KR20200067550A - 대규모 풍력단지 연계 계통 사고시 전압 변조 지수를 활용한 전압 제어 장치, 이의 방법, 및 이 방법을 저장한 컴퓨터 판독 가능 저장 매체 - Google Patents

대규모 풍력단지 연계 계통 사고시 전압 변조 지수를 활용한 전압 제어 장치, 이의 방법, 및 이 방법을 저장한 컴퓨터 판독 가능 저장 매체 Download PDF

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Abstract

대규모 풍력단지 연계 계통 사고시 전압 변조 지수를 활용한 전압 제어 장치가 개시된다. 상기 전압 제어 장치는, 풍력 터빈(410)의 회전에 의해 제 1 AC(Alternating) 전압을 생산하는 발전 모터(420), 상기 제 1 AC 전압을 DC 전압으로 변환하는 머신측 변환부(430), 상기 DC 전압을 변환하여 제 2 AC 전압을 그리드(470)에 공급하는 그리드측 변환부(450), 및 상기 제 1 AC 전압 및 제 2 AC 전압의 전압차에 따라 상기 머신측 변환부(430) 및 그리드측 변환부(450)에 구성되는 다수의 서브 모듈(1010)에 대한 전압 변조 지수(MI)를 조정하는 제어기(440)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

대규모 풍력단지 연계 계통 사고시 전압 변조 지수를 활용한 전압 제어 장치, 이의 방법, 및 이 방법을 저장한 컴퓨터 판독 가능 저장 매체{Efficient control Apparatus of Voltage source contverter high voltage direct current system connected with wind farm, Method thereof, and Computer readable storage having the method}
본 발명은 전압 제어 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 DC(Direct Current) 쵸퍼(Chopper)의 과다 사용 방지에 의한 HVDC(high voltage direct current) 시스템의 수명 증대에 기여할 수 있는 전압 제어 장치 및 방법에 대한 것이다.
또한, 본 발명은 대규모 신재생에너지 연계시 HVDC 시스템의 효과적인 제어로 계통 불안전 현상을 방지하고, 신재생 에너지로 인한 계통 신뢰성과 손실 등을 향상시킬 수 있는 전압 제어 장치 및 방법에 대한 것이다.
대용량의 해상풍력 등 신재생에너지와 AC(Alternating Current) 계통을 연계시에는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 전압형(Voltage source contverter) HVDC(high voltage direct current) 시스템을 이용하는 것이 시스템 제어, 고장 파급 방지 등에서 보다 유리하다.
도 1은 일반적인 전압형 HVDC 시스템과 풍력 발전 연계의 예시이고, 도 2는 일반적인 전압형 HVDC 시스템과 풍력 발전 연계의 예시이다.
대용량의 해상풍력 등 신재생 에너지와 AC 계통을 연계시에는 도 1 및 도 2와 같은 전압형 HVDC 시스템이 이용된다. 이러한 전압형 HVDC 시스템에 모듈러 컨버터를 적용한 MMC(Multi modular converter)형 전압형 HVDC 시스템도 개시되어 있다.
이러한, 전압형 HVDC 시스템은 정류기와 인버터간의 DC 전압을 고정하고, DC 전류차를 이용하여 전력을 전송하는 방식이다. 커패시터를 가지고 있는 모듈들은 HVDC 시스템내 전압을 유지하기 위하여 정류기측에서 들어오는 AC 전압을 DC 전압으로 변환 후 인버터에서 DC 전압을 AC 전압으로 다시 변환하게 된다.
모듈들은 지속적으로 충전, 방전을 하기 때문에 MMC형 HVDC 시스템은 제어 알고리즘이 전류형에 비하여 복잡하고, 충전, 방전시 발생되는 2차 고조파를 제어하기 위한 아암(arm) 리액터 등이 필요하다.
또한, 모듈들은 AC 전압 파형에 따라 상단 아암, 하단 아암의 모듈이 AC 전압파형과 유사하게 진행이 되도록 모듈내에 있는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 켜고 끄는 동작을 반복하게 되는데, 기본적으로 상단 아암의 전압과 하단 아암의 전압의 합이 DC 전압으로 일정하게 출력이 나오도록 제어를 하게 된다.
MMC는 상별로 하나씩, 총 3개의 레그(LEG)로 구성되며, 하나의 레그(LEG)는 상/하단 아암으로 구성된다. 각각의 아암(ARM)은 직렬로 연결된 서브모듈로 구성되는데 서브모듈이 하프 브릿지 형태인 경우 MMC시스템이 n-level이면, 각 ARM이 가지는 서브모듈의 수는 n-1개이다.
서브모듈의 IGBT의 제어에 따른 커패시터의 상태와 전류의 흐름을 보여준다. 서브모듈 스위치의 상태에 따라 터미널에 커패시터의 전압을 형성(On)하거나 바이패스 동작을 하여 영전압을 형성(Off)한다.
따라서, 상단과 하단의 아암의 서브모듈의 On/Off 수를 제어하여 출력 전압의 크기를 조절한다. 도 3은 서브모듈을 조절하여 만들어지는 전류 흐름의 예시를 나타내었다. 도 3에서 볼 수 있듯이, 트랜지스터(IGBT1,IGBT2) 및 다이오드(D1,D2)의 구성에 따라 커패시터 온, 커패시터 오프 상태가 된다. 이 경우, 기존 전압형 컨버터에 비하여 스위칭 주파수를 줄일 수 있고, 고조파 발생이 작기 때문에 필터가 필요 없다.
그런데, 현재 계통 사고시 사용하는 DC 쵸퍼(Chopper)와 DC Droop 간에 상호작용을 보다 효과적으로 하기 위한 시스템이 별도로 필요하다. DC Droop 제어는 DC Chopper에 비하여 제어 속도가 느리다. 즉, 계통 사고시에는 우선 DC Chopper가 동작하고, 이후 DC Droop 제어를 해야하는데 사고시 제어순서를 정하는 등 제어시스템이 매우 복잡해지게 된다.
전압형 HVDC 시스템은 제어기의 구성이 전류형에 비하여 매우 복잡하다. 서브모듈 동시제어, 순환전류 제어, Sorting, 무효전력과 유효전력 제어 등 제어기가 감당해야 되는 상황이 매우 많다. 제어기 설계 부담을 간소화할 필요가 있다.
또한, DC Chopper는 큰 저항체로 자주 동작하게 되면, 동작이 많은 경우나 계통고장이 매우 큰 경우에는, 과부하로 인한 과열이 발생하거나 시스템 트립 등 2차 사고가 발생될 우려가 있다.
1. 한국공개특허번호 제10-2016-0003951호 2. 한국공개특허번호 제10-2016-0012032호 3. 정해광, "대용량 풍력발전 시스템의 계통연계기술에 관한 연구", 아주대학교, 2014
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, DC(Direct Current) 쵸퍼(Chopper)의 과다 사용 방지에 의한 HVDC(high voltage direct current) 시스템의 수명 증대에 기여할 수 있는 대규모 풍력단지 연계 계통 사고시 전압 변조 지수를 활용한 전압 제어 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 대규모 신재생에너지 연계시 HVDC 시스템의 효과적인 제어로 계통 불안전 현상을 방지하고, 신재생 에너지로 인한 계통 신뢰성과 손실 등을 향상시킬 수 있는 대규모 풍력단지 연계 계통 사고시 전압 변조 지수를 활용한 전압 제어 장치 및 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, DC(Direct Current) 쵸퍼(Chopper)의 과다 사용 방지에 의한 전압형 HVDC(high voltage direct current) 시스템의 수명 증대에 기여할 수 있는 대규모 풍력단지 연계 계통 사고시 전압 변조 지수를 활용한 전압 제어 장치를 제공한다.
상기 전압 제어 장치는,
풍력 터빈의 회전에 의해 제 1 AC(Alternating) 전압을 생산하는 발전 모터;
상기 제 1 AC 전압을 DC 전압으로 변환하는 머신측 변환부;
상기 DC 전압을 변환하여 제 2 AC 전압을 그리드에 공급하는 그리드측 변환부; 및
상기 제 1 AC 전압 및 제 2 AC 전압의 전압차에 따라 상기 머신측 변환부 및 그리드측 변환부에 구성되는 다수의 서브 모듈에 대한 전압 변조 지수(MI)를 조정하는 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제어기는 계통 고장 상태시 상기 전압 변조 지수(MI)를 증가시켜 아암 전원을 작게 만들어 DC 전원을 낮추는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어기는 상시 상태시 상기 전압 변조 지수(MI)를 이용하여 순환 전류를 제거하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전압 변조 지수(MI)는 다음 수학식,
Figure pat00001
(여기서, Vac는 서브 모듈(1010)의 AC 전압이고, vdc는 DC 전압을 나타낸다)으로 정의되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 서브 모듈은 다수개가 직렬로 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 서브 모듈은 하프 브릿지 회로인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 하프 브릿지 회로는 직결로 연결되는 2개의 스위칭 소자 및 상기 스위칭 소자와 병렬로 연결되는 커패시터로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 스위칭 소자는 트랜지스터 및 바디 다이오드로 이루어지는 IGBT(Insulated gate bipolar transistor)인 것을 특징으로 하다.
또한, 상기 제어기는 상기 DC 전압이 미리 설정되는 DC 셋팅 전압과 같으면 조정된 전압 변조 지수를 원래의 전압 변조 지수로 복귀시키는 것을 특징으로 한다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, (a) 발전 모터가 풍력 터빈의 회전에 의해 제 1 AC(Alternating) 전압을 생산하는 단계; (b) 머신측 변환부가 상기 제 1 AC 전압을 DC 전압으로 변환하는 단계; (c) 그리드측 변환부는 상기 DC 전압을 변환하여 제 2 AC 전압을 그리드에 공급하는 단계; 및 (d) 제어기가 상기 제 1 AC 전압 및 제 2 AC 전압의 전압차에 따라 상기 머신측 변환부 및 그리드측 변환부에 구성되는 다수의 서브 모듈에 대한 전압 변조 지수를 조정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 대규모 풍력단지 연계 계통 사고시 전압 변조 지수를 활용한 전압 제어 방법을 제공한다.
또 다른 한편으로, 본 발명의 또 다른 일실시예는, 위에서 기술된 대규모 풍력단지 연계 계통 사고시 전원 변조 지수를 활용한 전압 제어 방법을 실행하는 프로그램 코드를 저장한 컴퓨터 판독 가능 저장 매체를 제공한다.
본 발명에 따르면, DC(Direct Current) 쵸퍼(Chopper)의 과다 사용을 방지함으로써 전압형 HVDC(high voltage direct current) 시스템 수명 증대에 기여할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 대규모 신재생 에너지 연계시 HVDC 시스템의 효과적인 제어로 계통 불안전 현상을 방지하고, 신재생 에너지로 인한 계통 신뢰성과 손실 등을 향상시킬 수 있다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 향후, 동북아 슈퍼 그리드 연계시 대규모 해상 풍력 발전소 또는 육지 풍력 발전소와 AC(Alternating) 계통간의 악영향을 최소화하여 전압형 HVDC에 대한 신뢰성과 연관되는 지역의 파급 고장을 최소화하는데 기여할 수 있다는 점을 들 수 있다.
도 1은 일반적인 전압형(Voltage source contverter) HVDC 시스템과 풍력 발전 연계의 예시이다
도 2는 일반적인 전압형 HVDC 시스템과 풍력 발전 연계의 예시이다.
도 3은 일반적인 MMC(Multi modular converter) 서브모듈의 상태에 따른 전류 흐름을 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 대규모 풍력단지 연계 계통 사고시 전압 변조 지수를 활용한 전압 제어 장치의 구성 블럭도이다.
도 5는 일반적인 DC Droop 제어의 개념을 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력 연계 등가 회로 구성 블럭도이다.
도 7은 도 6에 도시된 회로 구성 블럭도에 따른 유효 전력의 공급/흡수 관계를 보여주는 벡터도이다.
도 8은 도 6에 도시된 회로 구성 블럭도에 따른 무효 전력의 공급/흡수 관계를 보여주는 벡터도이다.
도 9는 도 4에 도시된 제어기의 상세 블럭도이다.
도 10은 도 4에 도시된 머신측 변환부 및 그리드측 변환부의 세부 구성 블럭도이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 대규모 풍력단지 연계 계통 사고시 전압 변조 지수를 활용한 전압 제어 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 11은 도 9에 도시된 유효전력 제어 블럭의 상세도이다.
도 12는 도 9에 도시된 무효전력 제어 블럭의 상세도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다. 제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 대규모 풍력단지 연계 계통 사고시 전압 변조 지수를 활용한 제어 장치 및 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 대규모 풍력단지 연계 전압 변조 지수를 활용압 변조 지수한 전압 제어 장치(400)의 구성 블럭도이다. 도 4를 참조하면, 전압 제어 장치(400)는, 풍력 터빈(410), 풍력 터빈(410)의 회전에 의해 전원(즉, AC 전압)을 생산하는 발전 모터(420), 머신측 변환부(430), 제어기(440), 그리드측 변환부(450), 결합 변압기(460), 그리드(470), DC 케이블(480) 등을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
기본적으로 AC 시스템으로 풍력단지를 연계하는 데에는 전력 전송량과 송전선로의 전압에 대한 한계를 가지고 있으며, 케이블의 길이가 증가하고, 무효 전력량이 어느 정도 이상 증가하는 경우에는 케이블의 한계가 존재한다. 또한, 송전거리가 증가하면 송전손실이 증가하므로, 대용량의 해상풍력과 같은 장거리 선로가 필요한 경우 많은 손실이 발생하게 된다.
통상적으로, 전력을 전송할 때에는 전압 크기, 케이블의 크기 및 길이 외에도 여러 기기들을 추가해야 한다. 즉, 무효전력 보상장치를 해상과 지상 연계 지점에 설치해야 하며, 연계 지점에서의 전압이 크기가 같아야 한다.
AC 전류 케이블은 일반적으로 약 1,200mm2의 구리 도체선으로 약 150/170kV로 제한되어 있고, 송전용량은 거리에 따라 다르지만, 일반적으로 약 200MW로 제한되어 있다. HVAC 케이블은 매우 무겁고, 보다 짧은 거리로 설치해야 하고, 더 많은 슬리브 커플링이 필요하다.
전류형(Voltage source contverter) HVDC는 일반적으로 사이리스터를 사용하여 전력을 전송하는 시스템으로, 주로 양측의 살아있는 AC 계통이 있는 경우에 사용을 한다. 이러한 점으로, 해상측의 풍력발전을 연계하는데 큰 단점을 가지고 있다. 왜냐하면, 해상풍력은 HVDC 연계 이전에 전력을 먼저 승압시켜야 하기 때문이다.
전류형 HVDC로 해상풍력을 연계하기 위해서는 전력 공급이 중단되거나 바람이 불지않는 경우를 대비하여 보조설비들이 필요하다. 또한, 사이리스터 스위칭시 발생하는 대량의 고조파를 제거하기 위한 AC 필터가 필요하다. 따라서, 해상측, 육상측 변환소의 크기가 증가하게 되고, 투자비용이 증가된다. 또한, AC 전압이 왜곡이 되면, 정류실패가 발생하여 전력교환이 어렵게 된다.
또 다른 문제는, 케이블에 고 전압에 의한 스트레스를 받는 단점이 있다. 또한, 필터와 무효전력 공급원에 대한 비용이 상당하고, 이에 대한 설비 면적이 AC로 연계하였을 때보다 200% 이상 크게 차지하게 된다.
전압형 HVDC는 IGBT(Insulated gate Bipolar Transistors)를 스위치로 사용하고, 고 주파수에서 PWM(Pulse Width Modulation)를 사용하여 제어한다. 커패시터의 적절한 정격으로, 전압크기가 양 변환소측에 유지가 되고, 컨버터의 분리운전이 가능하며, 분리제어가 가능하다.
또한, 전압형 HVDC의 경우, 장점은 유효전력과 무효전력을 분리해서 제어할 수 있다는 점이다. 또한, 고장시 네트워크를 분리할 수 있고, 정류 전압이 필요없는 블랙 스타트(black start) 기능을 가지고 있다.
풍력발전이 변화무쌍한 주파수에서 운전이 가능하고, 고장 발생시 고장을 축소시킬 수 있고, 높은 주파수에서 스위칭을 하므로, 고조파를 줄일 수 있기 때문에 케이블에 부가되는 스트레스를 최소화할 수 있다.
가장 중요한 점은 무효전력과 전압을 제어하는데 용이하다. 대규모 해상풍력은 향후 전력망에서 비중이 커지기 때문에 이러한 특성을 이용한 제어 방법은 매우 중요하다. DC 커패시터가 DC 전압을 일정하게 유지하기 때문에 DC 케이블은 스트레스가 크지 않고, 해상풍력을 적용할 때 VSC HVDC 케이블을 만들기가 매우 용이하고, 다른 송전선로 기술을 사용할 수 있다.
HVAC(high voltage Alternating current), 전류형(Line Commutated converter) HVDC와 전압형 HVDC의 기능을 비교하면 다음 표와 같다.
HVAC 전류형 HVDC 전압형 HVDC
전압 170kV 600 kV 300 kV
전력 200~250MW 1,100 MW 500 MW
송전선로 길이 단거리만 가능 3,333 km 500 km
케이블 손실 큼 작음 작음
추가 손실 보상 컨버터 적용 1% 컨버터 적용 2%
Islanding 운전 가능 불가능 가능
Black start 가능 불가능 가능
계통 분리 불가능 가능 가능
고조파 발생 큼 큼 적음
필터, 보상장치 필요없음 필요 없음
왜란시 반응 속도 느림 빠름 빠름
무효 전력 제어 제한적으로만 가능 독립 제어 불가 독립 제어
도 4를 참조하여 계속 설명하면, 발전 모터(420)는 풍력 터빈(410)의 회전에 의해 제 1 AC(Alternating) 전압을 생산하는 기능을 한다. 이를 위해, 발전 모터(420)는 고정자(미도시) 및 이 고정자내에서 회전하는 회전자(미도시)로 이루어지는 PMSG(Permanent Magnet Synchronous Generator)가 될 수 있다. 물론, 이외에도 이중 여자 유도 발전기(Doubly Fed Induction Generator), 농형 유도 발전기(Asynchronous Squirrel Cage Induction Generator), 권선형 유도 발전기(Wound-rotor induction generator), 전기여자형 동기 발전기(Electrically Excited Synshronous Generator) 등이 사용될 수 있다.
머신측 변환부(430)는 발전 모터(420)로부터 생성된 AC 전압을 DC 전압으로 변환하는 기능을 수행한다. 이를 위해 머신측 변환부(430)에는 하프 브릿지 회로로 이루어지는 서브 모듈들이 구성된다.
그리드측 변환부(450)는 DC 케이블(480)로 머신측 변환부(430)와 연결되며, 머신측 변환부(430)로부터 전달받은 DC 전압을 변환하여 최종 AC 전압을 그리드(470)에 공급하는 기능을 수행한다.
DC 케이블(480)은 HVDC 케이블로서 초고압 직류 전압을 전송하는 기능을 수행한다. DC 케이블(480)은 인덕터(L)와 저항(R)의 직렬연결되는 회로와 등가될 수 있다.
그리드측 변환부(450)에도 머신측 변화부(430)와 유사하게 하프 브릿지 회로로 이루어지는 서브 모듈들이 구성된다.
제어기(440)는 발전 모터(420)로부터 출력되는 AC 전압과 그리드측 변환부(450)에서 출력되는 AC 전압의 전압차에 따라 상기 머신측 변환부(430) 및/또는 그리드측 변환부(450)에 구성되는 다수의 서브 모듈에 대한 전압 변조 지수(MI: Module Index)를 조정하여 전압형 HVDC 시스템을 안정적으로 운전하는 기능을 수행한다.
콘덴서(401)는 평활회로 콘덴서로서 머신측 변환부(430)로부터 출력되는 DC 전압을 평활화하는 기능을 수행한다.
결합 변압기(460)는 그리드측 변환부(450)로부터 출력되는 AC 전압을 승압 또는 강압하여 그리드(470)에 공급하는 기능을 수행한다.
그리드(470)는 일정지역 내의 수용가, 분산전원, 신재생 에너지원, 에너지 저장 장치를 갖춘 전력망을 구축하고, 외부의 대규모 전력계통에 연계 또는 독립적으로 운전할 수 있도록 하는 전력망을 의미한다. 물론, 외부의 대규모 전력망을 의미할 수도 있다.
도 5는 일반적인 DC Droop 제어의 개념을 보여주는 그래프이다. 일반적으로, 풍력 발전 단지와 AC 계통을 연계하는 HVDC 시스템에서 만약 AC 계통에 사고가 발생하거나 또는 여타의 다른 이유로 풍력 발전 에너지를 AC 계통으로 전달하지 못하게 된다면, DC 계통의 전위가 상승하게 된다.
이와 달리, DC 계통의 전위가 상승하게 되면, 컨버터와 인버터를 비롯한 전력전자 설비는 물론 연계된 모든 전력 설비에 부담을 주게 된다. DC 계통의 전위를 일정 수준 이상으로 상승하지 못하도록 억제할 수 있는 방법이 필요하다.
이를 위해, 머신측 변환부(430)와 그리드측 변환부(450)사이에 DC 쵸퍼(Chopper)가 구성된다. DC chopper는 HVDC의 DC측 계통 전압을 안정적으로 운용할 수 있는 역할을 수행한다. DC Chopper는 방전용 저항과 스위칭 소자를 이용하여 DC 계통의 에너지를 흡수하여 DC측 전위를 떨어뜨리는 역할을 수행한다. 에너지의 흡수는 방전용 저항을 통하여 이루어지고, 에너지 흡수량의 조정은 스위칭 소자의 ON/OFF 상태에 따라 제어될 수 있다.
즉, DC측의 전위가 일정 수준 이상으로 상승하게 되면, 스위칭 소자를 ON하여 DC측의 에너지가 방전 저항으로 흘러들어 에너지를 소모하도록 하며, 이를 통하여 DC 계통은 전압 강하의 효과를 볼 수 있다. 일정 시간 방전 후에 DC 전위가 정상 범위에 도달하게 되면, 다시 스위칭 소자를 OFF하여 에너지의 방전을 차단하여 정상적으로 DC 계통이 운전될 수 있도록 한다.
물론, 이상의 원인이 제거되지 않았다면, 스위칭 소자를 OFF한 후에, 다시 DC 계통 전위는 상승하게 되고, DC Chopper는 동일한 동작을 수행하여 DC 전위를 강하시키게 된다. 이러한, DC Chopper의 동작에 의하여, DC의 전위는 일정 범위 이내에서 운영될 수 있게 된다.
한편, 도 5를 참조하여 DC Droop 제어 개념을 설명하면, 무효전력 드룹 제어 곡선(510) 상의 목표하고자 하는 DC 전압 지령치(520)와 실제 DC 전압(530)과의 오차를 제어입력으로 선택하여 계산된 제어출력을 포함하여 d축 전류 지령치를 설정한다.
설정된 d축 전류 지령치는 MMC의 상위 제어기에 입력이 되며 결과적으로 유효전력과 DC 전압을 동시에 제어한다. 이와 같이 설정할 경우에는 DC 전압 지령치와 실제 DC 전압 간의 차이가 발생하면 비례제어에 의하여 유효전력 지령치를 변경시킨다.
일반적으로 계통 사고시 사용하는 DC 쵸퍼(Chopper)와 DC Droop 제어 간에 상호작용을 보다 효과적으로 하기 위한 시스템이 별도로 필요하다. DC Droop 제어는 DC Chopper에 비하여 제어 속도가 느리다. 즉, 계통 사고시에는 우선 DC Chopper가 동작하고, 이후 DC Droop 제어가 적용되므로 계통 사고시 제어순서를 정하는 등 제어 시스템이 매우 복잡해지게 된다.
전압형 HVDC 시스템은 제어기의 구성이 전류형에 비하여 매우 복잡하다. 서브모듈 동시제어, 순환전류 제어, Sorting, 무효전력과 유효전력 제어 등 제어기가 감당해야 되는 상황이 매우 많다. 제어기 설계 부담을 간소화 할 필요가 있다.
DC Chopper는 큰 저항체로 자주 동작하게 되면, 동작이 많은 경우나 계통고장이 매우 큰 경우에는, 과부하로 인한 과열이 발생하거나 시스템 트립 등 2차 사고가 발생될 우려가 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력 연계 등가 회로 구성 블럭도이다. 도 6에서, 전력 변환기(610)는 머신측 변환부(430) 또는 그리드측 변환부(450)이다. 따라서, 전력 변환기(610)는 위치가 변경될 수 있다.
V는 발전 모터(420)로부터 생성된 AC 전압이고, E는 그리드(도 4의 470)에 공급되는 그리드 전압이 된다.
도 7은 도 6에 도시된 회로 구성 블럭도에 따른 유효 전력의 공급/흡수 관계를 보여주는 벡터도이다. 도 7을 참조하면, 풍력 스테이지에 연계된 전압형 HVSC 시스템의 제어 모드시 벡터도이다. 연계 모드의 경우, 유효 전력 제어는 DC 전압 제어/AC 유효전력 제어이고, 무효전력 제어는 AC 전압제어/AC 무효전력제어이다. 독립 모드의 경우, AC 전압/주파수 제어이다.
도 7을 참조하면, 위쪽 벡터도는 유효전력의 공급 상태를 나타내며, 아랫쪽 벡터도는 유효전력의 흡수 상태를 나타낸다. I는 전류이고, XL은 DC 케이블(480)의 커플링 인덕턴스이고, δ는 V와 E간 위상각이다.
도 8은 도 6에 도시된 회로 구성 블럭도에 따른 무효 전력의 공급/흡수 관계를 보여주는 벡터도이다. 도 8을 참조하면, 위쪽 벡터도는 무효전력의 공급 상태를 나타내며, 아랫쪽 벡터도는 무효전력의 흡수 상태를 나타낸다.
유효 전력(P)과 무효 전력(Q)의 관계는 다음식으로 나타낼 수 있다.
Figure pat00002
Figure pat00003
여기서, S는 피상 복소 전력, *는 공액 복소수를 나타낸다.
Figure pat00004
Figure pat00005
위 수학식을 보면 유효전력(P)은 d-축 전류 제어를 통한 DC 전압과 밀접한 관계가 있고, 무효전력(Q)은 q-축 전류제어를 통한 AC 전압과 관계가 있다.
이러한, 풍력 계통 연계 운전을 제어하는 제어기(440)는 도 9로 표현된다. 도 9는 도 4에 도시된 제어기의 상세 블럭도이다. 도 9를 참조하면, 유효전력은 위상차(θ)를 이용하고, 무효전력은 전압차를 이용하므로, 전압차가 발생하면, Iq는 지령치와의 차이를 보상하기 위하여 증가하게 된다.
유효전력 제어 블럭(910) 및 무효전력 제어 블럭(920)은 복소 지령치(Id *,Iq *)을 생성한다. 복소 q-축 지령치(Iq *)는 AC측 기준전압과 DC측 기준전압이 다른 경우나 해당 지점의 무효전력의 차이가 발생하면 생성된다. 복소 d-축 지령치(Id *)는 복소 d-축 지령치(Id *)는 AC측 기준점의 유효전력과 DC측 기준점의 유효전력량의 차이가 발생하는 경우나, vdc가 변동하는 경우(전압형 HVDC의 Vdc는 항상 일정), 발생한다.
비간섭 전류 제어기 블럭(960)은 복소 지령치(Id *,Iq *) 및 유효 지령치(Id,Iq)를 통해 복소 d축 지령 전압 및 q축 지령 전압(Vd *,Vq *)을 생성한다.
2축-3상 전압 변환 블럭(970)은 복소 d축 지령 전압 및 q축 지령 전압(Vd *,Vq *)에 위상차(θ)를 적용하여 3상 출력 전압(Vabc)로 변환하고, 이를 HVDC 밸브에 적용하여 제어한다. 부연하면, HVDC 시스템에서 계통의 Vabc 전압을 시스템의 전류 제어기로 효과적으로 제어기하기 위하여 복소 지령치(Id *,Iq *) 개념을 도입한다. Idq 프레임에서 다시 Vabc로 신호가 나가기 위해서는 Idq 프레임의 Id *,Iq *-> Vdq프레임의 Vd *,Vq * -> Vαβ 프레임(전압 및 전류를 정지 좌표계로 표시함)의 Vd *,Vq * ->Vabc 순으로 변환을 수행한다. Vdq프레임에서 Vαβ프레임으로 변환하기 위해서는 위상차(θ)를 적용한다.
위상차(θ)는 PLL(Phase-Locked Loop)를 통해 산출된다. PLL은 Phase Detector(PD)(미도시), Loop Filter(LP)(미도시), Voltage Controlled Oscillator(VCO)(미도시)로 구성된다.
도 9에서, Iabc는 계통 3상 전류를 나타내며, vdq는 d-q축 지령 전압을 나타낸다.
도 9에 도시된 "~블럭(910 내지 980)"의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 및/또는 소프트웨어로 구현될 수 있다. 하드웨어 구현에 있어, 상술한 기능을 수행하기 위해 디자인된 ASIC(application specific integrated circuit), DSP(digital signal processing), PLD(programmable logic device), FPGA(field programmable gate array), 프로세서, 마이크로프로세서, 다른 전자 유닛 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 소프트웨어 구현에 있어, 상술한 기능을 수행하는 모듈로 구현될 수 있다. 소프트웨어는 메모리 유닛에 저장될 수 있고, 프로세서에 의해 실행된다. 메모리 유닛이나 프로세서는 당업자에게 잘 알려진 다양한 수단을 채용할 수 있다.
도 10은 도 4에 도시된 머신측 변환부(430) 및 그리드측 변환부(450)의 세부 구성 블럭도이다. 도 10을 참조하면, 제 1 내지 제 N 서브 모듈(1010)로 아암(1020)이 구성된다. 그리고 이러한 아암(1020)이 상단 아암과 하단 아암으로 배치된다. 부연하면, 상별(U,V,W)로 하나씩, 총 3개의 레그(LEG)로 구성되며, 하나의 LEG는 상/하단 ARM으로 구성된다. 각각의 ARM은 직렬로 연결된 서브모듈로 구성되는데 서브모듈이 하프 브릿지 형태인 경우 MMC 전압형 HVDC 시스템이 n-level이면, 각 ARM(1020)이 가지는 서브모듈(1010)의 수는 n개이다.
상단 아암과 하단 아암 사이에는 직렬로 2개의 아암 인덕터(Arm-inductor)가 배치된다. 제 1 내지 제 N 서브 모듈(1010)은 AC 전압을 DC 전압으로 변환하거나 DC 전압을 AC 전압으로 변환하기 위한 하프 브릿지 회로이다. 따라서, 2개의 스위칭 소자(Q1,Q2) 및 상기 스위칭 소자(Q1,Q2)와 병렬로 연결되는 커패시터(C)로 이루어진다.
스위칭 소자(Q1,Q2)는 트랜지스터(1011) 및 이 트랜지스터(1011)의 드레인 및 소스를 연결하는 바디 다이오드(1012)로 이루어지는 IGBT(Insulated gate bipolar transistor)가 될 수 있다.
머신측 변환부(430)의 앞단에는 전압 검출을 위한 제 1 전압 검출기(1001-1) 및 전류 검출을 위한 제 1 전류 검출기(1002-1)가 그리드 인덕터(Grid-inductor)를 사이에 두고 순차적으로 배치된다.
이와 유사하게, 그리드측 변환부(450)의 후단에도 전류 검출을 위한 제 2 전류 검출기(1002-2) 및 전압 검출을 위한 제 2 전압 검출기(1001-2)가 그리드 인덕터를 사이에 두고 순차적으로 배치된다.
전압 검출기(1001-1,1001-2)는 전압 트랜스포머(VT), 광섬유 전압 센서 등이 될 수 있다. 전류 검출기(1002-1,1002-2)는 전류 트랜스포머(CT), 광섬유 전류 센서 등이 될 수 있다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 대규모 풍력단지 연계 전압 변조 지수를 활용압 변조 지수한 전압 제어 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 11을 참조하면, 제어기(도 4의 440)는 검출기(도 10의 1001-1,1001-2,1002-1,1002-2)를 이용하여 머신측 변환부(430)에 입력되는 AC 전압, 그리드측 변환부(450)에서 출력되는 AC 전압을 측정하고, 이들 전압 크기에 대한 전압차를 구하여 전압차 이상이 있는 지를 확인한다(단계 S1110,S1120).
전압차이상이 있으면, 제어기(440)는 VBE로 신호 전달을 수행한다(단계 S1130). VBE는 Valve Base Equipment의 약자로 밸브와 컨버터 제어기간의 신호를 주고받는 역할을 한다.
이후, 제어기(440)는 서브모듈에 대한 전압 변조 지수(MI: Module Index)를 증가시킨다(단계 S1140). 즉, DC 전압 상승시 전압 변조 지수(Module Index)를 임의로 변화시켜 각 서브모듈이 감당하는 전압을 증대시킨다. 부연하면, 도 9에 도시된 제어의 최종 결과는 전압 변조 지수에 따른 출력 전압(vc_a_m)이 서브 모듈(1010)내 스위칭 소자(Q1,Q2)에 인가되는 형태로 나타난다. 이를 수학식으로 나타내면 다음과 같다.
Figure pat00006
여기서, vdc는 DC 전압, Csub는 서브모듈의 커패시턴스, Iac는 계통 AC 전류, ω는 주파수, t는 시간,
Figure pat00007
는 상부암과 하부암 사이의 발생되는 위상차를 나타낸다.
전압 변조 지수(MI)는 다음 수학식과 같다.
Figure pat00008
여기서, Vac는 계통 AC 전압, vdc는 HVDC측 DC 전압이다.
즉, 위 수학식에 따르면, 전압 변조 지수(MI)는 HVDC측 DC 전압(vdc)에 대한 Vac 전압의 크기가 된다. AC 계통 전압의 범위를 지속적으로 측정하다가 전압차가 허용 범위를 벗어나게 되면, VBE로 신호를 전달하고, VBE에서는 서브모듈의 MI를 증가시키는 명령을 내리게 된다. 서브 모듈의 MI가 증가하면, DC 전압 감소가 되고, DC 선로는 안정이 된다.
위 수학식에서, MI를 크게하면 아암(Arm)의 전압(vdc)과 Vdc가 낮아지는 것을 알 수 있다. MI는 Vdc와 Vac의 관계식으로 구할 수 있으므로, 계통사고시 MI가 커지면, Vdc는 Vac보다 작아진다.
계통 사고시 순간적으로 MI 값을 크게 하여, Arm의 전압을 작게 만들어 DC 전압을 낮추게 된다(단계 S1150,S1160). 이후, DC 전압이 DC 셋팅 전압과 같으면 원래의 값으로 MI 값은 복귀한다(단계 S1170). 최초에 MI를 고정값으로 사용하는 경우 과도상태후 정상복귀를 하게 된다.
그렇지만, MI가 크게 되면 서브 모듈의 전압이 증가하여 시스템의 가격 상승 원인이 되므로, 평상시에는 MI를 최대한 작게 사용한다.
도 11은 도 9에 도시된 유효전력 제어 블럭(910)의 상세도이다. 도 11을 참조하면, AC측 기준점의 유효전력(Pref)과 DC측 기준점의 유효전력량(Qref)의 차이가 발생하는 경우나, vdc가 변동하는 경우(전압형 HVDC의 Vdc는 항상 일정) Id *을 생성해서 유효전력을 공급 또는 소모해서 AC, DC 기준점에서의 유효전력의 차이를 줄이거나 Vdc와 Vdc *의 차이를 줄이게 된다. 이를 위해, AFCV(Automatic Frequency Controller) 블럭(1210), APR(Automatic Active Power Regulator) 블럭(1210), DC-AVR(DC Automatic Voltage Regulator) 블럭(1211), APR 블럭(1210) 또는 DC-AVR 블럭(1211)를 선택 게이트(1222) 등이 구성된다. 선택 게이트(1222) 및 DC-AVR(DC Automatic Voltage Regulator) 블럭(1211)은 컨버터 제어 블럭(1220)이 된다. 도 11에서, Pd는 d축 유효전력, Pmod는 무효전력 조정량, K는 비례제어기, TD는: 영점 조정 계수, s는 시간을 주파수로 해석시 계산을 편리하게 하기위하여 만든 기호(S=a+jw(오메가))-라플라스 변환, T1는 극점 조정 계수이다.
도 12는 도 9에 도시된 무효전력 제어 블럭의 상세도이다. 도 12를 참조하면, AC측 기준전압(VACref)과 DC측 기준전압(VDCref)이 다른경우나 해당 지점의 무효전력의 차가 발생하면 동작한다.. 이럴 경우, Iq *를 생성해서 무효전력을 공급 또는 소모해서 AC측, DC측 기준점에서의 전압차를 줄이게 된다. 이를 위해, AC-AVR(AC Automatic Voltage Regulator) 블럭(1310), AQR(Automatic Reactive Power Regulator) 블럭(1320), AC-AVR 블럭(1310) 또는 AQR 블럭(1320)을 선택적으로 연결하는 스위치(1330) 등이 구성된다. 도 12에서, Qd는 d축 무효전력이다.
또한, 여기에 개시된 실시형태들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계들은, 마이크로프로세서, 프로세서, CPU(Central Processing Unit) 등과 같은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 (명령) 코드, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 매체에 기록되는 프로그램 (명령) 코드는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프 등과 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD, 블루레이 등과 같은 광기록 매체(optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 (명령) 코드를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 반도체 기억 소자가 포함될 수 있다.
여기서, 프로그램 (명령) 코드의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
400: 전압 제어 장치
410: 풍력 터빈
420: 발전 모터
430: 머신측 변환부
440: 제어기
450: 그리드측 변환부
460: 결합 변압기
470: 그리드
480: DC 케이블

Claims (15)

  1. 풍력 터빈(410)의 회전에 의해 제 1 AC(Alternating) 전압을 생산하는 발전 모터(420);
    상기 제 1 AC 전압을 DC 전압으로 변환하는 머신측 변환부(430);
    상기 DC 전압을 변환하여 제 2 AC 전압을 그리드(470)에 공급하는 그리드측 변환부(450); 및
    상기 제 1 AC 전압 및 제 2 AC 전압의 전압차에 따라 상기 머신측 변환부(430) 및 그리드측 변환부(450)에 구성되는 다수의 서브 모듈(1010)에 대한 전압 변조 지수(MI)를 조정하는 제어기(440);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 대규모 풍력단지 연계 계통 사고시 전압 변조 지수를 활용한 전압 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기(440)는 계통 고장 상태시 상기 전압 변조 지수(MI)를 증가시켜 아암 전원을 작게 만들어 DC 전원을 낮추는 것을 특징으로 하는 대규모 풍력단지 연계 계통 사고시 전원 변조 지수를 활용한 전압 제어 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기(440)는 상시 상태시 상기 전압 변조 지수(MI)를 이용하여 순환 전류를 제거하는 것을 특징으로 하는 대규모 풍력단지 연계 계통 사고시 전원 변조 지수를 활용한 전압 제어 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 변조 지수(MI)는 다음 수학식,
    Figure pat00009
    (여기서, Vac는 서브 모듈(1010)의 AC 전압이고, vdc는 DC 전압을 나타낸다)으로 정의되는 것을 특징으로 하는 대규모 풍력단지 연계 계통 사고시 전원 변조 지수를 활용한 전압 제어 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 서브 모듈(1010)은 다수개가 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 대규모 풍력단지 연계 계통 사고시 전원 변조 지수를 활용한 전압 제어 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 서브 모듈(1010)은 하프 브릿지 회로인 것을 특징으로 하는 대규모 풍력단지 연계 계통 사고시 전원 변조 지수를 활용한 전압 제어 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 하프 브릿지 회로는 직결로 연결되는 2개의 스위칭 소자(Q1,Q2) 및 상기 스위칭 소자(Q1,Q2)와 병렬로 연결되는 커패시터(C)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 대규모 풍력단지 연계 계통 사고시 전원 변조 지수를 활용한 전압 제어 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 스위칭 소자(Q1,Q2)는 트랜지스터(1011) 및 바디 다이오드(1012)로 이루어지는 IGBT(Insulated gate bipolar transistor)인 것을 특징으로 하는 대규모 풍력단지 연계 계통 사고시 전원 변조 지수를 활용한 전압 제어 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기(440)는 상기 DC 전압이 미리 설정되는 DC 셋팅 전압과 같으면 조정된 전압 변조 지수(MI)를 원래의 전압 변조 지수로 복귀시키는 것을 특징으로 하는 대규모 풍력단지 연계 계통 사고시 전원 변조 지수를 활용한 전압 제어 장치.
  10. (a) 발전 모터(420)가 풍력 터빈(410)의 회전에 의해 제 1 AC(Alternating) 전압을 생산하는 단계;
    (b) 머신측 변환부(430)가 상기 제 1 AC 전압을 DC 전압으로 변환하는 단계;
    (c) 그리드측 변환부(450)는 상기 DC 전압을 변환하여 제 2 AC 전압을 그리드(470)에 공급하는 단계; 및
    (d) 제어기(440)가 상기 제 1 AC 전압 및 제 2 AC 전압의 전압차에 따라 상기 머신측 변환부(430) 및 그리드측 변환부(450)에 구성되는 다수의 서브 모듈(1010)에 대한 전압 변조 지수(MI)를 조정하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 대규모 풍력단지 연계 계통 사고시 전압 변조 지수를 활용한 전압 제어 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어기(440)는 계통 고장 상태시 상기 전압 변조 지수(MI)를 증가시켜 아암 전원을 작게 만들어 DC 전원을 낮추는 것을 특징으로 하는 대규모 풍력단지 연계 계통 사고시 전원 변조 지수를 활용한 전압 제어 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어기(440)는 상시 상태시 상기 전압 변조 지수(MI)를 이용하여 순환 전류를 제거하는 것을 특징으로 하는 대규모 풍력단지 연계 계통 사고시 전원 변조 지수를 활용한 전압 제어 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 전압 변조 지수(MI)는 다음 수학식,
    Figure pat00010
    (여기서, Vac는 서브 모듈(1010)의 AC 전압이고, vdc는 DC 전압을 나타낸다)으로 정의되는 것을 특징으로 하는 대규모 풍력단지 연계 계통 사고시 전원 변조 지수를 활용한 전압 제어 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어기(440)는 상기 DC 전압이 미리 설정되는 DC 셋팅 전압과 같으면 조정된 전압 변조 지수(MI)를 원래의 전압 변조 지수로 복귀시키는 것을 특징으로 하는 대규모 풍력단지 연계 계통 사고시 전원 변조 지수를 활용한 전압 제어 방법.
  15. 제 10 항 내지 제 14 항 중 어느 한항에 따른 대규모 풍력단지 연계 계통 사고시 전원 변조 지수를 활용한 전압 제어 방법을 실행하는 프로그램 코드를 저장한 컴퓨터 판독 가능 저장 매체.
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