[논문]이중여자 유도발전기의 회전자 여자에 따른 출력해석

김철호; 서영택; 오철수

이중여자 유도발전기의 회전자 여자에 따른 출력해석
A Power Analysis for DFIG According to Rotor Excitation 원문보기

전기학회논문지. The transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. B, 전기기기 및 에너지변환시스템부문, v.52 no.7, 2003년, pp.299 - 306

김철호 (경북대 공대 전기공학과) , 서영택 (구미1대학 전기과) , 오철수 (경북대 공대 전자전기공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Doubly-Fed Induction Generator(DFIG) is adequate to maximize the energy capture from wind energy, whereby the turbine speed can be adjusted to a speed, at which a rated tip speed ratio be kept. In this paper, a power analysis for DFIG and its characteristics of power flow in grid-connected operation, are dealt with in speed range of super- and sub-synchronous region. In a test of the machine, whereby a doubly excited circuit configuration in stator as well as rotor with back to back PWM inverter have been equipped, a constant input torque is given and in that condition, power new in stator and rotor circuit have been measured and compared with theoretical value. Furthermore, the power factor in stator and rotor circuit have been examined.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 DFIG의 고정자와 회전자의 유효 전력 및 무효 전력 관계를 동기 속도 이상과 이하에서 다루고자 하고, 이를 실험을 통하여 해석하고자 한다. 우선, 이상적인 유도발전기의 고정자와 회전자의 출력 특성을 도입하고 DFIG의 경우를 이와 비교하였다.

제안 방법

DFIG 시스템은 다른 일부발전기와 달리 역률 제어를 통해 계통에 무효 전력을 공급할 수 있기 때문에 원동기의 속도에 따라 일정한 역률을 유지하기 위한 회전자 여자전압 과 전류를 실험을 통해 구하였고, 이를 그림 15, 16에 나타내었다.고정자 출력이 일정한 경우에 대해 각각의 운전속 도에서 역률이 단위, 진상, 지상이 되는 다섯 가지 경우를 나타내었다.
DFIG의 각 속도의 영역에 따른 출력해석을 하기 위한 실험장치를 구현하였다. DFIG의 축에 기계적 입력을 가하기 위해 0.
7kW 정격의 직류 전동기를 사용하였다. DFIG의 고정자 권선은 계통에, 회전자 권선은 두 대의 PWM인버터와 변압기를 거쳐 계통에 연결시켰다. 회전자 쪽 인버터는 동기 속도 이상과 이하에서 회전자 속도제어를 위해서 회전자 여 자주파수를 만들어주기 위한 것이고, 계통 측 인버터는 동기 속도 이상에서 회전자에서 빠져나오는 출력을 계통 측으로 내보내기 위한 계통 연계형 인버터이다.
고정자 역률은 회전자 여자의 정도에 따라 지상에서 단위 역률을 거쳐 진상으로 옮겨갔으며, 동기발전기의 V곡선과 유사한 특성을 보였다.고정자 무효 전력과 회전자 무효 전력과의 비례 관계 롤 실험을 통해 알 수 있었고, 계통에 무효전력공급 측면에서 고정자 단위 역률과 진상, 지상운전을 위한 회전자 여자전압의 조건을 제시하였다.
일반적으로 3상 회전기에서 출력은 역률과 긴밀한 관계가 있고, 그 관계식은 식 (8), (9)와 같다.고정자 전류와 역률, 회전자 전류와 역률의 특성을 파악하기 위해 동기 속도 이상과 이하로 나누어 특성을 파악하였다. 실험에서 회전자 여자 주파수는 동기 주파수 기준 '-25%~35%'의 범위를 3Hz (5%에 해당) 간격으로 하였다.
Power Analyzer를 이용하여 60Hz 전원의.고정자와 가변주파수 회전자의 전압, 전류, 역률, 유효전력, 무효 전력 등을 측정하였다. 실험에 사용한 권선형 유도기의 무부하 실험과 구속 실험을 통해 구한둥가회로 파라미터와 정격은 표 1과 같다.
우선, 이상적인 유도발전기의 고정자와 회전자의 출력 특성을 도입하고 DFIG의 경우를 이와 비교하였다. 나아가서 DFIG의 속도와 출력, 각 속도에서의 고정자와 회전자 역률 특성, 가변속운전시의 고 정자 역률 해석 등을 수행하였다.
동기 속도 이하에서도 고정자 전류와 역률, 회전자 전류와 역률 특성을 알아보기 위해 회전자인 가 주파수를 3Hz 간격으로 회전자 여자전압을 가변시켰다.
본 논문에서는 DFIG의 회전자 여자에 따른 고정자와 회전자의 출력을 해석하였다 ' 실험에서는 DFIG 입력 측 원동기 토크를 구동 전동기 정격값으로 고정시키고, 동기 속도 이상과 이하의 넓은 속도 구간에서 고정자와 회전자의 역률이 #에 따라 변하는 것을 확인하고, 회전자 여자에 따른 출력과 역률해석을 수행하였다.
본 논문에서는 DFIG의 고정자와 회전자의 유효 전력 및 무효 전력 관계를 동기 속도 이상과 이하에서 다루고자 하고, 이를 실험을 통하여 해석하고자 한다. 우선, 이상적인 유도발전기의 고정자와 회전자의 출력 특성을 도입하고 DFIG의 경우를 이와 비교하였다. 나아가서 DFIG의 속도와 출력, 각 속도에서의 고정자와 회전자 역률 특성, 가변속운전시의 고 정자 역률 해석 등을 수행하였다.
실험에서 회전자 여자 주파수를 동기 주파수 기준, -25%~ 35%'의 범위 중 '-5%~5%'의 동기 속도 부근에서는 세밀하게 측정하였고, 나머지 구간에서는 3Hz (5%에 해당) 간격으로 하였다. 이때의 기계 입력 P„, 고정자 출력Pi, 회전자 출력 P2, 고정자 무효전력 0과 회전자 무효전력 Q 를 측정하였다. 식(3)에.
회전자회로의 전압은 슬립 전압이므로 고정자 전압에 비해 상대적으로 낮기 때문에 변압기가 필요하다. 회전자에 인가되는 전압과 주파수는 회전자 측 인버터가 담당하고, 동기 속도 이상에서 회전자로 빠져나오는 출력을 계통으로 전달하기 위해서는 계통 측 인버터가 계통전원과 동기화가 되어야 하며, 이를 위해 계 통전압과 동기가 되는 게 이팅 신호를 만들었다.고정자와 회전자의 출력Pi, 3의 측정을 위해 출력단에 Voltech 사의 PM3000A Power Analyzer를 각각 설치하였다.

성능/효과

각각의 출력 특성을 비교해서 살펴보면 고정자 출력은 역률이 지상 0.8과 진상 0.8은 비슷하나, 단위 역률일 때 가장 큰 것을 알 수 있고, 그 요인은 고정자동손의 저감 효과로 볼 수 있다. 하지만, 회전자 특성을 고려할, 때 지상역률, 단위역률, 진상역률 순서로 선형적으로 많은 출력이 회전자에 공급되어져야 한다는 것이다.
#에 대한 고정자 전류는 회전자 여자 주파수가 바뀌더라도 비슷한 형태를 유지했으며, 모든 주파수에 대해 #가 증가함에 따라 고정자 전류는 서서히 감소하다 최저치를 나타낸 뒤 다시 상승하는 경향을 보였다. 고정자 역률은 단위 역률을 기준으로 여자전압이 감소하면 지상으로, 증가하면 진상으로 운전되는 특성을 알 수 있었고, 동기발전기의 V곡선과 똑같은 특성을 나타내었다.고정자 전류는 단위 역률에서 최저값을 나타내고, 주파수가 바뀌더라도 최저값은 거의 변화가 없다는 것을 그림 9을 통해 알 수 있다.
일반적인 유도발전기에서는 출력이 동기 속도 기준으로 그 방향이 바뀌지만, DFIG에서는 회전자 출력의 방향이 바뀌는 속도 구간의 시점을 여자 주파수에 따라 가변시킬 수 있음을 확인하였다. 회전자 출력의 방향이 바뀌는 구간에서 회전자 역률은 급변하지만, 회전자 전류는 선형적인 특성을 보였다.고정자 역률은 회전자 여자의 정도에 따라 지상에서 단위 역률을 거쳐 진상으로 옮겨갔으며, 동기발전기의 V곡선과 유사한 특성을 보였다.

참고문헌 (10)

S. Muller, M. Deicke, and Rik W. De Doncker, 'Doubly Fed Induction Generator Systems for Wind Turbines', IEEE Industry Applications Magazine, May/June, pp. 26-33, 2002

상세보기
A. Masmoudi, 'DFSM Rotor-Side Converter Pre-Design Investigation :A Comparison between Voltage and Current Control Strategies', ETEP, Vol. 9, No. 5, pp.297-304, 1999

상세보기
L. Xu and W. Cheng, 'Torque and Reative Power Control of a Doubly Fed Induction Machine by Position Sensorless Scheme', IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 31, No. 3, pp. 636-642, 1995

상세보기
R. Pena, J. C. Clare, G. M. Asher, 'Double Fed Induction Generator using Back-to-Back PWM Converters and its Application to Variable Speed Wind Energy Generation', IEEE Proceeding B, Vol. 143, pp.231-241

상세보기
L. Zhang, C.Watthanasarn and W. Shepherd, 'Application of a Matrix Converter for the Power Control of a Variable-Speed Wind-Turbine Driving a Doubly-Fed Indution Generator', IECON'97, Vol. 2, pp.906-911, 1997
B. Eggert, '1.5MW Wind Power Station with Low AC-line Distortion using a Standard Doubly-fed Generator System with Field Orientation Control', EPE'97, pp. 2,739-2,742, 1997
Shibashis Bhowmik, Rene Spee, and Johan Enslin, 'Performance Optimization for Doubly Fed Wind Power Generation Systems', IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 35, No. 4, pp. 949-958

상세보기
서영택, 이우석, 오철수, '풍력발전용 회전자 여자시스템 권선형 유도발전기의 역률 해석', 대한전기학회 논문지 46권 9호, pp.1340-1346, 1997
이우석, 오철수, '풍력발전용 권선형 유도발전기의 회전자 여자주파수를 이용한 속도와 출력제어', 대한전기학회 논문지 48B권 7호, pp.349-356, 1999

원문보기 상세보기
B. K. Bose, 'Adjustable Speed AC Drive Systems', IEEE, 1981

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