KR20170128520A - 기어리스 풍력 터빈의 동기식 발전기를 제어하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기어리스 풍력 터빈의 동기식 발전기를 제어하는 방법에 관한 것이고, 상기 동기식 발전기는 전기 역학 로터 및 스테이터를 포함하여, 상기 스테이터에 대해 상기 로터를 회전시킴으로써 전력을 생성하고, 스테이터 상에 다상 출력 전류를 생성하는 단계, 상기 출력 전류를 정류기에 공급하는 단계, 상기 발전기의 토크 리플이 감소되도록 상기 정류기에 의해 상기 출력 전류를 제어하는 단계를 포함한다.

Description

기어리스 풍력 터빈의 동기식 발전기를 제어하는 방법

본 발명은 기어리스(gearless) 풍력 터빈의 동기식 발전기를 제어하는 방법에 관한 것이다. 또한 본 발명은 기어리스 풍력 터빈의 동기식 발전기 및 이와 연결된 정류기를 포함하는 발전기 유닛에 관한 것이다. 또한 본 발명은 풍력 터빈에 관한 것이다.

풍력 터빈은 잘 알려져 있다. 풍력 터빈은 바람으로부터 전기 에너지를 생성한다. 이를 위해 많은 현대의 풍력 터빈은 바람에 의해 구동되는 교류 전류를 생성하는 동기식 발전기를 사용한다. 이러한 교류 전류는 정류되고, 정류기를 통해 전기 공급 네트워크로 공급된다.

기어리스 풍력 터빈은 여기서 동기식 발전기를 구동하는데, 보다 정확하게는 회전자로도 불릴 수 있는 로터를 로터 블레이드를 포함하고, 바람에 의해 구동되는 공기 역학적 로터를 통해 직접 구동한다. 이에 상응하여 발전기의 회전자 또는 로터는 공기 역학적 로터와 동일한 회전 속도로, 즉 비교적 느리게 회전한다. 회전 속도는 여기서 약 5 내지 15 회전/분 범위일 수 있다. 이에 상응한 매우 높은 극 발전기가 제공된다. 바람직하게는 링 발전기로서 설계되고, 따라서 에어 갭을 포함하는 환형 섹션에만 전기 및 전자기 활성 영역을 갖는다.

이러한 기어리스 풍력 터빈의 발전기는 통상적으로 5 m 범위의 직경을 갖는다. 예를 들어 E126 유형의 에너콘(Enercon GmbH) 풍력 터빈과 같은 다수의 견본은 심지어 약 10 m의 링 갭 직경을 갖는다. 이러한 발전기는 종종 적어도 풍력 터빈의 나셀의 대략적인 크기를 결정한다. 여기서 이러한 발전기는 그 크기로 인해, 이에 상응하여 환경에 방출될 수 있는 소음을 발생시킬 수 있으며, 또한 종종 더 큰 부분이 될 수 있는 나셀 커버 또는 스피너 및 로터 블레이드와 같은 연결된 요소를 통해 환경으로 방출될 수 있다. 이러한 소음 현상은 원칙적으로 바람직하지 않다. 이러한 소음이 비교적 높은 고도의 지상에서 방출됨에도 불구하고, 여전히 풍력 터빈 근처의 지면에서 또한 감지될 수 있다. 이에 상응하여 풍력 터빈을 사람이 사용하는 거주 단지 및 기타 기역으로부터 멀리 유지해야 한다는 요구가 있다. 이러한 증가된 거리에 대한 요구로 인해 풍력 터빈의 설치 가능한 영역은 줄어들고, 따라서 풍력 터빈의 설치가 점점 어려워지고 있다.

독일 특허 및 상표청은 우선권 대상인 독일 특허 출원에서 다음과 같은 문서를 조사하였다: US 2003/0 085 627 및 WO 2013/175 050 A1.

따라서 본 발명의 목적은 전술한 문제점 중 적어도 하나를 해결하는 것이다. 특히 풍력 터빈의 음향 출력을 줄이기 위한 해결 방안이 개시되어야 한다. 적어도 대안적인 해결 방안은 지금까지 알려진 해결 방안과 비교하여 제안되어야 한다.

본 발명에 따라 청구항 제1항에 따른 기어리스 풍력 터빈의 동기식 발전기를 제어하기 위한 방법이 제안된다. 여기서 동기식 발전기는 전력을 생성하기 위해, 공기 역학 로터와 결합된 전자기 로터 또는 간단히 말해 로터 또는 회전자 및 스테이터를 포함한다. 생성은 로터 또는 회전자가 스테이터에 대해 회전됨으로써 이루어진다. 이하에서 로터라는 개념은 발전기의 로터 또는 회전자를 지칭하는 데 사용된다.

이러한 경우 스테이터 상에 다상(multi-phase) 출력 전류가 생성되고, 이러한 출력 전류는 정류기에 공급된다. 이때 발전기의 토크 리플(torque ripple)이 감소되도록 정류기에 의해 출력 전류가 제어되는 것이 제안된다. 정류기는 따라서 스테이터 상에 출력 전류를 제어하고, 따라서 결과적으로 스테이터 전류를 제어한다. 정류기는 이를 위해 제어된 다이오드 또는 제어된 반도체 스위칭을 포함하여, 스테이터의 출력 전류가 제어될 수 있고, 제어는 발전기의 토크 리플이 감소되도록 이루어진다.

토크 리플은 또한 로터가 회전하는 동안 로터 폴(rotor pole)이 하나의 스테이터 치에서 다음 스테이터 치로 전이할 때 발생하는 래칭 토크를 포함한다. 래칭 토크에 추가적으로 스테이터 좌표에서 사인형(sinusoidal)이 아닌 로터 플럭스에 의한 추가적인 효과가 있다.

이러한 토크 리플은 본질적인 현재 스테이터 전류에 따라 달라진다. 이때 이에 상응하여 스테이터 전류를 리플이 상쇄되도록 적절하게 제어하는 것이 제안된다. 이상적으로는 0으로 감소된다. 예시적으로 단순화하자면, 스테이터 전류는 상호 리플을 중첩하도록 제어된다. 또한 래칭 토크도 사용자가 인식한다면 특별히 보상될 수 있다. 그럼에도 불구하고 토크 변동은 검출되고 고려되도록 남아 있어야 한다.

이러한 스테이터 전류의 영향 및 스테이터 상에 자기장의 영향은 정류기의 대응하는 제어에 의해 영향을 받을 수 있다. 스테이터 전류의 적절한 중첩이 대략 비슷해야 하기 때문에, 전체 에너지 균형에 어떤 영향도 미치지 않거나, 어떠한 유의미한 영향을 미치지 않아야 한다.

따라서 바람직하게는 출력 전류, 즉 스테이터의 출력 전류에 정류기에 의한 이러한 제어에 의해 전류 형태가 부여된다. 특히 리플이 부여된다. 이상적으로는 스테이터 전류는 사인형이다. 균일한 토크에 대한 전류 형태는 발전기의 설계와 작동 시점에 따라 다르다. 스테이터 치 사이의 전이가 이상적이지 않음으로써 이상적인 사인형 스테이터 전류에서 전술한 리플이 얻어진다. 이때 스테이터 전류에 단순화된 용어로 상호 리플이 부여되어 다음 스테이터 치로의 전이를 통해 리플을 보상할 수 있다. 그러나 이러한 이상적인 보상이 달성될 수 없다면, 적어도 토크 리플의 감소가 달성되어야 한다.

일 실시예에 따르면, 동기식 발전기는 6상 발전기로서 설계되고, 정류기는 6상 조정형 정류기로서 실행된다. 따라서 6상 시스템이 제어될 수 있다. 바람직하게는 이러한 6상 시스템은 30°만큼 위상 변위된 2개의 3상 시스템으로서 실행된다. 2개의 3상 시스템은 여기서 특히 스테이터 상에 갈바니 방식으로 개별적으로 안내될 수 있다. 그러나 이들은 동일한 스테이터 상에 제공되고, 특히 와인딩되고 정류기 상에 동일한 DC 회로의 정류기로 급전할 수 있다. 그러나 특히 3상 시스템과 6상 시스템은 모두 제어 시스템의 전체 시스템으로 간주되는 것이 바람직하다. 이에 상응하여 여기서 6상 조정형 정류기가 제공된다. 특히 상응하는 제어된 정류기에 의해 스테이터의 출력 전류에, 즉 6상 출력 전류에 이에 상응하는 전류 형태가 부여될 수 있다. 이 점에서 6상 전류는 6개의 개별 전류로 구성된 시스템으로 이해되어야 하며, 이 전류는 사인형의 기본파의 관점에서 서로에 대해 정확히 상쇄되고, 즉 30°의 배수만큼 서로 변위된다.

일 실시예에 따르면, 로터 플럭스라고 지칭될 수 있는 로터가 포함하고 그리고 경우에 따라서는 또한 간단하게 스테이터 플럭스라고 지칭될 수 있는 스테이터 또는 기계 전체가 포함하는 자기 플럭스에 의해 방출된다. 여기서 출력 전류, 즉 스테이터의 출력 전류가 로터의 자기 플럭스, 즉 로터 플럭스에 따라 제어되는 것이 제안된다. 로터의 자기 플럭스 또는 로터 플럭스는 따라서 토크 리플의 감소를 위한 제어에 대한 적어도 하나의 입력 변수이다. 여기서 로터 플럭스는 특히 6상 동기식 발전기 또는 6상 정류기의 출력 전류의 제어를 위해 사용된다. 일반적으로 제안된 방법을 통해, 특히 로터 플럭스의 사용을 통해 출력 전류의 제어는 토크 리플을 감소하기 위한 6상 시스템에 대해 또한 달성될 수도 있다.

이 경우 실시예는 로터 플럭스의 출력 전류를 제어하기 위해 상태 옵저버(observer)의 사용을 통해 관측되는 것을 제안한다. 출력 전류, 즉 스테이터 전류는 따라서 관측된 로터 플럭스에 따라 제어된다.

로터 플럭스의 사용상 문제점은, 간단하게 측정될 수 없다는 것이다. 또한 측정이 되거나 측정이 가능할 때, 정확성에 문제가 발생할 수 있으며, 특히 이러한 경우에는 시간적 정확성이 중요하다. 필요한 장비의 복잡성과는 별도로 측정의 물리적 효과 및 측정의 평가는 규정상의 사용에 문제를 일으킬 수 있다. 따라서 여기에 상태 옵저버가 제안된다. 이러한 상태 옵저버는 상응하는 상태, 즉 여기서는 로터 플럭스를 관측할 수 있다. 이것은 상태 옵저버가 시스템 및 추가 입력 변수, 경우에 따라서는 복수의 추가 입력 변수 중 하나에 대한 지식으로부터 로터 플럭스를 결정할 수 있음을 의미한다.

적어도 상태 옵저버의 원리를 구체적으로 설명할 수 있는 하나의 가능성은, 상태 옵저버가 시스템을 설명하는 관측된 시스템과 평행한 모델을 작동하는 방식으로 구축된다는 데에 있다. 시스템의 적어도 하나의 출력 변수를 모델의 대응하는 출력 변수와 비교함으로써, 시스템의 관측된 상태인 모델의 상태를 가능한 한 시스템의 실제 상태로 조정하려는 시도가 이루어진다. 따라서 이러한 방식으로 관측된 상태, 즉 특히 관측된 로터 플럭스의 성분이 실제 상태, 즉 실제 로터 플럭스의 성분을 뒤늦게 따라가지 않는 것이 달성된다. 이에 상응하게 제어는 또한 시간적으로 정확하게 수행될 수 있다.

이 경우, 간단히 표현하자면, 스테이터의 출력 전류는 토크의 리플이 가능한 한 보상될 수 있도록, 특히 상응하는 전류 형태의 상응하는 상호 연결을 통해 보상될 수 있도록 제어되어야 한다는 것을 기억해야 한다. 상응하는 리플의 전류 신호의 이러한 연결이 충분히 시간 제어되지 않으면, 심지어 토크 리플이 더 증가할 위험이 있다. 이는 상태 옵저버의 사용으로 피할 수 있다.

바람직한 실시예는 발전기가 6상으로 설계되고, 즉 스테이터가 연결되지 않은 스타 포인트(star point)를 구비하는 이중 스타 회로를 구비하는 것을 제안한다. 따라서 스테이터에는 2개의 3상 시스템이 제공되며, 각 시스템은 별 모양으로 연결된다. 2개의 스타 포인트는 연결되지 않으며, 특히 공동의 접지 도체를 통해 간접적으로 연결되지 않는다. 따라서 이러한 2개의 3상 시스템은 또한 본질적으로 필연적으로 대칭이다.

발전기는 작동 중 전류와 플럭스에 의한 상호 작용을 통해 발생하는 토크를 포함하고, 이러한 변수는 좌표 변환을 통해 4개의 축을 구비하는 이중 D/Q-시스템으로 변환된다. 여기서 4개의 축 각각에는 전류 성분 및 로터 플럭스 성분이 각각 할당된다.

따라서 이러한 식은 3상 시스템이 2개의 직교 성분, 즉 D-성분 및 Q-성분을 갖는 시스템으로 변환되는 간단한 D/Q-좌표 변환에 기초한다.

이러한 6상 시스템의 검출을 위해 여기에 이중 D/Q-시스템 또는 이중 D/Q-변환으로 지칭되는 2개의 상응하는 D/Q-시스템으로의 변환이 제안되고, 이하에서 예시적인 계산 규칙에 의해 보다 상세하게 설명된다.

이 경우, 이러한 이중 D/Q-시스템에서 발생하는 4개의 축 각각은 각각 하나의 스테이터 전류 성분 및 하나의 로터 플럭스 성분으로 할당된다. 따라서 스테이터 전류뿐만 아니라 로터 플럭스에 대한 제1 D-성분, 제1 Q-성분, 제2 D-성분 및 제2 Q-성분이 있다. 여기서 스테이터 전류는 간단하게 전류로만 지칭된다. 동시에 기본적으로 스테이터를 지칭하는 전류 성분 및 설정 전류에 대해서도 동일하게 적용된다.

이러한 시스템에서 일정한 설정 토크를 사전 설정하기 위해, 4개의 축 각각에 대해 각각의 설정 전류를 갖는, 이상적으로 도달되어야 하는, 즉 리플 없는 설정 전류 벡터가 사전 설정된다. 설정 전류 벡터는 따라서 4개의 전류 성분, 즉 제1 D/Q-시스템에 대해 각각 2개 그리고 제2 D/Q-시스템에 대해 2개를 갖는다.

이에 관하여 설정 전류 벡터 및 출력 전류를 제어하기 위한 설정 값은 간단한 방식으로 사전 설정될 수 있다. 변환을 위해 최종적으로 재변환, 또는 대응하는 스위칭 명령에서의 변환 또는 제어된 정류기에 대한 조작 명령이 제공되어야 한다.

일 실시예에 따르면, 출력 전류의 제어를 위해 로터 플럭스 성분의 관측 가능성을 허용하는 상태 공간 표현이 사용되는 것이 제안된다. 우선, 이것은 상태 공간 표현 형태의 표현이 전혀 선택되지 않았다는 것을 의미한다. 상태 공간 표현 또는 상태 공간 묘사라는 용어는 당업자에게 익숙하다. 그럼에도 불구하고 이 시점에서 특히 입력-출력 묘사의 경계에서 개별적이고, 또한 내부적인 상태 변수가 상호 작용에 묘사되는 것을 언급해야 한다. 이는 행렬 표기로도 요약될 수 있는 방정식 시스템을 통해 규칙적으로 이루어진다. 로터 플럭스 성분은 상태 변수로 선택될 수 있다.

추가적으로 시스템 묘사는 스테이터 플럭스 성분을 포함할 수 있으며, 로터 플럭스 성분과 동일한 방식으로 이를 처리할 수 있다. 이를 통해 로터 플럭스 성분 및 스테이터 플럭스 성분을 포함할 수 있는 선택된 상태 변수는 이에 상응하는 시스템 상태로서 선택된 시스템 표현에 존재하며, 이러한 시스템 상태를 포함하는 모델로 호출될 수 있다.

시스템의 관측 가능성은 기본적으로 시스템의 특성이지만, 시스템의 적절한 묘사, 특히 입력 및/또는 출력 변수의 적절한 선택에 의해 영향을 받을 수 있다. 관측될 시스템 변수에 직접적으로 그리고 명백하게 종속적인 특정 출력 변수가 선택되면, 관측 가능성이 주어질 수 있다. 이러한 의미에서 상태 공간 표현은 로터 플럭스 성분이 시스템 상태를 형성하고 관찰 가능한 방식으로 선택된다.

바람직하게는 모든 자기 스테이터 플럭스 성분의 관측 가능성도 또한 주어지는 것이 제안된다. 특히 여기서 모든 로터 플럭스 성분 및 모든 스테이터 플럭스 성분이 상태 공간 표현에서 시스템 상태로서 사용된다는 것이 제안된다. 시스템 상태 또는 시스템 상태 변수는 여기서 규정 기술상으로 간소화되고 또한 간단하게 상태로 지칭될 수도 있다.

이 표현은 로터 플럭스 성분만을 상태로 사용하거나 로터 플럭스 성분 및 스테이터 플럭스 성분만을 사용하는 것에 국한될 필요는 없다. 추가 시스템 상태가 또한 존재할 수도 있다.

추가적인 실시예는 로터 플럭스 성분 및 필요하다면 스테이터 플럭스 성분은 4개의 축을 구비하는 변형된 이중 D/Q-시스템에서 표현에 기초하여 칼만 필터(Kalman filter)를 통해 관찰되는 것을 제안한다. 따라서 로터 플럭스 성분은 상태로 선택되고 필요하다면 추가적으로 스테이터 플럭스 성분도 또한 선택된다. 2가지 경우에서 이러한 시스템의 표현은 변형된 이중 D/Q-시스템에서 이루어진다. 따라서 이를 토대로 칼만 필터에 의한 관측이 이루어진다. 상태 관측, 즉 관찰될 시스템의 모델에 기초한 상응하는 상태 변수, 즉 로터 플럭스 성분 및 필요하다면 추가적으로 스테이터 플럭스 성분의 결정이 이루어진다.

이러한 모델의 고려, 입력 및 출력 변수의 고려, 특히 출력 시스템 또는 출력 신호의 편차 또는 복수의 편차의 고려를 통해 한편으로는 시스템과 다른 한편으로는 모델 사이에 그리고 외란 변수에 대한 확률론적 숙고를 고려하여 칼만 필터 값은 각각의 관측된 시스템 상태를 전달한다. 이를 토대로 스테이터 전류에 대한 설정값이 결정되고 그 다음 정류기의 해당하는 조종을 통해 변환될 수 있다.

칼만 필터의 사용은 특히 전술한 실시예에 제안되지만, 여기서 특히 교란 변수의 고려를 위해 상태 관측자의 실시예를 위한 기본적인 해결 방안으로도 제안된다. 회피되어야 할 토크 변동은 시스템적이고 주기적인 문제임에 유의해야 한다. 그럼에도 불구하고, 본 발명에 따르면 특히 확률적 교란이 고려될 때, 양호한 해결 방안이 제공될 수 있고, 칼만 필터의 사용이 해결 방안으로서 제안된다는 것이 밝혀졌다.

본 발명에 따르면, 청구항 제10항에 따른 발전기 유닛이 또한 제안된다. 이러한 발전기 유닛은 기어리스 풍력 터빈의 동기식 발전기 및 이와 연결된 정류기를 포함한다. 동기식 발전기 유닛은 전술한 복수의 실시예 중 적어도 하나에 따른 방법에 의해 동기식 발전기를 제어하도록 준비된다. 이와 관련하여 발전기 유닛은 동기식 발전기 및 정류기를 필요로 하며, 생성된 전류, 즉 스테이터 전류가 동기식 발전기를 통해 생성되지만, 이에 연결된 정류기에 의해 영향을 받기 때문에 이 두 성분은 함께 작용한다.

전체 및 전체의 제어를 통해, 생성된 전류가 우선 제어될 수 있고, 따라서 특히 토크 변동으로 인해 발생하는 소음을 감소시키는 것이 또한 가능하다. 이러한 토크 변동은 스테이터 전류에만 좌우되는 것이 아니기 때문에 영향을 미칠 수 있다.

또한 본 발명에 따르면, 적어도 하나의 실시예에 따른 발전기 유닛을 갖는 풍력 터빈이 제안된다. 상기 실시예와 관련하여 설명된 이점은 발전기의 작동 중 토크 변동을 감소시키는 데 궁극적으로 유용하다. 이를 통해 혹시 일어날지도 모르는 진동까지 감소될 수 있다. 진동은 결국 소음 발달을 초래할 수 있다. 이러한 소음의 발달 또는 직접적인 진동은 특히 풍력 터빈의 넓은 면적 요소로 전달되어 소리로 방출된다. 여기에는 나셀 커버 및 로터 블레이드도 또한 포함될 수 있다. 이와 관련하여 발전기 토크의 이러한 변동의 감소는 전체적으로 풍력 터빈 즉, 발전기 유닛, 즉 발전기와 연결된 인버터에 중요하다. 이를 통해 풍력 터빈 전체를 보다 조용하게 만들 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 실시예에 의해 이하에서 보다 상세하게 설명된다.

도 1은 풍력 터빈의 사시도를 개략적으로 도시한다.
도 2는 상호 연결된 정류기 및 추가의 상호 연결을 구비한 동기식 발전기의 공급을 위한 장치의 구조를 개략적으로 도시한다.
도 3은 발전기 유닛의 추가적인 구조, 즉 이에 연결된 정류기를 갖는 동기식 발전기를 개략적으로 도시한다.
도 4는 관측자의 사용을 포함하는 동기식 발전기를 제어하는 방법의 도해를 개략적으로 도시한다.

도 1은 타워(tower)(102) 및 나셀(nacelle)(104)을 구비한 풍력 터빈(100)을 도시한다. 3개의 로터 블레이드(108) 및 스피너(110)를 가진 로터(106)가 나셀(104)에 배치된다. 로터(106)는 작동 시, 바람에 의해 회전 운동하게 되고, 이로 인해 나셀(104) 내의 발전기를 구동한다.

도 2는 동기식 발전기(201)로부터 전기 네트워크(202)로 전류를 공급하기 위한 장치(200)를 도시한다. 이를 위해 동기식 발전기(201)는 정류기 유닛(204)에 공급되고, 정류되는 전류를 생성하기 위해 제공된다. 여기서 상응하는 DC 전압을 증가시키기 위해, 스텝 업 컨버터(step up converter)(206)가 제공될 수 있고, 인버터(208)가 전기적 교류를 생성하기 위해 제공된다.

도시된 동기식 발전기(201)는 총 6개의 전류 라인(210)이 제공되도록 2개의 3상 시스템을 가지며, 즉 3개의 라인마다 2번씩 제공된다. 여기서 2개의 3상 시스템은 정류기(204 또는 204')에 개별적으로 공급되고 또한 인버터(208 또는 208')에 의해 개별적으로 교류로 변환된다. 그러나 바람직하게는 2개의 3상 시스템이 정류 후에 결합되어 단일 DC 전압 중간 회로로 인도되는 것이 제안된다.

이러한 의미에서 도 3에서 마찬가지로 2개의 3상 시스템, 즉 제1 3상 시스템(1211) 및 제2 3상 시스템(1212)을 포함하는 동기식 발전기(301)를 도시한다. 이러한 2개의 3상 시스템(1211 및 1212)은 대체로 동기식 발전기(301)의 스테이터에 관련된다. 이들은 여기서 단지 개개의 회로로 설명하기 위해 개략적으로 도시되었지만, 스테이터 캐리어, 특히 스테이터 링 상에 구조적으로 배치된다. 로터는 보다 나은 명확성을 위해 여기에 도시되지 않았으며, 직류 여기를 갖는 다극 로터로서 설계될 수 있다. 또한 스테이터의 2개의 3상 시스템(1211 및 1212)은 여기서 예시적으로 각각 제1, 제2 및 제3 상(1213, 1214 및 1215 또는 1216, 1217 및 1218)이 각각 도시된다. 그러나 이러한 상의 각각은 직렬로 연결된 복수의 코일에 의해 형성될 수 있다. 각각 유도된 3상 전압 또는 그 결과의 3상 전류는 따라서 정류기(141)에서 정류되고 여전히 DC 전압으로서 DC 전압 중간 회로(143)에 사용 가능하다.

따라서 2개의 3상 시스템으로부터 DC 전압, 즉 DC 전압 회로(143)가 생성된다.

도 4는 동기식 발전기를 제어하기 위한 본 발명에 따른 방법의 실시예를 개략적으로 설명한다.

우선 공기 역학 로터(412)에 의해 구동되는 동기식 발전기(401)로부터 방법을 진행한다. 동기식 발전기(401)는 2개의 3상 시스템을 포함하므로, 6개의 출력 라인(414)이 그로부터 나오고 제어된 정류기(404)로 이어진다. 2개의 3상 시스템은 동기식 발전기(401)에서 도 3에 또한 도시된 바와 같이 별 형상으로 접속될 수 있다. 정류기(404)는 또한 2개의 3상 시스템이 DC 전압(416)에 정류되는 한 도 3에 따른 정류기(141)에 대응한다.

정류기(404)의 제어를 위해, 2개의 제어 유닛(418)이 개략적으로 도시되어 있고, 이하에서 설명되는 방법의 일부를 변환하고, 단일 제어 유닛 및 다양한 분산 개별 제어 유닛으로 실현될 수 있다. 제어 유닛(418)은 예를 들어 DC 전압(416)을 변류하기 위해 차후에 요구되는 다른 제어 유닛과 결합될 수 있다.

이 방법은 동기식 발전기(401)의 로터의 현재 회전 위치를 나타내는 회전각(θ)이 우선 기록되도록 작동한다. 동시에 동기식 발전기(401)의 출력 전류 및 출력 전압이 기록된다. 이를 위해 측정 블록(420)이 제공된다. 여기서 단순화를 위해 기록된 출력 전류는 i로 표시되고, 도체-스타 포인트 전압으로 기록될 수 있는 기록될 출력 전압은 u로 표시된다.

따라서 측정 블록(420)에서 전류 및 전압은 회전각(θ)과 같이 2개의 3상 시스템에 대한 측정 값으로서 이용 가능하다.

이러한 값은 변환 블록(422)으로 전송되며, 소위 d/q-변환이 이들 2개의 상 각각에 대해 수행된다. 결과는 2개의 3상 시스템 각각에 대한 전류(i)뿐만 아니라 전압(u)에 대해 각각 d-성분 및 q-성분이다. 따라서 각 변환 시간에 총 8개의 구성 성분을 사용할 수 있다.

동시에 또는 이전에, 상태 공간 표면에서 상호 연결된 동기식 발전기의 기본 모델이 모델 블록(424)에 제공된다. 완전한 고전적 상태 모델과 비교할 때, 이것은 D-부분을 포함하지 않으므로 출력(y)에 직접 작용하는 조작된 변수(u)가 없다. 주의 사항으로서, 상태 공간 모델 및 문자(u)의 이 단락에서, 특히 측정 블록(420)으로부터 동기식 발전기(401)에서 측정된 것이 아닌 일반적으로 조작된 변수에 대한 전압(u)을 나타내는 것으로 지적되어야 하고, 언급된 D-부분은 d/q-시스템으로의 변환의 d-성분을 나타내지 않는다.

관측기 블록(426)은 모델 블록(424)의 모델을 사용하여 변환 블록(422)로부터 얻어진 d-성분 및 q-성분을 고려하여 가능한 한 면밀하고 정확하게 로터 플럭스(Ψτ)를 관찰한다. 입력 변수와 모델 묘사 외에도 필요 행렬 Q 및 R이 필요하다. 이들은 원하는 역학을 제공하는데, 특히 관측 오차가 규제되어야 하며 예상되는 외란을 고려해야 한다. 따라서 관측기 블록(426)에서 칼만 필터가 실현된다. 후자는 로터 플럭스(Ψτ)를 관측 또는 결정하지만, 모델 블록(424)에서의 모델의 대응 수정에 의해 추가 변수, 특히 스테이터 플럭스( ψr )를 관측하는 것도 가능하다.

이에 기초하여, 칼만 필터, 특히 필터 행렬 Q 및 R의 파라미터화는 이미 알려진 방식으로, 특히 대응하는 행렬 리카티(Riccati) 방정식을 푸는 것에 의해 설계될 수 있다. 인덕턱스(L_DQ)는 아래에서 상세히 설명하는 것처럼 출력 행렬 C로 흐른다. 또한 일 실시예에 따르면, 인덕턱스(L_DQ)가 가변적이어서 이것이 관측기 블록(426)에 대한 추가의 입력 변수를 형성할 수 있다는 것이 유용할 수 있다.

이렇게 관측된 로터 플럭스(ψr)에 의해 기준 전류(i ^ref)가 기준 블록(428)에서 결정된다. 이러한 기준 전류는 여기서 4개의 성분을 갖는 벡터이며, 원하는, 즉 특히 고조파가 없는 또는 적어도 저조파 발전기 토크를 얻기 위해 조정되어야 하는 전류 값을 갖는다. 이러한 기준 전류(i ^ref)는 관찰된 로터 플럭스(ψr) 및 원하는 토크(t_e ^ref)에 따라 결정되며, 따라서 기준 블록(428)에서 i^ref = f(ψ_{r .} t_e ^ref)로 표시된다.

가변 인덕턱스(L_DQ)가 출력되면, 이는 또한 기준 블록(428)으로 흘러서 기준 전류의 계산이 이루어진다.

이렇게 결정된 기준 전류는 따라서 역변환 블록(430)으로 전달된다. 기준 전류(428)의 구성은 기준 블록(428)에서 역변환 블록(430)으로의 전송 화살표 상에 또한 도시되었다.

또한 기준 전류(i ^ref)의 결정은 검출되어 변환 블록(422)에서 변환된 출력 전류 i에 의존할 수 있음을 주목해야 한다. 이에 상응하여 이러한 전류 i는 또한 기준 블록(428)에서 입력 변수로서 도시된다.

역변환 블록(430)에서 기준 전류(i ^ref)는 2개의 D/Q-역변환에 의해 다시 변환되므로, 2개의 3상 시스템 각각에 대해 3개의 전류 성분, 즉 위상 당 전류값 및 3상 시스템이 얻어진다. 따라서 역변환 블록(430)의 결과는 제1 3상 시스템에 대한 3개의 전류 성분(i₁₁, i₁₂, i₁₃) 및 제2 3상 시스템에 대한 3개의 전류 성분(i₂₁, i₂₂, i₂₃)이다. 이들 전류값은 제어 유닛(418)에 주어지는 설정값이므로, 제어 유닛은 대응하는 전류가 조정되도록 가능한 한 정류기(404)에 대응하는 제어된 다이오드(432)를 제어한다.

이를 위해, 예를 들어 제어 유닛(418)에 예를 들어 구체적인 전류값과 같은 구체적인 값을 부여하는 계산 유닛(434)이 제공될 수 있고, 따라서 제어 유닛(418)을 관련 반도체 스위치(432)의 구체적인 제어를 가질 것이다. 여기서 다른 구현 토폴로지도 또한 고려할 수 있다.

따라서 본 발명은 적어도 하나의 특정 실시예에 따라, 6상, 전기적 또는 영구적으로 여기된 동기식 기계와 함께 조정형 정류기에 의해 장치 기술적으로 구현될 수 있는 전류 제어 방법에 관한 것이다. 일반적인 전류 방법은 동기식 기계의 스테이터 상에 전류 양식을 부여하여 동기식 기계의 특성 및 동적 상태를 고려하여 가능한 한 일정한 전기 토크 출력을 제공하는 것을 목표로 한다.

연결되지 않은 스타 포인트가 있는 이중 스타 회로를 가진 6상 발전기의 전기적 토크는 위상 좌표 시스템의 적합한 4축 이중 D/Q-시스템으로의 특정 좌표 변환을 사용하여 표현할 수 있다. 가능한 좌표 변환 결과는 다음과 같다.

D/Q-좌표 변수의 벡터를 (전류 또는 전압)

로, 위상 좌표 변수에 속한 벡터를

로 표현하며,

변환 행렬을 표현하고, 여기서 다시

는 4상 파크 또는 D/Q 변환 행렬을 나타내며,

는 2개의 스테이터 시스템 사이의 위상 오프셋의 절반, 즉 이 경우에는 15°이다.

이러한 변환을 사용하여 발전기의 전기 토크는 [1]과 같이 다음과 같은 방정식으로 나타낼 수 있다. [1]: S. Kallio, M. Andriollo, A. Tortella 및 J. Karttunen 저, IEEE 전자 산업 트랜잭션 2013년 6월 페이지 2486-2494 "이중 스타 실내 영구 자석 동기식 기계의 분리된 d-q 모델(Decoupled d-q model of double-star interior Permanentmagnet synchronous machines)"에 기술된다:

여기서 n_p는 이중 DQ-시스템에서 해당 좌표축에서의 스테이터 전류 i_* (* = D₁ D₂, Q₁ 또는 Q₂)이고, ψ_{r *}는 발전기의 로터에 의해 야기되는 해당 DQ-좌표축에서의 자기 플럭스(영구 자석 또는 여자 권선에 의해)로 표현되고, 아울러

여기서 L_* (* = D₁, D₂, Q₁ 또는 Q₂)은 대응하는 좌표 시스템에서 각 축의 일정한 스테이터 인덕턴스를 나타낸다. 인덕턴스는 동기식 기계의 모든 중요한 작업점에 대해 미리 결정될 수 있다.

일정한 설정 토크

를 제공하기 위해 이제 다음과 같은 전류 설정값 벡터

를 이중 DQ-좌표 시스템의 4개의 축에서 사용할 수 있다. [2]: X. Kestelyn 및 E. Semail 저, IEEE 전자 산업 트랜잭션 2011년 11월 페이지 5057-5065 "실시간으로 다상 영구 자석 동기식 기계를 위한 최적의 전류 기준을 생성하기 위한 벡터 접근법(A vectorial approach for generation of optimal current references for multiphase permanent-magnet synchronous machines in real time)"에 기술되었다:

는 유클리드 표준을 나타내고, 아울러

와 같다.

설정값을 얻기 위해 정류기에 의한 스테이터 전류의 실제 조절은 예를 들어, 히스테리시스 컨트롤러(허용 오차 대역 방법)에 의해 달성될 수 있다.

그러나 이러한 전류 설정값 사전 설정은 벡터(ψr)가 알려질 것을 요구한다. 자기 플럭스는 엄청난 비용으로만 측정할 수 있지만, 상태 관측기를 통해 추정될 수 있고, 원칙적으로 예를 들어 [3]: X. Xi, C.Changming 및 Z.Meng 저, IEEE 응용 초전도 트랜잭션 2010년 6월 페이지 1085-1088 "영구 자석 동기식 기계의 동적 영구 자석 플럭스 추정(Dynamic Permanent Magnet Flux Estimation of Permanent Magnet Synchronous Machines)" 또는 [4]: V. Anno 및 S. Seung-Ki 저, IEEE 응용 초전도 트랜잭션 2009년 9월 페이지 1670-1677 "실내 영구 자석 자기장 모터 플럭스 변이에 강인한 플럭스 옵저버의 설계(Design of flux observer robust to interior permanent-magnet synchronous motor flux variations)"에 설명되었다.

본 발명의 특수성은 6상 전기 기계의 자기 플럭스 추정을 위한 상태 관측기의 응용뿐만 아니라 이전에 개시된 방법으로부터 벗어난 상태 관측기의 평형에 있다.

[3]에서와 같이 상태 관측기는 확장된 칼만 필터로 실행된다. 칼만 필터를 합성하기 위해서는 관측된 시스템의 상태를 나타내는 미분 방정식 시스템이 필요하다. 또한 측정 및 프로세스 잡음 중에 필터의 동작에 영향을 주는 2개의 행렬 Q 및 R이 선택된다. 상태 공간 모델의 선택된 공식은 [3]에서 선택된 공식에 비해 2가지 주요 차이점을 가지고 있다:

1. 3상 대신 6상 동기식 기계가 고려된다.

2. 상태 공간 기술의 기본 원리는 [3]과 대조적으로 모든 상태가 관찰 가능한 방식으로 보장되도록 선택된다. 관측 가능성이 없는 경우 시간 경과에 따른 추정된 상태가 실제 물리적 값에 수렴된다는 보장이 없다. 따라서 칼만 필터의 합성에 필요한 방정식의 해는 행렬 Q와 R의 적절한 선택에만 의존한다.

다음 상태 공간 설명이 사용된다:

그리고

여기서 ω는 측정에 의해 검출된 각도로부터 계산될 수 있는 전기적 각 속도를 나타내고, R_s는 스테이터 와인딩 저항이며, 아울러 다음과 같이 나타난다.

이러한 관측 가능한 상태 공간 모델 및 행렬 Q 및 R의 적절한 선택에 기초하여, 자기 플럭스 상태의 추정을 위해 폐쇄된 필터 회로(칼만 필터 표준 구성)에서 사용되는 필터 행렬 K가 자동으로 얻어진다. 행렬 Q는 그 요소가 측정된 출력 변수의 예상 측정 잡음의 공분산을 맵핑(mapping)하도록 선택되어야 한다. 이것은 예를 들어 아래에 언급된 참고 문헌 [5]에 설명되어 있다. 따라서 전류 제어 방법은 전술한 유도를 통해 동기식 기계의 일정한 전기 토크 출력을 제공한다.

제어 컴퓨터의 구현을 위해, 결과적인 필터는 시간 이산(time-discrete) 형태로 구현된다. 시간 이산 형태에서 시간 연속 디자인을 전송하기 위한 다수의 방법이 알려져 있다(예시 참조).

[5] M.S. Grewal, A. P. Andrews 저, 칼만 필터링, 4판, New York: John Wiley & Sons, 2014.

6상 기계에 적용하는 것 외에도, 전류 제어 방법을 3상 기계에 적용하는 것도 가능하다. 그런 다음 인덱스 DQ를 사용하여 위에 나열된 모든 변수는 3상 시스템의 클래식 DQ-변수를 참조하고 인덱스 D₂ 또는 Q₂가 있는 변수는 생략된다.

Claims (11)

1. 기어리스(gearless) 풍력 터빈의 동기식 발전기를 제어하는 방법에 있어서,
   상기 동기식 발전기는 전기 역학 로터 및 스테이터를 포함하여, 상기 스테이터에 대해 상기 로터를 회전시킴으로써 전력을 생성하고,
   - 스테이터 상에 다상(multi-phase) 출력 전류를 생성하는 단계,
   - 상기 출력 전류를 정류기에 공급하는 단계,
   - 상기 발전기의 토크 리플(torque ripple)이 감소되도록 상기 정류기에 의해 상기 출력 전류를 제어하는 단계
   를 포함하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 출력 전류에 조정형 정류기를 통해 전류 형태가 부여되는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 동기식 발전기는 6상 발전기로서 설계되고, 정류기로서 6상 조정형 정류기가 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 로터는 자기 로터 플럭스를 포함하며, 상기 출력 전류는 상기 로터 플럭스에 따라 제어되는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 출력 전류를 제어하기 위해, 상기 로터 플럭스는 상태 옵저버(observer)를 사용하여 관측되고, 상기 출력 전류는 상기 관측된 로터 플럭스에 따라 제어되는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   - 상기 발전기는 6상으로 설계되고 스테이터가 연결되지 않은 스타 포인트(star point)를 구비하는 이중 스타 회로를 구비하며,
   - 상기 발전기는 작동 중 전류와 플럭스에 의한 상호 작용을 통해 발생하는 전기적 토크를 포함하고, 이러한 변수는 좌표 변환을 통해 4개의 축을 구비하는 이중 D/Q-시스템으로 변환되고, 상기 4개의 축 각각은 스테이터 전류 성분 및 로터 플럭스 성분을 각각 포함하고, 그리고
   - 일정한 설정 토크를 사전 설정하기 위해 상기 4개의 축 각각에 대해 각각의 설정 전류를 갖는 설정 전류 벡터가 사전 설정되는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 출력 전류를 제어하기 위해, 모든 로터 플럭스 성분의 관측 가능성을 허용하는 상태 공간 표현이 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 스테이터의 상기 출력 전류를 제어하기 위해, 모든 로터 플럭스 성분 및 선택적으로 모든 스테이터 플럭스 성분의 관측 가능성을 허용하는 상태 공간 표현이 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제6항에 있어서, 상기 로터 플럭스 성분 및 필요하다면 상기 스테이터 플럭스 성분은 4개의 축을 구비하는 상기 변환된 이중 D/Q-시스템에서 상기 표현에 기초하여 칼만 필터를 통해 관찰되는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 기어리스 풍력 터빈의 동기식 발전기 및 이와 연결된 정류기를 포함하는 발전기 유닛에 있어서,
    상기 동기식 발전기 유닛은 제1항 또는 제2항에 따른 방법에 의해 상기 동기식 발전기를 제어하도록 준비되는 것인 발전기 유닛.
11. 제10항에 따른 발전기 유닛을 포함하는, 풍력 터빈.

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