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문제 정의
- 본 논문에서는 발전기의 운전모드를 고려하여 이중 여자 유도형 풍력발전기의 제어기를 설계하였고 3kW 급 시뮬레이터를 구현하였다. 제어기를 설계하기 위하여 블레이드를 모델링하고 풍력 발전기의 기계적 입력에 대해서 분석하였다.
- 본 논문은 이중여자 유도형 풍력발전 시스템의 제어기를 설계하고 실험세트에 적용하여 검증하는 것을 목표로 하였다. 설계한 제어기는 상위 제어기와 하위 제어기로 구성된다.
제안 방법
- DSP는 TI 사의 TMS320VC33을 사용하였으며 엔코더 입력, AD 입력, DA 출력, 그리고 digital 10 기능을 갖추었다. 2 장에서 설계한 제어기를 구현하도록 DSP의 프로그램을 개발하였다. DSP의 제어에 의해서 두 대의 컨버터스위칭을 위한 공간벡터 PWM 신호를 발생한다.
- 실제 블레이드를 사용하여 발전기에 토크를 공급하면 경제적 . 공간적 제약이 있기 때문에 시뮬레이터에서는 직류 전동기를 사용하여 발전기에 토크를 공급하였다邸. 직류 전동기는 토크를 제어하며 0〜2200rpm 범위에서 전기자 전류와 토크를 일정한 비율로 유지하기 위하여 계자를 정격의 0.
- 반대로 풍속이 높은 경우 블레이드의 최대 출력점이 설정된 회전속도 범위보다 높기 때문에 최대 회전속도로 제어하고 발전량이 시스템의 정격 용량보다 많은 경우에는 발전량을 정격으로 제한한다. 그리고, 블레이드의 기계적 출력이 최대가 되는 회전속도가 설정된 발전기의 회전속도 범위에 존재한다면 풍속을 사용하여 발전기의 회전속도 기준값을 계산하여 발전기를 가변 속도로 제어하였다.
- 설계한 알고리즘을 적용하여 3kW급 권선형 유도기를 사용한 이중여자 유도형 풍력발전기 시뮬레이터를 개발하였으며 기계적 입력 에너지가 변동할 때 실험하여 설계한 알고리즘을 검증하였다. 기계적 입력 에너지는 블레이드 대신 직류 전동기를 사용하여 공급하였다邸.
- Hansen의 논문에서 풍력발전 시스템의 제어기는 유. 무효전력과 같이 빠른 응답 특성을 갖는 전기적 제어와 블레이드의 피치 제어와 같이 느린 응답 특성을 갖는 기계적 제어로 구분하였다. 기계적 제어는 시스템 전체에 대한 감시와 전기적 제어의 지령 값을 포함한 시스템 전체의 지령값 출력을 담당한다.
- 또한 그림 3에는 시스템 각 부분의 전류와 유 . 무효전력을 표시하였다. 전류는 그림 3의 화살표와 같이 계통에서 발전기로 흐를 때 (+)로 하였으며 이 규칙은 전력변환 장치를 통하여 발전기로 흐르는 전류에도 적용된다.
- 계통측 컨버터에 의해서 계통에 고조파가 공급되지 않도록 하기 위하여 인덕터를 사용하였다. 발전기를 제어하기 위하여 그림 6과 같이 교류 전류 6곳, 교류 전압 4곳, 그리고 직류단 전압을 측정하였다. 그림 (b)의 왼쪽부분이 측정용 센서와 제어 보드를 연결하기 위한 인터페이스 회로이다.
- 제어의 시작과 정지 그리고 조건에 따른 운전모드와 각 운전 모드에서의 제어 기준값은 상위 제어기에서 담당하고 하위 제어기는 상위 제어기의 지령에 따라서 발전기의 전류를 제어하여 시뮬레이터가 실제 발전기와 같이 발전기의 회전축에 입력되는 기계적 에너지에 따라서 스스로 운전하도록 하였다. 발전기에 대한 제어의 시작에서부터 제어의 종료까지 1주기를 실험하여 결과를 분석하였다. 개발된 이중여자 유도형 풍력 발전기 시뮬레이터는 이중여자 유도형 풍력발전 시스템을 계통에 연계했을 때 동특성을 분석하고 제어 알고리즘을 개선하기 위하여 활용될 것이다.
- 발전량을 제어하는 3가지 모드와 제어하지 않는 대기 모드를 합하여 4가지 운전모드의 관계와 각 모드 사이의 절환 조건을 표시하였다. 그리고 대기 모드와 속도 제어 모드 사이의 절환에는 과도 전류를 방지하기 위한 동기 투입과 계통 분리 알고리즘이 사용된다.
- 본 논문에서는 속도 제어와 토크 제어를 혼합하여 운전 모드를 설계하였다. 운전모드는 발전량과 회전속도에 따라서 최저 속도 제어, 가변 토크 제어, 그리고 토크 제한 제어로 구성된다.
- 제어기를 설계하기 위하여 블레이드를 모델링하고 풍력 발전기의 기계적 입력에 대해서 분석하였다. 설계한 발전기 제어기는 상위제어기와 하위 제어기로 구분하였다. 제어의 시작과 정지 그리고 조건에 따른 운전모드와 각 운전 모드에서의 제어 기준값은 상위 제어기에서 담당하고 하위 제어기는 상위 제어기의 지령에 따라서 발전기의 전류를 제어하여 시뮬레이터가 실제 발전기와 같이 발전기의 회전축에 입력되는 기계적 에너지에 따라서 스스로 운전하도록 하였다.
- 또한 발전을 개시하는 시점과 종료하는 시점에서 고정자와 계통사이에 과도전류가 발생하지 않도록 제어한다. 설계한 알고리즘을 적용하여 3kW급 권선형 유도기를 사용한 이중여자 유도형 풍력발전기 시뮬레이터를 개발하였으며 기계적 입력 에너지가 변동할 때 실험하여 설계한 알고리즘을 검증하였다. 기계적 입력 에너지는 블레이드 대신 직류 전동기를 사용하여 공급하였다邸.
- 비교하였다. 실험 결과는 먼저 이중여자 유도기의 회전자 전압과 전류의 일반적인 특성을 보여주었으며, 발전기의 운전모드에 따라서 동기화 모드, 발전량 제어 모드, 그리고 계통 분리 모드의 순으로 제시하였다. 발전량 제어 모드에서는 회전자 전압과 전류의 특성, 고정자 무효전력의 제어, 각 부분에서의 유효전력, 그리고 회전속도에 대한 토크와 유효전력 곡선을 보여주었다.
- 이중여자 유도형 풍력발전기의 운전모드는 유효전력을 기준으로 구분하였으며 무효전력은 고정자와 회전자에서 일정하게 제어하였기 때문에 본 논문에서는 생략하였다.
- 시뮬레이터를 구현하였다. 제어기를 설계하기 위하여 블레이드를 모델링하고 풍력 발전기의 기계적 입력에 대해서 분석하였다. 설계한 발전기 제어기는 상위제어기와 하위 제어기로 구분하였다.
- 설계한 발전기 제어기는 상위제어기와 하위 제어기로 구분하였다. 제어의 시작과 정지 그리고 조건에 따른 운전모드와 각 운전 모드에서의 제어 기준값은 상위 제어기에서 담당하고 하위 제어기는 상위 제어기의 지령에 따라서 발전기의 전류를 제어하여 시뮬레이터가 실제 발전기와 같이 발전기의 회전축에 입력되는 기계적 에너지에 따라서 스스로 운전하도록 하였다. 발전기에 대한 제어의 시작에서부터 제어의 종료까지 1주기를 실험하여 결과를 분석하였다.
- 직류 전동기에서 토크 입력을 변동하면서 이중 여자유도 발전기의 특성을 시험하였으며 동특성을 설계된 제어기와 비교하였다. 실험 결과는 먼저 이중여자 유도기의 회전자 전압과 전류의 일반적인 특성을 보여주었으며, 발전기의 운전모드에 따라서 동기화 모드, 발전량 제어 모드, 그리고 계통 분리 모드의 순으로 제시하였다.
대상 데이터
- 그림 9(c)는 DSP를 사용한 제어보드이다. DSP는 TI 사의 TMS320VC33을 사용하였으며 엔코더 입력, AD 입력, DA 출력, 그리고 digital 10 기능을 갖추었다. 2 장에서 설계한 제어기를 구현하도록 DSP의 프로그램을 개발하였다.
이론/모형
- 돌입 전류가 발생한다. 돌입 전류를 억제하기 위하여 동기화 제어 알고리즘을 사용하였다"41. 최저속도 제어 모드에서 대기 모드로 전환 할 때에는 고정자에 흐르는 전류가 '0'으로 제어된 상태에서 고정자와 계통을 분리하였다.
성능/효과
- 셋째, 발전 전력의 변화가 적고 무효전력을 제어할 수 있는등 계통연계 특성이 우수하기 때문에 계통 전력의 품질에 미치는 영향이 적다. 넷째, 전력변환 장치의 용량이 발전 시스템 전체 정격의 30% 이내로 작기 때문에 대형 전력변환 장치를 구현해야 하는 문제점이 해소된다. 이러한 특징 때문에 국내외에서 관심이 많으며 연구 개발이 활발하다.
후속연구
- 발전기에 대한 제어의 시작에서부터 제어의 종료까지 1주기를 실험하여 결과를 분석하였다. 개발된 이중여자 유도형 풍력 발전기 시뮬레이터는 이중여자 유도형 풍력발전 시스템을 계통에 연계했을 때 동특성을 분석하고 제어 알고리즘을 개선하기 위하여 활용될 것이다.
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