KR101638141B1 - 풍력발전단지의 유효전력 제어를 위한 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 풍력발전단지의 유효전력 제어를 위한 시스템에 관한 것으로서, 단지 전력 지령값이 할당된 경우, 해당 풍력발전단지의 내의 각 풍력발전기의 회전자 속도를 이용하여 산출된 최대가능 출력값과 단지의 최대가능 출력값을 근거로 각 풍력 발전기의 전력 지령값을 생성하는 풍력발전단지 제어장치, 풍력발전기와 각각 연결되어 있고, 연결된 풍력발전기의 출력 전력이 상기 풍력발전단지 제어장치로부터 전송된 전력 지령값이 되도록 제어하는 풍력발전기 제어장치를 포함한다.

Description

풍력발전단지의 유효전력 제어를 위한 시스템{SYSTEM FOR ACTIVE POWER CONTROL OF WIND POWER PLANT}
본 발명은 풍력발전단지의 유효전력 제어를 위한 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 단지 전력 지령값이 할당된 경우, 해당 풍력발전단지의 최대 가능 출력값과 각 풍력발전기의 회전자 속도를 이용하여 산출되는 최대가능 출력값을 근거로 각 풍력 발전기의 전력 지령값을 생성함으로써, 풍력발전단지의 유효전력을 제어하는 풍력발전단지의 유효전력 제어를 위한 시스템에 관한 것이다.
최근 화석에너지의 고갈에 대한 대체에너지로 풍력 및 태양광 발전시스템이 각광을 받고 있다. 풍력발전시스템의 경우 풍속변화에 대응하여 최대 전력이 발생되도록 하는 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어가 요구된다. 즉, 풍속 가변시 발전기 출력전력이 최대가 되게 하는 회전속도로 발전기를 동작시켜야 한다. 하지만 풍력의 수용률이 증가함에 따라 전력망 연계기준을 만족해야 하고, 전력망 연계기준 중 유효전력 제어 시 전력망에서 요구하는 유효전력을 풍력단지가 출력해야 한다. 종래 풍속 정보를 이용하여 유효전력 제어를 하는 방법은 단순하지만 고가의 장비를 필요로 하며 풍속 측정 시 에러가 존재한다는 단점이 있다.
이러한 단점을 개선하기 위해서 풍속 정보 없이 유효전력을 제어하는 기술이 필요하다.
선행기술1: 한국등록특허 제1213002호: 풍력 발전 장치의 제어 장치 및 제어 방법
본 발명의 목적은 풍력발전단지의 유효전력 제어 시 각 풍력발전기의 회전자 속도를 이용하여 산출되는 최대가능 출력값을 근거로 각 풍력 발전기에 지령값을 할당하는 풍력발전단지의 유효전력 제어를 위한 시스템을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 풍력발전기의 풍속 정보 없이 유효전력을 제어할 수 있는 풍력발전단지의 유효전력 제어를 위한 시스템을 제공함에 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 단지 전력 지령값이 할당된 경우, 해당 풍력발전단지 내의 각 풍력발전기의 회전자 속도를 이용하여 산출되는 최대가능 출력값과 해당 풍력발전단지의 최대가능 출력값을 근거로 각 풍력발전기의 전력 지령값을 생성하는 풍력발전단지 제어장치, 풍력발전기와 각각 연결되어 있고, 연결된 풍력발전기의 출력 전력이 상기 풍력발전단지 제어장치로부터 전송된 전력 지령값이 되도록 제어하는 풍력발전기 제어장치를 포함하는 풍력발전단지의 유효전력 제어를 위한 시스템이 제공된다.
상기 풍력발전단지 제어장치는 단지 전력 지령값과 계통연계점 출력전력을 입력 받아 단지 오차 전력값을 계산하는 출력 오차 연산부, 상기 연산부에서 계산된 단지 오차 전력값에 비례 적분 동작을 수행하여 보상된 단지 지령값을 생성하는 비례 적분(PI) 제어부, 상기 보상된 단지 지령값, 각 풍력발전기의 회전자 속도를 이용하여 산출되는 최대가능 출력값 및 단지의 최대가능 출력값을 근거로 각 풍력발전기의 전력 지령값을 생성하고, 상기 생성된 전력 지령값을 해당 풍력발전 제어장치로 전송하는 지령값 생성부를 포함할 수 있다.
상기 풍력발전단지 제어장치는 계통 연계점에서의 출력 전력을 계측하는 계측부, 각 풍력발전기 제어장치로부터 풍력 발전기의 회전자 속도를 이용하여 산출된 최대가능 출력값을 입력 받아 단지의 최대가능 출력값을 계산하고, 상기 계산된 단지의 최대가능 출력값과 각 풍력발전기의 최대가능 출력값의 비를 상기 지령값 생성부에 제공하는 단지 최대가능 출력 연산부를 더 포함할 수 있다.
상기 풍력발전기 제어장치는 풍력 발전기의 출력 전력이 상기 풍력발전단지 제어장치로부터 전송된 전력 지령값이 되도록 제어하는 제어부, 풍력 발전기의 회전자 속도를 이용하여 산출되는 최대가능 출력값을 상기 풍력발전단지 제어장치로 전송하는 최대가능 출력값 전송부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 풍력발전단지의 유효전력 제어 시 각 풍력발전기의 회전자 속도를 이용하여 산출되는 최대가능 출력을 기반으로 각 풍력 발전기에 지령값을 할당함으로써, 풍력발전기의 풍속 정보 없이 유효전력을 제어할 수 있다.
뿐만 아니라 단지 내의 풍력발전기들의 최대가능 출력값에 따라 단지 지령값을 할당함으로써 일부 풍력발전기들에 출력 지령값이 집중되는 현상을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전단지의 유효전력 제어를 위한 시스템을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전단지 제어장치의 구성을 개략적으로 나타낸 블럭도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전기 제어장치의 구성을 개략적으로 나타낸 블럭도.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 '풍력발전단지의 유효전력 제어를 위한 시스템'을 상세하게 설명한다. 설명하는 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 당업자가 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것으로 이에 의해 본 발명이 한정되지 않는다. 또한, 첨부된 도면에 표현된 사항들은 본 발명의 실시 예들을 쉽게 설명하기 위해 도식화된 도면으로 실제로 구현되는 형태와 상이할 수 있다.
한편, 이하에서 표현되는 각 구성부는 본 발명을 구현하기 위한 예일 뿐이다. 따라서, 본 발명의 다른 구현에서는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위에서 다른 구성부가 사용될 수 있다. 또한, 각 구성부는 순전히 하드웨어 또는 소프트웨어의 구성만으로 구현될 수도 있지만, 동일 기능을 수행하는 다양한 하드웨어 및 소프트웨어 구성들의 조합으로 구현될 수도 있다. 또한, 하나의 하드웨어 또는 소프트웨어에 의해 둘 이상의 구성부들이 함께 구현될 수도 있다.
또한, 어떤 구성요소들을 '포함'한다는 표현은, '개방형'의 표현으로서 해당 구성요소들이 존재하는 것을 단순히 지칭할 뿐이며, 추가적인 구성요소들을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전단지의 유효전력 제어를 위한 시스템을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 풍력발전단지의 유효전력 제어를 위한 시스템은 풍력발전단지 제어장치(100), 풍력발전단지에 설치된 각 풍력발전기(300a, 300b, .., 300n, 이하 300이라 칭함)와 연결된 풍력발전기 제어장치(200a, 200b, .., 200n, 이하 200이라 칭함)를 포함한다.
풍력발전단지 제어장치(100)는 단지 전력 지령값이 할당된 경우, 해당 풍력발전단지 내의 각 풍력발전기(300)의 회전자 속도를 이용하여 산출되는 최대가능 출력값과 풍력발전단지의 최대가능 출력값을 근거로 각 풍력발전기(300)의 전력 지령값을 생성하고, 생성된 전력 지령값을 해당 풍력 발전기와 연결된 풍력발전기 제어장치(200)로 전송한다.
이러한 풍력발전단지 제어장치(100)에 대한 상세한 설명은 도 2를 참조하기로 한다.
풍력발전기 제어장치(200)는 연결된 풍력 발전기(300)의 출력 전력이 풍력발전단지 제어장치(100)로부터 전송된 전력 지령값이 되도록 제어한다.
하나의 풍력발전단지에는 복수개의 풍력발전기(300)가 설치되고, 각 풍력 발전기는 각각 풍력발전기 제어장치(200)와 연결되어 있다.
풍력발전기 제어장치(200)에 대한 상세한 설명은 도 3을 참조하기로 한다.
이러한 구성의 시스템은 풍력발전단지의 유효전력을 제어할 때, 각 풍력발전기의 회전자 속도를 이용하여 산출되는 최대가능 출력을 기반으로 유효전력 지령값을 할당한다. 그러므로, 유효전력제어의 종류에 관계없이 전 풍속 영역에서 풍력발전단지의 출력이 지령값을 준수하게 된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전단지 제어장치의 구성을 개략적으로 나타낸 블럭도이다.
도 2를 참조하면, 풍력발전단지 제어장치(100)는 출력 오차 연산부(110), 비례 적분(PI, Proportional-Integral) 제어부(120), 지령값 생성부(130), 계측부(140), 단지 최대 가능 출력 연산부(150)를 포함한다.
출력 오차 연산부(110)는 단지 전력 지령값과 계통연계점 출력전력을 입력 받아 단지 오차 전력값을 계산한다. 예컨대, 출력 오차 연산부(110)는 단지 전력 지령값과 계통연계점 출력전력의 차를 단지 오차 전력값으로 구할 수 있다. 여기서, 단지 전력 지령값은 출력상한, 주파수, 급감발 등의 값을 포함하는 것으로, 전력망 운영자에 의해 설정된 값일 수 있고, 계통연계점 출력 전력은 계측부(140)에서 측정된 계통의 출력전력일 수 있다.
비례 적분 제어부(120)는 출력 오차 연산부(110)에서 계산된 단지 오차 전력값에 비례 적분 동작을 수행하여 보상된 단지 지령값을 생성한다. 여기서, 비례 적분 동작은 비례 동작과 적분 동작을 조합시킨 동작을 말한다. 비례 동작에 의해 제어량과 목표값과의 편차값에 비례한 조작량을 주어 제어 동작을 하는 동시에 적분 동작에 의하여 외란에 대한 잔류 편차를 없애는 제어 방식이다.
비례 적분 제어부(120)는 단지 오차 전력값을 이용하여 해당 풍력발전단지의 제어에 필요한 보상된 단지 지령값을 생성한다.
지령값 생성부(130)는 보상된 단지 지령값, 각 풍력발전기의 최대가능 출력값과 단지의 최대가능 출력값을 근거로 각 풍력 발전기의 전력 지령값을 생성하고, 생성된 전력 지령값을 해당 풍력발전기 제어장치로 전송한다. 여기서, 풍력발전기의 최대가능 출력값은 풍력발전기의 회전자 속도를 이용하여 산출된 값일 수 있다.
지령값 생성부(130)는 수학식 1을 이용하여 풍력발전기의 전력 지령값을 생성한다.
Figure 112014069534714-pat00001
여기서,
Figure 112014069534714-pat00002
는 i번 풍력발전기 지령값, P WPP comp 는 보상된 단지 지령값, P WGi avai 은 i번 풍력발전기의 회전자 속도를 이용하여 산출되는 최대가능 출력값, P WPP avai 은 단지의 최대가능 출력값일 수 있다.
계측부(140)는 계통 연계점에서의 출력 전력을 계측한다.
단지 최대가능 출력 연산부(150)는 각 풍력발전기 제어장치로부터 해당 풍력 발전기의 회전자 속도를 이용하여 산출되는 최대가능 출력값을 입력 받아 단지의 최대가능 출력값을 계산하고, 계산된 단지의 최대가능 출력값과 각 풍력발전기의 최대가능 출력값의 비를 계산하여 지령값 생성부(130)에 제공한다. 즉, 단지 최대가능 출력 연산부(150)는 각 풍력발전기 제어장치로부터 전송된 각 풍력발전기 회전자 속도를 이용하여 산출되는 최대가능 출력값으로부터 단지의 최대가능 출력값을 계산하고, 풍력발전기의 최대가능 출력값과 단지의 최대가능 출력값의 비를 계산 할 수 있다.
이때, 단지 최대가능 출력 연산부(150)는 풍력발전기의 회전자 속도를 이용하여 산출된 최대가능 출력값을 풍력발전기 제어장치로부터 입력받을 수도 있지만, 각 풍력발전기의 회전자 속도를 이용하여 최대가능 출력값을 직접 계산할 수도 있다. 각 풍력발전기의 회전자 속도를 이용하여 최대가능 출력값을 산출하는 방법은 수학식 2를 이용한다.
상기와 같이 구성된 풍력발전단지 제어장치(100)는 풍력발전단지의 최대가능 출력과 풍력발전기의 회전자 속도를 이용하여 산출된 최대가능 출력을 기반으로 각 풍력발전기에 지령값을 할당한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전기 제어장치의 구성을 개략적으로 나타낸 블럭도이다.
도 3을 참조하면, 풍력발전기 제어장치(200)는 제어부(210), 최대가능 출력값 전송부(220)를 포함한다.
제어부(210)는 풍력발전기의 출력 전력이 풍력발전단지 제어장치로부터 전송된 전력 지령값이 되도록 제어한다. 제어부(210)는 예컨대, PMSG(Permanent Magnet Synchronous Generator) 타입 풍력발전기의 경우 MSC(Machine-Side Converter)일 수 있고, DFIG((Doubly-Fed Induction Generation) 타입 풍력발전기의 경우 RSC(Rotor Side Converter)일 수 있다.
최대가능 출력값 전송부(220)는 풍력 발전기의 회전자 속도를 이용하여 산출된 최대가능 출력값을 풍력발전단지 제어장치로 전송한다.
최대가능 출력값 전송부(220)는 풍력발전기의 회전자 속도를 이용하여 해당 풍력발전기의 최대가능 출력값을 산출하고, 산출된 풍력발전기의 최대가능 출력값을 풍력발전단지 제어장치로 전송한다. 이때, 최대가능 출력값 전송부(220)는 수학식 2를 이용하여 최대가능 출력값을 계산한다.
Figure 112014069534714-pat00003
여기서 ω r 은 풍력발전기의 회전자 속도, K g 는 비례 상수로 수학식 3과 같다.
Figure 112014069534714-pat00004
여기서 ρ는공기밀도, A는 풍력발전기 블레이드가 생성하는 면적, λ opt 는 날개 끝의 각속도와 바람의 속도의 비율인 주속비의 최적값으로 해당 풍속에 대해 최대의 기계적 입력을 가져올 수 있는 주속비의 값을 의미, R은 블레이드의 길이이다.
최대가능 출력값 전송부(220)는 수학식 2와 같이 풍력 발전기의 회전자 속도를 이용하여 산출된 최대가능 출력값을 풍력발전단지 제어장치로 전송한다.
이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명은 풍력발전단지의 유효전력 제어를 위한 시스템을 제공함으로써, 풍력발전단지의 유효전력 제어 시 풍력발전단지의 최대가능 출력과 풍력발전기의 회전자 속도를 이용하여 산출되는 최대가능 출력을 기반으로 각 풍력 발전기에 지령값을 할당할 수 있고, 이를 통해 풍력발전기의 풍속 정보 없이 유효전력을 제어할 수 있다.
100 : 풍력발전단지 제어장치
110 : 출력 오차 연산부
120 : 비례 적분 제어부
130 : 지령값 생성부
140 : 계측부
150 : 단지 최대가능 출력 연산부
200 : 풍력발전기의 제어장치
210 : 제어부
220 : 최대가능 출력값 전송부

Claims (4)

  1. 단지 전력 지령값이 할당된 경우, 해당 풍력발전단지 내의 각 풍력발전기의 회전자 속도를 이용하여 산출된 최대가능 출력값과 해당 풍력발전단지의 최대가능 출력값을 근거로 각 풍력발전기의 전력 지령값을 생성하는 풍력발전단지 제어장치;
    풍력발전기와 각각 연결되어 있고, 연결된 풍력발전기의 출력 전력이 상기 풍력발전단지 제어장치로부터 전송된 전력 지령값이 되도록 제어하는 풍력발전기 제어장치;를 포함하되,
    각 풍력발전기의 전력 지령값은, 보상된 단지 지령값에 해당 풍력발전기의 회전자 속도를 이용하여 산출된 최대가능 출력값과 단지의 최대가능 출력값의 비를 연산하여 구해진 것을 특징으로 하는 풍력발전단지의 유효전력 제어를 위한 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 풍력발전단지 제어장치는,
    단지 전력 지령값과 계통연계점 출력전력을 입력 받아 단지 오차 전력값을 계산하는 출력 오차 연산부;
    상기 연산부에서 계산된 단지 오차 전력값에 비례 적분 동작을 수행하여 보상된 단지 지령값을 생성하는 비례 적분(PI) 제어부; 및
    상기 보상된 단지 지령값, 각 풍력발전기의 회전자 속도를 이용하여 산출된 최대가능 출력값 및 단지의 최대가능 출력값을 근거로 각 풍력발전기의 전력 지령값을 생성하고, 상기 생성된 전력 지령값을 해당 풍력발전기 제어장치로 전송하는 지령값 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전단지의 유효전력 제어를 위한 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    계통 연계점에서의 출력 전력을 계측하는 계측부; 및
    각 풍력발전기 제어장치로부터 풍력 발전기의 회전자 속도를 이용하여 산출된 최대가능 출력값을 입력 받아 단지의 최대가능 출력값을 계산하고, 상기 계산된 단지의 최대가능 출력값과 각 풍력발전기의 최대가능 출력값의 비를 상기 지령값 생성부에 제공하는 단지 최대가능 출력 연산부를 더 포함하는 풍력발전단지의 유효전력 제어를 위한 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 풍력발전기 제어장치는,
    풍력 발전기의 출력 전력이 상기 풍력발전단지 제어장치로부터 전송된 전력 지령값이 되도록 제어하는 제어부; 및
    풍력 발전기의 회전자 속도를 이용하여 산출되는 최대가능 출력값을 상기 풍력발전단지 제어장치로 전송하는 최대가능 출력값 전송부를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전단지의 유효전력 제어를 위한 시스템.
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