영구자석 보조극 회전자구조를 갖는 횡자속형 스위치드 릴럭턴스 풍력발전기 설계

Abstract

최근 풍부한 풍력에너지로부터 보다 많은 전기에너지를 얻고자 풍력발전시스템의 패러다임이 육상에서 해상으로 급격히 변화되고 있다. 해상풍력발전시스템이 급격하게 건설되고 있는 이유는 주변 생태계에 미치는 영향이 육상풍력발전시스템보다 적고, 건설에 필요한 플랜트기술 수준이 매우 고도화되어 있으며 건설에 필요한 공간도 충분히 활용할 수 있어 건설자재 및 장비의 이동이 육상보다 원활하게 이동할 수 있기 때문이다. 또한 해상풍력에너지는 육상풍력에너지보다 더 질이 좋고 풍부한 풍력에너지를 얻을 수 있기 때문에 해상풍력발전시스템의 용량 증가와 더불어 빠른 속도로 건설되고 있는 추세지만, 용량 증가와 접근성 문제로 인해 풍력발전시스템에 핵심요소인 발전기는 경량화 및 고속회전 그리고 유지보수 최소화 측면를 고려하여 고효율화, 영구자석 최소화, 견고한 자기구조 등을 개발목표로 삼아 개발하고 있다. 이러한 개발목표를 만족시키기 위해 영구자석을 최소화하고 고효율 특성을 지닌 횡자속형 릴럭턴스 발전기에 대해 연구개발이 점차적으로 이루어지고 있으나 대부분의 연구개발 사례가 리니어형태의 발전기이며 회전형태의 연구개발 사례는 아직까지 초기단계이고 미비한 실정이다. 본 논문에서는 풍력발전시스템에 적용하기위한 발전기로써 외부 전압원을 제거하고 고효율특성을 갖는 종래에 주회전자극과 영구자석 보조극이 분할코어로 이루어진 분할형태의 영구자석 보조극 회전자구조를 갖는 횡자속형 스위치드 릴럭턴스 발전기를 기계적으로 견고한 특징을 가질 수 있으면서 단순한 구조를 얻기 위해 주회전자극과 영구자석 보조극이 하나의 전기강판 코어로 이루어진 단일형태의 영구자석 보조극 회전자구조를 갖는 횡자속형 스위치드 릴럭턴스 발전기를 제안하였다. 횡자속형 스위치드 릴럭턴스 발전기의 경우 발전량 제어를 위하여 일반적으로 파워스위치로 구성된 컨버터를 이용하는데, 본 논문에서는 컨버터회로를 고려한 유한요소해석을 이용하여 정밀한 동작특성을 해석하였다. 또한, 보다 빠르고 정확한 해석을 수행하기위해 유한요소해석으로 계산한 횡자속형 스위치드 릴럭턴스 발전기의 비선형 파라미터들을 맵 형태로 저장하고 컨버터 제어회로와 연동한 비선형 맵 기반 연동해석기법을 제시하였으며 동작특성을 해석하였다. 특별히 외부 전압원 대신 역기전력을 이용하여 외부 전압원과 같은 기능을 얻어야 되기 때문에 무부하회전상태에서 발생된 역기전력이 컨버터 콘덴서에 얼마만큼 전압이 충전되는지 고찰하였다. 제안한 TFSRG의 초기모델에 코깅토크가 비교적 크게 발생되어 코깅토크 최소화를 위한 설계방법을 제시하였고 비교적 적은 샘플링 데이터로 유연한 근사함수를 만들 수 있는 비선형성에 강한 크리깅기법과 확률적인 접근방식으로 전 영역을 탐색하여 최적설계 값에 수렴해가는 방법으로 오차발생률이 낮고 신뢰성이 높은 유전알고리즘을 이용한 최적화 설계로 제안한 TFSRG의 코깅토크 크기를 효과적으로 줄일 수 있었다. 유한요소해석과 비선형 맵 기반 연동해석으로 코깅토크를 줄인 최적모델의 동작특성을 고찰하였으며, 마지막으로 본 논문에서 제안된 영구자석 보조극 회전자구조를 갖는 TFSRG의 최적모델을 제작하여 발전특성을 비교함으로써 논문에서 제시한 회전자구조, 설계방법, 해석방법 및 결과에 대한 타당성을 검증 할 수 있었다. 본 논문에서 제안된 영구자석 보조극 회전자구조를 갖는 횡자속형 스위치드 릴럭턴스 발전기에 대한 설계프로세스, 해석방법이 보다 널리 활용된다면 풍력발전기 및 회전형태의 횡자속형 스위치드 릴럭턴스 기기의 연구개발에 도움이 될 것으로 사료된다.