KR102390466B1 - 그리드 포밍 컨버터 출력 주파수 제어 방법 및 그리드 포밍 컨버터의 제어 장치 - Google Patents

그리드 포밍 컨버터 출력 주파수 제어 방법 및 그리드 포밍 컨버터의 제어 장치 Download PDF

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강지성
허견
이충만
송민규
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㈜한국그리드포밍
한국전력거래소
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Abstract

본 실시예에 의한 그리드 포밍 컨버터 출력 주파수 제어 방법은: 그리드 포밍 컨버터에 제공되는 직류 전압에 상응하는 주파수를 연산하는 단계 및 그리드 포밍 컨버터가 제공된 직류 전압에 상응하는 주파수를 출력하는 단계를 포함하되, 연산된 주파수를 출력하는 단계는 그리드 포밍 컨버터에 제공되는 직류 전류를 제어하지 않고 수행된다.

Description

그리드 포밍 컨버터 출력 주파수 제어 방법 및 그리드 포밍 컨버터의 제어 장치{CONTROL METHOD OF OUTPUT FREQUENCY OF GRID FORMING CONVERTER AND CONTROL APPRATUS OF GRID FORMING CONVERTER}
본 기술은 그리드 포밍 컨버터 출력 주파수 제어 방법 및 그리드 포밍 컨버터의 제어 장치와 관련된다.
복수의 발전기들을 이용하여 부하에 전력을 공급하고자 하는 경우에는 각 발전기가 제공하는 전력을 제어하여야 한다. 화력 발전 및/또는 수력 발전 들을 포함하는 종래의 교류 발전 계통과 함께 신재생 에너지를 이용하는 컨버터를 이용하여 부하에 전력을 제공할 수 있다. 이 중 그리드 포밍 컨버터는 직류를 교류로 변환 및 독립 교류전원을 발생하는 장치로 발전기와 유사한 기능을 가진다.
그리드 포밍 컨버터를 이용하여 종래의 발전 계통과 함께 부하에 전력을 제공하기 위하여는 그리드 포밍 컨버터와 외부 교류 발전 계통 사이의 전력 분담율을 설정하여야 하고, 이를 위하여 그리드 포밍 컨버터가 변환하여 출력하는 교류 전압의 크기와 주파수가 제어되어야 한다.
기존 그리드 포밍 컨버터 제어방식 중 드룹(Droop) 또는 가상 동기기(Virtual Synchronous Machine, VSM) 제어는 20msec 이상의 비교적 장시간 동안 발전계통이 발전한 전력을 검출하고, 필터를 거친 저주파성분을 연산하여 발전계통을 제어하였다. 반면, 그리드 포밍 컨버터는 반도체 소자를 이용하여 전력을 변환하는 장치로, 종래 기술에 비하여 고속으로 동작할 수 있음에도 불구하고 이를 고속으로 제어하는 방법이 개발되지 않았다.
또한 기존 그리드 포밍 컨버터 제어방식 중 매칭(Matching) 제어가 출력하는 전압의 주파수는 입력되는 직류 전압의 크기에 의하여 제어되며, 안정적인 직류 전압이 제공되어야 그리드 포밍 컨버터의 출력 주파수가 안정된다. 그리드 포밍 컨버터에 제공되는 직류 전압을 안정화하기 위하여는 별도의 제어부를 이용하여 직류 전류를 제어하여야 한다.
본 실시예로 해결하고자 하는 과제 중 하나는 상술한 종래 기술의 문제점을 해소하기 위한 것이다. 직류 전류를 제어하지 않고 그리드 포밍 컨버터가 출력하는 전압의 주파수를 제어할 수 있으며, 고속으로 동작할 수 있는 제어 방법을 제공하는 것이 본 실시예로 해결하고자 하는 과제 중 하나이다.
본 실시예에 의한 그리드 포밍 컨버터 출력 주파수 제어 방법은: 그리드 포밍 컨버터에 제공되는 직류 전압에 상응하는 주파수를 연산하는 단계 및 그리드 포밍 컨버터가 제공된 직류 전압에 상응하는 주파수를 출력하는 단계를 포함하되, 연산된 주파수를 출력하는 단계는 그리드 포밍 컨버터에 제공되는 직류 전류를 제어하지 않고 수행된다.
본 실시예에 의한 그리드 포밍 컨버터를 제어하는 장치는: 적어도 하나 이상의 프로세서; 및 프로세서에 의해 실행되는 하나 이상의 프로그램을 저장하는 메모리를 포함하며, 프로그램들은 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때, 하나 이상의 프로세서들에서, 그리드 포밍 컨버터에 제공되는 직류 전압에 상응하는 주파수를 연산하는 단계 및 그리드 포밍 컨버터가 제공된 직류 전압에 상응하는 주파수를 출력하도록 제어하는 단계를 포함하되, 연산된 주파수를 출력하도록 제어하는 단계는 그리드 포밍 컨버터에 제공되는 직류 전류를 제어하지 않고 수행된다.
본 실시예에 의하면 복잡한 전류 컨트롤러 없이 그리드 포밍 컨버터의 출력 주파수를 제어할 수 있으므로 종래 기술인 매칭 제어법 대비 구성이 단순하며, 종래 기술인 드룹, VSM 제어법 대비 제어 속도가 빠르다는 장점이 제공된다.
도 1은 본 실시예에 의한 그리드 포밍 컨버터 출력 주파수 제어 방법의 개요를 예시한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 그리드 포밍 컨버터의 제어 장치를 개략적으로 나타낸 블록 구성도이다.
도 3은 발전 계통과 그리드 포밍 컨버터가 부하에 전력을 분담하여 제공하는 것을 예시한 드룹 선도(droop plot)이다.
도 4는 종래 기술에 따른 그리드 포밍 컨버터의 출력 주파수 제어 방법의 개요를 도 3으로 예시된 드룹 선도와 함께 도시한 도면이다.
도 5는 그리드 포밍 컨버터의 매칭 제어는 출력 주파수를 전압에 상응하도록 제어하는 예시적 제어도이다.
도 6은 일 실시예에 의한 그리드 포밍 컨버터의 출력 주파수 제어 방법의 개요를 도 3으로 예시된 드룹 선도와 함께 도시한 도면이다.
도 7은 본 실시예에 의한 그리드 포밍 컨버터에 제공되는 직류 전압(VDC)에 대한 출력 주파수를 나타낸 도면이다.
도 8은 제3 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 제4 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 제5 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 제6 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 그리드 포밍 컨버터가 각각 제1 실시예, 제2 실시예 및 제3 실시예로 제어될 때, 그리드 포밍 컨버터에 제공되는 직류 전압과 출력 주파수를 도시한 도면이다.
도 13(a)는 종래 기술 및 제1 실시예, 제2 실시예에 따라 그리드 포밍 컨버터에 제공되는 직류 전압대 출력 주파수를 도시한 선도이고, 도 13(b)는 도 13(a)의 225kV 내지 245KV 의 범위를 확대하여 도시한 도면이다.
도 14(a) 및 도 14(b)는 종래 기술로 제어되는 그리드 포밍 컨버터(적색)와 전력 계통(청색)의 실험 결과를 도시한 도면이다.
도 15(a), 도 15(b)는 제1 실시예로 제어되는 그리드 포밍 컨버터(적색)와 전력 계통(청색)의 실험 결과를 도시한 도면이다.
도 16(a), 도 16(b)는 제2 실시예로 제어되는 그리드 포밍 컨버터(적색)와 전력 계통(청색)의 실험 결과를 도시한 도면이다.
도 17(a), 도 17(b)는 제3 실시예로 제어되는 그리드 포밍 컨버터(적색)와 전력 계통(청색)의 실험 결과를 도시한 도면이다.
도 18(a), 도 18(b)는 제4 실시예로 제어되는 그리드 포밍 컨버터(적색)와 전력 계통(청색)의 실험 결과를 도시한 도면이다.
도 19(a)는 제5 실시예로 제어되는 그리드 포밍 컨버터(적색)와 전력 계통(청색)의 실험 결과를 도시하며, 도 19(b)는 도 19(a)의 1.2초에서 3.2초 부분을 확대하여 도시한 도면이다.
도 20(a) 및 도 20(b)는 도 19로 예시된 실험 조건에서 종래 기술에 의한 드룹 제어로 제어를 수행하는 경우를 도시한다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 그리드 포밍 컨버터 출력 주파수 제어 방법의 실시예들을 설명한다. 도 1은 본 실시예에 의한 그리드 포밍 컨버터 출력 주파수 제어 방법의 개요를 예시한 순서도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 의한 그리드 포밍 컨버터 출력 주파수 제어 방법은: 그리드 포밍 컨버터에 제공되는 직류 전압에 상응하는 주파수를 연산하는 단계(S100) 및 그리드 포밍 컨버터가 제공된 직류 전압에 상응하는 주파수를 출력하는 단계(S200)를 포함하되, 연산된 주파수를 출력하는 단계는 그리드 포밍 컨버터에 제공되는 직류 전류를 제어하지 않고 수행된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 그리드 포밍 컨버터의 제어 장치를 개략적으로 나타낸 블록 구성도이다. 본 실시예에 따른 그리드 포밍 컨버터의 제어 장치(100)는 입력부(110), 출력부(120), 프로세서(150), 메모리(140) 및 데이터베이스(130)를 포함한다. 도 2의 그리드 포밍 컨버터의 제어 장치(100)는 일 실시예에 따른 것으로서, 도 2에 도시된 모든 블록이 필수 구성요소는 아니며, 다른 실시예에서 그리드 포밍 컨버터의 제어 장치(100)에 포함된 일부 블록이 추가, 변경 또는 삭제될 수 있다. 한편, 그리드 포밍 컨버터의 제어 장치(100)는 그리드 포밍 컨버터를 제어하는 컴퓨팅 장치로 구현될 수 있으며, 그리드 포밍 컨버터의 제어 장치(100)에 포함된 각 구성요소들은 각각 별도의 소프트웨어 장치로 구현되거나, 소프트웨어가 결합된 별도의 하드웨어 장치로 구현될 수 있다.
그리드 포밍 컨버터의 제어 장치(100)는 그리드 포밍 컨버터에 제공되는 직류 전압에 상응하는 주파수를 연산하고, 그리드 포밍 컨버터가 제공된 직류 전압에 상응하는 주파수를 출력하도록 제어하되, 연산된 주파수를 출력하는 단계는 그리드 포밍 컨버터에 제공되는 직류 전류를 제어하지 않고 수행된다.
입력부(110)는 그리드 포밍 컨버터를 제어하기 위한 신호 또는 데이터를 입력하거나 획득하는 수단을 의미한다. 입력부(110)는 프로세서(150)와 연동하여 다양한 형태의 신호 또는 데이터를 입력하거나, 외부 장치와 연동하여 직접 데이터를 획득하여 프로세서(150)로 전달할 수도 있다. 입력부(110)는 그리드 포밍 컨버터의 출력 전압, 출력 주파수, 드룹 율, 셋포인트 정보 등을 입력하거나 입력 받기 위한 장치 또는 서버 일수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
출력부(120)는 프로세서(150)와 연동하여 그리드 포밍 컨버터의 출력 전압, 출력 주파수, 드룹 율, 셋포인트 정보 등을 표시할 수 있다. 출력부(120)는 소정의 정보를 출력하기 위하여 그리드 포밍 컨버터의 제어 장치(100)에 구비된 디스플레이(미도시), 스피커 등을 통해 다양한 정보를 표시하는 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
프로세서(150)는 메모리(140)에 포함된 적어도 하나의 명령어 또는 프로그램을 실행시키는 기능을 수행한다.
본 실시예에 따른 프로세서(150)는 입력부(110) 또는 데이터베이스(130)로부터 획득한 데이터를 기반으로 그리드 포밍 컨버터에 제공되는 직류 전압에 상응하는 주파수를 연산하고, 그리드 포밍 컨버터가 제공된 직류 전압에 상응하는 주파수를 출력하도록 제어하는 동작을 수행한다.
메모리(140)는 프로세서(150)에 의해 실행 가능한 적어도 하나의 명령어 또는 프로그램을 포함한다. 메모리(140)는 처리를 수행하기 위한 명령어 또는 프로그램을 포함할 수 있다. 메모리(140)는 주파수를 연산하는 프로그램, 연산된 주파수 값들을 저장할 수 있다.
데이터베이스(130)는 데이터베이스 관리 프로그램(DBMS)을 이용하여 컴퓨터 시스템의 저장공간(하드디스크 또는 메모리)에 구현된 일반적인 데이터구조를 의미하는 것으로, 데이터의 검색(추출), 삭제, 편집, 추가 등을 자유롭게 행할 수 있는 데이터 저장형태를 뜻하는 것으로, 오라클(Oracle), 인포믹스(Infomix), 사이베이스(Sybase), DB2와 같은 관계형 데이타베이스 관리 시스템(RDBMS)이나, 겜스톤(Gemston), 오리온(Orion), O2 등과 같은 객체 지향 데이타베이스 관리 시스템(OODBMS) 및 엑셀론(Excelon), 타미노(Tamino), 세카이주(Sekaiju) 등의 XML 전용 데이터베이스(XML Native Database)를 이용하여 본 발명의 일 실시예의 목적에 맞게 구현될 수 있고, 자신의 기능을 달성하기 위하여 적당한 필드(Field) 또는 엘리먼트들을 가지고 있다.
본 실시예에 따른 데이터베이스(130)는 그리드 포밍 컨버터의 주파수를 연산하는 알고리즘 등을 저장하고, 저장된 데이터를 제공할 수 있다. 한편, 데이터베이스(140)는 그리드 포밍 컨버터의 제어 장치(100) 내에 구현되는 것으로 기재하고 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 별도의 데이터 저장장치로 구현될 수도 있다.
도 3은 발전 계통과 그리드 포밍 컨버터가 부하에 전력을 분담하여 제공하는 것을 예시한 드룹 선도(droop plot)이다. 도 3은 발전 계통과 그리드 포밍 컨버터가 동일한 부하에 전력을 공급하는 경우를 예시한다. 도 3에서 AC droop’은 발전 계통이 부하에 제공하는 전력 대비 출력 주파수를 도시한 선도(plot) 이며, GFM Droop은 그리드 포밍 컨버터가 부하에 제공하는 전력 대비 출력 주파수를 도시한 선도(plot)이다.
도 3로 예시된 실시예에서, AC droop’ 선도와 GFM droop 선도는 모두 부하에 제공하는 전력이 증가함에 따라 출력 주파수가 감소하는 특징이 있다. 여기서 AC droop’ 선도를 좌우 반전하면 AC droop 선도를 형성할 수 있으며, GFM droop 선도와 교점인 셋 포인트(Psp, set point)가 형성된다.
발전 계통과 그리드 포밍 컨버터는 셋 포인트(Psp)를 기준으로 부하에 제공하는 전력을 분담하는 비율을 달리한다. 도시된 실시예에서, PGFM이 50MW이고, PAC가 10MW로, 그리드 포밍 컨버터와 발전 계통이 총 60MW를 부하에 제공하는 경우를 가정한다. 즉 50 MW는 그리드 포밍 컨버터가 부하에 전력을 제공하며, 나머지 10MW는 외부 교류 발전 계통이 부하에 전력을 제공한다.
그리드 포밍 컨버터가 무부하 상태에서 출력하는 주파수는 무부하 주파수(fNLGFM)이며, 부하에 제공하는 전력이 증가함에 따라 최대 부하 주파수(fFLGFM)까지 감소한다. 셋 포인트(Psp)에서 그리드 포밍 컨버터와 발전 계통은 공통의 주파수를 출력하며, 그 때의 주파수를 셋 포인트 주파수(fsp)라고 한다.
그리드 포밍 컨버터가 종래의 발전 계통과 함께 운전되어 부하에 전력을 제공할 때, 그리드 포밍 컨버터가 부하에 제공하는 전력에 대한 제어는 그리드 포밍 컨버터의 드룹 선도(GFM Droop)를 제어하여 수행될 수 있다.
일 예로, 그리드 포밍 컨버터의 드룹 선도(GFM Droop)는 그리드 포밍 컨버터의 드룹 선도(GFM droop)의 기울기에 상응하는 드룹 율(droop rate), 목적하는 셋 포인트, 그리드 포밍 컨버터가 무부하 상태에서 출력하는 무부하 주파수(fNLGFM) 및 그리드 포밍 컨버터가 최대 부하 상태에서 출력하는 최대 부하 주파수(fFLGFM)를 조절하여 이루어질 수 있다. 여기서 드룹(droop)이란 병렬 운전하는 발전기들이 공동으로 공급하는 전력부하를 비례 분담하는 제어 원칙을 통칭하며, 이 때 각 발전기 또는 컨버터가 실제로 분담하는 전력 MW 에 따라 생성하는 주파수 Hz 관계를 나타낸 기울기를 드룹 율(droop rate)이라고 한다. 즉 droop rate는 아래의 수학식 1과 같이 정의된다.
[수학식 1]
Figure 112020129185945-pat00001
도 4는 종래 기술에 따른 그리드 포밍 컨버터의 출력 주파수 제어 방법의 개요를 도 3으로 예시된 드룹 선도와 함께 도시한 도면이다. 도 4에서 1 사분면에는 도 3으로 예시된 드룹 선도를 도시하였고, 2 사분면에는 그리드 포밍 컨버터의 출력 주파수를 제공되는 직류 전압(VDC)에 대한 함수가 도시되었다.
도 4를 참조하면, 그리드 포밍 컨버터를 드룹제어 하는 경우, 드룹 선도(GFM Droop)에서 그리드 포밍 컨버터는 출력 주파수를 최대 부하 주파수 fFLGFM 에서 무부하 주파수인 fNLGFM 까지 변화하여 출력하여 발전 계통과 함께 연동되어 부하에 전력을 제공할 수 있다.
그리드 포밍 컨버터를 매칭 제어 하는 경우, 제공된 직류 전압에 따라 출력 주파수가 제어된다. 즉, 그리드 포밍 컨버터의 출력 주파수는 원점을 지나는 1차 함수의 형태를 가진다. 따라서, 그리드 포밍 컨버터의 출력 주파수가 최대 부하 주파수인 fFLGFM 에서 무부하 출력 주파수인 fNLGFM 까지 변화하기 위하여는 그리드 포밍 컨버터에 제공되는 전압이 ΔVDC의 범위 내에서 변화하여야 한다.
종래 기술에 의하면, 그리드 포밍 컨버터의 매칭 제어는 출력 주파수를 전압에 상응하도록 제어하기 위해서 도 5로 예시된 것과 같이 제공된 직류 전압(VDC), 정격 직류 전압(VDC *) 및 정격 전력(P*) 및 전력 손실(Ploss)로부터 형성된 직류 전류(idc)가 제어되고, 그리드 포밍 컨버터에 제공되어야 한다. 이와 같이 직류 전류가 제어되어야 그리드 포밍 컨버터에 제공되는 전압이 ΔVDC의 범위 내에 존재하고, 그에 따라 출력 주파수가 최대 부하시 출력 주파수인 fFLGFM 에서 무부하시 출력 주파수인 fNLGFM 까지 변화한다.
도 5로 예시된 제어 루프에 포함된 kdc는 아래의 수학식 2와 같이 표시될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112020129185945-pat00002
(η: 종래의 그리드 포밍 컨버터 직류 전압에 대한 출력 주파수의 기울기, mp: 드룹 율, vdc *: 정격 전압)
상기한 수학식에 기재된 바와 같이 kdc의 분모에는 드룹 율(droop rate, mp)이 포함되어 있다. 즉 매칭 제어를 위해서는 교류 주파수를 생성하는 제어부와는 별도로, 드룹 특성을 구현하기 위한 직류 전류 제어가 필요하며, 해당 직류 전류 제어시 그리드 포밍 컨버터의 전력 분담 비율인 드룹 율 반영이 필요하여 복잡하고 정교한 제어기를 구현하여야 한다는 난점이 있다.
도 6은 일 실시예에 의한 그리드 포밍 컨버터의 출력 주파수 제어 방법의 개요를 도 3으로 예시된 드룹 선도와 함께 도시한 도면이다. 도 6에서 1 사분면은 도 3로 예시된 드룹 선도이고, 2 사분면에 도시된 선도는 본 실시예에 의한 그리드 포밍 컨버터의 출력 주파수를 제공되는 직류 전압(VDC)에 대한 함수로 나타낸 것이다.
본 실시예에 따르면, 그리드 포밍 컨버터의 굵은 실선으로 도시된 출력 주파수는 입력된 직류 전압(VDC)에 대한 1차 함수에 따라 변화할 수 있다. 일 예로, 1차 함수는 최대 부하시 출력 주파수(fFLGFM)를 지나며 기울기 η‘인 1차 함수일 수 있다. 1차 함수는 아래의 수학식 2와 같이 표시될 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112020129185945-pat00003
다른 예로, 1차 함수는 무부하 출력 주파수(fNLGFM)를 지나며 기울기 η‘인 1차 함수일 수 있다. 1차 함수는 무부하시 출력 주파수(fNLGFM)와 최대 부하시 출력 주파수(fFLGFM)를 지나는 1차 함수일 수 있다.
1차 함수의 기울기(η‘)는 아래의 수학식 4로부터 얻을 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112020129185945-pat00004
(f*: 정격 주파수, VDC *: 정격 직류 전압, droop%: 드룹 율)
정격 주파수는 국내의 경우 60Hz, 해외의 경우 50Hz 또는 60Hz로 정해지며, 정격 직류 전압은 설비의 제작사양에 따라 정해지는 값이다. 본 실시예에 의한 그리드 포밍 컨버터의 주파수 제어 방법은 도 5로 예시된 종래 기술과 달리 그리드 포밍 컨버터에 제공된 직류 전압(VDC)이 0인 경우에 그리드 포밍 컨버터가 최대 부하시 출력 주파수(fFLGFM)를 출력하고, 그리드 포밍 컨버터에 제공되는 직류 전압(VDC)이 증가함에 따라 출력 주파수(f)는 기울기 η’을 따라 증가한다. 또한, 그리드 포밍 컨버터에 제공된 직류 전압(VDC)이 최대 전압이 제공될 때 그리드 포밍 컨버터는 무부하시 출력 주파수(fNLGFM)를 출력한다.
또한, 종래 기술에 의한 그리드 포밍 컨버터의 출력 주파수 제어 방법은 목적하는 범위 내의 출력 주파수를 얻기 위하여 그리드 포밍 컨버터에 제공되는 직류 전류를 제어하여 그리드 포밍 컨버터에 제공되는 직류 전압을 목적하는 범위 내로 유지하였다. 종래 기술에 의하면 직류 전류를 제어하는 컨트롤러가 필수적으로 요청되었으나, 이러한 컨트롤러는 복잡하고, 비용적인 면에서 비경제적이었다.
그러나, 본 실시예에 의하면 직류 전류의 제어 없이 그리드 포밍 주파수에 제공되는 직류 전압으로부터 출력 주파수를 형성할 수 있다. 따라서, 복잡한 전류를 제어하는 컨트롤러가 불필요하며 따라서, 경제적이라는 장점이 제공된다.
이하에서는 그리드 포밍 컨버터의 출력 주파수 제어 방법의 제2 실시예를 설명한다. 도 7은 본 실시예에 의한 그리드 포밍 컨버터에 제공되는 직류 전압(VDC)에 대한 출력 주파수를 나타낸 도면이다. 도 7을 참조하면 본 실시예에 의한 출력 주파수 제어 방법에서, 그리드 포밍 컨버터는 입력 전압(VDC)이 변화할 때 지수함수적으로 변화한다.
그리드 포밍 컨버터를 발전기로 대비하였을 때, 발전기 로터의 회전 속도 오차(g)를 그리드 포밍 발전기에 제공되는 직류 전압(VDC)의 항으로 표시하고, 아래의 수학식 5의 ①식과 같이 지수 함수의 형태로 표현될 수 있는 것으로 가정하면, 이를 미분한 가속도(g’)는 수학식 ②로 표시될 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112020129185945-pat00005
(a, b, c, d, k: 미정 상수인 설계 파라미터)
수학식 5로 표시된 결과로부터 그리드 포밍 주파수의 출력 주파수(f)를 회전 속도(g)와 가속도(g’)로 표시하면 아래의 수학식 6과 같다.
[수학식 6]
Figure 112020129185945-pat00006
계수 a, b, c 및 d 는 설계 파라미터이다. 아래의 수학식 7로 예시된 것과 같이 계수 a는 드룹 특성(droop characteristic)과 관련되고, b는 관성(inertia) 특성과 관련된다. c는 그리드 포밍 컨버터가 최대부하 주파수 출력시 그리드 포밍 컨버터에 제공되는 직류 전압에 - 부호를 부가한 -Vd0에 상응한다.
경계 조건으로 VDC = Vd0 일 때, 출력 주파수 f = fNLGFM 이고, VDC = 0일 때 출력 주파수 f= fFLGFM 인 것을 이용하여 미정 상수 d와 k를 구한다. a, b, c, d 및 k는 아래의 수학식과 같다.
[수학식 7]
Figure 112020129185945-pat00007
(droop%: 드룹율, H: 관성, Vd0: 최대 부하 주파수 출력시 DC 전압, fNLGFM: 무부하 주파수)
이로부터 그리드 포밍 주파수의 출력 주파수(f)를 표시하면 아래의 수학식 8과 같다.
[수학식 8]
Figure 112020129185945-pat00008
수학식 8로 얻어진 그리드 포밍 컨버터에 제공된 직류 전압 - 출력 주파수의 관계는 도 7로 도시된 것과 같이 아래로 볼록인 지수 함수의 형태이다. 제2 실시예에 있어서도 그리드 포밍 컨버터에 형성되는 전류를 제어하지 않고 그리드 포밍 컨버터에 제공되는 전압으로 출력 주파수를 형성할 수 있다. 따라서, 별도의 복잡한 별도의 전류 콘트롤러를 도입할 필요가 없다는 장점이 제공된다.
이하에서는 도 8을 참조하여 제3 실시예를 설명한다. 간결하고 명확한 설명을 위하여 위에서 설명된 실시예들과 동일하거나, 이와 유사한 요소들에 대한 설명은 생략할 수 있다. 도 8을 참조하면 본 실시예에 의한 출력 주파수 제어 방법에서, 그리드 포밍 컨버터는 입력 전압(VDC)이 변화할 때 지수함수적으로 변화한다.
위에서 설명된 실시예와 마찬가지로 제2 그리드 포밍 컨버터를 발전기로 치환하였을 때, 발전기 로터의 회전 속도 오차(g)를 그리드 포밍 발전기에 제공되는 직류 전압(VDC)의 항으로 표시하면 아래의 수학식 9의 ①식과 같이 지수 함수의 형태로 표현될 수 있는 것으로 가정하면, 이를 미분한 가속도(g’)는 수학식 ②로 표시될 수 있다. 수학식 9는 위에서 서술한 수학식 6에서 계수 a, b에 - 부호가 부가된다.
[수학식 9]
Figure 112020129185945-pat00009
수학식 8로 표시된 결과로부터 그리드 포밍 주파수의 출력 주파수(f)를 회전 속도(g)와 가속도(g’)으로 표시하면 아래의 수학식 10과 같다.
[수학식 10]
Figure 112020129185945-pat00010
계수 a, b, c 및 d 는 설계 파라미터이다. 아래의 수학식 11로 예시된 것과 같이 계수 a는 드룹 특성(droop characteristic)과 관련되고, b는 관성(inertia) 특성과 관련된다. c는 그리드 포밍 컨버터가 최대부하 주파수 출력시 그리드 포밍 컨버터에 제공되는 직류 전압에 - 부호를 부가한 -Vd0에 상응한다.
경계 조건으로 VDC = Vd0 일 때, 출력 주파수 f = fNLGFM 이고, VDC = 0일 때 출력 주파수 f= fFLGFM 인 것을 이용하여 미정 상수 d와 k를 구한다. a, b, c, d 및 k는 아래의 수학식과 같다.
[수학식 11]
Figure 112021149156980-pat00131
이로부터 그리드 포밍 주파수의 출력 주파수(f)를 표시하면 아래의 수학식 12와 같다.
[수학식 12]
Figure 112020129185945-pat00012
수학식 12로 얻어진 그리드 포밍 컨버터에 제공된 직류 전압 - 출력 주파수의 관계는 도 8로 도시된 것과 같이 위로 볼록인 지수 함수의 형태이다. 제3 실시예에 있어서도 그리드 포밍 컨버터에 형성되는 전류를 제어하지 않고 그리드 포밍 컨버터에 제공되는 전압으로 출력 주파수를 형성할 수 있다. 따라서, 별도의 복잡한 별도의 전류 콘트롤러를 도입할 필요가 없다는 장점이 제공된다.
이하에서는 도 9을 참조하여 제4 실시예를 설명한다. 간결하고 명확한 설명을 위하여 위에서 설명된 실시예들과 동일하거나, 이와 유사한 요소들에 대한 설명은 생략할 수 있다.
수학식 9,10으로부터, 앞서 설정된 경계 조건과 달리 VDC = 0일 때 출력 주파수 f= 0, 이고 VDC = Vd0 일 때, 출력 주파수 f = fNLGFM 로 설정한다. 따라서, 본 실시예의 직류 전압대 주파수 곡선은 원점과 VDC = Vd0 일 때, 출력 주파수 f = fNLGFM 점을 지난다. 이 경계 조건을 이용하여 미정 상수 d와 k를 얻으면 아래의 수학식 13과 같다.
[수학식 13]
Figure 112020129185945-pat00013
이로부터 그리드 포밍 주파수의 출력 주파수(f)를 표시하면 아래의 수학식 14와 같다.
[수학식 14]
Figure 112020129185945-pat00014
수학식 14로 얻어진 그리드 포밍 컨버터에 제공된 직류 전압 - 출력 주파수의 관계는 도 9로 도시된 것과 같이 원점을 지나며 위로 볼록인 지수 함수의 형태이다. 제4 실시예에 있어서도 그리드 포밍 컨버터에 형성되는 전류를 제어하지 않고 그리드 포밍 컨버터에 제공되는 전압으로 출력 주파수를 형성할 수 있다. 따라서, 별도의 복잡한 별도의 전류 콘트롤러를 도입할 필요가 없다는 장점이 제공된다.
이하에서는 도 10을 참조하여 제5 실시예를 설명한다. 간결하고 명확한 설명을 위하여 위에서 설명된 실시예들과 동일하거나, 이와 유사한 요소들에 대한 설명은 생략할 수 있다. 도 10(a)는 종래 기술에 의한 직류 전압대 주파수 관계와 본 실시예에 의한 전압대 주파수를 도시한 도면이고, 도 10(b)는 도 10(a)에서 운전점 부분을 확대하여 도시한 도면이다.
도 10(a)에서, 점선은 종래 기술에 의한 주파수 변화를 나타내고, 적색 실선은 정상 상태의 주파수(fss)가 최대 부하 주파수인 경우를 나타내고, 청색 실선은 정상 상태의 주파수(fss)가 무부하 주파수인 경우를 나타내며, 검정색 실선은 정상 상태의 주파수(fss)가 정격 주파수인 경우를 나타낸다. 일 예로, 한국의 정격 주파수는 60Hz이고, 외국의 정격 주파수는 50Hz 또는 60Hz이다. 또한, 도 10(b)에서, 빨간색 실선은 전부하 상태 출력 주파수, 빨간색 점선은 전부하 상태에서 정상상태 출력 주파수를 나타내며, 파란색 실선은 무부하 상태에서 출력 주파수, 파란색 점선은 무부하 상태에서 정상상태 출력 주파수를 나타낸다. 검정색 파선은 종래 기술에 의한 출력 주파수를 나타내고, 검정색 실선은 셋 포인트에서의 출력 주파수를 나타낸다.
제2, 제3 및 제4 실시예에서는 의도한 droop 비율과 관성 성질을 수학식의 각 파라미터에 사전에 반영 후 경계조건을 적용하여 상향식(bottom up)으로 주파수 변환 수식을 도출하였다. 본 실시예에서는 경계조건을 먼저 적용 후 각 파라미터의 적정값을 도출하는 하향식(top down)방법을 취한다. 위에서 설명된 실시예와 마찬가지로 제2 그리드 포밍 컨버터를 발전기로 치환하였을 때, 발전기 로터의 회전속도를 그리드 포밍 컨버터로부터 제공되는 직류 전압(
Figure 112020129185945-pat00015
)의 항으로 표시하면, 수학식 15와 같이 지수 함수의 형태
Figure 112020129185945-pat00016
로 표현될 수 있는 것으로 정의한다.
[수학식 15]
Figure 112020129185945-pat00017
(a, d: 양수이며, 시간에 따라 변화하는 미정 계수, b, c: 양수로 시간에 따라 변화하지 않는 계수)
수학식 15의 각 파라미터 a, b, c, d들은 아래에 설명되는 바와 같이 정해진다. c는 직류 전압이 정격일 때의 조건을 결정하기 위해
Figure 112020129185945-pat00018
으로 둔다. (Vd0: 정격 DC 전압)
임의의 직류 전압
Figure 112020129185945-pat00019
에 대해서는, 해당 지점이 정상상태에 도달한 것으로 간주한다. 이러한 상태는 상태를 발전기에 비유하면, 물리법칙(Generator Swing Equation, 수학식 24 참조)에 따라 로터의 속도로부터 회전방향과 반대방향으로 동일한 힘이 작용하여 로터의 가속도가 0이 되어 평형을 이루고 난 이후에 나타나는 정상 상태의 주파수
Figure 112020129185945-pat00020
만 고려한다.
이에 따라 이전 실시예의
Figure 112020129185945-pat00021
의 미분을 고려하지 않고, 평형을 이룬 회전속도가 직류 전압으로 나타나는 것으로 파악하고, 지수함수를 통해 주파수로 변환한다. 따라서, 직류 전압이 정격 전압과 동일하다면 무부하 상태로 간주하여 무부하주파수
Figure 112020129185945-pat00022
를 출력하고, 직류 전압이 정상 운전 범위 내 최저 전압까지 하강하면 부하가 전부하인 상태로 간주하여 전부하주파수
Figure 112020129185945-pat00023
를 출력한다.
마찬가지로 무부하(no load)와 전부하(full load) 사이 임의의 전압
Figure 112020129185945-pat00024
로부터는 해당 부하에 대응하는 droop 제어 주파수
Figure 112020129185945-pat00025
를 출력한다.
Figure 112020129185945-pat00026
는 독립운전인 경우 정격 주파수인
Figure 112020129185945-pat00027
로 설정하며, 타 발전기 또는 컨버터와 병렬운전인 경우 아래의 수학식 16에 따른 주파수를 적용한다.
[수학식 16]
Figure 112020129185945-pat00028
각 전압 수준별 변환되는 주파수를 수식으로 나타내면 수학식 17과 같이 파라미터 a와 d 관계가 정리된다. 수학식 17의 ① 식, ② 식, ③ 식 및 ④식은 각각 직류 전압이 정격인 상태, 부하공급으로 전압이 임의의 수치로 하강한 상태, 전부하 공급으로 전압이 가장 하강한 상태, 전압이 0인 상태에 상응한다. 이로부터 제5 실시예의 파라미터들은 이전 실시예와는 달리 상수로 결정되지 않고, 측정한 전압 수준과 목표한 droop
Figure 112020129185945-pat00029
를 일치시키기 위해 전압 수준에 따라 변화하는
Figure 112020129185945-pat00030
의 함수로 정해짐을 알 수 있다.
지수함수의 미정 계수 b에 대해서는, g(VDC = Vdo) =FNLGFM의 조건 1, g(VDC = Vop) =Fss의 조건 2, g(VDC = VFL) =FFLGFM의 조건 3, g(VDC = 0) =0의 조건 4를 이용하여 연산한다. 조건 1, 조건 2, 조건 3 및 조건 4로부터 얻어진 결과는 각각 아래의 수학식 17의 ① 식, ② 식, ③ 식 및 ④식과 같다.
[수학식 17]
Figure 112020129185945-pat00031
주어진 droop에 대해 무부하 운전점을 기준으로,
Figure 112020129185945-pat00032
,
Figure 112020129185945-pat00033
,
Figure 112020129185945-pat00034
세 지점을 모두 통과하도록 선정한다. 이 조건에서 수학식 17의 ① 식, ③ 식, ④ 식은 모두 같은 a 값을 갖는다. 이를 만족하는 양수인 b의 값은 수학식 18로 표시될 수 있다.
[수학식 18]
Figure 112020129185945-pat00035
한편, b는 직류전압이
Figure 112020129185945-pat00036
에서만 유효하며, 목적하는 정상 상태 주파수
Figure 112020129185945-pat00037
를 도출하기 위해서는 수학식 19와 같이 모든 전압 지점
Figure 112020129185945-pat00038
에서 b의 값이 결정되어야 한다.
[수학식 19]
Figure 112020129185945-pat00039
b는 전압이 변하더라도
Figure 112020129185945-pat00040
을 기준으로 산정된 값을 그대로 적용하고, 대신 파라미터 a에 변화를 적용한다. a는 전압 수준에 따라 달라지며, 부하가 작은 값일수록
Figure 112020129185945-pat00041
와 원점을 지나는 곡선에 가깝고, 부하가 큰 값일수록
Figure 112020129185945-pat00042
와
Figure 112020129185945-pat00043
를 지나는 곡선에 가깝다. 그러므로 부하율
Figure 112020129185945-pat00044
에 따라, 수학식 19의 우변에 부하율 i를 곱하고 좌변에 (1-i)를 곱하여 가중 평균한 a를 실제에 적용한다. 이에 따라 최종 결정된 a와 d는 수학식 20을 따른다.
[수학식 20]
Figure 112020129185945-pat00045
위와 같은 설정을 통한 최종 주파수는 수학식 21과 같이 연산된다.
[수학식 21]
Figure 112020129185945-pat00046
수학식 20에서, a는 수학식 20의 (1)식으로 표시될 수 있다. b는 수학식 19와 같이 정의될 수 있다. 그러나, 상술한 바와 같이 전부하(Full load)를 기준으로 선택된 값(수학식 18 참조)을 사용할 수 있다.
수학식 21을 참조하면,
Figure 112020129185945-pat00047
는 저주파 대역 통과 필터를 의미한다. 즉 지수항은 순시동작하고
Figure 112020129185945-pat00048
와
Figure 112020129185945-pat00049
는 지연 동작함으로써 과도구간에 직류 전압으로부터 관성효과가 발현되며, 최종적으로는 목적하는 정상 상태 주파수
Figure 112020129185945-pat00050
에 수렴한다.
본 실시예에 의한 입력 직류 전압(VDC)와 출력 주파수의 관계는 도 9로 예시된 실시예와 유사할 수 있으나, 본 실시예는 출력주파수 최종값이 droop이 의도하는 주파수
Figure 112020129185945-pat00051
에 따라 결정되므로 하나의
Figure 112020129185945-pat00052
에 대해서도 각기 다른 다양한 곡선을 그린다는 점에서 차이가 있다.
제5 실시예에 있어서도 그리드 포밍 컨버터에 형성되는 전류를 제어하지 않고 그리드 포밍 컨버터에 제공되는 전압으로 출력 주파수를 형성할 수 있다. 따라서, 별도의 복잡한 별도의 전류 콘트롤러를 도입할 필요가 없다는 장점이 제공된다. 또한 직류전압을 순시치 그대로 제어에 사용하므로 droop 대비 빠른 제어가 가능하다.
이하에서는 도 11을 참조하여 제6 실시예를 설명한다. 간결하고 명확한 설명을 위하여 위에서 설명된 실시예들과 동일하거나, 이와 유사한 요소들에 대한 설명은 생략할 수 있다. 도 11을 참조하면 본 실시예에 의한 출력 주파수 제어 방법에서, 그리드 포밍 컨버터의 출력주파수는 입력 전압(VDC)이 변화할 때 선형으로 변화한다.
제6 실시예의 동작은 다음과 같다.
다수의 발전기의 병렬운전으로부터 원하는 부하분담을 이루기 위해서는 수학식 22과 같이 드룹 원리에 따른 제어가 일반적이다. 모든 물리량은 per unit 단위법에 따라 기재한다.
[수학식 22]
Figure 112020129185945-pat00053
fout: 출력주파수, m: 드룹, P: 출력 측정값, Psp: 출력 셋포인트, f0: 정격주파수
드룹을 이용하여 GFM 컨버터를 제어하면 여타 병렬 운전원과의 상호작용에 따라 정상 상태 주파수
Figure 112020129185945-pat00054
로 수렴하며 부하 분담을 더 하기를 원하는 경우 드룹 m을 낮추거나 셋포인트
Figure 112020129185945-pat00055
를 늘림으로써 가능하다. 부하 분담을 줄이기를 원하는 경우 m을 높이거나
Figure 112020129185945-pat00056
를 줄임으로써 가능하다.
Figure 112020129185945-pat00057
는 계통이
Figure 112020129185945-pat00058
에 도달하였을 때 나오는 출력이며, 따라서
Figure 112020129185945-pat00059
에 따라 실제 출력은
Figure 112020129185945-pat00060
보다 높거나 낮을 수 있다.
본 실시예의 목적은
Figure 112020129185945-pat00061
가 아닌 다른 측정값을 사용하여 드룹과 동등한 부하분담 성능을 이루는 제어를 달성함에 있다. 기존 Matching 제어의 원리에 따르면, 주파수
Figure 112020129185945-pat00062
는 직류전압과 비례관계를 가지는 것으로 제어 가능하므로 수학식 23에 따라 제어함으로써 드룹 제어를 대체할 수 있는 것으로 주장되고 있다.
[수학식 23]
Figure 112020129185945-pat00063
(단위: per unit)
다만 이 제어가 성립하기 위해서는, 임의의 부하 변동에 대해, 드룹 m에 따라
Figure 112020129185945-pat00064
가 변동하는 비율과, 측정한 전압
Figure 112020129185945-pat00065
가 변동하는 비율이 동일하여야 한다. 따라서 이를 보장하는 별도의 컨트롤러 없이는 Matching 제어를 제대로 구현할 수 없다.
한편, 발전기의 동요방정식인 수학식 24에 따라, 직류 전압이 곧 동기 발전기 로터의 회전속도를 의미한다는 Matching 원리에 착안하여,
Figure 112020129185945-pat00066
를 통해
Figure 112020129185945-pat00067
또한 간접적으로 파악할 수 있다는 사실을 알 수 있다.
[수학식 24]
Figure 112020129185945-pat00068
(단위: per unit)
H: 관성계수 K: 댐핑계수 w,w’: 로터 회전각속도, 각가속도
즉 로터가 더 이상 감속하지도 가속하지도 않는 평형상태에서는, 로터의 회전속도로부터 출력을 알 수 있다. 또한 회전속도는 직류전압으로부터 알 수 있으므로 결과적으로 직류전압으로부터 출력을 알 수 있다. 따라서 ① 직류전압과 출력의 관계, ② 직류전압과 주파수의 관계 ③ 출력과 주파수의 관계를 정확하게 정의하면 직류전압측정을 통해 드룹제어를 대체할 수 있다.
컨버터가 무부하에서는 직류전압이 정격에 가깝게 유지되며 전부하에서는 직류전압이 최소로 변화하여
Figure 112020129185945-pat00069
에 이른다. 이에 따라 직류전압과 출력의 관계는 수학식 25와 같다.
[수학식 25]
Figure 112020129185945-pat00070
(단위: per unit) VFL: 전부하 전압, VNL: 무부하 전압
상기 수식 25의 2는 p.u. 단위 기준 직류전압과 회전속도를 동일시 하는 기존 Matching 원리를 적용한 것이다.
컨버터 전압이 정격이면 무부하 상태이므로 무부하 주파수를 출력하고, 직류전압이
Figure 112020129185945-pat00071
까지 하강하면 전부하 상태이므로 전부하 주파수를 출력한다. 이에 따른 직류전압과 주파수의 관계는 수학식 26과 같다.
[수학식 26]
Figure 112020129185945-pat00072
fNL : 무부하주파수, fFL : 전부하주파수, (단위: per unit)
출력과 주파수의 관계는 드룹을 의미하며, 수학식 22를 직류전압과의 관계에 따라 다시 쓰면 수학식 27과 같다.
[수학식 27]
Figure 112020129185945-pat00073
(단위: per unit)
또한, 도 11에서 입력 전압이 0일 때의 주파수는
Figure 112020129185945-pat00074
에 상응한다.
수학식 27은 수학식 28로 표현 가능하다.
[수학식 28]
Figure 112020129185945-pat00075
Figure 112020129185945-pat00076
k: 제어 파라미터, wc: 저주파수필터
따라서 수학식 28와 같이 주파수를 제어하면 정상 상태에서 수학식 22와 동일한 드룹 주파수 달성이 가능하며, 직류전류를 제어하는 별도의 제어부 없이도 직류전압 측정만으로 주파수 제어를 수행할 수 있다. 제어 파라미터
Figure 112020129185945-pat00077
의 목적은 직류전압의 고주파수 성분이 심한 경우
Figure 112020129185945-pat00078
를 높임으로써 노이즈를 경감하여 원활한 튜닝이 가능하다.
모의실험 결과
도 12는 그리드 포밍 컨버터가 각각 제1 실시예, 제2 실시예 및 제3 실시예로 제어될 때, 그리드 포밍 컨버터에 제공되는 직류 전압과 출력 주파수를 도시한 도면이다. 도 12를 참조하면, 그리드 포밍 컨버터에 제공되는 직류 전압이 증가함에 따라서 제1 실시예에 의하여 제어되는 그리드 포밍 컨버터는 1차 함수적으로 증가하는 주파수를 출력하고, 제2 실시예에 의하여 제어되는 그리드 포밍 컨버터는 아래로 볼록인 지수 함수적으로 증가하는 주파수를 출력하며, 제3 실시예에 의하여 제어되는 그리드 포밍 컨버터는 위로 볼록인 지수 함수적으로 증가하는 주파수를 출력하는 것을 확인할 수 있다.
도 13(a)는 종래 기술 및 제1 실시예, 제2 실시예에 따라 그리드 포밍 컨버터에 제공되는 직류 전압대 출력 주파수를 도시한 선도이다. 도 13(b)는 도 13(a)의 225kV 내지 245KV 의 범위를 확대하여 도시한 도면이다. 도 13(a)를 참조하면, 그리드 포밍 컨버터에 0~ 250kV의 직류 전압이 제공되면 종래 기술에 의하여 제어되는 그리드 포밍 컨버터는 제공된 직류 전압의 크기에 선형적으로 비례하는 주파수를 가지는 전압을 출력한다. 그러나, 이것은 별도의 직류 전류 콘트롤러를 이용하여 그리드 포밍 컨버터에 제공되는 전류를 제어하여 수행되는 것이다.
그러나 제1 실시예는 직류 전압에 대하여 선형으로 변화하고 및 제2 실시예는 지수함수적으로 변화하여도 주파수의 변화폭이 상대적으로 작은 것을 알 수 있으며, 도 13(b)와 같이 확대하여야 제1 실시예와 제2 실시예에 의한 주파수의 변화폭을 알 수 있다.
본 실시예들에 의하면 직류 전류 제어부를 채택하지 않고도 제공된 직류 전압에 상응하는 주파수를 형성하여 출력할 수 있다는 장점이 제공되는 것을 확인할 수 있다.
도 14 내지 도 18은 전력 계통(청색)과 그리드 포밍 컨버터(적색)가 부하에 전력을 공급하는 경우에, 2초, 3초, 4초에 외란이 발생할 때 시간에 따른 전력 변동 및 시간에 따른 주파수 변동을 도시한 도면들이다. 각 외란 이후 두 전원의 출력이 새로운 운전점에 수렴하면 안정화가 된 것으로 판단한다.
도 14(a) 및 도 14(b)는 종래 기술로 제어되는 그리드 포밍 컨버터(적색)와 전력 계통(청색)의 실험 결과를 도시한다. 도 14(a)를 참조하면 대략 1.3초 이후부터 그리드 포밍 컨버터와 전력 계통은 부하에 각각 30Mw씩 전력을 공급한다. 2.0초에 외란이 발생하였을 때, 전력 계통과 그리드 포밍 컨버터는 모두 진동하는 것을 확인하며 대략 2.5초 이후에 진동이 안정화된다. 또한 3초에 발생하는 외란에 의하여 마찬가지로 공급하는 전력에 진동이 발생하며 3.5 초 이후에 진동이 안정화된다. 4초 이후에는 그리드 포밍 컨버터가 부하에 60MW 를 제공한다. 도 14(b)를 살펴보면 외란이 발생할 때마다 큰 폭으로 출력 주파수에 변동이 발생하는 것을 확인할 수 있다.
도 15(a), 도 15(b)는 제1 실시예로 제어되는 그리드 포밍 컨버터(적색)와 전력 계통(청색)의 실험 결과를 도시하며, 도 16(a), 도 16(b)는 제2 실시예로 제어되는 그리드 포밍 컨버터(적색)와 전력 계통(청색)의 실험 결과를 도시하며, 도 17(a), 도 17(b)는 제3 실시예로 제어되는 그리드 포밍 컨버터(적색)와 전력 계통(청색)의 실험 결과를 도시하고, 도 18(a), 도 18(b)는 제4 실시예로 제어되는 그리드 포밍 컨버터(적색)와 전력 계통(청색)의 실험 결과를 도시한다.
도 15(a) 내지 도 18(b)를 참조하면 대략 1.3초 이후부터 그리드 포밍 컨버터와 전력 계통은 부하에 각각 30Mw씩 전력을 공급한다. 2.0초에 외란이 발생하였을 때, 전력 계통과 그리드 포밍 컨버터는 모두 진동하는 것을 확인하며 대략 2.2초 이후에 진동이 안정화된다. 또한 3초에 발생하는 외란의 경우에도 3.2 초 이후에 진동이 안정화된다. 4초 이후에는 그리드 포밍 컨버터가 부하에 60MW 를 제공한다.
다만, 도 16(a) 및 도 17(a)에 도시된 제2 실시예 및 제3 실시예에 의하면 2.0 초에 발생하는 외란에 의하여 오버슈트(overshoot)가 크게 발생하는 것을 확인할 수 있으며, 도 18(a)로 도시된 제4 실시예에서는 비교적 작은 크기의 오버슈트가 발생한다.
도 15 내지 도 18에 도시된 바와 같이, 제1 내지 제4 실시예로 제어되는 그리드 포밍 컨버터는 외란이 발생하여도 종래 기술에 비하여 신속하게 진동이 안정화되는 것을 확인할 수 있으며, 외란이 발생하여도 종래 기술에 비하여 그리드 포밍 컨버터가 출력하는 주파수의 변동폭은 크지 않은 것을 알 수 있다.
도 19(a)는 제5 실시예로 제어되는 그리드 포밍 컨버터(적색)와 전력 계통(청색)의 실험 결과를 도시하며, 도 19(b)는 도 19(a)의 1.2초에서 3.2초 부분을 확대하여 도시한 도면이다. 도 19(a) 및 도 19(b)를 참조하면, 1.5초에 그리드 포밍 컨버터와 AC 발전계통이 연계된다. 3.0초에 부하가 증가하는 외란이 발생하여 4.5초에 그리드포밍 컨버터의 set-point가 감소하고, AC 발전계통 set-point는 유지된다. 6.0초에는 AC 발전계통 발전기 탈락하는 외란이 발생하였다. 도 19(c)를 참조하면, 출력주파수는 도 19(c)와 같다. 부하 수준에 따라 서로 다른 정상상태의 주파수를 가짐으로써 AC계통과 원활한 부하분담을 이루는 것을 확인할 수 있다.
제3 안내선(G3), 제1 안내선(G1), 제2 안내선(G2)은 각각 해당 시점에서 의도한 droop에 따른 출력 분담을 도시한다. 빨간색 실선으로 도시된 그리드 포밍 컨버터의 출력이 각 안내선에 수렴하므로 목적하는 부하 분담을 수행하는 것을 확인할 수 있다.
또한, 4.5초 시점에서 확인된 바와 같이 직류 전류의 제어 없이도 의도한 대로 부하 분담을 할 수 있다는 것을 확인할 수 있으며, DC 직류전압의 측정을 통해 빠르게 제어하므로, 기존 droop만으로 제어했을 때 보다 정상상태에 빠르게 도달한다.
도 20(a) 및 도 20(b)는 도 19로 예시된 실험 조건에서 종래 기술에 의한 드룹 제어로 제어를 수행하는 경우를 도시한다. 도 19(b)로 예시된 본 실시예에서 진동이 대략 0.35초 만에 감쇠되는 것을 확인할 수 있으나, 도 20(a)로 예시된 종래 기술에 의하면 본 실시예보다 대략 두 배의 시간인 0.6초가 경과하여 진동이 감쇠되는 것을 확인할 수 있다. 나아가 종래 기술에 의한 드룹 제어로 본 실시예와 같이 고속으로 제어하고자 하는 경우에는 도 20(b)와 같이 크게 진동이 발생하는 것을 확인할 수 있으며, 종래 기술에 의한 드룹 제어는 고속으로 제어할 수 없음을 확인할 수 있다.
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본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 실시를 위한 실시예로, 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
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Claims (21)

  1. 그리드 포밍 전력변환 제어 장치의 출력 주파수 제어 방법으로, 상기 제어 방법은:
    그리드 포밍 전력변환부에 제공되는 직류 전압에 상응하는 주파수를 연산하는 단계 및
    상기 그리드 포밍 전력변환부가 제공된 직류 전압에 상응하는 연산된 주파수를 출력하는 단계를 포함하되,
    상기 그리드 포밍 전력변환부에 제공되는 직류 전압에 상응하는 주파수를 연산하는 단계는
    상기 그리드 포밍 전력변환부가 무부하일 때 무부하 출력 주파수를 지나고, 전부하일 때 전부하 출력 주파수를 출력하는 함수로부터 상기 그리드 포밍 전력변환부에 제공되는 직류 전압에 대한 주파수를 연산하여 수행하는 그리드 포밍 컨버터 출력 주파수 제어 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 함수는 1차 함수로,
    상기 1차 함수의 기울기는,
    수학식
    Figure 112022500876767-pat00079

    으로 정해지는 그리드 포밍 컨버터 출력 주파수 제어 방법.
    (η‘: 기울기, f*: 정격 주파수, vdc *: 정격 전압, droop%: 드룹(droop) 기울기)
  4. 제1항에 있어서,
    상기 함수는,
    Figure 112021149156980-pat00080

    로 표현되는 그리드 포밍 컨버터 출력 주파수 제어 방법.
    (
    Figure 112021149156980-pat00081
    : 드룹 율, Vd: 직류 전압, f: 직류 전압(Vd)에 대한 출력 주파수, fNL: 무부하시 출력 주파수, H: 관성, Vd0: 정격 DC 전압)
  5. 제1항에 있어서,
    상기 함수는,
    Figure 112021149156980-pat00127

    로 표현되는 그리드 포밍 컨버터 출력 주파수 제어 방법.
    (
    Figure 112021149156980-pat00083
    : 드룹 율, Vd: 직류 전압, f: 직류 전압(Vd)에 대한 출력 주파수, fNL: 무부하시 출력 주파수, H: 관성, Vd0: 정격 DC 전압)
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 함수는,
    Figure 112021149156980-pat00128

    로 표현되는 그리드 포밍 컨버터 출력 주파수 제어 방법.
    (
    Figure 112021149156980-pat00087
    : 드룹 율, Vd: 직류 전압, f: 직류 전압(Vd)에 대한 출력 주파수, fNL: 무부하시 출력 주파수, H: 관성, Vd0: 정격 DC 전압)
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 함수는,
    수학식
    Figure 112021149156980-pat00090
    으로 표시되고,
    파라미터 a 는 수학식
    Figure 112021149156980-pat00091
    를 만족하고,
    파라미터 b는 수학식
    Figure 112021149156980-pat00092
    을 만족하는 그리드 포밍 컨버터 출력 주파수 제어 방법.
    (Vd: 직류 전압, f: 직류 전압(Vd)에 대한 출력 주파수, fNL: 무부하시 출력 주파수, fFL: 전부하시 출력 주파수, Vd0: 정격 DC 전압, i: 부하율,
    Figure 112021149156980-pat00093
    : droop에 따른 정상 상태 주파수)
  11. 제1항에 있어서,
    상기 함수는,
    Figure 112021149156980-pat00094

    로 표현되는 그리드 포밍 컨버터 출력 주파수 제어 방법.
    (fout: 출력 주파수, ωc:로터 회전 각속도, VDC: 입력 직류 전압, VFL: 전부하 전압, m: 드룹, k: 제어 파라미터, PSP: 출력 셋 포인트)
  12. 그리드 포밍 전력변환부와 연결되어 주파수를 제어하는 출력 주파수 제어부는:
    적어도 하나 이상의 프로세서; 및
    상기 프로세서에 의해 실행되는 하나 이상의 프로그램을 저장하는 메모리를 포함하며, 상기 프로그램들은 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 하나 이상의 프로세서들에서,
    상기 그리드 포밍 전력변환부에 제공되는 직류 전압에 상응하는 주파수를 연산하는 단계 및
    상기 그리드 포밍 전력변환부가 제공된 직류 전압에 상응하는 연산된 주파수를 출력하도록 제어하는 단계를 포함하되,
    상기 그리드 포밍 전력변환부에 제공되는 직류 전압에 상응하는 주파수를 연산하는 단계는
    상기 그리드 포밍 전력변환부가 무부하일 때의 출력 주파수를 지나는 함수로부터 상기 그리드 포밍 전력변환부에 제공되는 직류 전압에 대한 주파수를 연산하여 수행하는 그리드 포밍 컨버터 제어 장치.
  13. 삭제
  14. 제12항에 있어서,
    상기 함수는 1차 함수로,
    상기 1차 함수의 기울기는,
    수학식
    Figure 112021149156980-pat00095

    으로 정해지는 그리드 포밍 컨버터 제어 장치.
    (η‘: 기울기, f*: 정격 주파수, vdc *: 정격 전압, droop%: 드룹(droop) 기울기)
  15. 삭제
  16. 제12항에 있어서,
    상기 함수는,
    Figure 112021149156980-pat00096

    로 표현되는 그리드 포밍 컨버터 제어 장치.
    (
    Figure 112021149156980-pat00097
    : 드룹 율, Vd: 직류 전압, f: 직류 전압(Vd)에 대한 출력 주파수, fNL: 무부하시 출력 주파수, H: 관성, Vd0: 정격 DC 전압)
  17. 제12항에 있어서,
    상기 함수는,
    Figure 112021149156980-pat00129

    로 표현되는 그리드 포밍 컨버터 제어 장치.
    (Vd: 직류 전압, f: 직류 전압(Vd)에 대한 출력 주파수, fNL: 무부하시 출력 주파수, H: 관성, Vd0: 정격 DC 전압)
  18. 삭제
  19. 제12항에 있어서,
    상기 함수는,
    Figure 112021149156980-pat00130

    로 표현되는 그리드 포밍 컨버터 제어 장치.
    (
    Figure 112021149156980-pat00101
    : 드룹 율, Vd: 직류 전압, f: 직류 전압(Vd)에 대한 출력 주파수, fNL: 무부하시 출력 주파수, H: 관성, Vd0: 정격 DC 전압)
  20. 제12항에 있어서,
    상기 함수는,
    Figure 112022500876767-pat00102
    로 표현되고,
    a 와 b는 각각 수학식
    Figure 112022500876767-pat00103

    Figure 112022500876767-pat00104

    를 만족하는 그리드 포밍 컨버터 제어 장치.
    (Vd: 직류 전압, f: 직류 전압(Vd)에 대한 출력 주파수, fNL: 무부하시 출력 주파수, fFL: 전부하시 출력 주파수, Vd0: 정격 DC 전압, i: 부하율,
    Figure 112022500876767-pat00105
    : droop에 따른 정상 상태 주파수)
  21. 제12항에 있어서,
    상기 함수는,
    Figure 112022500876767-pat00106

    로 표현되는 그리드 포밍 컨버터 제어 장치.
    (fout: 출력 주파수, ωc:로터 회전 각속도, VDC: 입력 직류 전압, VFL: 전부하 전압, m: 드룹, k: 제어 파라미터, PSP: 출력 셋 포인트)
KR1020200164432A 2020-11-23 2020-11-30 그리드 포밍 컨버터 출력 주파수 제어 방법 및 그리드 포밍 컨버터의 제어 장치 KR102390466B1 (ko)

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