소형 풍력발전 시스템의 계통연계 인버터에 기반한 MPPT 제어

국문 초록 (Abstract)

세계적으로 에너지 효율을 높이거나 새로운 에너지 자원을 활용하기 위한 여러 연구가 진행되어 왔다. 특히 친환경 요소를 활용하는 신재생 에너지 발전에 관심이 높아졌고, 국내에서는 현재의 자연환경에 적용하기 적합한 풍력 에너지원 발전 시스템이 각광을 받고 있다. 실제로 국내의 심각한 전력난을 해결하기 위해 해상풍력단지 건축을 추진하고 있으며, 2020년 해상풍력 세계 시장을 선점하겠다는 비전을 밝히고 있다. 더불어 소규모 산업용 및 가정용을 위한 도시형 풍력발전 시스템도 연구 개발이 활발히 진행되고 있으며, 전력 공급이 어려운 산간 지방에 자립형 소형 시스템이 많이 적용되고 있다. 또한, 기술의 발전과 경제적 이득을 고려하여 소형 풍력발전에 의한 전력을 계통에 공급 및 거래하는 시스템도 구축되고 있다.
본 논문에서는 소형 풍력발전에 적합한 시스템에 대해 분석 및 적용하고, 매 풍속에서 발전기가 최대 전력을 출력할 수 있도록 MPPT 제어를 수행한다. 본 시스템은 발전기 속도 제어를 위한 컨버터를 3상 다이오드 정류기로 대체하여 간단하게 구성한다. 계통연계형의 시스템을 구축하여 발전 전력을 최대의 효율로 계통에 공급할 수 있도록 제어한다. MPPT 제어는 P&O 알고리즘을 응용하고, 계통연계 인버터의 기반하여 수행된다.
본 연구는 Power SIM tool을 통해 시뮬레이션하며 실제 실험을 통해 신뢰성을 검증했다. 실험에서는 농형 유도전동기를 활용하여 터빈 시뮬레이터를 구현하고, 모든 제어 시스템은 디지털 프로세서에 의해 수행됐다. 고정 풍속과 가변 풍속 조건 하에 DC-link 전압이 가변됨에 따라 발전기의 발전 전력량의 변화를 관찰했고, 최종적으로 최대 전력점에 도달함을 확인했다. 발전기의 전력과 계통으로 전달되는 전력을 비교해 효율을 분석해본 결과, 기존의 시스템보다 높은 효율을 갖는다. 따라서 본 연구에서는 소형 풍력발전 시스템에 실제로 적용 가능한 간단한 시스템과 알고리즘을 구축하는데 성공했고, 나아가 여러 기술로서의 응용 가능성을 내포하고 있다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 및 필요성 1
• 1.2 연구 내용 및 목적 4
• 제 2 장 풍력발전 시스템의 구성 및 특성 5
• 2.1 풍력 터빈 특성 5
• 2.2 기존의 풍력발전 시스템 9
• 2.3 3상 다이오드 정류기를 갖는 발전기 특성 14
• 제 3 장 영구자석 동기 발전기 18
• 3.1 영구자석 동기기의 특징 18
• 3.2 매입형 영구자석 동기기의 수학적 모델링 20
• 3.2.1 매입형 영구자석 동기기 d, q축 인덕턴스 20
• 3.2.2 매입형 영구자석 동기기의 3상 인덕턴스 23
• 3.2.2.1 3상 쇄교자속의 행렬 표현 25
• 3.2.2.2 3상 쇄교자속의 공간벡터 표현 27
• 3.3 정지 좌표계에서의 전압 방정식 29
• 3.4 동기 좌표계에서의 전압 방정식 32
• 제 4 장 계통연계 인버터 및 제어 34
• 4.1 계통연계 인버터의 모델링 및 제어 34
• 4.2 DC-link 전압과 발전기 속도의 상관관계 39
• 제 5 장 최대 전력점 추종 제어 41
• 5.1 기존의 MPPT 제어 방식 41
• 5.2 DC-link 전압 가변 제어를 통한 MPPT 43
• 5.3 P&O 방식의 DC-link 전압 가변 MPPT 구현 46
• 제 6 장 시뮬레이션 48
• 6.1 고정 풍속(9[m/s])일 때의 시뮬레이션 결과 51
• 6.2 가변 풍속(8~10[m/s])일 때의 시뮬레이션 결과 55
• 제 7 장 실 험 58
• 7.1 농형 유도 전동기를 이용한 터빈 구현 58
• 7.2 고정 풍속(9[m/s])일 때의 실험 결과 61
• 7.3 가변 풍속(8~10[m/s])일 때의 실험 결과 64
• 제 8 장 결 론 67
• 참 고 문 헌 69