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WO2017135657A1 - 풍력터빈의 정격출력 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법 및 그 시스템 - Google Patents

풍력터빈의 정격출력 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법 및 그 시스템 Download PDF

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Publication number
WO2017135657A1
WO2017135657A1 PCT/KR2017/001044 KR2017001044W WO2017135657A1 WO 2017135657 A1 WO2017135657 A1 WO 2017135657A1 KR 2017001044 W KR2017001044 W KR 2017001044W WO 2017135657 A1 WO2017135657 A1 WO 2017135657A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
torque
pitch angle
rotation speed
rated
generator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/KR2017/001044
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
임채욱
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Industry Academic Cooperation Foundation of Hanbat National University
Original Assignee
Industry Academic Cooperation Foundation of Hanbat National University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from KR1020160013943A external-priority patent/KR101716073B1/ko
Priority claimed from KR1020160013944A external-priority patent/KR101716074B1/ko
Application filed by Industry Academic Cooperation Foundation of Hanbat National University filed Critical Industry Academic Cooperation Foundation of Hanbat National University
Publication of WO2017135657A1 publication Critical patent/WO2017135657A1/ko
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D9/00—Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/20—Wind motors characterised by the driven apparatus
    • F03D9/25—Wind motors characterised by the driven apparatus the apparatus being an electrical generator
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/04—Control effected upon non-electric prime mover and dependent upon electric output value of the generator
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the present invention relates to a torque mode switch control method and system for maintaining a rated output of a wind turbine. More specifically, the present invention relates to a torque mode switch control method and system for maintaining a rated torque of a wind turbine, and a torque mode switch control method and system for maintaining a rated output power of a wind turbine.
  • a wind turbine is a machine that converts kinetic energy of wind into mechanical energy through blade rotation and converts mechanical energy into electrical energy using a generator.
  • the output control method of the wind turbine can be conceptually divided into two methods: torque control for controlling the rotational speed of the generator and pitch control for controlling the pitch angle. Torque control is performed in the area under the rated wind speed, and pitch control is performed in the area above the rated wind speed.
  • the torque controller controls the torque size of the generator to obtain the maximum output in the region below the rated wind speed, and the pitch controller adjusts the pitch angle to maintain the rated output in the region above the rated wind speed.
  • Torque controllers in wind turbines have two control logics above rated output. One of them is to maintain the constant torque level of the generator at the rated torque, and the other is to maintain the constant output power of the generator at the rated output power.
  • the torque mode switch control method of a general wind turbine takes into account two types of information: the generator rotation speed and the blade pitch. If the rotation speed of the generator is higher than the rated rotation speed and the pitch angle is larger than the fine pitch angle, it is determined that it is higher than the rated wind speed, and adjust the torque size of the generator to maintain the rated output power using the torque mode switch. .
  • the generator is judged to be below the rated wind speed, and the generator follows the lookup table calculated in advance using the torque mode switch. Adjust the torque
  • the present invention has been made to solve the above conventional problems, according to an embodiment of the present invention, the torque mode switch in the torque control when the wind speed drops sharply from above the rated wind speed to below the rated wind speed in the torque control It is an object of the present invention to provide a torque mode switch control method and system for maintaining a rated torque of a wind turbine capable of preventing a torque chattering problem and stably operating a torque controller.
  • Torque mode switch control method for maintaining the rated output power of the wind turbine that can prevent the torque chatter generated when using the torque mode switch when the wind energy falls sharply from above the rated output to below the rated output through the present invention and its The purpose is to provide a system.
  • the rotational speed measuring unit for measuring the generator rotational speed in real time;
  • a pitch controller for calculating the pitch command angle of the blade in real time;
  • a pitch angle limiter unit for limiting a pitch command angle to determine a pitch angle of an actual blade;
  • a torque mode switch for selecting a mode value based on the rotation speed measured by the rotation speed measurement unit and the pitch angle determined by the pitch controller and the pitch angle limiter;
  • a torque controller controlling the torque of the generator according to the mode value selected by the torque mode switch, wherein the torque mode switch selects the first mode value when it is determined that the rated wind speed is less than the rotation speed and the pitch angle.
  • the rated wind speed is equal to or greater than the rated wind speed
  • selects a second mode value and, in the case of the first mode value, controls the generator torque to a torque value according to a pre-calculated rotation speed, and the second mode.
  • the generator torque is controlled by a rated torque
  • the torque mode switch selects the second mode value when the rotation speed is greater than the rated rotation speed and the pitch angle exceeds the fine pitch angle
  • the second mode value is selected when the rotational speed is equal to or greater than the rated rotational speed and the pitch angle is equal to or less than the fine pitch angle;
  • the torque value according to the previously calculated rotation speed may be calculated by the following equation (1) and (2).
  • ⁇ g is the generator rotation speed
  • T g (t) is the generator torque controlled at the first mode value
  • K opt is the optimum mode gain
  • C P max is the maximum output coefficient
  • ⁇ opt is the optimum speed ratio
  • R is the blade length
  • ⁇ is the air density
  • N gb is the gear ratio.
  • the pitch angle is maintained as a fine pitch angle, and the pitch controller is based on the error between the rotation speed and the rated rotation speed when the rotation speed exceeds the rated rotation speed.
  • the angle may be calculated, and the pitch angle limiter may determine the pitch angle of the actual blade by limiting the pitch command angle between a predetermined minimum pitch angle and a maximum pitch angle.
  • a second object of the present invention the step of setting the rated rotation speed, fine pitch angle, rated torque size;
  • a rotation speed measurement unit measuring the generator rotation speed in real time, the pitch controller calculating the pitch command angle of the blade in real time, and the pitch angle limiting unit determining the actual pitch angle of the blade by limiting the pitch command angle;
  • Selecting a mode value by the torque mode switch based on the rotation speed measured by the rotation speed measuring unit and the pitch angle determined by the pitch controller and the pitch angle limiting unit;
  • a torque controller controlling the torque of the generator according to the mode value selected by the torque mode switch.
  • the torque mode switch has a rated wind speed based on the rotational speed and the pitch angle.
  • the torque controller in the case of the first mode value, according to the calculated rotation speed
  • the torque speed is equal to or greater than the rated rotation speed. If the pitch angle exceeds the fine pitch angle, the second mode value is selected, the rotation speed is greater than the rated rotation speed, and the pitch angle is fine pitch.
  • the second mode value is selected in the following case, and when the rotation speed is less than the rated rotation speed and the pitch angle exceeds the fine pitch angle, the previously selected mode value is selected as it is, and the rotation speed is less than the rated rotation speed.
  • the pitch angle is less than the fine pitch angle can be achieved as a torque mode switch control method for maintaining the rated output of the wind turbine, characterized in that for selecting the first mode value.
  • the torque value according to the previously calculated rotation speed may be calculated by the following equation (1) and (2).
  • Equation 1 ⁇ g is the generator rotational speed, T g (t) is the generator torque controlled at the first mode value, K opt is the optimum mode gain, Equation 2, C P, max is the maximum output coefficient, ⁇ opt is the optimum speed ratio, R is the blade length, ⁇ is the air density and N gb is the gear ratio.
  • the pitch angle is maintained as a fine pitch angle, and the pitch controller is based on the error between the rotation speed and the rated rotation speed when the rotation speed exceeds the rated rotation speed.
  • the angle may be calculated, and the pitch angle limiter may determine the pitch angle of the actual blade by limiting the pitch command angle between a predetermined minimum pitch angle and a maximum pitch angle.
  • a third object of the present invention is a rotational speed measuring unit for measuring the rotational speed of the generator in real time;
  • a pitch controller for calculating the pitch command angle of the blade in real time;
  • a pitch angle limiter unit for limiting a pitch command angle to determine a pitch angle of an actual blade; Based on the rotation speed measured by the rotation speed measurement unit and the pitch angle determined by the pitch controller and the pitch angle limiter unit, if it is determined that the wind energy is less than the rated output power, the first mode value is selected.
  • a torque mode switch for selecting two mode values; And when the mode value selected by the torque mode switch is the first mode value, controls the generator torque size to a torque value according to a pre-calculated rotational speed, and in the case of the second mode value, maintains a constant output power rating.
  • Including a torque controller for controlling the generator torque to the generator torque size, the generator torque size to control the generator when the second mode value is selected is defined by the following equation (4), the torque mode switch, Selecting the second mode value when the rotational speed is equal to or greater than the rated rotational speed and the pitch angle exceeds the fine pitch angle; and when the rotational speed is equal to or greater than the rated rotational speed and the pitch angle is less than or equal to the fine pitch angle Select a mode value, and if the rotation speed is less than the rated rotation speed and the pitch angle exceeds the fine pitch angle, the previously selected mode value is selected as it is. And, when the rotation speed is less than the rated rotation speed and the pitch angle is less than or equal to the fine pitch angle, the first mode value is selected.
  • the torque mode switch control system for maintaining the rated output of the wind turbine can be achieved. .
  • Equation 4 P grat is the rated output power, ⁇ g is the generator rotation speed.
  • the torque value according to the previously calculated rotation speed may be calculated by the following equation (1) and (2).
  • Equation 1 ⁇ g is the generator rotation speed, T g (t) is the generator torque controlled at the first mode value, K opt is the optimum mode gain, Equation 2 C P, max is the maximum output coefficient, ⁇ opt Is the optimum speed ratio, R is the blade length, ⁇ is the air density, and N gb is the gear ratio.
  • the pitch controller is the pitch command based on the error of the rotational speed and the rated rotational speed when the rotational speed exceeds the rated rotational speed
  • the angle may be calculated, and the pitch angle limiter may determine the pitch angle of the actual blade by limiting the pitch command angle between a predetermined minimum pitch angle and a maximum pitch angle.
  • a fourth object of the present invention the step of setting the rated output power, the rated rotational speed, the fine pitch angle;
  • a rotation speed measurement unit measuring the generator rotation speed in real time, the pitch controller calculating the pitch command angle of the blade in real time, and the pitch angle limiting unit determining the actual pitch angle of the blade by limiting the pitch command angle;
  • Selecting a mode value by the torque mode switch based on the rotation speed measured by the rotation speed measuring unit and the pitch angle determined by the pitch controller and the pitch angle limiting unit; And controlling, by the torque controller, the torque of the generator according to the mode value selected by the torque mode switch.
  • the torque mode switch has wind energy based on the rotational speed and the pitch angle.
  • the torque controller determines whether the rated output is less than the first mode value is selected, if it is determined that the rated output is greater than the second mode value, and in the controlling step, the torque controller, in the case of the first mode value, The generator torque size is controlled by the torque value according to the rotation speed, and in the case of the second mode value, the generator torque is controlled by the generator torque size which is kept constant at the rated output power, and when the second mode value is selected.
  • the generator torque size to control the generator is defined by Equation 4 below, and in the selecting step, the torque mode switch, the rotation speed is The second mode value is selected when the rated rotation speed is greater than and the pitch angle exceeds the fine pitch angle, and when the rotation speed is greater than the rated rotation speed and the pitch angle is equal to or less than the fine pitch angle, the second mode value is selected. And if the rotational speed is less than the rated rotational speed and the pitch angle exceeds the fine pitch angle, the previously selected mode value is selected as it is, the rotational speed is less than the rated rotational speed, and the pitch angle is the fine pitch.
  • the angle is less than the first mode value can be achieved as a torque mode switch control method for maintaining the rated output of the wind turbine.
  • Equation 4 P grat is the rated output power, ⁇ g is the generator rotation speed.
  • the torque value according to the pre-calculated rotational speed may be calculated by Equation 1 and Equation 2 below.
  • Equation 1 ⁇ g is the generator rotation speed, T g (t) is the generator torque controlled at the first mode value, K opt is the optimum mode gain and in Equation 2, C P, max is the maximum output coefficient, ⁇ opt Is the optimum speed ratio, R is the blade length, ⁇ is the air density, and N gb is the gear ratio.
  • the pitch angle is maintained as a fine pitch angle, and the pitch controller is based on the error between the rotation speed and the rated rotation speed when the rotation speed exceeds the rated rotation speed.
  • the angle may be calculated, and the pitch angle limiter may determine the pitch angle of the actual blade by limiting the pitch command angle between a predetermined minimum pitch angle and a maximum pitch angle.
  • the torque mode switch control method for maintaining the rated torque of the wind turbine according to an embodiment of the present invention, when the wind speed drops rapidly from above the rated wind speed to below the rated wind speed in the torque control of the wind turbine caused by the torque mode switch Torque chattering problem can be prevented, and the torque controller can be operated stably.
  • the torque mode switch control method for maintaining the rated torque of the wind turbine considering both information of the generator rotation speed and blade pitch angle, the wind speed is rated output above the rated output In the case of abrupt changes below, the value of the torque mode switch is used as the "previous value", thereby preventing torque chattering.
  • the torque mode switch control method for maintaining the rated output power of the wind turbine when the wind energy fluctuates near the rated output of the wind turbine, the rated output of the generator is maintained above the rated output And below the rated output, it has the effect that the torque controller can be operated stably so that torque chatter occurs when the torque mode switch is used to produce the maximum output.
  • the torque mode switch control method for maintaining the rated output power of the wind turbine considering both information of the generator rotation speed and the blade pitch angle, the wind energy is above the rated output In case of abrupt change below the rated output, the value of torque mode switch is used as the “previous value”.
  • the present invention has an effect that can prevent the torque chatter generated when using the torque mode switch when the wind energy falls sharply below the rated output from above the rated output.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a torque mode switch control system for maintaining the rated output of a wind turbine according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a flowchart of a torque mode switch control method for maintaining a rated torque of a wind turbine according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a flowchart of a torque mode switch control method for maintaining a rated output power of a wind turbine according to an embodiment of the present invention
  • Figure 4 is a torque mode switch control method for maintaining the rated torque of the wind turbine according to an embodiment of the present invention, the generator torque graph for the generator rotational speed,
  • Figure 5 is a torque mode switch control method for maintaining the rated output power of the wind turbine according to an embodiment of the present invention, the generator torque graph for the generator rotational speed,
  • FIG. 6 is a block diagram of a pitch controller according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a block diagram showing a torque mode switch control method for maintaining a rated torque of a wind turbine according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 8 is a block diagram of a torque mode switch of a torque mode switch control system for maintaining a rated torque of a wind turbine according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 11 is a torque chattering analysis graph according to a first embodiment of a torque mode switch control method for maintaining a rated torque of a wind turbine according to the present invention
  • FIG. 12 is a pitch angle response graph according to a first embodiment of a torque mode switch control method for maintaining rated torque of a wind turbine according to the present invention
  • FIG. 13 is a step response graph according to the second embodiment of the torque mode switch control method for maintaining the rated torque of the present invention wind turbine
  • FIG. 14 is a torque chattering analysis graph according to a second embodiment of a torque mode switch control method for maintaining rated torque of a wind turbine according to the present invention
  • 15 is a graph illustrating a step response comparison between a first embodiment and a second embodiment of a torque mode switch control method for maintaining rated torque of a wind turbine according to the present invention
  • 16 is a block diagram of a torque mode switch according to a second embodiment of the torque mode switch control method for maintaining a rated torque of a wind turbine of the present invention
  • 17 is a graph of the turbulent wind speed according to the time of the torque mode switch control method for maintaining the rated torque of the present invention wind turbine,
  • FIG. 18 is a graph showing that the rated wind speed is lower than that in FIG. 17;
  • 19 is a graph showing the results of numerical tests of turbulent wind velocity (1) according to the first embodiment of the torque mode switch control method for maintaining the rated torque of the present invention wind turbine;
  • FIG. 21 is a graph of a numerical experiment result (3) of a turbulent wind velocity according to a first embodiment of a torque mode switch control method for maintaining a rated torque of a wind turbine according to the present invention
  • FIG. 22 is a graph showing the results of a numerical wind speed experiment (1) according to the second embodiment of the torque mode switch control method for maintaining the rated torque of the present invention wind turbine,
  • FIG. 23 is a graph showing the results of numerical tests of turbulent wind speed (2) according to the second embodiment of the torque mode switch control method for maintaining the rated torque of the present invention wind turbine;
  • FIG. 24 is a graph showing the numerical results of the turbulent wind speed experiment (3) according to the second embodiment of the torque mode switch control method for maintaining the rated torque of the present invention wind turbine.
  • 25 is a block diagram showing a torque mode switch control method for maintaining a rated output power of a wind turbine according to a first embodiment of the present invention
  • 26 is a block diagram of a torque mode switch of a torque mode switch control system for maintaining rated output power of a wind turbine according to a first embodiment of the present invention
  • 27 is a wind speed graph with respect to time showing the stair wind speed
  • 29 is a torque chattering analysis graph according to a first embodiment of a torque mode switch control method for maintaining a rated output power of a wind turbine according to the present invention
  • FIG. 34 is a block diagram of a torque mode switch according to a second embodiment of the torque mode switch control method for maintaining the rated output power of the wind turbine of the present invention
  • 35 is a graph of turbulent wind speed according to the time of the torque mode switch control method for maintaining the rated output power of the present invention wind turbine
  • FIG. 36 is a graph showing that the rated wind speed is lower than that in FIG. 35;
  • FIG. 40 is a graph showing the results of numerical tests of turbulent wind speed (1) according to the second embodiment of the torque mode switch control method for maintaining the rated output power of the wind turbine according to the present invention
  • 41 is a graph showing the results of numerical tests of turbulent wind speed (2) according to the second embodiment of the torque mode switch control method for maintaining the rated output power of the wind turbine according to the present invention
  • FIG. 42 is a graph illustrating the numerical results of the turbulent wind speed experiment (3) according to the second embodiment of the torque mode switch control method for maintaining the rated output power of the wind turbine according to the present invention.
  • Torque mode switch control system and control method for maintaining the rated output of the wind turbine According to an embodiment of the present invention, Torque mode switch control system and control method for maintaining the rated output according to an embodiment of the present invention, torque mode switch control system and control method for maintaining the rated torque, and torque mode switch control system for maintaining the rated output power and It is classified as a control method.
  • Figure 1 shows a block diagram showing the configuration of a torque mode switch control system for maintaining the rated output of a wind turbine according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is according to an embodiment of the present invention
  • a flowchart of a torque mode switch control method for maintaining a rated torque of a wind turbine is shown.
  • 3 is a flowchart illustrating a torque mode switch control method for maintaining a rated output power of a wind turbine according to an embodiment of the present invention.
  • the torque mode switch control system for maintaining the rated output of the wind turbine according to an embodiment of the present invention, the rotation speed measuring unit 10, pitch angle limiting unit 20, torque mode It can be seen that it can be configured to include a switch 30, torque controller 40, pitch controller 50, and the like.
  • FIG. 4 is a torque mode switch control method for maintaining a rated torque of a wind turbine according to an embodiment of the present invention.
  • Torque controller 40 of the wind turbine can be divided into two cases when the rated output or more. As shown in FIG. 4, the "torque mode 1" is divided into a case of less than the rated output and the “torque mode 2" of more than the rated output. As will be explained later, when the first mode value is selected by the torque mode switch 30, the torque controller 40 moves the generator torque to the torque mode 1 when the second mode value is selected. Control.
  • SpeedSet1 is the generator rotational speed at which the control of the generator torque magnitude is started.
  • SpeedSet2 is generally the generator rotational speed when the generator starts to maintain the rated torque size or rated output power. The rated rotation speed of the generator.
  • Torque controller 40 in the rated power under optimal state sokbi ( ⁇ opt) torque in order to obtain, depending on the velocity magnitude - by using Equation 1 below represents the steady-state relationship between the characteristics of the speed torque (T g of the generator ) Is controlled in proportion to the square of the generator's rotational speed ( ⁇ g ).
  • the torque controller 40 below the rated power generates the generator torque using a calculated lookup table as indicated in the "torque mode 1" shown in FIG.
  • K opt is an optimal mode gain and is a coefficient value representing the secondary characteristic between the torque of the generator and the rotational speed of the generator, and is defined as in Equation 2 below.
  • C P max is the maximum power factor
  • ⁇ opt is the optimum peripheral speed ratio
  • R is the blade length
  • ⁇ is the air density
  • N gb is the gear ratio
  • the torque controller 40 of the wind turbine has two control logic when the rated output or more. One is to maintain the constant torque size of the generator at the rated torque, and the other is to maintain the constant output power of the generator at the rated output power.
  • One embodiment for maintaining the rated torque of the present invention uses a control method for maintaining a constant torque size of the generator as indicated by the "torque mode 2" in FIG.
  • the formula for maintaining the constant torque size of the generator at the rated torque size is as shown in Equation 3 below.
  • Figure 5 is a torque mode switch control method for maintaining the rated output power of the wind turbine according to an embodiment of the present invention, shows a generator torque graph for the generator rotational speed.
  • Equation 4 the power output of the generator is inversely related to the rotational speed of the generator.
  • the torque mode switch control method for maintaining the rated torque of the wind turbine first to set the rated rotation speed, fine pitch angle, rated torque size (S1).
  • the rotational speed measuring unit 10 measures the generator rotational speed in real time
  • the pitch controller 50 calculates the pitch command angle of the blade in real time
  • the pitch angle limiting unit 20 limits the pitch command angle To determine the pitch angle of the actual blade
  • the torque mode switch 30 selects a mode value based on the rotation speed measured by the rotation speed measurement unit 10 and the pitch angle determined by the pitch controller 50 and the pitch angle limiter unit 20. (S3).
  • the torque controller 40 controls the torque of the generator according to the mode value selected by the torque mode switch 30 (S4).
  • the torque mode switch 30 selects the first mode value when it is determined to be less than the rated wind speed based on the rotational speed and the pitch angle, and selects the second mode value when it is determined to be greater than the rated wind speed.
  • the torque controller 40 controls the generator torque with the torque value according to the calculated rotation speed in the case of the first mode value, and the generator torque with the rated torque in the case of the second mode value. Will be controlled.
  • control system may further include a pitch controller 50.
  • the torque mode switch 30 of the wind turbine not only considers the rotational speed of the generator but also the pitch angle of the blade.
  • the pitch angle of the blade is maintained at the optimum constant pitch, the fine pitch angle, to produce the maximum output power.
  • the fine pitch angle is "0 degree".
  • the fine pitch angle is set to 0 degrees. Even if the average wind speed is above the rated speed, the actual wind speed is turbulent wind speed, so the rotational speed of the generator changes around the rated speed, so it may be smaller than the rated speed. Even in this situation, if the rotation speed is smaller than the rated speed and the pitch angle is larger than the fine pitch in order to improve the output power, the rated torque size is continuously maintained using the torque mode switch 30. This allows more power ratings to be maintained.
  • the pitch controller 50 operates above the rated wind speed.
  • the pitch controller 50 of the wind turbine generally uses a PI controller in the form of a speed control loop and pitch gain-scheduling, and the pitch controller 50 feeds back the rotational speed of the generator to generate a generator rated rotational speed (SpeedSet2) as a reference input. It is a method to control the pitch angle of the blade above the rated wind speed through the PI controller.
  • the concept of pitch gain-scheduling increases the natural frequency of the pitch controller 50 by increasing the absolute value of the nonlinear parameter of the aerodynamic torque with respect to the pitch angle as the wind speed increases, so that the wind speed is not used but fixed PI gain value. It is a method to reduce PI gain value by using gain factor to use small PI gain value as it increases.
  • FIG. 6 shows a block diagram of a pitch controller 50 according to an embodiment of the present invention.
  • the system configuration of the pitch controller 50 in the actual all wind speed section is represented by a block diagram as shown in FIG.
  • the pitch controller 50 feeds back the generator rotational speed ( ⁇ g ) and an error with the generator rated rotational speed ( ⁇ ref ) as a reference input ( Adjust the pitch command angle ⁇ c to minimize.
  • the pitch angle ⁇ is limited between the minimum and maximum values of the pitch angle through the pitch angle limiter 20 as shown in Equation 5 below.
  • ⁇ min is the minimum value of the pitch angle, and generally uses a fine pitch angle ( ⁇ fine ) value.
  • the fine pitch angle ( ⁇ fine ) is "0 degrees”. It is limited to fine pitch angle ( ⁇ fine ) to produce maximum output power below rated wind speed.
  • the maximum value of the pitch angle ⁇ max is the maximum value of the pitch angle and can be arbitrarily set according to the wind turbine.
  • the torque mode switch control method for maintaining the rated output power of the wind turbine according to an embodiment of the present invention as a whole first, the rated output power, the rated rotational speed, the fine pitch angle It will be set (S10).
  • the rotational speed measuring unit 10 measures the generator rotational speed in real time
  • the pitch controller 50 calculates the pitch command angle of the blade in real time
  • the pitch angle limiting unit 20 limits the pitch command angle To determine the pitch angle of the actual blade (S20).
  • the torque mode switch 30 selects a mode value based on the rotation speed measured by the rotation speed measurement unit 10 and the pitch angle determined by the pitch controller 50 and the pitch angle limiter unit 20. (S30).
  • the torque controller 40 is to control the torque of the generator according to the mode value selected by the torque mode switch 30 (S40).
  • the torque mode switch 30 selects the first mode value when it is determined that the wind energy is less than the rated output based on the rotational speed and the pitch angle, and selects the second mode value when it is determined that the wind energy is more than the rated output.
  • the torque controller 40 controls the generator torque with the torque value according to the calculated rotation speed in the case of the first mode value, and maintains the rated output power in the case of the second mode value.
  • the generator torque is controlled.
  • the torque mode switch control system for maintaining the rated output power may further include a pitch controller (50).
  • the torque mode switch 30 of the wind turbine not only considers the rotational speed of the generator but also the pitch angle of the blade.
  • the pitch angle of the blade is maintained at the optimum constant pitch, the fine pitch angle, to produce the maximum output power.
  • the fine pitch angle is "0 degree".
  • the fine pitch angle is set to 0 degrees. Even if the average wind speed is above the rated speed, the actual wind speed is turbulent wind speed, so the rotational speed of the generator changes around the rated speed, so it may be smaller than the rated speed. In this situation, in order to improve the output power, if the rotation speed is smaller than the rated speed and the pitch angle is larger than the fine pitch, the rated output power is continuously maintained using the torque mode switch 30. This allows more power ratings to be maintained.
  • the pitch controller 50 operates when the wind energy is higher than the rated output.
  • the pitch controller 50 of the wind turbine generally uses a PI controller in the form of a speed control loop and pitch gain-scheduling, and the pitch controller 50 feeds back the rotational speed of the generator to generate a generator rated rotational speed (SpeedSet2) as a reference input. It is a method to control the pitch angle of the blade above the rated wind speed through the PI controller.
  • the concept of pitch gain-scheduling increases the natural frequency of the pitch controller 50 by increasing the absolute value of the nonlinear parameter of the aerodynamic torque with respect to the pitch angle as the wind speed increases, so that the wind speed is not used but fixed PI gain value. It is a method to reduce PI gain value by using gain factor to use small PI gain value as it increases.
  • the system configuration of the pitch controller 50 in the actual all wind speed section is represented by a block diagram as shown in FIG. As shown in FIG. 6, Is the error between the generator rotational speed ( ⁇ g ) and the rated generator rotational speed ( ⁇ ref ) as the reference input.
  • the pitch controller 50 feeds back the generator rotational speed ( ⁇ g ) and an error with the generator rated rotational speed ( ⁇ ref ) as a reference input ( Adjust the pitch command angle ⁇ c to minimize.
  • the pitch angle ⁇ is limited between the minimum value and the maximum value of the pitch angle through the pitch angle limiter as shown in Equation 5 below.
  • ⁇ min is the minimum value of the pitch angle, and generally uses a fine pitch angle ( ⁇ fine ) value.
  • the fine pitch angle ( ⁇ fine ) is "0 degrees”. Wind energy is limited to fine pitch angle ( ⁇ fine ) to produce maximum output power below rated power.
  • the maximum value of the pitch angle ⁇ max is the maximum value of the pitch angle and can be arbitrarily set according to the wind turbine.
  • the torque mode switch control method for maintaining the rated torque according to the first embodiment of the present invention can be divided into four cases according to the rotational speed and the pitch angle of the generator. Four cases are as follows.
  • ⁇ g is the generator rotation speed
  • ⁇ grat is the generator rated rotation speed
  • ⁇ is the pitch angle of the blade
  • ⁇ fine is the fine pitch angle of the pitch angle
  • T g is the torque size of the generator
  • T grat is the rated torque size of the generator to be.
  • the torque of the generator uses a rated torque size.
  • the mode value of the torque mode switch 30 is “0”, a lookup table calculated in advance is used.
  • FIG. 7 is a block diagram showing a torque mode switch 30 and its control method for maintaining the rated torque of the wind turbine according to the first embodiment of the present invention.
  • 8 shows a block diagram of the torque mode switch 30 for maintaining the rated torque of the wind turbine according to the first embodiment of the present invention.
  • the value of the torque mode switch 30 is set to "1" so as to use the rated torque size of the generator.
  • the value of the torque mode switch 30 is set to "0" so as to generate a generator torque using a lookup table calculated in advance using the optimum mode gain.
  • This implementation means that if the generator rotational speed is greater than the rated rotational speed and the pitch angle is greater than the fine pitch angle, it is determined to be the rated wind speed or more, and the generator torque of the rated torque size is determined through the torque mode switch 30.
  • Generate The implementation of the "OR" statement is shown in Figure 8.
  • the torque mode switch control method for maintaining the rated torque of the wind turbine according to the first embodiment described above has a problem that torque chatter occurs in the torque size of the generator when the rated wind speed falls below the rated wind speed. have.
  • FIG. 9 shows a wind speed graph with respect to time indicating a step wind speed.
  • the rated wind speed of a 2MW wind turbine is about 12m / s (11.7m / s) and the generator's rated rotation speed is 1,500rpm.
  • a stair wind speed varying from 13 m / s to 11 m / s was used for the analysis of the case of rapidly falling below the rated wind speed above the rated wind speed of the wind turbine.
  • the results of the experiment are as shown in FIGS. 10 and 12.
  • V is the wind speed.
  • FIG. 10 shows the full range of blade pitch angles.
  • P g is the output power of the generator
  • T g is the torque magnitude of the generator
  • ⁇ g is the rotational speed of the generator
  • ⁇ is the pitch angle of the blade. 12 shows the full range of blade pitch angles.
  • the wind speed is 13m / s or more during the 0 to 5 seconds, so the rotational speed of the generator is 1,500rpm. At this time, to maintain the rated output, the aerodynamic torque generated from the blade should be reduced.
  • the aerodynamic torque decreases. If the wind speed is 13m / s, the steady state value of the pitch angle is maintained at about "6.5 degree” as shown in FIG. . At this time, the torque mode switch 30 corresponds to “case 1” and the torque size of the generator generates a rated torque size.
  • the torque mode switch 30 corresponds to “case 4” and the torque size of the generator adjusts the torque size of the generator according to the rotation speed of the generator.
  • the rotational speed of the generator changes, which causes transient response due to the dynamic characteristics of the wind turbine.
  • the generator's rotation speed is always below the rated rotation speed, so it does not matter whether the torque chatter occurs.
  • the blade pitch angle also causes transient response due to the dynamic characteristics of the pitch controller 50.
  • the pitch angle does not stop immediately at 6.27 seconds, which is a fine pitch angle of “0 degrees”, but several times around “0 degrees” after 6.27 seconds. After oscillation, it stays at "0 degree”. When oscillating around “0 degrees”, the pitch angle does not become smaller than the minimum value of the fine pitch angle “0 degrees” due to the pitch angle limiter, but it is slightly larger than “0 degrees” to affect the torque chatter. Get mad.
  • FIG. 10 shows that torque chattering occurs for about 1.5 seconds from the time when the wind speed suddenly changes from 13 m / s to 11 m / s and drops to the pitch angle “0 degree”. At this time, it can be seen that the pitch angle is maintained at "0 degree” after a very small vibration occurs several times between "0 ⁇ 0.02 degree” for about 1.5 seconds.
  • the control method of the torque mode switch 30 for maintaining the rated torque according to the second embodiment of the present invention described below is to solve the torque chattering problem shown in the first embodiment.
  • both information about the rotational speed of the generator and the pitch of the blade are considered.
  • the pitch angle is “0 degree”, which is a fine pitch angle due to the torque chatter caused by the dynamic characteristics of the pitch controller 50. There is a very small vibration that fluctuates around.
  • the control method of the torque mode switch 30 for maintaining the rated torque according to the second embodiment of the present invention proposed to solve the torque chattering problem is as follows. There are four cases depending on the speed and pitch angle of the generator.
  • Torque mode switch mode value (k) Torque mode switch mode value (k-1)
  • k is the current state and k-1 means the previous state.
  • the transient response for 5 ⁇ 6.27 seconds after the wind speed is changed to 11m / s shows that the generator's rotational speed is smaller than the rated rotational speed but the pitch angle is larger than the fine pitch angle. Since this corresponds to "case 3", the value of the torque mode switch 30 should be determined between "1" and "0".
  • the pitch angle drops to “0 degrees,” the fine pitch angle.
  • the rotation speed of the generator is smaller than the rated rotation speed and the pitch angle is the fine pitch angle, it corresponds to “case 4” and the value of the torque mode switch 30 changes to “0”.
  • the pitch angle becomes larger than the fine pitch angle because of the dynamic characteristics of the pitch controller 50.
  • the value of the torque mode switch 30 should be determined from “1" and "0". In this case, since the "previous value” of the torque mode switch 30 is "0", it is determined as “0” and is maintained as “0” without changing to "1". At this time, the torque magnitude of the generator does not change rapidly to the rated torque magnitude, thereby preventing torque chattering.
  • the method of controlling the torque mode switch 30 for maintaining the rated torque according to the second embodiment of the present invention is implemented in Matlab / Simulink as shown in FIG. 16. This is one of several implementations and is implemented using logic circuit “AND” and integer delay z ⁇ 1 . Where z -1 means "old value”.
  • the torque mode switch 30 if the rotation speed of the generator is equal to or higher than the rated speed, the torque mode switch 30 is determined to be equal to or greater than the rated output. If the rotational speed of the generator is smaller than the rated speed and the pitch angle is a fine pitch angle, the value of the torque mode switch 30 is determined to be "0" or less. In addition, if the rotational speed of the generator is smaller than the rated speed and the pitch angle is larger than the fine pitch angle, the value of the torque mode switch 30 becomes the "previous value" using the integer delay function.
  • the turbulent wind velocity as shown in FIG. 17 was used to identify a problem of torque chattering caused when the wind speed drops rapidly above the rated wind velocity to below the rated wind velocity.
  • the turbulent wind velocity used was generated according to IEC-61400-1. The average wind velocity for 10 minutes was 16 m / s and the turbulence intensity was 17.6%.
  • the actual turbulent wind speed is very large and the turbulence intensity is so large that the case of falling below the rated wind speed more than the rated wind speed (about 12 m / s) occurs several times, so the correct operation of the torque mode switch 30 is important. .
  • the average output power is 1.97 MW
  • the control method of the torque mode switch 30 for maintaining the rated torque according to the second embodiment is also equal to 1.97MW. Therefore, if the control method of the torque mode switch 30 according to the second embodiment is used in the actual turbulent wind speed, the same output power can be obtained while preventing the occurrence of torque chatter, which is a problem of the torque mode switch control method according to the first embodiment. It can be seen that there is an advantage.
  • the torque mode switch control method for maintaining the rated torque according to the second embodiment of the present invention, as mentioned above, the problem of torque chatter caused when the wind turbine falls sharply below the rated wind speed above the rated wind speed It is possible to completely solve the problem, and also to control the torque level of the generator stably.
  • Torque mode switch control method for maintaining the rated output power of the wind turbine according to the first embodiment of the present invention can be divided into four cases according to the rotational speed and pitch angle of the generator. Four cases are as follows.
  • Torque mode switch mode value '1' ( )
  • Torque mode switch mode value '1' ( )
  • Torque mode switch mode value '1' ( )
  • ⁇ g is generator rotation speed
  • ⁇ grat is generator rated rotation speed
  • ⁇ is pitch angle of blade
  • ⁇ fine is fine pitch angle of pitch angle
  • T g is torque size of generator
  • P grat is rated output power of generator to be.
  • the torque size of the generator is produced by maintaining the rated output power of the generator.
  • the mode value of the torque mode switch 30 is “0”, a lookup table calculated in advance is used.
  • FIG. 25 is a block diagram illustrating a torque mode switch and a control method for maintaining a rated output power of a wind turbine according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 26 shows a block diagram of the torque mode switch 30 for maintaining the rated output power of the wind turbine according to the first embodiment of the present invention.
  • the value of the torque mode switch 30 is set to "1" to maintain the rated output power of the generator.
  • the value of the torque mode switch 30 is set to "0" to generate a generator torque using a lookup table calculated in advance using the optimum mode gain.
  • This implementation means that if the rotation speed of the generator is greater than the rated rotation speed and the pitch angle is greater than the fine pitch angle, it is determined that the wind energy is greater than the rated output, and the torque mode switch 30 Generate generator torque
  • the implementation of the “OR” statement is shown in FIG. 26.
  • torque chattering occurs in the torque size of the generator when the wind energy falls below the rated output when the wind energy is above the rated output. I have a problem.
  • FIG. 27 shows a wind speed graph with respect to time indicating a step wind speed.
  • the wind energy of the 2MW wind turbine is rated at about 12m / s (11.7m / s) and the rated rotation speed of the generator is 1,500rpm.
  • a stair wind speed varying from 13 m / s to 11 m / s was used for the analysis of the case where the wind energy of the wind turbine suddenly falls below the rated output from the rated output.
  • the results of the experiment are as shown in FIGS. 28 and 30.
  • V is the wind speed.
  • the wind energy describes the steady state above the rated power
  • the wind speed is 13m / s or more during 0 ⁇ 5 seconds, so the rotation speed of the generator is 1,500rpm.
  • the aerodynamic torque generated from the blade should be reduced.
  • the torque mode switch 30 corresponds to “case 1” and generates a torque size of the generator by maintaining the rated output power.
  • the wind speed is 11m / s for 7.51 ⁇ 15 seconds and the wind energy is below the rated power, so the rotation speed of the generator is 1,494rpm less than the rated speed. Since the wind energy falls below the rated power, the pitch angle is maintained after falling to the fine pitch angle of “0 degrees” to obtain more aerodynamic torque.
  • the torque mode switch 30 corresponds to “case 4” and the torque size of the generator adjusts the torque size of the generator according to the rotation speed of the generator.
  • the rotational speed of the generator will change. Therefore, transient response occurs due to the dynamic characteristics of the wind turbine. However, if the wind energy is below the rated power, the generator's rotational speed is always below the rated rotational speed.
  • the blade pitch angle also causes transient response due to the dynamic characteristics of the pitch controller 50.
  • the pitch angle does not stop immediately at 6.2 seconds, which is a fine pitch angle of "0 degrees”, but several times around "0 degrees” after 6.2 seconds. After oscillation, it stays at "0 degree”. When oscillating around “0 degrees”, the pitch angle does not become smaller than the minimum value of the fine pitch angle “0 degrees” due to the pitch angle limiter, but it is slightly larger than “0 degrees” to affect the torque chatter. Get mad.
  • the torque mode switch 30 is changed from “case 1” to “case 4” when the wind energy suddenly drops from above the rated output to below the rated output, and then the state of “case 4” is not continuously maintained. If the pitch angle is larger than the fine pitch angle of "0 degree", it will change to "case 3" and then change to "case 4". At this time, in case 3, the rated output power is maintained, and in case 4, the torque size of the generator is adjusted according to the rotational speed of the generator. In case 3 and case 4 are repeated in a short time, the torque size Rapidly changes, causing chattering.
  • FIG. 28 shows that torque chattering occurs for about 1.3 seconds from the time when the wind speed suddenly changes from 13 m / s to 11 m / s and falls to the pitch angle “0 degree”. At this time, it can be seen that the pitch angle is maintained at "0 degree” after several very small vibrations occur between "0 ⁇ 0.02 degree” for about 1.3 seconds.
  • the torque mode switch control method for maintaining the rated output power of the wind turbine according to the second embodiment of the present invention described below is to solve the torque chattering problem shown in the first embodiment.
  • both information about the rotational speed of the generator and the pitch angle of the blade are considered.
  • the pitch angle is a fine pitch angle "0" due to torque chattering caused by the dynamic characteristics of the pitch controller 50 when the wind energy drops rapidly from the rated output to the rated output. Very small vibrations are fluctuating around the figure.
  • Torque mode switch control method for maintaining the rated output power of the wind turbine according to the second embodiment of the present invention proposed to solve the torque chattering problem is as follows. There are four cases depending on the speed and pitch angle of the generator.
  • Torque mode switch mode value '1' ( )
  • Torque mode switch mode value '1' ( )
  • Torque mode switch mode value (k) Torque mode switch mode value (k-1)
  • k is the current state and k-1 means the previous state.
  • the wind energy describes the steady state under the rated power
  • the wind speed is 11m / s and the wind energy is below the rated power for 11.21 ⁇ 15 seconds, so the rotation speed of the generator is 1,494rpm, which is smaller than the rated speed and the pitch angle is “0. Degrees ”are fine pitch angles. This corresponds to "case 4" and the value of the torque mode switch 30 is maintained at "0". This is the same as the result of the first embodiment.
  • the transient response for 5 ⁇ 6.2 seconds after the wind speed is changed to 11m / s shows that the rotational speed of the generator is smaller than the rated rotational speed but the pitch angle is larger than the fine pitch angle. Since this corresponds to "case 3", the value of the torque mode switch 30 should be determined between "1" and "0".
  • the pitch angle drops to a fine pitch of zero degrees.
  • the rotation speed of the generator is smaller than the rated rotation speed and the pitch angle is the fine pitch angle, it corresponds to “case 4” and the value of the torque mode switch 30 changes to “0”.
  • the pitch angle becomes larger than the fine pitch angle because of the dynamic characteristics of the pitch controller 50.
  • the value of the torque mode switch 30 should be determined from “1" and "0". In this case, since the "previous value” of the torque mode switch 30 is "0", it is determined as “0” and is maintained as “0” without changing to "1". At this time, the torque magnitude of the generator does not change rapidly with the rated output power, thereby preventing torque chattering.
  • the torque mode switch 30 if the rotation speed of the generator is equal to or higher than the rated speed, the torque mode switch 30 is determined to be equal to or greater than the rated output. If the rotational speed of the generator is smaller than the rated speed and the pitch angle is a fine pitch angle, the value of the torque mode switch 30 is determined to be "0" or less. In addition, if the rotational speed of the generator is smaller than the rated speed and the pitch angle is larger than the fine pitch angle, the value of the torque mode switch 30 becomes the "previous value" using the integer delay function.
  • the turbulent wind velocity as shown in FIG. 35 was used to identify the problem of torque chattering that occurs when wind energy drops rapidly above the rated output to below the rated output.
  • the turbulent wind velocity used was generated according to IEC-61400-1. The average wind velocity for 10 minutes was 16 m / s and the turbulence intensity was 17.6%.
  • the actual turbulent wind velocity is very large and the turbulence intensity is so large that the case of falling below the rated wind velocity over the rated wind velocity (about 12 m / s) occurs several times, so the correct operation of the torque mode switch 30 is important. .
  • the average output power is 1.97 MW
  • the torque mode switch control for maintaining the rated output power of the wind turbine according to the second embodiment The average output power of the method is also equal to 1.97 MW. Therefore, when the torque mode switch control method for maintaining the rated output power of the wind turbine according to the second embodiment at the actual turbulent wind speed is a problem of the torque mode switch control method for maintaining the rated output power of the wind turbine according to the first embodiment. It can be seen that there is an advantage that the same output power can be obtained while preventing the occurrence of in torque chattering.
  • the torque mode switch control method for maintaining the rated output power of the wind turbine according to the second embodiment of the present invention, as mentioned above, the torque generated when the wind turbine rapidly falls below the rated wind speed above the rated wind speed The problem of chattering can be completely solved, and the torque magnitude of the generator can be controlled while maintaining a stable rated output power.
  • the above-described apparatus and method may not be limitedly applied to the configuration and method of the above-described embodiments, but the embodiments may be selectively combined in whole or in part in each of the embodiments so that various modifications may be made. It may be configured.

Landscapes

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Abstract

본 발명은 풍력터빈의 정격출력 유지를 위한 토크모드스위치 제어시스템에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 보다 상세하게는 발전기 회전속도를 실시간으로 측정하는 회전속도 측정부; 블레이드의 피치 명령각을 실시간으로 계산하는 피치제어기; 피치 명령각을 제한하여 실제 블레이드의 피치각을 결정하는 피치각 제한장치부; 상기 회전속도 측정부에서 측정된 회전속도와 피치제어기와 피치각 제한장치부에서 결정된 피치각을 기준으로, 모드값을 선택하는 토크모드스위치; 및 상기 토크모드스위치에서 선택된 모드값에 따라 발전기의 토크를 제어하는 토크제어기를 포함하여, 풍력터빈의 토크제어 있어서 풍속이 정격풍속 이상에서 정격풍속 이하로 급격히 떨어질 때 토크모드스위치로 인해 발생하는 토크채터링 문제를 방지할 수 있고, 안정적으로 토크제어기를 작동시킬 수 있는 풍력터빈의 토크모드스위치 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.

Description

풍력터빈의 정격출력 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법 및 그 시스템
본 발명은 풍력터빈의 정격출력 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법 및 그 시스템에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 풍력터빈의 정격토크유지를 위한 토크모드스위치 제어방법 및 그 시스템, 그리고, 풍력터빈의 정격출력파워 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법 및 그 시스템 관한 것이다.
일반적으로 풍력터빈은 바람이 가진 운동에너지를 블레이드 회전을 통하여 기계적인 에너지로 변화시키고 기계적인 에너지를 발전기를 이용하여 전기에너지로 변환시키는 기계이다.
풍력터빈의 출력제어 방법은 개념적으로 발전기의 회전속도를 제어하는 토크제어와 피치각을 제어하는 피치제어 두 가지 방법으로 구분할 수 있다. 정격풍속 이하의 영역에서는 토크제어를 수행하고 정격풍속 이상의 영역에서는 피치제어를 수행한다.
토크제어기는 정격풍속 이하의 영역에서 최대출력을 얻기 위하여 발전기의 토크크기를 제어하게 되고, 피치제어기에서는 정격풍속 이상의 영역에서 정격출력이 유지되도록 피치각을 조절하게 된다.
풍력터빈의 토크제어기는 정격출력 이상인 경우 두 가지 제어로직을 가지고 있다. 그 중 하나는 발전기의 토크크기를 일정하게 정격토크크기로 유지하도록 하는 방법이고, 또 다른 하나는 발전기의 출력파워를 정격출력파워로 일정하게 유지하도록 하는 방법이다.
이와 같은 풍력터빈의 토크제어에 있어서 중요하게 고려되어야 할 사항은 바람이 정격 이하로 불 때와 정격이상으로 불 때 발전기의 토크크기를 다르게 사용해야 한다. 따라서 정격풍속 이하에서는 최대의 출력파워를 생산하고 정격풍속 이상에서는 정격출력파워를 생산하기 위하여 발전기의 토크크기를 변화시키기 위한 토크모드스위치를 적절하게 제어하는 방법이 필요하다.
일반적인 풍력터빈의 토크모드스위치 제어방법에서는 발전기 회전속도와 블레이드 피치각 두 가지 정보를 고려한다. 발전기의 회전속도는 정격회전속도 이상이고 피치각이 파인피치각(Fine Pitch Angle)보다 크면, 정격풍속 이상인 경우라고 판단하여 토크모드스위치를 이용하여 정격출력파워를 유지하도록 발전기의 토크크기를 조절한다.
같은 이치로 발전기의 회전속도는 정격회전속도보다 작고 피치각이 파인피치각(Fine Pitch Angle)이면, 정격풍속 이하인 경우라고 판단하고 토크모드스위치를 이용하여 미리 연산된 순람표(lookup table)를 따라서 발전기 토크를 조절한다.
이러한 방법을 통하여 토크모드스위치를 이용하지 않은 경우보다 더 좋은 출력파워를 얻을 수 있다. 하지만 토크모드스위치를 이용할 경우 바람에너지가 정격출력 이상에서 정격출력 이하로 떨어질 때 토크모드스위치를 사용함으로 인해 토크채터링이 발생하는 문제점이 있다. 즉, 최적의 출력파워를 생산함에 있어서 기존 풍력터빈의 토크모드스위치를 적용하면 바람에너지가 정격출력 이상에서 정격출력 이하로 떨어질 때 토크채터링이 발생하게 되고, 이러한 토크채터링이 발생하기 때문에 출력제어기 자체의 안정성 문제와 발전기 토크크기의 급격한 변화 및 출력파워의 급격한 변화로 풍력터빈의 실제 수명과 출력파워 생산이 감소할 가능성이 있다.
따라서, 최적의 출력파워를 생산함에 있어서 이러한 토크채터링 문제점을 극복할 수 있는 보완된 토크모드스위치 제어방법이 요구되었다.
[선행기술문헌]
[특허 문헌]
한국등록특허 제1251285호
한국공개특허 제2012-0130892호
한국등록특허 제1264169호
한국등록특허 제1282540호
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 일실시예에 따르면, 풍력터빈의 토크제어 있어서 풍속이 정격풍속 이상에서 정격풍속 이하로 급격히 떨어질 때 토크모드스위치로 인해 발생하는 토크채터링 문제를 방지할 수 있고, 안정적으로 토크제어기를 작동시킬 수 있는 풍력터빈의 정격토크유지를 위한 토크모드스위치 제어방법 및 그 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 일실시예 따르면, 발전기 회전속도와 블레이드 피치각의 두 가지 정보를 모두 고려하고, 풍속이 정격출력 이상에서 정격출력 이하로 급격히 변하는 경우에는 토크모드스위치의 값을 “이전 값”으로 사용하게 됨으로써, 토크채터링을 방지할 수 있는 풍력터빈의 정격토크유지를 위한 토크모드스위치 제어방법 및 그 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
그리고, 바람에너지가 풍력터빈의 정격출력 부근에서 변동할 때 정격출력 이상에서는 발전기의 정격출력은 유지하고 정격출력 이하에서는 최대출력을 생산하기 위하여 토크모드스위치를 이용할 때 발생하는 토크채터링이 발생하지 않도록 토크제어기를 안정적으로 작동시킬 수 있는 풍력터빈의 정격출력파워 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법 및 그 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 일실시예 따르면, 발전기 회전속도와 블레이드 피치각의 두 가지 정보를 다 고려하고, 바람에너지가 정격출력 이상에서 정격출력 이하로 급격히 변하는 경우에는 토크모드스위치의 값을 “이전 값”으로 사용한다. 본 발명을 통하여 바람에너지가 정격출력 이상에서 정격출력 이하로 급격히 떨어질 때 토크모드스위치를 이용할 때 발생하는 토크채터링을 방지할 수 있는 풍력터빈의 정격출력파워 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법 및 그 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 제1목적은, 발전기 회전속도를 실시간으로 측정하는 회전속도 측정부; 블레이드의 피치 명령각을 실시간으로 계산하는 피치제어기; 피치 명령각을 제한하여 실제 블레이드의 피치각을 결정하는 피치각 제한장치부; 상기 회전속도 측정부에서 측정된 회전속도와 피치제어기와 피치각 제한장치부에서 결정된 피치각을 기준으로, 모드값을 선택하는 토크모드스위치; 및 상기 토크모드스위치에서 선택된 모드값에 따라 발전기의 토크를 제어하는 토크제어기를 포함하고, 상기 토크모드스위치는 상기 회전속도와 상기 피치각을 기준으로 정격풍속이하라고 판단되면 제1모드값을 선택하고, 정격풍속이상이라고 판단되면 제2모드값을 선택하며, 상기 토크제어기는, 상기 제1모드값의 경우, 기 연산된 회전속도에 따른 토크값으로 상기 발전기토크를 제어하고, 상기 제2모드값의 경우, 정격토크크기로 상기 발전기 토크를 제어하고, 상기 토크모드스위치는, 상기 회전속도가 정격회전속도 이상이고 상기 피치각이 파인피치각을 초과하는 경우 상기 제2모드값을 선택하고, 상기 회전속도가 정격회전속도 이상이고, 상기 피치각이 파인피치각 이하인 경우 상기 제2모드값을 선택하며, 상기 회전속도가 정격회전속도 미만이고, 상기 피치각이 파인피치각을 초과하는 경우, 이전 선택된 모드값을 그대로 선택하고, 상기 회전속도가 정격회전속도 미만이고, 상기 피치각이 파인피치각 이하인 경우 제1모드값을 선택하는 것을 특징으로 하는 풍력터빈의 정격출력 유지를 위한 토크모드스위치 제어시스템으로서 달성될 수 있다.
또한, 상기 기 연산된 회전속도에 따른 토크값은 이하의 수학식 1과 수학식 2에 의해 연산되는 것을 특징으로 할 수 있다.
[수학식 1]
Figure PCTKR2017001044-appb-I000001
[수학식 2]
Figure PCTKR2017001044-appb-I000002
Ωg는 발전기 회전속도, Tg(t)는 제1모드값에서 제어되는 발전기 토크, Kopt는 최적모드게인, CP,max는 최대출력계수, λopt는 최적주속비, R은 블레이드 길이, ρ은 공기밀도, Ngb는 기어비이다.
그리고, 상기 회전속도가 정격회전속도 이하인 경우 피치각을 파인피치각으로 유지하고, 피치제어기는 회전속도가 정격회전속도를 초과하는 경우 상기 회전속도와 상기 정격회전속도의 오차를 기반으로 상기 피치 명령각을 연산하고, 상기 피치각 제한장치부는 기설정된 최소피치각과 최대피치각 사이로 피치 명령각을 제한하여 실제 블레이드의 피치각을 결정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제2목적은, 정격회전속도와, 파인피치각, 정격토크크기를 설정하는 단계; 회전속도 측정부가 발전기 회전속도를 실시간으로 측정하고, 피치제어기가 블레이드의 피치 명령각을 실시간으로 계산하고, 피치각 제한장치부가 피치 명령각을 제한하여 실제 블레이드의 피치각을 결정하는 단계; 토크모드스위치가 상기 회전속도 측정부에서 측정된 회전속도와 피치제어기와 피치각 제한장치부에서 결정된 피치각을 기준으로, 모드값을 선택하는 단계; 및 토크제어기가 상기 토크모드스위치에서 선택된 모드값에 따라 발전기의 토크를 제어하는 단계;를 포함하고, 상기 선택하는 단계에서, 상기 토크모드스위치는 상기 회전속도와 상기 피치각을 기준으로 정격풍속이하라고 판단되면 제1모드값을 선택하고, 정격풍속이상이라고 판단되면 제2모드값을 선택하며, 상기 제어하는 단계에서, 상기 토크제어기는 상기 제1모드값의 경우, 기 연산된 회전속도에 따른 토크값으로 상기 발전기토크를 제어하고, 상기 제2모드값의 경우, 정격토크크기로 상기 발전기 토크를 제어하고, 상기 선택하는 단계에서, 상기 토크모드스위치는, 상기 회전속도가 정격회전속도 이상이고 상기 피치각이 파인피치각을 초과하는 경우 상기 제2모드값을 선택하고, 상기 회전속도가 정격회전속도 이상이고, 상기 피치각이 파인피치각 이하인 경우 상기 제2모드값을 선택하며, 상기 회전속도가 정격회전속도 미만이고, 상기 피치각이 파인피치각을 초과하는 경우, 이전 선택된 모드값을 그대로 선택하고, 상기 회전속도가 정격회전속도 미만이고, 상기 피치각이 파인피치각 이하인 경우 제1모드값을 선택하는 것을 특징으로 하는 풍력터빈의 정격출력 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법으로서 달성될 수 있다.
또한, 상기 기 연산된 회전속도에 따른 토크값은 이하의 수학식 1과 수학식 2에 의해 연산되는 것을 특징으로 할 수 있다.
[수학식 1]
Figure PCTKR2017001044-appb-I000003
[수학식 2]
Figure PCTKR2017001044-appb-I000004
수학식 1에서, Ωg는 발전기 회전속도, Tg(t)는 제1모드값에서 제어되는 발전기 토크, Kopt는 최적모드게인이고, 수학식 2에서, CP,max는 최대출력계수, λopt는 최적주속비, R은 블레이드 길이, ρ은 공기밀도, Ngb는 기어비이다.
그리고, 상기 회전속도가 정격회전속도 이하인 경우 피치각을 파인피치각으로 유지하고, 피치제어기는 회전속도가 정격회전속도를 초과하는 경우 상기 회전속도와 상기 정격회전속도의 오차를 기반으로 상기 피치 명령각을 연산하고, 상기 피치각 제한장치부는 기설정된 최소피치각과 최대피치각 사이로 피치 명령각을 제한하여 실제 블레이드의 피치각을 결정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제3목적은 발전기 회전속도를 실시간으로 측정하는 회전속도 측정부; 블레이드의 피치 명령각을 실시간으로 계산하는 피치제어기; 피치 명령각을 제한하여 실제 블레이드의 피치각을 결정하는 피치각 제한장치부; 회전속도 측정부에서 측정된 회전속도와 피치제어기와 피치각 제한장치부에서 결정된 피치각을 기준으로, 바람에너지가 정격출력미만이라고 판단되면 제1모드값을 선택하고, 정격출력이상이라고 판단되면 제2모드값을 선택하는 토크모드스위치; 및 상기 토크모드스위치에서 선택된 모드값이 상기 제1모드값의 경우, 기 연산된 회전속도에 따른 토크값으로 발전기 토크크기를 제어하고, 상기 제2모드값의 경우, 정격출력파워로 일정하게 유지되는 발전기 토크크기로 상기 발전기 토크를 제어하는 토크제어기를 포함하고, 상기 제2모드값이 선택된 경우 발전기를 제어하게 되는 발전기 토크크기는 이하의 수학식 4로 정의되며, 상기 토크모드스위치는, 상기 회전속도가 정격회전속도 이상이고 상기 피치각이 파인피치각을 초과하는 경우 상기 제2모드값을 선택하고, 상기 회전속도가 정격회전속도 이상이고, 상기 피치각이 파인피치각 이하인 경우 상기 제2모드값을 선택하며, 상기 회전속도가 정격회전속도 미만이고, 상기 피치각이 파인피치각을 초과하는 경우, 이전 선택된 모드값을 그대로 선택하고, 상기 회전속도가 정격회전속도 미만이고, 상기 피치각이 파인피치각 이하인 경우 제1모드값을 선택하는 것을 특징으로 하는 풍력터빈의 정격출력 유지를 위한 토크모드스위치 제어시스템으로서 달성될 수 있다.
[수학식 4]
Figure PCTKR2017001044-appb-I000005
수학식 4에서, Pgrat는 정격출력파워이고, Ωg는 발전기 회전속도이다.
또한, 상기 기 연산된 회전속도에 따른 토크값은 이하의 수학식 1과 수학식 2에 의해 연산되는 것을 특징으로 할 수 있다.
[수학식 1]
Figure PCTKR2017001044-appb-I000006
[수학식 2]
Figure PCTKR2017001044-appb-I000007
수학식 1에서 Ωg는 발전기 회전속도, Tg(t)는 제1모드값에서 제어되는 발전기 토크, Kopt는 최적모드게인이고, 수학식 2에서 CP,max는 최대출력계수, λopt는 최적주속비, R은 블레이드 길이, ρ은 공기밀도, Ngb는 기어비이다.
또한, 상기 회전속도가 정격회전속도 이하인 경우 피치각을 파인피치각으로 유지하고, 피치제어기는 회전속도가 정격회전속도를 초과하는 경우 상기 회전속도와 상기 정격회전속도의 오차를 기반으로 상기 피치 명령각을 연산하고, 상기 피치각 제한장치부는 기설정된 최소피치각과 최대피치각 사이로 피치 명령각을 제한하여 실제 블레이드의 피치각을 결정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제4목적은, 정격출력파워와, 정격회전속도와, 파인피치각을 설정하는 단계; 회전속도 측정부가 발전기 회전속도를 실시간으로 측정하고, 피치제어기가 블레이드의 피치 명령각을 실시간으로 계산하고, 피치각 제한장치부가 피치 명령각을 제한하여 실제 블레이드의 피치각을 결정하는 단계; 토크모드스위치가 상기 회전속도 측정부에서 측정된 회전속도와 상기 피치제어기와 상기 피치각 제한장치부에서 결정된 피치각을 기준으로, 모드값을 선택하는 단계; 및 토크제어기가 상기 토크모드스위치에서 선택된 모드값에 따라 발전기의 토크를 제어하는 단계;를 포함하고, 상기 선택하는 단계에서, 상기 토크모드스위치는 상기 회전속도와 상기 피치각을 기준으로 바람에너지가 정격출력이하라고 판단되면 제1모드값을 선택하고, 정격출력이상이라고 판단되면 제2모드값을 선택하며, 상기 제어하는 단계에서, 상기 토크제어기는, 상기 제1모드값의 경우, 기 연산된 회전속도에 따른 토크값으로 상기 발전기 토크크기를 제어하고, 상기 제2모드값의 경우, 정격출력파워로 일정하게 유지되는 발전기 토크크기로 상기 발전기 토크를 제어하며, 상기 제2모드값이 선택된 경우 발전기를 제어하게 되는 발전기 토크크기는 이하의 수학식 4로 정의되고, 상기 선택하는 단계에서, 상기 토크모드스위치는, 상기 회전속도가 정격회전속도 이상이고 상기 피치각이 파인피치각을 초과하는 경우 상기 제2모드값을 선택하고, 상기 회전속도가 정격회전속도 이상이고, 상기 피치각이 파인피치각 이하인 경우 상기 제2모드값을 선택하며, 상기 회전속도가 정격회전속도 미만이고, 상기 피치각이 파인피치각을 초과하는 경우, 이전 선택된 모드값을 그대로 선택하고, 상기 회전속도가 정격회전속도 미만이고, 상기 피치각이 파인피치각 이하인 경우 제1모드값을 선택하는 것을 특징으로 하는 풍력터빈의 정격출력 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법으로서 달성될 수 있다.
[수학식 4]
Figure PCTKR2017001044-appb-I000008
수학식 4에서, Pgrat는 정격출력파워이고, Ωg는 발전기 회전속도이다.
그리고, 상기 기 연산된 회전속도에 따른 토크값은 이하의 수학식 1과 수학식 2에 의해 연산되는 것을 특징으로 할 수 있다.
[수학식 1]
Figure PCTKR2017001044-appb-I000009
[수학식 2]
Figure PCTKR2017001044-appb-I000010
수학식 1에서, Ωg는 발전기 회전속도, Tg(t)는 제1모드값에서 제어되는 발전기 토크, Kopt는 최적모드게인이고 수학식 2에서, CP,max는 최대출력계수, λopt는 최적주속비, R은 블레이드 길이, ρ은 공기밀도, Ngb는 기어비이다.
그리고, 상기 회전속도가 정격회전속도 이하인 경우 피치각을 파인피치각으로 유지하고, 피치제어기는 회전속도가 정격회전속도를 초과하는 경우 상기 회전속도와 상기 정격회전속도의 오차를 기반으로 상기 피치 명령각을 연산하고, 상기 피치각 제한장치부는 기설정된 최소피치각과 최대피치각 사이로 피치 명령각을 제한하여 실제 블레이드의 피치각을 결정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 풍력터빈의 정격토크유지를 위한 토크모드스위치 제어방법에 의해, 풍력터빈의 토크제어 있어서 풍속이 정격풍속 이상에서 정격풍속 이하로 급격히 떨어질 때 토크모드스위치로 인해 발생하는 토크채터링 문제를 방지할 수 있고, 안정적으로 토크제어기를 작동할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 풍력터빈의 정격토크유지를 위한 토크모드스위치 제어방법에 의해, 발전기 회전속도와 블레이드 피치각의 두 가지 정보를 모두 고려하고, 풍속이 정격출력 이상에서 정격출력 이하로 급격히 변하는 경우에는 토크모드스위치의 값을 “이전 값”으로 사용하게 됨으로써, 토크채터링을 방지할 수 있는 효과를 갖는다.
그리고, 본 발명의 일실시예에 따른 풍력터빈의 정격출력파워 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법에 의해, 바람에너지가 풍력터빈의 정격출력 부근에서 변동할 때 정격출력 이상에서는 발전기의 정격출력은 유지하고 정격출력 이하에서는 최대출력을 생산하기 위하여 토크모드스위치를 이용할 때 발생하는 토크채터링이 발생하지 않도록 토크제어기를 안정적으로 작동시킬 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 풍력터빈의 정격출력파워 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법에 의해, 발전기 회전속도와 블레이드 피치각의 두 가지 정보를 다 고려하고, 바람에너지가 정격출력 이상에서 정격출력 이하로 급격히 변하는 경우에는 토크모드스위치의 값을 “이전 값”으로 사용한다. 본 발명을 통하여 바람에너지가 정격출력 이상에서 정격출력 이하로 급격히 떨어질 때 토크모드스위치를 이용할 때 발생하는 토크채터링을 방지할 수 있는 효과를 갖는다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력터빈의 정격출력 유지를 위한 토크모드스위치 제어시스템의 구성을 나타낸 블록도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 풍력터빈의 정격토크 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법의 흐름도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력터빈의 정격출력파워 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법의 흐름도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 풍력터빈의 정격토크 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법에서, 발전기 회전속도에 대한 발전기 토크 그래프,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 풍력터빈의 정격출력파워 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법에서, 발전기 회전속도에 대한 발전기 토크 그래프,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 피치제어기의 블록선도,
도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력터빈의 정격토크 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법을 나타낸 블록도,
도 8은 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력터빈의 정격토크 유지를 위한 토크모드스위치 제어시스템의 토크모드스위치의 블록도,
도 9는 계단풍속을 나타낸 시간에 대한 풍속 그래프,
도 10은 본 발명의 제1실시예에 따른 계단 응답그래프,
도 11은 본 발명인 풍력터빈의 정격토크 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법의 제1실시예에 따른 토크채터링 분석 그래프,
도 12는 본 발명인 풍력터빈의 정격토크 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법의 제1실시예에 따른 피치각 응답 그래프,
도 13은 본 발명인 풍력터빈의 정격토크 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법의 제2실시예에 따른 계단 응답그래프,
도 14는 본 발명인 풍력터빈의 정격토크 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법의 제2실시예에 따른 토크채터링 분석 그래프,
도 15는 본 발명인 풍력터빈의 정격토크 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법의 제1실시예와 제2실시예의 계단응답 비교 그래프,
도 16은 본 발명인 풍력터빈의 정격토크 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법의 제2실시예에 따른 토크모드스위치의 블록도,
도 17은 본 발명인 풍력터빈의 정격토크 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법의 시간에 따른 난류풍속 그래프,
도 18은 도 17에서 정격풍속 이하인 것을 표시한 그래프,
도 19는 본 발명인 풍력터빈의 정격토크 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법의 제1실시예에 따른 난류풍속 수치실험 결과(1) 그래프,
도 20은 본 발명인 풍력터빈의 정격토크 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법의 제1실시예에 따른 난류풍속 수치실험 결과(2) 그래프,
도 21은 본 발명인 풍력터빈의 정격토크 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법의 제1실시예에 따른 난류풍속 수치실험 결과(3) 그래프,
도 22는 본 발명인 풍력터빈의 정격토크 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법의 제2실시예에 따른 난류풍속 수치실험 결과(1) 그래프,
도 23은 본 발명인 풍력터빈의 정격토크 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법의 제2실시예에 따른 난류풍속 수치실험 결과(2) 그래프,
도 24는 본 발명인 풍력터빈의 정격토크 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법의 제2실시예에 따른 난류풍속 수치실험 결과(3) 그래프를 도시한 것이다.
도 25는 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력터빈의 정격출력파워 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법을 나타낸 블록도,
도 26은 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력터빈의 정격출력파워 유지를 위한 토크모드스위치 제어시스템의 토크모드스위치의 블록도,
도 27은 계단풍속을 나타낸 시간에 대한 풍속 그래프,
도 28은 본 발명의 제1실시예에 따른 계단 응답그래프,
도 29는 본 발명인 풍력터빈의 정격출력파워 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법의 제1실시예에 따른 토크채터링 분석 그래프,
도 30은 본 발명인 풍력터빈의 정격출력파워 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법의 제1실시예에 따른 피치각 응답 그래프,
도 31은 본 발명인 풍력터빈의 정격출력파워 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법의 제2실시예에 따른 계단 응답그래프,
도 32는 본 발명인 풍력터빈의 정격출력파워 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법의 제2실시예에 따른 토크채터링 분석 그래프,
도 33은 본 발명인 풍력터빈의 정격출력파워 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법의 제1실시예와 제2실시예의 계단응답 비교 그래프,
도 34는 본 발명인 풍력터빈의 정격출력파워 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법의 제2실시예에 따른 토크모드스위치의 블록도,
도 35는 본 발명인 풍력터빈의 정격출력파워 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법의 시간에 따른 난류풍속 그래프,
도 36은 도 35에서 정격풍속 이하인 것을 표시한 그래프,
도 37은 본 발명인 풍력터빈의 정격출력파워 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법의 제1실시예에 따른 난류풍속 수치실험 결과(1) 그래프,
도 38은 본 발명인 풍력터빈의 정격출력파워 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법의 제1실시예에 따른 난류풍속 수치실험 결과(2) 그래프,
도 39는 본 발명인 풍력터빈의 정격출력파워 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법의 제1실시예에 따른 난류풍속 수치실험 결과(3) 그래프,
도 40은 본 발명인 풍력터빈의 정격출력파워 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법의 제2실시예에 따른 난류풍속 수치실험 결과(1) 그래프,
도 41은 본 발명인 풍력터빈의 정격출력파워 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법의 제2실시예에 따른 난류풍속 수치실험 결과(2) 그래프,
도 42는 본 발명인 풍력터빈의 정격출력파워 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법의 제2실시예에 따른 난류풍속 수치실험 결과(3) 그래프를 도시한 것이다.
<부호의 설명>
10:회전속도 측정부
20:피치각 제한장치부
30:토크모드스위치
40:토크제어기
50:피치제어기
<구성>
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 풍력터빈의 정격출력 유지를 위한 토크모드스위치 제어시스템 및 제어방법의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다. 본 발명의 일실시예에 따른 정격출력 유지를 위한 토크모드스위치 제어시스템과 제어방법은, 정격토크유지를 위한 토크모드스위치 제어시스템 및 제어방법, 그리고 정격출력파워유지를 위한 토크모드스위치 제어시스템 및 제어방법으로 구별된다.
먼저, 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력터빈의 정격출력 유지를 위한 토크모드스위치 제어시스템의 구성을 나타낸 블록도를 도시한 것이고, 그리고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 풍력터빈의 정격토크 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법의 흐름도를 도시한 것이다. 또한, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력터빈의 정격출력파워 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법의 흐름도를 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 풍력터빈의 정격출력 유지를 위한 토크모드스위치 제어시스템은, 회전속도 측정부(10), 피치각 제한장치부(20), 토크모드스위치(30), 토크제어기(40), 피치제어기(50) 등을 포함하여 구성될 수 있음을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 풍력터빈의 정격토크 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법에서, 발전기 회전속도에 대한 발전기 토크 그래프를 도시한 것이다.
풍력터빈의 토크제어기(40)는 정격출력 이상인 경우와 이하인 경우 두 가지로 나눌 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, “토크모드 1”은 정격출력 이하인 경우와, “토크모드 2”는 정격출력 이상인 경우로 구분된다. 후에 설명되는 바와 같이, 토크모드스위치(30)에 의해 제1모드값이 선택될 때, 토크제어기(40)는 토크모드 1로, 제2모드값이 선택될 때, 토크모드 2로 발전기토크를 제어하게 된다.
도 4에 도시된 바와 같이,“SpeedSet1”은 발전기 토크크기의 제어가 시작되는 발전기 회전속도이다.“SpeedSet2”는 발전기의 정격토크크기 또는 정격출력파워를 유지하기 시작할 때의 발전기 회전속도로써 일반적으로 발전기의 정격회전속도이다.
정격출력 이하에서의 토크제어기(40)는 풍속의 크기에 따라 최적 주속비(λopt)를 얻기 위하여 토크-속도의 정상상태 관계특성을 나타내는 이하의 수학식 1을 이용하여 발전기의 토크(Tg)를 발전기의 회전속도(Ωg)의 제곱에 비례하도록 제어하는 것으로 비선형 제어방법이다. 정격출력 이하에서의 토크제어기(40)는 도 4에 도시된 “토크모드 1”에서 표시한 것과 같이 기 연산된 순람표(lookup table)를 사용하여 발전기 토크를 발생시킨다.
[수학식 1]
Figure PCTKR2017001044-appb-I000011
Kopt는 최적모드게인으로 발전기의 토크와 발전기의 회전속도 사이의 이차특성을 나타내는 계수값으로 이하의 수학식 2와 같이 정의된다.
[수학식 2]
Figure PCTKR2017001044-appb-I000012
여기서, CP,max는 최대출력계수, λopt는 최적주속비, R은 블레이드 길이, ρ은 공기밀도, Ngb는 기어비이다.
또한, 풍력터빈의 토크제어기(40)는 정격출력 이상인 경우 두 가지 제어로직을 가지고 있다. 하나는 발전기의 토크크기를 정격토크크기로 일정하게 유지하도록 하는 방법이고, 또 하나는 발전기의 출력파워를 정격출력파워로 일정하게 유지하도록 하는 방법이다. 본 발명의 정격토크크기로 유지하기 위한 일실시예에서는 도 4에서 “토크 모드 2”로 표시된 것과 같이 발전기의 토크크기를 일정하게 유지하는 제어방법을 사용한다. 발전기의 토크크기를 정격토크크기로 일정하게 유지하도록 하는 계산식은 이하의 수학식 3과 같다.
[수학식 3]
Figure PCTKR2017001044-appb-I000013
여기서
Figure PCTKR2017001044-appb-I000014
는 일반적으로 발전기의 정격토크크기이다.
또한, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 풍력터빈의 정격출력파워 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법에서, 발전기 회전속도에 대한 발전기 토크 그래프를 도시한 것이다.
정격출력파워를 일정하기 유지시키기 위한 본 발명의 일실시예에서는 도 5에서 “토크 모드 2”로 표시된 것과 같이 발전기의 출력파워를 정격출력파워로 일정하게 유지하는 제어방법을 사용한다. 발전기의 출력파워를 정격출력파워로 일정하게 유지하도록 하는 계산식은 이하의 수학식 4와 같다. 수학식 4와 같이 발전기의 정력출력파워와 발전기의 회전속도는 반비례관계를 가지게 된다.
[수학식 4]
Figure PCTKR2017001044-appb-I000015
여기서
Figure PCTKR2017001044-appb-I000016
는 발전기의 정격출력파워이다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 풍력터빈의 정격토크유지를 위한 토크모드스위치 제어방법은 전체적으로 먼저, 정격회전속도와, 파인피치각, 정격토크크기를 설정하게 된다(S1).
그리고, 회전속도 측정부(10)가 발전기 회전속도를 실시간으로 측정하고, 피치제어기(50)가 블레이드의 피치 명령각을 실시간으로 계산하고, 피치각 제한장치부(20)가 피치 명령각을 제한하여 실제 블레이드의 피치각을 결정한다(S2). 그리고, 토크모드스위치(30)는 회전속도 측정부(10)에서 측정된 회전속도와 피치제어기(50)와 피치각 제한장치부(20)에서 결정된 피치각을 기준으로, 모드값을 선택하게 된다(S3). 그리고, 토크제어기(40)는 토크모드스위치(30)에서 선택된 모드값에 따라 발전기의 토크를 제어하게 된다(S4).
토크모드스위치(30)는 회전속도와 피치각을 기준으로 정격풍속이하라고 판단되면 제1모드값을 선택하고, 정격풍속이상이라고 판단되면 제2모드값을 선택하게 된다.
그리고, 토크제어기(40)는 앞서 언급한 바와 같이, 제1모드값의 경우, 기 연산된 회전속도에 따른 토크값으로 발전기토크를 제어하고, 제2모드값의 경우, 정격토크크기로 발전기 토크를 제어하게 된다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 제어시스템은 피치제어기(50)를 더 포함할 수 있다. 풍력터빈의 토크모드스위치(30)에서는 발전기의 회전속도만 고려하는 것이 아니라 블레이드의 피치각도 고려한다.
정격이하의 풍속에서 블레이드의 피치각은 최대의 출력파워를 생산하기 위하여 최적의 일정한 값인 파인피치각(Fine Pitch Angle)으로 유지한다. 일반적으로 파인피치각은 “0도”가 대표적이다.
여기서는 파인피치각은“0도”로 두고 설정한다. 평균풍속이 정격이상인 경우에도 실제 풍속은 난류풍속이여서 발전기의 회전속도는 정격속도를 중심으로 변화하기 때문에 정격속도보다 작은 경우가 발생한다. 이런 상황에서도 출력파워를 향상하기 위하여 회전속도는 정격속도보다 작고 피치각은 파인피치보다 크면 토크모드스위치(30)를 이용하여 계속 정격토크크기를 유지한다. 이를 통해 더 많은 정격파워를 유지할 수 있게 된다.
풍력터빈의 출력제어에 있어서 정격풍속 이상에서는 피치제어기(50)가 작동한다. 풍력터빈의 피치제어기(50)는 일반적으로 속도제어 루프 형태의 PI 제어기와 피치 게인-스케쥴링을 사용하며, 피치제어기(50)는 발전기의 회전속도를 피드백하여 기준입력인 발전기 정격회전속도(SpeedSet2)와의 오차를 PI 제어기를 통해 정격 풍속이상에서 블레이드의 피치각을 조절하는 방법이다.
피치 게인-스케쥴링의 개념은 풍속이 증가할수록 피치각에 대한 공력토크의 비선형 파라미터의 절대값이 커져서 피치제어기(50)의 고유진동수를 증가시키기 때문에, 고정된 PI 게인값을 사용하는 것이 아니라 풍속이 증가할수록 작은 PI 게인값을 사용하기 위해 게인제수를 이용하여 PI 게인값을 줄여주는 방법이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 피치제어기(50)의 블록선도를 도시한 것이다. 실제 전 풍속구간에서 피치제어기(50)의 시스템 형태는 도 6과 같은 블록선도로 표시된다. 도 6에 도시된 바와 같이,
Figure PCTKR2017001044-appb-I000017
는 피드백 되는 발전기 회전속도(Ωg)와 기준입력인 발전기 정격 회전속도(Ωref)와의 오차이다.
피치제어기(50)는 발전기 회전속도(Ωg)를 피드백하여 기준입력인 발전기 정격 회전속도(Ωref)와의 오차(
Figure PCTKR2017001044-appb-I000018
)를 최소화하도록 피치 명령각(βc)을 조절한다. 실제적으로 피치각(β)은 피치각 제한장치부(20)를 통하여 이하의 수학식 5와 같이 피치각의 최소값과 최대값 사이로 제한한다.
[수학식 5]
βmin ≤ β ≤ βmax
βmin 는 피치각의 최소값이고, 일반적으로 파인피치각(βfine) 값을 이용한다. 여기서 파인피치각(βfine) 값은“0 도”이다. 정격풍속 이하에서 최대의 출력파워를 생산하기 위하여 파인피치각(βfine)으로 제한된다. 피치각의 최대값(βmax)은 피치각의 최대값이고, 풍력터빈에 따라 임의로 설정할 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 풍력터빈의 정격출력파워유지를 위한 토크모드스위치 제어방법은 전체적으로 전체적으로 먼저, 정격출력파워와, 정격회전속도와, 파인피치각을 설정하게 된다(S10).
그리고, 회전속도 측정부(10)가 발전기 회전속도를 실시간으로 측정하고, 피치제어기(50)가 블레이드의 피치 명령각을 실시간으로 계산하고, 피치각 제한장치부(20)가 피치 명령각을 제한하여 실제 블레이드의 피치각을 결정한다(S20). 그리고, 토크모드스위치(30)는 회전속도 측정부(10)에서 측정된 회전속도와 피치제어기(50)와 피치각 제한장치부(20)에서 결정된 피치각을 기준으로, 모드값을 선택하게 된다(S30).
그리고, 토크제어기(40)는 토크모드스위치(30)에서 선택된 모드값에 따라 발전기의 토크를 제어하게 된다(S40).
토크모드스위치(30)는 회전속도와 피치각을 기준으로 바람에너지가 정격출력이하라고 판단되면 제1모드값을 선택하고, 바람에너지가 정격출력 이상이라고 판단되면 제2모드값을 선택하게 된다.
그리고, 토크제어기(40)는 앞서 언급한 바와 같이, 제1모드값의 경우, 기 연산된 회전속도에 따른 토크값으로 발전기토크를 제어하고, 제2모드값의 경우, 정격출력파워가 유지되도록 발전기 토크를 제어하게 된다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 정격출력파워을 유지하기 위한 토크모드스위치 제어시스템 역시 피치제어기(50)를 더 포함할 수 있다. 풍력터빈의 토크모드스위치(30)에서는 발전기의 회전속도만 고려하는 것이 아니라 블레이드의 피치각도 고려한다.
정격이하의 풍속에서 블레이드의 피치각은 최대의 출력파워를 생산하기 위하여 최적의 일정한 값인 파인피치각(Fine Pitch Angle)으로 유지한다. 일반적으로 파인피치각은 “0도”가 대표적이다.
여기서는 파인피치각은“0도”로 두고 설정한다. 평균풍속이 정격이상인 경우에도 실제 풍속은 난류풍속이여서 발전기의 회전속도는 정격속도를 중심으로 변화하기 때문에 정격속도보다 작은 경우가 발생한다. 이런 상황에서도 출력파워를 향상하기 위하여 회전속도는 정격속도보다 작고 피치각은 파인피치보다 크면 토크모드스위치(30)를 이용하여 계속 정격출력파워를 유지한다. 이를 통해 더 많은 정격파워를 유지할 수 있게 된다.
풍력터빈의 정격출력파워 유지를 위한 토크모드스위지 제어에 있어서 바람에너지가 정격출력 이상에서는 피치제어기(50)가 작동한다. 풍력터빈의 피치제어기(50)는 일반적으로 속도제어 루프 형태의 PI 제어기와 피치 게인-스케쥴링을 사용하며, 피치제어기(50)는 발전기의 회전속도를 피드백하여 기준입력인 발전기 정격회전속도(SpeedSet2)와의 오차를 PI 제어기를 통해 정격 풍속이상에서 블레이드의 피치각을 조절하는 방법이다.
피치 게인-스케쥴링의 개념은 풍속이 증가할수록 피치각에 대한 공력토크의 비선형 파라미터의 절대값이 커져서 피치제어기(50)의 고유진동수를 증가시키기 때문에, 고정된 PI 게인값을 사용하는 것이 아니라 풍속이 증가할수록 작은 PI 게인값을 사용하기 위해 게인제수를 이용하여 PI 게인값을 줄여주는 방법이다.
실제 전 풍속구간에서 피치제어기(50)의 시스템 형태는 도 6과 같은 블록선도로 표시된다. 도 6에 도시된 바와 같이,
Figure PCTKR2017001044-appb-I000019
는 피드백 되는 발전기 회전속도(Ωg)와 기준입력인 발전기 정격 회전속도(Ωref)와의 오차이다.
피치제어기(50)는 발전기 회전속도(Ωg)를 피드백하여 기준입력인 발전기 정격 회전속도(Ωref)와의 오차(
Figure PCTKR2017001044-appb-I000020
)를 최소화하도록 피치 명령각(βc)을 조절한다. 실제적으로 피치각(β)은 피치각 제한장치를 통하여 이하의 수학식 5와 같이 피치각의 최소값과 최대값 사이로 제한한다.
[수학식 5]
βmin ≤ β ≤ βmax
βmin 는 피치각의 최소값이고, 일반적으로 파인피치각(βfine) 값을 이용한다. 여기서 파인피치각(βfine) 값은“0 도”이다. 바람에너지가 정격출력 이하에서 최대의 출력파워를 생산하기 위하여 파인피치각(βfine)으로 제한된다. 피치각의 최대값(βmax)은 피치각의 최대값이고, 풍력터빈에 따라 임의로 설정할 수 있다.
<정격토크유지를 위한 토크모드스위치 제어방법>
이하에서는 앞서 언급한 정격토크유지를 위한 토크모드스위치(30)의 제어방법에 대해 설명하도록 한다. 즉, 어떠한 경우에 제1모드값(이하 ‘0’) 또는 제2모드값(이하 ‘1’)을 선택하게 되는지 설명하도록 한다.
본 발명의 제1실시예에 따른 정격토크유지를 위한 토크모드스위치 제어방법은, 발전기의 회전속도와 피치각에 따라 이하와 같이 네 가지 경우로 나눌 수 있다. 네 가지 경우는 다음과 같다.
“경우1 (Case1)”:
If Ωg ≥ Ωgrat and β 〉βfine
토크모드스위치 모드값 = ‘1’(Tg = Tgrat)
“경우2 (Case2)”:
If Ωg ≥ Ωgrat and β ≤ βfine
토크모드스위치 모드값 = ‘1’(Tg = Tgrat)
“경우3 (Case3)”:
If Ωg 〈 Ωgrat and β 〉βfine
토크모드스위치 모드값 = ‘1’(Tg = Tgrat)
“경우4 (Case4)”:
If Ωg〈 Ωgrat and β ≤ βfine
토크모드스위치 모드값 = ‘0’(Tg = Lookup Table)
여기서, Ωg 는 발전기 회전속도, Ωgrat 는 발전기 정격회전속도, β는 블레이드의 피치각, βfine는 피치각의 파인피치각, Tg 는 발전기의 토크크기, Tgrat는 발전기의 정격토크크기이다.
앞서 언급한 바와 같이, 토크모드스위치(30)의 모드값이 “1”인 경우 발전기의 토크는 정격 토크크기를 사용한다. 토크모드스위치(30)의 모드값이 “0”인 경우 미리 계산된 순람표(Lookup Table)를 사용한다.
도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력터빈의 정격토크유지를 위한 토크모드스위치(30)와 그 제어방법을 나타낸 블록도를 도시한 것이다. 도 8은 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력터빈의 정격토크유지를 위한 토크모드스위치(30)의 블록도를 도시한 것이다. 정격풍속 이상일 때는 발전기의 정격 토크크기를 사용하도록 토크모드스위치(30)의 값을 “1”로 한다. 정격풍속 이하일 때는 최적모드게인을 이용하여 미리 계산된 순람표(Lookup Table)를 사용하여 발전기 토크를 발생시키도록 토크모드스위치(30)의 값을“0”으로 한다. 상기의 네 가지 경우를 토크모드스위치(30)로 구현하는 방법은 여러 가지가 가능한데 그 중 하나가 로직회로 “OR”문을 이용하여 구현하는 방법이다.
이 구현의 의미는 발전기의 회전속도가 정격회전속도 이상이고 피치각이 파인피치각(Fine Pitch Angle)보다 크면 정격풍속 이상인 경우라고 판단하고 토크모드스위치(30)를 통해 정격 토크크기의 발전기 토크를 발생시키다. “OR”문의 구현은 도면 8과 같다. 이러한 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력터빈의 정격토크유지를 위한 토크모드스위치 제어방법을 통하여 난류풍속 등의 영향으로 토크크기가 순간적으로 떨어지는 문제를 방지할 수 있게 된다.
그러나, 앞서 언급한 제1실시예에 따른 풍력터빈의 정격토크유지를 위한 토크모드스위치 제어방법은, 정격풍속 이상에서 정격풍속 이하로 떨어질 때 발전기의 토크크기에서 토크채터링이 발생하는 문제를 가지고 있다.
이러한 토크채터링의 문제를 해결하기 위하여 우선 토크채터링이 발생하는 이유를 분석해 보기 위해, 2MW 풍력터빈을 예시로 설명하고자 한다. 풍력터빈의 수치실험 시 토크채터링이 발생하는 이유를 분석하기 위하여 계단풍속을 이용하였다. 도 9는 계단풍속을 나타낸 시간에 대한 풍속 그래프를 도시한 것이다.
2MW 풍력터빈의 정격풍속은 약 12m/s(11.7m/s)이고 발전기의 정격회전속도는 1,500rpm이다. 풍력터빈의 정격풍속 이상에서 정격풍속 이하로 급격하게 떨어지는 경우의 분석을 위하여 도 9에 도시된 바와 같이 13m/s에서 11m/s로 변하는 계단풍속을 사용하였다. 그 실험의 결과는 도 10과 도 12에 도시된 바와 같다. 도 9에서 V는 풍속이다.
먼저, 정격풍속 이상과 정격풍속 이하에서의 정상상태를 구분하여 확인해보면, 그 수치실험 결과는 도 10과 같다. 도면 10에서 Pg는 발전기의 출력파워, Tg는 발전기의 토크 크기, Ωg는 발전기의 회전속도, β는 블레이드의 피치각이다. 도 12는 블레이드 피치각의 전체 범위를 보여준다. 도 10의 계단응답을 시간대 별로 그에 해당하는 경우(Case)를 구분하여 분석하면 도 11 및 이하의 표 1과 같다. 표 1에서 t는 시간을 나타낸다.
[표 1]
Figure PCTKR2017001044-appb-I000021
정격풍속 이상에서의 정상상태를 설명하면, 0~5초 동안에는 풍속이 13m/s로 정격풍속 이상이어서 발전기의 회전속도는 정격회전속도인 1,500rpm이다. 이때 정격출력을 유지하기 위해서는 블레이드에서 발생하는 공력토크를 줄여야한다.
블레이드의 피치각이 파인피치각인 “0도”보다 커지면 공력토크는 줄어드는데, 풍속이 13m/s인 경우 피치각의 정상상태 값은 도 10에 도시된 바와 같이, 약 “6.5도”로 유지된다. 이때의 토크모드스위치(30)는 “경우 1”에 해당되고 발전기의 토크크기는 정격토크크기를 발생시킨다.
정격풍속 이하에서의 정상상태를 설명하면, 7.67~15초 동안에는 풍속이 11m/s로 정격풍속 이하이어서 발전기의 회전속도는 정격회전속도보다 작은 1,494rpm이다. 그리고 풍속이 정격풍속 이하로 떨어지기 때문에 더 많은 공력토크를 얻기 위하여 피치각이 파인피치각인 “0도”로 떨어진 후 유지된다. 이때의 토크모드스위치(30)는 “경우 4”에 해당되고 발전기의 토크크기는 발전기의 회전속도에 따라 발전기의 토크크기를 조절한다.
다음으로 정격풍속 이상에서 정격풍속 이하로 급격히 떨어질 때 과도응답으로 인해 발생하는 토크채터링의 문제점을 확인해보도록 한다.
5~7.67초 동안에는 공력토크와 발전기 토크가 바뀌면 발전기의 회전속도가 변하는데 이에 따라서 풍력터빈의 동특성으로 인해 과도응답이 발생한다. 그러나 정격풍속 이하에서는 발전기의 회전속도가 항상 정격회전속도 이하이므로 토크채터링의 발생과는 상관이 없다. 블레이드 피치각 또한 피치제어기(50)의 동특성으로 인해 과도응답이 발생하는데, 피치각이 파인피치각인 “0도”로 되는 6.27초에서 바로 멈추지 않고 6.27초 이후에 “0도”를 중심으로 몇 차례 진동한 후에 “0도”로 유지된다. “0도”를 중심으로 진동할 때 피치각은 피치각 제한장치로 인해 파인피치각의 최솟값인 “0도”보다 작아지지는 않지만 “0도”보다 조금 커지는 경우가 발생하여 토크채터링에 영향을 미치게 된다.
이러한 현상으로 인해 토크모드스위치(30)는 정격풍속 이상에서 정격풍속 이하로 급격하게 떨어질 때 “경우 1”에서 “경우 4”로 바뀐 후 “경우 4”의 상태가 지속적으로 유지되지 않고 피치각이 파인피치각인 “0도”보다 큰 경우가 발생하여 다시 “경우 3”으로 바뀌고 또 다시 “경우 4”로 바뀌는 현상을 반복한다. 이때 “경우 3”에서는 정격토크크기를 발생시키고 “경우 4”에서는 발전기의 회전속도에 따라 발전기의 토크크기를 조절하는데, “경우 3”과 “경우 4”가 짧은 시간에 반복되는 현상 때문에 토크크기가 급격히 바뀌어 토크채터링이 발생된다.
도 10은 풍속이 13m/s에서 11m/s로 급격히 바뀐 후 피치각 “0도”로 떨어지는 시점에서부터 약 1.5초 동안 토크채터링이 발생함을 보여준다. 이때 피치각은 약 1.5초 동안 “0~0.02도”사이에서 매우 작은 진동이 여러 번 발생한 후에 “0도”로 유지되는 것을 확인할 수 있다.
상기와 같은 이유로 발생한 토크채터링의 문제는 토크모드스위치(30)의 “경우3”에서 나타나는 현상이므로 “경우3”을 보완할 필요성이 있다.
이하에서 설명되는 본 발명의 제2실시예에 따른 정격토크유지를 위한 토크모드스위치(30)의 제어방법은 제1실시예에서 나타난 토크채터링 문제를 해결하기 위한 것이다. 본 발명의 제2실시예에 따라 정격토크유지를 위한 토크모드스위치(30)를 제어할 때 제1실시예와 동일하게 발전기의 회전속도와 블레이드의 피치각 두 가지 정보를 모두 고려한다.
앞서 언급한 바와 같이, 제1실시예를 적용하면 풍속이 정격풍속 이상에서 정격풍속 이하로 급격히 떨어질 때 피치각은 피치제어기(50)의 동특성으로 인해 발생하는 토크채터링 때문에 파인피치각인 “0도”를 중심으로 변동하는 매우 작은 진동이 발생한다.
앞서 언급한 바와 같이, 발전기의 회전속도가 정격회전속도보다 작은 경우에 블레이드의 피치각이 “0도” 부근에서 진동하게 되면 토크모드스위치(30)의 네 가지 경우 중 “경우 3”으로 인해 토크채터링이 발생한다. 풍력터빈이 정격출력 이상에서 정격출력 이하로 급격히 떨어질 때 피치각이 “0도”부근에서 진동하는 현상은 물리적으로 피할 수 없지만 “경우 3”의 토크모드스위치 값은 제어가 가능하다.
토크채터링을 방지하기 위하여 토크채터링의 발생과 관련이 있는 “경우 3”에서는 토크모드스위치(30)의 값을 항상 “1”로 사용하는 대신에 “1” 또는 “0”을 사용하는 것이 필요하다. “1” 과 “0”을 결정하기 위한 판단이 필요한데, 토크모드스위치(30)의 “이전 값”을 사용하면 “0” 과 “1”을 판단할 수 있다.
토크채터링 문제를 해결하기 위해 제안되는 본 발명의 제2실시예에 따른 정격토크유지를 위한 토크모드스위치(30)의 제어방법은 다음과 같다. 발전기의 회전속도와 피치각에 따라서 네 가지 경우로 나눌 수 있다.
“경우 1 (Case1)”:
If Ωg ≥ Ωgrat and β 〉βfine
토크모드스위치 모드값 = ‘1’(Tg = Tgrat)
“경우 2 (Case2)”:
If Ωg ≥ Ωgrat and β ≤ βfine
토크모드스위치 모드값 = ‘1’(Tg = Tgrat)
“경우 3 (Case3)”:
If Ωg 〈 Ωgrat and β 〉βfine
토크모드스위치 모드값(k) = 토크모드스위치 모드값(k-1)
(‘1’ 또는‘0’)
(Tg = Tgrat 또는 Tg = Lookup Table)
“경우 4 (Case4)”:
If Ωg〈 Ωgrat and β ≤ βfine
토크모드스위치 모드값 = ‘0’(Tg = Lookup Table)
여기서 k는 “현재 상태”이고 k-1은 “이전 상태”를 의미한다.
“경우3”에서 토크모드스위치(30)의 “이전 상태”를 사용한 결과에 대해 정격풍속 이상에서 정격풍속 이하로 떨어지는 도 9의 계단풍속에 대하여 동일하게 살펴보도록 한다. 수치실험 결과는 도 13과 같다. 또한, 도 13의 계단응답을 시간대 별로 그에 해당하는 경우를 구분하여 분석하면 도 14 및 이하의 표 2와 같다. 표 2에서 t는 시간을 나타낸다.
[표 2]
Figure PCTKR2017001044-appb-I000022
먼저, 정격풍속 이상과 정격풍속 이하에서의 정상상태를 구분하여 확인해보도록 한다. 정격풍속 이상에서의 정상상태를 설명하면, 0~5초 동안에는 풍속이 13m/s로 정격풍속 이상이므로 발전기의 회전속도는 정격회전속도인 1,500rpm이고 피치각은 약 “6.5도”로 파인피치각보다 크다. 이는 “경우 1”에 해당되고 토크모드스위치(30)의 값은 “1”로 유지된다. 이는 제1실시예의 결과와 동일하다.
정격풍속 이하에서의 정상상태를 설명하면, 11.17~15초 동안에는 풍속이 11m/s로 정격풍속 이하이어서 발전기의 회전속도는 1,494rpm으로 정격회전속도보다 작고 피치각은 “0도”로 파인피치각이다. 이는 “경우 4”에 해당되고 토크모드스위치(30)의 값은 “0”으로 유지된다. 이는 제1실시예의 결과와 동일하다.
다음으로 정격풍속 이상에서 정격풍속 이하로 급격히 떨어질 때 발생하는 과도응답에서의 토크모드스위치(30)의 작동을 확인해 보도록 한다.
우선, 풍속이 11m/s로 바뀐 후 5~6.27초 동안의 과도응답을 살펴보면 발전기의 회전속도는 정격회전속도보다 작지만 피치각은 파인피치각보다 크다. 이는 “경우 3”에 해당되므로 토크모드스위치(30)의 값은 “1” 과 “0”중에서 판단해야 한다.
이 경우 토크모드스위치(30)의 “이전 값”이 “1”이므로 “1”로 판단되어 “1”로 유지된다. 다음으로, 6.27초일 때 피치각이 파인피치각인 “0도”로 떨어진다. 이때 발전기의 회전속도는 정격회전속도보다 작고 피치각은 파인피치각이기 때문에 “경우 4”에 해당되고 토크모드스위치(30)의 값은 “0”으로 바뀐다. 다음으로 6.27~11.17초 동안에는 피치제어기(50)의 동특성 때문에 피치각이 다시 파인피치각보다 커지기 된다.
이는 “경우 3”에 해당되므로 토크모드스위치(30)의 값은 “1” 과 “0” 중에서 판단해야한다. 이 경우 토크모드스위치(30)의 “이전 값”이 “0”이므로 “0”으로 판단되어 “1”로 바뀌지 않고 “0”으로 유지된다. 이때 발전기의 토크 크기는 정격토크 크기로 급격하게 바뀌지 않으므로 토크채터링을 방지할 수 있다.
그러므로 이와 같이 피치각이 파인 피치각인 “0도”로 떨어진 후 피치제어기(50)의 동특성으로 인해 피치각이 “0도” 부근에서 진동하여도, 토크모드스위치(30)의 값을 “이전 값”으로 사용하면 기존 방법의 “경우3”에서 나타나는 토크채터링의 발생을 방지할 수 있게 됨을 알 수 있다.
제1실시예의 정격토크유지를 위한 토크모드스위치 제어방법과 제2실시예의 정격토크유지를 위한 토크모드스위치 제어방법을 계단풍속으로 비교한 수치실험 결과는 도 15와 같다. 제2실시예에 따른 정격토크유지를 위한 토크모드스위치(30)의 제어방법을 적용하면 토크채터링이 방지되고 이로 인해 과도응답 특성이 향상됨을 확인할 수 있다.
본 발명의 제2실시예에 따른 정격토크유지를 위한 토크모드스위치(30)의 제어방법을 상기와 같은 논리에 따라서 제안된 방법을 Matlab/Simulink로 구현한 것은 도 16과 같다. 이는 여러 가지 구현방법 중 하나이고 로직회로 “AND”와 정수지연(Integer Delay) z-1을 이용하여 구현되었다. 여기서 z-1은 “이전 값”을 의미한다.
제안된 구현에서 발전기의 회전속도가 정격속도 이상이면 정격출력 이상으로 판단하여 토크모드스위치(30)의 값은 “1”이 된다. 발전기의 회전속도가 정격속도보다 작고 피치각이 파인피치각이면 정격출력 이하로 판단하여 토크모드스위치(30)의 값은 “0”이 된다. 또한 발전기의 회전속도가 정격속도보다 작고 피치각이 파인피치각보다 크면 정수지연(Integer Delay) 기능을 사용하여 토크모드스위치(30)의 값은 “이전 값”이 된다.
이하에서는 풍력터빈의 정격토크유지를 위한 토크모드스위치 제어방법에서, 토크채터링 문제 해결여부를 비교한 제1실시예와 제2실시예의 수치실험데이터를 설명하도록 한다.
실제와 유사한 풍속인 난류풍속을 사용하여 풍력터빈 제어시스템의 출력성능을 평가하는 것은 매우 중요하다. 풍속이 정격풍속 이상에서 정격풍속 이하로 급격히 떨어질 때 발생하는 토크채터링의 문제를 확인하기 위하여 도 17과 같은 난류풍속을 사용하였다. 사용한 난류풍속은 IEC-61400-1의 규정에 따라서 생성되었는데 10분 동안의 평균풍속은 16m/s이고 난류강도는 17.6%이다.
도 17에 도시된 바와 같이, 실제 난류풍속은 난류강도가 매우 커서 정격풍속(약 12m/s) 이상에서 정격풍속 이하로 떨어지는 경우가 여러 번 발생하므로 올바른 토크모드스위치(30)의 작동이 중요하다.
도 18에서 표시한 것처럼 정격풍속 이상에서 정격풍속 이하로 떨어지는 경우는 13.5초(1), 46.1초(2), 56.6초(3), 97.5초(4), 205.9초(5), 228.1초(6), 264.2초(7), 277.8초(8), 376.2초(9), 389.7초(10), 435.2초(11), 489.5초(12), 571.2초(13), 585.6초(14) 부근으로 총 14회 발생하였다. 난류풍속을 이용하여 제1실시예에 따른 토크모드스위치(30)의 제어방법을 적용한 수치실험의 결과는 도 19와 같고 토크채터링을 확인하기 위해 확대하여 표시한 도면은 도 20 및 도 21과 같다.
풍속이 정격풍속 이상에서 정격풍속 이하로 떨어지는 14회 중에서 세 번을 제외한 총 11회(도 18에서 1, 2, 3, 4, 6, 7, 8, 9, 11, 12, 13의 경우에 해당하는 시간 부근)에서 피치각이 파인피치각인 “0도”로 떨어졌다. 이때 도 19를 보면 토크채터링이 여러 차례 발생하는 것을 확인할 수 있는데, 피치각이 파인피치각인 “0도”로 떨어지는 11회 중에서 토크채터링은 총 8회(도 18에서 1, 4, 6, 7, 9, 11, 12, 13의 경우에 해당하는 시간 부근) 발생하였다. 그중에 토크채터링의 정도가 큰 경우는 도 20 및 도 21에서 표시한 97.5초(4)와 489.5초(12) 부근에서 발생하였다.
또한, 본 발명의 제2실시예에 따른 풍력터빈의 정격토크유지를 위한 토크모드스위치 제어방법을 적용한 수치실험의 결과는 도 22와 같고 토크채터링의 해결 효과를 확인하기 위해 확대하여 표시한 도면은 도 23 및 도 24와 같다. 이 경우에는 풍속이 정격풍속 이상에서 정격풍속 이하로 급격히 떨어질 때 발생하는 토크채터링 문제를 방지할 수 있음을 확인할 수 있다.
제1실시예에 따른 정격토크유지를 위한 토크모드스위치(30)의 제어방법을 적용한 경우 평균 출력파워는 1.97MW이고, 제2실시예에 따른 정격토크유지를 위한 토크모드스위치 제어방법을 적용한 경우의 평균 출력파워 또한 1.97MW로 동일하다. 그러므로 실제 난류풍속에서 제2실시예에 따른 토크모드스위치(30)의 제어방법을 사용하면 제1실시예에 따른 토크모드스위치 제어방법의 문제점인 토크채터링의 발생을 방지하면서 동일한 출력파워를 얻을 수 있는 이점이 있음을 알 수 있다.
따라서 본 발명의 제2실시예에 따른 정격토크유지를 위한 토크모드스위치 제어방법에 따르면, 앞서 언급한 바와 같이, 풍력터빈이 정격풍속 이상에서 정격풍속 이하로 급격히 떨어질 때 발생하는 토크채터링의 문제를 완전히 해결할 수 있었고, 또한 안정적으로 발전기의 토크크기를 제어할 수 있다.
<풍력터빈의 정격출력파워 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법>
이하에서는 풍력터빈의 정격출력파워 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법에 대해 설명하도록 한다. 즉, 어떠한 경우에 제1모드값(이하 ‘0’) 또는 제2모드값(이하 ‘1’)을 선택하게 되는지 설명하도록 한다.
본 발명의 제1실시예에 따른 풍력터빈의 정격출력파워 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법은, 발전기의 회전속도와 피치각에 따라 이하와 같이 네 가지 경우로 나눌 수 있다. 네 가지 경우는 다음과 같다.
“경우1 (Case1)”:
If Ωg ≥ Ωgrat and β 〉βfine
토크모드스위치 모드값 = ‘1’(
Figure PCTKR2017001044-appb-I000023
)
“경우2 (Case2)”:
If Ωg ≥ Ωgrat and β ≤ βfine
토크모드스위치 모드값 = ‘1’(
Figure PCTKR2017001044-appb-I000024
)
“경우3 (Case3)”:
If Ωg 〈 Ωgrat and β 〉βfine
토크모드스위치 모드값 = ‘1’(
Figure PCTKR2017001044-appb-I000025
)
“경우4 (Case4)”:
If Ωg〈 Ωgrat and β ≤ βfine
토크모드스위치 모드값 = ‘0’(Tg = Lookup Table)
여기서, Ωg 는 발전기 회전속도, Ωgrat 는 발전기 정격회전속도, β는 블레이드의 피치각, βfine는 피치각의 파인피치각, Tg 는 발전기의 토크크기, Pgrat는 발전기의 정격출력파워이다.
앞서 언급한 바와 같이, 토크모드스위치(30)의 모드값이 “1”인 경우 발전기의 정격출력파워를 유지함으로써 발전기의 토크크기를 생산시킨다. 토크모드스위치(30)의 모드값이 “0”인 경우 미리 계산된 순람표(Lookup Table)를 사용한다.
도 25는 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력터빈의 정격출력파워 유지를 위한 토크모드스위치와 그 제어방법을 나타낸 블록도를 도시한 것이다. 도 26은 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력터빈의 정격출력파워 유지를 위한 토크모드스위치(30)의 블록도를 도시한 것이다. 바람에너지가 정격출력 이상일 때는 발전기의 정격출력파워를 유지하도록 토크모드스위치(30)의 값을 “1”로 한다. 바람에너지가 정격출력 이하일 때는 최적모드게인을 이용하여 미리 계산된 순람표(Lookup Table)를 사용하여 발전기 토크를 발생시키도록 토크모드스위치(30)의 값을“0”으로 한다. 상기의 네 가지 경우를 토크모드스위치(30)로 구현하는 방법은 여러 가지가 가능한데 그 중 하나가 로직회로 “OR”문을 이용하여 구현하는 방법이다.
이 구현의 의미는 발전기의 회전속도가 정격회전속도 이상이고 피치각이 파인피치각(Fine Pitch Angle)보다 크면 바람에너지가 정격출력 이상인 경우라고 판단하고 토크모드스위치(30)를 통해 정격 토크크기의 발전기 토크를 발생시키다. “OR”문의 구현은 도 26과 같다. 이러한 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력터빈의 정격출력파워 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법을 통하여 난류풍속 등의 영향으로 토크크기가 순간적으로 떨어지는 문제를 방지할 수 있게 된다.
그러나, 제1실시예에 따른 풍력터빈의 정격출력파워 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법은, 바람에너지가 정격출력 이상에서 바람에너지가 정격출력 이하로 떨어질 때 발전기의 토크크기에서 토크채터링이 발생하는 문제를 가지고 있다.
이러한 토크채터링의 문제를 해결하기 위하여 우선 토크채터링이 발생하는 이유를 분석해 보기 위해, 2MW 풍력터빈을 예시로 설명하고자 한다. 풍력터빈의 수치실험 시 토크채터링이 발생하는 이유를 분석하기 위하여 계단풍속을 이용하였다. 도 27은 계단풍속을 나타낸 시간에 대한 풍속 그래프를 도시한 것이다.
2MW 풍력터빈의 바람에너지가 정격출력은 약 12m/s(11.7m/s)이고 발전기의 정격회전속도는 1,500rpm이다. 풍력터빈의 바람에너지가 정격출력 이상에서 정격출력 이하로 급격하게 떨어지는 경우의 분석을 위하여 도 27에 도시된 바와 같이 13m/s에서 11m/s로 변하는 계단풍속을 사용하였다. 그 실험의 결과는 도 28과 도 30에 도시된 바와 같다. 도면 27에서 V는 풍속이다.
먼저, 바람에너지가 정격출력 이상과 정격출력 이하에서의 정상상태를 구분하여 확인해보면, 그 수치실험 결과는 도 28과 같다. 도 28에서 Pg는 발전기의 출력파워, Tg는 발전기의 토크 크기, Ωg는 발전기의 회전속도, β는 블레이드의 피치각이다. 도 30은 블레이드 피치각의 전체 범위를 보여준다. 도 28의 계단응답을 시간대 별로 그에 해당하는 경우(Case)를 구분하여 분석하면 도 29 및 이하의 표 3과 같다. 표 3에서 t는 시간을 나타낸다.
[표 3]
Figure PCTKR2017001044-appb-I000026
바람에너지가 정격출력 이상에서의 정상상태를 설명하면, 0~5초 동안에는 풍속이 13m/s로 정격출력 이상이어서 발전기의 회전속도는 정격회전속도인 1,500rpm이다. 이때 정격출력을 유지하기 위해서는 블레이드에서 발생하는 공력토크를 줄여야한다.
*블레이드의 피치각이 파인피치각인 “0도”보다 커지면 공력토크는 줄어드는데, 풍속이 13m/s인 경우 피치각의 정상상태 값은 도 10에 도시된 바와 같이, 약 “6.5도”로 유지된다. 이때의 토크모드스위치(30)는 “경우 1”에 해당되고 정격출력파워를 유지함으로써 발전기의 토크크기를 발생시킨다.
바람에너지가 정격출력 이하에서의 정상상태를 설명하면, 7.51~15초 동안에는 풍속이 11m/s로 바람에너지가 정격출력 이하이어서 발전기의 회전속도는 정격회전속도보다 작은 1,494rpm이다. 그리고 바람에너지가 정격출력 이하로 떨어지기 때문에 더 많은 공력토크를 얻기 위하여 피치각이 파인피치각인 “0도”로 떨어진 후 유지된다. 이때의 토크모드스위치(30)는 “경우 4”에 해당되고 발전기의 토크크기는 발전기의 회전속도에 따라 발전기의 토크크기를 조절한다.
다음으로 바람에너지가 정격출력 이상에서 정격출력 이하로 급격히 떨어질 때 과도응답으로 인해 발생하는 토크채터링의 문제점을 확인해보도록 한다.
5~7.51초 동안에는 공력토크와 발전기 토크가 바뀌면 발전기의 회전속도가 변하는데 이에 따라서 풍력터빈의 동특성으로 인해 과도응답이 발생한다. 그러나 바람에너지가 정격출력 이하에서는 발전기의 회전속도가 항상 정격회전속도 이하이므로 토크채터링의 발생과는 상관이 없다. 블레이드 피치각 또한 피치제어기(50)의 동특성으로 인해 과도응답이 발생하는데, 피치각이 파인피치각인 “0도”로 되는 6.2초에서 바로 멈추지 않고 6.2초 이후에 “0도”를 중심으로 몇 차례 진동한 후에 “0도”로 유지된다. “0도”를 중심으로 진동할 때 피치각은 피치각 제한장치로 인해 파인피치각의 최솟값인 “0도”보다 작아지지는 않지만 “0도”보다 조금 커지는 경우가 발생하여 토크채터링에 영향을 미치게 된다.
이러한 현상으로 인해 토크모드스위치(30)는 바람에너지가 정격출력 이상에서 정격출력 이하로 급격하게 떨어질 때 “경우 1”에서 “경우 4”로 바뀐 후 “경우 4”의 상태가 지속적으로 유지되지 않고 피치각이 파인피치각인 “0도”보다 큰 경우가 발생하여 다시 “경우 3”으로 바뀌고 또 다시 “경우 4”로 바뀌는 현상을 반복한다. 이때 “경우 3”에서는 정격출력파워를 유지시키고 “경우 4”에서는 발전기의 회전속도에 따라 발전기의 토크크기를 조절하는데, “경우 3”과 “경우 4”가 짧은 시간에 반복되는 현상 때문에 토크크기가 급격히 바뀌어 토크채터링이 발생된다.
도 28은 풍속이 13m/s에서 11m/s로 급격히 바뀐 후 피치각 “0도”로 떨어지는 시점에서부터 약 1.3초 동안 토크채터링이 발생함을 보여준다. 이때 피치각은 약 1.3초 동안 “0~0.02도”사이에서 매우 작은 진동이 여러 번 발생한 후에 “0도”로 유지되는 것을 확인할 수 있다.
상기와 같은 이유로 발생한 토크채터링의 문제는 풍력터빈의 정격출력파워 유지를 위한 토크모드스위치(30)의 “경우3”에서 나타나는 현상이므로 “경우3”을 보완할 필요성이 있다.
이하에서 설명되는 본 발명의 제2실시예에 따른 풍력터빈의 정격출력파워 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법은 제1실시예에서 나타난 토크채터링 문제를 해결하기 위한 것이다. 본 발명의 제2실시예에 따라 풍력터빈의 정격출력파워 유지를 위한 토크모드스위치를 제어할 때 제1실시예와 동일하게 발전기의 회전속도와 블레이드의 피치각 두 가지 정보를 모두 고려한다.
앞서 언급한 바와 같이, 제1실시예를 적용하면 바람에너지가 정격출력 이상에서 정격출력 이하로 급격히 떨어질 때 피치각은 피치제어기(50)의 동특성으로 인해 발생하는 토크채터링 때문에 파인피치각인 “0도”를 중심으로 변동하는 매우 작은 진동이 발생한다.
앞서 언급한 바와 같이, 발전기의 회전속도가 정격회전속도보다 작은 경우에 블레이드의 피치각이 “0도” 부근에서 진동하게 되면 토크모드스위치(30)의 네 가지 경우 중 “경우 3”으로 인해 토크채터링이 발생한다. 풍력터빈이 정격출력 이상에서 정격출력 이하로 급격히 떨어질 때 피치각이 “0도”부근에서 진동하는 현상은 물리적으로 피할 수 없지만 “경우 3”의 토크모드스위치(30) 값은 제어가 가능하다.
토크채터링을 방지하기 위하여 토크채터링의 발생과 관련이 있는 “경우 3”에서는 토크모드스위치(30)의 값을 항상 “1”로 사용하는 대신에 “1” 또는 “0”을 사용하는 것이 필요하다. “1” 과 “0”을 결정하기 위한 판단이 필요한데, 토크모드스위치(30)의 “이전 값”을 사용하면 “0” 과 “1”을 판단할 수 있다.
토크채터링 문제를 해결하기 위해 제안되는 본 발명의 제2실시예에 따른 풍력터빈의 정격출력파워 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법은 다음과 같다. 발전기의 회전속도와 피치각에 따라서 네 가지 경우로 나눌 수 있다.
“경우 1 (Case1)”:
If Ωg ≥ Ωgrat and β 〉βfine
토크모드스위치 모드값 = ‘1’(
Figure PCTKR2017001044-appb-I000027
)
“경우 2 (Case2)”:
If Ωg ≥ Ωgrat and β ≤ βfine
토크모드스위치 모드값 = ‘1’(
Figure PCTKR2017001044-appb-I000028
)
“경우 3 (Case3)”:
If Ωg 〈 Ωgrat and β 〉βfine
토크모드스위치 모드값(k) = 토크모드스위치 모드값(k-1)
(‘1’ 또는‘0’)
(
Figure PCTKR2017001044-appb-I000029
또는 Tg = Lookup Table)
“경우 4 (Case4)”:
If Ωg〈 Ωgrat and β ≤ βfine
토크모드스위치 모드값 = ‘0’(Tg = Lookup Table)
여기서 k는 “현재 상태”이고 k-1은 “이전 상태”를 의미한다.
“경우3”에서 토크모드스위치(30)의 “이전 상태”를 사용한 결과에 대해 바람에너지가 정격출력 이상에서 정격출력 이하로 떨어지는 도 27의 계단풍속에 대하여 동일하게 살펴보도록 한다. 수치실험 결과는 도 31과 같다. 또한, 도 31의 계단응답을 시간대 별로 그에 해당하는 경우를 구분하여 분석하면 도 32 및 이하의 표 4와 같다. 표 4에서 t는 시간을 나타낸다.
[표 4]
Figure PCTKR2017001044-appb-I000030
먼저, 바람에너지가 정격출력 이상과 정격출력 이하에서의 정상상태를 구분하여 확인해보도록 한다. 바람에너지가 정격출력 이상에서의 정상상태를 설명하면, 0~5초 동안에는 풍속이 13m/s로 정격출력 이상이므로 발전기의 회전속도는 정격회전속도인 1,500rpm이고 피치각은 약 “6.5도”로 파인피치각보다 크다. 이는 “경우 1”에 해당되고 토크모드스위치(30)의 값은 “1”로 유지된다. 이는 제1실시예의 결과와 동일하다.
바람에너지가 정격출력 이하에서의 정상상태를 설명하면, 11.21~15초 동안에는 풍속이 11m/s로 바람에너지가 정격출력 이하이어서 발전기의 회전속도는 1,494rpm으로 정격회전속도보다 작고 피치각은 “0도”로 파인피치각이다. 이는 “경우 4”에 해당되고 토크모드스위치(30)의 값은 “0”으로 유지된다. 이는 제1실시예의 결과와 동일하다.
다음으로 바람에너지가 정격출력 이상에서 정격출력 이하로 급격히 떨어질 때 발생하는 과도응답에서의 토크모드스위치(30)의 작동을 확인해 보도록 한다.
우선, 풍속이 11m/s로 바뀐 후 5~6.2초 동안의 과도응답을 살펴보면 발전기의 회전속도는 정격회전속도보다 작지만 피치각은 파인피치각보다 크다. 이는 “경우 3”에 해당되므로 토크모드스위치(30)의 값은 “1” 과 “0”중에서 판단해야한다.
이 경우 토크모드스위치(30)의 “이전 값”이 “1”이므로 “1”로 판단되어 “1”로 유지된다. 다음으로, 6.2초일 때 피치각이 파인피치각인 “0도”로 떨어진다. 이때 발전기의 회전속도는 정격회전속도보다 작고 피치각은 파인피치각이기 때문에 “경우 4”에 해당되고 토크모드스위치(30)의 값은 “0”으로 바뀐다. 다음으로 6.2~11.21초 동안에는 피치제어기(50)의 동특성 때문에 피치각이 다시 파인피치각보다 커지기 된다.
이는 “경우 3”에 해당되므로 토크모드스위치(30)의 값은 “1” 과 “0” 중에서 판단해야한다. 이 경우 토크모드스위치(30)의 “이전 값”이 “0”이므로 “0”으로 판단되어 “1”로 바뀌지 않고 “0”으로 유지된다. 이때 발전기의 토크 크기는 정격출력파워로 급격하게 바뀌지 않으므로 토크채터링을 방지할 수 있다.
그러므로 이와 같이 피치각이 파인 피치각인 “0도”로 떨어진 후 피치제어기(50)의 동특성으로 인해 피치각이 “0도” 부근에서 진동하여도, 토크모드스위치(30)의 값을 “이전 값”으로 사용하면 기존 방법의 “경우3”에서 나타나는 토크채터링의 발생을 방지할 수 있게 됨을 알 수 있다.
제1실시예의 풍력터빈의 정격출력파워 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법과 제2실시예의 풍력터빈의 정격출력파워 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법을 계단풍속으로 비교한 수치실험 결과는 도 33과 같다. 제2실시예에 따른풍력터빈의 정격출력파워 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법을 적용하면 토크채터링이 방지되고 이로 인해 과도응답 특성이 향상됨을 확인할 수 있다.
본 발명의 제2실시예에 따른 풍력터빈의 정격출력파워 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법을 상기와 같은 논리에 따라서 제안된 방법을 Matlab/Simulink로 구현한 것은 도 34와 같다. 이는 여러 가지 구현방법 중 하나이고 로직회로 “AND”와 정수지연(Integer Delay) z-1을 이용하여 구현되었다. 여기서 z-1은 “이전 값”을 의미한다.
제안된 구현에서 발전기의 회전속도가 정격속도 이상이면 정격출력 이상으로 판단하여 토크모드스위치(30)의 값은 “1”이 된다. 발전기의 회전속도가 정격속도보다 작고 피치각이 파인피치각이면 정격출력 이하로 판단하여 토크모드스위치(30)의 값은 “0”이 된다. 또한 발전기의 회전속도가 정격속도보다 작고 피치각이 파인피치각보다 크면 정수지연(Integer Delay) 기능을 사용하여 토크모드스위치(30)의 값은 “이전 값”이 된다.
이하에서는 토크채터링 문제 해결여부를 비교한 풍력터빈의 정격출력파워 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법의 제1실시예와 제2실시예 간의 비교데이터를 설명하도록 한다. 실제와 유사한 풍속인 난류풍속을 사용하여 풍력터빈 제어시스템의 출력성능을 평가하는 것은 매우 중요하다. 바람에너지가 정격출력 이상에서 정격출력 이하로 급격히 떨어질 때 발생하는 토크채터링의 문제를 확인하기 위하여 도 35와 같은 난류풍속을 사용하였다. 사용한 난류풍속은 IEC-61400-1의 규정에 따라서 생성되었는데 10분 동안의 평균풍속은 16m/s이고 난류강도는 17.6%이다.
도 35에 도시된 바와 같이, 실제 난류풍속은 난류강도가 매우 커서 정격풍속(약 12m/s) 이상에서 정격풍속 이하로 떨어지는 경우가 여러 번 발생하므로 올바른 토크모드스위치(30)의 작동이 중요하다.
도 36에서 표시한 것처럼 정격풍속 이상에서 정격풍속 이하로 떨어지는 경우는 13.5초(1), 46.1초(2), 56.6초(3), 97.5초(4), 205.9초(5), 228.1초(6), 264.2초(7), 277.8초(8), 376.2초(9), 389.7초(10), 435.2초(11), 489.5초(12), 571.2초(13), 585.6초(14) 부근으로 총 14회 발생하였다. 난류풍속을 이용하여 제1실시예에 따른 풍력터빈의 정격출력파워 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법을 적용한 수치실험의 결과는 도 37과 같고 토크채터링을 확인하기 위해 확대하여 표시한 도면은 도 38 및 도 39과 같다.
풍속이 정격풍속 이상에서 정격풍속 이하로 떨어지는 14회 중에서 세 번을 제외한 총 11회(도 36에서 1, 2, 3, 4, 6, 7, 8, 9, 11, 12, 13의 경우에 해당하는 시간 부근)에서 피치각이 파인피치각인 “0도”로 떨어졌다. 이때 도 37을 보면 토크채터링이 여러 차례 발생하는 것을 확인할 수 있는데, 피치각이 파인피치각인 “0도”로 떨어지는 11회 중에서 토크채터링은 총 8회(도 36에서 1, 4, 6, 7, 9, 11, 12, 13의 경우에 해당하는 시간 부근) 발생하였다. 그중에 토크채터링의 정도가 큰 경우는 도 38 및 도 39에서 표시한 97.5초(4)와 435.2초(11) 부근에서 발생하였다.
또한, 본 발명의 제2실시예에 따른 풍력터빈의 정격출력파워 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법을 적용한 수치실험의 결과는 도 40과 같고 토크채터링의 해결 효과를 확인하기 위해 확대하여 표시한 도면은 도 41 및 도 42과 같다. 이 경우에는 풍속이 정격풍속 이상에서 정격풍속 이하로 급격히 떨어질 때 발생하는 토크채터링 문제를 방지하여 안정적으로 정격출력파워를 유지할 수 있음을 알 수 있다.
제1실시예에 따른 풍력터빈의 정격출력파워 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법을 적용한 경우 평균 출력파워는 1.97MW이고, 제2실시예에 따른 풍력터빈의 정격출력파워 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법을 적용한 경우의 평균 출력파워 또한 1.97MW로 동일하다. 그러므로 실제 난류풍속에서 제2실시예에 따른 풍력터빈의 정격출력파워 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법을 사용하면 제1실시예에 따른 풍력터빈의 정격출력파워 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법의 문제점인 토크채터링의 발생을 방지하면서 동일한 출력파워를 얻을 수 있는 이점이 있음을 알 수 있다.
따라서 본 발명의 제2실시예에 따른 풍력터빈의 정격출력파워 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법에 의하면, 앞서 언급한 바와 같이, 풍력터빈이 정격풍속 이상에서 정격풍속 이하로 급격히 떨어질 때 발생하는 토크채터링의 문제를 완전히 해결할 수 있었고, 또한 안정적으로 정격출력파워를 유지하면서 발전기의 토크크기를 제어할 수 있다.
또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (12)

  1. 발전기 회전속도를 실시간으로 측정하는 회전속도 측정부;
    블레이드의 피치 명령각을 실시간으로 계산하는 피치제어기;
    피치 명령각을 제한하여 실제 블레이드의 피치각을 결정하는 피치각 제한장치부;
    상기 회전속도 측정부에서 측정된 회전속도와 피치제어기와 피치각 제한장치부에서 결정된 피치각을 기준으로, 모드값을 선택하는 토크모드스위치; 및
    상기 토크모드스위치에서 선택된 모드값에 따라 발전기의 토크를 제어하는 토크제어기를 포함하고,
    상기 토크모드스위치는 상기 회전속도와 상기 피치각을 기준으로 정격풍속이하라고 판단되면 제1모드값을 선택하고, 정격풍속이상이라고 판단되면 제2모드값을 선택하며,
    상기 토크제어기는, 상기 제1모드값의 경우, 기 연산된 회전속도에 따른 토크값으로 상기 발전기토크를 제어하고, 상기 제2모드값의 경우, 정격토크크기로 상기 발전기 토크를 제어하고,
    상기 토크모드스위치는, 상기 회전속도가 정격회전속도 이상이고 상기 피치각이 파인피치각을 초과하는 경우 상기 제2모드값을 선택하고, 상기 회전속도가 정격회전속도 이상이고, 상기 피치각이 파인피치각 이하인 경우 상기 제2모드값을 선택하며, 상기 회전속도가 정격회전속도 미만이고, 상기 피치각이 파인피치각을 초과하는 경우, 이전 선택된 모드값을 그대로 선택하고, 상기 회전속도가 정격회전속도 미만이고, 상기 피치각이 파인피치각 이하인 경우 제1모드값을 선택하는 것을 특징으로 하는 풍력터빈의 정격출력 유지를 위한 토크모드스위치 제어시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 기 연산된 회전속도에 따른 토크값은 이하의 수학식 1과 수학식 2에 의해 연산되는 것을 특징으로 하는 풍력터빈의 정격출력 유지를 위한 토크모드스위치 제어시스템:
    [수학식 1]
    Figure PCTKR2017001044-appb-I000031
    [수학식 2]
    Figure PCTKR2017001044-appb-I000032
    Ωg는 발전기 회전속도, Tg(t)는 제1모드값에서 제어되는 발전기 토크, Kopt는 최적모드게인, CP,max는 최대출력계수, λopt는 최적주속비, R은 블레이드 길이, ρ은 공기밀도, Ngb는 기어비이다.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 회전속도가 정격회전속도 이하인 경우 피치각을 파인피치각으로 유지하고, 피치제어기는 회전속도가 정격회전속도를 초과하는 경우 상기 회전속도와 상기 정격회전속도의 오차를 기반으로 상기 피치 명령각을 연산하고, 상기 피치각 제한장치부는 기설정된 최소피치각과 최대피치각 사이로 피치 명령각을 제한하여 실제 블레이드의 피치각을 결정하는 것을 특징으로 하는 풍력터빈의 정격출력 유지를 위한 토크모드스위치 제어시스템.
  4. 정격회전속도와, 파인피치각, 정격토크크기를 설정하는 단계;
    회전속도 측정부가 발전기 회전속도를 실시간으로 측정하고, 피치제어기가 블레이드의 피치 명령각을 실시간으로 계산하고, 피치각 제한장치부가 피치 명령각을 제한하여 실제 블레이드의 피치각을 결정하는 단계;
    토크모드스위치가 상기 회전속도 측정부에서 측정된 회전속도와 피치제어기와 피치각 제한장치부에서 결정된 피치각을 기준으로, 모드값을 선택하는 단계; 및
    토크제어기가 상기 토크모드스위치에서 선택된 모드값에 따라 발전기의 토크를 제어하는 단계;를 포함하고,
    상기 선택하는 단계에서, 상기 토크모드스위치는 상기 회전속도와 상기 피치각을 기준으로 정격풍속이하라고 판단되면 제1모드값을 선택하고, 정격풍속이상이라고 판단되면 제2모드값을 선택하며,
    상기 제어하는 단계에서, 상기 토크제어기는 상기 제1모드값의 경우, 기 연산된 회전속도에 따른 토크값으로 상기 발전기토크를 제어하고, 상기 제2모드값의 경우, 정격토크크기로 상기 발전기 토크를 제어하고,
    상기 선택하는 단계에서, 상기 토크모드스위치는, 상기 회전속도가 정격회전속도 이상이고 상기 피치각이 파인피치각을 초과하는 경우 상기 제2모드값을 선택하고, 상기 회전속도가 정격회전속도 이상이고, 상기 피치각이 파인피치각 이하인 경우 상기 제2모드값을 선택하며, 상기 회전속도가 정격회전속도 미만이고, 상기 피치각이 파인피치각을 초과하는 경우, 이전 선택된 모드값을 그대로 선택하고, 상기 회전속도가 정격회전속도 미만이고, 상기 피치각이 파인피치각 이하인 경우 제1모드값을 선택하는 것을 특징으로 하는 풍력터빈의 정격출력 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 기 연산된 회전속도에 따른 토크값은 이하의 수학식 1과 수학식 2에 의해 연산되는 것을 특징으로 하는 풍력터빈의 정격출력 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법:
    [수학식 1]
    Figure PCTKR2017001044-appb-I000033
    [수학식 2]
    Figure PCTKR2017001044-appb-I000034
    수학식 1에서, Ωg는 발전기 회전속도, Tg(t)는 제1모드값에서 제어되는 발전기 토크, Kopt는 최적모드게인이고, 수학식 2에서, CP,max는 최대출력계수, λopt는 최적주속비, R은 블레이드 길이, ρ은 공기밀도, Ngb는 기어비이다.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 회전속도가 정격회전속도 이하인 경우 피치각을 파인피치각으로 유지하고, 피치제어기는 회전속도가 정격회전속도를 초과하는 경우 상기 회전속도와 상기 정격회전속도의 오차를 기반으로 상기 피치 명령각을 연산하고, 상기 피치각 제한장치부는 기설정된 최소피치각과 최대피치각 사이로 피치 명령각을 제한하여 실제 블레이드의 피치각을 결정하는 것을 특징으로 하는 풍력터빈의 정격출력 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법.
  7. 발전기 회전속도를 실시간으로 측정하는 회전속도 측정부;
    블레이드의 피치 명령각을 실시간으로 계산하는 피치제어기;
    피치 명령각을 제한하여 실제 블레이드의 피치각을 결정하는 피치각 제한장치부;
    상기 회전속도 측정부에서 측정된 회전속도와 피치제어기와 피치각 제한장치부에서 결정된 피치각을 기준으로, 바람에너지가 정격출력미만이라고 판단되면 제1모드값을 선택하고, 정격출력이상이라고 판단되면 제2모드값을 선택하는 토크모드스위치; 및
    상기 토크모드스위치에서 선택된 모드값이 상기 제1모드값의 경우, 기 연산된 회전속도에 따른 토크값으로 발전기 토크크기를 제어하고, 상기 제2모드값의 경우, 정격출력파워로 일정하게 유지되는 발전기 토크크기로 상기 발전기 토크를 제어하는 토크제어기를 포함하고,
    상기 제2모드값이 선택된 경우 발전기를 제어하게 되는 발전기 토크크기는 이하의 수학식 4로 정의되며,
    상기 토크모드스위치는, 상기 회전속도가 정격회전속도 이상이고 상기 피치각이 파인피치각을 초과하는 경우 상기 제2모드값을 선택하고, 상기 회전속도가 정격회전속도 이상이고, 상기 피치각이 파인피치각 이하인 경우 상기 제2모드값을 선택하며, 상기 회전속도가 정격회전속도 미만이고, 상기 피치각이 파인피치각을 초과하는 경우, 이전 선택된 모드값을 그대로 선택하고, 상기 회전속도가 정격회전속도 미만이고, 상기 피치각이 파인피치각 이하인 경우 제1모드값을 선택하는 것을 특징으로 하는 풍력터빈의 정격출력 유지를 위한 토크모드스위치 제어시스템:
    [수학식 4]
    Figure PCTKR2017001044-appb-I000035
    수학식 4에서, Pgrat는 정격출력파워이고, Ωg는 발전기 회전속도이다.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 기 연산된 회전속도에 따른 토크값은 이하의 수학식 1과 수학식 2에 의해 연산되는 것을 특징으로 하는 풍력터빈의 정격출력 유지를 위한 토크모드스위치 제어시스템:
    [수학식 1]
    Figure PCTKR2017001044-appb-I000036
    [수학식 2]
    Figure PCTKR2017001044-appb-I000037
    수학식 1에서 Ωg는 발전기 회전속도, Tg(t)는 제1모드값에서 제어되는 발전기 토크, Kopt는 최적모드게인이고, 수학식 2에서 CP,max는 최대출력계수, λopt는 최적주속비, R은 블레이드 길이, ρ은 공기밀도, Ngb는 기어비이다.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 회전속도가 정격회전속도 이하인 경우 피치각을 파인피치각으로 유지하고, 피치제어기는 회전속도가 정격회전속도를 초과하는 경우 상기 회전속도와 상기 정격회전속도의 오차를 기반으로 상기 피치 명령각을 연산하고, 상기 피치각 제한장치부는 기설정된 최소피치각과 최대피치각 사이로 피치 명령각을 제한하여 실제 블레이드의 피치각을 결정하는 것을 특징으로 하는 풍력터빈의 정격출력 유지를 위한 토크모드스위치 제어시스템.
  10. 정격출력파워와, 정격회전속도와, 파인피치각을 설정하는 단계;
    회전속도 측정부가 발전기 회전속도를 실시간으로 측정하고, 피치제어기가 블레이드의 피치 명령각을 실시간으로 계산하고, 피치각 제한장치부가 피치 명령각을 제한하여 실제 블레이드의 피치각을 결정하는 단계;
    토크모드스위치가 상기 회전속도 측정부에서 측정된 회전속도와 상기 피치제어기와 상기 피치각 제한장치부에서 결정된 피치각을 기준으로, 모드값을 선택하는 단계; 및
    토크제어기가 상기 토크모드스위치에서 선택된 모드값에 따라 발전기의 토크를 제어하는 단계;를 포함하고,
    상기 선택하는 단계에서, 상기 토크모드스위치는 상기 회전속도와 상기 피치각을 기준으로 바람에너지가 정격출력이하라고 판단되면 제1모드값을 선택하고, 정격출력이상이라고 판단되면 제2모드값을 선택하며,
    상기 제어하는 단계에서, 상기 토크제어기는, 상기 제1모드값의 경우, 기 연산된 회전속도에 따른 토크값으로 상기 발전기 토크크기를 제어하고, 상기 제2모드값의 경우, 정격출력파워로 일정하게 유지되는 발전기 토크크기로 상기 발전기 토크를 제어하며,
    상기 제2모드값이 선택된 경우 발전기를 제어하게 되는 발전기 토크크기는 이하의 수학식 4로 정의되고,
    상기 선택하는 단계에서, 상기 토크모드스위치는, 상기 회전속도가 정격회전속도 이상이고 상기 피치각이 파인피치각을 초과하는 경우 상기 제2모드값을 선택하고, 상기 회전속도가 정격회전속도 이상이고, 상기 피치각이 파인피치각 이하인 경우 상기 제2모드값을 선택하며, 상기 회전속도가 정격회전속도 미만이고, 상기 피치각이 파인피치각을 초과하는 경우, 이전 선택된 모드값을 그대로 선택하고, 상기 회전속도가 정격회전속도 미만이고, 상기 피치각이 파인피치각 이하인 경우 제1모드값을 선택하는 것을 특징으로 하는 풍력터빈의 정격출력 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법:
    [수학식 4]
    Figure PCTKR2017001044-appb-I000038
    수학식 4에서, Pgrat는 정격출력파워이고, Ωg는 발전기 회전속도이다.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 기 연산된 회전속도에 따른 토크값은 이하의 수학식 1과 수학식 2에 의해 연산되는 것을 특징으로 하는 풍력터빈의 정격출력 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법:
    [수학식 1]
    Figure PCTKR2017001044-appb-I000039
    [수학식 2]
    Figure PCTKR2017001044-appb-I000040
    수학식 1에서, Ωg는 발전기 회전속도, Tg(t)는 제1모드값에서 제어되는 발전기 토크, Kopt는 최적모드게인이고 수학식 2에서, CP,max는 최대출력계수, λopt는 최적주속비, R은 블레이드 길이, ρ은 공기밀도, Ngb는 기어비이다.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 회전속도가 정격회전속도 이하인 경우 피치각을 파인피치각으로 유지하고, 피치제어기는 회전속도가 정격회전속도를 초과하는 경우 상기 회전속도와 상기 정격회전속도의 오차를 기반으로 상기 피치 명령각을 연산하고, 상기 피치각 제한장치부는 기설정된 최소피치각과 최대피치각 사이로 피치 명령각을 제한하여 실제 블레이드의 피치각을 결정하는 것을 특징으로 하는 풍력터빈의 정격출력 유지를 위한 토크모드스위치 제어방법.
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