KR20090096857A - 이중여자 유도형 풍력발전기에 있어서의 전력 변환 장치 및펄스 폭 변조 제어 방법 - Google Patents

이중여자 유도형 풍력발전기에 있어서의 전력 변환 장치 및펄스 폭 변조 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 권선형 유도기를 발전기로 사용하는 이중여자 유도형 풍력발전기(Doubly-fed Induction-type Wind Generator)에 있어서, 회전자측 컨버터와 계통측 컨버터를 펄스 폭 변조(PWM) 제어할 때 각 컨버터의 온(ON) 주기와 오프(OFF) 주기가 반대로 이루어지도록 한다. 이에 따라 계통으로 유입되는 고조파를 감소시킬 수 있게 되므로, 고조파 제거를 위해 사용하는 전력용 필터의 크기를 줄이고, 계통의 전력 품질을 개선할 수 있으며, 풍력발전 시스템의 가격을 낮출 수 있게 된다.
이중여자 유도형 풍력발전기, 펄스 폭 변조, 제어, 온 주기, 오프 주기,

Description

이중여자 유도형 풍력발전기에 있어서의 전력 변환 장치 및 펄스 폭 변조 제어 방법{ Power Converter and Pulse Width Modulation Control Method for Doubly-fed Induction-type Wind Generator }
본 발명은 이중여자 유도형 풍력발전기에 있어서의 전력 변환 장치 및 펄스 폭 변조 제어 방법에 관한 것으로서, 특히 이중여자 유도형 풍력발전기의 회전자측 컨버터와 계통측 컨버터를 온(ON) 주기와 오프(OFF) 주기가 반대로 이루어지도록 펄스 폭 변조(PWM) 제어함으로써 계통에 나타나는 고조파를 효율적으로 감소시킬 수 있도록 한다.
풍력을 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 과정에서 나타나는 주요 사항 중의 하나는 에너지 효율의 향상과 풍력 터빈의 기계적 부하를 감소시키기 위해 풍속에 따라 터빈 속도가 변하도록 해야 한다는 것이다. 그러나, 터빈 속도가 변화하더라도 풍력발전기의 출력은 발전기가 연결된 전력 분배 네트워크 또는 그리드(Grid)의 주파수에 대응하는 일정한 주파수로 유지되어야 한다.
즉, 변속 정주파수(Variable Speed Constant Frequency, VSCF)가 요구된다.
풍력 발전에 있어서, 이러한 VSCF를 달성하기 위한 하나의 방안으로 이중여자 유도형 풍력발전기(Doubly-fed Induction-type Wind Generator)가 제안되어 사용되고 있다.
한편, 종래에는 이중여자 유도형 풍력발전기의 계통에 나타나는 고조파를 제거하는 문제에 대하여 계통에 연결된 컨버터만을 고려하고 있다.
그러나 실제로는 발전기의 고정자도 계통에 연결되기 때문에 고조파는 고정자로부터 계통에 공급되는 고조파와, 계통측 컨버터에서 공급되는 고조파로 분리해서 제거해야 한다.
즉, 유도형 풍력발전기에는 두 개의 컨버터(계통측 컨버터와 회전자측 컨버터)가 사용되는데, 계통측 컨버터는 계통에 직접 연결되고 회전자측 컨버터는 발전기의 회전자에 연결된다. 발전기의 회전자에 연결된 컨버터는 발전기의 회전자와 고정자를 통해 계통에 연결되기 때문에 실제로는 회전자측 컨버터도 계통에 연결되어 고조파를 주입할 수 있다.
도 1을 참조하여, 종래에 회전자측 컨버터와 계통측 컨버터를 펄스 폭 변조(PWM: Pulse Width Modulation) 제어하는 방법을 살펴보기로 한다.
도 1a와 도 1c에 도시한 예를 참조하자면, 회전자측 컨버터를 제어하기 위한 스위칭 신호(MSC gating)와 계통측 컨버터를 제어하기 위한 스위칭 신호(GSC gating)는 펄스 폭 변조(PWM) 신호의 온(ON) 주기와 오프(OFF) 주기마다 동시에 발생한다.
그리고, 도 1b와 도 1d에 도시한 바와 같이 고정자에 흐르는 고조파 전류(Istator _sw)와 계통측 컨버터에 흐르는 고조파 전류(IGSC _SW)는 삼각파 형태로 나타난다. 이때 각 고조파 전류는 도 1e에 도시한 바와 같이 풍력발전기의 계통 연결점(PCC: Point of Common Coupling)에서 하나로 합쳐져 계통에 유입된다. 이러한 고조파 전류(ILine _SW)가 도 1e의 실선 부분에 도시되어 있다.
이와 같이 계통에 공급되는 고조파는 회전자측 컨버터와 계통측 컨버터에서 발생한 고조파를 합한 값이 되므로 고조파의 크기가 증가한다. 또한, 스위칭 주파수에 해당하는 고조파는 작은 용량의 전력용 필터를 사용해서 제거할 수 있지만, 5차나 7차 고조파 등을 제거하기 위해서는 전력용 필터의 크기도 증가해야 하는 문제가 발생한다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 이중여자 유도형 풍력 발전기의 컨버터를 제어하기 위한 펄스 폭 변조(PWM) 신호의 발생 형태를 조정하여 풍력발전기에서 계통으로 유입되는 고조파의 크기를 감소시킬 수 있는 이중여자 유도형 풍력발전기에 있어서의 전력 변환 장치 및 펄스 폭 변조 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 이중여자 유도형 풍력발전기에 있어서의 전력 변환 장치는, 이중여자 유도형 풍력발전기의 회전자와 연결되는 회전자측 컨버터, 상기 회전자측 컨버터와 계통측 컨버터의 사이에서 전기 에너지를 저장하는 직류 링크 커패시터, 계통과 연결되어 상기 직류 링크 커패시터 전압을 제어하는 계통측 컨버터, 및 상기 회전자측 컨버터와 계통측 컨버터를 펄스 폭 변조(PWM) 제어하는 제어기를 포함한다.
이때, 상기 제어기는 상기 회전자측 컨버터에 대한 펄스 폭 변조 신호의 온(ON) 주기는 상기 계통측 컨버터에 대한 펄스 폭 변조 신호의 오프(OFF) 주기가 되고, 상기 회전자측 컨버터에 대한 펄스 폭 변조 신호의 오프(OFF) 주기는 상기 계통측 컨버터에 대한 펄스 폭 변조 신호의 온(ON) 주기가 되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 이중여자 유도형 풍력발전기에 있어서의 펄스 폭 변조 제어 방법에 관한 일 실시예는, 이중여자 유도형 풍력발전기의 전력변환장치를 구성하는 회전자측 컨버터와 계통측 컨버터를 펄스 폭 변조(PWM) 제어하는 방법에 관한 것으로서, 상기 풍력발전기에 대한 제어 루프를 시작하는 단계; 상기 회전자측 컨버터는 온(ON) 주기의 펄스 폭 변조 신호로 제어하고, 상기 계통측 컨버터는 오프(OFF) 주기의 펄스 폭 변조 신호로 제어하는 제1단계; 상기 회전자측 컨버터는 오프(OFF) 주기의 펄스 폭 변조 신호로 제어하고, 상기 계통측 컨버터는 온(ON) 주기의 펄스 폭 변조 신호로 제어하는 제2단계; 및 상기 제어 루프가 종료하였는지의 여부에 따라 상기 제1단계로 되돌아가거나 상기 제어 루프를 종료하는 단계를 포함하여 이루어진다.
본 발명에 따른 이중여자 유도형 풍력발전기에 있어서의 펄스 폭 변조 제어 방법에 관한 또 다른 실시예는, 이중여자 유도형 풍력발전기의 전력변환장치를 구성하는 회전자측 컨버터와 계통측 컨버터를 펄스 폭 변조(PWM) 제어하는 방법에 관한 것으로서, 상기 풍력발전기에 대한 제어 루프를 시작하는 단계; 상기 회전자측 컨버터는 오프(OFF) 주기의 펄스 폭 변조 신호로 제어하고, 상기 계통측 컨버터는 온(ON) 주기의 펄스 폭 변조 신호로 제어하는 제3단계; 상기 회전자측 컨버터는 온(ON) 주기의 펄스 폭 변조 신호로 제어하고, 상기 계통측 컨버터는 오프(OFF) 주기의 펄스 폭 변조 신호로 제어하는 제4단계; 및 상기 제어 루프가 종료하였는지의 여부에 따라 상기 제3단계로 되돌아가거나 상기 제어 루프를 종료하는 단계를 포함하여 이루어진다.
본 발명에 따르면, 이중여자 유도형 풍력발전기에서 계통으로 유입되는 고조파를 감소시킬 수 있다.
이에 따라, 계통측 컨버터에서 고조파 제거를 위해 사용하는 전력용 필터의 크기를 감소시킬 수 있고, 계통의 전력 품질을 개선할 수 있으며, 전력용 필터의 크기가 줄어 풍력발전 시스템의 가격이 낮아지는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2를 참조하자면, 본 발명에 따른 이중여자 유도형 풍력발전기에 있어서의 전력 변환 장치(24)는 발전기(21)와 계통(Grid)의 사이에 위치하며, 전력 분배 네트워크 또는 계통에 교류 전력을 제공할 수 있도록 한다.
발전기(21)는 운동 에너지를 전기 에너지로 전환하는 역할을 수행한다.
즉, 발전기(21)는 선형 방향의 운동 에너지를 가지는 풍력을 회전 운동 에너지로 변환시키는 블레이드와 같은 동력전달수단(도시되지 않음)과 연결되어, 회전 운동 에너지를 전기 에너지로 변환시킨다. 이러한 발전기(21)는 1차 권선인 고정자(22)와 2차 권선인 회전자(23)를 포함하여 구성되는데, 고정자(22)는 발전기(21)의 에너지를 전달하는 통로 역할을 수행하며, 회전자(23)는 슬립 전력을 제어하는 역할을 수행한다.
전력변환장치(24)는 회전자측 컨버터(MSC: Machine Side Converter,24-1), 계통측 컨버터(GSC: Grid Side Converter, 24-2), 직류(DC) 링크 커패시터(24-3), 제어기(24-4) 등을 포함하여 구성된다.
직류 링크 커패시터(24-3)는 회전자측 컨버터(24-1)와 계통측 컨버터(24-2)의 사이에서 전기 에너지를 저장하는 역할을 수행하는데, 계통측 컨버터(24-2)에 의해 제어되고, 정상 상태일 때 직류 링크 커패시터(24-3)의 전압은 일정하다.
한편, 제어기(24-4)는 고정자 전압(Vstator), 회전자 전류(irotor), 블레이드의 회전속도(wrm), 직류 링크 커패시터(24-3)에 충전되어 있는 직류 전압(VDC), 고정자 전류(stator), 계통측 컨버터(24-2)의 전류(iGSC), 계통 연결점 전압(VPCC) 등의 입력신호를 받아 연산하여, 회전자측 컨버터(24-1)와 계통측 컨버터(24-2)를 펄스 폭 변조(PWM) 제어한다.
전력변환장치(24)의 동작 과정을 살펴보기로 한다.
먼저, 전력변환장치(24)가 동작을 시작하면, 직류 링크 커패시터(24-3)는 계통측 컨버터(24-2)를 통해 충전되며, 직류 링크 커패시터(24-3)의 전압은 제어기(24-4)에 의해 측정된다. 직류 링크 커패시터(24-3)의 전압이 기 설정된 레벨에 도달하면, 계통측 컨버터(24-2)는 직류 링크 커패시터(24-3)의 전압이 정격치로 유지되도록 제어한다. 계통측 컨버터(24-2)는 그리드에 전력을 공급할 수도 있고, 그리드에서 전력을 가져올 수도 있다.
계통측 컨버터(24-2)는 직류 링크 커패시터(24-3)의 전압에 따라 동작한다.
직류 링크 커패시터(24-3)의 전압이 회전자측 컨버터(24-1)로부터의 입력에 의해 증가하고 있으면, 계통측 컨버터(24-2)는 그리드에 전력을 공급한다.
그러나, 직류 링크 커패시터(24-3)의 전압이 감소하고 있으면, 계통측 컨버터(24-2)는 그리드에서 전력을 가져온다.
만일 직류 링크 커패시터(24-3)의 전압이 정격치를 유지하고 있으며, 윈드-터빈(Wind-Turbine: 도시되지 않음)이 미리 정해진 속도 범위 내에서 회전하고 있는 경우 제어기(24-4)는 고정자 측을 제어한다.
즉, 제어기(24-4)는 고정자 전압 Vstator(교류)를 측정하고 전압 Vstator가 그리드 전압 VPCC와 동일해질 때까지 회전자측 컨버터(24-1)를 제어한다. 두 전압이 동일해지면 그리드는 회전자 권선과 연결된다.
이러한 동작을 위하여 제어기(24-4)는 회전자측 컨버터(24-1)와 계통측 컨버터(24-2)를 펄스 폭 변조(PWM) 제어한다.
특히, 본 발명에 따라 제어기(24-4)는 회전자측 컨버터(24-1)에 대한 펄스 폭 변조 신호의 온(ON) 주기는 계통측 컨버터(24-2)에 대한 펄스 폭 변조 신호의 오프(OFF) 주기가 되도록 하고, 회전자측 컨버터(24-1)에 대한 펄스 폭 변조 신호의 오프(OFF) 주기는 계통측 컨버터(24-2)에 대한 펄스 폭 변조 신호의 온(ON) 주기가 되도록 제어한다.
도 3을 참조하여, 펄스 폭 변조(PWM)에 있어서의 온(ON) 주기와 오프(OFF) 주기에 대하여 살펴보기로 한다.
펄스 폭 변조(PWM)는 주지하는 바와 같이 한 주기(T1 또는 T2) 중 일정 기간 동안에만 하이(High) 상태의 신호를 인가하도록 함으로써 평균적인 신호 전달을 통해 제어를 수행하는 방식이다.
그런데, 도 3a에 도시한 예와 같이 각 주기를 동일하게 취급하면(T1과 T2의 형태를 동일하게 취급하면), 2주기 마다 불연속점이 4개(P1~P4) 나타나게 된다. 이러한 불연속점은 고조파 성분을 나타나게 하는 주요 요인이 된다.
그러나, 도 3b에 도시한 예와 같이 하이(High) 신호가 인가되는 구간과 그렇지 않은 구간이 각 주기 마다 반대가 되도록 하면 불연속점을 줄일 수 있다. 즉, 불연속점이 2개(P5,P6)만 나타남을 알 수 있다.
이때 도 3b에서 신호가 인가되지 않는 상태에서 신호가 인가되는 상태로 변하는 주기(T1)를 온(ON) 주기라 하고, 신호가 인가되는 상태에서 신호가 인가되지 않는 상태로 변하는 주기(T2)를 오프(OFF) 주기라 칭한다. 즉, 이하에서 온(ON) 주기와 오프(OFF) 주기는 도 3b를 통해 설명한 의미로 사용되는 용어이다.
한편, 본 발명에 따른 이중여자 유도형 풍력발전기에 있어서의 펄스 폭 변조 제어 방법은 회전자측 컨버터(24-1)를 제어하기 위한 펄스 폭 변조(PWM) 신호의 온(ON) 주기와 오프(OFF) 주기는 계통측 컨버터(24-2)를 제어하기 위한 펄스 폭 변조(PWM) 신호의 그것과 반대로 처리하는데 그 특징이 있다.
도 4를 참조하여, 본 발명에 따른 이중여자 유도형 풍력발전기에 있어서의 펄스 폭 변조 제어 방법에 관한 일 실시예를 설명하기로 한다.
제어기(24-4)는 풍력발전기의 제어 루프가 시작되면(S41), 계통측 컨버터(24-2)에 대해서는 온(ON) 주기가 되도록 제어하고, 회전자측 컨버터(24-1)에 대해서는 오프(OFF) 주기가 되도록 제어한다(S42).
단계 S42의 주기가 종료하면, 제어기(24-4)는 계통측 컨버터(24-2)에 대해서는 오프(OFF) 주기가 되도록 제어하고, 회전자측 컨버터(24-1)에 대해서는 온(ON) 주기가 되도록 제어한다(S43).
그리고, 제어 루프가 종료되지 않았으면(S44) 단계 S42로 진행하여 계속 펄스 폭 변조 제어를 수행하고, 그렇지 않으면 제어 루프를 종료한다(S45).
도 5를 참조하여, 본 발명에 따른 이중여자 유도형 풍력발전기에 있어서의 펄스 폭 변조 제어 방법에 관한 또 다른 실시예를 설명하기로 한다.
제어기(24-4)는 풍력발전기의 제어 루프가 시작되면(S51), 회전자측 컨버터(24-1)에 대해서는 온(ON) 주기가 되도록 제어하고, 계통측 컨버터(24-2)에 대해서는 오프(OFF) 주기가 되도록 제어한다(S52).
단계 S42의 주기가 종료하면, 제어기(24-4)는 회전자측 컨버터(24-1)에 대해서는 오프(OFF) 주기가 되도록 제어하고, 계통측 컨버터(24-2)에 대해서는 온(ON) 주기가 되도록 제어한다(S53).
그리고, 제어 루프가 종료되지 않았으면(S54) 단계 S52로 진행하여 계속 펄스 폭 변조 제어를 수행하고, 그렇지 않으면 제어 루프를 종료한다(S55).
도 6을 참조하여, 본 발명에 따라 제어되는 펄스 폭 변조(PWM) 신호의 예를 살펴보기로 한다. 설명의 편의를 위하여 듀티 비(Duty Rate)가 50%인 예로서 도시하였으나, 듀티 비를 어떻게 설정하더라도 그 효과는 동일하게 나타난다.
도 6a를 참조하자면, 제어기(24-4)는 온(ON) 주기, 오프(OFF) 주기, 온(ON) 주기로 변하면서 50%의 듀티 비를 갖는 펄스 폭 변조 신호(MSC gating)를 회전자측 컨버터(24-1)에 인가한다.
도 6b를 참조하자면, 도 6a에 도시한 바와 같은 펄스 폭 변조 신호에 따라 회전자측 컨버터(24-1)가 동작하여 고정자에 흐르는 고조파 전류 Istator _sw는 도시된 바와 같은 삼각파 형태로 나타난다.
도 6c를 참조하자면, 제어기(24-4)는 회전자측 컨버터(24-1)의 경우와는 반대로 오프(OFF) 주기, 온(ON) 주기, 오프(OFF) 주기로 변하면서 50%의 듀티 비를 갖는 펄스 폭 변조 신호(GSC gating)를 계통측 컨버터(24-2)에 인가한다.
도 6d를 참조하자면, 도 6c에 도시한 바와 같은 펄스 폭 변조 신호에 따라 계통측 컨버터(24-2)가 동작하여 계통측 컨버터(24-2)에 흐르는 고조파 전류 IGSC _SW는 도시된 바와 같은 삼각파 형태로 나타난다.
도 6b와 도 6d에 도시된 고조파 전류 파형을 살펴보면, 그 크기(부호)가 서로 반대로 나타나고 있음을 알 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이, 계통에 공급되는 고조파 전류 ILine _SW는 회전자측 컨버터(24-1)와 계통측 컨버터(24-2)에서 발생한 고조파 전류를 합한 값이다.
그되므로, 도 6b와 도 6d에 도시한 고조파 전류를 서로 합하면, 도 6e에 실선으로 도시한 바와 같이 계통으로 유입되는 고조파 전류 성분은 서로 상쇄되어 감소하게 된다.
상술한 각 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것이며, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당업자에 의해 다양하게 변형하여 실시할 수 있는 것임은 물론이다.
도 1은 종래 풍력발전기에서 펄스 폭 변조 제어가 이루어질 때의 파형에 관한 예,
도 2는 본 발명에 따른 이중여자 유도형 풍력발전기에 있어서의 전력 변환 장치에 관한 일 실시예,
도 3은 펄스 폭 변조 신호의 온 주기와 오프 주기의 설명을 위한 예,
도 4와 도 5는 본 발명에 따른 이중여자 유도형 풍력발전기에 있어서의 펄스 폭 변조 제어 방법에 관한 각 실시예,
도 6은 본 발명에 따라 풍력발전기에서 펄스 폭 변조 제어가 이루어질 때의 파형에 관한 예이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
21: 발전기 22: 고정자
23: 회전자 24: 전력변환장치
24-1: 회전자측 컨버터 24-2: 계통측 컨버터
24-3: 직류 링크 커패시터 24-4: 제어기

Claims (3)

  1. 이중여자 유도형 풍력발전기의 회전자와 연결되는 회전자측 컨버터, 상기 회전자측 컨버터와 계통측 컨버터의 사이에서 전기 에너지를 저장하는 직류 링크 커패시터, 계통과 연결되어 상기 직류 링크 커패시터 전압을 제어하는 계통측 컨버터, 및 상기 회전자측 컨버터와 계통측 컨버터를 펄스 폭 변조(PWM) 제어하는 제어기를 포함하고,
    상기 제어기는 상기 회전자측 컨버터에 대한 펄스 폭 변조 신호의 온(ON) 주기는 상기 계통측 컨버터에 대한 펄스 폭 변조 신호의 오프(OFF) 주기가 되고, 상기 회전자측 컨버터에 대한 펄스 폭 변조 신호의 오프(OFF) 주기는 상기 계통측 컨버터에 대한 펄스 폭 변조 신호의 온(ON) 주기가 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 이중여자 유도형 풍력발전기에 있어서의 전력 변환 장치.
  2. 이중여자 유도형 풍력발전기의 전력변환장치를 구성하는 회전자측 컨버터와 계통측 컨버터를 펄스 폭 변조(PWM) 제어하는 방법에 있어서,
    상기 풍력발전기에 대한 제어 루프를 시작하는 단계;
    상기 회전자측 컨버터는 온(ON) 주기의 펄스 폭 변조 신호로 제어하고, 상기 계통측 컨버터는 오프(OFF) 주기의 펄스 폭 변조 신호로 제어하는 제1단계;
    상기 회전자측 컨버터는 오프(OFF) 주기의 펄스 폭 변조 신호로 제어하고, 상기 계통측 컨버터는 온(ON) 주기의 펄스 폭 변조 신호로 제어하는 제2단계; 및
    상기 제어 루프가 종료하였는지의 여부에 따라 상기 제1단계로 되돌아가거나 상기 제어 루프를 종료하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 이중여자 유도형 풍력발전기에 있어서의 펄스 폭 변조 제어 방법.
  3. 이중여자 유도형 풍력발전기의 전력변환장치를 구성하는 회전자측 컨버터와 계통측 컨버터를 펄스 폭 변조(PWM) 제어하는 방법에 있어서,
    상기 풍력발전기에 대한 제어 루프를 시작하는 단계;
    상기 회전자측 컨버터는 오프(OFF) 주기의 펄스 폭 변조 신호로 제어하고, 상기 계통측 컨버터는 온(ON) 주기의 펄스 폭 변조 신호로 제어하는 제3단계;
    상기 회전자측 컨버터는 온(ON) 주기의 펄스 폭 변조 신호로 제어하고, 상기 계통측 컨버터는 오프(OFF) 주기의 펄스 폭 변조 신호로 제어하는 제4단계; 및
    상기 제어 루프가 종료하였는지의 여부에 따라 상기 제3단계로 되돌아가거나 상기 제어 루프를 종료하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 이중여자 유도형 풍력발전기에 있어서의 펄스 폭 변조 제어 방법.
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