KR101540753B1 - 풍력 발전 시스템의 과도 전압 크기를 감소시킨 저전압 발생 장치 및 방법 - Google Patents

풍력 발전 시스템의 과도 전압 크기를 감소시킨 저전압 발생 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

풍력 발전 시스템의 과도 전압 크기를 감소시킨 저전압 발생 장치 및 방법이 개시된다. 저전압 발생 장치에 있어서, 계통과 풍력 발전기를 전기적으로 연결하는 직렬 리액터; 상기 직렬 리액터에 각각 병렬 연결되는 제1 스위치 및 제3 스위치; 상기 직렬 리액터에 걸리는 전압의 분배를 위해 상기 직렬 리액터의 일 단에 연결되는 병렬 리액터; 및 상기 병렬 리액터의 타 단과 접지단을 연결하기 위해 개재되는 제2 스위치를 포함한다.

Description

풍력 발전 시스템의 과도 전압 크기를 감소시킨 저전압 발생 장치 및 방법{Low voltage generating device and method for reducing voltage level of transient state of wind power generation system}
본 발명은 풍력 발전 시스템의 과도 전압 크기를 감소시킨 저전압 발생 장치 및 방법에 관한 것이다.
풍력 발전 터빈이나 풍력 발전 단지가 전력 계통에서 차지하는 용량이 증가함에 따라 계통 운영자들은 계통 연계 규정(Grid code)을 제정하여 전력 품질 및 계통 전원 이상시 풍력 발전기에 의한 사고 발생 확산을 방지하기 위해 노력하고 있다.
풍전 발전기의 LVRT(Low Voltage Ride Through) 극복 능력은 계통 연계 규정 중 가장 중요한 규정이라 할 수 있다. LVRT는 계통(Grid) 측에 사고가 발생하여 풍력 발전기에서 생산된 전기 에너지가 계통측으로 전달되지 못하는 상황을 의미한다.
LVRT 극복 능력을 시험하기 위해 저전압 발생을 모의할 수 있는 시험장치인 저전압(Low voltage) 발생 장치가 이용되고 있다.
그러나 종래의 저전압 발생 장치는 저전압 발생 모의 과정에서 발생되는 전류의 순간적 변화로 인해 풍력 발전기 입력 전압의 급격한 또한 과도한 상승이 초래되어 스위치에 과도한 스트레스가 야기되며, 풍력 발전기의 인버터 제어에 어려움을 야기되는 문제점이 있었다.
본 발명은 저전압 발생 장치의 동작 과정에서 발생되는 전류의 순간적 변화량을 최소화함으로써 스위치의 스트레스를 저감시켜 스위치의 수명을 연장시키고, 풍력 발전기의 인버터 제어를 용이하게 하는 풍력 발전 시스템의 과도 전압 크기를 감소시킨 저전압 발생 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 저전압 발생 장치에 있어서, 계통과 풍력 발전기를 전기적으로 연결하는 직렬 리액터; 상기 직렬 리액터에 각각 병렬 연결되는 제1 스위치 및 제3 스위치; 상기 직렬 리액터에 걸리는 전압의 분배를 위해 상기 직렬 리액터의 일 단에 연결되는 병렬 리액터; 및 상기 병렬 리액터의 타 단과 접지단을 연결하기 위해 개재(介在)되는 제2 스위치를 포함하는 저전압 발생 장치가 제공된다.
상기 제1 스위치는 마그네틱 컨택터, 교류 차단기 중 하나 이상이고, 상기 제2 스위치 및 제3 스위치는 양방향 사이리스터일 수 있다.
상기 제1 내지 제3 스위치는 제어부에 의해 턴 온 및 턴 오프 중 하나 이상이 조작 제어될 수 있다. 상기 제어부는 정상 동작 상태에서 저전압 상태로의 전환을 위해, 상기 제1 스위치가 턴 온 조작된 상태에서 상기 제3 스위치를 턴 온 조작, 상기 제1 스위치의 턴 오프 조작 및 상기 제2 스위치의 턴 온 조작을 순차적으로 수행할 수 있고, 상기 제3 스위치는 상기 제2 스위치의 턴 온 조작 이전에 영전류 상태에 따른 턴 오프 조작이 발생될 수 있다.
상기 제2 스위치 및 제3 스위치는 트라이악(TRIAC)일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 저전압 발생 방법에 있어서, 제어부가 저전압 발생 장치에 구비된 제1 스위치를 턴 온 조작하는 단계; 상기 제어부가 제3 스위치를 턴 온조작한 후 상기 제1 스위치의 턴 오프 조작하는 단계; 상기 제어부가 제2 스위치를 턴 온 조작하는 단계를 포함하되, 상기 저전압 발생 장치는, 계통과 풍력 발전기를 전기적으로 연결하는 직렬 리액터; 상기 직렬 리액터에 각각 병렬 연결되는 상기 제1 스위치 및 상기 제3 스위치; 상기 직렬 리액터에 걸리는 전압의 분배를 위해 상기 직렬 리액터의 일 단에 연결되는 병렬 리액터; 및 상기 병렬 리액터의 타 단과 접지단을 연결하기 위해 개재(介在)되는 상기 제2 스위치를 포함하는 저전압 발생 방법이 제공된다.
상기 제1 스위치는 마그네틱 컨택터, 교류 차단기 중 하나 이상이고, 상기 제2 스위치 및 제3 스위치는 양방향 사이리스터일 수 있다.
상기 제3 스위치는 상기 제2 스위치의 턴 온 조작 이전에 영 전류 상태에 따른 턴 오프 조작이 발생될 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 저전압 발생 장치의 동작 과정에서 발생되는 전류의 순간적 변화량을 최소화함으로써 스위치의 스트레스를 저감시켜 스위치의 수명을 연장시키고, 풍력 발전기의 인버터 제어를 용이하게 하는 효과가 있다.
도 1은 종래기술에 따른 저전압 발생 장치의 회로 구성을 나타낸 도면.
도 2는 종래기술에 따른 저전압 발생 장치의 스위치 동작 제어 시퀀스를 나타낸 도면.
도 3은 종래기술에 따른 저전압 발생 장치의 출력 전압 파형을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 저전압 발생 장치의 회로 구성을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 영전류 상태에서 제2 스위치의 턴오프 상태 전환을 나타내는 그래프.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 영전류 상태에서 제2 스위치의 턴오프 상태 전환을 나타내는 그래프.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 저전압 발생 장치의 스위치 동작 제어 시퀀스를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 저전압 발생 장치의 출력 전압 파형을 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.
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.
명세서에 기재된 "…부", "…유닛", "…모듈", "…기" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
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, 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 불필요하게 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 종래기술에 따른 저전압 발생 장치의 회로 구성을 나타낸 도면이고, 도 2는 종래기술에 따른 저전압 발생 장치의 스위치 동작 제어 시퀀스를 나타낸 도면이며, 도 3은 종래기술에 따른 저전압 발생 장치의 출력 전압 파형을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면 저전압 발생 장치(110)는 계통(Grid)과 풍력 발전기 사이에 직렬 연결되는 리액터(L1, 이하 직렬 리액터라 칭함)(135), 직렬 리액터(135)와의 전압 분배를 위해 병렬 연결되는 리액터(L2, 이하 병렬 리액터라 칭함)(140) 및 복수의 스위치(130, 145)를 포함한다.
저전압 발생 장치(110)는 직렬 리액터(135) 및 병렬 리액터(140)를 이용한 리액터 전압분배 방식을 사용하여 입력되는 계통 전압에 대해 출력되는 풍력 발전기 단자전압을 강하시키는 구조를 취하고 있다.
복수의 스위치(130, 145)는 제어부(120)에 의해 턴 온/오프 조작 제어되는 예를 들어 마그네틱 컨택터, 교류 차단기 등일 수 있고, 제1 스위치(sw1)(130)는 직렬 리액터(135)와 병렬 연결되고, 제2 스위치(145)의 일단은 병렬 리액터(140)의 일단과 직렬 연결되며 제2 스위치(145)의 타단은 접지단(earth)에 연결된다.
저전압 발생 장치(110)는 구비한 복수의 리액터(135, 140)와 복수의 스위치(130, 145)를 이용하고, 또한 복수의 스위치(130, 145)가 제어부(120)에 의해 조작 제어되도록 함으로써 풍력 발전기로부터의 입력 전압을 순간적으로 강하시킬 수 있다.
도 2에는 저전압 발생 장치(110)의 스위치 동작 제어 시퀀스가 도시되어 있으며, 도 3에는 도 2의 스위치 동작 제어에 따른 저전압 발생 장치(110)의 출력 전압 파형이 도시되어 있다.
도 2에 도시된 스위치 동작 제어 시퀀스를 참조하면, 저전압 사고 상황을 모의하기 위해 제어부(120)는 제1 스위치(130)를 소정 시간동안 턴 온(ON) 조작한 후 턴 오프(OFF) 조작 상태로 전환하여 직렬 리액터(135)가 순간적으로 계통에 연결되도록 하고, 이어서 제2 스위치(145)를 소정 시간동안 턴 온 조작 상태로 전환하여 리액터 전압분배 방식에 따른 풍력 발전기 단자전압이 강하되도록 한다. 이후 제2 스위치(145)를 턴 오프 조작 상태로 전환하고 제1 스위치(130)를 턴 온 조작하여 저전압 상태에서 정상 상태로 전환시킨다.
이 과정에서 제어부(120)는 어느 하나의 스위치(즉, 제1 스위치(130) 또는 제2 스위치)를 턴 오프 상태로 조작 제어한 후 다른 하나의 스위치(즉, 제2 스위치 또는 제1 스위치)를 턴 온 상태로 조작 제어하기 때문에, 어느 하나의 스위치도 온 상태로 조작되지 않는 비제어 시간 구간(도 2의 t1 및 t3)이 발생된다.
참고로, 제1 스위치(130)가 턴 온 상태로 제어되는 시간 구간은 정상 동작 상태라 할 수 있고, 비제어 시간 구간 t1은 LVRT 발생을 위한 준비 상태라 할 수 있다. 또한, 제2 스위치(145)가 온 상태로 제어되는 시간 구간(즉, t2)은 LVRT가 발생된 상태라 할 수 있고, 비제어 시간 구간 t3은 정상 동작 상태로의 전환을 위한 준비 상태라 할 수 있다.
제1 스위치(130)가 온 상태에서 오프 상태로 변경되는 비제어 시간 구간인 t1에서 직렬 리액터(135) 측으로 급격히 전류가 흐르게 되고, 도 3에 도시된 바와 같이 전류의 순간적인 변화로 인해 풍력 발전기로부터의 입력 전압이 계통 전압의 약 2배 이상으로 상승하는 과도 상태가 발생된다.
그러나 비제어 시간 구간 t1에서 발생되는 과도하고 급격한 입력 전압 상승은 컨버터 측에 과도한 전류를 인가시키게 되고, 따라서 차단기(예를 들어, ACB, VCB 등)나 컨버터에 구비된 전력 반도체 스위치에 과도한 스트레스를 야기시켜 차단기 또는/및 컨버터의 파괴나 오동작의 원인이 될 수 있다. 이는 비제어 시간 구간 t3에서도 마찬가지이다.
따라서 LVRT 상태에 대한 모의 시험에서 발생되는 과도한 전류 변화량으로 인한 문제점을 해결하기 위한 방안이 요구된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 저전압 발생 장치의 회로 구성을 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 영전류 상태에서 제2 스위치의 턴오프 상태 전환을 나타내는 그래프이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 영전류 상태에서 제2 스위치의 턴오프 상태 전환을 나타내는 그래프이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 저전압 발생 장치의 스위치 동작 제어 시퀀스를 나타낸 도면이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 저전압 발생 장치의 출력 전압 파형을 나타낸 도면이다.
저전압 발생 장치(410)는 계통(Grid)과 풍력 발전기 사이에 직렬 연결되는 직렬 리액터(L1)(135), 직렬 리액터(135)와의 전압 분배를 위해 병렬 연결되는 병렬 리액터(L2)(140) 및 복수의 스위치(130, 430, 440)를 포함한다.
저전압 발생 장치(410)는 직렬 리액터(135) 및 병렬 리액터(140)를 이용한 리액터 전압분배 방식을 사용하여 입력되는 계통 전압에 대하여 출력되는 풍력 발전기 단자전압을 하강시키는 구조를 취하고 있다.
제어부(420)에 의해 온오프 조작 제어되는 복수의 스위치(130, 430, 440) 중 일부는 예를 들어 마그네틱 컨택터, 교류 차단기 등일 수 있고, 나머지는 양방향 사이리스터일 수 있다. 양방향 사이리스터는 예를 들어 트라이악(TRIAC)일 수 있다.
도시된 바와 같이, 제1 스위치(130)와 제3 스위치(430)는 각각 직렬 리액터(130)와 병렬 연결되고, 제2 스위치(440)의 일단은 병렬 리액터(140)의 일단과 직렬 연결되며 제2 스위치(440)의 타단은 접지단(earth)에 연결된다.
앞서 설명한 바와 같이 풍력 시스템에서 저전압 사고를 모의하기 위해서는 순간적으로 직렬 리액터를 계통에 연결하도록 하는 구조를 가진다. 그러나, 소정의 시간동안 직렬 리액터(135)의 흐르는 전류의 변화량이 클수록 직렬 리액터(135) 양단간의 전압이 크게 발생한다.
따라서 본 실시예에 따른 저전압 발생 장치(410)는 직렬 리액터를 계통에 연결하는 순간 발생되는 과전압이 감소될 수 있도록 직렬 리액터(135)가 계통에 연결된 이후 제3 스위치(430)에 흐르는 전류가 영전류가 되는 순간 자동적으로 스위치 턴오프가 이루어지도록 함으로써 전류 변화를 감소시키고 따라서 과도 전압 크기를 감소시키는 구성을 채택하고 있다.
즉, 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이 제2 스위치(440)와 제3 스위치(430)의 턴 온 조작은 제어부(420)의 제어에 의해 수행되지만 턴 오프 조작은 소자에 전류가 흐르지 않는 상태(영 전류 상태)에서 자동적으로 수행되고(도 5의 (c) 및 도 6의 (c) 참조), 이를 통해 과도 전압의 크기를 상대적으로 감소시킬 수 있다.
참고로, 도 5는 직렬 리액터(135)에 병렬 연결된 제3 스위치(430)의 턴 오프 전환 과정을 나타내고, 이후 저전압 발생 장치(410)는 LVRT 발생을 위한 준비 상태로 진입된다. 또한 도 6은 병렬 리액터(140)에 직렬 연결된 제2 스위치(440)의 턴 오프 전환 과정을 나타내며, 이후 저전압 발생 장치(410)는 정상 동작 상태로의 전환을 위한 준비 상태로 진입된다. 양방향 사이리스터로 구성된 제2 스위치(440) 및 제3 스위치(430)가 영전류 상태에서 턴 오프 상태로 자동 전환되는 특성은 당업자에게 자명한 사항이므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
도 7에는 저전압 발생 장치(410)의 스위치 동작 제어 시퀀스가 도시되어 있으며, 도 8에는 도 7의 스위치 동작 제어에 따른 저전압 발생 장치(410)의 출력 전압 파형이 도시되어 있다.
도 7에 도시된 스위치 동작 제어 시퀀스를 참조하면, 제어부(420)는 저전압 사고 상황이 모의되도록 제1 스위치(130)를 턴 온 조작하는 상태에서 우선 제3 스위치(430)를 턴 온 조작한 후 제1 스위치(130)를 턴 오프 조작한다. 이후, 소정의 시간 차이를 가지고 제2 스위치(440)가 턴 온 조작된다.
그러나, 제1 스위치(130)가 턴 오프 조작되고 제2 스위치(440)가 턴 온 조작되기 이전에 도 5에 도시된 바와 같이 양방향 사이리스터인 제3 스위치(430)에 영전류 상태가 발생되고 제3 스위치(430)는 자동으로 턴 오프 상태로 전환되며, 직렬 리액터(135)가 계통에 연결된다.
따라서, 도 7에 도시된 구간 ①과 ②에서는 제1 스위치(130) 및/또는 제3 스위치(430)가 턴 온된 상태이므로 직렬 리액터(135)가 계통에 연결되지 않은 상태로 유지되어 도 8에 도시된 바와 같이 풍력 발전기로부터의 출력 전압이 안정적인 구간으로 유지된다.
이후, 제3 스위치(430)에 영전류 상태가 발생되어 제3 스위치(430)가 자동으로 턴 오프 상태로 전환된다. 이 경우, 도 8에 도시된 바와 같이 제2 스위치(440)가 턴 온될 때까지의 짧은 시간 구간 ③에서 계통 전압의 약 1.4배 정도로 과도 전압 상승이 제한됨을 확인할 수 있다.
마찬가지로, 제3 스위치(430)는 제2 스위치(440)의 턴 오프 조작 이후 및 제1 스위치(130)의 조작 이전에 미리 턴 온 조작 함으로써 LVRT 상황에서 정상 상태로 전환되는 상황에서의 과도한 입력 전압의 상승을 억제할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 저전압 발생 장치(410)는 양방향 사이리스터로 구성된 제2 스위치(440) 및 제3 스위치(430)를 채택함으로써 입력 전압의 급격한 상승을 억제할 수 있고, 따라서 차단기 및/또는 컨버터의 스트레스 감소를 통한 수명 증가 및 안정적인 풍력 발전기 제어가 가능한 특징이 있다.
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.
110, 410 : 저전압 발생 장치 120, 420 : 제어부
130 : 제1 스위치 135 : 직렬 리액터
140 : 병렬 리액터 145, 440 : 제2 스위치
430 : 제3 스위치

Claims (7)

  1. 저전압 발생 장치에 있어서,
    계통과 풍력 발전기를 전기적으로 연결하는 직렬 리액터;
    상기 직렬 리액터에 각각 병렬 연결되는 제1 스위치 및 제3 스위치;
    상기 직렬 리액터에 걸리는 전압의 분배를 위해 상기 직렬 리액터의 일 단에 연결되는 병렬 리액터; 및
    상기 병렬 리액터의 타 단과 접지단을 연결하기 위해 개재(介在)되는 제2 스위치를 포함하는 저전압 발생 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스위치는 마그네틱 컨택터, 교류 차단기 중 하나 이상이고, 상기 제2 스위치 및 제3 스위치는 양방향 사이리스터인 저전압 발생 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 스위치 각각은 제어부에 의해 턴 온 또는 턴 오프로 조작 제어되되,
    상기 제어부는 정상 동작 상태에서 저전압 상태로의 전환을 위해, 상기 제1 스위치가 턴 온 조작된 상태에서 상기 제3 스위치를 턴 온 조작, 상기 제1 스위치의 턴 오프 조작 및 상기 제2 스위치의 턴 온 조작을 순차적으로 수행하며,
    상기 제3 스위치는 상기 제2 스위치의 턴 온 조작 이전에 영전류 상태에 따른 턴 오프 조작이 발생되는, 저전압 발생 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 스위치 및 제3 스위치는 트라이악(TRIAC)인 저전압 발생 장치.
  5. 저전압 발생 방법에 있어서,
    제어부가 저전압 발생 장치에 구비된 제1 스위치를 턴 온 조작하는 단계;
    상기 제어부가 제3 스위치를 턴 온조작한 후 상기 제1 스위치의 턴 오프 조작하는 단계;
    상기 제어부가 제2 스위치를 턴 온 조작하는 단계를 포함하되,
    상기 저전압 발생 장치는,
    계통과 풍력 발전기를 전기적으로 연결하는 직렬 리액터; 상기 직렬 리액터에 각각 병렬 연결되는 상기 제1 스위치 및 상기 제3 스위치; 상기 직렬 리액터에 걸리는 전압의 분배를 위해 상기 직렬 리액터의 일 단에 연결되는 병렬 리액터; 및 상기 병렬 리액터의 타 단과 접지단을 연결하기 위해 개재(介在)되는 상기 제2 스위치를 포함하는 저전압 발생 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 스위치는 마그네틱 컨택터, 교류 차단기 중 하나 이상이고, 상기 제2 스위치 및 제3 스위치는 양방향 사이리스터인 저전압 발생 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제3 스위치는 상기 제2 스위치의 턴 온 조작 이전에 영 전류 상태에 따른 턴 오프 조작이 발생되는, 저전압 발생 방법.
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