KR20120110685A - 풍력 발전기의 토크 제어 방법 - Google Patents

풍력 발전기의 토크 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 풍력 발전기의 토크 제어 방법에 관한 것으로서, 풍력 발전기 회전속도에 대응하는 토크값을 설정해 놓은 조사표(또는 함수식)를 참조하여 토크 제어의 수행을 시작하는 단계, 상기 단계에서 회전속도의 지속적인 증가에 따라 기준 경사도를 추종하여 정격발전이 가능한 영역으로 진입한 이후에 발전기 회전속도가 기 설정한 회전속도값(rpm) 이하로 변경되는가를 판단하는 단계, 상기 회전속도가 설정한 회전속도값(rpm) 이하로 변경되는 경우에, 상기 조사표 상에 설정된 현재 회전속도에 대응하는 토크값과 현재 검출한 토크값의 비교를 수행하는 단계, 상기 비교결과 현재 검출한 토크값이 큰 경우에는 현재 회전속도의 감소 또는 증가에 따라 설정한 제1 경사도 또는 제2 경사도를 추종한 토크의 감소 또는 증가 제어를 수행하는 단계 및 상기 비교결과 현재 검출한 토크값이 작은 경우에는 상기 조사표(또는 함수식)를 참조하여 토크 제어를 수행하는 단계를 포함하는 방법을 제공함으로써, 풍속의 감소로 인하여 발전기 회전속도가 고정된 규정속도값 이하로 변경되는 경우에도 관성 에너지를 이용한 토크 제어를 수행하여 정격발전을 지속적으로 유지하고, 회전속도가 감소와 증가를 반복하여도 설정된 기울기를 추종하는 연속적인 토크 감소 또는 증가를 통해 토크 변동으로 인한 충격을 완화한다는 효과가 얻어진다.

Description

풍력 발전기의 토크 제어 방법{Torque control method for wind turbine}
본 발명은 풍력 발전기의 토크 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 풍력 발전기의 회전속도가 일시적으로 급격하게 변동하여 규정속도 이하로 떨어지는 경우에도 연속적인 토크 변동을 유지하는 풍력 발전기의 토크 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 풍력 발전은 어느 곳에나 산재되어 있는 무공해, 무한정의 바람을 이용하므로 환경에 미치는 영향이 거의 없고, 국토를 효율적으로 이용할 수 있다.
최근 풍력 발전기의 효율을 높이기 위해 발전기의 회전속도를 변동시킬 수 있는 가변속(variable speed) 풍력발전 시스템이 많이 채용되고 있는데, 미리 설정한 궤적을 추종하도록 토크 제어를 수행하는 방식이 이용되고 있으며, 이러한 토크 제어의 한 예로 조사표(lookup table)를 이용한 방식이 있다.
도 1은 종래 조사표를 이용한 토크 제어 방식에서 토크와 회전속도의 관계를 보인 도면이다.
상기 조사표를 이용한 토크 제어방식은, 발전기 회전속도에 대응하는 토크값을 미리 조사표(또는 함수식)에 설정해 놓고, 이에 따라 제어하는 방식으로, 발전기의 회전속도가 S1 이상이 되면 발전을 시작하여 풍속이 증가함에 따라 영역 1(ABCD 구간) -> 영역 2(DE 구간)의 궤적을 따라 토크 제어를 수행한다.
여기서 영역 1(ABCD 구간)은 정격 이하의 발전 영역을 나타내며, 영역 2(DE 구간)는 정격발전이 가능한 영역이며, 영역 1의 BC 구간은 최적 선단속도비(tip-speed ratio)를 유지하는 구간이다. 즉, 영역 1과 영역 2는 발전기 회전속도에 따라 구분되며, 회전속도가 규정속도값(Sr) 미만일 때는 영역 1, 회전속도가 규정속도값(Sr) 이상인 경우에는 영역 2가 된다.
또한, 상기 발전기의 회전속도는 센서를 통해 측정하고, 센서의 장착 위치나 증속기의 유무에 따라 계산하는 방식이 적용되며, 필터를 사용하여 잡음이나 불필요한 주파수 성분을 제거한다.
그러나, 종래 토크 제어 방식에 있어서는 도 1에 도시한 바와 같이 회전속도가 증가하여 영역 1에서 영역 2로 이동한 후 영역 2에서 발전을 하는 중 풍속이 감소하여 발전기 회전속도가 고정된 규정속도값(Sr) 이하로 약간 변경되는 경우, 즉 풍속이 일시적으로 감소할 경우에도 영역 2에서 영역 1로 급격하게 토크가 변동함에 따라 정격발전을 지속적으로 유지하지 못한다는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 정격발전이 가능한 영역으로 진입 후에 발전기 회전속도가 규정속도값 이하로 변경되는 경우에 설정값까지 관성 에너지를 이용한 토크 제어를 수행하여 정격발전을 지속적으로 유지하는 풍력 발전기의 토크 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 토크 제어가 간단한 조사표를 사용하면서도 정격발전이 가능한 영역을 증가시킬 수 있는 토크 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 풍력 발전기의 토크 제어 방법은, 풍력 발전기 회전속도에 대응하는 토크값을 설정해 놓은 조사표(또는 함수식)를 참조하여 토크 제어의 수행을 시작하는 단계, 상기 단계에서 회전속도의 지속적인 증가에 따라 기준 경사도를 추종하여 정격발전이 가능한 영역으로 진입한 이후에 발전기 회전속도가 기 설정한 회전속도값(rpm) 이하로 변경되는가를 판단하는 단계, 상기 회전속도가 설정한 회전속도값(rpm) 이하로 변경되는 경우에, 상기 조사표 상에 설정된 현재 회전속도에 대응하는 토크값과 현재 검출한 토크값의 비교를 수행하는 단계, 상기 비교결과 현재 검출한 토크값이 큰 경우에는 현재 회전속도의 감소 또는 증가에 따라 설정한 제1 경사도 또는 제2 경사도를 추종한 토크의 감소 또는 증가 제어를 수행하는 단계 및 상기 비교결과 현재 검출한 토크값이 작은 경우에는 상기 조사표(또는 함수식)를 참조하여 토크 제어를 수행하는 단계를 포함하여 이루어진다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 풍력 발전기의 토크 제어 방법에 의하면, 풍속의 감소로 인하여 발전기 회전속도가 고정된 규정속도값 이하로 변경되는 경우에도 관성 에너지를 이용한 토크 제어를 수행하여 정격발전을 지속적으로 유지하고, 회전속도가 감소와 증가를 반복하여도 설정된 기울기를 추종하는 연속적인 토크 감소 또는 증가를 통해 토크 변동으로 인한 충격을 완화시키며, 제어가 간단한 조사표를 사용하면서도 정격발전이 가능한 영역을 증가시킨다는 효과가 얻어진다.
도 1은 종래 조사표를 이용한 토크 제어 방식에서 토크와 회전속도의 관계를 보인 도면.
도 2는 본 발명의 실시예를 적용하기 위한 풍력 발전기의 구성을 간략하게 보인 블록도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전기의 토크 제어 과정을 보인 흐름도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 토크 제어 방식에서 토크와 회전속도의 관계를 보인 도면.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 또한, 본 발명을 설명하는데 있어서 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 실시예를 적용하기 위한 풍력 발전 시스템의 구성을 간략하게 보인 블록도이다.
도 2에서 도시한 바와 같이, 본 발명을 적용하기 위한 풍력 발전기는, 다수의 블레이드(100), 허브(200)를 통해 블레이드와 연결되어 블레이드의 회전에 따라 회전되는 주축(300), 상기 주축(300)에 연결되어 회전속도를 높이기 위한 증속기(400), 상기 증속기(400)에 연결되어 전기를 발생시키는 발전기(500), 풍속 및 풍향을 측정하기 위한 풍속/풍향 측정기(600), 풍력 발전 시스템의 전반적인 제어를 위한 제어기(700) 및 상기 발전기(500)에서 발전되는 전력을 변환하여 상용 전력계통망에 연계시키는 전력변환기(800)를 포함하며, 이중 상기 제어기(700)는 토크 지령을 생성하여 발전기(500)의 토크를 제어하게 된다.
이와 같이 구성한 본 발명에 따른 실시예의 동작 과정을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전기의 토크 제어 과정을 보인 흐름도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 토크 제어 방식에서 토크와 회전속도의 관계를 보인 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 먼저 발전기 회전속도에 대응하는 토크값을 설정해 놓은 조사표(또는 함수식)를 참조하여 영역 1(ABCD)에서의 토크 제어 수행을 시작한다(S100).
상기 영역 1의 BC 구간에서 토크 제어 수행 중 발전기의 회전속도가 지속적인 증가에 따라 정격발전을 위한 규정속도값(Sr) 이상이 되면, 상기 조사표를 참조한 기준 경사도(CD)를 추종하여 정격발전이 가능한 영역 2(DE)로 진입하여 토크 제어를 수행한다(S200 ~ S300).
이후, 상기 발전기 회전속도가 기 설정한 회전속도값(Sg) 이하인가를 판단한다(S400).
상기 S400 단계의 판단결과 설정한 회전속도값(Sg) 이하로 변경되는 경우에는 상기 조사표 상에 설정된 현재 회전속도에 대응하는 토크값과 현재 검출한 토크값의 비교를 수행한다(S500).
상기 비교결과 현재 검출한 토크값이 작은 경우에는 상기 조사표(또는 함수식)를 참조하여 토크 제어를 수행하는 단계 S100으로 되돌아가고, 현재 검출한 토크값이 큰 경우에는 현재 회전속도의 감소 또는 증가에 따라 설정한 제1 경사도 또는 제2 경사도를 추종한 토크의 감소 또는 증가 제어를 수행한다(S600).
즉, 현재 회전속도가 감소하는 경우에는 상기 제1 경사도(GH)를 추종한 토크값으로 감소 제어를 수행하며, 이때 하기의 수학식 1에 의해 산출되는 토크(T)로 감소 제어를 수행한다.
Figure pat00001
여기서,
Figure pat00002
는 토크,
Figure pat00003
는 이전 시간단계(time step)에서의 토크값,
Figure pat00004
는 제1 경사도,
Figure pat00005
는 현재 발전기의 회전속도,
Figure pat00006
는 이전 시간단계에서의 발전기의 회전속도이다.
만약, 상기 제1 경사도(GH, Slope2)를 추종하여 토크의 감소 제어중에 회전속도가 지속적으로 감소하여 현재 토크값이 조사표 상에 설정된 현재 회전속도에 대응하는 토크값보다 작아지면 상기 단계 S100으로 되돌아간다.
한편, 도 4에 도시한 바와 같이 상기 S600 단계에서 현재 회전속도의 증가에 따라 설정한 제2 경사도(IJ, Slope3)를 추종한 토크의 증가 제어를 수행하는 경우, 하기의 수학식 2에 의해 산출되는 토크(T)로 감소 제어를 수행한다. 이때, 상기 기준 경사도(CD)와 제1 경사도(GH, Slope2)는 제2 경사도(IJ, Slope3)보다 상대적으로 큰 경사값을 갖고, 상기 기준 경사도(CD)와 제1 경사도(GH, Slope2)는 동일한 값을 갖지 않으며, 풍력 발전기의 특성에 따라 결정한다.
Figure pat00007
여기서,
Figure pat00008
는 토크,
Figure pat00009
는 이전 시간단계(time step)에서의 토크값,
Figure pat00010
는 제2 경사도,
Figure pat00011
는 현재 발전기의 회전속도,
Figure pat00012
는 이전 시간단계에서의 발전기의 회전속도이다.
또한, 상기 제2 경사도(IJ, Slope3)를 추종하도록 토크를 증가 제어시에 다시 회전속도가 감소하면 제1 경사도(GH, Slope2)를 추종하도록 토크 감소제어를 수행한다(단, 상기 조사표 상에 설정된 현재 회전속도에 대응하는 토크값보다 현재 검출한 토크값이 큰 경우).
이상, 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
100 : 블레이드 200 : 허브
300 : 주축 400 : 증속기
500 : 발전기 600 : 풍속/풍향 측정기
700 : 제어기 800 : 전력변환기

Claims (6)

  1. 풍력 발전기 회전속도에 대응하는 토크값을 설정해 놓은 조사표(또는 함수식)를 참조하여 토크 제어의 수행을 시작하는 단계,
    상기 단계에서 회전속도의 지속적인 증가에 따라 기준 경사도를 추종하여 정격발전이 가능한 영역으로 진입한 이후에 발전기 회전속도가 기 설정한 회전속도값(rpm) 이하로 변경되는가를 판단하는 단계,
    상기 회전속도가 설정한 회전속도값(rpm) 이하로 변경되는 경우에, 상기 조사표 상에 설정된 현재 회전속도에 대응하는 토크값과 현재 검출한 토크값의 비교를 수행하는 단계,
    상기 비교결과 현재 검출한 토크값이 큰 경우에는 현재 회전속도의 감소 또는 증가에 따라 설정한 제1 경사도 또는 제2 경사도를 추종한 토크의 감소 또는 증가 제어를 수행하는 단계 및
    상기 비교결과 현재 검출한 토크값이 작은 경우에는 상기 조사표(또는 함수식)를 참조하여 토크 제어를 수행하는 단계를 포함하는 풍력 발전기의 토크 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 경사도를 추종하여 토크의 감소 제어 수행중, 상기 회전속도가 증가하는 경우에는 상기 제2 경사도를 추종하여 토크값을 증가시키는 단계를 더 포함하는 것인 풍력 발전기의 토크 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 경사도를 추종하여 토크의 증가 제어 수행중, 상기 회전속도가 감소하는 경우에는 상기 제1 경사도를 추종하여 토크값을 감소시키는 단계를 더 포함하는 것인 풍력 발전기의 토크 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기준 경사도와 제1 경사도는 제2 경사도보다 상대적으로 큰 경사값을 갖고,
    상기 기준 경사도와 제1 경사도는 동일한 값을 갖지 않으며, 풍력 발전기의 특성에 따라 결정되는 것인 풍력 발전기의 토크 제어 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 설정한 제1 경사도를 추종하도록 토크를 감소 제어시에 하기의 수학식에 의해 산출되는 토크로 감소 제어하는 것인 풍력 발전기의 토크 제어 방법.
    [수학식 1]
    Figure pat00013

    여기서,
    Figure pat00014
    는 토크,
    Figure pat00015
    는 이전 시간단계(time step)에서의 토크값,
    Figure pat00016
    는 제1 경사도,
    Figure pat00017
    는 현재 발전기의 회전속도,
    Figure pat00018
    는 이전 시간단계에서의 발전기의 회전속도이다.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 설정한 제2 경사도를 추종하도록 토크를 증가 제어시에 하기의 수학식에 의해 산출되는 토크로 증가 제어하는 것인 풍력 발전기의 토크 제어 방법.
    [수학식 2]
    Figure pat00019

    여기서,
    Figure pat00020
    는 토크,
    Figure pat00021
    는 이전 시간단계(time step)에서의 토크값,
    Figure pat00022
    는 제2 경사도,
    Figure pat00023
    는 현재 발전기의 회전속도,
    Figure pat00024
    는 이전 시간단계에서의 발전기의 회전속도이다.
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