본 논문에서는 대형 풍력발전시스템에서 신뢰성 및 품질에 가장 큰 영향을 주는 기계적인 부품에 있어서 증속기어를 제거함으로서 잠재적인 고장 및 전력품질 저하의 문제점을 해결하고자 한다. 제안된 방식은 회전가능한 고정자와 슬립링을 적용하고, 고정자를 회전시킴으로써 기존의 증속기를 갖는 풍력발전시스템과 유사한 발전특성을 확보하고자 한다. 또한, 제안된 방식의 동작과 성능을 확인하기 위해 PSIM 시뮬레이션 패키지를 사용하여 시뮬레이션을 수행하여 성능을 검증하였다.
본 논문에서는 대형 풍력발전시스템에서 신뢰성 및 품질에 가장 큰 영향을 주는 기계적인 부품에 있어서 증속기어를 제거함으로서 잠재적인 고장 및 전력품질 저하의 문제점을 해결하고자 한다. 제안된 방식은 회전가능한 고정자와 슬립링을 적용하고, 고정자를 회전시킴으로써 기존의 증속기를 갖는 풍력발전시스템과 유사한 발전특성을 확보하고자 한다. 또한, 제안된 방식의 동작과 성능을 확인하기 위해 PSIM 시뮬레이션 패키지를 사용하여 시뮬레이션을 수행하여 성능을 검증하였다.
As the demands for offshore wind power generation systems on a large scale have grown dramatically, and extensive developments in PMSG (Permanent Magnet Synchronous Generator) and DFIG (Doubly-fed Induction Generator) wind turbine system have been going on. However, the wind power systems have been ...
As the demands for offshore wind power generation systems on a large scale have grown dramatically, and extensive developments in PMSG (Permanent Magnet Synchronous Generator) and DFIG (Doubly-fed Induction Generator) wind turbine system have been going on. However, the wind power systems have been more sophisticated, and their reliability becomes critical issues. Averagely, wind turbines have shut down for about a week per year for repairs and maintenance. Especially the high speed gearbox of DFIG is inevitable components for high power generation, but becomes one of the critical failures. In this paper, a new reliable gearless wind turbine structure is proposed. The gearless wind turbine can operate on a maximum power points by controlling the speed of a rotational stator. The proposed approach is verified by PSIM simulations, resulting in increased energy reliability.
As the demands for offshore wind power generation systems on a large scale have grown dramatically, and extensive developments in PMSG (Permanent Magnet Synchronous Generator) and DFIG (Doubly-fed Induction Generator) wind turbine system have been going on. However, the wind power systems have been more sophisticated, and their reliability becomes critical issues. Averagely, wind turbines have shut down for about a week per year for repairs and maintenance. Especially the high speed gearbox of DFIG is inevitable components for high power generation, but becomes one of the critical failures. In this paper, a new reliable gearless wind turbine structure is proposed. The gearless wind turbine can operate on a maximum power points by controlling the speed of a rotational stator. The proposed approach is verified by PSIM simulations, resulting in increased energy reliability.
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문제 정의
또한 증속기어는 기어의 맞물림에서 발생되는 백래쉬로 인해 발생전력상에 고조파 함유율이 높아지고, 따라서 계통과 연계되어 계통안정도 및 전력품질 저하에도 영향을 주고 있다. 따라서 본 논문에서는 대형 풍력발전시스템에서 신뢰성 및 품질에 가장 큰 영향을 주는 기계적인 부품에 있어서 증속기어를 제거함으로서 잠재적인 고장 및 전력품질 저하의 문제점을 해결하고자 한다. 또한, 제안된 방식의 동작과 성능을 확인하기 위해PSIM 시뮬레이션 패키지를 사용하여 시뮬레이션을 수행하여 성능을 검증하였다.
본 논문에서는 새로운 기어리스 이중여자 유도발전기를 제안하였다. 제안된 방식은 증속기를 사용하여 이중여자 유도발전기의 입력속도를 증속하는 방식이 아니라 고정자를 최대전력 동작점에 일치하도록 회전시킴으로서 증속기와 동일한 효과를 얻을 수 있으며, PSIM을 사용하여 시뮬레이션을 수행하여 제안된 방식의 성능과 가능성을 입증하였다.
본 논문에서는 이중여자 방식의 유도발전기와 증속기어로 구성되는 대용량 풍력발전기에서 증속기어를 제거할 수 있는 방법을 제안하고자 한다. 이를 위해 블레이드에 연결되는 회전자와 회전이 가능한 고정자의 구조를 제안하였다.
가설 설정
유도발전기를 통해 바람의 기계 에너지는 전기에너지로 변환되고 컨버터는 상황에 적응하여 무효전력과 유효전력 제어를 수행하게 된다. 발전되는 전력의 양은 슬립에 따라 제어될 수 있다. 제안된 기어리스 이중여자 유도발전기는 입력속도를 측정하고 슬립이 일정하도록 제어할 수 있으며 슬립을 일정하게 제어할 경우 등가회로는 시변 파라미터 없이 일정한 등가회로가 되어 최대발전 제어를 수행하고 백 투 백 컨버터를 통해 주파수 제어를 수행할 수도 있다.
제안 방법
본 논문에서 제안된 방식에 대해 PSIM을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였으며, 두 대의 이중여자 유도발전기를 연결하여 제안된 방식의 시뮬레이션을 구성하였다. 그림 6은 PSIM 시뮬레이션의 전체 개략도이며, 이중여자 유도발전기(A)에는PMSM을 연결하여 풍력으로 인한 블레이드의 회전을 수행하도록 하였고, 이중여자 유도발전기(A)의 회전자측을 이중여자 유도발전기(B)의 고정자 측에 연결하고, 이중여자 유도발전기(A)의 고정자 측에는 3상전원이 연결되도록 하였다.
본 논문에서는 이중여자 방식의 유도발전기와 증속기어로 구성되는 대용량 풍력발전기에서 증속기어를 제거할 수 있는 방법을 제안하고자 한다. 이를 위해 블레이드에 연결되는 회전자와 회전이 가능한 고정자의 구조를 제안하였다. 제안된 방법은 회전이 없는 고정자 대신, 블레이드와 연결된 회전자가 회전을 시작하면 최대토크를 발생시킬 수 있는 주파수 특성을 갖도록 상대적인 방향으로 고정자를 회전시켜 주는 구조를 가지고 있다.
이를 위해 블레이드에 연결되는 회전자와 회전이 가능한 고정자의 구조를 제안하였다. 제안된 방법은 회전이 없는 고정자 대신, 블레이드와 연결된 회전자가 회전을 시작하면 최대토크를 발생시킬 수 있는 주파수 특성을 갖도록 상대적인 방향으로 고정자를 회전시켜 주는 구조를 가지고 있다. 즉 증속기어 대신 블레이드의 방향과 역으로 회전하는 고정자의 구조를 기본 구조로 한다.
제안된 방식은 별도의 전동기를 구동시키기 위한 전동기 구동부가 필요한 단점이 있으나, 전동기 속도제어를 통해 최대 출력점에서 이중여자 유도발전기가 동작하도록 할 수 있다. 따라서 일반적인 유도발전기의 토크-속도 특성곡선과 유사한 동작특성을 확보할 수 있으며, 고정자 회전을 위한 전동기로서 PMSM 또는 직류 전동기를 사용할 수 있다.
데이터처리
따라서 본 논문에서는 대형 풍력발전시스템에서 신뢰성 및 품질에 가장 큰 영향을 주는 기계적인 부품에 있어서 증속기어를 제거함으로서 잠재적인 고장 및 전력품질 저하의 문제점을 해결하고자 한다. 또한, 제안된 방식의 동작과 성능을 확인하기 위해PSIM 시뮬레이션 패키지를 사용하여 시뮬레이션을 수행하여 성능을 검증하였다.
성능/효과
발전되는 전력의 양은 슬립에 따라 제어될 수 있다. 제안된 기어리스 이중여자 유도발전기는 입력속도를 측정하고 슬립이 일정하도록 제어할 수 있으며 슬립을 일정하게 제어할 경우 등가회로는 시변 파라미터 없이 일정한 등가회로가 되어 최대발전 제어를 수행하고 백 투 백 컨버터를 통해 주파수 제어를 수행할 수도 있다.
본 논문에서는 새로운 기어리스 이중여자 유도발전기를 제안하였다. 제안된 방식은 증속기를 사용하여 이중여자 유도발전기의 입력속도를 증속하는 방식이 아니라 고정자를 최대전력 동작점에 일치하도록 회전시킴으로서 증속기와 동일한 효과를 얻을 수 있으며, PSIM을 사용하여 시뮬레이션을 수행하여 제안된 방식의 성능과 가능성을 입증하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
대용량 풍력발전에는 어떤 발전기가 쓰이는가?
특히 해안영역에 1MW 이상의 대용량 풍력발전기의 설치가 주를 이루고 있다. 이러한 대부분의 대용량 풍력발전에는 이중여자 방식의 유도 발전기가 사용되고 있다. 하지만 이중여자 방식의 유도 발전기는 60Hz를 기준으로 설계되고, 풍속은 블레이드를 통해 10Hz 근방의 발전특성을 가지고 있다.
이중여자 방식의 풍력발전기에 사용되는 증속기어의사용의 단점은?
이러한 이유로 대용량 이중여자 방식의 풍력발전기에는 증속 기어가 필수적으로 사용된다. 그러나 증속기어의사용은 장기간 운전시 고장 및 수리 시간 증가에 주요한 원인으로 작용한다. 그림 1은 풍력발전기의 고장 부위에 따른 고장율을 보여준다.
풍력발전기에는 증속 기어가 필수적으로 사용되어야 하는 이유는?
이러한 대부분의 대용량 풍력발전에는 이중여자 방식의 유도 발전기가 사용되고 있다. 하지만 이중여자 방식의 유도 발전기는 60Hz를 기준으로 설계되고, 풍속은 블레이드를 통해 10Hz 근방의 발전특성을 가지고 있다.
따라서 블레이드를 통해 들어오는 풍력으로부터 유도 발전기의 최대토크특성을 얻기 위해서는 60Hz에 근접한 속도입력이 필요하다. 이러한 이유로 대용량 이중여자 방식의 풍력발전기에는 증속 기어가 필수적으로 사용된다.
참고문헌 (5)
Berthold Hahn, Michael Durstewitz, Kurt Rohrig, "Reliability of wind turbines : Expreiences of 15 years with 1500WTs," ISET, Germany.DOI: 10.1007/978-3-540-33866-6_62
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Polinder, H., Frank F. A. et al.: "Comparison of direct-drive and geared generator concepts for wind turbines," IEEE Trans. on Energy Conversion, Vol.21, No.3, 2006, pp.725-733. DOI: 10.1109/TEC.2006.875476
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Chinchilla Monica, Arnaltes Santiago and Burgos Carlos Juan, "Control of Permanen t-Magnet Generators Applied to Variable-Speed Wind-Energy Systems Connected to the Grid," IEEE Trans. on Energy Conversion, Vol. 21, No. 1, 2006, pp.130-135. DOI: 10.1109/TEC.2005.853735
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