KR20140034631A - 풍력 발전 시뮬레이터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 풍력 발전 시뮬레이터에 관한 것으로, 가변 풍속 및 블레이드의 회전 각속도에 기초하여 이중여자 유도 발전기에 전달될 토크를 연산하는 풍력 터빈 모듈 및 이중여자 유도 발전기의 회전자와 전력 계통 사이에 연결되는 전력변환기를 제어하여 전력 계통에 공급되는 출력 전력을 제어하는 풍력 발전 모듈을 포함하며, 본 발명에 따르면, 풍력 터빈, 증속기 및 발전기에 이르는 풍력발전의 동역학적 특성과 발전기, 전력변환기, 전력 계통에 이르는 풍력발전의 전기공학적 특성을 상세하게 모의 분석할 수 있다.

Description

풍력 발전 시뮬레이터{SIMULATOR OF WIND POWER GENERATION SYSTEM}
본 발명은 풍력 발전 시뮬레이터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 풍력 발전 시스템의 정상동작 시의 동역학적 특성과 고장발생 시의 제반 과도 특성을 상세하게 모의 분석할 수 있도록 하는 풍력 발전 시뮬레이터에 관한 것이다.
일반적으로 풍력 발전은 바람이 가지고 있는 공기역학적 에너지를 블레이드를 통해 동력에너지로 변환하고, 이를 발전기에 공급하여 전기에너지로 변환한 후 전력변환기를 통해 전력계통에 연계한다.
풍력 발전용 발전기에는 이중여자 유도 발전기(DFIG: Doubly-Fed Induction Generator)와 영구자석 동기발전기(PMSG: Permanent Magnet Synchronous Generator)가 있는데 이중여자 유도 발전기(DFIG)는 전력변환기의 용량이 발전용량의 1/3 수준이고 규모가 작고 비용이 저렴한 장점을 갖는다.
풍력 발전의 정상동작 시의 동역학적 특성과 고장발생 시의 과도 특성을 다양하게 분석하기 위해서는 하드웨어 시뮬레이터를 제작하여 실제 상황에 적합한 시나리오에 따라 실험을 실시하는 것이 가장 타당하다. 하지만, 제작하는 시뮬레이터의 용량에 따라 많은 비용이 소모된다는 단점이 있다.
하드웨어 시뮬레이터의 대안으로 제시된 것이 소프트웨어에 의한 시뮬레이션모델을 구성하여 정상동작 시의 동역학적 특성과 고장발생 시의 과도 특성을 분석하는 것이다.
현재 이중여자 유도 발전기(DFIG) 풍력 발전의 동작과 성능을 모의하기 위해 여러 종류의 소프트웨어가 사용되고 있으며, 소프트웨어 개발 회사가 전력 계통과 연계한 풍력발전에 대한 시뮬레이션 모델을 샘플로 개발하여 제공하기도 한다.
그러나 샘플로 제공되는 시뮬레이션 모델은 전체 풍력 발전 시스템에 대해 모델링 되어 있지 않으며, 특히 제어기의 경우 아날로그 방식으로 되어 있어 실제 풍력 발전의 성능을 정확히 분석하기 어려운 문제점이 있다.
관련 선행기술로는 대한민국 공개특허공보 제2009-0096857호(2009.09.15 공개, 발명의 명칭 : 이중여자 유도형 풍력발전기에 있어서의 전력 변환 장치 및 펄스 폭 변조 제어 방법)가 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 개선하기 위해 창안된 것으로서, 풍력 발전 시스템의 정상동작 시의 동역학적 특성과 고장발생 시의 제반 과도 특성을 상세하게 모의 분석할 수 있도록 하는 풍력 발전 시뮬레이터를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 풍력 발전 시스템의 시뮬레이션 장치는 가변 풍속 및 블레이드의 회전 각속도에 기초하여 이중여자 유도 발전기에 전달될 토크를 연산하는 풍력 터빈 모듈; 및 상기 이중여자 유도 발전기의 회전자와 전력 계통 사이에 연결되는 전력변환기를 제어하여 상기 전력 계통에 공급되는 출력 전력을 제어하는 풍력 발전 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 풍력 발전 모듈은 발전기 측 전력변환기를 제어하기 위한 발전기 제어모듈; 및 그리드 측 전력변환기를 제어하기 위한 그리드 제어모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 발전기 제어모듈 및 상기 그리드 제어모듈은 사용자에 의해 설계 및 수정 가능한 사용자정의 모듈로 구현되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 발전기 제어모듈은 상기 이중여자 유도 발전기의 위상과 상기 발전기 측 전력변환기의 위상을 동기화시키는 동기연산부; 및 상기 이중여자 유도 발전기의 토크를 제어하여 최대출력점 제어를 수행하는 토크제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 그리드 제어모듈은 상기 전력 계통의 위상과 상기 그리드 측 전력변환기의 위상을 동기화시키는 위상고정루프; 및 상기 그리드 측 전력변환기의 DC 링크 전압을 일정하게 제어하고, 상기 전력 계통의 무효 전력을 제어하는 DC링크/무효전력 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 풍력 터빈, 증속기 및 발전기에 이르는 풍력발전의 동역학적 특성과 발전기, 전력변환기, 전력 계통에 이르는 풍력발전의 전기공학적 특성을 상세하게 모의 분석할 수 있다.
또한, 본 발명은 발전기 측 전력변환기와 그리드 측 전력변환기를 디지털 방식으로 제어할 수 있도록 사용자정의 모델로 구현하여 제어모듈의 설계 및 수정이 가능하다.
또한, 본 발명은 연계된 전력 계통에서 사고가 발생하면 회전자의 속도 증가를 방지하는 보호 기능이 구비되어 정상동작 시의 특성과 고장발생 시의 특성을 상세하게 모의 분석할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시뮬레이터의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시뮬레이터에서 풍력 터빈 모듈이 토크를 연산하는 과정을 도시한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시뮬레이터를 이용하여 시뮬레이션을 수행한 풍력 발전 시스템의 회로 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 풍력 발전 시스템이 가변 풍속 환경에서 정상동작 하는 경우에 대한 시뮬레이션을 결과를 도시한 그래프이다.
도 5는 도 3에 도시된 풍력 발전 시스템이 일정 풍속 환경에서 전력 계통에 3상 Sag가 발생한 경우에 대한 시뮬레이션을 결과를 도시한 그래프이다.
이하에서는 본 발명에 따른 풍력 발전 시뮬레이터를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
일반적으로 이중여자 유도 발전기(DFIG) 풍력 발전 시스템은 바람에 의해 블레이드가 회전함에 따라 기계적인 회전력을 만들어내 축으로 전달하는 풍력 터빈, 축으로부터 회전력을 받아 회전하도록 설치된 회전자와 고정자를 가지며 회전자 및 고정자에 외부와 전력을 주고 받을 수 있는 전기 단자가 설치된 이중여자 유도 발전기(DFIG), 이중여자 유도 발전기(DFIG)의 고정자와 전력 계통을 연결하는 고정자 선로 및 이중여자 유도 발전기(DFIG)의 회전자와 전력 계통을 연결하는 회전자 선로로 이루어진다.
또한, 블레이드의 회전 속도를 이중여자 유도 발전기(DFIG)의 발전에 적합한 회전 속도로 회전시키기 위한 증속기(GEAR)가 구비된다.
회전자 선로에는 회전자의 속도에 의해 발생한 교류 전력을 전력 계통에 적합한 교류 전력으로 변환하거나, 전력 계통의 교류 전력을 회전자에 투입하기에 적합한 교류 전력으로 변환하는 전력변환기(AC-DC-AC Converter) 및 전력 계통의 연계점에 위치하는 변압기(TR)가 구비된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시뮬레이터의 구성을 도시한 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시뮬레이터는 풍력 터빈 모듈(100) 및 풍력 발전 모듈(200)을 포함하고, 풍력 발전 모듈(200)은 발전기 제어모듈(210) 및 그리드 제어모듈(220)을 포함한다.
풍력 터빈 모듈(100)은 가변 풍속 데이터와 블레이드의 회전각속도에 기초하여 이중여자 유도 발전기(DFIG)에 전달될 토크를 연산한다.
이러한 풍력 터빈 모듈(100)은 풍속 입력부(110) 및 블레이드 토크/속도 연산부(120)를 포함한다.
풍속 입력부(110)가 가변 풍속 데이터를 입력받아 블레이드 토크/속도 연산부(120)로 전달하면, 블레이드 토크/속도 연산부(120)가 가변 풍속 데이터 및 블레이드의 회전각속도에 기초하여 이중여자 유도 발전기(DFIG)에 전달될 토크를 연산한다.
이와 같이, 블레이드 토크/속도 연산부(120)가 이중여자 유도 발전기(DFIG)에 전달될 토크를 연산하는 구체적인 과정은 도 2를 참조하여 후술한다.
풍력 발전 모듈(200)은 이중유도 여자 발전기(DFIG)의 회전자와 전력 계통 사이에 연결되는 전력변환기(AC-DC-AC Converter)를 제어하여 전력 계통에 공급되는 출력 전력을 제어한다.
이 경우, 전력변환기(AC-DC-AC Converter)는 발전기 측 전력변환기(MSC; Machine Side Converter)와 그리드 측 전력변환기(GSC; Grid Side Converter)로 구분될 수 있다.
풍력 발전 모듈(200)은 발전기 제어모듈(210), 그리드 제어모듈(220), 전류루프 PI 제어부(231), PWM 생성부(232) 및 IGBT 구동부(233)를 포함한다.
발전기 제어모듈(210)은 발전기 측 전력변환기(MSC)를 제어한다.
발전기 제어모듈(210)은 이중여자 유도 발전기(DFIG)의 위상과 발전기 측 전력변환기(MSC)의 위상을 동기화시키는 동기연산부(211) 및 이중여자 유도 발전기(DFIG)의 토크를 제어하여 최대출력점 제어(MPPT; Maximum Power Point Tracking)를 수행하는 토크제어부(212)를 포함한다.
그리드 제어모듈(220)은 그리드 측 전력변환기(GSC)를 제어한다.
그리드 제어모듈(220)은 전력 계통의 위상과 그리드 측 전력변환기(GSC)의 위상을 동기화시키는 위상고정루프(222) 및 그리드 측 전력변환기(GSC)의 DC 링크 전압을 일정하게 제어하고, 전력 계통의 무효 전력을 제어하는 DC링크/무효전력 제어부(221)를 포함한다.
한편, 이와 같은 발전기 제어모듈(210) 및 그리드 제어모듈(220)은 사용자에 의해 설계 및 수정 가능한 사용자정의 모듈로 구현될 수 있다.
즉, 발전기 제어모듈(210) 및 그리드 제어모듈(220)은 사용자의 설정에 따라 정상동작 시나 고장발생 시와 같은 다양한 조건에서 모의 동작을 수행할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 의하면, 발전기 제어모듈(210)과 그리드 제어모듈(220)을 통해 풍력 발전 시스템의 정상동작 시와 고장발생 시의 제반 특성을 상세하게 모의 분석할 수 있다.
전류루프 PI 제어부(231)는 기준 전류값과 실제값의 차이를 0으로 만들기 위한 비례적분제어(PI)를 수행한다.
PWM 생성부(232)는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호의 듀티(duty)를 제어하여 IGBT 구동부(233)에 입력한다.
IGBT 구동부(233)는 발전기 측 전력변환기(MSC) 및 그리드 측 전력변환기(GSC)의 IGBT 스위치에 구동신호를 입력한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시뮬레이터에서 풍력 터빈 모듈 축 토크를 연산하는 과정을 도시한 순서도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 먼저, 풍력 터빈 모듈(100)의 블레이드 토크/속도 연산부(120)는 풍속 입력부(110)로부터 풍속 데이터(Vwind)를 입력받고(S10), 풍속 데이터, 블레이드의 회전각속도(ωblade) 및 블레이드의 길이(Rblade)에 기초하여 아래의 수학식 1에 따라 주속비(λ)를 연산한다(S11). 여기서, 주속비(λ)는 풍속 데이터(Vwind)와 블레이드의 회전각속도(ωblade)의 관계를 나타내는 값이다.
Figure pat00001
이어서, 블레이드 토크/속도 연산부(120)는 주속비(λ)를 이용하여 아래의 수학식 2에 따라 출력계수(Cp(λ))를 연산한다(S12). 여기서, 출력계수(Cp(λ))는 바람의 유동 에너지를 나타낸다.
Figure pat00002
다음으로, 블레이드 토크/속도 연산부(120)는 출력계수(Cp(λ))를 이용하여 아래의 수학식 3에 따라 블레이드에서 변환되는 에너지(Pblade)를 연산한다(S13).
Figure pat00003
여기서, A는 블레이드의 회전 단면적을 나타내고, ρ는 공기의 밀도를 나타낸다.
이와 같이, 블레이드에서 변환되는 에너지(Pblade)를 연산한 후, 블레이드 토크/속도 연산부(120)는 아래의 수학식 4와 같이 블레이드에서 변환되는 에너지(Pblade)를 블레이드의 회전각속도(ωblade)로 나누어 블레이드의 토크(Tblade)를 연산한다(S14).
Figure pat00004
블레이드 토크/속도 연산부(120)는 이와 같이 연산된 블레이드의 토크(Tblade)로부터 증속기(GEAR)를 거쳐 이중여자 유도 발전기(DFIG)에 전달될 축 토크(TDFIG)를 연산한다(S15).
이와 같이 본 발명에 의하면, 풍력 터빈 모듈(100)을 통해 풍력 발전 시스템의 동역학적 특성을 상세히 모의 분석할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시뮬레이터를 이용하여 시뮬레이션을 수행한 풍력 발전 시스템의 회로 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 풍력 발전 시스템이 가변 풍속 환경에서 정상동작 하는 경우에 대한 시뮬레이션을 결과를 도시한 그래프이다. 도 5는 도 3에 도시된 풍력 발전 시스템이 일정 풍속 환경에서 전력 계통에 3상 Sag가 발생한 경우에 대한 시뮬레이션을 결과를 도시한 그래프이다.
도 3은 Nordex S70 1.5MW 풍력 발전 시스템의 회로 구성이 도시되어 있으며, 도 4와 도 5에는 본 발명에 따른 풍력 발전 시뮬레이터를 이용한 시뮬레이션 결과가 도시되어 있다. 참고로, 도 4와 도 5의 (a)는 하드웨어 시뮬레이터를 이용한 시뮬레이션 결과이고, 도 4와 도 5의 (b)는 본 발명에 따른 풍력 발전 시뮬레이터를 이용한 시뮬레이션 결과이다.
도 4와 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 풍력 발전 시뮬레이터를 이용하여 도출된 정상동작 시와 고장발생 시의 특성이 하드웨어 시뮬레이터의 경우와 유사하게 나타남을 확인할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 풍력 터빈, 증속기 및 발전기에 이르는 풍력발전의 동역학적 특성과 발전기, 전력변환기, 전력 계통에 이르는 풍력발전의 전기공학적 특성을 상세하게 모의 분석할 수 있다.
또한, 발전기 측 전력변환기와 그리드 측 전력변환기를 디지털 방식으로 제어할 수 있도록 사용자정의 모델로 구현하여 제어모듈의 설계 및 수정이 가능하다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
100 : 풍력 터빈 모듈
110 : 풍속 입력부
120 : 블레이드 토크/속도 연산부
200 : 풍력 발전 모듈
210 : 발전기 제어모듈
211 : 동기연산부
212 : 토크제어부
221 : DC링크/무효전력 제어부
222 : 위상고정루프(PLL)
220 : 그리드 제어모듈
231 : 전류루프 PI 제어부
232 : PWM 생성부
233 : IGBT 구동부

Claims (5)

  1. 가변 풍속 및 블레이드의 회전 각속도에 기초하여 이중여자 유도 발전기에 전달될 토크를 연산하는 풍력 터빈 모듈; 및
    상기 이중여자 유도 발전기의 회전자와 전력 계통 사이에 연결되는 전력변환기를 제어하여 상기 전력 계통에 공급되는 출력 전력을 제어하는 풍력 발전 모듈을 포함하는 풍력 발전 시뮬레이터.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 풍력 발전 모듈은
    발전기 측 전력변환기를 제어하기 위한 발전기 제어모듈; 및
    그리드 측 전력변환기를 제어하기 위한 그리드 제어모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시뮬레이터.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 발전기 제어모듈 및 상기 그리드 제어모듈은 사용자에 의해 설계 및 수정 가능한 사용자정의 모듈로 구현되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시뮬레이터.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 발전기 제어모듈은
    상기 이중여자 유도 발전기의 위상과 상기 발전기 측 전력변환기의 위상을 동기화시키는 동기연산부; 및
    상기 이중여자 유도 발전기의 토크를 제어하여 최대출력점 제어를 수행하는 토크제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시뮬레이터.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 그리드 제어모듈은
    상기 전력 계통의 위상과 상기 그리드 측 전력변환기의 위상을 동기화시키는 위상고정루프; 및
    상기 그리드 측 전력변환기의 DC 링크 전압을 일정하게 제어하고, 상기 전력 계통의 무효 전력을 제어하는 DC링크/무효전력 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시뮬레이터.
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