계통연계 풍력발전기의 전력품질 평가를 위한 iec 61400-21 표준 ... · 2. iec...

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1560 계통연계 풍력발전기의 전력품질 평가를 위한 IEC 61400-21 표준 실시간 계측 장치 구현 59-9-7 An Implementation of Real-time Measurement and Assessment System for Power Quality Characteristics of Grid Connected Wind Turbines 이 종 주 * ․김 동 준 ** ․문 영 환 (Jong-Joo Lee․Dong-Joon Kim․Young-Hwan Moon) Abstract - The renewable resource are getting more attentions with increased concerns on the depletion of fossil fuels and several environmental issues like emission problem. Wind power is a representative option among several renewable sources and the generation capacity using wind power is being increased. However, the wind generation is so volatile on its output characteristic, so it is required to assess the grid impact of wind power generation by measuring the fluctuation effect more precisely. This paper proposes the method for measuring the generation output according to IEC 61400-21(Measurement and assessment of power quality characteristics of grid connected wind turbines) to assess the power quality of wind turbine generation. In addition, it shows an application case to a small-scale wind power generator. In the case study, it suggests a structure design of the proposed measurement instrument both on hardware and software aspects, which is composed of a remote monitoring & data analysis program and an FPGA based real-time signal processing device. Key Words : Wind turbines, Power quality, IEC 61400-21, Real-time, Embedded system * 정 회 원 : 한국전기연구원 위촉선임연구원 ** 정 회 원 : 한국전기연구원 선임연구원 교신저자, 시니어회원 : 한국전기연구원 smart grid 연구센터장 E-mail : [email protected] 접수일자 : 2010년 8월 12일 최종완료 : 2010년 8월 16일 1. 서 론 원유로 대표되는 화석연료의 한계와 환경문제에 대한 인 식 그리고 1997년 12월 체결된 교토 의정서에 의해 지구 온 난화의 주범인 온실가스에 대한 전세계적인 배출규제로 많 은 국가들에서 이산화탄소 배출량 저감을 위하여 신재생 에 너지에 대한 개발을 진행하고 있다. 과거의 신재생 에너지 는 시범적인 운영이나 독립적인 전원으로 활용되었으나, 최 근 들어 실제 계통에 연계되고 있는 풍력발전기는 시설 대 수뿐만 아니라 단위 발전용량도 증가하는 추세로 전체 계통 에서 차지하는 비율이 확대되고 있는 실정이다. 풍력발전기는 풍량의 변화에 따라서 발전량이 변동되는 특성을 갖는다. 이는 연계 계통의 안정적인 운영에 영향을 미치기 때문에 전체 계통에서 풍력발전량이 차지하는 비율 이 증가할 경우 풍력발전에 대한 정확한 감시·제어가 필요 하며, 전원으로서의 성능 평가가 중요하다[1-3]. 특히 국내에서도 2010년 6월에 지식경제부는 전기위원회 를 통하여, 전력계통의 안정성과 수용성을 고려해 20MW 이 상 신규 신재생발전기(단지포함)의 경우 계통운영자가 운전 상태를 감시할 수 있도록 통신설비 구축 및 일정수준의 전 기품질을 유지와 비상시 출력제어가 가능한 설비를 구축하 도록 하고 있다. 과거의 풍력발전기는 각 제작사와 제조국 의 기준에 따라서 감시·제어 및 통신 규약이 달랐으나, 최근 들어 IEC(International Electrotechnical Commission)에서 풍력발전기에 대한 표준화 방안들이 제시되고 있다[4-7]. 본 논문에서는 계통 연계 풍력 발전기의 전력 품질 계측 과 평가를 위한 IEC 61400-21 (Edition 2.0) 규격에 준하는 계측방식과 신뢰성 있는 실시간 데이터 처리를 위한 계측 모델을 구현하였다. 또한 계측 모델은 FPGA 기반의 데이터 취득부와 계측된 데이터의 실시간 처리를 위한 프로세서부 그리고 Ethernet 통신을 이용한 원격지 감시·분석 프로그램 으로 모듈화된 각각의 구조와 동작방식을 제시하였다. 2. IEC 61400-21 표준 IEC 61400-21 Edition 2.0 표준은 계통 연계형 풍력 터빈 의 출력 품질 특성에 대한 측정 및 평가에 대한 내용을 명 세한 것으로 2008년 8월에 제안되었다. 해당 규격에는 계통 연계 풍력 터빈의 전력 품질 특성을 나타내기 위해 결정되 어야 할 정의 및 사양, 특성을 측정하기 위한 측정 절차 그 리고 풍력 터빈이 집단으로 특정 사이트에 배치될 때, 그 풍 력 터빈 형식으로부터 기대되는 전력 품질의 평가를 포함한 전력 품질 요구 사항에 따른 평가 절차 사항에 대한 내용을 포함한다[7]. 다음의 그림 1은 IEC 61400-21에서 제안한 계측 시스템 의 구성 요소를 도시한 것이다. 기본적인 구성은 풍속을 계 측하기 위한 풍속계(Anemometer)와 발전기의 출력을 계측 하기 위한 변류기 및 변성기로 구성되며, 해당 트랜스듀서는 신호 처리회로(signal conditioning)와 저역필터(low-pass filter) 그리고 최소 12 비트 이상의 해상도를 갖는 아날로그 디지털 변환기(analog-digital converter)로 계측된다[7].

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07 2010-A-PS-M-1-072.hwp
IEC 6 1 40 0 -21

An Implementation of Real-time Measurement and Assessment System for Power
Quality Characteristics of Grid Connected Wind Turbines
* ** †
(Jong-Joo LeeDong-Joon KimYoung-Hwan Moon)
Abstract - The renewable resource are getting more attentions with increased concerns on the depletion of fossil fuels
and several environmental issues like emission problem. Wind power is a representative option among several renewable
sources and the generation capacity using wind power is being increased.
However, the wind generation is so volatile on its output characteristic, so it is required to assess the grid impact of
wind power generation by measuring the fluctuation effect more precisely. This paper proposes the method for measuring
the generation output according to IEC 61400-21(Measurement and assessment of power quality characteristics of grid
connected wind turbines) to assess the power quality of wind turbine generation.
In addition, it shows an application case to a small-scale wind power generator. In the case study, it suggests a
structure design of the proposed measurement instrument both on hardware and software aspects, which is composed of
a remote monitoring & data analysis program and an FPGA based real-time signal processing device.
Key Words : Wind turbines, Power quality, IEC 61400-21, Real-time, Embedded system
* :
** :
† , : smart grid
E-mail : [email protected]
1997 12


.
,


.

.

·
, [1-3].
2010 6
, 20MW
()


.
· ,
IEC(International Electrotechnical Commission)

IEC 61400-21 (Edition 2.0)

. FPGA

Ethernet ·
.
2. IEC 6 1 40 0 -21
IEC 61400-21 Edition 2.0

2008 8 .

,
,


[7].
.
(Anemometer)
,
(signal conditioning) (low-pass
(analog-digital converter) [7].
Trans. KIEE. Vol. 59, No. 9, SEP, 2010
IEC 61400-21 1561
1
Fig. 1 Assumed elements of measurement system
1 1 IEC 61400-21
( , , ADC )
.
Class 1,0 IEC 60044-1 CT
±0,5 m/s IEC 61400-12-1
(as a guidance) Anemometer
Table 1 Specification of requirements for measurement
,
2kHz, (harmonics)
(higher frequency components)
20kHz .
(wind speed) 1Hz
.

(odd)
Table 2 Analysis components of output current
(harmonics),
(interharmonics) (higher
frequency components) ,
50 , 2kHz
2kHz~9kHz .
2
. , 0.2
. , 50Hz 10
, 60Hz 12
.
3.1
IEC 61400-21
,


.
2
. ,
(transducer) ADC DAQ
FPGA
(time-critical) [8].
2
Fig. 2 Hardware and correlational structure
FPGA(field programmable gate array)
(Onboard clock) 40MHz
.

(time deterministic)
.
3
.
59 9 2010 9
1562

Wind
River
VxWorks
: 0~359, : 0.1 [deg.]
Resolver Sensor
: NI 9263



FPGA
DMA FIFOs
. ,
DMA FIFO , 4 ADC
DMA FIFO
.
(× 64bit = 72kb)
frequency
.
NMEA0183 ASCII
($WIMWV,180.00,R,30.5,M,A*2D) .
2 .
“$” Start Byte, “WIMWV,” ,
“180.00” (deg.), “,R,” , “30.5” ,
“,M,A” , “*” Data End, “2D”
.
FIFO , ,
.
2
. 0.2 ,
0.5
.
,

.
3
FPGA ADC
50.0kHz, 25.0kHz 2.50kHz
.
Fig. 3 Front panel of FPGA DAQ
4
. , ADC
Trans. KIEE. Vol. 59, No. 9, SEP, 2010
IEC 61400-21 1563

(simultaneous sampling) 50kHz
.
Fig. 4 Block diagram of FPGA DAQ
,

DAM FIFO . FIFO

. FPGA DMA FIFO

.
5 6 FPGA
DMA FIFO

. 5
2.5kHz/s, 0.6 ,
1,500 9,000
, Ethernet (byte)
72,000kb(9000ea×64bit/8bit) .
5
Fig. 5 Front panel of Real-Time controller
Ethernet TCP
. TCP
, FPGA

. FPGA
, DMA FIFO
. DMA FIFO
TCP
. DAM FIFO (FIFO
empty/full ) TCP
.
6
Fig. 6 Block diagram of Real-Time controller
RS485
,
(parsing) .

(shift register)
.
300W
. 7

.
3 (PMSG)

.

(isolator) , DC 12V 1
59 9 2010 9
1564
2 . AC
220V, 60Hz, DC/AC PWM
.
7
,
,
. 5
.
8 m/s 12V100Ah
400 rpm 3 m/s
12/24 V 3~25 m/s
450 W 40 m/s
8
5
Table 5 Specification of wind turbine generator
8 9 Ethernet

.

,
. 8
IP
, ,
.
8 ·
Fig. 8 Front panel of Data acquisition and analysis
(encoder)
.
Vab
(8) .

THD
.
9 ·
Fig. 9 Block diagram of Data acquisition and analysis
(rectangular
window function) ,

.
1(60 )
(binary) . 2.5kHz 25kHz
1
7Mbyte 70Mbyte . ,


.
5 .
,
.

.

.
IEC 61400-21

.
, FPGA

.
,

FPGA
. ,
GPS
IEC 61400-25(Wind Turbines - Part 25:
Communications for monitoring and control of wind
power plants)
[9,10].
, ,

.
Trans. KIEE. Vol. 59, No. 9, SEP, 2010
IEC 61400-21 1565

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61400-25 ”,
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(). 2008
().
. 2001~2004
() . 2005~2007
. 2008
smart grid .
Tel : 031-420-6188
FAX : 031-420-6189
E-mail : [email protected]
1971 1 7. 1992
. 1994
(). 2004
. ,
PSS
, .
smart grid .
Tel : 031-420-6184,
FAX : 031-420-6189
E-mail : [email protected],
1956 5 13 . 1979
. 1981
(). 1990 Univ. of
Texas(Arlington) (
PSS , , WAMS,
. smart grid
, .
Tel : 031-420-6004
FAX : 031-420-6189
E-mail : [email protected]