소형 풍력발전 시스템을 위한 CRIO 기반의 실시간 제어 시스템 설계 및 다양한 형태의 MPPT 알고리즘 성능 비교 분석 Design of CRIO-based real-time controller for small-sized wind turbine generating system and comparative study on performance of various MPPT algorithms원문보기
10KW 이하의 소형 풍력 발전 시스템은 언덕이나, 공원, 도시와 같은 협소한 지역에 유연하게 설치될 수 있다는 장점으로 인해 신재생에너지 분야에서 지속적인 연구/개발이 이루어지고 있다. 소형 풍력 발전기는 낮은가격, 고신뢰도 및 고성능이 중요시되기 때문에 최대 전력을 추종하기 위한 다양한 기법이 요구된다. 일반적으로 제어기의 출력은 DC 부하에 전원을 공급하기 때문에 48V 배터리에 연결되어 동작된다. 본 논문에서는 소형 풍력 발전 시스템을 위한 FPGA 기반 MPPT 제어기를 제안하고자하며, 제안된 시스템에서의 다양한 MPPT 알고리즘의 성능을 검증하기 위해 NI 사에서 제작된 Compact-RIO 컨트롤러를 사용하였다.
10KW 이하의 소형 풍력 발전 시스템은 언덕이나, 공원, 도시와 같은 협소한 지역에 유연하게 설치될 수 있다는 장점으로 인해 신재생에너지 분야에서 지속적인 연구/개발이 이루어지고 있다. 소형 풍력 발전기는 낮은가격, 고신뢰도 및 고성능이 중요시되기 때문에 최대 전력을 추종하기 위한 다양한 기법이 요구된다. 일반적으로 제어기의 출력은 DC 부하에 전원을 공급하기 때문에 48V 배터리에 연결되어 동작된다. 본 논문에서는 소형 풍력 발전 시스템을 위한 FPGA 기반 MPPT 제어기를 제안하고자하며, 제안된 시스템에서의 다양한 MPPT 알고리즘의 성능을 검증하기 위해 NI 사에서 제작된 Compact-RIO 컨트롤러를 사용하였다.
The small-sized wind turbine generating system with the output power less than 10kW, which can be installed in some areas of hills, parks, and cities due to its flexibility, is one of the progressive research and development fields in renewable energy. It is important for the small wind turbine gene...
The small-sized wind turbine generating system with the output power less than 10kW, which can be installed in some areas of hills, parks, and cities due to its flexibility, is one of the progressive research and development fields in renewable energy. It is important for the small wind turbine generators to have low cost, high reliability as well as high efficiency. To meet these requirements, development of various maximum-power-point-tracking (MPPT) control schemes should be required. Generally, the output of the controller can be connected to a 48V battery to supply power to a DC load. In this work, the design and implementation of an FPGA-based MPPT controller for small-sized wind turbine generating system is presented. For the verification of the practical performance of various MPPT algorithms, CRIO controller from NI has been used.
The small-sized wind turbine generating system with the output power less than 10kW, which can be installed in some areas of hills, parks, and cities due to its flexibility, is one of the progressive research and development fields in renewable energy. It is important for the small wind turbine generators to have low cost, high reliability as well as high efficiency. To meet these requirements, development of various maximum-power-point-tracking (MPPT) control schemes should be required. Generally, the output of the controller can be connected to a 48V battery to supply power to a DC load. In this work, the design and implementation of an FPGA-based MPPT controller for small-sized wind turbine generating system is presented. For the verification of the practical performance of various MPPT algorithms, CRIO controller from NI has been used.
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문제 정의
본 연구에서는 풍력발전 시스템에 적용 가능한 다양한형태의 MPPT 알고리즘에 대해 고찰하였으며, 실제 제작된 CRIO 기반의 실시간 제어 시스템에의 적용 실험을 통해 고찰된 다양한 형태의 MPPT 알고리즘에 대한 성능을 비교분석해 보았다. 실시간 제어기시스템에서의 성능분석결과 실효풍속모델에서 우수한 성능을 보인 IC 및 선형화기법이 융합된 MPPT 알고리즘이 실제 풍속하에서도 우수한 성능을 보일 것으로 예상할 수 있었다.
본 장에서는 상기에서 설명한 다양한 형태의 소형풍력발전기에 적용 가능한 MPPT 알고리즘에 대한 성능분석을 위해 제작된 NI사의 CRIO 시스템 기반의 실시간 제어 시스템을 소개하고자 한다.
본 절에서는 2장에서 고찰한 MPPT 제어 기법의 풍속의 변화에 따른 추종 특성 및 과도상태 응답특성에 대해 고찰하고자 한다.
본 절에서는 다양한 형태의 MPPT 알고리즘의 성능 분석을 위해 IC 기법과 선형 근사화 기법을 융합한 알고리즘에 대해 설명하고자 한다. 이 기법은 전절에서 고찰한 P&O 기법과 선형 근사화 기법을 융합한 MPPT 기법에서 P&O 기법 대신 IC 기법을 적용한 기법으로 현재 동작점이 영역밖에 존재하게 되면 선형 근사화 기법을 적용하고, 동작점이 영역 내에 존재하게 되면 IC 기법을 적용하게 된다.
본 절에서는 소형 풍력발전 시스템의 MPPT 제어에 일반적으로 사용되고 있는 IC (Incremental Conductance) 기법에 대해 살펴보고자 한다.
본 절에서는 소형 풍력발전 시스템의 MPPT 제어에 일반적으로 사용되고 있는 다양한 형태의 MPPT 알고리즘에 대해 고찰하고자 한다.
본 절에서는 소형 풍력발전 시스템의 발전기로 널리 사용되고 있는 PMSG(Permanent Magnet Synchronous Generator)와 DC 부하 또는 배터리로의 전력 공급을 위한 부스터 컨버터의 특징에 대해 살펴보고자 한다.
본 절에서는 실효풍속모델을 이용하여 상기에서 고찰한 다양한 형태의 MPPT 제어 기법에 대한 제어 성능 분석을 수행하였다. 그림 17은 성능분석을 위해 사용된 실효풍속모델을 나타낸 것으로 평균 풍속에 난류 성분이 첨가하여 생성하였다.
이에 본 연구에서는 풍력발전 시스템에 적용 가능한 다양한 형태의 MPPT 알고리즘에 대해 고찰하고자하며, 고찰된 다양한 형태의 MPPT 알고리즘들을 실제 제작된 CRIO 기반의 실시간 제어 시스템에의 적용 실험을 통해 그 성능을 비교분석 해보고자 한다.
제안 방법
그러나 그림 16과 같은 풍환경은 이상적인 것으로 실제 풍환경이 고려되지 않았다. 때문에 다음 절에서는 MPPT 알고리즘에 대한 좀더 정확한 제어 성능을 분석하기 위해서 실제 풍환경과 유사한 실효풍속을 만들어 성능실험을 해보았다.
본 장에서는 상기에서 고찰한 다양한 형태의 MPPT 알고리즘을 실시간 제어시스템에 적용하여 그 성능을 비교실험 해보았다.
대상 데이터
그림 12로부터 소형 풍력발전 시스템을 위한 실시간 제어 시스템은 3상 유도전동기 기반의 토크 발생부, 3상 유도전동기의 샤프트와 연결된 PMSG 발전기/3상 브릿지 다이오드 모쥴, PMSG 발전기의 출력단에 연결된 부스트 컨버터 와 CRIO기반의 실시간 제어 시스템으로 구성됨을 알 수 있다. 본 연구에서는 풍동실험을 대신 할 수 있도록 3상 유도전동기 기반의 토크 시뮬레이터를 사용하였다. 토크 시뮬레이터는 풍력 발전기의 구동을 위한 토크를 발생시켜주는 부분으로 현재의 풍속 및 블레이드의 회전수에 해당하는 토크를 발생시키는 기능을 하며 블레이드 설계 시 결정되는 토크 특성곡선은 3차원 look-up 테이블에 저장된다.
이론/모형
전절에서 고찰한 다양한 형태의 소형풍력발전 시스템에 적용 가능한 MPPT 알고리즘의 실시간 구현을 위해 본 연구에서는 NI사에서 판매되고 있는 CRIO-6022라는 실시간제어 시스템을 사용하였다. CRIO-6022는 FPGA로 구현되는 세시, 데이터 측정 모쥴 및 실시간 제어기로 구성된다.
성능/효과
상기 실험은 그림 17과 같이 난류성분이 포함된 풍속의 변화를 고려하였으며, 적용된 MPPT 알고리즘 모두 최대전력점 부근에서의 동작되는 것을 확인할 수 있다. 단, 그림18의 실험결과에서 우수한 성능을 보인 IC 기법과 선형 근사화기법을 융합한 MPPT 알고리즘이 최대 전력 점 부근에서 변화하는 폭이 가장 작게 나타남을 확인할 수 있었다.
상기 실험은 그림 17과 같이 난류성분이 포함된 풍속의 변화를 고려하였으며, 적용된 MPPT 알고리즘 모두 최대전력점 부근에서의 동작되는 것을 확인할 수 있다. 단, 그림18의 실험결과에서 우수한 성능을 보인 IC 기법과 선형 근사화기법을 융합한 MPPT 알고리즘이 최대 전력 점 부근에서 변화하는 폭이 가장 작게 나타남을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 풍력발전 시스템에 적용 가능한 다양한형태의 MPPT 알고리즘에 대해 고찰하였으며, 실제 제작된 CRIO 기반의 실시간 제어 시스템에의 적용 실험을 통해 고찰된 다양한 형태의 MPPT 알고리즘에 대한 성능을 비교분석해 보았다. 실시간 제어기시스템에서의 성능분석결과 실효풍속모델에서 우수한 성능을 보인 IC 및 선형화기법이 융합된 MPPT 알고리즘이 실제 풍속하에서도 우수한 성능을 보일 것으로 예상할 수 있었다. 향후, 본 연구에서 고찰한 다양한 형태의 MPPT 알고리즘의 장단점을 분석하여 보다 좋은 성능을 갖는 MPPT 알고리즘 개발에 대한 연구를 수행할 계획이며, 객관적인 성능 분석을 위해 좀 더 다양한 실험 환경에서의 적용실험을 진행할 것이다.
후속연구
실시간 제어기시스템에서의 성능분석결과 실효풍속모델에서 우수한 성능을 보인 IC 및 선형화기법이 융합된 MPPT 알고리즘이 실제 풍속하에서도 우수한 성능을 보일 것으로 예상할 수 있었다. 향후, 본 연구에서 고찰한 다양한 형태의 MPPT 알고리즘의 장단점을 분석하여 보다 좋은 성능을 갖는 MPPT 알고리즘 개발에 대한 연구를 수행할 계획이며, 객관적인 성능 분석을 위해 좀 더 다양한 실험 환경에서의 적용실험을 진행할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
소형 풍력 발전기의 최대 전력을 추종하기 위해 다양한 기법이 요구되고 있는 이유는?
10KW 이하의 소형 풍력 발전 시스템은 언덕이나, 공원, 도시와 같은 협소한 지역에 유연하게 설치될 수 있다는 장점으로 인해 신재생에너지 분야에서 지속적인 연구/개발이 이루어지고 있다. 소형 풍력 발전기는 낮은가격, 고신뢰도 및 고성능이 중요시되기 때문에 최대 전력을 추종하기 위한 다양한 기법이 요구된다. 일반적으로 제어기의 출력은 DC 부하에 전원을 공급하기 때문에 48V 배터리에 연결되어 동작된다.
10KW 이하의 소형 풍력 발전 시스템의 장점은?
10KW 이하의 소형 풍력 발전 시스템은 언덕이나, 공원, 도시와 같은 협소한 지역에 유연하게 설치될 수 있다는 장점으로 인해 신재생에너지 분야에서 지속적인 연구/개발이 이루어지고 있다. 소형 풍력 발전기는 낮은가격, 고신뢰도 및 고성능이 중요시되기 때문에 최대 전력을 추종하기 위한 다양한 기법이 요구된다.
보다 광범위한 소형풍력발전시스템의 보급을 위해서는 낮은 가격, 고신뢰도 및 고성능을 보장하는 시스템 개발이 절실히 요구되고 있는 이유는 무엇인가?
최근 10kW급 이하의 출력을 갖는 수직형 또는 수평형 소형 풍력발전시스템은 설치상의 유연성으로 인해 공원, 도시에 적극적으로 도입되고 있으며 소형 수직축 풍력발전 시스템은 요잉 컨트롤이 필요 없다는 점 때문에 자동차에까지 도입이 추진되고 있는 실정이다. 또한 미국의 소형 풍력발전 시스템 시장은 2008년 한해에 약 78%의 성장을 달성했으며 추가적인 17.3MW의 발전용량을 확보한 상태이다[1]. 따라서 보다 광범위한 소형풍력발전시스템의 보급을 위해서는 낮은 가격, 고신뢰도 및 고성능을 보장하는 시스템 개발이 절실히 요구되고 있다.
참고문헌 (6)
American Wind Energy Association, AWEA small wind turbine global market study: 2009
S. Wang, Z. Qi, "State-space averaging modeling and analysis of disturbance injection method of MPPT for small wind turbine generating systems," IEEE Power and Energy Engineering Conference, APPEEC, Asia-Pacific, 27-31, March, 2009.
K. tan and S. Islam, "Optimum control strategies in energy conversion of PMSG wind turbine system without mechanical sensors," IEEE Trans Energy Conversion, vol. 19, no. 2, pp. 392-399, June, 2004.
N. Yamamura, M. Ishida, and T. Hori, "A simple wind power generating system with permanent magnet type synchronous generator," IEEE PEDS’'99, vol. 2, pp. 849-854, Hong Kong, July 27-29, 1999.
Teaching Maximum Power Point Trackers Using a Photovoltaic Array Model with Graphical User Interface
A Comparative Study of Maximum Power Extraction Strategies in PMSG Wind Turbine System.
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