계통 형성 풍력 터빈을 위한 제어 전략 비교 및 평가

재생 에너지 채택을 장려하는 정책과 에너지 시스템의 탈탄소화 필요성에 힘입어 풍력 에너지는 현대 전력망에서 전체 전력 생산에서 점점 더 많은 비중을 차지하고 있습니다. 상대적으로 적은 수의 터빈이 가동되던 과거에는 전력망 운영자가 동기 발전기를 갖춘 기존의 대형 발전소만으로도 계통 추종 풍력 터빈에 관성을 제공하고 안정성을 유지하며 전력망에 대한 전압 및 주파수 기준점을 설정할 수 있었습니다. 그러나 균형이 바뀌고 더 많은 풍력 발전이 가동되면서 전력망 운영자는 전압 및 주파수 지원으로 전력망을 적극적으로 안정화할 수 있는 GFM-WT(계통 형성 풍력 터빈), 특히 PMSG(영구자석 동기발전기)와 전력 컨버터를 갖춘 Type IV 풍력 터빈에 대한 수요가 증가하고 있습니다.

GFM-WT를 전력망에 통합하는 것은 제어 관점에서 여러 가지 기술적 과제를 안고 있습니다. 예를 들어, GFM-WT의 비틀림 진동 및 기타 전기기계적 동역학을 해결하기 위해서는 고급 제어가 필요한데, 이는 터빈 수명을 크게 단축시키고 전력 진동을 유발하여 잠재적으로 전력망 안정성을 손상시킬 수 있습니다. 이러한 과제는 전력 컨버터를 통해 가상 관성을 제공하고 기계적 응력을 최소화하면서 전력망 안정성을 향상할 수 있는 계통 형성 제어 알고리즘을 탐색하고 개발하는 것의 중요성을 강조했습니다.

Aalborg University와 DNV의 협업의 일환으로 우리는 최근 안정성 분석과 다양한 제어 전략이 Type IV GFM-WT의 전기기계 동역학에 미치는 영향에 초점을 맞춘 일련의 연구를 완료했습니다. Simulink^®와 Simscape™는 GFM-WT의 제어, 기계, 전력전자 요소를 통합된 환경에서 모델링하고 시뮬레이션할 수 있게 해줌으로써 연구에서 핵심적인 역할을 했습니다(그림 1). 연구와 뒷받침 시뮬레이션은 여러 학문 분야와 다양한 산업 관점을 포괄합니다. 여기에는 송전 시스템 운영자의 관점도 포함됩니다. 송전 시스템 운영자는 전력망 안정성에 큰 관심을 가지고 있으며, 풍력 터빈 제조업체는 기계적 부하를 줄여 유지 보수 비용을 최소화하는 동시에 안정성을 우선시해야 합니다.

GFM-WT 제어 기본 사항

Type IV GFM-WT에서는 백투백 컨버터를 사용하여 터빈 발전기와 전력망 간의 전력 흐름을 제어합니다. MSC(기계측 컨버터)는 터빈에서 생성된 가변 주파수 AC를 DC로 변환하여 발전기의 토크와 속도를 제어할 수 있습니다. GSC(전력망 측 컨버터)는 DC를 전력망 요구사항에 맞춰 안정적인 AC 주파수로 다시 변환합니다.

이러한 백투백 컨버터 구성은 발전기와 전력망 동역학을 분리하는 데 도움이 되지만 제어 시스템의 상호 작용으로 인해 기계 측면의 변동이 전력망 측면(또는 그 반대)에 영향을 미칠 가능성이 있습니다. 예를 들어, 회전자의 기계적 진동이나 비틀림 진동은 발전기 속도의 변화를 일으킬 수 있으며, 이는 전력 변화로 변환되고, GSC는 이를 관리해야 합니다. 마찬가지로, 전력망 전압이나 주파수가 갑자기 변하면 제어 시스템이 발전기에 대한 토크 명령을 변경하여 회전자 동역학에 간접적인 영향을 미칠 수 있습니다. 제어 알고리즘은 진동을 증폭시키는 부정적 감쇠 등의 부작용을 피하기 위해 신중하게 설계하고 조정해야 합니다.

제어 관점에서 볼 때, 컨버터 간 DC 링크 전압을 조절하는 것은 전력망 측과 기계 측 간의 문제가 되는 상호 작용을 최소화하는 데 중요합니다. GFM-WT 제어 전략은 두 가지 광범위한 범주로 그룹화할 수 있습니다. GFM-GWT 및 GFM-MWT(그림 1). GFM-GWT 제어 전략을 사용하면 GSC가 DC 링크 전압을 조절하는 반면, GFM-MWT를 사용하면 MSC가 DC 링크 전압을 조절합니다. Simulink와 Simscape를 이용하여 수행한 연구는 비틀림 동역학과 관련하여 GFM-GWT와 GFM-MWT 전략을 비교하는 데 중점을 두었으며, 다양한 GFM-MWT DC 링크 전압 제어 전략이 비틀림 진동에 미치는 영향도 살펴보았습니다.

GFM-WT 및 컨트롤러 모델링 및 시뮬레이션

시뮬레이션을 통해 다양한 제어 방법을 분석하기 전에 먼저 GFM-WT의 물리적 모델 및 전력망과의 인터페이스에 대한 모델이 필요했습니다. 여기에는 그림 2에 표시된 모든 주요 구성 요소(드라이브트레인, PMSG, MSC 및 GSC)가 포함됩니다. Simulink와 Simscape를 사용하여 필요한 요소를 모델에 추가하고 서로 연결하기만 하면 모델을 시각적으로 쉽게 구성할 수 있습니다. 동시에 우리는 해상 풍력 터빈의 특정 파라미터에 맞춰 모델을 맞춤 제작할 수 있는 능력을 갖추었습니다. 나아가, 필요에 따라 개별 구성요소의 정확도를 조정할 수 있습니다. 예를 들어, 연구 초기 단계에서는 기본적인 전력망 모델을 사용할 수 있지만, 이후 단계에서는 더욱 미묘한 효과를 설명하기 위해 필요에 따라 더 정교한 모델을 통합할 수 있습니다.

GFM-WT 물리적 모델을 구축한 후, 우리는 제어에 주의를 기울였습니다. 우리는 연구 논문에 기술된 다양한 계통 형성 제어 알고리즘을 모델링하기 위해 Simulink를 사용했습니다. 우리는 GFM-MWT 제어부터 시작했습니다. 여기서는 전력망 측에서 유효 및 무효 전력을 관리하고 기계 측에서 DC 링크 전압 제어를 처리합니다. 그런 다음 GFM-GWT 제어로 넘어갔는데, 여기서는 전력망 측이 DC 링크 전압과 무효 전력을 관리하고 기계 측은 MPPT(최대 전력점 추적)를 수행합니다(그림 2). 우리는 제어 구현 작업을 하면서 Control System Toolbox™를 사용하여 이득 조정을 단순화하고 간소화했습니다. 예를 들어, 풍력 터빈 제어의 피치 각도를 위한 PI 컨트롤러에는 상당한 양의 조정이 필요했는데, 이를 수동으로 하려면 상당한 시간과 노력이 필요했을 것입니다.

다양한 컨트롤러를 구현하고 조정한 후, 각 전략과 전기기계 동역학, 기계적 응력, 전력망 안정성에 미치는 영향을 평가하기 위해 수많은 시뮬레이션을 실행했습니다. 시뮬레이션을 통해 몇 가지 귀중한 통찰력을 얻을 수 있었습니다. 예를 들어 전력망 측면에서 우리는 GSC와 터빈에서 피드백 루프가 없는 GFM-MWT용 특정 유형의 DC 링크 전압 제어가 특정한 부정적인 감쇠 효과를 최소화한다는 것을 발견했습니다. 추가로 GFM-MWT와 GFM-GWT 제어에서 다양한 파라미터 값을 사용해 10,000회 이상의 시뮬레이션을 실행하여 민감도 분석을 수행하고, 결과를 수집하고 FNN(피드포워드 신경망)을 훈련하여 기계적 및 전기적 파라미터가 GFM-WT의 비틀림 모드 감쇠비에 어떤 영향을 미치는지 더 잘 이해했습니다. 풍력 터빈 제조업체의 경우, 파라미터가 감쇠비에 어떤 영향을 미치는지 이해하면 더 나은 설계 선택을 하는 데 도움이 되며, 특히 컨버터 제어 전략을 선택하고 비틀림 안정성을 향상하도록 조정하는 데 도움이 됩니다. 전력망 운영자의 경우, 이러한 통찰력은 GFM 애플리케이션을 위한 보다 견고한 통합 전략을 개발하고, 소신호 안정성과 전력망 안정성을 향상시키는 데 사용될 수 있습니다.

협업의 중요성

이러한 노력의 성공에는 DNV와 Aalborg University의 협력이 필수적이었습니다. DNV의 의견과 지침은 실용적인 관점을 유지하고 터빈 제조업체가 가장 우려하는 문제에 초점을 맞추는 데 도움이 되었습니다. 한 가지 예를 들자면, 우리는 실제 터빈에서 실제 계통 형성 제어 하드웨어에 접근할 수 있었는데, 이는 순전히 학문적 연구 프로젝트에서는 거의 일어날 수 없는 일이었습니다.

이 프로젝트와 관련하여 산업계와 학계 사이의 긴밀한 관계는 프로젝트가 어떻게 추진될 것인지에도 영향을 미칩니다. 산업 전반에서 계통 형성 기술에 대한 필요성은 이미 명백해지고 있으며, 그 필요성은 점점 커지고 있습니다. 이러한 필요성을 해결하기 위한 지속적인 노력의 일환으로 DNV는 이 협업을 통해 생성된 모델, 시뮬레이션 및 결과를 기반으로 하는 새로운 R&D 프로젝트를 시작했습니다. 시뮬레이션 환경은 전력전자, 전기 엔지니어, 기계/부하 엔지니어를 하나의 플랫폼으로 모아 여러 분야의 협업을 촉진합니다. 이러한 통합으로 인해 서로 다른 도구 간의 복잡한 인터페이스 필요성이 줄어들고, 협업 장벽이 사라지고 초기 단계에서 설계 반복이 가능해집니다. 그 결과, 연구팀은 세부적인 연구를 진행하기 전에 풍력 터빈 설계를 전체적으로 최적화할 수 있습니다.