[스크랩] 미레에너지~ 풍력발전의 원리

우리나라는 현재 대부분의 에너지를 수입하는 에너지 수입국으로 이에 따른 무역수지의 악화, 국내경제의 해외 의존도 상승 등의 문제점을 지니고 있다. 따라서 오래전부터 이들 문제를 해소하기 위한 수단으로 대체 에너지원을 확보하기 위한 요구가 국가적인 이슈로 대두되어 왔었다. 또한 최근 에너지 사용의 급증, 원유 가격의 급상승 추세, 이산화탄소 배출량을 규제하는 교토 의정서의 발효등과 같은 국내외 규제의 변화로 인해 국내 에너지산업은 새로운 도전을 앞두고 있다. 기후변화 협약과 같은 세계적으로 추진되는 환경규제는 제품생산에 있어서 온실 가스 배출량을 최소화 하도록 유도하고 있어, 환경 친화적인 새로운 대체 에너지원을 개발을 가속화시켰고, 이에 대한 솔루션으로 전세계적으로 신재생 에너지에 관련된 기술 개발이 지속되고 있다. 신재생 에너지란 「신에너지 및 재생에너지 이용, 개발, 보급 촉집법 제2조」에 의한 “기존의 화석연료를 변환시켜 이용하거나 햇빛, 물, 지열, 강수, 생물유기체 등을 포함하는 재생 가능한 에너지”를 이용하는 에너지를 말하며 11개 분야로 분류된다.

  ㆁ 재생에너지 : 태양열, 태양광발전, 바이오매스, 풍력, 소수력, 지열,

                          해양에너지,  폐기물에너지 (8개 분야)

  ㆁ 신에너지 : 연료전지, 석탄액화가스화, 수소에너지 (3개 분야)

 

신재생 에너지 관련 기술은 기술 개발시 고부가가치 창출이 가능하며 기술의 공공성이 높아 선진국에서는 국가적인 차원에서 꾸준히 추진되고 있다. 우리나라도 이러한 추세에 부응하여 신재생 에너지에 대한 관심과 기술개발에 대한 국가적 지원이 늘어나고 있다.

 

미래에너지시장의 뉴트렌드 - 풍력발전기

이 코너에서는 대표적인 신재생 에너지인 풍력 발전의 원리와 시스템을 재조명하고, 새로운 형태의 대규모 풍력발전단지의 신기술 방향을 살펴보도록 한다.

 

풍력발전의 원리

풍력 발전은 바람이 가진 운동에너지를 이용하여 전기에너지를 생산하는 시스템이다. 즉 에너지 변환과정을 통해 전력을 생산하며 생산된 전력은 가정용, 공업용 등으로 자체 소모하거나 한국전력에 역송전하여 전기를 판매할 수 있다. [그림1]은 풍력발전의 원리를 도식화한 것이다. 풍차의 날개(blade)는 바람의 운동에너지를 기계적 회전력으로 변환하고 동력전달장치(geerbox)는 입력된 에너지를 증폭시킨다. 발전기는 기계적 회전력을 전기에너지로 변환시키며, 전력변환장치(inverter)가 직류전기(DC)를 교류전기(AC)로 변환시켜 수용가에게 전력을 공급한다.

 

 

 

[그림1]풍력발전의 원리

바람의 운동량을 흡수하여 회전력으로 전기 에너지로 변환시키는 것이 풍력 발전 시스템이다. [그림2]의 풍력 터빈이 바람으로부터 더 많은 운동에너지를 얻을수록, 터빈의 왼쪽 면을 떠나는 바람의 운동량은 저하되어 속도는 느려지게 된다.

만일 바람으로부터 모든 에너지를 추출한다면 공기는 "0"의 속도를 가지게 되는데 이는 공기가 터빈을 떠날 수 없다는 것을 의미하며, 당연히 다른 공기도 터빈의 회전 날개를 향해 들어올 수 없다.

 

                       

[그림2]  풍력발전기 주위의 Control volume

 

날개에 바람이 불어오면 날개는 양력(lift)과 항력(drag)이 발생되어 그들 합력의 일부는 날개의 회전력이 되며 일부는 굽힘 모멘트로 작용하게 된다. 또한 실속(stall) 현상이 날개의 회전력을 제한하게 된다. 바람이 불어오면 날개의 윗면에 흐르는 공기가 밑면보다 더 빨리 움직이기 때문에 날개 윗면의 압력이 아래 면보다 낮아져 양력이 발생한다. 풍향에 수직인 양력, 즉 위 방향으로 잡아당기는 힘이 발생해서 날개를 뜨게 한다. 풍향과 같은 방향으로 발생하는 힘은 공기역학적 기술 용어로 항력(drag)이라고 하며 항력은 보통 운동방향에 닿는 면적이 커질수록 증가한다. 다시 말해 날개의 바람에 대한 각도가 점점 커지면 날개의 양력(lift)은 증가한다. 그러나 어느 각도 이상으로 되면 날개 윗면을 흐르던 공기는 갑자기 날개 표면에서 떨어지고 불규칙적인 소용돌이 속에서 회전하게 되며(이런 상태를 난류(turbulence)상태라고 함), 이런 상태에서는 날개 윗면에 생성된 저압부로 인해 발생되던 양력이 갑자기 사라지게 되는 실속(stall) 현상이 발생하게 된다. 실속은 비행기 날개나 풍력 터빈의 회전 날개의 표면이 완벽하게 평평하고 부드럽지 않아도 발생될 수 있다. 바람에 대한 날개의 상대각도가 작다고 해도, 날개 표면에 있는 작은 흠이나 조그만 접착테이프는 뒤쪽에 난류를 발생시키기에 충분하다. 실속으로 인한 양력의 감소는 항공기 추락을 유발시키기 때문에 항공기 설계자들은 실속을 제거하기 위해 고의적으로 난류를 발생시키기도 한다. 풍력 발전기에서도 전력 제어를 위해 회전 날개를 설계할 때 실속현상을 활용한다. 전기적 에너지를 가능한 한 저렴하게 생산하기 위하여 단위 전력당 원가를 최소화하도록 일반적으로 풍력터빈은 15m/s(30knots 또는 33mph)정도의 풍속에서 가장 많은 출력을 낼 수 있도록 설계한다. 그보다 강한 바람은 매우 드물게 불기 때문에 강한 바람에서 최대 출력을 낼 수 있도록 설계하는 것은 타당하지 않다. 강한 바람에서는 풍력 터빈에 발생하는 충격을 최소화하기 위해서 설계 범위 이상의 에너지는 흘려버리는 것이 필요하므로 모든 풍력 터빈들에는 전력 제어(power control)가 적용된다.

상업용 풍력발전 시스템

상업용 풍력발전 시스템은 1980년대 이후에 본격적으로 설치되기 시작하였으며 최근 10여년간 매년 20% 이상의 성장률을 기록하고 있다. 2004년말 기준으로 전세계의 풍력발전 시스템 누적 설치 용량은 47,317MW에 이르렀다. 또한 오랜 기간동안 경험이 축적되고 관련 분야의 기술이 발전하면서 풍력발전 시스템의 단위 용량이 증가하고 있다. 

풍력발전 시스템이 대형화 하면서 시스템의 효율을 높이고 기계적 스트레스를 감소시키기 위하여 전력변환 장치를 사용하여 풍속에 따라서 발전기의 회전속도를 가변하는 방식이 개발되었다. 회전속도를 가변하는 방식은 전범위에서 가변이 가능한 방식과 정격속도를 중심으로 제한된 범위에서 가변이 가능한 방식 중에서 한 가지를 채택하고 있다. 전범위에서 가변속이 가능한 방식은 극수가 수십극인 동기기를 발전기로 사용하여 블레이드와 발전기 사이에 기어를 사용하지 않고, 발전된 전체 전력은 전력변환 장치를 통해서 계통에 공급되는 것이 일반적이다. 제한된 범위에서 가변속이 가능한 방식은 4극 또는 6극인 권선형 유도 발전기를 사용하여 블레이드와 발전기 사이에 기어가 필요하다. 발전기의 고정자는 계통에 직접 연결하고 회전자는 발전 시스템 정격 용량의 30% 이내의 용량을 갖는 전력변환 장치를 연결하여 발전기를 제어한다. 두 가지 방식 모두 에너지 변환 효율이 높지만 전범위에서 가변속이 가능한 풍력발전 시스템은 시스템 정격과 동일한 대형 전력변환 장치를 구성해야하기 때문에 시스템 전체의 정격 용량에 비하여 전력변환 장치의 용량이 작은 제한범위 가변속 시스템이 주로 사용된다. 세계 풍력발전 시장에서 점유율은 초기에 사용되던 방식이 23%, 전범위 가변속 방식이 16%, 제한범위 가변속 방식이 50%이다.

이중 여자 유도형 풍력발전 시스템

제한범위 가변속 방식에서 권선형 유도 발전기는 여자전류를 고정자와 회전자 양쪽에서 인가할 수 있기 때문에 일반적으로 이중여자 유도 발전기(Doubly-Fed Induction Generator : DFIG)라고 한다. 세계적으로 많은 업체에서 이중여자 유도 발전기를 채택한 풍력발전 시스템을 개발하였으며 [표1]에서 이중여자 유도 방식을 채택한 업체의 제품들을 정리하였다. 최대용량 발전기는 Repower에서 개발한 5MW급 시스템으로 블레이드의 회전반경이 126m로 회전단면적은 축구장 2개보다 넓다. [그림3]는 Repower의 5MW급 시스템을 설치하는 장면이다. 국내에서도 정부의 지원을 받아서 2개 업체에서 이중여자 유도기를 채택한 대용량 풍력발전 시스템을 개발하고 있다.

 

 

[그림 3] Repower의 5MW 시스템  

 

이중여자 유도형 풍력발전 시스템은 [그림4]과 같은 구조를 갖는다. 발전기는 권선형 유도기를 사용한다. 유도기는 최소한 수백rpm 이상에서 운전하지만 블레이드는 최대 수십 rpm으로 회전하기 때문에 기어를 사용하여 블레이드와 발전기를 연결한다. 유도기의 고정자는 블레이드에서 공급하는 기계적 에너지가 발전을 하기에 충분할 때 계통에 연결하고 부족하면 계통에서 분리된다. 고정자의 계통 연결과 분리를 담당하기 위하여 차단기를 사용한다. 유도기의 회전자는 전력변환 장치에 연결되며 전력변환 장치는 발전기를 제어하는 회전자측 컨버터(Machine Side Converter)와 전력변환 장치의 계통연계를 담당하는 계통측 컨버터(Grid Side Converter)로 구성된다.

 

[그림 4] 이중여자 유도형 풍력발전 시스템

 

발전기 제어기 구조

이중여자 유도형 풍력 발전기 제어기는 일반적인 유도기의 제어기와 유사한 구조를 갖는다. 단 고정자 전압을 제어하는 일반적인 회전기와는 다르게 고정자는 계통에 연결되고 회전자에서 회전기를 제어하는 부분이 다르다. 제어기의 구조는 [그림5]와 같이 구성된다.

 

[그림 5] 이중여자 유도발전기의 제어 블록도

 

 제어기는 터빈 제어기에서 계산한 무효전력 값과 운전방법에 따라서 발전기를 제어한다. 터빈 제어기의 지령에 따라서 전류 기준값을 계산하고 전류를 제어한 후 최종적으로 2대의 컨버터에서 더해 전압을 계산한다. 발전기 제어기는 회전자측 컨버터 제어와 계통측 컨버터 제어로 구분할 수 있다.  회전자 컨버터 제어기는 고정자의 자속을 기준으로 발전기의 벡터를 제어한다. 고정자 자속은 직접 측정하지 않고 고정자 전압과 전류로부터 계산한다. 발전기를 제어할 때 주의할 사항이 고정자 전압과 전류는 계통 전압과 동일한 주파수를 갖지만 회전자 전압과 전류는 유도기의 슬립에 비례하는 주파수를 갖기 때문에 3상과 d-q의 상호 변환에 주의해야 한다. 결국 컨버터의 출력 주파수는 슬립과 계통 주파수를 곱한 값이다. 계통측 컨버터 제어기는 계통의 전압을 기준으로 벡터 제어를 수행한다. 직류단 전압은 일정하게 제어하고 무효전력은 터빈 제어기의 지령에 따라서 제어한다. 회전자측 컨버터와는 다르게 계통측 컨버터는 계통과 동일한 주파수의 전압을 출력한다.

시뮬레이터 개발

이중여자 유도형 발전기에 대한 제어 알고리즘을 검증하기 위하여 풍력발전기 시뮬레이터를 개발하였다. 개발한 시뮬레이터는 [그림6]와 같으며 사양은 [표2]에 있다. 개발한 시뮬레이터는 실제 블레이드를 사용할 수 없기 때문에 직류 전동기를 사용하여 발전기에 토크를 공급하였다. 발전기는 권선형 유도기를 사용하였으며 고정자와 계통 사이에 자기 접촉기를 설치하였다. 전력변환 장치의 한쪽은 유도기 회전자에 연결되어 있고 반대쪽은 계통에 연결되어 있다. 시뮬레이터를 제어하기 위하여 발전기의 회전속도, 고정자와 회전자 그리고 계통측 컨버터 전류 6곳, 계통의 전압 2곳, 고정자 유기 전압 2곳, 직류단 전압을 측정하였다. 발전기의 제어기는 상위 제어기와 하위 제어기로 나눠서 구현하였다. 상위 제어기는 발전기의 운전모드를 결정하고 제어 기준값을 계산한다. 하위 제어기는 상위 제어기의 지령에 따라 회전자측 컨버터와 계통측 컨버터의 전류를 제어한다.

[표2]  시뮬레이터 사양

정격풍속		12m/s
직류기	정격 용량	5500W
	정격 회전속도	1750 rpm
발전기	고정자 정격 용량	3000W
	고정자/회전자 전압	220V/128V
	극수	4

 

맺음말

미래의 에너지원으로서 신재생 에너지의 개발은 결국 안전하고 효율적으로 계통과 연계될 수 있을 때 큰 가치를 가질 수 있다.  최근 계통에 연계된 이중여자 유도형 풍력발전 시스템의 동특성과 계통에 대한 영향을 분석하기 위하여  PSCAD/EMTDC 기반 한국형 시뮬레이션 모델을 개발하였다. 개발된 모델은 블레이드, 발전기 그리고 전력변환 장치를 포함하며 계통은 등가 전원으로 구성된다. 또 풍력발전 시스템의 전기부분을 제어하기 위한 각종 제어기를 설계, 구현하였다. 제어기는 상위 제어기와 하위 제어기로 구분되며 상위 제어기는 풍속, 회전속도 그리고 발전량 등에 따라서 발전기를 최적의 운전점에서 운전하도록 설계하였고, 하위 제어기는 상위 제어기의 지령에 따라서 풍력발전 시스템의 전압과 전류를 제어한다.

이와 같은 연구를 통해 신재생 에너지원을 이용한 에너지원의 단독운전, 연계운전, 신재생 에너지원 네트워크운전 등의 다양한 형태의 전력시스템 운영에 대한 기술을 확보하여, 고품질, 고효율의 신뢰성 있는 전력을 공급할 수 있다.

출처 : GSM way(USN 2015 Project)

글쓴이 : 오디세이 원글보기

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