[논문]파력발전용 선형발전시스템의 벡터제어

박준성; 현병조; 윤준보; 이주; 최장영; 최종수; 홍기용

doi:10.7846/jkosmee.2016.19.2.120

파력발전용 선형발전시스템의 벡터제어
Vector Control for Wave Power Generation System using Permanent Magnet Linear Synchronous Generator 원문보기

한국해양환경ㆍ에너지학회지 = Journal of the Korean Society for Marine Environment & Energy, v.19 no.2, 2016년, pp.120 - 128

박준성 (전자부품연구원 지능메카트로닉스연구센터) , 현병조 (전자부품연구원 지능메카트로닉스연구센터) , 윤준보 (한양대학교 전기공학과) , 이주 (한양대학교 전기공학과) , 최장영 (충남대학교 전기공학과) , 최종수 (한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연구소, 해양플랜트연구부) , 홍기용 (한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연구소, 해양플랜트연구부)

초록
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파력발전은 파도의 위치에너지와 운동에너지를 이용한 발전방식으로 본 논문에서는 선형동기발전기를 이용한 파력발전시스템에 대하여 연구를 진행하였다. 파력 발전시스템을 분석하기 위해서는 부이의 운동과 부이와 연결과 발전기의 운동을 모델링하는 것이 매우 중요하다. 본 논문에서는 발전시스템의 분석을 위하여 선형발전기와 컨버터 시스템의 모델링을 진행하였다. 선형발전기와 컨버터 시스템의 전압 방정식 및 부이의 운동방정식을 이용하여 2상 회전좌표계에서의 벡터제어기법을 적용하여 댐핑기반의 제어기 구성을 제안한다. 파도 에너지로부터 전기에너지를 추출하기 위해서 파력발전기의 전류제어를 통해 댐핑을 적절히 조절할 수 있는 벡터제어기법 구성에 대해 제안한다. 최종적으로 제안된 제어기의 검증을 위하여 MATLAB/Simulink를 이용한 2상 회전좌표계에서의 벡터제어기의 시뮬레이션을 수행하였으며 선형 발전기 축소모델와 PCS 축소모델을 통한 실험을 수행하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes power generation from sea waves by using linear permanent magnet generator. A buoy is placed on the ocean surface and connected to the generator. The wave energy is carried out from the movement of a buoy. An electrical conversion system is needed between the generator and the grid. For an analysis of the power system, the modeling of the linear generator and converter system was proceeded. This paper proposes vector control method for wave power generation system using linear generator. In order to verify the proposed method, simulation and experiment performed and the results support the validity of the control scheme.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 선형동기발전기(PMLSG: Permanent Magnet Linear Synchronous Generator)와 전력변환장치의 모델링을 진행하였으며, 보다 단순하고 구현가능한 제어기 설계를 위하여 2상 회전좌표계에서의 벡터제어기법을 적용한 댐핑기반의 제어기 구성을 제안한다. 부이와 연결된 선형동기발전기의 제어를 통해서 파워를 추출하기 위해 벡터제어기법을 활용하여 구성하였다.
본 논문에서는 선형동기발전기(PMLSG: Permanent Magnet Linear Synchronous Generator)와 전력변환장치의 모델링을 통해 2상 회전 좌표계에서의 벡터제어기법을 적용한 댐핑기반의 제어기를 제안하였다. 2상 회전좌표계에서는 3상전류 대신 dq 전류를 통해 선형발전기를 제어할 수 있다.

가설 설정

5 [m/s]. (a) velocity, phase currents, (b) power, phase currents.

제안 방법

선형동기발전기와 전력변환장치의 모델을 이용하여 시뮬레이션을 통해 제어기를 구성하였고 q축 전류 제어를 통해 발전량을 조절 할 수 있음을 확인 하였다. 또한 선형발전기 및 전력변환장치의 축소모델을 이용하여 실험을 통해 파력 발전 시스템의 벡터제어에 대해 검증하였다. 추후 고속영역 및 불규칙 파에 대해서도 벡터제어를 통한 파워 추출에 대해 실험 및 검증을 진행할 예정이다.
전력변환장치 축소모델은 TI사의 TMS320F28335 MCU를 사용하였으며 스위칭 주파수는 5[kHz]로 설정하였다. 발전기의 출력 파워 및 상전류, 상전압은 오실로스코프를 이용하여 측정하였다.
파도의 경우 불규칙적인 속도파형이 나올 수 있으며, 속도가 0이 아닌 모든 구간에서 발전이 되므로 발전기의 출력은 파도주파수 2배의 리플을 가지게 된다. 시뮬레이션은 불규칙적인 파도속도와 규칙적인 최대파도속도에서 진행하였다.
발전기 컨버터는 발전기의 벡터제어를 담당하고 있으며 발전기의 위치를 센서를 통해 측정하여 2상 회전좌표계로 축변환을 수행한다. 이를 통해 3상 전류를 d,q축 전류로 변환하여 포스지령치에 맞추어 전류제어를 수행하고 이에따른 PWM신호를 생성하여 발전기컨버터의 스위칭소자에 인가되어 상전압을 형성하여 발전기를 제어한다. 계통 컨버터는 DC 링크 전압을 일정하게 제어하며 계통 연계를 위한 상전압의 주파수 및 크기를 제어한다.
직류링크 전압을 모니터링하여 직류링크전압의 지령값으로 수렴하도록 전압 제어기를 통해 제어되며 전류제어기의 q상 전류 지령값으로 출력 된다. 전류 제어기 및 적절한 위상제어를 위해서 계통 상전압을 측정하여 위상 제어기를 구성하였다. 전류제어기를 거쳐 공간벡터 PWM 방식으로 스위칭 신호를 생성하여 계통 컨버터의 스위치 6개에 인가며 이를 통해 AC 전압으로 변환되어 계통으로 연계된다.
식 (3)-(5)는 시변 계수를 갖는 미분 방정식으로써 해석이 어려워 전력변환장치의 제어기 설계가 더욱 까다로워지게 된다. 제어기 설계를 보다 단순하게하기 위하여 좌표변환 기법을 이용하여 해석을 보다 쉽고 간단하게 하도록 하였다. 이는 시변 미분 방정식인 교류 전동기 모델에 d-q축 변환이라고 하는 좌표 변환 기법을 적용하는 경우 시변 계수가 제거되어 일정한 계수를 갖는 시불변 미분 방정식으로 전환되기 때문이다(Nam [2011]).
이러한 제어 기법은 부가적인 기계장치들이 필요하지 않으며, 선형발전기를 직접 제어하므로 빠른 응답성과 높은 효율을 가진다. 최종적으로 제안된 제어기의 검증을 위하여 MATLAB/ Simulink를 이용한 2상 회전좌표계에서의 벡터제어기의 시뮬레이션을 수행하였으며 선형 발전기 축소모델와 PCS 축소모델을 통한 실험을 수행하였다.

대상 데이터

계통 컨버터를 이용하여 앞서 구성한 선형발전기의 벡터제어기를 검증하기 위한 실험세트를 아래 그림과 같이 구성하였다. 선형 발전기 축소모델과 이를 구동하는 부하용 선형전동기, 선형발전기 축소모델을 제어하는 전력변환장치 및 측정장비 등으로 구성되었다.
선형발전기 축소모델의 주요 사양은 아래 표와 같다. 전력변환장치 축소모델은 TI사의 TMS320F28335 MCU를 사용하였으며 스위칭 주파수는 5[kHz]로 설정하였다. 발전기의 출력 파워 및 상전류, 상전압은 오실로스코프를 이용하여 측정하였다.

이론/모형

Matlab Simulink를 이용하여 Fig. 8과 같이 발전기 및 전력변환기를 구성하였으며, 불규칙 속도파형과 최대속도파형이 선택적으로 입력되도록 하였다.
본 논문에서는 선형동기발전기(PMLSG: Permanent Magnet Linear Synchronous Generator)와 전력변환장치의 모델링을 진행하였으며, 보다 단순하고 구현가능한 제어기 설계를 위하여 2상 회전좌표계에서의 벡터제어기법을 적용한 댐핑기반의 제어기 구성을 제안한다. 부이와 연결된 선형동기발전기의 제어를 통해서 파워를 추출하기 위해 벡터제어기법을 활용하여 구성하였다. 2상 회전 좌표계에서의 d축, q축 전류 제어를 통해서 선형발전기의 댐핑을 적절히 조절할 수 있으며 이를 통해서 파도의 에너지를 추출할 수 있다.

성능/효과

Fig. 9(c)는 발전기의 상전류와 상전압 파형이며, 본 논문에서 제안한 d축을 0으로 제어하고 q 축으로 추력을 발생하도록 하여 상전류와 상전압이 동위상으로 출력됨을 확인할 수 있다.
9 (b)는 불규칙속도에서 출력되는 시뮬레이션 결과이다. 두 결과 모두 발전기이동자의속도에따라출력이변화하며, 최대속도 3.8 m/s에서 상전류의 최대값은 150A, 상전압의 최대값은 600 V로 전력변환기의 운전영역내에서 원활하게 동작하였다. Fig.
선형 발전기의 추력에 연관된 전류는 q축 전류이므로 q축 전류를 제어하여 선형발전기의 부하를 조절하여 전력을 추출해 낼 수 있다. 선형동기발전기와 전력변환장치의 모델을 이용하여 시뮬레이션을 통해 제어기를 구성하였고 q축 전류 제어를 통해 발전량을 조절 할 수 있음을 확인 하였다. 또한 선형발전기 및 전력변환장치의 축소모델을 이용하여 실험을 통해 파력 발전 시스템의 벡터제어에 대해 검증하였다.

후속연구

또한 선형발전기 및 전력변환장치의 축소모델을 이용하여 실험을 통해 파력 발전 시스템의 벡터제어에 대해 검증하였다. 추후 고속영역 및 불규칙 파에 대해서도 벡터제어를 통한 파워 추출에 대해 실험 및 검증을 진행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	피드백 선형화 방식는 어떤 원리를 통해 속도와 추력을 제어하는가?	[2007]에서는 피드백선형화 방식을 제안하였다. 피드백 선형화 방식은 발전기의 추력을 이용하여 비선형적인 요소를 상쇄하여 제어하는 방식으로 속도와 추력을 동위상으로 제어한다. 하지만 발전기의 응답속도가 제어응답에 비교하여 비교적 느리며, 비선형 성분을 완전히 상쇄할 수 없다.
	래칭 제어기법의 장단점은 무엇인가?	[2011]에서는 8개의 제어기법들을 비교하였고 그 중 래칭 제어기법이 가장 효과적임을 제시하였다. 래칭 제어는 부이의 속도가 낮아질 때 부이를 일정시간동안 구속하고 일정시간 이후 구속을 푸는 제어기법으로 제어적으로 비교적 간단 하다. 그러나 구속 시간의 산정이 어려우며, 구속의 방법에 따라 추가적인 구속 장치가 필요하여 래칭제어를 구현하기 어렵다. 구속 시간을 산정하기 위해서는 파도의 움직임을 예측해야하지만 실제 시스템을 구현함에 있어서 causal system으로 구성되므로 정확한 파도의 포스를 예측할 수 없다는 문제로 인해 정확한 구속 시간을 산정하는데 어려움이 따른다.
	파력발전이란 무엇인가?	파력발전은 파도의 위치에너지와 운동에너지를 이용한 발전방식으로 본 논문에서는 선형동기발전기를 이용한 파력발전시스템에 대하여 연구를 진행하였다. 파력 발전시스템을 분석하기 위해서는 부이의 운동과 부이와 연결과 발전기의 운동을 모델링하는 것이 매우 중요하다.

참고문헌 (11)

Cho, I.H., 2015, "Latching Control Technology for Improvement of Extracted Power from Wave Energy Converter", J. Korean Soc. Mar. Environ. Energy, Vol. 18, No. 4, 282-290.

원문보기 상세보기
Cho, I.H. and Kweon, H.M., 2011, "Extraction of Wave Energy Using the Coupled Heaving Motion of a Circular Cylinder and Linear Electric Generator", J. Ocean Eng. Technol., Vol. 25, No. 6, 9-16.
Colli, V.D., Cancelliere, P., Marignetti, F., Stefano, R.D. and Scarano M., 2006, "A Tubular-Generator Drive for Wave Energy Generation", IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 53, No. 4, 1152-1159.

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Falnes, J. and Budal, K., 1978, "Wave-power Conversion by Power Absorbers", Norwegian Maritime Research, Vol. 6, 2-11.
Hals, J., Falnes, J. and Moan, T., 2011, "A Comparison of Selected Strategies for Adaptive Control of Wave Energy Converters", J. Offshore Mech. Arct. Eng., Vol. 133, 1-12.
Hong, Y., Waters, R., Bostrom, C., Eriksson, M., Engstrom, J. and Leijon, M., 2014, "Review on Electrical Control Strategies for Wave Energy Converting Systems", Renewable Sustainable Energy Rev., Vol. 31, 329-342.

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Ivanova, I.A., Agren, O., Bernhoff, H. and Leijon, M., 2005, "Simulation of Wave-Energy Converter with Octagonal Linear Generator", IEEE J. Ocean. Eng., Vol. 30, No. 3, 619-629.

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Kimoulakis, N., Kladas, A. and Tegopoulos, J., 2008, "Power Generation Optimization From Sea Waves by Using a Permanent Magnet Linear Generator Drive", IEEE Trans. Magn., Vol. 44, 1530-1533.

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Nam, K.H., 2010, "AC Motor Control and Electric Vehicle Applications", CRC Press.
Valerio, D., Beirao, P. and Costa, J.S., 2007, "Reactive control and phase and amplitude control applied to the Archimedes Wave Swing", The 17th International Offshore and Polar Engineering Conference. International Society of Offshore and Polar Engineers.
Valerio, D., Beirao, D. and Costa, J.S., 2007, "Optimization of Wave Energy Extraction with the Archimedes Wave Swing", J. Ocean Eng., Vol. 34, 2330-2344.

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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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