풍력발전기의 관성을 고려한 풍력발전단지의 최적 출력제어 전략

Abstract

본 논문에서는 전력계통의 주파수 제어 능력 및 안정도 향상을 위하여 DFIG (Doubly-Fed Induction Generator) 풍력발전기로 구성된 풍력발전 단지의 최적 출력제어 전략(optimal generation control strategy)을 제안하며, DFIG 풍력발전기의 안정적인 de-loaded operation 및 주파수 제어 참여를 위한 제어방안(control scheme)을 논의한다. 최근 대규모 풍력발전 단지의 건설 등으로 인해 전력계통 내 풍력발전 비율이 급격하게 증가함에 따라, 안정적인 주파수 제어를 위해 풍력발전기가 출력제어와 함께 적절한 frequency support control를 제공할 것이 요구되고 있다. 일반적으로 DFIG 풍력발전기를 포함한 가변속 풍력발전기(variable speed wind generator)는 계통의 주파수와 출력제어가 분리되어(decoupled) 있기 때문에, 계통의 주파수 제어에 참여하지 않는다. 하지만 전력변환기기(electronic power converter)를 활용하여 넓은 운전 영역에서 출력제어가 가능하기 때문에, 기존 동기발전기의 주파수 응답(frequency response)이나 제어 기법을 에뮬레이션 하는 것을 통해 계통의 주파수 제어에 참여하는 것이 가능하다. 이에 본 논문에서는 먼저 최대 출력제어(MPPT, Maximum Power Point Tracking Control)를 포함한 풍력발전기의 출력제어 기법에 대해서 논의하고, 이를 바탕으로 DFIG 풍력발전기의 안정적인 주파수 제어 참여를 위한 de-loaded control scheme을 제안한다. 그리고 이와 연계하여 출력제어 시 증가하는 풍력발전기의 운동에너지를 적극적으로 활용하기 위한 frequency support control scheme을 함께 제안한다. 제안하는 de-loaded control scheme은 계통 운영자 또는 풍력발전 단지의 상위제어 시스템(supervisory control system)이 DFIG 풍력발전기의 de-loaded operation을 위한 출력지령(power reference)을 제공하는 것을 가정하여, 풍력발전기가 변동하는 풍속에서도 해당 지령에 따라 출력을 일정하게 제어할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다. 제안하는 제어방안에서는 출력제어 시 회전자 속도의 지나친 감소로 인한 불안정을 방지하기 위해, 회전자 속도를 기준으로 최대 가능출력(maximum available power)을 산정하고 이를 상위제어 시스템의 출력지령과 비교하여 DFIG 풍력발전기의 출력을 제한하도록 제어기를 구성하였다. 이러한 제어기 구성은 갑작스러운 풍속감소로 인해 회전자 속도가 일정수준 이하로 감소하는 경우, 풍력발전기의 출력을 주어진 풍속의 최대 가능출력에 가깝게 제한하여 급격한 풍속변화에서도 안정적인 운전이 가능하도록 한다. DFIG 풍력발전기의 KE(Kinetic Energy) discharge control은 주파수 감소 시 풍력발전기가 회전자(rotor)와 터빈(turbine)에 저장된 운동에너지를 fast power reserve로 활용하여 계통에 일정한 크기의 추가적인 출력을 제공하는 방식의 frequency support control scheme을 가리킨다. DFIG 풍력발전기가 비교적 큰 값의 관성지수(inertia constant)를 갖는 것을 고려할 때, 해당 기법은 풍력발전기의 주파수 제어 참여 시 일반적인 주파수 제어 기법보다 강력한 contribution을 계통에 제공하는 것이 가능하다. 하지만 풍력발전기가 안정적인 운전을 유지하기 위해서는 운전조건을 고려하여 transient contribution을 조정하는 것이 필요하며, KE discharge가 출력제어 방안과 적절히 연계되어야 한다. 이에 여기에서는 앞서 제안하는 de-loaded control scheme과 연계하여, 출력제어 시 확보된 예비력과 운동에너지(KE reserve)를 적극적으로 활용하기 위한 frequency support control scheme을 제안하였다. 제안하는 제어방안의 검증을 위해 PSCAD/EMTDC에서 사례연구를 수행하였으며, 이를 통해 계통의 frequency response가 크게 향상될 수 있음을 확인하였다. 본 논문에서는 또한 제안하는 DFIG 풍력발전기의 제어방안을 바탕으로 풍력발전 단지의 주파수 제어 능력(frequency support capability)을 향상시키기 위한 최적 출력제어 전략에 대해 논의하였다. 본 논문에서 제안하는 frequency support control scheme은 DFIG 풍력발전기가 de-loaded operation 시 증가하는 운동에너지(KE reserve)를 활용하여 추가적인 출력을 제공하는 것을 통해 계통의 주파수 제어에 참여하도록 한다. 이에 본 논문에서는 풍력발전 단지가 출력제어를 수행 시, 개별 풍력발전기들의 출력지령을 운동에너지 측면에서 최적화하여 동일한 출력제어 시 보다 많은 KE reserve를 확보할 수 있도록 하는 최적화 전략(KE optimization strategy)을 제안하였다. 이를 위해 본 논문에서는 DFIG 풍력발전기의 운전조건과 Cp characteristic equation에서 출력제어 시 출력지령과 회전자 속도의 관계식을 유도하고, 풍력발전 단지의 KE reserve의 합을 목적함수로 하는 최적화 문제를 정의하였다. 그리고 이에 따라 개별 풍력발전기의 출력제어 지령을 결정하고 운전하는 것을 통해 풍력발전 단지의 주파수 제어능력을 향상시킬 수 있도록 하였다. 또한 풍력발전 단지가 제안하는 최적 출력제어 전략에 따라 운전 시, 풍속변화에도 계통 운영자의 운전지령에 따라 출력을 일정하게 유지할 수 있도록 하기위한 상위제어 시스템의 구성에 대해서 함께 논의하였다. 제안된 DFIG 풍력발전기의 제어방안과 풍력발전 단지의 최적 출력제어 전략의 검증을 위해 다수의 DFIG 풍력발전기로 구성된 풍력발전단지와 다양한 종류의 동기발전기(synchronous unit)가 포함된 소규모 독립계통(test system)을 PSCAD/EMTDC로 모델링 하였으며, 사례연구로 다양한 풍속조건에서 DFIG 풍력발전기와 풍력발전 단지의 출력제어 운전을 모의하였다. 사례연구 결과는 제안하는 제어 방안과 운전전략이 계통의 안정적인 주파수제어에 크게 기여할 수 있음을 보여준다.