KR102201872B1 - 센서리스 제어가 적용된 발전시스템의 구동 재개 장치 및 방법 - Google Patents

센서리스 제어가 적용된 발전시스템의 구동 재개 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

센서리스 제어가 적용된 발전시스템의 구동 재개 방법에 관한 것이며, 센서리스 제어가 적용된 발전시스템의 구동 재개 방법은, (a) 발전 장치와 연결된 PMSG에서 발전된 전력을 계통으로 공급하는 전력변환장치의 동작이 중지된 경우, 상기 PMSG의 초기 정보를 추정하는 단계; 및 (b) 상기 추정된 PMSG의 초기 정보를 이용하여 상기 동작이 중지된 전력변환장치를 포함하는 상기 발전시스템의 구동이 재개되도록 제어하는 단계를 포함하고, 상기 PMSG의 초기 정보는 상기 PMSG의 초기 회전자 각주파수 정보 및 상기 PMSG의 초기 위치 정보를 포함할 수 있다.

Description

센서리스 제어가 적용된 발전시스템의 구동 재개 장치 및 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR DRIVE RESTARTING OF POWER GENERATION SYSTEM APPLIED SENSORLESS}
본원은 센서리스 제어가 적용된 발전시스템의 구동 재개 장치 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본원은 회전하는 영구자석 동기발전기(Permanent Magnet Synchronous Generator, PMSG)의 센서리스 제어가 적용된 발전시스템(예를 들어, 수차 발전시스템 등)의 구동 재개 장치 및 방법에 관한 것이다.
지역난방 시스템의 열수송관에는 일반적으로 원거리 지역으로의 열공급을 위해 압력 및 온도 조절 기능을 위한 차압 유량 조절 밸브가 사용된다. 하지만, 고압유체를 사용하는 열수송관의 차압 유량 조절 밸브는 오작동과 고장을 일으키는 캐비테이션(cavitation)이 발생할 확률이 높다. 이러한 차압 유량 조절 밸브의 비정상 동작은 순환 펌프가 동력을 과다하게 소모하거나, 난방수의 회수 온도를 상승시키기 때문에 지역난방 시스템의 신뢰성을 저하시킨다. 최근에는 이러한 차압 유량 조절 밸브를 대체하기 위해 일정 차압 제어 및 소수력 발전이 가능한 수차 발전시스템(Hydraulic Turbine Generation System) 개발이 진행되고 있다.
예시적으로, 종래에는 차압(differential pressure)을 이용한 발전 제어 시스템 기술로서 일예로 문헌 [K. M. Kim, S. Y. Park, and M. S. Oh, "Power generation and control system using differential pressure of district heating pipeline in a substation," Journal of Energy Engineering, vol. 26, no. 3, pp. 90-96, 2017.]가 개시되어 있다.
지역난방 시스템의 차압 에너지 활용을 위한 수차 발전시스템에서는 발전기를 제어하여 고압유체의 일정 차압 제어를 수행하기 위해 back-to-back 컨버터를 사용한다. Back-to-back 컨버터는 차압 제어 과정에서 생성된 전력을 AC-DC-AC로 변환하여, 일반적인 지역난방 시스템에서 차압 유량 조절 밸브의 제어 과정에서 기계적 손실로 낭비되는 차압 에너지를 전기 에너지로 회수할 수 있다.
수차 발전시스템의 차압 제어를 수행하기 위한 제어 시스템은 동기 좌표계 상의 토크 제어기를 사용한다. 토크 제어기는 비례-적분(Proporional-Integral, PI) 제어 구조를 가지며, 회전자 기준 벡터 제어 방식을 통해 순시적으로 토크를 제어한다. 여기서, 벡터 제어를 위해서는 회전자의 위치 정보가 필요하며, 발전기 제어를 위한 일반적인 시스템에서는 위치 센서를 통해 위치 정보를 얻는다. 추가적으로, 수차 발전기에서 회수된 에너지를 활용하기 위해서는 계통연계 제어 시스템이 요구된다.
계통연계 제어 시스템은 동기 좌표계 상에서 전압 및 전류 제어기가 직렬 연결된 구조로 설계하며, 계통연계 시에는 계통의 위상 정보가 요구되므로 위상 고정 루프(Phase Locked Loop, PLL) 제어를 수행하여 계통 전압의 위상각 정보를 얻는다. 계통연계 제어 시스템의 각 제어기는 PI 제어 구조를 가지며, 전류 제어기는 계통 위상각 기준 벡터 제어를 수행한다.
수차 발전시스템에서 토크를 제어하기 위해서는 회전자 기준 벡터 제어 방식이 사용되며, 회전자의 위치 정보를 얻기 위해 위치 센서를 사용한다. 하지만, 위치 센서는 시스템의 가격 및 부피를 상승시키고 외부 환경에 민감하여 시스템의 신뢰성을 저하시킨다. 따라서, 위치 센서 없이 회전자의 위치 정보를 추정하기 위한 다양한 센서리스 기법에 대한 연구가 진행되고 있다.
센서리스 기법은 고주파 신호를 주입하는 방법과 역기전력 기반의 PMSG 모델링을 이용하는 방법으로 구분된다. 고주파 신호를 주입하는 센서리스 기법에서는 PMSG의 회전자 위치에 따라 인덕턴스가 변동하는 특징을 이용하며, 고주파 신호 주입을 통해 검출된 인덕턴스 변동을 통해 회전자의 위치를 추정할 수 있다. 역기전력 기반의 PMSG 모델링을 이용한 센서리스 기법에서는 고정자 전압 및 전류를 검출하여 회전자의 위치를 추정할 수 있으며, 여기서, PMSG의 모델링 방법에 따라 다양한 센서리스 기법으로 분류될 수 있다.
센서리스 기법을 이용한 수차 발전시스템에서 전력변환장치의 동작이 중지된 경우에는 PMSG 회전자의 주파수 및 위치 정보를 얻을 수 없으므로, PMSG를 정지시킨 후에 수차 발전시스템의 구동을 재개해야 한다. 그런데, 지역난방 시스템에서는 고압유체에 의해 PMSG를 지속적으로 회전시키거나 PMSG를 정지시키는 경우 수분 내지 수십분이 소요되며, 이 동안에는 전력 생산이 불가능하므로, 수차 발전시스템에 연계된 계통(Grid)의 안정성 및 신뢰성을 향상시키기 위해서는 최단 시간 내에 구동을 재개하는 방법이 요구된다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 센서리스 제어가 적용된(센서리스 기법을 이용한) 발전시스템에서 전력변환장치의 동작이 중지된 경우, PMSG를 정지시키지 않고 발전시스템의 구동을 재개할 수 있는 센서리스 제어가 적용된 발전시스템의 구동 재개 장치 및 방법을 제공하려는 것을 목적으로 한다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 발전시스템에 연계된 계통(Grid)의 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 센서리스 제어가 적용된 발전시스템의 구동 재개 장치 및 방법을 제공하려는 것을 목적으로 한다.
다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제1 측면에 따른 센서리스 제어가 적용된 발전시스템의 구동 재개 방법은, (a) 발전 장치와 연결된 PMSG에서 발전된 전력을 계통으로 공급하는 전력변환장치의 동작이 중지된 경우, 상기 PMSG의 초기 정보를 추정하는 단계; 및 (b) 상기 추정된 PMSG의 초기 정보를 이용하여 상기 동작이 중지된 전력변환장치를 포함하는 상기 발전시스템의 구동이 재개되도록 제어하는 단계를 포함하고, 상기 PMSG의 초기 정보는 상기 PMSG의 초기 회전자 각주파수 정보 및 상기 PMSG의 초기 위치 정보를 포함할 수 있다.
또한, 상기 (a) 단계는, (a1) 상기 PMSG와 연결된 상기 전력변환장치 내 정류기에 영전압 벡터를 인가하는 단계; 및 (a2) 상기 영전압 벡터의 인가시 PMSG의 역기전력에 의해 발생하는 단락회로 전류를 검출하는 단계; 및 (a3) 상기 검출된 단락회로 전류의 벡터를 기반으로 상기 PMSG의 초기 정보를 추정하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 단락회로 전류는 상기 PMSG의 역기전력의 주파수 정보 및 위상각 정보를 포함할 수 있다.
또한, 상기 (a) 단계는, 2회의 영전압 벡터의 인가시 검출되는 2개의 단락회로 전류를 이용하여 상기 PMSG의 초기 정보를 추정하고, 상기 2개의 단락회로 전류는, 첫번째 영전압 벡터의 인가시 검출되는 제1 단락회로 전류 및 두번째 영전압 벡터의 인가시 검출되는 제2 단락회로 전류를 포함할 수 있다.
또한, 상기 (a1) 단계는, 상기 2회의 영전압 벡터를 각각 동일하게 미리 설정된 시간 동안 인가하되, 상기 첫번째 영전압 벡터의 인가 이후 기설정된 정류기 오프 시간 동안의 시간 차를 두고 상기 두번째 영전압 벡터를 인가할 수 있다.
또한, 상기 PMSG의 초기 회전자 각주파수 정보는, 상기 제1 단락회로 전류의 위상각과 상기 제2 단락회로 전류의 위상각 간의 위상 차, 상기 미리 설정된 시간 및 상기 기설정된 정류기 오프 시간을 이용하여 추정될 수 있다.
또한, 상기 PMSG의 초기 위치 정보는, 상기 제2 단락회로 전류의 위상각, 상기 제2 단락회로 전류의 벡터와 상기 PMSG의 회전 좌표계 중 d-축 사이의 위상각, 및 추정된 상기 PMSG의 초기 회전자 각주파수 정보를 이용하여 추정될 수 있다.
한편, 본원의 제2 측면에 따른 센서리스 제어가 적용된 발전시스템의 구동 재개 장치는, 발전 장치와 연결된 PMSG에서 발전된 전력을 계통으로 공급하는 전력변환장치의 동작이 중지된 경우, 상기 PMSG의 초기 정보를 추정하는 추정부; 및 상기 추정된 PMSG의 초기 정보를 이용하여 상기 동작이 중지된 전력변환장치를 포함하는 상기 발전시스템의 구동이 재개되도록 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 PMSG의 초기 정보는 상기 PMSG의 초기 회전자 각주파수 정보 및 상기 PMSG의 초기 위치 정보를 포함할 수 있다.
또한, 상기 추정부는, 상기 PMSG와 연결된 상기 전력변환장치 내 정류기에 영전압 벡터를 인가하고, 상기 영전압 벡터의 인가시 PMSG의 역기전력에 의해 발생하는 단락회로 전류를 검출하고, 상기 검출된 단락회로 전류의 벡터를 기반으로 상기 PMSG의 초기 정보를 추정할 수 있다.
또한, 상기 추정부는, 2회의 영전압 벡터의 인가시 검출되는 2개의 단락회로 전류를 이용하여 상기 PMSG의 초기 정보를 추정하고, 상기 2개의 단락회로 전류는, 첫번째 영전압 벡터의 인가시 검출되는 제1 단락회로 전류 및 두번째 영전압 벡터의 인가시 검출되는 제2 단락회로 전류를 포함할 수 있다.
또한, 상기 추정부는, 상기 2회의 영전압 벡터를 각각 동일하게 미리 설정된 시간 동안 인가하되, 상기 첫번째 영전압 벡터의 인가 이후 기설정된 정류기 오프 시간 동안의 시간 차를 두고 상기 두번째 영전압 벡터를 인가할 수 있다.
한편, 본원의 제3측면에 따른 센서리스 제어가 적용된 발전시스템은, 발진 장치와 연결된 PMSG; 상기 PMSG와 계통 사이에 배치되고, 상기 PMSG에서 발전된 전력을 상기 계통으로 공급하는 전력변환장치; 및 상기 전력변환장치의 동작이 중지된 경우, 상기 PMSG의 초기 정보를 추정하고, 상기 추정된 PMSG의 초기 정보를 이용하여 상기 동작이 중지된 전력변환장치를 포함하는 상기 발전시스템의 구동이 재개되도록 제어하는 구동 재개 장치를 포함하고, 상기 PMSG의 초기 정보는 상기 PMSG의 초기 회전자 각주파수 정보 및 상기 PMSG의 초기 위치 정보를 포함할 수 있다.
또한, 상기 구동 재개 장치는, 상기 PMSG와 연결된 상기 전력변환장치 내 정류기에 영전압 벡터를 인가하고, 상기 영전압 벡터의 인가시 PMSG의 역기전력에 의해 발생하는 단락회로 전류를 검출하고, 상기 검출된 단락회로 전류의 벡터를 기반으로 상기 PMSG의 초기 정보를 추정할 수 있다.
또한, 상기 구동 재개 장치는, 2회의 영전압 벡터의 인가시 검출되는 2개의 단락회로 전류를 이용하여 상기 PMSG의 초기 정보를 추정하고, 상기 2개의 단락회로 전류는, 첫번째 영전압 벡터의 인가시 검출되는 제1 단락회로 전류 및 두번째 영전압 벡터의 인가시 검출되는 제2 단락회로 전류를 포함할 수 있다.
상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 센서리스 제어가 적용된(센서리스 기법을 이용한) 발전시스템에서 전력변환장치의 동작이 중지된 경우, PMSG를 정지시킬 필요없이 PMSG의 초기 회전자 각주파수 정보 및 초기 위치 정보를 추정함으로써 발전시스템의 구동을 재개할 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 회전하는 PMSG의 센서리스 제어가 적용된 발전시스템의 구동 재개 장치 및 방법을 제공함으로써, 발전시스템에 연계된 계통(Grid)의 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 잇다.
본원에서 제공하는 회전하는 PMSG의 센서리스 제어가 적용된 발전시스템의 구동 재개 장치 및 방법은 발전시스템으로서, 수차 발전시스템 뿐만 아니라 풍력 발전, 소수력 발전 등 발전기를 포함하는 신재생에너지 시스템에 적용(응용)될 수 있다.
다만, 본원에서 얻을 수 있는 효과는 상기된 바와 같은 효과들로 한정되지 않으며, 또 다른 효과들이 존재할 수 있다.
도 1은 본원의 일 실시예에 따른 센서리스 제어가 적용된 발전시스템의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본원의 일 실시예에 따른 센서리스 제어가 적용된 발전시스템에 포함된 발전부의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본원의 일 실시예에 따른 센서리스 제어가 적용된 발전시스템의 구동 재개 장치의 추정부가 영전압 벡터를 인가함으로써 발생된 단락회로 전류의 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 본원의 다른 일 실시예에 따른 센서리스 제어가 적용된 발전시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본원의 일 실시예에 따른 센서리스 제어가 적용된 발전시스템의 구동 재개 방법에 대한 동작 흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결" 또는 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본원의 일 실시예에 따른 센서리스 제어가 적용된 발전시스템(100)의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다. 도 2는 본원의 일 실시예에 따른 센서리스 제어가 적용된 발전시스템(100)에 포함된 발전부(20)의 구성을 나타낸 도면이다.
이하에서는 본원의 일 실시예에 따른 센서리스 제어가 적용된 발전시스템(100)을 설명의 편의상 본 발전시스템(100)이라 하기로 한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발전시스템(100)은 구동 재개 장치(10, 본 구동 재개 장치) 및 발전부(20)를 포함할 수 있다.
구동 재개 장치(10)는 본원의 일 실시예에 따른 센서리스 제어가 적용된 발전시스템(100)의 구동을 재개하는 장치(10)를 의미할 수 있다. 특히, 구동 재개 장치(10)는 회전하는 영구자석 동기발전기(Permanent Magnet Synchronous Generator, PMSG)의 센서리스 제어가 적용된 발전시스템의 구동을 재개하기 위한 구동 재개 장치(10)를 의미할 수 있다. 달리 말하자면, 이하 설명에서는 본원의 일 실시예에 따른 센서리스 제어가 적용된 발전시스템의 구동 재개 장치(10)를 설명의 편의상 본 구동 재개 장치(10)라 할 수 있다. 이에 따르면, 본 발전시스템(100)은 본 구동 재개 장치(10)를 포함하는 센서리스 제어가 적용된 발전시스템(100)을 의미할 수 있다.
본 구동 재개 장치(10)는 본 발전시스템(100)의 발전부(20)에 포함된 전력변환장치(23)의 동작이 중지된 경우, PMSG의 초기 정보를 추정함으로써 동작이 중지된 전력변환장치(23)를 포함하는 발전시스템(100)의 구동이 재개되도록 제어할 수 있다.
이때, 본 구동 재개 장치(10)에 의해 구동이 재개되도록 제어되는 발전시스템(100), 즉 본 구동 재개 장치(10)의 적용이 가능한 발전 시스템(100)은 일예로 수차 발전시스템일 수 있다. 다만, 이에만 한정되는 것은 아니고, 본 구동 재개 장치(10)의 적용이 가능한 발전 시스템(100)은 수차 발전시스템뿐만 아니라 풍력 발전, 소수력 발전 등 발전기를 포함하는 다양한 신재생에너지 시스템일 수 있다. 이하에서는 본 구동 재개 장치(10)가 적용되는 발전 시스템(100)이 수차 발전시스템인 것으로 예를 들어 설명하기로 한다.
본 구동 재개 장치(10)에 대한 구체적인 설명에 앞서, 발전부(20)에 대한 보다 상세한 설명은 다음과 같다.
발전부(20)는 발전 장치(21), 영구자석 동기발전기(Permanent Magnet Synchronous Generator, PMSG, 22), 전력변환장치(23) 및 계통(Grid, 27)을 포함할 수 있다. 전력변환장치(23)는 정류기(Rectifier, 24), 직류단(DC-link, 25) 및 인버터(Inverter, 26)를 포함할 수 있다. 발전 장치(21)는 일예로 수차(Hydraulic Turbine, 수력터빈)일 수 있다.
본 발전시스템(100)에서 입력 측은 발전 장치(21) 및 발전 장치(21)와 연결된 PMSG(22)로 이루어질 수 있다. 본 발전시스템(100)에서 출력 측은 LC 필터(즉, L f , C f ) 및 3상 계통(27)으로 이루어질 수 있다.
전력변환장치(23)는 back-to-back 컨버터로서 정류기(24)와 인버터(26)가 직류단(25)을 포함하여 직렬로 연결된 형태로 이루어질 수 있다.
전력변환장치(23)는 본 발전시스템(100)에서 입력 측과 출력 측 사이에 배치될 수 있다. 전력변환장치(23)에서 정류기(24)는 입력 측의 PMSG(23)와 연결되도록 배치되고, 인버터(26)는 출력 측의 계통(27)과 연결되도록 배치될 수 있다. 직류단(25)은 정류기(24)와 인버터(26) 사이에 배치될 수 있다.
PMSG(22)와 연결된 정류기(24)는 6개의 단방향 스위치(IGBT)와 역방향 다이오드의 조합으로 이루어질 수 있다. 계통(27)과 연결된 인버터(26)는 정류기(24)와 동일 내지 유사한 형태(구조)로 이루어질 수 있다.
전력변환장치(23)는 PMSG(22)와 계통(27) 사이에 배치되고, PMSG(22)에서 발전된 전력을 계통(27)으로 공급할 수 있다.
구체적으로, PMSG(22)에서 발전된 전력은 정류기(24)를 통해 교류(Alternating Current)에서 직류(Direct current)로 변환(즉, AC-DC 변환)되어 직류단(25)에 공급될 수 있으며, 이후 직류단(25)과 연결된 인버터(26)를 통해 직류에서 교류로 변환(즉, DC-AC 변환)되어 계통(27)으로 공급될 수 있다.
정류기(24)는 PMSG(24)에서 발전된 전력을 제어하기 위해 입력 측의 전류를 제어할 수 있다. 인버터(26)는 직류단(25) 전압을 일정하게 제어하는 역할을 수행할 수 있다.
한편, PMSG(22)의 발전 전력을 제어하기 위해서는 PMSG 회전자의 위치 정보가 필요하다. 일반적인 발전시스템(100)에서는 PMSG 회전자의 위치 정보를 획득하기 위해 위치 센서가 사용되며, 이러한 위치 센서는 발전시스템의 가격 및 부피를 상승시키고 외부 환경에 민감하여 발전시스템의 신뢰성을 저하시킨다. 이에 따라, 종래에는 시스템의 가격 및 부피를 상승시키고 외부 환경에 민감하여 시스템의 신뢰성을 저하시키는 위치 센서를 대신하여, 위치 센서 없이 센서리스 기법을 통해 PMSG 회전자의 위치 정보를 추정하는 기술이 몇몇 존재한다.
그런데, 종래 센서리스 기법을 이용한 수차 발전시스템에서는, 전력변환장치(즉, 정류기와 인버터)의 동작이 중지된 경우, PMSG 회전자의 각주파수 및 위치 정보를 획득할 수 없으므로 PMSG를 정지시킨 다음에 발전시스템의 구동을 재개해야 한다. 이때, 지역난방 시스템에서는 고압유체에 의해 PMSG를 지속적으로 회전시키거나 PMSG를 정지시키는 경우 수분 내지 수십분이 소요된다. 따라서, 이 동안에는 전력 생산이 불가능하므로, 발전시스템에 연계된 계통의 안정성 및 신뢰성을 향상시키기 위해서는 최단 시간 내에 발전시스템의 구동을 재개하는 방법이 요구된다.
이에 본원은 회전하는 PMSG의 센서리스 제어가 적용된 발전시스템(100)에서 PMSG의 초기 회전자 각주파수 및 위치 정보를 추정하여 발전시스템의 구동을 재개하는 기술에 대하여 제안한다. 이러한 본원, 즉 본 구동 재개 장치(10)는 수차 발전시스템뿐만 아니라 풍력 발전, 소수력 발전 등 발전기를 포함하는 다양한 신재생에너지 시스템에 적용(응용)되어 효과적으로 사용될 수 있다.
이하에서는 본 구동 재개 장치(10)에 대하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
본 구동 재개 장치(10)는 추정부(11) 및 제어부(12)를 포함할 수 있다.
추정부(11)는 발전 장치(21)와 연결된 PMSG(22)에서 발전된 전력을 계통(27, 전력 계통)으로 공급하는 전력변환장치(23)의 동작이 중지된 경우, PMSG(22)의 초기 정보를 추정할 수 있다. 즉, 추정부(11)는 전력변환장치(23) 내 정류기(24) 및 인버터(26) 중 적어도 하나의 동작이 중지된 경우, PMSG(22)의 초기 정보를 추정할 수 있다. 여기서, PMSG(22)의 초기 정보는 PMSG(22)의 초기 회전자 각주파수 정보 및 PMSG(22)의 초기 위치 정보를 포함할 수 있다. 이때, PMSG(22)의 초기 위치 정보는 PMSG의 초기 회전자 위치를 의미할 수 있다.
추정부(11)는 PMSG(22)의 초기 위치 정보를 단락회로 전류(단락회로 전류 벡터)를 기반으로 추정할 수 있다. 본원에서 고려되는 단락회로 전류는 특히 단락회로 전류의 벡터, 즉 단락회로 전류 벡터를 의미할 수 있다. 여기서, 단락회로 전류는 PMSG(22)에 연결된 정류기(24)에 영전압 벡터를 인가하는 경우에 PMSG의 역기전력에 의해 발생할 수 있다. 이러한 단락회로 전류는 PMSG의 역기전력의 주파수 정보 및 위상각 정보를 포함할 수 있다.
이에 따르면, 추정부(11)는 단락회로 전류를 검출함으로써 PMSG(22)의 초기 정보로서 PMSG(22)의 초기 회전자 각주파수 및 초기 위치를 추정할 수 있다. 특히, 추정부(11)는 두 번(2회)의 영전압 벡터의 인가에 의한 단락회로 전류(단락회로 전류 벡터)를 이용하여 PMSG(22)의 초기 정보를 추정할 수 있다. 여기서, 두 번(2회)의 영전압 벡터는 각각 미리 설정된 시간(미리 설정된 샘플링 시간, T samp ) 동안 정류기(24)에 인가될 수 있다.
다시 말해, 추정부(11)는 PMSG(22)와 연결된 전력변환장치(23) 내 정류기(24)에 영전압 벡터를 인가할 수 있다. 이후, 추정부(11)는 영전압 벡터의 인가시 PMSG의 역기전력에 의해 발생하는 단락회로 전류를 검출할 수 있다. 이후, 추정부(11)는 검출된 단락회로 전류의 벡터를 기반으로 PMSG(22)의 초기 정보를 추정할 수 있다. 여기서, 단락회로 전류는 PMSG(22)의 역기전력의 주파수 정보 및 위상각 정보를 포함할 수 있다.
추정부(11)는 영전압 벡터를 정류기(24)에 두 번(2회) 인가할 수 있다.
추정부(11)는 영전압 벡터를 정류기(24)에 2회 인가하고, 이후 2회의 영전압 벡터의 인가시 검출되는 2개의 단락회로 전류를 이용하여 PMSG(22)의 초기 정보를 추정할 수 있다. 여기서, 검출되는 2개의 단락회로 전류는, 첫번째 영전압 벡터의 인가시 검출되는 제1 단락회로 전류 및 두번째 영전압 벡터의 인가시 검출되는 제2 단락회로 전류를 포함할 수 있다.
추정부(11)는 정류기(22)에 대한 영전압 벡터의 인가시, 2회의 영전압 벡터를 각각 동일하게 미리 설정된 시간(미리 설정된 샘플링 시간, T samp ) 동안 인가할 수 있다. 즉, 추정부(11)는 2회의 영전압 벡터의 인가시, 첫번째 영전압 벡터를 인가하는 시간과 두번째 영전압 벡터를 인가하는 시간을 동일하게 할 수 있다. 이에 따르면, 첫번째 영전압 벡터와 두번째 영전압 벡터는 각각 T samp 동안 정류기(22)에 인가될 수 있다.
이때, 추정부(11)는 첫번째 영전압 벡터의 인가 이후 기설정된 정류기 오프 시간 동안의 시간 차를 두고 두번째 영전압 벡터를 인가할 수 있다. 이때, 기설정된 정류기 오프 시간은 미리 설정된 시간(T samp ) 보다 크게 설정될 수 있다.
또한, 추정부(11)에 의해 추정되는 PMSG(22)의 초기 정보 중 PMSG(22)의 초기 회전자 각주파수 정보는, 제1 단락회로 전류(제1 단락회로 전류 벡터)의 위상각과 제2 단락회로 전류(제2 단락회로 전류 벡터)의 위상각 간의 위상 차, 미리 설정된 시간 및 기설정된 정류기 오프 시간을 이용하여 후술하는 식 4를 만족하도록 추정될 수 있다. 또한, 추정부(11)에 의해 추정되는 PMSG(22)의 초기 정보 중 PMSG(22)의 초기 위치 정보는, 제2 단락회로 전류(제2 단락회로 전류 벡터)의 위상각, 제2 단락회로 전류의 벡터(즉, 제2 단락회로 전류 벡터)와 PMSG의 회전 좌표계 중 d-축 사이의 위상각, 및 추정부(11)에 의해 추정된 PMSG의 초기 회전자 각주파수 정보를 이용하여 후술하는 식 5를 만족하도록 추정될 수 있다. 이에 대한 보다 구체적인 설명은 도 3을 참조하여 보다 쉽게 이해될 수 있다.
도 3은 본원의 일 실시예에 따른 센서리스 제어가 적용된 발전시스템의 구동 재개 장치(10)의 추정부(11)가 영전압 벡터를 인가함으로써 발생된 단락회로 전류의 예를 나타낸 도면이다.
구체적으로, 도 3에서 (a)와 (b)는 본 발전시스템(100)에서 입력 측(특히, PMSG 측)의 단락 전류 벡터를 나타낸다. 특히, 도 3에서 (a)는 추정부(11)에 의해 첫번째 영전압 벡터의 인가시 발생된(검출된) 제1 단락회로 전류(즉, 제1 단락회로 전류 벡터, I sc1 )의 예를 나타낸 도면이다. 도 3에서 (b)는 추정부(11)에 의해 두번째 영전압 벡터의 인가시 발생된(검출된) 제2 단락회로 전류(즉, 제2 단락회로 전류 벡터, I sc2 )의 예를 나타낸 도면이다. 이때, 본원에서 PMSG 측의 3상 좌표계는 예시적으로 ABC-축으로 표현될 수 있다.
도 3을 참조하면, 먼저, PMSG(22)의 초기 회전자 각주파수 정보는 다음의 과정을 통해 추정될 수 있다.
PMSG(22)의 회전 좌표계 d-q축 전압 방정식에서 q-축 고정자 권선의 시정수(L q /R s )가 영전압 벡터의 인가 시간인 미리 설정된 시간(T samp ) 보다 무한히 크다고 가정하면, 고정자 저항 R s 는 0으로 간략히 표현될 수 있다. 또한, 추정부(11)에 의해 영전압 벡터를 정류기(22)에 미리 설정된 시간(T samp ) 동안 인가될 때, PMSG의 전압 방정식은 하기 식 1과 같을 수 있다.
[식 1]
Figure 112018121318098-pat00001
여기서, PMSG의 각속도 ω 가 일정하고, PMSG의 초기 전류 벡터(초기 단락회로 전류 벡터)가 0이라고 가정하면, 상기 식 1에서 d-q축 단락회로 전류 벡터인 I d 와 I q 는 라플라스 변환에 의해 하기 식 2와 같이 I sc (T samp )로 표현될 수 있다.
[식 2]
Figure 112018121318098-pat00002
이에 따르면, 발전시스템의 정류기(24)에 첫번째 영전압 벡터가 T samp 시간 동안 인가될 때, PMSG 측의 단락회로 전류는 3상 전류(I A ,I B ,I C )를 통해 검출될 수 있으며, 이는 고정 좌표계 α - β 축으로 변환될 수 있다. 결과적으로, 첫번째 영전압 벡터에 의해 발생된 α - β 축 단락회로 전류인 I α 와 I β 를 이용하여, 단락회로 전류 I sc1 (T samp )의 위상각을 나타내는 θ I1 은 하기 식 3과 같이 계산될 수 있다.
달리 표현하여, 추정부(11)는 미리 설정된 시간(T samp ) 동안에 첫번째 영전압 벡터를 정류기(24)에 인가할 수 있다. 이후, 추정부(11)는 인가된 첫번째 영전압 벡터에 대응하여, 첫번째 영전압 벡터의 인가시 PMSG 측의 단락회로 전류를 제1 단락회로 전류로서 검출할 수 있다. 이때, 인가된 첫번째 영전압 벡터에 대응하여 검출된 PMSG 측의 단락회로 전류인 제1 단락회로 전류는 3상 전류를 통해 검출될 수 있으며, 추정부(11)는 검출된 제1 단락회로 전류를 고정 좌표계 α - β 축으로 변환할 수 있다.
즉, 추정부(11)는 첫번째 영전압 벡터를 인가함으로써, 첫번째 영전압 벡터의 인가에 의해 발생된 제1 단락회로 전류(제1 단락회로 전류 벡터)를 검출할 수 있다. 이때, 추정부(11)는 제1 단락회로 전류로서, 첫번째 영전압 벡터에 의해 발생된 α - β 축 단락회로 전류인 I α 와 I β 를 검출할 수 있다.
이후, 추정부(11)는 첫번째 영전압 벡터에 의해 발생된 α - β 축 단락회로 전류인 I α 와 I β 를 이용하여, 제1 단락회로 전류인 I sc1 (T samp )의 위상각을 하기 식 3과 같이 계산할 수 있다.
[식 3]
Figure 112018121318098-pat00003
여기서, I α 와 I β 는 첫번째 영전압 벡터에 의해 발생된 α - β 축 단락회로 전류, 즉 제1 단락회로 전류(제1 단락회로 전류 벡터)를 의미한다. 또한, θ I1 은 제1 단락회로 전류인 I sc1 (T samp )의 위상각을 나타낸다. 이러한 θ I1 은 제1 단락회로 전류 벡터 I sc1 (T samp )와 A-축 사이의 위상각을 의미할 수 있다.
추정부(11)는 첫번째 영전압 벡터를 정류기(24)에 인가한 이후, 정류기(24)를 T 1-2 시간 동안 오프(OFF) 상태로 유지시킬 수 있다. 정류기(24)를 T 1-2 시간 동안 오프(OFF) 상태로 유지시킨 이후, 추정부(11)는 정류기(24)에 T samp 동안 두번째 영전압 벡터를 인가할 수 있다. 여기서, T 1-2 는 기설정된 정류기 오프 시간으로서, 정류기(24)가 오프(OFF) 상태로 유지되는 시간을 의미할 수 있다. 달리 표현하여, T 1-2 는 첫번째 영전압 벡터의 인가가 완료된 시점부터 두번째 영전압 벡터가 인가되는 시점 사이에 대응하는 시간으로서, 정류기(24)가 오프된 시간을 의미할 수 있다.
다시 말해, 추정부(11)는 첫번째 영전압 벡터를 정류기(24)에 인가한 이후, 기설정된 정류기 오프 시간(T 1-2 ) 동안의 시간 차를 두고 두번째 영전압 벡터를 미리 설정된 시간(T samp ) 동안 정류기(24)에 인가할 수 있다.
추정부(11)는 두번째 영전압 벡터를 인가함으로써, 두번째 영전압 벡터의 인가에 의해 발생된 제2 단락회로 전류(제2 단락회로 전류 벡터)인 I sc2 (T samp )를 검출할 수 있다. 이후, 제1 단락회로 전류와 마찬가지로, 추정부(11)는 두번째 영전압 벡터에 의해 발생된 α - β 축 단락회로 전류인 I α 와 I β 를 이용하여, 제2 단락회로 전류인 I sc2 (T samp )의 위상각 θ I2 를 계산할 수 있다.
여기서, 두번째 영전압 벡터의 인가에 따른 제2 단락회로 전류의 검출 과정 및 제2 단락회로 전류의 위상각 계산 과정은 앞서 설명한 첫번째 영전압 벡터의 인가에 따른 제1 단락회로 전류의 검출 과정 및 제1 단락회로 전류의 위상각 계산 과정과 동일 내지 유사하게 이루어질 수 있다. 따라서, 이하 생략된 내용이라 하더라도, 앞서 제1 단락회로 전류의 검출 과정 및 제1 단락회로 전류의 위상각 계산 과정에 대하여 설명된 내용은 제2 단락회로 전류의 검출 과정 및 제2 단락회로 전류의 위상각 계산 과정에 대해서도 동일하게 적용될 수 있다.
다시 말해, 도 3의 (a)에는 첫번째 영전압 벡터의 인가에 의해 발생(검출)된 제1 단락회로 전류(제1 단락회로 전류 벡터)인 I sc1 (T samp )가 도시되어 있고, 도 3의 (b)에는 두번째 영전압 벡터의 인가에 의해 발생(검출)된 제2 단락회로 전류(제2 단락회로 전류 벡터)인 I sc2 (T samp )가 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 제1 단락회로 전류인 I sc1 (T samp )의 위상각 θ I1 은 제1 단락회로 전류 벡터 I sc1 (T samp )와 A-축 사이의 위상각을 의미할 수 있다. 또한, 제2 단락회로 전류인 I sc2 (T samp )의 위상각 θ I2 는 제2 단락회로 전류 벡터 I sc2 (T samp )와 A-축 사이의 위상각을 의미할 수 있다. 달리 표현하여, 추정부(11)는 제1 단락회로 전류 벡터 I sc1 (T samp )와 A-축 사이의 위상각을 계산함으로써 제1 단락회로 전류 벡터 I sc1 (T samp )의 위상각 θ I1 를 계산할 수 있다. 마찬가지로, 추정부(11)는 제2 단락회로 전류 벡터 I sc2 (T samp )와 A-축 사이의 위상각을 계산함으로써 제2 단락회로 전류 벡터 I sc2 (T samp )의 위상각 θ I2 를 계산할 수 있다.
또한, 도 3의 (a)와 도 3의 (b)에서 A-축과 d-축 사이의 위상각은 각각 θ 1 과 θ 2 로 나타낼 수 있다. 또한, 각각의 단락회로 전류 벡터와 d-축 사이의 위상각은 θ 0 로 나타낼 수 있다. 즉, 제1 단락회로 전류 벡터와 d-축 사이의 위상각은 θ 0 로 나타낼 수 있으며, 제2 단락회로 전류 벡터와 d-축 사이의 위상각 역시 θ 0 로 나타낼 수 있다.
이때, 두 번의 영전압 벡터가 인가되는 시간 사이에 정류기(24)가 오프 상태를 유지하는 시간인 T 1-2 가 매우 작다면, PMSG의 각속도 ω 는 거의 일정한 값으로 유지될 수 있으며, 이에 따라 2개의 단락회로 전류(2개의 단락회로 전류 벡터)인 I sc1 (T samp ) 및 I sc2 (T samp )는 오직 미리 설정된 시간(T samp )에만 영향을 받는다고 할 수 있다. 또한, 본 구동 재개 장치(10)에서는 두 번(2회)의 영전압 벡터가 동일한 시간(같은 시간)인 T samp 동안에 인가되기 때문에, 추정부(11)에 의해 검출된 2개의 단락회로 전류(단락회로 전류 벡터)인 I sc1 (T samp )와 I sc2 (T samp )는 같은 값을 가질 수 있다. 더하여, 도 3을 참조하면, 2 개의 단락회로 전류 간의(사이의) 위상 차이를 나타내는 θ I2 - θ I1 은 도 3의 (a)와 도 3의 (b)에서 d-q축 사이의 위상 차이를 나타내는 θ 2 - θ 1 과 동일함을 확인할 수 있다. 이에 따라, 추정부(11)는 PMSG(22)의 초기 회전자 각주파수 정보를 하기 식 4를 통해 추정할 수 있다. 즉, 추정부(11)는 PMSG(22)의 초기 회전자 각주파수(ω est ) 정보를 하기 식 4를 만족하도록 추정할 수 있다.
[식 4]
Figure 112018121318098-pat00004
여기서, ω est 는 PMSG(22)의 초기 회전자 각주파수, θ I1 는 제1 단락회로 전류의 위상각, θ I2 는 제2 단락회로 전류의 위상각, T samp 는 영전압 벡터의 인가 시간인 미리 설정된 시간, T 1-2 는 기설정된 정류기 오프 시간을 나타낸다.
이에 따르면, 추정부(11)는 제1 단락회로 전류의 위상각과 제2 단락회로 전류의 위상각 간의 위상 차(즉, 제2 단락회로 전류의 위상각에서 제1 단락회로 전류의 위상각을 뺀 값, θ I2 - θ I1 ), 미리 설정된 시간(T samp ) 및 기설정된 정류기 오프 시간(T 1-2 )을 이용하여, PMSG의 초기 회전자 각주파수 정보를 추정할 수 있다.
한편, PMSG(22)의 초기 회전자 각주파수 정보는 다음의 과정을 통해 추정될 수 있다.
추정부(11)는 두번째 영전압 벡터에 의해 제2 단락회로 전류인 I sc2 (T samp )가 검출(발생)되면, PMSG의 초기 회전자 위치를 하기 식 5를 통해 추정할 수 있다. 즉, 추정부(11)는 PMSG(22)의 초기 회전자 위치를 하기 식 5를 만족하도록 추정할 수 있다.
[식 5]
Figure 112018121318098-pat00005
여기서, θ est 는 추정부(11)에 의해 추정된 PMSG(22)의 초기 위치(초기 회전자 위치), θ I2 는 제2 단락회로 전류의 위상각, θ 0 는 제2 단락회로 전류 벡터인 I sc2 (T samp )와 d-축 사이의 위상각을 나타낸다.
이에 따르면, 추정부(11)는 θ I2 와 θ 0 간의 차를 통해 PMSG(22)의 초기 위치(PMSG의 초기 회전자 위치)를 추정할 수 있다.
이때, 식 5에서 θ I2 는 상기 식 3을 통하여 계산될 수 있다. 또한, 식 5에서 θ 0 는 상기 식 2를 이용하여 하기 식 6과 같이 계산될 수 있다.
[식 6]
Figure 112018121318098-pat00006
이때, 식 6에서 PMSG의 회전자 각주파수인 ω est 는 앞서 추정부(11)에 의하여 식 4를 통해 추정된 PMSG의 초기 회전자 각주파수를 나타낸다.
이에 따르면, 추정부(11)는 제2 단락회로 전류의 위상각(θ I2 ), 제2 단락회로 전류의 벡터와 PMSG의 회전 좌표계 중 d-축 사이의 위상각(θ 0 ), 및 추정부(11)에 의해 추정된 PMSG의 초기 회전자 각주파수(ω est ) 정보를 이용하여, PMSG의 초기 위치 정보(즉, PMSG의 초기 회전자 위치 정보)를 추정할 수 있다.
이후, 제어부(12)는 추정부(11)에 의해 추정된 PMSG(22)의 초기 정보를 이용하여 동작이 중지된 전력변환장치(23)를 포함하는 발전시스템(100)의 구동이 재개되도록 제어할 수 있다. 즉, 제어부(12)는 추정된 PMSG(22)의 초기 정보로서 추정된 PMSG의 초기 회전자 각주파수 정보 및 추정된 PMSG의 초기 위치 정보(초기 회전자 위치 정보)를 이용하여, 동작이 중지된 전력변환장치(23)를 포함하는 발전시스템(100)의 구동이 재개되도록 제어할 수 있다.
제어부(12)는 전력변환장치의 동작이 중지되었을 때 PMSG(22)를 정지시킬 필요 없이, 추정된 PMSG(22)의 초기 정보를 이용해 발전시스템(100)의 구동이 재개되도록 제어할 수 있다. 다시 말해, 제어부(12)는 회전하는 PMSG의 센서리스 제어가 적용된 발전시스템(100)에서 전력변환장치(즉, 정류기와 인버터)의 동작이 중지된 경우, 추정된 PMSG(22)의 초기 정보를 이용하여 발전시스템(100)의 구동을 재개할 수 있다.
제어부(12)는 본 발전시스템(100)에 포함된 각 구성의 동작을 제어할 수 있다. 즉, 제어부(12)는 추정부(11) 및 발전부(20)에 포함된 각 구성들(발전 장치, PMSG, 정류기, 직류단, 인버터, 계통)의 동작을 제어할 수 있다.
도 4는 본원의 다른 일 실시예에 따른 센서리스 제어가 적용된 발전시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
이때, 도 4를 참조하여 설명하는 본원의 다른 일 실시예에 따른 센서리스 제어가 적용된 발전시스템은 앞서 설명한 본원의 일 실시예에 따른 센서리스 제어가 적용된 발전시스템(100)과 동일한 발전시스템일 수 있다. 따라서, 이하 생략된 내용이라고 하더라도 앞서 본원의 일 실시예에 따른 센서리스 제어가 적용된 발전시스템(100)에 대하여 설명된 내용은 본원의 다른 일 실시예에 따른 센서리스 제어가 적용된 발전시스템에 대한 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 4를 참조하면, 본원의 다른 일 실시예에 따른 센서리스 제어가 적용된 발전시스템에서는 PMSG 회전자의 위치 정보를 획득하기 위해 위치 센서 혹은 엔코더를 이용하는 것이 아니라, 영전압 벡터의 인가시 PMSG의 역기전력에 의해 발생하는 단락회로 전류를 추정부(11)를 통해 검출하고, 검출된 단락회로 전류를 기반으로 PMSG의 초기 정보(즉, PMSG의 초기 회전자 각주파수 정보 및 PMSG의 초기 위치 정보)를 추정함으로써 발전시스템의 구동을 재개시킬 수 있다. 즉, 본 구동 재개 장치(10)는 센서리스 제어를 통해 PMSG의 초기 정보를 추정할 수 있다.
이때, 추정부(11)는 영전압 벡터의 인가에 의해 발생하는 확장된 역기전력(Extended Electromotive Force, EEMF)을 추정(Estimation of EEMF)함으로써 PMSG 회전자의 위치 오차를 계산(Calculation of Estimated Rotor Position Error)하고, 이러한 계산된 위치 오차를 0으로 하는 PMSG의 회전자 각주파수와 위치 정보(Control of Rotor Position Error to be Zero)를 PMSG의 초기 정보로서 추정함으로써, 이를 기반으로 센서리스 제어가 적용된 발전시스템의 구동을 재개할 수 있다.
또한, 본 구동 재개 장치(10)에서 제어부(12)는 센서리스 제어를 통해 추정된 PMSG 회전자의 위치 정보를 기반으로 PMSG 측의 3상 전류를 회전 좌표계로 변환(I dG 와 I qG )하고, 이를 지령 값(I* dG 와 I* qG )으로 제어할 수 있다. 또한, 제어부(12)의 제어에 의해, 계통(27, Grid)과 연결된 발전시스템의 인버터(26)는 직류단(25) 전압을 일정하게 제어할 수 있다. 인버터(26)에 의한 직류단(25) 전압 제어를 통해 q-축 지령 전류(I* qe )가 획득될 수 있다. 본 발전시스템(100)에서는 계통(27) 측 역률을 1로 하기 위해 d-축 지령 전류(I* de )가 0으로 설정될 수 있다.
또한, 본 발전시스템(100)에서 제어부(12)는 PLL을 이용해 획득한 계통 전압의 위상각인 θ e 를 이용하여 계통 측 3상 전류를 회전 좌표계로 변환되도록 제어할 수 있다. 또한, 제어부(12)는 PMSG에서 발전된 전력이 계통으로 공급되도록 정류기와 인버터의 동작을 제어할 수 있다.
이처럼, 본원은 회전하는 PMSG의 센서리스 제어가 적용된 발전시스템에서 전력변환장치의 동작이 중지된 경우, PMSG의 초기 회전자 각주파수 정보 및 PMSG의 초기 위치 정보(초기 회전자 위치 정보)를 추정함으로써 발전시스템의 구동을 재개할 수 있다.
본원은 수차 발전시스템 뿐만 아니라 풍력 발전, 소수력 발전 등 발전기를 포함하는 다양한 종류의 신재생에너지 시스템에 효과적으로 적용(응용)될 수 있다.
본 구동 재개 장치(10)의 제어부(12)는 센서리스 제어가 적용된 발전시스템(100)에서 발전된 전력을 전력변환장치(23)를 통해 AC-DC-AC로 변환하여 계통(27)으로 공급되도록 발전시스템(100)을 제어할 수 있다.
본원은 센서리스 제어를 통해 발전 장치(21)에 연결된 PMSG의 회전자 각주파수 정보 및 PMSG 회전자의 위치 정보를 추정할 수 있다. 뿐만 아니라, 본원은 전력변환장치(23)의 동작이 중지된 경우에도 PMSG의 초기 회전자 각주파수 정보 및 PMSG의 초기 회전자 위치 정보를 추정함으로써 발전시스템(100)의 구동을 재개할 수 있다.
이러한 본원은 센서리스 제어가 적용된 발전시스템을 위한 전력변환장치 및 그의 제어 기술에 대하여 제안한다. 또한, 본원은 PMSG의 초기 회전자 각주파수 및 초기 회전자 위치 정보를 추정할 수 있는 기술에 대하여 제안한다. 본원은 전력변환장치의 동작이 중지되어 센서리스 제어를 수행할 수 없는 경우에 PMSG의 구동을 재개할 수 있는 기술에 대하여 개시한다. 또한, 본원은 최소차수 관측기를 통해 추정한 회전 좌표계의 확장 역기전력을 이용하는 PMSG 모델링 방법을 통해 동작이 중지된 전력변환장치를 포함하는 발전시스템의 구동을 재개할 수 있다.
본원은 발전시스템에서 전력변환장치의 동작이 중지된 경우에 PMSG의 초기 회전자 각주파수와 초기 위치 정보를 추정하여 구동을 재개함으로써, 발전시스템에 연계된 계통의 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이하에서는 상기에 자세히 설명된 내용을 기반으로, 본원의 동작 흐름을 간단히 살펴보기로 한다.
도 5는 본원의 일 실시예에 따른 센서리스 제어가 적용된 발전시스템의 구동 재개 방법에 대한 동작 흐름도이다.
도 5에 도시된 센서리스 제어가 적용된 발전시스템의 구동 재개 방법은 앞서 설명된 본 구동 재개 장치(10)에 의하여 수행될 수 있다. 따라서, 이하 생략된 내용이라고 하더라도 본 구동 재개 장치(10)에 대하여 설명된 내용은 센서리스 제어가 적용된 발전시스템의 구동 재개 방법에 대한 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 5를 참조하면, 단계S11에서는 발전 장치(예를 들어, 수차 등)와 연결된 PMSG에서 발전된 전력을 계통(Grid)으로 공급하는 전력변환장치의 동작이 중지된 경우, PMSG의 초기 정보를 추정할 수 있다.
여기서, PMSG의 초기 정보는 PMSG의 초기 회전자 각주파수 정보 및 PMSG의 초기 위치 정보를 포함할 수 있다.
또한, 단계S11은 PMSG와 연결된 전력변환장치 내 정류기에 영전압 벡터를 인가하는 단계, 영전압 벡터의 인가시 PMSG의 역기전력에 의해 발생하는 단락회로 전류를 검출하는 단계, 및 검출된 단락회로 전류의 벡터를 기반으로 PMSG의 초기 정보를 추정하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 단락회로 전류는 PMSG의 역기전력의 주파수 정보 및 위상각 정보를 포함할 수 있다.
또한, 단계S11에서는, 2회의 영전압 벡터의 인가시 검출되는 2개의 단락회로 전류를 이용하여 PMSG의 초기 정보를 추정할 수 있다. 이때, 2개의 단락회로 전류는, 첫번째 영전압 벡터의 인가시 검출되는 제1 단락회로 전류 및 두번째 영전압 벡터의 인가시 검출되는 제2 단락회로 전류를 포함할 수 있다.
또한, 단계S11 중 영전압 벡터를 인가하는 단계에서는, 2회의 영전압 벡터를 각각 동일하게 미리 설정된 시간 동안 인가할 수 있다. 이때, 영전압 벡터를 인가하는 단계에서는, 첫번째 영전압 벡터의 인가 이후 기설정된 정류기 오프 시간 동안의 시간 차를 두고 두번째 영전압 벡터를 인가할 수 있다.
또한, 단계S11에서 PMSG의 초기 회전자 각주파수 정보는, 제1 단락회로 전류의 위상각과 제2 단락회로 전류의 위상각 간의 위상 차, 미리 설정된 시간 및 기설정된 정류기 오프 시간을 이용하여 상기 식 4를 만족하도록 추정될 수 있다.
또한, 단계S11에서 PMSG의 초기 위치 정보는, 제2 단락회로 전류의 위상각, 제2 단락회로 전류의 벡터와 PMSG의 회전 좌표계 중 d-축 사이의 위상각, 및 추정된 PMSG의 초기 회전자 각주파수 정보를 이용하여 상기 식 5를 만족하도록 추정될 수 있다.
다음으로, 단계S12에서는 전력변환장치의 동작 중지에 의해 PMSG를 정지시킬 필요 없이, 단계S11에서 추정된 PMSG의 초기 정보를 이용하여 동작이 중지된 전력변환장치를 포함하는 발전시스템의 구동이 재개되도록 제어할 수 있다.
상술한 설명에서, 단계 S11 내지 S12는 본원의 구현예에 따라서, 추가적인 단계들로 더 분할되거나, 더 적은 단계들로 조합될 수 있다. 또한, 일부 단계는 필요에 따라 생략될 수도 있고, 단계 간의 순서가 변경될 수도 있다. 또한, 본원의 3상 좌표계의 ABC-축은 3상 좌표계의 RST-축에 대응할 수 있다.
본원의 일 실시 예에 따른 센서리스 제어가 적용된 발전시스템의 구동 재개 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
또한, 전술한 센서리스 제어가 적용된 발전시스템의 구동 재개 방법은 기록 매체에 저장되는 컴퓨터에 의해 실행되는 컴퓨터 프로그램 또는 애플리케이션의 형태로도 구현될 수 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 센서리스 제어가 적용된 발전시스템
10: 센서리스 제어가 적용된 발전시스템의 구동 재개 장치
11: 추정부
12: 제어부
20: 발전부
21: 발전 장치 22: PMSG
23: 전력변환장치 24: 정류기
25: 직류단 26: 인버터
27: 계통

Claims (14)

  1. 센서리스 제어가 적용된 발전시스템의 구동 재개 방법으로서,
    (a) 발전 장치와 연결된 PMSG에서 발전된 전력을 계통으로 공급하는 전력변환장치의 동작이 중지된 경우, 상기 PMSG의 초기 정보를 추정하는 단계; 및
    (b) 상기 추정된 PMSG의 초기 정보를 이용하여 상기 동작이 중지된 전력변환장치를 포함하는 상기 발전시스템의 구동이 재개되도록 제어하는 단계를 포함하고,
    상기 PMSG의 초기 정보는 상기 PMSG의 초기 회전자 각주파수 정보 및 상기 PMSG의 초기 위치 정보를 포함하며,
    상기 (a) 단계는,
    (a1) 상기 PMSG와 연결된 상기 전력변환장치 내 정류기에 영전압 벡터를 인가하는 단계;
    (a2) 상기 영전압 벡터의 인가시 PMSG의 역기전력에 의해 발생하는 단락회로 전류를 검출하는 단계; 및
    (a3) 상기 검출된 단락회로 전류의 벡터를 기반으로 상기 PMSG의 초기 정보를 추정하는 단계를 포함하되, 2회의 영전압 벡터의 인가시 검출되는 2개의 단락회로 전류를 이용하여 상기 PMSG의 초기 정보를 추정하고,
    상기 2개의 단락회로 전류는, 첫번째 영전압 벡터의 인가시 검출되는 제1 단락회로 전류 및 두번째 영전압 벡터의 인가시 검출되는 제2 단락회로 전류를 포함하는 것인, 센서리스 제어가 적용된 발전시스템의 구동 재개 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단락회로 전류는 상기 PMSG의 역기전력의 주파수 정보 및 위상각 정보를 포함하는 것인, 센서리스 제어가 적용된 발전시스템의 구동 재개 방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (a1) 단계는,
    상기 2회의 영전압 벡터를 각각 동일하게 미리 설정된 시간 동안 인가하되,
    상기 첫번째 영전압 벡터의 인가 이후 기설정된 정류기 오프 시간 동안의 시간 차를 두고 상기 두번째 영전압 벡터를 인가하는 것인, 센서리스 제어가 적용된 발전시스템의 구동 재개 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 PMSG의 초기 회전자 각주파수 정보는,
    상기 제1 단락회로 전류의 위상각과 상기 제2 단락회로 전류의 위상각 간의 위상 차, 상기 미리 설정된 시간 및 상기 기설정된 정류기 오프 시간을 이용하여 추정되는 것인, 센서리스 제어가 적용된 발전시스템의 구동 재개 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 PMSG의 초기 위치 정보는,
    상기 제2 단락회로 전류의 위상각, 상기 제2 단락회로 전류의 벡터와 상기 PMSG의 회전 좌표계 중 d-축 사이의 위상각, 및 추정된 상기 PMSG의 초기 회전자 각주파수 정보를 이용하여 추정되는 것인, 센서리스 제어가 적용된 발전시스템의 구동 재개 방법.
  8. 센서리스 제어가 적용된 발전시스템의 구동 재개 장치로서,
    발전 장치와 연결된 PMSG에서 발전된 전력을 계통으로 공급하는 전력변환장치의 동작이 중지된 경우, 상기 PMSG의 초기 정보를 추정하는 추정부; 및
    상기 추정된 PMSG의 초기 정보를 이용하여 상기 동작이 중지된 전력변환장치를 포함하는 상기 발전시스템의 구동이 재개되도록 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 PMSG의 초기 정보는 상기 PMSG의 초기 회전자 각주파수 정보 및 상기 PMSG의 초기 위치 정보를 포함하며,
    상기 추정부는,
    상기 PMSG와 연결된 상기 전력변환장치 내 정류기에 영전압 벡터를 인가하고, 상기 영전압 벡터의 인가시 PMSG의 역기전력에 의해 발생하는 단락회로 전류를 검출하고, 상기 검출된 단락회로 전류의 벡터를 기반으로 상기 PMSG의 초기 정보를 추정하되, 2회의 영전압 벡터의 인가시 검출되는 2개의 단락회로 전류를 이용하여 상기 PMSG의 초기 정보를 추정하고,
    상기 2개의 단락회로 전류는, 첫번째 영전압 벡터의 인가시 검출되는 제1 단락회로 전류 및 두번째 영전압 벡터의 인가시 검출되는 제2 단락회로 전류를 포함하는 것인, 센서리스 제어가 적용된 발전시스템의 구동 재개 장치.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제8항에 있어서,
    상기 추정부는,
    상기 2회의 영전압 벡터를 각각 동일하게 미리 설정된 시간 동안 인가하되,
    상기 첫번째 영전압 벡터의 인가 이후 기설정된 정류기 오프 시간 동안의 시간 차를 두고 상기 두번째 영전압 벡터를 인가하는 것인, 센서리스 제어가 적용된 발전시스템의 구동 재개 장치.
  12. 센서리스 제어가 적용된 발전시스템으로서,
    발진 장치와 연결된 PMSG;
    상기 PMSG와 계통 사이에 배치되고, 상기 PMSG에서 발전된 전력을 상기 계통으로 공급하는 전력변환장치; 및
    상기 전력변환장치의 동작이 중지된 경우, 상기 PMSG의 초기 정보를 추정하고, 상기 추정된 PMSG의 초기 정보를 이용하여 상기 동작이 중지된 전력변환장치를 포함하는 상기 발전시스템의 구동이 재개되도록 제어하는 구동 재개 장치,
    를 포함하고,
    상기 PMSG의 초기 정보는 상기 PMSG의 초기 회전자 각주파수 정보 및 상기 PMSG의 초기 위치 정보를 포함하며,
    상기 구동 재개 장치는,
    상기 PMSG와 연결된 상기 전력변환장치 내 정류기에 영전압 벡터를 인가하고, 상기 영전압 벡터의 인가시 PMSG의 역기전력에 의해 발생하는 단락회로 전류를 검출하고, 상기 검출된 단락회로 전류의 벡터를 기반으로 상기 PMSG의 초기 정보를 추정하되, 2회의 영전압 벡터의 인가시 검출되는 2개의 단락회로 전류를 이용하여 상기 PMSG의 초기 정보를 추정하고,
    상기 2개의 단락회로 전류는, 첫번째 영전압 벡터의 인가시 검출되는 제1 단락회로 전류 및 두번째 영전압 벡터의 인가시 검출되는 제2 단락회로 전류를 포함하는 것인, 센서리스 제어가 적용된 발전시스템.
  13. 삭제
  14. 삭제
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