KR20230052971A - 전력 시스템을 위한 증강 버스 임피던스 및 썸프 제어 - Google Patents

전력 시스템을 위한 증강 버스 임피던스 및 썸프 제어 Download PDF

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스티븐 비. 쿠즈네초프
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레이던 컴퍼니
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Abstract

시스템(100, 400)은 전력 소스(102, 402)로부터 전력을 분배하도록 구성된 전력 분배 버스(104, 404)를 포함한다. 시스템은 또한 전력 소스로부터 전력의 일부를 수신하도록 구성된 복수의 전기 부하(110-112, 410-412)를 포함한다. 이 시스템은 하나 이상의 전기 부하에서 유효 또는 무효 전력의 변화에 응답하여, 전력 분배 버스의 전송 임피던스를 감소시키고, 소스에서 저주파 전력 진동을 감소시키도록 구성된 DFIM(doubly-fed induction machine)(106, 406)을 더 포함한다.

Description

전력 시스템을 위한 증강 버스 임피던스 및 썸프 제어
본 개시는 일반적으로 전기 기계를 사용하는 전력 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시는 펄세이팅 부하를 갖는 전력 시스템을 위한 증강 버스 임피던스 및 썸프 제어에 관한 것이다.
선박의 많은 최신 가변-속도 드라이브 또는 레이더 전력 공급 장치에는 에너지 스토리지가 거의 또는 전혀 없다. 결과적으로, 출력 전력의 트랜전트(transient) 스윙은, 결과적인 전압 변동(fluctuation)과 함께 주로 교류(AC) 버스에서 상응하는 큰 에너지 스윙을 나타낸다. 큰 유효 전력 변동이 발생하면, 선박 전력 시스템의 무효 전력(kVAR)의 큰 스윙이 수반되며, 핵 원자로 밸브(nuclear reactor valve) 응답을 포함한 최고 레벨의 발전기 작동에 영향을 미친다. 중간 전압 AC 분배를 갖는 기존 선박은, 무효 전력을 최소한으로 제어하며, 정적 VAR(volt-ampere-reactive) 보상기(compensator)를 사용하지 않는다.
본 개시는 전력 시스템을 위한 증강 버스 임피던스 및 썸프 제어를 위한 시스템을 제공한다.
제1 실시예에서, 시스템은 전력 소스(electrical power source)로부터 전력을 분배하도록 구성된 전력 분배 버스를 포함한다. 상기 시스템은 또한 상기 전력 소스로부터 전력의 일부를 수신하도록 구성된 복수의 전기 부하를 포함한다. 상기 시스템은, 하나 이상의 상기 전기 부하에서 전력 변화에 응답하여, 상기 전력 분배 버스에서, 전송 임피던스 및 전압 강하를 감소시키고 에너지 스토리지 능력(capability)을 제공하도록 구성된 DFIM(doubly-fed induction machine)을 더 포함한다.
제2 실시예에서, 시스템은 복수의 전기 부하를 위한 전력을 생성하도록 구성된 전력 발전기(power generator)를 포함한다. 상기 시스템은 또한 상기 전력 발전기로부터 전력을 수신하고 분배하도록 구성된 전력 분배 버스를 포함한다. 상기 시스템은, 하나 이상의 상기 전기 부하에서 유효 전력 또는 무효 전력의 변화에 응답하여, 상기 전력 분배 버스에서, 전송 임피던스 및 전압 강하를 감소시키도록 구성된 DFIM을 더 포함한다.
제3 실시예에서, 방법은 전력 발전기(electrical power generator)를 사용하여 복수의 전기 부하에 대한 전력을 생성하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 전력 분배 버스에서 전력을 수신하고, 상기 전기 부하에서 사용하기 위해 상기 전력의 적어도 일부를 분배하는 단계를 포함한다. 상기 방법은, 하나 이상의 상기 전기 부하에서, 무효 전력의 변화에 응답하여, DFIM을 사용하여 상기 전력 분배 버스의 전송 임피던스 및 전압 강하를 감소시키고, 시스템 안정성(stability)을 향상시키는 단계를 더 포함한다.
다른 기술적 특징은 다음의 도면, 설명 및 청구범위로부터 당업자에게 쉽게 명백할 수 있다.
본 개시의 더 완전한 이해를 위해, 이제 첨부된 도면과 함께 다음의 설명을 참조한다:
도 1은 본 개시에 따른 증강 버스 임피던스 제어(ABIC)를 위한 예시적인 시스템을 도시한다;
도 2a는 본 개시에 따른 도 1의 시스템에서, 발전기 리액턴스의 함수로서 전송가능(transmissible) 전력을 묘사하는(depicting) 예시적인 그래프를 도시한다;
도 2b는 포지티브 및 네거티브 슬립 값에서, 종래의 이중-공급 유도 발전기(doubly-fed induction generator)에 대한 작동 범위를 도시한다;
도 3a 내지 3d는 본 개시에 따른 DFIM(doubly-fed induction machine)의 무효 전력 출력에 대한 광범위한 제어를 묘사하는 예시적인 그래프를 도시한다;
도 3e는 본 개시에 따른 선행 무효 전력을 중간 버스(intermediate bus)에 제공할 수 있는, 3차 와인딩 및 트랜전트 컨디션(transient condition)을 갖는 예시적인 유도 기계에 대한 그래프(305)를 도시한다;
도 4는 본 개시에 따른 ABIC에 대한 또 다른 예시적인 시스템을 도시한다;
도 5a 내지 5d는 본 개시에 따라 도 4의 DFIM에 의한 무효 전력 제어를 보여주는 예시적인 페이저 다이어그램을 도시한다;
도 6은 본 개시에 따라 도 4에 도시된 3개의 출력 브랜치 중 하나의 예시적인 등가 회로를 도시한다;
도 7a 내지 7d는 종래의 대형 전력 변환기의 특성을 도시한다;
도 8a 및 도 8b는 본 개시에 따른 ABIC 기계에 대한 예시적인 와인딩 다이어그램을 도시한다; 및
도 9는 본 개시에 따른 증강된 버스 임피던스 제어를 위한 예시적인 방법을 도시한다.
아래에 설명된 도 1 내지 9, 및 이 특허 문서에서 본 발명의 원리를 설명하기 위해 사용된 다양한 실시예는, 단지 예시를 위한 것이며 어떠한 방식으로든 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 당업자는 본 발명의 원리가 적절하게 배치된 임의의 타입의 디바이스 또는 시스템에서 구현될 수 있음을 이해할 것이다.
단순함과 명료함을 위해, 다른 도면과 관련하여 설명된 것을 포함하여, 일부 기능 및 구성 요소는 모든 도면에 명시적으로 표시되지 않는다. 도면에 예시된 모든 특징은 설명된 실시예 중 임의의 것에서 채용될 수 있음을 이해할 것이다. 특정한 도면에서 특징 또는 구성 요소의 생략은 단순함과 명료함을 위한 것이며, 그 특징 또는 구성 요소가 해당 도면과 관련하여 설명된 실시예에서 사용될 수 없다는 것을 의미하지는 않는다.
위에서 논의한 바와 같이, 선박의 많은 최신 산업용 가변-속도 드라이브 또는 레이더 전력 공급 장치에는 에너지 스토리지가 거의 또는 전혀 없다. 결과적으로, 출력 전력의 트랜전트 스윙은, 결과적인 전압 변동과 함께 주요 교류(AC) 버스에서 상응하는 큰 에너지 스윙을 나타낸다. 큰 유효 전력 변동이 발생하면, 선박 전력 시스템의 무효 전력의 큰 스윙이 수반되며, 핵 원자로 밸브 응답을 포함한 최고 레벨의 발전기 작동에 영향을 미친다. 중간 전압 AC(MVAC) 분배(예: 4.16kV ~ 13.8kV)를 갖는 기존 선박은, 무효 전력을 최소한으로 제어하며, 정적 VAR(volt-ampere-reactive) 보상기를 사용하지 않는다.
최신 선박 전력 시스템에는, 공통 AC 전력 분배 시스템에서 결합된 저주파/저 PRF(pulse repetition frequency) 및 고주파/고 PRF의 펄세이팅 부하 콤비네이션이 있다. 펄세이팅 부하 사이의 간섭(interference)은 많은 군함에서 주요 문제이다. 예를 들어, 레이더 교류-직류(AC/DC) 전력 변환기는, 컴프레서(compressor) 및 펌핑 장비에 사용되는 종래의 가변-속도 드라이브와 부정적인 상호 작용을 한다. 메가와트 규모(scale)에서 이 문제를 적절하게 해결하기 위해, 에너지 스토리지 관리와 무효 전력 모듈레이션의 콤비네이션이 요구된다.
본 개시는 전력 시스템을 위한 증강 버스 임피던스 제어의 다양한 실시예를 제공한다. 개시된 실시예는 AC 버스를 강화시키고(stiffen), 전압 강하를 감소시키고, "썸프"(저주파 전력 진동)을 상당히 감소시키기 위해, 활성(active) 에너지 스토리지와 유효 전력 및 무효 전력 제어를 결합한다. 개시된 실시예는 "약한" AC 전력 시스템에서 보상(compensation)을 위한 리액티브 제어(reactive control) 및 썸프 에너지를 제공하기 위해, 이중-공급 멀티-포트 유도 기계를 사용한다. 프라임 전력 발전기(power generator)에서 부하 지점까지 전송 거리가 긴 해군 함정은, 직렬 전기 리액턴스가 상당히 높기 때문에 취약한 시스템을 구성할 수 있다. 개시된 실시예는 이러한 타입의 시스템에서 전압 조절(voltage regulation) 및 무효 전력 안정성을 개선한다. 변동(fluctuating) 또는 확률적 부하(stochastic load)를 갖는 육상(land)-기반 및 선박-기반 전력 시스템 모두에 대해, 썸프 완화(mitigation of thump)가 바람직하다.
본 개시의 실시예는, 여기에 기술된 특징 중 임의의 하나, 하나 이상 또는 모두를 포함할 수 있음을 이해할 것이다. 또한, 본 개시의 실시예는 여기에 나열되지 않은 다른 특징을 추가적으로 또는 대안적으로 포함할 수 있다. 개시된 실시예는 해군 선박 및 조기 경고 레이더 전력 시스템에 대해 설명될 수 있지만, 이들 실시예는 또한 임의의 다른 적절한 시스템 또는 애플리케이션에 적용 가능하다.
도 1은 본 개시에 따른 증강 버스 임피던스 제어(ABIC)를 위한 예시적인 시스템(100)을 도시한다. 시스템(100)의 일부 실시예는, 해군 선박 전력 시스템에 사용될 수 있지만, 다른 용도도 본 개시의 범위 내에 있다. 위에서 설명한 것처럼, ABIC은 AC 버스를 강화시키고, 전압 강하를 감소시키며, "썸프"를 감소시키기 위한, 에너지 스토리지와 유효 및 무효 전력 제어의 콤비네이션을 나타낸다.
도 1에 도시된 바와 같이, 시스템(100)은 AC 전력 분배 버스(104)에 주파수 f1의 전력을 제공하는 발전기 세트(102)(터빈 발전기와 같은)를 포함한다. 시스템(100)은 또한, 빠른 펄세이팅 부하(110)(예: 레이저, 레이더, 레일건 등)에 유효 전력 및 에너지 스토리지를 제공하고 전력 분배 버스(104)에 대한 전압/VAR 지원을 제공하기 위해 조정가능한(adjustable) 무효 전력의 소스를 제공하는, 이중-공급 유도 기계(DFIM)(106)를 포함한다. DFIM(106)은, 고정자 또는 1차 와인딩으로 들어오거나 나가는 유효 전력 및 무효 전력 모두에 대해 양방향(bi-directional) 전력 플로우를 갖는 전기 기계이다; DFIM(106)은 로터 또는 2차 와인딩에 공급되는 여기 AC 전원(AC power)에 의해 제어된다.
전력 분배 버스(104)는 발전기 세트(102)로부터 DFIM(106) 및 느린 펄세이팅 부하(112)로 전력을 분배한다. 느린 펄세이팅(pulsating) 부하(112)는 하나 이상의 컴프레서, 펌프 등을 나타낼 수 있는 "하우스키핑(housekeeping)" 부하이다. 전력 분배 버스(104)의 일부는, 다양한 요인(factor)에 따라 "강한" 버스 또는 "약한" 버스로 특징지어질 수 있다. 하나의 요인은, 전류가 일정량(specified amount)(예를 들어, 80%)만큼 변동할 때, 빠른 펄세이팅 부하(110)에서 얼마나 많은 전압 변동이 발생하는지이다. 약한 버스에서, 빠른 펄세이팅 부하(110)에서의 전압은, 상당히(예를 들어, 20% 이상) 변동될 수 있다. 강한 버스에서는 전압 변동이 훨씬 적다(예: 5% 이하). 약한 버스는 긴 전송 거리(예: 약 800피트 이상)에 걸쳐 존재하는 중간 변압기(intermediate transformer)와 전송 케이블 인덕턴스로 인해 발생할 수 있다. 버스 강도를 특징짓는 또 다른 요인은, 단락 내성(short circuit rating)이다. 예를 들어, 강한 버스는 더 높은 단락 내성(예: 40MVA)을 가질 수 있는 반면, 약한 버스는 더 낮은 단락 내성(예: 6MVA)을 가질 수 있다.
DFIM(106)은 로테이팅 기계이며, 정적 VAR 보상기에 일반적으로 사용되는 AC 커패시터 뱅크의 용량성(capacitive) 에너지 스토리지 밀도의 약 두 배(예: 8.43 MVAR/m3 대 4 MVAR/m3)를 가질 수 있다. DFIM(106)은, 관성 에너지의 형태로 에너지를 저장하는 고속 플라이휠(108)과 연결되고, 또한 전기 부하 중 하나와 관련된 전력의 진동으로부터 발전기 세트(102)를 완충(buffer)하여 시스템 전력 서지를 감소시킨다. 플라이휠(108)은 또한 DFIM(106)이 표준 선박 터빈 발전기가 응답할 수 있는 것보다 더 빠른 응답 시간으로 썸프를 감소시키는데 도움이 된다. 썸프를 감소시키면 모든 주요 전기 장비의 수명이 연장된다.
도 1에 도시된 바와 같이, DFIM(106)은 3개의 고정자 와인딩 포트를 포함한다. 포트 1은 고정자에 대한 1차 전력 입력이고, 포트 2와 3은 고정자의 출력 포트이다. 포트 1은 불안정한 전력 분배 버스(104)로부터 입력 피상 전력(input apparent power)(MVA)을 수신한다. 포트 2는 반복 전력(recurrent power) 또는 전류 서지로 펄세이팅 부하(110)에 안정적인 유효 전력(메가와트 정도)을 제공한다. 부하(110)는 정류된 DC 부하 또는 엄격하게(strictly) AC 부하일 수 있다. 포트 1과 포트 2는 플라이휠(108)과 전력/에너지를 교환한다. 포트 3은 로터(또는 2차) 여기 폴리페이즈 전력 입력의 액션에 의해 변조되는(modulated) 선행 역률(power factor) 무효 전력 Q3(MVAR)을 생성하고, 이 무효 전력 Q3은 전력 분배 버스(104)에 주입된다. ABIC 리액티브 컨트롤러(114)는 개별적인 부하에 대한 정확한 VAR 매치를 얻기 위해 전압 레벨을 조정한다. 무효 전력 Q3은 일반적으로 DFIM(106)의 출력 전압의 제곱에 비례(proportional)한다. 포트 3은 "동기식 콘덴서(synchronous condenser)" 기능을 지원하고, 소스 에너지를 위한 DFIM(106)의 저장된 자기장을 활용한다. 폴리페이즈 로터 여기는 별도의(separate) AC 여기 파워 서플라이(116)에서 얻는다. 이 로터 여기 서플라이는 출력 전력의 1~2회 전기 사이클 순서로 로터 전류 및 전압 레벨을 신속하게 변경할 수 있는 기능이 있다; 결과적으로 포트 2와 3의 출력 전압을 빠르게 변조할 수 있다. 도 1은 단지 하나의 DFIM(106)을 도시하지만, 이것은 단지 하나의 예일 뿐이다. 다른 실시예는 반대 방향으로 회전하는 하나 이상의 기계를 포함하는, 추가 DFIM(106)을 포함할 수 있다.
도 2a는 본 개시에 따른 도 1의 시스템(100)에서, 발전기 리액턴스의 함수로서 전송가능(transmissible) 전력을 묘사하는(depicting) 예시적인 그래프(200)를 도시한다. 도 2a에 도시된 바와 같이, Pmax는 발전기 세트(102)로부터 부하(110)까지의 정규화된 최대 전송가능 전력이다. 전력은 전송 라인 특성 임피던스(characteristic impedance) Zo로 정규화된 발전기 리액턴스 Xt에 대해 표시된다. 전송 라인은 대부분 유도성이며, 길이에 관계없이 전송 라인은 무효 전력을 요구한다. 그래프(200)에서 1 내지 5로 라벨링된 커브(curve)는, 서로 다른 길이의 전송 라인을 나타낸다. 커브 1은 길이가 가장 짧은 전송 라인(예: 0.5km) 또는 "가장 강한" 버스이다. 커브 5는 길이가 가장 긴 전송 라인(예: 2.5km) 또는 "가장 약한" 버스이다.
최대 전력 Pmax = 단위(unit)당 2.5이므로, 지점 P1은 일반적인 고정 리액턴스 Xt/Zo = 단위당 0.20에 대해 요구되는 작동 지점을 나타낸다. 수량(quantity) Po는 소스 발전기의 공칭(nominal) 출력 전력이다. 동일한 발전기 리액턴스 Xt/Zo = 0.20에 대해, 지점 P5는 Pmax가 단위당 1.0에 불과하므로 가장 바람직하지 않은 작동 지점이다. Pmax/Po 비율이 크고, 1.0을 초과하는 것이 요구되거나 필요할 수 있다. 시스템(100)은 DFIM(106)에 연결된 션트(shunt)에 의한 VAR 주입 레벨(도 1의 Q3@V1)에 따라, (허용가능한 유효 전력을 증가시킴으로써) 중-장-길이(medium- to long-length) 전송 라인의 작동 지점 P5를, P1과 P5 사이의 작동 지점으로 변경한다. 실제로 시스템은 일반적으로 전압 강하가 크기 때문에, Xt/Zo > 0.40을 사용하지 않는다. 개시된 실시예는 또한, AC/DC 제어 정류기 시스템의 무효 요구 및 본 명세서에서 상세히 설명된 바와 같이 DFIM으로부터 더욱 다운스트림(downstream)인 DC 부하를 보상하기(compensate) 위한, 무효 전력에 대한 필요성을 다룬다.
도 2b는 포지티브 및 네거티브 슬립 값에서, 종래의 이중-공급 유도 발전기(doubly-fed induction generator)에 대한 작동 범위를 도시한다. 도 2b에서 유효 전력 출력 PG는, 소스에 연결된 기존의 이중-여기(doubly-excited) 와인드-로터(wound-rotor) 유도 기계의 고정자 회로에 대한 것이며, 여기서 PS는 공칭 소스 전력 레벨이다. 포지티브 슬립 값은, 기계가 모터로 작동하고, 로터로 들어가는 전력 PR의 포지티브 흐름을 가지며 소스 에너지를 흡수함을 나타낸다. 네거티브 슬립 값은, 기계가 발전기로 작동하고, 로터에서 출력되는 전력 PR의 흐름을 가지며 소스에 에너지를 돌려줌을 나타낸다. 로터 전력은 제로 슬립 값에 대해 대칭이다. 신호 PGC는 공칭 이상 및 이하의 소스로 반환되는 전력을 추정하기 위한 제어 신호이다. 이 배열의 한 가지 문제점은, 소스가 썸프 컨디션이나 반복 트랜전트 동작(behavior)을 생성할 수 있는, 로터 또는 부하에 의해 개발된(developed) 과도(excess) 에너지를 흡수할 수 없다는 것이다. 개시된 실시예는 이 문제를 해결한다.
도 3a 내지 3d는 본 개시에 따른 DFIM 무효 전력 출력에 대한 광범위한 제어를 묘사하는 예시적인 그래프(301-304)를 도시한다. 일부 실시예에서, 그래프(301-304)는 가변 슬립 여기 제어 주파수를 갖는 60Hz 출력에서 3차 폴리페이즈 기계 와인딩에 기초할 수 있다. 명백하게, 이 컨셉은 60Hz보다 훨씬 낮고 60Hz보다 훨씬 높은 주파수로 확장될 수 있다. DFIM은 도 1의 DFIM(106)으로 표현될 수 있다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 그래프(301)는 도 1의 포트 1 및 포트 3 와인딩에 대응하는 고정자 주변 위치의 함수로서 Q축 와인딩의 무효 전력 출력에 대응하는, 자기장 직교 밀도 Bq를 묘사한다. 플롯 커브(311)는 극 6과 극 8 사이의 Q축 와인딩의 무효 출력 자기장 밀도 Bq를 나타낸다. 플롯 커브(311)는 15% 슬립의 경우에 대해, 단위 직교 자속(unit quadrature magnetic flux) 밀도당 약 ±1에서, 지점 P6과 지점 P8 사이의 거의 동일한 포지티브 및 네거티브의 무효 전력을 도시한다. 여기서 무효 전력은 도 1에서 포트 3 와인딩의 고정자 전류 부하와 무효 출력 Bq의 공간 적분(integral)이다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 그래프(302)는 최대 6개의 극까지 고정자 주변 위치의 함수로서, Q축 와인딩의 리액티브 출력 방사형(radial) 자기장 밀도 Bq를 묘사한다. 플롯 커브(312)는 극 4와 극 6 사이의 Q축 와인딩의 무효 출력 자기장 밀도 Bq를 나타낸다. 플롯 커브(312)는 19% 슬립의 경우에, 포인트 P4의 0에서 포인트 P6의 단위당 높은(highly) 선행(leading) 용량성 출력 5.8까지 리액티브 출력을 보여준다. 이 특성은 고정자 주변 위치 s/Tp = 3.0에서 시작하는 VAR 생성을 돕는(aiding) 보조(auxiliary) 고정자 여기 와인딩을 갖는다. 따라서 무효 전력에 대한 중간 주파수 버스를 충족하기 위해 순수한 무효 출력이 필요한 때, DFIM은 19%의 슬립에서 작동될 수 있고 출력은 플롯 커브(312)에 의해 표시된 바와 같이 극 4와 6 사이에 위치한 와인딩에서 얻을 수 있다. 슬립 값은 출력 무효 요구에 직접 응답하여, 로터 슬립 주파수 여기 파워 서플라이에 의해 신속하게 제어된다.
도 3c에 도시된 바와 같이, 그래프(303)는 4극 전문화된(specialized) 유도 발전기에 대한 슬립 값(단위당) 및 출력 주파수 f(Hz)의 함수로서, 생성된 무효 전력 Q의 정규화된 한계를 묘사한다. f = 50-600Hz 범위에 있는 기계의 경우, 무효 특성은 단위 슬립당 약 0.05에서 최대이다. 2개 또는 3개의 출력이 있는 기계의 경우, 적절한 와인딩 설계(design)를 사용하여 토탈 Q를 출력 간에 균등하게 나눌 수 있다. 4극의 배수 기계(machines of multiples of four poles)는 4극의 다수의(multiple) 반복가능한 섹션을 활용한다.
도 3d에 도시된 바와 같이, 그래프(304)는 인-페이즈 정규화된 에어갭 방사형 자속 밀도(Bp)를, 고정자 에어갭 주변 위치 및 단위당 0.25까지의 슬립 값의 함수로서 묘사한다. 자속 밀도 Bp는 포트 2 또는 3에 대한 DFIM의 유효 전력 출력의 주요 구성요소이다. 그래프(304)에 도시된 이러한 커브는, 고정자 전류 부하(미터 주변당 암페어-회전(Amp-turns))가 있는 스칼라 곱에서 공간 위치에 걸쳐(over) 통합되어(integrated)있으며, 포트 2에서 고정자 와인딩에 의해 흡수되고 출력 부하가 회생될(regenerative) 때 모드에서 플라이휠 가속도로 전달되는, 유효 전력의 한계를 예측하여, 에너지를 전력 시스템으로 다시 펌핑한다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 단위당 0.05 내지 0.11(포지티브 또는 네거티브)의 슬립 값이 가장 바람직할 수 있다. 표시된 커브는, 자화 요인(magnetization factor) G = Xm/R2 = 30의 한 값에 대해 유효하며, 여기서 Xm은 자화 리액턴스이고 R2는 로터 저항이다.
도 3e는 본 개시에 따른 선행 무효 전력을 중간 버스(intermediate bus)에 제공할 수 있는, 3차 와인딩 및 트랜전트 컨디션(transient condition)을 갖는 예시적인 유도 기계에 대한 그래프(305)를 도시한다. 대상 DFIM(subject DFIM) 3차 와인딩은, 이에 의해 정의된 특정 제한 하에서 전류에 대한 유효 전력 및 무효 전력을 모두 출력할 수 있다. 도 8a 및 8b의 와인딩 다이어그램에 의해 정의된 공간 트랜전트 상태에서, 도 3e는, 반복 가능한 섹션에서, 극 n=1에서 n=4의 서로 다른 1차 고정자 계열(family)에 대한 단위 슬립당 함수로서, 플롯된(plotted) 토탈 에어갭 자속 밀도(Bt2) 및 직교 자속 밀도(Bq2)의 콤비네이션을 보여준다. 1차 와인딩의 반복가능한 고정자 섹션 후, 고정자 주변은 폴리페이즈 3차 와인딩 섹션으로 와인드되며(wound), 공간 트랜전트 현상이 발생한다. 예를 들어, 12극 기계에는 3개의 반복가능한 섹션이 있다. 가장 유용한 특성은 n=4 계열이다. 굵은 라인으로 나타낸 바와 같이, 샘플 슬립 값이 10%일 때 Bq2 값은 단위(p.u.)당 0.27이고 Bt2 값은 단위당 0.44이다. 이 두 점의 차이는 단위당 자속 밀도 Bp2 = 0.17의 인-페이즈 구성요소이다. Bt2 = Bp2 + Bq2 관계는 모든 슬립 값에 대해 유지된다.
결과적으로 구성요소 값은: Bp = 0.412 p.u., Bq = 0.519 p.u. 및 Bt= 0.663 p.u.이다. 단위 당 기본 수량은 Us/(pr*Js) 값이며, 여기서 Us는 동기식 필드 속도(ms), pr은 로터 표면 저항(ohms), Js는 고정자 전류 부하(A/m 주변)이다. 도 3e의 커브는, 부하에서/부하로 썸프 무효 전력을 흡수하거나 산출(yield)하기 위한, 더 큰 무효 전력(적분 Bp* Js로 계산) 외에 3차 와인딩에서 사용할 수 있는 실질적인 유효 전력(적분 Bp* Js로 계산)이 있음을 나타낸다. 도 3e에서, 슬립이 5%와 같은 값으로 감소함에 따라 Bp의 상대적인 레벨이 감소하고, 슬립 값이 0에 접근함에 따라 결국 0으로 줄어드는(diminish) 것을 알 수 있다. 이것은 개시된 실시예에 대한 작동 모드를 정의한다; 썸프 파워(thump power)의 레벨이 증가함에 따라, DFIM(406)에 대한 조정가능한 주파수 드라이브(414)(도 4와 관련하여 아래에 설명됨)는, 더 높은 Bp 및 진동 또는 불안정한 부하에서 실제 전력을 흡수하기 위해 적어도 하나의 3차 와인딩에 대한 결과적으로 높은 유효 전력 용량을 산출하기 위해, 슬립 값을 낮은 슬립에서 더 높은 값으로 순간적으로(momentarily) 증가시킨다. 썸프 에너지는 터빈 소스로 다시 되돌려지지 않고, 기계 로터에서 소멸된다.
DFIM 와인딩에 의한 순전한 유효 전력 흡수가 필요할 때(예: 플라이휠에 부하 에너지를 전달하기 위해), 기계는 도 3d에 표시된 것과 같이, 극 4와 8 사이의 슬립 값 5-11%에서 작동할 수 있다. 8% 슬립 커브(313)는, 이러한 4극 섹터에 걸쳐 단위당 4.7에서 단위당 12로 증가하는 Bp를 보여준다. 대조적으로, DFIM이 유효 및 무효 지원을 동시에(simultaneously) 제공해야 하는 경우, 중간 슬립(intermediate slip) 값은 16%와 같은 슬립 주파수 조절(slip frequency regulation)에 의해 명령될(command) 수 있다. 인-페이즈 자속 밀도 Bp는 단위당 9.8에서 감지할 수 있는 피크이고, 직교 자속 밀도 Bq는 단위당 3.0이다(도 3b 참조). 슬립 값은, 동기식 속도 ωs를 명령하는 DFIM 로터 여기 회로의 동작에 의해 임의의 기계 속도 ωr에서 조절되며, 슬립 = (ωs-ωr)/ωs이다. 동기식 속도(라디안/초)는 ωs = 2*π fs/극쌍(number of pole pairs) 수와 같이 적용된(applied) 여기 주파수 fs에 정비례한다. 최신 드라이브는 몇 밀리초(millisecond) 내에 주파수 fs를 변경할 수 있기 때문에, 로터의 동기식 필드 속도는 동일한 짧은 기간에 변경될 수 있으며, 따라서 DFIM 출력 무효 전력의 피크 위치를 매우 빠르게 제어할 수 있다.
도 4는 본 개시에 따른 ABIC(augmented bus impedance control)에 대한 또 다른 예시적인 시스템(400)을 도시한다. 아래에서 논의되는 바와 같이, 시스템(400)은 도 1의 시스템(100)의 대응하는 구성요소와 동일하거나 유사한 다수의 구성요소를 포함한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 시스템(400)은 AC 전력 분배 버스(404)에 전력을 제공하는 선박 전력 발전기(402)를 포함한다. 일부 실시예에서, 발전기(402)는 도 1의 발전기 세트(102)와 동일하거나 유사할 수 있다. 발전기(402) 및 버스(404)는 4160볼트 및 주파수 fx와 같은 중간 폴리페이즈 전압 전위에 있다.
시스템(400)은 또한, 각각의 별개의 펄스 부하(410-412)(레이더, 재머(jammer), 더 높은 전압 입력이 요구되는 전자기 이펙터 등)를 보상하는, 다수의(예: 3개) 폴리페이즈 3차 와인딩 포트(1-3)를 갖는 DFIM(406)을 포함한다. DFIM(406)은 1차 또는 2차 와인딩과 다른 전압 레벨에서 작동하는 3차 와인딩에서 선행 무효 전력을 생성하는, 비대칭적(non-symmetrical) 스페이스-트랜전트(space-transient) 와인딩을 포함하고, 펄스 부하(410-412)에 의해 요구되는 무효 전력의 적어도 일부를 보상한다. DFIM(406)은 에너지 스토리지 관성 플라이휠(408)에 결합되고, 입력에서 소스 주파수 fx 및 출력에서 주파수 fo를 갖는, 조정가능한 속도 가변-전압 가변-주파수(VVVF) 드라이브(414)에 의해 속도를 높인다. 유효 전력 Po는 가속력, 마찰 손실, 바람 손실 및 1차 I2R 손실을 보상하기 위해, VVVF 드라이브(414)에 의해 DFIM(406)의 1차 와인딩에 제공된다. 로터와 플라이휠이 정격 속도에 도달하면, DFIM(406)은 조정가능한 출력 kVAR 및 kW 특성을 가진 로테이팅 콘덴서로 작동한다. 일부 실시예에서, DFIM(406)은 8극 기계를 포함하고, 7,500-11,000rpm의 실제 작동 속도 범위에 기초하여 500-733Hz의 출력 범위를 갖는다. 물론, 다른 폴 수, 출력 범위 및 작동 속도 범위가 가능하며 본 개시의 범위 내에 있다. 또한, 도 4는 단지 하나의 DFIM(406)을 도시하지만, 이것은 단지 하나의 예일 뿐이다. 다른 실시예는 반대 방향으로 회전하는 하나 이상을 포함하는 추가적인 DFIM(406)을 포함할 수 있다.
각각의 부하(410-412)에 대한 회로는, AC-AC 주파수 변환기(416-418)와 스텝-업(step-up) 또는 스텝-다운(step-down) 변압기를 구비하고, 이에 더하여 부하에 대한 원하는 입력 전압에 적합한 AC/DC 정류기(420-422)를 구비한다. 변압기(420-422)는 소스 전력으로부터 부하(410-412)를 갈바닉 절연(galvanically isolated)하기 위해 제공된다. 각각의 AC-AC 주파수 변환기(416-418)는, 소스 주파수(fx)를 대응하는 부하(410-412)에 대해 선택된 중간 주파수(intermediate frequency)(f1, f2, f3)로 변환한다. f1, f2, f3에서 중간 주파수 중간 링크(intermediate link)의 장점은, 변압기(420-422)의 크기 감소와 DFIM(406)의 크기를 포함하는 필터 구성요소의 크기 감소이다. 시스템(400)의 아키텍처는, DFIM(406)의 로터 댐퍼 케이지(damper cage)가 펄세이팅 부하(410-412)를 공급하는 AC/DC 정류기(420-422)에 의해 생성된 더 높은 고조파(harmonic)를 흡수하도록 한다.
각각의 주파수 변환기(416-418)는 소스 주파수 fx보다 실질적으로 더 높은(10x와 같은) 주파수 f1, f2 또는 f3을 출력한다. DFIM(406)의 2차 (로터) 와인딩에 대한 여기 전류 le 및 주파수 fr을 샤프트 속도에 반비례하도록 변경하기 위해 DFIM 익사이터(DFIM exciter)(424)를 사용함으로써, 3차(tertiary) 와인딩 상의 출력 주파수 f1, f2 및 f3은, 에너지가 추출되거나 플라이휠(408)로 반환되면서 넓은 속도 변화에 걸쳐 실질적으로 일정하게 유지될 수 있다. DFIM(406)의 기계 와인딩의 자기 설계로 인해, 주파수 f1, f2 및 f3은, 바람직하게는 DFIM(406)의 주 고정자 와인딩에 주입되는 VVVF 드라이브(414)로부터의 출력 fo와 동일한 주파수를 갖는다. DFIM 익사이터(424)는, 3차 와인딩 출력이 순환(recurrent) 또는 트랜전트 기반에서 진동 부하 컨디션(oscillating load condition) 역률을 보상하기 위해, 선행 또는 무효 전력을 제공할 수 있도록 한다.
각각의 펄스 부하(410-412)는 변압기(420-422)에 대한 입력에 반영된 등가 리액턴스 Xqq를 갖는다. DFIM(406)에서 3개의 별도의 출력 3차 와인딩은, 제한 없이 서로 다른 라인 전압 V1, V2, V3에 있을 수 있지만, 대응하는 고주파수 버스에서 무효 전류 I1, I2, I3 및 무효 전력 Q1, Q2, Q3(Q=I2Xqq로) 및 관련된 무효 에너지를 제공한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 2개의 부하(410-411)는 스텝-다운 변압기(420-421)와 매치되는 반면, 제3 부하(412)는 스텝-업 변압기(422)를 갖는다. 주파수 변환기(416-418)는 출력 전압(V1, V2, V3)을 소스 전압(Vx)보다 높거나 낮게 부스트(boost) 또는 버킹(buck)하는 능력을 갖는다. DFIM(406)의 3개 출력은 공통 주파수를 갖지만, 출력 전력/에너지는 실질적으로 서로 다른 속도(MW/s 또는 MJ/s) 및 규모(magnitude)일 수 있다.
출력 포트 1-3 중 하나와 각각 연관된 DFIM(406)의 다수의 3차 출력 와인딩은, 부하(410-412)에 대한 VAR 지원을 제공한다. 슬립 값 작동 범위에 반응하는 3차 와인딩도, 유효 전력 출력을 제공하거나 유효 전력을 흡수한다(도 3d 참조). 각각의 출력 포트(1-3)는, 무효 요구 또는 무효 전력 진동을 갖는 대응하는 부하(410-412)에 선행 무효 전류 및 전력을 제공할 수 있다. 이는 결과적으로 선박 전력 발전기(402)로부터 주로 유효 전력을 제공하는 주파수 변환기(416-418)의 무효 전력 요구 및 물리적 크기/무게를 감소시킨다. 썸프 컨디션이 개발될 때(이는 레이더 및 유사한 애플리케이션에 대해 전형적일 수 있음), 썸프 유효-전력 에너지는 선박 전력 발전기(402)에 부정적인 영향을 미치기보다는, 플라이휠(408)로부터 추출되거나 플라이휠(408)로 반환된다. 이것은 부정적인 전력(adverse power) 모듈레이션에 민감한 원자력 항공모함에 특히 중요한, 전반적인 선박 전력 모듈레이션을 감소시킨다.
DFIM(406)의 션트 연결(shunt connection)은, 시스템(400)에서 유효한 버스 임피던스(effective bus impedance)는 슬립 여기 제어로 조정할 수 있다는 점을 제외하고는, 정적 션트 캐패시터가 AC 버스 임피던스를 감소시키는 것과 거의 동일한 방식(fashion)으로, DFIM 연결 없이 존재할 수 있는 것보다 낮은 값으로 중간 주파수 버스 임피던스를 감소시킨다. 변압기(420-422)는 부하(410-412)의 컨디션에 따라 가변적인 입력 무효 kVAR 요구를 갖는다. 각각의 부하(410-412)의 펄스율(pulses/s)이 높을수록, 대응하는 변압기/정류기 쌍(420-422)에 대한 입력에서 기본 전력 및 고조파 전력의 무효 요구가 높아진다. DFIM(406)은, 도 5a 내지 5a와 관련하여 아래에 설명된 바와 같이, 슬립 여기 전류 "Ie"를 조절하고 슬립 여기 주파수 "fr"을 조절하는 콤비네이션에 의해, 무효 전력 Q1, Q2 또는 Q3의 출력을 제어한다. DFIM 익사이터(424)는 DFIM 로터 회로의 와인딩 손실을 보상하는 유효 전력 출력 Pr을 갖는다.
AC 전력 분배 버스(404)의 임피던스를 낮추는 원리는 다양한 요인에 달려있다. DFIM(406)은 낮은 슬립 모드(예: 1.5-2.5%)에서 제어될 때, 임의의 출력 주파수에서, 네거티브 AC 저항을 포함한다. DFIM(406)은 넓은 속도/에너지 범위에 걸쳐, 빠른 활성 로터 주파수 컨트롤러(예: 가변 주파수 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor) 또는 IGBT 드라이브)를 사용하여 네거티브 저항 영역에 유지된다. 비록 kW 및 kVAR 출력 모두에 대해 높은 전력 밀도를 얻는 데 필요한 DFIM 출력 주파수(예를 들어, 1000Hz)에 버스(404)(예를 들어, 60Hz)를 일치시키기 위해 3개의 주파수 변환기(416-418)가 채용되지만(employ), DFIM(406)의 네거티브 저항은 이러한 특성에 대해 변환기에 의존하지 않는다. 일부 실시예에서, 시스템(400)은 60Hz에서 0.63옴에서 0.12옴으로와 같이 버스 임피던스의 감소를 나타낼 수 있지만, 다른 값이 가능하고 본 개시의 범위 내에 있다.
DFIM(406)은 높은 샤프트 속도가 사용될 때, 높은 전력 밀도(예: 6kVA/kg)를 얻는다. 주파수 변환기(416-418)는 매우 작고 효율적이며 가볍다. DFIM(406)의 무효 전력(kVAR) 출력은, 전체 kVA 기계 정격 내에서 유효 전력(kW) 출력과 무관하다. 출력 포트 3은 실질적으로 직교 축(quadrature axis) 자기 회로에서 작동하는 반면, 출력 포트 2의 유효 전력 출력은 실질적으로 직접 축(direct axis) 자기 회로에서 작동한다.
도 5a 내지 5d는 본 개시에 따라 도 4의 DFIM(406)에 의한 무효 전력 제어를 보여주는 예시적인 페이저 다이어그램(501-504)을 도시한다. 도 5a에서, 페이저 다이어그램(501)은 개별적으로 도 4의 3개의 펄스 부하(410-412)를 나타내는 3개의 펄스 부하(부하 1, 부하 2, 부하 3)를 나타낸다. 페이저 다이어그램(501)에서 X축은 유효 전력 P를 나타내고, Y축은 무효 전력 Q를 나타낸다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 라인(510-512)은 3개의 펄스 부하에 대한 피상 전력 S1, S2, S3을 나타내며, 여기서 피상 전력은 S1 > S2 > S3이고 유효 전력은 P1 > P2 > P3이다. 다수의(multiple) 와인딩/포트에서 DFIM(406)의 출력(라인 513으로 표시됨)은 3개의 무효 전력 Q1L > Q2L > Q3L을 완전히 보상하고, 유효 전력은 주파수 변환기(416-418)를 통해 독점적으로(exclusively) 소모된다(drawn).
도 5b에서, 페이저 다이어그램(502)은 이제 부하 1 및 부하 3(즉, P2 > P1 > P3)을 초과하여 Q2L > Q1L > Q3L인 부하 2(라인 511)의 급격한 변화를 도시한다. 상황은 안정되고, DFIM(406)은 2-5 사이클 내의 변화를 보상하며, 부하 2의 실제 전력 P2는 주파수 변환기(417)에 의해 증가된다. DFIM(406)은 대부분의 출력이 무효 전력이고 적은 양의 무효 전력 Po만이 마찰 및 바람 손실에 사용되기 때문에, 88-89도의 페이즈 각도에서 작동한다. 실제 펄스 전력 구현에서, 부하 2는 도 5a와 도 5b의 컨디션 사이에서 초당 여러 번 또는 낮은 주파수(예: 2Hz)에서 주기적으로 큰 유효 전력 및 무효 전력 스윙으로 진동할 수 있으므로, 썸프 컨디션을 생성할 수 있다. 대부분의 경우 발전기(402)(예: 가스 터빈)가 큰 부하로부터 회생 전력(regenerative power)을 쉽게 수용할 수 없기 때문에, 주파수 변환기(416-418)는 전력 흐름이 단방향(unidirectional)이다.
도 5c에서 페이저 다이어그램(503)은, 부하 3(라인 512)이 비회생(non-regenerative) 사분면 II(Quadrant II) 부하에서 회생(regenerative) 사분면 III 부하로 급작스럽게 변화하는 경우를 도시한다. 원동기(prime mover)를 보호하기 위해, 주파수 변환기(418)가 단방향(unidirectional)인 경우 시스템(400)은 DFIM(406)이 이 전력/에너지 P3/E3를 흡수하게 함으로써 부하 에너지 E3를 유효 전력으로 흡수할 수 있고, 이 에너지 E3를 DFIM(406)에 결합된 플라이휠(408)을 재충전하기 위해 사용할 수 있다. 이 모드는 도 5c에 도시되어 있으며, 여기서 DFIM(406)(라인 513)은 이제 사분면 IV에서 작동하며, 페이저 ST3은 3개의 부하(410-412)에 대한 모든 무효 전력을 제공하고, 플라이휠(408)이 더 이상 추가 에너지 증가를 수용할 수 없고 부하(410-412 중 어느 것에 에너지를 방전(discharge)해야 할 시점까지 반복적으로(on a recurrent basis) 부하 3으로부터 유효 전력/에너지를 흡수한다.
DFIM(406) 및 DFIM 익사이터(424)의 설계는, 확률적으로(on a recurrent basis) 또는 빠른 응답으로 주기적으로(on a periodic basis) 번갈아가며 발생하도록, 사분면 II에서 사분면 III으로 부하의 스윙을 허용한다. 플라이휠(408)로 부하 에너지를 흡수함으로써, 바람직하지 않은 과전압 및 트랜전트 이팩트를 초래할 수 있는 (원동기 소스 이외의) 시스템(400) 전체에 분산될 썸프 에너지를 제거한다(eliminate). 시스템(400)은, DFIM(406)이 각 출력 포트 1-3이 인접한(adjacent) 포트와 독립적으로 썸프 에너지를 흡수하고, 썸프 에너지의 각각의 세그먼트를 부착된(attached) 에너지 스토리지 유닛으로 반환하는 동시에 각각의 부하에 무효 전력 보상을 제공하도록 허용한다.
도 5d에서 페이저 다이어그램(504)은 도 4의 정류기(420-422)와 같은 표준 고전력 6-펄스 제어 AC-DC 정류기를 예시한다. 도 5d의 회로 다이어그램(505)은 이러한 고전력 6펄스 제어 AC-DC 정류기의 대표적인 회로를 도시한다. 도면에서, Q1은 기본 무효 전력을 나타내고 QH는 고조파 무효 전력을 나타낸다.
도 6은 본 개시에 따라 도 4에 도시된 3개의 출력 브랜치 중 하나의 예시적인 등가 회로(600)를 도시한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 회로(600)는 발전기(402)를 소스 전압 Vx를 갖는 소스(602)로 모델링하고, 주파수 변환기(416-418)를 결합된(combined) 임피던스 Zx = Rx를 갖는 입력 주파수 변환기(604)로 모델링한다. 입력 주파수 변환기(604)는 중간 주파수 버스에서 노드(605)에 공급한다. 노드(605)는 또한 회로(600)에서 소스 전압 V4 및 직렬 임피던스 Z4=R4-jX4를 갖는 DFIM(606)으로 모델링되는 DFIM(406)으로부터 전력 주입을 갖는다. 부하(410-412) 및 정류기(420-422)를 갖는 변압기는, 자화 리액턴스 Xm을 갖는 션트 브랜치(608) 및 임피던스 ZL=RL+jXL을 갖는 직렬 브랜치(610)로 모델링된다. 각각의 포트에 대해 DFIM(406)에 의해 개발된 무효 전력은, Xm 및 XL에서 소비된 무효 전력을 완전히 보상한다.
부하 정류기(420-422)가 사이리스터(thyristor)와 같은 페이즈-제어 브리지 디바이스인 경우, 이 디바이스가 게이트 지연(α 각도) 및 전류의 페이즈 백 스위칭(phase back switching)을 가질 때, 부하(410-412)가 순전히 저항성인 경우에도 정류기(420-422)에 대한 입력에서 동등한 무효 요구가 발생한다. 이 무효 요구는 부하(410-412)의 가속 또는 트랜전트 스윙에서 특히 크다; 이는 부하와 직렬인 리액턴스 Xc에 의해 회로(600)에서 표현된다. 그에 따른 무효 요구는 아래 설명된 대로, 변압기 자화 리액턴스, 변압기 누설(leakage) 리액턴스 및 AC-DC 컨버터 무효 요구의 콤비네이션이다. 고전력 사이리스터 기반 AC-DC 컨버터에 존재하는 커뮤테이션 오버랩(commutation overlap)도 무효 요구를 추가한다. 이 AC-DC 컨버터 무효 요구는 출력 DC 전류의 함수로 증가한다. 네거티브 리액턴스 -jX4는 DFIM 출력 와인딩의 설계 기능이며, 출력 리액턴스 Xl + Xc를 Xm과 병렬로 매치할 수 있으므로, 입력 주파수 변환기에는 유효한 무효 요구가 없다.
도 7a 내지 7d는 종래의 대형 전력 변환기의 특성을 도시한다. 도 7a 내지 7d의 그림은 Albert Kloss-Brown(Boveri & Cie, 1984)이 저술한 교과서 "Basic Guide to Power Electronics"의 그래프를 도시한다. 도 7a는 교과서의 Figure 77을 도시한다. 도 7a의 오른쪽에 있는 전력 원(circle) 다이어그램은 사이리스터 게이팅 지연 각도 α의 함수로서 정규화된 무효 전력을 도시한다. AC-DC 변환기 무효 전력 요구는 단위당 1.0에서 약 α = 87도에서 피크에 달한다는 점에 유의한다. 도 7b는 교과서의 Figure 81을 도시한다. 도 7b의 하단 그래프는 DC 부하 전류 id 및 α 각도의 함수로서 정규화된 무효 전력을 도시한다. 도 7a 및 도 7b에서, 변압기 뒤의 AC-DC 제어 정류기의 입력측에서의 무효 전력 요구(지연 PF)를 설명하기 위해 라인 701-702가 도면에 추가되었다.
도 7c에서, 라인(703)은 처음 3개의 사이클에서 매우 높은 부하 컨디션의 가속 또는 트랜전트 변화 동안 AC-DC 정류기에 대한 정규화된 무효 전력 입력 q1을 도시한다. 도 7d에서, 라인(704)은 가속 영역 동안 처음 3개의 사이클 동안 단위당 약 0.75의 평균 무효 전력을 도시한다. 따라서 급격한 부하 변화 중에는, 정상-상태 요구사항을 초과하는 추가 무효 전력이 필요하다.
도 8a 및 도 8b는 본 개시에 따른 DFIM(804)와 같은, ABIC 기계에 대한 예시적인 와인딩 다이어그램(801-804)을 도시한다. 도 8a 및 도 8b는 본 개시에 따른 DFIM(804)과 같은 ABIC 기계에 대한 예시적인 와인딩 다이어그램(801-804)을 도시한다. 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, ABIC 기계는 108개의 고정자 슬롯 및 3개의 무효 출력 와인딩을 갖는 2극 ABIC 기계이다. 도 8a에서, 와인딩 다이어그램(801)은 ABIC 메인 입력 "M"에 대한 와인딩을 도시한다. 와인딩 다이어그램(802)은 무효 출력 Q1 그룹에 대한 와인딩을 도시한다. 도 8b에서, 와인딩 다이어그램(803)은 무효 출력 Q2 그룹에 대한 와인딩을 도시한다. 와인딩 다이어그램(804)은 무효 출력 Q3 그룹에 대한 와인딩을 도시한다. 도 8b 하단에 도시된 블록 M, Q1, M, Q2 등은 무효 와인딩이 뒤따르는(followed by), 기계에 대해 여기(excitation)를 제공하는 주(main) 와인딩을 설명하는 기능성(functional) 블록이다. 그런 다음 또 다른 주 와인딩과 또 다른 무효 와인딩이 이어진다. 이 일련의 와인딩은 추가 선행 무효 전력을 생성하는 기계 자기 회로에 트랜전트를 생성한다.
도 1 내지 8b는 증강 버스 임피던스 제어 및 관련 세부사항을 위한 예시적인 시스템을 도시하지만, 도 1 내지 8b에 대해 다양한 변경이 이루어질 수 있다. 예를 들어 도면에서는 DFIM이 하나만 있는 시스템을 도시하지만, 이것은 단지 하나의 예일 뿐이다. 다른 실시예에서, 시스템은 반대 방향으로 회전하는 하나 이상을 포함하는 추가적인 DFIM을 포함할 수 있다. 일반적으로 전력 시스템은 매우 다양한 설정(configuration)으로 제공되며, 도 1 내지 도 8b는 본 개시 내용을 임의의 특정 설정으로 제한하지 않는다.
도 9는 본 개시에 따른 증강된 버스 임피던스 제어를 위한 예시적인 방법(900)을 도시한다. 쉽게 설명하기 위해, 방법(900)은 도 1의 시스템(100) 또는 도 4의 시스템(400)을 사용하여 수행되는 것으로 설명된다. 그러나, 방법(900)은 임의의 다른 적합한 디바이스 또는 시스템과 함께 사용될 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 단계(902)에서 전력 발전기를 사용하여 복수의 부하에 대한 전력을 생성한다. 이것은 예를 들어 시스템(400)에서 사용하기 위한 전력을 생성하는 전력 발전기(402)를 포함할 수 있다. 단계(904)에서 전력은 전력 분배 버스에서 수신되고 전력의 적어도 일부는 부하에서 사용하기 위해 분배된다. 이것은 예를 들어 전력을 분배하는 전력 분배 버스(404)를 포함할 수 있으며, 그 중 일부는 각각의 부하(410-412)에서 사용된다. 단계(906)에서 임피던스는 하나 이상의 부하에서 전력 변화에 응답하여, 션트 연결된 DFIM을 사용하여 전력 분배 버스에서 감소된다. 이것은 예를 들어 하나 이상의 부하(410-412)에서 전력 변화에 응답하여, 버스(404) 상의 임피던스를 감소시키는 DFIM(406)을 포함할 수 있다.
단계(908)에서, 부하 리플 또는 썸프로부터의 펄세이팅 전력은, DFIM(406)의 3차 와인딩으로 흡수된다. 단계(910)에서 부하 리플 또는 썸프 에너지는, 재충전 전력 또는 플라이휠 에너지 스토리지의 가속으로 전달된다. 단계(912)에서 부하 유효 전력 요구가 높을때, 플라이휠 에너지 스토리지로부터의 에너지는, DFIM(406) 및 부하로 방출된다. 단계(914)에서 출력 컨버터에서 무효 전력을 사용하는 큰 부하 스윙을 보상하기 위해, DFIM 무효 전력 출력 및 버스로의 주입에 의해, 중간 부하에서 전압이 변조된다.
도 9는 증강 버스 임피던스 제어를 위한 방법(900)의 일례를 도시하지만, 도 9에 다양한 변경이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 일련의 단계로 표시되어 있지만 도 9에 표시된 다양한 단계는 중첩되거나 병렬로 발생하거나 다른 순서로 발생하거나 여러 번 발생할 수 있다. 또한 일부 단계를 결합하거나 제거할 수 있으며 특정 요구에 따라 추가 단계를 추가할 수 있다.
이 특허 문헌 전체에 사용된 특정 단어 및 구문의 정의를 설명하는 것이 이익이 될 수 있다. "포함하다" 및 "구성하다" 및 그 파생어는 제한 없이 포함됨을 의미한다. "또는"이라는 용어는 포괄적이며, 및/또는을 의미한다. "~와 관련된"이라는 문구 및 그 파생어는 포함하다, 안에 포함하다, 상호 연결, 들어있다, 안에 들어있다, 연결(connect) 또는 함께 연결, 연결(couple) 또는 함께 연결, 통신 가능, 협력, 인터리브(interleave), 병치하다(juxtapose), ~에 근접하다, ~에 묶이다 또는 ~와 묶이다,~을 가지다, ~의 속성을 가지다, ~와 관계를 맺다 등을 의미한다. 아이템 리스트와 함께 사용될 때 "최소한 하나"라는 문구는 아이템 리스트 중 하나 이상의 다른 조합이 사용될 수 있으며 리스트에서 하나의 아이템만 필요할 수 있음을 의미한다. 예를 들어, "A, B, 및 C 중 적어도 하나"는 A, B, C, A 및 B, A 및 C, B 및 C, A 및 B 및 C의 조합 중 임의의 것을 포함한다.
본 출원의 설명은 임의의 특정 요소, 단계 또는 기능이 청구 범위에 포함되어야 하는 필수 또는 중요한 요소임을 암시하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 특허된 주제의 범위는 허용된 청구 범위에 의해서만 정의된다. 또한, "~를 하기 위한 수단" 또는 "~을 하는 단계"이라는 정확한 단어가 특정 청구항에서 명시적으로 사용되고 그 뒤에 기능을 식별하는 분사구가 오지 않는 한, 청구범위 중 어느 것도 첨부된 청구항 또는 청구항 요소와 관련하여 35 U.S.C. § 112(f)를 야기하려는(invoke) 의도가 아니다. 청구범위 내에서 "메커니즘", "모듈", "디바이스", "유닛", "구성 요소", "요소", "멤버", "장치", "기계", 또는 "시스템"과 같은 용어(그러나 이에 국한되지 않음)의 사용은 청구범위 자체의 특징에 의해 추가로 수정되거나 향상되는 관련 기술 분야의 숙련자에게 알려진 구조를 지칭하는 것으로 이해되고 의도되며, 35 U.S.C. § 112(f)를 야기하려는 의도가 아니다.
본 개시는 특정 실시예 및 일반적으로 관련된 방법을 설명했지만, 이들 실시예 및 방법의 변화(alteration) 및 치환(permutation)은 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 예시적인 실시예에 대한 위의 설명은 본 개시를 정의하거나 제한하지 않는다. 다음 청구범위에 의해 정의된 바와 같이, 본 개시내용의 진의(spirit) 및 범위를 벗어나지 않고 다른 변경, 대체 및 변화도 가능하다.

Claims (22)

  1. 전력 소스(electrical power source)으로부터 전력을 분배하도록 구성된 전력 분배 버스;
    상기 전력 소스로부터 전력의 일부를 수신하도록 구성된 복수의 전기 부하(electrical load); 및
    하나 이상의 상기 전기 부하에서 전력 변화에 응답하여, 전송 임피던스(transmission impedance)를 감소시키고, 상기 전력 분배 버스의 전압 강하를 감소시키도록 구성된 DFIM(Double-Fed Induction Machine)
    를 포함하는,
    시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 DFIM에 결합된(coupled) 플라이휠(flywheel) -상기 플라이휠은, 하나 이상의 상기 전기 부하에 전력공급(power)을 하기 위해 변환가능한(convertible) 관성 에너지(inertial energy)를 저장하기 위해 회전하도록(rotate) 구성됨-
    을 더 포함하는,
    시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전기 부하 중 하나와 관련된 전력은, 썸프 컨디션(thump condition)과 관련된 저주파에서 진동하고(oscillate); 및
    상기 DFIM은, 상기 전력 소스 또는 상기 시스템에 대한 상기 썸프 컨디션의 영향(impact)을 최소화하기 위해, 상기 썸프 컨디션과 관련된 에너지를 상기 플라이휠로부터 추출하거나, 상기 썸프 컨디션과 관련된 에너지를 상기 플라이휠로 반환하도록 구성되는,
    시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전기 부하 중 하나와 관련된 전력은, 회생 전력(regenerative power)과 비회생 전력(non-regenerative power) 사이에서 진동하고; 및
    상기 DFIM은, 상기 플라이휠에 저장된 상기 관성 에너지를 증가시키기 위해, 상기 회생 전력의 적어도 일부를 수신하고, 회생 전력의 적어도 일부를 사용하도록 구성되는,
    시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 DFIM은, 복수의 출력 포트 -각각의 출력 포트는, 상기 다른 출력 포트와는 독립적으로 상기 썸프 컨디션과 관련된 상기 에너지의 적어도 일부를 흡수하도록(absorb) 구성됨-
    를 포함하는,
    시스템.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 전기 부하 중 하나에 각각 대응하는 복수의 주파수 변환기 -각각의 주파수 변환기는, 상기 전력 소스로부터의 상기 전력의 주파수를 상기 대응하는 전기 부하와 관련된 출력 주파수로 변환하도록 구성됨-
    를 더 포함하는,
    시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 DFIM의 2차 와인딩(secondary winding) 상의 여기(excitation) 전류 및 주파수를, 3차 와인딩(tertiary winding) 상의 각각의 출력 주파수를 샤프트 속도(shaft speed) 및 관성 저장 에너지의 변형(variation)에 대해 실질적으로 일정한 값으로 유지하기 위해, 상기 플라이휠의 상기 샤프트 속도에 반비례하게(inversely proportional) 변화시키도록(vary) 구성된, DFIM 익사이터(DFIM exciter)
    를 더 포함하는,
    시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    복수의 DFIM 3차 와인딩 포트 -각각의 DFIM 3차 와인딩 포트는, 무효 전력 요구(reactive power demand) 또는 무효 전력 진동을 갖는 상기 전기 부하 중 대응하는 전기 부하에 선행(leading) 무효 전력을 제공하고, 결과적으로 상기 전력 소스로부터 주로 유효 전력을 제공하는 상기 복수의 주파수 변환기에 대한 무효 전력 요구를 감소시키도록 구성됨-
    를 더 포함하는,
    시스템.
  9. 복수의 전기 부하를 위한 전력을 생성하도록 구성된 전력 발전기(power generator);
    상기 전력 발전기로부터 전력을 수신하고 분배하는 전력 분배 버스; 및
    하나 이상의 상기 전기 부하에서 전력 변화에 응답하여, 전송 임피던스를 줄이고 상기 전력 분배 버스의 전압 강하를 줄이도록 구성된 DFIM(double-fed induction machine)
    를 포함하는,
    시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 DFIM에 결합된 플라이휠 -상기 플라이휠은, 하나 이상의 상기 전기 부하에 전력공급을 하기 위해 변환가능한 관성 에너지를 저장하기 위해 회전하도록 구성됨-
    을 더 포함하는,
    시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전기 부하 중 하나와 관련된 유효 전력 또는 무효 전력(real or reactive power)은, 썸프 컨디션과 관련된 저주파에서 진동하고; 및
    상기 DFIM은, 상기 전력 발전기 또는 상기 시스템에 대한 상기 썸프 컨디션의 영향을 최소화하기 위해, 상기 썸프 컨디션과 관련된 에너지를 상기 플라이휠로부터 추출하거나, 상기 썸프 컨디션과 관련된 에너지를 상기 플라이휠로 반환하도록 구성되는,
    시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전기 부하 중 하나와 관련된 전력은, 회생 전력과 비회생 전력 사이에서 진동하고; 및
    상기 DFIM은, 상기 플라이휠에 저장된 상기 관성 에너지를 증가시키기 위해, 상기 회생 전력의 적어도 일부를 수신하고, 회생 전력의 적어도 일부를 사용하도록 구성되는,
    시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 DFIM은, 복수의 출력 포트 -각각의 출력 포트는, 다른 포트와 갈바닉 절연(galvanically isolated)되어 있고, 상기 다른 출력 포트와는 독립적으로 상기 썸프 컨디션과 관련된 상기 에너지의 적어도 일부를 흡수하도록 구성됨-
    를 포함하는,
    시스템.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 전기 부하 중 하나에 각각 대응하는 복수의 주파수 변환기 -각각의 주파수 변환기는, 상기 전력 발전기로부터의 상기 전력의 주파수를 상기 대응하는 전기 부하와 관련된 출력 주파수로 변환하도록 구성됨-
    를 더 포함하는,
    시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 DFIM의 2차 와인딩 상의 여기 전류 및 주파수를, 3차 와인딩 상의 각각의 출력 주파수를 샤프트 속도의 광범위한 변형에 대해 실질적으로 일정한 값으로 유지하기 위해, 상기 플라이휠의 상기 샤프트 속도에 반비례하게 변화시키도록 구성된, DFIM 익사이터
    를 더 포함하는,
    시스템.
  16. 제14항에 있어서,
    복수의 DFIM 3차 와인딩 포트 -각각의 DFIM 3차 와인딩 포트는, 무효 전력 요구 또는 무효 전력 진동을 갖는 상기 전기 부하 중 대응하는 전기 부하에 선행 무효 전류 및 선행 무효 전력을 제공하고, 결과적으로 상기 전력 발전기로부터 주로 유효 전력을 제공하는 상기 복수의 주파수 변환기에 대한 무효 전력 요구를 감소시키도록 구성됨-
    를 더 포함하는,
    시스템.
  17. 전력 발전기(electrical power generator)를 사용하여 복수의 전기 부하에 대한 전력을 생성하는 단계;
    전력 분배 버스에서 전력을 수신하고, 상기 전기 부하에서 사용하기 위해 상기 전력의 적어도 일부를 분배하는 단계; 및
    하나 이상의 상기 전기 부하에서, 무효 전력 요구에 대응하여, DFIM(Double-Fed Induction Machine)을 사용하여 상기 전력 분배 버스의 전송 임피던스를 감소시키는 단계
    를 포함하는,
    방법.
  18. 제17항에 있어서,
    시스템 전력 서지(system power surge)를 감소시키기 위해, 관성 에너지를 저장하고, 상기 전기 부하 중 하나와 관련된 전력의 진동으로부터 상기 전력 발전기를 완충(buffer)하여, 상기 DFIM에 결합된 플라이휠을 회전시키는 단계
    를 더 포함하는,
    방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 전기 부하 중 하나와 관련된 유효 전력은, 썸프 컨디션과 관련된 저주파에서 진동하고; 및
    상기 방법은,
    상기 DFIM을 통해, 상기 전력 발전기에 대한 상기 썸프 컨디션의 영향을 최소화하기 위해, 상기 썸프 컨디션과 관련된 에너지를 상기 플라이휠로부터 추출하거나, 상기 썸프 컨디션과 관련된 에너지를 상기 플라이휠로 반환하는 단계
    를 더 포함하는,
    방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 DFIM은,
    복수의 3차 와인딩에서 선행 무효 전력을 생성하고, 1차 또는 2차 와인딩과 다른 전압 레벨에서 작동하고, 상기 전기 부하에 의해 요구되는 상기 무효 전력의 적어도 일부를 보상하는(compensate), 비대칭적(non-symmetrical) 스페이스-트랜전트(space-transient) 와인딩을 포함하는,
    방법.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 DFIM의 2차 와인딩은,
    DFIM 여기 전력 소스(excitation power source)에 결합되고,
    상기 DFIM 여기 회로는, 상기 DFIM 3차 와인딩 포트가 순환(recurrent) 또는 트랜전트 기반에서 진동 부하 컨디션(oscillating load condition) 역률(power factor)을 보상하기 위해, 선행 또는 지연(lagging) 무효 전력을 제공하도록 구성되는,
    방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 DFIM은,
    복수의 폴리페이즈(polyphase) 및 갈바닉적으로 절연된 출력 포트를 포함하고; 및
    상기 방법은,
    상기 다른 출력 포트와 독립적인 각각의 출력 포트에서, 상기 썸프 컨디션과 관련된 상기 에너지의 적어도 일부를 흡수하는 단계
    를 더 포함하는,
    방법.
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