풍력터빈 시스템 제어

저자서문

포화(saturation) 특성을 고려하지 않는다면, 삶의 윤택함과 일인당 에너지 소모량은 어느 정도 비례관계에 있다고 볼 수 있다. 현재 우리가 타는 중형차는 160마력인데, 중세의 어느 영주도 말 160마리를 함께 부리는 파워를 갖지 못했다. 인류의 미래와 에너지는 분리하여 생각할 수 없으므로, 신재생 에너지원 중에 하나인 풍력에 대한 연구는 국가적인 미래 투자라 할 수 있다. 풍력터빈 연구는 다양한 학문의 결합을 요구한다. 풍력터빈은 공기역학, 구조 동역학, 재료학, 발전기, 전력전자, 제어공학 등 여러 학문의 기술적 조합이 요구되는 시스템 기술의 완성체이다. 다양한 이론을 하나로 묶을 수 있는 학문이 제어공학이고, 이를 바탕으로 전체적인 관점에서 풍력터빈 시스템을 설계하는 것은 시스템 엔지니어의 몫이다.

풍력터빈 제어 기술은 성능과 안전에 직결되어 있으면서, 기어박스나 블레이드, 타워 등과는 다르게 단순 복제가 불가능한 눈에 보이지 않는 원천 기술이다. 시스템의 성능과 유지보수에 직접적으로 영향을 미치기 때문에, 상품의 경쟁력을 좌우하는 중요한 기술이라 할 수 있다. 2002년 750kW를 시작으로 현재의 5MW 풍력터빈까지 제어분야는 외국 전문기술회사의 설계에 의존하고 있다. 이러한 기술적 종속 상태를 극복하지 못한다면, 앞으로도 비싼 대가를 지불하면서 후속 모델을 개발해야 하는 곤란한 상황에 이르게 된다. 이 책이 이와 같은 난관을 조금이라도 극복해 나아갈 수 있는 밑거름이 되기를 바란다.

이 책은 풍력터빈 시스템 제어분야에 관한 내용을 담고 있다. 따라서 학부수준의 제어공학에 대한 이해가 필수적이다. 독자의 편의를 위해, 제어공학 이론을 가능한 한 쉽게 풀어서 부록으로 요약해 놓았다. 부록의 A.2절까지의 내용은 이 책을 읽기 전에 필요한 최소한 지식이라고 생각한다. 풍력터빈과 바람은 서로 분리하여 생각할 수 없다. 풍력터빈에 대한 모든 것은 바람에서 시작하기 때문이다. 그러나 바람은 생각만큼 그렇게 단순하지 않다. 바람이 풍력터빈에 미치는 영향을 이해하려면, 상당한 량의 수학적 지식이 요구된다. 제 2장에서 바람에 대한 내용을 다루게 되고, 바람과 회전 날개와의 공기역학적 현상은 제 3장에서 논의된다. 풍력터빈 용량은 점차로 대형화되고 있다. 이에 따라 블레이드나 타워는 대형 기계구조물이 되는데, 제 4장에서는 대형 구조물의 동적 운동특성에 대하여 알아본다. 제 5장에서는 전기기계 기초이론에서 출발하여, 유도발전기와, 동기발전기의 작동원리를 알아볼 것이며, 이중여자 유도발전기(DFIG)와 영구자석 동기발전기(PMSG)의 back-to-back 컨버터 제어 구조에 대하여 논의한다. 이 책의 마지막인 제 6장은 풍력터빈 제어에 관한 설명을 담고 있다. 이 부분을 이해하려면, 부록의 모든 내용을 먼저 이해하여야 한다.

이 책은 현장에서 풍력터빈을 설계하고 연구하는 엔지니어들과 대학원에서 풍력터빈에 대한 연구를 시작하는 석/박사과정 학생들을 위하여 준비되었다. 각 장마다 연습문제를 포함시키지 못한 것이 큰 아쉬움으로 남아 있다. 그러나, 풍력을 연구하는 분들께 이 책의 내용이 조금이라도 도움이 된다면, 이것은 풍력을 먼저 연구한 저와 같은 사람에게는 커다란 위안으로 보상받는 것이라고 생각된다.

뜻하지 않게 찾아온 지난 1년의 연구년이 없었다면, 아마도 이렇게 빠르게 이 책을 출간할 수 없었을 것 같다. 소중한 연구년 기회를 주신 강원대학교와 저의 전공 교수님들께 감사의 말씀을 드린다. 항상 따뜻한 격려와 배려를 아끼지 않으신 유능수 교수님과 김석현 교수님 그리고 풍력을 같이 연구하는 든든한 백인수 교수께는 다시 한번 고마운 마음을 전한다. 이 책은 2006년부터 시작한 '풍력터빈 제어' 분야의 연구 경험을 바탕으로 만들어진 것이다. 에너지기술평가원의 지속적인 지원이 이 책 출간의 중요한 버팀목이었다는 것을 밝히고, 이에 관계자 여러분께도 감사의 말씀을 드린다. 수많은 새까만 밤들을 '풍력터빈 제어'의 불을 찾아 함께 연구한 실험실 제자들, 일일이 이름을 써넣지 못하는 미안한 마음을 전하며, 앞으로도 맡은 분야에 큰 공헌을 이루기를 기원한다.

1. 풍력터빈 개요

2. 바람과 풍력터빈

3. 풍력터빈의 공기역학

4. 풍력터빈 구조 동역학

5. 풍력터빈의 발전기

6. 풍력터빈의 제어

남윤수