KR101450147B1 - 풍력발전기의 관성제어 방법 - Google Patents

풍력발전기의 관성제어 방법 Download PDF

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강용철
이진식
김진호
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전북대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 풍력발전기의 관성제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전력망의 주파수 정보를 획득하는 단계, 상기 주파수 정보가 기설정된 범위 이하로 하락하는 경우, 시변 드룹 계수를 연산하는 단계 및 연산된 시변 드룹 계수를 이용하여 풍력발전기를 제어하는 단계를 포함하고, 상기 시변 드룹 계수 연산 단계는 관성제어에 따라 변동하는 회전자속도 정보를 실시간으로 수집하는 단계, 수집된 회전자속도 정보를 이용하여 시변 드룹 계수를 연산하는 단계를 포함하는 풍력발전기의 관성제어 방법에 관한 것이다.

Description

풍력발전기의 관성제어 방법{Inertial control method of wind turbines}
본 발명은 풍력발전기를 제어하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전력망에 동기발전기 탈락과 같은 외란이 발생하는 경우, 풍력발전기가 주파수 제어에 기여하기 위해 신속히 유효전력을 증가시키는 제어 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 회전자속도를 제어하는 최대출력추종(Maximum power point tracking, MPPT) 제어를 수행한다. MPPT 제어는 전력망 주파수의 변동에 관계없이 수행되므로, 풍력수용률이 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 제어를 수행하기 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.
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.
이러한 문제를 개선하기 위하여 주파수의 변화량에 드룹 계수를 곱하여 주파수 제어에 기여하는 주파수 변화량 제어루프를 기존의 제어루프에 추가하는 방법이 개발되었고, 아래 특허문헌 1, 2(본 출원인의 선행 등록특허)에서는 풍력발전단지 내 각 풍력발전기의 드룹 계수를 연산하는 방안이 제안되었다. 특허문헌 1에서는 관성제어 시작 시점에서 계산한 풍력발전기의 운동에너지를 기초로 개별적인 드룹 계수를 연산하고, 특허문헌 2에서는 주파수 변화율에 근거하여 드룹 계수를 연산하고 실시간으로 드룹 계수를 갱신하는 풍력발전기의 관성제어를 수행한다.
한국등록특허공보 제 1318124 호 한국등록특허공보 제 1398400 호
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 외란 발생시 신속하게 주파수를 회복시키기 위하여 전력망에 많은 전력을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 각 풍력발전기들의 관성제어 능력 한계를 반영한 관성제어를 수행하여 전력망 주파수의 2차 하락을 방지하는 것을 목적으로 한다.
특히, 관성제어 시작 시점에서 계산한 풍력발전기의 운동에너지를 이용하여 드룹 계수를 연산하던 종래의 방식을 개선한 새로운 관성제어 계수 연산 방법을 제안하기 위한 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 풍력발전기의 관성제어 방법은 전력망의 주파수 정보를 획득하는 단계, 상기 주파수 정보가 기설정된 범위 이하로 하락하는 경우, 시변 드룹 계수를 연산하는 단계 및 연산된 시변 드룹 계수를 이용하여 풍력발전기를 제어하는 단계를 포함하고, 상기 시변 드룹 계수 연산 단계는 관성제어에 따라 변동하는 회전자속도 정보를 실시간으로 수집하는 단계 및 수집된 회전자속도 정보를 이용하여 시변 드룹 계수를 연산하는 단계를 포함한다.
시변 드룹 계수를 연산하는 일 예로 회전자속도 정보를 이용하여 회전자의 운동에너지를 연산하는 단계 및 연산된 운동에너지를 회전자의 최대 운동에너지와 비교하여 시변 드룹 계수를 연산하는 단계를 포함할 수 있다. 이 때, 회전자의 운동에너지와 풍력발전기에서 방출하는 에너지가 양의 상관관계를 갖도록 하는 시변 드룹 계수를 도출할 수 있다.
한편, 상기 시변 드룹 계수는 회전자속도가 최저 운전 속도 이하로 감속되지 않는 범위 내로 하한이 결정될 수 있으며, 운동에너지 연산 단계는
Figure 112014073958304-pat00001
(단, ωi(t) : 시간에 따른 회전자속도 정보, ωmin : 풍력발전기의 최저운전속도, J : 관성모멘트)에 따라 연산될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 시변 드룹 계수 연산 단계는
Figure 112014073958304-pat00002
(단, ΔEmax : 최대 운동에너지, Ro : 최대 운동에너지일 때의 드룹 계수, ΔEi(t) : 시간에 따른 운동에너지)에 따라 연산될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력발전기의 관성 제어 방법은 전력망의 주파수 정보를 획득하는 단계 이후에, 관성제어에 따라 변동하는 회전자속도 정보를 실시간으로 수집하는 단계 및 풍력발전기의 운전 범위를 반영하여 회전자속도에 비례하는 시변 제어 계수를 연산하는 단계를 포함하고, 상기 풍력발전기 제어 단계는 연산된 시변 드룹 계수 및 시변 제어 계수를 이용하여 풍력발전기를 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서는 전력망의 주파수 정보를 획득하는 단계 이후에 상기 주파수의 시간당 변화율을 연산하는 단계, 주파수 변화율의 최대값을 도출하는 단계 및 도출된 주파수 변화율 최대값과 상기 시변 제어 계수를 곱하여 출력 기준값을 생성하는 단계를 포함하고, 풍력발전기 제어 단계는 주파수 변화율의 최대값이 유지되는 상태에서 연산된 시변 드룹 계수 및 시변 제어 계수를 이용하여 풍력발전기를 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서는 전력망의 주파수 정보를 획득하는 단계, 관성제어에 따라 변동하는 회전자속도 정보를 실시간으로 수집하는 단계 및 풍력발전기의 운전 범위를 반영하여 회전자속도에 비례하는 시변 제어 계수를 연산하는 단계를 포함하고, 전력망의 주파수 정보를 획득하는 단계 이후에, 상기 주파수의 시간당 변화율을 연산하는 단계, 주파수 변화율의 최대값을 도출하는 단계 및 도출된 주파수 변화율 최대값과 상기 시변 제어 계수를 곱하여 출력 기준값을 생성하는 단계를 더 포함하며, 생성된 출력 기준값에 따라 풍력발전기를 제어할 수 있다.
본 발명에 따르면, 외란 발생 시 풍력발전단지의 유효 전력을 증가시켜 신속하게 주파수를 회복할 수 있으며, 모든 풍력발전기가 최저운전속도 이하로 감속되는 것을 방지하여 관성제어의 중단 없이 지속적으로 주파수 제어에 기여할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기의 관성제어 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기의 관성제어 방법을 나타낸 제어 루프이다.
도 3은 본 발명의 실시예를 시뮬레이션하기 위한 풍력발전단지의 모형을 나타낸 모식도이다.
도 4 내지 도 8은 종래 기술과 본 발명의 일 실시예에 따른 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 전술한 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용 효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 명세서에 첨부된 도면에 의거한 이하 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.
한편, 본 발명에서 사용되는 "풍력발전기"라는 용어는 하나 또는 복수의 풍력발전기를 포함하는 개념이다. 즉, 복수의 풍력발전기를 제어하는 것도 풍력발전기를 제어한다고 표현한다. 다만, 복수의 풍력발전기를 제어하는 경우, 풍력발전단지를 제어한다는 표현과 풍력발전기를 제어한다는 표현을 별도로 구분하지 아니한다. 본 발명의 관성제어 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 일 실시예에 따른 풍력발전기의 관성제어 방법을 나타난 순서도이다.
본 실시예에서 풍력발전기의 관성제어 방법은 전력망의 주파수 정보를 획득하는 단계, 상기 주파수 정보가 기설정된 범위 이하로 하락하는 경우, 시변 드룹 계수를 연산하는 단계 및 연산된 시변 드룹 계수를 이용하여 풍력발전기를 제어하는 단계를 포함하고, 이 때 시변 드룹 계수 연산 단계는 관성제어에 따라 변동하는 회전자속도 정보를 실시간으로 수집하는 단계, 수집된 회전자속도 정보를 이용하여 시변 드룹 계수를 연산하는 단계를 포함한다.
전력망의 주파수 정보는 풍력발전기 내에 부착된 센서 또는 풍력발전기를 모니터링하는 중앙 제어 장치 등을 통해 획득할 수 있다. 앞서 [발명의 배경이 되는 기술]란에서 언급한대로, 전력망의 주파수가 하락되면 이를 회복시키기 위한 유효전력이 신속하게 공급되어야만 하다. 그렇지 못할 경우 운전중인 발전기들이 탈락할 수 있고, 결국, 전력망 전체가 붕괴되는 결과를 초래할 수 있다. 전력망의 정격 주파수는 60Hz로 운영되는데, 주파수가 정격 주파수 이하로 하락하는 경우, 이에 대한 제어가 필요하고 특히 풍력발전단지에도 이러한 주파수 제어 기능이 점차 요구되고 있는 실정이다.
획득된 주파수 정보가 기설정된 범위 이하로 하락하는 경우, 본 발명은 관성제어를 위한 시변 드룹 계수를 연산한다. 연산된 시변 드룹 계수를 통해 생성된 출력 기준값은 풍력발전기가 관성제어를 수행하도록 한다. 시변 드룹 계수를 연산하는 과정을 보다 구체적으로 살펴보면, 시변 드룹 계수 연산 단계는 관성제어에 따라 변동하는 회전자속도 정보를 실시간으로 수집하는 단계, 수집된 회전자속도 정보를 이용하여 시변 드룹 계수를 연산하는 단계를 포함한다.
회전자속도 정보를 수집하는 단계에서는 풍력발전기의 회전자가 어떤 속도에 따라 회전하는지를 감지하기 위하여 풍력발전기에 구비된 별도의 센서를 통해 회전자속도를 측정할 수 있다.
본 발명은 상술한 과정을 통해 수집된 회전자속도 정보를 이용하여 시변 드룹 계수를 연산한다. 회전자속도 정보를 이용하여 시변 드룹 계수를 연산하는 방식의 일 예로, 회전자속도 정보를 이용하여 회전자의 운동에너지를 연산하고, 연산한 회전자의 운동에너지를 통해 시변 드룹 계수를 연산한다. 본 발명에서는 관성제어에 필요한 시변 드룹 계수를 결정하기 위한 중요한 요소로 회전자의 운동에너지를 사용한다. 따라서, 시변 드룹 계수를 연산하기에 앞서 회전자의 운동에너지를 연산하며, 이는 수집된 회전자속도 정보를 이용하여 연산한다.
운동에너지를 연산하는 일 실시예로 아래 [수학식 1]을 따른다.
[수학식 1]
Figure 112014073958304-pat00003
여기서 ωi(t)는 시간에 따른 회전자속도 정보이고, ωmin는 풍력발전기의 최저운전속도이다. J는 관성모멘트이다.
ΔEi(t)는 시간에 따른 회전자의 방출 가능한 운동에너지이다. 앞서 살펴본 선행기술문헌 1에서는 외란이 발생하는 시점의 방출 가능한 운동에너지(ΔEi)만을 이용하여 드룹 계수를 연산하고 이를 풍력발전기 제어에 이용하였으나, 본 발명에서는 외란이 발생하는 시점뿐만 아니라, 관성제어가 이루어지는 동안 지속적으로 회전자의 운동에너지를 연산하고 이를 바탕으로 드룹 계수를 연산한다. 즉, 선행기술문헌 1의 드룹 계수는 외란 발생 시점에 연산된 고정값으로, 관성제어 수행 시 계속 같은 값이 반영되어 풍력발전기를 제어하나, 본 발명의 드룹 계수는 관성제어가 수행됨에 따라 지속적으로 연산되는(달리 말해, 변경/갱신되는) 운동에너지에 근거한 것으로 마찬가지로 관성제어 수행 시 지속적으로 변경되는 값이다. 이 둘을 구분하기 위하여 본 발명에서는 관성제어 수행에 따라 연산되는 드룹 계수를 "시변 드룹 계수"라 표현하였다.
본 발명의 일 실시예에서는 시간에 따라 변하는 회전자의 운동에너지를 이용하여 시변 드룹 계수를 연산한다. 시변 드룹 계수를 연산하는 상세한 과정에 대하여 아래에서 살펴본다.
드룹 계수는 풍력발전기에 대한 관성제어를 수행하기 위해 풍력발전기에 대한 제어 블록에 추가된 주파수 변화량 루프의 제어 이득(gain)을 의미한다. 드룹 계수는 아래 [수학식 2]와 같은 드룹 특성 관계식에 의해 표현될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112014073958304-pat00004
여기서 ΔPi는 주파수 제어를 위해 추가되는 유효전력량, fsys는 전력망의 실제 주파수, fnom은 전력망의 정격 주파수를 의미한다.
위 [수학식 2]의 좌변이 풍력발전기 회전자의 운동에너지에 비례하므로 결국, 풍력발전기 회전자의 운동에너지는 드룹 계수와 반비례한다. 이를 다르게 표현하면, 회전자의 운동에너지와 드룹 계수의 곱은 항상 일정하다. 이를 수식으로 표현하면 아래 [수학식 3]과 같다.
[수학식 3]
Figure 112014073958304-pat00005
위 [수학식 3]을 특정 풍력발전기의 관점에서 다시 작성하면 아래 [수학식 4]와 같다.
[수학식 4]
Figure 112014073958304-pat00006
여기서 ΔEmax는 회전자의 최대 방출 가능한 운동에너지로, 운동에너지를 최대로 보유한 풍력발전기에 해당하는 값이고, R0는 그 때의 드룹 계수이다. ΔEmax를 보유한 풍력발전기는 다양한 이유에 의해 결정될 수 있으나, 본 발명의 일 실시예에서는 풍력발전기의 최고운전속도에 따라 결정될 수 있다. 보다 구체적으로, 최고운전속도에서 최저운전속도까지 감속될 때 방출하는 운동에너지를 통해 연산된다. 여기서 최고운전속도란 기계적 결함 또는 전기 부품의 손상 방지를 위해서 풍력발전기가 가속될 수 없는 최고한계속도를 의미한다. 한계속도를 초과하지 않도록 여러 요소들이 제어될 수 있으며, 일 예로 풍력발전기의 블레이드 피치를 제어하여 상기 최고운전속도를 초과하지 않도록 한다.
결국 ΔEmax도 상수이고, 그 때의 드룹 계수 R0도 상수이며, ΔEi는 연산 가능한 값이므로, 위 정보를 기초로 시변 드룹 계수 Ri(t)를 연산할 수 있다. 연산식은 [수학식 5]와 같다.
[수학식 5]
Figure 112014073958304-pat00007
위 [수학식 5]에 따라 연산된 시변 드룹 계수를 이용하여 풍력발전기의 관성제어를 수행한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에서, 시변 드룹 계수를 연산하는 단계는 회전자의 운동에너지와 풍력발전기에서 방출하는 에너지가 양의 상관관계를 갖도록 하는 시변 드룹 계수를 도출하는 것을 특징으로 한다. 이는 풍력발전기 회전자의 운동에너지가 높을수록, 관성제어에 더 많은 기여를 하도록 한다는 의미이다. 본 실시예에 따를 경우, 관성제어에 의해 보다 신속하게 외란으로부터 주파수를 회복시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 시변 드룹 계수는 회전자속도가 최저운전속도 이하로 감속되지 않는 범위 내로 하한이 결정된다. 즉, 시변 드룹 계수를 산정하는 데에 있어서, 회전자가 운동에너지를 발생시키는 범위 내에서 산정하는 것이다. 이러한 방식에 따라 시변 드룹 계수를 결정하면, 회전자속도가 최저운전속도로 근접할수록, 시변 드룹 계수가 더 커지면서 풍력발전기의 감속을 방지하고, 모든 풍력발전기의 회전자속도가 관성제어 도중에도 최저운전속도 이상으로 유지되어 주파수의 2차 하락을 방지할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서는 전력망의 주파수 정보를 획득하는 단계 이후에, 관성제어에 따라 변동하는 회전자속도 정보를 실시간으로 수집하는 단계, 풍력발전기의 운전 범위를 반영하여 시변 제어 계수를 연산하는 단계를 포함하고, 상기 풍력발전기 제어 단계는 연산된 시변 드룹 계수 및 시변 제어 계수를 이용하여 풍력발전기를 제어할 수 있다.
여기서 시변 제어 계수란 풍력발전기의 관성제어를 위해 추가되는 전력망 주파수 변화율(Rate of change of frequency, ROCOF) 루프의 제어 이득으로, 본 발명에서는 회전자속도 정보를 이용해 상기 제어 이득(gain)을 실시간으로 갱신하여 "시변 제어 계수"를 연산하며, 시변 제어 계수를 반영하여 풍력발전기를 제어한다.
시변 제어 계수 연산을 위한 일 예로 시변 제어 계수의 최소값과 최대값을 도출하고 이 범위 내에서 회전자속도에 비례하도록 산정한다. 시변 제어 계수의 최소값은 [수학식 6]을 이용해 구할 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112014073958304-pat00008
여기서 ΔE, ΔP는 풍력발전기의 운동에너지의 변화량과 유효전력의 변화량을 나타내고, H는 관성계수, wsys와 fsys는 각각 계통의 각주파수와 주파수를 의미한다. [수학식 6]에 따라 연산된 시변 제어 계수의 최소값은 아래 [수학식 7]과 같다.
[수학식 7]
Figure 112014073958304-pat00009
한편, 시변 제어 계수의 최대값은 풍력발전기의 운전 범위 및 운동에너지를 이용하여 [수학식 8]과 같이 구할 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112014073958304-pat00010
여기서 Emax와 Emin은 각각 풍력발전기가 최고운전속도와 최저운전속도(wmax, wmin)에서 운전할 때 회전자에 저장된 운동에너지를 나타낸다. 일반적인 DFIG의 경우 운전범위를 0.7pu-1.25pu로 가정할 때, 최대 시변 제어 계수는 6.38H가 된다.
이와 같이 산정된 시변 제어 계수의 최대값 및 최소값 범위 내에서, 시변 제어 계수는 회전자속도에 비례하여 연산된다. 실시간으로 수집하는 회전자속도 정보에 따라 관성제어 수행 시 시변 제어 계수는 계속적으로 갱신된다.
도 2는 도 1에 도시된 실시예에 따른 관성제어 방법을 제어 루프 형태로 나타낸 것이다. 도 2의 하단에는 시변 드룹 계수(Ri(t))를 사용하는 루프가 도시되어 있다. 수집한 전력망 주파수 정보와 정격 주파수의 차이로부터 주파수 변화량을 구하여 시변 드룹 계수에 곱해 출력 기준값을 생성한다. 도 2의 상단에는 ROCOF 루프의 시변 제어 계수(Ki(t))를 사용하는 루프가 도시되어 있다. 수집한 전력망 주파수 정보로부터 주파수의 변화율을 구하고 시변 제어 계수에 곱하여 출력 기준값을 생성한다.
본 발명의 다른 실시예에서는 전력망의 주파수 정보를 획득하는 단계 이후에, 주파수의 시간당 변화율을 연산하는 단계, 주파수 변화율의 최대값을 도출하는 단계 및 도출된 주파수 변화율 최대값과 상기 시변 제어 계수를 곱하여 출력 기준값을 생성하는 단계를 포함하고, 풍력발전기 제어 단계는 생성된 출력 기준값에 따라 풍력발전기를 제어할 수 있다. 이는 도 2에 점선으로 그려진 Max 루프를 통해 나타나 있다.
본 발명의 다른 실시예에서는 전력망의 주파수 정보를 획득하는 단계 이후에, 상기 주파수의 시간당 변화율을 연산하는 단계 및 주파수 변화율의 최대값을 도출하는 단계를 더 포함하고, 풍력발전기 제어 단계는 주파수 변화율의 최대값이 유지되는 상태에서 연산된 시변 드룹 계수 및 시변 제어 계수를 이용하여 풍력발전기를 제어할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예를 시뮬레이션하기 위한 풍력발전단지의 모형을 나타낸 모식도이다.
도 3에는 5MW DFIG 풍력발전기가 총 20대 설치된 풍력발전기가 계통에 연결되어 있으며, 총 발전설비 용량은 900MVA이다. 부하에서 소비되는 용량은 600MW이고, 계통 운영 중 70MW 출력 중인 SG5가 탈락하는 상황을 가정하여 시뮬레이션을 진행하였다.
도 4 내지 도 8은 도 3에 제시된 상황에서 종래 기술과 본 발명의 실시예에 따른 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다. 여기서 본 발명의 실시예란 도 2에 표시된 실시예를 대상으로 한 결과이다. 즉, 시변 드룹 계수와 ROCOF 루프의 시변 제어 계수를 동시에 사용한 경우의 결과를 나타낸다. 본 발명은 이외에도, 시변 드룹 계수 만을 사용하는 경우와 시변 드룹 계수와 주파수의 최대 변화량를 연산한 루프에 상기 연산된 ROCOF 루프의 시변 제어 계수를 적용한 경우를 더 포함한다.
도 4는 시간에 따른 계통 주파수를 나타낸 그래프이다. 청색 실선은 기존의 방식에 따른 주파수를 나타내고 적색 실선은 본 발명의 일 실시예에 따른 관성제어 방법을 적용한 경우의 결과이다. 또한 녹색 실선은 관성제어를 적용하지 않은 전력망에서의 결과를 나타낸다.
1차 하락 시의 주파수의 최저값(최저주파수점)을 비교하면, 본 발명에서 제안한 관성제어 방법을 이용하여 풍력발전기를 제어하는 경우의 최저주파수점은 59.488Hz인데에 반해, 기존의 방식을 따르는 때의 최저주파수점은 59.634Hz이다. 기존 방식은 주파수 하락 방지를 위해 풍력발전기를 과도하게 제어하여 주파수 하락 초기 즉, 1차 하락 시의 최저주파수점을 월등하게 높였다. 하지만, 풍력발전기의 관성제어 능력 한계를 고려하지 않은 제어로 인해 풍력발전기들은 약 46초 지점에서 관성제어를 중단하게 된다. 풍력단지의 급격한 제어모드 변경은 전력망 전체에 영향을 미치고 주파수의 2차 하락을 야기한다. 이로 인해, 최저주파수점은 1차 하락보다 훨씬 더 극심해진 59.399 Hz가 된다. 이 점은 관성제어를 적용하지 않은 전력망의 최저주파수점인 59.340 Hz 보다는 높지만 관성제어 능력 한계를 고려하지 않은 풍력단지의 문제점을 보여준다. 한편, 본 발명을 적용한 경우 1차 하락 지점에서 효과적으로 최저주파수점을 높일 뿐만 아니라, 관성제어 능력 한계를 고려한 제어로 인해 모든 풍력발전기들의 관성제어가 중단되지 않기 때문에 주파수의 2차 하락은 발생하지 않는다. 주파수의 2차 하락은 관성제어가 중단되는 풍력발전기의 수에 비례하여 하락폭이 커지기 때문에 풍력발전단지의 관성제어 시 확인되어야 할 중요한 요소인데, 본 발명은 이러한 2차 하락을 막을 수 있다.
도 5는 시간에 따른 풍력발전단지의 출력을 나타낸다. 청색 실선은 기존의 방식에 따른 출력을 나타내고 적색 실선은 본 발명의 일 실시예에 따른 관성제어 방법을 적용한 경우의 결과이다. 녹색 실선은 관성제어를 수행하지 않는 경우의 결과를 나타낸다.
도 5를 보면, 본 발명에 따라 풍력발전단지를 제어하는 경우, 외란 발생 시점에서의 출력이 기존 방식에 비해 많지는 않다. 이것은 풍력발전기의 관성제어 능력 한계를 고려할 때 이 이상으로 출력할 경우 풍력발전기의 한계를 넘어설 수 있기 때문이다. 이것은 기존 방식의 출력 파형을 통해 확인할 수 있다. 기존 방식의 경우 외란 발생 초기 월등한 출력 증가로 인해 최저주파수점을 높였다. 하지만, 전력망 주파수가 안정상태에 도달하기 이전에 풍력발전기들이 한계점에 이르게 되고 약 46초 지점에서 관성제어가 중단된다. 이로 인해 급격한 출력 감소가 발생하여 전력망에 악영향을 미치게 되고, 1차 하락보다 극심한 2차 주파수 하락이 발생하게 된다. 한편 본 발명에서는 시간에 따라 변하는 제어 계수를 사용하기 때문에 이와 같은 제어 한계점에 도달하지 않고, 주파수의 2차 하락을 방지할 수 있다.
도 6은 시간에 따른 풍력발전기의 회전자속도를 나타낸 그래프이다. 도 6a의 그래프는 본 발명을 적용한 경우의 회전자속도, 도 6b의 그래프는 기존의 방식에 따른 회전자속도를 나타낸다. 적색, 청색, 녹색, 분홍색 실선은 각각 풍력단지에서 1열, 2열, 3열, 4열에 위치한 풍력발전기의 회전자속도를 나타내고 있다. 후류효과로 인해 앞 열에 위치한 발전기 일수록 입력풍속이 커지기 때문에 초기 회전자속도에 차이가 발생한다. 본 발명을 적용할 경우, 모든 풍력발전기의 회전자속도는 관성제어를 수행하더라도 0.7 pu 이상에서 수렴하게 된다. 회전자속도가 감소함에 따라 출력 증가량을 줄이도록 제어 계수들이 연산되기 때문이다. 하지만, 기존 방식을 적용한 경우, 모든 풍력발전기들이 제어 능력 한계를 넘어선 제어를 수행함으로 인해 회전자속도가 0.7 pu 이하로 감속된다. 이때, 풍력발전기는 자체적인 보호를 위해 모든 제어를 멈추고 풍력발전기를 증속시키는 제어로 전환되어야 한다. 따라서 관성제어가 자동적으로 중단되고 풍력발전기는 출력량을 급격히 감소시켜 회전자를 증속한다.
도 7은 시간에 따른 풍력발전기의 시변 드룹 계수를 나타낸 그래프이고, 도 8은 ROCOF 루프의 시변 제어 계수를 나타낸다. 두 그래프에서 적색, 청색, 녹색, 분홍색 실선은 각각 풍력단지의 1열, 2열, 3열, 4열에 위치한 풍력발전기를 나타내고 있다. 후류효과로 인해 앞 열에 위치한 풍력발전기의 회전자속도가 더 빠르게 되고 이에 따라 시변 드룹 계수는 더 작은 값을, ROCOF 루프 시변 제어 계수는 더 큰 값을 연산한다. 한편, 관성제어가 진행되어 감소하는 회전자속도를 반영하여 두 제어 계수가 갱신되는 것을 확인할 수 있다. 본 발명의 실시예에서 시변 드룹 계수가 증가하는 정도는 방출 가능한 운동에너지의 양에 반비례하고 결국, 현재 회전자속도의 제곱에 반비례한다. 따라서 회전자속도가 최저 속도에 가까울수록 시변 드룹 계수가 증가하는 비율이 상대적으로 높고(40초 ~ 48초 사이) 시변 드룹 계수가 증가할수록 풍력발전기의 출력은 시간에 따라 감소하게 된다. 그 결과 회전자속도가 낮은 풍력발전기도 관성제어를 지속할 수 있게 된다. 또한, ROCOF 루프의 시변 제어 계수는 회전자속도가 빠른 발전기에서 그 변화량이 크다. 시변 제어 계수들은 회전자속도의 감소에 따라 감소되고, 이에 따라 모든 풍력발전기는 관성제어를 끝까지 지속할 수 있다.
지속적으로 관성제어를 수행할 수 있는지의 여부는 결국 풍력발전단지의 출력에도 영향을 미친다. 이는 도 4, 5를 통해 확인할 수 있다. 먼저 도 4를 다시 살펴보면, 기존의 방식은 46초에서 주파수가 급격하게 감소하는 것을 볼 수 있다. 즉, 모든 풍력발전기가 관성제어를 지속하지 못함에 따라, 주파수가 불안정해 지는 것이다. 이는 결국 계통 주파수의 2차 하락을 야기하는 요인으로 작용한다. 한편, 도 5를 살펴보면, 기존의 방식은 약 46초에서 출력이 흔들리는 것을 볼 수 있다. 즉, 풍력발전기가 관성제어를 수행하지 못하게 되면서, 풍력발전단지 출력에 영향을 미치는 것이다.
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 (9)

  1. 전력망의 주파수 정보를 획득하는 단계;
    상기 주파수 정보가 기설정된 범위 이하로 하락하는 경우, 시변 드룹 계수를 연산하는 단계; 및
    연산된 시변 드룹 계수를 이용하여 풍력발전기를 제어하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 시변 드룹 계수 연산 단계는
    관성제어에 따라 변동하는 회전자속도 정보를 실시간으로 수집하는 단계;
    수집된 회전자속도 정보를 이용하여 시변 드룹 계수를 연산하는 단계;
    를 포함하는 풍력발전기의 관성제어 방법
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 시변 드룹 계수 연산 단계는
    회전자속도 정보를 이용하여 회전자의 운동에너지를 연산하는 단계; 및
    연산된 운동에너지를 회전자의 최대 운동에너지와 비교하여 시변 드룹 계수를 연산하는 단계;
    를 포함하는 풍력발전기의 관성제어 방법
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 시변 드룹 계수 연산 단계는
    회전자의 운동에너지와 풍력발전기에서 방출하는 에너지가 양의 상관관계를 갖도록하는 시변 드룹 계수를 도출하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 관성제어 방법
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 시변 드룹 계수는
    회전자속도가 최저 운전 속도 이하로 감속되지 않는 범위 내로 하한이 결정되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 관성제어 방법
  5. 청구항 2에 있어서, 상기 운동에너지 연산 단계는
    Figure 112014073958304-pat00011

    (단, ωi(t) : 시간에 따른 회전자속도 정보, ωmin : 풍력발전기의 최저운전속도, J : 관성모멘트)
    에 따라 연산되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 관성제어 방법
  6. 청구항 2에 있어서, 상기 시변 드룹 계수 연산 단계는
    Figure 112014073958304-pat00012

    (단, ΔEmax : 최대 운동에너지, Ro : 최대 운동에너지일 때의 드룹 계수, ΔEi(t) : 시간에 따른 운동에너지)
    에 따라 연산되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 관성제어 방법
  7. 청구항 1에 있어서, 전력망의 주파수 정보를 획득하는 단계 이후에,
    관성제어에 따라 변동하는 회전자속도 정보를 실시간으로 수집하는 단계; 및
    풍력발전기의 운전 범위를 반영하여 회전자속도에 비례하는 시변 제어 계수를 연산하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 풍력발전기 제어 단계는 연산된 시변 드룹 계수 및 시변 제어 계수를 이용하여 풍력발전기를 제어하는 풍력발전기의 관성제어 방법
  8. 청구항 7에 있어서, 전력망의 주파수 정보를 획득하는 단계 이후에,
    상기 주파수의 시간당 변화율을 연산하는 단계; 및
    주파수 변화율의 최대값을 도출하는 단계;
    를 더 포함하고,
    상기 풍력발전기 제어 단계는 주파수 변화율의 최대값이 유지되는 상태에서 연산된 시변 드룹 계수 및 시변 제어 계수를 이용하여 풍력발전기를 제어하는 풍력발전기의 관성제어 방법
  9. 전력망의 주파수 정보를 획득하는 단계;
    관성제어에 따라 변동하는 회전자속도 정보를 실시간으로 수집하는 단계; 및
    풍력발전기의 운전 범위를 반영하여 회전자속도에 비례하는 시변 제어 계수를 연산하는 단계;
    를 포함하고,
    전력망의 주파수 정보를 획득하는 단계 이후에
    상기 주파수의 시간당 변화율을 연산하는 단계;
    주파수 변화율의 최대값을 도출하는 단계; 및
    도출된 주파수 변화율 최대값과 상기 시변 제어 계수를 곱하여 출력 기준값을 생성하는 단계;
    를 더 포함하며,
    생성된 출력 기준값에 따라 풍력발전기를 제어하는 풍력발전기의 관성제어 방법
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