본 논문은 소형 풍력발전용 영구자석형 동기발전기에서 고정자 자속과 역기전력을 이용한 센서리스 제어방법을 제안한다. 기존의 다이오드와 DC-부스트 컨버터를 사용한 소형 풍력발전용 컨버터와는 달리 2-Leg 3상 PWM 컨버터를 사용하여 발전기를 구동한다. 이는 기존의 컨버터와 비교하여 가격적으로 뒤지지 않으며, 발전기의 벡터제어가 가능하여 최대출력 제어시 발전 효율향상을 확인할 수 있다. 그리고 센서리스 제어 알고리즘을 적용하여 속도 측정을 위해 사용되는 엔코더를 제거하므로 시스템의 가격을 저감시킨다. 제안된 알고리즘은 PSIM 시뮬레이션을 사용하여 컨버터 제어 성능과 발전기의 최대 출력 제어의 타당성을 검증한다.
고립된 소규모 전력시스템에 소형 풍력발전기를 계통연계 운전할 때 나타날 수 있는 전압변동을 예측하기 위한 방법에 관해 연구하였다. 이를 위하여 고립된 계통에 연결된 기존발전소 및 부하, 변압기, 풍력발전기의 간략화된 시뮬레이션 모델을 PSCAD/EMTDC를 기반으로 구성하고 실제 설치된 풍력발전기의 운전 특성과 비교하였다. 특히, 연계점의 전압변동을 해석적으로 예측하기 위하여 전원측 등가 임피던스와 부하측 등가 임피던스로 구성된 간략화한 모델을 제안하였으며 제안된 방법으로 계산된 전압변동량이 시뮬레이션 및 실측 데이터와 잘 일치하는 것을 확인하였다. 이 결과는 소형 풍력발전기 계통연계 시스템 설계 및 사전검토 단계에서 안정성과 신뢰성을 확보 하기위한 도구로 활용될 수 있다.
본 논문은 영구 자석형 동기 발전기(PMSG)를 사용하는 소형풍력발전기의 고조파 제거 및 단위 역률 효과를 갖는 AC-DC 컨버터에 관한 내용이다. 가변속도로 제어되는 풍력발전기는 입력전압 및 전류에 많은 고조파 성분을 가지고 있다. 제안된 컨버터는 단일 스위치를 갖는 3상 승압형 정류기 형태로 인덕터 전류가 불연속모드(DCM)로 동작되며, 입력전류의 고조파를 제거하여 단위 역률을 갖는 단상 220V, 3kW의 소형풍력발전기용 컨버터이다.
건설현장에서 사용하는 이동형 저압발전기는 중성점 접지와 관련한 구체적 지침이 없으며 또한 발전기 중성선 접지방식이 인체를 통하여 중성선으로 귀로가 형성될 수 있기 때문에 중성선을 접지하지 않고 비접지 방식으로 배전하고 있으나 비접지방식의 전로에서 외함의 접지와 관련한 문제는 우리나라의 법규정에 제시되어 있는 부분이 없다.(16) 따라서 건설현장의 Y결선의 발전기는 통상 중성점을 접지하여 사용하거나, 발전기의 외함은 접지시키고, 중성점은 외함이나 대지로부터 절연을 한 비접지 방식을 사용하고 있으며, 수시로 이동해야하는 소형 발전기의 경우는 외함마저도 생략한 채 사용되고 있다.(중략)
본 연구에서는 소형 풍력발전기를 교량에 설치하여 전력생산과 아울러 내풍안정성을 개선할 수 있는 방안을 연구하였다. 이를 위하여 기존 공기역학적 진동억제 대책과 유사하게 교량에 풍력발전기를 설치하기 위한 방법과 풍력에너지 추정 방법을 제시하였다. 풍동실험 결과를 보면, 페어링처럼 소형 풍력발전기를 설치하면 와류진동을 거의 억제할 수 있는 것으로 나타났고, 이때 교축방향 최적 이격 거리는 터빈 직경의 3-4.5배인 것으로 나타났다. 그리고 풍력발전기를 설치하면 항력계수는 낮아지고 양력계수의 기울기도 음에서 양의 값으로 바뀌어 전반적인 내풍안정성이 향상되는 것으로 나타났다. 한편 풍하측의 풍력발전기는 평균풍속이 낮아 발전을 못하지만, 풍상측의 풍력발전기는 상당량의 전기에너지를 생산하는 것으로 나타났다.
본 논문에서는 2대 이상의 소형 발전기를 사용하는 환경에서 부하의 전력 소비량을 이용하여 에너지를 절약하는 전력 관리 시스템을 제안하고 개발하였다. 고속의 하드웨어 플로팅 포인트 연산처리가 가능한 TI사의 TMS320C6713 DSP 칩을 사용하여 하드웨어를 구성하였으며, 시리얼 통신을 이용하여 모니터링 PC와 통신하게 하였다. 모니터링 PC에서 수동제어가 가능하도록 하였으며, DSP main board에서 CT/PT센서로 수집한 데이터를 이용하여 자동적으로 발전기를 on/off 할 수 있도록 구현하였다. 실험 결과 본 논문에서 제안한 전력 관리 시스템이 이상 없이 동작하는 것을 확인할 수 있었으며, 부하의 전력사용량을 이용하여 에너지를 절약하는 알고리즘을 적용하였을 경우 소형 발전기 2대를 지속적으로 사용할 때 보다 더욱 오래 전력을 공급하는 것을 알 수 있었다.
점차적으로 지구의 화석연료가 고갈됨에 따라, 효율적인 에너지 저장과 함께 그린에너지에 대한 기술과 수요가 절실히 요구된다. 풍력에너지는 현재 세계에서 가장 빠르게 확장되는 에너지원이다. 하지만 엄청난 가격의 대형풍력발전기 설치비와 정격풍속인 12 m/s 이상을 요구하는 상황에 따라 내륙에서의 풍력발전의 설치는 어려운 상황이다. 따라서 위의 문제를 해결하기 위하여, 저풍속에서도 발전가능한 소형풍력발전기를 실험하고자 하였다. 본 연구에서는 내륙에서의 풍황조건을 분석하고, 300 W와 1 kW 용량의 소형풍력발전기를 옥상에 설치한 후, 그들에 대한 발전효율 특성을 비교하였다.
이미, 동기 발전기는 크게는 발전소에서 작게는 소형 자가 발전에 이르기까지 널리 사용되고 있다. 그러나, 수요는 급격히 증가하고 있으나 이에 대응할 수 있는 기술은 적절히 대응하지 못하고 있는 듯하다. 즉, 수요가 증가함에 따라 발전 시스템의 고효율화, 소형화는 당연한 요구사항이나, 현재 동기 발전기는 기존의 별 다른 진전이 없이 고전적인 방법에 의해 생산되고 있다. 그래서 정밀한 해석 기술에 바탕을 두어 내삽형 자석 동기 발전기의 설계치가 도출될 것으로 기대된다.
최근 동기발전기에 각종 brushless여자방식이 고안되고 있으나 공통된 개발 목표란 신뢰도와 경제성에 있다. 이것은 구성재료의 발달과 반도체의 개발이 크게 작용하였으며 종래의 직류여자기에 비하여 전기적인 섭동부의 완전 제거와 동시에 보다 소형경량화된 동기발전기의 개혁이 필요하다고 본다. 실제 동기발전기에서 전기자와 계자사이에 energy전달은 불가피한 기본원리로서 전기적인 방식과 자기적인 방법으로 구분할 수 있다. 전자는 도체의 섭동 즉 commutator, seipring brush의 마모와 기계적 손실이 있어 신뢰도가 낮은 반면 적은 여자전력으로 가능하나 자기적인 방식은 공극의 reluctance로 인하여 여자전력이 증가한다. 이러한 문제점을 해결할 수단으로서 commutatorless, static excitation, exciterless, harmonics excitation 방식 등이 고안되고 있으나 섭동부의 완전제거란 불가능하여 본고에서는 동기발전기를 중심으로 Brushless여자방식의 종류와 원리에 대하여 이론적으로 해설하고자 한다.
에너지의 대부분을 해외에서 수입하여 사용하는 우리나라의 경우 청정에너지를 개발하여 사용하는 것이 매우 중요하다. 산간지역이나 도심지를 벗어난 곳에서 자연친화적인 소수력의 개발은 간편하게 전력에너지를 공급할 수 있어 매우 효과적이다. 본 연구에서는 소형 자여자 유도발전기의 사용시 동작특성을 분석한 결과이다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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