KR20180121721A - 풍력발전시스템의 백-투-백 컨버터제어방법 - Google Patents

풍력발전시스템의 백-투-백 컨버터제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 풍력발전시스템의 백-투-백 컨버터제어방법에 관한 것으로서 풍력시스템에서의 발전시스템의 안정화를 도모하기 위하여 직류링크단의 제어변수를 제안하며, 본 발명에서는 풍력발전시스템의 백-투-백 컨버터제어방법을 제공하며, 영구자석동기발전기(PSMG)를 사용하여 머신측컨버터제어부(MSC)와, 계통측컨버터제어부(GSC) 사이에 직류링크(Dc Link)를 구비하는 백-투-백 컨버터제어방법을 가지는 풍력발전시스템의 백-투-백 컨버터제어방법에 있어서; PI제어기를 가지는 상기 직류링크(Dc Link) 전압제어에, 직류링크(Dc Link) 단의 입력파워를 이용한 전향제어항(Id_ff:feedforward항)을 추가하여 제어하는 것을 기본저인 특징으로 하고, 상기 PI제어기에 전향제어항(Id_ff)을 추가하는 방법에 있어서, 직류링크(Dc Link)으로의 입력파워를 추정하는 방법에서 전류측정을 이용하여 계산하는 방법이 아닌, 머신측컨버터제어부(MSC)의 전류 레퍼런스와 영구자석동기발전기(PSMG)의 회전속도를 이용하여 입력파워를 산출하여 전향제어항(Id_ff)를 구성하는 것을 특징으로 한다.

Description

풍력발전시스템의 백-투-백 컨버터제어방법{A back-toback converting control method of Wind turbine system}
본 발명은 풍력발전시스템의 백-투-백 컨버터제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세히는 특히 100Kw 이하의 풍력발전시스템에서의 발전시스템의 안정화를 도모하기 위하여 직류링크단의 제어변수를 제안하는 것에 관한 것이다.
본 발명은 영구자석형 동기발전기를 이용하여 백투백(back-to-back) 컨버터방식으로 구동되는 풍력발전기의 운전시스템에 있어, 종래의 구성에 비하여 개선된 제어양식을 제공하는 기술에 관한 것이다. 일반적인 풍력발전용 전력시스템에서의 전력변환장치(PCS: Power Conditioning System)의 기본적인 기술개념은 하기와 같다.
풍력발전기의 발전 전력을 생산하는 과정은 2단계로 이루어지며, 하나는 회전자에 의해 바람이 가진 유동 운동에너지의 일부를 회전 운동 에너지로 뽑아내는 과정이고, 다른 하나는 발전기에 의해 기계적 운동에너지를 전기에너지로 변환하여 계통에 공급하는 과정이다.
풍력발전시스템 제조업체들은 하드웨어 중심인 블레이드, 증속기, 발전기, 전력변환장치 등의 연구개발이 종래로부터 진행되어 왔으며 안정적인 기술수준으로 구체화되어 사용되고 상태이다. 또한 각 국은 계통망 장애 시 계통전압이 한계 값 이하로 떨어질 때까지 풍력발전기에 무효전력을 공급함으로서 계통전압 회복에 기여를 하도록 하는 Grid Code(계통연계기준)을 규정하고, 이러한 규정에 충족하는 풍력발전기시스템만 계통 연계를 허가 하고 있어 풍력발전시스템의 신뢰성과 효율을 향상시키고 있다.
그러한 이유로 전력 품질을 개선하기 위한 소프트웨어 즉, 제어시스템의 연구개발에 박차를 가하고 있으며 하드웨어 뿐 아닌 소프트웨어 또한 많은 발전을 이루고 있고 나아가 집중적인 제어시스템 설계로 고품질의 전력을 생산할 것으로 전망된다.
대부분의 풍력발전단지는 전력 수요지인 대도시와 떨어진 도시 외곽에 설치되어 발전된 전기를 수요지까지 전송하기 위해서는 송전선의 송전용량보다는 전압안정도나 미소신호안정도와 같은 안정도를 고려해야한다. 신뢰도와 안정도가 높은 고품질의 전력을 수요지로 송배전하기 위해서는 발전기의 회전속도를 일정하게 유지시켜주는 시스템이 불가피하다.
이러한 이유로 발전기를 설계할 때 회전속도를 제어하기 위한 기어박스가 장착되어 설계되지만 풍력발전기의 경우, 고장 시의 수리의편의성을 위하여 기어박스를 사용하지 않는 기어리스(Gearless)형인 영구자석형 풍력시스템이 널리 채용되기 시작하였다.
윈드터빈(Wind Turbine)의 발전용량과 동일한 용량의 컨버터가 채용된 영구자석형 동기발전기(PMSG; Permanent Magnet Synchronous Generator)의 경우, 가변속 운전방식(variable rotor speed type)을 채택하고 있다.
최근 풍력발전 분야에서는 효율이 높고 단위 무게,부피당 토크 및 출력이 높은 가변속 운전방식인 영구자석형 동기발전기를 이용하고 병렬 백투백 컨버터로 구동되는 풍력발전시스템의 수요가 급증하고 있다.
그러나, 상기 영구자석형 동기발전기를 이용하여 병렬 백투백 컨버터로 구동되는 풍력발전시스템은 점차 1기당 용량이 MW 단위로 크게 증가함에 따라 전력변환장치의 설계 문제가 대두되었으며, 종래의 구성으로서는 한국 등록특허 10-1068301 호의 구성에서와 같이, 전력변환장치로서 풍력발전기측(머신측)의 제 1 컨버터와, 계통(전력계통)측의 제 1 인버터를 포함하는 백투백 컨버터를 구성하고 발전기와 계통 사이에 직접 연결하여 시스템의 정격에 상응하는 스위치의 선정과 고조파를 걸러내기 위한 필터를 사용하는 구성이 안출되었으나 그 제어가 복잡하고 순환전류 등의 문제점이 유발하여 지금은 거의 사용되지 않고 있다.
한국등록특허 10-1068301( 2011.09.21)
종래부터의 풍력발전시스템의 백-투-백 컨버터제어방법에서의 머신측컨버터제어부와 계통측컨버터제어부 사이의 풍력시스템의 특성에 따른 직류링크(Dc Link) 단에 입력되는 파워에서의 심한 과변동문제를 해결하고자 한다.
본 발명에서는 풍력발전시스템의 백-투-백 컨버터제어방법을 제공하며,
영구자석동기발전기(PSMG)를 사용하여 머신측컨버터제어부(MSC:)와, 계통측컨버터제어부(GSC) 사이에 직류링크(Dc Link)를 구비하는 백-투-백 컨버터제어방법을 가지는 풍력발전시스템의 백-투-백 컨버터제어방법에 있어서; PI제어기를 가지는 상기 직류링크(Dc Link) 전압제어에, 직류링크(Dc Link) 단의 입력파워를 이용한 전향제어항(Id_ff:feedforward항)을 추가하여 제어하는 것을 기본저인 특징으로 하고,
상기 PI제어기에 전향제어항(Id_ff)을 추가하는 방법에 있어서, 직류링크(Dc Link)으로의 입력파워를 추정하는 방법에서 전류측정을 이용하여 계산하는 방법이 아닌, 머신측컨버터제어부(MSC)의 전류 레퍼런스와 영구자석동기발전기(PSMG)의 회전속도를 이용하여 입력파워를 산출하여 전향제어항(Id_ff)를 구성하는 것을 특징으로 하며,
상기 전향제어항(Id_ff)을 구성하는 결과값을 계통측컨버터제어부(GSC)의 인버터의 전류 기준값으로 하여, 머신측컨버터제어부(MSC)의 입력과, 계통측컨버터제어부(GSC)의 출력제어를 통해서 직류링크(Dc Link)의 전압을 안정화하는 것을 한정적인 구성 상의 특징으로 한다.
본 발명에 따른 풍력발전시스템의 백-투-백 컨버터제어방법은 풍력시스템의 특성상 직류링크(Dc Link) 단에 입력되는 파워에서의 심한 과변동문제를 해결하여, 파워의 변동이 큰 경우는 물론, 전 파워가 일정범위에서 동일하게 제어가 가능하고, 직류링크(Dc Link)의 전압 변동을 최소화 할 수 있어 안정화된 시스템의 구성이 가능하다.
도 1은 통상적인 풍력발전시스템의 백-투-백 컨버터제어를 도시하는 블럭다이아그램.
도 2는 본 발명의 풍력발전시스템의 백-투-백 컨버터제어방법에서의 머신측 제어구성을 도시하는 블럭다이아그램.
도 3은 본 발명의 풍력발전시스템의 백-투-백 컨버터제어방법에서의 계통측 제어구성을 도시하는 블럭다이아그램.
도 4는 본 발명의 풍력발전시스템의 백-투-백 컨버터제어방법의 직류링크(Dc Link) 전압제어를 도시하는 블럭다이아그램이다.
이하, 본 발명의 풍력발전시스템의 백-투-백 컨버터제어방법의 바람직한 실시 예에 따른 구성과 작용을 첨부도면에 의하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 통상적인 풍력발전시스템의 백-투-백 컨버터제어를 도시하는 블럭다이아그램, 도 2는 본 발명의 풍력발전시스템의 백-투-백 컨버터제어방법에서의 머신측 제어구성을 도시하는 블럭다이아그램, 도 3은 본 발명의 풍력발전시스템의 백-투-백 컨버터제어방법에서의 계통측 제어구성을 도시하는 블럭다이아그램, 도 4는 본 발명의 풍력발전시스템의 백-투-백 컨버터제어방법의 직류링크(Dc Link) 전압제어를 도시하는 블럭다이아그램이다.
도 1에서의 참고와 같이, 영구자석형 풍력발전시스템은 영구자석형 동기발전기(PMSG)와 연동하여 가변속운전을 하는 대표적인 시스템으로 기존의 전력계통을 통한 송배전을 위해서는 머신측컨버터제어부(MSC:Machine side converter)와 계통측컨버터제어부(GSC):Grid side converter)에서의 AC/DC, DC/AC 변환시스템이 반드시 필요하다.
[ PMSG용 전력변환시스템 ]
풍력발전기는 바람의 특성상 정격풍속 이하에서 운전되는 시간이 많다. 따라서 정격풍속 이하의 바람에서 최대 출력(Maximum Energy Capture)을 얻기 위한 AC-DC 컨버터의 제어가 매우 중요하다.
낮은 풍속에서 발전기의 정류전압이 계통측에 연계되기 위한 직류링크(DL:DC-Link) 전압이 낮으므로 부스터(Boost) 컨버터로 동작하게 하여, 풍속이 상대적으로 낮은 영역에서도 듀리레이쇼(Duty ratio)의 크기를 제어하여 직류링크(Dc Link) 전압을 승압, 넓은 영역에서 고정된 전압을 얻을 수 있으며 가변풍속에서 최적의 피크파워를 전달 할 수 있는 능력을 가지므로 타방식에 비해 효율이 높다.
일반적인 인버터(Inverter) 시스템은 발전기에서 입력되는 전압/전류에 따라 적절한 PWM을 발생함으로써 출력 전압/전류를 제어한다. 일정한 크기의 출력 전압을 유지하기 위해 인버터의 입력 전압/전류의 크기 변화에 따른 PWM 크기를 결정하고, 출력 전압을 피드백(Feedback) 받아 계산한 PWM 크기와 비교하여 출력을 제어함으로서 비교적 안정적인 출력을 얻을 수 있는 것이다.
영구자석동기발전기(PSMG)를 사용하는 풍력 터빈은 가변속 운적방식이며, 대용량 인버터를 구성하는 방식에는 저압에서 사용하는 2레벨(2-Level) 방식과 고압에서 사용되는 다레벨(Multi-Level) 방식을 사용한다. 이들의 구성방식은 전력용 반도체 소자들의 발달에 따라 크게 영향을 받고 있다. 풍력발전용 인버터를 개발하기 위한 사양검토, 정격전압, 전력 변환부의 구성방식을 선택하는 것에서부터 시작되어야 한다.
도 1내지 3도에서와 같이 머신측컨버터제어부(MSC)와 계통측컨버터제어부(GSC) 사이에는 직류링크(Dc Link)를 부여하는 소위 백투백제어가 있어왔다.
터빈 주축에 의한 영구자석동기발전기(PSMG)는 백투백 PWM 컨버터를 통해 전력이 전달되며 영구자석동기발전기(PSMG)측에서 자유로운 주파수 조절이 가능하여 다극 발전기를 이용한 기어리스(Gearless)시스템을 적용하여 PWM 컨버터에서 직류단 전압 제어는 직류링크(Dc Link)단의 고정 전압을 유지하기 위해 시스템 전체의 전력 흐름을 제어한다.
[ 종래로부터의 PMSG 풍력발전시스템의 백투백 컨버터/인버터 ]
(1) 직류링크(Dc Link)의 콘덴서뱅크(Bank)의 설계 및 제작;
도1 내지 3에서와 같이 종래로부터, 영구자석동기발전기(PSMG)의 3상 발전 전압은 백투백 컨버터 통해서 직류링크(Dc Link)의 평활용 케패시터(C)를 통해서 흐르는 리플전류는 콘덴서의 내부 저항에 의해서 손실이 생기며, 수명과 직결된다.
콘덴서렬(Bank)의 선정은 정격운전에서 시스템의 허용전압 리플이 고려 되도록 커패시턴스를 결정하고 리플전류가 커패시터의 허용전류 이하가 되도록 설계해야 한다. 정격전압은 시스템 운전시 발생할 수 있는 최대전압과 빈도가 커패시터의 허용수명 범위이내가 되도록 설계 하여야 하며 리플주파수에 따라서, 방열방식에 따라서도 설계가 달라질 수 있으므로 상세하게 운전조건을 검토하여야 하였다.
(2) 백투백 컨버터 설계;
양방향 컨버터가 발전기 속도 및 토크제어를 수행하기 위해서는 컨버터 출력전류의 크기와 위상을 적정하게 제어하는 것이 중요하다. 도 1 내지 2에서 머신측컨버터제어부(MSC)의 속도제어기(MPPT CONTROL)는 발전기를 속도 지령치에 맞게 회전시키는 기능을 가지고 있으며, 전류제어기(CURREN CONTROL)는 속도 및 토크제어기 출력을 지령치로 입력 받아 전류를 제어하는 기능과 발전기 역률을 제어하는 기능을 수행한다. 발전기 속도는 제어기 내부의 필터를 거치게 되며, LPF(Low Pass filiter)는 속도 정보에 속해있는 고조파 성분의 노이즈를 제거하는 역할을 한다.
(3) 제어기 설계;
인버터 제어기 구성은 일정 직류 전압제어를 수행하는 전압제어기가 아우터루프(Outer loop) 제어기로 동작하며 전류 제어기가 전압제어기의 출력 지령치를 받아 인너루프(Inner loop) 제어기로 직렬로 연결한다.컨버터는 정출력 제어 구간에서 인버터의 출력전력을 필요로 하며, 전압 제어기로부터 받은 전류 지령치는 인버터 개별제어기의 전류 지령치로 사용되는데 전류 지령치는 인버터 시스템 내부에서 계통전류를 제어한다.
상기와 같이 구성 및 작용하는 풍력발전시스템의 백-투-백 컨버터제어방법에 있어서, 본 발명은 가변속용 풍력발전시스템 전력변환장치의 제어 알고리즘에 대한 풍력터빈의 발전기 출력제어에 의한 직류링크(Dc link) 전압제어를 안정적으로 하기 위한 기술적인 사상을 발명의 구성으로 한다.
도 2내지 4를 참조로 하여 본 발명을 설명한다.
상술한 바와 같이, 풍력시스템에서 백투백컨버터(Back to Back Converter)는 일반적으로 영구자석동기발전기(PSMG)를 가지는 머신측컨버터제어부(MSC)와 계통측컨버터제어부(GSC), 그리고 직류링크(Dc Link) 단으로 구성이 되고, 발전기측 컨버터는 터빈의 파워를 최대로 뽑아내기 위하여 MPPT제어기(속도제어기)(MPPT CONTROL)와 발전기의 파워를 직류링크(Dc Link) 단에 전달하기 위한 전류제어기(CURRENT CONTROL)로 구성되고,
계통측컨버터제어부(GSC)의 인버터는 전력망 등의 계통연계에 대한 전력품질 제어로써, 직류링크(Dc Link)의 전압제어기와 입력되는 파워를 계통측에 전달하기 위한 전류제어기(CC)로 구성된다.
본 발명은 직류링크(Dc Link) 단의 전압제어기에 관한 것으로서 직류링크(Dc Link) 전압이 정상적으로 제어되지 않는 경우, 과전압으로 백투백 컨버터 전체의 소손을 일으킬 수 있고, 또한 저전압의 경우 컨버터가 트립되어 정지할 수 있으며, 직류링크(Dc Link) 전압에서 리플(Ripple)이 발생하는 경우 머신측컨버터제어부(MSC)의 파워출력에서 및 계통측컨버터제어부(GSC)의 파워전달에서 리플이 발생할 수 있어 전체 시스템의 성능 및 신뢰성에 영향을 미치게 되는 문제점을 해결하기 위한 것으로서,
통상적으로 직류링크(Dc Link)는 도 4에서와 같이, 직류링크(Dc Link)k 전압제어는 PI(비례-적분)제어로 이뤄지며 직류링크(Dc Link) 전압제어의 출력은 계통측컨버터제어부(GSC)의 기준(레퍼런스) 전류가 된다.
그러나, 풍력 발전시스템의 경우 직류링크(Dc Link) 전압이 풍속 및 영구자석동기발전기(PSMG)의 회전 속도에 따라 수시로 가변 되어, 단순한 PI제어 만으로는 가변되는 출력 조건에서 직류링크(Dc Link) 전압의 변동이 심하고,
파워가 증가하는 경우 고정되어 있는 PI제어기 게인(Gain:이득)을 이용해서는 직류링크(Dc Link) 전압의 변동량이 커지게 되는 문제가 있다. 이를 해결하기 위하여,
본 발명에서는 직류링크(Dc Link) 전압제어에서 PI제어기에 전향제어항(Id_ff:feedforward항)을 추가하여 직류링크(Dc Link) 단에 입력되는 파워에 맞게 직류링크(Dc Link) 전압제어기의 출력을 조절해주는 방법을 그 기술적인 사상으로 하며,
전향제어항(feedforward)을 구성하는 방법으로서는, 단순히 머신측컨버터제어부(MSC)에서 직류링크(Dc Link)단으로 입력되는 파워를 전류측정치를 이용하여 계산하여 이를 계통측컨버터제어부(GSC)의 전류 기준값으로 환산해주는 방법은, 실제 전류측정치에서 리플이 많이 존재하여 파워계산의 변동이 심하게 되어 동시에 전향제어항(Id_ff)에서도 리플이 전달되고 마찬가지로 직류링크(Dc Link) 전압도 변동이 많이 발생하게 된다.
이를 감쇄시키기 위하여 머신측컨버터제어부(MSC)의 레퍼런스 전류값과, 영구자석동기발전기(PSMG)의 회전속도를 기준으로 직류링크(Dc Link) 단에 입력되는 파워를 계산하고, 이를 계통측컨버터제어부(GSC)측 전류 기준으로 환산하여 전향제어항(Id_ff)을 구성하면 영구자석동기발전기(PSMG)의 회전속도의 변동과 고정된 파워에서도 모두 안정적으로 직류링크(Dc Link) 전압을 제어할 수 있는 것이다.
PMSG: 영구자석동기발전기
Dc Link: 직류링크
GSC: 계통측컨버터제어부
MSC: 머신측컨버터제어부

Claims (3)

  1. 영구자석동기발전기(PSMG)를 사용하여 머신측컨버터제어부(MSC)와, 계통측컨버터제어부(GSC) 사이에 직류링크(Dc Link)를 구비하는 백-투-백 컨버터제어방법을 가지는 풍력발전시스템의 백-투-백 컨버터제어방법에 있어서;
    PI제어기를 가지는 상기 직류링크(Dc Link) 전압제어에, 직류링크(Dc Link) 단의 입력파워를 이용한 전향제어항(Id_ff:feedforward항)을 추가하여 제어하는 것을 특징으로 하는 풍력발전시스템의 백-투-백 컨버터제어방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 PI제어기에 전향제어항(Id_ff)을 추가하는 방법에 있어서, 직류링크(Dc Link)으로의 입력파워를 추정하는 방법에서 전류측정을 이용하여 계산하는 방법이 아닌, 머신측컨버터제어부(MSC)의 전류 레퍼런스와 영구자석동기발전기(PSMG)의 회전속도를 이용하여 입력파워를 산출하여 전향제어항(Id_ff)를 구성하는 것을 특징으로 하는 풍력발전시스템의 백-투-백 컨버터제어방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전향제어항(Id_ff)을 구성하는 결과값을 계통측컨버터제어부(GSC)의 인버터의 전류 기준값으로 하여, 머신측컨버터제어부(MSC)의 입력과 계통측컨버터제어부(GSC)의 출력제어를 통해서 직류링크(Dc Link)의 전압을 안정화하는 것을 특징으로 하는 풍력발전시스템의 백-투-백 컨버터제어방법.
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