KR20190071261A - 풍력발전 시스템 및 그 운용 방법 - Google Patents

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Abstract

풍력발전 시스템 및 그 운용방법이 개시된다. 복수의 풍력발전기들이 직렬로 연결되어 초고압 직류 송전(HVDC)을 하는 풍력발전 시스템은, 상기 풍력발전기들 각각과 연결되고, 상기 풍력발전기가 기동하여 생산한 전력의 전압을 변환하여 출력하는 복수의 제 1 탭 절환 변압기들, 상기 제 1 탭 절환 변압기들 각각의 출력단에 연결되어 상기 제 1 탭 절환 변압기에서 출력되는 교류 전압을 직류로 변환하여 출력하고, 출력단이 MMC(Modular multilevel converter)의 직류링크에 직렬로 연결되는 복수의 정류기들, 상기 MMC의 출력단과 전력계통 사이에 연결되는 제 2 탭 절환 변압기 및 상기 복수의 풍력발전기들을 복수의 그룹으로 그룹화하고, 상기 그룹별로 상기 직류 링크로 출력되는 전압의 크기가 일정하게 유지되도록 상기 제 1 탭 절환 변압기의 탭을 조정하며, 상기 MMC에서 출력되는 전압이 계통전압으로 변환되도록 상기 제 2 탭 절환 변압기의 탭을 조정하는 제어부를 구비할 수 있다.

Description

풍력발전 시스템 및 그 운용 방법{Wind turbine system and method for operating the same}
본 발명은 풍력발전 시스템 및 그 운용 방법에 관한 것으로, 특히 복수의 풍력발전기들이 직렬로 연결되어 초고압 직류 송전(HVDC)을 하는 경우 MMC(Modular multilevel converter)의 전력 계통 측과 풍력발전기 측에 탭 절환 변압기를 설치하여 가변 직류 링크 전압을 갖는 풍력발전 시스템 및 그 운용방법에 관한 것이다.
육상 풍력발전의 지리적, 지형적 한계 극복과 우수한 풍황 조건을 활용하기 위한 대규모 해상풍력발전단지에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 그러나 해상 풍력발전단지의 경우 설치와 유지보수 등 비용적 측면에서 육상 풍력발전단지와 비교할 때 단점이 있기 때문에 해상풍력발전단지의 설치 및 운영 비용 저감을 위한 다양한 계통 연계 기술이 연구 중에 있다. 계통 연계 기술 중에서는 크게 초고압 교류 송전 (High voltage alternative currnet transmission : HVAC)과 초고압 직류 송전 (High voltage direct current transmission system : HVDC) 기술로 나눌 수 있다. 400 MW 해상풍력발전단지 기준 52 km 이상 장거리의 송전 시 HVDC가 HVAC보다 경제적 측면에서 유리한 것으로 연구되었으며, 이에 따라 향후 대규모 해상 풍력발전단지의 전력 계통 연계 방안에서는 HVDC의 역할이 중요해질 것으로 전망된다.
다수의 풍력발전기들을 직류-병렬로 연결하는 직류-병렬 구조의 경우 다수의 풍력발전기들이 병렬로 연계되어 있어 안정성이 우수하고, 소수의 풍력발전기만 기동할 때에도 전력전송에 문제가 없으나, 직류 전압 레벨이 낮기 때문에 HVDC의 구동을 위해서는 해상에 승압용 DC/DC 변환 플랫폼을 설치해야하며, 이때 대용량 DC/DC 컨버터의 기술적, 비용적 문제가 발생한다.
다수의 풍력발전기들을 직류-직렬로 연결하는 직류-직렬 구조의 경우에는 해상 플랫폼이 필요 없어 해상풍력발전단지 계통연계 방안 중 경제적으로 가장 큰 장점을 가지고 있으나, 풍력발전기의 풍속에 따라 HVDC의 직류 링크 전압이 변동될 우려가 있으며, 소수의 풍력발전기가 기동할 경우에는 직류 링크 전압이 충분히 승압이 되지 않아 HVDC의 운용이 불가능한 경우가 발생할 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 DC/DC 컨버터를 사용한 직류-직렬 구조의 풍력발전단지 운용 방안이 제안되어 왔으나, 단 1기의 풍력발전기 운전을 가정하였을 때 풍력발전기 출력 직류 전압은 MMC (Modular multilevel converter)의 직류 전압과 동일해야하는 문제가 있다. 이는 전력용 스위치 반도체 소자의 용량과 설비의 절연 문제 등으로 현실적인 운용이 곤란하며, 가능하더라도 해상 풍력발전단지의 경우 절연 레벨 증가로 인해 설비 간 이격거리 증가 등 추가적인 비용적인 문제가 발생한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 복수의 풍력발전기들이 직렬로 연결되어 초고압 직류 송전(HVDC)을 하는 경우 MMC(Modular multilevel converter)의 전력 계통 측과 풍력발전기 측에 탭 절환 변압기를 설치하여 가변 직류 링크 전압을 갖는 풍력발전 시스템 및 그 운용방법을 제공하는데 있다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 풍력발전기들이 직렬로 연결되어 초고압 직류 송전(HVDC)을 하는 풍력발전 시스템은, 상기 풍력발전기들 각각과 연결되고, 상기 풍력발전기가 기동하여 생산한 전력의 전압을 변환하여 출력하는 복수의 제 1 탭 절환 변압기들, 상기 제 1 탭 절환 변압기들 각각의 출력단에 연결되어 상기 제 1 탭 절환 변압기에서 출력되는 교류 전압을 직류로 변환하여 출력하고, 출력단이 MMC(Modular multilevel converter)의 직류링크에 직렬로 연결되는 복수의 정류기들, 상기 MMC의 출력단과 전력계통 사이에 연결되는 제 2 탭 절환 변압기 및 상기 복수의 풍력발전기들을 복수의 그룹으로 그룹화하고, 상기 그룹별로 상기 직류 링크로 출력되는 전압의 크기가 일정하게 유지되도록 상기 제 1 탭 절환 변압기의 탭을 조정하며, 상기 MMC에서 출력되는 전압이 계통전압으로 변환되도록 상기 제 2 탭 절환 변압기의 탭을 조정하는 제어부를 구비할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 그룹별로 기동하는 풍력발전기의 개수와 무관하게 적어도 하나의 풍력발전기만 기동하면 상기 직류 링크로 출력되는 그룹별 전압의 크기가 일정하게 유지되도록 상기 제 1 탭 절환 변압기의 탭을 조정할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 그룹들 중 제 1 그룹에 포함된 풍력발전기들 중 적어도 하나의 풍력발전기가 기동하는 경우, 상기 직류 링크로 출력되는 전압이 제 1 전압이 되도록 상기 제 1 그룹의 풍력발전기들에 연결된 제 1 탭 절환 변압기들의 탭을 조정하고, 상기 직류 링크로 출력되는 전압이 제 1 전압인 상태에서 제 2 그룹에 포함된 풍력발전기들 중 적어도 하나의 풍력발전기가 기동하는 경우, 상기 직류 링크로 출력되는 전압이 제 2 전압이 되도록 상기 제 1 그룹의 풍력발전기들에 연결된 제 1 탭 절환 변압기들의 탭을 유지하면서 상기 제 2 그룹의 풍력발전기들에 연결된 상기 제 1 탭 절환 변압기들의 탭을 조정할 수 있다.
상기 풍력발전기는, 영구자석 동기발전기(Permanent magnet synchronous generator : PMSG)로 구성되어 있을 수 있다.
상기 풍력발전 시스템은, 각각의 상기 풍력발전기의 출력단에 연결되어 상기 풍력발전기에서 출력하는 교류 전압을 직류로 변환 후 다시 교류로 변환하여 출력하는 백투백(back-to-back) 방식의 컨버터를 더 구비하고, 상기 제 1 탭 절환 변압기는 상기 컨버터의 출력단에 연결되어 상기 컨버터에서 출력되는 직류 전압을 교류로 변환하여 출력할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 다른 일 실시예에 따른 복수의 풍력발전기들 각각에 제 1 탭 절환 변압기가 연결되고, 상기 제 1 탭 절환 변압기들에서 출력되는 전압을 직류로 변환하여 MMC(Modular multilevel converter)의 직류링크에 직렬로 연결되며, 상기 MMC의 출력단과 전력계통 사이에 제 2 탭 절환 변압기가 연결되어 초고압 직류 송전(HVDC)을 하는 풍력발전 시스템 운용방법은, 상기 복수의 풍력발전기들을 복수의 그룹으로 그룹화하는 단계, 상기 그룹별로 상기 직류 링크로 출력되는 전압의 크기가 일정하게 유지되도록 상기 제 1 탭 절환 변압기의 탭을 조정하는 단계 및 상기 MMC에서 출력되는 전압이 계통전압으로 변환되도록 상기 제 2 탭 절환 변압기의 탭을 조정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제 1 탭 절환 변압기의 탭을 조정하는 단계는, 상기 그룹별로 기동하는 풍력발전기의 개수와 무관하게 적어도 하나의 풍력발전기만 기동하면 상기 직류 링크로 출력되는 그룹별 전압의 크기가 일정하게 유지되도록 상기 제 1 탭 절환 변압기의 탭을 조정하는 단계일 수 있다.
상기 제 1 탭 절환 변압기의 탭을 조정하는 단계는, 상기 그룹들 중 제 1 그룹에 포함된 풍력발전기들 중 적어도 하나의 풍력발전기가 기동하는 경우, 상기 직류 링크로 출력되는 전압이 제 1 전압이 되도록 상기 제 1 그룹의 풍력발전기들에 연결된 제 1 탭 절환 변압기들의 탭을 조정하는 단계 및 상기 직류 링크로 출력되는 전압이 제 1 전압인 상태에서 제 2 그룹에 포함된 풍력발전기들 중 적어도 하나의 풍력발전기가 기동하는 경우, 상기 직류 링크로 출력되는 전압이 제 2 전압이 되도록 상기 제 1 그룹의 풍력발전기들에 연결된 제 1 탭 절환 변압기들의 탭을 유지하면서 상기 제 2 그룹의 풍력발전기들에 연결된 상기 제 1 탭 절환 변압기들의 탭을 조정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 풍력발전 시스템 및 그 운용방법은 단 1대의 풍력발전기부터 풍력발전단지 정격 출력까지 순차적으로 기동하더라도 가변 직류 링크 전압 제어가 잘 되어 모든 출력 전달이 안정적으로 전달될 수 있는 장점이 있다. 본 발명의 풍력발전 시스템 상의 모든 풍력발전기에 각각 다른 풍속으로 출력이 다르더라도, 본 발명을 이용하는 경우 MMC의 직류 링크 전압이 안정적으로 유지되고 출력 전력 또한 안정적으로 전달될 수 있는 장점이 있다. 또한, 본 발명을 적용하는 경우 해상 MMC 플랫폼이 없음에도 불구하고 풍력발전 출력이 계통 측으로 원활히 전달되어 풍력발전기 측 삼상 정류기와 탭 절환 변압기의 설치로 해상 플랫폼의 설치와 운영 비용이 절약 가능할 수 있는 장점이 있다. 따라서 대규모 해상 풍력발전단지 운용에 본 발명을 적용하는 경우 해상 플랫폼의 제거에도 불구하고 안정적인 전력전송이 가능할 것이며, 직류 링크의 가변적인 운용으로 각 풍력발전기 절연 레벨을 낮출 수 있어 설비의 비용 감축 뿐만 아니라 설비 내 이격거리 또한 감소시킬 수 있기 때문에 해상풍력발전단지 도입 시 경제성 확보에 이바지 할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 풍력발전 시스템의 개략도이다.
도 2는 도 1의 풍력발전 시스템 중 풍력발전기에서 직류 링크(DC link) 사이의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도 1의 풍력발전 시스템의 운용방법을 도시한 흐름도이다.
도 4는 도 3의 풍력발전 시스템 운용방법을 알고리즘으로 표현한 것이다.
도 4 및 도 5는 도 1의 백투백 방식의 컨버터 중 풍력발전기 측 컨버터를 도식화한 회로도이다.
도 6은 도 1의 백투백 방식의 컨버터 중 정류기 측 컨버터를 도식화한 회로도이다.
도 7은 도 1의 제 1 탭 절환 변압기 또는 제 2 탭 절환 변압기의 일 실시예를 도시한 회로도이다.
도 8은 도 1의 MMC의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 9는 도 8의 MMC의 서브모듈의 동작을 도시한 도면이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 도면에 기재된 내용을 참조하여야 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 풍력발전 시스템(100)의 개략도이고, 도 2는 도 1의 풍력발전 시스템(100) 중 풍력발전기에서 직류 링크(DC link) 사이의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전 시스템(100)은 복수의 풍력발전기(210)들이 직렬로 연결되어 초고압 직류 송전(High voltage direct current transmission system : HVDC)을 하기 위하여 복수의 제 1 탭 절환 변압기들(230), 복수의 정류기들(240), 제 2 탭 절환 변압기(120) 및 제어부(미도시)를 구비할 수 있다. 풍력발전기(210)는 영구자석 동기발전기(Permanent magnet synchronous generator : PMSG)로 구성된 풍력발전기일 수 있다.
복수의 제 1 탭 절환 변압기들(230) 각각은 풍력발전기(210)들 각각과 연결되고, 풍력발전기(201)가 기동하여 생산한 전력의 전압을 변환하여 출력할 수 있다. 복수의 정류기(240)들 각각은 제 1 탭 절환 변압기(230)들 각각의 출력단에 연결되어 제 1 탭 절환 변압기(230)에서 출력되는 교류 전압을 직류로 변환하여 출력하고, 출력단이 MMC(Modular multilevel converter)(120)의 직류링크에 직렬로 연결될 수 있다. 정류기(240)는 다이오드 정류기일 수 있다. 제 2 탭 절환 변압기(120)는 MMC(110)의 출력단과 전력계통 사이에 연결될 수 있다.
상기 제어부는 복수의 풍력발전기(230)들을 복수의 그룹으로 그룹화하고, 상기 그룹별로 상기 직류 링크(DC Link)로 출력되는 전압의 크기가 일정하게 유지되도록 제 1 탭 절환 변압기(230)의 탭을 조정할 수 있다. 즉, 상기 제어부는 상기 그룹별로 기동하는 풍력발전기(230)의 개수와 무관하게 적어도 하나의 풍력발전기만 기동하면 상기 직류 링크(DC Link)로 출력되는 그룹별 전압의 크기가 일정하게 유지되도록 제 1 탭 절환 변압기(230)의 탭을 조정할 수 있다. 예를 들어, 5개의 풍력발전기마다 하나의 그룹으로 그룹화를 한 경우, 상기 그룹에 포함되는 풍력발전기가 1대가 기동을 하든지 5대가 기동을 하던지 상기 직류 링크(DC Link)로 출력되는 전압의 크기가 일정하게 유지될 수 있도록 상기 제 1 탭 절환 변압기(230)의 탭을 조정할 수 있다.
상기 제어부는 상기 그룹들 중 제 1 그룹에 포함된 풍력발전기(210)들 중 적어도 하나의 풍력발전기가 기동하는 경우, 상기 직류 링크(DC Link)로 출력되는 전압이 제 1 전압이 되도록 상기 제 1 그룹의 풍력발전기들에 연결된 제 1 탭 절환 변압기(230)들의 탭을 조정하고, 상기 직류 링크(DC Link)로 출력되는 전압이 제 1 전압인 상태에서 제 2 그룹에 포함된 풍력발전기(210)들 중 적어도 하나의 풍력발전기가 기동하는 경우, 상기 직류 링크(DC Link)로 출력되는 전압이 제 2 전압이 되도록 상기 제 1 그룹의 풍력발전기들에 연결된 제 1 탭 절환 변압기들의 탭을 유지하면서 상기 제 2 그룹의 풍력발전기들에 연결된 상기 제 1 탭 절환 변압기들의 탭을 조정할 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 그룹에 제 1 풍력발전기 내지 제 5 풍력발전기가 포함되어 있고 상기 제 2 그룹에 제 6 풍력발전기 내지 제 10 풍력발전기가 포함되어 있다고 가정한다. 앞서 설명한 것과 같이 상기 제 1 그룹의 제 1 풍력발전기 내지 제 5 풍력발전기 중 적어도 하나의 풍력발전기만 기동하면, 상기 제 1 그룹의 풍력발전기들과 연결된 제 1 탭 절환 변압기(230)가 탭을 조정하여 상기 직류 링크(DC Link)로 출력되는 전압은 항상 상기 제 1 전압이 되도록 할 수 있다. 만약, 상기 제 1 그룹의 모든 풍력발전기들이 동작하고 있고 상기 직류 링크(DC Link)로 상기 제 1 전압이 출력되고 있는 상태에서 상기 제 2 그룹에 속하는 제 6 풍력발전기가 기동을 하게 되면, 상기 제어부는 상기 제 1 그룹에 속하는 풍력발전기들에 연결된 제 1 탭 절환 변압기들의 탭을 유지하면서 상기 제 2 그룹의 상기 제 6 풍력발전기에 연결된 제 1 탭 절환 변압기의 탭을 조정하여 상기 직류 링크(DC Link)로 출력되는 전압을 상기 제 2 전압이 되도록 할 수 있다. 상기 예에서, 상기 제어부는 상기 제 1 그룹에 속하는 풍력발전기들에 연결된 제 1 탭 절환 변압기들의 탭은 이전과 동일하게 유지하면서 상기 제 6 풍력발전기에 연결된 제 1 탭 절환 변압기의 가장 상위 탭을 선택하여 상기 직류 링크(DC Link)의 전압을 상기 제 1 전압에서 상기 제 2 전압으로 승압할 수 있다.
상기 제어부는 MMC(110)에서 출력되는 전압이 일정한 계통전압으로 변환되도록 제 2 탭 절환 변압기(120)의 탭을 조정할 수 있다. 계통전압은 항상 일정하게 유지되어야 하므로, 상기 제어부는 제 2 탭 절환 변압기(120)의 탭을 조정하여 제 2 탭 절환 변압기(120)의 출력전압이 일정한 크기의 계통전압으로 유지될 수 있도록 할 수 있다.
풍력발전 시스템(100)은, 각각의 풍력발전기(210)의 출력단에 연결되어 상기 풍력발전기에서 출력하는 교류 전압을 직류로 변환 후 다시 교류로 변환하여 출력하는 백투백(back-to-back) 방식의 컨버터(220_1, 220_2)를 더 구비할 수 있다. 그리고 제 1 탭 절환 변압기(230)는 컨버터(220_1, 220_2)의 출력단에 연결되어 상기 컨버터(220_1, 220_2)에서 출력되는 직류 전압을 교류로 변환하여 출력할 수 있다.
도 3은 도 1의 풍력발전 시스템(100)의 운용방법을 도시한 흐름도이고, 도 4는 도 3의 풍력발전 시스템 운용방법을 알고리즘으로 표현한 것이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 상기 제어부는 상기 복수의 풍력발전기들을 복수의 그룹으로 그룹화하고(S310), 상기 그룹별로 상기 직류 링크로 출력되는 전압의 크기가 일정하게 유지되도록 상기 제 1 탭 절환 변압기의 탭을 조정할 수 있다(S320). 그리고 상기 제어부는 MMC(110)에서 출력되는 전압을 일정한 계통전압으로 변환되도록 제 2 탭 절환 변압기(120)의 탭을 조정할 수 있다(S330). S310 단계 내지 S330 단계는 앞서 상세하게 설명하였으므로, 이하 중복되는 설명은 생략한다. 도 4에서
Figure pat00001
은 MMC(110) 초기 직류 링크 전압,
Figure pat00002
은 그룹에 포함되는 풍력발전기 수,
Figure pat00003
는 그룹 내 풍력발전기 개수
Figure pat00004
,
Figure pat00005
는 전체 풍력발전기 수
Figure pat00006
,
Figure pat00007
은 제 2 탭 절환 변압기(120)탭 변환 레벨,
Figure pat00008
는 제 1 탭 절환 변압기(230) 2차측 출력 교류 전압,
Figure pat00009
는 그룹 내 바이패스 스위치가 온(on) 되어진 풍력발전기 수,
Figure pat00010
은 MMC(110) 출력 교류 전압,
Figure pat00011
는 MMC(110) 연계 계통 전압, m은 MMC(110)의 변조비,
Figure pat00012
는 j번 풍력발전기의 직류 출력 전압을 나타낸다.
예를 들어,
Figure pat00013
이 5일 경우, 1대부터 5대의 풍력발전기가 기동할 때 제 1 탭 절환 변압기(230)의 탭 조정이 이루어져, 직류 링크 전압을 일정하게 유지한다. 이때 1대의 풍력발전기가 추가로 기동할 경우에는 기존 5대의 풍력발전기의 탭은 그대로 유지하되 1대의 풍력발전기는 가장 상위 탭을 선택하여 직류 링크 전압을 승압하고, 이와 동시에 제 2 탭 절환 변압기(120)의 탭을 조정하여 출력 전압을 승압하게 된다.
도 4 및 도 5는 도 1의 백투백 방식의 컨버터(220_1, 220_2) 중 풍력발전기 측 컨버터(220_1)를 도식화한 회로도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 계통에 연계되어 있어 일반적인 제어 방법을 사용하는 PMSG 풍력발전기와 직류-직렬 연계를 위한 PMSG 풍력발전기의 제어는 정류기 측 컨버터(220_2)에서 일정한 크기와 주파수를 갖는 전압을 공급을 해야하기 때문에 풍력발전기 측 컨버터(220_1)에서 직류 링크 전압제어를 수행하여 정류기 측 컨버터(220_2)의 출력 전압 안정화에 기여하여야 한다.
이때 PMSG 풍력발전기의 dq 동기좌표계에서의 전압 방정식은 아래의 [수학식 1] 및 [수학식 2]와 같이 나타낼 수 있으며, 이를 도 4와 같이 전류제어기로 도식화 할 수 있다. 그림 4에서
Figure pat00014
는 도 5의 직류 링크 전압제어기와 연결되며,
Figure pat00015
는 0으로 제어된다. 직류 링크 전압 제어기는 직류 링크 전압에 맞춰 PMSG 풍력발전기의 출력을 제어할 수 있도록 도 5와 같이 제어기를 설계하였으며, 도 5에서
Figure pat00016
는 직류 링크 전압 지령값,
Figure pat00017
는 직류 링크 전압,
Figure pat00018
는 PMSG 풍력발전기의 지령값 그리고
Figure pat00019
는 PMSG 풍력발전기의 유효전력을 의미한다.
Figure pat00020
Figure pat00021
여기서,
Figure pat00022
: PMSG 풍력발전기 고정자 dq 등가 전압
Figure pat00023
: PMSG 풍력발전기 고정자 dq 등가 전류
Figure pat00024
: 고정자 인덕턴스
Figure pat00025
: 고정자 저항
Figure pat00026
: PMSG 풍력발전기 회전 각속도
도 6은 도 1의 백투백 방식의 컨버터(220_1, 220_2) 중 정류기 측 컨버터(220_2)를 도식화한 회로도이다.
도 1 내지 도6을 참조하면, 일반적인 풍력발전기의 제어 구조와는 달리 직류-직렬 연결 풍력발전기의 정류기 측 컨버터(220_2)의 경우 일정한 크기, 위상 그리고 주파수 갖는 전압을 발생하여야 한다. 따라서 PWM 신호를 생성하기 위한 전압은 [수학식 3] 내지 [수학식 5]와 같으며 이를 도 6과 같이 도식화할 수 있다.
Figure pat00027
Figure pat00028
Figure pat00029
여기서,
Figure pat00030
: 정류기 측 컨버터(220_2)의 a,b,c 상전압 지령치
Figure pat00031
: 출력 전압 지령값의 크기
Figure pat00032
: 출력 주파스
Figure pat00033
: 위상각 지령값
도 7은 도 1의 제 1 탭 절환 변압기(230) 또는 제 2 탭 절환 변압기(120)의 일 실시예를 도시한 회로도이다.
도 1 내지 도 7을 참조하면, 도 7은 제 1 탭 절환 변압기(230) 또는 제 2 탭 절환 변압기(120)가 트라이악을 사용한 탭 절환 변압기인 경우를 도시하고 있다. 이 경우 상기 탭 절환 변압기는 트라이악의 동작으로 일정한 입력전압을 이용하여 가변의 출력 전압을 생성하거나, 일정한 폭으로 변화하는 입력 전압을 이용하여 고정된 크기의 출력 전압을 얻을 수 있다. 도 7과 같은 구조에서 트라이악을 이용한 탭 절환 변압기의 2차 측 전압은 아래의 [수학식 6]과 같이 나타낼 수 있다. 이때 트라이악이 턴온(turn-on) 상태일 때
Figure pat00034
이며, 턴오프(turn-off) 상태에서
Figure pat00035
과 같다.
Figure pat00036
도 8은 도 1의 MMC(110)의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 8을 참조하면, MMC(110)는 도 8과 같이 3상 N+1 레벨 MMC일 수 있으며, 이는 하프 브릿지 구조의 서브모듈이 직렬로 연결된 구조로 각 상 암에 순환전류 억제와 고장 전류 억제를 위한 암 인덕터
Figure pat00037
가 연결되어 있다.
이때 각 암에 흐르는 순환 전류는 아래의 [수학식 7]과 같이 계산할 수 있으며, 이에 따른 순환전류 억제를 위한 암 인턱터 값은 [수학식 8]로 산정 할 수 있다.
Figure pat00038
Figure pat00039
여기서,
Figure pat00040
: a상 순환 전류 [A]
Figure pat00041
: 서브모듈 수
Figure pat00042
: a상 전류 최대값 [A]
Figure pat00043
: 변조비
Figure pat00044
: 역률
Figure pat00045
: 직류 전류 [A]
Figure pat00046
: 무효율
Figure pat00047
: 위상각속도 [rad/s]
Figure pat00048
: 서브모듈 커패시턴스 [F]
Figure pat00049
: 암 인덕턴스 [H]
하프 브릿지 구조의 서브모듈은 커패시터, 스위칭 소자 그리고 이에 역병렬 구조로 연결된 다이오드로 구성되어 있으며, 이때 서브모듈의 전압은 [수학식 9]와 같으며, 이에 따른 서브모듈 커패시턴스는 [수학식 10]과 같이 산정된다.
Figure pat00050
Figure pat00051
여기서,
Figure pat00052
: 서브모듈 전압
Figure pat00053
: 직류 링크 전압 [V]
Figure pat00054
: 피상전력 [VA]
Figure pat00055
: 커패시터 전압 리플율 [%]
Figure pat00056
: 커패시터 평균 전압 [V]
도 9는 도 8의 MMC(110)의 서브모듈의 동작을 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 9를 참조하면, MMC(110)의 서브모듈은 도 9와 같이 스위치 T1과 T2의 On-off 동작에 따라 크게 두가지 상태로 나눌 수 있으며, 온(on) 상태는 도 9의 (a)와 (c), 오프(off) 상태는 도 9의 (b)와 (d)로 구분된다. 먼저 온 상태에서 양 전류의 경우 D1 다이오드를 통해 서브 모듈의 커패시터가 충전되며, 음 전류가 흐를 경우에는 T1 스위치의 온 동작으로 서브 모듈의 커패시터는 방전함으로써 온 상태의 서브 모듈 출력 전압은 커패시터 전압과 같게 된다. 오프 상태에서 양 전류가 흐를 경우 T2 스위치의 온 동작으로 서브모듈은 바이패스되며, 음 전류가 흐를 경우에는 D2 다이오드를 통해 바이패스 되어 오프 상태의 서브모듈의 전압은 0과 같다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 복수의 풍력발전기들이 직렬로 연결되어 초고압 직류 송전(HVDC)을 하는 풍력발전 시스템에 있어서,
    상기 풍력발전기들 각각과 연결되고, 상기 풍력발전기가 기동하여 생산한 전력의 전압을 변환하여 출력하는 복수의 제 1 탭 절환 변압기들;
    상기 제 1 탭 절환 변압기들 각각의 출력단에 연결되어 상기 제 1 탭 절환 변압기에서 출력되는 교류 전압을 직류로 변환하여 출력하고, 출력단이 MMC(Modular multilevel converter)의 직류링크에 직렬로 연결되는 복수의 정류기들;
    상기 MMC의 출력단과 전력계통 사이에 연결되는 제 2 탭 절환 변압기; 및
    상기 복수의 풍력발전기들을 복수의 그룹으로 그룹화하고, 상기 그룹별로 상기 직류 링크로 출력되는 전압의 크기가 일정하게 유지되도록 상기 제 1 탭 절환 변압기의 탭을 조정하며, 상기 MMC에서 출력되는 전압이 계통전압으로 변환되도록 상기 제 2 탭 절환 변압기의 탭을 조정하는 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 풍력발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 그룹별로 기동하는 풍력발전기의 개수와 무관하게 적어도 하나의 풍력발전기만 기동하면 상기 직류 링크로 출력되는 그룹별 전압의 크기가 일정하게 유지되도록 상기 제 1 탭 절환 변압기의 탭을 조정하는 것을 특징으로 하는 풍력발전 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 그룹들 중 제 1 그룹에 포함된 풍력발전기들 중 적어도 하나의 풍력발전기가 기동하는 경우, 상기 직류 링크로 출력되는 전압이 제 1 전압이 되도록 상기 제 1 그룹의 풍력발전기들에 연결된 제 1 탭 절환 변압기들의 탭을 조정하고,
    상기 직류 링크로 출력되는 전압이 제 1 전압인 상태에서 제 2 그룹에 포함된 풍력발전기들 중 적어도 하나의 풍력발전기가 기동하는 경우, 상기 직류 링크로 출력되는 전압이 제 2 전압이 되도록 상기 제 1 그룹의 풍력발전기들에 연결된 제 1 탭 절환 변압기들의 탭을 유지하면서 상기 제 2 그룹의 풍력발전기들에 연결된 상기 제 1 탭 절환 변압기들의 탭을 조정하는 것을 특징으로 하는 풍력발전 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 풍력발전기는,
    영구자석 동기발전기(Permanent magnet synchronous generator : PMSG)로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 풍력발전 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 풍력발전 시스템은,
    각각의 상기 풍력발전기의 출력단에 연결되어 상기 풍력발전기에서 출력하는 교류 전압을 직류로 변환 후 다시 교류로 변환하여 출력하는 백투백(back-to-back) 방식의 컨버터를 더 구비하고,
    상기 제 1 탭 절환 변압기는,
    상기 컨버터의 출력단에 연결되어 상기 컨버터에서 출력되는 직류 전압을 교류로 변환하여 출력하는 것을 특징으로 하는 풍력발전 시스템.
  6. 복수의 풍력발전기들 각각에 제 1 탭 절환 변압기가 연결되고, 상기 제 1 탭 절환 변압기들에서 출력되는 전압을 직류로 변환하여 MMC(Modular multilevel converter)의 직류링크에 직렬로 연결되며, 상기 MMC의 출력단과 전력계통 사이에 제 2 탭 절환 변압기가 연결되어 초고압 직류 송전(HVDC)을 하는 풍력발전 시스템 운용방법에 있어서,
    상기 복수의 풍력발전기들을 복수의 그룹으로 그룹화하는 단계;
    상기 그룹별로 상기 직류 링크로 출력되는 전압의 크기가 일정하게 유지되도록 상기 제 1 탭 절환 변압기의 탭을 조정하는 단계; 및
    상기 MMC에서 출력되는 전압이 계통전압으로 변환되도록 상기 제 2 탭 절환 변압기의 탭을 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전 시스템 운용방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제 1 탭 절환 변압기의 탭을 조정하는 단계는,
    상기 그룹별로 기동하는 풍력발전기의 개수와 무관하게 적어도 하나의 풍력발전기만 기동하면 상기 직류 링크로 출력되는 그룹별 전압의 크기가 일정하게 유지되도록 상기 제 1 탭 절환 변압기의 탭을 조정하는 단계인 것을 특징으로 하는 풍력발전 시스템 운용방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 제 1 탭 절환 변압기의 탭을 조정하는 단계는,
    상기 그룹들 중 제 1 그룹에 포함된 풍력발전기들 중 적어도 하나의 풍력발전기가 기동하는 경우, 상기 직류 링크로 출력되는 전압이 제 1 전압이 되도록 상기 제 1 그룹의 풍력발전기들에 연결된 제 1 탭 절환 변압기들의 탭을 조정하는 단계; 및
    상기 직류 링크로 출력되는 전압이 제 1 전압인 상태에서 제 2 그룹에 포함된 풍력발전기들 중 적어도 하나의 풍력발전기가 기동하는 경우, 상기 직류 링크로 출력되는 전압이 제 2 전압이 되도록 상기 제 1 그룹의 풍력발전기들에 연결된 제 1 탭 절환 변압기들의 탭을 유지하면서 상기 제 2 그룹의 풍력발전기들에 연결된 상기 제 1 탭 절환 변압기들의 탭을 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전 시스템 운용방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023122157A2 (en) * 2021-12-24 2023-06-29 Electric Hydrogen Co. Invariable-change-component-based power converter

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012241576A (ja) * 2011-05-18 2012-12-10 Hitachi Ltd 風力発電装置群の制御システム及び制御方法
KR20130113805A (ko) * 2012-04-06 2013-10-16 주식회사 다원시스 고용량 풍력 발전 장치와 고용량 풍력 발전 장치의 제어 방법
JP2015002597A (ja) * 2013-06-14 2015-01-05 学校法人東京電機大学 風力発電システム
KR20150130865A (ko) * 2014-05-14 2015-11-24 엘에스산전 주식회사 컨버터 제어 장치 및 그 동작 방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012241576A (ja) * 2011-05-18 2012-12-10 Hitachi Ltd 風力発電装置群の制御システム及び制御方法
KR20130113805A (ko) * 2012-04-06 2013-10-16 주식회사 다원시스 고용량 풍력 발전 장치와 고용량 풍력 발전 장치의 제어 방법
JP2015002597A (ja) * 2013-06-14 2015-01-05 学校法人東京電機大学 風力発電システム
KR20150130865A (ko) * 2014-05-14 2015-11-24 엘에스산전 주식회사 컨버터 제어 장치 및 그 동작 방법

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114123297A (zh) * 2021-10-26 2022-03-01 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 风力发电用三输入单输出直流串并联并网切换系统
CN114123297B (zh) * 2021-10-26 2023-11-07 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 风力发电用三输入单输出直流串并联并网切换系统

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