KR20110130831A - 직렬 연결된 전류원 직/교류 전력 변환기들을 이용한 전력 변환 시스템 및 전력 변환 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 간단한 구조로 고전압의 직류 송전을 가능하게 하는 전력 변환 시스템 및 전력 변환 방법에 관한 것이다. 이를 위해 본 발명의 전력 변환 시스템은 두 개 이상의 교류 전원에 각각 연결되는 전류형 펄스폭 변조 컨버터를 포함하되, 전류형 펄스폭 변조 컨버터의 직류단이 서로 직렬 연결된 것을 그 특징으로 한다. 이와 같은 구성으로, 별도의 승압용 변압기나 대규모 직류 대 교류 전력 변환 장치 없이 계통 연계 규정(Grid Code)를 준수하면서 동시에 송전급 고전압에 의한 발전 전력의 직류 송전을 가능하게 한다.

Description

직렬 연결된 전류원 직/교류 전력 변환기들을 이용한 전력 변환 시스템 및 전력 변환 방법{POWER CONVERSION SYSTEM AND POWER CONVERSION METHOD USING SERIES CONNECTED CURRENT SOURCE AC/DC POWER CONVERTERS}
본 발명은 전력 변환 시스템 및 전력 변환 방법에 관한 것이다.
최근 풍력 발전 시스템의 단일 발전기당 용량이 대폭 증가하고 있으며, 10MW 급의 풍력 발전기도 설치될 것으로 예상되고 있다. 또한, 풍력 발전 시스템은 여러 대의 풍력 발전기가 집합적으로 설치되는 풍력 단지의 형태로 발전하여 대규모 풍력 단지의 경우, 풍력 발전 단지의 총 용량이 수백 MW를 넘어서고 있어 발생된 전력을 기존 계통에 신뢰성 있게 연결하는 것이 매우 중요한 문제로 대두되고 있다.
풍력 발전 시스템의 규모가 이렇게 커짐에 따라 최근 각국에서는 풍력 발전 시스템을 기존의 전력 계통에 연결할 때 준수해야 할 계통 연계 규정(Grid Code)를 제정하고, 각각의 풍력 발전 시스템이 계통 연계 규정을 따르도록 하고 있다. 대용량의 풍력 발전 시스템이 이 계통 연계 규정을 준수하기 위해서는 계통과 연계를 위하여 전체 발전 전력을 변환(Full Power Conversion)하는 시스템이 필수적이다.
통상적으로 이를 위해 전압형 펄스폭 변조 승압형 컨버터(Voltage Source PWM Boost Converter; PWM VSC)가 계통 연계에 이용되고 있다. 전압형 펄스폭 변조 승압형 컨버터는 컨버터가 다권선(Multi Winding) 승압 변압기를 통하여 병렬로 구성되어 교류 계통과 연결되거나, 다단 컨버터(Multi Level Converter)로 구현되어 교류 계통과 연결될 수 있다. 또한, 풍력 발전기의 가변 전압 가변 주파수의 교류 출력은 다이오드 정류기와 DC/DC 컨버터를 통하여 전압형 펄스폭 변조 승압형 컨버터의 직류단에 연결되거나 풍력 발전기의 교류 출력이 별도의 전압형 펄스폭 변조 승압형 컨버터를 통하여 일정 전압의 직류 전압원으로 변환된 후 앞의 전압형 펄스폭 변조 승압형 컨버터의 직류단에 연결될 수 있다.
이러한 풍력 발전의 경우에 있어서 개별 발전기에서 발생되는 수 MW 이상의 발전 전력을 계통에 보내기 위해서 단위 풍력 발전기의 단자 전압도 배전급(Distribution Level) 고전압(Medium Voltage)을 채택하는 것이 추세이며, 수백 MW에 이르는 발전 단지 전체 전력을 계통과 연계하기 위하여 송전급(Transmission Level) 고전압이 사용되고 있다. 송전급 교류 전압을 이용하여 풍력 단지의 전력을 전송하기 위해서는 풍력 발전기에 개별적으로 또는 집단적으로 전압형 펄스폭 변조 컨버터의 출력에 대용량의 승압용 변압기의 적용이 필수적이다. 이러한 변압기는 효율 감소의 원인이 될 뿐만 아니라 설치 면적이나 무게에 있어 불리한 요소로 작용한다.
또한, 해상 풍력 단지와 같이 풍력 단지와 기존 교류 계통과의 거리가 먼 경우 직류 송전 시스템이 매우 유리하다고 알려져 있다. 그러나, 송전급 고전압에서 직류 송전을 구현하기 위해서는 앞에서 언급한 교류 승압용 변압기에 부가하여 풍력 발전 단지 쪽에 교류 전압을 일정 전압의 송전용 직류 고전압으로 변환하는 고압 교류/직류 변환기가 필요하고, 연계되는 계통 쪽에서도 송전급 직류 전압을 다시 송전 전압의 교류로 변환하는 직류/교류 변환기가 필요하다. 이는 전체 풍력 발전 시스템을 복잡하게 하고 설치비용을 대폭 상승하게 하는 요인이 된다.
본 발명은 간단한 구조로 고전압의 직류 송전을 가능하게 하는 전력 변환기 및 전력 변환 시스템을 제시하고자 한다.
이를 위해 본 발명의 일실시예에 따른 전력 변환 시스템은 두 개 이상의 교류 전원에 각각 연결되는 전류형 펄스폭 변조 컨버터를 포함하되, 전류형 펄스폭 변조 컨버터의 직류단이 직렬 연결된 것을 특징으로 한다.
이때, 두 개 이상의 교류 전원은 각각 다른 풍력 발전기이거나, 하나의 풍력 발전기 내의 각각 다른 전력 발생 장치일 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 의한 전력 변환 시스템은 전류형 펄스폭 변조 컨버터의 직류단 전류에 대응하는 교류 전원의 출력을 얻도록 전류형 펄스폭 변조 컨버터의 변조 지수를 조절하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 의한 전력 변환 시스템은 교류 전원과 전류형 펄스폭 변조 컨버터를 연결하는 변압기를 더 포함할 수 있으며, 변압기는 다권선 변압기일 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 의한 전력 변환 시스템은 교류 전원의 출력단 또는 전류형 펄스폭 변조 컨버터의 교류단에 저항과 전자접촉기로 이루어지는 전력 흡수 장치를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 의한 전력 변환 시스템은 전류형 펄스폭 변조 컨버터의 직류단에 연결되는 전류형 펄스폭 변조 인버터를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 의한 전력 변환 시스템은 전류형 펄스폭 변조 인버터의 교류단에 연결되는 연계변압기를 더 포함할 수 있으며, 연계변압기는 다권선 연계변압기일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 전력 변환 방법은 두 개 이상의 교류 전원의 출력단을 각각 전류형 펄스폭 변조 컨버터에 연결하고, 상기 전류형 펄스폭 변조 컨버터의 직류단을 서로 직렬 연결하여 교류 전원에서 생성된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 전력 변환 방법은 전류형 펄스폭 변조 컨버터의 직류단 전류에 대응하는 교류 전원의 출력을 얻도록 전류형 펄스폭 변조 컨버터의 변조 지수를 조절하는 것을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 전력 변환 방법은 전류형 펄스폭 변조 컨버터의 직류단에 전류형 펄스폭 변조 인버터를 연결하여 직류 전력을 교류 전력을 변환하는 것을 더 포함할 수 있다.
위와 같이 전류형 펄스폭 변조 컨버터를 이용하여 간단한 구조로 고전압의 직류 송전을 가능하게 함으로써, 대용량의 전력을 원거리에 전송하는 고효율 풍력 발전 시스템을 구현할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 전력 변환 시스템의 교류 대 직류 전력변환부의 제 1 실시예이다.
도 2는 도 1의 교류 대 직류 전력변환부의 직류단 등가 모델을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 전력 변환 시스템의 교류 대 직류 전력변환부의 제 2 실시예이다.
도 4는 본 발명에 따른 전력 변환 시스템의 교류 대 직류 전력변환부의 제 3 실시예이다.
도 5는 본 발명에 따른 전력 변환 시스템의 직류 대 교류 전력변환부의 제 1 실시예이다.
도 6은 본 발명에 따른 전력 변환 시스템의 직류 대 교류 전력변환부의 제 2 실시예이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 전력 변환 시스템의 전체 구성도를 나타내는 도면이다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다. 그러나, 첨부도면 및 이하의 설명은 본 발명에 따른 전력 변환 시스템의 가능한 일실시예에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상은 위 내용에 의해 제한되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 전력 변환 시스템의 교류 대 직류 전력변환부의 제 1 실시예이다.
도 1에 도시된 바와 같이 제 1 실시예에 따른 전력 변환 시스템의 교류 대 직류 전력변환부는 제 a1 풍력발전기(10)와, 제 a1 전류형 펄스폭 변조 컨버터(12)와, 제 a1 직류 전류단(14)과, 제 a2 풍력발전기(20)와, 제 a2 전류형 펄스폭 변조 컨버터(22)와, 제 a2 직류 전류단(24)과, 제 ak 풍력발전기(30)와, 제 ak 전류형 펄스폭 변조 컨버터(32)와, 제 ak 직류 전류단(34)과, 제 ak 전체 직류 전류단(40)을 포함하여 구성된다.
즉, k개로 이루어지는 풍력발전기(10, 20, 30) 각각에 전류형 펄스폭 변조 컨버터(Current Source Pulse Width Modulation Converter: 12, 22, 32)들과 직류 전류단(DC Current Link: 14, 24, 34)들이 연결되며, 각 직류 전류단(14, 24, 34)들의 출력이 서로 직렬 연결되어 있다. 이렇게 직렬 연결된 직류 전류단(14, 24, 34)들의 출력은 하나의 제 ak 전체 직류 전류단(40)을 형성한다.
k개의 각 풍력발전기(10, 20, 30)는 3상의 가변 전압 가변 주파수(Variable Voltage Variable Frequency; VVVF)의 교류 전력을 발생시킨다.
각 전류원 펄스폭 변조 컨버터(12, 22, 32)는 GTO 사이리스터 또는 IGCT 등으로 이루어지는 6개의 스위치 소자와 3개의 커패시터로 이루어진다. 물론, 스위치 소자는 있음은 물론이다.
각 직류 전류단(14, 24, 34)은 스위치 소자로 이루어지는 정류회로를 통과한 전류의 리플(ripple)를 감쇄시킬 수 있도록 하는 평활용 리액터를 포함한다. 평활용 리액터는 각 직류 전류단(14, 24, 34)의 입력단과 출력단에 각각 인덕터로 이루어지며, 이 두 개의 인덕터는 서로 상호 인덕턴스를 갖는다. 이러한 평활용 리액터는 전체 직류단(40)에 집합적으로 설치될 수도 있다.
전류형 펄스폭 변조 컨버터(12, 22, 32)는 도 1에서와 같이 GTO 사이리스터(Gate Turn-off Thyristor)나 IGCT(Integrated Gate-Cummutated Thyristor) 외에도 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), FET(Field Effect Transistor) 등 여러 전력용 반도체 소자로 구현될 수 있다.
또한, 도 1에 도시되지는 않았지만, 본 발명에 따른 전력 변환 시스템은 전류형 펄스폭 변조 컨버터(12, 22, 32)의 변조 지수를 조절하는 제어부를 더 포함할 수 있다. 제어부는 전류형 펄스폭 변조 컨버터(12, 22, 32)의 직류단 전류에 대응하는 각 풍력발전기(10, 20, 30)의 출력을 얻도록 변조 지수를 조절하는 역할을 수행한다.
즉, 전류형 펄스폭 변조 컨버터(12, 22, 32)는 입력되는 교류 전력을 직류 전력으로 바꾸는데, 각 전류형 펄스폭 변조 컨버터(12, 22, 32)가 직렬(series)로 연결되어 있으므로 직류단의 전류는 동일하게 되지만, 각 직류 전류단(14, 24, 34)의 전압을 모두 상이하게 될 수 있다. 이때, 제어부(미도시)는 이 조건을 만족할 수 있도록 전류형 펄스폭 변조 컨버터(12, 22, 32)의 변조 지수를 조절하는 것이다. 더욱 자세한 동작은 도 2와 관련하여 후술하기로 한다.
종래의 교류 송전 시스템의 경우에는 송전급 교류 전압을 이용하여 전력을 공급하기 위해서 대용량 승압용 변압기를 설치하여야 했다. 그러나, 도 1에 도시된 바와 같이 전류형 펄스폭 변조 컨버터(11, 22, 32)를 직렬로 연결하면 별도의 승압용 변압기를 설치할 필요 없이 바로 고압의 직류 전압을 이용하여 전력을 공급할 수 있게 된다. 또한, 이러한 직류 송전 시스템은 해상 풍력 발전 단지와 같이 전력이 공급될 교류 계통이 매우 원거리에 떨어져 있는 경우에 전력 손실을 최소화 할 수 있어 매우 효율이 높다.
도 1에서 각 직류 전류단(14, 24, 34)의 전압이 수 kV에서 수십 kV 인 경우 제 ak 전체 직류 전류단(40)의 전압은 수십 kV에서 수백 kV의 전압이 될 수 있다. 제 ak 전체 직류 전류단(40)은 k개의 전류형 펄스폭 변조 컨버터(10, 20, 30)들로 이루어지는 교류 대 직류 전력변환부의 직류 송전선로(DC Transmission Line)의 역할을 수행하며, 풍력 발전 시스템의 경우에 있어 원거리의 교류 계통에 연결되는 긴 송전선로에 해당한다.
도 2는 도 1의 교류 대 직류 전력변환부의 직류단에서 본 등가 모델을 나타내는 도면이다.
도 1의 전력 변환 시스템의 교류 대 직류 전력변환부에서 각 풍력발전기(10, 20, 30)의 발전 출력은 해당 풍력발전기에 인가되는 풍속과 날개의 피치(Pitch)에 따라 달라지게 된다. 따라서, 각 풍력발전기(10, 20, 30)에 연결된 전류형 펄스폭 변조 컨버터(12, 22, 32)는 직류단 전류원의 입력 전류에 대응하는 발전기의 해당 출력을 얻기 위하여 PWM의 변조 지수(Modulation Index)를 조절하게 된다. 만약, 각 풍력발전기(10, 20, 30)의 피치가 동일하다면 풍력발전기(10, 20, 30)의 출력 전력은 보통 풍속(n)의 삼승에 비례하므로, 이 경우 각 풍력발전기(10, 20, 30)의 변조 지수는 풍속의 삼승에 비례하게 된다. 따라서, 가장 출력이 큰 풍력발전기의 변조 지수를 1이하의 큰 값으로 두고 다른 발전기에 연결된 전류형 펄스폭 변조 컨버터의 변조 지수를 풍속의 삼승에 비례하게 조정하면 각 풍력발전기(10, 20, 30)의 출력이 서로 다르더라도 각 풍력발전기(10, 20, 30)의 최대 출력 지점에서 지속적인 운전이 가능하게 된다.
위와 같은 제어 기법을 적용하면, 각 전류형 펄스폭 변조 컨버터(10, 20, 30)는 직류 송전단에서 볼 때 도 2와 같이 풍속의 삼승에 비례하는 가변 전압원으로 등가될 수 있다. 만약, 풍력발전기(10, 20, 30)를 전동기로 구동하는 경우 등가 전압원의 극성이 바뀌게 되어 전류원으로부터 에너지를 흡수하게 된다. 풍력 발전 단지 전체에 인가되는 풍속이 낮아질 경우, 직류단 전류의 크기를 일정하게 유지하게 되면 그림 2에서 알 수 있듯이 자연적으로 직류 송전단의 전압은 낮아지게 된다. 이때, 송전 손실을 줄이기 위해, 교류 계통 전원 쪽의 전류형 펄스폭 변조 인버터(미도시)의 변조 지수를 조절하여 직류단 전류의 크기를 줄이고 직류단 송전 전압을 일정하게 유지할 수도 있다.
도 3은 본 발명에 따른 전력 변환 시스템의 교류 대 직류 전력변환부의 제 2 실시예이다.
도 3에 도시된 바와 같이 제 2 실시예에 따른 전력 변환 시스템의 교류 대 직류 전련변환부는 제 b 풍력발전기(50)와, 제 b1 전류형 펄스폭 변조 컨버터(51)와, 제 b1 직류 전류단(52)과, 제 b2 전류형 펄스폭 변조 컨버터(53)와, 제 b2 직류 전류단(54)과, 제 b3 전류형 펄스폭 변조 컨버터(55)와, 제 b3 직류 전류단(34)과, 제 bk 전체 직류 전류단(40)을 포함하여 구성된다.
도 3은 도 1에 도시된 교류 대 직류 전력변환부와 거의 유사하지만, 다수개의 풍력발전기의 출력 전력을 전류형 펄스폭 변조 컨버터로 직렬 연결시키는 것이 아닌 하나의 단위 발전기인 제 b 풍력발전기(50) 내의 출력 전력을 전류형 펄스폭 변조 컨버터(51, 53, 55)로 직렬 연결시킨 구조를 보여주고 있다.
즉, 제 b 풍력발전기(50)의 권선이 중성점이 독립된 여러 개의 삼상 권선으로 이루어지는 경우 각각의 삼성 권선에 전류형 펄스폭 변조 컨버터(51, 53, 55)의 교류단을 연결하고, 각 전류형 펄스폭 변조 컨버터(51, 53, 55)의 직류단을 직렬 연결함으로써 단위 발전기(50)의 전력 변환 시스템을 구성할 수 있는 것이다.
도 3은 삼상 권선을 세 개 가진 풍력발전기에 대한 적용 예이며, 삼성 권선의 개수는 발전기 출력과 컨버터에 사용되는 전력용 소자의 용량에 따라 최적으로 결정될 수 있다. 각 구성의 역할 및 동작원리는 도 1에서 설명한 것과 유사하므로 설명을 생략한다.
도 4는 본 발명에 따른 전력 변환 시스템의 교류 대 직류 전력변환부의 제 3 실시예이다.
도 4에 도시된 바와 같이 제 2 실시예에 따른 전력 변환 시스템의 교류 대 직류 전련변환부는 회전부(60)와, 제 c 풍력발전기(61)와, 제 c 다권선 변압기(62)와, 제 c1 전류형 펄스폭 변조 컨버터(63)와, 제 c1 직류 전류단(64)과, 제 c2 전류형 펄스폭 변조 컨버터(65)와, 제 c2 직류 전류단(66)과, 제 c3 전류형 펄스폭 변조 컨버터(67)와, 제 c3 직류 전류단(68)과, 제 ck 전체 직류 전류단(69)을 포함하여 구성된다.
도 4은 도 3에 도시된 교류 대 직류 전력변환부와 거의 유사하지만, 제 c 풍력발전기(61)가 배전급 고전압의 삼상 단일 권선인 경우에, 제 c 풍력발전기(61)의 교류 출력에 다권선 변압기(62)를 이용하여 저압의 전류형 펄스폭 변조 컨버터(63, 65, 67)들을 직렬 연결 시킨 구조를 보여주고 있다.
즉, 다수개의 풍력발전기의 출력 전력을 전류형 펄스폭 변조 컨버터로 직렬 연결시키는 것이 아닌 하나의 단위 발전기인 제 b 풍력발전기(50) 내의 출력 전력을 전류형 펄스폭 변조 컨버터(51, 53, 55)로 직렬 연결시킨 구조를 보여주고 있다. 각 구성의 역할 및 동작원리는 도 1에서 설명한 것과 유사하므로 설명을 생략한다.
도 5는 본 발명에 따른 전력 변환 시스템의 직류 대 교류 전력변환부의 제 1 실시예이다.
도 5에 도시된 바와 같이 제 1 실시예에 따른 전력 변환 시스템의 직류 대 교류 전력변환부는 제 d 직류 전류단(70)과, 제 d 전류형 펄스폭 변조 인버터(72)와, 제 d 연계 변압기를 포함하여 구성된다.
제 d 직류 전류단(70)은 도 1의 직류 전류단(14, 24, 34)과 같이 직류 전류의 리플를 감쇄시키는 역할을 수행하며, 제 d 전류형 펄스폭 변조 인버터(72)는 직류 전력을 교류 전력으로 변환시키는 역할을 수행한다. 여기에서 직류 전력을 교류 전력으로 바꾼다는 점에서 '인버터'라는 용어를 사용하였지만, 풍력 발전기측을 전동기로 구동하는 등의 경우와 같이 전력을 풍력발전기 측에 공급하는 경우(즉, 전력의 흐름이 반대로 되는 경우)에는 반대로 교류 전력을 직류 전력으로 바꾸는 역할도 수행할 수 있음은 물론이다.
제 d 연계 변압기(Connection Transformer)는 제 d 전류형 펄스폭 변조 인버터(72)를 통하여 변환된 교류 전력의 전압을 교류 계통의 전압 크기에 맞게 조절하며 계통과의 연계시 요구되는 전기적 절연의 역할을 수행한다.
도 5에는 d 전류형 펄스폭 변조 인버터(72)의 스위치 소자가 6개인 것이 도시되어 있지만, 발생된 전력의 크기에 대응하도록 다수개의 스위치 소자로 이루어질 수도 있다. 또한, GTO 사이리스터 또는 IGCT로 표시되는 개별 스위치는 송전급 직류 전압에서 동작하기 위해서 여러 개의 GTO 사이리스터 또는 IGCT가 직렬 연결되어 한 개의 스위치처럼 동시에 온-오프(On-Off)하는 것으로 생각할 수 있다.
이렇게, 해상 풍력 단지에서와 같은 원거리 발전 단지에서 발생된 전력을 도 1의 교류 대 직류 전력변환부를 통해 고전압의 직류 전력으로 송전하고, 이를 도 5의 전류형 펄스폭 변조 인버터(72)를 포함하는 직류 대 교류 전력변환부를 통과시킴으로써 교류 계통에 계통 연계 규정(Grid Code)에 맞는 교류 전력을 공급할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 전력 변환 시스템의 직류 대 교류 전력변환부의 제 2 실시예이다.
도 6에 도시된 바와 같이 제 2 실시예에 따른 전력 변환 시스템의 직류 대 교류 전력변환부는 제 e 직류 전류단(80)과, 제 e1 직류 전류단(81)과, 제 e1 전류형 펄스폭 변조 컨버터(82)와, 제 e2 직류 전류단(83)과, 제 e2 전류형 펄스폭 변조 컨버터(84)와, 제 ek 직류 전류단(85)와, 제 ek 전류형 펄스폭 변조 컨버터(86)와 제 ek 연계 변압기(87)를 포함하여 구성된다.
도 6은 도 4에 도시된 풍력 발전 단지 측의 구조와 유사하게 소규모의 전류형 펄스폭 변조 컨버터(82, 84, 86)를 직렬 연결하고 교류 계통 쪽에 제 ek 다권선 변압기(87)를 이용하여 전력을 전달하는 것을 보여주고 있다. 동작원리는 도 4에서 설명한 것과 유사하므로 설명을 생략한다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 전력 변환 시스템의 전체 구성도를 나타내는 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 전력 변환 시스템은 제 f1 풍력발전기(100)와, 제 f1 전력 흡수장치(102)와, 제 f1 전류형 펄스폭 변조 컨버터(104)와, 제 f1 스위치 소자(106)와, 제 f1 직류 전류단(108)과, 제 f2 풍력발전기(200)와, 제 f2 전력 흡수장치(202)와, 제 f2 전류형 펄스폭 변조 컨버터(204)와, 제 f2 스위치 소자(206)와, 제 f2 직류 전류단(208)과, 제 fk 풍력발전기(300)와, 제 fk 전력 흡수장치(302)와, 제 fk 전류형 펄스폭 변조 컨버터(304)와, 제 fk 스위치 소자(306)와, 제 fk 직류 전류단(308)과, 제 fk 전체 직류 전류단(400)과, 제 f 전류형 펄스폭 변조 인버터(500)와, 제 f 연계 변압기를 포함하여 구성된다.
도 7의 전력 변환 시스템은 도 1의 교류 대 직류 전력변환부와 도 5의 직류 대 교류 전력변환부를 연결한 구조와 비슷한 구조를 가진다. 즉, k개의 풍력발전기(100, 200, 300)의 출력단을 k개의 전류형 펄스폭 변조 컨버터(104, 204, 304)와 연결하고, 각 전류형 펄스폭 변조 컨버터(104, 204, 304)의 직류단을 서로 직렬 연결하여 송전선로를 구성한 후 송전급 용량을 가지는 전류형 펄스폭 변조 인버터(500)에 이를 연결시켜, 교류 계통에 계통 연계 규정(Grid Code)에 맞는 교류 전력을 공급한다.
단, 도 7의 전력 변환 시스템은 도 1 및 도 5에 도시된 구성에 전력 흡수장치(102, 202, 302)와, 스위치 소자(106, 206, 306)가 추가되어 있으며, 전류형 펄스폭 변조 인버터(500)의 GTO 사이리스터 또는 IGCT 등으로 이루어지는 스위치 소자가 6개가 아닌 다수개가 서로 직렬 연결된 구조를 갖는다.
먼저, 전력 흡수장치(102, 202, 302)의 역할을 설명한다. 풍력 발전 시스템의 교류 계통의 사고 시에 각 풍력발전기(100, 200, 300)의 유효 전력을 흡수하기 위하여 각 풍력발전기(100, 200, 300)의 출력 단자에 직렬로 저항을 설치한 후, 정상 동작 시에는 전자접촉기(Magnetic Contact)를 이용하여 저항을 단락시키고, 사고 시에는 전자접촉기 단자를 개방하여 회로에 저항을 삽입함으로써 발전 전력을 흡수하여 발전기의 과속(Over Speed)을 방지할 수 있다. 이러한 사고 시를 대비한 유효 전력 흡수장치는 교류 계통 쪽에도 유사하게 설치될 수 있으며, 직류 송전단에도 설치될 수 있음은 물론이다.
또한, 스위치 소자(106, 206, 306)를 추가하는 이유는 다음과 같다. 각 단위 풍력발전기와 해당 풍력발전기에 연결되는 전류형 펄스폭 변조 컨버터에 문제가 생기는 경우, 직렬 연결된 직류 전류단을 가지는 본 발명의 전력 변환 시스템의 회로 구조 특성 상 전체 발전 시스템이 정지할 가능성이 있다. 이를 방지하기 위하여, 개별 발전기 또는 해당 전류형 펄스폭 변조 컨버터의 고장 시 각 전류형 펄스폭 변조 컨버터의 반도체 스위치를 완전 도통시킴으로써 각 컨버터의 직류단을 단락시킬 수 있다. 이를 통하여 고장 풍력발전기는 계통과 분리되고, 전체 발전 시스템은 나머지 발전기들을 이용하여 지속적으로 전력을 공급할 수 있다.
또한, 여기에 부가하여 각 전류형 펄스폭 변조 컨버터(104, 204, 304)의 반도체 스위치 제어 불능 등의 사고에 대비하여 도 7과 같이 각 전류형 펄스폭 변조 컨버터(104, 204, 304)와 병렬로 전력용 반도체 스위치, 예를 들어 사이리스터(Thyristor)를 설치하여 해당 전류형 펄스폭 변조 컨버터의 제어 불능 시 반도체 스위치를 도통시켜 전류의 흐름을 유지함으로써 나머지 발전기들을 이용한 지속적인 발전이 가능하게 할 수 있다.
전류형 펄스폭 변조 인버터(500)의 GTO 사이리스터 또는 IGCT 등으로 이루어지는 스위치 소자가 6개가 아닌 다수개가 서로 직렬 연결된 구조를 갖는 것은 도 5와 관련하여 언급한 바와 같이, 풍력발전기에서 생성된 전력에 대응하는 용량을 갖도록 하기 위함이다.
또한, 도 7에서 정전류(Constant Current Source)를 유지하기 위한 인덕터가 개별 전류형 펄스폭 변조 컨버터(104, 204, 304)에 각각 설치되어 있는 것을 도시하였지만, 전류형 펄스폭 변조 컨버터(104, 204, 304)의 직류단이 직렬 연결된 제 fk 전체 직류 전류단(400)에 집합적으로 구성될 수도 있음은 물론이다.
도 7에서 전류형 펄스폭 변조 컨버터(104, 204, 304)는 풍력발전기(100, 200, 300)를 전동기로 구동하는 것도 가능하게 하므로 풍력발전기(100, 200, 300)의 시동을 용이하게 하고, 풍력발전기(100, 200, 300)의 설치 및 수리 시 필요에 따라 풍력 발전기 날개를 특정 위치로 이동시키는 것도 가능하다.
또한, 풍력발전기(100, 200, 300) 단자 전압에 대한 전류형 펄스폭 변조 컨버터(104, 204, 304)의 교류 출력 전류의 위상 제어를 통해 발전기가 최소 전류에서 최대 전력을 발생하도록 운전할 수 있다.
또한, 전류형 펄스폭 변조 컨버터(104, 204, 304)를 직렬 연결할 때 각 단위 컨버터의 펄스폭 변조를 위한 반송파(Carrier Wave)를 인접한 컨버터의 반송파와 위상 천이(Phase Shift)함으로써 직류단에 나타나는 맥동 전압의 주파수를 PWM 스위칭 주파수에 비해 대폭 높게 할 수 있고 이를 이용하여 직류단의 인덕턴스를 대폭 감소시킬 수 있다.
계통 연계 규정(Grid Code)의 역률 제어 규정을 맞추기 위하여, 직류단의 전류는 풍력 발전 단지의 출력이 매우 낮아지더라도 각 전력변환부의 교류 전류의 발전기 출력 전압에 대한 위상을 제어하여 일정 크기 이상으로 유지할 수 있고, 이 경우 교류 계통에 연결된 전류형 펄스폭 변조 인버버(500)의 교류 전류의 교류 전원 전압에 대한 위상을 제어함으로써, 교류 계통에 연결된 캐패시터에 의한 진상 전력을 흡수하고 교류 계통에서 본 역률을 진상에서 지상에 이르기까지 광범위하게 제어할 수 있다. 또, 이러한 제어를 이용하여 계통 연계 규정(Grid Code)에서 요구하는 교류 전원 계통 사고 시 지속적인 무효 전력의 공급도 가능하게 할 수 있다.
위와 같은 구성으로 본 발명의 일실시예에 의한 전력 변환 시스템은 별도의 승압용 변압기나 대규모 직류 대 교류 전력 변환 장치 없이 계통 연계 규정(Grid Code)를 준수하면서, 동시에 송전급 고전압에 의한 풍력 발전 전력의 직류 송전을 가능하게 한다. 또한, 풍력 발전 단지 전체의 전력 변환 시스템의 설치 면적과 무게를 최소화하여 구조를 간소화하며, 발전 및 송전 효율을 향상시킨다.
100 : 제 f1 풍력발전기 102 : 제 f1 전력 흡수장치
104 : 제 f1 전류형 펄스폭 변조 컨버터 106 : 제 f1 스위치 소자
108 : 제 f1 직류 전류단 200 : 제 f2 풍력발전기
202 : 제 f2 전력 흡수장치 204 : 제 f2 전류형 펄스폭 변조 컨버터
206 : 제 f2 스위치 소자 208 : 제 f2 직류 전류단
300 : 제 fk 스위치 소자 302 : 제 fk 전력 흡수장치
304 : 제 fk 전류형 펄스폭 변조 컨버터 306 : 제 fk 스위치 소자
308 : 제 fk 직류 전류단 400 : 제 f 전체 직류 전류단
500 : 제 f 전류형 펄스폭 변조 인버터

Claims (14)

  1. 두 개 이상의 교류 전원에 각각 연결되는 전류형 펄스폭 변조 컨버터를 포함하되,
    상기 전류형 펄스폭 변조 컨버터의 직류단이 서로 직렬 연결된 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 두 개 이상의 교류 전원은 각각 다른 풍력 발전기인 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 두 개 이상의 교류 전원은 하나의 풍력 발전기 내의 각각 다른 전력 발생 장치인 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류형 펄스폭 변조 컨버터의 직류단 전류에 대응하는 상기 교류 전원의 출력을 얻도록 상기 전류형 펄스폭 변조 컨버터의 변조 지수를 조절하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 교류 전원과 상기 전류원 펄스폭 변조 컨버터를 연결하는 변압기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 변압기는 다권선 변압기인 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 교류 전원의 출력단 또는 상기 전류형 펄스폭 변조 컨버터의 교류단에 저항과 전자접촉기로 이루어지는 전력 흡수 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류형 펄스폭 변조 컨버터의 직류단에 연결되는 전류형 펄스폭 변조 인버터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 전류형 펄스폭 변조 인버터의 교류단에 스위치 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 전류형 펄스폭 변조 인버터의 교류단에 연결되는 연계변압기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 연계변압기는 다권선 연계변압기인 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템.
  12. 두 개 이상의 교류 전원의 출력단을 각각 전류형 펄스폭 변조 컨버터에 연결하고,
    상기 전류형 펄스폭 변조 컨버터의 직류단을 서로 직렬 연결하여 상기 교류 전원에서 생성된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 전류형 펄스폭 변조 컨버터의 직류단 전류에 대응하는 상기 교류 전원의 출력을 얻도록 상기 전류형 펄스폭 변조 컨버터의 변조 지수를 조절하는 것을 더 포함하는 전력 변환 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 전류형 펄스폭 변조 컨버터의 직류단에 전류형 펄스폭 변조 인버터를 연결하여 상기 직류 전력을 교류 전력을 변환하는 것을 더 포함하는 전력 변환 방법.
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