초판발행 2025. 12. 01

신재생 에너지원으로서 주요 부분을 차지하는 태양광과 풍력 발전은 깨끗하고 지속 가능한 에너지원이기 때문에, 화석 연료 사용을 줄이고 기후 변화와의 싸움에서 유용하게 활용할 수 있는 귀중한 천연자원입니다. 또한 태양광과 풍력 발전은 지속 가능한 에너지원으로서 전국 각지에 널리 분산되어 있습니다. 화석 연료를 태워서 에너지를 만들어야 하는 기존의 발전 시설은 그 특성상 시설 규모가 아주 커야 하고 바닷가 근처에 지어야 하지만, 육상이나 해상에 설치할 수 있는 풍력 발전기나 건물 옥상에 설치하는 태양광 패널 등 재생 에너지를 사용해 전력을 생산하는 시설은 그 규모가 훨씬 작아도 발전소로서의 기능을 효과적으로 발휘할 수 있는 장점을 지니고 있습니다. 아울러 태양광과 풍력 발전은 지리적 위치에 구애받지 않고 전 세계 어디에서나 사용할 수 있는 발전 방식인 동시에, 가동 시에도 유해한 온실가스나 오염 물질을 일절 배출하지 않아 친환경적인 발전 방식이라고 할 수 있습니다.

오늘날 기후 변화가 우리 인류가 직면한 가장 시급한 문제 중 하나로 급부상하면서, 전 세계 여러 국가에서는 넷제로(Net-Zero)를 달성하기 위하여 다양한 전략을 추진 중입니다. 현대 사회의 에너지 수요를 충족하면서 지속 가능한 환경을 보장하고 넷제로 목표를 달성하기 위해, 가장 가능성이 높은 발전 에너지원은 풍력 발전이라고 저자는 생각합니다. 현재 풍력 발전은 생산되는 전력의 규모가 점차 대형화되는 추세에 있으며, 이러한 세계적인 환경 변화와 기술 발전 측면에서 미래에는 초대용량 풍력 발전의 수요가 매우 증대될 것으로 예상됩니다. 이것이 바로 본 교재를 출판하게 된 계기가 되었습니다.

하지만 우리나라의 경우 신재생 에너지의 대부분을 태양광 발전이 차지하고 있으나, 햇볕이 있는 낮 시간 동안만 발전할 수밖에 없어 장비 사용 효율이 떨어지는 단점이 있습니다. 미래를 내다보면 우리나라는 조선, 반도체 및 기계 분야 등 산업 전 분야에 걸쳐 세계적인 경쟁력을 가지고 있으므로, 풍력 발전은 우리나라의 산업 생태계 측면에서도 많은 발전이 가능한 산업 분야입니다.

본 교재는 풍력 발전 분야를 공부하는 대학 3, 4학년, 대용량 전력변환장치와 관련된 전력전자 분야를 공부하는 대학원생, 그리고 풍력 발전 분야 중에서도 전기 설비를 취급하는 산업 현장의 엔지니어에게 도움이 되도록 내용을 구성하였습니다.

본 교재의 내용은 이미 발표된 논문이나 교재를 인용하여 구성하였으며, 대부분은 부산대학교 전력변환 연구실의 석·박사 학위 논문에서 핵심 내용을 발췌하였습니다. 이 자리를 빌려 먼저 논문을 발표하신 저자분들과 전력전자 교재를 힘들게 출간하셨던 선배 저자분들, 그리고 부산대학교 전력변환 연구실 졸업생들에게 깊이 감사드립니다.

마지막으로 본 교재의 집필에 참여하여 교정 작업에 힘써 준 부산대학교 전력변환 연구실 석사과정 배윤찬 군에게 감사드립니다. 아울러 오랜 시간 동안 편집 작업과 인쇄 및 출판을 위해 노고를 아끼지 않으신 출판사 박영사 관계자분들께도 진심으로 감사드립니다.

저자 약력

김장목

교수, 공학박사

국립 부산대학교 전기전자공학부

㈜효원파워텍 대표이사

강기원

교수/센터장, 공학박사

국립 군산대학교 기계공학부

국립 군산대학교 초대용량풍력발전시스템 혁신연구센터

이상일

교수, 공학박사

국립 군산대학교 풍력에너지학과/해상풍력연구원

한국풍력에너지학회 회장

목차

제1장 풍력터빈용 다양한 발전기  1

1.1    풍력터빈용 발전기의 역할 및 분류 3

1.2    직류 발전기(DC Generator) 4

1.3    유도형 발전기 6

1.4    동기형 발전기(Synchronous Generator) 14

1.5    대형 풍력터빈의 발전기 적용 동향 21

제2장 전력변환장치의 구조 및 원리  25

2.1    전력변환장치의 역할과 필요성 27

2.2    전력변환기의 종류 및 기본동작원리 29

2.3    가변속 풍력터빈의 전력전자 제어 34

2.4    대표적인 컨버터의 토폴로지 39

2.5    EMI/EMC 저감 설계 133

제3장 풍력발전 시스템의 제어기 구조 183

3.1    제어기의 계층 구조 185

3.2    레졸버 202

3.3    엔코드 237

3.4    PLL(Phase Locked Loop) 245

제4장 DFIG(Double Fed Induction Generator) 제어기  255

4.1    DFIG의 수학적 모델링 258

4.2    DFIG의 회전자 컨버터 제어 263

4.3    DFIG의 계통적 컨버터 제어 272

4.4    DFIG의 컨버터에서 전류측정에 의한 오차 279

4.5    DFIG 시스템의 전류오차 보상을 위한 실험결과 286

제5장 3상 영구자석 동기 발전기(PMSG)  295

5.1    3상 abc 전압 방정식 297

5.2    3상 정지 및 동기 좌표계 d-q축 전압 방정식 298

5.3    영구자석 동기발전기(PMSG)의 출력 300

5.4    풍속과 전기적 출력 301

5.5    초대용량 풍력 발전기 시스템 304