[논문]풍력발전단지의 효율적 운영을 위한 퍼지로직 기반 주파수 제어기 설계

김세윤; 김성호

doi:10.5302/j.icros.2014.13.8003

풍력발전단지의 효율적 운영을 위한 퍼지로직 기반 주파수 제어기 설계
A Design for a Fuzzy Logic based Frequency Controller for Efficient wind Farm Operation 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.20 no.2, 2014년, pp.186 - 192

김세윤 (군산대학교 전자정보공학부) , 김성호 (군산대학교 제어로봇공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently wind energy penetration into power systems has increased. Wind power, as a renewable energy source, plays a different role in the power system compared to conventional power generation units. As long as only single and small wind power units are installed in the power system, wind power does not influence power system operation and can easily be integrated. However, when wind power penetration reaches a significantly high level and conventional power production units are substituted, the impact of wind power on the power system becomes noticeable and must be handled. The connection of large wind turbines and wind farms to the grid has a large impact on grid stability. The electrical power system becomes more vulnerable to and dependent on wind energy production, and therefore there is an increased concern about the large wind turbines impact on grid stability. In this work, a new type of fuzzy logic controller for the frequency control of wind farms is proposed and its performance is verified using SimWindFarm toolbox which was developed as part of the Aeolus FP7 project.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

이에 본 논문에서는 유럽 연구 프로젝트의 일환인 Aeolus FP7 프로젝트 수행으로 개발된 Matlab/Simulink에서 활용 가능한 Simwindfarm toolbox를 이용하여 풍력 발전 단지와 바람장을 모델링하고, 이를 통해 풍력발전 단지를 안정적으로 운영하기 위해 수행되는 다양한 제어기법들을 고찰하고자 하며, Simwindfarm에서 제공하는 주파수제어에 대한 발전 특성을 분석하고, 퍼지제어기로 구성된 주파수 제어기를 설계한 후, 비교 분석하고자 한다.

제안 방법

그림17. 두 제어기법의 계통 주파수 특성 비교.
본 연구에서는 풍력발전단지에서 적용할 수 있는 퍼지 로직 기반의 계통 주파수 제어기를 제안하였으며 제안한 제어 방식의 유용성을 확인하기 위해, Aeolus FP7 프로젝트에서 제공하는 Matlab/Simulink 환경의 Simwinfarm toolbox 를 이용하여 5MW급 발전기 10기로 구성된 50MW급 풍력 발전 단지와 정격 풍속 12m/s에서 10%의 난류성분을 갖는 바람장을 모델링 하였으며, 동일한 계통의 요구량에 대해 기존의 Droop 제어와 제안한 Fuzzy 제어를 통한 계통 주파수 특성을 비교하였다. 그 결과 Droop 제어의 경우 Control band로 설정한 ±0.
상기 설명들에 대한 특성 확인을 위해 Simwindfarm toolbox를 이용하여 5MW급 발전기 10기로 구성된 50MW급 풍력발전단지를 시뮬레이션에 사용하였다. 시뮬레이션 시간은 1,000초이며, 난류강도 10%의 정격풍속 12m/s의 바람장을 사용하였으며, 개별 풍력발전기의 허브높이에서의 풍속을 나타내면 그림 11과 같으며, 계통에서 요구되는 부하를 나타내면 그림 12와 같다.
상기의 Droop 제어 방식은 계통 운영자에 의해 미리 설정된 값으로 운영되기 때문에 풍력발전단지에 급격한 부하의 변동이 발생되었을 때 효과적인 주파수 제어가 어렵다는 문제점을 갖는다. 이에 본 연구에서는 그림 4의 Droop 제어기를 퍼지로직 기반의 주파수 제어기로 대체하고자 하며, 퍼지 제어 블록의 구성은 그림 7과 같다.

대상 데이터

상기 설명들에 대한 특성 확인을 위해 Simwindfarm toolbox를 이용하여 5MW급 발전기 10기로 구성된 50MW급 풍력발전단지를 시뮬레이션에 사용하였다. 시뮬레이션 시간은 1,000초이며, 난류강도 10%의 정격풍속 12m/s의 바람장을 사용하였으며, 개별 풍력발전기의 허브높이에서의 풍속을 나타내면 그림 11과 같으며, 계통에서 요구되는 부하를 나타내면 그림 12와 같다.

이론/모형

계통 주파수의 효율적인 제어를 위한 퍼지 로직 기반의 제어기 설계를 위해 Aeolus FP7 프로젝트에서 제공하는 Matlab/Simulink 프로그램에서 활용 가능한 Simwindfarm toolbox를 사용하였으며, 제공하는 풍력발전단지의 전체 구성은 그림 1과 같으며, 풍력발전단지를 구성하는 요소들간의 입출력 관점에서 재구성하면 그림 2와 같은 블록도로 표현이 가능하다.

성능/효과

하지만 (a) 구간에서와 같이 주파수 에러값(f_g)이 Dead band(±0.01Hz) 내에 존재하는 경우 식 (5)에 의해 정밀한 제어가 이루어지지 못해 주파수가 크게 변화함을 알 수 있으며, (b)구간에서는 풍속의 난류 성분 때문에 발전량이 일정치 못하며, (c) 구간에서와 같이 Control band의 설정치 이하의 동작에서는 수렴하지 못함을 확인할 수 있다. 이때의 계통 주파수 특성을 나타내면 그림 14와 같다.
Droop 제어를 통한 주파수 제어결과 Control band로 설정한 ±0.1Hz 내에서 제어가 수행되는 것을 확인할 수 있었으나, 설정치 이하의 동작에서 Droop 제어가 제대로 수행되지 못해 주파수가 크게 증가함을 알 수 있다.
그 결과 Droop 제어의 경우 Control band로 설정한 ±0.1Hz 내에서 제어가 수행되나 설정치를 벗어난 요구량에 대해선 제어가 제대로 수행되지 못함을 확인하였으며, Fuzzy 제어의 경우 풍력발전단지가 생산 가능한 전력량 내에서 계통의 요구량을 모두 수렴하고, ±0.02Hz 내에서 제어가 수행됨을 확인하였다.
그림 13의 Droop 제어의 경우와 달리 Fuzzy 제어기는 풍력발전단지의 생산 가능한 전력량 내에서 계통의 요구량을 모두 수렴하는 것을 확인할 수 있었으며, Droop 제어와 달리 그림 13의 (c)구간에서도 계통의 요구량을 충족하며, 주파수 제어가 제대로 이루어짐을 알 수 있다. 이때의 주파수 특성을 나타내면 그림 16과 같다.

후속연구

02Hz 내에서 제어가 수행됨을 확인하였다. 추후 연구를 통해 주파수 제어뿐만 아니라 네트워크 운영자가 수행하는 다양한 제어기법들을 통합한 제어시스템을 개발하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유럽 각국 등의 풍력 발전 선진국들은 풍력 발전을 어떻게 수행하는가?	유럽 각국 등의 풍력 발전 선진국들은 이미 오래 전부터 풍력발전을 계통에 연계하여 운영해온 경험과 많은 관련 연구를 바탕으로 계통 운영을 효율적으로, 그리고 안정적으로 수행하기 위하여 계통 연계 기준(Grid-code)을 정비해왔다. 하지만, 우리나라의 경우 한국전력공사의 “분산형 전원 배전계통 연계 기술 기준”이 있지만 이는 신재생에너지원 전체의 전원 접속에 관한 규정으로, 풍력 발전에 대한 계통 연계 기준이 별도로 마련되지 않았으며 대규모 풍력 발전이 도입될 경우 계통 운영 방안에 대한 검토도 부족한 실정이다[1,2].
	풍력 발전 산업의 실정은 어떠한가?	전 세계적으로 풍력 발전은 전력 생산을 위해 사용되는 신·재생 에너지원 중 가장 빨리 성장하고 있는 분야로 새로이 건설되는 풍력 발전 단지로부터 생산되는 전력은 전체 발전량에서 많은 부분을 차지하고 있는 실정이다.
	우리나라에서 풍력 발전 운영시 예상되는 문제점은 무엇인가?	풍력 발전은 기존의 화석연료를 이용한 발전과 매우 다른 특성을 갖는 변동성 전원으로 효율적인 계통 연계를 위한 철저한 대비가 필요로 된다. 우리나라는 아직 전체발전량을 기준으로 풍력발전이 차지하는 비율이 미미하지만, 향후 대규모 해상 풍력발전 단지 조성과 스마트 그리드 환경 변화에 따라 중·소규모의 풍력발전이 계통에 연계되면 계통 운영 및 계획에 있어 기존에 경험하지 못한 다양한 문제가 대두될 것으로 예상된다[3].

참고문헌 (10)

S. I. Moon, "Reliability and grid operation problems of wind turbine system," The proceedings of the Korean Institute of Electrical Engineering (in Korean), vol. 56, no. 4, pp. 30-34, Apr. 2007.
J. Hu, "Challenge and future for efficient grid-tied system operation," The proceedings of the Korean Institute of Electrical Engineering (in Korean), vol. 60, no. 3, pp. 16-22, Mar. 2011.
Y. S. Jeon and Y. D. Choy, "A study on the optimal operation schemes for large-scale wind farm," Journal of The Korean Institute of Power Electronics (in Korean), vol. 14, no. 5, pp. 365-371, Oct. 2009.
J. B An, "Standardization and development of low voltage micro-grid operation devices," SmatGrid Annual Report in 2011, vol. 1, no. 2, pp. 591-614, 2009.
S. Y. Kim, S. H. Kim, "Design of fuzzy controller for frequency control of wind farm," Proc. of 2013 ICROS Jeonbuk-jeju Regional Conference (in Korean), pp. 254-258, Dec. 2013.
D. S. Moon, S. K. Kim, and S. H. Kim, "A fault detection system for wind power generator based on intelligent clustering method," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems (in Korean), vol. 19, no. 1, pp. 27-33, Feb. 2013.

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H. C. Sung, M. H. Tak, and Y. H. Joo "Robust fuzzy controller for mitigating the fluctuation of wind power generator in wind farm," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems (in Korean), vol. 19, no. 1, pp. 34-39, Feb. 2013.

원문보기 상세보기
D. Jacob, M. Soltani, and T. Knudsen, "Aeolus toolbox for dynamic wind farm model, simulation and control," NREL report, 2010.
E. Cox, "Fuzzy fundamentals," IEEE Spectrum, vol. 29, no. 10, pp. 1-6, 2007.
http://www.ict-aeolus.eu/SimWindFarm/index.htm

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