KR20140053276A

KR20140053276A - 수력 터빈을 제어하기 위한 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR20140053276A
Application number: KR1020147005863A
Authority: KR
Inventors: 에드워드 스푸너; 시몬 카우손; 위 케옹 쿠
Original assignee: 오픈하이드로 아이피 리미티드
Priority date: 2011-08-12
Filing date: 2012-08-10
Publication date: 2014-05-07
Also published as: CL2014000341A1; CN103931097A; JP6159324B2; GB201113932D0; RU2014108960A; AU2012296936A1; CN103931097B; EP2571155A2; SG2014008650A; WO2013024039A3; EP2557679A2; CL2014000349A1; JP2014529701A; US20140319836A1; JP6143373B2; EP2557679A3; JP6240070B2; EP2571155A3; CA2843807A1; RU2627227C2

Abstract

수력 터빈의 동작을 제어하기 위한 제어 시스템이 개시된다. 제어 시스템은 터빈에 연결된 발전기에 의해 공급되고 터빈의 회전 속도의 함수로 나타나는 진동수와 전압을 가지는 교류 전력을, 수신소로 교류 전력을 전송하는 송전 시스템의 진동수와 전압을 가지는 교류 전력으로 변환하는 변환 시스템을 포함한다. 제어 시스템은 터빈을 통과하는 물 유속에 따라 발전기에 의해 공급되는 교류 전압을 조절하여 터빈의 회전을 제어하도록 변환 시스템과 함께 작동 가능한 제어 유닛을 더 포함한다. 변환 시스템은 제1 단계 컨버터와 제2 단계 컨버터를 포함하고, 제1 및 제2 단계 컨버터 사이에는 직류 링크가 설치된다. 제1 단계 컨버터는 발전기에 의해 공급된 교류 전력을 직류 전력으로 변환한다. 제2 단계 컨버터는 직류 전력을 수신소에 전송하기 위한 교류 전력으로 변환하고 제2 단계 컨버터는 전류형 인버터(current-source inverter) 타입으로 이루어진다.

Description

수력 터빈을 제어하기 위한 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR CONTROLLING HYDROELECTRIC TURBINES}

본 발명은 터빈을 제어하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수력 터빈을 제어하여 터빈 성능을 최적화하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.

수력 터빈은 오염되지 않은 재생 에너지원을 효율적으로 이용할 수 있는 수단으로 알려져 있다. 해양에 설치되는 수력 터빈 그룹은 조류 또는 큰 강 어귀에서의 하천 유입에 의해 야기되는 자연 발생적인 흐름을 이용하여 전력을 생산함으로써 해안에 설치되는 유틸리티 그리드(utility grid)에 공급하게 된다.

해양에 설치되는 터빈에 접근하는 것은 비용이 많이 들면서 위험하다. 따라서, 가능하다면, 고장 또는 마모 위험이 있는 부품의 사용을 피하는 것이 바람직하다. 그러므로, 고정 피치 터빈 날개가 피치를 조절할 수 있는 구조를 가지는 날개보다 낫고, 터빈에 직접 연결되는 저속 발전기가 터빈에 기어를 통해 연결되는 고속 발전기보다 낫고, 발전기에서 영구 자석 여자(excitation)가 브러시와 슬립 링 또는 정류자를 필요로 하는 장치보다 낫다.

대부분의 경우에, 터빈 그룹은 상당수의 터빈을 포함한다. 상당수의 터빈이 포함된다면, 개별 터빈에 연결되는 독립된 전력 케이블에 의해 전력을 해안으로 운반하는 것은 비실용적이고 비경제적일 것이다. 따라서, 해안에 전력을 운반하기 위해 설치되는 개별 전력 케이블은 복수의 터빈으로부터 전력을 수집하는 것이 바람직하다. 상당량의 전력이 터빈 그룹으로부터 일반적으로 터빈에서 수 킬로미터 떨어진 그리드 연결 포인트까지 전송되기 위해서, 전력 케이블은 고압에서 운용된다. 하지만, 발전기 권선과 같은 터빈 내의 전기 소자는 신뢰성과 경제성을 고려하여 매우 낮은 전압에서 운용되도록 설계되는 것이 일반적이다.

또한, 해저와 해안선의 불규칙한 지형 및 난류로 인하여 물 유속에 있어서의 차이와, 그로 인한 단일 케이블에 연결되는 터빈 그룹 내에서 개별 터빈의 유효 전력에 있어서의 차이가 야기된다. 물의 흐름으로부터 최대 전력을 얻기 위해서, 터빈 그룹에서 개별 터빈의 회전 속도는 탁월 해류 속도(prevailing water flow velocity)에 따라 조절되어야 한다. 따라서, 그룹 내에서 터빈은 상이한 속도로 운용되는 것이 일반적이고, 만약 영구 자석 발전기에 결합된다면 상이한 진동수와 전압의 전기 출력을 생산하게 된다.

본 발명은 터빈과 터빈 그룹 전체의 성능이 최적화되면서 터빈에 의해 생산된 전력을 해안으로 전력을 전송하는 송전 시스템에 적합한 형태로 변환하는 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명에 따르면, 수력 터빈의 동작을 제어하기 위한 제어 시스템이 제공되고, 제어 시스템은, 터빈에 연결된 발전기에 의해 공급되고 터빈의 회전 속도의 함수로 나타나는 진동수와 전압을 가지는 교류 전력을, 수신소로 교류 전력을 전송하는 송전 시스템의 진동수와 전압을 가지는 교류 전력으로 변환하는 변환 시스템; 및 터빈을 통과하는 물 유속에 따라, 발전기에 의해 공급되는 교류 전압을 조절하여 터빈의 회전을 제어하도록 변환 시스템과 함께 작동 가능한 제어 유닛을 포함한다.

바람직하게는, 발전기에 의해 공급되는 교류 전력은 터빈의 회전 속도에 비례하는 진동수와 전압을 가진다.

바람직하게는, 변환 시스템은 제1 단계 컨버터와 제2 단계 컨버터를 포함하고, 제1 및 제2 단계 컨버터 사이에는 직류 링크가 설치되고, 제1 단계 컨버터는 발전기에 의해 공급되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하고, 제2 단계 컨버터는 직류 전력을 수신소에 전송하기 위한 교류 전력으로 변환한다.

대안적으로, 변환 시스템은 발전기에 의해 공급되는 교류 전력을 수신소에 전송하기 위한 교류 전력으로 변환하는 사이클로 컨버터(cycloconverter) 또는 매트릭스 컨버터(matrix converter)를 포함한다.

바람직하게는, 직류 링크는 직류 전류를 감지하기 위한 적어도 하나의 센서를 포함하고 감지된 직류 전류와 관련된 신호를 제어 유닛에 제공한다.

바람직하게는, 직류 링크는 직류 전압을 감지하기 위한 적어도 하나의 센서를 포함하고 감지된 직류 전압과 관련된 신호를 제어 유닛에 제공한다.

바람직하게는, 제1 단계 컨버터는 정류기를 포함한다.

바람직하게는, 정류기는 3상 위상 제어 정류기(three-phase, phase-controlled rectifier)이고, 제어 유닛은 위상 제어 정류기의 사이리스터 트리거 신호(thyristor trigger signal)의 지연 각도(delay angle)를 조절한다.

대안적으로, 제1 단계 컨버터는 다이오드 브리지(diode bridge)와 직렬 연결된 사이리스터 교류 제어기(thyristor AC controller)를 포함한다.

바람직하게는, 제2 단계 컨버터는 위상 제어, 전류형, 선 전류 인버터(phase-controlled, current-source, line-commutated inverter)이다.

바람직하게는, 정격 수치(rated value)보다 작은 물 유속에 대응하여, 제어 유닛은 제2 단계 컨버터의 사이리스터의 점호 각도(firing angle)를 조절하여 직류 링크 전압을 직류 링크에 최적의 직류 전력 수치(optimum DC power value)를 제공하기 위한 수치로 설정한다.

바람직하게는, 한계 수치(threshold value)보다 작은 물 유속에 대응하여, 제어 유닛은 제1 단계 컨버터가 제어되지 않은 정류기(uncontrolled rectifier)로 행동하도록 설정하고, 직류 링크 전류를 결정하고, 터빈의 물 유속과 관련된 최적의 직류 전력 수치(optimum DC power value)를 결정하고, 제2 단계 컨버터의 동작을 조절하여 직류 링크 전압을 결정된 직류 링크 전류에 대한 최적의 직류 전력 수치(optimum DC power value)를 제공하는 수치로 설정한다.

바람직하게는, 정격 수치(rated value)를 초과하는 물 유속에 대응하여, 제어 유닛은 제2 단계 컨버터의 사이리스터의 점호 각도(firing angle)를 조절하여 직류 링크 전압을 한계 직류 전압 수치(threshold DC voltage value)로 설정하고, 제1 단계 컨버터의 사이리스터의 점호 각도(firing angle)를 조절하여 직류 링크 전류를 직류 전력을 최적의 직류 전력 수치(optimum DC power value)로 제한하기 위한 고정 수치(fixed value)로 설정한다.

바람직하게는, 한계 수치(threshold value)를 초과하는 물 유속에 대응하여, 제어 유닛은 제2 단계 컨버터를 조절하여 직류 링크 전압을 한계 직류 전압 수치(threshold DC voltage value)로 설정하고, 터빈의 물 유속과 관련된 최적의 직류 전력 수치(optimum DC power value)를 결정하고, 제1 단계 컨버터를 조절하여 직류 전력을 최적의 직류 전력 수치(optimum DC power value)로 제한하는 고정 수치(fixed value)로 직류 링크 전류를 설정한다.

대안적으로, 제1 단계 컨버터 및 제2 단계 컨버터는 전압형 인버터(voltage-source inverter) 타입으로 이루어진다.

바람직하게는, 제1 단계 컨버터는 능동 프런트 엔드(active front end)로 동작되는 전압형 인버터(voltage-source inverter)일 수 있고 고정 전압 직류 링크를 조정하게 된다.

바람직하게는, 제1 단계 컨버터 및 제2 단계 컨버터는 6디바이스, 3상 브리지(six-device, three-phase bridge)이고, 개별 디바이스는 스위치(switch) 및 프리 휠 다이오드(free-wheel diode)를 포함한다.

바람직하게는, 스위치는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT, Insulated-Gate Bipolar Transistor) 스위칭 디바이스, 통합 게이트 정류 사이리스터(IGCT, Integrated Gate Commutated Thyristors) 또는 게이트 턴 오프(GTO, Gate Turn Off) 사이리스터와 같은 반도체 스위치 중 어느 것으로부터 선택된다.

바람직하게는, 스위칭 디바이스는 제어 유닛으로부터 수신되는 신호에 따라 제어되고 동작한다.

바람직하게는, 커패시터는 제1 및 제2 단계 컨버터의 직류 단자에 병렬 연결되고 스위칭 디바이스의 스위칭 사이클의 일 주기 동안에 거의 일정한 직류 링크 전압을 유지한다.

바람직하게는, 제어 유닛은 제1 단계 컨버터의 디바이스를 제어하여 제1 단계 컨버터의 교류 입력에 제공되는 전압을 제어하게 된다.

바람직하게는, 제어 유닛은 제1 단계 컨버터의 디바이스를 제어함으로써 발전기 단자에서의 전압의 진폭과 진동수 및 상응하는 실제 및 무효 전력 흐름을 설정한다.

바람직하게는, 제1 단계 컨버터는 교류 전류가 발전기의 권선에 유도되는 전자기력(emf, electro-magnetic force)과 같은 위상으로 초래되는 것과 같은 방법으로 전기 진동수에 따라 변하는 교류 전압을 발전기에 제공하도록 제어된다.

바람직하게는, 제어 유닛은 제2 단계 컨버터의 디바이스에 전송되는 스위칭 신호에 의해 교류 출력 전압의 진폭과 진동수를 제어함으로써 제2 단계 컨버터의 교류 출력 전압을 제어한다.

바람직하게는, 제어 유닛은 제1 단계 컨버터의 디바이스의 동작을 수정하여 제1 단계 컨버터의 입력 단자에서 교류 전압의 진동수를 조절함으로써 터빈의 회전을 제어한다.

바람직하게는, 한계 수치(threshold value)보다 작은 물 유속에 대응하여, 제어 유닛은 직류 링크 전류를 결정하고, 터빈의 물 유속과 관련된 최적의 직류 전력 수치(optimum DC power value)를 결정하고, 디바이스의 스위칭 시퀀스를 수정하여 제1 단계 컨버터의 동작을 조절함으로써 입력 단자에서 교류 전압의 진동수를 결정된 직류 링크 전류에 대한 최적의 직류 전력 수치(optimum DC power value)를 제공하는 수치로 조절한다.

바람직하게는, 한계 수치(threshold value)를 초과하는 물 유속에 대응하여, 제어 유닛은 터빈의 물 유속과 관련된 최적의 직류 전력 수치(optimum DC power value)를 결정하고, 디바이스의 스위칭 시퀀스를 수정하여 제1 단계 컨버터의 동작을 조절함으로써 입력 단자에서 교류 전압의 진동수를 직류 전력을 최적의 직류 전력 수치(optimum DC power value)로 제한하는 고정 수치(fixed value)를 제공하는 수치로 조절한다.

바람직하게는, 한계 수치(threshold value)는 정상 운전 유속(normal operating flow speed) 또는 정격 속도(rated speed)이다.

바람직하게는, 제어 시스템은 관리 제어기와 협력하여 터빈에 대한 한계 수치(threshold value)를 결정한다.

바람직하게는, 한계 수치(threshold value)는 터빈 시스템의 하나의 어레이(array) 내의 개별 터빈의 성능 수준, 터빈의 어레이를 가로지르는 물 유동의 패턴 및 그리드 운전자 선호도 중 어느 것에 기초한다.

바람직하게는, 개별 터빈 시스템은 해안에 이르는 공통의 케이블에 연결된다.

바람직하게는, 터빈의 성능 수준은 터빈 어레이 내의 터빈 시스템의 개별 터빈의 출력 전력을 포함한다.

바람직하게는, 터빈 시스템이 추가 제공되고, 터빈 시스템은 변환 시스템을 포함하고 발전기에 연결된 수력 터빈을 더 포함하고, 발전기는 교류 전력 출력을 제어 시스템에 입력으로 제공한다.

바람직하게는, 터빈은 고정 날개를 구비하고 발전기는 직접 연결되는 영구자석 발전기(permanent-magnet generator)를 포함한다.

바람직하게는, 터빈 시스템은 변압기를 포함하는 송전 시스템을 더 포함하고, 송전 시스템은 제어 시스템으로부터 교류 전력 출력을 수신하여 교류 전력을 해안에 설치된 수신소로 전송한다.

바람직하게는, 터빈 시스템은 발전기의 출력과 변환 시스템의 입력 사이에 설치되어, 발전기의 역률(power factor)에 대한 변환 시스템의 영향을 보상하는 제1 역률 개선 소자를 더 포함한다.

바람직하게는, 제1 역률 개선 소자는 3개의 컴포넌트 세트를 포함하고, 개별 컴포넌트 세트는 커패시터와 직렬 연결된 인덕터를 포함하고 발전기의 개별 3상 출력에 병렬 설치된다. 커패시터는 발전기 전류의 시간 조화 성분(time harmonic component)과 기본 성분(fundamental component)의 리액턴스를 나타내는 부분(reactive part)을 감소시킴으로써 발전기 손실은 감소되고, 인덕터의 각각은 3상 위상 제어 정류기(three-phase, phase-controlled rectifier)가 정류할 때 상응하는 커패시터를 통해 큰 전류가 흐르는 것을 방지한다.

바람직하게는, 터빈 시스템은 변환 시스템의 출력과 송전 시스템 사이에 설치되어 송전 시스템이 비교적 높은 역률(power factor)로 동작하도록 보장하는 제2 역률 개선 소자를 더 포함한다. 이렇게 하여, 해안에 이르는 케이블 내에서의 손실은 감소되고 송전 시스템은 그리드에 실제 전력(real power)을 운반하는데 있어 최대 용량에서 동작한다.

바람직하게는, 제2 역률 개선 소자는 3개의 컴포넌트 세트를 포함하고, 개별 컴포넌트 세트는 적어도 하나의 커패시터 및 선택적으로 커패시터와 직렬 연결된 인덕터를 포함하고 변환 시스템의 개별 3상 출력에 병렬 설치된다. 커패시터는, 손실을 최소화하고 해안으로 유용한 실제 전력(real power)을 전송하는 송전 시스템의 용량을 최대화하기 위하여, 송전 시스템에 의해 운반되는 전류를 감소시키고, 인덕터는, 제2 단계 컨버터의 사이리스터가 스위칭 될 때, 커패시터로부터 생긴 큰 전류를 저지하기 위해 설치된다.

커패시터는 변압기의 고 전압 단자 또는 저 전압 단자에 연결될 수 있다.

대안적으로, 제2 역률 개선 소자는 변압기의 독립된 권선에 연결되어 권선의 누설 리액턴스(leakage reactance)는 커패시터가 변환 시스템(20)의 동작을 중단시키는 것을 저지한다.

바람직하게는, 터빈 시스템에는 터빈 시스템을 적어도 하나의 다른 터빈 시스템에 병렬로 연결하는 제1 전력 케이블이 제공되고 해안으로 교류 전력을 운반하는 공통의 제2 전력 케이블에 전력을 공급한다.

대안적으로, 제2 역률 개선 소자는 제1 및 제2 전력 케이블 사이의 교차점에 연결될 수 있다.

본 발명은 제1 전력 케이블에 의해 병렬로 함께 연결되는 복수의 터빈 시스템을 포함하는 터빈 시스템 어레이를 더 제공하고, 터빈 시스템은 수신소로 교류 전력을 운반하는 공통의 제2 전력 케이블에 전력을 공급한다.

바람직하게는, 터빈 시스템 어레이는 어레이 내의 개별 터빈의 성능 수준을 결정하고 개별 터빈 시스템의 제어 유닛에 지시하여 발전기에 의해 공급되는 교류 전압을 조절하고 개별 터빈 시스템에 의해 생산되는 전력을 변경함으로써 어레이에 의해 생산되는 전체 전력을 제어하는 관리 제어기(supervisory controller)를 더 포함한다.

이렇게 하여, 터빈 시스템 어레이의 출력 전력은 모니터 될 수 있고 평균보다 높은 물 유동에 종속된 터빈을 가지는 개별 터빈 시스템이 선택되고 그들의 동작은 물 유동이 평균보다 낮아 정격 전력을 생산하고 있지 않은 어레이 내의 다른 터빈 시스템을 보상하도록 수정될 수 있다.

바람직하게는, 제1 및 제2 전력 케이블은 22kV의 선간 전압(line-to-line voltage)과 같이 기름 절연(oil insulation)을 요구하지 않는 전기 장치에 적합한 선간 전압(line-to-line voltage)에서 3상 교류 전류를 운반한다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 터빈의 회전 속도를 제어함으로써 물 유속이 정격 수치보다 작을 때는 최적 전력이 생산되도록 하고, 물 유속이 정격 수치보다 클 때는 생산 전력을 제한할 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라 터빈 시스템 그룹의 전기 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 터빈 특성을 회전 속도 대비 전력으로 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전력 변환 시스템을 포함하는 도 1의 터빈 시스템 중 하나를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전력 변환 시스템을 포함하는 도 1의 터빈 시스템 중 하나를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 전력 변환 시스템을 포함하는 도 1의 터빈 시스템 중 하나를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 전력 변환 시스템을 포함하는 도 1의 터빈 시스템 중 하나를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 3 내지 도 6의 터빈 시스템 중 어느 하나의 제어 유닛과 통신하고 협력하는 관리 제어기를 나타낸 도면이다.
도 8은 제1 및 제2 역률 개선 소자를 더 포함하는 도 3의 터빈 시스템을 나타낸 도면이다.
도 9는 도 8의 제2 역률 개선 소자의 대안적 배치를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 제어 시스템에 연결된 터빈의 속도, 토크 및 전력과 물 유속 사이의 관련성을 나타낸 도면이다.
도 11은 공지된 터빈 시스템과 본 발명의 터빈 시스템에서 물 유속이 증가함에 따라 터빈 날개에서의 굽힘 모멘트와 터빈 축 방향 추력에 있어서의 변동을 비교하여 나타낸 도면이다.
도 12는 바람직한 일 실시예에 따라 물 유속에 따른 직류 전력의 변동률을 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라 제어 유닛의 제어 하에 제1 단계 컨버터의 정류기와 제2 단계 컨버터의 인버터의 사이리스터의 동작을 나타낸 도면이다.

이하에서는, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 예시로서 설명하기로 한다.

도 1을 참조하면, 터빈 시스템(10), 바람직하게는 수력 터빈 그룹의 바람직한 전기 장치가 도시되어 있다.

터빈 시스템(10)은 짧은 전력 케이블(12)에 의해 전기적으로 병렬 연결되고, 터빈 시스템(10) 그룹에서 수집된 전력을 해안 또는 해안에 근접 설치된 수신소(미도시)로 전송하는 하나 이상의 메인 송전 전력 케이블(14)(들)에 전력을 공급한다. 바람직한 실시예에서, 전력 케이블은 22kV의 선간 전압(line-to-line voltage)에서 3상 교류 전류를 운반함으로써, 케이블에서의 전력 손실을 최소화한다. 하지만, 적당하다면 어떠한 케이블이라도 사용될 수 있을 것이다.

도시된 것처럼, 개별 터빈 시스템(10)은 터빈(16), 예를 들어 조류발전 터빈(tidal-current turbine)을 포함한다. 바람직한 실시예에서, 터빈은 고정 날개를 포함할 수 있다.

터빈(16)은 터빈(16)에 의해 생산된 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기(18)에 연결된다. 바람직한 실시예에서, 발전기(18)는 직접 연결되는 영구자석 발전기(permanent-magnet generator)로서 터빈(16)의 회전 속도에 비례하는 진동수와 전압을 가지는 3상 교류 전력을 출력한다. 대안적인 실시예에서, 발전기(18)는 터빈(16)의 회전 속도의 함수로 나타나는 진동수와 전압을 가지는 3상 교류 전력을 출력하는 유도 발전기(induction generator)이다. 하지만, 적당하다면 어떠한 다수의 위상을 가지는 장치라도 사용될 수 있을 것이다. 몇몇 디자인의 발전기에서는, 권선의 코일(coils of the windings)을 그룹으로 분리하여 전기적으로 고립된(electrically isolated) 2개 이상의 출력을 제공하는 것도 가능하다.

발전기(18)의 출력(또는 경우에 따라 개별 전기 출력)은 3상 교류 전력을 터빈 시스템(10) 그룹에서 수집된 전력을 해안의 수신소에 전송하기 위한 송전 시스템(22)에 적합한 형태의 교류 전력으로 변환하는 전력 변환 시스템(20)의 교류 단자에 제공된다.

송전 시스템(22)은 변환 시스템에 의해 운반된 전력의 전압, 대략 400 또는 690V를 송전 시스템의 전압으로 승압하는 변압기(24)를 포함한다.

수신소(미도시)에 설치된 변압기(미도시)는 전력 케이블(14)을 통해 수신한 전력을 그리드(grid)에 연결하기에 적합한 전압 또는 대안적으로 그리드 연결에 앞서 요구될 수 있는 후속 전력 변환 단계에 연결하기에 적합한 전압으로 변환한다.

22kV의 전압이 선택되는데 이는 메인터넌스 프리(maintenance-free) 몰드 변압기(cast-resin transformers)의 범위 내에 있기 때문이다. 이러한 변압기는 터빈(16)에 가깝게 놓인 가스 충전 밀폐 용기(gas-filled enclosures) 내에서 사용하기에 적합할 것이다. 더 높은 전압은 유입 변압기(oil-filled transformers)를 필요로 할 수 있고, 이는 주기적인 유지보수를 필요로 하고 잠재적인 환경 위해성을 야기하게 된다.

조류는 물 유속이 수 초에서 수 분에 이르는 시간 주기에 걸쳐 평균 수치의 60%와 140% 사이로 변동하는 난류인 것이 일반적이다. 물의 유동으로부터 얻을 수 있는 전력은 유속의 세제곱에 비례하고 평균 유속이 3m/s일 때 1MW의 명목 정격 전력(nominal rated power)을 가지는 터빈의 경우에 개별 터빈으로부터의 유효 전력(available power)은 0.216MW와 2.744MW 사이로 변동할 수 있다.

도 2의 그래프에 도시된 것처럼, 정격 물 유속에서 터빈에 의해 생산된 전력과 터빈의 회전 속도 사이에는 관련성이 존재한다. 도시된 것처럼, 터빈에서 생산된 전력은 회전 속도가 증가함에 따라 증가하여 20과 25rpm 사이의 회전 속도에서 약 1000kW의 최대 전력 수치에 이르게 된다. 그 후, 생산 전력은 회전 속도가 증가함에 따라 감소하여 35와 40rpm 사이의 회전 속도에서 영(zero)의 전력 수치를 나타낸다. 따라서, 물의 정격 유동 수치에서 터빈에 의해 생산된 전력은 터빈 날개의 회전 속도가 증가함에 따라 증가한다는 것이 예측될 수 있다. 하지만, 회전 속도가 소정의 한계 수치를 넘어서면, 생산 전력은 감소하기 시작한다.

터빈(16)에 의한 기계 전력과 물의 유동에 의한 전력 사이의 비율은 터빈(16)의 출력 계수(CP, power coefficient)라고 한다. 물의 유동에 의한 전력은 물의 유동을 가로막는 터빈(16)의 면적과 물의 유속과 관련이 있다. 출력 계수는 터빈(16)의 원주 속도와 물 유속 사이의 비율과 동일한 또 하나의 무 차원 파라미터인 날개끝 속도 비(tip speed ratio)의 함수로 나타나는 무 차원 파라미터이다. 출력 계수는 날개끝 속도 비의 최적 수치에서 최대 수치에 도달한다. 도 2에 도시된 상황에서, 날개끝 속도 비는 회전 속도가 22rpm일 때 최적 수치와 동일하고, 최대 출력 계수에 물의 유동에 의한 전력을 곱하면 1MW의 기계 전력이 된다.

물 유속이 정상 운전 유속(normal operating flow speed) 또는 정격 속도(rated speed)보다 작을 때는, 물의 유동으로부터 가능한 많은 전력을 뽑아내도록 터빈(16)의 토크 또는 회전 속도가 조절되는 것이 바람직하다. 마찬가지로, 물 유속이 정격 속도보다 클 때는, 생산 전력을 정격 수치로 제한하여 터빈(16)을 과도한 기계적 응력으로부터 보호하고 터빈 시스템(10) 내 다른 부품들의 과열 및 과부하를 방지하는 것이 바람직하다.

따라서, 본 발명의 전력 변환 시스템(20)은 터빈 운전, 특히 터빈의 회전 속도를 제어함으로써 물 유속이 정격 수치보다 작을 때는 최적 전력이 생성되도록 하고, 물 유속이 정격 수치보다 클 때는 생산 전력을 제한하게 된다.

따라서, 터빈 시스템(10)의 전력 변환 시스템(20)은 제어 유닛(32)과 통신하는 것이 바람직하다. 제어 유닛(32)은 터빈(16)을 통과하는 물 유속에 따른 바람직한 조치를 결정한다. 바람직한 실시예에서, 현재의 물 유속은 운전 진동수 및 전압과 함께 발전기로부터의 측정 전류로부터 예측된다. 하지만, 현재의 물 유속은 유동 센서(flow sensor)로부터 얻은 측정 수치이거나 통계학(statistics) 및/또는 예측 정보(forecast information)를 사용하여, 예를 들어, 또는 대안적으로 물 유속의 측정 수치를 통계학 및/또는 예측 정보에 따라 조절함으로써 확률적으로 도출될 수도 있다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 전력 변환 시스템(20)을 세부적으로 묘사한 터빈 시스템(10)이 도시되어 있다. 제1 실시예에서, 전력 변환 시스템(20)은 제1 단계 컨버터(26) 및 제2 단계 컨버터(28)를 포함한다.

제1 단계 컨버터(26)는 발전기(18)로부터 수신하고 발전기의 회전 속도에 상응하는 진동수를 가지는 입력 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 정류기이다. 도시된 것처럼, 정류기는 사이리스터 브리지(thyristor bridge)와 같은 3상 위상 제어 정류기(three-phase, phase-controlled rectifier)일 수 있다. 대안적으로, 제1 단계 컨버터(26)는 도 4와 관련하여 보다 자세히 설명하겠지만 다이오드 브리지(diode bridge)가 뒤따르는 사이리스터 교류 제어기(thyristor AC controller)로 현실화될 수 있을 것이다.

제2 단계 컨버터(28)는 제1 단계 컨버터(26)에 의해 공급된 직류 전력을 송전 시스템(22)의 진동수와 전압을 가지는 교류 전력으로 변환하는 인버터이다. 본 실시예에서, 인버터는 위상 제어, 전류형, 선 전류 인버터(phase-controlled, current-source, line-commutated inverter)로 동작하는 사이리스터 브리지(thyristor bridge)이다.

물 유속의 모든 수치에 대해서, 터빈(16)으로부터 최대 출력 전력을 산출하는 터빈(16)의 최적 회전 속도가 존재하고 제1 단계 컨버터(26)와 제2 단계 컨버터(28) 사이에 설치되는 직류 링크(34)의 전류와 전압 사이에는 상응하는 최적 관련성이 존재한다.

따라서, 제어 유닛(32)은 터빈(16)의 회전을 제어하기 위하여 현재의 물 유속에 따라 직류 링크의 전압을 조절한다.

터빈(16)을 통과하는 물 유속이 정격 속도 수치보다 작을 때는, 제어 유닛(32)은 제1 단계 컨버터(26)가 제어되지 않은 정류기(uncontrolled rectifier)(즉, 점호 각도(firing angle)가 0도로 맞추어진 것)로 행동하거나 동작하게 함으로써, 발전기(18)의 속도와 터빈(16)의 속도는 직류 링크(34)의 전압에 직접 관련된다. 따라서, 직류 링크의 전압을 설정 수치(set value)로 조절함으로써, 직류 전류 및 그로 인한 교류 전력이 변경되어, 터빈(16)의 회전 속도를 제어할 수 있게 되고, 터빈의 회전에 감소를 초래하게 되고, 최적 전력이 터빈으로부터 추출될 것이다.

제1 단계 컨버터(26), 바람직한 실시예에서는, 제어되는 정류기(controlled rectifier)가 터빈(16)의 회전 속도를 상승하게 하는 높은 물 유속 주기 동안에 사용되어 생산 전력이 바람직한 최대 수치로 제한된다.

터빈(16)을 통과하는 물 유속이 정격 속도 수치를 초과할 때는, 제어 유닛(32)은 제2 단계 컨버터(28), 특히 제2 단계 컨버터(28)의 사이리스터의 점호 또는 위상 각도를 설정하여 직류 링크 전압에 최대 수치를 제공한다. 제어 유닛(32)은 추가적으로 제1 단계 컨버터(26)를 조절하여 직류 링크 전류를 고정 수치로 설정함으로써, 발전기(18)로부터 산출되는 전력을 바람직한 최대 수치로 제한하게 된다. 따라서, 제1 단계 컨버터(26)의 입력에서의 전압이 증가하고, 그 결과로 터빈(16)의 회전 속도는 증가하게 된다.

도 3에 도시된 것처럼, 인덕터(30)는 제1 단계 컨버터의 출력과 제2 단계 컨버터의 입력 사이에 직렬로 설치되어 시스템에 대한 다양한 요구를 처리하고 사이리스터의 스위칭에도 불구하고 직류 전류가 연속적으로 유지되도록 도와준다.

발전기(18)에 의해 생산되는 높은 전압으로 인해, 제1 단계 컨버터는 매우 높은 정격 전압의 사이리스터와 같은 스위칭 장치를 이용하게 된다.

도 4에 도시된 것처럼, 제2 실시예에서는, 매우 높은 전압의 사이리스터를 사용하는 대신에, 발전기(18)로부터의 3상 교류 출력의 개별 출력의 전압은 개별 출력을 제1 단계 컨버터(26)의 정류기의 개별 입력이 병렬로 설치되는 유도성 부하(inductive load)(136, 236, 336)에 연결함으로써 감소될 수 있다. 유도성 부하(136, 236, 336)에 의해 생긴 무효 전류(reactive current)는 발전기(18)의 권선 인덕턴스(winding inductance)에 높은 전압 강하를 야기하게 된다. 유도성 부하(136, 236, 336)는 개별 고체 상태 스위치(solid-state switches)(138, 238, 338)에 의해 제1 단계 컨버터의 정류기에 연결될 수 있고 정류기는 플레인 다이오드 정류기(plain diode rectifier)(40)일 수 있다. 본 실시예에서, 제어 유닛(32)은 제1 단계 컨버터 및 그로 인한 터빈(16)의 회전을 제어하기 위하여 위상 제어 하에서 고체 상태 스위치의 사이리스터의 점호 각도를 조절한다.

도 5에 도시된 제3 실시예에서는, 발전기(18)에 의해 2개의 3상 교류 전력 출력이 제공되고 독립된 제1 및 제2 전력 변환 시스템(120, 220)에 각각 공급된다. 제1 및 제2 전력 변환 시스템(120, 220)의 출력은 더 낮은 수치의 펄스 시스템에 의해 생산되는 것보다 송전 시스템(22)에서 훨씬 더 낮은 조화 전류(harmonic current)를 생산하는 12 펄스 시스템을 만들어내는 공통의 변압기의 독립된 권선에 전력을 공급한다. 본 발명의 터빈 시스템(10)은 적당하다면 어떠한 다수의 3상 그룹을 채택할 수 있을 것이다.

2개 이상의 전력 변환 시스템(120, 22) 중 하나에서 결함이 발생하면, 나머지 전력 변환 시스템(들)은 계속하여 기능하여 터빈(10)이 제한된 최대 전력으로 동작하게 할 것이다. 이 경우에, 제어 유닛(32, 32’)에는 결함을 감지하고 적당히 감소된 최대 전력 한계를 적용하기 위한 감지 수단(미도시)이 구비될 수 있다. 제어 유닛(32, 32’)은 상호간에 통신할 수 있도록 배열되거나 연결될 것이다. 대안적으로, 하나의 제어 유닛(32)만이 설치되어 전력 변환 시스템(120, 220)의 각각에 연결될 수도 있다.

본 발명의 제4 실시예에서는, 도 3의 전력 변환 시스템(20)이 도 6의 전력 변환 시스템(20)으로 교체된다. 도시된 것처럼, 도 6의 전력 변환 시스템도 제1 단계 컨버터(26)와 제2 단계 컨버터(28)를 포함한다. 제1 단계 컨버터(26)는 발전기(18)에 의해 공급되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하고, 제2 단계 컨버터(28)는 직류 전력을 수신소(미도시)에 전송하기 위한 교류 전력으로 변환한다.

전술한 실시예들의 변환 시스템에서와 같이, 도 6의 변환 시스템(20)은 제어 유닛(32)과 통신하여 제어 신호를 수신하고 제어 유닛(32)에 전력 변환 시스템(20)을 통과하는 전력의 측정값을 제공한다. 이를 위하여, 직류 링크(34)에는 센서(미도시)가 설치되어 제1 및 제2 단계 컨버터 사이를 통과하는 직류 전류를 감지 및 모니터하고 신호를 제어 유닛(32)에 전송한다.

본 실시예에서, 제1 단계 컨버터(26) 및 제2 단계 컨버터(28)는 전압형 인버터(voltage-source inverter) 타입으로 이루어진다. 특히, 제1 단계 컨버터는 능동 프런트 엔드(active front end)로 동작되는 전압형 인버터일 수 있고 고정 전압 직류 링크를 조정하게 된다.

도 6에 도시된 것처럼, 제1 단계 컨버터(26) 및 제2 단계 컨버터(28)는 6디바이스, 3상 브리지(six-device, three-phase bridge)이고, 개별 디바이스(39)는 반도체 스위치(semiconductor switch) 및 프리 휠 다이오드(free-wheel diode)를 포함한다.

본 실시예에서, 제1 단계 컨버터(26) 및 제2 단계 컨버터(28)는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT, Insulated-Gate Bipolar Transistor) 스위칭 디바이스(39)를 기초로 한다. 하지만, 통합 게이트 정류 사이리스터(IGCT, Integrated Gate Commutated Thyristors) 또는 게이트 턴 오프(GTO, Gate Turn Off) 사이리스터와 같은 다른 타입의 스위칭 디바이스가 사용될 수도 있을 것이다. 스위칭 디바이스(39)는 제어 유닛(32)으로부터 수신되는 신호에 따라 제어되고 동작한다.

도 6에 도시된 것처럼, 커패시터(41)가 제1 및 제2 단계 컨버터(26, 28)의 직류 단자에 병렬 연결될 수 있다. 커패시터(41)는 스위칭 디바이스(39)의 스위칭 사이클의 일 주기 동안에 거의 일정한 직류 링크 전압을 유지한다. 제어 유닛(32)은 커패시터(41)의 전압 변화에 따라 제2 단계 컨버터(28)의 하나의 위상의 출력 전압을 조절함으로써, 직류 링크 전압을 특정 수치의 정밀한 한계(close limits of a specified value) 내로 유지한다.

본 실시예에서, 제2 단계 컨버터(28)는 제1 단계 컨버터에 의해 공급되는 직류 전력을 수신소(미도시)에 전송하기 위한 교류 전력으로 변환한다. 출력 교류 라인 A, B 및 C를 포함하는 제2 단계 컨버터(28)의 교류 출력 단자에서 제공되는 전압은 펄스 폭 변조(PWM, pulse width modulation)를 사용하여 얻을 수 있다.

라인 A에 제공되는 전압을 제어하기 위하여, 제2 단계 컨버터(28)의 스위치 S1이 반복적으로 스위치 온(on) 및 오프(off) 된다. 스위치 S1이 온(on) 될 때는, 전류는 양의 직류 라인에서 라인 A로 흐르게 된다. 스위치 S1이 오프(off) 될 때는, 전류는 송전 시스템 내의 변압기와 같은 부품에서의 인덕턴스로 인해 라인 A를 통해 같은 방향으로 계속하여 흐르게 되고 스위치 S2와 병렬 설치되는 프리 휠 다이오드 D2를 통해 흐르도록 강제된다. 전류가 반대 방향으로 흐를 때에는, 스위치 S2 및 스위치 S1에 병렬 설치되는 프리 휠 다이오드 D1을 통과하게 된다.

스위치 S1이 온(on) 될 때는, 라인 A에서의 전압은 양의 직류 라인의 전압과 거의 동일하고, 스위치 S1이 오프(off) 될 때는, 라인 A에서의 전압은 음의 직류 라인의 전압과 거의 동일하게 된다. 그 결과, 라인 A에서의 시간 평균 전압(time average voltage)은 양과 음의 직류 라인에서의 전압 및 스위치 S1의 오프(off) 되는 지속시간에 대한 온(on) 되는 지속시간의 비율에 관련된다. 따라서, 라인 A에서의 평균 전압은 스위치 S1과 S2에 보내지는 스위칭 신호를 제어함으로써 제어될 수 있다.

특히, 디바이스(39)의 스위치 S1과 S2에서 오프(off) 주기에 대한 온(on) 주기의 스위칭 비율을 변화시킴으로써, 라인 A에서의 평균 전압은 2개의 직류 라인에서의 전압 사이의 어떠한 수치를 가지도록 제어될 수 있다. 따라서, 본 실시예에서, 제어 유닛(32)은 고 주파 스위칭 신호에 주기적으로 변화하는 비율을 제공함으로써 교류 출력 단자의 라인 A에서 고주파 성분이 부가된 대략 사인파 모양으로 변하는 전압을 만들어내게 된다. 바람직하게는, 고주파 성분을 감쇄시키기 위하여 소형 필터(미도시)가 설치될 수도 있다.

라인 B 및 C에서의 전압은 라인 B 및 C와 관련된 디바이스(39)를 제어함으로써 같은 방식으로 제어될 수 있다.

예를 들어, 직류 링크(34)는 1100V에서 동작할 수 있고 제2 단계 컨버터(28)의 IGBTs의 게이트에 공급되는 스위칭 신호는 3000Hz의 진동수를 가질 수 있다. 오프(off) 주기에 대한 온(on) 주기의 비율은 1:10과 10:1 사이에서 변경됨으로써 교류 출력 단자에서의 평균 전압은 100과 1000V 사이에서 변화될 수 있다. 만약 비율이 50Hz의 진동수를 가지고 시간에 따라 사인파 모양으로 변화된다면, 교류 출력 단자의 라인 A에서의 출력 전압은 450V의 진폭과 318V의 실효 수치(rms value)를 가지는 50Hz의 교류 성분이 부가된 550V의 평균 수치를 가지게 된다.

라인 B에 연결되는 스위치 S3 및 S4에 공급되는 비슷한 신호는 라인 B에서의 전압이 비슷한 방식으로 변하도록 할 수 있지만 이는 위상 변이되어 50Hz 성분은 라인 A에서와 비교하여 120도만큼 위상이 달라질 수 있다. 그 결과, 라인 A와 B사이의 교류 전압은 551V rms이 되고, 만약 라인 C에 대한 스위치 S5 및 S6에 공급되는 신호가 120도만큼 추가로 위상 변이된다면, 라인 A, B 및 C는 선간(Line to Line) 551V rms의 균형 잡힌 3상 출력 전압(balanced three-phase output voltage)을 운반하게 된다. 스위칭 신호를 적절하게 변화시킴으로써, 제어 유닛(32)은 진폭과 진동수에 있어서 교류 출력 전압을 제어할 수 있다.

제2 단계 컨버터(28)의 출력 교류 전압의 진폭은 3상 교류 네트워크로 흘러 들어가는 무효 전력(reactive power)의 양을 결정하고 네트워크 전압에 대한 출력 전압의 위상은 실제 전력(real power) 흐름을 결정한다.

마찬가지로, 제어 유닛(32)은 제1 단계 컨버터(26)의 디바이스(39)를 제어함으로써 제1 단계 컨버터(26)의 교류 입력에서 제공되는 전압 및 그로 인한 발전기(18)의 단자에서의 교류 전압을 제어하게 된다. 특히, 제1 단계 컨버터(26)는 발전기 단자에서의 전압의 진폭과 진동수 및 상응하는 실제 및 무효 전력 흐름을 설정하도록 제어된다.

더군다나, 제1 단계 컨버터(26)는 교류 전류가 발전기(18)의 권선에 유도되는 전자기력(emf, electro-magnetic force)과 같은 위상으로 초래되는 것과 같은 방법으로 전기 진동수에 따라 변하는 교류 전압을 발전기(18)에 제공하도록 제어된다.

소정의 물 유속에 대하여, 터빈(16)은 이상적인 회전 속도, 결과로 초래되는 진동수와 전자기력 및 상응하는 전력과 관련이 있다. 그 결과, 이상적인 회전 속도에 대하여, 전자기력과 위상이 동일한 발전기 교류 전류의 성분은 진동수의 공지된 함수이다. 발전기의 최대 효율은 손실 및 그로 인한 전류가 최소화될 때에 달성되고, 이는 결국 전자기력과 직각 위상의 전류 성분이 영(zero)일 수 있다는 것을 의미한다. 발전기 단자에서의 상응하는 교류 전압은 진동수의 함수로 평가될 수 있고 제어 유닛(32)에 대한 요구 파라미터(demand parameter)로 고정될 수 있다.

전술한 것처럼, 물 유속의 모든 수치에 대하여, 터빈(16)으로부터 최대 출력 전력을 산출하는 터빈(16)의 최적 회전 속도가 존재하고, 진동수, 전압 및 전력 사이에는 상응하는 최적의 관련성이 존재한다. 직류 링크 전압은 고정되어 있기 때문에 교류 전력은 직류 링크 전류에 정 비례한다. 따라서 제어 유닛(32)은, 발전기에서 교류 전압을 제어하기 위하여, 센서(미도시)에 의해 측정된 직류 링크 전류에 따라 제1 단계 컨버터의 진동수를 설정하게 된다.

특히, 제어 유닛(32)은 제1 단계 컨버터(26)의 디바이스(39)의 동작을 수정하여 제1 단계 컨버터의 입력 단자에서 교류 전압의 진동수를 직류 링크 전류의 현재 수치에 대응하여 조절한다.

터빈(16)을 통과하는 물 유속이 정격 속도 수치보다 작을 때는, 제어 유닛(32)은 제1 단계 컨버터(26)가 제1 단계 컨버터의 입력 단자 및 그로 인한 발전기(18)의 교류 단자에서 교류 전압의 진동수를 조절하게 함으로써, 발전기와 터빈의 회전 속도는 유동으로부터 최대 전력을 뽑아내도록 최적화된다.

제1 단계 컨버터(26)는 높은 물 유속의 주기 동안 터빈(16)의 회전 속도가 상승하도록 허용하는데 사용됨으로써 생산 전력이 바람직한 최대 수치로 제한되도록 한다. 터빈(16)을 통과하는 물 유속이 정격 속도 수치를 초과할 때는, 제어 유닛(32)은 제1 단계 컨버터(26)가 제1 단계 컨버터의 입력 단자 및 그로 인한 발전기(18)의 교류 단자에서 교류 전압의 진동수를 조절하게 함으로써, 발전기(18) 및 터빈(16)의 회전 속도는 전력이 최대 수치로 제한되도록 한다. 만약 유량이 매우 높으면, 상응하는 이상 전압(ideal voltage)은 제1 단계 컨버터(26)의 전압 정격을 초과할 것이고 발전기(18)는 전자기력과 직각 위상의 어느 정도의 교류 전류를 운반할 것을 요구 받게 될 것이고 발전기(18)에서 손실은 최소보다 상응하게 더 높게 될 것이다.

도 5에 도시된 실시예와 유사하게, 도 6의 터빈 시스템(10)은 2개 이상의 전력 변환 시스템(20)을 포함하도록 수정될 수 있고, 각각은 독립된 직류 링크를 구비하는 병렬의 전력 변환 채널을 가진다. 이는 리던던시(redundancy)를 제공함으로써 채널 중 하나가 고장 나는 경우에 터빈(16)은 제한된 최대 전력을 가지고 계속하여 동작할 수 있게 된다. 독립된 채널 각각은 발전기 권선의 고립된 섹션으로부터 입력을 받게 됨으로써 하나의 채널에서의 고장은 나머지의 동작에 영향을 미치지 않게 된다.

전술한 것처럼, 해안에 전력을 전송하기 위해 설치되는 전력 케이블(14)은 터빈 시스템의 하나의 어레이(array) 내에서 여러 터빈 시스템(10)으로부터 전력을 수집한다. 해안의 그리드로 전력을 운반하는데 사용되는 기타 기반시설과 전력 케이블(14)은 매우 큰 투자를 의미하므로 항상 최대한도로 이용하는 것이 바람직하다. 따라서, 어레이 내에서 일부 터빈(16)이 P/N보다 작게 작동할 때는, 나머지 터빈은 P/N 이상으로 전송하도록 허용하여 전송되는 전력의 전체 양의 균형을 맞추는 것이 유익할 것이고, 여기서 P는 케이블의 최대 용량이고 N은 터빈의 숫자이다. 다른 때에는, 예를 들어 만약 유틸리티 그리드에 부하가 가볍게 걸리고 그리드 운전자가 터빈 어레이로부터 탁월 유동(prevailing flow)에서 이용 가능한 전력보다 낮은 전력 기여를 요구한다면, 생산 전력을 감소시키는 것이 바람직하거나 필수적일 수 있다.

본 발명은 개별 터빈(16)의 최대 전력 한계를 나머지 터빈에서 탁월 유동 속도에 따라 조절하고 제어하는 수단을 더 포함하고, 전력은 어레이 내에서 나머지 터빈 시스템(10)에 의해 추출된다. 이를 위하여, 바람직한 실시예에서는, 제어 유닛(32)은 도 7에 도시된 것처럼 관리 제어기(54)와 통신하고 협력하고, 이는 터빈(16) 어레이 또는 그룹의 작동을 전체로서 최적화하도록 동작한다. 관리 제어기(54)는 터빈 어레이 또는 그룹 내에서 개별 터빈(16)의 출력 전력을 포함하는 성능 수준(performance levels)을 모니터 할 수 있고, 터빈(16)이 정격 전력보다 높게 산출하는 더 높은 유동에 종속되고 있는 터빈 시스템(10)의 제어 유닛(32)에 지시함으로써, 물의 유동이 평균보다 더 낮기 때문에 정격 전력을 생산하고 있지 않은 터빈(16)을 보상한다.

터빈 어레이에 의해 생산되는 전체 전력이 전체로서 그리드 운전자에 의해 부과되는 허용 한계(threshold limit)와 같은 한계를 초과하는 경우에는, 관리 제어기(54)는 어레이 내의 터빈 시스템(10)의 일부 또는 전부의 제어 유닛(32)에 직류 링크 전류의 고정 수치를 감소시킬 것을 지시함으로써 산출되는 전체 출력 전력을 제한하게 된다. 마찬가지로, 터빈 시스템(10) 어레이 내에서 다른 터빈(16)이 평균 물 유동보다 낮게 종속되어 정격 전력을 생산하고 있지 않지 않은 경우에는, 관리 제어기(54)는 어레이 내에서 선택된 터빈 시스템의 제어 유닛(32)에 직류 링크 전류의 고정 수치를 증가시킬 것을 지시하여 정격 전력 출력보다 높게 산출하고 그로 인해 어레이 내에서 나머지 터빈(16)에 의해 산출되는 더 낮은 전력 출력을 보상하게 된다.

후술하는 것처럼, 발전기(18)와 전력 변환 시스템(20) 사이에 역률 개선 소자(power factor correction components)를 설치함으로써, 물 유동의 제곱에 비례하여 더 높은 물 유동에서 터빈 시스템(10)에 의해 정격 전력보다 높게 추출될 수 있다.

위상 제어 정류기를 사용하는 전력 변환 시스템은 발전기가 1(unity)보다 훨씬 작은 역률(power factor)에서 작동하게 한다. 따라서, 발전기는 필수적인 것보다 큰 발전기 정격을 가지도록 요구됨에 따라, 자성 재료를 보다 많이 포함하게 되고, 이로 인해 비용이 증가하게 된다.

따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 발전기의 역률에 대한 전력 변환 시스템(20)의 영향을 보상하기 위하여, 도 8에 도시된 것처럼, 도 3의 터빈 시스템에서 발전기(18)의 출력과 전력 변환 시스템(20)의 제1 단계 컨버터의 입력 사이에 제1 역률 개선 소자(42)가 설치된다.

바람직한 실시예에서, 제1 역률 개선 소자(42)는 3개의 컴포넌트 세트(component set)(142, 242, 342)을 포함하고, 각각은 커패시터(146, 246, 346)와 직렬 연결되는 인덕터(144, 244, 344)를 포함하고, 개별 컴포넌트 세트(142, 322, 342)는 발전기(18)의 각각의 3상 출력에 병렬 연결된다. 커패시터(146, 246, 346)의 각각은 발전기 전류의 시간 조화 성분(time harmonic component)과 기본 성분(fundamental component)의 리액턴스를 나타내는 부분(reactive part)을 감소시킴으로써 발전기 손실은 감소된다. 3상 위상 제어 정류기가 정류할 때, 인덕터(144, 244, 344)의 각각은 상응하는 커패시터(146, 246, 346)를 통해 큰 전류가 흐르는 것을 방지한다.

손실을 최소화하고 해안으로 유용한 실제 전력(real power)을 전송하는 송전 시스템(22)의 용량을 최대화하기 위하여, 도 8에 도시된 것처럼, 제2 역률 개선 소자(48)가 도 3의 터빈 시스템에서 전력 변환 시스템(20)의 제2 단계 컨버터의 출력과 송전 시스템 사이에 설치된다.

바람직한 실시예에서, 제2 역률 개선 소자(48)는 3개의 컴포넌트 세트(148, 248, 348)을 포함하고, 각각은 커패시터(152, 252, 352)에 직렬 연결된 인덕터(150, 250, 350)를 포함하고, 개별 컴포넌트 세트(144, 244, 344)는 제2 단계 컨버터(28)의 각각의 3상 출력에 병렬 연결된다. 손실을 최소화하고 해안으로 유용한 실제 전력(real power)을 전송하는 송전 시스템(22)의 용량을 최대화하기 위하여 커패시터(152, 252, 352)의 각각은 송전 시스템(22)에 의해 운반되는 전류를 감소시킨다. 인덕터(150, 250, 350)는, 제2 단계 컨버터(28)의 사이리스터가 스위칭 될 때, 커패시터(152, 252, 352)로부터 생긴 큰 전류를 저지하기 위해 설치된다.

하지만, 도 9에 도시된 것처럼, 제2 역률 개선 소자(48)는 변압기(24)의 독립된 권선에 연결될 수도 있을 것이다. 이 경우에, 변압기의 누설 리액턴스(leakage reactance)는 제2 단계 컨버터의 정류 동안에 커패시터 내의 전류를 제한하기에 충분하고 직렬 인덕터는 불필요할 수 있다.

역률 개선 소자의 적용을 설명하기 위하여 도 3의 전력 변환 시스템(20)이 예시로서 채택되었지만, 발전기의 역률에 대한 전력 변환 시스템(20)의 효과를 보상하고 손실을 최소화하고 해안으로 유용한 실제 전력을 전송하는 송전 시스템(22)의 용량을 최대화하기 위하여 전술한 전력 변환 실시예의 어떤 것이라도 역률 개선 소자를 포함하도록 수정될 수 있을 것이다.

도 10은 한계 수치를 초과하는 물 유속에 대해서 파워 캡(power cap) 또는 생산 전력에 대한 제한을 가하는 본 발명의 제어 시스템에 연결된 터빈의 속도, 토크 및 전력을 포함하는 특성과 물 유속 사이의 관련성을 보여준다. 도시된 것처럼, 물 유속이 정격 물 유속 쪽으로 증가할수록, 터빈의 속도, 토크 및 전력은 증가하게 된다. 하지만, 물 유속이 정격 수치를 초과하면, 전력에는 한도가 정해지고, 토크는 평평하게 되었다가 물 유속이 계속 증가하면 감소하는 경향이 있다. 터빈의 속도는 증가되어 과도한 기계적 응력이 터빈에 놓이는 것을 방지한다. 제어 유닛은 전력 한계 시점에서 토크를 제한하는데 사용될 수 있다. 이는 기계장치에 대한 기계적 부하의 감소를 야기한다. 특히, 도 10은 도시된 특정 예시에 대해, 약 3.5와 4.2m/s 사이의 작은 유동 범위에 걸쳐 토크는 약 300kN·m의 최대 수치에 제한됨을 보여준다. 전력 변환 시스템이 도 6의 실시예와 같은 전압 제어 인버터 시스템인 경우에는, 이는 진동수 제어를 사용하여 전력을 제한함으로써 달성될 수 있다. 대안적으로, 전력 변환 시스템이 위상 제어 사이리스터 브리지와 같은 도 3의 실시예와 같은 전류 제어 인버터 시스템인 경우에는, 토크는 도 13과 관련하여 후술하는 것처럼 트리거 지연 각도(trigger delay angle)를 조절함으로써 제한될 수 있다.

도 11은 물 유속이 증가함에 따라 터빈 날개에서의 굽힘 모멘트(bending moment)와 터빈 축 방향 추력(turbine axial thrust)에 있어서의 변동을 나타낸다. 본 발명의 제어 시스템 덕분에 터빈의 날개 굽힘 모멘트와 날개 전체 추력에 대한 수치는 감소된 수치로 제어되는 것을 확인할 수 있다. 하지만, 터빈이 최대 출력 계수(CP)를 가지고 본 발명의 제어 시스템에 의해 제어되고 있지 않을 때에는, 터빈의 날개 굽힘 모멘트와 날개 전체 추력에 대한 수치는 물의 유속이 증가함에 따라 꾸준히 증가하는 것을 확인할 수 있다. 바람직하게는, 최대 토크 수치는 미리 결정된 수치이고 발전기 권선의 온도가 안전 수치(safe value)를 초과하지 않도록 선택된다. 더군다나, 토크와 스트레스는 관련되어 있기 때문에, 최대 토크 수치는 터빈(16) 내에서의 스트레스를 허용할 수 있는 수준으로 제한하도록 선택될 수도 있다. 도 11은 2개의 기계적인 임계 하중, 날개에서의 굽힘 모멘트와 터빈에서 전체 축 방향 추력 사이의 관련성을 보여준다. 유속이 높을 때 전력을 제한하는 것은 기계적 하중에서 상응하는 감소 및 그로 인한 스트레스에 있어서의 감소를 초래하는 것을 확인할 수 있다. 도 11은 전력이 고정 수치에 제한되는 경우에 부합하지만 전력을 추가 제한하여 상응하는 기계적 하중과 스트레스를 제한하는 것도 가능할 것이다.

도 12는 전술한 것처럼 물 유속에 따른 직류 전력의 변동률을 나타내고, 도 13은 제어 유닛(32)의 제어 하에서 제1 단계 컨버터(26)의 정류기와 제2 단계 컨버터(28)의 인버터의 사이리스터의 동작을 나타낸다. 도 13에 도시된 것처럼, 터빈에 있어서, 정격 물 유속(rated water flow speed)은 약 4.1m/s이고, 물 유속이 정격 물 유속(rated water flow speed)까지 증가하는 동안 그래프는 제2 단계 컨버터의 사이리스터의 점호 각도(firing angle)는 점차 증가하도록 활성화되는 것을 보여준다. 일단 물 유속이 정격 물 유속(rated water flow speed)을 초과하면, 제1 단계 컨버터의 사이리스터는 물 유속이 증가함에 따라 점차 증가하는 각도에서 점호(fire)되지만, 제2 단계 컨버터의 사이리스터는 일정한 점호 각도(firing angle)로 유지됨으로써 최대 직류 링크 전압이 제공되도록 한다.

본 발명은 여기에 기재된 실시예(들)에 한정되지 않고 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 변경 또는 수정될 수 있다.

10: 터빈 시스템
12, 14: 전력 케이블
16: 터빈
18: 발전기
20, 120, 220: 전력 변환 시스템
22: 송전 시스템
24: 변압기
26: 제1 단계 컨버터
28: 제2 단계 컨버터
30: 인덕터
32, 32’: 제어 유닛
34: 직류 링크
39: 디바이스
40: 플레인 다이오드 정류기
41: 커패시터
42: 제1 역률 개선 소자
48: 제2 역률 개선 소자
54: 관리 제어기
136, 236, 336: 유도성 부하
138, 238, 338: 고체 상태 스위치
142, 242, 342, 148, 248, 348: 컴포넌트 세트
144, 244, 344, 150, 250, 350: 인덕터
146, 246, 346, 152, 252, 352: 커패시터

Claims

터빈(16)에 연결된 발전기(18)에 의해 공급되고 상기 터빈의 회전 속도의 함수로 나타나는 진동수와 전압을 가지는 교류 전력을, 수신소로 교류 전력을 전송하는 송전 시스템(22)의 진동수와 전압을 가지는 교류 전력으로 변환하는 변환 시스템(20); 및
상기 터빈(16)을 통과하는 물 유속에 따라, 상기 발전기에 의해 공급되는 교류 전압을 조절하여 상기 터빈의 회전을 제어하도록 상기 변환 시스템(20)과 함께 작동 가능한 제어 유닛(32)을 포함하고,
상기 변환 시스템은
제1 단계 컨버터(26)와 제2 단계 컨버터(28)를 포함하고, 상기 제1 및 제2 단계 컨버터 사이에는 직류 링크(34)가 설치되고, 상기 제1 단계 컨버터는 상기 발전기(18)에 의해 공급되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하고, 상기 제2 단계 컨버터는 직류 전력을 상기 수신소에 전송하기 위한 교류 전력으로 변환하며;
상기 제2 단계 컨버터는 전류형 인버터(current-source inverter) 타입으로 이루어지는 수력 터빈(16)의 동작을 제어하기 위한 제어 시스템.
제1항에 있어서,
상기 직류 링크(34)는 직류 전류를 감지하기 위한 적어도 하나의 센서를 포함하고 감지된 직류 전류와 관련된 신호를 상기 제어 유닛(32)에 제공하는 제어 시스템.
제2항에 있어서,
상기 직류 링크는 직류 전압을 감지하기 위한 적어도 하나의 센서를 포함하고 감지된 직류 전압과 관련된 신호를 상기 제어 유닛에 제공하는 제어 시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 단계 컨버터(26)는 정류기를 포함하는 제어 시스템.
제4항에 있어서,
상기 정류기는 3상 위상 제어 정류기(three-phase, phase-controlled rectifier)이고, 상기 제어 유닛(32)은 상기 위상 제어 정류기의 사이리스터 트리거 신호(thyristor trigger signal)의 지연 각도(delay angle)를 조절하는 제어 시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 단계 컨버터(26)는 다이오드 브리지(diode bridge)와 직렬 연결된 사이리스터 교류 제어기(thyristor AC controller)를 포함하는 제어 시스템.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 단계 컨버터(28)는 위상 제어, 전류형, 선 전류 인버터(phase-controlled, current-source, line-commutated inverter)인 제어 시스템.
제7항에 있어서,
정격 수치(rated value)보다 작은 물 유속에 대응하여, 상기 제어 유닛은 상기 제2 단계 컨버터의 사이리스터의 점호 각도(firing angle)를 조절하여 직류 링크 전압을 상기 직류 링크에 최적의 직류 전력 수치(optimum DC power value)를 제공하기 위한 수치로 설정하는 제어 시스템.
제7항 또는 제8항에 있어서,
한계 수치(threshold value)보다 작은 물 유속에 대응하여, 상기 제어 유닛은 상기 제1 단계 컨버터가 제어되지 않은 정류기(uncontrolled rectifier)로 행동하도록 설정하고, 직류 링크 전류를 결정하고, 상기 터빈의 물 유속과 관련된 최적의 직류 전력 수치(optimum DC power value)를 결정하고, 상기 제2 단계 컨버터의 동작을 조절하여 직류 링크 전압을 결정된 직류 링크 전류에 대한 최적의 직류 전력 수치(optimum DC power value)를 제공하는 수치로 설정하는 제어 시스템.
제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
정격 수치(rated value)를 초과하는 물 유속에 대응하여, 상기 제어 유닛(32)은 상기 제2 단계 컨버터(28)의 사이리스터의 점호 각도(firing angle)를 조절하여 직류 링크 전압을 한계 직류 전압 수치(threshold DC voltage value)로 설정하고, 상기 제1 단계 컨버터의 사이리스터의 점호 각도(firing angle)를 조절하여 직류 링크 전류를 직류 전력을 최적의 직류 전력 수치(optimum DC power value)로 제한하기 위한 고정 수치(fixed value)로 설정하는 제어 시스템.
제6항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
한계 수치(threshold value)를 초과하는 물 유속에 대응하여, 상기 제어 유닛(32)은 상기 제2 단계 컨버터(28)를 조절하여 직류 링크 전압을 한계 직류 전압 수치(threshold DC voltage value)로 설정하고, 상기 터빈의 물 유속과 관련된 최적의 직류 전력 수치(optimum DC power value)를 결정하고, 상기 제1 단계 컨버터를 조절하여 직류 전력을 최적의 직류 전력 수치(optimum DC power value)로 제한하는 고정 수치(fixed value)로 직류 링크 전류를 설정하는 제어 시스템.
제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
한계 수치(threshold value)는 정상 운전 유속(normal operating flow speed) 또는 정격 속도(rated speed)인 제어 시스템.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어 시스템은 관리 제어기(54)와 협력하여 터빈(16)에 대한 한계 수치(threshold value)를 결정하는 제어 시스템.
제12항에 있어서,
상기 한계 수치(threshold value)는 터빈 시스템의 하나의 어레이(array) 내의 복수의 터빈(16)의 성능 수준, 터빈의 어레이를 가로지르는 물 유동의 패턴 및 그리드 운전자 선호도 중 어느 것에 기초하는 제어 시스템.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 발전기(18)의 출력과 상기 변환 시스템(20)의 입력 사이에 설치되어, 상기 발전기의 역률(power factor)에 대한 상기 변환 시스템(20)의 영향을 보상하는 제1 역률 개선 소자(42)를 더 포함하는 제어 시스템.
제15항에 있어서,
상기 제1 역률 개선 소자(42)는 3개의 컴포넌트 세트(142, 242, 342)를 포함하고, 개별 컴포넌트 세트는 커패시터(146, 246, 346)와 직렬 연결된 인덕터(144, 244, 344)를 포함하고 상기 발전기(18)의 개별 3상 출력에 병렬 설치되는 제어 시스템.
제15항 또는 제16항에 있어서,
상기 변환 시스템(20)의 출력과 송전 시스템(22) 사이에 설치되어 상기 송전 시스템이 비교적 높은 역률(power factor)로 동작하도록 보장하는 제2 역률 개선 소자(48)를 더 포함하는 제어 시스템.
제17항에 있어서,
상기 제2 역률 개선 소자(48)는 3개의 컴포넌트 세트(148, 248, 348)를 포함하고, 개별 컴포넌트 세트는 적어도 하나의 커패시터(152, 252, 352) 및 선택적으로 상기 커패시터와 직렬 연결된 인덕터(150, 250, 350)를 포함하고 상기 변환 시스템의 개별 3상 출력에 병렬 설치되는 제어 시스템.
제18항에 있어서,
상기 커패시터는 변압기(22)의 고 전압 단자 및 변압기(22)의 저 전압 단자의 하나에 연결되는 제어 시스템.
제18항에 있어서,
상기 제2 역률 개선 소자(48)는 변압기(24)의 독립된 권선에 연결되어 상기 권선의 누설 리액턴스(leakage reactance)는 상기 커패시터가 상기 변환 시스템(20)의 동작을 중단시키는 것을 저지하는 제어 시스템.
제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 발전기에 의해 공급되는 교류 전력은 상기 터빈의 회전 속도에 비례하는 진동수와 전압을 가지는 제어 시스템.