[논문 리뷰] Step and Search Control Method to Track the Maximum Power in Wind Energy Conversion Systems A Study

V. Karthikeyan, V. J. Vijayalakshmi외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 03. 24.

Wind Turbine Control Systems참고 문헌 7인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 흐름 속도가 변하는 풍력 에너지 변환 시스템(VSWECS)에서 영구자석 동기발전기(PMSG)를 사용한 최대출력점 추적(MPPT)을 위한 단계 및 탐색 제어 방법을 제안한다. DC 링크 전력만을 감지함으로써, 이 방법은 다양한 풍속에서 발전기 속도를 동적으로 조절하여 최대 전력을 추출하며, 히스테리시스 전류 제어 방식의 변환기(VSC)를 통해 효율적인 전력 통합 또는 고립된 부하 공급을 실현한다.

ABSTRACT

A simple step and search control strategy for extracting maximum output power from grid connected Variable Speed Wind Energy Conversion System (VSWECS) is implemented in this work. This system consists of a variable speed wind turbine coupled to a Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG) through a gear box, a DC-DC boost converter and a hysteresis current controlled Voltage Source Converter (VSC). The Maximum Power Point Tracking (MPPT) extracts maximum power from the wind turbine from cut-into rated wind velocity by sensing only by DC link power. This system can be connected to a micro-grid. Also it can be used for supplying an isolated local load by means of converting the output of Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG) to DC and then convert to AC by means of hysteresis current controlled Voltage Source Converter (VSI).

연구 동기 및 목표

• 풍속 또는 토크 측정에 복잡한 장치가 필요하지 않은 간단하고 효과적인 MPPT 전략을 개발하기 위해.
• 절단 풍속부터 정격 속도까지 전체 운영 풍속 범위에서 풍력 터빈으로부터 최대 전력을 추출할 수 있도록 하기 위해.
• 견고한 전력 변환 스테이지 덕분에 그리드 연계 및 고립 부하 응용 분야 모두와의 호환성을 확보하기 위해.
• 제어 결정을 위한 유일한 피드백으로 DC 링크 전력 피드백에 의존함으로써 시스템 복잡성을 줄이기 위해.

제안 방법

• 시스템은 기어박스를 통해 PMSG에 연결된 가변 속도 풍력 터빈을 사용하여 기계적 속도 센서가 필요 없도록 한다.
• DC-DC 부스트 컨버터가 DC 링크 전압을 조절하여 안정적인 전력 전달을 가능하게 한다.
• 히스테리시스 전류 제어 방식의 전압 소스 변환기(VSC)가 DC 출력을 그리드 또는 고립 부하 사용을 위해 AC로 변환한다.
• 단계 및 탐색 제어 알고리즘은 DC 링크 전력 피드백에 기반하여 발전기의 기준 속도를 이산 단계로 조정하여 최대 출력점(MPP)을 탐색한다.
• 알고리즘은 전력 증가 또는 감소 여부에 따라 속도 기준을 반복적으로 증가 또는 감소시켜 산오르는 방식을 모방한다.
• MPPT 컨트롤러의 유일한 입력으로 DC 링크에서의 전력 측정치를 사용하여 구현을 단순화하고 센서 수를 감소시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 풍속 또는 토크 측정을 하지 않고도 풍력 터빈으로부터 최대 전력을 효율적으로 추출할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 어떤 제어 전략이 유일한 DC 링크 전력 피드백만을 사용하여 견고한 MPPT 작동을 가능하게 하는가?
• RQ3 단계 및 탐색 방법은 가변 속도 풍력 시스템에서 기존의 MPPT 기법과 비교해 성능 및 복잡성 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ4 제안된 방법은 그리드 연계 및 고립 부하 응용 분야 모두에서 효과적으로 기능할 수 있는가?
• RQ5 제어 알고리즘의 단계 크기와 탐색 로직이 수렴 속도와 전력 추적 정확도에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 단계 및 탐색 제어 방법은 유일한 DC 링크 전력 피드백만을 사용하여 다양한 풍속에서 최대 출력점(MPP)을 성공적으로 추적한다.
• PMSG로부터 안정적이고 효율적인 전력 추출이 이루어지며, MPP 주변에서 최소한의 진동이 발생한다.
• 풍속 또는 토크 센서가 필요 없어져 시스템 비용과 복잡성이 감소한다.
• 히스테리시스 전류 제어 방식의 VSC는 빠르고 정확한 전류 조절을 보장하여 전력 품질과 시스템 안정성을 향상시킨다.
• 시스템은 그리드 통합 및 고립 부하 공급 모두와 호환되어 적용 분야에서의 유연성을 입증한다.
• 동적 풍속 조건 하에서도 제안된 접근 방식은 빠른 수렴 속도로 최적의 작동 지점에 도달하는 등 견고한 성능을 보였다.