KR100986269B1 - 농형유도 발전시스템의 전력변환 장치 - Google Patents

농형유도 발전시스템의 전력변환 장치 Download PDF

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Abstract

농형유도 발전시스템의 전력변환 장치가 개시된다. 농형유도 발전시스템의 전력변환 장치는 컨버터와 인버터를 병렬 연결하는 커패시터; 커패시터의 양단 전압값을 이용하여 후보유효전력값을 산출하는 산출부; 및 후보유효전력값을 이용하여 컨버터 및 인버터의 전력을 제어하는 전력제어부를 포함한다. 본 발명에 따르면, 인버터의 후보무효전력값을 이용하여 계통연계점에서 전압을 효율적으로 제어하며, 컨버터의 후보무효전력값을 이용하여 저전압 발생시 유도될 수 있는 과전류를 차단하여 계통이탈을 방지할 수 있다는 장점이 있다.
Figure R1020080050836
농형유도, 발전기, 유효전력, 무효전력, 계통

Description

농형유도 발전시스템의 전력변환 장치{Power converting apparatus of generating system using Squirrel Cage Induction Generator}
본 발명은 전력변환 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 농형유도 발전기가 포함된 발전시스템의 전력변환장치에 관한 것이다.
풍력 발전기는 바람이 가진 에너지가 로터(rotor)에 의해 회전력으로 변환된 후 그 회전력을 이용하여 전기를 발생시킨다. 여기서, 발전기는 회전자의 종류에 따라 농형(Cage Rotor), 농형유도형 및 권선형 등으로 분류될 수 있다. 또한, 발전기는 자기장의 회전속도와 회전자의 회전속도를 기준으로 유도형 및 동기형으로 분류될 수 있다.
일반적으로 발전기의 회전자가 동기 속도인 1800RPM을 넘어 섰을 때 로터의 속도가 자기장의 회전속도보다 빨라지게 된다. 이때, 회전자에 강한 전류가 유도되는 성질을 이용한 발전기가 유도 발전기이다. 유도 발전기는 신뢰성이 뛰어나며, 구조가 간단하기 때문에 동기식 발전기보다 가격이 저렴하다는 장점이 있다. 유도 발전기의 종류에는 농형 유도 발전기, 권선형 유도 발전기, 영구자석형 유도 발전기 등이 있다.
여기서, 농형유도 발전기 (Squirrel Cage Induction Generator) 는 동기 발전기에 비해 기계적인 특성이 우수하여, 최근 풍력발전 시스템에 확대 적용되는 추세이다.
그러나, 농형유도 발전기를 이용한 발전시스템이 단독전원으로 사용되는 경우 고정자에 병렬로 여자용 캐패시터를 부착하여 운전해야 한다. 여기서, 부하에 따라 캐패시터에 부과되는 전압과 주파수가 변동될 수 있다. 따라서, 농형유도 발전시스템은 안정된 전원으로서 사용하기가 곤란하다는 문제점이 있다.
농형유도 발전시스템의 경우, 계통연계점의 전압 제어가 중요하다.
보다 상세하게는, 계통연계점에 저전압이 발생할 수 있다. 이 경우, 발전기측의 컨버터에서 계통연계측의 인버터로 유도된 과전류가 발생할 수 있다. 과전류가 유도된 경우, 농형유도 발전기에 정격 전류 이상의 과전류가 유도될 수 있다. 이 경우, 농형유도 발전시스템에 손상을 초래할 수 있다는 문제점이 있다. 또한, 과전류가 유도된 경우 농형유도 발전시스템이 계통에서 이탈될 수 있어 안정적인 전력품질을 얻을 수 없다는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 계통연계점에 전압을 효율적으로 제어할 수 있는 농형유도 발전시스템의 전력변환 장치를 제안하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 계통연계점에서 저전압 발생시 유도될 수 있는 과전류를 차단할 수 있는 농형유도 발전시스템의 전력변환 장치를 제안하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 계통연계점에서 저전압 발생으로 인한 계통이탈을 방지할 수 있는 농형유도 발전시스템의 전력변환 장치를 제안하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 안정적인 전력품질을 획득할 수 있는 농형유도 발전시스템의 전력변환 장치를 제안하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 농형유도 발전기에 연결된 컨버터와, 상기 컨버터와 계통연계를 연결하는 인버터를 포함하고, 상기 농형유도 발전기에서 생성되는 전력을 상기 계통연계에 전달하는 농형유도 발전시스템의 전력변환 장치에 있어서, 상기 컨버터와 상기 인버터를 병렬 연결하는 커패시터; 상기 커패시터의 양단 전압값을 이용하여 후보유효전력값을 산출하는 산출부; 및 상기 후보유효전력값을 이용하여 상기 컨버터 및 상기 인버터의 전력을 제어하는 전력제어부를 포함하는 농형유도 발전시스템의 전력변환 장치가 제공된다.
여기서, 상기 계통연계와 상기 인버터간의 연결지점인 계통연계점에 대하여 지정된 전압값인 기준 계통연계 전압값과 상기 계통연계에서 측정된 전압값을 이용하여 상기 인버터의 후보무효전력값을 산출하는 중앙제어부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 전력제어부는 상기 컨버터의 무효전력을 단위역률모드로 제어하고, 상기 후보유효전력값 및 상기 인버터의 후보무효전력값을 참조하여 상기 컨버 터의 유효전력를 제어하는 컨버터 제어부; 및 상기 인버터의 후보무효전력값 및 상기 후보유효전력값을 참조하여 상기 인버터의 무효전력 및 유효전력을 각각 제어하는 인버터 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 인버터 제어부는 수학식을 이용하여 상기 인버터의 전류값을 산출하되, Pset.g는 상기 후보유효전력값이며, Qset.g는 상기 인버터의 후보무효전력값이며, iset.d는 상기 인버터의 유효전력에 따른 유효전류값이며, iset.q는 상기 인버터의 무효전력에 따른 무효전류값이며, vd는 계통연계점에서 측정된 유효전압값이며, vq는 계통연계점에서 측정된 무효전압값이다.
<수학식>
Figure 112008038958713-pat00001
또한, 상기 인버터 제어부는 수학식
Figure 112008038958713-pat00002
에 의해 상기 인버터의 무효전력을 제어할 수 있다.
여기서, Qset .q는 인버터 제어부가 인버터에서 제어하고자 하는 무효전력값이며, Qmax .q는 상기 인버터에서 측정된 무효전력값이며, Qp는 중앙제어부에서 산출한 인버터의 후보무효전력값이다.
여기서, 상기 컨버터에서 측정된 전류값이 소정의 정격전류값 이상인 경우, 상기 컨버터 제어부가 참조하여 상기 컨버터 전압이 소정의 정격전압값으로 유지되도록 하는 무효전력값인 보호무효전력값을 산출하는 보호전압 제어부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 컨버터 제어부는 수학식
Figure 112008038958713-pat00003
에 의하여 상기 컨버터의 무효전력을 제어할 수 있다.
여기서, Qset.s는 컨버터 제어부가 컨버터에서 제어하고자 하는 무효전력값이며, Qmax.s는 컨버터에서 측정된 무효전력값이며, Qv는 보호전압 제어부에서 산출한 보호무효전력값이다.
또한, 상기 산출부는 상기 커패시터에 지정된 전압값인 기준 커패시터 전압값을 더 이용할 수 있다.
본 발명에 따른 농형유도 발전시스템의 전력변환 장치는 계통연계점에서 전압을 효율적으로 제어할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 계통연계점에서 저전압 발생시 유도될 수 있는 과전류를 차단할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 계통연계점에서 저전압 발생으로 인한 계통이탈을 방지할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 안정적인 전력품질을 획득할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면 번호에 상관없이 동일한 수단에 대해서는 동일한 참조 번호를 사용하기로 한다.
도면에 대한 상세한 설명을 하기에 앞서, 본 명세서에서의 구성부들에 대한 구분은 각 구성부가 담당하는 주기능별로 구분한 것에 불과함을 명확히 하고자 한다. 즉, 이하에서 설명할 2개 이상의 구성부가 하나의 구성부로 합쳐지거나 또는 하나의 구성부가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화되어 구비될 수도 있다. 그리고 이하에서 설명할 구성부 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성부가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성부 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성부에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다. 따라서, 본 명세서를 통해 설명되는 각 구성부들의 존재 여부는 기능적으로 해석 되어져야 할 것이며, 이러한 이유로 본 발명의 농형유도 발전시스템의 전력변환장치 따른 구성부들의 구성은 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 한도 내에서 도 1과는 상이해질 수 있음을 명확히 밝혀둔다. 또한, 본 발명의 농형유도 발전시스템의 전력변환장치는 독자적으로 존재할 수도 있지만, 농형유도 발전시스템의 일부로서 존재할 수도 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 농형유도 발전시스템의 구성을 예시한 도면이다.
농형유도 발전시스템은 농형유도 발전기(101), 컨버터(102) 및 인버터(104)를 포함할 수 있다. 농형유도 발전기(101)의 출력은 풍력에 종속적이다. 따라서, 농형유도 발전기(101)에서 생성되는 전압 및 전류는 일정하지 않다. 따라서, 농형유도 발전시스템에서 생성되는 전압 및 전류는 컨버터(102)에서 교류를 직류로 일정하게 변환한다. 이어서, 다시 인버터(104)에서 교류를 직류로 변환하여 계통연계에 전달된다. 이점에 관한 기술은 본 발명의 출원시 공지된 사항이므로 본 발명의 요지를 명확하게 하기 위하여 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예에 따른 농형유도 발전시스템의 전력변환 장치는 커패시터(103), 산출부(109), 전력제어부(120), 중앙제어부(111), 전압비교부(112) 및 보호전압 제어부(107)를 포함할 수 있다.
커패시터(103) 및 산출부(109)의 기능에 대해서는 이하 도 2를 참조하여 상세히 후술한다.
여기서, 전력제어부(120)는 컨버터 제어부(108) 및 인버터 제어부(110)를 포함할 수 있다. 전력제어부(120)는 컨버터(102) 및 인버터(104)의 전력을 제어할 수 있다. 이하 보다 상세히 설명한다.
컨버터 제어부(108)는 컨버터(102)의 유효전력 및 무효전력을 제어할 수 있다. 이 점에 대해서는 이하 도 3을 참조하여 상세히 후술한다.
인버터 제어부(110)는 인버터(104)의 유효전력 및 무효전력을 제어할 수 있다. 이 점에 대해서는 이하 도 4를 참조하여 상세히 후술한다.
전압 비교부(112)는 인버터(104)와 계통연계간의 연결지점인 계통연계 점(106)또는 인버터(104)에서 측정된 전압과, 계통연계점(106)에 대하여 미리 지정된 전압값인 기준 계통연계 전압값과의 차이값을 산출할 수 있다.
중앙 제어부(111)는 전압 비교부(112)에서 산출한 차이값을 이용하여 미리 지정된 방법으로 인버터(104)의 후보무효전력값을 산출할 수 있다. 여기서, 도 1에는 전압 비교부(112)와 중앙 제어부(111)가 별개의 구성부로 도시되어 있으나, 하나의 구성부로서 구현될 수 있음은 본 발명의 기술적 사상에 비추어 당업자에게 자명하다.
보호전압 제어부(107)는 계통연계에 저전압이 발생한 경우 보호무효전력값을 산출할 수 있다. 여기서, 보호무효전력값은 컨버터 전압값이 소정의 정격전압값으로 유지되도록 하는 컨버터(102)의 무효전력값이다. 이 경우, 컨버터 제어부(108)는 보호무효전력값을 이용하여 컨버터(102)의 전압값이 소정의 정격전압값으로 유지되도록 제어할 수 있다. 이 점에 대해서는 이후 도 5를 참조하여 상세히 후술한다.
지금까지 도 1을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 농형유도 발전시스템의 구성에 대해서 설명하였다. 이하, 도 2를 참조하여 커패시터(103) 및 산출부(109)에 대해서 먼저 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 커패시터(103) 및 산출부(109)를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 커패시터(103)는 발전기측 컨버터(102)의 유효전력(Ps)과 계통측 인버터(104)의 유효전력(Pq)의 오차를 이용하여 Vdc를 산출할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 커패시터(103)는 컨버터(102)와 인버터(104)를 병렬연결될 수 있다. 여기서, 커패시터(103)의 양단에 걸리는 전압 Vdc는 커패시터(103)는 발전기측 컨버터(102)의 유효전력(Ps)과 계통측 인버터(104)의 유효전력(Pq)의 오차에 관련한 정보를 포함할 수 있다.
보다 상세하게는, 커패시터(103)의 커패시턴스(capacitance)값인 Cdc는 미리 지정된 값이다. 또한, Cdc값 및 주파수(wb)값 또한 미리 설정된 값이다. 이 경우, 커패시터 양단에 걸리는 전압 Vdc는 발전기측 컨버터(102)의 유효전력(Ps)과 계통측 인버터(104)의 유효전력(Pq)의 오차에 대한 정보를 포함할 수 있음은 본 발명의 기술적 사상에 비추어 당업자에게 자명하다.
이어서, 산출부(109)는 커패시터(103)에서 산출한 Vdc 값과, 커패시터(103)에 대하여 미리 설정된 전압값인 기준 커패시터 전압값 (이하, Vref.dc)의 차이를 이용하여 후보유효전력값(Pset.g)를 산출할 수 있다.
도 2에는 선형 적분제어기(P17)(201)을 이용하여, 후보유효전력값(Pset.g)을 산출하는 것으로 예시하였다. 여기서, 후보유효전력값( Pset.g)이 미리 지정된 방법 으로 다양하게 산출될 수 있다. 또한, 상기한 목적을 위하여 선형 적분제어기(P17)(201) 다양하게 구현될 수 있음은 본 발명의 기술적 사상에 비추어 당업자에게 자명하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 농형유도 발전시스템은 발전기측 컨버터(102)의 유효전력을 계통측 인버터(104)를 통해 최대한의 유효전력으로서 계통연계로 전송할 수 있다. 이때, 계통연계로 최대한의 유효전력을 전송하는 과정에서, 커패시터(103)에 과전압이 형성될 수 있다는 문제점이 있다. 즉, 계통연계점(106)에 저전압이 형성된 경우, 컨버터(102)에 과전류가 흐를 수 있다는 문제점이 있다.
예를 들어, 발전기측 컨버터(102)에서 전류가 증가하여, 발전기측 컨버터(102)에 흐르는 전류량이 컨버터(102)의 정격용량을 초과할 수 있다.
예를 들어 농형유도 발전기에서 계통이탈이 생길 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 계통연계점(106)에 저전압이 형성된 경우, 보호전압 제어부(107)는 컨버터 제어부(108)가 컨버터(102)의 무효전력을 소정의 정격 무효전력값으로 제어할 수 있도록 하는 보호무효전력값을 산출할 수 있다. 이 점에 대해서는 이하 도 5를 참조하여 상세히 설명한다.
지금까지 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 커패시터(103) 및 산출부(109)에 대해서 설명하였다. 이하 도 3을 참조하여 컨버터 제어부(108)에 대해서 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 컨버터 제어부(108)를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 컨버터 제어부(108)는 컨버터(102)의 무효전력을 단위역률모드로 제어할 수 있다.
보다 상세하게는, 농형유도 발전시스템에서 컨버터(102)의 유효전력이 최대한 인버터(104)의 유효전력으로 전송될 수 있어야 한다. 따라서, 컨버터 제어부(108)는 컨버터(102)의 무효전력값이 0이 되도록 하는 단위역률모드로 제어할 수 있다.
그리고, 컨버터 제어부(108)는 산출부(109)가 산출한 후보유효전력값과, 중앙제어부(111)가 산출한 인버터(104)의 후보무효전력값을 참조하여 컨버터(102)의 유효전력을 제어할 수 있다.
이하, 도 3을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3에는 본 발명의 실시예에 따른 컨버터 제어부(108)의 구성이 예시되어 있다.
본 발명의 실시예에 따른 컨버터 제어부(108)는 4개의 선형-적분(PI) 제어기를 포함할 수 있다.
컨버터 제어부(108)는 2개의 구성으로 분류될 수 있다. 제1 구성은 제1 및 제2 선형-적분(PI) 제어기(301, 302)를 포함할 수 있다. 그리고, 제2 구성은 제3 및 제4 선형-적분(PI) 제어기(303, 304)를 포함할 수 있다.
제1 구성은 컨버터의 유효전력를 제어하기 위한 구성이며, 제2 구성은 컨버 터의 무효전력을 제어하기 위한 구성이다.
이하, 제1 구성에 대해서 먼저 설명한다.
제1 선형-적분 제어기(301)는 산출부(109)가 산출한 후보유효전력값(Pset.g)과, 계통측 인버터(104)에서 측정된 유효전력값을 입력받아 발전기측 컨버터(102)의 유효전력의 기준값인 기준유효전력값을 산출 할 수 있다.
여기서, 제1 선형-적분 제어기(301)는 상기한 목적을 수행하기 위하여 공지된 기술을 이용하여 다양하게 구성될 수 있음은 본 발명의 기술적 사상에 비추어 당업자에게 자명하다.
제2 선형-적분 제어기(302)는 제1 선형-적분 제어기(301)로부터 컨버터(102)의 기준유효전력값과, 농형유도 발전기(101)의 고정자에서 측정된 유효전류값을 입력받아 컨버터의 기준유효전력값에 따른 기준유효전압값(Vds)을 산출할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 컨버터 제어부(108)는 캐스캐이드(cascade) 방식으로 구현될 수 있다. 이 경우, 제1 구성에 대응되는 제2 구성과의 커플링 성분을 제거한 후 기준유효전압값(Vds)이 산출될 수 있음은 본 발명의 기술적 사상에 비추어 당업자에게 자명하다.
또한, 제1 구성을 구현함에 있어 수학식은 DQ 변환(3상/2상 변환)을 이용할 수 있다. 이 경우, 기준유효전압값은 DQ 변환에 의해 산출된 값에 Vdc가 곱해져서 최종적으로 산출될 수 있음은 본 발명의 기술적 사상에 비추어 당업자에게 자명하다.
또한, DQ 변환을 이용함에 있어, 주파수 Wb가 고려될 수 있음을 본 발명의 기술적 사상에 비추어 당업자에게 자명하다.
이하, 제2 구성에 대해 설명한다.
제3 선형-적분 제어기(303)은 인버터의 후보무효전력값(Qset.s)과, 농형유도 발전기(101) 고정자 측에서 측정된 무효전력값을 입력받아 계통측 인버터(104)의 무효전력의 기준값인 기준무효전력값을 산출할 수 있다.
여기서, 인버터의 후보무효전력값(Qset.s)은 중앙제어부(111)가 산출할 수 있음은 앞서 설명하였다.
제4 선형-적분 제어기(304)는 인버터(104)의 기준무효전력값과, 농형유도 발전기(101)의 고정자 측에서 측정된 무효전류값을 입력받아 컨버터(102)의 기준무효전력값에 따른 기준무효전압값(Vqs)을 산출할 수 있다.
여기서, 앞서 설명한 제1 구성과 마찬가지로 커플링 성분이 제거될 수 있음은 본 발명의 기술적 사상에 비추어 당업자에게 자명하다(312참조).
또한, 앞서 설명한 제1 구성과 마찬가지로 DQ 변환이 이용될 수 있음은 본 발명의 기술적 사상에 비추어 당업자에게 자명하다.
지금까지 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 컨버터 제어부를 설명하였다. 이하, 도 4를 참조하여 인버터 제어부를 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 인버터 제어부(110)를 설명하기 위한 도면이다.
보다 상세하게는 인버터 제어부(110)는 두 개의 선형-적분(PI) 제어기(401, 502)를 포함할 수 있다.
인버터 제어부(110)는 인버터(104)를 통해 계통연계로 흘러가는 전류값(Iset.g)를 산출할 수 있다. 여기서, 전류값(Iset.g)는 유효전류값(Iset.d)과 무효전류값(Iset.g)로 나뉜다.
본 발명의 실시예에 따르면, 인버터 제어부(110)는 하기의 수학식1에 의해 유효전류값(iset.d)과 무효전류값(iset.g)을 산출할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112008038958713-pat00004
여기서, Pset.g는 산출부(109)가 산출한 후보유효전력값이며, Qset.g는 중앙 제어부(111)가 산출한 인버터(104)의 후보무효전력값이다.
여기서, iset.d는 인버터(104)의 유효전력에 따른 유효전류값이며, iset.q는 인버터(104)의 무효전력에 따른 무효전류값이다.
여기서, vd는 계통 연계점에서 측정된 유효전압값이며, vq는 계통 연계점에서 측정된 무효 전압값이다.
도 4를 참조하면, 제5 선형-적분제어기(401)는 인버터(104)의 유효전류값(iset.d)과 계통측 인버터(104)에서 측정된 유효전류값을 입력받아 인버터(104)의 유효전력에 따른 기준 유효전압값(vdg)를 산출할 수 있다. 이 경우, 인버터 제어기(104)는 산출된 기준 유효전압값(vdg)을 이용하여 인버터(104)의 유효전력을 제어할 수 있다.
마찬가지로, 제6 선형-적분 제어기(402)는 인버터(104)의 무효전류값(iset.q)과, 계통측 인버터(104)에서 측정된 무효전류값을 입력받아 인버터(104)의 무효전력에 따른 기준 무효전압값(vqg)를 산출할 수 있다. 이 경우, 인버터 제어기(104)는 산출된 기준 무효전압값(vqg)을 이용하여 인버터(104)의 무효전력을 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 인버터 제어부(110)는 컨버터 제어부(108)와 마찬가지로 캐스캐이드(cascade) 방식으로 구현될 수 있다. 또한, 이 경우 커플링 성분이 제거될 수 있음은 본 발명의 기술적 사상에 비추어 당업자에게 자명하다. (411, 512 참조)
본 발명의 실시예에 따르면, 인버터 제어부(110)는 하기의 수학식2를 이용하 여, 인버터(104)의 운영범위내에서 무효전력값을 제어할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112008038958713-pat00005
여기서, Qset.q는 인버터 제어부(110)가 인버터(104)에서 제어하고자 하는 무효전력값이며, Qmax .q는 인버터(104)에서 측정된 무효전력값이며, Qp는 중앙제어부(111)에서 산출한 인버터의 후보무효전력값이다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따르면 인버터 제어부(110)는 수학식2를 이용하여 인버터(104)의 운영범위내에서 무효전력값을 제어할 수 있다.
지금까지 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 인버터 제어부(110)에 대해서 설명하였다. 이하, 도 5를 참조하여 보호전압 제어부(107)에 대해서 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 보호전압 제어부(107)를 설명하기 위한 도면이다.
농형유도 발전시스템에서 계통연계점에 저전압이 발생할 수 있다. 이 경우, 농형유도 발전기(101)측에서 계통연계측으로 과전류가 유도될 수 있다. 과전류가 유도되는 경우, 커패시터(103)에 과전압이 형성되어 커패시터(103)에 손상을 초래할 수 있다는 문제점이 있다. 또한 과전류가 유도되는 경우, 과전류의 크기가 컨버터(102)의 정격전류값을 초과할 수 있다. 이 경우, 풍력발전기의 계통이탈이 초래 될 수 있다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 농형유도 발전시스템의 전력변환장치는 계통연계점에 저전압이 발생한 경우 과전류가 유도되는 것을 방지하기 위한 보호전압 제어부를 더 포함할 수 있다.
도 5에는 보호전압 제어부(107)의 구성이 예시되어 있다.
도 5를 참조하면, 보호전압 제어부(107)는 제8 선형-적분 제어기(401) 및 스위치(402)를 포함할 수 있다.
스위치(502)는 발전기측 컨버터(102)에 측정된 전류를 입력 받을 수 있다. 그리고, 스위치(502)에 입력되는 발전기측 컨버터(102)의 전류값이 소정의 정격전류값을 이하인 경우, 스위치(502)는 컨버터의 후보무효전력값(Qset.s)을 '0'으로 출력할 수 있다. 보다 상세하게는, 스위치(502)에 입력되는 발전기측 컨버터(102)의 전류값이 소정의 정격전류값을 이하인 경우 보호전압 제어부(107)는 컨버터(102)에 과전류가 흐르지 않는다고 판단할 수 있다. 이 경우, 보호전압 제어부(107)의 스위치(502)는 '0'을 출력할 수 있다. 그리고, 컨버터 제어부(108)는 '0'을 입력받아 컨버터(102)를 단위역률모드로 제어할 수 있다.
스위치(502)에 입력되는 발전기측 컨버터(102)의 전류값이 소정의 정격전류값을 초과하는 경우, 스위치(502)는 컨버터의 후보무효전력값(Qset.s)을 소정의 무효전력값인 보호무효전력값을 출력할 수 있다. 이하 상세히 설명한다.
스위치(502)에 입력되는 발전기측 컨버터(102)의 전류값이 소정의 정격전류 값을 초과하는 경우, 보호전압 제어부(107)는 컨버터(102)에 과전류가 흐른다고 판단할 수 있다. 이 경우, 스위치(502)는 턴온(turn-on)될 수 있다. 따라서, 스위치(502)는 소정의 보호무효전력값을 출력할 수 있다.
여기서, 보호무효전력값은 컨버터 제어부(102)가 컨버터(102)의 전압이 미리 지정된 정격전압값으로 유지될 수 있도록 하는, 컨버터(102)의 무효전력값에 대한 미리 지정한 값이다. 컨버터 제어부(502)가 보호무효전력값을 이용하여 컨버터(102)의 무효전력을 제어하는 경우 컨버터(102)의 전압은 소정의 정격전압값으로 제어될 수 있다. 따라서, 본 발명에 실시예에 따르면, 계통연계점에 저전압이 발생한 경우 컨버터(102)의 전압이 미리 지정된 값으로 제어되어, 농형유도 발전시스템에 계통이탈이 발생되는 것을 차단할 수 있다는 장점이 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 본 발명의 실시예에 따른 농형유도 발전시스템의 구성을 예시한 도면.
도 본 발명의 실시예에 따른 커패시터 및 산출부를 설명하기 위한 도면.
도 본 발명의 실시예에 따른 컨버터 제어부를 설명하기 위한 도면.
도 본 발명의 실시예에 따른 인버터 제어부를 설명하기 위한 도면.
도 본 발명의 실시예에 다른 보호전압 제어부를 설명하기 위한 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
101 : 농형유도 발전기 102 : 컨버터
103 : 커패시터 104 : 인버터
106 : 계통연계점 107 : 보호전압 제어부
108 : 컨버터 제어부 109 : 산출부
110 : 인버터 제어부 111 : 중앙제어부
112 : 전압비교부

Claims (8)

  1. 농형유도 발전기에 연결된 컨버터와, 상기 컨버터와 계통연계를 연결하는 인버터를 포함하고, 상기 농형유도 발전기에서 생성되는 전력을 상기 계통연계에 전달하는 농형유도 발전시스템의 전력변환 장치에 있어서,
    상기 컨버터와 상기 인버터를 병렬 연결하는 커패시터;
    상기 커패시터의 양단 전압값을 이용하여 후보유효전력값을 산출하는 산출부;
    상기 후보유효전력값을 이용하여 상기 컨버터 및 상기 인버터의 전력을 제어하는 전력제어부; 및
    상기 계통연계와 상기 인버터간의 연결지점인 계통연계점에 대하여 지정된 전압값인 기준 계통연계 전압값과 상기 계통연계에서 측정된 전압값을 이용하여 상기 인버터의 후보무효전력값을 산출하는 중앙제어부를 포함하는 농형유도 발전시스템의 전력변환 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 전력제어부는
    상기 컨버터의 무효전력을 단위역률모드로 제어하고, 상기 후보유효전력값 및 상기 인버터의 후보무효전력값을 참조하여 상기 컨버터의 유효전력를 제어하는 컨버터 제어부; 및
    상기 인버터의 후보무효전력값 및 상기 후보유효전력값을 참조하여 상기 인버터의 무효전력 및 유효전력을 각각 제어하는 인버터 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 농형유도 발전시스템의 전력변환 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는 수학식을 이용하여 상기 인버터의 전류값을 산출하되, Pset.g는 상기 후보유효전력값이며, Qset.g는 상기 인버터의 후보무효전력값이며, iset.d는 상기 인버터의 유효전력에 따른 유효전류값이며, iset.q는 상기 인버터의 무효전력에 따른 무효전류값이며, vd는 계통연계점에서 측정된 유효전압값이며, vq는 계통연계점에서 측정된 무효전압값인 것을 특징으로 하는 농형유도 발전시스템의 전력변환 장치.
    <수학식>
    Figure 112008038958713-pat00006
  5. 제3항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는 수학식
    Figure 112008038958713-pat00007
    에 의해 상기 인버터의 무효전력을 제어하는 것을 특징으로 하는 농형유도 발전시스템의 전력변환 장치.
    여기서, Qset.q는 인버터 제어부가 인버터에서 제어하고자 하는 무효전력값이며, Qmax.q는 상기 인버터에서 측정된 무효전력값이며, Qp는 중앙제어부에서 산출한 인버터의 후보무효전력값임.
  6. 제3에 있어서,
    상기 컨버터에서 측정된 전류값이 소정의 정격전류값 이상인 경우, 상기 컨버터 제어부가 참조하여 상기 컨버터 전압이 소정의 정격전압값으로 유지되도록 하 는 무효전력값인 보호무효전력값을 산출하는 보호전압 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 농형유도 발전시스템의 전력변환 장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 컨버터 제어부는 수학식
    Figure 112008038958713-pat00008
    에 의하여 상기 컨버터의 무효전력을 제어하는 것을 특징으로 하는 농형유도 발전시스템의 전력변환 장치.
    여기서, Qset.s는 컨버터 제어부가 컨버터에서 제어하고자 하는 무효전력값이며, Qmax .s는 컨버터에서 측정된 무효전력값이며, Qv는 보호전압 제어부에서 산출한 보호무효전력값임.
  8. 제 3항에 있어서,
    상기 산출부는 상기 커패시터에 지정된 전압값인 기준 커패시터 전압값을 더 이용하는 것을 특징으로 하는 농형유도 발전시스템의 전력변환 장치.
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