KR101318124B1 - 풍력발전단지의 관성 제어 방법 - Google Patents

풍력발전단지의 관성 제어 방법 Download PDF

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김두연
이진식
김연희
김진호
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Abstract

본 발명은 풍력발전단지를 제어하는 방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 전력망으로부터 수신된 또는 풍력발전기의 전압을 이용하여 연산된 전력망의 주파수 정보를 획득하는 단계, 풍력발전기의 회전자 속도 정보를 수신하는 단계, 상기 회전자 속도 정보를 이용하여 풍력발전기의 운동에너지를 연산하는 단계, 연산된 운동에너지를 이용하여 풍력발전기의 개별적인 드룹 계수를 연산하는 단계 및 연산된 드룹계수를 이용하여 풍력발전기를 제어하는 단계를 포함하는 풍력발전단지의 관성 제어 방법에 관한 것이다.

Description

풍력발전단지의 관성 제어 방법{Inertial control method for wind turbine}
본 발명은 풍력발전단지를 제어하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전력망에 발전기 탈락과 같은 외란이 발생하는 경우, 부족한 전력량를 전력망에 신속히 보충하고 정상운전상태로 회복시키기 위하여 풍력발전기를 제어하는 방법에 관한 것이다.
전력망에서 발전기 탈락이나 부하 증가와 같은 외란이 발생하게 되면, 전기에너지가 부족하므로 전력망의 주파수는 감소하게 된다. 국내에서는 주파수가 59Hz가 되면 발전기의 연쇄적인 탈락을 방지하기 위해 저주파수 부하차단(Under frequency load shedding, UFLS) 계전기가 작동하여 6%의 부하를 차단시키고, 매 0.2Hz 감소시, 추가로 6%의 부하를 탈락시킨다. 따라서 외란 발생 이후 전력망의 최저 주파수는 계통 신뢰도를 결정짓는 중요한 기준이 되고, 부하 차단을 방지하기 위해서는 전력망의 주파수가 59Hz 이하가 되지 않도록 해야 한다.
현재 풍력발전용으로 주로 사용되는 가변속 풍력발전기는 풍속에 따라 최대출력을 내기 위해 회전자 속도를 제어하는 최대출력추종(Maximum power point tracking, MPPT) 제어를 수행한다. MPPT 제어는 전력망 주파수의 변동에 관계없이 수행되므로, 풍력발전의 수용률이 높으면, 전력망의 관성이 감소한다. 이로 인해 전력망에 외란이 발생하면 주파수 하락이 커지므로, 이를 방지하기 위해 풍력발전기의 주파수 제어 기능이 필요하다.
풍력발전기가 전력망의 주파수 회복에 기여할 수 있는 많은 방법들이 제안되었다. 풍력발전기의 MPPT 수행을 위한 출력의 기준값에, 전력망 주파수 변화율(Rate of change of frequency, ROCOF) 루프에 의해서 생성된 기준값을 더하는 방식이 제안되었다. 이 방식은 외란 발생 후에 풍력발전기의 회전자에 저장되어 있는 에너지를 일시적으로 방출함으로써, 전력망 주파수 하락을 억제하는데 기여할 수 있는데, 외란 발생 직후에는 주파수 변화율이 큰 값을 가져 주파수 회복에 대한 기여도가 크지만, 시간이 지남에 따라 이 값이 점차 감소하므로 주파수 회복에 대한 기여도가 감소한다.
한편, 대부분의 경우 외란 발생 이후에 운전 중인 동기기의 관성 응답과 드룹 제어에 의해 방출하는 전력의 양이 탈락된 발전기의 용량보다 크다. 그러므로 주파수는 하락 이후에 반등하게 되고 주파수 변화율의 부호가 반대가 된다. 따라서 이 방식은 주파수 반등 이전까지는 주파수 회복에 기여를 하지만, 주파수가 반등된 이후에는 반대가 된 주파수 변화율의 부호로 인하여 풍력단지의 출력이 감소하게 되고 그 결과 주파수 회복에 대한 기여도가 적어진다.
한국공개특허공보 제 2008-0077161호(2008.08.21.공개)
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위한 것으로, 외란 발생시 신속하게 주파수를 회복하고 전력망에 많은 전력을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이를 위해 본 발명의 풍력발전단지 관성 제어 방법은 일 실시예에서, 전력망으로부터 수신된 또는 풍력발전기의 전압을 이용하여 연산된 전력망의 주파수 정보를 획득하는 단계, 풍력발전기의 회전자 속도 정보를 수신하는 단계, 상기 회전자 속도 정보를 이용하여 풍력발전기의 운동에너지를 연산하는 단계, 연산된 운동에너지를 이용하여 풍력발전기의 개별적인 드룹 계수를 연산하는 단계 및 연산된 드룹계수를 이용하여 풍력발전기를 제어하는 단계를 포함한다.
이 때, 드룹 계수를 연산하는 단계는 풍력발전기의 운동에너지와 풍력발전기에서 출력되는 에너지가 양의 상관관계를 갖도록 하는 드룹 계수를 도출하고, 상기 드룹 계수는 하한이 풍력발전기가 최저운전속도 이하로 감속되지 않는 범위 내로 결정되는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 다른 실시예는 전력망으로부터 수신된 또는 풍력발전기의 전압을 이용하여 연산된 전력망의 주파수 정보를 획득하는 단계, 상기 주파수의 시간당 변화율을 연산하는 단계, 주파수의 최대 변화율을 도출하는 단계 및 주파수의 최대 변화율이 유지되는 상태로 풍력발전기를 제어하는 단계를 포함한다. 제어 단계는 풍력발전기의 유효전력 기준값 생성시, 주파수의 최대 변화율을 이용하여 생성된 기준값이 유지되도록 제어하는 것을 포함할 수 있다.
또한 상기 제어 단계는 풍력발전기의 운동에너지에 따라 변하는 전력망 주파수 변화율 루프 계수를 반영하여 풍력발전기를 제어할 수도 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에서는 앞서 언급한 실시예의 주파수 정보 수신 단계 이후에, 풍력발전기의 회전자 속도 정보를 수신하는 단계, 상기 회전자 속도 정보를 이용으로 풍력발전기의 운동에너지를 연산하는 단계 및 연산된 운동에너지를 이용하여 풍력발전기의 개별적인 드룹 계수를 연산하는 단계를 더 포함하고, 제어 단계는 연산된 드룹계수를 이용하고, 주파수의 최대 변화율이 유지되는 상태로 풍력발전기를 제어하는 것을 포함할 수 있다.
상술한 실시예에 따라 본 발명은 외란 발생시 종래에 비하여 신속하게 주파수를 회복하고 전력망에 많은 전력을 제공할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 풍력발전단지 관성 제어 방법의 일 실시예를 나타낸 순서도이다.
도 2는 도 1에 도시된 실시예에 따른 관성 제어 방법을 제어 루프 형태로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예를 시뮬레이션하기 위한 풍력발전단지의 모형을 나타낸 모식도이다.
도 4는 회전자의 속도에 따른 풍력발전기의 드룹 계수를 그래프로 정리한 것이다.
도 5a 내지 도 5d는 도 1의 실시예를 시뮬레이션한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력발전단지의 관성 제어 방법을 나타낸 순서도이다.
도 7은 도 6에 도시된 실시예에 의한 관성 제어 방법을 제어 루프 형태로 나타낸 것이다.
도 8a 내지 도 8d는 도 6의 실시예를 시뮬레이션한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 풍력발전단지의 관성 제어 방법을 나타낸 순서도이다.
도 10은 도 9에 도시된 실시예 따른 관성 제어 방법을 제어 루프 형태로 표시한 것이다.
도 11a 내지 도 11d는 도 9의 실시예를 시뮬레이션한 결과를 나타낸 그래프이다.
본 발명에 대해 상세히 설명하기에 앞서 본 발명에서 사용되는 "풍력발전단지" 용어는 하나 또는 복수의 풍력발전기를 포함하는 개념이다. 즉, 하나의 풍력발전기에 대해서도 풍력발전단지라는 용어를 이용하여 설명한다.
따라서 풍력발전단지를 제어한다는 용어는 복수의 풍력발전기를 포함하는 풍력발전단지를 제어하는 것 뿐만 아니라, 하나의 풍력발전기를 제어하는 것도 포함하는 의미로 해석되어야 하며, 풍력발전단지 자체가 복수인 경우, 각 풍력발전단지를 제어하는 것도 본 발명의 "풍력발전단지 제어"해당한다. 한편, "풍력발전기의 전압"의 의미는 개별 풍력발전기의 전압 뿐만 아니라 복수의 풍력발전기에 의해 구성된 풍력발전단지의 전압도 포함하는 개념으로 보아야 한다.
본 발명의 관성 제어 방법은 풍력발전기, 풍력발전단지를 제어하는 데에 있어서 제한없이 적용되는 것으로, 그 범위가 한정되지 아니한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 풍력발전단지 관성 제어 방법의 일 실시예를 나타낸 순서도이다.
본 발명의 풍력발전단지 관성 제어 방법은 풍력발전기의 전력망으로부터 수신된 또는 풍력발전기의 전압을 이용하여 연산된 전력망의 주파수 정보를 획득하는 단계, 풍력발전기의 회전자 속도 정보를 수신하는 단계, 상기 회전자 속도 정보를 이용하여 풍력발전기의 운동에너지를 연산하는 단계, 연산된 운동에너지를 이용하여 풍력발전기의 개별적인 드룹 계수를 연산하는 단계 및 연산된 드룹계수를 이용하여 풍력발전기를 제어하는 단계를 포함한다.
풍력발전기의 주파수 정보는 풍력발전기 내에 부착된 센서 또는 풍력발전기를 모니터링하는 중앙 제어 장치 등을 통해 획득할 수 있다. 한편, 풍력발전기의 회전자가 어떠한 속도에 따라 회전하는지를 감지하기 위하여 회전자 속도를 별도의 센서 또는 풍력발전기를 모니터링하는 중앙 제어 장치 등을 통해 확인할 수 있다.
회전자 속도 정보를 수신하여 풍력발전기의 운동에너지를 연산하며, 이에 따라 풍력발전기가 방출할 수 있는 운동에너지를 연산한다.
외란 발생 시 풍력발전기가 방출할 수 있는 운동에너지는 아래 식에 따라 연산된다.
[수학식 1]
Figure 112013056422625-pat00001
ωmin은 풍력발전기의 최저운전속도이다. 결국 위 [수학식 1]에서 Ei는 i번째 풍력발전기에서 풍력발전기가 방출할 수 있는 운동에너지가 된다.
[수학식 1]을 통해 연산된 운동에너지를 이용하여 풍력발전기 별로 개별적인 드룹 계수를 연산한다. 드룹(droop)은 주파수 제어를 수행하기 위해 풍력발전기에 추가된 변화량 루프의 제어 이득(gain)이다.
발전기의 드룹계수를 구하는 식은 아래 [수학식 2]와 같다.
[수학식 2]
Figure 112013056422625-pat00002
위 수학식의 좌변은 전력을 주파수로 나눈 것이므로 단위가 에너지와 같아 다음과 같이 표현할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112013056422625-pat00003
여기서 m은 풍력발전단지 내 풍력발전기의 수이다. Ei는 주파수 제어(또는 관성 제어)를 통해 부하(전력망)로 방출되는 운동에너지이고, C는 [수학식 1]의 좌변에 단위를 고려함에 따라 생긴 상수항이다.
결국 풍력발전기에서 부하로 방출가능한 에너지는 드룹 계수에 반비례하게 되고, 달리 말하면 풍력발전기에서 부하로 방출가능한 에너지(Ei)와 드룹 계수(Ri)의 곱은 항상 일정하다. 이를 수학식으로 표현하면 아래 [수학식 4]와 같다.
[수학식 4]
Figure 112013056422625-pat00004
여기서 Emax는 풍력발전기가 방출 가능한 최대 운동에너지이고, 이는 [수학식 1]의 ωi에 최고 운전속도 ωmax를 대입하여 도출할 수 있다. 풍력발전기의 ωmax는 풍력발전기의 성능에 따라 달라진다(후술할 시뮬레이션에서는 ωmax=1.25pu로 산정하였다.). Rmin은 발전기에서 산정된 최소 드룹으로 다양한 방법에 따라 정해질 수 있으나, 본 발명에서는 그 일 실시예로 풍력발전기의 회전자의 운전 한계를 초과하지 않는 범위 내로, 그리고 풍력발전단지 내의 다른 발전기들이 관성제어 수행 시 최저속도 이하로 감속되는 것을 막는 범위 내로 결정된다.
Rmin, Emax는 정해진 값이고 Ei는 연산된 값이므로, 이를 바탕으로 풍력발전기의 드룹 계수(Ri)를 연산할 수 있다. [수학식 4]를 Ri에 대해 정리하면, 아래 [수학식 5]와 같다.
[수학식 5]
Figure 112013056422625-pat00005
결국 드룹 계수를 연산하는 단계는 풍력발전기의 운동에너지와 풍력발전기에서 출력되는 에너지가 양의 상관관계를 갖도록 하는 드룹 계수를 도출한다.
도 2는 도 1에 도시된 실시예에 따른 관성 제어 방법을 루프 형태로 나타낸 것이다.
도 2의 하단에 드룹 계수를 산정하는 데에 필요한 주파수 정보(fsys, fnom)을 수신하여 드룹계수를 연산하는 루프(loop)가 추가되어 있음을 확인할 수 있으며, 이는 앞서 도 1을 통해 설명한 본 발명의 실시예를 표현한 것이다. 도 2의 상단의 P0는 가변 속도 풍력발전기의 최대출력 추종(Maximum power Point Tracking, MPPT) 제어를 수행 또는 풍력발전기의 유효전력을 제어하기 위한 기준값이고, 여기에 추가된 두 제어루프 중 상단은 주파수 변화율(Rate Of Change Of the Frequency, ROCOF)을 이용한 루프를 나타낸 것이다.
이하에서는 도 1, 2에 도시된 실시예에 따라 기존의 방식과 비교하여 시뮬레이션한 결과를 살펴본다.
도 3은 본 발명의 실시예를 시뮬레이션하기 위한 풍력발전단지의 모형을 나타낸 모식도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 성능을 검증하기 위하여 EMTP-RV 시뮬레이터를 사용하여 모의 계통을 구성하였다. 도 3은 5기의 동기발전기와 풍력발전단지로 구성된 모의 계통을 나타낸다. 동기 발전기는 100 MVA 1기, 150 MVA 2기, 200 MVA 2기로 구성되고 5 MVA DFIG로 구성된 75 MVA의 풍력발전단지가 계통에 연계되어 있다. 풍력발전기는 총 15대이다. 전체 발전용량은 900 MVA이고 부하에서 소비하는 유효전력은 600 MW이다.
도 4는 회전자의 속도에 따른 풍력발전기의 드룹 계수를 그래프로 정리한 것이며, 이 때 Rmin을 1.5%로 적용하였다. 드룹 계수(Ri)가 풍력발전기에서 부하로 방출가능한 에너지(Ei)에 반비례하고, Ei는 풍력발전기의 회전자 속도(ωi)의 제곱에 비례하므로 ωi 와 Ri 는 도 4와 같은 관계를 가진다.
도 5는 도 3에 따른 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5a 및 도 5b에서 청색의 굵은 실선은 본 발명의 실시예에 따른 특성을 나타낸 것이고, 녹색의 가는 실선은 도 2의 상단의 제어 루프(ROCOF) 만을 적용한 때의 특성을 나타낸 것이며, 적색 점선은 MPPT에 따른 제어만을 수행하고, 별도의 주파수 제어는 실시하지 않은 경우의 특성을 나타낸 것이다.
도 5a는 시간에 따른 주파수 변화 추이이고, 도 5b는 시간에 따른 풍력발전단지 출력의 추이이다. 본 발명의 실시예가 대조군에 비하여 주파수 하락 초기에, 즉 풍력발전단지에 외란이 발생한 때에, 부하에 보다 많은 전력을 공급(도 5b에 도시)하여 주파수 최저점이 상승(도 5a에 도시)한 것을 확인할 수 있다.
도 5c는 본 발명의 실시예에서 시간에 따른 회전자 속도를 나타낸 것이고, 도 5d는 도 2의 상단의 제어 루프(ROCOF) 만을 적용한 때의 시간에 따른 회전자 속도를 나타낸 것이다. 청색의 굵은 실선은 도 3의 계통에 가까운 첫 번째 줄에 배치된 풍력발전기에서의 회전자 속도, 녹색의 실선은 두 번째 줄에 배치된 풍력발전기에서의 회전자 속도, 적색의 점선은 세 번째 줄에 배치된 풍력발전기에서의 회전자 속도를 나타낸 것이다. 풍력발전기의 배치에 따라 회전자 속도가 다른 이유는 후류 효과가 반영되기 때문이다.
도 5c와 도 5d를 비교하면, 본 발명의 실시예가 도 2의 상단의 제어 루프(ROCOF) 만을 적용한 때에 비하여 회전자 속도의 감소량이 시간이 지날수록 커지는 것을 확인할 수 있다. 특히, 운동에너지를 가장 많이 가지고 있는(회전자의 속도가 빠른) 1열에서의 감소량이 가장 큼을 확인할 수 있다.
결국, 본 발명에 따를 경우, 시스템의 주파수가 종래에 비하여 덜 낮추어지도록, 바꿔 말하면 외란이 발생하더라도 풍력발전기가 탈락되지 않도록 제어할 수 있으며, 회전자를 가동시켜 부하에 에너지를 공급한 이후에도 빠른 시간 안에 정상 상태로 되돌아 올 수 있다는 점이 시뮬레이션을 통해 밝혀졌다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력발전단지의 관성 제어 방법을 나타낸 순서도이다.
본 실시예에서는 전력망으로부터 수신된 또는 풍력발전기의 전압을 이용하여 연산된 전력망의 주파수 정보를 획득하는 단계, 상기 주파수의 시간당 변화율을 연산하는 단계, 주파수의 최대 변화율을 도출하는 단계 및 주파수의 최대 변화율이 유지되는 상태로 풍력발전기를 제어하는 단계를 포함한다.
도 7은 본 실시예에 의한 풍력발전단지를 제어하는 방법을 제어 루프 형태로 나타낸 것이다. 본 실시예는 앞서 설명한 ROCOF 방법을 개선한 것으로 주파수 변화율을 연산하고, 주파수 변화율의 최대값을 기반으로 유효전력 기준값을 생성한다. 도 7에서 max라고 표시된 단계를 통해 주파수 변화율의 최대값을 도출하고 주파수 변화율이 최대값일 때의 풍력발전기의 출력을 유지(유효전력 기준값이 유지)되도록 함으로써, 외란 직후에 보조루프가 일정한 출력을 낼 수 있고, 이에 따라 풍력발전단지가 큰 출력을 내므로 주파수 최저점이 증가하고, 주파수 반등시점이 빨라져 빠른 시간 안에 정상 상태로 회복될 수 있을 뿐만 아니라, 종래의 방식에 비하여 주파수 반등 이후에도 주파수 회복이 빠른 장점이 있다.
이하에서는 본 실시예에 대해 시뮬레이션을 실시한 결과를 확인하며, 본 발명의 특징에 대해 살펴본다. 도 3에 도시된 형태를 상정하여 시뮬레이션을 실행하였고, 그 결과는 도 8a 내지 도 8d에 나타내었다.
도 8a 및 도 8b에서 청색의 굵은 실선은 본 발명의 실시예에 따른 특성을 나타낸 것이고, 녹색의 가는 실선은 도 7에서 주파수의 최대 변화율을 도출하지 않고 시간에 따라 변하는 주파수 변화율을 그대로 적용하며, 풍력발전기 개별 드룹계수를 연산하지 않은 때의 특성을 나타낸 것이며, 적색 점선은 MPPT에 따른 제어만을 수행하고 별도의 주파수 제어는 실시하지 않은 경우의 특성을 나타낸 것이다.
도 8a는 시간에 따른 주파수 변화 추이이고, 도 8b는 시간에 따른 풍력발전단지 출력의 추이이다. 본 발명의 실시예가 대조군에 비하여 주파수 하락 초기에 부하에 보다 많은 전력을 공급(도 8b에 도시)하여 주파수 최저점이 상승(도 8a에 도시)한 것을 확인할 수 있다. 풍력발전단지에 외란이 발생한 때에 풍력발전기의 유효전력(출력) 기준값이 커진 상태로 유지되고, 커진 전력을 공급하기 위해 풍력발전기 회전자 에너지를 사용하므로, 회전자 속도가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 주파수 하락 초기에 풍력발전기가 많은 전력을 전력망에 공급하여 부하의 주파수 회복에 기여함으로써, 풍력발전기의 추가적인 탈락을 방지하고, 전력망을 정상화하는데 일조하는 점을 알 수 있다.
도 8c는 본 발명의 실시예에서 시간에 따른 회전자 속도를 나타낸 것이고, 도 8d는 도 7에서 주파수의 최대 변화율을 도출하지 않고 시간에 따라 변하는 주파수 변화율을 그대로 적용한 때의 시간에 따른 회전자 속도를 나타낸 것이다. 청색의 굵은 실선은 도 3의 계통에 가까운 첫 번째 줄에 배치된 풍력발전기에서의 회전자 속도, 녹색의 실선은 두 번째 줄에 배치된 풍력발전기에서의 회전자 속도, 적색의 점선은 세 번째 줄에 배치된 풍력발전기에서의 회전자 속도를 나타낸 것이다. 풍력발전기의 배치에 따라 회전자 속도가 다른 이유는 후류 효과가 반영되기 때문이다.
도 8c와 도 8d를 비교하면, 본 발명의 실시예가 도 7에서 주파수의 최대 변화율을 도출하지 않고, 시간에 따라 변화하는 주파수 변화율을 그대로 적용한 때 때에 비하여 회전자 속도의 감소량이 시간이 지날수록 커지는 것을 확인할 수 있다. 특히, 운동에너지를 가장 많이 가지고 있는(회전자의 속도가 빠른) 1열에서의 감소량이 가장 큼을 확인할 수 있다.
결국, 본 발명에 따를 경우, 시스템의 주파수가 종래에 비하여 덜 낮추어지도록, 바꿔 말하면 풍력발전기를 탈락시키지 않도록 제어할 수 있으며, 회전자를 가동시켜 부하에 에너지를 공급한 이후에도 빠른 시간 안에 정상 상태로 되돌아 올 수 있음이 시뮬레이션을 통해 밝혀졌다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에서는 풍력발전기의 운동에너지에 따라 변하는 전력망 주파수 변화율 루프 계수를 반영하여 풍력발전기를 제어할 수 있다. 본 실시예는 도 7에 도시된 제어 루프 상의 K 값을 변화시키는 것으로, 운동에너지가 높은 풍력발전기에 보다 높은 K값을 할당하여 제어한다.
한편, 도 9는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 풍력발전단지의 관성 제어 방법을 나타낸 순서도이다.
도 9에 도시된 실시예는 앞서 도 1에 도시된 실시예와 도 6에 도시된 실시예를 동시에 적용한 것이다. 풍력발전기의 주파수 정보를 수신하는 단계 이후에 (1) 주파수의 시간당 변화율을 연산하는 단계, 주파수의 최대 변화율을 도출하는 단계와 (2) 풍력발전기의 회전자 속도 정보를 수신하는 단계, 상기 회전자 속도 정보를 이용으로 풍력발전기의 운동에너지를 연산하는 단계 및 연산된 운동에너지를 이용하여 풍력발전기의 개별적인 드룹 계수를 연산하는 단계가 병렬적으로 진행되고, 각각 진행된 단계에 따른 결과를 반영하여 풍력발전기를 제어한다. 그 결과 풍력발전기를 제어하는 단계는 연산된 드룹계수를 이용하고, 주파수의 최대 변화율이 유지되는 상태로 풍력발전기를 제어한다. 이는 도 10을 보면 더욱 명확히 알 수 있다.
도 10은 도 9에 도시된 실시예를 제어 루프 형태로 표시한 것이다. 상단의 루프와 하단의 루프는 각각 앞선 실시예의 특징을 나타낸 것으로 위 두 실시예를 결합한 새로운 실시예를 도식적으로 나타내고 있다.
도 9, 10에 나타난 실시예는 전력망에 외란 발생시 풍력발전단지 내 풍력발전기의 회전자 속도를 고려하여 개별적인 드룹계수를 연산할 뿐 아니라, 주파수 변화율의 최대값을 유지하여 풍력발전기의 유효전력 기준값이 극대화된 상태에서 유지되도록 함으로써 전력망의 주파수를 효과적으로 회복할 수 있다.
본 실시예에 따른 시뮬레이션 결과를 도 11a 내지 도 11d에 나타내었다.
도 11a 및 도 11b에서 청색의 굵은 실선은 본 실시예에 따른 특성을 나타낸 것이고, 녹색의 가는 실선은 도 9에서 주파수의 최대 변화율을 도출하지 않고, 시간에 따라 변하는 주파수 변화율을 그대로 적용하며, 개별적인 드룹 계수를 연산하지 않은 때의 특성을 나타낸 것이며, 적색 점선은 MPPT에 따른 제어만을 수행하고, 별도의 주파수 제어는 실시하지 않은 경우의 특성을 나타낸 것이다.
도 11a는 시간에 따른 주파수 변화 추이이고, 도 11b는 시간에 따른 풍력발전단지 출력의 추이이다. 본 발명의 실시예가 대조군에 비하여 주파수 하락 초기에 부하에 보다 많은 전력을 공급(도 11b에 도시)하여 주파수 최소점이 상승(도 11a에 도시)한 것을 확인할 수 있다. 즉 풍력발전단지에 외란이 발생한 때에 풍력발전기의 유효전력(출력) 기준값이 커진 상태로 유지되고, 커진 전력을 공급하기 위해 풍력발전기 회전자 에너지를 사용하므로, 회전자 속도가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 주파수 하락 초기에 풍력발전기가 많은 전력을 전력망에 공급하여 부하의 주파수 회복에 기여함으로써, 풍력발전기의 추가적인 탈락을 방지하고, 전력망을 정상화하는데 기여하는 점을 알 수 있다. 뿐만 아니라, 도 5a, 도 8a에 도시된 실시예와 비교하여도 주파수 회복 효과가 뛰어나고, 부하에 더 많은 전력을 제공한다는 점을 확인할 수 있다.
도 11c는 본 발명의 실시예에서 시간에 따른 회전자 속도를 나타낸 것이고, 도 11d는 도 9에서 주파수의 최대 변화율을 도출하지 않고, 시간에 따라 변하는 주파수 변화율을 그대로 적용하며, 개별적인 드룹 계수를 연산하지 않은 때의 특성을 나타낸 것이다.
청색의 굵은 실선은 도 3의 계통에 가까운 첫 번째 줄에 배치된 풍력발전기에서의 회전자 속도, 녹색의 실선은 두 번째 줄에 배치된 풍력발전기에서의 회전자 속도, 적색의 점선은 세 번째 줄에 배치된 풍력발전기에서의 회전자 속도를 나타낸 것이다. 풍력발전기의 배치에 따라 회전자 속도가 다른 이유는 후류효과가 반영되기 때문이다.
도 11c와 도 11d를 비교하면, 본 발명의 실시예가 대조군에 비하여 회전자 속도의 감소량이 시간이 지날수록 커지는 것을 확인할 수 있다. 특히, 운동에너지를 가장 많이 가지고 있는(회전자의 속도가 빠른) 1열에서의 감소량이 가장 큼을 확인할 수 있다.
뿐만 아니라 본 발명의 다른 실시예(도 5c, 도 8c)와 비교하여도 회전자 속도가 월등히 많이 감소하는 것을 볼 수 있다.
결국, 본 발명에 따를 경우, 시스템의 주파수가 종래에 비하여 덜 낮추어지도록, 바꿔 말하면 풍력발전기를 탈락시키지 않도록 제어할 수 있으며, 회전자를 가동시켜 부하에 에너지를 공급한 이후에도 빠른 시간 안에 정상 상태로 되돌아 올 수 있음이 시뮬레이션을 통해 밝혀졌다.
본 발명의 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것으로 본 발명이 속한 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 수정, 변경, 부가가 가능한 부분까지 본 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims (14)

  1. 전력망으로부터 수신된 또는 풍력발전기의 전압을 이용하여 연산된 전력망의 주파수 정보를 획득하는 단계;
    풍력발전기의 회전자 속도 정보를 수신하는 단계;
    상기 회전자 속도 정보를 이용하여 풍력발전기의 운동에너지를 연산하는 단계;
    연산된 운동에너지를 이용하여 풍력발전기의 개별적인 드룹 계수를 연산하는 단계; 및
    연산된 드룹계수를 이용하여 풍력발전기를 제어하는 단계;
    를 포함하는 풍력발전단지의 관성 제어 방법
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 드룹 계수를 연산하는 단계는 풍력발전기의 운동에너지와 풍력발전기에서 출력되는 에너지가 양의 상관관계를 갖도록 하는 드룹 계수를 도출하는 것을 특징으로 하는 풍력발전단지의 관성 제어 방법
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 드룹 계수는 하한이 풍력발전기가 최저운전속도 이하로 감속되지 않는 범위 내로 결정되는 것을 특징으로 하는 풍력발전단지의 관성 제어 방법
  4. 전력망으로부터 수신된 또는 풍력발전기의 전압을 이용하여 연산된 전력망의 주파수 정보를 획득하는 단계;
    상기 주파수의 시간당 변화율을 연산하는 단계;
    주파수의 최대 변화율을 도출하는 단계; 및
    주파수의 최대 변화율이 유지되는 상태로 풍력발전기를 제어하는 단계;
    를 포함하는 풍력발전단지의 관성 제어 방법
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 제어 단계는
    풍력발전기의 유효전력 기준값 생성시, 주파수의 최대 변화율을 이용하여 생성된 기준값이 유지되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 풍력발전단지의 관성 제어 방법
  6. 청구항 4에 있어서, 상기 제어 단계는
    풍력발전기의 운동에너지에 따라 변하는 전력망 주파수 변화율 루프 계수를 반영하여 풍력발전기를 제어하는 것을 특징으로 하는 풍력발전단지의 관성 제어 방법
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 전력망 주파수 변화율 루프 계수는 하한이 풍력발전기가 최저운전속도 이하로 감속되지 않는 범위 내로 결정되는 것을 특징으로 하는 풍력발전단지의 관성 제어 방법
  8. 청구항 4에 있어서, 상기 주파수 정보 획득 단계 이후에,
    풍력발전기의 회전자 속도 정보를 수신하는 단계;
    상기 회전자 속도 정보를 이용으로 풍력발전기의 운동에너지를 연산하는 단계; 및
    연산된 운동에너지를 이용하여 풍력발전기의 개별적인 드룹 계수를 연산하는 단계;
    를 더 포함하고,
    상기 제어 단계는 연산된 드룹계수를 이용하고, 주파수의 최대 변화율이 유지되는 상태로 풍력발전기를 제어하는 것을 특징으로 하는 풍력발전단지의 관성 제어 방법
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 드룹 계수를 연산하는 단계는 풍력발전기의 운동에너지와 풍력발전기에서 출력되는 에너지가 양의 상관관계를 갖도록 하는 드룹 계수를 도출하는 것을 특징으로 하는 풍력발전단지의 관성 제어 방법
  10. 청구항 8에 있어서, 상기 제어 단계는, 연산된 드룹계수를 이용하고, 풍력발전기의 운동에너지에 따라 변하는 전력망 주파수 변화율 루프 계수를 반영하여 풍력발전기를 제어하는 것을 특징으로 하는 풍력발전단지의 관성 제어 방법
  11. 청구항 8에 있어서, 상기 드룹 계수 또는 전력망 주파수 변화율 루프 계수는 하한이 풍력발전기가 최저운전속도 이하로 감속되지 않는 범위 내로 결정되는 것을 특징으로 하는 풍력발전단지의 관성 제어 방법
  12. 전력망으로부터 수신된 또는 풍력발전기의 전압을 이용하여 연산된 전력망의 주파수 정보를 획득하는 단계;
    상기 주파수의 시간당 변화율을 연산하는 단계; 및
    주파수의 변화율에 대응하여 풍력발전기를 제어하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 주파수 정보 획득 단계 이후에,
    풍력발전기의 회전자 속도 정보를 수신하는 단계;
    상기 회전자 속도 정보를 이용으로 풍력발전기의 운동에너지를 연산하는 단계; 및
    연산된 운동에너지를 이용하여 풍력발전기의 개별적인 드룹 계수를 연산하는 단계;
    를 더 포함하는 풍력발전단지의 관성 제어 방법
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 제어 단계는 연산된 드룹계수를 이용하고, 풍력발전기의 운동에너지에 따라 변하는 전력망 주파수 변화율 루프 계수를 반영하여 풍력발전기를 제어하는 것을 특징으로 하는 풍력발전단지의 관성 제어 방법
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 드룹 계수 또는 전력망 주파수 변화율 루프 계수는 하한이 풍력발전기가 최저운전속도 이하로 감속되지 않는 범위 내로 결정되는 것을 특징으로 하는 풍력발전단지의 관성 제어 방법
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