KR101068301B1 - 병렬 백투백 컨버터로 구동되는 풍력발전시스템의 피큐알 전력이론을 이용한 순환전류 보상방법 - Google Patents

병렬 백투백 컨버터로 구동되는 풍력발전시스템의 피큐알 전력이론을 이용한 순환전류 보상방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 병렬 back-to-back 컨버터로 구동되는 풍력발전시스템의 PQR 전력이론을 이용한 순환전류 보상기법으로, 병렬 back-to-back 컨버터로 구동되는 풍력발전시스템에 PQR 전력이론을 적용하여 순환전류 보상이 이루어지도록 구성하며, 이를 통해 병렬운전으로 인해 발생하는 순환전류를 저감시키는 제어가 가능하도록 하면서 신재생 에너지의 성장과 함께 풍력 발전 설비의 대용량화가 점차 진행됨에 따라 3병렬 운전으로 시스템의 정격 문제를 해결하고, 순환전류 제어를 통해 전력반도체 스위칭소자인 back-to-back 컨버터의 정격을 낮추고 계통측 필터 설계의 용이성을 기대할 수 있도록 함은 물론, 정격 문제 해결을 통해 직접적인 풍력발전시스템의 구성비용을 절감시킨 것이다.

Description

병렬 백투백 컨버터로 구동되는 풍력발전시스템의 피큐알 전력이론을 이용한 순환전류 보상방법{Control method of Circulating Current in a Wind Power System driven by 3-parallel Back-to-Back Converters using a power theory}
본 발명은 영구자석형 동기발전기를 이용하여 병렬 백투백(back-to-back) 컨버터로 구동되는 풍력발전기의 병렬운전시스템에 있어, PQR 전력이론을 이용하여 순환전류를 보상하고, 이를 통해 병렬운전으로 인해 발생하는 순환전류를 저감시킬 수 있도록 하는 병렬 back-to-back 컨버터로 구동되는 풍력발전시스템의 PQR 전력이론을 이용한 순환전류 보상방법에 관한 것이다.
풍력은 자연상태의 무공해 에너지원으로서 대체에너지원 중 가장 경제성이 높은 에너지원이다. 풍력발전시스템은 다양한 형태의 풍차를 이용하여 바람 에너지를 기계적 에너지로 변환하고, 이 기계적 에너지로 발전기를 구동하여 전력을 얻어내는 발전시스템을 말한다.
이러한 풍력발전시스템은 무한정의 청정에너지인 바람을 동력원으로 하므로 기존의 화석연료나 우라늄 등을 이용한 발전방식과 달리 발열에 의한 열공해나 대기오염 그리고 방사능 누출 등과 같은 문제가 없는 무공해 발전방식이다.
이에따라 풍력 발전은 현재 가장 유력한 대체 에너지원으로 인정받고 있으며, 이러한 풍력발전시스템은 구조나 설치가 간단하고 운영 및 관리가 용이하여 무인화 및 자동화 운전이 가능하기 때문에 전 세계적으로 그 활용이 증가하고 있는 추세에 있다.
중/대용량 풍력발전시스템의 종류로는 윈드터빈(Wind Turbine)의 발전용량보다 작은 용량의 컨버터가 채용된 이중여자유도발전기(Doubly fed induction machine)와, 윈드터빈(Wind Turbine)의 발전용량과 동일한 용량의 컨버터가 채용된 영구자석형 동기발전기(PMSG; Permanent Magnet Synchronous Generator)로 구분되어지며, 이들 모두 가변속 운전방식(variable rotor speed type)을 채택하고 있다.
한편, 최근 환경 문제의 심각성을 대두로 가파르게 발전하고 있는 풍력발전 분야에서는 효율이 높고 단위 무게, 부피당 토크 및 출력이 높은 상기 가변속 운전방식인 영구자석형 동기발전기를 이용하고 병렬 back-to-back 컨버터로 구동되는 풍력발전시스템의 수요가 급증하고 있다.
그러나, 상기 영구자석형 동기발전기를 이용하여 병렬 back-to-back 컨버터로 구동되는 풍력발전시스템은 점차 1기당 용량이 MW 단위로 크게 증가함에 따라 전력변환장치의 설계 문제가 대두되었으며, 첨부된 도 1에서와 같이 전력변환장치로서 발전기측의 제 1 컨버터(101)와 계통측의 제 1 인버터(102)를 포함하는 Back-to-Back 컨버터(100)는 발전기와 계통(300) 사이에 직접 연결되기 때문에 시스템의 정격에 상응하는 스위치의 선정과 고조파를 걸러내기 위한 필터(301)가 필요하게 되었다.
여기서, 상기 제 1 컨버터(101)와 제 1 인버터(102)는 각각 복수개의 반도체 스위칭 소자, 예를 들면 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT; Insulated Gate Bipolar Transistor)로 이루어진 것이다.
즉, 상기 전력변환장치는 블레이드(또는 터빈, 수차)(200)에서 회수한 기계적 에너지를 발전기(201)를 통해 전기적 에너지로 변환시킬 때 가변 특성을 갖는 풍속(또는 유속) 특성으로 말미암아 가변전압·가변 주파수 특성을 갖는 저품질 에너지를 생산하게 되는데 이를 정전압·정주파수를 갖는 고품질 에너지로 정제하는 것이고, 이를 위해 첨부된 도 1에서와 같이 AC를 DC로 변환한 다음 다시 AC로 변환하는 AC-DC-AC 변환기능을 내장하는 back-to-back 컨버터(100)의 구조를 가지며, 상기 Back-to-Back 컨버터(100)에 구성되는 발전기측의 제 1 컨버터(101)와 계통측의 제 1 인버터(102)는 각각 3개의 병렬로 운전하여 각각의 컨버터가 부담할 용량을 1/3로 줄이도록 한 것이다.
이때, 첨부된 도 1에서와 같이 상기 back-to-back 컨버터(100)에 포함되는 발전기측의 제 1 컨버터(101)와 계통측의 제 1 인버터(102)를 각각 3개의 병렬로 운전하는 전력변환장치는 계통측 전류제어기가 발전기측의 제 1 컨버터(101)를 통해 직류단으로 전달되는 전력을 모두 3상 리액턴스(301)를 통해 계통(300)측으로 보내기 위해 back-to-back 컨버터(100)의 직류단 전압을 일정하게 제어하는 동시에 계통(300)측으로 출력되는 무효전력이 0이 되도록 역률을 제어하는 것이며, 이는 대용량 컨버터 대신에 고효율의 낮은 용량의 컨버터를 사용함으로써 전체적인 전력시스템의 효율, 시스템의 동특성, 부하 응답특성을 좋게 하여 전력을 분담하면서 사고 발생이나 유지, 보수 측면에서 장점을 가진 것이며, 이는 전력변환장치를 병렬로 운전함에 따라 사용되는 전류센서와 제어기의 수를 최소화하기 위해 병렬 외부전류를 측정하여 제어하는 병렬 외부 제어방법이다.
그러나, 상기와 같이 병렬 외부전류를 측정하여 제어동작이 이루어지도록 하는 병렬 외부 제어방법은 첨부된 도 2에서와 같이 병렬 연결된 전력변환장치에서 일반적으로 각 병렬가지가 이상적으로 동일한 전압 출력을 갖게 제어된다면 병렬 간 전위차가 존재하지 않으므로 순환전류(ic)는 발생하지 않지만, 병렬가지 간에 임피던스 차이 및 스위칭 차이와 같은 외부 조건에 의해 전위차가 발생하는 경우(도 2의 A부분)에는 전류 불평형은 물론, 영상전류로 인해 계통측 제 1 인버터(102)의 병렬 내부를 순환하는 순환전류(ic)가 발생하고, 이러한 전류 불평형과 순환전류(ic)는 시스템이 정격 부근에서 운전시 발생하는 정격 전류 외에 순환전류량이 추가되기 때문에 설계된 전력스위칭소자인 병렬 back-to-back 컨버터(100)의 제 1 컨버터(101)와 제 1 인버터(102)는 물론 풍력발전시스템에 악영향을 미치는 문제가 발생하였다.
또한, 병렬 외부 제어는 병렬 외부 전류를 측정하여 각 병렬 스위치를 동일하게만 제어하기 때문에 병렬 내부에서 발생 가능한 전류 불평형 및 순환전류(ic)를 제어할 수 없는 문제점을 가진다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 개선하기 위한 것으로, 병렬 내부 전류를 측정하여 병렬 각각의 컨버터 및 인버터를 독립적으로 제어할 수 있는 병렬 내부 제어방법이 사용되는 병렬 back-to-back 컨버터로 구동되는 풍력발전시스템에 PQR 전력이론을 적용하여 순환전류 보상이 이루어지도록 구성함으로써, 병렬운전으로 인해 발생하는 순환전류를 저감시키는 제어를 가능하게 하는 병렬 back-to-back 컨버터로 구동되는 풍력발전시스템의 PQR 전력이론을 이용한 순환전류 보상방법을 제공함에 그 목적이 있는 것이다.
상기 목적 달성을 위한 본 발명 병렬 back-to-back 컨버터로 구동되는 풍력발전시스템의 PQR 전력이론을 이용한 순환전류 보상시스템은, 발전기가 블레이드의 회전으로부터 가변 주파수의 3상 AC 전력을 발생시키고, 상기 발생된 3상 AC 전력은 back-to-back 컨버터의 컨버터에 의해 DC 전력으로 변환시키며, 상기 DC로 변환된 전력은 back-to-back 컨버터의 인버터에 의해 고정주파수의 3상 AC 전력으로 변환된 후 3상 리액턴스를 거쳐 계통으로 공급하고, 상기 컨버터와 인버터의 사이에는 상기 컨버터를 통해 변환된 DC전력을 저장 및 전달하고 고조파를 제거하는 필터역할을 수행하는 커패시터를 연결하는 풍력발전시스템에 있어서, 상기 인버터의 출력단에는 위상각 검출부와 전류제어기 및 정지좌표계와 동기좌표계의 축 변환을 위한 복수의 좌표변환부, 그리고 PWM발생부를 포함하는 인버터 제어부를 연결하되, 상기 인버터의 출력단과 상기 인버터 제어부의 사이에는 상기 인버터 제어부로부터 출력되는 3상 전류와 전압을 이용하여 상기 인버터에서 발생하는 순환전류의 보상성분을 계산하고, 상기 계산된 보상성분을 상기 전류제어기에 제공하여 상기 순환전류를 제어할 수 있도록 하는 순환전류 제어부를 연결 구성한 것이다.
또한, 상기 순환전류 제어부는, 각 상의 전류 및 전압을 p-q-r 좌표축에서의 전류와 전압으로 좌표변환시켜 p-q-r 좌표축에서의 전류값을 계산하는 pqr-좌표변환부; 상기 pqr-좌표변환부로부터 계산된 p-q-r 좌표축에서의 전류값에서 ac성분을 추출하는 필터부; 상기 필터부에 의해 추출된 ac성분의 전류에서 r축의 전류를 제로로 제어하고, 추출된 ac성분의 전류는 노이즈가 제거된 dc성분의 전류로 제어하여 보상전류를 계산하는 보상전류 연산부; 및, 상기 인버터에서의 순환전류를 제어하도록, 상기 보상전류 연산부로부터 연산된 보상전류를 전류제어기의 동기좌표축인 d-q-n 축의 전류로 변환하여, 상기 전류제어기의 지령값에 추가시키는 전류제어부; 를 포함한다.
그리고, 상기 병렬형 컨버터로 구동되는 풍력발전시스템의 PQR 전력이론을 이용한 순환전류 보상시스템에 의해 구현되는 순환전류 보상방법은, back-to-back 컨버터내에서 3상 AC 전력을 DC 전력으로, 그리고 DC 전력을 3상의 AC 전력으로 변환하는 다중 레벨의 발전기측 컨버터 또는 계통측 인버터에서 전위차에 의한 순환전류가 발생시, 전력의 3상 전류와 전압을 p-q-r 좌표축의 전류과 전압으로 변환하는 제 1 단계; 상기 제 1 단계에서 p-q-r 좌표축의 3상 전류와 전압을 계산한 후 ac성분을 추출하는 제 2 단계; 상기 제 2 단계로부터 추출된 ac성분의 p-q-r 좌표축 전류와 전압에서 불평형 성분으로 인한 영상분 전류가 포함되어 있는가를 검출하는 제 3 단계; 상기 제 3 단계의 검출결과 영상분 전류가 포함시, 영상분 전류를 제거하기 위한 보상성분을 연산하는 하는 제 4 단계; 상기 제 4 단계로부터 연산된 보상성분을 역변환 과정을 통해 o-α-β 정지좌표계의 보상전류로 변환시키는 제 5 단계; 상기 변환된 보상전류를 전류제어기의 d-q-n 동기좌표계의 전류로 변환한 후 이를 전류제어기의 지령값에 추가하여, d-q-n 동기좌표계의 전류로부터 PWM의 지령전압에 중성점 전압을 적용한 3상 지령 극전압을 통해 다중 레벨의 인버터에서 순환되는 순환전류를 제어하여 감쇄시키는 제 6 단계; 를 포함한다.
또한, 상기 제 1 단계는, a-b-c 좌표계의 3상 전류 및 전압을 o-α-β 정지좌표계의 3상 전류 및 전압으로 변환시키는 제 7 단계; 및, 상기 o-α-β 정지좌표계의 3상 전류 및 전압을 p-q-r 좌표계의 3상 전류 및 전압으로 변환시키는 제 8 단계; 를 포함한다.
또한, 상기 제 4 단계는, 3상 전류가 평형인 상태에서 r축 전류 성분이 존재하지 않고, 불평형 성분으로 인해 영상분이 시스템에 존재하여 r축 전류성분이 존재하는 것을 가정할 때, 상기 영상분 전류를 제거하기 위한 추가적인 보상성분을 연산하여 r축의 전류를 제로(zero)로 제어하는 제 9 단계; 및, 출력전류를 3상이 평형인 정현파로 얻기 위해 p축과 q축의 전류는 ac성분이 제거된 dc성분으로 제어하여 보상성분을 연산하는 제 10 단계; 를 포함한다.
또한, 상기 제 6 단계에서 3상 지령 극전압에는 PWM의 지령전압에 영성분 전류를 제로(zero)로 제어하기 위한 지령전압이 포함된다.
이와같이 본 발명은 병렬 back-to-back 컨버터로 구동되는 풍력발전시스템에 PQR 전력이론을 적용하여 순환전류 보상이 이루어지도록 구성한 것으로, 이를 통해 병렬운전으로 인해 발생하는 순환전류를 저감시키는 제어가 가능하도록 하면서 신재생 에너지의 성장과 함께 풍력 발전 설비의 대용량화가 점차 진행됨에 따라 3병렬 운전으로 시스템의 정격 문제를 해결하고, 순환전류 제어를 통해 전력반도체 스위칭소자인 back-to-back 컨버터의 정격을 낮추고 계통측 필터 설계의 용이성을 기대할 수 있도록 함은 물론, 정격 문제 해결을 통해 직접적인 풍력발전시스템의 구성비용을 절감하는 효과를 기대할 수 있는 것이다.
도 1은 back-to-back 컨버터로 운전되는 풍력발전시스템의 구성도.
도 2는 다중 레벨로 이루어지는 계통측 인버터의 확대도.
도 3은 본 발명의 실시예로 병렬형 컨버터로 구동되는 풍력발전시스템의 PQR 전력이론을 이용한 순환전류 보상의 블럭도.
도 4는 본 발명의 실시예로 순환전류 제어부의 구성도.
도 5는 본 발명의 실시예로 o-α-β 좌표계와 p-q-r 좌표계의 관계 그래프.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하기로 한다.
첨부된 도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 병렬형 컨버터로 구동되는 풍력발전시스템의 PQR 전력이론을 이용한 순환전류 보상시스템은 발전기(200)가 블레이드(201)의 회전으로부터 가변 주파수의 3상 AC 전력을 발생시키고, 3상 AC 전력은 back-to-back 컨버터(100)의 컨버터(101)에 의해 DC 전력으로 변환시키며, DC로 변환된 전력은 back-to-back 컨버터(100)의 인버터(102)에 의해 고정주파수의 3상 AC 전력으로 변환된 후 3상 리액턴스(301)를 거쳐 계통(300)으로 공급하고, 상기 컨버터(101)와 인버터(102)의 사이에는 상기 컨버터(101)를 통해 변환된 DC전력을 저장 및 전달하면서 고조파를 제거하는 필터 역할을 수행하는 커패시터(400)를 연결하는 풍력발전시스템에 있어, 상기 계통측 인버터(102)의 출력측에 인버터 제어부(20)와 순환전류 제어부(30)를 연결 구성한 것이다.
상기 인버터 제어부(20)는 계통측 전압을 센싱받아 계통(300)측의 위상각을 검출하는 위상각 검출부(PLL(21), 발전기측 컨버터로부터 전달된 전력을 계통(300)으로 전달시키기 위해 back-to-back 컨버터(100)의 DC단 전압을 센싱받아 일정한 DC전압을 유지시키고 계통(300)의 무효전력이 제로(zero)가 되도록 역률을 제어하는 DC단 전압제어부(22)를 포함한다.
이때, 상기 DC단 전압제어부(22)에는 실제값과 지령값을 입력받아 지령값을 생성시키는 전류제어기(PI)(23), 정지좌표계(o-α-β) 및 동기좌표계(n-d-q)의 축 변환을 위한 복수의 좌표변환부(24), 그리고 전력반도체 소자를 이용하여 지령전압(Vas-ref)(Vbs-ref)(Vcs-ref)을 출력하는 PWM발생부(25)를 포함하여 구성된다.
상기 순환전류 제어부(30)는 상기 인버터 제어부(20)로부터 출력되는 3상 전류와 전압을 이용하여 상기 계통측 인버터(102)에서 발생하는 순환전류(ic)의 보상성분을 계산하고, 상기 계산된 보상성분을 상기 전류제어기(23)에 제공하여 상기 순환전류(ic)를 제어할 수 있도록 구성되며, pqr-좌표변환부(PQR Transformation)(31), 필터부(High Pass Filter)(32), 보상전류 연산부(Calculate Compensation Currents)(33), 그리고 전류제어부(Reference Current Control)(34)를 포함한다.
상기 pqr-좌표변환부(31)는 각 상의 전류(ia,ib,ic) 및 전압(ea,eb,ec)을 p-q-r 좌표축에서의 전류(ip,iq,ir)와 전압(ep,eq,er)으로 좌표변환시켜 p-q-r 좌표축에서의 전류값(ip,iq,ir)을 계산하도록 구성된다.
상기 필터부(32)는 상기 pqr-좌표변환부(31)로부터 계산된 p-q-r 좌표축에서의 전류값(ip,iq,ir)에서 ac성분을 추출하도록 구성된다.
상기 보상전류 연산부(33)는 상기 필터부(32)에 의해 추출된 ac성분의 전류(ipac,iqac,irac)에서 r축의 전류(irac)를 제로(zero)로 제어하고, 추출된 ac성분의 전류(ipac,iqac)는 노이즈가 제거된 dc성분의 전류로 제어하여 보상전류(ipcomp,iqcomp,ircomp)를 계산하도록 구성된다.
상기 전류제어부(34)는 상기 보상전류 연산부(33)로부터 연산된 보상전류(ipcomp,iqcomp,ircomp)를 전류제어기(22)의 동기좌표축인 d-q-n 축의 전류(idcomp,iqcomp,incomp)로 변환하여, 상기 전류제어기(22)의 지령전압(Vas-ref)(Vbs-ref)(Vcs-ref)에 중성점전압(Vsn)을 추가시켜 상기 계통측 인버터(102)에서의 순환전류(ic)를 제어하여 감쇄시킬 수 있도록 하는 3상 지령 극전압(Van-ref)(Vbn-ref)(Vcn-ref)을 발생시키도록 구성된다.
즉, 본 발명은 첨부된 도 1에서와 같이 영구자석형 동기발전기를 이용한 풍력 발전 시스템의 경우 발전기(201)가 블레이드(200)의 회전으로부터 가변 주파수의 3상 AC 전력을 발생시킬 때, 상기 3상 AC 전력은 back-to-back 컨버터(100)의 발전기측 컨버터(101)에 의해 DC 전력으로 변환된다.
그리고, 상기 발전기측 컨버터(101)에 의해 DC로 변환된 전력은 필터(400)에 의해 고조파가 제거된 후 상기 back-to-back 컨버터(100)의 계통측 인버터(102)에 의해 고정주파수의 3상 AC 전력으로 변환된 후 3상 리액턴스(301)를 거쳐 계통(300)으로 공급되는 것이다.
이때, 상기 발전기측 컨버터(101)는 MPPT(Maximum Power Point Tracking)의 제어기법을 사용하여 최대 출력을 내기 위해 발전기 회전자 속도를 통한 토크 제어를 수행하게 되며, 상기 계통측 인버터(102)는 상기 발전기측 컨버터(101)를 통해 직류단으로 전달되는 전력을 모두 계통(300)으로 보내야 하므로, 위상각 검출부(21)와 DC단 전압제어부(22)를 포함하는 인버터 제어부(20)는 상기 Back-to-Back 컨버터(100)의 직류단 전압을 일정하게 제어하는 동시에 계통으로 출력되는 무효전력이 0이 되도록 역률을 제어하게 된다.
즉, 상기 인버터 제어부(20)가 첨부된 도 1에서와 같이 다중 레벨(3-병렬)로 연결되는 Back-to-Back 컨버터(100)를 제어할 경우, 아래의 수학식 1,2에서와 같이 발전기 토크 제어를 위한 발전기측 q측 지령전류를 토크지령값으로부터 계산 후 3등분시킨 후 이를 첨부된 도 3에서와 같이 각 PWM발생부(25)의 앞단인 전류제어기(23)로 출력하고, 이에따라 직류단 전압 제어를 위한 계통측 q축 지령전류는 직류단 전압으로부터 계산된 후 3등분되어 계통측 인버터(102)의 PWM발생부(25)의 앞단에 위치하는 전류제어기(23)로 출력되는 것이다.
[수학식 1]
Figure 112010014103543-pat00001
여기서,
Figure 112010014103543-pat00002
[수학식 2]
Figure 112010014103543-pat00003
여기서, T* e는 발전기의 토크 기준값, Kt는 영구자석 동기발전기의 토크상수, P는 회전자의 극수, φf는 계자자속이다.
이때, 상기와 같이 다중 레벨로서 병렬 연결되는 전력변환장치에서 일반적으로 각 병렬가지가 이상적으로 동일한 전압출력을 갖게 제어되는 경우에는 병렬간 전위차가 존재하지 않으므로 순환전류(ic)는 발생하지 않지만, 병렬가지 간에 임피던스 차이 및 스위칭 차이와 같은 외부 조건에 의해 전위차가 발생하는 경우에는 첨부된 도 2에서와 같이 계통측 인버터(102)의 내부에는 순환전류(ic)가 발생되는데, 상기 순환전류(ic)는 풍력발전시스템이 정격 부근에서 운전시 발생하는 정격 전류 외에 순환전류량이 추가되기 때문에 설계된 전력소자인 PWM발생부(25)에 악영향을 미치므로 반드시 제어를 통해 감쇄시켜야 하는 것이다.
따라서, 상기 순환전류(ic)를 제어하여 감쇄시키는 방법으로, 우선 순환전류 제어부(30)에 포함되는 pqr-좌표변환부(31)에서는 전력의 3상 전류(ia,ib,ic)와 전압(va,vb,vc)을 p-q-r 좌표축의 전류(ip,iq,ir)과 전압(vp,vq,vr)으로 변환시킨다.
즉, a-b-c 좌표계의 3상 전류(ia,ib,ic) 및 전압(va,vb,vc)으로부터 아래의 수학식 3과 같이 o-α-β 정지좌표계의 3상 전류(io,iα,iβ) 및 전압(vo,vα,vβ)을 변환시킨다.
[수학식 3]
Figure 112010014103543-pat00004
Figure 112010014103543-pat00005
다음으로, 아래의 수학식 4,5는 물론 첨부된 도 5에서와 같이, 상기 o-α-β 정지좌표계의 3상 전류(io,iα,iβ) 및 전압(vo,vα,vβ)을 p-q-r 좌표계의 3상 전류(ip,iq,ir) 및 전압(vp,vq,vr)으로 변환시킨다.
[수학식 4]
Figure 112010014103543-pat00006
여기서,
Figure 112010014103543-pat00007
[수학식 5]
Figure 112010014103543-pat00008
이때, 첨부된 도 5에서와 같이 p-q-r 좌표계에서 전압(Vp)은 p축에서만 존재하므로, 상기와 같이 p-q-r 좌표계에서의 좌표변환으로부터 발생하는 전류 및 전압을 통해 순시적인 실제 및 가상의 전력을 도출하면 아래의 수학식 6과 같이 구해진다.
[수학식 6]
Figure 112010014103543-pat00009
이때, 상기의 순시전력(p,qq,qr)은 각각 선형 독립적이기 때문에 p-q-r 좌표계 각각의 전류를 통해 세 종류의 순시전력을 독립적으로 제어할 수 있으며, 이에따라 상기 p-q-r 좌표축의 3상 전류(ip,iq,ir) 및 전압(vp,vq,vr)을 계산한다.
그러면, 아래의 수학식 7과 같이, 상기 p-q-r 좌표축의 3상 전류(ip,iq,ir)는 각각 ac성분과 dc성분을 포함하게 된다.
[수학식 7]
ip = ipac + ipdc
iq = iqac + iqdc
ir = irac + irdc
여기서, 상기 ac성분은 고조파와 같은 비선형적인 상태의 값과 관계가 있으며, 이에따라 3상 전류가 평행인 상태에서는 r축의 전류는 존재하지 않는다.
그러나, 불평형 성분으로 인해 영상분 전류가 풍력발전시스템에 존재하여 r축의 전류(ir)가 존재하게 되면 이러한 영상분 전류를 제거하기 위해 추가적으로 r축의 전류에 대한 보상성분이 필요로 하게 되며, r축의 전류(ir)에 대한 보상성분은 i r =-i p tanθ(tanθ=v α /v αβ ))의 수학식으로 제어함으로써, 상기 r축의 전류(ir)는 제로(zero)로 제어될 수 있는 것이다.
이때, 풍력발전시스템의 출력전류를 3상이 평형인 정현파로 얻기 위해 p축과 q축의 전류(i p )(i q )는 순환전류 제어부(30)에 포함되는 필터부(32)를 통해 ac성분만이 추출되고, 상기 추출된 ac성분으로부터 보상전류 연산부(33)는 ac성분이 제거된 dc성분으로 제어하여 보상성분(ipcomp)(iqcomp)(ircomp)을 아래의 수학식 8과 같이 연산하게 되는 것이다.
[수학식 8]
ipcomp = ipac
iqcomp = iqac
ircomp = ir +(vo/vαβ)ip
그러면, 상기 순환전류 제어부(30)에 포함되는 전류제어부(34)는 상기 연산된 보상성분(ipcomp)(iqcomp)(ircomp)을 아래의 수학식 9와 같은 역변환 과정을 통해 o-α-β 정지좌표계의 보상전류(idcomp)(iqcomp)(incomp)로 변환시키게 된다.
[수학식 9]
Figure 112010014103543-pat00010
이때, 상기 전류제어부(34)는 o-α-β 정지좌표계의 보상전류(idcomp)(iqcomp)(incomp)를 아래의 수학식 10과 같이 n-d-q 동기좌표계의 보상전류(in,id,iq)로 좌표변환시킨다.
[수학식 10]
Figure 112010014103543-pat00011
Figure 112010014103543-pat00012
여기서, n축은 p-q-r 축에서의 r축과 같이 중성축(혹은 영상축)으로 불리는 것으로, 상기 d-q축에 대해 직교하는 성분으로 회전자계의 형성에 기여하지 않으며, 전동기의 중성점이 다른 회로와의 연결이 없고 각 상이 평형이면 무시되는 것이다.
이때, 각 상의 임피던스 차이나 스위칭의 차이 등의 외부요건에 의해 병렬가지 간 전위차가 발생하여 순환전류(ic)의 원인이 되는 영상전류가 발생하는 경우에는 전력소자 보호를 위해 제어가 이루어져야 하므로, 상기 전류제어부(34)는 상기 좌표변환이 이루어지는 n-d-q 동기좌표계의 보상전류(in,id,iq)를 전류제어기(23)의 지령값에 추가시킨다.
즉, d-q-n 동기좌표계의 전류로부터 아래의 수학식 11,12에서와 같이 PWM발생부(25)의 지령전압(Vas-ref)(Vbs-ref)(Vcs-ref)에 중성점전압(Vsn)을 적용한 3상 지령 극전압(Van-ref)(Vbn-ref)(Vcn-ref)이 만들어지고, 상기 3상 지령 극전압(Van-ref)(Vbn-ref)(Vcn-ref)으로부터 다중 레벨의 계통측 인버터(102)에서 순환되는 순환전류(ic)를 제어하여 감쇄시킬 수 있게 되는 것이다.
이때, 상기 3상 지령 극전압(Van-ref)(Vbn-ref)(Vcn-ref)에는 PWM발생부(25)의 지령전압(Vas-ref)(Vbs-ref)(Vcs-ref)에 영성분전류를 제로(zero)로 제어하기 위한 지령전압(Vn-ref)이 포함되도록 하였으며, 이는 아래의 수학식 11,12와 같이 구현되는 것이다.
[수학식 11]
Figure 112010014103543-pat00013
[수학식 12]
Van-ref = Vas-ref + Vsn + Vn-ref
Vbn-ref = Vbs-ref + Vsn + Vn-ref
Vcn-ref = Vcs-ref + Vsn + Vn-ref
따라서, 상기와 같이 순환전류(ic)를 제어하여 감쇄시키게 되면, 대용량 풍력발전시스템에서의 정격 문제가 해결될 수 있음은 물론, 대용량 풍력발전시스템의 구성에 대한 비용을 절감하는 효과를 기대할 수 있게 되는 것이다.
이하, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.
20 ; 인버터 제어부 21 ; 위상각 검출부
22 ; DC단 전압제어부 23 ; 전류제어기
24 ; 좌표변환부 25 ; PWM 발생부
30 ; 순환전류 제어부 31 ; pqr-좌표변환부
32 ; 필터부 33 ; 보상전류 연산부
34 ; 전류제어부 100 ; back-to-back 컨버터
101 ; 발전기측 컨버터 102 ; 계통측 컨버터
200 ; 발전기 201 ; 블레이드
300 ; 계통 400 ; 필터

Claims (13)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. back-to-back 컨버터내에서 3상 AC 전력을 DC 전력으로, 그리고 DC 전력을 3상의 AC 전력으로 변환하는 다중 레벨의 발전기측 컨버터 또는 계통측 인버터에서 전위차에 의한 순환전류가 발생시,
    전력의 3상 전류와 전압을 p-q-r 좌표축의 전류과 전압으로 변환하는 제 1 단계;
    상기 제 1 단계에서 p-q-r 좌표축의 3상 전류와 전압을 계산한 후 ac성분을 추출하는 제 2 단계;
    상기 제 2 단계로부터 추출된 ac성분의 p-q-r 좌표축 전류와 전압에서 불평형 성분으로 인한 영상분 전류가 포함되어 있는가를 검출하는 제 3 단계;
    상기 제 3 단계의 검출결과 영상분 전류가 포함시, 영상분 전류를 제거하기 위한 보상성분을 연산하는 하는 제 4 단계;
    상기 제 4 단계로부터 연산된 보상성분을 역변환 과정을 통해 o-α-β 정지좌표계의 보상전류로 변환시키는 제 5 단계;
    상기 변환된 보상전류를 전류제어기의 d-q-n 동기좌표계의 전류로 변환한 후 이를 전류제어기의 지령값에 추가하여, d-q-n 동기좌표계의 전류로부터 PWM의 지령전압에 중성점 전압을 적용한 3상 지령 극전압을 통해 다중 레벨의 인버터에서 순환되는 순환전류를 제어하여 감쇄시키는 제 6 단계; 를 포함하여 진행하되,
    상기 제 1 단계는, a-b-c 좌표계의 3상 전류 및 전압을 o-α-β 정지좌표계의 3상 전류 및 전압으로 변환시키는 제 7 단계; 및 상기 o-α-β 정지좌표계의 3상 전류 및 전압을 p-q-r 좌표계의 3상 전류 및 전압으로 변환시키는 제 8 단계; 를 더 포함하여 진행하는 것을 특징으로 하는 병렬 back-to-back 컨버터로 구동되는 풍력발전시스템의 PQR 전력이론을 이용한 순환전류 보상방법.
  4. 삭제
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 7 단계의 좌표변환은 아래의 수학식에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 병렬 back-to-back 컨버터로 구동되는 풍력발전시스템의 PQR 전력이론을 이용한 순환전류 보상방법.
    Figure 112011070561915-pat00014

    Figure 112011070561915-pat00015
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 8 단계의 좌표변환은 아래의 수학식에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 병렬 back-to-back 컨버터로 구동되는 풍력발전시스템의 PQR 전력이론을 이용한 순환전류 보상방법.
    Figure 112011070561915-pat00016

    Figure 112011070561915-pat00017

    Figure 112011070561915-pat00018
  7. 제 3 항에 있어서, 상기 제 4 단계는,
    3상 전류가 평형인 상태에서 r축 전류 성분이 존재하지 않고, 불평형 성분으로 인해 영상분이 시스템에 존재하여 r축 전류가 존재하는 것을 가정할 때,
    상기 영상분 전류를 제거하기 위한 추가적인 보상성분을 연산하여 r축의 전류를 제로(zero)로 제어하는 제 9 단계; 및,
    출력전류를 3상이 평형인 정현파로 얻기 위해 p축과 q축의 전류는 ac성분이 제거된 dc성분으로 제어하여 보상성분을 연산하는 제 10 단계; 를 더 포함하여 진행하는 것을 특징으로 하는 병렬 back-to-back 컨버터로 구동되는 풍력발전시스템의 PQR 전력이론을 이용한 순환전류 보상방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 9 단계에 의한 r축 전류는 i r =-i p tanθ(tanθ=v α /v αβ ))에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 병렬 back-to-back 컨버터로 구동되는 풍력발전시스템의 PQR 전력이론을 이용한 순환전류 보상방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 10 단계의 보상성분은 아래의 수학식에 의해 얻어지는 것을 특징으로 하는 병렬 back-to-back 컨버터로 구동되는 풍력발전시스템의 PQR 전력이론을 이용한 순환전류 보상방법.
    ipcomp = ipac
    iqcomp = iqac
    ircomp = ir +(vo/vαβ)ip
  10. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 5 단계에 의한 보상성분의 보상전류 역변환은 아래의 수학식에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 병렬 back-to-back 컨버터로 구동되는 풍력발전시스템의 PQR 전력이론을 이용한 순환전류 보상방법.
    Figure 112010014103543-pat00019
  11. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 5 단계에서 역변환된 보상전류를 n-d-q 동기좌표계로 좌표변환시키는 것은 아래의 수학식에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 병렬 back-to-back 컨버터로 구동되는 풍력발전시스템의 PQR 전력이론을 이용한 순환전류 보상방법.
    Figure 112010014103543-pat00020

    Figure 112010014103543-pat00021
  12. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 6 단계에서 3상 지령 극전압(Van-ref)(Vbn-ref)(Vcn-ref)에는 PWM의 지령전압(Vas-ref)(Vbs-ref)(Vcs-ref)에 영성분 전류를 제로(zero)로 제어하기 위한 지령전압(Vn-ref)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 병렬 back-to-back 컨버터로 구동되는 풍력발전시스템의 PQR 전력이론을 이용한 순환전류 보상방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 6 단계에서 지령전압(Vas-ref)(Vbs-ref)(Vcs-ref)에 중성점전압(Vsn)을 추가한 3상 지령 극전압(Van-ref)(Vbn-ref)(Vcn-ref)은 아래의 수학식에 의해 얻어지는 것을 특징으로 하는 병렬 back-to-back 컨버터로 구동되는 풍력발전시스템의 PQR 전력이론을 이용한 순환전류 보상방법.
    Figure 112010014103543-pat00022

    Van-ref = Vas-ref + Vsn + Vn-ref
    Vbn-ref = Vbs-ref + Vsn + Vn-ref
    Vcn-ref = Vcs-ref + Vsn + Vn-ref
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전기학회논문지 53B권 12호, 2004.12., 이교범, "PQR 전력이론을 이용한 Matrix Converter 구동시스템의 비선형특성 보상", pp. 751-758.*
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