KR101657855B1 - 전력 계통 내 전류 공급 방법 및 그 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전력 계통 주파수를 갖는 제 1, 제 2, 및 제 3 전압을 보유한 제 1, 제 2, 및 제 3 위상을 포함하는 3상 전력 계통 내로 전류를 공급하기 위한 방법에 관한 것이며, 상기 방법은, 제 1, 제 2, 및 제 3 전압을 측정하는 측정 단계와, 대칭 성분법에 따라서 정상 전압 시스템 및 역상 전압 시스템으로 제 1, 제 2, 및 제 3 전압을 변환하는 변환 단계와, 전력 계통의 제 1, 제 2, 및 제 3 위상 내로 공급하기 위한 제 1, 제 2, 및 제 3 설정 전류를 계산하는 계산 단계를 포함하며, 제 1, 제 2, 및 제 3 설정 전류의 계산은 정상 전압 시스템 및/또는 역상 전압 시스템의 하나 이상의 값에 따라 실행된다.
Description
본 발명은 3상 전력 계통 내로 전류를 공급하기 위한 방법 및 그 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 3상 전력 계통 내로 전류를 공급하도록 마련된 풍력 발전 설비에도 관한 것이다.
예컨대 유럽의 상호 연계된 전력 계통과 같은 3상 전력 계통 내로, 또는 그 중 일부분 내로 전류를 공급하기 위한 방법 및 그 장치들은 일반적으로 공지되었다. 이를 위해, 대규모 발전 설비들은 전력 계통에 직접 연결되어 있는 동기식 제너레이터를 이용한다. 이를 위해, 동기식 제너레이터는, 정확히 전력 계통의 주파수에 매칭된 상응하는 회전 속도로 작동된다. 동기식 제너레이터의 각각의 구조 형상에 따라서, 50Hz의 주파수를 보유한 전력 계통에 연결된 4극 동기식 제너레이터의 경우 회전 속도는 예컨대 1500회의 분당 회전수이다. 예컨대 3개의 전력 계통 위상 중 하나의 전력 계통 위상이 상대적으로 더 강한 부하를 받는 예컨대 전력 계통의 비대칭 부하와 같은 간섭들이 전력 계통 내에서 발생한다면, 이는 동기식 제너레이터로부터 공급되는 전류에 직접적으로 영향을 미친다. 이 경우, 물리적 조건에 따른 비동기식 제너레이터의 거동은 다시 적어도 부분적으로 전력 계통의 대칭화에 기여할 수 있다. 그러나 동기식 제너레이터의 상기 기여의 유형 및 방식은 전력 계통과의 견고한 연결로 인해 기본적으로 조절될 수 없다.
풍력 발전 설비들은 90년대에도 여전히, 실질적으로, 우세하게 존재하는 풍황 조건을 바탕으로 각각 실제로 가능한 만큼 많은 에너지를 전력 계통에 공급한다는 의미에서, 전력 계통에 수동적으로 연결되었다. 90년대 말에 처음으로, 풍력 발전 설비들도 전력 계통의 전기 지원에 기여할 수 있음을 인식하였다. 따라서 예컨대 독일 특허 출원 DE 100 22 974 A1은, 풍력 발전 설비들이 전력 계통 주파수에 따라서 그 전력 공급을 변경할 수 있는, 특히 제한할 수 있는 방법을 기술하고 있다. DE 101 19 624 A1은, 전력 계통 간섭이 있는 경우, 요컨대 특히 단락이 있는 경우, 풍력 발전 설비가, 결과적으로 전력 계통 지원을 달성하기 위해, 전력 계통으로부터 분리되는 것 대신, 직접 공급하는 전류를 제한하는 점을 제안하고 있다. WO 02/086315 A1로부터는, 풍력 발전 설비를 통한 전력 계통 지원을 위해, 전력 계통 전압에 따라서 공급되는 전류의 위상 각도를 설정하고, 그에 따라, 결과적으로 전력 계통을 지원하기 위해, 전력 계통 내로 전압에 따라 무효 전력을 공급하는 방법이 기술된다. DE 197 56 777 A1도 마찬가지로 풍력 발전 설비를 이용하여 전력 계통 지원을 위한 방법에 관한 것이며, 이 방법의 경우 풍력 발전 설비는 경우에 따라 전력 계통 전압에 따라서, 결과적으로 풍력 발전 설비를 통한 전력 계통의 지원을 달성하도록, 결과적으로 특히 전력 계통으로부터의 분리를 방지하기 위해, 전력 계통 내로 공급할 전력을 감소시킨다.
풍력 발전 설비들의 중요성은 점차 증가하고 있다. 전력 계통 지원과 관련하여서도 풍력 발전 설비들의 중요성은 점차 증가하고 있다. 그러나 이 경우 (대개 선구적 단계로서 표현할 수 있는) 전력 계통 지원을 위한 앞서 기술한 조치들은 전력 계통 비대칭도 고려된다는 점에 한해서 훨씬 더 향상될 수 있다.
이 경우, 전력 계통 비대칭의 고려는 몇몇 문제를 보인다. 우선, 전력 계통 비대칭을 신속하면서도 정확하게 검출하는 점이 문제가 된다. 그 밖에도, 비대칭을 검출하는 경우, 견고하게 연결된 동기식 제너레이터로는 불가능하거나, 또는 조건부로만 가능한 사항으로, 상기 비대칭을 목표한 바대로 보상해야 하는 문제가 제기된다. 동일한 문제들은, 동기식 제너레이터를 이용하는 것이 아니라, 거동에 따라서 상기 동기식 제너레이터를 모방하는 시스템에서도 발생한다.
종래 기술로서는 여전히 일반적으로, 이중 공급형 비동기식 기계를 포함하는 풍력 발전 설비에 관계하는 출원 WO 2010/028689 A1도 참조된다.
따라서 본 발명의 과제는, 상술한 문제들 중 하나 이상의 문제를 해결하거나 감소시키는 것에 있다. 특히, 본 발명의 과제는, 전력 계통에 존재하는 비대칭에 대처하기 위해, 목표한 바대로 비대칭 방식으로 전력 계통 내로 전력 공급이 이루어지도록 하는 해결 방법을 제공하는 것에 있다. 적어도 본 발명의 과제는, 대체되는 해결 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명에 따라서, 청구항 제 1항에 따르는 방법이 제안된다.
그에 상응하게, 전력 계통 주파수를 갖는 제 1, 제 2, 및 제 3 전압을 보유한 제 1, 제 2, 및 제 3 위상을 포함하는 3상 전력 계통 내로 전류를 공급하기 위한 방법이 제안된다. 그에 따라, 상기 방법은, 주파수, 요컨대 전력 계통 주파수를 갖는 3상 시스템에 있어서, 각각의 위상은 또 다른 위상들의 전압과 다를 수 있는 고유 전압을 보유하는, 상기 3상 시스템을 기초로 한다.
일 단계에 따라서, 제 1, 제 2, 및 제 3 전압이 측정되고, 전압들은 대칭 성분법에 따라 정상 전압 시스템(positive phase-sequence voltage system) 및 역상 전압 시스템(negative phase-sequence voltage system)으로 변환된다. 그에 따라 3상 전압 시스템은 비대칭의 고려에도 간단하면서도 일반적인 방식으로 기술될 수 있다. 요컨대, 통상적으로 L1, L2 및 L3으로서 지칭되는 3개의 라인만이 전류를 전도하고 그에 따라 영상 시스템(zero phase sequence system)은 존재하지 않거나 기술(description)을 위해 소요되지 않고, 정상 전압 시스템 및 역상 전압 시스템을 통한 기술만으로도 충분하다는 점이 기초가 된다.
그 밖에도, 전력 계통의 제 1, 제 2, 및 제 3 위상 내로 공급하기 위한 제 1, 제 2, 및 제 3 설정 전류의 계산이 수행된다. 여기서 주지할 사항은, (3개의 전류 모두 함께 3상 전류로서 지칭될 수 있는) 상기 제 1, 제 2, 및 제 3 전류의 제공 및 공급은 기본적으로, 그리고 실질적으로 전기 모터와 같은 장치를 구동하기 위한 3상 전류의 생성과는 다르다는 점이다. 이처럼 전력 계통 내로 전류를 공급할 때, 충분히 잘 알려진 부하 장치의 경우에 해당할 수도 있는 것처럼, 공급에 대한 직접적인, 그리고 특히 결정론적 반응은 부족하다. 비록 전력 계통도 각각 공급되는 전류에 반응을 하기는 하지만, 그럼에도 상기 반응은, 예컨대 전기 모터처럼 직접 제공되어 분명하게 식별될 수 있는 부하 장치를 이용하는 경우와 비교할 수 없을 정도로 다르다.
제 1, 제 2, 및 제 3 설정 전류의 계산은 정상 전압 시스템 및/또는 역상 전압 시스템의 하나 이상의 값에 따라서 수행된다. 그에 따라, 우선, 3상 전력 계통 내로 공급할 때, 전력 계통의 비대칭을 고려하고 그에 상응하게 공급할 3개의 전류를 계산하는 점이 제안된다. 그에 따라, 전력 계통 비대칭의 고려를 위해, 정상 전압 시스템 또는 역상 전압 시스템에 따른 설정 전류들의 계산이 제안된다. 그 결과로, 전력 계통 내 상응하는 비대칭에 대해 목표한 바대로 반응이 이루어질 수 있다.
전력 계통과 성형(star) 연결된 동기식 제너레이터를 통해 전력 계통 공급을 실행하는 종래의 대규모 발전 설비들과 다르게, 이제 비대칭에 따라서, 또는 비대칭의 고려하에 설정 전류들을 목표한 바대로 계산하는 점이 제안된다.
다시 말해, 전력 계통 전압의 뜻밖의 비대칭의 고려가 수행되며, 그 결과로 공급할 전류의 계산이 이루어진다. 그에 따라 전력 계통 전압의 정상 시스템 및/또는 역상 시스템이 공급할 전류들에 영향을 미친다.
일 실시예에 따라서, 주파수 인버터에 의해, 전류들은, 3상 전압 계통 내로 공급하기 위한 제 1, 제 2, 및 제 3 설정 전류에 상응하게 생성되어 공급되는 점이 제안된다. 그에 따라, 예컨대 펄스 폭 변조를 통해 실행될 수 있는 것처럼, 기본적으로 직접적으로 인버터를 통해 전류들의 생성이 수행된다. 이를 위해, 공급할 에너지는 직류 전압 중간 회로에서 공급될 수 있으며, 직류 전압 중간 회로의 직류 전압 신호로부터 진동 전류, 특히 사인형 전류를 각각 생성하기 위해 직류 전압 중간 회로에서부터 펄스 폭 변조가 실행된다.
바람직하게는, 이를 위해, 특히 예시로 언급한 직류 전압 중간 회로를 위해, 전기 에너지는, 정류기를 이용하여 생성된 교류 전압 에너지를 직류 전압을 갖는 에너지로 변환하는 풍력 발전 설비를 통해 공급된다. 그 결과로, 특히 전력 계통을 안정화하기 위해, 그리고 특히 비대칭 전력 계통을 안정화하기 위해 풍력 발전 설비들 또는 복수의 풍력 발전 설비를 포함한 풍력 발전 단지를 이용하는 점이 가능해야 한다. 적어도 바람직하게는 전기 에너지는, 뜻밖의 존재하는 비대칭이 강화되지 않도록, 다시 말해 전력 계통 상태가 악화되지 않도록, 풍력 발전 설비들로부터 전력 계통 내로 공급된다.
일 실시예에 따라서, 본원의 방법은, 설정 전류들의 계산을 위해, 계산 위상 각도가 기초가 되고 계산 위상 각도는 전력 계통 결함의 검출에 따라서, 특히 결정 필터 또는 필터 블록의 이용하에 결정되는 것을 특징으로 한다. 이 경우, 계산 위상 각도는, 전력 계통 결함이 검출되지 않았다면, 전력 계통 전압들 중 하나의 전력 계통 전압의 검출된 위상 각도로부터 결정된다. 그렇지 않고, 전력 계통 결함이 검출되었거나, 또는 전제된다면, 계산 위상 각도는 다른 방식으로, 특히 정상 전압 시스템의 위상 각도로부터 결정되고, 그리고/또는 계산 위상 각도는 사전 설정된 전력 계통 주파수의 이용하에 결정되는 점이 제안된다.
그러므로 설정 전류들의 결정 또는 계산은 직접적으로, 3상 전압의 측정 시 검출되는 위상 각도를 기초로 하는 것이 아니라, 설정 전류들의 계산의 기초가 되고 그로 인해 계산 위상 각도로서도 지칭되는 특별한 위상 각도가 계산된다. 계산 위상 각도는 예컨대 높은 정밀도 및/또는 낮은 잡음을 특징으로 해야 한다. 계산 위상 각도는 예컨대 결정 필터 또는 필터 블록을 통해 결정될 수 있다. 상기 결정 필터 또는 필터 블록은 예컨대 상태 관측기(state observer)로서 형성될 수 있다. 위상 각도의 계산은 예컨대, 공개 공보 DE 10 2009 031 017 A1에서 이 독일 공개 공보의 도 4와 관련하여 기술된 것처럼 수행될 수 있다. 특히 결정은, 상기 독일 공개 공보에 기술되어 있는, 검출된 위상 각도(
)로부터 위상 각도(
)의 결정처럼 수행될 수 있다.
계산 위상 각도는, 전력 계통 결함이 검출되었다면, 바람직하게는 정상 전압 시스템의 위상 각도로부터 결정된다. 여기서, 특히 결정을 위한 또 다른 소스로 전환이 이루어지며, 이는 소프트웨어 솔루션으로서도 구현될 수 있다. 이를 위해, 정상 전압 시스템의 위상 각도의 이용이 제안된다. 적어도 발생하는 전력 계통 결함의 개시 시점에, 정상 전압 시스템의 위상 각도는 위상 각도에 대한 신뢰성 있는 값 또는 적어도 충분히 신뢰성 있는 값을 제공할 수 있다. 보통, 전력 계통 결함은 전압 측정의 문제도 수반한다. 이는 예컨대, 전압이 측정되지 않거나, 또는 부적합하게 측정되거나, 또는 부분적으로 측정되지 않거나, 또는 부분적으로 부적합하게 측정될 수 있다는 점을 근거로 할 수 있다. 또 다른 문제는, 3상 시스템의 전압의 측정 또는 검출이 필시 전력 계통 결함이 있는 경우에 더 이상 존재하지 않는 조건들을 기초로 한다는 점에 있을 수 있다.
대체되거나 추가되는 방식으로, 전력 계통 결함이 있는 경우에, 계산 위상 각도의 계산을 위해 사전 설정된 전력 계통 주파수를 이용하는 점이 제안된다. 가장 간단한 경우에, 예컨대 정격 주파수와 같은 고정 주파수, 다시 말해 예컨대 정확히 50Hz, 또는 정확히 60Hz가 일정하게 사전 설정되고, 이로부터 위상 각도가 가장 간단한 경우에 적분을 통해 결정된다. 바람직하게는, 사전 설정된 주파수의 이용은 정상 전압 시스템으로부터 제공되는 위상 각도의 이용과 조합된다. 상기 조합은, 정상 전압 시스템의 결정 및 이와 동시에 역상 전압 시스템 자체의 결정이 사전 설정된 주파수를 이용하도록 수행될 수 있으며, 그에 상응하게 정상 전압 시스템의 위상 각도도 결정되며 그에 따라 사전 설정된 주파수의 이용하에서도 결정된다.
계속해서 바람직하게는, 특히 전력 계통 결함이 검출될 때 설정 전류들의 계산을 위해, 정상 전압 시스템, 특히 정상 전압 시스템의 위상 각도가 관련되는 점이 제안된다. 교류 전압 전력 계통 내로, 특히 3상 교류 전압 전력 계통 내로 전류를 공급할 때 중요한 관점은 전력 계통 내로의 전력 공급에 이용되는 위상 각도이다. 3상 설정 전류의 위상 각도 또는 각각의 설정 전류를 위한 위상 각도의 사전 설정은 전력 계통 위상 각도의 최대한 정확한 정보를 전제로 하거나, 또는 최대한 정확한 정보가 바람직하다. 그러므로 3상 전류를 공급할 때 문제는, 예컨대 전력 계통 결함이 존재할 때 발생할 수 있는 전력 계통 위상 각도의 부정확한 정보이다. 마찬가지로 (경우에 따라 부정확한 측정의 추가 문제로) 비대칭 전력 계통도 문제가 되는데, 그 이유는 이미 상기와 같은 비대칭의 경우에 적합한 위상 각도의 결정 동안 문제들이 발생할 수 있기 때문이다.
여기서 정상 전압 시스템 성분의 위상 각도와 관련하는 것을 통해, 상기 문제를 대상으로 하는 해결책이 제안된다. 정상 시스템 성분의 위상 각도의 결정을 포함하는 정상 시스템 성분의 결정으로부터, 동시에 3상 전력 계통의 뜻밖의 비대칭도 고려하는 비교적 안정된 값이 유도된다. 그에 따라, 이와 관련하여 설정 전류들을 결정하는 점, 다시 말하면 정상 시스템의 위상 각도 또는 이로부터 계산된 전압의 위상 각도를 기초로 하는 점은, 3상 전력 계통 내 비이상적인 조건들에 대해서도 적합한 설정 전류 사전 설정을 가능하게 한다.
특히 3상 전력 계통 내에 이상적인 조건들이 존재한다면, 전력 계통 전압들 중 하나의 전력 계통 전압의 검출된 위상 각도의 이용으로 전환될 수 있거나, 또는 그 반대로 전환될 수도 있다. 상기 전환은 바람직하게는 필터로 향하는 입력 측에서, 특히 결정 필터 또는 필터 블록의 입력 측에서 수행된다. 결정 필터 또는 필터 블록의 이용을 통해, 상응하는 전환 점프(change-over jump)도 마찬가지로 필터링될 수 있다. 독일 공개 공보 DE 10 2009 031 017 A1의 도 4에 기술된 것처럼, 예컨대 계산 위상 각도가 전력 계통 전압의 검출된 위상 각도 또는 정상 전압 시스템의 위상 각도로부터 결정된다면, 결정 필터 또는 필터 블록은 이차(second order)의 응답 특성을 보유한다. 상기 결정 필터의 입력단에서 전환 펄스 또는 전환 점프는 결정 필터 또는 필터 블록의 출력단에서 그에 상응하게 적은 영향을 미치며, 그에 따라 설정 전류들을 계산하는 동안 관련시키기 위해 계속 이용할 때 사소하거나 무시할 수 있는 문제들만이 발생한다.
추가 실시예로서, 정상 전압 시스템 및 역상 전압 시스템으로 제 1, 제 2, 및 제 3 전압의 변환 단계는 이산 푸리에 변환(DFT)을 이용한 제 1, 제 2, 및 제3 전압의 변환 단계를 포함하고, 특히 이산 푸리에 변환은 온라인으로, 그리고 반의 주기 기간 동안에만 실행되는 것을 특징으로 하는 방법이 제안된다. 이산 푸리에 변환은 3개의 위상의 측정된 전압 값들로부터 3개의 위상에 대한 복합 전압 값들을 결정하며, 다시 말하면 3개의 위상 전압들 각각에 대해 진폭 및 위상에 따른 전압을 결정한다. 3상 전력 계통의 비이상적인 조건들도 고려할 수 있도록 하기 위해, 때로는 전력 계통 상황의 매우 신속한 검출, 특히 매칭되는 전류 공급을 위해 전력 계통 내 전압들의 변동의 신속한 검출이 중요할 수 있거나, 또는 심지어 결정적으로 중요할 수 있다. 정상 시스템 성분 및 역상 시스템 성분을 이용할 때, 특히 전압의 정상 시스템 성분의 위상 각도와 관련할 때, 상기 성분들에도 최대한 신속하게 전력 계통 상태의 결정적인 변동도 반영되어야 한다. 그에 상응하게 이산 푸리에 변환도 최대한 신속하게 수행되어야 한다.
통상적으로 푸리에 변환과 그에 따른 이산 푸리에 변환도 1회 이상의 완전한 주기 기간을 기초로 한다. 상기 완전한 주기 기간은 기초가 되면서 푸리에 변환의 정확한 실행을 위해서도 필수적이다. 그러나 한편, 반의 주기 기간을 기초로 하는 것만으로도 충분할 수 있다는 점도 확인되었다. 그에 상응하게, 이에 대해 푸리에 변환, 요컨대 이산 푸리에 변환의 매칭이 이루어진다.
바람직하게는, 변환 단계는 온라인으로, 요컨대 각각의 측정점에서 3개의 전압의 값들이 기록되고 마찬가지로 각각의 측정 시점에 실행되는 이산 푸리에 변환에 포함된다는 의미로 수행된다. 그에 따라, 기록된 측정값들은 이산 푸리에 변환의 결과에도 즉시 영향을 미친다. 각각 현재 측정되는 측정값들은 신규 값들로서 포함되고 이미 앞서 측정된 현재 반 주기의 나머지 값들도 마찬가지로 포함된다. 그에 따라 전력 계통 내 상황의 변동은 제 1 측정값으로 첫 번째로 영향을 미치게 되며, 반의 주기 기간의 측정 후에 상기 상황의 변동은 이산 푸리에 변환의 결과에 완전한 영향을 미치게 된다.
그에 따라 반의 주기 기간 동안 이산 푸리에 변환이란, 유횻값의 의미에서 각각 현재 측정값들이 반의 주기 기간만큼 경과한 측정값들에 이르기까지 기록되어 이산 푸리에 변환에 포함된다는 것을 의미한다.
그에 따라, 신규 측정값들이 이산 푸리에 변환의 결과에 완전한 영향을 미치기 이전의 기간은 완전한 주기 길이 동안의 종래의 이산 푸리에 변환에 비해 반감될 수 있다. 그에 상응하게, 이산 푸리에 변환은 두 배로 빠르게 결과를 유도하거나, 또는 뜻밖의 인식 시간도 반감될 수 있다.
일 실시예에 따라서, 정상 전압 시스템 및 역상 전압 시스템으로 제 1, 제 2, 및 제 3 전압의 변환 단계는, 현재 전력 계통 주파수의 측정 대신, 사전 결정된 주파수를 이용하는 것을 특징으로 하는 방법이 제안된다. 상기의 사전 결정된 주파수는 예컨대 전력 계통의 정격 주파수일 수 있으며, 다시 말하면 유럽의 상호 연계된 전력 계통의 경우 50Hz일 수 있거나, 또는 미국에서는 예컨대 60Hz일 수 있다. 그 밖에도, 사전 결정된 주파수는 다른 방식으로, 요컨대 또 다른 고정 값으로서, 또는 계산 규칙을 통해 결정될 수 있거나, 또는 이용되는 정격 주파수는 모델로부터 인용된다.
상기 실시예는, 전력 계통 주파수의 사전 설정을 통해, 특히 변환의 안정화의 의미에서, 변환이 조절될 수 있다는, 특히 향상될 수 있다는 사상을 기초로 한다. 상기 조처는, 바로 전력 계통 결함이 존재하고 실제 전력 계통 주파수가 측정이 어렵거나, 부정확하게 측정되거나, 전혀 측정될 수 없을 때 이용될 수 있다.
바람직하게는, 사전 결정된 전력 계통 주파수로서, 경과한 측정 시점의 전력 계통 주파수의 값이 이용될 수 있다. 이 경우, 변환 단계는 실제 전력 계통 주파수의 최종 값, 특히 신뢰성 있게 측정 가능한 값을 지향한다.
바람직한 구현예에서, 본원의 방법은, 설정 전류들이 대칭 성분법에 따라서 정상 전류 시스템 및 역상 전류 시스템을 통해 사전 설정되는 것을 특징으로 하는 점이 제안된다. 특히 이 경우 정상 시스템은 값 및 위상에 따르는 복합 정상 시스템 전류 성분을 통해 고려되고, 역상 시스템은 값 및 위상에 따르는 복합 역상 시스템 전류 성분을 통해 고려된다.
대칭 성분법은 존재하는 비대칭 3상 시스템의 검출을 위한 방법으로서, 다시 말해 기본적으로 측정 방법으로서 공지되었다. 여기서 한편, 대칭 성분법에 따른 분할을 기반으로 전류들을 사전 설정하는 점이 제안된다. 이런 사전 설정은 특히, 2개의 복합 전류, 요컨대 정상 시스템 전류 성분 및 역상 시스템 전류 성분이 사전 설정되도록 수행될 수 있다. 그 다음, 이를 기반으로, 3개의 개별 설정 전류는 각각 값 및 위상에 따라서 사전 설정될 수 있다.
그에 따라, 일 실시예에 따라서, 제 1, 제 2, 및 제 3 전류 설정값의 계산은 존재하는 3상 전력 계통 전류의 정상 전압 시스템 및/또는 역상 전압 시스템의 값에 따라서 실행되며, 생성할 3상 전류의 명확한 사전 설정은 정상 시스템 전류 성분 및 역상 시스템 전류 성분의 사전 설정을 통해 수행된다. 이 경우, 완전히 서로 상이한 2가지 접근법 또는 단계가 기초가 된다.
제 1 단계에서, 3상 시스템, 더욱 정확하게는 3상 전압 시스템의 실제 상태가 기초가 되고, 상기 실제 상태는 대칭 성분법의 이용하에 매핑된다.
제 2 단계에서는, 설정 전류들이 관계되며, 요컨대 사전 설정이 이미지 범위에서 수행됨으로써 완전하게 다른 조처가 실행된다. 특히 정상 시스템 성분 및 역상 시스템 성분을 통해, 목표하는 비대칭도가 사전 설정될 수 있다. 마찬가지로, 상기 이미지 범위에서, 다시 말해 표시 범위에서 정상 및 역상 시스템 성분의 이용을 통해 위상 각도가 사전 설정될 수 있다. 그 다음, 이를 기초로 하여, 실제 설정 전류들, 다시 말해 시간 범위 내 설정 전류들이 결정되고 마침내 그에 상응하게 변환된다.
바람직하게는, 설정 전류들은 정상 및 역상 시스템을 통해 사전 설정된다. 시간 범위에서 개별 설정 전류들로서 상기 설정 전류들을 변환할 때, 상기 설정 전류들은 바람직하게는 정상 전압 시스템, 다시 말해 3상 전력 계통 내 전압들의 실제 상태에 할당되는 정상 시스템의 위상 각도와 관련한다.
바람직하게는, 설정 전류들은 정상 전류 시스템 또는 정상 시스템 전류 성분에 따라 계산되며, 그리고 전력 계통 결함이 전제될 때 상기 설정 전류들은 추가로 역상 전류 시스템 또는 역상 시스템 전류 성분에 따라 계산된다. 그에 따라, 특히 3상 설정 전류는 정상 시스템 및 역상 시스템 전류 성분을 통해 사전 설정될 수 있고, 그에 반해 전력 계통 상황에 따라서, 요컨대 전력 계통 결함이 있는 경우에 두 성분 모두 이용되거나, 또는 전력 계통 결함을 기초로 하지 않을 때에는 정상 시스템 성분만이 이용된다. 그 결과로, 전력 계통 결함들 및/또는 전력 계통 비대칭들과 같은 전력 계통 문제들이 고려될 수 있다.
이 경우, 특히 결함 없는 대칭 전력 계통이 존재할 때, 설정 전류들과 관련하여 기본적으로 대칭 전력 계통을 반영하는 정상 시스템 전류 성분만을 고려하는 효율적인 공급 방법이 제안된다. 전력 계통이 수학적 의미에서 완전하게 대칭이라면, 영으로 향하는 역 전류 성분이 유도되며, 그리고 그에 상응하게, 적은 비대칭이 기초가 될 수 있다면, 역 전류 성분은 작아질 수 있다. 그에 따라, 적합한 경우에 역 전류 성분의 고려를 배제하는 점이 제안된다. 완벽함을 위해, 주지할 사항은, 역 전류 성분이란 개념은 역상 시스템 전류 성분을 나타내고, 정 전류 성분이란 개념은 정상 시스템 전류 성분을 나타낸다는 점이다. 전력 계통은, 전력 계통이 전압을 기반으로 기능한다는 점을 강조하기 위해, 전압 계통으로서 표현될 수 있다.
한 바람직한 실시예에 따라서, 본원의 방법은, 정상 전류 시스템 또는 정상 시스템 전류 성분과 역상 전류 시스템 또는 역상 시스템 전류 성분이 정상 시스템의 유효 전력 성분의 설정값, 정상 시스템의 무효 전류 성분의 설정값, 및/또는 정상 시스템 전류 성분의 값에 대한 역상 시스템 전류 성분의 값의 몫의 설정값에 따라서 결정되는 것을 특징으로 한다.
그 결과로, 간단한 유형 및 방식으로, 유효 전력 성분 및 무효 전력 성분이 사전 설정될 수 있다. 바람직하게는, 3상 전력 계통의 비대칭에 대응하기 위해, 역 전류 성분이 이용된다. 이와 무관하게, 공급할 전류의 유효 및 무효 전력 성분은 정상 시스템 전류 성분을 통해 사전 설정될 수 있다. 이는, 특히, 설정 전류들의 공급이 정상 전압 시스템의 위상 각도와 관련할 때 바람직하고 합당하다. 따라서, 대칭 전압 성분에 매칭되는 방식으로 실질적으로 대칭 전류 성분을 공급할 수 있고 이와 동시에 검출 및 공급 동안 비대칭을 고려할 수 있다.
비대칭도 또는 비대칭도에 대한 특성 변수의 사전 설정은 간단한 방식으로 정상 및 역상 시스템 성분을 통한 3상 설정 전류의 사전 설정 동안, 그 몫, 요컨대 정상 시스템 성분에 대한 역상 시스템 성분의 몫이 결정될 때 수행될 수 있다. 또한, 대체되는 방식으로, 고정 값 대신, 비대칭도에 대한 상한이 사전 설정될 수도 있다.
바람직하게는, 역상 시스템 전류 성분은 정상 시스템 전류 성분으로부터 독립적으로 설정되고, 그리고/또는 가변된다. 따라서 예컨대 정상 시스템 전류 성분을 통해 우선 먼저 실질적으로 공급할 전력, 특히 유효 전력이 진폭에 따라 사전 설정될 수 있다. 그에 상응하게, 그 결과로, (단순화하여 표현하면) 총 전류가 그 진폭에서 일차 근사로 사전 설정된다. 또한, 복합 정상 시스템 전류 성분의 사전 설정 동안, 위상 각도를 통해서도, 앞서 기술한 것처럼, 유효 및 무효 전력 또는 유효 및 무효 전력 성분의 분배가 수행된다.
역 전류 성분을 통해서는 우선 먼저, 본건에 따라서, 비대칭이 사전 설정될 수 있다. 특히, 비대칭 성분은, 전압 계통 내에서 비대칭을 적어도 부분적으로 보상하기 위해, 목표한 바대로, 특히 정성 및 정량(quality and quantity)에 따라서 사전 설정될 수 있다. 그에 상응하게, 정상 시스템 전류 성분 및 역상 시스템 전류 성분의 이용은 공급할 3상 전류의 사전 설정 동안 높은 자유도를 제공한다. 정상 시스템 전류 성분의 변수는 특히 실질적으로 풍력 발전 설비의 가용한 전력에 의해, 그리고 이와 동시에 우세하게 존재하는 풍황 조건에 따라서 설정된다.
바람직하게는, 본원의 방법은 온라인으로 실행된다. 특히, 바람직하게는, 모든 방법 단계가 온라인으로 실행된다. 그 결과로, 뜻밖의 전력 계통 변동에 대해 최대한 신속한 반응이 수행될 수 있고, 전류의 공급도 그에 상응하게 매칭될 수 있다. 특히, 기술한 실시예들은, 특히 정 전압 및 역 전압 시스템 성분으로 검출된 3상 전압 시스템의 변환을 위한 경우처럼, 상기 온라인 실행을 위해 마련된다. 특히 반의 주기 기간만의 이용에 매칭되는 기술한 이산 푸리에 변환은 전류를 검출하고 공급하기 위한 방법의 상기 온라인 실행을 가능하게 한다.
또한, 본 발명에 따라서, 기술한 실시예들 중 하나 이상의 실시예에 따라서 3상 전압 계통 내로 전류를 공급하기 위한 방법을 이용하는 풍력 발전 설비가 제안된다.
또한, 본 발명에 따라서, 복수의 상기 풍력 발전 설비를 포함한 풍력 발전 단지가 제안된다. 상기 풍력 발전 단지는, 오늘날의 현대적인 풍력 발전 설비들을 포함하여, 전력 계통의 유의적인 조절, 특히 전력 계통의 지원, 및 전력 계통 내 전류의 품질 향상을 가능하게 하는 크기를 취할 수 있다.
이 경우, 풍력 발전 단지란, 상호 간에 상호 작용하고, 특히 전력 네트워크 내로 전류를 공급하기 위한 하나 이상의 공통의 공급점을 이용하는 복수의 풍력 발전 설비의 집합체를 의미한다.
하기에서 본 발명은 첨부한 도들과 관련한 실시예들에 따라서 예시로서 설명된다.
도 1은 풍력 발전 설비이다.
도 2는 본 발명에 따른 방법의 일 실시예를 설명하기 위한 개요도이다.
도 3은 도 2의 계산 블록을 도시한 상세도이다.
도 2는 본 발명에 따른 방법의 일 실시예를 설명하기 위한 개요도이다.
도 3은 도 2의 계산 블록을 도시한 상세도이다.
도 1에는, 특히 본 발명에 따른 방법을 실현하고, 이를 위해 결과적으로 전력 계통 내로 전력 공급을 위해 상응하는 제어부를 구비한 하나 이상의 주파수 인버터를 포함하는 풍력 발전 설비가 도시되어 있다.
도 2에 따른 본 발명의 일 실시예의 구조는, 인버터(12)가 출력 초크들(14)(output choke) 및 변압기(16)를 통해 그 내로 전력 공급하는 3상 전력 계통(10)을 기초로 한다. 변압기(16)는 일차 측(18)과 이차 측(20)을 포함한다. 이차 측(20)을 통해 변압기(16)는 3상 전력 계통(10)과 연결되며, 일차 측(18)은 출력 초크들(14)을 통해 인버터(12)와 연결된다.
인버터(12)는 직류 전압 중간 회로(22)를 통해 직류 전류 또는 직류 전압을 공급받으며, 바람직하게는 직류 전압 중간 회로(22)는 풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 설비의 제너레이터로부터 전류를 공급받을 수 있으며, 제너레이터를 통해 생성된 전류는 정류기에 의해 정류되어 상기 직류 전압 중간 회로(22) 내로 공급된다.
그에 따라, 인버터(12)는 직류 전압 중간 회로(22)의 직류 전류 또는 직류 전압으로부터 3개의 개별 전류(i1, i2 및 i3)를 보유하는 3상 교류 전류를 생성한다. 3상 교류 전류 또는 3개의 개별 전류는 펄스 폭 변조에 의해 생성된다. 이를 위해 필요한 펄스는 공차 범위 제어부에 의해 상응하는 공차 범위 블록(24)에 따라서 사전 설정된다. 이를 위해, 공차 범위 블록(24)은 설정값들로서 제어할 전류들(i1, i2 및 i3)을 공급받는다.
공차 범위 블록(24)을 통한 전류 설정값들을 기반으로 하는 스위칭 시간들의 계산은 기본적으로 공지된 유형 및 방식으로 공차 범위 방법에 따라서 수행된다. 그러므로 (단순화하여 표현하면) 전류 실제값이 공차 범위에서 벗어나면, 다시 말해 하나 이상의 공차 값만큼 각각의 설정값을 초과하거나, 또는 상기 공차값 이상만큼, 또는 또 다른 공차값만큼 각각의 설정값을 하회한다면, 펄스를 생성하거나 종료하기 위해 상응하는 반도체 스위치의 스위칭 작동이 트리거링된다. 기본적으로 상기 공차 범위 방법 대신 또 다른 방법도 이용될 수 있다.
본 발명의 실질적인 관점은 상기 설정값들(i1, i2 및 i3)의 결정 및/또는 3개의 설정 전류의 곡선이다. 이 경우, 설정 전류들의 곡선은 전력 계통 거동과 관련하여서도 해석되거나 평가된다.
수요에 적합하게 전력 계통 내로 전력 공급하기 위해, (전력 계통이란 개념 대신, 동의어로 네트워크란 개념도 이용될 수 있다.) 전력 계통의 3개의 위상의 전압들을 측정하고 이를 위해 측정 저항기(28)와 측정 커패시터(30), 다시 말해 콘덴서를 각각 포함하는 측정 필터(26)가 제공된다. 상기 소자들은 각각의 위상을 위해 제공되며, 도 2에 따라서는 변압기(16)의 일차 측(18)에서 전압들의 측정이 수행된다. 대체되는 방식으로, 변압기(16)의 이차 측(20)에서, 또는 전력 계통(10) 내 또 다른 위치들에서도 측정이 수행될 수 있다. 3상 전력 계통의 측정을 실행하기 위해, 상기 도 2의 측정 필터(26)에 상응하는 측정 필터를 도 3에서 개시하고 있는 독일 특허 출원 DE 10 2009 031 017 A1도 참조된다.
측정된 전압들[uL1(p), uL2(t), 및 uL3(t)]은 변환 블록(32) 내로 입력되며, 이 변환 블록은 한 시점에서 극 좌표에서 측정된 전압 값들을, 값 및 위상을 갖는, 요컨대 값으로서 전력 계통 전압(UN)과 위상으로서 각도(
)를 갖는 복합 값 변수로 변환 계산한다. 위상 각도는 제 1 전압에 관계한다. 계산은 하기와 같이 실행될 수 있으며, u1, u2 및 u3은 각각 전압들[uL1(t), uL2(t), 및 uL3(t)]의 순간 전압 값을 나타낸다.
상기 방정식들 및 이에 대한 추가 설명 사항은 그 밖에도 이미 언급한 독일 공개 공보 DE 2009 031 017 A1에서 인용된다.
이처럼 결정된 전력 계통 전압(UN)과 이처럼 결정된 전력 계통 위상 각도(φ N)는 SO1 블록으로서도 지칭될 수 있는 상태 관측기 블록(34) 내로 입력된다. 위상 각도를 위한 상태 관측기 블록(34)의 입력단은 여전히 상태 스위치(36)를 포함하며, 이 상태 스위치는 전력 계통 내에 뜻밖의 결함이 있는 경우에 따라서, 전력 계통 위상 각도(φ N) 대신, 변환 블록(32)의 출력으로서 또 다른 위상 각도가 상태 관측기 블록(34) 내로 입력될 수 있도록 전환될 수 있으며, 이는 하기에서 재차 설명된다.
상태 관측기 블록(34)은 관측되는 상태 변수로서 전력 계통 전압의 추정되는 유횻값으로서의 추정 변수(U)와 전력 계통 위상 각도의 추정 변수로서의 추정되는 위상 각도(φ)를 출력한다.
또한, 상태 관측기 블록(34)과 함께 변환 블록(32)의 가능한 설명은 이미 언급한 독일 공개 공보 DE 10 2009 031 017 A1에서 인용될 수 있다 이를 위해, 대응하는 명세서와 함께 도 4도 참조된다. 변환 블록(32)은 예컨대, 상기 공개 공보의 도 4의 블록 번호 6과 같이 구현될 수 있다. 상태 관측기 블록(34)은 예컨대 블록들(10 및 12)을 포함한 블록(F1)처럼 구현될 수 있다.
추정되는 위상 각도(φ)는 판단 블록(38)(desicion block) 내로 직접 입력된다. 판단 블록(38)은 3상 전류들[i1(t), i2(t), 및 i3(t)]을 위한 설정값들을 계산한다. 상기 설정 전류들은 공차 범위 블록(24)을 위한 입력을 형성하며, 그에 따라 인버터(12) 내에서 실행되는 변조를 위한 기초를 형성한다. 이를 위해, 추정되는 위상 각도(φ)는 중요한 기본 변수인데, 그 이유는 운영 중인 교류 전류 전력 계통 내에서 교류 전류들의 공급이 전력 계통 내의 각각 순간적인 위상 각도를 알고 있을 때에만 가능하기 때문이다. 그럼에도 불구하고, 판단 블록(38)은 적어도 간접적으로 추가 정보들, 요컨대 추정되는 전력 계통 전압(U), 공급할 유효 및/또는 무효 전력의 뜻밖의 설정값들, 및 (관련된) 전력 계통 결함이 존재하거나, 또는 존재할 수도 있는지의 여부에 대한 정보를 고려한다. 상기 정보들은 결국 PQ 제어 블록(40)을 경유하여 판단 블록(38)에 도달한다. 판단 블록(38)은 설정 전류들[i1(t), i2(t), 및 i3(t)]의 계산 또는 결정을 실행하며, 기초가 되는 계산은, 전력 계통 결함이 검출되었는지의 여부에 따라 결정된다. 상기 이유에서, 판단 블록이란 개념도 상기 블록(38)을 위해 선택되었다. 판단 블록(38)의 내부적인 계산은 하기에서 재차 설명된다. PQ 제어 블록에 대한 추가 정보들도 마찬가지로 하기에서 재차 제공된다.
판단 블록(38)은 (하기에서 재차 상세하게 설명되는 사항으로) 정상 시스템과 역상 시스템으로의 분할을 이용한다. 그에 상응하게, 정상 시스템 전류 또는 정상 시스템 전류 성분(
) 및 역상 시스템 전류 또는 역상 시스템 전류 성분(
)은 각각 판단 블록(38)의 입력 변수를 형성한다. 판단 블록(38)은 (어느 경우든 전력 계통 결함이 존재하지 않는다면) 일반적으로 본 출원에서 위첨자 + 기호를 통해 식별 표시되는 정상 시스템을 기반으로 하며, 그에 반해 역상 시스템 성분은 위첨자 - 기호를 통해 식별 표시된다. 달리 말하면, 도 2의 시스템, 특히 판단 블록(38) 내에서 계산은 정상 시스템 성분과 관련한다.
정상 시스템 또는 역상 시스템으로 측정된 전압들[u1(t), u2(t), 및 u3(t)]의 분할은 이를 위해 사전 설정된 주파수(fset)를 이용하는 계산 블록(42)에서 실행된다. 상기 주파수는 가장 간단한 경우에 전제되는 전력 계통 주파수, 다시 말해 유럽의 상호 연계된 전력 계통에서 예컨대 50Hz이거나, 또는 미국의 전력 계통에서 60Hz일 수 있다. 그 밖에도, 또 다른 값들, 경우에 따라서는 가변하는 값들도 선택될 수 있다.
또한, 판단 블록(38)은 입력 신호들로서, 계산 블록(42)에서 3상 전압의 변환에 따라서 적어도 여전히 역상 시스템의 위상 각도(
)를 공급받는다. 그 밖에도, 판단 블록(38)은 입력으로서, 전력 계통 결함을 기초로 하는지의 여부에 대한 지시자로서의 플래그(flag)를 공급받는다. 판단 블록(38) 내에서 실행되는 3개의 설정 전류[i1(t), i2(t), 및 i3(t)]의 계산은 플래그에 대한 값에 따라서 실행된다.
플래그가 0이면, 다시 말해 결함이 존재하지 않으면, 3개의 전류는 하기와 같이 계산된다.
그에 따라 각각의 설정 전류의 각각의 순간 값은 정상 시스템 설정 전류(I+)의 값, 추정되는 전력 계통 위상 각도(
), 및 정상 시스템의 설정 전류의 위상 각도(
)를 기반으로 한다. 이 경우, 추정되는 전력 계통 위상 각도(
)는 제 1 위상과 관련하여 전력 계통 전압의 각각 현재의 절대 위상 각도를 명시한다. 정상 시스템 전류 성분의 위상 각도(
)는 전력 계통 전압의 위상 각도(
)와 관련하여 정상 시스템의 전류의 위상 각도를 명시한다.
플래그가 1의 값을 취한다면(Flag = 1), 전력 계통 결함이 기초가 된다. 상기 전력 계통 결함들 또는 전력 계통 간섭들에 속하는 경우는 하기와 같다.
- 각도 안정성의 손실,
- 아일랜드 전력 계통 형성의 발생,
- 3상 단락의 발생, 및
- 2극 단락의 발생.
상기 전력 계통 간섭들의 유형에 대한 추가 설명은 이미 언급한 공개 공보 DE 10 2009 031 017 A1에서도 제시된다. 상기 전력 계통 결함의 발생은 특히, 검출된 전력 계통 상태들, 특히 위상 각도(
) 및 전압 레벨(U)이 잘못 검출되도록 하고, 그리고/또는 공급할 전류들에 대한 지향을 위해 불충분하게 적합하거나 부적합하게 할 수 있다. 그에 따라, 전력 계통 결함이 기초가 되는 경우에 대해 판단 블록(38)에서의 계산은 (일반적으로 말해서) 더욱 강하게 계산 블록(42)에서 산출된 변수들을 기반으로 하고, 그에 따라 더욱 강하게 사전 설정된 주파수(fset)를 기반으로 한다. 이는 개요 설명을 위해 이용될 뿐이며, 이런 점에 한해서 만일을 대비하여 주지할 사항은, 정 전류 성분(
) 및 역 전류 성분(
)의 결정을 통한 계산 블록(42)의 계산도 판단 블록(38)에 포함되고 이런 점에 한해서 전력 계통 결함이 전제되지 않은 판단 블록(38) 내에서의 계산에도 관련된다는 점이다.
전력 계통 결함이 전제될 때(Flag = 1), 설정 전류들[i1(t), i2(t), 및 i3(t)]의 계산 또는 결정 후에, 하기의 3가지 단계가 제안된다. 하기의 계산 단계들(그리고 또한 전력 계통 결함이 없는 경우 상술한 계산)은 3개의 설정 전류[i1(t), i2(t), 및 i3(t)]에 대해 각각의 순간 값이 공차 범위 블록(24)으로 전달되는 각각의 시점에 수행된다.
제 1 단계에서, 정상 시스템 및 역상 시스템에 대해 각각 cos 성분[
및 
]뿐 아니라 sin 성분[
및 
]이 하기와 같이 계산된다.
제 1 단계의 상기 방정식 계에서, 
는 정 전류 성분의 값을 나타내고, 그에 상응하게 
는 역 전류 성분의 값을 나타낸다. 
및 
는 각각 정상 시스템 및 역상 시스템의 위상 각도를 나타낸다. 상기 각도들은 도 2의 구조에 따라서 분명하게 판단 블록(38)으로 전달되지 않지만, 각각 복합 정 전류 성분(
) 및 복합 역 전류 성분(
)의 고유 요소들이다. 하기에서 여전히 설명되는 사항으로 계산 블록(42)에서 결정되는 것과 같은 전압의 역상 시스템 성분의 위상 각도는 판단 블록(38)으로 직접 전달된다.
유념할 사항은, 계산 블록(42)에서, 요컨대 기본적으로 공지된 대칭 성분법을 기반으로, 정상 시스템 성분과 역상 시스템 성분으로 3상 전력 계통 전압들의 분할이 실행된다는 점이다. 상기 대칭 성분법은 PQ 제어 블록(40)에 따른 전류의 정상 시스템 성분 및 역상 시스템 성분의 결정에도 기초가 된다. 상기 두 전류 성분은 복합 값들로서 판단 블록(38)으로 전달된다. 계산 블록(42)에 따른 전력 계통 전압의 상기 분할은 이상적인 경우 전력 계통 전압들의 실제 상태의 표시를 나타내는 반면에, PQ 제어 블록(40) 내에서 전류에 대한 정상 시스템 및 역상 시스템으로의 분배는 목표하는 공급할 전류의 표시 또는 목표하는 공급할 전류의 준비를 포함한다. 따라서 전류에 대한 정상 및 역상 시스템의 상기 표시는, 목표하는 무효 전력 성분을 공급하기 위해, 예컨대 전압에 상대적인 전류의 목표하는 위상 변위를 포함할 수 있다.
이처럼 정상 시스템뿐 아니라 역상 시스템에 대해 계산된 cos 성분들 및 sin 성분들(
, 
, 
, 
)로부터 이제 제 2 단계에서 보조 전류 값(i*) 및 보조 각도 값(
*)이 하기와 같이 계산된다.
보조 전류 값(i*) 및 보조 각도 값(
*)으로부터 마지막으로 제 3 단계에서 설정 전류들[i1(t), i2(t), 및 i3(t)] 각각에 대해 각각 관련된 시점에 대한 값이 하기와 같이 계산된다.
유념할 사항은, 상기 제 3 단계에서 3개의 설정 전류[i1(t), i2(t), 및 i3(t)]에 대한 3개의 개별 값이 계산된다는 점이다. 이는 각각의 계산 시점에 대해 수행되며, 다시 말해 각각의 주기 기간에 대해 수회 수행된다. 계속해서 유념할 사항은, 각각의 시점에 보조 전류 값(i*) 및 보조 각도 값(
*)이 변경된다는 점이다. 그러므로 상기 값들의 각각의 변경에 따라서, 비록 단계 3의 계산의 3개의 방정식이 2/3π 또는 4/3π의 각도 오프셋으로만 서로 구별되기는 하지만, 상기 단계 3의 계산의 결과는 3상 대칭 전류 시스템을 유도하지 않아도 된다. 따라서 그럼에도 불구하고 3개의 전류의 비대칭 설정값과 그에 따른 비대칭 공급이 대칭 공급과 마찬가지로 가능하다. 이와 동일한 사항은, 그 밖에 뜻에 따라서도, 전력 계통 결함이 기초가 되지 않을 때, 다시 말해 Flag = 0이 적용될 때, 판단 블록(38) 내에서 설정 전류들[i1(t), i2(t), 및 i3(t)]의 앞서 설명한 계산에도 적용된다.
도 3에는, 도 2에 도시된 전체 구조 중 계산 블록(42)의 상세도가 도시되어 있다. 그러므로 측정되는 전력 계통 전압들[u1(t), u2(t), 및 u3(t)]이 검출되고 이로부터 반-주기(half-cycle) DFT로서 지칭되는 변환 블록(50)에서 복합 전압들(
)로 변환되거나 환산된다. 상기 복합 전압들(
)은 이상적인 경우에 측정된 전압들[u1(t), u2(t), 및 u3(t)]에 대한 또 다른 표시일 뿐이며 고정 주파수를 갖는 사인 곡선을 전제 조건으로 한다.
그에 따라 3개의 복합 전압(
)은 비대칭일 수 있는 3상 전압 시스템을 정의한다. 그에 상응하게 대칭 성분법을 기반으로 정상 시스템 성분 및 역상 시스템 성분으로 상기 3상 시스템의 분할이 수행된다. 정상 시스템 성분, 요컨대 이 정상 시스템 성분의 값(U+ fset)과 그 위상(
)은 정상 시스템 변환 블록(52)에서 계산되고, 역상 시스템 성분, 요컨대 이 역상 시스템 성분의 값(U- fset)과 그 위상(
)은 역상 시스템 변환 블록(54)에서 계산된다. 간단하게 DFT 변환 블록으로서도 지칭될 수 있는 반-주기 DFT 계산 블록(50)뿐 아니라 정상 시스템 변환 블록(52) 및 역상 시스템 변환 블록(54)은 그 계산을 위해, 설정되어 외부로부터 입력되는 주파수(fset) 또는 이로부터 계산된 각도(φ fset)를 이용한다. 사전 설정되거나 결정된 각도(φ fset)는 적분 블록(56)에서 사전 설정되거나 설정된 주파수(fset)의 적분을 통해 유도된다.
정상 시스템 성분으로서도 지칭될 수 있는 정상 시스템 및 역상 시스템 성분으로서도 지칭될 수 있는 역상 시스템의 계산은 기본적으로 대칭 성분법의 이론으로부터 알 수 있다. 이 경우, 비대칭 3상 시스템은 이른바 위상기들에 의해 정상 시스템, 역상 시스템 및 영상 시스템으로 분배된다. 정상 시스템은 기초가 되는 3상 시스템과 동일한 이동 방향을 보유하고, 그에 반해 역상 시스템은 상기 원래의 시스템에 대해 반대되는 방향을 보유한다. 그 자체로 볼 때 정상 시스템과, 역시 그 자체로 볼 때 역상 시스템은 각각 그 자체로 대칭이다. 영상 시스템은, 모든 위상기가 동일한 방향과 동일한 길이를 보유하는 시스템을 나타낸다. 상기 영상 시스템은 원래 시스템의 가산의 뜻밖의 영의 편차를 보상한다. 그러나 본 예시의 경우, (중성 도체가 존재하지 않거나 고려되지 않는다는 점을 근거로 하는 사항으로) 영상 시스템은 고려되지 않고 그에 따라 계산되지 않으며, 다만 정상 시스템 또는 정상 시스템 성분과 역상 시스템 또는 역상 시스템 성분만이 고려되고 계산된다.
3상 비대칭 시스템으로부터 정상 시스템 및 역상 시스템의 계산은 편람으로부터 당업자에게 공지되었고 이런 점에 한해서 여기서는 더 상세하게 설명되지 않는다.
복합 전압 값들(
)의 계산은, 축약어로 DFT로서 지칭되는, 본건에 따라 공지된 이산 푸리에 변환 방법을 기초로 한다. 이산 푸리에 변환의 경우, 주기 신호가 고정 성분(constant component), 기본 진동 및 그 조화 성분(harmonic component)의 중첩으로서 일대일 대응 방식으로, 다시 말하면 역이 성립하는 방식으로 기술된다. 가장 간단한 경우에, 고정 성분이나 조화 성분 모두 존재하지 않거나, 상기 성분들은 무시될 수 있다. 이런 경우, 기술되는 상응하는 성분들은 소멸되고, 값, 위상 및 주파수에 따른 신호의 기술이 배타적으로 이용된다. 상기 이산 푸리에 변환을 실행하기 위해서는, 주기 신호의 주기 기간이 검출되어야 한다. 유럽의 상호 연계된 전력 계통에서 전압의 경우에 해당하는 것처럼 50Hz의 주파수를 갖는 사인 신호가 존재한다면, (뜻에 따라서 이는 예컨대 미국에서와 같은 60Hz 전력 계통으로 전용될 수 있다.) 주기 길이는 
이다. 다시 말해, 50Hz 전압 전력 계통의 전압 신호의 이산 푸리에 변환의 경우, 적어도 20㎳가 필요하다. 상기 시간은, 전력 계통 내에서 전력 계통 결함에 대해 신속한 반응이 이루어져야 할 때, 매우 긴 시간일 수 있다.
이제는, 변환할 신호의 반의 주기 길이만을 이용하는 점이 제안된다. 다시 말해, 본원에서는, 각각의 전압 신호[u1(t), u2(t), 및 u3(t)] 중에서 각각 반의 주기 길이만이 고려된다. 여기서는 반-주기 DFT로서도 지칭되는 상기 수정된 DFT의 결과는 변환 블록(50)에서 계산되어 출력된다. 그에 상응하게, 3개의 전압 위상 각각에 대해, 전압 값(Ui) 및 전압 위상(
)이 유도된다. 변수 "i"는 1, 2 또는 3의 값을 취할 수 있으며, 그에 상응하게 제 1, 제 2, 또는 제 3 위상을 나타낸다.
상기 계산은 각각의 위상에 대해 실행되며, 이는 결과적으로 각각의 위상에 따라서 1, 2 또는 3의 값을 취하는 지수(i)를 통해 지시된다. 그에 따라 우선, 제 1 전압 성분(Ui') 및 제 2 전압 성분(Ui")이 각각 명시된 적분에 의해서 계산된다. 그에 따라 요컨대 0 내지 
의 정해진 적분이 계산된다. 이 경우, 
이며, 그에 따라 반의 주기 기간(T) 동안의 정해진 적분이 계산된다. 제 1 전압 성분(Ui c *)에 대해 여전히 배율 인수 Kc가 고려되고, 제 2 전압 성분(Ui s)에 대해서는 그에 상응하게 배율 인수 Ks가 고려되며, 상기 두 배율 인수는 동일할 수도 있다. 설명된 두 적분은 서로 상이한 방식으로 계산될 수 있다. 예컨대, 특히 각각의 전압 값들[ui(t)]이 처리 컴퓨터에서, 그에 따라 변환 블록(50)에서도 표본 값들로서 존재하는 점을 고려하면서, 이산 계산을 실행하는 점도 고려된다. 예컨대 처리 컴퓨터 상에서 상기한 또는 유사한 적분 계산의 구체적인 구현은 당업자에게 익히 공지되었다. 그 밖에도 주지할 사항은, 제 1 전압 성분(Ui c) 및 제 2 전압 성분(Ui s)은 허수부 및 실수부로서 해석될 수도 있다는 점이다.
제 1 및 제 2 전압 성분에 대한 두 적분의 계산 동안 유념할 사항은, 각각 반의 주기 기간까지 경과한 Ui(t)의 전압 값들이 고려된다는 점이다. (실제적인 예시를 들기 위해) 50Hz의 주파수를 갖는 사인 전압 신호의 경우, 10㎳까지의 반의 주기 기간이 유도된다. 그러므로 대략 10㎳ 후의 변동은 상기 수정된 DFT 또는 반-주기 DFT를 통해 완전하게 검출된다. 그러나 상기 변동은 이미 발생할 때 첫 번째로 영향을 받는다. 그에 따라, 도 3의 변환 블록(50)에서 제안되는, 복합 전압 값들, 요컨대 
의 변환 또는 계산은 매우 신속하게 실행될 수 있다. 변환 블록(50)이 이용하는 표본 주파수는 예컨대 5kHz일 수 있으며, 그에 따라 총 200㎲의 계산 값이 유도된다. 그에 따라 상기 200㎲는, (본 예시에서는) 전력 계통 전압의 변동에 대한 첫 번째 영향이 계산된 복합 전압 값들에 반영되기 이전의 기간이다.
그에 상응하게, 대략 상기 시간 후에, 정상 및 역상 시스템의 값들의 경우에, 다시 말해 
에 대한 영향이 설정된다.
도 2에는, 하기와 같이 정상 시스템 및 역상 시스템에 대해 계산 블록(42)에서 계산되는 성분들의 추가 이용이 도시되어 있다.
상태 스위치(36)는 결함 신호, 요컨대 플래그에 따라서 스위칭된다. Flag = 0이 적용되면, 다시 말해 전력 계통 결함이 존재하지 않는 점이 기초가 된다면, 상태 스위치(36)는, 변환 블록(32) 내에서 계산된 전력 계통 위상 각도(φ N)가 상태 관측기 블록(34)을 위한 입력 변수로서 이용되도록 스위칭된다.
그러나 전력 계통 결함이 기초가 된다면, Flag = 1이고, 상태 스위치(36)는, 위상 각도(
), 다시 말해 정상 시스템의 계산된 위상 각도가 상태 관측기 블록(34)의 입력, 요컨대 입력 각도를 형성하도록 전환된다. 그에 따라, 이런 경우, 정상 시스템의 위상 각도는 상태 관측기 블록(34)에 대한 기초를 형성한다. 또한, 이는, 어느 경우든 위상 각도와 관련하여 정상 시스템과 관련되는 것으로 해석될 수 있다.
역상 시스템의 위상 각도, 즉 
는 판단 블록(38)의 입력 신호를 형성한다. 상기 각도는 판단 블록(38) 내에서, 이미 앞서 판단 블록(38) 내에서의 계산 또는 조처들과 관련하여 설명했던 것처럼, 전력 계통 결함이 기초가 되는 경우를 위해 필요하다. 이런 점에 한해서, 판단 블록(38)은 전력 계통 결함이 전제될 때 정상 시스템 및 역상 시스템의 위상 각도를 연결하고 이런 점에 한해서 전력 계통 전압들의 비대칭을 고려한다. 이런 경우, 설명한 것처럼, 역상 시스템의 위상 각도(
)는 직접적으로, 그리고 정상 시스템의 위상 각도(
)는 간접적으로 상태 관측기 블록(34)의 상태 관측을 통해 고려된다.
계산 블록(42) 내에서 계산된 정상 시스템(U+ fset) 및 역상 시스템(U- fset)의 전압 값들은 PQ 제어 블록(40)에서 이용된다. PQ 제어 블록에서는, 요컨대 공급할 총 3개의 전류와 관련하여 기본적으로 목표하는 공급할 전류가 결정된다. 사전 설정으로서도 지칭될 수 있는 결정은 그에 상응하게 각각 복합 정상 시스템 전류(
) 및 복합 역상 시스템 전류(
)를 출력한다. 그에 따라, 적어도, 3상 전류는 비대칭이고 그로 인해 대칭 성분법에 따른 기술(description)이 이용될 수 있다는 가능성이 기초가 된다. 비록 PQ 제어 블록(40)이 계산 블록(42)에서 작성 및 생성된 전압 진폭들(U+ fset 및 U- fset)을 이용하기는 하지만, 정상 시스템 및 역상 시스템 전류 성분들(
및 
)의 계산에 대해서는 자체의 계산, 요컨대 정상 시스템 및 역상 시스템으로의 분할을 실행한다.
상기 사전 설정된 전류의 계산은 다양한 설정값들, 요컨대 공급할 유효 전력 성분, 특히 정상 시스템의 유효 전력 성분(P+) 및 공급할 무효 전력 성분, 요컨대 특히 정상 시스템의 유효 전력 성분(Q+)을 고려할 수 있다. 그 밖에도, 정상 시스템의 전류(I+)에 대한 역상 시스템의 전류(I-)의 값들의 비율, 요컨대 I-/I+도 고려될 수 있다. 상기 몫은 상기 정상 시스템 성분 및 역상 시스템 성분을 통해 기술되는 3상 시스템의 비대칭도에 대한 기준이다.
그 밖에도, PQ 제어 블록(40)은, 전력 계통 결함이 유도되는 근거가 되는 결함 판정 기준들을 고려하여, 전력 계통 결함이 존재하지 않는 점이 기초가 될 때 0의 값을 취하고, 전력 계통 결함의 존재가 기초가 될 때에는 1의 값을 취하는 이미 설명한 플래그를 생성한다. 상기 결함 판정 기준들은 예컨대 강한 주파수 변동, 위상의 고장, 또는 모든 위상의 고장 또는 그 진폭의 강한 감소일 수 있다. 그 밖에도, 결함 판정 기준은, 이미 외부 평가의 결과이거나, 또는 전력 계통 운영자로부터 전달되어 경우에 따라 이 경우 전력 계통 결함의 유형도 명시하는 직접적인 신호일 수도 있다.
PQ 블록은 여러 가지 유형 및 방식으로 구현될 수 있다. PQ 블록은 예컨대 U+ fset 및 U- fset 및 U를 동시에 고려할 수 있다. 예컨대 기본적으로 합성 값들인 U+ fset와 U- fset는, 실제 전압을 나타내는 U를 정확하게 반영할 필요 없다. 따라서 U+ fset와 U- fset는 예컨대 주파수 오류를 보유할 수 있다. 구체적인 상황에 따라서는 하나의 값, 또는 또 다른 하나의 값, 또는 2개의 값 모두가 이용된다.
Claims (15)
- 전력 계통 주파수를 갖는 제 1, 제 2, 및 제 3 전압을 보유한 제 1, 제 2, 및 제 3 위상을 포함하는 3상 전력 계통 내로 전류를 공급하기 위한 방법으로서,
- 제 1, 제 2, 및 제 3 전압을 측정하는 측정 단계와,
- 대칭 성분법에 따라서 정상 전압 시스템 및 역상 전압 시스템으로 제 1, 제 2, 및 제 3 전압을 변환하는 변환 단계와,
- 전력 계통의 제 1, 제 2, 및 제 3 위상 내로 공급하기 위한 제 1, 제 2, 및 제 3 설정 전류를 계산하는 계산 단계를 포함하고,
- 상기 제 1, 제 2, 및 제 3 설정 전류의 계산은 상기 정상 전압 시스템 또는 상기 역상 전압 시스템의 하나 이상의 값에 따라서 실행되고,
- 전기 에너지는 풍력 발전 설비에 의해 생성되어 전력 계통 내로 공급되며,
- 주파수 인버터에 의해 전류들이 3상 전력 계통 내로 공급하기 위한 제 1, 제 2, 및 제 3 설정 전류에 상응하게 생성되어 공급되고,
- 상기 설정 전류들의 계산을 위해, 계산 위상 각도(φ)가 기초가 되고, 상기 계산 위상 각도(φ)는 전력 계통 결함의 검출에 따라서 결정되며,
- 상기 계산 위상 각도(φ)는, 전력 계통 결함이 검출되지 않았다면, 전력 계통 전압들 중 하나의 전력 계통 전압의 검출된 위상 각도로부터 결정되거나,
- 상기 계산 위상 각도(φ)는, 전력 계통 결함이 검출되었다면 정상 전압 시스템의 위상 각도로부터 결정되는 것을 특징으로 하는 전류 공급 방법. - 제 1항에 있어서, 상기 설정 전류들의 계산을 위해, 전력 계통 결함이 검출되었다면 정상 전압 시스템이 관련되고, 전압 제어 시스템의 위상 각도가 관련되는 것을 특징으로 하는 전류 공급 방법.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 정상 전압 시스템 및 역상 전압 시스템으로 상기 제 1, 제 2, 및 제 3 전압의 변환 단계는 이산 푸리에 변환(DFT)을 이용한 상기 제 1, 제 2, 및 제 3 전압의 변환 단계를 포함하고, 상기 이산 푸리에 변환은 온라인으로 또는 반 주기의 기간 동안에만 실행되는 것을 특징으로 하는 전류 공급 방법.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 정상 전압 시스템 및 역상 전압 시스템으로 상기 제 1, 제 2, 및 제 3 전압의 변환 단계는, 현재의 전력 계통 주파수의 측정 대신, 사전 결정된 주파수를 이용하는 것을 특징으로 하는 전류 공급 방법.
- 제 4항에 있어서, 사전 결정된 주파수로서, 경과한 측정 시점의 전력 계통 주파수의 값, 전력 계통 주파수의 정격값, 또는 외부에서 사전 설정된 값이 이용되는 것을 특징으로 하는 전류 공급 방법.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 설정 전류들은 대칭 성분법에 따라서 정상 전류 시스템 및 역상 전류 시스템을 통해 사전 설정되는 것을 특징으로 하는 전류 공급 방법.
- 제 6항에 있어서, 상기 설정 전류들은 정상 전류 시스템 또는 정상 시스템 전류 성분에 따라서 계산되고, 전력 계통 결함이 전제된 경우에는 추가로 역상 전류 시스템 또는 역상 시스템 전류 성분에 따라서도 계산되는 것을 특징으로 하는 전류 공급 방법.
- 제 6항에 있어서, 상기 정상 전류 시스템 또는 정상 시스템 전류 성분 및 상기 역상 전류 시스템 또는 역상 시스템 전류 성분은 상기 정상 시스템의 유효 전력 성분의 설정값, 상기 정상 시스템의 무효 전력 성분의 설정값, 또는 상기 정상 시스템 전류 성분의 값에 대한 상기 역상 시스템 전류 성분의 값의 몫의 설정값에 따라서 결정되는 것을 특징으로 하는 전류 공급 방법.
- 제 6항에 있어서, 상기 역상 시스템 전류 성분은 상기 정상 시스템 전류 성분으로부터 독립적으로 설정되거나 가변되는 것을 특징으로 하는 전류 공급 방법.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 전류 공급 방법은 온라인으로 실행되는 것을 특징으로 하는 전류 공급 방법.
- 전류를 공급하기 위해 제 1항 또는 제 2항에 따르는 전류 공급 방법을 이용하거나, 제 1항 또는 제 2항에 따르는 전류 공급 방법이 구현되어 있는 풍력 발전 설비.
- 제 11항에 따르는 하나 이상의 풍력 발전 설비를 갖는 복수의 풍력 발전 설비를 포함한 풍력 발전 단지.
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