A Study of Using Optimal Hysteresis Band Amplitude of CRPWM Converter for DFIG of Tidal Current

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조류발전 이중여자발전기의 CRPWM 컨버터 히스테리리스 밴드 크기 최적화에 관한 연구

기경현

,이용식

,정성원

,김재현

, 순천대학교

A Study of Using Optimal Hysteresis Band Amplitude of CRPWM Converter for DFIG of Tidal Current

Kyunghyun Ki

, Yongsik Lee

, Sungwon Jeong

, Jaehyeon Gim

, Sunchon National University

Abstract - As a result of environmental concerns, renewable energy systems are rapidly increasing and particularly tidal current is a potential source of energy. In accordance with a large-capacity trend, doubly-fed induction generator is applied such as wind farms and tidal systems. In this paper, Optimal hysteresis band amplitude of CRPWM Converter is determined for improving rotor current waveform and electrical quality.

1. 서 론

조류발전은 다양한 형태의 수차를 이용하여 조류에서 발생하는 운동에 너지를 기계적 에너지로 변환하고 이를 발전기에 유도하여 전기에너지 로 전환하는 발전방법으로 새로운 신재생 에너지로 각광받고 있다. 그러 나 조류발전은 유속의 변화가 심하여 출력을 예측할 수 없는 단점이 있 다. 이러한 단점은 계통 측면에서 전기품질이 떨어지고 계통과 연계 운 영에 어려움이 있다.[1-2]

따라서 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 조류 터빈에 이중여자 유도발전기를 적용하고, 전력변환장치를 연계하여 CRPWM 제 어의 히스테리시스 밴드를 통해 유도발전기의 회전자 전류를 제어하여 출력 품질을 향상코자 한다.

2. 본 론

2.1 조류 터빈의 특성

해수의 밀도가 공기에 비하여 약 840배 정도 크기 때문에 같은 시설 용량일 경우 풍력터빈에 비하여 조류터빈의 크기가 훨씬 작다. 유체흐름 에 의한 에너지 계산식은 ^P = ^{0 . 5} ρ ^AV

( ρ: 해수밀도, A : 수로단면적, V : 조류유속)이다. 그러나 조류에너지 변환기 및 터빈의 손실에 따라

5

. 0 C AV

P =

ρ 식으로 적용하며, 조류발전에서 ^C

는 0.35∼0.5 범위에 있다.[3]

2.2 이중여자 유도발전기 제어특성 및 모델링

2.2.1 이중여자 유도발전기 시스템 개요

이중여자 유도발전기(DFIG: Doubly-fed induction generator)를 사용 한 조류발전모델은 가변속 방식으로 운전하기 때문에 정속 운전 방식보 다 동기속도의 -40%에서 +30%까지 운전이 가능하며 이로 인해 20%에 서 30%의 보다 높은 효율을 가진다.[4-5]

회전자 컨트롤러는 유도발전기를 제어하며 DFIG의 유효전력과 무효 전력의 출력을 조절하는 역할을 한다. DFIG의 유효전력과 무효전력의 디커플 제어를 하기 위해, 고정자 자속의 백터 컨트롤을 사용한다.[4]

DC링크의 전압은 그리드와 그리드 사이드 컨트롤러 사이로 흐르는 전력( ^{s * P}

)과 회전자 사이드 컨트롤러와 회전자로 흐르는 전력(

차이인 DC전력으로부터 계산된다.

2.2.2 이중여자 유도발전기 토크 제어

이중여자 유도발전기의 토크는 식(1)과 같다. 이중여자 유도기를 발전 기로 사용할 경우 토크는 고정자 자속벡터를 기준으로 동기 위상각을 계산하며 회전자 전류를 제어하기 때문에, 고정자 자속과 회전자 전류의 관계로 정리된다.

e ds s

m

e

L i

L T P

λ 2 2

− 3

= (1)

또한, 발전기의 토크는 회전자 ^q 축 기준전류를 통해서 제어 할 수 있으며, 회전자 ^q 축 기준전류 ⁱ

는 식(2)와 같다.

*

*

1

e t

e

qr

T

WRIM i K

− −

=

_{K WRIM}

_DIFG

t−

(2) 2.2.3 이중여자 유도발전기 유효․ 무효전력 제어

고정자의 유효전력과 무효전력은 다음 식(3-4)와 같다.

( )

qr qs s m

qs qs ds ds s

i L v L

i v i v P

⎟⎟ ⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

= ⎛ +

= 2 3 2 3

(

qs

i

L i = − L

적용하면 ) (3)

⁼ ₂ ³ (

⁻

) (4) ^d 축 회전자전류를 제어하여 고정자 무효전력을 제어할 수 있다. 고정자 무효전력을 영(0)으로 제어한다면 회전자 ^d 축 기준전류 식(5)와 같다.

e e qr qs e e ds ds m e

dr i

V V i*

=

1 λ +

(5)

2.3. 이중여자 유도발전기 시뮬레이션 모델링

2.3.1. 이중여자 유도발전기(DFIG)와 전력변환장치 모델

조류유속에 따른 시뮬레이터 특성을 분석하기 위해 PSCAD/EMTDC 를 이용하여 그림 1, 2와 같이 시스템을 구성하였다, 시스템은 DFIG, 변 압기, 컨버터-인버터세트로 구성되어 있다.

PWM Conveter & Control

그림 1. 이중여자 유도발전기 시뮬레이션 모델

그림 8 측정

그림 2. 전력변환장치 시뮬레이션 모델

2.3.2. 회전자 각 상 기준 전류 및 제어기 모델

그림 3과 같이 회전자의 abc상 기준전류값 결정하기 위해서 Slip 각도 포함한 Park's Transformation 과 Clarke's Transformation 방정식을 적용하였다.

2009년도 대한전기학회 하계학술대회 논문집 2009. 7. 14 - 17

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그림 3. 전력변환장치 시뮬레이션 모델

회전자의 전류를 기준전류에 최적으로 제어하기 위해서 CRPWM의 회 전자 측 컨버터를 동작하며, 히스테리시스 밴드는 토크 리플을 저감하여 진동을 줄이고자 한다. CRPWM 제어기 동작은 회전자 전류가 기준값보 다 밑으로 내려가면 T1/D1이 ON되어 전압 (+)되어 높아지고, 반대로 높아지면 T1/D1이 OFF되고 T2/D2가 ON되어 전압이 (-) 되어 내려간다.

그림 4. CRPWM 컨버터와 회전자 전류 제어기 3. 시뮬레이션

3.1 조류발전의 유속에 따른 출력

조류의 유속은 국립해양조사원에서 발행하는 2008년 조석표에 1일 4회 조류를 이용하여 맹골수도 평균해면 201cm 아래 데이터를 활용하였으며 조류발전량을 위한 수차 및 조류조건은 표 1과 같다.[6]

표 1. 조류발전량을 위한 수차 및 조류 조건

밀도( ρ ) /효율(

l,025[ ^{kg / m}

] / 0.35

발전기 정격 500[ ^kW ]

조류터빈 / 면적 Helical 수차 / 25[ m ]

표 1의 조건에 따른 그림 5의 일별 조류발전량 분석으로 정격속도는 4.9m/s, 계통에 동기상태가 될 수 있는 Cut-In은 1.3m/s 정도로 관측된 다. 또한, 128일째 발전량이 가장 높으며 99,158,320,349일 등 부근 역시 정격용량 이상임을 알 수 있다.

그림 5. 일별 조류발전량

3.2 조류발전의 유속에 따른 이중여자발전기 모의실험

모의실험 조류 유속은 맹골수도 128일 유속 중 2.1m/s이하는 제외하고 1일 데이터를 5sec[0.01sec 간격]으로 모의실험을 하였다.

- 6 0 0 - 4 0 0 - 2 0 0 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0

0 : 0 0 2 : 3 0 5 : 0 0 7 : 3 0 1 0 : 0 0 1 2 : 3 0 1 5 : 0 0 1 7 : 3 0 2 0 : 0 0 2 2 : 3 0

그림 6. 맹골수도 128일 조류 유속

그림 7. 유속에 따른 회전자측 컨버터 d-q축 전류 제어

유속이 증가에 발전량이 증가하며 식(2)와 같이 발전기의 토크에 비례 하는 회전자 ^q 축 전류는 기준값에 따라 제어하며, 또한 식(5)와 같이 고정자 무효전력을 제어하기 위하여 회전자의 ^d 축 전류는 기준값에 따 라 제어되므로 회전자 전류 기준값 제어가 매우 중요하다. 하지만 그림 7과 같이 유속의 급변한 변화에 따라 회전자 전류가 불안정한 상태를 나타나고 있어 히스테리시스 제어기의 적합 밴드조정 및 제어가 필요하다.

3.3 CRPWM 히스테리시스 밴드 조절에 따른 이중여자발전기 모의실험 히스테리시스 제어기의 밴드를 0.1～10까지 다양하게 조정한 결과 밴 드를 작게 하였을 경우 전류 특성이 보다 평월 하였다. 이 중 3～6범위 는 전류파형이 불안정상태였으며 7～9는 다소 개선되는 것을 실험을 통 해 알 수 있었다. 그러나 이 경우에는 불안전 전류파형을 제어하기 위해 PWM스위칭 빠른 동작에 의한 열손실이 발생하였다.

그림 8은 히스테리시스 밴드를 다양하게 조절한 결과로써 CRPWM 제 어기 동작과 회전자 a상 전류값, 히스테리시스 값을 반영하고 기준전류 값( ^I

)을 나타내고 있다.

(A)

(B)

(C)

그림8. 히스테리시스 밴드조절에 따른 CRPWM 동작과 

, 

  , 

  파형

따라서 본 논문에서는 히스테리시스 밴드값을 1로 적용하였으며, 그 결 과는 그림 9와 같다. 그림 7과 비교하였을 경우 전류 제어가 잘 이루어 졌음을 알 수 있다.

그림 9. 히스테리시스 밴드 1을 적용한 회전자측 컨버터 d-q축 전류 3. 결 론

본 논문은 최근 신재생에너지로 각광받고 있는 조류발전에 대용량 추 세에 적합한 DFIG를 적용하였으며, 유속 변화에 따른 회전자 전류를 제 어하여 불안전한 전류파형을 향상시켰다. 회전자 전류는 CRPWM 제어 의 히스테리시스 밴드를 통해 제어하였으며, 밴드 1이하를 적용한 결과 가장 양호한 특성을 나타내었다.

[[참 고 문 헌]

[1] A. Garth Bryans, “Impact of Tidal Generation on Power System Operation in Ireland”, Trans. IEEE, vol. 20, pp2034~2040, Nov. 2005 [2] S. Ben Elghali, “Marine Tidal Current Electric Power Generation Technolog”, Trans. IEEE, vol. 20, pp1407~1412, May. 2007

[3] T.J.Frau, "Tidal energy in electric power systems”, Proc. IEEE, vol.3, pp.419-433, March 1993

[4] R. Pena. et al, “Doubly fed induction generator using back-to-back PWM converters and its application to variable speed wind-energy generation”, IEEE. Applic, vol. 143 ,No.3 pp231~241, May.1996 [5] S. Muller. et al, “Doubly fed induction generator system for wind

turbines: A viable alternative to adjust speed over a wide range at

minimal cost”, IEEE Ind. Appl. Mag., pp 26~33, May/June. 2002

[6] 국립해양조사원, "2008년 조석표(한국연안)”, 국토해양부, 2008년