KR20220076281A - 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템 - Google Patents

농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 피드백 선형화 제어 기법에 기반한 LVRT 제어기법이 적용되고, 계통 전압의 정상분 및 역상분을 추정하기 위한 가변 이득을 갖는 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템에 관한 것으로, 농형 유도발전기와 계통 사이에 배치되는 제1 컨버터, 상기 농형 유도발전기의 d축 고정자 전류 지령치(
Figure pat00153
)와 측정되는 d축 고정자 전류(
Figure pat00154
)에 기초하여 상기 제1 컨버터에 d축 고정자 전압(ud)을 출력해, d축 고정자 전류를 제어하는 d축 전류 제어기 및 dc링크의 전압 지령치(vdc *)와 측정되는 dc링크 전압(vdc)에 기초하여 상기 제1 컨버터에 q축 고정자 전압(uq)을 출력해, 상기 d축 전류 제어기와 독립적으로 dc링크 전압을 제어하는 dc링크 전압 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템{Squirrel cage induction generator wind turbine system}
본 발명은 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템에 관한 것으로, 보다 상세히는 q축 전류 제어기 없이 DC 링크의 전압을 조절할 수 있고, 계통 전압 불평형시 정상분 및 역상분을 추출하기 위해 가변적인 이득을 가질 수 있는 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템에 관한 것이다.
농형 유도발전기(SCIG, Squirrel Cage Induction Generator) 풍력 터빈 시스템의 운용 이슈 중 하나는 고장 발생 시 발전시스템이 계통에 연결 상태를 유지할 수 있는 저전압 지속발전(Low-Voltage Ride-Through, 이하 LVRT)의 가능여부이다.
종래 LVRT의 제어기법 중 하나로, 하드웨어를 기반으로 하는 제어기법이 소개된 바 있다. 그 중 제동 초퍼(Braking Chopper)를 사용한 제어기법은 저렴한 비용과 단순한 동작으로 인해 널리 사용되었지만, 외부 저항에서 터빈 전력이 소모되는 단점이 있다. 다른 방안으로 에너지저장 시스템(Energy Storage System, ESS)을 풍력 터빈과 계통 사이의 DC 링크에 연결하여 계통 고장시 발전되는 에너지를 저장해 DC 링크 전압의 과도한 증가를 방지하는 제어기법 또한 있으며, 계통 전압 강하(sag) 보상을 위해 계통과 풍력 터빈 시스템 사이에 직렬로 동적전압강하 보상기가 설치되는 방안 또한 소개되었다.
하드웨어를 활용한 방식 외에, 제어 알고리즘을 기반으로 DC 링크 전압이 계통측 컨버터가 아니라 발전기측 컨버터에 의해 제어되는 LVRT 제어기법 또한 연구되었다. 이 기법을 사용하면 고장 발생시 발전기의 출력을 감소시켜 DC 링크 전압을 유지할 수 있으며, 이 기법 외에도 피드백 선형화(Feedback Linearization)를 사용하는 DC 링크 전압 제어 기법이 영구자석 동기발전기(Permanent Magnet Synchronous Generator, PMSG) 풍력 터빈 시스템에 제안된 바 있지만, 발전기 모델이 완전히 다르기 때문에 농형 유도발전기에 적합한 방법은 아니었다.
또한, 계통 전압 강하시 계통 전압 위상각과 계통 전압의 정상분 및 역상분을 정확하게 추정하는 것이 중요하며, 이는 역률 및 계통 전류 지령치를 결정하는데 사용된다. SOGI(Second-Order Generalized Integrator)는 계통 전압의 정상분 및 역상분을 추정하는데 적합하지만, SOGI의 이득은 2 미만으로 제한되기 때문에 추정속도가 상대적으로 느린 문제가 있으며, 이러한 문제를 해결하기 위해 수정된 SOGI, 즉 mSOGI(modified Second-Order Generalized Integrator)가 제안되었다. mSOGI는 SOGI에 비해 추정 속도가 빨라지지만 고조파 성능은 저하되며, SOGI의 DC 오프셋 문제를 해결하기 위해 TOGI(Third-Order Generalized Integrator)가 연구되었지만, SOGI와 같이 TOGI의 응답 또한 느리다는 문제점이 있었다.
한국 공개특허공보 제10-2021-0066973호("하이브리드 농형유도전동기의 회전자, 이를 이용한 전동기 및 회전자 제조 방법", 공개일 2021.06.08.)
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 본 발명에 의한 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템의 목적은, 피드백 선형화 제어 기법에 기반한 LVRT 제어기법이 적용되고, 계통 전압의 정상분 및 역상분을 추정하기 위한 가변 이득을 갖는 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 의한 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템은, 농형 유도발전기와 계통 사이에 배치되는 제1 컨버터, 상기 농형 유도발전기의 d축 고정자 전류 지령치(
Figure pat00001
)와 측정되는 d축 고정자 전류(
Figure pat00002
)에 기초하여 상기 제1 컨버터에 d축 고정자 전압(ud)을 출력해, d축 고정자 전류를 제어하는 d축 전류 제어기 및 DC링크의 전압 지령치(vdc *)와 측정되는 DC링크 전압(vdc)에 기초하여 상기 제1 컨버터에 q축 고정자 전압(uq)을 출력해, 상기 d축 전류 제어기와 독립적으로 DC링크 전압을 제어하는 DC링크 전압 제어기를 포함하고, 상기 DC링크 전압 제어기는, DC링크의 전압 지령치(vdc *)와 측정되는 DC링크 전압(vdc)을 입력받아 q축 등가 제어입력(vq)을 출력하는 제1 제어기 및 상기 제1 제어기에서 출력되는 q축 등가 제어입력(vq)에 피드백 선형화에 기반한 아래 수식을 적용하여 q축 고정자 전압(uq)을 출력해, DC링크 전압을 제어하는 제1 피드백 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00003
(여기서,
Figure pat00004
,
Figure pat00005
이며
Figure pat00006
는 q축 고정자 전압,
Figure pat00007
는 고정자 각속도, C는 DC링크 커패시턴스,
Figure pat00008
는 계통측 유효 전력, v dc 는 DC링크 전압, ω e 는 회전자 각속도,
Figure pat00009
,
Figure pat00010
,
Figure pat00011
, i qs e 는 q축 고정자 전류, i ds e 는 d축 고정자 전류, L m 은 자화 인덕턴스, L s 와 L r 은 각각 고정자와 회전자의 자기 인덕턴스,
Figure pat00012
는 d축 회전자 자속)
또한, 상기 d축 전류 제어기는, d축 고정자 전류 지령치(
Figure pat00013
)와 측정되는 d축 고정자 전류(
Figure pat00014
)를 입력받아 d축 등가 제어입력(vd)을 출력하는 제2 제어기 및 상기 제2 제어기에서 출력되는 d축 등가 제어입력(vd)에 피드백 선형화에 기반한 아래 수식을 적용하여 d축 고정자 전압(ud)을 출력해, d축 고정자 전류를 제어하는 제2 피드백 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00015
(여기서
Figure pat00016
)
본 발명의 다른 실시예에 의한 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템은, 농형 유도발전기와 계통 사이에 배치되는 제2 컨버터, 계통과 상기 제2 컨버터 사이에 설치되어 계통 전압을 입력받아 계통 전압의 d-q축 각각의 정상분과 역상분을 출력하는 듀얼 eTOGI, 상기 듀얼 eTOGI의 출력단에 연결되어 계통 전압 위상의 정상분, 역상분 및 추정된 계통 전압(
Figure pat00017
)을 출력하는 PLL, 계통의 주파수를 추정하는 FLL, 상기 계통과 상기 제2 컨버터 사이에 설치되어 상기 계통에서 측정되는 전류와 상기 PLL에서 출력되는 계통 전압 위상의 정상분과 역상분을 입력받아 계통의 d-q축 전류 정상분과 역상분을 출력하는 출력부 및 계통이 정상 조건에서 측정된 회전자의 속도에 따라 계통측 전력의 최적 기준치를 설정하여 최대 전력점 추종(MPPT) 알고리즘을 수행하도록 상기 제2 컨버터에 제어신호를 인가하고, 계통의 전압강하가 발생하면, q축 계통 전류 정상분 지령치(
Figure pat00018
)를 아래 수식으로 대체하고, q축 계통 전류 역상분 지령치(
Figure pat00019
)는 0으로 제어하는 제2 컨버터 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00020
(여기서,
Figure pat00021
은
Figure pat00022
,
Figure pat00023
는
Figure pat00024
)
또한, DC 링크 전압이 소정 기준치를 초과하면 동작하는 제동 초퍼(Braking Chopper)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 의한 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템은, 농형 유도발전기와 계통 사이에 배치되는 제1 컨버터, 제1 컨버터의 출력단에 연결되는 DC링크와 상기 계통 사이에 배치되는 제2 컨버터, 상기 농형 유도발전기의 d축 고정자 전류 지령치(
Figure pat00025
)와 측정되는 d축 고정자 전류(
Figure pat00026
)에 기초하여 상기 제1 컨버터에 d축 고정자 전압(ud)을 출력해, d축 고정자 전류를 제어하는 d축 전류 제어기, DC링크의 전압 지령치(vdc *)와 측정되는 DC링크 전압(vdc)에 기초하여 상기 제1 컨버터에 q축 고정자 전압(uq)을 출력해, 상기 d축 전류 제어기와 독립적으로 DC링크 전압을 제어하는 DC링크 전압 제어기, 계통과 상기 제2 컨버터 사이에 설치되어 계통 전압을 입력받아 계통 전압의 d-q축 각각의 정상분과 역상분을 출력하는 듀얼 eTOGI, 상기 듀얼 eTOGI의 출력단에 연결되어 계통 전압 위상의 정상분, 역상분 및 추정된 계통 전압(
Figure pat00027
)을 출력하는 PLL, 계통의 주파수를 추정하는 FLL, 상기 계통과 상기 제2 컨버터 사이에 설치되어 상기 계통에서 측정되는 전류와 상기 PLL에서 출력되는 계통 전압 위상의 정상분과 역상분을 입력받아 계통의 d-q축 전류 정상분과 역상분을 출력하는 출력부 및 계통이 정상 조건에서 측정된 회전자의 속도에 따라 계통측 전력의 최적 기준치를 설정하여 최대 전력점 추종(MPPT) 알고리즘을 수행하도록 상기 제2 컨버터에 제어신호를 인가하고, 계통의 전압강하가 발생하면, q축 계통 전류 정상분 지령치(
Figure pat00028
)를 아래 수식으로 대체하고, q축 계통 전류 역상분 지령치(
Figure pat00029
)는 0으로 제어하는 제2 컨버터 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00030
(여기서,
Figure pat00031
은
Figure pat00032
,
Figure pat00033
는
Figure pat00034
)
상기 DC링크 전압 제어기는, DC링크의 전압 지령치(vdc *)와 측정되는 DC링크 전압(vdc)을 입력받아 q축 등가 제어입력(vq)을 출력하는 제1 제어기 및 상기 제1 제어기에서 출력되는 q축 등가 제어입력(vq)에 피드백 선형화에 기반한 아래 수식을 적용하여 q축 고정자 전압(uq)을 출력해, DC링크 전압을 제어하는 제1 피드백 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템.
Figure pat00035
(여기서,
Figure pat00036
,
Figure pat00037
이며
Figure pat00038
는 q축 고정자 전압,
Figure pat00039
는 고정자 각속도, C는 DC링크 커패시턴스,
Figure pat00040
는 계통측 유효 전력, v dc 는 DC링크 전압, ω e 는 회전자 각속도,
Figure pat00041
,
Figure pat00042
,
Figure pat00043
, i qs e 는 q축 고정자 전류, i ds e 는 d축 고정자 전류, L m 은 자화 인덕턴스, L s 와 L r 은 각각 고정자와 회전자의 자기 인덕턴스,
Figure pat00044
는 d축 회전자 자속)
상기한 바와 같은 본 발명에 의한 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템에 의하면, 피드백 선형화에 따라 DC링크 전압 제어기에서 q축 고정자 전압을 제어하여 DC링크 전압을 제어할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 의하면, 두 개의 eTOGI, 즉 듀얼 eTOGI를 이용하기 때문에, 보다 빠른 속도로 계통 전압의 정상분과 역상분을 정확하게 추정할 수 있으며, 고조파 성능의 저하를 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 의한 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템을 도시한 것이고,
도 2는 d축 전류 제어기(200)와 DC링크 전압 제어기(300)를 도시한 것이며,
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 의한 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템을 도시한 것이고,
도 4는 eTOGI의 구조를 도시한 것이고,
도 5는 본 발명의 제2실시예에 의한 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템에서 사용되는 듀얼 eTOGI-PLL-FLL(600)을 도시한 것이며,
도 6은 종래 사용되는 SOGI, mSOGI, TOGI, eTOGI를 적용한 계통 전압 추정 성능을 도시한 것이고,
도 7은 상술한 본 발명의 제1실시예 및 제2실시예 각각에 의한 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템의 제어 구성도이며,
도 8은 80%의 평형 전압강하 상태에서의 시스템 성능을 도시한 것이고,
도 9는 계통 불평형 및 5% 측정 옵셋 전압 조건에서 시스템 성능을 도시한 것이다.
상술한 본 발명의 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 실시예를 통하여 보다 분명해질 것이다. 이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 제1 및 /또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 한정되지는 않는다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소들로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소는 제1 구성 요소로도 명명될 수 있다. 어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 직접 연결되어 있다거나 또는 직접 접속되어 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 ∼사이에 와 바로 ∼사이에 또는 ∼에 인접하는 과 ∼에 직접 인접하는 등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다. 본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 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 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명한다.
[제1실시예]
도 1은 본 발명의 제1실시예에 의한 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템을 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 의한 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템은, 제1 컨버터(110), d축 전류 제어기(200) 및 DC링크 전압 제어기(300)를 포함한다.
제1 컨버터(110)는 농형 유도 발전기(10)(Squirrel Cage Induction Generator, SCIG)와 계통(20) 사이에 배치되어, 상술한 d축 전류 제어기(200) 및 DC링크 전압 제어기(300)로부터 제어입력을 받아, 농형 유도 발전기(10)를 제어한다.
d축 전류 제어기(200)는 농형 유도발전기(10)의 d축 고정자 전류 지령치(
Figure pat00045
)와 측정되는 d축 고정자 전류(
Figure pat00046
)에 기초하여 제1 컨버터에 d축 고정자 전압(ud)을 출력해, d축 고정자 전류를 제어한다.
DC 링크 전압 제어기(300)는 dc링크의 전압 지령치(vdc *)와 측정되는 dc링크 전압(vdc)에 기초하여 제1 컨버터(110)에 q축 고정자 전압(uq)을 출력해, d축 전류 제어기(200)와 독립적으로 DC링크 전압을 제어한다.
도 2는 d축 전류 제어기(200)와 DC링크 전압 제어기(300)를 도시한 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, DC링크 전압 제어기(300)는 제1 제어기(310)와 제1 피드백 제어기(210)를 포함할 수 있고, d축 전류 제어기(200)는 제2 제어기(210)와 제2 피드백 제어기(220)를 포함할 수 있다.
종래의 LVTR 기법에서는 독립적으로 d축 고정자 전류와 DC링크 전압을 제어하지 못했으나, 본 발명의 제1실시예에 의한 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템에서 상술한 d축 전류 제어기(200)와 DC링크 전압 제어기(300)각각은 독립적으로 d축 고정자 전류와 DC링크 전압을 독립적으로 제어하며, 이하 그 과정에 대해서 설명한다.
먼저, 본 발명의 제1실시예에 의한 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템에서 농형 유도발전기(10)의 회전자 자속 제어의 경우, 동기 좌표계에서 d축 고정자 전류와 d축 회전자 자속의 동적 방정식으로 구성된 모델은 아래 수식과 같이 유도될 수 있다.
[수식 1]
Figure pat00047
이때, 문자 위의 점은 미분횟수이고,
Figure pat00048
,
Figure pat00049
이며,
Figure pat00050
는 d축 고정자 전압,
Figure pat00051
는 d-q축 고정자 전류,
Figure pat00052
는 d축 회전자 자속,
Figure pat00053
는 회전자 각속도, R s 와 R r 는 각각 고정자 저항과 회전자 저항, L m 은 자화 인덕턴스, L s 와 L r 은 각각 고정자와 회전자의 자기 인덕턴스,
Figure pat00054
는 누설계수이며 다음과 같이 정의된다.
[수식 2]
Figure pat00055
상기한 수식 1에서 회전자 자속을 직접 제어하는 대신, 회전자 자속을 일정한 정격값으로 유지하기 위해 전류
Figure pat00056
를 일정하게 조절하면, 수식 1에서 제어입력
Figure pat00057
는 다음과 같이 결정된다.
[수식 3]
Figure pat00058
이때
Figure pat00059
는 d축 등가 제어 입력이고, 수식 3을 수식 1에 적용해 정리하면
Figure pat00060
에 대한 동적 방정식은 다음과 같이 다시 쓸 수 있다.
[수식 4]
Figure pat00061
DC링크 전압 제어의 경우, 동기 좌표계에서 q축 고정자 전류와 DC링크 전압의 동적 방정식으로 구성된 모델은 다음과 같이 유도된다.
[수식 5]
Figure pat00062
이 때,
Figure pat00063
이며
Figure pat00064
는 q축 고정자 전압,
Figure pat00065
는 고정자 각속도, C는 DC링크 커패시턴스,
Figure pat00066
는 계통측 유효 전력,
Figure pat00067
는 DC링크 전압이다. 상기한 수식 5에서 제어입력
Figure pat00068
가 아래 수식 6과 같이 선택된다고 가정하면,
[수식 6]
Figure pat00069
Figure pat00070
의 2차 미분 방정식은 다음과 같이 정리될 수 있다.
[수식 7]
Figure pat00071
수식 6은 새로운 피드백 선형화(Feedback Linearization) 제어 법칙에 의해
Figure pat00072
와
Figure pat00073
간의 비선형관계가 선형화된다. 따라서
Figure pat00074
는 q축 고정자 전류 제어기 없이,
Figure pat00075
를 조절하여 제어될 수 있다.
상기한 과정은 도 2의 d축 전류 제어기(200)와 dc링크 전압 제어기(300)의 블록으로 표시할 수 있다.
한편, 부정확한 모델의 경우 추적오차를 제어하기 위해 수식 4의 제어입력
Figure pat00076
와 수식 7의 제어입력
Figure pat00077
를 다음과 같이 적분 항을 포함하여 설계한다.
[수식 8]
Figure pat00078
[수식 9]
Figure pat00079
여기서, k I1 , k I2 , k V1 , k V2 , k V3 는 제1 제어기(310) 또는 제2 제어기(210)의 이득이다.
상기한 수식 8과 수식 9를 각각 수식 4와 수식 7에 대입하면, d축 고정자 전류와 DC링크 전압 제어 전달함수, 즉 제1 제어기(310)와 제2 제어기(210)의 전달함수는 다음과 같이 유도된다.
[수식 10]
Figure pat00080
[수식 11]
Figure pat00081
상기한 수식 10과 수식 11에서 제어기 이득인 k I1 , k I2 , k V1 , k V2 , k V3 는 극 배치 기법을 사용하여 선정할 수 있으며, 본 실시예는 상기한 바와 같은 과정을 통해, d축 전류 제어기(200)와 DC 링크 전압 제어기(300)는 각각 독립적으로 d축 고정자 전류와 dc링크의 전압을 제어해, 고장 발생시 q축 전류 제어기 없이 농형 유도 발전기(10)의 출력을 감소시켜, DC 링크 전압을 유지할 수 있다.
[제2 실시예]
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 의한 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템을 도시한 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 의한 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템은, 제2 컨버터(120), 듀얼 eTOGI, PLL(Phase-Locked Loop), FLL(Frequency locked loop), 출력부(400), 제2 컨버터 제어기(500)를 포함할 수 있다.
제2 컨버터(120)는 농형 유도발전기와 계통 사이에 배치된다.
출력부(400)는 계통(10)과 제2 컨버터(120) 사이에 설치되어 계통(10)에서 측정되는 전류와 PLL에서 출력되는 계통 전압 위상의 정상분과 역상분을 입력받아 계통의 d-q축 전류 정상분과 역상분을 출력한다. 출력부(400)는 이를 위해 밴드 패스 필터(Band Pass Filter)와 abc축을 d-q축으로 변환하는 변환기를 포함할 수 있으며, 변환기에는 계통(20) 전압 위상의 정상분과 역상분이 입력될 수 있다.
제2 컨버터 제어기(500)는 계통이 정상 조건에서 측정된 회전자의 속도에 따라 계통측 전력의 최적 기준치를 설정하여 최대 전력점 추종(MPPT) 알고리즘을 수행하도록 상기 제2 컨버터(120)에 제어신호를 인가하고, 계통(20)의 전압강하가 발생하면, q축 계통 전류 정상분 지령치(
Figure pat00082
)를 특정 수식으로 대체하고, q축 계통 전류 역상분 지령치(
Figure pat00083
)는 0으로 제어한다. 제2 컨버터 제어기(500)의 동작에 대해서는 후술한다.
듀얼 eTOGI, PLL, FLL은 듀얼 eTOGI-PLL-FLL(600) 블록에 포함될 수 있으며, 듀얼 eTOGI, PLL, FLL은 모두 계통(10)과 제2 컨버터(120) 사이에 설치될 수 있다. 듀얼 eTOGI를 설명하기 이전에, eTOGI에 대해 먼저 설명한다.
도 4는 eTOGI의 구조를 도시한 것이다.
도 4에서 g와 kT는 가변이득, k dc 는 일정 이득, ω'는 튜닝 주파수, x는 입력 신호, x'와 qx'는 서로 직교하는 출력 신호이다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 의한 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템에서 사용되는 듀얼 eTOGI-PLL-FLL(600)을 도시한 것으로, 듀얼 eTOGI(610), 제1 PLL(621), 제2 PLL(622), FLL(630)이 도시되어 있다.
듀얼 eTOGI(610)는 계통(10)과 제2 컨버터(120) 사이에 설치되어 계통 전압을 입력받아 계통 전압의 d-q축 각각의 정상분과 역상분을 출력한다.
제1 PLL(621)과 제2 PLL(622) 각각은 듀얼 eTOGI(610)의 출력단에 연결되어 계통 전압 위상의 정상분, 역상분 및 추정된 계통 전압(
Figure pat00084
)을 출력한다.
FLL(630)은 계통(10)의 주파수를 추정한다. FLL(630)에서 추정된 계통(10)의 주파수는 듀얼 eTOGI(610)에 입력될 수 있다.
도 5에 도시된 본 발명의 듀얼 eTOGI(610)는 g 및 k T 와 같은 eTOGI 이득은 추정된 계통 전압
Figure pat00085
의 정상분의 진폭과 임계 값
Figure pat00086
에 따라 다음과 같이 조절된다.
[수식 12]
Figure pat00087
[수식 13]
Figure pat00088
여기서, g fault , k normal , k fault 는 미리 지정된 상수이며, k fault 는 k normal 보다 큰 값이다. 캐럿 "^" 은 추정값을 나타내고, 위첨자 "+"는 정상분을 나타내며, 아래 첨자 "k"는 k 번째 샘플링 순간을 나타낸다. 도 5에서 계통 주파수는 FLL에 의해 추정된다. 도 5로부터 eTOGI의 전달함수는 다음과 같이 유도된다.
[수식 14]
Figure pat00089
[수식 15]
Figure pat00090
Figure pat00091
의 값이 비교적 일정하게 유지되는 정상상태에서, 이득 g는 수식 12에 따라 0으로 유지될 수 있다. 이 경우, 수식 14에서 세 극점이 모두 동일한 실수항을 가지고 있다고 가정할 때, eTOGI 이득 k normal 및 k dc 는 다음 수식을 만족하도록 선정될 수 있다.
[수식 16]
Figure pat00092
g fault 결정을 간단하게 하기 위해 eTOGI에 DC 옵셋이 존재하지 않는다고 가정하자. 그러면 k dc 를 0으로 설정함으로써 DC 옵셋 제거기의 영향을 무시할 수 있다. k dc = 0일 때 전달함수 수식 14와 수식 15의 극점은 다음과 같이 주어진다.
[수식 17]
Figure pat00093
계통 전압 진폭에 급격한 변화가 발생하면,
Figure pat00094
의 값이 수식 12에서의 δ 보다 크다고 가정되고, 그 때 이득 g 와 k T 는 각각 g fault 와 k fault 로 설정된다. 만약 g fault 가 다음과 같다면,
[수식 18]
Figure pat00095
수식 17의 극점은
Figure pat00096
와 같다. 극점s1,2는 항상 좌반면에 위치하므로 듀얼 eTOGI의 안정성은 보장된다.
도 6은 종래 사용되는 SOGI, mSOGI, TOGI, eTOGI를 적용한 계통 전압 추정 성능을 나타낸다. 도 6에서, 0.3초부터 t = 0.34초까지 계통 전압이 563V에서 113V로 감소하며 5% 측정 옵셋 전압과 3%의 5차 계통 고조파 전압이 있다고 가정한다. 듀얼 eTOGI는 가변 이득을 통해 빠른 응답 뿐 아니라 뛰어난 고조파 제거 기능도 갖는다.
도 7은 상술한 본 발명의 제1실시예 및 제2실시예 각각에 의한 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템의 제어 구성도이다.
제2 컨버터 제어기(500)는 측정된 회전자 속도에 따라 계통측 전력의 최적 기준치를 설정하여 최대 전력점 추종(MPPT) 알고리즘을 수행한다. 동시에 역률 1제어를 위해 무효 전력을 0으로 제어한다. 불평형 계통의 경우, 계통 주파수의 2배로 나타나는 DC 링크 전압 리플을 제거하기 위해 정상분과 역상분에 대한 이중 전류 제어기를 적용한다. 정상분과 역상분의 계통 전압은 도 5에서와 같이 듀얼 eTOGI-PLL-FLL 구조로 나타낼 수 있다.
전압강하가 발생하면, 계통 d축 전류 지령치의 정상분
Figure pat00097
는 계통 전압 강하에 따라 계통에 무효 전류를 주입하는 그리드 코드(grid code)의 요건을 충족하도록 정해진다. 동시에 q축 계통 전류 정상분
Figure pat00098
는 수식에 의해 결정된 지령치로 제어된다.
[수식 19]
Figure pat00099
상술한 수식 19에서 전류 i q 1 와 i q 2 는
Figure pat00100
와
Figure pat00101
로 각각 정의된다.
심각한 고장 조건에서는
Figure pat00102
가
Figure pat00103
보다 훨씬 높기 때문에, q축 계통 전류 정상분은 수식 19에 따라
Figure pat00104
로 제어되며, 이는 계통 전류 크기를 정격으로 제한한다. 반면 15% 전압 강하와 같은 심각하지 않은 고장과 정격이 아닌 상태에서는
Figure pat00105
이
Figure pat00106
로 근사화된다. 따라서 지령값
Figure pat00107
은 수식 19에 따라
Figure pat00108
설정된다. 그 결과 MPPT 알고리즘을 적용한 것과 유사한 유효전력이 고장상태에서도 계통으로 전달될 수 있다.
도 7에서 DC 링크 전압이 정해진 한계치를 초과할 경우, 제동 초퍼(Braking Chopper, BC)가 활성화 될 수 있으며, 본 발명은 제동 초퍼를 더 포함할 수 있다.
상술한 본 발명의 제1 실시예 및 제2 실시예에 의한 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템의 성능은 아래와 같은 실험을 통해 증명된다.
농형 유도발전기(SCIG)는 550rpm에서 1220rpm 속도의 풍력 터빈 시뮬레이터 역할을 하는 영구 자석 동기 모터 (PMSM)와 결합된다. 계통 전압은 220V/60Hz이고, DC 링크 전압은 340V로 제어된다. 10kVA 계통 시뮬레이터는 계통의 불평형 조건을 발생하는데 사용된다. 아래 표는 SCIG 사양을 나타낸다.
[표 1]
Figure pat00109
도 8은 80%의 평형 전압강하 상태에서의 시스템 성능을 보인다. 보다 구체적으로, 도 8a는 계통 전압 [V], 도 8b는 d축 계통 전류 [A], 도 8c는 q축 계통 전류 [A],도 8d는 계통 측 무효 전력 [VAR], 도 8e는 계통 측 유효 전력 [W], 도 8f는 DC 링크 전압 [V], 도 8g는 발전기 및 터빈 전력 [W], 도 8h는 회전자 속도 [rpm]를 나타낸다.
선간 전압에 5%의 측정 옵셋 전압이 포함돼 있다고 가정된다. 계통 전압과 d-q축 계통 전류는 도 8a와 도 8b에 나와 있다. 도 8d에서 계통측 무효 전력은 사고(fault) 발생시 계통 전압 회복을 위해 계통에 공급되고, 계통측 유효 전력은 도 8e와 같이 감소된다. SCIG의 유효 전력을 조절하여 도 8f에서 DC 링크 전압은 340V로 제어된다. 도 8g에서 SCIG의 유효 전력과 풍력 터빈의 유효 전력의 편차는 도 8h와 같이 회전자 속도 변화를 야기한다.
도 9는 계통 불평형 및 5% 측정 옵셋 전압 조건에서 시스템 성능을 보인다. 보다 구체적으로, 도 9a는 계통 전압[V], 도 9b는 d축 계통 전류 [A], 도 9c는 q축 계통 전류 [A], 도 9d는 계통측 무효 전력 [VAR], 도 9e는 계통측 유효 전력 [W], 도 9f는 DC 링크 전압 [V], 도 9g는 발전기 및 터빈 전력 [W], 도 9h는 회전자 속도 [rpm]이다.
계통 전압은 500ms 동안 각 상에서 20%, 50%, 20%로 감소한다. 평형 강하와 유사하게 DC 링크 전압은 340V로 제어되고 회전자 속도는 사고(falut) 발생시 850rpm에서 1150rpm으로 증가한다. 계통측 전력과 DC 링크 전압의 이중 계통 주파수(double-grid-frequency) 리플은 도 9d ~ 9f와 같이 계통 전압에 역상분이 존재하여 발생한다. 계통 전류의 역상분을 0으로 제어함으로써 d-q축 계통 전류 리플은 제거된다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
10 : 농형 유도 발전기
20 : 계통
110 : 제1 컨버터
120 : 제2 컨버터
200 : d축 전류 제어기
300 : DC 링크 전압 제어기
400 : 출력부
500 : 제2 컨버터 제어기
600 : 듀얼 eTOGI-PLL-FLL
610 : 듀얼 eTOGI
621 : 제1 PLL
622 : 제2 PLL
630 : FLL

Claims (5)

  1. 농형 유도발전기와 계통 사이에 배치되는 제1 컨버터;
    상기 농형 유도발전기의 d축 고정자 전류 지령치(
    Figure pat00110
    )와 측정되는 d축 고정자 전류(
    Figure pat00111
    )에 기초하여 상기 제1 컨버터에 d축 고정자 전압(ud)을 출력해, d축 고정자 전류를 제어하는 d축 전류 제어기; 및
    DC링크의 전압 지령치(vdc *)와 측정되는 DC링크 전압(vdc)에 기초하여 상기 제1 컨버터에 q축 고정자 전압(uq)을 출력해, 상기 d축 전류 제어기와 독립적으로 dc링크 전압을 제어하는 dc링크 전압 제어기;
    를 포함하고,
    상기 DC링크 전압 제어기는,
    DC링크의 전압 지령치(vdc *)와 측정되는 DC링크 전압(vdc)을 입력받아 q축 등가 제어입력(vq)을 출력하는 제1 제어기; 및
    상기 제1 제어기에서 출력되는 q축 등가 제어입력(vq)에 피드백 선형화에 기반한 아래 수식을 적용하여 q축 고정자 전압(uq)을 출력해, DC링크 전압을 제어하는 제1 피드백 제어기;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템.
    Figure pat00112

    (여기서,
    Figure pat00113
    ,
    Figure pat00114
    이며
    Figure pat00115
    는 q축 고정자 전압,
    Figure pat00116
    는 고정자 각속도, C는 DC링크 커패시턴스,
    Figure pat00117
    는 계통측 유효 전력, v dc 는 DC링크 전압, ω e 는 회전자 각속도,
    Figure pat00118
    ,
    Figure pat00119
    ,
    Figure pat00120
    , i qs e 는 q축 고정자 전류, i ds e 는 d축 고정자 전류, L m 은 자화 인덕턴스, L s 와 L r 은 각각 고정자와 회전자의 자기 인덕턴스,
    Figure pat00121
    는 d축 회전자 자속)
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 d축 전류 제어기는,
    d축 고정자 전류 지령치(
    Figure pat00122
    )와 측정되는 d축 고정자 전류(
    Figure pat00123
    )를 입력받아 d축 등가 제어입력(vd)을 출력하는 제2 제어기; 및
    상기 제2 제어기에서 출력되는 d축 등가 제어입력(vd)에 피드백 선형화에 기반한 아래 수식을 적용하여 d축 고정자 전압(ud)을 출력해, d축 고정자 전류를 제어하는 제2 피드백 제어기;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템.
    Figure pat00124

    (여기서
    Figure pat00125
    )
  3. 농형 유도발전기와 계통 사이에 배치되는 제2 컨버터;
    계통과 상기 제2 컨버터 사이에 설치되어 계통 전압을 입력받아 계통 전압의 d-q축 각각의 정상분과 역상분을 출력하는 듀얼 eTOGI;
    상기 듀얼 eTOGI의 출력단에 연결되어 계통 전압 위상의 정상분, 역상분 및 추정된 계통 전압(
    Figure pat00126
    )을 출력하는 PLL;
    계통의 주파수를 추정하는 FLL;
    상기 계통과 상기 제2 컨버터 사이에 설치되어 상기 계통에서 측정되는 전류와 상기 PLL에서 출력되는 계통 전압 위상의 정상분과 역상분을 입력받아 계통의 d-q축 전류 정상분과 역상분을 출력하는 출력부; 및
    계통이 정상 조건에서 측정된 회전자의 속도에 따라 계통측 전력의 최적 기준치를 설정하여 최대 전력점 추종(MPPT) 알고리즘을 수행하도록 상기 제2 컨버터에 제어신호를 인가하고, 계통의 전압강하가 발생하면, q축 계통 전류 정상분 지령치(
    Figure pat00127
    )를 아래 수식으로 대체하고, q축 계통 전류 역상분 지령치(
    Figure pat00128
    )는 0으로 제어하는 제2 컨버터 제어기;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템.
    Figure pat00129

    (여기서,
    Figure pat00130
    은
    Figure pat00131
    ,
    Figure pat00132
    는
    Figure pat00133
    )
  4. 제3 항에 있어서,
    DC 링크 전압이 소정 기준치를 초과하면 동작하는 제동 초퍼(Braking Chopper);
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템.
  5. 농형 유도발전기와 계통 사이에 배치되는 제1 컨버터;
    제1 컨버터의 출력단에 연결되는 DC링크와 상기 계통 사이에 배치되는 제2 컨버터;
    상기 농형 유도발전기의 d축 고정자 전류 지령치(
    Figure pat00134
    )와 측정되는 d축 고정자 전류(
    Figure pat00135
    )에 기초하여 상기 제1 컨버터에 d축 고정자 전압(ud)을 출력해, d축 고정자 전류를 제어하는 d축 전류 제어기;
    DC링크의 전압 지령치(vdc *)와 측정되는 DC링크 전압(vdc)에 기초하여 상기 제1 컨버터에 q축 고정자 전압(uq)을 출력해, 상기 d축 전류 제어기와 독립적으로 dc링크 전압을 제어하는 dc링크 전압 제어기;
    계통과 상기 제2 컨버터 사이에 설치되어 계통 전압을 입력받아 계통 전압의 d-q축 각각의 정상분과 역상분을 출력하는 듀얼 eTOGI;
    상기 듀얼 eTOGI의 출력단에 연결되어 계통 전압 위상의 정상분, 역상분 및 추정된 계통 전압(hat { E}_k ^{ +)을 출력하는 PLL;
    계통의 주파수를 추정하는 FLL;
    상기 계통과 상기 제2 컨버터 사이에 설치되어 상기 계통에서 측정되는 전류와 상기 PLL에서 출력되는 계통 전압 위상의 정상분과 역상분을 입력받아 계통의 d-q축 전류 정상분과 역상분을 출력하는 출력부; 및
    계통이 정상 조건에서 측정된 회전자의 속도에 따라 계통측 전력의 최적 기준치를 설정하여 최대 전력점 추종(MPPT) 알고리즘을 수행하도록 상기 제2 컨버터에 제어신호를 인가하고, 계통의 전압강하가 발생하면, q축 계통 전류 정상분 지령치(
    Figure pat00136
    )를 아래 수식으로 대체하고, q축 계통 전류 역상분 지령치(
    Figure pat00137
    )는 0으로 제어하는 제2 컨버터 제어기;
    Figure pat00138

    (여기서,
    Figure pat00139
    은
    Figure pat00140
    ,
    Figure pat00141
    는
    Figure pat00142
    )
    를 포함하고,
    상기 DC링크 전압 제어기는,
    DC링크의 전압 지령치(vdc *)와 측정되는 DC링크 전압(vdc)을 입력받아 q축 등가 제어입력(vq)을 출력하는 제1 제어기; 및
    상기 제1 제어기에서 출력되는 q축 등가 제어입력(vq)에 피드백 선형화에 기반한 아래 수식을 적용하여 q축 고정자 전압(uq)을 출력해, DC링크 전압을 제어하는 제1 피드백 제어기;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템.
    Figure pat00143

    (여기서,
    Figure pat00144
    ,
    Figure pat00145
    이며
    Figure pat00146
    는 q축 고정자 전압,
    Figure pat00147
    는 고정자 각속도, C는 DC링크 커패시턴스,
    Figure pat00148
    는 계통측 유효 전력, v dc 는 DC링크 전압, ω e 는 회전자 각속도,
    Figure pat00149
    ,
    Figure pat00150
    ,
    Figure pat00151
    , i qs e 는 q축 고정자 전류, i ds e 는 d축 고정자 전류, L m 은 자화 인덕턴스, L s 와 L r 은 각각 고정자와 회전자의 자기 인덕턴스,
    Figure pat00152
    는 d축 회전자 자속)
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