선형발전기를 이용한 파력발전시스템의 최대출력추종을 위한 능동위상 제어기법

Abstract

환경문제와 에너지 자원고갈에 대한 관심의 증가로 재생에너지 자원에 대한 연구가 세계적으로 활발히 진행되고 있다. 재생에너지 자원 중에서도 해양에너지는 지구 표면의 70%를 덮고 있으며, 무한한 에너지 자원으로 이용가치가 매우 높다. 특히 파력에너지는 발전부지에 대한 주민들과의 갈등을 줄일 수 있고, 방파제로 활용이 가능하며, 풍력이나 태양광에너지와 함께 개발이 가능하여 최근 관심이 높아지고 있다. 파력발전시스템 중에서도 선형발전기를 이용한 점 흡수식 방식은 높은 에너지 변환효율로 인하여 각광을 받고 있으나, 기계적인 변환 과정이 없이 파력에 의해 발생하는 부이의 거동을 직접 제어하여야하는 어려움이 있다. 파도의 주파수는 설치대상해역에 따라 변동은 있으나 대부분 10초이내로 매우 큰 변동성을 가진다. 즉, 수초이내에 최대속도에서 영속까지 변화하여 최대출력추종을 위한 제어를 적용하기가 상대적으로 어렵다. 이와 같은 선형발전기를 이용한 점 흡수식 파력발전발전기는 고정댐핑제어, 최적댐핑제어, 및 래칭제어방식이 많이 연구되어 왔다. 고정댐핑제어방식은 PTO의 감쇠계수를 일정하게하여 제어하는 방식으로 파도의 주파수와 상관없이 안정적으로 운전할 수 있으나, 설치대상해역의 불규칙한 파도 특성이 고려되지 않아 기대하는 출력보다 낮은 출력이 발생할 수 있다. 최적 댐핑제어방식은 일정한 주파수 조건이 만족되어야 높은 출력을 발생시킬 수 있어 불규칙한 파도 특성에 적합하지 않다. 래칭제어방식은 기존의 최적댐핑제어방식이나 고정댐핑제어방식에 비하여 높은 출력을 기대할 수 있으나 기계적으로 구성된 제동발생장치의 낮은 응답성과 신뢰성으로 인하여 현장에서 적용의 어려움이 발생할 수 있다. 이와 같이 기존의 제어방식은 불규칙한 파도특성이 고려되어 있지 않아 발전기의 출력 극대화를 이루기 어렵다. 본 논문에서는 선형발전기를 이용한 점 흡수식방식의 파력발전시스템의 최대출력추종을 위하여 파기진력과 부이의 속도에 대한 위상을 능동적으로 제어하여 최대출력을 기대할 수 있는 새로운 능동위상제어방식을 제안하였다. 첫째, 파력발전시스템의 설치대상해역에 대한 파랑정보를 분석하고 파력발전시스템 각 구성부분에 대한 수학적 모델링 및 분석을 진행하였다. 둘째, 제안하는 제어기법과의 비교분석을 위하여 기존의 고정댐핑제어방식, 최적댐핑제어방식, 래칭제어방식에 대한 모델링 및 분석을 진행하였다. 셋째, 설치대상해역에 대한 파랑정보 및 파력발전시스템의 모델링을 기반으로 파도의 주파수에 따라 파기진력과 부이속도의 위상을 PTO감쇠계수를 이용하여 능동적으로 변화시키고 파력발전시스템에서 생산되는 전력을 극대화할 수 있는 능동위상제어기법을 제안하였다. 제안된 제어기법을 검증하기 위하여 기존의 제어방식들과 제안된 제어방식 모두 규칙파 및 불규칙파 시뮬레이션을 진행하였으며, 실험을 통하여 적용가능성을 확인하였다. 결과적으로 제안된 새로운 능동위상제어기법을 이용하여 파력발전시스템의 출력 개선 및 적용가능성을 확인하였다.