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문제 정의
- 본 논문에서는 궁극적으로 최적화하고자 하는 변수는 블레이드 피치 제어기에 사용되는 제어 이득 (Kp,Ki,Kd)과 발전기 토크 제어기에 사용되는 설계 변수 Np에 국한된다. 최적화하기 위한 성능지수로서 다음을 사용하였다.
- 본 논문에서는 기설계된 제어기 기본 설계안을 실제 현장 적용시 필수적으로 고려해야할 성능 기준에 적합하도록 제어기에 사용되는 설계 변수를 효과적으로 Tuning하는 기법을 제시하고자 한다. 기설계된 기본 설계안으로서, 블레이드 피치 제어기에 가장 폭넓게 사용되는 PID 제어기[4] 및 Two-mass 모델링에 근거한 비선형 토크 제어기[5-8]를 사용하였고, 로터 회전속도 오차, 발전기 출력 오차, 그리고 구동축의 뒤틀림 최소화를 성능 기준으로 설정하였다.
- 본 논문에서는 기설계된 풍력발전제어시스템이 새로운 요구 조건을 만족하도록 제어 설계 변수를 재설정하는 방법으로서 시뮬레이션 기반 최적화 기법을 제안하였다. 적용 예제로서 풍력 터빈 로터의 회전 각속도 제어를 위한 PID 형식의 블레이드 피치 제어기와, 발전기 출력 제어를 위한 발전기 토크 제어기를 동력 전달 회전축의 진동 감소라는 추가적인 목적을 달성하도록 최적화하였다.
- 본 연구의 목적은 새로운 제어기 설계 기법이나 결과를 제시하는 데 있지 않고, 기설계된 제어기의 최적화 튜닝에 있으므로, 통상적으로 가장 많이 사용되는 고전적 PID 피치 제어기를 선정하였다.[4,5] 그림 4에 전형적인 피치 제어 시스템의 구조를 도시하였다.
- 위 수식의 성능지수에서 첫 번째 항은 풍력 터빈 로터의 회전속도 오차, 두 번째 항은 발전기 출력 오차, 그리고 세 번째 항은 동력 전달축의 비틀림 진동을 최소화하기 위한 목적이다. 그리고 αi는 각 고려 항목의 상대적 중요성을 결정하는 가중치이다.
- [3] Region 2과 Region 3은 고풍속 영역으로서, 로터의 회전 속도 및 발전기 출력 파워가 정격을 유지 또는 넘지 못하도록 블레이드 피치 각 및 발전기 제어 토크를 능동적으로 제어한다. 특히, 이 영역에서는 로터, 회전축, 타워에 작용하는 공력 또는 구조적 부하를 최소화하여 피로 누적을 방지하는 것도 중요한 목적이다.
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