工學碩士學位論文

적응슬라이딩모드 관측기를 이용한 조류발전시스템의 센서리스 속도제어Sensorless Speed Control of Tidal Power

System using an Adaptive Sliding Mode

Observer

2011年 2月

仁荷大學校 大學院

電氣工學科(電氣工學專攻)

丁 海 仙

工學碩士學位論文

적응슬라이딩모드 관측기를 이용한 조류발전시스템의 센서리스 속도제어Sensorless Speed Control of Tidal Power

System using an Adaptive Sliding Mode

Observer

2011年 2月

指道敎授 金 榮 石

이 論文을 碩士學位 論文으로 提出함

仁荷大學校 大學院

電氣工學科(電氣工學專攻)

丁 海 仙

이 論文을 丁 海 仙의 碩士學位論文으로 認定함

2011年 2月

主審 : ㊞

副審 : ㊞

委員 : ㊞

목 차

요약.........................................................................ⅰ

ABSTRACT...........................................................ⅱ

그림목차..................................................................iv

표 목 차..................................................................ⅵ

제 1 장 서론.................................................................1

1. 1 연구 배경 및 목적..............................................1

1. 2 연구의 내용........................................................3

제 2 장 조류 발전 시스템

2. 1 조류발전 시스템 특성.........................................4

2. 2 MPPT제어..........................................................8

2. 3 발전기 제어.......................................................20

2. 4 계통측 인버터 제어...........................................22

제 3 장 적응 슬라이딩모드 관측기를 이용한 속도 센서리스제어

3. 1 기존 슬라이딩 모드 관측기...............................25

3. 2 적응 슬라이딩 모드 관측기...............................27

제 4 장 하드웨어 구성 및 실험 결과........................33

제 5 장 결 론..........................................................48

참고문헌........................................................................49

- i -

요 약

최근 환경오염문제, 화석 연료 에너지자원의 고갈문제, 교토의정서

규약에 의한 CO2 방출 규제로 인해 태양광, 풍력, 조력, 지열등과

같은 환경 친화적인 신재생 에너지에 대해 많은 연구가 이루어지고

있다. 특히 신재생 에너지 자원 중 조류에너지는 kWh당 전력생산

비용이 타 발전시스템에 비해 낮고, 풍력에너지에 비해 에너지 밀도

가 높아서 출력전력이 높다. 따라서 삼면이 바다로 둘러싸이고 조수

간만의 차가 큰 우리나라에 가장 적합한 발전 형태로 판단된다.

본 논문은 기존의 고정속 발전 시스템에 비해 보다 효율적으로 전

력생산이 가능하며 전체 시스템에 가해지는 기계적, 전기적 스트레

스를 감소시키기 위해, 가변속 발전 시스템을 구현하고 있다. 특히

제안된 시스템은 특정 조류속도에서 최대전력(Maximum Power

Point Tracking)을 얻을 수 있는 점으로 발전기의 회전 속도를 제어

함으로써 고정속 발전 시스템에 비해 높은 효율을 갖는 시스템을

구현하였다. 또한 발전기의 최대전력 제어를 위한 발전기 속도정보

를 얻기위해 적응 슬라이딩 모드 관측기를 사용하여 속도를 추정하

였다. 또한 벡터제어 계통형 인버터를 통해 단위 역률로 전력을 전

달하여 최대 유효전력을 생산해내는 시스템을 제안하였다.

Keyword : Maximum Power Point Tracking(MPPT), Tidal Energy,

Permanent Magnet Synchronous Generator(PMSG), Speed Sensorless,

Adaptive Sliding Mode Observer

- ii -

ABSTRACT

Researches for the eco-friendly renewable

energies have been carried out all over the world

because of the problems of the environmental pollution,

the exhaustion of the fossil fuel energy and the

restriction of the CO2 emission due to the Kyoto

protocol. Especially, the seaflow energy has the very

low the eletric power production cost per kWh. Also,

compared to the wind power system, the system of the

seaflow energy can be generate much electric power

energy. Therefore, South Korea surrounded by the sea

is the best place for the generation of the tidal energy.

Generally, most of the tidal energy system have

been used to the constant speed control system.

However, in this paper, the variable speed control

system has been adopted so as to reduce the

mechanical and electrical stress in the whole system.

In addition, the proposed system can get a

maximum power at some seaflow speed with

controlling the rotating speed of the generator.

- iii -

To perform the MPPT technique, the generator

rotating speed must be obtained. However, in this

thesis, generator rotating speed is estimated using an

adaptive sliding mode observer. Moreover, this thesis

presents the maximum active power and unity power

factor generation using the vector control grid inverter.

- iv -

그 림 목 차

그림 2.1 주속비와 전력변환계수와의 관계 6

그림 2.2 발전기 속도와 생성된 전력과의 관계 7

그림 2.3 발전기 속도와 출력 변화의 변화에 따른 MPPT알

고리즘 블록도

9

그림 2.4 발전기 속도와 출력 변화의 변화에 따른 MPPT알

고리즘9

그림 2.5 MPPT알고리즘 순서도 11

그림 2.6 영구자석 동기 전동기의 등기모델 12

그림 2.7 발전기 제어 블록도 20

그림 2.8 3상 계통형 인버터 회로 22

그림 2.9 계통형 인버터 제어 블록도 24

그림 3.1 제안된 센서리스 알고리즘 블록도 31

그림 4.1 조류발전 시스템 33

그림 4.2 실험용 조류발전 시스템 34

- v -

그림 4.3 전체 시스템 도면 36

그림 4.4 유속변화에 따른 Cp 37

그림 4.5 유속변화에 따른 출력 파워의 변화 37

그림 4.6 발전기 속도

(a) 속도지령

(b) 실제 속도

(c) 추정속도

38

그림 4.7 발전기 위상각

(a) 실제 발전기 위상각

(b) 발전기 추정 위상각

39

그림 4.8 d축전류제어

(a) 발전기 d축 전류지령

(b) 발전기 d축 전류

40

그림 4.9 q축 전류제어

(a) 발전기 q축 전류 지령

(b) 발전기 q축 전류

40

그림 4.10 DC링크 제어

(a) DC링크 전압 지령치

(b) DC링크 전압

41

그림 4.11 계통 전압 전류

(a) 계통측 a상 전압

(b) 계통측 a상 전류

42

- vi -

표 목 차

표1. 터빈 파라미터 36

표2. 발전기 파라미터 36

표3. 계통 파라미터 36

표4. MPPT 미제어와 MPPT제어의 특성비교 38

표5. 일정유속 MPPT제어시 시뮬레이션 결과 41

- 1 -

제 1 장 서 론

1.1 연구배경 및 목적

최근 선진국들 간의 기후변화 협약에 의한 환경적인 요구와 친환

경 에너지에 대한 관심으로 인해 기존 에너지원과는 다르게 환경오

염이 없는 천연에너지 즉, 신재생 에너지에 대한 관심이 높아지고

있다. 또한 우리나라는 에너지 소비규모가 세계 10위, 에너지 수입

액은 GDP의 10%인 945억 달러로서 해외 수입에 의존하는 (2007년

기준 해외 의존도가 97%) 화석연료 중심형의 에너지 다소비 구조이

며, 원유 및 기스 자주개발 비율이 매우 낮은 수준(4.2%, 2007년 기

준) 으로 에너지 수급 변화 대응능력이 낮다.

우리 정부는 ‘포스트 2012’체제에서 온실가스 의무 감축 대상국에

포함될 것이 확실시 될 것으로 예상하고 하고 있다. 따라서 그린에

너지 산업을 신 성장동력으로 지정하고 현재 83%인 화석에너지 비

중을 2030년에 61% 수준까지 축소하고 신재생에너지를 2.4%에서

11%까지 비중을 확대할 목표를 세웠다.

신재생에너지 발전의 종류는 태양광발전, 풍력발전, 조류발전, 등

이 대표적이고, 이 중에서 조류발전은 태양 및 풍력에너지와 비교해

볼 때 날씨변화에 따라 발전량의 변화가 거의 없이 발전이 가능하

며 조력발전과 같이 댐이 필요 없으므로 초기투자비용이 적고 갯벌

이나 해양환경에 영향을 최소화 할 수 있으므로 국내 자연환경에

적용하기에 많은 장점을 지니고 있다. 또한 기존의 비재생성 에너지

- 2 -

와 대등하게 발전 비용이 저렴해 대체 청정에너지로도 손색이 없다.

외국에 경우 막대한 투자를 통해 실용화 가능한 기술을 보유하고

있으며, 경제성이 확보될 경우 바로 이용할 수 있는 단계에 있다.

그러나 우리나라의 경우 삼면이 바다로 둘러싸인 지리적 이점을 가

지고 있지만, 조류 발전과 관련된 기술에서는 아직 부족하다고 할

수 있다.

따라서 외국의 연구사례를 벤치마킹하여 국내의 지리적,환경적 조

건에 적합한 발전형태를 채용하여야 하며, 그의 예들은 다음과 같

다.

고려되어야 할 기본적인 연구와 그 형태는 Garbuglia et.

al.(1993), Young(1966), Bernshtein(1995)등 여러 학자에 의해 발표

되었다. 특히 Paish and Fraenkel(1995)는 새로운 개념의 해류발전

시스템을 소개하여 실해역에서 실험을 수행하였다. 일본에서는 이와

는 다른 형태인 다리어스 형태의 연구가 진행되었다.( Shiono et.

al., 1999). Walsum(1999)은 Fundy에서 응용되는 형태를 소개하였

다. 2001년에 일본의 Kanemoto. 등이 부유식 구조물을 이용한 조류

발전에 대해 소개하였다.

이와 같은 연구사례를 통해 발전 구조물을 구축하고, 발전된 전력

을 원하는 형태로 변환하기 위한 시스템을 필요로 한다. 다양한 발

전 시스템이 있을 수 있는데 본 논문에서는 Back to Back

Converter를 통해 MPPT제어와 벡터제어를 수행하였다.

- 3 -

1.2 연구의 내용

본 연구에서는 Back to Back Converter를 이용하여 조류발전의

제어시스템을 구성하였으며, 기존의 고정속 제어시스템이 갖는 기계

적 전기적 스트레스를 감소시킬 수 있는 가변속 제어시스템을 이용

하였다. 특히 제안된 시스템은 특정 조류속도에서 최대전력

(Maximum Power Point Tracking)을 얻을 수 있는 곳으로 발전기

의 회전 속도를 제어함으로써, 고정속 발전 시스템에 비해 높은 효

율을 갖는 시스템을 구현 할 수 있으며, 또한 기존의 MPPT제어 방

법에서는 조류속도를 측정하여 제어변수로 이용하였으나, 이러한 방

법은 부가적인 측정장비가 필요하고 실제 와류로 인하여 유속정보

에 오차가 존재하는 것을 해결하기 위해 유속정보 없이 MPPT제어

하는 알고리즘을 제시하였다.

MPPT제어를 위한 발전기의 회전속도, 회전자의 위치 정보는 필

수적이다. 이러한 위치 정보를 얻기 위해서는 레졸버나 엔코더 등의

위치 검출기를 전동기의 축에 부착하여야 한다. 하지만 위치 검출기

는 일반적으로 고가이고 기기의 부피가 커지는 단점과 진동 및 습

도 등의 주위환경에 취약하다는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하

기 위하여 위치센서를 사용하지 않고 상태정보를 통해 위치를 추정

하는 적응 슬라이딩모드 관측기를 이용하여 위치정보를 추정하였다.

- 4 -

제 2 장 조류 발전 시스템

2.1 조류 발전 시스템 특성

조류발전기의 시스템에 입력되는 에너지는 유체의 유동에

너지를 회전에너지로 변환하여 발전기에 공급하는 블레이드의

변환된 기계적 에너지 로 다음과 같다.

[W] (1)

조류 터빈에 포획되는 전력[W]

터빈 블레이드의 회전 단면적

유체의 밀도로(1025[Kg/])

유속[m/sec]

블레이드의 출력계수

주속비

- 5 -

주속비 는 식(2)와 같다.

(2)

터빈의 회전속도

블레이드의 반경

여기서 는 와 로 나타낼수 있다.

(3)

(4)

피치각 제어를 하지 않았으므로 를 0으로 놓으면 와 와

의 관계는 다음과 같은 그래프로 나타낼 수 있다.

- 6 -

그림 2.1 주속비와 전력변환 계수와의 관계

Fig. 2.1 - Characteristic of Tidal Power System

터빈 블레이드의 회전면적과 유속 밀도가 일정하다면, 최대

전력변환계수()는 그림 2와 같이 주속비 를 값으로 갖

는 속도를 가질 때 최대값이 된다. 전력변환계수가 최대값인

경우, 조류터빈에 포획되는 최대 전력은 식(4)와 같고 유속의

변화에 따라 최대전력 곡선을 그린다.

[W] (5)

- 7 -

는 와 관련된 수식이고 는 와 관련되어 있으므로 그

림 1을 와 의 수식으로 나타낸다면 아래와 같이 나타낼

수 있다.

그림 2.2 발전기 속도와 생성된 전력과의 관계

Fig.2.2 - Characteristic of Tidal Power System

위의 그래프에서 알 수 있듯이 발전기의 특정 회전속도, 즉

최대점에서 최대 출력을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있으며,

이 지점은 조류 발전기 회전 속도의 변화에 대해 발전기의 출

력 전력변화가 0이 되는 지점인 것을 알 수 있다. 즉 발전기

제어를 통해 발전기가 최대 출력점에서 회전 할 수 있도록 해

야 한다.

- 8 -

2.2 MPPT 제어

앞서 설명한 조류발전 시스템 특성을 이용하여 유속정보 없

이 최대 전력을 발생하는 MPPT 알고리즘을 제안한다.

알고리즘은 다음과 같은 제어 과정을 가진다.

1. 발전기 회전 속도의 초기 지령치를 결정하고 발전기 출력 파워를

측정한다.

2. 지령 속도를 한단계 증가시키거나 감소시켜 그때의 속도와 출력

파워를 다시 측정한다.

3. 출력파워와 속도의 변화에 따른 Sig(∆)와 ∆를 계산한다.4. ∆∆5. 최적의 운전점에 이를 때 까지 2~4의 과정을 반복.

그림 2 와 같이 각각 다른 유속에서 블레이드의 특성으로 인해 블

레이드는 최적의 파워를 내는 최적의 속도지점을 단 하나만 갖는다.

유속정보를 이용하지 않고 MPPT제어를 위하여 제안된 알고리즘은

그림 3에 나타난 것과 같은 블록도를 갖는다.

- 9 -

그림 2.3 발전기의 속도와 출력의 변화에 따른 MPPT 알고리즘의 블록도

Fig.2.3 The Block diagram of the MPPT Algorithm following Generator

Speed and Output Power

그림 2.4 발전기의 속도와 출력의 변화에 따른 MPPT 알고리즘

Fig. 2.4 The MPPT Algorithm following Generator Speed and

Output Power

- 10 -

※ 제안된 MPPT 제어 시스템의 원리

1) 발전기의 속도 증가시:

출력파워의 증가 → 발전기 속도지령을 증가시킨다.

2) 발전기의 속도 증가시:

출력파워의 감소 → 발전기 속도지령을 감소시킨다.

3) 발전기의 속도 감소시:

출력파워의 감소 → 발전기 속도지령을 증가시킨다.

4) 발전기의 속도 감소시:

출력파워의 증가 → 발전기 속도지령을 감소시킨다.

- 11 -

그림 2.5 MPPT알고리즘 순서도

Fig 2.5 The Flow Chart of the MPPT Algorithm

- 12 -

2.3 영구자석 동기 발전기 제어

2.3.1 영구자석 동기기 모델링

이 장에서는 관측기의 설계에 앞서 매입형 영구자석 동기전동기

(IPMSM)의 수학적 모델을 구한다.

그림2.1 은 매입형 영구자석 동기전동기(IPMSM)의 인버터 시스템

을 나타낸다. 회전자는 마그넷(Magnet)에 의한 자속을 가지며, 이러

한 자속을 기준으로 회전자와 동기되어 회전하는 좌표계를 정의한

다.

d축은 회전자 자속의 방향에서 정의되어지며, q축은 d축에 수직이

다.

그림2.6 영구자석 동기 전동기의 등가모델

Fig. 2.6 The Equivalent Model of PMSM.

- 13 -

ⅰ) 공간적인 기자력과 자속분포는 정현파 형태로 분포되어진다.

ⅱ) Hysteresis losses와 eddy current는 무시되어진다.

ⅲ) 자속포화는 시변 파라미터에 의해 모델링 될 수 있으나 무시되

어 진다.

ⅳ) 모든 고정자 권선은 대칭이다.

이러한 가정 하에서 전류와 전압관계는 다음처럼 주어진다.

(6)

여기서, : 입력전압

i : 권선전류

λ : 쇄교자속수

R : 고정자 권선저항

p : 미분연산자

전류와 전압을 3상으로 나타내어 표시하면,

,

(7)

과 같이 나타내고, 은 다음과 같다.

- 14 -

Φ

coscos cos (8)

여기서, 아래의 두 개의 첨자가 동일한 L은 자기인덕턴스를 나타

내며, 두 개의 첨자가 같지않은 L은 관련된 두 권선 사이의 상호 인

덕턴스를 나타낸다.

cos cos (9) cos

,

여기서, l s : 누설 인덕턴스

Ns : 상당 유효 권선수

Pgd : d축의 permeance 계수

Pgq : q축의 permeance 계수

그리고 상호인덕턴스는 다음과 같이 주어진다.

cos cos (10) cos

- 15 -

쇄교 자속의 변화율을 식 (11)과 같이 정의 하고 좌표 변환하여 α-

β축의 고정자 좌표계로 나타낸 경우는 식 (12)과 같다.

coscos cos (11)

coscos cos (12)

식 (12)로부터 α축 및 β축 쇄교자속 변화율을 구하면 식 (13)과 같

다.

- 16 -

′

cos

sin

sin

′

cos

sin

cos (13)

L d와 L q는 식 (14)로 나타내어지며, α와 β축 쇄교자속변화율을 L d

와 L q로 나타내면 식 (15)로 표현가능하다.

(14)

′

′

sincos (15)

- 17 -

따라서, 고정자 좌표계상에서의 매입형 영구자석 동기전동기의 전압

방정식은 식 (16)과 같다.

sincos (16)

여기서,

식 (16)을 식 (17)를 이용하여 좌표변환한 회전자 좌표계에서 d-q

모델의 전압방정식은 식 (18)와 같이 얻어진다.

cos sin

sin cos

(17)

여기서, f d,f q : 회전자 좌표계 성분

f α,f β : 고정자 좌표계 성분

- 18 -

(18)

또한 (16)식을 미분방정식으로 표현하기 위하여 정리하면 다음의 식

을 얻는다.

(19)

여기서, : 축과 축 전류

: 축과 축 입력전압

: 축과 축 유도전압

sin cos

⋅

: 고정자 저항

: d축 인덕턴스

: q축 인덕턴스

: 역기전력 상수

: 전동기의 속도

: 전동기의 위치

- 19 -

매입형 영구자석 동기 전동기에서 발생되는 기계적인 토크 은 전

기자 전류와 쇄교자속의 곱이다.

(20)

여기서, : 토크상수 , : 극수

이때의 기계적인 출력 방정식은 다음과 같다.

(21)

여기서, : 관성모멘트

D : 점성마찰계수

: 부하토크

식 (16)과 식 (21)을 이용하여 고정자 좌표계에서 매입형 영구자석

동기전동기의 상태방정식을 나타내면 다음과 같다.

- 20 -

sin

cos

sincos

(22)

2.3.2 발전기 제어

앞서 도출한 (18)식을 바탕으로 제어기를 설계하면 다음과 같은 블

록으로 나타낼 수 있다.

그림 2.7. 발전기 제어 블록도

Fig 2.7 The Block diagram of Generator Control

- 21 -

발전기의 d축 전류는 자속축에 맞춰져 있으므로 (16)번 식에 나와있

는 바와 같이 q축전류를 조절하여 최대 토크를 내도록 하기 위하여

그림 2.5와 같이 MPPT알고리즘에 의해 최대 출력을 내도록 하는

속도 지령치를 만들어 내고 d축 전류를 0으로 q축 전류를 최대로

하여 발전기의 토크를 제어한다.

- 22 -

2.4 계통측 인버터 제어

일반적인 3상 인버터가 계통과 연결되는 회로를 간단히 표현하면

그림2.8 과 같이 표현 할 수 있다. 여기서 연결점의 전압 는 평형

이고 주파수가 60Hz인 평형 3상 전압이라 가정한다.

그림 2.8 3상 계통형 인버터 회로

Fig. 2.8 Three phase Grid connected Inverter Circuit

그림2.8을 기본으로 하여 3상 전압 방정식을 세우면 아래와 같다.

(23)

- 23 -

위 수식을 하나로 표현 한다면

(24)

위 수식을 회전변환을 통해 동기좌표계 기준축의 수식으로 나타내

어 동기 좌표계의 d축과 q축에 대한 성분으로 나눠 아래와 같은 수

식을 얻을 수 있다.

(25)

여기서

계통의 d축 전압

계통의 q축 전압

계통 필터의 저항성분

계통 필터의 인덕턴스

계통의 d축 전류

계통의 q축 전류

계통 전압의 크기

미분 연산자

전개된 수식 (25)를 통하여 제어기를 구성하면 그림 2.9 와 같이 블

록도로 나타낼 수 있다.

- 24 -

그림2.9 계통형 인버터 제어 블록도

Fig 2.9 The Block diagram of Grid Connected Inverter Control

발전기 측에서 공급되는 전력이 계통으로 전달되는 전력보다 클 경

우 DC링크 전압이 증가하며 반대의 경우 DC링크 전압은 감소하므

로 계통측 인버터는 d축 전류를 제어함으로써 DC링크의 전압을 일

정하게 유지한다.

DC링크 전압의 지령과 실제 값의 오차를 이용해 만들어낸 d축 전

류를 최대로 q축 전류를 0으로 제어하여 단위역률로 계통을 동작하

도록 제어한다.

- 25 -

3. 적응 슬라이딩 모드 관측기

3.1 기존의 슬라이딩 모드 관측기

식 (22)로부터 슬라이딩 모드 관측기를 구성하면 다음과 같다.

sin

cos

(26)

여기서,

,

,

: 슬라이딩 면

식 (26)에서 식 (22)를 빼면 오차방정식을 얻을 수 있고, 선형화된

오차방정식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(27)

- 26 -

여기서,

,

,

⋅

sin cos cos sin

⋅

sin cos

, ⋅

슬라이딩 모드 관측기의 이득은 슬라이딩 모드 조건으로부터 다음

방정식을 만족하도록 구해진다.

,

(28)

식 (28)을 만족하도록 관측기의 이득을 설계하면 관측기는 관측기의

특성상 파라미터 변동에 강인할 수 있다. 그러나 슬라이딩 모드 관

측기는 특성상 이상적인 실현을 위해 무한대의 이득과 높은 주파수

의 스위칭에 의한 떨림이 존재하게 된다. 이는 식 (27)에서 보는 것

- 27 -

과 같이 관측기의 이득식에 불연속적인 제어 입력항이 있어 관측기

의 추정 떨림현상이 발생하게 되어 추정성능을 저하하는 문제점을

가지게 된다.

3.2 적응 슬라이딩 모드 관측기

식 (22)에서 나타낸 상태방정식에서 운동방정식을 제외한 매입형 영

구자석 동기전동기의 전압방정식만을 이용한다. 또한 식 (19)에서

매입형 영구자석 동기전동기에서 시간에 따라 변동하는 변수로써

전압 전류 이외에 위치에 대한 삼각함수와 속도항이 곱해져 있는

형태로 나타나는 역기전력 성분이 있음을 볼 수 있다. 따라서 전체

시스템은 비선형이 되기 때문에 선형화 시키고자 한 제어주기 내에

서는 전동기의 속도가 거의 일정하다는 가정을 세운다.

식 (19)로부터 슬라이딩 모드 관측기는 다음과 같이 구성되어 질

수 있다.

(29)

여기서, : 관측기 입력

,

- 28 -

식 (29)로부터 슬라이딩 모드 관측기에는 전동기의 운동방정식이 사

용되지 않는 것을 볼 수 있다. 따라서 매입형 영구자석 동기전동기

의 속도 및 위치 정보를 얻기 위해서는 식 (29)에서 속도와 위치에

대한 정보가 있는 항을 고려해야 한다. 관측기를 구성하는 각 행렬

식을 보면 속도 및 위치에 대한 정보는 와 에 차에 의한 항과

역기전력에 포함된다. 관측기의 슬라이딩 평면은 다음과 같이 추정

전류와 실제전류의 오차로 정의 한다.

(30)

3.2.1 속도 추정

적응 슬라이딩 모드 관측기는 운동방정식을 이용하지 않기 때문

에 전동기의 회전자의 속도 및 위치정보를 얻기 위하여 속도와 위

치에 대한 추정식이 필요하다. 본 논문에서는 파라미터 변동에 강인

한 전동기의 속도를 추정하기 위해 리아푸노프(Lyapunov) 함수를

이용한다.

리아푸노프 함수를 다음과 같이 설정한다.

(31)

한 추정주기 내에서 전동기의 속도가 일정하다고 가정하고 식

- 29 -

(31)을 미분하면, 다음과 같은 결과를 얻을 수 있다.

(32)

또한, 식 (30)을 미분하면, 식 (19)와 식 (29)로부터 다음과 같은 식

을 얻을 수 있다.

(33)

식 (33) 식 (32)에 대입하면 리아푸노프 함수의 미분값은 다음과

같이 쓸 수 있다.

(34)

여기서,

관측기의 시스템이 안정하기 위해서는 리아푸노프 안정도 이론으

로부터 일 때, 을 만족해야 한다. 따라서 을 만족

하도록 하기 위하여 식 (34)로부터 다음과 같이 두 개의 식으로 분

리한다.

- 30 -

(35)

(36)

식 (35)가 ‘0’이 되도록 설정하고 식 (36)의 부등호를 만족하도록 하

면 식 (33)의 리아푸노프 함수는 안정하게 된다. 식 (35)는 각각 전

동기의 속도는 역기전력 정보와 와 의 차이 및 슬라이딩 평면

과 관계가 있는 것을 볼 수 있다. 식 (35)를 항상 만족할 수 있도록

식 (37)과 같이 정리한다.

·

sin

cos

sin

cos

(37)

식 (37)에서 라 가정하고, 정리하면 다음과 같이 쓸 수 있다.

· sin

· cos

(38)

여기서 와 는 식 (30)에서 정의하였다.

- 31 -

식 (38)로부터 추정 위치값과 슬라이딩 평면을 이용하여 회전자의

속도를 추정할 수 있음을 볼 수 있다. 이때 회전자의 추정 위치값은

추정된 속도를 적분하여 얻는다.

그림 3.1 제안된 센서리스 알고리즘 블록도

Fig. 3.1 The block diagram of proposed sensorless algorithm

그림 3.1은 관측기 시스템의 블록선도를 나타낸다. 그림 3.1에서 알

수 있듯이 실제 검출된 전류와 슬라이딩 모드 관측기에서 얻은 전

류를 이용하여 슬라이딩 평면을 구하고, 이를 이용하여 식 (38)로부

터 속도의 미분값을 추정한다. 회전자의 위치정보는 식 (38)을 적분

하여 얻고, 매입형 영구자석 동기전동기기의 속도를 추정함에 있어,

전동기의 운동방정식을 이용하지 않기 때문에 전동기 기계적 정수

에 대한 의존도를 감소시킬 수 있다.

- 32 -

3.2.2 슬라이딩 모드 관측기 이득

적응 슬라이딩 모드 관측기가 안정하기 위해서는 식 (36)을 만족

하는 관측기의 이득을 구해야 한다. 식 (36)에 이득 를 넣어 풀면

다음과 같다.

(39)

식 (39)로부터 다음과 같이 적응 슬라이딩 모드 관측기의 이득을 구

할 수 있다.

로부터,

(40)

․ 로부터,

i f i f (41)

여기서, α i , β i는 양의 상수,

식 (40)과 식 (41)을 만족하도록 관측기 이득을 설정하면, 적응 슬

라이딩 모드 관측기는 전체적으로 안정하게 된다.

- 33 -

제 4 장. 하드웨어 구성 및 실험 결과

4.1 하드웨어 구성

조류속도에 의한 블레이드의 회전력을 이용하여 PMSG를 회전시켜 기계적

에너지를 전기적 에너지로 변환시킨 후 Back to Back 컨버터와의 연결을

통해서 계통연계가 가능한 전력을 얻고자하는 시스템을 아래 그림에 구성하

였다.

그림 4.1 조류발전 시스템

Fig. 4.1 Tidal Power System

위 그림은 실제 발전시스템을 나타내므로, 실험용 장치를 만들기 위해서

는 반드시 블레이드 역할을 대신 하는 장치가 필요하다. 따라서 벡터 드

라이브 인버터와 유도기를 이용해 블레이드의 모델을 구현하였다. 블레

이드의 역할을 하는 인버터를 이용해 블레이드의 토크를 제어하며, 유도

- 34 -

기를 통해서 블레이드의 파워를 PMSG로 전달하여 주며, PMSG는 생

산 전력을 계통쪽으로 전달하는 시스템을 위 그림을 수정하여 아래 그림

과 같은 실험용 조류발전 시스템을 구성하였다.

그림 4.2 실험용 조류 발전 시스템

Fig. 4.2 Tidal Power System for the Experiment.

실험용 조류발전 시스템의 제어는 고성능의 연산속도를 가진 TI社

의 DSP TMS320F2812를 이용하여 발전기측 컨버터와 계통측 컨버

터를 제어하였다. 발전기측 컨버터의 경우 MPPT (maximum power

point tracking)제어 방법을 이용하여 최대 전력을 얻도록 제어되고,

계통측 컨버터의 경우 발전기측에서 생산된 전력을 역률이 1이 되

도록 제어함으로써 생산된 전력을 계통에 전달하는 Inverter의 경우

유무효 전력제어를 통해서 계통연계가 가능하도록 하였다.

- 35 -

4.2 실험 결과

그림 4.3 전체 시스템 도면

Fig. 4.3 The Block Diagram of the Total System

- 36 -

목 록 터빈 모델 사양 단 위

블레이드 반경 4 m

최적의 TSR 6.4716

최대파워계수 0.502

정격 유속 2 m/s

기어비 29

표1. 터빈 파라미터

목 록 발전기 모델 사양 단 위

정격 파워 100 kW

정격 전압 380 V

고정자 저항 0.02 ohm

고정자 인덕턴스 1 mH

극수 8 pole

표2. 발전기 파라미터

목 록 계통 모델 사양 단 위

계통 전압 380 V

DC링크 전압 600 V

DC 커패시터 4700 uF

계통 필터 인덕턴스 1 mH

스위칭 주파수 5 kHz

표3. 계통 파라미터

- 37 -

MPPT미제어시와 MPPT제어시의 비교

MPPT특성의 비교를 위해 동일한 유속에서 두 번의 실험을 시행

하였다. 유속을 2.0m/s로 일정하게 주었을 때 블레이드 파워, 발전

기 속도, T.S.R. , Power Coefficient파형은 다음과 같다.

그림 4.4 유속 2.0m/s에서 MPPT 미제어시 출력파형Fig. 4.4 Output wave without MPPT at 2.0m/s Flow Velocity

(a) Blade Power(b) Generator speed(c) Tip speed ratio(d) Power Coefficient

- 38 -

그림 4.5 유속 2.0m/s에서 MPPT 제어시 출력파형Fig. 4.5 Output wave with MPPT at 2.0m/s Flow Velocity

(a) Blade Power(b) Generator speed(c) Tip speed ratio(d) Power Coefficient

MPPT 미제어 MPPT 제어

지령속도 553.8 [rpm] 887.9 [rpm]

블레이드 파워 88.6 [kW] 103 [kW]

계통 출력 파워 71.5 [kW] 98.2 [kW]

TSR 4.00 6.47

Cp 0.43 0.503

표 4. MPPT 미제어와 MPPT제어의 특성비교

- 39 -

MPPT미 제어시에는 발전기의 회전속도를 임의의 속도로 일정하

게 제어하였다. 553.8 rpm의 발전기 회전속도에서는 블레이드에서

88.6kW의 파워를 얻을 수 있었다. 하지만 MPPT 제어에서는 제어

알고리즘에서 생성된 회전속도 지령치인 887.9 rpm으로 발전기가

회전하며 블레이드에서는 103kW의 파워를 얻어낼 수 있었다. 이는

MPPT제어가 같은 유속에서 더 많은 파워를 얻어내며 높은 효율을

보일수 있다는 것을 증명할 수 있다.

일정 유속에서의 MPPT 제어

그림 4.6 유속 1.2m/s의 MPPT 파형

Fig. 4.6 The MPPT output wave form at 1.2m/s Flow Velocity

(a) Actual Generator Speed, Reference Speed

(b) Generator Torque

(c) Blade Power, Grid output Power

(d) Power Coefficient

- 40 -

그림 4.7 유속 1.6m/s의 MPPT 파형

Fig. 4.7 The MPPT output wave form at 1.6m/s Flow Velocity

(a) Actual Generator Speed, Reference Speed

(b) Generator Torque

(c) Blade Power, Grid output Power

(d) Power Coefficient

- 41 -

그림 4.8 유속 2.0m/s의 MPPT 파형

Fig.4.8 The MPPT output wave form at 2.0m/s Flow Velocity

(a) Actual Generator Speed, Reference Speed

(b) Generator Torque

(c) Blade Power, Grid output Power

(d) Power Coefficient

유속

[m/s]

발전기속도

[rad/sec]

블레이드

출력파워

[kW]

계통

출력파워

[kW]

Cp

1.2 56 22.3 22.4 0.503

1.6 76 53 52 0.502

1.8 85.5 75.5 74.2 0.502

2.0 92.98 103 98.2 0.503

표 5. 일정유속 MPPT제어시 시뮬레이션 결과

- 42 -

가변유속에서의 MPPT제어

그림 4.9 유속변화에 따른

Fig. 4.9 Power Coefficient following Variation of Flow Velocity

그림 4.10 유속 변화에 따른 출력 파워의 변화

Fig. 4.10 Output Power following Variation of Flow Velocity

- 43 -

MPPT제어 알고리즘을 확인하기 위해 유속을 변화시켰을 때 와

출력 파워를 나타내었다. 는 블레이드의 특성으로서 어떠한 유속

에서든 MPPT알고리즘을 통해서 최적의 로 찾아가며 일정하게

수렴하는 것을 확인 할 수 있다. 또한 유속 변화에 따른 파워가 증

가 감소하며 변화하는 것을 확인 할 수 있다. 이는 고정 유속으로

MPPT제어를 수행했던 결과와 같아 유속정보를 모르는 상태에서도

MPPT제어를 수행하여 높은 효율의 시스템을 구성하는데 중요한

기술이 되는 것을 확인할 수 있다.

센서리스 특성

그림 4.11 발전기 속도 (a) 속도지령, (b) 실제 속도, (c) 추정속도

Fig. 4.11 Generator speed

(a) Reference speed (b) Actual Speed (c) Estimated Speed

- 44 -

그림 4.12 발전기 위상각

(a) 실제 발전기 위상각 (b) 발전기 추정 위상각

Fig 4.12 Generator phasor angle

(a) Actual phasor angle (b) Estimated Phasor angle

위의 파형을 통해 적응 슬라이딩모드 관측기의 특성을 확인 할 수

있다. 추정 속도가 발전기의 속도 지령치를 추종하며 실제 엔코더나

레졸버와 같은 속도센서의 측정치와 동일하게 변화하는 것을 확인

할 수 있다. 따라서 속도 센서 없이 추정한 위치를 바탕으로 발전기

제어를 수행할 수 있으며, 안정적인 구동을 할 수 있다.

- 45 -

발전기측 전류 제어

그림 4.13 d축전류제어

(a)발전기 d축 전류지령, (b) 발전기 d축 전류

Fig. 4.13 d-axis Current Control

(a) Reference d-axis Current (b) Actual d-axis Current

그림 4.14 q축 전류제어

(a)발전기 q축 전류 지령, (b) 발전기 q축 전류

Fig. 4.14 q-axis Current Control

(a) Reference q-axis Current (b) Actual q-axis Current

- 46 -

발전기측 벡터제어를 수행한 결과 d축 q축 전류 지령치를 연산하고,

PI제어기를 통해 전류제어를 수행한 결과이다. 실제 전류가 전류지

령치를 추종하며, 빠른 응답을 보이는 것을 확인할 수 있다.

계통측 인버터 제어

그림 4.15 DC링크 제어

(a) DC링크 전압 지령치, (b)DC링크 전압

Fig. 4.15 The Control of DC Link Voltage

(a) DC Link Voltage Reference (b) DC Link Voltage

- 47 -

인버터 제어기의 가장 앞단에는 DC링크 전압 제어기가 있다. 발전

기측으로부터 생상되는 에너지를 DC링크에 전달하고 인버터에서

DC링크 전압을 일정하게 제어하며 발전기측에서 전달된 에너지를

모두 가져가게 된다. 위 파형을 통해 DC링크가 일정하게 제어되는

것을 확인 할 수 있고, 전압제어기가 훌륭히 수행되는 것을 확인할

수 있다.

그림 4.16 계통 전압 전류

(a) 계통측 A상 전압, (b) 계통측 A상 전류

Fig. 4.16 Grid Voltage and Current

(a) Grid side A phase Voltage (b) Grid side A phase Current

계통측 인버터의 또다른 역할 중 하나는 단위 역률 제어이다. 위 파

형은 a상 전압 전류의 파형으로서 전압과 전류가 동상인 것을 확인

할 수 있다.

- 48 -

제 5 장 결 론

본 논문에서는 영구자석 동기발전기를 이용한 조류발전 시스템의

MPPT제어와 속도 센서리스 제어를 수행하였다. MPPT제어를 위해

Perturbation & observation (P&O) 알고리즘을 적용하였고, 발전기

의 속도 센서리스 제어를 위해 적응 슬라이딩 모드 관측기를 사용

하였다. 조류의 속도를 변화시켜 출력되는 파워가 변화하는지 확인

하였고, 는 변화없이 일정하다는 것을 알 수 있었다. 이는 최대

파워를 출력함으로 인해 고정속 제어보다 효율이 월등히 좋다는 사

실을 알 수 있고, 유속 측정이 어려운 곳에서 수월하게 적용 가능

하다는 것을 알 수 있었다. 또한 조류 발전 시스템에 적응 슬라이딩

모드 관측기 적용을 제안하고 알고리즘의 타당성을 확인하였다. 제

안한 관측기 시스템은 정상상태 뿐만 아니라 속도가 급변하는 과도

상태에서도 전동기의 속도 및 회전자의 위치를 잘 추정 할 수 있음

을 확인하였다. 그리고 전동기의 기계적 제 정수를 사용하지 않고

속도를 추정하기 때문에 운동방정식을 이용하기 위한 파라미터들을

계측해야 하는 어려움을 해결 할 수 있으며, 속도 및 위치 센서리스

제어가 가능하다. 따라서 본 논문의 결과로 조류 속도의 측정이 필

요 없는 시스템에서 제어 방법을 적용하여 고정속보다 더 효율적으

로 시스템을 구성할 수 있고, 센서리스 알고리즘을 통해 더욱 경제

적, 안정적으로 제어 가능하다고 사료된다.

- 49 -

참고문헌

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술평가원, 2009.5

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[13] J-J E. Slotine, W. Li, "Applied Nonlinear Control," from

Prentice-Hall, 1991.

- 51 -

감사의 글

모든 것을 당신의 뜻으로 인도하시는 하나님 아버지 감사합니다. 보잘것

없는 저의 석사생활을 마무리하며 그동안 감사했던 많은 분들에게 지면으

로라도 인사하려 합니다.

우선 너무나도 부족한 저희를 가르침으로 지도하여 주신 지도교수 김영

석 교수님께 깊은 감사드립니다. 그리고 수업을 통해 많은 가르침을 주신

권오규 교수님 이복희 교수님, 신백균 교수님, 이영삼 교수님, 원동준 교수

님께 진심으로 감사드리며, 인하대학교 전기공학과 전 교수님께 감사드립

니다.

현업에서 많이 바쁘신 와중에도 부족한 저희들을 이끌어주신 전력전자연

구실의 여러 선배님들께도 감사의 말씀 전하며, 특히 가까이서 저희에게

큰 도움 주신 최정수 선배님, 김상욱 선배님, 양이우 선배님, 나재두 선배

님, 박형남 선배님, 형석이형, 천규형께 깊은 감사드립니다.

2년이라는 시간을 정말 동고동락한 나의 동기들, 인석이형, 도윤, 동화,

준민, 봉준, 덕수. 연구실 생활하며 기쁨을 갖이 했고, 고민도 같이 했으며,

때론 서로 언성도 높이기도 했지만, 힘들고 서운했던 것도 지난 추억이라

생각하며 비록 서로 다른 곳에서이지만 우리의 새로운 출발, 멋지게 한발

한발 나아가자. 또한 많은 시간을 같이 했지만 마무리를 같이하지 못하는

봉우, 조금만 더 힘내고 좋은 결과 있기를 바란다. 현민, 영민, 범석, 대근,

병헌, 한솔, 혜수, 용성. 대학원 처음 입학할 때의 마음 잊지 않고 끈기 있

게 하면 커다란 얻음이 있을 것이라 생각한다.

10여년간 변치 않는 우정으로 다져진 소중한 나의 벗들, 민호, 은석, 세

원, 종호, 경범, 태현, 호진, 기식, 용희. 그동안 바쁘다는 핑계로 모임 못나

가서 미안하고 항상 나의 든든한 지원군이 되어주어 고맙다.

대학원 2년 뿐 아니라 많은 시간동안 곁에서 많은 힘이 되어준 민지, 항

상 너무 미안했고 너무 고마워. 항상 조금만 기다려달라고 말했던 시간이

- 52 -

이제 다가왔으니 앞으로 조금 더 나은 모습 보여줄게.

남들보다 유난히 길었던 대학생활이었습니다. 한참을 돌아서 온 이 자리

까지 저를 무한한 사랑으로 지켜주신 아버지, 어머니. 어떠한 표현으로 감

사의 마음이 전달될지 모르겠습니다. 이제 부모님의 사랑에 조금씩 보답하

며 생활하겠습니다. 또한 하나뿐인 나의 형, 커다란 시련에도 웃음 잃지 않

고 버릇없는 동생을 따뜻하게 감싸주는 모습 조금이나마 닮아가겠습니다.

돌아보면 많은 분들의 도움과 격려로 이 자리까지 오게 된 것 같습니다.

그분들께 일일이 감사의 말씀을 전해야하지만, 지면상 이 글과 앞으로도

이 마음 잃지 않겠다는 각오로 고마운 마음을 대신하고자 합니다.

감사합니다.

2010년 12월 정 해선 드림

제 1 장 서론.1. 1 연구 배경 및 목적1. 2 연구의 내용

제 2 장 조류 발전 시스템2. 1 조류발전 시스템 특성.2. 2 MPPT제어2. 3 발전기 제어.2. 4 계통측 인버터 제어.

제 3 장 적응 슬라이딩모드 관측기를 이용한 속도 센서리스제어 3. 1 기존 슬라이딩 모드 관측기.3. 2 적응 슬라이딩 모드 관측기.

제 4 장 하드웨어 구성 및 실험 결과제 5 장 결 론참고문헌