퍼지 논리 제어를 적용한 풍력발전 시스템의 MPPT제어

국문 초록 (Abstract)

최근 환경오염문제, 화석에너지자원의 고갈문제, 교토의정서 규약에 의한 CO2방출 규제로 인해 지속가능한 신재생에너지에 대해 많은 연구가 이루어지고 있다. 특히 신재생 에너지 중 풍력발전은 설치비용은 높은 편이지만, 비교적 발전 단가가 낮고, 토지 이용율이 높은 장점을 가지고 있다.

본 논문에서는 퍼지 논리 제어기를 적용한 가변속 풍력발전 시스템을 제안한다. 발전 전력을 증가시키기 위해서 부스트 컨버터의 듀티 가변 기법이 수행된다. 제안된 기법은 풍속, 발전기의 속도 센서를 이용하지 않아 경제적이고 신뢰도가 높은 시스템이다. 또한 퍼지 논리 제어기는 부스트 컨버터의 듀티 조절을 효과적으로 조절하는 역할을 한다. 전압형 인버터는 DC링크 전압을 일정히 유지하고, 입력과 출력의 전류를 조절하는 기능을 한다.

부스트 컨버터 풍력발전 시스템의 간략성, 퍼지 논리 제어를 적용한 MPPT제어의 효율성 등이 PSIM 시뮬레이터를 통해 입증되었다.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• 요 약 ⅰ
• ABSTRACT ⅱ
• 그 림 목 차 ⅳ
• 표 목 차 ⅶ
• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구배경 및 필요성 1
• 1.2 연구목적 및 내용 3
• 1.3 논문 구성 4
• 제 2 장 풍력발전 시스템의 특징 5
• 제 3 장 풍력발전 시스템의 수학적 모델과 제어기 설계 7
• 3.1 영구자석 동기 발전기 7
• 3.1.1 영구자석 동기 발전기의 수학적 모델 7
• 3.2 3상 다이오드 정류기와 부스트 컨버터 9
• 3.2.1 3상 다이오드 정류기의 수학적 모델 9
• 3.2.2 부스트 컨버터의 수학적 모델 10
• 3.2.3 부스트 컨버터의 MPPT 제어 12
• 3.2.4 부스트 컨버터의 퍼지 논리 제어 16
• 3.3 계통측 PWM 인버터 18
• 3.3.1 계통측 PWM 인버터의 수학적 모델 18
• 3.3.2 계통측 PWM 인버터의 제어기 22
• 제 4 장 시뮬레이션 23
• 4.1 시스템 구성 및 시뮬레이션 모델 23
• 4.1.1 터빈 모델 25
• 4.1.2 3상 다이오드 정류기 모델 26
• 4.1.3 부스트 컨버터와 디지털 회로부 모델 27
• 4.1.4 PWM 인버터와 디지털 회로부 모델 28
• 4.2 듀티비 지령의 선정 29
• 4.2.1 발전기 속도의 기울기와 계통 전력의 관계 29
• 4.2.2 듀티비 지령 곡선 32
• 4.2.3 퍼지적 듀티 지령 34
• 4.3 퍼지 MPPT 알고리즘 검증 36
• 4.3.1 풍력터빈의 속도 전력 특성 36
• 4.3.2 풍속 4 m/s에서의 퍼지 MPPT 37
• 4.3.3 풍속 7 m/s에서의 퍼지 MPPT 38
• 4.3.4 풍속 10 m/s에서의 퍼지 MPPT 39
• 4.3.5 풍속 13 m/s에서의 퍼지 MPPT 40
• 4.3.6 풍속 16 m/s에서의 퍼지 MPPT 41
• 4.3.7 가변 풍속에서의 퍼지 MPPT 42
• 4.3.8 계통 연계 인버터 전압 전류 제어 43
• 제 5 장 결 론 44
• 참고문헌 45
• 그림 목차
• 그림 2-1 주속비와 출력계수 곡선 6
• 그림 3-1 2극 영구자석 동기 발전기의 등가 모델 7
• 그림 3-2 3상 다이오드 정류기 9
• 그림 3-3 부스트 컨버터 회로 10
• 그림 3-4 부스트 컨버터의 기본 파형 10
• 그림 3-5 풍력발전기의 속도-전력 특성곡선 12
• 그림 3-6 MPPT 제어 알고리즘 15
• 그림 3-7 일반적인 퍼지 제어기의 구조 16
• 그림 3-8 3상 계통측 컨버터 회로 18
• 그림 3-9 계통측 제어기 22
• 그림 4-1 풍력발전 시스템 전체 구성 23
• 그림 4-2 시뮬레이션 전체 블록도 24
• 그림 4-3 터빈모델 25
• 그림 4-4 3상 다이오드 정류기 모델 26
• 그림 4-5 부스트 컨버터 모델 27
• 그림 4-6 PWM 인버터 모델 28
• 그림 4-7 (a)듀티비, (b)발전기의 속도, (c)발전기 a상 전류, (d)계통측 a상 전류 (d)계통측 전력 29
• 그림 4-8 (a)듀티비, (b)발전기의 속도, (c)발전기 a상 전류, (d)계통측 a상 전류 (d)계통측 전력 31
• 그림 4-9 (a)듀티비, (b)발전기 속도, (c)부스트 컨버터 전력 32
• 그림 4-10 풍속 10 m/s일 때 (a)듀티 지령, (b)부스트 컨버터 전력 34
• 그림 4-11 풍력터빈의 속도-전력 곡선 36
• 그림 4-12 풍속 4 m/s일 때 (a)듀티, (b)부스트 컨버터 전력, (c)발전기 속도 37
• 그림 4-13 풍속 7 m/s일 때 (a)듀티, (b)부스트 컨버터 전력, (c)발전기 속도 38
• 그림 4-14 풍속 10 m/s일 때 (a)듀티, (b)부스트 컨버터 전력, (c)발전기 속도 39
• 그림 4-15 풍속 13 m/s일 때 (a)듀티, (b)부스트 컨버터 전력, (c)발전기 속도 40
• 그림 4-16 풍속 16 m/s일 때 (a)듀티, (b)부스트 컨버터 전력, (c)발전기 속도 41
• 그림 4-17 가변 풍속일 때 (a)풍속, (b)듀티, (c)부스트 컨버터 전력, (d)발전기 속도 42
• 그림 4-18 가변 풍속일 때 (a) DC링크 전압, (b) d축 전류, (c) q축 전류 43
• 표 목 차
• 표 1-1 저탄소 기술 비용의 예상치 2
• 표 3-1 퍼지 룰 베이스 행렬 30
• 표 4-1 시스템 파라미터 37