KR101039544B1

KR101039544B1 - 풍력 발전 장치

Info

Publication number: KR101039544B1
Application number: KR1020097014032A
Authority: KR
Inventors: 아키라 야스기; 다카토시 마츠시타
Original assignee: 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
Priority date: 2008-08-14
Filing date: 2008-08-14
Publication date: 2011-06-09
Also published as: WO2010018631A1; TWI346178B; KR20100035631A; CN101828032B; AU2008331349B2; TW201009191A; JPWO2010018631A1; CA2669057A1; CN101828032A; AU2008331349A1; EP2312153A1; JP4865861B2; US20110156388A1; US8368238B2

Abstract

저전압 사상 등의 발생시에 있어서, 계통 전압을 신속하게 회복할 수 있는 풍력 발전 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 제어 장치 (21) 는, 통상 운전 모드로부터 저전압 제어 모드로 전환하는 경우에, 발전기의 역률 상태를 검출하고, 그 역률 상태에 따라, 저전압 제어 모드로부터 통상 운전 모드로 전환할 때의 조건을 설정한다.

Description

풍력 발전 장치{WIND TURBINE GENERATOR}

본 발명은 풍력 발전 장치에 관한 것이다.

풍차의 운전 제어에 있어서, 계통 전압이 정전 등의 발생으로 인해 저하된 경우에는, 풍차와 전력계통의 접속을 신속하게 절단하여 과전류에 의한 발전기 등의 손상을 회피한다는 운용이 채용되고 있다. 그 한면, 예를 들어, LVRT (Low voltage ride-through) 로 요구되는 전압 저하 패턴 등과 같은 저전압 사상 (事象) 이 발생한 경우에는, 풍차와 전력계통의 접속을 유지하고, 풍차의 운전을 계속 실시하도록 규격화되고 있다.

이것은, 전력계통의 단락 사고 등으로 계통 전압이 순간적으로 저하되어도 소정의 시간 내이면, 풍차를 계통으로부터 떼어내지 않고 사고 회복 후의 전압 회복이나 주파수 변동 회복에 풍차가 발생시키는 전력, 무효 전력도 기여시키고자 하는 것이다.

사고 후의 계통 전압을 신속하게 회복하기 위해서는, 전력계통에 무효 전력을 공급하는 것이 중요해진다. 예를 들어, 특허 문헌 1 에는, 전력 저하 사상시에 있어서, 전력계통에 대해 무효 전력을 공급하는 풍력 발전 장치가 개시되어 있다.

[특허 문헌 1]

미국 특허 출원 공개 제2007/0273155호 명세서

발명의 개시

전력 저하 사상 후에 있어서 계통 전압을 신속하게 회복시키기 위해서는, 무효 전력, 즉, 무효 전류를 적절히 제어하기 위한 제어 로직을 설계하는 것이 중요해진다.

본 발명은, 상기 문제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 순간적인 정전이나, 저전압 상태가 소정 기간 연속되는 저전압 사상 (예를 들어, LVRT 로 사전에 정해진 사상) 등의 발생시에 있어서, 계통 전압을 신속하게 회복할 수 있는 풍력 발전 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 이하의 수단을 채용한다.

본 발명은, 전력계통에 접속되는 발전기와, 통상 운전 모드와, 그 발전기의 단자 전압에 따라 무효 전류를 제어하는 저전압 제어 모드를 갖고, 그 전력계통의 계통 전압이 미리 설정되어 있는 소정의 모드 전환값보다 저하된 경우에, 그 통상 운전 모드로부터 그 저전압 제어 모드로 전환하고, 그 전력계통의 계통 전압이 기준 단자 전압보다 높아진 경우에, 그 저전압 제어 모드로부터 그 통상 운전 모드로 전환하는 제어 수단을 구비하고, 상기 제어 수단은 그 통상 운전 모드로부터 그 저전압 제어 모드로 전환하는 경우에, 그 발전기의 역률 상태를 검출하고, 그 역률 상태에 따라, 그 저전압 제어 모드로부터 상기 통상 운전 모드로 전환할 때의 상기 기준 단자 전압을 설정하는 풍력 발전 장치를 제공한다.

예를 들어, 역률이 유도성인 경우에는 전력계통으로부터 무효 전력을 흡수 하는 제어가 실시되고, 역률이 용량성인 경우에는, 전력계통에 무효 전력을 공급하는 제어가 실시된다. 여기서, 예를 들어, 순간적인 정전이나 저전력 사상 등이 발생함으로써, 계통 상태가 통상적인 상태로부터 변화된 경우에는, 모드가 통상 운전 모드로부터 저전압 제어 모드로 전환되게 되는데, 그 후, 저전압 제어 모드로부터 통상 운전 모드로 전환되었을 때의 조건은, 통상 운전 모드로 전환된 후의 제어를 고려하여 결정하는 것이 바람직하다. 본 발명에 의하면, 역률 상태에 따라, 기준 단자 전압이 설정되므로, 적절한 타이밍으로 저전압 제어 모드로부터 통상 운전 모드로 전환될 수 있게 된다.

상기 풍력 발전 장치에 있어서, 상기 제어 수단은, 상기 통상 운전 모드로부터 상기 저전압 제어 모드로 전환되었을 때의 상기 발전기의 역률이 유도성인 경우에, 상기 기준 단자 전압을 미리 등록되어 있는 제 1 값으로 설정하고, 상기 발전기의 역률이 용량성인 경우에, 상기 기준 단자 전압을 그 제 1 값보다 작은 제 2 값으로 설정하는 것으로 해도 된다.

역률이 용량성인 경우에는, 통상 운전 모드에 있어서도 전력계통에 무효 전력을 공급하는 제어가 실시되기 때문에, 저전압 제어 모드로부터 통상 운전 모드로 전환된 후에도 전력계통에 대해 무효 전력이 계속 공급되게 된다. 한편, 역률이 유도성인 경우에는, 통상 운전 모드에 있어서, 전력계통으로부터 무효 전력을 흡수하는 제어가 실시되기 때문에, 전력계통이 복전 (復電) 되지 않는 상태에서 조기에 모드 전환을 실시해 두면, 전력계통의 불안정화를 조장하게 된다.

이와 같은 사상을 감안하여, 역률이 용량성인 경우에는, 발전기의 기준 단자 전압을 유도성인 경우보다 작은 값으로 설정함으로써, 저전압 제어 모드의 채용 시간을 짧게 하여, 조기에 통상 운전 모드로 되돌릴 수 있게 된다.

또, 역률이 유도성인 경우에는, 전력계통이 복전된 것을 제대로 확인할 수 있는 값으로 설정해 둠으로써, 전력계통을 저전압 사상으로부터 확실하게 회복시킬 수 있게 된다.

상기 풍력 발전 장치에 있어서, 상기 제 1 값 및 상기 제 2 값은, 사전에 시뮬레이션 계산을 실시하고, 그 시뮬레이션의 결과에 기초하여 결정되는 것으로 해도 된다.

이와 같이, 사전에 시뮬레이션 계산을 실시하고, 상기 제 1 값 및 제 2 값을 결정하므로, 적절한 시기에 모드를 전환시킬 수 있게 된다.

본 발명에 의하면, 순간적인 정전이나, 저전압 상태가 소정 기간 연속되는 저전압 사상 등의 발생시에 있어서, 계통 전압을 신속하게 회복할 수 있다는 효과를 발휘한다.

도 1 은 본 발명의 일 실시형태에 관련된 풍력 발전 장치의 전체 구성을 나타낸 블록도이다.

도 2 는 발전기 및 그 주변 구성의 일례를 나타내는 블록도이다.

도 3 은 제어 장치가 보유하는 전류-전압 테이블의 일례를 나타낸 도면이다.

부호의 설명

1 풍력 발전 장치

2 타워

3 나셀

4 나셀 선회 기구

5 발전기

6 기어

7 풍차 로터

8 블레이드

9 허브

13 전력계통

14 능동 정류기

15 DC 버스

16 인버터

17 AC-DC-AC 컨버터

20 전압/전류 센서

21 제어 장치

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

이하에, 본 발명에 관련된 풍력 발전 장치의 일 실시형태에 대해, 도면을 참 조하여 설명한다.

도 1 은 본 실시형태에 관련된 풍력 발전 장치의 전체 구성을 나타낸 블록도이다. 풍력 발전 장치 (1) 는, 도 1 에 나타나는 바와 같이, 타워 (2) 와, 타워 (2) 의 상단에 형성된 나셀 (3) 을 구비하고 있다. 나셀 (3) 은, 요 방향으로 선회 가능하고, 나셀 선회 기구 (4) 에 의해 원하는 방향으로 향해진다. 나셀 (3) 에는, 발전기 (5) 와 기어 (6) 가 탑재되어 있다. 발전기 (5) 의 로터는, 기어 (6) 를 통하여 풍차 로터 (7) 에 접합되어 있다.

풍차 로터 (7) 는 블레이드 (8) 와, 블레이드 (8) 를 지지하는 허브 (9) 를 구비하고 있다. 블레이드 (8) 는 그 피치 각이 가변으로 형성되어 있다.

나셀 (3) 에는, 추가로, 풍속 풍향계 (10) 가 형성되어 있다. 풍속 풍향계 (10) 는 풍속과 풍향을 측정한다. 나셀 (3) 은 풍속 풍향계 (10) 에 의해 측정된 풍속과 풍향에 응답하여 선회된다.

도 2 는 발전기 (5) 및 그 주변의 구성 일례를 나타내는 블록도이다. 본 실시형태의 발전기 (5) 는 발전기 (5) 가 발생시키는 전력이 스테이터 코일 및 로터 코일의 양방에 의하여 전력계통 (13) 에 출력될 수 있도록 구성되어 있다. 구체적으로는, 발전기 (5) 는 그 스테이터 코일이 전력계통 (13) 에 직접 접속되고, 로터 코일이 AC-DC-AC 컨버터 (17) 를 통하여 전력계통 (13) 에 접속되어 있다.

AC-DC-AC 컨버터 (17) 는 능동 정류기 (14), DC 버스 (15), 및 인버터 (16) 로 구성되어 있고, 로터 코일로부터 받은 교류 전력을 전력계통 (13) 의 주파수에 적합한 교류 전력으로 변환한다.

구체적으로는, 능동 정류기 (14) 는, 로터 코일에 발생된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하고, 그 직류 전력을 DC 버스 (15) 에 출력한다. 인버터 (16) 는, DC 버스 (15) 로부터 받은 직류 전력을 전력계통 (13) 과 동일한 주파수의 교류 전력으로 변환하고, 그 교류 전력을 출력한다.

AC-DC-AC 컨버터 (17) 는, 전력계통 (13) 으로부터 받은 교류 전력을 로터 코일의 주파수에 적합한 교류 전력으로 변환하는 기능도 가지고 있고, 풍력 발전 장치 (1) 의 운전 상황에 따라서는 로터 코일을 여기하기 위해서도 사용된다. 이 경우, 인버터 (16) 는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하고, 그 직류 전력을 DC 버스 (15) 에 출력한다. 능동 정류기 (14) 는, DC 버스 (15) 로부터 받은 직류 전력을 로터 코일의 주파수에 적합한 교류 전력으로 변환하고, 그 교류 전력을 발전기 (5) 의 로터 코일에 공급한다.

전압/전류 센서 (20) 는, 발전기 (5) 를 전력계통 (13) 에 접속하는 전력선으로 형성되어 있고, 발전기 (5) 의 출력 전압 (이하 「발전기 단자 전압」이라고 한다.) 과, 출력 전류를 측정한다.

제어 장치 (21) 는, 전력계통 (13) 에 공급하는 유효 전력 P 와 무효 전력 Q 를 제어할 수 있도록, 능동 정류기 (14) 및 인버터 (16) 의 파워 트랜지스터의 온 오프를 제어한다.

구체적으로는, 제어 장치 (21) 는 통상 운전 모드와, 발전기 (5) 의 단자 전압에 따라 무효 전류를 제어하는 저전압 제어 모드를 갖고, 전력계통 (13) 의 계통 전압이 미리 설정되어 있는 소정의 모드 전환값보다 저하된 경우에, 통상 운전 모드로부터 저전압 제어 모드로 전환하고, 전력계통 (13) 의 계통 전압이 기준 단자 전압보다 높아진 경우에, 저전압 제어 모드로부터 통상 운전 모드로 전환한다.

여기서, 전력계통 (13) 의 계통 전압과, 발전기 단자 전압은 거의 동일하지만, 전력계통 (13) 의 계통 전압과, 발전기 단자 전압은 동일하게 간주할 수 있다. 요컨대, 상기 설명에서는, 전력계통 (13) 의 계통 전압에 따라 모드 전환을 실시하는 경우를 설명했지만, 이것은, 발전기 단자 전압에 기초하여 모드 전환을 실시하는 것과 동일한 의미이다.

상기 통상 운전 모드에서는, 예를 들어, 역률 일정 제어를 실시한다. 역률 일정 제어에서는, 제어 장치 (21) 는, 전압/전류 센서 (20) 에 의해 측정된 발전기 단자 전압 및 출력 전류로부터 유효 전력 P 와 무효 전력 Q 를 산출하고, 이 유효 전력 P 와 무효 전력 Q 가, 역률을 일정하게 하기 위한 유효 전력 지령값 P* 및 무효 전력 지령값 Q* 에 각각 일치하도록, 능동 정류기 (14) 및 인버터 (16) 를 PWM 제어한다. 상기 유효 전력 지령값 P* 및 무효 전력 지령값 Q* 는, 예를 들어, 전력계통 (그리드) (13) 에 있어서의 전력 제어를 모니터하는 전력 감시 장치 (도시 생략) 로부터 무선 혹은 유선에 의해 주어지는 지령값이다. 또한, 통상 운전 모드시에서는, 상기 운전 제어 방법에 한정되지 않고, 출력 일정 등의 공지된 제어 로직을 채용할 수도 있다.

또, 제어 장치 (21) 는 상기 통상 운전 모드를 실시하고 있을 때에, LVRT 등으로 기정되어 있는 저전압 사상이 발생한 경우, 혹은, 순간적인 정전이 발생한 경우에는, 통상 운전 모드로부터 저전압 제어 모드로 전환한다.

예를 들어, 발전기 (5) 의 역률이 유도성, 환언하면, 무효 전류를 전력계통 (13) 으로부터 흡수하고 있는 경우에는, 발전기 단자 전압이 모드 전환값 Vhigh (예를 들어, 1.1pu) 를 상회했을 때에 모드 전환을 실시하고, 발전기 (5) 의 역률이 용량성, 환언하면, 무효 전류를 전력계통 (13) 으로 공급하고 있는 경우에는, 발전기 단자 전압이 모드 전환값 Vlow (예를 들어, 0.9pu) 를 하회했을 때에 모드 전환을 실시한다.

저전압 제어 모드로서 무효 전류 흡수 로직과 무효 전류 공급 로직의 2 개의 제어 로직이 준비되어 있고, 발전기 (5) 의 역률이 유도성인 경우에는 무효 전류 흡수 로직이, 역률이 용량성인 경우에는 무효 전류 공급 로직이 채용된다.

예를 들어, 제어 장치 (21) 는 도 3 에 나타내는 전류-전압 테이블을 가지고 있고, 이 테이블을 사용하여 무효 전류를 제어한다. 도 3 에 있어서, 가로축은 발전기 단자 전압이고, 세로축은 무효 전류이다. 이와 같이, 저전압 제어 모드에 있어서는, 발전기 단자 출력에 따라 출력 전류가 제어된다. 또한, 여기서는, 테이블로서 설명했지만, 테이블 대신에, 무효 전류와 발전기 단자 전압을 파라미터로 하는 연산식을 가지고 있어도 된다.

또, 제어 장치 (21) 는 발전기 (5) 의 역률 상태에 따라, 저전압 제어 모드로부터 통상 운전 모드로 전환하는 전환 조건을 보유하고 있다. 저전압 제어 모드로부터 통상 운전 모드로의 전환 조건은, 발전기 (5) 의 기준 단자 전압과 기준 계속 기간의 조합으로 이루어진다.

구체적으로는, 제어 장치 (21) 는, 통상 운전 모드로부터 저전압 제어 모드로 전환했을 때의 발전기 (5) 의 역률이 유도성인 경우에는, 발전기 (5) 의 기준 단자 전압을 미리 등록되어 있는 제 1 값으로 설정하고, 발전기 (5) 의 역률이 용량성인 경우에, 발전기 (5) 의 기준 단자 전압을 미리 등록되어 있는 제 1 값보다 작은 제 2 값으로 설정한다.

보다 구체적으로는, 제어 장치 (21) 는, 「계통 전압이 기준 단자 전압 이상이 되는 상태가 3 초간 계속되면 저전압 제어 모드로부터 통상 운전 모드로 전환된다」라는 전환 조건을 보유하고 있고, 유도성인 경우에는, 그 기준 단자 전압에 제 1 값을 설정하고, 용량성인 경우에는, 그 기준 단자 전압에 제 2 값을 설정한다.

본 실시형태에서는, 제 1 값으로서 1.0pu 가, 제 2 값으로서 0.85pu 가 등록되어 있다. 또한, 이 제 1 값, 제 2 값의 결정 방법의 상세한 것에 대해서는 후술한다.

다음으로, 상기 풍력 발전 장치 (1) 의 작용에 대해 설명한다.

통상적인 제어에 있어서는, 제어 장치 (21) 에 의해 통상 운전 모드가 채용되고, 발전기 (5) 의 출력이 역률 일정이 되도록 제어된다. 이와 같은 통상 운전 모드를 채용하고 있을 때에, 저전압 사상이 발생하고, 발전기 단자 전압이 모드 전환값 Vhigh 이상 (유도성인 경우), 또는, 발전기 단자 전압이 모드 전환값 Vlow 이하 (용량성인 경우) 가 되면, 제어 장치 (21) 는, 통상 운전 모드로부터 저전압 제어 모드로 모드를 전환한다.

또한, 제어 장치 (21) 는 발전기 (5) 의 역률이 유도성인지 용량성인지를 판 정하고, 유도성인 경우에는, 저전압 제어 모드로부터 통상 운전 모드로 전환할 때의 전환 조건으로서 「계통 전압이 1.0pu 이상이 되는 상태가 3 초간 계속되면 모드 전환을 실시한다」를 설정하고, 한편, 용량성이면, 「계통 전압이 0.85pu 이상이 되는 상태가 3 초간 계속하면 모드 전환을 실시한다」를 설정한다.

저전압 제어 모드에서는, 전압/전류 센서 (20) 에 의해 검출된 발전 단자 전압이 제어 장치 (21) 에 입력된다. 제어 장치 (21) 는, 발전 단자 전압에 대응하는 무효 전류를 도 3 에 나타낸 전류-전압 테이블로부터 취득하고, 취득된 무효 전류가 되도록, PWM 제어 신호를 만들고, 이들 지령을 인버터 (16), 능동 정류기 (14) 에 출력한다. 이로써, 도 3 에 기초하는 무효 전류가 전력계통 (13) 에 공급되고, 통상 운전 모드일 때보다도 비교적 많은 무효 전력이 전력계통 (13) 에 공급되게 된다.

또한, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 유도성인 경우의 경사 쪽이, 용량성인 경우의 경사보다 크게 되어 있다. 이것은, 발전 단자 전압의 변화에 대한 무효 전류 변화의 절대값이 유도성 쪽이 크다는 것을 나타내고 있다. 이로써, 계통 전압의 상승에 대한 발전기 제어의 응답을, 그 강하에 대한 경우보다도 빠르게 할 수 있게 된다.

이와 같이 하여, 무효 전력이 전원 계통 (13) 에 공급됨으로써, 전원 계통 (13) 의 전압이 서서히 회복되고, 그리고, 제어 장치 (21) 가 설정된 모드 전환의 전환 조건을 충족시키면, 제어 장치 (21) 는, 저전압 제어 모드로부터 통상 운전 모드로 전환을 실시하고, 다시, 역률 일정 제어를 실시한다.

다음으로, 상기 기준 단자 전압의 결정 방법에 대해 설명한다.

기준 단자 전압에 대해서는, 사전에 시뮬레이션을 실시하고, 유도성 및 용량성의 각각의 경우에 있어서 최적 기준 단자 전압을 결정한다.

예를 들어, 도 3 에 나타나는 바와 같이, 저전압 제어 모드에서의 무효 전류 흡수 제어 로직에서는, 출력 전압 Vndh 가 클수록 무효 전류 Iqndh 의 절대값이 커지도록 제어되고, 또, 무효 전류 공급 제어 로직에서는, 출력 전압 Vndh 가 작을수록 무효 전류 Iqndh 의 절대값이 커지도록 제어된다.

도 3 에 나타낸 역률이 유도성, 용량성인 경우의 발전기 단자 전압과 무효 전류의 관계는, 식으로 나타내면 이하의 (1), (2) 식과 같이 나타난다.

Iqndh=2×(1-Vndh) (Vndh＜1.0pu 인 경우：용량성) (1)

Iqndh=10Vndh-10 (Vndh＞1.0pu 인 경우：유도성) (2)

상기 (1), (2) 식에 있어서, Iqndh 는 무효 전류, Vndh 는 발전기 단자 전압이다.

한편, 통상 운전 모드에서는, 역률 일정 제어가 실시되기 때문에, 이 때의 무효 전류는 이하의 (3) 식에 나타내는 바와 같이, 역률에 의해 결정된다.

Iqn=In×sinθn (3)

상기 (3) 식에 있어서, Iqn 은 무효 전류, θn 은 역률각이다.

현재, 예를 들어, 통상 운전 모드로부터 저전압 제어 모드로 전환될 때의 발전기 (5) 의 역률이 용량성인 경우, 통상 운전 모드에서의 발전기 단자 전압은, 출력이 일정하다는 조건하에서는, 이하의 이유로부터, 무효 전류의 1 차 함수로 나타난다.

예를 들어, 수전단의 전압 (전압 계통 (그리드) 의 전압), 유효 전력, 무효 전력, 및 수전단으로부터 송전단까지 존재하는 리액턴스를 각각 Pr, Qr, Vr, X 로 하고, 송전단의 전압 (발전기 단자 전압) 을 Vs 로 하면, 다음의 (4) 식이 성립된다. 이 때, 송수전간 (발전기 출력 단자와 전압 계통 사이) 의 임피던스를 Z 로 한다.

Pr²＋(Q＋Vr²/X)²=(Vs×Vr/X)² (4)

상기 (4) 식에 있어서, 출력 √3×Vr×In, 송전단 전압 및 임피던스가 일정한 것으로 가정하면, 상기 (4) 식은 이하의 (5) 식과 같이 변형할 수 있다.

Vr=γIn·sinθ (5)

이것은, 계통 전압 및 출력이 일정한 경우, 발전기 단자 전압은, 무효 전류의 1 차 함수로 나타나는 것을 나타내고 있다.

상기에서, 저전압 제어 모드로부터 통상 운전 모드로 전환할 때의 발전기 단자 전압, 및 무효 전류는 이하의 (6) 식을 만족시키게 된다.

Iqn-Iqndh=

Vn-βVndh (6)

상기 (6) 식에 있어서, Iqn 은 통상 운전 모드시의 무효 전류, Iqndh 는 저전압 제어 모드시의 무효 전류, Vn 은 통상 운전 모드시의 발전기 단자 전압, Vndh 는 저전압 제어 모드시의 발전기 단자 전압,

및 β 는, 각각 임의의 비례 정수이다.

상기 각각을 퍼유닛 (pu) 으로 나타내고, 또한, 상기 (1) 식을 대입하여 정리하면, 다음의 (7) 식이 도출된다.

Vndh=1/3(3-Iqn) (7)

상기 (7) 식에서 용량성일 때의 역률 (0.95 이상 1.0 이하) 을 상정했을 때에, 저전압 제어 모드로부터 통상 운전 모드로의 모드 전환시의 발전기 단자 전압을 구하면, 이하의 표 1 과 같이 된다.

cosθn	Vndh	고찰
0.95	0.89	저전압 제어모드가 해제되지 않는다.
0.96	0.90	저전압 제어모드가 해제되지 않는다.
0.97	0.92	저전압 제어모드가 해제된다.
0.98	0.93	저전압 제어모드가 해제된다.
0.99	0.95	저전압 제어모드가 해제된다.
1.0	1.0	저전압 제어모드가 해제된다.

상기 표 1 에서 이하의 것을 서술할 수 있다.

1) 통상 운전 모드시의 역률이 0.97 보다 작은 값이고, 저전압 제어 모드로부터 통상 운전 모드로 전환할 때의 발전기 단자 전압의 기준값이 0.85 로 설정되어 있을 경우에는, 통상 운전 모드로의 모드 전환이 최단시간에 실현될 수 있다. 한편, 저전압 제어 모드로부터 통상 운전 모드로 전환할 때의 발전기 단자 전압의 기준값이 0.9 인 경우에는, 이 기준값을 충족시키지 않기 때문에, 저전압 제어 모드로부터 통상 운전 모드로의 모드 전환이 이루어지지 않게 된다.

2) 통상 운전 모드시의 역률이 0.98 보다 큰 값으로, 저전압 제어 모드로부터 통상 운전 모드로 전환할 때의 발전기 단자 전압의 기준값이 0.85 로 설정되어 있을 경우에는, 계통 전압이 회복되어 있지 않은 상태를 회복한 것으로 잘못 인식하여, 최단으로 통상 운전 모드로 전환되어 버린다. 그러나, 이 경우에도, 통상 운전 모드로 전력계통 (13) 에 무효 전류가 계속 공급되므로, 계통 전압의 안정화에 계속 기여할 수 있게 된다. 한편, 저전압 제어 모드로부터 통상 운전 모드로 전환할 때의 발전기 단자 전압의 기준값이 0.9 인 경우에는, 통상 운전 모드로의 모드 전환이 비교적 최단시간에 실현될 수 있다.

이상으로부터, 예를 들어, 통상 운전 모드로부터 저전압 제어 모드로 전환할 때의 역률이 용량성인 경우에는, 저전압 제어 모드로부터 통상 운전 모드로 전환할 때의 발전기 단자 전압의 기준값을 예를 들어, 0.85 로 등록해 두면, 비교적 단시간에, 또한, 계통의 전압을 안정적인 상태로 할 수 있다.

한편, 통상 운전 모드로부터 저전압 제어 모드로 전환할 때의 역률이 유도성인 경우에는, 상기 (7) 식에 상당하는 식은, 이하의(8) 식으로서 주어진다. 여기서, 이하의 (8) 식은, 상기 (6) 식에 상기 (2) 식을 대입하여 얻어지는 식이다.

Vndh=(Iqn＋9)/9 (8)

상기 (8) 식에서 유도성일 때의 역률 (0.95 이상 1.0 이하) 을 상정했을 때에, 저전압 제어 모드로부터 통상 운전 모드로의 모드 전환시의 발전기 단자 전압을 구하면, 이하의 표 2 와 같이 된다.

cosθn	Vndh	고찰
0.95	1.034	저전압 제어모드가 해제된다.
0.96	1.031	저전압 제어모드가 해제된다.
0.97	1.027	저전압 제어모드가 해제된다.
0.98	1.022	저전압 제어모드가 해제된다.
0.99	1.015	저전압 제어모드가 해제된다.
1.0	1.0	저전압 제어모드가 해제된다.

상기 표 2 에서 이하의 것을 서술할 수 있다.

1) 통상 운전 모드시의 역률이 1.0 보다 작은 값인 경우, 계통 전압이 회복되어 있지 않은 상태를 회복한 것으로 인식하여, 최단으로 통상 운전 모드로 전환되지만, 통상 운전 모드로 계통으로부터 무효 전류를 흡수해 버리기 때문에, 계통 전압의 불안정성을 더욱 조장하게 된다.

2) 통상 운전 모드시의 역률이 1.0 인 경우, 거의 계통 전압이 회복된 상태를 검지하여, 최단으로 통상 운전 모드로의 전환이 최단시간에 실현될 수 있다.

이상으로부터, 예를 들어, 통상 운전 모드로부터 저전압 제어 모드로 전환할 때의 역률이 유도성인 경우에는, 저전압 제어 모드로부터 통상 운전 모드로 전환할 때의 발전기 단자 전압의 기준값을 1.0 으로 등록해 두면, 계통 전압이 회복되어 있지 않은데도, 회복되어 있는 것으로 하여 모드 전환을 실시한다는 잘못된 판정을 회피할 수 있어, 비교적 단시간에, 또한, 계통의 전압을 안정적인 상태로 할 수 있다.

또한, 계산상으로는, 계통 전압이 회복되어 있을 때의 발전기 단자 전압 Vndh 는 1.0pu 를 초과하고 있는 것으로 생각되고, Vndh 가 1.0pu 보다 작은 값이면 계통 전압이 불안정한 것으로 생각된다.

이와 같이, 도 2 의 제어 장치 (21) 가 보유하고 있는 발전기 (5) 의 기준 단자 전압에 대해서는, 사전에 상기 서술한 시뮬레이션 계산을 실시하여, 어떠한 기준 단자 전압으로 설정했을 때에, 비교적 단시간에, 또한, 계통 전압의 안정 상태를 잘못 판정하지 않고, 저전압 제어 모드로부터 통상 운전 모드로 전환을 실시할 수 있는지를 고찰하고, 이 고찰 결과, 가장 바람직한 것으로 생각되는 기준 단자 전압을 역률이 용량성 및 유도성일 때에 각각 결정하면 된다.

또, 이 때, 역률이 용량성인 경우에는, 통상 운전 모드로 전환된 후에도, 발전기 (5) 로부터 무효 전력이 공급되는 제어가 계속해서 실시되기 때문에, 다소 빠르게 모드 전환이 실시되었다 해도, 통상 운전 모드에 있어서 계통 전압을 안정시킬 수 있게 된다. 따라서, 기준 단자 전압은, 비교적 작은 값, 예를 들어, 0.85 부근의 값으로 설정할 수 있다.

이것에 대해, 역률이 유도성인 경우에는, 통상 운전 모드로 전환된 후에는, 전력계통 (13) 으로부터 무효 전력을 흡수하는 제어가 되어 버리기 때문에, 잘못하여 빨리 모드 전환을 실시해 버린 경우에는, 전력계통 (13) 의 불안정을 조장하게 된다.

이와 같은 점에서, 역률이 유도성인 경우에는, 안전성에 중점을 두고, 1.0 부근에 기준 단자 전압을 설정하는 것이 바람직한 것으로 할 수 있다.

이상 설명해 온 바와 같이, 본 실시형태에 관련된 풍력 발전 장치에 의하면, 역률 상태에 따라, 저전압 제어 모드로부터 통상 운전 모드로의 전환 조건이 결정되므로, 적절한 타이밍으로 통상 운전 모드로의 모드 전환을 실시할 수 있게 된다.

Claims

전력계통에 접속되는 발전기와,

통상 운전 모드와, 그 발전기의 단자 전압에 따라 무효 전류를 제어하는 저전압 제어 모드를 갖고, 그 전력계통의 계통 전압이 미리 설정되어 있는 소정의 모드 전환값보다 저하된 경우에, 그 통상 운전 모드로부터 그 저전압 제어 모드로 전환하고, 그 전력계통의 계통 전압이 기준 단자 전압보다 높아진 경우에, 그 저전압 제어 모드로부터 그 통상 운전 모드로 전환하는 제어 수단을 구비하고,

상기 제어 수단은, 그 통상 운전 모드로부터 그 저전압 제어 모드로 전환하는 경우에, 그 발전기의 역률 상태를 검출하고, 그 역률 상태에 따라, 그 저전압 제어 모드로부터 상기 통상 운전 모드로 전환할 때의 상기 기준 단자 전압을 설정하는 풍력 발전 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 제어 수단은, 상기 통상 운전 모드로부터 상기 저전압 제어 모드로 전환할 때의 상기 발전기의 역률이 유도성인 경우에, 상기 기준 단자 전압을 미리 등록되어 있는 제 1 값으로 설정하고, 상기 발전기의 역률이 용량성인 경우에, 상기 기준 단자 전압을 그 제 1 값보다 작은 제 2 값으로 설정하는 풍력 발전 장치.
제 2 항에 있어서,

상기 제 1 값 및 상기 제 2 값은, 사전에 시뮬레이션 계산을 실시하고, 그 시뮬레이션의 결과에 기초하여 결정되는 풍력 발전 장치.