[논문]가변속 풍력발전 시스템의 계통연계 인버터 출력전류 리플 개선에 관한 연구

강신일; 송승호; 김동용

[국내논문] 가변속 풍력발전 시스템의 계통연계 인버터 출력전류 리플 개선에 관한 연구
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강신일 (전북대학교 차세대 풍력발전 연구센터) , 송승호 (전북대학교 차세대 풍력발전 연구센터) , 김동용 (전북대학교 차세대 풍력발전 연구센터)

풍력발전 시스템은 계통에 전력을 공급하는 분산형 전원형태가 대부분이어서 어느 분산형 전원보다 계통 연계시 선로에 미치는 영향이 큰 발전설비이다. 특히 가변속 시스템인 경우 풍속이 낮은 영역에서도 운전이 가능하다는 장점이 있지만 저풍속 영역에서 풍속 변동시 터빈 회전자 출력의 리플이 직류단 전압을 변동하게 만든다. 기존의 직류단 전압 일정제어기를 사용하는 경우 인버터 출력전류는 정현파가 아닌 고조파 리플을 포함하는 문제가 발생한다. 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하고자 직류단 전압에 저역통과 필터를 사용하여 인버터 출력전류의 리플 개선을 하였다.

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문제 정의

본 논문은 부안 해창에 설치되어 운용중인 30kW급 수직/수평축 통합형 풍력발전시스템에서 발견된 문제점을 가지고 연구를 수행하였다. 기존에도 존재했었던 인버터 출력전류의 리플을 본 논문에서 제시함으로써 리플의 원인을 고찰하고 리플 개선을 위한 제안된 방법을 실험을 통해서 검증하였다.
가지고 연구를 수행하였다. 기존에도 존재했었던 인버터 출력전류의 리플을 본 논문에서 제시함으로써 리플의 원인을 고찰하고 리플 개선을 위한 제안된 방법을 실험을 통해서 검증하였다.
본 연구는 Iqe 리플의 원인이 터빈 회전자 출력의 리플이 직류단을 통해 들어옴으로써 발생하는 문제라고 가정하고 가변속 풍력발전시스템의 운영시 Iqe에 발생하는-리플을 최소하기 위한 방법을 다음절에서 제안하였고 그에 따른 실험을 통하여 출력전류의 리플이 개선됨을 검증하였다.

제안 방법

제어기로써의 역할을 수행하였다. 즉, 직류단의 순간적인 power balance# 유지하기 위하여 컨버터에서 직류단으로 입력되는 전력만큼의 양을 직류단에서 인버터쪽으로 내보내는 형태의 제어를 수행하였다. 그러나 기존 선형 제어기는 잦은 직류단 전압 변동에도 Iqe의 기준값을 계속적으로 변화시켜 결국 인버터 출력 전류에 리플을 일으키는 문제점이 있었다.
따라서 제안된 방식은 직류전압 입력단에 저역통과 필터를 사용하여 직류단의 잦은 전압 변동에도 Iqe의 기준값이 좇아서 변동하지 않도록 하였다. 그림 6.

대상 데이터

본 실험에서는 일반적인 가변속 풍력발전 시스템을 모의할 수 있는 장치로 풍력 시뮬레이터를 사용하였다. 시뮬레이터는 직류기와 유도기를 축으로 연결한 형태로 크게 직류 전동기와 컨버터, 유도발전기와 컨버터, 그리고 계통연계형 인버터로 구성되어 있다.
시뮬레이터는 직류기와 유도기를 축으로 연결한 형태로 크게 직류 전동기와 컨버터, 유도발전기와 컨버터, 그리고 계통연계형 인버터로 구성되어 있다. 직류전동기와 컨버터는 회전자 블레이드에 의한 토오크 입력을 모의하기 위해 사용하였다.

성능/효과

실험에서 전압제어기 직류단 전압의 잦은 변동에 따른 리플 특성을 관찰하기 위하여 인버터의 전류제어기의 이득은 높게 설정하였으며 부하조건은 발전되는 최대 출력 정격의 50%로 하였다.
본 논문에서는 가변속 풍력발전시스템의 바람 변동 시 회전자 블레이드의 출력 토오크 리플이 직류전압 입력으로 들어감에 따라 발생하는 인버터 출력단 리플을 직류전압 입력단에 필터를 사용함으로써 출력전류의 리플이 개선됨을 볼 수 있었다.

후속연구

그것은 시스템의 안정성 문제로 돌풍과 같은 바람의 급격한 변동시 필터 사용으로 제어기의 동특성이 순간적으로 느리게 반응해 직류단 전압의 오버슈트나 언더슈트를 발생시킬 수 있다. 이러한 문제 가능성 때문에 필터 사용시 적절한 cut-off 주파수의 선정과 직류단 오버슈트에 대해서 커패시터의 용량이나 정격 내압 한계를 얼마로 해야할지는 추후 연구되어야 할 부분이다.
이와 관련하여 앞으로 풍력터빈의 여러 동작 조건에서 운전 시 터빈 회전자의 리플특성을 실제 운전데이터 등을 바탕으로 조사, 분석하고 그 결과를 활용하여 넓은 운전영역에서 더욱 개선된 출력 전력의 품질을 얻을 수 있도록 연구할 예정이다.
특히 풍력발전기의 출력변동으로 인한 전압의 Flicker 현상이나 인버터 사용에 따른 계통에 공급되는 전력에 고조파를 함유하는 문제 등은 계통 입장에서는 불필요한 요소들이다. 따라서 풍력발전시스템 운용시 예상되는 발생문제점을 검토 및 분석하여 계통 연계시의 대책에 대한 연구가 활발히 이루어져야 할 것이다.

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