[논문]대형 풍력발전기용 소형 모터-발전기 시스템 설계

임채욱

doi:10.5293/kfma.2017.20.1.048

대형 풍력발전기용 소형 모터-발전기 시스템 설계
Design of a Small-Scale Motor-Generator System for a Large Wind Turbine 원문보기

한국유체기계학회 논문집 = The KSFM journal of fluid machinery, v.20 no.1, 2017년, pp.48 - 52

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Small-scale motor-generator sets have been used in laboratories for verification of real large wind turbines whose rated power are more than 1 MW. In this paper, a result of designing a small-scale motor-generator system, which is composed of motor, gear box, flywheel, and generator, is presented in the aspect of speed response. Design objective is to make a small-scale motor-generator system have the same time constant and optimal tip speed ratio region as a real MW wind turbine. A small-scale 3.5 kW motor-generator system for emulating response of a 2 MW wind turbine is considered and designed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

3.5 kW 소형 모터-발전기 시스템의 설계 목적은 고려된실제 2 MW 풍력발전기와 발전기의 응답속도 면에서 동일한 특성을 가지도록 설계하는 것이다. 설계를 통해 만족해야 할 소형 모터-발전기 시스템의 성능은 발전기 속도의 시상수 8.
본 논문에서는 Fig. 4와 같이 최적 주속비 풍속 구간 내의 풍속 6 m/s에서 8 m/s로 변하는 계단 풍속입력을 통하여 발전기 응답 특성을 확인해 보았다. 최적모드게인을 이용하는 식 (3)의 토크 제어 방법은 비선형제어 방법이므로 풍력발전기의 모델과 토크 제어기를 통하여 발전기 속도의 응답을 해석적으로 확인하기 어려우므로 수치실험을 통하여 확인하였다.
그러므로 실험실 규모의 소형 모터-발전기 시스템을 이용하여 발전기에서의 출력제어의 작동과 효율을 확인 시에 전기적인 측면과 함께 전체 시스템 응답의 유사성을 살펴보는 것이 필요하다. 본 논문은 이에 대한 것으로, 2 MW급 풍력발전기를 대상으로 소형 모터-발전기 시스템의 주요 파라미터들을 설계하여 응답속도 면에서 동일한 특성을 가짐을 보이고자 한다.
본 연구에서는 수 MW급 풍력발전기와 동일한 응답특성을 나타내는 소형 모터-발전기 시스템의 설계에 관하여 살펴보았는데, 최적모드게인을 이용하는 토크 제어 방법을 적용하여 발전기의 응답 성능을 확인함을 통하여 설계 파라미터들을 선정할 수 있음을 보였다.
3.4 설계 파라미터들의 선정

정격 출력이 3.5 kW인 소형 모터-발전기 시스템의 설계파라미터들을 선정하기 위하여 우선 국내와 국외의 3 kW급소형 풍력발전기 업체들의 제품을 조사해 보았다. 3 kW급 소형 풍력발전기의 실제 블레이드 길이는 약 2~2.

제안 방법

5kW 소형 모터-발전기 시스템에 식 (3)과 같이 최적모드게인을 이용하는 토크 제어 방법을 적용하여 발전기의 응답 성능을 확인하였다. 2 MW 풍력발전기의 경우처럼 Fig. 4와 같이 풍속 6 m/s에서 8 m/s로 변하는 계단 풍속입력을 통하여 발전기 응답특성을 확인해 보았다. 수치실험 결과 로터 반경은2 m 정도가 적당함을 알 수 있었고, 로터 반경이 1.
2 MW 풍력발전기의 발전기 속도의 느린 응답 특성(시상 수 8.6초 등)을 동일하게 나타내는 시뮬레이터인 3.5 kW 소형 모터-발전기 시스템을 설계하고자 한다. 3.
3 m/s로, 이는 2 MW 풍력발전기와 동일한 성능임을 말해 준다. 3.5 kW 소형 모터-발전기 시스템을 통하여 2 MW 풍력발전기의 출력제어를 모사하기 위해서 출력계수(C_P)는 2 MW 풍력발전기와 동일하게 사용하였다.
다음으로 2 MW 풍력발전기와 동일한 최적주속비 풍속 구간과 시상수를 가지도록 3.5 kW 소형 모터-발전기 시스템을 설계하였는데, 이때 출력제어 모사를 위하여 출력계수는 2MW와 동일한 자료를 사용하였다. 최적모드게인을 이용하는 토크 제어 방법을 적용하여 발전기의 응답 성능을 확인함을 통하여, 기어박스의 증속비는 5이고 로터 반경은 2.
우선 2 MW 풍력발전기를 대상으로 최적모드게인을 이용하는 토크 제어 방법을 적용하였을 때의 응답 성능을 확인하였다. 최적주속비 풍속 구간은 5.
우선 기어박스의 증속비를 선정하기 위하여 감속기 업체들의 사양을 확인하였다. 감속기의 동력이 3.
)를 선정하였는데, 이들 두 파라미터들은 발전기의 응답속도를 확인함을 통하여 선정할 수 있다. 이를 위하여 3.5kW 소형 모터-발전기 시스템에 식 (3)과 같이 최적모드게인을 이용하는 토크 제어 방법을 적용하여 발전기의 응답 성능을 확인하였다. 2 MW 풍력발전기의 경우처럼 Fig.

대상 데이터

다음으로 로터 반경(Rs )과 플라이휠의 질량 관성모멘트(J_fw )를 선정하였는데, 이들 두 파라미터들은 발전기의 응답속도를 확인함을 통하여 선정할 수 있다. 이를 위하여 3.
본 논문에서 고려된 대형 풍력발전기는 2 MW급으로, 물리적인 파라미터값들은 Table 1과 같다. 로터 반경(R)은 40m이고 기어박스의 증속비(N_gb)는 83.
3 m/s를 동시에 만족하는 소형 모터-발전기 시.스템의 로터 반경(R_s )은 2.05 m로 플라이휠의 질량 관성모멘트(J_fw )는 1.77 kgm²로 선정할 수 있었다. 선정된 값들을 이용했을 때의 계단 풍속에 대한 발전기 속도의 응답은 Fig.
5 m 범위에 있었고 정격 로터속도는 약 220~440 rpm 범위에 있음을 확인하였다. 이를 바탕으로 3.5 kW인 소형 모터-발전기 시스템의 설계 파라미터들을 선정하기 위한 기초 자료로 활용하였다.
5 kW 소형 모터-발전기 시스템을 설계하였는데, 이때 출력제어 모사를 위하여 출력계수는 2MW와 동일한 자료를 사용하였다. 최적모드게인을 이용하는 토크 제어 방법을 적용하여 발전기의 응답 성능을 확인함을 통하여, 기어박스의 증속비는 5이고 로터 반경은 2.05 m이고 플라이휠의 질량 관성모멘트는 1.77 kgm²으로 선정하였다. 이와 같이 설계된 3.
그중 풍력발전기는 바람이 가진 무공해에너지로부터 블레이드를 회전시켜 기계적 에너지로 전환하여 발전기를 통해 전기를 생산하는 기계이다. 풍력발전기의 구조는 고차의 복합시스템으로써 블레이드, 허브, 기어 박스, 저속 회전축, 고속 회전축, 타워, 발전기, 피치시스템, 요시스템 등으로 구성되어 있다(Fig. 1). 최근 저비용, 고신뢰성이 미래 풍력발전기의 성공 요인으로 강조되고 있으며, 점차적으로 더 많은 출력파워를 얻기 위한 노력으로 풍력발전기의 규모가 수 MW급으로 대형화됨에 따라 안정성 확보 및 출력파워 향상을 위한 제어기의 중요성이 더욱 높아지고 있다.

성능/효과

5 kW인 소형 모터-발전기 시스템의 설계파라미터들을 선정하기 위하여 우선 국내와 국외의 3 kW급소형 풍력발전기 업체들의 제품을 조사해 보았다. 3 kW급 소형 풍력발전기의 실제 블레이드 길이는 약 2~2.5 m 범위에 있었고 정격 로터속도는 약 220~440 rpm 범위에 있음을 확인하였다. 이를 바탕으로 3.
발전기 속도의 응답은 오버슈트가 없는 1차 시스템의 특성과 비슷함을 확인할 수 있으며 풍속의 변화에 대하여 반응하는 응답 속도가 매우 느림을 확인할 수 있다. Fig. 5로부터 2 MW 풍력발전기의 응답 성능은 시상수는 8.6초, 상승시간은 17.9초, 정착시간은 31.2초임을 확인하였다. 2 MW 풍력발전기의 응답이 느린 이유는 블레이드의 길이가 40 m로 매우 길어 블레이드에 의한 로터의 질량 관성모멘트가 매우 크고, 또한 최적모드게인을 이용한 토크 제어기는 발전기의 토크 크기를 빠르게 조절할 수 없기 때문이다.
7과 같다. Fig. 7로부터 설계된 3.5 kW 소형 모터-발전기시스템의 응답 성능은 시상수는 8.6초, 상승시간은 17.9초,정착시간은 31.2초로 적용 대상인 2 MW 풍력발전기의 응답 성능과 동일함을 확인할 수 있었다
또한 로터 반경(Rs )과 최적 주속비(λopt)의 정보로부터 주속비 식 (1)을 이용하면 토크 제어에 의해 최적 주속비가 유지되는 풍속 구간을 구할 수 있는데, 로터 반경이 길어질 수록 최적 주속비 풍속 구간의 시작점과 끝점이 커짐을 확인 할 수 있다.
3 m/s임을 확인하였고, 이 구간에서 계단 풍속에 대한 발전기 속도 응답을 구하였다. 발전기 속도의 응답은 오버슈트가 없는 1차 시스템의 응답 특성과 비슷함을 확인하였고, 이를 바탕으로 응답 성능이 되는 시상수가 8.6초로 매우 느린 응답 특성을 가짐을 확인하였다.
5 kW 소형 모터-발전기 시스템의 설계 목적은 고려된실제 2 MW 풍력발전기와 발전기의 응답속도 면에서 동일한 특성을 가지도록 설계하는 것이다. 설계를 통해 만족해야 할 소형 모터-발전기 시스템의 성능은 발전기 속도의 시상수 8.6초와 최적 주속비 풍속 구간 5.3~9.3 m/s로, 이는 2 MW 풍력발전기와 동일한 성능임을 말해 준다. 3.
4와 같이 풍속 6 m/s에서 8 m/s로 변하는 계단 풍속입력을 통하여 발전기 응답특성을 확인해 보았다. 수치실험 결과 로터 반경은2 m 정도가 적당함을 알 수 있었고, 로터 반경이 1.9~2.1 m사이에서 시상수가 8.6초가 되는 플라이휠의 질량 관성모멘트를 구할 수 있었다. Table 4는 그 결과를 보여준다.
Table 4는 그 결과를 보여준다. 시상수를 8.6초로 동일하게 만들기 위해서는 로터 반경이 길어질수록 플라이휠의 질량 관성모멘트가 커져야함을 확인할 수있다. 또한 로터 반경(Rs )과 최적 주속비(λopt)의 정보로부터 주속비 식 (1)을 이용하면 토크 제어에 의해 최적 주속비가 유지되는 풍속 구간을 구할 수 있는데, 로터 반경이 길어질 수록 최적 주속비 풍속 구간의 시작점과 끝점이 커짐을 확인 할 수 있다.
77 kgm²으로 선정하였다. 이와 같이 설계된 3.5 kW 소형 모터-발전기 시스템은 최적 주속비 풍속 구간은 5.3~9.3 m/s이고 시상수가 8.6초로 2MW 풍력발전기와 동일한 응답 성능을 보임을 확인하였다.

후속연구

최적 주속비 풍속 구간에서는 발전기의 토크 제어에 의해 최적의 출력파워를 생산되기 때문이다. 그러므로 최적 주속비 풍속 구간에서 풍속의 변화에 따른 풍력발전기의 발전기 속도의 응답 특성을 확인해 보아야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 연구에서 개발하는 3.5 kW 소형 모터-발전기 시스템가 만족해야할 응답 속도의 수준은 어떠한가?	5 kW 소형 모터-발전기 시스템의 설계 목적은 고려된실제 2 MW 풍력발전기와 발전기의 응답속도 면에서 동일한 특성을 가지도록 설계하는 것이다. 설계를 통해 만족해야 할 소형 모터-발전기 시스템의 성능은 발전기 속도의 시상수 8.6초와 최적 주속비 풍속 구간 5.3~9.3 m/s로, 이는 2 MW 풍력발전기와 동일한 성능임을 말해 준다. 3.
	최적모드게인을 이용하는 토크 제어 방법은 무엇인가?	최적모드게인을 이용하는 토크 제어 방법은 Fig. 3에서와 같이 풍속의 크기에 따라 최적 주속비를 얻기 위하여 토크-속도의 정상상태 관계 특성을 나타내는 식 (3)을 이용하여 발전기의 토크 크기(Tg )를 발전기의 회전속도(Ωg )의 제곱에 비례하도록 제어하는 것으로 비선형제어 방법이다.(3,4,9)
	풍력발전기는 무엇인가?	최근 지구 온난화 현상이 날로 심각해지면서 화석연료를 대체할 수 있는 신재생에너지 분야가 대두되고 있다. 그중 풍력발전기는 바람이 가진 무공해에너지로부터 블레이드를 회전시켜 기계적 에너지로 전환하여 발전기를 통해 전기를 생산하는 기계이다. 풍력발전기의 구조는 고차의 복합시스템으로써 블레이드, 허브, 기어 박스, 저속 회전축, 고속 회전축, 타워, 발전기, 피치시스템, 요시스템 등으로 구성되어 있다(Fig.

참고문헌 (9)

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상세보기
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Kwon, S. J., Son, Y. G., Jang, S. D., Suh, J. H., Oh, J. S., Chun, C. H., Chung, C. W., Han, K. S., Kim, D. H., and Kwon, O. J., 2006, "A Simulator for the Development of Power Conversion System for 2 MW Wind Turbine," European Wind energy Conference and Exhibition, Athens, Greece.
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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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