[논문]풍력발전 제어에 적용되는 계측신호처리 필터에 대한 특성 고찰

문석준; 신윤호; 정태영; 임채환; 류지윤

doi:10.7849/ksnre.2011.7.4.058

풍력발전 제어에 적용되는 계측신호처리 필터에 대한 특성 고찰
Characteristics of Filters for Signal Processing Applied to Wind Turbine Controllers 원문보기

신재생에너지 = New & Renewable Energy, v.7 no.4, 2011년, pp.58 - 65

문석준 (한국기계연구원 시스템다이나믹스연구실) , 신윤호 (한국기계연구원 시스템다이나믹스연구실) , 정태영 (한국기계연구원 시스템다이나믹스연구실) , 임채환 (한국기계연구원 시스템신뢰성연구실) , 류지윤 ((주)유니슨 풍력연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

In variable-speed variable-pitch wind turbines, the conventional approach for controlling power-production operation relies on a generator-torque controller and a rotor-collective blade-pitch controller. Both controllers use the generator speed measurement as the sole feedback input. In order to mitigate unwanted excitation of the control system, many filters are adopted. In this study, the characteristics of some filters for signal processing are investigated based on frequency response function. They include low-pass filters, band-pass filters, and notch filters. Especially, this study focuses on design parameters of their filters.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 일반적인 필터의 종류를 정리하고, 몇 개의 특정한 필터에 대해주파수 응답함수를 기반으로 특성을 파악하고자 한다. 또한 필터 설계에 필요한 인자들을 정리하고자 한다.
개별 제어기는 각 풍력발전기의 상위 제어기(supervisory controller)의 운용조건에 따라 역할을 수행하게 된다. 본 연구에서는 개별 제어기 중 토크 제어기와 피치 제어기만을 다루고자 한다. 일반적인 풍력발전기의 제어로직에서 살펴보면, 토크 제어기는 정격풍속이하에서 최대 전력을 생산하기 위해 최대 파워계수(C_p,max) 곡선을 추종하도록 설계되어 있다.
이와 같이 풍력발전기의 제어기에는 다양한 필터들이 적용되고 있다. 본 연구에서는 일반적인 필터의 종류를 정리하고, 몇 개의 특정한 필터에 대해주파수 응답함수를 기반으로 특성을 파악하고자 한다. 또한 필터 설계에 필요한 인자들을 정리하고자 한다.
본 연구에서는 풍력발전기의 제어기에 사용되고 있는 필터의 종류 및 특성을 정리하였으며, 다양한 저역통과 필터들의 특성을 비교·고찰하였다.
또한 복수개의 필터를 결합하여 사용할 경우의 특성들도 살펴보았다. 이러한 고찰을 통해 필터를 설계할 때, 고려해야 할 설계인자들을 도출해 보았다. 풍력발전기의 제어기는 선형모델링을 기반으로 설계를 하기 때문에 비선형성이 강한 풍력발전기에 현장 적용할 때 튜닝이라는 절차가 반드시 필요하다.

제안 방법

본 연구에서는 풍력발전기의 제어기에 사용되고 있는 필터의 종류 및 특성을 정리하였으며, 다양한 저역통과 필터들의 특성을 비교·고찰하였다. 또한 DTD에 사용되고 있는 특수한 대역통과 필터의 특성과 노치 필터의 특성을 살펴보았으며, 더불어 더블 노치필터의 고찰도 수행하였다. 또한 복수개의 필터를 결합하여 사용할 경우의 특성들도 살펴보았다.
또한 DTD에 사용되고 있는 특수한 대역통과 필터의 특성과 노치 필터의 특성을 살펴보았으며, 더불어 더블 노치필터의 고찰도 수행하였다. 또한 복수개의 필터를 결합하여 사용할 경우의 특성들도 살펴보았다. 이러한 고찰을 통해 필터를 설계할 때, 고려해야 할 설계인자들을 도출해 보았다.

성능/효과

Fig. 7에서 보듯이 Butterworth의 차수가 증가할수록 필터성능은 향상되는 것을 확인할 수 있으며, 3차 Butterworth필터가 저역통과필터와 노치필터와 결합된 필터보다 성능이 우수한 것을 확인할 수 있다.

후속연구

풍력발전기의 제어기는 선형모델링을 기반으로 설계를 하기 때문에 비선형성이 강한 풍력발전기에 현장 적용할 때 튜닝이라는 절차가 반드시 필요하다. 필터의 경우에도 현장 튜닝이 필요할 것으로 판단되며, 필터의 설계인자 특성을 파악하고 있다면, 보다 용이하게 튜닝작업을 수행할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	MW급 대형 풍력발전기의 개별 제어기는 무엇으로 구성되어 있는가?	MW급 대형 풍력발전기의 개별 제어기(component controller)는 발전기 토크제어기, 날개 피치제어기 및 나셀 요제어기로구성되어 있다. 개별 제어기는 각 풍력발전기의 상위 제어기(supervisory controller)의 운용조건에 따라 역할을 수행하게 된다. 본 연구에서는 개별 제어기 중 토크 제어기와 피치 제어기만을 다루고자 한다.
	개별 제어기는 무엇에 따라 역할을 수행하게 되는가?	MW급 대형 풍력발전기의 개별 제어기(component controller)는 발전기 토크제어기, 날개 피치제어기 및 나셀 요제어기로구성되어 있다. 개별 제어기는 각 풍력발전기의 상위 제어기(supervisory controller)의 운용조건에 따라 역할을 수행하게 된다. 본 연구에서는 개별 제어기 중 토크 제어기와 피치 제어기만을 다루고자 한다.
	토크 제어기와 피치 제어기는 어떻게 설계되어 있는가?	본 연구에서는 개별 제어기 중 토크 제어기와 피치 제어기만을 다루고자 한다. 일반적인 풍력발전기의 제어로직에서 살펴보면, 토크 제어기는 정격풍속이하에서 최대 전력을 생산하기 위해 최대 파워계수(Cp,max) 곡선을 추종하도록설계되어 있다. 반면, 피치 제어기는 정격풍속이상에서 일정한 파워(또는 일정한 토크)를 유지하여 기계적 부하를 저감하면서 정격 전력을 생산하도록 설계되어 있다. 적용된 제어로직에따라 상이하지만, 토크 제어기와 피치 제어기는 발전기 축에 설치되어 있는 센서(예를 들면, 엔코더 등)를 통해 발전기의 회전속도를 계측하며, 계측된 회전속도 신호를 근거로 하여 제어목적을 달성하는 되먹임형 제어기(feedback controller)이다.

참고문헌 (7)

J.M. Jonkman, "Dynamic Modeling and Loads Analysis of an Offshore Floating Wind Turbine", NREL/TP-500-41958, 2007, pp. 57-68.
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T.G. von Engelen, P. Schaak and C. Lindenburg, "Control for Damping the Fatigue Relevant Deformation Modes of Offshore Wind Turbines", EWEC 2003.
A. Dixit and S. Suryanarayanan, "Towards Pitch-Scheduled Drive Train Damping in Variable-Speed, Horizontal-Axis Large Wind Turbines", Proceeding of the 44th IEEE Conference on Decision and Control, and The European Control Conference 2005, Seville, Spain, Dec. 2005, pp. 1295-1300.
E.A. Bossanyi, "The Design of Closed-loop Controllers for Wind Turbines", Wind Energy, Vol. 3, 2000, pp. 149-163.

상세보기
S. Suryanarayanan and A. Dixit, "A Procedure for the Development of Control-Oriented Linear Models for Horizontal-Axis Large Wind Turbines", Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, Vol. 129, 2007, pp. 469-478.

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