KR100668118B1 - 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치 및 전력변환방법 - Google Patents

권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치 및 전력변환방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 권선형 유도 발전기와 별도로 보조 전원을 발생시키는 동기 발전기를 구비함으로써 계통 전원이 없는 환경에서도 발전을 할 수 있으며, 계통측 컨버터를 3선 4선식 컨버터로 구성함으로써 불평형 부하 조건에서도 평형 전압을 발생시키는 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치 및 전력변환방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 권선형 유도 발전기와, 상기 권선형 유도 발전기의 전기 에너지를 변환하여 교류 계통으로 공급하는 전력변환장치와, 상기 전력변환장치를 PWM제어하는 제어부와, 상기 전력변환장치에서 공급된 교류 전원을 이용하는 교류 계통을 포함하여 구성되는 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치에 있어서, 상기 권선형 유도 발전기와 별도로 독립적인 보조 전원을 발생시키는 동기 발전기; 상기 동기 발전기로부터 공급된 에너지를 직류 전원으로 변환하여 상기 전력변환장치로 공급하는 보조 컨버터를 더 포함하되, 상기 전력변환장치는 상기 권선형 유도 발전기에서 전환된 전기 에너지의 교류 전원을 직류 전원을 변환시키는 발전기측 컨버터; 상기 발전기측 컨버터와 계통측 컨버터 사이에 배치되어 상기 보조 컨버터와 병렬로 연결되어 전기 에너지를 저장하는 직류 링크 커패시터; 및 상기 발전기측 컨버터에서 변환된 직류 전원을 다시 교류 전원으로 변환시켜 교류 계통으로 공급하는 계통측 컨버터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치를 제공한다.
권선형 유도 발전기, 전력변환장치, 독립 계통, 불평형 전압, 불평형 부하, 발전기측 컨버터, 계통측 컨버터

Description

권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치 및 전력변환방법{A Electrical power converter and power converting method for Doubly-fed Induction Generator}
도 1은 교류(AC)/직류(DC) 변환기와 직류/교류 변환기를 구비한 권선형 유도 발전기용 전력변환장치의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 Vestas Wind System의 전력변환장치의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 3상 3선식 컨버터 2개를 구비한 권선형 유도 발전기용 전력변환장치의 구조를 나타낸 도면이다.
도 4a는 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치의 구성도를 나타낸 도면이다.
도 4b는 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치의 일실시예를 나타낸 도면이다.
도 5는 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치의 권선형 유도 발전기의 구조를 나타낸 도면이다.
도 6은 권선형 유도 발전기와 동기 발전기를 일체형으로 구현하는 수단을 나타낸 도면이다.
도 7은 3상 4선식 계통측 컨버터를 갖는 전력변환장치로서 불평형 부하에서도 강인한 제어 특성을 갖도록 한 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치의 개략도이다.
도 8은 3상 4선식 계통측 컨버터의 SVPWM 제어 과정을 나타내는 블럭도이다.
도 9는 3상 4선식 계통측 컨버터의 좌표계 변환과 SVPWM 제어 과정을 통합하여 나타내는 블럭도이다.
도 10은 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환방법의 흐름도를 나타낸 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 권선형 유도 발전기 200 : 동기 발전기
300 : 보조 컨버터 400 : 전력변환장치
410 : 발전기측 컨버터 430 : 계통측 컨버터
500 : 제어부 600 : 교류 계통
본 발명은 전력변환장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 권선형 유도 발전기와 별도로 보조 전원을 발생시키는 동기 발전기를 구비함으로써 계통 전원이 없는 환경에서도 발전을 할 수 있으며, 계통측 컨버터를 3선 4선식 컨버터로 구성 함으로써 불평형 부하 조건에서도 평형 전압을 발생시키는 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치 및 전력변환방법에 관한 것이다.
전력변환장치(Power converter)란 일반적으로 풍력, 조류력 등을 이용하는 신재생에너지 발전시스템에서 가변적인 풍속(또는 유속) 조건에 기인된 가변전압, 가변주파수 특성을 갖는 저품질의 1차 에너지를 전력 계통으로 연계할 수 있도록 정전압, 정주파수 특성을 갖는 고품질의 2차 에너지로 정제하기 위한 장치이다.
특히, 신재생에너지 발전시스템 시장에서 가장 많이 적용되고 있는 발전기는 권선형 유도 발전기(Doubly-Fed Induction Generator, DFIG)이며, 상기 권선형 유도 발전기는 농형 유도 발전기에 회전자 권선을 추가로 구비하여 슬립 전력을 제어할 수 있는 전력변환장치에 적용된다.
도 1은 교류(AC)/직류(DC) 변환기와 직류/교류 변환기를 구비한 권선형 유도 발전기용 전력변환장치의 구조를 나타낸 도면이며, 도 2는 Vestas Wind System의 전력변환장치의 구조를 나타낸 도면이며, 도 3은 3상 3선식 컨버터 2개를 구비한 권선형 유도 발전기용 전력변환장치의 구조를 나타낸 도면이다.
첨부한 도 1을 참조하면, 상기 권선형 유도 발전기에 사용되는 전력변환장치의 구조는 교류 전원을 직류 전원으로 변환한 다음 다시 교류 전원으로 변환하는 교류-직류-교류 변환기능을 내장하는 구조임을 알 수 있다.
첨부한 도 2를 참조하면, 미국 특허(US006856040B2)에서 제안된 Vestas Wind System에서 권선형 유도 발전기를 제어하기 위한 계통측 컨버터(grid-side converter)가 단방향 특성을 갖도록 3상 브릿지 다이오드로 구성되어 있다.
그러나 이러한 구조는 계통으로부터 에너지를 회수할 수는 있지만 계통측 컨버터를 사용하여 계통으로 에너지를 회생(발전)시킬 수 없다는 문제가 있다.
또한 권선형 유도 발전기의 고정자측 유효전력과 역률을 직접 제어할 수 없는 구조적인 문제가 있으며, 구체적으로는 상기 역률은 수동 커패시터를 구비하여 제어하고 있으며 계통측으로 전달되는 에너지는 제동 저항을 사용하여 열로 소모시키는 방식을 사용함으로써 유효전력과 역률 제어를 적절하게 수행할 수 없으며 발전량의 20% 정도가 회전자 권선에서 회생되는데 이러한 에너지를 열로 소모하는 구조이므로 효율이 저하되는 것이다.
첨부한 도 3을 참조하면, 상기 문제를 해결하기 위하여 미국 특허(US005798631A)는 3상 3선식 컨버터를 구비하여 계통측 컨버터 양방향으로 에너지를 수수할 수 있도록 3-leg IGBT 또는 3-leg IGCT의 구조를 제안하였다.
이러한 구조는 권선형 유도 발전기의 고정자 측으로 회생되는 전력과 역률을 속도와 부하 조건에 관계없이 제어하며, 권선형 유도 발전기의 회전자 측으로 회생되는 20%의 에너지를 계통으로 회생시킴과 동시에 회생되는 에너지가 극대화될 수 있도록 역률을 1로 유지하도록 제어한다.
또한 상기 구조는 회전자 권선을 통하여 발전되는 에너지가 계통까지 전달될 수 있도록 발전기측 컨버터와 계통측 컨버터 사이에 구비된 직류_link 전압은 항상 일정한 크기로 유지되도록 제어한다.
그러나 이러한 구조도 통상의 경우 이외에는 계통이 불안정하거나 순시 정전 등이 발생하는 경우에는 발전되는 전압이 3상 평형이 되지 않는 문제가 발생한다. 즉 계통 용량이 매우 크고 분산전원 용량이 작을 때는 문제가 발생하지 아니하나, 불평형 조건(부하, 전원 등)에서 상술한 제어 특성을 유지할 수 없기 때문에 신재생에너지 발전시스템(풍력/조류/조력/파력 발전시스템)을 정지해야하는 문제가 발생한다.
또한 전력계통전압을 고정자 권선에 직접 연결하여 자속 성분을 마련하는 방식이므로 계통과 연계되는 조건에서 사용될 수 있으므로, 계통전압이 있는 환경에서만 사용될 수 있다는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 권선형 유도 발전기와 별도로 동기 발전기를 구비하여 보조전원을 공급함으로써 계통전원이 없는 조건에서도 권선형 유도 발전기를 사용하여 독립적으로 발전할 수 있는 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한 계통측 컨버터를 3선 4선식 컨버터로 구성함으로써 불평형 부하(또는 전압)에서도 평형 전압을 출력할 수 있는 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한 상기 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치에 대한 구동 방법으로서 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치는 권선형 유도 발전기와, 상기 권선형 유도 발전기의 전기 에너지를 변환하여 교류 계통으로 공급하는 전력변환장치와, 상기 전력변환장치를 PWM제어하는 제어부와, 상기 전력변환장치에서 공급된 교류 전원을 이용하는 교류 계통을 포함하여 구성되는 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치에 있어서, 상기 권선형 유도 발전기와 별도로 독립적인 보조 전원을 발생시키는 동기 발전기; 상기 동기 발전기로부터 공급된 에너지를 직류 전원으로 변환하여 상기 전력변환장치로 공급하는 보조 컨버터를 더 포함하되, 상기 전력변환장치는 상기 권선형 유도 발전기에서 전환된 전기 에너지의 교류 전원을 직류 전원을 변환시키는 발전기측 컨버터; 상기 발전기측 컨버터와 계통측 컨버터 사이에 배치되어 상기 보조 컨버터와 병렬로 연결되어 전기 에너지를 저장하는 직류 링크 커패시터; 및 상기 발전기측 컨버터에서 변환된 직류 전원을 다시 교류 전원으로 변환시켜 교류 계통으로 공급하는 계통측 컨버터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예로서, 상기 보조 컨버터는 상기 동기발전기와 연결되어 상기동기 발전기에서 공급된 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 정류부; 상기 정류부와 병렬로 연결되어 상기 정류부를 통과한 출력 전원을 평활시키는 평활 커패시터; 상기 평활 커패시터와 병렬로 연결되고 상기 전력변환장치의 커패시터에 병렬로 연결되어 상기 평활 커패시터를 통과한 출력 전원을 저장하는 배터리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직한 구현예로서, 상기 평활 커패시터와 배터리부 사이에 연결되어 상기 평활 커패시터에 과충전된 전원을 바이패스하는 바이패스 저항; 상기 바이패스 저항에 직렬로 연결되어 상기 바이패스 저항을 선택적으로 동작시키는 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직한 구현예로서, 상기 전력변환장치의 계통측 컨버터는 4개의 레그와 각 레그마다 2개의 스위칭수단을 가지는 3상 4선식 구조로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환방법은 동기 발전기와 보조 컨버터 사이에 제 1 스위치를 구비하고, 상기 보조 컨버터와 전력변환장치 사이에 제 2 스위치를 구비하고, 상기 전력변환장치와 교류 계통 사이에 제 3 스위치를 구비하고, 권선형 유도 발전기와 상기 교류 계통 사이에 제 4 스위치를 구비하고, 상기 제 3 스위치 및 제 4 스위치와 상기 교류 계통 사이에 제 5 스위치를 구비하고, 상기 권선형 유도 발전기와 상기 전력변환장치 사이에 제 6 스위치를 구비한 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치의 전력변환방법으로서, (a)제 1, 2, 3, 4, 5, 6 스위치를 모두 턴 오프시켜 초기화하는 단계; (b)상기 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치의 정상 상태 여부를 판단하는 단계; (c)상기 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치가 정상 상태라면, 신재생에너지원의 속도를 측정하는 단계; (d)신재생에너지원의 속도와 기준 속도와 비교하는 단계; (e)상기 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치가 정상 상태가 아니라면, 상기 제 6 스위치를 턴 온시켜 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치를 정지하는 단계; (f)신재생에너지원의 속도를 측정하여 상기 신재생에너지원의 속도가 기준 속도보다 큰 경우, 상기 보조 컨버터의 배터리부의 단자 전압이 기준 전압 이상인지 여부를 판단하는 단계; (g)상기 신재생에너지원의 속도가 기준 속도보다 크지 아니한 경우, (c)단계를 반복 수행하는 단계; (h)상기 배터리부의 단자 전압이 기준 전압 이상이면, 충전 완료상태로서 상기 제 2 스위치를 턴 온시켜 보조 컨버터와 직류 링크 커패시터를 연결하는 단계; (i)상기 배터리부의 단자 전압이 기준 전압 이상이 아니라면, 충전 미완료상태로서 상기 제 1 스위치를 턴 온시켜 상기 보조 컨버터에 의하여 기준 전압 이상까지 충전시키고 (f)단계로 진행하는 단계; (j)상기 (f)단계에서 직류 링크 커패시터가 충전되어, 상기 직류 링크 커패시터에 충전된 직류 전압을 계통측 컨버터에 의하여 교류 전압을 생성시키고 상기 제 3 스위치를 턴 온시켜 상기 교류 계통으로 전달하는 단계; (k)상기 권선형 유도 발전기에서 생성된 전압과 상기 계통측 컨버터에서 생성된 전압이 동기화되었는지 판단하는 단계; (l)상기 권선형 유도 발전기에서 생성된 전압과 상기 계통측 컨버터에서 생성된 전압이 동기화되었다면, 상기 제 4 스위치를 턴 온하는 단계; (m)상기 권선형 유도 발전기에서 생성된 전압과 상기 계통측 컨버터에서 생성된 전압이 동기화되지 아니하였다면, 발전기측 컨버터를 턴 온시켜 상기 발전기측 컨버터내의 d축 전류 크기를 조정하여 동기화시켜 상기 k)단계로 진행하는 단계; (n)상기 계통측 컨버터에서 생성된 전압이 상기 교류 계통까지 전달되도록 상기 제 5 스위치를 턴 온하는 단계; 및 (o)상기 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치의 정상 상태를 판단하는 b)단계를 반복 수행하는 단계를 포함하여 이루어진다.
이하, 본 발명의 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치의 구성 및 작용을 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면 번호에 상관없이 동일한 수단에 대하여는 동일한 참조번호를 사용하기로 한다.
도 4a는 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치의 구성도를 나타낸 도면이며, 도 4b는 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치의 일실시예를 나타낸 도면이며, 도 5는 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치의 권선형 유도 발전기의 구조를 나타낸 도면이며, 도 6은 권선형 유도 발전기와 동기 발전기를 일체형으로 구현하는 수단을 나타낸 도면이다.
첨부한 도 4a를 참조하면, 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치는 권선형 유도 발전기(100), 동기 발전기(200), 보조 컨버터(C3)(300), 전력변환장치(400), 제어부(500) 및 교류 계통(600)을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 권선형 유도 발전기(100)는 운동 에너지를 전기 에너지로 전환시키며, 상기 전력변환장치(400)는 권선형 유도 발전기와 연결되어 전기 에너지로 변환하여 교류 계통으로 공급하며, 상기 제어부(500)는 전력변환장치(400)를 PWM제어하며, 상기 교류 계통(600)은 전력변환장치(400)에서 공급된 교류 전원을 수용한다.
상기 권선형 유도 발전기(100)는 선형 방향의 운동 에너지를 가지는 신재생 에너지원(풍력, 조류력, 조력, 파력 등)으로부터 회전력을 가지는 운동 에너지로 변환시키는 블레이드와 같은 동력전달수단(미도시)과 연결되어 구성된다.
여기서 상기 권선형 유도 발전기(100)는 회전력을 가지는 운동 에너지를 전 기 에너지로 변환시키며, 상기 블레이드 주축에 증속기를 거쳐 상기 권선형 유도 발전기(100)의 축이 연결되는 구조이다.
첨부한 도 5를 참조하면, 상기 권선형 유도 발전기(100)는 1차 권선인 고정자(110)와 슬립 전력 제어용 2차 권선인 회전자(120)로 구성된다. 여기서 상기 고정자(110)는 권선형 유도 발전기(100)의 에너지 전달의 통로이며, 상기 회전자(120)는 슬립 전력을 제어한다.
첨부한 도 6을 참조하면, 권선형 유도 발전기(100)와 동기 발전기(200)가 일체형으로 연결된 구현예로서, 보조 전원을 확보할 수 있도록 주축으로 전달되는 회전력의 일부를 이용하여 상기 동기 발전기(200)를 회전시킨다. 여기서 상기 권선형 유도 발전기(100)와 상기 동기 발전기(200)는 도 6에서와 같이, 동일한 축을 공유하여 일체형으로 구성할 수 있으나 기어 등과 같은 수단을 이용하여 분리형으로도 구성할 수 있다.
상기 동기 발전기(200)는 전력변환장치(400)에서 요구하는 보조 전원을 확보하기 위한 발전기로서, 상기 권선형 유도 발전기(100)와 상기 전력변환장치(400)에서 요구하는 별도의 직류 전원을 독립적으로 확보하여 계통 전원이 없는 조건에서도 전력변환이 가능하도록 한다.
여기서 상기 동기 발전기(200)는 영구 자석을 내장하고 있는 유형과 권선을 내장하고 있는 유형으로 분류할 수 있는데, 영구 자석을 내장하고 있는 유형의 경우 회전수에 비례하는 출력 전압을 생성할 수 있으므로 영구 자석을 내장한 유형으 로 구성하는 것이 바람직하다.
상기 보조 컨버터(300)는 정류부(310), 평활 커패시터(320) 및 배터리부(330)로 구성되며, 상기 평활 커패시터(320)와 배터리부(330) 사이에 바이패스 저항(341)과 스위치(342)를 더 연결하여 구성된다. 이때 상기 보조 컨버터(300)는 상기 동기 발전기(100)와 연결되어 상기 동기 발전기(200)로부터 공급된 에너지를 직류 전원으로 변환하여 전력변환장치(400)로 공급한다.
여기서 상기 정류부(310)는 상기 동기 발전기(200)와 연결되어 교류를 직류로 변환하며, 상기 평활커패시터(320)는 상기 정류부(310)와 병렬로 연결되어 상기 정류부(310)를 통과한 출력 전원을 평활시킨다.
또한 상기 배터리부(330)는 상기 평활 커패시터(320)와 병렬로 연결되고 상기 전력변환장치의 직류 링크 커패시터(420)에 병렬로 연결되어 상기 평활 커패시터(320)를 통과한 출력 전원을 저장한다.
여기서 상기 바이패스 저항(341)은 상기 평활 커패시터(320)와 배터리부(330) 사이에 연결되어 상기 평활 커패시터(320)에 과충전된 전원을 바이패스하며, 상기 스위치(342)는 상기 바이패스 저항(341)에 직렬로 연결되어 상기 바이패스 저항을 선택적으로 동작시킨다.
특히, 본 발명은 상기 배터리부(330)에 저장된 직류 전원을 전력변환장치(400) 내의 직류 링크 커패시터(420)의 양단에 병렬로 연결함으로써 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치이 계통 전원과 관계없이 독립적으로 기동할 수 있는 에너지를 확보하도록 하는 점에 주안점이 있다.
상기 전력변환장치(400)는 발전기측 컨버터(generator-side converter)(410), 직류 링크 커패시터(420) 및 계통측 컨버터(grid-side converter)(430)를 포함하여 구성된다.
상기 발전기측 컨버터(410)는 권선형 유도 발전기(100)에서 생성된 교류 전원을 직류 전원으로 변환시키며, 상기 직류 링크 커패시터(420)는 상기 발전기측 컨버터(410)와 계통측 컨버터(430) 사이에 배치되어 상기 보조 컨버터(300)와 병렬로 연결되어 전기 에너지를 저장한다.
여기서 상기 직류 링크 커패시터(420)는 계통 전압과 관계없이 독립적으로(외부 전원없이) 상기 동기 발전기(200)를 이용하여 독립 전원을 발전시킴으로써 직류 링크단(전력변환장치 내의 P노드와 N노드 사이 단자)에 전압을 충전한다.
상기 계통측 컨버터(430)는 상기 발전기측 컨버터(410)에서 변환된 직류 전원을 다시 교류 전원을 변환시켜 교류 계통(600)으로 공급한다.
상술한 바와 같이, 독립 전원 방식을 택하는 경우에 있어서 독립 전원의 계통 용량이 작기 때문에 비선형 부하, 불평형 부하, 불평형 발전과 같은 조건으로 인하여 불평형 전압이 발생한다.
본 발명은 이러한 불평형 조건에서도 평형 전압을 발생시키도록 하기 위하여 종래의 3상 3선식의 컨버터(three-phase three-wire converter 또는 three-leg converter)에 부가적으로 4번째 레그(neutral leg)를 더 포함하는 3상 4선식 컨버터(three-phase four-wire converter 또는 four-leg converter) 구조를 가지는 계 통측 컨버터(430)를 제시한다.
상기 계통측 컨버터(430)는 불평형 조건에서 발생하는 영상 전압(zero sequence voltage)성분이나 영상 전류(zero sequence current)성분을 제어한다. 즉, 상기 계통측 컨버터(430)는 교류 계통(600)의 중성 전류(neutral current)를 제어할 수 있도록하는 영상 전압(zero sequence voltage)을 인가하는 구조이다.
구체적으로 상기 계통측 컨버터(430)는 4개의 레그와 각 레그마다 2개의 스위칭수단(431)을 가지는 3상 4선식 구조로 구성되며, 추가된 4번째 레그 중앙과 교류 계통의 중성점과 연결된다. 여기서 상기 스위칭수단(431)은 게이트 절연 바이폴라 트랜지스터(IGBT)로 구성되는 것이 바람직하다.
결국, 상기 계통측 컨버터(430)는 3상 4선식 컨버터의 구조로 구성됨으로써 본 발명에 따른 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치는 상술한 불평형 조건에 대하여 강인한 특성을 가지며, 상기 발전기측 컨버터(410)는 종전 방식과 동일하게 3상 3선식 구조를 사용한다.
또한 본 발명에 따른 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치은 발전기측 컨버터(410)가 3상 3선식 컨버터 구조를 가지고 계통측 컨버터(430)가 3상 4선식 컨버터 구조를 가지도록 구성함으로써, 1)권선형 유도 발전기(100)의 발전기측 컨버터(410)를 이용한 고정자의 유효 전력과 역률 제어, 2)계통측 컨버터(430)를 이용한 직류 링크 전압 제어와 계통 역률 제어를 계통 전압이 불평형한 조건에서도 정상적으로 수행한다.
상기 제어부(500)는 상기 전력변환장치(400)를 PWM제어하며, 본 발명에 따른 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치에서는 SVPWM(Space Vector Power Width Modulation)제어하는 것이 바람직하다. 상기 제어부(500)의 자세한 제어과정은 아래에서 설명한다.
상기 교류 계통(600)은 상기 전력변환장치(400)에서 공급된 교류 전원을 이용하며, 본 발명에 따른 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치에서는 비선형 부하 또는 불평형 부하에 의한 불평형 조건을 가진 교류 계통을 포함한다.
첨부한 도 4b를 참조하면, 본 발명에 따른 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치의 바람직한 일실시예로서 정류부(310), 평활 커패시터(320) 및 배터리부(330)를 포함하여 구성되는 보조 컨버터(300)와, 발전기측 컨버터(410), 직류 링크 커패시터(420) 및 계통측 컨버터(430)를 포함하여 구성되는 전력변환장치와, 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치의 구동을 위한 제 1 내지 6 스위치(SW1 ~ SW6)가 개시된다. 여기서 상기 제 2 스위치는 P단자와 N단자를 통하여 보조 컨버터(300)와 전력변환장치(400)를 연결한다.
이하 상기 3상 4선식 컨버터 구조를 가지는 계통측 컨버터(430)의 제어방법에 대하여 상세하게 설명한다.
도 7은 3상 4선식 계통측 컨버터를 갖는 전력변환장치로서 불평형 부하에서도 강인한 제어 특성을 갖도록 한 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치의 개략도이며, 도 8은 3상 4선식 계통측 컨버터의 SVPWM 제어 과정을 나타내는 블럭도이며, 도 9는 3상 4선식 계통측 컨버터의 좌표계 변환과 SVPWM 제어 과정을 통합하여 나타내는 블럭도이다.
첨부한 도 7을 참조하면, 계통측 컨버터(430)로부터 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.
Figure 112005078332798-pat00001
또한 폴 전압(pole voltage)과 오프셋 전압(offset voltage)으로부터 3상 레그와 추가된 4번째 레그 사이의 전압인 Vaf, Vbf, Vcf를 표현할 수 있다.
Figure 112005078332798-pat00002
여기서 3상 4선식 SVPWM(Space Vector Power Width Modulation)에서 넌제로 스위칭벡터(nonzero switching vector)를 샘플링 주기(Ts) 시간 중앙에 위치시키기 위한 상기 오프셋 전압 Vfn은 아래와 같이 설정된다.
Figure 112005078332798-pat00003
여기서 Vmin, Vmax, Vmid 은 아래와 같이 정의되는 함수이다. 또한 수학식 내의 전압 상단부에 표시된 별 표시는 전압의 기준값을 나타낸다.
Figure 112005078332798-pat00004
상술한 수학식들과 도 7을 참조하면, 상기 폴 전압(pole voltage)은 다음과 같은 범위로 제한되어야 한다.
Figure 112005078332798-pat00005
결국, 상기 수학식 3의 오프셋 전압은 다음과 같이 3개의 값 중에서 중간값 을 선택하는 함수를 이용하여 기준값으로 표현한다.
Figure 112005078332798-pat00006
상기 수학식 3 또는 수학식 6으로부터 결정되는 오프셋 전압값과 상기 수학식 1을 이용하면 각각의 폴 전압(Van, Vbn, Vcn)을 도출할 수 있다.
또한 폴 전압을 도출할 수 있는 바, 상기 계통측 컨버터(430)의 4개의 레그 상단 스위칭수단에 대한 on-time은 아래와 같이 도출된다.
Figure 112005078332798-pat00007
첨부한 도 8을 참조하면, 3상 4선식 컨버터로 구성되는 계통측 컨버터에 대한 PWM 제어방식(SVM 제어)에 대하여 상술한 수학식들의 도출과정에 대한 흐름을 나타낸다.
첨부한 도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치의 3상 4선식 구조를 가지는 계통측 컨버터(430)의 제어는 좌표계 변환과 SVPWM 방식에 의하여 수행되는 것을 알 수 있다.
여기서 "3Φ->2Φ"블럭은 a, b, c 3상 정지 좌표계에서 d, q 2상 정지좌표계로 변환하는 단계를 의미하며, "2Φ->3Φ"블럭은 d, q 2상 정지좌표계에서 a, b, c 3상 정지 좌표계로 변환하는 단계를 의미한다. 또한 "2Φ->2Φ"블럭은 d, q 2상 정지좌표계에서 d, q 2상 동기좌표계로 변환하는 단계를 의미하며, "2Φ->2Φ"블럭은 d, q 2상 동기좌표계에서 d, q 2상 정지좌표계로 변환하는 단계를 의미한다. 이 경우 사용된 좌표 변환수식은 공지된 수식이므로 상세한 설명을 생략한다.
또한 계통측 역률을 1로 제어하기 위하여 d축 전류 기준값(id e*)은 0으로 설정하고, 부하 전압이 항상 3상 평형이 유지되도록 제어하기 위하여 영상 성분 기준값(i0 e*)은 0으로 설정한다.
또한 q축 전류 기준값(iq e*)는 발전기측 컨버터(410)와 계통측 컨버터(430) 사이에 구비된 직류 링크 커패시터(420)에 저장된 전압이 일정하게 제어되도록 하는 출력값으로 설정한다.
이하 본 발명에 따른 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치에 대한 운전 제어방법으로서 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환방법에 대하여 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.
도 10은 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환방법의 흐름도를 나타낸 도면이다. 먼저 본 발명에 따른 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치는 동기 발전기 와 보조 컨버터 사이에 제 1 스위치를 구비하고, 상기 보조 컨버터와 전력변환장치 사이에 제 2 스위치를 구비하고, 상기 전력변환장치와 교류 계통 사이에 제 3 스위치를 구비하고, 권선형 유도 발전기와 상기 교류 계통 사이에 제 4 스위치를 구비하고, 상기 제 3 스위치 및 제 4 스위치와 상기 교류 계통 사이에 제 5 스위치를 구비하고, 상기 권선형 유도 발전기와 상기 전력변환장치 사이에 제 6 스위치를 구비한다(도 4b참조).
첨부한 도 10을 참조하면,(a)단계는 제 1, 2, 3, 4, 5, 6 스위치를 모두 턴 오프시켜 초기화한다.
(b)단계는 상기 권선형 유도 발전기(100) 제어용 전력변환장치의 정상 상태 여부를 판단한다. 여기서 독립 계통 전압을 측정함으로써 voltage dip, voltage swell, flicker 등에 대한 것을 조사하여 권선형 유도 발전기(100) 제어용 전력변환장치의 정상 상태 여부를 판단한다.
이 경우 전력변환장치(400)에 대한 정상 여부, 과풍속 또는 과유속 조건이 있는지 여부 등을 함께 고려하여 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치의 구동이 가능한 지를 판단한다.
(c)단계는 상기 권선형 유도 발전기(100) 제어용 전력변환장치가 정상 상태라면, 신재생에너지원의 속도를 측정한다. 여기서 신재생에너지원의 속도는 풍속 또는 유속 등을 의미한다.
(d)단계는 신재생에너지원의 속도와 기준 속도와 비교한다. 여기서 신재생에너지원의 속도는 풍속 또는 유속 등을 측정한 후, 권선형 유도 발전기 제어용 전 력변환장치의 구동 가능한 조건에 도달하였는지 여부를 판단하기 위하여 최소 풍속값(Cut-in speed)(또는 최소 유속값) 등의 기준값과 비교한다.
(e)단계는 상기 권선형 유도 발전기(100) 제어용 전력변환장치가 정상 상태가 아니라면, 상기 제 6 스위치를 턴 온시켜 권선형 유도 발전기(100) 제어용 전력변환장치를 정지한다.
(f)단계는 신재생에너지원의 속도를 측정하여 상기 신재생에너지원의 속도가 기준 속도보다 큰 경우, 상기 보조 컨버터(300)의 배터리부(330)의 단자 전압이 기준 전압 이상인지 여부를 판단한다.
여기서 상기 (c)단계에서 측정된 풍속(또는 유속)이 최소 풍속 기준값(또는 최소 유속 기준값) 보다 큰 경우에는 정상적으로 발전이 가능하므로 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치의 구동을 준비한다. 이를 위하여 하기 (h)단계에서 보조 컨버터(300)의 배터리부(330)의 충전 상태를 점검한다.
(g)단계는 상기 신재생에너지원의 속도가 기준 속도보다 크지 아니한 경우, (c)단계를 반복 수행한다.
(h)단계는 상기 배터리부(330)의 단자 전압이 기준 전압 이상이면, 충전 완료상태로서 상기 제 2 스위치를 턴 온시켜 보조 컨버터(300)와 직류 링크 커패시터(420)를 연결한다. 이렇게 상기 제 2 스위치를 턴 온함으로써 보조 컨버터(300)의 배터리부(330)에 충전된 에너지(전류와 전압)를 이용하여 상기 직류 링크 커패시터(420)를 충전시킨다.
(i)단계는 상기 배터리부(330)의 단자 전압이 기준 전압 이상이 아니라면, 충전 미완료상태로서 상기 제 1 스위치를 턴 온시켜 상기 보조 컨버터(300)에 의하여 기준 전압 이상까지 충전시키고 (f)단계로 진행한다. 이 경우는 상기 동기 발전기(200)를 이용하여 제 1 스위치를 턴 온시키고 보조 컨버터(300)에 의하여 충전이 되도록 한다.
(j)단계는 상기 (f)단계에서 직류 링크 커패시터(420)가 충전되어, 상기 직류 링크 커패시터(420)에 충전된 직류 전압을 계통측 컨버터(430)에 의하여 교류 전압을 생성시키고 상기 제 3 스위치를 턴 온시켜 상기 교류 계통(600)으로 전달한다. 여기서 생성된 교류 전압은 계통 주파수와 계통 전압을 가진 독립 전원이다.
(k)단계는 상기 권선형 유도 발전기(100)에서 생성된 전압과 상기 계통측 컨버터(430)에서 생성된 전압이 동기화되었는지 판단하고, (l)단계는 상기 권선형 유도 발전기(100)에서 생성된 전압과 상기 계통측 컨버터(430)에서 생성된 전압이 동기화되었다면, 상기 제 4 스위치를 턴 온한다.
(m)단계는 상기 권선형 유도 발전기(100)에서 생성된 전압과 상기 계통측 컨버터(430)에서 생성된 전압이 동기화되지 아니하였다면, 발전기측 컨버터(410)를 턴 온시켜 상기 발전기측 컨버터(410)내의 d축 전류 크기를 조정하여 동기화시켜 상기 k)단계로 진행한다.
(n)단계는 상기 계통측 컨버터(430)에서 생성된 전압이 상기 교류 계통(600)까지 전달되도록 상기 제 5 스위치를 턴 온하고, (o)단계는 상기 권선형 유도 발전기(100) 제어용 전력변환장치의 정상 상태를 판단하는 b)단계를 반복 수행한다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였지만 본 발명의 범위는 전형적인 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니며 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 개량, 변경, 대체 또는 부가하여 실시할 수 있는 것임은 당해 기술분야에 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 이러한 개량, 변경, 대체 또는 부가에 의한 실시가 이하의 첨부된 특허청구범위의 범주에 속하는 것이라면 그 기술사상 역시 본 발명에 속하는 것으로 보아야 한다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치에 의하면 주(main)발전기인 권선형 유도 발전기와 별도로 보조 발전기인 동기 발전기를 구비함으로써 계통 전원과 독립적으로 보조 전원을 확보하여 계통 전원을 필요로 하지 아니하므로 계통선과 먼 거리에 위치한 해상풍력발전, 조류발전, 파력발전 등과 같은 신재생에너지 시스템에서 권선형 유도 발전기를 적용하여 독자적인 계통을 구성하는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치에 의하면 계통측 컨버터를 3선 4선식 컨버터로 구성함으로써 불평형 조건에서도 신재생에너지원(풍력발전, 조류발전, 조력발전, 파력발전 등)을 정지시키지 아니하고 안정적인 평형 전압을 공급하여 발전하는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 권선형 유도 발전기와, 상기 권선형 유도 발전기의 전기 에너지를 변환하여 교류 계통으로 공급하는 전력변환장치와, 상기 전력변환장치를 PWM제어하는 제어부와, 상기 전력변환장치에서 공급된 교류 전원을 이용하는 교류 계통을 포함하여 구성되는 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치에 있어서,
    상기 권선형 유도 발전기와 별도로 독립적인 보조 전원을 발생시키는 동기 발전기;
    상기 동기 발전기로부터 공급된 에너지를 직류 전원으로 변환하여 상기 전력변환장치로 공급하는 보조 컨버터를 더 포함하되,
    상기 전력변환장치는
    상기 권선형 유도 발전기에서 전환된 전기 에너지의 교류 전원을 직류 전원을 변환시키는 발전기측 컨버터;
    상기 발전기측 컨버터와 계통측 컨버터 사이에 배치되어 상기 보조 컨버터와 병렬로 연결되어 전기 에너지를 저장하는 직류 링크 커패시터; 및
    상기 발전기측 컨버터에서 변환된 직류 전원을 다시 교류 전원으로 변환시켜 교류 계통으로 공급하는 계통측 컨버터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 보조 컨버터는
    상기 동기발전기와 연결되어 상기 동기 발전기에서 공급된 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 정류부;
    상기 정류부와 병렬로 연결되어 상기 정류부를 통과한 출력 전원을 평활시키는 평활 커패시터;
    상기 평활 커패시터와 병렬로 연결되고 상기 전력변환장치의 커패시터에 병렬로 연결되어 상기 평활 커패시터를 통과한 출력 전원을 저장하는 배터리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 평활 커패시터와 배터리부 사이에 연결되어 상기 평활 커패시터에 과충전된 전원을 바이패스하는 바이패스 저항;
    상기 바이패스 저항에 직렬로 연결되어 상기 바이패스 저항을 선택적으로 동작시키는 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전력변환장치의 계통측 컨버터는 4개의 레그와 각 레그마다 2개의 스위칭수단을 가지는 3상 4선식 구조 로 구성되는 것을 특징으로 하는 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치.
  5. 동기 발전기와 보조 컨버터 사이에 제 1 스위치를 구비하고, 상기 보조 컨버터와 전력변환장치 사이에 제 2 스위치를 구비하고, 상기 전력변환장치와 교류 계통 사이에 제 3 스위치를 구비하고, 권선형 유도 발전기와 상기 교류 계통 사이에 제 4 스위치를 구비하고, 상기 제 3 스위치 및 제 4 스위치와 상기 교류 계통 사이에 제 5 스위치를 구비하고, 상기 권선형 유도 발전기와 상기 전력변환장치 사이에 제 6 스위치를 구비한 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치의 전력변환방법으로서,
    (a)제 1, 2, 3, 4, 5, 6 스위치를 모두 턴 오프시켜 초기화하는 단계;
    (b)상기 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치의 정상 상태 여부를 판단하는 단계;
    (c)상기 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치가 정상 상태라면, 신재생에너지원의 속도를 측정하는 단계;
    (d)신재생에너지원의 속도와 기준 속도와 비교하는 단계;
    (e)상기 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치가 정상 상태가 아니라면, 상기 제 6 스위치를 턴 온시켜 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치를 정지하는 단계;
    (f)신재생에너지원의 속도를 측정하여 상기 신재생에너지원의 속도가 기준 속도보다 큰 경우, 상기 보조 컨버터의 배터리부의 단자 전압이 기준 전압 이상인지 여부를 판단하는 단계;
    (g)상기 신재생에너지원의 속도가 기준 속도보다 크지 아니한 경우, (c)단계를 반복 수행하는 단계;
    (h)상기 배터리부의 단자 전압이 기준 전압 이상이면, 충전 완료상태로서 상기 제 2 스위치를 턴 온시켜 보조 컨버터와 직류 링크 커패시터를 연결하는 단계;
    (i)상기 배터리부의 단자 전압이 기준 전압 이상이 아니라면, 충전 미완료상태로서 상기 제 1 스위치를 턴 온시켜 상기 보조 컨버터에 의하여 기준 전압 이상까지 충전시키고 (f)단계로 진행하는 단계;
    (j)상기 (f)단계에서 직류 링크 커패시터가 충전되어, 상기 직류 링크 커패시터에 충전된 직류 전압을 계통측 컨버터에 의하여 교류 전압을 생성시키고 상기 제 3 스위치를 턴 온시켜 상기 교류 계통으로 전달하는 단계;
    (k)상기 권선형 유도 발전기에서 생성된 전압과 상기 계통측 컨버터에서 생성된 전압이 동기화되었는지 판단하는 단계;
    (l)상기 권선형 유도 발전기에서 생성된 전압과 상기 계통측 컨버터에서 생성된 전압이 동기화되었다면, 상기 제 4 스위치를 턴 온하는 단계;
    (m)상기 권선형 유도 발전기에서 생성된 전압과 상기 계통측 컨버터에서 생성된 전압이 동기화되지 아니하였다면, 발전기측 컨버터를 턴 온시켜 상기 발전기측 컨버터내의 d축 전류 크기를 조정하여 동기화시켜 상기 k)단계로 진행하는 단계;
    (n)상기 계통측 컨버터에서 생성된 전압이 상기 교류 계통까지 전달되도록 상기 제 5 스위치를 턴 온하는 단계; 및
    (o)상기 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치의 정상 상태를 판단하는 b)단계를 반복 수행하는 단계를 포함하여 이루어진 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환방법.
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