KR100985921B1 - wind power system using doubly fed induction generator and control method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명에 의한 이중여자 유도형 풍력발전 시스템 및 그 제어 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 이중여자 유도형 풍력발전 시스템은 블레이드에 연결된 권선형 유도 발전기의 출력 또는 회전속도를 제어하기 위하여 상기 권선형 유도 발전기의 회전자와 전력계통 사이에 연결되는 매트릭스 컨버터 및 옵셋 전압을 이용한 전압변조 방식을 통해 상기 매트릭스 컨버터를 제어하는 제어기를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 풍력발전 시스템의 제어 방법은 블레이드에 연결된 권선형 유도 발전기의 회전자에 대한 자속과 슬립 각속도를 추정하는 단계, 추정된 상기 자속과 슬립 각속도를 기반으로 상기 권선형 유도 발전기의 토크를 산출하여 이를 기반으로 회전자의 유효전력을 제어하기 위한 기준전류를 생성하는 단계, 생성된 기준전류를 기반으로 상기 회전자의 출력 상 전압 지령을 생성하는 단계 및 생성된 상기 출력 상 전압 지령과 측정된 상기 권선형 유도발전기의 고정자의 입력 상 전압을 기반으로 상기 매트릭스 컨버터의 스위칭 제어를 위한 게이트 신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 이를 통해, 본 발명은 시스템의 효율을 높이고 시스템의 규모를 줄일 수 있다.Disclosed is a double excitation induction wind power generation system and a control method thereof. The dual excitation induction wind power generation system according to the present invention uses a matrix converter and an offset voltage connected between the rotor and the power system of the winding induction generator to control the output or rotational speed of the winding induction generator connected to the blade. It may include a controller for controlling the matrix converter through a voltage modulation scheme. In addition, the control method of the wind power generation system according to the present invention comprises the steps of estimating the magnetic flux and slip angular velocity of the rotor of the winding-type induction generator connected to the blade, based on the estimated flux and slip angular velocity of the winding induction generator Calculating a torque and generating a reference current for controlling the active power of the rotor based on the torque; generating an output phase voltage command of the rotor based on the generated reference current; and generating the output phase voltage command And generating a gate signal for switching control of the matrix converter based on the measured input phase voltage of the stator of the wound induction generator. Through this, the present invention can increase the efficiency of the system and reduce the size of the system.
풍력발전, 유도발전기, 전력계통, 매트릭스 컨버터, 게이트 신호 Wind power generation, induction generator, power system, matrix converter, gate signal
Description
본 발명은 이중여자 유도형 풍력발전 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a double excitation induction wind power generation system and a control method thereof.
일반적으로 풍력발전 시스템은 다양한 형태의 풍차를 이용하여 바람의 운동 에너지를 기계적 에너지로 변환하고 기계적 에너지로 발전기를 구동하여 전력을 얻어내는 시스템을 일컫는다. 이러한 풍력 발전 시스템은 환경 친화적이고 무한정의 자원을 이용하는 등의 여러 가지 이점이 많은 신 재생에너지원이라 할 수 있다.In general, a wind power generation system refers to a system that converts kinetic energy of wind into mechanical energy by using various types of windmills, and obtains power by driving a generator with mechanical energy. Such a wind power generation system is a renewable energy source with many advantages, such as environmentally friendly and unlimited resources.
풍력발전 시스템은 생산된 전력을 사용자에게 직접 공급하는 방식과 전력계통에 공급하는 방식으로 나눌 수 있는데, 경제성, 풍력자원의 활용도, 생산전력의 효율과 품질을 고려할 때 풍력발전기를 대규모로 병렬 연계하는 대규모 단지를 조성하여 전력을 생산하고 이를 전력계통에 연계하여 운영하는 방식이 현재의 추세이다.The wind power generation system can be divided into the method of directly supplying the generated power to the user and the system of supplying power to the power system. The current trend is to build a large-scale complex to produce electricity and operate it in conjunction with the electricity grid.
풍력발전 단지를 전력계통에 연계하는 가장 용이한 방법이 농형 유도발전기를 사용하는 방식이다. 하지만 이 방식은 무효전력을 소모하고 이 무효전력은 발 생되는 유효전력의 양에 따라 실시간으로 변동한다. 따라서 이를 보상하기 위해 초기에는 기계식 차단기와 커패시터 뱅크를 결합한 계단식 무효전력 보상기를 설치하여 운용하였고 최근에는 연속보상이 가능한 인버터방식 무효전력 보상기를 설치 운용하고 있다.The easiest way to link wind farms to power systems is to use squirrel cage induction generators. However, this method consumes reactive power, and this reactive power varies in real time according to the amount of active power generated. Therefore, to compensate for this, a staircase reactive power compensator combining a mechanical breaker and a capacitor bank was initially installed and operated, and recently, an inverter type reactive power compensator capable of continuous compensation is installed and operated.
이중여자유도발전시스템(doubly-fed induction generator)은 권선형 유도발전기를 사용하고, 고정자는 전력계통에 직접 그리고 회전자는 Back-to-Back 컨버터를 통해 전력계통에 연결되어 있다. 이 방식은 풍속에 따라 회전자의 속도가 변하더라도 일정한 전압과 주파수로 전력을 계통에 공급하고 풍력발전이 결합된 연결점의 역률을 제어하는 것이 가능하다. 따라서 무효전력 보상을 위한 별도의 기기를 설치할 필요가 없다.The double-fed induction generator uses a winding induction generator, the stator is connected directly to the power system and the rotor is connected to the power system through a back-to-back converter. In this way, even if the speed of the rotor changes with the wind speed, it is possible to supply power to the grid at a constant voltage and frequency, and to control the power factor of the combined point of wind power generation. Therefore, there is no need to install a separate device for compensating reactive power.
그러나 이중여자유도발전시스템은 회전자에서 발생하는 저주파 교류를 60Hz 상용교류로 변환하는 Back-to-Back 컨버터를 사용하는데, 이 컨버터는 교류-직류-교류 3단계 전력변환을 필요하여 스위칭 손실이 크고 시스템 규모가 크다는 단점을 갖는다.However, the dual excitation induction system uses a back-to-back converter that converts low-frequency alternating current from the rotor into 60Hz commercial alternating current, which requires a large three-phase switching loss due to the AC-DC-AC three-stage power conversion. The disadvantage is that the system scale is large.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 권선형 유도발전기의 회전자를 전력계통에 연결시키기 위해 에너지 효율이 높은 매트릭스 컨버터를 이용함으로써, 시스템의 효율을 높일 수 있도록 하는 이중여자 유도형 풍력발전 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는데 있다.The present invention has been made to solve the above problems, by using an energy-efficient matrix converter to connect the rotor of the winding induction generator to the power system, the double excitation induction to increase the efficiency of the system It is to provide a type wind power generation system and a control method thereof.
또한, 본 발명은 권선형 유도발전기의 회전자를 전력계통에 연결시키기 위해 하드웨어 구성이 간단한 매트릭스 컨버터를 이용함으로써, 시스템의 규모를 줄일 수 있도록 하는 이중여자 유도형 풍력발전 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는데 있다.In addition, the present invention provides a dual excitation induction wind power generation system and a control method thereof that can reduce the size of the system by using a matrix converter with a simple hardware configuration to connect the rotor of the winding induction generator to the power system. It is.
이를 위하여, 본 발명의 한 측면에 따른 이중여자 유도형 풍력발전 시스템은 블레이드에 연결된 권선형 유도 발전기의 출력 또는 회전속도를 제어하기 위하여 상기 권선형 유도 발전기의 회전자와 전력계통 사이에 연결되는 매트릭스 컨버터 및 옵셋 전압을 이용한 전압변조 방식을 통해 상기 매트릭스 컨버터를 제어하는 제어기를 포함할 수 있다.To this end, the dual excitation induction wind power system according to an aspect of the present invention is a matrix connected between the rotor and the power system of the winding induction generator to control the output or rotational speed of the winding induction generator connected to the blade It may include a controller for controlling the matrix converter through a voltage modulation scheme using a converter and an offset voltage.
상기 제어기는 상기 권선형 유도 발전기의 회전자에 대한 자속과 슬립 각속도를 추정하는 파라미터 추정부, 추정된 상기 자속과 슬립 각속도를 기반으로 상기 권선형 유도 발전기의 토크를 산출하여 이를 기반으로 회전자의 유효전력을 제어하기 위한 기준전류를 생성하는 기준전류 생성부, 생성된 기준전류를 기반으로 상기 회전자의 출력 상 전압 지령을 생성하는 전류제어부 및 생성된 상기 출력 상 전압 지령과 측정된 상기 권선형 유도발전기의 고정자의 입력 상 전압을 기반으로 상기 매트릭스 컨버터의 스위칭 제어를 위한 게이트 신호를 생성하는 전압 변조부를 포함할 수 있다.The controller is a parameter estimator for estimating magnetic flux and slip angular velocity with respect to the rotor of the wound induction generator, and calculates torque of the wound induction generator based on the estimated flux and slip angular velocity. A reference current generator for generating a reference current for controlling active power; a current controller for generating an output phase voltage command of the rotor based on the generated reference current; and the winding type measured with the generated output phase voltage command. It may include a voltage modulator for generating a gate signal for switching control of the matrix converter based on the input phase voltage of the stator of the induction generator.
상기 전압 변조부는 상기 입력 상 전압을 기반으로 스위칭 주기 내에 캐리어와 옵셋 전압을 생성하고, 생성된 상기 옵셋 전압과 상기 출력 상 전압 지령을 기반으로 폴 전압 지령을 생성하며, 상기 폴 전압 지령과 상기 캐리어를 비교하여 상기 매트릭스 컨버터를 제어하기 위한 게이트 신호를 생성할 수 있다. 이때, 상기 전압 변조부는 각 상에 대한 하나의 스위칭 구간 Ts를 입력 전압의 위상각에 따라 적어도 두 개의 스위칭 구간 T1 과 T2 로 나누고, 상기 스위칭 구간 T1 과 T2 내에서 상기 캐리어와 상기 옵셋 전압을 각각 생성할 수 있다.The voltage modulator generates a carrier and an offset voltage within a switching period based on the input phase voltage, generates a pole voltage command based on the generated offset voltage and the output phase voltage command, and generates the pole voltage command and the carrier. The gate signal for controlling the matrix converter may be generated by comparing the? At this time, the voltage modulation unit the carrier within one switching period T s of at least two switching intervals in accordance with the phase angle of the input voltage T divided by 1 and T 2, the switching period T 1 and T 2 for each phase and Each of the offset voltages may be generated.
본 발명에 따른 제어기는 생성된 상기 게이트 신호에 따라 PWM(Pulse Width Modulation) 펄스를 생성하는 PWM 발생기 및 생성된 상기 PWM 펄스에 따라 상기 매트릭스 컨버터의 게이트를 구동하는 게이트 드라이버를 더 포함할 수 있다.The controller according to the present invention may further include a PWM generator for generating a pulse width modulation (PWM) pulse according to the generated gate signal and a gate driver for driving the gate of the matrix converter according to the generated PWM pulse.
또한, 본 발명에 따른 이중여자 유도형 풍력발전 시스템은 상기 권선형 유도발전기의 고정자와 상기 전력계통 사이에 연결되는 차단기를 더 포함할 수 있다.In addition, the dual excitation induction wind power generation system according to the present invention may further include a circuit breaker connected between the stator of the winding induction generator and the power system.
본 발명의 다른 한 측면에 따른 풍력발전 시스템의 제어 방법은 블레이드에 연결된 권선형 유도 발전기의 회전자에 대한 자속과 슬립 각속도를 추정하는 단계, 추정된 상기 자속과 슬립 각속도를 기반으로 상기 권선형 유도 발전기의 토크를 산출하여 이를 기반으로 회전자의 유효전력을 제어하기 위한 기준전류를 생성하는 단계, 생성된 기준전류를 기반으로 상기 회전자의 출력 상 전압 지령을 생성하는 단 계 및 생성된 상기 출력 상 전압 지령과 측정된 상기 권선형 유도발전기의 고정자의 입력 상 전압을 기반으로 상기 매트릭스 컨버터의 스위칭 제어를 위한 게이트 신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a control method of a wind power generation system, the method comprising: estimating a magnetic flux and a slip angular velocity of a rotor of a winding type induction generator connected to a blade, based on the estimated magnetic flux and slip angular velocity; Calculating a torque of the generator and generating a reference current for controlling the active power of the rotor based on the torque of the generator; generating a voltage command of the output phase of the rotor based on the generated reference current; and generating the generated output. And generating a gate signal for switching control of the matrix converter based on the phase voltage command and the input phase voltage of the stator of the wound induction generator.
상기 게이트 신호를 생성하는 단계는 상기 입력 상 전압을 기반으로 스위칭 주기 내에 캐리어와 옵셋 전압을 생성하는 단계, 생성된 상기 옵셋 전압과 상기 출력 상 전압 지령을 기반으로 폴 전압 지령을 생성하는 단계 및 상기 폴 전압 지령과 상기 캐리어를 비교하여 상기 매트릭스 컨버터를 제어하기 위한 게이트 신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 캐리어와 옵셋 전압을 생성하는 단계는 각 상에 대한 하나의 스위칭 구간 Ts를 입력 전압의 위상각에 따라 적어도 두 개의 스위칭 구간 T1 과 T2 로 나누고, 상기 스위칭 구간 T1 과 T2 내에서 상기 캐리어와 상기 옵셋 전압을 각각 생성할 수 있다.The generating of the gate signal may include generating a carrier and an offset voltage within a switching period based on the input phase voltage, generating a pole voltage command based on the generated offset voltage and the output phase voltage command. And comparing the pole voltage command with the carrier to generate a gate signal for controlling the matrix converter. Generating the carrier and offset voltage divides one switching period T s for each phase into at least two switching periods T 1 and T 2 according to the phase angle of the input voltage, and within the switching periods T 1 and T 2 . Each of the carrier and the offset voltage may be generated at.
또한, 본 발명에 따른 풍력발전 시스템의 제어 방법은 생성된 상기 게이트 신호에 따라 PWM(Pulse Width Modulation) 펄스를 생성하는 단계 및 생성된 상기 PWM 펄스를 제공 받아 이에 따라 상기 매트릭스 컨버터의 게이트를 구동하는 단계를 더 포함할 수 있다.In addition, the control method of the wind power generation system according to the present invention includes generating a pulse width modulation (PWM) pulse according to the generated gate signal and receiving the generated PWM pulse to drive the gate of the matrix converter accordingly. It may further comprise a step.
이하에서는, 본 발명의 일실시예에 따른 이중여자 유도형 풍력발전 시스템 및 그 제어 방법을 첨부된 도 1 내지 도 12c를 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a dual excitation induction wind power generation system and a control method thereof according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 12C.
본 발명은 매트릭스 컨버터를 이용하는 이중여자 유도형 풍력발전 시스템을 제안한다. 즉, 본 발명은 권선형 유도발전기의 회전자를 전력계통에 연결시키기 위해 에너지 효율이 높고, 하드웨어 구성이 간단한 매트릭스 컨버터를 이용할 수 있다.The present invention proposes a dual excitation induction wind power generation system using a matrix converter. That is, the present invention can use a matrix converter having a high energy efficiency and a simple hardware configuration to connect the rotor of the wound induction generator to the power system.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 개략적인 풍력발전 시스템의 구성을 나타내는 예시도이다.1 is an exemplary view showing the configuration of a schematic wind power generation system according to an embodiment of the present invention.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 시스템은 블레이드(blade)(110), 기어박스(gear box)(120), 발전기(generator)(130), 차단기 또는 CB(Circuit Breaker)(140), 매트릭스 컨버터(matrix converter)(150), 제어기(160) 및 전력계통 또는 그리드(grid)(170) 등을 포함할 수 있다.As shown in FIG. 1, a system according to the present invention comprises a
블레이드(110)는 바람에너지를 받아 회전함으로써 발전기로 동력을 전달할 수 있다.The
기어박스(120)는 블레이드의 회전속도가 낮기 때문에 블레이드(110)와 발전기(130)의 회전자 사이에 위치하여 회전속도를 증가시키는 역할을 할 수 있다. 풍력발전 시스템에 따라서 기어를 사용하지 않기도 하지만 이 경우에는 높은 극수를 가지는 발전기(130)를 사용할 수 있는데, 예컨대, 4극 또는 6극인 권선형 유도발전기가 사용될 수 있다.Since the
일반적으로 발전기(130)는 바람이 가진 에너지가 회전자에 의해 회전력으로 변환된 후 그 회전력을 이용하여 전기를 발생시키는 구성품으로 전기에너지 발전의 효율이나 전기의 품질을 좌우하는 중요한 요소이다. 이러한 발전기로는 크게 동기 기나 유도기가 사용되는데, 동기기는 계자의 형태에 따라 권선계자형과 영구자석형으로 나눌 수 있고, 유도기는 회전자의 구조에 따라 농형과 권선형으로 분류될 수 있다. 특히, 권선형 유도기, 권선형 유도발전기 또는 유도발전기(doubly fed induction generator: DFIG)는 가변 풍속이 특징인 장소에 설치 가능하며 동기기 또는 동기발전기에 비해 기계적인 특성이 우수하여 본 발명과 같은 풍력발전 시스템에 특히 유용하다.In general, the
차단기(140)는 권선형 유도발전기(130)의 고정자와 전력계통(170) 사이에 연결할 수 있다.The
매트릭스 컨버터(150)는 권선형 유도 발전기의 출력 또는 회전속도를 제어하기 위하여 권선형 유도발전기의 회전자와 전력계통 사이에 연결할 수 있는데, 양방향 전력 전달이 가능하고, 입력전류의 역률을 조절할 수 있으며, DC 링크회로가 필요 없는 등의 장점으로 인하여 상용 3상 AC 전원으로부터 직류 변환 없이 가변전압 및 가변주파수의 교류 출력을 얻을 수 있는 회로일 수 있다. 이를 도 2를 참조하여 보다 상세히 설명한다.The
도 2는 도 1에 도시된 3상 매트릭스 컨버터의 상세한 구조를 나타내는 예시도이다.2 is an exemplary view showing a detailed structure of the three-phase matrix converter shown in FIG.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 3상 매트릭스 컨버터는 9개의 양방향 교류 스위치를 구비하여 이를 순시적으로 제어할 수 있는데, 부하전류에 대해서 독자적인 환류경로가 존재하지 않고 DC 링크회로 없이 입력과 출력이 직접 연결 될 수 있다.As shown in FIG. 2, the three-phase matrix converter according to the present invention includes nine bidirectional AC switches, and can control them instantaneously. There is no independent reflux path for the load current and inputs without a DC link circuit. The output can be connected directly.
이때, 매트릭스 컨버터의 스위치에 있어서, 구성된 스위치의 커뮤테이션이 신뢰성 있게 동작하기 위해서 기존 전력변환기에 비해서 복잡한 제어기법이 요구되며 반드시 클램프 회로나 스너버 회로와 같은 보호 회로를 필요로 한다. 이러한 매트릭스 컨버터는 커뮤테이션에 대해 두 가지 기본적인 규칙이 존재할 수 있다.At this time, in the switch of the matrix converter, in order to reliably operate the commutation of the configured switch, a complicated control method is required as compared to the existing power converter, and a protection circuit such as a clamp circuit or a snubber circuit is required. This matrix converter can have two basic rules for commutation.
즉, 출력측 1상에 대한 입력측 2상만을 고려하면, 매트릭스 컨버터의 스위칭에서 2개의 양방향 스위치가 동시에 온(on) 상태를 유지해서는 안 되는데, 이것은 선간 단락회로에 의한 과전류로 스위칭소자의 파괴를 초래하기 때문이다. 또한, 2개의 양방향 스위치가 동시에 오프(off) 상태가 되어도 안 되는데, 이것은 유도성부하의 경우 환류경로가 없어 과전압의 원인이 되어 매트릭스 컨버터에 영향을 주기 때문이다. 따라서 매트릭스 컨버터의 스위칭 동작 시 1개의 출력은 반드시 2개 입력 중 한 개의 스위치와만 접속하도록 동작하여야 할 것이다.That is, considering only the input two phases for one output side, the two bidirectional switches should not be kept on at the same time in the switching of the matrix converter, which leads to the destruction of the switching element due to the overcurrent caused by the line short circuit. Because. In addition, two bidirectional switches should not be turned off at the same time because inductive loads have no reflux path and cause overvoltage, which affects the matrix converter. Therefore, during the switching operation of the matrix converter, one output must operate to connect only one switch of the two inputs.
또한, 제어기(160)는 매트릭스 컨버터를 제어 즉, 매트릭스 컨버터의 스위칭을 제어할 수 있는데, 이렇게 구성된 본 발명의 동작원리를 도 3 내지 도 10을 참조하여 설명한다.In addition, the controller 160 may control the matrix converter, that is, the switching of the matrix converter. The operation principle of the present invention configured as described above will be described with reference to FIGS. 3 to 10.
도 3은 도 1에 도시된 매트릭스 컨버터의 제어기의 상세한 구조를 나타내는 예시도이다.3 is an exemplary view showing a detailed structure of a controller of the matrix converter shown in FIG.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 매트릭스 컨버터의 제어기는 파라미터 추정부(310), 기준전류 생성부(320), 전류제어부(330), 전압변조부(340), PWM(Pulse Width Modulation) 발생기(350), 게이트 드라이버(360) 및 PLL(Phase Locked Loop)부(370) 등을 포함할 수 있다.As shown in FIG. 3, the controller of the matrix converter according to the present invention includes a parameter estimator 310, a
파라미터 추정부(310)는 유도발전기의 고정자와 회전자의 자속 및 슬립 각속도 등을 추정할 수 있다. 기준전류 생성부(320)는 파라미터 추정부(310)에서 추정된 파라미터들을 기반으로 유도발전기의 토크 및 고정자와 회전자의 유효전력과 무효전력을 산출할 수 있다. 기준전류 생성부(320)는 유도발전기의 토크를 회전자의 유효전력의 기준값으로 설정하여 이를 제어하기 위한 기준전류를 생성할 수 있다.The parameter estimator 310 may estimate magnetic flux and slip angular velocity of the stator and the rotor of the induction generator. The reference
전류제어부(330)는 생성된 기준전류를 기반으로 회전자의 출력 상 전압 지령을 생성할 수 있다.The
전압변조부(340)는 생성된 회전자의 출력 상 전압 지령 Vas *, Vbs *, Vcs *과 PT(Potential Transformer)를 통해 측정된 고정자의 입력 상 전압 Vga, Vgb, Vgc을 기반으로 전압변조를 수행할 수 있는데, 옵셋 전압을 이용한 전압변조 방식을 적용할 수 있다.The
이때, 옵셋 전압을 이용한 전압변조 방식은 옵셋 전압 Vsn을 출력 상 전압 지령 Vas *, Vbs *, Vcs *에 더하여 폴(pole) 전압 지령(Van *, Vbn *, Vcn *)을 생성한 후에 폴 전압 지령과 캐리어를 비교하여 게이트 신호를 생성하는 방식을 의미할 수 있다.At this time, the voltage modulation method using the offset voltage is the pole voltage command (V an * , V bn * , V cn * ) by adding the offset voltage V sn to the output phase voltage commands V as * , V bs * , V cs * . ), And then a method of generating a gate signal by comparing the pole voltage command with a carrier.
이때, PLL부(370)는 캐리어를 생성하기 위한 입력측의 3상 전압으로부터 MAX, MID, MIN을 정의할 수 있다.In this case, the
PWM 발생기(350)는 생성된 게이트 신호에 따라 매트릭스 컨버터의 스위칭 제어를 위한 PWM 펄스 또는 PWM 스위칭 신호를 생성함으로써, 게이트 드라이버(360)는 생성된 PWM 펄스에 따라 매트릭스 컨버터의 각 게이트를 구동하는 것으로 스위칭 제어할 수 있다.The
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 풍력발전 시스템의 제어 방법을 나타내는 예시도이다.4 is an exemplary view showing a control method of a wind power generation system according to an embodiment of the present invention.
도 4에 도시한 바와 같이, 먼저, 회전반경이 인 블레이드에 풍속 인 바람이 불어오는 경우를 가정하면, 바람으로부터 흡수되는 전체 에너지 즉, 블레이드에서 변환되는 기계적 에너지 는 다음의 [수학식 1]과 같이 표현될 수 있다.As shown in Figure 4, first, the radius of rotation Wind speed on the blade Assuming that the wind is blowing, the total energy absorbed from the wind, ie the mechanical energy converted at the blade May be expressed as
[수학식 1][Equation 1]
여기서, 는 블레이드의 회전 단면적[]으로 을 의미하고, 는 공기의 밀도로서 대략 1.225[]을 의미할 수 있다. 또한, 는 출력계수를 의미하고, 는 주속비(tip speed ratio)를 의미하며, 는 블레이드의 피치각을 의미할 수 있다.here, Is the rotational cross-sectional area of the blade [ To Mean, Is approximately 1.225 [ ] Can mean. Also, Means output coefficient, Means the tip speed ratio, May mean a pitch angle of the blade.
이때, 주속비 는 풍속과 회전속도의 비율로서 다음의 [수학식 2]와 같이 표현할 수 있다.At this time, the main speed ratio Is the ratio of wind speed and rotation speed and can be expressed as shown in [Equation 2].
[수학식 2][Equation 2]
여기서, 는 블레이드의 회전 각속도를 의미하고, 는 블레이드의 회전자 반경을 의미할 수 있다.here, Means the rotational angular velocity of the blade, May refer to the rotor radius of the blade.
한편, 블레이드에서 발생하는 토크 는 다음의 [수학식 3]과 같이 표현할 수 있다.Meanwhile, torque generated from the blade Can be expressed as
[수학식 3]&Quot; (3) "
이와 같은 기계적 에너지가 유도발전기로 전달됨에 따라, 고정자와 회전자의 권선이 모두 Y로 결선된 유도발전기의 등가회로에서 고정자와 회전자의 전압에 대한 3상 상태 방정식이 d-q 좌표계로 모델링 즉, 변환되면 다음의 [수학식 4]와 같이 표현될 수 있다.As such mechanical energy is transferred to the induction generator, the three-phase state equation for the voltage of the stator and the rotor is modeled, i.e., transformed, in the equivalent circuit of the induction generator in which both the stator and the rotor windings are connected by Y. When expressed as shown in
[수학식 4]&Quot; (4) "
[v] [v]
여기서, 위첨자 g는 기준 좌표계를 의미하기 때문에 정지 좌표계이면 's', 동기 좌표계이면 'e'로 치환할 수 있다. 아래첨자에서 d와 q는 각각 d-q 좌표축을 의미하고, 아래첨자에서 s와 r은 각각 고정자와 회전자를 의미할 수 있다. 는 전압을, 는 저항을, 는 전류를, 그리고 는 자속을 의미할 수 있다. 예를 들면, 라고 표기하면 고정자 d축 전압을 정지 좌표계로 표현한 것이다. 또한, 은 유도발전기의 전기적 회전각속도를 의미하는데, 는 좌표계에 따라서 다른 값을 대입 예컨대, 정지 좌표계에서는 을, 동기 좌표계에서는 (동기 각속도)를 대입할 수 있다.Here, the superscript g means a reference coordinate system, and thus, the superscript g may be replaced with 's' for a stationary coordinate system and 'e' for a synchronous coordinate system. In the subscripts, d and q may refer to the dq coordinate axis, and in the subscripts, s and r may refer to the stator and the rotor, respectively. The voltage, Resistance, Is the current, and Can mean magnetic flux. For example, In this case, stator d-axis voltage is expressed by the static coordinate system. Also, Is the electrical rotational angular velocity of the induction generator, Assigns a different value depending on the coordinate system. For example, In the synchronous coordinate system (Synchronous angular velocity) can be substituted.
이러한 [수학식 4]를 기반으로 제어기는 권선형 유도발전기의 고정자와 회전자의 자속과 전류의 관계를 추정할 수 있는데(S410), 유도발전기의 자속은 임피던스와 전류의 곱에 비례하기 때문에 고정자와 회전자의 자속은 다음의 [수학식 5]와 같이 표현될 수 있다.Based on the above [Equation 4], the controller can estimate the relationship between the magnetic flux and current of the stator and rotor of the winding induction generator (S410), because the magnetic flux of the induction generator is proportional to the product of impedance and current. And the magnetic flux of the rotor can be expressed as Equation 5 below.
[수학식 5][Equation 5]
[wb] [wb]
여기서, Lm은 유도발전기의 자화 인덕턴스(magnetizing inductance)를 의미하고, Ls는 고정자의 인덕턴스를 의미하며, Lr은 회전자의 인덕턴스를 의미할 수 있다.Here, L m means the magnetizing inductance of the induction generator (magnetizing inductance), L s means the inductance of the stator, L r may mean the inductance of the rotor.
이때, 유도발전기의 토크는 유도발전기에서 발생하는 또는 소비하는 기계적 힘을 의미하는데, 이러한 기계적 힘을 다음의 [수학식 6]와 같이 표현할 수 있다.In this case, the torque of the induction generator means a mechanical force generated or consumed in the induction generator, this mechanical force can be expressed as shown in Equation 6 below.
[수학식 6]&Quot; (6) "
여기서, 전기적 회전각속도 ωr 과 기계적 회전각속도 ωrm은 의 관계를 가질 수 있다.Where the electrical rotational angular velocity ω r and the mechanical rotational angular velocity ω rm are May have a relationship of
그래서 [수학식 6]으로부터 유도발전기의 토크를 유도하고 이를 [수학식 5]을 기반으로 고정자와 회전자의 전류와 자속으로 표현하면 다음의 [수학식 7]과 같다.Thus, the torque of the induction generator is derived from Equation 6 and expressed as the current and magnetic flux of the stator and the rotor based on Equation 5 as shown in Equation 7 below.
[수학식 7][Equation 7]
앞의 [수학식 4]에서 d-q 좌표계로 변환된 고정자의 전류와 전압으로 고정자의 유효전력과 무효전력을 [수학식 8]과 같이 표현할 수 있다.The current and voltage of the stator converted to the d-q coordinate system in
[수학식 8][Equation 8]
마찬가지로 d-q 좌표계로 변환된 회전자의 전류와 전압으로 회전자의 유효전력과 무효전력을 [수학식 9]과 같이 표현할 수 있다.Similarly, the active power and reactive power of the rotor can be expressed by Equation 9 by using the current and voltage of the rotor converted into the d-q coordinate system.
[수학식 9][Equation 9]
제어기는 이렇게 생성된 두 개의 [수학식 7]과 [수학식 8]을 기반으로 고정자와 회전자 각각의 유효전력과 무효전력을 제어하기 위한 기준전류를 생성할 수 있다(S420).The controller may generate a reference current for controlling active power and reactive power of the stator and the rotor, respectively, based on the two Equations 7 and 8 generated at step S420.
제어기는 생성된 기준전류를 기반으로 회전자의 출력 상 전압 지령 Vas *, Vbs *, Vcs *을 생성하고(S430), PT를 통해 측정된 고정자의 입력 상 전압 Vga, Vgb, Vgc을 기반으로 스위칭 주기 내에 캐리어와 옵셋 전압을 생성하며(S440), 생성된 옵셋 전압 Vsn과 출력 상 전압 지령 Vas *, Vbs *, Vcs *을 기반으로 폴 전압 지령 Van *, Vbn *, Vcn *을 생성할 수 있다(S450). 그래서 제어기는 생성된 폴 전압 지령 Van *, Vbn *, Vcn *과 캐리어를 비교하여 매트릭스 컨버터의 스위칭 제어를 위한 게이트 신호를 생성할 수 있다(S460).The controller generates the output phase voltage commands V as * , V bs * , V cs * of the rotor based on the generated reference current (S430), and the input phase voltages V ga , V gb , of the stator measured through PT. The carrier and the offset voltage are generated within the switching period based on V gc (S440), and the pole voltage command V an * based on the generated offset voltage V sn and the output phase voltage commands V as * , V bs * , and V cs * . , V bn * , V cn * may be generated (S450). Thus, the controller may generate a gate signal for switching control of the matrix converter by comparing the generated pole voltage commands V an * , V bn * , V cn * with the carrier (S460).
이때, 스위칭주기 Ts를 T1과 T2로 나누고, T1 구간에서의 옵셋 전압은 Vsn1로, T2 구간에서의 옵셋 전압은 Vsn2로 정의하면,In this case, if the switching period T s is divided into T 1 and T 2 , and the offset voltage in the T 1 section is defined as V sn1 , and the offset voltage in the T 2 section is defined as V sn2 ,
1) T1 구간에서의 a상 폴 전압 지령 Van1 * = Vas * + Vsn1, 2) T2 구간에서의 a상 폴 전압 지령 Van2 * = Vas * + Vsn2, 3) T1 구간에서의 b상 폴 전압 지령 Vbn1 * = Vbs * + Vbn1, 4) T2 구간에서의 b상 폴 전압 지령 Vbn2 * = Vbs * + Vbn2, 5) T1 구간에서의 c상 폴 전압 지령 Vcn1 * = Vcs * + Vcn1, 6) T2 구간에서의 c상 폴 전압 지령 Vcn2 * = Vcs * + Vcn2를 정의할 수 있다.1) a phase pole voltage command in T 1 section V an1 * = V as * + V sn1 , 2) a phase pole voltage command in T 2 section V an2 * = V as * + V sn2 , 3) T 1 b the pole voltage command in the interval V bn1 * = V bs * + V bn1, 4) b the pole voltage command in the T 2 period V bn2 * = V bs * + V bn2, 5) T of c from the first section Phase pole voltage command V cn1 * = V cs * + V cn1 , 6) The c phase pole voltage command V cn2 * = V cs * + V cn2 in the T 2 interval can be defined.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 옵셋을 이용한 전압변조 방식의 원리를 설명하기 위한 예시도이다.5 is an exemplary view for explaining the principle of the voltage modulation method using an offset according to an embodiment of the present invention.
도 5에 도시한 바와 같이, 고정자의 입력 상 전압 Vga, Vgb, Vgc에 대해 MAX=maximum(Vga,Vgb,Vgc), MID=middle(Vga,Vgb,Vgc), MIN=minimum(Vga,Vgb,Vgc)가 정의되고, 회전자의 출력 상 전압 지령 Vsa *, Vsb *, Vsc *에 대해 max=maximum(Vas *,Vbs *,Vcs *), min=minimum(Vas *,Vbs *,Vcs *)가 각각 정의될 수 있다.As shown in FIG. 5, MAX = maximum (V ga , V gb , V gc ), MID = middle (V ga , V gb , V gc ) for the stator's input phase voltages V ga , V gb , V gc , MIN = minimum (V ga , V gb , V gc ) is defined and max = maximum (V as * , V bs * , for the output phase voltage commands V sa * , V sb * , V sc * of the rotor. V cs * ) and min = minimum (V as * , V bs * , V cs * ) may be defined, respectively.
T1 구간 동안에는 DC 링크전압으로 입력선간 전압이 가장 큰 MAX와 MIN 사이의 전압을 이용할 수 있다. 그리고 T2 구간 동안에는 전압 이용률을 높이기 위해서 그 다음으로 입력선간 전압이 큰 것을 이용하는데, 예컨대, 상황에 따라서 MAX와 MID사이의 전압 또는 MID와 MIN 사이의 전압 중 그 크기가 큰 전압을 사용할 수 있다.During the T 1 period , the voltage between MAX and MIN with the largest input line voltage can be used as the DC link voltage. In order to increase the voltage utilization during the T 2 period , the next higher input line voltage is used. For example, a voltage between MAX and MID or a voltage between MID and MIN may be used depending on the situation. .
예컨대, 도 5와 같이 입력선간 전압 중에 MAX와 MID 사이의 전압이 MID와 MIN 사이의 전압보다 큰 경우에, T1 구간 동안에는 가상 DC 링크 전압으로 MAX와 MIN 사이의 전압을 이용하므로, 캐리어를 MAX에서 MIN까지 표시할 수 있다. 그리고 T2 구간 동안에는 가상 DC 링크전압으로 MAX와 MID 사이의 전압을 이용하므로 캐리어를 MID에서 MAX를 향하여 표시할 수 있다. 따라서 캐리어는 불연속적으로 나타날 수 있다.For example, as shown in FIG. 5, when the voltage between MAX and MID is greater than the voltage between MID and MIN among the input line voltages, the carrier is MAX because the voltage between MAX and MIN is used as the virtual DC link voltage during the T 1 period . Up to MIN can be displayed. In addition, since the voltage between MAX and MID is used as the virtual DC link voltage during the T 2 period, the carrier can be indicated from MID to MAX. Thus, the carrier may appear discontinuously.
이때, 옵셋 전압 Vsn은 폴 전압 지령들을 DC 링크 전압의 한 가운데 두어서 유효 벡터를 스위칭 주기의 한 가운데에 위치시키고 영 벡터(zero vector)는 스위칭 주기의 양 끝에 같은 시간 동안을 배치시키도록 설정될 수 있다. 이와 같은 방식으로 T1 구간과 T2 구간에서 유효 벡터와 영 벡터가 배치되도록 옵셋 전압을 구할 수 있다.The offset voltage V sn sets the pole voltage commands in the middle of the DC link voltage to position the effective vector in the middle of the switching period and the zero vector for the same time at both ends of the switching period. Can be. In this manner, the offset voltage can be obtained such that the effective vector and the zero vector are arranged in the T 1 and T 2 sections.
T1 구간에서의 옵셋 전압은 다음의 [수학식 10]와 같이 표현할 수 있다.The offset voltage in the T 1 section can be expressed as
[수학식 10][Equation 10]
T2 구간에서의 옵셋 전압은 다음의 [수학식 11] 및 [수학식 12]와 같이 표현할 수 있는데, 가상 DC 링크 전압으로 MAX와 MID 사이의 전압을 이용할 경우 [수학식 11]을 이용하고 MID와 MIN 사이의 전압을 이용할 경우 [수학식 12]를 이용할 수 있다.The offset voltage in T 2 can be expressed as Equation 11 and Equation 12 below. When using a voltage between MAX and MID as the virtual DC link voltage, use Equation 11 and MID. Equation 12 can be used when using a voltage between and MIN.
[수학식 11][Equation 11]
[수학식 12][Equation 12]
이때, 스위칭 시간인 T1 구간과 T2 구간은 입력 전압의 위상각 에 따라서 결정될 수 있는데, T1 구간과 T2 구간의 합은 항상 스위칭 주기 Ts가 되어야 할 것이다. 이러한 T1 구간과 T2 구간은 다음의 [수학식 13] 및 [수학식 14]과 같이 표현될 수 있다.In this case, the switching time T 1 section and T 2 section may be determined according to the phase angle of the input voltage, and the sum of the T 1 section and the T 2 section should always be the switching period T s . The T 1 section and the T 2 section may be expressed as in Equations 13 and 14 below.
[수학식 13][Equation 13]
[수학식 14][Equation 14]
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 와 의 관계를 설명하기 위한 예시도이다.6 is according to an embodiment of the present invention Wow It is an exemplary view for explaining the relationship of.
도 6에 도시한 바와 같이, 와 의 관계는 다음의 [수학식 15]와 같이 표현될 수 있다.As shown in FIG. 6, the relationship of and may be expressed as in Equation 15 below.
[수학식 15][Equation 15]
이후, 제어기는 생성된 게이트 신호에 따라 PWM 펄스를 생성하고(S470), 생성된 PWM 펄스를 제공받아 이에 따라 매트릭스 컨버터의 게이트를 구동할 수 있다(S480).Thereafter, the controller generates a PWM pulse according to the generated gate signal (S470), and receives the generated PWM pulse to drive the gate of the matrix converter accordingly (S480).
이하에서는, 본 발명에서 제안하는 매트릭스 컨버터의 동작과 성능을 분석하기 위해 PSCAD/EMTDC 소프트웨어를 이용하여 다양한 시뮬레이션을 실시하였는데, 이를 도 7 내지 도 10을 참조하여 설명한다.Hereinafter, various simulations have been performed using PSCAD / EMTDC software to analyze the operation and performance of the matrix converter proposed by the present invention, which will be described with reference to FIGS. 7 to 10.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 제어기의 시뮬레이션 모델을 나타내는 예시도이다.7 is an exemplary view showing a simulation model of a controller according to an embodiment of the present invention.
도 7에 도시한 바와 같이, 전력계통 또는 그리드측을 입력측으로 그리고 발전기의 회전자 측을 출력측으로 가정하여 제어기의 시뮬레이션 모델을 보여주고 있다. 제어기는 PLL부을 이용하여 입력측의 3상 전압으로부터 MAX, MID, MIN을 정의하고 출력측의 전압과 전류를 감지하여 고정자와 회전자에 유기되는 자속을 [수학식 5]를 이용하여 추정할 수 있다. 또한 유도발전기의 회전속도는 엔코더를 이용하여 감지하고, 감지된 회전속도와 추정된 자속을 토대로 유도발전기의 토크값을 산출할 수 있다.As shown in FIG. 7, a simulation model of the controller is illustrated assuming a power system or a grid side as an input side and a rotor side of the generator as an output side. The controller defines MAX, MID, and MIN from the three-phase voltage at the input side using the PLL unit, and detects the voltage and current at the output side to estimate the magnetic flux induced by the stator and the rotor by using Equation (5). In addition, the rotational speed of the induction generator can be detected using an encoder, and the torque value of the induction generator can be calculated based on the detected rotational speed and the estimated magnetic flux.
이렇게 알아낸 토크값은 매트릭스 컨버터의 유효전력과 무효전력의 기준값으로 정의되며 그에 맞게 실측값을 제어하게 된다. 또한 PLL을 이용하여 입력측의 3상 전압으로부터 정의된 MAX, MID, MIN와 출력측의 기준값을 이용하여 불연속적인(discrete) 캐리어를 생성하기 위한 T1 과 T2 값을 계산할 수 있다. 따라서 제어기는 이렇게 구해진 모든 값을 기반으로 9개의 매트릭스 컨버터의 스위치에 인가될 게이트 신호를 생성할 수 있다.The torque value thus found is defined as a reference value of the active power and the reactive power of the matrix converter, and the measured value is controlled accordingly. The PLL can also be used to calculate the T 1 and T 2 values for generating discrete carriers using MAX, MID, MIN, and reference values defined at the output three-phase voltage. Therefore, the controller can generate the gate signal to be applied to the switches of the nine matrix converters based on all the values thus obtained.
매트릭스 컨버터로 구성된 이중여자유도 풍력발전의 동작을 확인하기 위해 PSCAD/EMTDC 소프트웨어를 이용한 시뮬레이션을 실시하였다. 시뮬레이션 모델은 3상 220V 계통전압과 3.7KW의 권선형 유도발전기를 이용하여 풍력발전시스템을 구성하였으며 기존의 회전자를 매트릭스 컨버터와 변압기를 이용하여 전력계통에 연계하였다.In order to verify the operation of dual excitation wind power generation system composed of matrix converters, a simulation was conducted using PSCAD / EMTDC software. In the simulation model, a wind power generation system was constructed using a three-phase 220V grid voltage and a 3.7KW winding type induction generator, and the existing rotor was connected to a power system using a matrix converter and a transformer.
이러한 시뮬레이션 모델의 중요 파라미터를 다음의 [표 1]과 같이 나타낼 수 있다. Important parameters of such a simulation model can be shown in the following [Table 1].
[표 1]TABLE 1
계통전압은 220[V]이며 정격풍속 12 m/s일 때 6극 유도발전기가 동기속도를 내는 것으로 가정하였다.It is assumed that the grid voltage is 220 [V] and the 6-pole induction generator produces synchronous speed at rated wind speed of 12 m / s.
도 8은 본 발명에 따른 풍력발전 시스템의 시뮬레이션 모델을 나타내는 예시도이다.8 is an exemplary view showing a simulation model of a wind power generation system according to the present invention.
도 8에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 풍력발전 시스템의 시뮬레이션 모델은 터빈 시뮬레이터, 권선형 유도발전기, 매트릭스 컨버터 및 제어기 등으로 구성될 수 있다. 특히, 권선형 유도발전기의 회전자 측에 연결된 매트릭스 컨버터의 출력전압을 전력계통전압과 원만하게 결합하기 위해 110/220V의 변압기를 사용하였다.As shown in FIG. 8, the simulation model of the wind power generation system according to the present invention may include a turbine simulator, a wound induction generator, a matrix converter, a controller, and the like. In particular, a transformer of 110 / 220V was used to smoothly combine the output voltage of the matrix converter connected to the rotor of the wound induction generator with the power system voltage.
도 9a 내지 도 9e는 본 발명의 일실시예에 따른 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 나타내는 예시도이다.9A to 9E are exemplary views showing computer simulation results according to an embodiment of the present invention.
도 9a 내지 도 9e에 도시한 바와 같이, 도 9a에서 풍속 Vwind이 40초에서 50초까지 11m/s로 증가하고 50초에서 60초까지는 13m/s로 증가될 수 있다. 이러한 풍속에 따른 유도발전기의 회전속도 Wrpm, 고정자의 유효전력 P_stator, 회전자의 유효전력 P_rotor 그리고 유도발전기에서 전력계통에 공급하는 전체 유효전력 P_total은 각각 도 9b, 도 9c, 도 9d, 및 도 9e와 같음을 알 수 있다.As shown in Figs. 9A to 9E, the wind speed Vwind in Fig. 9A can be increased to 11 m / s from 40 seconds to 50 seconds and to 13 m / s from 50 seconds to 60 seconds. The rotational speed Wrpm of the induction generator according to the wind speed, the active power P_stator of the stator, the active power P_rotor of the rotor, and the total active power P_total supplied to the power system from the induction generator are shown in FIGS. 9B, 9C, 9D, and 9E, respectively. It can be seen that
고정자의 유효전력 P_stator은 전력계통에서 유도발전기로 공급될 때 (+)의 부호를 갖기 때문에 도 9c와 같이 부호가 (-)인 경우는 고정자에서 전력계통으로 유효전력을 공급할 수 있다.Since the active power P_stator of the stator has a (+) sign when it is supplied from the power system to the induction generator, when the sign is (-) as shown in FIG. 9C, the stator may supply active power from the stator to the power system.
회전자의 유효전력 P_rotor도 전력계통에서 유도발전기로 공급될 때 (+)의 부호를 갖기 때문에 도 9d와 같이 부호가 (-)인 경우는 회전자에서 전력계통으로 유효전력을 공급할 수 있다.Since the active power P_rotor of the rotor also has a (+) sign when it is supplied from the power system to the induction generator, when the sign is (-) as shown in FIG. 9D, the active power may be supplied from the rotor to the power system.
한편, 도 9e와 같이 전력계통으로 전달되는 전체 유효전력 P_total도 전력계통으로 유효전력을 공급할 때 (+)의 부호를 갖게 되는데, 동기속도보다 느린 경우 고정자는 유효전력을 전력계통으로 공급하나 회전자는 전력계통으로부터 유효전력을 공급받을 수 있다. 이에 따라, 두 유효전력의 합은 (+)의 부호를 가질 수 있는데, 이는 터빈 시뮬레이터가 공급하는 유효전력은 전력계통으로 공급될 수 있음을 의미할 수 있다.On the other hand, as shown in FIG. 9E, the entire active power P_total delivered to the power system also has a positive sign when supplying the active power to the power system. If it is slower than the synchronous speed, the stator supplies the active power to the power system, but the rotor Active power can be supplied from the power system. Accordingly, the sum of the two active powers may have a sign of (+), which may mean that the active power supplied by the turbine simulator may be supplied to the power system.
그러나 동기속도보다 조금 높은 1280rpm에서 회전자의 유효전력은 (+)에서 (-)의 부호로 바뀌고 고정자와 회전자의 전체 유효전력이 전력계통으로 공급될 수 있다.However, at 1280 rpm, which is slightly higher than the synchronous speed, the active power of the rotor is changed from (+) to (-), and the total active power of the stator and rotor can be supplied to the power system.
또한, 회전속도가 840rpm일 경우 회전자 전류의 주파수는 슬립에 비례하는 18Hz일 수 있다. 회전자 전류는 발전기의 토크에 따라 정해지고 회전속도가 동기속도인 1200rpm 보다 낮을 경우 매트릭스 컨버터에서 회전자로 유효전력을 공급하기 때문에 회전자측의 유효전력은 (+)의 부호를 가질 수 있다.In addition, when the rotational speed is 840rpm, the frequency of the rotor current may be 18 Hz proportional to slip. Since the rotor current is determined by the torque of the generator and the rotation speed is lower than the synchronous speed of 1200rpm, the active power on the rotor side may have a positive sign because the matrix converter supplies the active power to the rotor.
회전속도가 동기속도일 경우는 슬립이 0 이어서 회전자전류의 주파수는 0의 값을 가지기 때문에 도면에서와 같이 직류형태를 보일 수 있다. 동기속도에서는 이론상으로 회전자의 유효전력은 0을 나타내나 발전기의 손실에 의하여 약간의 (+) 값을 가지는 것을 알 수가 있다.When the rotational speed is the synchronous speed, since the slip is 0 and the frequency of the rotor current has a value of 0, the DC shape can be shown as in the drawing. In synchronous speed, theoretically, the active power of the rotor shows 0, but it can be seen that it has some positive value due to the loss of the generator.
회전속도가 동기속도 이상인 1310rpm에서는 회전자 전류의 주파수는 다시 슬 립이 증가하여 교류형태로 나타나며, 회전자의 유효전력은 (-) 값을 나타낼 수 있다. 즉, 유도발전기의 회전자측에서 전력계통으로 유효전력을 공급하게 됨을 알 수 있다.At 1310rpm, where the rotation speed is more than the synchronous speed, the frequency of the rotor current increases again to appear in the form of AC, and the active power of the rotor may represent a negative value. That is, it can be seen that the effective power is supplied to the power system from the rotor side of the induction generator.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 유도발전기의 회전속도에 따른 전압/전류 파형을 나타내는 예시도이다.10 is an exemplary view showing a voltage / current waveform according to the rotational speed of the induction generator according to an embodiment of the present invention.
도 10에 도시한 바와 같이, 유도발전기의 회전속도 변화에 따른 회전자의 전류, 고정자의 전압 및 회전자의 유효전력을 나타내고 있는데, 발전기의 회전속도는 840rpm에서 동기속도 1200rpm을 지나 1310rpm 까지 동작하는 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 10, the current of the rotor, the voltage of the stator, and the effective power of the rotor according to the change of the rotation speed of the induction generator are shown. It can be seen that.
이때, 고정자는 전력계통에 연결되어 있기 때문에 회전속도에 관계없이 전압과 주파수가 일정함을 알 수 있는데, 고정자에서 전력계통으로 공급되는 유효전력은 회전속도가 증가함에 따라 증가할 수 있다. 그러나 회전자의 전류와 주파수는 회전속도에 비례하여 전력계통으로 공급되는 유효전력도 회전속도에 크기와 부호가 다를 수 있다.At this time, since the stator is connected to the power system, it can be seen that the voltage and frequency are constant regardless of the rotation speed. The effective power supplied from the stator to the power system may increase as the rotation speed increases. However, the current and frequency of the rotor can be different in magnitude and sign from the rotational speed in proportion to the rotational speed.
이하에서는, 제안하는 풍력발전 시스템의 하드웨어구현 가능성을 확인하기 위해서 농형 유도전동기와 권선형 유도발전기로 구성된 풍력발전 하드웨어 시뮬레이터를 제작하였다. 풍력터빈의 기계적인 특성은 농형유도전동기와 벡터드라이브를 이용하여 모의하도록 설계하였고, 풍력발전기의 전기적인 특성은 권선형 유도발전기와 매트릭스 컨버터를 이용하여 모의하도록 설계하였는데, 이를 도 11을 참조 하여 설명한다.In the following, a wind power generation hardware simulator consisting of a squirrel cage induction motor and a winding induction generator was fabricated to confirm the possibility of hardware implementation of the proposed wind power generation system. The mechanical characteristics of the wind turbine are designed to simulate using a squirrel cage induction motor and a vector drive, and the electrical characteristics of the wind turbine are designed to simulate using a wound induction generator and a matrix converter, which will be described with reference to FIG. do.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력발전 시스템의 시작품을 나타내는 예시도이다.11 is an exemplary view showing a prototype of a wind power generation system according to an embodiment of the present invention.
도 11에 도시한 바와 같이, 실험에 사용한 풍력발전 시뮬레이터의 사진을 보여주고 있는데, 풍력터빈을 모의하는 농형 유도전동기와 벡터드라이브, 그리고 권선형 유도발전기는 하나의 모터-제너레이터 세트(MG-SET)로 구성될 수 있다. 매트릭스 컨버터와 제어기는 별도의 판넬에 제작하여 유도발전기의 회전자와 전력계통을 결할 수 있도록 하고, 제어기는 32bit Floating-Point DSP인 TMS320vc33을 사용하여 제작하였다.As shown in FIG. 11, a photograph of the wind power generation simulator used in the experiment is shown. A squirrel cage induction motor, a vector drive, and a winding induction generator simulating a wind turbine are one motor-generator set (MG-SET). It can be configured as. The matrix converter and the controller are manufactured in separate panels to connect the rotor and power system of the induction generator, and the controller is manufactured using TMS320vc33, a 32-bit floating-point DSP.
실험에 사용된 하드웨어 시뮬레이터의 중요 회로정수를 다음의 [표 2]로 나타낼 수 있다.The critical circuit constants of the hardware simulator used in the experiment can be shown in the following [Table 2].
[표 2]TABLE 2
이때, 터빈을 모의하는 농형 유도전동기는 다양하게 풍력특성을 모의하기 위해 발전기 용량 3.7kW보다 큰 7.5kW을 사용하였다. 또한 매트릭스 컨버터의 낮은 출력전압을 계통전압에 적정하게 결합하기 위해 110/220 변압기를 사용하였다.In this case, a squirrel cage induction motor simulating a turbine used 7.5kW, which is larger than the generator capacity of 3.7kW, to simulate various wind characteristics. A 110/220 transformer was also used to properly couple the low output voltage of the matrix converter to the grid voltage.
도 12a 내지 도 12c는 본 발명의 일실시예에 따른 풍력발전 시스템의 실험결과를 나타내는 예시도이다.12A to 12C are exemplary views showing experimental results of a wind power generation system according to an embodiment of the present invention.
도 12a 내지 도 12c에 도시한 바와 같이, 실험은 권선형 유도발전기를 동기속도 이하인 900rpm, 동기속도인 1200rpm 및 동기속도 이상인 1400rpm에서 고정자의 유효전력, 회전자의 유효전력, 회전자 A상 전류 및 고정자 A상 전압을 나타내고 있다.As shown in Figs. 12A to 12C, the experiment shows that the winding type induction generator has an active power of a stator, an active power of a rotor, a rotor A phase current, Stator A phase voltage is shown.
도 12a에서와 같이 동기속도 이하인 900rpm에서는 고정자가 전력계통에 공급하는 유효전력은 (+) 값을 가지나, 회전자의 유효전력은 (-) 값을 가져 회전자에서는 유효전력이 유도발전기로 유입됨을 알 수 있다. 이에 따라, 고정자의 유효전력과 회전자의 유효전력의 합은 (+) 값으로 전체적으로는 블레이드에서 형성된 유효전력이 전력계통으로 공급됨을 알 수 있다. 또한 고정자의 전압은 계통전압을 유지하고 회전자의 전류는 저주파 교류임을 알 수 있다.As shown in FIG. 12A, at 900 rpm, which is less than or equal to the synchronous speed, the active power supplied by the stator to the power system has a positive value, but the active power of the rotor has a negative value so that the active power flows into the induction generator in the rotor. Able to know. Accordingly, it can be seen that the sum of the active power of the stator and the active power of the rotor is a positive value and the active power formed in the blade is supplied to the power system as a whole. It can also be seen that the stator voltage maintains the grid voltage and the rotor current is low frequency AC.
도 12b에서와 같이 동기속도인 1200rpm에서는 고정자가 전력계통에 공급하는 유효전력은 (+) 값을 가지고, 회전자의 유효전력은 (-) 값을 가져 회전자에서는 유효전력이 유도발전기로 유입됨을 알 수 있다. 이때, 시스템의 손실에 의해 회전자의 유효전력은 영은 아니나 그 크기가 매우 작다고 할 수 있다. 이에 따라, 전체적으로는 블레이드에서 형성된 유효전력이 전력계통으로 공급됨을 알 수 있다. 또한 고정자의 전압은 계통전압을 유지하고 회전자의 전류는 슬립이 영이어서 직류임을 알 수 있다.As shown in FIG. 12B, the active power supplied to the power system by the stator has a positive value at the synchronous speed of 1200 rpm, and the active power of the rotor has a negative value so that the active power flows into the induction generator in the rotor. Able to know. At this time, due to the loss of the system, the effective power of the rotor is not zero, but its size is very small. Accordingly, it can be seen that the active power formed in the blade as a whole is supplied to the power system. In addition, it can be seen that the voltage of the stator maintains the grid voltage and the current of the rotor is DC because the slip is zero.
도 12c에서와 같이 동기속도 이상인 1400rpm에서는 고정자와 회전자의 유효 전력이 모두 (+) 값을 가짐을 알 수 있는데, 이를 통해 블레이드에서 형성된 유효전력이 2개의 경로로 전력계통에 공급됨을 알 수 있다. 또한 고정자의 전압은 계통전압을 유지하고 회전자의 전류는 다시 슬립이 증가하여 교류가 됨을 알 수 있다.As shown in FIG. 12C, it can be seen that the active power of the stator and the rotor have a positive value at 1400 rpm, which is equal to or greater than the synchronous speed. Through this, the active power formed in the blade is supplied to the power system in two paths. . In addition, it can be seen that the voltage of the stator maintains the grid voltage, and the current of the rotor becomes alternating current with increasing slip.
이와 같이 본 발명은 기존의 이중여자유도 풍력발전시스템의 전력변환기인 Back-to-Back 컨버터를 AC-AC 직접변환이 가능한 매트릭스 컨버터로 대치하고 그 동작특성을 분석한 내용을 기술하고 있다. 매트릭스컨버터에 대해 스위칭조작이 간단하고 신뢰성이 높은 새로운 출력전압 변조기법을 제안하고, 이를 적용한 이중여자유도 풍력발전시스템의 동작을 시뮬레이션모델을 개발하여 검증하였으며, 또한 하드웨어 축소모형을 제작하여 실험을 통해 하드웨어 구현의 타당성을 입증하였다.As described above, the present invention replaces a back-to-back converter, which is a power converter of a conventional dual excitation induction wind power generation system, with a matrix converter capable of directly converting AC-AC, and describes the contents of analyzing its operating characteristics. We proposed a new output voltage modulation technique with simple switching operation and high reliability for the matrix converter, and developed a simulation model to verify the operation of the dual excitation induction wind power generation system. The validity of the hardware implementation is demonstrated.
이에, 본 발명에 따른 이중여자 유도형 풍력발전 시스템은 기존의 Back-to-Back 컨버터를 사용하는 시스템과는 달리 DC 링크 제거로 인하여 시스템의 효율 향상과 간소화가 가능한 이점을 가질 수 있어 Back-to-Back 컨버터의 대체가 가능할 수 있다.Therefore, the dual excitation induction wind power generation system according to the present invention, unlike the system using a conventional back-to-back converter can have the advantage that the efficiency of the system can be improved and simplified by removing the DC link back-to Replacement of the back converter may be possible.
본 명세서에서 개시된 시스템에서 사용되는 기능은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스 템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.The functions used in the system disclosed herein can be embodied as computer readable codes on a computer readable recording medium. The computer-readable recording medium includes all kinds of recording devices in which data that can be read by a computer system is stored. Examples of computer-readable recording media include ROM, RAM, CD-ROM, magnetic tape, floppy disk, optical data storage, and the like, and may also be implemented in the form of a carrier wave (for example, transmission over the Internet). do. The computer readable recording medium can also be distributed over network coupled computer systems so that the computer readable code is stored and executed in a distributed fashion.
본 발명에 의한, 이중여자 유도형 풍력발전 시스템 및 그 제어 방법은 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 형태로 변형, 응용 가능하며 상기 실시 예에 한정되지 않는다. 또한, 상기 실시 예와 도면은 발명의 내용을 상세히 설명하기 위한 목적일 뿐, 발명의 기술적 사상의 범위를 한정하고자 하는 목적은 아니며, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형, 및 변경이 가능하므로 상기 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아님은 물론이며, 후술하는 청구범위뿐만이 아니라 청구범위와 균등 범위를 포함하여 판단되어야 한다.The dual excitation induction wind power generation system and the control method thereof according to the present invention can be modified and applied in various forms within the scope of the technical idea of the present invention, and are not limited to the above embodiments. In addition, the embodiments and drawings are merely for the purpose of describing the contents of the invention in detail, not intended to limit the scope of the technical idea of the invention, the present invention described above is common knowledge in the technical field to which the present invention belongs As those skilled in the art can have various substitutions, modifications, and changes without departing from the technical spirit of the present invention, it is not limited to the above embodiments and the accompanying drawings, of course, and not only the claims to be described below but also claims Judgment should be made including scope and equivalence.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 개략적인 풍력발전 시스템의 구성을 나타내는 예시도이다.1 is an exemplary view showing the configuration of a schematic wind power generation system according to an embodiment of the present invention.
도 2는 도 1에 도시된 3상 매트릭스 컨버터의 상세한 구조를 나타내는 예시도이다.2 is an exemplary view showing a detailed structure of the three-phase matrix converter shown in FIG.
도 3은 도 1에 도시된 매트릭스 컨버터의 상세한 구조를 나타내는 예시도이다.3 is an exemplary view showing a detailed structure of the matrix converter shown in FIG.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 풍력발전 시스템의 제어 방법을 나타내는 예시도이다.4 is an exemplary view showing a control method of a wind power generation system according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 옵셋을 이용한 전압변조 방식의 원리를 설명하기 위한 예시도이다.5 is an exemplary view for explaining the principle of the voltage modulation method using an offset according to an embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 와 의 관계를 설명하기 위한 예시도이다.6 is according to an embodiment of the present invention Wow It is an exemplary view for explaining the relationship of.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 제어기의 시뮬레이션 모델을 나타내는 예시도이다.7 is an exemplary view showing a simulation model of a controller according to an embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명에 따른 풍력발전 시스템의 시뮬레이션 모델을 나타내는 예시도이다.8 is an exemplary view showing a simulation model of a wind power generation system according to the present invention.
도 9a 내지 도 9e는 본 발명의 일실시예에 따른 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 나타내는 예시도이다.9A to 9E are exemplary views showing computer simulation results according to an embodiment of the present invention.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 유도발전기의 회전속도에 따른 전압/전류 파형을 나타내는 예시도이다.10 is an exemplary view showing a voltage / current waveform according to the rotational speed of the induction generator according to an embodiment of the present invention.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력발전 시스템의 시작품을 나타내는 예시도이다.11 is an exemplary view showing a prototype of a wind power generation system according to an embodiment of the present invention.
도 12a 내지 도 12c는 본 발명의 일실시예에 따른 풍력발전 시스템의 실험결과를 나타내는 예시도이다.12A to 12C are exemplary views showing experimental results of a wind power generation system according to an embodiment of the present invention.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>
110: 블레이드110: blade
120: 기어박스120: gearbox
130: 발전기130: generator
140: 차단기140: breaker
150: 제어기150: controller
160: 전력계통160: power system
310: 파라미터 추정부310: parameter estimation unit
320: 기준전류 생성부320: reference current generator
330: 전류제어부330: current control unit
340: 전압변조부340: voltage modulator
350: PWM 발생기350: PWM generator
360: 게이트 드라이버360: gate driver
370: PLL부370: PLL section
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KR20090111968A (en) | 2009-10-28 |
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