자이로 파력 발전기용 전력 변환기의 제어 알고리즘에 관한 연구

1. 서 론

최근 전 세계적으로 지구 온난화 방지를 위해 각 국가들은 연도별 온실가스 감축 목표를 설정하고 있다. 조선 해양산업에서도 4차 산업혁명과 환경 규제에 대한 규정이 강화됨에 따라 이를 만족하기 위한 대안으로 기계추진선박을 전기추진선박으로 대체 및 선박의 에너지 효율 향상에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다[1]-[3]. 에너지 효율 향상을 위해 고성능의 추진기 및 전력변환장치를 대체하는 방법과 선박 내에서 발생하는 에너지를 전기에너지로 재사용하는 방법이 있다. 항해 중이거나 항구에 정박된 소형 선박들은 파도의 영향으로 횡동요 운동을 하게 된다. 횡동요에 의한 선박의 안정성 확보를 위해서 안정화 시스템이 요구되며 세차운동의 원리를 이용한 자이로 안정기 방식이 적용되고 있다[4][5]. 자이로 안정기는 짐벌의 세차운동을 응용하여 선체 횡동요 방향과 반대의 모멘트를 발생시켜 횡동요를 경감시키는 장치이다[6]. 생성된 모멘트로 인해 각속도와 토크가 발생하게 되고 이를 영구자석형 동기 발전기에 체결하면 발전기는 회전하게 되어 에너지를 발생시킬 수 있으므로 선박 내에서 발생하는 에너지를 전기에너지로 재사용이 가능하다. 전기 에너지를 이용하여 자이로 안정기의 제어 방식 중 수동형 방식인 플라이휠 구동용 전동기 시스템에 전력을 공급할 수 있다[7]. 발생된 전기 에너지를 선박 내 계통연계나 AC 부하에 공급하기 위해서는 전력변환기가 필요하며 전력변환기를 안정적으로 동작시키기 위한 제어 알고리즘이 요구된다. 그러므로 본 논문에서는 발전기의 과토크 발생을 방지하고 속도 변화에 따른 발전기의 기전력 변동을 고려하여 출력 제어 및 안정적인 전력공급을 위한 자이로 파력 발전기용 전력변환기의 제어 알고리즘에 대해 제안한다. 제안된 제어 알고리즘은 시뮬레이션과 실험을 통해 타당성을 입증한다.

2. 자이로 파력발전 시스템

2.1 자이로 파력발전 시스템의 구성

Figure 1은 자이로 파력발전 시스템의 구성도를 나타낸다. 자이로 파력발전 시스템은 플라이휠로 인한 회전관성과 결합하여 짐벌의 세차 운동이 발생하는 자이로 안정기, 세차 운동의 방향을 단방향으로 변환시켜주는 베벨기어, 속도를 증속시키기 위한 기어박스, 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 영구자석형 동기 발전기 및 계통연계와 AC 부하에 안정적인 전력 공급을 위한 전력 변환기로 구성된다.

Figure 1:

Configuration of gyro wave power generation system

2.2 자이로 파력발전 시스템의 사양

Table 1은 자이로 파력발전 시스템의 사양을 나타낸다. 적용 선박은 15톤급이며 평균 파도의 주기 4초와 자이로 세차 축 회전 반경 120°를 고려한 세차축의 회전속도와 토크, 각운동량, 및 증속비는 선행 연구[4][8]를 통해 선정되었다. 발전기의 사양은 선행연구[9]에서 진행된 유한요소해석을 기반으로한 설계값과 실험결과를 통한 결과값을 참조하여 선정하였다.

Table 1:

Specifications of gyro wave power generation system

3. 자이로 파력 발전기용 전력변환기

3.1 자이로 파력 발전기용 전력변환기의 구성

Figure 2는 자이로 파력 발전기용 전력변환기의 구성도를 나타낸다. 전력변환기는 발전기의 AC 출력을 DC로 변환하기 위한 3상 다이오드 정류기, 발전기의 출력 제어를 위한 부스터 컨버터 및 계통연계 혹은 AC 부하에 전력 공급을 위한 단상 인버터로 구성된다.

Figure 2:

Configuration of power converter for gyro wave power generator

3.2 자이로 파력 발전기용 전력변환기의 사양

Table 2는 자이로 파력 발전기용 전력변환기의 사양을 나타낸다. 발전기는 회전속도에 증가함에 따라 기전력이 비례적으로 증가하게 되므로 전력변환기의 입력전압 범위는 부스터 컨버터의 불연속 전류 구간을 고려하여 발전기의 선간 전압을 기준으로 최대 340V로 선정하였다. 설계된 발전기의 정격전류는 16.5A이므로 전력변환기의 입력전류는 DC 23A, DC 링크 전압은 출력전압 220V를 안정적으로 공급하기 위해 지령 전압은 420V로 선정하고 출력전류는 6.6kW에 해당하는 30A로 선정하였다.

Table 2:

Specifications of power converter

3.3 자이로 파력 발전기용 전력변환기의 설계

Figure 3은 자이로 파력 발전기용 전력변환기의 회로도를 나타낸다. v_ab, v_bc, v_ca는 발전기의 선간 전압, i_a, i_b, i_c는 발전기의 상전류, v_d와 i_d는 3상 다이오드 정류기의 DC출력단과 연결된 부스터 컨버터의 입력전압 및 입력전류, L은 부스터 컨버터의 인덕터, v_dc와 i_dc는 부스터 컨버터의 출력전압 및 출력전류, S는 부스터 컨버터의 IGBT, C는 부스터 컨버터의 출력 커패시터, S₁~S₄는 단상인버터의 IGBT, L₁, L₂ 및 C_o는 단상 인버터의 출력 인덕터와 출력 커패시터, v_o와 i_o는 단상인버터의 출력전압과 출력전류를 나타낸다. r_ry는 초기 동작에서 DC 커패시터에 돌입전류를 방지하기 위한 충전 저항이다.

Figure 3:

Circuit of power converter for gyro wave power generator

Table 3은 자이로 파력 발전기용 전력변환기의 설계 사양을 나타낸다. 3상 다이오드 정류기는 발전기의 전압 및 전류를 고려하여 600V/50A로 선정하였다. 부스터 컨버터의 인덕터와 DC 커패시터의 용량 선정을 위한 부스터 컨버터의 출력전압과 평균 전류는 다음과 같이 표현할 수 있다 [10].

$\[ {\upsilon }_{dc}=\frac{{\upsilon }_d}{1-D} \]$

(1)

여기서 D는 듀티비이다. 인덕터의 평균 전류와 부스터 컨버터의 불연속 조건을 고려한 최소 인덕터의 값은 다음과 같이 표현할 수 있다.

$\[ i_L=\frac{{\upsilon }_d}{{\left(1-D\right)}^{2}R},L_{\text{min}}=\frac{D{\left(1-D\right)}^{2}R}{2f} \]$

(2)

여기서 R은 부하, f는 스위칭 주파수이다. 부스터 컨버터의 출력 커패시터의 값은 다음과 같이 선정할 수 있다.

$\[ C>\frac{D}{Rf(∆V_{dc}/V_{dc})} \]$

(3)

스위칭 주파수와 제어 주파수는 IGBT 특성을 고려하여 10kHz로 선정하고 식 (1)과 식 (2)를 기반으로 인덕터의 값은 1.5mH, 커패시터의 값은 2200uF로 선정하였으며 스위칭을 위한 IGBT와 600V/60A로 단상인버터의 IGBT 모듈은 600V/60A로 선정하였다. 단상인버터의 출력단의 인덕터는 스위칭 주파수 10kHz를 고려하여 1.5mH로 선정하였다.

Table 3:

Design specifications of power converter

4. 제어 알고리즘

4.1 부스터 컨버터의 제어

Figure 4 (a)는 부스터 컨버터의 지령 전류 제어 알고리즘 순서도를 나타낸다. 기존의 최대 출력점을 추종하는 MPPT 제어방식과 달리 발전기의 속도에 증가하면 발전기의 전압이 상승하여 출력량이 증가하므로 부스터 컨버터의 입력전압이 증가하면 전류 지령값 i_{d_ref}를 증가분 A만큼 증가시켜 DC 링크단에 전력을 공급한다[11]. 발전기의 속도가 감소하면 부스터 컨버터의 입력전압이 감소하게 되므로 전류지령값을 감소분 A만큼 감소시켜 출력을 제어하게 된다.

Figure 4:

Reference current control of boost converter (a) Flow chart (b) Control block diagram

Figure 4 (b)는 부스터 컨버터의 제어 블록 다이어그램을 나타낸다. 발전기의 과토크와 과출력을 방지하기 위해서 발전기의 정격전류를 전류 PI 제어기의 제한치로 설정하여야 한다. 부스터 컨버터의 입력전류의 지령값과 입력전류를 이용하여 PI 제어기를 수행하고 그 출력값은 캐리어 주파수와 비교하여 부스터 컨버터의 IGBT를 스위칭하게 된다.

4.2 단상인버터의 제어

Figure 5는 단상인버터의 제어 블록다이어그램을 나타내며 S. A. Kim et al. [12]를 참고하여 적용하였다. Figure 5 (a)는 출력전압의 위상을 검출하기 위한 곱형 PLL(Phase lock loop)을 나타낸다. 1차 저역필터와 PI제어기 및 적분기로 구성되어지며 적분기의 결과값이 측정된 전압의 위상이 된다. Figure 5 (b)는 전력변환기의 DC 링크 전압을 일정하게 유지하기 위한 전압 PI 제어기와 전류 PI 제어기를 나타낸다. 발전기에서 생성된 전력이 부스터 컨버터를 통해 DC 링크단에 도통되면 전압은 상승하게 된다. DC 링크 전압을 일정하게 유지하기 위해서는 계통연계를 통해 전류를 전달하여야 한다. 전압 PI 제어기 출력값은 계통 전류의 지령값이 되고 전류 PI 제어기를 출력값은 단상 인버터의 캐리어 주파수와 비교하여 단상인버터의 IGBT 모듈을 스위칭하게 된다.

Figure 5:

Control block diagram of single phase inverter (a) PLL (b) vdc and io PI controller

5. 시뮬레이션 결과

Figure 6은 PSIM을 이용한 시뮬레이션 회로도를 나타낸다. 자이로 안정기의 모델링은 정격속도 1000rpm, 8kW 유도전동기와 기어박스 100:1을 이용하여 토크 제한 벡터 제어를 이용하여 10rpm, 6032Nm를 모사하였다. 1:20 증속기가 발전기에 체결되고 발전기의 출력단은 전력변환기와 결선된다. 부스터 컨버터의 제어블록은 동작범위제어, 지령전류 계산기 및 전류 PI 제어기로 구성되며 단상인버터의 제어블록은 PLL 블록, 전압 PI 제어기와 전류 PI제어기 및 스위칭 블록으로 구성하였다.

Figure 6:

Simulation circuit of Gyro wave power generation system

Figure 7은 자이로 파력 발전기용 전력변환기의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. Figure 7 (a)는 과도 상태에서 발전기의 선간전압, 상전류, 속도, 토크와 부스터 컨버터의 입력 전압과 입력 전류, DC 링크 전압을 나타낸다. 발전기의 속도가 0rpm, 200rpm, 150rpm, 175rpm, 100rpm, 50rpm, 125rpm, 175rpm 순으로 동작함에 따라 선간전압은 기전력 상수에 따라 변동하게 되고 3상 다이오드 정류기에서 정류된 전압 또한 변동하게 된다. 이때 부스터 컨버터는 지령 전류 제어 알고리즘에서 계산된 지령 전류에 따라 동작하여 발전기의 전류를 제어하며 발생 토크와 출력을 조절한다. Figure 7 (b)는 과도 상태에서 단상 인버터의 출력 전압, 출력 전류 및 출력을 나타낸다. 부스터 컨버터에서 제어된 출력은 DC 링크단에 전달되며 단상 인버터는 DC 링크 전압을 420V를 유지하기 위해 계통 연계를 통해 전류 제어로 동작한다.

Figure 7:

Simulation results (a) Line to line voltage and phase current of generator and input voltage, input current, DC link voltage of boost converter in transient state (b) Output voltage, output current, output power of sing phase inverter in transient state (c) Line to line voltage and phase current of generator in steady state (d) Input voltage, input current, DC link voltage of boost converter and output voltage, output current of sing phase inverter in steady state

Figure 7 (c)는 정상 상태에서 발전기의 속도와 토크는 312.8Nm와 200rpm으로 입력은 6.5kW에서의 선간전압과 상전류를 나타낸다. 발전기의 선간전압의 최대 크기는 334.8V이며 상전류는 3상 다이오드 정류기의 영향으로 구형파 형태로 출력되며 최대값은 20.1A로 발전기의 출력은 약 6.24kW이다. Figure (d)는 정상 상태에서의 부스터 컨버터의 입력전압, 입력전류, DC링크 전압과 단상 인버터의 출력 전압과 출력 전류를 나타낸다. 입력전압은 DC 318V이며 입력전류는 DC 19.5A이다. DC링크전압은 DC 420V를 유지하고 있음을 확인할 수 있다. 출력은 6.23kW로 목표 출력을 만족한다. 여기서 제어기의 손실은 무시하였다. 시뮬레이션 결과룰 통해 제안된 제어 알고리즘의 안정적인 동작을 확인하였다.

6. 실험 결과

Figure 8은 시뮬레이션 결과를 기반으로 제작한 자이로 파력 발전기용 전력변환기의 실험 모습을 나타낸다. 발전기는 AC 전원 공급 장치를 이용하여 발전기의 속도에 따른 전압 및 주파수 프로파일을 이용하여 모사하였다. 전력 변환기의 전압 및 전류의 파형은 오실로스코프를 이용하여 측정하고 입력 및 출력의 전력은 전력분석기를 이용하여 측정하였다.

Figure 8:

Experimental setup

Figure 9는 전력변환기의 특성 곡선을 나타낸다. 발전기의 속도가 낮은 영역에서의 전력변환기의 불안정한 동작을 방지하기 위해 부스터 컨버터의 입력 전압이 160V에서 350V내에서만 발전하도록 설정하였기 때문에 발전기의 선간전압 기준으로는 113V에서 250V내에서 동작하게 된다. AC 전원공급장치의 전압 및 주파수가 변동에 따라 부스터 컨버터의 입력 전압도 변동하게 된다. 전류 지령 제어 알고리즘의 출력값인 전류 지령에 따라 부스터 컨버터의 전류는 변동됨을 확인할 수 있다. 단상 인버터의 출력 전압은 발전기의 속도에 따른 기전력 변동에 따라 계통 전압과 동기화 되어 출력 전류를 계통 연계로 전달함을 확인할 수 있다.

Figure 9:

Experimental characteristic curves

Figure 10은 출력 6.15kW에서의 전력변환기의 실험 파형을 나타낸다. 발전기 정격 속도 200rpm에서 상전압은 137V이므로 선간전압은 238V로 측정되며 상전류는 3상 다이오드로 인해 구형파 전류로 16.9A로 도통된다. DC링크 전압은 DC링크 커패시터 용량이 작아 리플이 존재하지만 지령전압 420V를 유지하며 부스터 컨버터의 입력 전류는 20.9A로 정전류 제어가 됨을 확인할 수 있다. 단상 인버터의 출력 전압인 계통 전압은 변전에 부하량이 많아 정격전압인 220V보다 2V 낮은 218V이며 출력 전류는 27.7A이며 역율은 0.98이다. 입력 전력은 6.63kW이며 출력 전력은 6.15kW로 효율은 92.7%이다. 결과적으로 자이로 파력 발전기용 전력변환기의 안정적 출력을 위해 제안한 제어 알고리즘의 타당성을 시뮬레이션과 실험을 통해 확인하였다.

Figure 10:

Experimental results at 6kW (a) Line to line voltage and phase current of generator (b) DC link voltage and input current of boost converter and output voltage, output current of single phase inverter

7. 결 론

본 논문에서는 자이로 안정기에서 생성된 모멘트로 인한 회전 에너지를 영구자석형 동기 발전기를 이용하여 전기에너지로 변환하여 사용할 수 있는 자이로 파력 발전기용 전력변환기의 제어 알고리즘을 제안하였다. 선행 연구된 자이로 파력 발전 시스템의 구성과 결과를 기반으로 전력 변환기의 구성 및 설계에 대해 설명하였다. 발전기의 과토크를 방지하고 발전기의 회전속도에 따른 출력 제어를 위한 부스터 컨버터를 이용한 전류 지령 제어 알고리즘과 계통연계 혹은 AC 부하에 안정적인 전력 공급을 위한 단상인버터의 제어에 대하여 제안하였다. 제안된 알고리즘은 자이로 안정기의 모델링을 통한 시뮬레이션을 구성하여 발전기의 속도별 출력 특성을 확인하고 전력변환기를 제작하여 실험을 통해 타당성을 검증하였다.

Acknowledgments

본 연구는 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구 과제입니다. (No. 20153030071770)

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