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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 백인수
- 발행연도
- 2021
- 저작권
- 강원대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수2
이 논문의 연구 히스토리 (3)
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본 논문에서는 풍력터빈 제어 알고리즘의 제어 성능을 개선시키기 위해 기존의 고전 제어 알고리즘을 현대 제어 알고리즘으로 고도화시키는 연구가 수행되었다.
NREL 5MW 풍력터빈을 대상으로 기존의 고전 제어 알고리즘은 천이 구간에서 모드 스위치 사용으로 인해 경우에 따라서 출력 강하 문제가 발생하는 것을 확인하였다. 또한, 회전속도 한 가지 제어 변수만으로 출력 성능과 하중저감 성능을 동시에 만족시키는 것은 어려우므로 고전 제어 알고리즘의 구조를 전체적으로 개선해야 할 필요성을 시뮬레이션 분석을 통해 확인하였다. 본 연구에서는 이러한 고전 제어 알고리즘을 적용하였을 때 발생하는 문제들을 해결하고 제어 성능을 개선시킬 수 있도록 현대 제어 알고리즘을 설계하였다. LQR(Linear Quadratic Regulator) 제어 알고리즘은 측정된 회전속도 값에 의존하는 기존의 고전 제어 알고리즘 형식에서 벗어나 모드 스위치를 사용하지 않는 다중 입출력 형태이며, 기존의 PI 제어와 같이 최적 성능을 목표로 하는 제어 기법이므로 본 연구에서의 현대 제어 알고리즘은 LQR 알고리즘 기반으로 설계되었다. LQR 제어 성능을 보완하고 가중치 선정이 용이하도록 적분 기능, 가중치 스케일링 기법 등이 알고리즘에 적용되었으며, 풍속 추정기에 의해 추정된 풍속 정보를 기반으로 T-S 퍼지 모형을 설계 및 적용하여 풍력터빈의 비선형성 및 불확실성을 고려하였다. 제안된 LQRF(Linear Quadratic Regulator based on Fuzzy logic) 제어 알고리즘의 제어 성능은 DNV-GL사의 Bladed 프로그램의 동적 시뮬레이션을 통하여 기존의 고전 PI 제어 알고리즘과 비교 검증되었다. 시뮬레이션에서는 PI 제어와 비교했을 때 LQRF 제어는 작동 영역에 따라 최대 27.27 %의 타워 하중을 감소시켰으며, 회전속도 편차는 약 47.86 % 감소시킨 것을 확인하였다. 이러한 제어 성능을 실험적으로도 검증하기 위해 풍력터빈 축소모델을 이용한 풍동실험을 수행하였다. 하지만, 기존의 풍력터빈 축소모델은 하중저감 성능을 검증할 수 있는 기능이 없는 모델이므로 본 연구에서 제안하는 제어 알고리즘의 출력성능 및 하중저감 성능을 모두 검증할 수 있도록 스트레인 게이지를 이용한 하중 측정 시스템을 추가적으로 구축하였다. 구축된 하중 측정 시스템은 두 개의 하프 브리지 형태의 스트레인 게이지 회로를 이용함으로써, 전후방향과 좌우방향에 대한 변형률을 측정하고 하중 분석에 필요한 하중 값으로 환산하여 데이터를 얻어내었다. 기존의 풍력터빈 축소모델의 타워 및 블레이드의 기저 부는 설계 당시 하중저감 제어와 관련된 실험을 고려되지 않아 매우 높은 강도로 설계되었지만, 본 연구에서 타워와 블레이드의 기저 부는 충분히 변형이 생기도록 구조가 수정되어야 한다. 따라서 IEC61400-1 규정서를 참고하여 수행된 하중 해석을 통하여 스트레인 게이지를 부착시키기 위한 타워 및 블레이드 기저 부를 재설계 및 제작하여 하중 측정 시스템과 함께 풍동실험에 적용하였다.
결론적으로 하중저감 제어 성능을 검증할 수 있도록 고도화된 풍력터빈 축소모델을 이용한 풍동실험을 통하여, 기존의 PI 제어 알고리즘 대비 본 연구에서 제안된 LQRF 제어 알고리즘의 출력 성능 및 하중저감 성능의 향상을 확인하였다. 풍동 실험에서는 최대 11.49 %의 타워 하중을 감소시켰으며, 회전속도 편차는 약 36.39 % 감소시킨 것을 확인하였다.
NREL 5MW 풍력터빈을 대상으로 기존의 고전 제어 알고리즘은 천이 구간에서 모드 스위치 사용으로 인해 경우에 따라서 출력 강하 문제가 발생하는 것을 확인하였다. 또한, 회전속도 한 가지 제어 변수만으로 출력 성능과 하중저감 성능을 동시에 만족시키는 것은 어려우므로 고전 제어 알고리즘의 구조를 전체적으로 개선해야 할 필요성을 시뮬레이션 분석을 통해 확인하였다. 본 연구에서는 이러한 고전 제어 알고리즘을 적용하였을 때 발생하는 문제들을 해결하고 제어 성능을 개선시킬 수 있도록 현대 제어 알고리즘을 설계하였다. LQR(Linear Quadratic Regulator) 제어 알고리즘은 측정된 회전속도 값에 의존하는 기존의 고전 제어 알고리즘 형식에서 벗어나 모드 스위치를 사용하지 않는 다중 입출력 형태이며, 기존의 PI 제어와 같이 최적 성능을 목표로 하는 제어 기법이므로 본 연구에서의 현대 제어 알고리즘은 LQR 알고리즘 기반으로 설계되었다. LQR 제어 성능을 보완하고 가중치 선정이 용이하도록 적분 기능, 가중치 스케일링 기법 등이 알고리즘에 적용되었으며, 풍속 추정기에 의해 추정된 풍속 정보를 기반으로 T-S 퍼지 모형을 설계 및 적용하여 풍력터빈의 비선형성 및 불확실성을 고려하였다. 제안된 LQRF(Linear Quadratic Regulator based on Fuzzy logic) 제어 알고리즘의 제어 성능은 DNV-GL사의 Bladed 프로그램의 동적 시뮬레이션을 통하여 기존의 고전 PI 제어 알고리즘과 비교 검증되었다. 시뮬레이션에서는 PI 제어와 비교했을 때 LQRF 제어는 작동 영역에 따라 최대 27.27 %의 타워 하중을 감소시켰으며, 회전속도 편차는 약 47.86 % 감소시킨 것을 확인하였다. 이러한 제어 성능을 실험적으로도 검증하기 위해 풍력터빈 축소모델을 이용한 풍동실험을 수행하였다. 하지만, 기존의 풍력터빈 축소모델은 하중저감 성능을 검증할 수 있는 기능이 없는 모델이므로 본 연구에서 제안하는 제어 알고리즘의 출력성능 및 하중저감 성능을 모두 검증할 수 있도록 스트레인 게이지를 이용한 하중 측정 시스템을 추가적으로 구축하였다. 구축된 하중 측정 시스템은 두 개의 하프 브리지 형태의 스트레인 게이지 회로를 이용함으로써, 전후방향과 좌우방향에 대한 변형률을 측정하고 하중 분석에 필요한 하중 값으로 환산하여 데이터를 얻어내었다. 기존의 풍력터빈 축소모델의 타워 및 블레이드의 기저 부는 설계 당시 하중저감 제어와 관련된 실험을 고려되지 않아 매우 높은 강도로 설계되었지만, 본 연구에서 타워와 블레이드의 기저 부는 충분히 변형이 생기도록 구조가 수정되어야 한다. 따라서 IEC61400-1 규정서를 참고하여 수행된 하중 해석을 통하여 스트레인 게이지를 부착시키기 위한 타워 및 블레이드 기저 부를 재설계 및 제작하여 하중 측정 시스템과 함께 풍동실험에 적용하였다.
결론적으로 하중저감 제어 성능을 검증할 수 있도록 고도화된 풍력터빈 축소모델을 이용한 풍동실험을 통하여, 기존의 PI 제어 알고리즘 대비 본 연구에서 제안된 LQRF 제어 알고리즘의 출력 성능 및 하중저감 성능의 향상을 확인하였다. 풍동 실험에서는 최대 11.49 %의 타워 하중을 감소시켰으며, 회전속도 편차는 약 36.39 % 감소시킨 것을 확인하였다.
목차
1. 서론 11.1 연구 배경 및 목적 11.2 선행 연구 분석 21.3 논문의 구성 42. 연구 대상 풍력터빈 52.1 NREL 5MW 풍력터빈 52.2 풍력터빈 출력 제어 전략 63. 고전 제어 알고리즘의 한계 83.1 토크 스케줄 83.2 비례 적분 제어 93.3 모드 스위치 103.4 시뮬레이션 114. 현대 제어 알고리즘의 적용 144.1 퍼지 논리 기반 선형 2차 조절기 144.2 선형 2차 조절기 154.2.1 선형화 모델 154.2.2 적분 기능 204.2.3 성능 함수 204.2.4 가중치 스케일링 214.2.5 경로 계획 224.2.6 풍속 추정기 234.3 퍼지 논리 274.3.1 비선형 모델 274.3.2 퍼지 모델링 274.4 시뮬레이션 305. 풍력터빈 축소모델을 이용한 제어 성능 검증 365.1 풍력터빈 축소모델 365.2 하중 측정 시스템 375.2.1 풍력터빈 좌표계 395.2.2 하중 해석 415.2.3 스트레인 게이지 485.2.4 데이터 수집 및 신호 처리 525.3 시뮬레이션을 통한 제어 성능 검증 545.4 풍동 실험을 통한 출력 제어 성능 검증 585.5 풍동 실험을 통한 하중 제어 성능 검증 616. 결론 66참고문헌 68Abstract 71
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