KR20110075540A - Apparatus and method for compensating phase error of generator - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이중여자 유도형 발전기의 위상오차 보상 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 발전기와 전력변환기에 과도한 스트레스를 주지 않으면서, 계통전압의 위상과 일치시키기 위한 발전기의 위상보상 알고리즘에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
이중여자 유도형 발전기의 계통과의 동기화를 위한 위상오차보상 방법은 전류제어기를 이용하여 1 Step으로 계통위상과 발전기 고정자위상의 오차를 보상하는 알고리즘이 있다.The phase error compensation method for synchronizing with the system of the dual excitation induction generator includes an algorithm that compensates the error of the system phase and the generator stator phase by one step using a current controller.
첫 번째 기술인 위상오차를 보상하기 위한 전류제어기를 이용하는 알고리즘은 위상오차 계산부와 위상오차 보상부로 구성된다.The first technique, which uses a current controller to compensate for phase errors, consists of a phase error calculator and a phase error compensator.
첫 번째 기술은 위상오차를 계산하고, 이 오차를 줄이기 위한 전류지령치를 전력변환기에 인가한다. The first technique calculates the phase error and applies a current command to the power converter to reduce this error.
첫 번째 기술의 문제점은 대용량 풍력발전기에 적용하기에는 발전기와 전력변환기에 과도한 스트레스를 유발할 수 있으므로 장기적인 운영에서 신뢰성을 낮출 우려가 있다.The problem with the first technology is that it may cause excessive stress on generators and power converters to be applied to large-capacity wind turbines, which may lower reliability in long-term operation.
위상오차를 보상하는 다른 방법으로는, PI제어기를 이용한 위상오차 보상 알고리즘이 있다.Another method of compensating the phase error is a phase error compensation algorithm using a PI controller.
두 번째 기술인 위상오차를 보상하기 위한 위상제어기(PI제어기) 이용하는 알고리즘은 전압비교부와 위상오차를 얻기 위한 위상오차제어부(PI제어기)와 슬립각 계산부로 구성된다.The second technique, a phase controller (PI controller) for compensating for phase error, is composed of a voltage comparator, a phase error controller (PI controller) and a slip angle calculator to obtain a phase error.
두 번째 기술은 전압오차를 계산하고, 이 오차를 줄이기 위해서 위상오차 제어기를 이용하여 위상오차를 더하거나 빼줘서 보상한다.The second technique calculates the voltage error and compensates by adding or subtracting the phase error using a phase error controller to reduce this error.
두 번째 기술의 문제점은 PI제어기를 사용하기 때문에, 예견치 않은 외란에 대한 PI제어기의 안정성에 의존적일 수 있다.The problem with the second technique is the use of PI controllers, which may depend on the stability of the PI controllers against unexpected disturbances.
상기와 같은 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 발전기와 전력변환기에 과도한 스트레스를 주지 않으면서, 장기적인 운영에 있어서 신뢰성을 높일 수 있는 이중여자 유도형 발전기의 위상오차 보상 장치 및 그 방법을 제공함에 목적이 있다.In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a phase error compensation device and method of a double-excitation induction generator that can increase the reliability in long-term operation without excessive stress on the generator and power converter. There is this.
또한, 본 발명은 외란으로 인한 불안정성의 문제를 해결하고, 고정밀의 위상 동기화 수행이 가능한 이중여자 유도형 발전기의 위상오차 보상 장치 및 그 방법을 제공함에 다른 목적이 있다.In addition, the present invention has another object to solve the problem of instability due to disturbance, and to provide a phase error compensation device and method of the double-excitation induction generator capable of performing high-precision phase synchronization.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이중여자 유도형 발전기의 위상오차 보상 장치는, 발전기의 출력전압에 대한 고정자 위상각과, 계통전압에 대한 계통 위상각 간 오차를 계산하는 위상 오차 계산부, 및 상기 고정자 위상각과 상기 계통 위상각 간 오차의 범위에 근거하여, 펄스신호의 제어주기마다 오차를 보상하는 위상 오차 보상부를 포함하는 것을 특징으로 한다.Phase error compensation device of the double-excitation induction generator according to the present invention for achieving the above object, the phase error calculation unit for calculating the error between the stator phase angle and the system phase angle for the output voltage of the generator, And a phase error compensator for compensating for each control cycle of the pulse signal based on a range of an error between the stator phase angle and the system phase angle.
상기 위상 오차 계산부는, 상기 이중여자 유도형 발전기의 출력전압에 대한 고정자 위상각을 추정하는 고정자 위상각 추정부, 상기 계통전압에 대한 위상각을 추정하는 계통 위상각 추정부, 및 상기 고정자 위상각과 상기 계통 위상각을 비교하여, 각 위상각 간 오차를 계산하는 비교기를 포함하는 것을 특징으로 한다.The phase error calculator includes a stator phase angle estimator for estimating a stator phase angle with respect to an output voltage of the dual excitation induction generator, a system phase angle estimator for estimating a phase angle with respect to the grid voltage, and the stator phase angle; Comparing the system phase angle, it comprises a comparator for calculating the error between each phase angle.
상기 위상 오차 보상부는, QEP 채널을 통해 수집한 엔코더(Encoder) 펄스신호를 매 주기마다 1 내지 5 bit씩 보상하는 것을 특징으로 한다.The phase error compensator is configured to compensate an encoder pulse signal collected through a QEP channel by 1 to 5 bits every cycle.
상기 위상 오차 보상부는, 보상된 값의 슬립각을 변화시켜 출력하고, 변화된 상기 슬립각은, 회전자 전류제어에 적용되는 것을 특징으로 한다.The phase error compensator may change and output a slip angle of the compensated value, and the changed slip angle may be applied to the rotor current control.
변화된 상기 슬립각이 적용된 회전자 전류값에 근거하여 고정자 전압의 위상을 보상하는 전압 변조부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.And a voltage modulator for compensating the phase of the stator voltage based on the rotor current value to which the changed slip angle is applied.
한편, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이중여자 유도형 발전기의 위상오차 보상 방법은, 발전기의 출력전압에 대한 고정자 위상각과, 계통전압에 대한 위상각을 추정하는 단계, 추정된 상기 고정자 위상각과 상기 계통 위상각을 비교하여, 상기 고정자 위상각과 계통 위상각이 일치하는지를 확인하는 단계, 상기 고정자 위상각과 상기 계통 위상각 간에 오차가 발생하는 것으로 확인되면, 위상각 간 오차를 계산하는 단계, 및 상기 고정자 위상각과 상기 계통 위상각 간 오차의 범위에 근거하여, 펄스신호의 제어주기마다 오차를 보상하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.On the other hand, the phase error compensation method of the double-excitation induction generator according to the present invention for achieving the above object, the step of estimating the stator phase angle and the phase angle for the system voltage of the generator, the estimated stator Comparing the phase angle with the system phase angle, checking whether the stator phase angle and the system phase angle coincide; if it is determined that an error occurs between the stator phase angle and the system phase angle, calculating an error between phase angles; And compensating for the error every control period of the pulse signal based on the range of the error between the stator phase angle and the system phase angle.
상기 오차를 보상하는 단계는, QEP 채널을 통해 수집한 엔코더(Encoder) 펄스신호를 매 주기마다 1 내지 5 bit씩 보상하는 것을 특징으로 한다.Compensating the error is characterized by compensating the encoder pulse signal collected through the QEP channel by 1 to 5 bits every cycle.
상기 보상하는 단계에서 보상된 값의 슬립각을 변화시켜 출력하는 단계, 및 변화된 상기 슬립각을 회전자 전류제어에 적용하여, 그 결과값으로부터 고정자 전압의 위상을 보상하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.Varying and outputting the slip angle of the compensated value in the compensating step, and applying the changed slip angle to the rotor current control, compensating for the phase of the stator voltage from the resultant value. It is done.
본 발명에 따르면, 위상보상을 1 Step동안 실행하지 않고, 펄스신호의 매 주기마다 실행하기 때문에, 발전기와 전력변환기에 과도한 스트레스를 주지 않으므로, 장기적인 운영에 있어서 신뢰성을 높일 수 있는 이점이 있다.According to the present invention, since phase compensation is performed every cycle of the pulse signal without performing the phase compensation for one step, the generator and the power converter are not subjected to excessive stress, thereby increasing the reliability in long-term operation.
또한, 본 발명은 PI 제어기를 이용하지 않고 위상 오차를 보상하므로, 외란으로 인한 불안정성의 문제를 해결할 수 있는 이점이 있다.In addition, since the present invention compensates for the phase error without using the PI controller, there is an advantage that can solve the problem of instability due to disturbance.
또한, 본 발명은 4096ppr 엔코더 사용 시, 최대 0.02도 이내로 고정밀의 위상 동기화 수행이 가능한 이점이 있다.In addition, the present invention has the advantage that high-precision phase synchronization can be performed within a maximum of 0.02 degrees when using a 4096ppr encoder.
본 발명은 이중여자 유도형 발전기의 위상오차 보상 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 본 발명에서는 발전기의 출력전압과 계통전압의 위상을 일치시키기 위한 위상 오차 보상 알고리즘을 제공하고자 한다.The present invention relates to a phase error compensation device and a method of a double excitation induction generator, the present invention is to provide a phase error compensation algorithm for matching the phase of the output voltage and the grid voltage of the generator.
이중여자 유도형 발전기(Doubly-Fed Induction-type Generator, DFIG))는 제한범위 가변속 방식의 권선형 유도 발전기로서, 여자전류를 고정자와 회전자 양쪽에서 인가한다.Doubly-Fed Induction-type Generator (DFIG) is a winding type induction generator with variable speed variable speed type, and applies excitation current to both stator and rotor.
이때, 이중여자 유도형 발전기의 고정자는 공급 에너지가 발전을 하기에 충분할 때 계통에 연결되고, 에너지가 부족한 경우에 계통에서 분리된다.At this time, the stator of the dual excitation induction generator is connected to the grid when the supply energy is sufficient to generate electricity, and disconnected from the grid when the energy is insufficient.
회전자는 전력변환 장치에 연결되며, 전력변환 장치는 발전기를 제어하는 회 전자측 컨버터와 전력변환 장치의 계통 연계를 담당하는 계통측 컨버터를 포함한다.The rotor is connected to a power converter, which includes a rotor side converter controlling the generator and a grid side converter responsible for grid linkage of the power converter.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described an embodiment of the present invention.
도 1은 본 발명에 따른 이중여자 유도형 발전기의 위상오차 보상 장치의 구성을 설명하는데 참조되는 회로 구성도이다.1 is a circuit configuration diagram referred to explain the configuration of a phase error compensation device of a dual excitation induction generator according to the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 이중여자 유도형 발전기의 위상오차 보상 장치는, 위상 오차 계산부(10), 및 위상 오차 보상부(30)를 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 이중여자 유도형 발전기의 위상오차 보상 장치는 전류 제어기(50) 및 전압 변조부(70), 및 컨버터(80)를 더 포함한다.As shown in FIG. 1, the phase error compensator of the dual excitation induction generator according to the present invention includes a
먼저, 위상 오차 계산부(10)는 이중여자 유도형 발전기의 출력전압에 대한 고정자 위상각 θs와, 계통전압에 대한 위상각 θe에 대한 오차를 계산한다.First, the phase
이때, 위상 오차 계산부(10)는 고정자 위상각 추정부(11), 계통 위상각 추정부(13), 및 비교기(15)를 포함한다.In this case, the
고정자 위상각 추정부(11)는 유도형 발전기의 출력전압에 대한 고정자 위상각 θs를 추정한다. 이때, 고정자 위상각 추정부(11)는 유도형 발전기의 출력전압과 출력전류에 근거하여 고정자 위상각 θs를 추정한다.The stator
한편, 계통 위상각 추정부(13)는 계통전압에 대한 위상각 θe를 추정한다. 이때, 계통 위상각 추정부(13)는 유도형 발전기의 출력전류와, 계통전압에 근거하여 계통 위상각 θe를 추정한다.On the other hand, the system
비교기(15)는 고정자 위상각 추정부(11)와 계통 위상각 추정부(13)로부터 추정된 고정자 위상각 θs와, 계통 위상각 θe를 입력 받는다. The
또한, 비교기(15)는 고정자 위상각 θs와 계통 위상각 θe를 비교하여, 각 위상각 간 오차 ㅿθ를 계산한다. 이때, 비교기(15)는 각 위상각 간 오차 ㅿθ를 위상 오차 보상부(30)로 전달한다. 여기서, 각 위상각 간 오차 ㅿθ는 이중여자 유도형 발전기의 출력 주파수 ωr에 근거하여 θr로 변환되어, 위상 오차 보상부(30)로 입력된다.In addition, the
한편, 계통 위상각 추정부(13)는 추정된 계통 위상각 θe를 비교기(15)뿐만 아니라, 위상 오차 보상부(30)로 전달한다.On the other hand, the system
위상 오차 보상부(30)는 고정자 위상각 θs와 계통 위상각 θe 간 오차 θr과, 계통 위상각 추정부(13)로부터 입력된 계통 위상각 θe에 근거하여, 위상 오차를 보상한다.Phase
이때, 위상 오차 보상부(30)는 위상각 간 오차 θr의 범위에 따라 QEP채널을 통해 수집한 엔코더(Encoder) 펄스신호를 매 주기마다 보상한다. 여기서, 위상 오차 보상부(30)는 위상각 간 오차 범위에 따라서, 해당 펄스신호의 매 제어주기마다 1 내지 5 bit씩 보상한다.At this time, the
또한, 위상 오차 보상부는 보상각의 슬립각 θsl을 변화시켜, 출력한다. 이때, 위상 오차 보상부(30)는 계산된 오차를 전류제어 위상각으로 이용하는 슬립각에 더하거나 빼줘서 오차를 보상한다.The phase error compensator changes the slip angle θ sl of the compensation angle and outputs it. At this time, the
여기서, 고정자 전압과 전류는 계통 전압과 동일한 주파수를 갖지만, 회전자 전압과 전류는 발전기의 슬립에 비례하는 주파수를 갖기 때문에, 위상 오차 보상부(30)는 보상각의 슬립각 θsl을 변환하여 출력한다.Here, the stator voltage and current have the same frequency as the grid voltage, but since the rotor voltage and current have a frequency proportional to the slip of the generator, the
위상 오차 보상부(30)에 의해 출력된 슬립각 θsl은 도면부호 '40'의 과 도면부호 '60'의 에 각각 적용된다.The slip angle θ sl outputted by the
이때, 도면부호 '40'의 의 결과값은 전류 제어기(50)의 입력값에 적용되고, 도면부호 '60'의 의 결과값은 전류 제어기(50)의 출력값에 적용된다.At this time, the reference numeral '40' The result of is applied to the input value of the current controller 50, the reference '60' The resulting value of is applied to the output value of the current controller 50.
전압 변조부(70)는 전류 제어기(50)로부터의 출력값에 근거하여 고정자 전압의 위상을 보상한다.The
상기와 같이 구성되는 본 발명의 동작을 살펴보면 다음과 같다.Looking at the operation of the present invention configured as described above are as follows.
도 2는 본 발명에 따른 이중여자 유도형 발전기의 위상오차 보상 방법에 대 한 동작 흐름을 도시한 순서도이다.Figure 2 is a flow chart showing the operation flow for the phase error compensation method of the dual excitation induction generator according to the present invention.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명은 먼저 위상 오차 계산부(10)에서 이중여자 유도형 발전기의 출력전압에 대한 고정자 위상각 θs와, 계통전압에 대한 위상각 θe를 추정한다(S100).As shown in FIG. 2, the present invention first estimates the stator phase angle θ s for the output voltage of the double excitation induction generator and the phase angle θ e for the grid voltage in the phase error calculator 10 (S100). ).
이때, 위상 오차 계산부(10)는 추정된 고정자 위상각 θs와 계통 위상각 θe를 비교하여, 고정자 위상각 θs와 계통 위상각 θe가 일치하는지를 확인한다(S110).At this time, the phase
만일, 고정자 위상각 θs와 계통 위상각 θe 간에 오차가 발생하는 것으로 확인되면(S120), 위상 오차 계산부(10)는 확인된 오차 ㅿθ를 위상 오차 보상부(30)로 전달한다.If it is confirmed that an error occurs between the stator phase angle θ s and the system phase angle θ e (S120), the
이때, 위상 오차 보상부(30)는 'S100' 과정에서 확인된 오차 ㅿθ의 범위에 따라 펄스신호를 매 주기마다 보상한다(S130).In this case, the
여기서, 펄스신호는 QEP채널을 통해 수집한 엔코더(Encoder) 펄스신호이다. 이때, 위상 오차 보상부(30)는 위상각의 오차 범위에 따라서, 해당 펄스신호의 매 제어주기마다 1 내지 5 bit씩 보상한다.Here, the pulse signal is an encoder pulse signal collected through the QEP channel. At this time, the
이후, 위상 오차 보상부(30)는 보상각의 슬립각 θsl을 변화시켜(S140), 전류 제어기(50)에 의한 회전자 전류제어에 적용함으로써, 고정자 전압의 위상을 보 상한다(S150).Thereafter, the
즉, 본 발명에 따른 이중여자 유도형 발전기의 위상오차 보상 장치 및 그 방법은 위상 오차의 보상을 1 Step 동안 실행하는 것이 아니라, 펄스신호의 매 제어주기마다 보상하는 것이다. 따라서, 본 발명은 발전기와 전력변환기에 과도한 스트레스를 주지 않을 수 있다.That is, the phase error compensating apparatus and method of the double-excited induction generator according to the present invention do not compensate the phase error for one step, but compensate for each control period of the pulse signal. Therefore, the present invention may not apply excessive stress to the generator and the power converter.
이상과 같이 본 발명에 의한 이중여자 유도형 발전기의 위상오차 보상 장치 및 그 방법은 예시된 도면을 참조로 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명은 한정되지 않고, 기술사상이 보호되는 범위 이내에서 응용될 수 있다.As described above, the apparatus for compensating the phase error of the dual excitation induction generator and the method thereof according to the present invention have been described with reference to the illustrated drawings, but the present invention is not limited by the embodiments and drawings disclosed herein, It can be applied within the scope of protection.
도 1 은 본 발명에 따른 이중여자 유도형 발전기의 위상오차 보상 장치의 구성을 설명하는데 참조되는 회로 구성도이다.1 is a circuit configuration diagram referred to for explaining the configuration of the phase error compensation device of the dual excitation induction generator according to the present invention.
도 2 는 본 발명에 따른 이중여자 유도형 발전기의 위상오차 보상 방법에 대한 동작 흐름을 도시한 순서도이다.Figure 2 is a flow chart showing the operation flow for the phase error compensation method of the dual excitation induction generator according to the present invention.
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