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풍력터빈의 제어
Understanding of Wind Turbine Control 원문보기

한국정보과학회 2010년도 한국컴퓨터종합학술대회논문집 Vol.37 No.1(D), 2010 June 30, 2010년, pp.440 - 443  

함경선 (전자부품연구원) ,  김용호 (전자부품연구원)

초록
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차세대 청정에너지로서의 풍력발전 보급이 급속히 증가하고 있다. 고 효율의 풍력발전이 요구됨에 다라 풍력터빈이 대형화 되면서 풍력터빈의 경제 수명 보장과 발전 효율을 극대화하기 위해 제어기술의 중요성이 더욱 부각되고 있다. 거대 구조물인 풍력터빈의 기계적 부하를 최소화하고, 바람 상태에 따른 고 효율출력 제어가 필수적인 것만큼 제어장치의 궁극적인 목표는 바람으로부터의 에너지 획득 비용을 줄이는 것이라고 할 수 있다. 본고에서는 에너지 변환장치로서의 풍력터빈이 갖는 제어 장치의 기본 기능을 설명하고, 이에 대한 실현에 대하여 논한다.

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본고에서 설명한 제어기술은 풍력터빈의 날개 피치와 발전기 토크 그리고 요잉(yawing)을 제어할 목적으로 구현된다. 나셀(nacelle)에 위치한 주 제어장치는 풍력터빈의 내외부 환경을 모니터링하고 각 부분품으로부터의 정보를 취득하여 알고리즘에 의한 제어신호를 생성, 실행하게 된다.
  • 제어 전략을 토크-로터 회전속도의 관계를 사용하여 논하는 것이 가장 적합하다. 본고에서는 상용 풍력터빈에서 공통적인 가변속도 가변피치(Variable-speed variable-pitch) 제어에 국한하여 설명한다. 이러한 제어 장법은 정격출력(rated power) 이하에서는 고정의 피치 각을 갖는 가변속도 제어를 사용하고 그 이상에서는 가변 피치 제어를 수행하게 된다[2].
  • 풍력터빈 제어는 바람으로부터의 에너지 획득 비용을 최소화하는 것을 목표로 한다. 이를 위해서는 풍력 에너지 최대회수, 기계적 하중 최소화, 전력품질의 관점에서 기술이 실현되어야 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
풍력터빈 제어의 목표는 무엇인가? 풍력터빈 제어는 바람으로부터의 에너지 획득 비용을 최소화하는 것을 목표로 한다. 이를 위해서는 풍력 에너지 최대회수, 기계적 하중 최소화, 전력품질의 관점에서 기술이 실현되어야 한다.
풍력 에너지의 최대 회수를 위해서는 어떤 기술이 핵심적인가? 풍력 에너지의 최대 회수를 위해서는 기동 풍속과 차단풍속 범위 안에서 풍력터빈 안정성을 고려한 최대 에너지 회수를 위한 피치각(pitch angle) 조절과 선단속도 비를 제어하는 기술이 핵심이다.
풍력터빈의 제어에서 풍력 에너지 출력의 최대 회수와 기계적 부하의 최소화는 어떤 변수를 통해 가능한가? 첫째는 회전날개 피치각이다. 피치각을 조절하면, 바람에 대한 날개 익형(airfoil)에서의 받음각(angle of attack)을 변화시킬 수 있다. 받음각이 변화되면, 날개에서 발생되는 양력과 항력이 변화되는데, 이를 통하여 회전날개의 공기역학적 토크를 변화시킬 수 있게 된다. 즉, 회전날개가 받게 되는 공기 역학적 토크를 조절할 수 있는 입력 인자가 피치 액츄에이터(actuator) 조절에 의한 피치각 변수이다. 둘째는 회전축 반력 토크(generator torque)이다. 증속기 고속 회전자에 직결된 발전기의 회전자(rotor)에 작용하는 반력 토크로 고속 회전축(HSS, High Speed Shaft)의 회전을 방해하는 역할을 수행한다. 즉, 반력 토크를 사용하여 회전 날개의 속도를 가변시킬 수 있다.
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