KR20110111299A - 발전 시스템을 위한 전력 주파수 관성 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 발전 시스템에 관한 것으로, 상기 발전 시스템은 전기 전력을 유틸리티 시스템에 공급하도록 동작될 수 있는 발전 유닛; 상기 유틸리티 시스템에 결합된 동기기; 상기 동기기 및 상기 유틸리티 시스템 사이에서 교환되는 전류 및 전력을 측정하기 위해 배열된 그리드 측정 디바이스; 상기 그리드 측정 디바이스에 의해 측정되는 전력 및 전류의 함수로서 상기 발전 유닛의 출력 전력을 조정하기 위한 제어기; 및 상기 그리드 측정 디바이스, 제어기 및/또는 상기 발전 유닛 사이의 통신 수단을 포함하고, 여기서 상기 발전 유닛은 상기 그리드 측정 디바이스에 의해 측정되는 전력 및 전류의 함수로서 상기 유틸리티 시스템에 전류 및 전력을 제공하도록 구성된다.
Description
본 발명은 일반적으로 유틸리티 그리드(utility grid)들을 위한 발전에 사용되는 발전 유닛들 분야에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전이 조건(transient condition)들 동안에 전력을 안정화시키는 것을 포함하여 발전 유닛들의 그리드 컴플라이언스(grid compliance)를 보장하기 위한 기술들에 관한 것이다.
풍력 터빈들, 태양 전지들, 연료 전지들, 파력 전력 시스템들 등등과 같은 증가하는 수의 발전 유닛들은 유틸리티 그리드에 연결된다. 큰 동기 발전기들을 포함하는 종래의 발전소들이 풍력 터빈들과 같은 발전 유닛들로 교체될 때, 유틸리티 그리드를 위한 주파수 지원에 대한 필요가 더 커져 왔다. 발전 유닛들은 전력 전자장치를 이용하여 유틸리티 그리드에 연결되고, 전력 및 주파수 사이의 직접적인 링크가 손실되며, 이로써 그리드 상의 교란(disturbance)들이 더 큰 주파수 편차들을 초래할 수 있다. 본 발명의 배경을 설명하기 위하여 풍력 터빈에 대한 도전이 아래에서 사용된다. 그러나, 상기 도전들은 태양 전지, 연료 전지, 마이크로 터빈, 파력 발전 유닛 등등과 같은 다른 타입들의 발전 유닛들에 대해서도 유사하며, 여기서 유틸리티 그리드 및 발전 유닛 사이의 인터페이스는 전력 컨버터에 기반한다.
풍력 터빈 발전기는 일반적으로 풍력 회전자를 포함하고, 상기 풍력 회전자는 풍력 에너지를 터빈 샤프트의 회전 움직임으로 변환시키고, 상기 터빈 샤프트는 전기 전력을 생산하기 위해 전기 발전기의 회전자를 구동한다. 최신 풍력 터빈 발전기 설비들은 통상적으로 공통 풍력 발전 지역 전력 그리드에 연결된 다수 개의 풍력 터빈 발전기들을 갖는 풍력 발전 지역(wind farm)의 형태를 취한다. 이 풍력 발전 지역 그리드는 직접적으로 또는 스텝-업 변압기를 포함할 수 있는 하위국(substation)에 직접적으로 또는 상기 하위국을 통해 유틸리티 그리드에 연결된다.
개별적인 풍력 터빈들 및 풍력 발전 지역들은 유틸리티 시스템 운영자의 전력 품질 요구사항들에 부합하도록 요구받는다. "그리드 요구사항들"로서 종종 지적되는 이러한 전력 품질 요구사항들은 통상적으로 전압 변동률(voltage regulation), 주파수 변동률(frequency regulation), 유효 및 무효 전력 제어, 결함 라이드-스루(fault ride-through), 그리고 어떤 경우들에서 발전의 갑작스런 실패, 라인 결함 또는 큰 부하들의 신속한 애플리케이션의 연결에 의해 유발되는 전이 조건들의 경우에 전력 램핑(power ramping) 및 운전예비(spinning reserve) 또는 관성의 제공을 포함할 수 있다.
유틸리티 관점에서 보면, 풍력 터빈 발전기들에는 큰 하이드로 발전소 또는 큰 화력 발전소들에 적용되는 동기 발전기들과 동일한 조절(regulation) 능력들을 갖는 클래식한 동기 발전기들이 설치되는 것이 바람직하다. 이러한 클래식한 동기 발전기들은 전압, 유효 및 무효 전력 등을 조절할 수 있다. 전이 조건들에서, 동기 발전기들은 또한 부가적인 제어 서비스들을 제공할 수 있고, 상기 부가적인 제어 서비스들은 전력 시스템을 안정화시키고 주파수를 그의 공칭 값으로 회복시키기 위해 유효 전력을 변조한다.
그러나, 클래식한 동기 발전기들은 풍력 터빈들 상에서의 사용에 적절하지 않은데, 그 이유는 그들의 매우 엄격한 특성들이 풍력 터빈 애플리케이션과 호환될 수 없기 때문이다. 동기 발전기 동작 및 능력들을 근사화하기 위하여, 최신 풍력 터빈 발전기들은 통상적으로, 풍력 터빈 발전기 출력부를 유틸리티 그리드에 인터페이싱시키기 위해 전력 전자 인버터들을 사용한다. 하나의 공통 접근에서, 풍력 터빈 발전기 출력부는 전력 전자 컨버터에 직접적으로 피드(feed)되고, 여기서 터빈 주파수는 정류되고 유틸리티 시스템에 의해 필요한 만큼 고정 주파수로 인버팅된다. 대안적인 접근은 이중 여자 비동기 발전기(DFAG:doubly fed asynchronous generator)를 사용하고, 이때 가변 주파수 전력 전자 인버터는 상기 DFAG 회전자를 여기시키고 고정자 권선들은 유틸리티 시스템에 직접적으로 결합된다.
종래에, 풍력 터빈 발전기들은 그리드 측정 디바이스들, 유틸리티 신호들 그리고 터빈 제어기 내부의 응답 레퍼런스들 및 알고리즘들의 조합의 사용을 통해 그리드 요구사항들에 응답하도록 구성되었다.
이 어레인지먼트는 다수의 단점들을 갖는다. 첫째로, 그리드 요구사항들에 대한 풍력 터빈 발전기 응답은 일반적으로 시스템 운영자의 관점에서 볼 때 블랙박스가 된다. 둘째로, 피드-백 응답 엘리먼드들이 발생할 수 있으며, 여기서 풍력 터빈 발전기 시스템은 자가-생성된 인공물들에 응답하여 조절된다. 게다가, 정상 구성에서, 풍력 터빈들은 유틸리티 시스템의 주파수 안정화에 기여하지 않는다.
본 발명의 목적은 발전 유닛들에 대한 위에서 언급된 제한들을 극복하고, 유틸리티 시스템을 위해 주파수 조절 및 전력-스윙 안정화에 기여하는 것을 포함하여, 발전 유닛이 시스템 운영자들에 투명한 방식으로 그리드 요구사항들을 충족시킬 수 있도록 제어 기술들을 제공하는 것이다.
본 발명의 예시적 실시예는 전기 전력을 유틸리티 시스템에 공급하도록 동작될 수 있는 적어도 하나의 발전 유닛과, 상기 발전 유닛과 병렬로 동작되는 적어도 하나의 동기기를 포함하는 발전 시스템을 포함한다. 발전 유닛은 전력 컨버터를 이용하여 유틸리티 시스템에 인터페이싱된다.
그리드 측정 디바이스는 동기 발전기 및 그리드 사이에서 교환되는 전류 및 전력을 측정하기 위하여 동기기 및 그리드 사이에 위치된다. 그리드 측정 디바이스의 출력은, 통신을 통해서 그리드 측정 디바이스에 의해 측정되는 전력 및 전류의 함수로서 발전 유닛의 출력 전력을 조정하기 위해 배열되는 제어기에 전송된다. 제어기는 본 발명의 일 실시예에서 내부 풍력 터빈 제어기 등등과 같은 발전 유닛을 위한 내부 제어기의 통합된 부분이다. 다른 실시예에서, 제어기는 제어기 및 발전 유닛 사이의 통신을 이용하는 외부 제어기이다. 발전 유닛은 그리드 측정 디바이스의 출력의 함수로서 전류 및 전력을 유틸리티 시스템에 제공하도록 구성되고, 이 방식은 불균형(imbalance)의 경우에 그리드 주파수의 안정화에 기여한다.
발전 유닛은 본 발명의 바람직한 실시예에서 하기의 타입들 풍력 터빈 발전기, 태양 전지, 연료 전지, 마이크로 터빈, 파력 발전 유닛 또는 그리드에 대한 전력 컨버터 인터페이스를 갖는 다른 발전 유닛들 중 하나이다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 발전 시스템은 풍력 발전 지역 내의 풍력 터빈들과 같이 병렬로 동작되는 다수의 발전 유닛들을 포함한다. 추가적인 실시예에서, 발전 시스템은 그리드 지원을 위해 발전 유닛들과 병렬로 동작되는 다수의 동기기들을 포함한다.
본 발명은 동기 발전기의 고유한 관성 응답(inherent inertia response)의 장점들을, 풍력 터빈과 같은 발전 유닛으로부터의 출력 전력을 제어하는 가능성과 결합시킨다. 발전 유닛은 동기 발전기 및 그리드 사이에서 교환되는 전력 및 전류 흐름의 함수로서 전류 및 전력을 유틸리티 시스템에 제공하도록 구성된다. 동기 발전기 및 그리드 사이에서 교환되는 전력 및 전류의 흐름은 부하 불균형들과 같은 동적 조건들 동안에 수행된다. 전력 및 전류 흐름의 측정치는 그리드의 불균형에 비례하고, 이로써 상기 측정치는 유틸리티 그리드의 불균형에 응답하여 안정화를 위한 발전 유닛의 출력 전력을 조정하는데 사용된다.
어레인지먼트는 동기기의 고유한 관성 응답을, 그리드 주파수의 고속 안정화 및 복구를 위한 발전 유닛의 증가하거나 감소하는 출력 전력의 가능성과 결합시킨다. 동기기의 관성 응답은 그리드의 안정화에 지속적으로 기여하고, 그리드 교란의 초기 단계에서 관성 응답을 제공하기 위하여 어떠한 제어 동작도 필요하지 않다. 게다가, 동기 발전기의 관성 응답은, 유틸리티 그리드 상에서의 사소한 주파수 교란의 경우에 발전 유닛에 대한 과도한 제어 동작이 셋팅되는 것을 방지한다. 주파수 교란의 초기 단계 바로 다음에 그리드 측정들 디바이스로부터의 전력 및 전류 측정치들을 이용함으로써 발전 유닛의 출력 전력을 조정하는 것이 뒤따른다. 발전 유닛의 출력 전력은 매우 고속으로 바뀔 수 있고, 이로써 제어된 효율적인 방식으로 그리고 불균형에 비례하여 그리드를 지원하는 것이 가능하다. 동기기 및 출력 전력 터빈의 결합은 또한 그리드 주파수의 편차에 대한 고속 응답을 제공한다.
예컨대, 비교적 많은 양의 운동 에너지가 풍력 터빈의 회전자에 저장되고, 상기 운동 에너지는 그리드 교란 동안에 전기 에너지로 변환될 수 있다. 풍력 터빈에 대한 관성 상수 H는 아래 공식에 의해 계산된다:
통상적인 상수는 5 내지 10초의 범위에 있을 수 있다. 관성 상수는 공칭 회전자 속도에서 회전자 시스템에 저장되는 운동 에너지를 표현한다. H=7을 갖는 회전자 시스템의 경우, 회전자는 7초 동안에 공칭 정격 전력과 동일한 운동 에너지를 저장할 수 있다. 이는, 화력 발전소들의 경우에 통상적인 동기 발전기에 저장되는 에너지의 1-2배의 범위에 있다. 여기서, 동기 발전기의 관성 응답 및 회전자 내의 운동 에너지의 제어가능한 사용은 그리드 주파수의 매우 효과적이면서 고속의 안정화를 위해 결합된다. 게다가, 그리드 주파수의 더 빠른 회복이 또한 달성된다.
동기 발전기의 사용 때문에, 풍력 터빈의 출력 전력을 증가시키거나 감소시키는 것이 불가능한 상황들에서도 관성 응답을 제공하는 것이 가능하다. 예컨대, 낮은 풍력 시나리오들에서는 풍력 터빈이 더 낮은 속도 제한에서 동작되거나 또는 높은 풍력 상황들에서는 최대 전력이 풍력 터빈에 의해 제공된다.
주파수 변이(variation)들은 종종 짧고, 관성 응답은 보통 3개의 전력 사이클들로부터 10초까지의 짧은 지속기간을 갖는다. 풍력 터빈과 같은 발전 유닛은 잠깐 동안 정격 전력보다 더 큰 전력을 제공하도록 구성될 수 있고, 이로써 주파수 강하 이전에 그리고 주파수 강하 동안에 정격 전력이 생성될 때 발전 유닛은 전력을 그리드에 제공하는데 사용될 수 있다.
동기기는 부하가 없는 조건/유휴 조건에서 바람직하게 동작되며, 이때 안정 상태 조건에서 동기기 및 그리드 사이의 전력의 유일한 흐름은 마찰 등과 같은 발전기 내의 손실들에 기인한다. 본 발명의 다른 실시예에서, 유효 발전 및 원동기 제어 시스템이 전력 스윙 안정화를 위해 사용된다. 본 발명은 주파수 안정화를 위한 로컬 요구사항들을 충족하도록 동기기의 사이즈가 선택되는 것을 허용한다. 이로써 본 발명은 효과적인 주파수 안정화를 갖는 발전 시스템을 설계하기 위한 솔루션을 제공하고, 상기 솔루션은 종래의 하이드로 발전소 또는 화력 발전소의 관성 응답에 대응한다. 여기서, 유틸리티 회사의 경우에, 종래의 발전소들을 풍력 전력 시스템 등등과 같은 발전 시스템으로 교체하는 것이 매우 매력적이 된다. 유틸리티 회사들은 관성 응답의 결여 및 감소된 주파수 지지 때문에 지금까지 종래의 발전소들을 교체하는 것을 주저해 왔다. 게다가, 동기기는 그리드를 위한 동적 전압 조절을 제공하며, 이는 연안(offshore) 풍력 발전 지역들 내의 긴 AC 잠수함(submarine) 케이블들의 제어를 담당(charge)하는데 중요하다.
발전 시스템의 동작은 주파수 안정화가 전력 컨버터들의 제어에만 의존하는 시스템들과 비교할 때 시스템 운영자들에게 훨씬 더 투명해진다.
본 발명의 실시예에서, 비교적 높은 관성을 갖는 마이크로 동기기가 전력 시스템에 연결된다. 동기기는 어떠한 기계적 부하도 없이 회전하고 있고, 유효 전력 변환기가 주파수의 변화의 레이트의 검출을 위한 그리드 측정 디바이스로서 적용된다. 유효 전력 변환기로부터의 신호는 유효 전력 손실들에 대한 오프셋으로서 사용되고, 상기 신호는 이로써 주파수의 변화의 레이트를 표현한다. 상기 신호는 전력 시스템 주파수들 상에서 주파수의 변화의 레이트에 대응(counteract)하기 위해 전력 컨버터 시스템들에 대한 제어 목적으로 인가된다.
동기기는 풍력 발전 지역의 하위국에 또는 하위국 옆에 설치될 수 있다. 동기기는 연안에 설치되는 하나 이상의 풍력 터빈들과 병렬로 동작될 때 연안에든지 또는 육지에든지 설치될 수 있다.
본 발명의 실시예에서 동기기는 큰 하이드로 발전소들 또는 화력 발전소들에 적용되는 동기 발전기들의 동작과 사실상 유사하게 동작된다. 동기기의 동작 제어 전략은 주파수 제어, 전력 오실레이션들 댐핑(damping) 제어, 전압 제어 또는 무효 전력 제어를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 그리드 측정 디바이스의 출력은 측정 신호를 포함하고, 상기 측정 신호는 동기기 및 유틸리티 그리드 사이에서 교환되는 전력 및 전류의 흐름에 비례한다. 전체 유틸리티 시스템을 안정화시키기 위하여 발전 유닛의 출력 전력을 증가시키거나 감소시키는데 상기 측정 신호가 사용된다. 동기기가 안정 상태 조건에 있을 때, 예컨대 유틸리티 시스템의 주파수 및 전압이 안정-상태 조건들 동안에 제어 제한들 내에 있을 때 측정 신호는 0이다. 전이 조건들 하에서, 시스템 주파수가 감소하고 있다면, 동기기는 회전 운동 에너지를 전기 전력으로 변환함으로써 대응하고, 그런 다음에 상기 전기 전력은 유틸리티 시스템에 전달된다. 이로써, 안정적인 동작을 향상시키기 위하여 발전 유닛의 출력 전력을 증가시키는데 상기 측정 신호가 사용된다. 유사하게, 시스템 주파수가 증가할 때 동기기는 속도를 높이기 위해 전력 및 전류를 소비하고 있고, 상기 측정 신호는 그런 다음에 유틸리티 시스템의 안정적인 동작을 향상시키기 위하여 터빈들의 출력 전력을 감소시키는데 사용된다.
바람직한 실시예에서, 그리드 측정 디바이스로부터의 측정 신호는 풍력 터빈 컨버터와 같은 발전 유닛의 전력 레퍼런스를 조정하기 위해 배열되는 제어기에 통신을 통해 전송된다. 그리드 측정 디바이스로부터의 측정 신호는 연속적일 수 있거나 또는 이산적일 수 있고, 특정 시스템 제한들에 따라, 폐루프 함수 또는 개루프 함수로서 구현될 수 있다. 그리드 측정 디바이스 및 제어기 사이의 통신의 수단은 유선 또는 무선 인프라구조에 기반할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 제어기는 풍력 터빈의 풍력 터빈 제어기의 통합된 부분이다. 그러나, 제어기는 또한 외부 제어기일 수도 있고, 상기 외부 제어기는 풍력 발전 지역 내에 위치되는 풍력 터빈들과 같은 하나 이상의 발전 유닛들의 출력 전력을 조정하기 위한 관리 제어기의 일부이고, 이로써 통신의 수단이 제어기 및 터빈 사이의 통신을 위해 사용된다.
본 발명의 추가적 실시예에서, 제어기는 그리드 측정 디바이스로부터의 다수의 입력들의 함수로서 출력되는 전력을 증가시키거나 감소시키는 제어 기술을 사용한다. 일 실시예에서, 입력 신호들은 1) 발전 유닛에 대한 전용 제어기로부터의 전력 레퍼런스 신호 2) 그리드 측정 디바이스로부터의 측정 신호 및 3) 공칭 주파수, 예컨대 50 또는 60 ㎐에서 그리드의 주파수를 안정화시키고 회복시키기 위하여 제어기에 대한 전력 레퍼런스 신호로서 사용되는 외부 전력 레퍼런스 신호를 포함한다. 따라서, 제어기는 유틸리티 시스템의 전력 오실레이션들 또는 주파수 교란들에 응답하여 발전 유닛의 컨버터를 통해 전력의 흐름을 변조하기 위해 구성된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 제어기는 유틸리티 시스템에 대한 동기기 응답의 함수로서 유틸리티 시스템의 전력 오실레이션들 또는 주파수 교란들에 응답하여 풍력 터빈의 터빈 속도 제어 신호 또는 블레이드 피치(blade pitch) 제어 신호를 제공하도록 구성된다. 제어기에 대한 입력 신호는 또한 유틸리티 시스템에 대한 동기기들 응답의 함수인 토크 또는 전력 신호를 포함할 수 있다.
예시적 실시예에서, 제한 함수(limit function)가 전력 제한, 토크 제한, 전류 제한, 에너지 제한, 또는 속도 제한 등과 같은 발전 시스템에 대한 물리적 제한을 위해 제어기 내에서 부가하여 사용된다. 발전 유닛의 동작이 기계적, 전기적 및/또는 화학적 시스템의 설계 제한 내에서 유지되는 것을 보장하기 위하여 발전 유닛의 동작은 제한들은 유용하다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 그리드 및 동기기 사이에 교환되는 전류 및 전력 흐름을 측정하기 위하여 그리드 측정 디바이스는 동기기의 단자들 옆에 위치된다. 그리드 필터는 전력 컨버터들 등으로부터의 고조파들과 같은 전기 잡음을 감소시키기 위해 그리드 및 그리드 측정 디바이스 사이에 배열될 수 있다. 그리드 필터는 다수의 필터 엘리먼트들을 포함하고, 상기 필터 엘리먼트는 그리드 측정 디바이스가 유틸리티 시스템 상의 다른 엘리먼트들, 예컨대 풍력 터빈 컨버터로부터의 임의의 피드백을 측정하지 않게 한다. 그리드 사건(incident)들 동안에 그리드 지원을 보장하기 위하여 그리고 잡음에 기인하여 과도한 제어 동작이 셋팅되는 것을 방지하기 위하여, 상기 그리드 필터는 유틸리티 시스템의 펀더멘털 주파수 전압 파형이 유틸리티 시스템으로부터 동기 발전기로 통과(pass)하도록 허용한다.
본 발명의 실시예에서, 동기기의 메인 샤프트는 디젤 엔진, 전동기 등등과 같은 모터에 결합된다. 시동 동안에 동기기의 동기화를 위해 작은 시동기 모터가 사용될 수 있다. 풍력 전력 시스템과 같은 발전 시스템에 대한 시뮬레이션 및 테스트 목적들을 위해 원동기가 사용될 수 있다. 본 발명의 추가적인 실시예에서, 원동기, 유효 발전 및 전력 시스템 안정기 제어의 결합이 전력 스윙들의 안정화를 위해 사용된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 무효 전력의 발전 또는 흡수를 위해 동기기를 사용하기 위하여 그리고 그에 따라 향상된 그리드 지원을 위한 가능성을 제공하기 위하여 동기기는 제어기에 연결된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 발전 시스템은 에너지 저장 엘리먼트, 에너지 소비 엘리먼트 또는 그들의 조합들을 포함하고, 여기서 에너지 저장 엘리먼트, 에너지 소비 엘리먼트 또는 그들의 조합은 컨버터에 결합된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 동기기는 동기 발전기로서 배열된다.
본 발명은 도면들을 참조하여 아래에서 설명될 것이다.
도 1은 동기 발전기와 함께 풍력 터빈을 포함하는 본 발명의 실시예를 나타낸다.
도 2는 제어기의 개략도를 나타낸다.
도 3은 유틸리티 그리드 상에서 전력 및 주파수를 안정화시키기 위한 제어 수단과 동기 발전기를 포함하는 풍력 발전 지역의 개략도이다.
도 2는 제어기의 개략도를 나타낸다.
도 3은 유틸리티 그리드 상에서 전력 및 주파수를 안정화시키기 위한 제어 수단과 동기 발전기를 포함하는 풍력 발전 지역의 개략도이다.
아래에서는, 풍력 터빈 시스템이 발전 시스템의 예로서 사용되고, 풍력 터빈이 발전 유닛의 예로서 사용된다. 본 발명의 다른 실시예들에서, 발전 유닛은 태양 전지, 연료 전지, 마이크로 터빈, 파력 발전 유닛들 또는 그리드에 대한 전력 컨버터 인터페이스를 포함하는 발전 유닛들이다.
일반적으로 도 1을 참조하면, 전기 전력을 발전시키도록 동작될 수 있는 풍력 터빈 시스템(1)이 제공된다. 풍력 터빈 시스템(1)은 다수 개의 블레이드들(6)을 갖는 허브(4)를 포함한다. 블레이드들(6)은 바람의 기계적 에너지를 회전 토크로 변환시키고, 상기 회전 토크는 풍력 터빈 시스템(1)에 의해 전기 에너지로 추가로 변환된다. 풍력 터빈 시스템(1)은 바람의 기계적 에너지를 회전 토크로 변환시키도록 동작될 수 있는 터빈 부분(2)과, 상기 터빈 부분(2)에 의해 생성된 회전 토크를 전기 전력으로 변환시키도록 동작될 수 있는 발전기(18)를 더 포함한다. 터빈 부분(2)을 발전기(18)에 결합시키기 위해 구동 트레인(9)이 제공된다. 풍력 터빈 발전기(18)는 통상적으로 풀(full) 컨버터와 사용하기 위한 발전기를 포함한다. 풀 변환(full conversion) 실시예의 경우에, 풍력 터빈 발전기 고정자 권선들은 컨버터에 대하여 직접 피드(feed)된다.
터빈 부분(2)은 허브(4)에 결합되는 터빈 회전자 저속 샤프트(8)를 포함한다. 회전 토크는 회전자 저속 샤프트(8)로부터 구동 트레인(9)을 통해 발전기 샤프트(16)로 전송된다. 도 1에 도시된 실시예와 같은 특정 실시예들에서, 구동 트레인(9)은 저속 샤프트(12)로부터 고속 샤프트(12)로 토크를 전송하는 기어 박스(10)를 포함한다. 고속 샤프트(12)는 결합 엘리먼트(14)를 이용하여 발전기 샤프트(16)에 결합된다.
구동 트레인이 기어 박스를 포함하지 않는 다른 실시예들에서, 저속 샤프트는 저속의 직접적으로 구동된 다중극 발전기에 토크를 직접적으로 전송하고 있다.
터빈 회전자 저속 샤프트(8)의 속도가 변동할 때, 발전기(18)의 출력의 주파수가 또한 가변한다. 위의 실시예의 일 구현예에서, 전부하(full load)에 있는 풍력 터빈 전기적 및 기계적 시스템들의 전이 과부하 능력(transient overload capability)은 전력을 일시적으로(transiently) 증가시키기 위해 블레이드 피치 및/또는 터빈 속도를 감소시킴으로써 활용된다. 이 과부하의 정도 및 지속기간은 상기 기계적 및 전기적 시스템 컴포넌트들에 대한 지나친 스트레스가 방지되도록 관리된다.
일 예시적 실시예에서, 발전기(18)는 터빈 제어부들(22)에 결합된다. 풍력 터빈들 제어부(22)는 발전기의 동작 파라미터들을 표현하는 상기 발전기로부터의 신호들(20)을 수신한다. 응답으로 풍력 터빈 제어부들(22)은 제어 신호들, 예컨대 블레이드들(6)의 피치를 바꾸기 위한 피치 신호(24)를 생성할 수 있다.
풍력 터빈 제어부들(22)은 또한 컨버터(34)에 결합된다. 풍력 터빈 제어부들(44)로부터의 입력(48)이 제어기(30)에 입력(48)으로서 공급된다. 제어기(30)로부터의 입력(26)은 컨버터(34)에 공급된다. 컨버터(34)는 통상적으로 발전기(18)의 변동 주파수 출력(36)을, 유틸리티 시스템 또는 전력 그리드(62)에 공급하기 위한 고정 주파수 출력(37)으로 변환시키기 위한 전력 전자소자 컴포넌트들을 포함한다. 풍력 터빈 제어부들(22), 제어기(30) 및 컨버터(34)는 도 2를 참조하여 더욱 상세하게 설명된다.
제어기(30)는 컨버터(34)를 통해 전력의 흐름을 변조하기 위해 구성된다. 제어기(30)는 그리드 측정 디바이스(GMD 2)(52)로부터 그리드 데이터를 수신한다. 그리드 측정 디바이스는 동기 발전기(48)의 출력 단자들에서의 전력 및 전류와 같은 그리드 데이터를 측정하고 있다. 측정 신호(56)는 통신 수단에 의해 제어기(30)에 전송된다. 측정 신호(56)는 동기 발전기 제어 파라미터들, 예컨대 유틸리티 시스템 주파수 교란들 또는 전력 스윙들에 대한 응답을 포함하는 주파수 또는 전력을 표현할 수 있다.
제어기(30)를 위한 전력 레퍼런스 입력 신호(44)가 동기 발전기 제어부들(42)에 의해 공급된다. 동기 발전기 제어부들은 본 발명의 실시예에서 그리드 주파수의 안정화 및 회복을 보장하기 위해 사용된다. 그리드 측정 디바이스(GMD1)(38)는 제어 목적들을 위해 풍력 터빈들의 출력 전력 및 응답을 측정하기 위하여 동기 발전기에 연결된다. 동기 발전기 제어부(42)는 발전기(48)를 제어하기 위해 동기 발전기(48)에 연결된다. 동기 발전기(48)는 큰 하이드로 발전소들 또는 큰 화력 발전소들에 적용되는 동기 발전기들의 동작과 사실상 유사한 방식으로 동작된다.
동기 발전기(48)는 그리드 필터(58)를 통해 그리드에 연결된다. 그리드 필터(58)는 필터 엘리먼트들을 포함할 수 있고, 상기 필터 엘리먼트들은 효과적으로 그리드 측정 디바이스(52)가 유틸리티 시스템(62) 상의 다른 엘리먼트들, 예컨대 컨버터(34)로부터의 임의의 피드백을 측정하지 않게 한다. 그리드 필터(58)는 유틸리티 시스템 상에서의 주파수 교란에 대한 관성 응답을 보장하기 위해 유틸리티 시스템 펀더멘털 주파수 전압 파형이 유틸리티 시스템(62)으로부터 동기 발전기(48)로 전달되도록 허용할 수 있다.
도 2는 제어기(100) 내에서 사용되는 예시적 제어 루프의 개략도이다. 제어기(100)는 입력 신호(116)를 컨버터(도 1에 도시)에 제공하고, 상기 입력 신호는 전력 또는 토크 신호를 포함할 수 있고 일반적으로 참조 번호 116 및 심볼 P에 의해 지시된다. 전력 및 토크가 본 명세서의 상세한 설명에서 상호 교환적으로 사용된다는 것이 언급될 수 있다. 아래에서 더욱 상세하게 논의된 바와 같이, 입력 신호(P)는 통상적으로 풍력 터빈 제어부들로부터의 신호 P 요구 신호(110) 및 그리드 측정 디바이스(도 1에 도시)에서 측정되는 측정 신호(104)의 함수이다.
측정된 신호(104)는 동기 발전기의 출력 단자들에서 측정되는 유효 전력 응답을 표현한다. 참조 08 및 심볼 ΔP에 의해 지시되는 신호는 정격 전력에서 풍력 터빈 발전기 및 동기 발전기 사이의 비율을 표현하는 스케일링 인자로 곱해진다. 측정 신호(104)는 전체 유틸리티 시스템을 안정화시키기 위하여 풍력 터빈 시스템의 전력 출력에서의 증가 또는 감소를 유도하도록 예상된다. 동기 발전기가 안정-상태 조건일 때, 예컨대 유틸리티 시스템 주파수 및 전압이 안정-상태 조건 동안에 제어 제한들 내에 있을 때, 신호(104) 및 신호(102) 사이의 차이는 0이다.
전이 조건들 하에서, 시스템 주파수가 감소하고 있다면, 안정된 동작을 향상시키기 위해 신호(108)는 양(positive)의 방향으로 증가될 필요가 있다. 유사하게, 시스템 주파수가 증가하고 있다면, 유틸리티 시스템의 안정적인 동작을 향상시키기 위해 신호(108)는 음의 방향으로 증가될 필요가 있다. 추가로, 보충 입력 신호(108)는 연속적이거나 이산적일 수 있고, 아래에서 논의된 바와 같이 특정한 시스템 제한들에 따라, 폐루프 함수 또는 개루프 함수로서 구현될 수 있다.
도 2로 되돌아가면, 풍력 터빈 제어부들로부터의 토크 또는 전력 요구 신호(110)는 또한 제어기(100)에 대한 입력으로서 제공될 수 있다. 신호(108) 및 커맨드 신호(110)는 덧셈 엘리먼트(109)에서 더해질 수 있다. 컨버터는 통상적으로 입력들을 컨버터 스위칭 신호 커맨드들로 변환시키기 위한 로컬 컨버터 제어기(도 1에 도시)를 포함한다.
위에서 설명된 바와 같이, 제어기(100)는 동기 발전기로부터 유틸리티 시스템(미도시)으로의 전력 흐름을 표현하는 입력 신호(104) 및 풍력 터빈 제어부들로부터의 입력 신호(110)의 함수로서 전력 출력을 일시적으로 증가시키거나 감소시키는 제어 기술을 사용한다. 덧셈 포인트(109)로의 상기 ΔP 신호(108)는 풍력 터빈 제어부들로부터의 입력 신호(110)에 더해지는 전력 오프셋을 표현한다. ΔP 계산 루틴(106)에서, 그리드 측정 디바이스에서 측정되는 입력 신호(104)는 동기 발전기 제어부들로부터의 전력 레퍼런스, 즉 입력 신호(102)와 비교된다. ΔP 는 입력 신호(102) 및 입력 신호(104) 사이의 차이로서 계산된다. 상기 계산된 차이는 풍력 터빈 발전기의 정격 전력 및 동기 발전기의 정격 전력 사이의 비율을 표현하는 스케일링 인자로 곱해진다. 따라서, 제어기(100)는 유틸리티 시스템의 주파수 교란들에 응답하여 컨버터를 통해 전력의 흐름을 변조시키도록 구성된다.
예시적 실시예에서 제한 함수(114)는 전력 또는 토크 신호(112)를 제한하기 위해 부가하여 사용된다. 비록 단일 블록(114)이 예시를 위해 도시되더라도, 원해진다면 하나 이상의 함수들 또는 제어기들이 제한 함수(114)를 구현하는데 사용될 수 있다.
제한들은 유용한데, 그 이유는 풍력 터빈 발전기가 정격 전력 출력부에서 또는 옆에서 동작될 때 전력에서의 증가가 발전기 및 컨버터에 과부하를 일으킬 것이기 때문이다. 제한 함수(114)에 의해 사용되는 제한들은 절대 제한들, 시간-의존적 제한들, 또는 그들의 조합일 수 있다. 제한 함수(114)에 의해 사용되는 제한들의 어떤 비-제한적 예들은 풍력 터빈 시스템에 대한 물리적 제한들, 전력 제한들, 토크 제한들, 램프(ramp) 레이트 제한들, 에너지 제한들, 및 풍력 터빈 발전기의 회전자 속도 제한들을 포함한다. 물리적 제한들의 예는 전력 변환 장비의 열적 능력(thermal capability), 컨버터 전류 제한들 및 구동 샤프트 기계적 압력을 포함한다. 에너지 제한들의 예는 에너지 저장 및 소산(dissipative) 에너지 제한들을 포함한다.
추가로, 시스템 안정성을 위해 특정한 상위 제한들 및 하위 제한들이 있을 수 있다. 제한 함수(114)에 의해 사용되는 상위 제한은 통상적으로 컨버터 열 조건들, 부하 히스토리, 시간 및 심지어 주변 온도 중 하나 이상의 함수이다. 하위 제한은, 비록 그렇게 되는 것이 요구되지 않을지라도, 상위 제한과 비교할 때 대칭적일 것이다. 추가로, 제한 함수는 제어 블록의 출력에 대한 제한, 또는 제어 블록으로의 입력에 대한 제한이나 불감대(deadband)일 수 있다. 불감대 제한은 제한의 타입이며, 여기서 0 부근의 어떤 대역에 걸쳐서 동작이 존재하지 않고 임계치를 초과하여 상기 제한을 수용하기 위해 동작이 요구된다.
특정 예로서, 풍력 터빈 상에서의 총 에너지 균형이 구동-트레인 속도를 말하므로, 에너지 균형은 본 명세서에서 논의된 바와 같이 제한들을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 풍력 유도된 토크(wind induced torque)에 의해 공급되는 것을 초과하여, 터빈으로부터 추출되는 전력은 기계를 느리게 만들 것이다. 추출되는 총 에너지는 이 전력 차이의 적분이다. 또한, 터빈은 속도에 대한 하위 제한을 갖고, 상기 하위 제한 미만에서 실속(stall)이 발생한다. 따라서, 추출된 총 에너지는 또한 제한되어야 하며, 그리하여 약간의 마진을 갖고서 최소 속도가 유지된다. 일 예에서, 추출된 에너지의 함수인 동적 제한이 이 양상을 강조하기 위해 사용될 수 있다.
본 명세서에 설명된 제어가 풍력 발전 지역 관리를 위한 시스템에서 활용될 수 있다는 것이 당업자에 의해 잘 인정될 것이다. 이러한 풍력 발전 지역 관리 시스템(200)이 도 3에서 예시적 실시예로서 도시된다. 풍력 발전 지역 관리 시스템(200)은 전기 전력을 유틸리티 시스템(218)에 공급하도록 동작될 수 있는 풍력 터빈들(212, 214)을 갖는 풍력 발전 지역(210)을 포함한다. 예시를 위해 세 개의 풍력 터빈들만이 도시되어 있다는 것과, 임의의 특정한 지역의 지리적 자연환경 및 전력 요구사항들에 기반하여 개수가 더 커질 수 있다는 것이 당업자에 의해 인정될 것이다.
풍력 터빈들(212, 214, 216)은 터빈 회전자들(220, 222, 224)을 포함하고, 각각의 회전자는 다중극 블레이드들을 갖고, 상기 풍력 터빈들(212, 214, 216)은 기계적 전력을 생성하기 위해 회전자들(220, 222, 224)을 각각 구동하며, 상기 기계적 전력은 발전기들(226, 228)에 의해 전기 전력으로 각각 변환된다. 컨버터들(250, 252, 254)은 발전기들(226, 228 및 230)로부터의 가변 주파수 출력을 고정 주파수 출력으로 각각 변환시키는데 사용된다. 발전기들(226, 228 및 230)에 의해 생성된 전력은 전압 분배 네트워크(미도시)에 결합될 수 있거나, 또는 유틸리티 시스템에 결합되는 수집기 시스템(미도시)에 결합될 수 있다. 도시된 실시예에서, 피더(feeder)(240)는 풍력 터빈 발전기들(226, 228 및 230)의 전력 출력들을 결합시키는데 사용된다. 통상적인 애플리케이션에서, 전압 분배 네트워크는 다수 개의 피더들(미도시)로부터의 전력을 결합하고, 각각의 피더는 다수 개의 풍력 터빈 발전기들의 전력 출력들을 결합한다.
일 예시적 실시예에서, 풍력 발전 지역(210)은 풍력 발전 지역 관리 제어기(242)를 포함한다. 관리 제어기(242)는 통신 링크들(244)을 통해 개별 풍력 터빈 제어부들(232, 234, 236)과 통신하도록 구성되고, 하드웨어, 소프트웨어, 또는 둘 다로 구현될 수 있다. 특정 실시예들에서, 통신 링크들(244)은 당업자에게 알려진 임의의 유선 또는 무선 통신 프로토콜에 따라 원격으로 데이터 신호들을 관리 제어부에 전달하고 상기 관리 제어부로부터 전달받도록 구성될 수 있다. 관리 제어부(242)는 동기 발전기 제어부들(290) 및 그리드 측정 디바이스(GMD2)(260)로부터 입력 신호들을 수신한다. 관리 제어기(242)는 풍력 터빈 제어부들(232, 234, 236)에 결합되고, 유틸리티 시스템 주파수 교란들 또는 전력 스윙들에 응답하여 컨버터들(250, 252, 254)을 통해 전력의 흐름을 변조하기 위해 구성된다. 관리 제어기(242)의 기능은 도 2를 참조하여 설명된 제어기(100)의 기능과 유사할 것이다. 다른 실시예에서, 도 1에 도시된 타입의 다수의 제어기들은 각각의 개별 컨버터를 통해 전력의 흐름을 변조하기 위해 제공된다. 추가적 실시예에서, 풍력 터빈 제어부들(232, 234, 236)은 풍력 터빈에 대한 피치 및 전력 제어의 통합된 부분이다.
풍력 터빈 시스템이 위의 실시예들에서 유틸리티 시스템에 결합된 예시적 발전 및 전력 관리 시스템으로서 지칭되었다는 것이 당업자에 의해 인정될 것이다. 본 기술의 양상들은 전력을 유틸리티 시스템에 공급하도록 동작될 수 있는 다른 분산된 전원들에도 동일하게 적용될 수 있다. 이런 소스들의 예들은 연료 전지들, 마이크로 터빈들 및 광전지(photovoltaic) 시스템들을 포함한다. 이런 전력 관리들 시스템들은 유사하게 컨버터들을 포함할 것이고, 각각의 컨버터는 각각의 전원 및 유틸리티 시스템에 결합되며, 개별 또는 관리 제어기는 컨버터들에 결합된다. 위에서 설명된 바와 같이, 제어기는 유틸리티 시스템의 주파수 교란들 또는 전력 스윙들에 응답하여 컨버터들을 통해 전력의 흐름을 변조하기 위해 구성된 내부 레퍼런스 프레임을 포함한다.
본 발명의 특정한 특징들만이 본 명세서에서 예시되고 설명되더라도, 많은 수정들 및 변경들이 당업자에게 일어날 것이다. 그러므로, 첨부된 청구범위가 본 발명의 진정한 사상 내에 속하는 모든 이런 수정들 및 변경들을 커버하는 것으로 의도된다는 것이 이해된다.
Claims (18)
- 발전 시스템으로서,
전기 전력을 유틸리티 시스템에 공급하도록 동작될 수 있는 발전 유닛;
상기 유틸리티 시스템에 결합된 동기기;
상기 동기기 및 상기 유틸리티 시스템 사이에서 교환되는 전류 및 전력을 측정하기 위해 배열된 그리드 측정 디바이스;
상기 그리드 측정 디바이스에 의해 측정되는 전력 및 전류의 함수로서 상기 발전 유닛의 출력 전력을 조절하기 위한 제어기; 및
상기 그리드 측정 디바이스, 제어기 및/또는 상기 발전 유닛 사이의 통신 수단
을 포함하고,
상기 발전 유닛은 상기 그리드 측정 디바이스에 의해 측정되는 전력 및 전류의 함수로서 전류 및 전력을 상기 유틸리티 시스템에 제공하도록 구성되는,
발전 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 발전 유닛은 풍력 터빈 발전기, 태양 전지, 연료 전지, 마이크로 터빈, 파력 전력 시스템의 타입들 중 하나인,
발전 시스템. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 동기기는 비교적 높은 관성 상수(inertia constant)를 갖는 마이크로 동기기인,
발전 시스템. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 발전 시스템은 병렬로 동작되는 다수 개의 발전 유닛들을 포함하는,
발전 시스템. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제어기는 상기 유틸리티 시스템에 대한 동기 발전기 응답의 함수로서 상기 유틸리티 시스템의 주파수 교란들 또는 전력 오실레이션들에 응답하여 블레이드 피치(blade pitch) 제어 신호 또는 터빈 속도 제어 신호를 제공하도록 추가로 구성되는,
발전 시스템. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제어기에 대한 입력 신호가 토크 또는 전력 신호를 포함하고, 상기 유틸리티 시스템에 대한 동기 발전기 응답의 함수인,
발전 시스템. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
전력 흐름 변조의 상대적 주파수, 보충 전력 신호 또는 보충 토크 신호, 또는 이들의 조합을 제한하기 위해 구성된 제한 함수
를 더 포함하는,
발전 시스템. - 제 7 항에 있어서,
상기 제한 함수는 상기 발전 시스템에 대한 물리적 제한들 중 적어도 하나의 함수로서 동작될 수 있는 제한들을 포함하는,
발전 시스템. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 발전 시스템은 풍력 터빈 발전기를 포함하고, 상기 풍력 터빈 발전기는 이중 여자 비동기 발전기(DFAG:doubly fed asynchronous generator) 또는 풀(full) 컨버터와 함께 사용하기 위한 발전기를 포함하는,
발전 시스템. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
에너지 저장 엘리먼트, 에너지 소비 엘리먼트 또는 이들의 조합을 포함하고,
상기 에너지 저장 엘리먼트, 상기 에너지 소비 엘리먼트 또는 이들의 조합은 컨버터에 결합되는,
발전 시스템. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 동기기의 메인 샤프트는 모터에 결합되는,
발전 시스템. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 동기기가 무효 전력을 생성하거나 또는 흡수하도록 하기 위하여, 상기 동기기는 제어 수단에 연결되는,
발전 시스템. - 유틸리티 시스템의 주파수 및 전력 스윙을 안정화시키기 위한 방법으로서,
발전 유닛으로부터 상기 유틸리티 시스템으로 전력을 공급하는 단계;
상기 유틸리티 시스템에 결합된 동기기가 유틸리티 그리드에 대하여 관성 응답을 제공하는 단계;
상기 동기기 및 상기 유틸리티 시스템 사이에서 교환되는 전류 및 전력을 측정하는 단계; 및
그리드 측정 디바이스 및 상기 발전 유닛 사이의 통신 수단이 사용되면서 동시에, 상기 그리드 측정 디바이스에 의해 측정되는 전력 및 전류의 함수로서 상기 발전 유닛의 출력 전력을 조정하는 단계;
를 포함하고,
상기 발전 시스템은 전력 및 전류 측정치들의 함수로서 상기 발전 유닛으로부터의 전력의 흐름을 변조하는,
유틸리티 시스템의 주파수 및 전력 스윙을 안정화시키기 위한 방법. - 제 13 항에 있어서,
상기 전력 및/또는 전류 측정치들의 주파수의 변경의 레이트에 기반하여 상기 출력 전력을 조정하는 단계
를 더 포함하는,
유틸리티 시스템의 주파수 및 전력 스윙을 안정화시키기 위한 방법. - 제 13 항에 있어서,
주파수 교란 또는 전력 스윙에 응답하여 풍력 터빈 발전기의 블레이드 피치 또는 터빈 속도를 변경시키는 단계
를 더 포함하는,
유틸리티 시스템의 주파수 및 전력 스윙을 안정화시키기 위한 방법. - 는 13 항에 있어서,
상기 유틸리티 시스템의 주파수 교란들 또는 전력 스윙들에 응답하여 적어도 하나의 에너지 저장 엘리먼트 또는 에너지 소비 엘리먼트에서의 전력의 흐름을 변조하는 단계
를 더 포함하는,
유틸리티 시스템의 주파수 및 전력 스윙을 안정화시키기 위한 방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 제한 함수는 상기 발전 시스템에 대한 전력 제한, 토크 제한, 전류 제한, 에너지 제한, 또는 속도 제한 중 적어도 하나의 함수로서 동작될 수 있는 제한들을 포함하는,
유틸리티 시스템의 주파수 및 전력 스윙을 안정화시키기 위한 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 모터는 디젤 엔진 또는 전동기인,
유틸리티 시스템의 주파수 및 전력 스윙을 안정화시키기 위한 방법.
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