KR20150130865A - 컨버터 제어 장치 및 그 동작 방법 - Google Patents

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Abstract

컨버터 제어 장치 및 그 동작 방법이 개시된다. 복수의 컨버터를 제어하는 컨버터 제어 장치에 있어서, 상기 복수의 컨버터가 연결된 전체 계통의 직류 전압을 감지하는 모니터링부와 상기 감지된 전체 계통의 직류 전압을 기초로 상기 복수의 컨버터 각각의 교류 전력과 직류 전력 간의 변환 동작을 제어하는 컨버터 동작 신호를 생성하는 제어부와 상기 생성된 컨버터 동작 신호를 상기 복수의 컨버터 각각에 전송하는 통신부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 복수의 컨버터 중 하나 이상과 연결된 풍력 발전 단지 사이의 교류 계통의 교류 전류의 크기가 기준값 이상이면 상기 복수의 컨버터 각각의 출력 교류 전압의 크기가 기 설정된 비율로 증가하도록 제어한다.

Description

컨버터 제어 장치 및 그 동작 방법{CONVERTER CONTROLLER AND OPERATING METHOD THEREOF}
본 발명은 컨버터 제어 장치 및 그의 동작 방법에 관한 것으로, 풍력 발전 단지와 연계된 컨버터를 제어하는 컨버터 제어 장치 및 그의 동작 방법에 관한 것이다.
일반적으로 초고압직류(High Voltage Direct Current, 이하 "HVDC" 라 한다.)는 발전소에서 생산되는 교류전력을 직류로 변환시켜서 송전한 후 수전 지역에서 교류로 재변환시켜 공급하는 고압직류송전 방식을 말한다.
HVDC는 전력송전 효율은 높고, 전력 손실이 낮아 세계 각국에서 초고압 송전에서부터 배전급에 이르기까지 폭넓게 활용하고 있다.
그리고 최근에는 풍력과 태양광 등 온실가스 감축 및 신재생에너지 보급 확대를 위한 필수적인 기술로 인정받아, HVDC에 대해 관심이 더욱 커지고 있다.
또한, HVDC는 반도체 전력전자, 컴퓨터, 제어, 통신, 전기, 기계설계, 해석 엔지니어링 등 관련분야로의 파급효과가 높아 국가단위에서 전력산업 분야 핵심기술로 인식되고 있다.
이러한 HVDC 시스템은 HVDC 시스템은 사이리스터(Thyristor) 밸브를 이용하는 전류형 HVDC 시스템과 IGBT 소자를 이용하는 전압형 HVDC 시스템으로 구분된다.
전압형 HVDC는 유효전력뿐만 아니라 무효전력 공급이 가능하기 때문에 별도의 전원이 없는 소규모 고립계통 연계에도 적합하며, 전류형 HVDC에 비해 변환소 면적이 작고 블랙 스타트 기능 구현이 가능하므로 교류 전원이 없는 해상 플랫폼에 적합하다.
이러한 전압형 HVDC의 장점들로 인해 대규모, 원거리 신재생에너지 발전단지를 전압형 HVDC를 이용하여 연계하는 방안 및 프로젝트가 늘어나고 있다.
한편 일반적인 멀티터미널 직류전송장치에서 교류 계통과 풍력 발전 단지가 함께 연계되어 구성되면 컨버터 제어 장치(100)의 통제를 받는다.
도 1을 참고하여 이를 설명한다.
도 1은 일반적인 멀티터미널 직류전송장치에 대한 구성도이다.
도 1의 멀티터미널 직류전송장치는 4개의 터미널을 가진 시스템으로써, 각각의 터미널은 변압기(400)와 연결된 교류 계통 또는 풍력 발전 단지(300)에 연계되어 있다.
그리고 컨버터(200)와 교류 계통 사이에는 전선의 임피던스(R+jwL)과 전력망(Grid)의 임피던스가 존재한다.
각 터미널은 컨버터(200)를 포함하고, 각 터미널은 컨버터 제어 장치(100)의 제어를 받는다.
컨버터 제어 장치(100)는 각각의 컨버터(200)와 이격되어 있으므로, 통신을 통해 각각의 컨버터(200)를 제어할 수 있다.
한편, 각각의 컨버터(200)와 연결된 컨버터 제어 장치(100)의 통신에 장애가 발생하여 컨버터 제어 장치(100)가 각각의 컨버터(200)를 제어할 수 없게 되고, 하나 이상의 컨버터(200)이 정상적인 동작을 하지 않는 경우 각각의 컨버터(200)는 백업 운전모드를 동작한다.
이에 따라 각 컨버터(200)는 드루프 제어기(Droop controller)와 같은 백업 제어기를 기동하게 되어 전체 직류전송시스템의 전력전송이 지속적으로 이루어지도록 보조한다.
하지만 컨버터 제어 장치(100)와 컨버터(200) 간의 통신이 불가능하면 풍력발전기와 연계된 컨버터(200)에서의 전력전송제어가 정상적으로 작동할 수 없다.
이는 일반적인 풍력발전기의 제어는 최대 출력 추종의 방식으로 구성되어, 전체 직류전송장치에 과잉 전력공급이 발생하게 되고 이에 따라 멀티터미널 직류전송장치의 공통 직류 버스 전압이 상승하여 직류전송장치의 지속적인 운전이 어려워지는 문제가 있기 때문이다.
또한, 전체 계통의 직류 전압의 크기에 대응하여 컨버터(200)의 출력 교류 전력의 크기를 변경하게 되면 컨버터(200)에 연계된 풍력 발전 단지(300)에서 돌입 전류가 발생할 수 있다.
그리고 발생된 돌입 전류로 인해 전력 계통의 기기들이 손상될 수 있는 문제가 있다.
본 발명은 풍력 발전 단지와 연계된 직류전송장치의 지속적인 전력 전송이 가능하게 하고, 돌입 전류의 발생을 방지하는 컨버터 제어 장치 및 그 동작 방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 복수의 컨버터를 제어하는 컨버터 제어 장치에 있어서, 상기 복수의 컨버터가 연결된 전체 계통의 직류 전압을 감지하는 모니터링부와 상기 감지된 전체 계통의 직류 전압을 기초로 상기 복수의 컨버터 각각의 교류 전력과 직류 전력 간의 변환 동작을 제어하는 컨버터 동작 신호를 생성하는 제어부와 상기 생성된 컨버터 동작 신호를 상기 복수의 컨버터 각각에 전송하는 통신부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 복수의 컨버터 중 하나 이상과 연결된 풍력 발전 단지 사이의 교류 계통의 교류 전류의 크기가 기준값 이상이면 상기 복수의 컨버터 각각의 출력 교류 전압의 크기가 기 설정된 비율로 증가하도록 제어할 수 있다.
상기 제어부는 상기 교류 전류의 변화량이 기 설정된 기준값 이상인지 판단하여 상기 복수의 컨버터 각각의 출력 교류 전압의 크기가 기 설정된 비율로 증가하도록 제어할 수 있다.
상기 제어부는 상기 컨버터 동작 신호를 수신한 상기 복수의 컨버터 각각이 기 설정된 시간 간격으로 각각 순차적으로 동작하도록 제어할 수 있다.
상기 컨버터 동작 신호는 상기 복수의 컨버터 각각에 대응하는 출력 교류 전압의 주파수, 상기 출력 교류 전압의 크기 중 하나 이상에 대한 설정값을 포함할 수 있다.
상기 통신부는 상기 복수의 컨버터 각각으로부터 상기 교류 계통의 교류 전류의 크기에 대한 신호를 수신하여 상기 제어부에 전달하고, 상기 제어부는 상기 전달된 교류 전류의 크기에 대한 신호를 기초로 상기 컨버터 동작 신호를 생성할 수 있다.
본 발명에 따르면, 풍력 발전 단지가 연계된 직류전송장치 시스템에서 돌입 전류의 발생을 방지할 수 있다.
도 1은 일반적인 멀티터미널 직류전송장치에 대한 구성도이다.
도 2는 컨버터에 연계된 풍력 발전 단지를 나타낸다.
도 3은 일반적인 유도전동기의 일정(Constant) V/f 제어 특성 곡선이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 컨버터 제어 장치의 구성을 나타내는 구성 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 컨버터 제어 장치가 포함된 멀티터미널 직류전송장치를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 컨버터의 구성을 나타내는 구성 블록도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 제어부의 구성을 나타내는 구성 블록도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 컨버터의 동작 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 컨버터의 동작을 나타내는 개념도이다.
도 11는 본 발명의 실시예에 따른 컨버터 제어 장치의 동작 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 컨버터 제어 장치의 동작을 나타내는 개념도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명인 컨버터 제어 장치(100) 및 그 동작 방법을 설명하기 전에 풍력 발전 단지(300)의 기본적인 동작에 대해 도 2를 참고하여 설명한다.
도 2는 컨버터(200)에 연계된 풍력 발전 단지(300)를 나타낸다.
컨버터(200)는 변압기(400)를 통해 풍력 발전 단지(300)와 연계되어 있다. 그리고 컨버터(200)와 변압기(400) 사이에는 전선의 임피던스(R+jwL)이 존재한다.
풍력 발전 단지(300)는 복수의 풍력발전기를 포함한다.
풍력발전기는 블레이드(310), 기어박스(320), 유도전동기(330), 제어부(340)을 포함한다.
블레이드(310)는 바람으로부터 회전력을 얻을 수 있다.
기어박스(320)는 블레이드(310)의 회전을 적정 속도로 변환한다.
유도전동기(330)는 블레이드(310)의 회전에 따라 유도전기를 생산한다.
제어부(340)는 풍력발전기 전반의 동작을 제어한다.
제어부(340)의 풍력발전 동작 제어는 다양한 방식으로 구성될 수 있다.
예를 들어 피치각을 제어하는 방식의 경우, 제어부(340)는 전력량 지령에 대응하여 유효전력 제어를 통해 제어할 수 있다.
풍력발전기에 연계된 교류 계통의 교류 전압이 고정된 주파수 및 크기를 갖는 경우 풍력의 파워는 다음 수학식 1 과 같다.
Figure pat00001
여기서 Cp는 출력계수로써 피치각 제어를 통해 변환할 수 있다.
한편, 이러한 특성으로 인해 교류 전압의 주파수 및 크기는 유효전력에 영향을 미친다.
이를 도 3을 참고하여 설명한다.
도 3은 일반적인 유도전동기의 일정(Constant) V/f 제어 특성 곡선이다.
여기서 V/f는 전압과 주파수의 크기의 비를 나타낸다.
도 3의 특성 곡선에서 X축은 정격 주파수에 비례하는 주파수 값이고, Y축은 일정 V/f 제어에 따른 토크(T), 전력(P)에 대한 값을 나타낸다.
도 3에 도시된 바와 같이, 주파수가 1pu보다 높을 경우에는 유도전동기의 전력(P)가 일정하고, 주파수가 1pu보다 낮은 경우에는 일정한 토크(T)가 유지되기 때문에 주파수가 낮아질수록 전력(P)도 낮아지는 특성이 있다.
이러한 일반적인 유도전동기의 특성은 공지된 내용이므로 상세한 설명은 생략한다.
상술한 내용을 참고하여 본 발명인 컨버터 제어 장치(100) 및 그 동작 방법을 이하 설명한다.
도 4 및 도 5를 참고하여 본 발명인 컨버터 제어 장치(100)에 대해 설명한다.
도 4는 컨버터 제어 장치(100)의 구성을 나타내는 구성 블록도이고, 도 5는 컨버터 제어 장치(100)가 포함된 멀티터미널 직류전송장치를 나타낸다.
컨버터 제어 장치(100)는 모니터링부(110), 제어부(120), 통신부(130)를 포함한다.
모니터링부(110)는 연계된 전체 계통의 직류 전압, 전체 계통의 직류 전류, 교류 계통의 교류 전압, 교류 계통의 교류 전류 중 하나 이상을 측정한다.
예를 들면, 모니터링부(110)는 연계된 전체 계통의 직류 전압을 측정할 수 있다.
그리고 모니터링부(110)는 복수의 풍력 발전기에 연결된 컨버터(200)와 복수의 풍력 발전기 사이의 교류 전류를 측정할 수 있다.
제어부(120)는 컨버터 제어 장치(100)의 전반적인 동작을 제어한다.
구체적으로, 제어부(120)는 모니터링부(110)의 직류 전압, 직류 전류 중 하나 이상의 측정 동작을 제어할 수 있다.
또한, 제어부(120)는 측정된 직류 전압, 직류 전류 중 하나 이상을 기초로 컨버터(200)의 동작을 제어할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 컨버터 제어 장치(100)의 제어부(120)는 측정된 직류 전압, 직류 전류 중 하나 이상을 기초로 컨버터(200)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다. 그리고 제어부(120)는 컨버터(200)의 스위칭 동작 제어를 통해 컨버터(200)의 출력 교류 전압의 크기를 조절할 수 있다.
한편, 제어부(120)는 컨버터 제어 장치(100)에 연결된 복수의 컨버터(200) 각각에 대한 제어 신호를 각각 생성할 수 있다.
통신부(130)는 제어부(120)가 생성한 컨버터(200)의 제어 동작에 대한 신호를 컨버터(200)에 송신할 수 있다.
또한, 통신부(230)는 제어부(220)가 생성한 복수의 컨버터(200) 각각에 대한 제어 신호를 각각 송신할 수 있다.
도 6을 참고하여 컨버터(200)에 대해 설명한다.
도 6은 컨버터(200)의 구성을 나타내는 구성 블록도이다.
컨버터(200)는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하거나, 직류 전력을 교류 전력으로 변환한다.
컨버터(200)는 전원모니터부(210), 제어부(220), 스위칭부(230), 보호부(240), 통신부(250)를 포함한다.
전원모니터부(210)는 컨버터(200)와 연계된 전체 계통의 직류 전압, 컨버터(200)와 풍력 발전 단지(300) 사이의 교류 계통의 교류 전류 중 하나 이상을 측정한다.
전원모니터부(210)는 측정된 전체 계통의 직류 전압, 교류 계통의 교류 전류 중 하나 이상을 제어부(220)에 전달한다.
제어부(220)는 컨버터(200)의 전반적인 동작을 제어한다.
구체적으로 제어부(220)는 컨버터(200)가 수행하는 직류 전력과 교류 전력 간의 변환 동작을 제어할 수 있다.
예를 들면, 제어부(220)는 컨버터(200)의 직류 전력과 교류 전력 간의 변환 동작시 직류 전압의 크기, 교류 전압의 주파수, 교류 전압의 크기, 교류 전압의 위상 중 하나 이상을 조절하도록 제어할 수 있다.
이에 따라 제어부(220)는 컨버터(200)의 직류 전력과 교류 전력 간의 변환 동작시 구체적인 제어값으로 직류 전압의 크기, 교류 전압의 주파수, 교류 전압의 크기, 교류 전압의 위상 중 하나 이상을 조절할 수 있다.
또한 제어부(220)는 통신을 통해 컨버터 제어 장치(100)의 제어 신호를 수신할 수 있다.
제어부(220)의 구성을 도 7을 참고하여 자세히 설명한다.
도 7은 컨버터(200)의 제어부(220)의 구성을 나타내는 구성 블록도이다.
제어부(220)는 비교부(221), 주파수 제어부(222), 전압 크기 제어부(223), 위상 제어부(224), 동작 제어부(225)를 포함한다.
비교부(221)는 측정된 전체 계통의 직류 전압과 기준 전압을 비교한다.
또한, 비교부(221)는 측정된 교류 계통의 교류 전류의 변화량이 기준값 이상인지 비교할 수 있다.
주파수 제어부(222)는 비교부(221)의 측정된 전체 계통의 직류 전압과 기준 전압의 비교에 따라 교류 전압의 주파수를 조절하고, 주파수 제어 신호를 송출한다.
전압 크기 제어부(223)는 주파수 제어부(222)의 제어 신호에 대응하는 교류 전압의 크기를 산출하고, 컨버터(200)가 출력하는 교류 전압의 크기를 산출된 교류 전압의 크기로 조절한다.
위상 제어부(224)는 주파수 제어부(222)의 제어 신호에 대응하여 컨버터(200)가 출력하는 교류 전압의 위상을 조절한다.
동작 제어부(225)는 산출된 교류 전압의 크기, 위상 중 하나 이상를 기초로 스위칭부(230)의 동작을 제어할 수 있다.
다시 도 6을 참고한다.
스위칭부(230)는 스위칭 동작을 통해 교류 전력을 직류 전력으로 변환하거나 직류 전력을 교류 전력으로 변환할 수 있다.
구체적으로 스위칭부(230)는 전력 반도체를 포함할 수 있어서, 포함된 전력 반도체를 통해 교류 전력을 직류 전력으로 변환하거나 직류 전력을 교류 전력으로 변환할 수 있다.
예를 들면 스위칭부(230)는 IGBT(Insulated Gate Bypolar Transisor, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터)를 이용하여 직류를 교류 또는 교류를 직류로 변환한다.
구체적으로 스위칭부(230)에 포함된 IGBT의 스위칭 동작을 통해 직류 전력을 교류 전력으로 변환하거나 교류 전력을 직류 전력으로 변환할 수 있다.
보호부(240)는 컨버터(200)에 과전류가 흐르는 것을 방지할 수 있다.
구체적으로 보호부(240)는 저항을 포함할 수 있어서, 기 설정된 크기 이상의 과전류가 컨버터(200)에 유입되는 것을 방지할 수 있다.
통신부(250)는 컨버터 제어 장치(100), 다른 컨버터(200)와 데이터를 주고 받을 수 있다.
구체적으로 통신부(250)는 유??무선 통신을 통해 컨버터 제어 장치(100)의 통신부(130), 다른 컨버터(200)의 통신부(250)와 데이터를 주고 받을 수 있다.
도 8을 참고하여 컨버터(200)의 동작 방법을 설명한다.
도 8은 컨버터(200)의 동작 방법을 나타내는 흐름도이다.
전원모니터부(210)가 연계된 계통 전체의 직류 전압을 측정한다(S100).
전원모니터부(210)가 측정한 계통 전체의 직류 전압은 제어부(220)에 전달된다.
컨버터(200)의 제어부(220)는 측정된 직류 전압이 기준 전압의 기설정된 범위 내에 포함되는지 판단한다(S110).
제어부(220)의 비교부(221)는 측정된 직류 전압과 기준 전압을 비교하여, 측정된 직류 전압이 기준 전압의 기설정된 범위 내에 포함되는지 판단할 수 있다.
예를 들어 기준 전압이 1000V이고 기설정된 범위가 900V 내지 1100V 인 경우, 비교부(221)는 측정된 직류 전압이 950V 이면 기준 전압의 기설정된 범위 내에 포함되는 것으로 판단할 수 있다. 하지만 측정된 직류 전압이 1300V 이면 비교부(221)는 측정된 직류 전압이 기준 전압의 기설정된 범위 내에 포함되지 않는 것으로 판단할 수 있다.
여기서 기준 전압 및 기준 전압의 기설정된 범위는 전체 계통의 구성, 설계, 동작에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
한편, 제어부(220)는 컨버터 제어 장치(100)와 컨버터(200) 간에 통신 장애가 발생한 경우나 컨버터 제어 장치(100)의 제어 신호가 통신 오류로 컨버터(200)에 전달되지 않는 경우, 전원모니터부(210)가 측정한 직류 전압이 기준 전압의 기설정된 범위 내에 포함되는지 판단할 수 있다.
제어부(220)는 측정된 직류 전압이 기준 전압의 기설정된 범위 내에 포함되지 않으면 컨버터(200)에서 출력되는 교류 전압의 주파수를 설정값으로 조절한다(S120).
예를 들어 연계된 전체 계통의 직류 전압이 기준 전압에 포함되지 않고 컨버터 제어 장치(100)의 제어 신호를 컨버터(200)가 수신할 수 없는 경우, 제어부(220)는 컨버터(200)가 풍력 발전 단지(300)에 공급하는 교류 전압의 주파수의 크기를 설정값으로 낮추도록 제어할 수 있다.
여기서 설정값은 전체 계통의 구성, 설계, 동작에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
이를 도 9를 참고하여 설명한다.
도 9는 컨버터(200)의 동작 방법을 나타내는 개념도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 컨버터(200)의 전원모니터부(210)는 전체 계통의 직류 전압을 측정한다.
그리고 비교부(221)는 측정된 전체 계통의 직류 전압과 기준 전압을 비교하여, 측정된 전체 계통의 직류 전압이 기준 전압 이내에 포함되는지 판단한다.
비교부(221)의 비교 결과, 측정된 전체 계통의 직류 전압이 기준 전압 이내에 포함되지 않으면, 주파수 제어부(222)는 컨버터(200)의 출력 교류 전압의 주파수를 설정값으로 조절하고, 설정값인 조절될 주파수에 대한 주파수 제어 신호를 송출한다.
주파수 제어부(222)가 송출하는 주파수 제어 신호에는 조절될 교류 전압의 주파수값인 설정값에 대한 정보도 포함할 수 있다.
따라서 주파수 제어부(222)가 교류 전압의 주파수를 낮추도록 제어하는 주파수 제어 신호를 송출하는 경우, 주파수 제어 신호에는 조절될 교류 전압의 주파수값도 포함될 수 있다.
그리고 주파수 제어부(222)가 송출한 주파수 제어 신호는 전압 크기 제어부(223)와 위상 제어부(224)에 전달된다.
일 실시예로, 주파수 제어부(222)는 컨버터(200)의 출력 교류 전압의 주파수인 60Hz를 설정값인 30Hz로 낮추도록 조절하고, 출력 교류 전압의 주파수를 30Hz로 낮추도록 하는 주파수 제어 신호를 송출할 수 있다.
한편, 주파수 제어부(222)가 교류 전압의 주파수를 낮추는 정도는 측정된 전체 계통의 직류 전압의 크기와 전체 계통의 구성, 설계, 동작에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
한편, 제어부(220)는 단계 S110의 판단 결과 측정된 직류 전압이 기준 전압의 기설정된 범위 내에 포함되면 단계 S100으로 회귀한다.
다시 도 7을 참고하여 컨버터(200)의 동작 방법을 계속 설명한다.
제어부(220)는 컨버터(200)의 출력 교류 전압의 크기를 조절된 주파수에 대응하는 교류 전압의 크기로 조절한다(S130).
전압 크기 제어부(223)는 풍력 발전 단지(300)에 포함된 풍력발전기의 유도 전동기(330)와 컨버터(200)에 연계된 변압기의 절연에 영향을 적게 미치는 일정(Constant) V/f 제어 방식을 사용할 수 있다.
이에 따라 제어부(220)의 전압 크기 제어부(223)는 단계 S120에서 송출된 주파수 제어 신호에 따라 컨버터(200)의 출력 교류 전압의 크기를 조절할 수 있다.
예를 들어 주파수 조절 이전의 출력 교류 전압의 크기가 220V이고 주파수가 60Hz 인 경우, 전압 크기 제어부(223)는 조절된 출력 교류 전압의 주파수가 30Hz 이면 출력 교류 전압의 크기를 110V로 조절하도록 컨버터(200)를 제어할 수 있다.
전압 크기 제어부(223)는 현재 측정되는 교류 전압의 크기와 조절될 교류 전압의 크기를 기초로 비례 적분 제어(Proportional Integral Control) 방식을 이용하여 출력 교류 전압의 크기를 제어할 수 있다.
따라서 전압 크기 제어부(223)는 현재 측정되는 교류 전압의 크기와 조절될 교류 전압의 크기를 비교 조절하는 피드백 제어를 통해 조절하고자 하는 교류 전압의 크기에 근사하도록 조절할 수 있다.
한편 비례 적분 제어 방식은 공지된 기술이며, 비례 적분 제어 방식을 통한 전압 크기 조절도 공지된 기술이므로 상세한 설명은 생략한다.
제어부(220)는 컨버터(200)의 출력 교류 전압의 위상을 조절된 주파수에 대응하는 교류 전압의 위상으로 조절한다(S140).
컨버터(200)는 인버터의 역할도 하므로 제어부(220)는 컨버터(200)의 출력 교류 전압의 위상도 제어할 수 있다.
따라서 제어부(220)의 위상 제어부(224)는 주파수 제어 신호에 따라 현재 교류 전압의 위상과 조절될 교류 전압에 대응하는 교류 전압의 위상을 기초로 출력 교류 전압의 위상을 조절할 수 있다.
위상 제어부(224)는 조절된 교류 전압의 주파수를 기초로 컨버터(200)의 출력 교류 전압의 위상을 계산할 수 있고, 현재 출력 교류 전압의 위상각을 기초로 교류 전압의 위상을 계산된 교류 전압의 위상으로 조절할 수 있다.
상술한 과정을 통해, 제어부(220)는 컨버터(200)가 전압의 크기와 주파수가 조절된 교류 전압을 출력하도록 제어할 수 있다.
이에 따라 컨버터(200)에 연계된 풍력 발전 단지(300)는 주파수 및 크기가 조절된 교류 전압을 제공받는다.
예를 들면 풍력 발전 단지(300)는 조절 이전보다 낮은 주파수와 크기를 갖는 교류 전압을 공급받을 수 있어서, 도 2에 도시된 유도전동기의 특성 곡선에 따라 유도 전동기(330)의 토크(T)는 일정하지만 풍력 발전 단지(300)의 전력(P) 생산량은 감소하게 된다.
그래서 멀티터미널 형태의 직류전송장치에 연계된 풍력 발전 단지(300)가 전체 직류 계통에 과잉 전력을 공급하는 것을 방지할 수 있다.
따라서 컨버터(200)와 컨버터 제어 장치(100) 간의 통신 장애와 교류 계통이 이상이 발생하더라도 멀티터미널 형태의 직류전송장치가 정상적으로 동작할 수 있다.
여기서 풍력 발전 단지(300)의 풍력발전기의 토크(T)는 일정하지만 전력(P) 생산량이 감소되는 내용은 도 2 및 도 3의 설명 부분에서 서술한 바 있다.
이어서, 도 10을 참고하여 컨버터(200)의 동작 방법에 대한 일 실시예를 설명한다.
도 10은 컨버터(200)의 동작을 나타내는 개념도로, 제어부(220)의 동작을 구체적으로 나타낸다.
도 10에 도시된 바와 같이, 전원모니터부(210)는 전체 계통의 직류 전압을 측정한다.
그리고 비교부(221)는 측정된 전체 계통의 직류 전압과 기준 전압을 비교하여, 측정된 전체 계통의 직류 전압이 기준 전압 이내에 포함되는지 판단한다.
비교부(221)의 비교 결과, 측정된 전체 계통의 직류 전압이 기준 전압 이내에 포함되지 않으면, 주파수 제어부(222)는 컨버터(200)의 출력 교류 전압의 주파수를 설정값으로 조절한다.
그리고 주파수 제어부(222)는 주파수 제어 신호를 전압 크기 제어부(223)과 위상 제어부(224)에 전달한다.
이에 따라 제어부(220)의 전압 크기 제어부(223)는 수신한 주파수 제어 신호에 따라 컨버터(200)의 출력 교류 전압의 크기를 조절할 수 있다.
구체적으로, 전압 크기 제어부(223)는 일정(Constant) V/f 제어 방식에 따라 조절될 주파수의 크기에 대응하는 교류 전압의 크기를 계산한다.
전압 크기 제어부(223)는 비례 적분 제어 방식을 통해 현재 교류 전압의 크기를 계산된 교류 전압의 크기로 조절한다.
전압 크기 제어부(223)가 출력 교류 전압의 크기를 계산된 교류 전압의 크기로 제어하기 위한 신호는 동작 제어부(225)에 전달된다.
그리고 동작 제어부(225)는 기준 전압 형태의 신호를 스위칭부(230)에 전달한다.
기준 전압은 스위칭부(230)에 전달되는 제어 신호일 수 있고, mcos(2πf + φ)로 나타낼 수 있다.
여기서 m은 컨버터(200)의 출력 교류 전압의 크기(Modulation index)이고, 2πf + φ은 출력 교류 전압의 위상을 나타낸다.
그리고 기준 전압에 대한 신호를 수신한 스위칭부(230)는 스위칭 동작을 통해 기준 전압에 대응하는 출력 교류 전압을 출력할 수 있다.
여기서 스위칭부(240)에 기준 전압이 전달되는 방식은 PWM(Pulse Width Modulation) 방식, MMC(Modular Multi-level Converter) 제어 방식 등 다양한 방식이 선택될 수 있다.
한편, 위상 제어부(224)는 현재 측정되는 교류 전압의 위상각을 기초로 수신한 주파수 제어 신호에 대응하는 교류 전압의 위상으로 출력 교류 전압의 위상을 조절할 수 있다.
구체적으로, 위상 제어부(224)는 현재 측정되는 교류 전압의 위상각과 조절될 교류 전압의 주파수를 기초로 조절될 교류 전압의 위상각을 계산하고, 계산된 위상각(φ)을 코사인 함수를 거쳐 상술한 기준 전압(mcos(2πf + φ))의 위상에 반영할 수 있다.
이에 따라 컨버터(200)의 출력 교류 전압의 위상은 기준 전압에 대한 신호에 포함된 교류 전압의 위상의 정보에 따라 조절된다.
상술한 과정을 통해, 컨버터(200)는 전압의 크기와 주파수가 조절된 교류 전압을 출력할 수 있다.
한편, 컨버터 제어 장치(100)는 측정된 전체 계통의 직류 전압이 기준 전압 이내에 포함되면 컨버터(200)의 출력 교류 전압의 크기를 다시 설정값 이상으로 제어할 수 있다.
다만, 컨버터(200)가 출력 교류 전압을 설정값으로 출력하다 설정값보다 큰 교류 전압을 출력하게 되면 컨버터(200)에 연계된 풍력 발전 단지(300)에서 돌입 전류가 발생할 수 있다.
여기서 돌입 전류는 순간적으로 흐르는 전류의 크기가 증가하여 흐르는 전류를 의미하며, 돌입 전류에 대한 내용은 공지된 사실이므로 자세한 설명은 생략한다.
이에 따라 컨버터 제어 장치(100)는 돌입 전류의 발생을 방지하기 위한 돌입 전류 방지 제어 동작을 할 수 있다.
컨버터 제어 장치(100)의 돌입 전류 방지 제어 동작을 도 11을 참고하여 설명한다.
도 11은 컨버터 제어 장치(100)의 돌입 전류 방지 동작에 대한 흐름도이다.
도 11을 참고하면, 모니터링부(110)는 컨버터 제어 장치(100)가 연계된 전체 계통의 직류 전압을 측정한다(S200).
모니터링부(110)는 측정된 직류 전압을 제어부(120)에 전달한다.
제어부(120)는 측정된 직류 전압이 기준 전압 이내인지 판단한다(S210).
제어부(120)는 측정된 직류 전압과 기준 전압을 비교하여, 측정된 직류 전압이 기준 전압의 기설정된 범위 내에 포함되는지 판단할 수 있다.
판단 결과, 측정된 직류 전압이 기준 전압의 범위 내에 포함되면 모니터링부(110)는 컨버터(200)와 풍력 발전 단지(300) 사이의 교류 계통의 교류 전류를 측정한다(S210).
모니터링부(110)는 측정된 교류 전류를 제어부(120)에 전달한다.
예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 컨버터(200)에 복수의 풍력 발전기가 연계된 경우에 모니터링부(110)는 복수의 풍력 발전기와 컨버터(200)가 연결된 공통부분에서 교류 전류를 측정할 수 있다.
그리고 도 5에 도시된 바와 같이, 모니터링부(110)는 복수의 컨버터(200)에 각각의 풍력 발전 단지(300)가 연계된 경우에 각각의 컨버터(200)와 각각의 풍력 발전 단지(300) 사이의 교류 계통의 교류 전류를 각각 측정할 수 있다.
한편, 제어부(120)는 컨버터(200)가 측정한 교류 전류에 대한 측정값을 통신부(130)를 통해 전송받을 수도 있다.
제어부(120)는 측정된 교류 전류를 기초로 측정된 교류 전류의 크기가 기 설정된 기준값 이상인지 판단한다(S220).
제어부(120)는 측정된 교류 전류의 크기를 기 설정된 기준값과 비교하여 측정된 교류 전류의 크기가 기준값 이상인지 판단할 수 있다.
그리고 다른 실시예로 제어부(120)는 측정된 교류 전류의 변화량을 산출할 수 있고, 산출된 교류 전류의 변화량이 기 설정된 기준값 이상인지 판단할 수 있다.
판단 결과, 측정된 교류 전류의 크기가 기준값 이상이면 제어부(220)는 기 설정된 비율로 컨버터(200)의 출력 교류 전압이 증가하는 컨버터 동작 신호를 생성한다(S230).
제어부(120)는 컨버터(200)의 출력 교류 전압의 크기를 조절할 수 있고, 출력 교류 전압의 크기가 기 설정된 비율로 증가하도록 제어할 수 있다.
구체적으로 제어부(120)는 주파수 제어부(222)의 주파수 제어를 통해 출력 교류 전압의 크기를 조절할 수 있고, 조절되는 교류 전압의 주파수를 기 설정된 비율로 증가하도록 제어할 수 있다.
예를 들면, 제어부(120)의 컨버터 동작 신호를 통신부(250)를 통해 수신한 주파수 제어부(222)는 주파수 제어 신호를 기 설정된 비율로 증가하도록 할 수 있다.
따라서 제어부(120)는 컨버터(200)의 출력 교류 전압이 증가하는 컨버터 동작 신호를 생성할 수 있다.
한편, 제어부(120)는 복수의 컨버터(200)가 각각의 풍력 발전 단지(300)와 연계된 경우에 각각의 컨버터(200)에 대응하는 컨버터 동작 신호를 각각 생성할 수 있다.
또한, 제어부(120)는 복수의 컨버터(200)가 기설정된 시간 간격으로 각각 순차적으로 동작하는 컨버터 동작 신호를 생성할 수도 있다.
한편, 단계 S220에서 제어부(120)가 측정된 교류 전류의 변화량이 기 설정된 기준값 이상인지 판단한 경우에는 측정된 교류 전류의 변화량이 기준값 이상이면 제어부(120)는 기 설정된 비율로 컨버터(200)의 출력 교류 전압이 증가하도록 제어할 수 있다.
통신부(130)는 생성된 컨버터 동작 신호를 컨버터(200)에 송신한다(S240).
제어부(120)는 단계 S230에서 생성된 기 설정된 비율로 교류 전압이 증가하는 제어 신호를 통신부(130)를 통해 컨버터(200)에 전달할 수 있다.
이에 따라 컨버터(200)는 수신한 컨버터 동작 신호를 기초로 스위칭부(240)의 동작을 제어할 수 있다.
구체적으로, 동작 제어부(225)는 주파수 제어부(222)가 생성한 주파수 제어 신호를 기초로 스위칭부(240)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다.
이에 따라 스위칭부(240)가 스위칭 동작을 하게 되고, 컨버터(200)에서 출력되는 교류 전압의 크기가 기 설정된 비율로 증가할 수 있다.
그래서 컨버터(200)에서 출력되는 교류 전압의 크기가 기 설정된 비율로 증가함에 따라 컨버터(200)에 연계된 풍력 발전 단지(300)에서 돌입 전류가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
한편, 통신부(130)는 복수의 컨버터(200)가 각각의 풍력 발전 단지(300)와 연계된 경우에 각각의 컨버터(200)에 대응하는 컨버터 동작 신호를 각각 전달할 수 있다.
예를 들어 단계 S230에서 제어부(120)가 복수의 컨버터(200)가 기설정된 시간 간격으로 각각 순차적으로 동작하는 컨버터 동작 신호를 생성한 경우, 통신부(130)는 생성된 컨버터 동작 신호를 각각의 컨버터(200)에 전달할 수 있다. 이에 따라 각각의 컨버터(200)는 수신한 컨버터 동작 신호를 기초로 기 설정된 시간 간격으로 각각 순차적으로 동작할 수 있다. 그래서 복수의 풍력발전단지(300)에 포함되는 복수의 풍력 발전기가 동시에 전체 계통에 연계되지 않아서 돌입 전류의 발생을 방지할 수 있다.
이상에서 실시 예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 복수의 컨버터를 제어하는 컨버터 제어 장치에 있어서,
    상기 복수의 컨버터가 연결된 전체 계통의 직류 전압을 감지하는 모니터링부;
    상기 감지된 전체 계통의 직류 전압을 기초로 상기 복수의 컨버터 각각의 교류 전력과 직류 전력 간의 변환 동작을 제어하는 컨버터 동작 신호를 생성하는 제어부; 및
    상기 생성된 컨버터 동작 신호를 상기 복수의 컨버터 각각에 전송하는 통신부를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 복수의 컨버터 중 하나 이상과 연결된 풍력 발전 단지 사이의 교류 계통의 교류 전류의 크기가 기준값 이상이면 상기 복수의 컨버터 각각의 출력 교류 전압의 크기가 기 설정된 비율로 증가하도록 제어하는
    컨버터 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 교류 전류의 변화량이 기 설정된 기준값 이상인지 판단하여 상기 복수의 컨버터 각각의 출력 교류 전압의 크기가 기 설정된 비율로 증가하도록 제어하는
    컨버터 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 컨버터 동작 신호를 수신한 상기 복수의 컨버터 각각이 기 설정된 시간 간격으로 각각 순차적으로 동작하도록 제어하는
    컨버터 제어 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 컨버터 동작 신호는
    상기 복수의 컨버터 각각에 대응하는 출력 교류 전압의 주파수, 상기 출력 교류 전압의 크기 중 하나 이상에 대한 설정값을 포함하는
    컨버터 제어 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 통신부는
    상기 복수의 컨버터 각각으로부터 상기 교류 계통의 교류 전류의 크기에 대한 신호를 수신하여 상기 제어부에 전달하고,
    상기 제어부는
    상기 전달된 교류 전류의 크기에 대한 신호를 기초로 상기 컨버터 동작 신호를 생성하는
    컨버터 제어 장치.
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