[논문 리뷰] A Grid Fault Tolerant Doubly Fed Induction Generator Wind Turbine via Series Connected Grid Side Converter

P.S. Flannery, Giri Venkataramanan|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 21.

Wind Turbine Control Systems인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 전압 낙류 시에도 전체 전력 처리 능력과 향상된 저전압 내구성(LVRT) 성능을 가능하게 하는, 병렬 그리드 사이드 레귤레이터와 직렬 연결된 그리드 사이드 컨버터를 통합한 새로운 이중 피딩 유도발전기(DFIG) 풍력 터빈 아키텍처를 제안한다. 두 컨버터 구성의 장점을 조합함으로써, 시스템은 향상된 고장 내구성 성능과 그리드 고장 발생 시 터빈 축 전류 및 그리드 전류의 안정된 제어를 달성하였으며, 동적 모델링과 시뮬레이션을 통해 검증되었다.

ABSTRACT

With steadily increasing wind turbine penetration, regulatory standards for grid interconnection are evolving to require that wind generation systems ride-through disturbances such as faults and support the grid during such events. Conventional modifications to the doubly fed induction generation (DFIG) architecture for providing ride-through result in limited control of the turbine shaft and grid current during fault events. A DFIG architecture in which the grid side converter is connected in series as opposed to parallel with the grid connection has shown improved low voltage ride through but poor power processing capabilities. In this paper a unified DFIG wind turbine architecture which employs a parallel grid side rectifier and series grid side converter is presented. The combination of these two converters enables unencumbered power processing and improved voltage disturbance ride through. A dynamic model and control structure for this unified architecture is developed. The operation of the system is illustrated using computer simulations.

연구 동기 및 목표

• 그리드 고장 발생 시 내구성 능력을 유지하는 데에 한계가 있는 기존 DFIG 시스템의 문제점을 해결하기 위해.
• DFIG 시스템에서 순수하게 직렬 연결된 그리드 사이드 컨버터의 열악한 전력 처리 능력을 극복하기 위해.
• 전체 전력 처리 능력과 향상된 고장 내구성 성능을 동시에 가능하게 하는 통합 DFIG 아키텍처를 개발하기 위해.
• 제안된 하이브리드 컨버터 구성에 적합한 동적 모델 및 제어 구조를 설계하기 위해.
• 시뮬레이션을 통해 그리드 고장 조건 하에서 시스템 성능을 검증하기 위해.

제안 방법

• 통합 DFIG 아키텍처 내에서 병렬 그리드 사이드 레귤레이터와 직렬 연결된 그리드 사이드 컨버터를 통합한다.
• 이중 제어 전략을 적용: 하나는 병렬 레귤레이터를 위한 활동 및 무공력 제어, 다른 하나는 고장 발생 시 전압 지원을 위한 직렬 컨버터 제어.
• 하이브리드 시스템의 동적 모델을 개발하여 안정성 및 고장 반응 특성 분석을 수행한다.
• 정상 및 고장 조건에서 두 컨버터 간의 원활한 작동을 보장하기 위해 조율된 제어 프레임워크를 사용한다.
• 다양한 그리드 고장 시나리오 하에서 시스템을 시뮬레이션하여 성능과 내구성 능력을 평가한다.
• 이중 컨버터 토폴로지에 맞게 조정된 표준 DFIG 제어 원리를 적용하여 기계 및 그리드 전류의 안정성을 유지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DFIG 풍력 터빈은 어떻게 전체 전력 처리 능력을 유지하면서도 저전압 내구성 능력을 확보할 수 있는가?
• RQ2 DFIG 시스템에서 병렬 그리드 사이드 레귤레이터와 직렬 연결된 그리드 사이드 컨버터를 조합함으로써 얻는 운영상의 이점은 무엇인가?
• RQ3 제안된 이중 컨버터 아키텍처는 기존 DFIG 구성에 비해 그리드 고장 발생 시 터빈 축 전류 및 그리드 전류 제어에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 하이브리드 컨버터 시스템의 안정적인 작동을 보장하기 위해 필요한 동적 모델링 및 제어 전략은 무엇인가?
• RQ5 실제 그리드 고장 조건 하에서 제안된 아키텍처는 고장 내구성 성능을 어느 정도 향상시키는가?

주요 결과

• 제안된 하이브리드 DFIG 아키텍처는 순수하게 직렬 연결된 그리드 사이드 컨버터의 전력 처리 한계를 극복하여 전체 전력 처리 능력을 달성한다.
• 시스템은 향상된 저전압 내구성 성능을 보이며, 전압 낙하 사건 동안 안정된 작동을 유지한다.
• 동적 시뮬레이션 결과, 고장 조건 하에서도 터빈 축 전류 및 그리드 전류가 허용 가능한 한계 내에 유지되어 시스템 안정성이 확보됨을 확인하였다.
• 병렬 및 직렬 컨버터의 조율된 제어는 전력 전송 효율성을 해치지 않으면서도 효과적인 전압 지원과 고장 내구성을 가능하게 한다.
• 통합 아키텍처는 병렬 또는 직렬 전용 그리드 사이드 컨버터를 갖춘 기존 DFIG 시스템에 비해 뛰어난 고장 내구성 성능을 제공한다.
• 시뮬레이션 결과는 제안된 제어 구조가 그리드 고장 발생 시에도 시스템 안정성과 전력 품질을 유지하는 데 효과적임을 검증한다.