[논문]가변속 풍력발전용 영구자석형 동기발전기의 퍼지 속도제어기 설계

유동녕; 최영식; 최한호; 정진우

doi:10.5207/jieie.2011.25.2.069

가변속 풍력발전용 영구자석형 동기발전기의 퍼지 속도제어기 설계
Fuzzy Speed Controller Design of Permanent Magnet Synchronous Generators for Variable-Speed Wind Turbine Systems 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.25 no.2, 2011년, pp.69 - 79

유동녕 (동국대(서울) 전자전기공학부) , 최영식 (동국대 대학원 전자전기공학부) , 최한호 (동국대(서울) 전자전기공학부) , 정진우 (동국대(서울) 전자전기공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a new fuzzy speed control method based on Takagi-Sugeno fuzzy method of permanent magnet synchronous generators(PMSM) for variable-speed wind turbine systems. The proposed fuzzy speed controller consists of the control terms that compensate for the nonlinearity of PMSG and the control terms that stabilize the error dynamics. The conditions are derived for the existence of the proposed speed controller, and the gain matrices of the controller are given. The proposed control method can guarantee that the PMSG can effectively track the speed reference which is calculated through the MPPT control and can reduce the fluctuations of the generated power under even fast random wind conditions. To verify the performance of the proposed fuzzy speed controller, the simulation results are demonstrated.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 T-S 퍼지 모델을 이용한 비선형 속도제어기를 제안한다. 각 국부 서브시스템을 위하여 국부적인 선형제어기(Local Linear Controller)가 설계 되며, 이들은 표준 퍼지추론법(Standard Fuzzy Inference Method)을 사용함으로써 전역적인 비선형제어기(Global Nonlinear Controller)로 구현 된다.
본 논문에서는 제안된 퍼지제어기와 기존의 PI제어기에 대한 각각의 시뮬레이션 결과를 보여준다. 또한, 모든 시뮬레이션 결과는 제안한 속도제어기의 강인성을 검증하기 위하여 동기발전기의 일부 파라미터 (R_s ,L_s , J_eq)가 모델링 오차와 온도 변화 등에 따라서 200[%] 변동시의 전력, 속도 및 전류 응답을 보여주고 있다.
본 논문에서는 직접 구동방식의 가변속 풍력터빈용 영구자석형 동기발전기를 위하여 T-S 퍼지 모델을 사용한 퍼지 속도제어기에 대해 연구하였다. 퍼지 속도제어기가 존재하기위한 LMI 조건을 제시하였고, 퍼지제어기의 이득을 계산하였다.
이때 발전기측 컨버터는 최적의 출력을 내기 위해 회전자의 속도를 제어하고, 계통연계 인버터는 주파수 변환과 역률제어를 수행한다. 본 논문은 그림 1에서 보는바와 같이 발전기측 3상 컨버터의 속도제어 방식에 관한 것이다.

가설 설정

는 영구자석 자속이다. L_d와 L_q는 d축과 q축의 인덕턴스이고, 본 논문에서는 표면 부착형 PMSG가 사용되므로 L_d = L_q = L_s인 경우로 가정한다. 또한 q축의 유기기전력은 e_q = λ₀ ω_e 이고, d축의 유기기전력은 e_d= 0이며, V_d와 V_q는 PMSG의 제어 입력전압이다.
5초 동안의 13[m/sec]의 돌풍을 가정한다[9]. 또한 풍속의 램프 성분은 V_ramp = #로 A = 1, T_rw = 16초로 가정하였고, V_noise는 랜덤 노이즈 풍속으로 평균 0, 분산 1, 샘플링 주기는 0.1초를 가정한다.
정리 1 : 다음의 LMI 조건을 만족시키는 해 (P, Y_ci) 가 존재한다고 가정하자.
는 풍속의 노이즈 성분이다. 풍속의 기본 성분 V_base는 초기 풍속이 12[m/sec]이며 0.5초에서 10[m/sec]로, 3초에서 11[m/sec]로, 8초에서 13[m/sec]로 풍속의 변화를 가지고, 6초에서 0.5초 동안의 13[m/sec]의 돌풍을 가정한다[9]. 또한 풍속의 램프 성분은 V_ramp = #로 A = 1, T_rw = 16초로 가정하였고, V_noise는 랜덤 노이즈 풍속으로 평균 0, 분산 1, 샘플링 주기는 0.

제안 방법

각 국부 서브시스템을 위하여 국부적인 선형제어기(Local Linear Controller)가 설계 되며, 이들은 표준 퍼지추론법(Standard Fuzzy Inference Method)을 사용함으로써 전역적인 비선형제어기(Global Nonlinear Controller)로 구현 된다. 또한 제안된 비선형 퍼지 속도제어기의 해가 존재하기 위한 LMI(Linear Matrix Inequality)조건을 유도하며, 이로부터 제어기 이득을 계산한다. 마지막으로 풍속의 변화가 빠른 랜덤 풍속 조건하에서 시뮬레이션 결과가 주어진다.
본 논문에서 제안된 영구자석 동기발전기를 위한 퍼지 속도제어기의 성능을 검증하고자 직접 구동방식의 가변속 풍력발전시스템을 Matlab/Simulink를 이용하여 랜덤 풍속 조건하에서 시뮬레이션 하였다. 본 시뮬레이션에서 사용된 풍력터빈과 표면 부착형 PMSG의 파라미터는 각각 표 1, 2와 같다.
본 논문에서 풍속 모델은 날씨와 지형 지물 등에 따라 실제 풍속이 가지는 돌풍, 주기적인 변화, 빠른 랜덤 노이즈 풍속 특성을 포함하도록 다음의 함수로 구성하였으며[6], 그림 9는 이러한 풍속 모델을 도식적 으로 보여준다.
본 논문에서는 그림 6과 같이 일반적으로 많이 사용 되는 PI 피치각 제어기를 사용한다.
본 논문에서는 직접 구동방식의 가변속 풍력터빈용 영구자석형 동기발전기를 위하여 T-S 퍼지 모델을 사용한 퍼지 속도제어기에 대해 연구하였다. 퍼지 속도제어기가 존재하기위한 LMI 조건을 제시하였고, 퍼지제어기의 이득을 계산하였다. 또한, 빠른 랜덤 풍속 조건하에서 Matlab/Simulink를 활용한 시뮬레이션 결과는 제안된 퍼지 속도제어기가 발전기 회전자의 속도와 발전기 출력전력을 아주 효과적으로 제어함을 확인하였다.

이론/모형

그림 10은 영구자석형 동기발전기를 위해 제안된 퍼지 속도제어기의 성능을 검증하기 위한 가변속 풍력터빈시스템의 전반적인 블록 다이어그램을 보여준다. 본 논문에서는 스위칭 손실과 전류 리플을 고려하여 1[kHz]의 스위칭 주파수가 선정되었으며, 또한 공간 전압벡터(Space Vector) PWM 방식이 사용되었다.

성능/효과

[10]과 같은 이전 결과를 이용하면 본 논문에서 제안된 방법은 LMI에 기반 하므로 LQ,H2/H∞, α-안정도, 극점 배치 등을 적용할 수 있다.
또한, 제안된 퍼지제어기는 기존의 PI제어기에 비해 발전기 회전자의 속도와 dq축 전류가 빠른 응답 특성을 가지며, 정상상태에서는 회전자 속도의오차와 dq축 전류의 오차가 현저히 적음을 알 수 있다. 따라서 제안된 퍼지제어기는 직접 구동방식의 가변속 풍력터빈용 영구자석형 동기발전기에서 피치제어기 및 MPPT 제어기와 함께 사용하여 발전기 회전자 속도와 출력 전류를 기존의 PI제어기에 비해 정확하고 빠르게 제어할 수 있음을 확인하였다.
또한 발전기 회전자 속도의 오차(ωeError)가 매우 작으므로 제안된 퍼지제어기의 속도응답 특성이 우수함을 보여준다.
본 논문에서는 제안된 퍼지제어기와 기존의 PI제어기에 대한 각각의 시뮬레이션 결과를 보여준다. 또한, 모든 시뮬레이션 결과는 제안한 속도제어기의 강인성을 검증하기 위하여 동기발전기의 일부 파라미터 (R_s ,L_s , J_eq)가 모델링 오차와 온도 변화 등에 따라서 200[%] 변동시의 전력, 속도 및 전류 응답을 보여주고 있다.
퍼지 속도제어기가 존재하기위한 LMI 조건을 제시하였고, 퍼지제어기의 이득을 계산하였다. 또한, 빠른 랜덤 풍속 조건하에서 Matlab/Simulink를 활용한 시뮬레이션 결과는 제안된 퍼지 속도제어기가 발전기 회전자의 속도와 발전기 출력전력을 아주 효과적으로 제어함을 확인하였다.
위의 시뮬레이션 결과로부터 본 논문에서 제안한 퍼지 속도제어기는 풍속의 빠른 랜덤 변동에도 불구하고 정격 전력과 토크 값을 안정적으로 유지함을 확인할 수 있다. 또한, 제안된 퍼지제어기는 기존의 PI제어기에 비해 발전기 회전자의 속도와 dq축 전류가 빠른 응답 특성을 가지며, 정상상태에서는 회전자 속도의오차와 dq축 전류의 오차가 현저히 적음을 알 수 있다. 따라서 제안된 퍼지제어기는 직접 구동방식의 가변속 풍력터빈용 영구자석형 동기발전기에서 피치제어기 및 MPPT 제어기와 함께 사용하여 발전기 회전자 속도와 출력 전류를 기존의 PI제어기에 비해 정확하고 빠르게 제어할 수 있음을 확인하였다.
위의 시뮬레이션 결과로부터 본 논문에서 제안한 퍼지 속도제어기는 풍속의 빠른 랜덤 변동에도 불구하고 정격 전력과 토크 값을 안정적으로 유지함을 확인할 수 있다. 또한, 제안된 퍼지제어기는 기존의 PI제어기에 비해 발전기 회전자의 속도와 dq축 전류가 빠른 응답 특성을 가지며, 정상상태에서는 회전자 속도의오차와 dq축 전류의 오차가 현저히 적음을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존의 PID 제어와 같은 선형 제어방식의 단점은?	기존의 PID 제어와 같은 선형 제어방식은 비선형인 영구자석 동기발전기 시스템의 제어에 만족스러운 성능을 보장할 수 없다. 그러므로 이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 비선형 제어방식이 제안되었다.
	풍력발전의 장점은?	풍력발전은 다양한 신재생에너지원들 중에서 시장 경쟁력과 기술력이 확보되어 있고, 경제성이 화력발전에 근접해있는 기술로서, 최근에는 전 세계적으로 급성장을 보이고 있다. 과거에는 농형 유도발전기를 이용한 정속 구동형 풍력터빈이 많이 사용되었지만, 근래에는 가변속 구동의 우수성이 입증되면서 발전기와 그리드 사이에 Back to Back PWM Converter를 두고 벡터제어 방식으로 구동되는 영구자석 동기발전기 (PMSG, Permanent Magnet Synchronous Generator)을 이용한 가변속 풍력발전기가 고효율, 저유지 비용및 넓은 운전범위 등의 여러 장점으로 인하여 활발히 연구되고 있다.
	PMSG를 사용한 직접 구동형 풍력발전시스템의 구동원리는?	PMSG를 사용한 직접 구동형 풍력발전시스템의 전체 구성은 그림 1과 같다. 바람의 운동에너지는 블레이드(Blade)를 회전시킴으로서 기계적 토오크를 발생 시키며 이는 PMSG와 발전기측 컨버터를 거쳐 직류의 전기에너지로 변환되고, 변환된 전기에너지는 계통 연계 인버터를 통하여 교류로 변환된 후 계통으로 공급된다. 이때 발전기측 컨버터는 최적의 출력을 내기 위해 회전자의 속도를 제어하고, 계통연계 인버터는 주파수 변환과 역률제어를 수행한다. 본 논문은 그림 1에서 보는바와 같이 발전기측 3상 컨버터의 속도제어 방식에 관한 것이다.

참고문헌 (12)

M. Chinchilla, S. Arnaltes, and J. C. Burgos., “Control of permanent-magnet generators applied to variable-speed wind-energy systems connected to the grid”, IEEE Trans. Energy Conversion, Vol. 21, no. 1, pp. 130-135, Mar. 2006.

상세보기
S. Morimoto, H. Nakayama, M. Sanada, Y. Takeda, “Sensorless output maximization control for variable-speed wind generation system using IPMSG”, IEEE Trans. Ind. Applications, Vol. 41, no. 1, pp. 60-67, Jan/Feb. 2005.

상세보기
강주성, 고강훈, 이현우, “풍력발전기용 최대전력점 추종 제어기에 관한 연구”, 한국조명.전기설비학회 2006 추계학술대회 논문집, pp. 345-349, 2006. 11.
장석호, 박홍극, 이동춘, 김홍근, “소형 풍력발전용 영구 자석형 동기발전기의 센서리스 제어”, 전력전자학회논문지 제14권 제1호, pp.15-22, 2009. 2.

원문보기 상세보기
Feng Gao, Daping Xu, Yuegang Lv, “Pitch-control for large-scale wind turbines based on feed forward fuzzy-PI”, IEEE Proc. Intelligent Control and Automation, Chongqing, China, pp. 2277-2282, 2008.
Lingfeng Xu. Xiyun Yang, Xinran Liu, Daping Xu, “Pitch Control of Variable Speed Wind Turbines Based on Adaptive Fuzzy Sliding Mode Controller”, IEEE Proc. Intelligent Control and Automation, Chongqing, China, pp. 2970-2975, 2008.
Ming Yin, Gengyin Li, Ming Zhou, Chengyong Zhao, “Modelling of the wind turbine with permanent magnet synchronous generator for integration”, IEEE Proc. Power Engineering, Tampa, Florida, pp. 1-6, 2007.
N. A. Orlando, M. Liserre, V. G. Monopoli, A. Dell'Aquila, “Speed Sensorless Control of a PMSG for Small Wind Turbine Systems”, IEEE Proc. Industrial Electronics, Seoul, Korea, July 5-8, 2009.
N. P. W. Strachan, D. Jovcic, “Dynamic Modelling, Simulation and Analysis of an Offshore Variable- Speed Directly-Driven Permanent-Magnet Wind Energy Conversion and Storage System (WECSS)”, IEEE Proc. Aberdeen, pp. 1-6, June 2007.
H. H. Choi, “LMI-based nonlinear fuzzy observer-controller design for uncertain MIMO non-linear systems”, IEEE Trans. Fuzzy Systems, Vol. 15, no. 5, pp. 956-971, 2007.

상세보기
T. Tagaki, M. Sugeno, “Fuzzy identification of systems and its applications to modeling and control”, IEEE Trans. Syst., Man, Cybern., Vol. 15, no. 1, pp. 116-132, 1985.
T. A. Johansen, R. Shorten, R. Murray-Smith, “On the interpretation and identification of dynamic Takagi-Sugeno fuzzy models”, IEEE Trans. Fuzzy Systems, Vol. 8, no. 2, pp. 297-313, 2000.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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