[논문]초전도 플라이휠 에너지 저장장치용 전동발전시스템 개발

최태식; 서문석; 서인영; 류동완; 성태현

초전도 플라이휠 에너지 저장장치용 전동발전시스템 개발
Development of Motor/Generator System, for Superconductivity Flywheel Energy Storage System 원문보기

최태식 ((주)효성) , 서문석 ((주)효성) , 서인영 ((주)효성) , 류동완 ((주)효성) , 성태현 (한전전력연구원)

본 연구에서는 고효율, 반영구적인 수명 및 환경친화성으로 인해 효과적인 전력저장장치로 대두되고 있는 플라이휠 에너지 저장(SFES : Super-conductivity Flywheel Energy Storage) 시스템의 구동원으로 적용되는 전동발전시스템에 대한 설계, 제작 및 시험을 수행하였다. 전동발전기는 슬롯리플에 의한 와전류 손실이나 열손실을 고려하여 슬롯리스 Ring-wound형으로 선정하였으며, 전력변환기는 PWM Boost 컨버터를 통해 역률 및 DC 전압 제어 그리고 Full Bridge 인버터를 통해 전동발전기 고속운전 제어를 실현할 수 있는 Topology를 채택하였다.

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문제 정의

본 논문은 초전도 플라이훨 에너지 저장 기술 개발 과제의 2차년도 연구성과 중 전동발전시스템 개발 부분의결과 이다. 10kW, 30, 000象m급 전동발전기 및 전력변환기를 제작하여 단독시험으로 수행하였다.

제안 방법

10kW, 30, 000象m급 전동발전기 및 전력변환기를 제작하여 단독시험으로 수행하였다.
DC Link 전압 및 역률 제어기능을 담당하는 PWM 승압형 Converter에 대한 성능시험을 하였다.
또한 고속회전에서 영구자석 회전자의 기계적인 강壬 를 높이기 위해 비자성체 또는 비금속 재질의 슬려 부착하기도 하는데, 본 설계에서는 기계적 스트레-/ : 고려하여 티타늄 제질의 원통형 슬리브룔 적용하였다.
무부하 상태에서 제작된 전동발전기의 유기기전력 측정 및 고속 운전 시험을 수행하였다.
본 연구에서 전동발전기에는 유기전압을 정현파 형태로 구현한 슬롯리스 Ringwound형의 영구자석 동기 전동기를 적용하여 소형, 초고속 및 고효율을 달성코자 하였으며, 전력변환기는 컨버터부와 인버터부가 DC Link 커패시터를 공유하는 Topology를 적용하여 전동모드 및 발전 모드의 양방향 제어가 가능하도록 하였다〔3]
툭히 고속운전시 크게 나타나는 고정자 철손과 회전자 와전류 손실을 최소화함으로써 해결할 수 있다. 이러한 관점예서 영구자석 회전기에서 발생하는 코깅토크 리플과 슬롯리플에 의한 고조파 손실을 최소화한 슬롯리 스 Ring found 형의 영〒 사석 동기기률 선정하였다.
일반적으로 고속 정밀 제어를 위해서는 고성능 Encoder를 사용하는데, 본 연구에서는 초고속 운전에 따른 기계적 문제와 고가의 경제적 문제로 인하여 Hall 센서 신호를 제어 프로그램을 통해 Software 적으로 처리하였다.
제어부에는 TMS320C₃₁ DSP를 적용하여 고속 연산이 가능하도록 하였으며 위치검출부에는 Hall 센서를 적용하였다. 일반적으로 고속 정밀 제어를 위해서는 고성능 Encoder를 사용하는데, 본 연구에서는 초고속 운전에 따른 기계적 문제와 고가의 경제적 문제로 인하여 Hall 센서 신호를 제어 프로그램을 통해 Software 적으로 처리하였다.
Topology# 적용하였다. 컨버터는 PWM Boost 컨버터를 채택하여 계통으로부터 전력 입력 시 평균전류를 연속모드에서 제어하여 역률개선 및 고조파저감을 꾀하고 DC Link의 전압을 일정한 크기로 상승시키는 동작을 하며, 계통으로 전력 공급 시 고조파 및 부하 영향에 우수한 특징으로 정현파 전압을 출력하도록 하였다. 인버터는 3상 Full Bridge 인버터를 채택하여 고속 스위칭 동작을 통해 전동발전기의 정-역회전, 전동 -발전의 4상한 운전을 실현하여 일정 전력의 수급을 가능하게 하였다.
4Vdc가 돤다. 하지만 PWM 스위칭을 하는 인버터를 통해 380V「ms의 계통으로 전력을 공급하고자 할 경우 DC Link 커패시터 전압은 700Vdc- 이상으로 유지되어야 안정된 스위칭 동작으로 전력을 공급할 수 있으므로 본 시스템에서는 PWM 승압 형 Converter 를 통해 DC Link 커패시터 전압을 537.4Vdc에서 700Vdc로 승압하였다.

성능/효과

슬롯리스 TVpc의 기기는 일반적인 슬롯 Tvpe 기기모다 자기적인 공극이 매우 크기 때문에 고정자 끝단으드 누설되는 자속의 양이 증가하여 초전도 베어링의 자"乃 상호 작용으로 초전도 베어링의 특성을 변확시킬 -F ; 다' 이에 대해서는 설계 모델에 대한 3차울寸 FEM 해석 결과 고정자 끝단 40〔mniJ지점에서 누설자속이 자싱세축의 경우 약 0.02ET], 비자성체축의 경우 약 0.01.[:r] 로 나타나 초전도 볘어링에 미치는 영향이 미약한 것으로 판단되었다.
있다. 특히 , SFES 시스템은 전력저장 시 큰 손실원으로 작용하는 베어링에 비접촉형인 초전도 마그네트를적용함으로 효율을 극대화하였다,

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