KR20080107865A - 계통 연계형 고압 권선형 유도 발전기 제어 장치 - Google Patents

계통 연계형 고압 권선형 유도 발전기 제어 장치 Download PDF

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Abstract

멀티레벨 변환기 토폴로지(topology)를 갖는 새로운 권선형유도발전기 제어방식을 제시하여, 고압 사양을 갖는 권선형유도발전기를 제어할 수 있도록 하며, 분산형 전원 발전설비에서 요구되는 fault ride-through 기능과 고립 운전 회피 기능, 그리고 grid voltage synchronization 기능을 수행할 수 있는 계통 연계형 권선형 유도 발전기 제어장치가 개시되어 있다. H-브리지 멀티레벨 변환기는 각 상마다 2-leg IGBT로 구성된 단상변환기를 직렬로 쌓아서 완성된 멀티레벨 3상 전압 파형을 발생하고, 권선형 유도 발전기의 회전자 권선에서 슬립 전력만 부담하도록 회전자 전류를 제어한다. 승압 변환기는 상기 H-브리지 멀티레벨 변환기에서 요구하는 직류 전압원을 생성하는 승압용 인덕터와 3-leg IGBT로 구성된다.
Figure P1020070056186
신재생에너지, 권선형 유도발전기, 멀티레벨 컨버터, 슬립 전력제어

Description

계통 연계형 고압 권선형 유도 발전기 제어 장치{Controller of double-fed induction generator}
도 1 및 도 2는 종래의 권선형 유도 발전기 제어 장치를 나타낸 도면들이다.
도 3은 종래의 유도전동기(誘導電動機) 제어 장치를 나타낸 도면이다.
도 4는 권선형유도발전기 종류를 나타낸 것으로, 회전자 권선을 추가로 갖는 권선형유도발전기에 본 발명을 적용할 수 있음을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 계통 연계형 고압 권선형 유도 발전기 제어 장치를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 승압변환기를 생략하고 간략하게 H-브리지 멀티 레벨 컨버터만을 표시하여 계통 연계형 고압 권선형 유도 발전기에 연결된 상태를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 5에 도시된 H-브리지 멀티 레벨 컨버터는 고압 권선형유도발전기의 전압 사양에 따라 H-브리지 수가 신축적으로 결정됨을 나타낸 회로도이다.
도 8은 도 5에 도시된 N개의 동일한 승압 변환기 중에서 일예를 나타낸 회로도이다.
도 9는 도 5에 도시된 승압변환기 제어 알고리즘을 나타낸 블록도이다.
도 10은 극복해야하는 순시 정전 일예를 나타낸 그래프이다.
도 11은 도 10에 도시한 순간정전 조건에서 분산형 전원 발전 설비를 계통으로부터 분리하지 않고 무효전력을 계통으로 공급해야하는 의무 규정의 일예를 나타낸 그래프이다.
도 12는 전압 강하 크기에 따라 분산형발전 설비가 계통 전압을 유지시키도록 무효 전류를 공급해야하는 크기를 규정한 일례를 나타낸 그래프이다.
도 13은 도 8에 도시된 승압 변환기에 의한 fault ride-through 제어 알고리즘을 나타낸 블록도이다.
도 14는 도 8에 도시된 승압 변환기에 의한 고립 운전 회피(Anti-islanding)알고리즘을 나타낸 알고리즘 흐름도이다.
도 15는 도 7에 도시된 DFIG 제어용 계통연계형 H-브리지 변환기 제어 알고리즘 블록도이다.
도 16은 도 7에 도시된 DFIG 제어용 계통연계형 H-브리지 변환기측 역률제어기 블록도이다.
도 17은 도 7에 도시된 DFIG 제어용 계통연계형 H-브리지 변환기에 의한 DFIG 고정자 전압 동기화 제어 블록도이다.
도 18은 도 7에 도시된 DFIG 제어용 계통연계형 H-브리지 변환기에 의한 PWM 구현을 나타낸 도면이다.
도 19는 상전압 주파수가 60 Hz인 경우, PWM 방식을 적용한 H-브리지 변환기의 출력 전압 및 전류 파형을 나타낸 도면이다.
도 20은 일반적인 2-레벨 변환기와 H-브리지 멀티레벨 변환기의 고조파 함유 율을 비교한 도면이다.
도 21은 인코더 위치를 12도 간격으로 30개 구간으로 이동되는 임의 설치 위치에 대해 동기화 특성을 유지하기 위하여 갱신되는 보상각 특성을 나타낸 도면이다.
도 22는 인코더 설치 위치가 임의 위치에 설치되어 있을 때, 권선형 유도 발전기의 고정자 전압이 계통 전압과 동기화되어 가는 과정을 보여주는 과도 특성을 보여주는 실험 파형도이다.
도 23은 동기화 제어기에서 제어 자유도로 활용할 수 있는 피드포워드 파라미터를 잘 조절하면 동기화되는 속도를 조절할 수 있다는 것을 보여주는 실험 파형도이다.
도 24는 계통 연계형 고압 권선형 유도발전기 제어장치를 활용하면 대용량 풍력발전 시스템이나 대용량 조류발전 시스템, 대용량 조력발전 시스템, 대용량 파력발전 시스템 등을 상용화할 수 있다는 것을 예시한 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
500: 계통 연계형 고압 권선형 유도발전기 제어장치
510: H-브리지 변환기
520: 승압 변환기
본 발명은 권선형 유도 발전기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 계통 연계형 고압 권선형 유도발전기를 제어하는 장치에 관한 것이다.
권선형 유도 발전기는 풍력발전 시스템 시장의 50%를 점유하고 있는 대표적인 발전기 유형이며 조류발전, 파력발전, 소수력 발전에도 적용 연구가 추진되고 있다. 풍력발전 시스템에 대한 시장은 연간 30%를 상회할 만큼 시장이 매우 빠른 속도로 성장하고 있으며 향후에도 시스템 용량이 대용화하는 추이로 계속해서 발전될 것으로 전망된다. 그리고 발전기를 사용하여 분산형 전원 발전설비를 개발하고 있는 조류발전이나 파력발전, 그리고 소수력 발전에 대한 연구도 상용화로 이어지는 연구 결과들이 보고되고 있다.
분산형 전원 발전설비 중에서 가장 큰 시장을 확보하고 있는 것이 풍력발전 시장이며, 풍력 발전 시장의 50%에서 채용하고 있는 발전기 유형이 권선형 유도 발전기이다. 따라서 권선형 유도 발전기 자체에 대한 새로운 설계 방식에 대해서도 주목을 받고 있으며, 권선형 유도 발전기를 제어하는 방식도 매우 크게 주목을 받고 있다.
특히 권선형 유도 발전기에 대한 기술 흐름이 단위 전력을 생산하는데 소요되는 발전 단가[￦/kW]를 낮추는 방향으로 발전되면서, 권선형 유도 발전기 용량이 3MW 이상으로 점점 더 대용화되고 있는 추세이고, 발전기 용량이 대용량화되면서 발전기 전압 사양이 600V 이상으로 설계하는 것을 피할 수 없게 되었다. 따라서 권선형유도발전기를 제어하는 방식에서도 기존에 알려져 있는 저압 구동 방식으로는 대처하는데 한계를 나타내고 있다.
도 1은 미합중국 특허 제 6856040 호에 개시된 권선형 유도발전기 제어 장치에 대한 토폴로지(topology)를 보여준다. 발전기의 고정자 권선과 계통측 권선 사이에 SCR를 사용하여 계통 전압을 동기화하는 방식을 사용하고 있다. 전압 벡터를 서로 동기화시키지 못한 상태에서 하드웨어적인 방법으로 강제적으로 연결시키는 방법을 채택하고 있기 때문에 계통 연계 단계에서 돌입 전류가 발생할 수 있으며 속응성을 기대하기 어려운 단점이 있다. 그리고 고정자 권선에서의 역률 제어를 위해 커패시터 소자를 이용하여 이용하는 방식이다. 정격 근방의 운전 조건에서 역률이 1이 되도록 커패시터 값을 선정하여 부착하는 방식이기 때문에 풍속 조건이 정격 근방의 사양에서 멀어진 영역에서는 역률이 0.9 이하로 떨어지는 단점이 있다. 또한, 회전자 권선에 흐르는 전류는 계통측에서 회전자 측으로 인가되는 전류 크기만 제어할 수 있어서 정격 속도 이상에서 회전자 권선에서 DC_link 측으로 흘러나오는 역 전류를 에너지로 사용할 수 없는 구조적인 단점이 있다.
부연하여 본 발명이 속한 기술을 요약하면, 권선형 유도 발전기를 적용한 풍력발전 시스템의 95% 이상에서 적용하고 있는 기술이 도 1에 나타낸 방식(US006856040B2)이기는 하지만 회전자 권선으로부터 발생되는 에너지를 계통측으로 회생시킬 수 없는 구조적인 단점과 권선형 유도 발전기의 고정자측 유효 전력과 역률을 직접 제어할 수 없는 기술적인 결함이 있다. 그리고 발전량의 20% 정도가 회전자 권선으로 회생되는데 이러한 에너지를 열로 버리는 구조이므로 회전자측으로 회생되는 에너지를 이용하지 못한다는 점에서 에너지 이용률이 낮은 단점이 있다. 다만, 구조가 간단하여 가격이 저렴하다는 특징이 있다.
도 2는 전동기 구동 방식에서 회생형 인버터로 사용되는 토폴로지(topology)와 동일하며, 3-leg IGBT를 DC_link 양단에 적용함으로써 에너지 흐름이 양방향으로 제어할 수 있도록 한 권선형 유도 발전기 제어장치용 특허(US005798631A, WO 2004/098261 A2)이다. 계통 전압 동기화와 역률 제어를 위해 추가적인 스위칭 소자나 커패시터를 사용하지 않는 특징이 있으면서 풍속에 관계없이 완벽하게 역률 1 제어를 보장하는 방식이다. 다만, 전압 왜형율이 높은 단점이 있으며, 계통 전압 동기화 방식에서 아직 완벽하지 않은 점이 있으며, 계통이 정전되거나 순간 정전되는 조건에서 전력 계통의 품질 유지와 안전 확보를 높은 수준으로 운전할 수 있도록 강화된 새로운 기술을 요구받고 있는 상태이다.
도 2는 도 1에서 갖는 기술적인 결함을 개선한 내용을 모두 특징으로 갖는데 속도와 부하 크기에 관계없이 권선형 유도 발전기의 고정자 측으로 회생되는 전력과 역률을 제어할 수 있고, 권선형 유도 발전기의 회전자 측으로 회생되는 20% 규모의 에너지 모두를 계통으로 회생할 수 있는 장점을 가지는 방식 (US005798631A, WO 2004/098261 A2)이다. 다만, 3-leg IGBT 모듈을 기본으로 하는 변환기이므로 저전압 사양을 갖는 발전기 제어에 주로 사용되는 토폴로지이며, 출력 전압의 선간전압 준위가 2종류만 있는 2-레벨 변환기에 해당되어 정격 속도에서 멀리 떨어진 저속 영역에서는 전압 왜형율이 10%를 넘을 만큼 왜형율이 매우 높다는 구조적인 단점이 있다. 이렇게 전압 왜형율이 나쁜 특성은 전압 사양이 높은 고압 권선형유도발전기를 구동하게 될 때 더 나쁜 점으로 동작하는데, 고압 발전기를 구동하기 위해서는 전압이 높아지므로 DC_link 전압도 더 높아질 수밖에 없고 변압 변동 폭(dv/dt)은 DC_link 전압의 2배까지 변동되므로 저압일 때 보다 훨씬 더 변동폭이 커진다는 것을 알 수 있고, 변동폭이 큰 신호로 발전기를 제어하게 되면 발전기를 파손시키는 절연파괴의 원인으로 동작된다는 단점이 있으며, 변환기에서 발전기로 제어 신호를 구동할 때 언제나 반사파 신호가 발생될 수 있는데 전압 왜형율이 높은 경우는 중첩된 결과가 입력으로 다시 돌아올 수 있어서 변환기와 발전기 사이의 이격 거리에 제한을 주는 요인이 되며 보통 20[m]를 넘지 못하는 단점이 있다.
도 3은 전동기 구동을 위해서 개발된 H-브리지 멀티레벨 토폴로지 (US005625545A, US006014323A, US006236580B1)이다. 2-leg IGBT로 구성된 단상 변환기 여러 개를 직렬로 쌓아서 멀티 레벨(multi-level) 준위를 갖는 전압파형을 생성할 수 있어서 도 2에서 갖는 높은 전압 왜형율을 획기적으로 줄일 수 있는 특징이 있다. 다만, 각각의 단상 변환기에서 사용되는 직류전압은 서로 독립이 되도록 만들어야 하므로 입력단에 다단 변압기가 추가적으로 요구되는 단점이 있다. 그리고 아직까지는 분산형 전원 발전설비에 사용할 수 있도록 권선형 유도 발전기를 제어하는 용도로는 발표된 바 없다.
도 3은 멀티 레벨 전압 파형을 생성할 수 있으며 고전압 사양을 갖도록 출력전압을 생성할 수 있도록 개발된 H-브리지 멀티 레벨 변환기를 보여주는 것으로 유도전동기 제어와 같이 전동기를 제어할 수 있도록 발표된 특허 (US005625545A, US006014323A, US006236580B1) 이다. 전동기가 회전되고 있는 주파수와 동일한 주파수로 회전하는 좌표변환 방식을 적용하여 각종 신호를 d-q 회전좌표계로 변환한 다음, 각종 제어전략을 포함시켜 다시 회전 주파수와 동일한 주파수로 환원하는 방 법을 사용하는데, 권선형유도발전기를 제어하기 위해서 이와 같은 방법을 사용하면 고정자 권선으로 유기되는 전압 주파수가 계통 주파수와 같지 않은 0[Hz]가 발생되므로 계통 연계를 할 수 없으며 분산형 전원 발전설비에서 전원(電源)을 생산하지 못하는 권선형유도발전기로 전락하게 된다. 따라서 권선형유도발전기를 제어할 수 있도록 제어알고리즘을 개발하여야 하는데 H-브리지 멀티레벨 변환기 방식에서는 아직 발표된 바 없으며, 더욱이 계통연계형 발전기를 제어하는 경우에서 특별히 요구되는 fault ride-through 기능, 고립 운전 회피 기능, 그리고 grid 전압 동기화 기능 등을 갖도록 개발된 제어 알고리즘은 아직 없다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 멀티레벨 변환기 토폴로지(topology)를 갖는 새로운 권선형유도발전기 제어방식을 제시하여, 고압 사양을 갖는 권선형유도발전기를 제어할 수 있도록 하며, 분산형 전원 발전설비에서 요구되는 fault ride-through 기능과 고립 운전 회피 기능, 그리고 grid voltage synchronization 기능을 수행할 수 있는 계통 연계형 권선형 유도 발전기 제어장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 3-leg IGBT 모듈을 Back-to-Back으로 사용하면서, 저전압 사양을 갖는 권선형유도발전기 제어에 주로 사용되는 종래 방식에서 갖는 문제점인 전압 왜형율이 매우 높은점, 전압 변동폭(dv/dt)이 큰 점, 반사파 문제로 발전기와 제어장치 설치 거리가 짧은 점 등을 개선하면서 권선형유도발전기를 제어할 수 있는 계통 연계형 권선형 유도 발전기 제어장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 고정자 권선이 개폐용 스위치를 통해 3상 계통권선과 연결되며 회전자 권선을 제어 용도로 사용하는 권선형 유도 발전기를 제어하기 위한 제어 장치로서, 각 상마다 2-leg IGBT로 구성된 단상변환기를 직렬로 쌓아서 만든 장치 구조를 갖고 멀티레벨 3상 전압 파형을 발생하고, 권선형 유도 발전기의 회전자 권선에서 슬립 전력만 부담하도록 회전자 전류를 제어하는 H-브리지 멀티레벨 변환기; 및 상기 H-브리지 멀티레벨 변환기에서 요구하는 직류 전압원을 생성하는 승압용 인덕터와 3-leg IGBT로 구성되는 승압 변환기를 포함하는 계통 연계형 권선형 유도 발전기 제어장치.
바람직하게는, 상기 H-브리지 멀티레벨 변환기는 상기 고정자 권선의 역률 제어 기능 및 분산형 전원을 공급하기 위하여 고정자 권선으로부터 생성된 전압 벡터와 계통 전압 벡터를 동기화하는 기능을 수행하고, 상기 승압 변환기는 상기 고정자 권선의 역률을 제어하는 기능, 계통 전압이 불안정하게 되었을 때 무효 전력을 공급하도록 제어하는 폴트 라이드-쓰루 기능, 및 고립 운전을 용이하게 방지하도록 백색 잡음을 주입하는 고립 운전 회피 기능을 수행한다.
본 발명은 고전압 사양을 갖는 권선형유도발전기 (또는 권선형유도전동기)를 제어하는 제어방법과 관련 것으로, 종전에는 2-레벨 인버터를 Back-to-Back 으로 구성하여 권선형유도발전기를 제어하는 방식(US005798631A, WO 2004/098261 A2)이 있다.
3-leg IGBT를 Back-to-Back 으로 구성하여 2-레벨 전압 출력을 갖는 신호로 권선형 유도 발전기를 제어하는 방식은 양방향에 대한 에너지를 수수할 수 있는 좋은 구조를 갖추고 있어서 저압 사양과 고압 사양에 대해 모두 대응 능력을 갖추고 있다. 다만, 2 레벨 형태를 갖는 전압 파형을 생성하여 구동하는 방식이기 때문에 구동되는 전압 왜형율이 좋지 않은 문제점이 있어서 단위 주기에서 변동되는 전압 변동폭 (dv/dt)이 클 수밖에 없으며 종종 발전기의 절연 파괴를 초래하는 원인이 되고 있다. 따라서 고전압 사양을 갖는 경우는 이러한 점을 특히 고려하여 절연 내력을 높일 수 있도록 발전기를 제작해야만 하는 단점을 갖고 있다.
그리고 계통 연계형인 권선형 유도 발전기 제어장치에 대한 현행 기술 기준에는, 계통전압이 50% 이하로 떨어지면 0.16초 이내에 분산형 전원 발전설비를 전력계통으로부터 분리해야 하며, 50%∼80% 사이로 떨어지면 2초 이내에 분리해야 하며, 110%∼120% 사이로 증가되면 또한 2초 이내에 분리시키도록 되어있다. 그리고 일단 운전을 정지하게 되면 전력계통이 정상으로 복구되어도 5분간 휴지기를 갖은 다음에 비로소 분산형 전원을 다시 계통에 연결할 수 있도록 되어 있다.
따라서 계통 전압이 일정한 범주로 떨어지거나 상승하게 되는 이상(異狀) 조건이 발생하게 되면 회복 여부와 관계없이 무조건 분산형 전원 발전설비를 정지시키도록 되어 있고, 정지한 다음에는 5분 이내에는 재 동작을 할 수 없도록 되어 있기 때문에 사소한 순간정전에 대해서도 분산형 전원 발전설비에서 담당하고 있던 용량만큼이 계통에서 흔들리게 되므로, 대용량 전원을 생산하는 풍력발전 단지에서는 순간정전 구간에서 전체 계통의 안정도를 악화시킬 수 있는 방향으로 운전된다는 것을 알 수 있다.
이러한 문제점을 해소하기 위하여 분산전원 기술이 가장 앞서 있는 유럽에서는 150ms 동안 정전 되었다가 전압이 회복되는 것과 같은 순간정전에 대해서는 분산형 전원 발전설비가 정지해서는 안 되며, 오히려 계통전압이 빨리 회복될 수 있도록 정지하지 말고 무효전력을 적극적으로 지원(“Grid Code"/EON Netz GmbH standard, 2003)하도록 하는 방향으로 의무화가 추진되고 있으며 전력망을 보유하고 있는 전력회사에서 요구 사항과도 일치하는 것으로 파악되고 있다.
그리고 정전 모드에서는 분산형 전원 발전설비가 고립되어 운전되는 것을 방지하기 위하여 고립운전 회피 기능을 갖고 있는 VCB 차단기를 설치하도록 함으로써 단위 시간당 변동되는 주파수 변동 폭 (df/dt)이 제한 범위를 넘는지 검지한 다음 제한 범위를 넘게 되면 분산형 전원 발전설비를 정지시키도록 운영하고 있다. 그렇지만 분산형 전원 발전설비와 부하가 평형을 이루고 있거나 평형 근방에 운전되고 있는 경우는 단위 시간당 주파수 변동 폭 (df/dt)이 변동되지 않거나 매우 느리게 변동되기 때문에 관련 규정에서 요구하고 있는 14 cycle 이내에 감지를 할 수 없는 경우가 발생될 수 있다. 따라서 df/dt 현상을 단순히 감시하는 장치를 사용하여 고립운전 모드를 회피하고자 하는 것은 잠재적으로 불감지 영역(Nondetection zone, NDZ)이 있는 것을 묵인하는 것이기 때문에 정전 구간에서 운전사고 위험을 0%로 만들기 위한 보다 개선된 방법이 요구되고 있다.
또한, 멀티레벨 변환기 구조를 갖는 전력제어장치를 이용하여 권선형 유도발전기를 제어할 경우, 고정자 권선과 계통 전압 권선을 서로 연결시키는 시점에서 전압 위상과 전압 크기가 같지 않게 되면 돌입전류가 크게 발생하기 때문에 발전기 제어장치를 파손시킬 수 있으며 계통에 연결된 수용가에도 피해를 줄 수 있기 때문에 돌입전류를 방지하기 위한 동기화 방법이 반드시 필요하다.
따라서 본 발명에서는 2-레벨 변환기를 Back-to-Back으로 갖는 방식에서 갖는 특성과 동일하게 양방향으로 전류를 수수할 수 있으며 슬립제어를 통한 권선형 유도 발전기의 유효전력과 무효전력을 제어할 수 있는 특징을 H-브리지 멀티레벨 토폴로지에 적용하는 방법을 통해 1) H-브리지 멀티레벨 변환기에서 양방향으로 슬립전력을 제어할 수 있도록 하였으며, 2) 회전자 권선에서 슬립전력을 부담하도록 d, q 전류를 제어함으로써 권선형 유도 발전기 고정자 권선을 통해 발전되는 유효 전력과 무효 전력 크기를 제어할 수 있게 하였으며, 3) 순시 정전 모드에서 무효전력 성분을 공급하도록 하여 계통 전압이 회복되는 것을 지원할 수 있게 하였으며, 4)계통이 정전된 모드에서 고립 운전을 조속히 회피할 수 있도록 백색잡음 신호인 d-축 전류를 주입하는 기능을 갖도록 하였으며 5) 고정자 권선을 계통에 연결할 때 돌입전류가 발생하는 것을 방지할 수 있도록 동기화 기능을 갖도록 제시하였다.
그리고 H-브리지 멀티레벨 변환기가 고유하게 갖고 있는 6) 전압 왜형율 문제를 극복함으로써 발전기의 절연 파괴 문제를 줄일 수 있고 정격 속도 이하에서 전류에 대한 고조파 함유율 기준치인 5% 이하 규정을 만족하지 못하는 문제점을 해결할 수 있으며, 7) H-브리지 멀티레벨 변환기와 권선형유도발전기 사이의 설치 거리를 1km 정도까지 확장할 수 있는 특징을 갖는 특징이 있다.
권선형 유도 발전기 용량이 2MW 이하일 때는 전압 사양이 600V 이하가 되는 저전압 사양을 갖도록 설계하지만, 3MW 이상부터는 600V 이상(보통1,000V)으로 설 계되므로 고전압 사양을 갖는 권선형 유도 발전기 제어기법이 필요하게 되었고, 이를 해결하기 위하여 양방향 제어가 가능한 H-브리지 멀티레벨 변환기를 가지고 권선형 유도 발전기를 제어할 수 있도록 제어장치를 제시하였으며, 권선형 유도 발전기의 고정자 권선을 통해 이동되는 유효전력과 무효전력 크기를 제어할 수 있도록 제어 권선인 회전자 권선에 연결되어 슬립전력을 제어할 수 있도록 제어알고리즘 기본형이 구성되었으며, 계통연계형 용도에 맞도록 전압 강하와 정전 정도에 따라 협조 운전 기능을 함께 가질 수 있도록 새로운 개념의 권선형 유도 발전기 제어 알고리즘을 포함하고 있다. 이를 자세히 설명하면 다음과 같다.
전동기(電動機) 구동 방식에서 사용되는 H-브리지 멀티레벨 변환기는 전동기와 직렬로 연결되는 구조를 가지며 고정자 권선에 연결되어 사용되기 때문에 H-브리지 멀티레벨 변환기 용량은 전동기 용량과 동일한 1 p.u. 용량이 필요한 반면에, 본 발명에서 제시한 권선형 유도 발전기 제어용 H-브리지 멀티레벨 변환기는 회전자 권선에 연결되며 발전기 용량의 0.3 p.u. 내외의 슬립 용량만을 가지는 점에서 차이가 있으며, 고정자 권선은 변환장치 없이 계통에 바로 연결되는 구조적인 차이를 가진다. 그리고 전동기 제어 방식에서는 회전 속도에 상당하는 주파수로 좌표변환을 수행하며 전동기에서 요구하는 100% 에너지를 공급하는 방식을 사용하지만, 권선형 유도 발전기 제어에서는 발전기 회전 주파수와 계통 주파수 사이에서 발생되는 오차 주파수, 즉 슬립 주파수로부터 계산되는 위상각을 이용하여 좌표변환을 수행하는 것이 큰 차이점이며 30% 정도의 슬립전력을 제어하는 수단을 통해 70% 이상 회생되는 고정자 측의 유효 전력을 전력 변환 장치 없이 통제할 수 있다는 점에 서 서로 다른 차이점을 갖는다. 그렇지만 H-브리지 멀티레벨 변환기가 갖는 고유의 특징인 멀티레벨 전압 파형을 생성하는 토폴로지와 PWM 방법은 전동기 제어 방식에서 발표된 방식을 동일하게 사용한다는 점에서 기존 기술을 이용하는 부분이 있다.
H-브리지 멀티레벨 변환기는 잘 알려져 있는 바와 같이, 저전압의 직류 전압원를 공급해 주면 스위칭 상태에 따라 +VDC, -VDC, 0 전압을 출력할 수 있도록 IGBT 소자 4개로 구성되는 2-leg IGBT가 단위 모듈을 형성하며, 전압 왜형율 목표치를 만족할 수 있도록 사전에 계산되는 멀티레벨 숫자에 따라 R, S, T 각 상당 사용할 단위 모듈 개수를 결정함으로써 H-브리지 멀티레벨 변환기에 대한 IGBT 구성도가 완성된다.
도 4는 권선형 유도 발전기의 종류를 보이는 것으로, 제어용 권선을 고정자측에 하나 더 갖는 구조가 있고 회전자 측에 갖는 경우가 있는데, 본 발명은 회전자 권선을 제어용 권선으로 사용하는 발전기에 대한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 계통 연계형 고압 권선형 유도 발전기 제어장치로서, H-브리지 멀티레벨 변환기를 이용하여 DFIG의 슬립전력을 제어할 수 있도록 한 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 계통 연계형 고압 권선형 유도 발전기 제어장치는 고정자 권선이 개폐용 스위치를 통해 3상 계통권선과 연결되며 제어용 회전자 권선을 갖는 권선형 유도 발전기(DFIG)를 제어한다. 본 발명의 실시예에 따른 계통 연계형 고압 권선형 유도 발전기 제어장치는 H-브리지 멀티레벨 변환기(510) 및 승압 변환기(520)를 포함하고, 저전압 변환기에서 보여주는 양방향의 AC-DC-AC 변환 구조와 유사하게 나타내면 도 5과 같이 표현된다. 입력단에는 2-leg IGBT 모듈에 직류 전압원을 만들어 주기 위한 승압 변환기(양방향 AC-DC )가 있으며, 회전자 권선 측에는 멀티레벨 신호를 만들어 주기 위한 H-브리지 변환기(양방향 DC-AC )로 구성된 형태를 갖는다는 것을 보여주는 것이다.
H-브리지 멀티레벨 변환기(510)는 각 상마다 2-leg IGBT로 구성된 단상변환기를 직렬로 쌓아서 완성된 멀티레벨 토폴로지를 구성하여 3상 전압 파형을 발생하고, 권선형 유도 발전기의 회전자 권선에서 슬립 전력만 부담하도록 회전자 전류를 제어한다. 상기 H-브리지 멀티레벨 변환기(510)는 상기 고정자 권선의 역률 제어 기능 및 분산형 전원을 공급하기 위하여 고정자 권선으로부터 생성된 전압 벡터와 계통 전압 벡터를 동기화하는 기능을 수행한다.
H-브리지 멀티레벨 변환기(510)는 권선형 유도 발전기를 제어할 수 있도록 계통 권선과 권선형 유도 발전기의 회전자 권선 사이에 연결되는 특징을 가지며, 슬립전력을 양방향으로 제어할 수 있으며, 계통 전압이 순간정전된 조건에서는 계통 전압을 조속히 복원시킬 수 있도록 무효전력을 공급하는 특징이 있으며, 계통 전압이 정전된 조건에서는 고립되어 운전되지 않도록 주파수 변동이 크게 나타날 수 있도록 백색잡음인 d-축 전류를 발생시켜주는 특징이 있으며, 고정자 권선을 계통에 연결할 수 있도록 동기화 기능을 가지는 특징이 있다.
권선형 유도 발전기 제어장치로 사용되는 H-브리지 멀티레벨 변환기(510)에 대한 IGBT 구성도가 어떻게 되는지 예를 들어 설명해 보면, 권선형 유도 발전기의 고정자 권선에 대한 전압 사양이 6,600V를 갖는 경우 회전자 권선에서 제어하는 전압 범위는 슬립율을 30% 고려하는 경우 0～1,980 V 전압을 제어해야 한다. 따라서 H-브리지 변환기의 직류 전압원 크기를 660 VDC설계하는 경우는 단위 모듈을 3개만 직렬로 연결하면 한 상에 대한 전압 사양을 만족시켜 줄 수 있도록 구성할 수 있다. 그리고 회전자 권선 전압 사양이 1000 V인 경우는 직류 전압원 크기를 311VDC로 갖도록 한 다음 단위 모듈을 2개 직렬 연결하면 한 상에 대한 전압 사양을 만족시켜 줄 수 있도록 구성할 수 있다. 직류 전압원 크기와 단위모듈 수는 전압 왜형율 사양과 공급 받을 수 있는 전원 사양을 고려하여 선정되며 일원화된 규칙은 없다. 발전기를 제어하는 상수가 3상이므로 나머지 2상에 대해서도 갖는 사양이 되도록 구성하면 H-브리지 변환기를 갖는 권선형 유도 발전기 제어장치 구성도를 도 7과 같이 얻을 수 있다.
도 7은 도 5에 도시된 H-브리지 멀티 레벨 컨버터의 일예를 나타낸 회로도이다. 직류 전압원은 3상 계통 전압을 받아 양 방향으로 AC-DC 변환을 수행할 수 있으며, 직류 전압원 크기 변동에 유연적으로 대응할 수 있도록 도 8에 나타낸 승압 변환기를 사용하였다. 다만 주의를 할 점은 2-leg IGBT 모듈 각각에서 사용하는 직류전압원이 서로 독립(Isolation)이 될 수 있도록 제작되어야 한다는 점이다.
도 8은 도 5에 도시된 승압 변환기의 일예를 나타낸 회로도이다. 승압 변환기(520)는 상기 H-브리지 멀티레벨 변환기(510)에서 요구하는 직류 전압원을 생성하는 승압용 인덕터와 3-leg IGBT로 구성된다. 상기 승압 변환기(520)는 상기 고정 자 권선의 역률을 제어하는 기능, 계통 전압이 불안정하게 되었을 때 무효 전력을 공급하도록 제어하는 폴트 라이드-쓰루 기능, 및 고립 운전을 용이하게 방지하도록 백색 잡음을 주입하는 고립 운전 회피 기능을 수행한다.
구조적인 특징 이외에, 알고리즘 부분에 대한 것으로 권선형 유도 발전기의 회전자 권선에서 사용하는 주파수는 고정자 권선을 통해 생성되는 전압 주파수가 계통주파수와 같도록 하는 제어 전략을 만족할 수 있도록, 발전기 회전 주파수에서 계통주파수를 뺀 것으로부터 계산되는 슬립 주파수를 사용하는 특징이 있다. 그리고 권선형 유도 발전기의 회전자 권선에서 사용하는 전력크기는 고정자 권선을 통해 흐르는 유효 전력이 목표치를 수렴하도록 하는 제어 전략으로부터 얻어지는 슬립전력을 사용하는 특징이 있다. 구체적으로, 고정자 권선을 통해 생성시키고자 하는 유효 전력 크기를 Ps라고 할 때, Ps 만큼 고정자 권선을 통해 발생되도록 회전자 권선에서는 슬립 s를 곱하여 계산되는 s×Ps 전력만을 공급할 수 있도록 한 전류 제어를 수행함으로써 제어 목적을 달성한다. 따라서 고정자로 발생되는 유효 전력의 크기와 주파수를 회전자 측에서 임의로 제어할 수 있게 됨으로써 권선형 유도 발전기를 제어할 수 있는 특징이 있다.
계통 연계형인 분산형 전원 발전 설비에 적용된 권선형 유도 발전기를 제어하는 것이 목적이기 때문에 비정상적인 전압 상황에서 여러 문제를 해결해 줄 수 있는 제어 방법 (fault ride-through, power factor control, 고립 운전 회피 기법)이 함께 포함되어 제어된다는 점에서 또 다른 차별성이 있다.
마지막으로 고정자 권선을 계통에 연결할 때 발생될 수 있는 돌입전류를 방지할 수 있는 동기화 기법을 멀티레벨 변환기에서 갖도록 제시한 특징이 있다.
권선형 유도 발전기를 제어하기 위한 용도로 승압 변환기를 구동하기 위한 알고리즘을 나타내는 블록도가 도 9에 도시되어 있다. 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 승압 변환기 제어 알고리즘을 나타낸다. 직류 전압원을 만들기 위한 것으로 N 개의 승압 변환기(520) 각각에 대해 동일하게 적용되는 알고리즘이다. 도 8에 도시된 승압 변환기를 사용하기 때문에 다이오드 정류기를 사용하여 전압원을 만드는 방법과 비교할 때, DC_link 전압 사양이 변경되어도 입력단 변압기나 전원 전압을 변경하지 않고 용이하게 전압원을 만들어 줄 수 있는 장점이 있다. 그리고 fault ride-through 제어기와 고립 운전 회피 제어기를 구비하고 있어서 계통 전압이 불안정하게 되었을 때, 무효 전력을 공급하도록 제어하며, 고립 운전을 쉽게 회피할 수 있도록 백색 잡음(white noise)을 주입하도록 되어 있다.
H-브리지 멀티레벨 변환기(510)에서 요구하는 독립적인 N 개의 직류 전압원을 일정하게 제어하는 목적과 역률 제어를 통한 fault ride-through 제어, 그리고 고립 운전 회피 촉진을 위한 백색 잡음 특성을 갖는 d-축 전류 주입 제어로 구분된다.
승압 변환기 제어 알고리즘 블록도에서 사용되는 좌표변환은 기존 저압 제어 방법과 동일하다. 3상 계통 전압을 받아 d-q 좌표계로 변환할 때 d축 전압 성분이 0이 될 때까지 좌표변환용 각도(θs)를 찾는 PLL 방법을 사용하여 계산할 수 있으 며, 이 값을 이용하여 좌표 변환이 가능하도록 준비한다. 3상 정지 좌표계 파라미터를 2상 정지좌표계로 변환하거나 (3φ → 2φ), 2상 정지좌표계 파라미터를 d-q 회전좌표계로 변환하는 방법(2φ → 2φ), 그리고 여러 종류의 PWM 방법을 사용함으로써 기준 전류를 추종하도록 계통과 직류링크 단자 사이에 흐르는 전류 크기를 제어할 수 있다.
하지만, 멀티레벨 변환기에서 요구되는 직류 전압원은 2-leg 수와 동일한 N 개가 필요하므로, 독립적인 N개의 직류전압을 확보하기 위하여 승압 변환기의 출력전압(VDC /1,...,N)을 각각 측정한 다음 미리 설정된 기준값과 비교하여 오차 전압을 계산하고, 오차 크기에 따라 조절해 주어야할 잠정적인 q축 전류 기준치 전류(Is e*)을 결정하도록 하는데 차이가 있다.
Fault ride-through 제어기 블록은 종전의 저압 방법에서 언제나 역률을 1로 제어하는 개념을 사용하는 것과 구분되는 것으로, 수학식 1을 이용하여 계통 전압 크기에 따라 역률 기준치를 0과 1 사이에서 설정되도록 설계하였다. 수학식 1에서 역률 기준치를 강하시키는 기울기에 대한 기준치(slop*)은 사전에 정의된 값이다. 출력전압을 일정하게 제어하도록 하는 제어기 출력으로 얻어지는 전류값(Is e *)과 역률 기준치를 곱함으로써 승압 변환기에서 요구되는 q축 전류 기준치를 수학식 2와 같이 결정하였다. 그리고 역률 기준치와 q축 전류 기준치로부터 순간 정전 모드에 서 무효 전력을 공급하는데 요구되는 d축 전류 기준치(ie frt)는 수학식 3으로 결정하였다. 그리고 도 12에서 보여주는 예제패턴과 같이 무효 전류 공급 크기를 조절할 수 있도록 조절 상수(Kfrt)를 추가하였으며 역률 기준치가 0으로 떨어지는 영역에서 수학적인 불능 값을 갖게 되므로 최대 상한치를 넘지 못하도록 수학식 4로 제한하는 블록을 갖도록 하였다.
도 10은 운전을 정지하지 않고 극복해야 하는 계통전압의 순시 정전에 대한 규정 (EON Netz Standard)의 일예이다. 그리고 도 11은 계통 전압 이상 조건에서 분산형 전원 발전 설비를 계통으로부터 곧 바로 분리하는 것이 아니고, 전압 강하 크기에 따라 의무적으로 유지해야 시간을 규정한 예제를 나타낸 것이다. 분리 조건에 해당되지 않는 영역에서(Hatching line)는 무효 전력을 공급해야 하는 의무를 표시한 것이다. 이러한 규정은 아직 국내에 도입되지 않은 규정이지만 유럽에서는 의무 기준으로 채택하기 위하여 발전 회사에서 요구하고 있는 기준이므로 분산형 전원 발전설비에서 구비해야 하는 중요한 기능으로 판단하고 있다.
도 12는 전압 강하 크기에 따라 계통 전압을 유지시킬 수 있도록 협조 운전하기 위하여, 분산형 전원 발전 설비에서 공급해야 하는 무효 전류 제어에 대한 패턴의 일예를 나타낸다. 본 발명에서는 fault ride-through 블록에서 이 기능을 수행한다.
Figure 112007041813491-PAT00001
Figure 112007041813491-PAT00002
ie * q = × ie * s
Figure 112007041813491-PAT00003
만일 ie frt > ie * 8 이면 ie frt = ie * s
도 11에 의해 정의되는 순간 정전은 정지하지 않고 극복하기 위한 fault ride-through 제어기에 대한 수학식 1 내지 수학식 4를 블록도로 나타내면 도 13과 같다. 도 13은 승압 변환기 제어 알고리즘에 나타나는 fault ride-through 블록에 대한 상세 도면을 나타낸다. 전압 강하에 따라 역률 기준치를 낮추도록 설정한 다음, 설정된 역률 값에 따라 유효 전력 성분의 전류와 무효 전력 성분의 전류로 분배하는 내용을 나타내고 있다.
계통 전압이 강하된 크기(△e)에 따라 역률 기준치가 작아지도록 수학식 1로 결정하고, 역률 기준치에 따라 무효 전력을 공급할 수 있도록 수학식 3과 같이 무효 전류 성분을 결정해 주면 순간 정전인 경우는 1.5 초 이내에 계통 전압이 회복 될 수 있게 지원할 수 있다. 협조 운전을 수행할 때 계통 전원이 정해진 궤도(도 11) 이상으로 회복되지 않거나, 주파수 변동(df/dt)이 허용 범위를 벗어나면 운전사고를 방지하도록 분산형 전원 발전 설비를 정지시킨다.
정전이 발생되면 무효전력을 공급할 수 있도록 fault ride-through 블록이 작동되지만, 분산형 전원 발전설비에서 생성하는 전력과 부하에서 사용하는 소모 전력이 평형을 이루고 있는 상태이거나 평형 근방에서 운전되고 있는 조건이라면 계통 전압이 정전되었어도 전압 크기가 허용 범위 내에서 유지될 수 있고 주파수 변동(df/dt)도 허용 범위에서 느린 속도로 떨어질 수 있기 때문에 fault ride-through 블록이 동작되지 않으므로, 정전 구간에서 계통 주파수를 빨리 변동되도록 촉진시켜 줄 방법이 별도로 필요하게 되었다. 이러한 역할을 담당하는 것이 고립 운전 회피를 위한 무효전류 주입 블록도이다.
고립 운전 회피를 위한 무효전류 주입에 대한 방법은 설명하면, 무효전력 성분과 관련 있는 d축 전류에 평균이 '0'인 백색 잡음(white noise)을 전 시간대에 포함시켜주고자 하는 것이 기본 개념으로, -π에서 +π 사이를 변동하는 전압 위상각(θs)의 부호(sign)를 이용하여 +신호와 -신호를 교번하도록 잡음부호를 결정하고, 수식(5)에 나타낸 것과 같이 q축 정격 전류(iq _ rated)에 조절 상수(kanti)를 곱하여 잡음 크기를 결정하도록 하였다. 그리고 주파수 변동폭(△f)이 일정 기준치 이상(△fUpper_Limit)이면 고립 모드에 들어있을 가능성이 높은 것으로 판단하고 신호 크기를 증분(△kanti) 만큼 더 증가되도록 수학식 6을 이용하여 무효전력 성분인 d-축 전류 성분을 더 크게 공급되도록 설계하였다. 주파수 변동폭(△f)이 일정 기준치 이하(△fLower _ Limit)이면 초기에 설정된 d-축 전류만큼으로 환원되도록 조절 상수(kanti)를 재조정하였다. 이를 블록도로 나타내면 도 14와 같다. 도 14는 승압 변환기 제어 알고리즘에 나타나는 고립 운전 회피 블록도에 대한 도면으로, 주파수 변동 현상이 감지되면 무효 전력 성분의 전류를 더 크게 공급함으로써, 계통 전압이 정전된 조건에서는 주파수 변동이 더 크게 변동되도록 하여 14 주기(cycle) 이내에서 분산형 전원 발전 설비를 분리할 수 있도록 지원하는 역할을 한다. 만약 계통 전압이 정전되지 않은 조건에서는 일시적으로 무효전력이 더 크게 공급되어도 주파수 변동이 더 크게 변동되지 않고 정상 범위로 회복될 것이므로 비정상적인 정지와 같은 동작은 발생되지 않는다.
ie anti = sign (θs)×Kanti×iq _ rated
kanti = Kanti + △Kanti
권선형 유도 발전기의 회전자 권선에 연결되어 있는 H-브리지 변환기는, 고정자 권선을 통해서 계통으로 회생되는 전압 주파수가 발전기가 회전되는 주파수와 관계없이 항시 전원 주파수(60Hz)가 되도록 제어해 주어야 계통과 연계를 시킬 수 있는 기본 준비가 된다. 이렇게 하기 위해 발전기가 회전하고 있는 주파수를 측정 한 다음 전원 주파수 만큼 뺀 주파수 즉 슬립주파수 속도로 회전하는 회전자 자속을 만들어 주기 위해 좌표 변환 블록에서 슬립각(θslip)을 사용하도록 하였다.
그리고 H-브리지 변환기는 발전기 회전 속도와 관계없이 고정자 권선을 통해서 계통으로 회생되는 전력(유효 전력, 무효 전력) 크기가 항시 일정하도록 발전기를 제어할 수 있어야 한다. 이 제어목적을 달성하기 위하여, 고정자 권선을 통해 회생되는 고정자측 유효 전력(ps)은 회전자 측 q축 전류에 의해서 독립적으로 제어될 수 있다는 관계성을 이용하여 q-축 전류 제어기를 설계하였다.
또한, 고정자 권선을 통해 회생되는 무효전력(Qs)은 회전자 측 d축 전류에 의해서 독립적으로 제어될 수 있다는 관계성을 이용하여 d축 전류 제어기를 설계하였다. 권선형 유도 발전기 제어용 계통 연계형 H-브리지 변환기 제어 알고리즘 블록도가 도 15에 도시되어 있다. 도 15는 본 발명에서 제시한 DFIG 제어용 계통 연계형 H-브리지 변환기 제어 알고리즘을 나타낸 것이다. 유효 전력과 무효 전력을 제어하는 경우에 대해 설명한 것으로, 좌변 변환 과정에서 필요한 슬립각(θslip)과 d-축 전류 제어기에 차별성이 있다. 구조적으로는 2-레벨 전압 변환기에서 사용하던 제어기 구조에 역률 제어와 계통 전압 동기화 블록이 새로 추가된 형태를 갖고 있다.
권선형 유도 발전기의 회전자 권선에 연결되어 있는 H-브리지 변환기에서 본 발명에서 제시하는 특징은 역률 제어기와 계통 동기화 블록에 대한 것이다.
블레이드를 통해 에너지를 최대로 회수하기 위해서는 블레이드 끝단에서의 선속도와 각속도의 비율인 끝단 속도율 λ(tip speed ratio)와 블레이드의 에너지 변환 효율 Cp와의 관계 특성에서, 에너지변환 효율이 최대가 되도록 속도 (혹은 유효 전력, 토크)를 조절하면 된다. 종전의 최대 전력점 추종 방법(MPPT 방법)으로부터 결정된 유효전력기준치를 본 특허에서는 피상전력 파라미터(S*)이라고 다르게 놓은 다음, 계통 전압이 안정된 범위에 있으면 역률 기준치가 1이 되도록 하여 유효전력 기준치로 모두 전환되도록 하였고, 만약 계통 전압이 떨어지면 수학식 1을 이용하여 계통 전압이 떨어진 정도에 따라 역률 기준치를 작게 설정되도록 하여 유효전력으로 전환되는 비율이 작아지도록 수학식 7을 이용하여 결정한 다음 나머지는 계통 전압을 회복시킬 수 있도록 수학식 8을 이용하여 무효 전력 기준치로 분배되도록 결정하였다. 무효 전력 기준치가 가질 수 있는 최대 크기를 제한하도록 수학식 9를 이용하였고 수학적인 불안정성을 피하기 위해 처리가 포함되었다. 권선형 유도발전기 제어용 계통연계형 H-브리지 변환기 측에 붙는 역률 제어기 블록도가 도 16에 도시되어 있다. 도 16은 DFIG 제어용 계통연계형 H-브리지 변환기 측 역률 제어기에 대한 상세도를 나타낸다. 이미 잘 알려져 있는 MPPT (maximum power point tracking) 제어 알고리즘으로부터 얻어진 전력 기준치를 중간 단계의 전력으로 정의한 다음, 계통 전압 강하에 따라 역률 기준치가 달라지도록 결정한 다음, 유효 전력 기준치와 무효 전력 기준치를 분배하는 방법을 나타낸 것이다.
Figure 112007041813491-PAT00004
Figure 112007041813491-PAT00005
만약 QS * > S*이면 QS * = S*
권선형 유도 발전기를 계통에 연결하여 분산형 전원을 공급하고자 할 때, 전기적으로 먼저 준비해야하는 사항이 발전기 고정자 권선으로 생성된 전압 벡터(크기, 주파수, 위상)와 계통 전압 벡터를 동기화시키는 일이다.
H-브리지 멀티레벨 변환기 제어 알고리즘 내에 동기화 제어 방법을 함께 같도록 설명하면 다음과 같다. 계통 측 전압의 d 축 전압과 q 축 전압 성분을 각각 Vds1, Vqs1으로 표시하였으며 권선형 유도 발전기의 고정자 권선으로 유기된 전압의 d 축 전압과 q 축 전압 성분을 각각 Vds2, Vqs2로 정의할 때, 양단에서의 전압 차이는 수학식 10 및 수학식 11로 계산된다.
△Vds = Vds1 - Vds2
△Vqs = Vqs1 - Vqs2
d축 전압 성분에 대한 오차 △Vds 크기를 입력으로 갖는 PI 제어기를 사용하였으며, PI 제어기 출력을 기존의 슬립각(θslip)을 보정해 줄 수 있는 보정각도 (θoffset)라고 수학식 12과 같이 결정하였다. 그런 다음 보정 각도를 이용하여 좌표 변환에 사용되는 슬립각(θslip)은 다음 수학식 13과 같이 보정하도록 하면 인코더 설치각에 대한 영향을 받지 않고 언제나 계통 주파수와 동일한 고정자 주파수가 같으면서 위상이 동일하도록 생성할 수 있게 된다.
θoffset = PI(△Vds)
θslip = θs - θr + θoffset
그리고 q축 전압 성분에 대한 오차 △Vqs 크기에 따라 기존의 d축 전류값을 보상해 주기 위한 d축 보상 전류(idre _ comp)가 되도록 수학식 14와 같이 제어기를 설계하였다.
idre _ comp = PI(△Vqs)
자동 동기화 방법을 제어 방식에 관계없이 권선형 유도 발전기 제어 알고리즘에 접목시키기 위하여, 아래 수학식 15의 방법을 이용하여 d축 전류 제어기를 설 계하였다.
△idr = ie * dr- ie dr + idre _ comp
이렇게 함으로써 계통 전압과 권선형 유도 발전기의 고정자 전압을 동기화시키기 위해 고정자 권선과 계통 전압 사이에 SCR과 같은 스위치가 필요하지 않으며, 종전의 동기화 방식에서 문제점으로 지적되었던 인코더 실장 각도에 따라 동기화가 되지 않는 문제점, 계통 전압 최대치(E)와 주파수(ωe)에 따라 영향을 받는 문제점, 그리고 발전기 등가정수인 상호 인덕턴스(LO)에 영향을 받는 점 모두에 대해 강인한 수렴 특성을 보장하는 동기화 제어 특성을 얻을 수 있다. 권선형 유도 발전기의 고정자 전압 벡터를 계통 전압 벡터와 동일하도록 만들어 주기 위한 멀티레벨 변환기 제어블록 내 동기화 방법을 도 17에 나타내었다. 여기서 idre _ comp _ ff 항은 수렴 속도를 향상시키기 위한 파라미터이다.
멀티레벨 변환기에서의 PWM 방법과 고조파 함유율
도 17은 전기적인 위상각이 정합되어 있지 않은 상태에서 권선형 유도 발전기의 고정자 권선과 계통 권선을 연결시키게 되면, 스위치를 온(on)하는 시점에서 매우 큰 돌입 전류가 발생하게 된다. 돌입 전류 크기는 위상각이 서로 다른 정도에 따라 발생하므로 위상각을 서로 동기화함으로써 돌입전류를 방지하여 제어 장치와 계통 보호를 위한 것으로, 스위치 양단의 d-축 전압 오차에 따라 슬립각을 보정하 도록 하고, 스위치 양단의 q-축 전압 오차에 따라 d-축 전류제어기 입력단 신호 크기를 보정해 주도록 설계한 권선형 유도 발전기의 고정자 전압 동기화 제어 방법을 나타낸 것이다. 도 18은 H-브리지 멀티레벨 변환기를 제어하기 위해 도 15에 나타낸 알고리즘 블록 내에 나타나는 PWM 구현 방법의 일예를 나타낸 블록도이다. 기존에 발표된 많은 방법을 사용하여 구현할 수 있다. 도 19는 H-브리지 유형의 멀티레벨 변환기 방법을 이용하고 적정한 PWM 방법을 적용하면 멀티레벨 특성을 갖는 출력 전압을 얻을 수 있다는 것을 보여주는 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다. 도 20은 멀티 레벨 변환기 방식을 적용하게 되면 2-레벨 변환기 방식 보다 전압 왜형율을 획기적으로 낮출 수 있다는 것을 보여주는 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다.
H-브리지 멀티레벨 변환기(510)에 대한 PWM 구현은 각 셀(CELL) 별로 제어되기 때문에 한 상에 대한 상 전압 기준치와 각 H-브리지에 할당된 서로 다른 준위를 갖는 캐리어 신호를 서로 비교하는 방법을 통해 온, 오프 신호를 각각 얻을 수 있으며 H-브리지를 6개 갖는 13-레벨 변환기에 대한 PWM 예를 도 18에 나타내었다. 도 19는 상전압 주파수가 60Hz일 때 출력 전압과 전류 파형를 나타낸 것이다. 그리고 도 20은 일반 2-Level 변환기와 H-브리지형 멀티-레벨 방식의 변환기 간의 고조파 함유율을 비교한 것이다. 따라서 멀티레벨 변환기 토폴로지를 적용하면 2-레벨 변환기와 비교할 때 전압 왜형률을 크게 개선할 수 있으며 고전압 출력을 생성할 수 있음을 확인할 수 있다.
동기화 특성
임의의 위치에 설치되었을 때, 동기화 제어 알고리즘에서 계산되는 보상각 (θoffset)의 특성을 살펴보기 위하여 12도 간격으로 30개 구간으로 분류한 후 특성을 조사해 보면 도 21과 같다. 도 21은 인코더 설치 위치각이 360도 범위에서 임의의 위치에 설치되어 있어도, 고정자 권선으로 유기되는 전압이 계통 전압과 동일하도록 동기화 제어기에서 슬립각을 교정해 줄 보정각을 계속해서 찾아주는 역할을 하고 있음을 보여주는 실험 결과이다. 임의의 위치에 있어도 고정자 전압 벡터가 계통 전압 벡터와 동일하도록 보상각(θoffset)이 계산됨을 알 수 있다.
도 22는 인코더 설치 위치가 임의 위치에 설치되어 있을 때, 권선형 유도 발전기의 고정자 전압이 계통 전압과 동기화되어 가는 과정을 보여주는 과도 특성을 보여주는 실험 파형이다. 100ms 이후에는 위상각 오차가 거의 0으로 수렴됨을 보여주고 있어서, 기술기준에서 허용하는 위상각 오차, 10도 보다 매우 우수한 특성이라는 것을 알 수 있다. 즉, 도 22는 임의 위치(θ9)에 인코더가 설치되어 있고, 임의의 피드포워드 값(idre _ comp _ ff = E/ωeLO을 가지고 있을 때 권선형 유도 발전기의 고정자 벡터가 계통 전압 벡터와 동기화되어 가는 특성을 보여주는 실험 파형이다. 120ms 이후에는 전압 크기, 주파수, 위상 모두가 완벽하게 동기화됨을 보여주고 있어서 특성이 매우 좋다는 것을 보여주고 있다.
도 23은 동기화 제어기에서 제어 자유도로 활용할 수 있는 피드포워드 파라미터 idre _ comp _ ff를 잘 조절하면 동기화되는 속도를 조절할 수 있다는 것을 보여주는 실험 파형이다. 초기에는 0부터 시작하여 시작할 수 있고 수렴 속도를 높이고자 하 면 피드포워드 값을 조절하면 된다는 것을 알 수 있다.
도 24는 계통 연계형 고압 권선형 유도발전기 제어장치를 활용하면 대용량 풍력발전 시스템이나 대용량 조류발전 시스템, 대용량 조력발전 시스템, 대용량 파력발전 시스템 등을 상용화할 수 있다는 것을 예시한 도면이다.
본 발명에서 제공하는 계통연계형 고압 권선형 유도 발전기 제어장치를 이용하게 되면, 고압 대용량 권선형 유도 발전기를 갖는 풍력발전 시스템 (혹은 조류발전 시스템, 조력발전 시스템, 파력발전 시스템)을 제어하는 용도로 사용될 수 있다는 것을 도 24에 나타내었다.
권선형유도발전기를 제어하기 위해서는 회전자 권선 측에서 슬립전력 (또는 슬립속도, 슬립토크)을 제어할 수 있어야 하며, 슬립주파수로 회전하는 회전자계를 만들어주어야 하며, 전류를 공급하거나 회수할 수 있도록 양방향 제어가 요구되며, 특히 3MW 이상의 고압대용량인 권선형유도발전기를 제어하기 위해서는 고압 발전기를 구동하기 위한 새로운 제어방식이 요구된다.
본 발명은 H-브리지 멀티레벨 변환기에 대한 기본 개념을 이용하여, 고압대용량인 권선형유도발전기를 제어할 수 있도록 제어장치를 제시한 점에서 하드웨어적인 차별성이 있으며, 계통연계형 분산형 전원 발전설비에서 요구되는 fault ride-through 기능과 anti-islanding 기능, 그리고 계통전압 동기화 기능을 등을 갖도록 제어알고리즘이 개발되었다는 점에서 소프트웨어적인 차별성이 있다. 따라서 발전단가를 낮추기 위해 점점 더 대용량화하는 방향으로 제품 개발이 이루어지 고 있으며, 특히 3MW 이상 되는 권선형유도발전기는 회전자 권선 사양이 600V를 넘는 고전압 사양으로 출시되고 있기 때문에, 본 특허 내용을 적용하게 되면 고압대용량 사양을 갖는 풍력발전이나 조류발전, 조력발전, 파력 발전 시스템을 고품질로 제어할 수 있으며 계통연계 환경에서 안정성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
이와 같은 본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.
1) 분산형 전원 발전설비에 적용되는 고압대용량 권선형유도발전기를 제어할 수 있게 된다.
2) 멀티레벨 토폴로지를 권선형유도발전기 제어에 접목함으로써 출력 전압에 대한 왜형율을 크게 감소시킬 수 있게 되면서 발전기의 절연 파괴 문제를 완화할 수 있고, 정격속도 이하에서 전류에 대한 고조파 함유율이 기준치를 넘어서는 문제점을 해소할 수 있으며, 제어장치와 발전기 사이의 설치 거리에 대한 제약을 받지 않게 된다.
3) 순간정전 조건에서 계통 전압을 조속히 회복시킬 수 있도록 무효전력을 공급할 수 있어서 분산형 전원 발전설비에서 요구받고 있는 전압 강하 크기에 따라 무효전력을 공급해야 하는 유럽 기준(EON Netz Standard)에 대응할 수 있게 된다.
4) 정전 조건에서 분산형 전원 발전설비가 고립 운전을 하지 않고 검출이 쉽게 될 수 있도록 백색잡음(white noise) 형태의 d-축 전류를 전 시간대에 주입해 주는 기능이 있어서 고립운전을 신속하게 탈출할 수 있다.
5) 인코더 위치 이동, 계통전압 변동, 발전기 등가정수 부정확 등에 대한 조건에서 전압벡터를 동기시키지 못했던 종전의 문제를 모두 해소할 수 있으며, H-브 리지 변환기 제어를 통해, 임의의 조건에서 권선형 유도 발전기의 고정자에서 생성하는 전압과 계통 전압을 동기화 시켜줄 수 있게 된다.
6) 권선형유도발전기를 갖는 3MW 이상의 대용량 풍력발전시스템 제어, 조류발전 시스템 제어, 조력발전 시스템 제어, 조력발전 시스템 제어, 파력발전 시스템 제어에 이용할 수 있게 된다.

Claims (14)

  1. 고정자 권선이 개폐용 스위치를 통해 3상 계통권선과 연결되며 회전자 권선을 제어용 권선으로 갖는 권선형 유도 발전기를 제어하기 위한 제어 장치로서,
    각 상마다 2-leg IGBT로 구성된 단상변환기를 직렬로 쌓아서 완성된 멀티레벨 토폴로지를 구성하여 3상 전압 파형을 발생하고, 권선형 유도 발전기의 회전자 권선에서 슬립 전력만 부담하도록 회전자 전류를 제어하는 H-브리지 멀티레벨 변환기; 및
    상기 H-브리지 멀티레벨 변환기에서 요구하는 직류 전압원을 생성하는 승압용 인덕터와 3-leg IGBT로 구성되는 승압 변환기를 포함하는 계통 연계형 권선형 유도 발전기 제어장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 H-브리지 멀티레벨 변환기는 계통 전압 크기에 따라 역률을 가변으로 제어하는 기능 및 고정자 권선으로 생성된 전압을 돌입전류가 발생되지 않도록 계통 전압과 병입시킬 수 있는 계통 전압 동기화 기능을 수행하는 계통 연계형 권선형 유도 발전기 제어장치.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 H-브리지 멀티레벨 변환기에 의한 상기 고정자 권선의 역률 제어 기능에서, 종전의 최대 전력 추종 방법으로부터 결정된 유효전력기준 치를 피상전력 파라미터(S*)라고 다르게 놓은 다음, 계통 전압이 안정된 범위에 있으면 역률 기준치가 1이 되도록 하여 유효 전력 기준치로 모두 전환하지만, 만약 계통 전압이 떨어지면 수학식
    Figure 112007041813491-PAT00006
    을 이용하여 계통 전압 떨어진 정도에 따라 역률 기준치를 작게 설정되도록 하여 유효전력으로 전환되는 비율이 작아지도록 수학식
    Figure 112007041813491-PAT00007
    을 이용하여 결정하며, 나머지는 계통전압을 회복시킬 수 있도록 수학식
    Figure 112007041813491-PAT00008
    을 이용하여 무효전력 기준치를 갖도록 분배하는 계통 연계형 권선형 유도 발전기 제어장치.
  4. 제2 항에 있어서, 상기 H-브리지 멀티레벨 변환기에 의한 동기화 동작에서,상기 회전자 권선에서 슬립전력만 부담하도록, 계통 전압 위상각이 θs이고 발전기 회전 위치가 θr이며 동기화 보상각이 θoffset일 때, 좌표변환각으로 슬립각(θslip)을 사용하며 슬립각은 수학식 θslip = θs - θr + θoffset로부터 계산되는 계통 연계형 권선형 유도 발전기 제어장치.
  5. 제2 항에 있어서, 상기 H-브리지 멀티레벨 변환기에 의한 동기화 동작에서,
    상기 고정자 권선으로 유기되는 전압의 위상과 계통전압 위상이 동일하도록 만들기 위하여, 계통 권선과 발전기의 고정자 권선에서 각각 측정한 d축 전압 오차를 △Vds이라고 할 때, 상기 d-축 전압 오차를 입력으로 받는 PI 제어기를 사용하고, PI 제어기 출력 신호를 동기화 보상각(θoffset)으로 정의하며, 상기 동기화 보상각 θoffset = PI(△Vds)에 의해 결정되는 계통 연계형 권선형 유도 발전기 제어장치.
  6. 제2 항에 있어서, 상기 H-브리지 멀티레벨 변환기에 의한 동기화 동작에서, 상기 고정자 권선으로 유기되는 전압의 크기와 계통 전압의 크기가 동일하도록 만들기 위하여, 계통 권선과 발전기의 고정자 권선에서 각각 측정한 q축 전압 오차를 △Vqs이라고 할 때, 상기 q-축 전압 오차를 입력으로 받는 PI 제어기를 사용하고, PI 제어기 출력을 기존의 d축 전류값을 보상해 주기 위한 d축 보상전류 (idre _ comp)로 정의하며, 상기 d축 보상전류 (idre _ comp)는 수학식 idre _ comp = PI(△Vqs)에 의해 결정되는 계통 연계형 권선형 유도 발전기 제어장치.
  7. 제2 항에 있어서, 상기 H-브리지 멀티레벨 변환기에 의한 동기화 동작에서, 상기 고정자 권선으로 유기되는 전압의 크기와 계통 전압의 크기가 동일하도록 만들기 위하여, d-측 보상 전류 idre _ comp를 계산할 때 수렴 속도를 향상시킬 수 있도록 피드포워드 항인 idre _ comp _ ff를 추가로 사용하여 idre _ comp = PI(△Vqs) + idre _ comp _ ff으로 계 산하고, 여기서, 피드포워드 항 idre _ comp _ ff의 특정 값으로 E/WeLo를 가질 수 있는 계통 연계형 권선형 유도 발전기 제어장치.
  8. 제2 항에 있어서, 상기 H-브리지 멀티레벨 변환기에 의한 동기화 동작에서, 무효전력 제어기 출력으로부터 얻어지는 d-축 기준전류(ie * dr)와 회전자 권선에서 측정된 d-측 전류(ie dr), 그리고 상기 고정자 권선의 전압 크기가 계통전압 크기와 같아지도록 만들어 주기 위해서 요구되는 d축 보상전류 (idre _ comp)를 이용하여 d-축 전류제어기의 오차 신호(△idr)는 수학식 △idr = ie * dr- ie dr + idre _ comp으로 계산하는 계통 연계형 권선형 유도 발전기 제어장치.
  9. 제1 항에 있어서, 상기 승압 변환기는 상기 고정자 권선의 역률을 제어하는 기능, 계통 전압이 불안정하게 되었을 때 무효 전력을 공급하도록 제어하는 폴트 라이드-쓰루(fault ride-through) 기능, 및 고립 운전을 용이하게 방지하도록 백색 잡음을 주입하는 고립 운전 회피 기능을 수행하는 계통 연계형 권선형 유도 발전기 제어장치.
  10. 제9 항에 있어서, 상기 고정자 권선의 역률을 제어하는 기능에 있어서, 계통 전압이 기준값에서 변동된 크기(△e)에 따라 역률 기준치를 수학식
    Figure 112007041813491-PAT00009
    으로 결정하고, 여기서 ｜slop*｜는 감쇠 기울기로서 미리 설정된 값을 사용하는 계통 연계형 권선형 유도 발전기 제어장치.
  11. 제9 항에 있어서, 상기 폴트 라이드-쓰루 기능으로서, 직류_링크 전압을 일정하게 제어하기 위한 상기 승압 변환기의 출력을 피상 전류 기준값(ie* s)라고 할 때, 계통 전압이 변동되는 크기에 따라 가변으로 결정되는 고정자 권선의 역률(
    Figure 112007041813491-PAT00010
    )을 고려하여 순간 정전 구간에서 폴트-라이트 쓰루 기능을 갖도록 q-축 전류 기준치 ie * q를 수학식 ie * q =
    Figure 112007041813491-PAT00011
    × ie *으로 감소시키는 계통 연계형 권선형 유도 발전기 제어장치.
  12. 제9 항에 있어서, 상기 승압 변환기에 의한 상기 폴트 라이드-쓰루 기능으로서, q축 전류 기준치(ie * q)와 역률기준치(
    Figure 112007041813491-PAT00012
    )를 이용하여 수학식
    Figure 112007041813491-PAT00013
    으로 계산되는 d축 전류(ie frt) 성분을 공급하도록 함으로써 순간정전 구간에서 무효전력을 공급하여 순간정전을 극복하는 폴트 라이드-쓰루 기 능을 수행하는 계통 연계형 권선형 유도 발전기 제어장치.
  13. 제9 항에 있어서, 상기 폴트 라이드-쓰루 기능을 갖도록 하는 d축 전류(ie frt) 값이 최대 상한치를 넘지 못하도록 수학식: 만일 ie frt > ie * 8 이면 ie frt = ie * s로 제한하는 계통 연계형 권선형 유도 발전기 제어장치.
  14. 제9 항에 있어서, 상기 승압 변환기에 의한 고립 운전 회피 기능으로서, + 신호와 - 신호가 대칭이며 주기적으로 교번하는 부호를 얻기 위하여 전압 위상각(θs)의 부호를 이용하는 방법과, q축 정격 전류(iq _ rated)와 조절상수(kanti)를 이용하여 정전 구간에서 고립운전 회피를 지원할 수 있는 고립운전 회피용 d-축 전류(ie anti)를 수학식 ie anti = sign (θs)×Kanti×iq _ rated에 의해 얻으며, 주파수 변동폭(△f)이 일정 기준치 이상(△fUpper _ Limit)이면 고립 모드에 들어있을 가능성이 높은 것으로 판단하고 현재 주입하고 있는 신호가 증분(△kanti) 만큼 더 커지도록 수학식 kanti = Kanti + △Kanti을 이용하여 증가시키며, 주파수 변동폭(△f)이 일정 기준치 이하(△fLower _ Limit)이면 초기에 설정된 d-축 전류 만큼으로 환원되도록 조절상수(kanti)를 재조정함으로써 결정된 백색 잡음인 d-축 전류(ie anti)를 전 시간대에 주입하는 방법을 통해 정전 구간에서는 주파수 변동(df/dt)이 크게 여기 되도록 하여 고립운전 운전을 신속히 탈출할 수 있도록 하는 고립 운전 회피 방식을 수행하는 계통 연계형 권선형 유도 발전기 제어장치.
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