KR101724783B1

KR101724783B1 - 송전 시스템

Info

Publication number: KR101724783B1
Application number: KR1020127029054A
Authority: KR
Inventors: 알렌 크리스토퍼 스미스; 레오나드 윌리엄 버트; 매튜 제임스 모어맨; 매튜 제임스 커닝엄
Original assignee: 지이 에너지 파워 컨버션 테크놀로지 엘티디
Priority date: 2010-04-06
Filing date: 2011-04-04
Publication date: 2017-04-07
Also published as: EP2375529B1; KR20130100052A; WO2011124355A1; AU2011238163B2; EP2375529A1; AU2011238163A1

Abstract

본 발명의 송전 시스템은 풍력 터빈들 또는 해저 터빈들과 같은 복수의 재생 가능-에너지 장치들(4a, 4b, 4c)을 포함할 수 있다. 이 장치들은 교류 송전 전압이 흐르는 해저 케이블(10)에 함께 병렬로 연결된다. 각 장치는 바람 또는 수류 유동에 의해 회전되는 터빈 어셈블리(6) 및 가변 속도 교류 유도 발전기(G1, G2, G3)를 포함한다. 전력 컨버터(2)는 해저 케이블(10)에 연결되며, 발전기들(G1, G2, G3)을 공급 네트워크 또는 전력 그리드에 인터페이스 연결하기 위해 사용된다. 상기 장치들 중의 하나 이상의 터빈의 표시된 작동 속도가 각 발전기(G1, G2, G3)에서 원하는 고정자 전기량을 달성하도록 전력 컨버터를 제어하기 위해 사용되는 방식으로 송전 시스템이 작동된다(예컨대, 전력 반도체 장치들을 개방 및 폐로하기 위해 사용되는 PWM 방식).

Description

송전 시스템{POWER TRANSMISSIONS SYSTEMS}

본 발명은 송전 시스템, 그리고 상세하게는 재생 가능-에너지 터빈들(renewable-energy turbines)을 표준 고정 전압 및 주파수(nominally fixed voltage and frequency)를 가진 전력 그리드(power grid) 또는 공급 네트워크(supply network)에 인터페이스 연결하기 위해 사용될 수 있는 송전 시스템에 관한 것이다. 이러한 송전 시스템은 그리드 폴트 라이드-쓰루(fault ride-through: FRT) 및 에너지 저장을 위한 특성들을 선택적으로 포함할 수 있다.

풍력, 파동, 조력 에너지 또는 수류 유동(수류 흐름: water current flows)과 같은 재생 가능 에너지를 터빈을 사용하여 전기 에너지로 변환시켜서 직접 또는 변속기에 의해 발전기의 회전자를 구동시키는 것이 가능하다. 발전기의 고정자 터미널들에서 나타나는 교류 주파수("고정자 전압")는 회전자의 회전 속도에 직접 비례한다. 발전기 터미널들에서의 전압도 또한 속도의 함수로서, 그리고 발전기의 특정 유형에서는, 자속(flux) 레벨에 따라 변화한다. 최적 에너지 획득을 위해, 재생 가능-에너지 터빈의 출력 축의 회전 속도는 터빈 어셈블리의 블레이드들을 구동시키는 바람 또는 수류 유동의 속도에 따라 달라질 것이다. 발전기의 가변 전압 및 주파수를 전력 네트워크의 표준 고정 전압 및 주파수로 맞추는 것(matching)은 전력 컨버터(power converter)를 사용하여 달성될 수 있다.

터빈의 효율은 일반적으로 Cp-람다(Lambda) 곡선으로 표시된다. 유체 유동의 특정 단면적에는, 유량(flow rate) 및 그것이 포함하는 단위 부피 당 운동 에너지에 의해 주어져서 존재하는 어떤 양의 힘(power)이 있다. Cp는 이러한 힘을 기계적 동력으로 변환시키는데 있어서의 터빈의 효율을 나타낸다. 람다는 유체 유량으로 나눈 터빈 블레이드 팁 속도(turbine blade tip speed)이다.

발명의 개요

본 발명은 재생 가능-에너지 터빈들에 의해 발생된 전력을 공급 네트워크 또는 전력 그리드에 공급하기 위해 사용될 수 있는 송전 시스템을 제공한다. 본 발명의 송전 시스템은, 각기 터빈 어셈블리와 유도 발전기를 포함하고, 전력 컨버터에 병렬로 연결된, 복수의 재생 가능-에너지 터빈들; 및 상기 전력 컨버터를 위한 제어장치를 포함하여 구성되며; 각 유도 발전기에서 원하는 고정자 전기량(stator electrical quantities)을 달성하도록 상기 전력 컨버터를 제어하기 위해, 상기 제어장치가: (i) 상기 재생 가능-에너지 터빈들 중의 하나 이상의 터빈의 작동 속도의 표시, 및/또는 (ii) 터빈 어셈블리들에 작용하는 유체 유동 속도의 표시를 사용한다. 본 명세서에서 "고정자 전기량"이라는 용어는, 유도 발전기들에서의 개별적인 위상 전압 크기(phase voltage magnitude), 개별적인 위상 전류 크기, 자속, 위상 및 주파수 중의 임의의 것(들)을 나타내기 위해 사용된다. 그러나, 가장 일반적으로 제어되는, 고정자 전기량은(stator electrical quantities) 고정자 전압과 고정자 주파수이다.

제어장치는 각 유도 발전기에서 원하는 고정자 전기량을 달성하도록 전력 컨버터를 제어할 수 있으며, 예를 들어, 재생 가능-에너지 터빈들을 실질적으로 그들의 최대 효율로 계속 작동시키도록, 바꿔 말하면, 터빈 어셈블리들의 효율 (Cp) 곡선의 피크에 머무르도록, 고정자 전압을 제어할 수 있다.

유도 발전기들은, 예를 들어, 농형(squirrel cage type)과 같은, 적합한 여하한 구조를 가질 수 있다.

편리한 여러 개수의 재생 가능-에너지 터빈들이 존재할 수 있다. 재생 가능-에너지 터빈들은, 예를 들어, 바람 유동(wind flows)으로부터 전기 에너지를 발생시키는 지상 또는 해상 풍력 발전 단지, 또는 파력 발전 단지(wave farm) 또는 해저 터빈 발전 단지의 일부일 수 있다. 조수 유동들 및 수류 유동들로부터 전기 에너지를 발생시키는 해저 터빈들이 해양, 바다, 조수지역의 강 어귀(tidal estuaries), 강 및 그 밖의 다른 운하 등을 포함하는, 수역(body of water)에 부분적으로 또는 전체가 위치될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다. 본 발명의 송전 시스템의 주요 장점은 해저 또는 수중에 설치되는 장비가 최소화된다는 점이다.

유도 발전기들은 하나의 단일 송전 케이블에 의해 전력 컨버터에 연결될 수 있다. 그러나, 각 유도 발전기는 그 자체의 송전 케이블에 의해 전력 컨버터에 연결될 수 있다.

전송 케이블(들)은 적합한 여하한 종류의 것일 수 있으며, 필요한 경우에 해저 (또는 해상) 용도에 적합하도록 특별히 설계될 수 있다. 예를 들어, 해저 케이블은 고 송전 전압 또는 중간 송전 전압이 흐를 수 있으며, 가교 폴리에틸렌(XLPE) 절연체를 사용할 수 있다. 송전 케이블(들)은 데이터 전송을 위한 복수의 보조 전력 케이블들 및 광 섬유들과 함께 복수의 주 전력 케이블들(main power cables)(일반적으로 3-상 교류 송전 시스템용 3개의 단일-코어 케이블들 또는 3개의 코어들을 구비한 하나의 단일 케이블)로 구성될 수 있다. 주 전력 케이블들은 재생 가능-에너지 터빈들에 의해 발생된 전력이 흐르도록 특별히 설계될 수 있고, 적어도 원하는 교류 송전 전압으로 정격된다(rated). 보조 전력 케이블들은 보조 로드(auxiliary loads) 등에 전력을 공급할 목적으로 터빈들에 전력을 공급하기 위해 사용될 수 있다. 터빈들에 공급되는 전력은 (일반적으로 전력 컨버터와 공급 네트워크 사이에 전기적으로 연결된 승압 변압기(step-up transformer)의 네트워크 측의) 공급 네트워크 또는 전력 그리드 및 전력 컨버터 사이의 연결로부터 편리하게 유래될 수 있고, 보조 배전반에 의해 제공될 수 있다. 그러나, 터빈들에 공급되는 전력은 여하한 적합하거나 편리한 전력원으로부터 유래될 수 있다.

전력 컨버터는 감압 변압기(step-down transformer)에 의해 송전 케이블(들)에 전기적으로 연결될 수 있다.

전력 컨버터는, 각 유도 발전기에서 원하는 고정자 전기량을 달성하기 위해 본 발명의 제어 방식들(control strategies)에 따라 작동될 수 있는 한, 적합한 여하한 토폴로지(topology) 또는 구조를 가질 수 있다.

하나의 구성에서, 전력 컨버터는: 복수의 반도체 전력 스위칭 장치들을 구비한 송전 케이블(들)에 (선택적으로 위에 언급한 감압 변압기에 의해) 전기적으로 연결된 제1 능동형 정류기/인버터(inverter), 복수의 반도체 전력 스위칭 장치들을 구비한 제2 능동형 정류기/인버터, 및 상기 제1 능동형 정류기/인버터 및 상기 제2 능동형 정류기/인버터 사이에 연결된 직류 링크를 포함할 수 있다. 이 경우에, 그것은 일반적으로 원하는 고정자 전기량을 달성하도록 제어되는 제1 능동형 정류기/인버터 (또는 머신 브리지(machine bridge))일 것이다. 제1 및 제2 정류기/인버터들은 적합한 여하한 토폴로지를 가질 수 있다. 정상 동작에서 제1 능동형 정류기/인버터는 정류기의 역할을 할 것이며, 제2 능동형 정류기/인버터 (또는 네트워크 브리지)는 인버터의 역할을 할 것이다. 그러나, 경우에 따라 그들이 구동 모드(motoring mode)로 작동할 수 있도록 공급 네트워크로부터 유도 발전기들로 전력을 공급하는 것이 유용할 수 있다. 이 경우에, 전력 컨버터는 양 방향 전력 흐름(bi-directional power flow)을 처리하도록 설계될 것이며, 제2 능동형 정류기/인버터는 정류기의 역할을 할 것이고, 제1 능동형 정류기/인버터는 인버터의 역할을 할 것이다. 제1 능동형 정류기/인버터에서 반도체 전력 스위칭 장치들의 작동은 통상적인 펄스 폭 변조(pulse width modulation: PWM) 방식에 따라 유래된 게이트 드라이브 제어 신호들(gate drive control signals)을 사용하여 제어될 수 있다.

다른 종류의 가능한 전력 컨버터는, 예를 들어, 사이클로컨버터(cycloconverter) 또는 매트릭스 컨버터를 포함할 것이다.

덤프 저항(dump resistor)은, 선택적으로 적합한 전력 컨버터에 의해, 직류 링크에 전기적으로 연결될 수 있다. 덤프 저항은 그리드 FRT(fault ride-through) 기능을 제공한다.

에너지 저장 장치는, 선택적으로 적합한 전력 컨버터에 의해, 직류 링크에 전기적으로 연결될 수 있다. 가능한 에너지 저장 장치들은 슈퍼-캐패시터(super-capacitors), 배터리, 유동 셀(flow cells) 및 관성 장치(예를 들어, 플라이휠)를 포함할 것이다.

승압 변압기는 전력 컨버터와 공급 네트워크 사이에 전기적으로 연결될 수 있다. 감압 변압기와 승압 변압기는 적합한 여하한 토폴로지를 가질 수 있다.

전력 컨버터는 보호 개폐기에 의해 감압 변압기와 승압 변압기에 각각 전기적으로 연결될 수 있다. 이것은 전력 컨버터로 하여금 유도 발전기들 및 공급 네트워크 또는 전력 그리드 양측 모두로부터 분리될 수 있게 한다.

각 재생 가능-에너지 터빈의 터빈 어셈블리는, 그것이 유체 유동에 의해 회전되게 하는, 적합한 다른 익형(aerofoil) 구조 또는 여하한 개수의 블레이드들을 가질 수 있다. 터빈 어셈블리는 유도 발전기의 회전자에 직접 또는 변속기에 의해 연결된다. 각 유도 발전기는 고장 발생의 경우에 또는 보수 또는 수리를 위해 분리될 수 있도록 보호 개폐기에 의해 송전 케이블에 연결될 수 있다.

각 재생 가능-에너지 터빈의 터빈 어셈블리가 관련 유도 발전기(associated induction generator)의 회전자에 (직접 또는 선택적 변속기에 의해) 연결되기 때문에, 각각의 작동 속도들은 서로 직접적으로 관련되거나 서로 비례할 것임을 쉽게 알 수 있을 것이다. 바꿔 말하면, 만약 유체 유동 속도 증가의 결과로서 터빈 어셈블리의 작동 속도가 증가하면, 유도 발전기의 작동 속도 (또는 축 속도)가 또한 증가할 것이다. 따라서 본 명세서에서 터빈의 작동 속도에 대한 언급은, 달리 명시하지 않는 한, 터빈 어셈블리의 작동 속도 또는 유도 발전기의 작동 속도에 대한 것으로 이해될 수 있다.

전력 컨버터 제어장치에 의해 선택적으로 사용되는 재생 가능-에너지 터빈의 작동 속도의 표시는 많은 다양한 방식으로 얻을 수 있다. 예를 들어, 유도 발전기의 작동 속도는 회전자 속도를 측정하는 관련 인코더(encoder) 또는 속도 센서에 의해 평가될 수 있다. 이와 달리, 유도 발전기의 작동 속도는 고정자 주파수와 슬립 주파수(slip frequency)로부터 추정되거나(estimated) 계산될 수 있다. 슬립 주파수는 회전 자계(rotating field) 및 유도 발전기의 회전자 사이의 상대 운동을 나타내며, 고정자 전압, 고정자 주파수, 고정자 전류 및 발전기 파라미터들에 대한 정보로부터 계산될 수 있다. 터빈 어셈블리의 최적 작동 속도는 터빈 어셈블리에 작용하는 유체 유동의 속도로부터 추정될 수 있으며, 이러한 최적 속도 커맨드(optimum speed command)는 머신 인버터 전압의 전기 주파수를 적절히 설정함으로써 터빈 어셈블리의 실제 속도를 조절하기 위해 전력 컨버터에 의해 사용될 수 있다. 터빈 어셈블리의 최적 작동 속도는 이와 달리, 예를 들어, 축 속도, 발전기 전력 및 터빈 어셈블리의 특성들로부터 계산될 수 있다.

전력 컨버터 제어장치에 의해 선택적으로 사용되는 유체 유동 속도의 표시도 많은 다양한 방식으로 얻을 수 있다. 그것은 터빈 어셈블리들에 접속된 속도 센서에 의해 직접적으로 측정될 수 있거나, 예를 들어, 발전기 전력, 발전기 속도 및 관련 터빈 어셈블리에 대한 Cp-람다 곡선으로부터 추정되거나 계산될 수 있다.

전력 컨버터는 석유 및 가스 굴착장치(oil and gas rig)와 같은 고정식 또는 부동식 플랫폼 상의 지상, 해상, 또는 해저에 위치될 수 있다.

복수의 재생 가능-에너지 터빈들이 전력 컨버터에 병렬로 연결되기 때문에, 개개의 유도 발전기들은 독립적으로 제어될 수 없다. 결과적으로, 유도 발전기들은 주어진 여하한 시간에 하나 이상의 터빈들의 작동 속도와 매칭되는 고정자 전기량(그리고 특히, 고정자 전압 및 고정자 주파수)을 필요로 할 것이다. 유도 발전기들에 적합한 고정자 전압 및 고정자 주파수는, 적합한 제어 방식에 따라 그것이 작동될 때, 전력 컨버터에 의해 측정될 수 있다.

제어장치는, 원하는 고정자 전기량을 계산하고 그것을 달성하기 위한 방식으로 전력 컨버터를 제어하기 위해, 모든 재생 가능-에너지 터빈들의 추정된 작동 속도들의 평균 또는 터빈들 중의 단 하나의 터빈의 추정된 작동 속도를 사용할 수 있다. 예를 들어, 모든 유도 발전기들의 슬립 속도가 계산될 수 있으며, 고정자 전압과 고정자 주파수는 가장 많이 로딩된 유도 발전기가 그 최대 토크를 넘지 않도록 설정된다.

제어장치는 하나 이상의 유도 발전기들의 표시된 작동 속도 및/또는 하나 이상의 터빈 어셈블리들에 작용하는 유체 유동의 표시된 작동 속도를 기반으로 하여 각 유도 발전기에서 원하는 고정자 전기량을 달성하기 위해 전력 컨버터를 자동적으로 제어하는 제어 방식(선택적으로, 예를 들어, 가변 전압 가변 주파수(variable voltage variable frequency: VVVF) 제어 또는 벡터 제어를 기반으로 하는 제어 방식)을 사용하는 것이 바람직하다. 하나의 구성에서, 고정자 전압은 낮은 작동 속도들에서 유도 발전기들의 최적 자속을 달성하도록 제어된다. 일단 유도 발전기들이 그들의 정격 속도(rated speed)로 작동 중인 것으로 표시되면, 고정자 전압은 실질적으로 일정하도록 그리고 바람직하게는 전력 컨버터의 정격(rating)을 충분히 활용하는 크기를 유지하도록 제어된다.

유도 발전기들의 작동 속도가 증가함에 따라 고정자 주파수가 증가하여야 함을 쉽게 알 수 있을 것이다. 따라서, 가용(available) 터빈 전력이 관련 유도 발전기의 정격을 초과하는 높은 유동 조건들에서, 터빈 전력이 속도 증가 및 Cp-람다 곡선 때문에 감소될 때까지, 유도 발전기의 작동 속도는 제안된 제어 방식에 따라 증가할 것이다. 결국, 터빈 전력이 유도 발전기에 의해 입수될 수 있는 전력 보다 낮은, 안정된 포인트에 도달될 수 있다. 그러므로 제안된 제어 방식의 사용은 재생 가능-에너지 터빈들이 피치 제어(pitch control) 또는 실속 제어(stall regulation)를 가질 필요가 없음을 의미한다. 터빈들은 또한 높은 유량들에서 전력을 줄일 수단을 필요로 하지 않는다.

Cp는 람다에 좌우되며, Cp-람다 곡선은 일반적으로 최적 람다에서 피크 값을 가지는 역 포물선 형태를 취한다. Cp-람다 곡선의 형상은, 최적 블레이드 팁 속도가 유량에 따라 선형으로 증가하도록, 유체 유동 속도에 따라 크게 달라지지 않는다. 본 발명에서, 유체 유동 속도와 최적 Cp가 발전기의 정격 전력 보다 큰 전력을 부여할 때, Cp가 저하되도록 터빈 블레이드 팁 속도와 람다가 증가된다. Cp는 람다의 몇몇 값에서 항상 0에 도달할 것이다. 이러한 접근법의 중요성은 재생 가능-에너지 터빈의 유도 발전기가 단지 가끔 달성될 수 있는 전력에서가 아닌 경제적 최적 전력으로 정격될 수 있다는 점이다. 보통은 재생 가능-에너지 터빈의 설계가 기반으로 할 수 있는 통계 데이터가 있을 것이지만, 유체 유동 속도가 제어될 수 없음을 쉽게 알 수 있을 것이다. 본 발명의 제어 방식을 사용하면, 유체 유동 속도가 정격 전력(rated power)을 달성하기에 충분한 속도 보다 높을 때도, 여전히 정격 전력이 발생될 것임을 아는 것이 또한 중요하다.

하나 이상의 재생 가능-에너지 터빈들의 작동 속도의 표시는 전력 컨버터의 적절한 제어에 의해 원하는 고정자 전압 및 고정자 주파수를 설정하기 위해 제어장치에 의해 사용되는 룩-업 테이블(look-up table)에 대한 포인터(pointer)로서 사용될 수 있다. 만약 표시된 작동 속도가 0이면, 고정자 전압과 고정자 주파수는 둘다 0 이거나 0에 가까워진다. 표시된 작동 속도가 증가함에 따라 고정자 전압과 고정자 주파수도 미리 정해진 관계에 따라 증가한다. 작동 속도, 고정자 전압 및 고정자 주파수 사이의 비-선형 관계는 유도 발전기들의 설계 파라미터들에 의해 정의된다. 그러나 최적 고정자 주파수는 터빈 어셈블리의 유체 유동 속도 및 Cp-람다 곡선에 좌우된다. 이것은 유도 발전기의 정격 속도에 도달할 때까지 축 속도가 유체 유동 속도에 비례하도록 유지되는 것이 일반적이라는 것을 의미한다. 일단 표시된 작동 속도가 유도 발전기들을 위한 정격 속도에 도달하면(바꿔 말하면, 표시된 작동 속도가 미리 정해진 임계치(threshold)에 도달하면), 고정자 전압은 실질적으로 일정하도록, 일반적으로 정격 전압으로, 유지되는 것이 바람직하다. 바꿔 말하면, 만약 표시된 작동 속도가 정격 속도 또는 미리 정해진 임계치 보다 높게 증가하면, 고정자 전압은 크게 증가하지 않는다. 고정자 전압의 약간의 작은 증가가 전력 컨버터의 전압 한계 및 송전 케이블(들)의 전압 강하의 범위 내에서 허용될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다. 고정자 주파수는, 유체 유동 속도, 그리고 그에 따라 터빈 어셈블리 및 축 속도가 증가함에 따라 계속 증가할 것이다. 만약 표시된 작동 속도가 유도 발전기들을 위한 정격 속도 보다 낮게 저하되면, 미리 정해진 동일한 관계에 따라 고정자 전압과 고정자 주파수가 감소한다.

유도 발전기들을 위한 설계 정격은, 작동 속도, 고정자 전압 및 고정자 주파수에 관하여 정의되며, 공급 네트워크 또는 전력 그리드의 상용 전압 및 주파수와 전혀 관계가 없다.

실제로, 주어진 위치에서 유동 속도는 달라질 것이며, 최고 유동 속도 및 평균 유동 속도를 둘 다 고려하는 것이 필요하다. 평균 유체 유동 속도는 유도 발전기들을 위한 가장 경제적인 최적 전력 정격(power rating)을 결정하기 위해 다양한 방식으로 사용될 수 있다. 제안된 제어 방식의 장점은, 단지 유도 발전기들의 전력 정격만이, 최대 유동 속도 조건들에 해당하는 전력 정격이 아닌 가장 경제적인 최적 전력 정격과 동등한 유체 유동 속도를 위해 설계되어야 한다는 점이다.

본 발명은 또한 각기 터빈 어셈블리와 유도 발전기를 포함하고, 전력 컨버터에 병렬로 연결된, 복수의 재생 가능-에너지 터빈들을 포함하여 구성되는 송전 시스템을 작동시키는 방법으로서; 각 유도 발전기에서 원하는 고정자 전기량을 달성하여, 선택적으로 상기 재생 가능-에너지 터빈들을 실질적으로 그들의 최대 효율로 작동시키도록 상기 전력 컨버터를 제어하기 위해, (i) 상기 재생 가능-에너지 터빈들 중의 하나 이상의 터빈의 작동 속도의 표시, 및/또는 (ii) 상기 터빈 어셈블리들에 작용하는 유체 유동 속도의 표시를 사용하는 단계를 포함하여 구성되는, 송전 시스템의 작동 방법을 제공한다.

축 속도가 유도 발전기의 최대 정격 축 속도를 넘어서기 전에, 터빈 어셈블리에 의해 발생된 전력이 0으로 감소되도록, 각 유도 발전기가 Cp-람다 곡선의 적절한 프로포셔닝(proportioning)에 의해 과속도로부터 보호될 수 있다. 또한, 본 발명의 방법을 사용함으로써, 축 속도가 최대 전력(full power)을 끌어낼 수 있는 속도를 넘어설 때 조차도 각 유도 발전기가 유효한 전력을 발생시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 송전 시스템을 보여주는 개략도이고;
도 2는 터빈 속도의 전압 및 주파수에 대한 그래프이다.

본 발명의 송전 시스템의 기본 토폴로지를 도 1을 참조하여 개략적으로 설명하기로 한다. 본 발명의 시스템이 해저 터빈 발전 단지와 관련하여 더욱 상세히 설명되어 있지만, 그것이 예를 들어 풍력 터빈들 또는 파력 터빈들과 같은 다른 재생 가능-에너지 터빈들을 위해 사용될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

전력 컨버터(2)는 복수의 가변 속도 교류 유도 발전기들(G1, G2 및 G3) 및 표준 고정 주파수 공급 네트워크 또는 전력 그리드 사이의 인터페이스 연결을 위해 사용된다. 각 유도 발전기(G1, G2 및 G3)는 해저 터빈(4a, 4b 및 4c)의 일부를 구성한다. 도 1에 도시된 기본 토폴로지에서, 3개의 해저 터빈들(4a, 4b, 4c)이 함께 서로 연결되어 해저 터빈 발전 단지를 구획하는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 실제로 송전 시스템이 각기 유도 발전기를 구비한 편리한 여하한 개수의 해저 터빈들과 함께 사용될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

각 해저 터빈은 적합한 여하한 개수의 블레이드들이 회전 축에 설치된 터빈 어셈블리(6)를 포함하는 것이 일반적이다. (구성에 따라 선택적일 수 있는) 변속기(8)는 터빈 어셈블리(6)의 회전 축을 유도 발전기(G1, G2 및 G3)의 회전자에 연결하기 위해 사용된다. 변속기 윤활 펌프(P)는, 각 발전기에 기계적으로 연결되며, 변속기(8)를 통해 적합한 윤활제(예를 들어, 오일)를 펌핑하기 위해 사용된다. 속도 변환기(E)는 발전기 회전자의 회전 속도에 대한 추정치를 제공하며, 적합한 여하한 구조(예를 들어, 인코더 또는 타코(tacho))를 가질 수 있다. 변속기, 발전기, 변속기 윤활 펌프 및 인코더는 적합한 형상의 나셀(nacelle) 내에 위치된다.

각 발전기(G1, G2 및 G3)의 고정자 터미널들은 해저 케이블(10)의 주 전력 케이블들에 병렬로 연결된다. 더욱 구체적으로, 해저 케이블(10)은, 3개의 주 전력 케이블들(각각의 교류 상을 위한 하나의 주 전력 케이블 또는 3개의 코어들을 구비한 하나의 단일 전력 케이블), 전력이 각 해저 터빈에서 보조 로드들에 공급될 수 있게 하는 3개의 보조 전력 케이블들 및 편리한 여하한 개수의 데이터 전송용 광 섬유 케이블들을 포함한다. 다른 구성들에서, 다양한 개수의 주 전력 케이블들 및 보조 전력 케이블들이 사용될 수 있다.

각 발전기(G1, G2 및 G3)는, 그것을 송전 시스템의 나머지 것들로부터 분리시킬 수 있는 보호 개폐기(12)에 의해, 해저 케이블(10)의 주 전력 케이블들에 연결된다.

해저 케이블(10)의 주 전력 케이블들은 감압 변압기(14)에 의해 전력 컨버터(2)에 연결된다. 도 1에 감압 변압기(14)가 성형(또는 Y자형) 1차 권선들 및 델타 2차 권선들을 가지는 것으로 도시되어 있으나, 다른 구조들도 가능하다. 중성 접지 저항(neutral earthing resister: NER)이 1차 권선들의 중성 접지를 위해 사용된다. 해저 케이블(10)은 송전 전압(예를 들어, 11 kV, 13 kV 또는 33 kV; 50 Hz)이 흐르도록 설계되고, 변압기는 이 입력 전압을, 그 후에 전력 컨버터(2)에 공급되는, 편리한 출력 전압(예를 들어, 0.69 kV, 0.9 kV 또는 3.3 kV)으로 낮춘다.

감압 변압기(14)의 2차 권선들은 정상 동작에서 능동형 정류기의 역할을 하여 직류 링크(18)에 전력을 공급하는 3-상 머신 브리지(16)의 교류 터미널들에 연결된다. 감압 변압기(14)는 선택적이다. 송전 시스템들에는, 높은 송전 전압을 가지는 것이 필수적인, 길이가 긴 해저 케이블이 구비되는 것이 일반적일 것이다. 더 짧은 해저 케이블을 구비한 송전 시스템들에 감압 변압기를 구비하는 것이 경제적이지 않을 수 있다. 이러한 시스템들에는, 하나의 단일 해저 케이블이 아닌, 복수의 해저 케이블들(각 터빈의 유도 발전기로부터 머신 브리지(16)로의 해저 케이블)이 있을 수 있다.

머신 브리지(16)는, 일련의 반도체 전력 스위칭 장치들이 펄스 폭 변조 방식을 사용하여 완전히 제어 및 조절되는, 통상적인 3-상 2-레벨 토폴로지를 가진다. 그러나, 실제로 머신 브리지는 3-레벨 중성 포인트 고정 토폴로지(three-level neutral point clamped topology) 또는 다중-레벨 토폴로지(예를 들어, 포슈-메이나드 장치(Foch-Maynard arrangement))와 같은, 적합한 여하한 토폴로지를 가질 수 있다.

머신 브리지(16)의 직류 출력 전압은 정상 동작에서 인버터의 역할을 하는 네트워크 브리지(20)의 직류 터미널들에 공급된다. 네트워크 브리지(20)는 펄스 폭 변조 방식을 사용하여 완전히 제어 및 조절되는 일련의 반도체 전력 스위칭 장치들을 구비한 머신 브리지와 유사한 3-상 2-레벨 토폴로지를 가진다. 그러나, 실제로 네트워크 브리지는, 머신 브리지에 대해 위에 논의된 바와 같은, 적합한 여하한 토폴로지를 가질 수 있다.

본 명세서에 설명된 바와 같이, (머신 브리지(16)의 동작의 주요한 모드로서의) 능동형 정류(active rectification)는 3-상 머신 브리지의 교류 터미널들로부터 직류 링크로의 에너지의 변환(conversion)이며, (네트워크 브리지(20)의 동작의 주요한 모드로서의) 역변환(inversion)은 3-상 네트워크 브리지의 직류 링크로부터 그것의 교류 터미널들로의 에너지의 변환이다. 그러나, 머신 브리지(16)를 인버터의 역할을 하게 하고, 네트워크 브리지(20)를 능동형 정류기의 역할을 하게 하는 것이 필요하거나 바람직할 수 있을 때가 여러 번 있을 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 해저 터빈들(4a, 4b 및 4c)의 시동 중에 네트워크 브리지(20)는 능동형 정류기의 역할을 하여 전력을 공급 네트워크로부터 직류 링크(18)로 공급할 수 있다. 보수 목적을 위해 그리고 해저 터빈들(4a, 4b 및 4c)이 아주 낮은 속도들로 작동할 때, 발전기들(G1, G2 및 G3)을 구동 모드로 작동시키는 것이 또한 유리할 수 있다. 이 경우에, 전력은 능동형 정류기의 역할을 하는 네트워크 브리지(20)와 인버터의 역할을 하는 머신 브리지(16)를 통해 공급 네트워크로부터 발전기들로 공급될 수 있다.

머신 브리지(16)에 대한 교류 입력 전압 및 네트워크 브리지(20)로부터의 교류 출력 전압은 적합한 필터 장치들(22)에 의해 필터링된다. 필터 장치들(22)은 주로 펄스 폭 변조(PWM) 전압 콘텐츠를 제거하기 위한 것이지만, 송전 케이블(10)의 임피던스의 균형을 유지하기 위해 필요한 경우에 역률 교정(power factor correction)을 제공할 수 있다. 다양한 조작상 요건과 비-조작상 요건을 위해 전력 컨버터(2)를 전력 네트워크로부터 분리하기 위해 그리고 감압 변압기(14)와 공급 네트워크에 대한 확실한 연결을 제공하기 위해 보호 개폐기(24)가 포함된다.

네트워크 브리지(20)의 교류 출력 전압은 승압 변압기(26)에 의해 표준 고정 주파수 공급 네트워크에 공급된다. 도 1에 감압 변압기(26)가 델타 1차 권선들 및 성형(또는 Y자형) 2차 권선들을 가지는 것으로 도시되어 있지만 다른 구조들도 가능하다. 중성 접지 저항(NER)이 2차 권선들의 중성 접지를 위해 사용되지만, 만약 공급 네트워크에 대한 직접 연결이 제공되면, 이것을 생략할 수 있다. 변압기(26)는 입력 전압을 공급 네트워크 또는 전력 그리드의 표준 고정 송전 전압(nominally fixed transmission voltage)과 매칭하는 출력 전압으로 상승시킨다.

머신 브리지(16)는 머신 브리지 제어장치(28)의 제어 하에 작동된다. 머신 브리지 제어장치(28)는 머신 브리지(16)의 반도체 전력 스위칭 장치들을 제어하기 위해 사용되는 게이트 드라이브 명령 신호들을 이끌어내기 위해 다양한 데이터 입력부들을 사용한다. 이런 식으로, 머신 브리지 제어장치(28)는 유도 발전기들(G1, G2 및 G3)을 위한 원하는 고정자 전압 및 고정자 주파수를 달성하도록 머신 브리지(16)를 제어할 수 있다.

속도 변환기들(E)로부터의 축 속도 정보는 해저 케이블(10)과 통합체를 형성하는 광 섬유 케이블들을 통해 머신 브리지 제어장치(28)에 제공된다. 더욱 구체적으로, 해저 케이블(10)은 개개의 발전기 전압, 전류, 역률(power factor), 또는 아마도 심지어 교류 전압 및 전류의 직접적인 측정값들과 같은 데이터 신호들을 나를(carry) 것이다. 머신 브리지 제어장치(28)도 역시 수류 속도(water speed)의 측정값을 사용할 수 있다.

고용량 캐패시터와 같은 에너지 저장 장치(30)는 전력 컨버터의 직류 링크(18)에 선택적으로 연결되어, 공급 네트워크 또는 전력 그리드에 공급되지 않은 여분의 전력을 저장하기 위해 사용될 수 있다.

덤프 저항(32)과 스위칭 장치(초퍼(chopper))가 또한 전력 컨버터의 직류 링크(18)에 선택적으로 연결되어 그리드 FRT(fault ride-through) 기능을 제공한다. 머신 브리지(16)는 네트워크 브리지(20)의 출력 터미널들에서 낮은 전압을 식별하기 위해 전압 변환기들을 사용한다. 이러한 낮은 전압은 일반적으로 그리드 결함(grid fault)이라고 할 수 있다. 유효 전력 공급(active power export)이 그리드 결함이 발생된 동안에 제한되기 때문에, 직류 링크 전압은 상승할 것이며, 이러한 직류 전압을 조절하기 위해 덤프 저항 전류가 제어된다.

전력은 해저 케이블(10)의 보조 전력 케이블들을 통해 각 해저 터빈(4a, 4b 및 4c)에서 보조 로드들에 공급된다. 전력은 승압 변압기(26)의 출력 전압으로부터 편리하게 얻을 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 보조 감압 변압기(34)는 승압 변압기(26) 및 공급 네트워크 사이에 연결된 델타 1차 권선들 및 보조 배전반(36)에 의해 보조 전력 케이블들에 연결된 성형(또는 Y자형) 2차 권선들을 가진다. 무정전 전력 공급 장치(uninterruptable power supply: UPS)를 또한 사용할 수 있는 보조 배전반(36)에 다른 전기 로드들이 연결될 수 있다.

이제 유도 발전기의 작동 속도 및 그 고정자 전압 및 고정자 주파수 사이의 관계를 보여주는 도 2를 참조하여 하나의 가능한 제어 방식을 설명하기로 한다.

유도 발전기들(G1, G2 및 G3)의 표시된 작동 속도는 속도 변환기들(E)에 의해 측정되며, 축 속도 정보는 광 섬유 케이블들에 의해 머신 브리지 제어장치(28)에 공급된다. 표시된 작동 속도들의 평균을 계산하여, 원하는 고정자 전압을 결정하기 위한 비-선형 룩-업 테이블에 대한 포인터로서 사용한다. 속도 변환기는 각 유도 발전기에서의 슬립 속도를 비교하고, 그것으로서 발전기들 중의 어떤 것이 그 토크 용량을 넘어서려 하는지를 결정하기 위해 사용할 수 있다. 그러나, 해저 터빈들이 동등하게 로딩되는 경우에는 속도 변환기가 송전 시스템의 기본 동작에 필수적이지 않다. 유도 발전기들의 표시된 작동 속도(또는 축 속도)는 고정자 주파수 및 발전기 슬립 속도로부터 결정될 수 있다.

도 2는 정격 속도, 정격 고정자 전압 및 정격 주파수 측면에서 유도 발전기들(G1, G2 및 G3)을 위한 설계 정격(design rating)을 보여준다. 설계 정격에 대한 일반적인 예들은 100 내지 1000 kW 사이일 수 있다. 평균 속도가 계산되면 어떤 경우든지, 원하는 고정자 전압이 룩-업 테이블로부터 계산될 수 있고, 머신 브리지 제어장치(28)가 발전기들(G1, G2 및 G3)을 위한 원하는 고정자 전압을 달성하도록 머신 브리지(16)를 제어할 수 있다. 고정자 전압 및 고정자 주파수는 0의 평균 속도를 위해 초기에 0이다. 평균 속도가 증가함에 따라, 고정자 전압과 고정자 주파수가 또한 미리 정해진 관계에 따라 증가할 것이다. 일단 평균 작동 속도가 발전기들을 위한 정격 속도에 도달하면, 고정자 전압은 도 2에 도시된 바와 같이 머신 브리지(16)에 의해 정격 전압으로 실질적으로 일정하게 유지되는 것이 바람직하다. 만약 평균 속도가 정격 속도 보다 높게 증가하면, 고정자 주파수가 계속 증가할 것이다.

평균 터빈 속도가 정격 속도보다 높게 증가하는 동안, 고정자 전압은, 유도 발전기들과 전력 컨버터의 정격들의 범위 내에서 그리고 해저 케이블(10)에서의 전압 강하를 고려하여 달성될 수 있는, 이론상 최고 크기로 실질적으로 일정하게 유지될 수 있다. 고정자 주파수의 크기는 터빈 어셈블리에 의해 발생된 전력이 관련 유도 발전기와 전력 컨버터가 전달할 수 있는 전력 보다 낮게 감소되는 포인트에 의해 결정될 것이다.

이와 다른 제어 방식들이 사용될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다. 그 하나의 예는 주어진 고정자 주파수를 위해 고정자 전압을 제어하는 공지된 방식을 제공하는 통상적인 가변 전압 가변 주파수(VVVF) 제어를 포함할 것이다. VVVF 제어 방식은 일반적으로 람다가 터빈 블레이드 팁 속도 / 수류 속도를 나타내는 경우에 람다를 일정하게 유지시키기 위해 속도 레퍼런스(speed reference)를 사용할 수 있다. 축 속도의 측정값은 VVVF 제어의 일부로서 제공되는 것이 일반적이며, 상술한 바와 같이 고정자 주파수와 발전기 슬립 주파수로부터 계산될 수 있다. 수류 속도는 터빈 어셈블리에 접속된 변환기에 의해 직접적으로 측정될 수 있거나 발전기 전력, 발전기 속도 및 Cp-람다 곡선을 사용하여 추정될 수 있다. VVVF 제어 방식은 또한 해저 케이블(10)에서의 전압 강하를 보상하는 프로파일을 사용하여 프로그래밍될 고정자 전압 레퍼런스를 사용하는 것이 일반적일 수 있다.

적합한 VVVF 제어 방식은 정격 속도 보다 높을 경우에 그것이 발전기들로부터 최대 전력 한계를 설정하도록 유도 발전기들(G1, G2 및 G3)의 정격 속도에서 속도 한계를 가질 것이다. 이것은 송전 시스템에 필요한 것으로서, 유도 발전기들로 하여금 터빈 전력이 관련 발전기의 용량의 범위 내에 속하는 안정된 포인트에서 속도를 증가시킬 수 있게 한다. 의심할 여지없이, VVVF 제어 방식에 의해 설정된 최대 전력은 어떤 주어진 시간에 "온라인 상태인(on-line)" 유도 발전기들의 개수에 좌우될 것이다.

Claims

전력 컨버터(2, 16)에 병렬로 연결된 복수의 재생 가능-에너지 터빈(4a, 4b, 4c) － 각각의 재생 가능-에너지 터빈은 터빈 어셈블리(6)와 유도 발전기(G1, G2, G3)를 포함함 － 과,
상기 전력 컨버터(2, 16)를 위한 제어장치(28)를 포함하되,
상기 제어장치(28)는, 각 유도 발전기(G1, G2, G3)에서 원하는 고정자 전기량(stator electrical quantities)을 달성하여 상기 재생 가능-에너지 터빈을 최대 효율로 작동시키기 위한 제어 방식(control strategy)을 사용하여 상기 전력 컨버터(2, 16)를 자동적으로 제어하기 위해,
(i) 상기 재생 가능-에너지 터빈(4a, 4b, 4c) 중 하나 이상의 터빈의 작동 속도의 표시, 및/또는
(ii) 상기 전력 컨버터(2, 16)를 제어하기 위해서 상기 터빈 어셈블리에 작용하는 유체 유동 속도의 표시를 사용하는
송전 시스템.
제1항에 있어서,
상기 유도 발전기(G1, G2, G3)는 단일 송전 케이블(10)에 의해 상기 전력 컨버터(2, 16)에 연결되는
송전 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 전력 컨버터(2)는
복수의 반도체 전력 스위칭 장치를 갖는 제1 능동형 정류기/인버터(16)와,
복수의 반도체 전력 스위칭 장치를 갖는 제2 능동형 정류기/인버터(20)와,
상기 제1 능동형 정류기/인버터(16)와 상기 제2 능동형 정류기/인버터(20) 사이에 연결된 직류 링크(18)를 포함하되,
상기 제1 능동형 정류기/인버터(16)는 각 유도 발전기(G1, G2, G3)에서 원하는 고정자 전기량을 달성하도록 제어되는
송전 시스템.
제3항에 있어서,
그리드 폴트 라이드-쓰루(grid fault ride-through) 기능을 제공하기 위해서 상기 직류 링크(18)에 전기적으로 연결된 덤프 저항(32)을 더 포함하는
송전 시스템.
제3항에 있어서,
상기 직류 링크(18)에 전기적으로 연결된 에너지 저장 장치(30)를 더 포함하는
송전 시스템.
전력 컨버터(2, 16)에 병렬로 연결된 복수의 재생 가능-에너지 터빈(4a, 4b, 4c)을 포함하는 송전 시스템을 작동시키는 방법으로서,
각각의 재생 가능-에너지 터빈은 터빈 어셈블리(6)와 유도 발전기(G1, G2, G3)를 포함하고,
상기 방법은 각 유도 발전기(G1, G2, G3)에서 원하는 고정자 전기량을 달성하여 상기 재생 가능-에너지 터빈을 최대 효율로 작동시키는 제어 방식을 사용하여 상기 전력 컨버터(2, 16)를 자동적으로 제어하기 위해,
(i) 상기 재생 가능-에너지 터빈(4a, 4b, 4c) 중 하나 이상의 터빈의 작동 속도의 표시, 및/또는
(ii) 상기 터빈 어셈블리(6)에 작용하는 유체 유동 속도의 표시를 사용하는 단계를 포함하는
송전 시스템 작동 방법.
제6항에 있어서,
상기 재생 가능-에너지 터빈(4a, 4b, 4c) 중 하나 이상의 터빈의 작동 속도는,
(i) 회전자 속도(rotor speed)를 측정하는 관련 인코더(E) 또는 속도 센서와,
(ii) 고정자 주파수 및 슬립(slip) 주파수와,
(iii) 상기 터빈 어셈블리(6)에 작용하는 유체 유동 속도 중 하나 이상에 의해 추산되는
송전 시스템 작동 방법.
제6항에 있어서,
모든 상기 재생 가능-에너지 터빈(4a, 4b, 4c)의 추정된 작동 속도의 평균은 각 유도 발전기(G1, G2, G3)에서 상기 원하는 고정자 전기량을 계산하기 위해 사용되는
송전 시스템 작동 방법.
제6항에 있어서,
상기 재생 가능-에너지 터빈(4a, 4b, 4c) 중 단 하나의 터빈의 추정된 작동 속도는 각 유도 발전기(G1, G2, G3)에서 원하는 고정자 전기량을 계산하기 위해 사용되는
송전 시스템 작동 방법.
제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 표시된 작동 속도가 임계치보다 낮은 경우, 상기 제어 방식은 고정자 전압이 상기 유도 발전기(G1, G2, G3)에서 최적 자속(optimum flux)을 달성하도록 제어되는
송전 시스템 작동 방법.
제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 표시된 작동 속도가 임계치보다 높은 경우, 상기 제어 방식은 고정자 전압이 일정하도록 제어되는
송전 시스템 작동 방법.
제11항에 있어서,
상기 표시된 작동 속도가 상기 하나 이상의 재생 가능-에너지 터빈의 정격 속도(rated speed)보다 높은 경우, 상기 제어 방식은 상기 고정자 전압이 상기 하나 이상의 재생 가능-에너지 터빈(4a, 4b, 4c)의 정격 전압(rated voltage)에 있도록 제어되는
송전 시스템 작동 방법.
제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어 방식은 원하는 고정자 전압을 획득하기 위해서 상기 하나 이상의 재생 가능-에너지 터빈의 표시된 작동 속도를 룩-업 테이블(look-up table)에 대한 포인터(pointer)로서 사용하고,
상기 전력 컨버터(2, 16)는 상기 룩-업 테이블로부터 획득된 상기 원하는 고정자 전압을 달성하도록 제어되는
송전 시스템 작동 방법.
제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어 방식은 상기 터빈 어셈블리(6)에 작용하는 상기 유체 유동 속도의 표시로부터 계산된 속도 레퍼런스를 기준으로 상기 전력 컨버터(2, 16)를 제어하도록 가변 전압 가변 주파수(variable voltage variable frequency: VVVF) 제어를 사용하는
송전 시스템 작동 방법.
제14항에 있어서,
상기 터빈 어셈블리(6)에 작용하는 상기 유체 유동의 속도는,
(i) 상기 유도 발전기(G1, G2, G3)의 발전기 전력 및 상기 전력 컨버터(2, 16)의 출력 주파수와,
(ii) 상기 유도 발전기(G1, G2, G3)의 평균 발전기 전력 및 상기 전력 컨버터(2, 16)의 출력 주파수와,
(iii) 상기 전력 컨버터(2, 16)의 출력 전력 및 출력 주파수 중 하나 이상에 의해 추산되는
송전 시스템 작동 방법.
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