이중 권선형 유도 발전기 시스템의 제어 및 보호{control and protection of a doubly-fed induction generator system}

본 발명은 이중 권선형 유도 발전기(double-fed induction generator, DFIG)의 제어에 관한 것으로 특히 풍력 생성에 사용되는 것에 관한 것이다.

풍력을 사용해 전기 에너지를 생성하는 것과 관련된 기본적인 문제점의 하나는 에너지 효율을 향상시키고 풍력 터빈 상의 기계적 부하를 감소시키기 위해 풍속에 따라 터빈 속도가 변해야한다는 것이다. 그러나, 터빈 속도의 변화에도 불구하고, 풍력 발전기의 출력은 발전기가 연결된 전력 분배 네트워크 또는 그리드(grid)의 주파수에 대응하는 일정한 주파수로 유지되어야 한다. 즉, 변속 정주파수(variable speed constant frequency, VSCF)가 바람직하다. 풍력 발전에 있어서, VSCF 동작을 달성하기 위해, 이중 권선형 유도 발전기(double-fed induction generators, DFIG)가 사용되었다; DFIG들에 관한 시스템들은, 예를 들어, 하기 예들에 공개되어 있다:

Pena, RS, et al., "Vector Control of a Variable Speed Doubly-Fed Induction Machine for Wind Generation Systems", EPE Journal, Vol. 6, no 3-4, December 1996, pp. 60-67

Weiss, H., "Rotor Circuit GTO Converter for Slip Ring Induction Machines", ENE-97(Trondheim), pp. 2717-2728

JP-A-07-067393

JP-A-07-194196

종래의 DFIG 시스템은 도 1에 도시되어 있다. 전기 다상(이 경우 3상) 비동기 기계/장치에 연결된 발전기의 회전자(1)는 기어-박스(4)를 통해 풍력 터빈의 블레이드들(blades)(3)에 의해 구동되는 축(5)에 연결된다. 발전기의 고정자(2)의 권선들은, 스위치(6)를 통해, 변압기(101)에 연결된 출력선들(100)에 출력선들이 전력 분배 네트워크 또는 그리드(102), 일반적으로 중형 전압(10kV 내지 40kV) 그리드에 연결되는 수단을 이용해 연결된다. 고정자로부터의 출력선들 상의 전압은 일반적으로 약 690V이다(고정자의 정상 동작 전압 레벨로 여겨진다).

위 시스템은 각각 인덕터를 포함하는 제어선들(8)을 통해 회전자의 권선들에 연결된 회전자측 인버터(inverter) 또는 회전자 인버터(71,72,73)를 갖는 변환기(converter)(7)를 추가적으로 포함한다. 변환기(7)는 (일반적으로, 변환기측 상의 480V 레벨에서 출력선측 상의 690V로 변환하는데 사용되는) 변압기(104)에 연결된 그리드-인버터 연결선들(103)을 통해 상술된 출력선들(100)에 연결된 (그리고, 이에 의해, 그리드에 연결된) 그리드측 인버터 또는 그리드 인버터(74,75,76)를 포함한다. 변압기는 병렬로 연결된 두 개의 스위치들: 직접적으로 출력선들(100) 및 변압기(104) 사이에 위치하는 주 스위치(105) 및 충전 저항(107)과 직렬로 연결된 충전 스위치(106)를 포함하는 스위치 배열을 통해 출력선들(100)에 연결된다. 즉, 그 리드-인버터는, 변압기(104)를 통해, 그리드와 고정자 권선들에 연결된다.

두 개의 인버터들은, 기본적으로, 대칭적이다; 각 회전자-인버터 및 그리드-인버터는 발전기 및 그리드의 각 상에 대해 각각 병렬로 연결된 세 개의 반 브리지들(71,72,73;74,75,76)을 포함한다.

회전자-인버터(71,72,73)는 DC-링크(77)를 통해 공급받는다. 그리드-인버터(74,75,76)는 DC-링크(77)를 통해 전압을 제어한다.

각 반 브리지(71,72,73;74,75,76)는 직렬로 연결되고 각각 프리-휠(free-wheel) 다이오드(79)에 병렬로 연결된 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated gate bipolar transistor, IGBT)를 포함하는 두 개의 동일한 유닛들로 이루어진다.

각 반 브리지를 구성하는 두 개의 유닛들 간에는, 반 브리지가 다음에 연결된다:

- (회전자-인버터의 반 브리지들(71-73)에 대한) 각 제어선(8); 또는

- (그리드-인버터의 반 브리지들(74-76)에 대한) 각 그리드-인버터 연결선(103).

인버터들(71-76)의 IGBT들(78)의 동작은 하기 값들을 포함하는 시스템의 여러 파라미터들에 대한 값들에 대응하는 복수의 입력 신호들을 입력받도록 배치되는 제어 모듈(80)에 의해 제어된다:

I _G : 그리드와의 연결을 위한 변압기(101)와의 연결점에서의 출력선들(100) 상의 전류("그리드에 공급되는 전류"로 여겨짐);

U _G : 출력선들(100) 상의 전압("그리드에 공급되는 전압"으로 여겨짐);

I _S : 스위치(6) 및 (스위치들(105 및 106) 및 변압기(104)를 통해) 변환기에 공급하기 위한 지로 간의 회전자에 연결된 단부에서의 출력선들(100) 상의 전류("고정자 전류"로 여겨짐);

U _S : (고정자(2) 및 스위치(6) 간의) 회전자 권선들에서 측정된, 회전자 전압;

I _L : 회전자 권선들 및 회전자 인버터 서로 간을 연결하는 제어선들(8) 상의 전류; 및

암호화기(85)에 의해 측정된, 회전자의 회전 속도.

이들 입력들을 이용해, 제어 모듈(80)은 두 개의 인버터들의 PWM(펄스 폭 변조)을 제어할 수 있다.

제어 모듈(80)은 예를 들어 발전기에 의해 공급되는 실질 전력, 블레이드들의 위치들, 풍속 등의 정보들을 입력받도록 배치된 주 윈드-터빈 제어기(main wind-turbine controller)(도 1에 미도시)로부터 전력 기준 신호(PRS)를 입력받는다. 주 윈드-터빈 제어기는 윈드-터빈의 전체 동작을 담당하고 변환기(7)를 포함하는 복수의 부제어기들을 제어한다.

변환기(7)에 있어서, 전력 기준 신호는 측정된 전력과 (I _G 및 U _G 의 측정값들에 근거해) 비교되고 제어 모듈(80)의 전력 조절 루프의 출력은 회전자-인버터의 PWM을 제어한다. DC-링크는 그리드-인버터에 의해 제어된다. 정상 상태 아래서 변환기가 동작할 때 DC-링크 전압은 일정하다. 본 예의 회로에 있어서(도 1), DC-링크 전압은, 정상 상태 아래서, 800 V _DC 근처에 있을 수 있다.

기본적으로, 변환기(7)는 다음과 같이 동작한다:

변환기의 동작을 시작하기 위해, 충전 스위치(106)가 닫혀진다. 그리고 DC-링크(77)는 그리드-인버터의 충전 저항(107) 및 프리-휠 다이오드들(79)을 통해 충전될 것이다. DC-링크 상의 전압은 제어 모듈(80)에 의해 측정된다. DC-링크 상의 전압이 미리 정해진 레벨에 도달하면, 주 스위치(105)는 닫혀지고 충전 스위치(106)는 열려진다.

주 스위치(105)가 닫혀진 이후, 그리드-인버터는 시작되고 DC-링크 상의 전압을 정격치(본 예에 있어서, 약 800 V _DC )로 유지하기 위해 DC-링크 전압은 그리드 인버터에 의해 제어될 것이다. 그리드-인버터는 (발전기와 같이) 그리드에 전력을 공급할 수 있고 (모터와 같이) 그리드에서 전력을 가져올 수 있다. 그리드-인버터는 DC-링크 상의 전압에 따라 동작한다: 이 전압이 (회전자-인버터로부터의 입력에 의해) 증가 경향인 경우, 그리드-인버터는 그리드에 전력을 공급한다; DC-링크 상의 전압이 감소 경향인 경우, 그리드-인버터는 그리드에서 전력을 가져간다.

DC-링크 상의 전압이 정격치(800 V _DC )와 동일하고 윈드-터빈이 그것의 미리 정해진 속도 범위 내에서 회전하는 경우, 회전자-인버터가 시작된다; 이는 상기 제어 모듈(80)이 회전자-인버터의 반 브리지들(71-73)의 각 IGBT(78)를, 각각, 트리 거하거나 또는 트리거하지 않아, 회전자-인버터의 PWM 동작을 시작한다는 것을 의미한다. 유발되는 회전자-전류/회전자-전압과 함께, 제어 모듈(80)은 (발전기가 변압기로 작용하는 것과 같이) 상기 고정자 측을 제어한다. 상기 고정자 측에 있어서, 제어 모듈(80)은 (도면 상에 Us로 표현되고, U _SYNC 로도 알려진) AC 전압을 측정하고 고정자 전압 Us가 그리드-전압 U _G 와 동일해질때 까지 (PWM을 조절해서) 회전자-인버터를 제어한다. 양 전압이 동일해지면, 스위치(6)는 닫혀지고, 이에 따라 그리드를 상기 회전자 권선들과 연결한다. 상기 회전자-인버터의 PWM에 의해, 이제는 그리드에 제공되는 총 전력의 유효 및 무효 전력의 제어가 가능해졌다.

변환기(7)의 전력-전자 부품들은 회전자 권선들을 회전자-인버터와 연결시키는 제어선들(8)에 나타날 수 있는 높은 전류(과전류) 및 과전압으로부터 보호될 필요가 있다. 예를 들어, 그리드(102)에 단락(short circuit)이 있는 경우, 발전기(2)는 높은 회전자-전류(Is)를 단락에 공급하고 회전자-전류는 매우 급격하게 증가한다. 발전기를 보호하기 위해, 발전기를 그리드에 연결하는 스위치(6)가 개방되나, 단절이 실질적으로 일어나기까지 상당한 지연 (일반적으로 약 50 ms)이 있으며, 이 시간 동안, 높은 회전자-전류는 변환기에 손상을 줄 수 있다.

변환기를 보호하기 위해, 변환기(7)에 필요한 경우 회전자-전류들을 흡수하고 회전자-인버터에 유입되는 것을 방지하여 그들의 부품들을 보호하기 위해 회전자 권선들을 단락시키도록 소위 "크로바(crowbar)"(90)를 제공하는 것으로 알려져 있다. 이러한 기지(known)의 크로바의 기본 레이아웃에 대한 일반적인 예가 도 2에 도시되어 있다. 기본적으로, 크로바는 병렬로 배치된 세 개의 지로들(branches)을 포함하고, 각 지로들은 직렬로 연결된 두 개의 다이오드들(91,92;93,94;95,96)을 포함한다. 각 지로 내의 두 개의 다이오들 간에는, 크로바의 각 회전자 권선에 대한 연결점이 있다. 다이오드들을 구성하는 세 개의 지로들과 직렬로, 전력 사이리스터(98) 및, 선택적으로, 저항(97)을 포함하는 추가 지로가 있다. 크로바는 다음과 같이 동작한다.

정상 동작시, 사이리스터(98)는 사이리스터에 전류가 흐르지 않도록 막혀진다. 그러므로, 다이오드들(91-96)을 통해 전류가 흐를 수 없으며, 제어선들(8)을 통해, 변환기(7)의 회전자-인버터(71-73)로 회전자-전류들이 모두 입력된다. 이때, 회전자-전류들이 크게 증가하는 경우, 이들 전류들은 회전자-인버터의 IGBT들에 과부하를 주게 되고 제어 모듈(80)에 의해 IGBT들(78)의 PWM은 정지될 것(즉, 상기 IGBT의 동작이 멈출 것)이다(제어 모듈(80)은 제어선들(8)을 통해 전류 I _L 의 값을 읽고 전류가 특정 레벨 이상으로 상승하는 경우 IGBT들의 동작을 중단시키도록 프로그램되었다). 그리고 회전자-전류는 프리-휠 다이오드들(79)을 통해 흘러, DC-링크(77) 상의 전압을 증가시킨다. 이 증가는 제어 모듈(80)에 의해 감지되며, DC-링크 상의 전압이 미리 정해진 경계치에 도달하는 경우, 제어 모듈은 크로바의 전력 사이리스터(98)를 파이어(fire)하여, 사이리스터를 통해 전류가 흐를 수 있도록 한다. 그리고, 높은 회전자-전류는 회전자-인버터 대신에 크로바의 다이오드들을 통해 흐르게 된다. 회전자-전압은 크로바가 단락으로 기능함에 따라, 거의 영에 가까 울 것이다.

다음, 스위치(6)가 열리고, 이에 따라 고정자(2)가 그리드로부터 분리된다; 그리고 발전기는 스위치(6) 및 크로바(90)를 통해 비자화될 것이다. 이후에, 발전기는 그리드-전압이 정격치로 회복되면 그리드에 다시 연결될 수 있다.

도 3a 내지 3g는, 동일한 시간축을 사용하여, 그리드에 단락이 발생하는 경우, 도 2와 같은 종래의 크로바를 갖는 도 1에 따른 시스템의 몇몇 상기 파라미터들의 변화를 나타낸다. 시간의 지점들은 아래와 같다:

t1: 그리드에 단락이 발생하는 시간

t2: 크로바가 트리거된 시간

t3: (스위치(6)를 열어) 발전기가 그리드로부터 분리되는 시간

t4: (스위치(6)을 닫아) 발전기가 그리드에 재연결되는 시간

도 3a는 시간 t1(그리드 내의 단락 시간)에서의 U _G 의 감소를 도시한다.

도 3b는 회전자-전류 I _S 를 도시한다. t1에서, 회전자-전류는 급격하게 증가하기 시작하고 스위치(6)가 열리는 시간 t3까지 높은 레벨로 유지되며, 이에 따라 그리드를 회전자로부터 분리한다(그리고, 회전자-전류는 중단된다). 이 후, 그리드 상의 전압이 그것의 정격치로 되돌아오면, (t4에) 발전기는 그리드에 재연결되고 회전자-전류는 다시 흐르기 시작한다.

도 3c는 (회전자 및 고정자가 변압기의 프라이머리(primary) 및 세컨더리(secondary) 측으로 작용함에 따라) 회전자-전류 I _R 이 어떻게 고정자-전류와 거의 동일하게 변화하는지를 나타낸다. 유일한 차이는 발전기를 위한 자기화 전류가 회전자측으로부터 들어온다는 점에 의한다. 그러므로, 도 3c에서, t4 약간 전에, 작은 자기화 전류가 관측된다.

도 3d는 회전자에서 회전자-인버터로의 전류(I _L )를 나타낸다. t1에서, (회전자-인버터에 모두 입력되는 회전자-전류의 증가에 따라) 이 회전자-인버터 전류는 급격하게 증가한다. 회전자-인버터는 제어 모듈(80)에 의해 중단되고 전류는 그 후 프리-휠 다이오드들(79)을 통해, DC-링크로 흘러들어간다. DC-링크 상의 전압(UDC)(도 3c 참조)은 특정 레벨에 도달하기 까지, 매우 빠르게 증가한다. 그리고, 시간 t2에 이르면, 크로바는 (DC-링크 상의 전압을 읽고 있던) 제어 모듈에 의해 트리거된다. 그리고 회전자-전류는 크로바 내로 정류된다(그리고 I _L 은 거의 즉시 0으로 감소된다. 즉, 회전자에서 변환기(7)로 전류가 입력되지 않는다). 전압이 그리드에 다시 걸리는 경우, 회전자-인버터는 발전기의 회전자에 자기화 전류를 공급하기 시작하며, 그리드와 동기화한다. (t4에) 그리드에 발전기를 연결한 후, (바람에 충분한 에너지가 있는 경우) 회전자-전류는 정격치로 다시 증가한다(도 3c 참조).

도 3e에서는, t1에서, DC-링크가 어떻게 급격하게 충전되는지를 도시한다(DC 링크 상의 전압 U _DC 가 이에 따라 급격하게 증가한다). t2에서, 크로바는 트리거되며 충전이 중단된다. DC-링크의 방전은 그리드-인버터에 의해 이루어진다. 그리드-인버터는 DC-링크를 정격치(800 V _DC )로 방전시킨다.

도 3f는 크로바를 통하는 전류 I _CR 을 도시한다. t2에 이르면, 크로바는 총 회전자-전류를 따라 잡는다.

마지막으로, 도 3g는 회전자-전압 U _R 을 도시한다. 처음에는, 회전자-전압은 그것의 정상 동작 레벨에 있다. t1에서, 회전자-인버터는 멈추고 정류된 회전자-전압은 DC-링크의 레벨로 도약한다. 회전자-전압은, t2까지, DC-링크 상의 전압에 따라 증가한다; 그리고, 회전자가 단락되고 회전자-전압은 영으로 감소한다. 스위치(6)가 개방되고 발전기가 그리드로부터 분리되면, 크로바는 다시 개방된다. 그리드 전압이 그것의 정격치로 다시 돌아오면, 회전자-인버터는 동기화되고 회전자-전압은 정상 동작 수준으로 다시 돌아온다.

그리드로부터 발전기의 분리는, 상기 예와 같이, 전통적으로 그리드에 문제들(예를 들어 회전자-전류 서지(surge)들을 유발하는 단락들)이 발생하거나 발전기 및 변환기를 보호하고, 또한 네트워크 관리와 관련된 이유로 사용되었다. 전통적으로, 풍력 발전기들이 그리드에 공급하는 총전력에 있어서 차지하는 부분이 매우 작기 때문에(일반적으로, 총 전력 공급의 5% 미만), 분리는 그리드로의 전체적인 전력 공급에 상당한 문제를 의미하는 것으로 여겨지지 않았다. 그러나, 여러 국가들에 있어서, 풍력 발전이 전력 생산에 있어서 차지하는 비중이 급격히 커지고 있으며, 몇몇 국가들에 있어 풍력 발전은 풍력 발전기들이 갑자기 분리되면 그리드에 걸친 전체적인 전력 분배에 심각한 문제점이 새길 수 있을 정도로 총 전력 생산에 있어서 중요한 부분을 차지하고 있다.

그러므로, 그리드의 단락시 그리드에서 발전기를 분리하지 않고도 적절하게 동작할 수 있는 배치를 제공할 필요가 있다.

그러나, 상술된 종래의 배치와 변환기(7)를 보호하기 위해 크로바(90)를 사용하는 경우, 트리거된 크로바가 하드(hard) 단락을 회전자 측에 발생시키기 때문에, 발전기를 그리드로부터 분리할 필요가 있다. 회전자가 그리드에서 분리되지 않는 경우, 이 회전자 측상의 단락은 안정적으로 과전류를 회전자 및 고정자 권선들에 생성시킬 것이다. 정상 동작 중 회전자-전압은, 정격 그리드 전압 및 슬립(slip)과 함께, 약 200 Vrms이다. 회전자가 단락되고 회전자가 그리드로부터 분리되지 않은 경우, 장기간 동안, 일반적으로, 정격 전류의 세 배의 크기를 갖는 과전류가 있을 것이다. 그리고 크로바가 분리되는 경우, 이들 과전류들은 회전자-인버터로 "도약"할 것이고 DC-링크(77)에 과전압을 생성할 것이다. 그리고, 크로바(90)는 다시 트리거될 것이다. 기본적으로, 이 루프에서 벗어나는 방법은 없다. 그러므로, 이들 장기간 과전류들을 피하기 위해, 회전자는 그리드로부터 분리되어야 한다.

상술된 JP-A-07-067393 및 JP-A-07-194196에 있어서, 그리드 내의 전압 강하와 관련된 문제는 DC-링크에 쵸퍼(chopper) 회로를 병렬로 추가하는 수단에 의해 해결된다. 그러면 회전자-전류들은 회전자-인버터의 프리-휠 다이오드들을 통해 흐르게 되고 DC-링크를 충전한다. DC-링크 상의 전압이 미리 정해진 레벨 이상으로 상승하는 경우, 저항과 직렬로 연결된 쵸퍼가 활성화되고 쵸퍼 회로 상의 DC-링크를 방전하여 DC-링크 상의 전압이 제한된다. 그러나, 이 해결방법은 (회전자 전류 들이 회전자-인버터의 프리-휠 다이오드들을 통해 흐를 것이기 때문에) 회전자-인버터의 프리-휠 다이오드들이 높은 전류를 지원하도록 선택되어야 한다. 추가적으로, 쵸퍼는, GTO 또는 IGBT와 같이, 즉, 활성 스위치와 같이 스위치 오프될 수 있는 스위치를 필요로 한다. 추가적으로, 보호를 위해, 회전자-인버터와 병렬로 배치된 크로바가 있어야 한다.

본 발명의 목적은 그리드에 단락이 발생하는 경우 고정자를 분리하지 않아도 변환기를 보호하고, 프리-휠 다이오드들의 오버사이징(over-sizing) 및, 바람직하게는 활성 스위치를 필요로 하지 않는 배치를 제공함에 있다. 바람직하게, 배치는 크로바를 필요로 하지 않는다.

본 발명의 제1 측면은 회전자 권선들을 갖는 회전자 및 전력 분배를 위해 그리드에 연결할 수 있는 고정자 권선들을 갖는 고정자를 포함하는 이중 권선형 유도 발전기(double-fed induction generator, DFIG)를 위한 제어 시스템에 관한 것으로, 상기 제어 시스템은 변환기를 포함하고, 상기 변환기는 다음 구성요소들을 포함한다:

상기 발전기의 상기 회전자 권선들에 연결할 수 있는 회전자-인버터,

상기 그리드 및/또는 상기 고정자 권선들에 연결할 수 있는 그리드-인버터,

상기 회전자-인버터에 입력하기 위한 DC-링크.

본 발명에 따르면, 상기 변환기는 추가적으로 상기 변환기를 상기 회전자 권선들 내의 과전류들로 인한 손상으로부터 보호하기 위한 클램프 유닛을 포함하고, 상기 클램프 유닛은 상기 회전자 권선들에 연결될 수 있고 상기 회전자-권선들에서 과전류가 감지되면 비동작 상태에서 동작 상태로 트리거되도록 하고, 상기 클램프 유닛은 상기 클램프 유닛이 그 비동작 상태에 있으면, 상기 회전자 권선들 내의 전류들이 통과할 수 없고, 상기 클램프 유닛이 그 동작 상태에 있으면, 상기 회전자 권선들 내의 전류들이 통과할 수 있는 클램프 소자를 포함한다. 상기 클램프 소자는 적어도 하나의 상기 회전자 권선들 상에 클램프 전압을 제공하기 위한 수동 전압 가변 저항 소자를 포함한다.

상기 전압 가변 저항 소자는, 상기 그리드의 단락 중 발생하는 상기 회전자-전류들의 모든 예측치에 대해, 적절한 클램프 전압이 상기 클램프 소자 상에 획득되고, 이에 따라, 상기 회전자 권선 상에 획득될 수 있도록 선택될 수 있다. 상기 클램프 전압이 미리 정해진 범위 내에 있는 것이 중요하다. 특히, 너무 낮은 클램프 전압은 (상기 회전자가 상기 그리드에 연결되어 있는한) 상기 회전자 권선들 내의 상기 전류들이 매우 느리게 감소한다는 것을 의미하기 때문에, 그것이 너무 낮도록 허용되어서는 안된다. 실제로, 정상 동작 중 상기 클램프 전압이 상기 회전자 전압의 레벨 이하인 경우, 상기 회전자 전류들은 0으로 절대 내려가지 않는다.

상기 회전자-전류들이 상기 변환기가 다시 상기 발전기를 제어할 수 있게 하기 위해, 상기 클램프 유닛을 (상기 회전자-전류들이 상기 회전자-인버터로 다시 정류되는) 그 비동작 상태로 복귀시키는 방법으로, 상기 변환기가 다시 동작을 시작할 수 있도록, 가능한 급격하게 감소하는 것이 바람직하다. 상기 그리드의 단락이 지속되는 동안에도 상기 전력 출력을 제어할 수 있도록(이것은 일반적으로 상기 그리드의 운영자에게 요구된다), 상기 변환기가 최대한 빨리 상기 회전자 전류들을 다시 제어할 수 있도록 하는 것은 중요하게 여겨진다.

그러므로, 상기 전압이 순전히 상기 회전자 전류들에 대한 선형 함수가 아니도록, 상기 클램프 소자가 전원 가변 저항 소자인 것이 중요하다: 일반 저항의 사용은 상기 클램프 전압이 (실질적으로) 각 순간에 상기 회전자 전류들에 직접적으로 비례한다는 것을 의미한다. 저항을 선택시, 상기 저항을 통해 흐르는 상기 전류가 예상되는 회전자-전류의 최고 레벨에 이르더라도, 상기 클램프 전압이 절대로 상기 회전자 전압의 최대 허용 레벨을 초과하지 않게 하기에 충분히 낮은 저항값을 선택하도록 주의를 기울여야 한다. 그러나, 그러한 낮은 저항값은 실제 상기 그리드 단락으로 발생하는 회전자-전류가 상기 예상될 수 있는 최고 레벨보다 상당히 낮은 경우 너무 낮은 상기 클램프 전압을 발생시킬 수 있다. 이러한 경우, 너무 낮은 클램프 전압으로 인해, 상기 변환기가 다시 상기 제어를 수행할 수 있거나, 적어도 원하는 만큼 빨리 다시 제어를 수행할 수 있도록 상기 회전자-전류들이 충분히 급격하게 감소하지 못한다. 낮은 저항값을 갖는 저항을 사용하는 경우, 정격 회전자-전압에서, 상기 회전자 권선들 내에 높은 정상-상태 과전류가 유발될 것이다.

그러나, 전원 가변 저항 소자를 사용하여, 보다 짧은 범위 내에, 넓은 범위의 가능한 회전자-전류들에 대해, 보다 명확한 클램프 전압을 제공하기 위한, 이 소자를 선택할 수 있다. 실질적으로, 상기 그리드 내 단락으로 인해 발생할 수 있는 모든 가능한 범위의 회전자-전류 레벨들을 기본적으로 포함하는, 매우 큰 범위 에 대해, 상기 회전자-전류의 상기 레벨의 모든 값들에 대해 실질적으로 일정한 클램프 전압을 제공할 수 있는 소자들이 있다.

상기 클램프 유닛의 복잡한 제어의 필요 없이 보다 명확한 클램프 전압을 제공하기 때문에, 수동 전압 가변 저항 소자를 사용하는 것이 특히 유리하다. 기본적으로, 그것은 상기 회전자-전류들이 상기 회전자-인버터 대신에 상기 클램프 유닛을 통과하도록 허용하기 위해 트리거하기에 충분하다. 상기 클램프 유닛을 트리거하기 위해, 상기 클램프 소자(들) 및 이에 대한 회전자 권선에 대해 직렬로 배치될 수 있고 매우 낮은 전류를 사용해 (예를 들어, 1 A 미만을, 단순 펄스-변압기를 통해 적용해) 상기 제어 모듈로부터 트리거될 수 있는 단순 트리거 소자, 예를 들어 전력 사이리스터가 사용될 수 있다. 상기 회전자-권선들 상의 전압의 클램핑은 상기 전원 가변 저항 소자 자체에 의해 이루어지며, 추가적인 제어를 필요로 하지 않는다. 즉, 이 클램프 전압의 "능동" 제어를 필요로 하지 않는다; 상기 회전자-전류가 그것의 정격치 미만이 되면, 상기 제어 모듈은 단순히 상기 사이리스터를 트리거하는 것을 중단할 수 있고, 이에 따라, 상기 사이리스터에 흐르는 전류의 다음 부호 변환점(zero-crossing) 이후에 상기 클램프 유닛을 통해 흐르는 상기 회전자-전류들을 중단시킬 수 있다.

상기 클램프 소자는, 병렬로 배치된, 복수의 수동 전압 가변 저항 소자들을 포함할 수 있으며, 이에 의해 상기 개별 수동 전압 가변 저항 소자들을 손상하지 않고 매우 높은 회전자-전류들이 상기 클램프 소자를 통과할 수 있도록 한다.

상기 수동 전압 가변 저항 소자(들)은 (각각) 다음을 포함할 수 있다:

- 바리스터(또는, 직렬로 연결된, 복수의 바리스터들);

- 제너 다이오드(또는, 직렬로 연결된, 복수의 제너 다이오드들); 및/또는

- 억제 다이오드(또는, 직렬로 연결된, 복수의 억제 다이오드들).

적절한 수동 전압 가변 저항 소자들의 예들은 다음과 같다:

- 바리스터: 제작사 EPCOS의 B80K320

- 억제 다이오드: 제작사 ST의 BZW50-180

- 제너 다이오드: 제작사 비쉐이의 BZG05C100

상기 클램프 유닛은, 상기 회전자의 각 상에 대해, 상기 각 회전자 상에 연결하기 위한 커넥터를 포함하고, 각 커넥터는 트리거 지로를 포함하되, 각 트리거 지로는 직렬로 연결된, 각 회전자 상에의 연결을 위한 상기 클램프 유닛에서 상기 커넥터와의 연결점; 상기 클램프 유닛을 트리거하기 위한 사이리스터; 상기 클램프 소자; 다이오드; 및 상기 각 회전자 상에의 연결을 위한 상기 커넥터와의 상기 연결점을 포함한다: . 상기 클램프 유닛은 추가적으로 상기 클램프 소자와 병렬로 연결된 저항을 포함한다.

상기 클램프 유닛은 비동작 상태에서 동작 상태로 트리거되도록 할 수 있다:

- 상기 DC-링크 상의 전압이 미리 정해진 레벨을 넘어서는 경우(즉, 상기 DC-링크 상의 전압을 측정해 상기 회전자 권선들 내의 상기 과전류를 감지된다);

- 상기 회전자-권선들 상의 전압이 미리 정해진 레벨을 넘어서는 경우(즉, 상기 회전자 권선들 내의 과전류는 사기 회전자-권선들 상의 전압을 측정해 감지된다).

- 상기 회전자-권선들 내의 전류들이 미리 정해진 레벨을 넘어서는 경우(즉, 상기 회전자 권선들 내의 과전류는 상기 회전자-권선들 내의 전류들을 측정해 감지된다); 및/또는

- 상기 회전자-권선들 내의 전류들이 미리 정해진 레벨을 넘어서는 경우(즉, 상기 회전자 권선들 내의 과전류는 상기 회전자-권선들 내의 전류들을 측정해 감지된다).

본 발명의 제2 측면은 회전자 권선들을 갖는 회전자 및 전력 분배를 위해 그리드에 연결할 수 있는 고정자 권선들을 갖는 고정자를 포함하는 이중 권선형 유도 발전기(double-fed induction generator, DFIG) 시스템에 관한 것으로, 상기 이중 권선형 유도 발전기 시스템은 추가적으로 상술된 제어 시스템을 포함하고, 상기 회전자 인버터는 상기 발전기의 상기 회전자 권선들에 연결되고, 상기 그리드 인버터는 상기 그리드에 연결되고, 상기 클램프 유닛은 상기 회전자 권선들에 연결된다.

본 발명의 제3 측면은 이중 권선형 유도 발전기(double-fed induction generator, DFIG)를 포함하는 발전 시스템 내의 변환기를 보호하는 방법에 관한 것으로, 상기 이중 권선형 유도 발전기는 회전자 권선들을 갖는 회전자, 전력 분배를 위해 그리드에 연결된 회전자 권선들을 갖는 회전자 및 변환기를 포함하는 제어 시스템을 포함한다. 상기 변환기는 상기 발전기의 상기 회전자 권선들에 연결된 회전자-인버터, 상기 그리드 및/또는 상기 고정자 권선들에 연결된 그리드-인버터, 및 상기 회전자-인버터에 공급하기 위한 DC-링크를 포함한다. 상기 방법은

상기 회전자 권선들 상에 클램프 소자를 갖는 클램프 유닛을 연결하되, 상기 클램프 유닛은 상기 클램프 유닛이 비동작 상태에 있을때, 상기 회전자 권선들 내의 전류들이 통과할 수 없고, 상기 클램프 유닛이 동작 상태에 있을 때, 상기 회전자 권선들 내의 전류들이 통과할 수 있도록 배치되는 클램프 소자를 포함하고, 상기 클램프 소자는 상기 회전자 권선들 상의 클램프 전압을 제공하기 위해 적어도 하나의 수동 전압 가변 저항을 포함하고;

상기 회전자 권선들 내에 과전류가 감지되면 상기 클램프 유닛을 그것의 동작 상태로 트리거하는

단계들을 포함한다.

상기 클램프 유닛은, 예를 들어 다음의 경우, 비동작 상태에서 동작 상태로 트리거될 수 있다.

- 상기 DC-링크 상의 전압이 미리 정해진 레벨 이상으로 상승하는 경우,

- 상기 회전자-권선들 상의 전압이 미리 정해진 레벨을 이상으로 상승하는 경우,

- 상기 회전자-권선들 내의 전류가 미리 정해진 레벨을 이상으로 상승하는 경우,

- 상기 고정자-권선들 내의 전류가 미리 정해진 레벨을 이상으로 상승하는 경우.

도 1은 종래의 DFIG 시스템을 도시한다.

도 2는 종래의 크로바를 도시한다.

도 3은 종래의 시스템에 있어서, 그리드 내의 단락 이후 기간 동안의, 시스 템의 몇몇 파라미터들의 변화를 도시한다.

도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 시스템에 있어서, 그리드 내의 단락 이후 기간 동안의, 시스템의 몇몇 파라미터들의 변화를 도시한다.

도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 시스템을 도시한다.

도 6은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 시스템을 도시한다.

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에에 따른 클램프 유닛을 도시한다.

도 5 및 도 6은 두 개의 본 발명의 바람직한 실시예들을 도시한다. 도시된 부품들의 대부분은 도 1을 참조하여 설명된 종래의 시스템의 것들에 정확히 대응된다; 이들 부품들은 동일한 참조번호를 가지며 추가 설명이 필요 없다. 그러나, 도 2의 변환기(7) 대신에, 도 5 및 6은 동일한 기본 요소를 포함하나 다음 점에서 다른 변환기를 포함 한다:

도 5는 크로바가 클램프 유닛(190)으로 대체된 변환기(170)를 도시하고, 상기 변환기는 상기 클램프 유닛을 제어하도록 개조된 제어 모듈(180)을 포함한다(이것을 제어하면, 상기 제어 모듈(180)은 도 1에 도시된 상기 시스템의 상기 제어 모듈(80)과 같이 동작한다).

도 6은 클램프 유닛(190)이 상기 크로바(90)와 병렬로 설치된 변환기(171)를 도시하고, 상기 변환기는 상기 클램프 유닛 및 크로바를 제어하기 위해 개조된 제어 모듈(181)을 포함한다(이것을 제외하면, 상기 제어 모듈(181)은 도 1에 도시된 제어 모듈(80)과 같이 동작한다).

도 7은 상기 클램프 유닛의 바람직한 실시예를 도시하고, 상기 클램핑 유닛은, 상기 회전자의 각 상에 대해, 상기 각 회전자 상으로의 연결을 위한 커넥터(300)를 포함한다. 각 커넥터는 직렬로 연결된 다음 구성요소들을 포함하는 트리거 지로에 연결된다: 상기 클램프 유닛의 상기 각 회전자 상으로의 연결을 위한 커넥터(300)로의 연결점(297); 상기 클램프 유닛을 트리거하기 위한 사이리스터(295); 상기 클램프 소자(290); 다이오드(296); 및 상기 각 회전자 상으로의 연결을 위한 커넥터(300)로의 연결점(297).

상기 사이리스터(295) 및 상기 다이오드(296)는 하나의 부품, 예를 들어 세미크론의 SKKH210/12E로 통합될 수 있다. 상기 클램프 소자(290)는 바리스터, 예를 들어 EPCOS의 B80K320일 수 있다.

(상기 다이오드(296) 대신, 사이리스터가 사용될 수 있으며, 이는 다이오드가 사용되는 경우에 비해서 상기 클램프 유닛을 트리거하는 것을 멈추는 것과 상기 클램프 유닛을 통해 흐르는 상기 전류를 멈추는 것 간의 지연이 50%까지 감소되는 이점이 있다).

도 4a는 상기 그리드 전압을 도시하며, t11에 단락이 발생한다. 그리고, 상기 고정자-전류 I _S (도 4b)는 급격하게 증가한다. 그러나, 이 경우, 상기 발전기는 분리되지 않으며 상기 고정자- 및 회전자-전류들에 의해 비자화될 것이고 그 후 상기 고정자- 및 회전자-전류는 감소할 것이다. 상기 고정자-전류가 상기 정격 레벨 미만이 되면 (약 t13에서) 상기 클램프 유닛(190)은 상기 제어 모듈(180,181)에 의 해 개방될 것이고 상기 회전자-전류는 상기 회전자-인버터로 다시 흘러들어갈 것이다. 상기 변환기는 상기 회전자-전류를 (상기 제어선들 내의 상기 전류 I _L 을 측정해) 측정하고 상기 PWM을 이들 전류들과 동기화한다. 상기 회전자-인버터는 상기 회전자-전류를 제어하고 단락의 나머지 시간에 걸쳐 (도 4b 및 4c의 t14에서 t15 동안) 일정한 회전자- 및 고정자-전류에 대비(provide for)한다. 이후, 상기 그리드-전압이 그 정격치로 돌아오면, 상기 발전기는 충분히 자기화지 못했고 (도 4c의 t15 및 t17 간의 간격 내에) 상기 그리드에서 고 전류가 상기 고정자에 흘러들어와 과전류를 생성한다. 그 후, 상기 고정자-전류는 감소하고, 상기 정격치에 있게되면(t17), 상기 클램프 유닛(190)은 개방되고 상기 회전자-인버터는 상기 회전자-전류를 다시 제어한다.

상기 회전자-전류(IR)(도 4c)는 상기 고정자-전류와 거의 동일하다.

도 4d는 상기 회전자-인버터로의 전류 I _L (즉, 상기 회전자에서 상기 변환기로의 전류)을 도시한다. t11에서, 상기 회전자-전류는 급격하게 증가하고 t12에서, 상기 클램프 유닛(190)은 트리거된다(상술된 종래 시스템에서 상기 크로바가 트리거된것과 같다). 이에 따라, 상기 회전자-전류는 상기 클램프 유닛(190)으로 정류되고 IL은 0 이하로 감소된다. 상기 회전자-전류가 상기 정격 전류(t13) 미만으로 감소하면, 상기 클램프 유닛은 상기 제어 모듈(180,181)에 의해 개방되고 상기 회전자-전류는 상기 회전자-인버터로 정류된다. 상기 회전자-인버터는 상기 회전자 전류과 동기화하고 단락의 남은 기간 동안(t14-t15) 상기 전류를 제어한다. (t14 및 t15 간의 시간 동안, 상기 그리드 운영자는 상기 그리드내의 고전압 회로 차단기의 개방에 의한 상기 단락의 분리를 보다 급격하게 유발시키기 위해, 상기 윈드-터빈이 능동적으로 상기 윈드-터빈 외부의 단락에 전류를 공급하는 것을 필요로 한다. 이 목적을 위해 특히, 상기 발전기는 상기 단락 지속 기간 대부분 동안 제어되어야 한다. 상기 발명은 상기 회전자-인버터가 상기 그리드 상의 빠른 전압 변화에 의해 유발된 동적 과전류의 존재에 대응하는 과도 시간들에만 정지될 수 있도록 한다.)

상기 그리드-전압이 그것의 정격치로 돌아오면(t15), 상기 회전자-전류가 급격하게 증가하고 (상기 제어 모듈에 의해 과전류가 측정됨에 따라) 상기 회전자-인버터가 다시 멈추어며, 상기 클램프 유닛(190)은 트리거되고 상기 회전자-전류를 따라잡는다(overtake). 상기 고정자-전류가 상기 정규 레벨 미만으로 감소하면(t17), 상기 클램프 유닛은 개방되고 상기 회전자-전류는 상기 회전자-인버터로 다시 정류된다. 상기 회전자-인버터는 상기 실제 회전자-전류와 동기화하고 다시 동작하기 시작해, 상기 회전자-전류를 제어한다.

도 4e는 DC-링크 상의 전압을 도시한다. t11에서, 상기 클램프 유닛(190)을 (t12에서) 트리거하는, 첫 스파이크가 있다. 이 후, 상술된바와 같이, 상기 클램프 유닛은 개방되고 상기 회전자-전류는 상기 회전자-인버터로 다시 정류되어, 상기 회전자-인버터가 상기 회전자-전류의 제어를 수행할 때 까지(이것은, 상기 발전기의 제어를 다시 수행하기 위해, 상기 제어 모듈(180,181)에 의한다), 상기 DC-링크가 다시 충전되기 시작한다(t13). 이것은 도 4e에서 두 번 일어나고, 첫 번째는 상 기 그리드의 전압 강하로 인한 것이며 두 번째는 상기 그리드-전압이 다시 상승할 때이다.

도 4f는 상기 클램프 전류(상기 클램프 유닛을 통과하는 전류) I _CL 을 도시한다. 상기 클램프 유닛은 위에 약술(outline)된바와 같이, 최대(full) 회전자-전류를 두 번 따라잡는다(overtake).

도 4g는 상기 회전자-전압 U _R 을 도시한다.

처음에, 상기 회전자-전압은 그 정장 동작 레벨에 있다. t11에 이르면, 상기 회전자-전류는 증가하고 상기 회전자-인버터는 정지된다. 상기 회전자-전류는 전류원과 같으며 상기 프리-휠 다이오드들(79)을 통과해 흘러, 상기 DC-링크(77)로 흘러들어간다. 여기서, 상기 회전자 전압은 상기 DC-링크 상의 전압의 레벨과 동일한 레벨에 있을 것이다.

상기 회전자-전압은 상기 DC-링크 전압과 함께 증가하며 t12에 이르면, 상기 클램프 유닛은 트리거되고 상기 회전자-전압은 상기 클램프 소자(290)의 선택된 특성들에 따른 레벨로 클램프된다. t13에 이르러 상기 클램프 유닛은 개방되고 상기 회전자-전류는 상기 회전자-인버터로 흘러들어가고 상기 회전자-전압은 상기 DC-링크 전압의 레벨로 도약한다. 상기 실제 회전자-전류와 상기 회전자-인버터를 동기화시키는 시간 이후, 상기 회전자-인버터는 동작하기 시작하고(t14) 상기 회전자-전압의 레벨은 정상 동작에 해당하는 레벨로 돌아온다. 상기 단락 상태가 상기 그리드에 지속되는 동안(t14-15), 상기 "정상" 회전자-전압은, 상기 회전자-전압의 강하 때문에, t11 이전보다 낮다.

상기 전압이 상기 그리드에 되돌아오는 경우(t15), 상기 시스템은 상기 전압 강하에 따라 반응할 것이다:

t15에 이르러, 상기 회전자-전류는 빠르게 상승하고 상기 회전자-인버터는 정지한다; 상기 회전자-전압은 상기 DC-링크 전압의 레벨로 증가한다;

t16에 이르러, 상기 클램프 유닛은 트리거되고, 상기 회전자-전압은 상기 클램프 유닛(290)의 특성들에 따라 정의된 레벨로 클램프된다;

t17에 이르러, 상기 클램프 유닛은 개방되고 상기 회전자-전류는 상기 회전자-인버터로 흘러들어가고, 상기 회전자-전압은 상기 DC-링크 전압의 레벨로 도약한다;

최종적으로, 상기 회전자-인버터를 상기 실제 회전자-전류와 동기화하기 위한 시간 이후, t18에 이르러 상기 회전자-인버터는 다시 동작하기 시작한다.

도 4h는 상기 클램프 전압 U _CL 을 도시한다. 이상적으로, 상기 클램프 전압은 명확히 정의된 두 레벨들 간, 즉, 0 및 클램프 레벨 간에서 변화할 것이다.

본 명세서의 상세한 설명 및 청구항들에 걸쳐, "포함" 및 이 단어의 변형들, 예를 들어 "포함하는"은 다른 첨가물들, 부품들, 완전체들(integers) 또는 단계들을 제외하지 않는다.

상기 내용에 포함되어 있다