KR20140057760A - Limitation method of the current and regeneration power reference using the grid-side converter capacity connected with utility grid - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method for restricting a current reference value and a generation reference value of a grid-connected power conversion device and, more specifically, to a method for restricting a current reference value and a generation reference value of a grid-connected power conversion device capable of, even in case of an unbalanced three-phase voltage or a momentary power failure, supplying reactive power while not stopping a renewable energy system. The present invention divides current and voltage data of a grid into a positive-phase and a negative-phase component, uses the positive phase component for controlling active power and reactive power as in the existing technology, and uses the negative-phase component for additional control using a negative-phase component current controller. By performing control in a link with a renewable energy source (a generator) in consideration of the maximum current and active power of the power conversion device, the present invention is able to stably control DC-link voltage and active power and, even in case of an unbalanced three-phase voltage or a momentary power failure, supply reactive power while not stopping the renewable energy system.

Description

계통 연계형 전력변환장치의 전류기준치 및 발전기준치 제한 방법{Limitation method of the current and regeneration power reference using the grid-side converter capacity connected with utility grid}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a grid-side power converter, and more particularly,

본 발명은 계통 연계형 전력변환장치의 전류기준치 및 발전기준치 제한 방법에 관한 것으로서, 3상 불평형 전압 및 순간정전 구간에서도 신재생 에너지 시스템을 정지시키지 않고, 무효전력을 지원할 수 있도록 한 계통 연계형 전력변환장치의 전류기준치 및 발전기준치 제한 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a current reference value and a method of limiting a power generation reference value of a grid-connected power conversion apparatus, and more particularly, to a grid-connected power supply system capable of supporting reactive power without stopping a renewable energy system even in a three- And to a method of limiting the current reference value and generation reference value of the conversion apparatus.

첨부한 도 1은 동기발전기, 권선형유도발전기, 혹은 태양광 발전, 풍력 발전과 같은 신재생 발전시스템에서 에너지를 생산하기 위한 전력변환장치의 하드웨어 구성도를 나타낸다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a hardware block diagram of a power conversion apparatus for producing energy in a synchronous generator, a wire-wound induction generator, or a renewable power generation system such as solar power generation and wind power generation.

도 1에서 보듯이, 일반적인 계통 연계형 신재생 에너지 시스템의 경우 계통 연계형 PWM 컨버터(Converter)를 이용하여 계통측과 신재생 에너지 시스템을 연결하고 있다.As shown in FIG. 1, in the case of a general grid-connected renewable energy system, a grid-connected PWM converter is used to connect the system side with the renewable energy system.

기존의 계통 연계형 신재생 에너지 시스템의 경우, 계통에 사고발생시 신재생 발전시스템을 계통에서 분리하여 시스템의 안정성을 유지하고 있지만, 대용량의 계통연계형 신재생 에너지 시스템이 증가함에 따라 계통사고 발생시 신재생 발전 시스템을 계통에서 분리하게 되면 주변 전력망에 큰 영향을 주게 되고, 심할 경우 전력 시스템의 불안정성을 야기할 수 있다. In the case of the existing grid-connected renewable energy system, the system is kept stable by separating the new and renewable generation system from the system when an accident occurs in the system. However, as the large-capacity grid-connected renewable energy system increases, Separating the regenerative power generation system from the grid can have a significant impact on the surrounding power grid and, in severe cases, can cause instability of the power system.

따라서, 전력망의 안정성을 확보하기 위하여 세계 각국에서는 계통연계규정(Grid Code)를 제정하여 풍력발전 시스템의 계통연계를 규제하고 있다.Therefore, in order to secure the stability of the power grid, grid interconnecting regulations of the wind power generation system are regulated in the world.

대개, 계통 사고의 조건은 3상 평형의 계통사고 조건과, 3상 불평형의 계통사고 조건으로 구분이 가능하고, 3상 평형의 계통사고의 경우 계통전압의 크기만 감소한 형태로 나타나게 되며, 이때는 무효전류만 계통으로 공급하는 제어를 수행하면 된다.In general, the condition of systematic accidents can be classified into 3-phase equilibrium system fault condition and 3-phase unbalance system fault condition, and in case of 3-phase equilateral system fault, only system voltage is reduced in size. In this case, The control to supply current only to the system may be performed.

하지만, 전력변환장치에서 허용 가능한 최대 전류는 스위칭 소자에 따라 결정되기 때문에 무효전류가 증가함에 따라 제어 가능한 유효전류의 크기는 감소하게 된다. However, since the maximum permissible current in the power converter is determined by the switching device, the magnitude of the controllable effective current decreases as the reactive current increases.

이에 따라, 발전기의 발전량이 전력변환장치가 감당할 수 있는 유효전력보다 클 경우, 이는 DC-링크(link) 전압의 상승으로 이어져 시스템이 불안정해지는 원인이 되며, 이에 DC-링크 전압이 허용 기준치 이상으로 상승할 경우 전력변환장치의 폴트(Fault)에 의해 계통 연계형 신재생 에너지 시스템이 계통에서 분리된다.Accordingly, when the power generation amount of the generator is larger than the effective power that the power conversion apparatus can afford, this leads to an increase in the DC-link voltage, which causes the system to become unstable. The system-connected renewable energy system is separated from the grid by the fault of the power inverter.

이러한 문제를 해결하기 위하여, 다이나믹 브레이킹(DB, Dynamic Breaking)을 통하여 DC-링크 전압의 안정성을 확보하는 방법과, 신재생 에너지원과 연동 제어를 실시하여 계통사고 조건에 따라 전력변환장치의 최대 출력을 계산하여 발전기의 피치 컨트롤(Pitch control) 등을 통하여 출력을 제한하여 DC-링크 전압의 안정성을 확보하는 방법 등이 제안되어 왔지만, 이러한 기존 방식들의 경우 계통 불평형 조건을 고려하지 않은 제어 방법으로써 3상 불평형의 계통사고 발생시에는 대처가 어려운 단점이 있다.In order to solve these problems, there is a method of ensuring the stability of the DC-link voltage through dynamic breaking (DB) and a method of interlocking with a renewable energy source, And a method of securing the stability of the DC-link voltage by limiting the output through the pitch control of the generator, etc. However, in the case of these conventional methods, as a control method which does not consider the system imbalance condition, There is a disadvantage in that it is difficult to cope with an unbalanced systematic accident.

한편, 3상 불평형의 계통사고의 경우 유효전력 및 무효전력, 동기좌표계의 D,Q축 전류에서 계통주파수의 두 배에 해당하는 리플이 발생하게 된다.On the other hand, in the case of a three-phase unbalanced system fault, ripples corresponding to twice the system frequency occur in the D and Q axis currents of the active and reactive power and synchronous coordinate system.

따라서, 이러한 리플을 제거하기 위하여 듀얼 벡터 전류 제어(DVCC, Dual Vector Current Control) 방법이 제안되었으며, 첨부한 도 2는 듀얼 벡터 전류 제어를(DVCC)를 이용한 계통 연계형 컨버터(Converter)의 제어 블록도를 보여준다.Accordingly, a dual vector current control (DVCC) method has been proposed in order to remove such ripple. FIG. 2 is a block diagram of a control circuit of a grid-connected converter using a dual vector current control (DVCC) Fig.

즉, 도 2는 전력변환장치는 한방향 혹은 양방향으로 에너지를 수수할 수 있는 형태를 가질 수 있고, 발전기측 컨버터(혹은 신재생 에너지원측 컨버터)와 계통측 컨버터로 구성되어 있다고 할 때, 전력계통과 연결되어 있는 계통측 컨버터의 제어방식을 나타낸다.That is, FIG. 2 shows that the power conversion device can have a form capable of receiving energy in one direction or both directions, and is composed of a generator side converter (or a renewable energy source side converter) and a system side converter, This shows the control method of the connected system side converter.

상기 듀얼 벡터 전류 제어 방법의 경우, 동기 좌표계에서 노치필터(Notch Filter)를 통하여 전류의 정상성분(Positive) 성분과 역상성분(Negative) 성분을 분리하여 제어하는 방법으로써, 정상성분(Positive) 성분의 전류제어기는 기존의 유효전력 및 무효전력의 제어를 담당하고, 역상성분(Negative) 성분의 전류제어기는 계통 주파수의 두 배에 해당하는 유효전력 및 무효전력의 리플을 줄이는 제어를 실시하여 3상 불평형 전압 발생시에서도 리플이 없는 유효전력 및 무효전력의 공급이 가능한 장점이 있다.In the dual vector current control method, a positive component and a negative component of a current are separated and controlled through a notch filter in a synchronous coordinate system, and a positive component of a positive component The current controller controls the existing active power and the reactive power and the current controller with the negative component controls the ripple of the active power and reactive power corresponding to twice the system frequency to control the three phase unbalance It is possible to supply active power and reactive power without ripple even when a voltage is generated.

또한, 2상 정지 좌표계에서 PR 제어기를 통하여 정상성분 전류(Positive Current)와 역상성분 전류(Negative Current)를 동시에 제어하는 방법이 제안되었다. 위의 두 방식의 경우 역상성분 전류(Negative Current)의 전류를 제어하기 때문에 전체 전류의 피크(Peak)치가 상승하게 되며, 이로 인해 전력변환장치에 과전류가 흐르게 되어 스위칭 소자에 악영향을 주는 단점이 있다.In addition, a method of simultaneously controlling a positive current and a negative current through a PR controller in a two-phase stationary coordinate system has been proposed. In the case of the above two methods, the peak current of the entire current is increased due to the control of the current of the negative current, which causes the overcurrent to flow to the power converter, which adversely affects the switching element .

따라서, 불평형 전압 발생시 듀얼 벡터 전류 제어를 하고자 할 경우, 별도의 전류제한 알고리즘이 필요로 하며, 이를 위해 불평형 전압 발생시 전력변환장치의 사양을 고려하여 전류를 제안하는 방법이 제안되었으며, 이 방식의 경우는 정상성분 전류(Positive Current)와 역상성분 전류(Negative Current)를 통하여 무효전류를 공급하는 방법으로써, 피크(Peak) 전류가 흐르는 상을 기준으로 정상성분 전류(Positive Current)와 역상성분 전류(Negative Current)의 지령치를 인가하고, 전력변환장치의 전류가 전류 제한치 이상으로 넘어가지 않게 제어를 실시하여 전류를 안정적으로 제어한다는 장점이 있다.Therefore, a separate current limiting algorithm is required for dual vector current control when an unbalanced voltage is generated. For this purpose, a method of proposing a current considering the specifications of a power converter when an unbalance voltage is generated has been proposed. Is a method of supplying a reactive current through a positive current and a negative current and is characterized in that a positive current and a negative phase component current Current) of the power converter is controlled so that the current of the power converter does not exceed the current limit value, thereby stably controlling the current.

하지만, 피크(Peak) 전류가 흐르는 각상을 검출하여야 하는 단점이 있고, 듀얼 벡터 전류 제어의 장점이라 할 수 있는 유효전력 및 무효전력의 리플을 제거하지 못하는 단점이 있으며, 또한 발전기와의 연동 제어를 실시하지 않아 발전량이 전력변환장치가 감당할 수 있는 정격을 넘어서는 경우에는 DC-링크 전압이 상승하는 단점이 있다.However, there is a drawback in that it is necessary to detect each phase in which a peak current flows, and there is a disadvantage in that ripples of active power and reactive power can not be removed, which is an advantage of dual vector current control. When the power generation amount exceeds the rated value that can be afforded by the power conversion apparatus due to the failure, the DC-link voltage rises.

한편, 계통 연계형 신재생 에너지를 제어하는 전력변환장치는 시간대 전압변동 조건, 즉 순간정전 조건에서도 발전시스템을 정지시키지 말고 유지시킬 수 있는 능력(순간정전 조건에서 발전시스템을 유지시킬 수 있는 저 전압 발전 지속(LVRT : Low Voltage Ride Through) 조건의 일례를 설명하는 도 3 참조)을 구비하여야 하며, 계통전압이 조속히 회복될 수 있도록 무효전력을 공급할 수 있어야 한다는 기술기준이 유럽(독일, Eon Netz)과 미국, 캐나다 등에서 필수 사양으로 채택되어 있다.On the other hand, the power conversion apparatus for controlling the grid-connected renewable energy is capable of maintaining the power generation system not to stop even under the time zone voltage fluctuation condition, that is, the instantaneous power failure condition (See FIG. 3 for explaining an example of LVRT (Low Voltage Ride Through) condition), and a technical standard for supplying reactive power so that the grid voltage can be quickly recovered is disclosed in Eon Netz, And has been adopted as an essential specification in the United States and Canada.

따라서, 정상성분 전류와 역상성분 전류를 각각 분해하여 제어하는 듀얼 벡터 전류 제어(DVCC)방법을 가지는 기존 방법을 적용하여, 도 3에 제시된 순간정전 조건 즉, 저 전압 발전 지속(LVRT : Low Voltage Ride Through) 조건에서 도 4에 나타낸 무효전류 주입조건에 따라 무효전류 성분을 계통으로 기여되게 할 때, 전력변환장치의 제어특성 결과는 도 5의 파형도에 나타낸 바와 같다.Therefore, by applying the existing method having a dual vector current control (DVCC) method in which the normal component current and the reverse phase component current are respectively decomposed and controlled, the instantaneous power failure condition LVRT (Low Voltage Ride Through control, the control characteristic results of the power converter are shown in the waveform diagram of FIG. 5 when the reactive current component is added to the system in accordance with the reactive current injection condition shown in FIG.

그러나, 2상의 상전압이 예를 들어 정상 전압의 크기의 20%로 감소하였을 때, 역상분 전류 주입에 따른 전류제한 성분이 없기 때문에 전력변환장치의 전류가 정격전류 이상으로 주입되며, 전력변환장치의 인가 가능한 유효전력을 고려하지 않았기 때문에 DC-링크 전압 제어 특성이 악화될 수 있다.However, when the phase voltage of the two phases is reduced to, for example, 20% of the magnitude of the steady voltage, the current of the power converter is injected above the rated current because there is no current limiting component due to the reverse phase current injection, The DC-link voltage control characteristic may deteriorate because the applicable active power of the DC-link voltage control unit is not considered.

또한, 불평형 전압 조건에서 기존의 듀얼 벡터 전류 제어기 사용시 그 제어특성을 나타내는 도 5의 파형도에서 보듯이, DC-링크 전압(DC-link Voltage)과 계통 유효전력(Grid Active Power) 특성에 전력변환장치의 제어 특성을 악화시키는 리플(Ripple)이 많이 포함되어 있다는 것을 확인할 수 있다.Also, as shown in the waveform diagram of FIG. 5 showing the control characteristics when using the conventional dual vector current controller under the unbalanced voltage condition, the DC-link voltage and the Grid Active Power characteristics are converted into the power conversion It can be confirmed that there are many ripples that degrade the control characteristics of the apparatus.

따라서, 계통전압이 3상 평형을 유지하는 구간은 물론이고, 순간정전과 같은 3상 불평형 구간에서도 권선형 유도발전기를 안정적으로 제어하는 방법이 필요하다.Therefore, there is a need for a method for stably controlling the winding induction generator even in the section where the system voltage maintains the three-phase equilibrium and in the three-phase unbalance section such as the instantaneous power failure.

이와 같이 순간정전 구간 및 불평형 전압 구간에서 저 전압 발전 지속(LVRT : Low Voltage Ride Through) 기능을 가지도록 하기 위해, 정상분 성분과 역상분 성분을 분리하여 제시한 사례의 방법도 있지만, 이 방법 또한 역상분 전류를 이용하여 계통측 전압에 무효전류를 공급하여 유효전력에 리플이 발생하게 되고, 또한 신재생 에너지원과의 연동 제어를 실시하지 않아 DC-링크 전압이 상승하는 단점을 가지고 있다.
In order to have low voltage rise through (LVRT) function in the instantaneous power failure section and the unbalanced voltage section, there is a method in which the normal component and the reverse phase component are separated and presented. The reactive current is supplied to the system side voltage by using the reverse phase current, ripple is generated in the active power, and the interlocking control with the renewable energy source is not performed and the DC-link voltage rises.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 계통(grid)의 전류와 전압 정보를 정상성분과 역상성분으로 분류한 뒤, 정상성분은 종전과 같이 유효전력과 무효전력을 제어하는데 이용하고, 역상성분은 추가적인 제어 목적으로 사용할 수 있도록 역상분 전류제어기를 추가로 갖도록 하여, 전력변환장치의 최대 전류 및 유효전력을 고려하여 신재생 에너지원(발전기)과 연동제어를 실시함으로써, DC-링크 전압 및 유효전력을 보다 안정하게 제어할 수 있고, 그에 따라 3상 불평형 전압 및 순간정전 구간에서도 신재생 에너지 시스템을 정지시키지 않고 무효전력을 지원할 수 있도록 한 계통 연계형 전력변환장치의 전류기준치 및 발전기준치 제한 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above points, and it is an object of the present invention to classify current and voltage information of a grid into a normal component and a reverse phase component, and then use the normal component to control active power and reactive power , And the reverse-phase component is further provided with a reverse-phase current controller so as to be used for additional control purposes. By performing the interlocking control with the renewable energy source (generator) in consideration of the maximum current and the active power of the power conversion apparatus, The current reference value and the power generation of the grid-connected power conversion apparatus which can control the voltage and the active power more stably and can support the reactive power without stopping the renewable energy system even in the 3-phase unbalance voltage and the instantaneous power failure section And a method of limiting the reference value.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 전력계통과 신재생에너지원 사이에 놓여서 에너지는 변환하는 전력변환장치로서, 계통측 컨버터와 신재생에너지원의 발전기 또는 DC 전압원측 컨버터를 포함하는 계통 연계형 전력변환장치의 전류기준치 및 발전기준치 제한 방법에 있어서,According to an aspect of the present invention, there is provided a power conversion apparatus for converting energy between a power system and a renewable energy source, the power conversion apparatus comprising: a grid-side converter including a generator of a renewable energy source or a DC voltage source- A method of limiting a current reference value and an electricity generation reference value of a power conversion apparatus,

상기 계통측 컨버터의 전력 계통 전압과 전류를 정상성분과 역상성분으로 분리하고, 각각을 d-축과 q-축으로 분리하여 측정치를 얻고, 정상성분 전류와 역상성분 전류 각각에 대해, 그리고 d-축 전류와 q-축 전류 각각에 대해 독립적인 제어기를 갖거나 갖지 않도록 한 상태에서 계통측 컨버터를 제어하되, 전력계통 전압이 3상 평형, 혹은 순간정전을 포함하는 3상 불평형 조건에서,The power system voltage and current of the system side converter are separated into a steady component and a reverse phase component, respectively, and the respective values are divided into a d-axis and a q-axis to obtain a measured value. In a three-phase unbalanced condition in which the power system voltage includes three-phase equilibrium, or momentary power failure, the system side converter is controlled with or without an independent controller for the axial current and the q-axis current,

상기 컨버터의 역상성분에 대한 d-축 및 q-축 전류 지령치를 구하는 단계와; 전력변환장치에서 인가할 수 있는 정상분 전류와 역상분 전류의 최대 허용 전류를 구하는 단계와; 컨버터의 역상성분에 대한 d-축 및 q-축 전류 지령치와, 정상분 전류와 역상분 전류의 최대 허용 전류를 기반으로, 계통측 컨버터의 최대전류 한계치를 구하는 단계와; 전력변환장치에서 제어 가능한 최대 유효전력 지령치를 구하는 단계; 를 통하여, 상기 계통측 컨버터가 가지는 최대전류 한계치 내에서 유효전력제어와 무효전력제어, 그리고 DC-링크 전압 제어가 보장되도록 하는 전류제한이 이루어지고, 상기 계통측 컨버터의 최대전류 한계치 내에서 발전 제어가 되도록 발전기측 컨버터에서 발전할 수 있는 최대 유효전력 지령치로 제한하도록 한 것을 특징으로 하는 계통연계형 전력변환장치의 전류기준치 및 발전기준치 제한 방법을 제공한다.Obtaining a d-axis and q-axis current command value for a reverse phase component of the converter; Obtaining a maximum permissible current of a normal phase current and a reverse phase phase current that can be applied by the power converter; Obtaining a maximum current limit value of the system side converter based on the d-axis and q-axis current command values for the reverse phase component of the converter and the maximum allowable current of the normal phase current and the reverse phase current; Obtaining a maximum effective power command value controllable by the power conversion apparatus; A current limit is established to ensure active power control, reactive power control, and DC-link voltage control within the maximum current limit of the system side converter, Side power converter is limited to a maximum effective power command value that can be generated by the generator-side converter.

본 발명에 따르면, 상기 계통측 컨버터의 최대전류 한계치가

Figure pat00001
이고, 정상성분 d-축 전류를
Figure pat00002
, 정상성분 q-축 전류를
Figure pat00003
, 계통 측에서 정상성분 d-축 전압을
Figure pat00004
, 정상성분 q-축 전압을
Figure pat00005
, 역상성분 d-축 전압을
Figure pat00006
, 역상성분 q-축 전압을
Figure pat00007
로 할 때, 정상성분 q-축 전류
Figure pat00008
이 가질 수 있는 계통측 컨버터의 q-축 최대전류 한계치
Figure pat00009
를
Figure pat00010
로 계산하는 것을 특징으로 한다.According to the present invention, the maximum current limit value of the system side converter is
Figure pat00001
, And the normal component d-axis current
Figure pat00002
, Normal component q-axis current
Figure pat00003
, The d-axis voltage of the normal component at the system side
Figure pat00004
, The normal component q-axis voltage
Figure pat00005
, The reverse phase component d-axis voltage
Figure pat00006
, The negative phase component q-axis voltage
Figure pat00007
, The normal component q-axis current
Figure pat00008
The q-axis maximum current limit of the grid-side converter
Figure pat00009
To
Figure pat00010
.

본 발명에 따르면, 3상 전력계통 측에서 정상성분 q-축 전압을

Figure pat00011
, 역상성분 d-축 전압을
Figure pat00012
, 역상성분 q-축 전압을
Figure pat00013
이고, 계통측 전류에 대해 역상성분 d-축 전류를
Figure pat00014
, 역상성분 q-축 전류를
Figure pat00015
, 그리고 정상성분 q-축 전류
Figure pat00016
이 가질 수 있는 최대전류 한계치가
Figure pat00017
일 때, DC-링크 전압을 안정적으로 제어할 수 있도록 신재생에너지원의 발전기 또는 DC 전압원측에서 발전하고자 하는 최대 유효전력 지령치를
Figure pat00018
으로 결정하는 것을 특징으로 한다.According to the present invention, the steady component q-axis voltage at the three-phase power system side
Figure pat00011
, The reverse phase component d-axis voltage
Figure pat00012
, The negative phase component q-axis voltage
Figure pat00013
Phase component d-axis current with respect to the system side current
Figure pat00014
, The reverse-phase component q-axis current
Figure pat00015
, And normal component q-axis current
Figure pat00016
The maximum current limit
Figure pat00017
, The maximum active power setpoint to be generated at the generator or DC voltage source of the renewable energy source is set so that the DC-link voltage can be stably controlled.
Figure pat00018
.

또한, 상기 정상성분 전류와 역상성분 전류 각각에 대해, 그리고 d-축 전류와 q-축 전류 각각에 대해 독립적인 제어기를 갖도록 한 상태에서 계통측 컨버터를 제어하는 경우, 전력계통 측에서 정상성분 q-축 전압을

Figure pat00019
, 역상성분 d-축 전압을
Figure pat00020
, 역상성분 q-축 전압을
Figure pat00021
, 계통측 전류에 대해 정상성분 d-축 전류를
Figure pat00022
, 정상성분 q-축 전류를
Figure pat00023
이라고 할 때, 역상성분 d-축 전류성분의 지령치
Figure pat00024
를
Figure pat00025
으로 결정하는 것을 특징으로 한다.Further, in the case of controlling the system side converter with each of the normal component current and the reverse phase component current and with a controller independent of each of the d-axis current and the q-axis current, - Shaft voltage
Figure pat00019
, The reverse phase component d-axis voltage
Figure pat00020
, The negative phase component q-axis voltage
Figure pat00021
, The normal component d-axis current for the system side current
Figure pat00022
, Normal component q-axis current
Figure pat00023
Axis component of the d-axis current component,
Figure pat00024
To
Figure pat00025
.

또한, 상기 정상성분 전류와 역상성분 전류 각각에 대해, 그리고 d-축 전류와 q-축 전류 각각에 대해 독립적인 제어기를 갖도록 한 상태에서 계통측 컨버터를 제어하는 경우, 전력계통 측에서 정상성분 q-축 전압을

Figure pat00026
, 역상성분 d-축 전압을
Figure pat00027
, 역상성분 q-축 전압을
Figure pat00028
, 계통측 전류에 대해 정상성분 d-축 전류를
Figure pat00029
, 정상성분 q-축 전류를
Figure pat00030
이라고 할 때, 역상성분 q-축 전류성분의 지령치
Figure pat00031
를 으로 결정하는 것을 특징으로 한다.Further, in the case of controlling the system side converter with each of the normal component current and the reverse phase component current and with a controller independent of each of the d-axis current and the q-axis current, - Shaft voltage
Figure pat00026
, The reverse phase component d-axis voltage
Figure pat00027
, The negative phase component q-axis voltage
Figure pat00028
, The normal component d-axis current for the system side current
Figure pat00029
, Normal component q-axis current
Figure pat00030
Phase component of the q-axis current component,
Figure pat00031
To .

특히, 상기 정상성분 전류와 역상성분 전류 각각에 대해, 그리고 d-축 전류와 q-축 전류 각각에 대해 독립적인 제어기를 갖도록 한 상태에서 계통측 컨버터를 제어하는 경우, 전력계통 측에서 정격전압를

Figure pat00033
, 정상성분 전압의 크기를
Figure pat00034
, 정상성분 q-축 전류
Figure pat00035
이 가질 수 있는 최대전류 한계치가
Figure pat00036
, 정상성분 전류제어기에 필요한 d-축 전류 지령치를
Figure pat00037
, 정상성분 q-축 전류 지령치를
Figure pat00038
이라고 할 때, 정격전압에 대한 정상성분 전압의 비율
Figure pat00039
이 10% 이하 일때는 d-축 전류 지령치를
Figure pat00040
=0 으로 결정하고, 정격전압에 대한 정상성분 전압의 비율
Figure pat00041
이 10%와 50% 사이일때는 d-축 전류 지령치를
Figure pat00042
으로 결정하며, 정격전압에 대한 정상성분 전압의 비율
Figure pat00043
이 50% 이상일때는 d-축 전류 지령치를
Figure pat00044
,
Figure pat00045
으로 결정하는 것을 특징으로 한다.In particular, when controlling the grid side converter with each of the steady component current and the antiphase component current, and with independent controllers for the d-axis current and the q-axis current, respectively, the rated voltage
Figure pat00033
, The magnitude of the normal component voltage
Figure pat00034
, Normal component q-axis current
Figure pat00035
The maximum current limit
Figure pat00036
, The d-axis current command value required for the steady-state current controller
Figure pat00037
, The normal component q-axis current command value
Figure pat00038
, The ratio of the normal component voltage to the rated voltage
Figure pat00039
Is less than 10%, the d-axis current command value
Figure pat00040
= 0, and the ratio of the normal component voltage to the rated voltage
Figure pat00041
Is between 10% and 50%, the d-axis current command value
Figure pat00042
, And the ratio of the normal component voltage to the rated voltage
Figure pat00043
Is greater than 50%, the d-axis current command value
Figure pat00044
,
Figure pat00045
.

반면, 상기 정상성분 전류와 역상성분 전류 각각에 대해, 그리고 d-축 전류와 q-축 전류 각각에 대해 독립적인 제어기를 갖지 않도록 한 상태에서 계통측 컨버터를 제어하는 경우, 전력계통 측의 정격전압을

Figure pat00046
, 전력계통 전압의 크기를
Figure pat00047
이라 하고, 정상성분 전류와 역상성분 전류는 함께 혼합된 d-축 전류를
Figure pat00048
으로 표시하고, 정상성분 전류와 역상성분 전류가 함께 혼합된 q-축 전류를
Figure pat00049
, 계통측 컨버터의 최대전류 한계치를
Figure pat00050
이라고 할 때, 정상성분 전류와 역상성분 전류가 함께 혼합된 q-축 전류
Figure pat00051
이 가질 수 있는 최대전류 한계치
Figure pat00052
를
Figure pat00053
으로 계산하는 것을 특징으로 한다.On the other hand, in the case where the system side converter is controlled in such a manner that it does not have an independent controller for each of the steady component current and the reverse phase component current and for each of the d-axis current and the q-axis current, of
Figure pat00046
, The magnitude of the power grid voltage
Figure pat00047
, And the steady-state current and the reverse-phase component current together form a d-axis current
Figure pat00048
And the q-axis current in which the normal component current and the reverse phase component current are mixed together
Figure pat00049
, The maximum current limit of the system side converter is
Figure pat00050
, A q-axis current in which a normal component current and a reverse phase component current are mixed together
Figure pat00051
The maximum current limit
Figure pat00052
To
Figure pat00053
.

또한, 상기 정상성분 전류와 역상성분 전류 각각에 대해, 그리고 d-축 전류와 q-축 전류 각각에 대해 독립적인 제어기를 갖지 않도록 한 상태에서 계통측 컨버터를 제어하는 경우, 전력계통 측의 정격전압을

Figure pat00054
, 전력계통 전압의 크기를
Figure pat00055
이라 하고, 정상성분 전류와 역상성분 전류는 함께 혼합된 d-축 전류를
Figure pat00056
으로 표시하고, 정상성분 전류와 역상성분 전류가 함께 혼합된 q-축 전류를
Figure pat00057
, 계통측 컨버터의 최대전류 한계치를
Figure pat00058
, 정상성분 전류와 역상성분 전류는 함께 혼합된 d-축 전류
Figure pat00059
의 지령치를
Figure pat00060
, 정상성분 전류와 역상성분 전류는 함께 혼합된 q-축 전류
Figure pat00061
의 지령치를
Figure pat00062
이라고 할때, 정격전압에 대한 전압크기의 비율
Figure pat00063
이 10% 이하 일때는 d-축 전류 지령치를
Figure pat00064
으로 결정하고, 정격전압에 대한 전압크기의 비율
Figure pat00065
이 10%와 50% 사이 일때는 d-축 전류 지령치를
Figure pat00066
으로 결정하고, 정격전압에 대한 전압크기의 비율(
Figure pat00067
)이 50% 이상일때는 d-축 전류 지령치를
Figure pat00068
,
Figure pat00069
으로 결정하는 것을 특징으로 한다.
Further, in the case of controlling the system side converter in such a state that there is no independent controller for each of the normal component current and the reverse phase component current and for each of the d-axis current and the q-axis current, of
Figure pat00054
, The magnitude of the power grid voltage
Figure pat00055
, And the steady-state current and the reverse-phase component current together form a d-axis current
Figure pat00056
And the q-axis current in which the normal component current and the reverse phase component current are mixed together
Figure pat00057
, The maximum current limit of the system side converter is
Figure pat00058
, The steady-state component current and the reverse-phase component current are mixed together to form a d-axis current
Figure pat00059
The set point of
Figure pat00060
, The normal component current and the reverse-phase component current are mixed together to form a q-axis current
Figure pat00061
The set point of
Figure pat00062
, The ratio of the voltage magnitude to the rated voltage
Figure pat00063
Is less than 10%, the d-axis current command value
Figure pat00064
, And the ratio of the voltage magnitude to the rated voltage
Figure pat00065
Is between 10% and 50%, the d-axis current command value
Figure pat00066
, And the ratio of the voltage magnitude to the rated voltage (
Figure pat00067
) Is more than 50%, the d-axis current command value
Figure pat00068
,
Figure pat00069
.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.Through the above-mentioned means for solving the problems, the present invention provides the following effects.

1) 계통 연계형으로 운전되는 신재생 에너지 제어용 전력변환장치에 적용할 경우, 계통전압이 순시정전(150ms 이하) 구간에서 발생될 수 있는 불평형 전압 조건에서도 AC-DC 구조를 갖는 전력변환장치의 직류단 전압(DC_link voltage)을 안정적으로 제어할 수 있다.1) When applied to a power conversion device for renewable energy control operated in a grid-connected manner, even if the grid voltage is generated in an unbalanced voltage condition occurring during a momentary power failure (150ms or less) It is possible to stably control the DC voltage (DC voltage).

2) 계통 연계형으로 운전되는 신재생 에너지 제어용 전력변환장치에 적용할 경우, 불평형 전압 조건에서도 전력변환장치의 전류용량이 허용하는 범위내에서 무효전류 및 유효전력을 리플없이 안정적으로 공급할 수 있다.2) When applied to power conversion system for new and renewable energy control operated in grid-connected type, reactive current and active power can be supplied stably without ripple within the range of current capacity of power converter even under unbalanced voltage conditions.

3) 특히, 풍력발전과 같이 발전기를 이용하여 에너지를 추출하고, 추출된 전기에너지를 전력계통에 바로 연결하는 계통연계형 발전시스템에 적용되는 양방향 전력변환장치에서, 불평형 계통전압이 발생되는 sag 전압 혹은 swell 전압 조건에서도 전력변환장치의 전류 한계치를 만족하도록 전류제어기를 동작시킴으로써, 전력변환장치를 정지시키지 않을 수 있으면서 무효전력제어와 유효전력제어를 정교하게 수행할 수 있고, DC-링크 전압을 안정적으로 제어할 수 있어서 LVRT(low voltage ride-through) 기능을 가지는 발전기 제어장치를 개발하는데 크게 기여 할 수 있다.3) In a bi-directional power conversion system applied to a grid-connected power generation system that extracts energy using a generator such as a wind power generator and directly connects the extracted electric energy to the power system, a sag voltage The DC-link voltage can be precisely controlled and the reactive power control and the active power control can be performed precisely while the power converter is not stopped by operating the current controller so as to satisfy the current limit value of the power converter even in the swell voltage condition. And thus can greatly contribute to the development of a generator control apparatus having a low voltage ride-through (LVRT) function.

4) 상기의 1)과 2)의 효과 특성을 갖게 되면서 권선형유도발전기를 갖는 분산전원(풍력발전, 조류발전, 파력발전, 소수력발전 등) 생성용 전력변환장치에서, 순간정전 발생시 계통 전압을 조속히 회복시킬 수 있도록 무효전력을 공급할 수 있는 기능을 가질 수 있고, 따라서 순간정전 구간에서 무효전력을 공급해야 하는 유럽 기준(E.ON Netz Standard)을 만족할 수 있는 권선형유도발전기 제어용 전력변환장치 개발에 이용될 수 있다. 4) In the power converter for generating distributed power sources (wind power generation, wave power generation, wave power generation, small hydro power generation, etc.) having the above-mentioned effect characteristics of 1) and 2), a grid voltage Development of a power conversion device for controlling a wound-induction generator capable of supplying reactive power so that it can be quickly recovered, and thus meeting the European standard (E.ON Netz Standard), in which reactive power must be supplied in a momentary power failure section Lt; / RTI >

5) 결과적으로, 신재생 에너지를 이용하는 풍력발전시스템, 조류발전 시스템, 조력발전 시스템, 조력발전 시스템, 파력발전 시스템 등을 고품질로 제어할 수 있는 제어장치 개발에 기여할 수 있다.
5) As a result, it can contribute to the development of control devices that can control high-quality wind power generation system, tidal power generation system, tidal power generation system, and wave power generation system using renewable energy.

도 1은 계통 연계형 신재생 에너지 시스템 블록도,
도 2는 기존의 듀얼 벡터 전류 제어(DVCC) 방식을 이용한 계통 연계형 컨버터(Converter) 제어방식을 나타낸 제어도,
도 3은 순간정전 조건에서 발전시스템을 유지시킬 수 있는 저 전압 발전 지속(LVRT : Low Voltage Ride Through) 조건의 일례를 설명하는 개략도,
도 4는 저 전압 발전 지속(LVRT : Low Voltage Ride Through) 조건에서 무효전류 주입조건을 설명하는 개략도,
도 5는 불평형 전압 조건에서 기존의 듀얼 벡터 전류 제어기 사용시 그 제어특성을 나타내는 파형도,
도 6은 L 필터를 갖는 계통측 컨버터를 보여주는 블록도,
도 7은 본 발명에 따른 계통 연계형 전력변환장치의 전류기준치 및 발전기준치 제한 방법을 위한 계통측 컨버터 제어 블록도.
도 8은 본 발명에 따른 컨버터 제어에 따라, 삼상 Sag 전압 발생시 시뮬레이션 파형을 나타낸다.1 is a block diagram of a grid-connected renewable energy system,
FIG. 2 is a control diagram illustrating a grid-based converter control method using a conventional dual vector current control (DVCC)
3 is a schematic view for explaining an example of a low voltage generation through (LVRT) condition capable of maintaining a power generation system under an instantaneous power failure condition,
4 is a schematic diagram for explaining reactive current injection conditions under low voltage rise through (LVRT) conditions;
FIG. 5 is a waveform diagram showing control characteristics of a conventional dual-vector current controller under an unbalanced voltage condition,
Figure 6 is a block diagram showing a system side converter with an L filter;
7 is a block diagram of a system side converter control block for a current reference value and a method of limiting a power generation reference value in a grid-connected power converter according to the present invention.
8 shows a simulation waveform at the time of three-phase sag voltage generation according to the converter control according to the present invention.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

일반적으로, 발전기(동기발전기 및 권선형유도발전기, 농형유도발전기)와 전력계통 사이에 놓여서 에너지를 변환하는 전력변환장치, 또는 태양전지판과 전력계통 사이에 놓여서 에너지를 변환하는 전력변환장치 등은 AC-DC 변환 기능을 담당하는 계통측 컨버터와 DC-AC 변환기능을 담당하는 발전기측 컨버터, 또는 AC-DC 변환 기능을 담당하는 계통측 컨버터와 DC-DC 변환기능을 담당하는 DC 전압원(solar cell, fuel cell, battery, DC generator 등)측 컨버터로 구분되며, 특히 본 발명은 계통측 컨버터와 발전기측 컨버터 혹은 DC 전원측 컨버터(신재생 에너지원측 컨버터)로 구분될 때, 계통측 컨버터를 제어하기 위한 방법을 제공하고자 한 것이다.Generally, a power conversion device that is placed between a generator (a synchronous generator and a winding induction generator, a cage induction generator) and a power system and converts energy, or a power conversion device that converts energy between a solar panel and a power system, (DC-DC conversion function), DC-DC converter (DC-DC conversion function), DC-DC conversion function, a fuel cell, a battery, a DC generator, etc.) side converter. Particularly, the present invention relates to a method for controlling a system side converter when the system side converter is divided into a generator side converter or a DC power source side converter (a renewable energy source side converter) .

우선, 본 발명의 이해를 돕고자, 계통 연계형 PWM 컨버터를 제어하기 위한 방법에 필요한 파라미터를 다음과 같이 정의한다.First, to help understand the present invention, the parameters required for the method for controlling the grid-connected PWM converter are defined as follows.

Figure pat00070
: 계통 전압
Figure pat00070
: Grid voltage

Figure pat00071
,
Figure pat00072
: 계통 전압의 정상성분에 대한 d-,q-축 성분
Figure pat00071
,
Figure pat00072
: The d-, q-axis component of the normal component of the grid voltage

Figure pat00073
,
Figure pat00074
: 계통 전압의 역상성분에 대한 d-,q-축 성분
Figure pat00073
,
Figure pat00074
: The d-, q-axis component of the reverse phase component of the grid voltage

Figure pat00075
,
Figure pat00076
: 계통 전압의 정상성분 및 역상성분의 크기
Figure pat00075
,
Figure pat00076
: The magnitude of the normal and reverse phase components of the grid voltage

Figure pat00077
,
Figure pat00078
: 컨버터의 정상성분에 대한 d-,q-축 출력전압
Figure pat00077
,
Figure pat00078
: D-, q-axis output voltage for the normal component of the converter

Figure pat00079
,
Figure pat00080
: 컨버터의 역상성분에 대한 d-,q-축 출력전압
Figure pat00079
,
Figure pat00080
: D-, q-axis output voltage for the reverse phase component of the converter

Figure pat00081
,
Figure pat00082
: 컨버터의 정상성분에 대한 d-,q-축 출력전류
Figure pat00081
,
Figure pat00082
: The d- and q-axis output currents for the normal component of the converter

Figure pat00083
,
Figure pat00084
: 컨버터의 역상성분에 대한 d-,q-축 출력전류
Figure pat00083
,
Figure pat00084
: D- and q-axis output currents for the reverse phase component of the converter

Figure pat00085
: 컨버터 전류 최대치
Figure pat00085
: Maximum converter current

Figure pat00086
: 컨버터의 정상성분에 대한 q-축 전류 최대치
Figure pat00086
: The maximum value of the q-axis current for the normal component of the converter

Figure pat00087
: 컨버터의 유효전류 최대치
Figure pat00087
: Maximum effective current of the converter

Figure pat00088
: 계통 전압의 변동률
Figure pat00088
: Change in grid voltage

Figure pat00089
: L 필터 저항
Figure pat00089
: L filter resistance

Figure pat00090
: L 필터 인덕턴스
Figure pat00090
: L filter inductance

Figure pat00091
: 계통 전원 각속도
Figure pat00091
: System power angular velocity

Figure pat00092
: 정상상태에서의 계통전압의 크기
Figure pat00092
: The magnitude of the grid voltage in steady state

Figure pat00093
: 컨버터의 유효전력
Figure pat00093
: Active power of converter

Figure pat00094
: 유효전력의 직류성분의 크기
Figure pat00094
: Size of DC component of active power

Figure pat00095
,
Figure pat00096
: 계통 주파수의 2배로 맥동하는 교류성분의 유효전력의 크기
Figure pat00095
,
Figure pat00096
: The magnitude of the active power of the AC component pulsating at twice the grid frequency

본 발명에 따르면, 상기 계통측 컨버터의 전력 계통 전압과 전류를 정상성분과 역상성분으로 분리하고, 각각을 d-축과 q-축으로 분리하여 측정치를 얻고, 정상성분 전류와 역상성분 전류 각각에 대해, 그리고 d-축 전류와 q-축 전류 각각에 대해 독립적인 제어기를 갖거나 갖지 않도록 한 상태에서 계통측 컨버터를 제어하되, 전력계통 전압이 3상 평형, 혹은 순간정전을 포함하는 3상 불평형 조건에서, 상기 컨버터의 역상성분에 대한 d-축 및 q-축 전류 지령치를 구하는 단계와, 전력변환장치에서 인가할 수 있는 정상분 전류와 역상분 전류의 최대 허용 전류를 구하는 단계가 선행된다.According to the present invention, the power system voltage and current of the system side converter are separated into a normal component and a reverse phase component, respectively, and the respective values are divided into a d-axis and a q-axis to obtain a measured value. Axis current and q-axis current, with or without an independent controller for each of the d-axis currents and the q-axis currents, wherein the power system voltage is controlled by three-phase equilibrium, Axis and q-axis current command values for the reverse-phase component of the converter, and obtaining a maximum allowable current of the normal-phase current and the reverse-phase current that can be applied by the power conversion apparatus.

이를 위해, 먼저 전술한 바와 같은 불평형 전압 발생시 계통 연계형 PWM 컨버터의 유효전력 및 무효전력을 정상분과 역상분으로 나누어 나타내면 아래의 수학식 1과 같다.To this end, the active power and the reactive power of the grid-connected PWM converter at the time of generating the unbalance voltage as described above are divided into a normal component and a reverse component.

Figure pat00097
Figure pat00097

또한, 계통측으로 주입되는 전제 유효전력을 표현하면 다음의 수학식 2와 같다.Also, the total effective power injected into the system side is expressed by the following equation (2).

Figure pat00098
Figure pat00098

위의 수학식 2에 따른 컨버터의 유효전력(Pg) 즉, 전체 유효전력에서 계통주파수의 두 배의 성분이 리플로 발생하게 되는 것을 도 5의 파형도를 참조로 전술한 바와 같이 확인할 수 있다.It is possible to confirm that the active power P g of the converter according to Equation 2 above, that is, the component of twice the grid frequency at the total effective power, is caused to ripple as described above with reference to the waveform diagram of FIG. 5 .

이때, 계통측에 리플이 없는 일정한 유효전력을 공급하기 위해서는 계통 주파수의 2배로 맥동하는 교류성분의 유효전력 크기를 나타내는

Figure pat00099
와
Figure pat00100
을 0으로 제어하면 유효전력의 리플을 제거할 수 있다.At this time, in order to supply the constant active power without ripple to the system side, it is necessary to calculate the effective power of the AC component pulsating twice the grid frequency
Figure pat00099
Wow
Figure pat00100
Is controlled to be 0, the ripple of the active power can be removed.

수학식 1에서, 위상 고정 루프(PLL) 제어를 통하여 계통 전압의 정상성분에 대한 d-축 성분인

Figure pat00101
= 0이 되도록 θ를 결정하는 경우,
Figure pat00102
와
Figure pat00103
성분을 역상분 전류의 식으로 나타내면 아래의 수학식 3 및 4와 같이 나타낼 수 있고, 수학식 3 및 수학식 4을 통해 각각 컨버터의 역상성분에 대한 d-,q-축 출력전류 즉, 역상성분에 대한 d-축 및 q-축 전류 지령치를 구할 수 있다.In Equation (1), the d-axis component with respect to the normal component of the system voltage through the phase locked loop (PLL)
Figure pat00101
= 0, < / RTI >
Figure pat00102
Wow
Figure pat00103
And the quadrature component of the reverse phase component of the converter with respect to the reverse phase component of the converter through equations (3) and (4), respectively, The d-axis and q-axis current command values can be obtained.

Figure pat00104
Figure pat00104

Figure pat00105
Figure pat00105

또한, 전력변환장치에서 인가할 수 있는 정상분 전류와 역상분 전류의 최대 허용 전류는 아래의 수학식 5와 같이 나타낼 수 있고, 수학식 5에서

Figure pat00106
는 전력변환장치의 최대 허용전류 피크(Peak)치 즉, 컨버터 전류 최대치를 의미한다.The maximum permissible current of the normal phase current and the reverse phase phase current that can be applied in the power conversion apparatus can be expressed by the following Equation 5,
Figure pat00106
Means the maximum allowable current peak value of the power converter, that is, the maximum value of the converter current.

Figure pat00107
Figure pat00107

여기서, 상기 수학식 3 및 4를 수학식 5의 역상분 전류의 함수에 대입함으로써, 아래의 수학식 6을 얻을 수 있고, 이를 다시 정리하여 표현하면 아래의 수학식 7과 같다.Here, by substituting the equations (3) and (4) into the function of the inverse phase current of the equation (5), the following equation (6) can be obtained.

Figure pat00108
Figure pat00108

Figure pat00109
Figure pat00109

수학식 7에서,

Figure pat00110
,
Figure pat00111
이다.In Equation (7)
Figure pat00110
,
Figure pat00111
to be.

또한, 상기 수학식 7을 수학식 5에 대입하여 전체 전류에 대하여 표현하면 수학식 5는 다시 아래의 수학식 8과 같이 표현될 수 있고, 수학식 8을 정상성분(Positive) Q축 성분의 전류 즉, 컨버터의 정상성분에 대한 q-축 전류 최대치(

Figure pat00112
)로 다시 표현하면 아래의 수학식 9와 같이 표현되며, 바람직하게는 정상성분(Positive) Q축 전류 지령치는 수학식 9에 따른 계산값을 넘어서는 안 된다.Equation (5) can be expressed as Equation (8) below, and Equation (8) can be expressed by Equation (8) as the current of the positive Q-axis component That is, the q-axis current maximum value (
Figure pat00112
) Is represented as Equation (9) below, preferably the positive Q-axis current command value should not exceed the calculated value according to Equation (9).

Figure pat00113
Figure pat00113

Figure pat00114
Figure pat00114

위의 수학식 9에서,

Figure pat00115
이다.
In the above equation (9)
Figure pat00115
to be.

컨버터의 유효전력(Pg) 즉, 전력변환장치의 출력단에서 측정되는 유효전력은 위의 수학식 2와 같으며, 여기서

Figure pat00116
와
Figure pat00117
은 0이 되도록 제어하고, 계통 전압의 정상성분에 대한 d-축 성분인
Figure pat00118
= 0이므로, 위의 수학식 9를 수학식 2에 대입하면 전력변환장치에서 제어 가능한 최대 유효전력은 아래의 수학식 10과 같이 표현된다.The effective power (P g ) of the converter, that is, the active power measured at the output terminal of the power conversion apparatus, is as shown in Equation (2)
Figure pat00116
Wow
Figure pat00117
Is controlled to be 0, and the d-axis component of the normal component of the system voltage
Figure pat00118
= 0, substituting Equation (9) into Equation (2), the maximum effective power that can be controlled by the power converter is expressed by Equation (10) below.

Figure pat00119
Figure pat00119

따라서, 신재생 에너지 시스템의 유효전력은 수학식 10에 따라 계산된 값, 즉 컨버터의 유효전류 최대치를 넘지 않도록 하며, 이에 에너지를 회수할 때 DC-link 전압을 안정적으로 제어할 수 있으므로, 결국 신재생 에너지 시스템의 유효전력 지령치는 수학식 10에 따라 계산된 값을 고려하여 인가하여야 한다.Therefore, the active power of the new and renewable energy system does not exceed the value calculated according to Equation (10), that is, the maximum effective current of the converter, and the DC-link voltage can be stably controlled when the energy is recovered. The effective power command value of the renewable energy system should be applied in consideration of the value calculated according to Equation (10).

이렇게 컨버터의 역상성분에 대한 d-축 및 q-축 전류 지령치와, 정상분 전류와 역상분 전류의 최대 허용 전류를 기반으로, 계통측 컨버터의 최대전류 한계치를 수학식 9를 통하여 구하고, 전력변환장치에서 제어 가능한 최대 유효전력 지령치를 수학식 10을 통하여 구하여, 상기 계통측 컨버터가 가지는 최대전류 한계치 내에서 유효전력제어와 무효전력제어, 그리고 DC-링크 전압 제어가 보장되도록 하는 전류제한이 이루어지고, 또한 계통측 컨버터의 최대전류 한계치 내에서 발전 제어가 되도록 발전기측 컨버터 혹은 DC 전압원측 컨버터에서 발전할 수 있는 최대 유효전력 지령치를 제한하는 제어가 이루어질 수 있다.Based on the d-axis and q-axis current command values for the negative phase component of the converter and the maximum allowable current of the normal and negative phase currents, the maximum current limit value of the system side converter is obtained by Equation (9) A maximum current controllable power command value is obtained through Equation (10) so that current limit is ensured such that active power control, reactive power control, and DC-link voltage control are guaranteed within the maximum current limit of the system side converter , And control to limit the maximum effective power command value that can be generated in the generator side converter or the DC voltage source side converter to be power generation control within the maximum current limit value of the system side converter.

한편, 계통전압의 정상상태에서 정상분 D축 전류 지령치가 0이라면 계통전압 강하조건에서 계통측에 공급하여야 하는 무효전류는 아래의 수학식 11과 같다.On the other hand, if the normal D-axis current command value is 0 in the steady state of the system voltage, the reactive current to be supplied to the system side in the system voltage drop condition is expressed by Equation (11).

Figure pat00120
Figure pat00120

위의 수학식 11에서와 같이, 계통전압의 변동률(VR)이 50%를 넘어가는 조건에서는 전력변환장치의 모든 전류는 무효전류를 공급하는데 사용하여야 하므로, 역상성분 전류(Negative Current)를 위한 전류 및 유효전력을 제거하기 위한 여유분이 없다. 따라서 이러한 조건에서는 역상성분(Negative) D축 및 Q축 전류(

Figure pat00121
,
Figure pat00122
) 및 정상성분(Positive) Q축 전류(
Figure pat00123
)는 0으로 제어하여 전력변환장치의 전류를 확보하도록 한다.As shown in Equation (11) above, under the condition that the variation rate (VR) of the grid voltage exceeds 50%, all the currents of the power conversion apparatus must be used to supply the reactive current, so that the current for the negative- And there is no margin for eliminating active power. Therefore, under these conditions, the negative-phase component (negative) D-axis and the Q-axis current
Figure pat00121
,
Figure pat00122
) And a positive component Q-axis current (
Figure pat00123
) Is controlled to be 0 to ensure the current of the power converter.

첨부한 도 6은 L 필터를 갖는 계통측 컨버터를 보여주는 블록도로서, L 필터를 갖는 3상 PWM 컨버터를 나타내며, 이러한 3상 PWM 컨버터를 불평형 전압 조건에서 제어하기 위하여 정상분과 역상분 성분으로 전류 및 전압을 분리하여 제어하며 이를 동기 좌표계로 나타내면 아래의 수학식 12 내지 수학식 15와 같이 나타낼 수 있다.FIG. 6 is a block diagram illustrating a system side converter having an L filter, which is a three-phase PWM converter having an L filter. In order to control the three-phase PWM converter under unbalanced voltage conditions, Voltage is separated and controlled, and expressed as a synchronous coordinate system, it can be expressed as the following equations (12) to (15).

Figure pat00124
Figure pat00124

Figure pat00125
Figure pat00125

Figure pat00126
Figure pat00126

Figure pat00127
Figure pat00127

따라서, 상기의 수학식 12 ~ 수학식 15를 컨버터 제어 전압으로 다시 표현하면, 아래의 수학식 16 내지 수학식 19와 같이 나타낼 수 있고, 여기서 전류의 미분텀을 PI제어기로 구성하여 제어기를 구성하면, 아래의 수학식 20 내지 수학식 23과 같은 연산을 수행하는 제어기를 구성할 수 있다.Therefore, Expression (12) to Expression (15) can be expressed as Equation (16) to Expression (19) below by converting the converter control voltage into a converter control voltage. , It is possible to configure a controller that performs operations such as the following equations (20) to (23).

Figure pat00128
Figure pat00128

Figure pat00129
Figure pat00129

Figure pat00130
Figure pat00130

Figure pat00131
Figure pat00131

Figure pat00132
Figure pat00132

Figure pat00133
Figure pat00133

Figure pat00134
Figure pat00134

Figure pat00135
Figure pat00135

여기서, 본 발명에 따른 계통 연계형 전력변환장치의 전류기준치 및 발전기준치 제한을 위한 계통연계형 PWM 컨버터의 제어 블록도는 첨부한 도 7에 나타낸 바와 같다.Here, the control block diagram of the grid-connected PWM converter for limiting the current reference value and the power generation reference value of the grid-connected power inverter according to the present invention is as shown in FIG.

도 7의 전류제한기(Current Limiter)와 발전기 전력 제한기(Generator Power Limiter)를 이용하여, 계통전압 및 전류의 조건에 따라 각각 전력변환장치에 인가 가능한 최대 정상성분(Positive) Q축 전류와 최대 유효전력을 계산한다.The current limiter and the generator power limiter of FIG. 7 are used to calculate the maximum positive Q-axis current and the maximum positive current that can be applied to the power converter according to the system voltage and current conditions, respectively. Calculate the active power.

즉, 위의 수학식 9와 수학식 10을 통하여 각각 전력변환장치에 인가 가능한 최대 정상성분 Q축 전류 및 최대 유효전력을 계산하고, 계산된 값을 통해 발전기측 최대 유효전력 및 전력변환장치의 최대 정상성분 Q축 전류를 제한하게 된다.That is, the maximum normal component Q-axis current and the maximum effective power that can be applied to the power conversion device are calculated through Equations (9) and (10) above, and the maximum effective power of the generator and the maximum Thereby limiting the normal component Q-axis current.

따라서, 상기 수학식 11을 통하여 계통사고 조건에 따른 무효전류 공급치를 계산하고, 수학식 3 및 4를 이용하여 얻어진 역상성분(Negative) 전류 지령치를 인가한다.Accordingly, the reactive current supply value according to the system fault condition is calculated through the above Equation (11), and the negative current command value obtained using Equations (3) and (4) is applied.

한편, 계통전압에 따른 발전기측 출력 지령치는 발전기의 속도 또는 MPPT를 통하여 지령되지만, 계통측 전력변환장치의 상황을 고려하여 제어 가능한 최대 출력으로 제한된다.On the other hand, the generator output command value according to the grid voltage is commanded through the generator speed or MPPT, but is limited to the maximum controllable output in consideration of the situation of the grid side power converter.

실제 시스템에서는 발전기측 출력의 급격한 변화는 발전기측 토크를 변화시키게 되며, 이때 발전기에 결합된 증속기 및 블레이드에 악영향을 줄 수 있으므로, 이를 고려하여 증속기 및 블레이드에 영향을 주지 않는 범위 내에서 발전 지령치를 완만하게 감소시켜야 한다. In a real system, a sudden change in the generator output changes the generator torque, which may adversely affect the generator and the blades attached to the generator. Therefore, in consideration of this, The command value should be reduced gently.

그리고, 계통측 전력변환장치와 발전기의 유효전력의 차로 인해 발생하는 DC-링크의 상승부분은 DB 저항을 통하여 감소시켜야 하고, 이와 같이 발전 지령치를 계통전압의 조건에 따라 감소시키면서 부분적으로 DB를 사용하게 되면 풍력발전 시스템에 스트레스를 주지 않으면서 안정적으로 LVRT에 대응할 수 있으며 DB를 사용하는 구간도 최소화시켜 전체 시스템을 안정적으로 제어할 수 있다.The rising portion of the DC link generated due to the difference between the active power of the grid side power converter and the generator must be reduced through the DB resistance. In this way, the power generation command value is reduced in accordance with the condition of the grid voltage, It is possible to respond to LVRT stably without stressing the wind power generation system and to minimize the section where the DB is used, so that the entire system can be stably controlled.

첨부한 도 8은 삼상 Sag 전압 발생시 시뮬레이션 파형으로서, 신재생 에너지원으로써 300kW 영구자석형 동기 발전기를 대상으로 불평형 전압강하 조건에서 운전되는 동특성을 분석한 결과를 나타낸다.FIG. 8 is a simulation waveform of a three-phase sag voltage generated when a 300 kW permanent magnet type synchronous generator as a renewable energy source is subjected to an unbalanced voltage drop.

Va상과 Vb상의 전압은 정격크기의 20%로 감소하는 조건에서 전류 제한치 및 유효전류 제한치를 적용한 본 발명의 방법을 적용할 경우, DC-링크 전압이 상승하지 않고 안정적으로 제어되고 있음을 분석할 수 있었다.When the method of the present invention using the current limit value and the effective current limit value is applied under the condition that the voltages of V a and V b are reduced to 20% of the rated value, the DC-link voltage is stably controlled without increasing I could analyze it.

즉, 동일한 불평형 조건에서, 기존의 DVCC의 제어 특성은 불평형 전압 구간에서 DC-링크 전압이 상승하고, 역상분 전류 지령치로 인하여 전력변환장치의 허용 전류 기준치를 넘는 단점이 있었으며, 또한 DC-링크 전압과 계통 유효전력 특성에 리플(Ripple)이 많이 포함되는 단점이 있었지만, 전류 제한치 및 유효전류 제한치를 적용한 본 발명의 방법을 적용할 경우 전력변환장치의 각상의 전류가 전력변환장치의 허용 전류 기준치를 넘지 않고, 안정적으로 제어 되고 있음을 알 수 있고, DC-링크 전압과 계통 유효전력 특성에 리플(Ripple)이 제거됨을 알 수 있었다.That is, under the same unbalance condition, the control characteristic of the existing DVCC has a disadvantage that the DC-link voltage rises in the unbalanced voltage section and exceeds the allowable current reference value of the power converter due to the reverse phase current command value, However, when the method of the present invention using the current limit value and the effective current limit is applied, the current of each phase of the power conversion apparatus is set to the allowable current reference value of the power conversion apparatus And the ripple is eliminated in the DC-link voltage and the system active power characteristic.

이와 같이, 발전기를 제어하여 전기를 생산하기 위한 계통 연계형 전력변환장치가 계통측 컨버터와 발전기 컨버터로 구분되어 양방향으로 에너지를 수수하는 상태에서, 계통측 컨버터를 제어하기 위한 방법으로서, 정상성분 전류와 역상성분 전류 크기, 그리고 전력변환장치의 전류 한계치를 고려하여, 매 순간 전류제어기에서 출력 가능한 최대 전류기준치를 수식 기반으로 결정하여, 불평형 전압 조건에서도 무효전력제어와 유효전력제어 특성을 크게 개선할 수 있다.As described above, a method for controlling a grid-side converter in a state in which a grid-connected power converter for generating electricity by controlling a generator is divided into a grid-side converter and a generator-converter and receives energy in both directions, , The magnitude of the reverse phase component current, and the current limit value of the power converter, the maximum current reference value that can be output from the current controller at each moment is determined based on the equation, thereby improving the reactive power control and the active power control characteristic even in the unbalanced voltage condition .

또한, 정상성분 전류와 역상성분 전류 크기, 그리고 전력변환장치의 전류 한계치를 고려하여, 매 순간 계통으로 송출할 수 있는 계통측 컨버터의 용량을 알 수 있도록 제시하고, 발전기측 컨버터에서 발전할 수 있는 유효전력의 최대 크기를 수식 기반으로 결정하는 단계방법을 제시함으로써, 불평형 전압 조건에서도 DC_링크 전압을 안정적으로 제어할 수 있다.In addition, considering the normal component current, the reverse-phase component current magnitude, and the current limit value of the power conversion device, it is proposed to know the capacity of the system-side converter that can be sent to the system every moment, By suggesting a method to determine the maximum size of the active power based on the equation, the DC_link voltage can be stably controlled even under unbalanced voltage conditions.

Claims (5)

전력계통과 신재생에너지원 사이에 놓여서 에너지는 변환하는 전력변환장치로서, 계통측 컨버터와 신재생에너지원의 발전기 또는 DC 전압원측 컨버터를 포함하는 계통 연계형 전력변환장치의 전류기준치 및 발전기준치 제한 방법에 있어서,
상기 계통측 컨버터의 전력 계통 전압과 전류를 정상성분과 역상성분으로 분리하고, 각각을 d-축과 q-축으로 분리하여 측정치를 얻고, 정상성분 전류와 역상성분 전류 각각에 대해, 그리고 d-축 전류와 q-축 전류 각각에 대해 독립적인 제어기를 갖거나 갖지 않도록 한 상태에서 계통측 컨버터를 제어하되,
전력계통 전압이 3상 평형, 혹은 순간정전을 포함하는 3상 불평형 조건에서,
상기 컨버터의 역상성분에 대한 d-축 및 q-축 전류 지령치를 구하는 단계와;
전력변환장치에서 인가할 수 있는 정상분 전류와 역상분 전류의 최대 허용 전류를 구하는 단계와;
컨버터의 역상성분에 대한 d-축 및 q-축 전류 지령치와, 정상분 전류와 역상분 전류의 최대 허용 전류를 기반으로, 계통측 컨버터의 최대전류 한계치를 구하는 단계와;
전력변환장치에서 제어 가능한 최대 유효전력 지령치를 구하는 단계;
를 통하여,
상기 계통측 컨버터가 가지는 최대전류 한계치 내에서 유효전력제어와 무효전력제어, 그리고 DC-링크 전압 제어가 보장되도록 하는 전류제한이 이루어지고,
상기 계통측 컨버터의 최대전류 한계치 내에서 발전 제어가 되도록 발전기측 컨버터 혹은 DC 전압원측 컨버터에서 발전할 수 있는 최대 유효전력 지령치를 제한하도록 한 것을 특징으로 하는 계통연계형 전력변환장치의 전류기준치 및 발전기준치 제한 방법.
A power conversion device that is placed between a power system and a renewable energy source and converts the energy into a current limit value of a grid-connected power conversion device including a grid side converter and a generator of a renewable energy source or a DC voltage source side converter, In the method,
The power system voltage and current of the system side converter are separated into a steady component and a reverse phase component, respectively, and the respective values are divided into a d-axis and a q-axis to obtain a measured value. Controlling the system side converter with or without an independent controller for the axial current and the q-axis current, respectively,
In three-phase unbalanced conditions where the power grid voltage includes three-phase equilibrium, or instantaneous power failure,
Obtaining a d-axis and q-axis current command value for a reverse phase component of the converter;
Obtaining a maximum permissible current of a normal phase current and a reverse phase phase current that can be applied by the power converter;
Obtaining a maximum current limit value of the system side converter based on the d-axis and q-axis current command values for the reverse phase component of the converter and the maximum allowable current of the normal phase current and the reverse phase current;
Obtaining a maximum effective power command value controllable by the power conversion apparatus;
through,
A current limit is established to ensure active power control, reactive power control, and DC-link voltage control within the maximum current limit of the system side converter,
Wherein the controller is configured to limit the maximum effective power command value that can be generated in the generator-side converter or the DC voltage source-side converter to be within the maximum current limit value of the system-side converter. Method of Limiting Reference Values.
청구항 1에 있어서,
상기 계통측 컨버터의 최대전류 한계치가
Figure pat00136
이고, 정상성분 d-축 전류를
Figure pat00137
, 정상성분 q-축 전류를
Figure pat00138
, 계통 측에서 정상성분 d-축 전압을
Figure pat00139
, 정상성분 q-축 전압을
Figure pat00140
, 역상성분 d-축 전압을
Figure pat00141
, 역상성분 q-축 전압을
Figure pat00142
로 할 때,
정상성분 q-축 전류
Figure pat00143
이 가질 수 있는 계통측 컨버터의 q-축 최대전류 한계치
Figure pat00144
를
Figure pat00145
로 계산하는 것을 특징으로 하는 계통연계형 전력변환장치의 전류기준치 및 발전기준치 제한 방법.
위의 계통측 컨버터의 q-축 최대전류 한계치를 구하는 식에는
Figure pat00146
,
Figure pat00147
이다.
The method according to claim 1,
The maximum current limit of the system side converter is
Figure pat00136
, And the normal component d-axis current
Figure pat00137
, Normal component q-axis current
Figure pat00138
, The d-axis voltage of the normal component at the system side
Figure pat00139
, The normal component q-axis voltage
Figure pat00140
, The reverse phase component d-axis voltage
Figure pat00141
, The negative phase component q-axis voltage
Figure pat00142
Lt; / RTI >
Normal component q-axis current
Figure pat00143
The q-axis maximum current limit of the grid-side converter
Figure pat00144
To
Figure pat00145
Wherein the current reference value and the power generation reference value limiting method of the grid-connected power converter are calculated.
The equation for obtaining the q-axis maximum current limit of the system side converter
Figure pat00146
,
Figure pat00147
to be.
청구항 1에 있어서,
3상 전력계통 측에서 정상성분 q-축 전압을
Figure pat00148
, 역상성분 d-축 전압을
Figure pat00149
, 역상성분 q-축 전압을
Figure pat00150
이고, 계통측 전류에 대해 역상성분 d-축 전류를
Figure pat00151
, 역상성분 q-축 전류를
Figure pat00152
, 그리고 정상성분 q-축 전류
Figure pat00153
이 가질 수 있는 최대전류 한계치가
Figure pat00154
일 때,
DC-링크 전압을 안정적으로 제어할 수 있도록 신재생에너지원의 발전기 또는 DC 전압원측에서 발전하고자 하는 최대 유효전력 지령치를
Figure pat00155
으로 결정하는 것을 특징으로 하는 계통연계형 전력변환장치의 전류기준치 및 발전기준치 제한 방법.

The method according to claim 1,
On the 3-phase power system side, the normal component q-axis voltage
Figure pat00148
, The reverse phase component d-axis voltage
Figure pat00149
, The negative phase component q-axis voltage
Figure pat00150
Phase component d-axis current with respect to the system side current
Figure pat00151
, The reverse-phase component q-axis current
Figure pat00152
, And normal component q-axis current
Figure pat00153
The maximum current limit
Figure pat00154
when,
In order to control the DC-link voltage stably, the maximum active power setpoint to be generated at the generator or DC voltage source of the renewable energy source
Figure pat00155
The current limit value and the power generation reference value limitation method of the grid-connected power converter.

청구항 1에 있어서,
상기 정상성분 전류와 역상성분 전류 각각에 대해, 그리고 d-축 전류와 q-축 전류 각각에 대해 독립적인 제어기를 갖도록 한 상태에서 계통측 컨버터를 제어하는 경우,
전력계통 측에서 정격전압를
Figure pat00156
, 정상성분 전압의 크기를
Figure pat00157
, 정상성분 q-축 전류
Figure pat00158
이 가질 수 있는 최대전류 한계치가
Figure pat00159
, 정상성분 전류제어기에 필요한 d-축 전류 지령치를
Figure pat00160
, 정상성분 q-축 전류 지령치를
Figure pat00161
이라고 할 때,
정격전압에 대한 정상성분 전압의 비율
Figure pat00162
이 10% 이하 일때는 d-축 전류 지령치를
Figure pat00163
=0 으로 결정하고, 정격전압에 대한 정상성분 전압의 비율
Figure pat00164
이 10%와 50% 사이일때는 d-축 전류 지령치를
Figure pat00165
으로 결정하며, 정격전압에 대한 정상성분 전압의 비율
Figure pat00166
이 50% 이상일때는 d-축 전류 지령치를
Figure pat00167
,
Figure pat00168
으로 결정하는 것을 특징으로 하는 계통연계형 전력변환장치의 전류기준치 및 발전기준치 제한 방법.
The method according to claim 1,
In the case where the system side converter is controlled with each of the normal component current and the reverse phase component current and with a controller independent of the d-axis current and the q-axis current,
The rated voltage at the power system side
Figure pat00156
, The magnitude of the normal component voltage
Figure pat00157
, Normal component q-axis current
Figure pat00158
The maximum current limit
Figure pat00159
, The d-axis current command value required for the steady-state current controller
Figure pat00160
, The normal component q-axis current command value
Figure pat00161
In this case,
Ratio of normal component voltage to rated voltage
Figure pat00162
Is less than 10%, the d-axis current command value
Figure pat00163
= 0, and the ratio of the normal component voltage to the rated voltage
Figure pat00164
Is between 10% and 50%, the d-axis current command value
Figure pat00165
, And the ratio of the normal component voltage to the rated voltage
Figure pat00166
Is greater than 50%, the d-axis current command value
Figure pat00167
,
Figure pat00168
The current limit value and the power generation reference value limitation method of the grid-connected power converter.
청구항 1에 있어서,
상기 정상성분 전류와 역상성분 전류 각각에 대해, 그리고 d-축 전류와 q-축 전류 각각에 대해 독립적인 제어기를 갖지 않도록 한 상태에서 계통측 컨버터를 제어하는 경우,
전력계통 측의 정격전압을
Figure pat00169
, 전력계통 전압의 크기를
Figure pat00170
이라 하고, 정상성분 전류와 역상성분 전류는 함께 혼합된 d-축 전류를
Figure pat00171
으로 표시하고, 정상성분 전류와 역상성분 전류가 함께 혼합된 q-축 전류를
Figure pat00172
, 계통측 컨버터의 최대전류 한계치를
Figure pat00173
이라고 할 때,
정상성분 전류와 역상성분 전류가 함께 혼합된 q-축 전류
Figure pat00174
이 가질 수 있는 최대전류 한계치
Figure pat00175
를
Figure pat00176
으로 계산하는 것을 특징으로 하는 계통연계형 전력변환장치의 전류기준치 및 발전기준치 제한 방법.
위의 최대전류 한계치
Figure pat00177
를 구하는 식에서,
Figure pat00178
이다.The method according to claim 1,
In the case where the system side converter is controlled in such a manner that it does not have an independent controller for each of the steady component current and the reverse phase component current and for each of the d-axis current and the q-
The rated voltage on the power system side
Figure pat00169
, The magnitude of the power grid voltage
Figure pat00170
, And the steady-state current and the reverse-phase component current together form a d-axis current
Figure pat00171
And the q-axis current in which the normal component current and the reverse phase component current are mixed together
Figure pat00172
, The maximum current limit of the system side converter is
Figure pat00173
In this case,
A q-axis current in which a normal component current and a reverse phase component current are mixed together
Figure pat00174
The maximum current limit
Figure pat00175
To
Figure pat00176
Wherein the current reference value and the power generation reference value restriction method of the grid-connected power converter are calculated.
Maximum current limit above
Figure pat00177
In this equation,
Figure pat00178
to be.
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