KR101174375B1

KR101174375B1 - 발전기의 회전자 전류를 제어하는 발전 시스템 및 그 방법

Info

Publication number: KR101174375B1
Application number: KR1020100135205A
Authority: KR
Inventors: 김석주; 김동준; 문영환; 이종주; 강동주
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2012-08-16
Also published as: KR20120073437A

Abstract

본 발명은 이중권선형유도발전기(Doubly Fed Induction Generator; DFIG)를 이용한 풍력 발전에 관한 것으로, 특히, 고정자의 고정좌표계를 이용하여 회전자 전압 및 전류를 모델링하고 이를 이용하여 발전기의 회전자 전류를 제어할 수 있는 발전 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

Description

발전기의 회전자 전류를 제어하는 발전 시스템 및 그 방법{Generation System for Controlling Rotor Current of Generator and Method thereof}

지구 온난화의 주범으로 알려진 이산화탄소 발생을 줄이기 위한 대책으로 신재생에너지 사용을 장려함에 따라서 전력계통에 풍력과 같은 신재생에너지의 사용이 급격하게 증가하고 있으며 이에 따라 전력계통에서 신재생에너지가 차지하는 비중이 많아질 것으로 예상된다.

신재생에너지 중 가장 보급이 활발한 풍력발전의 경우 이중권선형유도발전기(Doubly Fed Induction Generator; DFIG) 방식의 풍력발전은 운전범위가 넓고 전력변환장치의 정격이 발전기 정격출력의 1/3 정도이면 되기 때문에 대규모 풍력발전단지에 많이 사용되고 있으며 앞으로도 많이 보급될 것으로 전망되고 있다.

반면에 전력계통을 운용하는 입장에서는 풍력과 같이 출력이 일정하지 않은 신재생에너지원이 계통에 수시로 접속되는 상황이 늘어날 전망이어서 운영에 어려움이 커질 것으로 예상된다. 특히, 신재생에너지의 비중이 늘어나면서 전력계통의 순간고장에 의해서 대규모 풍력발전단지가 불시에 정지되어 전체 전력계통에 큰 동요가 발생하는 사태가 발생할 수도 있다.

따라서 풍력발전을 많이 사용하는 나라에서는 전력계통의 대규모 동요을 막기 위해서는 계통의 전압이 떨어지더라도 일정시간 동안은 발전기가 운전될 수 있는 기능인 저전압지속운전능력(Low Voltage Ride-Through; LVRT)을 갖춘 풍력발전기를 설치하도록 강제화하고 있다.

하지만 DFIG는 접속되어 있는 전력계통의 외란에 매우 민감한 것이 단점으로 잘 알려져 있다. 특히, 접속계통에 순간 지락과 같은 과도현상이 발생하면 회전자 자속에 큰 변화가 생겨 회전자에 매우 큰 전류가 흐르기 때문에 크로우바(crowbar)가 동작하여 회전자 회로를 단락시킴으로써 회전자의 전류를 제한하고, 곧바로 DFIG를 전력계통으로부터 탈락시켜 회전자 전력변환장치를 보호하는 것이 종래의 보편적인 방법이었다.

앞서도 언급한 바와 같이 DFIG에서도 접속계통에 외란이 발생했을 때에도 회전자 전류를 줄여서 DFIG가 계통으로부터 분리되지 않고 일정시간 운전을 계속할 수 있도록 하는 것이 현대 전력계통에서는 매우 중요하게 요구되고 있다.

따라서 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 고정자의 고정좌표계를 이용하여 회전자 전압 및 전류를 모델링하고 이를 이용하여 회전자 전류를 제어할 수 있도록 하는 이중권선형유도발전기의 회전자 전류를 제어하기 발전 시스템 및 그 방법을 제공하는데 있다.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 발전 시스템은, 발전기로부터 전력계통으로 전송되는 전력을 변환하는 회전자 전력변환기; 및 상기 발전기의 회전자에 인가시키기 위한 회전자 전압을 발생시켜 상기 회전자에 상기 회전자 전압을 인가하도록 상기 회전자 전력변환기를 제어하는 제어장치를 포함하고, 상기 제어장치는 고정자 고정좌표계를 이용하여 3상 회전자 전류를 2상으로 변환하고 2상 회전자 전류의 직교성분들각각에 대하여 목표치와의 직류 편차를 보상하여 외란 요소를 제거한 직교성분들을 기초로 해당 회전자 전압을 발생시키는 것을 특징으로 한다.

상기 발전기는 이중권선형유도발전기(Doubly Fed Induction Generator; DFIG)를 포함한다.

상기 발전기는 풍력을 이용해 상기 회전자를 회전시켜 전기적 에너지를 발생시킨다.

상기 제어장치는, 상기 직류 편차를 적분 이득(k_i)으로 보상하는 적분 제어기; 상기 직류 편차를 비례 이득(k_p) 및 공진 이득(k_r)으로 보상하여 직교 성분을 제거하는 비례공진형 제어기; 및 상기 적분 제어기 및 상기 비례공진형 제어기에 의해 보상된 신호에서 외란에 의한 고정자 전압(v_αs, v_βs) 성분을 제거하는 피드포워드 보상 수단을 포함한다.

그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른 발전 방법은, 발전기의 회전자에 인가시키기 위한 회전자 전압을 발생시켜 상기 회전자에 상기 회전자 전압을 인가하도록 제어하는 단계를 포함하며, 상기 제어하는 단계에서, 2상 회전자 전류의 직교성분들각각에 대하여 목표치와의 직류 편차를 보상하여 외란 요소를 제거한 직교성분들을 기초로 해당 회전자 전압을 발생시킬 수 있다.

상기 제어하는 단계는, 상기 직류 편차를 적분 이득(k_i)으로 보상하는 적분 제어 단계; 상기 직류 편차를 비례 이득(k_p) 및 공진 이득(k_r)으로 보상하여 직교 성분을 제거하는 비례공진형 제어 단계; 및 상기 적분 제어 단계 및 상기 비례공진형 제어 단계에 의해 보상된 신호에서 외란에 의한 고정자 전압(v_αs, v_βs) 성분을 제거하는 피드포워드 보상 단계를 포함한다.

이를 통해, 본 발명에 따른 발전 시스템에 따르면, 고정자의 고정좌표계를 이용하여 회전자 전압 및 전류를 모델링하여 이를 이용하여 회전자 전력변환기의 전류를 제어함으로써, 고정자 전압 외란의 영향을 직접 보상할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 고정자의 고정좌표계를 이용하여 회전자 전압 및 전류를 모델링하고 이를 이용하여 회전자 전류를 제어함으로써, 별도의 센서나 하드웨어를 추가하지 않고 알고리즘만으로 제어할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발전 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 예시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 DFIG의 회전자 전류 모델을 나타내는 예시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 제어장치를 나타내는 예시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 DFIG의 계통 접속도를 나타내는 예시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 시뮬레이션 결과를 보여주는 예시도이다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 이중권선형유도발전기의 회전자 전류를 제어하기 위한 장치 및 그 방법을 첨부된 도 1 내지 도 5를 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명에 따른 동작 및 작용을 이해하는데 필요한 부분을 중심으로 상세히 설명할 것이다.

본 발명은 고정자의 고정좌표계를 이용하여 회전자 전압 및 전류를 모델링하고 이를 이용하여 회전자 전력변환기의 전류를 제어할 수 있는 방안을 제안한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발전 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 예시도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 발전 시스템은 블레이드(100), 기어박스(200), 발전기(300), 크로우바(400), 회전자 전력변환기(500), 그리드 전력변환기(600), 및 제어장치(700) 등을 포함하여 구성될 수 있다.

블레이드(100)는 바람에너지를 받아 회전함으로써 발전기로 동력을 전달한다.

기어박스(200)는 블레이드의 회전속도가 낮기 때문에 블레이드(100)와 발전기(300)의 회전자 사이에 위치하여 회전속도를 증가시키는 역할을 수행한다. 풍력발전 시스템에 따라서 기어를 사용하지 않기도 하지만 이 경우에는 높은 극수를 가지는 발전기(300)를 사용할 수 있는데, 예컨대, 4극 또는 6극인 권선형 유도발전기가 사용될 수 있다.

일반적으로 발전기(300)는 바람이 가진 에너지가 회전자에 의해 회전력으로 변환된 후 그 회전력을 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 구성품으로 전기에너지 발전의 효율이나 전기의 품질을 좌우하는 중요한 요소이다. 이러한 발전기로는 크게 동기기나 유도기가 사용되는데, 동기기는 계자의 형태에 따라 권선계자형과 영구자석형으로 나눌 수 있고, 유도기는 회전자의 구조에 따라 농형과 권선형으로 분류될 수 있다. 특히, 권선형 유도기, 이중권선형유도발전기(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.

크로우바(400)는 회전자에 과전압 발생시 회전자 권선을 단락시켜 회전자 전력변환기(500)를 보호한다.

회전자 전력변환기(500)는 발전기(300)로부터 전력계통으로 전송되는 유효전력, 및 무효전력을 제어하는 역할을 수행한다. 그리고 그리드 전력변환기(600)는 직류전압 링크용 커패시터의 전압(V_DC)을 일정하게 제어하여 그리드 전력계통의 접속점으로 전송될 수 있도록 한다.

제어장치(700)는 DFIG 모델링에 따라 비례공진형 제어기와 피드포워드 보상 수단을 이용하여 DFIG의 회전자 전압을 발생시켜 외란 요소들을 제거하도록 회전자전력변환기(500)를 제어할 수 있다.

DFIG 모델에 있어서, 기존에 많이 사용하는 회전 좌표계인 dq-프레임을 사용하지 않고 고정자의 정지좌표계인 고정자 αβ-프레임을 이용하여 DFIG를 모델링한다. 정지좌표계를 이용하여 DFIG를 모델링하고 회전자의 외란항을 전압항으로만 표시하여 피드포워드 보상을 통하여 외란의 영향을 줄이는 것이 핵심적인 내용이다. 이를 수학식으로 설명한다.

먼저 고정자 및 회전자 회로 방정식을 고정자 정지좌표계인 정지 αβ-좌표계를 이용하여 표현하면 다음의 [수학식 1]과 같다.

[수학식 1]

여기서, v_αβs=v_αs+jv_βs는 고정자 3상 전압(v_as,v_bs,v_cs)을 서로 직교하는 2상으로 나타내는 것이고, i_αβs=i_αs+j(i_βs)는 고정자 전류, λ_αβs=λ_αs+jλ_βs는 고정자 쇄교자속을 나타낸다. 같은 방법으로 회전자 3상 전압(v_ar,v_br,v_cr)을 고정자 정지좌표계를 이용하여 표현한 것이 v^s _αβr=v^s _αr+jv^s _βr 이고, i^s _αβr=i^s _αr+j(i^s _βr)은 고정자 정지좌표로 나타낸 회전자 전류, λ^s _αβr=λ^s _αr+jλ^s _βr은 고정자 정지좌표로 나타낸 회전자 쇄교자속이다. 또한 R_s는 고정자 저항, R_r은 회전자 저항이고 ω_r은 회전자 각속도이다.

이때, 고정자 및 회전자 인덕턴스를 각각 L_s, L_r이라 하고 고정자-회전자간 상호 인덕턴스를 L_m이라고 하면 쇄교자속 방정식은 다음의 [수학식 2]와 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 2]

이때, 라플라스 변환 연산자를 s로 하고 고정자 및 회전자 회로방정식을 행렬로 표현하면 각각 다음의 [수학식 3]과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 3]

이때, [수학식 3]에서 고정자 전류 i_αs, i_βs를 구하면 다음의 [수학식 4]과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 4]

[수학식 4]에서 고정자의 저항 R_s는 인덕턴스에 의한 임피던스보다 매우 작으므로 무시하고 회전자의 회로 방정식을 나타내면 다음의 [수학식 5]와 같이 나타낼 수 있다. 여기서,

이다.

[수학식 5]

[수학식 5]에서 고정자가 접속된 계통에 발생한 외란(i_βr,v_αs, v_βs 가 변하면)이 회전자의 단자전압(v_αr)에 직접적인 외란의 형태로 작용한다는 것을 알 수 있다.

이러한 [수학식 5] 모델링의 가장 큰 특징은 회전자의 전류(i_αr, i_βr)를 회전자 전압(v_αr, v_βr)과 고정자 전압(v_αs, v_βs)만으로 나타냈다는 것과 고정자 전압 외란이 매우 간단한 식(적분)으로 표현된다는 것이다. 따라서 dq 모델링과 같이 dq-축 자속을 추정하여 보상하는 방식을 취할 필요가 없이 고정자 전압을 적분하여 피드포워드 보상을 하면 고정자 전압 외란의 영향을 줄일 수 있는 장점이 있다. 즉, 정지좌표계인 αβ-좌표계를 이용한 [수학식 5]에 따른 DFIG 회전자 전류 모델은 도 2와 같이 블록도로 나타낼 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 제어장치(700)를 나타내는 예시도이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 제어장치(700)는 비례공진형 제어기와 피드포워드 보상 수단을 이용하여 [수학식 5]에서 나타나는 외란항들(i_αr에 대하여는 i_βr, v_αs, v_βs / i_βr에 대하여는 i_αr, v_αs, v_βs)을 제거하도록 DFIG의 회전자 전압(v_ar, v_br, v_cr)을 발생시켜 회전자에 인가하도록 회전자전력변환기(500)를 제어할 수 있다.

[수학식 5]로부터 i_αr을 계산하면, [수학식 6]과 같이 되며,[수학식 6]을 참조하면, 이러한 DFIG 회전자 전류 모델로 제어하고자 하는 회전자 전류, 예를들면 i_αr에 직접적으로 영향을 미치는 요소는 인가전압 v_αr을 제외하고도 고정자 전압(v_αs, v_βs)과 i_βr임을 알 수 있으며 고정자 전압항은 비례 혹은 적분형태의 외란인 것을 알 수 있다.

[수학식 6]

[수학식 6]에서, i_βr, v_αs, v_βs 항들은 외란으로 고정자와 회전자 코일간의 자속 쇄교에 의해서 발생하게 되는데, 인가전압 v_αr에 의한 항을 제외한 이와같은 외란 요소를 완벽하게 보상하여 상쇄시켜야 한다. i_βr에 의한 외란은 특수한 제어기(예를 들면, 비례-공진 제어기)를 사용하면 없앨 수 있지만 이때 v_αs, v_βs 항들과 같은 영향은 없앨 수 없으므로, 본 발명에서는 이를 직접 피드포워드해서 보상함으로써 i_βr, v_αs, v_βs 항들이 모두 제거되어 회전자 전류 i_αr이 회전자 전압 v_αr에 의해서만 제어될 수 있도록 하였다. i_βr에 대하여도 위와 같은 방법으로 인가전압 v_βr항을 제외한 외란 요소 i_αr, v_αs, v_βs을 제거할 수 있다.

즉, 도 3과 같이, 제어장치(700)는 회전자 3상 전류(i_ar,i_br,i_cr)을 2상 전류로 변환(i_αr, i_βr)한 후, 각각을 비례공진형 제어기와 피드포워드 보상 수단을 이용해 처리한 다음, 처리된 2상 전류(i_βr, i_βr)를 각각 3상으로 변환하고 해당 3상 전압(v_as,v_bs,v_cs)을 출력하게 된다.

예를 들어, i_αr 보상을 위하여, 적분 제어기(k_i/s)를 이용해 회전자 전류 i_αr과 목표치 i^* _αr 사이의 직류 편차를 적분 이득(k_i)으로 보상하며, 비례공진형 제어기(

)를 이용해 위 직류 편차를 비례 이득(k_p) 및 공진 이득(k_r)으로 보상하여 회전자 전류 i_αr과 i_βr 상호간의 작용을 제거하여 직교 성분, 즉, [수학식 6]의 ω_rL_ri_βr영향을 없앨 수 있다. 또한, 피드포워드 보상 수단을 이용해 위와 같이 직류 편차가 보상된 회전자 전류를 처리하여 고정자 전압(v_αs, v_βs) 성분, 즉, [수학식 6]의

항과

항을 제거할 수 있다. 또한, i_βr에 대하여도 위와 같은 적분 제어기(k_i/s), 비례공진형 제어기(

), 피드포워드 보상 수단을 이용하여 [수학식 6]의 인가전압 v_βr항을 제외한 외란 요소 i_αr, v_αs, v_βs을 제거할 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 DFIG의 계통 접속도를 나타내는 예시도이다.

도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 DFIG 회전자 전류 모델을 이용한 효과를 보이기 위해서 전형적으로 사용하는 DFIG의 계통 접속도를 나타내고 있다. 풍력발전을 이용하는 도 1과 같은 발전 시스템에서 나온 전압을 승압(25kV)시켜 장거리(30km)로 전송하고 이를 다시 송전전압(120kV)로 승압시켜 대규모 송전계통(일반적으로 전압이 일정하고 무한대의 전력을 흡수할 수 있는 것으로 가정하여 무한모선이라고 함)에 연결하여 전력을 공급할 수 있다. 여기서 장거리 송전선에 사고 또는 동요 등 외란이 생겨 전압이 흔들리면 풍력 발전기가 많은 영향을 받게 되지만, 도 1과 같은 발전 시스템의 구성을 통하여 외란 요소가 제거될 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 시뮬레이션 결과를 보여주는 예시도이다.

도 5에 도시한 바와 같이, 고정자 전압(25kV측)에 3상 지락사고가 6사이클 동안 지속된 후 제거되었다고 가정하였을 경우 시뮬레이션 결과를 보여주고 있다. 도 5에서는 회전자 전력변환기를 제어하는 장치만 본 발명으로 하는 것으로 하였고 그리드 전력변환기는 기존의 방법을 그대로 사용하는 것으로 하였다.

도 5에서 종래의 방법과 제안한 제어장치를 비교하면 본 발명에서 제안한 제어장치가 회전자 전류의 과도상태 제어 능력이 더 좋은 것을 알 수 있다.

편의를 위하여 회전자 전류를 dq-프레임으로 변환하여 맨위에 나타냈다. 회전자 전류를 제외한 나머지 부분에서는 직류링크전압()의 제어 특성이 종래의 방법보다 약간 떨어지는 것을 알 수 있지만 이 부분은 그리드측 전력변환장치를 그대로 사용하였기 때문이라고 판단되며 그리드측 전력변환장치도 유사하게 정지좌표계를 이용한 알고리즘으로 바꾼다면 개선할 수 있을 것으로 판단된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 고정자의 정지좌표계를 이용하여 회전자 전압 및 전류를 모델링하여 이를 이용하여 회전자 전력변환기의 전류를 제어함으로써, 고정자 전압 외란의 영향을 직접 보상할 수 있을 뿐 아니라, 별도의 센서나 하드웨어를 추가하지 않고 알고리즘만으로 제어할 수 있다.

본 발명에 의한, 이중권선형유도발전기의 회전자 전류를 제어하기 위한 장치 및 그 방법은 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 형태로 변형, 응용 가능하며 상기 실시예에 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 기술분야에서 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.

100: 블레이드
200: 기어박스
300: 발전기
400: 크로우바
500: 회전자 전력변환기
600: 그리드 전력변환기
700: 제어장치

Claims

발전기로부터 전력계통으로 전송되는 전력을 변환하는 회전자 전력변환기; 및
상기 발전기의 회전자에 인가시키기 위한 회전자 전압을 발생시켜 상기 회전자에 상기 회전자 전압을 인가하도록 상기 회전자 전력변환기를 제어하는 제어장치를 포함하고,
상기 제어장치는 2상 회전자 전류의 직교성분들 각각에 대하여 목표치와의 직류 편차를 보상하여 외란 요소를 제거한 직교성분들을 기초로 해당 회전자 전압을 발생시키는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
제1항에 있어서,
상기 발전기는 이중권선형유도발전기(Doubly Fed Induction Generator; DFIG)인 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
제1항에 있어서,
상기 발전기는 풍력을 이용해 상기 회전자를 회전시켜 전기적 에너지를 발생시키는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제어장치는, 상기 직류 편차를 적분 이득(k_i)으로 보상하는 적분 제어기;
상기 직류 편차를 비례 이득(k_p) 및 공진 이득(k_r)으로 보상하여 직교 성분을 제거하는 비례공진형 제어기; 및
상기 적분 제어기 및 상기 비례공진형 제어기에 의해 보상된 신호에서 외란에 의한 고정자 전압(v_αs, v_βs) 성분을 제거하는 피드포워드 보상 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
발전기의 회전자에 인가시키기 위한 회전자 전압을 발생시켜 상기 회전자에 상기 회전자 전압을 인가하도록 제어하는 단계를 포함하며,
상기 제어하는 단계에서, 2상 회전자 전류의 직교성분들 각각에 대하여 목표치와의 직류 편차를 보상하여 외란 요소를 제거한 직교성분들을 기초로 해당 회전자 전압을 발생시키는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
제5항에 있어서,
상기 발전기는 이중권선형유도발전기(Doubly Fed Induction Generator; DFIG)인 것을 특징으로 하는 발전 방법.
제5항에 있어서,
상기 발전기는 풍력을 이용해 상기 회전자를 회전시켜 전기적 에너지를 발생시키는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
제5항에 있어서,
상기 제어하는 단계는,
상기 직류 편차를 적분 이득(k_i)으로 보상하는 적분 제어 단계;
상기 직류 편차를 비례 이득(k_p) 및 공진 이득(k_r)으로 보상하여 직교 성분을 제거하는 비례공진형 제어 단계; 및
상기 적분 제어 단계 및 상기 비례공진형 제어 단계에 의해 보상된 신호에서 외란에 의한 고정자 전압(v_αs, v_βs) 성분을 제거하는 피드포워드 보상 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 방법.