[논문]농형 유도발전기를 이용한 독립형 풍력발전시스템의 최대출력제어

김형균; 이동춘; 석줄기

농형 유도발전기를 이용한 독립형 풍력발전시스템의 최대출력제어
Maximum Output Power Control for Stand-Alone Wind Power Generation System Using Cage-Type Induction Generators 원문보기

김형균 (영남대 전기공학과 대학원) , 이동춘 (영남대 전자정보공학부) , 석줄기 (영남대 전자정보공학부)

본 논문에서는 농형유도발전기를 이용한 독립형 풍력발전시스템의 최대전력 추종제어기법을 제안한다. 농형 유도발전기는 벡터제어 방식으로 동작되는데 d-축 전류에 의해 여자가 제어되고 q-측 전류에 토크가 제어된다. 이 토크제어에 의해 발전기는 풍속의 변화에 따라 최대전력을 발생하도록 가변속 제어된다. 발전된 전력은 ac/dc PWM 컨버터에 의해 직류 출력단 배터리뱅크로 충전된다. 제안된 기법은 M-G세트로 구성된 터빈시뮬레이터를 이용하여 실험적으로 검증된다.

In this paper, a maximum output power control of stand-alone cage-type induction generator systems for wind power generation is proposed. The induction generator is operated in a vector-controlled mode, which is excited with d-axis current and of which torque is controlled with q-axis current. The generator speed is controlled by this torque, along which speed the generator produces the maximum output power. The generated power charges the battery bank for energy storage through an ac/dc PWM converter. The proposed scheme has been verified for the wind turbine simulator system which consists of M-G set.

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문제 정의

본 논문에서는 유도발전기의 주류를 이루고 있는 권선 횡에 비해 저가이며 견고하고 유지보수가 필요 없는 농형 유도 발전기를 풍력발전에 사용하여 풍속의 변화에 관 비없이 항상 최대출력으로 운전되는 가변속 발전시스템을 제안하고 터빈 시뮬레이터를 구성하여 실험을 실시하였다. 본 시스템에서는 발전기의 발생전력이 중간에 별도의 충전장치 없이 발전기측 컨버터가 직접 배터리를 충전할 수 있으며 이 배터리는 독립전원용으로 사용될 수 있다.
본 연구에서는 저가이며 유지보수가 거의 필요 없는 농형 유도발전기를 사용하여 섬이나 산간 오지 등 고립된 지역에 전력을 공급하기 위한 독립형 풍력발전시스템의 최대전력제어 기법을 제안하고 구현하고자 한다. 농형 유도발전기는 벡터제어 방식으로 제어되는데 d-축 전류로 자속을 제어하여 여자의 크기를 제어하고 (「축 전류로 토크전류를 제어하여 발전기의 속도를 제어한다.

제안 방법

Hill-Climbing 법과 퍼지제어 법은 풍속의 정보를 필요로 하지 않는다는 장점이 있으나 추종 속도가 느린 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 풍속의 정보가 필요하지만 추종특성이 빠른 C, 와 人 opt 를 이용한 방법을 이용한다. 실제 시스템에서는 풍속계가 부착되어 있으므로 이 방법을 사용해도 부가적인 비용은 들지 않는다.
본 시스템에서는 발전기의 발생전력이 중간에 별도의 충전장치 없이 발전기측 컨버터가 직접 배터리를 충전할 수 있으며 이 배터리는 독립전원용으로 사용될 수 있다. 발전기는 벡터제어에 의해 운전되며 d-축 전류로 여자를 하고 q-축 전류로 주어진 풍속에서 최대 전력을 발생하는 점으로 발전기의 속도를 제어하도록 하였다. 직류전동기의 토크제어로 농형 유도발전기 를 구동하는 터 빈시뮬레 이 터를 구성 하였으며 두 대의 DSP보드를 사용하여 제어하였다.
본 연구에서는 인버터 여자방식을 채용하며 인버터 출력 측에 발전 전력을 저장하기 위해 대용량의 배터리를 사용한다. 이 배터리 뱅크의 전압은 커패시터와는 달 宥 거의 일정한 값으로 유지되므로 직류전압을 제어할 필요가 없으며 이로써 생기는 q-축 전류 제어의 자유를 최대출력제어를 위한 발전기 속도제어에 사용할 수 있다.
실제의 풍력터빈 블레이드를 사용하여 실험을 수행하기에는 현실적인 제약이 따르므로 본 연구에서는 풍력 더 빈의 역할을 하는 터빈 시뮬레이터를 직류전동기의 토크제어를 이용하여 구현한다. 그림 3은 발전기 구동을 위한 터빈 시뮬레이터의 구성을 보인다.
제어 보드는 직류전동기의 토크 제어와 유도발전기의 속도제어를 위해 두 대를 사용하였으며 두 DSP 보드에서 함수발생기의 출력을 A/D 컨버터를 통해 동시에 읽어 들여 풍속으로 인식하게 하였다.
발전기는 벡터제어에 의해 운전되며 d-축 전류로 여자를 하고 q-축 전류로 주어진 풍속에서 최대 전력을 발생하는 점으로 발전기의 속도를 제어하도록 하였다. 직류전동기의 토크제어로 농형 유도발전기 를 구동하는 터 빈시뮬레 이 터를 구성 하였으며 두 대의 DSP보드를 사용하여 제어하였다. 향후 발전기의 손실을 고려한 최대전력제어, 그리고 계통연계형 풍력발전 시스템 등을 계속 연구할 예정이다.
제어 블럭도이다. 컨버터 입력의 d-축 전류를 통홰 발전기의 여자를 제어하며 q-축 전류를 통해 발전기의 토크를 제어하여 속도를 제어한다. 이 컨버터의 입력전압은 발전기의 출력전압이며 풍속이 변하면 주파수와 전압의 크기가 변하게 된다.
터빈 시뮬레이터를 이용하여 농형 유도발전기의 최대출력제어를 구현하기 위한 실험을 수행하였다.

대상 데이터

유도발전기의 정격과 파라미터이다. 실험에 사용된 배터리는 12[V], 65[AH]의 유닛으로 12개의 직렬뱅크로 구성하였다. 컨버터 스위칭소자는 IGBT이며 스위칭 주파수는 3.
실험에 사용된 배터리는 12[V], 65[AH]의 유닛으로 12개의 직렬뱅크로 구성하였다. 컨버터 스위칭소자는 IGBT이며 스위칭 주파수는 3.5 [KHz]이다.
풍속의 변화는 함수발생기를 이용하여 모의하였는데 직류 옵셋을 갖는 l[Hz]의 삼각파를 사용하였다. 제어 보드는 직류전동기의 토크 제어와 유도발전기의 속도제어를 위해 두 대를 사용하였으며 두 DSP 보드에서 함수발생기의 출력을 A/D 컨버터를 통해 동시에 읽어 들여 풍속으로 인식하게 하였다.

성능/효과

주어진 풍속에 대해서 회전속도를 바꿔가며 출력전력을 측정하였는데 식(2에 주어진 속도로 동작시킬 경우 최대 전력을 발생한다는 것을 알 수 있다. 즉 설계된 터빈 블레이드 ( C? max = 0.43)에서 풍속이 9[m/s], 7[m/s], 4[m/s]일 때 최대전력을 발생하는 회전속도는 각각 900[rpm], 700[rpm], 4(阳)[rpm] 인 데 실 측한 결과 이에 일치하는 것을 확인하였다. 발전전력은 (3)식에 주어진 것처럼 회전속도의 세제곱에 비례한다 실제 측정된 데이터는 이에 근사하며 약간의 오차는 기 기의 손실에 기인한 것이다.

후속연구

본 시스템에서는 발전기의 발생전력이 중간에 별도의 충전장치 없이 발전기측 컨버터가 직접 배터리를 충전할 수 있으며 이 배터리는 독립전원용으로 사용될 수 있다. 발전기는 벡터제어에 의해 운전되며 d-축 전류로 여자를 하고 q-축 전류로 주어진 풍속에서 최대 전력을 발생하는 점으로 발전기의 속도를 제어하도록 하였다.
직류전동기의 토크제어로 농형 유도발전기 를 구동하는 터 빈시뮬레 이 터를 구성 하였으며 두 대의 DSP보드를 사용하여 제어하였다. 향후 발전기의 손실을 고려한 최대전력제어, 그리고 계통연계형 풍력발전 시스템 등을 계속 연구할 예정이다.

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