KR101410744B1 - 계통 연계형 전력변환장치의 전류기준치 및 발전기준치 제한 방법 - Google Patents

계통 연계형 전력변환장치의 전류기준치 및 발전기준치 제한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 계통 연계형 전력변환장치의 전류기준치 및 발전기준치 제한 방법에 관한 것으로서, 3상 불평형 전압 및 순간정전 구간에서도 신재생 에너지 시스템을 정지시키지 않고, 무효전력을 지원할 수 있도록 한 계통 연계형 전력변환장치의 전류기준치 및 발전기준치 제한 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 계통(grid)의 전류와 전압 정보를 정상성분과 역상성분으로 분류한 뒤, 정상성분은 종전과 같이 유효전력과 무효전력을 제어하는데 이용하고, 역상성분은 추가적인 제어 목적으로 사용할 수 있도록 역상분 전류제어기를 추가로 갖도록 하여, 전력변환장치의 최대 전류 및 유효전력을 고려하여 신재생 에너지원(발전기)과 연동제어를 실시함으로써, DC-링크 전압 및 유효전력을 보다 안정하게 제어할 수 있고, 그에 따라 3상 불평형 전압 및 순간정전 구간에서도 신재생 에너지 시스템을 정지시키지 않고 무효전력을 지원할 수 있도록 한 계통 연계형 전력변환장치의 전류기준치 및 발전기준치 제한 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

계통 연계형 전력변환장치의 전류기준치 및 발전기준치 제한 방법{Limitation method of the current and regeneration power reference using the grid-side converter capacity connected with utility grid}
본 발명은 계통 연계형 전력변환장치의 전류기준치 및 발전기준치 제한 방법에 관한 것으로서, 3상 불평형 전압 및 순간정전 구간에서도 신재생 에너지 시스템을 정지시키지 않고, 무효전력을 지원할 수 있도록 한 계통 연계형 전력변환장치의 전류기준치 및 발전기준치 제한 방법에 관한 것이다.
첨부한 도 1은 동기발전기, 권선형유도발전기, 혹은 태양광 발전, 풍력 발전과 같은 신재생 발전시스템에서 에너지를 생산하기 위한 전력변환장치의 하드웨어 구성도를 나타낸다.
도 1에서 보듯이, 일반적인 계통 연계형 신재생 에너지 시스템의 경우 계통 연계형 PWM 컨버터(Converter)를 이용하여 계통측과 신재생 에너지 시스템을 연결하고 있다.
기존의 계통 연계형 신재생 에너지 시스템의 경우, 계통에 사고발생시 신재생 발전시스템을 계통에서 분리하여 시스템의 안정성을 유지하고 있지만, 대용량의 계통연계형 신재생 에너지 시스템이 증가함에 따라 계통사고 발생시 신재생 발전 시스템을 계통에서 분리하게 되면 주변 전력망에 큰 영향을 주게 되고, 심할 경우 전력 시스템의 불안정성을 야기할 수 있다.
따라서, 전력망의 안정성을 확보하기 위하여 세계 각국에서는 계통연계규정(Grid Code)를 제정하여 풍력발전 시스템의 계통연계를 규제하고 있다.
대개, 계통 사고의 조건은 3상 평형의 계통사고 조건과, 3상 불평형의 계통사고 조건으로 구분이 가능하고, 3상 평형의 계통사고의 경우 계통전압의 크기만 감소한 형태로 나타나게 되며, 이때는 무효전류만 계통으로 공급하는 제어를 수행하면 된다.
하지만, 전력변환장치에서 허용 가능한 최대 전류는 스위칭 소자에 따라 결정되기 때문에 무효전류가 증가함에 따라 제어 가능한 유효전류의 크기는 감소하게 된다.
이에 따라, 발전기의 발전량이 전력변환장치가 감당할 수 있는 유효전력보다 클 경우, 이는 DC-링크(link) 전압의 상승으로 이어져 시스템이 불안정해지는 원인이 되며, 이에 DC-링크 전압이 허용 기준치 이상으로 상승할 경우 전력변환장치의 폴트(Fault)에 의해 계통 연계형 신재생 에너지 시스템이 계통에서 분리된다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 다이나믹 브레이킹(DB, Dynamic Breaking)을 통하여 DC-링크 전압의 안정성을 확보하는 방법과, 신재생 에너지원과 연동 제어를 실시하여 계통사고 조건에 따라 전력변환장치의 최대 출력을 계산하여 발전기의 피치 컨트롤(Pitch control) 등을 통하여 출력을 제한하여 DC-링크 전압의 안정성을 확보하는 방법 등이 제안되어 왔지만, 이러한 기존 방식들의 경우 계통 불평형 조건을 고려하지 않은 제어 방법으로써 3상 불평형의 계통사고 발생시에는 대처가 어려운 단점이 있다.
한편, 3상 불평형의 계통사고의 경우 유효전력 및 무효전력, 동기좌표계의 D,Q축 전류에서 계통주파수의 두 배에 해당하는 리플이 발생하게 된다.
따라서, 이러한 리플을 제거하기 위하여 듀얼 벡터 전류 제어(DVCC, Dual Vector Current Control) 방법이 제안되었으며, 첨부한 도 2는 듀얼 벡터 전류 제어를(DVCC)를 이용한 계통 연계형 컨버터(Converter)의 제어 블록도를 보여준다.
즉, 도 2는 전력변환장치는 한방향 혹은 양방향으로 에너지를 수수할 수 있는 형태를 가질 수 있고, 발전기측 컨버터(혹은 신재생 에너지원측 컨버터)와 계통측 컨버터로 구성되어 있다고 할 때, 전력계통과 연결되어 있는 계통측 컨버터의 제어방식을 나타낸다.
상기 듀얼 벡터 전류 제어 방법의 경우, 동기 좌표계에서 노치필터(Notch Filter)를 통하여 전류의 정상성분(Positive) 성분과 역상성분(Negative) 성분을 분리하여 제어하는 방법으로써, 정상성분(Positive) 성분의 전류제어기는 기존의 유효전력 및 무효전력의 제어를 담당하고, 역상성분(Negative) 성분의 전류제어기는 계통 주파수의 두 배에 해당하는 유효전력 및 무효전력의 리플을 줄이는 제어를 실시하여 3상 불평형 전압 발생시에서도 리플이 없는 유효전력 및 무효전력의 공급이 가능한 장점이 있다.
또한, 2상 정지 좌표계에서 PR 제어기를 통하여 정상성분 전류(Positive Current)와 역상성분 전류(Negative Current)를 동시에 제어하는 방법이 제안되었다. 위의 두 방식의 경우 역상성분 전류(Negative Current)의 전류를 제어하기 때문에 전체 전류의 피크(Peak)치가 상승하게 되며, 이로 인해 전력변환장치에 과전류가 흐르게 되어 스위칭 소자에 악영향을 주는 단점이 있다.
따라서, 불평형 전압 발생시 듀얼 벡터 전류 제어를 하고자 할 경우, 별도의 전류제한 알고리즘이 필요로 하며, 이를 위해 불평형 전압 발생시 전력변환장치의 사양을 고려하여 전류를 제안하는 방법이 제안되었으며, 이 방식의 경우는 정상성분 전류(Positive Current)와 역상성분 전류(Negative Current)를 통하여 무효전류를 공급하는 방법으로써, 피크(Peak) 전류가 흐르는 상을 기준으로 정상성분 전류(Positive Current)와 역상성분 전류(Negative Current)의 지령치를 인가하고, 전력변환장치의 전류가 전류 제한치 이상으로 넘어가지 않게 제어를 실시하여 전류를 안정적으로 제어한다는 장점이 있다.
하지만, 피크(Peak) 전류가 흐르는 각상을 검출하여야 하는 단점이 있고, 듀얼 벡터 전류 제어의 장점이라 할 수 있는 유효전력 및 무효전력의 리플을 제거하지 못하는 단점이 있으며, 또한 발전기와의 연동 제어를 실시하지 않아 발전량이 전력변환장치가 감당할 수 있는 정격을 넘어서는 경우에는 DC-링크 전압이 상승하는 단점이 있다.
한편, 계통 연계형 신재생 에너지를 제어하는 전력변환장치는 시간대 전압변동 조건, 즉 순간정전 조건에서도 발전시스템을 정지시키지 말고 유지시킬 수 있는 능력(순간정전 조건에서 발전시스템을 유지시킬 수 있는 저 전압 발전 지속(LVRT : Low Voltage Ride Through) 조건의 일례를 설명하는 도 3 참조)을 구비하여야 하며, 계통전압이 조속히 회복될 수 있도록 무효전력을 공급할 수 있어야 한다는 기술기준이 유럽(독일, Eon Netz)과 미국, 캐나다 등에서 필수 사양으로 채택되어 있다.
따라서, 정상성분 전류와 역상성분 전류를 각각 분해하여 제어하는 듀얼 벡터 전류 제어(DVCC)방법을 가지는 기존 방법을 적용하여, 도 3에 제시된 순간정전 조건 즉, 저 전압 발전 지속(LVRT : Low Voltage Ride Through) 조건에서 도 4에 나타낸 무효전류 주입조건에 따라 무효전류 성분을 계통으로 기여되게 할 때, 전력변환장치의 제어특성 결과는 도 5의 파형도에 나타낸 바와 같다.
그러나, 2상의 상전압이 예를 들어 정상 전압의 크기의 20%로 감소하였을 때, 역상분 전류 주입에 따른 전류제한 성분이 없기 때문에 전력변환장치의 전류가 정격전류 이상으로 주입되며, 전력변환장치의 인가 가능한 유효전력을 고려하지 않았기 때문에 DC-링크 전압 제어 특성이 악화될 수 있다.
또한, 불평형 전압 조건에서 기존의 듀얼 벡터 전류 제어기 사용시 그 제어특성을 나타내는 도 5의 파형도에서 보듯이, DC-링크 전압(DC-link Voltage)과 계통 유효전력(Grid Active Power) 특성에 전력변환장치의 제어 특성을 악화시키는 리플(Ripple)이 많이 포함되어 있다는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 계통전압이 3상 평형을 유지하는 구간은 물론이고, 순간정전과 같은 3상 불평형 구간에서도 권선형 유도발전기를 안정적으로 제어하는 방법이 필요하다.
이와 같이 순간정전 구간 및 불평형 전압 구간에서 저 전압 발전 지속(LVRT : Low Voltage Ride Through) 기능을 가지도록 하기 위해, 정상분 성분과 역상분 성분을 분리하여 제시한 사례의 방법도 있지만, 이 방법 또한 역상분 전류를 이용하여 계통측 전압에 무효전류를 공급하여 유효전력에 리플이 발생하게 되고, 또한 신재생 에너지원과의 연동 제어를 실시하지 않아 DC-링크 전압이 상승하는 단점을 가지고 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 계통(grid)의 전류와 전압 정보를 정상성분과 역상성분으로 분류한 뒤, 정상성분은 종전과 같이 유효전력과 무효전력을 제어하는데 이용하고, 역상성분은 추가적인 제어 목적으로 사용할 수 있도록 역상분 전류제어기를 추가로 갖도록 하여, 전력변환장치의 최대 전류 및 유효전력을 고려하여 신재생 에너지원(발전기)과 연동제어를 실시함으로써, DC-링크 전압 및 유효전력을 보다 안정하게 제어할 수 있고, 그에 따라 3상 불평형 전압 및 순간정전 구간에서도 신재생 에너지 시스템을 정지시키지 않고 무효전력을 지원할 수 있도록 한 계통 연계형 전력변환장치의 전류기준치 및 발전기준치 제한 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 전력계통과 신재생에너지원 사이에 놓여서 에너지는 변환하는 계통연계형 전력변환장치로서, 전력변환장치는 계통측 컨버터와 발전기측 컨버터로 구성될 때, 계통측 컨버터의 전류기준치 제한 방법과 발전기측 컨버터의 발전기준치 제한 방법에 있어서,
상기 계통측 컨버터의 전력 계통 전압과 전류를 정상성분과 역상성분으로 분리하고, 각각을 d-축과 q-축으로 분리하여 측정치를 얻고, d-축 전류와 q-축 전류 각각에 대해 정상성분 전류제어기와 역상성분 전류제어기를 각각 분리하여 제어기를 갖도록 제어하는 방법 및 분리하지 않고 제어하는 방법을 모두 포함하는 형태로 계통측 컨버터의 제어방법을 구성하되,
d-축 전류와 q-축 전류 각각에 대해 정상성분 전류제어기와 역상성분 전류제어기를 각각 분리하여 제어기를 갖도록 제어하는 경우,
전력계통 전압이 3상 평형, 혹은 순간정전을 포함하는 3상 불평형 조건에서,
상기 컨버터의 역상성분에 대한 d-축 및 q-축 전류 지령치를 구하는 단계와;
전력변환장치에서 인가할 수 있는 정상분 전류와 역상분 전류의 최대 허용 전류를 구하는 단계와;
컨버터의 역상성분에 대한 d-축 및 q-축 전류 지령치와, 정상분 전류와 역상분 전류의 최대 허용 전류를 기반으로, 계통측 컨버터의 최대전류 한계치를 구하는 단계와;
전력변환장치에서 제어 가능한 최대 유효전력 지령치를 구하는 단계;
를 통하여,
상기 계통측 컨버터가 가지는 최대전류 한계치 내에서 유효전력제어와 무효전력제어, 그리고 DC-링크 전압 제어가 보장되도록 하는 전류제한이 이루어지고,
상기 계통측 컨버터의 최대전류 한계치 내에서 발전 제어가 되도록 발전기측 컨버터 혹은 DC 전압원측 컨버터에서 발전할 수 있는 최대 유효전력 지령치를 제한하도록 하며,
상기 계통측 컨버터의 최대전류 한계치가
Figure 112013117724213-pat00187
이고, 정상성분 d-축 전류를
Figure 112013117724213-pat00188
, 정상성분 q-축 전류를
Figure 112013117724213-pat00189
, 계통 측에서 정상성분 d-축 전압을
Figure 112013117724213-pat00190
, 정상성분 q-축 전압을
Figure 112013117724213-pat00191
, 역상성분 d-축 전압을
Figure 112013117724213-pat00192
, 역상성분 q-축 전압을
Figure 112013117724213-pat00193
로 할 때,
정상성분 q-축 전류
Figure 112013117724213-pat00194
이 가질 수 있는 계통측 컨버터의 q-축 최대전류 한계치
Figure 112013117724213-pat00195
를
Figure 112013117724213-pat00196
로 계산하는 것을 특징으로 한다.
위의 계통측 컨버터의 q-축 최대전류 한계치를 구하는 식에서
Figure 112013117724213-pat00197
,
Figure 112013117724213-pat00198
이다.
삭제
삭제
삭제
본 발명에 따르면, 3상 전력계통 측에서 정상성분 q-축 전압을
Figure 112013117724213-pat00199
, 역상성분 d-축 전압을
Figure 112013117724213-pat00200
, 역상성분 q-축 전압을
Figure 112013117724213-pat00201
이고, 계통측 전류에 대해 역상성분 d-축 전류를
Figure 112013117724213-pat00202
, 역상성분 q-축 전류를
Figure 112013117724213-pat00203
, 그리고 정상성분 q-축 전류
Figure 112013117724213-pat00204
이 가질 수 있는 최대전류 한계치가
Figure 112013117724213-pat00205
일 때,
DC-링크 전압을 안정적으로 제어할 수 있도록 전력변환장치의 발전기측 컨버터의 최대 유효전력 지령치를
Figure 112013117724213-pat00206
으로 결정하여 발전기준치를 제한하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 정상성분 전류와 역상성분 전류 각각에 대해, 그리고 d-축 전류와 q-축 전류 각각에 대해 독립적인 제어기를 갖도록 한 상태에서 계통측 컨버터를 제어하는 경우, 전력계통 측에서 정상성분 q-축 전압을
Figure 112012090348999-pat00019
, 역상성분 d-축 전압을
Figure 112012090348999-pat00020
, 역상성분 q-축 전압을
Figure 112012090348999-pat00021
, 계통측 전류에 대해 정상성분 d-축 전류를
Figure 112012090348999-pat00022
, 정상성분 q-축 전류를
Figure 112012090348999-pat00023
이라고 할 때, 역상성분 d-축 전류성분의 지령치
Figure 112012090348999-pat00024
를
Figure 112012090348999-pat00025
으로 결정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 정상성분 전류와 역상성분 전류 각각에 대해, 그리고 d-축 전류와 q-축 전류 각각에 대해 독립적인 제어기를 갖도록 한 상태에서 계통측 컨버터를 제어하는 경우, 전력계통 측에서 정상성분 q-축 전압을
Figure 112012090348999-pat00026
, 역상성분 d-축 전압을
Figure 112012090348999-pat00027
, 역상성분 q-축 전압을
Figure 112012090348999-pat00028
, 계통측 전류에 대해 정상성분 d-축 전류를
Figure 112012090348999-pat00029
, 정상성분 q-축 전류를
Figure 112012090348999-pat00030
이라고 할 때, 역상성분 q-축 전류성분의 지령치
Figure 112012090348999-pat00031
를
Figure 112012090348999-pat00032
으로 결정하는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 정상성분 전류와 역상성분 전류 각각에 대해, 그리고 d-축 전류와 q-축 전류 각각에 대해 독립적인 제어기를 갖도록 한 상태에서 계통측 컨버터를 제어하는 경우, 전력계통 측에서 정격전압를
Figure 112012090348999-pat00033
, 정상성분 전압의 크기를
Figure 112012090348999-pat00034
, 정상성분 q-축 전류
Figure 112012090348999-pat00035
이 가질 수 있는 최대전류 한계치가
Figure 112012090348999-pat00036
, 정상성분 전류제어기에 필요한 d-축 전류 지령치를
Figure 112012090348999-pat00037
, 정상성분 q-축 전류 지령치를
Figure 112012090348999-pat00038
이라고 할 때, 정격전압에 대한 정상성분 전압의 비율
Figure 112012090348999-pat00039
이 10% 이하 일때는 d-축 전류 지령치를
Figure 112012090348999-pat00040
=0 으로 결정하고, 정격전압에 대한 정상성분 전압의 비율
Figure 112012090348999-pat00041
이 10%와 50% 사이일때는 d-축 전류 지령치를
Figure 112012090348999-pat00042
으로 결정하며, 정격전압에 대한 정상성분 전압의 비율
Figure 112012090348999-pat00043
이 50% 이상일때는 d-축 전류 지령치를
Figure 112012090348999-pat00044
,
Figure 112012090348999-pat00045
으로 결정하는 것을 특징으로 한다.
반면, d-축 전류와 q-축 전류 각각에 대해 정상성분 전류제어기와 역상성분 전류제어기를 각각 분리하지 않고 섞여 있는 형태로 제어하는 경우,
상기 정상성분 전류와 역상성분 전류 각각에 대해, 그리고 d-축 전류와 q-축 전류 각각에 대해 독립적인 제어기를 갖지 않도록 한 다음,
전력계통 측의 정격전압을
Figure 112013117724213-pat00207
, 전력계통 전압의 크기를
Figure 112013117724213-pat00208
이라 하고, 정상성분 전류와 역상성분 전류는 함께 혼합된 d-축 전류를
Figure 112013117724213-pat00209
, 정상성분 전류와 역상성분 전류가 함께 혼합된 q-축 전류를
Figure 112013117724213-pat00210
, 정상성분 전류와 역상성분 전류가 함께 혼합된 모드에서 계통측 컨버터의 최대전류 한계치를
Figure 112013117724213-pat00211
이라고 할 때,
정상성분 전류와 역상성분 전류가 함께 혼합된 q-축 전류
Figure 112013117724213-pat00212
이 가질 수 있는 최대전류 한계치
Figure 112013117724213-pat00213
를
Figure 112013117724213-pat00214
으로 계산하는 것을 특징으로 한다.
위의 최대전류 한계치
Figure 112013117724213-pat00215
를 구하는 식에서,
Figure 112013117724213-pat00216
이며, Vgd는 정상성분 전압과 역상성분 전압이 함께 혼합된 d-축 전압을, Vgq는 정상성분 전압과 역상성분 전압이 함께 혼합된 q-축 전압을 나타낸다.
또한, 상기 정상성분 전류와 역상성분 전류 각각에 대해, 그리고 d-축 전류와 q-축 전류 각각에 대해 독립적인 제어기를 갖지 않도록 한 상태에서 계통측 컨버터를 제어하는 경우, 전력계통 측의 정격전압을
Figure 112012090348999-pat00054
, 전력계통 전압의 크기를
Figure 112012090348999-pat00055
이라 하고, 정상성분 전류와 역상성분 전류는 함께 혼합된 d-축 전류를
Figure 112012090348999-pat00056
으로 표시하고, 정상성분 전류와 역상성분 전류가 함께 혼합된 q-축 전류를
Figure 112012090348999-pat00057
, 계통측 컨버터의 최대전류 한계치를
Figure 112012090348999-pat00058
, 정상성분 전류와 역상성분 전류는 함께 혼합된 d-축 전류
Figure 112012090348999-pat00059
의 지령치를
Figure 112012090348999-pat00060
, 정상성분 전류와 역상성분 전류는 함께 혼합된 q-축 전류
Figure 112012090348999-pat00061
의 지령치를
Figure 112012090348999-pat00062
이라고 할때, 정격전압에 대한 전압크기의 비율
Figure 112012090348999-pat00063
이 10% 이하 일때는 d-축 전류 지령치를
Figure 112012090348999-pat00064
으로 결정하고, 정격전압에 대한 전압크기의 비율
Figure 112012090348999-pat00065
이 10%와 50% 사이 일때는 d-축 전류 지령치를
Figure 112012090348999-pat00066
으로 결정하고, 정격전압에 대한 전압크기의 비율(
Figure 112012090348999-pat00067
)이 50% 이상일때는 d-축 전류 지령치를
Figure 112012090348999-pat00068
,
Figure 112012090348999-pat00069
으로 결정하는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
1) 계통 연계형으로 운전되는 신재생 에너지 제어용 전력변환장치에 적용할 경우, 계통전압이 순시정전(150ms 이하) 구간에서 발생될 수 있는 불평형 전압 조건에서도 AC-DC 구조를 갖는 전력변환장치의 직류단 전압(DC_link voltage)을 안정적으로 제어할 수 있다.
2) 계통 연계형으로 운전되는 신재생 에너지 제어용 전력변환장치에 적용할 경우, 불평형 전압 조건에서도 전력변환장치의 전류용량이 허용하는 범위내에서 무효전류 및 유효전력을 리플없이 안정적으로 공급할 수 있다.
3) 특히, 풍력발전과 같이 발전기를 이용하여 에너지를 추출하고, 추출된 전기에너지를 전력계통에 바로 연결하는 계통연계형 발전시스템에 적용되는 양방향 전력변환장치에서, 불평형 계통전압이 발생되는 sag 전압 혹은 swell 전압 조건에서도 전력변환장치의 전류 한계치를 만족하도록 전류제어기를 동작시킴으로써, 전력변환장치를 정지시키지 않을 수 있으면서 무효전력제어와 유효전력제어를 정교하게 수행할 수 있고, DC-링크 전압을 안정적으로 제어할 수 있어서 LVRT(low voltage ride-through) 기능을 가지는 발전기 제어장치를 개발하는데 크게 기여 할 수 있다.
4) 상기의 1)과 2)의 효과 특성을 갖게 되면서 권선형유도발전기를 갖는 분산전원(풍력발전, 조류발전, 파력발전, 소수력발전 등) 생성용 전력변환장치에서, 순간정전 발생시 계통 전압을 조속히 회복시킬 수 있도록 무효전력을 공급할 수 있는 기능을 가질 수 있고, 따라서 순간정전 구간에서 무효전력을 공급해야 하는 유럽 기준(E.ON Netz Standard)을 만족할 수 있는 권선형유도발전기 제어용 전력변환장치 개발에 이용될 수 있다.
5) 결과적으로, 신재생 에너지를 이용하는 풍력발전시스템, 조류발전 시스템, 조력발전 시스템, 조력발전 시스템, 파력발전 시스템 등을 고품질로 제어할 수 있는 제어장치 개발에 기여할 수 있다.
도 1은 계통 연계형 신재생 에너지 시스템 블록도,
도 2는 기존의 듀얼 벡터 전류 제어(DVCC) 방식을 이용한 계통 연계형 컨버터(Converter) 제어방식을 나타낸 제어도,
도 3은 순간정전 조건에서 발전시스템을 유지시킬 수 있는 저 전압 발전 지속(LVRT : Low Voltage Ride Through) 조건의 일례를 설명하는 개략도,
도 4는 저 전압 발전 지속(LVRT : Low Voltage Ride Through) 조건에서 무효전류 주입조건을 설명하는 개략도,
도 5는 불평형 전압 조건에서 기존의 듀얼 벡터 전류 제어기 사용시 그 제어특성을 나타내는 파형도,
도 6은 L 필터를 갖는 계통측 컨버터를 보여주는 블록도,
도 7은 본 발명에 따른 계통 연계형 전력변환장치의 전류기준치 및 발전기준치 제한 방법을 위한 계통측 컨버터 제어 블록도.
도 8은 본 발명에 따른 컨버터 제어에 따라, 삼상 Sag 전압 발생시 시뮬레이션 파형을 나타낸다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
일반적으로, 발전기(동기발전기 및 권선형유도발전기, 농형유도발전기)와 전력계통 사이에 놓여서 에너지를 변환하는 전력변환장치, 또는 태양전지판과 전력계통 사이에 놓여서 에너지를 변환하는 전력변환장치 등은 AC-DC 변환 기능을 담당하는 계통측 컨버터와 DC-AC 변환기능을 담당하는 발전기측 컨버터, 또는 AC-DC 변환 기능을 담당하는 계통측 컨버터와 DC-DC 변환기능을 담당하는 DC 전압원(solar cell, fuel cell, battery, DC generator 등)측 컨버터로 구분되며, 특히 본 발명은 계통측 컨버터와 발전기측 컨버터 혹은 DC 전원측 컨버터(신재생 에너지원측 컨버터)로 구분될 때, 계통측 컨버터를 제어하기 위한 방법을 제공하고자 한 것이다.
우선, 본 발명의 이해를 돕고자, 계통 연계형 PWM 컨버터를 제어하기 위한 방법에 필요한 파라미터를 다음과 같이 정의한다.
Figure 112012090348999-pat00070
: 계통 전압
Figure 112012090348999-pat00071
,
Figure 112012090348999-pat00072
: 계통 전압의 정상성분에 대한 d-,q-축 성분
Figure 112012090348999-pat00073
,
Figure 112012090348999-pat00074
: 계통 전압의 역상성분에 대한 d-,q-축 성분
Figure 112012090348999-pat00075
,
Figure 112012090348999-pat00076
: 계통 전압의 정상성분 및 역상성분의 크기
Figure 112012090348999-pat00077
,
Figure 112012090348999-pat00078
: 컨버터의 정상성분에 대한 d-,q-축 출력전압
Figure 112012090348999-pat00079
,
Figure 112012090348999-pat00080
: 컨버터의 역상성분에 대한 d-,q-축 출력전압
Figure 112012090348999-pat00081
,
Figure 112012090348999-pat00082
: 컨버터의 정상성분에 대한 d-,q-축 출력전류
Figure 112012090348999-pat00083
,
Figure 112012090348999-pat00084
: 컨버터의 역상성분에 대한 d-,q-축 출력전류
Figure 112012090348999-pat00085
: 컨버터 전류 최대치
Figure 112012090348999-pat00086
: 컨버터의 정상성분에 대한 q-축 전류 최대치
Figure 112012090348999-pat00087
: 컨버터의 유효전류 최대치
Figure 112012090348999-pat00088
: 계통 전압의 변동률
Figure 112012090348999-pat00089
: L 필터 저항
Figure 112012090348999-pat00090
: L 필터 인덕턴스
Figure 112012090348999-pat00091
: 계통 전원 각속도
Figure 112012090348999-pat00092
: 정상상태에서의 계통전압의 크기
Figure 112012090348999-pat00093
: 컨버터의 유효전력
Figure 112012090348999-pat00094
: 유효전력의 직류성분의 크기
Figure 112012090348999-pat00095
,
Figure 112012090348999-pat00096
: 계통 주파수의 2배로 맥동하는 교류성분의 유효전력의 크기
본 발명에 따르면, 상기 계통측 컨버터의 전력 계통 전압과 전류를 정상성분과 역상성분으로 분리하고, 각각을 d-축과 q-축으로 분리하여 측정치를 얻고, 정상성분 전류와 역상성분 전류 각각에 대해, 그리고 d-축 전류와 q-축 전류 각각에 대해 독립적인 제어기를 갖거나 갖지 않도록 한 상태에서 계통측 컨버터를 제어하되, 전력계통 전압이 3상 평형, 혹은 순간정전을 포함하는 3상 불평형 조건에서, 상기 컨버터의 역상성분에 대한 d-축 및 q-축 전류 지령치를 구하는 단계와, 전력변환장치에서 인가할 수 있는 정상분 전류와 역상분 전류의 최대 허용 전류를 구하는 단계가 선행된다.
이를 위해, 먼저 전술한 바와 같은 불평형 전압 발생시 계통 연계형 PWM 컨버터의 유효전력 및 무효전력을 정상분과 역상분으로 나누어 나타내면 아래의 수학식 1과 같다.
Figure 112012090348999-pat00097
또한, 계통측으로 주입되는 전제 유효전력을 표현하면 다음의 수학식 2와 같다.
Figure 112012090348999-pat00098
위의 수학식 2에 따른 컨버터의 유효전력(Pg) 즉, 전체 유효전력에서 계통주파수의 두 배의 성분이 리플로 발생하게 되는 것을 도 5의 파형도를 참조로 전술한 바와 같이 확인할 수 있다.
이때, 계통측에 리플이 없는 일정한 유효전력을 공급하기 위해서는 계통 주파수의 2배로 맥동하는 교류성분의 유효전력 크기를 나타내는
Figure 112012090348999-pat00099
와
Figure 112012090348999-pat00100
을 0으로 제어하면 유효전력의 리플을 제거할 수 있다.
수학식 1에서, 위상 고정 루프(PLL) 제어를 통하여 계통 전압의 정상성분에 대한 d-축 성분인
Figure 112012090348999-pat00101
= 0이 되도록 θ를 결정하는 경우,
Figure 112012090348999-pat00102
와
Figure 112012090348999-pat00103
성분을 역상분 전류의 식으로 나타내면 아래의 수학식 3 및 4와 같이 나타낼 수 있고, 수학식 3 및 수학식 4을 통해 각각 컨버터의 역상성분에 대한 d-,q-축 출력전류 즉, 역상성분에 대한 d-축 및 q-축 전류 지령치를 구할 수 있다.
Figure 112012090348999-pat00104
Figure 112012090348999-pat00105
또한, 전력변환장치에서 인가할 수 있는 정상분 전류와 역상분 전류의 최대 허용 전류는 아래의 수학식 5와 같이 나타낼 수 있고, 수학식 5에서
Figure 112012090348999-pat00106
는 전력변환장치의 최대 허용전류 피크(Peak)치 즉, 컨버터 전류 최대치를 의미한다.
Figure 112012090348999-pat00107
여기서, 상기 수학식 3 및 4를 수학식 5의 역상분 전류의 함수에 대입함으로써, 아래의 수학식 6을 얻을 수 있고, 이를 다시 정리하여 표현하면 아래의 수학식 7과 같다.
Figure 112012090348999-pat00108
Figure 112012090348999-pat00109
수학식 7에서,
Figure 112012090348999-pat00110
,
Figure 112012090348999-pat00111
이다.
또한, 상기 수학식 7을 수학식 5에 대입하여 전체 전류에 대하여 표현하면 수학식 5는 다시 아래의 수학식 8과 같이 표현될 수 있고, 수학식 8을 정상성분(Positive) Q축 성분의 전류 즉, 컨버터의 정상성분에 대한 q-축 전류 최대치(
Figure 112012090348999-pat00112
)로 다시 표현하면 아래의 수학식 9와 같이 표현되며, 바람직하게는 정상성분(Positive) Q축 전류 지령치는 수학식 9에 따른 계산값을 넘어서는 안 된다.
Figure 112012090348999-pat00113
Figure 112012090348999-pat00114
위의 수학식 9에서,
Figure 112012090348999-pat00115
이다.
컨버터의 유효전력(Pg) 즉, 전력변환장치의 출력단에서 측정되는 유효전력은 위의 수학식 2와 같으며, 여기서
Figure 112012090348999-pat00116
와
Figure 112012090348999-pat00117
은 0이 되도록 제어하고, 계통 전압의 정상성분에 대한 d-축 성분인
Figure 112012090348999-pat00118
= 0이므로, 위의 수학식 9를 수학식 2에 대입하면 전력변환장치에서 제어 가능한 최대 유효전력은 아래의 수학식 10과 같이 표현된다.
Figure 112012090348999-pat00119
따라서, 신재생 에너지 시스템의 유효전력은 수학식 10에 따라 계산된 값, 즉 컨버터의 유효전류 최대치를 넘지 않도록 하며, 이에 에너지를 회수할 때 DC-link 전압을 안정적으로 제어할 수 있으므로, 결국 신재생 에너지 시스템의 유효전력 지령치는 수학식 10에 따라 계산된 값을 고려하여 인가하여야 한다.
이렇게 컨버터의 역상성분에 대한 d-축 및 q-축 전류 지령치와, 정상분 전류와 역상분 전류의 최대 허용 전류를 기반으로, 계통측 컨버터의 최대전류 한계치를 수학식 9를 통하여 구하고, 전력변환장치에서 제어 가능한 최대 유효전력 지령치를 수학식 10을 통하여 구하여, 상기 계통측 컨버터가 가지는 최대전류 한계치 내에서 유효전력제어와 무효전력제어, 그리고 DC-링크 전압 제어가 보장되도록 하는 전류제한이 이루어지고, 또한 계통측 컨버터의 최대전류 한계치 내에서 발전 제어가 되도록 발전기측 컨버터 혹은 DC 전압원측 컨버터에서 발전할 수 있는 최대 유효전력 지령치를 제한하는 제어가 이루어질 수 있다.
한편, 계통전압의 정상상태에서 정상분 D축 전류 지령치가 0이라면 계통전압 강하조건에서 계통측에 공급하여야 하는 무효전류는 아래의 수학식 11과 같다.
Figure 112012090348999-pat00120
위의 수학식 11에서와 같이, 계통전압의 변동률(VR)이 50%를 넘어가는 조건에서는 전력변환장치의 모든 전류는 무효전류를 공급하는데 사용하여야 하므로, 역상성분 전류(Negative Current)를 위한 전류 및 유효전력을 제거하기 위한 여유분이 없다. 따라서 이러한 조건에서는 역상성분(Negative) D축 및 Q축 전류(
Figure 112012090348999-pat00121
,
Figure 112012090348999-pat00122
) 및 정상성분(Positive) Q축 전류(
Figure 112012090348999-pat00123
)는 0으로 제어하여 전력변환장치의 전류를 확보하도록 한다.
첨부한 도 6은 L 필터를 갖는 계통측 컨버터를 보여주는 블록도로서, L 필터를 갖는 3상 PWM 컨버터를 나타내며, 이러한 3상 PWM 컨버터를 불평형 전압 조건에서 제어하기 위하여 정상분과 역상분 성분으로 전류 및 전압을 분리하여 제어하며 이를 동기 좌표계로 나타내면 아래의 수학식 12 내지 수학식 15와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112012090348999-pat00124
Figure 112012090348999-pat00125
Figure 112012090348999-pat00126
Figure 112012090348999-pat00127
따라서, 상기의 수학식 12 ~ 수학식 15를 컨버터 제어 전압으로 다시 표현하면, 아래의 수학식 16 내지 수학식 19와 같이 나타낼 수 있고, 여기서 전류의 미분텀을 PI제어기로 구성하여 제어기를 구성하면, 아래의 수학식 20 내지 수학식 23과 같은 연산을 수행하는 제어기를 구성할 수 있다.
Figure 112012090348999-pat00128
Figure 112012090348999-pat00129
Figure 112012090348999-pat00130
Figure 112012090348999-pat00131
Figure 112012090348999-pat00132
Figure 112012090348999-pat00133
Figure 112012090348999-pat00134
Figure 112012090348999-pat00135
여기서, 본 발명에 따른 계통 연계형 전력변환장치의 전류기준치 및 발전기준치 제한을 위한 계통연계형 PWM 컨버터의 제어 블록도는 첨부한 도 7에 나타낸 바와 같다.
도 7의 전류제한기(Current Limiter)와 발전기 전력 제한기(Generator Power Limiter)를 이용하여, 계통전압 및 전류의 조건에 따라 각각 전력변환장치에 인가 가능한 최대 정상성분(Positive) Q축 전류와 최대 유효전력을 계산한다.
즉, 위의 수학식 9와 수학식 10을 통하여 각각 전력변환장치에 인가 가능한 최대 정상성분 Q축 전류 및 최대 유효전력을 계산하고, 계산된 값을 통해 발전기측 최대 유효전력 및 전력변환장치의 최대 정상성분 Q축 전류를 제한하게 된다.
따라서, 상기 수학식 11을 통하여 계통사고 조건에 따른 무효전류 공급치를 계산하고, 수학식 3 및 4를 이용하여 얻어진 역상성분(Negative) 전류 지령치를 인가한다.
한편, 계통전압에 따른 발전기측 출력 지령치는 발전기의 속도 또는 MPPT를 통하여 지령되지만, 계통측 전력변환장치의 상황을 고려하여 제어 가능한 최대 출력으로 제한된다.
실제 시스템에서는 발전기측 출력의 급격한 변화는 발전기측 토크를 변화시키게 되며, 이때 발전기에 결합된 증속기 및 블레이드에 악영향을 줄 수 있으므로, 이를 고려하여 증속기 및 블레이드에 영향을 주지 않는 범위 내에서 발전 지령치를 완만하게 감소시켜야 한다.
그리고, 계통측 전력변환장치와 발전기의 유효전력의 차로 인해 발생하는 DC-링크의 상승부분은 DB 저항을 통하여 감소시켜야 하고, 이와 같이 발전 지령치를 계통전압의 조건에 따라 감소시키면서 부분적으로 DB를 사용하게 되면 풍력발전 시스템에 스트레스를 주지 않으면서 안정적으로 LVRT에 대응할 수 있으며 DB를 사용하는 구간도 최소화시켜 전체 시스템을 안정적으로 제어할 수 있다.
첨부한 도 8은 삼상 Sag 전압 발생시 시뮬레이션 파형으로서, 신재생 에너지원으로써 300kW 영구자석형 동기 발전기를 대상으로 불평형 전압강하 조건에서 운전되는 동특성을 분석한 결과를 나타낸다.
Va상과 Vb상의 전압은 정격크기의 20%로 감소하는 조건에서 전류 제한치 및 유효전류 제한치를 적용한 본 발명의 방법을 적용할 경우, DC-링크 전압이 상승하지 않고 안정적으로 제어되고 있음을 분석할 수 있었다.
즉, 동일한 불평형 조건에서, 기존의 DVCC의 제어 특성은 불평형 전압 구간에서 DC-링크 전압이 상승하고, 역상분 전류 지령치로 인하여 전력변환장치의 허용 전류 기준치를 넘는 단점이 있었으며, 또한 DC-링크 전압과 계통 유효전력 특성에 리플(Ripple)이 많이 포함되는 단점이 있었지만, 전류 제한치 및 유효전류 제한치를 적용한 본 발명의 방법을 적용할 경우 전력변환장치의 각상의 전류가 전력변환장치의 허용 전류 기준치를 넘지 않고, 안정적으로 제어 되고 있음을 알 수 있고, DC-링크 전압과 계통 유효전력 특성에 리플(Ripple)이 제거됨을 알 수 있었다.
이와 같이, 발전기를 제어하여 전기를 생산하기 위한 계통 연계형 전력변환장치가 계통측 컨버터와 발전기 컨버터로 구분되어 양방향으로 에너지를 수수하는 상태에서, 계통측 컨버터를 제어하기 위한 방법으로서, 정상성분 전류와 역상성분 전류 크기, 그리고 전력변환장치의 전류 한계치를 고려하여, 매 순간 전류제어기에서 출력 가능한 최대 전류기준치를 수식 기반으로 결정하여, 불평형 전압 조건에서도 무효전력제어와 유효전력제어 특성을 크게 개선할 수 있다.
또한, 정상성분 전류와 역상성분 전류 크기, 그리고 전력변환장치의 전류 한계치를 고려하여, 매 순간 계통으로 송출할 수 있는 계통측 컨버터의 용량을 알 수 있도록 제시하고, 발전기측 컨버터에서 발전할 수 있는 유효전력의 최대 크기를 수식 기반으로 결정하는 단계방법을 제시함으로써, 불평형 전압 조건에서도 DC_링크 전압을 안정적으로 제어할 수 있다.

Claims (5)

  1. 전력계통과 신재생에너지원 사이에 놓여서 에너지는 변환하는 계통연계형 전력변환장치로서, 전력변환장치는 계통측 컨버터와 발전기측 컨버터로 구성될 때, 계통측 컨버터의 전류기준치 제한 방법과 발전기측 컨버터의 발전기준치 제한 방법에 있어서,
    상기 계통측 컨버터의 전력 계통 전압과 전류를 정상성분과 역상성분으로 분리하고, 각각을 d-축과 q-축으로 분리하여 측정치를 얻고, d-축 전류와 q-축 전류 각각에 대해 정상성분 전류제어기와 역상성분 전류제어기를 각각 분리하여 제어기를 갖도록 제어하는 방법 및 분리하지 않고 제어하는 방법을 모두 포함하는 형태로 계통측 컨버터의 제어방법을 구성하되,
    d-축 전류와 q-축 전류 각각에 대해 정상성분 전류제어기와 역상성분 전류제어기를 각각 분리하여 제어기를 갖도록 제어하는 경우,
    전력계통 전압이 3상 평형, 혹은 순간정전을 포함하는 3상 불평형 조건에서,
    상기 컨버터의 역상성분에 대한 d-축 및 q-축 전류 지령치를 구하는 단계와;
    전력변환장치에서 인가할 수 있는 정상분 전류와 역상분 전류의 최대 허용 전류를 구하는 단계와;
    컨버터의 역상성분에 대한 d-축 및 q-축 전류 지령치와, 정상분 전류와 역상분 전류의 최대 허용 전류를 기반으로, 계통측 컨버터의 최대전류 한계치를 구하는 단계와;
    전력변환장치에서 제어 가능한 최대 유효전력 지령치를 구하는 단계;
    를 통하여,
    상기 계통측 컨버터가 가지는 최대전류 한계치 내에서 유효전력제어와 무효전력제어, 그리고 DC-링크 전압 제어가 보장되도록 하는 전류제한이 이루어지고,
    상기 계통측 컨버터의 최대전류 한계치 내에서 발전 제어가 되도록 발전기측 컨버터 혹은 DC 전압원측 컨버터에서 발전할 수 있는 최대 유효전력 지령치를 제한하도록 하며,
    상기 계통측 컨버터의 최대전류 한계치가
    Figure 112013117724213-pat00136
    이고, 정상성분 d-축 전류를
    Figure 112013117724213-pat00137
    , 정상성분 q-축 전류를
    Figure 112013117724213-pat00138
    , 계통 측에서 정상성분 d-축 전압을
    Figure 112013117724213-pat00139
    , 정상성분 q-축 전압을
    Figure 112013117724213-pat00140
    , 역상성분 d-축 전압을
    Figure 112013117724213-pat00141
    , 역상성분 q-축 전압을
    Figure 112013117724213-pat00142
    로 할 때,
    정상성분 q-축 전류
    Figure 112013117724213-pat00143
    이 가질 수 있는 계통측 컨버터의 q-축 최대전류 한계치
    Figure 112013117724213-pat00144
    를
    Figure 112013117724213-pat00145
    로 계산하는 것을 특징으로 하는 계통연계형 전력변환장치의 전류기준치 및 발전기준치 제한 방법.
    위의 계통측 컨버터의 q-축 최대전류 한계치를 구하는 식에서
    Figure 112013117724213-pat00146
    ,
    Figure 112013117724213-pat00147
    이다.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    3상 전력계통 측에서 정상성분 q-축 전압을
    Figure 112013117724213-pat00148
    , 역상성분 d-축 전압을
    Figure 112013117724213-pat00149
    , 역상성분 q-축 전압을
    Figure 112013117724213-pat00150
    이고, 계통측 전류에 대해 역상성분 d-축 전류를
    Figure 112013117724213-pat00151
    , 역상성분 q-축 전류를
    Figure 112013117724213-pat00152
    , 그리고 정상성분 q-축 전류
    Figure 112013117724213-pat00153
    이 가질 수 있는 최대전류 한계치가
    Figure 112013117724213-pat00154
    일 때,
    DC-링크 전압을 안정적으로 제어할 수 있도록 전력변환장치의 발전기측 컨버터의 최대 유효전력 지령치를
    Figure 112013117724213-pat00155
    으로 결정하여 발전기준치를 제한하는 것을 특징으로 하는 계통연계형 전력변환장치의 전류기준치 및 발전기준치 제한 방법.

  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 정상성분 전류와 역상성분 전류 각각에 대해, 그리고 d-축 전류와 q-축 전류 각각에 대해 독립적인 제어기를 갖도록 한 상태에서 계통측 컨버터를 제어하는 경우,
    전력계통 측에서 정격전압를
    Figure 112012090348999-pat00156
    , 정상성분 전압의 크기를
    Figure 112012090348999-pat00157
    , 정상성분 q-축 전류
    Figure 112012090348999-pat00158
    이 가질 수 있는 최대전류 한계치가
    Figure 112012090348999-pat00159
    , 정상성분 전류제어기에 필요한 d-축 전류 지령치를
    Figure 112012090348999-pat00160
    , 정상성분 q-축 전류 지령치를
    Figure 112012090348999-pat00161
    이라고 할 때,
    정격전압에 대한 정상성분 전압의 비율
    Figure 112012090348999-pat00162
    이 10% 이하 일때는 d-축 전류 지령치를
    Figure 112012090348999-pat00163
    =0 으로 결정하고, 정격전압에 대한 정상성분 전압의 비율
    Figure 112012090348999-pat00164
    이 10%와 50% 사이일때는 d-축 전류 지령치를
    Figure 112012090348999-pat00165
    으로 결정하며, 정격전압에 대한 정상성분 전압의 비율
    Figure 112012090348999-pat00166
    이 50% 이상일때는 d-축 전류 지령치를
    Figure 112012090348999-pat00167
    ,
    Figure 112012090348999-pat00168
    으로 결정하는 것을 특징으로 하는 계통연계형 전력변환장치의 전류기준치 및 발전기준치 제한 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    d-축 전류와 q-축 전류 각각에 대해 정상성분 전류제어기와 역상성분 전류제어기를 각각 분리하지 않고 섞여 있는 형태로 제어하는 경우,
    상기 정상성분 전류와 역상성분 전류 각각에 대해, 그리고 d-축 전류와 q-축 전류 각각에 대해 독립적인 제어기를 갖지 않도록 한 다음,
    전력계통 측의 정격전압을
    Figure 112013117724213-pat00169
    , 전력계통 전압의 크기를
    Figure 112013117724213-pat00170
    이라 하고, 정상성분 전류와 역상성분 전류는 함께 혼합된 d-축 전류를
    Figure 112013117724213-pat00171
    , 정상성분 전류와 역상성분 전류가 함께 혼합된 q-축 전류를
    Figure 112013117724213-pat00172
    , 정상성분 전류와 역상성분 전류가 함께 혼합된 모드에서 계통측 컨버터의 최대전류 한계치를
    Figure 112013117724213-pat00173
    이라고 할 때,
    정상성분 전류와 역상성분 전류가 함께 혼합된 q-축 전류
    Figure 112013117724213-pat00174
    이 가질 수 있는 최대전류 한계치
    Figure 112013117724213-pat00217
    를
    Figure 112013117724213-pat00176
    으로 계산하는 것을 특징으로 하는 계통연계형 전력변환장치의 전류기준치 및 발전기준치 제한 방법.
    위의 최대전류 한계치
    Figure 112013117724213-pat00218
    를 구하는 식에서,
    Figure 112013117724213-pat00178
    이며, Vgd는 정상성분 전압과 역상성분 전압이 함께 혼합된 d-축 전압을, Vgq는 정상성분 전압과 역상성분 전압이 함께 혼합된 q-축 전압을 나타낸다.
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