KR102508626B1 - Squirrel cage induction generator wind turbine system - Google Patents

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KR102508626B1 KR1020210087418A KR20210087418A KR102508626B1 KR 102508626 B1 KR102508626 B1 KR 102508626B1 KR 1020210087418 A KR1020210087418 A KR 1020210087418A KR 20210087418 A KR20210087418 A KR 20210087418A KR 102508626 B1 KR102508626 B1 KR 102508626B1
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/76—Power conversion electric or electronic aspects

Abstract

본 발명은 피드백 선형화 제어 기법에 기반한 LVRT 제어기법이 적용되고, 계통 전압의 정상분 및 역상분을 추정하기 위한 가변 이득을 갖는 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템에 관한 것으로, 농형 유도발전기와 계통 사이에 배치되는 제1 컨버터, 상기 농형 유도발전기의 d축 고정자 전류 지령치(

Figure 112021076873895-pat00153
)와 측정되는 d축 고정자 전류(
Figure 112021076873895-pat00154
)에 기초하여 상기 제1 컨버터에 d축 고정자 전압(ud)을 출력해, d축 고정자 전류를 제어하는 d축 전류 제어기 및 dc링크의 전압 지령치(vdc *)와 측정되는 dc링크 전압(vdc)에 기초하여 상기 제1 컨버터에 q축 고정자 전압(uq)을 출력해, 상기 d축 전류 제어기와 독립적으로 dc링크 전압을 제어하는 dc링크 전압 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a squirrel cage induction generator wind turbine system, to which an LVRT control method based on a feedback linearization control technique is applied and a variable gain for estimating the positive and negative sequence of a grid voltage, which is disposed between the squirrel cage induction generator and the grid. The first converter, the d-axis stator current command value of the squirrel cage induction generator (
Figure 112021076873895-pat00153
) and the measured d-axis stator current (
Figure 112021076873895-pat00154
) Based on the d-axis current controller outputting the d-axis stator voltage (u d ) to the first converter to control the d-axis stator current and the voltage command value (v dc * ) of the dc link and the measured dc link voltage ( and a dc link voltage controller outputting a q-axis stator voltage (u q ) to the first converter based on v dc ) and controlling the dc link voltage independently of the d-axis current controller.

Description

농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템{Squirrel cage induction generator wind turbine system}Squirrel cage induction generator wind turbine system}

본 발명은 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템에 관한 것으로, 보다 상세히는 q축 전류 제어기 없이 DC 링크의 전압을 조절할 수 있고, 계통 전압 불평형시 정상분 및 역상분을 추출하기 위해 가변적인 이득을 가질 수 있는 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a squirrel cage induction generator wind turbine system, and more particularly, can adjust the voltage of a DC link without a q-axis current controller, and can have a variable gain to extract positive and negative phases in case of system voltage imbalance. It relates to a squirrel cage induction generator wind turbine system.

농형 유도발전기(SCIG, Squirrel Cage Induction Generator) 풍력 터빈 시스템의 운용 이슈 중 하나는 고장 발생 시 발전시스템이 계통에 연결 상태를 유지할 수 있는 저전압 지속발전(Low-Voltage Ride-Through, 이하 LVRT)의 가능여부이다.One of the operating issues of the Squirrel Cage Induction Generator (SCIG) wind turbine system is the possibility of Low-Voltage Ride-Through (LVRT), which allows the power generation system to remain connected to the grid in the event of a failure. whether or not

종래 LVRT의 제어기법 중 하나로, 하드웨어를 기반으로 하는 제어기법이 소개된 바 있다. 그 중 제동 초퍼(Braking Chopper)를 사용한 제어기법은 저렴한 비용과 단순한 동작으로 인해 널리 사용되었지만, 외부 저항에서 터빈 전력이 소모되는 단점이 있다. 다른 방안으로 에너지저장 시스템(Energy Storage System, ESS)을 풍력 터빈과 계통 사이의 DC 링크에 연결하여 계통 고장시 발전되는 에너지를 저장해 DC 링크 전압의 과도한 증가를 방지하는 제어기법 또한 있으며, 계통 전압 강하(sag) 보상을 위해 계통과 풍력 터빈 시스템 사이에 직렬로 동적전압강하 보상기가 설치되는 방안 또한 소개되었다.As one of the conventional LVRT control methods, a hardware-based control method has been introduced. Among them, the control method using a braking chopper has been widely used due to its low cost and simple operation, but has the disadvantage of consuming turbine power in external resistance. As an alternative, there is also a control method that connects an energy storage system (ESS) to the DC link between the wind turbine and the grid to store the energy generated in the event of a grid failure to prevent excessive increase in DC link voltage. A method of installing a dynamic voltage drop compensator in series between the grid and the wind turbine system for sag compensation is also introduced.

하드웨어를 활용한 방식 외에, 제어 알고리즘을 기반으로 DC 링크 전압이 계통측 컨버터가 아니라 발전기측 컨버터에 의해 제어되는 LVRT 제어기법 또한 연구되었다. 이 기법을 사용하면 고장 발생시 발전기의 출력을 감소시켜 DC 링크 전압을 유지할 수 있으며, 이 기법 외에도 피드백 선형화(Feedback Linearization)를 사용하는 DC 링크 전압 제어 기법이 영구자석 동기발전기(Permanent Magnet Synchronous Generator, PMSG) 풍력 터빈 시스템에 제안된 바 있지만, 발전기 모델이 완전히 다르기 때문에 농형 유도발전기에 적합한 방법은 아니었다.In addition to the method using hardware, an LVRT control method in which the DC link voltage is controlled by the generator-side converter rather than the grid-side converter based on the control algorithm has also been studied. Using this technique, it is possible to maintain the DC link voltage by reducing the output of the generator in the event of a fault. In addition to this technique, the DC link voltage control technique using Feedback Linearization is also known as the Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG). ) has been proposed for wind turbine systems, but it is not suitable for squirrel cage induction generators because the generator model is completely different.

또한, 계통 전압 강하시 계통 전압 위상각과 계통 전압의 정상분 및 역상분을 정확하게 추정하는 것이 중요하며, 이는 역률 및 계통 전류 지령치를 결정하는데 사용된다. SOGI(Second-Order Generalized Integrator)는 계통 전압의 정상분 및 역상분을 추정하는데 적합하지만, SOGI의 이득은 2 미만으로 제한되기 때문에 추정속도가 상대적으로 느린 문제가 있으며, 이러한 문제를 해결하기 위해 수정된 SOGI, 즉 mSOGI(modified Second-Order Generalized Integrator)가 제안되었다. mSOGI는 SOGI에 비해 추정 속도가 빨라지지만 고조파 성능은 저하되며, SOGI의 DC 오프셋 문제를 해결하기 위해 TOGI(Third-Order Generalized Integrator)가 연구되었지만, SOGI와 같이 TOGI의 응답 또한 느리다는 문제점이 있었다.In addition, it is important to accurately estimate the phase angle of the grid voltage and the positive and negative phases of the grid voltage when the grid voltage drops, which are used to determine the power factor and the grid current command value. SOGI (Second-Order Generalized Integrator) is suitable for estimating the positive and negative sequence of the grid voltage, but the estimation speed is relatively slow because the gain of SOGI is limited to less than 2. Modification was made to solve this problem. A modified SOGI, or mSOGI (modified Second-Order Generalized Integrator), has been proposed. Although mSOGI has faster estimation speed than SOGI, harmonic performance deteriorates, and TOGI (Third-Order Generalized Integrator) has been studied to solve the DC offset problem of SOGI, but, like SOGI, the response of TOGI is also slow.

한국 공개특허공보 제10-2021-0066973호("하이브리드 농형유도전동기의 회전자, 이를 이용한 전동기 및 회전자 제조 방법", 공개일 2021.06.08.)Korean Patent Laid-open Publication No. 10-2021-0066973 ("Rotor of Hybrid Squirrel cage Induction Motor, Method for Manufacturing Motor and Rotor Using Same", Publication Date 2021.06.08.)

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 본 발명에 의한 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템의 목적은, 피드백 선형화 제어 기법에 기반한 LVRT 제어기법이 적용되고, 계통 전압의 정상분 및 역상분을 추정하기 위한 가변 이득을 갖는 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템을 제공함에 있다.The present invention has been made to solve the above problems, and the purpose of the cage-type induction generator wind turbine system according to the present invention is that the LVRT control method based on the feedback linearization control technique is applied, and the normal value and An object of the present invention is to provide a squirrel cage induction generator wind turbine system having a variable gain for estimating a negative sequence.

상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 의한 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템은, 농형 유도발전기와 계통 사이에 배치되는 제1 컨버터, 상기 농형 유도발전기의 d축 고정자 전류 지령치(

Figure 112021076873895-pat00001
)와 측정되는 d축 고정자 전류(
Figure 112021076873895-pat00002
)에 기초하여 상기 제1 컨버터에 d축 고정자 전압(ud)을 출력해, d축 고정자 전류를 제어하는 d축 전류 제어기 및 DC링크의 전압 지령치(vdc *)와 측정되는 DC링크 전압(vdc)에 기초하여 상기 제1 컨버터에 q축 고정자 전압(uq)을 출력해, 상기 d축 전류 제어기와 독립적으로 DC링크 전압을 제어하는 DC링크 전압 제어기를 포함하고, 상기 DC링크 전압 제어기는, DC링크의 전압 지령치(vdc *)와 측정되는 DC링크 전압(vdc)을 입력받아 q축 등가 제어입력(vq)을 출력하는 제1 제어기 및 상기 제1 제어기에서 출력되는 q축 등가 제어입력(vq)에 피드백 선형화에 기반한 아래 수식을 적용하여 q축 고정자 전압(uq)을 출력해, DC링크 전압을 제어하는 제1 피드백 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.The cage-type induction generator wind turbine system according to the present invention to solve the above problems is a first converter disposed between the cage-type induction generator and the system, the d-axis stator current command value of the cage-type induction generator (
Figure 112021076873895-pat00001
) and the measured d-axis stator current (
Figure 112021076873895-pat00002
), the d-axis current controller outputs the d-axis stator voltage (u d ) to the first converter to control the d-axis stator current based on ) and the voltage command value (v dc * ) of the DC link and the measured DC link voltage ( A DC link voltage controller outputting a q-axis stator voltage (u q ) to the first converter based on v dc ) and controlling a DC link voltage independently of the d-axis current controller, wherein the DC link voltage controller A first controller that receives the voltage command value (v dc * ) of the DC link and the measured DC link voltage (v dc ) and outputs a q-axis equivalent control input (v q ) and a q-axis output from the first controller It is characterized by including a first feedback controller for controlling the DC link voltage by applying the following equation based on feedback linearization to the equivalent control input (v q ) and outputting the q-axis stator voltage (u q ).

Figure 112021076873895-pat00003
Figure 112021076873895-pat00003

(여기서,

Figure 112023004035652-pat00164
,
Figure 112023004035652-pat00165
이며
Figure 112023004035652-pat00166
는 q축 고정자 전압,
Figure 112023004035652-pat00167
는 고정자 각속도, C는 DC링크 커패시턴스,
Figure 112023004035652-pat00168
는 계통측 유효 전력, vdc 는 DC링크 전압, ωe는 회전자 각속도,
Figure 112023004035652-pat00169
,
Figure 112023004035652-pat00170
,
Figure 112023004035652-pat00171
, iqs e 는 q축 고정자 전류, ids e 는 d축 고정자 전류, Lm 은 자화 인덕턴스, Ls 와 Lr 은 각각 고정자와 회전자의 자기 인덕턴스,
Figure 112023004035652-pat00172
는 d축 회전자 자속,
Figure 112023004035652-pat00173
는 고정자 저항,
Figure 112023004035652-pat00174
는 회전자 저항,
Figure 112023004035652-pat00175
)(here,
Figure 112023004035652-pat00164
,
Figure 112023004035652-pat00165
is
Figure 112023004035652-pat00166
is the q-axis stator voltage,
Figure 112023004035652-pat00167
is the stator angular velocity, C is the DC link capacitance,
Figure 112023004035652-pat00168
is grid-side active power, v dc is DC link voltage, ω e is rotor angular velocity,
Figure 112023004035652-pat00169
,
Figure 112023004035652-pat00170
,
Figure 112023004035652-pat00171
, i qs e is the q-axis stator current, i ds e is the d-axis stator current, L m is the magnetizing inductance, L s and L r are the magnetic inductance of the stator and rotor, respectively,
Figure 112023004035652-pat00172
is the d-axis rotor flux,
Figure 112023004035652-pat00173
is the stator resistance,
Figure 112023004035652-pat00174
is the rotor resistance,
Figure 112023004035652-pat00175
)

또한, 상기 d축 전류 제어기는, d축 고정자 전류 지령치(

Figure 112021076873895-pat00013
)와 측정되는 d축 고정자 전류(
Figure 112021076873895-pat00014
)를 입력받아 d축 등가 제어입력(vd)을 출력하는 제2 제어기 및 상기 제2 제어기에서 출력되는 d축 등가 제어입력(vd)에 피드백 선형화에 기반한 아래 수식을 적용하여 d축 고정자 전압(ud)을 출력해, d축 고정자 전류를 제어하는 제2 피드백 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the d-axis current controller has a d-axis stator current command value (
Figure 112021076873895-pat00013
) and the measured d-axis stator current (
Figure 112021076873895-pat00014
) and the d-axis equivalent control input (v d ) output from the second controller to output the d-axis equivalent control input (v d ) by applying the following formula based on feedback linearization to the d-axis stator voltage It is characterized in that it includes a second feedback controller that outputs (u d ) and controls the d-axis stator current.

Figure 112021076873895-pat00015
Figure 112021076873895-pat00015

(여기서

Figure 112023004035652-pat00176
,
Figure 112023004035652-pat00177
는 d축 고정자 자속)(here
Figure 112023004035652-pat00176
,
Figure 112023004035652-pat00177
is the d-axis stator flux)

본 발명의 다른 실시예에 의한 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템은, 농형 유도발전기와 계통 사이에 배치되는 제2 컨버터, 계통과 상기 제2 컨버터 사이에 설치되어 계통 전압을 입력받아 계통 전압의 d-q축 각각의 정상분과 역상분을 출력하는 듀얼 eTOGI, 상기 듀얼 eTOGI의 출력단에 연결되어 계통 전압 위상의 정상분, 역상분 및 추정된 계통 전압(

Figure 112021076873895-pat00017
)을 출력하는 PLL, 계통의 주파수를 추정하는 FLL, 상기 계통과 상기 제2 컨버터 사이에 설치되어 상기 계통에서 측정되는 전류와 상기 PLL에서 출력되는 계통 전압 위상의 정상분과 역상분을 입력받아 계통의 d-q축 전류 정상분과 역상분을 출력하는 출력부 및 계통이 정상 조건에서 측정된 회전자의 속도에 따라 계통측 전력의 최적 기준치를 설정하여 최대 전력점 추종(MPPT) 알고리즘을 수행하도록 상기 제2 컨버터에 제어신호를 인가하고, 계통의 전압강하가 발생하면, q축 계통 전류 정상분 지령치(
Figure 112021076873895-pat00018
)를 아래 수식으로 대체하고, q축 계통 전류 역상분 지령치(
Figure 112021076873895-pat00019
)는 0으로 제어하는 제2 컨버터 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.In the squirrel cage induction generator wind turbine system according to another embodiment of the present invention, a second converter disposed between the squirrel cage induction generator and the system, and installed between the system and the second converter to receive the system voltage and each dq axis of the system voltage Dual eTOGI that outputs the positive and negative sequence of , connected to the output terminal of the dual eTOGI, the positive and negative phase of the grid voltage phase, and the estimated grid voltage (
Figure 112021076873895-pat00017
), a PLL for estimating the frequency of the grid, and installed between the grid and the second converter to receive the current measured in the grid and the positive and negative phases of the grid voltage output from the PLL, The output unit outputting the positive and negative sequence of the dq-axis current and the second converter set the optimum reference value of the grid-side power according to the measured rotor speed under normal conditions and perform the maximum power point tracking (MPPT) algorithm. When a control signal is applied to and a voltage drop occurs in the system, the q-axis system current normal portion command value (
Figure 112021076873895-pat00018
) is replaced by the formula below, and the q-axis system current negative sequence command value (
Figure 112021076873895-pat00019
) is characterized in that it comprises a second converter controller that controls to 0.

Figure 112021076873895-pat00020
Figure 112021076873895-pat00020

(여기서,

Figure 112023004035652-pat00178
은
Figure 112023004035652-pat00179
,
Figure 112023004035652-pat00180
는
Figure 112023004035652-pat00181
,
Figure 112023004035652-pat00182
는 정격 전류,
Figure 112023004035652-pat00183
는 d축 계통 전류 정상분 지령치,
Figure 112023004035652-pat00184
는 최대 전력 추종점 전력 지령치,
Figure 112023004035652-pat00185
는 q축 계통 전압의 정상분)(here,
Figure 112023004035652-pat00178
silver
Figure 112023004035652-pat00179
,
Figure 112023004035652-pat00180
Is
Figure 112023004035652-pat00181
,
Figure 112023004035652-pat00182
is the rated current,
Figure 112023004035652-pat00183
is the d-axis system current steady-state command value,
Figure 112023004035652-pat00184
is the maximum power tracking point power command value,
Figure 112023004035652-pat00185
is the normal component of the q-axis grid voltage)

또한, DC 링크 전압이 소정 기준치를 초과하면 동작하는 제동 초퍼(Braking Chopper)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, it is characterized in that it further comprises a braking chopper (Braking Chopper) that operates when the DC link voltage exceeds a predetermined reference value.

본 발명의 다른 실시예에 의한 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템은, 농형 유도발전기와 계통 사이에 배치되는 제1 컨버터, 제1 컨버터의 출력단에 연결되는 DC링크와 상기 계통 사이에 배치되는 제2 컨버터, 상기 농형 유도발전기의 d축 고정자 전류 지령치(

Figure 112021076873895-pat00025
)와 측정되는 d축 고정자 전류(
Figure 112021076873895-pat00026
)에 기초하여 상기 제1 컨버터에 d축 고정자 전압(ud)을 출력해, d축 고정자 전류를 제어하는 d축 전류 제어기, DC링크의 전압 지령치(vdc *)와 측정되는 DC링크 전압(vdc)에 기초하여 상기 제1 컨버터에 q축 고정자 전압(uq)을 출력해, 상기 d축 전류 제어기와 독립적으로 DC링크 전압을 제어하는 DC링크 전압 제어기, 계통과 상기 제2 컨버터 사이에 설치되어 계통 전압을 입력받아 계통 전압의 d-q축 각각의 정상분과 역상분을 출력하는 듀얼 eTOGI, 상기 듀얼 eTOGI의 출력단에 연결되어 계통 전압 위상의 정상분, 역상분 및 추정된 계통 전압(
Figure 112021076873895-pat00027
)을 출력하는 PLL, 계통의 주파수를 추정하는 FLL, 상기 계통과 상기 제2 컨버터 사이에 설치되어 상기 계통에서 측정되는 전류와 상기 PLL에서 출력되는 계통 전압 위상의 정상분과 역상분을 입력받아 계통의 d-q축 전류 정상분과 역상분을 출력하는 출력부 및 계통이 정상 조건에서 측정된 회전자의 속도에 따라 계통측 전력의 최적 기준치를 설정하여 최대 전력점 추종(MPPT) 알고리즘을 수행하도록 상기 제2 컨버터에 제어신호를 인가하고, 계통의 전압강하가 발생하면, q축 계통 전류 정상분 지령치(
Figure 112021076873895-pat00028
)를 아래 수식으로 대체하고, q축 계통 전류 역상분 지령치(
Figure 112021076873895-pat00029
)는 0으로 제어하는 제2 컨버터 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.A squirrel cage induction generator wind turbine system according to another embodiment of the present invention includes a first converter disposed between the squirrel cage induction generator and a system, a second converter disposed between a DC link connected to an output terminal of the first converter and the system, The d-axis stator current command value of the squirrel cage induction generator (
Figure 112021076873895-pat00025
) and the measured d-axis stator current (
Figure 112021076873895-pat00026
), the d-axis current controller controls the d-axis stator current by outputting the d-axis stator voltage (u d ) to the first converter based on ), the voltage command value (v dc * ) of the DC link and the measured DC link voltage ( A DC link voltage controller that controls the DC link voltage independently of the d-axis current controller by outputting a q-axis stator voltage (u q ) to the first converter based on v dc ), between the system and the second converter Dual eTOGI installed to receive the grid voltage and output the positive and negative phases of each dq axis of the grid voltage, connected to the output terminal of the dual eTOGI, and the positive and negative phases of the grid voltage and the estimated grid voltage (
Figure 112021076873895-pat00027
), a PLL for estimating the frequency of the grid, and installed between the grid and the second converter to receive the current measured in the grid and the positive and negative phases of the grid voltage output from the PLL, The output unit outputting the positive and negative sequence of the dq-axis current and the second converter set the optimum reference value of the grid-side power according to the measured rotor speed under normal conditions and perform the maximum power point tracking (MPPT) algorithm. When a control signal is applied to and a voltage drop occurs in the system, the q-axis system current normal portion command value (
Figure 112021076873895-pat00028
) is replaced by the formula below, and the q-axis system current negative sequence command value (
Figure 112021076873895-pat00029
) is characterized in that it comprises a second converter controller that controls to 0.

Figure 112021076873895-pat00030
Figure 112021076873895-pat00030

(여기서,

Figure 112023004035652-pat00186
은
Figure 112023004035652-pat00187
,
Figure 112023004035652-pat00188
는
Figure 112023004035652-pat00189
,
Figure 112023004035652-pat00190
는 정격 전류,
Figure 112023004035652-pat00191
는 d축 계통 전류 정상분 지령치,
Figure 112023004035652-pat00192
는 최대 전력 추종점 전력 지령치,
Figure 112023004035652-pat00193
는 q축 계통 전압의 정상분)(here,
Figure 112023004035652-pat00186
silver
Figure 112023004035652-pat00187
,
Figure 112023004035652-pat00188
Is
Figure 112023004035652-pat00189
,
Figure 112023004035652-pat00190
is the rated current,
Figure 112023004035652-pat00191
is the d-axis system current steady-state command value,
Figure 112023004035652-pat00192
is the maximum power tracking point power command value,
Figure 112023004035652-pat00193
is the normal component of the q-axis grid voltage)

상기 DC링크 전압 제어기는, DC링크의 전압 지령치(vdc *)와 측정되는 DC링크 전압(vdc)을 입력받아 q축 등가 제어입력(vq)을 출력하는 제1 제어기 및 상기 제1 제어기에서 출력되는 q축 등가 제어입력(vq)에 피드백 선형화에 기반한 아래 수식을 적용하여 q축 고정자 전압(uq)을 출력해, DC링크 전압을 제어하는 제1 피드백 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템.The DC link voltage controller includes a first controller that receives a voltage command value (v dc * ) of the DC link and a measured DC link voltage (v dc ) and outputs a q-axis equivalent control input (v q ), and the first controller A first feedback controller for controlling the DC link voltage by applying the following equation based on feedback linearization to the q-axis equivalent control input (v q ) output from and outputting the q-axis stator voltage (u q ) squirrel cage induction generator wind turbine system.

Figure 112021076873895-pat00035
Figure 112021076873895-pat00035

(여기서,

Figure 112023004035652-pat00194
,
Figure 112023004035652-pat00195
이며
Figure 112023004035652-pat00196
는 q축 고정자 전압,
Figure 112023004035652-pat00197
는 고정자 각속도, C는 DC링크 커패시턴스,
Figure 112023004035652-pat00198
는 계통측 유효 전력, vdc 는 DC링크 전압, ωe는 회전자 각속도,
Figure 112023004035652-pat00199
,
Figure 112023004035652-pat00200
,
Figure 112023004035652-pat00201
, iqs e 는 q축 고정자 전류, ids e 는 d축 고정자 전류, Lm 은 자화 인덕턴스, Ls 와 Lr 은 각각 고정자와 회전자의 자기 인덕턴스,
Figure 112023004035652-pat00202
는 d축 회전자 자속,
Figure 112023004035652-pat00203
는 고정자 저항,
Figure 112023004035652-pat00204
는 회전자 저항,
Figure 112023004035652-pat00205
)(here,
Figure 112023004035652-pat00194
,
Figure 112023004035652-pat00195
is
Figure 112023004035652-pat00196
is the q-axis stator voltage,
Figure 112023004035652-pat00197
is the stator angular velocity, C is the DC link capacitance,
Figure 112023004035652-pat00198
is grid-side active power, v dc is DC link voltage, ω e is rotor angular velocity,
Figure 112023004035652-pat00199
,
Figure 112023004035652-pat00200
,
Figure 112023004035652-pat00201
, i qs e is the q-axis stator current, i ds e is the d-axis stator current, L m is the magnetizing inductance, L s and L r are the magnetic inductance of the stator and rotor, respectively,
Figure 112023004035652-pat00202
is the d-axis rotor flux,
Figure 112023004035652-pat00203
is the stator resistance,
Figure 112023004035652-pat00204
is the rotor resistance,
Figure 112023004035652-pat00205
)

상기한 바와 같은 본 발명에 의한 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템에 의하면, 피드백 선형화에 따라 DC링크 전압 제어기에서 q축 고정자 전압을 제어하여 DC링크 전압을 제어할 수 있는 효과가 있다.According to the squirrel cage induction generator wind turbine system according to the present invention as described above, there is an effect that the DC link voltage can be controlled by controlling the q-axis stator voltage in the DC link voltage controller according to feedback linearization.

또한 본 발명에 의하면, 두 개의 eTOGI, 즉 듀얼 eTOGI를 이용하기 때문에, 보다 빠른 속도로 계통 전압의 정상분과 역상분을 정확하게 추정할 수 있으며, 고조파 성능의 저하를 방지할 수 있는 효과가 있다.In addition, according to the present invention, since two eTOGIs, that is, dual eTOGIs are used, it is possible to accurately estimate the normal and negative phases of the system voltage at a faster rate, and there is an effect of preventing harmonic performance degradation.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 의한 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템을 도시한 것이고,
도 2는 d축 전류 제어기(200)와 DC링크 전압 제어기(300)를 도시한 것이며,
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 의한 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템을 도시한 것이고,
도 4는 eTOGI의 구조를 도시한 것이고,
도 5는 본 발명의 제2실시예에 의한 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템에서 사용되는 듀얼 eTOGI-PLL-FLL(600)을 도시한 것이며,
도 6은 종래 사용되는 SOGI, mSOGI, TOGI, eTOGI를 적용한 계통 전압 추정 성능을 도시한 것이고,
도 7은 상술한 본 발명의 제1실시예 및 제2실시예 각각에 의한 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템의 제어 구성도이며,
도 8은 80%의 평형 전압강하 상태에서의 시스템 성능을 도시한 것이고,
도 9는 계통 불평형 및 5% 측정 옵셋 전압 조건에서 시스템 성능을 도시한 것이다.1 shows a squirrel cage induction generator wind turbine system according to a first embodiment of the present invention,
2 shows a d-axis current controller 200 and a DC link voltage controller 300,
3 shows a squirrel cage induction generator wind turbine system according to a second embodiment of the present invention,
Figure 4 shows the structure of eTOGI,
5 shows a dual eTOGI-PLL-FLL 600 used in a squirrel cage induction generator wind turbine system according to a second embodiment of the present invention;
6 shows system voltage estimation performance using conventionally used SOGI, mSOGI, TOGI, and eTOGI,
7 is a control block diagram of a squirrel cage induction generator wind turbine system according to each of the first and second embodiments of the present invention described above;
Figure 8 shows the system performance in the state of equilibrium voltage drop of 80%;
9 shows system performance under system unbalance and 5% measurement offset voltage conditions.

상술한 본 발명의 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 실시예를 통하여 보다 분명해질 것이다. 이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 제1 및 /또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 한정되지는 않는다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소들로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소는 제1 구성 요소로도 명명될 수 있다. 어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 직접 연결되어 있다거나 또는 직접 접속되어 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 ∼사이에 와 바로 ∼사이에 또는 ∼에 인접하는 과 ∼에 직접 인접하는 등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다. 본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.Objects, features and advantages of the present invention described above will become more apparent through the following examples in conjunction with the accompanying drawings. The following specific structural or functional descriptions are only illustrated for the purpose of explaining embodiments according to the concept of the present invention, and embodiments according to the concept of the present invention can be implemented in various forms and are described in this specification or application. It should not be construed as being limited to the examples. Embodiments according to the concept of the present invention can apply various changes and can have various forms, so specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in this specification or application. However, this is not intended to limit the embodiments according to the concept of the present invention to a specific form disclosed, and should be understood to include all modifications, equivalents, or substitutes included in the spirit and scope of the present invention. Terms such as first and/or second may be used to describe various components, but components are not limited to the terms. The terms are used solely for the purpose of distinguishing one element from other elements, e.g., without departing from the scope of rights according to the inventive concept, a first element may be termed a second element, and similarly The second component may also be referred to as the first component. It should be understood that when a component is referred to as being connected or connected to another component, it may be directly connected or connected to the other component, but other components may exist in the middle. On the other hand, when it is mentioned that a certain component is directly connected to another component or is directly connected, it should be understood that no other component exists in the middle. Other expressions for explaining the relationship between components, such as between ~ and directly between ~ or adjacent to ~ and directly adjacent to ~, etc. should be interpreted similarly. Terms used in this specification are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, the terms include or have are intended to indicate that the described features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof exist, but one or more other features, numbers, steps, operations, It should be understood that it does not preclude the presence or possibility of addition of components, parts, or combinations thereof. Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and are not interpreted in an ideal or excessively formal sense unless explicitly defined herein. . Hereinafter, the present invention will be described in detail by describing preferred embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings. Like reference numerals in each figure indicate like elements.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a preferred embodiment of a cage-type induction generator wind turbine system according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

[제1실시예][First Embodiment]

도 1은 본 발명의 제1실시예에 의한 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템을 도시한 것이다.1 shows a squirrel cage induction generator wind turbine system according to a first embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 의한 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템은, 제1 컨버터(110), d축 전류 제어기(200) 및 DC링크 전압 제어기(300)를 포함한다.As shown in FIG. 1 , the squirrel cage induction generator wind turbine system according to the first embodiment of the present invention includes a first converter 110, a d-axis current controller 200 and a DC link voltage controller 300. .

제1 컨버터(110)는 농형 유도 발전기(10)(Squirrel Cage Induction Generator, SCIG)와 계통(20) 사이에 배치되어, 상술한 d축 전류 제어기(200) 및 DC링크 전압 제어기(300)로부터 제어입력을 받아, 농형 유도 발전기(10)를 제어한다.The first converter 110 is disposed between the squirrel cage induction generator 10 (Squirrel Cage Induction Generator, SCIG) and the system 20, and is controlled by the d-axis current controller 200 and the DC link voltage controller 300 described above. Receives an input and controls the squirrel cage induction generator 10.

d축 전류 제어기(200)는 농형 유도발전기(10)의 d축 고정자 전류 지령치(

Figure 112021076873895-pat00045
)와 측정되는 d축 고정자 전류(
Figure 112021076873895-pat00046
)에 기초하여 제1 컨버터에 d축 고정자 전압(ud)을 출력해, d축 고정자 전류를 제어한다.The d-axis current controller 200 controls the d-axis stator current command value of the squirrel cage induction generator 10 (
Figure 112021076873895-pat00045
) and the measured d-axis stator current (
Figure 112021076873895-pat00046
), the d-axis stator voltage (u d ) is output to the first converter to control the d-axis stator current.

DC 링크 전압 제어기(300)는 dc링크의 전압 지령치(vdc *)와 측정되는 dc링크 전압(vdc)에 기초하여 제1 컨버터(110)에 q축 고정자 전압(uq)을 출력해, d축 전류 제어기(200)와 독립적으로 DC링크 전압을 제어한다.The DC link voltage controller 300 outputs the q-axis stator voltage (u q ) to the first converter 110 based on the voltage command value (v dc * ) of the dc link and the measured dc link voltage (v dc ), The DC link voltage is controlled independently of the d-axis current controller 200.

도 2는 d축 전류 제어기(200)와 DC링크 전압 제어기(300)를 도시한 것이다.2 shows a d-axis current controller 200 and a DC link voltage controller 300.

도 2에 도시된 바와 같이, DC링크 전압 제어기(300)는 제1 제어기(310)와 제1 피드백 제어기(210)를 포함할 수 있고, d축 전류 제어기(200)는 제2 제어기(210)와 제2 피드백 제어기(220)를 포함할 수 있다.As shown in FIG. 2, the DC link voltage controller 300 may include a first controller 310 and a first feedback controller 210, and the d-axis current controller 200 may include a second controller 210 and a second feedback controller 220.

종래의 LVTR 기법에서는 독립적으로 d축 고정자 전류와 DC링크 전압을 제어하지 못했으나, 본 발명의 제1실시예에 의한 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템에서 상술한 d축 전류 제어기(200)와 DC링크 전압 제어기(300)각각은 독립적으로 d축 고정자 전류와 DC링크 전압을 독립적으로 제어하며, 이하 그 과정에 대해서 설명한다.Although the conventional LVTR technique did not independently control the d-axis stator current and the DC link voltage, the d-axis current controller 200 and the DC link voltage described above in the squirrel cage induction generator wind turbine system according to the first embodiment of the present invention Each of the controllers 300 independently controls the d-axis stator current and the DC link voltage independently, and the process will be described below.

먼저, 본 발명의 제1실시예에 의한 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템에서 농형 유도발전기(10)의 회전자 자속 제어의 경우, 동기 좌표계에서 d축 고정자 전류와 d축 회전자 자속의 동적 방정식으로 구성된 모델은 아래 수식과 같이 유도될 수 있다.First, in the case of rotor flux control of the cage-type induction generator 10 in the cage-type induction generator wind turbine system according to the first embodiment of the present invention, the dynamic equation of the d-axis stator current and the d-axis rotor flux in the synchronous coordinate system. The model can be derived as shown below.

[수식 1][Formula 1]

Figure 112021076873895-pat00047
Figure 112021076873895-pat00047

이때, 문자 위의 점은 미분횟수이고,

Figure 112023004035652-pat00048
,
Figure 112023004035652-pat00049
이며,
Figure 112023004035652-pat00050
는 d축 고정자 전압,
Figure 112023004035652-pat00051
는 d-q축 고정자 전류,
Figure 112023004035652-pat00206
는 d축 회전자 자속,
Figure 112023004035652-pat00053
는 회전자 각속도, Rs 와 Rr 는 각각 고정자 저항과 회전자 저항, Lm 은 자화 인덕턴스, Ls 와 Lr 은 각각 고정자와 회전자의 자기 인덕턴스,
Figure 112023004035652-pat00054
는 누설계수이며 다음과 같이 정의된다.At this time, the dot on the letter is the number of derivatives,
Figure 112023004035652-pat00048
,
Figure 112023004035652-pat00049
is,
Figure 112023004035652-pat00050
is the d-axis stator voltage,
Figure 112023004035652-pat00051
is the dq-axis stator current,
Figure 112023004035652-pat00206
is the d-axis rotor flux,
Figure 112023004035652-pat00053
is the rotor angular velocity, R s and R r are the stator resistance and rotor resistance, respectively, L m is the magnetizing inductance, L s and L r are the magnetic inductance of the stator and rotor, respectively,
Figure 112023004035652-pat00054
is the leakage coefficient and is defined as:

[수식 2][Formula 2]

Figure 112021076873895-pat00055
Figure 112021076873895-pat00055

상기한 수식 1에서 회전자 자속을 직접 제어하는 대신, 회전자 자속을 일정한 정격값으로 유지하기 위해 전류

Figure 112021076873895-pat00056
를 일정하게 조절하면, 수식 1에서 제어입력
Figure 112021076873895-pat00057
는 다음과 같이 결정된다.Instead of directly controlling the rotor magnetic flux in Equation 1 above, in order to maintain the rotor magnetic flux at a constant rated value, the current
Figure 112021076873895-pat00056
If is adjusted to a constant, the control input in Equation 1
Figure 112021076873895-pat00057
is determined as follows.

[수식 3][Formula 3]

Figure 112021076873895-pat00058
Figure 112021076873895-pat00058

이때

Figure 112021076873895-pat00059
는 d축 등가 제어 입력이고, 수식 3을 수식 1에 적용해 정리하면
Figure 112021076873895-pat00060
에 대한 동적 방정식은 다음과 같이 다시 쓸 수 있다.At this time
Figure 112021076873895-pat00059
is the d-axis equivalent control input, and by applying Equation 3 to Equation 1,
Figure 112021076873895-pat00060
The dynamic equation for can be rewritten as

[수식 4][Formula 4]

Figure 112021076873895-pat00061
Figure 112021076873895-pat00061

DC링크 전압 제어의 경우, 동기 좌표계에서 q축 고정자 전류와 DC링크 전압의 동적 방정식으로 구성된 모델은 다음과 같이 유도된다.In the case of DC link voltage control, the model consisting of the dynamic equation of q-axis stator current and DC link voltage in the synchronous coordinate system is derived as follows.

[수식 5][Formula 5]

Figure 112021076873895-pat00062
Figure 112021076873895-pat00062

이 때,

Figure 112021076873895-pat00063
이며
Figure 112021076873895-pat00064
는 q축 고정자 전압,
Figure 112021076873895-pat00065
는 고정자 각속도, C는 DC링크 커패시턴스,
Figure 112021076873895-pat00066
는 계통측 유효 전력,
Figure 112021076873895-pat00067
는 DC링크 전압이다. 상기한 수식 5에서 제어입력
Figure 112021076873895-pat00068
가 아래 수식 6과 같이 선택된다고 가정하면,At this time,
Figure 112021076873895-pat00063
is
Figure 112021076873895-pat00064
is the q-axis stator voltage,
Figure 112021076873895-pat00065
is the stator angular velocity, C is the DC link capacitance,
Figure 112021076873895-pat00066
is the grid-side active power,
Figure 112021076873895-pat00067
is the DC link voltage. Control input in Equation 5 above
Figure 112021076873895-pat00068
Assuming that is selected as in Equation 6 below,

[수식 6][Formula 6]

Figure 112021076873895-pat00069
Figure 112021076873895-pat00069

Figure 112021076873895-pat00070
의 2차 미분 방정식은 다음과 같이 정리될 수 있다.
Figure 112021076873895-pat00070
The second order differential equation of can be arranged as follows.

[수식 7][Formula 7]

Figure 112021076873895-pat00071
Figure 112021076873895-pat00071

수식 6은 새로운 피드백 선형화(Feedback Linearization) 제어 법칙에 의해

Figure 112021076873895-pat00072
와
Figure 112021076873895-pat00073
간의 비선형관계가 선형화된다. 따라서
Figure 112021076873895-pat00074
는 q축 고정자 전류 제어기 없이,
Figure 112021076873895-pat00075
를 조절하여 제어될 수 있다.Equation 6 is obtained by the new Feedback Linearization control law.
Figure 112021076873895-pat00072
and
Figure 112021076873895-pat00073
The non-linear relationship between the two is linearized. thus
Figure 112021076873895-pat00074
is without the q-axis stator current controller,
Figure 112021076873895-pat00075
can be controlled by adjusting

상기한 과정은 도 2의 d축 전류 제어기(200)와 dc링크 전압 제어기(300)의 블록으로 표시할 수 있다.The above process can be represented by blocks of the d-axis current controller 200 and the dc link voltage controller 300 in FIG. 2 .

한편, 부정확한 모델의 경우 추적오차를 제어하기 위해 수식 4의 제어입력

Figure 112021076873895-pat00076
와 수식 7의 제어입력
Figure 112021076873895-pat00077
를 다음과 같이 적분 항을 포함하여 설계한다.On the other hand, in the case of an inaccurate model, the control input of Equation 4 is used to control the tracking error.
Figure 112021076873895-pat00076
and the control input of Equation 7
Figure 112021076873895-pat00077
Design including the integral term as follows.

[수식 8][Formula 8]

Figure 112021076873895-pat00078
Figure 112021076873895-pat00078

[수식 9][Formula 9]

Figure 112021076873895-pat00079
Figure 112021076873895-pat00079

여기서, k I1 , k I2 , k V1 , k V2 , k V3 는 제1 제어기(310) 또는 제2 제어기(210)의 이득이다.Here, k I1 , k I2 , k V1 , k V2 , and k V3 are gains of the first controller 310 or the second controller 210 .

상기한 수식 8과 수식 9를 각각 수식 4와 수식 7에 대입하면, d축 고정자 전류와 DC링크 전압 제어 전달함수, 즉 제1 제어기(310)와 제2 제어기(210)의 전달함수는 다음과 같이 유도된다.Substituting Equations 8 and 9 into Equations 4 and 7, respectively, the d-axis stator current and DC link voltage control transfer functions, that is, the transfer functions of the first controller 310 and the second controller 210 are as follows are induced together

[수식 10][Equation 10]

Figure 112021076873895-pat00080
Figure 112021076873895-pat00080

[수식 11][Equation 11]

Figure 112021076873895-pat00081
Figure 112021076873895-pat00081

상기한 수식 10과 수식 11에서 제어기 이득인 k I1 , k I2 , k V1 , k V2 , k V3 는 극 배치 기법을 사용하여 선정할 수 있으며, 본 실시예는 상기한 바와 같은 과정을 통해, d축 전류 제어기(200)와 DC 링크 전압 제어기(300)는 각각 독립적으로 d축 고정자 전류와 dc링크의 전압을 제어해, 고장 발생시 q축 전류 제어기 없이 농형 유도 발전기(10)의 출력을 감소시켜, DC 링크 전압을 유지할 수 있다.In Equations 10 and 11, the controller gains k I1 , k I2 , k V1 , k V2 , and k V3 can be selected using the pole arrangement technique, and in this embodiment, through the above process, d The axis current controller 200 and the DC link voltage controller 300 independently control the d-axis stator current and the voltage of the dc link, respectively, to reduce the output of the squirrel cage induction generator 10 without the q-axis current controller in the event of a failure, DC link voltage can be maintained.

[제2 실시예][Second Embodiment]

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 의한 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템을 도시한 것이다.3 shows a cage-type induction generator wind turbine system according to a second embodiment of the present invention.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 의한 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템은, 제2 컨버터(120), 듀얼 eTOGI, PLL(Phase-Locked Loop), FLL(Frequency locked loop), 출력부(400), 제2 컨버터 제어기(500)를 포함할 수 있다.As shown in FIG. 3, the squirrel cage induction generator wind turbine system according to the second embodiment of the present invention includes a second converter 120, a dual eTOGI, a phase-locked loop (PLL), a frequency locked loop (FLL), It may include an output unit 400 and a second converter controller 500 .

제2 컨버터(120)는 농형 유도발전기와 계통 사이에 배치된다.The second converter 120 is disposed between the squirrel cage induction generator and the system.

출력부(400)는 계통(10)과 제2 컨버터(120) 사이에 설치되어 계통(10)에서 측정되는 전류와 PLL에서 출력되는 계통 전압 위상의 정상분과 역상분을 입력받아 계통의 d-q축 전류 정상분과 역상분을 출력한다. 출력부(400)는 이를 위해 밴드 패스 필터(Band Pass Filter)와 abc축을 d-q축으로 변환하는 변환기를 포함할 수 있으며, 변환기에는 계통(20) 전압 위상의 정상분과 역상분이 입력될 수 있다.The output unit 400 is installed between the system 10 and the second converter 120 and receives the current measured in the system 10 and the positive and negative phases of the system voltage output from the PLL, and receives the d-q-axis current of the system. Output the normal and negative sequence. The output unit 400 may include a band pass filter and a converter for converting an abc axis into a d-q axis for this purpose, and the positive and negative phases of the voltage phase of the system 20 may be input to the converter.

제2 컨버터 제어기(500)는 계통이 정상 조건에서 측정된 회전자의 속도에 따라 계통측 전력의 최적 기준치를 설정하여 최대 전력점 추종(MPPT) 알고리즘을 수행하도록 상기 제2 컨버터(120)에 제어신호를 인가하고, 계통(20)의 전압강하가 발생하면, q축 계통 전류 정상분 지령치(

Figure 112021076873895-pat00082
)를 특정 수식으로 대체하고, q축 계통 전류 역상분 지령치(
Figure 112021076873895-pat00083
)는 0으로 제어한다. 제2 컨버터 제어기(500)의 동작에 대해서는 후술한다.The second converter controller 500 controls the second converter 120 to set an optimal reference value of grid-side power according to the measured rotor speed under a system normal condition and to perform a maximum power point tracking (MPPT) algorithm. When a signal is applied and a voltage drop occurs in the system 20, the q-axis system current normal portion command value (
Figure 112021076873895-pat00082
) is replaced by a specific formula, and the q-axis system current negative sequence command value (
Figure 112021076873895-pat00083
) is controlled to 0. The operation of the second converter controller 500 will be described later.

듀얼 eTOGI, PLL, FLL은 듀얼 eTOGI-PLL-FLL(600) 블록에 포함될 수 있으며, 듀얼 eTOGI, PLL, FLL은 모두 계통(10)과 제2 컨버터(120) 사이에 설치될 수 있다. 듀얼 eTOGI를 설명하기 이전에, eTOGI에 대해 먼저 설명한다.The dual eTOGI, PLL, and FLL may be included in the dual eTOGI-PLL-FLL (600) block, and all of the dual eTOGI, PLL, and FLL may be installed between the system 10 and the second converter 120. Before explaining dual eTOGI, eTOGI will be described first.

도 4는 eTOGI의 구조를 도시한 것이다.Figure 4 shows the structure of eTOGI.

도 4에서 g와 kT는 가변이득, k dc 는 일정 이득, ω'는 튜닝 주파수, x는 입력 신호, x'와 qx'는 서로 직교하는 출력 신호이다.In FIG. 4, g and k T are variable gains, k dc is a constant gain, ω 'is a tuning frequency, x is an input signal, and x ' and qx ' are orthogonal output signals.

도 5는 본 발명의 제2실시예에 의한 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템에서 사용되는 듀얼 eTOGI-PLL-FLL(600)을 도시한 것으로, 듀얼 eTOGI(610), 제1 PLL(621), 제2 PLL(622), FLL(630)이 도시되어 있다.5 shows a dual eTOGI-PLL-FLL (600) used in a squirrel cage induction generator wind turbine system according to a second embodiment of the present invention, including dual eTOGI (610), a first PLL (621), and a second PLL (621). PLL 622 and FLL 630 are shown.

듀얼 eTOGI(610)는 계통(10)과 제2 컨버터(120) 사이에 설치되어 계통 전압을 입력받아 계통 전압의 d-q축 각각의 정상분과 역상분을 출력한다.The dual eTOGI 610 is installed between the system 10 and the second converter 120 to receive the system voltage and output the positive and negative phases of the d-q axes of the system voltage, respectively.

제1 PLL(621)과 제2 PLL(622) 각각은 듀얼 eTOGI(610)의 출력단에 연결되어 계통 전압 위상의 정상분, 역상분 및 추정된 계통 전압(

Figure 112021076873895-pat00084
)을 출력한다.Each of the first PLL 621 and the second PLL 622 is connected to the output terminal of the dual eTOGI 610, so that the positive and negative phases of the grid voltage phase and the estimated grid voltage (
Figure 112021076873895-pat00084
) is output.

FLL(630)은 계통(10)의 주파수를 추정한다. FLL(630)에서 추정된 계통(10)의 주파수는 듀얼 eTOGI(610)에 입력될 수 있다.The FLL 630 estimates the frequency of the system 10. The frequency of the system 10 estimated by the FLL 630 may be input to the dual eTOGI 610.

도 5에 도시된 본 발명의 듀얼 eTOGI(610)는 g 및 k T 와 같은 eTOGI 이득은 추정된 계통 전압

Figure 112021076873895-pat00085
의 정상분의 진폭과 임계 값
Figure 112021076873895-pat00086
에 따라 다음과 같이 조절된다. In the dual eTOGI 610 of the present invention shown in FIG. 5, the eTOGI gains such as g and k T are the estimated grid voltage
Figure 112021076873895-pat00085
Amplitude and Threshold of the Normal Segment of
Figure 112021076873895-pat00086
is adjusted as follows:

[수식 12][Equation 12]

Figure 112021076873895-pat00087
Figure 112021076873895-pat00087

[수식 13][Equation 13]

Figure 112021076873895-pat00088
Figure 112021076873895-pat00088

여기서, g fault , k normal , k fault 는 미리 지정된 상수이며, k fault 는 k normal 보다 큰 값이다. 캐럿 "^" 은 추정값을 나타내고, 위첨자 "+"는 정상분을 나타내며, 아래 첨자 "k"는 k 번째 샘플링 순간을 나타낸다. 도 5에서 계통 주파수는 FLL에 의해 추정된다. 도 5로부터 eTOGI의 전달함수는 다음과 같이 유도된다. Here, g fault , k normal , k fault are predefined constants, and k fault is a value greater than k normal . The caret "^" denotes the estimated value, the superscript "+" denotes the normal portion, and the subscript " k " denotes the kth sampling instant. In FIG. 5, the system frequency is estimated by FLL. From FIG. 5, the transfer function of eTOGI is derived as follows.

[수식 14][Equation 14]

Figure 112021076873895-pat00089
Figure 112021076873895-pat00089

[수식 15][Equation 15]

Figure 112021076873895-pat00090
Figure 112021076873895-pat00090

Figure 112021076873895-pat00091
의 값이 비교적 일정하게 유지되는 정상상태에서, 이득 g는 수식 12에 따라 0으로 유지될 수 있다. 이 경우, 수식 14에서 세 극점이 모두 동일한 실수항을 가지고 있다고 가정할 때, eTOGI 이득 k normal 및 k dc 는 다음 수식을 만족하도록 선정될 수 있다.
Figure 112021076873895-pat00091
In a steady state where the value of is kept relatively constant, the gain g can be maintained at 0 according to Equation 12. In this case, assuming that all three poles in Equation 14 have the same real term, the eTOGI gains k normal and k dc may be selected to satisfy the following equation.

[수식 16][Equation 16]

Figure 112021076873895-pat00092
Figure 112021076873895-pat00092

g fault 결정을 간단하게 하기 위해 eTOGI에 DC 옵셋이 존재하지 않는다고 가정하자. 그러면 k dc 를 0으로 설정함으로써 DC 옵셋 제거기의 영향을 무시할 수 있다. k dc = 0일 때 전달함수 수식 14와 수식 15의 극점은 다음과 같이 주어진다.To simplify the g fault determination, assume that no DC offset exists in eTOGI. Then, the effect of the DC offset canceller can be ignored by setting k dc to zero. When k dc = 0, the poles of the transfer functions Equations 14 and 15 are given as follows.

[수식 17][Equation 17]

Figure 112021076873895-pat00093
Figure 112021076873895-pat00093

계통 전압 진폭에 급격한 변화가 발생하면,

Figure 112021076873895-pat00094
의 값이 수식 12에서의 δ 보다 크다고 가정되고, 그 때 이득 g 와 k T 는 각각 g fault 와 k fault 로 설정된다. 만약 g fault 가 다음과 같다면,When a sudden change in grid voltage amplitude occurs,
Figure 112021076873895-pat00094
It is assumed that the value of is greater than δ in Equation 12, at which time the gains g and k T are set to g fault and k fault , respectively. If g fault is

[수식 18][Equation 18]

Figure 112021076873895-pat00095
Figure 112021076873895-pat00095

수식 17의 극점은

Figure 112021076873895-pat00096
와 같다. 극점s1,2는 항상 좌반면에 위치하므로 듀얼 eTOGI의 안정성은 보장된다.The poles of Equation 17 are
Figure 112021076873895-pat00096
Same as Since the poles 1 and 2 are always located on the left half, the stability of dual eTOGI is guaranteed.

도 6은 종래 사용되는 SOGI, mSOGI, TOGI, eTOGI를 적용한 계통 전압 추정 성능을 나타낸다. 도 6에서, 0.3초부터 t = 0.34초까지 계통 전압이 563V에서 113V로 감소하며 5% 측정 옵셋 전압과 3%의 5차 계통 고조파 전압이 있다고 가정한다. 듀얼 eTOGI는 가변 이득을 통해 빠른 응답 뿐 아니라 뛰어난 고조파 제거 기능도 갖는다.6 shows system voltage estimation performance using conventionally used SOGI, mSOGI, TOGI, and eTOGI. In FIG. 6 , it is assumed that the grid voltage decreases from 563V to 113V from 0.3 sec to t = 0.34 sec, and there is a 5% measurement offset voltage and a 5th order harmonic voltage of 3%. Dual eTOGI not only has fast response through variable gain, but also excellent harmonic rejection.

도 7은 상술한 본 발명의 제1실시예 및 제2실시예 각각에 의한 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템의 제어 구성도이다.7 is a control configuration diagram of the squirrel cage induction generator wind turbine system according to each of the first and second embodiments of the present invention described above.

제2 컨버터 제어기(500)는 측정된 회전자 속도에 따라 계통측 전력의 최적 기준치를 설정하여 최대 전력점 추종(MPPT) 알고리즘을 수행한다. 동시에 역률 1제어를 위해 무효 전력을 0으로 제어한다. 불평형 계통의 경우, 계통 주파수의 2배로 나타나는 DC 링크 전압 리플을 제거하기 위해 정상분과 역상분에 대한 이중 전류 제어기를 적용한다. 정상분과 역상분의 계통 전압은 도 5에서와 같이 듀얼 eTOGI-PLL-FLL 구조로 나타낼 수 있다.The second converter controller 500 sets an optimal reference value of grid-side power according to the measured rotor speed and performs a maximum power point tracking (MPPT) algorithm. At the same time, reactive power is controlled to 0 for power factor 1 control. In the case of an unbalanced system, a dual current controller for positive and negative sequence is applied to remove the DC link voltage ripple appearing twice as much as the system frequency. The system voltage of the normal and negative sequence can be represented by a dual eTOGI-PLL-FLL structure as shown in FIG. 5 .

전압강하가 발생하면, 계통 d축 전류 지령치의 정상분

Figure 112021076873895-pat00097
는 계통 전압 강하에 따라 계통에 무효 전류를 주입하는 그리드 코드(grid code)의 요건을 충족하도록 정해진다. 동시에 q축 계통 전류 정상분
Figure 112021076873895-pat00098
는 수식에 의해 결정된 지령치로 제어된다.When a voltage drop occurs, the normal value of the grid d-axis current command value
Figure 112021076873895-pat00097
is determined to meet the requirements of the grid code to inject reactive current into the grid according to the grid voltage drop. At the same time, the q-axis system current normal
Figure 112021076873895-pat00098
is controlled by the command value determined by the formula.

[수식 19][Equation 19]

Figure 112021076873895-pat00099
Figure 112021076873895-pat00099

상술한 수식 19에서 전류 i q 1 와 i q 2 는

Figure 112021076873895-pat00100
와
Figure 112021076873895-pat00101
로 각각 정의된다.In Equation 19 above, the currents i q 1 and i q 2 are
Figure 112021076873895-pat00100
and
Figure 112021076873895-pat00101
are defined respectively.

심각한 고장 조건에서는

Figure 112021076873895-pat00102
가
Figure 112021076873895-pat00103
보다 훨씬 높기 때문에, q축 계통 전류 정상분은 수식 19에 따라
Figure 112021076873895-pat00104
로 제어되며, 이는 계통 전류 크기를 정격으로 제한한다. 반면 15% 전압 강하와 같은 심각하지 않은 고장과 정격이 아닌 상태에서는
Figure 112021076873895-pat00105
이
Figure 112021076873895-pat00106
로 근사화된다. 따라서 지령값
Figure 112021076873895-pat00107
은 수식 19에 따라
Figure 112021076873895-pat00108
설정된다. 그 결과 MPPT 알고리즘을 적용한 것과 유사한 유효전력이 고장상태에서도 계통으로 전달될 수 있다.In severe failure conditions
Figure 112021076873895-pat00102
go
Figure 112021076873895-pat00103
Since it is much higher than Equation 19, the positive q-axis system current
Figure 112021076873895-pat00104
controlled by , which limits the grid current size to its rating. On the other hand, non-critical faults such as 15% voltage drop and non-rated conditions
Figure 112021076873895-pat00105
this
Figure 112021076873895-pat00106
is approximated by Therefore, the command value
Figure 112021076873895-pat00107
According to Equation 19
Figure 112021076873895-pat00108
is set As a result, active power similar to that applied with the MPPT algorithm can be delivered to the grid even in a fault condition.

도 7에서 DC 링크 전압이 정해진 한계치를 초과할 경우, 제동 초퍼(Braking Chopper, BC)가 활성화 될 수 있으며, 본 발명은 제동 초퍼를 더 포함할 수 있다.In FIG. 7 , when the DC link voltage exceeds a predetermined threshold, a braking chopper (BC) may be activated, and the present invention may further include a braking chopper.

상술한 본 발명의 제1 실시예 및 제2 실시예에 의한 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템의 성능은 아래와 같은 실험을 통해 증명된다.The performance of the squirrel cage induction generator wind turbine system according to the first and second embodiments of the present invention described above was demonstrated through the following experiments.

농형 유도발전기(SCIG)는 550rpm에서 1220rpm 속도의 풍력 터빈 시뮬레이터 역할을 하는 영구 자석 동기 모터 (PMSM)와 결합된다. 계통 전압은 220V/60Hz이고, DC 링크 전압은 340V로 제어된다. 10kVA 계통 시뮬레이터는 계통의 불평형 조건을 발생하는데 사용된다. 아래 표는 SCIG 사양을 나타낸다.A squirrel cage induction generator (SCIG) is coupled with a permanent magnet synchronous motor (PMSM) acting as a wind turbine simulator with speeds ranging from 550 rpm to 1220 rpm. The grid voltage is 220V/60Hz, and the DC link voltage is controlled at 340V. A 10 kVA grid simulator is used to generate grid unbalanced conditions. The table below shows the SCIG specifications.

[표 1][Table 1]

Figure 112021076873895-pat00109
Figure 112021076873895-pat00109

도 8은 80%의 평형 전압강하 상태에서의 시스템 성능을 보인다. 보다 구체적으로, 도 8a는 계통 전압 [V], 도 8b는 d축 계통 전류 [A], 도 8c는 q축 계통 전류 [A],도 8d는 계통 측 무효 전력 [VAR], 도 8e는 계통 측 유효 전력 [W], 도 8f는 DC 링크 전압 [V], 도 8g는 발전기 및 터빈 전력 [W], 도 8h는 회전자 속도 [rpm]를 나타낸다.Figure 8 shows the system performance in the state of equilibrium voltage drop of 80%. More specifically, FIG. 8a shows grid voltage [V], FIG. 8b shows d-axis system current [A], FIG. 8c shows q-axis system current [A], FIG. 8d shows grid-side reactive power [VAR], and FIG. 8e shows grid-side current [A]. Fig. 8f shows DC link voltage [V], Fig. 8g shows generator and turbine power [W], and Fig. 8h shows rotor speed [rpm].

선간 전압에 5%의 측정 옵셋 전압이 포함돼 있다고 가정된다. 계통 전압과 d-q축 계통 전류는 도 8a와 도 8b에 나와 있다. 도 8d에서 계통측 무효 전력은 사고(fault) 발생시 계통 전압 회복을 위해 계통에 공급되고, 계통측 유효 전력은 도 8e와 같이 감소된다. SCIG의 유효 전력을 조절하여 도 8f에서 DC 링크 전압은 340V로 제어된다. 도 8g에서 SCIG의 유효 전력과 풍력 터빈의 유효 전력의 편차는 도 8h와 같이 회전자 속도 변화를 야기한다.It is assumed that the line voltage includes a 5% measurement offset voltage. System voltage and d-q axis system current are shown in FIGS. 8A and 8B. In FIG. 8D , grid-side reactive power is supplied to the grid to recover grid voltage when a fault occurs, and grid-side active power is reduced as shown in FIG. 8E . By adjusting the active power of the SCIG, the DC link voltage is controlled to 340V in FIG. 8F. In FIG. 8G, the difference between the active power of the SCIG and the active power of the wind turbine causes a change in rotor speed as shown in FIG. 8H.

도 9는 계통 불평형 및 5% 측정 옵셋 전압 조건에서 시스템 성능을 보인다. 보다 구체적으로, 도 9a는 계통 전압[V], 도 9b는 d축 계통 전류 [A], 도 9c는 q축 계통 전류 [A], 도 9d는 계통측 무효 전력 [VAR], 도 9e는 계통측 유효 전력 [W], 도 9f는 DC 링크 전압 [V], 도 9g는 발전기 및 터빈 전력 [W], 도 9h는 회전자 속도 [rpm]이다.9 shows system performance under grid unbalance and 5% measurement offset voltage conditions. More specifically, FIG. 9a is grid voltage [V], FIG. 9b is d-axis grid current [A], FIG. 9c is q-axis grid current [A], FIG. 9d is grid-side reactive power [VAR], and FIG. 9e is grid Side active power [W], Fig. 9f is DC link voltage [V], Fig. 9g is generator and turbine power [W], Fig. 9h is rotor speed [rpm].

계통 전압은 500ms 동안 각 상에서 20%, 50%, 20%로 감소한다. 평형 강하와 유사하게 DC 링크 전압은 340V로 제어되고 회전자 속도는 사고(falut) 발생시 850rpm에서 1150rpm으로 증가한다. 계통측 전력과 DC 링크 전압의 이중 계통 주파수(double-grid-frequency) 리플은 도 9d ~ 9f와 같이 계통 전압에 역상분이 존재하여 발생한다. 계통 전류의 역상분을 0으로 제어함으로써 d-q축 계통 전류 리플은 제거된다.The grid voltage is reduced by 20%, 50%, and 20% in each phase for 500 ms. Similar to the equilibrium drop, the DC link voltage is controlled at 340V and the rotor speed increases from 850rpm to 1150rpm in case of a fault. The double-grid-frequency ripple of the grid-side power and the DC link voltage is generated when a negative sequence exists in the grid voltage, as shown in FIGS. 9D to 9F. By controlling the negative sequence of the system current to zero, the d-q axis system current ripple is eliminated.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다. The present invention is not limited to the above embodiments, and the scope of application is diverse, and various modifications and implementations are possible without departing from the gist of the present invention claimed in the claims.

10 : 농형 유도 발전기
20 : 계통
110 : 제1 컨버터
120 : 제2 컨버터
200 : d축 전류 제어기
300 : DC 링크 전압 제어기
400 : 출력부
500 : 제2 컨버터 제어기
600 : 듀얼 eTOGI-PLL-FLL
610 : 듀얼 eTOGI
621 : 제1 PLL
622 : 제2 PLL
630 : FLL10: squirrel cage induction generator
20: system
110: first converter
120: second converter
200: d-axis current controller
300: DC link voltage controller
400: output unit
500: second converter controller
600: Dual eTOGI-PLL-FLL
610: Dual eTOGI
621: first PLL
622: second PLL
630: FLL

Claims (5)

농형 유도발전기와 계통 사이에 배치되는 제1 컨버터;
상기 농형 유도발전기의 d축 고정자 전류 지령치(
Figure 112023004035652-pat00110
)와 측정되는 d축 고정자 전류(
Figure 112023004035652-pat00111
)에 기초하여 상기 제1 컨버터에 d축 고정자 전압(ud)을 출력해, d축 고정자 전류를 제어하는 d축 전류 제어기; 및
DC링크의 전압 지령치(vdc *)와 측정되는 DC링크 전압(vdc)에 기초하여 상기 제1 컨버터에 q축 고정자 전압(uq)을 출력해, 상기 d축 전류 제어기와 독립적으로 dc링크 전압을 제어하는 dc링크 전압 제어기;
를 포함하고,
상기 DC링크 전압 제어기는,
DC링크의 전압 지령치(vdc *)와 측정되는 DC링크 전압(vdc)을 입력받아 q축 등가 제어입력(vq)을 출력하는 제1 제어기; 및
상기 제1 제어기에서 출력되는 q축 등가 제어입력(vq)에 피드백 선형화에 기반한 아래 수식을 적용하여 q축 고정자 전압(uq)을 출력해, DC링크 전압을 제어하는 제1 피드백 제어기;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템.
Figure 112023004035652-pat00112

(여기서,
Figure 112023004035652-pat00113
,
Figure 112023004035652-pat00114
이며
Figure 112023004035652-pat00115
는 q축 고정자 전압,
Figure 112023004035652-pat00116
는 고정자 각속도, C는 DC링크 커패시턴스,
Figure 112023004035652-pat00117
는 계통측 유효 전력, vdc 는 DC링크 전압, ωe는 회전자 각속도,
Figure 112023004035652-pat00118
,
Figure 112023004035652-pat00119
,
Figure 112023004035652-pat00120
, iqs e 는 q축 고정자 전류, ids e 는 d축 고정자 전류, Lm 은 자화 인덕턴스, Ls 와 Lr 은 각각 고정자와 회전자의 자기 인덕턴스,
Figure 112023004035652-pat00207
는 d축 회전자 자속,
Figure 112023004035652-pat00208
는 고정자 저항,
Figure 112023004035652-pat00209
는 회전자 저항,
Figure 112023004035652-pat00210
)
A first converter disposed between the squirrel cage induction generator and the grid;
The d-axis stator current command value of the squirrel cage induction generator (
Figure 112023004035652-pat00110
) and the measured d-axis stator current (
Figure 112023004035652-pat00111
a d-axis current controller outputting a d-axis stator voltage (u d ) to the first converter based on ) to control the d-axis stator current; and
The q-axis stator voltage (u q ) is output to the first converter based on the voltage command value (v dc * ) of the DC link and the measured DC link voltage (v dc ), and the dc link is independent of the d-axis current controller. a dc link voltage controller for controlling voltage;
including,
The DC link voltage controller,
A first controller for outputting a q-axis equivalent control input (v q ) by receiving a DC link voltage command value (v dc * ) and the measured DC link voltage (v dc ); and
A first feedback controller controlling a DC link voltage by applying the following equation based on feedback linearization to the q-axis equivalent control input (v q ) output from the first controller and outputting a q-axis stator voltage (u q );
A squirrel cage induction generator wind turbine system comprising a.
Figure 112023004035652-pat00112

(here,
Figure 112023004035652-pat00113
,
Figure 112023004035652-pat00114
is
Figure 112023004035652-pat00115
is the q-axis stator voltage,
Figure 112023004035652-pat00116
is the stator angular velocity, C is the DC link capacitance,
Figure 112023004035652-pat00117
is grid-side active power, v dc is DC link voltage, ω e is rotor angular velocity,
Figure 112023004035652-pat00118
,
Figure 112023004035652-pat00119
,
Figure 112023004035652-pat00120
, i qs e is the q-axis stator current, i ds e is the d-axis stator current, L m is the magnetizing inductance, L s and L r are the magnetic inductance of the stator and rotor, respectively,
Figure 112023004035652-pat00207
is the d-axis rotor flux,
Figure 112023004035652-pat00208
is the stator resistance,
Figure 112023004035652-pat00209
is the rotor resistance,
Figure 112023004035652-pat00210
)
 제1 항에 있어서,
상기 d축 전류 제어기는,
d축 고정자 전류 지령치(
Figure 112023004035652-pat00122
)와 측정되는 d축 고정자 전류(
Figure 112023004035652-pat00123
)를 입력받아 d축 등가 제어입력(vd)을 출력하는 제2 제어기; 및
상기 제2 제어기에서 출력되는 d축 등가 제어입력(vd)에 피드백 선형화에 기반한 아래 수식을 적용하여 d축 고정자 전압(ud)을 출력해, d축 고정자 전류를 제어하는 제2 피드백 제어기;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템.
Figure 112023004035652-pat00124

(여기서
Figure 112023004035652-pat00125
,
Figure 112023004035652-pat00211
는 d축 고정자 자속)
According to claim 1,
The d-axis current controller,
d-axis stator current command value (
Figure 112023004035652-pat00122
) and the measured d-axis stator current (
Figure 112023004035652-pat00123
) and a second controller for outputting a d-axis equivalent control input (v d ); and
A second feedback controller for controlling the d-axis stator current by applying the following formula based on feedback linearization to the d-axis equivalent control input (v d ) output from the second controller to output a d-axis stator voltage (u d );
A squirrel cage induction generator wind turbine system comprising a.
Figure 112023004035652-pat00124

(here
Figure 112023004035652-pat00125
,
Figure 112023004035652-pat00211
is the d-axis stator flux)
 농형 유도발전기와 계통 사이에 배치되는 제2 컨버터;
계통과 상기 제2 컨버터 사이에 설치되어 계통 전압을 입력받아 계통 전압의 d-q축 각각의 정상분과 역상분을 출력하는 듀얼 eTOGI;
상기 듀얼 eTOGI의 출력단에 연결되어 계통 전압 위상의 정상분, 역상분 및 추정된 계통 전압(
Figure 112023004035652-pat00126
)을 출력하는 PLL;
계통의 주파수를 추정하는 FLL;
상기 계통과 상기 제2 컨버터 사이에 설치되어 상기 계통에서 측정되는 전류와 상기 PLL에서 출력되는 계통 전압 위상의 정상분과 역상분을 입력받아 계통의 d-q축 전류 정상분과 역상분을 출력하는 출력부; 및
계통이 정상 조건에서 측정된 회전자의 속도에 따라 계통측 전력의 최적 기준치를 설정하여 최대 전력점 추종(MPPT) 알고리즘을 수행하도록 상기 제2 컨버터에 제어신호를 인가하고, 계통의 전압강하가 발생하면, q축 계통 전류 정상분 지령치(
Figure 112023004035652-pat00127
)를 아래 수식으로 대체하고, q축 계통 전류 역상분 지령치(
Figure 112023004035652-pat00128
)는 0으로 제어하는 제2 컨버터 제어기;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템.
Figure 112023004035652-pat00129

(여기서,
Figure 112023004035652-pat00130
은
Figure 112023004035652-pat00131
,
Figure 112023004035652-pat00132
는
Figure 112023004035652-pat00133
,
Figure 112023004035652-pat00212
는 정격 전류,
Figure 112023004035652-pat00213
는 d축 계통 전류 정상분 지령치,
Figure 112023004035652-pat00214
는 최대 전력 추종점 전력 지령치,
Figure 112023004035652-pat00215
는 q축 계통 전압의 정상분)
A second converter disposed between the squirrel cage induction generator and the system;
a dual eTOGI installed between the system and the second converter to receive the system voltage and output the positive and negative phases of each dq axis of the system voltage;
Connected to the output terminal of the dual eTOGI, the positive and negative phases of the grid voltage phase and the estimated grid voltage (
Figure 112023004035652-pat00126
);
FLL to estimate the frequency of the grid;
an output unit installed between the system and the second converter to receive the positive and negative phases of the phase of the current measured in the system and the system voltage output from the PLL, and output the positive and negative phases of the dq-axis current of the system; and
A control signal is applied to the second converter so that the grid sets the optimal reference value of grid-side power according to the rotor speed measured under normal conditions and performs the maximum power point tracking (MPPT) algorithm, and the grid voltage drop occurs. Then, the q-axis system current normal portion command value (
Figure 112023004035652-pat00127
) is replaced by the formula below, and the q-axis system current negative sequence command value (
Figure 112023004035652-pat00128
) is a second converter controller for controlling to 0;
A squirrel cage induction generator wind turbine system comprising a.
Figure 112023004035652-pat00129

(here,
Figure 112023004035652-pat00130
silver
Figure 112023004035652-pat00131
,
Figure 112023004035652-pat00132
Is
Figure 112023004035652-pat00133
,
Figure 112023004035652-pat00212
is the rated current,
Figure 112023004035652-pat00213
is the d-axis system current steady-state command value,
Figure 112023004035652-pat00214
is the maximum power tracking point power command value,
Figure 112023004035652-pat00215
is the normal component of the q-axis grid voltage)
 제3 항에 있어서,
DC 링크 전압이 소정 기준치를 초과하면 동작하는 제동 초퍼(Braking Chopper);
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템.
According to claim 3,
a braking chopper that operates when the DC link voltage exceeds a predetermined reference value;
A squirrel cage induction generator wind turbine system further comprising a.
 농형 유도발전기와 계통 사이에 배치되는 제1 컨버터;
제1 컨버터의 출력단에 연결되는 DC링크와 상기 계통 사이에 배치되는 제2 컨버터;
상기 농형 유도발전기의 d축 고정자 전류 지령치(
Figure 112023004035652-pat00134
)와 측정되는 d축 고정자 전류(
Figure 112023004035652-pat00135
)에 기초하여 상기 제1 컨버터에 d축 고정자 전압(ud)을 출력해, d축 고정자 전류를 제어하는 d축 전류 제어기;
DC링크의 전압 지령치(vdc *)와 측정되는 DC링크 전압(vdc)에 기초하여 상기 제1 컨버터에 q축 고정자 전압(uq)을 출력해, 상기 d축 전류 제어기와 독립적으로 dc링크 전압을 제어하는 dc링크 전압 제어기;
계통과 상기 제2 컨버터 사이에 설치되어 계통 전압을 입력받아 계통 전압의 d-q축 각각의 정상분과 역상분을 출력하는 듀얼 eTOGI;
상기 듀얼 eTOGI의 출력단에 연결되어 계통 전압 위상의 정상분, 역상분 및 추정된 계통 전압(
Figure 112023004035652-pat00216
)을 출력하는 PLL;
계통의 주파수를 추정하는 FLL;
상기 계통과 상기 제2 컨버터 사이에 설치되어 상기 계통에서 측정되는 전류와 상기 PLL에서 출력되는 계통 전압 위상의 정상분과 역상분을 입력받아 계통의 d-q축 전류 정상분과 역상분을 출력하는 출력부; 및
계통이 정상 조건에서 측정된 회전자의 속도에 따라 계통측 전력의 최적 기준치를 설정하여 최대 전력점 추종(MPPT) 알고리즘을 수행하도록 상기 제2 컨버터에 제어신호를 인가하고, 계통의 전압강하가 발생하면, q축 계통 전류 정상분 지령치(
Figure 112023004035652-pat00136
)를 아래 수식으로 대체하고, q축 계통 전류 역상분 지령치(
Figure 112023004035652-pat00137
)는 0으로 제어하는 제2 컨버터 제어기;
Figure 112023004035652-pat00138

(여기서,
Figure 112023004035652-pat00217
은
Figure 112023004035652-pat00218
,
Figure 112023004035652-pat00219
는
Figure 112023004035652-pat00220
,
Figure 112023004035652-pat00221
는 정격 전류,
Figure 112023004035652-pat00222
는 d축 계통 전류 정상분 지령치,
Figure 112023004035652-pat00223
는 최대 전력 추종점 전력 지령치,
Figure 112023004035652-pat00224
는 q축 계통 전압의 정상분)
를 포함하고,
상기 DC링크 전압 제어기는,
DC링크의 전압 지령치(vdc *)와 측정되는 DC링크 전압(vdc)을 입력받아 q축 등가 제어입력(vq)을 출력하는 제1 제어기; 및
상기 제1 제어기에서 출력되는 q축 등가 제어입력(vq)에 피드백 선형화에 기반한 아래 수식을 적용하여 q축 고정자 전압(uq)을 출력해, DC링크 전압을 제어하는 제1 피드백 제어기;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템.
Figure 112023004035652-pat00143

(여기서,
Figure 112023004035652-pat00225
,
Figure 112023004035652-pat00226
이며
Figure 112023004035652-pat00227
는 q축 고정자 전압,
Figure 112023004035652-pat00228
는 고정자 각속도, C는 DC링크 커패시턴스,
Figure 112023004035652-pat00229
는 계통측 유효 전력, vdc 는 DC링크 전압, ωe는 회전자 각속도,
Figure 112023004035652-pat00230
,
Figure 112023004035652-pat00231
,
Figure 112023004035652-pat00232
, iqs e 는 q축 고정자 전류, ids e 는 d축 고정자 전류, Lm 은 자화 인덕턴스, Ls 와 Lr 은 각각 고정자와 회전자의 자기 인덕턴스,
Figure 112023004035652-pat00233
는 d축 회전자 자속,
Figure 112023004035652-pat00234
는 고정자 저항,
Figure 112023004035652-pat00235
는 회전자 저항,
Figure 112023004035652-pat00236
)A first converter disposed between the squirrel cage induction generator and the system;
A second converter disposed between the system and the DC link connected to the output terminal of the first converter;
The d-axis stator current command value of the squirrel cage induction generator (
Figure 112023004035652-pat00134
) and the measured d-axis stator current (
Figure 112023004035652-pat00135
a d-axis current controller outputting a d-axis stator voltage (u d ) to the first converter based on ) to control the d-axis stator current;
The q-axis stator voltage (u q ) is output to the first converter based on the voltage command value (v dc * ) of the DC link and the measured DC link voltage (v dc ), and the dc link is independent of the d-axis current controller. a dc link voltage controller for controlling voltage;
a dual eTOGI installed between the system and the second converter to receive the system voltage and output the positive and negative phases of each dq axis of the system voltage;
Connected to the output terminal of the dual eTOGI, the positive and negative phases of the grid voltage phase and the estimated grid voltage (
Figure 112023004035652-pat00216
);
FLL to estimate the frequency of the grid;
an output unit installed between the system and the second converter to receive the positive and negative phases of the phase of the current measured in the system and the system voltage output from the PLL, and output the positive and negative phases of the dq-axis current of the system; and
A control signal is applied to the second converter so that the grid sets the optimal reference value of grid-side power according to the rotor speed measured under normal conditions and performs the maximum power point tracking (MPPT) algorithm, and the grid voltage drop occurs. Then, the q-axis system current normal portion command value (
Figure 112023004035652-pat00136
) is replaced by the formula below, and the q-axis system current negative sequence command value (
Figure 112023004035652-pat00137
) is a second converter controller for controlling to 0;
Figure 112023004035652-pat00138

(here,
Figure 112023004035652-pat00217
silver
Figure 112023004035652-pat00218
,
Figure 112023004035652-pat00219
Is
Figure 112023004035652-pat00220
,
Figure 112023004035652-pat00221
is the rated current,
Figure 112023004035652-pat00222
is the d-axis system current steady-state command value,
Figure 112023004035652-pat00223
is the maximum power tracking point power command value,
Figure 112023004035652-pat00224
is the normal component of the q-axis grid voltage)
including,
The DC link voltage controller,
A first controller for outputting a q-axis equivalent control input (v q ) by receiving a DC link voltage command value (v dc * ) and the measured DC link voltage (v dc ); and
A first feedback controller controlling a DC link voltage by applying the following equation based on feedback linearization to the q-axis equivalent control input (v q ) output from the first controller and outputting a q-axis stator voltage (u q );
A squirrel cage induction generator wind turbine system comprising a.
Figure 112023004035652-pat00143

(here,
Figure 112023004035652-pat00225
,
Figure 112023004035652-pat00226
is
Figure 112023004035652-pat00227
is the q-axis stator voltage,
Figure 112023004035652-pat00228
is the stator angular velocity, C is the DC link capacitance,
Figure 112023004035652-pat00229
is grid-side active power, v dc is DC link voltage, ω e is rotor angular velocity,
Figure 112023004035652-pat00230
,
Figure 112023004035652-pat00231
,
Figure 112023004035652-pat00232
, i qs e is the q-axis stator current, i ds e is the d-axis stator current, L m is the magnetizing inductance, L s and L r are the magnetic inductance of the stator and rotor, respectively,
Figure 112023004035652-pat00233
is the d-axis rotor flux,
Figure 112023004035652-pat00234
is the stator resistance,
Figure 112023004035652-pat00235
is the rotor resistance,
Figure 112023004035652-pat00236
)
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