KR20140014942A - 풍력 발전 시스템의 ｌｖｒｔ 제어 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

풍력 발전 시스템에서의 LVRT 제어 장치 및 방법이 개시된다. LVRT 제어 장치는, LVRT 상황의 발생 여부를 인식하는 LVRT 상황 인식부, LVRT 상황 발생 시 컨버터에서 바라본 계통측 인덕턴스를 산정하는 계통측 인덕턴스 산정부, 상기 계통측 인덕턴스에 따라 대역 소거 필터가 구현된 능동 댐핑 코드의 댐핑 파라미터를 조정하는 댐핑 파라미터 조정부 및 상기 조정된 댐핑 파라미터를 적용하여 상기 능동 댐핑 코드를 수정하는 능동 댐핑 코드 수정부를 포함하되, 상기 능동 댐핑 코드는 상기 컨버터 제어가 발산하는 것을 방지하는 코드일 수 있다.

Description

풍력 발전 시스템의 ＬＶＲＴ 제어 장치 및 방법{LVRT controlling device and method of wind power system}
본 발명은 풍력 발전 시스템의 LVRT 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 차세대 동력원으로 각광받고 있는 풍력 발전은 전세계적으로 그 규모와 시장성이 증가하고 있다. 일반적으로 풍력 발전은 풍력 터빈을 이용하여, 바람을 전기에너지로 바꾸어 생산하는 발전 방식으로, 풍력이 전력망에서 차지하는 비중이 커지면서 차세대 동력원으로서 중요한 역할을 하고 있다.
풍력은 깨끗하고, 재생가능하며, 온실 효과를 유발하지 않으므로, 종래 화석 연료를 대체하는 친환경 에너지로 각광받고 있지만 풍력 발전 시스템의 경우 가변적인 특성으로 인해 그 주변 전력망에 큰 영향력을 가지며 심할 경우 전력망 안정도에 지장을 줄 수도 있다. 따라서 전체 전령망의 안정성을 보장하기 위해 계통 연계 규정(Grid Code)이 각 국가별로 제정되어 풍력 발전 시스템의 계통 연계를 규제하고 있다.
이러한 계통 연계 규정 중에는 계통 사고 시 풍력 발전 시스템에 요구되는 LVRT(Low Voltage Ride Through, 저전압 지속 발전) 규정이 있다. LVRT 규정은 전압 감소율과 사고 시간에 따라 요구 조건이 나누어지며, 특정 전압 범위에서는 무효 전류를 지원하여 계통 전압 회복에 기여하도록 하고 있다.
풍력 발전기 컨버터는 LVRT 상황 시 계통이 안전하게 복구하도록 기여하여야 한다. LVRT란 계통에 사고가 발생하여 계통 전압이 0%~90%로 강하(Drop)되는 상황을 말한다. 계통 사고가 발생하여 계통 전압의 이상이 발생하였을 경우 컨버터는 예를 들어 3초 동안 정상적으로 동작하여야 하고 3초가 지나면 동작을 멈추게 된다.
이러한 LVRT 상황을 모의하기 위해 별도의 LVRT 모의 장치가 필요하다.
도 1은 LVRT 상황을 모의하기 위한 LVRT 모의 장치가 연결된 풍력 발전 시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 풍력 발전기 컨버터(20), 계통(Grid)(10), LVRT 모의 장치(30), 직렬 리액터(XSR), 직렬 리액터 스위치(SW1), 단락 리액터(XSC), 단락 리액터 스위치(SW2), 단락 스위치(SW3)가 도시되어 있다.
풍력 발전기 컨버터(20)는 터빈의 회전에 의해 발전하는 발전기에 의해 발생된 전력을 계통(10)에 안정적으로 전달하는 기능을 수행한다.
계통(10)은 그리드(Grid)라고도 하며, 전력 회사 또는 발전 회사에서 제공하는 교류 전원 시스템이다. 예를 들어, 계통(10)은 발전소, 변전소, 송전선을 포함하는 넓은 지역에 걸쳐 있는 전기적인 연계(連繫)이다.
LVRT 모의 장치(30)는 LVRT 상황을 모의하기 위한 장치로서, 풍력 발전기 컨버터(20)와 계통(10) 사이에 직렬 연결되는 직렬 리액터(XSR)와, 풍력 발전기 컨버터(20)와 직렬 리액터(XSR)가 연결되는 노드에 연결되는 단락 리액터(XSC)를 포함한다.
LVRT 모의 장치(30)를 이용하여 LVRT 상황을 모의하는 과정에서 풍력 발전기 컨버터(20)와 계통(10) 사이에 단순히 단락 경로(Short Path)를 만들어 주는 것은 매우 큰 단락 전류를 발생시킬 위험이 있기 때문에 직렬 리액터(XSR)를 달아 단락 전류를 제한하고, 단락 리액터(XSC)를 연결하여 계통 전압을 강하시키게 되는 것이다.
이 때 단락 전류를 제한하기 위해서는 직렬 리액터(XSR)의 값이 적절하게 조정할 필요가 있다. 컨버터 제어 측면에서 보면 직렬 리액터가 작은 값을 가지는 것이 좋지만, 너무 작은 값을 가지는 경우에는 계통단의 전압 변동률이 커질 수 있다. 반대로 직렬 리액터가 너무 큰 값을 가지는 경우에는 컨버터 제어가 어려워지는 문제점이 있다.
한편, 풍력 발전기 컨버터에서 만들어지는 전력에는 IGBT 소자 등의 스위칭 노이즈로 인하여 고조파가 포함되어 있다. 이는 생산되는 전력의 품질을 저하시키는 원인이 된다. 일반적으로 THD(Total Harmonic Distortion, 고조파왜율)가 3% 이내를 만족시켜야 조금 더 깨끗한 사인 곡선(Pure Sine Wave) 형태의 전력을 생산할 수 있다. 그렇기 때문에 고조파를 제거하기 위해서 리액터와 커패시터(Capacitor)를 이용하게 되는데, 이는 계통측과 연결되는 부분, 즉 컨버터 계통단에 LC 필터의 형태로 설치된다.
LC 필터는 고조파를 제거하는 구성요소이다. 하지만 LC 필터를 사용하게 되면 필연적으로 LC 공진이 발생하게 된다.
이는 수동 댐핑 형태인 저항을 통해 제거할 수도 있지만, 저항이 설치될 경우 필연적으로 전력 손실이 발생하여 컨버터의 효율을 떨어뜨리는 원인이 된다. 이를 해결하기 위해서 능동 댐핑(Active Damping, 가상저항)을 소프트웨어적으로 구현하여 능동 댐핑 코드를 생성하고 이를 이용하여 공진주파수를 제거하면서 컨버터의 전력손실도 없애는 방법을 사용한다.
능동 댐핑 방법으로는 예를 들어 노치 필터(Notch Filter)를 사용할 수 있다. 노치 필터란 대역 소거 필터(Band Stop Filter)의 일종으로 일정 주파수 대역의 신호(Signal)를 제거하는 역할을 해 준다. 즉, LC 필터로 인해 발생하는 공진주파수 대역을 알고 있다면 노치 필터를 이용하여 공진주파수를 제거해 줄 수 있는 것이다.
도 2는 노치 필터의 주파수 특성이 도시된 그래프이다. 도 2를 참조하면, 공진주파수가 10kHz인 경우의 노치 필터가 예시되어 있다. 공진주파수 영역, 즉 10kHz에서는 출력 전압이 -60 dB 이하로 매우 작은 값을 가지게 되는 것을 확인할 수 있다.
직렬 리액터가 연결되지 않았을 경우에는 능동 댐핑이 정상 동작하여 공진 주파수의 제거가 가능하지만, LVRT 상황의 모의 실험을 위해 도 1과 같은 LVRT 모의 장치가 연결될 경우, 즉 직렬 리액터가 계통측에 연결될 경우 컨버터 제어 측면에서는 무시할 수 없을 만큼 큰 인덕턴스(L 값)가 인입되기 때문에 공진 주파수가 달라져 컨버터 제어가 발산하게 될 우려가 있다.
한국공개특허 10-2012-0035675호에는 전력계통의 일시적인 전압강하에서도 풍력터빈의 발전기가 정지하지 않고 안정적으로 발전할 수 있도록 하는 동기발전기형 풍력터빈의 저전압 보상 제어 장치 및 그 제어 방법이 개시되어 있다. 이에 의하면 전력계통의 안전화를 위해 보상부하라는 별도의 구성요소를 필요로 하고 있어 소프트웨어적 처리에 의한 능동 댐핑을 이용한 컨버터 제어와는 차이가 있다.
한국공개특허 10-2012-0035675호
본 발명은 LVRT 상황 모의 실험 시 혹은 실제 LVRT 상황 발생 시 계통측 리액턴스 값의 변화에 대응하여 능동 댐핑 코드를 수정하여 컨버터의 안정적인 제어가 가능하도록 하는 풍력 발전 시스템의 LVRT 제어 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 풍력 발전 시스템에서 LVRT 상황에 따른 컨버터 제어를 수행하는 장치로서, LVRT 상황의 발생 여부를 인식하는 LVRT 상황 인식부; LVRT 상황 발생 시 컨버터에서 바라본 계통측 인덕턴스를 산정하는 계통측 인덕턴스 산정부; 상기 계통측 인덕턴스에 따라 대역 소거 필터가 구현된 능동 댐핑 코드의 댐핑 파라미터를 조정하는 댐핑 파라미터 조정부; 및 상기 조정된 댐핑 파라미터를 적용하여 상기 능동 댐핑 코드를 수정하는 능동 댐핑 코드 수정부를 포함하되, 상기 능동 댐핑 코드는 상기 컨버터 제어가 발산하는 것을 방지하는 코드인 LVRT 제어 장치가 제공된다.
상기 LVRT 상황 인식부는 계통측에서의 전압 강하를 감지하여 LVRT 상황이 발생하였는지를 판별할 수 있다.
상기 컨버터의 계통단에, 상기 컨버터와 계통 사이에 직렬 연결된 직렬 리액터와, 상기 컨버터와 상기 직렬 리액터가 연결되는 노드에 연결되는 단락 리액터와, 상기 직렬 리액터에 병렬 연결된 직렬 리액터 스위치와, 상기 단락 리액터에 병렬 연결된 단락 리액터 스위치와, 상기 노드 및 상기 단락 리액터 사이에 연결된 단락 스위치를 포함하는 LVRT 모의 장치가 인입되어 LVRT 상황의 발생을 모의 실험할 수 있다. 상기 LVRT 상황 인식부는 LVRT 모의 장치 연결 시간의 도래, LVRT 모의 장치에 포함된 스위치의 온오프 상태 중 적어도 하나를 감지하여 LVRT 상황이 발생하였는지를 판별할 수 있다.
상기 계통측 인덕턴스 산정부는 상기 컨버터의 계통단에 포함된 LC 필터의 인덕턴스와, 전선의 인덕턱스와, 상위측 변압기의 인덕턴스와, 상기 LVRT 모의 장치에 포함된 직렬 리액터 및 단락 리액터 중 적어도 하나에 의한 인덕턴스 중 하나 이상이 적용된 등가 인덕턴스를 계통측 인덕턴스로 산정할 수 있다.
상기 댐핑 파라미터는 상기 대역 저지 필터의 공진주파수 및 Q 팩터 중 적어도 하나일 수 있다.
상기 능동 댐핑 코드에는 전류 제어기가 추가 구현되어 있으며, 상기 계통측 인덕턴스에 따라 상기 컨버터 제어의 발산을 방지하도록 상기 전류 제어기의 P 게인을 조정하는 P 게인 조정부를 더 포함하되, 상기 능동 댐핑 코드 수정부는 상기 P 게인을 추가 적용하여 상기 능동 댐핑 코드를 수정할 수 있다.
한편 본 발명의 다른 측면에 따르면, 풍력 발전 시스템에서 LVRT 상황에 따른 컨버터 제어를 수행하는 LVRT 제어 장치에서 수행되는 LVRT 제어 방법 및 이를 수행하기 위한 프로그램이 기록된 기록매체가 제공된다.
일 실시예에 따른 LVRT 제어 방법은, (a) LVRT 상황의 발생 여부를 인식하는 단계; (b) LVRT 상황 발생 시 컨버터에서 바라본 계통측 인덕턴스를 산정하는 단계; (c) 상기 계통측 인덕턴스에 따라 대역 소거 필터가 구현된 능동 댐핑 코드의 댐핑 파라미터를 조정하는 단계; 및 (d) 상기 조정된 댐핑 파라미터를 적용하여 상기 능동 댐핑 코드를 수정하는 단계를 포함하되, 상기 능동 댐핑 코드는 상기 컨버터 제어가 발산하는 것을 방지하는 코드일 수 있다.
상기 컨버터의 계통단에, 상기 컨버터와 계통 사이에 직렬 연결된 직렬 리액터와, 상기 컨버터와 상기 직렬 리액터가 연결되는 노드에 연결되는 단락 리액터와, 상기 직렬 리액터에 병렬 연결된 직렬 리액터 스위치와, 상기 단락 리액터에 병렬 연결된 단락 리액터 스위치와, 상기 노드 및 상기 단락 리액터 사이에 연결된 단락 스위치를 포함하는 LVRT 모의 장치가 인입되어 LVRT 상황의 발생을 모의 실험할 수 있다.
상기 단계 (b)는 상기 컨버터의 계통단에 포함된 LC 필터의 인덕턴스와, 전선의 인덕턱스와, 상위측 변압기의 인덕턴스와, 상기 LVRT 모의 장치에 포함된 직렬 리액터 및 단락 리액터 중 적어도 하나에 의한 인덕턴스 중 하나 이상이 적용된 등가 인덕턴스를 계통측 인덕턴스로 산정할 수 있다.
상기 능동 댐핑 코드에는 전류 제어기가 추가 구현되어 있으며, 상기 계통측 인덕턴스에 따라 상기 컨버터 제어의 발산을 방지하도록 상기 전류 제어기의 P 게인을 조정하는 단계를 더 포함하되, 상기 단계 (d)는 상기 P 게인을 추가 적용하여 상기 능동 댐핑 코드를 수정할 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, LVRT 상황 모의 실험 시 혹은 실제 LVRT 상황 발생 시 계통측 리액턴스 값의 변화에 대응하여 능동 댐핑 코드를 수정하여 컨버터의 안정적인 제어가 가능하도록 하는 효과가 있다.
도 1은 LVRT 상황을 모의하기 위한 LVRT 모의 장치가 연결된 풍력 발전 시스템의 구성도,
도 2는 노치 필터의 주파수 특성이 도시된 그래프,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 LVRT 제어 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 LVRT 제어 장치에서 수행되는 LVRT 제어 방법의 순서도,
도 5 및 도 6은 Q 팩터에 따른 계통 전압, DC 링크 전압, 발전기에서 발생시키는 토크, 계통측 전류 그래프를 나타낸 도면.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 명세서에 기재된 "…부" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 LVRT 제어 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
본 실시예에 따른 LVRT 제어 장치(100)는 도 1에 도시된 것과 같은 LVRT 모의 장치(30)가 풍력 발전기 컨버터(20)와 계통(10) 사이에 연결되어 LVRT 상황을 모의하는 경우 혹은 실제 LVRT 상황이 발생한 경우에 컨버터 제어에 이용되는 능동 댐핑 코드에서의 댐핑 파라미터 및/또는 P 이득을 조정하여 풍력 발전기 컨버터(20)에서의 제어가 발산되는 것을 방지하게 된다.
이하에서는 도 1에 도시된 것과 같은 LVRT 상황을 모의하기 위한 LVRT 모의 장치가 연결된 경우를 가정하여 설명하기로 하지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며, 실제 LVRT 상황이 발생한 경우에도 적용될 수 있음은 당연하다.
도 3을 참조하면, LVRT 제어 장치(100)는 LVRT 상황 인식부(110), 계통측 인덕턴스 산정부(120), 댐핑 파라미터 조정부(130), P 게인 조정부(140), 능동 댐핑 코드 수정부(150)를 포함한다.
LVRT 상황 인식부(110)는 계통측에서의 전압 강하, 설정 시간의 도래, 리액터 스위치의 온오프 상태 등 중 적어도 하나를 감지하여 LVRT 상황이 발생하였는지 여부를 인식한다.
LVRT 모의 실험 시에는 계통단에 인입된 LVRT 모의 장치(30)에서 직렬 리액터(XSR) 및/또는 단락 리액터(XSC)가 계통에 연결되는지 여부를 감지하거나 계통측에서의 전압 강하를 감지하거나 혹은 미리 설정된 LVRT 상황 모의 실험 시간이 되었는지 여부를 확인할 수 있다.
여기서, 리액터의 연결 여부는 직렬 리액터(XSR)의 연결을 제어하는 직렬 리액터 스위치(SW1), 단락 리액터(XSC)의 연결을 제어하는 단락 리액터 스위치(SW2) 및 단락 스위치(SW3)의 온오프(ON/OFF) 여부로부터 알 수 있다.
예를 들어, 직렬 리액터 스위치(SW1)가 온(ON) 상태인 경우에는 직렬 리액터(XSR)가 연결되지 않았으며, 직렬 리액터 스위치(SW2)가 오프(OFF) 상태인 경우에는 직렬 리액터(XSR)가 연결된다.
또한, 단락 스위치(SW3)가 오프(OFF) 상태인 경우에는 단락 리액터 스위치(SW2)의 온오프 상태에 무관하게 단락 리액터(XSC)가 연결되지 않았으며, 단락 스위치(SW3)가 온(ON) 상태인 경우 단락 리액터 스위치(SW2)가 오프(OFF) 상태인 경우에만 단락 리액터(XSC)가 연결된다.
계통측 인덕턴스 산정부(120)는 LVRT 상황 인식부(110)에서의 인식 결과에 따라 LVRT 상황이 발생한 경우에 풍력 발전기 컨버터(20)에서 보고 있는 계통측의 전체 인덕턴스에 해당하는 계통측 인덕턴스를 재산정한다.
계통측 인덕턴스는 예를 들어 풍력 발전기 컨버터(20)의 컨버터 계통단에 포함된 LC 필터의 인덕턴스 값, 전선의 인덕턴스 값, 상위측 변압기의 인덕턴스 값 등을 포함하고 있다.
앞서 가정한 바와 같이 계통 라인에 LVRT 모의 장치(30)가 연결되어 있는 경우(즉, LVRT 상황 하에 있는 경우)에는 직렬 리액터(XSR) 및 단락 리액터(XSC)로 인한 인덕턴스 값이 계통 라인에 추가되어 계통측 인덕턴스가 크게 변하게 된다.
즉, 본 실시예에서의 계통측 인덕턴스는 LC 필터의 인덕턴스, 전선의 인덕턴스, 상위측 변압기의 인덕턴스 외에 LVRT 모의 장치(30)의 직렬 리액터(XSR) 및 단락 리액터(XSC)의 인덕턴스가 적용된 등가 인덕턴스를 의미한다.
댐핑 파라미터 조정부(130)는 계통측 인덕턴스 산정부(120)에서 산정된 계통측 인덕턴스에 근거하여 컨버터 제어의 발산을 방지하기 위한 댐핑 파라미터를 조정한다.
댐핑 파라미터로는 공진주파수(Resonance Frequency) 및 Q 팩터(Q Factor)가 있을 수 있다. 이러한 댐핑 파라미터는 소프트웨어적으로 구현된 노치 필터의 전달함수 특성을 결정하는 주요 파라미터이다.
예를 들어, 정상 상태(LVRT 상황이 발생하지 않은 경우)에서는 컨버터 제어가 발산하지 않는 공진주파수가 770Hz, Q 팩터가 0.707인 것으로 가정하면, 사고 상태(LVRT 상황이 발생한 경우)에서는 공진주파수 및 Q 팩터가 변동되어야 한다.
예를 들어, LVRT 모의 장치(30)의 직렬 리액터(XSR)가 계통단에 인입된 상태에서는 컨버터 제어의 발산을 방지하기 위한 공진주파수가 530Hz, Q 팩터가 0.407로 변동되며, LVRT 모의 장치(30)의 직렬 리액터(XSR) 및 단락 리액터(XSC)가 계통단에 모두 인입된 상태에서는 컨버터 제어의 발산을 방지하기 위한 공진주파수가 900Hz, Q 팩터가 0.507로 변동될 수 있다.
P 게인 조정부(140)는 계통측 인덕턴스 산정부(120)에서 산정된 계통측 인덕턴스에 근거하여 풍력 발전기 컨버터(20)에 대한 전류 제어(PI 제어)를 위한 P 게인을 조정한다.
댐핑 파라미터의 조정 및 P 게인의 조정에 대해서는 추후 상세히 설명하기로 한다.
능동 댐핑 코드 수정부(150)는 LVRT 상황 여부에 따라 산정된 계통측 인덕턴스에 근거하여 조정된 댐핑 파라미터 및 P 게인 중 적어도 하나를 반영하여 능동 댐핑 코드를 수정한다.
능동 댐핑 코드는 소프트웨어적으로 구현된 노치 필터 및 전류 제어기를 포함하며, LVRT 상황 하에서 계통측 인덕턴스가 변화함에도 고조파를 효과적으로 제거할 수 있어 풍력 발전기 제어가 발산하는 것을 방지한다.
이하 도 4를 참조하여 LVRT 제어 장치에서 수행되는 LVRT 제어 방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 LVRT 제어 장치에서 수행되는 LVRT 제어 방법의 순서도이고, 도 5 및 도 6은 Q 팩터에 따른 계통 전압, DC 링크 전압, 발전기에서 발생시키는 토크, 계통측 전류 그래프를 나타낸 도면이다. 도 4의 각 단계들은 도 3에 도시된 LVRT 제어 장치(100)의 각 구성요소에서 수행될 수 있다.
도 4를 참조하면, 단계 S200에서 LVRT 상황 인식부(110)는 LVRT 상황이 발생하였는지 여부를 인식한다.
LVRT 상황의 발생 여부는 계통측에서의 전압 강하, 설정 시간의 도래, 리액터 스위치의 온오프 상태 등 중 적어도 하나를 감지하여 확인할 수 있다.
단계 S210에서 LVRT 상황 인식부(110)에서의 인식 결과 LVRT 상황이 발생한 경우에는 단계 S220으로 진행하며, LVRT 상황이 발생하지 않은 경우에는 정상 상태로 가정하여 기 설정된 댐핑 파라미터 및 P 게인에 따른 능동 댐핑 코드를 유지한다.
단계 S220에서 계통측 인덕턴스 산정부(120)는 풍력 발전기 컨버터(20)에서 바라보는 계통측의 전체 인덕턴스를 나타내는 계통측 인덕턴스를 산정한다.
계통측 인덕턴스는 풍력 발전기 컨버터(20)에서 바라보는 계통측 등가회로에서의 인덕턴스 값으로서, LC 필터의 인덕턴스, 전선의 인덕턴스, 상위측 변압기의 인덕턴스, LVRT 모의 장치(30)의 직렬 리액터(XSR)의 인덕턴스가 적용된 등가 인덕턴스를 의미한다.
단계 S230에서 댐핑 파라미터 조정부(130)는 계통측 인덕턴스에 근거하여 댐핑 파라미터를 조정한다. 조정 대상이 되는 댐핑 파라미터로는 능동 댐핑 코드에 구현된 노치 필터에 적용될 공진주파수와 Q 팩터가 있다.
댐핑 파라미터 중의 하나인 공진주파수는 계통측 인덕턴스에 의한 LC 공진이 발생하는 주파수 대역으로, 예를 들어 도 2에 예시된 그래프에서는 10kHz이다.
이러한 공진주파수의 조정은 하기 수학식 1과 같은 LC 공진주파수를 찾는 공식을 통해 이루어질 수 있다.
Figure pat00001
여기서, fc는 공진주파수 대역, L은 인덕턴스 값, C는 커패시턴스 값을 의미한다.
본 실시예에서는 LVRT 상황 하에서 LVRT 모의 장치에 포함되는 직렬 리액터 및/또는 단락 리액터로 인해 계통측 인덕턴스가 변하게 되며, 이로 인해 공진주파수가 달라지게 된다.
따라서, 도 2에 예시된 그래프에서 노치 필터를 공진주파수 대역으로 이동시켜야 공진주파수가 적절하게 제거될 수 있을 것이다. 즉, LVRT 상황 하에서는 변동된 계통측 인덕턴스에 따라 공진주파수를 조정하게 되는데, 이는 변동된 공진주파수 대역으로 노치 필터를 이동시키는 것을 의미한다.
댐핑 파라미터 중 다른 하나인 Q 팩터는 공진 주파수 대역을 중심으로 그래프가 아래 방향으로 꺼지는 폭을 말하며, 공진주파수의 날카로움을 나타내는 양이다. Q 팩터가 커질수록 대역폭(bandwidth)가 작아지고 필터의 민감도가 커져서 도 2에 예시된 그래프의 모양이 10kHz를 중심으로 더욱 날카로운 모습을 보이게 되고, Q 팩터가 작아질수록 대역폭이 커지고 필터의 민감도가 작아져서 그래프 모양이 도 2에 예시된 저역 통과 및 고역 통과 통합형(Summed Low Pass High Pass)과 비슷한 모양을 가지게 된다.
풍력 발전기가 설치되는 사이트(Site)에 대한 정확한 인덕턴스 값 및 커패시턴스 값을 산출하는 것은 어렵기 때문에, Q 팩터를 무작정 크게 할 경우 공진주파수가 오히려 제거되지 못하고 발산하게 되는 경우가 많다.
따라서, LVRT 상황이 발생하지 않은 경우 혹은 LVRT 상황을 모의하지 않는 경우, 즉 평상시 풍력 발전기의 정상적 운영이 가능할 때 풍력 발전기 컨버터의 제어에는 비교적 정확한 인덕턴스 값 및 커패시턴스 값을 알 수 있어 Q 팩터를 크게 하여 공진주파수 대역이 확실히 제거될 수 있도록 한다.
하지만, LVRT 상황은 사고 상황이기 때문에 정확한 공진주파수 산출이 어려운 관계로 Q 팩터 값을 작게 함으로써, 현재 계산된 공진주파수 대역에서 어느 정도 여유있는 대역폭을 잡아 주어 공진주파수 산출 오류로 인해 노치 필터가 제 기능을 발휘하지 못하는 상황을 방지하도록 한다.
Q 팩터가 0.707인 경우에 계통 전압, DC 링크 전압, 풍력 발전기에서 발생시키는 토크값, 계통측 전류 그래프가 도 5의 (a)~(d)에 도시되어 있으며, Q 팩터가 1.217인 경우에 계통 전압, DC 링크 전압, 풍력 발전기에서 발생시키는 토크값, 계통측 전류 그래프가 도 6의 (a)~(d)에 도시되어 있다.
이를 통해 동일한 공진주파수 대역에서도 Q 팩터가 일정값 이상으로 커지는 경우(도 6 참조)에는 민감도가 커져서 컨버터 제어가 발산됨을 확인할 수 있다.
따라서, LVRT 상황과 같은 사고 상황에서는 공진주파수 대역이 완전히 제거되지 않더라도 Q 팩터를 작게 함으로써 제어 안정도를 높일 수 있을 것이다.
다시 도 4를 참조하면, 단계 S240에서 P 게인 조정부(140)는 계통측 인덕턴스에 근거하여 전류 제어를 위한 P 게인을 조정한다.
P 게인은 계통측 인덕턴스에 의한 영향을 받는 값으로서, 하기의 수학식 2 에 의해 조정된다.
Figure pat00002
Grid_L은 계통측 인덕턴스를 의미하고, Grid_Wn은 계통측 주파수를 감안한 주파수 파라미터를 의미한다.
주파수 파라미터(Grid_Wn)는 계통측 주파수가 60Hz이기 때문에 대략 3배 정도 되는 값으로 설정될 수 있다.
여기서, P 게인이 크다면 제어하고자 하는 목표값에 피드백 루프가 빨리 추종하게 되나 오버슈트(Overshoot)가 발생하여 초기값이 불안정할 수 있다. P 게인이 작다면 오버슈트가 발생하지는 않지만 목표값에 도달하게 되는 속도가 늦어지게 된다.
댐핑 파라미터 및 P 게인이 조정되면, 단계 S250에서 능동 댐핑 코드 수정부(150)는 저장부(미도시)에 저장되어 있는 능동 댐핑 코드에서 노치 필터에 대한 부분과 전류 제어기에 대한 부분에서 새롭게 조정된 댐핑 파라미터 및 P 게인이 적용되도록 능동 댐핑 코드를 수정한다.
LVRT 제어 장치(100)는 단계 S250에서 수정된 능동 댐핑 코드에 따라 컨버터 제어를 수행하여 발산을 방지하고 안정적인 제어가 이루어지도록 할 수 있다.
이상에서는 계통단에 LVRT 모의 장치를 인입하여 LVRT 상황을 모의하는 실험인 것으로 가정하여 설명하였지만, 실제 LVRT 상황이 발생한 경우에도 동일한 내용의 적용이 가능할 것이다.
계통측의 사고가 발생한 경우, 즉 0%로 전압 강하가 일어난 경우에 상위측 변압기 등이 계통에서 분리될 수 있다. 이 때 상위측 변압기가 계통에서 오픈(Open)되면 계통측 인덕턴스가 달라지게 된다.
일반적으로 약 3WA - 22.9kV/690V 변압기가 대략 52u의 인덕턴스 값을 가지는데 이는 컨버터 제어의 입장에서 볼 때 작은 값이 아니다. 따라서, 이러한 변압기가 계통에서 오픈되는 상황이 발생한다면, 변압기 인덕턴스가 사라지기 때문에 컨버터 제어기에서 보는 계통측 인덕턴스가 작아지게 되어 공진주파수 대역이 달라질 수 있다. 따라서, 컨버터 제어가 3초 동안 유지 못하게 되는 경우가 발생할 수 있다.
이 때에도 LVRT 제어 장치는 컨버터 계통측의 전압 강하를 감지하여 LVRT 상황이 발생하였음을 인식하고, 계통측 인덕턴스 값이 달라졌음을 제어기에서 알게 됨으로써 공진주파수, Q 팩터와 같은 댐핑 파라미터, 전류제어기의 P 게인 등을 조정하여 컨버터의 정상적인 제어를 유지할 수 있을 것이다.
상술한 LVRT 제어 방법은 LVRT 제어 장치에 내장되거나 설치된 프로그램 등에 의해 시계열적 순서에 따른 자동화된 절차로 수행될 수도 있음은 당연하다. 상기 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다. 또한, 상기 프로그램은 디지털 처리 장치가 읽을 수 있는 정보저장매체(computer readable media)에 저장되고, 디지털 처리 장치에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써 상기 방법을 구현한다. 상기 정보저장매체는 자기 기록매체, 광 기록매체 및 캐리어 웨이브 매체를 포함한다.
상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 계통 20: 풍력 발전기 컨버터
30: LVRT 모의 장치 100: LVRT 제어 장치
110: LVRT 상황 인식부 120: 계통측 인덕턴스 산정부
130: 댐핑 파라미터 조정부 140: P 게인 조정부
150: 능동 댐핑 코드 수정부

Claims (12)

  1. 풍력 발전 시스템에서 LVRT(Low Voltage Ride Through) 상황에 따른 컨버터 제어를 수행하는 장치로서,
    LVRT 상황의 발생 여부를 인식하는 LVRT 상황 인식부;
    LVRT 상황 발생 시 컨버터에서 바라본 계통측 인덕턴스를 산정하는 계통측 인덕턴스 산정부;
    상기 계통측 인덕턴스에 따라 대역 소거 필터가 구현된 능동 댐핑 코드의 댐핑 파라미터를 조정하는 댐핑 파라미터 조정부; 및
    상기 조정된 댐핑 파라미터를 적용하여 상기 능동 댐핑 코드를 수정하는 능동 댐핑 코드 수정부를 포함하되,
    상기 능동 댐핑 코드는 상기 컨버터 제어가 발산하는 것을 방지하는 코드인 LVRT 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 LVRT 상황 인식부는 계통측에서의 전압 강하를 감지하여 LVRT 상황이 발생하였는지를 판별하는 LVRT 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 컨버터의 계통단에, 상기 컨버터와 계통 사이에 직렬 연결된 직렬 리액터와, 상기 컨버터와 상기 직렬 리액터가 연결되는 노드에 연결되는 단락 리액터와, 상기 직렬 리액터에 병렬 연결된 직렬 리액터 스위치와, 상기 단락 리액터에 병렬 연결된 단락 리액터 스위치와, 상기 노드 및 상기 단락 리액터 사이에 연결된 단락 스위치를 포함하는 LVRT 모의 장치가 인입되어 LVRT 상황의 발생을 모의 실험하는 LVRT 제어 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 LVRT 상황 인식부는 LVRT 모의 장치 연결 시간의 도래, LVRT 모의 장치에 포함된 스위치의 온오프 상태 중 적어도 하나를 감지하여 LVRT 상황이 발생하였는지를 판별하는 LVRT 제어 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 계통측 인덕턴스 산정부는 상기 컨버터의 계통단에 포함된 LC 필터의 인덕턴스와, 전선의 인덕턱스와, 상위측 변압기의 인덕턴스와, 상기 LVRT 모의 장치에 포함된 직렬 리액터 및 단락 리액터 중 적어도 하나에 의한 인덕턴스 중 하나 이상이 적용된 등가 인덕턴스를 계통측 인덕턴스로 산정하는 LVRT 제어 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 댐핑 파라미터는 상기 대역 저지 필터의 공진주파수 및 Q 팩터 중 적어도 하나인 LVRT 제어 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 능동 댐핑 코드에는 전류 제어기가 추가 구현되어 있으며,
    상기 계통측 인덕턴스에 따라 상기 컨버터 제어의 발산을 방지하도록 상기 전류 제어기의 P 게인을 조정하는 P 게인 조정부를 더 포함하되,
    상기 능동 댐핑 코드 수정부는 상기 P 게인을 추가 적용하여 상기 능동 댐핑 코드를 수정하는 LVRT 제어 장치.
  8. 풍력 발전 시스템에서 LVRT(Low Voltage Ride Through) 상황에 따른 컨버터 제어를 수행하는 LVRT 제어 장치에서 수행되는 LVRT 제어 방법으로서,
    (a) LVRT 상황의 발생 여부를 인식하는 단계;
    (b) LVRT 상황 발생 시 컨버터에서 바라본 계통측 인덕턴스를 산정하는 단계;
    (c) 상기 계통측 인덕턴스에 따라 대역 소거 필터가 구현된 능동 댐핑 코드의 댐핑 파라미터를 조정하는 단계; 및
    (d) 상기 조정된 댐핑 파라미터를 적용하여 상기 능동 댐핑 코드를 수정하는 단계를 포함하되,
    상기 능동 댐핑 코드는 상기 컨버터 제어가 발산하는 것을 방지하는 코드인 LVRT 제어 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 컨버터의 계통단에, 상기 컨버터와 계통 사이에 직렬 연결된 직렬 리액터와, 상기 컨버터와 상기 직렬 리액터가 연결되는 노드에 연결되는 단락 리액터와, 상기 직렬 리액터에 병렬 연결된 직렬 리액터 스위치와, 상기 단락 리액터에 병렬 연결된 단락 리액터 스위치와, 상기 노드 및 상기 단락 리액터 사이에 연결된 단락 스위치를 포함하는 LVRT 모의 장치가 인입되어 LVRT 상황의 발생을 모의 실험하는 LVRT 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 단계 (b)는 상기 컨버터의 계통단에 포함된 LC 필터의 인덕턴스와, 전선의 인덕턱스와, 상위측 변압기의 인덕턴스와, 상기 LVRT 모의 장치에 포함된 직렬 리액터 및 단락 리액터 중 적어도 하나에 의한 인덕턴스 중 하나 이상이 적용된 등가 인덕턴스를 계통측 인덕턴스로 산정하는 LVRT 제어 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 능동 댐핑 코드에는 전류 제어기가 추가 구현되어 있으며,
    상기 계통측 인덕턴스에 따라 상기 컨버터 제어의 발산을 방지하도록 상기 전류 제어기의 P 게인을 조정하는 단계를 더 포함하되,
    상기 단계 (d)는 상기 P 게인을 추가 적용하여 상기 능동 댐핑 코드를 수정하는 LVRT 제어 방법.
  12. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 LVRT 제어 방법을 수행하기 위해 디지털 처리 장치에서 실행될 수 있는 명령어들의 프로그램이 기록되어 있으며, 상기 디지털 처리 장치에 의해 판독될 수 있는 프로그램이 기록된 기록매체.
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