KR20240081442A - 인버터 기반 리소스의 그리드 형성 제어를 제공하는 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
인버터 기반 리소스의 그리드-형성 제어를 제공하는 방법은 제어기를 통해서, 외부 제어기로부터 하나 이상의 기준 커맨드를 수신하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한 제어기를 통해서, 하나 이상의 기준 커맨드에 기초해서 인버터 기반 리소스에 대한 하나 이상의 제어 커맨드를 결정하는 단계를 포함한다. 또한, 이 방법은 제어기를 통해서, 하나 이상의 제어 커맨드, 하나 이상의 제어 신호, 및 인버터 기반 리소스의 하나 이상의 추정된 전기적 상태의 함수로서 적어도 하나의 피드포워드 신호를 결정하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한 피드포워드 신호(들)을 이용해서, 인버터 기반 리소스의 적어도 하나의 제어 각도를 하나 이상의 기준 커맨드를 수행하는 데 필요한 예상 값에 위치시킴으로써, 외부 제어기로부터 수신되는 하나 이상의 기준 커맨드에 대한 신속한 응답을 가능하게 하는 단계를 포함한다.
Description
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 미국 특허 출원 제17/024,748호의 우선권을 주장하며, 그 전체 내용이 본원에 참조로서 포함된다.
기술 분야
본 개시는 일반적으로 풍력 터빈 전력 시스템과 같은 인버터 기반 리소스에 관한 것이며, 더 구체적으로는, 인버터-기반 리소스의 그리드-형성 제어를 제공하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
풍력은 현재 이용 가능한 가장 깨끗하고 가장 환경 친화적인 에너지 리소스 중 하나로 간주되며, 풍력 터빈은 이러한 점에서 주목을 받고 있다. 최신 풍력 터빈은 전형적으로 타워, 발전기, 기어 박스, 나셀 및 하나 이상의 회전자 블레이드를 포함한다. 회전자 블레이드는 공지된 에어포일(airfoil) 원리를 사용해서 바람의 운동 에너지를 포착한다. 예를 들어, 회전자 블레이드는 일반적으로 에어포일의 단면 프로파일을 갖고 있어서, 동작 중에 이 블레이드 위로 공기가 흘러서 측면들 사이에 압력차를 일으킨다. 결과적으로, 압력 측면으로부터 흡입 측면을 향하는 양력이 블레이드에 작용한다. 이 양력은, 일반적으로 전기를 생산하기 위해서 발전기에 기어 맞물림된 메인 회전자 샤프트에, 토크를 생성한다.
풍력 터빈은 고정 속도 터빈과 가변 속도 터빈의 두 가지 유형으로 구별될 수 있다. 통상적으로, 가변 속도 풍력 터빈은, 전력망에 연결된 전류 리소스로서 제어된다. 즉, 가변 속도 풍력 터빈은 위상-고정 루프(PLL)에 의해 검출된 그리드 주파수에 의존해서 지정된 양의 전류를 그리드에 주입한다. 풍력 터빈의 종래의 전류 소스 제어는, 그리드 전압 파형이 고정 주파수 및 크기를 가진 기본 전압 파형이며, 풍력의 그리드로의 전파(penetration)가 그리드 전압 크기 및 주파수를 교란시키지 않을 정도로 충분히 낮다는, 가정에 기초한다. 따라서, 풍력 터빈은 기초 전압 파형에 기초해서 지정된 전류를 그리드에 주입하기만 하면 된다. 그러나 풍력이 급속하게 성장함으로써 일부 그리드로의 풍력의 전파는 풍력 터빈 발전기가 그리드 전압 및 주파수에 상당한 영향을 미치는 지점까지 증가했다. 풍력 터빈이 약한 그리드에 위치되는 경우, 풍력 터빈 전력의 변동(fluctuation)이 그리드 전압의 크기 및 주파수의 변화를 증가시킬 수 있다. 이러한 변동은 PLL의 성능과 안정성 및 풍력 터빈 전류 제어에 악영향을 미칠 수 있다.
이중-급전 풍력 터빈 발전기와 같은, 기존의 많은 재생 가능 발전 컨버터는 "그리드-추종" 모드에서 동작한다. 그리드-추종 타입 디바이스는 고속 전류-조정 루프를 활용해서 그리드와 교환되는 유효(active) 전력 및 무효(reactive) 전력을 제어한다. 보다 구체적으로, 도 1은 그리드-추종 이중-급전 풍력 터빈 발전기를 위한 메인 회로 및 컨버터 제어 구조의 기본 요소를 예시한다. 도시된 바와 같이, 컨버터의 유효 전력 기준은, 에너지 소스 조정기, 예를 들어 풍력 터빈의 터빈 제어 부분에 의해 전개된다. 이것은, 그 시점에 에너지 소스로부터 얻을 수 있는 최대 전력과 상위 레벨 그리드 제어기로부터의 삭감 커맨드 중 더 적은 것을 나타내는 토크 기준으로서 전달된다. 이후, 컨버터 제어에서는 원하는 토크를 달성하기 위한 전류의 유효 성분에 대한 전류 기준을 결정한다. 따라서, 이중-급전 풍력 터빈 발전기는 전류의 무효 성분(reactive component)에 대한 커맨드를 생성하는 방식으로 전압 및 무효 전력(reactive power)을 관리하는 기능을 포함한다. 이후, 광대역 전류 조정기에 의해 컨버터가 시스템에 인가되는 전압에 대한 커맨드를 생성해서, 실제 전류가 커맨드를 가깝게 추적하게 한다.
다른 방안으로, 그리드-형성 타입 컨버터는 전압-소스 특성을 제공하고, 여기서 그리드가 필요로 하는 조정 기능을 달성하도록 전압의 각도 및 크기가 제어된다. 이 구조를 사용해서 그리드의 요구에 따라 전류가 흐르게 되고, 컨버터는 그리드의 전압 및 주파수를 설정하는 데 기여한다. 이러한 특성은 동기 머신을 구동하는 터빈에 기반하는 기존 발전기와 유사하다. 따라서, 그리드-형성 소스는 다음과 같은 기본 기능을 포함해야 한다: (1) 실(real) 및 무효(reactive) 모두를 포함한, 장비 정격 내의 모든 전류 흐름에 대한 그리드 전압 및 주파수를 지원함; (2) 장비를 연결 해제하는 대신 그리드 전압 또는 주파수를 변경함으로써 장비 전압 또는 전류 성능 이상으로 동작하는 것을 방지함(연결 해제는, 전압 또는 주파수가 그리드 개체에 의해 설정된 범주를 벗어난 경우에만 허용됨); (3) 격리된 또는 다른 그리드-형성 소스와 연결된 부하를 제공하는 것 및 그리드 구성들 간의 전환을 포함한, 모든 그리드 구성 또는 부하 특성을 안정적으로 유지함; (4) 그리드에 연결된 다른 그리드-형성 소스들 사이에서 그리드의 총 부하를 공유함; (5) 큰(major) 그리드 교란과 작은(minor) 그리드 교란을 포함한 그리드 교란을 통과함; 및 (6) 그리드에 존재하는 다른 제어 시스템과의 빠른 통신 또는 그리드 구성 변경과 관련된 외부에서 생성된 로직 신호 없이, 요건 (1) 내지 (5)를 충족함.
상기 그리드-형성 목표를 달성하기 위한 기본 제어 구조는 1990년대 초에 배터리 시스템에 대해 개발되고 현장에서 입증되었다(예를 들어, "Battery Energy Storage Power Conditioning System"이라는 명칭의 미국 특허 번호 제5,798,633호 참조). 풀-컨버터(full-converter) 풍력 발전기 및 태양광 발전기에 대한 응용예는 "System and Method for Control of a Grid Connected Power Generating System"라는 명칭의 미국 특허 번호 제7,804,184호 및 "Controller for controlling a power converter"라는 명칭의 미국 특허 번호 제9,270,194호에 개시되어 있다. 이중 급전 풍력 터빈 발전기의 그리드-형성 제어에 대한 응용예는 "System and Method for Providing Grid-Forming Control for a Doubly-Feb Wind Turbine Generator"라는 명칭의 PCT/US2020/013787에 개시되어 있다.
예를 들어, 도 2는 그리드-형성 시스템의 메인 회로의 일 실시예의 개략도를 예시한다. 도시된 바와 같이, 메인 회로는 DC 측 및 AC 측에 연결된 전력 전자 컨버터를 포함한다. 이 컨버터는 AC 전압 페이저(phasor) Vcnv를 Thvcnv의 각도로 생성하는 정격 커맨드를 제어기로부터 수신한다. 이 각도는 고정 주파수를 가진 기준 페이저에 대한 것이다. DC 측에는 짧은 시간 동안 전력을 생성하거나 흡수할 수 있는 디바이스가 제공된다. 이러한 디바이스는 예를 들어, 배터리, 태양 전지판, 정류기를 가진 회전 머신 또는 커패시터를 포함할 수 있다. 또한, 도시된 바와 같이, 회로는 컨버터를 그 상호 연결 지점에 연결하는 유도성 임피던스 Xcnv를 포함하며, 도 2에 전압 Vt 및 각도 ThVt로 도시되어 있다. 상호 연결 지점 뒤의 전기 시스템은 각도 ThVthev로 임피던스 Zthev 및 전압 Vthev과 등가인 Thevenin로 도시되어 있다. 이러한 등가는, 그리드-연결된 및 부하와는 고립된(islanded) 회로를 포함한 모든 회로를 나타내는 데 사용될 수 있다. 실제 상황에서 임피던스 Zthev는 주로 유도성(inductive)이다.
도 2를 계속 참조하면, 메인 제어의 폐-루프 부분은 상호 연결 지점에서 전압 및 전류로부터 피드백 신호를 수신한다. 추가 입력은 상위-레벨 제어(도시되지 않음)로부터 수신된다. 도 2는 예로서 단일 컨버터를 도시하고 있지만, 임피던스 Xcnv 뒤에 피제어 전압 Vcnv의 전기적 등가를 생성할 수 있는 임의의 장비 그룹이 동일한 성능 이점을 달성하기 위해서 적용되는 제어 방식을 가질 수도 있다.
도 3을 참조하면, 종래의 구성에 따른 그리드-형성 제어를 제공하는 제어도가 예시되어 있다. 도시된 바와 같이, 컨버터 제어기(1)는 상위 레벨 제어(2)로부터 기준(예를 들어, Vref 및 Pref) 및 한계(예를 들어, VcmdLimits 및 PcmdLimits)를 수신한다. 이러한 상위 레벨의 한계는 전압, 전류 및 전력의 물리량에 대한 것이다. 메인 조정기는 고속 전압 조정기(3) 및 저속 전력 조정기(4)를 포함한다. 이들 조정기(3, 4)는 전류의 무효(reactive) 성분 및 실(real) 성분 각각에 대한 제약을 구현하도록, 전압 크기(예를 들어, VcnvCmd) 및 각도(예를 들어, θPang 및 θPLL)에 대한 컨버터 제어 커맨드에 적용될 최종 한계를 갖고 있다. 또한, 이러한 한계는 디폴트로서 사전 결정된 고정 값에 기초하고 있으며, 전류가 한계를 초과하는 경우 한계를 줄이는 폐-루프 제어를 이용한다.
효과적이기 위해서는, 그리드-형성 리소스는 그리드 상태의 변화 예를 들어, 부하의 급작스러운 추가/제거, 위상 점프 및/또는 급격한 주파수 변화로 이어지는 그리드 연결의 개폐가 있을 때, 빠르게 움직이지 않는 내부 전압 페이저를 유지할 수 있어야 한다. 즉, 그리드를 안정화시키기 위해서서는, 그리드-형성 리소스로부터의 전력은 빠르게 변경될 수 있어야 하고, 이어지는 전력에 대한 저속의 리셋의 커맨드는 상위 레벨의 제어 기능으로부터 받는다. 또한, 그리드-형성 리소스는, 예를 들어 배터리, 태양열 어레이 및/또는 풍력 발전 시스템의 DC 전압/전류와 같은, 디바이스의 전력-핸들링 부분에 대한 제약으로 인해서 존재하는 전력 한계를 신속하게 강제할 수 있어야 한다. 이러한 대응은 예를 들어, 고장과 같은 그리드에 대한 심각한 교란의 경우에 요구되며, 여기서 고장으로부터의 안전한 복구를 위해서 전력 제한은 그리드 상태에 맞게 유동적으로 조정되어야 한다. 또한, 그리드-형성 리소스는 풍력 터빈의 기계적인 진동을 감쇠시키는 것과 같은 상위 레벨 제어로부터의 커맨드의 변화를 신속하게 추종할 수 있어야 한다. 그러나, 이러한 요구는 달성하기 어려울 수 있다.
전술한 내용의 관점에서, 전술한 문제점을 해결하는 개선된 시스템 및 방법이 당업계에서 환영받을 것이다. 따라서, 본 개시는 그리드의 급작스러운 변화에 대응하여 개선된 그리드-형성 제어를 제공하는 동시에 전력을 장비 정격 내에 머물도록 신속하게 제한할 수 있고 상위 레벨 제어로부터의 커맨드를 신속하게 추종할 수 있는, 인버터 기반 리소스를 제어하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 양상 및 이점이 이하 설명에서 부분적으로 설명될 것이고, 혹은 이하 설명으로부터 자명할 수도 있고, 혹은 본 발명의 실시를 통해 학습될 수도 있다.
일 양상에서, 본 개시는 인버터 기반 리소스의 그리드-형성 제어를 제공하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은, 제어기를 통해서, 외부 제어기로부터 하나 이상의 기준 커맨드를 수신하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한, 제어기를 통해서, 하나 이상의 기준 커맨드에 기초해서 인버터 기반 리소스에 대한 하나 이상의 제어 커맨드를 결정하는 단계를 포함한다. 또한, 이 방법은, 제어기를 통해서, 하나 이상의 제어 커맨드, 하나 이상의 제어 신호, 및 인버터 기반 리소스의 하나 이상의 추정된 전기적 상태의 함수로서 적어도 하나의 피드포워드 신호를 결정하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한, 적어도 하나의 피드포워드 신호를 이용해서, 인버터 기반 리소스의 적어도 하나의 제어 각도를 하나 이상의 기준 커맨드를 수행하는 데 필요한 예상 값에 위치시킴으로써, 외부 제어기로부터 수신되는 하나 이상의 기준 커맨드에 대한 신속한 응답을 가능하게 하는 단계를 포함한다.
실시예에서, 피드포워드 신호는 각도 또는 각도 변화율을 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 피드포워드 신호(들)를 결정하는 단계는, 제어기를 통해서, 하나 이상의 제어 커맨드, 하나 이상의 제어 신호, 및 인버터 기반 리소스의 하나 이상의 제 1 전기적 상태의 함수로서 피드포워드 전력 각도를 결정하는 단계와, 제어기를 통해서, 하나 이상의 제어 커맨드, 하나 이상의 제어 신호, 및 인버터 기반 리소스의 하나 이상의 제 2 전기적 상태의 함수로서, 제어기의 위상-고정 루프에 대한 피드포워드 위상-고정 루프 각도를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
이러한 실시예에서, 인버터 기반 리소스의 제 1 전기적 상태는 컨버터 임피던스 또는 단자 전압 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 특정 실시예에서, 인버터 기반 리소스의 제 2 전기적 상태(들)는 단자 전압, 피드포워드 임피던스 또는 피드포워드 전압 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
추가 실시예에서, 피드포워드 신호(들)를 이용해서, 인버터 기반 리소스의 제어 각도(들)를 하나 이상의 기준 커맨드를 수행하는 데 필요한 예상 값에 위치시키는 것은, 제어기를 통해서, 전력 각도 변화율 및 위상-고정 루프 각도 변화율을 피드포워드 전력 각도 및 피드포워드 위상-고정 루프 각도의 함수로서 각각 결정하는 것을 포함할 수 있다. 이러한 실시예에서, 전력 각도 변화율 및 위상-고정 루프 각도 변화율을 피드포워드 전력 각도 및 피드포워드 위상-고정 루프 각도의 함수로서 각각 결정하는 것은, 피드포워드 전력 각도 변화율 및 피드포워드 위상-고정 루프 각도 변화율을 각각 전력 조정기 주파수 및 위상-고정 루프 주파수에 더하는 것을 더 포함할 수 있다.
추가의 실시예에서, 전력 각도 변화율 및 위상-고정 루프 각도 변화율을 피드포워드 전력 각도 및 피드포워드 위상-고정 루프 각도의 함수로서 각각 결정하는 것은, 예를 들어, 피드포워드 전력 각도 및 피드포워드 위상-고정 루프 각도를 각각 미분하고, 미분된 피드포워드 전력 각도 및 미분된 피드포워드 위상-고정 루프 각도를 전력 각도 및 위상-고정 루프 각도에 각각 더하는 것을 포함할 수 있다.
특정 실시예에서, 기준 커맨드(들)는 외부 제어기로부터의 전력 기준 또는 하나 이상의 전력 커맨드 한계를 포함할 수 있다. 또한, 일 실시예에서, 제어 커맨드(들)는 전력 커맨드를 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 하나 이상의 제어 커맨드, 하나 이상의 제어 신호, 및 인버터 기반 리소스의 하나 이상의 제 1 전기적 상태의 함수로서 피드포워드 전력 각도를 결정하는 단계는, 전력 커맨드에 컨버터 임피던스를 승산해서 제 1 곱(product)을 획득하는 단계와, 컨버터 전압 커맨드에 단자 전압을 승산해서 제 2 곱을 획득하는 단계와, 제 1 곱을 제 2 곱으로 나누어서 몫을 획득하는 단계와, 몫의 아크사인을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 하나 이상의 제어 커맨드, 하나 이상의 제어 신호, 및 인버터 기반 리소스의 하나 이상의 제 2 전기적 상태의 함수로서, 제어기의 위상-고정 루프에 대한 피드포워드 위상-고정 루프 각도를 결정하는 단계는, 전력 커맨드에 피드포워드 임피던스를 승산해서 제 1 곱을 획득하는 단계와, 피드포워드 전압에 단자 전압을 승산해서 제 2 곱을 획득하는 단계와, 제 1 곱을 제 2 곱으로 나누어서 몫을 획득하는 단계와, 몫의 아크사인을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
특정 실시예에서, 이 방법은 피드포워드 임피던스를, 가장 강한 시스템과 약한 시스템 사이의 중심 임피던스 값으로서 추정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 이 방법은 피드포워드 전압을 실 전력(real power), 무효 전력(reactive power), 전압 또는 피드포워드 임피던스 중 적어도 하나의 함수로서 유동적으로 추정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 이 방법은 피드포워드 전압을 고정 값으로서 설정하는 것을 포함할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 피드포워드 신호(들)를 이용해서, 인버터 기반 리소스의 제어 각도(들)를 하나 이상의 기준 커맨드를 수행하는 데 필요한 예상 값에 위치시키는 것은, 적어도 하나의 제어 각도에 대한 전력 각도 상한 및 하한을 결정하는 것과, 인버터 기반 리소스의 하나 이상의 다른 조정기가 과도 이벤트(transient event) 이후에 안정시키는 역할을 하면서, 전력 각도 상한 및 하한을 전력 각도에 적용해서 전력에 대한 제약을 제공하는 것을 포함할 수 있다.
특정 실시예에서, 제어 각도(들)에 대한 전력 각도 상한 및 하한을 결정하는 것은, 최대 전력 커맨드 및 최소 전력 커맨드 각각에 컨버터 임피던스를 승산해서 최대 곱 및 최소 곱을 각각 획득하는 것과, 컨버터 전압 커맨드에 단자 전압을 승산해서 제 2 곱을 획득하는 것과, 최대 곱과 최소 곱 각각을 제 2 곱으로 나누어서, 최대 몫과 최소 몫을 각각 획득하는 것과, 최대 몫 및 최소 몫 각각의 아크사인을 결정하는 것과, 최대 몫의 아크사인 및 최소 몫의 아크사인에 위상-고정 루프 에러를 더하는 것을 포함할 수 있다.
다른 양상에서, 본 개시는 인버터 기반 리소스의 그리드-형성 제어를 제공하는 컨버터 제어기에 관한 것이다. 컨버터 제어기는 적어도 하나의 프로세서를 포함하는 적어도 하나의 제어기를 포함한다. 프로세서는 복수의 동작을 수행하도록 구성되고, 복수의 동작은, 하나 이상의 제어 커맨드를 수신하는 것과, 하나 이상의 제어 커맨드, 하나 이상의 제어 신호, 및 인버터 기반 리소스의 하나 이상의 추정된 전기적 상태의 함수로서 적어도 하나의 피드포워드 신호를 결정하는 것과, 적어도 하나의 피드포워드 신호를 이용해서, 인버터 기반 리소스의 적어도 하나의 제어 각도를 하나 이상의 기준 커맨드를 수행하는 데 필요한 예상 값에 위치시킴으로써, 외부 제어기로부터 수신되는 하나 이상의 기준 커맨드에 대한 신속한 응답을 가능하게 하는 것을 포함한다. 컨버터 제어기는 본 명세서에서 설명되는 임의의 추가적인 특징 및/또는 단계를 더 포함할 수도 있다는 것을 이해해야 한다.
본 발명의 이들 특징, 양상, 이점 및 다른 특징, 양상, 이점은 이하의 설명 및 첨부된 청구항을 참조함으로써 더 잘 이해될 것이다. 첨부된 도면은 본 명세서에 통합되어서 본 명세서의 일부를 구성하는 것으로, 본 발명의 실시예를 예시하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.
첨부 도면을 참조하는 본 명세서에서는, 당업자에게 있어서의 본 발명의 최상의 모드를 포함하는, 본 발명의 완전하고 가능한 개시가 설명되어 있다.
도 1은 종래의 구성에 따른 그리드 추종 응용예의 컨버터 제어의 구조를 가진 이중-급전 풍력 터빈 발전기의 단선도를 예시한다.
도 2는 종래의 구성에 따른 그리드-형성 시스템의 메인 회로의 일 실시예의 개략도를 예시한다.
도 3은 종래의 구성에 따른 그리드-형성 제어를 제공하기 위한 제어도를 예시한다.
도 4는 본 개시에 따른 풍력 터빈의 일 실시예의 사시도를 예시한다.
도 5는 본 개시에 따른 나셀의 일 실시예의 개략 내부도를 예시한다.
도 6은 도 1에 도시된 풍력 터빈과 함께 사용하기에 적합한 풍력 터빈 전력 시스템의 일 실시예의 개략도를 예시한다.
도 7은 본 개시에 따른 복수의 풍력 터빈을 가진 풍력 발전 단지의 일 실시예의 개략도를 예시한다.
도 8은 본 개시에 따른 제어기의 일 실시예의 블록도를 예시한다.
도 9는 본 개시에 따른 인버터 기반 리소스의 그리드-형성 제어를 제공하기 위한 방법의 일 실시예의 흐름도를 예시한다.
도 10은 본 개시에 따른 인버터 기반 리소스의 그리드-형성 제어를 제공하기 위한 시스템의 일 실시예의 제어도를 예시한다
도 11은 본 개시에 따른 시스템 전압, 위상-고정 루프 및 고정 주파수 기준 사이의 페이저 관계를 나타내는 페이저도의 일 실시예의 개략도를 예시한다.
도 1은 종래의 구성에 따른 그리드 추종 응용예의 컨버터 제어의 구조를 가진 이중-급전 풍력 터빈 발전기의 단선도를 예시한다.
도 2는 종래의 구성에 따른 그리드-형성 시스템의 메인 회로의 일 실시예의 개략도를 예시한다.
도 3은 종래의 구성에 따른 그리드-형성 제어를 제공하기 위한 제어도를 예시한다.
도 4는 본 개시에 따른 풍력 터빈의 일 실시예의 사시도를 예시한다.
도 5는 본 개시에 따른 나셀의 일 실시예의 개략 내부도를 예시한다.
도 6은 도 1에 도시된 풍력 터빈과 함께 사용하기에 적합한 풍력 터빈 전력 시스템의 일 실시예의 개략도를 예시한다.
도 7은 본 개시에 따른 복수의 풍력 터빈을 가진 풍력 발전 단지의 일 실시예의 개략도를 예시한다.
도 8은 본 개시에 따른 제어기의 일 실시예의 블록도를 예시한다.
도 9는 본 개시에 따른 인버터 기반 리소스의 그리드-형성 제어를 제공하기 위한 방법의 일 실시예의 흐름도를 예시한다.
도 10은 본 개시에 따른 인버터 기반 리소스의 그리드-형성 제어를 제공하기 위한 시스템의 일 실시예의 제어도를 예시한다
도 11은 본 개시에 따른 시스템 전압, 위상-고정 루프 및 고정 주파수 기준 사이의 페이저 관계를 나타내는 페이저도의 일 실시예의 개략도를 예시한다.
이하 본 발명의 실시예들를 상세하게 참조할 것이며, 실시예들 중 하나 이상의 예가 도면에 도시되어 있다. 각각의 예는 본 발명을 제한하는 것이 아니라 본 발명을 설명함으로서 제공된다. 사실상, 본 발명의 범주 또는 사상으로부터 벗어남없이 본 발명에서 다양한 수정 및 변경이 이루어질 수 있다는 것이 당업자에게는 자명할 것이다. 예를 들어, 한 실시예의 일부로서 예시 혹은 설명된 특징들이 또 다른 실시예에 적용되어서 또 다른 실시예를 만들 수도 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구의 범위 및 그의 등가물의 범주 내에 포함되는 이러한 수정 및 변경을 커버하도록 했다.
전반적으로, 본 개시는 그리드의 급작스러운 변화에 대응하여, 전력을 장비 정격 내에 머물도록 신속하게 제한할 수 있고 상위 레벨 제어로부터의 커맨드를 신속하게 추종할 수 있으면서, 인버터 기반 리소스를 통해 그리드-형성 제어를 제공하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 따라서, 특정 실시예에서, 제어 커맨드에 대한 신속한 응답은 피드포워드 경로 뿐만 아니라 개선된 전력 제한 기능으로 달성된다. 본 명세서에서 전반적으로 본 개시의 시스템 및 방법이 풍력 터빈 전력 시스템에 관해서 설명되지만, 시스템 및 방법은 임의의 다른 인버터 기반 리소스에도 적용될 수 있음을 이해해야 한다.
이제 도면을 참조하면, 도 4는 본 개시에 따른 풍력 터빈(10)의 일 실시예의 사시도를 예시한다. 도시된 바와 같이, 풍력 터빈(10)은 일반적으로 지지면(14)으로부터 연장되는 타워(12), 타워(12) 상에 장착된 나셀(16), 및 나셀(16)에 결합된 회전자(18)를 포함한다. 회전자(18)는 회전 가능한 허브(20) 및 허브(20)에 결합되고 허브(20)로부터 외측으로 연장되는 적어도 하나의 회전자 블레이드(22)를 포함한다. 예를 들어, 도시된 실시예에서, 회전자(18)는 3개의 회전자 블레이드(22)를 포함한다. 그러나, 대안의 실시예에서, 회전자(18)는 3개 이상의 또는 3개 이하의 회전자 블레이드(22)를 포함할 수도 있다. 허브(20) 주위에 각각의 회전자 블레이드(22)가 간격을 두고 배치되어서 회전자(18)의 회전을 용이하게 함으로써, 운동 에너지가 바람으로부터 이용가능한 기계적 에너지, 그리고 이어서 전기 에너지로 전환되게 할 수 있다. 예를 들어, 허브(20)는 나셀(16) 내에 위치된 발전기(24)(도 5)에 회전 가능하게 연결되어서, 전기 에너지가 생성될 수 있게 한다.
풍력 터빈(10)은 또한 나셀(16) 내의 중심에 배치된 풍력 터빈 제어기(26)를 포함할 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 제어기(26)는 풍력 터빈(10)의 임의의 다른 구성 요소 내에 위치될 수도 있고 풍력 터빈(10) 외부의 위치에 위치될 수도 있다. 또한, 풍력 터빈(10)의 임의의 수의 구성 요소에 제어기(26)가 통신 가능하게 결합되어서, 이러한 구성 요소의 동작을 제어하고 및/또는 시정 동작 또는 제어 동작을 구현할 수 있다. 이와 같이, 제어기(26)는 컴퓨터 또는 다른 적절한 처리 유닛을 포함할 수 있다. 따라서, 몇몇 실시예에서, 제어기(26)는 적절한 컴퓨터 판독가능 명령어를 포함할 수 있으며, 명령어는 구현될 때, 풍력 터빈 제어 신호의 수신, 전송 및/또는 실행과 같은, 다양한 상이한 기능을 수행하도록 제어기(26)를 구성한다. 따라서, 제어기(26)는 일반적으로 다양한 동작 모드(예를 들어, 시동 또는 셧다운 시퀀스)를 제어하고, 풍력 터빈의 정격 감소(de-rating) 또는 정격 증가(up-rating) 및/또는 풍력 터빈(10)의 개별 구성 요소를 제어하도록 구성될 수 있다.
이하 도 5를 참조하면, 도 4에 도시된 풍력 터빈(10)의 나셀(16)의 일 실시예의 개략 내부도가 예시되어 있다. 도시된 바와 같이, 발전기(24)는 나셀(16) 내에 배치되고 받침판(46) 상부에 지지될 수 있다. 일반적으로, 발전기(24)는 회전자(18)에 연결되어서 회전자(18)에 의해 생성된 회전 에너지로부터 전력을 생산할 수 있다. 예를 들어, 예시된 실시예에 도시된 바와 같이, 회전자(18)는 허브(20)에 결합되어서 이와 함께 회전하는 회전자 샤프트(34)를 포함할 수 있다. 회전자 샤프트(34)는 이어서 기어박스(38)를 통해 발전기(24)의 발전기 샤프트(36)에 회전 가능하게 결합될 수 있다. 일반적으로 이해되는 바와 같이, 회전자 샤프트(34)는, 회전자 블레이드(22) 및 허브(20)의 회전에 응답해서, 저속의 높은 토크 입력을 기어박스(38)에 제공할 수 있다. 그 후, 기어박스(38)는 저속의 높은 토크 입력을 고속의 낮은 토크 출력으로 변환해서, 발전기 샤프트(36) 및 따라서 발전기(24)를 구동하도록 구성될 수 있다.
풍력 터빈(10)은 또한, 풍력 터빈 제어기(26)에 통신 가능하게 결합된 하나 이상의 피치 구동 기구(32)를 포함할 수 있으며, 각각의 피치 조정 기구(들)(32)는 피치 베어링(40), 및 따라서 개별 회전자 블레이드(들)(22)를 그 각각의 피치 축(28)을 중심으로 회전시키도록 구성된다. 또한, 도시된 바와 같이, 풍력 터빈(10)은, (예를 들어, 풍력 터빈(10)의 나셀(16)과 타워(12) 사이에 배치되는 풍력 터빈(10)의 요 베어링(44)을 맞물림으로써) 바람에 대한 나셀(16)의 각도를 변화시키도록 구성된 하나 이상의 요 구동(yaw drive) 기구(42)를 포함할 수 있다.
또한, 풍력 터빈(10)은, 풍력 터빈(10)의 다양한 바람 상태를 모니터링하기 위한 하나 이상의 센서(66, 68)를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 유입되는 바람 방향(52), 풍속, 또는 풍력 터빈(10) 부근의 임의의 다른 적절한 바람 상태가, 예컨대 적절한 기상 센서(66)를 사용해서 측정될 수 있다. 적절한 기상 센서는, 예를 들어, 광 검출 및 거리 측정(Light Detection and Ranging)("LIDAR") 디바이스, 초음파 검출 및 거리 측정(Sonic Detection and Ranging)("SODAR") 디바이스, 풍속계, 풍향계, 기압계, 레이더 디바이스(예를 들어, 도플러 레이더 디바이스), 또는 당업계에 현재 알려진 혹은 이후에 개발될, 풍향 정보를 제공할 수 있는 임의의 다른 검지 디바이스를 포함할 수 있다. 또 다른 센서(68)는, 본 명세서에 기재된 바와 같이, 전압, 전류, 진동 등과 같은 풍력 터빈(10)의 추가적인 동작 파라미터를 측정하는데 이용될 수 있다.
이하 도 6을 참조하면, 본 개시의 양상에 따른 풍력 터빈 전력 시스템(100)의 일 실시예의 개략도가 도시된다. 본 개시는 일반적으로 도 4에 도시된 풍력 터빈(10)을 참조하여 본 명세서에서 설명될 것이지만, 본 명세서에서 제공된 개시물을 이용해서 당업자라면, 본 개시의 양상이 다른 발전 시스템에도 적용될 수 있으며, 전술한 바와 같이, 본 발명은 풍력 터빈 시스템으로 제한되는 것은 아니라는 점을 이해해야 한다.
도 6의 실시예에서, 언급된 바와 같이, 풍력 터빈(10)의 회전자(18)(도 4)는 선택적으로 기어박스(38)에 결합될 수 있고, 이는 이어서 발전기(102)에 결합될 수 있으며, 발전기(102)는 이중-급전 유도 발전기(doubly fed induction generator, DFIG)일 수 있다. 도시된 바와 같이, DFIG(102)는 고정자 버스(104)에 연결될 수 있다. 또한, 도시된 바와 같이, 전력 컨버터(106)는 회전자 버스(108)를 통해 DFIG(102)에 연결되고, 라인측 버스(110)를 통해 고정자 버스(104)에 연결될 수 있다. 이와 같이, 고정자 버스(104)는 DFIG(102)의 고정자로부터 출력 다상 전력(예를 들어, 3상 전력)을 제공할 수 있고, 회전자 버스(108)는 DFIG(102)의 회전자로부터 출력 다상 전력(예를 들어, 3상 전력)을 제공할 수 있다. 전력 컨버터(106)는 또한 회전자측 컨버터(RSC)(112) 및 라인측 컨버터(LSC)(114)를 포함할 수 있다. DFIG(102)는 회전자 버스(108)를 통해 회전자측 컨버터(112)에 결합된다. 추가적으로, RSC(112)는 DC 링크(116)를 통해 LSC(114)에 연결되고, DC 링크(116)를 DC 링크 커패시터(118)가 가로지른다. LSC(114)는 이어서 라인측 버스(110)에 결합된다.
RSC(112) 및 LSC(114)는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated gate bipolar transistor, IGBT) 스위칭 소자와 같은, 하나 이상의 스위칭 디바이스를 사용해서 3상 펄스 폭 변조(pulse width modulation, PWM) 배열로 정상 동작 모드로 구성될 수 있다. 또한, 전력 컨버터(106)는, 본 명세서에서 설명되는 회전자측 컨버터(112) 및/또는 라인측 컨버터(114)의 동작을 제어하기 위해서, 컨버터 제어기(120)에 연결될 수 있다. 컨버터 제어기(120)는 전력 컨버터(106)와 터빈 제어기(26) 사이의 인터페이스로서 구성될 수 있고, 임의의 수의 제어 디바이스를 포함할 수 있다는 점에 주의해야 한다.
전형적인 구성에서, 전기 그리드(124)과 같은 부하에 연결하는 동안 및 이로부터의 연결 해제하는 동안에 DFIG(102)가 정상 동작하는 데 필요한 다양한 구성 요소를 절연하기 위해서, 다양한 라인 접촉기 및 예를 들어 그리드 차단기(122)를 포함하는 회로 차단기가 또한 포함될 수 있다. 예를 들어, 시스템 회로 차단기(126)는 시스템 버스(128)를 변압기(130)에 결합할 수 있고, 변압기(130)는 그리드 차단기(122)를 통해서 전기 그리드(124)에 연결될 수 있다. 대안의 실시예에서, 회로 차단기의 일부 또는 전부를 퓨즈가 대체할 수도 있다.
동작 동안에, 회전자(18)를 회전시킴으로써 DFIG(102)에서 생성된 교류 전력은, 고정자 버스(104) 및 회전자 버스(108)에 의해 정의된 이중 경로를 통해서 전기 그리드(124)에 제공된다. 회전자 버스측(108)에서, 정현파 다상(예를 들어, 3상) 교류(AC) 전력이 전력 컨버터(106)에 제공된다. 회전자측 전력 컨버터(112)는 회전자 버스(108)로부터 제공되는 교류 전력을 직류(DC) 전력으로 변환하고, 이 DC 전력을 DC 링크(116)에 제공한다. 일반적으로 이해되는 바와 같이, 회전자측 전력 컨버터(112)의 브리지 회로에서 사용되는 스위칭 소자(예를 들어, IGBT)는 회전자 버스(108)로부터 제공되는 AC 전력을 DC 링크(116)에 적합한 DC 전력으로 변환하도록 조절될 수 있다.
나아가, 라인측 컨버터(114)는 DC 링크(116) 상의 DC 전력을 전기 그리드(124)에 적합한 AC 출력 전력으로 변환한다. 특히, 라인측 전력 컨버터(114)의 브리지 회로에서 사용되는 스위칭 소자(예를 들어, IGBT)는 DC 링크(116) 상의 DC 전력을 라인측 버스(110) 상의 AC 전력으로 변환하도록 조절될 수 있다. 전력 컨버터(106)로부터의 AC 전력은 DFIG(102)의 고정자로부터의 전력과 결합되어서, 전기 그리드(124)의 주파수(예를 들어, 50Hz 또는 60Hz)로 실질적으로 유지되는 주파수를 갖는 다상 전력(예를 들어, 3상 전력)을 제공할 수 있다.
추가적으로, 그리드 차단기(122), 시스템 차단기(126), 고정자 동기 스위치(132), 컨버터 차단기(134) 및 라인 접촉기(136)와 같은 다양한 회로 차단기 및 스위치가 풍력 터빈 전력 시스템(100)에 포함되어서, 예를 들어 전류 흐름이 과도하고 풍력 터빈 전력 시스템(100)의 구성 요소를 손상시킬 수 있을 때 또는 다른 동작 고려 사항을 위해 대응하는 버스를 연결하거나 분리시킬 수 있다. 풍력 터빈 전력 시스템(100)에는 추가적인 보호 구성 요소가 또한 포함될 수도 있다.
더욱이, 전력 컨버터(106)는 예를 들어, 컨버터 제어기(120)를 통해 로컬 제어 시스템(176)으로부터 제어 신호를 수신할 수 있다. 제어 신호는, 특히, 풍력 터빈 전력 시스템(100)의 감지된 상태 또는 동작 특성에 기초할 수 있다. 통상적으로, 제어 신호는 전력 컨버터(106)의 동작의 제어를 제공한다. 예를 들어, DFIG(102)의 감지된 속도의 형태의 피드백은 적절하고 균형 잡힌 다상(예를 들어, 3상) 전력 공급을 유지하기 위해서 회전자 버스(108)로부터의 출력 전력의 변환을 제어하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 고정자 및 회전자 버스 전압 및 전류 피드백을 포함하는 전력 컨버터(106)를 제어하기 위해서, 다른 센서들로부터의 다른 피드백이 또한 제어기(들)(120, 26)에 의해 사용될 수 있다. 다양한 형태의 피드백 정보를 사용해서, 스위칭 제어 신호(예를 들어, IGBT를 위한 게이트 타이밍 커맨드), 고정자 동기화 제어 신호 및 회로 차단기 신호가 생성될 수 있다.
전력 컨버터(106)는 또한 예를 들어, 허브(20) 및 회전자 블레이드(22)에서의 풍속의 변화에 대해서, 회전자로부터의 3상 전력의 주파수를 보상 또는 조정한다. 따라서, 기계적 회전자 주파수와 전기적 회전자 주파수가 분리되고, 전기적 고정자 주파수와 회전자 주파수의 매칭은 기계적 회전자 속도와는 실질적으로 무관하게 촉진된다.
일부 상태에서, 전력 컨버터(106)의 양방향 특성, 구체적으로는 LSC(114) 및 RSC(112)의 양방향 특성은, 생성된 전력 중 적어도 일부를 발전기 회전자로 피드백하는 것을 용이하게 한다. 보다 구체적으로, 전력은 고정자 버스(104)로부터 라인측 버스(110)로 전송될 수 있고, 이어서 라인 접촉기(136)를 통해 전력 컨버터(106)로, 구체적으로는 LSC(114)로 전송되며, 이는 정류기로서 기능해서 정현파의 3상 AC 전력을 DC 전력으로 정류한다. DC 전력은 DC 링크(116)로 전송된다. 커패시터(118)는 종종 3상 AC 정류와 연관된 DC 리플의 완화를 용이하게 함으로써, DC 링크 전압 진폭 변동의 완화를 용이하게 한다.
후속해서 DC 전력은 RSC(112)로 전송되고, 이는 전압, 전류 및 주파수를 조정해서 DC 전력을 3상 정현파 AC 전력으로 변환한다. 이러한 변환은 컨버터 제어기(120)를 통해 모니터링되고 제어된다. 변환된 AC 전력은 RSC(112)로부터 회전자 버스(108)를 통해 발전기 회전자로 전송된다. 이러한 방식으로, 회전자 전류 및 전압을 제어함으로써 발전기 무효 전력 제어가 용이하게 된다.
이제 도 7을 참조하면, 본 명세서에서 설명되는 풍력 터빈 전력 시스템(100)은 풍력 발전 단지(50)의 일부일 수 있다. 도시된 바와 같이, 풍력 발전 단지(50)는 전술한 풍력 터빈(10)을 포함하는 복수의 풍력 터빈(52) 및 전체 단지-레벨 제어기(56)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도시된 실시예에 도시된 바와 같이, 풍력 발전 단지(50)는 풍력 터빈(10)을 포함하는 12개의 풍력 터빈을 포함한다. 그러나, 다른 실시예에서, 풍력 단지(50)는 임의의 다른 수의 풍력 터빈, 예컨대 12개 미만의 풍력 터빈 또는 12개 초과의 풍력 터빈을 포함할 수도 있다. 일 실시예에서, 복수의 풍력 터빈(52)의 터빈 제어기는 예를 들어, 적절한 통신 링크(54)(예를 들어, 적절한 케이블)를 통해 터빈 제어기(26)를 연결하는 것과 같은, 유선 연결을 통해 단지-레벨 제어기(56)에 통신 가능하게 결합된다. 다른 방안으로, 터빈 제어기는, 당업계에 공지된 임의의 적절한 무선 통신 프로토콜을 사용하는 것과 같은 무선 연결을 통해서 단지-레벨 제어기(56)에 통신 가능하게 연결될 수도 있다. 다른 실시예에서, 단지-레벨 제어기(56)는 예를 들어, 풍력 발전 단지(50)의 풍력 터빈(52)에 실(real) 및/또는 무효 전력 요구를 분배하는 것과 같이, 다양한 풍력 터빈(52)과 제어 신호를 송수신하도록 구성된다.
이제 도 8을 참조하면, 본 개시의 예시적인 양상에 따른, 제어기(컨버터 제어기(120), 터빈 제어기(26), 및/또는 단지-레벨 제어기(56) 중 어느 하나와 같은) 내에 포함될 수 있는 적절한 구성 요소의 일 실시예의 블록도가 예시된다. 도시된 바와 같이, 제어기는 하나 이상의 프로세서(들)(58), 컴퓨터, 또는 다른 적절한 처리 유닛 및 적절한 컴퓨터 판독-가능 명령어(들)를 포함할 수 있고, 명령어는 구현될 때, 풍력 터빈 제어 신호를 수신, 송신 및/또는 실행하는 것(예를 들어, 본 명세서에 개시된 방법, 단계, 계산 등을 수행하는)과 같은, 다양한 상이한 기능을 수행하도록 제어기를 구성할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "프로세서"는 컴퓨터에 포함되는 것으로 당업계에서 간주되는 집적 회로뿐만 아니라, 제어기, 마이크로제어기, 마이크로컴퓨터, 프로그래머블 로직 제어기(PLC), 주문형 집적 회로 및 기타 프로그램 가능 회로를 가리킨다. 추가적으로, 메모리 디바이스(들)(60)는, 비한정의 예로서, 일반적으로 컴퓨터 판독가능 매체(예를 들어, 랜덤 액세스 메모리(RAM)), 컴퓨터 판독가능 비휘발성 매체(예를 들어, 플래시 메모리), 플로피 디스크, 컴팩트 디스크-판독 전용 메모리(CD-ROM), 광자기 디스크(MOD), 디지털 다목적 디스크(DVD) 및/또는 다른 적절한 메모리 소자를 포함하는 메모리 소자(들)를 포함할 수 있다.
이러한 메모리 디바이스(들)(60)는 일반적으로 적절한 컴퓨터 판독가능 명령어를 저장하도록 구성될 수 있으며, 명령어는 프로세서(들)(58)에 의해 구현될 때, 본원에 설명된 바와 같은 다양한 기능을 수행하도록 제어기를 구성한다. 추가적으로, 제어기는 또한 제어기와 풍력 터빈(10)의 다양한 구성 요소 사이의 통신을 용이하게 하기 위한 통신 인터페이스(62)를 포함할 수 있다. 인터페이스는 하나 이상의 회로, 단자, 핀, 접점, 도체 또는 제어 신호를 송수신하기 위한 기타 구성 요소를 포함할 수 있다. 더욱이, 제어기는 센서(66, 68)로부터 전송된 신호가, 프로세서(들)(58)에 의해 이해되고 처리될 수 있는 신호로 변환될 수 있도록 하기 위해 센서 인터페이스(64)(예를 들어, 하나 이상의 아날로그-디지털 컨버터)를 포함할 수 있다.
이제 도 9를 참조하면, 인버터 기반 리소스의 그리드-형성 제어를 제공하는 방법(200)의 일 실시예의 흐름도가 제공된다. 일반적으로, 방법(200)은 본원에서 도 4 내지 도 8의 풍력 터빈 전력 시스템(100)을 참조하여 설명된다. 그러나, 개시된 방법(200)은 임의의 다른 적절한 구성을 갖는 임의의 다른 적절한 발전 시스템으로 구현될 수도 있다는 것을 이해해야 한다. 또한, 도 9는 예시 및 설명의 목적을 위해 특정 순서로 수행되는 단계를 도시하고 있지만, 본원에서 설명되는 방법은 임의의 특정 순서나 또는 배열로 제한되는 것은 아니다. 본원에서 제공되는 개시를 이용해서, 당업자는 본원에 개시된 방법의 다양한 단계가 본 개시의 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 방식으로 생략, 재배열, 결합 및/또는 구성될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
(202)에 도시된 바와 같이, 방법(200)은 제어기를 통해서, 외부 제어기로부터 하나 이상의 기준 커맨드를 수신하는 것을 포함한다. (204)에 도시된 바와 같이, 방법(200)은 제어기를 통해서, 하나 이상의 기준 커맨드에 기초해서 인버터 기반 리소스에 대한 하나 이상의 제어 커맨드를 결정하는 것을 포함한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 기준 커맨드(들)는 외부 제어기로부터의 전력 기준을 포함할 수 있다. 따라서, 제어 커맨드(들)는 전력 커맨드를 포함할 수 있다.
(206)에 도시된 바와 같이, 방법(200)은 제어기를 통해서, 적어도 하나의 피드포워드 신호를 하나 이상의 제어 커맨드, 하나 이상의 제어 신호, 및 인버터 기반 리소스의 하나 이상의 추정된 전기적 상태의 함수로서 결정하는 것을 포함한다. 이러한 실시예에서, 피드포워드 신호(들)는 각도 또는 각도 변화율을 포함할 수 있다. 예를 들어, 실시예에서, 피드포워드 신호(들)를 결정하는 것은, 피드포워드 전력 각도를 제어기를 통해서, 제어 커맨드(들), 제어 신호(들), 및 인버터 기반 리소스의 하나 이상의 제 1 전기적 상태의 함수로서 결정하는 것을 포함할 수 있다. 이러한 실시예에서, 인버터 기반 리소스의 제 1 전기적 상태는, 예를 들면 컨버터 임피던스 및/또는 단자 전압을 포함할 수 있다.
추가적인 실시예에서, 피드포워드 신호(들)를 결정하는 것은, 제어기를 통해서, 제어기의 위상-고정 루프에 대한 피드포워드 위상-고정 루프 각도를, 제어 커맨드(들), 제어 신호(들), 및 인버터 기반 리소스의 하나 이상의 제 2 전기적 상태들의 함수로서 결정하는 것을 포함할 수 있다. 이러한 실시예에서, 예를 들어, 인버터 기반 리소스의 제 2 전기적 상태(들)는 단자 전압, 피드포워드 임피던스, 및/또는 피드포워드 전압을 포함할 수 있다.
도 9를 계속 참조하면, (208)에서, 방법(200)은 피드포워드 신호(들)를 사용해서 인버터 기반 리소스의 적어도 하나의 제어 각도를 하나 이상의 기준 커맨드를 수행하는 데 필요한 예상 값에 위치시킴으로써, 외부 제어기로부터 수신되는 하나 이상의 기준 커맨드에 대한 신속한 응답을 가능하게 한다. 예를 들어, 실시예에서, 피드포워드 신호(들)을 사용하여 인버터 기반 리소스의 제어 각도(들)를 하나 이상의 기준 커맨드를 수행하는 데 필요한 예상 값에 위치시키는 것은, 제어기를 통해서, 피드포워드 전력 각도 및 피드포워드 위상-고정 루프 각도의 함수로서 전력 각도 및 위상-고정 루프 각도를 각각 결정하는 것을 포함할 수 있다.
도 9의 방법(200)은 이제 도 10에 도시된 시스템(300)을 참조하여 더 잘 이해될 수 있다. 특히, 도 10은 인버터 기반 리소스의 그리드-형성 제어를 제공하는 시스템(300)의 일 실시예의 제어도를 예시한다. 도시된 바와 같이, 시스템(300)은 본원에서 설명되는 도 3의 동일한 특징 중 많은 것을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 도시된 바와 같이, 도 10은 본 개시에 따른 그리드-형성 전력 피드포워드 제어를 포함하는 고유한 전력 조정기 구조(도 3의 컨벤션 전력 조정기(4)에 비교해서)를 예시한다. 도시된 바와 같이, 컨버터 제어기(120)는 상위 레벨 제어기(예를 들어, 터빈 제어기(26) 및/또는 단지-레벨 제어기(156))로부터 전력 기준(Pref) 및 전력 커맨드 한계(PcmdLimits)를 수신한다. 이러한 상위 레벨 한계는 전압, 전류 및 전력의 물리량에 대한 것이다. 따라서, 도시된 바와 같이, 전력 조정기는 전류의 실-성분에 대한 제약을 구현하기 위해 전력 각도(예를 들어, θPang)에 대한 컨버터 제어 커맨드에 적용되는 최종 한계를 갖는다. 특히, 도 10에 도시된 바와 같이, 본 개시의 시스템(300)은 피드포워드 경로(302) 및 개선된 전력 제한 기능(304)을 사용해서 제어 커맨드에 대한 신속한 응답을 제공한다.
보다 구체적으로, 도 11에 도시된 바와 같이, 시스템 전압, 위상-고정 루프(PLL)(305) 및 고정 주파수 기준 사이의 페이저 관계를 정의하는, 본원의 일 실시예에 따른 페이저도가 제공된다. 따라서, 전력 흐름은, 전압 진폭뿐만 아니라 시스템(300)의 원격 등가 및 임피던스에 대한 컨버터 각도의 함수이다. 일 실시예에서, 예컨대, 간결하게 하기 위해서 저항은 무시할 수 있는 것으로 가정된다.
따라서, 도 2에 도시된 종래의 그리드 형성 회로 및 도 10의 고유한 그리드 형성 전력 조정기에 대해서는, 다음과 같은 물리적 관계가 존재한다:
식 (1)
식 (2)
식 (3)
여기서 P는 전력이고,
Vcnv는 컨버터 전압이며,
Vthev는 테브난 등가 전압이고,
Vt는 단자 전압이며,
θVcnv는 컨버터 전압의 각도이고,
θVthev는 테브난 등가 전압의 각도이며,
θVt는 시스템의 단자 전압 각도이며,
Xcnv는 컨버터 임피던스이고,
Xthev는 테브난 등가 임피던스이다.
따라서, 도 10의 컨버터 게이팅 로직은 제어 신호 θPang 및 θPLL에 기초한 각도로 컨버터 전압을 생성하도록 구성된다. 다른 실시예에서, θPang 및 θPLL에 기초한 각도를 갖는 전압이 전압 페이저를 생성하는 다른 장비 성능에 의해 생성될 수도 있다. 특정 실시예로, 예를 들어, 위상-고정 루프(305)는 각도 θPLL을 측정하며, 이는 정상 상태에서 시스템 내의 전압 Vt의 각도 θVt와 동일하다. 이러한 실시예에서, 이들 값은 시스템 기준 각도에 관한 것이다. 과도 상태 동안, 도 11에 도시된 바와 같이 이 측정에서 에러 신호 θPLLerr가 생성된다.
따라서, 제어 각도 신호와 관련하여 다음과 같은 관계가 존재한다.
식 (4)
식 (5)
식 (6)
식 (7)
식 (8)
더욱이, 위상-고정 루프(305)의 각도는 아래 식 (9에 도시된 바와 같이 PLL 주파수ωPLL의 적분이다.
θPLL = 1/s [ωPLL]
식 (9)
또한, 전력 조정기로부터의 전력 각도는 아래 식 (10), 식 (11)와 같이 전력 조정기 주파수에서 PLL 주파수ωPLL를 뺀 것의 적분이다.
θPang = 1/s [ωPreg - ωPLL]
식 (10)
θPang = 1/s [ωPreg] - θPLL
식 (11)
시스템 기준에 대한 컨버터 전압의 각도는 전력 조정기 주파수 신호 ωPreg의 적분과 같으며, 아래 식 (12)와 같이 PLL 에러와 무관하다.
θVcnv = 1/s [ωPreg]
식 (12)
따라서, 다시 도 10을 참조하면, 전력 커맨드에서의 변동에 대한 지연을 최소화하기 위해서, 시스템(300)은, 피드 포워드 경로(302)에서 각각 314 및 316에 도시된 2개의 피드포워드 각도(즉, θPangff 및 θPLLff)를 계산하도록 구성된다. 따라서, 310 및 312에 도시된 바와 같이, 피드포워드 각도 θPangff 및 θPLLff(예를 들어, 라디안)는 미분되어서 주파수의 각도 변화율(예를 들어, ωPangff 및 ωPLLff 라디안/초의 단위)을 획득할 수 있다. 또한, 306 및 308에 도시된 바와 같이, 각도 변화율은 주파수 신호(예를 들어, ωPref 및 ωPLL)와 합산될 수 있다. 이후 이 합계의 출력을 적분해서 컨버터와 PLL의 최종 각도(즉, θPang 및 θPLL)를 획득할 수 있다.
특정 실시예에서, 외부의 등가물이 알려져 있다고 가정할 때, 식 (9) 내지 식 (11)에 정의된 관계를 반전시켜서 피드포워드 각도를 계산해서, 원하는 전력을 달성하는 데 필요한 각도를 결정할 수 있다. 따라서, 이러한 실시예에서, 시스템(300)은 전력 커맨드에 컨버터 임피던스를 승산해서 제 1 곱을 획득하고, 컨버터 전압 커맨드에 단자 전압을 승산해서 제 2 곱을 획득하며, 제 1 곱을 제 2 곱으로 나누어서 몫을 획득하고, 몫의 아크사인을 결정함으로써, 제어 커맨드(들) 및 인버터 기반 리소스의 제 1 전기적 상태(들)의 함수로서 피드포워드 전력 각도를 결정하도록 구성되며, 이는 아래의 식 (13)과 같다.
식 (13)
다른 실시예에서, 시스템(300)은 전력 커맨드에 컨버터 임피던스를 승산해서 제 1 곱을 획득하고, 피드포워드 전압에 단자 전압을 승산해서 제 2 곱을 획득하며, 제 1 곱을 제 2 곱으로 나누어서 몫을 획득하고, 몫의 아크사인을 결정함으로써 제어 커맨드(들) 및 인버터 기반 리소스의 제 2 전기적 상태(들)의 함수로서 피드포워드 위상-고정 루프 각도를 결정하도록 구성되며, 이는 아래의 식 (14)과 같다.
식 (14)
특정 실시예에서, 피드포워드 임피던스 XthFF는 일반적으로 알려져 있지 않을 수 있다. 이러한 실시예에서, 시스템(300)은 피드포워드 임피던스를 가장 강한 시스템과 약한 시스템 사이의 중심 또는 중간점 임피던스 값으로서 추정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 피드포워드 임피던스는 약 0.3pu일 수 있다. 이러한 실시예에서, 더 강한 그리드의 경우, 예측은 오버슈트일 수 있는 반면, 약한 그리드의 경우, 예측은 언더슈트일 수 있다. 더욱이, 실시예에서, 시스템(300)은 피드포워드 전압을 실(real) 전력, 무효 전력, 전압 또는 피드포워드 임피던스 중 적어도 하나의 함수로서 유동적으로 추정하도록 구성될 수 있다. 이와 달리, 시스템(300)은 피드포워드 전압을 고정 값으로서 설정하도록 구성될 수도 있다. 또 다른 실시예에 있어서, 테브난 등가 피드포워드 전압 VTHFF는 약 1pu와 같은 일정한 값일 수 있다. 추가 실시예에서, 필요한 경우, 시스템(300)은 또한 결합된 단자 P, Q, V를 사용해서 XthFF의 가정값으로 VthFF의 유효 값을 동적으로 계산할 수 있다. 따라서, 파라미터 값은 예상되는 프로젝트 응용의 시뮬레이션을 이용해서 추정될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 당업자는 제어 커맨드 변형에 대한 신속한 응답을 달성하는 실제적인 구현을 달성하는 데 적절한 필터링 및 설정을 선택할 수 있다.
도 10을 계속 참조하면, 특정 실시예에서, 시스템(300)의 피드포워드 경로(302)는 그 후에, 피드포워드 전력 각도 θPangff 및 피드포워드 위상-고정 루프 각도 θPLLff의 함수로서 전력 각도 θPang 및 위상-고정 루프 각도 θPLL을 각각 결정할 수 있다. 특히, 특정 실시예에서, 도시된 바와 같이, 피드포워드 경로(302)는 310 및 312에 각각 도시된 바와 같이, 피드포워드 전력 각도 및 피드포워드 위상-고정 루프 각도를 미분할 수 있다. 또한, 306 및 308에 도시된 바와 같이, 피드포워드 경로(302)는 미분된 피드포워드 전력 각도 및 미분된 피드포워드 위상-고정 루프 각도를 전력 각도 및 위상-고정 루프 각도에 각각 더해서, 컨버터 게이팅 제어에 의해 사용될 수 있는 전력 각도 θPang 및 위상-고정 루프 각도 θPLL을 얻을 수 있다.
추가적인 실시예에서, 도 10에 도시된 바와 같이, 시스템(300)의 개선된 전력 제한 기능(304)은 또한 컨버터 리액턴스에 걸친 전력 각도에 대한 제한을 제공할 수 있다. 따라서 이러한 제한은 과도한 오버슈트를 방지하기 위해 전력에 대한 제한을 제공하도록 구성되는 반면, 다른 조정기는 심각한 과도 상태 후에 안정시키는 역할을 한다. 예를 들어, 특정 실시예에서, 최대 전력 커맨드 및 최소 전력 커맨드 각각에 컨버터 임피던스를 승산해서 최대 곱 및 최소 곱을 각각 획득하고, 컨버터 전압 커맨드에 단말 전압을 승산해서 제 2 곱을 획득하며, 최대 곱 및 최소 곱 각각을 제 2 곱으로 나누어서 최대 몫 및 최소 몫을 획득하고, 최대 몫과 최소 몫 각각의 아크 사인을 결정하며, 최대 몫의 아크사인과 최소 몫의 아크사인에 위상 고정 루프 에러를 더함으로써, 상한 및 하한(예를 들어, θPangMax 및 θPangMin)이 계산될 수 있으며, 이는 아래의 식 (15) 및 식 (16)과 같다.
식 (15)
식 (16)
본 발명의 추가의 양상은 다음 항목의 대상에 의해 제공된다:
항목 1. 인버터 기반 리소스의 그리드-형성 제어를 제공하는 방법으로서, 이 방법은,
제어기를 통해서, 외부 제어기로부터 하나 이상의 기준 커맨드를 수신하는 단계와,
제어기를 통해서, 하나 이상의 기준 커맨드에 기초해서 인버터 기반 리소스에 대한 하나 이상의 제어 커맨드를 결정하는 단계와,
제어기를 통해서, 하나 이상의 제어 커맨드, 하나 이상의 제어 신호, 및 인버터 기반 리소스의 하나 이상의 추정된 전기적 상태의 함수로서 적어도 하나의 피드포워드 신호를 결정하는 단계와,
적어도 하나의 피드포워드 신호를 이용해서, 인버터 기반 리소스의 적어도 하나의 제어 각도를 하나 이상의 기준 커맨드를 수행하는 데 필요한 예상 값에 위치시킴으로써, 외부 제어기로부터 수신되는 하나 이상의 기준 커맨드에 대한 신속한 응답을 가능하게 하는 단계를 포함한다.
항목 2. 항목 1의 방법으로서, 피드포워드 신호는 각도 또는 각도 변화율 중 적어도 하나를 포함한다.
항목 3. 항목 1 또는 항목 2의 방법으로서, 적어도 하나의 피드포워드 신호를 결정하는 단계는,
제어기를 통해서, 하나 이상의 제어 커맨드, 하나 이상의 제어 신호, 및 인버터 기반 리소스의 하나 이상의 제 1 전기적 상태의 함수로서 피드포워드 전력 각도를 결정하는 단계와,
제어기를 통해서, 하나 이상의 제어 커맨드, 하나 이상의 제어 신호, 및 인버터 기반 리소스의 하나 이상의 제 2 전기적 상태의 함수로서, 제어기의 위상-고정 루프에 대한 피드포워드 위상-고정 루프 각도를 결정하는 단계를 포함한다.
항목 4. 항목 3의 방법으로서, 인버터 기반 리소스의 하나 이상의 제 1 전기적 상태는 컨버터 임피던스 또는 단자 전압 중 적어도 하나를 포함하고, 인버터 기반 리소스의 하나 이상의 제 2 전기적 상태는 단자 전압, 피드포워드 임피던스 또는 피드포워드 전압 중 적어도 하나를 더 포함한다.
항목 5. 항목 3의 방법으로서, 적어도 하나의 피드포워드 신호를 이용해서, 인버터 기반 리소스의 적어도 하나의 제어 각도를 하나 이상의 기준 커맨드를 수행하는 데 필요한 예상 값에 위치시키는 것은,
제어기를 통해서, 전력 각도 변화율 및 위상-고정 루프 각도 변화율을 피드포워드 전력 각도 및 피드포워드 위상-고정 루프 각도의 함수로서 각각 결정하는 것을 포함한다.
항목 6. 항목 5의 방법으로서, 전력 각도 변화율 및 위상-고정 루프 각도 변화율을 피드포워드 전력 각도 및 피드포워드 위상-고정 루프 각도의 함수로서 각각 결정하는 것은,
피드포워드 전력 각도 변화율 및 피드포워드 위상 고정 각도 변화율을 각각 전력 조정기 주파수 및 위상-고정 루프 주파수에 더하는 것을 더 포함한다.
항목 7. 항목 4의 방법으로서, 하나 이상의 기준 커맨드는 외부 제어기로부터의 전력 기준 또는 하나 이상의 전력 커맨드 한계 중 적어도 하나를 포함하고, 하나 이상의 제어 커맨드는 전력 커맨드를 포함한다.
항목 8. 항목 7의 방법으로서, 하나 이상의 제어 커맨드, 하나 이상의 제어 신호, 및 인버터 기반 리소스의 하나 이상의 제 1 전기적 상태의 함수로서 피드포워드 전력 각도를 결정하는 단계는,
전력 커맨드에 컨버터 임피던스를 승산해서 제 1 곱(product)을 획득하는 단계와,
컨버터 전압 커맨드에 단자 전압을 승산해서 제 2 곱을 획득하는 단계와,
제 1 곱을 제 2 곱으로 나누어서 몫을 획득하는 단계와,
몫의 아크사인을 결정하는 단계
를 포함한다.
항목 9. 항목 8의 방법으로서, 하나 이상의 제어 커맨드, 하나 이상의 제어 신호, 및 인버터 기반 리소스의 하나 이상의 제 2 전기적 상태의 함수로서, 제어기의 위상-고정 루프에 대한 피드포워드 위상-고정 루프 각도를 결정하는 단계는,
전력 커맨드에 피드포워드 임피던스를 승산해서 제 1 곱을 획득하는 단계와,
피드포워드 전압에 단자 전압을 승산해서 제 2 곱을 획득하는 단계와,
제 1 곱을 제 2 곱으로 나누어서 몫을 획득하는 단계와,
몫의 아크사인을 결정하는 단계
를 포함한다.
항목 10. 항목 9의 방법으로서, 피드포워드 임피던스를, 가장 강한 시스템과 약한 시스템 사이의 중심 임피던스 값으로서 추정하는 단계를 더 포함한다.
항목 11. 항목 9 또는 항목 10의 방법으로서, 피드포워드 전압을 실 전력(real power), 무효 전력(reactive power), 전압 또는 피드포워드 임피던스 중 적어도 하나의 함수로서 유동적으로 추정하는 단계를 더 포함한다.
항목 12. 항목 9 내지 항목 11 중 어느 하나의 방법으로서, 피드포워드 전압을 고정값으로 설정하는 단계를 더 포함한다.
항목 13. 항목 5의 방법으로서, 적어도 하나의 피드포워드 신호를 이용해서, 인버터 기반 리소스의 적어도 하나의 제어 각도를 하나 이상의 기준 커맨드를 수행하는 데 필요한 예상 값에 위치시키는 것은,
적어도 하나의 제어 각도에 대한 전력 각도 상한 및 하한을 결정하는 것과,
인버터 기반 리소스의 하나 이상의 다른 조정기가 과도 이벤트(transient event) 이후에 안정시키는(settle) 역할을 하면서, 전력 각도 상한 및 하한을 전력 각도에 적용해서 전력에 대한 제약을 제공하는 것을 포함한다.
항목 14. 항목 13의 방법으로서, 적어도 하나의 제어 각도에 대한 전력 각도 상한 및 하한을 결정하는 것은,
최대 전력 커맨드 및 최소 전력 커맨드 각각에 컨버터 임피던스를 승산해서 최대 곱 및 최소 곱을 각각 획득하는 것과,
컨버터 전압 커맨드에 단자 전압을 승산해서 제 2 곱을 획득하는 것과,
최대 곱과 최소 곱 각각을 제 2 곱으로 나누어서, 최대 몫과 최소 몫을 각각 획득하는 것과,
최대 몫 및 최소 몫 각각의 아크사인을 결정하는 것과,
최대 몫의 아크사인 및 최소 몫의 아크사인에 위상-고정 루프 에러를 더하는 것을 포함한다.
항목 15. 인버터 기반 리소스의 그리드-형성 제어를 제공하는 컨버터 제어기로서,
복수의 동작을 수행하도록 구성된 적어도 하나의 프로세서를 포함하는 적어도 하나의 제어기를 포함하되, 복수의 동작은,
하나 이상의 제어 커맨드를 수신하는 것과,
하나 이상의 제어 커맨드, 하나 이상의 제어 신호, 및 인버터 기반 리소스의 하나 이상의 추정된 전기적 상태의 함수로서 적어도 하나의 피드포워드 신호를 결정하는 것과,
적어도 하나의 피드포워드 신호를 이용해서, 인버터 기반 리소스의 적어도 하나의 제어 각도를 하나 이상의 기준 커맨드를 수행하는 데 필요한 예상 값에 위치시킴으로써, 외부 제어기로부터 수신되는 하나 이상의 기준 커맨드에 대한 신속한 응답을 가능하게 하는 것을 포함한다.
항목 16. 항목 15의 컨버터 제어기로서, 피드포워드 신호는 각도 또는 각도 변화율 중 적어도 하나를 포함한다.
항목 17. 항목 15 또는 항목 16의 컨버터 제어기로서, 하나 이상의 제어 커맨드, 하나 이상의 제어 신호, 및 인버터 기반 리소스의 하나 이상의 전기적 상태의 함수로서 적어도 하나의 피드포워드 신호를 결정하는 것은,
컨버터 제어기를 통해서, 하나 이상의 제어 커맨드 및 인버터 기반 리소스의 하나 이상의 제 1 전기적 상태의 함수로서 피드포워드 전력 각도를 결정하는 것과,
컨버터 제어기를 통해서, 컨버터 제어기의 위상-고정 루프에 대한 피드포워드 위상-고정 루프 각도를, 하나 이상의 제어 커맨드 및 인버터 기반 리소스의 하나 이상의 제 2 전기적 상태의 함수로서 결정하는 것을 포함한다.
항목 18. 항목 17의 컨버터 제어기로서, 적어도 하나의 피드포워드 신호를 이용해서, 인버터 기반 리소스의 적어도 하나의 제어 각도를 하나 이상의 기준 커맨드를 수행하는 데 필요한 예상 값에 위치시키는 것은,
컨버터 제어기를 통해서, 피드포워드 전력 각도 및 피드포워드 위상-고정 루프 각도의 함수로서 전력 각도 및 위상-고정 루프 각도를 각각 결정하는 것을 포함한다.
항목 19. 항목 18의 컨버터 제어기로서, 적어도 하나의 피드포워드 신호를 이용해서, 인버터 기반 리소스의 적어도 하나의 제어 각도를 하나 이상의 기준 커맨드를 수행하는데 필요한 예상 값에 위치시키는 것은,
적어도 하나의 제어 각도에 대한 전력 각도 상한 및 하한을 결정하는 것과,
인버터 기반 리소스의 하나 이상의 다른 조정기가 과도 이벤트 이후에 안정시키는 역할을 하면서, 전력 각도 상한 및 하한을 전력 각도에 적용해서 전력에 대한 제약을 제공하는 것을 포함한다.
항목 20. 항목 19의 컨버터 제어기로서, 적어도 하나의 제어 각도에 대한 전력 각도 상한 및 하한을 결정하는 것은,
컨버터 임피던스를 최대 전력 커맨드 및 최소 전력 커맨드 각각에 승산해서 최대 곱 및 최소 곱을 각각 획득하는 것과,
컨버터 전압 커맨드에 단자 전압을 승산해서 제 2 곱을 획득하는 것과,
최대 곱과 최소 곱 각각을 제 2 곱으로 나누어서, 최대 몫과 최소 몫을 각각 획득하는 것과,
최대 몫 및 최소 몫 각각의 아크사인을 결정하는 것과,
최대 몫의 아크사인 및 최소 몫의 아크사인에 위상-고정 루프 에러를 더하는 것을 포함한다.
이 기재된 설명은 최상의 모드를 포함하는 예를 이용해서 본 발명을 개시하며, 또한 당업자가 임의의 디바이스 또는 시스템의 제조와 이용 및 임의의 포함된 방법의 수행을 포함하는, 본 발명의 실시를 가능하게 한다. 본 발명의 특허 가능한 범위는 청구항에 의해 정의되며, 당업자에게 발생하는 다른 예를 포함할 수 있다. 이러한 다른 예는, 이이 청구항의 문어(literal language)와 상이하지 않은 구조 요소을 갖는 경우, 또는 이들이 청구항의 문어와 실질적으로 차이가 없는 등가의 구조 요소를 포함하는 경우 청구항의 범주 내에 있는 것이다.
Claims (20)
- 인버터 기반 리소스의 그리드-형성 제어를 제공하는 방법으로서,
제어기를 통해서, 외부 제어기로부터 하나 이상의 기준 커맨드를 수신하는 단계와,
상기 제어기를 통해서, 상기 하나 이상의 기준 커맨드에 기초해서 상기 인버터 기반 리소스에 대한 하나 이상의 제어 커맨드를 결정하는 단계와,
상기 제어기를 통해서, 상기 하나 이상의 제어 커맨드, 하나 이상의 제어 신호, 및 상기 인버터 기반 리소스의 하나 이상의 추정된 전기적 상태의 함수로서 적어도 하나의 피드포워드 신호를 결정하는 단계와,
상기 적어도 하나의 피드포워드 신호를 이용해서, 상기 인버터 기반 리소스의 적어도 하나의 제어 각도를 상기 하나 이상의 기준 커맨드를 수행하는 데 필요한 예상 값에 위치시킴으로써, 상기 외부 제어기로부터 수신되는 상기 하나 이상의 기준 커맨드에 대한 신속한 응답을 가능하게 하는 단계
를 포함하는 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 피드포워드 신호는 각도 또는 각도 변화율 중 적어도 하나를 포함하는,
방법.
- 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 피드포워드 신호를 결정하는 단계는,
상기 제어기를 통해서, 상기 하나 이상의 제어 커맨드, 상기 하나 이상의 제어 신호, 및 상기 인버터 기반 리소스의 하나 이상의 제 1 전기적 상태의 함수로서 피드포워드 전력 각도를 결정하는 단계와,
상기 제어기를 통해서, 상기 하나 이상의 제어 커맨드, 상기 하나 이상의 제어 신호, 및 상기 인버터 기반 리소스의 하나 이상의 제 2 전기적 상태의 함수로서, 상기 제어기의 위상-고정 루프에 대한 피드포워드 위상-고정 루프 각도를 결정하는 단계
를 포함하는,
방법.
- 제3항에 있어서,
상기 인버터 기반 리소스의 하나 이상의 제 1 전기적 상태는 컨버터 임피던스 또는 단자 전압 중 적어도 하나를 포함하고,
상기 인버터 기반 리소스의 하나 이상의 제 2 전기적 상태는 단자 전압, 피드포워드 임피던스 또는 피드포워드 전압 중 적어도 하나를 포함하는,
방법.
- 제3항에 있어서,
상기 적어도 하나의 피드포워드 신호를 이용해서, 상기 인버터 기반 리소스의 적어도 하나의 제어 각도를 상기 하나 이상의 기준 커맨드를 수행하는 데 필요한 예상 값에 위치시키는 것은,
상기 제어기를 통해서, 전력 각도 변화율 및 위상-고정 루프 각도 변화율을 상기 피드포워드 전력 각도 및 상기 피드포워드 위상-고정 루프 각도의 함수로서 각각 결정하는 것
을 포함하는
방법.
- 제5항에 있어서,
상기 전력 각도 변화율 및 상기 위상-고정 루프 각도 변화율을 상기 피드포워드 전력 각도 및 상기 피드포워드 위상-고정 루프 각도의 함수로서 각각 결정하는 것은,
피드포워드 전력 각도 변화율 및 피드포워드 위상 고정 각도 변화율을 각각 전력 조정기 주파수 및 위상-고정 루프 주파수에 더하는 것
을 더 포함하는,
방법.
- 제4항에 있어서,
상기 하나 이상의 기준 커맨드는 상기 외부 제어기로부터의 전력 기준 또는 하나 이상의 전력 커맨드 한계 중 적어도 하나를 포함하고,
상기 하나 이상의 제어 커맨드는 전력 커맨드를 포함하는,
방법.
- 제7항에 있어서,
상기 하나 이상의 제어 커맨드, 상기 하나 이상의 제어 신호, 및 상기 인버터 기반 리소스의 상기 하나 이상의 제 1 전기적 상태의 함수로서 상기 피드포워드 전력 각도를 결정하는 단계는,
상기 전력 커맨드에 상기 컨버터 임피던스를 승산해서 제 1 곱(product)을 획득하는 단계와,
컨버터 전압 커맨드에 상기 단자 전압을 승산해서 제 2 곱을 획득하는 단계와,
상기 제 1 곱을 상기 제 2 곱으로 나누어서 몫을 획득하는 단계와,
상기 몫의 아크사인을 결정하는 단계
를 포함하는,
방법.
- 제8항에 있어서,
상기 하나 이상의 제어 커맨드, 상기 하나 이상의 제어 신호, 및 상기 인버터 기반 리소스의 상기 하나 이상의 제 2 전기적 상태의 함수로서, 상기 제어기의 상기 위상-고정 루프에 대한 상기 피드포워드 위상-고정 루프 각도를 결정하는 단계는,
상기 전력 커맨드에 상기 피드포워드 임피던스를 승산해서 제 1 곱을 획득하는 단계와,
상기 피드포워드 전압에 상기 단자 전압을 승산해서 제 2 곱을 획득하는 단계와,
상기 제 1 곱을 상기 제 2 곱으로 나누어서 몫을 획득하는 단계와,
상기 몫의 아크사인을 결정하는 단계
를 포함하는,
방법.
- 제9항에 있어서,
상기 피드포워드 임피던스를, 가장 강한 시스템과 약한 시스템 사이의 중심 임피던스 값으로서 추정하는 단계
를 더 포함하는 방법.
- 제9항에 있어서,
상기 피드포워드 전압을 실 전력(real power), 무효 전력(reactive power), 전압 또는 피드포워드 임피던스 중 적어도 하나의 함수로서 유동적으로 추정하는 단계
를 더 포함하는 방법.
- 제9항에 있어서,
상기 피드포워드 전압을 고정값으로 설정하는 단계
를 더 포함하는 방법.
- 제5항에 있어서,
상기 적어도 하나의 피드포워드 신호를 이용해서, 상기 인버터 기반 리소스의 적어도 하나의 제어 각도를 상기 하나 이상의 기준 커맨드를 수행하는 데 필요한 예상 값에 위치시키는 것은,
상기 적어도 하나의 제어 각도에 대한 전력 각도 상한 및 하한을 결정하는 것과,
상기 인버터 기반 리소스의 하나 이상의 다른 조정기가 과도 이벤트(transient event) 이후에 안정시키는(settle) 역할을 하면서, 상기 전력 각도 상한 및 하한을 상기 전력 각도에 적용해서 전력에 대한 제약을 제공하는 것
을 포함하는,
방법.
- 제13항에 있어서,
상기 적어도 하나의 제어 각도에 대한 상기 전력 각도 상한 및 하한을 결정하는 것은,
최대 전력 커맨드 및 최소 전력 커맨드 각각에 상기 컨버터 임피던스를 승산해서 최대 곱 및 최소 곱을 각각 획득하는 것과,
컨버터 전압 커맨드에 상기 단자 전압을 승산해서 제 2 곱을 획득하는 것과,
상기 최대 곱과 상기 최소 곱 각각을 상기 제 2 곱으로 나누어서, 최대 몫과 최소 몫을 각각 획득하는 것과,
상기 최대 몫 및 상기 최소 몫 각각의 아크사인을 결정하는 것과,
상기 최대 몫의 아크사인 및 상기 최소 몫의 아크사인에 위상-고정 루프 에러를 더하는 것
을 포함하는,
방법.
- 인버터 기반 리소스의 그리드-형성 제어를 제공하는 컨버터 제어기로서,
복수의 동작을 수행하도록 구성된 적어도 하나의 프로세서를 포함하는 적어도 하나의 제어기를 포함하되,
상기 복수의 동작은,
하나 이상의 제어 커맨드를 수신하는 것과,
상기 하나 이상의 제어 커맨드, 하나 이상의 제어 신호, 및 상기 인버터 기반 리소스의 하나 이상의 추정된 전기적 상태의 함수로서 적어도 하나의 피드포워드 신호를 결정하는 것과,
상기 적어도 하나의 피드포워드 신호를 이용해서, 상기 인버터 기반 리소스의 적어도 하나의 제어 각도를 상기 하나 이상의 기준 커맨드를 수행하는 데 필요한 예상 값에 위치시킴으로써, 외부 제어기로부터 수신되는 상기 하나 이상의 기준 커맨드에 대한 신속한 응답을 가능하게 하는 것
을 포함하는,
컨버터 제어기.
- 제15항에 있어서,
상기 피드포워드 신호는 각도 또는 각도 변화율 중 적어도 하나를 포함하는,
컨버터 제어기.
- 제15항에 있어서,
상기 하나 이상의 제어 커맨드, 상기 하나 이상의 제어 신호, 및 상기 인버터 기반 리소스의 하나 이상의 전기적 상태의 함수로서 적어도 하나의 피드포워드 신호를 결정하는 것은,
상기 컨버터 제어기를 통해서, 상기 하나 이상의 제어 커맨드 및 상기 인버터 기반 리소스의 하나 이상의 제 1 전기적 상태의 함수로서 피드포워드 전력 각도를 결정하는 것과,
상기 컨버터 제어기를 통해서, 상기 컨버터 제어기의 위상-고정 루프에 대한 피드포워드 위상-고정 루프 각도를, 상기 하나 이상의 제어 커맨드 및 상기 인버터 기반 리소스의 하나 이상의 제 2 전기적 상태의 함수로서 결정하는 것
을 포함하는,
컨버터 제어기.
- 제17항에 있어서,
상기 적어도 하나의 피드포워드 신호를 이용해서, 상기 인버터 기반 리소스의 적어도 하나의 제어 각도를 상기 하나 이상의 기준 커맨드를 수행하는 데 필요한 상기 예상 값에 위치시키는 것은,
상기 컨버터 제어기를 통해서, 상기 피드포워드 전력 각도 및 상기 피드포워드 위상-고정 루프 각도의 함수로서 전력 각도 및 위상-고정 루프 각도를 각각 결정하는 것
을 포함하는,
컨버터 제어기.
- 제18항에 있어서,
상기 적어도 하나의 피드포워드 신호를 이용해서, 상기 인버터 기반 리소스의 적어도 하나의 제어 각도를 상기 하나 이상의 기준 커맨드를 수행하는 데 필요한 상기 예상 값에 위치시키는 것은,
상기 적어도 하나의 제어 각도에 대한 전력 각도 상한 및 하한을 결정하는 것과,
상기 인버터 기반 리소스의 하나 이상의 다른 조정기가 과도 이벤트 이후에 안정시키는 역할을 하면서, 상기 전력 각도 상한 및 하한을 상기 전력 각도에 적용해서 전력에 대한 제약을 제공하는 것
을 포함하는,
컨버터 제어기.
- 제19항에 있어서,
상기 적어도 하나의 제어 각도에 대한 상기 전력 각도 상한 및 하한을 결정하는 것은,
상기 컨버터 임피던스를 최대 전력 커맨드 및 최소 전력 커맨드 각각에 승산해서 최대 곱 및 최소 곱을 각각 획득하는 것과,
컨버터 전압 커맨드에 상기 단자 전압을 승산해서 제 2 곱을 획득하는 것과,
상기 최대 곱과 상기 최소 곱 각각을 상기 제 2 곱으로 나누어서, 최대 몫과 최소 몫을 각각 획득하는 것과,
상기 최대 몫 및 상기 최소 몫 각각의 아크사인을 결정하는 것과,
상기 최대 몫의 아크사인 및 상기 최소 몫의 아크사인에 위상-고정 루프 에러를 더하는 것
을 포함하는,
컨버터 제어기.
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