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계통 연계형 풍력 발전 시스템의 LVRT 제어 전략
LVRT Control Strategy of Grid-connected Wind Power System 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.16 no.2, 2011년, pp.182 - 190  

신호준 (서울대 전기컴퓨터공학부) ,  설승기 (서울대 전기컴퓨터공학부)

초록
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본 논문은 계통 전압 사고 상황에서 계통 연계형 풍력 발전 시스템이 만족시켜줘야 할 LVRT(Low Voltage Ride Through) 제어 전략을 제안한다. LVRT 규정은 계통 전압 사고 시 풍력 발전 시스템이 지켜야 할 부분들을 전압 감소율과 사고 시간에 대해 나타내고 있다. 특히 전압 감소율이 10% 이상일 경우에는 풍력 발전 시스템은 규정된 무효 전류를 전력 계통에 제공하여 계통 전압 확보에 이바지해야 한다. 본 논문에서의 LVRT 규정은 세계적으로 가장 엄격한 규정인, 독일 계통 연계 규정(German Grid Code)을 기준으로 하고 풀 스케일(Full-scale) 가변 속도 전력 변환 시스템을 고려하여 제어 전략을 수립한다. 본 LVRT 제어 전략은 계통 사고 시 LVRT 규정을 모두 만족시킴과 동시에 직류단 전압 제어의 추가적인 알고리즘으로 직류단 전압의 제어를 통하여 전체 풍력 발전 시스템의 전력 균형을 기할 수 있다. 3상 전압 지락 사고의 경우 계통으로의 전력 제어가 불가능하여 계통 측 컨버터가직류단 전압을 제어할 수 없으므로, 전력 제어의 기능을 발전기 측 인버터로 이행 시켜 상황에 따라 유연한 직류단 전압 제어가 가능함을 보였다. 시뮬레이션과 실험을 통해 LVRT 제어 전략의 타당성을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper proposes a LVRT (Low Voltage Ride Through) control strategy which should be satisfied by grid-connected wind power system when grid faults occur. The LVRT regulation indicates rules or actions which have to be executed according to the voltage dip ratio and the fault duration. Especially ...

주제어

#Wind power system   #Grid Code   #LVRT(Low Voltage Ride Through) regulation   #DC link voltage control  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 앞으로 풍력 발전 시스템이 계통에 연계되기 위해서는 위의 규정을 만족시키는 제어 전략이 필요하다. LVRT 규정에 관한 분석 및 연구들이 어이지고 있으며[3], 또한 본 논문에서도 독일 계통 규정의 LVRT에 대해 조사, 분석하고 이에 맞는 제어 전략을 수립한다. 독일의 계통 연계 규정을 만족 시킬 경우 우리나라를 포함하는 대부분의 국가의 계통 연계 규정을 만족 시킬 수 있다.
  • 본 논문에서는 풍력 발전 시스템이 계통에 연계되기 위해 지켜야 할 LVRT 규정에 대해 유연하게 대처할 수 있는 LVRT 제어 전략을 제안하였다. 가장 엄격한 독일 계통 연계 규정의 LVRT 규정에 대해 조사하여 제어 전략을 수립하였으며 사고 상황에서도 유연한 대처가 가능한 직류단 전압 제어 알고리즘을 제안하였다.
  • 직류단 캐패시터 선정에 있어, 최악의 3상 지락 사고가 발생 –풍력 발전 시스템 입력단에서 3상 지락 발생-할 경우 제어기가 반응하고 지령치가 0으로 가기까지 걸리는 시간 동안 인버터 측에서 오는 정격 전력을 전압 변동률 10%이내로 억제하는 것을 목표로 하였다.

가설 설정

  • 그림 12는 전체 시스템의 제어 흐름을 나타낸다. 사고 상황에서 Pcomp로 인해 순간적인 토크의 변화가 있어 풍력 발전기의 속도가 변할 수 있으나 풍력 발전기의 관성은 일반적으로 매우 크므로 LVRT 규정 내의 수초간의 토크 변화에는 속도가 일정하다고 가정할 수 있다.
  • 실제 실험에서는 계통 측에 단권변압기를 연결하여 전압을 변경해 가며 사고를 모의하였다. 풍력 발전은 사고 순간 속도는 일정하다고 가정하여 속도 제어를 수행하는 부하기로 모의하였다. 따라서 실험에서 수행된 전체 시스템은 그림 15와 같으며 실험에 사용된 Back-to-Back PWM 컨버터 및 부하기-발전기는 그림 16, 그림 17과 같다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
LVRT 규정이란? 제정된 계통 연계 규정 중에서도 계통 사고 시 풍력 발전 시스템에 요구되는 LVRT(Low Voltage Ride Through) 규정은 계통 연계 규정 중 가장 주목받고 있는 내용이다. LVRT 규정은 전압 감소율과 사고 시간에 따라 요구 조건이 나눠지며, 특정 전압 범위에서는 무효 전류를 지원하여 계통 전압 회복에 기여하도록 하고 있다. 앞으로 풍력 발전 시스템이 계통에 연계되기 위해서는 위의 규정을 만족시키는 제어 전략이 필요하다.
LVRT 규정에 대해 조사하여 제어 전략을 수립하였으며 사고 상황에서도 유연한 대처가 가능한 직류단 전압 제어 알고리즘을 제안하였다, 이에 대한 결과는? 가장 엄격한 독일 계통 연계 규정의 LVRT 규정에 대해 조사하여 제어 전략을 수립하였으며 사고 상황에서도 유연한 대처가 가능한 직류단 전압 제어 알고리즘을 제안하였다. 제안된 직류단 전압 제어는 3상 지락 사고 상황에서도 LVRT 규정을 만족시키며, 직류단 전압 제어를 통해 시스템 전체의 전력 균형을 잡아주어 사고 시 시스템의 안정도 역시 확보할 수 있었다. 5kW급 실험을 통해 3상 지락 사고 상황에서 100% 무효 전류 공급과 함께 전압 제어 오차 1% 이내의 정확한 직류단 전압 제어가 가능함을 확인하였다.
고정 속도 풍력 발전 시스템의 장단점은? 풍력 발전 시스템은 크게 고정 속도 풍력 발전 시스템과 가변 속도 풍력 발전 시스템이 있다. 고정 속도 풍력 발전 시스템은 견고성과 가격적인 면에서 유리하나 계통 사고에 대해 취약점을 가지고 있다. 이를 보완하기 위한 여러 가지 연구가 진행되고 있으나 기본 구조상 LVRT에 대한 효과적이고 적절한 대응을 하기 힘들다[4]-[5].
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참고문헌 (9)

  1. "The Global Wind Energy Council news", GWEC, 2010. Sep. 

  2. "Grid Code for High and Extra High Voltage", E.ON Netz GmbH, 2006, 1stApril. 

  3. Xing-jia Yao, Li-zhe LIANG, Hu Chen and Zuo-xia XING, "Control Strategy Study of DFIG with LVRT," Energy and Environment Technology, pp. 572, 2009, Oct. 

  4. S.M. Muyeen, Rion Takahashi, Toshiaki Murata, Junji Tamura. "Low voltage ride through capability enhancement of fixed speed wind generator", IEEE Bucharest Power Tech Conference, 2009, June/July. 

  5. Zhou Linyuan, Liu jinjun, and Liu Fangcheng, "Low Voltage Ride-Through of Wind Farms Using STATCOM Combined with Series Dynamic Breaking Resistor", IEEE International Symposium on Power Electronics for Distributed Generation Systems, pp 841-845, 2010, June. 

  6. L. Hansen, L. Helle, F. Blaabjerg, E. Ritchie, S. Munk-Nielsen, H. Bindner, P. Sorensen, B. Bak-Juensen, "Conceptual survey of Generators and Power Electronics for wind turbines", Riso National Lab, Denmark, 2001, Dec. 

  7. Andrew Causebrook, David J.Atkinson and Alan G. Jack, "Fault Ride-Through of Large Wind Farms Using Series Dynamic Braking Resistors", IEEE Transactions on power systems, Vol. 22, No. 3, 2007, Aug. 

  8. Olimpo Anaya-Lara, Nick Jenkins, Janaka Ekanayake, Phill Cartwright, Mike Hughes, "Wind energy generation - modeling and control", WILEY, pp. 231-233, 2009. 

  9. Emilio J. Bueno, Santiago Cobreces, Francisco J. Rodriguez, Felipe Espinosa, Marta Alonso, Raul Alcaraz, "Calculation of the DC-bus Capacitors of the Back-to-Back NPC Converters", EPE-PEMC, Power Electronics and Motion Control Conference, 2006, Sept. 

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