한국정밀공학회지제 33 권제 호. 157-163 J. Koan Soc. Pcis. Eng., Vol. 33, No.,. 157-163 ISSN 15-9071(Pint), ISSN 87-8769(Onlin) Fbuay 016 / 157 htt://dx.doi.og/10.7736/kspe.016.33..157 진도울돌목조류발전시스템실증평가 Emiical Evaluation of idal Cunt nation Systm at Ul-Dol-Mok in Jin-do 문석환 1, 박병건 1, 김지원 1, Sok-Hwan Moon 1, Byung-un Pak 1, and Ji-Won Kim 1, 1 한국전기연구원전동력연구센터 (Elctic Moto Rsach Cnt, Koa Elctotchnology Rsach Institut) Cosonding autho: jwkim@ki..k, l: +8-55-80-1335 Manuscit civd: 015..16. / Rvisd: 015.10.9. / Acctd: 015.11.30. h miical valuation of gid-connctd tidal cunt gnation systm is sntd in this a. h Ul-dol-mok in Jin-do has bn stimatd to hav tidal ow of 1W. In od to ximnt, HA (Hoizontal Axis ubin) 3-blad and 0kW gid-connctd tidal cunt gnation systm was stablishd at Ul-dol-mok in Jin-do. o gnat ow of gnato, th sd fnc of th PMS is gnatd fom th C cuv and SR (i Sd Ratio) of th dsignd tubin. h contol of th convt connctd to th gid is contolld to gulat unity ow facto. h sult showd that th tubin fficincy and systm fficincy is 37 % and 31 %. his was achivd that tagt at is 30 %, 0 %, sctivly. KEYWORDS: idal cunt gnation systm ( 조류발전시스템 ), Pmannt magnt synchonous gnato ( 영구자석동기발전기 ), id-connctd convt ( 계통연계형컨버터 ), Maximum ow oint tacking ( 최대전력점추정 ) 1. 서론 최근, 환경오염과기후변화의주요원인인화석연료의사용증가및고갈로인해친환경적인신재생에너지개발에대한관심이높아지고있다. 신재생에너지원의하나인해양에너지는청정하고무한한에너지자원으로써각광을받고있다. 전세계적으로해양에서개발되고있는에너지는 Fig. 1 과같이조력발전, 파력발전, 해양온도차발전, 조류발전등이있다. 유일하게상업화된조력발전은전세계적으로 3000W 용량을가지고있다. 하지만낙차를이용한발전시스템인조력발전은건설및개발비용이많이들고수몰지역이발생할가능성이높으며, 해안생태계영향을줄수있는 단점이있다. 또한해양온도차를이용한발전시스템도에너지밀도가낮고시설비용이많이드는단점이있다. 조수간만차에의해발생되는높은유속을이용한조류발전은다른신재생에너지와비교하였을시해수의밀도는공기의밀도보다약 840배로에너지이용률이비교적높고태양광발전및풍력발전처럼날씨와상관없이항상발전및발전량예측이가능하다. 다른해양에너지와비교했을시건설비용및선박운항의제약이나생태계에미치는영향이적고상용가능성이가장높다. 1, 조류발전은전세계적으로약 10W 발전가능하며, 영국을중심으로노르웨이, 캐나다, 미국, 일본등에서기술이개발되고있다. 3 영국의 Main Coyight C h Koan Socity fo Pcision Engining his is an On-Accss aticl distibutd und th tms of th Cativ Commons Attibution Non-Commcial Licns (htt://cativcommons.og/licnss/by-nc/3.0) which mits unstictd non-commcial us, distibution, and oduction in any mdium, ovidd th oiginal wok is oly citd.
한국정밀공학회지제 33 권제 호. 157-163 Fbuay 016 / 158 Fig. 1 h otntial amount of main ngy soucs 용화기술개발을목적으로한조류발전시험소가설치되었다. 현재울돌목조류발전시험소에는수직축터빈 ( 헬리컬형식 ) 을이용한 500kW 급이중여자유도발전기와동기발전기가설치되어있고 EU MARINE 의피라미드형개발전력을적용하여향후 00kW 급계통연계형영구자석동기발전기를대상으로한축소모델인 0kW 급영구자석동기발전기 ( 수평축터빈 ) 가추가적으로 014 년에설치되었다. Fig. 는설치된수평축터빈과영구자석동기발전기를보여준다. 본논문에서는 PSIM 을이용하여울돌목하루동안의유속정보를바탕으로시뮬레이션및실제울돌목조류발전시험소에설치된영구자석동기발전기자체의성능검증과이를제어하기위한전력변환장치의개발과성능검증을실증실험을통해확인하고자한다.. 계통연계형조류발전시스템.1 조류터빈모델수평축조류터빈은풍력터빈과유사한형태로서기계적출력은다음과같이표현된다. 5 P blad 1 3 = ρav C ( λ, β) (1) Fig. idal cunt gnato systm in Ul-Dol-Mok cunt ubin(mc) 사에서는영국남서부 Foland Point 해양에 -blad 수평축터빈을이용한 300kW 급발전시스템을시험가동하고있으며, 미국의 Vdant Pow사는뉴욕의동쪽강변해저에 6기의 35kW급조류발전시스템을설치하였다. 노르웨이의 Hammfst Stom사는 003년에세계최초로 100kW 급프로펠러형조류발전터빈을개발하여현장실험을실시하였고, 생산된전력은계통에연결하는데성공한바있다. 우리나라서남해안은강한조석과지형적인특성으로인해세계적으로조류발전의적지로알려져있다. 현재장죽수도, 강화수도, 울돌목, 맹골수도등여러해역에서상용발전이가능한정도의조류가흐르고있으며, 100만kW 의에너지원이부존되어있는것으로추정되고있다. 4 그중국내에서도가장높은조류발전잠재력을지닌전라남도진도울돌목에는조류에너지실 여기서, C 는블레이드의출력계수, ρ [kg/m 3 ] 는 유체의밀도, A [m ] 는블레이드의단면적, β 는피치각, λ 는주속비 (SR:i sd atio) 이다. 식 (1) 에서 C 는주속비 λ 와피치각 β 의함수이며, 블레이 드의설계시결정된다. 일반적인 C 함수는식 () 와같다. 6 C5 C λi C ( β, λ) = C 1 C β C C 3 4 + λ 6 λi 1 1 0.035 = 3 λ λ 0.08β β + 1 i 주속비는유속에대한블레이드끝점속도의비로서식 (3) 과같이정의된다. λ ω R () blad blad = (3) vtid 여기서, R [m] 는블레이드의반경이며, ω blad blad [ad/s] 는블레이드의속도이다. 여기서는피치각제어
한국정밀공학회지제 33 권제 호. 157-163 Fbuay 016 / 159 Y Y Q KP D W 6 OCZ 6WDKP5RFCFU Fig. 3 C P vsus λ chaactistic cuv 는고려하지않으므로 β = 0 으로설정하였고 Fig. 3 은주속비에따른출력계수의변화를나타내었다. Fig. 3 에서알수있듯이조류터빈의출력계수는최적값의주속비에의해결정된다. 이특성을이용해조류터빈의최대출력을발생시키기위해식 (4) 와같이표현할수있다. Fig. 4 h maximum ow cuv dnding on gnato sd 1 = (4) 3 P ρ A v C max tid max. 최적주속비를이용한 MPP 제어앞에서언급했듯이조류터빈의출력계수는최적값주속비에의해결정된다. 유속에따라최대파워를발생시키기위해서는항상최적주속비로동작하여야한다. 터빈의최대출력을발생시키기위한발전기의속도지령치는식 (5) 와같이표현할수있다. 7,8 λ v ω = (5) * ot tid Rblad Fig. 4 는유속별속도지령치에따른최대파워곡선을보여준다..3 발전기측컨버터제어영구자석동기발전기의동기좌표계전압방정식은식 (6) 과같다. 9,10 V V dλ dλ ds = Ri + ωλ ds PMS s ds qs qs = Ri + + ωλ qs PMS s qs ds (6) Fig. 5 h block diagam of gnato-sid 여기서, V, V 는 D,Q축고정자전압, ds PMS qs PMS R 는고정자저항, i, s ds i 는 D,Q축고정자전류, qs λ ds, λ 는 D,Q축고정자쇄교자속이다. 고정자쇄 qs 교자속은식 (7) 과같이정의된다. 여기서, λ λ = Li + φ ds s ds f qs = Li s qs L 는고정자인덕턴스이고, s (7) φ f 는영구 자석의자속이다. 영구자석동기발전기의전기적토크는식 (8) 과같이표현된다. P 3 = φ fiqs (8) 최적주속비를이용한 MPP 제어는최대출력을내는속도지령치를만들고, 발전기의토크를제어하기위해속도제어기는 Q 축전류의지령치를출력한다. 또한, 최대토크를유지하기위해 D 축전류는 0 으로제어한다. Fig. 5 는영구자석동기발전기의제어블록도이다.
한국정밀공학회지제 33 권제 호. 157-163 Fbuay 016 / 160.4 계통측컨버터제어계통측의전압방정식은 3 상전압과컨버터의제어전압을이용하여동기좌표계상에서표현하면식 (9) 와같다. 11-13 = L di ω L i + = L di + ω L i + d d id f f q ds d q id f f d qs (9) 여기서, L f 는계통전압과컨버터에연결된인 덕터이며,, 는 D, Q축계통전압,, d id q id ds 는컨버터의 D,Q 제어전압이다. PLL을이용하 qs 여계통전압의위상각을추정하면전압방정식은다음과같이표현된다. Fig. 6 h block diagam of gid-sid did 0 = L f ωli f q + ds diq E = Lf + ωlfid + qs (10) 위식으로부터 Q 축은유효전력과관련되며, D 축은유효전력과무관하며무효전력에만관련이있는것을알수있다. 유효전력과무효전력을 D, Q 축으로나타내면식 (11) 과같다. 3 P = i q id q 3 Q = i d id q (11) Fig. 6 과같이발전기측인버터에서계통으로전력이전달될때 DClink 를일정하게제어하기위해서는유효전력성분인 Q 축을제어하고역률 1 로제어하기위해서는무효전력성분인 D 축을 0 으로제어한다. 3. 시뮬레이션 Fig. 7 은 back-to-back 컨버터타입의계통연계형조류발전시스템의 PSIM 시뮬레이션모델을나타내고있으며 abl 1 은시스템에적용된파라미터를나타낸다. Fig. 8 은진도울돌목에서하루동안유속을측정한결과이다. Figs. 9-1 는시뮬레이션결과를보여준다. Fig. 9 는유속에따른발전량을보여준다. Fig. 9 의결과에서유속에따라최대전력점을추 Fig. 7 Simulation modl gid-connctd tidal cunt gnation systm abl 1 idal cunt tubin and gnato systm aamt PMS Paamt Valu Units Ratd ow 0 kw Ratd voltag 380 V Ratd sd 00 Rm Stato sistanc 0.51 Ω d-axis inductanc 7. mh q-axis inductanc 7. mh Pol ai 30 ubin Paamt Valu Units Blad adious 1. m Fluid dnsity 105 kg/m 3 Maximum ow cofficint 0.48 Otimum ti sd atio 4.5-5 정하는것을확인할수있으며하루동안평균적으로약.5kW 를발전하여약 60kWh 의발전이가능할것으로생각할수있다. Fig. 10 은발전기의 D,
한국정밀공학회지제 33 권제 호. 157-163 Fbuay 016 / 161 i q! y q q xi g u E U F C F R U VQ C P ) )PCVQURFHPE )PCVQCNURF! " $ % & '! " $ % & '! " uyqt Fig. 8 A daily tid in Ul-Dol-Mok 6KOJQW Fig. 11 nato sd sons of gnato " 9 Y Q $ R VQ & C P ) 8 M NKP % & " $! " $ % & '! " $ %& '! " Cyqt Fig. 9 h gnatd ow in PMS 6KOJQW Fig. 1 DClink voltag Cƒ q Cƒ qgx C qgx V P W E +S +F VQ C P )! " $ % & '! " $ % & '! " uyqt Fig. 10 I d - I q axis cunt sons of gnato Fig. 13 idal cunt gnation laboatoy in Ul-Dol- Mok Q 축전류응답을나타낸다. D 축전류는최대발전을하기위해 0 으로제어되고있으며, Q 축전류는순간적인발전량에따라증감되는것을볼수있다. Fig. 11 은발전기의속도를나타낸다. 발전기속도는 MPP 제어에의해유속에따라속도지령치를잘추종하는것을볼수있다. Fig. 1 는 DC link 전압을나타낸다. DC link 전압지령치는 700V 로설정하였으며순시적인발전량에상관없이일정하게제어되 는것을확인할수있다. 이는발전기에서생산된전력이계통측에잘전달된다는것을의미한다. 4. 실험 실제울돌목조류발전시험소에서계통연계형조류발전시스템에대한실험을수행하였다. Fig. 13 은현재설치된조류발전시험소를나타낸다.
한국정밀공학회지제 33 권제 호. 157-163 Fbuay 016 / 16 Fig. 14 Eximntal quimnt Fig. 16 natd ow Fig. 15 idal cunt sd Fig. 17 MPP(SR=4.5) gnatd ow 진도대교에서시험소로나가는물을낙조류 ( 썰물 ) 라하며, 시험소에서진도대교로들어오는물을창조류 ( 밀물 ) 라한다. 본논문에서는여건상낙조류에서만실험을하였다. Fig. 14 는 0kW 급조류발전시스템을제어하기위한전력변환장치이다. 발전기측은 - 레벨인버터로구성되며, 계통측은 3- 레벨 NPC 컨버터로구성되었다. I 사의 MS30F8335 를사용하여제어기를구성하였으며, 정확한발전량을측정하기위해 Yokogawa 사의 W1600 전력분석기를사용하였다. Fig. 15 는유속계로측정한진도울돌목의실제유속을보여준다. 발전기는유속 1.m/s(Cut-in sd) 에서.1m/s(Ratd sd) 사이에서주로운전되었다. Fig. 16 은계통측에서측정한발전량을보여준다. 실제유속에따라발전하는것을볼수있으며, 약 30 분동안약 kwh 를전력을생산하는것을확인하였다. 따라서연간발전량은 35MWh 이될수있을것으로기대된다. Fig. 17 은최적주속비 4.5 로 MPP 제어시 IEC 기준을참고하 여 10 분평균발전량을보여준다. Cut-in sd 1.m/s 에서.5kW 발전되며, Ratd sd.1m/s 에서 6.8kW 발전되는것을볼수있다. Fig. 17 에서알수있듯이최적주속비를이용하여발전기속도를제어하였을때 MPP 곡선을따라최대전력점을추종한다는것을볼수있다. 또한, 터빈효율은 37 % 로나타났으며, 시스템효율은 31 % 로나타났으며이는초기목표치인터빈효율 30 %, 시스템효율 0% 을상회하는결과이다. 5. 결론 본논문에서는전라남도진도울돌목의유속정보를바탕으로시뮬레이션및실제설치된조류발전시험소에서실증실험을하였다. 최적주속비를이용하여 MPP 제어를하였으며, 시뮬레이션뿐만아니라실제실험에서도최대전력점을추종하는것을확인하였다. 또한본논문의발전시스
한국정밀공학회지제 33 권제 호. 157-163 Fbuay 016 / 163 템에서는연간발전량 35MWh 를생산하는것으로예측되었으며, 향후목표인 00kW 급발전기로발전하였을경우연간 350MWh 를생산할수있을것으로예측된다. 전국기준가정당연평균소비량을 3.3MWh 로볼때, 이는연간 106 가구의전기를담당할수있는발전량이다. 향후최적주속비를실시간으로추정하여 MPP 제어를수행하는등의최적제어에대한연구와함께창조류시발전에대한실험및결과분석을수행하여최종목표인 00kW 급조류발전시스템구축에활용할계획이다. 후기 이논문은국토해양부소관연구개발사업인능동제어형조류발전기술개발 (0110171) 의연구비지원에의해수행되었습니다. REFERENCES 1. Kim, B.-., Yang, C.-J., and Choi, M.-S., A Study on th Pfomanc of a 100 kw Class idal Cunt ubin, Jounal of th Koan Socity of Main Envionmnt and Safty, Vol. 18, No.,. 145-15, 01.. Kyhani, A., Mawali, M. N., and Dai, M., Intgation of n and Rnwabl Engy in Elctic Pow Systms, John Wily & Sons, 009. 3. Bn, E., S., Bnbouzid, M., and Chanti, J. F., Main idal Cunt Elctic Pow nation chnology: Stat of th At and Cunt Status, Poc. of th IEEE Intnational Confnc on Elctic Machins and Divs,. 1407-141, 007. 4. Yi, J.-H., Oh, S.-H., Pak, J.-S., L, K.-S., and L, S.-Y., Flow-ubin Intaction CFD Analysis fo Pfomanc Evaluation of Vtical Axis idal Cunt ubins (I), Jounal of Ocan Engining and chnology, Vol. 7, No. 3,. 67-7, 013. 5. Abdullah, M., Yatim, A., and an, C.W., A Study of Maximum Pow Point acking Algoithms fo Wind Engy Systm, Poc. of th IEEE Intnational Confnc on Clan Engy and chnology,. 31-36, 011. 6. Sigfid, H., id, Intgation of Wind Engy Convsion Systms, John Wily & Sons, nd Ed., 006. 7. Datta, R. and Ranganathan, V., A Mthod of acking th Pak Pow Points fo a Vaiabl Sd Wind Engy Convsion Systm, Engy IEEE ansactions on Convsion, Vol. 18, No. 1,. 163-168, 003. 8. Egbt,. and Ray, R., Significant Dissiation of idal Engy in th D Ocan Infd fom Satllit Altimt Data, Natu, Vol. 405, No. 6788,. 775-778, 000. 9. Chinchilla, M., Analts, S., and Bugos, J. C., Contol of Pmannt-Magnt natos Alid to Vaiabl- Sd Wind-Engy Systms Connctd to th id, IEEE ansactions on Engy Convsion, Vol. 1, No. 1,. 130-135, 006. 10. Schimnz, I. and Stibl, M., Contol of a Pmannt Magnt Synchonous nato Usd in a Vaiabl Sd Wind Engy Systm, Poc. of th IEEE Intnational Confnc on Elctic Machins and Divs Confnc,. 87-877, 001. 11. Mill, A., Muljadi, E., and Zing, D. S., A Vaiabl Sd Wind ubin Pow Contol, IEEE ansactions on Engy Convsion, Vol. 1, No., 1997. 1. Wang, L. and Liu, J.-H., Dynamic Analysis of a id-connctd Main-Cunt Pow nation Systm Connctd to a Distibution Systm, IEEE ansactions on Pow Systms, Vol. 5, No. 4,. 1798-1805, 010. 13. Bahaj, A., Battn, W., and McCann,., Eximntal Vifications of Numical Pdictions fo th Hydodynamic Pfomanc of Hoizontal Axis Main Cunt ubins, Rnwabl Engy, Vol. 3, No. 15,. 479-490, 007.
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