논문풍력에너지저널 제 1 권, 제 1 호, 21 pp, 51 55 피치각변화를고려한풍력발전시스템의전기적출력변동시뮬레이션 1) 송승호 * 백주훈 ** 정병창 *** Simulation of Electrical Ouput Power Variation in Wind Energy Conversion System due to Pitch Angle Change Seung-Ho Song *, Ju-Hoon Back ** and Byung-Chang Jeong *** Key Words : wind energy conversion system( 풍력에너지변환시스템 ), pitch angle( 피치각 ), simulation model( 시뮬레이션 ), power variation( 출력변동 ) ABSTRACT A simulation model is developed for the simulation of variable output power with consideration of the pitch angle control. Three cases are studied during the change of pitch angle for the application and validation of the developed simulation model. The first case is the emergency stop in which the characteristics of output power is simulated. As the second case, the initial start up of rotation of blades is simulated to compare the aerodynamic efficiencies according to the initial pitch angle of the rotor blades. At last the regulation characteristics of the output power are simulated in the region of the higher wind speed than the rated. 1. 서론풍력에너지는부존량이무한한재생가능한에너지원이나에너지밀도가낮고출력이기상조건에의해시간에따라변화하며전력생산원가가높다는단점이있었다. 이러한점을극복하기위하여최근에는풍력발전기단위용량이대형화되고여러대의풍력발전기를설치한대규모풍력단지가건설되고있다. 블레이드가받는바람의면적을증가시키기위해블레이드직경이 * 광운대학교전기공학과 ** 광운대학교로봇학부 ( 교신저자 ) *** ( 주 ) 효성 E-mail : backhoon@kw.ac.kr 논문접수일자 :21.1.31, 심사완료일자 :21.4.27 1m을넘는수 MW급용량의초대형풍력발전기를제조회사마다출시하고있으며, 대량생산및운영을통한원가절감을위해풍력단지 (Wind Farm) 를조성하는추세에있다. 최근대부분의대형풍력발전기는출력제어방식으로바람의풍속변화에효율적인운전이가능하고비상시대비능력이우수한점을고려하여피치각제어방식을채택하고있다. 피치각제어방식은운전중에블레이드의각도를회전시켜필요에따라출력을조정할수있고, 이상풍속및전력계통의사고시위험한속도까지상승하지못하도록하거나비상정지가가능하여야한다. 따라서전체풍력발전시스템과구조물의안전을위하여정격보다높은풍속이나비상정지등의상황에서시스템이어떻게안전하게동작할것인지사전에검토하기 풍력에너지저널 : 제 1 권, 제 1 호, 21 51
송승호 백주훈 정병창 위해서블레이드피치각변화까지고려된풍력발전기시뮬레이션모델의개발이필요하다. [1],[5],[8] 이러한특성을고려하기위해기존의많은연구에서블레이드출력특성을주속비에관한함수로모델링하고해석하였다. [1],[2],[3],[4] 즉회전속도와풍속의비율에따라결정되는주속비가회전자블레이드에가해지는바람의상대속도를결정하므로블레이드의출력특성이최대점을중심으로단조감소곡선의형태를보인다. 그러나실제로이러한조건은피치각이일정한경우에만만족되고블레이드의피치각이변동하면블레이드의공기역학적특성변화로인해출력특성이크게달라진다. 이러한특성변화는개별블레이드마다차이가있으나이를수학적으로모델링한결과가제시되었다. [3],[5],[7] [3] 에서는정격이상의고풍속영역에서발전기토크기울기에따른출력제한특성을시뮬레이션하고있으나피치각변동이블레이드특성변화를어떻게구현했는지명확히설명되지않았다. 본논문에서는풍속변동이나회전속도변화뿐만아니라피치각변동시에대해서도풍력발전기출력특성을시뮬레이션할수있도록하기위하여블레이드출력계수를주속비및피치각에따른 2차원함수로구현하였다. 또한실제풍력발전시스템의운전시피치각을변동시키는상황을크게 3가지경우로구분하여비상정지, 기동원활, 출력제한에대한각각의상황이어떤경우에나타나는지설명하였고그상황에알맞은시뮬레이션을수행하였다. 2. 피치제어방식의풍력발전시스템모델링 2.1 블레이드모델링 풍력발전시스템에입력되는에너지는블레이드에서변환된기계적에너지 로식 (1) 과같다. [1][3] 그림 1 주속비와피치각변동을함께고려한풍력발전기출력계수곡선 Fig. 1 Power coefficient curve with pitch angle and tip speed ratio 여기서 는블레이드형상에따른상수이 며변수 는아래와같이정의한다. 는블레이드피 치각으로 [deg] 단위로표시한다. 본논문에서는다양한풍력발전기별 의상수에따라서각각다르게근사화된 특성곡선의모양차이가크지않고, 중요한변수는피치각과주속비의변화이므로시뮬레이션모델링에서는아래상수를적용하였다. c 1 =.5 c 2 = 116 c 3 =.4 c 4 = c 5 = 5 c 6 = 21 x = 이값들은참고문헌 [3],[5] 에서사용하고있는값과같다. 2.2 피치제어기구현 (3) (1) 여기서 는블레이드의출력계수로블레이드의피치각 와주속비 의함수로다음과같이표현되며그림 1과같다. [3] (2) 본논문에서는피치각의변동으로블레이드공기역학적출력토크가변화하는것을출력계수 값에반영하여출력특성이변화하도록시뮬레이션모델을구성하였다. 그림 2는피치각을고려한풍력발전기출력제어모델로서피치각구동기모델, 피치각을포함한블레이드모델, 회전체동력학모델, 발전기및전력제어부모델을포함하고있다. 피치각구동기의모델링 52 풍력에너지저널 : 제 1 권, 제 1 호, 21
owercontrolsyste피치각변화를고려한풍력발전시스템의전기적출력변동시뮬레이션 내부에는피치각지령값기울기제한 (reference ramp limit) 기능과 1차지연 (first order delay) 응답특성을포함하고있다. 공기역학적회전자모델은주속비와함께피치각의변화까지고려하여블레이드에서입력되는토크를계산하도록구성하였다. 발전기및전력제어부블록에서는발전기토크기준값은식 (4) 와같이발전기회전속도의제곱에비례하여증가시키도록함으로써입력풍속의변동에따라자동으로최대출력을발생하는회전속도에서운전되도록하였다. [6] 4 (a) 2 1, (b) -1, (c)-5 wrpm_blade [rpm] Power [kw] Pgen [kw] (4) 3. 피치각변동을고려한시뮬레이션 3.1 비상정지첫번째사례는운전중비상정지이다. 주변에갑작스러운위험이발생하거나안전을위해필요한경우운전중인시스템을비상정지시킬필요가있다. 이때출력제어시스템은즉각피치각지령값을 로변경하고최대한빠르게시스템을정지하여야한다. 이러한상황을비상정지라고하며이때발전기나계통연계회로에과속도, 과전압, 과전류등의문제가발생하지않아야한다. 그림 3은시스템이정격출력 (75kW) 으로운전중갑자기계통측으로전달되는출력이영이되었을때발전기회전속도가증가하지만피치각제어에의해출력이영으로감소하는과도상태특성을보이고있다. 3.2 초기기동원활풍력발전시스템이정지상태에서바람이불어올 -1, 1 2 3 time [sec] 그림 3 정격풍속 (12[m/sec]) 상태에서비상정지시풍력발전기운전특성 (a) 블레이드회전속도 (b) 블레이드의기계적인출력 (c) 발전기출력 Fig.3 Simulation waveform for wind generator characteristics of e-stop in wind rate speed (12[m/sec]) (a) blade rotation speed (b) blade power (c) generator power 때회전속도를빠르게증가시키기위하여피치를제어한다. 그림 4는낮은주속비에서피치각에따른출력계수이다. 정지상태일경우블레이드의피치를 45 로제어하고주속비가증가함에따라서피치각을 35, 25, 15 그리고최종적으로는 로제어하면출력계수가최대값에서운전되게되어기동시간이짧아지는효과가있다. 즉정상상태최대출력발생운전조건인 으로설정하기보다는처음바람이불기시작해서블레이드가회전하기시작할때그림 4와같이 로초기값을설정했을때기동이원활하다. on/off E-stop β * Tblade β blade pitch actuator of generatorpaerodynamic rotor torque mechanical drive train including generator & rotor electrical characteristics mgrid Pmech Vwind 그림 2 피치각변동을고려한풍력발전기출력제어 Fig. 2 Wind turbine power control with variable pitch angle Tg Pgrid 3.3 출력제한정격풍속이상의바람이불면발전시스템의보호를위해블레이드피치각을제어함으로써입력되는전력 (Power) 을제한할필요가있다. 블레이드피치각을변화시켜토크를조절함으로써바람의변화에따라발생하는출력을정격으로제한또는유지하도록피치각제어기를설계하는것이일반적이다. 그림 5는정격풍속 12[m/sec] 에서운전중갑자기풍속이 15[m/sec] 로증가할때풍력발전기의출력특성을 풍력에너지저널 : 제 1 권, 제 1 호, 21 53
송승호 백주훈 정병창 15 (a) 1 5 4 (b) (c) (d) 3 1 5-5.5 그림 4 저속운전영역에서의출력계수곡선 Fig. 4 Power coefficient curve at low Tip Speed Ratio Vwind [m/s] wrpm_blade [rpm] pitch angle [deg] Power Coefficient 1 2 3 time [sec] 그림 5 정격풍속이상 (12 --> 15 --> 15[m/sec]) 에서블레이드출력제한특성 (a) 풍속 (b) 블레이드회전속도 (c) 블레이드피치각 (d) 출력계수 Fig. 5 Output power and other variables when the wind speed step change (12 --> 15 --> 12[m/sec] ) (a) wind speed (b) blade rotation speed (c) blade pitch angle (d) power coefficient 관찰한것이다. 그림 5 (a) 는 14초에서 22초구간에서 8 초간풍속이 12[m/sec] 에서 15[m/sec] 로갑자기증가했다가다시정격풍속으로감소하는풍속파형이다. 그림 5 (b) 는블레이드회전속도로과도상태구간에서증가했다가피치제어기의동작에의해다시정격회전속도로안정화되는것을보여주고있다. 반대로풍속이갑자기감소하면일정시간동안회전속도가감소되었다가다시증가하여안정화되는파형을보여준다. 그림 5 (c) 는블레이드피치각으로서초기값 에서출발하여과풍속구간에서는출력제한을위해피치를제어하다가입력풍속이감소하면다시피치각을 로유지함을보여준다. 그림 (d) 는출력계수를나타낸것으로바람이가진에너지중에서얼마나발전에사용되는에너지로변환되고있는지를나타낸다. 정격이상의풍속에서출력계수가감소되었다가다시정격풍속으로돌아오면최대출력계수를갖는조건으로전환하고있음을확인할수있다. 4. 결론본논문에서는블레이드피치각변동을포함한풍력발전기출력특성시뮬레이션모델개발하였으며, 피치각변동이필요한경우를각각비상정지, 기동원활, 출력제한의 3가지사례연구를통해개발된모델의검증수행하였다. 비상정지의상황에서풍력발전기의출력특성을모의하였고, 초기정지상태에서블레이드기동을위한초기피치각설정및변동하는회전속도에맞는블레이드지령값을구현하였으며, 정격풍속이상에서정격이상의출력발생을제한하기위하여피치각을감소시키는제어기를구현하여실제상황과가까운풍속입력패턴으로이를시뮬레이션파형을통하여확인하였다. 본연구는지식경제부신재생에너지기술개발사업의일환 (29T11621) 으로수행되었습니다. 참고문헌 [1] Erich Hau, Windturbines, Springer, p.314, 2. [2] 정병창, 정세종, 송승호, 가변관성모의기능을가진풍력터빈시뮬레이터의제어알고리즘, 전력전자학회논문지, Vol. 8, No. 3, p 266 p273, 23. [3] Z. Lubosny, Wind Turbine Operation in Electric Power Systems, Springer, p73 p82, p22 p25, 23. [4] R. Gasch, J. Twele, Wind Power Plants, Solarpraxis AG, p342 p345, 22. [5] S. Heier, Grid Integration of Wind Energy Conversion Systems, John Wiley & Sons, p17 54 풍력에너지저널 : 제 1 권, 제 1 호, 21
피치각변화를고려한풍력발전시스템의전기적출력변동시뮬레이션 p36, 1996. [6] N. Horiuchi, T. Kawahito, Torque and Power Limitations of Variable Speed Wind Turbines Using Pitch Control and Generator power Control, Power Engineering Society General Meeting, 21, IEEE, Vol. 1, p638 p643, Jul 21. [7] J. G. Slootweg, S. W. H. de Haan, H. Polinder, W. L. Kling, General Model for Representing Variable Speed Wind Turbines in Power System Dynamics Simulations, IEEE Transaction on Power Systems, Vol.18, No. 1, p144 p151, Feb 23. [8] E. Muljadi, C. P. Butterfield, Pitch-Controlled Variable-Speed Wind Turbine Generation, IEEE Transaction on Industry Applications, Vol. 37, No. 1, p24 p246, Jan/Feb 21. 풍력에너지저널 : 제 1 권, 제 1 호, 21 55