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문제 정의
- 본 논문에서는 계통연계 PMSG 풍력발전의 LVRT 동작을 분석하는 하드웨어 시뮬레이터를 소개하고 있다. 제안하는 하드웨어 시뮬레이터는 풍력발전 시뮬레이터, 전력소모회로, 그리고 사고모의 장치로 구성되어 있다.
- 본 논문에서는 전력소모회로를 가지고 있는 계통연계 PMSG 풍력발전의 LVRT 동작을 체계적으로 분석하기 위해 3[kW] 용량의 하드웨어 시뮬레이터를 제작하고 실험을 실시하였다. 초퍼와 저항으로 구성되어 있는 전력소모회로는 연계된 전력계통에 순간전압강하 또는 더 심각한 순간정전이 발생한 경우 BTB 전압원 컨버터의 DC link 전압이 상승하는 것을 억제하도록 동작한다.
가설 설정
- 정상적인 운전 상태에서, MSC는 블레이드의 속도제어를 통해 발전을 하고 있으며, GSC는 DC link 전압의 제어를 통해 발전된 전력을 계통으로 보낸다. 결합된 Chopper는 정상상태에서는 동작하지 않는다. 계통 전원의 비정상 상황에서는 MSC에서 발전된 전력을 계통으로 보낼 수 없으므로, DC link 전압이 상승한다.
- 이를 기반으로 LVRT 동작을 분석할 때는 최악의 상황을 고려하기 위해 정격 풍속인 12[m/s]로 고정하고 시뮬레이션을 실시하였다. 또한 사고모의 장치는 2[s]에서 사고가 발생하여 0.15[s] 동안은 전압이 0[pu]이고 1.5[s] 후에는 정상전압으로 회복한다고 가정하여 독일의 LVRT 기준과 동일하게 모의하였다.
- 제작한 LVRT 동작분석을 위한 하드웨어 실험장치를 테스트하기 전에 실험장치의 동작을 사전에 분석할 목적으로 컴퓨터 시뮬레이션을 실시하였다. 먼저 사고모의 장치가 2[s]에서 전압이 0[pu]로 되고 3.5[s] 후에 전압회복이 Step 형태로 상승하는 것으로 가정하였다. 이는 독일의 LVRT 규정에 비해 상당히 혹독한 상황으로, LVRT 동작을 실험적으로 분석하는데 충분히 타당성이 있다고 판단하여 step 형태의 전압 회복 상황을 채택하였다.
- 초퍼에 연결 되는 저항의 크기는 사고 후 DC link 전압의 허용치와 이 저항에 걸리는 전압과 흐르는 전류를 고려하여 적정하게 설정한다. 본 논문에서는 저항에서 소모되는 전력의 크기를 풍력발전의 정격용량의 2배인 10[MW]로 설정하고 이에 맞게 초퍼의 전류용량과 저항의 크기를 설정하였다. 이 경우 전류용량을 1[kA]로 잡으면 10[Ω]을 사용하면 되지만 저항에 나타나는 전압이 10[kV]로 DC link 전압보다도 높게 된다.
- 그림 10(b)는 400[V]로 DC link 전압을 일정하게 제어하는 상황에서 계통에 사고가 발생한 경우 초퍼가 일정전압을 유지하고 있는 것을 나타낸 것이다. 여기서 초퍼는 DC link 전압이 420[V]가 되면 동작하는 것으로 가정하였고 초퍼의 제어신호는 풍력발전과 연동함이 없이 DC link 전압을 통해 독립적으로 계통사고를 인식하고 동작한다. 따라서 DC link 전압의 상승을 억제하는 chopper는 풍력 발전 시스템과 연동 없이, 풍력 발전 시스템 보호용으로 효과적으로 사용될 수 있다.
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