유․무효 전력제어

가변 풍속 하에서 풍력발전 시스템의 전기적인 출력효율은 풍속 에 너지를 최대로 얻는데 따라 달라진다. 가변 풍속 하에서 최대 에너지 를 얻기 위해서는 Fig. 16 에 나타난 것과 같이 최대 출력 점에 따라 시스템을 제어하여 풍속에 따른 출력계수 ^Cp가 최대가 되도록 해야 한다.

그렇게 하기 위해서는 회전자의 속도를 풍속의 변화에 따라 변동시 켜야 함으로 이중여자 유도기는 슬립링을 통하여 회전자에 인버터와 컨버터를 채용하여 슬립전력을 제어 할 수 있기 때문에 가변풍속 하에 서 출력조절이 쉬워진다.

Fig. 16 Maximum power generation point versus wind speed

Fig. 17은 이중여자 유도기를 이용한 풍력 발전시스템의 에너지 수 수 관계를 나타내고 있으며, Table 4는 회전자가 동기속도 이상과 이 하에서 전력흐름 관계를 나타내고 있다. 여기서 풍속 에너지가 기계

에너지로 변환되고, 풍차에 의해서 이 에너지는 결국 전기 에너지로 변환하여 계통에 연결된 고정자를 통하여 출력된다. 가변 풍속에 의한 회전자가 동기속도 이하에서는 회전자에 인버터로 슬립전력을 공급하 여, 고정자에서 발전출력을 할 수 있도록 제어한다. 또한, 동기속도 이 상에서는 회전자에 슬립전력이 발생되기 때문에 PWM 직류 컨버터에 의해 출력을 계통으로 보내진다. 그러므로 회전자에 채용된 인버터와 컨버터는 Table 4와 같이 회전자의 속도에 따라 슬립 전력을 회전자 측에 공급하고, 또는 회전자 측에서 계통으로 보내지기도 한다. 동기속 도 이하에서 인버터를 통하여 슬립전력을 회전자 측에 공급할 때 이중 여자 유도기의 고정자는 계통에 연결된다.

고정자가 계통에 연결되어 있기 때문에 항상 일정 전압과 주파수를 갖게 되며, 이것은 이중여자 유도발전기가 거의 일정한 고정자 자속을 갖는다고 볼 수 있기 때문에 고정자 측 3상 전압을 정지좌표계로 변환 하여 고정자 자속을 아래 식 (29)와 (30)과 같이 나타내어진다.

Fig. 17 Power flow of DFIM using dual converter system

Rotor Side Inverter

Line Side PWM DC Converter

DFIM

Pm PsQs

PrQr i2 i1

C P_G

Q_G

Table 4 Power flow of motoring and generating mode

Mode Sub

Synchronous

Super Synchronous

Motoring

P_G>0 Ps>0 Pr<0 Pm>0

P_G>0 Ps>0 Pr>0 Pm>0

Generating

P_G<0 Ps<0 Pr>0 Pm<0

P_G<0 Ps<0 Pr<0 Pm<0

λ _{d s s}= ⌠⌡( v ^{d s s}- R_si _{d s s})d t (29)

λ _{q s s}= ⌠⌡( v ^{q s s}- R_si_{q s s})d t (30)

여기서, R_s : 고정자 저항

v_dss,v_qss : 정지좌표계에서의 고정자 전압 i_dss,i_qss : 정지좌표계에서의 고정자 전류

고정자 자속의 크기와 동기각은 다음과 같이 추정할 수 있다.

|λ_s| = λ²_dss+ λ²_qss (31)

θ_s= tan^{- 1} λ_qss

λ_dss (32)

동기좌표계에서는 _d축의 자속값은 상수이고 _q 축은 0에 가깝기 때

문에 λ _{d s e}≃일정, λ _{q s e}≃0 와 같다. 또한, 동기좌표계에서 이중여자

유도기의 상태 방정식은 다음과 같이 되고,

v _{d s e}= R_si _{d s e}+ d λ d s e

dt ≃0 (33)

v _{q s e}= R_si_qse+ ω_eλ_dse (34)

λ_dse= L_si_dse+ L_mi_dre (35)

λ _{q s e}= L_si_qse+ L_mi_qse≃0 (36)

고정자 측에 출력되는 유효전력과 무효전력은 다음 식으로 나타낼 수 있다.

P_s= 3

2 ( v_qsei_qse+ v_dsei_dse) (37)

Q_s= 3

2 ( v_qsei_dse- v_dsei_qse) (38)

이중여자 유도기를 계통 전압이 안정된 계통에 연계하여 풍력발전 시스템으로 적용할 때 동기좌표계에서 _d축의 자속은 일정하고 전압 은 0 , _q 축의 자속은 0이고 전압은 일정한 상수에 가깝다는 것을 의 미한다. 그러므로 식 (37)과 (38)은 식 (33), (34), (35), (36)을 이용하여 회전자의 _d 축과 _q 축 전류로 나타내면 다음과 같다.

P_s= 3

2

{

(

)}

2 ω_eλ _{d s e}

(

)

식 (39)와 (40)은 회전자 측의 _q 축 전류와 _d 축 전류를 이용하여 고정자 측의 유효전력과 무효전력을 독립적으로 제어 가능함을 나타내 고 있다. 또한 유효율과 무효율은 아래 수식과 같이 나타낼 수 있기 때문에 이중여자 유도기는 발전뿐만 아니라 계통의 역률을 보정하기 위한 동기 조상설비로서도 이용 될 수 있음을 보여주고 있다.

cos θ = P_s

P_s²+ Q_s² (41)

sin θ = Q_s Ps2

+ Qs2 (42)