权利要求

자동 계통연계 기능을 가지는 권선형유도발전기 제어장치{A Controller device for a doubly-fed induction generator with an automatic grid synchronization}

도 1은 3상 3선식 컨버터를 가지는 권선형유도발전기용 전력변환장치 구조이다.

도 2의 권선형유도발전기 제어 알고리즘은 유효전력 제어와 무효전력제어 방법을 나타낸다.

도 3은 도 1의 권선형유도발전기용 전력변환장치에서 계통연계를 시키는 방법(동기화 방법)을 나타낸다.

도 4a는 본 발명에 따른 자동 계통연계 기능을 가지는 권선형유도발전기 제어 장치의 구성도이다.

도 4b는 본 발명에 따른 자동 계통연계 기능을 가지는 권선형유도발전기의 유효전력 제어 및 무효전력제어 방법을 나타낸 블록도이다.

도 5는 자동 계통연계 기능을 갖으면서 유효전력제어와 무효전력제어를 수행할 수 있는 알고리즘과 AC-DC-AC 전력변환장치를 함께 도시한 권선형유도발전기 제어장치를 나타낸다.

도 6은 자동 계통연계 방법을 블록도로 표시한 것이다.

도 7은 본 발명에 따른 자동 계통연계 기능을 가지는 권선형유도발전기 제어장치에서 발전기 속도가 960rpm인 조건에서 동기화 추종 특성을 보여주는 실험 파형도이다.

도 8은 도 7과 같은 특성을 나타낸 것으로, 본 발명에 따른 자동 계통연계 기능을 가지는 권선형유도발전기 제어장치에서 발전기 속도가 1440rpm인 조건만 차이가 있다.

도 9는 본 발명에 따른 자동 계통연계 기능을 가지는 권선형유도발전기 제어장치에서 발전기 속도를 960rpm으로 운전하는 조건에서 동기화 제어를 수행하였을 때, 권선형유도발전기의 고정자 권선으로 유기된 상전압과 계통 전압의 상전압을 비교한 실험 파형이다.

도 10은 도 9와 같은 특성을 나타낸 것으로, 본 발명에 따른 자동 계통연계 기능을 가지는 권선형유도발전기 제어장치의 발전기 속도만 1440rpm에서 관측한 특성이다.

도 11은 엔코더 실장 위치를 180도 만큼 위치를 이동시킨 조건에서의 본 발명에 따른 자동 계통연계 기능을 가지는 권선형유도발전기 제어장치의 제어 특성을 나타낸다.

도 12는 본 발명에 따른 자동 계통연계 기능을 가지는 권선형유도발전기 제어장치를 이용하여 1.2MV 권선형유도발전기의 최대 유효 전력 조건에서의 고정자, 회전자, 계통 측에서의 역률제어 특성을 나타낸다.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

410 : 권선형유도발전기(DFIG) 420 : 계통(Grid)

430 : 전력변환장치(Power Converter) 440 : 제어수단

450 : 슬립 각도 계산기 451 : 저역통과필터(LPF)

460 : 동기화수단 461 : PI제어기

462 : 제한기(Limiter)

본 발명은 권선형유도발전기 제어장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 종래의 유효전력과 무효전력을 제어하는 권선형유도발전기에 슬립 각도 계산기 및 동기화 수단을 구비함으로써 자동 계통연계 기능을 가지는 권선형유도발전기 제어장치에 관한 것이다.

일반적인 농형유도발전기에 추가적으로 회전자 권선을 갖도록 하여 슬립 전력을 제어할 수 있는 구조로 제작된 권선형유도발전기(Doubly-fed Inductor Generator, DFIG)에 대한 전력변환장치(power converter)에 관한 것이다.

전력변환장치의 역할은 블레이드(또는 터빈, 수차)에서 회수한 기계적 에너지를 발전기를 통해 전기적 에너지로 변환시킬 때, 가변 특성을 갖는 풍속(또는 유속) 특성으로 말미암아 가변전압·가변 주파수 특성을 갖는 저품질 에너지를 생산하게 되는데 이를 정전압·정주파수를 갖는 고품질 에너지로 정제하는 것이다. 여기서 전력변환장치는 AC를 DC로 변환한 다음 다시 AC로 변환하는 AC-DC-AC 변환기 능을 내장하는 back-to-back 구조이다.

상기 권선형유도발전기를 적용한 풍력발전 시스템의 95％ 이상에서 SCR(silicon control rectifier)를 이용한 soft starter를 채용하고 있으며 계통측 컨버터에서는 3상 다이오드 정류기 구조를 가지는 전력변환장치 구조를 갖는다.

상기 SCR를 이용할 soft starter방식에서 역률은 수동 커패시터를 부착하여 제어하며, 계통측으로 넘어오는 에너지는 제동 저항을 사용하여 열로 소모한다. 그러므로 의도적으로 유효전력과 역률제어를 수행할 수 없으며, 발전량의 20％ 정도가 회전자 권선으로 회생되는데 이렇게 회생되는 에너지를 열로 버리는 구조이므로 에너지 효율 측면에서 불리하다는 문제점이 있다.

상기 SCR를 이용한 soft sfarter방식의 문제점을 개선하고자 하는 구성이 도 1의 3상 3선식 컨버터를 가지는 권선형유도발전기용 전력변환장치 구조이다. 상기 SCR를 이용할 soft starter방식의 문제점을 개선하고자 도 2의 제어방식을 이용함으로써 권선형유도발전기의 고정자측으로 회생되는 전력과 역률을 속도와 부하 조건에 관계없이 제어할 수 있고, 권선형유도발전기의 회전자 측으로 회생되는 20％ 규모의 에너지를 계통으로 회생할 수 있게 되었다.

여기서 도 2의 권선형유도발전기 제어 알고리즘은 유효전력 제어와 무효전력 제어 방법을 나타낸 것으로, 전류제어기의 입력 신호가 2개 (

와 그리고 와 )라는 것이 특징이다.

이 때 회생되는 에너지가 극대화될 수 있도록 항상 역률을 1로 제어할 수 있는 특징을 가지고 있으며, 또한 회전자 권선을 통해 발전되는 에너지가 계통측까지 전달될 수 있도록 항상 발전기측 컨버터와 계통측 컨버터 사이에 놓여있는 DC_link 전압을 일정한 크기로 제어한다.

상기 도 1의 권선형유도발전기용 전력변환장치에서 계통연계를 시키는 방법(동기화 방법)은 도 3의 방법을 적용하고 있다. 디지털 제어기에서 발전기측 컨버터와 계통측 컨버터를 각각 제어하는 형태로 구성되며, 이 경우 항상 동기화 전류 q축 성분은 0으로 유지 하고, d축 성분에

을 인가하여 고정자 권선으로 전압을 유지한다.

그러나 상기 방법은 엔코더가 어느 특정 위치에 정렬된 조건에서만 동기화된다는 문제점이 있다. 결국 이러한 방법을 적용하려면 엔코더 위치를 사전에 정의된 특정 위치에 정렬 시키는 과정이 더 요구함으로써 발전기와 전력변환장치를 설치하는 과정에서 오실로스코프와 같은 실험장치를 사용하여 정렬시키는 실험을 시행해야 하는 문제점이 있다. 즉, 엔코더의 위치를 출하되는 발전기마다 동일한 위치에 실장하는 것이 불가능하며, 최소 0도에서 최대 360도까지 기계적 위상 오차를 발생시킬 수 있다.

따라서 임의의 엔코더 위치에 대해서도 자동으로 계통연계를 수행함과 동시에 종래의 제어 알고리즘 특성을 유지할 수 있는 권선형유도발전기용 전력변환장치가 요구된다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 종래의 유효전력과 무효전력을 제어하는 권선형유도발전기에 슬립 각도 계산기 및 동기화 수단을 구비함으로써 자동 계통연계 기능을 가지는 권선형유도발전기 제어장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자동 계통연계 기능을 가지는 권선형유도발전기 제어장치는 권선형유도발전기, 상기 권선형유도발전기와 연결된 계통, 상기 권선형유도발전기와 계통 사이에 연결된 전력변환장치, 상기 전력변환장치를 제어하는 제어수단을 포함하는 권선형유도발전기 제어장치에 있어서, 상기 권선형유도발전기로부터 발전기의 회전 각도( θ _r )를 입력받고 동기화수단으로부터 발생된 오프셋 각도( θ _offset )를 입력받아 고정자 전압으로부터 계산된 고정자 각도( θ _s )를 입력받아 슬립 각도( θ _sl )를 상기 제어수단으로 출력하는 슬립 각도 계산기와; 위상 동기를 제어하기 위하여 오프셋 각도( θ _offset )를 계산하여 상기 슬립 각도 계산기로 출력하고, 회전자 전류의 d축 전류 성분의 보상 성분( i _{dre_comp} )과 회전자 전류의 q축 전류 성분( i _{qre_comp} )을 상기 제어수단으로 출력하는 동기화수단을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직한 구현예로서, 상기 동기화 수단은 고정자 권선으로부터 유기된 전압과 계통 전압의 위상이 같아지도록 만들기 위하여, 고정자 권선으로부티 유기된 전압의 d축 성분(

)과 계통 전압의 d축 성분( ) 사이의 전압 오차( △

υ

_ds )가 0이 되도록 제어하는 PI제어기를 더 포함하고 상기 PI제어기의 출력을 엔코더의 위상각을 보정하기 위하여 오프셋 각도( θ

_offset )로 결정하고, 상기 전압 오차( △

υ

_ds )와 오프셋 각도( θ

_offset )는 아래 수학식으로 도출되는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 동기화 수단은 고정자 권선으로부터 유기된 전압과 계통 전압의 크기가 같아지도록 만들기 위하여, 고정자 권선으로부터 유기된 전압의 q축 성분(

)과 계통 전압의 q측 성분( ) 사이의 오차(△

υ

_qs )가 0이 되도록 하는 제어기를 이용하며 그 출력을 d축 보상 전류 성분으로 결정하며 q축 보상 전류 성분(

i

_{qre_comp} )은 언제나 0이 되도록 아래 수학식으로 도출되는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 동기화 수단은 회전자 전류의 d축 보상 전류 성분( i _{dre_comp} )이 상기 PI제어기 출력에 의하여 급격하게 증가하는 것을 방지하기 위하여 제한기(Limiter)를 더 포함하고, 수렴 속도를 증가시키기 위하여 되먹임 (feedback) 성분( i _{dre_comp_ff} )을 더 가진 형태로 d축 보상 전류 성분( i _{dre_comp} )를 아래 수학식으로 도출되는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 되먹임 성분은

으로 설정하고, 상기 제한기는 의 100％이하가 되고, 상기 되먹임 성분(

i

_{dre_comp_ff} )은 아래 수학식으로 도출되는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 슬립 각도 계산기는 고정자 권선으로부터 유기된 전압으로 계산되는 고정자 전압 각도( θ _s )와 발전기 회전 각도( θ _r )와 상기 동기화 수단으로부터 출력되는 오프셋 각도( θ _offset )를 이용하여 슬립 각도( θ _sl )를 결정하고, 상기 슬립 각도( θ _sl )는 아래 수학식으로 도출되는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 제어수단은 고정자 권선에서의 유효전력과 무효전력을 제어할 수 있도록 하기 위하여 유효전력 제어 출력으로 결정되는 회전 자 전류의 q 축 기준치 성분과 실제 회전자 전류의 q 축 성분이 만나는 위치에서 q 축 보상전류 성분( i _{qre_comp} )이 합성되도록 하고, 무효전력 제어 출력으로 결정되는 회전자 전류의 d 축 기준치 성분과 실제 회전자 전류의 d 축 성분이 만나는 위치에서 d축 보상 성분( i _{dre_comp} )이 합성되도록 하여 d축과 q축 전류를 제어하고, d축 PI제어기의 입력(

)와 q축 PI제어기의 입력( )은 아래 수학식으로 도출되는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 슬립 각도 계산기는 고정자 권선으로 유기된 전압( υ _at' υ _bt' υ _ct )로부터 dq 좌표계로 변환하여

, 을 계산할 때, 5kHz 근방의 차단 주파수를 갖도록 하는 저주파 통과 필터(LPF)를 더 포함하고, 상기 저주파 통과 필터를 통과한 전압(

υ

_atf'

υ

_btf'

υ

_ctf )은 아래 수학식으로 도출되는 것을 특징으로 하는 자동 계통연계 기능을 가지는 권선형유도발전기 제어장치.

이하, 본 발명에 따른 자동 계통연계 기능을 가지는 권선형유도발전기 제어장치의 구성 및 작용을 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면 번호에 상관없이 동일한 수단에 대하여는 동일한 참조번호를 사용하기로 한다.

도 4a는 본 발명에 따른 자동 계통연계 기능을 가지는 권선형유도발전기 제이 장치의 구성도이다.

도 4a를 참조하면 본 발명에 따른 자동 계통연계 기능을 가지는 권선형유도발전기 제어 장치는 권선형유도발전기(410), 상기 권선형유도발전기와 연결된 계통(420), 상기 권선형유도발전기와 계통 사이에 연결된 전력변환장치(430), 상기 전력변환장치를 제어하는 제어수단(440), 슬립 각도 계산기(450), 동기화 수단(460)을 포함하여 구성된다.

여기서 상기 제어수단(440)은 고정자 권선에서의 유효전력과 무효전력을 제어할 수 있도록 하기 위하여 유효전력 제어 (또는 속도제어, 토크제어) 출력으로 결정되는 회전자 전류의 q 축 기준치 성분과 실제 회전자 전류의 q 축 성분이 만나는 위치에서 q축 보상전류 성분( i _{qre_comp} )이 합성되도록 하고, 무효전력 제어(또는 역률제어) 출력으로 결정되는 회전자 전류의 d 축 기준치 성분과 실제 회전자 전류의 d 축 성분이 만나는 위치에서 d축 보상 성분( i _{dre_comp} )이 합성되도록 하여 d축과 q축 전류를 제어한다.

여기서 슬립 각도 계산기(450)는 상기 권선형유도발전기(410)로부터 발전기의 회전 각도( θ _r )를 입력받고 동기화수단(460)으로부터 발생된 오프셋 각도( θ _offset )를 입력받아 고정자 전압으로부터 계산된 고정자 각도( θ _s )를 입력받아 슬 립 각도( θ _sl )를 상기 제어수단(440)으로 출력한다.

상기 슬립 각도 계산기(450)는 고정자 권선으로부터 유기된 전압으로 계산되는 고정자 전압 각도( θ _s )와 발전기 회전 각도( θ _r )와 상기 동기화 수단(460)으로부터 출력되는 오프셋 각도( θ _offset )를 이용하여 슬립 각도( θ _sl )를 결정한다. 이 경우 슬립 각도( θ _sl )는 슬립 전력(또는 슬립 속도)을 제어할 수 있도록 좌표변환 과정에서 사용된다. 이러한 관계는 후술할 수학식 (22)과 같이 표현된다.

또한 상기 슬립 각도 계산기(450)는 고정자 권선으로 유기된 전압 υ _at' υ _bt' υ _ct 로부터 dq 좌표계로 변환하여

, 을 계산할 때, 5kHz 근방의 차단 주파수를 갖도록 하는 저주파 통과 필터(LPF)(451)를 더 포함한다. 이러한 관계는 후술할 수학식 (4)∼(6)과 같이 표현된다.

여기서 동기화 수단(460)은 위상 동기를 제어하기 위하여 오프셋 각도( θ _offset )를 계산하여 상기 슬립 각도 계산기(450)로 출력하고, 회전자 전류의 d축 전류 성분의 보상 성분( i _{dre_comp} )과 회전자 전류의 q축 전류 성분( i _{qre_comp} )을 상기 제어수단(440)으로 출력한다.

상기 동기화 수단(460)은 고정자 권선으로부터 유기된 전압과 계통 전압의 위상이 같아지도록 만들기 위하여, 고정자 권선으로부터 유기된 전압의 d축 성분(

)과 계통 전압의 d축 성분( ) 사이의 전압 오차(△

υ

_ds )가 0이 되도록 PI 제어기를 사용하여 제어하며 PI 제어기(461)의 출력을 엔코더 위상각을 보정하기 위한 오프셋 각도( θ

_offset )를 출력한다. 이러한 관계는 후술할 수학식 (7)∼(8)과 같이 표현된다.

상기 동기화 수단(460)은 고정자 권선으로부터 유기된 전압과 계통 전압의 크기가 같아지도록 만들기 위하여, 고정자 권선으로부터 유기된 전압의 q축 성분 (

)과 계통 전압의 q축 성분( ) 사이의 오차(△

υ

_ds )가 0이 되도록 PI제어기(461)를 사용하여 제어하며 PI 제어기의 출력으로 d축 보상 전류 성분(

i

_{dre_comp} )을 출력한다. 또한 q축 보상 전류 성분(

i

_{qre_comp} )은 언제나 0으로 설정한다. 이러한 관계는 후술할 수학식 (9)∼(10)과 도 6에서와 같이 표현된다.

또한 상기 동기화 수단(460)은 회전자 전류의 d축 보상 전류 성분( i _{dre_comp} )이 상기 PI제어기(461) 출력에 의하여 급격하게 증가하는 것을 방지하기 위하여 제한기(Limiter)(462)를 더 포함하고, 수렴 속도를 증가시키기 위하여 되먹임(feedback) 성분을 가진다. 이러한 관계는 후술할 수학식 (11)∼(14)과 도 6에서와 같이 표현된다.

여기서 상기 되먹임 성분은

으로 설정하고, 상기 제한기(462)는 의 100％이하에서 조정 가능하며, 아래와 같다.

이하에서는 본 발명에 따른 자동 계통연계 기능을 가지는 권선형유도발전기 제어 장치에 의하여 임의의 엔코더 위치에 대하여 자동으로 계통연계를 수행할 수 있고, 동작시 가변될 수 있는 계통 전압( E )과 주파수(ω _e )에 강인하며, 발전기 등가정수인 상호 인덕턴스( L _o )의 변이 조건에서 항상 계통연계를 위한 동기 조건을 만족시켜 줄 수 있는 자동 동기화 방식을 제시한다.

또한 권선형유도발전기의 회전자 전류를 dq 좌표계로 표시할 때 d축 성분과 q축 성분으로 분리할 수 있다. 이때 고정자 측으로 유기되는 전압의 d 축 성분과 계통측 전압의 d축 성분 차이를 PI제어기(461)의 입력 (error signal)이 되도록 하고 PI제어기(461)의 결과를 동기화를 위한 오프셋 각도(θ _offset ) 가 되도록 설계하였고, 고정자측으로 유기되는 전압의 q 축 성분이 계통측 전압의 q 축 성분과 동일하게 되도록 PI 제어기를 이용하여 설계한 후 PI 제어기의 출력을 회전자 전류의 d축 성분에 추가되는 보상 성분이 되도록 설계하였다,

발전기 속도를 제어하거나 유효전력을 제어하는 경우가 아닌 초기 동기화 단계에서는 회전자의 d 축 전류 성분은 동기화를 위해 추가된 보상 성분과 그 크기가 같게 되고 d 축 전류 성분이 고정자측으로 유기되는 고정자 전압의 크기를 조절할 수 있는 파라미터로 동작됨을 의미한다.

여기서 PI( )은 PI 제어기를 나타내며, f ( i _{dre_comp} )는 i _{dre_comp} 의 함수라는 것을 나타낸 것이다. 그리고 계통 측 전압의 d 축 전압과 q 축 전압 성분을 각각 υ _{ds 1 '} υ _{qs 1} 으로 표시하였으며 고정자 권선으로 유기된 전압의 d 축 전압과 q 축 전압 성분을 각각 υ _{ds 2 '} υ _{qs 2} 로 표시하였다.

도 4b는 종래의 권선형유도발전기 유효전력제어와 무효전력 제어 방법을 나타낸 도 2에 대하여 자동 연계 동기화 블록(block)인 동기화 수단(460)을 더 포함하고 있으며, 슬립 각도(θ _sl ) 을 계산하는 부분에 있어서 차이를 갖는 것으로 본 발명에 따른 자동 계통연계 기능을 가지는 권선형유도발전기의 유효전력 제어 및 무효전력제어 방법을 나타낸 블록도이다.

여기서 3상 계통전압을 각각 V _as' V _bs' V _cs 으로 정의하고, 각각의 계통전압을 저주파 필터(Low Pass Filter, LPF)(451)에 통과시킨 후의 전압을 v _astf' v _bstf' υ _cstf 라고 할 때, 각각의 전압식은 아래의 수학식 (1)∼(3)과 같다.

다음으로, 고정자 권선으로 유기된 전압을 υ _at' υ _bt' υ _ct 라고 정의하고, 각각의 전압을 저주파필터(451)에 통과시킨 후의 전압을 υ _atf' υ _btf' υ _ctf 라고 할 때, 각각의 전압식은 아래 수학식 (4)∼(6)과 같다.

한편, 계통 전압을 필터링한 상기 전압식 (1)∼(3)으로 표현된 전압 v _astf , v _bstf , v _cstf 을 dq 조표계로 변환하여 계산된 값을

, 으로 정의하고, 고정자 권선 전압을 필터링한 상기 전압식 (4)∼(6)으로 표현된 전압

υ

_atf'

υ

_btf'

υ

_ctf 을 dq 좌표계로 변환하여 계산된 값을 , 로 정의하자.

상술한 바와 같이 각각의 전압들을 정의한 후, 동기화를 위한 오프셋(offset) 각도( shift_angle _{Induced_stator_voltage} , θ _offset )는 전압의 d축 성분을 동일하도록 제어하는 것으로부터 얻을 수 있다. 즉,

과 의 차이에 따라 위상을 이동시킴으로써 위상동기를 맞출 수 있는 것이다.

이는 PI 제어기(461)를 통하여 오프셋 각도를 추출하며, 아래 수학식 (7)∼(8)과 같이 표현할 수 있다.

다음으로 계통전압 크기와 동일하도록 고정자 권선으로 전압을 유기시키기 위해서는 기본적으로 전압의 q축 성분을 동일하도록 제어하여야 한다. 즉,

과 의 차이를 △

υ

_qs 으로 정의할 때 △

υ

_qs 값에 따라 회전자 전류의 d 축 전류 성분의 보상 성분(

i

_{dre_comp} )이 되도록 하면 된다.

여기서 PI제어기(461) 출력이 과도하게 커지는 것을 방지하도록 제한기(Limiter)(462)를 더 추가할 수 있고, 속응성을 높이기 위해 feedforward 항( i _{dre_comp_ff} )을 추가할 수 있으며, 아래의 수학식 (9)∼(13)과 같이 표현할 수 있다. 여기서 되먹임(feedforward) 항( i _{dre_comp_ff} ) 값은

로 설정한다.

상기 수학식 (10)에서 i _{dre_comp1} 은 전압 오차(△ υ _qs )에 대하여 PI제어기를 통과한 후의 결과이며 학식 (11)에서 i _{dre_comp2} 는 i _{dre_comp1} 에 대하여 제한기를 통과한 후의 결과이다. 결국 수학식 (13)에서 d축 전류 보상 성분( i _{dre_comp} )은 제한기를 통과한 성분( i _{dre_comp2} )과 되먹임 성분( i _{dre_comp_ff} )의 합성된 값으로 표현된다.

또한 회전자 전류의 q축 전류 성분의 보상 성분( i _{qre_comp} )은 아래 수학식 (14) 과 같이 0으로 설정한다. 이를 통하여 도 3의 종래의 동기화 방법은 본 발명에 따른 자동 계통연계 기능을 가지는 권선형유도발전기 제어장치의 구현 방법에서 되먹임(feedforward) 항 ( i _{dre_comp_ff} ) 값만 존재하는 형태라는 것을 알 수 있다.

지금까지 회전자 전류의 d축 전류 성분의 보상 성분( i _{dre_comp} )과 회전자 전류의 q축 보상 성분( i _{qre_comp} )을 구하는 방법을 살펴보았다. 다음으로, 자동 계통연계 기능을 가지는 권선형유도발전기 제어장치의 제어 알고리즘에 대하여 설명한다.

종래의 여러 선행 문헌에서 제시한 것과 같이 권선형유도발전기의 고정자 권선으로 출력되는 고정자 권선의 유효전력의 크기는 회전자 전류의 q축 성분으로 제어할 수 있으며, 고정자 권선의 무효전력 크기는 회전자 전류의 d축 성분으로 제어할 수 있다.

이러한 제어에 대한 관계를 식으로 표현하면 아래의 수학식 (15)∼(16)으로 표현할 수 있다.

고정자 권선의 유효전력과 무효전력을 제어하도록 하는 제어기 출력으로부터 d축과 q축에 대한 기준 전류값을 얻을 수 있고, 이 기준 전류값을 추종하도록 전류 제어기를 설계하는 것이 종래의 방식이다. 즉 d축과 q축 각각에 대한 오차가 0이 되도록 제어하는 것을 의미한다.

여기서 종래의 슬립 각도을 계산할 때, 고정자 전압으로부터 계산한 고정자 각도와 발전기 회전 각도을 이용하여 슬립 각도을 계산하는 방법을 이용하고 있다. 이를 수식으로 표현하면 아래의 수학식 (17)∼(19)과 같다.

그러나 본 발명에 따른 자동 계통연계 기능을 가지는 전력변환유도발전기 제어장치는 고정자 권선에서의 유효전력과 무효전력을 제어할 수 있도록 앞서 도출한 바와 같이, 동기화를 위해 필요한 d축 전류 보상 성분( i _{dre_comp} )과 q축 전류 보상 성분( i _{qre_comp} )을 추가하여 전류제어기 입력 부분을 수정하고 동기화를 위한 오프셋 각도을 추가하여 수정한다.

여기서 유효전력제어기( 또는 속도제어기, 토크제어기) 출력을

무효전력제어기 (혹은 역률제어기) 출력을 이라 하고 동기화를 위해 필요로 하는 d 축 동기화 전류를

i

_{dre_comp} , q축 동기화 전류를

i

_{qre_comp} 으로 표시할 때 d 축 전류 제어용 PI 제어기 입력( )과 q 축 전류 제어용 PI 제어기 입력( )은 아래에서 설명한다.

이것이 본 발명의 목적을 달성하기 위한 자동 계통연계 기능을 수행하는 특징이며, 이러한 사항을 수식으로 표현하면 아래의 수학식 (20)∼(22)과 같다.

도 5는 자동 계통연계 기능을 갖으면서 유효전력제어와 무효전력제어를 수행할 수 있는 알고리즘과 AC-DC-AC 전력변환장치를 함께 도시한 권선형유도발전기 제어장치를 나타낸다. 특히 자동 계통연계 기능을 갖으면서 종래의 유효전력제어와 무효전력제어를 수행할 수 있는 알고리즘으로서 본 발명의 핵심이다.

도 6은 자동 계통연계 방법을 블록도로 표시한 것으로, 도 5에서 요구하는 동기화 전류 d 축 성분과 동기화 전류 q 축 성분, 그리고 동기화 오프셋 각도(θ _offset )를 계산해 주어 자동적으로 동기화를 구현하는 계통연계 알고리즘으로서 본 발명의 또 다른 핵심이다.

이하 본 발명에 따른 자동 계통연계 기능을 가지는 권선형유도발전기 제이장치의 특성을 검증하고자 권선형유도발전기의 운전 속도, 엔코더 위치와 실부하 크기를 변동시킴에 따른 실험데이터를 제시한다.

도 7은 본 발명에 따른 자동 계통연계 기능을 가지는 권선형유도발전기 제어장치에서 발전기 속도가 960rpm인 조건에서 동기화 추종 특성을 보여주는 실험 파형도이다.

여기서 계통 측 전압의 d 축 전압 υ _{ds 1} 과 고정자 권선으로 유기된 전압의 d 축 전압 υ _{ds 2} 와의 오차를 나타내는 △ υ _ds 에 따라 결정되는 θ _offset 특성을 알 수 있고, 동기화 전류 d, q 축 전류 보상 성분 ( i _{dre_comp} 와 i _{qre_comp} )를 함께 보여주고 있다. 특히, θ _offset 과 i _{dre_comp} 특성을 보면 시작 시점에서 이미 수렴 특성을 보여 주고 있을 정도로 속응성이 매우 좋다는 것을 알 수 있다.

도 8은 도 7과 같은 특성을 나타낸 것으로, 본 발명에 따른 자동 계통연계 기능을 가지는 권선형유도발전기 제어장치에서 발전기 속도가 1440rpm인 조건만 차이가 있다. 도 7의 경우와 마찬가지로 수렴 특성이 운전 속도에 영향을 받지 않음을 알 수 있다.

도 9는 본 발명에 따른 자동 계통연계 기능을 가지는 권선형유도발전기 제어장치에서 발전기 속도를 960rpm으로 운전하는 조건에서 동기화 제어를 수행하였을 때, 권선형유도발전기의 고정자 권선으로 유기된 상전압과 계통 전압의 상전압을 비교한 실험 파형이다.

도 9를 참조하면, a상과 b상에 대한 특성으로부터 100ms 이내(약 75ms)에서 계통을 서로 연결할 수 있을 만큼 수렴됨을 알 수 있다.

도 10은 도 9와 같은 특성을 나타낸 것으로, 본 발명에 따른 자동 계통연계 기능을 가지는 권선형유도발전기 제어장치의 발전기 속도만 1440rpm에서 관측한 특성이다. 도 10을 참조하면, 동기화 위상이 15도 오차 범위 이내에 있기만 하면 되므로 100ms 이후에는 언제든지 계통연계를 시도할 수 있는 특성을 만족함을 알 수 있다.

도 11은 엔코더 실장 위치를 180도 만큼 위치를 이동시킨 조건에서의 본 발명에 따른 자동 계통연계 기능을 가지는 권선형유도발전기 제어장치의 제어 특성을 나타낸다. 도 11을 참조하면, 엔코더의 위치를 180도 만큼 이동시킨 상태에서도 200ms이후에는 동기화 조건으로 수렴됨을 알 수 있다.

여기서 기동 단계에서 동기각의 과도 특성이 발생하는데 그 크기가 2π(6.283rad/sec) 만큼 실제 발생하는 것이 아니고 동기각이 음의 수로 발생할 때 양수화 하기 위해 2π를 더함으로 생기는 가공된 값이므로 주의하지 않아도 된다.

도 12는 본 발명에 따른 자동 계통연계 기능을 가지는 권선형유도발전기 제어장치를 이용하여 1.2MV 권선형유도발전기의 최대 유효 전력 조건에서의 고정자, 회전자, 계통 측에서의 역률제어 특성을 나타낸다. 여기서 권선형유도발전기의 발전기 속도는 1440rpm이다.

도 12를 참조하면, 본 발명에 따른 자동 계통연계 기능을 가지는 권선형유도발전기 제어장치의 고정자 측, 회전자 측, 그리고 계통측에서 각각 조사한 파형으로 양호한 제어 품질을 가진다는 것을 검증할 수 있다.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였지만 본 발명의 범위는 전형적인 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니며 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 개량, 변경, 대체 또는 부가하여 실시할 수 있는 것임은 당해 기술분야에 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 이러한 개량, 변경, 대체 또는 부가에 의한 실시가 이하의 첨부된 특허청구범위의 범주에 속하는 것이라면 그 기술사상 역시 본 발명에 속하는 것으로 보아야 한다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 자동 계통연계 기능을 가지는 권선형유도발전기 제어장치는 임의의 엔코더 위치에서 가변될 수 있는 계통 전압( E ), 계통 주파수(ω _e ), 권선형유도발전기의 상호 인덕턴스( L _o )의 변동 조건에서도 계통과 연계시켜 줄 수 있도록 자동으로 동기화시킴으로써 아래와 같은 효과가 있다.

첫째, 일률적으로 엔코더를 특정 위치에 실장할 수 없는 조건에서 발생하는 개별적인 동기화 각도의 재설정(재튜닝) 과정을 제외할 수 있게 되어 작업 시간, 비용을 감소시키는 효과가 있다.

둘째, 풍속 조건이나 계통 조건의 이상으로 인하여 운전이 정지되었다가 재기동해야 하는 과정이 빈번한데 이러한 경우에 빠른 속응성을 통하여 자동적으로 기동하여 운전 기동을 빠르게 수행하는 효과가 있다.

셋째, 본 발명의 권선형유도발전기에서 생성된 에너지를 계통으로 발전시키고 있는 운전 모드에서도 동기화를 위한 d, q 축 보상 전류가 항시 공급하고 있기 때문에 전류제어기 구현 단계에서 과도 특성을 개선하기 위해 일반적으로 적용하고 있는 decoupling 제어항을 포함할 필요가 없는 특성을 제공하는 효과가 있다.

넷째, 종래의 Bach-to-Back(AC/DC/AC) 전력변환장치 구조를 가지는 양방향 에너지 수수형 전력변환장치에서 가지는 고정자 권선에서의 유효전력과 무효전력 제어 특성을 그대로 보유하고 있으며, 회전자 권선으로 에너지를 회생할 수 있는 특성을 보유하는 효과가 있다.

다섯째, 계통연계를 수행하기 위하여 SCR과 같은 전력용 반도체를 필요로 하지 않고, 저가의 마그네트 스위치를 사용하여 제조 비용을 감소시키는 효과가 있다.

여섯째, 본 발명에 따른 자동 계통연계 기능을 가지는 권선형유도발전기 제어장치의 전력변환장치를 사용하여 권선형유도발전기를 가지는 풍력발전 시스템, 조류발전 시스템, 조력발전 시스템, 파력발전 시스템 등의 제어장치에도 직접 활용될 수 있는 효과가 있다.