이중여자 유도형 풍력발전시스템의 계통 불평형 전압으로 인한 직류단 전압의 리플 저감 - 김길훈 (The Graduate School, Ajou University, 2010)
최근 급격한 에너지 수요의 증대, 화석 연료의 지역적 편중 및 화석 연료로인한 대기 환경의 직접적인 오염 및 지구온난화 문제 등으로 에너지원의 다양화가 도모되고 있다. 그래서 최근 많은 나라에서 미래의 에너지원 확보와 더불어 지구 환경보호 차원의 에너지 자원의 개발과 활용이 촉진되고 있다. 대체에너지의 종류로는 태양에너지, 바이오 에너지, 풍력, 소수력, 연료전지, 석탄액화/가스화, 해양에너지, 폐기물에너지와 기타 유동성 연료, 지열, 수소에너지 등이 있다. 그 중 풍력에너지는 무한한 자원과 공해 없는 에너지원으로 바람을 이용하여 전기를 생산하는 발전 기술로서 부존자원의 한계와 지구 온난화 현상에 대비하여 최근 가장 주목 받는 에너지이다. 또한 기술적으로 살펴보면 풍력 발전은 에너지 변환효율이 우수하며, 발전 설비의 단가가 다른 대체에너지원에 비해 낮고, 현재까지 개발된 기술을 사용하여 구현할 수 있는 장점이 있다. 따라서 전세계적으로 풍력 발전량이 증가하고 있는 추세이다[1]. 이러한 풍력발전 시스템에 사용되는 발전기는 발전기 내부의 전기적 구성으로 에너지 변환효율과 경제성을 고려하여 기어에 의한 손실을 없애고 유지보수가 간편한 기어리스방식과 기어박스를 거쳐 증속한 후 발전기를 거쳐 계통에 연결하는 방식으로 구분할 수 있다. 기어리스방식은 기어에 의한 손실이 제거되는 장점이 있으나 저속 운용이 가능한 발전기의 크기 및 중량이 커지고, 발전기의 출력 전력을 변환하기 위한 대용량 인버터가 필요한 단점이 있다[2]. 풍력발전시스템의 원천인 바람은 계절 및 시간 등의 변화에 따라 가변속 특성을 갖고 있기 때문에 이러한 조건에서 일정 주파수의 전력을 생산하는 기술이 풍력 발전시스템에서 반드시 필요하다. 정 주파수 컨버터가 계통과 발전기 상이의 인터페이스에 사용된다는 가정 하에 동기 발전기를 사용하여 가능케 한다. 또 하나의 대안은 가변 주파수 회전자 전압을 회전자에 공급함으로써 고정자로부터 일정한 주파수의 전력을 발전할 수 있는 이중여자 권선형 유도발전기를 사용하는 것이다[3]. 이중여자 권선형 유도발전기는 양방향 PWM 컨버터를 회전자 측과 계통 측에 이용하고 이를 통해 양방향 전력 제어를 하게 되는데, 이는 동기기의 단방향 전력제어에 비행 제어시스템의 구조를 복잡하게 만든다. 그러나 이중여자 유도발전기의 회전자 전류가 PWM 인버터를 사용한 고정자 자속 기준 벡터 제어를 통해 제어된다면 고정자에서 생산된 유효 및 무효전력을 각각 제어할 수 있는 장점을 갖는다. 또한, 유도기는 동기기와는 달리 역률이 1이 아닌 전력 생산을 하기 때문에, 발전을 위해 필요한 무효 전력을 공급하기 위한 추가적인 커패시터를 설치하는 비용을 줄일 수 있다는 장점을 갖는다. 블레이드 출력을 기어박스를 거쳐 증속한 수 이중여자 유도발전기(DFIG, Doubly Fed Induction Generator)를 거쳐 계통에 연결하는 방식은 컨버터에서 회전자의 전류를 제어하여 시스템의 출력을 조절하며 구조가 복잡하지만 전력변환 장치의 용량이 작아진다는 장점이 있어 대용량 시스템의 발전기로 채택하고 있다. 이 때 유도발전기의 고정자는 계통과 직접 연결하고 회전자는 BACK-TO-BACK 컨버터를 거쳐 계통에 연결한다. 풍력발전 시스템은 3상 평 전원인 경우를 대상으로 설계되었기 때문에 불평형 전원에서는 제어 특성이 저하된다. 특히 이중 여자 유도형 풍력발전 시스템의 경우 고정자가 계통에 직접 연결되기 때문에 계통에 불평형이 발생하면 발전기의 회전자계에 왜곡이 발생하여 토크 리플이 발생한다. 토크 리플은 풍력발전 시스템에 기계적 스트레스를 인가하여 블레이드, 기어, 회전자축 등에 기계적 파괴의 원인으로 작용한다[4-5]. 이중여자 유도형 풍력발전 시스템은 다음과 같은 특징이 있다. 첫째 에너지 변환효율이 높다. 이것은 블레이드의 회전속도를 가변 할 수 있기 때문에 블레이드의 에너지 변환 효율이 높은 회전 속도에서 운전할 수 있기 때문에 가능하다. 전력변환 장치의 용량이 작으며 전력변환 장치에서의 손실도 적기 때문에 에너지 변환 효율이 더욱 증가한다. 둘째 가변속 운전을 하기 때문에 풍속 변동이 기어와 회전축 등 기계 부분과 구조물 부분에서 기계적 스트레스가 작다. 풍력발전 시스템을 설계할 때 고려해야 하는 하중이나 스트레스가 작아지면 기계구조 부분의 크기와 가격이 감소한다. 셋째 회전자측 컨버트는 고정자 무효전력을 제어하고, 계통측 컨버터는 자체의 무효전력을 임의로 제어할 수 있기 때문에 계통 운영자의 요구에 따라서 계통에 공급하는 전력의 역률이나 연계지점의 전압을 제어할 수 있다. 넷째 상대적으로 제어와 발전기 보호가 복잡하다. 고정자만 전력이 입/출력되는 일반적인 회전기와는 다르게 고정자와 회전자 양쪽으로 전력이 입/출력되기 때문에 제어가 복잡하다. 또 고정자가 계통에 직접 연결되므로 계통 변화에 대응할 수 있는 알고리즘도 요구된다. 이중여자 유도형 풍력발전 시스템이 구조와 제어는 복잡하지만 시스템의 용량에 비하여 기계구조 부분의 크기와 전력변환장치의 용량이 작아도 되기 때문에 대용량 풍력 발전시스템을 개발할 때 유리하게 작용하고, 대용량 시스템의 기본 구조로 채택되는 이유이다. 본 논문에서는 먼저 불평형 전원에 대해서 해석하고, 불평형에서 전력변환장치의 제어에 대하여 발표된 기존의 제어 방법에 대하여 살펴본다. 3상 유효전력의 변동은 직류단 전압의 변동을 유발시킨다. 계통 전압은 각 상의 전압 크기가 같고 각각 120°의 위상 차를 갖는다. 이때를 3상 평형이라고 한다. 그러나 계통에서의 사고 또는 각 상에 연결되어 있는 부하가 동일하지 않은 경우에 각 상전압의 크기와 위상 차가 달라지고 이때를 불평형 이라고 한다. 불평형에서 계통의 특성을 분석하기 위한 방법으로 3상을 정상, 역상 그리고 영상 성분으로 분리하여 분석하는 방법이 제시되었다[6-8]. 그리고, 불평형 계통에 연결된 전력 변환 장치에서 전력변환 장치를 제어하기 위하여 정상분과 역상분을 각각 d-q 좌표축으로 변환하여 제어하는 알고리즘을 제안한다. 본 논문은 2장에서 풍력터빈 발전시스템에 대해서 설명하고, 3장에서 이중여자 유도형 발전기의 컨버터 제어을 설명한다. 4장에서 제안하는 컨버터 제어기법의 시뮬레이션을 통해 제안하는 기법의 타당성을 검증하고 5장에서 결론을 맺는다.
학위논문(석사)--아주대학교 일반대학원 :전자공학과,2010. 8
Keywords: DFIG; Wind Turbines; 이중여자 유도형 풍력발전시스템; Unbalanced Grid Voltage Condition; Ripple Reduction