KR100943696B1 - Method of controlling a wind turbine connected to an electric utility grid - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전기 유틸리티 그리드(9)에서 오동작하는 동안 전기 유틸리티 그리드에 연결된 풍력 터빈을 제어하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 상기 전기 유틸리티 그리드에서 오동작을 검출하는 단계 및 최소한 하나의 전원 변환 한계 값에 관한 상기 전력 변환장치(12)의 최소한 두 개의 제어 유닛을 동작하는 단계를 포함한다. 본 발명은 유틸리티 그리드에 연결된 풍력 터빈을 위한 제어 시스템 및 풍력 터빈에 관한 것이다.
The present invention relates to a method of controlling a wind turbine connected to an electric utility grid during a malfunction in the electric utility grid 9. The method includes detecting a malfunction in the electrical utility grid and operating at least two control units of the power converter 12 with respect to at least one power conversion limit value. The present invention relates to a control system and a wind turbine for a wind turbine connected to a utility grid.
Description
본 발명은 전기 유틸리티 그리드의 오작동시 상기 전기 유틸리티 그리드에 연결된 풍력 터빈을 제어하는 방법, 청구항 제10항의 전제부에 따른 제어 시스템, 및 청구항 제15항의 전제부에 따른 풍력 터빈에 관한 것이다.The present invention relates to a method of controlling a wind turbine connected to said electric utility grid in the event of a malfunction of the electric utility grid, a control system according to the preamble of
전형적으로, 전력을 생성하여 풍력 터빈과 멀리 떨어진 소비자에게 공급할 수 있게 하기 위하여 상기 풍력 터빈은 전기 유틸리티 그리드에 연결된다. 상기 전력은 유틸리티 그리드 송전 또는 배전 선을 통하여 소비자에게 보내진다.Typically, the wind turbine is connected to an electrical utility grid to generate power and supply it to consumers away from the wind turbine. The power is sent to the consumer via utility grid transmission or distribution lines.
전력 생성 수단에 연결된 풍력 터빈 및 다른 유틸리티 그리드는 일반적으로 그리드 단로기(grid disconnection switch)에 의하여 상기 유틸리티 그리드의 오동작으로부터 보호된다. 상기 단로기는 오동작의 검출시 상기 유틸리티 그리드로부터 상기 풍력 터빈을 단로시킨다. 상기 오동작은 가령, 그리드 전압의 공칭 값(nominal value)에 대하여 전압 강하 +/- 5% 이상의 어떤 특유한 한계를 넘는 그리드 변이로서 정의될 수 있다.Wind turbines and other utility grids connected to the power generating means are generally protected from malfunctions of the utility grid by grid disconnection switches. The disconnector disconnects the wind turbine from the utility grid upon detection of a malfunction. The malfunction can be defined, for example, as a grid shift over some specific limit of voltage drop +/- 5% or more with respect to the nominal value of the grid voltage.
유틸리티 그리드에서 오동작은 가령, 유틸리티 그리드에서 가장 일반적으로 알려진 전력 외란에 속하는 새그(sag)나 "브라운아웃(brownout)" 같은 짧은 시간 내에서의 몇 번의 상당한 전압 강하를 어느 정도의 빈도로 포함할 수 있다.Malfunctions in the utility grid can include, to some extent, several significant voltage drops within a short period of time, such as sags or "brownouts," which are among the most common known power disturbances in the utility grid. have.
풍력 터빈의 그리드 단로로 인한 문제는 풍력 터빈 발전기로부터의 전력 생성의 손실에 의하여 전압 변화의 크기나 지속시간이 증가될 수 있다는 사실이다. 게다가, 상기 풍력 터빈이 유틸리티 그리드에 다시 연결되기 전에 단로된 풍력 터빈은 일정한 시간을 요한다. 풍력 터빈의 단로는 풍력 터빈으로부터의 전력의 생성에 영향을 미치고 따라서 수익성에 영향을 미친다.The problem with grid disconnection of wind turbines is the fact that the magnitude or duration of voltage changes can be increased by the loss of power generation from the wind turbine generator. In addition, disconnected wind turbines require some time before the wind turbine is reconnected to the utility grid. The disconnection of the wind turbine affects the generation of power from the wind turbine and thus the profitability.
선행 기술에는 한 번의 짧은 그리드 오동작에 대한 풍력 터빈의 순간 보상을 위하여 다른 해결책이 제시되어 있다. 그러나, 유틸리티 그리드의 전압이 갑자기 사라지고 그리드로부터 단로되는 경우 최신의 변속 풍력 터빈은 손상을 받을 수 있다. 풍력 터빈 발전기의 회전자 측에서 또는 주파수 변환기에서 급상승 전압에 의하여 손상이 가해질 수 있다. 게다가 대량의 전류 흐름, 특히 주파수 변환기로의 대랑의 전류 흐름 때문에 그리드 전압이 복귀될 때에 풍력 터빈에 손상이 가해질 수 있다.Other solutions have been proposed in the prior art for instantaneous compensation of wind turbines for one short grid malfunction. However, modern variable speed wind turbines can be damaged if the voltage on the utility grid suddenly disappears and disconnects from the grid. Damage may be caused by the surge voltage at the rotor side of the wind turbine generator or at the frequency converter. In addition, wind turbines can be damaged when the grid voltage returns due to the large current flow, especially the large current flow into the frequency converter.
독일 특허 출원 제DE-A 102 06 828호에 개시된 종래 기술에는 정류기 및 인버터 회로 사이의 DC 링크에 있고 DC 링크의 커패시터와 병렬로 연결된 레지스터와 전력 트랜지스터의 사용이 제안되어 있다. 상기 레지스터는 커패시터를 방전하고 그래서 짧은 전압 스파이크를 제거하기 위하여 개폐될 수 있다.The prior art disclosed in DE-A 102 06 828 proposes the use of resistors and power transistors in the DC link between the rectifier and inverter circuits and connected in parallel with the capacitors of the DC link. The resistor can be opened and closed to discharge the capacitor and thus eliminate short voltage spikes.
본 발명의 목적 중의 하나는 전기 유틸리티 그리드의 심각한 오동작 동안 상기 언급한 단점 없이 풍력 터빈을 제어하는 기술을 확립하는 것이다. One of the objects of the present invention is to establish a technique for controlling wind turbines without the above mentioned disadvantages during severe malfunctions of the electric utility grid.
특히 유동적이고 따라서 고장 상태와 관계없이 오동작을 제거한 즉시뿐만 아 니라 유틸리티 그리드 오동작 동안에 풍력 터빈을 보호하는 기술을 창안하는 것이 본 발명의 목적이다.It is an object of the present invention to create a technique which is particularly flexible and thus protects wind turbines during utility grid malfunctions as well as immediately upon removal of the malfunctions regardless of the fault condition.
본 발명은 전기 유틸리티 그리드의 오동작 동안에 상기 전기 유틸리티에 연결된 풍력 터빈을 제어하는 방법에 관한 것이며, 상기 방법은 최소한 하나의 전력 변환장치 한계 값에 관련하여 상기 전력 변환장치의 최소한 두 개의 제어 유닛을 동작시키는 단계를 포함한다.The present invention relates to a method of controlling a wind turbine connected to said electric utility during a malfunction of an electric utility grid, said method operating at least two control units of said power converter in relation to at least one power converter limit value. It comprises the step of.
이로써, 상기 언급한 단점을 포함하지 않는 방법이 확립된다. 매우 많은 수의 다른 접근이 그리드 고장 및 그의 정확한 결과를 다루는데 선택될 수 있는 그리드 고장 동안에 상기 방법이 보호 수단의 보다 유동적인 제어를 허용한다는 점이 이점이다.This establishes a method that does not include the above mentioned disadvantages. It is an advantage that the method allows more flexible control of the protection means during grid failure, where a very large number of different approaches can be chosen to deal with grid failures and their exact consequences.
특히, dV/dt 값을 줄이고 따라서 가령 전력 변환장치의 변환에 손상을 줄 수 있는 전압이나 전류 스파크를 회피하는 것이 가능하다.In particular, it is possible to reduce the dV / dt value and thus avoid voltage or current sparks, which can damage the conversion of the power converter, for example.
본 발명의 일면에서, 최소 및 최대 한계 전압 값 사이에서 DC 링크의 전압 값을 유지하기 위하여 상기 전력 변환장치에서 DC 링크의 최소 및 최대 한계 전압 값에 관련하여 상기 최소한 두 개의 제어 유닛이 동작된다. 이로써, 오동작의 결과를 만족시키고 억제하기 위하여 전압, 온도 값 또는 상기 변환기를 나타내는 추가 작업 값에 관련하여 제어 유닛을 더하거나 빼는 것이 가능하다.In one aspect of the invention, the at least two control units are operated in relation to the minimum and maximum limit voltage values of the DC link in the power converter to maintain the voltage value of the DC link between the minimum and maximum limit voltage values. This makes it possible to add or subtract the control unit in relation to the voltage, temperature value or further working value representing the transducer in order to satisfy and suppress the result of the malfunction.
본 발명의 일면에서, 상기 제어 유닛은 전기 발전기, 및 DC 링크의 상기 최소 또는 최대 한계 값의 도달시 전기 발전기와 전기 유틸리티 그리드로부터 전력 변환장치를 단로시키도록 동작되는 전력 변환장치의 그리드 측 회로를 포함한다. 이로써, 만약 그리드 고장이 너무 심각해서 유틸리티 및 그리드로부터 단로없이 순간 보상할 수 없는 경우라도 전력 변환장치를 보호하는 것은 가능하다. 게다가, 유틸리티 그리드의 정상 기능으로의 복귀시 전력 변환장치의 초기 작업 값이 될 DC 링크 전압 및 변환기 주파수 값과 같은 어떤 최소 값을 유지하는 것이 가능하다.In one aspect of the invention, the control unit comprises a grid side circuit of an electrical generator and a power converter operable to disconnect the power converter from the electrical generator and the electrical utility grid upon reaching the minimum or maximum limit value of the DC link. Include. In this way, it is possible to protect the power converter even if the grid failure is so severe that it cannot be compensated instantaneously from the utility and grid without disconnection. In addition, it is possible to maintain some minimum value, such as the DC link voltage and converter frequency value, which will be the initial working value of the power converter upon return to the utility grid's normal function.
본 발명의 일면에서, 상기 제어 유닛은 상기 전력 변환장치에서 DC 링크의 버스바(busbar) 사이에 최소한 하나의 레지스터를 연결하는 하나 이상의 레지스터 블록을 더 포함한다. 이로써, 레지스터를 통하여 전력을 DC 링크의 커패시터로부터 접지면으로 전력을 보내고 따라서 DC 링크 전압을 줄이는 것이 가능하다.In one aspect of the invention, the control unit further comprises at least one register block connecting at least one register between the busbars of the DC link in the power converter. In this way, it is possible to transfer power from the capacitor of the DC link to the ground plane through the resistor and thus reduce the DC link voltage.
본 발명의 일면에서, 상기 버스바에 연결되게끔 상기 최소한 하나의 레지스터는 개폐가능하다. 이로써, 레지스터 블록의 계속적인 동작에 관련하여 상기 레지스터 블록에 직면하는 부담을 줄이는 것이 가능하다.In one aspect of the invention, the at least one resistor is openable to be connected to the busbar. This makes it possible to reduce the burden facing the register block with respect to the continued operation of the register block.
본 발명의 일면에서, 상기 각각의 레지스터 블록은 DC 링크의 전압 값에 의존하는 주파수로 개폐된다. 이로써, 레지스터 블록 및 상기 전력 변환장치의 스위치에 관련하여 상기 전력 감소를 최적화하는 것이 가능하다.In one aspect of the invention, each register block is opened and closed at a frequency that depends on the voltage value of the DC link. This makes it possible to optimize the power reduction with respect to the register block and the switch of the power converter.
본 발명의 일면에서, DC 링크의 전압 값이 상승할 때 상기 레지스터 블록은 연속적으로 활성화된다. 이로써 상기 블록을 고장 상태의 관련 값에 적응시키는 것이 가능하다.In one aspect of the invention, the resistor block is continuously activated when the voltage value of the DC link rises. This makes it possible to adapt the block to the relevant value of the fault condition.
본 발명의 일면에서, 상기 각각의 레지스터 블록은 제한된 기간에 활성화된다. 이로써, 상기 블록이 제어 시스템에 손상을 주는 매우 긴 기간 동안 동작되지 않게 하는 것이 가능하다.In one aspect of the invention, each register block is activated for a limited period of time. This makes it possible to render the block inoperable for a very long period of time which damages the control system.
본 발명의 일면에서, 상기 각각의 레지스터 블록은 블록 온도에 관련하여 동작되고 활성화된다. 이로써, 상기 블록을 더 정확하게 제어하고 따라서 상기 블록의 활성 기간을 연장하는 것이 가능하다.In one aspect of the invention, each register block is operated and activated with respect to the block temperature. This makes it possible to control the block more precisely and thus to extend the active period of the block.
본 발명은 또한 제어 시스템에 관한 것으로서, 상기 시스템은 상기 오동작 동안에 최소한 하나의 전력 변환장치 한계 값에 관련하여 제어되는 상기 전력 변환장치의 최소한 두 개의 제어 유닛을 더 포함한다. 이로써, 유리한 제어 시스템이 확립된다.The invention also relates to a control system, the system further comprising at least two control units of the power converter controlled in relation to at least one power converter limit value during the malfunction. This establishes an advantageous control system.
본 발명의 일면에서, 상기 최소한 두 개의 유닛은 복수의 레지스터 블록을 포함하는 것으로, 각 블록은 최소한 하나의 레지스터와 스위치를 포함한다. 이로써, 개별적으로 상기 블록을 제어하고 상기 전력 감소를 최적화하는 것이 가능하다.In one aspect of the invention, the at least two units comprise a plurality of register blocks, each block comprising at least one register and a switch. This makes it possible to control the blocks individually and to optimize the power reduction.
본 발명의 일면에서, 상기 레지스터 블록이 온도 측정 수단을 더 포함한다.In one aspect of the invention, the resistor block further comprises a temperature measuring means.
본 발명의 일면에서, 상기 최소한 두 개의 유닛은 또한 상기 발전기, 및 상기 전력 변환장치의 DC 링크에 의하여 상호간에 연결되는 전력 변환장치의 그리드 측 회로를 포함한다.In one aspect of the invention, the at least two units also comprise a grid side circuit of the power converter which is connected to each other by the generator and the DC link of the power converter.
본 발명의 일면에서, 상기 시스템은 DC 링크 전압 값을 측정하는 수단 및 상기 값을 상기 전력 변환장치에서 DC 링크의 최소 또는 최대 한계 전압 값과 같은 한계 값과 비교하기 위한 수단을 포함한다.In one aspect of the invention, the system comprises means for measuring a DC link voltage value and means for comparing the value with a limit value, such as a minimum or maximum limit voltage value of the DC link at the power converter.
본 발명은 또한 최소한 하나의 전력 변환장치 한계 값에 관련하여 통제되는 상기 전력 변환장치의 최소한 두 개의 유닛을 포함하는 풍력 터빈에 관한 것이다.The invention also relates to a wind turbine comprising at least two units of said power converter controlled in relation to at least one power converter limit value.
본 발명의 일면에서, 상기 전력 변환장치의 상기 최소한 두 개의 유닛은, 가령 엔진실의 다른 위치와 같이 서로의 떨어져서 위치한다. 이로써 각 유닛의 필요한 냉각 수단의 크기를 최소화할 뿐 아니라 다른 유닛으로부터 열 영향을 제거하는 것이 가능하다.In one aspect of the invention, the at least two units of the power converter are located away from each other, such as in other locations in the engine compartment. This makes it possible to minimize the size of the required cooling means of each unit as well as to remove heat influences from other units.
본 발명은 도면을 참조하여 이하에서 설명될 것이다.The invention will be explained below with reference to the drawings.
도 1은 대형의 최신 풍력 터빈을 나타낸다.1 shows a large modern wind turbine.
도 2는 유틸리티 그리드에 연결된 주파수 변환기를 갖는 풍력 터빈 발전기의 본 발명에 따른 실시예를 나타낸다.2 shows an embodiment according to the invention of a wind turbine generator having a frequency converter connected to a utility grid.
도 3은 주파수 변환기의 부분을 나타낸다.3 shows a part of a frequency converter.
도 4a 및 4b는 과-전압 제어 유닛 및 상기 유닛을 위한 게이트 드라이버 제어 신호의 예를 개략적으로 나타낸다.4A and 4B schematically show an example of an over-voltage control unit and a gate driver control signal for the unit.
도 5는 과-전압 제어 유닛을 위한 제어 시스템을 나타낸다.5 shows a control system for an over-voltage control unit.
도 6은 유틸리티 그리드 고장시 유틸리티 그리드 전압의 곡선 및 중간 DC 전압의 대응하는 곡선을 나타낸다.6 shows the curve of the utility grid voltage and the corresponding curve of the intermediate DC voltage upon utility grid failure.
도 7은 과-전압 유닛의 게이트 드라이버 제어 신호 및 중간 DC 전압의 대응하는 곡선을 나타낸다.7 shows the corresponding curve of the gate driver control signal and the intermediate DC voltage of the over-voltage unit.
도 8은 유틸리티 그리드 고장시 풍력 터빈의 온도 곡선을 나타낸다.8 shows the temperature curve of a wind turbine in the event of a utility grid failure.
도 1은 타워(2)와 타워의 윗부분에 위치한 풍력 터빈 엔진실(3)이 있는 최신 풍력 터빈(1)을 나타낸다. 세 개의 풍력 터빈 블레이드를 포함하는, 상기 풍력 터빈 회전자(5)는 엔진실 앞 부분으로 뻗은 저속 축을 통하여 엔진실과 연결된다.1 shows a
도면에서 나타나있듯이, 특정 레벌 이상의 바람은 블레이드에 유도된 리프트 때문에 풍력 터빈 회전자를 활성화시키고 바람과 수직인 방향으로 회전하는 것을 가능하게 한다. 상기 회전 움직임은 전력으로 변환되고, 이것은 유틸리티 그리드에 공급된다.As shown in the figure, winds above a certain level enable the wind turbine rotor and rotate in a direction perpendicular to the wind due to the blade-induced lift. The rotational movement is converted into power, which is fed to the utility grid.
도 2는 이중의 공급 유도 발전기(6) 및 상기 발전기의 회전자에 연결된 주파수와 전력 변환장치(12)를 포함하는 변속 풍력 터빈의 바람직한 실시예를 나타낸다.2 shows a preferred embodiment of a variable speed wind turbine comprising a dual
상기 전기 발전기(6)는 3 상 변압기(8)와 단로기(11)를 통하여 유틸리티 그리드에 연결되는 고정자(7)를 포함하고, 그리고 직접적으로 유틸리티 그리드에 PSt(액티브 고정자 전력) 및 QSt(리액티브 고정자 전력)인 전력을 제공하거나 유틸리티 그리드로부터 전력을 받을 수 있다.The
상기 발전기의 회전자는 저속 축, 전동 수단 및 고속 축(미도시)을 통하여 풍력 터빈 회전자(5)(도 1에 도시)에 의하여 기계적으로 구동된다. 게다가, 회전자는 전기적으로 주파수 변환기(12)에 연결된다. 주파수 변환기(12)는 가변 AC 전압을 중간 DC 전압으로 그리고 이어서 고정 주파수를 갖는 고정 AC 전압으로 변환시킬 수 있다.The rotor of the generator is mechanically driven by wind turbine rotor 5 (shown in FIG. 1) via a low speed shaft, a transmission means and a high speed shaft (not shown). In addition, the rotor is electrically connected to the
주파수 변환기(12)는 발전기(6)의 AC 전압을 DC 링크(14)의 DC 전압으로 정류하거나 DC 전압을 발전기의 회전자에 공급되는 AC 전압으로 바꾸기 위하여 회전자 측 변환기 회로(13)를 포함한다. DC 링크는 DC 링크 커패시터(C)를 통해 DC 전압을 평활화시킨다. 상기 그리드 측 변환기 회로(15)는 DC 전압을 바람직한 주파수를 갖는 AC 전압으로 바꾸거나 그 역으로 바꾼다. 결과적인 AC 전압 및 바람직한 주파수를 갖는, Pr(액티브 회전자 전력) 및 Qr(리액티브 회전자 전력)인 회전자(15) 전력은 변압기(8)를 통해 유틸리티 그리드로(또는 그리드로부터) 전달된다.The
풍력 터빈은 발전기에서 변화하는 바람과 풍력 터빈 회전자 속도와 관계없이 일정한 전압과 주파수로 발전기에서 유틸리티 그리드로 전력을 공급하도록 제어될 수 있다.The wind turbine can be controlled to supply power from the generator to the utility grid at a constant voltage and frequency, regardless of the wind and wind turbine rotor speed varying from the generator.
상기 DC 링크는 최소한 두 개의 과-전압 제어 유닛(B1, Bn), DC 링크의 두 개의 버스 바 사이에 연결되는, 레지스터 블록을 포함한다. 각 제어 유닛은 DC 링크 커패시터(C)와 병렬로 연결되고 직렬 연결로 최소한 레지스터(R) 및 제어가능한 전력 스위치(SP)를 포함한다. 제어 유닛의 당해 실시예는 레지스터와 전력 스위치를 위한 역(anti) 병렬 다이오드를 또한 포함한다. 상기 전력 스위치는 레지스터를 통하여 전류를 보내고 이로써 레지스터에서 전력(P1, Pn )을 소모하기 위하여 턴 온 및 턴 오프될 수 있다. 제어 유닛의 레지스터를 통하여 전류를 보내는 것에 의하여 DC 링크 커패시터로부터 전하가 제거됨에 따라 DC 링크 전압(UDC)은 낮아질 수 있다. 결과적으로, 전기 발전기에 의하여 발생하는 전력은 일부 또는 모든 전 력(PR)을 유틸리티 그리드에 보내는 것이 가능하지 않은 기간 동안에 과-전압 제어 유닛에서 전력(P1, Pn)으로서 소모될 수 있다.The DC link comprises at least two over-voltage control units (B1, Bn), a resistor block, connected between two bus bars of the DC link. Each control unit is connected in parallel with the DC link capacitor C and includes at least a resistor R and a controllable power switch SP in series connection. This embodiment of the control unit also includes an anti parallel diode for the resistor and the power switch. Wherein the power switch is to send a current through the resistor thereby to be turned on and off in order to consume the electric power (P 1, P n) in the register. The DC link voltage U DC can be lowered as charge is removed from the DC link capacitor by sending a current through the resistor of the control unit. As a result, the power generated by the electric generator can be consumed as power P 1 , P n in the over-voltage control unit during periods when it is not possible to send some or all of the power P R to the utility grid. .
가령, 풍력 터빈에 대한 유지 작업이나 유틸리티 그리드에서의 고립 상황과 관련하여 고정자와 회전자의 단로기(11)는 전기 발전기가 유틸리티 그리드로부터 단로되게 한다. 게다가, 상당한 전압 강하와 관련된 그리드 고장이 더 긴 기간 동안 지속된다면 풍력 터빈은 유틸리티 그리드와 단로될 수 있다.For example, the
도 3은 회전자 측 변환기 회로 및 DC 링크의 분기를 포함하는 주파수 변환기의 부분을 나타낸다. 상기 분기는 3-상 펄스 폭 변조(PWM) 주파수 변환기의 위상이고 역(anti)-병렬 다이오드를 갖는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)와 같은 두 개의 전력 스위치(SP)를 포함한다.3 shows a portion of a frequency converter comprising a rotor side converter circuit and a branch of the DC link. The branch includes two power switches SP, such as an insulated gate bipolar transistor (IGBT) with a phase of a three-phase pulse width modulation (PWM) frequency converter and having an anti-parallel diode.
DC 링크 커패시터(C) 및 최소한 두 개의 과-전압 제어 유닛(B1, Bn)은 DC 링크의 정(+) 및 부(-) 버스바와 연결된다.The DC link capacitor C and at least two over-voltage control units B 1 , B n are connected to the positive and negative busbars of the DC link.
게다가, 상기 도면은 전력이 최소한 두 개의 과-전압 제어 유닛(B1, Bn)의 레지스터들에서 얼마나 소모되는지 그래서 DC 링크 전압을 낮추는지를 개략적으로 나타난다. 상기 유닛의 스위치는 상기 전력이 이하에서 더 설명되겠지만 상기 유닛을 포함하는 주파수 변환기의 과-전압 값 및/또는 온도에 관련하여 동시에 또는 다른 기간에 레지스터에서 소모될 수 있도록 제어된다.In addition, the figure shows schematically how much power is consumed in the resistors of at least two over-voltage control units B 1 , B n and thus lowers the DC link voltage. The switch of the unit is controlled such that the power may be consumed in a resistor at the same time or in different periods in relation to the over-voltage value and / or temperature of the frequency converter comprising the unit, as will be described further below.
도 4a 및 도 4b는 상기 유닛을 제어하는 게이트 드라이버 제어 신호(G1, G2)의 예를 갖는 과-전압 제어 유닛을 개략적으로 나타낸다.4A and 4B schematically show an over-voltage control unit having an example of gate driver control signals G1 and G2 for controlling the unit.
도 4a는 DC 링크(14)의 버스바 시스템과 연결되고 DC 링크 커패시터(C)와 병렬로 연결된 4 개의 과-전압 제어 유닛(B1 내지 B4)에 관한 본 발명의 실시예를 나타낸다.4A shows an embodiment of the invention with respect to four over-voltage control units B 1 to B 4 connected in parallel with the busbar system of the
각각의 제어 유닛은 레지스터(R)와 게이트 드라이버 제어 신호(G1 또는 G2)에 의하여 제어되는 스위치(SP)를 포함하는 것으로 개략적으로 도시된다. 제1 제어 신호(G1)는 제1의 두 개의 제어 유닛(B1, B2) 즉 같은 양의 전력이 다른 위치의 유닛 가령, 엔진실이나 풍력 터빈의 타워 내부에서 소모되는 것을 제어하는데 사용된다. 제2 제어 신호(G2)는 최종의 두 개의 제어 유닛(B3, B4)즉, 같은 양의 전력이 다른 위치 유닛에서 소모되는 것을 제어하는데 사용된다.Each control unit is schematically shown as comprising a switch SP controlled by a register R and a gate driver control signal G1 or G2. The first control signal G1 is used to control the first two control units B 1 , B 2 , ie the same amount of power is consumed inside a unit in a different location, for example an engine room or a tower of a wind turbine. . The second control signal G2 is used to control the last two control units B 3 , B 4 , ie the same amount of power is consumed in different location units.
도 4b는 상기 유닛을 제어하는 게이트 드라이버 제어 신호(G1, G2)의 예를 나타낸다. 상기 도면은 일정 기간에 낮은 오프(off) 값을 높은 온(on) 값으로 변화시키는 제1 신호(G1)를 나타내는 것으로 그것에 의하여 과-전압 제어 유닛(B1 및 B2)이 전력을 소모할 것이다. 이어서, 제2 신호(G2)는 일정 기간에 낮은 오프 값을 높은 온 값으로 변화시키고 그것에 의하여 과-전압 제어 유닛(B3 및 B4)은 전력을 소모할 것이다.4B shows an example of gate driver control signals G1 and G2 for controlling the unit. The figure shows a first signal G1 which changes a low off value to a high on value in a certain period, whereby the over-voltage control units B1 and B2 will consume power. Subsequently, the second signal G2 will change the low off value to a high on value in a certain period, whereby the over-voltage control units B 3 and B 4 will consume power.
상기의 예는 기간이 다른 지속기간인, 즉 다른 양의 전력이 제어 유닛에서 소모되는 다른 기간에서 전력을 소모하기 위하여 과-전압 제어 유닛이 제어된다는 점을 나타낸다.The above example indicates that the over-voltage control unit is controlled to consume power at different durations of different durations, ie different amounts of power are consumed at the control unit.
그러나, 가령 같거나 다른 값의 레지스터를 이용하는 것과 같거나 다른 시간 시간으로 제어하는 것과 같이 개별적인 제어 유닛에 대한 많은 전략이 선택될 수 있다. 레지스터 값 및 기간의 선택으로 제어 유닛이 가령 각 유닛에서 같은 양의 전력 또는 다른 양의 전력에 직면하는 전력의 양을 나누는 것이 가능하다.However, many strategies can be selected for the individual control unit, such as for example, using a register of the same or different value, or controlling at different time times. The choice of register value and duration makes it possible for the control unit to divide the amount of power which, for example, faces the same or different amounts of power in each unit.
도 5는 본 발명에 따른 과-전압 제어 유닛에 대한 제어 시스템의 실시예를 나타낸다.5 shows an embodiment of a control system for an over-voltage control unit according to the invention.
상기 시스템은 전기 유틸리티 그리드(UNet)의 측정된 전압 값, 주파수 변환기(12)의 DC 링크 전압 값(UDC) 및 제어 유닛(B1-Bn)의 온도와 같은 측정 수단으로부터의 마이크로프로세서 에 대한 많은 입력 값들을 포함한다. The system comprises a microprocessor from measuring means such as the measured voltage value of the electrical utility grid U Net , the DC link voltage value U DC of the
상기 마이크로프로세서는 파라미터와 데이터 저장소(PS)와의 연결을 더 포함하는 것으로 상기 저장소는 최대 및 최소 DC 링크 전압 값 및 온도 값과 같은 한계 및 임계값을 보관할 수 있다.The microprocessor further includes a parameter and a connection to the data store PS, which store the limits and thresholds such as maximum and minimum DC link voltage values and temperature values.
최대값은 주파수 변환기의 스위치를 위한 위험하고 잠재적으로 손상을 주는 과-전압을 정의한다. 상기 최소값은 주파수 변환기의 스위치를 통해 흐를 위험하고 잠재적으로 손상을 주는 전류를 발생시키는 부족-전압을 정의한다.The maximum value defines a dangerous and potentially damaging over-voltage for the switch of the frequency converter. The minimum value defines an under-voltage that generates a dangerous and potentially damaging current that flows through the switch of the frequency converter.
온도 한계 값은 온도 값을 정의하는 것으로 제어 유닛이나 주파수 변환기 자체가 손상을 입을 수 있다. 상기 한계 값은 또한 제어 유닛이 능동적이고 전력에 직면하는 가장 긴 기간과 같은 시간 값을 포함할 수 있다. 게다가, 임계 전압 또는 온도 값은 상기 저장소에 저장될 수 있는 것으로, 값들이 더 많은 제어 유닛을 활성화하는 것과 같이 동작을 초기화시켜야 하는 상황을 정의한다.The temperature limit value defines a temperature value that can damage the control unit or the frequency converter itself. The limit value may also include a time value, such as the longest period in which the control unit is active and facing power. In addition, a threshold voltage or temperature value may be stored in the reservoir, defining a situation in which values should be initiated such as activating more control units.
주파수 변환기의 스위치를 위하여 가령, 풍력 터빈의 이중의 공급 유도 발전기의 회전자 전류를 제한하기 위하여 제어 신호의 더 짧은 종단을 나타내는 과-전류 값과 같은 다른 값들은 저장소에 저장될 것이다.Other values such as an over-current value representing a shorter termination of the control signal for the switch of the frequency converter, for example to limit the rotor current of the dual feed induction generator of the wind turbine, will be stored in the reservoir.
마이크로프로세서는 측정되고 저장되는 값에 관련하여 게이트 드라이버(GD1-GDn)를 통하여 많은 제어 유닛(B1-Bn)을 제어한다. 상기 도면은 각 게이트 드라이버가 두 개의 제어 유닛을 제어하고 보통 제어 유닛의 스위치를 위해 같은 게이트 드라이버 제어 신호를 갖는 것을 나타낸다. 그러나, 각 제어 유닛은 개별적으로 마이크로프로세서에 의하여 제어될 수 있고 게이트 드라이버나 두 개 이상의 유닛은 단지 하나의 게이트 드라이버에 의하여 제어될 수 있다는 점을 이해해야 한다. 제어 시스템의 바람직한 실시예는 두 개 또는 네 개의 제어 유닛과 연관될 수있지만 가령 매우 높은 전력 주파수 변환기에서 더 많은 유닛과 같이 주어진 애플리케이션에서 이점이 있다면 다른 갯수가 선택될 수 있다.The microprocessor controls many control units B1-Bn through gate drivers GD 1 -GD n in relation to the values to be measured and stored. The figure shows that each gate driver controls two control units and usually has the same gate driver control signal for the switch of the control unit. However, it should be understood that each control unit can be individually controlled by a microprocessor and the gate driver or two or more units can be controlled by only one gate driver. Preferred embodiments of the control system may be associated with two or four control units, but other numbers may be chosen if there is an advantage in a given application, such as more units in very high power frequency converters.
도 6은 유틸리티 그리드 전압(UNet)에 대한 곡선과 유틸리티 그리드 고장시 중간 DC 링크 전압(UDC)에 대한 대응하는 곡선의 예를 나타낸다.6 shows an example of a curve for utility grid voltage U Net and a corresponding curve for intermediate DC link voltage U DC at utility grid failure.
상기 예에서는 유틸리티 그리드 전압은 그리드 고장의 기간 동안에 공칭(nominal) 값에서 영에 매우 가까운 값으로 빠르게 감소하는 곡선으로서 개략적으로 나타나있다.In the above example, the utility grid voltage is schematically shown as a curve that rapidly decreases from a nominal value to a value very close to zero during the period of grid failure.
DC 링크 전압에 대한 대응하는 곡선은 DC 링크 커패시터의 에너지 저장 때문에 기울기를 포함한다. 그러나 상기 값은 역시 감소하고 회전자의 스위치와 그리 드 측 변환기 회로가 비활성화되고 따라서 전기 발전기와 유틸리티 그리드로부터 주파수 변환기를 분리하는 값(UDCmin)에 결국 도달한다. 게다가, DC 링크의 버스바 사이에 연결된 상기 제어 유닛은 비활성화되고 결과적으로, DC 링크 커패시터의 방전은 중지된다. 이로써 유틸리티 그리드 고장이 제거되고 유틸리티 그리드 전압이 공칭 값을 되찾을 때까지 전압(UDC)은 값(UDCmin)을 유지하고, 이 경우 상기 전압(UDC)이 또한 정상값으로 복귀하게 된다.The corresponding curve for the DC link voltage includes a slope because of the energy storage of the DC link capacitor. However, the value also decreases and the rotor switch and grid side converter circuits are deactivated and thus eventually reach the value (U DCmin ) separating the frequency converter from the electric generator and utility grid. In addition, the control unit connected between the busbars of the DC link is deactivated and consequently the discharge of the DC link capacitor is stopped. This removes the utility grid fault and the utility grid voltage to maintain the voltage (U DC) until regain the nominal value of the value (U DCmin), in which case the voltage (U DC) is also returned to normal values.
이로써 초기의 전류 값은 그리드 전압이 복귀될 때까지 값(UDCmin)에서 유지되는 전압 (UDC)으로 제한된다.The initial current value is thereby limited to the voltage U DC held at the value U DCmin until the grid voltage returns.
도 7은 제어 시스템에서의 수많은 과-전압 제어 유닛에 대한 게이트 드라이버 제어 신호 G1, G2 및 그리드 고장시 중간 DC 전압(UDC)에 대한 대응하는 곡선을 더 나타낸다.7 further shows the corresponding curves for the gate driver control signals G1, G2 and the intermediate DC voltage U DC at grid failure for a number of over-voltage control units in the control system.
상기 도면은 초기에 처음으로 어떻게 그리드 고장이 U1의 값(Umax에 근접한 값)으로의 과-전압 증가를 초래하는지를 나타낸다. 주파수 변화기 및 풍력 터빈을 보호하기 위하여 양 게이트 드라이버 제어 신호 모두는 고 레벨 값으로 되고 따라서 대응하는 제어 유닛을 활성화시킨다. 일정 기간 후에 전압이 U4보다 더 낮은 값으로 떨어지고 하나의 제어 신호가 저 레벨 값으로 되고; 대응하는 제어 유닛을 비활성화시키고, 이어서 다른 제어 신호는 저 레벨 값으로 되고; 전압이 계속 떨어짐에 따라 최종 제어 유닛을 비활성화시킨다. 모든 제어 유닛을 비활성화시키는 것 에 의하여 상기 전압은 다시 상승하고 제어 시스템은 그리드 고장이 사라질 때까지 전압을 제어하기 위하여 하나 이상의 제어 유닛을 다시 활성화시킬 수 있다.The figure initially shows how for the first time a grid failure causes an over-voltage increase to a value of U 1 (value close to U max ). In order to protect the frequency converter and the wind turbine both gate driver control signals are at high level values and thus activate the corresponding control unit. After a period of time the voltage drops to a value lower than U 4 and one control signal becomes a low level value; Deactivate the corresponding control unit, and then the other control signal becomes a low level value; Deactivate the final control unit as the voltage continues to drop. By deactivating all control units the voltage rises again and the control system can reactivate one or more control units to control the voltage until the grid fault disappears.
도 8은 시간 t1에서 고장가 시작하는 유틸리티 그리드 고장 동안에 풍력 터빈의 제어 유닛의 온도 곡선을 나타낸다. 상기 하나 이상의 제어 유닛은 상기 시간에서 활성화되고 주파수 변환기의 DC 링크에서의 과-전압의 한계로 인한 전력을 필요로 한다. 결과적으로, 온도 곡선은 증가하고 시간(t2)에서 온도 한계(Tmax)값 은 액티브 제어 유닛을 위하여 도달된다. 상기 마이크로프로세서는 제어 유닛을 더 활성화시키고 상기 온도는 시간(t3)에서 온도 한계(Tmin )값으로 떨어지고 결과적으로 최소한 하나의 유닛이 비활성화된다. 액티브 제어 유닛의 갯 수의 이러한 제어는 상기 그리드 고장이 사라질 때까지 계속된다.8 shows the temperature curve of the control unit of the wind turbine during a utility grid failure in which the failure starts at time t1. The one or more control units are activated at this time and require power due to the limit of over-voltage in the DC link of the frequency converter. As a result, the temperature curve increases and at time t2 the temperature limit T max is reached for the active control unit. The microprocessor further activates the control unit and the temperature drops to the temperature limit T min at time t3 and as a result at least one unit is deactivated. The number of such controls of the active control unit continues until the grid failure disappears.
지금까지 본 발명은 상기 특정 예들에 관하여 예시되었다.So far, the present invention has been illustrated with respect to the above specific examples.
그러나, 본 발명이 상기에 언급된 특정한 예에 한정되지 않고 가령, 같은 주파수 변환기와 연결된 다수의 풍력 터빈과 같은 매우 다양한 애플리케이션에 이용될 수 있다는 점을 이해해야 한다. 게다가, 애플리케이션은 추가로 일반 주파수 변환기와 연결된 풍력 터빈의 유도나 동기 발전기와 관련될 수 있다.However, it should be understood that the present invention is not limited to the specific examples mentioned above and can be used in a wide variety of applications, such as multiple wind turbines connected to the same frequency converter. In addition, the application may further be associated with induction or synchronous generators of wind turbines connected with common frequency converters.
게다가, 특히 주파수 변환기는 사이리스터(thyristor) 기반 정류기와 인버터 시스템으로서 매우 다양하게 설계될 것이라는 점을 이해해야 한다.In addition, it should be understood that the frequency converter in particular will be designed in a wide variety of thyristor-based rectifier and inverter systems.
게다가, 가령, 전압 값 대신에 전류 값 같이 다양한 측정값들이 직접적으로나 간접적으로 상기 언급한 전압과 온도 값에 대응한다면 본 발명은 매우 다양한 측정된 값을 이용할 것이라는 점을 이해해야 한다. 측정이 적어도 상기 그리드 고장 시간에 걸쳐 개발한 것으로 위에서 제안된 것에 대응한다면 풍력 터빈 시스템에서의 측정의 위치는 역시 변경될 수 있다.In addition, it should be understood that the present invention will utilize a wide variety of measured values if, for example, various measured values such as current values instead of voltage values correspond directly or indirectly to the above mentioned voltage and temperature values. The position of the measurement in the wind turbine system can also be changed if the measurement corresponds to at least the one developed above at least over the grid failure time.
1. 풍력 터빈1.wind turbine
2. 풍력 터빈 타워2. Wind Turbine Tower
3. 풍력 터빈 엔진실3. Wind turbine engine room
4, 풍력 터빈 허브4, wind turbine hub
5. 풍력 터빈 회전자5. wind turbine rotor
6. 유도 발전기6. Induction generator
7. 단로 스위치 및 그리드 변압기와의 연결을 포함하는 발전기의 고정자 측7. Stator side of the generator including connection with disconnect switch and grid transformer
8. 유틸리티 그리드 변압기8. Utility grid transformer
9. 전압 UNet을 갖는 유틸리티 그리드 또는 망9. Utility grid or network with voltage U Net
10. 주파수 변환기와의 연결을 포함하는 발전기의 회전자 측10. Rotor side of generator including connection with frequency converter
12. 주파수 변환기12. Frequency converter
13. 회전자 측 변환기 회로13. Rotor side converter circuit
14. 회전 날개와 그리드 측 변환기 회로 사이의 DC 링크14. DC link between rotary vane and grid side converter circuit
15. 그리드 측 변환기 회로15. Grid side converter circuit
16. 단로 스위치 및 그리드 변압기와 변환기 연결16. Disconnect switch and grid transformer and converter connection
17. 과-전압 제어 유닛을 위한 제어 시스템17. Control system for over-voltage control unit
Bn 번호n의 과 전압 제어 유닛Overvoltage control unit of B n number n
C DC 링크 커패시터C DC Link Capacitor
D 전력 스위치와 역-병렬된 다이오드D-power switch and reverse-parallel diode
En 이네이블(enable) 제어 신호En enable control signal
Gn 번호n의 게이트 제어 신호Gate control signal of Gn number n
GDn 번호n의 게이트 드라이버Gate driver with GDn number n
I 전류I current
PR, QR 액티브 및 리액티브 회전자 전력 흐름P R , Q R Active and Reactive Rotor Power Flow
PSt, QSt 액티브 및 리액티브 고정자 전력 흐름P St , Q St Active and Reactive Stator Power Flow
P1, Pn 과-전압 상황 동안에 제어 유닛을 통한 전력 흐름Power flow through the control unit during P 1 , P n over-voltage situations
PS 파라미터/데이터 저장PS parameter / data storage
R 레지스터R register
SP 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)와 같은 전력 스위치Power switches, such as SP insulated gate bipolar transistors (IGBTs)
t 시간[초]t time [sec]
T 온도[섭씨]T temperature [Celsius]
U 전압[볼트]U voltage [volts]
UNet 유틸리티 그리드 전압U Net Utility Grid Voltage
UDC DC 링크에서의 전압Voltage at U DC DC link
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