KR20130040223A - 3상 교류 전력망에 전기 에너지를 공급하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3상 교류 전력망에 비대칭 3상 전류를 공급하는 방법에 관한 것으로, 그러한 방법은 공급하려는 전류의 정상분을 생성하는 단계, 공급하려는 전류의 역상분을 생성하는 단계, 및 정상분과 역상분을 공급하려는 전류로 중첩하고, 그와 같이 구성된 전류를 3상 교류 전력망에 공급하는 단계를 포함한다.

Description

3상 교류 전력망에 전기 에너지를 공급하는 방법{METHOD FOR FEEDING ELECTRICAL POWER INTO A THREE-PHASE AC VOLTAGE SYSTEM}

본 발명은 3상 교류 전력망(three-phase AC main power network)에 비대칭 3상 전류를 공급하는 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 그에 상응하게 3상 교류 전력망에 비대칭 3상 전류를 공급하는 장치 및 그러한 장치를 구비한 풍력 터빈에 관한 것이기도 하다.

전기 에너지는 3상 교류 전력망으로 대규모로 분배되는데, 특히 대단위 발전소, 풍력 터빈 등과 같은 에너지 생산처로부터 소비처로 분배된다. 이때, 특히 소비처는 정해진 특성들을 갖는 3상 교류 전력망에 맞춰 준비된다. 개개의 전압들 상호 간의 정해진 주파수와 위상 및 각각의 위상의 전압 진폭이 그러한 특성들에 속하고, 끝으로 교류 전력망의 일정한 대칭성도 그에 속한다. 예컨대, 유럽 통합망에 대한 3상 시스템의 각각의 위상이 235 V의 전압의 실효치, 50.0 ㎐의 주파수, 및 120°또는 240°의 각각의 다른 2개의 위상들에 대한 위상 위치를 갖는 것이 이상적이다. 그러한 특성들을 엄수하는 것이 중요한 요건이고, 편차는 단지 작은 한계 내에서만 허용된다. 지나치게 큰 편차는 각각의 3상 교류 전력망의 안정성을 위태롭게 할 수 있을 뿐만 아니라, 민감한 소비처의 경우에는 손상을 유발할 수도 있다.

요구되는 특성들이 엄수되는 것, 특히 3상 교류 전력망이 대칭으로 되는 것을 달성하기 위해, 에너지 생산처들, 특히 대형 발전소들은 그러한 교류 전력망에 대칭으로 전력을 공급한다. 대형 기계들을 구비한 공장과 같은 대규모 소비처들은 교류 전력망에 비대칭으로 부하가 걸리지 않도록 하는 것을 보장하거나, 단지 매우 작은 범위에서만 비대칭으로 부하가 걸리도록 하는 것을 보장하여야 한다.

소규모 소비처들에 대해서는, 이미 통계학적인 이유로 그들이 전체적으로 교류 전력망에 거의 대칭으로만 부하를 거는 것으로 상정한다.

그럼에도 불구하고, 비대칭 부하가 존재하거나 경우에 따라서는 비대칭 전력 공급이 존재하는 일이 벌어질 수 있다. 그 결과는 비대칭 전력망(적어도 부분적으로 비대칭)일 수 있다. 그 경우, 비대칭성의 강도에 따라 교류 전력망에서의 비대칭성을 보상하는 것이 바람직하거나 심지어 필요하기까지도 한다. 대단위 발전소들은 그러한 보상을 수행할 수 없을 때가 빈번한데, 왜냐하면 대단위 발전소들은 흔히 교류 전력망과 직접 연결된 동기 발전기(synchronous generator)에 의해 전력을 공급하기 때문이다. 동기 발전기의 개개의 위상에 맞춰, 가동 중에 수요에 의존하여 개별적으로 개입을 하는 것은 사실상 불가능하다.

풍력 터빈이 풀 컨버터(full converter)에 의해 전력을 공급할 경우, 사용되는 풀 컨버터가 그러한 능력을 갖는 한에는, 비대칭 3상 교류의 지정, 생성, 및 공급을 기본적으로 생각해볼 수 있다. 그러한 경우, 풀 컨버터의 각각의 브리지 섹션이 상이한 양의 전류를 교류 전력망에 공급한다.

그러한 상이한 전류 공급은 불균등한 부하를 유발하고 경우에 따라서는 큰 부하를 초래한다. 풀 컨버터가 허용 가능한 출력 한계까지 가동하면서 비대칭으로 전력을 공급하면, 그것은 개개의 브리지 섹션에 대한 부하 한계를 넘어선다는 것을 의미한다. 그에 대응하여, 소자의 증대된 노화 변질 또는 심지어 절박한 오작동까지도 감안하여야 한다.

따라서 본 발명의 기반이 되는 과제는 전술한 문제점들 중의 적어도 하나를 해소하거나 줄이는 것이다. 특히, 3상 교류 전력망에서의 비대칭 상황의 보상 또는 부분적인 보상을 위한 해결 방안을 제공하되, 전술한 문제점들 중의 적어도 하나를 회피하거나 줄이려고 한다. 바람직하게는, 전술한 문제점들 중의 적어도 하나를 회피하면서 교류 전력망에 비대칭 3상 교류를 공급하기 위한 해결 방안을 제안하려고 한다. 최소한 대안의 해결 방안을 제안하려고 한다.

본 발명에 따라, 3상 교류 전력망에 비대칭 3상 전류를 공급하는 청구항 1에 따른 방법을 제안한다.

본 발명은 비대칭 3상 교류 전력망을 기본적으로 정상분 전류(positive sequence component)와 역상분 전류(negative sequence component)로 나타낼 수 있다는 인식을 기반으로 하고 있다. 기본적으로, 3상 전류 시스템, 즉 3상 교류 시스템에서 불평형 오류(unbalanced error)들의 단순화된 분석을 수행하기 위해, 대칭분(symmetrical component)들의 방법이 전기 기술로부터 공지되어 있다. 여기서, 소위 페이저(phasor)들의 비대칭 시스템은 정상분, 역상분, 및 영상분(zero sequence system)으로 분류된다.

정상분 전류라고도 지칭할 수 있는 정상분은 원래의 시스템과 동일한 회전 방향을 갖는다. 역상분 전류라고도 지칭할 수 있는 역상분은 원래의 시스템과는 반대의 방향을 갖는다. 그것은 기본적으로 통상의 120°위상 차로부터의 벗어난 페이저들의 편차를 상쇄한다. 정상분 그 자체는 물론 역상분 그 자체도 각각 본질적으로 대칭이다.

영상분은 모든 페이저들이 동일한 방향과 동일한 길이를 갖는 시스템이다. 그러한 영상분은 0으로부터 벗어난 원래의 시스템의 합의 임의의 편차를 상쇄한다. 그러나 영상분 또는 영상분 전류는 흔히 생략될 수 있는 것으로 현재 인식되고 있다. 여하튼, 일 실시 형태에 따라 영상분을 생략하는 것을 제안한다.

종래에는, 비대칭 3상 시스템을 분석하고 기술하기 위해, 기반이 되는 대칭분들의 이론을 이용하였다. 즉, 정상분과 역상분은 각각 크기와 위상으로 기술될 수 있다. 그러한 값들에 의해, 계속적인 분석이 가능하다.

이제, 정상분은 물론 역상분을 생성하고, 그와 같이 생성된 정상분과 역상분을 공급하려는 원하는 비대칭 시스템, 즉 특히 비대칭 3상 교류로 중첩하는 것을 제안하다. 이어서, 그와 같이 중첩으로부터 생기는 비대칭 3상 총 전류(three-phase total current)를 3상 교류 전력망에 공급할 수 있다.

그러면 3상 인버터 모듈(inverter module)에 의해 대칭 정상분을 생성할 수 있다. 즉, 그러한 3상 인버터 모듈에는 표준 임무, 즉 대칭 3상 교류를 생성하는 임무만이 주어진다. 그러한 인버터 모듈은 대칭 3상 교류만을 생성하면 되기 때문에, 혹시 있을 수 있는 브리지 섹션의 비대칭 부하 또는 과부하로 인한 그 어떠한 문제도 생기지 않는다.

또 다른 인버터 모듈이 역상분을 생성할 수 있다. 이로써, 그러한 인버터 모듈에도 역시 대칭 3상 교류를 생성한다는 표준 임무만이 주어진다.

그러한 정상분과 역상분의 중첩은 공통의 노드에서 각각의 위상들을 각각 상호 연결함으로써 간단하게 이뤄질 수 있다. 그것은 출력 초크(output choke)의 전후에서 이뤄질 수 있다.

2개의 인버터 모듈들은 부분적으로 공통의 성분들을 가질 수 있다. 특히, 직류 중간 회로(DC intermediate circuit)를 각각 사용하는 인버터 모듈의 경우, 양 인버터 모듈들에 공통의 직류 중간 회로가 사용될 수 있고, 그에 대응하여 직류 중간 회로에 전기 에너지를 공급하는 하나의 공통의 정류기 또는 다수의 공통의 정류기들도 사용될 수 있다.

정상분에 대한 하나의 인버터 모듈 및 역상분에 대한 하나의 인버터 모듈의 예는 기본 사상을 설명하는데에도 잘 들어맞는 실시 형태이다.

또 다른 실시 형태들에 따라, 2개를 넘는 인버터 모듈들을 사용하는, 즉 적어도 정상분에 대해 또는 역상분에 대해 제2 인버터 모듈을 사용하는 것을 제안한다. 바람직하게는, 다수의 인버터 모듈들을 사용한다. 생성하려는 비대칭 3상 교류에 대해, 필요한 정상분과 필요한 역상분을 계산한다. 각각의 시스템의 진폭에 따라, 정상분을 생성하는데에 상응하는 수의 인버터 모듈들을 사용하고, 역상분을 생성하는데에 상응하는 수의 인버터 모듈들을 사용한다. 따라서 동일한 크기의 다수의 인버터 모듈들을 사용하는 것이 가능하다. 그 경우, 정상분 또는 역상분의 진폭은 오로지 사용되는 동일한 크기의 인버터 모듈들의 수에 의해 구현된다. 그럼으로써, 거의 균일한 분배가 달성될 수 있다.

그에 상응하여, 정상분은 다수의 부분 정상분들로 및/또는 역상분은 다수의 부분 역상분들로 각각 구성된다. 부분 정상분들 또는 부분 역상분들은 각각 인버터 모듈에 의해 생성되고, 이어서 중첩된다. 중첩 시에는, 우선 부분 정상분들을 정상분으로 및/또는 부분 역상분들을 역상분으로 중첩한 후에 그들을 함께 비대칭 3상 교류로 중첩하거나, 부분 정상분들과 부분 역상분들을 모두 함께 공급하려는 전체의 비대칭 3상 교류로 중첩할 수 있다.

정상분, 경우에 따른 부분 정상분, 역상분, 및 경우에 따른 부분 역상분의 각각의 위상들 및 진폭들을 공통의 중앙 유닛(central unit)에 의해 지정하는 것이 바람직하다. 그러한 중앙 유닛에 의해, 공급하려는 비대칭 3상 교류를 할당 및 생성하려는 정상분과 역상분으로 계산을 통해 나눌 수 있고, 경우에 따라서는 부분 정상분 또는 부분 역상분으로 더 세분할 수 있다. 즉, 중앙 유닛(통상적으로 제공된 인버터 모듈들의 정보가 중앙 유닛에 제출되어 있음)은 전체적인 분배를 수행하고 그럼으로써 비대칭 3상 교류가 기본적으로 동일한 다수의 대칭 3상 전류 성분들로 구성되도록 조치할 수 있다. 이때, 중앙 유닛은 제공된 인버터 모듈들의 제공되는 총 유효 전력을 고려하는 것이 바람직하다. 특히, 풍력 터빈에 의해 얻어진 전기 에너지 또는 전력을 공급할 경우, 진폭에서 그것을 파악하여 그에 상응하게 생성하려는 전류의 분배를 수행할 수 있다.

그를 위해 준비된 장치에 의해, 대칭 공급(즉, 본 발명에 따른 것이 아닌 공급)을 제어하는 것도 바로 가능하다. 그 경우에는, 정상분만을 생성하는 것이 필요하고 역상분을 생성할 필요는 없다.

바람직하게는, 모든 정상분들 그 자체가 동일한 위상들 및/또는 진폭들을 및/또는 모든 역상분들 그 자체가 동일한 위상들 및/또는 진폭들을 갖는다.

그것은 사용되는 소자들의 혹시 있을 수 있는 부하를 최소화하는 균일한 분배를 가능하게 하고, 그럼으로써 계산은 물론 생성의 단순화가 달성될 수 있다.

바람직하게는, 정상분과 역상분을 각각 적어도 하나의 자체 인버터 모듈에 의해 생성하고/생성하거나, 중앙 제어 유닛이 인버터 모듈들 중의 어느 것이 정상분을 생성하고 인버터 모듈들 중의 어느 것이 역상분을 생성할지를 지정하는 것을 특징으로 하는 방법을 제안한다.

적어도 하나의 인버터 모듈에 의해 정상분뿐만 아니라 역상분도 각각 생성함으로써, 각각의 인버터 모듈이 대칭 3상 교류의 생성에 한정될 수 있다. 바람직하게는, 인버터 모듈들 중의 어느 것이 정상분을 생성하고 그 중의 어느 것이 역상분을 생성할지를 제어 유닛이 지정한다. 그것은 또한 사용되는 인버터 모듈들이 정상분의 생성 또는 역상분의 생성에 고정되는 것이 아니라는 것도 의미한다. 오히려, 수요에 의존하여 각각 상이한 수의 인버터 모듈들이 정상분의 생성에 사용되고 역시 상이한 수의 인버터 모듈들이 역상분의 생성에 사용될 수 있다.

수요가 변할 경우, 인버터 모듈 또는 다수의 인버터 모듈들을 그 사용에 있어 변경하는 것이 바람직하다. 따라서 하나의 예시적인 인버터 모듈이 먼저 정상분을 생성하다가 나중에 역상분을 생성하는 것으로 바뀔 수 있거나, 그 반대로 될 수도 있다.

또한, 본 발명에 따라, 3상 교류 전력망에 비대칭 3상 전류를 공급하는 청구항 6에 따른 장치를 제안한다. 그러한 장치는 적어도 공급하려는 전류의 정상분을 생성하기 위한 제1 인버터 모듈 및 공급하려는 전류의 역상분을 생성하기 위한 제2 인버터 모듈을 포함한다. 2개의 인버터 모듈들은 정상분이 역상분과 함께 공급하려는 전류, 즉 공급하려는 총 전류로 중첩되도록 커플링된다. 그를 위해, 인버터 모듈들은 특히 그 전류 출력에서 상응하게 상호 연결된다. 그것은 초크의 전후에서 조치될 수 있다.

바람직하게는, 제1 인버터 모듈이 정상분의 생성 시에 또 다른 인버터 모듈들에 의해 지원되고, 제2 인버터 모듈이 역상분의 생성 시에 또 다른 인버터 모듈들의 의해 지원될 수 있다.

바람직하게는, 공통의 직류 중간 회로의 직류 전압으로부터 각각의 정상분 또는 역상분을 생성하기 위해, 적어도 하나의 제1 인버터 모듈과 적어도 하나의 제2 인버터 모듈이 공통의 직류 중간 회로를 통해 커플링된다. 그러나 상이한 인버터 모듈들이 공급하려는 비대칭 3상 전류의 상이한 성분들을 생성하는 한에는, 공통의 전원(source)을 사용한다. 특히, 그러한 공통의 직류 중간 회로는 예컨대 광발전 시스템 또는 풍력 터빈과 같은 공통의 전원 내지 풍력 터빈의 발전기에 의해 생성된 전류로부터 전력을 공급받을 수 있다. 그것은 또한 정상분과 역상분의 생성과 관련된 변경들이 기본적으로 직류 중간 회로에 영향을 미치지 않고, 그에 따라 전력을 공급하는 연결된 전원에도 영향을 미치지 않는다는 이점을 갖는다. 즉, 직류 중간 회로에 전력을 공급하는 전원에 영향을 미쳐야 할 필요가 없이 인버터 모듈들 중의 적어도 하나를 새로 나눌 수도 있다. 즉, 부분 역상분 대신에 부분 정상분을 생성하거나 그 반대로 할 수도 있다.

따라서 적어도 하나의 제1 인버터 모듈 및/또는 적어도 하나의 제2 인버터 모듈 중의 적어도 하나가 선택적으로 정상분 또는 그 일부 또는 역상분 또는 그 일부를 생성하도록 준비되는 것이 바람직한 실시 형태로서 주어진다.

바람직하게는, 각각의 역상분 또는 정상분의 생성을 위한 크기와 위상에 대한 설정치들을 지정하고/지정하거나 제1 및 제2 인버터 모듈들 중의 어느 것이 정상분을 생성하는데에 사용되고 어느 것이 역상분을 생성하는데에 사용되는지를 결정하는 중앙 제어 유닛이 마련되는 것을 특징으로 하는 장치가 제공된다.

따라서 공통으로 제어됨에도 불구하고 공급을 위해 중첩되는 상이한 전류 성분들을 제공하는 장치가 간단하고도 효율적으로 제공될 수 있다.

바람직하게는, 인버터 모듈들의 상호 통신을 위해 그리고 경우에 따라서는 중앙 제어 유닛과의 통신을 위해, 데이터 버스 시스템이 마련된다. 그럼으로써, 개별 성분들을 제어하고 장치의 서로 동조된 전체 거동을 얻기 위해, 개개의 인버터 모듈들과 중앙 제어 유닛 사이에서 간단하게 데이터를 교환할 수 있다. 그러한 데이터 버스 시스템은 경우에 따라 하나의 동일한 하우징에 수납되지 않은 다수의 인버터 모듈들이 마련되는 경우에도 유리하다. 즉, 예컨대 공통의 직류 중간 회로, 특히 소위 버스 바(bus bar)로서 형성된 직류 중간 회로를 갖는 다수의 인버터 모듈들이 풍력 터빈의 타워 베이스에 마련될 수 있다. 개개의 인버터 모듈들 사이에 간격들이 제공되는 경우, 그것은 그들의 냉각에 유리할 수 있다. 인버터 모듈의 교체 또는 보수의 경우에도, 인버터 모듈을 간단하게 직류 중간 회로로부터 분리하고 데이터 버스로부터도 분리하여 교체 모듈 또는 보수된 모듈을 그 자리에 끼워 넣을 수 있다. 그것은 모듈형 구조를 허용하면서도 전체 공급 장치의 중앙 제어를 가능하게 한다.

그러한 모듈형 구조는 상이한 총 전력을 갖는 공급 장치에 동일한 인버터 모듈을 제공하는 것을 가능하게 한다. 그러한 상이한 총 전력(예컨대, 상이한 크기의 풍력 터빈들에서 사용함에 있어서의)은 간단하게 상응하는 수의 인버터 모듈들을 마련함으로써 얻어질 수 있다.

바람직하게는, 비대칭 3상 전류를 제공하는 본 발명에 따른 장치를 구비한 풍력 터빈을 제안한다. 그러한 풍력 터빈은 특히 로터 허브를 갖는 로터 및 바람을 로터의 회전 이동으로 변환하기 위한 하나 이상의 로터 블레이드들을 구비한다. 또한, 이제 막 설명한 공기 역학적 로터에 의해 구동되어 전류를 생성하는 전자기 로터를 구비한 발전기, 특히 동기 발전기가 마련된다. 그러한 전류는 적절한 변환 후에 공급 장치에 의해 교류 전력망에 공급되기 위해 사용된다. 그를 위해, 예컨대 발전기로부터 생성되는 전류를 정류하고, 공급을 수행하기 위해 인버터 모듈들이 연결된 직류 중간 회로에 공급할 수 있다. 장치는 전술한 로터 및 발전기기 배치되어 탑재된 풍력 터빈의 타워에 또는 타워 내에 배치되는 것이 바람직하다.

3상 교류 전력망에 비대칭 3상 전류를 공급하는 본 발명에 따른 장치를 구비한 풍력 터빈을 사용하는 것의 특별한 이점은 특히 교류 전력망의 분산된 섹션들에서 비대칭성이 발생할 수 있다는데 있다. 그러한 풍력 터빈을 사용함으로써, 그 풍력 터빈도 역시 분산적으로 설정함으로써 그 분산된 전력망 섹션에서의 비대칭성을 의도적으로 저지하는 것이 가능하게 된다.

이때, 그 이외에 비대칭성을 갖는 교류 전력망으로부터 전기 에너지를 추출하여 그 비대칭성을 저지하는 비대칭 3상 전류로 변환하는 것도 고려된다. 따라서 바람이 불지 않는 경우에는, 필요 시에 풍력 터빈 그 자체가 교류 전력망의 비대칭성을 평형화하는데 기여할 수 있다.

본 발명은 특히 기술 가이드라인 "BDEW(독일 에너지 및 수자원 관리 협회), 중간 전압 전력망에서의 발전 시스템의 가이드라인, 중간 전압 전력망에서의 발전 시스템의 접속 및 병렬 동작을 위한 가이드라인, 2008년 6월"과 같은 가이드라인들이 요구하는 요건도 충족시키도록 조치되어 있다. 또한, 본 발명은 전력 공급 가이드라인과 일치되게 동작하고, 특히 그러한 가이드라인의 망 품질에 대한 새로운 요구를 충족시키도록 조치되어 있다. 특히, 그것은 2009년 7월 10일자 풍력 터빈에 의한 시스템 서비스에 관한 규정에도 관련된 것이다.

일 실시 형태에 따르면, 비대칭 3상 전류를 공급하는 본 발명에 따른 장치는 BDEW 중간 전압 가이드라인의 의미에서의 발전 유닛 또는 그 발전 유닛의 일부를 형성한다.

이하, 본 발명을 첨부 도면들을 참조하여 예시적으로 실시예들에 의해 더욱 상세히 설명하기로 한다. 첨부 도면들 중에서,
도 1은 본 발명에 따른 발전 유닛의 구조를 개략적으로 나타낸 도면들이다.
도 2a 내지 도 2c는 정상분(도 2a)과 역상분(도 2b)으로 비대칭 3상 교류(도 2c)를 구성하는 것을 설명하기 위한 도면들이다.
도 3은 본 발명에 따른 다수의 컨버터 모듈들을 구비한 풀 컨버터를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 1의 개략적인 도면에 따른 발전 유닛(1)은 다른 에너지 형태로부터 전기 에너지를 획득하는 에너지 변환 섹션(2)을 포함한다. 즉, 예컨대 풍력 터빈을 사용하여 공기 역학적 로터 및 발전기에 의해 바람으로부터의 에너지기 전류로 변환될 수 있다. 공기 역학적 로터와 발전기 사이에는 기어가 마련될 수 있는데, 여기서 그것이 중요한 것은 아니다. 다른 에너지 형태로부터 전기 에너지를 획득하는 또 다른 예로서는, 태양 복사로부터 전기 에너지를 획득하는 태양 전지를 들 수 있다.

에너지 변환 섹션(2)에서 획득된 그러한 전기 에너지를 전기 교류 전력망에 공급할 준비를 하기 위해, 풀 컨버터(4)가 마련된다. 기본적으로, 에너지 변환 섹션(2)에 의해 획득된 전기 에너지의 전체가 교류 전력망에 공급되기 위해 그러한 풀 컨버터(4)를 통해 안내된다. 이때, 풀 컨버터는 본 발명에 따라 적어도 하나의 정상분과 적어도 하나의 역상분을 생성하는데, 그들은 기준점(6)에서 중첩되어 이어서 공통의 비대칭 총 전류로서 전력망에 공급된다. 그에 대해, 명확한 도해를 위해 전력망 공급 블록(8)이 도시되어 있다.

풀 컨버터(4)를 구비한 발전 유닛(1)과 같은 발전 유닛들에서는, 공급 특성이 컨버터 또는 풀 컨버터에 의해 특징져진다. 예컨대, 유효 전력/무효 전력(active-/reactive power) 및 위상 각과 관련된 공급의 타입이 컨버터에 포함된 전력 반도체의 제어 동작에 의해 결정된다. 비대칭 전력 공급은 비대칭 전류 공급에 의해 구현될 수 있다. 그러한 경우, 공급되는 전류는 본 발명에 따라 정상분과 역상분으로 이뤄지고, 그것이 발전 유닛의 비대칭 총 전류를 가져온다.

공급하려는 비대칭 3상 교류를 생성하는 것을 도 2a 내지 도 2c의 페이저도(phasor diagram)에 의거하여 설명하기로 한다. 본 설명은 간단히 하려는 이유로 비대칭 3상 총 전류가 정상분과 역상분으로 구성되는 것을 기반으로 삼기로 한다. 정상분은 도 2a에 도시되어 있다. 그 도면은 3개의 전류들(I_L1m, I_L2m, I_L3m)의 진폭과 위상을 도시하고 있다. 도시된 페이저 시스템의 각 주파수가 ω로 표시되어 있다. 각 주파수 ω는 I_L1m, I_L2m, 및 I_L3m의 상순서(phase sequence)를 가져온다. 3개의 전류들(I_L1m, I_L2m, I_L3m) 사이의 위상들은 각각 120°또는 240°이다. 3개의 전류들(I_L1m, I_L2m, I_L3m)의 진폭들은 동일하다. 그러한 한에는, 대칭 3상 전류가 존재한다.

도 2b에 따른 역상분은 역시 120°또는 240°의 위상 각을 갖고 각각 동일한 진폭을 갖는 3개의 전류들(I_L1g, I_L2g, I_L3g)dp 대한 3개의 페이저들을 도시하고 있다. 그러한 역상분에 대해서도 역시 각 주파수가 ω로 표시되어 있다. 즉, 역상분도 대칭으로 되어 있다.

따라서 적어도 2개의 대칭 3상 전류들이 생성된다.

그 경우, 전체 시스템은 정상분과 역상분의 중첩으로부터 주어진다. 그것은 양 시스템들의 하나의 위상의 전류들이 각각 더해진다는 것을 의미한다. 그와 같이 중첩된 시스템이 도 2c에 도시되어 있다. 페이저들 I_L1, I_L2, 및 I_L3은 합성된 비대칭 중첩 3상 총 전류의 3개의 전류들을 나타낸다. 그에 상응하게, 페이저 I_L1은 도 2a에 따른 정상분의 페이저 I_L1m과 도 2b에 따른 역상분의 페이저 I_L1g의 벡터 합에 의해 생긴다. 그와 유사하게, I_L2m과 I_L2g가 I_L2로 합해지고, I_L3m과 I_L3g가 I_L3으로 합해진다. 그것이 도 2c에 도시되어 있다. 그러한 비대칭 전체 시스템의 사이클도 역시 ω에 의해 주어진다. 그러한 사이클 ω는 도 2a에 따른 정상분, 도 2b에 따른 역상분, 및 도 2c에 따른 총 전류에 대해 동일하다.

즉, 도 2c로부터, 3상 비대칭 총 전류가 2개의 3상 대칭 전류들의 중첩으로부터 생긴다는 것을 인지할 수 있다.

도 2c에 도시된 총 전류(I_L1, I_L2, I_L3)를 생성하기 위해서는, 예컨대 위상마다 인버터 브리지를 갖는 비모듈형 구조의 풀 컨버터가 비대칭 전류의 공급 시에 그 밸브들, 특히 반도체 스위치들의 비대칭 제어 동작을 허용하여야 한다. 그러나 그 자체가 각각 3상 전류를 생성하는 다수의 인버터 모듈들을 구비하는 모듈형 구조의 풀 컨버터의 경우에도, 각각의 인버터 모듈이 비대칭 부분 전류를 생성하게 하여 그 생성된 모든 비대칭 부분 전류들을 비대칭 총 전류로 중첩함으로써 비대칭 총 전류가 생성될 수 있다. 특히, 각각의 인버터 모듈은 위상과 위상 위치에 있어 비대칭 총 전류와 일치하되 다만 더 작은 진폭을 갖는 비대칭 부분 전류를 생성할 수 있다.

그러나 모듈형 구조의 풀 컨버터에 있어서는, 밸브들 또는 반도체 스위치들의 비대칭 제어 동작이 필요하지 않다. 그 대신에, 총 전류 공급을 인버터 모듈들에 균등하게 분배하지 않음으로써, 각각의 인버터 모듈이 대칭 전류를 공급할 수 있다. 오히려, 본 발명은 요구되는 비대칭성에 따라 일정 수의 인버터 모듈들이 순수한 정상분, 즉 순수한 정상분 전류, 즉 도 2a에 따른 3상 전류를 공급하는 한편, 나머지 모듈들이 순수한 역상분, 즉 순수한 역상분 전류, 즉 도 2b에 따른 3상 전류를 공급하는 공급 특성을 결정할 것을 제안하고 있다. 그러한 분배가 도 3에 도면으로 설명되어 있다. 도시된 컨버터 모듈들이 전술한 바와 같은 인버터 모듈들을 형성하거나, 컨버터 모듈들을 인버터 모듈들로 지칭할 수도 있다.

도 3은 다수의 컨버터 모듈들(M1, M2 내지 Mk, Mk+1 내지 Mn)이 접속되는 공통의 직류 중간 회로(Zk)를 도시하고 있다. 그러한 컨버터 모듈들(M1 내지 Mn)은 도 1에 따른 풀 컨버터(4)의 의미의 컨버터를 형성한다. 컨버터 모듈들(M1 내지 Mk)은 각각 정상분, 즉 도 2a에 따른 정상분 전류를 생성한다. 나머지 컨버터 모듈들(Mk+1 내지 Mn)은 각각 역상분, 즉 도 2b에 따른 역상분 전류를 생성한다. 그와 같이 생성된 전류들은 기준점(6)에서 또는 그 이전에서 중첩되고, 이어서 블록(8)에 의해 도시된 바와 같이 교류 전력망에 공급된다. 그에 상응하게, 발전 유닛의 기준점에서의 중첩은 비대칭 총 전류를 가져온다.

제어 방식에 따라 그리고 그에 따른 선택된 실시 형태에 따라, 하나의 그룹 내에서의 각각의 모듈 전류들의 진폭과 위상 위치가 동일한 그룹별로, 즉 소위 정상분 그룹과 소위 역상분 그룹의 그룹별로 컨버터 모듈들이 제어되어 동작하거나, 각각의 개별 모듈의 제어 동작이 수행된다. 그러한 2번째의 경우, 컨버터 모듈마다 진폭과 위상 위치가 다를 수 있다.

특히, 컨버터 모듈들이 그룹별로 제어되어 동작하고, 그룹 제어 동작 및 경우에 따라 그룹 구분을 수행하는 중앙 제어 유닛이 마련되는 경우, 존재하는 수의 컨버터 모듈들(M1 내지 Mn)에 의해 그것이 가능한 한에는, 공급하려는 전체 전력을 모든 모듈들(M1 내지 Mn)에 거의 균일하게 분배하는 것이 가능하다.

공급하려는 비대칭 3상 전류를 지정하는 것이 예컨대 교류 전력망의 망 운영자에 의한 외부 입력을 통해 이뤄질 수 있거나, 발전 유닛 및/또는 사용할 중앙 제어 유닛이 교류 전력망에서의 비대칭성을 파악하여 그 전력망에서 파악된 비대칭성을 저지하기 위해 공급할 비대칭 전류를 자동으로 계산한다.

바람직하게는, 풍력 터빈을 구비한 발전 유닛이 사용된다. 회전 속도 가변적인 풍력 터빈 및 동기 발전기를 사용하는 것이 바람직하다. 가동 중에, 동기 발전기는 정류되어 도 3의 직류 중간 회로(Zk)와 같은 직류 중간 회로의 전원 공급에 사용되는 전류를 생성한다. 그럼으로써, 풍력 터빈의 회전 속도 제어가 전기 교류 전력망에의 공급으로부터 거의 분리될 수 있다. 중간 회로에는 그 중간 회로의 에너지를 탭핑(tapping)할 수 있고 설명한 바와 같이 비대칭 총 전류로 중첩하기 위한 정상분 전류들 및 역상분 전류들을 생성할 수 있는 다수의 인버터 모듈들이 접속된다.

예컨대, 컨버터 모듈들(M1 내지 Mk)과 같은 다수의 컨버터 모듈들이 정상분 전류를 생성한다면, 하나의 모듈에 의해 생성된 각각의 전류를 부분 정상분 또는 부분 정상분 전류라 지칭할 수 있다. 그와 유사하게, 컨버터 모듈들(Mk 내지 Mn)과 같은 다수의 컨버터 모듈들이 역상분 전류를 생성할 경우, 각각의 모듈에 의해 생성된 역상분 전류를 부분 역상분 또는 부분 역상분 전류라 지칭할 수 있다.

따라서 본 발명은 컨버터 제어의 분야에서 적용될 수 있다. 컨버터 모듈들이 개별적으로 또는 그룹별로 제어되어 동작할 수 있는 모둘형 구조의 컨버터를 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명은 특히 전기 에너지를 공중 전력망, 즉 공중 교류 전력망 또는 교류망에 공급하는 범위에서 전력망 접속 가이드라인을 충족시킴에 있어서도 적용된다.

그 목적은 발전 유닛(EZE)의 비대칭 공급을 구현하는 것이다. 그러한 EZE는 다른 무엇보다도 모듈형 구조의 풀 컨버터를 포함하고, 그 풀 컨버터를 통해 전력망에의 공급이 수행된다. 본 발명은 비대칭 전력 출력을 갖는 비대칭 전력망 전압에서 전력망을 안정화시키는데 적용된다.

각각의 컨버터 모듈이 비대칭으로 전력을 공급하는 방법은 장비의 비대칭 부하를 가져온다. 특히, 대칭 전력 공급에 맞춰 최적화된 컨버터에 있어서는, 비대칭 전력 공급이 부적합하고, 관련 성분들의 크기가 미리 새롭게 설정되어 있지 않다면, 심지어 비대칭 전력 공급이 불가하거나 허용되지 않는다. 환언하면, 전혀 새로운 인버터를 구상하여야 한다. 제안되는 해결 방안에서는, 각각의 컨버터 모듈 그 자체가 대칭으로 전류를 공급한다. 따라서 성분들에 대해(여하튼 부하와 관련하여), 전체적으로 대칭으로 전력을 공급할 경우에 존재하는 통상의 가동과의 차이가 생기지 않게 된다.

Claims (12)

1. 3상 교류 전력망에 비대칭 3상 전류를 공급하는 방법에 있어서,
   - 공급하려는 전류의 정상분을 생성하는 단계,
   - 공급하려는 전류의 역상분을 생성하는 단계, 및
   - 정상분과 역상분을 공급하려는 전류로 중첩하고, 그와 같이 구성된 전류를 3상 교류 전력망에 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공급 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 정상분을 다수의 부분 정상분들로 구성하고/구성하거나, 역상분을 다수의 부분 역상분들로 구성하는 것을 특징으로 하는 공급 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 정상분, 경우에 따른 부분 정상분들, 역상분, 및/또는 경우에 따른 부분 역상분들의 위상들 및 진폭들을 공통의 중앙 유닛에 의해 지정하는 것을 특징으로 하는 공급 방법.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 각각의 부분 정상분이 동일한 위상 및/또는 동일한 진폭을 갖고/갖거나, 각각의 역상분이 동일한 위상 및/또는 동일한 진폭을 갖는 것을 특징으로 하는 공급 방법.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중의 어느 한 항에 있어서, 정상분과 역상분을 각각 적어도 하나의 자체 인버터 모듈에 의해 생성하고/생성하거나, 인버터 모듈 중의 어느 것이 정상분을 생성하고 인버터 모듈들 중의 어느 것이 역상분을 생성하는지를 중앙 제어 유닛이 지정하는 것을 특징으로 하는 공급 방법.
6. 3상 교류 전력망에 비대칭 3상 전류를 공급하는 장치에 있어서,
   - 공급하려는 전류의 정상분을 생성하기 위한 적어도 하나의 제1 인버터 모듈, 및
   - 공급하려는 전류의 역상분을 생성하기 위한 적어도 하나의 제2 인버터 모듈을 포함하되,
   정상분과 역상분이 공급하려는 전류로 중첩되도록 적어도 하나의 제1 인버터 모듈과 적어도 하나의 제2 인버터 모듈이 커플링되는 것을 특징으로 하는 공급 장치.
7. 제 6 항에 있어서, 각각의 정상분 또는 역상분을 공통의 직류 중간 회로의 직류 전압으로부터 생성하기 위해, 적어도 하나의 제1 인버터 모듈과 적어도 하나의 제2 인버터 모듈이 공통의 직류 중간 회로를 통해 커플링되는 것을 특징으로 하는 공급 장치.
8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 적어도 하나의 제1 인버터 모듈 및/또는 적어도 하나의 제2 인버터 모듈 중의 적어도 하나는 선택적으로 정상분 또는 그 일부 또는 역상분 또는 그 일부를 생성하도록 준비되는 것을 특징으로 하는 공급 장치.
9. 제 6 항 내지 제 8 항 중의 어느 한 항에 있어서, 각각의 역상분 또는 정상분의 생성을 위한 크기와 위상에 대한 설정치들을 지정하고/지정하거나 제1 및 제2 인버터 모듈들 중의 어느 것이 정상분을 생성하는데에 사용되고 어느 것이 역상분을 생성하는데에 사용되는지를 결정하는 중앙 제어 유닛이 마련되는 것을 특징으로 하는 공급 장치.
10. 제 6 항 내지 제 9 항 중의 어느 한 항에 있어서, 인버터 모듈들의 상호 통신을 위해 그리고 경우에 따라 중앙 제어 유닛과의 통신을 위해, 데이터 버스 시스템이 마련되는 것을 특징으로 하는 공급 장치.
11. 제 6 항 내지 제 10 항 중의 어느 한 항에 있어서, 제 1 항 내지 제 5 항 중의 어느 한 항에 따른 방법이 사용되는 것을 특징으로 하는 공급 장치.
12. 제 6 항 내지 제 11 항 중의 어느 한 항에 따른 장치를 구비한 풍력 터빈.

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