KR101364243B1 - Power converter for wind power generator - Google Patents

Power converter for wind power generator Download PDF

Info

Publication number
KR101364243B1
KR101364243B1 KR1020120108246A KR20120108246A KR101364243B1 KR 101364243 B1 KR101364243 B1 KR 101364243B1 KR 1020120108246 A KR1020120108246 A KR 1020120108246A KR 20120108246 A KR20120108246 A KR 20120108246A KR 101364243 B1 KR101364243 B1 KR 101364243B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
converter
power
capacitor
phase
generator
Prior art date
Application number
KR1020120108246A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
유재성
Original Assignee
삼성중공업 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성중공업 주식회사 filed Critical 삼성중공업 주식회사
Priority to KR1020120108246A priority Critical patent/KR101364243B1/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101364243B1 publication Critical patent/KR101364243B1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/40—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc
    • H02M5/42—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters
    • H02M5/44—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac
    • H02M5/453—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M5/458—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M5/4585—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having a rectifier with controlled elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/028—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor controlling wind motor output power
    • F03D7/0284—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor controlling wind motor output power in relation to the state of the electric grid
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/02—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal
    • H02M7/04—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/12—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/145—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means
    • H02M7/155—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only
    • H02M7/17—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only arranged for operation in parallel
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/76—Power conversion electric or electronic aspects

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Control Of Eletrric Generators (AREA)

Abstract

Disclosed is a power converter for a mass wind power generator. According to an embodiment of the present invention, the power converter for a mass wind power generator comprises a first converter connected to the side of the generator as a multilevel converter for converting power; and a second converter which has a DC link including a first capacitor and a second capacitor which individually store and smooth DC power converted through the first converter and a plurality of single phase converters, wherein one side thereof is connected to the generator and the other connected to the DC link. However a first single phase converter and a second single phase converter among multiple single phase converters may have a DC connection. [Reference numerals] (140) Converter control unit; (200) System controller

Description

풍력발전기용 전력변환 장치{POWER CONVERTER FOR WIND POWER GENERATOR}Power converter for wind power generators {POWER CONVERTER FOR WIND POWER GENERATOR}

본 발명은 대용량 풍력발전기용 전력변환 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a power conversion device for a large capacity wind turbine.

일반적으로 풍력발전기는 바람의 운동에너지를 기계적 에너지로 변환시키고 이로부터 전기를 생산하는 것으로 무공해, 무한정의 바람을 이용함으로 환경에 미치는 영향이 적고, 국토를 효율적으로 이용할 수 있는 장점이 있다.In general, wind power generators convert kinetic energy of wind into mechanical energy and produce electricity from it. Using windless and infinite winds, it has little effect on the environment and has an advantage of using the land efficiently.

최근에는 육상에서의 풍속의 제한 및 대형화된 풍력발전기에서 발생되는 소음문제, 시각적인 위압감 등과 환경적인 문제 등으로 인하여 해상용 풍력 터빈 시스템의 도입이 활발히 이루어지고 있다In recent years, marine wind turbine systems have been actively introduced due to limited wind speeds on land, noise problems from large wind turbines, visual pressure and environmental problems.

특히, 풍력발전기의 설치 장소를 선정하기 위해 최우선으로 고려되는 부분이 바로 풍력의 질이며, 고품질의 풍력을 얻기 위해서는 육상보다는 해상이 더욱더 유리하다. 따라서 앞으로의 풍력발전기의 설치는 주로 해상에 건설될 것으로 생각된다. In particular, the first priority to select the installation site of the wind power generator is the quality of the wind, the sea is more advantageous than the land to obtain high-quality wind. Therefore, the installation of wind turbines in the future is expected to be mainly constructed at sea.

이렇듯, 해상에 풍력발전기를 설치할 때, 바람의 질이 우수함으로 인해 대용량의 발전기를 설치하게 된다. 여기서 대용량이라 함은 예컨대, 5MW급 이상을 의미하고, 현재 9MW까지 개발이 되어있으며 향후 10MW이상의 해상용 풍력발전기가 개발될 예정이다. As such, when installing a wind turbine on the sea, because of the excellent wind quality is to install a large-capacity generator. Here, "large capacity" means, for example, 5MW or more, and is currently being developed up to 9MW, and more than 10MW of offshore wind turbines will be developed in the future.

다만, 대용량의 풍력발전기는 전류용량이 증대되어 기존의 저압으로는 전력을 전송하는 경우 전선의 비용이 증가하게 되므로 경제성을 잃어버리게 된다. However, large-capacity wind turbines lose their economics because their current capacity is increased and the cost of wires increases when transmitting power at the existing low voltage.

따라서, 전선비용을 절감하기 위해서는 같은 전력을 전송하더라도 전류용량을 줄이기 위해 발전기의 전압을 MV(Medium Voltage)급으로 설계한다. 이 때, 발전기의 전압이 MV급이면 이를 제어할 수 있는 컨버터도 역시 MV급이 되어야 한다. Therefore, to reduce the wire cost, the voltage of the generator is designed in MV (Medium Voltage) class to reduce the current capacity even though the same power is transmitted. At this time, if the voltage of the generator is MV class, the converter capable of controlling it should also be MV class.

한편, 도 1은 종래의 대용량 풍력발전기용 3레벨 컨버터의 전력변환장치의 구조를 나타낸다.On the other hand, Figure 1 shows the structure of a power conversion device of a conventional three-level converter for a large capacity wind turbine.

첨부된 도 1을 참조하면, 전력변환 스위치로는 주로 IGBT(Insulated Gate Bipolar mode Transistor)를 사용하게 된다. 그러나 IGBT의 전압 레벨의 한계로 인하여 2레벨 인버터를 사용하지 못하고, 3레벨 또는 그 이상으로 전력변환 회로를 구성하여 사용하게 된다.Referring to FIG. 1, an insulated gate bipolar mode transistor (IGBT) is mainly used as a power conversion switch. However, due to the limitation of the voltage level of the IGBT, the two-level inverter cannot be used, and the power conversion circuit is configured at three or more levels.

기존에 상품화 되어있는 대용량 전력변환장치의 구조는 도 1과 같으며, 발전된 전력을 계통으로 보내기 위해서 백투백(Back-To-Back) 형태의 토폴로지를 사용하였으며, 3레벨 형태로서 낮은 전압의 IGBT를 직렬로 연결함으로써 고전압 운전이 가능한 장점이 있다. The structure of the commercialized high-capacity power converter is shown in FIG. 1, and a back-to-back topology is used to send the generated power to the system. The high voltage operation is possible by connecting to the circuit.

반면, 기존의 대용량 전력변환장치는 레벨 수를 높이기 위하여 직류 링크단을 두 개로 나누어 운전하게 되는데, PWM(Pulse Width Modulation) 스위칭 상태에 따라서 두 개의 직류 링크단의 전압이 불균형을 이루게 되는 단점이 있다.On the other hand, the existing large-capacity power converter operates by dividing the DC link stage into two in order to increase the number of levels. However, there is a disadvantage that the voltages of the two DC link stages become unbalanced according to the PWM (Pulse Width Modulation) switching state. .

도 2는 종래의 대용량 풍력발전기용 3레벨 컨버터의 직류단 캐패시터 전압 변화를 나타낸다.Figure 2 shows the change of the direct current capacitor voltage of the three-level converter for a large-capacity wind power generator.

첨부된 도 2를 참조하면, 기존의 대용량 전력변환장치의 구조에서 두 직류링크(Vdc_H, Vdc_L) 단의 전압이 서로 불균형한 현상을 보여준다. Referring to FIG. 2, the voltages of two DC link (Vdc_H, Vdc_L) stages are unbalanced with each other in the structure of the existing large capacity power converter.

이처럼 기존의 대용량 전력변환장치에서는 두 전압의 불균형으로 인해 어느 한쪽으로 전압이 쏠리는 현상이 발생하는 경우 직류링크 커패시터가 파괴되는 문제점이 있다. 이러한 불안 요소는 유지보수의 접근성이 어려운 해상 풍력발전기를 설치함에 있어서 해결해야 할 중요한 과제로 지적되고 있다.As described above, in the existing large-capacity power converter, the DC link capacitor is destroyed when the voltage is concentrated to either side due to an imbalance between two voltages. This instability is pointed out as an important problem to be solved in the installation of offshore wind turbines that are difficult to access to maintenance.

한편, 이를 해결하기 위해서는 중성점 전류를 제어하여 두 개의 직류 링크단의 전압이 균형을 이루도록 제어하는 알고리즘이 개발되었으나 이는 소자수가 증가하고 복잡한 중성점 제어 알고리즘으로 인한 제어 장비의 부담이 늘어나는 단점이 있다.On the other hand, to solve this problem, an algorithm for controlling the voltage of two DC link stages by controlling the neutral current has been developed, but this has the disadvantage of increasing the number of elements and the burden of the control equipment due to the complex neutral point control algorithm.

따라서, 대용량 풍력발전기용 컨버터에 있어서 전력변환장치의 두 직류 링크단의 불균형 현상을 손쉽게 제어 할 수 있는 방안이 절실히 요구된다.Therefore, there is an urgent need for a method for easily controlling an unbalance between two DC link stages of a power converter in a large capacity wind turbine converter.

본 발명의 실시 예는 전력변환장치의 두 직류 링크단의 불균형 현상을 손쉽게 제어 할 수 있고, 계통으로 발전된 전력을 보내기 위한 컨버터의 전력변환 소자를 줄일 수 있는 대용량 풍력발전기용 전력변환 장치를 제공하고자 한다.An embodiment of the present invention to easily control the imbalance between the two DC link stage of the power converter, to provide a power converter for a large capacity wind power generator that can reduce the power conversion element of the converter for sending the generated power to the system do.

본 발명의 일 측면에 따르면, 대용량 풍력발전기용 전력변환 장치는, 멀티-레벨 컨버터로 발전기 측에 연결되어 발전 전력을 변환하는 제1 컨버터; 상기 제1 컨버터를 통해 변환된 직류 전력을 각각 저장하여 평활화 하는 제1 커패시터 및 제2 커패시터를 포함하는 직류 링크; 및 복수의 단상 컨버터를 포함하여 일단이 계통에 연결되고 타단은 상기 직류 링크에 연결되는 제2 컨버터를 포함하되, 상기 복수의 단상 컨버터 중 제1 단상 컨버터와 제2 단상 컨버터는 직렬로 연결된다.According to an aspect of the present invention, a power converter for a large-capacity wind turbine, the first converter is connected to the generator side as a multi-level converter to convert the generated power; A direct current link including a first capacitor and a second capacitor to respectively store and smooth the DC power converted by the first converter; And a second converter having one end connected to the grid and the other end connected to the DC link including a plurality of single phase converters, wherein the first single phase converter and the second single phase converter of the plurality of single phase converters are connected in series.

또한, 상기 제1 단상 컨버터는 상기 제1 커패시터에 연결되고, 상기 제2 단상 컨버터는 상기 제2 커패시터에 연결되어 각각 연결된 커패시터의 전압을 조절할 수 있다.The first single-phase converter may be connected to the first capacitor, and the second single-phase converter may be connected to the second capacitor to adjust voltages of the connected capacitors.

또한, 상기 제1 단상 컨버터와 상기 제2 단상 컨버터가 직렬로 연결된 제1 노드는, 상기 제1 커패시터와 상기 제2 커패시터 사이의 중성점에 연결될 수 있다.The first node connected in series with the first single phase converter and the second single phase converter may be connected to a neutral point between the first capacitor and the second capacitor.

또한, 상기 중성점을 기준으로 상기 제1 커패시터에 충전되는 전압의 크기와 상기 제2 커패시터에 충전되는 전압의 크기가 일치되도록 상기 제1 단상 컨버터와 제2 단상 컨버터에 포함되는 스위칭 소자의 동작을 제어하는 컨버터 제어부를 더 포함할 수 있다.In addition, the operation of the switching element included in the first single-phase converter and the second single-phase converter so that the magnitude of the voltage charged in the first capacitor and the voltage charged in the second capacitor on the basis of the neutral point. It may further include a converter control unit.

또한, 상기 제1 단상 컨버터와 제2 단상 컨버터는 각각 4개의 스위칭 소자를 포함하며, 상기 제1 단상 컨버터의 스위칭 소자는 상기 제2 단상 컨버터의 스위칭 소자와 직렬로 연결될 수 있다.In addition, each of the first single-phase converter and the second single-phase converter may include four switching elements, and the switching elements of the first single-phase converter may be connected in series with the switching elements of the second single-phase converter.

또한, 상기 제1 컨버터는, 3레벨 중성점 클램핑 방식의 컨버터일 수 있다.In addition, the first converter may be a three-level neutral clamping converter.

또한, 상기 복수의 단상 컨버터의 스위칭 소자는 상기 제1 컨버터의 스위칭 소자에 비해 큰 전류 용량을 갖는 IGBT를 포함할 수 있다.In addition, the switching elements of the plurality of single-phase converter may include an IGBT having a larger current capacity than the switching elements of the first converter.

본 발명의 실시 예에 따르면, 계통측 컨버터의 일부 스위칭 소자(IGBT)와 클램핑 다이오드를 없앨 수 있어 시스템 제작 시 비용을 절감 할 수 있으며, 소프트웨어에서 직류링크단의 중성점 불균형을 억제하는 알고리즘을 제거 할 수 있어, CPU의 부담을 줄 일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, some switching elements (IGBTs) and clamping diodes of the grid-side converter can be eliminated, thereby reducing the cost of manufacturing the system, and software can eliminate an algorithm for suppressing the neutral imbalance of the DC link stage. It can reduce the burden on the CPU.

또한, 전력변환 장비의 제어를 위한 전류센서 및 전압센서의 개수를 줄임으로써 전체적인 시스템 신뢰성도 높일 수 있다.In addition, overall system reliability can be improved by reducing the number of current sensors and voltage sensors for controlling power conversion equipment.

또한, 종래의 전력변환장치의 불균형 제어가 불가능한 영역 없이 운전을 가능하게 함으로써 직류 링크의 전압을 종래의 전력변환장치의 구조 보다 낮게 운전 할 수가 있으므로 컨버터 시스템의 내구성을 향상시킬 수 있다.In addition, since the operation of the conventional power converter can be performed without an unbalanced control area, the voltage of the DC link can be operated lower than that of the conventional power converter, and thus the durability of the converter system can be improved.

도 1은 종래의 대용량 풍력발전기용 3레벨 컨버터의 전력변환장치의 구조를 나타낸다.
도 2는 종래의 대용량 풍력발전기용 3레벨 컨버터의 직류단 캐패시터 전압 변화를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 대용량 풍력발전기의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 대용량 풍력발전기용 전력변환 장치의 구조를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 단상 컨버터 제어를 위한 컨버터 제어부의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 제2 컨버터와 종래의 계통 측 컨버터에 구비된 전력소자의 개수를 비교한 표를 나타낸다.1 shows a structure of a power conversion device of a conventional three-level converter for a large capacity wind turbine.
Figure 2 shows the change of the direct current capacitor voltage of the three-level converter for a large-capacity wind power generator.
Figure 3 is a block diagram schematically showing the configuration of a large-capacity wind power generator according to an embodiment of the present invention.
4 shows a structure of a power converter for a large-capacity wind power generator according to an embodiment of the present invention.
5 is a block diagram illustrating a configuration of a converter controller for controlling a single phase converter according to an exemplary embodiment of the present invention.
6 is a table comparing the number of power devices provided in the second converter according to an embodiment of the present invention and the conventional grid-side converter.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and similar parts are denoted by like reference characters throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.Throughout the specification, when a part is said to "include" a certain component, it means that it can further include other components, without excluding other components unless specifically stated otherwise. Also, the terms " part, "" module," and " module ", etc. in the specification mean a unit for processing at least one function or operation and may be implemented by hardware or software or a combination of hardware and software have.

또한, 제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.In addition, terms such as first or second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are only for the purpose of distinguishing one component from another, for example, without departing from the scope of the rights according to the inventive concept, the first component may be named a second component, and similarly The second component may also be referred to as the first component.

또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.Also, when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, but other elements may be present in between .

이제 본 발명의 실시 예에 따른 대용량 풍력발전기용 전력변환 장치에 대하여 도면을 참조로 하여 상세하게 설명한다.Now, a power converter for a large capacity wind turbine according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 대용량 풍력발전기의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.Figure 3 is a block diagram schematically showing the configuration of a large-capacity wind power generator according to an embodiment of the present invention.

첨부된 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 대용량 풍력발전기(1)는 크게 기계 부분(10), 제어 부분(20) 및 계통(30)을 포함한다.Referring to FIG. 3, the large-capacity wind power generator 1 according to the embodiment of the present invention includes a mechanical part 10, a control part 20, and a system 30.

기계 부분(10)은 타워(2), 나셀(243) 및 로터(4)로 구성된다. 로터(4)는 로터 허브(미도시)를 덮고 있는 스피너(5)와 로터 허브 상에 장착된 로터 블레이드(6)로 구성된다. 나셀(3)은 구동 발전 기구(7)를 수납한다. 구동 발전 기구(7)는 증속 기어(7a)와 발전기(7b)를 포함할 수 있다. 타워(2)는 나셀(243)과 로터(4)를 일정 높이에서 지지하기 위한 구조물이다. 해저에 설치될 경우에는 그 자체가 해저의 앵커에 연결된 앵커 연결부를 구비하는 부유 장치일 수 있다. The machine part 10 consists of a tower 2, a nacelle 243 and a rotor 4. The rotor 4 consists of a spinner 5 covering a rotor hub (not shown) and a rotor blade 6 mounted on the rotor hub. The nacelle 3 houses the drive generation mechanism 7. The drive generation mechanism 7 may include a speed increasing gear 7a and a generator 7b. The tower 2 is a structure for supporting the nacelle 243 and the rotor 4 at a predetermined height. When installed on the seabed, it may itself be a floating device having anchor connections connected to the anchors of the seabed.

제어 부분(20)은 전력 변환부(100)와 시스템 제어기(200)를 포함할 수 있다. 전력 변환부(100)는 구동 발전 기구(7)에서 생성되는 전력을 계통(30)에 안정적으로 전달하기 위한 것이다. The control portion 20 may include a power converter 100 and a system controller 200. The power converter 100 is for stably transferring power generated by the drive generation mechanism 7 to the system 30.

시스템 제어기(200)는 전력 변환부(100)로부터 풍력발전기(1)의 각종 운전 제어를 위한 정보를 받고, 계통(30)으로부터 측정되는 계통(30)의 전압(V*) 및 주파수(f*)와, 지정된 계통 기준 값을 입력 받아 풍력발전기(1)의 총괄적인 제어를 한다. The system controller 200 receives information for various operation control of the wind power generator 1 from the power converter 100, and the voltage V * and the frequency f * of the system 30 measured from the system 30. ), And the specified system reference value is input to perform overall control of the wind turbine (1).

예를 들면, 입력 값에 근거하여 발전기(7b) 등의 가변속 제어를 하도록 하는 지령을 전력 변환부(100)로 전달하여 풍력발전기(1)의 보호 기능 등을 수행한다.For example, a command to control the variable speed of the generator 7b or the like is transmitted to the power converter 100 based on the input value to perform the protection function of the wind power generator 1.

또한, 도면에는 생략되었으나 시스템 제어기(200)는 상술한 제어 기능 이외에도 로터(4)에 설치된 피치 제어 장치의 제어를 위한 정보를 입력 받아 피치 제어를 위한 지령을 하거나 나셀(3) 설치된 요(yaw) 제어 장치의 제어를 위한 정보를 입력 받아 요 제어를 위한 지령을 하거나 기계 부분(10), 제어 부분(20)을 구성하는 각 구성 요소들의 온도 제어를 위한 지령을 할 수 있다. 즉, 시스템 제어기(200)는 풍력발전기(1)의 시스템 레벨에서의 감시 및 진단, 모니터링, 보호, 자동화 제어 등을 수행한다.In addition, although omitted in the drawing, the system controller 200 receives a command for pitch control by receiving information for controlling the pitch control device installed in the rotor 4 in addition to the above-described control function, or yaw installed in the nacelle 3. By receiving the information for controlling the control device, a command for yaw control or a command for temperature control of each component constituting the machine part 10 and the control part 20 may be given. That is, the system controller 200 performs monitoring and diagnosis, monitoring, protection, and automation control at the system level of the wind turbine 1.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 대용량 풍력발전기용 전력변환 장치의 구조를 나타낸다.4 shows a structure of a power converter for a large-capacity wind power generator according to an embodiment of the present invention.

첨부된 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 대용량 풍력발전기용 전력 변환부(100)는 발전기(7b) 측에 설치되는 제1 컨버터(110), 직류 링크(120), 계통(30) 측에 설치되는 제2 컨버터(130), 제1 컨버터(110) 및 제2 컨버터(130)의 전압 및 전류를 제어하는 컨버터 제어부(140)를 포함한다.Referring to FIG. 4, the power converter 100 for a large-capacity wind power generator according to an embodiment of the present invention includes a first converter 110, a DC link 120, and a system 30 installed at the generator 7b side. And a converter control unit 140 for controlling the voltage and current of the second converter 130, the first converter 110, and the second converter 130 installed at the side of the second converter 130.

이러한, 전력 변환부(100)는 발전기(7b)에서 생산되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 평활화 하고, 이를 다시 계통(30)과의 연계를 위한 교류 전력으로 변환하는 역할을 한다.The power converter 100 converts and smoothes the AC power produced by the generator 7b into DC power, and converts the AC power into AC power for linkage with the system 30.

도 4에서의 발전기(7b)로는 영구자석 동기 발전기(Permanent Magnetic Synchronous Generator, PMSG)를 예시하였다. PMSG를 사용하면 가용 풍속범위가 넓고, 발전기(7b)의 외형 크기를 작게 할 수 있으며, 경우에 따라서는 증속기(도 3의 7a 참조)의 설치를 생략할 수도 있어 풍력발전기의 설계에 유리하다. 또한, PMSG는 영구자석을 이용하여 만들기 때문에, 발전기를 여자 시키기 위해서 회전자에 코일을 삽입하여 전자석을 형성하는 DFIG(Doubly Fed Induction Generator)와 달리 효율 및 손실 면에서 더욱더 유리한 장점이 있다. 다만, 그렇다고 해서 본 발명의 실시 예에 따른 발전기(7b)가 이에 한정되지는 않는다.As a generator 7b in FIG. 4, a permanent magnetic synchronous generator (PMSG) is illustrated. The use of PMSG has a wide range of available wind speeds, and can reduce the size of the generator 7b, and in some cases, it is possible to omit the installation of a speed increaser (see 7a in FIG. 3), which is advantageous for the design of a wind turbine. . In addition, since the PMSG is made of a permanent magnet, unlike the DFIG (Doubly Fed Induction Generator), which forms an electromagnet by inserting a coil into the rotor to excite the generator, there is an advantage in terms of efficiency and loss. However, the generator 7b according to the embodiment of the present invention is not limited thereto.

한편, 영구자석 동기 발전기(7b)에서 생성되는 전압 및 전류는 일정하지 않으므로, 발전기 측에 연결되는 제1 컨버터(110)는 발전기(7b)에서 생성되는 일정하지 않은 교류 전력을 직류 전력으로 변환한다.On the other hand, since the voltage and current generated by the permanent magnet synchronous generator 7b is not constant, the first converter 110 connected to the generator side converts the non-uniform AC power generated by the generator 7b into DC power. .

제1 컨버터(110)는 발전기(7b) 측에 연결되는 멀티-레벨 컨버터로 구성될 수 있으며, 예컨대 도 4에서와 같이 3레벨 중성점 클램핑 방식의 컨버터(Neutral Point Converter, NPC)로 구성될 수 있다. The first converter 110 may be configured as a multi-level converter connected to the generator 7b side, and may be configured as a three-level neutral point converter (NPC) as shown in FIG. 4. .

제1 컨버터(110, 즉, 3레벨 NPC)는 3개의 각 상에 4개씩의 스위칭 소자(111)와 6개의 다이오드(Diode)(112)를 포함하며, 각각의 독립된 직류 전원 없이 클램핑 다이오드를 이용하여 3레벨 출력전압을 얻을 수 있다.The first converter 110 (that is, the three-level NPC) includes four switching elements 111 and six diodes 112 on each of three phases, and uses a clamping diode without each independent DC power supply. 3 level output voltage can be obtained.

직류 링크(120)는 제1 컨버터(110)를 통해 변환된 직류 전력을 각각 저장하여 평활화하는 제1 커패시터(121) 및 제2 커패시터(122), 그리고 제1 커패시터(121)와 제2 커패시터(122)의 전압 기준점인 중성점(123)을 포함한다.The DC link 120 may store and smooth the DC power converted by the first converter 110, respectively, and the first capacitor 121 and the second capacitor 122, and the first capacitor 121 and the second capacitor ( And a neutral point 123 that is the voltage reference point of 122.

제2 컨버터(130)는 일단이 계통(30)측에 연결되고, 타단이 직류 링크(120)측에 연결되며, 직렬로 연결된 복수개의 단상 컨버터(Single Phase PWM Converter)(130-1, 130-2)를 포함한다.The second converter 130 has one end connected to the system 30 side, the other end connected to the DC link 120 side, and a plurality of single phase PWM converters 130-1 and 130- connected in series. It includes 2).

이 때, 제2 컨버터(130)의 제1 단상 컨버터(130-1)는 직류 링크(120)의 제1 커패시터(121)에 연결되고, 제2 단상 컨버터(130-2)는 제2 커패시터(122)에 연결된다.In this case, the first single phase converter 130-1 of the second converter 130 is connected to the first capacitor 121 of the DC link 120, and the second single phase converter 130-2 is connected to the second capacitor ( 122).

이러한, 복수의 단상 컨버터(130-1, 130-2)는 기존의 3레벨 NPC와는 다르게 클램핑 다이오드 없이 각각 4개(총 8개)의 스위칭 소자(131)만으로 구성되므로 전력소자의 개수를 줄일 수 있는 이점이 있다.Since the plurality of single phase converters 130-1 and 130-2 are composed of only four switching elements 131 without clamping diodes, unlike the conventional three-level NPCs, the number of power devices can be reduced. There is an advantage to that.

여기서, 발전기 측의 제1 컨버터(110)와 계통 측의 제2 컨버터(130)에 포함되는 스위칭 소자는 GTO(gate turn-off thyristors), 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, 이하 IGBT), IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristors), BJT(Bipolar Junction Transistors), MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 중 적어도 하나의 반도체 스위칭 소자로 이루어질 수 있다. Here, the switching elements included in the first converter 110 on the generator side and the second converter 130 on the grid side may include gate turn-off thyristors (GTO), insulated gate bipolar transistors (IGBTs), It may be formed of at least one semiconductor switching device among Integrated Gate Commutated Thyristors (IGCT), Bipolar Junction Transistors (BJT), and Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors (MOSFETs).

그 중에서도 IGBT는 게이트-이미터 간의 전압이 구동되어 입력 신호에 의해서 온/오프가 생기는 자기 소호형이므로, 대전력의 고속 스위칭이 가능한 반도체 스위칭 소자이다. 그리고, IGBT는 직류 전압 또는 교류 전압이 공급될 때 도통되어 1㎲의 빠른 속도로 온/오프(on/off)되는 특성을 갖기 때 문에 고속 스위칭이 가능한 장점이 있으므로 본 발명의 실시 예에서는 IGBT를 제1 컨버터(110)와 제2 컨버터(130)에 포함되는 스위칭 소자인 것으로 설명한다.Among them, the IGBT is a self-extinguishing type in which the voltage between the gate and the emitter is driven to be turned on and off by the input signal, and thus is a semiconductor switching device capable of high power and high speed switching. In addition, since the IGBT has a characteristic of being turned on / off at a high speed of 1 kHz when the DC voltage or the AC voltage is supplied, the IGBT has the advantage of enabling high-speed switching. It will be described as a switching element included in the first converter 110 and the second converter 130.

다만, 단상 컨버터(130-1, 130-2)는 3상 컨버터에 비해 전력용량이 작으므로 스위칭 소자(131)를 제1 컨버터(110)의 스위칭 소자(111)에 비해 큰 전류 용량을 갖는 IGBT로 구성할 수 있다.However, since the single-phase converters 130-1 and 130-2 have smaller power capacities than the three-phase converters, the switching element 131 has an IGBT having a larger current capacity than the switching element 111 of the first converter 110. It can be configured as.

또한, 계통 측에 복수의 단상 컨버터(130-1, 130-2)를 이용하는 경우 직류 링크(120)의 커패시터(121, 122) 전압의 리플이 증가될 수 있으므로 기존보다 큰 용량의 커패시터를 구성하는 것이 바람직하다.In addition, when using a plurality of single-phase converter (130-1, 130-2) on the grid side, the ripple of the voltage of the capacitor (121, 122) of the DC link 120 can be increased, which constitutes a capacitor having a larger capacity than before. It is preferable.

이러한 점에도 불구하고 제2 컨버터(130)를 단상으로 구성함으로써 주 스위치인 IGBT와 클램핑 다이오드의 개수를 줄임으로서 전력 변환부(100)의 부피/무게와 설치 비용을 줄일 수 있는 효과를 기대할 수 있다.In spite of this, the second converter 130 may be configured in a single phase, thereby reducing the number of IGBTs and clamping diodes as main switches, thereby reducing the volume / weight and installation cost of the power converter 100. .

한편, 상술한 바와 같이 제1 컨버터(110, 즉, 3레벨 NPC)는 3개의 각 상에 4개씩의 스위칭 소자(111)와 6개의 다이오드(Diode)(112)를 포함하며, 2레벨 컨버터와 비교할 때 고조파 성분을 반 이상으로 줄일 수 있으며 고전압을 처리할 수 있다.Meanwhile, as described above, the first converter 110 (that is, the three-level NPC) includes four switching elements 111 and six diodes 112 each of three phases, and includes a two-level converter and In comparison, harmonic content can be reduced by more than half and can handle high voltages.

구체적으로, 3레벨 NPC의 각 상당 스위칭 상태는 스위칭 소자(111)의 도통 상태에 따라 3가지의 상 전압 상태가 존재하며, 임의의 상에 대하여 항상 쌍을 이루어 2개의 스위칭 소자(111)가 턴 온(turn on)상태를 유지한다.In detail, each of the three-level NPCs has three phase voltage states according to the conduction state of the switching element 111, and the two switching elements 111 are always turned on in pairs for an arbitrary phase. Keep on.

그러나, 3레벨 NPC의 경우, 직류 링크(120)의 전압 불균형 문제가 생기는데, 이는 통상 구형파 공간벡터 PWM(R-SVPWM: Rectangular Space Vector Pulse-Width Modulation)제어 방식의 시퀀스 패턴을 재구성하고 스위칭 벡터 인가시간을 조정하는 알고리즘을 통하여 해결할 수 있다. 그러나, 이를 위해서는 전력 변환 장치(100)의 제어부에서 해당하는 알고리즘을 구현하여야 함으로써 그 제어가 매우 복잡해지는 문제가 있다.However, in the case of the three-level NPC, there is a voltage imbalance problem of the DC link 120, which typically reconstructs a sequence pattern of a rectangular wave vector pulse-width modulation (R-SVPWM) control scheme and applies a switching vector. This can be solved through an algorithm that adjusts time. However, this requires a corresponding algorithm to be implemented in the control unit of the power conversion apparatus 100, so that the control becomes very complicated.

또한, 이러한 알고리즘을 적용하더라도 전압 불균형을 제어할 수 없는 영역도 존재하는 문제점이 있다.In addition, even if such an algorithm is applied, there is a problem that there is a region where the voltage imbalance cannot be controlled.

따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 제2 컨버터(130)는 중성점(123)의 전압 불균형 문제를 해소하기 위해 복수의 단상 컨버터(130-1, 130-2)를 직렬로 연결하였다. Accordingly, the second converter 130 according to the embodiment of the present invention connects the plurality of single-phase converters 130-1 and 130-2 in series to solve the voltage imbalance problem at the neutral point 123.

일 예로, 복수의 단상 컨버터(130-1, 130-2)가 직렬로 연결된 경우, 직렬로 연결된 제1 노드(132)는 제1 커패시터(121)와 제2 커패시터(122)의 사이를 연결하는 중성점(123)과 연결될 수 있다. 여기서, 제1 단상 컨버터(130-1)와 제2 단상 컨버터(130-2)가 직렬로 연결된다는 것은 제1 단상 컨버터(130-1)의 스위칭 소자(131)와 제2 단상 컨버터(130-2)의 스위칭 소자(131)가 직렬로 연결되는 것과 같다.For example, when the plurality of single-phase converters 130-1 and 130-2 are connected in series, the first node 132 connected in series connects the first capacitor 121 and the second capacitor 122. It may be connected to the neutral point 123. Here, the fact that the first single-phase converter 130-1 and the second single-phase converter 130-2 are connected in series means that the switching element 131 and the second single-phase converter 130-of the first single-phase converter 130-1 are connected. It is as if the switching elements 131 of 2) are connected in series.

이 때, 제2 컨버터(130)의 제1 단상 컨버터(130-1)는 제1 커패시터(121)의 전압을 조절할 수 있고, 제2 단상 컨버터(130-2)는 제2 커패시터(122)의 전압을 조절할 수 있다. 그리고, 직류 링크(120)의 중성점(123)은 제1 커패시터(121)의 전압과 제2 커패시터(122)의 전압을 측정하는 기준점이 된다.In this case, the first single phase converter 130-1 of the second converter 130 may adjust the voltage of the first capacitor 121, and the second single phase converter 130-2 may control the voltage of the second capacitor 122. The voltage can be adjusted. The neutral point 123 of the DC link 120 serves as a reference point for measuring the voltage of the first capacitor 121 and the voltage of the second capacitor 122.

즉, 제2 컨버터(130)에 구비된 복수의 단상 컨버터(130-1, 130-2) 각각은 제1 커패시터(121)와 제2 커패시터(122)의 전압 값을 조절하여, 전체적으로 3레벨 컨버터인 제1 컨버터(110)가 가지는 중성점(123) 전압의 불균형 문제를 해결할 수 있다.That is, each of the plurality of single-phase converters 130-1 and 130-2 provided in the second converter 130 adjusts the voltage values of the first capacitor 121 and the second capacitor 122, and thus, the three-level converter as a whole. The imbalance problem of the neutral point 123 voltage of the first converter 110 may be solved.

따라서, 기존의 3레벨 컨버터의 구성으로 발생되는 중성점(123)의 전압 불균형을 제어하기 위한 알고리즘을 생략할 수 있어, 제어보드의 CPU의 수행 부담을 줄일 수 있는 장점을 가진다.Therefore, the algorithm for controlling the voltage imbalance of the neutral point 123 generated by the configuration of the existing three-level converter can be omitted, thereby reducing the load of the CPU of the control board.

그리고, 중성점(123) 전압 불균형의 제어가 불가능한 영역이 발생함에 따라 기존에 직류 링크(120)단의 전압보다 낮은 전압을 갖도록 제1 커패시터(121) 및 제2 커패시터(122)를 설계하여 시스템 내구성을 강화할 수 있다.In addition, as the region where the neutral point 123 voltage imbalance cannot be controlled, the first and second capacitors 121 and 122 are designed to have a voltage lower than the voltage of the DC link 120 stage. Can strengthen.

또한, 복수의 단상 컨버터(130-1, 130-2)는 기존의 3레벨 NPC와는 다르게 클램핑 다이오드 없이 각각 4개의 스위칭 소자(131)만으로 구성되므로 전력소자의 개수를 줄일 수 있다. 따라서, 줄어든 전력소자의 개수만큼 하드웨어 비용을 감소시키고 설치공간을 줄일 수 있는 이점이 있다.In addition, unlike the conventional three-level NPC, the plurality of single-phase converters 130-1 and 130-2 are composed of only four switching elements 131 without clamping diodes, thereby reducing the number of power devices. Therefore, there is an advantage that can reduce the hardware cost and the installation space by the number of reduced power devices.

컨버터 제어부(140)는 발전기 측의 제1 컨버터(110)를 구성하는 스위칭 소자(111)의 온/오프(on/off)를 제어함으로써, 발전기(7b)의 전력을 제어할 수 있고, 발전기(7b)측 전압과 전류의 역률 제어를 수행할 수 있다. The converter controller 140 may control the power of the generator 7b by controlling the on / off of the switching element 111 constituting the first converter 110 on the generator side, thereby generating a generator ( 7b) power factor control of the voltage and current can be performed.

또한, 컨버터 제어부(140)는 계통 측의 제2 컨버터(130)를 구성하는 스위칭 소자(131)의 온/오프(on/off)를 제어함으로써 직류 링크(120)의 전압을 제어할 수 있고, 계통(30) 측 전압과 전류의 역률 제어를 수행할 수 있다.In addition, the converter controller 140 may control the voltage of the DC link 120 by controlling the on / off of the switching element 131 constituting the second converter 130 on the grid side. Power factor control of the system 30 side voltage and current may be performed.

즉, 컨버터 제어부(140)는 직류 링크(120)의 중성점(123)을 기준으로 제1 커패시터(121)에 충전되는 전압의 크기와 제2 커패시터(122)에 충전되는 전압의 크기가 일치되도록 제1 단상 컨버터(130-1)와 제2 단상 컨버터(130-2)의 스위칭 소자(131)의 동작(ON/OFF)을 제어한다.That is, the converter controller 140 is configured such that the magnitude of the voltage charged in the first capacitor 121 matches the magnitude of the voltage charged in the second capacitor 122 based on the neutral point 123 of the DC link 120. The operation (ON / OFF) of the switching element 131 of the first single phase converter 130-1 and the second single phase converter 130-2 is controlled.

한편, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 단상 컨버터 제어를 위한 컨버터 제어부의 구성을 나타낸 블록도이다.5 is a block diagram illustrating a configuration of a converter controller for controlling a single phase converter according to an exemplary embodiment of the present invention.

첨부된 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 컨버터 제어부(140)는 컨버터 시스템을 통해 에너지가 유입 및 유출되더라도 직류 링크(120)단의 전압을 일정하게 제어하는 전압제어 모듈(141) 및 제2 컨버터(130)에 흐르는 전류 크기를 제어하는 전류제어 모듈(142)를 포함한다.Referring to FIG. 5, the converter control unit 140 according to an embodiment of the present invention may control the voltage at the DC link 120 terminal even when energy is introduced or discharged through the converter system. And a current control module 142 for controlling the magnitude of the current flowing in the second converter 130.

그리고, 무효전력의 제어는 전압합성 모듈(Frequency Synthesizer, 143)에서 계통각을 조절함으로써 제어가 가능하고, 펄스폭변조 모듈(144)은 복수의 스위치 소자(131) 제어를 위한 게이트 신호(Gating signal)를 생성하여 단상의 제2 컨버터(130)로 전달한다.And, the control of the reactive power can be controlled by adjusting the grid angle in the voltage synthesizer (Frequency Synthesizer) 143, the pulse width modulation module 144 is a gate signal (Gating signal for controlling a plurality of switch elements 131) ) Is generated and transferred to the single-phase second converter 130.

따라서, 기존의 3상 컨버터와 마찬가지로 복수의 단상 컨버터를 이용한 4상한 운전이 가능함으로써 풍력발전기의 계통 측 컨버터에 적용할 수 있다. Therefore, it is possible to apply the four-quadrant operation using a plurality of single-phase converters as in the conventional three-phase converter can be applied to the grid-side converter of the wind power generator.

한편, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 제2 컨버터와 종래의 계통 측 컨버터에 구비된 전력소자의 개수를 비교한 것을 나타낸다.6 illustrates a comparison of the number of power devices included in the second converter according to an exemplary embodiment of the present invention and a conventional system side converter.

첨부된 도 6을 참조하면, 상기 도 1에 도시한 종래의 전력변환장치의 계통 측 컨버터는 3레벨 NPC를 적용하여 IGBT 12개와 클램핑 다이오드(Clamping Diode) 12개로 구성된다.Referring to FIG. 6, the system-side converter of the conventional power converter shown in FIG. 1 includes 12 IGBTs and 12 clamping diodes by applying a three-level NPC.

반면, 상기 도 4에 도시한 본 발명의 실시 예에 따른 전력 변환부(100)의 계통 측 제2 컨버터(130)는 IGBT 8개로만 구성되어, 종래에 비해 스위치 소자수가 4개 감소하였을 뿐만 아니라, 클램핑 다이오드를 포함하지 않는다.On the other hand, the system-side second converter 130 of the power converter 100 according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 4 is composed of only eight IGBTs. It does not include clamping diodes.

즉, 단상으로 제2 컨버터(130)로 구성함에 따라, 스위치 소자의 수와 기존의 3레벨 NPC 컨버터에 필수적인 구성요소인 클램핑 다이오드를 제거할 수 있기 때문에 하드웨어적인 비용을 감소시킬 수 있는 장점이 있다. That is, since the second converter 130 is formed in a single phase, the number of switch elements and the clamping diode, which is an essential component of the existing three-level NPC converter, can be removed, thereby reducing the hardware cost. .

이와 같이 본 발명의 실시 예에 따르면, 종래의 3레벨 NPC를 이용하여 계통측 컨버터를 구성하는 것보다 전력소자 개수, 제어의 복잡성을 줄일 수 있기 때문에 컨버터 시스템을 보다 효과적으로 제작할 수 있는 효과가 있다. As described above, according to the embodiment of the present invention, since the number of power devices and the complexity of the control can be reduced compared to the system side converter using the conventional three-level NPC, the converter system can be manufactured more effectively.

또한, 제어를 위한 전류센서 및 전압센서의 개수를 줄임으로써 전체적인 시스템 신뢰성도 높일 수 있다.In addition, overall system reliability can be increased by reducing the number of current sensors and voltage sensors for control.

또한, 상기 도 1과 같은 종래의 전력변환장치의 구조는 불균형 제어 불가능 영역도 운전 상태에 따라 존재하는 반면, 본 발명의 실시 예에 따른 전력 변환부(100)의 구조는 불균형 제어가 불가능한 영역 없이 운전이 가능함으로써 직류 링크(120)의 전압을 도 1의 구조 보다 낮게 운전 할 수가 있어 시스템 내구성 면에서도 강한 이점이 있다In addition, while the structure of the conventional power converter as shown in FIG. 1 also exists in the unbalanced control impossible region according to the operating state, the structure of the power converter 100 according to an embodiment of the present invention without the unbalanced control impossible region Since the operation is possible, the voltage of the DC link 120 can be operated lower than the structure of FIG. 1, and thus there is a strong advantage in terms of system durability.

이상에서는 본 발명의 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예에만 한정되는 것은 아니며 그 외의 다양한 변경이 가능하다.Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible.

예컨대, 도 4에 도시한 본 발명의 실시 예에서는 하나의 전력 변환부(100)를 도시하여 설명하였으나 이에 한정되지 않으며, 복수의 전력 변환부(100)를 구비하고 이를 각각 병렬로 연결하여 전력변환시스템을 구성할 수 있다. For example, the embodiment of the present invention illustrated in FIG. 4 illustrates one power converter 100 but is not limited thereto, and includes a plurality of power converters 100 and connects them in parallel to each other to convert power. You can configure the system.

즉, 발전기(7b)에 복수의 제1 컨버터(110)가 병렬로 연결되고, 계통(30)에 복수의 제2 컨버터(130)가 병렬로 연결되며, 복수의 제1 컨버터(110)와 복수의 제2 컨버터(130) 사이에 각각 직류 링크(120)가 연결될 수 있다.That is, the plurality of first converters 110 are connected in parallel to the generator 7b, the plurality of second converters 130 are connected in parallel to the system 30, and the plurality of first converters 110 and the plurality of first converters 110 are connected in parallel. DC link 120 may be connected between the second converter 130 of the.

따라서, 어느 하나의 전력 변환부(100)에서 고장이 나더라도 전체 풍력 터빈 시스템을 정지시키지 않고 시스템 제어기(200)의 제어에 의해 고장난 전력 변환부를 비활성화시키고 나머지 전력 변환부 만을 사용하여 용량을 낮추어 운전될 수 있도록 하는 것이 가능한 장점이 있다. Therefore, even if a failure occurs in any one of the power converter 100, the operation of the power converter by deactivating the failed power converter by the control of the system controller 200 without stopping the entire wind turbine system and lowering the capacity using only the remaining power converter. There are advantages to being able to be.

그리고, 이후 작업자가 풍력 터빈 시스템에 접근하여 전력 변환부(100)를 수리할 때에도 고장난 전력 변환부(100)만을 교체하면 되므로 유지 보수 또한 편리하다. 이는 해상에 설치된 풍력 터빈 시스템과 같이 작업자가 쉽게 접근할 수 없는 경우 그 유용성이 증대된다. Then, even after the operator approaches the wind turbine system to repair the power converter 100, maintenance is also convenient because only the failed power converter 100 needs to be replaced. This increases its usefulness if it is not easily accessible to operators, such as wind turbine systems installed at sea.

본 발명의 실시 예는 이상에서 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시 예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시 예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.The embodiments of the present invention are not limited to the above-described apparatuses and / or methods, but may be implemented through a program for realizing functions corresponding to the configuration of the embodiment of the present invention, a recording medium on which the program is recorded And such an embodiment can be easily implemented by those skilled in the art from the description of the embodiments described above.

이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, It belongs to the scope of right.

1: 풍력발전기 10: 기계 부분
2: 타워 3: 나셀
4: 로터 5: 스피너
6: 로터 블레이드 7: 구동 발전 기구
7a: 증속 기어 7b: 발전기
20: 제어 부분 100: 전력 변환부
110: 제1 컨버터 111(131): 스위칭 소자
112: 클램핑 다이오드 120: 직류 링크
121: 제1 커패시터 122: 제2 커패시터
123: 중성점 130: 제2 컨버터
130-1: 제1 단상 컨버터 130-2: 제2 단상 컨버터
132: 제1 노드1: wind turbine 10: machine part
2: tower 3: nacelle
4: rotor 5: spinner
6: rotor blade 7: drive generation mechanism
7a: speed increasing gear 7b: generator
20: control part 100: power converter
110: first converter 111 (131): switching element
112: clamping diode 120: DC link
121: first capacitor 122: second capacitor
123: neutral point 130: second converter
130-1: first single phase converter 130-2: second single phase converter
132: first node

Claims (7)

멀티-레벨 컨버터로 발전기 측에 연결되어 발전 전력을 변환하는 제1 컨버터;
상기 제1 컨버터를 통해 변환된 직류 전력을 각각 저장하여 평활화 하는 제1 커패시터 및 제2 커패시터를 포함하는 직류 링크; 및
복수의 단상 컨버터를 포함하여 일단이 계통에 연결되고 타단은 상기 직류 링크에 연결되는 제2 컨버터를 포함하되,
상기 복수의 단상 컨버터 중 제1 단상 컨버터와 제2 단상 컨버터는 직렬로 연결되고, 상기 제1 단상 컨버터와 상기 제2 단상 컨버터가 직렬로 연결된 제1 노드는, 상기 제1 커패시터와 상기 제2 커패시터 사이의 중성점에 연결되는 풍력발전기용 전력변환 장치.A first converter connected to the generator side as a multi-level converter to convert generated power;
A direct current link including a first capacitor and a second capacitor to respectively store and smooth the DC power converted by the first converter; And
Including a plurality of single-phase converter includes a second converter, one end is connected to the grid and the other end is connected to the DC link,
Among the plurality of single phase converters, a first single phase converter and a second single phase converter are connected in series, and a first node in which the first single phase converter and the second single phase converter are connected in series may include the first capacitor and the second capacitor. Power converter for wind turbines connected to the neutral point between. 제 1 항에 있어서,
상기 제1 단상 컨버터는 상기 제1 커패시터에 연결되고, 상기 제2 단상 컨버터는 상기 제2 커패시터에 연결되어 각각 연결된 커패시터의 전압을 조절하는 풍력발전기용 전력변환 장치.The method of claim 1,
And the first single phase converter is connected to the first capacitor, and the second single phase converter is connected to the second capacitor to regulate the voltage of each connected capacitor. 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 중성점을 기준으로 상기 제1 커패시터에 충전되는 전압의 크기와 상기 제2 커패시터에 충전되는 전압의 크기가 일치되도록 상기 제1 단상 컨버터와 제2 단상 컨버터에 포함되는 스위칭 소자의 동작을 제어하는 컨버터 제어부를 더 포함하는 풍력발전기용 전력변환 장치.The method of claim 1,
A converter for controlling the operation of the switching element included in the first single-phase converter and the second single-phase converter so that the magnitude of the voltage charged in the first capacitor and the voltage charged in the second capacitor on the basis of the neutral point. Power conversion device for a wind turbine further comprising a control unit. 제 1 항에 있어서,
상기 제1 단상 컨버터와 제2 단상 컨버터는 각각 4개의 스위칭 소자를 포함하며, 상기 제1 단상 컨버터의 스위칭 소자는 상기 제2 단상 컨버터의 스위칭 소자와 직렬로 연결되는 풍력발전기용 전력변환 장치.The method of claim 1,
Each of the first single-phase converter and the second single-phase converter includes four switching elements, and the switching element of the first single-phase converter is connected in series with the switching element of the second single-phase converter. 제 1 항에 있어서,
상기 제1 컨버터는, 3레벨 중성점 클램핑 방식의 컨버터인 풍력발전기용 전력변환 장치.The method of claim 1,
The first converter is a three-level neutral point clamping converter of the wind power generator. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 단상 컨버터의 스위칭 소자는 상기 제1 컨버터의 스위칭 소자에 비해 큰 전류 용량을 갖는 IGBT를 포함하는 풍력발전기용 전력변환 장치.The power converter of claim 1, wherein the switching elements of the plurality of single-phase converters include an IGBT having a larger current capacity than the switching elements of the first converter.
KR1020120108246A 2012-09-27 2012-09-27 Power converter for wind power generator KR101364243B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120108246A KR101364243B1 (en) 2012-09-27 2012-09-27 Power converter for wind power generator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120108246A KR101364243B1 (en) 2012-09-27 2012-09-27 Power converter for wind power generator

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101364243B1 true KR101364243B1 (en) 2014-02-17

Family

ID=50271294

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020120108246A KR101364243B1 (en) 2012-09-27 2012-09-27 Power converter for wind power generator

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101364243B1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101685643B1 (en) * 2015-09-17 2016-12-20 엔디티엔지니어링(주) Street light having a high efficiency charging device for renewable energy and Control method thereof
KR101740246B1 (en) * 2015-11-24 2017-06-08 엔디티엔지니어링(주) Street light having a high efficiency charging device for renewable energy and Control method thereof
US10669989B2 (en) 2016-03-30 2020-06-02 DOOSAN Heavy Industries Construction Co., LTD Apparatus for driving and controlling converters and switching element modules in a wind power generation system
KR20220149064A (en) 2021-04-30 2022-11-08 엘에스일렉트릭(주) Wind power generation system including semiconductor transformer module and control method thereof

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010011702A (en) * 2008-06-30 2010-01-14 Mitsubishi Electric Corp Power conversion apparatus
JP4445470B2 (en) 2003-10-27 2010-04-07 三菱電機株式会社 Power supply
KR20110060262A (en) * 2009-11-30 2011-06-08 한국전기연구원 Electrical power converter for synchronous generator
US8385086B2 (en) * 2008-02-06 2013-02-26 Siemens Aktiengesellschaft Converter having a polyphase mains-commutated power converter and a load-side power converter

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4445470B2 (en) 2003-10-27 2010-04-07 三菱電機株式会社 Power supply
US8385086B2 (en) * 2008-02-06 2013-02-26 Siemens Aktiengesellschaft Converter having a polyphase mains-commutated power converter and a load-side power converter
JP2010011702A (en) * 2008-06-30 2010-01-14 Mitsubishi Electric Corp Power conversion apparatus
KR20110060262A (en) * 2009-11-30 2011-06-08 한국전기연구원 Electrical power converter for synchronous generator

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101685643B1 (en) * 2015-09-17 2016-12-20 엔디티엔지니어링(주) Street light having a high efficiency charging device for renewable energy and Control method thereof
KR101740246B1 (en) * 2015-11-24 2017-06-08 엔디티엔지니어링(주) Street light having a high efficiency charging device for renewable energy and Control method thereof
US10669989B2 (en) 2016-03-30 2020-06-02 DOOSAN Heavy Industries Construction Co., LTD Apparatus for driving and controlling converters and switching element modules in a wind power generation system
KR20220149064A (en) 2021-04-30 2022-11-08 엘에스일렉트릭(주) Wind power generation system including semiconductor transformer module and control method thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8698335B2 (en) Low cost current source converters for power generation application
Huynh et al. Maximum power point tracking for wind turbine using integrated generator–rectifier systems
EP2141795B1 (en) Wind turbine with parallel converters utilizing a plurality of isolated generator windings
Torres-Olguin et al. Integration of offshore wind farm using a hybrid HVDC transmission composed by the PWM current-source converter and line-commutated converter
EP2141790B1 (en) Wind turbine with parallel converters utilizing a plurality of isolated transformer windings
KR20140106534A (en) System and method for low speed control of polyphase ac machine
Ramirez et al. Development of a grid-connected wind generation system with a modified PLL structure
CN111971885A (en) DFIG converter with active filter
KR101364243B1 (en) Power converter for wind power generator
Selvakumar et al. Hysteresis control 3-Level SI-NPC inverter with Wind energy system
Li et al. Application of active NPC converter on generator side for MW direct-driven wind turbine
Müller et al. Medium-voltage power converter interface for Wave Dragon wave energy conversion system
Jing et al. Application and losses analysis of ANPC converters in doubly-fed induction generator wind energy conversion system
Nikolic et al. Current source converter topologies for PMSG wind turbine applications
Zhang et al. Thermal smooth control for Multi-MW parallel wind power converter
CN116015079A (en) Systems and methods for operating a multi-level power converter using multi-state dead time
Liu et al. Minimal capacitor voltage ripple control for the modular multilevel converter based wind energy conversion system
Mahdhi et al. Direct Power Control of a PMSG in Wind Power Conversion System under Faulty Rectifier Conditions
Zhang et al. Thermal smooth control based on orthogonal circulating current for multi-MW parallel wind power converter
KR101312959B1 (en) Power converting device
Ma et al. Power electronics and controls for large wind turbines and wind farms
KR101087582B1 (en) Multiple wired electric machine system
Yuan Multilevel modular high power converters for 10MW wind turbines
CN104779857A (en) Doubly-fed wind power generator control system based on matrix converter
Elgenedy et al. A new five-phase to three-phase back-to-back current source converter based wind energy conversion system

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
LAPS Lapse due to unpaid annual fee