KR20170054828A - 풍력발전기 타워의 진동저감 제어시스템 - Google Patents

풍력발전기 타워의 진동저감 제어시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 풍력발전기 타워의 진동을 저감하는 제어시스템에 있어서: 허브(11) 상에 피치구동기(15)를 지니고, 발전기(13) 상에 속도센서(23)를 지니는 너셀(10); 상기 너셀(10) 상에 설치되어 진동에 대응한 신호를 생성하는 가속도센서(21); 및 상기 가속도센서(21)의 신호를 입력하여 설정된 알고리즘으로 피치구동기(15)에 출력을 인가하는 제어기(30);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 풍력발전기의 피치각 조절을 통해 로터 추력에 변화를 주는 방식으로 물리적인 댐퍼를 설치하지 않아도 타워 하중을 감소시킬 수 있어서 결과적으로 경량화 설계를 달성하는 효과가 있다.

Description

풍력발전기 타워의 진동저감 제어시스템{Control system for reducing vibration of wind turbine tower}
본 발명은 풍력발전기의 진동저감에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 풍력발전기의 피치각 조절로 로터 추력을 변동하여 댐핑력으로 진동을 축소하는 풍력발전기 타워의 진동저감 제어시스템에 관한 것이다.
풍력발전기는 풍하중에 의해 발전 중 타워가 고유주파수로 진동을 하는데, 이러한 진동은 타워의 피로하중을 발생시키는 주요 요인이다. 기존에는 풍력발전기 타워의 진동을 저감하기 위해 타워 내부에 트러스 구조물 등의 물리적인 방법이 사용되기도 하였다.
소프트웨어적인 방법으로 하기 한국 등록특허공보 제1413565호(선행문헌 1), 한국 공개특허공보 제2015-0063568호(선행문헌 2) 등을 참조할 수 있다.
선행문헌 1은 검증된 소프트웨어 툴을 사용하여 풍력터빈 동역학 모델식을 세우되, 풍력터빈의 회전기 회전 속도뿐만 아니라 회전날개들에 가해지는 기계적 피로 하중 정도를 판단할 수 있는 회전날개의 루트 부분의 회전기 회전 평면 외 굽힘 모멘트를 계산하여 그 값을 피치제어기에 전달한다. 이에, 개발기간 단축, 비용절감, 성능 시험의 용이성을 도모한다.
선행문헌 2에 의하면 진동 저감을 위한 조치는, 예정된 유지 시간 주기 동안 현재 피치각을 현재값으로 유지하는 단계, 특히 조절 속도가 감소하도록, 사용된 피치-조절 알고리즘을 교체하는 단계, 예정된 아지무스 각도만큼 아지무스 위치를 조절하는 단계, 특성 곡선에 기초한 운전을 전환하는 단계 등을 포함한다. 이에, 간단한 방식으로 길이방향 진동을 저지하는 효과를 기대한다.
선행문헌 1은 풍력발전기의 블레이드 속도를 이용하여 굽힘모멘트를 계산하여 피치를 제어하므로 진동 저감의 모델링을 달성하기 미흡하고, 선행문헌 2는 과도하게 알고리즘 지향적이면서 로터의 길이(축) 방향 진동 감소를 요지로 하여 타워의 진동을 저감하기 한계성을 보인다.
1. "풍력터빈 피치제어기의 성능 평가장치 및 그 방법" (공개일자 : 2014.06.13.) 2. 한국 공개특허공보 제2015-0063568호 "풍력 발전 설비의 운전 방법" (공개일자 : 2014.04.17.)
상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 타워 상부의 진동속도에 비례하도록 추가적인 추력을 발생시키는 방식으로 타워 운동방정식에서 댐핑텀의 크기를 증가시켜 결과적으로 타워 진동을 줄이는 풍력발전기 타워의 진동저감 제어시스템을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 풍력발전기 타워의 진동을 저감하는 제어시스템에 있어서: 허브 상에 피치구동기를 지니고, 발전기 상에 속도센서를 지니는 너셀; 상기 너셀 상에 설치되어 진동에 대응한 신호를 생성하는 가속도센서; 및 상기 가속도센서의 신호를 입력하여 설정된 알고리즘으로 피치구동기에 출력을 인가하는 제어기;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어기는 속도센서의 신호로 기준피치각을 연산하는 제1제어부, 가속도센서의 신호로 보정피치각을 연산하는 제2제어부, 기준피치각과 보정피치각을 합산하여 통합피치각을 생성하는 통합연산부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어기는 가속도 신호의 적분으로 속도 신호를 생성하고, 게인 1을 이용하여 부가추력을 산출하고, 게인 2를 연산하여 보정피치각을 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어기는 부가추력의 산출에 있어서
Figure pat00001
의 연산식 1을 이용하고, 보정피치각의 산출에 있어서
Figure pat00002
의 연산식 2를 이용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어기는 게인 2의 연산 과정에서 상기 연산식 1 및 상기 연산식 2를 이용하여 트라이얼에러 방식으로 값을 선정하는 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 풍력발전기의 피치각 조절을 통해 로터 추력에 변화를 주는 방식으로 물리적인 댐퍼를 설치하지 않아도 타워 하중을 감소시킬 수 있어서 결과적으로 경량화 설계를 달성하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 시스템을 전체적으로 나타내는 구성도
도 2는 본 발명에 따른 시스템의 제어기를 나타내는 블록도
도 3은 본 발명에 따른 시스템의 제어기 작동을 나타내는 플로우차트
도 4는 본 발명에 따른 시스템의 제어기 연산에 참조되는 그래프
도 5는 본 발명에 따른 시스템의 작동예를 나타내는 플로우차트
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 풍력발전기 타워의 진동을 저감하는 제어시스템에 관하여 제안한다. 타워 상부에 탑재되는 너셀(10)의 전방으로 허브(11)가 설치되고 후방으로 발전기(13)가 수용되는 형태의 풍력발전기를 대상으로 하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다.
본 발명에 따르면 너셀(10)이 허브(11) 상에 피치구동기(15)를 지니고, 발전기(13) 상에 속도센서(23)를 지니는 구조이다. 허브(11)에 장착되는 블레이드(12)는 각각 피치구동기(15)를 개재하여 피치각 변동이 가능하다. 통상 풍속이 증가할수록 피치각을 비례적으로 증가시킨다. 속도센서(23)는 발전기(13)에 설치되어 현재 발전 상태의 회전수를 설정된 주기로 실시간 검출한다.
또, 본 발명에 따르면 가속도센서(21)가 상기 너셀(10) 상에 설치되어 진동에 대응한 신호를 생성하는 구조이다. 가속도센서(21)는 너셀(10)에 복수로 설치함이 신뢰성을 확보하는 측면에서 유리하지만 연산에 요하는 시간이 증가되므로 시스템에 따라서 최적의 수량을 선택한다. 가속도센서(21)의 종류로 관성식이나 자이로식보다 실리콘반도체 방식이 선호된다.
또, 본 발명에 따르면 제어기(30)가 상기 가속도센서(21)의 신호를 입력하여 설정된 알고리즘으로 피치구동기(15)에 출력을 인가하는 구조이다. 제어기(30)는 마이크로프로세서, 메모리, 입출력인터페이스를 구비하는 마이컴회로를 기반으로 한다. 제어기(30)의 메모리에 후술하는 제어 알고리즘이 갱신 가능하게 탑재된다. 입출력인터페이스에 가속도센서(21), 속도센서(23), 피치각센서(25), 피치구동기(15) 등이 결합된다.
본 발명에서 가속도센서(21)와 제어기(30)를 연계하는 하드웨어-소프트웨어적 방식으로 타워의 진동을 저감할 수 있으며, 이러한 결과는 타워의 피로하중 감소를 유발하여 경량화 설계를 달성할 수 있도록 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어기(30)는 속도센서(23)의 신호로 기준피치각(β1)을 연산하는 제1제어부(31), 가속도센서(21)의 신호로 보정피치각(Δβ)을 연산하는 제2제어부(32), 기준피치각과 보정피치각을 합산하여 통합피치각(β)을 생성하는 통합연산부(35)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 타워진동 저감을 위한 제어기(30)는 제1제어부(31), 제2제어부(32), 통합연산부(35)로 이루어진다. 제1제어부(31)는 발전기(13)의 회전 상태를 검출하고, 제2제어부(32)는 타워 상부의 진동 상태를 검출하고, 통합연산부(35)는 양자의 값을 이용하여 피치구동기(15)에 인가하는 출력을 결정한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어기(30)는 가속도 신호의 적분으로 속도 신호를 생성하고, 게인 1을 이용하여 부가추력(ΔF)을 산출하고, 게인 2를 연산하여 보정피치각(Δβ)을 산출하는 것을 특징으로 한다. 제어기(30)는 적분식을 포함하여 필터 및 게인의 조합으로 구성되고, 계산 결과로 나온 보정피치각은 실시간 계산되는 기준피치각에 더해져 통합피치각으로 생성되며, 일련의 연산과정을 거쳐 부가추력(ΔF)과 보정피치각(Δβ)을 산출한다. 필터는 원치않는 주파수를 제거하기 위한 것으로서 노치필터(notch filter), 로패스필터(low pass filter) 등을 적용한다.
통상적으로 풍력발전기 타워의 운동방정식은
Figure pat00003
라고 표현되며, 추력(F)에 부가되는 부가추력(ΔF)은 댐핑력으로 간주된다. 도 3에서 게인 1은 가속도센서(21)의 신호로 산출된 속도로부터 필요로 하는 추가적인 추력을 연산하기 위한 것으로서 풍력발전기의 제원에 따라서 사전에 실측되고 저장된다. 물론, 풍력발전기의 주요부 설계변경이 있는 경우 게인 1은 갱신될 수 있다. 게인 2는 후술하는 방식으로 연산에 의하여 산출될 수 있다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어기(30)는 부가추력(ΔF)의 산출에 있어서
Figure pat00004
의 연산식 1을 이용하고, 보정피치각(Δβ)의 산출에 있어서
Figure pat00005
의 연산식 2를 이용하는 것을 특징으로 한다. 도 4는 피치각에 따른 추력의 변화를 예시하는 그래프로서 연산식 1 및 연산식 2를 적용하는 기준으로 삼을 수 있다. 연산식 1은 부가추력(ΔF)이 추력계수변동(ΔCt)과 관계되는 것을 나타내고, 연산식 2는 추력계수변동(ΔCt)이 보정피치각(Δβ)의 함수로 연계되는 것을 나타낸다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어기(30)는 게인 2의 연산 과정에서 상기 연산식 1 및 상기 연산식 2를 이용하여 트라이얼에러 방식으로 값을 선정하는 것을 특징으로 한다. 도 3에서 게인 2는 산출된 추가적인 추력으로부터 타워진동 저감을 위한 보정피치각을 연산하데 활용된다. 게인 1과 게인 2는 공히 트라이얼에러(trial & error) 방식으로 적절한 값을 선정할 수 있다. 전술한 것처럼 추력은 피치각의 함수로 표현할 수 있기 때문에 물리적인 관계식에 의해 게인 2의 대략적인 값을 유추할 수 있다.
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.
10: 너셀 11: 허브
12: 블레이드 13: 발전기
15: 피치구동기 21: 가속도센서
23: 속도센서 25: 피치각센서
30: 제어기 31: 제1제어부
32: 제2제어부 35: 통합연산부

Claims (5)

  1. 풍력발전기 타워의 진동을 저감하는 제어시스템에 있어서:
    허브(11) 상에 피치구동기(15)를 지니고, 발전기(13) 상에 속도센서(23)를 지니는 너셀(10);
    상기 너셀(10) 상에 설치되어 진동에 대응한 신호를 생성하는 가속도센서(21); 및
    상기 가속도센서(21)의 신호를 입력하여 설정된 알고리즘으로 피치구동기(15)에 출력을 인가하는 제어기(30);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 풍력발전기 타워의 진동저감 제어시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어기(30)는 속도센서(23)의 신호로 기준피치각(β1)을 연산하는 제1제어부(31), 가속도센서(21)의 신호로 보정피치각(Δβ)을 연산하는 제2제어부(32), 기준피치각과 보정피치각을 합산하여 통합피치각(β)을 생성하는 통합연산부(35)를 구비하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기 타워의 진동저감 제어시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어기(30)는 가속도 신호의 적분으로 속도 신호를 생성하고, 게인 1을 이용하여 부가추력(ΔF)을 산출하고, 게인 2를 연산하여 보정피치각(Δβ)을 산출하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기 타워의 진동저감 제어시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어기(30)는 부가추력(ΔF)의 산출에 있어서
    Figure pat00006
    의 연산식 1을 이용하고, 보정피치각(Δβ)의 산출에 있어서
    Figure pat00007
    의 연산식 2를 이용하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기 타워의 진동저감 제어시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제어기(30)는 게인 2의 연산 과정에서 상기 연산식 1 및 상기 연산식 2를 이용하여 트라이얼에러 방식으로 값을 선정하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기 타워의 진동저감 제어시스템.
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