발전기 회전속도 기준입력간의 오차를 계산하는 오차 계산하는 단계와, 로터속도 비선형 파라미터를 계산하기 위한 로터속도 비선형 계산하는 단계와 및 상기 계산된 오차값과 로터속도 비선형 파라미터에 게인상수를 곱하여 추가적으로 공급될 토크를 계산하는 단계를 포함한다.A method of controlling a torque of a wind turbine using an aerodynamic torque observer according to an embodiment of the present invention includes steps of generating a torque command by multiplying a rotational speed of a generator by a square of a rotational speed of the generator and an optimum mode gain, Estimating an aerodynamic torque to generate an aerodynamic torque; generating an aerodynamic torque reference based on the aerodynamic torque; generating an air speed to generate an air speed using the estimated aerodynamic torque; Calculating an error between the rotational speed and the generated generator rotational speed reference input; calculating a rotor speed nonlinearity to calculate a rotor speed nonlinear parameter; and calculating a gain constant for the calculated error value and the rotor speed non- And calculating a torque to be additionally supplied.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 로터속도의 비선형 파라미터는 온라인(on-line) 또는 오프라인(off-line)으로 계산된다.According to one embodiment of the invention, the non-linear parameter of the rotor speed is calculated on-line or off-line.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 생성된 풍속추정을 위한 회전속도 기준입력은 발전기 정격속도 값을 갖는 최대값과, 발전기 특성에 의해 좌우되는 값으로 발전기 정격속도의 약 50 ~ 70%정도의 값을 갖는 최소값 사이에 포화되도록 설정된다.According to an embodiment of the present invention, the rotational speed reference input for estimating the generated wind speed includes a maximum value having a generator rated speed value and a value depending on a generator characteristic, which is about 50 to 70% And is set to be saturated between the minimum value having the value.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 게인상수는 0보다 큰 값을 사용한다.According to one embodiment of the present invention, the gain constant uses a value greater than zero.

본 발명에 따르면, 공력토크 관측기를 이용하여 풍속의 정보를 간접적으로 추정하여 로터속도 비선형 파라미터를 온라인(On-line) 또는 오프라인(Off-line)으로 계산하고, 이를 제어 게인으로 이용하여 보다 정확한 풍력터빈의 제어가 이뤄질 수 있는 효과가 있다. According to the present invention, by indirectly estimating the information of the wind speed using an aerodynamic torque observer, the rotor speed nonlinear parameter is calculated on-line or off-line, and using this as a control gain, There is an effect that control of the turbine can be achieved.

또한, 로터속도의 비선형성 파라미터를 온라인(On-line) 또는 오프라인(Off-line)으로 계산 이를 이용하는 방법을 통해 발전기의 응답속도를 빠르게 하고 출력파워를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.In addition, the non-linearity parameter of the rotor speed is calculated on-line or off-line, thereby improving the response speed of the generator and improving the output power.

도 1은 본 발명에 따른 토크제어의 구간에서 예를 표시하는 (최대 출력의 피치각이 0°, 최적 주속비 8.1, 최대 출력계수가 0.4662) 그래프.
도 2는 종래의 토크제어 방법인 최적모드게인 방법의 블록선도를 도시한 도면.
도 3은 공력토크 관측기를 이용하여 로터속도 비선형 파라미터를 on-line으로 계산하고 이를 제어 게인으로 사용한 토크 제어장치의 블록선도를 도시한 도면.
도 4는 공력토크 관측기를 이용하여 로터속도 비선형 파라미터를 off-line으로 계산하고 이를 제어 게인으로 사용한 토크 제어장치의 블록선도를 도시한 도면,
도 5는 공력토크를 추정하기 위한 일 예를 Simulink 모델로 구현한 도면.
도 6은 공력토크 추정을 이용하여 회전속도 기준입력 및 간접 풍속 추정을 생성하는 알고리즘을 설명한 도면.
도 7은 로터속도 비선형 파라미터를 on-line 계산하기 위한 일 예를 Simulink 모델로 구현한 도면.
도 8은 로터속도 비선형 파라미터를 off-line 계산하기 위한 일 예를 Simulink 모델로 구현한 도면.
도 9는 off-line으로 계산하기 위한 발전기속도 비선형 파라미터 값을 설명한 도면.
도 10은 공력토크 관측기를 이용하여 로터속도 비선형 파라미터를 on-line으로 계산하고, 이를 제어 게인으로 사용한 블록선도의 도면.
도 11은 공력토크 관측기를 이용하여 로터속도 비선형 파라미터를 off-line으로 계산하고, 이를 제어 게인으로 사용한 블록선도의 도면.
도 12는 풍속 추정을 위한 평균풍속 7m/s이고 난류강도 10%인 난류풍속을 구현한 일 예를 도시한 도면.
도 13은 공력토크 관측기를 이용하여 실제 등가의 공력토크와 추정된 등가의 공력토크를 나타낸 도면.
도 14는 공력토크 관측기를 이용하여 실제의 풍속과 추정된 풍속을 나타낸 도면.
도 15는 제어 성능 평가를 위한 평균풍속 6m/s이고 난류강도 26.97%인 난류풍속을 구현한 도면.
도 16은 평균풍속 6m/s이고 난류강도가 26.97%인 난류 풍속일때의 결과로 공력토크 관측기를 이용하여 off-line으로 로터속도 비선형 파라미터를 계산하고 게인상수 2를 사용한 토크제어에 대한 발전기 회전속도, 발전기 토크, 출력파워를 나타낸 도면이다.1 is a graph showing an example in a section of torque control according to the present invention (pitch angle of maximum output is 0 deg., Optimum speed ratio 8.1, maximum output coefficient 0.4662).
2 is a block diagram of an optimum mode gain method which is a conventional torque control method;
3 is a block diagram of a torque control device using an aerodynamic torque observer to calculate a rotor speed non-linear parameter on-line and using it as a control gain.
FIG. 4 is a block diagram of a torque control device using an aerodynamic torque observer to calculate a rotor speed non-linear parameter off-line and using it as a control gain;
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of estimating aerodynamic torque using a Simulink model; FIG.
6 illustrates an algorithm for generating a rotational speed reference input and an indirect wind speed estimate using an aerodynamic torque estimate;
7 is a diagram illustrating an example of on-line calculation of a rotor speed non-linear parameter in a Simulink model.
8 is a diagram illustrating an example of off-line calculation of the rotor speed nonlinear parameter in a Simulink model.
9 is a view for explaining a generator speed nonlinear parameter value for off-line calculation;
10 is a block diagram of a rotor speed nonlinear parameter computed on-line using an aerodynamic torque observer and using it as a control gain.
11 is a block diagram of an off-line rotor speed nonlinear parameter computation using an aerodynamic torque observer and using it as a control gain.
12 is a diagram showing an example of realizing a turbulent wind speed with an average wind speed of 7 m / s and a turbulence intensity of 10% for wind speed estimation.
13 is a diagram showing actual equivalent aerodynamic torque and estimated equivalent aerodynamic torque using an aerodynamic torque observer;
14 is a graph showing an actual wind speed and an estimated wind speed using an aerodynamic torque observer.
Fig. 15 is a diagram illustrating a turbulent wind speed with an average wind speed of 6 m / s for a control performance evaluation and a turbulence intensity of 26.97%.
Fig. 16 is a graph showing the results of off-line rotor speed nonlinear parameters calculated using an aerodynamic torque observer as a result of turbulent air velocity at an average wind speed of 6 m / s and a turbulence intensity of 26.97% , Generator torque, and output power.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 동일한 구성에 대해서는 동일부호를 사용하며, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.The present invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings. Here, the same reference numerals are used for the same components, and repeated descriptions and known functions and configurations that may obscure the gist of the present invention will not be described in detail. Embodiments of the present invention are provided to more fully describe the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the shapes and sizes of the elements in the drawings and the like can be exaggerated for clarity.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 공력토크 관측기를 이용한 풍력터빈의 토크제어방법 및 그 장치에 대해 상세하게 설명한다.Hereinafter, a torque control method and apparatus for a wind turbine using an aerodynamic torque observer according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 3은 공력토크 관측기를 이용하여 로터속도 비선형 파라미터를 on-line으로 계산하고 이를 제어 게인으로 사용한 토크 제어장치의 블록선도를 도시한 도면이고, 도 4는 공력토크 관측기를 이용하여 로터속도 비선형 파라미터를 off-line으로 계산하고 이를 제어 게인으로 사용한 토크 제어장치의 블록선도를 도시한 도면이다. 상기 도 3 내지 도 4에 도시된 바와 같은 본 발명의 일 실시 예에 따른 공력토크 관측기를 이용한 풍력터빈의 토크제어 장치는 발전기 회전속도를 제곱하여 최적모드 게인에 곱함으로써 토크지령을 생성하는 토크지령 생성부와, 공력토크 관측기를 이용하여 공력토크를 추정하는 공력토크 추정부, 상기 추정된 공력토크를 이용하여 발전기 회전속도 기준입력을 생성하는 기준입력 생성부, 상기 추정된 공력토크를 이용하여 풍속을 생성하는 풍속 생성부, 현 풍력터빈의 발전기 회전속도와 생성된 발전기 회전속도 기준입력간의 오차를 계산하는 오차 계산부와, 로터속도 비선형 파라미터를 계산하기 위한 로터속도 비선형 계산부와, 상기 오차계산부에서 계산된 오차값과 로터속도 비선형 파라미터에 게인상수를 곱하여 추가적으로 공급될 토크를 계산할 비례 제어부를 포함한다.FIG. 3 is a block diagram of a torque control apparatus using an aerodynamic torque observer to calculate a rotor speed nonlinear parameter on-line and using the calculated rotor speed nonlinear parameter as a control gain, and FIG. 4 is a graph showing a rotor speed non- In the off-line and uses it as a control gain. 3 to 4, the torque control apparatus for a wind turbine using an aerodynamic torque observer according to an embodiment of the present invention includes a torque command generator An aerodynamic torque estimating section for estimating an aerodynamic torque using an aerodynamic torque observer, a reference input generating section for generating a generator rotational speed reference input using the estimated aerodynamic torque, An error calculator for calculating an error between the generator rotation speed of the current wind turbine and the generated generator rotation speed reference input, a rotor speed nonlinear calculation unit for calculating the rotor speed nonlinear parameter, Calculate the torque to be supplied additionally by multiplying the calculated error value and the rotor speed nonlinear parameter by the gain constant. And a proportional control.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 로터속도 비선형 계산부는 온라인(on-line) 또는 오프라인(off-line)으로 로터속도 비선형 파라미터를 계산한다.According to an embodiment of the present invention, the rotor speed nonlinear calculation unit calculates a rotor speed nonlinear parameter on-line or off-line.

한편, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 로터속도 비선형 계산부는 온라인(on-line) 또는 오프라인(off-line)으로 로터속도 비선형 파라미터를 계산한다.Meanwhile, according to an embodiment of the present invention, the rotor speed nonlinear calculation unit calculates a rotor speed nonlinear parameter on-line or off-line.

본 발명의 일 실시 예에 따른 공력토크 관측기를 이용한 풍력터빈의 토크제어방법은, 발전기의 회전속도를 제곱하고 최적모드 게인에 곱하여 토크 지령을 생성하는 단계와, 공력토크 관측기를 이용하여 공력토크를 추정하는 공력토크 추정하는 단계와, 상기 추정된 공력토크를 이용하여 발전기 회전속도 기준입력을 생성하는 단계와, 상기 추정된 공력토크를 이용하여 풍속을 생성하는 풍속 생성하는 단계와, 현 풍력터빈의 발전기 회전속도와 생성된 발전기 회전속도 기준입력간의 오차를 계산하는 오차 계산하는 단계와, 로터속도 비선형 파라미터를 계산하기 위한 로터속도 비선형 계산하는 단계와 및 상기 계산된 오차값과 로터속도 비선형 파라미터에 게인상수를 곱하여 추가적으로 공급될 토크를 계산하는 단계를 포함한다.A method for controlling a torque of a wind turbine using an aerodynamic torque observer according to an embodiment of the present invention includes steps of generating a torque command by multiplying a rotational speed of a generator by a square of a rotational speed of the generator and an optimum mode gain, Estimating an aerodynamic torque of the current wind turbine, estimating an aerodynamic torque, generating an input of a generator rotational speed reference using the estimated aerodynamic torque, generating an air velocity to generate a wind speed using the estimated aerodynamic torque, Calculating an error between the generator rotational speed and the generator rotational speed reference input; calculating a rotor speed nonlinearity to calculate a rotor speed nonlinear parameter; and calculating a gain for the calculated error value and the rotor speed non- And multiplying the constant by the torque to be supplied.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 로터속도의 비선형 파라미터는 온라인(on-line) 또는 오프라인(off-line)으로 계산된다.According to one embodiment of the invention, the non-linear parameter of the rotor speed is calculated on-line or off-line.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 생성된 풍속추정을 위한 회전속도 기준입력은 발전기 정격속도 값을 갖는 최대값과, 발전기 특성에 의해 좌우되는 값으로 발전기 정격속도의 약 50 ~ 70%정도의 값을 갖는 최소값 사이에 포화되도록 설정된다. 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 게인상수는 0보다 큰 값을 사용한다.According to an embodiment of the present invention, the rotational speed reference input for estimating the generated wind speed includes a maximum value having a generator rated speed value and a value depending on a generator characteristic, which is about 50 to 70% And is set to be saturated between the minimum value having the value. According to one embodiment of the present invention, the gain constant uses a value greater than zero.

도 1은 토크제어 구간에서 사용되는 출력계수의 일 예를 도시한 그래프이다. 토크제어 구간에서의 출력계수는 피치각이 고정됨으로

Figure 112013040790918-pat00001
로 나타낼 수 있다. 토크제어 구간에서는 최대 출력계수가 나오는 지점인 최적주속비인
Figure 112013040790918-pat00002
를 만들어 주는 것이 중요하다. 발전기 회전속도를 제어하기 위해 발전기 토크를 제어함으로써 최적 주속비를 유지하여 최대 출력계수가 생산될 수 있게 만들어준다. 1 is a graph showing an example of an output coefficient used in a torque control period. The output coefficient in the torque control period is fixed as the pitch angle is fixed
Figure 112013040790918-pat00001
. In the torque control period, the optimum peripheral speed ratio
Figure 112013040790918-pat00002
It is important to make. By controlling the generator torque to control the generator rotation speed, the optimum output ratio can be maintained by maintaining the optimal ratio.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112013040790918-pat00003
Figure 112013040790918-pat00003

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure 112013040790918-pat00004
Figure 112013040790918-pat00004

[수학식 3]&Quot; (3) "

Figure 112013040790918-pat00005
Figure 112013040790918-pat00005

[수학식 4]&Quot; (4) "

Figure 112013040790918-pat00006
Figure 112013040790918-pat00006

여기서

Figure 112013040790918-pat00007
는 주속비,
Figure 112013040790918-pat00008
은 로터 회전속도,
Figure 112013040790918-pat00009
는 공기밀도,
Figure 112013040790918-pat00010
은 블레이드 길이,
Figure 112013040790918-pat00011
는 출력계수,
Figure 112013040790918-pat00012
는 풍속,
Figure 112013040790918-pat00013
는 피치각이다. 출력은 수학식 1로 공력 토크는 수학식 2와 같이 나타낸다. 출력계수
Figure 112013040790918-pat00014
는 주속비와 피치각의 함수이고 토크제어 구간에선 피치각이 고정됨으로
Figure 112013040790918-pat00015
로 나타낼 수 있다. 주속비는 수학식 3과 같이 정의된다. 기어박스가 적용된 풍력터빈의 경우 기어박스의 증속비(
Figure 112013040790918-pat00016
)를 곱한값으로 된다.here
Figure 112013040790918-pat00007
However,
Figure 112013040790918-pat00008
The rotor rotation speed,
Figure 112013040790918-pat00009
The air density,
Figure 112013040790918-pat00010
The blade length,
Figure 112013040790918-pat00011
Is an output coefficient,
Figure 112013040790918-pat00012
The wind speed,
Figure 112013040790918-pat00013
Is the pitch angle. The output is expressed by Equation (1) and the aerodynamic torque is expressed by Equation (2). Output coefficient
Figure 112013040790918-pat00014
Is a function of the main speed ratio and the pitch angle, and the pitch angle is fixed in the torque control period
Figure 112013040790918-pat00015
. The principal component ratio is defined by Equation (3). For wind turbines with gearboxes, the gearbox speed ratio
Figure 112013040790918-pat00016
).

도 2는 종래에 사용되는 풍력터빈의 토크제어 방법을 도시한 블록선도이다. 즉, 발전기 회전속도를 되먹임하고 제곱한 후 최적모드게인인

Figure 112013040790918-pat00017
를 곱하여 풍력터빈에 토크입력으로 사용하였다.
Figure 112013040790918-pat00018
는 수학식 5와 같이 정의된다.2 is a block diagram showing a conventional torque control method for a wind turbine. In other words, the generator rotational speed is feedbacked and squared,
Figure 112013040790918-pat00017
And used as a torque input to the wind turbine.
Figure 112013040790918-pat00018
Is defined as: " (5) "

[수학식 5]&Quot; (5) "

Figure 112013040790918-pat00019
Figure 112013040790918-pat00019

하지만, 최적모드게인을 이용한 토크제어 방법을 사용할 때 다음과 같은 한계가 발생하게 된다. 풍력터빈의 더 많은 출력을 얻기 위해서 대형화되는 추세인데, 이에 따라 블레이드의 반경도 길어지게 된다. 블레이드의 길이 증가와 동시에 로터의 관성모멘트 또한 증가하여 토크시스템의 응답이 느려지게 된다. 최적모드게인 값은 풍력터빈의 블레이드의 공력특성 및 기어박스의 증속비가 결정되면 이에 따라 한 값으로 고정되므로 응답특성을 향상 시킬 수 없는 단점을 갖게 된다. 이를 개선하기 위하여 공력토크 관측기를 이용하고 로터속도 비선형 파라미터를 온라인(on-Line) 또는 오프라인(off-line)으로 계산하고 이를 제어게인으로 사용한 장치 및 방법을 도3 내지 도4와 같이 제시하였다.
However, when using the torque control method using the optimum mode gain, the following limitations arise. The trend is to increase the size of the wind turbine in order to obtain more output of the wind turbine, which in turn increases the radius of the blade. At the same time as the blade length increases, the moment of inertia of the rotor also increases, slowing the response of the torque system. The optimal mode gain value has a disadvantage that the response characteristic can not be improved because the aerodynamic characteristics of the blades of the wind turbine and the speed ratio of the gear box are determined to be fixed to one value. To improve this, an apparatus and method using an aerodynamic torque observer and calculating the rotor speed nonlinear parameter on-line or off-line and using it as a control device are shown in FIGS. 3 to 4.

도 3은 공력토크 관측기를 이용하여 로터속도 비선형 파라미터를 on-line으로 계산하고 이를 제어 게인으로 사용한 토크제어방법을 위한 제어장치를 설명하고 있다. 종래의 방법으로 토크를 생성시킨 토크지령 생성부, 공력토크 관측기를 이용하여 공력토크를 추정하는 공력토크 추정부, 상기 추정된 공력토크를 이용하여 발전기 회전속도 기준입력을 생성하는 기준입력 생성부, 추정된 공력토크를 이용하여 풍속을 생성하는 풍속 생성부, 현 풍력터빈의 발전기 회전속도와 생성된 발전기 회전속도 기준입력

Figure 112013040790918-pat00020
간의 오차를 계산하는 오차 계산부와, on-line으로 계산된 로터속도 비선형 파라미터를 계산하기 위한 로터속도 비선형 on-line 계산부, 상기 오차계산부에서 계산된 오차값과 on-line으로 계산된 로터속도 비선형 파라미터에 게인상수를 곱하여 추가적으로 공급될 토크를 계산할 비례 제어부를 포함하고 있다.3 illustrates a control device for a torque control method using an aerodynamic torque observer to calculate a rotor speed non-linear parameter on-line and using it as a control gain. A torque command generator for generating a torque by a conventional method, an aerodynamic torque estimating unit for estimating an aerodynamic torque using an aerodynamic torque observer, a reference input generator for generating a generator rotational speed reference using the estimated aerodynamic torque, A wind speed generator for generating a wind speed using the estimated aerodynamic torque, a generator rotational speed of the current wind turbine, and a generator rotational speed reference input
Figure 112013040790918-pat00020
A rotor speed nonlinear on-line calculation unit for calculating a rotor speed nonlinear parameter calculated on-line, a rotor speed nonlinear on-line calculation unit for calculating an error value calculated in the error calculation unit and an on- And a proportional control section for multiplying the speed non-linear parameter by a gain constant to calculate a torque to be additionally supplied.

도 4는 공력토크 관측기를 이용하여 로터속도 비선형 파라미터를 off-line으로 계산하고 이를 제어 게인으로 사용한 토크제어방법을 위한 제어장치를 설명하고 있다. 종래의 방법으로 토크를 생성시킨 토크지령 생성부, 공력토크 관측기를 이용하여 공력토크를 추정하는 공력토크 추정부, 상기 추정된 공력토크를 이용하여 발전기 회전속도 기준입력을 생성하는 기준입력 생성부, 추정된 공력토크를 이용하여 풍속을 생성하는 풍속 생성부, 현 풍력터빈의 발전기 회전속도와 생성된 발전기 회전속도 기준입력

Figure 112013040790918-pat00021
간의 오차를 계산하는 오차 계산부와, off-line으로 계산된 로터속도 비선형 파라미터를 계산하기 위한 로터속도 비선형 off-line 계산부, 상기 오차계산부에서 계산된 오차값과 on-line으로 계산된 로터속도 비선형 파라미터에 게인상수를 곱하여 추가적으로 공급될 토크를 계산할 비례 제어부를 포함하고 있다.FIG. 4 illustrates a control apparatus for a torque control method using an aerodynamic torque observer to calculate a rotor speed non-linear parameter off-line and using it as a control gain. A torque command generator for generating a torque by a conventional method, an aerodynamic torque estimating unit for estimating an aerodynamic torque using an aerodynamic torque observer, a reference input generator for generating a generator rotational speed reference using the estimated aerodynamic torque, A wind speed generator for generating a wind speed using the estimated aerodynamic torque, a generator rotational speed of the current wind turbine, and a generator rotational speed reference input
Figure 112013040790918-pat00021
A rotor speed nonlinear off-line calculation unit for calculating a rotor speed nonlinear parameter calculated on an off-line basis, a rotor speed nonlinear off-line calculation unit for calculating an error value calculated on the error calculation unit and an on- And a proportional control section for multiplying the speed non-linear parameter by a gain constant to calculate a torque to be additionally supplied.

[수학식 6] &Quot; (6) "

Figure 112013040790918-pat00022
Figure 112013040790918-pat00022

[수학식 7]&Quot; (7) "

Figure 112013040790918-pat00023
Figure 112013040790918-pat00023

[수학식 8]&Quot; (8) "

Figure 112013040790918-pat00024
Figure 112013040790918-pat00024

공력토크를 로터속도, 피치각, 풍속에 대한 동작점

Figure 112013040790918-pat00025
를 수학식 6과 같이 두고, 이들의 동작점 근처에서의 발전기 회전속도, 피치각, 풍속의 변화를 각각
Figure 112013040790918-pat00026
로 두면 비선형적인 공력토크는 수학식 7과 같이 선형화 된다. 여기에서
Figure 112013040790918-pat00027
는 동작점에서의 공력토크이고
Figure 112013040790918-pat00028
은 동작점 근처에서 토크의 변화로 수학식 8과 같이 비선형 파라미터로 표현할 수 있다. The aerodynamic torque is the operating point for rotor speed, pitch angle, wind speed
Figure 112013040790918-pat00025
And the change of the generator rotational speed, the pitch angle and the wind speed in the vicinity of these operating points are represented by Equation (6)
Figure 112013040790918-pat00026
, The nonlinear aerodynamic torque is linearized as shown in Equation (7). From here
Figure 112013040790918-pat00027
Is the aerodynamic torque at the operating point
Figure 112013040790918-pat00028
Can be expressed as a non-linear parameter as shown in Equation (8) by a change in torque near the operating point.

[수학식 9]&Quot; (9) "

Figure 112013040790918-pat00029
Figure 112013040790918-pat00029

[수학식 10]&Quot; (10) "

Figure 112013040790918-pat00030
Figure 112013040790918-pat00030

[수학식 11]&Quot; (11) "

Figure 112013040790918-pat00031
Figure 112013040790918-pat00031

[수학식 12]&Quot; (12) "

Figure 112013040790918-pat00032
Figure 112013040790918-pat00032

여기서

Figure 112013040790918-pat00033
은 로터속도 비선형 파라미터이다. 토크제어 구간에선 한 값으로 고정되기 때문에 피치각에 대한 비선형 파라미터는 토크제어에 영향을 미치지 않게 된다. 토크제어 구간에서 특성을 파악하기 위해서는 수학식 9의 로터속도 비선형 파라미터(
Figure 112013040790918-pat00034
)를 알아야 하는데, 이는 공력토크를 로터속도에 대하여 편미분하면 구할 수 있다. 로터속도 비선형 파라미터는 물리적으로 감쇠역할을 함으로 마이너스 부호를 붙여서 표현한다. 로터속도의 비선형 파라미터를 구하기 위해서는 주속비와 로터속도에 대하여 편미분한 값과 출력계수를 로터속도에 대하여 편미분한 값은 수학식 10, 수학식 11과 같이 두어 표현하였다. 로터속도 비선형 파라미터는 수학식 10과 11을 적용하면 수학식 12과 같이 구할 수 있다.here
Figure 112013040790918-pat00033
Is a rotor speed nonlinear parameter. Since the torque control period is fixed to one value, the nonlinear parameter for the pitch angle does not affect the torque control. In order to grasp characteristics in the torque control period, the rotor speed nonlinear parameter (
Figure 112013040790918-pat00034
), Which can be obtained by partially differentiating the aerodynamic torque with respect to the rotor speed. The rotor speed nonlinear parameter is expressed by attaching a minus sign because it physically acts as a damping function. In order to obtain the nonlinear parameter of the rotor speed, the partial differentiated value with respect to the main speed ratio and the rotor speed and the partial differentiated value of the output coefficient with respect to the rotor speed are expressed by Equation 10 and Equation 11, respectively. The rotor speed nonlinear parameter can be obtained as shown in equation (12) by applying equations (10) and (11).

[수학식 13]&Quot; (13) "

Figure 112013040790918-pat00035
Figure 112013040790918-pat00035

[수학식 14]&Quot; (14) "

Figure 112013040790918-pat00036
Figure 112013040790918-pat00036

[수학식 15] &Quot; (15) "

Figure 112013040790918-pat00037
Figure 112013040790918-pat00037

[수학식 16]&Quot; (16) "

Figure 112013040790918-pat00038
Figure 112013040790918-pat00038

풍력터빈을 드라이버-트레인의 축강성을 고려하지 않고 1-질량 모델은 수학식 13과 같다. 발전기측에서 보면 수학식 14와 같이 등가 관성모멘트(

Figure 112013040790918-pat00039
)는 로터 관성모멘트(
Figure 112013040790918-pat00040
)의 기어비 제곱을 나누고 발전기 관성모멘트(
Figure 112013040790918-pat00041
)를 더 한 만큼, 식 15와 같이 등가의 공력토크(
Figure 112013040790918-pat00042
)는 공력토크(
Figure 112013040790918-pat00043
)를 기어비 만큼, 수학식 14와 같이 등가의 감쇠(
Figure 112013040790918-pat00044
)는 로터감쇠(
Figure 112013040790918-pat00045
)를 기어비 만큼 차이가 발생된다.Without considering the axial stiffness of the driver-train, the 1-mass model of the wind turbine is shown in Equation (13). On the generator side, the equivalent moment of inertia (
Figure 112013040790918-pat00039
) Is the rotor moment of inertia (
Figure 112013040790918-pat00040
) Is divided by the gear ratio square and the generator inertia moment
Figure 112013040790918-pat00041
), The equivalent aerodynamic torque (
Figure 112013040790918-pat00042
) Is the aerodynamic torque (
Figure 112013040790918-pat00043
) By the gear ratio, the equivalent attenuation (
Figure 112013040790918-pat00044
) Is the rotor damping (
Figure 112013040790918-pat00045
) By a gear ratio.

[수학식 17] &Quot; (17) "

Figure 112013040790918-pat00046
Figure 112013040790918-pat00046

[수학식 18]&Quot; (18) "

Figure 112013040790918-pat00047
Figure 112013040790918-pat00047

[수학식 19]&Quot; (19) "

Figure 112013040790918-pat00048
(s)
Figure 112013040790918-pat00048
(s)

발전기 가속도의 동작점(

Figure 112013040790918-pat00049
)근처에서의 변화를
Figure 112013040790918-pat00050
, 발전기 회전속도의 동작점(
Figure 112013040790918-pat00051
)근처에서의 변화를
Figure 112013040790918-pat00052
, 등가의 공력와 발전기 토크의 동작점 근처에서의 변화를 각각
Figure 112013040790918-pat00053
로 두고 동작점에서의 특성을 이용하면 수학식 17과 같이 표현된다. 수학식 18은 각각의 로터속도 비선형 파라미터(
Figure 112013040790918-pat00054
)와 피치각 비선형 파라미터(
Figure 112013040790918-pat00055
), 풍속 비선형 파라미터(
Figure 112013040790918-pat00056
)은 발전기측에서와 같이 기어비를 이용하여 발전기속도 비선형 파라미터(
Figure 112013040790918-pat00057
), 피치각 비선형 파라미터(
Figure 112013040790918-pat00058
), 풍속 비선형 파라미터(
Figure 112013040790918-pat00059
)로 표현된다. 선형화된 전달함수를 구하면 수학식 19와 같이 된다. 발전기속도 비선형 파라미터는 토크시스템에서 등가감쇠항을 크게하고 시상수를 작게하여 시스템의 응답특성을 향상시켜주는 역할을 한다.The operating point of the generator acceleration
Figure 112013040790918-pat00049
) In the vicinity of
Figure 112013040790918-pat00050
, The operating point of the generator rotation speed (
Figure 112013040790918-pat00051
) In the vicinity of
Figure 112013040790918-pat00052
, And the changes in the vicinity of the operating point of the equivalent aerodynamic force and the generator torque
Figure 112013040790918-pat00053
And the characteristic at the operating point is expressed as shown in Equation (17). Equation (18) represents the respective rotor speed non-linear parameter
Figure 112013040790918-pat00054
) And pitch angle nonlinear parameters (
Figure 112013040790918-pat00055
), Wind velocity nonlinear parameters (
Figure 112013040790918-pat00056
) Uses the gear ratio to calculate the generator speed nonlinear parameter (
Figure 112013040790918-pat00057
), Pitch angle non-linear parameter (
Figure 112013040790918-pat00058
), Wind velocity nonlinear parameters (
Figure 112013040790918-pat00059
). The linearized transfer function is obtained as shown in equation (19). The generator speed nonlinear parameter increases the equivalent damping term in the torque system and reduces the time constant to improve the response characteristics of the system.

[수학식 20]&Quot; (20) "

Figure 112013040790918-pat00060
Figure 112013040790918-pat00060

[수학식 21]&Quot; (21) "

Figure 112013040790918-pat00061
Figure 112013040790918-pat00061

여기서

Figure 112013040790918-pat00062
는 공력토크의 시상수,
Figure 112013040790918-pat00063
은 입력 프로세스의 노이즈,
Figure 112013040790918-pat00064
은 출력 신호 노이즈이다. 풍속을 간접적으로 추정하기 위해서는 공력토크의 정보를 추정하게 된다. 풍력터빈의 1-질량 모델과 추정 대상인 등가의 공력토크를 1차의 Markov 과정을 이용하여 미분 방정식으로 수학식 20과 같이 표현 가능하다. 그리고 출력은 발전기 회전속도와 출력신호의 잡음신호로 수학식 21과 같이 두었다. Luenberger 관측기 또는 Kalman Filter 관측기를 이용하며는 등가의 공력토크를 추정할 수 있다.here
Figure 112013040790918-pat00062
Is the time constant of the aerodynamic torque,
Figure 112013040790918-pat00063
The noise of the input process,
Figure 112013040790918-pat00064
Is the output signal noise. In order to indirectly estimate the wind speed, information of the aerodynamic torque is estimated. The 1-mass model of the wind turbine and the equivalent aerodynamic torque to be estimated can be expressed as a differential equation using the first-order Markov process as shown in equation (20). And the output is given by Equation (21) as the generator rotation speed and the noise signal of the output signal. An equivalent aerodynamic torque can be estimated using a Luenberger or Kalman Filter observer.

도 5는 Matlab/Simulink를 이용하여 등가의 공력토크를 추정하기 위한 상태 관측기를 구현한 도면이다. Figure 5 is a diagram of a state observer for estimating an equivalent aerodynamic torque using Matlab / Simulink.

도 6은 등가의 공력토크 관측기를 이용하여 발전기 회전속도 기준입력 및 풍속의 정보를 추정하는 알고리즘이다. 관측기는 센서를 통하여 취득 가능한 값인 발전기 토크(

Figure 112013040790918-pat00065
)와 발전기 회전속도(
Figure 112013040790918-pat00066
)의 입력 신호로 사용한다. 수학식 15와 같이 추정된 등가의 공력토크(
Figure 112013040790918-pat00067
)에 기어비의 상관관계를 이용하면 추정된 공력토크(
Figure 112013040790918-pat00068
)로도 이용 가능 하다. 추정된 등가의 공력토크로부터 수학식 5를 이용하여 풍속추정을 위한 회전속도 기준입력(
Figure 112013040790918-pat00069
)을 생성할 수 있다. 풍속추정을 위한 회전속도 기준입력(
Figure 112013040790918-pat00070
)은 수학식 3의 주속비를 이용하면 풍속의 정보(
Figure 112013040790918-pat00071
)를 추정할 수 있다. 풍속추정을 위한 회전속도 기준입력(
Figure 112013040790918-pat00072
)을 이용하여 발전기 정격속도 값을 갖는 최대값(
Figure 112013040790918-pat00073
)과, 발전기 특성에 의해 좌우되는 값으로 발전기 정격속도의 약 50 ~ 70%정도의 값을 갖는 최소값(
Figure 112013040790918-pat00074
)사이에 포화되게 설정하여 발전기 회전속도 기준입력(
Figure 112013040790918-pat00075
)을 생성한다.FIG. 6 is an algorithm for estimating information on a generator rotation speed reference input and wind speed using an equivalent aerodynamic torque observer. The observer measures the generator torque, which is the value obtainable through the sensor
Figure 112013040790918-pat00065
) And generator rotation speed (
Figure 112013040790918-pat00066
As shown in FIG. Equivalent aerodynamic torques estimated as shown in equation (15)
Figure 112013040790918-pat00067
) Is used to calculate the estimated aerodynamic torque (
Figure 112013040790918-pat00068
). ≪ / RTI > From the estimated equivalent aerodynamic torque, a rotational speed reference input (< RTI ID = 0.0 >
Figure 112013040790918-pat00069
Can be generated. Rotational speed reference input for wind speed estimation (
Figure 112013040790918-pat00070
) Is the wind speed information (
Figure 112013040790918-pat00071
) Can be estimated. Rotational speed reference input for wind speed estimation (
Figure 112013040790918-pat00072
) Is used to calculate the maximum value (
Figure 112013040790918-pat00073
) And a minimum value which is a value depending on the generator characteristics and which has a value of about 50 to 70% of the rated speed of the generator
Figure 112013040790918-pat00074
), So that the generator rotational speed reference input (
Figure 112013040790918-pat00075
).

도 7은 Matlab/Simulink를 이용하여 on-line으로 로터속도 비선형 파라미터를 계산한 도면이다. 수학식 10과 같이 로터속도 비선형 파라미터를 on-line으로 계산하기 위해서는 풍속, 로터속도, 출력계수, 출력계수를 주속비로 편미분한 값들의 정보가 필요하다. 이 정보중에 풍속의 정보는 공력토크관측기를 이용하여 추정된 풍속의 정보를 사용한다. 출력계수와 주속비로 편미분한 값은 Matlab의 편미분 함수를 이용하여 미리 계산된 값을 순람표(Look-up Table)를 이용하였다. 발전기속도 비선형 파라미터(

Figure 112013040790918-pat00076
)는 수학식 9와 12로부터 로터속도 비선형 파라미터(
Figure 112013040790918-pat00077
)을 계산한 후 기어비의 제곱을 나누면 계산된다.Figure 7 is a plot of on-line rotor speed nonlinear parameters calculated using Matlab / Simulink. In order to calculate the rotor speed nonlinear parameter on-line as shown in Equation (10), information on values of the wind speed, rotor speed, output coefficient, and output coefficient that are differentiated by the peripheral speed ratio are required. Among these pieces of information, the information of the wind speed uses the information of the wind speed estimated using the aerodynamic torque observer. For the values that are differentiated by the output coefficient and the peripheral velocity, the look-up table is used for the values calculated using the partial differential function of Matlab. Generator speed nonlinear parameter (
Figure 112013040790918-pat00076
) ≪ / RTI > is calculated from equations (9) and (12)
Figure 112013040790918-pat00077
) And then dividing the square of the gear ratio.

도 8은 Matlab/Simulink를 이용하여 off-line으로 발전기속도 비선형 파라미터를 구현한 도면이다. 풍속의 입력을 주어 수학식 10과 같이 순람표를 이용하여 발전기속도 비선형 파라미터를 off-line으로 구현하였다. FIG. 8 is an illustration of an off-line generator speed nonlinear parameter implementation using Matlab / Simulink. And the generator speed nonlinear parameter is implemented off-line by using the look-up table as shown in Equation (10) given the input of the wind speed.

도 9는 off-line으로 계산하기 위한 발전기속도 비선형 파라미터 값을 설명한 도면으로, 순람표의 입력이 되는 풍속이 0.5m/s의 간격으로 4.5~9m/s일 때 발전기속도 비선형 파라미터를 각각의 포인트를 찍어 off-line 계산에 이용하였다.FIG. 9 is a view for explaining the generator speed nonlinear parameter values for off-line calculation. When the wind speed of the input table is 4.5 to 9 m / s at an interval of 0.5 m / s, It was used for off-line calculation.

도 10은 최적모드게인을 이용한 토크제어방법에 추가적인 토크를 공급 해주기 위해서 추정된 공력토크를 이용하여 on-line으로 계산된 로터속도 비선형 파라미터를 게인으로 사용한 토크제어방법의 블록선도이다. 등가의 공력토크를 추정하기 위해서 발전기 토크와 발전기 회전속도를 입력 신호로 되먹임 받아 사용하였다. 추정된 등가의 공력토크(

Figure 112013040790918-pat00078
)는 기어비(
Figure 112013040790918-pat00079
)를 곱하여 공력토크(
Figure 112013040790918-pat00080
)로 계산할 수 있다. 추정된 공력토크는 최적모드게인을 이용한 토크제어 방법의 수학식 5로 부터 발전기 회전속도 기준입력(
Figure 112013040790918-pat00081
)을 만들 수 있다. 발전기 회전속도 기준입력으로부터 주속비 수학식 3을 이용하면 풍속의 정보를 추정할 수 있다. 추정된 풍속과 되먹임된 발전기 회전속도로부터 로터속도 비선형 파라미터를 on-line으로 계산하기 위해서 이용된다. 발전기 회전속도와 발전기 회전속도 기준입력의 오차가 발생될 때, On-line으로 계산된 로터속도 비선형 파라미터를 게인으로 사용하여 발전기의 추가적인 토크를 공급해주는 방법이다. 게인상수(
Figure 112013040790918-pat00082
)를 양의값을 사용하면 발전기 응답을 더 가속화 하여 출력파워의 응답특성을 향상시키는 효과를 갖는다.10 is a block diagram of a torque control method using a rotor speed nonlinear parameter calculated on-line using an estimated aerodynamic torque as a gain in order to supply an additional torque to the torque control method using the optimum mode gain. In order to estimate the equivalent aerodynamic torque, we used the generator torque and the generator rotation speed as input signals. Estimated equivalent aerodynamic torque (
Figure 112013040790918-pat00078
) Is the gear ratio
Figure 112013040790918-pat00079
) To obtain the aerodynamic torque (
Figure 112013040790918-pat00080
). The estimated aerodynamic torque is obtained from Equation (5) of the torque control method using the optimum mode gain from the generator rotation speed reference input
Figure 112013040790918-pat00081
). From the generator rotation speed reference input, the information of the wind speed can be estimated by using the equation 3 of the main speed ratio. It is used to calculate the rotor speed nonlinear parameter on-line from the estimated wind speed and the generator rotation speed. It is a method to supply the additional torque of the generator using the on-line calculated rotor speed nonlinear parameter as the gain when the generator rotation speed and the generator rotation speed reference input error occur. Gain constant (
Figure 112013040790918-pat00082
) Is positive, the generator response is further accelerated to improve the response characteristic of the output power.

도 11은 최적모드게인을 이용한 토크제어방법에 추가적인 토크를 공급 해주기 위해서 추정된 공력토크를 이용하여 off-line으로 계산된 로터속도 비선형 파라미터를 게인으로 사용한 토크제어방법의 블록선도이다. 등가의 공력토크를 추정하기 위해서 발전기 토크와 발전기 회전속도를 입력 신호로 되먹임 받아 사용하였다. 추정된 공력토크는 최적모드게인을 이용한 토크제어 방법의 수학식 5로부터 발전기 회전속도 기준입력을 만들 수 있다. 발전기 회전속도 기준입력으로부터 주속비 수학식 3을 이용하면 풍속의 정보를 추정할 수 있다. 추정된 풍속과 되먹임된 발전기 회전속도로부터 로터속도 비선형 파라미터를 off-line으로 계산하기 위해서 이용된다. 발전기 회전속도와 발전기 회전속도 기준입력의 오차가 발생될 때, Off-line으로 계산된 로터속도 비선형 파라미터를 게인으로 사용하여 발전기의 추가적인 토크를 공급해주는 방법이다. 게인상수(

Figure 112013040790918-pat00083
)를 양의 값을 사용하면 발전기 응답을 더 가속화 하여 출력파워의 응답특성을 향상시키는 효과를 갖는다.11 is a block diagram of a torque control method using a rotor speed nonlinear parameter calculated as an off-line by using an estimated aerodynamic torque as a gain in order to supply additional torque to the torque control method using the optimum mode gain. In order to estimate the equivalent aerodynamic torque, we used the generator torque and the generator rotation speed as input signals. The estimated aerodynamic torque can be used to generate a generator rotational speed reference input from Equation (5) of the torque control method using the optimum mode gain. From the generator rotation speed reference input, the information of the wind speed can be estimated by using the equation 3 of the main speed ratio. It is used to off-line calculate the rotor speed nonlinear parameters from the estimated wind speed and the feedback of the generator rotation speed. It is a method to supply the additional torque of the generator by using the off-line calculated rotor speed nonlinear parameter as gain when error of generator rotation speed and generator rotation speed reference occurs. Gain constant (
Figure 112013040790918-pat00083
) Is positive, the generator response is further accelerated to improve the response characteristic of the output power.

도 12는 풍속 추정을 위해 평균풍속 7m/s이고 난류강도가 10% 풍속을 구형한 도면으로, 공력토크 및 풍속정보를 추정하는데 이용한 풍속을 나타내는 도면이다. 실제의 풍속과 유사한 성질을 갖고 있는 난류풍속을 구현함으로써 상태 관측기의 성능평가를 할 수 있다.FIG. 12 is a graph showing the wind velocity used for estimating the aerodynamic torque and the wind speed information, in which the average wind speed is 7 m / s and the turbulence intensity is 10% wind speed for wind speed estimation. The performance of the state observer can be evaluated by realizing the turbulent wind speed having similar properties to the actual wind speed.

도 13은 공력토크 추정을 위하여 관측기를 설계하고 실제의 등가의 공력토크와 추정된 등가의 공력토크의 결과를 비교한 도면이다. 전체적인 주파수 성분을 좌우하는 저주파 성분은 추정 잘 됨을 확인하였다. 최대 등가의 공력토크의 오차는 약 0.8kNm의 오차가 발생되었다. 관측기의 게인을 높이면 고주파성분이 추정됨을 확인해 볼 수 있었지만 센서의 노이즈 민감성을 고려하여 다음과 같은 결과를 도출 하였다.13 is a view of an observer designed for aerodynamic torque estimation and comparing the actual equivalent aerodynamic torque with the estimated equivalent aerodynamic torque. It is confirmed that the low-frequency component that dominates the overall frequency component is estimated well. The error of the maximum equivalent aerodynamic torque was about 0.8 kNm. It was confirmed that the high frequency component is estimated by increasing the gain of the observer. However, the following results are derived in consideration of the noise sensitivity of the sensor.

도 14는 공력토크 관측기를 이용하여 실제의 풍속 추정된 풍속을 나타낸 도면이다. 전체적인 주파수 성분을 좌우하는 저주파 성분은 추정 잘 됨을 확인하였다. 최대 풍속의 오차가 약 0.9m/s의 오차가 발생되었다. 관측기 게인을 높이면 고주파성분이 추정됨을 확인해 볼 수 있었지만 센서의 노이즈 민감성을 고려하여 다음과 같은 결과를 도출 하였다.14 is a graph showing an actual wind speed estimated wind speed using an aerodynamic torque observer. It is confirmed that the low-frequency component that dominates the overall frequency component is estimated well. The error of the maximum wind speed was about 0.9 m / s. It was confirmed that the high frequency component is estimated by increasing the observer gain, but the following results are derived in consideration of the noise sensitivity of the sensor.

도 15는 제어 성능 평가를 위한 평균풍속 6m/s이고 난류강도 26.97%인 난류풍속을 구현한 도면이며, IEC(International Electrotechnical Commission) 61400-1에서 규정하고 있는 Class A급에 적용하는 평균풍속이 6m/s이고 난류강도가 26.97%인 난류 풍속을 구현 하였다. 구현된 난류 풍속은 실제의 풍속과 유사한 주파수 성질을 갖고 있는 난류풍속을 구현함으로써 추정된 공력토크를 이용한 로터속도 비선형 파라미터를 On-line 또는 Off-line으로 계산하고, 이를 제어 게인으로 사용하는 토크제어 방법의 성능평가를 할 수 있다.FIG. 15 is a diagram showing a turbulent air velocity with an average wind speed of 6 m / s and a turbulence intensity of 26.97% for the control performance evaluation. The average wind speed applied to the Class A class defined by the International Electrotechnical Commission (IEC) 61400-1 is 6 m / s and the turbulence intensity was 26.97%. The implemented turbulent wind speed is obtained by realizing the turbulent wind speed with frequency characteristics similar to the actual wind speed, The rotor speed nonlinear parameter can be calculated on-line or off-line, and the performance of the torque control method using it as the control gain can be evaluated.

도 16은 평균풍속 6m/s이고 난류강도가 26.97%인 난류 풍속일때의 결과로 추정된 공력토크를 이용하고 off-line으로 로터속도 비선형 파라미터를 계산하고 게인상수 2를 사용한 토크제어에 대한 발전기 회전속도, 발전기 토크, 출력파워를 나타낸 도면으로서, 평균풍속이 6m/s이고 난류강도가 26.97%인 풍속을 입력신호로 하고 게인상수(

Figure 112013040790918-pat00084
)의 2를 사용하였을 때의 결과이다. 추가적인 토크의 공급으로 발전기 회전속도와 토크의 과도 상태 응답이 향상시킴을 확인해 볼 수 있다. 정량적인 값으로 확인해 보면 게인상수 2를 사용하였을 때 약 1.22%의 평균값을 향상 시켰고, 게인상수 4를 사용하였을 때 1.77%의 출력파워 향상시킴을 확인하였다.FIG. 16 is a graph illustrating the rotor speed nonlinear parameter computed off-line using the aerodynamic torque estimated as a result of a turbulent air velocity at an average wind speed of 6 m / s and a turbulence intensity of 26.97% Speed, generator torque, and output power. The input signal is the wind speed at which the average wind speed is 6 m / s and the turbulence intensity is 26.97%. The gain constant (
Figure 112013040790918-pat00084
) Is used. It can be seen that the addition of additional torque improves the transient response of the generator rotation speed and torque. Quantitative values indicate that the average value of 1.22% is improved when the gain constant 2 is used and the output power is improved by 1.77% when the gain constant 4 is used.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 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.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, substitutions and substitutions are possible, without departing from the scope and spirit of the invention as disclosed in the accompanying claims. will be. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention and the accompanying drawings are intended to illustrate and not to limit the technical spirit of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments and the accompanying drawings . The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas falling within the scope of the same shall be construed as falling within the scope of the present invention.

Claims (6)

토크제어를 사용하여 풍속의 변화에 따른 응답속도를 빠르게 하여 최대출력을 생산하기 위한 풍력터빈의 토크제어 장치에 있어서,
발전기 회전속도를 제곱하여 최적모드 게인에 곱함으로써, 토크지령을 생성하는 토크지령 생성부;
공력토크 관측기를 이용하여 공력토크를 추정하는 공력토크 추정부,
상기 추정된 공력토크를 이용하여 발전기 회전속도 기준입력을 생성하는 기준입력 생성부,
상기 추정된 공력토크를 이용하여 풍속을 생성하는 풍속 생성부,
현 풍력터빈의 발전기 회전속도와 생성된 발전기 회전속도 기준입력간의 오차를 계산하는 오차 계산부;
로터속도 비선형 파라미터를 계산하기 위한 로터속도 비선형 계산부;
상기 오차계산부에서 계산된 오차값과 로터속도 비선형 파라미터에 게인상수를 곱하여 추가적으로 공급될 토크를 계산할 비례 제어부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 공력토크 관측기를 이용한 풍력터빈의 토크제어장치.A torque control apparatus for a wind turbine for producing a maximum output by increasing a response speed in response to a change in wind speed using torque control,
A torque command generator for generating a torque command by multiplying the optimal mode gain by squaring the generator rotational speed;
An aerodynamic torque estimating section for estimating aerodynamic torque using an aerodynamic torque observer,
A reference input generator for generating a generator rotation speed reference input using the estimated aerodynamic torque,
An air velocity generator for generating a wind velocity using the estimated aerodynamic torque,
An error calculator for calculating an error between a generator rotational speed of the current wind turbine and a generated generator rotational speed reference input;
A rotor speed nonlinear calculation unit for calculating a rotor speed nonlinear parameter;
A proportional controller for calculating a torque to be additionally supplied by multiplying the error value calculated by the error calculator and the rotor speed nonlinear parameter by a gain constant; And a torque controller for controlling the torque of the wind turbine using the aerodynamic torque observer. 제 1항에 있어서,
상기 로터속도 비선형 계산부는 온라인(on-line) 또는 오프라인(off-line)으로 로터속도 비선형 파라미터를 계산하는 것을 특징으로 하는 공력토크 관측기를 이용한 풍력터빈의 토크제어장치.The method according to claim 1,
Wherein the rotor speed nonlinear calculation unit calculates a rotor speed nonlinear parameter in an on-line or an off-line manner. 토크제어를 사용하여 풍속의 변화에 따른 응답속도를 빠르게 하여 최대 출력을 생산하기 위한 풍력터빈의 토크제어방법에 있어서,
발전기의 회전속도를 제곱하고 최적모드 게인에 곱하여 토크 지령을 생성하는 단계;
공력토크 관측기를 이용하여 공력토크를 추정하는 공력토크 추정하는 단계와;
상기 추정된 공력토크를 이용하여 발전기 회전속도 기준입력을 생성하는 단계와;
상기 추정된 공력토크를 이용하여 풍속을 생성하는 풍속 생성하는 단계와;
현 풍력터빈의 발전기 회전속도와 생성된 발전기 회전속도 기준입력 사이에 오차를 계산하는 단계;
로터속도의 비선형 파라미터를 계산하는 단계; 및
상기 계산된 오차값과 로터속도 비선형 파라미터에 게인상수를 곱하여 추가적으로 공급될 토크를 계산하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 공력토크 관측기를 이용한 풍력터빈의 토크제어방법.A torque control method of a wind turbine for producing a maximum output by increasing a response speed in response to a change in wind speed using torque control,
Generating a torque command by squaring the rotational speed of the generator and multiplying by the optimum mode gain;
Estimating an aerodynamic torque to estimate an aerodynamic torque using an aerodynamic torque observer;
Generating a generator rotational speed reference input using the estimated aerodynamic torque;
Generating a wind speed to generate a wind speed using the estimated aerodynamic torque;
Calculating an error between the generator rotational speed of the current wind turbine and the generated generator rotational speed reference input;
Calculating a non-linear parameter of rotor speed; And
Calculating a torque to be additionally supplied by multiplying the calculated error value and the rotor speed non-linear parameter by a gain constant; And controlling the torque of the wind turbine based on the detected torque. 제 3항에 있어서,
상기 로터속도의 비선형 파라미터는 온라인(on-line) 또는 오프라인(off-line)으로 계산되는 것을 특징으로 하는 공력토크 관측기를 이용한 풍력터빈의 토크제어방법.The method of claim 3,
Wherein the non-linear parameter of the rotor speed is calculated on-line or off-line. 제 3항에 있어서,
상기 생성된 풍속추정을 위한 회전속도 기준입력(Ωref)은 발전기 정격속도 값을 갖는 최대값(Ωref,max)과, 발전기 특성에 의해 좌우되는 값으로 발전기 정격속도의 50 ~ 70%정도의 값을 갖는 최소값(Ωref,min)사이에 포화되도록 설정된 것을 특징으로 하는 공력토크 관측기를 이용한 풍력터빈의 토크제어방법.The method of claim 3,
The rotational speed reference input Ω ref for the generated wind speed estimation is a value that depends on the generator characteristic and a maximum value Ω ref, max having the generator rated speed value and a value which is about 50 to 70% , And is set to be saturated between a minimum value (? Ref, min ) having a value. 제 3항에 있어서,
상기 게인상수는 0보다 큰 값을 사용하는 것을 특징으로 하는 공력토크 관측기를 이용한 풍력터빈의 토크제어방법.The method of claim 3,
Wherein the gain constant is greater than zero. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
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