KR20150045610A - Apparatus for torque controlling in wind power generator and method thereof - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to an apparatus to control a torque of a wind power generator and a method thereof which controls a torque in consideration to the changes in air density in accordance to a temperature in order to prevent a decrease in generation efficiency by the changes in the air density. The apparatus to control a torque of a wind power generator includes: an air density calculation unit calculating the air density which changes in accordance to an outdoor temperature; an optimized mode gain calculation unit calculating an optimized mode gain based on the air density calculated from the air density calculation unit; and a torque control unit calculating a speed of a power generator and the optimized mode gain calculated in the optimized mode gain calculation unit to obtain a generator torque control value, and controlling a torque of the generator with the calculated torque control value. Therefore, the apparatus to control a torque controls the torque in consideration to the air density in accordance to the temperature in order to prevent the decrease in the generation efficiency by the changes in the air density.

Description

풍력발전기의 토크 제어장치 및 그 방법{Apparatus for torque controlling in wind power generator and method thereof}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a torque control apparatus for a wind turbine,

본 발명은 풍력발전기의 토크(Torque) 제어에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기온에 따른 공기밀도 변화를 고려하여 토크를 제어함으로써 공기밀도 변화에 의해 발전 효율이 떨어지는 것을 방지하도록 한 풍력발전기의 토크 제어장치 및 그 방법에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to torque control of a wind turbine generator, and more particularly, to torque control of a wind turbine generator to prevent a decrease in power generation efficiency due to a change in air density by controlling a torque, Device and method thereof.

풍력발전기는 바람의 에너지를 이용하여 전기를 생산하는 시스템으로서, 발전효율을 극대화하기 위해 바람의 크기에 따라 축의 회전속도와 회전 토크를 제어하게 된다. 특히, 정격풍속보다 낮은 풍속에서는 바람 에너지를 전부 받아들이기 위해 피치 각도를 0°로 고정하므로, 실질적으로 풍력발전기의 토크 제어만이 발전 효율에 영향을 미친다.A wind turbine is a system that generates electricity using wind energy. In order to maximize power generation efficiency, it controls the rotational speed and torque of the shaft according to the wind size. Especially, at a wind velocity lower than the rated wind speed, the pitch angle is fixed at 0 ° to receive all of the wind energy, so only the torque control of the wind power generator substantially affects the power generation efficiency.

풍력발전기는 블레이드(날개), 증속기(gearbox), 발전기(generator), 제어기 등으로 구성된다. 이렇게 구성되는 풍력발전기는 바람이 불면 블레이드가 양력으로 인해 회전을 하게 되고, 회전속도는 증속기를 거쳐 고속으로 증속이 된다. 그리고 발전기에서 회전력과 회전속도에 의해 전기를 생산하게 된다.A wind turbine consists of a blade, a gearbox, a generator, and a controller. In the wind turbine thus configured, when the wind is blown, the blade is rotated due to the lift, and the rotation speed is increased at high speed through the speed increasing device. And the generator produces electricity by the rotational force and the rotational speed.

고속축의 회전속도와 회전력은 반비례 관계이며, 회전력의 증감에 따라 회전속도가 변경될 수 있다. 주어진 바람 에너지 하에서 최적의 출력을 만들어내는 회전력과 회전속도가 존재하며 이를 계산하고, 그 계산 결과치를 기반으로 회전력을 제어함으로써 주어진 환경에서 최대의 출력을 만들어내는 과정이 풍력발전기의 토크 제어이다. 여기서 토크는 회전 부하를 의미한다. 제어기에서 실시간으로 필요한 토크의 값을 계산하여, 컨버터라고 하는 발전기 전기 제어 장치에 전달하고, 컨버터에서 이 정보를 사용하여 실질적으로 발전기 토크를 제어하게 된다.The rotational speed and the rotational force of the high-speed shaft are in inverse proportion to each other, and the rotational speed can be changed in accordance with the increase or decrease of the rotational force. The process of generating the maximum output in a given environment is torque control of the wind turbine by controlling the torque based on the calculation result and the torque and rotation speed which produce the optimum output under given wind energy. Here, the torque means a rotating load. The controller calculates the value of the required torque in real time and transmits it to a generator electric control device, called a converter, which uses this information to substantially control the generator torque.

발전량을 만들기 위한 발전기 토크 제어 값은 발전시 속도의 제곱에 특정 비례상수를 곱하여 구할 수 있으며, 이 비례상수를 최적 모드 게인(optimal mode gain)이라고 한다. The generator torque control value for generating power can be obtained by multiplying the square of the speed during power generation by a specific proportional constant, and this proportional constant is called the optimal mode gain.

토크 제어 및 최적 모드 게인에 대해서 살펴보면 다음과 같다.Torque control and optimum mode gain are as follows.

풍력발전기가 얻는 전기는 출력계수(Cp; power coefficient)에 비례한다. 여기서 Cp는 주속비(tip speed ratio; TSR)의 함수이다. 주속비는 풍속대비 "블레이드 끝단의 선속도의 비"로써 하기의 수식으로 정의된다.The electricity that the wind turbine obtains is proportional to the power coefficient (Cp). Where Cp is a function of the tip speed ratio (TSR). The main component ratio is defined as the ratio of the linear velocity of the end of the blade to the wind velocity.

주속비(TSR) = (로터 속도 × 로터 반경)/풍속(TSR) = (rotor speed x rotor radius) / wind speed

출력계수는 도 1과 같이 특정 주속비에서 최대가 되고, 그 값에서 멀어질수록 출력계수 값도 낮아지는 것을 알 수 있다. 이하 출력계수가 최대가 되는 주속비 값을 TSR-opt라고 한다. 도 1은 피치 각이 0°일 때 출력계수와 주속비와의 관계 그래프이다.As shown in Fig. 1, the output coefficient becomes maximum at a specific state ratio, and the output coefficient value becomes lower as the output coefficient is further away from the value. Let TSR-opt be the rate ratio of the output coefficient to the maximum. 1 is a graph of the relationship between the output coefficient and the main speed ratio when the pitch angle is 0 °.

출력계수를 최대로 하기 위해서는 주속비를 TSR-opt값으로 유지를 해야하고, 이것은 풍속에 따라 로터의 속도를 증감시켜야 함을 의미한다. 로터의 속도를 증감시키는 방법으로는 토크의 크기를 조절하는 방법을 이용할 수 있다. In order to maximize the output coefficient, the main speed ratio should be maintained at the value of TSR-opt, which means that the speed of the rotor should be increased or decreased according to the wind speed. As a method of increasing or decreasing the speed of the rotor, a method of adjusting the magnitude of the torque can be used.

주속비 값을 TSR-opt값으로 유지시키는 토크의 값은 로터의 속도의 제곱에 비례하는데, 그 비례상수를 최적 모드 게인이라고 하며, 하기의 [수학식1]과 같이 정의된다.The value of the torque that maintains the main speed ratio value at the value of TSR-opt is proportional to the square of the speed of the rotor, and its proportional constant is called the optimum mode gain, and is defined as follows.

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서 ρ는 공기밀도(air density), R은 로터의 회전반경, Cpmax는 최대 출력계수, optimal TSR은 출력계수가 최대가 되는 주속비, GR은 증속기의 증속비를 나타낸다.Where ρ is the air density, R is the radius of rotation of the rotor, Cp max is the maximum output factor, optimal TSR is the ratio of the maximum output factor, and GR is the rate of increase of the gearbox.

그리고 토크(Torque)는 아래의 [수학식2]로 정의된다.And the torque is defined by the following equation (2).

Figure pat00002
Figure pat00002

여기서 Torque는 발전기 토크(제어 입력)를 나타내고, w는 발전기 회전속도(genertor speed)를 나타낸다.Where Torque represents the generator torque (control input) and w represents the generator speed (genertor speed).

상기와 같이 최적 모드 게인의 계산에는 공기밀도(ρ)가 포함된다.As described above, the calculation of the optimum mode gain includes the air density p.

도 2에 일반적인 풍력발전기의 토크 제어 장치가 도시되었다.The torque control device of a general wind turbine generator is shown in Fig.

도 2에 도시한 바와 같이, 일반적인 풍력발전기의 토크 제어 장치는 최적 모드 게인을 설정하는 이득 설정부(10), 발전기 속도와 상기 이득 설정부(10)에서 설정한 최적 모드 게인에 따라 발전기 토크 제어 값을 산출하여 발전기 전기 제어 장치인 컨버터를 제어하는 토크 제어부(20)를 포함한다.As shown in Fig. 2, a general torque controller for a wind turbine generator includes a gain setting unit 10 for setting an optimum mode gain, a generator torque control unit 10 for controlling the generator torque according to the generator speed and the optimum mode gain set by the gain setting unit 10. [ And a torque control section 20 for controlling the converter, which is a generator electric control apparatus, by calculating a value.

여기서 이득 설정부(10)는 상기 [수학식1]과 같은 수식에 의해 최적 모드 게인을 설정하게 된다. 이때 변수로 공기밀도가 포함되나, 이득 설정부(10)는 공기밀도를 일정하게 두고, 최적 모드 게인을 계산하여 최적 모드 게인을 설정하게 된다.Here, the gain setting unit 10 sets the optimum mode gain according to the equation (1). At this time, the air density is included as a variable, but the gain setting unit 10 sets the optimum mode gain by calculating the optimum mode gain while keeping the air density constant.

한편, 풍력발전기에 대한 종래기술이 하기의 <특허문헌 1> 대한민국 공개특허 공개번호 10-2013-0067675(2013.06.25. 공개)에 개시되었다.On the other hand, a conventional technique for a wind turbine is disclosed in the following Patent Document 1: Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2013-0067675 (published on Jun. 25, 2013).

<특허문헌 1>은 풍력 발전기의 경년화에 따른 블레이드의 회전 속도에 대한 토크의 함수를 포함하는 룩-업 테이블을 수정하고, 수정된 룩-업 테이블을 기초로 풍력발전기의 최대 전력점을 추종함으로써, 발전 효율을 최대화할 수 있도록 한 것이다. 또한, 룩-업 테이블의 수정을 통하여 풍력 발전기의 효율을 증가시키는 것으로 별도의 비용이 증가하지 않고 발전기의 수명을 연장할 수 있도록 하였다.
Patent Document 1 discloses a method of correcting a look-up table including a function of torque with respect to a rotational speed of the blades due to the aging of the wind turbine, and following the maximum power point of the wind turbine based on the corrected look- So that the power generation efficiency can be maximized. In addition, the efficiency of the wind turbine generator is improved through the modification of the look-up table, so that the life of the generator can be extended without increasing the cost.

대한민국 공개특허 공개번호 10-2013-0067675(2013.06.25. 공개)Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2013-0067675 (published on June 25, 2013)

그러나 상기와 같은 일반적인 풍력발전기 및 종래기술은 발전기 토크 제어 값을 산출하기 위해 최적 모드 게인을 이용하는 데, 이때 최적 모드 게인 계산에 필수적으로 포함되는 공기밀도를 일정하게 설정하고, 최적 모드 게인을 계산하기 때문에 최적 모드 게인의 정확성 및 신뢰성이 떨어지는 단점이 있었다. 즉, 발전기의 토크 제어가 발전 효율에 지대한 영향을 미치게 되는 데, 토크 제어를 위해 사용하는 최적 모드 게인의 신뢰성이 저하되면 토크 제어 값 또한 신뢰할 수 없으며, 이는 결과적으로 발전 효율의 감소를 유발한다.However, in the conventional wind turbine generator and the related art, the optimum mode gain is used to calculate the generator torque control value. At this time, the air density, which is essentially included in the calculation of the optimal mode gain, is set to be constant, Therefore, the accuracy and reliability of the optimum mode gain are inferior. That is, the torque control of the generator has a great influence on the power generation efficiency. If the reliability of the optimum mode gain used for the torque control is lowered, the torque control value is also unreliable, which results in a decrease in the power generation efficiency.

예컨대, 풍력발전기가 설치된 환경은 다양하며, 어떤 지역에서는 낮과 밤의 일교차가 크게 나거나, 또 다른 지역에서는 여름과 겨울의 기온차가 크게 날 수 있다. 기온차가 많이 나면 그만큼 공기의 밀도변화가 일어나게 되고, 이는 풍력발전기 제어에 영향을 줄 수 있다. 그러나 일반적인 풍력발전기 및 종래기술은 이러한 공기밀도의 변화를 전혀 고려하지 않고, 하나의 특정한 공기밀도에 대해서 제어를 하도록 제어 로직이 설계되어 있어, 정확한 토크 제어가 불가능하여 풍력발전기의 효율을 감소시키는 단점이 있다.
For example, the environment in which a wind turbine is installed varies, and in some areas daytime and nighttime diurnal drift can be significant, and in other areas summer and winter temperature differences can be significant. The higher the temperature difference, the more the air density changes, which can affect the wind turbine control. However, in general wind turbines and the prior art, control logic is designed to control for a specific air density without any consideration of such changes in air density, and it is impossible to precisely control the torque so that the efficiency of the wind turbine is reduced .

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 일반적인 풍력발전기 및 종래기술에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로, 기온에 따른 공기밀도 변화를 고려하여 토크를 제어함으로써 공기밀도 변화에 의해 발전 효율이 떨어지는 것을 방지하도록 한 풍력발전기의 토크 제어장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to solve the above-described problems of the conventional wind turbine generators and the related art, and it is an object of the present invention to prevent a decrease in power generation efficiency due to a change in air density by controlling a torque, And a method of controlling the torque of the wind power generator.

본 발명의 다른 목적은 공기밀도 변화에 따라 최적 모드 게인 값을 가변하여, 발전기 토크 계산에 정확성을 도모하도록 한 풍력발전기의 토크 제어장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
It is another object of the present invention to provide an apparatus and method for torque control of a wind turbine in which an optimal mode gain value is varied according to a change in air density to provide accuracy in generator torque calculation.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 풍력발전기의 토크 제어장치는 외기 온도에 따라 변화하는 공기 밀도를 산출하는 공기밀도 산출부; 상기 공기밀도 산출부에서 산출한 공기밀도를 기초로 최적 모드 게인을 계산하는 최적 모드 게인 계산부; 상기 최적 모드 게인 계산부에서 계산한 최적 모드 게인과 발전기 속도를 연산하여 발전기 토크 제어 값을 산출하고, 산출한 토크 제어 값으로 발전기 토크를 제어하는 토크 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an apparatus for controlling a torque of a wind turbine, including: an air density calculation unit for calculating an air density varying with an ambient temperature; An optimum mode gain calculation unit for calculating an optimum mode gain based on the air density calculated by the air density calculation unit; And a torque controller for calculating a generator torque control value by calculating the optimum mode gain and a generator speed calculated by the optimum mode gain calculator and controlling the generator torque with the calculated torque control value.

상기에서 공기밀도 산출부는 외기 온도를 감지하는 온도 감지부; 외기 온도에 대응하는 공기밀도 룩-업 테이블이 저장된 공기밀도 저장부; 상기 온도 감지부에서 감지한 외기 온도에 따라 공기밀도 저장부에 저장된 룩-업 테이블로부터 공기밀도를 추출하는 공기밀도 추출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.The air density calculation unit may include a temperature sensing unit for sensing ambient temperature; An air density storage section in which an air density look-up table corresponding to the ambient temperature is stored; And an air density extracting unit for extracting the air density from the look-up table stored in the air density storing unit according to the outside air temperature sensed by the temperature sensing unit.

상기에서 룩-업 테이블은 외기 온도와 공기밀도가 일대일 대응하게 매핑된 것을 특징으로 한다.The look-up table is characterized in that the outside air temperature and the air density are mapped in a one-to-one correspondence.

상기에서 공기밀도 산출부는 아래와 같은 수식을 이용하여 공기밀도를 산출하는 것을 특징으로 한다.The air density calculation unit calculates the air density using the following equation.

Figure pat00003
Figure pat00003

여기서 T는 외기 온도, P는 기압을 나타낸다.Where T is the ambient temperature and P is the atmospheric pressure.

상기에서 최적 모드 게인 계산부는 아래와 같은 수식을 이용하고, 현재 외기 온도에 따라 새로이 산출된 공기밀도를 아래와 같은 수식에 적용하여 최적 모드 게인(Kopt)을 계산하는 것을 특징으로 한다.The optimum mode gain calculator calculates an optimum mode gain K opt by applying the following equation to the equation below to calculate the optimum mode gain K opt according to the current ambient temperature.

Figure pat00004
Figure pat00004

여기서 ρ는 공기밀도(air density), R은 로터의 회전반경, Cpmax는 최대 출력계수, optimal TSR은 출력계수가 최대가 되는 주속비, GR은 증속기의 증속비를 나타낸다.
Where ρ is the air density, R is the radius of rotation of the rotor, Cp max is the maximum output factor, optimal TSR is the ratio of the maximum output factor, and GR is the rate of increase of the gearbox.

또한, 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 풍력발전기의 토크 제어방법은 (a) 외기 온도를 감지하는 단계; (b) 감지한 외기 온도에 따른 공기밀도를 산출하는 단계; (c) 산출한 공기밀도를 고려하여 최적 모드 게인을 계산하는 단계; (d) 상기 (c)단계에서 산출한 최적 모드 게인과 발전기 속도를 연산하여 발전기 토크 제어 값을 산출하고, 산출한 발전기 토크 제어 값을 컨버터로 출력하여 발전기 토크를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of controlling a torque of a wind turbine, including the steps of: (a) sensing ambient temperature; (b) calculating an air density according to the sensed outdoor air temperature; (c) calculating an optimum mode gain in consideration of the calculated air density; (d) calculating a generator torque control value by calculating an optimal mode gain and a generator speed calculated in the step (c), and controlling the generator torque by outputting the calculated generator torque control value to a converter .

상기에서 (b)단계는 외기 온도와 공기밀도가 일대일 대응하게 매핑된 룩-업 테이블을 이용하여 공기밀도를 산출하는 것을 특징으로 한다.In the step (b), the air density is calculated using a look-up table in which the outside air temperature and the air density are matched one by one.

상기에서 (b)단계는 아래와 같은 수식을 이용하여 공기밀도를 산출하는 것을 특징으로 한다.In the step (b), the air density is calculated using the following equation.

Figure pat00005
Figure pat00005

여기서 T는 외기 온도, P는 기압을 나타낸다.
Where T is the ambient temperature and P is the atmospheric pressure.

본 발명에 따르면 기온에 따른 공기밀도 변화를 고려하여 토크를 제어함으로써 공기밀도 변화에 의해 발전 효율이 떨어지는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.According to the present invention, there is an advantage that the power generation efficiency can be prevented from being lowered due to the air density change by controlling the torque in consideration of the change in air density according to the temperature.

또한, 본 발명에 따르면 공기밀도 변화에 따라 최적 모드 게인 값을 가변함으로써, 발전기 토크 계산에 정확성을 도모할 수 있는 장점이 있다.
Further, according to the present invention, there is an advantage in that the accuracy of the generator torque calculation can be improved by varying the optimum mode gain value in accordance with the variation of the air density.

도 1은 피치 각이 0°일 때 출력계수와 주속비와의 관계 그래프,
도 2는 일반적인 풍력발전기의 토크 제어 장치의 구성도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 풍력발전기의 토크 제어 장치의 구성도,
도 4는 도 3의 공기밀도 산출부의 일 실시 예 블록도,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 풍력발전기의 토크 제어 방법을 보인 흐름도.1 is a graph showing the relationship between the output coefficient and the main speed ratio when the pitch angle is 0 DEG,
2 is a block diagram of a torque control device for a general wind turbine generator,
3 is a configuration diagram of a torque control apparatus for a wind turbine according to a preferred embodiment of the present invention,
FIG. 4 is a block diagram of an embodiment of the air density calculation unit of FIG.
5 is a flowchart illustrating a torque control method of a wind turbine according to a preferred embodiment of the present invention.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 풍력발전기의 토크 제어 장치 및 그 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, an apparatus and method for controlling a torque of a wind turbine according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 풍력발전기의 토크 제어 장치의 구성도로서, 공기밀도 산출부(110), 최적 모드 게인 계산부(120) 및 토크 제어부(130)를 포함한다.FIG. 3 is a block diagram of a torque control apparatus for a wind turbine according to a preferred embodiment of the present invention, and includes an air density calculation unit 110, an optimum mode gain calculation unit 120, and a torque control unit 130.

상기 공기밀도 산출부(110)는 외기 온도에 따른 공기 밀도를 산출하는 역할을 하는 것으로서, 룩-업 테이블을 이용하는 방식과 공기밀도 계산식을 이용하는 두 가지 방식으로 공기 밀도를 산출한다.The air density calculation unit 110 calculates the air density according to the outside air temperature. The air density calculation unit 110 calculates the air density according to a method using a look-up table and an air density calculation formula.

먼저, 룩-업 테이블을 이용하는 방식은 도 4에 도시한 바와 같이, 외기 온도를 감지하는 온도 감지부(111); 외기 온도에 대응하는 공기밀도 룩-업 테이블이 저장된 공기밀도 저장부(112); 상기 온도 감지부(111)에서 감지한 외기 온도에 따라 공기밀도 저장부(112)에 저장된 룩-업 테이블로부터 공기밀도를 추출하는 공기밀도 추출부(113)를 포함한다. 여기서 룩-업 테이블은 외기 온도와 공기밀도가 일대일 대응하게 매핑된 테이블이다.As shown in FIG. 4, the method using the look-up table includes a temperature sensing unit 111 for sensing ambient temperature; An air density storage section (112) storing an air density look-up table corresponding to ambient temperature; And an air density extraction unit (113) for extracting an air density from a look-up table stored in the air density storage unit (112) according to the ambient temperature detected by the temperature sensing unit (111). Here, the look-up table is a table in which the outside air temperature and the air density are mapped one to one.

공기밀도 계산식을 이용하는 방식은 도면에는 도시하지 않았지만, 외기 온도를 감지하는 온도 센서, 기압을 측정하는 기압 센서, 공기밀도를 계산하는 공기밀도 계산부를 포함한다.The method of using the air density calculation formula includes a temperature sensor for sensing the outside air temperature, a barometric pressure sensor for measuring the air pressure, and an air density calculating unit for calculating the air density, though not shown in the figure.

상기 최적 모드 게인 계산부(120)는 상기 공기밀도 산출부(110)에서 산출한 공기밀도를 기초로 최적 모드 게인을 계산하는 역할을 한다.The optimum mode gain calculator 120 calculates the optimum mode gain based on the air density calculated by the air density calculation unit 110. [

상기 토크 제어부(130)는 상기 최적 모드 게인 계산부(120)에서 계산한 최적 모드 게인과 발전기 속도를 연산하여 발전기 토크 제어 값을 산출하고, 산출한 토크 제어 값으로 발전기 토크를 제어하는 역할을 한다.The torque controller 130 calculates a generator torque control value by calculating the optimum mode gain and a generator speed calculated by the optimum mode gain calculator 120 and controls the generator torque with the calculated torque control value .

이와 같이 구성된 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 풍력발전기 토크 제어 장치의 동작을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.The operation of the wind turbine torque control apparatus according to the preferred embodiment of the present invention will now be described in detail.

먼저, 본 발명은 기온 차이에 따라 변화하는 공기 밀도로 인해 발전기 효율이 저하하는 것을 방지하고, 최적으로 발전기 토크를 제어하기 위해서, 공기밀도 산출부(110)에서 외기 온도에 따른 공기 밀도를 산출한다.First, the present invention calculates the air density according to the outside air temperature in the air density calculation unit 110 in order to prevent the generator efficiency from being lowered due to the air density varying with the difference in the air temperature and to optimally control the generator torque .

여기서 본 발명은 공기밀도를 룩-업 테이블을 이용하는 방식과 공기밀도 계산식을 이용하는 두 가지 방식으로 산출한다.In the present invention, the air density is calculated in two ways using a look-up table and an air density calculation formula.

먼저, 룩-업 테이블을 이용하는 방식은 도 4에 도시한 바와 같이, 외기 온도를 감지하는 온도 감지부(111)를 통해 외기 온도를 감지하고, 공기밀도 추출부(113)에서 상기 감지한 외기 온도에 따라 공기밀도 저장부(112)에 저장된 룩-업 테이블로부터 공기밀도를 추출하여, 외기 온도에 따른 공기밀도 값으로 최적 모드 게인 계산부(120)에 전달한다.As shown in FIG. 4, in the method using the look-up table, the outside air temperature is sensed through the temperature sensing unit 111 for sensing the outside air temperature, and the air density extracting unit 113 extracts the sensed outside air temperature Up table stored in the air density storage unit 112 and delivers the air density to the optimum mode gain calculation unit 120 as an air density value according to the ambient temperature.

즉, 공기밀도 저장부(112)에는 외기 온도에 따라 실시간으로 공기밀도를 추출하기 위한 외기 온도 대 공기밀도 룩-업 테이블을 저장하고, 공기밀도 추출부(113)는 외기 온도만 감지되면 실시간으로 상기 룩-업 테이블을 검색하여 외기 온도에 대응하는 공기밀도를 추출하게 된다.That is, the air density storage unit 112 stores the ambient temperature-to-air density look-up table for extracting the air density in real time according to the ambient temperature. The air density extraction unit 113, The look-up table is searched to extract the air density corresponding to the ambient temperature.

또한, 공기밀도 계산식을 이용하는 방식은, 도면에는 도시하지 않았지만, 외기 온도를 감지하는 온도 센서, 기압을 측정하는 기압 센서, 공기밀도를 계산하는 공기밀도 계산부를 구비하고, 온도 센서에 의해 외기 온도가 감지되고, 기압 센서에 의해 기압이 측정되면 공기밀도 계산부에서 아래와 같은 [수학식 3]을 이용하여 공기밀도를 계산하게 된다. 여기서 표준상태의 공기밀도는 미리 알고 있는 것으로 가정한다. Although not shown in the drawing, the system using the air density calculation formula includes a temperature sensor for sensing the outside air temperature, a barometric pressure sensor for measuring the air pressure, and an air density calculating unit for calculating the air density. When the air pressure is measured by the air pressure sensor, the air density calculation unit calculates the air density using the following equation (3). Here, it is assumed that the standard air density is known in advance.

Figure pat00006
Figure pat00006

여기서 T는 외기 온도, P는 기압을 나타낸다.Where T is the ambient temperature and P is the atmospheric pressure.

상기와 같이 외기 온도에 대응하는 공기밀도가 산출되면, 최적 모드 게인 계산부(120)에서는 하기와 같은 [수학식 4]를 이용하여, 최적 모드 게인(Kopt)을 계산한다. 여기서 계산되는 최적 모드 게인은 현재의 외기 온도에 따라 실시간으로 새로이 산출된 공기밀도가 반영되어 계산된 이득 값이다.When the air density corresponding to the outside air temperature is calculated as described above, the optimum mode gain calculator 120 calculates the optimum mode gain K opt using Equation (4) below. The optimum mode gain calculated here is a gain calculated by reflecting the newly calculated air density in real time according to the current outdoor air temperature.

Figure pat00007
Figure pat00007

여기서 ρ는 공기밀도(air density), R은 로터의 회전반경, Cpmax는 최대 출력계수, optimal TSR은 출력계수가 최대가 되는 주속비, GR은 증속기의 증속비를 나타낸다. 실제 [수학식 4]는 발명의 배경이 되는 기술을 설명하는 부분에 언급한 [수학식 1]과 같은 수식이다.Where ρ is the air density, R is the radius of rotation of the rotor, Cp max is the maximum output factor, optimal TSR is the ratio of the maximum output factor, and GR is the rate of increase of the gearbox. [Equation 4] is an equation such as Equation 1 referred to in the description of the background art.

상기와 같이 외기 온도에 따라 변화하는 공기밀도를 적용한 경우와 공기밀도를 특정 값으로 일정하게 사용한 경우의 최적 모드 게인을 살펴보면 다음과 같다.As described above, the optimum mode gain when the air density varies depending on the ambient temperature and when the air density is constantly used is as follows.

예를 들어, 로터 반경 - 45m, 최대 출력 계수 - 0.48, 출력계수가 최대가 되는 주속비(optimal TSR) - 9, 증속비(GR) - 1:100, 최대 공기 밀도 - 1.35, 최소 공기 밀도 - 1.12.라고 가정하고, constant 공기밀도를 1.225라고 가정한다.For example, a rotor radius of 45 m, a maximum power factor of 0.48, an optimal TSR of 9 for maximum output factor, a speed ratio of 1: 100, a maximum air density of 1.35, a minimum air density - 1.12. Assume constant air density is 1.225.

이 경우 종래기술에 의한 최적 모드 게인은,In this case, the optimum mode gain according to the prior art is,

Figure pat00008
가 된다. 이러한 종래기술은 공기밀도와 관계없이 항상 최적 모드 게인은 0.4675가 된다.
Figure pat00008
. This prior art always has an optimum mode gain of 0.4675 regardless of the air density.

이와는 달리 본 발명과 같이 외기 온도에 따른 공기 밀도 변화를 적용한 최적 모드 게인은, 최소 공기밀도(1.12)일 경우,On the other hand, when the minimum air density is 1.12, the optimum mode gain using the air density variation according to the ambient temperature as in the present invention,

Figure pat00009
가 되고, 최대 공기밀도(1.35)일 경우,
Figure pat00009
, And when the maximum air density is 1.35,

Figure pat00010
가 된다.
Figure pat00010
.

이와 같이 본 발명은 외기 온도에 따른 공기 밀도의 변화에 따라 최적 모드 게인은 0.4274 ~ 0.5152와 같이 변화하게 된다.As described above, according to the present invention, the optimum mode gain changes as 0.4274 ~ 0.5152 according to the change of the air density according to the ambient temperature.

이와 같이 외기 온도에 따라 변화하는 공기밀도를 고려하여 산출한 최적 모드 게인은 토크 제어부(130)에 전달되며, 토크 제어부(130)는 가변되는 공기밀도가 고려된 최적 모드 게인과 발전기 속도를 연산하여, 최적의 발전기 토크 제어 값을 산출하게 된다. 그리고 이렇게 산출한 발전기 토크 제어 값으로 발전기 전기 제어 장치인 컨버터를 제어하여, 발전 효율을 극대화하게 된다.The optimum mode gain calculated in consideration of the air density varying according to the outside air temperature is transmitted to the torque control unit 130. The torque control unit 130 calculates the optimum mode gain and the generator speed considering the variable air density , The optimum generator torque control value is calculated. Then, the converter, which is a generator electric control device, is controlled by the generator torque control value thus calculated, thereby maximizing the power generation efficiency.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 풍력발전기의 토크 제어 방법을 보인 흐름도로서, S는 단계(step)를 나타낸다.5 is a flowchart showing a torque control method of a wind turbine according to a preferred embodiment of the present invention, wherein S represents a step.

도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 풍력발전기의 토크 제어방법은, (a) 외기 온도를 감지하는 단계(S101); (b) 감지한 외기 온도에 따른 공기밀도를 산출하는 단계(S102); (c) 산출한 공기밀도를 고려하여 최적 모드 게인을 계산하는 단계(S103); (d) 상기 (c)단계에서 산출한 최적 모드 게인과 발전기 속도를 연산하여 발전기 토크 제어 값을 산출하고, 산출한 발전기 토크 제어 값을 컨버터로 출력하여 발전기 토크를 제어하는 단계(S104 ~ S105)를 포함한다.As shown in FIG. 5, the torque control method for a wind turbine according to the present invention includes the steps of: (a) detecting ambient air temperature (S101); (b) calculating an air density according to the sensed outdoor air temperature (S102); (c) calculating an optimum mode gain in consideration of the calculated air density (S103); (d) calculating a generator torque control value by calculating an optimal mode gain and a generator speed calculated in the step (c), and controlling the generator torque by outputting the calculated generator torque control value to a converter (S104 to S105) .

이와 같이 이루어지는 본 발명에 따른 풍력발전기의 토크 제어방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.The torque control method of the wind turbine according to the present invention will be described in detail as follows.

먼저, 단계 S101에서 외기 온도를 감지하고, 단계 S102에서는 상기 감지한 외기 온도에 따른 공기밀도를 산출한다.First, in step S101, the outdoor air temperature is sensed, and in step S102, the air density according to the sensed outdoor air temperature is calculated.

여기서 외기 온도에 따른 공기밀도는 상기와 같이 룩-업 테이블을 이용하거나 [수학식3]과 같은 수식을 이용하여 산출한다.Here, the air density according to the outside air temperature is calculated by using the look-up table or the formula (3) as described above.

다음으로, 단계 S103에서 상기와 같이 외기 온도에 대응하는 공기밀도가 산출되면, 최적 모드 게인 계산부(120)에서는 상기 [수학식 4]를 이용하여, 최적 모드 게인(Kopt)을 계산한다. 여기서 계산되는 최적 모드 게인은 현재의 외기 온도에 따라 실시간으로 새로이 산출된 공기밀도가 반영되어 계산된 이득 값이다.Next, if in step S103, the air density is calculated corresponding to the outside air temperature as described above, in the best mode, the gain calculating unit 120 by using the equation 4, to calculate the best mode gain (K opt). The optimum mode gain calculated here is a gain calculated by reflecting the newly calculated air density in real time according to the current outdoor air temperature.

이후, 단계 S104에서 외기 온도에 따라 변화하는 공기밀도를 고려하여 산출한 최적 모드 게인과 발전기 속도를 연산하여, 최적의 발전기 토크 제어 값을 산출하게 된다. 그리고 단계 S105에서는 이렇게 산출한 발전기 토크 제어 값으로 발전기 전기 제어 장치인 컨버터를 제어하여, 발전 효율을 극대화하게 된다.Then, in step S104, the optimum mode gain calculated in consideration of the air density varying with the outside air temperature and the generator speed are calculated, and the optimum generator torque control value is calculated. In step S105, the converter, which is a generator electric control device, is controlled by the generator torque control value thus calculated, thereby maximizing the power generation efficiency.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
Although the present invention has been described in detail with reference to the above embodiments, it is needless to say that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications may be made without departing from the spirit of the present invention.

본 발명은 외기 온도에 따라 변화하는 공기밀도를 고려하여 최적 모드 게인을 산출하고, 이를 기반으로 토크 제어 값을 산출하여 발전기 토크를 제어하는 풍력발전기 및 토크 제어를 필요로 하는 모든 산업 분야에 이용 가능하다.
The present invention can be applied to a wind turbine generator that calculates the optimum mode gain in consideration of the air density varying with the ambient temperature, calculates the torque control value based on the calculated optimum mode gain and controls the generator torque, and can be used in all industrial fields requiring torque control. Do.

110: 공기밀도 산출부
111: 온도 감지부
112: 공기밀도 저장부
113: 공기밀도 추출부
120: 최적 모드 게인 계산부
130: 토크 제어부110: air density calculation unit
111: Temperature sensing unit
112: air density storage unit
113: air density extraction unit
120: Optimum mode gain calculation unit
130:

Claims (8)

외기 온도에 따라 변화하는 공기 밀도를 산출하는 공기밀도 산출부;
상기 공기밀도 산출부에서 산출한 공기밀도를 기초로 최적 모드 게인을 계산하는 최적 모드 게인 계산부;
상기 최적 모드 게인 계산부에서 계산한 최적 모드 게인과 발전기 속도를 연산하여 발전기 토크 제어 값을 산출하고, 산출한 토크 제어 값으로 발전기 토크를 제어하는 토크 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 토크 제어장치.
An air density calculation unit for calculating an air density varying with the ambient temperature;
An optimum mode gain calculation unit for calculating an optimum mode gain based on the air density calculated by the air density calculation unit;
And a torque control section for calculating a generator torque control value by calculating the optimum mode gain and a generator speed calculated by the optimum mode gain calculation section and controlling the generator torque with the calculated torque control value Control device.
청구항 1에 있어서, 상기 공기밀도 산출부는 외기 온도를 감지하는 온도 감지부; 외기 온도에 대응하는 공기밀도 룩-업 테이블이 저장된 공기밀도 저장부; 상기 온도 감지부에서 감지한 외기 온도에 따라 공기밀도 저장부에 저장된 룩-업 테이블로부터 공기밀도를 추출하는 공기밀도 추출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 토크 제어장치.
The air conditioner of claim 1, wherein the air density calculation unit comprises: a temperature sensing unit for sensing ambient temperature; An air density storage section in which an air density look-up table corresponding to the ambient temperature is stored; And an air density extracting unit for extracting an air density from the look-up table stored in the air density storing unit according to the outside air temperature sensed by the temperature sensing unit.
청구항 2에 있어서, 상기 룩-업 테이블은 외기 온도와 공기밀도가 일대일 대응하게 매핑된 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 토크 제어장치.
The apparatus of claim 2, wherein the look-up table is mapped in a one-to-one correspondence between ambient temperature and air density.
청구항 1에 있어서, 상기 공기밀도 산출부는 아래와 같은 수식을 이용하여 공기밀도를 산출하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 토크 제어장치.
Figure pat00011

여기서 T는 외기 온도, P는 기압을 나타낸다.
The torque control apparatus of a wind power generator according to claim 1, wherein the air density calculation unit calculates an air density using the following equation.
Figure pat00011

Where T is the ambient temperature and P is the atmospheric pressure.
청구항 1에 있어서, 상기 최적 모드 게인 계산부는 아래와 같은 수식을 이용하고, 현재 외기 온도에 따라 새로이 산출된 공기밀도를 아래와 같은 수식에 적용하여 최적 모드 게인(Kopt)을 계산하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 토크 제어장치.
Figure pat00012

여기서 ρ는 공기밀도(air density), R은 로터의 회전반경, Cpmax는 최대 출력계수, optimal TSR은 출력계수가 최대가 되는 주속비, GR은 증속기의 증속비를 나타낸다.
The method of claim 1, wherein the optimum mode gain calculator calculates an optimum mode gain (K opt ) by applying the following equation to the following equation using the following equation and calculating the air density newly calculated according to the current outdoor air temperature: Torque control device of generator.
Figure pat00012

Where ρ is the air density, R is the radius of rotation of the rotor, Cp max is the maximum output factor, optimal TSR is the ratio of the maximum output factor, and GR is the rate of increase of the gearbox.
(a) 외기 온도를 감지하는 단계;
(b) 감지한 외기 온도에 따른 공기밀도를 산출하는 단계;
(c) 산출한 공기밀도를 고려하여 최적 모드 게인을 계산하는 단계;
(d) 상기 (c)단계에서 산출한 최적 모드 게인과 발전기 속도를 연산하여 발전기 토크 제어 값을 산출하고, 산출한 발전기 토크 제어 값을 컨버터로 출력하여 발전기 토크를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 토크 제어방법.
(a) sensing outdoor air temperature;
(b) calculating an air density according to the sensed outdoor air temperature;
(c) calculating an optimum mode gain in consideration of the calculated air density;
(d) calculating a generator torque control value by calculating an optimal mode gain and a generator speed calculated in the step (c), and controlling the generator torque by outputting the calculated generator torque control value to a converter The torque control method of the wind power generator.
청구항 6에 있어서, 상기 (b)단계는 외기 온도와 공기밀도가 일대일 대응하게 매핑된 룩-업 테이블을 이용하여 공기밀도를 산출하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 토크 제어방법.
[7] The method of claim 6, wherein the step (b) calculates the air density using a look-up table in which the outside air temperature and the air density are matched one by one.
청구항 6에 있어서, 상기 (b)단계는 아래와 같은 수식을 이용하여 공기밀도를 산출하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 토크 제어방법.
Figure pat00013

여기서 T는 외기 온도, P는 기압을 나타낸다.
The method according to claim 6, wherein the step (b) calculates the air density using the following formula.
Figure pat00013

Where T is the ambient temperature and P is the atmospheric pressure.
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