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The MPPT Control of a Small Wind Power Generation System by Adjusting the DC-Link Voltage of a Grid-connected Inverter
The MPPT Control of a Small Wind Power Generation System by Adjusting the DC-Link Voltage of a Grid-connected Inverter
The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers. 2014. Oct, 63(10): 1402-1411
Copyright © 2014, The Korean Institute of Electrical Engineers
  • Received : July 23, 2014
  • Accepted : September 24, 2014
  • Published : October 01, 2014
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About the Authors
민 기 박
Dept. of Electrical Engineering, INHA University, Korea.
준 민 이
Dept. of Electrical Engineering, INHA University, Korea.
주 훈 홍
Dept. of Electrical Engineering, INHA University, Korea.
영 석 김
Corresponding Author : Dept. of Electrical Engineering, INHA University, Korea. E-mail:youngsk@inha.ac.kr

Abstract
In this paper, the Maximum Power Point Tracking(MPPT) control of the small scale wind power generation system with a three-phase diode rectifier and the grid-connected inverter is studied. Without the need for the converter circuits to control speed of the generator, it is economical and the structure is simple. Compared with existing systems, it can be to reduce the power semiconductor switches and passive elements, and to implement the MPPT control with only DC-Link voltage control of the grid-connected inverter. In order to allow MPPT control without the characteristic information of the wind turbine, the P&O algorithm is applied, and these are verified by the simulation and experiment.
Keywords
1. 서 론
신재생 에너지원 중 하나인 바람은 무공해, 무한정이라는 친환경적 특징을 가진다. 이것을 이용한 풍력발전 시스템은 국토를 효율적 이용하고, 기존의 발전 방식과 대등한 수준의 발전 단가라는 장점으로 인해 점점 연구개발이 확장되고 있다 [1 - 2] . 풍력 발전 시스템은 크게 터빈 날개와 기어 박스, 발전기, 전력변환장치, 전력용 필터 등으로 구성되고, 발전기 종류에 따라 유도기를 사용한 방식과 동기기를 사용한 방식으로 나뉜다. 그 중 영구자석 동기발전기(Permanent Magnet Synchronous Motor, 이하 PMSG)는 별도의 계자 권선이나 여자를 위한 전력변환장치를 필요로 하지 않아 회전자 권선의 동손이 없으며, 구동이 간단하다. 또한 기계적 마모를 일으키는 브러시 등이 없어 유지보수가 간단하며, 영구자석의 강한 자속으로 고효율 고출력이 가능하다. 이와 같은 특성 때문에 풍력발전 시스템의 발전기로 많이 적용되고 있다 [3 - 5] .
PMSG에 기반 한 풍력발전 시스템에는 다양한 전력변환 시스템의 구조가 적용되어 왔다 [3 - 9] . 그 중 가장 일반적인 back-to-back 컨버터 시스템은 발전기 측 PWM 컨버터와 계통측 인버터로 구성된다. 이 시스템은 PWM 컨버터로 넓은 풍속에서 유연한 속도 제어가 가능하나 전력용 반도체 스위치가 총 12개가 사용되어 높은 단가 및 큰 스위칭 손실이 존재하고, 제어 알고리즘이 복잡하다는 단점이 있다[ 10] . 대형 풍력발전 시스템에는 적합하지만 소형 풍력발전 시스템에 적용하기에 단가와 효율 측면에서 부적합하다.
이를 보완하기 위해 발전기 측 컨버터를 3상 다이오드 정류기로 대체하고, 승압형 DC/DC 컨버터를 추가한 시스템도 연구되었다 [11 - 12] . 하지만 인덕터와 다이오드와 같은 수동 소자의 추가로 인해 효율을 낮추는 결과를 초래하고, 고전력발전 시에 인덕터와 전력용 스위치의 부담이 증가하므로 주로 중소형 풍력발전 시스템에 적용한다 [6] . 이 시스템에서 인덕터를 발전기의 인덕턴스로 대체함으로서 수동소자를 줄인 SMR (Switched-Mode Rectifier) 시스템이 연구되었으나, DC-link 전류의 고조파 왜곡 현상과 발전기 권선에 큰 전압 부담을 주어 기기의 수명을 단축시키게 된다 [13 - 14] .
매입형 영구자석 동기발전기의 구조로 인해 발생하는 고조파 성분을 저감시키기 위해 직렬 타입의 12 펄스 정류기와 Y-Y -Δ결선의 3상 변압기, 수동필터로 구성된 시스템 또한 연구되었다 [15 - 16] . 하지만 실제 시스템 구성 시 부피가 크고 고가이며, 변압기와 인덕터의 누설로 인한 손실이 발생할 수 있다. 또한, 12 펄스 정류기는 3상 다이오드 정류기에 비해 손실 및 단가가 높다.
따라서, 최소한의 전력용 소자만을 사용하여 손실을 줄이고, 발전기가 최대 전력을 출력할 수 있는 그림 1 과 같은 간단한 시스템이 제안되었다 [17 , 18] . 이 시스템에서 3상 다이오드 정류기는 별도의 제어가 필요가 없고, 계통측 인버터를 이용해 발전된 전력을 계통 전원 조건과 동일하게 변환하여 전달한다. 이는 적은 수동소자로 인해 경제적이며, 구조가 간단하며 신뢰성이 높아 소형 풍력발전 시스템에 적합하다.
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3상 다이오드 정류기와 계통측 인버터를 갖는 풍력발전 시스템 Fig. 1 Wind power generation system with a three phase rectifier and the grid-side inverter
시스템 구조뿐만 아니라 매 풍속에서 최대 전력을 얻기 위해 풍속에 따라 발전기의 속도를 변화시켜 최대 전력을 출력하도록 하는 최대전력 추종제어(Maximum Power Point Tracking, 이하 MPPT)가 필요하다. 그 중 하나인 P&O(Perturbation & Observation) 제어는 터빈이나 바람의 어떠한 특성이나 파라미터도 필요로 하지 않으며, 피치각(Pitch)제어와 독립적으로 구현 가능하다. 특히 소형 터빈 일수록 관성이 작아, P&O 알고리즘을 통한 MPPT 제어 응답 특성이 좋아 소형 풍력발전 시스템에 적합하다 [18] .
따라서 본 논문에서는 3상 다이오드 정류기와 계통측 인버터를 포함한 간단하면서 경제적인 소형 풍력발전 시스템에 P&O 알고리즘을 적용하여 DC-Link 전압 가변을 통한 MPPT 제어를 수행한다. 3상 다이오드 정류기는 제어를 하지 않기 때문에 DC-Link 전압의 크기에 따라 발전기의 유도기전력이 종속적으로 변하게 되고, 이는 발전기의 속도를 가변시킬 수 있다. 이 원리를 바탕으로 계통연계 인버터에서 DC-Link 전압을 조절하며, 계통측으로 전달되는 전력의 변화량을 관찰한다. 이 과정은 발전기가 최대전력 출력점에서 운전될 때까지 반복되고, 이를 통해 풍속계나 기어박스와 같은 기계적 장치 없이도 매 풍속에서 최대 전력을 출력하는 것이 가능하다. 따라서 계통연계 인버터에 기반한 소형 풍력발전 시스템의 MPPT 제어 방법에 대해 시뮬레이션과 실험을 진행하여 신뢰성 및 정합성을 검토한다.
2. 본 론
풍력발전 시스템은 계통의 접속 여부에 따라 독립형 혹은 계통 연계형으로 구분할 수 있다. 본 논문에서는 계통 연계형을 기준으로 하여, 풍속계를 필요로 하지 않는 소형 풍력발전 시스템의 최대전력 추종제어를 구현한다
- 2.1 바람 에너지와 풍력 터빈 특성
바람 에너지가 터빈 날개 반경 이내에 인입될 때, 터빈의 기계적 출력은 다음과 같이 표현된다.
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여기서, A 는 터빈 날개 회전 단면적 [ m 2 ], ρ 는 공기 밀도(1.225[ kg / m 3 ]), vwind 는 풍속 [ m/s ], Cp 는 파워계수이다. 파워계수는 주속비(Tip Speed Ration : TSR) λ 와 피치각 β 의 함수로 터빈 제작 시에 선정된다. 피치각은 터빈 날개의 비틀림 각을 의미하며, 이는 제어하지 않는다는 가정 하에 0으로 설정하고, 주속비는 다음과 같이 정의된다.
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여기서, R 은 터빈 날개 반경 [ m ], wg 는 발전기 회전속도 [ rad/s ]이다. 본 연구는 소형 풍력발전 시스템임으로 터빈 날개 반경은 1[ m ]로 설정하며, 파워계수 Cp 는 다음과 같이 근사화 한다.
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여기서, C 1 = 0.5176, C 2 = 116, C 3 = 0.4, C 4 = 5, C 5 = 21, C 6 = 0.0068 이다. 이때 Cp - λ ( TSR )관계는 그림 2 와 같은 특성 곡선으로 도출 가능하며, λ ( TSR )가 8.1일 때 파워계수는 0.48로 최대임을 확인할 수 있다. 파워계수는 터빈의 기계적 출력 전력에 비례하므로, 최대 파워계수 점에서 발전기는 최대의 전력을 출력할 수 있다. 위 관계는 풍속이 변해도 성립하며, 매 풍속과 발전기 속도의 비율을 최적의 주속비가 되도록 유지해야한다.
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Cp - λ(TSR) 곡선 Fig. 2 Cp - λ(TSR) curve
- 2.2 제안하는 소형 풍력발전 시스템
- 2.2.1. 3상 다이오드 정류기를 갖는 발전기 특성
바람에 의해 운전되는 터빈의 발전기 등가회로는 그림 3 과 같으며 전압 방정식은 다음과 같다.
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영구자석 동기발전기와 3상 다이오드 정류기 Fig. 3 Permanent magnet synchronous generator and three-phase diode rectifier
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여기서, eabcs 는 발전기의 3상 유도기전력, iabcs 는 발전기 3상 고정자 전류, vabcs 는 발전기 3상 고정자 출력 단자전압, Rs 는 발전기 한 상의 고정자 권선 저항 성분, Ls 는 발전기 한 상의 고정자 인덕턴스이다.
소형 풍력발전 시스템에서 특정 바람에너지는 터빈 날개에 인입되고, 발전기에서 생성된 전력은 다이오드 정류기를 거쳐 DC-Link 단으로 전달된다. 이때 발전기의 전력은 DC-Link 전압의 크기에 따라 전송량이 제한된다. 손실이 없다고 가정했을 시, 전력의 관계는 다음과 같다.
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여기서, Vs 는 발전기 한 상의 고정자 전압의 실효치, Is 는 발전기 한 상의 고정자 전류 실효치, Pdc 는 DC-Link의 전력이다. 따라서 특정 바람 에너지가 터빈에 인입될 때, 식 (5)와 (6)에 의해 DC- Link의 전압에 따라 발전기의 전력 및 유도기전력이 변동됨을 알 수 있다. 이는 시뮬레이션 상에서 DC-Link에 일정 전압원을 부하로 연결하여 그 값을 가변함으로서 확인 가능하며, 그 결과는 그림 4 와 같다.
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풍속별 DC-Link 전압과 발전기 전력 관계 Fig. 4 DC-Link voltage vs. generator power at each wind speed
앞서 그림 2 와 같이 바람 에너지 및 풍력 터빈 특성에 의해 매 풍속에서 발전기가 최대 전력을 출력하는 특정 DC-Link 전압이 존재하며, 그 점에서 파워계수는 최대값인 0.48 이다. 따라서 매 풍속에서 최대 전력을 낼 수 있는 최적의 DC-Link 전압 지령을 인가한다면 최대 전력점 추종 제어가 가능하다. 이는 DC-Link 와 연결된 계통연계 인버터의 DC-Link 전압 지령을 가변하여 구현 가능하다.
- 2.2.2 계통 연계형 인버터
바람 에너지로부터 얻어진 전력은 풍속에 따라 전압의 크기, 주파수가 종속적으로 변동하기 때문에 계통 전원에 직접 연계할 경우 여러 문제를 야기한다. 따라서 발전된 전력을 계통에 가장 효율적이고, 경제적으로 운용하기 위하여 계통 연계형 인버터가 필요하다. 계통 연계형 인버터는 계통의 전압 크기와 위상 검출하고, DC-Link를 통해 전달된 전력을 변환 및 조정하는 역할을 한다. 따라서 위상 검출 방법인 PLL(Phase Lock Loop) 제어와 유효전력을 최대로 하여 효율을 높이기 위한 단위 역률 제어, 전력량 조절을 위한 DC-Link 전압 제어 기술이 적용된다.
우선, 그림 5 와 같은 계통 연계형 인버터를 동기 좌표계 기준으로 모델링하면 다음과 같다
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계통 연계 인버터 모델 Fig. 5 Grid-connected inverter model
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여기서, Lf Rf 는 인버터와 계통 전원 사이에 연결된 필터의 인덕턴스와 저항 성분을 나타낸 것이며, Eabcs 는 3상 계통 전원, vde , vqe 는 인버터의 동기 좌표계 기준 d축, q축 출력전압이다. 계통 전원을 동기 좌표계 기준 d축 전압에 동기시킬 경우 Eqse 는 0이 되며, 또한 Edse 의 위상으로 계통 전원 위상각 검출이 가능하다.
발전된 전력은 DC-Link를 거쳐 인버터에 의해 계통으로 전달된다. 이때 순시적으로 입력된 전력이 모두 인버터로 전달되기 위해서는 DC-Link 전압이 일정해야 한다. 따라서 DC-Link 일정전압 제어가 이루어져야하고, 이를 위해 식(9) 같은 전력 관계식을 도출한다.
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그림 5 에서와 같이, Pin 은 DC-Link로 인입되는 발전된 순시 전력, Pout 은 인버터로 전달되는 순시 전력을 의미한다. PI 제어기로 DC-Link 전압 제어를 구현할 경우 다음과 같은 d축 전류 지령 값을 도출할 수 있다.
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식(9)에서 DC-Link의 순시전력을 테일러급수를 이용해 전개하고, 식(10)을 대입하여 전달함수를 구하면 다음과 같다.
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여기서, Vdco 는 정상상태일 때의 DC-Link 전압이며, s는 라플라스 변수이다. 위 과정을 통해 d축 전류 지령 값을 얻어낼 수 있으며, 이는 전류 제어기를 거쳐 전압 지령 값으로 출력된다. 이 전압 지령에 계통 전원에 의한 성분을 전향 보상하여 최종 d축 전압 지령 값을 도출한다. 또한 q축 전류 지령 값은 0으로 하여, 단위 역률 제어가 가능하도록 한다. 계통 연계 인버터의 전체적인 제어 알고리즘의 구성 및 흐름은 그림 6 와 같다 [19 - 20] .
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계통 연계 인버터 제어 블록도 Fig. 6 Block diagram of the grid-connected inverter control
- 2.2.3 DC-Link 전압과 발전기 속도의 상관관계
바람에 의해 회전하는 영구자석 동기발전기 한 상의 고정자 권선에 유도된 전압은 다음과 같다.
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여기서, K 는 역기전력 상수, Φ 는 영구자석의 쇄교자속, ωg 는 발전기 속도이다. 그림 7 과 같이, 발전기의 교류 전압은 3상 다이오드 정류기에 의해 직류로 정류되고, 그 평균값은 다음과 같다.
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3상 교류 전압과 정류된 직류 전압 파형 Fig. 7 Waveforms of three-phase AC voltage and commutated DC voltage
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여기서, VLL 은 발전기의 선간 전압 실효치이다. 발전기가 극저속으로 운전되지 않는 한 저항 성분의 전압강하는 무시할 수 있으므로, 다음과 같이 표현할 수 있다.
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식 (14) 에 의해, 정류된 직류 전압은 발전기의 회전 각속도에 따라 변하는 값임을 확인할 수 있다. 특히, k 1 k 2 이므로 발전기의 유도기전력 성분에 지배적으로 DC-Link 전압의 크기가 결정된다. 계통측 인버터에서는 DC- Link 전압 지령을 가변할 수 있으며, 그로 인해 Vdco 가 변동되고 발전기의 속도 또한 종속적으로 변하게 된다.
- 2.3 센서리스 P&O MPPT 제어
- 2.3.1 DC-Link 전압 가변 제어를 통한 MPPT
최대 전력점 추종(MPPT) 제어는 DC-Link로 인입되는 발전 전력을 조절하여 해당 풍속에서의 최대 전력점을 찾는 것이다. back-to-back 시스템이나 Boost 컨버터 혹은 SMR을 이용한 시스템에서는 MPPT 제어를 위하여 발전기측 컨버터가 필요하다. 이는 전기적 손실, 단가 및 부피 상승을 야기하고, 발전기 속도제어를 위해 복잡한 알고리즘과 실제구현을 위한 디지털 프로세서가 필수로 수반되어야 한다. 따라서 본 시스템에서는 제어가 필요 없는 3상 다이오드 정류기로 발전기측 컨버터를 대체하고, 계통측 인버터만으로 MPPT 제어와 본래의 계통 연계형 인버터의 역할을 동시에 수행한다. 이는 발전기측 컨버터에 사용되는 전력용 반도체 스위치와 수동소자, 복잡한 제어 알고리즘을 모두 제거할 수있다. 본 시스템과 같이 3상 다이오드 정류기만을 사용할 경우, 발전기에서 생성된 전력은 다음과 같이 표현된다.
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위 식 (15)를 통해 계통측 인버터에서 DC-Link 전압 지령을 가변하면, 발전기 속도가 제어되어 발전 전력을 조절할 수 있다. 그림 8 과 같이 Up-hill 구간에서는 DC-Link 전압과 발전기 전력의 비율이 양의 부호이다.
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DC-Link 전압 가변을 통한 MPPT Fig. 8 MPPT using DC-Link voltage modulating
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반면에 Down-hill 구간에서는 음의 부호를 갖는다.
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이 원리를 기반으로, 본 시스템에서는 기계적인 풍속계 최대 전력점을 추종하기 위하여, 계통측 인버터의 DC-Link 전압 지령 값 가변에 의한 P&O 방식의 MPPT를 구현한다.
- 2.3.2 P&O 방식의 DC-Link 전압 가변 MPPT 구현
DC-Link 전압을 최적의 전력이 출력되는 값으로 가변하기 위해서, 계통 연계 인버터에서 DC-Link 전압 지령치를 P&O 방식으로 인가한다. 참고문헌 [18] 과 같이 ‘search-rem ember-reuse’의 단계를 거칠 경우, P&O 알고리즘에 비해 복잡하고 초기 구동 시에 성능이 떨어지게 된다. 또한 메모리가 채워질 조건이 성립해야 정보 저장과 재사용이 가능한 결함을 갖는다. 따라서 보다 간단하고 제어 단계를 단축시킬 수 있는 P&O 알고리즘만을 적용한다. 본 시스템의 MPPT 제어 알고리즘 순서는 다음과 같으며, 그림 9 는 제어알고리즘 순서도를 나타낸다.
  • (1) 초기 DC-Link 전압 지령을 설정하여 인가하고, 센서를 통해 입력받은 계통 전압, 전류 값으로 계통 전력을 계산
  • (2) DC-Link 전압 지령 가변 후 계통 전력 다시 계산
  • (3) 이전 단계의 계통 전력과 DC-Link 전압 지령을 비교하여 각각 변동 부호 도출
  • (4) 전력과 전압 지령의 부호를 반영하여Vstep만큼 가변된 DC-Link 전압 지령 인가
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P&O 원리를 이용한 DC-Link 전압 가변 알고리즘 Fig. 9 DC-Link voltage modulating algorithm using the P&O principle
결과적으로, 전압 지령 변동 부호가 양인 경우 전력 변동 부호도 동일하다면 이전 동작을 반복하게 되고, 음인 경우 서로 반대의 부호일 때 이전 동작을 반복하게 된다 [20] .
이와 같은 방법으로 계통 연계 인버터의 전압 지령치를 P&O 방식으로 가변하여 MPPT 제어가 가능하도록 하였다. 또한 특정 범위 내까지 추종했을 경우 DC-Link 전압 지령을 일정하게 인가하여 최대 전력 점을 유지 가능하다.
- 2.4 시뮬레이션
제안된 시스템을 시뮬레이션하기 위해 Power SIM tool을 이용하였으며, 실험 장비의 특정 정수를 동일하게 입력하여 신뢰성을 높였다. 실제 터빈을 유도 전동기로 동일하게 구현하기에는 전기적 정격의 한계가 따르므로 최대 정격에 맞춰, 풍속 8~10[m/s] 조건하에 시뮬레이션을 진행하였다. 실 제 자연적 현상을 고려하기 위하여 가변 풍속과 고정 풍속 에서 각각 시뮬레이션을 진행하였으며, 사용된 시스템의 파라미터는 다음과 같다.
계통측 파라미터Table 1 Grid side parameter
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계통측 파라미터 Table 1 Grid side parameter
농형 유도전동기 터빈 모델 파라미터Table 2 Squirrel-cage induction machine turbine model parameter
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농형 유도전동기 터빈 모델 파라미터 Table 2 Squirrel-cage induction machine turbine model parameter
영구 자석형 동기 발전기 파라미터Table 3 Permanent magnetic synchronous generator parameter
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영구 자석형 동기 발전기 파라미터 Table 3 Permanent magnetic synchronous generator parameter
그림 10 은 풍속 9[m/s]일 때의 Cp , 그림 11 은 DC-Link 전압, 그림 12 는 계통 전력 파형이다. 초기 DC-Link 전압 지령은 175[V]로 설정하고, MPPT 제어의 시작과 동시에 Vdc-ref 가 증가하여 197[V]에 이르는 것을 확인할 수 있다. 또한 파워계수 Cp 도 MPPT 제어에 의해 최적의 값인 0.48에 근접한 0.479까지 추종하는 것을 확인할 수 있다. 그림 10 에서 확인할 수 있듯이, 시뮬레이션 상에서 설정한 P&O 주기는 1.0[sec]이며, DC-Link 전압 가변 폭은 2.0[V]이다. 이 주기와 전압 변동 폭의 설정에 따라 전체 시스템의 안정성 및 정상상태에 이르는 시간이 달라진다. 관성이 크고 블레이드와의 기계적인 마찰이 큰 시스템일수록 발전기의 속도 응답이 충분히 안정될 수 있도록 긴 시간 간격을 주어야 한다. 하지만 과도한 시간 간격과 작은 전압 가변 폭은 최대 전력점 추종 시간이 길어지게 만들고, 해당 풍속이 충분히 유지되지 않을 경우 MPPT 제어를 수행하지 못할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 실제 시스템의 파라미터를 고려하여 수차례의 반복적인 시뮬레이션을 통해 최적의 시간 간격과 전압 가변 폭을 선정하였다. 이러한 MPPT 제어를 위한 설정뿐 아니라 최종으로 최대 전력점에 도달하였을 경우 DC-Link 전압 지령값을 고정으로 하여, 그 점을 유지하도록 하였다.
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풍속 9[m/s]일 때의 파워계수 Cp Fig. 10 Efficiency coefficient Cp at a wind speed of 9[m/s]
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풍속 9[m/s]일 때의 DC-Link 전압과 지령치 Fig. 11 DC-Link voltage and reference at a wind speed of 9[m/s]
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풍속 9[m/s]일 때의 계통 전력 Fig. 12 Grid power at wind speed of 9[m/s]
그림 13 은 계통측 전압과 전류 파형이다. 전력변환 시스템과 계통의 절연을 위하여 3상 변압기를 사용하였다. 실제 계통 전원의 상전압은 220[V,rms]이고, 계통측 인버터에 연결된 계통 상전압은 60[V,rms]이다. 2.2.2 절에서 언급했듯이 계통연계 인버터의 단위 역률 제어로 인해 계통 전압과 전류가 동상이 되는 것을 확인할 수 있다.
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계통 전류, 계통 전압 Fig. 13 Grid current, and the grid voltage
실제 시변하는 바람의 특성을 고려하여 풍속 8~10[m/s]의 조건에서 시뮬레이션을 진행하였다. 0~10초 사이에는 8[m/s], 10~20초 사이에는 9[m/s], 20~30초 사이에는 10[m/s] 조건이며, 그림 14 는 가변 풍속에서의 Cp , 그림 15 는 DC-Link 전압, 그림 16 은 계통 전력이다. 풍속이 변할 때마다 최적의 파워계수 Cp = 0.48 부근까지 추종하는 것을 관찰할 수 있다. 실제 DC-Link 전압이 증가할 때마다 계통측으로 전달되는 전력 또한 증가하며, 풍속이 바뀜에 따라 크게 변동된다. 이를 통해 가변 풍속 조건에서도 본 시스템의 MPPT 제어가 잘 이루어지고 있음을 확인 가능하다.
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가변 풍속에서의 파워 계수 Cp Fig. 14 Efficiency coefficient Cp at variable wind speed
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가변 풍속에서의 DC-Link 전압과 지령치 Fig. 15 DC-Link Voltage and reference at variable wind speed
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가변 풍속에서의 계통 전력 Fig. 16 Grid power at variable wind speed
- 2.5 실험 및 결과 분석
전체 시스템의 제어는 TMS320F28335으로 구현하였고, DSP 내의 DAC (Digital to Analog Converting) 기능을 사용하여 변수를 관찰하였다. 그림 17 은 실제 실험에 사용된 풍력발전시스템을 보여준다. 왼쪽 상단은 유도 전동기를 토크 제어하기 위한 시스템이고, 오른쪽 상단은 풍력발전 시스템의 전력변환장치 및 제어 시스템이다.
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풍력발전시스템을 위한 실험 장치 Fig. 17 Experimental equipment for the wind power generation system
바람에너지가 인입되는 터빈 날개는 유도전동기의 토크 제어를 통하여 구현 가능하며, 영구자석 동기발전기와 커플링 되어 발전기가 회전하도록 한다. 시뮬레이션의 조건과 동일하게 제어 변수를 설정하여 본 시스템과 알고리즘을 검증하였다.
그림 18 은 고정 풍속 9[m/s]일 때의 DAC 출력 파형이며, 위부터 순서대로 TSR, Cp , 계통 전력, DC-Link 전압 지령치를 나타낸다. DC-Link 전압이 약 185[V] 부근에서 Cp 는 최적의 값에 도달하며, MPPT 과정 및 동향이 시뮬레이션과 동일하다. 그림 19 는 가변 풍속 8~10[m/s]일 때를 실험한 결과이며, 위부터 순서대로 풍속, DC-Link 전압 지령, Cp , 계통 전력이다. 풍속이 가변되는 순간에 Cp 가 감소하지만, P&O 제어에 의해 DC-Link 전압이 가변되어 최대 전력점을 추종하고 있음을 확인 가능하다. 가변 풍속이기 때문에 최대 전력점을 유지하는 알고리즘은 제외하였으며, 이에 따라 최대 전력점 부근에서 DC-Link 전압 지령이 증감소를 반복하며 유지됨을 확인할 수 있다.
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TSR, Cp , 계통 전력, DC-Link 전압 지령치 Fig. 18 TSR, Cp, gird power, and DC-Link voltage reference
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풍속, DC-Link 전압 지령치, Cp, 계통 전력 Fig. 19 Wind speed, DC-Link voltage reference, Cp and grid power
제안된 시스템에서 풍속에 따라 계통에 전달되는 전력은 그림 20 과 같다. 풍속이 상승함에 따라 발전기 및 전력선의 손실 등이 증가하고, 터빈 대체를 위한 유도전동기의 전기적 정격에 의한 한계로 인해 시뮬레이션보다 실험에서의 계통전력이 낮게 측정된다. 하지만 그림 21 과 같이 MPPT 제어가 되어 최적의 Cp 값을 갖는 터빈 발전기의 전력 대비 계통 전력의 비율을 효율이라 정의하였을 때, 86~97[%]의 고효율을 확인할 수 있다. 만약 back-to-back 혹은 boost 컨버터, SMR 회로와 같은 중간 전력변환장치가 추가 된다면, 스위칭 및 수동소자의 손실로 인해 약 75~90 [%]로 효율이 감소하게 된다. 따라서 제안된 시스템의 경우 보다 고효율의 전력 전송이 가능하며, MPPT 제어 또한 단시간 내에 가능하다.
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시뮬레이션과 실험에서의 계통 전력 비교 Fig. 20 Comparison of the grid power in the simulations and experiments
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시뮬레이션과 실험에서의 효율 비교 Fig. 21 Comparison of the efficiency in the simulations and experiments
그림 22 는 풍속 9 [m/s]일 때 실제 계통 한 상의 전류와 전압을 측정한 것이다. 측정값을 바탕으로 계통으로 출력되는 3상 출력 전력은 약 648.41[W]이고, 그림 7 에서 확인되는 시뮬레이션에서의 3상 출력 전력은 687.79 [W]이다. 인버터의 효율을 고려했을 때, 실제 값과 시뮬레이션 값이 거의 일치함을 확인할 수 있다. 또한 계통 연계 인버터의 단위 역률 제어로 인해 전압 전류의 위상이 일치함을 확인하였다.
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계통 전류, 계통 전압 Fig. 22 Gird current and gird voltage
3 결 론
새롭게 제안된 DC-Link 전압 가변을 통한 센서리스 MPPT 알고리즘을 시뮬레이션 및 실험을 통하여 정합성과 실현 가능성을 확인하였다. 제안된 시스템은 발전기의 속도 제어를 위한 별도의 컨버터 회로를 필요로 하지 않기 때문에, 기존의 풍력발전 시스템들의 구조보다 적은 수동소자를 사용하여 효율을 높일 수 있으며, 경제적이고, 제어가 용이하다는 장점을 지닌다. 또한, 풍속계가 없어 전체 시스템의 안정성 및 정확성을 높일 수 있으며, 유지 및 보수도 용이하다. 터빈의 특성 및 최적의 주속비 정보 없이 최대 전력점 추종 제어가 가능하여 발전기의 전기적 효율을 향상시킬 수 있다. 시스템의 구조와 제어의 특성상 소형 풍력발전시스템에 매우 적합하다 할 수 있다.
Acknowledgements
본 연구는 인하대학교의 지원에 의해 수행되었습니다.
BIO
박 민 기(Min-Gi Park)
1991년 2월 20일생. 2013년 인하대학교 IT공대 전기공학과 졸업. 2013년~현재 동 대학원 전기공학과 석사 과정
Tel : 032-860-7397
E-mail : parkmk91@naver.com
이 준 민(Joon-Min Lee)
1982년 6월 16일생. 2009년 인하대 공대 전기공학과 졸업. 2011년 동 대학원 전기공학과 졸업(석사). 2011년~2012년 LS산전 근무. 2013년~현재 인하대 공대 전기공학과 박사 과정
Tel : 032-860-7397
E-mail : wnsalsdldi0@naver.com
홍 주 훈(Ju-Hoon Hong)
1984년 9월 12일생. 2011년 수원대 공대 전기공학과 졸업. 2011년~2013년에버넷전자 근무. 2013년~현재 인하대공대 전기공학과 석사 과정
Tel : 032-860-7397
E-mail : accepk@naver.com
김 영 석(Young-Seok Kim)
1951년 6월 11일생. 1977년 인하대 전기공학과 졸업. 1987년 일본 나고야대 대학원 전기공학과 졸업(공박). 1987년~1989년 한국전기연구원 선임 연구원 및 전력전자연구실장. 1989년~현재 인하대 전기공학과 교수
Tel : 032-860-7397
Fax : 032-863-5822
E-mail : youngsk@inha.ac.kr
References
Park No-Gil , Jeong Cheol-Ung , Kim Jang-Mok , Lee Hyeong-Woo 2010 “Theory and Practice of wind turbines” HONGRUNG Publishing Company 1 - 11
2008 “Technology reference of the wind power generation” KOREAN REGISTER 1 - 25
Li H. , Chen Z. 2008 “Overview of different wind generator systems and their comparisons” Renewable Power Generation, IET 123 - 138
Kim Hyong Sik , Lu Dylan Dah-Chuan 2010 “Review on Wind Turbine Generators and Power Electronic Converters with the Grid-Connection Issues” Universities Power Engineering Conference(AUPEC), 2010 20th Australasian
Shuhui Li , Timothy A. Haskew , Williams Keith A. , Richard P. Swatloski 2012 “Control of DFIG Wind turbine with Direct-Current Vector Control Configuration” IEEE Transactions on Sustainable Energy 3 (1)
Gupta Akhilesh Kumar , Bhushan Himanshu , Samuel Paulson 2013 “Generator Topologies with Power Electronics Converters for a Wind Energy Conversion System: A Review” National Conference on Recent Trends in Energy Systems
Majid Jamil , Ravi Gupta , Mukhtiar Singh 2012 “A Review of Power Converter Topology used with PMSG Bsed Wind Power Generation” Power India Conference, 2012 IEEE Fifth
Freitas Tiara R.S. de , Menegaz Paulo J.M. , Simonetti Domingos S.L. 2011 “Converter Topologies for Permanent Magnetic Synchronous Generator on Wind Energy Conversion System” Power Electronics Conference (COBEP) 936 - 942
Blaabjerg F. , Liserre M. , Ma K. 2011 “Power Electronics Converters for Wind Turbine Systems” Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE) 281 - 290
Wang Lingfeng , Chanan Singh , Andrew Kusiak 2010 “Wind Power Systems: Applications of Computational Intelligence” Springer
Sirichail Tammaruckwattana , Kazuhiro Ohyama 2013 “Experimental Verification of Variable Speed Wind Power Generation System Using PMSG by Boost Converter Circuit” Industrial Electronics Society, IECON 2013-39th Annual Conference 7157 - 7162
Sirichai Tammaruckwattana , Kazuhiro Ohyama 2013 “Modeling and Simulation of permanent magnet synchronous generator wind Power Generation System Using Boost Converter Circuit” Power Electronics and Applications (EPE), 2013 15th European Conference
Whaley David M. 2006 “Investigation of a low-cost connected inverter for small-scale wind turbines based on a constant-current source PM generator” IECON 2006-32nd Annual Conference on IEEE Industrial Electronics 4297 - 4302
Eltamaly Ali M. 2006 “Harmonics reduction of three-phase boost rectifier by modulating duty ratio” Electric Power Systems Research 77 1425 - 1431
Ahmed Tarek , Nishida Katsumi , Nakaoka Mutsuo 2010 “Wind Power Grid Integration of an IPMSG using a Diode Rectifier and a Simple MPPT Control for Grid-side Inverters” Journal of Power Electronics 10 (5) 548 - 554    DOI : 10.6113/JPE.2010.10.5.548
Nishida Katsumi , Ahmed Tarek , Nakaoka Mutsuo 2011 “A Cost-Effective High-Efficiency Power Conditioner With Simple MPPT Control Algorithm for Wind-Power Grid Integration” IEEE Transactions on Industry Applications 47 (2) 893 - 900
Xu Chengde , Lee Joon-Min , Park Min-Gi , La Jae-Du , Kim Young-Seok 2013 “A New MPPT Control by Changing the DC-link Voltage In A Grid Connected Inverter-based Wind Power Generation System” The Korean Institute of Electrical Engineers Conference 2013 (7)
Wang Quincy , Chang Liuchen 2004 “An Intelligent Maximum Power Extraction Algorithm for Inverter-Based Variable Speed Wind Turbine Systems” IEEE Transacions on Power Electronics 19 (5) 1242 - 1249
Lee Joon Min , Kim Dong Hwa , Shin Hye Su , Kim Young Seok 2012 “The MPPT control method of the PMSG wind generation system using the turbine model with a squirrel cage induction motor” The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers 61 (2)    DOI : 10.5370/KIEE.2012.61.2.231
Esmaili R. , Xu L. , Nichols D.K. 2005 “A new control method of permanent magnet generator for maximum power tracking in wind turbine application” Power Engineering Society General Meeting, 2005, IEEE 3 2090 - 2095