KR20200126770A - 발전 시스템 - Google Patents

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KR20200126770A
KR20200126770A KR1020190050852A KR20190050852A KR20200126770A KR 20200126770 A KR20200126770 A KR 20200126770A KR 1020190050852 A KR1020190050852 A KR 1020190050852A KR 20190050852 A KR20190050852 A KR 20190050852A KR 20200126770 A KR20200126770 A KR 20200126770A
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광운대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 발전기에서 전달되는 전압 또는 전류 중 적어도 하나의 파형을 전력 변환부의 입력단에서 산출하여 발전기의 회전 속도를 추정하고, 예상 속도를 기초로 전력 변환부를 제어하는 발전 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 이루기 위해 본 발명의 발전 시스템은 전기 에너지를 발전하는 발전기, 일단이 상기 발전기와 연결되고, 타단이 부하와 연결되며, 상기 발전기의 출력 전력을 직류 또는 교류로 변환하여 상기 부하로 전달하는 전력 변환부, 상기 발전기와 상기 전력 변환부 사이에 구비되는 필터부, 상기 필터부의 전압 또는 전류 중 적어도 하나를 측정하는 센싱부 및 상기 센싱부의 출력을 기초로 상기 발전기의 회전 속도의 추정치를 산출하고, 추정한 상기 발전기의 회전 속도를 기초로 상기 전력 변환부를 제어하는 제어부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

발전 시스템{Power generation system}
본 발명은 전압 또는 전류 중 어느 하나의 파형 주기를 이용하여 발전기의 회전 속도를 측정하는 발전 시스템에 관한 것이다.
발전기는 자연 에너지를 전기 에너지로 변환하여 발전하는 장치로서, 태양광, 수력, 풍력 발전기 등이 있다. 풍력 발전기는 크게 블레이드에 의해 발전하는 발전기, 발전 에너지를 변환하는 전력 변환부, 발전 에너지를 저장하는 배터리로 구성될 수 있다. 블레이드는 바람에 의해 회전되어 풍력 에너지를 기계적인 에너지로 변환시키며, 블레이드에서 발생한 회전 에너지는 발전기를 통해 전기 에너지로 전환되고, 발전기의 전류가 전력 변환부로 전달된다. 전력 전환부 및 제어부는 발전기의 전류를 직류 또는 교류로 변환할 수 있고, 부하 또는 배터리로 전달하여 에너지를 저장하거나 소모할 수 있다.
이때 전기적인 역할을 수행하는 전력 전환부 및 제어부는 입력되는 교류 전원을 정류하여 DC 링크로 평활화하고 이를 전원 공급 장치를 통해 배터리에 충전하며 부하에는 필요한 전기 에너지를 공급함으로써 시스템이 목적에 맞는 역할을 수행하게 한다.
이때, 전력 전환부 및 제어부는 바람의 세기에 맞추어 출력 전류 지령을 생성해야 하는데, 블레이드와 발전기의 고효율 지점을 사전에 기기 테스트를 통해 찾아내고, 속도와 토크의 값을 표로 작성하여 토크 스케쥴을 완성하면 전력 전환부 및 제어부에서는 이 토크 스케쥴에 맞추어 속도에 부합하는 토크를 찾고, 이에 해당하는 출력 전류 지령을 생성하여 지령치 만큼 발전을 하게 된다.
종래에는, 발전기의 교류 전류를 직류 전류로 전환하는 컨버터에 블레이드 회전 RPM, 전압 및 전류를 측정하는 센서를 구비하여 발전기의 회전 속도를 측정하는 기술이 사용되었으며, 그 실시예는 다음과 같다.
대한민국 공개특허공보 제10-2018-0063583호를 참조하면, 도 1에 도시된 것과 같이 종래의 소형풍력발전기 다중입력 제어시스템은 풍력발전기 제어시스템에 있어서, 풍력발전기에 의해 발생한 3상 교류전압을 직류전압으로 변환하는 AC/DC컨버터회로와, 상기 풍력발전기 블레이드의 회전 RPM, 전압 및 전류를 측정하는 센서회로를 포함하는 AC/DC컨버터모듈, 상기 AC/DC컨버터모듈로부터 출력된 직류전압의 크기를 일정 전압으로 변환하는 DC/DC컨버터모듈, DUMP회로와 브레이크회로를 포함하여 구성되고, 풍력발전기 최대 발전량 초과를 제어하는 브레이크모듈, 상기 AC/DC컨버터모듈로부터 전송받은 RPM, 전압 및 전류 데이터를 통해 상기 풍력발전기를 최대전력추종 제어하고, 상기 DC/DC컨버터모듈로부터 출력된 전압 및 전류를 측정하여 배터리모듈로 공급하는 MCU모듈 및 상기 배터리모듈에 저장된 직류전압을 교류전압으로 변환하는 인버터를 포함한다.
그러나, 소형 풍력 발전기의 제어를 위한 전력 변환부 및 제어부는 제품의 단가가 매우 낮아, 단가가 높고, 정밀한 기능의 센서를 내장하기 어렵고, 최대한 간단한 방법으로 발전기의 속도를 인식하는 방법이 사용되어야 한다는 문제가 있었다.
또한, 발전기와 전력 변환부 및 제어부의 거리에 따라 상기 전력 변환부에서 측정되는 발전기의 전압과 실제 발전기의 전압의 오차가 발생하여, 발전기와 전력 변환부 및 제어부의 거리에 따라 발생하는 전압 오차를 방지하며 발전기의 속도를 측정하는 방법이 요구되었다.
대한민국 공개특허공보 제10-2018-0063583호 (공개일자 2018.06.12.)
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 발전기에서 전달되는 전압 또는 전류 중 적어도 하나의 파형을 전력 변환부의 입력단에서 산출하여 발전기의 회전 속도를 추정하고, 예상 속도를 기초로 전력 변환부를 제어하는 발전 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발전 시스템은 전기 에너지를 발전하는 발전기, 일단이 상기 발전기와 연결되고, 타단이 부하와 연결되며, 상기 발전기의 출력 전압을 직류 또는 교류로 변환하여 상기 부하로 전달하는 전력 변환부, 상기 발전기와 상기 전력 변환부 사이에 구비되는 필터부, 상기 필터부의 전압 또는 전류 중 적어도 하나를 측정하는 센싱부 및 상기 센싱부의 출력을 기초로 상기 발전기의 회전 속도를 추정하고, 추정된 상기 발전기의 회전 속도를 기초로 상기 전력 변환부를 제어하는 제어부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
더 나아가, 상기 발전기는 블레이드와 연결되어, 풍력 에너지에 의해 회전하는 상기 블레이드의 회전력을 통해 발전하고, 상기 전력 변환부는 상기 발전기와 연결되고, 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 정류부, 상기 정류부와 일단이 연결되고, 부하에 타단이 연결되며, 상기 정류부의 출력인 직류 전압을 입력받고 상기 부하에 인가하는 전압 또는 전류 중 적어도 하나를 제어하는 컨버터 및 상기 정류부와 상기 컨버터 사이에 구비되는 DC 링크 커패시터 모듈을 포함하며, 상기 제어부는 상기 필터부의 가지(branch) 또는 노드(node)들 중 적어도 일부의 전압 또는 전류 중 적어도 하나를 기초로 추정된 상기 발전기의 회전 속도를 산출하고, 추정된 상기 발전기의 회전 속도를 기초로 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
더 나아가, 상기 발전기는 n상의 위상을 갖는 교류 발전기이고, 상기 필터부는 상기 발전기의 출력과 연결되는 m상의 임피던스 회로를 포함하며, 여기서,
Figure pat00001
,
Figure pat00002
인 것을 특징으로 할 수 있다.
더 나아가,
Figure pat00003
,
Figure pat00004
인 것을 특징으로 할 수 있다.
더 나아가, 상기 m상 임피던스 회로 중 적어도 일부 상의 임피던스 회로는 적어도 2개의 저항을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
더 나아가, 상기 m상 임피던스 회로 중 적어도 일부 상의 임피던스 회로는 저항, 커패시터, 인덕터 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
더 나아가, 상기 필터부는 상기 DC 링크 커패시터 모듈의 음극단과 직접 또는 임피던스를 통해 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다.
더 나아가, 상기 DC 링크 커패시터 모듈은 두 개 이상의 커패시터가 직렬로 연결되고, 상기 필터부는 상기 DC 링크 커패시터 모듈의 중성점과 직접 또는 임피던스를 통해 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다.
더 나아가, 상기 제어부는 상기 센싱부의 출력 중 적어도 하나의 측정 신호의 주기, 주파수, 위상 중 적어도 하나를 기초로 상기 발전기의 회전 속도를 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다.
더 나아가, 상기 제어부는 소정의 서브 주기로 값이 자동으로 증가하는 카운터를 구비하고, 상기 측정 신호와 소정의 기준 값을 비교하여 상기 측정 신호의 주기 시작 시점에서 상기 카운터를 리셋하며, 상기 카운터의 출력값을 기초로 상기 발전기의 회전 속도를 추정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
더 나아가, 상기 센싱부는 복수의 신호를 출력하고, 상기 제어부는 상기 복수의 측정 신호와 소정의 기준 값을 비교하여 상기 복수의 측정신호각각의 주기 시작 시점에서 상기 카운터를 리셋하며, 상기 카운터의 출력값을 기초로 상기 발전기의 회전 속도를 추정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
더 나아가, 상기 제어부는 하기의 [계산식 1]을 이용하여, 카운트의 개수와 일정 시간을 이용하여 상기 발전기의 회전 속도를 측정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
[계산식 1]
Figure pat00005
본 발명의 발전 시스템은 발전기와 전력 변환부의 거리에 의해 DC 링크 커패시터 모듈에서 측정되는 전압의 오차로 인하여 발전기의 회전 속도 추정치의 신뢰성이 떨어지는 것을 방지할 수 있다.
또한, 필터부는 일반적으로 사용되는 발전 시스템 회로에서 노이즈 저감을 위해 사용되는 필터 회로를 이용할 수 있으므로, 발전기의 회전 속도를 추정하기 위하여 별도의 구성이 필요하지 않으며, 일반적으로 사용되는 발전 시스템 회로에 필터부가 적용되어야 한다 해도 필터부의 구조가 간단하여, 낮은 비용으로 용이하게 설치 할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 종래의 풍력발전기 강풍발전모드의 제어 방법 순서도
도 2는 본 발명의 발전 시스템 구성 회로도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 확대 회로도
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 확대 회로도
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 순서도
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 측정 그래프
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제어 순서도
이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 발전 시스템(100)은 전기 에너지를 발전하는 발전기(200), 일단이 상기 발전기(200)와 연결되고, 타단이 부하(700)와 연결되며, 상기 발전기(200)의 출력 전력을 직류 또는 교류로 변환하여 상기 부하(700)로 전달하는 전력 변환부(300), 상기 발전기(200)와 상기 전력 변환부(300) 사이에 구비되는 필터부(400), 상기 필터부(400)의 전압 또는 전류 중 적어도 하나를 측정하는 센싱부(500) 및 상기 센싱부(500)의 출력을 기초로 상기 발전기(200)의 회전 속도의 추정치를 산출하고, 추정한 상기 발전기(200)의 회전 속도를 기초로 상기 전력 변환부(300)를 제어하는 제어부(600)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성을 통해, 본 발명의 발전 시스템(100)은 상기 발전기(200)와 상기 전력 변환부(300)의 거리에 의해 상기 DC 링크 커패시터 모듈(330)에서 측정되는 전압의 오차로 인하여 상기 발전기(200)의 회전 속도 추정치의 신뢰성이 떨어지는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 필터부(400)는 일반적으로 사용되는 발전 시스템(100) 회로에서 노이즈 저감을 위해 사용되는 필터 회로를 이용할 수 있으므로, 상기 발전기(200)의 회전 속도를 추정하기 위하여 별도의 구성이 필요하지 않을 수 있다.
또한, 일반적으로 사용되는 발전 시스템(100) 회로에 상기 필터부(400)가 적용되어야 한다 해도, 상기 필터부(400)의 구조가 간단하여, 낮은 비용으로 용이하게 설치 할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 발전 시스템(100)의 크기나 연결되는 상기 부하(700)에 따라서, 상기 발전기(200)의 전압을 측정하여 상기 발전기(200)의 회전 속도를 추정하여 측정 방법이 쉽고, 설치 단가를 낮출 수 있는 용도의 발전 시스템(100)에 적용할 수 있으며, 상기 발전기(200)의 전류를 측정하여 상기 발전기(200)의 회전 속도를 추정하여 측정 신뢰성을 높여야 하는 용도의 발전 시스템(100)에 적용할 수도 있다.
이때, 상기 발전기(200)는 블레이드와 연결되어, 풍력 에너지에 의해 회전하는 상기 블레이드의 회전력을 통해 발전하는 것을 특징으로 할 수 있으며, 상기 블레이드에는 풍력 발전을 위해 적용되는 다양한 크기와 형태가 적용될 수 있다. 또한, 상기 발전기(200)는 고유의 회전 관성 모멘트를 가지며, 발전된 에너지를 상기 교류 전류 형태로 상기 전력 변환부(300)에 전달한다.
또한, 상기 전력 변환부(300)는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 정류부(310), 직류 전압을 기초로 상기 부하(700)에 인가하는 전압 또는 전류 중 적어도 하나를 제어하는 컨버터(320) 및 상기 정류부(310)와 상기 컨버터(320) 사이에 구비되는 DC 링크 커패시터 모듈(330)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 정류부(310)는 상기 발전기(200) 에서 전달된 교류 전류를 직류 또는 교류로 변환하여 상기 DC 링크 캐패시터로 전달하는 구성이고, 상기 컨버터(320)는 상기 직류 전류를 상기 부하(700)로 전달하는 구성이다.
상기 부하(700)는 배터리를 포함할 수 있으며, 본 발명의 발전 시스템(100)에 포함되지 않는 구성이나, 본 발명의 발전 시스템(100)과 연결되어, 상기 발전기(200)에서 생성하고, 상기 전력 변환부(300)에서 변환한 전기 에너지를 소모할 수 있다.
상기 DC 링크 캐패시터 모듈은 상기 정류부(310)를 통해 상기 직류 전류를 전달받는 구성이다.
상기 필터부(400)는 상기 발전기(200)와 상기 전력 변환부(300) 사이에 형성되는 임피던스 회로 구성이다.
상기 센싱부(500)는 상기 필터부(400)에 걸리는 전압 또는 전류 중 적어도 하나를 측정하는 구성으로, 상기 센싱부(500)가 상기 필터부(400)의 전압 또는 전류 중 적어도 하나를 측정할 때에는 상기 센싱부(500)에 상기 발전기(200)에서 발생한 전압 또는 전류가 전부 측정되지 않도록 상기 필터부(400)의 임피던스가 충분히 큰 것이 바람직하다.
상기 제어부(600)는 상기 센싱부(500)의 출력 값을 이용하여 상기 발전기(200)의 회전 속도를 추정하고, 추정한 상기 발전기(200)의 회전 속도에 따라 상기 전력 변환부(300)의 출력 전류 지령을 생성하여, 상기 전력 변환부(300)가 상기 발전기(200)의 회전 속도에 부합하는 전류를 출력할 수 있도록 한다.
또한, 상기 제어부(600)는 상기 필터부(400)의 가지(branch) 또는 노드(node)들 중 적어도 일부의 전압 또는 전류 중 적어도 하나를 기초로 추정된 상기 발전기(200)의 회전 속도를 산출하고, 추정된 상기 발전기의 회전 속도를 기초로 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 발전기(200)는 n상의 위상을 갖는 교류 발전기이고, 상기 필터부(400)는 상기 발전기(200)의 출력과 연결되는 m상의 임피던스 회로를 포함하며, 여기서,
Figure pat00006
,
Figure pat00007
인 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 발전기(200)는 적어도 1상 이상의 위상을 갖는 교류 발전기(200)이고, 상기 필터부(400)는 적어도 1상 이상의 임피던스 회로를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
예를 들어, 상기 발전기(200)가 1상의 위상을 갖는 교류 발전기(200)인 경우, 상기 필터부(400)는 도 2에 도시된 것과 같이, 1상의 임피던스 회로로 형성될 수 있다.
이때, 상기 발전기 (200)는 3상 이상의 위상을 갖는 교류 발전기로 형성될 수 있고, 상기 필터부(400)는 3상 미만의 임피던스 회로를 포함하여 이루어 질 수 있다. 즉 본 발명은,
Figure pat00008
,
Figure pat00009
인 것을 특징으로 할 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 발전기(200)는 3상의 위상을 갖는 교류 발전기(200)이고, 상기 필터부(400)는 3상의 임피던스 회로(Z11, Z12, Z21, Z22, Z31, Z32)가 병렬 연결된 것을 특징으로 할 수 있다. 이때, 각각의 임피던스 회로는 제1 임피던스 회로(Z11, Z12), 제2 임피던스 회로(Z21, Z22) 및 제3 임피던스 회로(Z31, Z32)로 구성되며, 상기 제1 임피던스 회로(Z11, Z12), 상기 제2 임피던스 회로(Z21, Z22) 및 상기 제3 임피던스 회로(Z31, Z32)를 이루는 구성은 직렬 연결되어 형성되는 것이 바람직하다.
이때, 상기 m상 임피던스 회로 중 적어도 일부 상의 임피던스 회로는 적어도 2개의 저항을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 3상의 임피던스 회로(Z11, Z12, Z21, Z22, Z31, Z32)는 모두 저항으로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
즉, 상기 제1 임피던스 회로(Z11, Z12)를 이루는 구성이 모두 저항이며, 상기 제2 임피던스 회로(Z21, Z22)를 이루는 구성도 모두 저항이고, 상기 제3 임피던스 회로(Z31, Z32)를 이루는 구성도 모두 저항으로 이루어진다.
또한, 상기 필터부(400)는 상기 DC 링크 커패시터 모듈(330)의 음극단과 직접 또는 임피던스를 통해 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다. 이는, 상기 필터부(400)와 상기 DC 링크 커패시터 모듈(330)의 연결이 간단하다는 장점이 있으며, 상기 DC 링크 커패시터 모듈(330)의 구성이 단일 커패시터로 이루어 질 수 있어 설치 단가를 낮출 수 있는 장점이 있다.
도 4를 참조하면, 이때, 상기 m상 임피던스 회로 중 적어도 일부 상의 임피던스 회로는 저항, 커패시터, 인덕터 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
즉, 상기 3상의 임피던스 회로(Z11, Z12, Z21, Z22, Z31, Z32)는 각각 저항 및 커패시터를 포함하여 이루어질 수 있으며, 상기 제1 임피던스 회로(Z11, Z12)는 제1 저항(Z11)과 제1 커패시터(331)(Z12)로 구성되며, 상기 제2 임피던스 회로(Z21, Z22)는 제2 저항(Z21)과 제2 커패시터(332)(Z22)로 구성되고, 상기 제3 임피던스 회로(Z31, Z32)는 제3 저항(Z31) 및 제3 커패시터(Z32)로 구성된다.
또한, 상기 DC 링크 커패시터 모듈(330)은 두 개 이상의 커패시터가 직렬로 연결되고, 상기 필터부(400)는 상기 DC 링크 커패시터 모듈(330)의 중성점과 직접 또는 임피던스를 통해 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다. 이는, 상기 DC 링크 커패시터에서 발생하는 노이즈가 감소된다는 장점이 있다.
도 5를 참조하면, 상기 제어부(600)는 상기 센싱부(500)에서 측정하는 전압 또는 전류 중 어느 하나의 측정 신호의 주기와 시간을 이용하여 상기 발전기(200)에 형성된 상기 발전기(200)의 회전 속도를 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 측정 신호는 파형을 이루며 일정한 주기를 가지고, 주기의 시작과 끝을 하나의 카운트로 하며, 상기 제어부(600)에서 정한 일정 시간 범위 동안 상기 카운트의 개수를 이용하여 상기 발전기(200)의 회전 속도를 산출한다.
또한, 상기 제어부(600)는 기 지정된 기준 값을 이용하여, 상기 측정 신호가 상기 기준 값 이상으로 측정되면 상기 측정 신호의 주기를 시작하고, 상기 측정 신호가 상기 기준 값 미만으로 측정되면 상기 측정 신호의 주기를 종료하여 하나의 카운트를 완성하는 것을 반복하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 기준 값을 이용하여, 상기 발전기(200)의 저속 회전으로 인하여 상기 발전기(200)로부터 상기 센싱부(500)에 낮은 전압 또는 전류가 전달될 시, 상기 카운트의 오버플로우를 방지 할 수 있는 효과가 있다.
도 5를 참조하여, 본 발명의 발전 시스템(100)의 제어 방법을 설명하면, 상기 제어부(600)는 상기 센싱부(500)의 신호를 측정하고, 상기 측정 신호가 상기 기준 값보다 큰 경우 주기를 시작한다. 상기 제어부(600)는 상기 측정 신호의 주기를 측정하며 상기 측정 신호가 상기 기준 값 미만인 경우, 주기를 종료하여 하나의 카운트를 생성한다.
상기 제어부(600)는 상기와 같은 방법으로 하나의 카운트를 생성하여 상기 발전기(200)의 회전 속도를 측정할 수 있고, 다수개의 카운트를 생성하여 상기 발전기(200)의 회전 속도를 측정할 수도 있다.
도 6을 참조하면, 상기 제어부(600)는 상기 센싱부(500)의 출력 중 적어도 하나의 측정 신호의 주기, 주파수, 위상 중 적어도 하나를 기초로 상기 발전기(200)의 회전 속도를 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제어부(600)는 소정의 서브 주기로 값이 자동으로 증가하는 카운터를 구비하고, 상기 측정 신호와 소정의 기준 값을 비교하여 상기 측정 신호의 주기 시작 시점에서 상기 카운터를 리셋하며, 상기 카운터의 출력값을 기초로 상기 발전기(200)의 회전 속도를 추정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 제어부는 하기의 [계산식 1]을 이용하여, 카운트의 개수와 일정 시간을 이용하여 상기 발전기의 회전 속도를 측정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
[계산식 1]
Figure pat00010
Freq:발전기의 회전 속도 N:카운트 개수 Tcount:카운트 시점 K:극수에 따른 계수, n: 발전기 위상
더 자세히 설명하면, 상기 제어부(600)는 상기 3상의 임피던스 회로의 전압 또는 전류 중 어느 하나의 측정 신호의 주기와 시간을 이용하여 상기 발전기(200)에 형성된 상기 발전기(200)의 회전 속도를 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다.
도 6은 상기 센싱부(500)가 상기 필터부(400)의 전압을 측정한 경우의 파형을 나타낸 것으로, 상기 센싱부(500)가 상기 필터부(400)의 전류를 측정한 경우 다른 형상의 파형을 나타낼 수 있음은 자명하다.
또한, 도 6의 파형은 상기 센싱부(500)가 임피던스 회로로 구성되는 상기 필터부(400)의 전압을 감지하여 Sin 파형이 변형되어 발생한 파형이다.
이때, 상기 측정 신호는 3개의 파형을 이루며 각각이 일정한 주기를 가지고, 주기의 시작과 끝을 하나의 카운트로 하되, 상기 3개의 파형은 각각이 시작 지점과 종료 지점이 다르며, 상기 제어부(600)는 일정 시간 범위 동안 상기 3상의 임피던스 회로가 생성한 상기 카운트의 개수를 이용하여 상기 발전기(200)의 회전 속도를 산출한다. 상기와 같이 상기 3상의 임피던스 회로를 이용하여 상기 발전기(200)의 회전 속도를 산출하면, 일정 시간 범위 동안 더 많은 개수의 상기 카운트를 생성할 수 있는 장점이 있어, 보다 적은 시간 범위를 이용하여 상기 발전기(200)의 회전 속도를 산출 할 수 있다.
이때, 상기 3상의 임피던스 회로 각각의 측정 신호는 파형을 이루며 일정한 주기를 가지고, 하나의 카운트에 상기 3상의 임피던스 회로 각각의 주기가 포함되며, 상기 제어부(600)에서 정한 일정 시간 범위 동안 상기 카운트의 개수를 이용하여 상기 발전기(200)의 회전 속도를 산출한다.
또한, 상기 제어부(600)는 기 지정된 기준 값을 이용하여, 상기 3상의 임피던스 회로 각각의 측정 신호가 상기 기준 값 이상으로 측정되면 상기 3상의 임피던스 회로 각각의 측정 신호의 주기를 시작하고, 상기 3상의 임피던스 회로 각각의 측정 신호가 상기 기준 값 미만으로 측정되면 상기 측정 신호의 주기를 종료하되, 상기 3상의 임피던스 회로 각각의 상기 측정 신호가 상기 기준 값 이상으로 측정될 때마다 타이머 인터럽트를 이전 카운트를 종료하고, 새로운 카운트를 시작하는 것을 특징으로 할 수 있다. 즉, 기 지정된 기준 값을 이용하여, 상기 3상의 임피던스 회로 중 제1 임피던스 회로(Z11, Z12)의 측정 신호인 제1 신호가 기준 값 이상으로 측정되면, 상기 제1 신호의 주기인 제1 주기를 시작하고, 제2 임피던스 회로(Z21, Z22)의 측정 신호인 제2 신호가 기준 값 이상으로 측정되면, 상기 제1 주기를 종료하여 하나의 카운트를 완성함과 동시에 상기 제2 신호의 주기인 제2 주기를 시작하고, 제3 임피던스 회로(Z31, Z32)의 측정 신호인 제3 신호가 기준 값 이상으로 측정되면, 상기 제2 주기를 종료하여 하나의 카운트를 완성함과 동시에 상기 제3 신호의 주기인 제3 주기를 시작하고, 상기 제1 신호가 다시 기준 값 이상으로 측정되면, 상기 제3 주기를 종료하여 하나의 카운트를 완성함과 동시에 제1 주기를 다시 시작하는 과정을 반복하는 것을 특징으로 할 수 있다. 상기와 같이 타이머 인터럽트를 통해, 일정 시간 범위 동안 더 많은 개수의 상기 카운트를 생성할 수 있는 장점이 있고, 보다 적은 시간 범위를 이용하여 상기 발전기(200)의 회전 속도를 산출 할 수 있는 효과가 있다.
도 7을 참조하여, 본 발명의 3상의 위상의 타이머 인터럽트를 적용한 발전 시스템(100)의 제어 방법을 설명하면, 상기 제어부(600)는 상기 센싱부(500)의 신호를 측정하고, 상기 제1 신호가 상기 기준 값보다 큰 경우 상기 제1 주기를 시작한다. 상기 제어부(600)는 상기 제1 신호의 주기를 측정하며, 상기 제2 신호가 상기 기준 값 이상으로 측정되면, 상기 제1 주기를 종료하여 하나의 카운트를 생성한다. 상기 제2 신호의 주기를 측정하며, 상기 제3 신호가 상기 기준 값 이상으로 측정되면, 상기 제2 주기를 종료하여 하나의 카운트를 생성한다. 상기 제3 신호의 주기를 측정하며, 상기 제1 신호가 다시 상기 기준 값 이상으로 측정되면, 상기 제3 주기를 종료하여 하나의 카운트를 생성하고, 이 과정을 반복한다. 상기와 같이 카운트 생성이 반복되는 중에 상기 제어부(600)는 일정 시간 동안 생성된 카운트 개수를 이용하여 상기 발전기(200)의 회전 속도를 계산하고, 계산된 상기 발전기(200)의 회전 속도에 부합하는 출력 전류 지령을 생성하여 상기 전력 변환부(300)에 전달한다.
상기 제어부(600)에서 상기 발전기(200)의 회전 속도를 구하기 위해 사용하는 일정 시간은 처음 시점부터 상기 발전기(200)의 회전 속도를 구하는 시점이 될 수도 있고, 이동 평균을 이용하여, 상기 발전기(200)의 회전 속도를 구하는 시점에서 일정 범위 이전까지의 시간 범위만 사용할 수도 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100 : 발전 시스템
200 : 발전기
300 : 전력 변환부 310 : 정류부
320 : 컨버터 330 : DC 링크 커패시터 모듈
331 : 제1 커패시터 332 : 제2 커패시터
400 : 필터부 500 : 센싱부
600 : 제어부 700 : 부하

Claims (12)

  1. 전기 에너지를 발전하는 발전기;
    일단이 상기 발전기와 연결되고, 타단이 부하와 연결되며, 상기 발전기의 출력 전압을 직류 또는 교류로 변환하여 상기 부하로 전달하는 전력 변환부;
    상기 발전기와 상기 전력 변환부 사이에 구비되는 필터부;
    상기 필터부의 전압 또는 전류 중 적어도 하나를 측정하는 센싱부; 및
    상기 센싱부의 출력을 기초로 상기 발전기의 회전 속도를 추정하고, 추정된 상기 발전기의 회전 속도를 기초로 상기 전력 변환부를 제어하는 제어부;를 포함하여 이루어지는 것
    을 특징으로 하는 발전 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 발전기는 블레이드와 연결되어, 풍력 에너지에 의해 회전하는 상기 블레이드의 회전력을 통해 발전하고,
    상기 전력 변환부는,
    상기 발전기와 연결되고, 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 정류부,
    상기 정류부와 일단이 연결되고, 부하에 타단이 연결되며, 상기 정류부의 출력인 직류 전압을 입력받고 상기 부하에 인가하는 전압 또는 전류 중 적어도 하나를 제어하는 컨버터, 및
    상기 정류부와 상기 컨버터 사이에 구비되는 DC 링크 커패시터 모듈을 포함하며,
    상기 제어부는,
    상기 필터부의 가지(branch) 또는 노드(node)들 중 적어도 일부의 전압 또는 전류 중 적어도 하나를 기초로 추정된 상기 발전기의 회전 속도를 산출하고,
    추정된 상기 발전기의 회전 속도를 기초로 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어하는 것
    을 특징으로 하는 발전 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 발전기는 n상의 위상을 갖는 교류 발전기이고,
    상기 필터부는,
    상기 발전기의 출력과 연결되는 m상의 임피던스 회로를 포함하며,
    여기서,
    Figure pat00011
    ,
    Figure pat00012
    인 것
    을 특징으로 하는 발전 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    Figure pat00013
    ,
    Figure pat00014
    인 것
    을 특징으로 하는 발전 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서
    상기 m상 임피던스 회로 중 적어도 일부 상의 임피던스 회로는
    적어도 2개의 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 m상 임피던스 회로 중 적어도 일부 상의 임피던스 회로는
    저항, 커패시터, 인덕터 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  7. 제 2 항에 있어서 상기 필터부는,
    상기 DC 링크 커패시터 모듈의 음극단과 직접 또는 임피던스를 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 DC 링크 커패시터 모듈은 두 개 이상의 커패시터가 직렬로 연결되고,
    상기 필터부는 상기 DC 링크 커패시터 모듈의 중성점과 직접 또는 임피던스를 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  9. 제 3 항에 있어서 상기 제어부는,
    상기 센싱부의 출력 중 적어도 하나의 측정 신호의 주기, 주파수, 위상 중 적어도 하나를 기초로 상기 발전기의 회전 속도를 산출하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서 상기 제어부는,
    소정의 서브 주기로 값이 자동으로 증가하는 카운터를 구비하고,
    상기 측정 신호와 소정의 기준 값을 비교하여 상기 측정신호의 주기 시작 시점에서 상기 카운터를 리셋하며,
    상기 카운터의 출력값을 기초로 상기 발전기의 회전 속도를 추정하는 것
    을 특징으로 하는 발전 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 센싱부는 복수의 신호를 출력하고,
    상기 제어부는,
    상기 복수의 측정 신호와 소정의 기준 값을 비교하여 상기 복수의 측정신호각각의 주기 시작 시점에서 상기 카운터를 리셋하며,
    상기 카운터의 출력값을 기초로 상기 발전기의 회전 속도를 추정하는 것
    을 특징으로 하는 발전 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제어부는 하기의 [계산식 1]을 이용하여, 카운트의 개수와 일정 시간을 이용하여 상기 발전기의 회전 속도를 측정하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
    [계산식 1]
    Figure pat00015

    Freq:발전기의 회전 속도 N:카운트 개수 Tcount:카운트 시점 K:극수에 따른 계수, n: 발전기 위상
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