[논문 리뷰] Modeling and control of modern wind turbine systems: An introduction

C. Dirscherl, Christoph M. Hackl외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 25.

Wind Turbine Control Systems인용 수 21

한 줄 요약

이 논문은 항공역학적, 기계적, 전기적, 전력 전자 부품을 통합한 현대 풍력 터빈 시스템을 위한 종합적인 모델링 및 제어 프레임워크를 제시한다. 고급 벡터 기반 제어 전략—예를 들어 전력계 전압 기반 제어 및 흐름 기반 제어—를 활용하여 최적의 출력 전력 추출, 안정된 직류 링크 전압, 정밀한 무공력 관리가 가능하며, 시뮬레이션 결과는 다양한 win 조건 하에서 빠른 동적 응답과 뛰어난 성능을 확인한다.

ABSTRACT

This chapter provides an introduction to the modeling and control of power generation from wind turbine systems. In modeling, the focus is on the electrical components: electrical machine (e.g. permanent-magnet synchronous generators), back-to-back converter (consisting of machine-side and grid-side converter sharing a common DC-link), mains filters and ideal (balanced) power grid. The aerodynamics and the torque generation of the wind turbine are explained in simplified terms using a so-called power coefficient. The overall control system is considered. In particular, the phase-locked loop system for grid-side voltage orientation, the nonlinear speed control system for the generator (and turbine), and the non-minimum phase DC-link voltage control system are discussed in detail; based on a brief derivation of the underlying machine-side and grid-side current control systems. With the help of the power balance of the wind turbine, the operation management and the control of the power flow are explained. Concluding simulation results illustrate the overall system behavior of a controlled wind turbine with a permanent-magnet synchronous generator.

연구 동기 및 목표

• 기계적, 전기적, 전력 전자 부품을 통합한 현대 풍력 터빈 시스템의 통합 동적 모델 개발.
• 최대 전력 추출과 안정적인 전력계 연결을 보장하는 계층적 제어 아키텍처 설계.
• 전력계 공통 접점(PCC)에서의 유공력 및 무공력 정밀 제어를 통한 전력계 지원 기능 확보.
• 변동하는 win 조건 및 외란 상황에서의 시스템 안정성 및 성능 분석.
• 일시적 및 정상 상태 운전 조건에 대한 상세 시뮬레이션을 통한 제어 전략 검증.

제안 방법

• 최대 이론적 전력 추출을 위해 Betz 한계 및 출력 계수 근사치를 사용하여 풍력 터빈을 모델링.
• 정확한 전압 및 전류 제어를 위해 공간 벡터 변조 및 백투백 변환기 모델링을 적용하여 전력계 및 기계 측 제어.
• 동기화 및 유공력 및 무공력의 분리 제어를 위해 위상 잠금 루프(PLL)를 활용한 전력계 전압 기반 제어(GVC)를 구현.
• 기계 측에서 스타터 q축 전류를 통한 직접 토크 제어를 통해 효율적인 토크 생성을 위한 흐름 기반 제어(FOC)를 적용.
• 발전기 속도 및 직류 링크 전압에 대한 비선형 및 선형화된 제어기를 설계하여 안정성과 기준 추적 보장.
• 부하가 낮은 영역에서 에너지 수확 효율을 향상시키기 위해 운영 영역 II에서의 유공력 흐름에 대한 피드포워드 제어 도입.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 변동하는 win 속도 조건 하에서도 전력계 호환성을 유지하면서 최대 전력 추출은 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ2 외란 존재 시 안정적인 직류 링크 전압과 신뢰할 수 있는 전력 흐름을 확보하기 위한 제어 전략는 무엇인가?
• RQ3 벡터 기반 제어 기법(GVC 및 FOC)이 유공력 및 무공력의 분리 제어와 동적 응답에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 시스템 관성 및 제어 대역폭이 최적 운전 및 에너지 수확에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 피드포워드 제어의 통합이 부분 부하 운전에서 성능에 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• 터빈 출력은 기준에 매우 가까이 따라가며, 비율 속도 비율 λ가 최적 값 λ⋆에 가까워질 경우 출력 계수 cp,1는 cp,1(λ⋆)의 최대 값 근처를 유지한다.
• 기계 토크 및 스타터 q축 전류는 기준에 거의 즉각적으로 따라가며, 이는 급속한 토크 생성을 확인한다(가정 A.13 검증).
• PCC에서의 무공력은 최소 지연로 기준에 따라 추적되며, 이는 필터 q축 전류 성분의 빠른 제어로 달성된다.
• 무공력 전환 중에 직류 링크 전압은 5,400 V에서 안정적으로 유지되며, ±0.2% 이내의 편차만 나타내어 강력한 제어 성능을 보여준다.
• 유공력의 급격한 변화는 필터 전류의 d성분에서의 빠른 조정으로 인해 나타나며, 이는 전력 균형 방정식과 일치한다.
• 모든 운전 영역에서 시스템은 안정적인 동작을 보이며, 과도 응답이 최소화되고 외란 이후 신속하게 복구된다.