[논문]풍력터빈 축 진동 응답에 대한 피치 게인-스케쥴링의 효과

임채욱; 조준철

doi:10.5293/kfma.2012.15.2.036

[국내논문] 풍력터빈 축 진동 응답에 대한 피치 게인-스케쥴링의 효과
An Effect of Pitch Gain-Scheduling on Shaft Vibration Response of Wind Turbine 원문보기

유체기계저널 = Journal of fluid machinery, v.15 no.2 = no.71, 2012년, pp.36 - 40

임채욱 (한밭대학교 기계공학과) , 조준철 (한밭대학교 기계공학과 대학원)

Abstract ▼ AI-Helper

Pitch control of wind turbine is activated above rated wind speed for the purpose of rated power regulation. When we design pitch controller, its gain-scheduling is essential due to nonlinear characteristics of aerodynamic torque. In this study, 2-mass model including a vibration mode of drive-train for a 2 MW wind turbine is considered and pitch control with gain-scheduling using a linearization analysis of the nonlinear aerodynamic torque is applied. Some simulation results for the pitch gain-scheduling under step wind speed are presented and investigated. It is shown that gain-scheduling in pitch control is important especially in the region of high wind speeds when there exists a vibration mode of drive-train.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 2 MW 풍력터빈을 대상으로 드라이브-트레인의 진동모드를 고려한 2-질량 모델에 대하여 공기역학적 토크의 비선형성이 풍력터빈의 진동 모드의 응답에 미치는 피치 게인-스케쥴링의 영향을 계단풍속 응답을 통하여 확인하였다. 비선형적인 공기역학적 토크에 대한 선형화 해석을 통하여 폐루프 피치계의 고유진동수를 구함으로 풍력터빈의 피치제어가 공기역학적 토크의 비선형적 특성에 큰 영향을 받음을 확인하였다.
본 논문에서는 드라이브-트레인의 진동 모드가 고려된 2-질량 모델을 이용하여 피치 PI 제어기의 게인-스케쥴링 응답을 확인하고자 한다. 이를 위해 공기역학적 토크의 비선형성이 폐루프 피치계의 특성에 미치는 영향을 선형화를 통하여 확인하고, 정격용량이 2 MW인 풍력터빈에 대한 2-질량 모델을 이용하여 계단풍속에 대한 응답을 수치실험을 통하여 확인한다.
이를 위해 공기역학적 토크의 비선형성이 폐루프 피치계의 특성에 미치는 영향을 선형화를 통하여 확인하고, 정격용량이 2 MW인 풍력터빈에 대한 2-질량 모델을 이용하여 계단풍속에 대한 응답을 수치실험을 통하여 확인한다. 풍력터빈의 드라이브-트레인의 진동 모드가 존재하는 경우 피치 게인-스케쥴링이 고풍속 영역에서 피치제어기의 안정성과 응답에 미치는 영향을 보이고자 한다.

제안 방법

정격 풍속(12 m/s) 이상에서 발전기의 토크 크기는 정격값을 내도록 하였다. 계단풍속에 대해서 피치 게인-스케쥴링을 사용하지 않는 경우와 피치 게인-스케쥴링을 사용한 경우의 응답을 수치실험을 통해 비교 확인하였다.
본 논문에서 풍력터빈의 피치 제어기는 Fig. 3과 같은 속도제어루프 형태의 PI 제어기와 피치 게인-스케쥴링(GS)을 사용하였으며, 피치 제어기는 발전기의 회전속도(Ωg)를 피드백하여 기준입력인 발전기 정격회전속도(Ωref )와의 오차를 PI 제어기를 통해 정격 풍속이상에서 피치각을 조절하는 방법이다.
본 논문에서는 드라이브-트레인의 진동 모드가 고려된 2-질량 모델을 이용하여 피치 PI 제어기의 게인-스케쥴링 응답을 확인하고자 한다. 이를 위해 공기역학적 토크의 비선형성이 폐루프 피치계의 특성에 미치는 영향을 선형화를 통하여 확인하고, 정격용량이 2 MW인 풍력터빈에 대한 2-질량 모델을 이용하여 계단풍속에 대한 응답을 수치실험을 통하여 확인한다. 풍력터빈의 드라이브-트레인의 진동 모드가 존재하는 경우 피치 게인-스케쥴링이 고풍속 영역에서 피치제어기의 안정성과 응답에 미치는 영향을 보이고자 한다.
4 kNm이다. 정격 풍속(12 m/s) 이상에서 발전기의 토크 크기는 정격값을 내도록 하였다. 계단풍속에 대해서 피치 게인-스케쥴링을 사용하지 않는 경우와 피치 게인-스케쥴링을 사용한 경우의 응답을 수치실험을 통해 비교 확인하였다.
풍속변화에 대한 피치 제어기의 응답특성을 확인하기 위하여 계단풍속 입력을 사용하였다. 계단풍속은 10 m/s에서 25 m/s까지 20초 간격으로 3 m/s씩 커지는 경우를 고려하였다.
풍속이 커짐에 따라 #의 절대값이 커짐으로 피치 게인-스케쥴링은 이의 영향을 줄이기 위해 고풍속 영역에서의 피치 PI 게인값을 작게 사용하는 방법인데, 피치 게인-스케쥴링은 피치각이 커짐에 따라 설계된 피치 PI 게인값을 게인제수(gain divisor)로 나누도록 하였고, 게인제수는 Fig. 6과 같이 피치각을 이용하여 구현하였다.

이론/모형

풍력터빈은 블레이드, 로터, 회전축, 기어박스, 타워 등 여러가지 구성요소들로 이루어진 복합시스템이다. 여기에서는 기어박스가 있는 풍력터빈에 대해서 회전축의 진동 특성을 표현한 2-질량 모델을 고려하였다. 공기역학적 토크(T_r)는 식 (1)과 같고 출력계수(C_p), 풍속(V), 주속비(λ), 피치각(β), 로터의 반지름(R)으로 표현된다.
정격출력이 2 MW인 풍력터빈에 대한 2-질량 모델을 Matlab/Simulink로 구현하였다. 고려된 풍력터빈의 발전기 정격속도는 1,500 rpm이고 발전기 정격토크는 13.

성능/효과

4는 설계 풍속인 정격 풍속 12 m/s일 때의 1-질량 모델과 2-질량 모델을 각각 피치각에 대한 발전기 회전속도의 주파수 응답을 비교한 것이다. 2-질량 모델과 1-질량 모델은 약 10 rad/sec 이하에서 주파수 응답이 동일함을 확인할 수 있었다. 1-질량 모델을 이용한 폐루프 피치계의 전달 함수(G_pc(s))는 식 (17)과 같다.
이로 인해 피치 게인-스케쥴링을 사용하지 않는 경우 고풍속 영역에서 피치 응답이 매우 빨라지고 피치각, 발전기 회전속도, 발전기 토크, 출력파워 및 축 토크의 응답에 드라이브-트레인 진동모드의 영향이 커져 불안정한 응답이 발생함을 확인하였다. 그러나 피치 게인-스케쥴링을 사용하면 고풍속 영역에서 폐루프 피치계의 고유진동수를 작게 하여 드라이브-트레인 진동모드에 대한 피치제어 의 영향이 줄어 고풍속 영역에서의 피치 응답을 안정화할 수 있음을 확인하였다.
본 논문에서는 2 MW 풍력터빈을 대상으로 드라이브-트레인의 진동모드를 고려한 2-질량 모델에 대하여 공기역학적 토크의 비선형성이 풍력터빈의 진동 모드의 응답에 미치는 피치 게인-스케쥴링의 영향을 계단풍속 응답을 통하여 확인하였다. 비선형적인 공기역학적 토크에 대한 선형화 해석을 통하여 폐루프 피치계의 고유진동수를 구함으로 풍력터빈의 피치제어가 공기역학적 토크의 비선형적 특성에 큰 영향을 받음을 확인하였다. 풍속이 커짐에 따라 폐루프 피치계의 고유진동수가 고풍속 영역(20 m/s 이상)에서 설계 풍속인 정격 풍속에서의 고유진동수보다 2.
6배 이상 커짐을 확인 할 수 있었다. 이로 인해 피치 게인-스케쥴링을 사용하지 않는 경우 고풍속 영역에서 피치 응답이 매우 빨라지고 피치각, 발전기 회전속도, 발전기 토크, 출력파워 및 축 토크의 응답에 드라이브-트레인 진동모드의 영향이 커져 불안정한 응답이 발생함을 확인하였다. 그러나 피치 게인-스케쥴링을 사용하면 고풍속 영역에서 폐루프 피치계의 고유진동수를 작게 하여 드라이브-트레인 진동모드에 대한 피치제어 의 영향이 줄어 고풍속 영역에서의 피치 응답을 안정화할 수 있음을 확인하였다.
비선형적인 공기역학적 토크에 대한 선형화 해석을 통하여 폐루프 피치계의 고유진동수를 구함으로 풍력터빈의 피치제어가 공기역학적 토크의 비선형적 특성에 큰 영향을 받음을 확인하였다. 풍속이 커짐에 따라 폐루프 피치계의 고유진동수가 고풍속 영역(20 m/s 이상)에서 설계 풍속인 정격 풍속에서의 고유진동수보다 2.6배 이상 커짐을 확인 할 수 있었다. 이로 인해 피치 게인-스케쥴링을 사용하지 않는 경우 고풍속 영역에서 피치 응답이 매우 빨라지고 피치각, 발전기 회전속도, 발전기 토크, 출력파워 및 축 토크의 응답에 드라이브-트레인 진동모드의 영향이 커져 불안정한 응답이 발생함을 확인하였다.
33 Hz인 것을 확인할 수 있다. 피치 게인-스케쥴링으로 인해 고풍속 영역(20 m/s 이상)에서 폐루프 피치계의 고유진동수가 감소됨을 확인할 수 있다.
6배 이상 증가한 것을 확인할 수 있다. 피치 게인-스케쥴링을 사용하면 폐루프 피치계의 고유진동수는 고풍속 영역(20 m/s 이상)에서 설계풍속(12m/s)에서의 폐루프 피치계의 고유진동수 값보다 약 1.6배 정도 커진 0.33 Hz인 것을 확인할 수 있다. 피치 게인-스케쥴링으로 인해 고풍속 영역(20 m/s 이상)에서 폐루프 피치계의 고유진동수가 감소됨을 확인할 수 있다.
8과 같다. 피치 게인-스케쥴링을 사용하지 않으면 고풍속 영역(20 m/s 이상)에서 드라이브-트레인 모드의 진동이 크게 발생하는 불안정한 특성을 보여, 출력파워에 나쁜 영향을 줄 뿐만 아니라 축 토크의 진동 폭을 크게 하여 드라이브-트레인의 축 및 기어박스의 동적 응답에 나쁜 영향을 미침을 확인할 수 있다. 그러나 피치 게인-스케쥴링을 사용하면 고풍속 영역에서 드라이브-트레인 모드의 진동에 의한 불안정성을 제거하여 출력파워 및 축 토크가 안정화되는 것을 확인할 수 있다.
7과 같다. 피치 게인-스케쥴링을 사용하지 않으면 폐루프 피치계의 고유진동수가 고풍속 영역(20 m/s 이상)에서 약 0.5 Hz 이상 커져 설계풍속(12 m/s)에서의 폐루프 피치계의 고유진동수 값보다 2.6배 이상 증가한 것을 확인할 수 있다. 피치 게인-스케쥴링을 사용하면 폐루프 피치계의 고유진동수는 고풍속 영역(20 m/s 이상)에서 설계풍속(12m/s)에서의 폐루프 피치계의 고유진동수 값보다 약 1.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	풍력터빈의 피치제어의 장점은 무엇인가?	대형화됨에 따라 정격파워 이상에서 작동하는 피치제어가 더욱 중요하게 되었다. 풍력터빈의 피치제어는 풍속에 따른 피치각을 제어하는 방식이고 풍속의 변화에 대한 효율적인 운행과 비상시 안전 대비에 우수한 능력이 가장 큰 장점이다(1,2).
	풍력터빈은 무엇인가?	풍력터빈은 바람이 가진 에너지가 로터 블레이드를 회전시켜 기계적인 에너지로 전환하여 발전기를 통해 전기를 생산하는 기계이다. 최근 풍력 터빈의 경향은 수 MW급으로 대형화되고 페더링 방향의 피치제어 방식인 가변속도-가변피치 형태를 취한다.
	풍력 터빈이 대형화 됨에 따라 중요해진 것은 무엇인가?	최근 풍력 터빈의 경향은 수 MW급으로 대형화되고 페더링 방향의 피치제어 방식인 가변속도-가변피치 형태를 취한다. 대형화됨에 따라 정격파워 이상에서 작동하는 피치제어가 더욱 중요하게 되었다. 풍력터빈의 피치제어는 풍속에 따른 피치각을 제어하는 방식이고 풍속의 변화에 대한 효율적인 운행과 비상시 안전 대비에 우수한 능력이 가장 큰 장점이다(1,2).

참고문헌 (9)

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상세보기
Joselin Herberta, G. M., Iniyanb, S., Sreevalsanc, E. and Rajapandian, S., 2007, "A Review of Wind Energy Technologies," Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 11, pp. 1117-1145.

상세보기
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Munteanu, I., Bratcu, A. L., Cutululis, N. A. and Ceanga, E., 2008, "Optimal Control of Wind Energy Systems," Springer-Verlag.
Lim, C. W., 2011, "Study on Properties of Pitch Control for Wind Turbine," Trans. of the KSME(A), Vol. 35, No. 1, pp. 59-65.
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Hansen, M., Hansen, A., Larsen, T., Øye, S., Sørensen, P. and Fuglsang, P., 2005, "Control Design for a Pitchregulated, Variable Speed Wind Turbine," Technical Report RISO-R-1500(EN), Riso National Laboratory, Roskilde, Denmark.
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상세보기
Munteanu, I., Cutululis, N. A., Bratcu, A. I. and Ceanga, E., 2005, "Optimization of Variable Speed Wind Power Systems Based on a LQG Approach," Control Engineering Practice, Vol. 13, pp. 903-912.

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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