KR20140105481A - 전력 변환기 및 그 제어 방법 - Google Patents

전력 변환기 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

전력 전달 시스템은 제 1 단부 및 제 2 단부를 가진 적어도 하나의 도체와 도체의 제 1 단부에 결합된 페이저 측정 유닛(PMU)을 포함한다. PMU는 제 1 단부에서 페이저 데이터를 획득하고, 페이저 데이터를 포함하는 페이저 신호를 생성하도록 구성된다. 전력 전달 시스템은 또한 도체의 제 2 단부에 결합되고, 전력을 도체에 제공하도록 구성되는 발전 시스템을 포함한다. 발전 시스템은 전원, 전력 변환기 및 제어기를 포함한다. 제어기는 PMU에 통신 가능하게 결합되고, 페이저 신호를 수신하여 적어도 부분적으로 페이저 데이터에 기초하여 전력 변환기를 제어하도록 구성된다.

Description

전력 변환기 및 그 제어 방법{A POWER CONVERTER AND METHODS OF CONTROLLING THE SAME}
본 명세서에서 설명되는 실시예는 일반적으로 발전 시스템의 동작에 관한 것으로서, 특히 발전 시스템을 제어하기 위해 페이저 측정 유닛(PMU)으로부터 획득된 데이터를 이용하는 것에 관한 것이다.
태양과 풍력은 점점 더 매력적인 대안적 에너지원이 되는 재생 에너지원의 예이다. 햇빛 형태의 태양 에너지는 태양 전지에 의해 전기 에너지로 변환될 수 있다. 빛을 직접 전기 에너지로 변환하는 장치에 대한 더욱 일반적인 용어는 "광전지(photovoltaic cell)"이다. 태양 팜(solar farm)은 원하는 전력 레벨을 제공하기 위해 함께 결합된 복수의 태양 전지를 포함한다. 풍력 에너지는 풍력 터빈 발전기를 이용하여 전기 에너지로 변환될 수 있다. 풍력 터빈 발전기는 통상적으로 전기 발전기를 구동하는데 이용되는 구동 샤프트의 회전 운동으로 풍력 에너지를 변환하는 다수의 블레이드를 가진 회전자를 포함한다. 풍력 팜(wind farm)은 원하는 전력 레벨을 제공하기 위해 함께 결합된 복수의 풍력 터빈 발전기를 포함한다.
재생 에너지원 또는 화석 연료 기반의 에너지원을 이용하여 전력 회사에 의해 생성된 전력은 통상적으로 전기 그리드를 통해 고객에게 전달된다. 생성된 전력은 전기 그리드에 대한 적용에 앞서 전력의 조절을 위한 전력 전자 장치, 예를 들어 전력 변환기에 제공될 수 있다. 전기 그리드에 적용되는 전기는 그리드 연결 기대(grid connectivity expectation)를 충족시키는 것이 요구된다. 이러한 요구 사항은 전력 품질 우려뿐만 아니라 안전 문제를 다룬다. 예를 들면, 그리드 연결 기대는 과도 그리드 이벤트(transient grid event), 예를 들어 전기 그리드 상의 단락 고장 중에 발전 시스템을 동작시키는 것을 포함한다. 이러한 기능은 LVRT(low voltage ride through) 또는 ZVRT(zero voltage ride through)로 지칭될 수 있다. LVRT/ZVRT 이벤트는 교류 전류(AC) 유틸리티 전압이 전기 그리드의 단상 또는 전기 그리드의 다상에서 낮은 상태이다. LVRT/ZVRT 이벤트 중, 발전 시스템으로부터 전력을 받기 위한 전기 그리드의 용량은 낮다. 다른 그리드 연결 기대는 발전 시스템의 출력이 전기 그리드를 통해 흐르는 전기의 전압 및 주파수와 일치한다는 것이다.
통상의 재생 에너지 팜의 원격 위치 및 고전력 정격(high power rating)은 통상적으로 예를 들어 큰 전송선 및/또는 회로 보상 장치를 포함하여 연결을 향상시키기 위해 고가의 투자가 적용되지 하지 않는 한 그리드 연결을 약하게 한다. 낮은 단락비(SCR)는 그리드가 약하다는 표시이다. 예를 들면, SCR이 1.5 미만일 때, 발전기의 통상의 전류 제어 타입은 안정적으로 동작하지 않을 수 있고, 발전기의 전압 제어 타입은 안정적으로 동작하기 위해 비교적 느리게 동조되어야 한다. 느린 제어로 발전기를 동작시키기 위해, 추가적인 하드웨어 투자는 충분한 동작 마진을 보장하는 데에 필요하다(예를 들어, 전력 변환기 내에 포함된 DC 링크 커패시터의 크기는 증가할 필요가 있을 수 있다).
더욱이, 통상적으로, 고전력 정격을 가진 전기 발전기가 재생 에너지 팜 내에 포함되어, 팜이 고장 이벤트를 라이드 스루(ride through)하고 후고장(post-fault) 부하 차단 또는 정전을 방지하도록 한다. 그러나, 저전압 및 특히 영전압 고장 이벤트 중에, 전기 발전기와 그리드 사이에 동기를 유지하는 데 통상적으로 이용되는 측정된 그리드 기준 전압이 낮기 때문에 그리드 전압과 동기를 유지하는 것은 곤란하다. 고장 이벤트가 심한 경우, 제어기가 기준으로서 사용하기에 충분한 잔류 그리드 전압이 없을 수 있다. 이러한 상황에서, 발전기 제어기는 전력을 출력하는 주파수를 독립적으로 결정할 수 있으며, 이는 그리드와의 동기 탈조(out of step)가 될 수 있다. 고장 이벤트로부터의 복구 동안 발전기가 그리드와 동기 탈조하는 경우에, 유해하게 큰 과도 전류가 발전기와 그리드 사이의 위상 각 차이로 인해 발생할 수 있다.
하나의 양태에서, 전력 전달 시스템이 제공된다. 전력 전달 시스템은 제 1 단부 및 제 2 단부를 가진 적어도 하나의 도체와 도체의 제 1 단부에 결합된 페이저 측정 유닛(PMU)을 포함한다. PMU는 제 1 단부에서 페이저 데이터를 획득하고, 페이저 데이터를 포함하는 페이저 신호를 생성하도록 구성된다. 전력 전달 시스템은 또한 도체의 제 2 단부에 결합되고, 전력을 도체에 제공하도록 구성되는 발전 시스템을 포함한다. 발전 시스템은 전원, 전력 변환기 및 제어기를 포함한다. 제어기는 PMU에 통신 가능하게 결합되고, 페이저 신호를 수신하여 적어도 부분적으로 페이저 데이터에 기초하여 전력 변환기를 제어하도록 구성된다.
다른 양태에서, 전송 라인을 통해 전력을 전기 그리드에 제공하도록 구성된 적어도 하나의 전력 변환기를 제어하기 위한 방법이 제공된다. 방법은 전력 변환기의 전압 출력을 모니터링하는 단계와, 전압 출력과 관련된 전압 출력 데이터를 기록하는 단계를 포함한다. 방법은 또한 시간 기준 신호를 수신하고 타임 스탬프를 전압 출력 데이터에 할당하는 단계를 포함한다. 방법은 또한 전력 변환기로부터의 전송 라인의 대향 단부에 위치되는 제 1 위치에서의 전압 페이저를 측정하는 단계를 포함한다. 방법은 또한 시간 기준 신호를 수신하는 단계와, 페이저 데이터를 생성하기 위해 전압 페이저와 시간 기준 신호를 관련시키는 단계를 포함한다. 방법은 또한 페이저 데이터를 전력 변환기 제어기로 전송하는 단계와, 전력 변환기 제어기를 이용하여, 적어도 부분적으로 페이저 데이터 및 전압 출력 데이터에 기초하여 전력 변환기를 제어하는 단계를 포함한다.
또 다른 양태에서, 전송 라인에 결합된 전력 변환기를 제어하도록 구성된 제어기가 제공된다. 전력 변환기 제어기는 시간 기준 신호를 수신하도록 구성된 GPS(global positioning system) 수신기와, 전력 변환기의 전압 출력과 관련된 전압 출력 데이터를 저장하도록 구성된 메모리 장치를 포함한다. 전력 변환기 제어기는 또한 메모리 장치에 저장된 전압 출력 데이터에 시간 기준을 할당하도록 구성된 처리 장치를 포함한다. 처리 장치는 또한 전력 변환기로부터의 전송 라인의 대향 단부에 위치된 페이저 측정 유닛(PMU)으로부터 페이저 데이터를 수신하도록 구성된다. 페이저 데이터는 페이저 데이터를 측정의 대응 시간에 결부시키는(tying) 시간 기준 스탬프를 포함한다. 처리 장치는 또한 페이저 데이터와 동일한 타임 스탬프를 갖는 전압 출력 데이터를 비교하고, 적어도 부분적으로 페이저 데이터 및 전압 출력 데이터에 기초하여 전력 변환기의 동작을 제어하도록 구성된다.
도 1은 전기 그리드에 결합된 발전 시스템을 포함하는 예시적인 전력 전달 시스템의 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 발전 시스템을 제어하기 위한 예시적인 방법의 흐름도이다.
본 명세서에 설명된 방법, 시스템 및 컴퓨터 판독 가능한 매체는 재생 에너지 기반의 발전 시스템을 제어하기 위해 페이저 측정 유닛(PMU)으로부터 수집된 데이터를 이용하는 것을 용이하게 한다. 특히, 원격 PMU로부터 수신된 페이저 데이터는 발전 시스템과 전기 그리드 사이의 동기를 유지하기 위해 발전 시스템 제어기에 의해 사용된다. 발전 시스템이 고장 이벤트를 라이드 스루하거나, 전력을 장기간 그리드 전압 강하를 갖는 전기 그리드에 제공할 때 동기가 유지된다. 더욱이, 발전 시스템의 동작은 원격 PMU로부터 현재 시스템 정보에 기초한다. 예를 들면, 변환기의 동작 파라미터는 현재 시스템 정보에 기초하여 동조될 수 있다. 본 명세서에 설명된 방법, 시스템 및 컴퓨터 판독 가능한 매체는 또한 전기 그리드의 실제 임피던스를 결정하고, 실제 그리드 전압에 기초하여 발전 시스템의 출력 전력을 제어하는 것을 용이하게 한다.
본 명세서에 설명된 방법 및 시스템의 기술적 효과는 (a) 적어도 하나의 전력 변환기의 전압 출력을 모니터링하고, (b) 전력 변환기의 전압 출력과 관련된 전압 출력 데이터를 기록하고, (c) 시간 기준 신호를 수신하고, 타임 스탬프를 전압 출력 데이터에 할당하고, (d) 전력 변환기로부터의 전송 라인의 대향 단부에 위치된 제 1 위치에서의 전압 페이저를 측정하고, (e) 시간 기준 신호를 수신하고, 페이저 데이터를 생성하기 위해 시간 기준 신호를 전압 페이저와 관련시키고, (f) 페이저 데이터를 전력 변환기 제어기로 전송하며, (g) 전력 변환기 제어기를 이용하여 적어도 부분적으로 페이저 데이터 및 전압 출력 데이터에 기초하여 전력 변환 장치를 제어하는 것 중 적어도 하나를 포함한다.
도 1은 적어도 하나의 도체(16)에 의해 전기 그리드(14)에 결합된 적어도 하나의 재생 에너지 기반의 발전 시스템을 포함하는 예시적인 전력 전달 시스템(10)의 블록도이다. 예시적인 실시예에서, 적어도 하나의 도체(16)는 전기 그리드(14)로부터 상당한 거리에 위치된 발전 시스템을 전기적으로 결합할 수 있는 적어도 하나의 전송 라인을 포함한다. 고전력 레벨을 생성하는 풍력 팜 및 태양 팜은 통상적으로 상당량의 개방 공간을 필요로 한다. 이용 가능한 공간, 및 높은 레벨의 풍력/태양 노출을 갖는 위치는 전기 그리드(14)에 결합된 로드 센터로부터 수백 마일 떨어져 있을 수 있다. 전송 라인으로 설명되었지만, 적어도 하나의 도체(16)는 발전 시스템을 전기 그리드(14)에 전기적으로 결합할 수 있는 적어도 하나의 배전선 또는 어떤 다른 도체 또는 도체의 그룹을 포함할 수 있다. 더욱이, 발전 시스템(10)은 전송 시스템, 분배 시스템, 및/또는 전력을 전기 그리드에 전달하는 것을 용이하게 하는 어떤 다른 적절한 타입의 시스템을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 전송 라인(16)의 소스 측(18)은 제 1 발전 시스템(20) 및 제 2 발전 시스템(22)을 포함한다. 2개의 발전 시스템을 포함하는 것으로 설명되었지만, 전송 라인(16)의 소스 측(18)은 발전 시스템(10)이 본 명세서에 설명된 바와 같은 기능을 하도록 하는 다수의 발전 시스템을 포함할 수 있다. 더욱이, 제 1 및 제 2 발전 시스템(20 및 22)이 풍력 에너지 기반의 발전 시스템일 때, 소스 측(18)은 풍력 팜으로 지칭될 수 있다. 더욱이, 제 1 및 제 2 발전 시스템(20 및 22)이 태양 에너지 기반의 발전 시스템일 때, 소스 측(18)은 태양 팜으로 지칭될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 제 1 발전 시스템(20)은 전원(26) 및 전력 변환기(28)를 포함한다. 제 2 발전 시스템(22)은 전원(30) 및 전력 변환기(32)를 포함한다. 예를 들면, 소스 측(18)이 풍력 팜일 때, 전원(26)은 풍력 터빈을 포함할 수 있다. 전력 변환기(28)는 풍력 터빈의 가변 주파수 출력을 고정 주파수 출력으로 변환하기 위해 교류(AC) 대 직류(DC) 변환기 및 DC 대 AC 변환기를 포함할 수 있다. 다른 예에서, 소스 측(18)이 태양 팜일 때, 전원(26)은 광전지(PV) 어레이를 포함할 수 있고, 전력 변환기(28)는 태양 변환기를 포함할 수 있다. PV 어레이는 통상적으로 DC 전압을 출력한다. 태양 변환기는 DC 전압을 수신하여 3상 AC 출력으로 변환하는 인버터를 포함할 수 있으며, 3상 AC 출력은 부하, 예를 들어 전기 그리드(14)에 인가된다. 태양 팜 또는 풍력 팜으로 설명되었지만, 전원(26)은 어떤 타입의 변환기에 연결된 전원일 수 있다.
본 명세서에 언급된 바와 같이, 전기 그리드(14)는 분배 및/또는 전기 전송을 위해 구성된 도체 및 장치의 네트워크이다. 예시적인 실시예에서, 소스 측(18)은 또한 중앙 시스템 제어기(36)를 포함한다. 시스템 제어기(36)는 제 1 발전 및 변환 시스템(20) 및 제 2 발전 및 변환 시스템(22)에 통신 가능하게 결합된다. 예시적인 실시예에서, 중앙 시스템 제어기(36)는 시스템(20 및 22)의 전력 출력을 제각기 제어하는 전력 변환기(28 및 32)에 제어 신호를 제공한다. 시스템 제어기(36)는 원하는 전력을 전송 라인(16)으로 출력하기 위해 시스템(20 및 22)의 동작을 조정하는 중앙 집중 제어기이다. 예를 들면, 시스템 제어기(36)는 풍력 팜 관리 시스템 내에 포함되고, 풍력 팜 내에 포함된 풍력 터빈 및 전력 변환기의 동작을 조정하기 위해 구성될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 시스템(20)은 변환기 제어기(40)를 포함할 수 있고, 시스템(22)은 변환기 제어기(42)를 포함할 수 있다. 변환기 제어기(40)는 전력 변환기(28) 및/또는 전원(26)의 동작을 자율적으로 제어하거나 중앙 시스템 제어기(36)로부터 수신된 제어 신호에 기초하여 제어한다. 변환기 제어기(42)는 전력 변환기(32) 및/또는 전원(30)의 동작을 자율적으로 제어하거나 중앙 시스템 제어기(36)로부터 수신된 제어 신호에 기초하여 제어한다.
예시적인 실시예에서, 제어기(36, 40 및 42)의 각각은 프로세서, 예를 들어 제각기 프로세서(44, 46 및 48)를 포함한다. 본 명세서에 이용된 바와 같이 용어 프로세서는 중앙 처리 유닛, 마이크로 프로세서, 마이크로 제어기, RISC(reduced instruction set circuit), 주문형 반도체(ASIC), 논리 회로, 및 본 명세서에 설명된 기능을 실행할 수 있는 어떤 다른 회로 또는 프로세서를 나타낸다.
예시적인 실시예에서, 발전 시스템(10)은 또한 페이저 측정 유닛(PMU)(50)을 포함한다. 예시적인 실시예에서, PMU(50)는 소스 측(18)으로부터 멀리 떨어진 전송 라인(16)의 그리드 측(52) 상에 위치된다. PMU(50)는 그리드 측(52)에서 전압 및 전류를 측정하고, 측정된 그리드 전압 및 전류의 페이저를 출력한다. 예시적인 실시예에서, PMU(50)는 시스템 제어기(36)에 통신 가능하게 결합된다. 대안적인 실시예에서, PMU(50)는 변환기 제어기(40 및 42)에 통신 가능하게 결합된다. PMU(50)는 시스템(10)이 본 명세서에 설명된 바와 같은 기능을 하도록 하는 제어기(36, 40 및 42)의 어떤 조합에 결합될 수 있다.
예를 들면, PMU(50)는 광섬유 케이블, 및/또는 시스템(10)이 본 명세서에 설명된 바와 같은 기능을 하도록 하는 어떤 다른 타입의 유선 연결을 통해 시스템 제어기(36)에 통신 가능하게 결합될 수 있다. 대안적인 실시예에서, PMU(50)는 무선 연결을 통해 시스템 제어기(36)에 통신 가능하게 결합될 수 있다. 무선 통신은 셀룰러 통신, 위성 통신, 무선 주파수(RF) 통신, Institute of Electrical and Electronics Engineers(IEEE) 802.11 표준(예를 들어, 802.11(g) or 802.1 l(n))을 이용하는 통신, Worldwide Interoperability for Microwave Access(WIMAX) 표준을 이용하는 통신, 및/또는 PMU(50)가 본 명세서에 설명된 바와 같은 기능을 하도록 하는 어떤 무선 통신을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
예시적인 실시예에서, PMU(50)는 예를 들어 위성(62)으로부터 시간적 정보를 수신하도록 구성된 제 1 글로벌 위치 결정 시스템(GPS) 수신기(60)를 포함하거나 이러한 수신기(60)에 결합된다. 예를 들면, GPS 수신기(60)는 UTC(Coordinated Universal Time)에 대응하는 시간을 수신할 수 있다. 시간적 정보는 또한 본 명세서에서 "타임 스탬프"로서 지칭될 수 있다. 제 1 GPS 수신기(60)는 PMU(50)에 결합되거나 이 내부에 포함된다. 타임 스탬프는 수집되고, 저장되며/되거나, 대응하는 정보의 부분으로 전송된다. 예를 들면, 타임 스탬프는 페이저 정보가 수집된 시간을 기록하기 위해 페이저 정보로 저장될 수 있다. 타임 스탬프는 또한 대응하는 페이저 정보로 시스템 제어기(36)에 의해 사용하기 위한 시스템 제어기(36)에 전송될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 시스템 제어기(36)는 타임 스탬프된 전압 페이저 값을 수신한다. GPS 신호로부터 시간적 정보를 결정하는 것은 분배 위치에서 조정된 타임 스탬프를 획득하는 것을 용이하게 한다.
예시적인 실시예에서, 시스템 제어기(36)는 제 2 GPS 수신기(64)를 포함하거나 이에 결합된다. 제 2 GPS 수신기(64)는 예를 들어 위성(62)으로부터 위치 및 시간적 정보를 포함하는 GPS 신호(66)를 수신하도록 구성된다. 대안적인 실시예에서, 변환기 제어기(40 및 42)는 또한 GPS 수신기를 포함한다.
예시적인 실시예에서, 시스템 제어기(36)에서 원격 PMU(50)로부터 수신된 페이저 데이터는 시스템(20 및 22)이 저전압 고장 이벤트 및/또는 영전압 고장 이벤트 하에서도 그리드(14)와의 동기를 유지하도록 한다. 그리드(14)와의 동기를 유지하는 것은 그리드 고장 이벤트 동안 적어도 어떤 시간량에 대해 시스템(20 및 22) 온라인(즉, 라이드 스루)을 유지하는 것을 용이하게 한다. 그리드 고장 이벤트를 라이드 스루할 능력은 그리드(14)의 오퍼레이터에 의해 규정된 그리드 통합 요건 내에 포함될 수 있다. 시스템 제어기(36)가 기준 잔류 그리드 전압을 획득할 수 없을 만큼 그리드 이벤트가 심각할 때에도 제어기(36)는 PMU(50)로부터의 페이저 데이터를 이용하여 그리드(14)와 동기될 수 있다. 고장이 소거되고, 시스템(20 및 22)과 그리드(14) 사이의 연결이 다시 설정되면, 시스템(20 및 22)의 출력은 그리드(14)와 동기되며, 이는 두 그리드측 사이의 큼 위상각 차이로 인해 유해하게 큰 전류가 생성되지 못하게 한다.
더욱이, 예시적인 실시예에서, 원격 PMU(50)로부터 데이터를 수신하는 것은 제어기(36)가 급격한 위상 점프에 의해 생성된 역학 관계를 완화하도록 한다. 예를 들면, 그리드(14)에 결합되는 큰 커패시터 뱅크(bank)가 스위치 온되거나 스위치 오프되는 경우, 또는 부하가 그리드(14)로부터 연결되거나 분리되는 경우, 그리드측(52)에서의 전압 위상 각은 점프하여, 시스템(20 및 22)의 출력과 그리드(14) 사이에 큰 동력(예를 들어, 큰 파워 스윙(power swing))을 가져올 수 있다. PMU(50)로부터 수신된 페이저 데이터는 피드포워드 입력 신호로서 시스템 제어기(36)에 제공되고, 시스템 제어기(36)는 효과를 상쇄하고 평활한 전력 출력을 렌더링하기 위해 시스템(20) 및/또는 시스템(22)에 의해 출력된 전압의 위상 각을 조정한다.
예시적인 실시예에서, 시스템(10)은 시스템 제어기(36)에 결합되거나 그 내에 포함되고 시스템(20 및 22)의 출력(72)으로부터 전압 및/또는 전류 측정을 제공하도록 구성되는 적어도 하나의 측정 장치(70)를 포함한다. 측정 장치(70)는 시스템(20 및 22)의 전력 출력이 결정될 수 있는 시스템 제어기(36)에 측정치를 제공할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 시스템 제어기(36)는 원격 PMU(50)(예를 들어, 페이저 데이터)로부터 데이터 및 측정 장치(70)로부터의 로컬 측정치를 조합하여 전송 라인(16)의 라인 임피던스를 결정한다. 특히, 시스템 제어기(36)는 소스 측(18)의 전력 출력에 기초한 라인 임피던스, 소스 측(18)에 의한 출력된 전압의 크기 및 위상 각, 및 그리드 측(52)에서의 전압의 크기 및 위상 각을 결정한다. 더욱이, 시스템 제어기(36)는 전송 라인(16)의 열적 한계가 라인 임피던스를 전송 라인(16)의 온드에 비교함으로써 접근되는지를 판단할 수 있다(즉, 라인 임피던스는 온도에 비례하여 상승한다). 더욱이, 시스템 제어기(36)는 라인 임피던스의 급격한 변화로서 시스템 제어기(36)에 의해 관측되는 전송 라인(16) 상에서 높은 임피던스 고장을 식별할 수 있다.
시스템 제어기(36)는 다음 식에 기초하여 라인 임피던스를 결정할 수 있다:
Figure pct00001
전송 라인(16)에 제공된 전력은 P로서 식 1에 표현된다. 상술한 바와 같이, 제어기(36)는 측정 장치(70)로부터 수신된 측정에 기초하여 P를 결정한다. 더욱이, 전송 라인(16)에 제공되는 전압의 크기는 v1로서 식 1에 표현되고, 전송 라인(16)에 제공되는 전압의 위상 각은
Figure pct00002
로 표현된다. 예시적인 실시예에서, v1 및
Figure pct00003
은 측정 장치(70)에 의해 제어기(36)에 제공된다. 전송 라인(16)의 그리드측(52)에서의 전압의 크기는 v2로서 식 1에 표현되고, 전송 라인(16)의 그리드측(52)에서의 전압의 위상 각은
Figure pct00004
로 표현된다. v2 및
Figure pct00005
는 PMU(50)에 의해 제어기(36)에 제공된다. 나머지 변수 x는 전송 라인(16)의 라인 임피던스이다.
더욱이, 라인 임피던스가 알려지면, 제어기(36)는 그리드(14)가 수용할 수 있는 전력의 최대 레벨을 결정할 수 있다. 풍력 팜의 경우(즉, 전원(26)이 풍력 터빈인 경우), 그리드 연결의 발전 능력이 (고장 유도된 저전압 이벤트로 인해) 이용 가능한 풍력 전력 미만으로 감소되는 경우, 변환기(28)는 그리드에 선행하는 전압 위상을 연속적으로 증가시킴으로써 풍력 전력과 일치시키기 위해 전력 출력을 증가시키려고 시도할 것이다. 전압 위상을 증가시키는 것은 궁극적으로 예를 들어 통상의 동기 발전기의 "동기 탈조 동작(out-of-step operation)"과 유사하게 불안정성을 생성시킬 수 있다. 원격 PMU(50)로부터 페이저 데이터를 수신하는 것은 시스템 각도의 안정성을 보장하는 데 도움을 줄 수 있다. 어떤 시스템 이벤트 하에, 그리드 전압이 새그(sag)를 연장할 때, 팜 발전기는 그리드측(52)이 수용할 수 있는 것보다 전송 라인을 통해 더 많은 전력을 푸시하려고 하기 때문에 각도 안정성 문제에 직면할 수 있다. 실제 그리드 전압을 알면은 팜 제어기가 이의 출력 전력 레벨을 적응 가능하게 제한하여, 이러한 각도 안정성 문제를 방지하도록 한다.
도 2는 적어도 하나의 전력 변환기, 예를 들어 (도 1에 도시된) 전력 변환기(28 및/또는 32)를 제어하기 위한 예시적인 방법(110)의 흐름도(100)이다. 특히, 흐름도(100)는 PMU, 예를 들어 (도 1에 도시된) PMU(50)로부터 수신된 페이저 데이터에 적어도 부분적으로 기초하여 발전 시스템(20 및/또는 22)의 전력 출력을 제어하기 위한 예시적인 방법(110)을 도시한다. 예시적인 실시예에서, 방법(110)은 컴퓨터 구현 방법, 예를 들어 (도 1에 도시된) 제어기(36)에 의해 실행되는 컴퓨터 구현 방법이다. 다른 예시적인 실시예에서, 컴퓨터 판독 가능한 매체 상에서 구현된 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터, 예를 들어 시스템 제어기(36)에 의해 실행될 때 방법(110)을 수행하는 적어도 하나의 코드 세그먼트를 포함한다.
상술한 바와 같이, 전력 변환기(28 및 32)는 전송 라인, 예를 들어 (도 1에 도시된) 전송 라인(16)을 통해 전력을 전기 그리드, 예를 들어 (도 1에 도시된) 전기 그리드(14)에 제공한다. 더욱이, 전송 그리드(16)는 예를 들어 (도 1에 도시된) 소스 측(18)에서의 제 1 단부, 및 예를 들어 (도 1에 도시된) 그리드 측(52)에서의 제 2 단부를 포함한다.
예시적인 실시예에서, 방법(110)은 적어도 하나의 전력 변환기, 예를 들어 전력 변환기(28) 및/또는 전력 변환기(32)의 전압 출력을 모니터링하는 단계(120)를 포함한다. 예를 들면, 측정 장치, 예를 들어 (도 1에 도시된) 측정 장치(70)는 전력 변환기(28) 및/또는 전력 변환기(32)의 전압 출력을 모니터링할 수 있다(120).
예시적인 실시예에서, 방법(110)은 또한 전력 변환기(28) 및/또는 전력 변환기(32)의 전압 출력과 관련된 전압 출력 데이터를 기록하는 단계(122)를 포함할 수 있다. 방법(110)은 또한 글로벌 시간 기준 신호를 수신하고, 타입 스탬프를 전압 출력 데이터에 할당하는 단계(124)를 포함할 수 있다. (도 1에 도시된) 시스템 제어기(36)는 시간 기준 데이터를 포함하는 GPS 신호를 수신하도록(124) 구성되는 GPS 수신기, 예를 들어 (도 1에 도시된) GPS 수신기(64)를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 방법 (110)는 또한 제 1 위치, 예를 들어 전송 라인(16)의 그리드 측(52)에서의 전압 페이저를 측정하는 단계(126)를 포함한다. PMU, 예를 들어 (도 1에 도시된) PMU(50)는 전송 라인(16)의 그리드 측(52)에서의 전압 페이저를 측정하기 위해(126) 그리드 측(52)에 위치될 수 있다. 방법(110)은 또한 시간 기준 신호를 수신하고, 타임 스탬프된 페이저 데이터를 생성하기 위해 시간 기준 신호를 전압 페이저와 관련시키는 단계(128)를 포함한다. 예시적인 실시예에서, 방법(110)은 또한 페이저 데이터를 전력 변환기 제어기, 예를 들어 제어기(36)로 전송하는 단계(130)를 포함한다.
예를 들면, PMU(50)는 페이저 데이터를 중앙 제어기(36)로 전송할 수 있다(130). 대안적인 실시예에서, PMU(50)는 페이저 데이터를 개별 전력 변환기 제어기, 예를 들어 (도 1에 도시된) 전력 변환기 제어기(40 및/또는 42)로 전송한다(130). 방법(110)은 또한 적어도 부분적으로 페이저 데이터 및 전압 출력 데이터에 기초하여 전력 변환기(28 및/또는 32)를 제어하는 단계(132)를 포함한다.
방법(110)은 또한 페이저 데이터와 전력 변환기(28 및/또는 32)의 전압 출력을 동기시키는 단계(134)를 포함할 수 있다. 동기시키는 단계(134)는 전송 라인(16)의 그리드 측(52)에서 측정된 전압과 동일 위상인 각도를 갖는 전압을 출력하기 위해 전력 변환기(28 및/또는 32)를 제어하는 단계를 것을 포함할 수 있다.
방법(110)은 또한 전력 변환기(28 및/또는 32)의 전력 출력을 결정하는 단계(136), 및 적어도 부분적으로 전력 출력 및 페이저 데이터에 기초하여 전송 라인(16)의 임피던스를 결정하는 단계(138)를 포함할 수 있다. 제어기(36)는 적어도 부분적으로 PMU(50)로부터 수신된 데이터, 및 로컬 전력 측정 장치, 예를 들어 (도 1에 도시된) 측정 장치(70)로부터 수신된 데이터에 기초하여 전송 라인(16)의 임피던스를 결정할 수 있다(138). 특히, 제어기(36)는 다음의 것에 기초하여 전송 라인(16)의 임피던스(X)를 결정할 수 있다(138):
Figure pct00006
방법(110)은 또한 그리드(14)가 적어도 부분적으로 전송 라인(16)의 임피던스에 기초하여 수용할 수 있는 최대 전력을 결정하는 단계(140)를 포함할 수 있다.
본 명세서에 설명된 실시예는 본 발명의 처리 태스크를 수행하기 위한 어떤 특정 프로세서로 제한되지 않는 것이 주목되어야 한다. 용어 "프로세서"는, 이 용어가 본 명세서에 이용된 바와 같이, 본 발명의 태스크를 수행하는 데 필요한 계산을 수행할 수 있는 임의의 머신을 나타내기 위해 의도된다. 용어 "프로세서"는 또한 구조화된 입력을 수용하고, 출력을 생성하기 위해 규정된 규칙에 따라 입력을 처리할 수 있는 임의의 머신을 나타내기 위해 의도된다. 본 명세서에 이용된 바와 같이 용어 "구성된(configured to)"는 당업자에 의해 이해되는 바와 같이 프로세서가 본 발명의 실시예의 태스크를 수행하기 위한 하드웨어 및 소프트웨어의 조합을 장착한다는 것을 의미하는 것이 주목되어야 한다.
더욱이, 달리 정의되지 않으면, 본 명세서에 사용된 기술 및 과학 용어는 본 개시가 속하는 기술 분야의 당업자에 의해 일반적으로 이해되는 바와 같은 동일한 의미를 갖는다. 본 명세서에 이용된 바와 같이, 용어 "제 1", "제 2" 등은 어떤 순서, 수량 또는 중요도를 나타내지 않고, 오히려 하나의 요소를 다른 요소와 구별하기 위해 사용된다. 또한, 용어 "하나의(a 및 an)"는 수량의 제한을 나타내지 않고, 오히려 참조된 항목 중 적어도 하나의 존재를 나타낸다. 용어 "또는"는 나열된 항목 중 하나, 일부 또는 전부를 포함하고 의미하도록 의도된다. 본 명세서에서 "포함하는" 또는 "갖는" 및 이의 변형은 이후에 나열된 항목 및 이의 균등물 뿐만 아니라 추가적인 항목을 포함하는 것으로 의미된다. 용어 "연결된" 및 "결합된"는 물리적 또는 기계적 연결 또는 결합으로 제한되지 않으며, 직접적이든 간접적이든 전기적 연결 또는 결합을 포함할 수 있다. 더욱이, 용어 "회로" 및 "제어기"는 설명된 기능을 제공하기 위해 연결되거나 함께 결합되는 능동 및/또는 수동적인 단일의 구성 요소 또는 복수의 구성 요소를 포함할 수 있다.
본 명세서에 설명된 실시예는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능한 매체를 포함할 수 있으며, 각 매체는 데이터 또는 데이터를 조작하기 위한 컴퓨터 실행 가능한 명령어를 포함하도록 구성될 수 있다. 컴퓨터 실행 가능한 명령어는 다양한 서로 다른 기능을 수행할 수 있는 범용 컴퓨터와 관련된 것이나 제한된 수의 기능을 수행할 수 있는 특수 목적 컴퓨터와 관련된 것과 같은 처리 시스템에 의해 액세스될 수 있는 데이터 구조, 객체, 프로그램, 루틴 또는 다른 프로그램 모듈을 포함한다. 컴퓨터 실행 가능한 명령어는 처리 시스템이 특정 기능 또는 기능의 그룹을 수행하도록 하고, 본 명세서에 개시된 방법을 위한 단계를 구현하는 프로그램 코드 수단의 예이다. 더욱이, 실행 가능한 명령어의 특정 시퀀스는 이러한 단계를 구현하는 데 사용될 수 있는 대응하는 동작의 일례를 제공한다. 컴퓨터 판독 가능한 매체의 예는 랜덤 액세스 메모리("RAM"), 판독 전용 메모리("ROM"), 프로그램 가능한 판독 전용 메모리("PROM"), 소거 가능한 프로그램 가능 판독 전용 메모리("EPROM"), 전기적 소거 가능한 프로그램 가능 판독 전용 메모리("EEPROM"), 콤팩트 디스크 판독 전용 메모리("CD-ROM"), 또는 처리 시스템에 의해 액세스될 수 있는 데이터 또는 실행 가능한 명령어를 제공할 수 있는 어떤 다른 장치 또는 구성 요소를 포함한다.
PMU에 의해 획득된 원격 전력 데이터에 적어도 부분적으로 기초하여 전력 변환기의 동작을 제어하기 위한 예시적인 방법, 시스템 및 컴퓨터 판독 가능한 매체가 본 명세서에서 설명된다. 그리드 PMU 측정, 예를 들어 전압 위상 각을 수신하고 로컬 위상 고정 루프(PLL)를 동기시킴으로써, 재생 가능한 생성기 제어기는 그리드 연결의 중요한 정보를 취득할 수 있다. 예를 들면, 전력 대 위상 각을 평가함으로써, 제어기는 그리드 세기를 결정할 수 있다. 또한, PMU 측정으로부터 검출된 위상 점프 또는 전압 강하는 그리드 고장 이벤트의 표시를 제어기에 제공한다. PMU 정보는 제어기가 실제 그리드 조건에 따라 발전 시스템의 동적 응답을 최적화하기 위해 제어 파라미터를 적응 가능하게 조정하도록 한다. PMU 정보는 또한 그리드 고장 이벤트를 라이드 스루하고, 그리드 고장 이벤트로부터의 복구를 개선하기 위해 그리드와의 동기를 유지하도록 시스템의 능력을 향상시킨다.
본 명세서에서 설명된 방법, 시스템 및 컴퓨터 판독 가능한 매체는 발전 시스템의 효율적인 그리고 경제적인 제어를 용이하게 한다. 방법 및 시스템의 예시적인 실시예는 설명되고/되거나 본 명세서에 상세히 예시된다. 방법 및 시스템은 본 명세서에 설명된 특정 실시예로 한정되지 않고, 오히려 각 시스템의 구성 요소뿐만 아니라 각 방법의 단계가 본 명세서에서 설명된 다른 구성 요소 및 단계로부터 독립적이고 개별적으로 이용될 수 있다. 각 구성 요소 및 각 방법 단계는 또한 다른 구성 요소 및/또는 방법 단계와 조합하여 이용될 수 있다.
본 설명은 최상의 모드를 포함하여 본 발명을 개시하고 또한 당업자가 어떤 장치 또는 시스템을 제조하고 이용하고, 임의의 통합된 방법을 수행하는 것을 포함하여 본 발명을 실시할 수 있도록 하기 위해 예를 이용한다. 본 발명의 특허 가능 범위는 청구범위에 의해 정의되고, 당업자에게 떠오르는 다른 예를 포함할 수 있다. 그러한 다른 예는 청구범위의 문언과 다르지 않는 구조적 요소를 가질 경우 또는 청구범위의 문언과 실질적이지 않은 차이를 가진 균등한 구조적 요소를 포함할 경우에 청구범위의 범위 속하도록 의도된다.

Claims (20)

  1. 제 1 단부 및 제 2 단부를 가진 적어도 하나의 도체와,
    상기 도체의 상기 제 1 단부에 결합된 페이저 측정 유닛(phasor measurement unit: PMU) - 상기 PMU는 상기 제 1 단부에서 페이저 데이터를 획득하고 상기 페이저 데이터를 포함하는 페이저 신호를 생성하도록 구성됨 - 과,
    상기 도체의 상기 제 2 단부에 결합되고 전력을 상기 도체에 제공하도록 구성되는 발전 시스템 - 상기 발전 시스템은 전원, 전력 변환기 및 제어기를 포함하고, 상기 제어기는 상기 PMU에 통신 가능하게 결합되고 상기 페이저 신호를 수신하여 상기 페이저 데이터에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 전력 변환기를 제어하도록 구성됨 - 을 포함하는
    전력 전달 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 도체는 상기 발전 시스템에서 전기 그리드로 전력을 전송하는 것과 분배하는 것 중 적어도 하나를 수행하도록 구성된 적어도 하나의 전송 라인을 포함하는
    전력 전달 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 페이저 데이터를 제어기 동작에 적용함으로써 저전압 라이드 스루(low voltage ride through) 이벤트 및/또는 영전압 라이드 스루(zero voltage ride through) 이벤트 동안 상기 발전 시스템과 상기 전기 그리드 사이에 위상 동기를 유지하도록 구성되는
    전력 전달 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전원은 풍력 터빈 발전기와 광전지 어레이 중 적어도 하나를 포함하는
    전력 전달 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 중앙 시스템 제어기와 개별 변환기 제어기 중 적어도 하나를 포함하는
    전력 전달 시스템.

  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 PMU는 상기 페이저 데이터를 타임 스탬프하는 데 사용되는 시간 기준 신호를 수신하는 글로벌 위치 결정 시스템(global positioning system: GPS) 수신기를 포함하는
    전력 전달 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 페이저 데이터는 상기 도체의 상기 제 1 단부에서 전력과 관련된 타임 스탬프된 전류 페이저와 타임 스탬프된 전압 페이저 중 적어도 하나를 포함하는
    전력 전달 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 변환기 제어기는 상기 시간 기준 신호를 수신하는 GPS 수신기를 포함하고, 상기 변환기 제어기는 타임 스탬프된 페이저 데이터를 상기 전력 변환기를 제어하기 위한 전압 기준과 전류 기준 중 적어도 하나로서 이용하는
    전력 전달 시스템.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 변환기 제어기는 상기 도체의 상기 제 1 단부에서의 전력과 위상이 동일한 전력을 출력하도록 상기 전력 변환기를 제어하는
    전력 전달 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 변환기 제어기에 통신 가능하게 결합된 측정 장치를 더 포함하고,
    상기 측정 장치는,
    상기 도체의 상기 제 2 단부에서 전압과 전류 중 적어도 하나를 측정하고,
    상기 도체의 상기 제 2 단부에서 측정된 전압과 전류 중 적어도 하나를 나타내는 변환기 출력 데이터를 포함하는 출력 전력 신호를 생성하도록 구성되는
    전력 전달 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 변환기 제어기는 또한 상기 변환기 출력 데이터 및 상기 페이저 데이터에 기초하여 상기 도체의 임피던스(X)를 결정하도록 구성되는
    전력 전달 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 변환기 제어기는 상기 도체의 임피던스에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 전기 그리드가 수용할 수 있는 최대 전력을 결정하도록 구성되는
    전력 전달 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 변환기 제어기는 상기 전기 그리드가 수용할 수 있는 상기 최대 전력 미만인 전력을 출력하도록 상기 전력 변환기를 제어하는
    전력 전달 시스템.
  14. 전송 라인을 통해 전력을 전기 그리드에 제공하도록 구성된 적어도 하나의 전력 변환기를 제어하기 위한 방법으로서,
    상기 적어도 하나의 전력 변환기의 전압 출력을 모니터링하는 단계와,
    상기 전압 출력과 관련된 전압 출력 데이터를 기록하는 단계와,
    시간 기준 신호를 수신하고 타임 스탬프를 상기 전압 출력 데이터에 할당하는 단계와,
    상기 적어도 하나의 전력 변환기로부터의 상기 전송 라인의 대향 단부에 위치되는 제 1 위치에서의 전압 페이저를 측정하는 단계와,
    상기 시간 기준 신호를 수신하고 페이저 데이터를 생성하기 위해 상기 전압 페이저와 상기 시간 기준 신호를 관련시키는 단계와,
    상기 페이저 데이터를 전력 변환기 제어기로 전송하는 단계와,
    상기 전력 변환기 제어기를 이용하여, 상기 페이저 데이터 및 상기 전압 출력 데이터에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 적어도 하나의 전력 변환기를 제어하는 단계를 포함하는
    전력 변환기 제어 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전력 변환기의 전압 출력을 상기 페이저 데이터와 동기화시키는 단계를 더 포함하는
    전력 변환기 제어 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전력 변환기의 전압 출력을 상기 페이저 데이터와 동기화시키는 단계는 상기 제 1 위치에서 측정된 전압과 위상이 동일한 각도를 가진 전압을 출력하도록 상기 적어도 하나의 전력 변환기를 제어하는 단계를 포함하는
    전력 변환기 제어 방법.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전력 변환기의 전력 출력을 결정하는 단계와,
    상기 전력 출력 및 상기 페이저 데이터에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 전송 라인의 임피던스를 결정하는 단계를 더 포함하는
    전력 변환기 제어 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 전송 라인의 임피던스에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 전기 그리드가 수용할 수 있는 최대 전력을 결정하는 단계를 더 포함하는
    전력 변환기 제어 방법.
  19. 제 1 단부 및 제 2 단부를 가진 전송 라인에 결합된 전력 변환기를 제어하도록 구성된 제어기로서,
    상기 제어기는,
    시간 기준 신호를 수신하도록 구성된 GPS(global positioning system) 수신기와,
    상기 전력 변환기의 전압 출력과 관련된 전압 출력 데이터를 저장하도록 구성된 메모리 장치 - 상기 전압 출력 데이터는 제 1 시간에 상기 전송 라인의 상기 제 1 단부에서 측정된 전압 출력 데이터를 포함함 - 와,
    처리 장치를 포함하고,
    상기 처리 장치는,
    상기 메모리 장치에 저장된 상기 전압 출력 데이터에 시간 기준을 할당하고,
    상기 전송 라인의 제 2 단부에 위치된 페이저 측정 유닛(phasor measurement unit: PMU)으로부터 페이저 데이터를 수신하고 - 상기 페이저 데이터는 상기 페이저 데이터를 상기 제 1 시간에 결부시키는 시간 기준을 포함함 -,
    상기 제 1 시간으로부터의 상기 페이저 데이터를 상기 제 1 시간으로부터의 전압 출력 데이터와 비교하고,
    상기 페이저 데이터 및 상기 전압 출력 데이터에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 전력 변환기의 동작을 제어하도록 구성되는
    제어기.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 처리 장치는 또한,
    상기 전력 변환기의 전력 출력을 결정하고,
    상기 전력 변환기의 상기 전력 출력 및 상기 페이저 데이터에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 전송 라인의 임피던스를 결정하도록 구성되는
    제어기.
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