MG-set 기반 풍력터빈 제어기 검증 시뮬레이터 개발 :

원병철

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자료유형: 학위논문

저자정보: 원병철 (강원대학교, 강원대학교 대학원)

지도교수: 백인수

발행연도: 2022

저작권: 강원대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수4

이 논문의 연구 히스토리 (5)

2022

MG-set 기반 풍력터빈 제어기 검증 시뮬레이터 개발

원병철 융합학과 2022.01 학위논문

2021

MG-set 기반의 풍력터빈 동적 시뮬레이터 개발

원병철 , 전태수 , 백인수 풍력에너지저널 2021.12 학술저널

MG-set 기반 풍력터빈 축소모델 토크제어 성능 및 출력 검증

원병철 , 백인수 한국태양에너지학회 학술대회논문집 2021.05 학술대회자료

2020

풍력터빈 제어기 검증을 위한 MG-set기반 Test Bench 설계

원병철 , 백인수 한국태양에너지학회 학술대회논문집 2020.06 학술대회자료

2019

MG-set을 이용한 풍력터빈 축소모델의 동적 출력 검증을 위한 시뮬레이터 개발

원병철 , 전태수 , 백인수 한국태양에너지학회 학술대회논문집 2019.10 학술대회자료

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본 논문에서는 MW급 대형풍력터빈과 유사한 작동 메커니즘을 갖는 정격출력 40 W의 초소형 풍력터빈 모델에 대한 MG-set 기반의 동적 시뮬레이터를 구현하였다. 최초 시뮬레이터의 하드웨어에 해당하는 MG-set 구조의 테스트벤치는 뮌헨공대 Carlo L. Bottaso 연구팀에 의해 설계 및 제작되었으며, 본 연구에서는 시뮬레이션 대상 풍력터빈의 스펙이 상이한 점을 고려하여 대상 시뮬레이터의 테스트벤치 디자인을 설계 수정하여 재제작 하였다. 구성된 하드웨어는 대상 풍력터빈 축소모델의 나셀부를 적용하여 구동이 가능하도록 설계하였으며, 축소모델과 동일한 회전관성을 갖는 더미 블레이드를 사용하여 실제 블레이드를 모사하였다.
또한, 실제 바람 없이 바람에 의해 발생하는 로터 회전운동을 실시간으로 모사하기 위하여, DC 모터(이하 로터 엑츄에이터)를 사용하였으며, 로터 엑츄에이터와 축소모델 드라이브 트레인의 저속축(로터축)을 유연성 커플링으로 연결하여 동적 시뮬레이터를 구축하였다. 시뮬레이터의 구동은 로터 엑츄에이터를 제어하기 위한 PLC와 나셀 내 발전기를 제어하기 위한 풍력터빈 제어알고리즘이 내장된 추가적인 PLC로 구성하였다. 난류 바람에 의한 로터 엑츄에이터 회전운동을 모사하기 위한 회전속도 제어량을 산출하기 위해서 대상 축소모델의 블레이드 공력특성이 적용된 수치모델과 드라이브 트레인 단순 수치모델을 포함하는 알고리즘을 구성하여 로터 엑츄에이터 제어 PLC에 적용하였다. 추가로 별도의 PC를 통해 GUI를 구성하여 테스트 벤치의 상태모니터링, 운영제어(자동모드, 수동모드) 그리고 데이터 로깅이 가능하도록 하였다. 구성된 MG-set 기반의 동적 시뮬레이터의 성능검증을 위해 동일한 난류바람에 대해 기존 해당 실험실에서 개발된 Matlab/Simulink 기반 동적 시뮬레이션 모델과 비교 검증하였다. 실험결과 Matlab/Simulink 기반 동적 시뮬레이션 모델과 주요 성능 데이터에 대해서 1% 내외의 오차를 확인하였으며, 본 연구를 통해 구현된 MG-set 기반의 동적 시뮬레이터를 이용하여 실험실 단위에서 풍동실험 및 사이트 실증실험에 앞서 난류바람에 대한 풍력터빈 제어기의 성능에 대해 선제적 검증이 가능함을 확인하였다.

In this paper, a dynamic simulator based on MG-set was implemented for a scaled wind turbine model with a rated output of 40 W with an operating mechanism similar to that of a MW-class large wind turbine. A test bench constituting the simulator hardware was initially designed and manufactured by Carlo L. Bottasso''s research team at the Technical University of Munich. In this study, part of the test bench was modified and redesigned in consideration of the different specifications of the wind turbine to be simulated. The configured test bench was designed to be driven by applying the nacelle of the target scaled wind turbine model, and dummy blade having the same rotational inertia as the scaled wind turbine model was used to replace the actual blade.
In addition, in order to emulate the rotational motion of the rotor by natural wind in real time, a DC motor (rotor actuator) was used and a dynamic simulator was constructed by connecting the rotor actuator and the low-speed shaft (rotor shaft) of the target wind turbine drive train through a flexible coupling. The simulator is operated with a PLC to control the rotor actuator and the other PLC with built-in wind turbine control algorithm to control the generator inside the nacelle. In order to calculate the control value of the rotor actuator rotation speed, an algorithm including a numerical model to which the blade aerodynamic characteristics of the target wind turbine model and a drive train simple numerical model were applied to the rotor actuator control PLC. A GUI was configured through a PC to enable test bench status monitoring, operation control (automatic mode, manual mode), and data logging.
To verify the performance of the MG set-based dynamic simulator, it was compared with the existing MATLAB Simulink dynamic simulation model. The main performance data between the experimental results and the MATLAB Simulink-based dynamic simulation were compared, and an error within 1% was confirmed. Using the MG set-based dynamic simulator built in this study, it was confirmed that it was possible to verify the performance of the wind turbine controller for dynamic wind in the laboratory before a wind tunnel test or site test.

#풍력터빈 축소모델 #모터-발전기 세트 #풍력터빈 제어 #산업용 PLC #풍력터빈 시뮬레이터

Ⅰ. 서론 1
1.1 연구배경 및 목적 1
1.2 논문의 구성 5
Ⅱ. 시뮬레이터의 시스템 구성 6
2.1 시뮬레이터의 셋업 6
2.2 구성요소 간 기능적 상호작용 6
Ⅲ. 테스트벤치의 구성 8
3.1 대상 풍력터빈 축소모델 8
3.2 테스트 벤치 설계 및 제작 10
3.2.1 Full scale 테스트벤치 설계 10
3.2.2 더미 블레이드 11
3.2.3 모터 사이드 및 센서 14
3.2.4 테스트벤치 제작 15
Ⅳ. 터빈모델 작동모사 시스템 17
4.1 풍력터빈의 작동 특성 17
4.1.1 풍력터빈 작동구조 17
4.1.2 대상 풍력터빈 수치모델 20
4.1.3 풍력터빈 제어구조 21
4.2 로터 액추에이터 제어 시스템 26
4.2.1 공력토크 추정 26
4.2.2 로터회전속도 추정 28
4.2.3 로터회전속도 연산 알고리즘 30
4.2.4 Bachmann PLC를 이용한 로터 액추에이터 구동 32
Ⅴ. GUI 기반 시뮬레이터 운영시스템 33
5.1 상태 모니터링 및 시뮬레이터 운영 제어 33
5.2 시뮬레이션 데이터 취득 35
Ⅵ. MG-set 기반 동적 시뮬레이터 검증 36
6.1 실험장치 구성 36
6.2 실험환경 37
6.3 실험적 검증 40
6.3.1 MG-set 기반 동적 시뮬레이션 40
6.3.2 시뮬레이션 비교검증 41
Ⅶ. 결론 44

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