KR101564978B1

KR101564978B1 - 풍력발전기의 적응형 관성 제어 방법

Info

Publication number: KR101564978B1
Application number: KR1020150094058A
Authority: KR
Inventors: 강용철; 강모세; 이진식
Original assignee: 전북대학교산학협력단
Priority date: 2014-07-15
Filing date: 2015-07-01
Publication date: 2015-11-02
Also published as: JP2016528857A; US20170115685A1; WO2016010290A1; JP6007343B2

Abstract

본 발명은 풍력발전기를 제어하기 위한 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 풍력발전기의 해당 풍속에서 기계적입력과 전기적출력곡선을 이용하여 출력증가량을 산출하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 출력 제어 방법 방법에 관한 것이다.

Description

풍력발전기의 적응형 관성 제어 방법{Method for adaptive inertial control in a wind turbine}

본 발명은 풍력발전기의 출력 제어 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 계통에서 외란이 발생하는 때에 풍력발전기의 출력을 일시적으로 증가시켜 계통 주파수의 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 않도록 하여 풍력발전단지가 관성 응답을 보이지 못하도록 한다. 위와 같은 제어 방식은 계통 관성이 감소하므로 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, 주파수 회복 시에는 방해요소로 작용하는 단점을 가지고 있다.

위 방식의 단점을 보완하기 위해 주파수 변화율 루프에 주파수 변화량 루프를 더해 주파수 하락 시 풍력발전기가 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 0.1p.u.에 해당하는 값을 추가하여 10초간 생산하는 계단형 출력 관성제어 방식도 제안되었다. 10초 이 후, 감소한 회전자 속도를 다시 회복시키기 위해 주파수 하락 시점의 출력보다 정격의 0.05p.u.에 해당하는 값만큼 작은 유효전력을 20초간 일정하게 출력하도록 했다. 그러나 회전자 속도를 회복하는 과정에서 순간적으로 감소시키는 출력으로 계통에 2차적인 주파수 하락 현상을 야기하였다.

종래의 계단형 출력 관성제어 방식은 출력 증가 이후 발전기의 과도한 감속 방지를 위해 급격히 출력을 감소시킨다. 이것은 계통에 또 다른 외란으로 작용하여 2차 주파수 하락을 일으킬 수 있다. 특히 풍력발전기의 과도한 감속으로 인해 관성제어가 중단되면서 발생하는 출력 감소 현상은 더 큰 2차 주파수 하락을 야기할 수 있어 계통의 주파수 안정도에 오히려 악영향을 미치게 된다. 또한 종래 방식을 풍력단지에 후류효과에 의해 달라지는 각 풍력발전기의 운동에너지를 관성제어에 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 사고 발생 시, 풍력발전기의 과도한 감속(over-deceleration) 현상을 방지하면서 계통 주파수 하락폭을 최소화 하는 것을 목적으로 한다.

동시에, 관성제어 시 풍력발전기의 급격한 출력 감소로 인해 발생하는 계통의 2차 주파수 하락 현상을 방지하는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 풍력발전기의 관성제어 방법은 사고 발생 시, 풍력발전기의 최대 출력 제어를 위한 출력 기준값에 사고 발생 시점에 풍력발전기에 저장된 운동에너지에 비례하는 유효 전력 값을 더하여 출력을 증가시키는 단계를 포함한다.

상기 출력 증가 단계는 풍력발전기의 해당 풍속에서 기계적 입력과 전기적 출력곡선을 이용하여 출력 증가량을 산출할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서 출력 증가 단계는 최대 출력 추종(Maximum Power Point Tracking) 제어를 위한 출력 기준값에 사고 발생 시점의 발전기 회전자 속도에 비례하여 산정된 출력 증가량을 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.

한편, 출력 증가 단계에서, 관성제어를 수행하는 동안 풍속이 감소하거나 증가할 때, 출력 증가량을 각각 감소시키거나 증가시킬 수 있다.

상기 출력 증가 단계는 풍력발전기의 회전자 속도의 한계 제어범위를 반영하여 출력을 증가시킬 수 있고, 보다 상세하게는 각 입력 풍속에 따라 풍력발전기의 기계적 입력 곡선과 관성제어 시의 출력 곡선이 적어도 한 점에서 만나도록 하는 상수값으로 결정될 수 있다. 단, 앞에서 정한 교점이 회전자 속도가 ω_min 이하에서 형성될 경우에는 두 곡선의 교점이 회전자 속도가 기 설정된 지점에 오도록 하는 최대 상수값으로 정해지는 것에 의해 출력 증가량이 결정될 수 있다.

한편, 상기 출력 증가량은, 사고 발생 시점에서, 운동에너지에 비례하여 설정한 값에, 계통 주파수의 최대 변화율에 비례하는 가중치를 곱하여 결정할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 출력 증가량이 반영된 전기적 출력 곡선은,

에 의해 결정될 수 있다.

본 발명에 따르면, 계통 사고 발생 시 풍력발전기의 과도한 감속(Over-deceleration) 현상을 방지하면서 주파수 하락을 최소화할 수 있으며, 관성제어 시 풍력발전기의 출력 감소로 인해 야기되는 계통의 2차 주파수 하락 현상을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 풍력발전기의 적응형 관성제어 방법을 시뮬레이션하기 위한 풍력발전단지와 계통의 예시적 모형을 나타낸 것이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명과 종래 기술에 따른 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에서 풍력발전기의 적응형 관성제어의 동작 특성을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에서 풍력발전기의 적응형 관성제어의 동작 특성을 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 적응형 관성제어 방법은 [발명의 배경이 되는 기술]에서 언급한 종래방식과는 다르게 사고 발생 시, 풍력발전기의 출력을 사고 발생 시점의 회전자 속도에 비례하여 증가시킨다.

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

참고로, 본 발명에서 언급하는 계통 사고란 전력계통에서 유효전력이 부족하여 주파수가 하락하는 상황으로 부하의 급격한 증가나 운전중인 동기발전기가 탈락하는 경우를 의미한다.

이를 해결하기 위한 다양한 방안이 앞서 [발명의 배경이 되는 기술]란에 소개되었으며, 본 발명은 이미 알려진 방안과는 전혀 다른 방식으로 풍력발전기의 사고 문제를 해결한다.

본 발명은 사고 발생 시점, 달리 말해 주파수 하락 시점에 풍력발전기의 출력을 사고 발생 시점의 발전기 회전자 속도에 비례하여 증가시킨다. 풍력발전기의 출력은 정격 풍속 이하(풍력발전기가 구동 가능한 풍속 범위 내)에서는 회전자 속도의 세제곱에 비례하여 출력이 결정되며 발전기 회전자 속도는 풍속에 비례한다. 즉, 본 발명을 달리 표현하면, 사고 발생 이전에 큰 출력을 내는 풍력발전기(운동에너지를 많이 보유한 발전기)일수록, 사고 발생 시 더 많은 출력(운동에너지)을 방출시키도록 제어하는 것이다. 이는 종래 방식(미리 설정된 일정한 상수 값을 더한 출력을 특정 시간 동안 지속적으로 출력)과는 다른 것으로, 풍력발전기의 운전 상태(사고 발생 시점의 회전자 속도)를 고려하여 사고(외란)에 대처하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에서는 발전기 회전자 속도에 비례하여 출력을 증가시키는 데에 있어서, 최대 출력 추종(Maximum Power Point Tracking) 제어를 위한 출력 기준값에 사고 발생 시점의 발전기 회전자 속도에 비례하여 산정된 출력 증가량을 더하여 발전기 출력을 증가시킬 수 있다.

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 제어에 따른 풍력발전기의 출력이고, ΔP는 사고 발생 시 증가시키는 풍력발전기의 출력이며 일정한 값을 가진다. 앞서 설명한대로 ΔP는 사고 발생 시점의 발전기 회전자 속도에 비례한다. 그리고 Pref는 본 발명의 출력 제어 방법에 따른 사고 발생 시점 이후의 풍력발전기 출력이다.

기존의 방식(특히, 선행기술문헌 3)에서는 최대 출력 추종 제어 대신 사전에 결정된 특정 출력을 일정시간 유지하도록 풍력발전기를 제어하였으나, 본 실시예에서는 최대 출력 추종 제어를 위한 출력 기준값에 사고 직전의 회전자 속도에 비례하는 출력 증가량을 더해줌으로써, 사고 발생 직후 즉각적으로 출력을 증가시킬 수 있으며, 2차 주파수 하락 또한 방지할 수 있다.

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

본 발명의 다른 실시예에서는 운동에너지가 아닌 풍력발전기의 계통 주파수 변화율 또는 주파수 변화량에 비례하여 풍력발전기의 출력을 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, 관성제어를 위해 증가시키는 출력이, 풍력발전기의 회전자 속도의 한계 제어 범위를 반영하여 기계적 입력과 출력의 차이의 총합이 0이 되도록 연산할 수 있다.

본 실시예를 그래프 상에서 표현하면 도 5와 같이 나타낼 수 있다.

도 5의 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 ω_min과 ω*를 각각 최저 운전 속도와 최적 운전 속도로 두고 관성제어를 위한 ΔP를 산정했으나, ω_min과 ω*에 다른 값을 사용할 때도 ΔP를 산정할 수 있다. 즉, 풍력발전기가 MPPT 제어모드로 운전되지 않아서 회전자 속도가 ω*가 아닌 경우에도 [수학식 4]의 ω* 자리에 현재 회전자 속도를 대입하여 구할 수 있다. 또한, 풍력발전기의 감속 한계를 ω_min으로 두고 가정한 0.7p.u. 이하로의 감속을 허용하지 않는 한도 내에서 ΔP를 산정했으나 제어목적에 따라 ω_min 이상의 특정 회전자 속도를 한계속도로 정하여 ΔP를 산정할 수 있다.

한편, 상기 ΔP는 [수학식 4]에 따른 방식과 다르게, 도 6의 특성곡선을 통해 산정될 수 있다. 이때, [수학식 4]에 의한 ΔP는 도 5에서 감속면적과 가속면적이 같아지는 지점(입력곡선과 출력곡선의 차이의 총합이 0인 지점)으로 정해지는 반면에, 도 6의 특성곡선을 통해 산정되는 ΔP는 관성제어를 수행하는 동안 풍속이 감소하거나 증가하는 경우에는 이에 비례하여 출력 증가량이 각각 감소하거나, 증가하되, 해당 풍속에서 기계적인 입력곡선과 전기적인 출력곡선이 한 점에서 만나도록 산정되며, 이는 기계적 입력과 전기적 출력의 차이가 0 이 되는 지점으로 회전자 속도가 수렴하는 지점이며, dωr/dt이 점차 감소하다가 0 으로 수렴하는 지점을 의미한다.

본 실시예를 식으로 표현하면 아래와 같다.

이를 정리하면, 아래 [수학식 5]와 같다.

[수학식 5]

위 [수학식 5]에서 n은 출력함수 생성 시 방출 가능한 운동에너지를 반영하는 정도를 나타내며, 이때, n은 0 이하의 값을 가지지 않는 유리수, α는 계통 주파수의 최대 변화율에 비례하는 값을 반영하는 가중치를 의미하며, 풍력발전기의 제어 모드에 따라 계수인 k값이 달라질 수 있다.

한편, 전기적 출력 곡선을 나타내는 [수학식 5]의 n=3, α=1, m=0 인 경우, 상기 [수학식 1]과 수학적으로 동일한 의미를 갖는 것으로 보아야 한다.

상기 방식에서 최대 출력 증가량을 산정 시, 두 곡선이 하나의 점에서 만날 때까지 ΔP를 높이는 바, 같은 조건에서 전술한 방식(수학식 4)보다 더 큰 값을 가지는 ΔP를 산정할 수 있다.

또한, 운동에너지에 비례해서 구한 출력 증가량에 계통 주파수의 최대 변화율에 비례하는 값을 가중치로 곱하고, 풍력발전기의 회전자 속도의 한계 제어범위를 반영하여 출력을 증가시킬 수 있다.

다시 설명하면, ΔP는 풍력발전기의 입력풍속에 의해 결정되는 기계적인 입력곡선과 전기적인 출력곡선(일반적으로 MPPT 제어 곡선)을 고려하여 산정된다. 보다 상세하게는 발전기의 유효전력-회전자 속도 평면에서 그려지는 풍력발전기의 기계적인 입력곡선과 전기적인 출력곡선이 한 점에서 만나도록 하는 ΔP를 산정하며, 도 6을 통해 상세히 살펴본다.

도 6은 풍력발전기의 유효전력-회전자 속도 그래프를 나타내며, 청색실선은 풍력발전기의 기계적인 입력곡선, 녹색실선은 MPPT 제어곡선, 자색실선은 본 발명의 출력곡선을 나타낸다. 본 발명에서 산정하는 ΔP는 상수이므로 관성제어 시 MPPT 제어 기준값을 수직으로 상승시키는 역할을 하고 이렇게 결정된 출력곡선이 자색실선이다. 본 발명은 풍력발전기의 기계적인 입력곡선(청색실선)과 전기적인 출력곡선(자색실선)을 한 점에서 만나도록 ΔP를 결정한다. 두 곡선이 한 점에서 만나는 것의 의미는 풍력발전기의 회전자 속도가 관성제어로 인해 더 이상 감소하지 않는 지점을 나타내므로, 본 발명 적용 시 관성제어로 인한 과도한 감속(Over-deceleration)을 피할 수 있다. 더욱이, 본 발명의 관성제어 시 출력곡선(자색실선)은 운동에너지의 방출로 인해 회전자 속도가 감소함에 따라 출력의 변화율(dP/dt)이 감소하면서 부드럽게 출력을 줄인다. 이로 인해, 외란 이후 2차 주파수 하락 현상을 발생시키지 않고 관성제어를 수행할 수 있다. 따라서, 본 발명은 풍력발전기의 출력곡선 및 기계적 입력곡선을 통해, 풍력발전기의 회전자 속도가 한계 속도에 이르지 않게 하는 범위 내에서 관성 제어를 위한 출력 증가량을 연산할 수 있다.

입력곡선과 출력곡선은 각각 위로 볼록, 아래로 볼록한 곡선이므로 ΔP 값이 최대가 아닌 경우에는 두 개의 교점을 갖는다. 만약, 두 곡선의 교점이 회전자 속도가 ω_min 이하인 지점에서 형성되는(입력풍속이 작은) 경우에는 ΔP 를 줄인다. 이때, ΔP는 두 곡선의 교점이 ω_min 또는 설정된 지점 즉, 풍력발전기의 제어한계에 따른 ω_min 이상의 지점에서 형성되도록 하는 ΔP의 최대값으로 설정된다. 즉, 풍력발전기는 본 발명 적용 시 ω_min 에서 수렴하게 되어 저풍속에서도 관성제어로 인해 발생하는 과도한 감속을 피하면서도 주파수 하락을 방지할 수 있으며, 그에 따라 2차 주파수 하락 또한 방지할 수 있다.

ΔP 결정을 위해 입력풍속에 따라 결정되는 풍력발전기의 기계적 입력 특성과 MPPT 제어를 위해 회전자 속도에 따라 결정되는 전기적 출력 특성이 반영되며, 이에 따라 ΔP는 각 최적 회전자 속도에 대하여 미리 산정될 수 있고 이 값은 풍력발전기로 들어오는 입력 풍속(또는 ω*)에 비례한다. 즉, 풍력발전기가 가지는 회전자 운동에너지가 큰 경우 ΔP가 크게 산정되어 기여도를 높이며, 회전자 운동에너지가 작은 경우 ΔP가 작게 산정되는 특징을 갖는다.

한편, 본 실시예에서는 계통 사고 발생 이전에 풍력발전기의 출력을 MPPT제어 모드로 운전한다고 가정하고 관성제어를 위한 ΔP를 산정했으나, 풍력발전기가 MPPT 제어모드로 운전되지 않은 경우에는, 해당되는 전기적 출력 함수를 [도 6]의 PMPPT 에 대입하여 ΔP를 구할 수 있다.

이 경우에도 기계적인 입력곡선과 전기적인 출력곡선이 한 점에서 만나도록 출력 증가량을 산정할 수 있고, 단, 이 점이 최저 한계 속도 아래에서 형성되는 경우에는 최저 한계 속도 또는 그 이상에서 교점을 갖도록 하는 최대값으로 산정된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 풍력발전기의 적응형 관성제어 방법을 시뮬레이션하기 위한 풍력발전단지와 계통의예시적 모형을 나타낸 것이다.

도 1에 도시된 계통은 기력 거버너를 사용하는 동기발전기 6기와 5MW DFIG 20기로 이루어진 풍력발전단지, 240MW를 소비하는 유도기와 360MW를 소비하는 고정부하로 구성된다. 풍력발전단지 DFIG 1기로 등가화 되었고, 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 0.7-1.25p.u.이다. 외란으로 인한 계통주파수 하락을 모의하기 위해 40초에 70MW를 출력하는 동기발전기 1기가 탈락한다.

풍속이 11m/s, 9m/s, 7m/s인 경우에 대하여 풍력발전기의 수용률이 16.7%인 경우에 사례연구를 수행하였다.

본 발명과 종래의 방식(선행기술문헌 3)에 따른 주파수 하락 수준, 풍력단지의 출력 및 회전자 속도 등은 도 2 내지 도 4를 통해 상세히 살펴본다.

도 2 내지 도 4에 나타난 그래프는 각각 시간에 따른 계통주파수, 풍력발전단지의 유효전력, 회전자 속도를 나타낸다. 각 그래프에서 녹색 1점쇄선은 선행기술문헌 3의 방식을 적용한 경우의 결과이며, 본 발명의 실시예에 따른 결과는 굵은 청색 실선으로 표시되었다. 또한, 관성제어를 수행하지 않는 경우는 흑색 점선으로 표시되었다.

이하에서는 시뮬레이션 결과에 대해 상세하게 살펴본다.

도 2 내지 도 4는 풍력발전 수용률 16.7%의 경우를 나타낸다. 도 2는 풍속 11m/s의 경우 적응형 관성제어와 선행기술문헌 3의 방식을 비교하였다. 도 2 상단의 주파수 그래프를 보면, 선행기술문헌 3의 방식은 본 발명에 비해 주파수 하락이 심한 것을 볼 수 있다. 또한, 선행기술문헌 3의 방식은 2차 주파수 하락 현상(52초)을 보인다. 본 발명은 주파수 최저점(43초) 이후 2차 주파수 하락 현상을 가지지 않고 안정적인 주파수 회복을 보인다. 한편, 도 2 중앙의 풍력발전기의 유효전력 그래프를 보면, 선행기술문헌 3의 방식은 사고 발생 시점(40초) 부터 10초동안 출력량 증가 구간을 가지며, 출력량 증가 구간 이후에 20초 동안 출력량 감소 구간을 가진다. 두 구간 사이에 발생하는 급격한 출력 하락(0.15p.u.)은 2차 주파수 하락 현상을 가져온다. 반면에, 본 발명은 높은 회전자 운동에너지에 따라 ΔP가 크게 산정되어 출력 기준값이 풍력발전기의 토크 한계를 벗어나 출력 토크 한계값으로 출력한다. 급격한 출력 증가 이후 본 발명에서는 회전자 속도 감소에 따라 풍력발전기의 출력을 완만하게 감소하여 선행기술문헌 3의 방식에 보인 2차 주파수 하락 현상을 방지한다. 한편, 도 2 하단의 풍력발전기의 회전자 속도 그래프를 보면, 선행기술문헌 3의 경우 회전자 속도 감소 이후에 Over-deceleration 방지를 위해 회전자 속도를 다시 증가시킨다. 반면에, 본 발명의 경우 회전자 속도는 풍력발전기의 기계적 입력 곡선과 전기적인 출력 곡선의 교점으로 수렴하며 이 점은 최저 한계 회전자 속도보다 높은 지점이므로 Over-deceleration 현상을 방지한다.

도 3은 풍속 9m/s의 경우 적응형 관성제어와 선행기술문헌 3의 방식을 비교하였다. 도 3 상단의 주파수 그래프를 보면, 도 2에서와 마찬가지로 본 발명이 선행기술문헌 3의 방식에 비해 주파수가 적게 하락한다. 더욱이 선행기술문헌 3의 방식은 도 2에서와 같이 2차 주파수 하락 현상(54초)이 발생한다. 본 발명의 경우 2차 주파수 하락 없이 안정적으로 주파수를 회복한다. 한편, 도 3 중앙의 풍력발전기 유효전력 그래프를 보면, 선행기술문헌 3의 방식은 도 2의 경우와 같은 출력 특성을 보여 계통 사고발생 이후 10초 뒤에 급격한 출력 감소를 가지며 이로 인해 2차 주파수 하락 현상이 발생한다. 반면, 본 발명의 경우 9m/s 풍속에 대해 정해진 ΔP가 더해져 출력을 급격히 증가시키며 사고 발생 이후 계통 주파수 최저점 상승에 큰 기여를 한다. 또한 출력 증가 이후 MPPT 제어를 따라 완만하게 감소하는 출력은 2차 주파수 하락 현상을 발생시키지 않는다. 한편, 도 3 하단의 회전자 속도 그래프를 보면, 선행기술문헌 3의 경우 회전자 속도 감소 이후에 Over-deceleration 현상을 방지하기 위해 회전자 속도를 회복시킨다. 반면, 본 발명의 경우 회전자 속도는 정해진 지점으로 수렴하면서 Over-deceleration 현상을 방지한다.

도 4는 7m/s의 풍속에서 본 발명과 선행기술문헌 3의 방식을 비교하였다. 입력 풍속이 낮기 때문에 풍력발전기는 낮은 운동에너지를 가진다. 도 4 중앙의 풍력발전기의 유효전력 출력 그래프를 보면, 선행기술문헌 3의 방식은 풍력발전기의 낮은 운동에너지에 관계없이 큰 출력 증가량을 갖는다. 따라서 관성제어 중 Over-deceleration 현상이 발생하여 관성제어를 멈추고 MPPT제어로 출력을 변환(47초)하면서 매우 큰 출력 감소 현상을 가진다. 반면, 7m/s에 해당하는 최적 회전자 속도에서 산정된 본 발명의 ΔP는 선행기술문헌 3의 방식보다 작은 값을 가진다. 한편, 도 4 하단의 회전자 속도 그래프를 보면, 선행기술문헌 3의 방식은 Over-deceleration 현상이 발생(47초)한다. 반면, 본 발명은 작은 ΔP가 더해져 회전자 속도의 감소가 작고 회전자 속도는 한계 속도 이상에서 항상 수렴하여 Over-deceleration 현상을 방지한다.

도 2 내지 도 4를 종합적으로 고려하면 선행기술문헌 3의 경우 사고 발생 이후 주파수 최저점 상승에는 기여하나, 2차적인 주파수 하락 현상을 발생시킨다. 특히 풍속이 낮은 경우, 발전기의 회전자 속도 특성을 고려하지 않기 때문에 Over-deceleration현상을 쉽게 발생시키고 1차 주파수 하락보다 심한 2차 주파수 하락이 발생하여 계통에 매우 치명적인 외란으로 작용한다. 반면, 본 발명의 경우 발전기의 회전자 속도를 고려해 추가적인 유효전력을 산정하여 Over-deceleration 현상을 방지하면서 안정적으로 주파수 최저점 상승 및 주파수 회복에 기여할 수 있고, 2차 주파수 하락을 방지할 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

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 풍력발전기의 해당 풍속에서 기계적입력과 전기적출력곡선을 이용하여 출력증가량을 산출하고,
상기 출력 증가량은 각 입력 풍속에 따라 풍력발전기의 기계적 입력 곡선과 관성제어 시의 출력 곡선이 적어도 한 점에서 만나도록 하는 상수, 단, 앞에서 정한 교점이 회전자 속도가 ω_min 이하에서 형성될 경우에는 두 곡선의 교점이 회전자 속도가 기 설정된 지점에 오도록 하는 최대 상수값으로 정해지는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 출력 제어 방법
청구항 1에 있어서,
상기 출력 증가 단계는 최대 출력 추종 제어(Maximum Power Point Tracking)를 위한 출력 기준값에 산정된 출력 증가량을 더하여 발전기 출력을 증가시키는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 출력 제어 방법
청구항 1에 있어서,
복수의 풍력발전기를 포함하는 풍력발전단지를 제어하는 경우, 상기 출력 증가 단계는 사고 발생 시점의 각 풍력발전기의 개별 풍속에 비례하여 각 풍력발전기의 출력을 증가시키는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 출력 제어 방법
청구항 3에 있어서,
상기 개별 풍속은 풍력발전기의 후류 효과(wake effect)가 반영된 것임을 특징으로 하는 풍력발전기의 출력 제어 방법
청구항 1에 있어서,
상기 출력 증가 단계는 풍력발전기 회전자 속도의 한계 제어 범위를 반영하여 출력을 증가시키는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 출력 제어 방법
청구항 1에 있어서,
상기 출력 증가 단계는 관성제어를 수행하는 동안 풍속이 감소하거나 증가할 때, 출력 증가량을 각각 감소시키거나 증가시키는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 출력 제어 방법
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 출력 증가량은 사고 발생 시점에서, 운동에너지에 비례하여 설정한 값에, 계통 주파수의 최대 변화율에 비례하는 가중치를 곱하여 결정하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 출력 제어 방법
청구항 8에 있어서,
상기 출력 증가량이 반영된 전기적 출력 곡선은,

에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 출력 제어 방법