KR101376550B1 - 고용량 풍력 발전 장치와 고용량 풍력 발전 장치의 제어 방법 - Google Patents

고용량 풍력 발전 장치와 고용량 풍력 발전 장치의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

고용량 풍력 발전 장치와 고용량 풍력 발전 장치의 제어 방법을 개시한다.
풍력에 의해 회전하는 날개(Blade)의 운동에너지를 전기에너지로 변환한 전력을 공급하는 발전기; 상기 발전기를 통해 입력된 전력인 교류(AC) 전압을 직류(DC) 전압으로 변환하여 출력하는 제 1 변환기; 상기 제 1 변환기와 연결되어 상기 직류 전압을 공급하는 DC 링크; 상기 DC 링크와 연결되어 전력계통으로 출력되는 전력에 따라 상기 DC 링크의 상기 직류 전압을 구비된 배터리에 전기적인 에너지로서 충전하거나 충전된 상기 직류 전압이 방전되도록 하는 배터리 제어부; 및 상기 DC 링크에 일측이 연결되고 상기 배터리 제어부에 타측이 연결되어, 상기 DC 링크 및 상기 배터리 제어부 중 적어도 어느 하나로부터 공급된 상기 직류 전압을 상기 교류 전압으로 변환하여 상기 전력계통에 공급하는 제 2 변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 고용량 풍력 발전 장치를 제공한다.

Description

고용량 풍력 발전 장치와 고용량 풍력 발전 장치의 제어 방법{High Capacity Wind-Power Generator, Method for Controlling High Capacity Wind-Power Generator}
본 실시예는 고용량 풍력 발전 장치와 고용량 풍력 발전 장치의 제어 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 가격 및 전력계통을 충족시키기 위해 DC 링크에 배터리가 연계된 전력 변환기와 배터리 충방전을 위해 직렬로 연결된 양방향 컨버터(Bi-Directional Converter)를 기반으로 안전과 수명 연장을 위한 배터리 충방전 제어 알고리즘을 적용하여 컨버터의 모듈화로 인한 배터리 용량 증가가 용이한 고용량 풍력 발전 장치와 고용량 풍력 발전 장치의 제어 방법에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
풍력은 자연상태의 무공해 에너지원으로서 대체에너지원 중 가장 경제성이 높은 에너지원이다. 풍력 발전기는 다양한 형태의 풍차를 이용하여 바람 에너지를 기계적 에너지로 변환하고, 이 기계적 에너지로 발전기를 구동하여 전력을 얻어내는 발전기를 말한다. 이러한 풍력 발전기는 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, 풍력 발전기는 구조나 설치가 간단하고 운영 및 관리가 용이하여 무인화 및 자동화 운전이 가능하기 때문에 전 세계적으로 그 활용이 증가하고 있는 추세에 있다.
최근 발전 용량이 증가하고 있는 풍력 발전 시스템과 대단위 풍력 발전 단지가 설치되고 있는 상황에서 풍력 발전 시스템의 안정성과 지속성은 전력을 전달받는 계통(Power Grid)의 특성에 큰 영향을 줄 만큼 중요하다. 이에 따라 외적인 극한 상황에서도 풍력 발전 시스템이 계통과 연결되어 발전을 수행할 수 있어야 한다.
대한민국특허 제0992755호(2009.06.17)에는 풍력과 태양력을 이용한 이동통신 중계기의 전원공급에 관한 기술이 개시되어 있는데, 이 특허에는 배터리 충방전 제어 알고리즘을 적용하여 컨버터의 모듈화로 인한 배터리 용량 증가가 용이한 고용량 풍력 발전 장치가 고려되고 있지 않다.
본 실시예는 가격 및 전력계통을 충족시키기 위해 DC 링크에 배터리가 연계된 전력 변환기와 배터리 충방전을 위해 직렬로 연결된 양방향 컨버터를 기반으로 안전과 수명 연장을 위한 배터리 충방전 제어 알고리즘을 적용하여 컨버터의 모듈화로 인한 배터리 용량 증가가 용이한 고용량 풍력 발전 장치와 고용량 풍력 발전 장치의 제어 방법을 제공하는 데 주된 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위해 본 실시예의 일 측면에 의하면, 풍력에 의해 회전하는 날개(Blade)의 운동에너지를 전기에너지로 변환한 전력을 공급하는 발전기; 상기 발전기를 통해 입력된 전력인 교류(AC) 전압을 직류(DC) 전압으로 변환하여 출력하는 제 1 변환기; 상기 제 1 변환기와 연결되어 상기 직류 전압을 공급하는 DC 링크; 상기 DC 링크와 연결되어 전력계통으로 출력되는 전력에 따라 상기 DC 링크의 상기 직류 전압을 구비된 배터리에 전기적인 에너지로서 충전하거나 충전된 상기 직류 전압이 방전되도록 하는 배터리 제어부; 및 상기 DC 링크에 일측이 연결되고 상기 배터리 제어부에 타측이 연결되어, 상기 DC 링크 및 상기 배터리 제어부 중 적어도 어느 하나로부터 공급된 상기 직류 전압을 상기 교류 전압으로 변환하여 상기 전력계통에 공급하는 제 2 변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 고용량 풍력 발전 장치를 제공한다.
또한, 본 실시에의 다른 측면에 의하면, 발전기에서 풍력에 의해 회전하는 날개의 운동에너지를 전기에너지로 변환한 전력을 공급하는 과정; 제 1 변환기에서 상기 발전기를 통해 입력된 전력인 교류(AC) 전압을 직류(DC) 전압으로 변환하여 출력하는 과정; DC 링크에서 상기 제 1 변환기와 연결되어 상기 직류 전압을 공급하는 과정; 배터리 제어부에서 전력계통으로 출력되는 전력에 따라 상기 DC 링크와 연결되어 상기 DC 링크의 상기 직류 전압을 구비된 배터리에 전기적인 에너지로서 충전하거나 충전된 상기 직류 전압이 방전되도록 하는 과정; 및 제 2 변환기에서 상기 DC 링크에 일측이 연결되고 상기 배터리 제어부에 타측이 연결되어, 상기 DC 링크 및 상기 배터리 제어부 중 적어도 어느 하나로부터 공급된 상기 직류 전압을 상기 교류 전압으로 변환하여 상기 전력계통에 공급하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 고용량 풍력 발전기의 제어 방법을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 풍력 발전 장치에서 풍력 변동에 의한 출력의 변화로 출력 완화를 위한 계통 연계형 전력 변환기가 필요하게 됨에 따라 DC 링크에 연계된 배터리를 이용하여 출력의 변동을 일정하게 제어할 수 있는 효과가 있을 뿐만 아니라 계통을 통한 출력이 불안정한 경우 배터리에 충전된 전원을 풍력 발전 장치 시스템의 전원으로도 이용 가능한 효과가 있다. 또한, 본 실시예에 의하면, 신재생 에너지 계통 연계 기준을 만족하는 전력변환회로 토폴로지(Topology) 기술과 배터리의 안전과 수명 연장을 위한 충방전 설계 기술을 확보할 수 있으며, 이를 통해 계통의 안정화를 극대화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 실시예에 따른 고용량 풍력 발전 장치를 개략적으로 나타낸 블럭 구성도,
도 2는 본 실시예에 따른 배터리 제어부를 개략적으로 나타낸 블럭 구성도,
도 3은 본 실시예에 따른 풍력 발전 장치의 제어 방법을 설명하기 위한 순서도,
도 4는 본 실시예에 따른 배터리 제어부의 충방전 방법을 설명하기 위한 순서도,
도 5는 본 실시예에 따른 배터리 충전 프로파일을 나타낸 예시도이다.
이하, 본 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 실시예에 따른 고용량 풍력 발전 장치를 개략적으로 나타낸 블럭 구성도이다.
본 실시예에 따른 고용량 풍력 발전 장치는 발전기(110), 제 1 필터(120), 제 1 변환기(130), DC 링크(140), 배터리 제어부(150), 배터리(160), 제 2 변환기(170), 제 2 필터(180) 및 제어부(190)를 포함한다. 본 실시예에서는 고용량 풍력 발전 장치가 발전기(110), 제 1 필터(120), 제 1 변환기(130), DC 링크(140), 배터리 제어부(150), 배터리(160), 제 2 변환기(170), 제 2 필터(180) 및 제어부(190)만을 포함하는 것으로 기재하고 있으나, 이는 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 고용량 풍력 발전 장치에 포함되는 구성 요소에 대하여 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이다.
발전기(110)는 풍력에 의해 회전하는 날개(Blade)의 운동에너지를 전기에너지로 변환한 전력을 공급한다. 여기서, 날개는 회전 가능한 축에 장착되어 풍력에 의한 회전 에너지를 생산하고, 발전기(110)는 날개의 회전 에너지로부터 터빈(Turbine)을 이용하여 전력을 생산한다. 이때, 발전기(110)에서 생성하는 전력은 교류(AC) 형태로서, 전력계통으로 직접 공급되기에는 부적합하다.
제 1 필터(120)는 발전기(110)의 종류에 따라 교류 전압에서 고조파를 제거한다. 이러한, 제 1 필터(120)는 발전기(110)에서 요구되는 역률(Power Factor)나 전고조파 왜곡율(THD: Total Harmonic Distortion)을 만족하기 위해 각 필터값이 계산되며 결과적으로 리플 전류(Ripple Current)를 저감시킬 수 있다. 또한, 제 1 필터(120)는 du/dt 필터인 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
제 1 변환기(130)는 발전기(110)에서 생산된 전력을 풍력 발전 장치와 연계된 전력계통에 공급하기에 적절한 형태의 전력으로 변환한다. 이를 위하여 제 1 변환기(130)는 발전기(110)에서 생산된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 컨버터를 포함한다. 제 1 변환기(130)는 발전기(110)를 통해 입력된 전력인 교류(AC) 전압을 직류(DC) 전압으로 변환하여 출력한다. 이러한, 제 1 변환기(130)는 바람직하게는 3 Level NPC IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristor) 정류기(Rectifier)로 구현될 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 제 1 변환기(130)는 바람이 정격 속도 이하일 경우에는 최대 전력점 추적(MPPT: Maximum Power Point Traking)을 위해 발전기(110)의 토크(Torque)와 쇄교 자속(Magnetic Flux Interlinkage)을 제어할 수 있다.
DC 링크(140)는 제 1 변환기(130)와 연결되어 직류 전압을 배터리 제어부(150) 또는 제 2 변환기(170)로 공급한다. 이때, DC 링크(140)의 전압은 일정하므로 고조파 및 역률이라는 개념에서 벗어날 수 있어, 제 2 변환기(170)가 DC 링크(140)의 전압을 사용 가능한 일정 크기 및 일정 주파수의 교류 전압으로 변환한다. 이러한, DC 링크(140)는 바람직하게는 3 Level NPC IGCT 정류기로 구현될 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, DC 링크(140)는 DC 전압원으로서, DC 링크(140)의 전압은 일정하게 유지되어야 한다. 즉, DC 링크(140)는 제 1 변환기(130)에 포함된 컨버터와 제 2 변환기(170)에 포함된 인버터(Inverter) 사이에 둘의 연결을 위하여 DC 링크(140)가 구비되는 것이다. 한편, 이러한 DC 링크(140)에는 일정한 전압이 충전되어 있는데, DC 링크(140)의 전압은 반드시 배터리 제어부(150)로 전달되는 것이 아니라, 배터리 제어부(150)를 경유하지 않고 제 2 변환기(170)로 바로 공급될 수 있다.
배터리 제어부(150)는 DC 링크(140)와 연결되어 전력계통으로 출력되는 전력에 따라 DC 링크(140)의 직류 전압을 구비된 배터리(160)에 전기적인 에너지로서 충전하거나 충전된 직류 전압이 방전되도록 한다.
배터리 제어부(150)는 배터리(160)의 사이즈에 따라 양방향 컨버터(Bi-Directional Converter)를 직렬로 형성하며, 전력계통으로 출력되는 전력에 따라 양방향 컨버터가 DC 링크(140)로부터 수신된 직류 전압을 DC/DC 컨버팅한 후 센싱된 배터리(160)의 전압에 따라 배터리(160)에 충전하거나, 전력계통으로 출력되는 전력에 따라 충전된 직류 전압을 방전한다. 배터리 제어부(150)는 배터리(160)의 전압을 센싱하고, 전력계통에서 출력되는 전력을 확인한 후 센싱한 배터리(160)의 전압과 확인된 전력계통의 전력에 근거하여 초기 충전 모드(Pre-Chage Mode), 정전류 모드(Constant Current Mode) 및 정전압 모드(Constant Voltage Mode) 중 어느 하나의 모드로 동작한다.
이하, 배터리 제어부(150)가 충방전하는 동작 과정에 대해 보다 구체적으로 설명하도록 한다. 배터리 제어부(150)는 전력계통에 출력되는 전력에 근거하여 방전 모드로 동작하거나 충전할 경우 센싱된 배터리(160)의 전압(Vb)이 배터리(160)의 기준 전압(Vpre) 미만인 경우 초기 충전 모드로 동작하고, 센싱된 배터리(160)의 전압(Vb)이 배터리(160)의 전압원(Vcc) 미만인 경우 정전류 모드로 동작하고, 센싱된 배터리의 전압(Vb)이 배터리의 최대 전압(Vmax) 미만인 경우 정전압 모드로 동작한다.
이러한, 배터리 제어부(150)는 양방향 컨버터와 배터리(160)를 하나의 모듈로 형성하며, 형성된 복수 개의 모듈이 직렬로 연결되어 있는 구조를 갖는다. 즉, 배터리 제어부(150)는 배터리(160)가 충전일 경우 벅 컨버터(Buck Converter)로 동작하고, 배터리(160)가 방전일 경우 부스트 컨버터(Boost Converter)로 동작하도록 제어한다. 여기서, 벅 컨버터는 감압을 위한 직류-직류 변환기로서, 승압을 위한 부스트 변환기와 비슷하고, 부스트 변환기와 같이 모드 스위칭 전력 공급장치로 두 개의 스위치(능동형 스위칭 소자(Active Switching Device), 다이오드 각각 한 개씩)와 인덕터, 커패시터를 하나씩 이용하며, 부스트 컨버터는 승압을 위한 직류-직류 변환기로서, 모드 스위칭 전력 공급장치로 두 개의 스위치(능동형 스위칭 소자, 다이오드 각각 한 개씩)와 인덕터, 커패시터를 하나씩 이용한다. 풍력 발전 장치의 출력 변동이 큰 폭으로 이루어짐에 따라 신재생 에너지 계통 연계 기준의 유효전력 증발률, 급감발 조정 등에 부합하기 위한 제어를 통해 배터리(160)의 전압 상태에 따라 초기 충전 모드, 정전류 모드 및 정전압 모드 중 어느 하나의 모드로 충전하도록 제어하고, 정전류 모드로 배터리(160)에 충전된 직류 전압을 방전하도록 제어한다.
또한, 배터리 제어부(150)는 센싱된 배터리(160)의 전압과 확인된 전력계통의 전력에 근거하여 전력계통으로 출력되는 전력이 저전력(저전압)이거나 출력 전압이 불안하거나 정전이 발생할 경우에 배터리(160)에 충전된 전기에너지가 전력계통으로 공급되도록 하는 것이다.
배터리(160)는 배터리 제어부(150)의 제어에 따라 DC 링크(140)로부터 공급받은 직류 전압을 충전 또는 방전한다. 이러한, 배터리(160)는 리튬 이온(Li-Ion) 또는 리튬 폴리(Li-Poly) 배터리가 이용될 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 본 실시예에 따른 풍력 발전 장치는 유효 전력 증발률 제어라는 그리드 코드(Grid Code)를 만족하기 위해 DC 링크(140)에 배터리(160)를 연계하는 데, 이러한 배터리(160)의 충전 시스템은 [표 1]과 같은 용량(Capacity)을 가진다. 즉, 본 실시예에 따른 고용량 풍력 발전 장치에서 국내 그리드 코드 규격을 예로 배터리(160)가 유효 전력 증발률 조정을 만족시킬 수 있는 용량은 [표 1]과 같다.
Figure 112013075126683-pat00001
만약, 전력계통으로 출력되는 전원과 배터리(160)에서 방전되는 전압과의 절환이 필요한 경우, 구비된 스위칭 소자가 이용될 수 있다. 또한, 풍력 발전 장치에는 전력계통의 저전력(저전압), 출력 전압이 불안정 또는 정전 상태를 확인하기 위한 센서가 구비될 수 있다. 즉, 배터리 제어부(150)는 전력계통에 구비된 센서의 확인 결과에 따라서 전력계통에 저전력(저전압), 출력 전압이 불안정하거나 정전 시에 배터리(160)에 충전된 전압이 제 2 변환기를 경유하여 전력계통으로 공급되도록 제어한다. 또한, 전력계통에 구비된 센서의 감지 결과 계통 저전력(저전압), 출력 전압이 불안정 또는 정전이 해소되고, 발전기(110)를 통한 전력이 남는 경우 해당 전력을 배터리(160)에 충전하도록 제어할 수 있다.
제 2 변환기(170)는 제 1 변환기(130)를 통해 변환된 직류 전력을 다시 전력계통에 공급하기에 적절한 형태의 교류 전력으로 변환하는 인버터를 포함한다. 제 2 변환기(170)는 DC 링크(140)에 일측이 연결되고 배터리 제어부(150)에 타측이 연결되어, DC 링크(140) 및 배터리 제어부(150) 중 적어도 어느 하나로부터 공급된 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 전력계통에 공급한다. 이러한, 제 2 변환기(170)는 전력계통으로 일정한 주파수와 전압이 공급되도록 한다. 이후, 제 2 변환기(170)로부터 출력되는 전력은 변압기(Transformer)에 의해 전압이 변경되어 전력계통에 공급될 수 있다.
제 2 필터(180)는 전력계통에 부합하도록 제 2 변환기(170)로부터 출력되는 교류 전압에서 고조파를 제거한다. 이러한, 제 2 필터(180)는 전력계통과 연결되는 변압기의 2차 측에 결합되어, 출력값을 필터링한다. 예컨대, 제 2 필터(180)는 [표 2]와 같이 IEEE 519의 전 고조파 왜곡(THD)을 만족시키기 위하여 각 필터값이 계산되며 결과적으로 리플 전류를 저감시킬 수 있다. TDD(Total Demand Distortion) 기준 값은 본 실시예에 따른 풍력 발전 장치의 Isc/IL비율에 따라 다르며 그 값은 소스 임피던스(Source Impedance)의 역수 값에 해당한다.
Figure 112013075126683-pat00002
제어부(190)는 제 1 변환기(130), DC 링크(140) 및 제 2 변환기(170)를 제어한다. 제어부(190)는 그리드 코드에서 요구하는 전력계통으로 출력되는 전력에 대한 유효전력 출력증발률 속도를(예컨대, 국내의 경우 정격의 10 %/분 까지 제한) 제한한다. 이러한, 제어부(190)는 풍력 발전 장치를 제어하는 역할을 하며, 제 1 변환기(130), DC 링크(140) 및 제 2 변환기(170)를 각각 제어하기 위한 별도의 제어부를 포함할 수 있을 뿐 아니라, 발전기(110)의 터빈을 제어하는 별도의 제어부를 포함할 수도 있다. 또한, 필요에 따라서 제어부(190)에는 풍력 발전 장치의 구동에 필요한 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다.
도 2는 본 실시예에 따른 배터리 제어부를 개략적으로 나타낸 블럭 구성도이다.
배터리 제어부(150)는 도 2에 도시된 바와 같이, 배터리(160)의 사이즈에 따라 양방향 컨버터를 직렬로 형성하며, 양방향 컨버터가 DC 링크(140)로부터 수신된 직류 전압을 DC/DC 컨버팅한 후 전력계통으로 출력되는 전력에 따라 센싱된 배터리(160)의 전압에 따라 배터리(160)에 충전하거나 충전된 직류 전압을 방전한다.
즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 배터리 제어부(150)는 양방향 컨버터와 배터리(160)를 하나의 모듈로 형성하며, 형성된 복수 개의 모듈이 직렬로 연결되어 있는 구조를 갖는다. 즉, 배터리 제어부(150)는 배터리(160)가 충전일 경우 벅 컨버터(Buck Converter)로 동작하고, 배터리(160)가 방전일 경우 부스트 컨버터(Boost Converter)로 동작하도록 제어한다. 여기서, 벅 컨버터는 감압을 위한 직류-직류 변환기로서, 승압을 위한 부스트 변환기와 비슷하고, 부스트 변환기와 같이 모드 스위칭 전력 공급장치로 두 개의 스위치(능동형 스위칭 소자, 다이오드 각각 한 개씩)와 인덕터, 커패시터를 하나씩 이용하며, 부스트 컨버터는 승압을 위한 직류-직류 변환기로서, 모드 스위칭 전력 공급장치로 두 개의 스위치(능동형 스위칭 소자, 다이오드 각각 한 개씩)와 인덕터, 커패시터를 하나씩 이용한다.
배터리 제어부(150)는 센싱된 배터리(160)의 전압과 확인된 전력계통의 전력에 근거하여 전력계통으로 출력되는 전력이 저전력(저전압), 출력 전압이 불안정하거나 정전이 발생할 경우에 배터리(160)에 충전된 전기에너지가 전력계통으로 공급되도록 하는 것이다.
도 3은 본 실시예에 따른 풍력 발전 장치의 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
풍력 발전 장치에 구비된 발전기(110)는 풍력에 의해 회전하는 날개의 운동에너지를 전기에너지로 변환한 전력을 공급한다(S310). 단계 S310에서 날개는 회전 가능한 축에 장착되어 풍력에 의한 회전 에너지를 생산하고, 발전기(110)는 날개의 회전 에너지로부터 터빈을 이용하여 전력을 생산한다. 이때, 발전기에서 생성하는 전력은 교류 형태로서, 전력계통으로 직접 공급되기에는 부적합하다. 또한, 단계 S310에서 제 1 필터(120)는 발전기(110)의 종류에 따라 교류 전압에서 고조파를 제거한다.
풍력 발전 장치에 구비된 제 1 변환기(130)는 발전기(110)를 통해 입력된 전력인 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 출력한다(S320). 단계 S320에서 제 1 변환기(130)는 발전기(110)에서 생산된 전력을 풍력 발전 장치와 연계된 전력계통에 공급하기에 적절한 형태의 전력으로 변환한다. 이를 위하여 제 1 변환기(130)는 발전기(110)에서 생산된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 컨버터를 포함한다.
단계 S320 이후에, 풍력 발전 장치에 구비된 DC 링크(140)는 제 1 변환기(130)와 연결되어 직류 전압을 배터리 제어부(150) 또는 제 2 변환기(170)로 공급한다. 이때, DC 링크(140)의 전압은 고조파 및 역률이라는 개념에서 벗어날 수 있어, 제 2 변환기(170)가 DC 링크(140)의 전압을 사용 가능한 일정 크기 및 일정 주파수의 교류 전압으로 변환한다.
풍력 발전 장치에 구비된 배터리 제어부(150)는 DC 링크(140)와 연결되어 전력계통으로 출력되는 전력에 따라 DC 링크(140)의 직류 전압을 구비된 배터리에 전기적인 에너지로서 충전하거나 충전된 직류 전압이 방전되도록 한다(S330).
단계 S330에서 풍력 발전 장치에 구비된 배터리 제어부(150)는 배터리(160)의 전압을 센싱하고, 전력계통에서 출력되는 전력을 확인한 후 센싱한 배터리(160)의 전압과 확인된 전력계통의 전력에 근거하여 초기 충전 모드, 정전류 모드 및 정전압 모드 중 어느 하나의 모드로 동작한다. 배터리 제어부(150)는 전력계통에 출력되는 전력에 근거하여 방전 모드로 동작하거나 센싱된 배터리(160)의 전압(Vb)이 배터리(160)의 기준 전압(Vpre) 미만인 경우 초기 충전 모드로 동작하고, 센싱된 배터리(160)의 전압(Vb)이 배터리(160)의 전압원(Vcc) 미만인 경우 정전류 모드로 동작하고, 센싱된 배터리의 전압(Vb)이 배터리의 최대 전압(Vmax) 미만인 경우 정전압 모드로 동작한다.
풍력 발전 장치에 구비된 제 2 변환기(170)는 DC 링크(140)에 일측이 연결되고 배터리 제어부(150)에 타측이 연결되어, DC 링크(140) 및 배터리 제어부(150) 중 적어도 어느 하나로부터 공급된 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 전력계통에 공급한다(S340). 단계 S340에서 풍력 발전 장치에 구비된 제 2 변환기(170)는 제 1 변환기(130)를 통해 변환된 직류 전력을 다시 전력계통에 공급하기에 적절한 형태의 교류 전력으로 변환하는 인버터를 포함한다. 이러한, 제 2 변환기(170)는 전력계통으로 일정한 주파수와 전압이 공급되도록 한다. 이후, 제 2 변환기(170)로부터 출력되는 전력은 변압기에 의해 전압이 변경되어 전력계통에 공급될 수 있다. 이후 단계 S340 이후에 제 2 필터(180)는 전력계통에 부합하도록 제 2 변환기(170)로부터 출력되는 교류 전압에서 고조파를 제거한다. 이러한, 제 2 필터(180)는 전력계통과 연결되는 변압기의 2차 측에 결합되어, 출력값을 필터링한다.
도 3에서는 단계 S310 내지 단계 S340을 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나, 이는 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 도 3에 기재된 순서를 변경하여 실행하거나 단계 S310 내지 단계 S340 중 하나 이상의 단계를 병렬적으로 실행하는 것으로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이므로, 도 3은 시계열적인 순서로 한정되는 것은 아니다.
도 4는 본 실시예에 따른 배터리 제어부의 충방전 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
풍력 발전 장치에 구비된 배터리 제어부(150)는 DC 링크(140)와 연결되어 전력계통으로 출력되는 전력에 따라 DC 링크(140)의 직류 전압을 구비된 배터리에 전기적인 에너지로서 충전하거나 충전된 직류 전압이 방전되도록 한다. 이하 도 4를 통해 배터리 제어부(150)의 충방전 알고리즘에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.
배터리 제어부(150)는 양방향 컨버터를 직렬로 형성되는데, 배터리(160)의 전압을 센싱하고, 전력계통에서 출력되는 전력을 확인한 후 센싱한 배터리(160)의 전압과 확인된 전력계통의 전력에 근거하여 방전 모드로 판별되는지의 여부를 확인한다(S410). 단계 S410에서 센싱한 배터리(160)의 전압이 충분(충전된 전압이 기 설정된 전압 이상)하거나 전력계통에서 출력되는 전력이 부족(기 설정된 기준 전력 이하)한 경우 배터리 제어부(150)는 충전이 불필요한 방전 모드로 판별하여 구비된 배터리(160)에 충전된 직류 전압이 방전되도록 한다(S412).
한편, 단계 S410에서 센싱한 배터리(160)의 전압이 부족하거나 전력계통에서 출력되는 전력이 부족한 경우 배터리 제어부(150)는 센싱된 배터리(160)의 전압(Vb)이 배터리(160)의 기준 전압(Vpre) 미만인지의 여부를 확인한다(S420). 단계 S420의 확인 결과, 센싱된 배터리(160)의 전압(Vb)이 배터리(160)의 기준 전압(Vpre) 미만인 경우, 배터리 제어부(150)는 초기 충전 모드로 동작한다(S422). 단계 S422에서 Iref_level은 수학식 1과 같다.
Figure 112012027851796-pat00003
단계 S420의 확인 결과, 센싱된 배터리(160)의 전압(Vb)이 배터리(160)의 기준 전압(Vpre) 미만이 아닌 경우, 배터리 제어부(150)는 센싱된 배터리(160)의 전압(Vb)이 배터리(160)의 전압원(Vcc) 미만인지의 여부를 확인한다(S430). 단계 S430의 확인 결과, 배터리(160)의 전압(Vb)이 배터리(160)의 전압원(Vcc) 미만인 경우, 배터리 제어부(150)는 정전류 모드로 동작하여 배터리(160)에 직류 전압을 충전한다(S432). 단계 S432에서 기준 전류인 Iref=Imax가 된다.
단계 S430의 확인 결과, 배터리(160)의 전압(Vb)이 배터리(160)의 전압원(Vcc) 미만이 아닌 경우, 배터리 제어부(150)는 센싱된 배터리의 전압(Vb)이 배터리의 최대 전압(Vmax) 미만인지의 여부를 확인한다(S440). 단계 S440의 확인 결과, 센싱된 배터리의 전압(Vb)이 배터리의 최대 전압(Vmax) 미만인 경우, 배터리 제어부(150)는 정전압 모드로 동작하여 배터리(160)에 직류 전압을 충전한다(S442). 단계 S442에서 배터리(160)의 기준 전압인 Vref=Vcv가 된다. 이후 배터리 제어부(150)는 배터리 제어부(150)의 전류인 Ibcu가 13A를 초과하는지의 여부를 확인한다(S444). 단계 S444의 확인 결과, 배터리 제어부(150)의 전류인 Ibcu가 13A 미만인 경우, 배터리 제어부(150)는 스위치를 오프한다(S446).
도 4에서는 단계 S410 내지 단계 S446을 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나, 이는 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 도 4에 기재된 순서를 변경하여 실행하거나 단계 S410 내지 단계 S446 중 하나 이상의 단계를 병렬적으로 실행하는 것으로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이므로, 도 4는 시계열적인 순서로 한정되는 것은 아니다.
전술한 바와 같이 도 4에 기재된 본 실시예에 따른 배터리 제어부의 충방전 방법은 프로그램으로 구현되고 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 기록될 수 있다. 본 실시예에 따른 배터리 제어부의 충방전 방법을 구현하기 위한 프로그램이 기록되고 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 이러한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수도 있다. 또한, 본 실시예를 구현하기 위한 기능적인(Functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 실시예가 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다.
도 5는 본 실시예에 따른 배터리 충전 프로파일을 나타낸 예시도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 배터리 제어부(150)의 제어방식은 배터리(160)의 전압에 따라 충전 전 모드, 정 전류 모드 및 정 전압 모드 중 어느 하나의 모드로 동작한다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 각 모드 별 기준 전류값이 다르며, 전력계통으로의 출력에 따라 충전 모드 또는 방전 모드가 판별되면 그에 따라 방전 모드(Discharge Mode) 또는 충전 모드(Charge Mode)로 동작한다. 방전 모드일 경우 배터리 제어부(150)는 1C 전류로 방전하게 되고, 충전 모드일 경우, 배터리 제어부(150)는 센싱된 배터리(160)의 전압에 따라 충전 모드로 진행한다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 발전기 120: 제 1 필터
130: 제 1 변환기 140: DC 링크
150: 배터리 제어부 160: 배터리
170: 제 2 변환기 180: 제 2 필터
190: 제어부

Claims (7)

  1. 풍력에 의해 회전하는 날개(Blade)의 운동에너지를 전기에너지로 변환한 전력을 공급하는 발전기;
    상기 발전기를 통해 입력된 전력인 교류(AC) 전압을 직류(DC) 전압으로 변환하여 출력하는 제 1 변환기;
    상기 제 1 변환기의 출력에 연결되는 DC 링크;
    상기 DC 링크와 연결되어 전력계통으로 출력되는 전력에 따라 상기 DC 링크의 상기 직류 전압을 구비된 배터리에 전기적인 에너지로서 충전하거나 충전된 상기 직류 전압이 방전되도록 하는 배터리 제어부; 및
    상기 DC 링크에 일측이 연결되고 상기 배터리 제어부에 타측이 연결되어, 상기 DC 링크 및 상기 배터리 제어부 중 적어도 어느 하나로부터 공급된 상기 직류 전압을 상기 교류 전압으로 변환하여 상기 전력계통에 공급하는 제 2 변환기
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 고용량 풍력 발전 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 제어부는,
    양방향 컨버터(Bi-Directional Converter)를 직렬로 형성하며, 상기 양방향 컨버터가 상기 DC 링크로부터 수신된 상기 직류 전압을 DC/DC 컨버팅한 후 배터리 센싱 전압(Vb)이 기 설정된 전압 미만인 경우 상기 배터리에 상기 직류 전압이 충전되도록하거나, 상기 배터리 센싱 전압(Vb)이 기 설정된 전압 이상인 경우 상기 배터리에 충전된 상기 직류 전압이 방전되도록 하는 것을 특징으로 하는 고용량 풍력 발전 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 제어부는,
    배터리 센싱 전압(Vb)이 기 설정값보다 부족하거나 전력계통 출력 전력이 기 설정값 이상인 경우 초기 충전 모드(Pre-Chage Mode), 정전류 모드(Constant Current Mode) 및 정전압 모드(Constant Voltage Mode) 중 어느 하나의 모드로 동작하는 것을 특징으로 하는 고용량 풍력 발전 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 배터리 제어부는,
    상기 배터리 센싱 전압(Vb)이 배터리 기준 전압(Vpre) 미만인 경우 상기 초기 충전 모드로 동작하고, 상기 배터리 센싱 전압(Vb)이 상기 배터리 기준 전압(Vpre) 이상이며 상기 배터리 센싱 전압(Vb)이 배터리 전압원(Vcc) 미만인 경우 상기 정전류 모드로 동작하고, 상기 배터리 센싱 전압(Vb)이 상기 배터리 전압원(Vcc) 이상이며 상기 배터리 센싱 전압(Vb)이 배터리 최대 전압(Vmax) 미만인 경우 상기 정전압 모드로 동작하는 것을 특징으로 하는 고용량 풍력 발전 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 변환기, 상기 DC 링크 및 상기 제 2 변환기를 제어하는 제어부를 추가로 포함하되,
    상기 제어부는 그리드 코드 요구 규격으로 전력계통으로 출력되는 전력에 대한 유효전력 출력증발률 속도를 제한하는 것을 특징으로 하는 고용량 풍력 발전 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 변환기의 입력단에 병렬로 연결되며, 상기 발전기의 종류에 따라 상기 교류 전압에서 고조파를 제거하는 제 1 필터; 및
    상기 전력계통에 부합하도록 상기 제 2 변환기로부터 출력되는 상기 교류 전압에서 고조파를 제거하는 제 2 필터
    를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 고용량 풍력 발전 장치.
  7. 발전기에서 풍력에 의해 회전하는 날개의 운동에너지를 전기에너지로 변환한 전력을 공급하는 과정;
    제 1 변환기에서 상기 발전기를 통해 입력된 전력인 교류(AC) 전압을 직류(DC) 전압으로 변환하여 출력하는 과정;
    DC 링크에서 상기 제 1 변환기로부터 상기 직류 전압을 수신하는 과정;
    배터리 제어부에서 전력계통으로 출력되는 전력에 따라 상기 DC 링크와 연결되어 상기 DC 링크의 상기 직류 전압을 구비된 배터리에 전기적인 에너지로서 충전하거나 충전된 상기 직류 전압이 방전되도록 하는 과정; 및
    제 2 변환기에서 상기 DC 링크에 일측이 연결되고 상기 배터리 제어부에 타측이 연결되어, 상기 DC 링크 및 상기 배터리 제어부 중 적어도 어느 하나로부터 공급된 상기 직류 전압을 상기 교류 전압으로 변환하여 상기 전력계통에 공급하는 과정
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 고용량 풍력 발전기의 제어 방법.
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