[논문 리뷰] Exploring Wake Interaction for Frequency Control in Wind Farms

Ahmad Shabir Ahmadyar, Gregor Verbič|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 19.

Wind Turbine Control Systems참고 문헌 11인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 위상 간섭을 활용하여 상류 풍력 터빈을 탈로딩하여 저장된 운동에너지로 주파수 조정을 제공하는 최적화된 풍력발전소 운영 전략을 제안한다. 로터 속도와 피치 각도를 공동으로 최적화함으로써, 고장 발생 시 시스템 주파수 최저점이 최대 30초 지연되며, 전체 출력 또는 효율을 희생시키지 않고도 전력망의 관성력을 향상시킨다.

ABSTRACT

The increasing integration of wind generation is accompanied with a growing concern about secure and reliable power system operation. Due to the intermittent nature of wind, the base-load units need to cycle significantly more than they were designed for, resulting in reduced life cycle and increased costs. Therefore, it is becoming necessary for wind turbines to take part in frequency control, and reduce the need for additional ancillary services provided by conventional generators. In this paper, we propose an optimised operation strategy for the wind farms. In this strategy, we maximise the kinetic energy of wind turbines by an optimal combination of the rotor speed and the pitch angle. We exploit the wake interaction in a wind farm, and de-load some of the up-wind turbines. We show that the kinetic energy accumulated in the rotating masses of the WTs can be increased compared to the base case without compromising efficiency of the wind farm. In a specific system, we show that by implementing this strategy, and injecting the stored kinetic energy of the WTs' rotors into the system during a frequency dip, we can delay the system frequency nadir up to 30 s.

연구 동기 및 목표

• 고풍력 비중이 높은 전력망에서의 주파수 불안정 문제를 해결하기 위해 풍력발전소가 주요 주파수 조정 기능을 수행할 수 있도록 하는 것.
• 탈로딩으로 인한 효율 손실을 보완하기 위해 위상 간섭을 활용하여 하류 난류를 감소시키고 행 간 효율을 향상시키는 것.
• 전체 출력을 유지하면서도 풍력발전소 내 모든 터빈의 로터에 저장된 총 운동에너지 최대화하는 것.
• 실시간으로 적용 가능한 실용적인 제어 전략을 개발하여 최적화된 로터 속도와 피치 각도 설정을 활용하는 것.
• 풍력발전소가 운영 효율성을 훼손하지 않고도 시스템 관성에 기여하고 주파수 최저점 지연 기능을 수행할 수 있음을 검증하는 것.

제안 방법

• 풍력발전소는 정적인 위상 모델을 사용하여 터빈 간 위상 효과를 시뮬레이션하는 단일 협동 단위로 모델링된다.
• 전체 출력 및 위상 제약 조건을 만족시키는 조건 하에 로터에 저장된 총 운동에너지 최대화를 목표로 비선형 제약 최적화 문제를 수립한다.
• 패턴 검색 알고리즘을 사용하여 최적화 문제를 해결하고, 상류 터빈의 최적 로터 속도와 피치 각도를 결정한다.
• 선택된 상류 터빈을 탈로딩하여 여유 운동에너지를 저장하고, 주파수 하락 시에 이를 방출하는 전략을 적용한다.
• 구리판 모델을 사용하여 주파수 동역학을 모델링하고, 동기 발전기 및 풍력터빈을 포함한 단순 테스트 시스템을 대상으로 시간 영역 시뮬레이션을 수행한다.
• 기본 케이스(탈로딩 없음), 5% 및 10% 탈로딩 크기(탈로딩 크기, DM)를 적용한 두 가지 탈로딩 시나리오의 세 가지 케이스에서 제어 전략을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 풍력발전소 내 위상 간섭을 활용하여 전체 발전소 효율을 저하시키지 않고 상류 터빈의 탈로딩을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 로터 속도와 피치 각도를 공동 제어함으로써 풍력터빈 로터에 저장된 운동에너지의 증가 정도는 어느 정도인가?
• RQ3 발전 손실 사고 발생 시 최적화된 탈로딩 전략은 시스템 주파수 반응에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 저장된 운동에너지를 주입함으로써 시스템 주파수 최저점이 지연될 수 있으며, 그 지연 시간은 얼마나 되는가?
• RQ5 다양한 탈로딩 크기가 주파수 최저점과 과도 반응에 미치는 영향은 어떠한가?

주요 결과

• 제안된 전략은 상류 터빈의 탈로딩을 통해 풍력터빈 로터에 저장된 총 운동에너지 증가를 이끌어내어 주파수 조정 기능에 기여할 수 있다.
• 5% 탈로딩 크기(DM)를 적용할 경우 기준 케이스 대비 주파수 최저점이 약 15초 지연된다.
• 10% DM를 적용할 경우 주파수 최저점이 최대 30초 지연되며, 이는 뚜렷한 관성 지원 능력을 보여준다.
• 탈로딩 케이스에서는 발전 손실 직후 주파수가 일시적으로 상승하는 경향을 보이며, 이는 과도 반응 가능성의 징후로 해석된다.
• 고장 발생 중 탈로딩된 터빈(WT1–WT4)의 로터 속도는 크게 감소하여 운동에너지 방출이 확인되며, 탈로딩되지 않은 터빈(WT5)은 일정한 속도를 유지한다.
• 모든 케이스에서 풍력발전소의 총 출력은 거의 변화가 없어, 탈로딩에도 불구하고 전략이 효율을 유지하고 있음을 확인한다.