발전기측 컨버터 제어, 2MW 풍력 PMSG dq축 전류와 토크 제어 계산 2편

이 글은 발전기측 컨버터 제어, 2MW 풍력 PMSG dq축 전류와 토크 제어 계산 시리즈의 2편입니다. 앞 편에 이어 극점 상쇄 기반 PI 전류 제어기 파라미터 설계와 계산 예제, 맺음말을 설명합니다.

1단계 전류 제어 폐루프 구성 비간섭 고정자 모델과 PI 제어기 i* + – e PI 제어기 K_p+K_i/s v* 고정자 플랜트 1/(R_s+sL_s) i_dq 전류 부궤환 (-) 고정자 비간섭 1상 등가 회로 v_dq i R_s 0.015 Ω L_s 2.5 mH PMSG 2MW 플랜트 및 제어기 모델 • 제어 플랜트 모델 (식 10) G_p(s) = 1 / (R_s + sL_s) = (1/L_s) / [s + (R_s/L_s)] 플랜트 극점: p = -R_s/L_s • PI 전류 제어기 (식 11) G_PI(s) = K_p + K_i/s = K_p · [s + (K_i/K_p)] / s 제어기 영점: z = -K_i/K_p 과제: L_s/R_s 지연 극점 보상 상쇄 조건 K_i/K_p = = R_s/L_s 극점 소거 2단계 극점 상쇄(P-Z) 기법 PI 영점으로 플랜트 극점 소거 개루프 극점 상쇄 전개 (식 12) (s+K_i/K_p) 상쇄 [s+R_s/L_s] 단일 적분기 G_ol(s) = ω_cc/s σ jω 극점(×)·영점(○) 상쇄 -R_s/L_s = -K_i/K_p 1/s (적분기) G_ol(s) = ω_cc / s (적분기) 극점 상쇄 조건 및 개루프 • 영점-극점 일치 조건 (식 12) K_i / K_p = R_s / L_s 적분 시정수 T_i = L_s / R_s • 개루프 전달함수 (식 13) G_ol(s) = K_p / (s L_s) = ω_cc / s (단일 적분기) • 목표 대역폭 관계식 K_p = ω_cc · L_s 위상 여유 90° 무조건부 안정 폐루프 전환 1차 LPF 단순화 3단계 1차 폐루프 및 2MW 설계 1000 rad/s 대역폭과 정정 특성 i* 1차 저역통과 필터(LPF) G_cl(s) = ω_cc / (s + ω_cc) i_dq i t 지령치 i* = 1.0 p.u. 오버슈트 0% t_s ≈ 3ms (2% 정정) 안티 와인드업(Back-Calc.) 구현 2MW PMSG 게인 산정 • 시스템 정격: 2MW PMSG R_s = 0.015 Ω, L_s = 2.5 mH • 목표 대역폭 ω_cc = 1000 rad/s (스위칭 f_sw = 2.5 kHz 기준) • 비례 이득 (식 14) K_p = ω_cc · L_s = 2.5 Ω • 적분 이득 (식 15) K_i = ω_cc · R_s = 15 Ω/s 2% 정정 시간 t_s ≈ 3 ms
2MW 풍력 PMSG 발전기측 컨버터에서 비간섭화된 고정자 RL 플랜트의 극점을 PI 제어기 영점으로 상쇄하여 개루프를 단일 적분기로 단순화하고, 목표 대역폭 1000 rad/s 기반으로 비례 이득 2.5 Ω과 적분 이득 15 Ω/s를 도출하여 정정 시간 약 3 ms의 1차 저역통과 필터 폐루프 응답을 달성하는 제어기 설계 절차입니다.

극점 상쇄 기반 PI 전류 제어기 파라미터 설계와 계산 예제

비간섭 제어가 적용된 상태에서 d축 및 q축 전류 제어 대상 플랜트는 식 (10)과 같은 단순한 1차 전달함수로 표현됩니다.

Gp(s)=1(Ls·s+Rs)(10)

전류 루프의 폐루프 응답 특성을 개선하기 위해 비례-적분(PI) 제어기를 사용합니다. PI 제어기의 전달함수는 식 (11)과 같습니다.

C⁡(s)=Kp+Kis=Kp·(s+KiKp)s(11)

식 (11)의 PI 제어기 영점을 식 (10) 플랜트의 극점과 일치시키는 극점 상쇄(Pole-Zero Cancellation) 기법을 적용합니다. 즉, 식 (12)와 같이 설정하면 개루프 전달함수는 단일 적분기 형태가 됩니다. 그 결과 전류 제어 폐루프 전달함수는 목표 대역폭 ω_cc를 갖는 1차 저역통과 필터 형태가 됩니다.

KiKp=RsLs(12)
T⁡(s)=ωcc(s+ωcc)(13)

목표 전류 제어 대역폭 ω_cc로부터 도출되는 비례 이득 K_p와 적분 이득 K_i의 계산식은 식 (14) 및 식 (15)와 같습니다.

Kp=ωcc·Ls(14)
Ki=ωcc·Rs(15)

2MW PMSG의 고정자 저항은 0.015 Ω, 고정자 인덕턴스는 0.0025 H인 시스템을 기준으로 계산합니다. 컨버터 스위칭 주파수가 2.5 kHz일 때, 전류 제어 대역폭을 1000 rad/s(약 159.2 Hz)로 설정합니다. 식 (14)에 따라 비례 이득 K_p는 2.5 Ω이 됩니다. 식 (15)에 따라 적분 이득 K_i는 15 Ω/s로 계산됩니다. 적분 시정수 T_i는 0.1667 s가 됩니다. 이 설계에서 전류 제어 루프의 2% 정정 시간은 약 3 ms로, 풍속 변동에 따른 토크 지령을 지연 없이 정확하게 추종할 수 있습니다.

맺음말

본 글에서는 2MW급 Type-4 풍력 발전 시스템의 영구자석 동기발전기(PMSG)를 구동하는 발전기측 컨버터 제어 구조와 설계 계산 과정을 상세히 살펴보았습니다. 정격 풍속 미만 영역에서 최적 주속비(TSR)를 유지하기 위한 최적 토크 상수 K_opt는 블레이드 및 공력 파라미터로부터 169 332 N·m/(rad/s)^2로 도출되었습니다. 동기좌표계 전압 방정식의 교차 결합 성분과 역기전력을 전향 보상하는 비간섭 제어를 적용하였고, 1000 rad/s 대역폭을 기준으로 극점 상쇄 기법을 통해 비례 이득 K_p = 2.5 Ω과 적분 이득 K_i = 15 Ω/s를 산정하였습니다.

실무에서 발전기측 컨버터를 구현할 때 주의해야 할 핵심 사항은 직류단 전압 제한에 따른 제어 전압 포화입니다. 돌풍이나 급격한 가속 시 높은 역기전력과 전압 강하가 더해져 요구 전압이 컨버터의 최대 출력 전압을 초과할 수 있습니다. 전압 포화가 발생하면 전류 오차가 누적되어 적분기가 포화되는 와인드업 현상이 나타납니다. 따라서 역계산(Back-Calculation)이나 조건부 적분 기법을 적용한 안티 와인드업 알고리즘을 반드시 구현해야 합니다. 또한 정지 상태나 극저풍속 구간에서는 회전자 위치 측정 센서의 오차와 낮은 역기전력으로 인해 제어가 불안정해질 수 있으므로, 최소 속도 제한과 토크 램프 기동 전략을 병행하여 안정적인 신재생 발전 운전을 확보해야 합니다.

이 글은 앞선 내용을 몰라도 읽을 수 있게 썼습니다. 배경이 궁금하다면 섭동 관측 최대 전력점 추종, 10kW 태양광 발전 섭동 크기와 주기 계산을 함께 보면 도움이 됩니다: https://www.infoshirimp.co.kr/?p=233

이것으로 시리즈를 마칩니다. 앞선 편들과 함께 읽으면 전체 흐름을 파악할 수 있습니다.

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