가변 게인을 이용한 PMSG 풍력터빈의 합성 관성 제어 = Synthetic Inertia Control of a PMSG-Based Wind Turbine Generator Based on an Adaptive Gain

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 영구 자석 동기 발전기(PMSG) 기반 풍력터빈의 합성 관성 제어 방식을 제안하였다. 제안한 제어 방식은 4단계로 구성되며 이를 요약하면 다음과 같다. 먼저 1 단계로 주파수 nadir 개선을 위해 로터 속도에 비례하여 설정된 제어 게인과 주파수 편차에 비례하여 유효 전력의 출력을 증가시키도록 제어한다. 이 후 2 단계에서는 과도한 속도 저하 방지를 위해 로터 속도 저하에 선형적으로 출력을 감소시킴으로써 로터 속도가 일정 수준으로 수렴되도록 한다. 로터 속도 수렴 후, 3 단계에서는 시간과 수렴된 로터 속도에 따라 유효 전력을 감소시켜 풍력터빈의 출력이 최대 출력점 추종 제어 전략에 의해 설정된 값으로 복귀시키며, 마지막으로 4 단계에서는 풍력터빈의 유효 전력 생산이 계통 주파수 변동 이전의 최적 값으로 복구될 수 있도록 제어한다.
제안 방식의 검증을 위해 다양한 풍속과 계통 상황을 가정하고 시뮬레이션을 수행하였으며, 제안 제어 방식을 통해 주파수 nadir 개선 효과를 확인하였다. 본 제어 방식은 계통 사고와 같은 주파수 변동 발생시 사고의 규모에 따라 가변적으로 운동 에너지를 방출함으로써 주파수 변동을 피할 수 있다는 장점을 확인할 수 있었다. 또한, 제안된 가변 제어 게인은 과도한 감속을 방지와 더불어 주파수 nadir를 개선할 수 있었다.
따라서 본 제어 방식을 적용해 풍력터빈과 같은 변동성 전력원을 운전함으로써 전력 계통의 안정성을 보장하고, 이를 통한 국내 신재생 에너지 보급 확산에 기여 할 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 제 2 장 전력계통의 주파수 제어 8
• 2.1 기존 전력계통의 주파수 제어 8
• 2.2 풍력발전기의 주파수 제어 기술 13
• 2.2.1 풍력발전기의 주파수 제어 13
• 2.2.2 풍력발전기의 합성 관성 제어 14
• 제 3 장 풍력발전기의 합성 관성 제어 방식 16
• 3.1 PMSG 풍력발전기 모델링 20
• 3.1.1 풍력터빈 모델 21
• 3.1.2 구동축 모델 23
• 3.1.3 MSC 제어기 25
• 3.1.4 GSC 제어기 26
• 3.1.5 피치 제어기 27
• 3.2 풍력발전기 합성 관성 제어 방식 29
• 3.2.1 Close-Loop 합성 관성 제어 30
• 3.2.2 Open-Loop 합성 관성 제어 39
• 제 4 장 제안한 PMSG 풍력발전기의 합성 관성 제어 54
• 4.1 최저 주파수 향상 단계 54
• 4.2 회전자 속도 수렴 단계 57
• 4.3 회전자 속도 회복 단계 58
• 4.4 IEEE 14 모선 계통 59
• 4.5 동기발전기와 조속기-터빈 61
• 4.6 자동발전제어 64
• 제 5 장 사례연구 65
• 5.1 사례 1-1: 풍속 9 m/s, 외란 크기 = 36 MW 67
• 5.2 사례 1-2: 풍속 9 m/s, 외란 크기 = 45 MW 71
• 5.3 사례 1-3: 풍속 9 m/s, 외란 크기 = 54 MW 75
• 5.4 사례 2-1: 풍속 7 m/s, 외란 크기 = 36 MW 79
• 5.5 사례 2-2: 풍속 7 m/s, 외란 크기 = 45 MW 83
• 5.6 사례 2-3: 풍속 7 m/s, 외란 크기 = 54 MW 87
• 5.7 사례 3-1: 풍속 5 m/s, 외란 크기 = 36 MW 91
• 5.8 사례 3-2: 풍속 5 m/s, 외란 크기 = 45 MW 95
• 5.9 사례 3-3: 풍속 5 m/s, 외란 크기 = 54 MW 99
• 5.10 사례 4-1: 풍속 11 m/s, 외란 크기 = 36 MW 103
• 5.11 사례 4-2: 풍속 11 m/s, 외란 크기 = 45 MW 107
• 5.12 사례 4-3: 풍속 11 m/s, 외란 크기 = 54 MW 111
• 제 6 장 결론 115
• 참고문헌 117