KR101249939B1 - Back to back converter comprising of edlc and wind power generation system using thereof - Google Patents

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박민원
유인근
김경훈
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Abstract

PURPOSE: A back to back converter including an EDLC and a wind power generation system applying the same are provided to reduce an amount of power loss by omitting a power conversion apparatus such as a DC/DC converter and an inverter. CONSTITUTION: A generator side converter(220) converts poly-phase AC power to DC power. An EDLC unit(230) stores all or a part of the DC power converted in the generator side converter. The EDLC unit outputs DC power in a predetermined size. A system side converter(240) converts the DC power transferred from the EDLC unit to AC power. A control unit(250) controls the system side converter using system side standard active power and system side standard reactive power. [Reference numerals] (210) Permanent magnet synchronizing machine; (220) Generator side converter; (230) EDLC unit; (240) System side converter; (250) Control unit;

Description

EDLC를 포함하는 백 투 백 컨버터 및 이를 적용한 풍력발전시스템{back to back converter comprising of EDLC and wind power generation system using thereof}Back to back converter including of EDLC and wind power generation system using

본 발명은 EDLC(Electric double layer capacitor)를 포함하는 백 투 백 컨버터 및 이를 적용한 풍력발전시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는, EDLC를 에너지 저장 장치로 사용하는 풍력발전시스템에 있어, 백 투 백 컨버터 내의 DC 링크에 EDLC가 위치하여, 상기 전체 시스템을 간소화하는 백 투 백 컨버터 및 이를 적용한 풍력발전시스템에 관한 것이다.
The present invention relates to a back-to-back converter including an electric double layer capacitor (EDLC) and a wind power generation system using the same. More specifically, in a wind power generation system using EDLC as an energy storage device, a back-to-back converter for simplifying the entire system by placing an EDLC on a DC link in a back-to-back converter and a wind power generation system using the same will be.

풍력은 자연상태의 무공해 에너지원으로서 대체에너지원 중 가장 경제성이 좋은 에너지원이다. 풍력발전시스템은 다양한 형태의 풍차를 이용하여 바람 에너지를 기계적 에너지로 변환하고, 이 기계적 에너지로 발전기를 구동하여 전력을 얻어내는 발전 시스템을 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. 이에 따라 풍력 발전은 현재 가장 유력한 대체 에너지원으로 인정받고 있는 상태이다. 또한, 풍력발전시스템은 구조나 설치가 간단하고 운영 및 관리가 용이하여 무인화 및 자동화 운전이 가능하기 대문에 전 세계적으로 그 활용이 증가하고 있는 추세에 있다.Wind power is a pollution-free energy source in the natural state and is the most economical energy source among alternative energy sources. The wind power generation system refers to a power generation system that converts wind energy into mechanical energy using various types of windmills, and generates electric power by driving a generator with the mechanical energy. Since the wind power generation system uses the wind power of infinite clean energy as the power source, it is a pollution-free power generation method without problems such as heat pollution, air pollution, and radioactive leakage due to heat generation, unlike the existing power generation method using fossil fuel or uranium. As a result, wind power generation is currently recognized as the most promising alternative energy source. In addition, the use of wind power generation systems is increasing worldwide because the structure or installation is simple, easy to operate and manage, unmanned and automated operation is possible.

다만, 풍력발전시스템에서 활용하는 바람 에너지는 일기상황에 따라 많은 변동성을 갖는다. 풍속의 변화 정도가 커지게 되면, 풍력발전시스템에서 생성되는 전력의 주파수 변동 문제를 야기한다. 이러한 문제를 갖고 있는 풍력발전시스템을 기존 전력망에 연계하기 위해서는 직류단이 공유된 2세트의 전압원 컨버터로 구성된 백 투 백 컨버터를 필요로 한다.However, the wind energy used in the wind power generation system has a lot of variability depending on the weather conditions. Larger wind speed variations can cause frequency fluctuations in the power generated by wind turbines. In order to link the wind power generation system having this problem to the existing power grid, a back-to-back converter composed of two sets of voltage source converters having a shared DC stage is required.

백 투 백 컨버터는 크게 발전기측 컨버터, DC 링크 커패시터 및 계통측 컨버터로 구성된다. 발전기측 컨버터는 발전 시스템을 통해 생성되는 유효전력을 제어하는 역할을 수행하며, DC 링크 커패시터는 상기 발전기측 컨버터와 계통측 컨버터 사이에 배치되어 일정 DC 전압이 인가되도록 하며, 상기 계통측 컨버터는 DC 링크 커패시터 양단에 걸리는 DC 전압을 이용하여 계통에 알맞게 일정한 주파수 성분을 갖는 AC 전력으로 변환한다.The back-to-back converter consists of a generator-side converter, a DC link capacitor, and a grid-side converter. Generator-side converter serves to control the active power generated through the power generation system, DC link capacitor is disposed between the generator-side converter and the grid-side converter to apply a constant DC voltage, the grid-side converter is DC The DC voltage across the link capacitor is used to convert it into AC power with a constant frequency component appropriate for the system.

도 1은 별도의 에너지 저장부를 가지는 종래의 풍력발전시스템을 나타낸 도면이다. 1 is a view showing a conventional wind power generation system having a separate energy storage unit.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 풍력발전시스템에 있어, 영구자석형 동기발전기는 백 투 백 컨버터에 연결되어 바람으로부터 발생하는 전력을 계통으로 전달하며, 별도의 에너지 저장부는 충/방전 과정, 계통 연계를 수행하기 위하여 DC/DC 컨버터와 인버터와 함께 연결되었다. 이때, 상기 별도의 에너지 저장부의 연계 및 운전을 위한 전력변환장치인 별도의 DC/DC 컨버터와 인버터를 연결하여 이를 통한 전력 손실이 있었다.As shown in Figure 1, in the conventional wind power generation system, the permanent magnet synchronous generator is connected to the back-to-back converter to transfer the power generated from the wind to the grid, the separate energy storage unit charge / discharge process, It is connected with a DC / DC converter and inverter to carry out grid linkage. At this time, there was a power loss by connecting a separate DC / DC converter and an inverter which is a power conversion device for the connection and operation of the separate energy storage unit.

한국 공개특허 제 10-2010-001594호Korea Patent Publication No. 10-2010-001594

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, EDLC를 에너지 저장 장치로 사용하는 풍력발전시스템의 구성을 간소화할 수 있는 백 투 백 컨버터 및 이를 적용한 풍력발전시스템을 제공하고자 한다.The present invention has been made to solve the above problems, to provide a back-to-back converter and a wind power system using the same that can simplify the configuration of the wind power system using the EDLC as an energy storage device.

또한, 상기 풍력발전시스템의 간소화를 통해, 별도의 전력변환장치가 필요하지 않게 되어 전력 손실량을 감소시키는 백 투 백 컨버터 및 이를 적용한 풍력발전시스템을 제공하고자 한다.In addition, through the simplification of the wind power generation system, there is no need for a separate power converter to provide a back-to-back converter and a wind power generation system using the same to reduce the amount of power loss.

본 발명의 일 측면에 따른 백 투 백 컨버터는 발전 시스템과 연결되어, 상기 발전 시스템에 의해 생성된 다상 AC 전력을 일정한 주파수 성분을 갖는 AC 전력으로 변환하는 백 투 백 컨버터에 있어서, 발전 시스템에서 생성된 다상 AC 전력을 DC 전력으로 변환하는 발전기측 컨버터; 상기 발전기측 컨버터에서 변환된 DC 전력의 전부 또는 일부를 저장하고, 변동성이 완화된 DC 전력을 출력하는 EDLC부; 및 상기 EDLC부로부터 전달된 DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 계통측 컨버터를 포함한다.A back-to-back converter according to an aspect of the present invention is connected to a power generation system, the back-to-back converter for converting the multi-phase AC power generated by the power generation system to AC power having a constant frequency component, generated in the power generation system A generator-side converter for converting the multi-phase AC power into DC power; An EDLC unit which stores all or part of the DC power converted by the generator-side converter and outputs DC power with reduced variability; And a grid-side converter for converting the DC power transferred from the EDLC unit into AC power.

이때, 발전기측 기준유효전류 및 발전기측 기준무효전류를 이용하여 발전기측 컨버터를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.In this case, the generator may further include a control unit for controlling the generator-side converter by using the generator-side reference active current and the generator-side reference reactive current.

또한, 상기 계통측 컨버터로 전달되는 계통측 기준전력을 통해 얻어진 계통측 기준유효전력 및 계통측 기준무효전력을 이용하여 계통측 컨버터를 제어부를 더 포함할 수 있다.The grid-side converter may further include a controller using the grid-side reference effective power and the grid-side reference reactive power obtained through the grid-side reference power delivered to the grid-side converter.

이때, 상기 계통측 컨버터로 전달되는 계통측 기준전력은, 상기 발전 시스템에서 생성된 전력에 LPF(Low Pass Filter)를 적용한 전력일 수 있다.In this case, the grid-side reference power delivered to the grid-side converter may be a power obtained by applying a low pass filter (LPF) to the power generated by the power generation system.

또는, 상기 계통측 컨버터로 전달되는 계통측 기준전력은, 상기 발전 시스템에서 생성된 전력이 상기 EDLC부의 충전 상태에 의해 제한되는 전력일 수 있다.Alternatively, the grid-side reference power delivered to the grid-side converter may be power in which power generated in the power generation system is limited by the state of charge of the EDLC unit.

본 발명의 다른 측면에 따른 풍력발전시스템은 회전력을 전기 에너지로 전환하는 적어도 3상인 영구자석 동기기; 상기 영구자석 동기기와 연결되어, 상기 영구자석 동기기에 의해 생성된 다상 AC 전력을 DC 전력으로 변환하는 발전기측 컨버터; 상기 발전기측 컨버터에서 변환된 DC 전력의 전부 또는 일부를 저장하고, 변동성이 완화된 DC 전류를 출력하는 EDLC부; 및 상기 EDLC부로부터 전달된 DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 계통측 컨버터를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a wind power generation system including at least three phase permanent magnet synchronizers for converting rotational force into electrical energy; A generator-side converter connected to the permanent magnet synchronous to convert the multi-phase AC power generated by the permanent magnet synchronous to DC power; An EDLC unit which stores all or part of the DC power converted by the generator-side converter and outputs a DC current with reduced variability; And a grid-side converter for converting the DC power transferred from the EDLC unit into AC power.

이때, 발전기측 기준유효전류 및 발전기측 기준무효전류를 이용하여 발전기측 컨버터를 제어하고, 상기 계통측 컨버터로 전달되는 계통측 기준전력을 통해 얻어진 계통측 기준유효전력 및 계통측 기준무효전력을 이용하여 계통측 컨버터를 제어하는 제어부를 더 포함하고, 상기 계통측 컨버터로 전달되는 계통측 기준전력은, 상기 발전 시스템에서 생성된 전력이 LPF(Low Pass Filter)를 거치고, 상기 EDLC부의 충전 상태에 의해 제한되는 전력일 수 있다.
At this time, the generator side reference active current and the generator side reference reactive current are controlled, and the system side reference effective power and system side reference reactive power obtained through the grid side reference power delivered to the grid side converter are used. And a control unit for controlling the grid-side converter, wherein the grid-side reference power delivered to the grid-side converter includes power generated by the power generation system passing through a low pass filter (LPF) and charged by the EDLC unit. May be limited power.

본 발명에 따른 백 투 백 컨버터 및 이를 적용한 풍력발전시스템은 EDLC를 백 투 백 컨버터 내의 DC 링크에 위치하여, DC/DC 컨버터와 인버터 같은 전력변환장치가 별도로 필요하지 않게 되어 전력 손실량을 감소시키고, 전체 시스템 비용을 감소시키는 효과가 있다.In the back-to-back converter and the wind power generation system using the same, the EDLC is located at the DC link in the back-to-back converter, so that a power converter such as a DC / DC converter and an inverter is not required separately, thereby reducing power loss. This has the effect of reducing the overall system cost.

도 1은 별도의 에너지 저장부를 가지는 종래의 풍력발전시스템을 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 백 투 백 컨버터를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전기측 컨버터의 제어 블록선도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 계통측 컨버터의 제어 블록선도,
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 풍력발전시스템을 나타낸 도면,
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 풍력발전시스템에 있어서, 발전기측 컨버터의 제어 블록선도, 및
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 풍력발전시스템에 있어서, 계통측 컨버터의 제어 블록선도이다.
1 is a view showing a conventional wind power generation system having a separate energy storage;
2 illustrates a back-to-back converter according to an embodiment of the present invention;
3 is a control block diagram of a generator-side converter according to an embodiment of the present invention;
4 is a control block diagram of a grid-side converter according to an embodiment of the present invention;
5 is a view showing a wind power generation system according to another embodiment of the present invention;
6 is a control block diagram of a generator-side converter in a wind power generation system according to still another embodiment of the present invention; and
7 is a control block diagram of a grid-side converter in a wind power generation system according to another embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In describing the present invention, when it is determined that a detailed description of related known functions or configurations may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, a detailed description thereof will be omitted.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 백 투 백 컨버터를 나타낸 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 백 투 백 컨버터는 발전 시스템(10)과 연결되어, 상기 발전 시스템(10)에 의해 생성된 다상 AC 전력을 일정한 주파수 성분을 갖는 AC 전력으로 변환하는 백 투 백 컨버터에 있어서, 발전 시스템(10)에서 생성된 다상 AC 전력을 DC 전력으로 변환하는 발전기측 컨버터(20); 상기 발전기측 컨버터(20)에서 변환된 DC 전력의 전부 또는 일부를 저장하고, 변동성이 완화된 DC 전력을 출력하는 EDLC부(30); 상기 EDLC부(30)로부터 전달된 DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 계통측 컨버터(40); 상기 발전기측 컨버터(20) 및 계통측 컨버터(40)의 작동을 제어하는 제어부(50)를 포함한다.
2 is a diagram illustrating a back-to-back converter according to an exemplary embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, a back-to-back converter according to an exemplary embodiment of the present invention is connected to a power generation system 10 so that the multi-phase AC power generated by the power generation system 10 has a constant frequency component. A back-to-back converter for converting AC power, comprising: a generator-side converter (20) for converting multi-phase AC power generated in the power generation system (10) into DC power; An EDLC unit 30 for storing all or part of the DC power converted by the generator-side converter 20 and outputting DC power with reduced variability; A grid-side converter 40 for converting DC power transferred from the EDLC unit 30 into AC power; Control unit 50 for controlling the operation of the generator-side converter 20 and the grid-side converter 40.

발전기측 컨버터(20)는 발전 시스템(10)에 의해 생성된 다상 AC 전력을 DC 전력으로 변환한다. 본 발명에 적용가능한 일 실시예에서, 상기 발전 시스템(10)은 적어도 3상인 다상 교류형 발전기인 영구자석형 동기발전기를 갖는 풍력발전시스템이 될 수 있다. 풍력발전시스템의 경우, 바람 에너지를 활용하여 전기 에너지를 생산하므로, 일기상황에 따라 많은 변동성을 갖는다. 특히, 상기 풍력발전시스템이 설치된 장소의 풍력의 변화 정도가 커지게 되면, 풍력발전시스템에서 생성되는 전력의 양은 큰 변동성을 갖게 된다. 이는 풍력발전시스템에서 생성되는 전력의 주파수 변동 문제를 야기한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 발전기측 컨버터(20)는 상기 변동성 있는 전력을 일정하게 하는 작업을 수행하기에 앞서, 발전 시스템(10)에서 생성된 AC 전력을 DC 전력으로 변환한다.
The generator-side converter 20 converts the polyphase AC power generated by the power generation system 10 into DC power. In one embodiment applicable to the present invention, the power generation system 10 may be a wind power generation system having a permanent magnet synchronous generator that is a multi-phase alternating current generator of at least three phases. In the case of a wind power generation system, electrical energy is produced using wind energy, and thus has a lot of variability according to weather conditions. In particular, when the degree of change of the wind power in the location where the wind power generation system is installed becomes large, the amount of power generated in the wind power generation system has great variability. This causes the frequency fluctuation problem of the power generated in the wind power generation system. In order to solve this problem, the generator-side converter 20 converts the AC power generated in the power generation system 10 into DC power before performing the task of making the variable power constant.

제어부(50)는 상기 발전 시스템(10)에서 생성된 전력의 유효전력을 최대화하고 무효전력을 최소화하는 작업을 수행하고, 상기 작업을 통해 획득한 발전기측 기준유효전류(iqr _ ref) 및 발전기측 기준무효전류(idr _ ref)를 이용하여 최대 전력을 얻을 수 있도록 발전기측 컨버터(20)를 제어한다. 보다 상세하게는, 상기 제어부(50)는 하기 수학식 1에 의해 발전기측 기준전력량(Pmax)을 얻을 수 있다.The controller 50 performs a task of maximizing the effective power of the power generated by the power generation system 10 and minimizing the reactive power, and the generator-side reference effective current i qr _ ref and the generator obtained through the operation. The generator-side converter 20 is controlled to obtain the maximum power by using the side reference reactive current i dr _ ref . In more detail, the controller 50 may obtain the generator-side reference power amount P max by Equation 1 below.

Figure 112011104198155-pat00001
Figure 112011104198155-pat00001

(R: 블레이드의 반경, wopt 최적 각속도, ρ: 공기 밀도, Cpmax : 풍력터빈 최대 전력 계수, λopt: 최적 주속비)(R: blade radius, w opt optimal angular velocity, ρ: air density, C pmax : wind turbine maximum power factor, λ opt : optimal peripheral speed ratio)

상기 제어부(50)는 발전기측 기준유효전류(iqr _ ref)를 통해 발전 시스템(10)의 유효전력이 최대가 되도록 제어한다. 또한, 발전기측 기준무효전류(idr _ ref)를 통해 발전 시스템(10)의 무효전력이 최소가 되도록 제어한다. 상기 발전기측 기준유효전류(iqr _ ref) 및 발전기측 기준무효전류(idr _ ref)는 선형 적분제어기인 PI(Proportional Integral) 제어기에 의해 제어되고, 상기 PI 제어기를 통해 얻어진 발전기측 기준전압은 PWM(Pulse Width Modulation) generator를 거쳐 발전기측 컨버터(20)를 제어한다. 이하 도 3을 통해, 발전기측 컨버터(20)의 제어 알고리즘을 상세히 후술한다.
The controller 50 controls the active power of the power generation system 10 to be maximum through the generator side reference effective current i qr _ ref . In addition, the control unit is controlled to minimize the reactive power of the power generation system 10 through the generator side reference reactive current i dr _ ref . The generator side reference effective current i qr _ ref and the generator side reference reactive current i dr _ ref are controlled by a PI (Proportional Integral) controller which is a linear integral controller, and the generator side reference voltage obtained through the PI controller. The generator controls the generator-side converter 20 through a pulse width modulation (PWM) generator. Hereinafter, the control algorithm of the generator-side converter 20 will be described in detail with reference to FIG. 3.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전기측 컨버터(20)의 제어 블록선도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일 실시예에서 제어부(50)는 발전 시스템(10)에서 생성된 전력의 유효전력을 최대화하고 무효전력을 최소화하는 작업으로서, MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어를 수행할 수 있다. 풍력발전시스템의 경우 난류가 되기 쉽고, 풍향이나 풍속이 수십초의 간격으로 변화하기 때문에, 바람의 에너지를 최대한 이용하기 위해 MPPT 제어를 수행할 수 있다. 본 발명에 적용가능한 일 실시예에 따른 MPPT 제어를 통해 얻을 수 있는 발전기측 기준전력량은 상기 수학식 1과 같다.3 is a control block diagram of the generator-side converter 20 according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, in a preferred embodiment of the present invention, the controller 50 is an operation for maximizing the effective power of the power generated by the power generation system 10 and minimizing the reactive power, MPPT (Maximum Power Point Tracking). Control can be performed. In the case of the wind power generation system, it is easy to become turbulent, and the wind direction and the wind speed change at intervals of several tens of seconds, so that the MPPT control can be performed to maximize the energy of the wind. Generator-side reference power that can be obtained through the MPPT control according to an embodiment applicable to the present invention is shown in Equation 1 above.

제어부(50)는 상기 MPPT 제어를 통해 얻은 발전기측 기준전력량(Pe *)과 유효전력(Pe)에 대해 PI 제어기를 적용하여 발전기측 기준유효전류(iqr _ ref)를 얻을 수 있다. 또한, 상기 제어부(50)는 발전기측 기준무효전력량(Qref *)과 고정자의 무효전력(Qstator)에 대해 PI 제어기를 적용하여 발전기측 기준무효전류(idr _ ref)를 얻을 수 있다.The controller 50 may obtain the generator side of the reference power (P e *) and the active power (P e) applying a PI controller to (i qr _ ref), the generator side based on the effective current for the acquired through the MPPT control. In addition, the controller 50 may obtain a generator side reference reactive current (i dr _ ref ) by applying a PI controller to the generator side reference reactive power (Q ref * ) and the stator reactive power (Q stator ).

여기서, 상기 PI 제어기는 상기한 목적을 수행하기 위하여 공지된 기술을 이용하여 다양하게 구성될 수 있음은 본 발명의 기술적 사상에 비추어 당업자에게 저명하다.Here, it is known to those skilled in the art in view of the technical spirit of the present invention that the PI controller can be variously configured using a known technique to perform the above object.

제어부(50)는 발전기측 기준유효전류(iqr _ ref)와 발전기측 유효전류(iqr)에 대해 PI 제어기를 적용한 값과 발전기측 설정전압(vqr)과 ωr*Ldr*idr를 이용하여 발전기측 기준유효전압값을 산출할 수 있다. 이때, ωr는 발전기측 주파수로 미리 설정되거나, 외부로부터 입력될 수 있다. 또한, Ldr는 d축 인덕턴스 값으로, 발전기측 리액터의 유도계수로부터 얻을 수 있다.The controller 50 is a value obtained by applying the PI controller to the generator side reference effective current (i qr _ ref ) and the generator side active current (i qr ), the generator side set voltage (v qr ), and ω r * L dr * i dr The reference effective voltage value of the generator side can be calculated by using. In this case, ω r may be preset as a generator side frequency or may be input from the outside. In addition, L dr is a d-axis inductance value, which can be obtained from the induction coefficient of the generator-side reactor.

또한, 제어부(50)는 발전기측 기준무효전류(idr _ ref)와 발전기측 무효전류(idr)에 대해 PI 제어기를 적용한 값과 ωr*Lqr*iqr를 이용하여 발전기측 기준무효전압값을 산출할 수 있다. 이때, ωr는 발전기측 주파수로 미리 설정되거나, 외부로부터 입력될 수 있다. 또한, Lqr는 q축 인덕턴스 값으로, 발전기측 리액터의 유도계수로부터 얻을 수 있다.In addition, the controller 50 uses the PI controller applied to the generator side reference reactive current i dr _ ref and the generator side reactive current i dr , and the generator side reference invalid using ω r * L qr * i qr . The voltage value can be calculated. In this case, ω r may be preset as a generator side frequency or may be input from the outside. In addition, L qr is a q-axis inductance value, which can be obtained from the induction coefficient of the generator-side reactor.

상기 제어부(50)는 위와 같은 방법을 통해 얻어진 발전기측 기준유효전압값 및 발전기측 기준무효전압값을 이용하여 PWM generator를 거쳐 발전기측 컨버터(20)를 제어한다.
The controller 50 controls the generator-side converter 20 through a PWM generator using the generator-side reference effective voltage value and the generator-side reference reactive voltage value obtained through the above method.

EDLC부(30)는 발전기측 컨버터(20)와 계통측 컨버터(40) 사이의 DC링크에 위치한다. 본 발명에 적용가능한 EDLC부(30)는 표면적이 매우 큰 다공질 도체의 집전극(collector) 두 개 사이에 전해액(electrolyte)을 넣는 구조이다. 상기 집전극 봉(electrods)의 도체에 전해액을 담그면 도체에 접하는 경계면에는 도체에 억눌려진 분자에 의한 내층이 생기고, 그 바깥쪽(전해액 측)에는 충전전하에 의해 확산운동을 하고 있는 외층이 생성된다. 이러한 EDLC부(30)는 외부에서의 인가전압이 전해액에서 전기분해가 일어나는 전압보다 낮은 범위에서는 전류가 흐르지 않아 거의 완전 절연상태가 되므로, 이를 절연막으로 하여 +,-극을 가지는 캐퍼시터 두개가 직렬로 연결되어 있는 구조가 되며 이들 사이에 전해액이 미약하게 덮여져 있는 상태가 된다. EDLC unit 30 is located in the DC link between the generator-side converter 20 and the grid-side converter 40. The EDLC unit 30 applicable to the present invention has a structure in which an electrolyte is placed between two collector electrodes of a porous conductor having a very large surface area. When the electrolyte is immersed in the conductor of the electrode rods, an inner layer of molecules pressed by the conductor is formed on the interface between the conductors, and an outer layer (diffusion) is formed on the outer side (electrolyte side) in which the diffusion is caused by charge charge. . The EDLC unit 30 is almost completely insulated because no current flows in a range in which the externally applied voltage is lower than the voltage at which electrolysis occurs in the electrolyte. Thus, two capacitors having positive and negative poles in series are used as an insulating film. The structure is connected, and the electrolyte solution is weakly covered therebetween.

상기 절연막은 자연적으로 얻어진 것으로 막 두께는 분자 한 개의 크기 정도로 얇아 대 정전용량의 캐퍼시퍼 제작이 가능하게 된다. 이러한 EDLC부(30)는 충/방전 속도가 매우 빠르고, 에너지 저장 능력 또한 다른 에너지 저장 장치보다 뛰어나다.The insulating film is naturally obtained, and the film thickness is as thin as one molecule, so that a large capacitance capacitor can be manufactured. The EDLC unit 30 has a very fast charge / discharge rate, and the energy storage capability is also superior to other energy storage devices.

상기 EDLC부(30)는 DC 링크의 전력상황에 따라 충/방전 동작이 자유롭게 이루어지며, EDLC부(30)의 용량이 한계에 이르면 계통과의 수급관계가 행해짐으로써 전체 시스템의 전력 균형을 유지한다.
The EDLC unit 30 is freely charged / discharged according to the power condition of the DC link. When the capacity of the EDLC unit 30 reaches a limit, the supply and demand relationship with the system is performed to maintain the power balance of the entire system. .

계통측 컨버터(40)는 상기 EDLC부(30)로부터 전달된 DC 전력을 AC 전력으로 변환한다. 보다 상세하게는, 상기 계통측 컨버터(40)는 상기 EDLC부(30)의 출력 전압을 계통에서 사용 가능한 AC 전압으로 변환한다. 이때, 계통측 컨버터(40)의 출력 전압은 일정 크기 및 일정 주파수를 갖는 AC 전압이 될 수 있다. 또한, 상기 출력 전압은 필요에 따라 LPF(Low Pass Filter)에 의해 고조파가 제거될 수 있다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에서는, 상기 출력 전압은 60Hz의 주파수를 갖는 AC 전압이 될 수 있다. The grid-side converter 40 converts the DC power transferred from the EDLC unit 30 to AC power. More specifically, the grid-side converter 40 converts the output voltage of the EDLC unit 30 to an AC voltage usable in the grid. In this case, the output voltage of the grid-side converter 40 may be an AC voltage having a predetermined magnitude and a predetermined frequency. In addition, harmonics may be removed from the output voltage by a low pass filter (LPF) as necessary. In one preferred embodiment of the present invention, the output voltage may be an AC voltage having a frequency of 60 Hz.

제어부(50)는 EDLC부(30)를 통해 계통측 컨버터(40)로 전달되는 전력으로부터 계통측 기준전력량(Pu *)을 얻고, 이를 통해 계통측 기준유효전류(iq _ ref) 및 계통측 기준무효전류(id_ref)을 얻는다. 상기 제어부(50)는 상기 계통측 기준유효전류 및 계통측 기준무효전류를 이용하여 계통측 컨버터(40)를 제어한다. 보다 상세하게는, 상기 계통측 기준전력량(Pu *)을 통해 얻어진 계통측 기준유효전류(iq _ ref)를 통해 발전기 출력 변동을 안정화하고, 전력 전달을 위한 유효 전력을 제어한다. 또한, 계통측 기준무효전류(id _ ref)를 통해 발전기 출력 변동을 안정화하고, 전력 전달을 위한 무효 전력을 제어한다. 상기 계통측 기준유효전류(iq _ ref) 및 계통측 기준무효전류(id _ ref)는 PI 제어기에 의해 제어되고, 상기 PI 제어기를 통해 얻어진 계통측 기준전압은 PWM(Pulse Width Modulation) generator를 거쳐 계통측 컨버터(40)를 제어한다. 이하 도 4를 통해, 계통측 컨버터(40)의 제어 알고리즘을 상세히 후술한다.
The controller 50 obtains the grid-side reference power amount (P u * ) from the power delivered to the grid-side converter 40 through the EDLC unit 30, through which the grid-side reference effective current (i q _ ref ) and the grid Obtain the side reference reactive current i d_ref . The controller 50 controls the grid-side converter 40 by using the grid-side reference active current and the grid-side reference reactive current. In more detail, the variation of the generator output is stabilized through the grid-side reference effective current (i q _ ref ) obtained through the grid-side reference power amount (P u * ), and the active power for power transmission is controlled. In addition, the grid-side reference reactive current (i d _ ref ) stabilizes the generator output variation, and controls the reactive power for power transfer. The grid-side reference effective current i q _ ref and the grid-side reference reactive current i d _ ref are controlled by a PI controller, and the grid-side reference voltage obtained through the PI controller is a pulse width modulation (PWM) generator. The grid side converter 40 is controlled via the control. Hereinafter, the control algorithm of the grid-side converter 40 will be described in detail with reference to FIG. 4.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 계통측 컨버터(40)의 제어 블록선도이다. 제어부(50)는 도 4의 제어 알고리즘을 통해, 계통측 컨버터(40)를 제어하여 풍력발전시스템의 출력 변동을 안정화시킨다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일 실시예에서 계통측 컨버터(40)에서는 발전 시스템(10)에 의해 생성된 전력(Pe)에 대해 LPF를 이용하여 상기 전력(Pe)의 고주파 성분을 제거한다. 또한, 상기 전력(Pe)의 방향에 따라 상기 전력의 방향을 일정하게 하기 위해 -1의 스케일 변환을 수행할 수 있다. 4 is a control block diagram of the grid-side converter 40 according to an embodiment of the present invention. The controller 50 controls the grid-side converter 40 through the control algorithm of FIG. 4 to stabilize the output variation of the wind power generation system. As shown in FIG. 4, in a preferred embodiment of the present invention, the grid-side converter 40 uses LPF for the power Pe generated by the power generation system 10 to convert the power Pe . Remove high frequency components. In addition, in order to make the direction of the power constant according to the direction of the power Pe , a scale conversion of −1 may be performed.

이후, 백 투 백 컨버터의 DC 링크에 위치한 EDLC부(30)의 충전 상태에 따라 상기 전력의 전압 및 전류가 제한된다. 보다 상세하게는, 상기 EDLC부(30)는 콘덴서 및 전해액 커패시터에 비해 월등히 많은 용량을 갖으며, 충전시에는 짧은 시간을 필요로 하지만, 에너지를 발산할 때에는 충전시보다는 긴 시간동안 에너지를 발산할 수 있다. 이와 같은 특성을 이용하여, EDLC부(30)는 급격히 풍속이 변하여 풍력발전시스템을 통해 생산된 전력량이 급격히 증가하더라도, 실제 계통으로 공급되는 전력의 양을 조절할 수 있다.Then, the voltage and current of the power is limited according to the state of charge of the EDLC unit 30 located in the DC link of the back-to-back converter. More specifically, the EDLC unit 30 has a much larger capacity than the capacitor and the electrolyte capacitor, and requires a short time when charging, but when dissipating energy, it may emit energy for a longer time than when charging. Can be. By using such a characteristic, the EDLC unit 30 may adjust the amount of power supplied to the actual system, even if the wind speed changes rapidly and the amount of power produced through the wind power generation system increases rapidly.

상기 EDLC부(30)의 충전 상태가 임계값 이상 충전되었을 때에는 발전기측 컨버터(20)를 통하여 공급되는 전력량은 제한되지 않고, 전부 계통측 컨버터(40)로 전달할 수 있다. 보다 상세하게는, 상기 EDLC부(30)의 과충전을 방지하기 위해, 상기 EDLC부(30)가 일정 이상 충전되었을 때는 계통측 컨버터(40)로 전달되는 전력량은 상기 EDLC부(30)에 의해 제한되지 않을 수 있다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기 EDLC부(30)의 과충전을 방지하기 위한 EDLC부(30)의 기준 충전 상태는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.When the state of charge of the EDLC unit 30 is charged above the threshold value, the amount of power supplied through the generator-side converter 20 is not limited, and may be entirely transmitted to the grid-side converter 40. More specifically, in order to prevent overcharging of the EDLC unit 30, when the EDLC unit 30 is charged for a predetermined time or more, the amount of power delivered to the grid-side converter 40 is limited by the EDLC unit 30. It may not be. Those skilled in the art to which the present invention pertains implement a modified form of the reference charge state of the EDLC unit 30 to prevent overcharging of the EDLC unit 30 without departing from the essential characteristics of the present invention. It can be understood.

본 발명의 적용가능한 일 실시예에서는 EDLC부(30)의 충전 상태가 임계값 미만일 경우에는 발전기측 컨버터(20)로부터 공급되는 전력의 일부를 EDLC부(30)를 재충전하는데 사용함으로써 실제 계통으로 공급되는 전력량을 일정량 제한할 수 있다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기 발전기측 컨버터(20)를 통하여 공급되는 전력량 중 제한되는 전력량의 비율은 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.In an applicable embodiment of the present invention, when the state of charge of the EDLC unit 30 is less than the threshold value, part of the power supplied from the generator-side converter 20 is used to recharge the EDLC unit 30 to supply to the actual system. The amount of power to be used can be limited by a certain amount. Those skilled in the art to which the present invention pertains can implement the modified ratio within a range that does not deviate from the essential characteristics of the present invention in the ratio of the amount of power supplied through the generator-side converter 20 You will understand.

이때, 상기 EDLC부(30)의 충전 상태는 상기 제어부(50)를 통해 측정될 수 있다.
In this case, the state of charge of the EDLC unit 30 may be measured by the controller 50.

상기 제어부(50)는 위와 같은 방법을 통해 얻은 계통측 기준전력량(Pu *)과 계통측 유효전력량(Pu)에 대해 PI 제어기를 적용하여 계통측 기준유효전류(iq _ ref)를 얻을 수 있다. 또한, 상기 제어부(50)는 계통측 기준무효전력량(Qref)과 무효전력(Q)에 대해 PI 제어기를 적용하여 계통측 기준무효전류(id _ ref)를 얻을 수 있다.The controller 50 obtains the grid-side reference effective current (i q _ ref ) by applying a PI controller to the grid-side reference power amount (P u * ) and the grid-side effective power amount (P u ) obtained through the above method. Can be. In addition, the controller 50 may apply the PI controller to the grid-side reference reactive power Q ref and the reactive power Q to obtain the grid-side reference reactive current i d _ ref .

여기서, 상기 PI 제어기는 상기한 목적을 수행하기 위하여 공지된 기술을 이용하여 다양하게 구성될 수 있음은 본 발명의 기술적 사상에 비추어 당업자에게 저명하다.Here, it is known to those skilled in the art in view of the technical spirit of the present invention that the PI controller can be variously configured using a known technique to perform the above object.

제어부(50)는 계통측 기준유효전류(iq _ ref)와 계통측 유효전류(iq)에 대해 PI 제어기를 적용한 값과 계통측 설정전압(vqs)과 ω*Ld*id를 이용하여 계통측 기준유효전압값을 산출할 수 있다. 이때, ω는 계통측 주파수로 미리 설정되거나, 외부로부터 입력될 수 있다. 또한, Ld는 d축 인덕턴스 값으로, 계통측 리액터의 유도계수로부터 얻을 수 있다.The control unit 50 calculates the values obtained by applying the PI controller to the grid-side reference active current (i q _ ref ) and the grid-side active current (i q ), the grid-side set voltage (v qs ), and ω * L d * i d . The system-side reference effective voltage value can be calculated. In this case, ω may be preset as the system side frequency or may be input from the outside. L d is the d-axis inductance value and can be obtained from the induction coefficient of the system-side reactor.

또한, 제어부(50)는 계통측 기준무효전류(id _ ref)와 계통측 무효전류(id)에 대해 PI 제어기를 적용한 값과 ω*Lq*iq를 이용하여 계통측 기준무효전압값을 산출할 수 있다. 이때, ω는 계통측 주파수로 미리 설정되거나, 외부로부터 입력될 수 있다. 또한, Lq는 q축 인덕턴스 값으로, 계통측 리액터의 유도계수로부터 얻을 수 있다.In addition, the controller 50 uses the system side reference reactive current (i d _ ref ) and the system side reactive current (i d ) by applying a PI controller and the system side reference reactive voltage using ω * L q * i q . The value can be calculated. In this case, ω may be preset as the system side frequency or may be input from the outside. In addition, L q is a q-axis inductance value, which can be obtained from the induction coefficient of the system-side reactor.

상기 제어부(50)는 위와 같은 방법을 통해 얻어진 계통측 기준유효전압값 및 계통측 기준무효전압를 이용하여 PWM generator를 거쳐 계통측 컨버터(40)를 제어한다.
The controller 50 controls the grid-side converter 40 via a PWM generator using the grid-side reference effective voltage value and the grid-side reference reactive voltage obtained through the above method.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 풍력발전시스템을 나타낸 도면이다.5 is a view showing a wind power generation system according to another embodiment of the present invention.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일 실시에에 따른 풍력발전시스템은 회전력을 전기 에너지로 전환하는 적어도 3상인 영구자석 동기기(210); 상기 영구자석 동기기(210)와 연결되어, 상기 영구자석 동기기(210)에 의해 생성된 다상 AC 전력을 DC 전력으로 변환하는 발전기측 컨버터(220); 상기 발전기측 컨버터(220)에서 변환된 DC 전력의 전부 또는 일부를 저장하고, 변동성 완화된 DC 전류를 출력하는 EDLC부(230); 상기 EDLC부(230)로부터 전달된 DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 계통측 컨버터(240); 및 상기 발전기측 컨버터(220) 및 계통측 컨버터(240)의 작동을 제어하는 제어부(250)를 포함한다.
As shown in FIG. 5, the wind power generation system according to an exemplary embodiment of the present invention includes at least three phase permanent magnet synchronizer 210 for converting rotational force into electrical energy; A generator-side converter 220 connected to the permanent magnet synchronizer 210 and converting the multi-phase AC power generated by the permanent magnet synchronizer 210 into DC power; An EDLC unit 230 for storing all or part of the DC power converted by the generator-side converter 220 and outputting a variably relaxed DC current; A grid-side converter 240 for converting DC power transferred from the EDLC unit 230 into AC power; And a controller 250 that controls the operation of the generator-side converter 220 and the grid-side converter 240.

풍력발전시스템은 바람 에너지를 이용하여 전기 에너지를 생산하는 시스템이다. 상기 풍력발전시스템에 있어서, 블레이드(미도시)는 바람 에너지에 의해 회전력을 갖게 되고, 영구자석 동기기(210)는 상기 블레이드의 회전력을 전기 에너지로 전환한다. 그러므로 영구자석 동기기(210)의 출력은 풍력에 종속적이게 된다. 따라서, 영구자석 동기기(210)에서 생성되는 전력량은 일정하지 않다. 상기 변동성이 있는 전력량은 발전기측 컨버터(220), EDLC부(230) 및 계통측 컨버터(240)로 구성되는 백 투 백 컨버터에 의해 계통에 적합한 AC로 변환된다.
Wind power generation system is a system for producing electrical energy using wind energy. In the wind power generation system, the blade (not shown) has a rotational force by the wind energy, the permanent magnet synchronizer 210 converts the rotational force of the blade into electrical energy. Therefore, the output of the permanent magnet synchronizer 210 is dependent on the wind. Therefore, the amount of power generated by the permanent magnet synchronizer 210 is not constant. The variable amount of power is converted into AC suitable for a system by a back-to-back converter composed of a generator-side converter 220, an EDLC unit 230, and a grid-side converter 240.

발전기측 컨버터(220)는 영구자석 동기기(210)에 의해 생성된 다상 AC 전력을 DC 전력으로 변환한다. 본 발명에 적용가능한 일 실시예에서, 상기 영구자석 동기기(210)는 적어도 3상인 다상 교류형 발전기인 영구자석형 동기발전기가 될 수 있다. 풍력발전시스템의 경우, 바람 에너지를 활용하여 전기 에너지를 생산하므로, 일기상황에 따라 많은 변동성을 갖는다. 특히, 상기 풍력발전시스템이 설치된 장소의 풍력의 변화 정도가 커지게 되면, 풍력발전시스템에서 생성되는 전력의 양은 큰 변동성을 갖게 된다. 이는 풍력발전시스템에서 생성되는 전력의 주파수 변동 문제를 야기한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 발전기측 컨버터(220)는 상기 변동성 있는 전력을 일정하게 하는 작업을 수행하기에 앞서, 발전 시스템에서 생성된 AC 전력을 DC 전력으로 변환한다.
The generator-side converter 220 converts the multi-phase AC power generated by the permanent magnet synchronizer 210 into DC power. In one embodiment applicable to the present invention, the permanent magnet synchronizer 210 may be a permanent magnet synchronous generator, which is a multiphase alternator of at least three phases. In the case of a wind power generation system, electrical energy is produced using wind energy, and thus has a lot of variability according to weather conditions. In particular, when the degree of change of the wind power in the location where the wind power generation system is installed becomes large, the amount of power generated in the wind power generation system has great variability. This causes the frequency fluctuation problem of the power generated in the wind power generation system. In order to solve this problem, the generator-side converter 220 converts the AC power generated in the power generation system into DC power before performing the task of making the variable power constant.

제어부(250)는 상기 영구자석 동기기(210)에서 생성된 전력의 유효전력을 최대화하고 무효전력을 최소화하는 작업을 수행하고, 상기 작업을 통해 획득한 발전기측 기준유효전류(iqr _ ref) 및 발전기측 기준무효전류(idr _ ref)를 이용하여 최대 전력을 얻을 수 있도록 발전기측 컨버터(220)를 제어한다. 보다 상세하게는, 상기 제어부(250)는 하기 수학식 2에 의해 발전기측 기준전력량(Pmax)을 얻을 수 있다.The control unit 250 performs a task of maximizing the effective power of the power generated by the permanent magnet synchronizer 210 and minimizing the reactive power, and the generator-side reference effective current i qr _ ref obtained through the operation and The generator-side converter 220 is controlled to obtain the maximum power using the generator-side reference reactive current i dr _ ref . In more detail, the controller 250 may obtain a generator-side reference power amount P max by Equation 2 below.

Figure 112011104198155-pat00002
Figure 112011104198155-pat00002

(R: 블레이드의 반경, ωopt 최적 각속도, ρ: 공기 밀도, Cpmax : 풍력터빈 최대 전력 계수, λopt: 최적 주속비)(R: blade radius, ω opt optimal angular velocity, ρ: air density, C pmax : wind turbine maximum power factor, λ opt : optimal peripheral speed ratio)

상기 제어부(250)는 발전기측 기준유효전류(iqr _ ref)를 통해 영구자석 동기기(210)의 유효전력이 최대가 되도록 제어한다. 또한, 발전기측 기준무효전류(idr _ ref)를 통해 영구자석 동기기(210)의 무효전력이 최소가 되도록 제어한다. 상기 발전기측 기준유효전류(iqr _ ref) 및 발전기측 기준무효전류(idr _ ref)는 선형 적분제어기인 PI(Proportional Integral) 제어기에 의해 제어되고, 상기 PI 제어기를 통해 얻어진 발전기측 기준전압은 PWM(Pulse Width Modulation) generator를 거쳐 발전기측 컨버터(220)를 제어한다. 이하 도 6을 통해, 발전기측 컨버터(220)의 제어 알고리즘을 상세히 후술한다.
The controller 250 controls the active power of the permanent magnet synchronizer 210 to be maximum through the generator side reference effective current i qr _ ref . In addition, the control unit is controlled to minimize the reactive power of the permanent magnet synchronizer 210 through the generator side reference reactive current i dr _ ref . The generator side reference effective current i qr _ ref and the generator side reference reactive current i dr _ ref are controlled by a PI (Proportional Integral) controller which is a linear integral controller, and the generator side reference voltage obtained through the PI controller. The generator controls the generator-side converter 220 through a pulse width modulation (PWM) generator. Hereinafter, the control algorithm of the generator-side converter 220 will be described in detail with reference to FIG. 6.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전기측 컨버터(220)의 제어 블록선도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일 실시예에서 제어부(250)는 영구자석 동기기(210)에서 생성된 전력의 유효전력을 최대화하고 무효전력을 최소화하는 작업으로서, MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어를 수행할 수 있다. 풍력발전시스템의 경우 난류가 되기 쉽고, 풍향이나 풍속이 수십초의 간격으로 변화하기 때문에, 바람의 에너지를 최대한 이용하기 위해 MPPT 제어를 수행할 수 있다. 본 발명에 적용가능한 일 실시예에 따른 MPPT 제어를 통해 얻을 수 있는 발전기측 기준전력량은 상기 수학식 2와 같다.6 is a control block diagram of a generator-side converter 220 according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 6, in one preferred embodiment of the present invention, the control unit 250 is an operation of maximizing the effective power of the power generated by the permanent magnet synchronizer 210 and minimizing the reactive power, MPPT (Maximum Power Point). Tracking) control can be performed. In the case of the wind power generation system, it is easy to become turbulent, and the wind direction and the wind speed change at intervals of several tens of seconds, so that the MPPT control can be performed to maximize the energy of the wind. Generator-side reference power amount obtained through the MPPT control according to an embodiment applicable to the present invention is shown in Equation 2.

제어부(250)는 상기 MPPT 제어를 통해 얻은 발전기측 기준전력량(Pe *)과 유효전력(Pe)에 대해 PI 제어기를 적용하여 발전기측 기준유효전류(iqr _ ref)를 얻을 수 있다. 또한, 상기 제어부(250)는 발전기측 기준무효전력량(Qref *)과 고정자의 무효전력(Qstator)에 대해 PI 제어기를 적용하여 발전기측 기준무효전류(idr _ ref)를 얻을 수 있다.Controller 250 may obtain the generator side of the reference power (P e *) and the active power (P e) applying a PI controller to (i qr _ ref), the generator side based on the effective current for the acquired through the MPPT control. In addition, the controller 250 may obtain a generator side reference reactive current (i dr _ ref ) by applying a PI controller to the generator side reference reactive power (Q ref * ) and the stator reactive power (Q stator ).

여기서, 상기 PI 제어기는 상기한 목적을 수행하기 위하여 공지된 기술을 이용하여 다양하게 구성될 수 있음은 본 발명의 기술적 사상에 비추어 당업자에게 저명하다.Here, it is known to those skilled in the art in view of the technical spirit of the present invention that the PI controller can be variously configured using a known technique to perform the above object.

제어부(250)는 발전기측 기준유효전류(iqr _ ref)와 발전기측 유효전류(iqr)에 대해 PI 제어기를 적용한 값과 발전기측 설정전압(vqr)과 ωr*Ldr*idr를 이용하여 발전기측 기준유효전압값을 산출할 수 있다. 이때, ωr는 발전기측 주파수로 미리 설정되거나, 외부로부터 입력될 수 있다. 또한, Ldr는 d축 인덕턴스 값으로, 발전기측 리액터의 유도계수로부터 얻을 수 있다.The controller 250 applies a PI controller to the generator side reference effective current (i qr _ ref ) and the generator side active current (i qr ), the generator side set voltage (v qr ), and ω r * L dr * i dr The reference effective voltage value of the generator side can be calculated by using. In this case, ω r may be preset as a generator side frequency or may be input from the outside. In addition, L dr is a d-axis inductance value, which can be obtained from the induction coefficient of the generator-side reactor.

또한, 제어부(250)는 발전기측 기준무효전류(idr _ ref)와 발전기측 무효전류(idr)에 대해 PI 제어기를 적용한 값과 ωr*Lqr*iqr를 이용하여 발전기측 기준무효전압값을 산출할 수 있다. 이때, ωr는 발전기측 주파수로 미리 설정되거나, 외부로부터 입력될 수 있다. 또한, Lqr는 q축 인덕턴스 값으로, 발전기측 리액터의 유도계수로부터 얻을 수 있다.In addition, the controller 250 uses the PI controller applied to the generator side reference reactive current (i dr _ ref ) and the generator reactive current (i dr ) and the generator side reference invalid using ω r * L qr * i qr . The voltage value can be calculated. In this case, ω r may be preset as a generator side frequency or may be input from the outside. In addition, L qr is a q-axis inductance value, which can be obtained from the induction coefficient of the generator-side reactor.

상기 제어부(250)는 위와 같은 방법을 통해 얻어진 발전기측 기준유효전압값 및 발전기측 기준무효전압를 이용하여 PWM generator를 거쳐 발전기측 컨버터(220)를 제어한다.
The controller 250 controls the generator-side converter 220 through a PWM generator using the generator-side reference effective voltage value and the generator-side reference reactive voltage obtained through the above method.

EDLC부(230)는 발전기측 컨버터(220)와 계통측 컨버터(240) 사이의 DC링크에 위치한다. 본 발명에 적용가능한 EDLC부(230)는 표면적이 매우 큰 다공질 도체의 집전극(collector) 두 개 사이에 전해액(electrolyte)을 넣는 구조이다. 상기 집전극 봉(electrods)의 도체에 전해액을 담그면 도체에 접하는 경계면에는 도체에 억눌려진 분자에 의한 내층이 생기고, 그 바깥쪽(전해액 측)에는 충전전하에 의해 확산운동을 하고 있는 외층이 생성된다. 이러한 EDLC부(230)는 외부에서의 인가전압이 전해액에서 전기분해가 일어나는 전압보다 낮은 범위에서는 전류가 흐르지 않아 거의 완전 절연상태가 되므로, 이를 절연막으로 하여 +,-극을 가지는 캐퍼시터 두개가 직렬로 연결되어 있는 구조가 되며 이들 사이에 전해액이 미약하게 덮여져 있는 상태가 된다. The EDLC unit 230 is located at the DC link between the generator-side converter 220 and the grid-side converter 240. The EDLC unit 230 applicable to the present invention has a structure in which an electrolyte is placed between two collector electrodes of a porous conductor having a very large surface area. When the electrolyte is immersed in the conductor of the electrode rods, an inner layer of molecules pressed by the conductor is formed at the interface between the conductors, and an outer layer (diffusion) is formed on the outer side (electrolyte side) in which the diffusion is caused by charge charge. . Since the EDLC unit 230 is almost completely insulated because no current flows in a range where the externally applied voltage is lower than the voltage at which electrolysis occurs in the electrolyte, two capacitors having positive and negative poles in series are used as an insulating film. The structure is connected, and the electrolyte solution is weakly covered therebetween.

상기 절연막은 자연적으로 얻어진 것으로 막 두께는 분자 한 개의 크기 정도로 얇아 대 정전용량의 캐퍼시퍼 제작이 가능하게 된다. 이러한 EDLC부(230)는 충/방전 속도가 매우 빠르고, 에너지 저장 능력 또한 다른 에너지 저장 장치보다 뛰어나다.The insulating film is naturally obtained, and the film thickness is as thin as one molecule, so that a large capacitance capacitor can be manufactured. The EDLC unit 230 has a very fast charge / discharge rate, and the energy storage capability is also superior to other energy storage devices.

상기 EDLC부(230)는 DC 링크의 전력상황에 따라 충/방전 동작이 자유롭게 이루어지며, EDLC부(230)의 용량이 한계에 이르면 계통과의 수급관계가 행해짐으로써 전체 시스템의 전력 균형을 유지한다.
The EDLC unit 230 is freely charged / discharged according to the power condition of the DC link. When the capacity of the EDLC unit 230 reaches a limit, the supply and demand relationship with the system is performed to maintain the power balance of the entire system. .

계통측 컨버터(240)는 상기 EDLC부(230)로부터 전달된 DC 전력을 AC 전력으로 변환한다. 보다 상세하게는, 상기 계통측 컨버터(240)는 상기 EDLC부(230)의 출력 전압을 계통에서 사용 가능한 AC 전압으로 변환한다. 이때, 계통측 컨버터(240)의 출력 전압은 일정 크기 및 일정 주파수를 갖는 AC 전압이 될 수 있다. 또한, 상기 출력 전압은 필요에 따라 LPF(Low Pass Filter)에 의해 고조파가 제거될 수 있다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에서는, 상기 출력 전압은 60Hz의 주파수를 갖는 AC 전압이 될 수 있다. The grid-side converter 240 converts the DC power transferred from the EDLC unit 230 to AC power. More specifically, the grid-side converter 240 converts the output voltage of the EDLC unit 230 to an AC voltage usable in the grid. In this case, the output voltage of the grid-side converter 240 may be an AC voltage having a predetermined magnitude and a predetermined frequency. In addition, harmonics may be removed from the output voltage by a low pass filter (LPF) as necessary. In one preferred embodiment of the present invention, the output voltage may be an AC voltage having a frequency of 60 Hz.

제어부(250)는 EDLC부(230)를 통해 계통측 컨버터(240)로 전달되는 전력으로부터 계통측 기준전력량(Pu *)을 얻고, 이를 통해 계통측 기준유효전류(iq _ ref) 및 계통측 기준무효전류(id_ref)을 얻는다. 상기 제어부(250)는 상기 계통측 기준유효전류 및 계통측 기준무효전류를 이용하여 계통측 컨버터(240)를 제어한다. 보다 상세하게는, 상기 계통측 기준전력량(Pu *)을 통해 얻어진 계통측 기준유효전류(iq _ ref)를 통해 발전기 출력 변동을 안정화하고, 전력 전달을 위한 유효 전력을 제어한다. 또한, 계통측 기준무효전류(id _ ref)를 통해 발전기 출력 변동을 안정화하고, 전력 전달을 위한 무효 전력을 제어한다. 상기 계통측 기준유효전류(iq _ ref) 및 계통측 기준무효전류(id _ ref)는 PI 제어기에 의해 제어되고, 상기 PI 제어기를 통해 얻어진 계통측 기준전압은 PWM(Pulse Width Modulation) generator를 거쳐 계통측 컨버터(240)를 제어한다. 이하 도 7를 통해, 계통측 컨버터(240)의 제어 알고리즘을 상세히 후술한다.
The controller 250 obtains the grid-side reference power amount (P u * ) from the power delivered to the grid-side converter 240 through the EDLC unit 230, through which the grid-side reference effective current (i q _ ref ) and the grid Obtain the side reference reactive current i d_ref . The controller 250 controls the grid-side converter 240 by using the grid-side reference active current and the grid-side reference reactive current. In more detail, the variation of the generator output is stabilized through the grid-side reference effective current (i q _ ref ) obtained through the grid-side reference power amount (P u * ), and the active power for power transmission is controlled. In addition, the grid-side reference reactive current (i d _ ref ) stabilizes the generator output variation, and controls the reactive power for power transfer. The grid-side reference effective current i q _ ref and the grid-side reference reactive current i d _ ref are controlled by a PI controller, and the grid-side reference voltage obtained through the PI controller is a pulse width modulation (PWM) generator. Control the grid-side converter 240 via. Hereinafter, the control algorithm of the grid-side converter 240 will be described in detail with reference to FIG. 7.

도 7는 본 발명의 일 실시예에 따른 계통측 컨버터(240)의 제어 블록선도이다. 제어부(250)는 도 7의 제어 알고리즘을 통해, 계통측 컨버터(240)를 제어하여 풍력발전시스템의 출력 변동을 안정화시킨다. 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일 실시예에서 계통측 컨버터(240)에서는 영구자석 동기기(210)에 의해 생성된 전력(Pe)에 대해 LPF를 이용하여 상기 전력(Pe)의 고주파 성분을 제거한다. 또한, 상기 전력(Pe)의 방향에 따라 상기 전력의 방향을 일정하게 하기 위해 -1의 스케일 변환을 수행할 수 있다. 7 is a control block diagram of the grid-side converter 240 according to an embodiment of the present invention. The controller 250 controls the grid-side converter 240 through the control algorithm of FIG. 7 to stabilize the output variation of the wind power generation system. 7, the said power (P e) using the LPF on the grid side converter 240. In one preferred embodiment of the present invention, the electric power (P e) generated by the permanent magnet synchronous machine (210) Remove high frequency components. In addition, in order to make the direction of the power constant according to the direction of the power Pe , a scale conversion of −1 may be performed.

이후, 백 투 백 컨버터의 DC 링크에 위치한 EDLC부(230)의 충전 상태에 따라 상기 전력의 전압 및 전류가 제한된다. 보다 상세하게는, 상기 EDLC부(230)는 콘덴서 및 전해액 커패시터에 비해 월등히 많은 용량을 갖으며, 충전시에는 짧은 시간을 필요로 하지만, 에너지를 발산할 때에는 충전시보다는 긴 시간동안 에너지를 발산할 수 있다. 이와 같은 특성을 이용하여, EDLC부(230)는 급격히 풍속이 변하여 풍력발전시스템을 통해 생산된 전력량이 급격히 증가하더라도, 실제 계통으로 공급되는 전력의 양을 조절할 수 있다.Thereafter, the voltage and current of the power are limited according to the state of charge of the EDLC unit 230 located in the DC link of the back-to-back converter. More specifically, the EDLC unit 230 has a much larger capacity than the capacitor and the electrolyte capacitor, and requires a short time when charging, but when dissipating energy, it may emit energy for a longer time than when charging. Can be. By using such a characteristic, the EDLC unit 230 may adjust the amount of power supplied to the actual system even if the wind speed changes rapidly and the amount of power produced through the wind power generation system increases rapidly.

상기 EDLC부(230)의 충전 상태가 임계값 이상 충전되었을 때에는 발전기측 컨버터(220)를 통하여 공급되는 전력량은 제한되지 않고, 전부 계통측 컨버터(240)로 전달할 수 있다. 보다 상세하게는, 상기 EDLC부(230)의 과충전을 방지하기 위해, 상기 EDLC부(230)가 일정 이상 충전되었을 때는 계통측 컨버터(240)로 전달되는 전력량은 상기 EDLC부(230)에 의해 제한되지 않을 수 있다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기 EDLC부(230)의 과충전을 방지하기 위한 EDLC부(230)의 기준 충전 상태는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.When the state of charge of the EDLC unit 230 is charged above a threshold value, the amount of power supplied through the generator-side converter 220 is not limited, and may be entirely transmitted to the grid-side converter 240. More specifically, in order to prevent overcharging of the EDLC unit 230, when the EDLC unit 230 is charged above a certain amount, the amount of power delivered to the grid-side converter 240 is limited by the EDLC unit 230. It may not be. Those skilled in the art to which the present invention pertains implement a modified form of the reference charge state of the EDLC unit 230 to prevent overcharging of the EDLC unit 230 without departing from the essential characteristics of the present invention. It can be understood.

본 발명의 적용가능한 일 실시예에서는 EDLC부(230)의 충전 상태가 임계값 미만일 경우에는 발전기측 컨버터(220)로부터 공급되는 전력의 일부를 EDLC부(230)를 재충전하는데 사용함으로써 실제 계통으로 공급되는 전력량을 일정량 제한할 수 있다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기 발전기측 컨버터(220)를 통하여 공급되는 전력량 중 제한되는 전력량의 비율은 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.In an applicable embodiment of the present invention, when the state of charge of the EDLC unit 230 is less than the threshold value, a part of the power supplied from the generator-side converter 220 is used to recharge the EDLC unit 230 to supply the actual system. The amount of power to be used can be limited by a certain amount. Those skilled in the art to which the present invention pertains can be implemented in a modified form within a range that does not deviate from the essential characteristics of the present invention the ratio of the amount of power supplied through the generator-side converter 220 You will understand.

이때, 상기 EDLC부(230)의 충전 상태는 상기 제어부(250)를 통해 측정될 수 있다.
In this case, the state of charge of the EDLC unit 230 may be measured by the controller 250.

상기 제어부(250)는 위와 같은 방법을 통해 얻은 계통측 기준전력량(Pu *)과 계통측 유효전력량(Pu)에 대해 PI 제어기를 적용하여 계통측 기준유효전류(iq _ ref)를 얻을 수 있다. 또한, 상기 제어부(250)는 계통측 기준무효전력량(Qref)과 무효전력(Q)에 대해 PI 제어기를 적용하여 계통측 기준무효전류(id _ ref)를 얻을 수 있다.The controller 250 obtains the grid-side reference effective current (i q _ ref ) by applying a PI controller to the grid-side reference power amount (P u * ) and the grid-side effective power amount (P u ) obtained through the above method. Can be. In addition, the controller 250 may apply the PI controller to the grid-side reference reactive power Q ref and the reactive power Q to obtain the grid-side reference reactive current i d _ ref .

여기서, 상기 PI 제어기는 상기한 목적을 수행하기 위하여 공지된 기술을 이용하여 다양하게 구성될 수 있음은 본 발명의 기술적 사상에 비추어 당업자에게 저명하다.Here, it is known to those skilled in the art in view of the technical spirit of the present invention that the PI controller can be variously configured using a known technique to perform the above object.

제어부(250)는 계통측 기준유효전류(iq _ ref)와 계통측 유효전류(iq)에 대해 PI 제어기를 적용한 값과 계통측 설정전압(vqs)과 ω*Ld*id를 이용하여 계통측 기준유효전압값을 산출할 수 있다. 이때, ω는 계통측 주파수로 미리 설정되거나, 외부로부터 입력될 수 있다. 또한, Ld는 d축 인덕턴스 값으로, 계통측 리액터의 유도계수로부터 얻을 수 있다.The control unit 250 calculates a value obtained by applying a PI controller to the grid-side reference active current (i q _ ref ) and the grid-side active current (i q ), the grid-side set voltage (v qs ), and ω * L d * i d . The system-side reference effective voltage value can be calculated. In this case, ω may be preset as the system side frequency or may be input from the outside. L d is the d-axis inductance value and can be obtained from the induction coefficient of the system-side reactor.

또한, 제어부(250)는 계통측 기준무효전류(id _ ref)와 계통측 무효전류(id)에 대해 PI 제어기를 적용한 값과 ω*Lq*iq를 이용하여 계통측 기준무효전압값을 산출할 수 있다. 이때, ω는 계통측 주파수로 미리 설정되거나, 외부로부터 입력될 수 있다. 또한, Lq는 q축 인덕턴스 값으로, 계통측 리액터의 유도계수로부터 얻을 수 있다.In addition, the control unit 250 uses the system side reference reactive current (i d _ ref ) and the system side reactive current (i d ) to apply the PI controller and the system side reference reactive voltage using ω * L q * i q . The value can be calculated. In this case, ω may be preset as the system side frequency or may be input from the outside. In addition, L q is a q-axis inductance value, which can be obtained from the induction coefficient of the system-side reactor.

상기 제어부(250)는 위와 같은 방법을 통해 얻어진 계통측 기준유효전압값 및 계통측 기준무효전압를 이용하여 PWM generator를 거쳐 계통측 컨버터(240)를 제어한다.
The controller 250 controls the grid-side converter 240 via a PWM generator using the grid-side reference effective voltage value and the grid-side reference reactive voltage obtained through the above method.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
So far I looked at the center of the preferred embodiment for the present invention. Those skilled in the art will appreciate that the present invention can be implemented in a modified form without departing from the essential features of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in descriptive sense only and not for purposes of limitation. The scope of the present invention is shown in the appended claims rather than the foregoing description, and all differences within the equivalent scope are construed as being included in the present invention. Should be.

10: 발전 시스템 20: 발전기측 컨버터
30: EDLC부 40: 계통측 컨버터
50: 제어부 210: 영구자석 동기기
220: 발전기측 컨버터 230: EDLC부
240: 계통측 컨버터 250: 제어부
10: power generation system 20: generator-side converter
30: EDLC section 40: grid side converter
50: control unit 210: permanent magnet synchronizer
220: generator side converter 230: EDLC unit
240: grid-side converter 250: control unit

Claims (7)

발전 시스템과 연결되어, 상기 발전 시스템에 의해 생성된 다상 AC 전력을 일정한 주파수 성분을 갖는 AC 전력으로 변환하는 백 투 백 컨버터에 있어서,
발전 시스템에서 생성된 다상 AC 전력을 DC 전력으로 변환하는 발전기측 컨버터;
상기 발전기측 컨버터에서 변환된 DC 전력의 전부 또는 일부를 저장하고, 설정된 크기 범위 내의 DC 전력을 출력하는 EDLC부;
상기 EDLC부로부터 전달된 DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 계통측 컨버터; 및
상기 계통측 컨버터로 전달되는 계통측 기준전력을 통해 얻어진 계통측 기준유효전력 및 계통측 기준무효전력을 이용하여 계통측 컨버터를 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 계통측 컨버터로 전달되는 계통측 기준전력은,
상기 발전 시스템에서 생성된 전력이 상기 EDLC부의 충전 상태에 의해 제한되는 전력인 것을 특징으로 하는 백 투 백 컨버터.
A back-to-back converter connected to a power generation system for converting polyphase AC power generated by the power generation system into AC power having a constant frequency component,
A generator-side converter for converting the polyphase AC power generated in the power generation system into DC power;
An EDLC unit which stores all or part of the DC power converted by the generator-side converter and outputs DC power within a set size range;
A grid-side converter converting the DC power transferred from the EDLC unit into AC power; And
And a controller for controlling the grid-side converter using the grid-side reference effective power and the grid-side reference reactive power obtained through the grid-side reference power delivered to the grid-side converter.
The grid-side reference power delivered to the grid-side converter,
The power generated in the power generation system is a power limited by the state of charge of the EDLC unit.
제 1항에 있어서,
상기 제어부는,
발전기측 기준유효전류 및 발전기측 기준무효전류를 이용하여 발전기측 컨버터를 제어하는 것을 특징으로 하는 백 투 백 컨버터.
The method of claim 1,
The control unit,
A back-to-back converter for controlling the generator-side converter by using the generator side reference effective current and the generator side reference reactive current.
삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 계통측 컨버터로 전달되는 계통측 기준전력은,
상기 발전 시스템에서 생성된 전력에 LPF(Low Pass Filter)를 적용한 전력인 것을 특징으로 하는 백 투 백 컨버터.
The method of claim 1,
The grid-side reference power delivered to the grid-side converter,
And a low pass filter (LPF) applied to the power generated by the power generation system.
삭제delete 회전력을 전기 에너지로 전환하는 적어도 3상인 영구자석 동기기;
상기 동기기와 연결되어, 상기 동기기에 의해 생성된 다상 AC 전력을 DC 전력으로 변환하는 발전기측 컨버터;
상기 발전기측 컨버터에서 변환된 DC 전력의 전부 또는 일부를 저장하고, 변동성이 완화된 DC 전류를 출력하는 EDLC부;
상기 EDLC부로부터 전달된 DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 계통측 컨버터; 및
발전기측 기준유효전력 및 발전기측 기준무효전력을 이용하여 상기 발전기측 컨버터를 제어하고, 상기 계통측 컨버터로 전달되는 계통측 기준전력을 통해 얻어진 계통측 기준유효전력 및 계통측 기준무효전력을 이용하여 계통측 컨버터를 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 계통측 컨버터로 전달되는 계통측 기준전력은,
상기 영구자석 동기기에 의해 생성된 전력이 LPF(Low Pass Filter)를 거치고, 상기 EDLC부의 충전 상태에 의해 제한되는 전력인 것을 특징으로 하는 풍력발전시스템.
At least three phase permanent magnet synchronizer for converting rotational force into electrical energy;
A generator-side converter connected to the synchronizer and converting the polyphase AC power generated by the synchronizer into DC power;
An EDLC unit which stores all or part of the DC power converted by the generator-side converter and outputs a DC current with reduced variability;
A grid-side converter converting the DC power transferred from the EDLC unit into AC power; And
The generator side reference active power and the generator side reference reactive power are controlled using the system side reference active power and the system side reference reactive power obtained through the system side reference power delivered to the grid side converter. A control unit for controlling the grid-side converter,
The grid-side reference power delivered to the grid-side converter,
The power generated by the permanent magnet synchronizer is a power passing through a low pass filter (LPF), the power is limited by the state of charge of the EDLC unit.
삭제delete
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KR101576040B1 (en) 2013-12-24 2015-12-11 한국전기연구원 Appartus for controlling output of edlc using weight function and method thereof
KR20160068998A (en) * 2014-12-05 2016-06-16 재단법인 포항산업과학연구원 Power supply of dc distribution system using power grid as a buffer

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국제 컨퍼런스 Power System Technology 2010 논문, "Wind farm output power regulation based on EDLC energy storage technology" (2010.10.28.) *
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