본 논문에서는 Psim프로그램을 이용하여 가변속 풍력터빈 시스템의 시뮬레이션 모델링과 해석을 수행하였다. 시뮬레이션에서는 제주 행원 풍력발전 단지에 설치되어 운영되고 있는 Vestas V47 660[kW] 시스템을 모델로 하여, 바람 모델, 블레이드 모델, 피치 제어모델과 계통선에 연계된 발전기를 모델링 하였다. 풍속의 변화에 따라 원하는 출력을 얻을 수 있도록 피치각 제어를 수행하여 정격풍속 이하에서는 최대 출력이 발생하도록 하고, 정격풍속 이상에서는 회전자 속도를 일정하게 운전하여 정격출력을 유지할 수 있도록 제어하였다. 제안한 해석방법의 타당성을 검증하기 위하여 풍속변화에 따른 모델 시스템의 실측출력 데이터와 시뮬레이션 결과 값을 서로 비교 검증하였으며, 이 결과 서로 잘 일치함을 알 수 있었다.
본 논문에서는 Psim프로그램을 이용하여 가변속 풍력터빈 시스템의 시뮬레이션 모델링과 해석을 수행하였다. 시뮬레이션에서는 제주 행원 풍력발전 단지에 설치되어 운영되고 있는 Vestas V47 660[kW] 시스템을 모델로 하여, 바람 모델, 블레이드 모델, 피치 제어모델과 계통선에 연계된 발전기를 모델링 하였다. 풍속의 변화에 따라 원하는 출력을 얻을 수 있도록 피치각 제어를 수행하여 정격풍속 이하에서는 최대 출력이 발생하도록 하고, 정격풍속 이상에서는 회전자 속도를 일정하게 운전하여 정격출력을 유지할 수 있도록 제어하였다. 제안한 해석방법의 타당성을 검증하기 위하여 풍속변화에 따른 모델 시스템의 실측출력 데이터와 시뮬레이션 결과 값을 서로 비교 검증하였으며, 이 결과 서로 잘 일치함을 알 수 있었다.
This paper presents the simulation modeling and analysis of variable wind speed turbine system(VWTS) using Psim program In the simulation, using the Vestas V47 VWTS located in Hangwon wind farm in Jeju-Do as a model, wind model, blade model, pitch control model and grided connected generator are mod...
This paper presents the simulation modeling and analysis of variable wind speed turbine system(VWTS) using Psim program In the simulation, using the Vestas V47 VWTS located in Hangwon wind farm in Jeju-Do as a model, wind model, blade model, pitch control model and grided connected generator are modeled. The VWTS is controlled by the optimal pitch angle for maximum output power under the rated wind speed and for the rated output power over the rated wind speed. To verify the effectiveness of proposed method, simulation results are compared with the actual data from the model system According to the comparison of these results, this method shows excellent performance. So it is very useful for understanding and applications of wind power control system.
This paper presents the simulation modeling and analysis of variable wind speed turbine system(VWTS) using Psim program In the simulation, using the Vestas V47 VWTS located in Hangwon wind farm in Jeju-Do as a model, wind model, blade model, pitch control model and grided connected generator are modeled. The VWTS is controlled by the optimal pitch angle for maximum output power under the rated wind speed and for the rated output power over the rated wind speed. To verify the effectiveness of proposed method, simulation results are compared with the actual data from the model system According to the comparison of these results, this method shows excellent performance. So it is very useful for understanding and applications of wind power control system.
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문제 정의
따라서 본 논문에서는 제주 행원 풍력발전단지에 설치되어 운용되고 있는 Vesta暗 V47 피치 제어형 풍력터빈 시스템을 모델로 정하고J3] 시스템 개발시 필요한 다양한 형태의 시뮬레이션 제어모델들을 구 현하여 Psim 프로그램으로 시뮬레이션을 행한다. 이를 통하여 모델 시스템의 실측치와 시뮬레이션 결과 을 비교 검토함으로써 제안한 모델링의 타당성을 검 증하고자 한다.
본 논문에서는 제주 풍력발전 단지 내에 설치되어 운영되고 있는 덴마크 Vestas사의 V47-660[kW] 풍 력발전 시스템을 모델로 정하여, 풍속에 따른 피치 각을 변화시켜 출력을 조절할 수 있는 풍력터빈 시스템을 Psim 프로그램으로 모델링 하였다. 모델링 한 시스템을 가지고 시동 풍속에서 종단 풍속까지 운전 하였을 때의 결과 값들에 대해서 다음과 같은 결론 을 도출하였다.
따라서 본 논문에서는 제주 행원 풍력발전단지에 설치되어 운용되고 있는 Vesta暗 V47 피치 제어형 풍력터빈 시스템을 모델로 정하고J3] 시스템 개발시 필요한 다양한 형태의 시뮬레이션 제어모델들을 구 현하여 Psim 프로그램으로 시뮬레이션을 행한다. 이를 통하여 모델 시스템의 실측치와 시뮬레이션 결과 을 비교 검토함으로써 제안한 모델링의 타당성을 검 증하고자 한다.
가설 설정
여기서 전기적인 출력 특성곡선을 이용하는 방법은 블레이드와 바람의 공기역학적인 상호작용과 주 속비 入 에 대한 회전자의 공기역학적 효율을 무시하 고, 최적의 Op 값을 갖는 시스템으로 가정하여 풍속 에 대한 출력 값을 이용흐}는 것이다. 이 곡선을 이용 하면 풍속에 대한 출력을 얻기가 간단하여 풍력터빈 시스템을 모델링하는 것은 아주 쉽다는 장점이 있다.
제안 방법
본 논문에서는 제주 풍력발전 단지 내에 설치되어 운영되고 있는 덴마크 Vestas사의 V47-660[kW] 풍 력발전 시스템을 모델로 정하여, 풍속에 따른 피치 각을 변화시켜 출력을 조절할 수 있는 풍력터빈 시스템을 Psim 프로그램으로 모델링 하였다. 모델링 한 시스템을 가지고 시동 풍속에서 종단 풍속까지 운전 하였을 때의 결과 값들에 대해서 다음과 같은 결론 을 도출하였다.
그래서 연구용 바람모 델은 사용목적에 따라 다양한 형태로 만들어진다. 본 논문에서의 바람 모델은 평균풍속, 거스트 풍속, 램프함수 특성을 갖는 풍속, 그리고 노이즈 특성을 갖는 풍속이 포함된 모델을 사용하였으며 식(I)과 같이 나타낼 수 있다(4].
또한 풍속은 모델 시스템과 똑같이 시동 풍속은 4[%], 정격 풍속은 13 [%], 그리고 종단 풍속은 251?%]로 하였다. 블레이드 모델에 가해지는 풍속 모델은 크기가 4~25[%] 까 지 일차 함수로 증가하거나 감소하는 특성을 갖는 램프함수 모델과 식(1)에서와 같이 다양한 특성이 포함된 풍속 모델을 가했으며, 해석을 위한 샘플링 시간은 2 초로 하였다. 피치 제어 모델에서 정격풍속 이하에서는 피치각은 -1.
시뮬레이션은 Psim 프로그램에서 제공하지 않는 바람모델 블레이드 모델 피치 제어모델은 직접 라 이브러리를 만들어 그림 3과 같은 시뮬레이션 구성 도를 작성하여 수행하였다.
블레이드 모델에 가해지는 풍속 모델은 크기가 4~25[%] 까 지 일차 함수로 증가하거나 감소하는 특성을 갖는 램프함수 모델과 식(1)에서와 같이 다양한 특성이 포함된 풍속 모델을 가했으며, 해석을 위한 샘플링 시간은 2 초로 하였다. 피치 제어 모델에서 정격풍속 이하에서는 피치각은 -1.4[이로 하였고, 정격풍속 이 상에서는 모델 시스템과 같이 정격 회전 속도를 슬 립 4[%]인 1872[rpm] 으로 운전 되도록 회전자 속도 기준값을 정하여 출력이 항상 일정한 정격값이 발생 되도록 PI 제어를 통하여 피치각 제어 하였다. 이때 급격한 피치각의 변화는 출력의 빠른 변화를 야기 시켜 계통선과 시스템에 나쁜 영향을 미친다.
성능/효과
1) 시동 풍속에서 종단 풍속까지 풍속에 대한 출 력 값이 실측치와 시뮬레이션 결과가 거의 일치함을 알 수 있어, 주속비에 대한 블레이드의 출력계수 함 수 모델링과 피치제어 모델링이 잘 되었음을 알 수 있었다.
2) 풍속 변화가 빠른 랜덤 풍속에 대해 출력제어 가 잘 이루어져 블레이드의 피치각 제어알고리즘이 잘 되었음을 알 수 있었다.
3) 계통이 연계된 가변속 풍력 터빈 시스템의 시 뮬레이션 해석 모델을 Psim 프로그램으로 쉽게 구 현이 가능하여 다른 풍력 터빈 시스템 해석시에도 유용하게 적용될 수 있음을 알 수 있었다.
4[° ]을 유지하지만 그 이상에서는 풍 속이 25[%]까지 계속 증가하여 약까지 증가함 을 알 수 있다. 또한 회 전자 속도는 슬립 4[%]인 속 도 1872[rpm]에 거의 근접하여 일정하게 제어되고 있음을 알 수 있고, 출력과 발전기 a 상의 전류 실효 치 값은 모델 시스템의 정격 값에 거의 일치함을 알 수 있다. 이 그림에서 출력 값이 -값을 나타내고 있는 것은 그림 4에서 3상 전력계의 접속방향이 계통 에서 발전기로 전류가 흐를 때, + 줄력 값을 갖도록 접속하였기 때문이다.
9[kV], 2차측 690[V]를 갖는 Y/Y 변압기를 사용 하고 있으며 변전소 말단에 연계하여 운용되고 있다. 시뮬레이션 프로그램에서는 권선형 유도기, 변압기 및 기타 전기적인 출력 특성을 해석할 수가 있는 여러 가지의 라이브러리가 있어 쉽게 적용하여 전기적 출력 특성을 해석할 수가 있다.
41?]까지 떨어지 고 또한 출력 값과 회전자 속도도 떨어짐을 알 수 있다. 이상과 같은 결과로 빠른 풍속변화에 대한 시뮬 레이션 결과 값들이 피치각 제어에 따라 잘 추종하고 있어, 원하는 제어가 잘 이루어지고 있음을 알 수 있다.
후속연구
이상과 같은 결과를 토대로 제안한 해석 방법을 이용하면 새로운 풍력 터빈 시스템을 설계하여 운용 하고자 할 때 크게 도움이 되리라 사료된다.
참고문헌 (5)
김용현,김일환,'풍력발전을 위한 이중여자 유도기의 센서리스 제어',전력전자학회논문지,5권5호, 2000.10
허종철, 2003, 제주도내 풍력발전 단지 성능 모니터링 및 평가에 관한 연구 보고서
VESTAS Manual, 2000
O.Wasynczuk, D.T, Manand J. P. Sullivan, 'Dynamic behavior of a class of wind turbine generators during random wind fluctuations', IEEE, Trans Power App. Syst., vol. 100. pp. 2837-2845, June 1981
H. Camblong, M. Rodringuez Vidal, J. R. Puiggali, 'Principles of a Simulation Model for a Variable Speed Pitch-regulated Wind Turbine', Wind Eng.,vol.28,No.2,pp.157-175.,2004
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