KR20120024528A - 풍력 발전 장치의 제어 장치 및 제어 방법 - Google Patents

풍력 발전 장치의 제어 장치 및 제어 방법 Download PDF

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Abstract

지령값에 기초하는 유효 전력의 제어가 가능한 풍력 발전 장치의 제어 장치는, 전력 계통의 주파수를 계측하는 계측 수단과, 그 계측 수단에 의해 계측된 전력 계통의 주파수 변동이 소정의 기준을 초과한 경우, 주파수 변동량과 유효 전력 지령값이 미리 설정된 관계를 나타내는 변환 정보에 기초하여, 전력 계통의 주파수 변동을 억제하는 방향으로 유효 전력을 제어하는 지령값을 생성한다. 계통의 요란에 대해 이른 단계에서 그 억제에 기여하는 풍력 발전이 실현된다.

Description

풍력 발전 장치의 제어 장치 및 제어 방법{CONTROL DEVICE OF WIND TURBINE GENERATOR AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은, 풍력 발전 장치가 발전하는 유효 전력의 제어에 관한 것이다.
전력 계통에서는, 항상 수요와 공급의 밸런스가 유지되는 것이 이상적이지만, 그 밸런스가 어긋나는 경우가 있다. 그러한 밸런스의 어긋남은 주파수 변동으로서 나타난다. 발전기 이탈이나 계통 고장 등에 의해 전력 공급 능력 부족이 발생하면, 계통 요란 (주파수의 변동 등) 이 일어나고, 그 억제 능력이 없으면 계통 전체의 붕괴로 이어져, 대규모 정전이 될 위험성이 있다. 밸런스가 무너진 직후에는, 주파수 변동의 주기가 짧기 때문에, 특히 출력 요구값에 대한 응답성이 높은 수력 발전소 등이, 그 억제에 기여할 수 있다. 변동이 안정된 후의 약간 높은 주파수에서의 준평형 상태가 된 후에는, 풍차는 그 출력을 억제하는 것을 목적으로 하여, 정지한다는 처치가 취해지고 있었다.
전력 계통의 주파수 변동시의 풍력 발전 장치의 제어에 관한 참고예로서, 특허문헌 1 을 든다. 특허문헌 1 에는, 풍력 발전이 그리드의 주파수에 부여하는 변동을 억제하는 것을 목적으로 하는 기술이 기재되어 있다. 이 목적을 달성하기 위해서, 그리드의 측정된 주파수와 정상적인 주파수의 편차에 기초하는 PID 제어나 히스테리시스를 갖는 제어가 실시된다.
(특허문헌 1) 미국 특허 출원 공개 제2009/0167021호 명세서
최근, 풍력 발전 장치의 발전 규모가 커지고 있다. 그 때문에 풍력 발전 장치에 있어서도, 계통 요란이 발생한 경우에, 그 초기부터 요란을 억제하는 제어가 유효해지는 것으로 생각된다.
본 발명의 목적은, 계통 요란 발생 직후의 전력 계통의 주파수 변동에 대한 응답을 가능하게 하는 풍력 발전 장치의 제어를 실현하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 지령값에 기초하는 유효 전력의 제어가 가능한 풍력 발전 장치 (6) 의 제어 장치 (2) 는, 전력 계통의 주파수를 계측하는 계측 수단 (3) 과, 계측 수단에 의해 계측된 전력 계통의 주파수 변동이 소정의 기준을 초과한 경우, 주파수 변동량과 유효 전력 지령값의 미리 설정된 관계를 나타내는 변환 정보에 기초하여, 전력 계통의 주파수 변동을 억제하는 방향으로 유효 전력을 제어하는 지령값을 생성하는 지령값 생성 수단 (4) 을 구비한다.
본 발명의 다른 측면에 있어서, 계측 수단 (3) 은, 소정의 샘플링 주기로 획득된 데이터의 이동 평균값에 기초하여 전력 계통의 주파수를 계측한다.
본 발명의 또 다른 측면에 있어서, 계측 수단 (3) 은, 전력 계통의 주파수 변동 개시의 초기 단계에는, 제 1 샘플링 주기에 기초하여 전력 계통의 주파수를 계측한다. 초기 단계 후의 전력 계통의 주파수 변동의 후기 단계에는, 제 1 샘플링 주기보다 긴 주기의 제 2 샘플링 주기에 기초하여 전력 계통 주파수를 계측한다.
본 발명의 또 다른 측면에 있어서, 지령값 생성 수단 (4) 은, 전력 계통의 주파수 변동 개시의 초기 단계에는, 지령값을 생성하는 제어계에 있어서, 제 1 이득에 기초하여 지령값을 생성하고, 초기 단계 후의 전력 계통의 주파수 변동의 후기 단계에는, 지령값을 생성하는 제어계에 있어서, 제 1 이득보다 작은 제 2 이득에 기초하여 지령값을 생성한다.
본 발명의 또 다른 측면에 있어서, 계측 수단 (3), 또는 지령값 생성 수단 (4) 은, 전력 계통의 주파수 변동 개시부터 소정의 시간이 경과한 경우, 또는 전력 계통의 주파수 변동량이 소정의 임계값 이하가 된 경우, 전력 계통의 주파수 변동의 후기 단계로 이행한 것으로 판단한다.
본 발명의 또 다른 측면에 있어서, 당해 풍력 발전 장치의 제어 장치 (2) 는, 복수의 풍력 발전 장치 (6) 를 통괄하여 제어한다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 지령값에 기초하는 유효 전력의 제어가 가능한 풍력 발전 장치 (6) 의 제어 방법은, 전력 계통의 주파수를 계측하는 계측 공정 (S 1) 과, 계측 공정에 의해 계측된 전력 계통의 주파수 변동이 소정의 기준을 초과한 경우, 주파수 변동량과 유효 전력 지령값의 미리 설정된 관계를 나타내는 변환 정보에 기초하여, 전력 계통의 주파수 변동을 억제하는 방향으로 유효 전력을 제어하는 지령값을 생성하는 지령값 생성 공정 (S2?S6) 을 갖는다.
본 발명에 의해, 계통 요란에 대해 초기적인 응답을 가능하게 하는 풍력 발전 장치의 제어를 실현할 수 있다.
본 발명의 상기 목적, 다른 목적, 효과, 및 특징은, 첨부되는 도면과 연결하여 실시형태의 기술로부터 보다 분명해진다.
도 1 은 윈드 팜의 구성을 나타낸다.
도 2 는 풍력 발전 장치 및 제어 장치의 구성을 나타낸다.
도 3 은 이동 평균값의 예를 나타낸다.
도 4 는 파라미터 변환 계수를 나타낸다.
도 5 는 주파수의 변동과 주파수 편차 Δf 의 예를 나타낸다.
도 6 은 제어 장치의 동작을 나타낸다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태에 대해 설명한다. 도 1 은, 본 실시형태에 있어서의 윈드 팜의 구성을 나타낸다. 윈드 팜은, 제어 장치 (2) 를 구비한다. 제어 장치 (2) 는, 주파수 검출부 (3) 와 지령값 생성부 (4) 를 구비한다. 주파수 검출부 (3) 와 지령값 생성부 (4) 는, 기억 장치에 격납된 프로그램을 CPU 가 판독하여 실행함으로써 실현되는 기능 블록이다. 제어 장치 (2) 는 윈드 팜에 속하는 복수의 풍력 발전 장치 (6) 의 각각의 풍차 제어 장치 (5) 에 접속된다. 각각의 풍력 발전 장치 (6) 는 발전기와 전력 변환부를 구비한다. 풍력 발전 장치 (6) 가 풍력에 의해 발생시킨 토크는 발전기에 의해 전력으로 변환되고, 전력 변환부에 의해 계통과 동종의 전력으로 변환된다. 제어 장치 (2) 는, 복수의 풍력 발전 장치 (6) 와 전력 계통 (1) 의 계통 연계를 실시한다.
도 2 는 풍력 발전 장치 (6) 의 제어 장치 (2) 의 구성을 나타낸다. 주파수 검출부 (3) 는 전력 계통 (1) 의 주파수를 계측하기 위한 계측 수단으로서 기능하고, 계통 전압 또는 계통 주파수 검출부 (3) 가 얻은 전력 계통 (1) 의 전압 또는 주파수의 검출값을 나타내는 정보에 기초하여, 일정 시간 Δt 의 주기로 샘플링된다. 이동 평균값 연산부 (15) 는, 샘플링한 계통 주파수의 이동 평균값을 리얼 타임으로 구한다. 이 이동 평균값은, 샘플링된 각 타이밍에 있어서의 주파수 수치의 평균값을 연산함으로써 구할 수도 있지만, 주파수에 로우 패스 필터를 적용하여 구해도 된다. 도 3 은, 이동 평균값의 예이다. 검출한 주파수 (L1) 에 대해, Δt 의 주기로 샘플링하여 얻어진 이동 평균값 (L2) 이 그려져 있다. 이동 평균값 (L3) 은, 보다 긴 샘플링 주기를 취한 경우의 예를 나타낸다. 추종성이 완만하게 되어 있는 것이 나타나 있다.
지령값 생성부 (4) 는, 주파수의 이동 평균값과, 전력 계통의 정격 주파수의 차와 주파수의 편차를 전력의 편차로 변환하는 파라미터 변환 계수의 곱에 기초하여 지령값을 생성한다. 구체적으로는, 이하와 같이 하여 지령값을 생성한다. 감산기 (16) 는, 미리 기억한 전력 계통 (1) 의 정격 주파수와 이동 평균값 연산부 (15) 가 구한 이동 평균값의 차 Δf 를 계산한다. 게인 적산기 (17) 는, 그 차에 미리 설정된 게인 K 를 곱한다. 파라미터 변환기 (18) 는, KΔf 에 소정의 파라미터 변환 계수를 곱함으로써, KΔf 를 유효 전력의 계측값과 목표값의 차인 ΔP 로 변환한다. 풍차 제어 장치 (5) 에 의해 제어되는 컨버터 (11) 는, 그 차 ΔP 에 기초하여 비례 제어 등의 제어를 실시하여, 풍력 발전 장치 (6) 의 발전기 (10) 가 발생시킨 전력을 변환한다. 변환된 전력은 변압기 (12) 에 의해 변환되어 전력 계통 (1) 과 연계된다.
도 4 는, 파라미터 변환기 (18) 에 있어서의 파라미터 변환 계수를 나타낸다. 이 파라미터 변환 계수는, 주파수 변동량과 유효 전력 지령값의 미리 설정된 관계를 나타내는 변환 정보이다. Δfmax 는, 추종의 목표인 주파수 이동 평균값의 최대값과 미리 설정된 정격 주파수의 차를 나타낸다. ΔPmax 는, 계통이 불안정해지는 경우가 없는 출력 제어값의 최대값을 나타내는 미리 설정된 값이다. 그 교점과, 주파수 및 발전량의 차가 각각 제로인 원점을 연결하는 직선이, 제어 장치 (2) 에 의한 운전 포인트가 된다. 단 ΔP 에는 운전 제약상의 제한이 있다. 운전 제약상의 제한이란, 예를 들어, 풍력 발전 장치의 운전 능력을 초과하는 ΔP 의 지령값에 따른 유효 전력은 낼 수 없다. (1)
이와 같은 제어는, 각 풍력 발전 장치 (6) 의 풍차 제어 장치 (5) 에서 실행해도 된다. 그러나, 윈드 팜 전체의 제어의 안정성으로부터, 개개의 풍력 발전 장치 (6) 에서 독립적으로 전력량의 조정을 실시하는 것보다는, 윈드 팜 전체로 전력량의 조정을 실시하는 것이 바람직하다. 윈드 팜의 담당자가 현재의 상황을 파악하기 쉽다는 점에서도 윈드 팜 전체로 전력량의 조정을 하는 것은 바람직하다. 그 때문에, 도 2 에서 나타낸 이동 평균값 연산부 (15), 감산기 (16), 게인 적산기 (17) 및 파라미터 변환기 (18) 에 의한 계산은, 복수의 풍력 발전 장치 (6) 가 속하는 윈드 팜 전체의 제어 장치 (2) 에서 실행하는 것이 바람직하다.
또한, 계통 요란에 대한 즉응성 (rapid responsibility) 의 관점에서는, 제어 장치 (2) 에서 실행하는 계산은 단순한 것이 바람직하다. 그 때문에 예를 들어, 지령값 생성부 (4) 는, 전력의 편차값 ΔP 를 윈드 팜에서 가동 중인 풍력 발전 장치 (6) 의 대수 n (미리 기억한 값) 으로 균등하게 나누어, 그 지령값 ΔP/n 을 각 풍차 제어 장치 (5) 에 송신하는 것이 바람직하다.
다음으로, 샘플링 주기에 대해 설명한다. 도 3 으로부터도 알 수 있는 바와 같이, 변동 주파수의 추종성은 샘플링 주기 Δt 에 의존한다. 일반적으로는, 전력 조류의 밸런스가 무너짐으로써 발생하는 주파수 변동은, 다음과 같은 경향을 갖는다. 변동 초기에는, 변동 진폭이 큰 기간이 수십 초 정도 계속된다. 변동 후기에는, 변동 진폭이 작은 기간이 몇 분간 정도 계속된다. 그 후, 변동 진폭은 허용 변동폭 내로 수속한다.
따라서, 변동 개시의 초기 단계에는 추종성을 높여 그 진폭을 억제함과 함께, 주파수의 발산을 방지하는 것이 요구된다. 그 때문에 변동 초기에 있어서는, 작은 값으로 설정된 제 1 샘플링 주기를 사용한다. 한편, 변동의 후기 단계에 있어서는, 변동의 진폭이 작기 때문에, 변동 주파수에 대한 높은 추종성은 요구되지 않는다. 오히려 정격 주파수와의 편차를 완만하게 줄이는 것이 요구된다. 그 때문에 변동 초기보다 나중의 시간대인 변동 후기에 있어서는, 제 1 샘플링 주기보다 큰 값으로 설정된 제 2 샘플링 주기를 사용한다.
이와 같은 샘플링 주기의 변경 대신에, 또는 샘플링 주기의 변경과 함께, 변동 초기와 변동 후기에 게인을 변경해도 된다. 이 경우, 지령값 생성부 (4) 는, 변동 초기의 제 1 시간대에 있어서 제 1 게인을 곱하여 지령값을 생성하고, 그 후, 변동 후기의 제 2 시간대에 있어서 제 1 게인보다 작은 제 2 게인을 곱하여 지령값을 생성한다. 이와 같은 제어에 의해서도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
도 5 는, 주파수의 변동과 주파수 편차 Δf 의 예를 나타낸다. 변동 초기 (t=0) 에 있어서 주파수가 급격하게 저하되고, 진폭이 큰 변동 초기가 개시된다. 도면 중의 smoothing line 은, 변동의 진폭이 작아진 변동 후기에 있어서, t=10 내지 30 까지의 20 초 기간의 주파수 파형을 최소 이승법 등에 의해 일차 함수로 근사한 선을 나타낸다. Δf 는 이와 같은 근사에 의해 주파수 파형을 평균화한 값에 기초하여 결정된다. 이 선의 t=10, 30 에 있어서의 값을 각각 f10, f30, 정격 주파수를 f0 으로 하여, Δf=(f10＋f30)/2-f0 이다. 제어 장치 (2) 는, 이와 같은 Δf 에 기초하여, 변동 초기, 후기 및 변동 수속의 각 시기를 판정하고, 그 판정에 기초하여 샘플링 주기 Δt 의 변경을 실시한다.
도 6 은, 샘플링 주기의 변경에 관해서 제어 장치 (2) 가 실시하는 처리를 나타내는 플로우 차트이다. 통상시에는, 계통 요란이 발생한 경우의 주파수 변동에 추종할 수 있도록, 작게 설정된 제 1 값 (예를 들어 2?3 초 정도) 의 샘플링 주기를 디폴트값으로서 설정해 둔다 (S1). 지령값 생성부 (4) 는, 검출한 주파수의 이동 평균값에 기초하여, 주파수의 변동이 소정의 기준을 초과했을 때, 그 변동의 보상을 하여, 전력 계통의 주파수 변동을 억제하는 방향으로 유효 전력을 제어하도록, 풍력 발전 장치 (6) 의 발전기 (10) 가 출력하는 전력의 지령값을 결정한다. 소정의 기준으로는, 예를 들어, Δf 가 정격 주파수에 대해 소정 폭 (예를 들어 ±4 퍼센트) 이상 어긋나는 시간이 소정의 기간 (예를 들어 10 초) 이상 계속된 경우, 계통 요란이 발생한 것으로 판정한다 (S2 예). 그 이외의 경우에는, 통상 운전으로 되돌아온다 (S2 아니오).
계통 요란이 발생한 것으로 판정한 경우, 디폴트의 샘플링 주기 (도 6 의 예에서는 2 초) 로 전력 계통의 주파수를 샘플링하고, 그 주파수의 이동 평균에 기초하는 풍력 발전 장치 (6) 의 출력 제어를 실시한다 (S3). 이 결과 얻어지는 이동 평균의 진폭 폭이 큰 동안에는, 대기 처리를 한다 (S4 아니오). 이동 평균의 진폭이 제 1 폭 (예를 들어 ±6 %) 이내인 상태가 소정의 기간 (예를 들어 30 초) 이상 계속된 경우 (S4 예), 계통 주파수 변동의 변동 주기가 낮은 상태에 추종할 수 있도록, 샘플링 주기 Δt 를 보다 긴 제 2 값 (예를 들어 1 분) 으로 자동적으로 전환한다 (S5). 이 제어는, Δf 가 제 1 폭보다 작은 제 2 폭 (예를 들어 ±4 %) 이내인 상태가 소정의 기간 (예를 들어 30 초) 이상 계속할 때까지 계속된다 (S6 아니오). Δf 의 변동 폭이 이 기준을 밑돈 경우에는 통상 운전으로 되돌아온다 (S6 예).
도 6 의 예에서는, 계통 요란 발생의 초기 단계의 제어 중에, 전력 계통의 주파수 변동량이 소정의 기준 이하가 된 경우에, 요란의 후기 단계의 제어로 이행했다. 전력 계통의 요란의 특성에 따라서는, 이와 같은 제어로 바꾸어, 지령값 생성부 (4) 가 계통 요란이 발생한 것으로 판정했을 때를 기점으로 하여 소정의 시간이 경과한 경우에, 변동의 후기 단계의 제어로 이행하도록 해도 된다.
이와 같이, 윈드 팜이 항상 계통의 주파수 변동을 감시하고, 계통 주파수 변동에 대해, 그것을 억제하는 방향으로 유효 전력을 즉시적으로 제어함으로써, 신속히 계통 주파수 변동의 수속에 기여할 수 있다. 특히 향후의 풍력 발전의 추가적인 대전력화에 수반하여, 이와 같은 제어가 계통 요란의 억제에 효과적이 되는 것으로 생각된다.
이상, 실시형태를 참조하여 본 발명을 설명했는데, 본 발명은 상기 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 상기 실시형태에 여러 가지 변경을 실시하는 것이 가능하다. 예를 들어, 상기 실시형태를 서로 조합할 수 있다.
1 전력 계통
2 제어 장치
3 주파수 감시부
4 지령값 생성부
5 풍차 제어 장치
6 풍력 발전 장치
10 발전기
11 컨버터
12 변압기
15 이동 평균값 연산부
16 감산기
17 게인 적산기
18 파라미터 변환기
L1 검출한 주파수
L2 이동 평균값
L3 이동 평균값

Claims (7)

  1. 지령값에 기초하는 유효 전력의 제어가 가능한 풍력 발전 장치의 제어 장치로서,
    전력 계통의 주파수를 계측하는 계측 수단과,
    상기 계측 수단에 의해 계측된 전력 계통의 주파수 변동이 소정의 기준을 초과한 경우, 주파수 변동량과 유효 전력 지령값의 미리 설정된 관계를 나타내는 변환 정보에 기초하여, 전력 계통의 주파수 변동을 억제하는 방향으로 유효 전력을 제어하는 지령값을 생성하는 지령값 생성 수단을 구비하는, 풍력 발전 장치의 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 계측 수단은, 소정의 샘플링 주기로 획득된 데이터의 이동 평균값에 기초하여 전력 계통의 주파수를 계측하는, 풍력 발전 장치의 제어 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 계측 수단은,
    전력 계통의 주파수 변동 개시의 초기 단계에는, 제 1 샘플링 주기에 기초하여 전력 계통의 주파수를 계측하고,
    상기 초기 단계 이후의 전력 계통의 주파수 변동의 후기 단계에는, 상기 제 1 샘플링 주기보다 긴 주기인 제 2 샘플링 주기에 기초하여 전력 계통 주파수를 계측하는, 풍력 발전 장치의 제어 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 지령값 생성 수단은,
    전력 계통의 주파수 변동 개시의 초기 단계에는, 지령값을 생성하는 제어계에 있어서, 제 1 이득에 기초하여 지령값을 생성하고,
    상기 초기 단계 이후의 전력 계통의 주파수 변동의 후기 단계에는, 지령값을 생성하는 제어계에 있어서, 상기 제 1 이득보다 작은 제 2 이득에 기초하여 지령값을 생성하는, 풍력 발전 장치의 제어 장치.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 계측 수단, 또는 상기 지령값 생성 수단은, 전력 계통의 주파수 변동 개시부터 소정의 시간이 경과한 경우, 또는 전력 계통의 주파수 변동량이 소정의 임계값 이하가 된 경우, 전력 계통의 주파수 변동의 후기 단계로 이행한 것으로 판단하는, 풍력 발전 장치의 제어 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 풍력 발전 장치의 제어 장치는, 복수의 풍력 발전 장치를 통괄하여 제어하는, 풍력 발전 장치의 제어 장치.
  7. 지령값에 기초하는 유효 전력의 제어가 가능한 풍력 발전 장치의 제어 방법으로서,
    전력 계통의 주파수를 계측하는 계측 공정과,
    상기 계측 공정에 의해 계측된 전력 계통의 주파수 변동이 소정의 기준을 초과한 경우, 주파수 변동량과 유효 전력 지령값이 미리 설정된 관계를 나타내는 변환 정보에 기초하여, 전력 계통의 주파수 변동을 억제하는 방향으로 유효 전력을 제어하는 지령값을 생성하는 지령값 생성 공정을 갖는, 풍력 발전 장치의 제어 방법.
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