KR102197643B1 - Power Smoothing Control System and Method of Wind Turbine for Frequency Regulation - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 풍력 발전 제어에 관한 것으로, 구체적으로 전력 계통에 풍력발전기가 연계되었을 경우, 풍력발전기의 회전 질량을 활용하여 풍속 변동에 의한 풍력발전기의 출력을 평활화하여 전력 계통의 주파수 제어(frequency regulation)에 기여할 수 있도록 한 주파수 제어를 위한 풍력발전기의 출력 평활화 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to wind power generation control, and in particular, when a wind power generator is connected to a power system, frequency regulation of the power system by smoothing the output of the wind power generator due to wind speed fluctuations using the rotational mass of the wind power generator. The present invention relates to a system and method for smoothing the output of a wind turbine for frequency control, which can contribute to.
일반적으로 풍력 발전이란 자연의 바람으로 블레이드를 돌리고, 이것을 기어기구 등을 이용하여 속도를 높여 발전기를 돌리는 풍력 발전 설비의 경우 기상 조건에 따라 출력이 상시로 변동하는 특성을 가지게 된다.In general, wind power generation is a wind power generation facility in which a blade is turned with natural wind, and the speed is increased using a gear mechanism to rotate a generator, and the output is constantly fluctuating according to weather conditions.
이러한 출력 상시 변동은 전력 계통의 운영 및 전력 품질에 나쁜 영향을 미치게 되는데, 특히 섬 계통이나 상대적으로 규모가 작은 약소계통의 경우 과도한 출력변동으로 인하여 계통의 주파수 동요, 전압 변동, 및 플리커 발생 등의 문제가 자주 발생하게 되며 이는 곧 풍력 발전 설비로부터 공급되는 전력의 품질 저하 요인이 됨과 동시에 풍력 발전 설비 인근의 지역 계통에도 좋지 않은 영향을 미치게 되는 문제점이 발생한다.Such constant output fluctuations adversely affect the operation and power quality of the power system.In particular, in the case of island systems or relatively small, small systems, frequency fluctuations of the system, voltage fluctuations, and flickering occur due to excessive output fluctuations. Problems often occur, which in turn leads to a deterioration in the quality of power supplied from wind power generation facilities, and at the same time, adversely affects local systems near wind power generation facilities.
평상시에 부하가 지속적으로 변동하는 경우에 주파수가 변동하게 되는데, 이러한 주파수 변동은 전력계통 운영자가 주파수를 일정한 범위 내로 조정하기 위하여 자동발전제어(automatic generation control, AGC)를 통해 동기발전기에 출력 조정에 대한 신호를 보내 주고, 동기발전기가 출력을 조정함으로써 주파수가 일정한 범위 내로 제어된다.When the load continuously fluctuates in normal times, the frequency fluctuates. This frequency fluctuation is used to adjust the output of the synchronous generator through automatic generation control (AGC) in order for the power system operator to adjust the frequency within a certain range. The frequency is controlled within a certain range by sending a signal to and adjusting the output by the synchronous generator.
풍력발전기가 전력계통에 연계되어 운전되는 경우, 풍속이 지속적으로 변동함에 따라 풍력발전기의 출력이 변동되고, 이에 따라 전력 계통의 주파수가 변동한다.When the wind turbine is operated in connection with the power system, the output of the wind turbine fluctuates as the wind speed continuously fluctuates, and accordingly, the frequency of the power system fluctuates.
특히, 풍력발전기의 수용률이 높을 때, 풍속이 지속적으로 변동시 최대 전력점 추종(maximum power point tracking, MPPT) 제어를 수행하는 경우 주파수를 좁은 범위로 유지시키는 데에 어려움이 발생한다.In particular, it is difficult to maintain the frequency in a narrow range when the maximum power point tracking (MPPT) control is performed when the wind speed continuously fluctuates when the acceptance rate of the wind turbine is high.
더욱이, 한국에서는 36mHz로 되어 있는 동기발전기 조속기(governor)의 불감대(deadband)를 초과할 경우 상정사고에 대비하여 보유한 1차 예비력(primary reserve)을 방출하게 되므로, 주파수의 안정성까지 위협할 수 있다.Moreover, in Korea, if the deadband of the synchronous generator governor of 36mHz is exceeded, the primary reserve held in case of an assumed accident is released, so the stability of the frequency may be threatened. .
이를 피하기 위해서는 1차 예비력이나 주파수 제어 예비력이 더 필요하며, 이로 인해 전력 계통의 운영 비용이 증가하게 되므로 풍속 변동에 의한 풍력발전기의 출력 변동을 경감하는 방안이 필요하다. In order to avoid this, the primary reserve power or the frequency control reserve power is further required, and this increases the operating cost of the power system. Therefore, it is necessary to reduce the fluctuation in the output of the wind turbine caused by wind speed fluctuations.
풍력발전기의 출력을 평활화하기 위해서 수퍼캐패시터, 플라이휠 또는 배터리와 같은 에너지 저장장치를 사용할 수 있다. 하지만 이 경우에는 추가적인 시설이 필요한 만큼 해당 시설들을 설치하고 유지하는데 많은 비용이 든다. Energy storage devices such as supercapacitors, flywheels or batteries can be used to smooth the output of a wind turbine. However, in this case, it is expensive to install and maintain the facilities as additional facilities are needed.
이러한 단점을 해결하기 위해 종래 기술에서 제안된 제어 방식은 최대 전력점 추종 제어 루프에 주파수 편차에 기반한 P 제어 루프를 추가한 방식이 있다.In order to solve this disadvantage, a control method proposed in the prior art includes a method in which a P control loop based on frequency deviation is added to the maximum power point tracking control loop.
또한, P 제어 루프의 제어 이득으로 고정 값을 사용하거나 회전자의 회전 속도에 따른 가변 제어 이득(variable control gain)을 이용한 주파수 제어 방식을 사용한다.In addition, a fixed value is used as the control gain of the P control loop or a frequency control method using a variable control gain according to the rotation speed of the rotor is used.
이와 같은 방법들은 풍력발전기의 회전체 질량을 효과적으로 사용하지 못하기 때문에 주파수를 좀 더 좁은 밴드 안 쪽으로 제어할 수 없다는 단점이 있다.These methods have a disadvantage in that the frequency cannot be controlled inside a narrower band because the mass of the rotor of the wind turbine cannot be effectively used.
종래 기술의 가변 제어 이득을 사용하는 제어 방법은 도 1a와 도 1b에서와 같이, 회전자 회전 속도가 일정 값 이하일 경우에는 출력 편차(ΔP)의 최대 전력점 추종 제어 값(P MPPT )에 대한 비율이 회전자 회전 속도에 비례하게 되어 있고 일정 값 이상일 경우에는 일정한 값으로 설정한다.The control method using the variable control gain of the prior art is as shown in Figs. 1A and 1B, when the rotor rotation speed is less than a certain value, the output deviation (Δ P ) for the maximum power point tracking control value ( P MPPT ) If the ratio is proportional to the rotational speed of the rotor and is more than a certain value, set it to a certain value.
이와 같은 종래 기술의 제어 방식에서도 최소 회전자 회전 속도(0.7 p.u.)에서는 제어 이득이 0으로 설정되어 있기 때문에 풍력발전기의 과도한 에너지 방출을 방지할 수 있다. Even in such a conventional control method, since the control gain is set to 0 at the minimum rotor rotation speed (0.7 p.u.), excessive energy emission from the wind turbine can be prevented.
하지만, 저주파수 구간뿐만 아니라 과주파수 구간에서도 같은 제어 이득을 사용하기 때문에 주파수 제어 성능에는 많은 제한이 따른다.However, since the same control gain is used not only in the low frequency section but also in the over frequency section, there are many limitations to the frequency control performance.
그 이유는 과주파수 구간에서 풍력발전기는 에너지를 흡수하여 주파수 편차를 줄여야 하는데, 낮은 회전자 회전 속도에서의 제어 이득이 적으므로, 풍력발전기가 회전 질량으로 에너지를 흡수할 가능성이 높음에도 불구하고, 에너지를 흡수하는 데 기여도가 낮기 때문이다.The reason is that the wind turbine must absorb energy in the over-frequency section to reduce the frequency deviation. Since the control gain at low rotor rotation speed is small, the wind turbine has a high possibility of absorbing energy by rotating mass. This is because their contribution to absorbing energy is low.
따라서, 종래 기술은 저주파수 구간뿐만 아니라 과주파수 구간에서도 동일한 제어 이득을 사용함으로써 과주파수 구간의 주파수 편차를 줄이는 능력이 저하된다.Therefore, in the prior art, the ability to reduce the frequency deviation of the over-frequency section is deteriorated by using the same control gain in not only the low frequency section but also the over frequency section.
본 발명은 종래 기술의 풍력발전기의 출력 평활화 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전력 계통에 풍력발전기가 연계되었을 경우, 풍력발전기의 회전 질량을 활용하여 풍속 변동에 의한 풍력발전기의 출력을 효과적으로 평활화하여 전력 계통의 주파수 제어(frequency regulation)에 기여할 수 있도록 한 주파수 제어를 위한 풍력발전기의 출력 평활화 제어 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention is to solve the problem of the conventional technology for smoothing the output of a wind turbine, and when a wind turbine is connected to the power system, the output of the wind turbine is effectively smoothed by using the rotational mass of the wind turbine. It is an object of the present invention to provide a system and method for smoothing the output of a wind turbine for frequency control, which can contribute to the frequency regulation of the power system.
본 발명은 주파수 기준값과 비교한 주파수 편차를 이용하여 저주파수 구간과 과주파수 구간에 따른 별도의 제어이득을 결정하여 과주파수 구간에서는 풍력발전기의 에너지 흡수 능력을 향상시키고, 저주파수 구간에서는 풍력발전기의 안정적인 동작을 보장하면서 에너지 방출 능력을 개선할 수 있도록 한 주파수 제어를 위한 풍력발전기의 출력 평활화 제어 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention determines a separate control gain according to the low-frequency section and the over-frequency section by using the frequency deviation compared with the frequency reference value, thereby improving the energy absorption capacity of the wind turbine in the over-frequency section, and stable operation of the wind turbine in the low-frequency section. It is an object of the present invention to provide a system and method for smoothing the output of a wind turbine for frequency control, which can improve the energy discharging capacity while ensuring the power.
본 발명은 별도의 에너지 저장장치를 사용하지 않아 출력 평활화를 위해 추가적으로 드는 비용을 줄일 수 있고, 주파수 제어를 위해 동기발전기들이 추가적으로 가져야 하는 1차 예비력 또는 주파수 제어 예비력을 줄여 전력 계통의 운영 비용을 줄일 수 있도록 한 주파수 제어를 위한 풍력발전기의 출력 평활화 제어 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention does not use a separate energy storage device, thereby reducing additional costs for smoothing output, and reducing the primary reserve power or frequency control reserve that synchronous generators must additionally have for frequency control, thereby reducing the operating cost of the power system. It is an object of the present invention to provide a system and method for smoothing the output of a wind turbine for controlling the frequency so that it can be controlled.
본 발명은 수퍼캐패시터, 플라이휠 또는 배터리와 같은 에너지 저장장치를 사용하지 않고 최대 전력점 추종 제어 루프와 연계하여 동작하는 주파수 편차(Δf)를 기반으로 하는 PI 제어 루프를 채택하는 풍력발전기의 출력 평활화 제어에 의해 풍력발전기의 출력 변동을 원활하게 제어할 수 있도록 한 주파수 제어를 위한 풍력발전기의 출력 평활화 제어 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention smoothes the output of a wind turbine that employs a PI control loop based on a frequency deviation (Δ f ) that operates in conjunction with a maximum power point tracking control loop without using an energy storage device such as a supercapacitor, flywheel or battery. It is an object of the present invention to provide a system and method for smoothing the output of a wind turbine for frequency control so that the fluctuation of the output of the wind turbine can be smoothly controlled by control.
본 발명은 풍력발전기가 가지고 있는 무거운 회전체를 에너지 저장장치로 활용하여 풍력발전기의 출력을 평활화하고, 주파수 변동을 완화할 수 있어 풍력발전기의 수용률이 높아질 수록 평상시의 주파수 제어에 더욱 유리한 풍력발전기의 출력 평활화 제어 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention utilizes a heavy rotating body of a wind turbine as an energy storage device to smooth the output of the wind turbine and mitigate frequency fluctuations, so as the acceptance rate of the wind turbine increases, the wind turbine is more advantageous in controlling the normal frequency. It is an object of the present invention to provide a system and method for smoothing the output of the device.
본 발명의 다른 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Other objects of the present invention are not limited to the objects mentioned above, and other objects that are not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 주파수 제어를 위한 풍력발전기의 출력 평활화 제어 시스템은 시스템 주파수(f sys ) 및 기준 주파수(f nom )를 입력으로 주파수 편차(Δf)를 출력하는 주파수 편차 출력부;주파수 편차 출력부의 주파수 편차(Δf)를 입력으로 제어 이득(K p )을 갖고 출력 평활화를 위한 제어값(ΔP p )을 출력하는 비례 제어기;MPPT 제어를 위한 유효 전력 기준값(P MPPT ) 및 제어값(ΔP p )을 입력으로 유효 전력 기준값(P ref )을 출력하는 유효 전력 기준값 출력부;유효 전력 기준값 출력부(22)의 유효 전력 기준값(P ref ) 및 터미널에서 측정한 유효 전력(P g )을 입력으로 출력 평활화 제어를 위한 신호를 출력하는 제어신호 출력부;제어신호 출력부의 제어신호를 입력으로 회전자측 제어기의 q축 전류 기준 값(i qr_ref )을 출력하는 회전자측 제어신호 출력부(PI);를 포함하고, 최대 전력점 추종 제어 루프에 주파수 편차에 기반한 P 제어 루프를 추가하여, 풍력발전기의 출력의 기준값을 결정하는 것을 특징으로 한다.The output smoothing control system of a wind turbine for frequency control according to the present invention for achieving the above object is a frequency for outputting a frequency deviation (Δ f ) as inputs of a system frequency ( f sys ) and a reference frequency ( f nom ) Deviation output unit; A proportional controller that outputs a control value (Δ P p ) for smoothing the output with a control gain ( K p ) by inputting the frequency deviation (Δ f ) of the frequency deviation output unit; an active power reference value for MPPT control ( Active power reference value output unit that outputs an active power reference value ( P ref ) by inputting P MPPT ) and control value (Δ P p ); Active power reference value ( P ref ) of active power reference
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 주파수 제어를 위한 풍력발전기의 출력 평활화 제어 시스템은 시스템 주파수(f sys ) 및 기준 주파수(f nom )를 입력으로 주파수 편차(Δf)를 출력하는 주파수 편차 출력부;주파수 편차 출력부의 주파수 편차(Δf)를 입력으로 제어 이득(K p )을 갖고 출력 평활화를 위한 제어값(ΔP p )을 출력하는 비례 제어기;주파수 편차 출력부의 주파수 편차(Δf)를 입력으로 이득(K i )을 갖고 출력 평활화를 위한 제어값(ΔP i )을 출력하는 적분 제어기 및 적분 제어값 출력부;MPPT 제어를 위한 유효 전력 기준값(P MPPT ) 및 제어값(ΔP p ) 및 제어값(ΔP i )을 입력으로 유효 전력 기준값(P ref )을 출력하는 유효 전력 기준값 출력부;유효 전력 기준값 출력부(54)의 유효 전력 기준값(P ref ) 및 터미널에서 측정한 유효 전력(P g )을 입력으로 출력 평활화 제어를 위한 신호를 출력하는 제어신호 출력부;제어신호 출력부의 제어신호를 입력으로 회전자측 제어기의 q축 전류 기준 값(i qr_ref )을 출력하는 회전자측 제어신호 출력부(PI)를 포함하고, 최대 전력점 추종 제어 루프에 주파수 편차에 기반한 PI 제어 루프를 추가하여 풍력발전기의 기준값을 결정하는 것을 특징으로 한다.The output smoothing control system of a wind turbine for frequency control according to the present invention for achieving another object is a frequency deviation output that outputs a frequency deviation (Δ f ) as an input of a system frequency ( f sys ) and a reference frequency ( f nom ). unit; frequency deviation output of the frequency deviation (Δ f) the input to control the gain (K p) to have the control value for output smoothing (Δ p p) an output proportional controller; frequency deviation output of the frequency deviation (Δ f) An integral controller and an integral control value output unit that has a gain ( K i ) as an input and outputs a control value (Δ P i ) for output smoothing; an active power reference value ( P MPPT ) and a control value (Δ P for MPPT control) p) and the control value (Δ P i), the input to the active power reference value (P ref), the active power reference value output unit that outputs; measured from the active power reference value (P ref) and a terminal of the active power reference
또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 주파수 제어를 위한 풍력발전기의 출력 평활화 제어 방법은 최대 전력점 추종 제어 루프에 주파수 편차에 기반한 P 제어 루프를 추가하여, 풍력발전기의 출력의 기준값을 결정하는 단계;P 제어기에 사용되는 제어 이득(gain)을 정할 때, 과주파수 구간과 저주파수 구간에서 각각 별도의 제어 이득을 사용하는 단계;과주파수 구간에서의 게인을 최저 회전자 속도(
또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 주파수 제어를 위한 풍력발전기의 출력 평활화 제어 방법은 최대 전력점 추종 제어 루프에 주파수 편차에 기반한 PI 제어 루프를 추가하여, 풍력발전기의 출력의 기준값을 결정하는 단계;PI 제어기에 사용되는 제어 이득(gain)을 정할 때, 과주파수 구간과 저주파수 구간에서 각각 별도의 제어 이득을 사용하는 단계;과주파수 구간에서의 게인을 최저 회전자 속도(
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 주파수 제어를 위한 풍력발전기의 출력 평활화 제어 시스템 및 방법은 다음과 같은 효과가 있다.The output smoothing control system and method of a wind turbine for frequency control according to the present invention as described above has the following effects.
첫째, 전력 계통에 풍력발전기가 연계되었을 경우, 풍력발전기의 회전 질량을 활용하여 풍속 변동에 의한 풍력발전기의 출력을 평활화하여 전력 계통의 주파수 제어(frequency regulation)에 효율적으로 기여할 수 있도록 한다.First, when a wind turbine is connected to the power system, the output of the wind turbine is smoothed by fluctuations in wind speed using the rotational mass of the wind turbine so that it can effectively contribute to the frequency regulation of the power system.
둘째, 주파수 기준값과 비교한 주파수 편차를 이용하여 저주파수 구간과 과주파수 구간에 따른 별도의 제어이득을 결정하여 과주파수 구간에서는 풍력발전기의 에너지 흡수 능력을 향상시키고, 저주파수 구간에서는 풍력발전기의 안정적인 동작을 보장하면서 에너지 방출 능력을 개선할 수 있도록 한다.Second, the frequency deviation compared with the frequency reference value is used to determine separate control gains according to the low frequency section and the over frequency section, thereby improving the energy absorption capacity of the wind turbine in the over frequency section and ensuring stable operation of the wind turbine in the low frequency section. While ensuring that the energy dissipation capacity can be improved.
셋째, 별도의 에너지 저장장치를 사용하지 않아 출력 평활화를 위해 추가적으로 드는 비용을 줄일 수 있고, 주파수 제어를 위해 동기발전기들이 추가적으로 가져야 하는 1차 예비력 또는 주파수 제어 예비력을 줄여 전력 계통의 운영 비용을 줄일 수 있다.Third, since a separate energy storage device is not used, additional costs for smoothing output can be reduced, and the operating cost of the power system can be reduced by reducing the primary reserve or frequency control reserve that synchronous generators must additionally have for frequency control. have.
넷째, 수퍼캐패시터, 플라이휠 또는 배터리와 같은 에너지 저장장치를 사용하지 않고 최대 전력점 추종 제어 루프와 연계하여 동작하는 주파수 편차(f)를 기반으로 하는 PI 제어 루프를 채택하는 풍력발전기의 출력 평활화 제어에 의해 풍력발전기의 출력 변동을 원활하게 제어할 수 있다.Fourth, the output smoothing control of wind turbines adopting a PI control loop based on the frequency deviation ( f ) operated in conjunction with the maximum power point tracking control loop without using an energy storage device such as a supercapacitor, flywheel or battery. As a result, it is possible to smoothly control fluctuations in the output of the wind turbine.
다섯째, 풍력발전기가 가지고 있는 무거운 회전체를 에너지 저장장치로 활용하여 풍력발전기의 출력을 평활화하고, 주파수 변동을 완화할 수 있어 풍력발전기의 수용률이 높아질 수록 평상시의 주파수 제어에 더욱 유리한 풍력발전기의 출력 평활화 제어 시스템 및 방법을 제공한다.Fifth, by using the heavy rotating body of the wind turbine as an energy storage device, the output of the wind turbine can be smoothed and frequency fluctuations can be reduced, so the higher the acceptance rate of the wind turbine, the more advantageous the wind turbine's frequency control is. Provides an output smoothing control system and method.
도 1a와 도 1b는 종래 기술의 제어 이득 결정 곡선 그래프
도 2는 본 발명에 따른 주파수 제어를 위한 풍력발전기의 출력 평활화 제어 시스템의 구성도
도 3a와 도 3b는 본 발명에 따른 주파수 제어를 위한 풍력발전기의 출력 평활화 제어 방법을 나타낸 플로우 차트
도 4a와 도 4b는 저주파수 구간과 과주파수 구간에서의 P/P MPPT 와 P 제어기 제어 이득 곡선 그래프
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 주파수 제어를 위한 풍력발전기의 출력 평활화 제어 시스템의 구성도
도 6은 풍력 발전 단지가 연계된 IEEE 14-모선 시스템 구성도
도 7은 본 발명에 따른 주파수 제어를 위한 풍력발전기의 출력 평활화 제어 시스템의 시뮬레이션에서 사용한 풍속 데이터
도 8은 본 발명에 따른 주파수 제어를 위한 풍력발전기의 출력 평활화 제어 시스템의 시뮬레이션 결과(풍력발전기의 출력, 회전자 속도, 계통 주파수) 그래프1A and 1B are graphs of control gain determination curves of the prior art.
2 is a block diagram of a system for smoothing the output of a wind turbine for frequency control according to the present invention
3A and 3B are flow charts showing a control method for smoothing the output of a wind turbine for frequency control according to the present invention.
4A and 4B are graphs of P / P MPPT and P controller control gain curves in the low frequency section and the over frequency section.
5 is a block diagram of an output smoothing control system of a wind turbine for frequency control according to another embodiment of the present invention
6 is a configuration diagram of an IEEE 14 bus system in which a wind farm is connected
7 is wind speed data used in a simulation of an output smoothing control system of a wind turbine for frequency control according to the present invention
8 is a graph of simulation results (output of the wind turbine, rotor speed, system frequency) of the output smoothing control system of a wind turbine for frequency control according to the present invention
이하, 본 발명에 따른 주파수 제어를 위한 풍력발전기의 출력 평활화 제어 시스템 및 방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a preferred embodiment of the system and method for smoothing the output of a wind turbine for frequency control according to the present invention will be described in detail.
본 발명에 따른 주파수 제어를 위한 풍력발전기의 출력 평활화 제어 시스템 및 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.Features and advantages of the system and method for smoothing the output of a wind turbine for frequency control according to the present invention will become apparent through detailed description of each embodiment below.
도 2는 본 발명에 따른 주파수 제어를 위한 풍력발전기의 출력 평활화 제어 시스템의 구성도이다.2 is a block diagram of a system for smoothing output of a wind turbine for frequency control according to the present invention.
본 발명에 따른 주파수 제어를 위한 풍력발전기의 출력 평활화 제어 시스템 및 방법은 전력 계통에 풍력발전기가 연계되었을 경우, 풍력발전기의 회전 질량을 활용하여 풍속 변동에 의한 풍력발전기의 출력을 평활화하여 전력 계통의 주파수 제어(frequency regulation)에 효율적으로 기여할 수 있도록 한 것이다.The system and method for smoothing the output of a wind turbine for frequency control according to the present invention, when a wind turbine is connected to the power system, smoothes the output of the wind turbine due to wind speed fluctuations by using the rotational mass of the wind turbine. It is designed to efficiently contribute to frequency regulation.
이를 위하여 본 발명은 주파수 기준값과 비교한 주파수 편차를 이용하여 저주파수 구간과 과주파수 구간에 따른 별도의 제어이득을 결정하는 구성을 포함하고, 과주파수 구간에서는 풍력발전기의 에너지 흡수 능력을 향상시키고, 저주파수 구간에서는 풍력발전기의 안정적인 동작을 보장하면서 에너지 방출 능력을 개선할 수 있도록 한다.To this end, the present invention includes a configuration for determining a separate control gain according to the low-frequency section and the over-frequency section by using the frequency deviation compared to the frequency reference value, and improves the energy absorption capability of the wind turbine in the over-frequency section, and In the section, it is possible to improve the energy discharging capacity while ensuring the stable operation of the wind turbine.
저주파수 구간의 제어 이득을 결정하는 데 있어서 제안한 수학식뿐만 아니라, 도 4b와 같이 과도한 회전 에너지 방출을 방지하기 위하여 최저 회전자 속도일 경우 제어 이득을 0으로 설정하고 풍력발전기 출력 평활화 성능을 향상시키기 위해 회전자 속도가 증가할수록 제어 이득의 값이 증가하도록 하는 모든 제어 이득 결정 방안을 포함한다.In order to prevent excessive rotational energy emission as shown in FIG. 4B, as well as the proposed equation in determining the control gain of the low frequency section, in the case of the lowest rotor speed, in order to set the control gain to 0 and to improve the wind turbine output smoothing performance. It includes all control gain determination methods such that the value of the control gain increases as the rotor speed increases.
수퍼캐패시터, 플라이휠 또는 배터리와 같은 에너지 저장장치를 이용하면 풍력발전기의 출력 변동을 원활하게 제어할 수 있지만 해당 시설들을 설치하고 유지하는데 많은 비용이 든다.The use of energy storage devices such as supercapacitors, flywheels or batteries can smoothly control fluctuations in the output of wind turbines, but installation and maintenance of these facilities is expensive.
본 발명은 이 비용의 발생을 방지하거나 줄이기 위해 최대 전력점 추종 제어 루프와 연계하여 동작하는 주파수 편차(Δf)를 기반으로 하는 P 제어 루프를 채택하는 풍력발전기의 출력 평활화 제어를 위한 것이다.The present invention is for output smoothing control of a wind turbine employing a P control loop based on a frequency deviation (Δ f ) operating in conjunction with a maximum power point tracking control loop to prevent or reduce this cost.
본 발명의 일 실시 예에 따른 주파수 제어를 위한 풍력발전기의 출력 평활화 제어 시스템은 도 2에서와 같이, 주파수 기준값과 비교한 주파수 편차를 이용하여 저주파수 구간과 과주파수 구간에 따른 별도의 제어이득을 결정한다.The output smoothing control system of a wind turbine for frequency control according to an embodiment of the present invention determines a separate control gain according to the low-frequency section and the over-frequency section by using the frequency deviation compared to the frequency reference value, as shown in FIG. 2. do.
과주파수 구간에서는 최대 전력점 추종 제어로부터 나오는 출력보다 낮은 값의 출력을 내고, 이로 인하여 남는 전력은 풍력발전기의 회전 에너지로 흡수되고, 반대로 저주파수 구간에서는 최대출력제어 출력보다 높은 값의 출력을 내고, 이로 인하여 회전자의 운동 에너지가 방출되도록 한다.In the over-frequency section, the output of a lower value than the output from the maximum power point tracking control is output, and the remaining power is absorbed by the rotational energy of the wind turbine, whereas in the low-frequency section, the output is higher than the maximum output control output. This causes the kinetic energy of the rotor to be released.
이를 위하여, P 제어기는 최대 전력점 추종 제어 루프에 주파수 편차에 기반한 P 제어 루프를 추가하여, 풍력발전기의 출력의 기준값을 결정한다.To this end, the P controller determines a reference value of the output of the wind turbine by adding a P control loop based on the frequency deviation to the maximum power point tracking control loop.
본 발명의 일 실시 예에 따른 주파수 제어를 위한 풍력발전기의 출력 평활화 제어 시스템은 시스템 주파수(f sys ) 및 기준 주파수(f nom )를 입력으로 주파수 편차(Δf)를 출력하는 주파수 편차 출력부(20)와, 주파수 편차 출력부(20)의 주파수 편차(Δf)를 입력으로 이득(K p )을 갖고 출력 평활화를 위한 제어값(ΔP p )을 출력하는 비례 제어기(21)와, MPPT 제어를 위한 유효 전력 기준값(P MPPT ) 및 제어값(ΔP p )을 입력으로 유효 전력 기준값(P ref )을 출력하는 유효 전력 기준값 출력부(22)와, 유효 전력 기준값 출력부(22)의 유효 전력 기준값(P ref ) 및 터미널에서 측정한 유효 전력(P g )을 입력으로 출력 평활화 제어를 위한 신호를 출력하는 제어신호 출력부(23)와, 제어신호 출력부(23)의 제어신호를 입력으로 회전자측 제어기의 q축 전류 기준 값(i qr_ref )을 출력하는 회전자측 제어신호 출력부(PI)(24)를 포함한다.The output smoothing control system of a wind turbine for frequency control according to an embodiment of the present invention is a frequency deviation output unit that outputs a frequency deviation (Δ f ) by inputting a system frequency ( f sys ) and a reference frequency ( f nom ). 20) and a
도 2에서 각 블록의 입력 및 출력 파라미터를 다음과 같이 정의한다.In FIG. 2, input and output parameters of each block are defined as follows.
f sys , f nom .: 시스템 주파수 및 기준 주파수 f sys , f nom . : System frequency and reference frequency
K p : 비례 제어기의 Gain K p : Gain of proportional controller
P MPPT : MPPT 제어를 위한 유효 전력 기준 값 P MPPT : Active power reference value for MPPT control
P ref , P g : 유효 전력 기준 값 및 터미널에서 측정한 유효 전력 P ref , P g : Reference value of active power and active power measured at the terminal
ΔP p : 출력 평활화를 위한 비례 제어기의의 출력Δ P p : Output of proportional controller for output smoothing
i qr_ref : 회전자측 제어기의 q축 전류 기준 값 i qr_ref : Reference value of q-axis current of the rotor side controller
이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 일 실시 예에 따른 주파수 제어를 위한 풍력발전기의 출력 평활화 제어 시스템의 출력 평활화 제어 과정을 설명하면 다음과 같다.An output smoothing control process of the output smoothing control system of a wind turbine for frequency control according to an embodiment of the present invention having such a configuration will be described as follows.
도 3a와 도 3b는 본 발명에 따른 주파수 제어를 위한 풍력발전기의 출력 평활화 제어 방법을 나타낸 플로우 차트이다.3A and 3B are flow charts illustrating a method for smoothing output of a wind turbine for frequency control according to the present invention.
도 3a는 최대 전력점 추종 제어 루프에 주파수 편차에 기반한 P 제어 루프를 추가하는 출력 평활화 제어 방법을 나타낸 것이다.3A shows an output smoothing control method of adding a P control loop based on a frequency deviation to a maximum power point tracking control loop.
먼저, 최대 전력점 추종 제어 루프에 주파수 편차에 기반한 P 제어 루프를 추가하여, 풍력발전기의 출력의 기준값을 결정한다.(S301)First, a P control loop based on a frequency deviation is added to the maximum power point tracking control loop, and a reference value of the output of the wind turbine is determined (S301).
이어, P 제어기에 사용되는 제어 이득(gain)을 정할 때, 과주파수 구간과 저주파수 구간에서 각각 별도의 제어 이득을 사용한다.(S302)Then, when determining the control gain used in the P controller, separate control gains are used in the over-frequency section and the low-frequency section (S302).
그리고 과주파수 구간에서의 게인을 최저 회전자 속도(
이어, 저주파수 구간에서의 게인을 회전자 회전 속도에 따라 0부터 증가하도록 설정한다.(S304)Then, the gain in the low frequency section is set to increase from 0 according to the rotor rotation speed (S304).
그리고 도 3b는 최대 전력점 추종 제어 루프에 주파수 편차에 기반한 PI 제어 루프를 추가하는 출력 평활화 제어 방법을 나타낸 것이다.In addition, FIG. 3B shows an output smoothing control method of adding a PI control loop based on a frequency deviation to a maximum power point tracking control loop.
먼저, 최대 전력점 추종 제어 루프에 주파수 편차에 기반한 PI 제어 루프를 추가하여, 풍력발전기의 출력의 기준값을 결정한다.(S311)First, a PI control loop based on a frequency deviation is added to the maximum power point tracking control loop, and a reference value of the output of the wind turbine is determined (S311).
이어, PI 제어기에 사용되는 제어 이득(gain)을 정할 때, 과주파수 구간과 저주파수 구간에서 각각 별도의 제어 이득을 사용한다.(S312)Next, when determining the control gain used in the PI controller, separate control gains are used in the over-frequency section and the low-frequency section (S312).
그리고 과주파수 구간에서의 게인을 최저 회전자 속도(
이어, 저주파수 구간에서의 게인을 회전자 회전 속도에 따라 0부터 증가하도록 설정한다.(S314)Then, the gain in the low frequency section is set to increase from 0 according to the rotor rotation speed (S314).
이와 같은 본 발명에 따른 주파수 제어를 위한 풍력발전기의 출력 평활화 제어 방법을 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.The output smoothing control method of the wind turbine for frequency control according to the present invention will be described in more detail as follows.
여기서, k g 는 풍력발전기의 MPPT 비례 상수이다.Here, k g is the MPPT proportional constant of the wind turbine.
도 2 및 수학식에서와 같이, ΔP p 는 Δf에 제어 이득(K p )을 곱하여 구한다. 2 and as in the equation, Δ p P is obtained by multiplying the control gain (K p) to Δ f.
따라서, 풍력발전기의 주파수 조정 성능은 Δf 루프의 제어 이득에 따라 결정된다.Therefore, frequency adjusting performance of the wind turbine is determined by the control loop gain of the Δ f.
P 제어기에 사용되는 제어 이득(gain)을 정할 때, 출력 편차(ΔP)의 최대 전력점 추종 제어 값(P MPPT )에 대한 비율에 기반하여 과주파수 구간과 저주파수 구간에서 각각 별도의 제어 이득을 사용한다.When determining the control gain used in the P controller, separate control gains in the over-frequency section and the under-frequency section, respectively, based on the ratio of the output deviation (Δ P ) to the maximum power point tracking control value ( P MPPT ). use.
과주파수 구간에서는 풍력발전기의 에너지 흡수 능력을 향상시키기 위해 출력 편차(ΔP)의 최대 전력점 추종 제어 값(P MPPT )에 대한 비율을 풍력발전기의 회전자 회전 속도(
한편, 저주파수 구간에서는 풍력발전기의 안정적인 동작을 보장하면서 에너지 방출 능력을 개선하기 위해서 출력 편차(ΔP)의 최대 전력점 추종 제어 값(P MPPT )에 대한 비율을 회전자 회전 속도에 따라 0부터 증가하도록 설정한다.On the other hand, in the low frequency section, the ratio of the output deviation (Δ P ) to the maximum power point tracking control value ( P MPPT ) is increased from 0 according to the rotor rotation speed in order to improve the energy dissipation ability while ensuring the stable operation of the wind turbine. Set to
이와 같은 방법을 사용하면, 풍력발전기의 회전체 질량을 에너지 저장장치처럼 이용하여 출력 평활화 능력을 현저하게 향상시킬 수 있다.Using such a method, it is possible to remarkably improve the output smoothing ability by using the mass of the rotor of the wind turbine as an energy storage device.
P 제어기의 제어 이득(K p )을 결정하는 데 있어서 출력 편차와 최대 출력점 추종 제어값에 기반하여 각각 K p_ofs 와 K p_ufs 로 표기된 과주파수 구간과 저주파수 구간에 대해 별도의 제어 이득을 채용한다. 과주파수 구간에서는 풍력발전기의 에너지 흡수 능력을 높이기 위해 ΔP/P MPPT 는 다음과 같이 설정한다.In determining the control gain ( K p ) of the P controller, separate control gains are adopted for the over-frequency section and the low-frequency section indicated by K p_ofs and K p_ufs , respectively, based on the output deviation and the maximum output point tracking control value. In the over-frequency section, Δ P/P MPPT is set as follows to increase the energy absorption capacity of the wind turbine.
여기서 a와 b는 상수로서 사용자의 설계 목적에 따라 변경될 수 있다.Here, a and b are constants and can be changed according to the user's design purpose.
그리고 ωmin은 풍력발전기의 최소 회전자 속도이고, ωmax는 풍력발전기의 최대 회전자 속도이다. Ωmin is the minimum, and the rotor speed of a wind turbine, ωmax is the maximum rotor speed of the wind turbine.
과주파수 구간에서는 회전자가 최소 속도일 때 ΔP/P MPPT 값을 가장 크게 설정하여 풍력발전기의 에너지 흡수 능력을 극대화시키고 회전자의 속도가 빨라질수록 ΔP/P MPPT 를 비례적으로 줄인다.In the over-frequency section, when the rotor is at the minimum speed, the Δ P/P MPPT value is set to the largest value to maximize the energy absorption capacity of the wind turbine, and as the rotor speed increases, the Δ P/P MPPT is proportionally reduced.
회전자의 속도가 최대값보다 커지게 되면 피치각 제어기가 동작하여 바람에너지를 잃어버리는 상황이 발생할 수 있기 때문에 회전자의 속도가 빠르면 ΔP/P MPPT 값을 점점 줄이는 것이다.If the speed of the rotor becomes larger than the maximum value, the pitch angle controller operates and wind energy may be lost. Therefore, if the speed of the rotor is fast, the Δ P/P MPPT value is gradually reduced.
이렇게 과주파수 구간에서 에너지를 많이 흡수할수록, 저주파수 구간에서 방출할 수 있는 에너지의 양이 많아진다는 뜻이므로 저주파수 구간에서의 주파수 조정 능력에 도움이 된다. In this way, the more energy is absorbed in the over-frequency section, the greater the amount of energy that can be emitted in the low-frequency section, which is helpful for the ability to adjust the frequency in the low-frequency section.
K p_ofs 는 아래 식과 같이 ΔP/P MPPT 에 수학식 2의 P MPPT 를 곱한 다음 0.1Hz를 나누면 얻을 수 있다. P_ofs K can be obtained by dividing the product of the following 0.1Hz MPPT P of Equation (2) to Δ P / P MPPT as the expression below.
여기서, K p_ofs 는 과주파수 구간에서 P제어기의 제어 이득이다.Here, K p_ofs is the control gain of the P controller in the overfrequency section.
수학식 4의 ΔP/P MPPT 는 기존 방식보다 회전 질량에 더 많은 에너지를 흡수할 수 있으므로 저주파수 구간에서 기존 방식보다 더 큰 ΔP/P MPPT 를 설정하여, 출력 평활화 능력을 향상시킬 수 있다. Since the Δ P/P MPPT of
한편, 과주파수 구간에서는 풍력발전기의 안정적인 동작을 보장하면서 에너지 방출 능력을 높이기 위해 ΔP/P MPPT (
저주파수 구간에서는 회전자가 최소 속도일 때 ΔP/P MPPT 값을 0으로 설정하여야 풍력발전기의 안정성을 보장할 수 있고, 회전자의 속도가 커질수록 ΔP/P MPPT 값을 비례적으로 증가시키면, 회전자의 속도가 높을수록 더 많은 에너지를 방출할 수 있다는 것이므로 출력 평활화에 더욱 기여하기 때문이다.In the low frequency section, when the rotor is at the minimum speed, the Δ P/P MPPT value must be set to 0 to ensure the stability of the wind turbine. As the rotor speed increases, the Δ P/P MPPT value increases proportionally, This is because the higher the speed of the rotor, the more energy it can dissipate, which contributes more to smoothing the output.
K p_ufs 는 아래 식과 같이 ΔP/P MPPT 에 수학식 2의 P MPPT 를 곱한 다음 0.1Hz를 나누면 얻을 수 있다. P_ufs K can be obtained by dividing the product of the following 0.1Hz MPPT P of Equation (2) to Δ P / P MPPT as the expression below.
여기서, K p_ufs 는 저주파수 구간에서 P제어기의 제어 이득이다.Here, K p_ufs is the control gain of the P controller in the low frequency section.
도 4a와 도 4b는 저주파수 구간과 과주파수 구간에서의 P/P MPPT 와 P 제어기 제어 이득 곡선 그래프이다.4A and 4B are graphs of P / P MPPT and P controller control gain curves in a low frequency section and an over frequency section.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 주파수 제어를 위한 풍력발전기의 출력 평활화 제어 시스템의 구성을 설명하면 다음과 같다.A configuration of an output smoothing control system of a wind turbine for frequency control according to another embodiment of the present invention will be described as follows.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 주파수 제어를 위한 풍력발전기의 출력 평활화 제어 시스템의 구성도이다.5 is a block diagram of an output smoothing control system of a wind turbine for frequency control according to another embodiment of the present invention.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 주파수 제어를 위한 풍력발전기의 출력 평활화 제어 시스템은 최대 전력점 추종 제어 루프에 주파수 편차에 기반한 PI 제어 루프를 추가하여 풍력발전기의 기준값을 결정하는 것이다.The output smoothing control system of a wind turbine for frequency control according to another embodiment of the present invention determines a reference value of the wind turbine by adding a PI control loop based on a frequency deviation to a maximum power point tracking control loop.
도 5 및 수학식 8 ~ 11에서와 같이, 최대 전력점 추종 제어 루프에 주파수 편차에 기반한 PI 제어 루프를 추가하여, 풍력발전기의 출력의 기준값을 결정한다.5 and
이는 P 제어기만 사용하는 방식보다 정상상태 편차(steady-state error)를 줄여 주어 출력 변동을 더 좁은 범위로 유지할 수 있다. This reduces the steady-state error than the method using only the P controller, so that the output fluctuation can be kept within a narrower range.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 주파수 제어를 위한 풍력발전기의 출력 평활화 제어 시스템은 도 5에서와 같이, 시스템 주파수(f sys ) 및 기준 주파수(f nom )를 입력으로 주파수 편차(Δf)를 출력하는 주파수 편차 출력부(50)와, 주파수 편차 출력부(50)의 주파수 편차(Δf)를 입력으로 이득(K p )을 갖고 출력 평활화를 위한 제어값(ΔP p )을 출력하는 비례 제어기(51)와, 주파수 편차 출력부(50)의 주파수 편차(Δf)를 입력으로 이득(K i )을 갖고 출력 평활화를 위한 제어값(ΔP i )을 출력하는 적분 제어기(52) 및 적분 제어값 출력부(53)와, MPPT 제어를 위한 유효 전력 기준값(P MPPT ) 및 제어값(ΔP p ) 및 제어값(ΔP i )을 입력으로 유효 전력 기준값(P ref )을 출력하는 유효 전력 기준값 출력부(54)와, 유효 전력 기준값 출력부(54)의 유효 전력 기준값(P ref ) 및 터미널에서 측정한 유효 전력(P g )을 입력으로 출력 평활화 제어를 위한 신호를 출력하는 제어신호 출력부(55)와, 제어신호 출력부(55)의 제어신호를 입력으로 회전자측 제어기의 q축 전류 기준 값(i qr_ref )을 출력하는 회전자측 제어신호 출력부(PI)(56)를 포함한다.The output smoothing control system of a wind turbine for frequency control according to another embodiment of the present invention outputs a frequency deviation (Δ f ) by inputting a system frequency ( f sys ) and a reference frequency ( f nom ) as shown in FIG. 5. A proportional controller that outputs a control value (Δ P p ) for smoothing the output with a gain ( K p ) as an input of the frequency
도 5에서 각 블록의 입력 및 출력 파라미터를 다음과 같이 정의한다.In FIG. 5, input and output parameters of each block are defined as follows.
f sys , f nom .: 시스템 주파수 및 기준 주파수 f sys , f nom . : System frequency and reference frequency
K p , K i : 비례 및 적분 제어기의 Gains K p , K i : Gains of proportional and integral controller
P MPPT : MPPT 제어를 위한 유효 전력 기준 값 P MPPT : Active power reference value for MPPT control
P ref , P g : 유효 전력 기준 값 및 터미널에서 측정한 유효 전력 P ref , P g : Reference value of active power and active power measured at the terminal
ΔP p , ΔP i : 출력 평활화를 위한 비례 및 적분 제어기의의 출력Δ P p , Δ P i : Output of proportional and integral controller for smoothing output
i qr_ref : 회전자측 제어기의 q축 전류 기준 값 i qr_ref : Reference value of q-axis current of the rotor side controller
이상에서와 같이 ΔP p 와 ΔP i 는 Δf에 각각의 제어 이득(K p , K i )을 곱하여 구한다.As described above, Δ P p and Δ P i are obtained by multiplying Δ f by the respective control gains ( K p , K i ).
따라서 풍력발전기의 주파수 조정 성능은 Δf 루프의 제어 이득에 따라 결정된다. K p_ofs 와 K p_ufs 값은 P 제어기에 들어가는 제어 이득이며 I 제어기에 들어가는 제어 이득은 각각의 값에 일정 상수를 곱해서 설정한다.Therefore, frequency adjusting performance of the wind turbine is determined by the control loop gain of the Δ f. The values of K p_ofs and K p_ufs are the control gains entering the P controller, and the control gains entering the I controller are set by multiplying each value by a constant.
I 제어기의 제어 이득은 사용자의 설계 목적에 따라 수정될 수 있지만, 일반적으로는 K p_ofs 와 K p_ufs 보다 값이 작아지는 것에는 상관이 없으며 10 이상의 상수를 곱해주면 제어 이득의 값이 너무 커져 주파수 편차에 매우 민감하게 반응하기 때문에 제어에 문제가 발생할 수 있다.I The control gain of the controller can be modified according to the user's design purpose, but in general, it does not matter that the value becomes smaller than K p_ofs and K p_ufs . Multiplying by a constant of 10 or more increases the value of the control gain, resulting in frequency deviation It reacts very sensitively to control and can cause control problems.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 주파수 제어를 위한 풍력발전기의 출력 평활화 제어 시스템 및 방법은 다음과 같이 적용하는 것이 가능하다.The system and method for smoothing the output of a wind turbine for frequency control according to the present invention described above can be applied as follows.
도 2의 P 제어기 및 도 5의 PI 제어기에 사용하는 주파수 편차(Δf)에 이용되는 제어 이득을 사용하는 데 있어서 다음과 같이 적용할 수 있다.In using the control gain used for the frequency deviation (Δ f ) used in the P controller of FIG. 2 and the PI controller of FIG. 5, it can be applied as follows.
P 제어기에 적용된 경우에는 (1)모든 주파수 구간에서 수학식 7의 제어 이득만 사용, (2)주파수 구간에 따라서 수학식 5와 수학식 7의 과주파수 구간과 저주파수 구간으로 나눈 제어 이득을 모두 사용한다.When applied to the P controller, (1) only the control gain of
또한, P 제어기에 적용된 경우에서의 제어 이득을 사용하는데 있어서, 모든 주파수 구간에서 제어 이득을 최저 회전자 회전 속도(
그리고 PI 제어기에 적용된 경우에는 (3)모든 주파수 구간에서 수학식 7의 제어 이득만 사용, (4)주파수 구간에 따라서 수학식 5와 수학식 7의 과주파수 구간과 저주파수 구간으로 나눈 제어 이득을 모두 사용한다.And when applied to the PI controller, (3) only the control gain of
또한, PI 제어기에 적용된 경우에서의 제어 이득을 사용하는데 있어서, 모든 주파수 구간에서 제어 이득을 최저 회전자 회전 속도(
이상에서 설명한 본 발명에 따른 주파수 제어를 위한 풍력발전기의 출력 평활화 제어 시스템 및 방법의 시뮬레이션 결과를 설명하면 다음과 같다.A simulation result of the system and method for smoothing the output of a wind turbine for frequency control according to the present invention described above will be described as follows.
도 6은 풍력 발전 단지가 연계된 IEEE 14-모선 시스템 구성도이고, 도 7은 본 발명에 따른 주파수 제어를 위한 풍력발전기의 출력 평활화 제어 시스템의 시뮬레이션에서 사용한 풍속 데이터이다.6 is a block diagram of an IEEE 14-bus system in which a wind farm is connected, and FIG. 7 is wind speed data used in a simulation of an output smoothing control system of a wind turbine for frequency control according to the present invention.
도 6은 본 발명의 실시 예를 시뮬레이션하기 위한 풍력발전단지가 연계된 계통을 나타낸 모식도이다. 시뮬레이션은 본 발명에 따른 PI 제어기를 사용하였으며 주파수 구간에 따라서 수학식 5와 수학식 7의 저주파수 구간과 과주파수 구간으로 나눈 제어 이득을 모두 사용하였다.6 is a schematic diagram showing a system to which a wind farm is connected for simulating an embodiment of the present invention. In the simulation, the PI controller according to the present invention was used, and control gains divided into the low-frequency section and the over-frequency section of
위 계통은 IEEE 14-bus 모선을 수정하여 만들었으며 9번 모선에 60MW의 이중여자유도발전기(doubly-fed induction generator) 기반 풍력발전단지가 연계되어 있다. 동기발전기는 5대, 부하는 11개가 연계되어 있다. 풍속 변동에 의한 제어의 결과를 확인하기 위해 사용한 풍속 데이터는 도 7에서와 같다.The above system was made by modifying the IEEE 14-bus bus, and a 60MW doubly-fed induction generator-based wind farm is connected to
이와 같은 풍속 변동이 있을 경우 각각의 제어 방안에 대한 결과는 도 8에서와 같다.When there is such a fluctuation in wind speed, the results for each control scheme are as in FIG. 8.
도 8은 본 발명에 따른 주파수 제어를 위한 풍력발전기의 출력 평활화 제어 시스템의 시뮬레이션 결과(풍력발전기의 출력, 회전자 속도, 계통 주파수) 그래프이다.8 is a graph of a simulation result (output of a wind turbine, rotor speed, and system frequency) of the output smoothing control system of a wind turbine for frequency control according to the present invention.
이와 같은 시뮬레이션 결과에서 확인할 수 있듯이 종래 기술과 비교하여 풍력발전기의 출력 변동이 상당히 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 과주파수 구간에서는 더 많은 에너지를 흡수하고 저주파수 구간에서는 더 많은 에너지를 방출하기 때문에 본 발명의 회전자 속도 구간은 종래 기술보다 더 넓은 폭이 됨을 알 수 있고, 이는 풍력발전기의 회전자를 효과적으로 사용할 수 있음을 의미한다.As can be seen from the simulation results, it can be seen that the fluctuation of the output of the wind turbine is significantly reduced compared to the prior art. Since more energy is absorbed in the over-frequency section and more energy is released in the low-frequency section, it can be seen that the rotor speed section of the present invention has a wider width than the prior art, which can effectively use the rotor of a wind turbine. Means there is.
본 발명은 연속적이고 급격한 풍속 변동에도 불구하고 풍력발전기의 출력을 매우 평활하게 만들 수 있기 때문에 계통 주파수도 기준 값인 60Hz에 더욱 근접한 값으로 유지할 수 있다.The present invention can make the output of the wind turbine very smooth despite continuous and rapid wind speed fluctuations, so that the system frequency can be maintained at a value closer to the reference value of 60 Hz.
본 발명에 따른 주파수 제어를 위한 풍력발전기의 출력 평활화 제어 시스템 및 방법은 이중여자 유도 발전기 기반 풍력발전기(Type C) 뿐만 아니라 풀 컨버터(full converter) 기반 풍력발전기(Type D)에도 적용 가능하다.The system and method for smoothing the output of a wind turbine for frequency control according to the present invention can be applied not only to a double-excitation induction generator-based wind turbine (Type C), but also to a full converter-based wind turbine (Type D).
또한, 풍력발전기를 비롯하여 계통 주파수에 따라 저장된 에너지를 이용하여 출력을 증가 또는 감소시킬 수 있는 모든 컨버터 기반 발전원, 에너지 저장장치, 전기자동차 및 수요 반응 등에도 적용 가능하다.In addition, it can be applied to all converter-based power generation sources, energy storage devices, electric vehicles, and demand response that can increase or decrease the output using energy stored according to the system frequency, including wind power generators.
그리고 부하 변동으로 인한 주파수 변동으로 인해 제어가 필요한 경우에도 제안한 재생에너지 발전기 제어를 적용 가능하다.And even when control is required due to frequency fluctuations due to load fluctuations, the proposed renewable energy generator control can be applied.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 주파수 제어를 위한 풍력발전기의 출력 평활화 제어 시스템 및 방법은 전력 계통에 풍력발전기가 연계되었을 경우, 풍력발전기의 회전 질량을 활용하여 풍속 변동에 의한 풍력발전기의 출력을 평활화하여 전력 계통의 주파수 제어(frequency regulation)에 기여할 수 있도록 한 것이다.The output smoothing control system and method of a wind turbine for frequency control according to the present invention described above, when a wind turbine is connected to the power system, smoothes the output of the wind turbine due to wind speed fluctuations by utilizing the rotational mass of the wind turbine. This is to contribute to the frequency regulation of the power system.
본 발명에서는 과주파수 구간에서는 최대 전력점 추종 제어로부터 나오는 출력보다 낮은 값의 출력을 내고, 이로 인하여 남는 전력은 풍력발전기의 회전 에너지로 흡수된다. 반대로 저주파수 구간에서는 최대출력제어 출력보다 높은 값의 출력을 내고, 이로 인하여 회전자의 운동 에너지가 방출되도록 하여 에너지 저장장치와 같은 역할을 할 수 있다. 별도의 에너지 저장장치를 사용하지 않으므로 출력 평활화를 위해 추가적으로 드는 비용을 줄일 수 있고, 또는 주파수 제어를 위해 동기발전기들이 추가적으로 가져야 하는 1차 예비력 또는 주파수 제어 예비력을 줄여줄 수 있어 전력 계통의 운영 비용 감소를 기대할 수 있다.In the present invention, in the over-frequency section, an output of a lower value than the output from the maximum power point tracking control is output, and the remaining power is absorbed as rotational energy of the wind turbine. On the contrary, in the low frequency section, an output of a higher value than the maximum output control output is output, and thus kinetic energy of the rotor is released, so that it can act as an energy storage device. Since a separate energy storage device is not used, additional costs for smoothing output can be reduced, or the primary reserve or frequency control reserve that synchronous generators must additionally have for frequency control can be reduced, thereby reducing the operating cost of the power system. Can be expected.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.As described above, it will be understood that the present invention is implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.Therefore, the specified embodiments should be considered from a descriptive point of view rather than a limiting point of view, and the scope of the present invention is shown in the claims rather than the above description, and all differences within the scope equivalent thereto are included in the present invention. It will have to be interpreted.
20. 주파수 편차 출력부
21. 비례 제어기
22. 유효 전력 기준값 출력부
23. 제어신호 출력부
24. 회전자측 제어신호 출력부20. Frequency deviation output
21. Proportional controller
22. Active power reference value output
23. Control signal output section
24. Rotor side control signal output
Claims (18)
주파수 편차 출력부의 주파수 편차(Δf)를 입력으로 제어 이득(K p )을 갖고 출력 평활화를 위한 제어값(ΔP p )을 출력하는 비례 제어기;
MPPT 제어를 위한 유효 전력 기준값(P MPPT ) 및 제어값(ΔP p )을 입력으로 유효 전력 기준값(P ref )을 출력하는 유효 전력 기준값 출력부;
유효 전력 기준값 출력부의 유효 전력 기준값(P ref ) 및 터미널에서 측정한 유효 전력(P g )을 입력으로 출력 평활화 제어를 위한 신호를 출력하는 제어신호 출력부;
제어신호 출력부의 제어신호를 입력으로 회전자측 제어기의 q축 전류 기준 값(i qr_ref )을 출력하는 회전자측 제어신호 출력부(PI);를 포함하고, 최대 전력점 추종 제어 루프에 주파수 편차에 기반한 P 제어 루프를 추가하여, 풍력발전기의 출력의 기준값을 결정하는 것을 특징으로 하는 주파수 제어를 위한 풍력발전기의 출력 평활화 제어 시스템.A frequency deviation output unit for outputting a frequency deviation (Δ f ) by inputting a system frequency ( f sys ) and a reference frequency ( f nom );
A proportional controller for outputting a control value (Δ P p ) for smoothing the output and having a control gain ( K p ) as an input of the frequency deviation (Δ f ) of the frequency deviation output unit;
An active power reference value output unit for outputting an active power reference value P ref by inputting an active power reference value P MPPT and a control value Δ P p for MPPT control;
A control signal output unit for outputting a signal for output smoothing control as inputs of the active power reference value P ref of the active power reference value output unit and the active power P g measured by the terminal;
Including a control signal output unit (PI) for outputting the q-axis current reference value ( i qr_ref ) of the controller on the rotor side by inputting the control signal from the control signal output unit, and frequency deviation in the maximum power point tracking control loop A wind turbine output smoothing control system for frequency control, characterized in that by adding a P control loop based on the determination of a reference value of the output of the wind turbine.
반대로 저주파수 구간에서는 최대출력제어 출력보다 높은 값의 출력을 내고, 이로 인하여 회전자의 운동 에너지가 방출되도록 하는 것을 특징으로 하는 주파수 제어를 위한 풍력발전기의 출력 평활화 제어 시스템.The method of claim 1, wherein in the over-frequency section, an output of a lower value than the output from the maximum power point tracking control is output, and the remaining power is absorbed as rotational energy of the wind turbine.
Conversely, in a low frequency section, an output of a value higher than the maximum output control output is output, and thus kinetic energy of the rotor is released.
풍력발전기의 주파수 조정 성능은 Δf 루프의 제어 이득에 따라 결정되고,
여기서, kg 는 풍력발전기의 MPPT 비례 상수이고,
The frequency regulation performance of the wind turbine is determined by the control gain of the Δ f loop,
Where k g is the MPPT proportional constant of the wind turbine,
저주파수 구간에서는 풍력발전기의 안정적인 동작을 보장하면서 에너지 방출 능력을 개선하기 위해서 출력 편차(ΔP)의 최대 전력점 추종 제어 값(P MPPT )에 대한 비율을 회전자 회전 속도에 따라 0부터 증가하도록 설정하는 것을 특징으로 하는 주파수 제어를 위한 풍력발전기의 출력 평활화 제어 시스템.According to claim 4, In the over-frequency section, in order to improve the energy absorption capacity of the wind turbine, the ratio of the output deviation (Δ P ) to the maximum power point tracking control value ( P MPPT ) is the rotor rotation speed of the wind turbine (
In the low frequency section, the ratio of the output deviation (Δ P ) to the maximum power point tracking control value ( P MPPT ) is set to increase from 0 according to the rotor rotation speed in order to improve the energy dissipation ability while ensuring the stable operation of the wind turbine. Output smoothing control system of a wind turbine for frequency control, characterized in that.
과주파수 구간에서는 풍력발전기의 에너지 흡수 능력을 높이기 위해 ΔP/P MPPT 는,
저주파수 구간에서는 풍력발전기의 안정적인 동작을 보장하면서 에너지 방출 능력을 높이기 위해 ΔP/P MPPT (
여기서 a와 b는 상수로서 사용자의 설계 목적에 따라 변경하는 것을 특징으로 하는 주파수 제어를 위한 풍력발전기의 출력 평활화 제어 시스템.The method of claim 5, wherein separate control gains are employed for the over-frequency section and the low-frequency section indicated by K p_ofs and K p_ufs , respectively, based on the output deviation and the maximum output point tracking control value,
In the over-frequency section, in order to increase the energy absorption capacity of the wind turbine, Δ P/P MPPT is,
In the low frequency section, Δ P/P MPPT (
Here, a and b are constants, and the output smoothing control system of a wind turbine for frequency control, characterized in that it is changed according to the design purpose of the user.
모든 주파수 구간에서 제어 이득을 최저 회전자 회전 속도(
주파수 구간에 따라서,
과주파수 구간에서의 제어 이득을 최저 회전자 속도(
저주파수 구간에서의 제어 이득을 최저 회전자 회전 속도(
The control gain over all frequency ranges is calculated as the lowest rotor rotational speed (
Depending on the frequency section,
The control gain in the over-frequency section is determined by the lowest rotor speed (
The control gain in the low frequency section is determined by the lowest rotor rotation speed (
주파수 편차 출력부의 주파수 편차(Δf)를 입력으로 이득(K p )을 갖고 출력 평활화를 위한 제어값(ΔP p )을 출력하는 비례 제어기;
주파수 편차 출력부의 주파수 편차(Δf)를 입력으로 이득(K i )을 갖고 출력 평활화를 위한 제어값(ΔP i )을 출력하는 적분 제어기 및 적분 제어값 출력부;
MPPT 제어를 위한 유효 전력 기준값(P MPPT ) 및 제어값(ΔP p ) 및 제어값(ΔP i )을 입력으로 유효 전력 기준값(P ref )을 출력하는 유효 전력 기준값 출력부;
유효 전력 기준값 출력부(54)의 유효 전력 기준값(P ref ) 및 터미널에서 측정한 유효 전력(P g )을 입력으로 출력 평활화 제어를 위한 신호를 출력하는 제어신호 출력부;
제어신호 출력부의 제어신호를 입력으로 회전자측 제어기의 q축 전류 기준 값(i qr_ref )을 출력하는 회전자측 제어신호 출력부(PI)를 포함하고,
최대 전력점 추종 제어 루프에 주파수 편차에 기반한 PI 제어 루프를 추가하여 풍력발전기의 기준값을 결정하는 것을 특징으로 하는 주파수 제어를 위한 풍력발전기의 출력 평활화 제어 시스템.A frequency deviation output unit for outputting a frequency deviation (Δ f ) by inputting a system frequency ( f sys ) and a reference frequency ( f nom );
Proportional controller which has a gain (K p) the frequency deviation output of the deviation frequency (Δ f) as the input to the output control value for output smoothing (Δ P p);
Frequency deviation output of the deviation frequency (Δ f) of the gain to the input (K i) of the integral controller and the integral control value output section which outputs the control value for the smoothed output (Δ P i) have;
An active power reference value output unit for outputting an active power reference value ( P ref ) by inputting an active power reference value ( P MPPT ), a control value (Δ P p ), and a control value (Δ P i ) for MPPT control;
A control signal output unit for outputting a signal for output smoothing control by inputting the active power reference value P ref of the active power reference value output unit 54 and the active power P g measured at the terminal;
It includes a rotor-side control signal output unit (PI) for outputting a q-axis current reference value ( i qr_ref ) of the rotor-side controller as an input of the control signal of the control signal output unit,
A wind turbine output smoothing control system for frequency control, characterized in that the PI control loop based on the frequency deviation is added to the maximum power point tracking control loop to determine the reference value of the wind turbine.
여기서,
풍력발전기의 주파수 조정 성능은 Δf 루프의 제어 이득에 따라 결정되고,
제어기에 들어가는 제어 이득은 P 제어기에 들어가는 제어 이득의 값에 일정 상수를 곱해서 설정하는 것을 특징으로 하는 주파수 제어를 위한 풍력발전기의 출력 평활화 제어 시스템.The method of claim 10, wherein the active power reference value ( P ref ) is
here,
The frequency regulation performance of the wind turbine is determined by the control gain of the Δ f loop,
The control gain entering the controller is set by multiplying a value of the control gain entering the P controller by a constant constant. The output smoothing control system of a wind turbine for frequency control, characterized in that.
모든 주파수 구간에서 제어 이득을 최저 회전자 회전 속도(
주파수 구간에 따라서,
과주파수 구간에서의 제어 이득을 최저 회전자 속도(
저주파수 구간에서의 제어 이득을 최저 회전자 회전 속도(
The control gain over all frequency ranges is calculated as the lowest rotor rotational speed (
Depending on the frequency section,
The control gain in the over-frequency section is determined by the lowest rotor speed (
The control gain in the low frequency section is determined by the lowest rotor rotation speed (
이중여자 유도 발전기 기반 풍력발전기(Type C) 또는 풀 컨버터(full converter) 기반 풍력발전기(Type D),
또는 계통 주파수에 따라 저장된 에너지를 이용하여 출력을 증가 또는 감소시킬 수 있는 모든 컨버터 기반 발전원 또는 에너지 저장장치 또는 전기자동차 또는 수요 반응을 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 제어를 위한 풍력발전기의 출력 평활화 제어 시스템.The method of claim 1 or 10, wherein the object to which the output smoothing control system is applied,
Double-excitation induction generator-based wind power generator (Type C) or full converter-based wind power generator (Type D),
Alternatively, the output smoothing control of a wind turbine for frequency control, characterized in that it includes any converter-based power generation source or energy storage device or electric vehicle or demand response capable of increasing or decreasing the output using the stored energy according to the system frequency. system.
P 제어기에 사용되는 제어 이득(gain)을 정할 때, 과주파수 구간과 저주파수 구간에서 각각 별도의 제어 이득을 사용하는 단계;
과주파수 구간에서의 게인을 최저 회전자 속도(
저주파수 구간에서의 게인을 회전자 회전 속도에 따라 0부터 증가하도록 설정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 제어를 위한 풍력발전기의 출력 평활화 제어 방법.Determining a reference value of an output of the wind turbine by adding a P control loop based on the frequency deviation to the maximum power point tracking control loop;
Using separate control gains in the over-frequency section and the low-frequency section, respectively, when determining a control gain used in the P controller;
The gain in the over-frequency section is determined by the minimum rotor speed (
Setting the gain in the low frequency section to increase from 0 according to the rotor rotation speed; output smoothing control method for a wind turbine for frequency control comprising a.
모든 주파수 구간에서 제어 이득을 최저 회전자 회전 속도(
주파수 구간에 따라서,
과주파수 구간에서의 제어 이득을 최저 회전자 속도(
저주파수 구간에서의 제어 이득을 최저 회전자 회전 속도(
The control gain over all frequency ranges is calculated as the lowest rotor rotational speed (
Depending on the frequency section,
The control gain in the over-frequency section is determined by the lowest rotor speed (
The control gain in the low frequency section is determined by the lowest rotor rotation speed (
PI 제어기에 사용되는 제어 이득(gain)을 정할 때, 과주파수 구간과 저주파수 구간에서 각각 별도의 제어 이득을 사용하는 단계;
과주파수 구간에서의 게인을 최저 회전자 속도(
저주파수 구간에서의 게인을 회전자 회전 속도에 따라 0부터 증가하도록 설정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 제어를 위한 풍력발전기의 출력 평활화 제어 방법.Determining a reference value of an output of the wind turbine by adding a PI control loop based on the frequency deviation to the maximum power point tracking control loop;
When determining a control gain used in the PI controller, using separate control gains in the over-frequency section and the low-frequency section;
The gain in the over-frequency section is determined by the minimum rotor speed (
Setting the gain in the low frequency section to increase from 0 according to the rotor rotation speed; output smoothing control method for a wind turbine for frequency control comprising a.
모든 주파수 구간에서 제어 이득을 최저 회전자 회전 속도(
주파수 구간에 따라서,
과주파수 구간에서의 제어 이득을 최저 회전자 속도(
저주파수 구간에서의 제어 이득을 최저 회전자 회전 속도(
The control gain over all frequency ranges is calculated as the lowest rotor rotational speed (
Depending on the frequency section,
The control gain in the over-frequency section is determined by the lowest rotor speed (
The control gain in the low frequency section is determined by the lowest rotor rotation speed (
이중여자 유도 발전기 기반 풍력발전기(Type C) 또는 풀 컨버터(full converter) 기반 풍력발전기(Type D),
또는 계통 주파수에 따라 저장된 에너지를 이용하여 출력을 증가 또는 감소시킬 수 있는 모든 컨버터 기반 발전원 또는 에너지 저장장치 또는 전기자동차 또는 수요 반응을 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 제어를 위한 풍력발전기의 출력 평활화 제어 방법.The method of claim 14 or 16, wherein the object to which the output smoothing control method is applied,
Double-excitation induction generator-based wind power generator (Type C) or full converter-based wind power generator (Type D),
Alternatively, the output smoothing control of a wind turbine for frequency control, characterized in that it includes any converter-based power generation source or energy storage device or electric vehicle or demand response capable of increasing or decreasing the output using the stored energy according to the system frequency. Way.
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