대용량 초전도 풍력 발전기 설계 및 특성 분석에 관한 연구 A study on the design and characteristics analysis of a large-scale superconducting synchronous generator for wind turbine원문보기
신재생에너지를 이용한 발전 시스템 중 풍력발전시스템은 타 신재생에너지원에 비해 발전 단가가 저렴하고, 발전 효율이 높기 때문에 많은 주목을 받고 있다. 이미 전 세계적으로 GW 이상의 풍력발전시스템이 설치 및 운전 되고 있다. 이러한 풍력발전시스템의 용량은 블레이드 길이의 5승에 비례하여 증가하고, 발전시스템 1기당 용량이 증가할수록 경제적 효율이 증가하기 때문에 최근 대용량화 되고 있는 추세이다. 하지만 용량이 증가할수록 블레이드, 허브, 너셀 등 또한 용량이 증가함에 따라 풍력발전시스템의 top head의 무게가 증가하면서 제작 및 건설비용이 증가한다는 문제점이 생기게 된다. 이러한 top head의 크기 및 무게를 줄이기 위한 ...
신재생에너지를 이용한 발전 시스템 중 풍력발전시스템은 타 신재생에너지원에 비해 발전 단가가 저렴하고, 발전 효율이 높기 때문에 많은 주목을 받고 있다. 이미 전 세계적으로 GW 이상의 풍력발전시스템이 설치 및 운전 되고 있다. 이러한 풍력발전시스템의 용량은 블레이드 길이의 5승에 비례하여 증가하고, 발전시스템 1기당 용량이 증가할수록 경제적 효율이 증가하기 때문에 최근 대용량화 되고 있는 추세이다. 하지만 용량이 증가할수록 블레이드, 허브, 너셀 등 또한 용량이 증가함에 따라 풍력발전시스템의 top head의 무게가 증가하면서 제작 및 건설비용이 증가한다는 문제점이 생기게 된다. 이러한 top head의 크기 및 무게를 줄이기 위한 해결 방안으로 초전도체를 구리선 대신 적용한 초전도 발전기가 연구되고 있다. 전기적 저항이 0인 초전도체를 사용하게 되면 구리선에 비해 높은 전류 밀도를 가질 수 있고, 이를 통해 고 자장을 만들 수 있기 때문에 높은 토크 및 출력을 얻을 수 있어 기존의 동기발전기에 비해 더 작은 크기와 무게를 얻을 수 있다는 장점을 가지게 된다. 본 논문에서는 12 MW급 대용량 초전도 풍력발전기를 3D FEM 프로그램을 통해 설계를 진행 하고, 설계된 발전기를 기준으로 RSCAD/RTDS 내에서 12 MW급 풍력발전기를 모델링 한 후 PHILS 기법을 사용하여 풍력 터빈의 출력 특성을 확인하였다. 먼저, 초전도 풍력발전기를 설계하기 위해, 수치적 해석을 통해 풍속, 블레이드 길이, 발전기 회전 속도 등 12 MW급 풍력 터빈 및 발전기의 기본 사양을 설계 하였다. 기본 설계 값을 기반으로 3D FEM 프로그램을 이용하여 12 MW급 초전도 풍력발전기 설계를 진행하였다. 설계 시 발전기는 공심형으로 설계 되었으며, rotor body와 stator body를 비자성체인 stainless steel을 사용하였고, 초전도 계자코일에서 발생하는 고 자장으로 의한 주변기기의 손상을 막기 위해 자성체인 규소강판을 사용하여 magnetic shield를 구성하였다. 발전기 설계 시 극 수, 초전도 계자코일 턴 수, 계자코일 적층 수, 축 방향 길이, 전기자 코일 턴 수를 설계 변수로 두고 진행하였고, 12 MW급 출력 및 토크, 자장 값을 확인하며 기본 개념 설계를 하였다. 기본 개념 설계를 통해 적절한 설계 파라미터를 찾은 후, 초전도 계자코일에서 발생하는 최대 자장 값과 발전기의 축 방향 길이를 변화시켜 가며 발전기의 무게 및 부피, 초전도 선재 사용량 등을 비교하였다. 발전기의 최대 자장 값은 5 T에서 9 T 사이에서 변화시켜 가며 설계를 진행하였고, 최대 자장 값을 기반으로 12 MW급 발전기를 설계하기 위해 축 방향 길이를 조절하였다. 기본적으로 발전기의 출력 특성을 확인하고, 설계된 초전도 풍력발전기의 무게, 부피 및 초전도 선재 사용량을 비교 분석하였다. 최대 자장 값이 커지면, 토크 값이 증가하게 되고, 그에 따라 발전기의 크기 및 무게가 감소하게 되지만, 초전도 선재의 사용량이 증가하고, 발전기가 견뎌야 하는 토크 값이 커지게 되는 단점이 있기 때문에 본 논문에서는 최대 자장이 6 T인 발전기를 선택하여 상세 설계를 하였다. 설계된 발전기를 기반으로 3D CAD 프로그램을 통해 초전도 계자코일을 냉각시키기 위한 극저온냉각시스템, 모니터링 시스템, 전력공급 및 변환 시스템, 출력제어 시스템 등을 포함한 12 MW급 초전도 풍력발전시스템을 디자인하였다. 또한 본 논문에서는 12 MW급 풍력발전기의 출력 특성을 분석하기 위하여 PHILS 기법을 사용하였다. 설계된 사양을 기반으로 RSCAD/RTDS 내에 12 MW급 풍력 터빈을 모델링 한 후, 실제 하드웨어인 10 kW급 MG set, motor driver, back-to-back converter와 interface system, RTDS를 연계하여 실시간으로 변화는 풍속에 따른 풍력 터빈의 출력 특성 분석을 진행하였다. 풍속이 정격인 11.4 m/s일 때 정격 회전속도인 1.047 rad/s가 되고 12 MW 출력이 나오는 것을 확인하였고, 이 때 실시간으로 변화는 풍속이 정격 풍속을 넘었을 때 피치제어 시스템이 동작함으로써 출력을 조절하게 되고 일정 출력 제어를 하는 것을 확인할 수 있었다. 본 논문의 연구내용은 대용량 초전도 풍력발전시스템의 설계 시 효과적으로 활용될 것으로 예상된다.
신재생에너지를 이용한 발전 시스템 중 풍력발전시스템은 타 신재생에너지원에 비해 발전 단가가 저렴하고, 발전 효율이 높기 때문에 많은 주목을 받고 있다. 이미 전 세계적으로 GW 이상의 풍력발전시스템이 설치 및 운전 되고 있다. 이러한 풍력발전시스템의 용량은 블레이드 길이의 5승에 비례하여 증가하고, 발전시스템 1기당 용량이 증가할수록 경제적 효율이 증가하기 때문에 최근 대용량화 되고 있는 추세이다. 하지만 용량이 증가할수록 블레이드, 허브, 너셀 등 또한 용량이 증가함에 따라 풍력발전시스템의 top head의 무게가 증가하면서 제작 및 건설비용이 증가한다는 문제점이 생기게 된다. 이러한 top head의 크기 및 무게를 줄이기 위한 해결 방안으로 초전도체를 구리선 대신 적용한 초전도 발전기가 연구되고 있다. 전기적 저항이 0인 초전도체를 사용하게 되면 구리선에 비해 높은 전류 밀도를 가질 수 있고, 이를 통해 고 자장을 만들 수 있기 때문에 높은 토크 및 출력을 얻을 수 있어 기존의 동기발전기에 비해 더 작은 크기와 무게를 얻을 수 있다는 장점을 가지게 된다. 본 논문에서는 12 MW급 대용량 초전도 풍력발전기를 3D FEM 프로그램을 통해 설계를 진행 하고, 설계된 발전기를 기준으로 RSCAD/RTDS 내에서 12 MW급 풍력발전기를 모델링 한 후 PHILS 기법을 사용하여 풍력 터빈의 출력 특성을 확인하였다. 먼저, 초전도 풍력발전기를 설계하기 위해, 수치적 해석을 통해 풍속, 블레이드 길이, 발전기 회전 속도 등 12 MW급 풍력 터빈 및 발전기의 기본 사양을 설계 하였다. 기본 설계 값을 기반으로 3D FEM 프로그램을 이용하여 12 MW급 초전도 풍력발전기 설계를 진행하였다. 설계 시 발전기는 공심형으로 설계 되었으며, rotor body와 stator body를 비자성체인 stainless steel을 사용하였고, 초전도 계자코일에서 발생하는 고 자장으로 의한 주변기기의 손상을 막기 위해 자성체인 규소강판을 사용하여 magnetic shield를 구성하였다. 발전기 설계 시 극 수, 초전도 계자코일 턴 수, 계자코일 적층 수, 축 방향 길이, 전기자 코일 턴 수를 설계 변수로 두고 진행하였고, 12 MW급 출력 및 토크, 자장 값을 확인하며 기본 개념 설계를 하였다. 기본 개념 설계를 통해 적절한 설계 파라미터를 찾은 후, 초전도 계자코일에서 발생하는 최대 자장 값과 발전기의 축 방향 길이를 변화시켜 가며 발전기의 무게 및 부피, 초전도 선재 사용량 등을 비교하였다. 발전기의 최대 자장 값은 5 T에서 9 T 사이에서 변화시켜 가며 설계를 진행하였고, 최대 자장 값을 기반으로 12 MW급 발전기를 설계하기 위해 축 방향 길이를 조절하였다. 기본적으로 발전기의 출력 특성을 확인하고, 설계된 초전도 풍력발전기의 무게, 부피 및 초전도 선재 사용량을 비교 분석하였다. 최대 자장 값이 커지면, 토크 값이 증가하게 되고, 그에 따라 발전기의 크기 및 무게가 감소하게 되지만, 초전도 선재의 사용량이 증가하고, 발전기가 견뎌야 하는 토크 값이 커지게 되는 단점이 있기 때문에 본 논문에서는 최대 자장이 6 T인 발전기를 선택하여 상세 설계를 하였다. 설계된 발전기를 기반으로 3D CAD 프로그램을 통해 초전도 계자코일을 냉각시키기 위한 극저온 냉각시스템, 모니터링 시스템, 전력공급 및 변환 시스템, 출력제어 시스템 등을 포함한 12 MW급 초전도 풍력발전시스템을 디자인하였다. 또한 본 논문에서는 12 MW급 풍력발전기의 출력 특성을 분석하기 위하여 PHILS 기법을 사용하였다. 설계된 사양을 기반으로 RSCAD/RTDS 내에 12 MW급 풍력 터빈을 모델링 한 후, 실제 하드웨어인 10 kW급 MG set, motor driver, back-to-back converter와 interface system, RTDS를 연계하여 실시간으로 변화는 풍속에 따른 풍력 터빈의 출력 특성 분석을 진행하였다. 풍속이 정격인 11.4 m/s일 때 정격 회전속도인 1.047 rad/s가 되고 12 MW 출력이 나오는 것을 확인하였고, 이 때 실시간으로 변화는 풍속이 정격 풍속을 넘었을 때 피치 제어 시스템이 동작함으로써 출력을 조절하게 되고 일정 출력 제어를 하는 것을 확인할 수 있었다. 본 논문의 연구내용은 대용량 초전도 풍력발전시스템의 설계 시 효과적으로 활용될 것으로 예상된다.
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