[논문]풍력 터빈 모의 실험을 위한 가변 토오크 입력형 시뮬레이터

정병창; 송승호; 노도환; 김동용

풍력 터빈 모의 실험을 위한 가변 토오크 입력형 시뮬레이터
A Wind Turbine Simulator with Variable Torque Input 원문보기

전기학회논문지. The transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. B, 전기기기 및 에너지변환시스템부문, v.51 no.8, 2002년, pp.467 - 474

정병창 (호남산전(주) 메카트로닉스연구소) , 송승호 (호남대학 전자정보공학부) , 노도환 (호남대학 전자정보공학부) , 김동용 (호남대학 전자정보공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a wind power simulator is designed and implemented. To realize the torque of wind blade, a DC motor is used as a variable torque input device. An induction machine is used as a generator of which speed is controlled to maintain the optimal tip speed ratio during wind speed change. Input torque of system is controlled by armature current of DC motor and speed is controlled by generator control unit using field oriented control algorithm. Various control algorithms such as MPPT, soft start up, the simulator reactive power control, can be developed and tested using the simulator.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 풍속이 가변하는 상황에서 풍력 발전 시스템의 동작을 모의 할 수 있는 풍력 발전 시뮬레이터를 설계 · 구현 하였다. 기존의 방법과는 달리 풍속과 회전속도를 실시간으로 입력받으며, 토오크 계산에 필요한 블레이드의 효율을 주 속비에 관한 함수로 처리하여 사용함으로서 복잡한 조작없이 가변 풍속 조건에서 블레이드에 의한 토오크 입력을 모의할 수 있게 하였다.

제안 방법

발전기로는 유도기를 사용하였으며, 발전기의 회전자 d축 자 속은 일정값으로, q축 자속은 0이 되도록 제어하였다. 그리고, 고정자의 q축 전류를 제어하여 블레이드의 입력 전력이 최대가 되도록 시스템의 회전속도를 제어하고, 고정자의 d축 전류를 제어하여 발전기의 자속을 제어하였다,
그리고, 일정 자속을 유지하기 위한 고 정자 d축 전류 기준값과 함께 전류 제어기에 입력되어 발전기 고정자의 d-q축 전압을 제어한다. 그리고, 발전기의 d-q 축 전류와 측정된 회전속도를 사용하여 발전기의 동기속도 와 위상각를 계산한다. 직류 전동기와 마찬가지로 발전 기도 토오크를 출력한다.
본 논문은 풍속이 가변하는 상황에서 풍력 발전 시스템의 동작을 모의 할 수 있는 풍력 발전 시뮬레이터를 설계 · 구현 하였다. 기존의 방법과는 달리 풍속과 회전속도를 실시간으로 입력받으며, 토오크 계산에 필요한 블레이드의 효율을 주 속비에 관한 함수로 처리하여 사용함으로서 복잡한 조작없이 가변 풍속 조건에서 블레이드에 의한 토오크 입력을 모의할 수 있게 하였다. 또, 함수로 처리된 블레이드의 변수를 재입력하면 다른 용량의 블레이드를 간단하게 모의할 수 있게 함으로서 다양한 용량의 블레이드를 적은 비용과 시간을 투자하여 모의할 수 있게 하였다.
기존의 방법과는 달리 풍속과 회전속도를 실시간으로 입력받으며, 토오크 계산에 필요한 블레이드의 효율을 주 속비에 관한 함수로 처리하여 사용함으로서 복잡한 조작없이 가변 풍속 조건에서 블레이드에 의한 토오크 입력을 모의할 수 있게 하였다. 또, 함수로 처리된 블레이드의 변수를 재입력하면 다른 용량의 블레이드를 간단하게 모의할 수 있게 함으로서 다양한 용량의 블레이드를 적은 비용과 시간을 투자하여 모의할 수 있게 하였다.
오른쪽에 위치한 것은 유도 발전기이다. 발전기에 비하여 직류전동기의 정격 전력이 더 큰 것을 사용하여, 마찰손등 기계적 손실이 발생하여도 발전기에 정격 전력까지 인가할 수 있도록 하였다. 직류 전동기와 유도 발전기의 파라미터는 표 1과 같다.
본 논문에서는 블레이드를 사용하지 않고, 직류 전동기를 사용하여 블레이드에 의한 토오크 입력과 전체 발전시스템의 동작을 모의할 수 있는 풍력 발전 시뮬레이터를 설계하였으며, 설계값과 시뮬레이션 결과를 바탕으로 시뮬레이터를 구현 하였다. 직류 전동기에서 구현하는 토오크는 시스템의 외부에서 인가되는 풍속과 시스템의 회전 속도에 따라 계산하여, 가변 풍속/가변 회전속도에 의한 가변 토오크를 구현하였다.
직류 전동기와 유도 발전기를 결합한 발전 시스템의 시뮬레이션 블록도를 그림 6에서 보여주고 있으며, 사용한 파라미 터는 표 1과 같다. 시뮬레이션은 블레이드 시뮬레이터, 발전기 그리고 회전 속도를 계산하는 부분으로 구성되어 있다. 블레이드 시뮬레이터는 직류 전동기와 그 제어 블록으로 구 성되며 그림의 윗쪽에 위치한다.
직류 전동기를 제어하기 위한 컨버터는 제어 회로와 전력 변환 회로로 구성된다, 제어 회로는 풍속과 시스템의 회전속도를 입력받아 직류 전동기에서 구현해야 할 토오크를 결정하고, 전력 변환 회로는 제어 회로에서 계산된 토오크를 직류 전동기에 공급한다. 전력 변환 회로는 사이리스터 듀얼 컨버터를 사용하였으며, 전동기의 전류를 정 · 역 방향으로 제어하기 위해서 사이리스터를 역병렬로 연결하였다. 발전기는 블레이드에서 입력되는 전력이 최대가 되도록 회전속도를 제어하며, 속도 제어의 기준값을 계산하기 위해서 풍속을 사용한다.
본 논문에서는 블레이드를 사용하지 않고, 직류 전동기를 사용하여 블레이드에 의한 토오크 입력과 전체 발전시스템의 동작을 모의할 수 있는 풍력 발전 시뮬레이터를 설계하였으며, 설계값과 시뮬레이션 결과를 바탕으로 시뮬레이터를 구현 하였다. 직류 전동기에서 구현하는 토오크는 시스템의 외부에서 인가되는 풍속과 시스템의 회전 속도에 따라 계산하여, 가변 풍속/가변 회전속도에 의한 가변 토오크를 구현하였다. 발전기로는 유도기를 사용하였으며, 발전기의 회전자 d축 자 속은 일정값으로, q축 자속은 0이 되도록 제어하였다.

대상 데이터

직류 전동기에서 구현하는 토오크는 시스템의 외부에서 인가되는 풍속과 시스템의 회전 속도에 따라 계산하여, 가변 풍속/가변 회전속도에 의한 가변 토오크를 구현하였다. 발전기로는 유도기를 사용하였으며, 발전기의 회전자 d축 자 속은 일정값으로, q축 자속은 0이 되도록 제어하였다. 그리고, 고정자의 q축 전류를 제어하여 블레이드의 입력 전력이 최대가 되도록 시스템의 회전속도를 제어하고, 고정자의 d축 전류를 제어하여 발전기의 자속을 제어하였다,
발전기의 유효 전력은 (5)식을 사용하여 계산할 수 있으며, 그림 8의 (e)에서 보여주고 있는 고정자 q축 전류와 유사한 형태로 가변되는 것을 볼 수 있다. 시뮬레이션에 사용한 자료는 발전기의 기계적 손실과 철손을 고려하지 않고, 동손만을 고려하였다. 그러므로 시뮬레이션에서 가능한 발전기의 손실은 동손으로 (①에서 보여주고 있다.
그림 1의 시스템을 시뮬레이터로 구현함 경우 블레이드와 기어는 직류 전동기로 대체할 수 있으며, 그림 2에서 구조를 보여주고 있다. 시뮬레이터는 직류 전동기와 컨버터, 발전기와 컨버터, 그리고 계통 연계형 인버터로 구성되어 있다. 직 류 전동기와 컨버터는 블레이드에 의한 토오크 입력을 모의하기 위해서 사용하였다.

성능/효과

2. 발전기의 속도 제어를 통해 풍력 발전 시스템에서 최대 출력을 얻을 수 있다.
그림 13은 그림 11의 상황에서 전동기에 인가되는 전압과 전류, 그리고 발전기 고정자의 q축 전압과 전류를 보여주고 있다. 살험 결과를 사용하여 직류기에 입력되는 전력을 계산 할 경우 풍속이 10m/s에서 직류 전동기의 단자전압은 약 215V이고, 전기자 전류는 약 14A로서 3kW를 소비하고 있다. 이때, 회전자의 q축 자속을 0으로 제어하므로 발전기의 유효 전력은 (c)와 (d)에서 보여주고 있는 고정자의 q축 전압과 q 축 전류의 곱에 비례한다.

후속연구

본 논문에서는 이러한 블레이드의 특성을 고려하여 풍속의 변화와 발전기 속도에 따른 토오크 기준값을 계산하여 직류 전동기에서 구현해야 할 토오크로 사용하고 있다. 이 값은 다시 전동기 토오크 상수 4G를 고려하여 전기자 전류 기준값 C로 식 (4)와 같이 환산이 가능하다.
제작된 시뮬레이터를 사용할 경우 블레이드 사용에 따른 공간적, 경제적 제약을 해결할 수 있으며, 블레이드 변수의 재입력에 의해 다른 용량의 블레이드를 쉽게 구현할 수 있다. 제작된 시뮬레이터는 앞으로 가변속 발전시스템의 출력 특성 시험과 최대 전력 생산을 위한 새로운 발전기 제어 알고리즘의 개발에 크게 기여할 것으로 예상된다.

참고문헌 (15)

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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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