KR101951117B1

KR101951117B1 - 풍력 발전용 제어 시스템

Info

Publication number: KR101951117B1
Application number: KR1020170113754A
Authority: KR
Inventors: 김청훈; 계용호; 정정주; 김종성; 이창호
Original assignee: 한양대학교 산학협력단; 한국서부발전 주식회사
Priority date: 2017-09-06
Filing date: 2017-09-06
Publication date: 2019-02-21

Abstract

본 발명은 모델 불확실성과 외란에 대해 강인한 제어 성능을 가지면서도, 채터링 현상이 완화된 풍력 발전용 제어 시스템을 제공한다.
일 예로서, 풍력 발전기에 대해 계통이 연결된 풍력 발전 시스템에 대한 제어를 수행하는 풍력 발전용 제어 시스템에 있어서, 풍력 발전기의 출력 전압을 직류 전압으로 변환하는 컨버터; 상기 계통으로부터의 인가 전압을 교류 전압으로 변환하는 인버터; 상기 컨버터와 인버터의 사이에 연결된 DC 링크 커패시터; 및 상기 컨버터와 인버터의 동작을 제어하는 전력변환장치 주제어부를 포함하고, 상기 전력변환장치 주제어부는 계통의 사고시 상기 컨버터를 슬라이딩 모드로 제어하는 제어 시스템이 개시된다.

Description

풍력 발전용 제어 시스템{Control System For Wind Power Generating}

본 발명은 풍력 발전용 제어 시스템에 관한 것이다.

최근 풍력발전은 기술의 진보, 국가적 지원 등에 의해 가격이 떨어지고 있고, 세계적으로 활발히 진행되고 있다. 또한, 현재 전 세계적으로 해상 풍력 발전 단지의 용량증가로 전력망에 연계되는 에너지량 또한 급증하여 해상 풍력 발전기 및 해상 풍력 발전 단지 운영의 안정성과 지속성이 전력망에 영향을 줄 만큼 중요해졌다. 즉, 전력망에 고장이 발생할 경우에 해상 풍력 발전 단지는 계통에 연계되어 지속적인 운전과 전력망 안정도에 협조하는 특별한 형태로 그 역할이 변경되고 있고, 계통 안정도에 대한 중요성 인식으로 계통 운영자들이 계통운영의 안정성 확보를 위해 계통영향 및 제한에 대한 계통 연계 기준을 규정화하고 있다.

기존의 계통 연계 기준은 주로 계통 사고 발생시 전력 변환 장치의 단독 운전 방지를 목적으로 하였으나, 최근에는 해상풍력 발전 단지의 규모가 점점 커지면서 계통에 협조적인 형태로 계통 연계 기준이 제시되고 있다. 특히, 풍력 발전기의 경우에 계통 저전압 보상(Low Voltage Ride Through : LVRT)을 수행하기 위한 능력이 요구된다.

LVRT로 요구되는 전압 저하 패턴 등과 같은 계통 저전압이 발생한 경우에는 풍력 발전기와 전력계통의 접속을 유지하여 풍력 발전을 계속 실시하도록 규격화되고 있다. 여기서, 이를 LVRT(Low Voltage Ride Through requirement)란 계통 관리자의 입장에서는 계통 사고가 날 경우에도 풍력 발전기가 계통에서 탈락하지 않고 그대로 연결을 유지하는 것을 의미한다.

이와 관련하여, 계통 사고시 추가적인 디바이스를 설치하여 잉여 전력을 소비하는 방법이 있었으나, 추가적인 저항를 별도로 구비하여야 하고, 전력에 낭비가 발생하는 문제가 있다.

본 발명은 모델 불확실성과 외란에 대해 강인한 제어 성능을 가지면서도, 채터링 현상이 완화된 풍력 발전용 제어 시스템을 제공한다.

본 발명에 따른 풍력 발전용 제어 시스템은 풍력 발전기에 대해 계통이 연결된 풍력 발전 시스템에 대한 제어를 수행하는 풍력 발전용 제어 시스템에 있어서, 풍력 발전기의 출력 전압을 직류 전압으로 변환하는 컨버터; 상기 계통으로부터의 인가 전압을 교류 전압으로 변환하는 인버터; 상기 컨버터와 인버터의 사이에 연결된 DC 링크 커패시터; 및 상기 컨버터와 인버터의 동작을 제어하는 전력변환장치 주제어부를 포함하고, 상기 전력변환장치 주제어부는 계통의 사고시 상기 컨버터를 슬라이딩 모드로 제어할 수 있다.

여기서, 상기 전력변환장치 주제어부는 평상시 최대출력제어(MPPT:maximum power point tracking)로 동작하다가 계통 고장 전압 발생 시, 순간적으로 계통으로 보내는 전력값을 기설정된 특정값으로 감소시킬 수 있다.

그리고 상기 전력변환장치 주제어부는 계통 전압의 교류 삼상 전압이 모두 동일하게 감소하는 평형 계통 사고 시, 상기 풍력발전기의 풍력 터빈이 계통에서 탈락하는 대신 그대로 연결을 유지하면서 버티도록 LVRT(Low voltage ride through) 제어를 수행할 수 있다.

또한, 상기 전력변환장치 주제어부는 계통의 사고시 상기 컨버터를 유사 연속 슬라이딩 모드(quasi continuous sliding mode)로 제어할 수 있다.

또한, 상기 유사 연속 슬라이딩 모드는 상기 컨버터에 대해 유사 연속(quasi continuous) 입력 신호를 인가하여 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 풍력 발전용 제어 시스템은 특히 다극형 영구자석 풍력 발전기의 LVRT 제어를 통해 DC 링크 전압 응답의 과도 응답(transient response)을 빠르게 원래 상태로 복구함으로써, 컨버터의 제어가 원활히 되어 컨버터에 걸리는 전압 및 전류를 제어하여 컨버터(PCS)를 보호할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 풍력 발전용 제어 시스템은 LVRT의 제어와 관련하여, 유사 연속(quasi-continuous) 형태의 슬라이딩 모드로서 제어함으로써, 통상의 슬라이딩 모드 제어가 갖는 채터링(chattering) 효과를 개선할 수 있고, 계통 사고 기간 동안 보내지 못하게 되는 유효전력을 다극형 풍력발전기의 관성 운동 에너지에 저장하여 우수한 에너지 효율을 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전용 제어 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전용 제어 시스템의 구성도이다.

본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 풍력 발전용 제어 시스템(1)은 풍력 발전기(10), 컨버터(20) 및 인버터(30)를 포함하는 전력변환장치(40), 전력변환장치(40)를 제어하는 전력변환장치 주제어기(50)를 포함한다.

본 발명에 따른 제어 시스템(1)은 풍력발전기(10)가 풍력으로 블레이드(15)를 회전시켜 전력을 얻는다.

풍력 발전으로 얻은 전력은 컨버터(20)를 통해 직류 전력으로 변환되어 DC 버스로 출력된다.

인버터(30)는 DC-AC 인버터로, DC 버스로부터 받은 직류 전력을 전력 계통과 동일한 주파수의 교류 전력으로 변환한다. 이때, 전력변환장치(40)의 멀티레벨 펄스폭 변조방식으로 구성함으로써 별도의 필터를 추가할 필요가 없으며 출력 전압 및 출력전류가 계통에 안정적인 정현파 형태를 공급할 수 있다.

한편, 컨버터(20)와 인버터(30)의 사이에는 DC 링크 커패시터가 존재하며, 계통 사고시 계통 전압의 갑작스런 감소로 인해서 풍력발전기에서 생산하는 전력이 계통으로 전달하는 것이 원활히 이루어지지 않고, 그에 따라 DC 링크 커패시터에 쌓이는 에너지가 변하면서 DC 링크 전압이 변할 수 있다. 본 발명에서는 후술할 것처럼, LVRT 제어를 통해 DC 링크 전압이 흔들리는 과도 응답을 빠르게 원래 상태로 복구함으로써 컨버터 및 인버터(20, 30)를 원활히 제어하여 이들에 걸리는 전압 및 전류를 제어하고, 결과적으로 컨버터 및 인버터(20, 30)를 보호할 수 있다.

이를 위해, 전력변환장치 주제어기(50)의 동작에 대해 더 자세하게 설명하면, 전력변환장치 주제어기(50)는 전력을 생산하는 풍력발전기(10)와 연계된 계통, 즉 계통 연계 지점(2)의 전압 및 전류를 수신하고, 수신된 계통 연계 지점(2)의 전압을 미리 설정된 계통 기준 전압과 비교하여 수신된 계통 연계 지점(2)의 전압이 미리 설정된 계통 기준 전압 미만인 경우, 즉 계통 연계 지점(2)에서 저전압이 발생되었는지 여부를 판단한다.

보다 구체적으로, 도 2를 참조하면, 계통에서 순간적인 삼상 전압 강하가 발생하게 되면, 도면의 왼쪽에 나타난 Va, Vb, Vc 삼상 전압 값이 순간적으로 감소하게 된다. 이럴 경우, 동일한 전력을 보내기 위해서는 떨어진 전압 배수만큼 전류 값이 증가해야만 한다. 하지만 전류값을 증가 시키기 위해서는 도면 중간부분에 나타난 양 측 컨버터에 흐르는 전류도 증가해야 되고 결과적으로 컨버터의 허용 전류값을 넘기게 되어 컨버터 고장으로 이어질 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 제어 시스템(1)에서는 계통 사고 시, 두 컨버터를 적절히 제어함으로써 계통 사고 동안 풍력 터빈이 계통에 연결을 유지하면서도 컨버터를 보호할 수 있다.

이를 위해, 전력변환장치 주제어기(50)는 전력변환장치(40) 내의 인버터(30)를 평상시 최대출력제어(MPPT:maximum power point tracking)로 동작하다가 계통 고장 전압 발생 시, 순간적으로 계통으로 보내는 전력값을 특정 값으로 감소시키도록 동작시킨다.

한편, 전력변환장치 주제어기(50)는 전력변환장치(40) 내의 컨버터(20)는 컨버터(20)와 인버터(30)의 사이에 위치한 DC 링크 커패시터에 대해 항상 DC 링크 전압 유지를 위해 슬라이딩 모드 제어로 동작시킨다.

여기서, 슬라이딩 모드란 기준값으로 설정된 DC 링크 전압, 즉 슬라이딩 평면(sliding surface)에 대해, 실제 측정되는 DC 링크 전압을 비교하여, 기준값에 맞춰지도록 제어하는 것을 의미한다. 이러한 슬라이딩 모드는 모델이 불확실하거나 외란이 존재 하여도 강인하게 제어하는 특성을 갖는다.

사고 시, 계통 전압의 갑작스런 감소로 인해서 풍력발전기에서 생산하는 전력이 계통으로 전달하는 것이 원활히 이루어지지 않고, 그에 따라 DC 링크 커패시터에 쌓이는 에너지가 변하면서 DC 링크 전압이 변하게 되는데, 본 발명에 다른 제어 시스템(1)에서는 이러한 DC 링크 전압이 흔들리는 과도 응답을 빠르게 원래 상태로 복구함으로써, 컨버터의 제어가 원활히 되어 컨버터에 걸리는 전압 및 전류를 제어하는 것이다. 즉, LVRT 제어를 함으로써 인버터 및 컨버터(20, 30)의 전압 및 전류를 적절하게 제어함으로써 인버터 및 컨버터(20, 30)를 보호할 수 있다.

또한, 이러한 동작에 따르면 계통 사고 기간 동안 보내지 못하게 되는 유효전력을 별도로 소비할 필요없이, 풍력 발전기(10)의 관성 운동 에너지에 저장할 수 있기 때문에 에너지 효율성을 높이고 전력 낭비를 줄일 수 있다.

한편, 이와 같은 슬라이딩 모드에서는 불연속 제어 입력을 인가함으로써 지연시간이 존재하는 실제 계통에 적용시 설계시 고려되지 않은 동특성(unmodeled dynamics)이 여기되어 채터링(chattering) 현상이 발생될 수 있다. 이러한 채터링 현상의 결과로서, 전력변환장치(40) 내에서는 DC 링크 커패시터에서의 DC 링크 전압이 빠른 주파수로 흔들리는 현상이 발생될 수 있다.

이에 대해, 본 발명의 실시예에 따른 제어 시스템(1)에서는 불연속 제어 입력 대신, 유사 연속(quasi continuous) 입력 신호를 인가하는 방식의 유사 연속 슬라이딩 모드(quasi continuous sliding mode)를 제안하며, 이에 따르면, 풍력 발전기(10)의 비선형적 특성을 반영하면서도 채터링 현상이 상당히 완화되거나 장치 특성에 따라 제거될 수 있다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 풍력 발전용 제어 시스템을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

1 : 풍력 발전용 제어 시스템 2 : 계통연계지점
3 : 계통망 10 : 풍력 발전기
15 : 블레이드 20 : 컨버터
30 : 인버터 40 : 전력변환장치
50 : 전력변환장치 주제어기

Claims

풍력 발전기에 대해 계통이 연결된 풍력 발전 시스템에 대한 제어를 수행하는 풍력 발전용 제어 시스템에 있어서,
풍력 발전기의 출력 전압을 직류 전압으로 변환하는 컨버터;
상기 계통으로부터의 인가 전압을 교류 전압으로 변환하는 인버터;
상기 컨버터와 인버터의 사이에 연결된 DC 링크 커패시터; 및
상기 컨버터와 인버터의 동작을 제어하는 전력변환장치 주제어부를 포함하고;
상기 전력변환장치 주제어부는 계통의 사고시 상기 컨버터를 슬라이딩 모드로 제어하되, 상기 컨버터를 유사 연속 슬라이딩 모드(quasi continuous sliding mode)로 제어하는 제어 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 전력변환장치 주제어부는 평상시 최대출력제어(MPPT:maximum power point tracking)로 동작하다가 계통 고장 전압 발생 시, 순간적으로 계통으로 보내는 전력값을 기설정된 특정값으로 감소시키는 제어 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 전력변환장치 주제어부는 계통 전압의 교류 삼상 전압이 모두 동일하게 감소하는 평형 계통 사고 시, 상기 풍력발전기의 풍력 터빈이 계통에서 탈락하는 대신 그대로 연결을 유지하면서 버티도록 LVRT(Low voltage ride through) 제어를 수행하는 제어 시스템.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 유사 연속 슬라이딩 모드는 상기 컨버터에 대해 유사 연속(quasi continuous) 입력 신호를 인가하여 구성되는 제어 시스템.