KR101372930B1 - 풍력 발전 시스템의 전력 변환 장치의 초기 충전 방법 - Google Patents

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Abstract

풍력 발전 시스템의 전력 변환 장치의 초기 충전 방법이 개시된다. 일 실시예에 따른 초기 충전 제어 방법은, 풍속이 시동 풍속(cut-in speed) 이상인지 확인하는 단계, 상기 풍속이 상기 시동 풍속 이상인 경우 발전기와 발전기측 컨버터를 연결하는 발전기측 차단기를 온(ON)시키는 단계, 상기 발전기의 단자 전압이 계통전원 정격전압의 소정 비율에 해당하는 설정 전압 이상인지 확인하는 단계, 상기 발전기의 단자 전압이 상기 설정 전압 이상인 경우 계통과 계통측 컨버터를 연결하는 계통측 차단기를 온(ON)시키고 상기 계통에 대한 제어를 시작하는 단계, 상기 발전기의 속도가 설정 속도로 감소되는지 확인하는 단계 및 상기 발전기의 속도가 상기 설정 속도가 된 경우 상기 발전기에 대한 제어를 시작하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

풍력 발전 시스템의 전력 변환 장치의 초기 충전 방법{Pre-charging method of converter of wind power generating system}
본 발명은 풍력 발전 시스템의 전력 변환 장치의 초기 충전 방법에 관한 것이다.
최근 차세대 동력원으로 각광받고 있는 풍력 발전은 전세계적으로 그 규모와 시장성이 증가하고 있다. 일반적으로 풍력 발전은 풍력 터빈을 이용하여, 바람을 전기에너지로 바꾸어 생산하는 발전 방식으로, 풍력이 전력망에서 차지하는 비중이 커지면서 차세대 동력원으로서 중요한 역할을 하고 있다.
도 1은 일반적인 풍력 발전 시스템을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 일반적인 풍력 발전 시스템(1)은 바람에 의한 블레이드(10)의 회전에너지를 발전기(20)에서 전기에너지로 전환한다. 풍력 발전 시스템(1)에서 전력 변환 장치(30)는 발전기(20)와 계통(grid)(50) 사이에 백투백(back-to-back) 형태로 연결되어 있다. 전력 변환 장치(30)와 계통(50) 사이에는 변압기(40)가 연결되어 있을 수 있으며, 전력 변환 장치(30)는 제어부(60)에 의해 그 동작(예를 들어, 초기 투입 시퀀스)이 제어된다.
발전기(20) 측에 연결된 발전기측 컨버터(31)는 발전기의 출력을 제어하며, 계통(50) 측에 연결된 계통측 컨버터(33)는 계통전원의 위상에 동기화시켜 발전기(20)에서 생산된 전력을 계통(50)으로 넘겨주는 역할을 한다. 발전기측 컨버터(31)와 계통측 컨버터(33) 사이의 직류단(32)에는 순시적인 전력 불균형을 보상하기 위해 일반적으로 용량이 매우 큰 커패시터가 사용된다.
이러한 직류단 커패시터에 대해서 전력 변환 장치(30)가 전력 변환을 위한 제어를 시작하기 전에 어느 정도 전압 레벨 이상으로 충전을 미리 해 두지 않고서 계통전원에 연결하게 되면, 계통전원을 연결하기 위한 차단기가 연결되는 순간 컨버터의 역병렬(anti-parallel) 다이오드(34)를 통해 커패시터의 양단이 순시적으로 단락된 것과 같은 효과를 가져오게 되어 다이오드가 소손되게 된다. 순시 전류가 크다고 해도 커패시터의 충전 시간이 짧다면 다이오드가 소손되지 않고 견딜 수 있겠지만, 충전 시간이 오래 지속될 정도로 커패시터의 용량이 크다면 다이오드는 과전류에 의해 소손되게 된다. 따라서, 직류단 커패시터의 용량이 다이오드의 소손 정격(i2t, 여기서, i는 전류, t는 지속 시간)을 넘지 않는 범위 내에서 충전이 완료되지 않는다면, 도 1에 도시된 것과 같은 전력 변환 장치(30)에서는 별도의 초기 충전(pre-charging) 장치가 반드시 필요하게 된다.
이러한 직류단 커패시터의 초기 충전 회로는 도 2에 도시된 것과 같이 별도의 회로를 통해 구현될 수 있다.
도 2는 초기 충전 회로를 구비한 전력 변환 장치를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 전력 변환 장치(30)가 처음 계통전원(55)에 연결될 경우 저항(71)을 통해 먼저 연결됨으로써, 직류단 커패시터(32)의 전압이 충전되어 있지 않더라도 초기에 흐르기 시작하는 전류를 옴의 법칙에 의해 제한할 수 있다. 원하는 전압 레벨까지 충전하는 시간은 저항과 커패시터의 곱으로 정의되는 시정수(time constant)에 의해 설계될 수 있다.
일정 시간이 경과한 후 직류단 커패시터(32)의 전압이 원하는 레벨 이상이 되면 차단기를 투입하여 전력 변환 장치(30)에서 더 이상 저항(71)이 영향을 미치지 않도록 할 수 있다. 이러한 구성에는 저항(71) 및 저항(71)을 초기에만 연결하도록 하는 별도의 차단기 혹은 접촉기(contactor)(72)가 필요한 단점이 있다.
도 3은 고전압 대용량 전력 변환 장치 및 그 초기 충전 회로를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 고전압 대용량 전력 변환 장치의 경우에는 시스템 안정성을 위해 능동 소자들을 이용하여 별도의 초기 충전 제어기(pre-charging controller)(80)를 구성하여 초기에 투입되는 과도한 돌입전류(inrush current)를 막는 방법을 사용하기도 한다. 이 경우에도 별도의 제어기 및 싸이리스터 등의 반도체 소자가 필요하게 되어 시스템의 가격 및 부피를 증가시키는 원인이 된다.
미국공개특허공보 US 2010/0026769호에도 DC 전력원의 DC 전압을 AC 전압으로 변환하는 DC/AC 컨버터를 포함하는 전력 인버터 시스템이 개시되어 있으며, DC 링크는 DC 전력원 및 인버터에 결합되고, 전력 인버터 시스템이 AC 전력 계통에 연결되기 이전에 DC 링크 전압이 원하는 수준에 이르도록 초기 충전을 수행하는 별도의 인버터 프리 차저를 포함하고 있다.
미국공개특허공보 US 2010/0026769호
본 발명은 풍력 발전 시스템의 전력 변환 장치에서 제어 시퀀스 및 알고리즘의 변경을 통해 직류단 커패시터의 초기 충전을 위한 별도의 초기 충전 회로 자체를 없앨 수 있는 풍력 발전 시스템의 전력 변환 장치의 초기 충전 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 계통측 전원 전압 레벨에 근접하도록 발전기 속도를 제어하고 발전기의 역기전력을 이용하여 직류단 커패시터를 초기 충전하며 그 이후에 계통전원을 투입하여 전력 변환 장치의 다이오드 소손을 방지하는 풍력 발전 시스템의 전력 변환 장치의 초기 충전 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 풍력 발전 시스템의 제어부에서 전력 변환 장치에의 초기 충전을 제어하는 방법 및 이를 수행하기 위한 프로그램이 기록된 기록매체가 제공된다.
일 실시예에 따른 초기 충전 제어 방법은, (a) 풍속이 시동 풍속(cut-in speed) 이상인지 확인하는 단계; (b) 상기 풍속이 상기 시동 풍속 이상인 경우 발전기와 발전기측 컨버터를 연결하는 발전기측 차단기를 온(ON)시키는 단계; (c) 상기 발전기의 단자 전압이 계통전원 정격전압의 소정 비율에 해당하는 설정 전압 이상인지 확인하는 단계; (d) 상기 발전기의 단자 전압이 상기 설정 전압 이상인 경우 계통과 계통측 컨버터를 연결하는 계통측 차단기를 온(ON)시키고 상기 계통에 대한 제어를 시작하는 단계; (e) 상기 발전기의 속도가 설정 속도로 감소되는지 확인하는 단계; 및 (f) 상기 발전기의 속도가 상기 설정 속도가 된 경우 상기 발전기에 대한 제어를 시작하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 단계 (b)는 상기 발전기의 속도가 증가하도록 블레이드의 피치각을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 단계 (d)는 상기 발전기의 속도가 감소하도록 블레이드의 피치각을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따른 초기 충전 제어 방법은, (a) 풍속이 시동 풍속(cut-in speed) 이상인지 확인하는 단계; (b) 상기 풍속이 상기 시동 풍속 이상인 경우 발전기와 발전기측 컨버터를 연결하는 발전기측 차단기를 온(ON)시키는 단계; (c) 상기 발전기의 속도가 설정 속도 이상인지 확인하는 단계; (d) 상기 발전기의 속도가 상기 설정 속도 이상인 경우 상기 발전기측 컨버터로 직류단 부스트 제어를 수행하는 단계; (e) 직류단 커패시터의 전압이 계통전원 정격전압의 소정 비율에 해당하는 설정 전압 이상인지 확인하는 단계; 및 (f) 상기 직류단 커패시터의 전압이 상기 설정 전압 이상인 경우 계통과 계통측 컨버터를 연결하는 계통측 차단기를 온(ON)시키고 상기 계통에 대한 제어를 시작하고, 상기 발전기 출력을 제어하는 모드로 상기 발전기측 컨버터의 제어모드를 변경하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 단계 (b)는 상기 발전기의 속도가 증가하도록 블레이드의 피치각을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 발전기의 단자 전압 및 상기 직류단 커패시터의 전압을 입력받아 q축 전류 지령을 생성하는 전압 조정부와; 상기 q축 전류 지령에 따라 q축 출력 전압과 d축 출력 전압을 생성하는 전류 조정부와; 상기 q축 출력 전압과 d축 출력 전압을 이용하여 q축과 d축을 합성하여 상기 풍력 발전 시스템을 제어하는 공간벡터 PWM부를 포함하는 발전기 출력 제어 장치에 의해 상기 단계 (d)가 수행될 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 풍력 발전 시스템의 전력 변환 장치에서 제어 시퀀스 및 알고리즘의 변경을 통해 직류단 커패시터의 초기 충전을 위한 별도의 초기 충전 회로 자체를 없앨 수 있는 효과가 있다.
또한, 계통측 전원 전압 레벨에 근접하도록 발전기 속도를 제어하고 발전기의 역기전력을 이용하여 직류단 커패시터를 초기 충전하며 그 이후에 계통전원을 투입하여 전력 변환 장치의 다이오드 소손을 방지하는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 풍력 발전 시스템을 나타낸 도면,
도 2는 초기 충전 회로를 구비한 전력 변환 장치를 나타낸 도면,
도 3은 고전압 대용량 전력 변환 장치 및 그 초기 충전 회로를 나타낸 도면,
도 4는 기존의 초기 충전 회로를 가지는 풍력 발전 시스템의 전력 변환 장치의 초기 투입 시퀀스,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템의 전력 변환 장치의 초기 투입 시퀀스,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력 발전 시스템의 전력 변환 장치의 초기 투입 시퀀스,
도 7은 발전기 출력 제어 장치를 개념적으로 나타낸 도면.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
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. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 명세서에 기재된 "…부", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 4는 기존의 초기 충전 회로를 가지는 풍력 발전 시스템의 전력 변환 장치의 초기 투입 시퀀스이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템의 전력 변환 장치의 초기 투입 시퀀스이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템은 도 1에 도시된 풍력 발전 시스템(1)과 동일한 구성을 가지며, 전력 변환 장치(30)가 발전기(20) 측에도 연결되어 있다. 발전기(20)는 영구자석에 의해 항상 여자(excitation)되어 있으며, 발전기(20)가 바람에 의해 회전하기만 하면 발전기 출력에 역기전력(back EMF 전압)이 발생하게 된다. 발전기를 구동하는 발전기측 컨버터(31)도 역병렬 다이오드를 포함하고 있으므로, 발전기에서 발생된 역기전력에 의해 직류단 커패시터(32)를 충전하는 것이 가능하여, 별도의 초기 충전 회로를 필요로 하지 않는 것을 특징으로 한다.
기존 풍력 발전 시스템에서는 바람의 세기가 일정한 속도(시동 속도, cut-in speed) 이상 되어야 전력 변환 장치(30)와 발전기(20)를 연결하여 발전을 시작할 수 있었다. 바람이 어느 정도 이상이 되어 발전을 시작할 수 있게 되면 풍력 발전 시스템(1)은 블레이드(10)의 피치각을 조절하여 바람이 가지고 있는 에너지를 받아 회전을 시작하게 된다. 이때 발전기측 컨버터(31)의 차단기를 연결하면 자연스럽게 회전 속도가 증가함에 따른 역기전력 전압의 증가가 다이오드를 통해 직류단 전압을 충전하게 된다. 본 명세서에서 차단기의 연결, 투입, 온(ON)은 모두 동일하게 차단기 양측을 전기적으로 연결하는 것을 의미한다.
회전 속도가 이미 어느 정도 이상이 되었을 때 차단기를 투입하게 되면 앞서 배경기술 부분에서 설명하였던 계통전원에 직접 연결하는 것과 차이점이 없으며, 순시적으로 단락된 효과가 발생하여 다이오드가 소손되게 된다.
하지만, 발전기(20)는 정지 상태에서 회전을 시작하게 되며, 정지 상태에서의 단자 전압은 아직 충전되지 않은 직류단 커패시터(32)의 전압과 같은 영(zero)전압이 된다. 이때 발전기측 컨버터(31)의 차단기를 미리 연결해두면, 발전기(20)가 회전을 시작하여 단자 전압이 증가하는 만큼 바로 직류단 전압을 충전할 수 있게 된다. 발전기(20)의 속도는 물리적 관성(inertia)에 의해 순간적으로 상승할 수 없으며 천천히 증가하게 되어 앞서 설명하였던 돌입전류가 발생하지 않게 된다.
또한, 발전기(20)의 역기전력을 이용하여 직류단 커패시터(32)를 충전한 경우에도 계통측 차단기를 투입하기 이전에 직류단 전압이 소정의 레벨 이상은 반드시 충전되어 있어야 할 필요가 있다. 계통측 차단기를 투입하였을 때 계통 전압과 직류단 충전 전압 사이의 전압차에 의해 순시적으로 큰 돌입전류가 흐르게 되며, 이 전류가 계통측 컨버터의 다이오드의 정격을 넘지 않는 전압 레벨까지는 충전되어 있어야 한다.
발전기(20)를 통해서 충전하게 되면, 발전기(20)의 역기전력이 소정 레벨 이상이 되도록 발전기(20)의 속도가 증가되어야 한다. 일반적인 백투백 형태의 전력 변환 장치(30)는 발전기측 컨버터(31)와 계통측 컨버터(33)의 전류 정격을 위해 전압의 크기를 동일 혹은 유사하게 설계한다. 이는 발전기(20)의 역기전력을 통해 충전되는 직류단 전압이 예를 들어 발전기 정격 속도의 80~90% 이상이 되어야 함을 의미한다.
도 4를 참조하면, 기존 풍력 발전 시스템의 제어부에서의 전력 변환 장치 초기 충전 방법이 도시되어 있다.
단계 S110에서, 우선 전력 변환 장치(30)는 대기 상태(stand by)에 놓여 있다. 단계 S120에서, 풍속이 시동 풍속(cut-in speed) 이상 되는지 여부를 확인한다. 풍속의 확인은 풍력 발전 시스템(1)에 설치된 풍속 센서 혹은 풍력 발전 단지에 설치된 별도의 풍속 센서에서 측정한 풍속값을 이용하여 수행될 수 있다.
풍속이 시동 풍속(cut-in speed) 이상으로 증가하면, 단계 S130에서 블레이드의 피치각 제어를 수행하여 발전기의 속도를 제어하기 시작한다. 단계 S140에서 발전기 속도가 미리 설정된 속도(예를 들어, 계통전원 정격전압의 약 50% 정도에 해당하는 700~800 rpm) 이상인지 여부를 확인한다.
발전기 속도가 미리 설정된 속도 이상이 되면, 단계 S150에서 초기 충전 회로를 이용하여 직류단 커패시터의 전압을 초기 충전하게 된다. 단계 S160에서 직류단 커패시터의 전압이 계통전원 정격전압의 소정 비율(예를 들어, 80~90%) 크기가 되면 초기 충전이 완료된 것으로 판단한다.
초기 충전이 완료되면, 단계 S170에서 계통측 차단기를 온(ON)시키고 계통 출력 제어를 시작한다. 연이어 발전기측 차단기를 온(ON)시키고 발전기 제어를 시작하면서 전력 변환 장치(30)의 초기 투입 시퀀스가 완료된다.
이 과정에서는 별도의 초기 충전 회로를 필요로 하고 있어 시스템 비용 및 부피가 증가하게 되는데, 본 발명에서는 풍력 발전 시스템(1)의 제어 시퀀스 및 알고리즘을 변경하여 초기 충전 회로 자체를 없애는 것이 가능하다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템의 제어부에서의 전력 변환 장치 초기 충전 방법이 도시되어 있다.
단계 S210에서, 우선 전력 변환 장치(30)는 대기 상태에 놓여 있다. 단계 S220에서, 풍속이 시동 풍속 이상이 되는지 여부를 확인한다. 여기까지의 단계는 도 4에 도시된 기존의 방법(단계 S110 및 S120)과 동일하다.
하지만, 풍속이 시동 풍속 이상으로 증가하면, 단계 S230에서 발전기측 차단기를 온(ON)시켜서 발전기측 컨버터의 역병렬 다이오드를 통해 직류단 커패시터(32)가 바로 충전될 수 있도록 한다. 또한, 이와 함께 블레이드의 피치각 제어를 통해 발전기의 속도를 지속적으로 증가시킨다. 단계 S240에서, 발전기 속도의 지속적인 증가로 인해 발전기 단자 전압이 미리 설정된 전압(예를 들어, 계통전원 정격전압의 소정 비율(80~90%))이 되는지 여부를 확인한다.
발전기 단자 전압이 미리 설정된 전압 이상이 되면, 단계 S250에서 계통측 차단기를 온(ON)시키고 계통 출력 제어를 시작한다. 이와 동시에 피치각 제어를 수행하여 발전기 속도를 감소시킨다. 단계 S260에서 발전기 속도가 미리 설정된 속도(예를 들어, 700~800 rpm)가 되면, 단계 S270으로 진행하여 발전기 제어를 시작 하면서 전력 변환 장치(30)의 초기 투입 시퀀스가 완료된다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력 발전 시스템의 전력 변환 장치의 초기 투입 시퀀스이고, 도 7은 발전기 출력 제어 장치를 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력 발전 시스템의 제어부에서 수행되는 전력 변환 장치의 초기 충전 방법 중 단계 S310 내지 S330은 도 5에 도시된 단계 S210 내지 S230과 동일한 바 상세한 설명은 생략하기로 한다.
단계 S340에서 발전기 속도가 미리 설정된 속도(예를 들어, 정격 속도의 50% 내외) 이상이 되면, 단계 S350으로 진행하여 발전기측 컨버터(31)가 순시적으로 직류단 커패시터(32)의 전압을 부스팅(boosting)하는 전압 부스트 제어를 수행한다. 전압 부스트 제어에 대해서는 추후 도 7을 참조하여 설명하기로 한다.
단계 S360에서 전압 부스트 제어에 의해 직류단 커패시터(32)의 전압이 미리 설정된 전압(예를 들어, 계통전원 정격전압의 80~90%) 이상이 되면, 단계 S370에서 계통측 차단기를 온(ON)시키고 계통 출력 제어를 시작한다. 그리고 발전기측 컨버터를 발전기 출력 제어가 가능하도록 제어 모드를 변경함으로써 전력 변환 장치(30)의 초기 투입 시퀀스가 완료된다.
여기서, 단계 S350에서의 발전기 전력을 이용하여 직류단 전압을 부스팅하는 전압 부스트 제어는 계통전원으로 직류단 전압을 제어하는 방법과 동일하며, 도 7에 도시된 발전기 출력 제어 장치에 의해 수행될 수 있다.
도 7을 참조하면, 발전기 전압을 이용하여 직류단 전압을 일정 레벨까지 부스트하는 전압 부스트 제어를 수행하는 발전기 출력 제어 장치(400)는 전압 조정부(voltage regulation)(410), 전류 조정부(current regulation)(420), 공간벡터 PWM부(space vector PWM)(430)를 포함하며, 시스템(system)(440)에 연결된다.
전압 조정부(410)에 입력되는 데이터 중 V*dc는 발전기 전압에 상응하는 전압 레벨 지령(reference)이고, Vdc는 시스템(440)에서 측정한 직류단 전압(feedback)이다. 전압 조정부(410)는 제어기로 구성되며, q축 전류 지령(iq e *)을 출력한다.
전류 조정부(420)는 q축 전류 지령과 d축 전류 지령(id e *)을 입력받고 q축 출력 전압(Vq s *)과 d축 출력 전압(Vd s *)을 출력한다. 여기서, d축 전류 지령은 발전기의 무효전력 분 전류이므로, 직류단 전압과는 직접적으로 연관되지 않으며 발전기의 역기전력을 억제할 때에 필요하다. 따라서, 본 발명에서는 필요 없는 데이터로, '0'이 된다.
공간벡터 PWM부(430)는 전류 조정부(420)로부터 q축 출력 전압과 d축 출력 전압을 입력받아 q축과 d축을 실제 합성하고, 시스템(440)의 입력이 되는 q축(Vq s) 및 d축(Vd s)을 출력하여 시스템(440)의 동작을 제어한다.
시스템(440)은 직류단 커패시터와 인버터, 발전기의 전기적 등가 모델(equivalent model)이다. 시스템(440)에서 출력되는 발전기의 전류(ia, ib, ic)는 전류 조정부(420)로 궤환되며, 직류단 전압(Vdc)은 전압 조정부(410)로 궤환된다.
발전기 출력 제어 장치(400)에는 일반적으로 d축 전류 지령과 q축 전류 지령이 발전기 토크 제어를 위한 값으로 주어지지만, 전력 변환 장치(30)의 초기 투입 시에만 도 7에 도시된 것과 같이 직류단 전압을 제어하기 위해 그 입출력 데이터가 변경될 수 있다.
전압 조정부(410)의 기능은 계통측 컨버터 제어 방법과 동일하게 구성될 수 있으며, 에너지 소스로 계통전원이 아닌 발전기 단자 전원을 이용하게 된다. 이 경우 직류단 전압의 지령값은 계통전원 정격전압의 소정 비율(예를 들어, 80~90%) 이상이면 된다.
직류단 전압이 충전되면 발전기측 제어 방법은 전압 부스트 제어를 정지하고 계통측 차단기를 투입하면 된다.
본 발명에 따른 풍력 발전 시스템의 전력 변환 장치의 초기 투입 시퀀스는 기존의 제어 시퀀스를 일부 변경하여 구현 가능하므로, 초기 충전을 위한 별도의 하드웨어(초기 충전 회로)의 추가 없이도 풍력 발전 시스템을 초기 기동할 수 있어 가격과 부피에서의 경쟁력을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 5 및/또는 도 6을 참조하여 상술한 풍력 발전 시스템의 전력 변환 장치의 초기 투입 시퀀스는 풍력 발전 시스템에 내장되거나 설치된 프로그램 등에 의해 시계열적 순서에 따른 자동화된 절차로 수행될 수도 있음은 당연하다. 상기 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다. 또한, 상기 프로그램은 디지털 처리 장치가 읽을 수 있는 정보저장매체(computer readable media)에 저장되고, 디지털 처리 장치에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써 상기 방법을 구현한다. 상기 정보저장매체는 자기 기록매체, 광 기록매체 및 캐리어 웨이브 매체를 포함한다.
상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1: 풍력 발전 시스템 10: 블레이드
20: 발전기 30: 전력 변환 장치
40: 변압기 50: 계통
60: 제어부 31: 발전기측 컨버터
32: 직류단 커패시터 33: 계통측 컨버터
34: 역병렬 다이오드 55: 계통전원
71: 저항 72: 접촉기

Claims (6)

  1. 풍력 발전 시스템의 제어부에서 전력 변환 장치에의 초기 충전을 제어하는 방법으로서,
    (a) 풍속이 시동 풍속(cut-in speed) 이상인지 확인하는 단계;
    (b) 상기 풍속이 상기 시동 풍속 이상인 경우 발전기와 발전기측 컨버터를 연결하는 발전기측 차단기를 온(ON)시키는 단계;
    (c) 상기 발전기의 단자 전압이 계통전원 정격전압의 소정 비율에 해당하는 설정 전압 이상인지 확인하는 단계;
    (d) 상기 발전기의 단자 전압이 상기 설정 전압 이상인 경우 계통과 계통측 컨버터를 연결하는 계통측 차단기를 온(ON)시키고 상기 계통에 대한 제어를 시작하는 단계;
    (e) 상기 발전기의 속도가 설정 속도로 감소되는지 확인하는 단계; 및
    (f) 상기 발전기의 속도가 상기 설정 속도가 된 경우 상기 발전기에 대한 제어를 시작하는 단계를 포함하는 풍력 발전 시스템의 전력 변환 장치의 초기 충전 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (b)는 상기 발전기의 속도가 증가하도록 블레이드의 피치각을 제어하는 단계를 포함하는 풍력 발전 시스템의 전력 변환 장치의 초기 충전 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (d)는 상기 발전기의 속도가 감소하도록 블레이드의 피치각을 제어하는 단계를 포함하는 풍력 발전 시스템의 전력 변환 장치의 초기 충전 제어 방법.
  4. 풍력 발전 시스템의 제어부에서 전력 변환 장치에의 초기 충전을 제어하는 방법으로서,
    (a) 풍속이 시동 풍속(cut-in speed) 이상인지 확인하는 단계;
    (b) 상기 풍속이 상기 시동 풍속 이상인 경우 발전기와 발전기측 컨버터를 연결하는 발전기측 차단기를 온(ON)시키는 단계;
    (c) 상기 발전기의 속도가 설정 속도 이상인지 확인하는 단계;
    (d) 상기 발전기의 속도가 상기 설정 속도 이상인 경우 상기 발전기측 컨버터로 직류단 부스트 제어를 수행하는 단계;
    (e) 직류단 커패시터의 전압이 계통전원 정격전압의 소정 비율에 해당하는 설정 전압 이상인지 확인하는 단계; 및
    (f) 상기 직류단 커패시터의 전압이 상기 설정 전압 이상인 경우 계통과 계통측 컨버터를 연결하는 계통측 차단기를 온(ON)시키고 상기 계통에 대한 제어를 시작하고, 상기 발전기 출력을 제어하는 모드로 상기 발전기측 컨버터의 제어모드를 변경하는 단계를 포함하는 풍력 발전 시스템의 전력 변환 장치의 초기 충전 제어 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 단계 (b)는 상기 발전기의 속도가 증가하도록 블레이드의 피치각을 제어하는 단계를 포함하는 풍력 발전 시스템의 전력 변환 장치의 초기 충전 제어 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 발전기의 단자 전압 및 상기 직류단 커패시터의 전압을 입력받아 q축 전류 지령을 생성하는 전압 조정부와; 상기 q축 전류 지령에 따라 q축 출력 전압과 d축 출력 전압을 생성하는 전류 조정부와; 상기 q축 출력 전압과 d축 출력 전압을 이용하여 q축과 d축을 합성하여 상기 풍력 발전 시스템을 제어하는 공간벡터 PWM부를 포함하는 발전기 출력 제어 장치에 의해 상기 단계 (d)가 수행되는 풍력 발전 시스템의 전력 변환 장치의 초기 충전 제어 방법.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107565597A (zh) * 2017-07-27 2018-01-09 东南大学 一种基于混合指标的风电场孤岛紧急切机方法
KR101967650B1 (ko) 2017-11-21 2019-04-11 인하대학교 산학협력단 발전용 터빈의 시동 유속 저감을 위한 발전 유도 장치

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR19990022926U (ko) * 1997-12-01 1999-07-05 이해규 교류전동기 제어장치
JP2011137393A (ja) 2009-12-28 2011-07-14 Hitachi Ltd 風力発電システム
KR20120113340A (ko) * 2011-04-05 2012-10-15 주식회사 메가베스 풍력발전기의 저전압수용운전 장치 및 방법

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR19990022926U (ko) * 1997-12-01 1999-07-05 이해규 교류전동기 제어장치
JP2011137393A (ja) 2009-12-28 2011-07-14 Hitachi Ltd 風力発電システム
KR20120113340A (ko) * 2011-04-05 2012-10-15 주식회사 메가베스 풍력발전기의 저전압수용운전 장치 및 방법

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107565597A (zh) * 2017-07-27 2018-01-09 东南大学 一种基于混合指标的风电场孤岛紧急切机方法
CN107565597B (zh) * 2017-07-27 2019-10-11 东南大学 一种基于混合指标的风电场孤岛紧急切机方法
KR101967650B1 (ko) 2017-11-21 2019-04-11 인하대학교 산학협력단 발전용 터빈의 시동 유속 저감을 위한 발전 유도 장치

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