KR20110075540A

KR20110075540A - 이중여자 유도형 발전기의 위상오차 보상 장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR20110075540A
Application number: KR1020090132019A
Authority: KR
Inventors: 김원상; 신수철
Original assignee: 주식회사 효성
Priority date: 2009-12-28
Filing date: 2009-12-28
Publication date: 2011-07-06
Also published as: KR101122895B1

Abstract

본 발명은 이중여자 유도형 발전기의 위상오차 보상 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 발전기의 출력전압에 대한 고정자 위상각과, 계통전압에 대한 계통 위상각 간 오차를 계산하는 위상 오차 계산부, 및 고정자 위상각과 계통 위상각 간 오차의 범위에 근거하여, 펄스신호의 제어주기마다 오차를 보상하는 위상 오차 보상부를 포함한다. 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.

Description

이중여자 유도형 발전기의 위상오차 보상 장치 및 그 방법{Apparatus and method for compensating phase error of generator}

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.

이중여자 유도형 발전기의 계통과의 동기화를 위한 위상오차보상 방법은 전류제어기를 이용하여 1 Step으로 계통위상과 발전기 고정자위상의 오차를 보상하는 알고리즘이 있다.

첫 번째 기술인 위상오차를 보상하기 위한 전류제어기를 이용하는 알고리즘은 위상오차 계산부와 위상오차 보상부로 구성된다.

첫 번째 기술은 위상오차를 계산하고, 이 오차를 줄이기 위한 전류지령치를 전력변환기에 인가한다.

첫 번째 기술의 문제점은 대용량 풍력발전기에 적용하기에는 발전기와 전력변환기에 과도한 스트레스를 유발할 수 있으므로 장기적인 운영에서 신뢰성을 낮출 우려가 있다.

위상오차를 보상하는 다른 방법으로는, PI제어기를 이용한 위상오차 보상 알고리즘이 있다.

두 번째 기술인 위상오차를 보상하기 위한 위상제어기(PI제어기) 이용하는 알고리즘은 전압비교부와 위상오차를 얻기 위한 위상오차제어부(PI제어기)와 슬립각 계산부로 구성된다.

두 번째 기술은 전압오차를 계산하고, 이 오차를 줄이기 위해서 위상오차 제어기를 이용하여 위상오차를 더하거나 빼줘서 보상한다.

두 번째 기술의 문제점은 PI제어기를 사용하기 때문에, 예견치 않은 외란에 대한 PI제어기의 안정성에 의존적일 수 있다.

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.

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.

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.

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.

상기 위상 오차 보상부는, QEP 채널을 통해 수집한 엔코더(Encoder) 펄스신호를 매 주기마다 1 내지 5 bit씩 보상하는 것을 특징으로 한다.

상기 위상 오차 보상부는, 보상된 값의 슬립각을 변화시켜 출력하고, 변화된 상기 슬립각은, 회전자 전류제어에 적용되는 것을 특징으로 한다.

변화된 상기 슬립각이 적용된 회전자 전류값에 근거하여 고정자 전압의 위상을 보상하는 전압 변조부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

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.

상기 오차를 보상하는 단계는, QEP 채널을 통해 수집한 엔코더(Encoder) 펄스신호를 매 주기마다 1 내지 5 bit씩 보상하는 것을 특징으로 한다.

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.

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.

또한, 본 발명은 PI 제어기를 이용하지 않고 위상 오차를 보상하므로, 외란으로 인한 불안정성의 문제를 해결할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명은 4096ppr 엔코더 사용 시, 최대 0.02도 이내로 고정밀의 위상 동기화 수행이 가능한 이점이 있다.

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.

이중여자 유도형 발전기(Doubly-Fed Induction-type Generator, DFIG))는 제한범위 가변속 방식의 권선형 유도 발전기로서, 여자전류를 고정자와 회전자 양쪽에서 인가한다.

이때, 이중여자 유도형 발전기의 고정자는 공급 에너지가 발전을 하기에 충분할 때 계통에 연결되고, 에너지가 부족한 경우에 계통에서 분리된다.

회전자는 전력변환 장치에 연결되며, 전력변환 장치는 발전기를 제어하는 회 전자측 컨버터와 전력변환 장치의 계통 연계를 담당하는 계통측 컨버터를 포함한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 이중여자 유도형 발전기의 위상오차 보상 장치의 구성을 설명하는데 참조되는 회로 구성도이다.

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.

먼저, 위상 오차 계산부(10)는 이중여자 유도형 발전기의 출력전압에 대한 고정자 위상각 θ_s와, 계통전압에 대한 위상각 θ_e에 대한 오차를 계산한다.

이때, 위상 오차 계산부(10)는 고정자 위상각 추정부(11), 계통 위상각 추정부(13), 및 비교기(15)를 포함한다.

고정자 위상각 추정부(11)는 유도형 발전기의 출력전압에 대한 고정자 위상각 θ_s를 추정한다. 이때, 고정자 위상각 추정부(11)는 유도형 발전기의 출력전압과 출력전류에 근거하여 고정자 위상각 θ_s를 추정한다.

한편, 계통 위상각 추정부(13)는 계통전압에 대한 위상각 θ_e를 추정한다. 이때, 계통 위상각 추정부(13)는 유도형 발전기의 출력전류와, 계통전압에 근거하여 계통 위상각 θ_e를 추정한다.

비교기(15)는 고정자 위상각 추정부(11)와 계통 위상각 추정부(13)로부터 추정된 고정자 위상각 θ_s와, 계통 위상각 θ_e를 입력 받는다.

또한, 비교기(15)는 고정자 위상각 θ_s와 계통 위상각 θ_e를 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 ω_r에 근거하여 θ_r로 변환되어, 위상 오차 보상부(30)로 입력된다.

한편, 계통 위상각 추정부(13)는 추정된 계통 위상각 θ_e를 비교기(15)뿐만 아니라, 위상 오차 보상부(30)로 전달한다.

위상 오차 보상부(30)는 고정자 위상각 θ_s와 계통 위상각 θ_e 간 오차 θ_r과, 계통 위상각 추정부(13)로부터 입력된 계통 위상각 θ_e에 근거하여, 위상 오차를 보상한다.

이때, 위상 오차 보상부(30)는 위상각 간 오차 θ_r의 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.

또한, 위상 오차 보상부는 보상각의 슬립각 θ_sl을 변화시켜, 출력한다. 이때, 위상 오차 보상부(30)는 계산된 오차를 전류제어 위상각으로 이용하는 슬립각에 더하거나 빼줘서 오차를 보상한다.

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 θ_sl을 변환하여 출력한다.

위상 오차 보상부(30)에 의해 출력된 슬립각 θ_sl은 도면부호 '40'의

과 도면부호 '60'의

에 각각 적용된다.

이때, 도면부호 '40'의

의 결과값은 전류 제어기(50)의 입력값에 적용되고, 도면부호 '60'의

의 결과값은 전류 제어기(50)의 출력값에 적용된다.

전압 변조부(70)는 전류 제어기(50)로부터의 출력값에 근거하여 고정자 전압의 위상을 보상한다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 동작을 살펴보면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 이중여자 유도형 발전기의 위상오차 보상 방법에 대 한 동작 흐름을 도시한 순서도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명은 먼저 위상 오차 계산부(10)에서 이중여자 유도형 발전기의 출력전압에 대한 고정자 위상각 θ_s와, 계통전압에 대한 위상각 θ_e를 추정한다(S100).

이때, 위상 오차 계산부(10)는 추정된 고정자 위상각 θ_s와 계통 위상각 θ_e를 비교하여, 고정자 위상각 θ_s와 계통 위상각 θ_e가 일치하는지를 확인한다(S110).

만일, 고정자 위상각 θ_s와 계통 위상각 θ_e 간에 오차가 발생하는 것으로 확인되면(S120), 위상 오차 계산부(10)는 확인된 오차 ㅿθ를 위상 오차 보상부(30)로 전달한다.

이때, 위상 오차 보상부(30)는 'S100' 과정에서 확인된 오차 ㅿθ의 범위에 따라 펄스신호를 매 주기마다 보상한다(S130).

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.

이후, 위상 오차 보상부(30)는 보상각의 슬립각 θ_sl을 변화시켜(S140), 전류 제어기(50)에 의한 회전자 전류제어에 적용함으로써, 고정자 전압의 위상을 보 상한다(S150).

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.

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.

도 1 은 본 발명에 따른 이중여자 유도형 발전기의 위상오차 보상 장치의 구성을 설명하는데 참조되는 회로 구성도이다.

도 2 는 본 발명에 따른 이중여자 유도형 발전기의 위상오차 보상 방법에 대한 동작 흐름을 도시한 순서도이다.

Claims

이중여자 유도형 발전기의 위상오차 보상 장치로서,

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 보상부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중여자 유도형 발전기의 위상오차 보상 장치.
청구항 1에 있어서,

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 비교기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중여자 유도형 발전기의 위상오차 보상 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 위상 오차 보상부는,

QEP 채널을 통해 수집한 엔코더(Encoder) 펄스신호를 매 주기마다 1 내지 5 bit씩 보상하는 것을 특징으로 하는 이중여자 유도형 발전기의 위상오차 보상 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 위상 오차 보상부는, 보상된 값의 슬립각을 변화시켜 출력하고,

변화된 상기 슬립각은, 회전자 전류제어에 적용되는 것을 특징으로 하는 이중여자 유도형 발전기의 위상오차 보상 장치.
청구항 4에 있어서,

변화된 상기 슬립각이 적용된 회전자 전류값에 근거하여 고정자 전압의 위상을 보상하는 전압 변조부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이중여자 유도형 발전기의 위상오차 보상 장치.
이중여자 유도형 발전기의 위상오차 보상 방법으로서,

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 확인 되면, 위상각 간 오차를 계산하는 단계; 및

상기 고정자 위상각과 상기 계통 위상각 간 오차의 범위에 근거하여, 펄스신호의 제어주기마다 오차를 보상하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중여자 유도형 발전기의 위상오차 보상 방법.
청구항 6에 있어서,

상기 오차를 보상하는 단계는,

QEP 채널을 통해 수집한 엔코더(Encoder) 펄스신호를 매 주기마다 1 내지 5 bit씩 보상하는 것을 특징으로 하는 이중여자 유도형 발전기의 위상오차 보상 방법.
청구항 6에 있어서,

상기 보상하는 단계에서 보상된 값의 슬립각을 변화시켜 출력하는 단계; 및

변화된 상기 슬립각을 회전자 전류제어에 적용하여, 그 결과값으로부터 고정자 전압의 위상을 보상하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이중여자 유도형 발전기의 위상오차 보상 방법.