[논문]가변속 동기형 풍력발전 시스템 모델링 및 운전제어에 대한 연구

허현; 이재학

doi:10.13067/jkiecs.2015.10.8.935

가변속 동기형 풍력발전 시스템 모델링 및 운전제어에 대한 연구
A Study on the modeling and operation control of a variable speed synchronous wind power system 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.10 no.8, 2015년, pp.935 - 944

허현 (청암대학교 신재생전기제어과) , 이재학 (청암대학교 소방안전관리과)

초록
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본 논문에서는 가변속 풍력발전시스템의 동적 모델링과 운전제어 시뮬레이션을 수행하였다. 풍속모델, 풍력터빈과 PMSG 모델, MPPT 및 피치 운전제어 모델 등을 구현하였다. 그리고 상용화된 5MW급 풍력터빈 데이터들을 참고하여 실제적인 시스템과 유사한 출력계수 및 가상 운전 조건으로 시뮬레이션 하였다. 시뮬레이션 결과 정격속도 12[m/s]까지 최대출력계수를 유지하면서 최대전력추종을 확인하였다. 또한 12[m/s]이상의 고속 풍속에서는 동적으로 피치 각도를 제어하면서, 정격상태의 안정적인 출력을 유지하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study performs the dynamic modeling and the simulation of variable speed wind power system and implements the models of wind speed, wind turbine & PMSG, and MPPT & pitch control as well. The simulation of wind turbine was performed by using the power coefficient and other simulation parameters which were extracted with reference to the commercial 5MW class wind turbine data. As the result of this simulation, MPPT control is confirmed, maintaining the maximum power coefficient as far as the rated speed 12[m/s]. Over 12[m/s] wind speed, this wind power system makes it possible to keep the stable output by controlling the pitch angle.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 비정상적인 계통상태에서도 유효 및 무효전력의 유연한 제어가 가능한 장점을 가지고 있는 가변속 영구자석 동기식 발전기(PMSG : Permanent Magnet Synchronous Generator)를 기반으로 하는 풍력발전시스템의 모델링과 제어에 대하여 연구하였다. 전력망과 계통연계를 고려한 가변속 동기형 풍력발전 시스템의 시뮬레이션 모델 개발을 통해 다양한 동적변화에 따른 영향 및 제어기술을 연구 할
따라서 본 논문에서는 비정상적인 계통상태에서도 유효 및 무효전력의 유연한 제어가 가능한 장점을 가지고 있는 가변속 영구자석 동기식 발전기(PMSG : Permanent Magnet Synchronous Generator)를 기반으로 하는 풍력발전시스템의 모델링과 제어에 대하여 연구하였다. 전력망과 계통연계를 고려한 가변속 동기형 풍력발전 시스템의 시뮬레이션 모델 개발을 통해 다양한 동적변화에 따른 영향 및 제어기술을 연구 할
수 있는 기반으로 활용하고자 한다. 이를 위해 비선형적인 풍력발전 시스템의 모델링과 연속적인 고속 정밀 시뮬레이션을 위한 멀티레벨 모델링이 가능한 CASPOC을 활용하여 모델링과 시뮬레이션을 수행하였다[13].

가설 설정

따라서 본 논문에서는 정격풍속 12[m/s]의 5MW급 가상 블레이드에 대한 2/3 위치인 8[m/s]에서 최대 출력점(Cpmax=0.4946, λopt=7.854)으로 가정하였다.
본 논문에서는 가변속 풍력발전 시스템의 시뮬레이션을 위해 표 1과 같은 기본 데이터를 가정하여 5MW 급 풍력터빈을 모델화 하였다. 표 1의 모델링데이터는 상용화된 5MW급 풍력터빈 데이터들을 참고하여 블레이드 길이, 중량 및 정격속도 등을 선정하였고, 이를 바탕으로 출력계수 및 가상 운전 모드 조건을 계산하였다.

제안 방법

257 rad/s)으로 일정하게 유지한 상태에서 풍속 v_w이 증가함에 따라 주속비와 출력계수 C_p가 동시에 감소하면서 풍력터빈 출력이 일정하게 유지됨을 확인하였다. 급격한 피치각변화에 따른 불안전한 출력 특성을 개선하기 위하여 PI(비례적분) 제어기와 1차적분 필터를 적용하여 시뮬레이션 하였다.
또한 풍속 vw가 정격속도 12[m/s] 보다 크게 발생 할 경우에는 피치각 β을 증가시켜 출력을 일정하게 유지시키기 위한 피치제어 기능을 적용하였다.
본 논문에서는 기계적인 안정성과 신뢰성을 가지며, 다양한 동적변화에도 고품질 유지와 효율적인 전력생산이 가능하도록 가변속 풍력발전시스템 모델링과 운전제어 시뮬레이션을 수행하였다. 이를 위해 Van der Hoven's 풍속모델, 가변속 풍력터빈 모델,
이를 위해 Van der Hoven's 풍속모델, 가변속 풍력터빈 모델, PMSG 제어모델, MPPT 및 피치제어 운전제어 모델등을 구현하였고, 상용화된 5MW급 풍력터빈 데이터들을 참고하여 실제적인 시스템과 유사하게 출력계수 및 가상 운전 조건으로 시뮬레이션 하였다.
수 있는 기반으로 활용하고자 한다. 이를 위해 비선형적인 풍력발전 시스템의 모델링과 연속적인 고속 정밀 시뮬레이션을 위한 멀티레벨 모델링이 가능한 CASPOC을 활용하여 모델링과 시뮬레이션을 수행하였다[13].
이상과 같이 풍력발전기 가상 기본 데이터를 활용하여 그림 5와 같이 시뮬레이션 모델을 설계하였다. 전체적인 모델은 1차 적분기를 적용한 고정속 풍속모델, 출력계수를 포함한 풍력터빈 모델, MPPT모델, 그리고 피치제어 모델을 설계하였고, 발전기와 컨버터는 CASPOC 모델로 구성하여 시뮬레이션 하였다[9][14].
최대 출력을 얻기 위해서 cut-in 풍속에서부터 정격 풍속까지 최대 변환계수 C_pmax를 유지할 수 있도록 발전기의 회전속도를 제어한다. 그러나 정격풍속이상에서는 블레이드의 피치각을 조절하여 cut-out풍속까지 정격출력으로 제한한다.
본 논문에서는 가변속 풍력발전 시스템의 시뮬레이션을 위해 표 1과 같은 기본 데이터를 가정하여 5MW 급 풍력터빈을 모델화 하였다. 표 1의 모델링데이터는 상용화된 5MW급 풍력터빈 데이터들을 참고하여 블레이드 길이, 중량 및 정격속도 등을 선정하였고, 이를 바탕으로 출력계수 및 가상 운전 모드 조건을 계산하였다.

이론/모형

이 스펙트럼은 난류성분 뿐 만 아니라, 중장기적 풍속주기 변화성분이 포함되어 있다. 본 논문에서는 풍속의 수치적 모델링을 위해 Van der Hoven 스펙트럼을 샘플링 하였다. 이산적인 바람 발생 각 주파수 w_i(i=1,2,.
풍속은 계절풍, 내륙풍, 해상풍, 산곡풍 등 1년에서 하루, 1분, 1초에 이르기 까지 지속적으로 변화하고, 통계적인 특성을 가지고 있다. 이러한 풍속을 모델링하기 위해 그림 3과 같이 평균풍속과 난류성분으로 구성된 Van der Hoven 모델을 풍속 기본 모델로 고려하였다[3].

성능/효과

그림 1은 가변속 동기기형 풍력발전 시스템의 구성도를 나타내었으며, 기어박스가 없기 때문에 저속의 회전자 샤프트가 직접적으로 발전기에 연결된 구조로, 발전기 출력은 전력계통에 AC/DC/AC 전력변환 컨버터를 통해 연결되어 있다. 그리고 최대전력추종을 위한 MPPT 동작과, 정격이상의 높은 풍속에서도 안정적인 출력제어를 위한 피치제어 동작의 개념도를 나타내었다.
모델링된 5MW급 가변속 풍력발전시템의 시뮬레이션 결과 정격속도 12[m/s]까지 최대 출력계수를 유지하면서 최대 전력추종을 확인하였고, 12[m/s]이상의 고속 풍속에서는 능동적으로 피치 각도를 제어하여 안정적인 출력을 발생하고 있음을 확인하였다.
가 정격속도 12[m/s] 보다 크게 발생 할 경우에는 피치각 β을 증가시켜 출력을 일정하게 유지시키기 위한 피치제어 기능을 적용하였다. 본 논문에서는 정격 이상의 풍속에서 회전자 속도 w를 12rpm(1.257 rad/s)으로 일정하게 유지한 상태에서 풍속 v_w이 증가함에 따라 주속비와 출력계수 C_p가 동시에 감소하면서 풍력터빈 출력이 일정하게 유지됨을 확인하였다. 급격한 피치각변화에 따른 불안전한 출력 특성을 개선하기 위하여 PI(비례적분) 제어기와 1차적분 필터를 적용하여 시뮬레이션 하였다.
또한 식 (13)에 표 1의 풍력터빈 데이터를 적용하여 MPPT 제어를 위한 계수 K를 계산하였고, 이에 따른 최대 출력곡선을 같이 시뮬레이션하였다. 이러한 풍력터빈의 최대출력추종 운전특성을 모의하기 위하여 발전기와 AC-AC 컨버터에 풍속변화에 다라 계산된 P_mppt값을 전달하여, 최대 출력계수 C_pmax를 유지하면서 최대 전력을 추종하고 있음을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	풍력발전시스템에 미치는 영향에는 무엇이 있는가?	그러나 바람이 가진 간헐적이며 가변적인 에너지원의 특징과 풍력발전 시스템이 가진 신뢰성 문제는 전력시스템의 안전성에 부정적인 효과를 나타내고 있다. 즉, 바람의 풍향, 풍속 변화에 따른 발전전력의 변동이나, 기어박스 등 기계적 요소의 유지보수문제, 그리고 계통연계에 따라 발생되는 부하손실, 발전손실, 전송손실, 바람손실, 단락 등의 다양한 동적인 상황변화에 따른 풍력발전시스템에 미치는 영향을 고려한 풍력시스템의 특성을 예측하는 것은 매우 중요하다. 또한 고품질 유지와 효율적인 전력을 생산하며, 시스템의 동적인 부하변동에 대해서도 안정성 유지할 수 있는 풍력발전시스템을 운용하기 위해서 최대 전력추종(MPPT : Maximum Power Point Tracking) 및 피치제어와 같은 풍력발전시스템 제어가 필요하다.
	가변속 영구자석 동기식 발전기의 장점은 무엇인가?	따라서 본 논문에서는 비정상적인 계통상태에서도 유효 및 무효전력의 유연한 제어가 가능한 장점을 가지고 있는 가변속 영구자석 동기식 발전기(PMSG : Permanent Magnet Synchronous Generator)를 기반으로 하는 풍력발전시스템의 모델링과 제어에 대하여 연구하였다. 전력망과 계통연계를 고려한 가변속 동기형 풍력발전 시스템의 시뮬레이션 모델 개발을 통해 다양한 동적변화에 따른 영향 및 제어기술을 연구 할
	피치제어를 하는 이유는 무엇인가?	피치제어는 정격 풍속보다 높은 풍속에서 풍력터빈의 출력을 일정하게 제어하기 위해 사용된다. 즉, 블레이드의 회전속도가 설정된 정격속도보다 증가할 경우 블레이드의 회전속도를 설정 범위 이내로 유지하기 위해 피치각을 연속적으로 제어한다. 또한 시스템 내부 고장이나 각종 응급 상황에서 피치각 제어를 통해 출력계수 Cp를 감소시킴으로써 회전자의 고속 회전에 의한 기계적인 손상을 방지한다.

참고문헌 (13)

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상세보기
H. Q. Minh, N. Frederic, E. Najib, and H. Abdelaziz, "Control of permanent magnet synchronous generator wind turbine for stand-alone system using fuzzy logic," Atlantis press, France, pp. 720-727, 2011.
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Y. Yang, Y. Kim, J. Kwun, S. Ku, K. Kim, J. Park, S. Hong, and K. Park, "The Design of Operating System on Wind Power Plant," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 6, no. 1, 2011, pp. 135-141.
P. Duijsen, P. Bauer, and F. Chen. "Modeling and simulation for wind energy." Proceedings of the Taiwan power electronics conference & exhibition, 2006. Taiwan Power Electronic Association/IEEE Taipei, Jan, 2006.

저자의 다른 논문 :

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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