KR20170126017A - 컨버터­기반 발전 디바이스에 의한 전력 진동 감쇠 - Google Patents

컨버터­기반 발전 디바이스에 의한 전력 진동 감쇠 Download PDF

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KR20170126017A
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브죄른 안드레센
미하엘 뇌르토프트 프라이덴스브제르크
티게 크누에펠
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지멘스 악티엔게젤샤프트
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Abstract

전기 출력 전력(150)을 전기 네트워크(network)(128)에 제공하기 위한 전력 출력부(108)를 포함하는 발전 파크(park)(100)가 제공된다. 발전 디바이스(device)(102a,...102n)는, 전력 발전기(104)로부터 입력 전력(142)을 수신하고 그리고 그에 응답하여 전기 출력 전력(150)을 전력 출력부(112)에 제공하도록 구성된 컨버터(converter) 디바이스(106)를 포함한다. 발전 파크(100)는 전기 네트워크(108) 내의 전력 진동을 표시하는 진동 표시 신호(126)를 수신하도록 구성되어 있는 제어기(122)를 더 포함하고, 상기 제어기(122)는 진동 표시 신호(126)에 응답하여 감쇠 제어 신호(132)를 제공하도록 추가로 구성되고, 컨버터 디바이스(106)는, 감쇠 제어 신호(132)에 응답하여 전기 출력 전력(150)을 변조시켜, 전기 네트워크(128) 내의 전력 진동을 감쇠시키도록 구성된다.

Description

컨버터­기반 발전 디바이스에 의한 전력 진동 감쇠{POWER OSCILLATION DAMPING BY A CONVERTER­BASED POWER GENERATION DEVICE}
본 발명은 컨버터-기반 발전 디바이스(converter-based power generation device)들, 즉 컨버터를 포함하는 발전 디바이스들의 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 풍력 터빈(turbine) 디바이스들의 분야에 관한 것이다.
통상적으로, 비교적 약한 교류 전류(AC) 송신 라인(line)들을 통해 두 개 또는 그 초과의 구역들이 상호연결되는 대형의 상호연결된 전력 시스템(system)들 내에서 전력 진동들이 발생한다. 이들 전력 진동들은 또한 구역간(interarea) 진동들로서 지칭된다. 진동이 안정적인지 또는 불안정한지의 여부는 시스템 특성이다. 따라서, 진동이 안정적인지 또는 불안정한지의 여부는, 감쇠의 필요 레벨(level)을 결정하는 진동을 개시하는 콘틴전시(contingency)가 아니다. 그보다는, 감쇠의 필요 레벨은 전력 시스템의 상태, 즉 동작 조건, 제어기 튜닝(tuning), 송신 라인들, 서비스 중인(in service) 발전기들 등에 따라 좌우된다.
전력 시스템의 두 개의 구역들 사이의 전력 진동이 여기되면, 하나의 구역 내 동기 머신(machine)들의 회전자 각도들은 다른 구역 내 동기 머신들과 반대 위상으로 진동하기 시작할 것이고 그리고 이로써 유효 전력의 흐름이 구역들 사이에서 왔다갔다하도록 강제할 것이다. 진동이 충분히 감쇠된다면, 진동은 사라질 것이고 그리고 회전자 각도들은 안정 상태로 리턴(return)한다. 그러나, 이러한 특정한 감쇠에 대해 전력 시스템 내에서 불충분한 감쇠가 있다면, 다른 안전 디바이스들, 예컨대 동기 머신 또는 송신 라인 안전 장비가 유닛(unit) 또는 컴포넌트(component)를 트립핑(trip)할 때까지, 두 개의 구역들 사이에서 점점 증가하는 양의 유효 전력이 교환된다. 장비 트립핑 및 궁극적으로 시스템 블랙아웃(black out)의 연쇄 효과가 결과일 수 있다.
알려진 전기 네트워크(network)들에서, 필요한 감쇠 토크(torque)의 대다수는 전력 시스템 안정화기(power system stablilizer; PSS)들을 갖춘 동기 머신들에 의해 전달된다. 현실로부터 알려진 바와 같이, 새로운 발전소가 건설될 때, 그러한 안정화 제어기들이 설치된다. PSS는 또한 기존 발전소들에 레트로피트(retrofit)될 수 있다. 알려진 PSS의 기본 개념은, 예비 신호를 여자기의 전압 기준에 부가시키고 그리고 이로써 동기 머신의 여기(excitation) 전압을 변조시켜, 전력 진동들을 감쇠시키는 것이다.
위에 설명된 상황을 고려하여, 전기 네트워크 내의 전력 진동들을 감쇠시키는 것을 가능케 하는 개선된 기술에 대한 필요가 존재한다.
이러한 필요는 독립항들에 따른 청구대상에 의해 충족될 수 있다. 여기에 개시되는 청구대상의 유리한 실시예들은 종속항들에 의해 설명된다.
여기에 개시되는 청구대상의 제1 양상에 따라, 발전 디바이스가 제공되고, 상기 발전 디바이스는, 전력 발전기; 전기 출력 전력을 전기 네트워크에 제공하기 위한 전력 출력부를 갖는 컨버터 디바이스를 포함하고, 상기 컨버터 디바이스는, 상기 전력 발전기로부터 입력 전력을 수신하고 그리고 그에 응답하여 상기 전기 출력 전력을 상기 전력 출력부에서 제공하도록 구성되며, 상기 컨버터 디바이스는, 감쇠 제어 신호에 응답하여 상기 전기 출력 전력을 변조시켜, 상기 전기 네트워크 내의 전력 진동을 감쇠시키도록 구성된다.
이러한 양상은, 전기 네트워크 내의 전력 진동들의 감쇠를 위해 컨버터 기반 발전 디바이스를 수정함으로써, 전기 네트워크 내의 전력 진동들에 관해서 개선된 감쇠 특성들이 달성될 수 있다는 아이디어(idea)에 기초한다. 컨버터-기반 발전 디바이스는, 유효 전력 및 무효 전력이 독립적으로 제어될 수 있고 그리고 그러므로 여기에 개시되는 청구대상에 따른 제어기가 실시예에 따라 더 나은 감쇠 성능을 위해 유효 전력의 제어와 무효 전력의 제어 둘 다를 사용할 수 있다는 장점을 갖는다. 일반적으로, 유효 전력은 풍력 터빈 기계 시스템의 회전 에너지(energy)에 의해 제공되고, 차례로 상기 회전 에너지는 풍력 터빈의 블레이드(blade)들 상에 작용하는 풍력들에 의해 제공된다.
여기에 사용되는 바와 같이, 컨버터 디바이스는, 전기 입력 전력을 전기 출력 전력으로 변환시키기 위한 디바이스이다. 예컨대, 실시예에서, 컨버터는 전기 입력 전력의 전기 특성을 변경시켜, 이로써 전기 출력 전력을 생성하도록 구성된다. 실시예에서, 컨버터는 전기 직류 전류(DC) 전력을 전기 교류 전류(AC) 전력으로 변환시키도록 구성된다.
실시예에 따라, "컨버터 디바이스가 감쇠 제어 신호에 응답하여 전기 출력 전력을 변조시키도록 구성된다"는, 컨버터 디바이스가 전기 출력 전력을 변조된 형태로 제공하도록 구성되고, 여기서 변조가 감쇠 제어 신호에 따라 좌우된다는 것을 의미한다.
실시예에 따라, 감쇠 제어 신호는 전기 출력 전력의 유효 전력을 제어하기 위한 유효 성분 제어 신호를 포함한다. 따라서, 실시예에서, 컨버터 디바이스는 전기 출력 전력의 유효 성분을 제어하도록 구성된다. 실시예에 따라, 전기 출력 전력의 유효 성분은 전기 출력 전력의 유효 전력이다. 추가의 실시예에 따라, 유효 성분은 전기 출력 전력의 유효 전류이다.
추가의 실시예에 따라, 감쇠 제어 신호는 전기 출력 전력의 무효 성분을 제어하기 위한 무효 성분 제어 신호를 포함한다. 따라서, 실시예에서, 컨버터 디바이스는 전기 출력 전력의 무효 성분을 제어하도록 구성된다. 실시예에 따라, 전기 출력 전력의 무효 성분은 전기 출력 전력의 무효 전력이다. 추가의 실시예에 따라, 무효 성분은 전기 출력 전력의 무효 전류이다.
앞선 문단들에서 모범적으로 표시된 바와 같이, 일반적으로 여기에서 유효 전력에 대한 임의의 지칭은 개별 유효 전류에 대한 지칭으로 교체될 수 있고, 이로써 개별적으로 보정된 실시예가 야기된다. 마찬가지로, 일반적으로 여기에서 무효 전력에 대한 임의의 지칭은 개별 무효 전류에 대한 지칭으로 교체될 수 있고, 이로써 개별적으로 보정된 실시예가 야기된다.
실시예에서, 제어기는 전기 전력의 유효 성분을 제어하기 위한 제어 신호 그리고 전기 전력의 무효 성분을 제어하기 위한 제어 신호 둘 다를 제공하도록 구성된다. 따라서, 컨버터 디바이스는 유효 전력과 무효 전력 둘 다를 제어하도록 구성될 수 있다.
실시예에 따라, 발전 디바이스는, 전기 네트워크 내의 전력 진동을 표시하는 진동 표시 신호를 수신하도록 구성된 제어기를 포함하고, 상기 제어기는 진동 표시 신호에 응답하여 감쇠 제어 신호를 제공하도록 추가로 구성된다. 다른 실시예들에 따라, 제어기는 발전 디바이스의 일부가 아니다.
여기에 개시되는 청구대상의 실시예에 따라, 제어기는, 전기 출력 전력의 유효 성분을 제어하기 위한 제1 부제어기 및 전기 출력 전력의 무효 성분을 제어하기 위한 제2 부제어기를 포함한다. 두 개의 병렬인 제어기들 ― 상기 두 개의 병렬인 제어기들 중, 하나는 전기 출력 전력의 유효 성분을 제어하기 위해 제공되고, 그리고 다른 하나는 전기 출력 전력의 무효 성분을 제어하기 위해 제공됨 ― 은, 유효 성분 및 무효 성분의 제어가 독립적으로 수행될 수 있다는 장점을 갖는다. 그러나, 발전 디바이스의 컴포넌트(component)들의 다양한 제한치들 내에서만 임의의 제어가 가능하다는 것이 이해되어야 한다.
그러나, 여기에 개시되는 청구대상의 실시예들에 따른 몇몇의 발전 디바이스들은 무료인 에너지원, 예컨대 풍력 에너지 또는 태양열 에너지와 함께 동작한다. 적어도, 그러한 경우에, 발전 디바이스는 최대 이용가능 전력을 전달하기 위해 바람직하게 동작된다. 다시 말해, 적어도, 그러한 경우에, 전기 네트워크 내의 전력 진동들을 감쇠시키기 위해 감쇠 전력의 전달에 의해 유발되는 임의의 손실된 전력 생산을 최소화시키는 것이 바람직할 수 있다.
실시예에 따라, 제어기는, 진동 표시 신호에 응답하여, 컨버터에 의해 제공될 유효 전력의 기준 값을 감소시키도록 구성된다. 유효 전력의 감소된 기준 값은, 전력 발전기의 정격(rated) 유효 전력을 초과하지 않고, 전기 출력 전력을 변조시킬 가능성을 제공한다. 예컨대, 전력 발전기가 회전 머신이라면, 진동 표시 신호에 응답하여 유효 전력의 기준 값이 감소되는 그러한 실시예에서, 회전 머신의 속도 제어는 변경될 필요가 없다.
여기에 개시되는 청구대상의 실시예에서, 발전 디바이스는 회전 머신을 포함하고, 상기 회전 머신은 회전 엘리먼트(element)를 갖고, 그리고 컨버터 디바이스는, 감쇠 제어 신호에 응답하여 전기 출력 전력을 변조시켜, 회전 엘리먼트의 회전 에너지를 변경시키도록 구성된다. 예컨대, 실시예에서, 회전 엘리먼트의 회전은 스토리지(storage)로서 사용되고, 전력이 상기 스토리지로부터 인출될 수 있고 그리고 전력이 상기 스토리지로 제공될 수 있다. 추가의 실시예에서, 제어기는 감쇠 제어 신호를 제공하도록 구성되고, 상기 감쇠 제어 신호는, 회전 머신의 회전 엘리먼트의 회전 에너지를 변경시킴으로써, 전기 네트워크와 회전 머신 사이에서 전력을 교환하도록 컨버터 디바이스를 구동시키기 위해 구성된다.
추가의 실시예에 따라, 제어기는 진동 표시 신호를 수신하기 위한 입력부를 포함한다. 추가로, 센서(sensor)가 제공될 수 있고, 상기 센서는, 전기 네트워크 내의 전력 진동들을 감지하고 그리고 그에 응답하여 진동 표시 신호를 제공하도록 구성된다. 실시예에 따라, 진동 표시 신호는, 발전 디바이스에서 지역적으로 생성되거나 또는 두 개 또는 그 초과의 발전 디바이스들을 포함하는 발전 파크(park)의 구역 내에서 생성되는 로컬(local) 신호일 수 있다. 그러한 실시예에서, 진동 센서는 발전 디바이스에 또는 발전 파크의 구역 내에 지역적으로 위치된다. 다른 실시예에 따라, 진동 표시 신호는, 발전 디바이스 외부로부터 또는 발전 파크의 외부로부터 수신되는 외부 신호이다. 예컨대, 실시예에서, 진동 센서는 외부 진동 표시 신호를 제공하기 위해 (외부 그리드(grid)와 같은) 전기 네트워크 내에 위치된다. 추가의 실시예에 따라, 두 개 또는 그 초과의 진동 센서들이 제공되고, 상기 두 개 또는 그 초과의 진동 센서들은 제어기에 교번적으로 또는 동시에 연결될 수 있다. 실시예에 따라, 진동 센서는 원시(raw) 입력 신호를 제공하고, 상기 원시 입력 신호는 예컨대 적어도 하나의 적절한 필터(filter)에 의해 추가로 컨디셔닝(condition)되어, 이로써 진동 표시 신호가 제공된다. 그러한 필터(들)는 발전 디바이스 내 또는 제어기 내에 위치될 수 있다. 다른 실시예들에 따라, 그러한 필터(들)는 발전 디바이스 외부에 또는 발전 파크 외부에 위치된다.
실시예에 따라, 발전 디바이스는 풍력 터빈 디바이스이다. 예컨대, 실시예에서, 풍력 터빈 디바이스는 전력 발전기를 전기 회전 머신의 형태로 포함한다.
실시예에 따라, 컨버터를 갖는 발전 디바이스를 동작시키는 방법이 제공되고, 상기 방법은, 전력 발전기로부터 입력 전력을 수신하고 그리고 그에 응답하여 전기 출력 전력을 전기 네트워크에 제공하는 단계; 상기 전기 네트워크 내의 전력 진동을 표시하는 진동 표시 신호를 수신하는 단계; 및 상기 진동 표시 신호에 따라, 컨버터에 의하여 상기 전기 출력 전력의 유효 성분 및 무효 성분 중 적어도 하나를 선택적으로 변조시켜, 상기 전기 네트워크 내의 전력 진동을 감쇠시키는 단계를 포함한다.
여기에 개시되는 청구대상의 제2 양상에 따라, 발전 파크가 제공되고, 상기 발전 파크는 적어도 두 개의 발전 디바이스들을 갖는다. 실시예에 따라, 발전 파크의 적어도 하나의 발전 디바이스는 제1 양상 또는 실시예 또는 제1 양상의 예에 따라 구성된다.
실시예에 따라, 발전 파크는, 전기 네트워크 내의 전력 진동을 표시하는 진동 표시 신호를 수신하도록 구성된 제어기를 더 포함하고, 상기 제어기는, 진동 표시 신호에 응답하여 감쇠 제어 신호를 제공하도록 추가로 구성된다. 따라서, 제어기가 발전 디바이스의 일부인 제1 양상에 대하여 설명된 실시예와 대조적으로, 발전 파크의 전술된 실시예에서, 제어기는 발전 파크의 일부이다. 그러나, 제어기는 여기에 설명되는 임의의 실시예에 따라 구성될 수 있다. 추가로, 실시예에 따라, 제어기는, 감쇠 제어 신호를 단일 발전 디바이스에 제공하거나 또는 다른 실시예에서 두 개 또는 그 초과의 발전 디바이스들에 제공하도록 구성된다.
여기에 개시되는 청구대상의 제3 양상에 따라, 발전 디바이스에 대한 제어기가 제공되고, 상기 제어기는, 전기 네트워크 내의 전력 진동을 표시하는 진동 표시 신호를 수신하기 위한 입력부; 상기 진동 표시 신호에 응답하여 감쇠 제어 신호를 컨버터 디바이스에 제공하기 위한 출력부를 포함하고, 상기 감쇠 제어 신호는, 상기 컨버터 디바이스를 구동시켜, 발전 디바이스의 전기 출력 전력을 변조시키고 그리고 이로써 상기 전기 네트워크 내의 전력 진동을 감쇠시키기 위하여 구성된다. 제3 양상의 실시예들에 따라, 제어기는 제1 양상 또는 제1 양상의 예에 대하여 설명된 바와 같이 구성된다.
실시예에 따라, 제어기는 단일 발전 디바이스와 연관된다. 다른 실시예에 따라, 제어기는 적어도 두 개의 발전 디바이스들과 연관된다. 양쪽 실시예들, 즉 제1 실시예와 제2 실시예에서, 제어기는 발전 파크의 일부일 수 있다. 추가로, 양쪽 실시예들에서 또한, 제어기는 또한 발전 디바이스의 일부일 수 있다.
제4 양상에 따라, 전기 출력 전력을 전기 네트워크에 제공하도록 구성된 컨버터 디바이스의 제어기를 동작시키는 방법이 제공되고, 상기 방법은, 상기 전기 네트워크 내의 전력 진동을 표시하는 진동 표시 신호를 수신하는 단계; 상기 진동 표시 신호에 응답하여 감쇠 제어 신호를 상기 컨버터 디바이스에 제공하는 단계를 포함하고, 상기 감쇠 제어 신호는, 상기 컨버터 디바이스를 구동시켜, 컨버터 디바이스의 전기 출력 전력을 변조시키고 그리고 이로써 상기 전기 네트워크 내의 전력 진동을 감쇠시키기 위하여 구성된다.
실시예에 따라, 방법은, 상기 진동 표시 신호에 응답하여, 상기 컨버터에 의해 제공될 유효 전력의 기준 값을 감소시키는 단계를 더 포함한다.
추가의 실시예에 따라, 감쇠 제어 신호는, 회전 머신의 회전 엘리먼트의 회전 에너지를 변경시킴으로써, 발전 디바이스의 회전 머신과 전기 네트워크 사이에서 전력을 교환하도록 컨버터 디바이스를 구동시키기 위해 제공된다.
제4 양상의 추가의 실시예들에 따라, 제1 양상에 대하여 개시된 바와 같은 기능들이 수행된다. 그러나, 제4 양상의 실시예들에 따라, 그러한 기능들은 디바이스 특징들로 제한되지 않고, 상기 디바이스 특징들과 함께, 제1 양상에 대하여 기능들이 개시되었다는 것이 이해되어야 한다.
여기에 개시되는 청구대상의 제5 양상에 따라, 물리적 물체, 즉 진동 표시 신호를 프로세싱(process)하기 위한 컴퓨터 프로그램(computer program)이 제공되고, 상기 컴퓨터 프로그램은, 데이터 프로세서 디바이스(data processor device)에 의해 실행되고 있을 때, 제4 양상 또는 실시예 또는 제4 양상의 예에 따라 상기 방법을 제어하도록 적응된다.
예시적 실시예에 따라, 발전 디바이스는 풍력 터빈 디바이스이다. 아래에서는, 풍력 전력 시스템에 대하여 예시적 양상들 및 실시예들이 설명된다. 풍력 전력 시스템 또는 풍력 터빈 디바이스가 참조되지만, 개별 기능들 및 디바이스 특징들이 게다가 다른 발전 디바이스들에 적용가능하다는 것이 주의되어야 한다.
여기에 개시되는 청구대상의 양상에 따라, 풍력 전력 디바이스가 제공되고, 상기 풍력 전력 디바이스는, 전기 네트워크 내의 전력 진동들의 감쇠를 위해 배열되고, 상기 풍력 전력 디바이스는, 풍력 전력으로부터 기원되는 전기 출력 전력을 적어도 부분적으로 컨버터를 통해 그리드에 공급하기 위해 동작가능한 풍력 터빈 발전기; 전력 진동들의 측정, 예컨대 연속 측정을 위해 구성된 측정 디바이스 ― 여기서, 전력 진동들은 그리드에 연결된 두 개 또는 그 초과의 발전 동기 머신들 사이의 전력 교환의 결과임 ―; 및 상기 측정 디바이스에 연결되고, 그리고 풍력 터빈 발전기의 출력 전력(예컨대, 실시예에 따라, 유효 및/또는 무효 전력)을 변조시키도록 배열된 제어기 ― 이후에, 감쇠 제어기로서 지칭됨 ― 를 포함하고, 여기서 상기 출력 전력은, 전력 진동들을 감쇠시키기 위하여, 측정된 전력 시스템 진동들에 응답하여 변조된다. 실시예에 따라, 제어기는 컨버터에 포함된다. 추가의 실시예에 따라, 풍력 터빈 파크는, 예컨대 풍력 파크(때때로, 풍력 팜(farm)으로서 또한 지칭됨) 내에 배열된 복수의 풍력 터빈 디바이스들을 포함하고, 여기서 감쇠 제어기는, 예비 감쇠 신호를 계산하고 그리고 개별 풍력 터빈 디바이스들 각각의 개별 디바이스 제어기들에 상기 예비 감쇠 신호를 송신하도록 배열되며, 그리고 여기서 제어기는, 상기 예비 감쇠 신호에 응답하여, 풍력 터빈 발전기의 출력 전력을 제어하도록 배열된다.
실시예에 따라, 감쇠 제어기는, 전력 시스템 진동들을 감쇠시키기 위해 기계 시스템 내에 저장되는 회전 에너지를 사용하기 위하여 풍력 터빈 발전기의 회전 속도를 증가시키거나 그리고/또는 감소시키도록 구성된다.
추가의 실시예에 따라, 감쇠 제어기는 두 개의 병렬인 제어기들을 포함하고, 유효 전력 및 무효 전력의 독립적이고 병렬적인 감쇠 제어를 위해, 상기 두 개의 병렬인 제어기들 중 제1 제어기는 유효 전력 변조 신호를 계산하도록 구성되고, 그리고 제2 제어기는 무효 전력 변조 신호를 계산하도록 구성된다.
추가의 실시예에 따라, 측정 디바이스는, 회전 센서(예컨대, RPM 센서), 전류 검출기, 전압 검출기, 주파수 검출기, 유효 전력 검출기, 무효 전력 검출기 등 중에서 하나이다.
추가의 실시예에 따라, 풍력 파크는, 전기 네트워크(예컨대, 그리드) 내에 위치되는 복수의 측정 디바이스들을 포함한다.
추가의 실시예에 따라, 측정 디바이스는, 발전 동기 머신들 중 하나에 근접하여 위치되거나 그리고/또는 풍력 파크의 공통 연결점에 위치된다.
추가의 실시예에 따라, 측정 디바이스 및 감쇠 제어기는 예컨대 고속 통신 링크(link)에 의해 서로 연결된다.
추가의 실시예에 따라, 풍력 터빈은, 컨버터를 통해 전기 네트워크에 연결되는 동기 또는 비동기 발전기를 포함한 가변 속도 풍력 터빈이다. 실시예에 따라, 컨버터는 풀-스케일(full-scale) 컨버터이다. 풀-스케일 컨버터 셋업(setup)은 동기 발전기를 요구하지 않는다.
추가의 실시예에 따라, 풍력 터빈 디바이스는, 부분적 컨버터 솔루션(solution)을 통해 전기 네트워크에 연결되는 DFIG(doubly-fed induction generator)를 포함한 가변 속도 풍력 터빈 디바이스이다. 예컨대, 실시예에서, DFIG의 출력 전력의 제1 부분이 전기 네트워크에 직접적으로 제공되고, 그리고 DFIG의 출력 전력의 제2 부분이 컨버터를 통해 전기 네트워크에 제공된다. 이는, 여기에 개시되는 청구대상의 양상들 및 실시예들 및 예들을 구현하도록 여전히 허용하면서, DFIG의 사용을 허용한다.
실시예에 따라, 적어도 하나의 풍력 터빈 디바이스를 포함한 전력 시스템 내의 전력 진동들을 감쇠시키는 방법은, 상기 전력 시스템 내의 전력 진동들을 결정하는 단계; 상기 전력 시스템 내의 전력 진동들이 액티브(active)하게 감쇠되도록, 전기 네트워크 내의 결정된 전력 진동들에 따라(즉, 일 실시예에서, 진동 표시 신호에 따라) 적어도 하나의 풍력 터빈 디바이스의 출력 전력을 제어하거나 그리고/또는 변경시키는 단계를 포함한다.
실시예에 따라, 전력 진동들을 감쇠시키기 위한 방법은, 동작들 필터링(filtering), 위상 보상, 스케일링(scaling) 중 적어도 하나를 이용함으로써, 전기 네트워크 내의 결정된 전력 진동들에 기초하여 예비 감쇠 신호를 계산하는 단계를 포함한다. 추가의 실시예에 따라, 전력 진동들을 감쇠시키기 위한 방법은 예비 감쇠 신호를 기준 신호에 부가시키는 단계를 포함하고, 상기 기준 신호는, 풍력 터빈 디바이스의 출력 전력을 제어하기 위하여 풍력 터빈 디바이스의 제어기에 의해 사용된다.
추가의 실시예에 따라, 기준 신호는, 회전자 속도 기준, 발전기 속도 기준, 전력 기준, 전압 기준, 전류 기준, 유효 전력 기준, 무효 전력 기준, 토크 기준 중 하나이다.
실시예에 따라, 제어기는, 풍력 터빈 디바이스의 무부하(no load) 조건에서 전력 진동들을 감쇠시키도록 구성된다. 실시예에 따라, 전력 진동들을 감쇠시키기 위한 방법은, 전력 시스템 내의 전력 진동들을 결정하는 단계; 및 풍력 터빈 디바이스가 생산중이 아니고 그리고 유효 전력을 전기 네트워크에 전달할 때, 전력 진동들이 액티브하게 감쇠되도록, 결정된 전력 진동들에 따라 컨버터(예컨대, 일 실시예에서 그리드 인버터)를 이용하여 풍력 터빈 디바이스의 무효 출력 전력을 제어하고 변조시키는 단계를 포함한다.
여기에 사용된 바와 같이, 컴퓨터 프로그램에 대한 지칭은, 위에서 설명된 방법의 수행을 조정하기 위해 컴퓨터 시스템을 제어하기 위한 명령들을 포함한 프로그램 엘리먼트 및/또는 컴퓨터 판독가능 매체에 대한 지칭과 동등한 것이 의도된다.
컴퓨터 프로그램은, 예컨대 JAVA, C++과 같은 임의의 적절한 프로그래밍(programming) 언어의 사용에 의해 컴퓨터 판독가능 명령 코드(code)로서 구현될 수 있고, 그리고 컴퓨터-판독가능 매체(제거가능 디스크(disk), 휘발성 또는 비휘발성 메모리(memory), 내장형 메모리/프로세서 등) 상에 저장될 수 있다. 명령 코드는, 의도된 기능들을 수행하기 위해 컴퓨터 또는 임의의 다른 프로그램가능 디바이스를 프로그래밍하기 위해 동작가능하다. 컴퓨터 프로그램은, 월드 와이드 웹(World Wide Web)과 같은 네트워크로부터 이용가능할 수 있고, 네트워크로부터, 컴퓨터 프로그램이 다운로딩(download)될 수 있다.
여기에 개시되는 청구대상의 실시예들은 컴퓨터 프로그램, 즉 개별적으로 소프트웨어(software)에 의하여 구현될 수 있다. 그러나, 여기에 개시되는 청구대상의 실시예들은 또한 하나 또는 그 초과의 특정 전자 회로들, 즉 개별적으로 하드웨어(hardware)에 의하여 구현될 수 있다. 게다가, 여기에 개시되는 청구대상의 실시예들은 또한 하이브리드(hybrid) 형태로, 즉 소프트웨어 모듈(module)들과 하드웨어 모듈들의 조합으로 구현될 수 있다.
발전 디바이스, 발전 파크, 발전 디바이스의 제어기, 발전 디바이스를 동작시키는 방법, 풍력 전력 디바이스, 및 전력 진동들을 감쇠시키는 방법을 참조하여 여기에 개시되는 청구대상의 예시적 실시예들이 위에서 설명되었고 그리고 아래에서 설명될 것이다. 물론, 여기에 개시되는 청구대상의 상이한 양상들에 관련된 특징들의 임의의 조합이 또한 가능하다는 것이 지적되어야 한다. 특히, 몇몇의 실시예들이 장치 타입(type) 청구항들을 참조하여 설명된 반면에 다른 실시예들은 방법 타입 청구항들을 참조하여 설명되었다. 그러나, 기술분야의 당업자는, 위로부터 그리고 아래의 설명으로부터, 달리 통지될 때까지, 일 양상에 속하는 특징들의 임의의 조합에 부가하여, 상이한 양상들 또는 실시예들에 관련된 특징들 사이, 예컨대 심지어 장치 타입 청구항들의 특징들과 방법 타입 청구항들의 특징들 사이의 임의의 조합이 또한 이 출원을 이용하여 개시되는 것으로 간주된다는 것을 이해할 것이다.
위에서 정의된 양상들 및 실시예들과 본 발명의 추가의 양상들 및 실시예들은 이후에 설명될 예들로부터 명백하고, 그리고 도면들을 참조하여 설명되며, 그러나 본 발명이 거기에 제한되는 것은 아니다.
도 1은 여기에 개시되는 청구대상의 실시예들에 따른 발전 파크(100)를 도시한다.
도 2는 여기에 개시되는 청구대상의 실시예들에 따른 발전 디바이스를 도시한다.
도 3은 여기에 개시되는 청구대상의 실시예들에 따르는 추가의 풍력 파크(200)를 도시한다.
도 4는 도 1 및 도 2의 제어기(122)를 더욱 상세하게 도시한다.
도 5는 도 4의 부제어기(162)를 더욱 상세하게 도시한다.
도 6은 여기에 개시되는 청구대상의 실시예들에 따른 풍력 터빈 디바이스의 감쇠 동작을 위한 단위당(pu) 유효 전력
Figure pat00001
을 도시한다.
도 7은 도 6에서 도시된 감쇠 동작을 위한 단위당 전력 발전기의 회전 엘리먼트의 회전 속도
Figure pat00002
×10-3를 도시한다.
도 8은 풍력 터빈 디바이스의 기계 시스템의 회전 속도가 풍력 터빈 디바이스에 의해 제공되는 전기 출력 전력의 변조로 인해 변경되지 않는 실시예를 도시한다.
도면들에서의 예시는 개략적이다. 상이한 도면들에서, 유사하거나 또는 동일한 엘리먼트들에는 동일한 참조 부호들이 제공되거나, 또는 첫 번째 자릿수 또는 첨자 내에서만 대응하는 참조 부호들과 상이한 참조 부호들이 제공된다.
도 1은 여기에 개시되는 청구대상의 실시예들에 따른 발전 파크(100)를 도시한다.
발전 파크(100)는 적어도 두 개, 예컨대 n개의 발전 디바이스들(102a, 102b, 102c...102n)을 포함한다. 발전 디바이스들(102a-102n) 중 적어도 하나는 여기에 개시되는 청구대상의 실시예들에 따라 구성된다. 예컨대, 실시예에서, 발전 디바이스들(102a-102n) 전부는 여기에 개시되는 청구대상의 실시예들에 따라 구성된다.
실시예에 따라, 도 1의 발전 파크(100)는 풍력 파크이고, 그리고 발전 디바이스들(102a-102n)은 풍력 터빈 디바이스들이다. 각각의 풍력 터빈 디바이스(102a-102n)는 전력 발전기(104)를 포함하고, 상기 전력 발전기(104)는 풍력 터빈 블레이드들(도 1에는 미도시)로부터 기계 에너지를 수신하고 그리고 수신된 기계 에너지에 응답하여 전기 에너지를 생성한다. 그런 다음, 전기 에너지는 입력 전력으로서 컨버터 디바이스(106)에 피드(feed)된다. 이를 위해, 전력 발전기(104)는 컨버터 디바이스(106)에 전기 결합될 수 있다. 컨버터 디바이스(106)는, 전력 발전기(104)로부터 수신된 입력 전력에 응답하여, 풍력 파크(100)의 전력 출력부(108)에 제공될 전기 출력 전력(150)을 제공한다. 전기 출력 전력(150)은 풍력 터빈 디바이스(102a-102n)의 디바이스 트랜스포머(transformer)(114)에 의해 트랜스폼(transform)된다. 실시예에서, 컨버터 디바이스(106)는, 결합 경로(110)를 통해 풍력 파크(100)의 전력 출력부(108)에 전기 결합된다. 실시예에 따라, 풍력 파크의 전력 출력부(108)는 풍력 파크의 공통 연결점이다. 추가의 실시예에 따라, 출력 전력이 전력 출력부(108)에 피드되기 전에, 컨버터 디바이스(106)에 의해 제공되는 출력 전력(150)의 전기 특징이 변경된다. 예컨대, 실시예에 따라, 하나 또는 그 초과의 트랜스포머들이 전기 결합 경로(110) 내에 제공되고, 상기 전기 결합 경로(110)는 컨버터 디바이스(106)의 출력부(112)를 전력 출력부(108)에 결합시킨다. 예컨대, 도 1에 도시된 실시예에 따라, 컨버터 디바이스(106)의 출력부(112)와 버스 바(bus bar)(116) 사이에 디바이스 트랜스포머(114)가 전기 결합되고, 차례로 상기 버스 바(116)는 파크 트랜스포머(118)에 결합된다. 파크 트랜스포머는 풍력 파크(100)의 전력 출력부(108)에 결합된다. 버스 바(116) 대신에, 임의의 다른 적절한 전력 연결 어레인지먼트(arrangement)가 사용될 수 있다. 실시예에 따라, 디바이스 트랜스포머(114)는 풍력 터빈 디바이스의 일부이다. 다른 실시예들에서, 디바이스 트랜스포머는 풍력 터빈 디바이스와 별도이다.
다른 엘리먼트들이 전기 결합 경로 내에 포함될 수 있다는 것과, 용어 "전기 결합"이 결합된 엔티티(entity)들 사이의 중간 엔티티들을 배제시키지 않는다는 것이 언급되어야 한다. 예컨대, 실시예에서, 전기 결합 경로(110)는 회로 차단기(미도시)를 포함한다.
실시예에 따라, 컨버터 디바이스(106)와 버스 바(116) 사이의 전기 결합은, 도 1에서 일반적으로 120으로 표시된 인터페이스(interface)들에 의해 이루어진다. 실시예에 따라, 인터페이스들(120)은 전기 라인들이다.
실시예에 따라, 풍력 파크(100)는 제어기(122)를 포함하고, 상기 제어기(122)는, 전기 네트워크, 예컨대 외부 그리드(128) 내의 전력 진동을 표시하는 진동 표시 신호(126)를 수신하기 위한 입력부(124)를 갖는다. 제어기는, 풍력 파크 내의 컨버터 디바이스들(106) 중 적어도 하나, 예컨대 도 1에 도시된 풍력 파크의 컨버터 디바이스들 전부에 감쇠 제어 신호(132)를 제공하기 위한 출력부(130)를 더 포함한다. 감쇠 표시 신호(126)에 응답하여, 감쇠 제어 신호(132)가 제공된다. 추가로, 감쇠 제어 신호(132)는, 컨버터 디바이스(106)를 구동시켜, 발전 디바이스의 전기 출력 전력을 변조시키고 그리고 이로써 전기 네트워크(128) 내의 전력 진동을 감쇠시키기 위하여 구성된다. 컨버터 디바이스(106)는, 전기 네트워크(128) 내의 전력 진동을 감쇠시키기 위하여, 감쇠 제어 신호(132)에 응답하여, 전기 출력 전력을 변조시키도록 구성된다.
실시예에 따라, 측정 디바이스(134)가 제공되고, 상기 측정 디바이스(134)는 진동 표시 신호(126) 또는 상기 진동 표시 신호(126)의 선행 신호를 제공하도록 구성된다.
도 1에서, 풍력 터빈 디바이스들 각각에 동일한 감쇠 제어 신호가 제공된다. 도 1에 도시되지 않은 다른 실시예들에 따라, 제어기(122)는 개별 감쇠 제어 신호를 각각의 풍력 터빈 디바이스에 제공한다.
도 2는 여기에 개시되는 청구대상의 실시예들에 따른 발전 디바이스(102)를 도시한다. 특히, 도 2는 도 1의 풍력 터빈 디바이스(102a)의 일부를 더욱 상세하게 도시한다. 실시예들에서, 다른 풍력 터빈 디바이스들(102b-102n) 중 하나 또는 그 초과가 풍력 터빈 디바이스(120a)와 유사하거나 동일하게 구성된다는 것이 이해되어야 한다.
풍력 터빈 디바이스(102a)는 회전자(136)를 포함하고, 상기 회전자(136)는 예컨대 샤프트(shaft)(138) 또는 기어(gear) 유닛(미도시)에 의하여 전력 발전기(104)에 기계적으로 결합되거나 또는 결합가능하다. 실시예에 따라, 발전 디바이스(104)는, 회전 엘리먼트(140)를 갖는 회전 머신을 포함한다, 예컨대 회전 머신으로 구성된다. 샤프트(138)는, 회전 엘리먼트(140)를 회전시키고 그리고 이로써 발전 디바이스(104)로 하여금 상기 발전 디바이스(104)의 출력부(144)에서 전기 전력(142)을 생성하도록 하기 위해 회전 엘리먼트(140)에 결합되거나 또는 결합가능하다. 실시예에 따라, 컨버터 디바이스(106)는, 전력 발전기(104)로부터 전기 전력(142)을 수신하기 위한 입력부(146)를 갖는다. 추가로, 컨버터 디바이스(106)는, 전기 출력 전력(150)을 제공하기 위한 출력부(112)를 포함한다.
실시예에 따라, 컨버터 디바이스(106)는 디바이스 제어기(152)를 포함하고, 상기 디바이스 제어기(152)는 감쇠 제어 신호(132)를 수신하고 그리고 그에 응답하여 컨버터 디바이스(106)의 엘리먼트들, 예컨대 반도체 엘리먼트들을 제어한다. 실시예에 따라, 디바이스 제어기(152)는 전력 발전기(104)의 제어를 위해 또한 구성된다. 디바이스 제어기(152)가 도 2에서 컨버터 디바이스(106) 내에 포함되는 것으로서 도시되지만, 이는 단지 예시적일 뿐인 것과, 다른 실시예들에서, 여기에 개시된 바와 같은 기능들을 여전히 제공하면서, 디바이스 제어기(152)가 별도의 제어기인 것이 주의되어야 한다. 따라서, 디바이스 제어기(152)가 공간적으로 어디에 위치되는지와 무관하게, 디바이스 제어기(152)는 컨버터 디바이스(106) 내에 기능적으로 포함되거나 그리고/또는 컨버터 디바이스(106)와 연관되는 것으로서 간주될 수 있다. 그러나, 이는, 디바이스 제어기(152)가 풍력 터빈 디바이스의 다른 엘리먼트들을 제어하는 것을 배제시키지 않는다. 그보다는, 실시예에서, 디바이스 제어기(152)는, 도 6 및 도 7에 관하여 이후에 설명되는 바와 같이, 회전 엘리먼트(140)의 속도 기준을 추가로 제어한다.
도 1에 도시된 실시예에 따라, 제어기(122)(감쇠 제어기로서 또한 지칭될 수 있음)는 풍력 파크의 일부이고, 그리고 풍력 파크의 적어도 하나의 풍력 터빈에 감쇠 제어 신호를 제공한다.
다른 실시예에서, 감쇠 제어기(122)는 단일 풍력 터빈 디바이스 내에 포함된다. 예컨대, 실시예에서, 감쇠 제어기(122)의 기능은 디바이스 제어기(152) 내에 포함된다.
도 3은 여기에 개시되는 청구대상의 실시예들에 따르는 풍력 파크(200)를 도시한다.
풍력 파크(200)는, 진동 표시 신호(126)가 전기 네트워크(128)로부터 수신되는 외부 진동 표시 신호라는 것을 제외하고서, 도 1의 풍력 파크(100)와 유사하다. 풍력 파크(200)의 다른 컴포넌트들은 도 1의 풍력 파크(100)의 개별 컴포넌트들과 유사하거나 또는 동일하게 구성되고, 그리고 상기 풍력 파크(200)의 다른 컴포넌트들의 반복된 설명이 생략된다.
다른 실시예(미도시)에 따라, 두 개 또는 그 초과의 측정 디바이스들(예컨대, 측정 디바이스(134)로서 구성됨)이 제공된다. 실시예에서, 측정 디바이스들(134) 중 하나를 제어기(122)의 입력부(124)로 선택적으로 스위칭(switching)하기 위해 스위치(switch)가 제공된다. 실시예에 따라, 적어도 하나의 측정 디바이스가 도 1에서 도시된 바와 같이 풍력 파크 내에 위치되는 반면에, 적어도 하나의 추가의 측정 디바이스가 전기 네트워크(128) 내에 위치된다.
도 4는 도 1 및 도 2의 제어기(122)를 더욱 상세하게 도시한다.
실시예에 따라, 제어기(122)는 진동 표시 신호(126)를 수신하기 위한 입력부(124)를 포함한다. 진동 표시 신호는 입력 컨디셔닝(conditioning) 유닛(154)에 제공되고, 상기 입력 컨디셔닝 유닛(154)은 진동 표시 신호(126)를 수신하기 위한 입력부(156)와 컨디셔닝된 진동 표시 신호(158)를 제공하기 위한 출력부(157)를 갖는다. 실시예에 따라, 입력 컨디셔닝 유닛(154)은 제어기(122)의 출력부(130)에서의 진동 플래그(flag)(160)를 예컨대 제어기(122)의 플래그 단자(161)에 제공하기 위한 플래그 출력부(159)를 포함한다. 실시예에 따라, 진동 플래그(160)는, 전기 네트워크 내에 전력 진동이 있는지의 여부를 발전 디바이스(102a, 102b, 102c, ..., 102n)에 표시하기 위하여 제공된다.
실시예에 따라, 제어기(122)는 제1 부제어기(162)와 제2 부제어기(164)를 포함하고, 여기서 제1 부제어기(162)는 전기 출력 전력의 유효 전력을 제어하도록 구성되고, 그리고 제2 부제어기(164)는 전기 출력 전력의 무효 전력을 제어하도록 구성된다. 실시예에 따라, 제1 부제어기(162)는 유효 전력의 안정화를 위해 필터 및/또는 제한기를 포함한다. 추가의 실시예에 따라, 제2 부제어기(164)는 무효 전력의 안정화를 위해 필터 및/또는 제한기를 포함한다.
감쇠 디바이스의 물리적 위치, 즉 임계적 진동 면에서 전기적 위치에 따라, 유효 전력 변조 및 무효 전력 변조의 조합을 이용하여 최선 감쇠 성능이 획득될 수 있다. 풍력 파크는 유효 전력 및 무효 전력의 독립적인 제어의 장점을 갖고, 그리고 풍력 파크 상의 진동 감쇠 제어기는 따라서 더 나은 감쇠 성능을 위해 둘 다를 사용할 수 있다. 실시예에 따라, 전체 제어기(122)는, 유효 전력 변조와 무효 전력 변조 사이의 안정화 동작을 저울질(weigh)하기 위해 사용된다. 제어기(122)는 풍력 파크 레벨 또는 풍력 터빈 레벨에 좌우될 수 있다. 제어기(122)가 풍력 파크 레벨에 좌우되면, 제어기(122)는 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이 유효 전력 및 무효 전력에 대한 기준 신호들을 풍력 터빈들에 배포한다. 풍력 터빈 레벨에서, 제어기는 제어기와 연관된 풍력 터빈 디바이스에만 유효 전력 및 무효 전력에 대한 기준 신호들을 제공한다.
여기에 개시되는 청구대상의 실시예들에 따라, 제1 부제어기(162) 및 제2 부제어기(164)에 의해 부과되는 제한치들은 고정적으로 미리정의된다. 다른 실시예에 따라, 제한치들은 풍력 터빈의 동작에 기초하여 동적으로 계산된다. 다른 실시예들에 따라, 제한치들은 가변적이고 그리고 예컨대 제한 유닛(166)에 의해 셋팅될 수 있다. 실시예에 따라, 제한 유닛(166)은 적어도 하나의 제1 제한치(167)를 제1 부제어기(162)에 제공하고 그리고 적어도 하나의 제2 제한치(168)를 제2 부제어기(164)에 제공한다.
제1 제한치(167) 및 제2 제한치(168)가 단지 예시적으로 도시된다는 것과 두 개 또는 그 초과의 제한치들이 각각의 부제어기(162, 164)를 위해 제한 유닛(166)에 의해 셋팅(set)될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
적어도 하나의 제한치(167) 및 컨디셔닝된 진동 표시 신호(158)에 응답하여, 제1 부제어기는, 전기 출력 전력의 변조에 대한 세트 포인트(point)를 표시하는 제1 응답 신호(170)를 제공하고, 상기 변조는 전기 네트워크(128) 내에서 진동 표시 신호(126)에 의해 표시되는 전력 진동을 감쇠시키기에 적절하다. 도 4에 도시된 실시예들에 따라, 제1 응답 신호(170)는 유효 전력에 대해 변조 세트 포인트를 제공한다. 마찬가지로, 무효 전력에 대해 변조 세트 포인트를 표시하는 대응하는 제2 응답 신호(171)가 제2 부제어기(164)에 의해 제공된다.
실시예에서, 제1 및 제2 부제어기(162, 164)의 응답 신호들(170, 171)은 감쇠 제어 신호(132)에 대응한다(또는 감쇠 제어 신호(132) 내에 포함된다). 다른 실시예들에서, 감쇠 제어 신호(132)를 획득하기 위해, 제1 부제어기(162) 및 제2 부제어기(164)에 의해 생성되는 응답 신호들(170, 171)은 추가로 프로세싱된다. 이 점에서, 일반적으로 여기에서 감쇠 제어 신호(132)가 반드시 단일 신호인 것이 아니라, 실시예에서, 동시에 제공되는 두 개 또는 그 초과의 신호들을 포함할 수 있다는 것이 언급되어야 한다.
실시예에 따라, 부제어기들(162, 164)의 응답 신호들(170 및 171)은 가중 유닛(172)에 의해 수신되고, 상기 가중 유닛(172)은 유효 전력 응답 신호(170)와 무효 전력 응답 신호(171) 각각에 대해 가중 함수를 수행한다. 가중 함수의 결과는, 유효 전력(P)에 대해 가중된 응답 신호(174)와 무효 전력(Q)에 대해 가중된 응답 신호(175)이다. 예컨대, 실시예에서, 유효 전력(P)에 대한 가중 함수는 무효 전력(Q)에 대한 응답 신호(171)를 고려한다. 마찬가지로, 개별 실시예에서, 무효 전력(Q)에 대한 가중 함수는 유효 전력(P)의 응답 신호(170)를 고려한다. 가중 함수는, 제어 루프(loop)들(162, 164)을 수정하는 것 없이, 유효 감쇠 전력과 무효 감쇠 전력 사이를 시프트(shift)시키는 편리한 방법이다. 이는, 또한, 총 감쇠 기여(P와 Q 둘 다)에 관련하여 이루어지고, 상기 총 감쇠 기여는 컨버터 내의 총 전류에 관련된다.
그래서, 감쇠 전력의 생성이 최대 허가가능 전류를 야기시킨다면, 가중 함수(가중 유닛(172))는 유효 전력과 무효 전력 사이의 가중을 선택하는 것을 허용한다.
실시예에 따라, 유효 전력(P) 및 무효 전력(Q)에 대해 각각 가중된 응답 함수(174, 175)는 감쇠 제어 신호(132)로서 사용된다. 다른 실시예에 따라, 유효 및 무효 전력(P, Q)의 가중된 응답 신호들(174, 175)은, 감쇠 제어 신호(132)를 산출하기 위해 추가로 수정된다. 예컨대, 실시예에서, 유효 전력(P)과 무효 전력(Q)에 관하여 추가의 제어 신호들을 제공하는 관리 제어 유닛(176)이 제공된다. 추가의 제어 신호들은, 제1 및 제2 부제어기(162, 164)의 응답 신호들(170, 171) 또는 개별 수정된 응답 신호(174, 175)와 합쳐질 수 있다. 예컨대, 실시예에서, 유효 전력(P)에 대한 수정된 응답 신호(174) 및 유효 전력(P)에 대한 추가의 제어 신호(178)를 입력으로서 수신하는 제1 합산 지점(177)이 제공되고, 상기 추가의 제어 신호(178)는 관리 제어 유닛(176)에 의해 제공된다. 수신된 입력 신호들(174, 178)에 응답하여, 제1 합산 지점(177)은 유효 전력(P)에 대한 감쇠 제어 신호(132a)를 제공한다. 따라서, 관리 제어 유닛(176)은 무효 전력(Q)에 대한 추가의 제어 신호(179)를 제공한다. 무효 전력에 대한 추가의 제어 신호(179) 그리고 무효 전력에 대한 수정된 응답 신호(175)를 수신하기 위해 제2 합산 지점(180)이 제공되고, 상기 제2 합산 지점(180)은, 그에 응답하여, 무효 전력(Q)에 대한 감쇠 제어 신호(132b)를 제공한다. 감쇠 제어 신호들(132a, 132b) 그리고 진동 플래그(160)는 개별 단자들(181a, 181b, 161)에 제공될 수 있고, 상기 단자들은 제어기(122)의 출력(130)을 형성한다.
제어기(122)의 전체 동작을 고려하면, 실시예들에 따라, 입력 신호(126)는 풍력 전력 파크(100, 200)로부터의 로컬 신호일 수 있거나 또는 개별 통신 링크, 예컨대 고속 통신 링크를 이용하여 원격 위치, 예컨대 전기 네트워크(128)로부터 전달될 수 있거나 어느 한 쪽이다. 입력 신호(126)는 예컨대, 버스 주파수, 라인 전류, 라인 전력 등 중에서 적어도 하나를 표시할 수 있다. 실시예에 따라, 원격 입력 신호(126)는 발전기 속도, 상호연결기 상의 유효 전력 등 중에서 하나 또는 그 초과를 포함할 수 있다. 입력 신호(126)는 첫째로 컨디셔닝 유닛(154)을 통과하고, 상기 컨디셔닝 유닛(154)의 설계는 입력 신호에 따라 좌우된다. 컨디셔닝 유닛(154)은 입력 신호로부터 측정 잡음을 제거하고 그리고 입력 신호로부터 전력 진동을 추출한다.
유효 전력 변조 및 무효 전력 변조를 독립적으로 결정하기 위해 두 개의 병렬인 부제어기들(162, 164)이 사용된다. 유효 전력 및 무효 전력의 독립적인 제어는, 물론 풍력 터빈 내의 컴포넌트들의 다양한 제한치들 내에서, 이들 신호들이 독립적으로 제어될 수 있다는 장점을 갖는다. 선택적 가중 및/또는 결합 동작 이후에, 신호는 감쇠 제어 신호로서 개별 풍력 터빈 디바이스들에 제공되고, 상기 개별 풍력 터빈 디바이스들은 그러한 감쇠 제어 신호를 수신하도록 그리고 따라서 자신의 컨버터를 제어하도록 구성된다.
도 5는 도 4의 제1 부제어기(162)를 더욱 상세하게 도시한다. 실시예에서, 도 4의 제2 부제어기(164)가 따라서 구성될 수 있음이 이해되어야 한다.
실시예에 따라, 부제어기(162)는 컨디셔닝된 진동 표시 신호(158)를 수신하기 위한 입력부(182)를 갖는다. 컨디셔닝된 진동 표시 신호(158)는 증폭기(183)에 의해 수신되고, 상기 증폭기(183)는, 그에 응답하여, 증폭된 진동 표시 신호(184)를 제공한다. 증폭된 진동 표시 신호(184)는 워시 아웃(wash out) 회로(185)에 의해 수신되고, 상기 워시 아웃 회로(185)는, 그에 응답하여, 미리-컨디셔닝된 진동 표시 신호(186)를 제공한다. 실시예에서, 워시-아웃 필터는, 입력 신호에 존재할 수 있는 임의의 DC(안정 상태) 성분을 제어하도록 구성된다. 감쇠 제어기는 진동들에만 응답해야하고, 따라서, 모든 DC 성분들이 이 실시예에서 입력 신호로부터 제거된다. 일 실시예에서, 미리-컨디셔닝된 진동 표시 신호(186)는, 적어도 하나의 위상 보상 필터를 포함한 위상 보상 필터 스테이지(stage)(187)에 의해 수신된다. 실시예에서, 위상 보상 필터는 리드/래그(lead/lag) 필터이다. 실시예에서, 위상 보상 필터는, 입력 신호 사이, 즉 진동 표시 신호(158)와 출력 신호(188) 사이의 위상차가 결과적 델타(Delta) P 및/또는 델타 Q가 진동의 감쇠를 증가시키도록 하는 것을 보장하도록 구성된다.
추가의 필터(189)가 제공되고, 추가의 필터(189)는, 상한 제한치(up)와 하한 제한치(lo) 내에서, 제공될 감쇠 전력을 표시하는 출력 신호(188)를 유지시킨다. 상한 제한치 및 하한 제한치는 개별 제한치 세트 포인트 신호들(190, 191)에 의해 셋팅되고, 상기 개별 제한치 세트 포인트 신호들(190, 191)은 제한 신호(167)로부터 추출된다. 추가의 필터(189)는, 제한치 세트 포인트 신호들(190, 191) 및 출력 신호(188)에 응답하여, 도 4에 대하여 이미 논의된 응답 신호(170)를 제공한다. 이러한 응답 신호(170)는 컨디셔닝 유닛(162)의 출력 단자(192)에 제공될 수 있다. 입력 신호들을 수신하기 위해, 즉 일 실시예에서 컨디셔닝된 진동 표시 신호(158) 및 제한 신호(167)를 수신하기 위해, 개별 입력 단자들(193, 194)이 제공될 수 있다.
이제 다시 도 4를 고려하면, 개별 감쇠 제어 신호들(132a, 132b)에 의해 제공되는, 감쇠 동작으로 인한 전력의 세트 포인트들의 변화들(ΔP 및 ΔQ)은, 실시예에서 개별 풍력 터빈들의 디바이스 제어기(152)(도 2를 보라)에 송신되고, 따라서 상기 디바이스 제어기(152)는 유효 전력 출력 및 무효 전력 출력을 레귤레이팅(regulate)한다. 무효 전력 변조(ΔQ)로부터의 감쇠 토크/감쇠 전력은 일 실시예에서 네트워크 측 컨버터로부터 직접적으로 핸들링(handle)된다. 이러한 네트워크 측 컨버터는 도 1 및 도 2에서 106으로 표시된다. 여기에 개시되는 청구대상의 실시예들에 따라, 풍력 터빈 디바이스들이 전력 발전기(104)와 네트워크 측 컨버터(106) 사이의 전력 경로 내에 결합되는 추가의 컨버터들을 포함할 수 있음이 주의되어야 한다. 다른 실시예들에서, 그러한 추가의 컨버터들은 생략된다. 유효 전력(P) 및 무효 전력(Q)의 레귤레이션(regulation)이 컨버터의 유효 전력(P) 및 무효 전력(Q)의 전력 능력과 그 전류 동작 포인트에 종속된다는 것이 이해되어야 한다.
일반적으로, 풍력 터빈은 바람직하게, 부가의 유효 전력이 전달될 수 있도록 동작되지 않는데, 그 이유는 풍력 터빈의 연료, 즉 풍력이 무료이므로 단축 생산이 원해지지 않기 때문이다.
그러나, 전력 시스템이 자신의 안정 상태로부터 교란될 때, 유효 전력 변조로부터 컨버터 디바이스(106)에 의한 감쇠 토크/감쇠 전력의 전달은 유효 전력의 전달에만 연관된다. 전기 네트워크 내에 전력 진동이 발생하지 않는 안정 상태에서, 감쇠 제어기(122)의 동작으로 인해 부가적인 유효 전력이 전달되지 않는다. 단순한 실시예에서, 이는, 정말, 풍력 터빈 디바이스 또는 풍력 전력 파크를 단축 전력 생산으로 동작시킴으로써 달성되고, 그리고 이로써 제어기(122)에 이용가능한 미리결정된 양의 유효 전력을 갖는다. 그러나, 위에서 언급된 바와 같이, 이는, 원해지지 않을 수 있다. 따라서, 다른 실시예에서, 제어 동작, 즉 컨버터 디바이스(106)의 전기 출력 전력의 변조로부터 에너지를 추출하거나 또는 넘겨주기 위하여, 발전기(104)의 기계 시스템의 회전 속도 기준은 디바이스 제어기(152)에 의해 변경된다. 그러므로, 이러한 실시예에서, 제어기(122)는 전력 발전기(104)의 기계 시스템 내에 저장된 회전 에너지, 특히 스토리지 ― 상기 스토리지로부터, 감쇠 전력이 교환될 수 있음 ― 로서 회전 엘리먼트(140)의 회전에 저장된 에너지를 사용한다. 전기 출력 전력의 변조의 진동 성질은, 변조된 유효 전력에서의 순에너지가 낮을 것이거나 또는 심지어 네거티브(negative)일 것임을 의미한다. 포지티브(positive) 유효 전력이 요구될 때, 에너지가 회전 시스템, 예컨대 회전 엘리먼트(140)로부터 인출되는 반면에, 기계시스템, 예컨대 회전 엘리먼트(140)의 회전 속도는 네거티브 감쇠 전력이 주입되는 경우 하프 사이클(half cycle)에서 증가된다.
도 6은 여기에 개시되는 청구대상의 실시예들에 따른 풍력 터빈 디바이스의 통상적인 감쇠 동작에 대한 단위당(per unit; pu) 유효 전력
Figure pat00003
을 도시한다. 알 수 있듯이, 유효 전력의 감쇠 진동은 단위당 약 0.1, 즉 풍력 터빈 디바이스의 정격 유효 전력의 약 10%의 진폭을 갖는다. 도 6에서 추가로 알 수 있듯이, 진폭은 시간에 따라 감소하고, 이는, 전기 네트워크 내의 전력 진동이 감소하고 그리고 따라서 또한 전력 진동을 감쇠시키기 위한 전기 출력 전력의 변조가 진폭에 있어서 감소함을 의미한다.
도 7은 단위당(pu) 전력 발전기의 회전 엘리먼트(140)의 회전 속도
Figure pat00004
× 10-3을 도시한다. 알 수 있듯이, 실시예에 따라, 회전 속도는 정격 속도에 있고, 그리고 편차는 0이다. 전기 출력 전력의 변조를 개시할 때, 두 개의 회전 상태들 사이의 부가적인 전력으로 하여금 컨버터 디바이스(106)에 피드되고 그리고 그에 따라 전력 출력부(108)에 출력되어, 도 6에서 도시된 유효 전력 변조를 제공하기 위하여, 풍력 터빈 디바이스의 회전 엘리먼트(140) 및 그에 따른 회전자(136)(도 2를 보라)의 회전 속도는 감소된다. 도 6에서 유효 전력 변조
Figure pat00005
의 감소하는 진폭에 따라, 회전 속도차들의 진폭이 또한 도 7에 도시된 바와 같이 시간에 따라 감소한다. 추가로, 실제 회전 속도와 정격 회전 속도 사이의 회전 속도의 차이는, 전기 네트워크 내의 전력 진동이 사라지는 것과 동일한 범위까지 시간에 따라 사라지는 경향이 있다. 실시예에서, 실제 회전 속도는 풍력 터빈 제어에 의해 제어된다. 도 7에서의 속도 편차는 안정 상태 값까지 감소할 것이고, 이는, 회전자로부터의 에너지 추출의 순량을 표현한다. 그리고, 제어를 이용하여, 명목 속도로부터의 이러한 안정 상태 편차가 제거된다.
도 8은 풍력 터빈 디바이스의 기계 시스템의 회전 속도, 즉 회전자(136) 및 회전 엘리먼트(140)의 회전 속도가 풍력 터빈 디바이스에 의해 제공되는 전기 출력 전력의 변조로 인해 변경되지 않는 실시예를 도시한다. 그럼에도 불구하고 전기 출력 전력의 변조를 허용하기 위하여, 전기 네트워크 내의 전력 진동의 검출시, 도 8에서 196으로 표시된, 유효 전력에 대한 기준 값(즉, 세트 포인트)이 예시적 실시예에서 정격 유효 전력(1pu, 도 8에서 195로 표시됨)으로부터 약 0.92로 감소된다. 도 8에서의 유효 전력 기준(196)의 이러한 감소는 응답의 초기 위상에서, 즉 유효 전력 변조의 초기 위상에서 이루어진다. 전력 출력부(108)에 제공되는 결과적 (변조된) 출력 전력은 도 8에서 197로 표시된다. 즉, 이러한 초기 위상에서, 예시적 실시예에서의 약 2초까지, 주로 네거티브 응답이 전달된다. 도 8로부터 알 수 있듯이, 이러한 접근에 의해 전달되는 초기 감쇠 토크/감쇠 전력은 더 적을 것인데, 그 이유는 단지 네거티브 응답만이 초기 상태에서 사용되기 때문이다. 그러나, 개별 실시예에서, 2초 이후, 197로 표시된 출력 전력의 변조가 포지티브 및 네거티브 하프 사이클 동안 이용가능하다. 다시, 도 6을 이용하여 이미 논의된 바와 같이, 도 8에서 197로 표시된 출력 전력의 변조의 진폭은, 전기 네트워크 내의 전력 진동이 또한 감소하므로, 시간에 따라 감소한다. 유효 전력 그리고 실제로 출력된 유효 전력(197)의 기준(196)은 도 8에서 단위당(pu) 주어진다. 풍력 터빈 디바이스의 정격 전력은 단위당(pu) 1의 값을 갖는다.
본 발명의 실시예들에 따라, 풍력 터빈 디바이스 또는 풍력 파크의 임의의 적절한 컴포넌트, 예컨대 제어기(122) 또는 디바이스 제어기(152)는, 프로세서 디바이스가 여기에 개시되는 바와 같은 개별 엘리먼트들의 기능을 제공하는 것을 가능케 하는 개별 컴퓨터 프로그램 물건들의 형태로 제공된다. 다른 실시예들에 따라, 풍력 터빈 디바이스 또는 풍력 파크의 임의의 컴포넌트, 예컨대 제어기(122) 또는 디바이스 제어기(152)는 하드웨어로 제공될 수 있다. 다른 ― 혼합된 ― 실시예들에 따라, 몇몇의 컴포넌트들이 소프트웨어로 제공될 수 있는 반면에, 다른 컴포넌트들은 하드웨어로 제공된다. 추가로, 별도의 컴포넌트(예컨대, 모듈)가 여기에 개시되는 기능들 각각에 대해 제공될 수 있음이 주의되어야 한다. 다른 실시예들에 따라, 적어도 하나의 컴포넌트(예컨대, 모듈)는 여기에 개시된 바와 같은 두 개 또는 그 초과의 기능들을 제공하도록 구성된다.
용어 "포함하는"이 다른 엘리먼트들 또는 단계들을 배제시키지 않고 그리고 단수형이 복수를 배제시키지 않는다는 것이 주의되어야 한다. 또한, 상이한 실시예들과 연관되어 설명된 엘리먼트들은 조합될 수 있다. 또한, 청구항들 내의 참조 부호들이 청구항들의 범위를 제한시키는 것으로서 해석되어서는 안된다는 것이 주의되어야 한다.
본 발명의 위에서 설명된 실시예들을 개괄하기 위하여, 아래가 언급될 수 있다:
전기 출력 전력을 전기 네트워크에 제공하기 위한 전력 출력부를 포함하는 발전 파크가 제공된다. 발전 디바이스는 컨버터 디바이스를 포함하고, 상기 컨버터 디바이스는, 전력 발전기로부터 입력 전력을 수신하도록 그리고 그에 응답하여 전기 출력 전력을 전력 출력부에 제공하도록 구성된다. 발전 파크는, 전기 네트워크 내의 전력 진동을 표시하는 진동 표시 신호를 수신하도록 구성되어 있는 제어기를 포함하고, 상기 제어기는 진동 표시 신호에 응답하여 감쇠 제어 신호를 제공하도록 추가로 구성되고; 상기 컨버터 디바이스는 감쇠 제어 신호에 응답하여 전기 출력 전력을 변조하여, 전기 네트워크 내의 전력 진동을 감쇠시키도록 구성된다. 실시예에서, 유효 전력 및 무효 전력은 독립적으로 변조된다. 추가의 실시예에 따라, 제어기는 발전 디바이스의 일부이다.
100, 200 발전 파크(예컨대, 풍력 파크)
102a,...102n 발전 디바이스(예컨대, 풍력 터빈 디바이스)
104 전력 발전기
106 컨버터 디바이스
108 전력 출력부
110 결합 경로
112 106의 출력부
114 디바이스 트랜스포머
116 버스 바
118 파크 트랜스포머
120 인터페이스
122 제어기
124 122의 입력부
126 진동 표시 신호
128 전기 네트워크(예컨대, 외부 그리드)
130 122의 출력부
132 감쇠 제어 신호
134 측정 디바이스
136 회전자
138 샤프트
140 회전 엘리먼트
142 전기 전력
144 104의 출력부
146 106의 입력부
112 106의 출력부
150 전기 출력 전력
152 디바이스 제어기
154 입력 컨디셔닝 유닛
156 154의 입력부
157 154의 출력부
158 컨디셔닝된 진동 표시 신호
159 플래그 출력부
160 진동 플래그
161 플래그 단자
162 제1 부제어기
164 제2 부제어기
166 제한 유닛
167 제1 제한치
168 제2 제한치
170 제1 응답 신호
171 제2 응답 신호
172 가중 유닛
174 유효 전력(P)에 대한 가중된 응답 신호
175 무효 전력(Q)에 대한 가중된 응답 신호
176 관리 제어 유닛
177 제1 합산 지점
178 추가의 제어 신호
179 추가의 제어 신호
180 제2 합산 지점
181a 유효 전력에 대한 응답 신호를 위한 단자
181b 무효 전력에 대한 응답 신호를 위한 단자
182 162의 입력부
183 증폭기
184 증폭된 진동 표시 신호
185 워시-아웃 회로
186 미리-컨디셔닝된 진동 표시 신호
187 위상 보상 필터 스테이지
188 제공된 감쇠 전력을 표시하는, 187의 출력 신호
189 추가의 필터
190, 191 세트 포인트 신호
192 출력 단자
193, 194 189의 입력 단자
195 컨버터 디바이스(106)의 정격 유효 전력
196 유효 전력에 대한 세트 포인트
197 전력 출력부(108)에 제공되는 변조된 출력 전력

Claims (15)

  1. 발전 디바이스로서,
    전력 발전기(104);
    전기 출력 전력(150)을 전기 네트워크(128)에 제공하기 위한 전력 출력부(112)를 갖는 컨버터 디바이스(106)
    를 포함하고,
    상기 컨버터 디바이스는, 상기 전력 발전기(104)로부터 입력 전력(142)을 수신하도록, 그리고 그에 응답하여, 전력 출력부(128)에 상기 전기 출력 전력(150)을 제공하도록 구성되고,
    상기 컨버터 디바이스(106)는, 감쇠 제어 신호(132)에 응답하여 상기 전기 출력 전력(150)을 변조시켜, 상기 전기 네트워크(128) 내의 전력 진동을 감쇠시키도록 구성되는,
    발전 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 감쇠 제어 신호(132)는 상기 전기 출력 전력의 유효 성분을 제어하기 위한 제어 신호(132a)를 포함하는,
    발전 디바이스.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 감쇠 제어 신호(132)는 상기 전기 출력 전력의 무효 성분을 제어하기 위한 제어 신호(132b)를 포함하는,
    발전 디바이스.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발전 디바이스는 회전 머신(104)을 포함하고, 상기 회전 머신(104)은 회전 엘리먼트(140)를 갖고, 그리고
    상기 컨버터 디바이스(106)는, 상기 감쇠 제어 신호(132)에 응답하여 상기 전기 출력 전력을 변조시켜, 상기 회전 엘리먼트(140)의 회전 에너지를 변경시키는,
    발전 디바이스.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발전 디바이스(102a, ... 102n)는 풍력 터빈 디바이스인,
    발전 디바이스.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 네트워크(128) 내의 전력 진동을 표시하는 진동 표시 신호(126)를 수신하도록 구성되어 있는 제어기(122)를 더 포함하고, 상기 제어기(122)는, 상기 진동 표시 신호(126)에 응답하여, 상기 감쇠 제어 신호(132)를 제공하도록 추가로 구성되는,
    발전 디바이스.
  7. 적어도 두 개의 발전 디바이스들을 갖는 발전 파크로서,
    상기 적어도 두 개의 발전 디바이스들 중 적어도 하나의 발전 디바이스(102a, ... 102n)는 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따라 구성되는,
    발전 파크.
  8. 적어도 두 개의 발전 디바이스들을 갖는 발전 파크로서,
    상기 적어도 두 개의 발전 디바이스들 중 적어도 하나의 발전 디바이스(102a, ... 102n)는 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따라 구성되고,
    상기 발전 파크는, 상기 전기 네트워크(128) 내의 전력 진동을 표시하는 진동 표시 신호(126)를 수신하도록 구성되어 있는 제어기(122)를 더 포함하고, 상기 제어기(122)는, 상기 진동 표시 신호(126)에 응답하여, 상기 감쇠 제어 신호(132)를 제공하도록 추가로 구성되는,
    발전 파크.
  9. 발전 디바이스(102a, ... 102n)의 제어기(122)로서,
    전기 네트워크 내의 전력 진동을 표시하는 진동 표시 신호(126)를 수신하기 위한 입력부(124);
    상기 진동 표시 신호(126)에 응답하여, 감쇠 제어 신호(132)를 컨버터 디바이스에 제공하기 위한 출력부(130)
    를 포함하고,
    상기 감쇠 제어 신호(132)는, 상기 컨버터 디바이스를 구동시켜, 상기 발전 디바이스(102a, ... 102n)의 전기 출력 전력을 변조시키고 그리고 이로써 상기 전기 네트워크 내의 전력 진동을 감쇠시키기 위하여 구성되는,
    발전 디바이스(102a, ... 102n)의 제어기(122).
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 전기 출력 전력의 유효 성분을 제어하기 위한 제1 부제어기(162); 및
    상기 전기 출력 전력의 무효 성분을 제어하기 위한 제2 부제어기(164)
    를 포함하는,
    발전 디바이스(102a, ... 102n)의 제어기(122).
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 제어기(122)는, 상기 진동 표시 신호에 응답하여, 상기 컨버터(106)에 의해 제공될 유효 전력의 기준 값(196)을 감소시키도록 구성되는,
    발전 디바이스(102a, ... 102n)의 제어기(122).
  12. 전기 출력 전력을 전기 네트워크에 제공하도록 구성된 컨버터 디바이스(106)의 제어기를 동작시키는 방법으로서,
    상기 전기 네트워크 내의 전력 진동을 표시하는 진동 표시 신호(126)를 수신하는 단계;
    상기 진동 표시 신호(126)에 응답하여 감쇠 제어 신호(132)를 상기 컨버터 디바이스(106)에 제공하는 단계
    를 포함하고,
    상기 감쇠 제어 신호(132)는, 상기 컨버터 디바이스(106)를 구동시켜, 상기 컨버터 디바이스(106)의 전기 출력 전력을 변조시키고 그리고 이로써 상기 전기 네트워크(128) 내의 전력 진동을 감쇠시키기 위하여 구성되는,
    방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 진동 표시 신호(126)에 응답하여, 상기 컨버터(106)에 의해 제공될 유효 전력의 기준 값(196)을 감소시키는 단계
    를 더 포함하는,
    방법.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 감쇠 제어 신호(132)는, 상기 컨버터 디바이스(106)를 구동시켜, 회전 머신(104)의 회전 엘리먼트(140)의 회전 에너지를 변경시킴으로써, 상기 전기 네트워크(128)와 발전 디바이스(102a, ... 102n)의 상기 회전 머신(104) 사이에서 전력을 교환시키기 위하여 구성되는,
    방법.
  15. 물리적 물체, 즉 진동 표시 신호를 프로세싱하기 위한 컴퓨터 프로그램으로서,
    데이터 프로세서 디바이스에 의해 실행되고 있을 때, 제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 제어하도록 적응되는,
    컴퓨터 프로그램.
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