KR101545839B1 - 풍력발전기의 출력 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력발전기를 제어하는 방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 사고 발생 시, 풍력발전기의 출력을 사고 발생 시점에 풍력발전기에 저장된 운동에너지에 비례하는 유효 전력 값을 더하여 증가시키는 출력 증가 단계를 포함하고, 출력 증가 단계는 특정 회전자 속도를 한계속도로 정하여 풍력발전기의 기계적 입력과 관성 제어에 따른 출력의 차이의 총합이 0이 되도록 유효 전력 값을 증가시키고, 특정 회전자 속도는 풍력발전기 회전자 속도의 한계 제어범위를 반영하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 출력 제어 방법에 관한 것이다.

Description

풍력발전기의 출력 제어 방법{Method for controlling a output in a wind turbine}

본 발명은 풍력발전기의 출력 제어 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 외란으로 인한 계통 주파수 하락 시 풍력발전기를 이용하여 주파수 하락폭을 감소시키기 위한 출력 제어 방법에 관한 것이다.

풍력발전의 경제성과 기술력의 증가로 인해 전 세계적으로 풍력발전의 수용률이 증가하면서 전력망의 특성이 점차 변화하고 있다. 그 중 하나는 바로 계통관성의 감소 현상이다.

이중 여자형 유도 발전기(Doubly Fed Induction Generator, DFIG)와 같은 가변속 풍력발전기는 전력 생산을 극대화시키기 위해 일반적으로 최대 출력 추종 제어(maximum power point tracking, MPPT)를 수행하는데, 최대 출력 추종 제어는 풍력발전기의 출력이 계통주파수에 대응하지 않는다. 위와 같은 제어 방식은 계통 관성을 감소시켜 외란이 발생하는 경우 주파수 편차가 증가하게 되고 주파수 안정도 및 계통의 신뢰도까지도 감소시킬 수 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 가변속 풍력발전기의 주파수제어에 관한 방법들이 제안되어 왔다. 그 일 예로, 주파수 변화율(rate of change of frequency, ROCOF)루프를 DFIG 컨버터의 유효전력 제어기에 추가하여 주파수 하락 시 풍력발전기가 ROCOF에 비례하는 유효전력을 생산하는 방식이 있다. 이 방식은 계통주파수 하락을 억제할 수 있지만, 주파수가 반등한 이후에는 오히려 방해요소로 작용하는 단점을 가지고 있다.

위 방식의 단점을 보완하기 위해 주파수 변화율 루프에 주파수 변화량 루프를 더해 주파수 하락 시 풍력발전기가 주파수 변화율과 주파수 변화량에 비례하는 유효전력을 추가로 생산하는 방안도 제시되었다. 이 방식에 따를 경우, 주파수 제어에 대한 기여도를 높일 수 있다.

한편, 풍력발전기가 주파수 하락 시점에서 출력하던 유효전력에 정격의 0.1pu에 해당하는 값을 추가하여 10초간 생산하는 계단형 출력 관성제어 방식도 제안되었다. 10초 이 후, 감소한 회전자 속도를 다시 회복시키기 위해 주파수 하락 시점의 출력보다 정격의 0.05pu에 해당하는 값만큼 작은 유효전력을 20초간 일정하게 출력하도록 했다.

그러나 종래의 방식들은 풍력발전단지를 풍력발전기 한 대로 등가화하고, 풍력발전기 1기를 제어 대상으로 설정한 상태에서 진행된 연구로, 풍력발전단지를 제어하는 방법에 대해서는 언급되지 않았으며, 특히, 풍력발전단지 내에 개별 풍력발전기의 출력이 달라지는 상황을 고려하지 않았다. 따라서, 실제 풍력발전단지를 제어하는 데에 적용하기에는 여러가지 어려움이 있었으며, 특히 후류 효과 등에 의해 달라지는 각 풍력 발전기들의 회전자 속도를 관성 제어에 반영할 수 없는 한계가 있었다.

J. Ekanayake and N. Jenkins, "Comparison of the response of doubly fed and fixed-speed induction generator wind turbines to changes in network frequency", IEEE Transaction on Energy conversion, vol. 19, no. 4, 2004, pp. 800-802. J. Morren, S. Haan, W. L. Kling, and J. A. Ferreira, "Wind turbines emulating inertia and supporting primary frequency control", IEEE Transaction on Power systems, vol. 21, no. 1, 206, pp. 433-434. N. R. Ullah, T. Thiringer, and D. Karlsson, "Temporary primary frequency control support by variable speed wind turbines- potential and applications", IEEE Transaction on Power system, Vol. 23, no. 2, 2008, pp. 601-612.

본 발명은 상술한 종래기술의 문제를 해결하기 위한 것으로, 계통 주파수 하락 시, 주파수 하락폭을 감소시키는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 풍력발전단지 출력 제어 방법은 사고 발생 시, 풍력발전기의 출력을 사고 발생 시점에 풍력발전기에 저장된 운동에너지에 비례하여 증가시키는 단계를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에서 출력 증가 단계는 최대 출력 추종 제어(Maximum Power Point Tracking)를 를 위한 유효 전력에 풍력발전기의 운동에너지에 비례하여 생성되는 출력을 더하여 증가시킬 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에서, 복수의 풍력발전기를 포함하는 풍력발전단지를 제어하는 경우, 출력 증가 단계는 사고 발생 시점의 각 풍력발전기의 회전자에 저장된 운동에너지에 비례하여 각 풍력발전기의 출력을 증가시킬 수 있고, 이 때 운동에너지는 후류 효과(wake effect)가 반영된 각 풍력발전기의 입력 풍속에 비례할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서는 풍력발전기의 회전자 속도의 한계 제어범위를 반영하여 출력을 증가시킬 수 있고, 보다 상세하게는

에 의해 출력 증가량이 결정될 수 있다.

본 발명에 따르면, 계통에서 발전기 탈락 등과 같은 사고 발생 시 주파수 하락을 최소화할 수 있다.

뿐만 아니라, 풍력발전단지 내에 개별 풍력발전기의 특성(운전 조건)을 고려하여 풍력발전단지의 관성제어 성능을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 풍력발전기가 최저 운전 속도 이하로 감속되지 않아, 풍력발전단지의 관성제어 시 발생할 수 있는 주파수의 2차 하락을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 풍력발전단지의 출력 제어 방법을 시뮬레이션하기 위한 풍력발전단지의 예시적 모형을 나타낸 것이다.
도 2은 내지 도 5는 본 발명과 종래 기술에 따른 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 풍력발전단지 내에서 발생하는 후류 효과를 예시적으로 나타낸 그림이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에서 풍력발전기의 출력과 기계적 입력을 나타낸 그래프이다.
도 8, 도 9는 본 발명의 다른 실시예와 종래 기술에 따른 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.

본 발명의 전술한 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용 효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 명세서에 첨부된 도면에 의거한 이하 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.

본 발명의 풍력발전기 출력 제어 방법은 [발명의 배경이 되는 기술]에서 언급한 방식과는 다르게 사고 발생 시, 풍력발전기의 출력을 사고 발생 시점의 풍력발전기에 저장된 운동에너지에 비례하여 증가시킨다.

[발명의 배경이 되는 기술]에 언급된 방식(선행기술문헌 3)은 계통에서 사고가 발생하여 주파수가 감소하면, 사고 발생 시점(주파수 하락 시점)에 출력하던 유효 전력에 특정 수치(0.1pu) 만큼 더한 값으로 유효 전력을 증가시키고 이를 일정시간(예, 10초) 유지한다. 일정 시간이 지난 후에는, 사고 발생 시점에 출력되던 유효전력에 특정 수치(0.05pu) 만큼 유효 전력을 감소시키고 일정 시간(예, 20초) 유지한다. 기존의 방식은 이와 같이 발전기의 상태와 무관한 특정 크기의 유효 전력을 일정시간 유지하는 방식으로 계통의 사고 발생에 대응한다.

참고로, 본 발명에서 언급하는 사고란 계통 주파수의 하락을 야기하는 외란을 통칭하는 것으로 계통 동기발전기가 탈락하는 큰 외란으로부터 급격한 부하 투입에 의한 작은 외란까지 다양한 외란을 포함한다. 본 발명의 실시예에서는 큰 외란에 해당하는 계통 동기발전기의 탈락을 통해 발명의 성능을 검증한다.

본 발명은 사고 발생 시점, 달리 말해 주파수 하락 시점에 풍력발전기의 출력을 사고 발생 시점에 풍력발전기에 저장된 운동에너지에 비례하여 증가시킨다. 풍력발전기의 출력은 정격 풍속 이하(풍력발전기가 구동 가능한 풍속 범위 내)에서는 풍속에 비례하여 출력이 결정된다. 즉, 본 발명을 달리 표현하면, 사고 발생 이전에 큰 출력(에너지)을 내는 풍력발전기일수록, 사고 발생 시 더 많은 출력(에너지)을 방출시키도록 제어하는 것이다. 이는 종래 방식(일정한 상수 값을 더한 또는 뺀 출력을 특정 시간 동안 지속적으로 출력)과는 다른 것으로, 풍력발전기의 운전 상태(사고 발생 시점의 풍속)를 고려하여 사고(외란)에 대처하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에서는 풍력발전기에 저장된 운동에너지에 비례하여 출력을 증가시키는 데에 있어서, 최대 출력 추종 제어(Maximum Power Point Tracking, MPPT)를 위한 유효 전력 기준 값에 풍력발전기의 운동에너지에 비례하여 생성되는 유효전력 기준 값을 더하여 출력을 증가시킨다.

본 실시예를 식으로 표현하면 아래 [수학식 1]과 같다.

[수학식 1]

P_ref = P_MPPT + ΔP

위 [수학식 1]에서 P_MPPT는 최대 출력 추종 제어를 위한 풍력발전기의 출력 기준 값이고, ΔP는 사고 발생 시 증가시키는 풍력발전기의 출력 기준 값이다. 앞서 설명한대로 ΔP는 사고 발생 시점에 풍력발전기에 저장된 운동에너지에 비례한다. 그리고 P_ref는 본 발명의 출력 제어 방법에 따른 사고 발생 시점 이후의 풍력발전기 출력 기준값이다.

기존의 방식(특히, 선행기술문헌 3)에서는 최대 출력 추종 제어 대신 사전에 결정된 특정 출력을 일정시간 유지하도록 풍력발전기를 제어하였으나, 본 실시예에서는 풍력발전기의 운동에너지를 고려하여 유효전력 증가량을 다르게 산정함으로써 사고 발생 직후 풍력발전기의 출력을 가능한 한 큰 값으로 급격하게 증가시킬 수 있다. 이에 따라 계통 사고 발생 시 주파수가 하락되는 폭이 감소되고 풍력발전기는 종래 방식에 비해 크고 빠른 대응을 보일 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에서는 운동에너지에 비례하여 풍력발전기의 에너지를 증가시키는 데에 있어서 풍력발전기의 회전자 속도의 한계 제어범위를 반영하여 출력을 증가시킬 수 있다.

운동에너지에 비례하여 추가되는 유효 전력은, 풍력발전기가 관성 제어 도중 회전자 속도가 한계 속도 이하로 감속되지 않는 범위(한계 제어 범위) 내에서 최대로 낼 수 있는 출력값으로 결정된다. 즉, 회전자 속도가 높아 운동에너지가 큰 풍력발전기의 경우에는 추가되는 유효 전력이 크게 산정되고, 반대로 회전자 속도가 낮아 운동에너지가 작은 풍력발전기는 추가되는 유효 전력이 작게 산정된다. 위 [수학식 1]의 ΔP를 본 실시예에 따라 산정하는 방식의 일 예를 식으로 표현하면 아래 [수학식 2]와 같다.

[수학식 2]

위 [수학식 2]에서 P_mech는 풍력발전기의 기계적 입력이다. P_mech를 풍력발전기의 특성 또는 정의하는 방식에 따라 구체적인 수식이 달라질 수 있다. 한편, 댐핑을 고려하는지 여부에 따라 [수학식 2]의 형태는 달라질 수 있다.

한편, [수학식 1]의 P_MPPT는 kω³으로 표현될 수 있다(풍력발전기의 제어 모드에 따라 계수인 k값이 달라질 수 있으며, P_MPPT가 ω의 세제곱에 비례하는 형태의 식으로 표현되는 경우, 위 [수학식 1]의 P_MPPT와 수학적으로 동일한 의미를 갖는 것으로 보아야 한다.). 따라서, 위 [수학식 1], [수학식 2]를 아래 [수학식 3]으로 표현할 수 있고, 이를 기초로 ΔP를 도출하면 [수학식 4]와 같다.

[수학식 3]

[수학식 4]

따라서, 본 발명은 풍력발전기의 출력 지령값 및 기계적 입력을 통해, 풍력발전기의 회전자 속도가 한계 속도에 이르지 않게 하는 범위 내에서 관성 제어를 위해 증가시키는 출력을 연산할 수 있다.

본 실시예를 그래프 상에서 표현하면 도 7과 같이 나타낼 수 있다.

도 7의 청색 실선은 풍력발전기의 기계적 입력을 나타내는 곡선이고 두 개의 적색 실선 중 아래에 위치한 것은 최대출력추종 제어에 따른 출력, 위의 곡선은 본 발명의 일 실시예에 따라 증가된 출력을 반영한 출력 곡선이다. 본 발명은, ω_min 내지 ω^*의 구간에서 기계적 입력과 관성 제어에 따른 출력의 차이의 총합이 0이되도록(이를 식으로 표현한 것이 [수학식 2]이다.) 풍력발전기를 제어한다.

한편 [수학식 1] 내지 [수학식 4]에서는 전력에 관한 식으로 출력을 표현하였으나, 동일한 기술적 의미를 가지는 다른 요소, 예를 들어 토크에 관한 식으로 표현하는 것도 가능하다. 즉, 앞서 명세서에서 예시적으로 기술한 출력 제어 외에도 출력을 제어하기 위한 다양한 요소들에 의해 관성 제어를 수행하는 것 또한 본 발명에 속하는 것으로 보아야 한다.

한편, 본 실시예에서는 w_min과 w^*를 각각 최저 운전 속도와 최적 운전 속도로 두고 관성제어를 위한 ΔP를 산정했으나, w_min과 w^*가 다른 값을 사용할 때도 ΔP를 산정할 수 있다. 즉, 풍력발전기가 MPPT 제어모드로 운전되지 않아서 회전자 속도가 w^*가 아닌 경우에도 [수학식 4]의 w^* 자리에 현재 회전자 속도를 대입하여 구할 수 있다. 또한, 풍력발전기의 감속 한계를 w_min으로 두고 가정한 0.7pu 이하로의 감속을 허용하지 않는 한도 내에서 ΔP를 산정했으나 제어목적에 따라 w_min 이상의 특정 회전자 속도를 한계속도로 정하여 ΔP를 산정할 수 있다.

본 발명과 종래의 방식(선행기술문헌 2, 3)에 따른 주파수 하락 수준, 회복 시간 등은 도 1 내지 도 5를 통해 상세히 살펴본다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 풍력발전단지의 출력 제어 방법을 시뮬레이션하기 위한 풍력발전단지의 예시적 계통을 나타낸 것이다.

도 1에 도시된 계통은 기력 거버너를 사용하는 동기발전기 4기와 5MW DFIG 20기로 이루어진 풍력발전단지, 500MW를 소비하는 고정부하로 구성된다. 풍력발전단지의 내부망은 3개의 피더로 구성되어 있고, 이 단지는 60MVA 주 변압기 2기와 해저 케이블을 통해 계통과 연계된다. DFIG의 기동, 정격, 종단풍속은 각각 4m/s, 11m/s, 25m/s이고, 풍력발전기의 회전자 속도 한계 범위는 0.7-1.25pu이다. 외란으로 인한 계통주파수 하락을 모의하기 위해 40초에 50MW를 출력하는 동기발전기 1기가 탈락한다.

풍속이 11m/s, 9m/s 인 경우에 대해 시뮬레이션을 시행하였다. 11m/s, 9m/s 인 경우 증가시키는 출력량을 각각 0.3pu, 0.2pu로 하여 시뮬레이션 하였다.

도 2 내지 도 5에 나타난 그래프는 각각 다음 항목을 나타낸다. 첫 번 째 그래프는 시간에 따른 계통 주파수, 두 번째 그래프는 시간에 따른 풍력발전단지의 유효전력, 세 번째 그래프는 풍력발전기의 회전자 속도이다. 각 그래프에서 녹색 실선은 선행기술문헌 2의 방식을 적용한 경우, 청색 실선은 선행기술문헌 3의 방식을 적용한 경우의 결과이며, 본 발명의 실시예에 따른 결과는 적색 실선으로 표시되었다.

이하에서는 시뮬레이션 결과에 대해 상세하게 살펴본다.

도 2는 11m/s의 풍속에서, 0.2pu 만큼의 출력을 증가시킨 경우를 나타낸다. 도 2a(주파수 그래프)를 보면, 선행기술문헌 3의 방식(출력을 일정하게 증가)의 경우 주파수 하락폭이 가장 크다. 선행기술문헌 3의 방식은 사고 발생 이후에 주파수가 1차적으로 회복하나, 가속구간으로 전환(50초)되면서 풍력발전단지의 출력이 감소하는 데에 따른 영향으로 다시 주파수가 하락하고, 가속 구간이 종료되는 시점(70초)에서는 풍력발전단지 출력이 증가하므로 다시 주파수에 변동이 발생한다. 즉 주파수가 완전히 회복하기까지는 약 37초가 소요된다. 선행기술문헌 2의 방식에서 주파수 하락폭은 작았다. 또한, 이 경우에는 관성제어 종료 시까지 풍력발전단지의 출력에 급격한 변화가 발생하지 않기 때문에 선행기술문헌 3에서와 같은 주파수의 급격한 변동은 발생하지 않는다. 주파수를 회복하는 데에 소요되는 시간이 오래 걸리는 단점도 있다(약, 20초 소요). 본 발명의 경우, 주파수 하락폭(약 0.5Hz)도 크지 않고 신속하게 주파수를 회복한다(약 10초 소요). 이것은 선행기술문헌 2의 방식에 비해 최저주파수점을 지난 이후 풍력발전단지의 출력이 더 큰 것에 기인한다. 본 발명은 관성제어 중 0.2 pu의 일정한 유효전력 기준값을 추가하지만 선행기술문헌 2의 주파수의 변화량에 비례한 유효전력 기준값을 추가하기 때문에 주파수가 회복된 이후에는 시점에는 그 양이 작아진다. 한편, 풍력발전단지의 유효전력(도 2b) 및 풍력발전기의 회전자 속도(도 2c)를 살펴보면, 관성제어 수행 시 본 발명에서는 유효전력이 빠르게 증가하여 계통의 사고에 바로 대응한다. 또한, 운동에너지의 방출이 다른 방식보다 크기 때문에 회전자 속도의 감소가 가장 크다.

도 3은 11m/s의 풍속에서, 0.3pu 만큼의 출력을 증가시킨 경우를 나타낸다. 도 3a 주파수 그래프를 보면, 선행기술문헌 3의 방식(출력을 일정하게 증가)의 경우에 주파수가 가장 많이 하락하고, 주파수를 회복하는 시간도 오래 걸린다. 선행기술문헌 3의 방식은 사고 발생 이후에 주파수가 1차적으로 회복하나, 가속구간으로 전환(50초)되면서 다시 주파수가 하락하고, 가속 구간이 종료되는 시점(70초)에서는 다시 주파수가 상승하였다가 회복한다. 즉 주파수가 완전히 회복하기까지는 약 37초가 소요된다. 선행기술문헌 2의 방식은 선행기술문헌 3의 방식에 비해 더 나은 결과를 보이나, 본 발명과 비교할 때, 주파수 하락폭도 크고, 주파수가 1차 평형 상태에 도달하기까지 소요되는 시간도 길다. 한편, 풍력발전단지의 유효전력(도 3b)과 풍력발전기의 회전자 속도 그래프(도 3c)를 살펴보면, 본 발명은 사고 직후 풍력발전단지의 출력을 급격히 증가시켜 주파수 하락을 막는 역할을 하고 이를 위해 많은 운동에너지가 방출되어 다른 방식에 비해 회전자 속도의 감소가 크게 나타난다.

이하에서는, 도 2와 도 3을 비교한다. 동일한 조건 하에 본 발명의 실시예에 따라 0.2pu와 0.3pu를 증가시킨 경우, 0.3pu를 증가시 경우가 주파수 하락폭(0.2pu 증가시 0.55Hz, 0.3pu 증가시 0.42Hz)이 더 작다. 이와 같은 출력 증가로 인해 회전자 속도의 감소량(0.2pu 증가 시 0.1pu, 0.3pu 증가 시 0.17pu)이 달라진다. 0.3pu를 증가시킨 경우에도 회전자 속도는 1.08pu로 최저운전속도까지는 여유가 있기 때문에 본 발명이 제안하는 제어를 충분히 수행할 수 있음을 알 수 있다. 즉, 상대적으로 높은 풍속인 11m/s인 경우, 풍력발전단지의 관성제어 능력이 크기 때문에 출력을 높게 증가시킬 수 있고 이에 따라 관성제어의 성능이 향상될 수 있다.

도 4는 9m/s의 풍속에서, 0.2pu 만큼의 출력을 증가시킨 경우를 나타낸다. 도 4a (주파수 그래프)를 보면, 선행기술문헌 3의 방식(출력을 일정하게 증가)의 경우에 주파수 하락폭이 가장 크다. 또한, 선행기술문헌 3의 방식은 사고 발생 이후에 1차적으로 회복하나, 가속구간으로 전환(50초)되면서 다시 주파수가 하락하고, 가속 구간이 종료되는 시점(70초)에서는 다시 주파수에 변동이 발생한다. 선행기술문헌 2의 방식은 선행기술문헌 3의 방식에 비해서는 주파수 하락폭이 작고, 회복시간도 짧으나, 본 발명에 비해서는 주파수 하락폭이 크고, 주파수 회복 시간도 길다. 본 발명의 경우, 주파수 하락 폭이 가장 작고, 회복 시간도 가장 짧다(주파수가 신속하게 1차 평형 상태로 돌아온다.). 한편, 풍력발전단지의 유효전력(도 4b)과 풍력발전기의 회전자 속도 그래프(도 4c)를 살펴보면, 본 발명은 사고 직후 풍력발전단지의 출력을 급격히 증가시켜 주파수 하락을 막는 역할을 하고 이를 위해 많은 운동에너지가 방출되어 다른 방식에 비해 회전자 속도의 감소가 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다.

도 5는 9m/s의 풍속에서, 0.3pu 만큼의 출력을 증가시킨 경우를 나타낸다. 도 3a 주파수 그래프를 보면, 본 발명의 방식을 적용한 경우, 최초에 주파수 하락폭은 적으나, 65초 이후에 주파수가 다시 한번 크게 하락(2차 하락) 하는 것을 볼 수 있다. 특히, 2차 하락은 1차 하락보다 주파수 하락폭이 훨씬 큰 것을 볼 수 있다. 이와 같은 2차 하락은 풍력발전기가 최저 운전 속도로 감속하여 관성제어가 중단되고 MPPT 제어모드로 변경되면서 풍력단지의 출력이 급격히 줄어들기 때문에 발생한다.

즉, 도 5의 조건을 적용하는 경우, 오히려 선행기술문헌에 제시된 방식에 비하여 사고 대처에 비효율적임을 확인할 수 있다. 도 5를 도 3과 비교하면, 11m/s의 풍속에서 0.3pu만큼 출력을 증가시키는 경우(도 3의 예)에는 선행기술문헌의 방식뿐만 아니라, 도 2(11m/s의 풍속에서 0.2pu 증가), 도 5(9m/s의 풍속에서 0.3pu 증가)에 나타난 본 발명의 방식에 비하여 훨씬 효과적으로 사고에 대처할 수 있다.

풍속이 11m/s인 경우에는 0.3pu를 입력하고, 9m/s인 경우에는 0.2pu를 입력하는 경우, 바꿔 말해 풍속에 비례하여 출력을 증가시키는 경우에 관성제어 성능을 향상 시킬 수 있다. 한편, 풍속에 비해 지나치게 높게 출력을 증가시키거나 반대로 풍속에 비해 낮게 출력을 증가시키는 경우에는 관성제어가 중단되어 주파수 안정도를 오히려 악화시키거나 관성제어의 성능이 감소되는 결과를 가져올 수 있다.

도 2 내지 도 5를 종합적으로 고려하면 도 1과 같은 조건에서 시뮬레이션을 수행한 결과, 풍속이 11m/s인 경우에는 출력을 0.3pu 증가시킬 때, 풍속이 9m/s인 경우에는 출력을 0.2pu 증가시킬 때, 관성제어의 성능이 가장 향상된다.

즉, 사고 발생 시점의 풍력발전기에 저장된 운동에너지에 비례하여 출력을 증가시키는 경우, 종래에 비해 주파수 하락폭을 줄이고, 주파수 회복 시간을 단축할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에서는 복수의 풍력발전기를 포함하는 풍력발전단지를 제어하는 경우, 상기 출력 증가 단계는 사고 발생 시점의 각 풍력발전기의 운동에너지에 비례하여 각 풍력발전기의 출력을 증가시킨다. 선행기술문헌 1 내지 3에 제시된 방식은 풍력발전기를 제어하는 것일 뿐, 이를 풍력발전단지로 확장하지 않았다. 또한, 선행기술문헌 1 내지 3은 풍력발전단지 내에 각 풍력발전기의 운전조건이 달라지는 것을 고려하지 않으므로, 모든 풍력발전기를 동일하게 제어한다. 그러나 본 발명은 풍력발전단지 내에 각 풍력발전기를 개별적으로 제어한다. 그 결과 각 풍력발전기의 관성제어 능력을 반영할 수 있게 되어 풍력발전단지의 관성제어 성능이 향상된다.

본 발명은 앞서 살펴본 대로, 사고 발생시 증가시키는 출력의 양을 사고 발생 시점의 풍력발전기에 저장된 운동에너지에 비례하여 결정한다. 여기서 운동에너지는 풍력발전기에 입력되는 풍속에 의해 결정될 수 있고, 풍속(풍력발전기의 블레이드를 회전시키기 위하여 풍력발전기에 입력되는 바람의 속도)은 풍력발전단지 내에 각 풍력발전기가 모두 다르다. 본 발명은 이러한 특징에 착안하여, 각 풍력발전기의 개별 운동에너지를 고려하여 관성 제어 시 출력을 증가시킨다. 이로써 개개의 풍력발전기의 특징을 반영한 제어가 가능하다.

한편, 풍력발전기를 각각 제어하기 위하여 고려하는 개별 풍속은 풍력발전기의 후류 효과(wake effect)를 반영한다. 후류 효과는 풍력발전단지 내에 각 풍력발전기에 도달하는 바람의 속도가 달라지도록 하는 주된 원인 중 하나이다. 정격 출력 범위 내에서 풍력발전기의 출력은 풍속에 의존하므로, 후류 효과에 의해 풍속이 달라지면, 풍력발전기의 출력 또한 각각 달라진다. 본 발명은 이러한 상황을 반영하여 풍력발전기를 제어한다. 한편 후류 효과에 따른 풍속은 직접 측정할 수도 있으나, 특정 연산 식에 의해 도출할 수 있고, 이러한 연산 결과를 바탕으로 본 실시예에 따른 제어를 수행할 수 있다.

도 6은 풍력발전단지 내에서 발생하는 후류 효과를 예시적으로 나타낸 그림이다. 바람은 풍력발전기를 통과하면서 운동에너지 중 일부를 잃고 평균 속도가 감소된다. 다수의 풍력 발전기로 구성된 풍력발전단지에서는 앞에 위치한 풍력발전기의 영향으로 뒤쪽에 위치한 풍력발전기에 도달하는 바람의 평균 풍속이 감소하는데 이것을 후류 효과라 한다. 도 6을 보면 x축 거리가 늘어날수록, 즉 바람이 불어오는 방향으로부터 풍력발전기의 위치가 멀어질수록 상대적으로 바람을 먼저 맞이하게 되는 풍력발전기를 회전시키기 위해 바람이 가진 운동에너지가 사용되고, 바람의 속도는 낮아지게 된다. 또한, 풍력발전기의 구동(블레이드의 회전)에 의해 생성되는 풍력발전기 뒤 쪽의 난류(turbulence)도 후류효과를 야기하는 원인이 된다. 따라서, 바람의 방향 선상에서 뒤에 위치한(바람을 나중에 맞이하게 되는) 풍력발전기는 앞에 있는 풍력발전기에 비해 출력량이 적어진다.

풍력발전단지 내의 풍력발전기는, 특히 MPPT 제어를 수행하는 풍력발전기는 입력 풍속에 대한 최적의 회전자 속도로 운전하는데, 그 결과 풍력발전단지 내의 각 풍력발전기의 회전자 속도는 서로 달라지고, 출력 또한 달라진다.

본 실시예는 복수의 풍력발전기가 배치될 때 발생하는 풍력발전단지 고유의 상황을 고려하여 풍력발전단지를 제어한다. 구체적으로, 각 풍력발전기를 개별적으로 제어하면서 동시에 전체 풍력발전단지가 외란에 효율적으로 대응할 수 있도록 풍력발전단지를 제어한다.

한편, 본 발명의 일 실시예에서는 풍력발전기의 회전자 속도의 한계 범위를 고려하여 출력을 증가시킨다.

선행기술문헌 2의 경우 풍력발전기를 제어하는 시간에 대해 구체적으로 언급되어 있지 않고, 선행기술문헌 3의 경우 항상 동일한 시간(감속구간 10초, 가속구간 20초) 동안 풍력발전기를 제어한다.

그러나, 본 발명은 회전자 속도의 한계 범위를 고려하여 관성제어 수행 여부를 결정하므로, 풍력발전기의 관성제어 능력을 반영할 수 있다.

도 8 내지 9는 본 발명의 다른 실시예, 구체적으로는 풍력발전기의 회전자 속도의 한계 제어범위를 반영하여 풍력발전기의 출력을 증가시키는 예와 종래 기술을 비교한 그래프이다. 여기서 한계 제어범위란 풍력발전기의 최저 운전 속도 또는 제어 목적에 의해 정해진 최저 속도까지의 범위를 말한다.

도 8a, 도 9a는 계통 주파수, 도 8b, 도 9b는 풍력발전기의 출력, 도 8c, 도 9c는 회전자 속도에 관한 것이고, 각 그래프에서 녹색 실선은 선행기술문헌 2의 방식을 적용한 경우, 청색 실선은 선행기술문헌 3의 방식을 적용한 경우의 결과이며, 본 발명의 실시예에 따른 결과는 적색 실선으로 표시되었다. 도 8은 풍속이 9m/s인 경우, 도 9는 풍속이 11m/s인 경우의 시뮬레이션 결과이다.

먼저 도 8을 보면, [수학식 4]를 이용하여 연산된 ΔP는 0.1871pu이다. 이 때의 주파수 최저점은 약 59.60Hz로 기존의 방식에 비하여 주파수 최저점이 더 높았다. 본 발명의 실시예에 따르면, 주파수 하락 초기에 기존의 방식들보다 더 큰 유효전력을 회전자 운동에너지로부터 출력하기 때문에, 주파수의 하락폭이 적고, 신속하게 회복할 수 있다.

풍속이 11m/s인 경우에, [수학식 4]를 이용하여 연산된 ΔP는 0.3648pu이다. 풍속이 빠를수록 달리 말해 회전자의 속도에 따른 운동에너지가 높을수록 더 많은 출력을 증가시키는 것을 확인할 수 있다. 연산된 ΔP를 반영하여 시뮬레이션을 진행한 결과를 도 9를 통해 살펴보면, 주파수 최저점은 약 59.66Hz로 기존의 방식에 비하여 더 높은 주파수 최저점을 보이는 것을 확인할 수 있다. 이 경우에도 본 실시예는 주파수 하락 초기에 기존의 방식들보다 더 큰 유효전력을 회전자 운동에너지로부터 출력하기 때문에, 주파수의 하락폭이 적고, 신속하게 회복할 수 있다.

지금까지 살펴본 본 발명의 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것으로 본 발명이 속한 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 수정, 변경, 부가가 가능한 부분까지 본 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims (2)

1. 풍력발전기를 제어하는 방법에 있어서,
   사고 발생 시, 풍력발전기의 출력을 사고 발생 시점에 풍력발전기에 저장된 운동에너지에 비례하는 유효 전력 값을 더하여 증가시키는 출력 증가 단계;
   를 포함하고,
   상기 출력 증가 단계는,
   특정 회전자 속도를 한계속도로 정하여 풍력발전기의 기계적 입력과 관성 제어에 따른 출력의 차이의 총합이 0이 되도록 유효 전력 값을 증가시키고, 상기 특정 회전자 속도는 풍력발전기 회전자 속도의 한계 제어범위를 반영하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 출력 제어 방법
2. 청구항 1에 있어서, 상기 출력 증가량은
   

   

   
   에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 출력 제어 방법
   
   

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