보노보 최적화 알고리즘을 기반으로 한 풍력 터빈 이중 공급 유도 발전기의 최적 저전압 주행

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 7778(2023) 이 기사 인용

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이중공급유도발전기(DFIG)를 기반으로 한 대규모 풍력 에너지 변환 시스템(WECS)은 다양한 경제적, 기술적 장점으로 인해 최근 인기를 얻고 있습니다. WECS와 기존 전력망의 빠른 통합은 전력 시스템의 안정성과 신뢰성에 부정적인 영향을 미쳤습니다. 그리드 전압 강하는 DFIG 회전자 회로에 높은 과전류를 생성합니다. 이러한 과제는 전압 강하 중 전력망 안정성을 보장하기 위해 DFIG의 LVRT(저전압 승차감) 기능의 필요성을 강조합니다. 이러한 문제를 동시에 해결하기 위해 본 논문에서는 LVRT 성능을 달성하기 위해 DFIG에 대한 주입된 회전자 위상 전압과 모든 작동 풍속에 대한 풍력 터빈 피치 각도의 최적 값을 얻는 것을 목표로 합니다. 보노보 옵티마이저(BO)는 DFIG 및 풍력 터빈 피치 각도에 대해 주입된 로터 위상 전압의 최적 값을 자르기 위해 적용되는 새로운 최적화 알고리즘입니다. 이러한 최적 값은 회전자 및 고정자 전류가 정격 값을 초과하지 않도록 보장하기 위해 가능한 최대 DFIG 기계적 전력을 제공하고 오류 발생 시 계통 전압을 지원하기 위한 최대 무효 전력을 제공합니다. 2.4MW 풍력 터빈의 이상적인 전력 곡선은 모든 풍속에 대해 허용 가능한 최대 풍력을 얻는 것으로 추정되었습니다. 결과 정확성을 검증하기 위해 BO 결과를 입자 떼 최적화 프로그램과 운전 훈련 최적화 프로그램이라는 두 가지 다른 최적화 알고리즘과 비교합니다. 적응형 뉴로 퍼지 추론 시스템은 고정자 전압 강하 및 풍속에 대한 회전자 전압 및 풍력 터빈 피치 각도 값을 예측하기 위한 적응형 컨트롤러로 사용됩니다.

현재 풍력 에너지는 높은 전력 밀도와 큰 가용성으로 인해 전 세계적으로 가장 빠른 성장 속도와 가장 매력적인 재생 에너지로 간주됩니다1,2,3. 풍력 에너지는 2011년 국제 전력 수요의 3.5%를 차지했으며, 이 비율은 20304년에 16%로 증가할 것으로 예상됩니다. 그럼에도 불구하고 WECS를 그리드에 통합하는 것은 전력 품질 문제, 간헐적인 전력 공급 문제로 인해 여전히 주요 과제입니다. 바람의 특성, 공진, 커패시터 스위칭 등 전력 품질 문제 중에서 그리드 측의 결함으로 인해 풍력 발전기의 단자 전압이 예기치 않게 떨어지면 풍력 터빈이 그리드에서 갑자기 작동하지 않을 수 있습니다5,6. 자주 트립되고 다시 연결되는 풍력 발전기는 그리드의 안정성에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 많은 국가에서는 풍력 발전기가 그리드에서 트립되는 것을 줄이고 결함이나 그리드 전압 이상 발생 시 그리드를 안정적으로 유지하기 위해 그리드 연결 WECS에 대한 새로운 그리드 코드를 개발했습니다7,8,9,10.

DFIG는 다른 풍력 발전기 유형에 비해 상당한 이점을 제공하므로 WECS에 대한 가장 효율적인 옵션입니다11. DFIG의 이점에는 유효 전력과 무효 전력 모두에 대한 제어 가능 능력, 작은 크기, 더 낮은 정격 컨버터의 필요성(전력 손실 및 컨버터 비용 절감), 음향 소음 및 기계적 스트레스 감소, 가변 속도 생성 및 전력 품질 향상이 포함됩니다. 13,14. 반면, WECS에서 DFIG를 사용할 때의 주요 단점은 DFIG 고정자 단자가 그리드에 직접 연결되어 있기 때문에 그리드 교란, 특히 전압 강하에 대한 민감도입니다. 그리드 전압의 강하는 DFIG 회전자 회로에 큰 과전류를 생성합니다. 결과적으로 보호회로가 활성화되고 DFIG는 회전자측 컨버터를 보호하기 위한 그리드로부터 분리된다15,16,17.

LVRT 기능은 가장 일반적인 그리드 코드 요구 사항입니다. 이는 전압 강하 중에 그리드에 대한 연결을 유지하고 오류 발생 시 그리드 전압을 지원하기 위해 무효 전력을 제공하는 기능입니다6,18,19. 전압 강하는 DFIG에 매우 중요한 장애입니다. 이러한 처짐은 고정자와 회전자 전류의 증가로 이어지므로 DFIG에 주입할 수 있는 전력을 줄여야 합니다20,21,22. 여러 문헌 조사에 따르면 피치 제어 방법, 하드웨어 방법 및 수정된 DFIG 변환기 제어 방법은 LVRT 전략12,23,24의 개선입니다. LVRT 개선의 피치 제어 방법은 로터 블레이드의 피치 각도를 조정하여 풍력 터빈의 출력을 낮출 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 느린 기계적 역학으로 인해 이 기술은 제대로 수행되지 않습니다. 크로우바 보호 및 에너지 저장 시스템은 LVRT 개선을 위한 하드웨어 방법의 두 가지 주요 범주입니다. 크로우바 방법의 기본 아이디어는 오류 발생 시 DFIG 회전자 회로의 저항기 뱅크를 활성화하여 추가 전력 소모를 발생시키고 DFIG 전류를 제한하는 것입니다. 이 방식은 전자기 토크 변동으로 인한 구동계의 높은 스트레스, 제어성 손실, 무효전력 흡수로 인한 계통 전압 회복 방지 등 여러 가지 눈에 띄는 문제를 안고 있습니다. LVRT를 향상시키는 다른 유형의 하드웨어 방법은 배터리 에너지 저장 시스템, 플라이휠 에너지 저장 시스템, 전기 이중층 커패시터 및 초전도 자기 에너지 저장과 같은 에너지 저장 시스템 유형을 사용하는 것입니다5,21,23,30,31,32 . 그러나 이 방법의 가장 큰 단점은 경제적인 해결책이 아니라는 점이다. 피치 제어 및 하드웨어 방법의 단점으로 인해 DFIG 변환기 제어의 기준 제어 값 변경을 나타내는 DFIG 변환기 제어를 수정하여 LVRT 기능을 향상시킬 수 있습니다. 수정된 DFIG 변환기 제어 방법은 구현 용이성, 비용 절감, 정상 작동으로의 전환 용이성 등의 장점으로 인해 LVRT 개선을 위한 가장 비용 효과적인 기술이며 DFIG는 항상 제어됩니다30,33,34,35.