KR101116000B1 - Power conversion system and power conversion method using series connected current source ac/dc power converters - Google Patents
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Abstract
본 발명은 간단한 구조로 고전압의 직류 송전을 가능하게 하는 전력 변환 시스템 및 전력 변환 방법에 관한 것이다. 이를 위해 본 발명의 전력 변환 시스템은 두 개 이상의 교류 전원에 각각 연결되는 전류형 펄스폭 변조 컨버터를 포함하되, 전류형 펄스폭 변조 컨버터의 직류단이 서로 직렬 연결된 것을 그 특징으로 한다. 이와 같은 구성으로, 별도의 승압용 변압기나 대규모 직류 대 교류 전력 변환 장치 없이 계통 연계 규정(Grid Code)를 준수하면서 동시에 송전급 고전압에 의한 발전 전력의 직류 송전을 가능하게 한다.The present invention relates to a power conversion system and a power conversion method that enables a high voltage direct current transmission with a simple structure. To this end, the power conversion system of the present invention includes a current type pulse width modulation converter connected to two or more AC power sources, respectively, characterized in that the DC terminals of the current type pulse width modulation converter are connected in series. With this configuration, it is possible to comply with the grid code (Grid Code) without the need for a separate boost transformer or a large DC-to-AC power converter, and at the same time DC power transmission of the generated power by the high-voltage power supply class.
Description
본 발명은 전력 변환 시스템 및 전력 변환 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a power conversion system and a power conversion method.
최근 풍력 발전 시스템의 단일 발전기당 용량이 대폭 증가하고 있으며, 10MW 급의 풍력 발전기도 설치될 것으로 예상되고 있다. 또한, 풍력 발전 시스템은 여러 대의 풍력 발전기가 집합적으로 설치되는 풍력 단지의 형태로 발전하여 대규모 풍력 단지의 경우, 풍력 발전 단지의 총 용량이 수백 MW를 넘어서고 있어 발생된 전력을 기존 계통에 신뢰성 있게 연결하는 것이 매우 중요한 문제로 대두되고 있다.Recently, the capacity of a single generator of a wind power generation system is increasing significantly, and a 10MW wind generator is also expected to be installed. In addition, the wind power generation system is developed in the form of a wind farm in which several wind generators are collectively installed. In the case of a large wind farm, the total capacity of the wind farm exceeds hundreds of MW, and the generated power is reliably transferred to the existing system. Connecting is a very important issue.
풍력 발전 시스템의 규모가 이렇게 커짐에 따라 최근 각국에서는 풍력 발전 시스템을 기존의 전력 계통에 연결할 때 준수해야 할 계통 연계 규정(Grid Code)를 제정하고, 각각의 풍력 발전 시스템이 계통 연계 규정을 따르도록 하고 있다. 대용량의 풍력 발전 시스템이 이 계통 연계 규정을 준수하기 위해서는 계통과 연계를 위하여 전체 발전 전력을 변환(Full Power Conversion)하는 시스템이 필수적이다.As wind power systems grow in size, countries in recent years have established grid codes that must be followed when connecting wind power systems to existing power systems, and that each wind power system must follow grid linkage regulations. Doing. In order for large-scale wind power generation systems to comply with these grid linking regulations, a full power conversion system is essential for linking with the grid.
통상적으로 이를 위해 전압형 펄스폭 변조 승압형 컨버터(Voltage Source PWM Boost Converter; PWM VSC)가 계통 연계에 이용되고 있다. 전압형 펄스폭 변조 승압형 컨버터는 컨버터가 다권선(Multi Winding) 승압 변압기를 통하여 병렬로 구성되어 교류 계통과 연결되거나, 다단 컨버터(Multi Level Converter)로 구현되어 교류 계통과 연결될 수 있다. 또한, 풍력 발전기의 가변 전압 가변 주파수의 교류 출력은 다이오드 정류기와 DC/DC 컨버터를 통하여 전압형 펄스폭 변조 승압형 컨버터의 직류단에 연결되거나 풍력 발전기의 교류 출력이 별도의 전압형 펄스폭 변조 승압형 컨버터를 통하여 일정 전압의 직류 전압원으로 변환된 후 앞의 전압형 펄스폭 변조 승압형 컨버터의 직류단에 연결될 수 있다.Typically, a voltage pulse width modulated boost converter (PWM VSC) is used for grid linkage. In the voltage type pulse width modulated boost converter, the converter may be configured in parallel through a multi-winding boost transformer and connected to an AC system, or may be implemented as a multi-level converter and connected to an AC system. In addition, the AC output of the variable voltage variable frequency of the wind generator is connected to the DC terminal of the voltage pulse width modulated boost converter through a diode rectifier and a DC / DC converter, or the AC output of the wind generator is a separate voltage type pulse width modulated boost. After conversion to a DC voltage source of a constant voltage through the type converter can be connected to the DC terminal of the preceding voltage pulse width modulation step-up converter.
이러한 풍력 발전의 경우에 있어서 개별 발전기에서 발생되는 수 MW 이상의 발전 전력을 계통에 보내기 위해서 단위 풍력 발전기의 단자 전압도 배전급(Distribution Level) 고전압(Medium Voltage)을 채택하는 것이 추세이며, 수백 MW에 이르는 발전 단지 전체 전력을 계통과 연계하기 위하여 송전급(Transmission Level) 고전압이 사용되고 있다. 송전급 교류 전압을 이용하여 풍력 단지의 전력을 전송하기 위해서는 풍력 발전기에 개별적으로 또는 집단적으로 전압형 펄스폭 변조 컨버터의 출력에 대용량의 승압용 변압기의 적용이 필수적이다. 이러한 변압기는 효율 감소의 원인이 될 뿐만 아니라 설치 면적이나 무게에 있어 불리한 요소로 작용한다.In the case of such wind power generation, the terminal voltage of the unit wind generator also adopts distribution level medium voltage in order to send generation power of several MW or more generated from individual generators to the grid. Transmission level high voltages are used to link the entire power plant to the grid. In order to transfer the power of a wind farm using a transmission class AC voltage, it is necessary to apply a large-capacity boosting transformer to the output of the voltage-type pulse width modulation converter individually or collectively to the wind generator. These transformers not only contribute to reduced efficiency, but also detrimental to the area and weight of the installation.
또한, 해상 풍력 단지와 같이 풍력 단지와 기존 교류 계통과의 거리가 먼 경우 직류 송전 시스템이 매우 유리하다고 알려져 있다. 그러나, 송전급 고전압에서 직류 송전을 구현하기 위해서는 앞에서 언급한 교류 승압용 변압기에 부가하여 풍력 발전 단지 쪽에 교류 전압을 일정 전압의 송전용 직류 고전압으로 변환하는 고압 교류/직류 변환기가 필요하고, 연계되는 계통 쪽에서도 송전급 직류 전압을 다시 송전 전압의 교류로 변환하는 직류/교류 변환기가 필요하다. 이는 전체 풍력 발전 시스템을 복잡하게 하고 설치비용을 대폭 상승하게 하는 요인이 된다. In addition, the direct current transmission system is known to be very advantageous when the distance between the wind farm and the existing AC system, such as offshore wind farms. However, in order to realize direct current transmission at high transmission voltage, a high voltage AC / DC converter for converting an AC voltage into a DC high voltage for a constant voltage in addition to the AC boosting transformer mentioned above is required. There is also a need for a DC / AC converter that converts a transmission-grade DC voltage back into an AC of the transmission voltage. This complicates the entire wind power system and increases the installation cost significantly.
본 발명은 간단한 구조로 고전압의 직류 송전을 가능하게 하는 전력 변환기 및 전력 변환 시스템을 제시하고자 한다.The present invention proposes a power converter and a power conversion system that enables a high voltage direct current transmission with a simple structure.
이를 위해 본 발명의 일실시예에 따른 전력 변환 시스템은 두 개 이상의 교류 전원에 각각 연결되는 전류형 펄스폭 변조 컨버터를 포함하되, 전류형 펄스폭 변조 컨버터의 직류단이 직렬 연결된 것을 특징으로 한다.To this end, the power conversion system according to an embodiment of the present invention includes a current type pulse width modulation converter connected to each of two or more AC power sources, characterized in that the DC terminal of the current type pulse width modulation converter is connected in series.
이때, 두 개 이상의 교류 전원은 각각 다른 풍력 발전기이거나, 하나의 풍력 발전기 내의 각각 다른 전력 발생 장치일 수 있다.In this case, the two or more AC power sources may be different wind generators, or different power generators in one wind generator.
또한, 본 발명의 일실시예에 의한 전력 변환 시스템은 전류형 펄스폭 변조 컨버터의 직류단 전류에 대응하는 교류 전원의 출력을 얻도록 전류형 펄스폭 변조 컨버터의 변조 지수를 조절하는 제어부를 더 포함할 수 있다. In addition, the power conversion system according to an embodiment of the present invention further includes a control unit for adjusting the modulation index of the current type pulse width modulation converter to obtain the output of the AC power source corresponding to the direct current of the current type pulse width modulation converter. can do.
또한, 본 발명의 일실시예에 의한 전력 변환 시스템은 교류 전원과 전류형 펄스폭 변조 컨버터를 연결하는 변압기를 더 포함할 수 있으며, 변압기는 다권선 변압기일 수 있다.In addition, the power conversion system according to an embodiment of the present invention may further include a transformer connecting the AC power supply and the current type pulse width modulation converter, the transformer may be a multi-winding transformer.
또한, 본 발명의 일실시예에 의한 전력 변환 시스템은 교류 전원의 출력단 또는 전류형 펄스폭 변조 컨버터의 교류단에 저항과 전자접촉기로 이루어지는 전력 흡수 장치를 더 포함할 수 있다.In addition, the power conversion system according to an embodiment of the present invention may further include a power absorption device consisting of a resistor and a magnetic contactor at the output terminal of the AC power source or the AC terminal of the current type pulse width modulation converter.
또한, 본 발명의 일실시예에 의한 전력 변환 시스템은 전류형 펄스폭 변조 컨버터의 직류단에 연결되는 전류형 펄스폭 변조 인버터를 더 포함할 수 있다.In addition, the power conversion system according to an embodiment of the present invention may further include a current type pulse width modulation inverter connected to the DC terminal of the current type pulse width modulation converter.
또한, 본 발명의 일실시예에 의한 전력 변환 시스템은 전류형 펄스폭 변조 인버터의 교류단에 연결되는 연계변압기를 더 포함할 수 있으며, 연계변압기는 다권선 연계변압기일 수 있다.In addition, the power conversion system according to an embodiment of the present invention may further include a link transformer connected to the AC terminal of the current type pulse width modulation inverter, the link transformer may be a multi-winding link transformer.
본 발명의 일실시예에 따른 전력 변환 방법은 두 개 이상의 교류 전원의 출력단을 각각 전류형 펄스폭 변조 컨버터에 연결하고, 상기 전류형 펄스폭 변조 컨버터의 직류단을 서로 직렬 연결하여 교류 전원에서 생성된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 것을 특징으로 한다.In the power conversion method according to an embodiment of the present invention, the output terminals of two or more AC power sources are respectively connected to a current pulse width modulation converter, and the DC terminals of the current pulse width modulation converter are connected to each other in series to generate the AC power. The converted AC power is characterized by converting to DC power.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 전력 변환 방법은 전류형 펄스폭 변조 컨버터의 직류단 전류에 대응하는 교류 전원의 출력을 얻도록 전류형 펄스폭 변조 컨버터의 변조 지수를 조절하는 것을 더 포함할 수 있다.In addition, the power conversion method according to an embodiment of the present invention further comprises adjusting the modulation index of the current type pulse width modulation converter to obtain the output of the AC power source corresponding to the direct current of the current type pulse width modulation converter. Can be.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 전력 변환 방법은 전류형 펄스폭 변조 컨버터의 직류단에 전류형 펄스폭 변조 인버터를 연결하여 직류 전력을 교류 전력을 변환하는 것을 더 포함할 수 있다.In addition, the power conversion method according to an embodiment of the present invention may further include converting the DC power to AC power by connecting the current type pulse width modulation inverter to the DC terminal of the current type pulse width modulation converter.
위와 같이 전류형 펄스폭 변조 컨버터를 이용하여 간단한 구조로 고전압의 직류 송전을 가능하게 함으로써, 대용량의 전력을 원거리에 전송하는 고효율 풍력 발전 시스템을 구현할 수 있게 된다.By using the current type pulse width modulation converter as described above, by enabling a high voltage direct current transmission, it is possible to implement a high-efficiency wind power generation system that transmits a large amount of power at a long distance.
도 1은 본 발명에 따른 전력 변환 시스템의 교류 대 직류 전력변환부의 제 1 실시예이다.
도 2는 도 1의 교류 대 직류 전력변환부의 직류단 등가 모델을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 전력 변환 시스템의 교류 대 직류 전력변환부의 제 2 실시예이다.
도 4는 본 발명에 따른 전력 변환 시스템의 교류 대 직류 전력변환부의 제 3 실시예이다.
도 5는 본 발명에 따른 전력 변환 시스템의 직류 대 교류 전력변환부의 제 1 실시예이다.
도 6은 본 발명에 따른 전력 변환 시스템의 직류 대 교류 전력변환부의 제 2 실시예이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 전력 변환 시스템의 전체 구성도를 나타내는 도면이다.1 is a first embodiment of an AC-to-DC power converter of a power conversion system according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a DC equivalent model of the AC-DC power converter of FIG. 1.
3 is a second embodiment of the AC-DC power conversion unit of the power conversion system according to the present invention.
4 is a third embodiment of an AC-to-DC power conversion unit of the power conversion system according to the present invention.
5 is a first embodiment of the DC-to-AC power conversion unit of the power conversion system according to the present invention.
6 is a second embodiment of the DC-to-AC power conversion unit of the power conversion system according to the present invention.
7 is a view showing the overall configuration of a power conversion system according to an embodiment of the present invention.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다. 그러나, 첨부도면 및 이하의 설명은 본 발명에 따른 전력 변환 시스템의 가능한 일실시예에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상은 위 내용에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the accompanying drawings and the following description are only possible embodiments of the power conversion system according to the present invention, and the technical idea of the present invention is not limited by the above contents.
도 1은 본 발명에 따른 전력 변환 시스템의 교류 대 직류 전력변환부의 제 1 실시예이다.1 is a first embodiment of an AC-to-DC power converter of a power conversion system according to the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이 제 1 실시예에 따른 전력 변환 시스템의 교류 대 직류 전력변환부는 제 a1 풍력발전기(10)와, 제 a1 전류형 펄스폭 변조 컨버터(12)와, 제 a1 직류 전류단(14)과, 제 a2 풍력발전기(20)와, 제 a2 전류형 펄스폭 변조 컨버터(22)와, 제 a2 직류 전류단(24)과, 제 ak 풍력발전기(30)와, 제 ak 전류형 펄스폭 변조 컨버터(32)와, 제 ak 직류 전류단(34)과, 제 ak 전체 직류 전류단(40)을 포함하여 구성된다.As shown in FIG. 1, the AC-to-DC power converter of the power conversion system according to the first embodiment includes a first
즉, k개로 이루어지는 풍력발전기(10, 20, 30) 각각에 전류형 펄스폭 변조 컨버터(Current Source Pulse Width Modulation Converter: 12, 22, 32)들과 직류 전류단(DC Current Link: 14, 24, 34)들이 연결되며, 각 직류 전류단(14, 24, 34)들의 출력이 서로 직렬 연결되어 있다. 이렇게 직렬 연결된 직류 전류단(14, 24, 34)들의 출력은 하나의 제 ak 전체 직류 전류단(40)을 형성한다.That is, the current source pulse width modulation converters (Current Source Pulse Width Modulation Converter: 12, 22, 32) and the DC current link (DC Current Link: 14, 24, 34 are connected, and the output of each of the DC
k개의 각 풍력발전기(10, 20, 30)는 3상의 가변 전압 가변 주파수(Variable Voltage Variable Frequency; VVVF)의 교류 전력을 발생시킨다. Each of the
각 전류원 펄스폭 변조 컨버터(12, 22, 32)는 GTO 사이리스터 또는 IGCT 등으로 이루어지는 6개의 스위치 소자와 3개의 커패시터로 이루어진다. 물론, 스위치 소자는 있음은 물론이다.Each current source pulse
각 직류 전류단(14, 24, 34)은 스위치 소자로 이루어지는 정류회로를 통과한 전류의 리플(ripple)를 감쇄시킬 수 있도록 하는 평활용 리액터를 포함한다. 평활용 리액터는 각 직류 전류단(14, 24, 34)의 입력단과 출력단에 각각 인덕터로 이루어지며, 이 두 개의 인덕터는 서로 상호 인덕턴스를 갖는다. 이러한 평활용 리액터는 전체 직류단(40)에 집합적으로 설치될 수도 있다.Each DC
전류형 펄스폭 변조 컨버터(12, 22, 32)는 도 1에서와 같이 GTO 사이리스터(Gate Turn-off Thyristor)나 IGCT(Integrated Gate-Cummutated Thyristor) 외에도 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), FET(Field Effect Transistor) 등 여러 전력용 반도체 소자로 구현될 수 있다. The current type pulse
또한, 도 1에 도시되지는 않았지만, 본 발명에 따른 전력 변환 시스템은 전류형 펄스폭 변조 컨버터(12, 22, 32)의 변조 지수를 조절하는 제어부를 더 포함할 수 있다. 제어부는 전류형 펄스폭 변조 컨버터(12, 22, 32)의 직류단 전류에 대응하는 각 풍력발전기(10, 20, 30)의 출력을 얻도록 변조 지수를 조절하는 역할을 수행한다. In addition, although not shown in Figure 1, the power conversion system according to the present invention may further include a control unit for adjusting the modulation index of the current type pulse width modulation converter (12, 22, 32). The controller controls the modulation index to obtain the output of each of the
즉, 전류형 펄스폭 변조 컨버터(12, 22, 32)는 입력되는 교류 전력을 직류 전력으로 바꾸는데, 각 전류형 펄스폭 변조 컨버터(12, 22, 32)가 직렬(series)로 연결되어 있으므로 직류단의 전류는 동일하게 되지만, 각 직류 전류단(14, 24, 34)의 전압을 모두 상이하게 될 수 있다. 이때, 제어부(미도시)는 이 조건을 만족할 수 있도록 전류형 펄스폭 변조 컨버터(12, 22, 32)의 변조 지수를 조절하는 것이다. 더욱 자세한 동작은 도 2와 관련하여 후술하기로 한다.That is, the current type pulse
종래의 교류 송전 시스템의 경우에는 송전급 교류 전압을 이용하여 전력을 공급하기 위해서 대용량 승압용 변압기를 설치하여야 했다. 그러나, 도 1에 도시된 바와 같이 전류형 펄스폭 변조 컨버터(11, 22, 32)를 직렬로 연결하면 별도의 승압용 변압기를 설치할 필요 없이 바로 고압의 직류 전압을 이용하여 전력을 공급할 수 있게 된다. 또한, 이러한 직류 송전 시스템은 해상 풍력 발전 단지와 같이 전력이 공급될 교류 계통이 매우 원거리에 떨어져 있는 경우에 전력 손실을 최소화 할 수 있어 매우 효율이 높다.In the conventional AC power transmission system, a large capacity booster transformer has to be installed in order to supply power by using a power supply AC voltage. However, as shown in FIG. 1, when the current type pulse
도 1에서 각 직류 전류단(14, 24, 34)의 전압이 수 kV에서 수십 kV 인 경우 제 ak 전체 직류 전류단(40)의 전압은 수십 kV에서 수백 kV의 전압이 될 수 있다. 제 ak 전체 직류 전류단(40)은 k개의 전류형 펄스폭 변조 컨버터(10, 20, 30)들로 이루어지는 교류 대 직류 전력변환부의 직류 송전선로(DC Transmission Line)의 역할을 수행하며, 풍력 발전 시스템의 경우에 있어 원거리의 교류 계통에 연결되는 긴 송전선로에 해당한다.
In FIG. 1, when the voltage of each of the DC current stages 14, 24, and 34 is several kV to several tens of kV, the voltage of the a k th full DC
도 2는 도 1의 교류 대 직류 전력변환부의 직류단에서 본 등가 모델을 나타내는 도면이다.FIG. 2 is a diagram illustrating an equivalent model seen from a DC terminal of the AC-DC power converter of FIG. 1.
도 1의 전력 변환 시스템의 교류 대 직류 전력변환부에서 각 풍력발전기(10, 20, 30)의 발전 출력은 해당 풍력발전기에 인가되는 풍속과 날개의 피치(Pitch)에 따라 달라지게 된다. 따라서, 각 풍력발전기(10, 20, 30)에 연결된 전류형 펄스폭 변조 컨버터(12, 22, 32)는 직류단 전류원의 입력 전류에 대응하는 발전기의 해당 출력을 얻기 위하여 PWM의 변조 지수(Modulation Index)를 조절하게 된다. 만약, 각 풍력발전기(10, 20, 30)의 피치가 동일하다면 풍력발전기(10, 20, 30)의 출력 전력은 보통 풍속(n)의 삼승에 비례하므로, 이 경우 각 풍력발전기(10, 20, 30)의 변조 지수는 풍속의 삼승에 비례하게 된다. 따라서, 가장 출력이 큰 풍력발전기의 변조 지수를 1이하의 큰 값으로 두고 다른 발전기에 연결된 전류형 펄스폭 변조 컨버터의 변조 지수를 풍속의 삼승에 비례하게 조정하면 각 풍력발전기(10, 20, 30)의 출력이 서로 다르더라도 각 풍력발전기(10, 20, 30)의 최대 출력 지점에서 지속적인 운전이 가능하게 된다. In the AC-DC power converter of the power conversion system of FIG. 1, the power output of each
위와 같은 제어 기법을 적용하면, 각 전류형 펄스폭 변조 컨버터(10, 20, 30)는 직류 송전단에서 볼 때 도 2와 같이 풍속의 삼승에 비례하는 가변 전압원으로 등가될 수 있다. 만약, 풍력발전기(10, 20, 30)를 전동기로 구동하는 경우 등가 전압원의 극성이 바뀌게 되어 전류원으로부터 에너지를 흡수하게 된다. 풍력 발전 단지 전체에 인가되는 풍속이 낮아질 경우, 직류단 전류의 크기를 일정하게 유지하게 되면 그림 2에서 알 수 있듯이 자연적으로 직류 송전단의 전압은 낮아지게 된다. 이때, 송전 손실을 줄이기 위해, 교류 계통 전원 쪽의 전류형 펄스폭 변조 인버터(미도시)의 변조 지수를 조절하여 직류단 전류의 크기를 줄이고 직류단 송전 전압을 일정하게 유지할 수도 있다.
Applying the above control technique, each current type pulse width modulation converter (10, 20, 30) can be equivalent to a variable voltage source proportional to the square of the wind speed as shown in FIG. If the
도 3은 본 발명에 따른 전력 변환 시스템의 교류 대 직류 전력변환부의 제 2 실시예이다.3 is a second embodiment of the AC-DC power conversion unit of the power conversion system according to the present invention.
도 3에 도시된 바와 같이 제 2 실시예에 따른 전력 변환 시스템의 교류 대 직류 전련변환부는 제 b 풍력발전기(50)와, 제 b1 전류형 펄스폭 변조 컨버터(51)와, 제 b1 직류 전류단(52)과, 제 b2 전류형 펄스폭 변조 컨버터(53)와, 제 b2 직류 전류단(54)과, 제 b3 전류형 펄스폭 변조 컨버터(55)와, 제 b3 직류 전류단(34)과, 제 bk 전체 직류 전류단(40)을 포함하여 구성된다.As shown in FIG. 3, the AC-DC DC conversion unit of the power conversion system according to the second embodiment includes the
도 3은 도 1에 도시된 교류 대 직류 전력변환부와 거의 유사하지만, 다수개의 풍력발전기의 출력 전력을 전류형 펄스폭 변조 컨버터로 직렬 연결시키는 것이 아닌 하나의 단위 발전기인 제 b 풍력발전기(50) 내의 출력 전력을 전류형 펄스폭 변조 컨버터(51, 53, 55)로 직렬 연결시킨 구조를 보여주고 있다. 3 is similar to the AC-to-DC power converter shown in FIG. 1, but does not connect the output power of a plurality of wind generators in series to a current type pulse width modulated converter. Shows a structure in which the output power in the circuit is connected in series to the current type pulse
즉, 제 b 풍력발전기(50)의 권선이 중성점이 독립된 여러 개의 삼상 권선으로 이루어지는 경우 각각의 삼성 권선에 전류형 펄스폭 변조 컨버터(51, 53, 55)의 교류단을 연결하고, 각 전류형 펄스폭 변조 컨버터(51, 53, 55)의 직류단을 직렬 연결함으로써 단위 발전기(50)의 전력 변환 시스템을 구성할 수 있는 것이다. That is, when the winding of the
도 3은 삼상 권선을 세 개 가진 풍력발전기에 대한 적용 예이며, 삼성 권선의 개수는 발전기 출력과 컨버터에 사용되는 전력용 소자의 용량에 따라 최적으로 결정될 수 있다. 각 구성의 역할 및 동작원리는 도 1에서 설명한 것과 유사하므로 설명을 생략한다.
3 is an application example for a wind power generator having three three-phase windings, and the number of Samsung windings may be optimally determined according to the capacity of the power device used in the generator output and the converter. The role and operation principle of each component are similar to those described with reference to FIG.
도 4는 본 발명에 따른 전력 변환 시스템의 교류 대 직류 전력변환부의 제 3 실시예이다.4 is a third embodiment of an AC-to-DC power conversion unit of the power conversion system according to the present invention.
도 4에 도시된 바와 같이 제 2 실시예에 따른 전력 변환 시스템의 교류 대 직류 전련변환부는 회전부(60)와, 제 c 풍력발전기(61)와, 제 c 다권선 변압기(62)와, 제 c1 전류형 펄스폭 변조 컨버터(63)와, 제 c1 직류 전류단(64)과, 제 c2 전류형 펄스폭 변조 컨버터(65)와, 제 c2 직류 전류단(66)과, 제 c3 전류형 펄스폭 변조 컨버터(67)와, 제 c3 직류 전류단(68)과, 제 ck 전체 직류 전류단(69)을 포함하여 구성된다.As shown in FIG. 4, the AC-DC DC conversion unit of the power conversion system according to the second embodiment includes a
도 4은 도 3에 도시된 교류 대 직류 전력변환부와 거의 유사하지만, 제 c 풍력발전기(61)가 배전급 고전압의 삼상 단일 권선인 경우에, 제 c 풍력발전기(61)의 교류 출력에 다권선 변압기(62)를 이용하여 저압의 전류형 펄스폭 변조 컨버터(63, 65, 67)들을 직렬 연결 시킨 구조를 보여주고 있다. FIG. 4 is almost similar to the AC-to-DC power converter shown in FIG. 3, but in the case where the
즉, 다수개의 풍력발전기의 출력 전력을 전류형 펄스폭 변조 컨버터로 직렬 연결시키는 것이 아닌 하나의 단위 발전기인 제 b 풍력발전기(50) 내의 출력 전력을 전류형 펄스폭 변조 컨버터(51, 53, 55)로 직렬 연결시킨 구조를 보여주고 있다. 각 구성의 역할 및 동작원리는 도 1에서 설명한 것과 유사하므로 설명을 생략한다.
That is, instead of connecting the output power of the plurality of wind generators in series with the current type pulse width modulation converter, the output power in the unit
도 5는 본 발명에 따른 전력 변환 시스템의 직류 대 교류 전력변환부의 제 1 실시예이다.5 is a first embodiment of the DC-to-AC power conversion unit of the power conversion system according to the present invention.
도 5에 도시된 바와 같이 제 1 실시예에 따른 전력 변환 시스템의 직류 대 교류 전력변환부는 제 d 직류 전류단(70)과, 제 d 전류형 펄스폭 변조 인버터(72)와, 제 d 연계 변압기를 포함하여 구성된다.As shown in FIG. 5, the DC-to-AC power conversion unit of the power conversion system according to the first embodiment includes a d-DC
제 d 직류 전류단(70)은 도 1의 직류 전류단(14, 24, 34)과 같이 직류 전류의 리플를 감쇄시키는 역할을 수행하며, 제 d 전류형 펄스폭 변조 인버터(72)는 직류 전력을 교류 전력으로 변환시키는 역할을 수행한다. 여기에서 직류 전력을 교류 전력으로 바꾼다는 점에서 '인버터'라는 용어를 사용하였지만, 풍력 발전기측을 전동기로 구동하는 등의 경우와 같이 전력을 풍력발전기 측에 공급하는 경우(즉, 전력의 흐름이 반대로 되는 경우)에는 반대로 교류 전력을 직류 전력으로 바꾸는 역할도 수행할 수 있음은 물론이다.The d-th DC
제 d 연계 변압기(Connection Transformer)는 제 d 전류형 펄스폭 변조 인버터(72)를 통하여 변환된 교류 전력의 전압을 교류 계통의 전압 크기에 맞게 조절하며 계통과의 연계시 요구되는 전기적 절연의 역할을 수행한다. The d th connection transformer adjusts the voltage of the AC power converted through the d current type pulse
도 5에는 d 전류형 펄스폭 변조 인버터(72)의 스위치 소자가 6개인 것이 도시되어 있지만, 발생된 전력의 크기에 대응하도록 다수개의 스위치 소자로 이루어질 수도 있다. 또한, GTO 사이리스터 또는 IGCT로 표시되는 개별 스위치는 송전급 직류 전압에서 동작하기 위해서 여러 개의 GTO 사이리스터 또는 IGCT가 직렬 연결되어 한 개의 스위치처럼 동시에 온-오프(On-Off)하는 것으로 생각할 수 있다. Although FIG. 5 shows six switch elements of the d current type pulse
이렇게, 해상 풍력 단지에서와 같은 원거리 발전 단지에서 발생된 전력을 도 1의 교류 대 직류 전력변환부를 통해 고전압의 직류 전력으로 송전하고, 이를 도 5의 전류형 펄스폭 변조 인버터(72)를 포함하는 직류 대 교류 전력변환부를 통과시킴으로써 교류 계통에 계통 연계 규정(Grid Code)에 맞는 교류 전력을 공급할 수 있다.
Thus, the electric power generated in the remote power generation such as in the offshore wind farm is transmitted to the high voltage DC power through the AC to DC power converter of Figure 1, which includes the current type pulse
도 6은 본 발명에 따른 전력 변환 시스템의 직류 대 교류 전력변환부의 제 2 실시예이다.6 is a second embodiment of the DC-to-AC power conversion unit of the power conversion system according to the present invention.
도 6에 도시된 바와 같이 제 2 실시예에 따른 전력 변환 시스템의 직류 대 교류 전력변환부는 제 e 직류 전류단(80)과, 제 e1 직류 전류단(81)과, 제 e1 전류형 펄스폭 변조 컨버터(82)와, 제 e2 직류 전류단(83)과, 제 e2 전류형 펄스폭 변조 컨버터(84)와, 제 ek 직류 전류단(85)와, 제 ek 전류형 펄스폭 변조 컨버터(86)와 제 ek 연계 변압기(87)를 포함하여 구성된다. DC versus AC power conversion of the electric power conversion system according to the second embodiment, as shown in Fig unit comprises: e a direct current stage (80), a e 1 direct-current stage (81), a e 1 current pulses Width modulated
도 6은 도 4에 도시된 풍력 발전 단지 측의 구조와 유사하게 소규모의 전류형 펄스폭 변조 컨버터(82, 84, 86)를 직렬 연결하고 교류 계통 쪽에 제 ek 다권선 변압기(87)를 이용하여 전력을 전달하는 것을 보여주고 있다. 동작원리는 도 4에서 설명한 것과 유사하므로 설명을 생략한다.
6 is similar to the structure of the wind farm shown in FIG. 4, in which small current type pulse
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 전력 변환 시스템의 전체 구성도를 나타내는 도면이다.7 is a view showing the overall configuration of a power conversion system according to an embodiment of the present invention.
도 7에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 전력 변환 시스템은 제 f1 풍력발전기(100)와, 제 f1 전력 흡수장치(102)와, 제 f1 전류형 펄스폭 변조 컨버터(104)와, 제 f1 스위치 소자(106)와, 제 f1 직류 전류단(108)과, 제 f2 풍력발전기(200)와, 제 f2 전력 흡수장치(202)와, 제 f2 전류형 펄스폭 변조 컨버터(204)와, 제 f2 스위치 소자(206)와, 제 f2 직류 전류단(208)과, 제 fk 풍력발전기(300)와, 제 fk 전력 흡수장치(302)와, 제 fk 전류형 펄스폭 변조 컨버터(304)와, 제 fk 스위치 소자(306)와, 제 fk 직류 전류단(308)과, 제 fk 전체 직류 전류단(400)과, 제 f 전류형 펄스폭 변조 인버터(500)와, 제 f 연계 변압기를 포함하여 구성된다.As shown in FIG. 7, the power conversion system according to the embodiment of the present invention includes a first
도 7의 전력 변환 시스템은 도 1의 교류 대 직류 전력변환부와 도 5의 직류 대 교류 전력변환부를 연결한 구조와 비슷한 구조를 가진다. 즉, k개의 풍력발전기(100, 200, 300)의 출력단을 k개의 전류형 펄스폭 변조 컨버터(104, 204, 304)와 연결하고, 각 전류형 펄스폭 변조 컨버터(104, 204, 304)의 직류단을 서로 직렬 연결하여 송전선로를 구성한 후 송전급 용량을 가지는 전류형 펄스폭 변조 인버터(500)에 이를 연결시켜, 교류 계통에 계통 연계 규정(Grid Code)에 맞는 교류 전력을 공급한다. The power conversion system of FIG. 7 has a structure similar to that of connecting the AC-DC power converter of FIG. 1 to the DC-to-AC power converter of FIG. 5. That is, the output terminals of the
단, 도 7의 전력 변환 시스템은 도 1 및 도 5에 도시된 구성에 전력 흡수장치(102, 202, 302)와, 스위치 소자(106, 206, 306)가 추가되어 있으며, 전류형 펄스폭 변조 인버터(500)의 GTO 사이리스터 또는 IGCT 등으로 이루어지는 스위치 소자가 6개가 아닌 다수개가 서로 직렬 연결된 구조를 갖는다.However, in the power conversion system of FIG. 7,
먼저, 전력 흡수장치(102, 202, 302)의 역할을 설명한다. 풍력 발전 시스템의 교류 계통의 사고 시에 각 풍력발전기(100, 200, 300)의 유효 전력을 흡수하기 위하여 각 풍력발전기(100, 200, 300)의 출력 단자에 직렬로 저항을 설치한 후, 정상 동작 시에는 전자접촉기(Magnetic Contact)를 이용하여 저항을 단락시키고, 사고 시에는 전자접촉기 단자를 개방하여 회로에 저항을 삽입함으로써 발전 전력을 흡수하여 발전기의 과속(Over Speed)을 방지할 수 있다. 이러한 사고 시를 대비한 유효 전력 흡수장치는 교류 계통 쪽에도 유사하게 설치될 수 있으며, 직류 송전단에도 설치될 수 있음은 물론이다.First, the role of the
또한, 스위치 소자(106, 206, 306)를 추가하는 이유는 다음과 같다. 각 단위 풍력발전기와 해당 풍력발전기에 연결되는 전류형 펄스폭 변조 컨버터에 문제가 생기는 경우, 직렬 연결된 직류 전류단을 가지는 본 발명의 전력 변환 시스템의 회로 구조 특성 상 전체 발전 시스템이 정지할 가능성이 있다. 이를 방지하기 위하여, 개별 발전기 또는 해당 전류형 펄스폭 변조 컨버터의 고장 시 각 전류형 펄스폭 변조 컨버터의 반도체 스위치를 완전 도통시킴으로써 각 컨버터의 직류단을 단락시킬 수 있다. 이를 통하여 고장 풍력발전기는 계통과 분리되고, 전체 발전 시스템은 나머지 발전기들을 이용하여 지속적으로 전력을 공급할 수 있다. The reason for adding the
또한, 여기에 부가하여 각 전류형 펄스폭 변조 컨버터(104, 204, 304)의 반도체 스위치 제어 불능 등의 사고에 대비하여 도 7과 같이 각 전류형 펄스폭 변조 컨버터(104, 204, 304)와 병렬로 전력용 반도체 스위치, 예를 들어 사이리스터(Thyristor)를 설치하여 해당 전류형 펄스폭 변조 컨버터의 제어 불능 시 반도체 스위치를 도통시켜 전류의 흐름을 유지함으로써 나머지 발전기들을 이용한 지속적인 발전이 가능하게 할 수 있다.In addition, in preparation for an accident such as the inability to control semiconductor switches of the current type pulse
전류형 펄스폭 변조 인버터(500)의 GTO 사이리스터 또는 IGCT 등으로 이루어지는 스위치 소자가 6개가 아닌 다수개가 서로 직렬 연결된 구조를 갖는 것은 도 5와 관련하여 언급한 바와 같이, 풍력발전기에서 생성된 전력에 대응하는 용량을 갖도록 하기 위함이다.As described with reference to FIG. 5, the number of switch elements including GTO thyristors or IGCTs of the current type pulse
또한, 도 7에서 정전류(Constant Current Source)를 유지하기 위한 인덕터가 개별 전류형 펄스폭 변조 컨버터(104, 204, 304)에 각각 설치되어 있는 것을 도시하였지만, 전류형 펄스폭 변조 컨버터(104, 204, 304)의 직류단이 직렬 연결된 제 fk 전체 직류 전류단(400)에 집합적으로 구성될 수도 있음은 물론이다.In addition, although FIG. 7 shows that inductors for maintaining a constant current source are provided in the individual current type pulse
도 7에서 전류형 펄스폭 변조 컨버터(104, 204, 304)는 풍력발전기(100, 200, 300)를 전동기로 구동하는 것도 가능하게 하므로 풍력발전기(100, 200, 300)의 시동을 용이하게 하고, 풍력발전기(100, 200, 300)의 설치 및 수리 시 필요에 따라 풍력 발전기 날개를 특정 위치로 이동시키는 것도 가능하다.In FIG. 7, the current type pulse
또한, 풍력발전기(100, 200, 300) 단자 전압에 대한 전류형 펄스폭 변조 컨버터(104, 204, 304)의 교류 출력 전류의 위상 제어를 통해 발전기가 최소 전류에서 최대 전력을 발생하도록 운전할 수 있다. In addition, through the phase control of the AC output current of the current type pulse
또한, 전류형 펄스폭 변조 컨버터(104, 204, 304)를 직렬 연결할 때 각 단위 컨버터의 펄스폭 변조를 위한 반송파(Carrier Wave)를 인접한 컨버터의 반송파와 위상 천이(Phase Shift)함으로써 직류단에 나타나는 맥동 전압의 주파수를 PWM 스위칭 주파수에 비해 대폭 높게 할 수 있고 이를 이용하여 직류단의 인덕턴스를 대폭 감소시킬 수 있다.In addition, when the current type pulse
계통 연계 규정(Grid Code)의 역률 제어 규정을 맞추기 위하여, 직류단의 전류는 풍력 발전 단지의 출력이 매우 낮아지더라도 각 전력변환부의 교류 전류의 발전기 출력 전압에 대한 위상을 제어하여 일정 크기 이상으로 유지할 수 있고, 이 경우 교류 계통에 연결된 전류형 펄스폭 변조 인버버(500)의 교류 전류의 교류 전원 전압에 대한 위상을 제어함으로써, 교류 계통에 연결된 캐패시터에 의한 진상 전력을 흡수하고 교류 계통에서 본 역률을 진상에서 지상에 이르기까지 광범위하게 제어할 수 있다. 또, 이러한 제어를 이용하여 계통 연계 규정(Grid Code)에서 요구하는 교류 전원 계통 사고 시 지속적인 무효 전력의 공급도 가능하게 할 수 있다. In order to meet the power factor control regulations of the Grid Code, the current in the DC stage controls the phase of the alternator output voltage of the alternating current of each power conversion section to a certain level even if the output of the wind farm is very low. In this case, by controlling the phase of the alternating current of the current type pulse
위와 같은 구성으로 본 발명의 일실시예에 의한 전력 변환 시스템은 별도의 승압용 변압기나 대규모 직류 대 교류 전력 변환 장치 없이 계통 연계 규정(Grid Code)를 준수하면서, 동시에 송전급 고전압에 의한 풍력 발전 전력의 직류 송전을 가능하게 한다. 또한, 풍력 발전 단지 전체의 전력 변환 시스템의 설치 면적과 무게를 최소화하여 구조를 간소화하며, 발전 및 송전 효율을 향상시킨다.With the above configuration, the power conversion system according to an embodiment of the present invention complies with the Grid Code without a separate booster transformer or a large DC-to-AC power conversion device, and at the same time, the wind power generated by the high voltage of the transmission class. To enable direct current transmission. In addition, the installation area and the weight of the power conversion system of the entire wind farm are minimized to simplify the structure and improve the power generation and transmission efficiency.
100 : 제 f1 풍력발전기 102 : 제 f1 전력 흡수장치
104 : 제 f1 전류형 펄스폭 변조 컨버터 106 : 제 f1 스위치 소자
108 : 제 f1 직류 전류단 200 : 제 f2 풍력발전기
202 : 제 f2 전력 흡수장치 204 : 제 f2 전류형 펄스폭 변조 컨버터
206 : 제 f2 스위치 소자 208 : 제 f2 직류 전류단
300 : 제 fk 풍력발전기 302 : 제 fk 전력 흡수장치
304 : 제 fk 전류형 펄스폭 변조 컨버터 306 : 제 fk 스위치 소자
308 : 제 fk 직류 전류단 400 : 제 f 전체 직류 전류단
500 : 제 f 전류형 펄스폭 변조 인버터100: f 1 wind power generator 102: f 1 power absorber
104: f 1 current type pulse width modulation converter 106: f 1 switch element
108: f 1 DC current stage 200: f 2 wind power generator
202: f 2nd power absorption device 204: f 2 current type pulse width modulation converter
206: f 2nd switch element 208: f 2 DC current stage
300: f k wind power generator 302: f k power absorber
304: The switch element f k: f k the
308: The f k direct current stage 400: The total DC current stage f
500: f current type pulse width modulation inverter
Claims (14)
상기 복수의 전류형 펄스폭 변조 컨버터의 직류단이 서로 직렬 연결된 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템.A plurality of current type pulse width modulation converters each connected to two or more AC power sources to convert AC into DC,
And a DC terminal of the plurality of current type pulse width modulation converters is connected in series with each other.
상기 두 개 이상의 교류 전원은 각각 다른 풍력 발전기인 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템.The method of claim 1,
The two or more AC power is a power conversion system, characterized in that each different wind generator.
상기 두 개 이상의 교류 전원은 하나의 풍력 발전기 내의 각각 다른 전력 발생 장치인 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템.The method of claim 1,
And the two or more AC power sources are different power generators in one wind generator.
상기 전류형 펄스폭 변조 컨버터의 직류단 전류에 대응하는 상기 교류 전원의 출력을 얻도록 상기 전류형 펄스폭 변조 컨버터의 변조 지수를 조절하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템.The method of claim 1,
And a control unit for adjusting a modulation index of the current type pulse width modulation converter to obtain an output of the AC power source corresponding to the DC terminal current of the current type pulse width modulation converter.
상기 교류 전원과 상기 전류형 펄스폭 변조 컨버터를 연결하는 변압기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템.The method of claim 1,
And a transformer for connecting the AC power supply and the current type pulse width modulation converter.
상기 변압기는 다권선 변압기인 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템.The method of claim 5, wherein
And the transformer is a multi-winding transformer.
상기 교류 전원의 출력단 또는 상기 전류형 펄스폭 변조 컨버터의 교류단에 저항과 전자접촉기로 이루어지는 전력 흡수 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템.The method of claim 1,
And a power absorbing device including a resistor and a magnetic contactor at an output terminal of the AC power source or an AC terminal of the current type pulse width modulation converter.
상기 전류형 펄스폭 변조 컨버터의 직류단에 연결되는 전류형 펄스폭 변조 인버터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템.The method of claim 1,
And a current type pulse width modulation inverter connected to the DC terminal of the current type pulse width modulation converter.
상기 전류형 펄스폭 변조 인버터의 교류단에 스위치 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템.The method of claim 8,
And a switch element at an AC terminal of the current type pulse width modulation inverter.
상기 전류형 펄스폭 변조 인버터의 교류단에 연결되는 연계변압기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템.The method of claim 8,
And a link transformer connected to an AC terminal of the current pulse width modulation inverter.
상기 연계변압기는 다권선 연계변압기인 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템.The method of claim 10,
The associated transformer is a power conversion system, characterized in that the multi-winding coupled transformer.
상기 복수의 전류형 펄스폭 변조 컨버터의 직류단을 서로 직렬 연결하여 상기 교류 전원에서 생성된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 방법.Connect the output terminals of two or more AC power supplies to the AC terminals of a plurality of current pulse width modulation converters,
And converting AC power generated by the AC power source into DC power by connecting the DC terminals of the plurality of current type pulse width modulation converters in series.
상기 전류형 펄스폭 변조 컨버터의 직류단 전류에 대응하는 상기 교류 전원의 출력을 얻도록 상기 전류형 펄스폭 변조 컨버터의 변조 지수를 조절하는 것을 더 포함하는 전력 변환 방법.The method of claim 12,
And adjusting the modulation index of the current type pulse width modulation converter to obtain an output of the AC power source corresponding to the direct current of the current type pulse width modulation converter.
상기 전류형 펄스폭 변조 컨버터의 직류단에 전류형 펄스폭 변조 인버터를 연결하여 상기 직류 전력을 교류 전력을 변환하는 것을 더 포함하는 전력 변환 방법.The method of claim 12,
And converting the DC power into AC power by connecting a current pulse width modulation inverter to a DC terminal of the current pulse width modulation converter.
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