KR102310629B1 - 권선형 회전자 동기 발전기 구동 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 권선형 회전자 동기 발전기 구동 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은, 권선형 회전자 동기 발전기 구동 시스템으로서, 권선형 회전자 동기 발전기를 제어하고, 발전되는 전력을 수전하는 컨버터, 발전기의 회전자의 계자 권선에 전력을 공급하는 계자 권선 전원 공급 수단을 포함하고; 계자 권선 전원 공급 수단은 컨버터와 연결되고, 컨버터로부터 전력을 수신하여 계자 권선에 전력을 공급하되, 컨버터로부터 수신한 전력과 전기적으로 절연된 전력을 계자 권선에 공급하는 것을 특징으로 하는 권선형 회전자 동기 발전기 구동 시스템을 제공한다.
본 발명에 따르면, 대용량 권선형 회전자 동기 발전기의 회전자 계자 권선에 전원을 공급하는 계자 권선 전원 공급 수단으로서, 종래의 지속적인 유지 보수가 필요한 슬립링 및 브러시를 이용하는 방식을 피하고, 회전형 변압기와 변압기의 회전자와 같이 회전하는 정류부를 통해 계자 권선에 전원을 공급하는 방식을 채용함으로써 유지 보수가 간단하고, 반 영구적이고 신뢰성이 높은 발전시스템을 제공할 수 있는 효과가 있다.

Description

권선형 회전자 동기 발전기 구동 시스템 및 방법 {A FIELD EXCITATION SYSTEM AND METHOD FOR A WOUND ROTOR SYNCHRONOUS GENERATOR}
본 발명은 계자 권선형 동기발전기를 채용한 발전 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
풍력발전기가 수십 MW 이상으로 대용량화 되면서 풍력발전기의 핵심 전기 부품인 발전기의 정격 용량 또한 대용량화 되고 있다. 현재 영구자석 동기발전기 및 초천도체를 활용한 동기발전기와 같은 여러 기술들이 수십 MW급 풍력발전기 설계에 검토되고 있지만 풍력발전기에서 요구하는 신뢰성, 무게, 효율, 부피, 유지/보수 등의 다양한 요구 조건을 경제적으로 만족하는 수준까지는 이르지 못하고 있다. 본 발명은 기존 가스 터빈 발전기에 사용되고 있는 수십 MW급 대용량 권선형 회전자 동기 발전기를 풍력발전기에 효율적으로 활용할 수 있게 하는 데에 그 목적을 갖고 있다.
권선형 회전자 동기 발전기는 회전하는 회전자에 계자 권선을 구비하고 있어서 외부에서 상기 계자 권선에 전원을 공급해야 한다. 도 1은 종래의 권선형 회전자 동기 발전기 시스템의 개략적인 구성도이다. 종래에는, 도 1에 도시된 바와 같이, 슬립링(122)과 브러시(121)를 구비하고, 슬립링(122)과 브러시(121)를 통해서 외부에서 AVR(Auomatic Voltage Regulator)로 계자 권선에 전원을 공급하였다. 이러한 방식은 간단한 반면에, 브러시가 마모되므로, 발전 시스템을 정지하고 정기적으로 브러시를 교체해야 하는 점에서 유지 및 정비가 어려운 문제가 있었다.
본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 기존 가스 터빈 발전기에 사용되고 있는 수십 MW급 대용량 권선형 회전자 동기 발전기를 풍력발전기에 효율적으로 활용할 수 있게 하는 데에 그 목적을 갖고 있다. 본 발명을 통해 기존 대용량 권선형 회전자 동기 발전기의 풍력발전기 응용에 있어 단점으로 인식되는 복잡한 계자 권선 전원 공급 방식을 인버터와 회전변압기를 활용하여 단순화 할 수 있다. 또한, 본 발명이 적용되면 권선형 회전자 동기 발전기의 유지/보수에 큰 걸림돌인 브러시/슬립링 구조가 필요 없게 되어 해상 풍력발전기의 유지/보수 관리성이 향상된 권선형 회전자 동기발전기 구동 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 상기 권선형 회전자 동기 발전기를 제어하고, 발전되는 전력을 수전하는 컨버터, 상기 발전기의 회전자의 계자 권선에 전력을 공급하는 계자 권선 전원 공급 수단을 포함하고, 상기 계자 권선 전원 공급 수단은 상기 컨버터와 연결되고, 상기 컨버터로부터 전력을 수신하여 상기 계자 권선에 전력을 공급하되, 상기 컨버터로부터 수신한 전력과 전기적으로 절연된 전력을 상기 계자 권선에 공급하는 것을 특징으로 하는 권선형 회전자 동기 발전기 구동 시스템을 제공한다.
상기 컨버터는, 각각 북수의 전압 레벨을 출력하며, 복수의 반도체 스위치 및 복수의 다이오드를 포함하는 적어도 3개의 스위치 레그(leg), 및 적어도 하나의 커패시터를 포함하는 커패시터 모듈을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 계자 권선 전원 공급 수단의 적어도 일부는 상기 발전기의 회전자와 함께 회전하며 전력을 공급하는 것이 바람직하다.
상기 계자 권선 전원 공급 수단은, 상기 발전기의 회전자와 함께 회전하고, 상기 발전기의 계자 권선에 직류 전류를 공급하는 정류부를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 계자 권선 전원 공급 수단은, 고정자와 회전자를 포함하는 상기 회전형 변압기를 포함하고, 상기 회전자는 상기 발전기의 축과 기계적으로 결합되고, 상기 회전자는 2 차측 권선을 포함하며, 상기 2 차측 권선은 상기 정류부에 연결된 것이 바람직하다.
상기 회전형 변압기의 고정자는, 상기 정류부에 연결된 1 차측 권선을 포함한 것이 바람직하다.
상기 컨버터는, 적어도 4개 스위치 레그(leg)를 포함하는 것이 바람직하다.
제 4 스위치 레그의 출력 단자(N4)는 상기 1 차측 권선의 일단(a)과 연결된 것이 바람직하다.
상기 1 차측 권선의 타단(b)은 상기 발전기의 고정자 권선의 중성점과 연결된 것이 바람직하다.
상기 커패시터 모듈은 직렬로 연결된 제 1 커패시터와 제 2 커패시터를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 1 차측 권선의 타단(b)은 상기 제 1 커패시터와 상기 제 2 커패시터가 연결되는 노드(G)에 연결된 것이 바람직하다.
상기 발전기와 상기 컨버터 사이에 구비되되, Y형 결선으로 중성점을 갖는 필터부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 1 차측 권선의 타단(b)은 상기 필터부의 중성점과 연결되는 것이 바람직하다.
상기 발전기와 상기 필터부간 거리는 상기 발전기와 상기 컨버터와의 거리보다 짧은 것이 바람직 하다.
적어도 하나의 상기 스위치 레그(leg)는 3 단계의 전압 레벨을 출력하는 것이 바람직하다.
상기 스위치 레그(leg)는, 상기 커패시터 모듈의 양극 단자와 상기 스위치 레그의 출력 단자 사이에 직렬로 연결된 제 1 반도체 스위치와 제 2 반도체 스위치, 제 1 반도체 스위치와 제 2 반도체 스위치가 연결된 노드에 캐소드가 연결되고, 상기 제 1 커패시터와 제 2 커패시터가 연결된 노드에 애노드가 연결된 제 1 다이오드, 상기 커패시터 모듈의 음극 단자와 상기 스위치 레그의 출력 단자 사이에 직렬로 연결된 제 3 반도체 스위치와 제 4 반도체 스위치, 및 제 3 반도체 스위치와 제 4 반도체 스위치가 연결된 노드에 애노드가 연결되고, 상기 제 1 커패시터와 제 2 커패시터가 연결된 노드에 캐소드가 연결된 제 2 다이오드를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 컨버터는, 전류 기울기를 제한하는 스너버 모듈, 및 상기 커패시터 모듈에 과전압이 발생하는 것을 방지하는 과전압 보호회로 모듈을 더 포함하되, 상기 스너버 모듈과 상기 과전압 보호회로 모듈은 상기 커패시터 모듈과 병렬로 연결된 것이 바람직하다.
본 발명은, 풍력발전을 위한 풍력 블레이드, 상기 풍력블레이드와 연결되고, 회전자에 계자 권선을 구비한 권선형 회전자 동기 발전기, 및 상기한 특징을 갖는 권선형 회전자 동기 발전기 구동시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템을 제공한다.
상기 컨버터와 계통 전원 사이에 연결되고, 상기 컨버터가 상기 발전기로부터 수전한 전력을 상기 계통 전원으로 전달하는 인버터를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명은, 권선형 회전자 동기 발전기, 회전형 변압기를 이용해 상기 발전기의 계자에 전원을 공급하는 계자 권선 전원 공급 수단, 상기 회전형 변압기의 고정자에 구비된 1 차측 권선과 연결된 컨버터를 포함하는 권선형 회전자 동기 발전기 구동 시스템에서 상기 컨버터를 제어하는 방법으로서, 상기 컨버터의 제어수단이, (a) 상기 발전기의 계자에 흐르는 전류인 계자 전류의 지령치를 소정의 값으로 설정하는 단계, (b) 상기 계자 전류(If)를 측정하는 단계, (c) 상기 계자 전류 지령치(If*)와 상기 상기 계자 전류 측정치의 차이인 제어 오차를 기초로 상기 회전형 변압기에 인가할 제 1 전압 지령을 산출하는 단계, (d) 상기 제 1 전압 지령을 보정하여 보정된 제 2 전압 지령을 생성하는 단계, (e) 상기 제 2 전압 지령을 기초로 상기 계자 권선 전원 공급 수단과 연결된 스위치 레그의 스위치의 PWM 제어 신호를 생성하는 단계(f) 상기 PWM 제어 신호에 기초하여 상기 스위치를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 권선형 회전자 동기 발전기 구동 시스템의 컨버터 제어 방법을 제공한다.
상기 단계 (d)는, (d-1) 상기 제 1 전압 지령을 소정의 최대값과 소정의 최소값 사이로 제한하여 제 2 전압 지령 신호를 생성하는 단계, (d-2) 상기 제 1 전압 지령과 상기 제 2 전압 지령의 차이를 산출하는 단계, (d-3) 상기 차이에 소정의 게인을 곱하여 보정량을 산출하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 단계 (c)는, (c-1) 상기 제어 오차에 소정의 게인(Kp)를 곱하여 제 1-1 전압 지령을 산출하는 단계, (c-2) 상기 제어 오차와 상기 보정량을 더하고, 시간에 따라 적분하여 제 1-2 전압 지령을 산출하는 단계, (c-3) 상기 제 1-1 전압 지령과 상기 제 1-2 전압 지령을 더하여 상기 제 1 전압 지령을 생성하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 단계 (e)는, (e-1) 상기 제 2 전압 지령에 -1을 곱해서 제 3 전압 지령를 산출하는 단계, (e-2) 상기 제 2 전압 지령을 기초로 제 1 PWM 제어신호를 생성하고, 상기 제 3 보정 전압 지령을 기초로 제 2 PWM 제어신호를 생성하는 단계, (e-3) 상기 제 1 PWM 제어신호와 상기 제 2 PWM 제어신호를 더하여 상기 스위치의 PWM 제어 신호를 생성하는 것이 바람직하다.
본 발명은, 상기와 같은 특징을 갖는 권선형 회전자 동기 발전기 구동 시스템의 컨버터 제어 방법을 수행하는 프로그램을 수록한 컴퓨터 판독 가능 기록 매체를 제공한다.
이하, 실시 예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하나, 이러한 실시예의 기재는 본 발명의 실시를 예시하기 위한 것일 뿐 이러한 실시예의 기재에 의하여 본 발명이 제한되는 것은 아니다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
(1) 대용량 권선형 회전자 동기 발전기를 이용해 풍력 발전 시스템을 구축할 수 있다.
(2) 대용량 권선형 회전자 동기 발전기의 회전자 계자 권선에 전원을 공급하는 계자 권선 전원 공급 수단으로서, 종래의 지속적인 유지 보수가 필요한 슬립링 및 브러시를 이용하는 방식을 피하고, 회전형 변압기와 변압기의 회전자와 같이 회전하는 정류부를 통해 계자 권선에 전원을 공급하는 방식을 채용함으로써 유지 보수가 간단하고, 반 영구적이고 신뢰성이 높은 발전시스템을 제공할 수 있다.
(3) 특히, 해상 풍력 발전 시스템 등과 같이 작업자가 접근하기 매우 어려운 위치에 구비된 풍력 발전 시스템의 경우에 유지 보수를 위한 비용과 시간을 크게 절약할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 권선형 회전자 동기 발전기의 구동 시스템의 일례를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 제안된 권선형 회전자 동기 발전기 구동 시스템의 개략적인 구성도를 도시한 것이다.
도 3a, 3b는 본 발명의 제안된 권선형 회전자 동기 발전기 구동 시스템의 제 1 실시예를 도시한 것이다.
도 4a, 4b는 본 발명의 제안된 권선형 회전자 동기 발전기 구동 시스템의 제 2 실시예를 도시한 것이다.
도 5a, 5b는 본 발명의 제안된 권선형 회전자 동기 발전기 구동 시스템의 제 3 실시예를 도시한 것이다.
도 6a, 6b는 본 발명의 제안된 권선형 회전자 동기 발전기 구동 시스템의 컨버터 제어 방법의 개략적인 제어 블록도를 도시한 것이다.
상술한 본 발명의 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 실시예를 통하여 보다 분명해질 것이다. 이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다. 본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 제1 및 /또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소들로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소는 제1 구성 요소로도 명명될 수 있다. 어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 직접 연결되어 있다거나 또는 직접 접속되어 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 ～사이에와 바로 ～사이에 또는 ～에 인접하는과 ～에 직접 인접하는 등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다. 본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명은, 상기 권선형 회전자 동기 발전기(1000)를 제어하고, 발전되는 전력을 수전하는 컨버터(3000), 상기 발전기의 회전자(1200)의 계자 권선(1210)에 전력을 공급하는 계자 권선 전원 공급 수단(2000)을 포함하고, 상기 계자 권선 전원 공급 수단(2000)은 상기 컨버터(3000)와 연결되고, 상기 컨버터(3000)로부터 전력을 수신하여 상기 계자 권선(1210)에 전력을 공급하되, 상기 컨버터(3000)로부터 수신한 전력과 전기적으로 절연된 전력을 상기 계자 권선에 공급하는 것을 특징으로 할 수 있다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 상기 컨버터(3000)는, 각각 북수의 전압 레벨을 출력하며, 복수의 반도체 스위치를 포함하는 적어도 3개의 스위치 레그(leg), 및 적어도 하나의 커패시터를 포함하는 커패시터 모듈(3500)을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
여기서, 도 3a에 도시된 바와 같이, 제 1 스위치 레그는 반도체 스위치(Q11, Q12, Q13, Q14) 및 다이오드(D11, D12)를 포함하여 3레벨로 구현될 수도 있고, 도면에 표시하지 않았으나, 2개의 반도체 스위치 소자를 포함하는 2레벨 형태로 구현될 수 있으며, 나아가, 복수의 2레벨로 구성된 멀티레벨일 수도 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 계자 권선 전원 공급 수단(2000)의 적어도 일부는 상기 발전기의 회전자(1200)와 함께 회전하며 전력을 공급하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 계자 권선 전원 공급 수단(2000)은, 상기 발전기의 회전자(1200)와 함께 회전하고, 상기 발전기 회전자의 계자 권선(1210)에 직류 전류를 공급하는 정류부(2200)를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이러한 특징으로 인하여, 종래의 지속적인 유지 보수가 필요한 슬립링 및 브러시를 이용하는 방식을 피하고, 회전형 변압기와 변압기의 회전자와 같이 회전하는 정류부를 통해 계자 권선에 전원을 공급하는 방식을 채용함으로써 유지 보수가 간단하고, 반 영구적이고 신뢰성이 높은 발전시스템을 제공할 수 있는 효과가 있다.
상기 계자 권선 전원 공급 수단(2000)은, 고정자(2120)와 회전자(2110)를 포함하는 상기 회전형 변압기(2100)를 포함하고, 상기 회전자는 상기 발전기의 회전축(1300)과 기계적으로 결합되고, 상기 회전자는 2 차측 권선(2121)을 포함하며, 상기 2 차측 권선(2121)은 상기 정류부(2200)에 연결된 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 회전형 변압기(2100)의 고정자(2110)는, 상기 정류부(2200)에 연결된 1 차측 권선(2111)을 포함한 것을 특징으로 할 수 있다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 컨버터(3000)는, 적어도 4개 스위치 레그(leg)를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
제 4 스위치 레그(3400)의 출력 단자(N4)는 상기 1 차측 권선(2111)의 일단(a)과 연결된 것을 특징으로 할 수 있다.
이러한 특징으로 인하여, 계자 전원 공급 수단에 전력을 공급하는 별도의 전원 장치나 별도의 제어장치가 필요 없이, 발전기의 수전을 위해서 사용하는 컨버터에 하나의 스위치 레그만을 추가하고 추가된 스위치 레그로 계자 전원 공급 수단의 1 차측 권선에 전원을 공급함으로써, 시스템이 간단하고, 저렴하며, 유지 보수에 용이한 효과가 있다.
상기 1 차측 권선(2111)에 전류가 도통되기 위해서는 상기 1 차측 권선(2111)의 타단(b)을 전기적으로 연결하여 폐루프를 형성시켜야 하는데, 이때 형성되는 폐루프에 따라서 노이즈에 의한 영향을 크게 받고, 노이즈에 의해서 시스템이 정지하거나 오동작하는 문제가 있을 수 있다. 특히, 고전압 대전력 어플리케이션에서는 노이즈에 의한 영향이 더욱 크고, 그 문제의 심각성도 크다.
[실시예1]
도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 1 차측 권선(2111)의 타단(b)은 상기 발전기(1000)의 고정자 권선의 중성점과 연결된 것을 특징으로 할 수 있다.
이러한 특징으로 인하여, 인버터의 DC link에 발생되는 고조파, 발전기에 발생되는 고조파 및 Common-mode 노이즈를 저감할 수 있는 효과가 있다.
[실시예2]
도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 커패시터 모듈(3500)은 직렬로 연결된 제 1 커패시터(Cdc1)와 제 2 커패시터(Cdc2)를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 1 차측 권선(2111)의 타단(b)은 상기 제 1 커패시터와 상기 제 2 커패시터가 연결되는 노드(G)(컨버터 중성점에 해당)에 연결된 것을 특징으로 할 수 있다.
이러한 특징으로 인하여, 인버터의 DC link에 발생되는 고조파, 발전기에 발생되는 고조파 및 Common-mode 노이즈를 저감할 수 있는 효과가 있다. 특히, 발전기의 고정자 권선의 중성점을 발전기 외부와 연결하기 어려운 경우에 있어서, 단지 컨버터의 중성점(G)에 상기 1 차측 권선(2111)의 타단(b)을 연결함으로써 설치가 용이한 효과가 있다.
[실시예3]
도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 상기 발전기와 상기 컨버터(3000) 사이에 구비되되, Y형 결선으로 중성점(Gf)을 갖는 필터부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 1 차측 권선(2111)의 타단(b)은 상기 필터부의 중성점(Gf)과 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 발전기와 상기 필터부간 거리는 상기 발전기와 상기 컨버터와의 거리보다 짧은 것을 특징으로 할 수 있다.
이러한 특징으로 인하여, 인버터의 DC link에 발생되는 고조파, 발전기에 발생되는 고조파 및 Common-mode 노이즈를 저감할 수 있는 효과가 있다. 특히, 필터부는 발전기 가까이 설치될 수 있는 점, 컨버터는 주위 온도, 진동 등을 고려해서 발전기와 별도의 공간에 떨어져서 설치될 수 있는 점, 발전기의 고정자 권선의 중성점을 발전기 외부와 연결하기 어려운 경우가 많은 점에서, 상기 1 차측 권선(2111)의 타단(b)을 발전기 주변에 설치하기 용이한 필터부의 중성점에 연결함으로써 설치가 용이하고, 상기 1 차측 권선(2111)의 타단(b)과 연결되는 케이블 길이를 줄일 수 있는 등의 효과가 있다.
도 3a, 4a, 5a에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 상기 스위치 레그(leg)는 3 단계의 전압 레벨을 출력하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이러한 특징으로 인하여, 고전압 대용량 시스템에서 전압 기울기 및 전류 기울기를 낮추어 노이즈 발생을 억제할 수 있는 효과가 있다.
상기 스위치 레그(leg)는, 상기 커패시터 모듈(3500)의 양극 단자와 상기 스위치 레그의 출력 단자 사이에 직렬로 연결된 제 1 반도체 스위치(Q11, Q21, Q31, Q41)와 제 2 반도체 스위치(Q12, Q22, Q32, Q42), 제 1 반도체 스위치와 제 2 반도체 스위치가 연결된 노드에 캐소드가 연결되고, 상기 제 1 커패시터와 제 2 커패시터가 연결된 노드(G)에 애노드가 연결된 제 1 다이오드(D11, D21, D31, D41), 상기 커패시터 모듈(3500)의 음극 단자와 상기 스위치 레그의 출력 단자 사이에 직렬로 연결된 제 3 반도체 스위치(Q13, Q23, Q33, Q43)와 제 4 반도체 스위치(Q14, Q24, Q34, Q44), 및 제 3 반도체 스위치와 제 4 반도체 스위치가 연결된 노드에 애노드가 연결되고, 상기 제 1 커패시터와 제 2 커패시터가 연결된 노드에 캐소드가 연결된 제 2 다이오드(D12, D22, D32, D42)를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 컨버터(3000)는, 전류 기울기를 제한하는 스너버 모듈, 및 상기 커패시터 모듈(3500)에 과전압이 발생하는 것을 방지하는 과전압 보호회로 모듈을 더 포함하되, 상기 스너버 모듈과 상기 과전압 보호회로 모듈은 상기 커패시터 모듈(3500)과 병렬로 연결된 것을 특징으로 할 수 있다.
이러한 특징으로 인하여, 전류 기울기를 낮추어 노이즈 발생을 억제할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은, 풍력발전을 위한 풍력 블레이드, 상기 풍력블레이드와 연결되고, 회전자에 계자 권선을 구비한 권선형 회전자 동기 발전기(1000), 및 상기한 특징을 갖는 권선형 회전자 동기 발전기(1000) 구동시스템을 포함하는 풍력 발전 시스템을 특징으로 할 수 있다.
상기 컨버터(3000)와 계통 전원 사이에 연결되고, 상기 컨버터(3000)가 상기 발전기(1000)로부터 수전한 전력을 상기 계통 전원으로 전달하는 인버터를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
도 6a 및 6b에 도시된 바와 같이, 본 발명은, 권선형 회전자 동기 발전기(1000), 회전형 변압기(2100)를 이용해 상기 발전기의 계자에 전원을 공급하는 계자 권선 전원 공급 수단(2000), 상기 회전형 변압기(2100)의 고정자에 구비된 1 차측 권선(2111)과 연결된 컨버터(3000)를 포함하는 권선형 회전자 동기 발전기 구동 시스템에서 상기 컨버터(3000)를 제어하는 방법으로서, 상기 컨버터(3000)의 제어수단이, (a) 상기 발전기의 계자에 흐르는 전류인 계자 전류의 지령치를 소정의 값으로 설정하는 단계, (b) 상기 계자 전류를 측정하는 단계, (c) 상기 계자 전류 지령치와 상기 상기 계자 전류 측정치의 차이인 제어 오차를 기초로 상기 회전형 변압기(2100)에 인가할 제 1 전압 지령을 산출하는 단계, (d) 상기 제 1 전압 지령을 보정하여 보정된 제 2 전압 지령을 생성하는 단계, (e) 상기 제 2 전압 지령을 기초로 상기 계자 권선 전원 공급 수단(2000)과 연결된 스위치 레그의 스위치의 PWM 제어 신호를 생성하는 단계(f) 상기 PWM 제어 신호에 기초하여 상기 스위치를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 단계 (d)는, (d-1) 상기 제 1 전압 지령을 소정의 최대값과 소정의 최소값 사이로 제한하여 제 2 전압 지령 신호를 생성하는 단계, (d-2) 상기 제 1 전압 지령과 상기 제 2 전압 지령의 차이를 산출하는 단계, (d-3) 상기 차이에 소정의 게인을 곱하여 보정량을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 단계 (c)는, (c-1) 상기 제어 오차에 소정의 게인(Kp)를 곱하여 제 1-1 전압 지령을 산출하는 단계, (c-2) 상기 제어 오차와 상기 보정량을 더하고, 시간에 따라 적분하여 제 1-2 전압 지령을 산출하는 단계, (c-3) 상기 제 1-1 전압 지령과 상기 제 1-2 전압 지령을 더하여 상기 제 1 전압 지령을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 단계 (e)는, (e-1) 상기 제 2 전압 지령에 -1을 곱해서 제 3 전압 지령를 산출하는 단계, (e-2) 상기 제 2 전압 지령을 기초로 제 1 PWM 제어신호를 생성하고, 상기 제 3 보정 전압 지령을 기초로 제 2 PWM 제어신호를 생성하는 단계, (e-3) 상기 제 1 PWM 제어신호와 상기 제 2 PWM 제어신호를 더하여 상기 스위치의 PWM 제어 신호를 생성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
10 : 3상 전원
110: AVR (Automatic Voltage Regulator)
121 : 브러시
122 : 슬립링
1000 : 권선형 회전자 동기 발전기
1100 : 발전기 고정자
1200 : 발전기 회전자
1210 : 발전기 회전자 계자 권선
1300 : 발전기 회전축
2000 : 계자 권선 전원 공급 수단
2100 : 회전형 변압기
2110 : 회전형 변압기 고정자
2111 : 1 차측 권선(회전형 변압기 고정자 권선)
2120 : 회전형 변압기 회전자
2121 : 2 차측 권선(회전형 변압기 회전자 권선)
2200 : 정류부
3000 : 컨버터
3100 : 제 1 스위치 레그
3200 : 제 2 스위치 레그
3300 : 제 3 스위치 레그
3400 : 제 4 스위치 레그
3500 : 커패시터 모듈
3600 : 스너버
4000 : 필터부

Claims (10)

  1. 권선형 회전자 동기 발전기 구동 시스템으로서,
    상기 권선형 회전자 동기 발전기를 제어하고, 발전되는 전력을 수전하는 컨버터;
    상기 발전기의 회전자의 계자 권선에 전력을 공급하는 계자 권선 전원 공급 수단;을 포함하고;
    상기 계자 권선 전원 공급 수단은 상기 컨버터와 연결되고, 상기 컨버터로부터 전력을 수신하여 상기 계자 권선에 전력을 공급하되, 상기 컨버터로부터 수신한 전력과 전기적으로 절연된 전력을 상기 계자 권선에 공급하며,
    상기 컨버터는, 각각 북수의 전압 레벨을 출력하며 복수의 반도체 스위치 및 복수의 다이오드를 포함하는 적어도 3개의 스위치 레그(leg), 및 적어도 하나의 커패시터를 구비하는 커패시터 모듈을 포함하고,
    상기 계자 권선 전원 공급 수단은, 고정자와 회전자를 포함하는 회전형 변압기를 포함하고, 상기 회전자의 축은 상기 발전기의 축과 결합되어 상기 발전기의 회전자와 함께 회전하며 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 권선형 회전자 동기 발전기 구동 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 계자 권선 전원 공급 수단은,
    상기 발전기의 회전자와 함께 회전하고, 상기 발전기의 계자 권선에 직류 전류를 공급하는 정류부를 포함하는 것
    을 특징으로 하는 권선형 회전자 동기 발전기 구동 시스템.

  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 계자 권선 전원 공급 수단에서,
    상기 회전자는 2 차측 권선을 포함하며,
    상기 2 차측 권선은 상기 정류부에 연결된 것
    을 특징으로 하는 권선형 회전자 동기 발전기 구동 시스템.

  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 회전형 변압기의 고정자는,
    상기 정류부에 연결된 1 차측 권선을 포함한 것
    을 특징으로 하는 권선형 회전자 동기 발전기 구동 시스템.

  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 컨버터는,
    적어도 4개 스위치 레그(leg)를 포함하는 것
    을 특징으로 하는 권선형 회전자 동기 발전기 구동 시스템.

  7. 제 6 항에 있어서,
    제 4 스위치 레그의 출력 단자(N4)는 상기 1 차측 권선의 일단(a)과 연결된 것
    을 특징으로 하는 권선형 회전자 동기 발전기 구동 시스템.

  8. 풍력발전을 위한 풍력 블레이드,
    상기 풍력블레이드와 연결되고, 회전자에 계자 권선을 구비한 권선형 회전자 동기 발전기, 및
    제 1 항, 및 제 3 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항의 특징을 갖는 권선형 회전자 동기 발전기 구동시스템을 포함하고,
    상기 컨버터와 계통 전원 사이에 연결되고, 상기 컨버터가 상기 발전기로부터 수전한 전력을 상기 계통 전원으로 전달하는 인버터를 더 포함하는 것
    을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템.

  9. 권선형 회전자 동기 발전기, 회전형 변압기를 이용해 상기 발전기의 계자에 전원을 공급하는 계자 권선 전원 공급 수단, 상기 회전형 변압기의 고정자에 구비된 1 차측 권선과 연결된 컨버터를 포함하는 권선형 회전자 동기 발전기 구동 시스템에서 상기 컨버터를 제어하는 방법으로서,
    상기 컨버터의 제어수단이,
    (a) 상기 발전기의 계자에 흐르는 전류인 계자 전류의 지령치(If *)를 소정의 값으로 설정하는 단계,
    (b) 상기 계자 전류(If)를 측정하는 단계,
    (c) 상기 계자 전류 지령치와 상기 상기 계자 전류 측정치의 차이인 제어 오차(e)를 기초로 상기 회전형 변압기에 인가할 제 1 전압 지령(V1)을 산출하는 단계,
    (d) 상기 제 1 전압 지령을 보정하여 보정된 제 2 전압 지령(V2_1)을 생성하는 단계,
    (e) 상기 제 2 전압 지령(V2_1)을 기초로 상기 계자 권선 전원 공급 수단과 연결된 스위치 레그의 스위치의 PWM 제어 신호(Vout)를 생성하는 단계
    (f) 상기 PWM 제어 신호(Vout)에 기초하여 상기 스위치를 제어하는 단계를 포함하는 것
    을 특징으로 하는 권선형 회전자 동기 발전기 구동 시스템의 컨버터 제어 방법.

  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 단계 (d)는,
    (d-1) 상기 제 1 전압 지령(V1)을 소정의 최대값과 소정의 최소값 사이로 제한하여 제 2 전압 지령 신호(V2_1)를 생성하는 단계,
    (d-2) 상기 제 1 전압 지령과 상기 제 2 전압 지령의 차이(e2)를 산출하는 단계,
    (d-3) 상기 차이에 소정의 게인을 곱하여 보정량(V3)을 산출하는 단계를 포함하는 것
    을 특징으로 하는 권선형 회전자 동기 발전기 구동 시스템의 컨버터 제어 방법.


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