소형 풍력발전시스템의 직·병렬 해석 및 운전방안에 관한 연구 = A study on series-parallel analysis and operation strategy of the small wind turbine system|RISS 상세보기

국문 초록 (Abstract)

풍력발전은 이미 중국, 미국, 유럽 등에서 대규모의 상업용 발전기와 더불어 가정단위의 소용량의 소형 풍력발전시스템에 대한 기술 개발과 투자가 활발하게 이루어지고 있으나 국내의 경우 초기시장으로 최근 도시나 농어촌 마을에서 자가발전을 통해 분산전원을 풍력발전으로 진행하고자 하는 움직임이 늘고 있다. 소형풍력발전의 경우 대형풍력발전의 단점인 설치 시 환경문제를 일으키지 않으며, 소음이 작아 사람이 거주하는 주거 공간 및 주변 공간에 설치 가능한 장점이 있다. 이런 장점들 때문에 최근에는 도시형 소형 풍력발전시스템에 대한 기술 개발 및 투자가 활발하며 건물 일체형에서부터 도로 가로등용 전원, 일반 주택용 독립형 발전에 이르기까지 일상에서 적용 가능성이 무한하다.
본 논문에서 제안하는 풍력발전시스템의 운전방식은 학교, 공원, 초고층 빌딩 등에 다 수개의 소형 풍력발전시스템 설치에 대해 소형 블레이드, 영구자석 동기발전기(PMSG), 3상 다이오드 정류기, DC/DC Buck 컨버터를 사용하여 배터리에 효율적으로 충전하는 것이다. 전기적 고장 발생에 대한 대비와 시동풍속 이하에서도 발전이 가능한 것으로 간단한 개폐기 조작으로 전력변환장치를 공유하는 직·병렬운전방식이다. 병렬운전방식의 경우 시동풍속 초과 영역에서 전기적 고장 발생으로 최대 충전량이 직렬운전방식에 비해 평균 풍속차 1.5[m/s]이내에서 8.2[%], 최대 풍속차 3.0[m/s]이내에서 9.6[%] 이상의 성능 향상을 가진다.
또한 개별운전방식에 비해 개별 성능대비 평균 풍속차 1.5[m/s]이내에서 96[%], 최대 풍속차 3.0[m/s]이내에서 93[%]이상의 성능을 가지며 가동율 향상과 배터리 수명저하 방지 등의 장점을 가지고 있다.
시동풍속 이하 영역에서 MPPT 제어가 불가능하며 블레이드 파워가 출력이 되어도 전기적 손실 등으로 충전되지 못한다. 이러한 경우 직렬운전방식의 MPPT 제어에 의해 충전이 가능하고 풍속차 0.5[m/s] 이하의 경우 출력비(Power ratio)가 9.2[%]까지 상승한다.
본 연구에서 소형풍력발전시스템의 수학적 모델을 바탕으로 개별운전방식과 직·병렬 운전방식에 대해 수식적 해석과 계산, 충전량 MPPT 제어 시뮬레이션을 통해 성능을 비교·분석하였다.
직·병렬운전의 효용성을 검증하기 위하여 블레이드 파워를 1/5 축소시켜 정격출력인 100[W], M/G 3세트를 구성하고 여기에 블레이드 특성을 인가시켜 실험을 통해 타당성과 유용성을 검증하였다.

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풍력발전은 이미 중국, 미국, 유럽 등에서 대규모의 상업용 발전기와 더불어 가정단위의 소용량의 소형 풍력발전시스템에 대한 기술 개발과 투자가 활발하게 이루어지고 있으나 국내의 경...

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