KR20130113805A - High capacity wind-power generator, method for controlling high capacity wind-power generator - Google Patents
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Abstract
Description
본 실시예는 고용량 풍력 발전 장치와 고용량 풍력 발전 장치의 제어 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 가격 및 전력계통을 충족시키기 위해 DC 링크에 배터리가 연계된 전력 변환기와 배터리 충방전을 위해 직렬로 연결된 양방향 컨버터(Bi-Directional Converter)를 기반으로 안전과 수명 연장을 위한 배터리 충방전 제어 알고리즘을 적용하여 컨버터의 모듈화로 인한 배터리 용량 증가가 용이한 고용량 풍력 발전 장치와 고용량 풍력 발전 장치의 제어 방법에 관한 것이다.The present embodiment relates to a high capacity wind turbine generator and a method for controlling the high capacity wind turbine. More specifically, it is based on a power converter with a battery connected to the DC link to meet the price and power system, and a bi-direction converter connected in series for battery charging and discharging. The present invention relates to a control method of a high capacity wind turbine and a high capacity wind turbine that can easily increase battery capacity due to the modularization of the converter by applying a control algorithm.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.The contents described in this section merely provide background information on the present embodiment and do not constitute the prior art.
풍력은 자연상태의 무공해 에너지원으로서 대체에너지원 중 가장 경제성이 높은 에너지원이다. 풍력 발전기는 다양한 형태의 풍차를 이용하여 바람 에너지를 기계적 에너지로 변환하고, 이 기계적 에너지로 발전기를 구동하여 전력을 얻어내는 발전기를 말한다. 이러한 풍력 발전기는 무한정의 청정에너지인 바람을 동력원으로 하므로 기존의 화석연료나 우라늄 등을 이용한 발전방식과 달리 발열에 의한 열공해나 대기오염 그리고 방사능 누출 등과 같은 문제가 없는 무공해 발전방식이다. 이에 따라 풍력 발전은 현재 가장 유력한 대체 에너지원으로 인정받고 있는 상태이다. 또한, 풍력 발전기는 구조나 설치가 간단하고 운영 및 관리가 용이하여 무인화 및 자동화 운전이 가능하기 때문에 전 세계적으로 그 활용이 증가하고 있는 추세에 있다.Wind power is a pollution-free energy source in the natural state and is the most economical energy source among alternative energy sources. A wind turbine generator is a generator that converts wind energy into mechanical energy using various types of windmills and drives the generator with this mechanical energy to generate electric power. These wind generators are powered by wind, which is infinitely clean energy, and thus is a pollution-free power generation method without problems such as heat pollution, air pollution, and radiation leakage due to heat generation, unlike conventional power generation methods using fossil fuels or uranium. As a result, wind power generation is currently recognized as the most promising alternative energy source. In addition, since the wind turbine is simple in structure and installation, and can be easily operated and managed, it can be used unmanned and automated, and thus its utilization is increasing worldwide.
최근 발전 용량이 증가하고 있는 풍력 발전 시스템과 대단위 풍력 발전 단지가 설치되고 있는 상황에서 풍력 발전 시스템의 안정성과 지속성은 전력을 전달받는 계통(Power Grid)의 특성에 큰 영향을 줄 만큼 중요하다. 이에 따라 외적인 극한 상황에서도 풍력 발전 시스템이 계통과 연결되어 발전을 수행할 수 있어야 한다.In the situation where wind power generation systems and large-scale wind farms with increasing generation capacity are being installed recently, the stability and sustainability of the wind power generation system is important enough to greatly affect the characteristics of the power grid. As a result, even in extreme conditions, the wind power generation system must be connected to the grid to generate power.
본 실시예는 가격 및 전력계통을 충족시키기 위해 DC 링크에 배터리가 연계된 전력 변환기와 배터리 충방전을 위해 직렬로 연결된 양방향 컨버터를 기반으로 안전과 수명 연장을 위한 배터리 충방전 제어 알고리즘을 적용하여 컨버터의 모듈화로 인한 배터리 용량 증가가 용이한 고용량 풍력 발전 장치와 고용량 풍력 발전 장치의 제어 방법을 제공하는 데 주된 목적이 있다.The present embodiment applies a battery charge / discharge control algorithm for safety and life extension based on a power converter with a battery connected to a DC link and a bidirectional converter connected in series for battery charging and discharging to meet a price and power system. The main purpose is to provide a high capacity wind turbine and a control method of a high capacity wind turbine that can easily increase the battery capacity due to the modularity of the.
전술한 목적을 달성하기 위해 본 실시예의 일 측면에 의하면, 풍력에 의해 회전하는 날개(Blade)의 운동에너지를 전기에너지로 변환한 전력을 공급하는 발전기; 상기 발전기를 통해 입력된 전력인 교류(AC) 전압을 직류(DC) 전압으로 변환하여 출력하는 제 1 변환기; 상기 제 1 변환기와 연결되어 상기 직류 전압을 공급하는 DC 링크; 상기 DC 링크와 연결되어 전력계통으로 출력되는 전력에 따라 상기 DC 링크의 상기 직류 전압을 구비된 배터리에 전기적인 에너지로서 충전하거나 충전된 상기 직류 전압이 방전되도록 하는 배터리 제어부; 및 상기 DC 링크에 일측이 연결되고 상기 배터리 제어부에 타측이 연결되어, 상기 DC 링크 및 상기 배터리 제어부 중 적어도 어느 하나로부터 공급된 상기 직류 전압을 상기 교류 전압으로 변환하여 상기 전력계통에 공급하는 제 2 변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 고용량 풍력 발전 장치를 제공한다.According to an aspect of the present embodiment to achieve the above object, a generator for supplying power to convert the kinetic energy of the blade (Blade) rotated by wind power into electrical energy; A first converter converting an alternating current (AC) voltage, which is electric power input through the generator, into a direct current (DC) voltage and outputting the converted voltage; A DC link connected to the first converter to supply the DC voltage; A battery controller connected to the DC link and configured to discharge or charge the charged DC voltage as electrical energy to a battery provided with the DC voltage of the DC link according to power output to a power system; And a second side connected to the DC link and the other side connected to the battery controller to convert the DC voltage supplied from at least one of the DC link and the battery controller to the AC voltage and supply the DC voltage to the power system. Provided is a high capacity wind turbine comprising a converter.
또한, 본 실시에의 다른 측면에 의하면, 발전기에서 풍력에 의해 회전하는 날개의 운동에너지를 전기에너지로 변환한 전력을 공급하는 과정; 제 1 변환기에서 상기 발전기를 통해 입력된 전력인 교류(AC) 전압을 직류(DC) 전압으로 변환하여 출력하는 과정; DC 링크에서 상기 제 1 변환기와 연결되어 상기 직류 전압을 공급하는 과정; 배터리 제어부에서 전력계통으로 출력되는 전력에 따라 상기 DC 링크와 연결되어 상기 DC 링크의 상기 직류 전압을 구비된 배터리에 전기적인 에너지로서 충전하거나 충전된 상기 직류 전압이 방전되도록 하는 과정; 및 제 2 변환기에서 상기 DC 링크에 일측이 연결되고 상기 배터리 제어부에 타측이 연결되어, 상기 DC 링크 및 상기 배터리 제어부 중 적어도 어느 하나로부터 공급된 상기 직류 전압을 상기 교류 전압으로 변환하여 상기 전력계통에 공급하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 고용량 풍력 발전기의 제어 방법을 제공한다.In addition, according to another aspect of the present invention, the step of supplying power to convert the kinetic energy of the blades rotated by the wind in the generator into electrical energy; Converting an alternating current (AC) voltage, which is electric power input through the generator, into a direct current (DC) voltage in a first converter; Supplying the DC voltage connected to the first converter in a DC link; Connecting to the DC link according to the power output from the battery control unit so that the battery having the DC voltage of the DC link is charged as electrical energy or discharged from the charged DC voltage; And a second side connected to the DC link in the second converter and the other side connected to the battery control unit, converting the DC voltage supplied from at least one of the DC link and the battery control unit into the AC voltage to the power system. It provides a control method of a high capacity wind power generator comprising the process of supplying.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 풍력 발전 장치에서 풍력 변동에 의한 출력의 변화로 출력 완화를 위한 계통 연계형 전력 변환기가 필요하게 됨에 따라 DC 링크에 연계된 배터리를 이용하여 출력의 변동을 일정하게 제어할 수 있는 효과가 있을 뿐만 아니라 계통을 통한 출력이 불안정한 경우 배터리에 충전된 전원을 풍력 발전 장치 시스템의 전원으로도 이용 가능한 효과가 있다. 또한, 본 실시예에 의하면, 신재생 에너지 계통 연계 기준을 만족하는 전력변환회로 토폴로지(Topology) 기술과 배터리의 안전과 수명 연장을 위한 충방전 설계 기술을 확보할 수 있으며, 이를 통해 계통의 안정화를 극대화할 수 있는 효과가 있다.As described above, according to the present embodiment, since the grid-connected power converter for mitigating the output is required due to the change of the output caused by the fluctuation of the wind in the wind power generator, the variation of the output is controlled using the battery connected to the DC link. In addition to being able to control constantly, if the output through the system is unstable, the power charged in the battery can also be used as the power of the wind turbine system. In addition, according to the present embodiment, it is possible to secure a power conversion circuit topology technology that satisfies the new renewable energy system linkage criteria, and a charge / discharge design technology for extending the safety and life of the battery. There is an effect that can be maximized.
도 1은 본 실시예에 따른 고용량 풍력 발전 장치를 개략적으로 나타낸 블럭 구성도,
도 2는 본 실시예에 따른 배터리 제어부를 개략적으로 나타낸 블럭 구성도,
도 3은 본 실시예에 따른 풍력 발전 장치의 제어 방법을 설명하기 위한 순서도,
도 4는 본 실시예에 따른 배터리 제어부의 충방전 방법을 설명하기 위한 순서도,
도 5는 본 실시예에 따른 배터리 충전 프로파일을 나타낸 예시도이다.1 is a block diagram schematically showing a high capacity wind power generator according to the present embodiment,
2 is a block diagram schematically illustrating the battery controller according to the present embodiment;
3 is a flowchart illustrating a control method of the wind turbine generator according to the embodiment;
4 is a flowchart illustrating a charging / discharging method of a battery controller according to the present embodiment;
5 is an exemplary view showing a battery charging profile according to the present embodiment.
이하, 본 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present embodiment will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 실시예에 따른 고용량 풍력 발전 장치를 개략적으로 나타낸 블럭 구성도이다.1 is a block diagram schematically showing a high capacity wind turbine generator according to the present embodiment.
본 실시예에 따른 고용량 풍력 발전 장치는 발전기(110), 제 1 필터(120), 제 1 변환기(130), DC 링크(140), 배터리 제어부(150), 배터리(160), 제 2 변환기(170), 제 2 필터(180) 및 제어부(190)를 포함한다. 본 실시예에서는 고용량 풍력 발전 장치가 발전기(110), 제 1 필터(120), 제 1 변환기(130), DC 링크(140), 배터리 제어부(150), 배터리(160), 제 2 변환기(170), 제 2 필터(180) 및 제어부(190)만을 포함하는 것으로 기재하고 있으나, 이는 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 고용량 풍력 발전 장치에 포함되는 구성 요소에 대하여 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이다.The high-capacity wind power generation device according to the present embodiment includes a
발전기(110)는 풍력에 의해 회전하는 날개(Blade)의 운동에너지를 전기에너지로 변환한 전력을 공급한다. 여기서, 날개는 회전 가능한 축에 장착되어 풍력에 의한 회전 에너지를 생산하고, 발전기(110)는 날개의 회전 에너지로부터 터빈(Turbine)을 이용하여 전력을 생산한다. 이때, 발전기(110)에서 생성하는 전력은 교류(AC) 형태로서, 전력계통으로 직접 공급되기에는 부적합하다.The
제 1 필터(120)는 발전기(110)의 종류에 따라 교류 전압에서 고조파를 제거한다. 이러한, 제 1 필터(120)는 발전기(110)에서 요구되는 역률(Power Factor)나 전고조파 왜곡율(THD: Total Harmonic Distortion)을 만족하기 위해 각 필터값이 계산되며 결과적으로 리플 전류(Ripple Current)를 저감시킬 수 있다. 또한, 제 1 필터(120)는 du/dt 필터인 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.The
제 1 변환기(130)는 발전기(110)에서 생산된 전력을 풍력 발전 장치와 연계된 전력계통에 공급하기에 적절한 형태의 전력으로 변환한다. 이를 위하여 제 1 변환기(130)는 발전기(110)에서 생산된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 컨버터를 포함한다. 제 1 변환기(130)는 발전기(110)를 통해 입력된 전력인 교류(AC) 전압을 직류(DC) 전압으로 변환하여 출력한다. 이러한, 제 1 변환기(130)는 바람직하게는 3 Level NPC IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristor) 정류기(Rectifier)로 구현될 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 제 1 변환기(130)는 바람이 정격 속도 이하일 경우에는 최대 전력점 추적(MPPT: Maximum Power Point Traking)을 위해 발전기(110)의 토크(Torque)와 쇄교 자속(Magnetic Flux Interlinkage)을 제어할 수 있다.The
DC 링크(140)는 제 1 변환기(130)와 연결되어 직류 전압을 배터리 제어부(150) 또는 제 2 변환기(170)로 공급한다. 이때, DC 링크(140)의 전압은 일정하므로 고조파 및 역률이라는 개념에서 벗어날 수 있어, 제 2 변환기(170)가 DC 링크(140)의 전압을 사용 가능한 일정 크기 및 일정 주파수의 교류 전압으로 변환한다. 이러한, DC 링크(140)는 바람직하게는 3 Level NPC IGCT 정류기로 구현될 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, DC 링크(140)는 DC 전압원으로서, DC 링크(140)의 전압은 일정하게 유지되어야 한다. 즉, DC 링크(140)는 제 1 변환기(130)에 포함된 컨버터와 제 2 변환기(170)에 포함된 인버터(Inverter) 사이에 둘의 연결을 위하여 DC 링크(140)가 구비되는 것이다. 한편, 이러한 DC 링크(140)에는 일정한 전압이 충전되어 있는데, DC 링크(140)의 전압은 반드시 배터리 제어부(150)로 전달되는 것이 아니라, 배터리 제어부(150)를 경유하지 않고 제 2 변환기(170)로 바로 공급될 수 있다.The
배터리 제어부(150)는 DC 링크(140)와 연결되어 전력계통으로 출력되는 전력에 따라 DC 링크(140)의 직류 전압을 구비된 배터리(160)에 전기적인 에너지로서 충전하거나 충전된 직류 전압이 방전되도록 한다.The
배터리 제어부(150)는 배터리(160)의 사이즈에 따라 양방향 컨버터(Bi-Directional Converter)를 직렬로 형성하며, 전력계통으로 출력되는 전력에 따라 양방향 컨버터가 DC 링크(140)로부터 수신된 직류 전압을 DC/DC 컨버팅한 후 센싱된 배터리(160)의 전압에 따라 배터리(160)에 충전하거나, 전력계통으로 출력되는 전력에 따라 충전된 직류 전압을 방전한다. 배터리 제어부(150)는 배터리(160)의 전압을 센싱하고, 전력계통에서 출력되는 전력을 확인한 후 센싱한 배터리(160)의 전압과 확인된 전력계통의 전력에 근거하여 초기 충전 모드(Pre-Chage Mode), 정전류 모드(Constant Current Mode) 및 정전압 모드(Constant Voltage Mode) 중 어느 하나의 모드로 동작한다.The
이하, 배터리 제어부(150)가 충방전하는 동작 과정에 대해 보다 구체적으로 설명하도록 한다. 배터리 제어부(150)는 전력계통에 출력되는 전력에 근거하여 방전 모드로 동작하거나 충전할 경우 센싱된 배터리(160)의 전압(Vb)이 배터리(160)의 기준 전압(Vpre) 미만인 경우 초기 충전 모드로 동작하고, 센싱된 배터리(160)의 전압(Vb)이 배터리(160)의 전압원(Vcc) 미만인 경우 정전류 모드로 동작하고, 센싱된 배터리의 전압(Vb)이 배터리의 최대 전압(Vmax) 미만인 경우 정전압 모드로 동작한다.Hereinafter, an operation process of charging and discharging the
이러한, 배터리 제어부(150)는 양방향 컨버터와 배터리(160)를 하나의 모듈로 형성하며, 형성된 복수 개의 모듈이 직렬로 연결되어 있는 구조를 갖는다. 즉, 배터리 제어부(150)는 배터리(160)가 충전일 경우 벅 컨버터(Buck Converter)로 동작하고, 배터리(160)가 방전일 경우 부스트 컨버터(Boost Converter)로 동작하도록 제어한다. 여기서, 벅 컨버터는 감압을 위한 직류-직류 변환기로서, 승압을 위한 부스트 변환기와 비슷하고, 부스트 변환기와 같이 모드 스위칭 전력 공급장치로 두 개의 스위치(능동형 스위칭 소자(Active Switching Device), 다이오드 각각 한 개씩)와 인덕터, 커패시터를 하나씩 이용하며, 부스트 컨버터는 승압을 위한 직류-직류 변환기로서, 모드 스위칭 전력 공급장치로 두 개의 스위치(능동형 스위칭 소자, 다이오드 각각 한 개씩)와 인덕터, 커패시터를 하나씩 이용한다. 풍력 발전 장치의 출력 변동이 큰 폭으로 이루어짐에 따라 신재생 에너지 계통 연계 기준의 유효전력 증발률, 급감발 조정 등에 부합하기 위한 제어를 통해 배터리(160)의 전압 상태에 따라 초기 충전 모드, 정전류 모드 및 정전압 모드 중 어느 하나의 모드로 충전하도록 제어하고, 정전류 모드로 배터리(160)에 충전된 직류 전압을 방전하도록 제어한다. The
또한, 배터리 제어부(150)는 센싱된 배터리(160)의 전압과 확인된 전력계통의 전력에 근거하여 전력계통으로 출력되는 전력이 저전력(저전압)이거나 출력 전압이 불안하거나 정전이 발생할 경우에 배터리(160)에 충전된 전기에너지가 전력계통으로 공급되도록 하는 것이다.In addition, the
배터리(160)는 배터리 제어부(150)의 제어에 따라 DC 링크(140)로부터 공급받은 직류 전압을 충전 또는 방전한다. 이러한, 배터리(160)는 리튬 이온(Li-Ion) 또는 리튬 폴리(Li-Poly) 배터리가 이용될 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 본 실시예에 따른 풍력 발전 장치는 유효 전력 증발률 제어라는 그리드 코드(Grid Code)를 만족하기 위해 DC 링크(140)에 배터리(160)를 연계하는 데, 이러한 배터리(160)의 충전 시스템은 [표 1]과 같은 용량(Capacity)을 가진다. 즉, 본 실시예에 따른 고용량 풍력 발전 장치에서 국내 그리드 코드 규격을 예로 배터리(160)가 유효 전력 증발률 조정을 만족시킬 수 있는 용량은 [표 1]과 같다.The
만약, 전력계통으로 출력되는 전원과 배터리(160)에서 방전되는 전압과의 절환이 필요한 경우, 구비된 스위칭 소자가 이용될 수 있다. 또한, 풍력 발전 장치에는 전력계통의 저전력(저전압), 출력 전압이 불안정 또는 정전 상태를 확인하기 위한 센서가 구비될 수 있다. 즉, 배터리 제어부(150)는 전력계통에 구비된 센서의 확인 결과에 따라서 전력계통에 저전력(저전압), 출력 전압이 불안정하거나 정전 시에 배터리(160)에 충전된 전압이 제 2 변환기를 경유하여 전력계통으로 공급되도록 제어한다. 또한, 전력계통에 구비된 센서의 감지 결과 계통 저전력(저전압), 출력 전압이 불안정 또는 정전이 해소되고, 발전기(110)를 통한 전력이 남는 경우 해당 전력을 배터리(160)에 충전하도록 제어할 수 있다.If it is necessary to switch between the power output to the power system and the voltage discharged from the
제 2 변환기(170)는 제 1 변환기(130)를 통해 변환된 직류 전력을 다시 전력계통에 공급하기에 적절한 형태의 교류 전력으로 변환하는 인버터를 포함한다. 제 2 변환기(170)는 DC 링크(140)에 일측이 연결되고 배터리 제어부(150)에 타측이 연결되어, DC 링크(140) 및 배터리 제어부(150) 중 적어도 어느 하나로부터 공급된 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 전력계통에 공급한다. 이러한, 제 2 변환기(170)는 전력계통으로 일정한 주파수와 전압이 공급되도록 한다. 이후, 제 2 변환기(170)로부터 출력되는 전력은 변압기(Transformer)에 의해 전압이 변경되어 전력계통에 공급될 수 있다.The
제 2 필터(180)는 전력계통에 부합하도록 제 2 변환기(170)로부터 출력되는 교류 전압에서 고조파를 제거한다. 이러한, 제 2 필터(180)는 전력계통과 연결되는 변압기의 2차 측에 결합되어, 출력값을 필터링한다. 예컨대, 제 2 필터(180)는 [표 2]와 같이 IEEE 519의 전 고조파 왜곡(THD)을 만족시키기 위하여 각 필터값이 계산되며 결과적으로 리플 전류를 저감시킬 수 있다. TDD(Total Demand Distortion) 기준 값은 본 실시예에 따른 풍력 발전 장치의 Isc/IL비율에 따라 다르며 그 값은 소스 임피던스(Source Impedance)의 역수 값에 해당한다.The
제어부(190)는 제 1 변환기(130), DC 링크(140) 및 제 2 변환기(170)를 제어한다. 제어부(190)는 그리드 코드에서 요구하는 전력계통으로 출력되는 전력에 대한 유효전력 출력증발률 속도를(예컨대, 국내의 경우 정격의 10 %/분 까지 제한) 제한한다. 이러한, 제어부(190)는 풍력 발전 장치를 제어하는 역할을 하며, 제 1 변환기(130), DC 링크(140) 및 제 2 변환기(170)를 각각 제어하기 위한 별도의 제어부를 포함할 수 있을 뿐 아니라, 발전기(110)의 터빈을 제어하는 별도의 제어부를 포함할 수도 있다. 또한, 필요에 따라서 제어부(190)에는 풍력 발전 장치의 구동에 필요한 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다.The
도 2는 본 실시예에 따른 배터리 제어부를 개략적으로 나타낸 블럭 구성도이다.2 is a block diagram schematically illustrating a battery controller according to an exemplary embodiment.
배터리 제어부(150)는 도 2에 도시된 바와 같이, 배터리(160)의 사이즈에 따라 양방향 컨버터를 직렬로 형성하며, 양방향 컨버터가 DC 링크(140)로부터 수신된 직류 전압을 DC/DC 컨버팅한 후 전력계통으로 출력되는 전력에 따라 센싱된 배터리(160)의 전압에 따라 배터리(160)에 충전하거나 충전된 직류 전압을 방전한다.As shown in FIG. 2, the
즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 배터리 제어부(150)는 양방향 컨버터와 배터리(160)를 하나의 모듈로 형성하며, 형성된 복수 개의 모듈이 직렬로 연결되어 있는 구조를 갖는다. 즉, 배터리 제어부(150)는 배터리(160)가 충전일 경우 벅 컨버터(Buck Converter)로 동작하고, 배터리(160)가 방전일 경우 부스트 컨버터(Boost Converter)로 동작하도록 제어한다. 여기서, 벅 컨버터는 감압을 위한 직류-직류 변환기로서, 승압을 위한 부스트 변환기와 비슷하고, 부스트 변환기와 같이 모드 스위칭 전력 공급장치로 두 개의 스위치(능동형 스위칭 소자, 다이오드 각각 한 개씩)와 인덕터, 커패시터를 하나씩 이용하며, 부스트 컨버터는 승압을 위한 직류-직류 변환기로서, 모드 스위칭 전력 공급장치로 두 개의 스위치(능동형 스위칭 소자, 다이오드 각각 한 개씩)와 인덕터, 커패시터를 하나씩 이용한다. That is, as shown in FIG. 2, the
배터리 제어부(150)는 센싱된 배터리(160)의 전압과 확인된 전력계통의 전력에 근거하여 전력계통으로 출력되는 전력이 저전력(저전압), 출력 전압이 불안정하거나 정전이 발생할 경우에 배터리(160)에 충전된 전기에너지가 전력계통으로 공급되도록 하는 것이다.The
도 3은 본 실시예에 따른 풍력 발전 장치의 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.3 is a flowchart illustrating a control method of the wind turbine generator according to the present embodiment.
풍력 발전 장치에 구비된 발전기(110)는 풍력에 의해 회전하는 날개의 운동에너지를 전기에너지로 변환한 전력을 공급한다(S310). 단계 S310에서 날개는 회전 가능한 축에 장착되어 풍력에 의한 회전 에너지를 생산하고, 발전기(110)는 날개의 회전 에너지로부터 터빈을 이용하여 전력을 생산한다. 이때, 발전기에서 생성하는 전력은 교류 형태로서, 전력계통으로 직접 공급되기에는 부적합하다. 또한, 단계 S310에서 제 1 필터(120)는 발전기(110)의 종류에 따라 교류 전압에서 고조파를 제거한다. The
풍력 발전 장치에 구비된 제 1 변환기(130)는 발전기(110)를 통해 입력된 전력인 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 출력한다(S320). 단계 S320에서 제 1 변환기(130)는 발전기(110)에서 생산된 전력을 풍력 발전 장치와 연계된 전력계통에 공급하기에 적절한 형태의 전력으로 변환한다. 이를 위하여 제 1 변환기(130)는 발전기(110)에서 생산된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 컨버터를 포함한다.The
단계 S320 이후에, 풍력 발전 장치에 구비된 DC 링크(140)는 제 1 변환기(130)와 연결되어 직류 전압을 배터리 제어부(150) 또는 제 2 변환기(170)로 공급한다. 이때, DC 링크(140)의 전압은 고조파 및 역률이라는 개념에서 벗어날 수 있어, 제 2 변환기(170)가 DC 링크(140)의 전압을 사용 가능한 일정 크기 및 일정 주파수의 교류 전압으로 변환한다. After step S320, the DC link 140 provided in the wind turbine is connected to the
풍력 발전 장치에 구비된 배터리 제어부(150)는 DC 링크(140)와 연결되어 전력계통으로 출력되는 전력에 따라 DC 링크(140)의 직류 전압을 구비된 배터리에 전기적인 에너지로서 충전하거나 충전된 직류 전압이 방전되도록 한다(S330).The
단계 S330에서 풍력 발전 장치에 구비된 배터리 제어부(150)는 배터리(160)의 전압을 센싱하고, 전력계통에서 출력되는 전력을 확인한 후 센싱한 배터리(160)의 전압과 확인된 전력계통의 전력에 근거하여 초기 충전 모드, 정전류 모드 및 정전압 모드 중 어느 하나의 모드로 동작한다. 배터리 제어부(150)는 전력계통에 출력되는 전력에 근거하여 방전 모드로 동작하거나 센싱된 배터리(160)의 전압(Vb)이 배터리(160)의 기준 전압(Vpre) 미만인 경우 초기 충전 모드로 동작하고, 센싱된 배터리(160)의 전압(Vb)이 배터리(160)의 전압원(Vcc) 미만인 경우 정전류 모드로 동작하고, 센싱된 배터리의 전압(Vb)이 배터리의 최대 전압(Vmax) 미만인 경우 정전압 모드로 동작한다.In operation S330, the
풍력 발전 장치에 구비된 제 2 변환기(170)는 DC 링크(140)에 일측이 연결되고 배터리 제어부(150)에 타측이 연결되어, DC 링크(140) 및 배터리 제어부(150) 중 적어도 어느 하나로부터 공급된 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 전력계통에 공급한다(S340). 단계 S340에서 풍력 발전 장치에 구비된 제 2 변환기(170)는 제 1 변환기(130)를 통해 변환된 직류 전력을 다시 전력계통에 공급하기에 적절한 형태의 교류 전력으로 변환하는 인버터를 포함한다. 이러한, 제 2 변환기(170)는 전력계통으로 일정한 주파수와 전압이 공급되도록 한다. 이후, 제 2 변환기(170)로부터 출력되는 전력은 변압기에 의해 전압이 변경되어 전력계통에 공급될 수 있다. 이후 단계 S340 이후에 제 2 필터(180)는 전력계통에 부합하도록 제 2 변환기(170)로부터 출력되는 교류 전압에서 고조파를 제거한다. 이러한, 제 2 필터(180)는 전력계통과 연결되는 변압기의 2차 측에 결합되어, 출력값을 필터링한다. The
도 3에서는 단계 S310 내지 단계 S340을 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나, 이는 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 도 3에 기재된 순서를 변경하여 실행하거나 단계 S310 내지 단계 S340 중 하나 이상의 단계를 병렬적으로 실행하는 것으로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이므로, 도 3은 시계열적인 순서로 한정되는 것은 아니다.In FIG. 3, steps S310 to S340 are described as being sequentially executed. However, these are merely illustrative examples of the technical idea of the present embodiment. 3 may be modified and modified in various manners by changing the order described in FIG. 3 or executing one or more steps of steps S310 to S340 in parallel without departing from the essential characteristics thereof. It is not limited.
도 4는 본 실시예에 따른 배터리 제어부의 충방전 방법을 설명하기 위한 순서도이다.4 is a flowchart illustrating a charging and discharging method of a battery controller according to an exemplary embodiment.
풍력 발전 장치에 구비된 배터리 제어부(150)는 DC 링크(140)와 연결되어 전력계통으로 출력되는 전력에 따라 DC 링크(140)의 직류 전압을 구비된 배터리에 전기적인 에너지로서 충전하거나 충전된 직류 전압이 방전되도록 한다. 이하 도 4를 통해 배터리 제어부(150)의 충방전 알고리즘에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.The
배터리 제어부(150)는 양방향 컨버터를 직렬로 형성되는데, 배터리(160)의 전압을 센싱하고, 전력계통에서 출력되는 전력을 확인한 후 센싱한 배터리(160)의 전압과 확인된 전력계통의 전력에 근거하여 방전 모드로 판별되는지의 여부를 확인한다(S410). 단계 S410에서 센싱한 배터리(160)의 전압이 충분(충전된 전압이 기 설정된 전압 이상)하거나 전력계통에서 출력되는 전력이 충분(기 설정된 기준 전압과 비교하여 안정된다고 판단)한 경우 배터리 제어부(150)는 구비된 배터리(160)에 충·방전을 수행하지 않는다(S412).The
한편, 단계 S410에서 센싱한 배터리(160)의 전압이 부족하거나 전력계통에서 출력되는 전력이 부족한 경우 배터리 제어부(150)는 센싱된 배터리(160)의 전압(Vb)이 배터리(160)의 기준 전압(Vpre) 미만인지의 여부를 확인한다(S420). 단계 S420의 확인 결과, 센싱된 배터리(160)의 전압(Vb)이 배터리(160)의 기준 전압(Vpre) 미만인 경우, 배터리 제어부(150)는 초기 충전 모드로 동작한다(S422). 단계 S422에서 Iref_level은 수학식 1과 같다.Meanwhile, when the voltage of the
단계 S420의 확인 결과, 센싱된 배터리(160)의 전압(Vb)이 배터리(160)의 기준 전압(Vpre) 미만이 아닌 경우, 배터리 제어부(150)는 센싱된 배터리(160)의 전압(Vb)이 배터리(160)의 전압원(Vcc) 미만인지의 여부를 확인한다(S430). 단계 S430의 확인 결과, 배터리(160)의 전압(Vb)이 배터리(160)의 전압원(Vcc) 미만인 경우, 배터리 제어부(150)는 정전류 모드로 동작하여 배터리(160)에 직류 전압을 충전한다(S432). 단계 S432에서 기준 전류인 Iref=Imax가 된다. As a result of checking in step S420, when the voltage Vb of the sensed
단계 S430의 확인 결과, 배터리(160)의 전압(Vb)이 배터리(160)의 전압원(Vcc) 미만이 아닌 경우, 배터리 제어부(150)는 센싱된 배터리의 전압(Vb)이 배터리의 최대 전압(Vmax) 미만인지의 여부를 확인한다(S440). 단계 S440의 확인 결과, 센싱된 배터리의 전압(Vb)이 배터리의 최대 전압(Vmax) 미만인 경우, 배터리 제어부(150)는 정전압 모드로 동작하여 배터리(160)에 직류 전압을 충전한다(S442). 단계 S442에서 배터리(160)의 기준 전압인 Vref=Vcv가 된다. 이후 배터리 제어부(150)는 배터리 제어부(150)의 전류인 Ibcu가 13A를 초과하는지의 여부를 확인한다(S444). 단계 S444의 확인 결과, 배터리 제어부(150)의 전류인 Ibcu가 13A를 초과하는 경우, 배터리 제어부(150)는 스위치를 오프한다(S446).As a result of checking in step S430, when the voltage Vb of the
도 4에서는 단계 S410 내지 단계 S446을 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나, 이는 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 도 4에 기재된 순서를 변경하여 실행하거나 단계 S410 내지 단계 S446 중 하나 이상의 단계를 병렬적으로 실행하는 것으로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이므로, 도 4는 시계열적인 순서로 한정되는 것은 아니다.In FIG. 4, steps S410 to S446 are described as being sequentially executed. However, this is merely illustrative of the technical idea of the present embodiment, and a person skilled in the art to which the present embodiment belongs may understand the present embodiment. 4 may be modified and modified in various ways, such as by changing the order described in FIG. 4 or executing one or more steps of steps S410 to S446 in parallel without departing from the essential characteristics thereof. It is not limited.
전술한 바와 같이 도 4에 기재된 본 실시예에 따른 배터리 제어부의 충방전 방법은 프로그램으로 구현되고 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 기록될 수 있다. 본 실시예에 따른 배터리 제어부의 충방전 방법을 구현하기 위한 프로그램이 기록되고 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 이러한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수도 있다. 또한, 본 실시예를 구현하기 위한 기능적인(Functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 실시예가 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다.As described above, the charging / discharging method of the battery controller according to the present embodiment described in FIG. 4 may be implemented in a program and recorded in a computer-readable recording medium. The computer-readable recording medium having recorded thereon a program for implementing the charging / discharging method of the battery control unit according to the present embodiment includes all kinds of recording devices storing data that can be read by a computer system. Examples of such computer-readable recording media include ROM, RAM, CD-ROM, magnetic tape, floppy disk, optical data storage, etc., and also implemented in the form of a carrier wave (e.g., transmission over the Internet) . The computer readable recording medium may also be distributed over a networked computer system so that computer readable code is stored and executed in a distributed manner. In addition, functional programs, codes, and code segments for implementing the present embodiment can be easily inferred by programmers in the technical field to which the present embodiment belongs.
도 5는 본 실시예에 따른 배터리 충전 프로파일을 나타낸 예시도이다.5 is an exemplary view showing a battery charging profile according to the present embodiment.
도 5에 도시된 바와 같이, 배터리 제어부(150)의 제어방식은 배터리(160)의 전압에 따라 충전 전 모드, 정 전류 모드 및 정 전압 모드 중 어느 하나의 모드로 동작한다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 각 모드 별 기준 전류값이 다르며, 전력계통으로의 출력에 따라 충전 모드 또는 방전 모드가 판별되면 그에 따라 방전 모드(Discharge Mode) 또는 충전 모드(Charge Mode)로 동작한다. 방전 모드일 경우 배터리 제어부(150)는 1C 전류로 방전하게 되고, 충전 모드일 경우, 배터리 제어부(150)는 센싱된 배터리(160)의 전압에 따라 충전 모드로 진행한다.As shown in FIG. 5, the control method of the
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present embodiment, and various modifications and changes may be made to those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the embodiments. Therefore, the present embodiments are to be construed as illustrative rather than restrictive, and the scope of the technical idea of the present embodiment is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present embodiment should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the scope of the present invention.
110: 발전기 120: 제 1 필터
130: 제 1 변환기 140: DC 링크
150: 배터리 제어부 160: 배터리
170: 제 2 변환기 180: 제 2 필터
190: 제어부110: generator 120: first filter
130: first converter 140: DC link
150: battery control unit 160: battery
170: second converter 180: second filter
190:
Claims (7)
상기 발전기를 통해 입력된 전력인 교류(AC) 전압을 직류(DC) 전압으로 변환하여 출력하는 제 1 변환기;
상기 제 1 변환기와 연결되어 상기 직류 전압을 공급하는 DC 링크;
상기 DC 링크와 연결되어 전력계통으로 출력되는 전력에 따라 상기 DC 링크의 상기 직류 전압을 구비된 배터리에 전기적인 에너지로서 충전하거나 충전된 상기 직류 전압이 방전되도록 하는 배터리 제어부; 및
상기 DC 링크에 일측이 연결되고 상기 배터리 제어부에 타측이 연결되어, 상기 DC 링크 및 상기 배터리 제어부 중 적어도 어느 하나로부터 공급된 상기 직류 전압을 상기 교류 전압으로 변환하여 상기 전력계통에 공급하는 제 2 변환기
를 포함하는 것을 특징으로 하는 고용량 풍력 발전 장치.A generator for supplying electric power by converting kinetic energy of a blade rotating by wind into electrical energy;
A first converter converting an alternating current (AC) voltage, which is electric power input through the generator, into a direct current (DC) voltage and outputting the converted voltage;
A DC link connected to the first converter to supply the DC voltage;
A battery controller connected to the DC link and configured to discharge or charge the charged DC voltage as electrical energy to a battery provided with the DC voltage of the DC link according to power output to a power system; And
One side is connected to the DC link and the other side is connected to the battery control unit, the second converter for converting the DC voltage supplied from at least one of the DC link and the battery control unit to the AC voltage to supply to the power system
High-capacity wind turbine comprising a.
상기 배터리 제어부는,
양방향 컨버터(Bi-Directional Converter)를 직렬로 형성하며, 상기 양방향 컨버터가 상기 DC 링크로부터 수신된 상기 직류 전압을 DC/DC 컨버팅한 후 센싱된 상기 배터리의 전압에 따라 상기 배터리에 충전하거나, 충전된 상기 직류 전압을 방전하는 것을 특징으로 하는 고용량 풍력 발전 장치.The method of claim 1,
The battery control unit includes:
A bi-direction converter is formed in series, and the bi-directional converter converts the DC voltage received from the DC link into DC / DC, and then charges or charges the battery according to the sensed voltage of the battery. A high capacity wind turbine, characterized in that for discharging the DC voltage.
상기 배터리 제어부는,
상기 배터리의 전압을 센싱하고, 상기 전력계통에서 출력되는 전력을 확인한 후 센싱한 상기 배터리의 전압과 확인된 상기 전력계통의 전력에 근거하여 초기 충전 모드(Pre-Chage Mode), 정전류 모드(Constant Current Mode) 및 정전압 모드(Constant Voltage Mode) 중 어느 하나의 모드로 동작하는 것을 특징으로 하는 고용량 풍력 발전 장치.The method of claim 1,
The battery control unit includes:
After sensing the voltage of the battery, checking the power output from the power system, based on the sensed voltage of the battery and the power of the checked power system, an initial charge mode and a constant current mode are used. Mode) and the constant voltage mode (Constant Voltage Mode), characterized in that the high-capacity wind power generation device operating in any one mode.
상기 배터리 제어부는,
상기 전력계통에 출력되는 전력에 근거하여 방전 모드로 동작하거나 센싱된 상기 배터리의 전압(Vb)이 상기 배터리의 기준 전압(Vpre) 미만인 경우 상기 초기 충전 모드로 동작하고, 센싱된 상기 배터리의 전압(Vb)이 상기 배터리의 전압원(Vcc) 미만인 경우 상기 정전류 모드로 동작하고, 상기 센싱된 상기 배터리의 전압(Vb)이 상기 배터리의 최대 전압(Vmax) 미만인 경우 상기 정전압 모드로 동작하는 것을 특징으로 하는 고용량 풍력 발전 장치.The method of claim 3, wherein
The battery control unit includes:
When the voltage Vb of the battery operated or sensed based on the power output to the power system is less than the reference voltage Vpre of the battery, the battery operates in the initial charging mode and the voltage of the sensed battery ( When in operation Vb) is less than the voltage source (Vcc) of the battery is operated in the constant current mode, when the sensed voltage (Vb) of the battery is less than the maximum voltage (Vmax) of the battery characterized in that the operation in the constant voltage mode High capacity wind turbine.
상기 제 1 변환기, 상기 DC 링크 및 상기 제 2 변환기를 제어하는 제어부를 추가로 포함하되,
상기 제어부는 그리드 코드 요구 규격으로 전력계통으로 출력되는 전력에 대한 유효전력 출력증발률 속도를 제한하는 것을 특징으로 하는 고용량 풍력 발전 장치.The method of claim 1,
Further comprising a control unit for controlling the first converter, the DC link and the second converter,
The control unit is a high-capacity wind power generation device, characterized in that for limiting the effective power output evaporation rate for the power output to the power system to the grid code requirements.
상기 발전기의 종류에 따라 상기 교류 전압에서 고조파를 제거하는 제 1 필터; 및
상기 전력계통에 부합하도록 상기 제 2 변환기로부터 출력되는 상기 교류 전압에서 고조파를 제거하는 제 2 필터
를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 고용량 풍력 발전 장치.The method of claim 1,
A first filter for removing harmonics from the AC voltage according to the type of the generator; And
A second filter for removing harmonics from the AC voltage output from the second converter so as to conform to the power system;
High capacity wind turbine comprising a further.
제 1 변환기에서 상기 발전기를 통해 입력된 전력인 교류(AC) 전압을 직류(DC) 전압으로 변환하여 출력하는 과정;
DC 링크에서 상기 제 1 변환기와 연결되어 상기 직류 전압을 공급하는 과정;
배터리 제어부에서 전력계통으로 출력되는 전력에 따라 상기 DC 링크와 연결되어 상기 DC 링크의 상기 직류 전압을 구비된 배터리에 전기적인 에너지로서 충전하거나 충전된 상기 직류 전압이 방전되도록 하는 과정; 및
제 2 변환기에서 상기 DC 링크에 일측이 연결되고 상기 배터리 제어부에 타측이 연결되어, 상기 DC 링크 및 상기 배터리 제어부 중 적어도 어느 하나로부터 공급된 상기 직류 전압을 상기 교류 전압으로 변환하여 상기 전력계통에 공급하는 과정
을 포함하는 것을 특징으로 하는 고용량 풍력 발전기의 제어 방법.
Supplying power by converting the kinetic energy of the blades rotated by the wind into electrical energy in the generator;
Converting an alternating current (AC) voltage, which is electric power input through the generator, into a direct current (DC) voltage in a first converter;
Supplying the DC voltage connected to the first converter in a DC link;
Connecting to the DC link according to the power output from the battery control unit so that the battery having the DC voltage of the DC link is charged as electrical energy or discharged from the charged DC voltage; And
One side of the second converter is connected to the DC link and the other side is connected to the battery controller, and the DC voltage supplied from at least one of the DC link and the battery controller is converted into the AC voltage and supplied to the power system. Process
Control method of a high capacity wind power generator comprising a.
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