KR20120064051A - 폴트-라이트-쓰루 방법, 컨버터 및 풍력 발전용 터빈을 위한 전력 생성된 유효 전력 생성 및 유닛 - Google Patents

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Abstract

폴트-라이드-쓰루 및/또는 결합 이후 유효 전력 회복 제어 방법이 개시되는데, 상기 방법은:
- 전력을 전송하는 전력 라인(4) 상의 전압 딥을 탐지하는 단계;
- 상기 전력 라인 상에서 전압 딥이 탐지되면, 복수의 전력 라인들을 구비하는 전력 네트워크 내로 공급점에서 전력 생성 유닛(2)에 의해 공급된 유효 전류 및/또는 유효 전력을 특정값까지 감소시키는 단계; 그리고
- 폴드-라이드-쓰루가 비활성화될 때, 생성 유닛 또는 복수의 유닛들로부터의 유효 전력이 특정한 최적화된 시간 함수 내에서 결함 이전 유효값일 수 있는 최적화된 결함 이후 전력값까지 재상승되는 단계;
를 포함한다.
상기 유효 전류 및/또는 유효 전력의 특정값이 상기 전력 생성 유닛(2)이 연결되는 상기 전력 네트워크의 적어도 일부의 특성들(properties)에 따라 달라지고, 및/또는 상기 유효 전류 및/또는 유효 전력의 특정값이 상기 전력 네트워크의 공급점에 연결된 전력 생성 유닛들(2)의 수에 따라서 달라진다.

Description

폴트-라이트-쓰루 방법, 컨버터 및 풍력 발전용 터빈을 위한 전력 생성된 유효 전력 생성 및 유닛 {FAULT-RIDE-THROUGH METHOD, CONVERTER AND POWER GENERATING UNIT FOR A WIND TURBINE}
본 발명은 풍력발전용 터빈을 위한 개선된 폴트-라이드-쓰루 회복 방법을 기술한다. 또한 본 발명은 컨버터 및 풍력 발전용 터빈을 위한 이러한 컨버터를 포함하는 전력 생성 유닛을 기술하고 이러한 전력 생성 유닛을 포함하는 하나 이상의 풍력발전용 터빈을 구비하는 풍력 발전 지대(wind farm)를 기술한다.
전력 그리드에 단락 회로 결함과 같은 왜곡(distortion)이 발생하면, 전력 네트워크 시스템은 불안정해질 수 있다. 예를 들어 전력 라인들이 단락 회로가 되거나 전력 시스템 구성품들이 오기능하고 있거나 또는 멈추어버리면(brake down) 일시적인 단락 회로가 발생할 수 있다.
전력 생성 유닛이 전압 딥을 탐지하면, 그리드로 공급된 유효 전류가 감소된다. 구체적으로, 종래 기술에 따른 폴트-라이드-쓰루 제어에 있어서, 연결 그리드를 매개로 전력 네트워크 내로 공급된 유효 전류가 전압 딥에 따라서 감소된다. 이렇게 감소된 유효 전류가 상당히 짧은 시간 구간 동안 연결 그리드로 공급된다. 이후에, 유효 전력은 전압 딥 이전 값까지 증가된다.
도 1은 종래 기술에 따른 풍력 발전 지대(wind park)를 위한 예시적인 전력 전송 시나리오를 나타낸다. 이러한 풍력 발전 지대는 복수의 풍력발전용 터빈들(2)을 포함하는데 이들 각각은 예를 들어 0.7 kV의 전압을 생성한다. 풍력발전용 터빈(2)의 전력은 풍력발전용 터빈 연결 라인(4)에 의해서 풍력발전용 터빈 변압기(6)로 전송되는데 상기 변압기는 전압을 예를 들어 33 kV로 변환한다. 이러한 전압은 전력 라인(8)에 의해서 풍력 발전 지대 컬렉터 그리드(wind farm collector grid)에 다시 말해서 저전압 버스 바아(bus bar)(10)에 제공된다. 컬렉터 그리드 전압값은 풍력 발전 지대 승압 변압기(12)에 의해 전송 시스템 전압으로 예를 들어 132 kV로 변환된다. 국소 부하(local load)(16)가 분기점(branch point) 또는 제1 버스(14)에 연결된다. 그리드 브랜치 레이디얼(grid branch radial)로서도 지칭되는 분기점(14)으로부터, 연결 라인(18)이 제2 버스(20)로서도 지칭되는 공통 연결점에서 전송 네트워크 시스템에 연결된다. 스위치드 커패시터들(switched capacitors)(22)이 공통 연결점(20)에 보조 구성품들(auxiliary components)로서 연결된다. 이들 보조 구성품들은 시스템 그리드 전압의 전반적인(general) 무효 전력 제어 목적으로 사용된다.
전송 네트워크의 네트워크 포인트(network point)(28)는 전력 생성 유닛(32)과의(with) 전송 그리드 시스템의 등가적인 포인트를 구성한다. 상호연결 라인 또는 제1 전력 라인(24), 공통 연결점(20) 그리고 지역 전송 라인(regional transmission line) 또는 제2 전력 라인(26)을 매개로 이러한 시스템은 소비자들(36)을 가지는 지역 그리드 시스템의 소비점(30) 그리고 제2 전력 생성 유닛(34)에 의해 표현되는 지역 전송 네트워크 시스템에 연결된다.
예시적인 시나리오에 있어서 전력은 전송 네트워크의 네트워크 점 또는 제3 버스(28)로부터 공통 연결점(20)을 매개로 소비점(consumption point) 또는 제4 버스(30)까지 전송된다. 나아가, 풍력 발전 지대의 풍력발전용 터빈들(2)로부터 생성된 전력이 각각 연결 그리드 및 연결 라인을 매개로 그리고 공통 연결점(20)을 매개로 전반적인(general) 전송 그리드로 공급된다.
예시적인 결함 시나리오에 있어서 지역 전송 라인(26)은 극심하고 손상을 입히는 단락 회로 결함에 노출되고 네트워크 보호 릴레이에 의해 트립 오프(trip off)된다. 결함을 가진 지역 전송 라인(26)은 심하게 손상을 입어서 수리가 되기 전에는 재연결될 수 없다. 결함 시나리오는 네트워크 포인트(28)에 위치한 그리드 시스템 및 풍력발전 지역으로부터 지역 그리드 시스템의 소비점(30)으로 더 이상 전력이 제공될 수 없도록 한다. 단락 회로는 전체 네트워크 시스템에 극심한 전압 딥을 야기한다.
도 2 내지 도 9를 참조하면, 종래 기술에 따른 폴트-라이드-쓰루 및 결함 이후 유효 전력 회복 제어 알고리즘이 설명된다.
구체적으로, 도 2 내지 도 5는 49개의 풍력발전용 터빈들(2)이 연결 라인(18)을 매개로 공통 연결점(20)에 연결되는 시나리오에 있어서의 시뮬레이션 작도들을 나타낸다. 도 2는 공통 연결점(20)의 상대 전압의 시뮬레이션의 작도를 나타낸다. 지역 전송 라인(26) 내 단락 회로 결함이 발생할 때 약 1초의 시점에서 150 ms 극심한 전압 딥(severe 전압 딥)이 발생한다. 결함이 제거되면 공통 연결점(20)에서의 전압이 회복되고 그리고 결함 이후 전압 진동(post fault voltage oscillations)이 사라진 후에 상기 공통 연결점(20) 내 전압이 상기 전압 딥 이전과 같은 전압 레벨에 이른다.
도 3은 풍력발전용 터빈 연결 라인들(4) 중 하나의 상대 전압의 시뮬레이션의 작도를 나타낸다. 따라서 도 3은 풍력발전용 터빈(2)의 컨버터의 상대 전압을 나타낸다. 이러한 종래 기술에 따른 FRD(fault-ride-through) 제어에 있어서, 컨버터는 전압 딥의 값에 의존하는 값만큼 풍력발전용 터빈 연결 라인(4)으로 제공되는 유효 전류를 감소시킨다.
도 4는 총 풍력발전 지대 변압기(aggregated wind farm transformer)로부터 풍력발전 지대 변압기(12)의 저전압 버스 바아(10)까지의 전체 유효 전력의 시뮬레이션의 작도를 나타낸다. 종래 기술에 따른 폴트-라이드-쓰루 제어에 있어서 0.5 내지 1의 값을 가지는 인자(factor)가 전압 딥의 값과 전류 감소 간의 관계를 규정한다. 현재의 시나리오에 있어서 감소 인자는 약 0.5이다. 유효 전력은 도 4에 표시된 바와 같이, 결함 이전 값의 15 %까지 감소된다. 풍력발전용 터빈 연결 라인(4)에서의 전압은 도 3에 표시된 바와 같이 결함 이전 값의 약 30%이다.
유효 전력이 1초보다 짧은 상당히 짧은 시구간 내에 결함 이전 값까지 재상승함(rampe back)을 유의해야 한다. 유효 전력의 진동은 실질적으로 전압 딥 이전 값에서 사라진다.
도 5는 풍력발전 지대의 총(aggregated) 풍력발전용 터빈들(2)에 의해 생성된 무효 전력의 시뮬레이션의 작도를 나타낸다. 총 풍력발전 지대 변압기로부터 전체 무효 전력이 풍력발전 지대 변압기(12)의 저전압 버스 바아(10)로 공급된다. 결함 이후 무효전력의 전체량은 변화하는데, 시스템 보호 릴레이가 결함을 가진 지역 전송 라인(26)에 분리되었다는 사실에 기인하여 네트워크 그리드 시나리오가 변경되었기 때문이다.
네트워크가 지역 전송 라인(26) 내 심각한 결함에 의해 야기되는 전압 딥 이후 상당히 짧은 시구간 내에 수렴되고(converges) 안정적으로 유지된다는 것을 유의해야 한다. 지역 그리드 시스템의 소비점(30) 및 지역 전송 라인(26)이 공통 연결점(20)으로부터 분리되었음에도 불구하고 네트워크 시스템은 수렴된다.
소위 그리드 코드에 의해 각 국가의 각각의 전송 시스템 작업자, 국가 서비스 제공자 및 분배 서비스 작업자에 의해서 구체적인(specific) 폴트-라이드-쓰루 회복 요건이 표준화된다. 그리드 코드는 전압 딥의 경우에 전력 생성 유닛이 어떻게 반응하여야 하는지를 규정한다.
도 6 내지 도 9은 풍력발전 지대 변압기(12) 및 연결 라인(18)을 매개로 공통 연결점(20)에 50개의 풍력발전용 터빈들(2)이 연결되는 시나리오를 나타낸다. 도 6은 공통 연결점(20)의 전압의 시뮬레이션의 작도를 나타낸다. 도 6은 도 2에 대응되는데, 도 2는 단지 49개의 풍력발전용 터빈들이 풍력 발전 지대를 형성하는 경우를 나타낸다. 도 7은 풍력발전용 터빈 연결 라인(4)에 전력을 공급하는 풍력발전용 터빈(2)의 컨버터 전압의 시뮬레이션의 작도를 나타낸다. 따라서, 도 7은 연결된 풍력발전용 터빈들의 수를 제외하고는 도 3에 대응된다.
도 8은 총 풍력발전 지대 변압기로부터 풍력발전 지대 변압기(12)의 저전압 버스 바아(10)까지의 전체 유효 전력의 시뮬레이션의 작도를 나타낸다. 따라서 도 8은 풍력발전 지대 변압기(12)에 연결된 단지 49개의 풍력발전용 터빈들의 시뮬레이션인 도 4에 대응된다.
마지막으로 도 9는 풍력발전 지대 변압기(12)의 저전압 버스 바아(10)로 공급되는 무효 전력의 시뮬레이션의 작도를 나타낸다. 따라서 도 9는 도 5에 대응된다.
도 6 내지 도 9에서 알 수 있는 바와 같이, 지역 전송 라인(26)의 멈춤(breakdown)에 의해 야기되는 전압 딥 이후에 네트워크는 불안정해진다. 네트워크 그리고 특히 풍력발전용 터빈들(2)로부터의 전압 및 생성된 전력이 불안정해지는데, 연결 라인이, 다시 말해서 연결 그리드(18)가 매우 약한 그리드 시스템이기 때문이다. 이러한 경우에 전체 풍력 발전 지대는 부하(16)가 연결되는 분기점(14)으로부터 분리되어야 한다.
이에 본 발명의 목적은 종래 기술의 문제점들을 극복하고 예를 들어 약한 연결 그리드를 가지는 네트워크 시스템 내 안정적인 폴트-라이드-쓰루를 가능하게 하는 폴트-라이드-쓰루 제어를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 청구항 제1 항에 따른 폴트-라이드-쓰루 회복 방법, 청구항 제9 항에 따른 컨버터, 청구항 제10 항에 따른 전력 생성 유닛, 청구항 제11 항에 따른 풍력발전 지대, 그리고 청구항 제12 항에 따른 컴퓨터 프로그램 물건에 의해서 성취된다.
폴트-라이드-쓰루 회복 방법은 전력을 전송하는 전력 라인 상의 전압 딥을 탐지하기 위해 전력 라인을 모니터링한다. 바람직하게는 모니터링된 전력 라인은 폴트-라이드-쓰루 회복 방법을 실행하는 전력 생성 유닛이 연결된 전력 라인이다. 전력 라인 상에서 전압 딥이 탐지되면, 공급점에서 전력 생성 유닛에 의해 복수의 전력 라인들을 구비하는 전력 네트워크로 공급되는 유효 전류 및/또는 유효 전력이 전압 딥의 값과는 독립적인 특정한 값까지 예를 들어 고정되거나 및/또는 기정의된 값까지 감소된다.
전력 네트워크에 전력 생성 유닛을 연결하는 전력 라인 내 전압은 전력 네트워크 내 단락 회로에 기인하여 전압 딥 값까지 강하될 수 있다. 전압 딥 값은 예를 들어 전압 딥 이전 값의 50%, 30%, 25% 또는 10%일 수 있다.
종래 기술에 따른 폴트-라이드-쓰루 회복 방법은 결함 이전 생산량(production) 및 전압 딥 값에 따라서 전력 생성 유닛에 의해 전력 네트워크로 공급되는 유효 전류 및/또는 유효 전력을 감소시킨다. 다시 말해서 결함 이전 생산량이 정격 생산량(rated production)이고 전압 딥 값이 결함 이전 전압의 50%이면 전력 네트워크로 공급되는 유효 전류 및/또는 유효 전력이 생성 유닛의 정격 전류 값(rated current value)의 예를 들어 50%까지 감소된다.
도 6 내지 도 9를 참조하여 전술한 바와 같이, 종래 기술에 따른 폴트-라이드-쓰루 및/또는 결함 이후 유효 전력 회복 방법은 풍력발전용 터빈들과 같이, 복수의, 특히 많은 수의 전력 생성 유닛들이 전력 네트워크 시스템의 약한 연결 그리드에 걸쳐 연결되는 경우 불안정을 야기한다.
본 발명의 발명자들은 전력 라인에서 전압 딥이 탐지되는 경우에 유효 전류 및/또는 유효 전력이 특정값까지 감소된다면 이러한 불안정이 회피될 수 있음을 인지하였다. 특정값은 어떤 기결정된 값이거나 및/또는 고정된 값일 수 있다. 다시 말해서, 전력 네트워크로 공급되는 유효 전류 및/또는 유효 전력은 전압 딥 값에 독립적이거나 상기 전압 딥 값에 반드시 종속될 필요는 없는 특정값까지 감소된다. 이로써 각각의 전력 생성 유닛 그리고 전체 네트워크 또는 전력 그리드의 개선되고 안정적인 폴트-라이드-쓰루 성능이 성취될 수 있다. 네트워크가, 심각한 단락 회로 결함에 노출된, 전력 생성 유닛들을 연결하기 위한 약한 연결 그리드를 포함하고 있다면 전력 생성 유닛은 분리될 필요가 없다. 이로써, 전체 전력 네트워크의 가용성 및 각각의 전력 생성 유닛의 가용성이 개선된다.
본 발명의 특히 이로운 실시예들 및 기술적 특징들이, 후술할 상세한 설명에서 나타나는 바와 같이, 종속항들에서 주어진다.
유효 전류 및/또는 유효 전력의 특정값은, 다시 말해서 감소값은 전력 생성 유닛이 연결되는 전력 네트워크의 특성들에 따라서 달라질 수 있다. 유효 전류 및/또는 유효 전력의 특정값은 전력 네트워크의 공급점에 연결된 전력 생성 유닛들의 수에 따라서 달라질 수 있다. 전력 네트워크의 특성들은 잔존 전력 네트워크에 공급점을 커플링하는 연결 그리드에 의해 결정될 수 있다. 공급점은 공통 연결점을 구성하는 버스에 연결 그리드를 매개로 커플링될 수 있다. 상기 특성들은 전력 라인, 연결 그리드 및/또는 그에 연결된, 변압기와 같은, 전기 구성품의 단락 회로 용량, 전력 전달 용량, 임피던스 등일 수 있다.
복수의 전력 생성 유닛들이 전력 네트워크의 공급점에 연결되면 더 많은 전력이 공급점을 전력 네트워크와 커플링하는 연결 그리드 또는 전력 라인을 매개로 전력 네트워크로 전달되어야 할 것이다.
약한 전력 라인에 의해 또는 약한 연결 그리드에 의해 공급점이 잔존 전력 네트워크에 연결된다면 유효 전류 및/또는 유효 전력의 특정값은 감소될 수 있다. 나아가 더 많은 수의 전력 생성 유닛들이 약한 전력 라인 또는 약한 연결 그리드에 의해 전력 네트워크에 연결된다면, 유효 전류 및/또는 유효 전력의 특정값이 조정될 수 예를 들어 감소될 수 있다. 전력 라인 또는 연결 그리드의 특성들은 전력 라인 또는 연결 그리드의 임피던스 및 전력 전송 특성들에 의해서 결정될 수 있다. 약한 전력 라인 또는 연결 그리드는 강한 전력 라인 또는 연결 그리드와 비교할 때 더 큰 임퍼던스 및/또는 더 작은 전력 전달 용량을 가질 수 있다. 폴트-라이드-쓰루 회복 방법은 폴트-라이드-쓰루 유효 전력 회복 방법일 수 있다.
폴트-라이드-쓰루 회복 방법은 전압 딥에 기인하여 유효 전류 및/또는 유효 전력을 감소시킨 이후에 유효 전류 및/또는 유효 전력의 진동이 사라질 때까지 기다리는 단계를 포함할 수 있다. 후속하여 유효 전류 및/또는 유효 전력이 전압 딥 이전의 값으로 재상승될 수, 다시 말해서 증가될 수 있다. 바람직하게는 폴트-라이드-쓰루 회복 방법은 유효 전류 및/또는 유효 전력의 진동이 기결정된 임계치 아래로 감소될 때까지 기다리는 단계를 포함할 수 있다. 발전기 전압이 기결정된 임계치까지 회복되고 결함이 제거된 후에만 회복 유효 전류 및/또는 유효 전력이 특정값으로부터 증가되기 때문에, 발전기들 및 전체 전력 네트워크의 안정성이 보증될 수 있다. 상승(ramp up)은 특정한, 특히 기결정된, 함수에 의해서 예를 들어 선형 함수에 의해서 수행될 수 있다.
복수의 전력 생성 유닛들이 약한 전력 라인 또는 약한 연결 그리드에 의해서 전력의 공급점에서 전력 시스템에 연결된다면, 이러한 폴트-라이드-쓰루 회복 방법이 특히 적합하다. 특히 전력 네트워크의 약한 전력 라인 또는 연결 그리드에 의해 많은 수의 전력 생성 유닛들이 전력 시스템 네트워크에 연결되는 상황들에 있어서, 개선된 폴트-라이드-쓰루 및/또는 결함 이후 유효 전력 회복 방법은 전력 네트워크 시스템의 안정성을 개선하고 보증하는 전력 생성 유닛들을 위한 새롭고 개선된 제어 컨셉으로서 이해될 수 있다. 개선된 폴트-라이드-쓰루 및/또는 결함 이후 유효 전력 회복 방법은 특히 점점 더 많은 경우들에서, 외딴 인구 밀도가 낮은 지역에 점점 더 많은 새로운 대형 풍력발전 지대들이 위치되기 때문에, 약한 그리드 시스템들에 연결되는 풍력발전 지대에 적합하다. 배후의(rear) 외딴(desolate) 지역들에 또는 해안선 또는 연안에 풍력발전 지대가 위치될 수 있어서 풍력발전 지대가 기존의 강한 전력 네트워크 그리드들로부터 이격될 수 있다. 개선된 폴트-라이드-쓰루 및/또는 결함 이후 유효 전력 회복 방법은 또한 호주, 뉴질랜드, 및 미국에서의 지방의 인구 밀도가 낮은 지역들과 같이 지리적인 이유로 강한 상호연결 그리드를 가지지 아니하는 전력 네트워크에 대하여 적합하다.
개선된 폴트-라이드-쓰루 및/또는 결함 이후 유효 전력 회복 방법은 기결정되거나 및/또는 특정된 시구간 동안 유효 전류 및/또는 유효 전력을 전압이 정상 동작 조건을 다시 얻었을 때 특정값으로부터 전압 딥 이전에 결함 이전 값까지 특정한 함수에 의해 증가시킨다. 특히, 결함 이후 유효 전류 및/또는 유효 전력의 회복은 실질적으로 선형적으로 증가된다. 이에 의해서, 약한 그리드 연결된 풍력발전 지대의 그리고 생성 유닛들의 전반적인 결함 후 안정성이 상당히 향상될 수 있다.
기결정된 결함 이후 유효 전류 및/또는 전력 회복 시구간은 풍력발전 지대 또는 전력 생성 유닛들이 공통 연결점에서 전력 시스템에 연결되는 전력 네트워크의 특성들에 따라서 달라질 수 있거나 및/또는 전력 네트워크의 공급점에 연결되는 전력 생성 유닛들의 수 그리고 그들의 유효 전력 생산량에 따라서 달라질 수 있다. 경험적으로 보아, 더 많은 전력 생성 유닛들이 존재하고 그리고 그와 같은 더 큰 유효 전력 생산량이 전력 네트워크의 공급점으로 공급되면, 특정한 시구간이 길어진다. 나아가, 전력 네트워크가 공급점에서 전력 생성 유닛들을 전력 네트워크에 연결하기 위한 약한 전력 라인 또는 연결 그리드를 포함하면 특정한 시구간이 증가된다. 특정한 시구간은 전형적으로 공통 연결 네트워크 그리드의 정적 및 동적 특성들에 따라서 1초보다 길거나 또는 최대 수 초(several seconds)에 이를 수 있다. 결함 이후 유효 전류의 특정하고 최적화된 값 및/또는 특정한 시구간(다시 말해서 유효 전력의 재상승 시간(ramp back time)의 특정하고 최적화된 값은 시뮬레이션에 의해서 결정될 수 있다.
따라서, 본 발명은 폴트-라이드-쓰루 회복 이벤트를 시뮬레이션하는 방법에 의해서 적합한 고정된 값을 결정하는 방법을 또한 개시한다. 총 전력 생성 유닛이 연결되어질 전력 네트워크의 데이터가 제공된다. 전력 네트워크에 관한 데이터는 전력 생성 유닛을 위한 공급점을 전력 시스템 네트워크에 연결하는 연결 그리드 또는 전력 라인의 데이터를 포함할 수 있다. 연결 그리드에 연결될 하나 이상의 총 전력 생성 유닛의 데이터가 제공된다. 하나 이상의 총 전력 생성 유닛의 데이터는 전력 생성 유닛의 임피던스, 최대 공급 전력, 완전한(complete) 전기 제어, 및 컨버터의 데이터 등을 포함할 수 있다. 폴트-라이드-쓰루 회복은 하나 이상의 총 전력 생성 유닛 및 전력 네트워크 내 전압, 전류, 전력 및/또는 전압 딥을 시뮬레이션하는 것에 의해서 시뮬레이션될 수 있다. 전체 전력 네트워크의 값들 및 전기 구성품들을 시뮬레이션할 필요가 없다. 전형적으로, 공급점을 잔존 네트워크에 연결하는 전력 라인 또는 연결 그리드의 안정 상태 및 동적 특성들과 관련한 전기적 값들 및 데이터만이 고려되어야 한다. 적합한 유효 전류 및/또는 유효 전력의 특정값이 전력 네트워크의 적어도 일부의 특성들에 따라서 달라질 수 있고 완전한 폴트-라이드-쓰루 및/또는 결함 이후 시퀀스 이벤트를 시뮬레이션하는 것에 의해서 결정된다. 적합한 특정값은 폴트-라이드-쓰루 회복을 시뮬레이션하는 것에 의해서 전력 네트워크의 공급점에 연결될 전력 생성 유닛들의 수 및 생성된 유효 전력 생산량에 따라서 결정될 수 있다. 전력 네트워크의 적어도 일부의 불안정을 초래하지 아니하면서 그리고 전력 생성 유닛들의 불안정한 동작의 위험을 감수하지 아니하면서, 정상 동작이 수용가능한 시구간 내에 재개될 수 있도록 적합한 특정값이 결정될 수 있다.
나아가, 본 발명은 또한 폴트-라이드-쓰루 및/또는 회복 시퀀스 이벤트를 시뮬레이션하는 것에 의해서 적합한 기결정된 시구간을 결정하는 방법을 개시한다. 전력 생성 유닛이 연결될 전력 네트워크의 적어도 일부의 데이터가 제공된다. 전력 네트워크에 연결될 하나 이상의 전력 생성 유닛의 데이터가 제공된다. 폴트-라이드-쓰루 및/또는 결함 이후 유효 전류 및/또는 전력 회복은 전력 네트워크의 적어도 일부에서 및 하나 이상의 전력 생성 유닛에서 전압, 전력, 및/또는 전압 딥을 시뮬레이션하는 것에 의해서 시뮬레이션된다. 적합한 결함 이후 유효 전력 복구 시간(restoration time) 및/또는 함수는 폴트-라이드-쓰루 및/또는 결함 이후 유효 전력 회복 이벤트 시퀀스를 시뮬레이션하는 것에 의해서 전력 네트워크의 적어도 일부의 특성들에 따라서 결정된다. 폴트-라이드-쓰루 및/또는 결함 이후 유효 전력 회복을 시뮬레이션하는 것에 의해서, 전력 네트워크의 공급점에서 공급된 생성된 유효 전력 생산량 및 전력 생성 유닛들의 수에 따라서 적합한 기결정되거나 특정한 시구간 및/또는 함수가 결정될 수 있다. 전압 딥 이후에 수용가능한 시구간 내에 정상 동작이 재개되도록 그리고 전력 네트워크 또는 전력 생성 유닛(들) 내에 어떠한 불안정도 발생하지 아니하도록, 기결정된 시구간 및/또는 함수가 선택될 수 있다. 폴트-라이드-쓰루 및/또는 결함 이후 유효 전력 회복을 시뮬레이션하는 제1 및 제2 방법은 결합될 수 있다.
본 발명은 또한 전압 딥을 탐지하기 위한 탐지기와 개선된 폴트-라이드-쓰루 및/또는 결함 이후 유효 전력 회복 방법을 실행하도록 구성된 리듀서를 포함하는 컨버터를 개시한다. 탐지기는 전압 딥이 발생했음을 가리키는 모니터링 유닛 또는 결정 유닛으로부터 신호를 수신하는 인터페이스일 수 있다.
각각의 풍력발전용 터빈은 하나의 컨버터를 포함한다. 컨버터는 사이리스터, TRIAC, 파워-FET, IGBT, PWM 등과 같은 전력 전자 부품을 포함할 수 있다.
나아가, 본 발명은 이러한 컨버터를 포함하는 전력 생성 유닛을 개시한다. 전력 생성 유닛은 풍력발전용 터빈일 수 있다.
본 발명은 또한 복수의 풍력발전용 터빈을 구비하는 풍력발전 지대를 개시하는데, 하나 이상의 풍력발전용 터빈이 앞서 언급한 전력 생성 유닛을 포함한다.
본 발명은 또한 폴트-라이드-쓰루 및/또는 결함 이후 유효 전력 회복 방법 그리고 폴트-라이드-쓰루를 시뮬레이션하는 방법의 단계들을 수행하기 위한 프로그램 코드 수단(program code means)을 포함하는 컴퓨터 프로그램 물건을 개시한다. 이들 방법들은 프로그래밍가능한 컴퓨터 상에서 수행될 수 있다. 개선된 폴트-라이드-쓰루 및/또는 결함 이후 유효 전력 회복 방법은 프로그래밍가능한 로직 구성품을 포함할 수 있는 로직 구성품들에 의해 구현될 수도 있다.
본 발명의 다른 목적들 및 기술적 특징들이 첨부된 도면들과 함께 고려되는 후술하는 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 도면들은 단지 설명의 목적으로 도시된 것이며 본 발명의 범위를 규정하지 아니함을 이해하여야 한다.
도 1은 전력 전송 시스템 네트워크의 상호연결점에 승압 변압기 및 전력 라인을 매개로 연결된 전력 생성 유닛들을 구비하는 풍력발전 지대의 도식도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 폴트-라이드-쓰루 방법의 상호연결 버스의 상대 전압의 시뮬레이션의 작도를 나타내는데, 49개의 풍력발전용 터빈들이 전력 시스템 네트워크의 공급점에 연결된다.
도 3은 종래 기술에 따른 폴트-라이드-쓰루 방법의 풍력발전용 터빈 연결 라인들의 상대 전압의 시뮬레이션의 작도를 나타내는데, 49개의 풍력발전용 터빈들이 전력 시스템 네트워크의 공급점에 연결된다.
도 4는 종래 기술에 따른 폴트-라이드-쓰루 방법의 풍력발전 지대 변압기를 매개로 공급된 총 풍력발전 지대의 유효 전력의 시뮬레이션의 작도를 나타내는데, 49개의 풍력발전용 터빈들이 전력 시스템 네트워크의 공급점에 연결된다.
도 5는 종래 기술에 따른 폴트-라이드-쓰루 방법의 풍력발전 지대의 총 풍력발전용 터빈들에 의해 생성된 무효 전력의 시뮬레이션의 작도를 나타내는데, 49개의 풍력발전용 터빈들이 전력 시스템 네트워크의 공급점에 연결된다.
도 6은 종래 기술에 따른 폴트-라이드-쓰루 방법의 상호연결 버스의 상대 전압의 작도를 나타내는데, 50개의 풍력발전용 터빈들이 전력 시스템 네트워크의 공급점에 연결된다.
도 7은 종래 기술에 따른 폴트-라이드-쓰루 방법의 풍력발전용 터빈 연결 라인들 중 하나의 상대 전압의 시뮬레이션의 작도를 나타내는데, 50개의 풍력발전용 터빈들이 전력 시스템 네트워크의 공급점에 연결된다.
도 8은 종래 기술에 따른 폴트-라이드-쓰루 방법의 풍력발전 지대 변압기를 매개로 공급된 총 풍력발전 지대의 유효 전력의 시뮬레이션의 작도를 나타내는데, 50개의 풍력발전용 터빈들이 전력 시스템 네트워크의 공급점에 연결된다.
도 9는 종래 기술에 따른 폴트-라이드-쓰루 방법의 풍력발전 지대의 총 풍력발전용 터빈들에 의해 생성된 무효 전력의 시뮬레이션의 작도를 나타내는데, 50개의 풍력발전용 터빈들이 전력 시스템 네트워크의 공급점에 연결된다.
도 10은 본 발명에 따른 폴트-라이드-쓰루 및/또는 결함 이후 유효 전력 회복 제어 방법 동안 상호연결 버스의 상대 전압의 작도를 나타내는데, 60개의 풍력발전용 터빈들이 전력 시스템 네트워크의 공급점에 연결된다.
도 11은 본 발명에 따른 폴트-라이드-쓰루 및 결함 이후 유효 전력 회복 제어 방법 동안 풍력발전용 터빈 연결 라인 중 하나의 상대 전압의 시뮬레이션의 작도를 나타내는데, 60개의 풍력발전용 터빈들이 전력 시스템 네트워크의 공급점에 연결된다.
도 12은 본 발명에 따른 개선된 폴트-라이드-쓰루 및 결함 이후 유효 전력 회복 제어 시퀀스를 나타낸다.
도 13은 본 발명에 따른 폴트-라이드-쓰루 및/또는 결함 이후 유효 전력 회복 제어 방법의 풍력발전 지대 변압기를 매개로 공급된 총 풍력발전 지대의 유효 전력의 시뮬레이션의 작도를 나타내는데, 60개의 풍력발전용 터빈들이 전력 시스템 네트워크의 공급점에 연결된다.
도 14는 본 발명에 따른 폴트-라이드-쓰루 및/또는 결함 이후 유효 전력 회복 제어 방법의 풍력발전 지대의 총 풍력발전용 터빈들에 의해 생성된 무효 전력의 시뮬레이션의 작도를 나타내는데, 60개의 풍력발전용 터빈들이 전력 시스템 네트워크의 공급점에 연결된다.
도 15는 전력 라인에 연결된 풍력발전용 터빈을 보다 상세하게 도시한다.
도면들에 있어서 도면 전체에 걸쳐서 유사한 도면 번호는 유사한 객체를 가리킨다. 다이어그램에서 객체들이 반드시 척도대로 도시된 것은 아니다.
비록 바람직한 실시예들 및 그 변형들의 형태로 본 발명을 기술하였지만, 본 발명의 범주를 벗어나지 아니하면서 무수한 추가적인 변이들 및 변형들이 이루어질 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 개선된 폴트-라이드-쓰루 및/또는 결함 이후 유효 전력 회복 제어 방법을 도 1 및 도 10 내지 도 14를 참조하여 설명한다. 도 1을 참조하면, 60개의 풍력발전용 터빈들(2)이 풍력발전 지대 컬렉터 버스(10)를 매개로 풍력발전 지대 승압 변압기(12)에 연결된다. 60개의 풍력발전용 터빈들은 공통 연결점 또는 제2 버스(20) 그리고 지역 전송 라인(26)을 매개로 지역 그리드 시스템의 소비점(30)으로 전력을 공급한다. 앞서 언급한 바와 같이, 소비자(36)는 예를 들어 제1 전력 생성 유닛(32) 내 네트워크 그리드 시스템으로부터 전송된 전력 및 풍력발전용 터빈들(2)에 의해 생성된 전력을 소비한다.
시뮬레이션된 결함 시나리오는 전술한 바와 같이 지역 전송 라인(26)의 결함 및 트립 오프이다. 따라서, 시뮬레이션된 결함 시나리오는 종래 기술에 따른 폴트-라이드-쓰루 방법에 대하여 도 1 내지 도 9를 참조하여 설명한 결함 시나리오에 대응하는데 다만, 훨씬 더 많은 예를 들어 20% 더 많은, 풍력발전용 터빈들이 약한 연결 그리드 또는 연결 라인(18)을 가지는 전력 네트워크에 연결된다.
도 10은 폴트-라이드-쓰루 동안 공통 연결점(20)의 상대 전압의 시뮬레이션의 작도를 나타낸다. 1초의 시점에서 전압 딥이 발생하는데 지역 전송 라인(26)이 단락 회로 결함에 노출되어 이후 분리되었기 때문이다. 지역 전송 라인의 분리 그리고 개선된 폴트-라이드-쓰루 및/또는 결함 이후 유효 전력 회복 제어 방법의 개시 후에, 공통 연결점(20)의 상대 전압이 결함 이전 값으로 돌아간다.
도 11은 본 발명에 따른 폴트-라이드-쓰루 동안 총 풍력발전용 터빈 연결 라인들(4) 중 하나의 상대 전압의 시뮬레이션의 작도를 나타낸다. 지역 전송 라인(26)의 분리 그리고 개선된 폴트-라이드-쓰루 및/또는 결함 이후 유효 전력 회복 제어 방법의 개시 후에, 풍력발전용 터빈 연결 라인(4)의 상대 전압이 결함 이전 값으로 돌아간다.
도 12는 본 발명에 따른 개선된 폴트-라이드-쓰루 및 결함 이후 유효 전력 회복 제어 시퀀스를 나타낸다. 결함이 탐지된 후에, 유효 전력 및/또는 유효 전류가 기결정된 값으로 감소된다. 유효 전력 레퍼런스 또한 특정값으로 감소된다. 폴트-라이드-쓰루가 비활성화될 때, 풍력발전용 터빈에 의해 공급된 결함 이후 유효 전력이 상승 시간(ramp-up time)에 걸쳐 선형적으로 증가된다. 상승 시간은 2초보다 길 수 있고 바람직하게는 4초보다 길 수 있고 보다 바람직하게는 6초보다 길 수 있고 가장 바람직하게는 8초보다 길 수 있다.
도 13은 본 발명에 따른 폴트-라이드-쓰루 및/또는 결함 이후 유효 전력 회복 제어 방법의 풍력발전 지대 변압기(12)를 매개로 공급된 총 풍력발전 지대의 유효 전력의 시뮬레이션의 작도를 나타낸다. 전압 딥 이후에, 풍력발전용 터빈들(2)의 각각에 의해서 공급된 유효 전력이 기결정된 값으로 감소된다. 폴트-라이드-쓰루가 비활성화된 후에, 결함 이후 유효 전력이 기결정된 시구간 동안 증가하는데, 바람직하게는 유효 전력이 선형적으로 증가한다. 도 13으로부터 알 수 있는 바와같이, 진동이 사라지거나 기결정된 임계치 아래로 떨어진 이후에 유효 전력은 결함 이전 값까지 증가한다. 이에 의해서, 풍력발전 지대 및 전력 네트워크의 안정성 및 가용성이 증가될 수 있고 더 많은 수의 풍력발전용 터빈들(2)이 약한 연결 그리드(18)를 구비하는 전력 네트워크에 연결될 수 있다.
도 14는 본 발명에 따른 폴트-라이드-쓰루 및/또는 결함 이후 유효 전력 회복 제어 방법의 풍력 발전 지대의 총 풍력발전용 터빈들에 의해 생성된 무효 전력의 시뮬레이션의 작도를 나타낸다. 무효 전력은 총 풍력발전용 터빈의 동적 전압 제어를 반영하고 그리고 전반적인 지원(general support)을 제공하기 위해 그리고 결함 이후 그리드 전압을 안정화하기 위해 사용된다. 전류 및/또는 전력은 진동이 기결정된 임계치 아래로 떨어진 후에 안정값까지 상승된다(ramp up). 이러한 방법은 전력 네트워크의 안정성 및 가용성을 향상시키고 더 많은 수의 풍력발전용 터빈들(2)을 약한 연결 그리드(18)를 가진 전력 네트워크에 연결할 수 있게 한다.
도 14에 따른 시뮬레이션에 있어서 지역 그리드 시스템의 소비점(30)에 연결된 추가적인 그리드 구성품들 및/또는 지역 전송 라인(26)을 분리하는 것에 의해 네트워크 구성이 변경되기 때문에, 무효 전력이 결함 이전 값까지 돌아가지 아니함을 유의해야 한다.
도 15를 참조하면, 도 15는 풍력발전용 터빈의 보다 상세한 사항들을 나타낸다. 풍력발전용 터빈은 세 개의 블레이드들(38)을 포함한다. 블레이드들(38)은 발전기의 회전자(40)에 연결되는데, 상기 회전자(40)는 고정자(42)에 의해 둘러싸인다. 발전기에 의해 생성된 전력은 컨버터 기계 브릿지를 매개로 AC로부터 DC가 되도록 정류되며 네트워크 브릿지 인버터에 의해서 추가적으로 변환되고 그리고 풍력발전용 터빈 연결 라인(8)을 매개로 전력 네트워크 내로 공급된다. 풍력발전용 터빈은 풍력발전용 터빈 연결 라인(4)의 컨버터 단자 전압 및 전력 상태들을 모니터링하기 위한 모니터링 유닛(50)을 더 포함한다. 전압 딥이 발생하는 경우에, 모니터링 유닛(50)은 전압 딥이 발생하고 있는 컨버터(46)의 탐지기(48)로 신호를 보낸다. 이후에, 컨버터(46)의 리듀서(52)의 개선된 폴트-라이드-쓰루 및/또는 결함 이후 유효 전력 회복 제어 시스템이 앞서 언급한 개선된 폴트-라이드-쓰루 및 결함 이후 유효 전력 회복 방법을 실행하도록 트리거링(발동)된다.
이러한 리듀서(52)는 사이리스터, TRIAC, 파워-FET, IGBT, PWM 등과 같은 전력 전자 부품을 구비하는 회로 및/또는 소프트웨어 - 본 발명에 따라 적합하다면 유효 전류 및/또는 전력을 감소시키도록 구성됨 - 을 포함할 수 있다. 본 발명이 속한 기술 분야의 통상의 기술자에게 잘 알려진 바와 같이, 다양한 구성들이 가능하다.
본 발명에 따른 개선된 폴트-라이드-쓰루 방법은 복수의 전력 생성 유닛들이 약한 연결 그리드를 가지는 전력 네트워크에 연결되는 전력 네트워크들을 위한 새로운 그리드 코드 또는 보조 그리드 코드를 규정할 수 있다. 이러한 개선된 폴트-라이드-쓰루 방법에 의해서 전력 네트워크의 안정성 및 가용성이 증가될 수 있고 더 많은 수의 전력 생성 유닛들이 약한 연결 그리드를 구비하는 전력 네트워크에 연결될 수 있다.
간명함을 위하여, 본 출원의 전체에서 "하나의(a 또는 an)"의 사용은 "복수의"를 배제하지 아니하며 "포함하는(comprising)"은 추가적인 단계들 또는 요소들을 배제하지 아니함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (12)

  1. - 전력을 전송하는 전력 라인(4) 상의 전압 딥을 탐지하는 단계; 그리고
    - 상기 전력 라인(4) 상에서 전압 딥이 탐지되면, 복수의 전력 라인들을 구비하는 전력 네트워크 내로의 공급점(feeding point)에서 전력 생성 유닛(2)에 의해 공급된 유효 전류 및/또는 유효 전력을 특정값까지 감소시키는 단계;
    를 포함하는, 폴트-라이드-쓰루 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 유효 전류 및/또는 유효 전력의 특정값이 상기 전력 생성 유닛(2)이 연결되는 상기 전력 네트워크의 적어도 일부의 특성들(properties)에 따라 달라지고, 및/또는
    상기 유효 전류의 특정값 및/또는 유효 전력의 특정값이 상기 전력 네트워크의 공급점에 연결된 전력 생성 유닛들(2)의 수에 따라서 달라지는,
    폴트-라이드-쓰루 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    - 상기 유효 전류 및/또는 유효 전력을 감소시킨 후에 상기 유효 전류 및/또는 유효 전력의 진동이 실질적으로(essentially) 사라질 때까지 기다리는 단계; 그리고
    - 후속하여 상기 유효 전류 및/또는 유효 전력을 상기 전압 딥 이전에 도달한 값까지 증가시키는 단계;
    를 더 포함하는,
    폴트-라이드-쓰루 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    - 기결정된 시구간 동안 상기 유효 전류 및/또는 유효 전력을 고정된 값으로부터 상기 전압 딥 이전에 도달된 값까지 특정한 함수에 의해 증가시키는 단계
    를 더 포함하고,
    상기 유효 전류 및/또는 유효 전력은 바람직하게는 선형적으로 증가하는,
    폴트-라이드-쓰루 방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 기결정된 시구간이 상기 공급점에서 상기 전력 생성 유닛(2)이 연결되는 상기 전력 네트워크의 적어도 일부의 특성들에 따라서 달라지거나 및/또는 상기 전력 네트워크의 공급점에 연결될 전력 생성 유닛들(2)의 수에 따라서 달라지는,
    폴트-라이드-쓰루 방법.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 기결정된 시구간은 1초보다 길고, 바람직하게는 2초보다 길고, 보다 바람직하게는 4초보다 길고, 보다 바람직하게는 6초보다 길고, 보다 바람직하게는 7초보다 긴,
    폴트-라이드-쓰루 방법.
  7. 제4 항에 있어서,
    상기 특정값 및/또는 상기 기결정된 시구간이 시뮬레이션에 의해 결정되는,
    폴트-라이드-쓰루 방법.
  8. 제1 항에 따른 폴트-라이드-쓰루 방법을 위한 적합한 특정값 및/또는 적합한 기결정된 시구간을 시뮬레이션 방법에 의해서 결정하는 방법으로서,
    - 전력 생성 유닛(2)이 연결될 전력 네트워크의 적어도 일부의 데이터를 제공하는 단계;
    - 상기 전력 네트워크에 연결될 하나 이상의 전력 생성 유닛(2)의 데이터를제공하는 단계; 그리고
    - 적어도 상기 전력 네트워크의 일부에서의 그리고 상기 하나 이상의 전력 생성 유닛(2)에서의 전압, 전류, 전력 및/또는 전압 딥을 시뮬레이션하는 것에 의해서 폴트-라이드-쓰루 및/또는 결함 이후 유효 전력 회복을 시뮬레이션하는 단계;
    를 포함하고,
    - 상기 폴트-라이드-쓰루 및/또는 상기 결함 이후 유효 전력 회복을 시뮬레이션하는 것에 의해서, 상기 전력 네트워크의 적어도 일부의 특성들에 따라서 상기 적합한 특정값 및/또는 상기 적합한 기결정된 시구간을 결정하는 단계; 및/또는
    - 폴트-라이드-쓰루 및/또는 결함 이후 유효 전력 회복 시퀀스 이벤트를 시뮬레이션하는 것에 의해서, 상기 전력 네트워크의 공급점에 연결될 전력 생성 유닛들(2)의 수에 따라서 상기 적합한 특정값 및/또는 상기 적합한 기결정된 시구간을 결정하는 단계;
    를 더 포함하는,
    폴트-라이드-쓰루 방법을 위한 적합한 특정값 및/또는 적합한 기결정된 시구간을 시뮬레이션 방법에 의해서 결정하는 방법.
  9. 제1 항 내지 제7 항 중의 어느 한 항에 따른 폴트-라이드-쓰루 방법의 단계들을 실행하도록 구성된 리듀서(reducer)(52) 및 전압 딥을 탐지하기 위한 탐지기(48)를 포함하는 컨버터(46).
  10. 제9 항에 따른 컨버터를 포함하는 전력 생성 유닛(2).
  11. 복수의 풍력발전용 터빈들(2)을 포함하는 풍력 발전 지대로서,
    하나 이상의 풍력발전용 터빈(2)이 제10 항에 따른 전력 생성 유닛을 포함하는,
    풍력 발전 지대.
  12. 컴퓨터의 메모리 내로 로딩될 때 제1 항 내지 제8 항 중 어느 항에 따른 폴트-라이드-쓰루 방법의 단계들을 수행하기 위한 프로그램 코드 수단(program code means)을 포함하는 컴퓨터 프로그램 물건.
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