[국내논문]풍력발전기 제어시스템 성능평가를 위한 실시간 처리 기반의 Hardware-In-Loop 시뮬레이터 개발 Development of Real-time based Hardware-In-Loop Simulator for performance evaluation of wind turbine control system원문보기
본 논문에서는 풍력발전기의 제어시스템에 대한 성능평가를 위한 실시간 처리 기반의 Hardware-In-Loop(HIL) 시뮬레이터와 안정적으로 운용할 수 있는 시스템 제어 알고리즘을 제시한다. 기존의 수행된 연구는 모터와 발전기가 결합되어 동력이 전달되는 구조로서, 소형풍력발전기의 발전기 토크와 전력변환장치의 대한 특성분석으로 그 시험 범위가 제한적이나, 제안하는 실시간 처리 기반의 풍력발전기 시뮬레이터를 통해서 정상운전과 비상운전을 포함하여 제어시스템의 알고리즘과 하드웨어 요소에 대한 시험 성능평가가 가능하다. 한편, 제안하는 시뮬레이터는 세부적으로 하드웨어와 동기화되어 운영 될 수 있도록 MATLAB, CODER 그리고 PLC Library를 활용하여 동적모델과 제어시스템을 포함한 실시간 처리 기반의 풍력발전기 모듈, 바람 데이터를 생성/처리하는 모듈, 전력계통 모듈 그리고 전체 시뮬레이터의 운용을 위한 'Host PC'로 구성된다. 실제 풍력발전기가 설치되는 환경을 기반으로 외부적/내부적인 요소를 변수로 다양한 시나리오에 대한 시험을 수행하여, 풍력발전기 제어시스템의 성능평가를 통하여 본 논문에서 제시한 HIL-시뮬레이터의 우수성과 효용성을 입증한다.
본 논문에서는 풍력발전기의 제어시스템에 대한 성능평가를 위한 실시간 처리 기반의 Hardware-In-Loop(HIL) 시뮬레이터와 안정적으로 운용할 수 있는 시스템 제어 알고리즘을 제시한다. 기존의 수행된 연구는 모터와 발전기가 결합되어 동력이 전달되는 구조로서, 소형풍력발전기의 발전기 토크와 전력변환장치의 대한 특성분석으로 그 시험 범위가 제한적이나, 제안하는 실시간 처리 기반의 풍력발전기 시뮬레이터를 통해서 정상운전과 비상운전을 포함하여 제어시스템의 알고리즘과 하드웨어 요소에 대한 시험 성능평가가 가능하다. 한편, 제안하는 시뮬레이터는 세부적으로 하드웨어와 동기화되어 운영 될 수 있도록 MATLAB, CODER 그리고 PLC Library를 활용하여 동적모델과 제어시스템을 포함한 실시간 처리 기반의 풍력발전기 모듈, 바람 데이터를 생성/처리하는 모듈, 전력계통 모듈 그리고 전체 시뮬레이터의 운용을 위한 'Host PC'로 구성된다. 실제 풍력발전기가 설치되는 환경을 기반으로 외부적/내부적인 요소를 변수로 다양한 시나리오에 대한 시험을 수행하여, 풍력발전기 제어시스템의 성능평가를 통하여 본 논문에서 제시한 HIL-시뮬레이터의 우수성과 효용성을 입증한다.
This paper proposes a Hardware-In-Loop(HIL) Simulator for a Wind Turbine and an operational control algorithm to evaluate the performance of a wind turbine control system. It provides not only for the validation of the control logics, safety functions and H/W failure, but also for the high reliabili...
This paper proposes a Hardware-In-Loop(HIL) Simulator for a Wind Turbine and an operational control algorithm to evaluate the performance of a wind turbine control system. It provides not only for the validation of the control logics, safety functions and H/W failure, but also for the high reliability of the wind turbines (by reducing/and the reduction of the operating expense(OPEX) through performance evaluation tests with complex scenarios. On the other hand, the proposed simulator uses MATLAB, CODER, and the PLC library to operate in synchronization with the hardware, and a real-time processing-based wind turbine module including a dynamic model and control system, wind module, grid module and host PC to manage the HIL-simulator. Several experiments were carried out under the above concept to verify the effectiveness of the proposed WT HIL-simulator.
This paper proposes a Hardware-In-Loop(HIL) Simulator for a Wind Turbine and an operational control algorithm to evaluate the performance of a wind turbine control system. It provides not only for the validation of the control logics, safety functions and H/W failure, but also for the high reliability of the wind turbines (by reducing/and the reduction of the operating expense(OPEX) through performance evaluation tests with complex scenarios. On the other hand, the proposed simulator uses MATLAB, CODER, and the PLC library to operate in synchronization with the hardware, and a real-time processing-based wind turbine module including a dynamic model and control system, wind module, grid module and host PC to manage the HIL-simulator. Several experiments were carried out under the above concept to verify the effectiveness of the proposed WT HIL-simulator.
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문제 정의
2장에서 언급된 기존 연구의 문제점을 극복하기 위해서, 본 연구에서는 풍력발전기 시스템 전체의 성능 및 신뢰성 평가와 이를 통한 시스템 최적화 가능하고, 확장성 및 범용성이 뛰어난 풍력발전기 Hardware-In-Loop 시뮬레이터에 대해 제안한다.
따라서 다양한 피치제어기가 연구 되고 있는데, 본 연구에서는 직관적이며 보편적으로 산업현장에서 가장 많이 사용되는 PID제어방식에 비선형 시스템을 선형제어방법을 통해 제어하기 위해서 LPV(Linear Parameter Varying)로 모델링하여 생성한 Gain Scheduled PI 제어방식을 적용하였다.
따라서 본 논문에서는 풍력발전기의 전체 제어시스템에 대한 성능평가가 가능한 실시간 처리 기반의 HIL시뮬레이터와 안정적으로 운용할 수 있는 시스템 제어 알고리즘을 제시한다. 구체적으로 풍력발전기의 수학적인 모델과 Safety System이 포함된 제어시스템, 실시간 연산 및 신호처리 기술, 그리고 시스템 전체를 운영할 수 있는 시스템 제어 알고리즘을 개발하여 WT HIL-시뮬레이터 Graphic User Interface (GUI)에 적용하고, 이를 바탕으로 MATLAB Coder와 TwinCAT Library를 활용하여, 하드웨어와 시뮬레이션이 연계되는 Console 프로그램 형태를 제안한다.
구체적으로 풍력발전기의 수학적인 모델과 Safety System이 포함된 제어시스템, 실시간 연산 및 신호처리 기술, 그리고 시스템 전체를 운영할 수 있는 시스템 제어 알고리즘을 개발하여 WT HIL-시뮬레이터 Graphic User Interface (GUI)에 적용하고, 이를 바탕으로 MATLAB Coder와 TwinCAT Library를 활용하여, 하드웨어와 시뮬레이션이 연계되는 Console 프로그램 형태를 제안한다. 또한, Punching plate에 Open Cabinet의 형태의 시뮬레이터를 구성하여 H/W와 S/W의 유연성과 확장성에 대한 증대와, 다양한 시나리오에 대한 시험을 수행하여, 풍력발전기 제어시스템의 성능평가를 통해서 본 논문에서 제시한 시뮬레이터의 우수성과 효용성을 입증하고자 한다.
본 논문에서는 풍력발전기의 제어시스템에 대한 성능평가가 가능한 실시간 처리 기반의 HIL-시뮬레이터와 안정적으로 운용할 수 있는 시스템 제어 알고리즘을 개발하였다. 이를 통해 실제 풍력발전기 운용에 필요한 제어 알고리즘의 검증을 다양한 시나리오와 시뮬레이터의 각 모듈별로 연동하여 시험을 수행하였고, 풍력발전기의 ‘Normal Operation’과 ‘Emergence Operation’에 대한 성능평가를 할 수 있었다.
본 연구는 풍력발전기의 제어시스템 알고리즘 검증을 위한 시뮬레이터를 개발에 그 목적을 두고 있어, 운전에 따른 각 주요 구성품의 상태와 상세한 하중 값을 분석할 수 있어야 한다. 하지만 앞에서 언급된 식은 각 블록별로 상관관계와 대략적인 흐름을 알 수 있지만, 3차원 바람데이터 이용 및 상세한 분석 등의 한계로 인하여, 본 논문에서는 미국 신재생에너지연구소 (NREL, National Renewable Energy Laboratory)에서 개발하여 공개한 FAST (Fatigue, Aerodynamics, Structures and Turbulence)를 사용하였다.
제안 방법
따라서 본 논문에서는 풍력발전기의 전체 제어시스템에 대한 성능평가가 가능한 실시간 처리 기반의 HIL시뮬레이터와 안정적으로 운용할 수 있는 시스템 제어 알고리즘을 제시한다. 구체적으로 풍력발전기의 수학적인 모델과 Safety System이 포함된 제어시스템, 실시간 연산 및 신호처리 기술, 그리고 시스템 전체를 운영할 수 있는 시스템 제어 알고리즘을 개발하여 WT HIL-시뮬레이터 Graphic User Interface (GUI)에 적용하고, 이를 바탕으로 MATLAB Coder와 TwinCAT Library를 활용하여, 하드웨어와 시뮬레이션이 연계되는 Console 프로그램 형태를 제안한다. 또한, Punching plate에 Open Cabinet의 형태의 시뮬레이터를 구성하여 H/W와 S/W의 유연성과 확장성에 대한 증대와, 다양한 시나리오에 대한 시험을 수행하여, 풍력발전기 제어시스템의 성능평가를 통해서 본 논문에서 제시한 시뮬레이터의 우수성과 효용성을 입증하고자 한다.
따라서 고가의 RTOS가 탑재되어 있는 특수 장치를 대신하여, 일반형 PC의 내부 CPU clock을 이용하여 실시간성 및 범용성이 가능하였다. 구체적으로, 1ms의 샘플링의 실시간 시뮬레이션을 수행하면서, PLC H/W와 EtherCAT통신을 수행하고, 전체 프로그램의 형태는 고속처리를 위해 리소스 (Resource) 관리 목적으로 Console형태로 구현하였고, Fig. 10과 같다.
따라서 본 시험평가의 항목은 정지상태의 풍력발전기가 전력을 생산하는 전력을 생산하는 단계까지의 Normal Operation의 전 과정에 대한 운전을 검증하는 시험을 수행하였다.
풍력발전기는 바람의 운동에너지를 기계적인 에너지로 변환시키고, 이후 발전기의 회전으로 전달되어 생산된 전기에너지를 최종적으로 전력 계통에 전달하는 구조이다. 따라서 환경변수인 바람과 발전기의 현재 주요신호를 입력받아서 공력토크를 계산하는 블록, 기계적인 요소로 구성되어 기계적인 토크를 계산하는 블록, 그리고 발전기와 전력장치 블록으로 구성되어 있으며, Fig. 2과 같다.
또한, 각 이득 점을 Curve fitting을 통해서, 피치각 θblade에 의한 LUT(Look Up Table)를 생성하였고, 피치 제어기의 전체 구조는 Fig. 5와 같다.
따라서 다양한 피치제어기가 연구 되고 있는데, 본 연구에서는 직관적이며 보편적으로 산업현장에서 가장 많이 사용되는 PID제어방식에 비선형 시스템을 선형제어방법을 통해 제어하기 위해서 LPV(Linear Parameter Varying)로 모델링하여 생성한 Gain Scheduled PI 제어방식을 적용하였다. 또한, 비교를 위해 위의 결과 값을 모든 블레이드에 적용하는 CPC(Collective Pitch Control) 방식에서 로터의 회전에 따른 Cyclic motion에 의해 발생되는 하중을 저감하기 위해 IPC(Individual Pitch Control) 추가하여 시험을 실시하였다.
7과 같다. 또한, 외부 환경요소인 바람과 전력계통의 모델을 분리하여 독립적으로 구성하여, 복수의 풍력 발전기로 구성하여 발전기의 운전에 따른 블레이드의 회전으로 인한 Wake등의 간섭을 확인할 수 있도록 하였다.
풍력발전기와 바람모델, 전력계통, 그리고 단지제어기인 WPCS(Wind Park Control System)의 고속연산을 위해 IPC(Industrial PC)에 탑재하였고, WPCS는 풍력발전기와 전력계통의 주요 정보전달의 목적으로 사용하였다. 또한, 풍력발전기의 동적인 상황을 표현하기 위해서, Servo motor와 BLDC motor를 이용하여 Blade pitch system과 Rotor, 그리고 Generator를 각각 시뮬레이션 모델과 동기화 하였다.
또한, 효율적인 시험의 수행을 위한 주변 모듈과 명령, 각종 주요 신호의 데이터 송수신 인터페이스, 그리고 실시간 시각화(Real-time visualization)와 Logging 기능이 포함된 WT HIL-시뮬레이터의 GUI(Graphic User Interface)를 Fig. 13과 같이 개발하였고, Back-End와 Front-End의 주요 데이터 처리 흐름 및 구조를, Fig. 14와 같이 구현하였다.
먼저, 주요 장치에 대한 초기화 이후에, 블레이드가 Feathering position에서 Fine position 으로 이동하면서 블레이드의 운전 상태를 점검을 하는 ‘System test’, 로터의 회전을 서서히 증가시키면서 ‘Idle’ 모드를 거쳐, 전력을 생산하는 ‘Power production’ 모드 등 Normal Operation에 대한 알고리즘의 성능을 확인하였다.
본 연구를 통해 제안하는 풍력발전기 제어시스템의 성능평가 목적의 HIL-Simulator와 그 시스템의 운영을 위한 제어 알고리즘에 대한 우수성 및 유용성을 입증하기 위하여, 본 장에서는 시뮬레이션과 연동되는 HILS 의 시험을 통해 성능 검증을 수행하였다. 세부적으로 풍력발전기의 블레이드 피치 각을 조절하는 피치제어기 종류에 따른 주요 하중 값의 변화와 정상운전 상태에서 ‘비상정지’시 발생하는 운전 특성에 대해 분석하였다.
본 연구에서는 풍력발전기의 다양한 상황에 대한 풍력발전기 제어시스템의 성능평가를 위해서, ‘Host PC’ 에서 시나리오를 생성하여 해달 모듈에 전달하고 전체 시스템의 운영 및 모니터링을 수행하도록 설계하였고, Fig. 7과 같다.
세부적으로 풍력발전기의 블레이드 피치 각을 조절하는 피치제어기 종류에 따른 주요 하중 값의 변화와 정상운전 상태에서 ‘비상정지’시 발생하는 운전 특성에 대해 분석하였다.
앞장에서 설명한 풍력발전기 HIL-시뮬레이터의 설계를 기반으로 하여, 제어시스템이 포함된 풍력발전기의 시뮬레이션 모델과 실제 시스템에서 사용되는 하드 웨어와 연동되어 운영되도록 MATLAB과 BECKHOFF의 TwinCAT Library를 이용해 구현하였고, Fig. 9과 같다.
이때, 시뮬레이터의 기본요건은 시간에 따른 시스템의 동적인 특성과 제어 알고리즘의 성능을 평가하기 위해서, 실시간동기화(Real-time synchronization)가 반드시 필요한데, 이를 위해서 MATLAB으로 모델링된 풍력발전기와 제어시스템을 Coder와 Windows API를 활용하여 변환하였다. 따라서 고가의 RTOS가 탑재되어 있는 특수 장치를 대신하여, 일반형 PC의 내부 CPU clock을 이용하여 실시간성 및 범용성이 가능하였다.
세부적으로 풍력발전기의 블레이드 피치 각을 조절하는 피치제어기 종류에 따른 주요 하중 값의 변화와 정상운전 상태에서 ‘비상정지’시 발생하는 운전 특성에 대해 분석하였다. 이를 통해 Normal Operation과 Safety Operation에 대해 동적 제어기와 현재 설정된 제어 파라미터에 대한 성능 평가를 수행하였다.
제어시스템의 성능 평가를 위한 HIL 시뮬레이터는 부품, 통신모듈, PLC의 I/O, Safety system 등의 하드웨어적인 요소와 통신 프로토콜, 제어기 알고리즘, Calibration의 소프트웨어가 빈번히 최적화를 통한 업데이트가 이뤄진다. 이에 따라, 모듈의 탈부착과 접근성이 용이하고, 시스템에 대한 이해도를 높이기 위해서, Open Cabinet의 형태로 Punching plate를 사용해서 Simulator를 구현하였고, Fig. 11과 같다. 풍력발전기와 바람모델, 전력계통, 그리고 단지제어기인 WPCS(Wind Park Control System)의 고속연산을 위해 IPC(Industrial PC)에 탑재하였고, WPCS는 풍력발전기와 전력계통의 주요 정보전달의 목적으로 사용하였다.
풍력발전기 제어시스템의 주요 기능에 대한 시험평가 테스트 시나리오를 총 3가지 경우로 설정을 하였고, 그에 따른 바람 및 주요 데이터가 생성되었고, 전체 시스템을 모니터링 및 운영을 담당하는 ‘Host PC’에 의해 각 모듈로 전송되었다.
풍력발전기는 비선형시스템으로 시스템의 안정적인 제어를 위해서 이를 선형화하여 기존 선형시스템의 제어방법을 이용하였다. 이때, 각 상태에 따른 모델링을 수행하는 LPV(Linear Parameter Varying) System의 형태로 표현하였다.
11과 같다. 풍력발전기와 바람모델, 전력계통, 그리고 단지제어기인 WPCS(Wind Park Control System)의 고속연산을 위해 IPC(Industrial PC)에 탑재하였고, WPCS는 풍력발전기와 전력계통의 주요 정보전달의 목적으로 사용하였다. 또한, 풍력발전기의 동적인 상황을 표현하기 위해서, Servo motor와 BLDC motor를 이용하여 Blade pitch system과 Rotor, 그리고 Generator를 각각 시뮬레이션 모델과 동기화 하였다.
한편 위의 시뮬레이션 및 시험환경에서 본 연구를 통해 개발된 HIL-시뮬레이터를 이용한 제어시스템의 Dynamic controller와 Supervisory controller 그리고 Safety logic의 s/w적인 알고리즘부분과 전기적인 신호의 연결의 오류로 발생한 노이즈로 인한 H/W적인 검증 및 성능평가와 실시하였다.
한편, 풍력발전기를 포함한 개별 시뮬레이션 모델이 실제 사용되는 PLC(Programmable Logic Controller)를 포함하는 실제 하드웨어와 연동하도록 EtherCAT 통신과, 풍력발전기, Wind model, Electric model등 다수의 모델간의 원활한 통신을 고려하여 연산장치 및 통신 시스템을 구성하였고, Fig. 8과 같다. 또한, 전체 시스템을 운영하기 위해, ‘Host PC’와 개별 모델의 프로토콜을 정의하여 EtherNET 통신으로 명령과 정보를 송수신한다.
대상 데이터
본 연구의 시뮬레이션 및 시험을 위해서, 미국의 국립 신재생에너지연구소(NREL, National Renewable Energy Laboratory)에서 공공의 연구 목적으로 제공하는 5MW급 Baseline 풍력발전기[12]]를 이용하였는데, 많은 풍력관련 제어시스템 연구가 위 데이터에 기반으로 하여 이루어졌고, 이에 성능 비교분석과 알고리즘 적용에 용이하여 선정하였고, 주요 사양은 Table 1과 같다.
작업자에 의한 비상정지 버튼의 활성화를 고려한 위 시험은 정상상태에서 항상 ‘Close loop’구성되어 있는 Safety Chain의 ‘Open loop’ 상태를 확인하였고, 그때 주요 결과 데이터는 Fig. 16과 같다.
데이터처리
이를 통해 실제 풍력발전기 운용에 필요한 제어 알고리즘의 검증을 다양한 시나리오와 시뮬레이터의 각 모듈별로 연동하여 시험을 수행하였고, 풍력발전기의 ‘Normal Operation’과 ‘Emergence Operation’에 대한 성능평가를 할 수 있었다.
이론/모형
하지만 앞에서 언급된 식은 각 블록별로 상관관계와 대략적인 흐름을 알 수 있지만, 3차원 바람데이터 이용 및 상세한 분석 등의 한계로 인하여, 본 논문에서는 미국 신재생에너지연구소 (NREL, National Renewable Energy Laboratory)에서 개발하여 공개한 FAST (Fatigue, Aerodynamics, Structures and Turbulence)를 사용하였다. FAST는 Fortran으로 작성 되었는데, 풍력발전기의 부품별 기초 데이터를 입력을 받아 AeroDyn이라는 풍력발전용 공기역학 소프트웨어와 연동하여 동작하고, 실행파일 또는 MATLAB/ SIMULINK와의 호환을 위하여 S-Function형태로 제공한다.[12]
하지만 앞에서 언급된 식은 각 블록별로 상관관계와 대략적인 흐름을 알 수 있지만, 3차원 바람데이터 이용 및 상세한 분석 등의 한계로 인하여, 본 논문에서는 미국 신재생에너지연구소 (NREL, National Renewable Energy Laboratory)에서 개발하여 공개한 FAST (Fatigue, Aerodynamics, Structures and Turbulence)를 사용하였다.
성능/효과
‘CPC’는 3개의 블레이드에 동일한 피치각의 명령을 추종하는 것으로, 로터의 회전에 의한 각 블레이드의 위치에 따른 ‘IPC’와 결합한 ‘CPC+IPC’ 에 비해서 각 Pitch System의 Root부분 Flapwise bending 모멘트가 큰 것을, 결과 그래프로 확인하였다.
(1) 기존 개발된 풍력발전기 시뮬레이터의 경우 모터와 발전기를 연계하여 토크 및 전류 특성분석에 초점이 이뤄졌지만, 본 연구는 풍력발전기의 전체 제어시스템에 대한 성능평가를 수행할 수 있음을 확인하였다. 따라서 Dynamic controller와 Supervisory controller에 대한 알고리즘을 검증할 수 있었으며, 반복되는 시험으로 제어기의 오류를 쉽게 찾고 교정할 수 있었다.
(2) HIL-시뮬레이터를 활용하여 다양한 시나리오에 대한 알고리즘 시험과 진동이나 작업자의 실수로 인한 신호선의 이탈 등 노이즈 성 신호에 대한 시험 수행이 가능하여 S/W와 H/W적으로 강건한 알고리즘 개발이 가능함을 확인할 수 있었다.
(1) 기존 개발된 풍력발전기 시뮬레이터의 경우 모터와 발전기를 연계하여 토크 및 전류 특성분석에 초점이 이뤄졌지만, 본 연구는 풍력발전기의 전체 제어시스템에 대한 성능평가를 수행할 수 있음을 확인하였다. 따라서 Dynamic controller와 Supervisory controller에 대한 알고리즘을 검증할 수 있었으며, 반복되는 시험으로 제어기의 오류를 쉽게 찾고 교정할 수 있었다.
이때, 시뮬레이터의 기본요건은 시간에 따른 시스템의 동적인 특성과 제어 알고리즘의 성능을 평가하기 위해서, 실시간동기화(Real-time synchronization)가 반드시 필요한데, 이를 위해서 MATLAB으로 모델링된 풍력발전기와 제어시스템을 Coder와 Windows API를 활용하여 변환하였다. 따라서 고가의 RTOS가 탑재되어 있는 특수 장치를 대신하여, 일반형 PC의 내부 CPU clock을 이용하여 실시간성 및 범용성이 가능하였다. 구체적으로, 1ms의 샘플링의 실시간 시뮬레이션을 수행하면서, PLC H/W와 EtherCAT통신을 수행하고, 전체 프로그램의 형태는 고속처리를 위해 리소스 (Resource) 관리 목적으로 Console형태로 구현하였고, Fig.
‘Safety Operation’ 은 풍력발전기 제어시스템에서 가장 우선순위를 부여받아서, 현재의 모든 운전모드를 최대한 빠르게 정지하도록 한다. 따라서 위의 결과 값과 같이, 피치시스템의 설계 최대치 속도로 Feathering position으로 이동하고, 로터의 속도도 급격히 감소되는 것을 볼 수 있었다.
‘CPC’는 3개의 블레이드에 동일한 피치각의 명령을 추종하는 것으로, 로터의 회전에 의한 각 블레이드의 위치에 따른 ‘IPC’와 결합한 ‘CPC+IPC’ 에 비해서 각 Pitch System의 Root부분 Flapwise bending 모멘트가 큰 것을, 결과 그래프로 확인하였다. 또한, 정격이상의 풍속에서 로터의 속도가 증가하면서 시작되는 피치제어기의 시작, 종료 그리고 동작중의 명령 값에 대한 검증과 오동작이 발생할 수 있는 기능에 대해 반복적인 시험/디버깅을 통해 강건한 알고리즘을 구현할 수 있었다.
이는 특정시간 t일 때, 풍력발전기의 운전 점(wr, θblade, vw)에 따른 상태행렬, 입출력행렬 등의 계수가 변경되어 시스템의 동특성이 달라지는 것으로, 주요 운전 점에 대한 최적의 PI 이득 점을 찾았다.
후속연구
(3) 본 연구를 통해 개발된 시뮬레이터는 풍력발전기의 제어시스템 개발과 인증을 받기위해 사용될 수 있을 뿐만 아니라 O&M현장 작업자의 Troubleshooting을 위한 교육에도 사용될 수 있어 그 우수성과 효용성이 입증되었고, 향후 이를 활용하여 국내 풍력발전기의 제품에 대한 신뢰성 및 가격 경쟁력확보를 기대한다.
대략적으로 유도전동기와 영구자석형 동기발전기를 결합한 형태로, 바람을 통해 생성된 풍력발전기의 공력이 기계적인 torque로 전달되는데 이것을 유도전동기가 담당하고, 반대편에 결합되어 이 회전 토크를 이용하여 발전하는 부분은 영구자석형 동기발전기가 담당한다. 위와 같은 연구를 통해서 바람에 따른 풍력발전기의 기계적인 torque를 모사하여 발전기의 특성 및 전력변환 장치에 대한 부분적인 분석이 가능하지만, 기계-유압-전기 및 다중센서를 탑재한 복합시스템인 풍력발전기 전체 제어 시스템의 알고리즘 검증에 제한적이며, 발전기와 전력 변환 장치에 국한된 시험범위로 인한 한계를 보인다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
전체 전력 생산량에서 풍력 발전기가 차지하는 비중이 커지게 된 배경은 무엇인가?
전 세계적으로 환경 파괴로 인한 지구 온난화로 인류의 생존이 위협을 받고 있는 상황에서 과거의 화석연료를 대체할 수 있는 친환경 에너지원에 대한 필요성이 증대되었고 이에 최근에는 풍력, 태양열, 태양광 등과 같은 신재생에너지의 비약적인 발전을 이뤄냈다. 특히, 신재생에너지 중에서 가장 경제적이고 신뢰성 높은 풍력발전기는 개별 발전 용량이 ‘MW급’으로 보편화되고 대규모 발전단지가 상용 운전을 개시함으로써, 전체 전력 생산량에서 풍력 발전기가 차지하는 비중이 커지고 있는 상황이다. 또한 풍력발전기 산업의 성숙도로 인해 주요 부품의 단가와 건설비용이 낮아지고 있고, 이를 통한 낮은 발전단가를 통해 청정에너지원으로의 장점과 더불어 경제적인 측면에서도 각광을 받고 있다.
Normal Operation에서 Safety Operation이 적용되는 조건은 무엇인가?
여기서, Normal Operation은 내부의 모든 주요장치가 오류가 없는 정상적인 상태로, 각 부품의 초기화 과정부터, 자체 테스트를 거쳐 최종적으로 전력을 생산하는 단계에 이르는데, 이때 동적제어기인 Pitch controller와 Torque controller가 동작한다. 하지만, 내부 또는 외부의 요인으로 부품의 오동작, 출력이상, 진동 등의 이상 동작이 발생할 경우, 전력생산을 중단하고 정지하게 된다. 이를 Safety Operation이라고 하는데, 그 우선순위나 레벨의 종류에 따라서 정지단계와 복구단계가 차이가 있다.
풍력발전기의 전력 생산 구조는 어떻게 되는가?
풍력발전기는 바람의 운동에너지를 기계적인 에너지로 변환시키고, 이후 발전기의 회전으로 전달되어 생산된 전기에너지를 최종적으로 전력 계통에 전달하는 구조이다. 따라서 환경변수인 바람과 발전기의 현재 주요신호를 입력받아서 공력토크를 계산하는 블록, 기계적인 요소로 구성되어 기계적인 토크를 계산하는 블록, 그리고 발전기와 전력장치 블록으로 구성되어 있으며, Fig.
참고문헌 (12)
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