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KR20170112059A - 풍력 발전 시스템의 스위칭 소자 모듈 제어 장치 및 방법 - Google Patents

풍력 발전 시스템의 스위칭 소자 모듈 제어 장치 및 방법 Download PDF

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KR20170112059A
KR20170112059A KR1020160038567A KR20160038567A KR20170112059A KR 20170112059 A KR20170112059 A KR 20170112059A KR 1020160038567 A KR1020160038567 A KR 1020160038567A KR 20160038567 A KR20160038567 A KR 20160038567A KR 20170112059 A KR20170112059 A KR 20170112059A
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KR
South Korea
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switching element
converter
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switching
parallel
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KR1020160038567A
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이상회
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두산중공업 주식회사
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Abstract

풍력 발전 시스템의 컨버터 제어 장치 및 방법에 관한 것으로 자세하게는 풍력 발전 시스템이 포함하는 병렬 연결된 복수의 컨버터 각각의 구동 시간을 동일하게 하여 컨버터의 수명을 최대화할 수 있는 기술이 개시된다.
제안된 발명이 해결하고자 하는 하나의 과제는 병렬 연결된 복수의 컨버터 중 누적 구동 시간이 작은 컨버터부터 구동시켜서 복수의 컨버터의 구동 시간을 동등하게 하고, 이에 따라 특정 컨버터의 수명이 단축되는 것을 방지하는 것이다.
일 양상에 있어서, 풍력 발전 시스템의 컨버터 제어 장치는 발전기와 계통 사이에 병렬로 연결된 복수의 컨버터 중 어느 하나의 컨버터를 구동시켜야 하는 경우, 누적 구동 시간이 가장 작은 컨버터를 구동시키거나, 설정된 컨버터의 구동 순서를 기초로 마지막으로 구동한 컨버터의 다음 순번의 컨버터를 구동시키는 컨버터 구동부를 포함한다.

Description

풍력 발전 시스템의 스위칭 소자 모듈 제어 장치 및 방법{Apparatus and method for controlling switching module}
풍력 발전 시스템의 스위칭 소자 모듈 제어 장치 및 방법에 관한 것으로 자세하게는 컨버터가 포함하는 복수의 스위칭 소자 모듈의 구동 시점을 달리하여 컨버터가 생성하는 교류 전류에 포함된 고조파 성분을 최소화하는 기술이 개시된다.
풍력 발전기는 바람이 가진 운동에너지를 블레이드 회전에 의한 기계적인 에너지로 변환시킨다. 변환된 기계적인 에너지는 발전기를 통하여 전기 에너지로 변환된다.
풍력 발전기의 발전기와 계통 사이에 존재하는 컨버터는 단 하나의 스위칭 소자 모듈을 포함하였다. 바람이 불면, 풍력 발전기 시스템의 블레이드는 회전 하게 되고, 블레이드의 회전에 따른 운동에너지는 발전기를 통해 전기 에너지로 변환된다. 발전기가 변환하여 생성한 전기 에너지는 교류 전력으로 전술한 컨버터가 포함하는 스위칭 소자 모듈에 의해 직류로 변환되고, 다시 계통 방향으로 공급될 교류로 변환된다.
전술한 과정에 따라, 바람이 불면 컨버터가 포함하는 단 하나의 스위칭 소자 모듈은 구동해야 한다.
이 경우, 펄스 폭 제어 방식으로 구동되는 스위칭 소자 모듈이 오프 되어 있는 경우에는 전류가 감소하는데, 컨버터의 출력단에 연결된 필터의 인덕터의 인덕턴스가 크면 전류가 서서히 감소한다. 전류를 서서히 감소시키기 위해 인덕턴스가 큰 인덕터를 사용하면 필터의 크기가 비대해지게 되고 비용 또한 증가한다.
제안된 발명이 해결하고자 하는 하나의 과제는 풍력 발전 시스템의 발전기와 계통 사이에 연결된 컨버터가 병렬 연결된 복수의 스위칭 소자 모듈을 포함하도록 하되, 복수의 스위칭 소자 모듈을 위상 차이가 나도록 구동시켜 컨버터가 출력하는 교류 전류에 고조파 성분을 감소시키는 것이다.
제안된 발명이 해결하고자 하는 다른 하나의 과제는 풍력 발전 시스템의 발전기와 계통 사이에 연결된 컨버터가 병렬 연결된 복수의 스위칭 소자 모듈을 포함하도록 하되, 복수의 스위칭 소자 모듈을 일정한 위상 차이가 나도록 구동시켜 컨버터가 출력하는 교류 전류에 고조파 성분을 감소시키는 것이다.
제안된 발명이 해결하고자 하는 다른 하나의 과제는 풍력 발전 시스템의 발전기와 계통 사이에 연결된 컨버터가 병렬 연결된 복수의 스위칭 소자 모듈을 포함하도록 하되, 복수의 스위칭 소자 모듈을 360도에서 하나의 컨버터가 포함하는 병렬 연결된 복수의 스위칭 소자 모듈의 개수를 나눈 만큼의 위상 차이 가 나도록 구동시켜 컨버터가 출력하는 교류 전류에 고조파 성분을 감소시키는 것이다.
일 양상에 있어서, 풍력 발전 시스템의 스위칭 소자 모듈 제어 장치는 발전기와 계통 사이에 연결된 컨버터가 포함하는 병렬 연결된 복수의 스위칭 소자 모듈을 온 오프 시키되, 상기 복수의 스위칭 소자 모듈을 위상 차이가 나도록 구동시키는 스위칭 소자 모듈 구동부를 포함할 수 있다.
다른 양상에 있어서, 위상 차이는 일정한 위상 차이일 수 있다.
또 다른 양상에 있어서, 풍력 발전 시스템의 스위칭 소자 모듈 제어 장치는 360도에서 하나의 컨버터가 포함하는 병렬 연결된 복수의 스위칭 소자 모듈의 개수를 나눈 값으로 위상 차이를 산출하는 위상 차이 산출부를 더 포함하고, 상기 스위칭 소자 모듈 구동부는 상기 복수의 스위칭 소자 모듈을 산출된 위상 차이가 나도록 구동시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 양상에 있어서, 풍력 발전 시스템의 스위칭 소자 모듈 제어 장치는 하나 이상의 스위칭 소자 모듈을 포함하는 하나 이상의 컨버터;를 더 포함하되, 상기 하나 이상의 스위칭 소자 모듈은 6개의 스위칭 소자를 포함하는 AC/DC 컨버터, 상기 AC/DC 컨버터와 병렬 연결된 DC 링크 및 6개의 스위칭 소자를 포함하면서 상기 DC 링크와 병렬 연결된 DC/AC 인버터를 포함 할 수 있다.
제안된 발명은 풍력 발전 시스템의 발전기와 계통 사이에 연결된 컨버터가 병렬 연결된 복수의 스위칭 소자 모듈을 포함하도록 하되, 복수의 스위칭 소자 모듈을 위상 차이가 나도록 구동시켜 컨버터가 출력하는 교류 전류에 고조파 성분을 감소시킬 수 있다.
제안된 발명은 풍력 발전 시스템의 발전기와 계통 사이에 연결된 컨버터가 병렬 연결된 복수의 스위칭 소자 모듈을 포함하도록 하되, 복수의 스위칭 소자 모듈을 일정한 위상 차이가 나도록 구동시켜 컨버터가 출력하는 교류 전류에 고조파 성분을 감소시킬 수 있다.
제안된 발명은 풍력 발전 시스템의 발전기와 계통 사이에 연결된 컨버터가 병렬 연결된 복수의 스위칭 소자 모듈을 포함하도록 하되, 복수의 스위칭 소자 모듈을 360도에서 하나의 컨버터가 포함하는 병렬 연결된 복수의 스위칭 소자 모듈의 개수를 나눈 만큼의 위상 차이 가 나도록 구동시켜 컨버터가 출력하는 교류 전류에 고조파 성분을 감소시킬 수 있다.
도 1은 풍력 발전 시스템의 전체적인 구성을 도시한다.
도 2는 일 실시예에 따른 스위칭 소자 모듈의 구성을 도시한다.
도 3은 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템의 컨버터 제어 장치의 구성을 도시한다.
도 4는 종래 방식에 따라 구동된 스위칭 소자 모듈에 따라 컨버터가 출력하는 3상 중 어느 하나의 상의 전류 파형을 도시한다.
도 5는 풍력 발전 시스템의 스위칭 소자 모듈 제어 장치가 구동한 스위칭 소자 모듈에 따라 컨버터가 출력하는 3상 중 어느 하나의 상의 전류 파형을 도시한다.
도 6은 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템의 컨버터 제어 방법의 흐름을 도시한다.
전술한, 그리고 추가적인 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명하는 실시예들을 통해 구체화된다. 각 실시예들의 구성 요소들은 다른 언급이나 상호간에 모순이 없는 한 실시예 내에서 다양한 조합이 가능한 것으로 이해된다. 나아가 제안된 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면에서 제안된 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 그리고, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 나아가, 명세서 전체에서 신호는 전압이나 전류 등의 전기량을 의미한다.
명세서에서 기술한 부란, "하드웨어 또는 소프트웨어의 시스템을 변경이나 플러그인 가능하도록 구성한 블록"을 의미하는 것으로서, 즉 하드웨어나 소프트웨어에 있어 특정 기능을 수행하는 하나의 단위 또는 블록을 의미한다.
도 1은 풍력 발전 시스템의 전체적인 구성을 도시한다.
풍력 발전 시스템은 블레이드(10), 기어박스, 발전기(40), 복수의 컨버터(50-1, 50-2, 50-n), 트랜스포머(70) 및 풍력 발전 시스템의 컨버터 제어 장치(100)를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 블레이드(10)는 바람 에너지에 의해 회전하여 운동 에너지를 생성한다. 즉, 블레이드(10)는 물, 가스, 증기 등의 유체가 가지는 에너지를 기계적 일로 변환시키는 기계이다. 블레이드(10)는 지면과 수직 또는 수평 방향으로 구현될 수 있으며 하나 이상의 날개를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 기어 박스(30)는 블레이드(10)와 후술할 발전기(40)의 회전자 사이에 위치한다. 기어 박스(30)는 풍속이 낮아서, 블레이드(10)의 회전속도가 낮은 경우 발전기(40)의 회전자의 회전 속도를 증가시키는 역할을 수행한다.
일 실시예에 있어서, 발전기(40)는 유체가 가진 에너지가 회전자에 의해 회전력으로 변환된 후 그 회전력을 이용하여 전기를 발생시킨다. 즉, 발전기(40)는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 장치이다. 발전기(40)로는 크게 동기기나 유도기가 사용되는데, 동기기는 계자의 형태에 따라 권선계자형과 영구자석형으로 나눌수 있다. 유도기는 회전자의 구조에 따라 농형과 권선형으로 분류될 수 있다. 특히, 권선형 유도기, 권선형 유도발전기(40) 또는 유도발전기(40)는 가변 풍속이 특징인 장소에 설치 가능하다.
일 실시예에 있어서, 컨버터(50-1, 50-2, 50-n)는 AC/DC 컨버터, DC/AC 인버터 및 AC/DC 컨버터, DC/AC 인버터를 연결하는 직류 링크를 포함한다. 컨버터(50-1, 50-2, 50-n)는 발전기(40)와 후술할 트랜스포머(70) 사이에 병렬로 연결된다. 도 1 은 n개의 병렬 연결된 컨버터(50-1, 50-2, 50-n)를 도시한다.
AC/DC 컨버터는 발전기(40)로부터 출력되는 3상 교류 출력을 직류 형태로 변환한다. DC/AC 인버터는 변환된 직류 전력을 계통 측에서 사용하기에 적절한 교류 전력으로 변환한다. 직류 링크는 AC/DC 컨버터, DC/AC 인버터에 각각 병렬로 연결되어, AC/DC 컨버터, DC/AC 인버터 사이에서 에너지를 전송할 수 있다. 직류 링크는 커패시터로 구현될 수 있으나, 에너지를 충, 방전할 수 있는 소자라면 직류 링크로 이용될 수 있다. 도 1은 병렬 연결된 복수의 컨버터를 개시하지만, 이에 한정되는 것은 아니고 단 하나의 컨버터만 존재할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 컨버터(50-1, 50-2, 50-n)는 하나 이상의 스위칭 소자 모듈(60-1-1, 60-1-2, 60-1-m, 60-2-1, 60-2-2, 60-2-m, 60-n-1, 60-n-2, 60-n-m)을 포함한다. 도 1은 각 컨버터(50-1, 50-2, 50-n)가 포함하는 m개의 병렬연결된 스위칭 소자(60-1-1, 60-1-2, 60-1-m, 60-2-1, 60-2-2, 60-2-m, 60-n-1, 60-n-2, 60-n-m)모듈을 도시한다. 전술한 AC/DC 컨버터는 6개의 스위칭 소자를 포함하며, DC/AC 인버터도 6개의 스위칭 소자를 포함한다. 전술한 스위칭 소자는 트랜지스터로 예를 들면, GTO(gate turnoff thyristors), 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, 이하 IGBT), IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristors), BJT(Bipolar Junction Transistors), MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 중 적어도 하나의 반도체 스위칭 소자로 이루어질 수 있다.
발전기(40)가 출력하는 교류 전력은 3상 교류 전력으로 각각의 상은 AC/DC 컨버터의 2개의 스위칭 소자와 연결되며 계통으로 공급되는 3상 교류 전력 중 각각의 상은 DC/AC 인버터의 2개의 스위칭 소자와 연결된다. 즉, AC/DC 컨버터의 6개의 스위칭 소자 중 2개의 스위칭 소자는 하나의 상에 전류가 흐를 수 있도록 동작한다. DC/AC 인버터의 6개의 스위칭 소자 중 2개의 스위칭 소자는 하나의 상에 전류가 흐를 수 있도록 동작한다.
일 실시예에 있어서, 스위칭 소자 모듈(60-1-1, 60-1-2, 60-1-m, 60-2-1, 60-2-2, 60-2-m, 60-n-1, 60-n-2, 60-n-m)은 AC/DC 컨버터의 6개의 스위칭 소자 및 DC/AC 인버터의 6개의 스위칭 소자 그리고 DC 링크를 포함한다. 스위칭 소자 모듈(60-1-1, 60-1-2, 60-1-m, 60-2-1, 60-2-2, 60-2-m, 60-n-1, 60-n-2, 60-n-m)은 복수개가 병렬로 연결되어 하나의 컨버터(50-1, 50-2, 50-n)를 구성한다.
일 실시예에 있어서, 트랜스포머(70)는 전자기 유도현상을 이용하여 교류의 전압이나 전류의 값을 변화시키는 부분으로 계통(Grid)과 연결된다. 여기서, 계통은 풍력 발전 시스템이 연계된 전력 계통을 의미한다.
도 2는 일 실시예에 따른 스위칭 소자 모듈(200)의 구성을 도시한다. 도 1에 도시된 스위칭 소자 모듈(60-1-1, 60-1-2, 60-1-m, 60-2-1, 60-2-2, 60-2-m, 60-n-1, 60-n-2, 60-n-m)의 세부 구성은 도 2에 도시된 스위칭 소자 모듈(200)의 세부 구성과 같다. 스위칭 소자 모듈(200)은 AC/DC 컨버터(210)의 6개의 스위칭 소자 및 DC/AC 인버터(230)의 6개의 스위칭 소자 그리고 DC 링크(220)를 포함한다. AC/DC 컨버터(210)는 발전기에서 출력되는 교류 출력을 직류 형태로 변환시킨다. DC/AC 인버터(230)는 변환된 직류 전력을 교류 형태로 변환시켜서 계통 측으로 전달한다. 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 구성이나, 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 구성은 당업자에게 자명하다.
계통으로 공급되는 전력은 3상 교류 전력인데, 3상 중 어느 하나의 상을 예로 들면 교류 전력이 계통으로 전달되기 위해서는 AC/DC 컨버터(210)의 6개의 스위칭 소자 중 2개의 스위칭 소자가 온되야 하며, DC/AC 인버터(230)의 6개의 스위칭 소자중 2개의 스위칭 소자가 온되야 한다. 이러한 특징은 컨버터 분야에 통상의 지식을 가진자에게 자명하다.
도 3은 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템의 컨버터 제어 장치(100)의 구성을 도시한다.
일 양상에 있어서, 풍력 발전 시스템의 스위칭 소자 모듈 제어 장치(100)는 스위칭 소자 모듈 구동부(110)를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 스위칭 소자 모듈 구동부(110)는 발전기와 계통 사이에 연결된 컨버터가 포함하는 병렬 연결된 복수의 스위칭 소자 모듈을 온 오프 시키되, 상기 복수의 스위칭 소자 모듈을 위상 차이가 나도록 구동시킨다. 도 1에 도시된 컨버터(50-1)를 예로 들면, 스위칭 소자 모듈 구동부(110)는 컨버터(50-1)가 포함하는 m개의 스위칭 소자 모듈(60-1-1, 60-1-2, … 60-1-m)을 구동시키되 위상차이가 나도록 구동시킨다. 어느 하나의 상을 기준으로 계통에 교류 전력을 공급하기 위해서는 4개의 스위치 소자가 온되야 한다고 전술하였다. 결국, 어느 하나의 상을 예로 들었을때, 스위칭 소자 모듈(60-1-1, 60-1-2, … 60-1-m) 각각이 포함하는 4개의 스위치 소자는 스위칭 소자 모듈별로 서로 위상차를 두고 동시에 온오프 된다. 어느 하나의 스위칭 소자 모듈이 포함하는 4개의 스위치 소자가 온되고, 일정한 위상차를 가지며 다음 스위칭 소자 모듈이 포함하는 4개의 스위치 소자가 온되는 일련을 과정이 m개의 스위칭 소자 모듈에 대해 발생하는 것이다.
스위칭 소자 모듈 구동부(110)가 컨버터가 포함하는 병렬 연결된 복수의 스위칭 소자 모듈을 온 오프 시킨다는 것은 3상 교류 신호가 서로 120도 차이가 나도록 계통에 전달되기 위해 스위칭 소자 모듈이 포함하는 12개의 스위치 소자 중 필요한 스위치 소자를 온 오프 시킨다는 것이다. 3상 교류 신호가 서로 120도 차이가 나도록 계통에 전달되기 위해 스위칭 소자 모듈이 포함하는 12개의 스위치 소자 중 필요한 스위치 소자가 무엇이고 그 스위치 소자가 언제 온 오프되야 하는지는 컨버터 분야에 통상의 지식을 가진자에게 자명하다.
3상 중 어느 하나의 상인 경우로 예를 들면, 스위칭 소자 모듈 구동부(110)가 컨버터가 포함하는 병렬 연결된 복수의 스위칭 소자 모듈을 온 오프 시킨다는 것은 스위칭 소자 모듈이 포함하는 4개의 스위치 소자를 온 오프 시킨다는 의미이다.
3상을 예로 들면, 스위칭 소자 모듈 구동부(110)가 3상 교류 전력이 계통에 공급되도록 스위칭 소자 모듈이 포함하는 복수의 스위칭 소자 중 필요한 스위치 소자를 온 오프시킨다는 것이다. 전술한 필요한 스위치 소자들은 결국 스위칭 소자 모듈 별로 위상차를 가지며 온 오프 된다.
일 실시예에 있어서, 상기 위상 차이는 일정한 위상 차이다. 스위칭 소자 모듈 구동부(110)는 발전기와 계통 사이에 연결된 컨버터가 포함하는 병렬 연결된 복수의 스위칭 소자 모듈을 온 오프 시키되, 상기 복수의 스위칭 소자 모듈을 위상 차이가 나도록 구동시킨다.
3상 중 어느 하나의 상인 경우로 예를 들면, 스위칭 소자 모듈 구동부(110)가 컨버터가 포함하는 병렬 연결된 복수의 스위칭 소자 모듈 각각이 포함하는 4개의 스위치 소자를 온 오프 시키되, 복수의 스위칭 소자 모듈은 일정한 위상차이를 가지고 온오프 되는 것이다. 복수의 스위칭 소자 모듈이 온오프 되는 것의 정의는 전술하였다. 일정한 위상차이가 난다는 것은 복수의 스위칭 소자 모듈간에 일정한 위상차이가 나도록 동시에 온오프 된다는 것이다. 스위칭 소자 모듈이 포함하는 스위치 소자간에 일정한 위상차이가 나도록 제어된다는 의미가 아니다.
일 실시예에 있어서, 발전 시스템의 스위칭 소자 모듈 제어 장치(100)는 위상 차이 산출부(120)를 더포함한다.
일 실시예에 있어서, 위상 차이 산출부(120)는 360도에서 하나의 컨버터가 포함하는 병렬 연결된 복수의 스위칭 소자 모듈의 개수를 나눈 값으로 위상 차이를 산출하고, 스위칭 소자 모듈 구동부(110)는 상기 복수의 스위칭 소자 모듈을 산출된 위상 차이가 나도록 구동시키는 것을 특징으로한다.
도 1의 컨버터(50-1)을 예로 들면, 컨버터(50-1)는 m개의 스위칭 소자 모듈을 포함하는데 m이 4라고 가정한다. 위상 차이 산출부(120)는 360도에서 스위칭 소자 모듈의 개수인 4로 나누어 위상 차이를 90도로 산출한다. 스위칭 소자 모듈은 산출된 90도의 위상 차이가 나도록 컨버터(50-1)가 포함하는 4개의 스위칭 소자 모듈을 구동시킨다. 다른 컨버터(50-2, …, 50-n)도 컨버터(50-1)와 동일하게 동작한다. 종래에는 컨버터(50-1)가 포함하는 복수의 스위칭 소자 모듈이 동시에 온 오프가 되도록 구동되었다. 이에 따라, 컨버터가 출력하는 교류 전류에 고조파 성분이 많이 함유되어 있었다. 그러나 풍력 발전 시스템의 스위칭 소자 모듈 제어 장치(100)가 포함하는 스위칭 소자 모듈 구동부(110)는 360도에서 스위칭 소자 모듈의 개수를 나눈 만큼의 위상 차이가 나도록 스위칭 소자 모듈을 온오프 시켜서 컨버터가 출력하는 교류 전력에 고조파 성분이 적다.
일 실시예에 있어서, 상기 풍력 발전 시스템의 스위칭 소자 모듈 제어 장치는 하나 이상의 스위칭 소자 모듈을 포함하는 하나 이상의 컨버터;를 더 포함하되, 상기 하나 이상의 스위칭 소자 모듈은 6개의 스위칭 소자를 포함하는 AC/DC 컨버터, 상기 AC/DC 컨버터와 병렬 연결된 DC 링크 및 6개의 스위칭 소자를 포함하면서 상기 DC 링크와 병렬 연결된 DC/AC 인버터를 포함할 수 있다. 도 1을 참조하면, 풍력 발전 시스템의 스위칭 소자 모듈 제어 장치는 하나 이상의 컨버터(50-1, 50-2, …50-n)을 포함한다. 각각의 컨버터는 하나 이상의스위칭 소자 모듈(60-1-1, 60-1-2, 60-1-m, 60-2-1, 60-2-2, 60-2-m, 60-n-1, 60-n-2, 60-n-m)을 포함한다.
도 2를 참조하면, 각각의 스위칭 소자 모듈(200)은 6개의 스위칭 소자를 포함하는 AC/DC 컨버터(210), 6개의 스위칭 소자를 포함하는 DC/AC 인버터(230) 및 DC 링크를 포함한다. AC/DC 컨버터(210), DC/AC 인버터(230) 및 DC 링크는 서로 병렬로 연결된다.
도 4는 종래 방식에 따라 구동된 스위칭 소자 모듈에 따라 컨버터가 출력하는 3상 중 어느 하나의 상의 전류 파형을 도시한다. 도 4에 도시된 구형파는 계통의 전압 파형이다. 스위칭 소자 모듈이 온이 되면 전압 파형은 최대가 되는데 이는 DC링크의 전압과 동일하다. 전압 파형의 유무에 따라 증가했다 감소했다 하는 실선으로 이어진 파형이 전류 파형이다. 어느 하나의 컨버터가 포함하는 복수의 스위칭 소자 모듈이 동시에 온되었다가 오프되는 경우에 컨버터의 출력 전류는 급격히 감소하고, 다시 스위칭 소자 모듈이 동시에 온되면 출력 전류는 급격히 증가한다. 이에 따라 고조파 성분이 많이 함유된 전류가 계통으로 전달된다.
도 5는 풍력 발전 시스템의 스위칭 소자 모듈 제어 장치가 구동한 스위칭 소자 모듈에 따라 컨버터가 출력하는 3상 중 어느 하나의 상의 전류 파형을 도시한다. 어느 하나의 컨버터가 포함하는 복수의 스위칭 소자 모듈은 각각 일정한 위상차이를 두고 동작하기 때문에 모든 스위칭 소자 모듈이 동시에 온되고 오프되는 경우는 줄어든다. 도 5에 도시된 180도의 위상 구간 동안 모든 스위칭 소자 모듈이 모두 오프되는 경우는 거의 발생되지 않기에 전류 크기 자체가 급격히 하강하는 구간 자체가 존재하지 않는다.
도 5는 컨버터가 3개의 스위치 소자 모듈을 포함한다는 가정하에 하나의 상에 대한 컨버터가 출력하는 전류 파형을 도시한다. 먼저 실선은 제일 먼저 온되는 스위칭 소자 모듈이고, 점선은 그 다음으로 온되는 스위칭 소자 모듈이고, 1점 쇄선은 3번째로 온되는 스위칭 소자 모듈이다. 전술한 3개의 스위칭 소자 모듈은 일정한 위상차를 두고 구동되는 것이다.
도 6은 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템의 컨버터 제어 방법의 흐름을 도시한다.
일 양상에 있어서, 풍력 발전 시스템의 스위칭 소자 모듈 제어 방법은 스위칭 소자 모듈 구동 단계(S620)를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 스위칭 소자 모듈 구동 단계(S620)는 발전기와 계통 사이에 연결된 컨버터가 포함하는 병렬 연결된 복수의 스위칭 소자 모듈을 온 오프 시키되, 상기 복수의 스위칭 소자 모듈을 위상 차이가 나도록 구동시킨다. 도 1에 도시된 컨버터(50-1)를 예로 들면, 스위칭 소자 모듈 구동 단계(S620)는 컨버터(50-1)가 포함하는 m개의 스위칭 소자 모듈(60-1-1, 60-1-2, … 60-1-m)을 구동시키되 위상차이가 나도록 구동시킨다. 어느 하나의 상을 기준으로 계통에 교류 전력을 공급하기 위해서는 4개의 스위치 소자가 온되야 한다고 전술하였다. 결국, 어느 하나의 상을 예로 들었을때, 스위칭 소자 모듈(60-1-1, 60-1-2, … 60-1-m) 각각이 포함하는 4개의 스위치 소자는 스위칭 소자 모듈별로 서로 위상차를 두고 동시에 온오프 된다. 어느 하나의 스위칭 소자 모듈이 포함하는 4개의 스위치 소자가 온되고, 일정한 위상차를 가지며 다음 스위칭 소자 모듈이 포함하는 4개의 스위치 소자가 온되는 일련을 과정이 m개의 스위칭 소자 모듈에 대해 발생하는 것이다.
스위칭 소자 모듈 구동 단계(S620)가 컨버터가 포함하는 병렬 연결된 복수의 스위칭 소자 모듈을 온 오프 시킨다는 것은 3상 교류 신호가 서로 120도 차이가 나도록 계통에 전달되기 위해 스위칭 소자 모듈이 포함하는 12개의 스위치 소자 중 필요한 스위치 소자를 온 오프 시킨다는 것이다. 3상 교류 신호가 서로 120도 차이가 나도록 계통에 전달되기 위해 스위칭 소자 모듈이 포함하는 12개의 스위치 소자 중 필요한 스위치 소자가 무엇이고 그 스위치 소자가 언제 온 오프되야 하는지는 당업자에게 자명하다. 3상 중 어느 하나의 상인 경우로 예를 들면, 스위칭 소자 모듈 구동 단계(S620)가 컨버터가 포함하는 병렬 연결된 복수의 스위칭 소자 모듈을 온 오프 시킨다는 것은 스위칭 소자 모듈이 포함하는 4개의 스위치 소자를 온 오프 시킨다는 의미이다.
3상을 예로 들면, 스위칭 소자 모듈 구동 단계(S620)가 3상 교류 전력이 계통에 공급되도록 스위칭 소자 모듈이 포함하는 복수의 스위칭 소자 중 필요한 스위치 소자를 온 오프시킨다는 것이다. 전술한 필요한 스위치 소자들은 결국 스위칭 소자 모듈 별로 위상차를 가지며 온 오프 된다.
일 실시예에 있어서, 상기 위상 차이는 일정한 위상 차이다. 스위칭 소자 모듈 구동 단계(S620)는 발전기와 계통 사이에 연결된 컨버터가 포함하는 병렬 연결된 복수의 스위칭 소자 모듈을 온 오프 시키되, 상기 복수의 스위칭 소자 모듈을 위상 차이가 나도록 구동시킨다.
3상 중 어느 하나의 상인 경우로 예를 들면, 스위칭 소자 모듈 구동 단계(S620)가 컨버터가 포함하는 병렬 연결된 복수의 스위칭 소자 모듈 각각이 포함하는 4개의 스위치 소자를 온 오프 시키되, 복수의 스위칭 소자 모듈은 일정한 위상차이를 가지고 온오프 되는 것이다. 복수의 스위칭 소자 모듈이 온오프 되는 것의 정의는 전술하였다. 일정한 위상차이가 난다는 것은 복수의 스위칭 소자 모듈간에 일정한 위상차이가 나도록 동시에 온오프 된다는 것이다. 스위칭 소자 모듈이 포함하는 스위치 소자간에 일정한 위상차이가 나도록 제어된다는 의미가 아니다.
일 실시예에 있어서, 발전 시스템의 스위칭 소자 모듈 제어 방법은 위상 차이 산출 단계(S610)를 더포함한다.
일 실시예에 있어서, 위상 차이 산출 단계(S610)는 360도에서 하나의 컨버터가 포함하는 병렬 연결된 복수의 스위칭 소자 모듈의 개수를 나눈 값으로 위상 차이를 산출하고, 스위칭 소자 모듈 구동 단계(S620)는 상기 복수의 스위칭 소자 모듈을 산출된 위상 차이가 나도록 구동시키는 것을 특징으로 한다.
도 1의 컨버터(50-1)을 예로 들면, 컨버터(50-1)는 m개의 스위칭 소자 모듈을 포함하는데 m이 4라고 가정한다. 위상 차이 산출 단계(S610)는 360도에서 스위칭 소자 모듈의 개수인 4로 나누어 위상 차이를 90도로 산출한다. 스위칭 소자 모듈은 산출된 90도의 위상 차이가 나도록 컨버터(50-1)가 포함하는 4개의 스위칭 소자 모듈을 구동시킨다. 다른 컨버터(50-2, …, 50-n)도 컨버터(50-1)와 동일하게 동작한다. 종래에는 컨버터(50-1)가 포함하는 복수의 스위칭 소자 모듈이 동시에 온 오프가 되도록 구동되었다. 이에 따라, 컨버터가 출력하는 교류 전류에 고조파 성분이 많이 함유되어 있었다. 그러나 풍력 발전 시스템의 스위칭 소자 모듈 제어 방법이 포함하는 스위칭 소자 모듈 구동 단계(S620)는 360도에서 스위칭 소자 모듈의 개수를 나눈 만큼의 위상 차이가 나도록 스위칭 소자 모듈을 온오프 시켜서 컨버터가 출력하는 교류 전력에 고조파 성분이 적다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해 져야 할 것이다.
10: 블레이드
30: 기어 박스
40: 발전기
50-1, 50-2, 50-n: 컨버터
60-1-1, 60-1-2, 60-1-m, 60-2-1, 60-2-2, 60-2-m, 60-n-1, 60-n-2, 60-n-m: 스위칭 소자 모듈
70: 트랜스포머
100: 풍력 발전 시스템의 스위칭 소자 모듈 제어 장치
110: 스위칭 소자 모듈 구동부
120: 위상 차이 산출부
210: AC/DC 컨버터
220: DC 링크
230: DC/AC 컨버터
200: 스위칭 소자 모듈

Claims (7)

  1. 발전기와 계통 사이에 연결된 컨버터가 포함하는 병렬 연결된 복수의 스위칭 소자 모듈을 온 오프 시키되, 상기 복수의 스위칭 소자 모듈을 위상 차이가 나도록 구동시키는 스위칭 소자 모듈 구동부;를 포함하는 풍력 발전 시스템의 스위칭 소자 모듈 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 위상 차이는
    일정한 위상 차이인 풍력 발전 시스템의 스위칭 소자 모듈 제어 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 풍력 발전 시스템의 스위칭 소자 모듈 제어 장치는
    360도에서 하나의 컨버터가 포함하는 병렬 연결된 복수의 스위칭 소자 모듈의 개수를 나눈 값으로 위상 차이를 산출하는 위상 차이 산출부;를 더 포함하고,
    상기 스위칭 소자 모듈 구동부는 상기 복수의 스위칭 소자 모듈을 산출된 위상 차이가 나도록 구동시키는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템의 스위칭 소자 모듈 제어 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 풍력 발전 시스템의 스위칭 소자 모듈 제어 장치는
    하나 이상의 스위칭 소자 모듈을 포함하는 하나 이상의 컨버터;를 더 포함하되,
    상기 하나 이상의 스위칭 소자 모듈은 6개의 스위칭 소자를 포함하는 AC/DC 컨버터, 상기 AC/DC 컨버터와 병렬 연결된 DC 링크 및 6개의 스위칭 소자를 포함하면서 상기 DC 링크와 병렬 연결된 DC/AC 인버터를 포함하는 풍력 발전 시스템의 스위칭 소자 모듈 제어 장치.
  5. 발전기와 계통 사이에 연결된 컨버터가 포함하는 병렬 연결된 복수의 스위칭 소자 모듈을 온 오프 시키되, 상기 복수의 스위칭 소자 모듈을 위상 차이가 나도록 구동시키는 스위칭 소자 모듈 구동 단계;를 포함하는 풍력 발전 시스템의 스위칭 소자 모듈 제어 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 위상 차이는
    일정한 위상 차이인 풍력 발전 시스템의 스위칭 소자 모듈 제어 방법.
  7. 제 5 항에 있어서, 풍력 발전 시스템의 스위칭 소자 모듈 제어 방법은
    360도에서 하나의 컨버터가 포함하는 병렬 연결된 복수의 스위칭 소자 모듈의 개수를 나눈 값으로 위상 차이를 산출하는 위상 차이 산출 단계;를 더 포함하고,
    상기 스위칭 소자 모듈 구동 단계는 상기 복수의 스위칭 소자 모듈을 산출된 위상 차이가 나도록 구동시키는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템의 스위칭 소자 모듈 제어 방법.






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