KR20190127913A - 전력 공급 네트워크에 전력을 공급하기 위한 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 특히 풍력 발전 설비에 의해, 인버터를 사용하여, 네트워크 접속점에서 3상 전력 공급 네트워크에 전력을 공급하기 위한 방법에 관한 것으로, 특히 네트워크 접속점에서 네트워크 전압을 검출하는 단계, 동기 기계의 거동을 에뮬레이트하는 기계 모델을 사용하여 가상 발전기 전압을 결정하는 단계, 가상 발전기 전압과 비교를 위해 검출된 네트워크 전압을 준비하는 단계, 가상 발전기 전압에 따라 그리고 비교를 위해 준비된 네트워크 전압에 따라 공급 전류를 위한 기본값으로서 설정 전류를 미리 정하는 단계 및 설정 전류에 따라 공급 전류를 생성하고 생성된 공급 전류를 네트워크 접속점에서 전력 공급 네트워크에 공급하는 단계를 포함하고, 이 경우 가상 발전기 전압과 비교를 위해 검출된 네트워크 전압을 준비하는 단계는 검출된 네트워크 전압을 공간 벡터 표현으로 변환하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 전력 공급 네트워크에 전력을 공급하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 전력 공급 네트워크에 전력을 공급하기 위한 장치, 특히 풍력 발전 설비에 관한 것이다.
풍력 발전 설비를 이용해서 3상 전력 공급 네트워크에 전력을 공급하는 것이 공개되어 있다. 풍력 발전 설비가 순수한 전력 공급 외에도 네트워크 지원의 과제를 수행할 수 있는 것도 공개되어 있다. 특히 네트워크 전압 또는 네트워크 주파수와 같은 네트워크 상태에 따라 전력 공급 네트워크의 지원을 위해 지원을 위한 공급이 조정될 수 있다.
이러한 네트워크 상태를 평가하거나 고려할 때 종종, 직접 결합된 동기 발전기를 보유한 대형 발전소가 네트워크의 거동을 결정하는 것이 가정된다. 풍력 발전 설비 또는 다른 분산형 공급 장치는 해당 거동에 기초하고 그에 따라 반응한다. 컨버터를 이용해서 공급하는 시스템, 특히 풀 컨버터(full converter) 또는 풀 컨버터 컨셉을 이용해서 공급하는 풍력 발전 설비는 매우 높은 동역학으로 네트워크 상태의 변화에 반응할 수 있다는 점에 주목해야 한다. 상기 풍력 발전 설비의 동역학은 실질적으로 자유롭게 미리 정해질 수 있다. 특히 이러한 풍력 발전 설비는, 직접 결합된 동기 발전기의 경우와 달리, 예를 들어 소정의 관성 거동과 같은 물리적으로 제한된 동역학을 거의 갖지 않는다.
컨버터에 의해 전체적으로 또는 부분적으로 제어되는 분산형 공급 장치가 증가함에 따라, 직접 결합된 동기 발전기의 동역학과 같은 이러한 물리적 동역학은 전력 공급 네트워크에서 그 영향력과 지배력을 잃게 된다. 이로 인해 특히 직접 결합된 동기 발전기의 네트워크를 안정화하거나 적어도 진정시키는 관성이 억제될 수 있으며 다른 방식으로 고려되어야 한다. 변형예는, 컨버터에 의해 제어되는 공급 장치가 동기 발전기 또는 동기 발전기의 거동을 에뮬레이트하는 것이다.
이를 위해, 동기 발전기의 물리적 모델이 전력 공급을 위한 컨버터의 제어부에 저장될 수 있고, 컨버터는, 실질적으로 동기 발전기처럼 작동하도록 제어될 수 있다.
그러나 이는, 한편으로 이러한 동기 발전기 모델이 복잡하여 프로그래밍과 파라미터화 시 때로는 다루기가 어려울 수 있는 단점을 가질 수 있다. 또한 너무 복잡한 에뮬레이션은 제어를 너무 느리게 만들거나 또는 충분히 신속한 제어를 보장하기 위한 고가의 제어 하드웨어를 필요로 할 수 있다. 필터링에 의해 원치 않는 신호 지연이 발생할 수도 있다.
또한, 동기 발전기의 에뮬레이션으로 인해, 전술한 안정화 또는 진정과 같은 소정의 효과, 높은 관성 토크가 달성될 뿐만 아니라, 원하지 않을 수 있는 동기 발전기의 다른 거동도 발생할 수 있다. 동기 발전기의 스텝 아웃의 위험 가능성 외에, 비최적의, 특히 비최적 정현파 전류가 설정될 수도 있다는 사실도 주목할 만하다. 이는 또한 사용된 동기 발전기 모델의 결함의 결과일 수 있다.
일부 전력 네트워크에서 컨버터로 제어되는 공급 장치의 영향이 증가함에 따라, 이러한 공급 장치가 향후에 자체 기동 또는 적어도 네트워크 복구의 범위에서 과제를 수행해야 할 수 있다.
따라서 본 발명의 과제는 전술한 문제들 중 적어도 하나를 해결하는 것이다. 특히, 컨버터에 의해 제어되는 발전기를 이용한 전력 공급이 직접 결합된 동기 발전기를 보유한 종래의 대형 발전소의 작은 부분으로 전력 공급 네트워크에 대해 가능한 한 양호하게 조정되도록 작동하는 해결 방법이 제안되어야 한다. 특히 이러한 네트워크 또는 단독 네트워크의 경우에도 가능한 한 높은 품질 및/또는 우수한 조절 안정성을 갖는 공급이 제안되어야 한다. 적어도 기존의 공개된 해결 방법에 대한 대안적인 해결 방법이 제안되어야 한다.
본 발명에 따르면, 청구항 제 1 항에 따른 방법이 제안된다. 이러한 방법은 풍력 발전 설비에 의해 그리고 동시에 인버터 또는 컨버터를 사용하여 네트워크 접속점에서 3상 전력 공급 네트워크에 전력의 공급에 관한 것이다. 원칙적으로, 인버터 또는 컨버터가 사용되는 한, 다른 분산형 발전기를 사용하는 것이 고려된다. 인버터에 대한 모든 기재와 설명은 컨버터에도 준용되며, 그 반대도 마찬가지이다.
이를 위해 먼저, 네트워크 접속점에서 전력 네트워크 전압이 검출되는 것이 제안된다. 네트워크 접속점에서 전력 네트워크 전압의 검출은 특히, 거기에서 공급도 되어야 하므로 전력 네트워크 전압을 고려해야 하기 때문에 바람직하다. 그러나 원칙적으로, 전력 공급 네트워크의 다른 지점에서 또는 네트워크 접속점 전방의 다른 지점에서, 즉 공급하는 풍력 발전 설비와 네트워크 접속점 사이에서, 거기에서 해당하는 대표 전압이 검출될 수 있는 경우에, 측정을 수행하는 것도 고려된다.
그런 다음 기계 모델을 사용하여 가상 발전기 전압이 결정된다. 기계 모델은 동기 기계의 거동을 에뮬레이트한다. 이와 같이 결정된 가상 발전기 전압은 따라서 기계 모델에 의해 거동이 에뮬레이트되는 발전기의 전압에 대응하는 전압이다.
또한, 가상 발전기 전압과 비교를 위해 검출된 네트워크 전압이 준비된다. 이는 특히, 먼저 실질적으로 연산수인 결정된 가상 발전기 전압이 실제로 측정된 검출된 네트워크 전압과 비교될 수 있음을 의미한다.
또한, 공급 전류를 위한 기본값으로서 설정 전류는 가상 발전기 전압에 따라 그리고 비교를 위해 준비된 네트워크 전압에 따라 미리 정해진다. 이것은 특히, 이러한 2개의 전압 사이의 편차는 대응하는 설정 전류를 제공하여, 예를 들어 더 높은 전압 편차는 더 큰 설정 전류를 제공하는 것을 의미할 수 있다.
이와 같이 미리 정해진 설정 전류에 따라 공급 전류가 생성되어 네트워크 접속점에서 전력 공급 네트워크에 공급된다. 네트워크 접속점에서 측정된 전압과 가상 발전기 전압 사이의 비교는 이로써 이에 의존하는 설정 전류 및 상응하게 설정된 공급 전류도 제공한다.
가상 발전기 전압과 비교를 위해 검출된 네트워크 전압을 준비하는 단계는 검출된 네트워크 전압을 공간 벡터 표현으로 변환하는 단계를 포함하는 것이 제안된다. 즉 3상 전력 공급 네트워크의 검출된 네트워크 전압 및 특히 이와 같이 검출된 3상 네트워크 전압은 이로써 공간 벡터 표현으로 변환된다. 공간 벡터 표현의 측정된 네트워크 전압의 준비는 특히 정현파 기본 신호의 고려를 선호한다는 것이 파악되었다. 가상 발전기 전압은 또한 계산의 결과이므로 왜곡이 적고 잡음이 적은 정현파로 가정된다.
바람직하게는 검출된 네트워크 전압을 공간 벡터 표현으로 변환은 d/q-변환이며, 이러한 변환은 qd-변환 또는 단지-변환으로 지칭될 수도 있다. 이러한 d/q-변환은 3상 시스템을 전제로 하고, 이는 축 d 및 q 또는 값 d 및 q를 각각 포함하는 2축 회전 좌표계로 변환한다. 바람직한 경우에 값 d와 q는, 좌표계와 함께 회전하기 때문에, 일정하다. 시간적 변화에 의해 정현파형 변수와 다른 변수가 고려될 수 있더라도, 변환은 기본적으로 정현파형 변수를 갖는 시스템을 전제로 한다. 그럼에도 불구하고, 이러한 정현파형 변수가 기본이며, 공간 벡터 표현으로 d/q-변환 또는 계산은 이로 인해 정현파 신호로부터 벗어나는 간섭 또는 다른 편차를 어느 정도까지 필터링할 수 있거나 궁극적으로 생성할 설정 전류에 개입할 수 없는 비선형 여과 함수도 포함할 수 있다.
특히 검출된 네트워크 전압과 가상 발전기 전압의 비교를 위해, 이러한 정현파 전압을 사용하는 것이 바람직하다.
실시예에 따르면, 네트워크 전압이 변환된 공간 벡터 표현의 네트워크 전압이 필터링된 후에 재변환되어, 가상 발전기 전압에 따라 그리고 재변환된 네트워크 전압에 따라 설정 전류가 미리 정해지는 것이 제안된다. 검출된 네트워크 전압의 필터링은 따라서 공간 벡터 표현에서 이루어진다. 이로 인해 정현파 기본 신호의 왜곡 또는 지연이 방지된다. 특히 재변환 후에, 필터링된 정현파 신호가 발생하고, 이러한 정현파 신호를 위해 기본적인 변환 규칙 또는 재변환 규칙에 따라서도 정현파형이 가정된다.
공간 벡터 표현에서 간단한 필터링, 특히 PT1-요소를 이용한 필터링이 실현될 수 있으며, 이것은 재변환된 정현파 신호에서 바람직한 필터 효과를 제공하는 것이 파악되었다. 특히 동일한 필터 결과를 갖는 시간 범위의 필터링을 위해서는 훨씬 더 복잡한 필터가 필요했을 것이다. 이러한 더 복잡한 필터는 파라미터화 하기에 복잡하고 그렇게 안정하지 않다. 이와 같이 복잡한 필터에서 필터링할 간섭이 유형에 따라 변경되면, 필터의 품질이 떨어지거나 그 효과에 문제가 있을 수 있다. 공간 벡터 표현의 제안된 필터링은 그와 달리 안정하고 실질적으로, 필터링할 기본 신호가 정현파라는 사실에 맞게 조정된다. 공간 벡터 표현에서 값 d와 q가 바람직하게 일정하다는 사실이 특히 중요하다. 따라서, 필터는 간단히 말해서, 실질적으로 일정한 값으로 필터링할 수 있다. 비선형 입력 변수 또는 비선형 특성을 갖는 입력 변수에도 불구하고 간단한 선형 필터가 사용될 수 있다.
이로써 검출된 네트워크 전압의 가능한 한 간섭 없고 지연 없는 정현파가 달성되고 이것은 마찬가지로 정현파인 가상 발전기 전압과 양호하게 비교될 수 있다. 설정 전류의 사전 지정은 이러한 재변환된 네트워크 전압과 가상 발전기 전압에 따라 고품질로 수행될 수 있다.
바람직하게는 기계 모델은, 언급되지 않지만 마찬가지로 가상인 고정자와 회전자를 구비한 가상의 동기 기계에 기초한다. 발전기 전압의 결정을 위해 기계 모델은 다음을 포함하는 목록 중 하나, 여러 또는 모든 변수를 사용한다:
- 회전자의 가상 회전 각도(θ),
- 회전자의 가상 회전 속도(ω),
- 가상 여자기 전압,
- 가상 고정자 전류,
- 회전자의 가상 관성 토크(J),
- 회전자의 가상 토크(Te) 및
- 회전자의 가상 마찰 (Dp).
간단함을 위해 이러한 및 다른 가상 변수는 이하에서 "가상"을 추가하지 않고도 지칭될 수 있고, 그 이유는 이들이 가상의 발전기와 관련되는 한, 이들도 자동으로 가상이기 때문이다. 회전자, 즉 가상 회전자의 가상 회전 각도(θ)에 의해 상기 회전자의 위치도 함께 기록되며, 이는 발전기 전압의 위상각에 영향을 미친다.
회전자의 가상 회전 속도(ω)를 고려함으로써, 발전기 전압의 주파수가 고려되고 영향을 받을 수 있다.
가상 여자기 전압에 의해 특히 발전기 전압의 진폭이 영향을 받고 고려될 수 있다.
가상 고정자 전류에 의해 특히 접속된 임피던스에 대해 가상의 동기 기계의 거동도 고려될 수 있다.
회전자의 가상 관성 토크(J)에 의해 특히 가상의 동기 기계의 동역학도 영향을 받을 수 있다.
회전자의 가상 토크(Te)에 의해 가상의 동기 기계의 동적 거동도 고려되어 영향을 받을 수 있다.
회전자의 가상 마찰은 특히 주파수 의존적인 전력 조절의 이득으로서 실현될 수 있다. 이러한 전력 조절은 바람직하게 기계 모델의 일부이며 기계 모델의 회전 주파수와 기준 주파수 사이의 편차를 고려한다. 기준 주파수는 측정된 네트워크 주파수 또는 미리 정해진 주파수일 수 있다. 결과적으로 기계 모델에서 가상의 동기 기계의 주파수 의존적인 거동이 고려될 수 있다.
바람직하게는, 생성된 공급 전류는 가상 고정자 전류로서 사용된다. 이로 인해, 특히 실제 공급에 대한 가상의 동기 기계의 관계가 확립된다. 생성되어 실제로 공급되는 공급 전류는 또한 인버터 출력부 또는 컨버터 출력부의 연결의 조건, 특히 전력 공급 네트워크의 조건에 의존하며, 따라서 가상 동기 시스템에서, 즉 기계 모델에서, 가상 고정자 전류를 형성하는 공급 전류에 의한 이러한 영향이 고려될 수 있다.
추가로 또는 대안으로서, 가상 관성 토크는 설정 가능한 것이 제안된다. 이로 이해 특히 가상의 동기 기계의 동역학도 영향을 받을 수 있다. 특정 상황이나 요구 사항에 따라 더 크거나 작은 가상 관성 토크가 선택될 수 있다. 아직 공급되지 않고, 공급이 준비된 경우에만, 특히 가상의 동기 기계 또는 기계 모델을 전력 공급 네트워크와 신속한 동기화를 위해 작은 가상 관성 토크가 바람직할 수 있다. 특히 전력 공급 네트워크에 공급 시, 전력 공급 네트워크를 지원 및 안정화하기 위해 더 높은 가상 관성 토크가 바람직할 수 있다. 특히, 전력 공급 네트워크가 단독 네트워크이고 인버터에 의해 안정화될 필요가 있거나, 이 경우 인버터가 네트워크 형성기로 작동해야 하는 경우, 특히 높은 관성 토크가 바람직한 설정으로 간주된다. 그러나 단독 네트워크가 아닌 전력 공급 네트워크에서도 상이한 네트워크 상황들이 발생할 수 있으며, 상응하게 조정된 가상 관성 토크로 이러한 상황에 대응할 수 있다. 이러한 전력 공급 네트워크의 네트워크 운영자는 공급의 동역학에 대해 기준을 정하고, 상응하게 설정된 가상 관성 토크는 이러한 기준에 반응할 수 있는 것이 고려된다.
바람직하게 가상 관성 토크는 네트워크 상태 또는 네트워크 특성에 따라서 설정된다. 네트워크 상태는 예를 들어 과주파수 또는 저주파수이거나, 또는 일반적으로 주파수의 현재 값이다. 추가 예를 들자면, 현재 네트워크 전압은 또한 네트워크 상태이고, 과전압 또는 저전압도 이에 해당한다. 네트워크 특성으로서 예를 들어 네트워크 감도가 고려될 수 있으며, 이러한 네트워크 감도는 고려된 네트워크 접속점에서 공급된 전력의 변화에 대해서 고려된 네트워크 접속점에서의 전압 변화의 비로서 간주될 수 있다. 이와 관련하여 네트워크 감도는 또한 네트워크 접속점과 관련된 전력 공급 네트워크의 특성이다. 이러한 감도는, 네트워크가 변화에 얼마나 민감한지 나타낼 수 있다. 특히 네트워크 감도가 높으면, 안정화를 위해 상응하게 높은 가상 관성 토크를 선택하는 것이 바람직할 수 있다.
실시예에 따라, 설정 전류를 미리 정하기 위해 가상 네트워크 임피던스가 고려되며, 상기 임피던스는 기계 모델 또는 가상의 동기 기계의 출력부와 네트워크 접속점 사이의 임피던스로서 고려되는 것이 제안된다. 이를 위해, 가상 임피던스의 크기는 가변적일 수 있는 것이 제안된다. 가상의 동기 기계는 따라서 가상 임피던스에 연결되어, 이러한 가상 임피던스는 특히 발전기 전압에 따라 전류에도 영향을 미친다.
전력 공급 네트워크의 상이한 특성들은 가상 임피던스에 의해 고려될 수 있다. 이로 인해 가상의 동기 기계의 거동은 간단하게 변경될 수 있고, 따라서 이로 인해 변경된 전력 공급 네트워크의 특성들이 고려될 수 있다. 이로써 전용된 고려 사항은 불필요할 수 있다.
바람직하게는 가상 임피던스는, 전력 공급 네트워크의 정상 상태에서 공급되는지, 또는 전력 공급 네트워크가 중단되거나 고장난 후, 전력 공급 네트워크가 정상 작동점으로 작동되어야 하는 복구 모드에서 공급되는지에 따라 선택된다. 네트워크 복구 모드의 경우 특히, 가상 임피던스가 전력 공급 네트워크의 정상 상태에서보다 크게 선택되어, 정상 작동점으로 작동이 용이해질 수 있는 것이 제공된다. 특히 정상 작동점으로 작동 시 발전기 전압은 점차 증가할 수 있고, 동시에 가상 임피던스는, 이러한 네트워크 복구 모드에서 아직 많은 전력이 공급되지 않아도 되는 한, 적은 류가 흐르도록 조정될 수 있다.
따라서 간단한 방식으로 네트워크 복구 또는 자체 기동이 실현될 수 있다. 이로 인해 특히, 자체 기동 시 먼저 전압을 생성하고 유지하는 것이 중요한 한편, 적은 전력만이 공급되는 요구 사항이 달성될 수 있다. 동시에 동일한 구성으로 정상 모드가 실현될 수 있다. 가상 임피던스를 조정함으로써, 공급 장치는 정상 모드에서 공급으로 조정될 수 있다.
실시예에 따르면, 기계 모델에서
- 가상 회전 속도와 기준 회전 속도 사이의 속도 차이가 형성되고,
- 가상 회전 속도 또는 미리 정해진 주파수의 필터링된 값이 기준 회전 속도로서 사용되고,
- 보조 토크에 대한 차동 회전 속도 이득을 통해 차동 회전 속도가 계산되고,
- 보조 토크는 합산점을 통해 기계 모델의 가상 관성 토크에 작용하여, 가상 회전 속도를 기준 회전 속도로 조절할 수 있고, 이 경우 바람직하게는
- 기계 모델을 전력 공급 네트워크와 동기화하기 위해 차동 회전 속도가 0으로 설정되는 것이 제안된다.
따라서 이러한 차동 회전 속도의 고려 및 피드백에 의해 기준 회전 속도로 가상 회전 속도의 조절을 수행할 수 있으며, 이 경우 반드시 편차 0을 갖는 고정적인 정확도가 달성되지 않아도 된다. 특히 차동 회전 속도 이득을 통한 이러한 차동 회전 속도 피드백은 소위 드룹 제어(Droop Control)로 지칭될 수 있다. 이것은 더 높은 전력의 호출 시 처음에 느려지는 동기 기계의 거동을 고려한다. 특히 더 높은 출력 전류, 즉 이 경우 공급 전류에 의해서도 특징되는 이러한 더 높은 전력 출력에 의해, 동기 발전기의 토크 및 그에 따라 동기 발전기의 가상 토크가 증가한다. 동기 발전기의 이러한 가상 토크는 보조 토크도 적용되거나 합산되는 동일한 합산점에 작용한다.
바람직하게는, 차동 회전 속도 이득은 양의 인수이고, 합산점에서 보조 토크가 감산된다. 가상의 동기 기계의 회전이 느려지는 한편, 즉 가상 회전 속도가 감소하는 한편, 기준 회전 속도가 동일하게 유지되거나 더 서서히 변경되면, 차동 회전 속도는 음이고, 보조 토크도 음이며, 합산점에서 이러한 음의 보조 토크의 감산으로 인해 보조 토크의 양만큼 합산점에서 총 토크가 증가한다. 이러한 예시적인 경우에, 가상의 동기 기계는 가속되고 또는 가상 발전기 토크의 증가를 저지한다.
기계 모델을 전력 공급 네트워크와 동기화하기 위해 이러한 드룹-제어를 무시하는 것이 제안된다. 이는, 차동 회전 속도를 직접 0으로 설정함으로써 이루어질 수 있다. 그러나 이것은 또한, 차동 회전 속도가 2개의 동일한 회전 속도의 차이로서 형성되어, 차동 회전 속도도 0이라는 사실에 의해 간접적으로 수행될 수도 있다. 이를 위해 가상 회전 속도를 필터링하는 필터는 1로 설정될 수 있다.
특히 변형예는, 기준 회전 속도가 필터링된 가상 회전 속도인 것을 고려한다. 그런 다음 필터링된 가상 회전 속도가 가상 회전 속도에서 차감된다. 총 이득 1을 갖지만 동역학을 포함하는 필터 함수에서, 이러한 차동 회전 속도는 정상 회전 속도에서 점차 0이 된다.
어쨌든 동기화를 위해, 차동 회전 속도 및 보조 토크를 0으로 설정하고 드룹-제어를 무시하는 것이 제안되고, 이로써 이러한 회전 속도 조절은 억제된다. 특히, 동기화 중에 감지할 만한 전류가 없거나 전류가 전혀 흐르지 않는 경우, 즉, 특히 설정 전력이 0인 경우, 가상의 동기 기계는 실질적으로 무부하 상태에 있으며, 이 경우 이러한 상태는 상기 드룹-제어에 의해서도 간섭받지 않는다. 이로써 가상의 동기 기계는 일종의 무부하 상태에서 최종적으로 공급되어야 하는 전력 공급 네트워크와 동기식으로 작동하는 상태로 되거나 유지될 수 있다. 이 경우에 전력 공급 장치 네트워크의 전압과 주파수에 도달하여 변경되지 않으면, 가상의 동기 기계는 기본적으로 안정적인 무부하와 유사한 작동 상태이다.
바람직하게는
- 기계 모델을 전력 공급 네트워크와 동기화하기 위해
- 설정 전력은 값 0을 가지며,
- 내부 가상 발전기 전압 및/또는
- 가상 토크(Te ')의
- 계산을 위해 계산 모델이 사용되고,
계산을 위한 계산 모델은
- 회전자의 가상 회전 각도(θ)
- 회전자의 가상 회전 속도(ω)
- 가상 여자기 전압 및
- 공급 전류 또는 설정 전류
를 포함하는 목록 중 하나, 여러 또는 모든 변수를 사용하고, 이 경우
특히, 전력 공급 네트워크의 주파수는 검출되지 않는다.
이로써 기계 모델을 전력 공급 네트워크와 동기화하기 위해 먼저 설정 전력은 값 0으로 설정된다. 설정 전력은 기계 모델에서 구동 토크로서 해당 전환 계수를 통해 가상 관성 토크에 작용한다. 이러한 전력이 0으로 설정됨으로써, 가상 기계의 구동 토크도 마찬가지로 0으로 설정된다. 그런 다음 가상의 동기 기계는 드라이브를 포함하지 않는다. 계산 모델을 사용하면 내부 가상 발전기 전압과 가상 토크가 계산된다. 원칙적으로 변수들 중 하나만 계산되는 것이 고려되지만, 제시된 모든 변수를 계산하는 것이 바람직하다. 계산 모델은 바람직하게 동기 기계의 연산 방정식을 사용하고, 상기 방정식은 가상의 동기 기계에 따라 파라미터화된다.
계산 모델은 이를 위해 특히 회전자의 가상 회전 각도, 회전자의 가상 회전 속도, 가상 여자기 전압 및 공급 전류를 입력 변수로서 수신한다. 이들은 연산 방정식에서, 상기 변수들을 계산하기 위해 필요하다. 기본적으로 간단한 모델로 계산을 단순화하는 것도 이론적으로 고려된다. 가상 회전 각도로부터 가상 회전 속도도 계산될 수 있으므로, 2개의 변수를 계산 모델에 입력되지 않아도 된다.
공급 전류로서 미리 정해진 설정 전류에 따라 생성된 실제 생성된 전류가 사용될 수 있다. 또한, 여기에서 그리고 나머지 기재에 대해서도 설정 전류 및 공급 전류 그리고 그에 따라 생성되는 전류란 각각 3상 전류를 의미한다. 그러한 점에서 공급 전류 또는 설정 전류는 각 위상의, 각각 3개의 개별 전류를 형성한다.
어쨌든, 동기화 중에도 약간의 공급 전류가 생성될 수 있으며, 상기 공급 전류는 네트워크 접속점 전방에 여전히 존재하는 더 소규모의 컨슈머로 유입될 수 있다. 특히 복수의 풍력 발전 설비를 보유한 풍력 발전 단지의 경우에 소규모의 컨슈머가 해당 단지 네트워크에서 사용될 수 있다. 이것은 예를 들어, 라인 인덕턴스 또는 풍력 발전 설비의 변압기일 수 있다. 인덕터도 고려된다. 또한, 가상 임피던스는 이러한 소규모의 컨슈머의 대응하는 값 또는 거동으로 설정될 수 있다.
대안으로서, 전류가 아직 흐르지 않으면, 미리 정해진 설정 전류는 실제 전류로서 계산 모델에 포함될 수 있다.
실시예에 따르면,
- 가상 여자기 전압은
적어도
- 미리 정해진 무효 전력 및 선택적으로
- 네트워크 접속점에서 미리 정해진 네트워크 전압에 따라 결정되는 것이 제안된다.
특히 측정된 무효 전력과 비교되어, 특히 상기와 같은 무효 전력 편차가 사용되는 미리 정해진 무효 전력을 통해 가상 여자기 전압이 결정될 수 있다. 특히, 이러한 무효 전력 차이 또는 무효 전력 편차는 무효 전력 이득을 통해 제공되고, 적분되어 가상 여자기 전압을 형성한다. 이로써 무효 전력 이득은 무효 전력 조절을 위한 적분기의 이득 계수이다.
선택적으로 네트워크 접속점에서 미리 정해진 전력 네트워크 전압이 결정되며, 상기 네트워크 전압은 가상 여자기 전압에도 함께 영향을 미친다. 이를 위해, 특히 검출된 이러한 네트워크 전압과 미리 정해진 전압 사이의 차이가 형성된다. 이러한 전압 차이는 전압 이득을 통해 무효 전력값을 형성한 다음 미리 정해진 무효 전력과 측정된 무효 전력 사이의 전술한 차이와 마찬가지로 가상 여자기 전압에 영향을 미칠 수 있다. 이러한 무효 전력의 합은 이를 위해 적분되어 함께 가상 여자기 전압을 형성할 수 있으며, 이 경우 적분기는 적분 상수로서 전술한 무효 전력 이득을 갖는다.
바람직하게, 기계 모델의 전기 변수는, 특히 d/q-변환에 따라 공간 벡터 표현으로 계산되는 것이 제안된다. 이는 특히 3상 고정자 전류 및 3상 고정자 전압에 관련된다. 이로 인해 가상의 동기 기계는 효율적으로 계산될 수 있다. 특히 이로 인해 대칭 3상 시스템이 양호하게 계산되고 특히 보장될 수도 있다.
실시예에 따르면, 공급 전류는 허용 오차 대역 방법에 의해 생성되는 것이 제안된다. 따라서 상기 전류는 허용 오차 대역 방법에 따라 조절된다. 허용 오차 대역 방법은 기본적으로, 생성될 전류의 소정의 신호 형상 주위로, 즉 특히 생성될 전류의 정현파 신호 형상 주위로 허용 오차 대역이 조절되도록 작동한다. 각각의 생성된 전류가 측정된 후에 측정값에 따라 해당 스위치 위치를 통해 제어되어, 허용 오차 대역 상한에 도달하면 전류가 감소하고, 허용 오차 대역 하한에 도달하면 전류는 증가한다. 정현파 전류를 공급 또는 생성하기 위해 허용 오차 대역 방법의 사용은 기본적으로 공개되어 있다. 그러나 여기서는, 허용 오차 대역 방법을 사용하더라도 전압 형성을 달성할 수 있는 방법이 제안된다. 이것은 특히 가상 임피던스를 사용하여 가능하고, 전류의 지정에도 불구하고 상기 가상 임피던스에 의해 궁극적으로 출력 전압이 달성될 뿐만 아니라, 목표대로 미리 정해질 수 있다. 특히 네트워크 복구 또는 심지어 자체 기동의 경우 이러한 전압은 목표대로 관리되어 증가할 수 있다.
특히 단독 네트워크 작동도 가능하며 특히, 단독 작동 시, 인버터가 네트워크 주파수를 미리 정하면,
- 가상 회전 속도(ω)는 특히, 기계 모델에서 작용하는 하나의 또는 특정 보조 토크가 가상 회전 속도와 미리 정해진 네트워크 주파수 사이의 차이에 따라서 조절되도록, 특히 미리 정해진 네트워크 주파수에 의존하고, 및/또는
- 가상 여자기 전압은 특히,
- 가상 여자기 전압이 의존하는, 미리 정해진 전압과 검출된 전압 사이의 차이에 따라서 보조 무효 전력값이 조절되도록, 전력 공급 네트워크의 미리 정해진 전압 및 전력 공급 네트워크의 검출된 전압에 의존한다.
적어도 이 실시예에 따른, 제안된 방법은 이로써 단독 작동 또는 단독 네트워크 작동에 특히 적합하다. 풍력 발전 설비 또는 다른 인버터 또는 컨버터 제어식 공급 장치가, 특히 주파수 및 전압과 관련해서 실질적으로 네트워크를 제어하는 지배성을 갖는 작동이 단독 네트워크 작동으로 간주된다. 이를 위해, 가상 회전 속도는 미리 정해진 네트워크 주파수에 의존하는 것이 제안된다. 여기서 즉, 네트워크 주파수는, 특히 고정된 기준 주파수로서 미리 정해진다. 가상 회전 속도, 즉 기계 모델에서의 회전 속도와 미리 정해진 네트워크 주파수 사이의 차이에 따라 보조 토크가 결정될 수 있고, 상기 보조 토크는 따라서 조절 또는 제어 또는 설정된다. 이러한 보조 토크는 모델에서 가상 전기 토크를 저지한다. 보조 토크와 가상 전기 토크 사이의 차이는, 필요 시 추가 토크를 고려한 후, 이것으로부터 해당하는 적분 상수와 적분에 의해 얻어진 가상의 회전 속도에 작용한다. 가상 회전 속도는 또한 계산 모델을 위한 입력 변수가 될 수 있으며, 이로 인해 발전기 전압의 주파수 및 따라서 궁극적으로 기준 전류의 주파수도 미리 정할 수 있다. 이러한 방법에 의해 특히, 단독 전력 네트워크가 주파수와 관련하여 관리되는 방식으로, 가상의 동기 기계를 사용함으로써 고정 주파수가 변환될 수 있다.
보조 토크의 조절은 바람직하게는 PI-조절기를 사용하므로, 고정적인 정확도로 가상 회전 속도를 미리 정해진 네트워크 주파수 또는 대응하는 회전 속도로 조절할 수 있다.
추가로 또는 대안으로서 여기서, 가상 여자기 전압은 전력 공급 네트워크의 미리 정해진 전압 및 전력 공급 네트워크의 검출된 전압에 의존하는 것이 제안된다. 특히, 보조 무효 전력 값이 미리 정해진 전압과 검출된 전압 사이의 차이에 의존해서 결정되는 것이 제안된다. 필요한 경우 검출된 무효 전력값은 이것으로부터 감산된다. 이와 같이 얻어진 이러한 무효 전력값은, 전술한 바와 같이, 특히 무효 전력 이득에 대해 적분되어 가상 여자기 전압을 형성할 수 있다.
전압을 고려함으로써 전압 조절이 이루어질 수 있고, 이러한 전압 조절은 드룹 전압 제어(Droop-Voltage-Control)로도 지칭될 수 있다. 이러한 전압 조절은 바람직하게 활성화 또는 비활성화될 수 있다. 미리 정해진 전압 및 검출된 전압의 선택적인 사용이 고려됨으로써, 즉 활성화됨으로써, 이러한 전압 조절이 활성화된다. 따라서 가상의 동기 기계는, 전압 조절에 의해 특히 네트워크 접속점에서, 전력 공급 네트워크 내의 이러한 전압 변동에 반응할 수 있도록 제어된다. 따라서 상기 동기 기계는 전압을 안정화하도록 또는 전압을 보정하도록 작동할 수 있다. 이러한 변형예는 특히 단독 네트워크 작동을 위해 제안되는데, 그 이유는 이로 인해 전압 조절 및 전압 관리가 달성될 수 있기 때문이다. 이러한 조절은 전기 여자기 전압을 통해 작용한다. 이로 인해 이 방법은 단독 네트워크에서 주파수뿐만 아니라 전압, 즉 전압 진폭도 미리 정하거나 관리할 수 있다.
이로써 단독 네트워크 작동을 위해 특히 다음과 같이 제안된다:
- 보조 토크는 PI-조절기에 의해 제어되고,
- 가상 회전 속도는 특히 보조 토크와 가상 전기 토크 사이의 차이로서 차동 토크를 적분 시상수에 대해 적분함으로써 얻어지고 및/또는
- 보조 무효 전력값은 PI-조절기에 의해 조절되고,
- 가상 여자기 전압은 특히 보조 무효 전력과 검출된 무효 전력의 차이로서 차동 무효 전력을 적분 시상수에 대해 적분함으로써 얻어진다.
따라서 조절된 보조 토크와 가상 토크의 차이로부터 얻어진 토크가 기계 모델에 작용한다. 이는 기계 모델에서, 적분 시상수로서 역 가상 관성 토크에 대해 적분되고 따라서 가상 회전 속도를 결정한다. 추가 토크가 추가되지 않는 한, 이러한 적분은 가상 회전 속도를 제공한다. 이를 통해 가상의 동기 기계의 회전 속도가 제어되거나 조절된다.
출력 전압은 무효 전력에 의해 조절되거나 제어된다. 이를 위해, 기준값 또는 설정값에 대한 전압 편차가 조절 편차로서 PI-조절을 통해 무효 전력값으로 변환되고, 따라서 전압은 가상의 동기 기계에 의해 가상 여자기 전압을 통해 조절된다.
본 발명에 따르면, 네트워크 접속점에서 3상 전력 공급 네트워크에 전력을 공급하기 위해 준비된 풍력 발전 설비가 제안된다. 이를 위해 상기 풍력 발전 설비는 공급 전류를 생성하기 위한 적어도 하나의 인버터를 갖는다. 인버터에 의해 예를 들어 허용 오차 대역 방법에 의해 이러한 공급 전류가 생성된다. 또한, 전력 네트워크 전압을 검출하기 위한 검출 수단이 제공되고, 이러한 전력 네트워크 전압은 특히 네트워크 접속점에서 검출된다. 검출 수단은 그에 상응하게 측정 장치 또는 측정 센서로서 설계될 수 있고 네트워크 접속점에서 전압을 측정할 수 있다. 실제 센서는 풍력 발전 설비의 일부를 형성하지 않는 별도의 요소로서 존재할 수도 있다. 풍력 발전 설비는 검출된 네트워크 전압이 수신될 수 있는 인터페이스를 가지며, 이러한 인터페이스는 전력 네트워크 전압을 검출하기 위한 검출 수단으로써 이용될 수 있다.
또한, 공급을 제어하기 위한 제어 장치가 제공된다. 이러한 제어 장치는 특히 인버터를 제어한다. 이를 위해, 인버터에서 스위칭 동작을 제공하고 제어 장치에 의해 제어되는, 특히 공급을 위한 설정값을 수신하는 특수한 마이크로프로세서가 인버터 내에 제공될 수 있다. 제어 장치는 인버터에 직접 작용할 수도 있다.
어쨌든, 제어 장치는 기계 모델을 사용하여 가상 발전기 전압을 결정하는 방법을 수행하도록 준비되고, 기계 모델은 동기 기계의 거동을 에뮬레이트하는 것이 제안된다. 따라서 적어도 이러한 기계 모델은 제어 장치에서 구현된다. 이를 위해, 제어 장치는 대응하는 마이크로 프로세서 또는 다른 컴퓨터 장치를 가질 수 있다.
또한, 구현된 방법은 가상 발전기 전압과 비교를 위해 검출된 네트워크 전압을 비교하는 단계를 포함한다. 특히, 네트워크 전압은 이를 위해, 가능한 한 네트워크 전압의 하나의 기본파만이 가상 발전기 전압과 비교되도록 필터링된다. 이는, 가상 발전기 전압이 제어 장치에서 그리고 특히 기계 모델을 사용하여 생성되므로 중대한 측정 오류가 없거나 오류가 전혀 없다는 사실에 기반한다. 비교는 측정 오류에서 차이를 검출하는 것에 관한 것이 아니기 때문에, 검출된 네트워크 전압은, 측정 오류를 갖지 않거나, 적어도 가능한 한 측정 오류를 거의 갖지 않거나 가능한 한 적은 측정 오류를 갖도록 준비되어야 한다.
또한, 구현된 방법은 가상 발전기 전압에 따라 그리고 비교를 위해 준비된 네트워크 전압에 따라 공급 전류를 위한 기본값으로서 설정 전류를 미리 정하는 단계를 포함한다. 따라서 설정 전류는 가상 발전기 전압에 따라 그리고 네트워크 전압에 따라 미리 정해진다.
또한, 인버터는, 설정 전류에 따라 공급 전류를 생성하도록 및 생성된 공급 전류를 네트워크 접속점에서 전력 공급 네트워크에 공급하도록 준비된다. 이를 위해 특히 인버터의 출력부에서 대응하는 연결이 바람직하다. 여기에는 해당 인덕터가 포함될 수 있다. 또한, 인버터는 이를 위해 필요 시 적어도 하나의 다른 변압기를 통해 네트워크 접속점에 연결될 수 있다.
또한, 가상 발전기 전압과 비교를 위해 검출된 네트워크 전압을 준비하는 단계는 검출된 네트워크 전압을 공간 벡터 표현으로 변환하는 단계를 포함하는 것이 제안된다. 이로써 제어 장치는 또한, 그러한 변환을 제공하도록 준비된다. 이를 위해 제어 장치에서 해당하는 변환 알고리즘이 구현될 수 있다. 또한, 제어 장치는 적절한 컴퓨팅 용량, 즉 특히 대응하는 마이크로프로세서 또는 다른 컴퓨터 장치를 구비한다.
바람직하게는 이러한 풍력 발전 설비, 특히 제어 장치는, 전술한 적어도 하나의 실시예에 따른 전력 공급 네트워크에 전력을 공급하기 위한 방법을 수행하도록 준비된다. 이를 위해, 설명된 단계들을 각각 제어 유닛에서 구현하는 것이 제안된다.
본 발명에 따르면, 복수의 풍력 발전 설비를 포함하는 풍력 발전 단지가 제안되며, 상기 풍력 발전 설비는 전술한 적어도 하나의 실시예에 따라 형성된다. 추가로 또는 대안으로서, 풍력 발전 단지는 단지 공급 장치를 갖고, 상기 단지 공급 장치는 전술한 실시예에 따른 방법을 수행하도록 준비되는 것이 제안된다. 특히, 이를 위해 단지 인버터가 제안된다. 이러한 단지 공급 장치 또는 단지 인버터는, 특히 DC-네트워크를 보유한 풍력 발전 단지의 경우, 풍력 발전 단지의 풍력 발전 설비로부터 전력 공급 네트워크에 전력을 공급할 수 있다. 필요한 경우 이것은 고전압으로도 이루어질 수 있다. 특히 이 경우 이러한 공급을 위한 중앙 단지 인버터가 제안된다. 이러한 중앙 단지 인버터는 또한 제안된 에뮬레이트된 동기 기계에 기초하여 작동할 수 있고, 제안된 방법들 또는 그들 중 하나를 이용할 수 있다.
이하에서 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 예를 들어 상세히 설명된다.
도 1은 풍력 발전 설비의 사시도.
도 2는 풍력 발전 단지의 개략도.
도 3은 2개의 교류 전압원 사이의 전력 전송에 대한 등가 회로도를 도시한 도면.
도 4는 네트워크 작동을 위한 실시예에 따른 공급 방법의 개략적인 구조도를 도시한 도면.
도 5는 단독 네트워크 작동 시 실시예에 따른 방법의 구조도를 도시한 도면.
도 6은 실시예에 따른 가상 임피던스의 적응을 설명하기 위한 구조도를 도시한 도면.
도 7은 실시예에 따른 제안된 전압 필터링 프로세스를 설명하기 위한 구조도를 도시한 도면.
도 8은 필터링 효과를 설명하기 위한 전압 곡선을 도시한 도면.
도 2는 풍력 발전 단지의 개략도.
도 3은 2개의 교류 전압원 사이의 전력 전송에 대한 등가 회로도를 도시한 도면.
도 4는 네트워크 작동을 위한 실시예에 따른 공급 방법의 개략적인 구조도를 도시한 도면.
도 5는 단독 네트워크 작동 시 실시예에 따른 방법의 구조도를 도시한 도면.
도 6은 실시예에 따른 가상 임피던스의 적응을 설명하기 위한 구조도를 도시한 도면.
도 7은 실시예에 따른 제안된 전압 필터링 프로세스를 설명하기 위한 구조도를 도시한 도면.
도 8은 필터링 효과를 설명하기 위한 전압 곡선을 도시한 도면.
도 1은 타워(102)와 나셀(104)을 갖는 풍력 발전 설비(100)를 도시한다. 3개의 로터 블레이드(108)와 스피너(110)를 갖는 로터(106)가 나셀(104)에 배치된다. 로터(106)는 작동 시 바람에 의해 회전 운동하여 나셀(104) 내의 발전기를 구동한다.
도 2는 동일하거나 상이할 수 있는, 예를 들어 3개의 풍력 발전 설비(100)를 포함하는 풍력 발전 단지(112)를 도시한다. 따라서 3개의 풍력 발전 설비(100)는 풍력 발전 단지(112)의 풍력 발전 설비의 기본적인 임의의 수를 대표한다. 풍력 발전 설비(100)는 전력, 즉 특히 생성된 전류를 단지 전력 네트워크(114)를 통해 제공한다. 이 경우 개별 풍력 발전 설비(100)의 각각의 생성된 전류 또는 전력이 합산되고 일반적으로 변압기(116)가 제공되며, 상기 변압기는 일반적으로 PCC라고도하는 공급점(118)에서 공급 네트워크(120)로 공급하기 위해, 단지 내의 전압을 승압한다. 도 2는, 물론 제어부가 제공되어 있지만, 예를 들어 제어부를 도시하지 않은 풍력 발전 단지(112)의 간단한 도시일 뿐이다. 예를 들어 단지 네트워크(114)는 달리 설계될 수도 있고, 이러한 단지 네트워크에는, 다른 예를 들자면, 각각의 풍력 발전 설비(100)의 출력부에 예를 들어 변압기도 존재한다.
제안된 방법은 동기 기계의 운동 방정식에 기초한 단독- 및 네트워크 작동 시 풀 컨버터의 전류 조절 방법이다. 따라서 본 발명은 풀 컨버터의 전류 조절 방법에 관련되고, 상기 풀 컨버터의 기본 조절은 동기 기계의 운동 방정식에 기초한다. 이러한 조절은 특히 네트워크 상태 변동 시, 특히 네트워크 주파수 및 네트워크 전압의 변동 시 동기 기계의 관성 토크를 가능한 한 자유롭게 설정 가능하게 에뮬레이트하는 것을 가능하게 한다. 이러한 특성은 풀 컨버터의 DC 전압 중간 회로에 저장된 에너지에도 의존한다. 중간 회로 전압 조절에 의해 1차 에너지원을 통해 중간 회로에 공급되는 에너지도 고려된다. 이러한 에너지는 마찬가지로 DC 전압 중간 회로에서 이용 가능할 수 있다.
이하에서 방법은 몇 가지 예를 참조하여 예시적으로 설명된다.
AC 시스템에서 전압 V와 E를 갖는 2개의 노드 사이의 전송된 유효- 및 무효 전력은 다음 방정식에 의해 결정된다:
여기서 X는 2개의 노드 사이의 라인 리액턴스(line reactance)이고 δ는 2개의 전압 사이의 위상 변이이다. 이것은 도 3의 등가 회로도에 도시된다.
E가 네트워크에서 전압 V에 연결된 풀 컨버터의 출력 전압이라고 가정하면, 방정식(1)과 (2)로부터, 전송된 유효- 및 무효 전력이 컨버터의 출력 전압의 진폭 및 위상 위치에 의해 영향을 받는다는 것을 알 수 있다.
조절부는 외부 및 내부 조절 회로로 구성된다. 외부 조절 회로에서 가상의 동기 기계의 자기 휠 전압의 진폭과 각도는, 네트워크에 공급된 풀 컨버터의 유효- 및 무효 전력이 미리 정해진 설정값으로 조절되도록 동적으로 변경된다. 유효 전력 조절은 동기 기계의 운동 방정식을 기반으로 하는 한편, 무효 전력 또는 전압 조절은 P-조절기 또는 PI-조절기를 기반으로 한다.
방정식(3)은 동기 기계의 운동 방정식을 나타내며, 여기서 Tm과 Te는 각각 기계적 또는 전자기적 토크, ωr은 로터 속도, KD는 감쇠 계수, J는 동기 기계의 관성을 나타낸다.
Tm은 도 4를 참조하여 더 설명되는 바와 같이 유효 전력 설정값에 의해 결정되는 한편, Kd와 J는 설정 가능한 파라미터이다. 변수 KD는 이득 Dp로 지칭될 수도 있다.
가상의 동기 기계의 전기적 변수는 로터 좌표계와 관련하여 d/q 성분으로 변환되어 Te의 계산에 사용된다. d/q-변환은 또한 qd 좌표로 변환 또는 qd 변환으로 지칭될 수 있고, 변환에 관한 추가 설명을 위해 아래에 명시된 참고문헌[Lit1]이 참조된다. 변환을 위해, (3)의 해와 ωr의 적분으로 얻어지는 각도 Θ가 사용된다.
abc/qd 변환 행렬은 다음과 같이 정의된다:
비돌극 기계(non-salient pole machine)의 경우 Te는 다음과 같이 계산된다:
여기에서 p는 극쌍 수, Lm은 상호 인덕턴스, if 는 여기 전류, iq는 고정자 전류의 q성분을 나타내고, 이 경우 Lmif 부분은 무효 전력- 및 전압 조절로부터 얻어진다.
qd 성분에서 가상의 자기 휠 전압의 진폭은 다음과 같이 계산된다:
Θ 및 (5)에 의해 (7) 및 (8)은 abc로 재변환된다. 이 경우 전압 각도 Θ는 예를 들어 위상 조절 회로처럼 방법에 의해 별도로 네트워크 전압으로부터 얻어지는 것이 아니라, 전술한 방정식 시스템, 특히 운동 방정식(3)의 해로부터 얻어진다. 이는, 동기 기계에 기반하는 조절 방법의 방법류의 결정적인 장점인데, 그 이유는 위상 조절 회로 및 유사한 방법에서 통상인 수십 ms 규모의 지연이 방지되기 때문이다.
내부 조절 회로는 허용 오차 대역 방법이라고도 지칭될 수 있는 전류 히스테리시스 조절기로 구성되며, 상기 조절기의 설정값은 가상의 고정자 임피던스 Zs ', 컨버터 단자에서 측정된 전압 Vabc ', 및 가상의 자극 휠 전압 eabc '의 순간값으로부터 얻어진다.
가상의 고정자 임피던스는, 조절 안정성이 보장되도록 설정되고, 하기 방정식으로 구성된다:
여기서 Rs와 Ls는 가상의 동기 기계의 고정자 저항과 고정자 인덕턴스를 나타낸다.
이로써 전류 설정값은 다음과 같이 계산된다:
컨버터의 측정된 단자 전압은 반드시 정현파일 필요는 없으며, 작동 모드나 네트워크 상태에 따라 많은 고조파를 포함할 수 있으며, 이러한 고조파는 방정식(10)에 따른 전류 설정값 및 전체 조절에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 이는 예를 들어 무부하 작동 중에, 즉 무부하로 전압의 인가 시 또는 매우 비선형적 부하 시의 경우일 수 있다. 원칙적으로 동기 발전기 방정식 시스템의 항상 대칭인 자기 휠 전압은 이러한 비대칭 및 고조파 함유를 저지하지만, 항상 완전히 보상할 수 있는 것은 아니다. 이러한 거동을 저지하기 위해, 컨버터 단자 전압이 qd 좌표로 변환되고, 상기 전압의 성분은 1차 저역 통과 필터로 필터링되어 다시 abc 성분으로 재변환된다. 이로써 진폭- 및 위상 보상은 필요하지 않다. 이것은 도 3의 등가 회로도에 도시된다.
이하에서, 예를 들어 유럽 통합 네트워크와 같은 전력 공급 네트워크에 공급이 이루어지는 네트워크 작동이 설명된다. 이것은 후술되는 바와 같이 단독 네트워크에 공급하는 것과 상이할 수 있다.
조절부는 동기 기계의 특성을 에뮬레이트하므로, 컨버터는 간단히 네트워크라고도 할 수 있는 전력 공급 네트워크와 자동적으로 동기화할 수 있다. 컨버터가 네트워크에 연결되기 전에, 동기화 단계가 수행된다.
유효- 및 무효 전력 설정값이 0으로 설정되고 조절부는 (11)에 따른 조건을 충족시킨다. 즉, 가상의 자기 휠 전압 eabc의 진폭 및 위상 위치는 연결점 VKP에서의 네트워크 전압 Vabc의 진폭 및 위상 위치와 동일하다. 따라서 VKP에서 방정식(12)와 (13)에 따라 안정화된 상태에서 유효- 및 무효 전력은 0이다.
동기화 단계 동안 컨버터는 네트워크에 아직 연결되어 있지 않기 때문에, 방정식(10)에 따른 전류는 가상이다. 동기화 단계의 종료 시 방정식(11)이 충족될 때, 결과는 다음과 같다:
동기화 단계가 완료되면, 컨버터는 네트워크에 연결될 수 있고, Pset 및 Qset는 새 설정값으로 설정될 수 있다. 네트워크 작동을 위해 제안된 구조는 도 4에 도시된다.
이러한 방법에 의해 설정 전류 isabc가 미리 정해질 수 있다. 이러한 설정 전류 isabc는 3상이며, 가상 임피던스 Zv에 인가하는 차동 전압 UDV로부터 얻어진다. 도 4의 구조도에서 이것은, 이러한 가상 임피던스에 차동 전압 UDV가 입력되는 것으로 도시되어 있다.
차동 전압 UDV는 가상 발전기 전압 Egen으로부터 감산되는 측정된 전압 VPCC와의 차이로서 얻어진다. 이를 위해, 출력 합산기(10)가 제공된다. 전압 VPCC는 네트워크 접속점에서 측정된 전압이지만, 상기 전압은 도 7을 참조하여 추가로 설명되는 바와 같이, 바람직하게 필터링된다.
발전기 전압 Egen은 계산 모델(12)에서 계산되어 상기 계산 모델로부터 출력된다. 계산 모델(12)은 이를 위해 전술한 동기 발전기의 연산 방정식을 사용한다. 네트워크 접속점에서 측정된 전압 VPCC와 발전기 전압 Egen의 차이는 가상 임피던스 Zv에 작용하여, 이로부터 설정 전류 Isabc가 계산된다. 이것은 기본적으로, 가상 임피던스 Zv로 표시되는 임피던스가 발전기 전압과 네트워크 접속점의 전압 사이에 있음을 의미한다.
계산 모델(12)은 입력 변수로서 회전자의 가상 회전 각도 δ 및 회전자의 가상 회전 속도 ω를 갖는다. 이러한 점에서 기계적 변수와 관련되는 이러한 2개의 변수는 궁극적으로 유효 전력, 특히 미리 정해진 유효 전력에 의존한다.
가상 임피던스 Zv와 차동 전압 UDV에 따라 설정 전류 Isabc를 생성하는 것은 전술한 방정식(10)에 기초한다. 이와 관련하여, 발전기 전압 Egen은 방정식(10)의 발전기 전압 eabc에 대응하고, 측정 및 필터링된 전압 VPCC는 방정식(10)의 전압 vabc에 대응한다. 가상 임피던스 Zv는 방정식(10)의 임피던스 Zs에 대응한다.
또한, 가상 여자기 전압 UE와 출력 전압 Iabe가 계산 모델(12)에 포함된다. 출력 전류 Iabe는 측정된 전류, 특히 인버터의 설정 전류 Isabc에 따라 생성된 3상 출력 전류일 수 있다.
또한, 도 4 및 도 5는 가상의 기계 모델을 포함하고, 거기에서 동기 기계와 관련된 임의의 변수는 따라서 이러한 가상의 동기 기계의 변수이므로, 상세하게 설명되지 않더라도 일반적으로 가상 변수로 간주됨이 참조된다.
또한, 계산 모델(12)은 가상 전기 토크 Te를 출력한다. 이러한 가상 전기 토크 Te는 작동 시 토크 합산기(14)에서 기계적 토크 Tm을 저지한다. 토크 합산기(14)로부터 유효 토크 Tw가 얻어진다. 기계적 토크 Tm은 여기에서 설정 전력 Ps로서 미리 정해질 수 있는 전력으로부터 얻어진다. 실질적으로 회전 속도를 고려한 토크 환산부(16)에 의해 입력된 설정 전력 Ps으로부터 기계적 토크 Tm가 얻어진다.
유효 토크 Tw는 관성 이득(18)을 실현하는 가상 관성 토크 J로 나눈 후에, 제 1 기계적 적분기(21)를 통해 회전 속도 ω가 된다. 회전 속도 ω는 제 2 기계적 적분기(22)를 통해 회전자의 회전 각도 δ가 된다. 따라서 이러한 2개의 기계적 적분기(21, 22)는 실질적으로 유효 토크 Tw가 작용하는 회전자의 기계적 거동을 재형성한다.
또한, 토크 조절기에도 토크 조절기 이득(24)이 제공된다. 토크 조절기 이득(24)은 보조 토크 Th를 제공하며, 상기 보조 토크는 음의 부호를 갖는 보조 토크 합산기(14)에서 고려되고, 보조 토크 자체가 양의 값을 갖는 한, 유효 토크 Tw는 감소한다.
이를 위해, 회전 속도 합산기(26)의 결과는 토크 조절기 이득(24)에 작용한다. 회전 속도 합산기에서, 도 4에 도시된 배치에 따라 필터링된 회전 속도 ω*는 가상 회전 속도 ω로부터 감산된다. 결과는 차동 회전 속도 Δω이다.
이러한 토크 조절에 의해, 회전 속도 ω는 특히 동기화에 영향을 미칠 수 있다. 회전 속도 ω가 변하는 한, 회전 속도 ω와 필터링된 회전 속도 ω*사이에 차이가 발생할 수 있다. 이를 위해 특히, 회전 속도 필터(28)는 1의 이득을 가지며 따라서 필터링된 회전 속도 ω* 는 정지 상태에서의 회전 속도 ω에 대응하는 것이 제공된다. 이러한 정지 상태에서 차동 회전 속도 Δω는 0일 수 있고, 따라서 보조 토크 Th도 0일 수 있다. 동기화 시 미리 정해진 전력 Ps도 0이고 가상의 전기 기계가 이러한 무부하 정지 작동에서도 전체적으로 가동되면, 가상 전기 토크 Te '는 0이 되고 그에 따라 유효 토크 Tw도 0이 된다. 이 경우 회전 속도 ω는 더 이상 변하지 않는다. 동기화가 완료된 후, 예를 들어 전력 공급 네트워크에 네트워크 접속점을 통해 공급을 위한 연결이 이루어질 수 있다.
특히 단독 네트워크 작동의 경우, 주파수 지정은 주파수 지정 블록(30)을 통해 이루어질 수 있고, 이는 특히 단독 네트워크 작동을 위해 제공된다. 단독 네트워크 작동은 계속해서 도 5와 관련하여 설명된다.
적분 시상수라고도 할 수 있는 무효 전력 이득 G을 고려하여 활성 무효 전력 Qw의 적분에 의해 가상 여자기 전압 Ue가 얻어진다. 이를 위해 무효 전력 이득 블록(32) 및 무효 전력 적분기(34)가 제공된다.
활성 무효 전력 Qw는 미리 정해진 무효 전력 Qs와 측정된 무효 전력 Qi의 차이의 결과이다. 무효 전력 가산기(36)에서 차이가 형성된다. 측정된 무효 전력 Qi는 인버터로부터 순간 공급되는 무효 전력이다. 가상의 여자기 전압 Ue는 따라서 무효 전력에 의해 설정되거나 영향을 받는다.
전압 조절 스위치(38)에 의해 전압 조절이 활성화되거나 제공될 수 있다. 이러한 전압 조절에 의해, 미리 정해진 전압 VPCCS로 조절이 수행될 수 있다. 적어도 이에 따라 전압 조절이 수행될 수 있다. 이를 위해 네트워크 접속점에서의 이러한 설정 전압 VPCCS로부터 거기에서 측정된 전압 VPCCI가 감산된다. 또한, 전압 합산기(40)가 제공된다. 이렇게 얻어진 차동 전압 AV은 전압 조절을 위해 전압 이득 블록(42)에서 전압 이득 Dq에 의해 제공된다. 그 결과 무효 전력 합산기(36)에 의해 활성 무효 전력 Qw에 영향을 미치는 조절 무효 전력 QR이 얻어지고, 따라서 가상 여자기 전압 Ue는 무효 전력 이득 블록(32) 및 무효 전력 적분기(34)에 의해 영향을 받는다. 이러한 조절은 전압 조절 스위치(38)를 폐쇄함으로써 활성화될 수 있다. 바람직하게는, 전압 이득 블록(42)의 전압 이득 Dq도 가변적이므로, 이러한 전압 조절의 동역학에 영향을 미칠 수 있다.
단독 네트워크 작동 시 네트워크의 주파수와 전압이 소정의 설정값으로 조절된다. 주파수 조절은, 주파수 편차에 응답하는 PI-조절기에 의해 TM이 결정되고 도 5에서 TR로 표시된 차이점을 갖지만, 이전과 같이 방정식(3)에 기초한다. 주파수 조절 시와 유사하게, 전압 조절은 PI-조절기에 의해서도 이루어지고, 상기 조절기의 출력부로부터 무효 전력 설정값이 얻어진다.
적절한 조절은 인버터를 자체 기동(black start)할 수 있게 한다. 이러한 특성은, 컨버터의 네트워크 필터를 통해 흐르는 무부하 전류 또는 기타 작동 수단의 무부하 전류가 히스테리시스 전류 조절기의 만족스러운 사용을 위해서는 너무 낮은 경우, 인버터 단자에 대해 병렬로 작은 저항 또는 유도 부하를 연결함으로써 달성된다. 이로써 최소 컨버터 출력 전류가 형성될 수 있어서, 히스테리시스 조절의 기능이 보장된다. 그 결과 주파수와 진폭이 바람직한 설정값으로 조절되는 컨버터의 접속 단자에서 전압이 얻어진다.
단독 네트워크 작동은 도 4에서처럼 구조를 도시하는 도 5에서 설명된다. 2개의 도면에서 구조 또는 요소가 동일하거나 동일한 기능을 갖는 한, 동일한 명칭과 도면 부호가 사용된다. 단독 네트워크 작동의 경우에 변경되지 않은 기능을 설명하기 위해, 이와 관련하여 도 4에 관한 설명도 참조한다.
단독 네트워크 작동 시, 기본적으로 회전자의 기계적 운동에 관련된 전력 조절을 위해 추가의 Pl-전력 조절기 부분(50)이 제공된다. 상기 Pl-전력 조절기 부분은 차동 회전 속도 Δω로부터 조절기 토크 TR를 생성하고, 상기 토크는 토크 합산기(14)에 의해 유효한 토크 Tw에 영향을 미친다.
차동 회전 속도 Δω는 이 경우 기계 모델의 회전 속도 ω와 주파수 지정 블록(30)에 의해 미리 정해진 설정 회전 속도 ωs '의 차이로서 얻어진다. 주파수 지정 블록(30)은 단독 네트워크에 대한 주파수를 미리 정하고, 이와 관련하여 설정 주파수를 미리 정하며, 설정 회전 속도 ω5로 재계산된다. 차이는 회전 속도 합산기(26)에서 형성된다. 도 4의 구조에 따른 필터링된 속도 ω*는 여기서 사용되지 않는다. 그러나 단독 작동을 위해 회전 속도 필터(28)로부터 주파수 지정 블록(30)으로 전환되는 한, 도 4의 주파수 전환 스위치(29)에 의해 도시된 바와 같이, 도 4에 따른 구조를 사용하는 것도 가능하다. 이로 인해 기본적으로, 예를 들어 실제적인 작은 지리적 섬과 같은 단독 네트워크에서 기본적으로 이용될 뿐만 아니라 더 대형 공급 네트워크에서 스위칭 동작으로 인해 이러한 공급 네트워크의 부분 영역이 단독 네트워크로서 형성되는 경우, 즉 일시적으로 연결이 분리되는 경우, 일시적인 단독 네트워크 상황도 고려될 수 있다.
조절 토크 TR의 제공에 의해 회전자 이동 또는 가상의 동기 기계의 가상의 회전자 이동은, 미리 정해진 주파수 또는 미리 정해진 설정 회전 속도 ω5가 설정되도록 조절될 수 있다. 토크 재계산(16)에 의한 설정 전력 Ps의 고려는 여기에서 우선 제공되지 않는다. 상기 설정 전력은 필요한 경우 설정 전력 스위치(52)를 통해 선택될 수 있다. 그러나 가상의 전기 토크 Te는 계속해서 토크 합산기(14)를 통해 유효한 토크 Tw에 작용한다. 이와 관련하여, 기계 모델은 변경되지 않은 채로 유지되지만, 다른 조절이 구현되었다. 전압 조절을 위해 도 5의 구조에 따른 단독 네트워크 작동은, 즉 PI-전압 조절 부분(54)으로서 PI-부분의 사용도 제공된다. PI-전압 조절 부분(54)은, 여기에서 간단함을 위해 도 4에서와 동일한 명칭을 갖는 조절 무효 전력 QR을 출력한다. 즉, 이러한 조절 무효 전력 QR에 적분 부분이 포함된다. 네트워크 접속점에서 미리 정해진 전압 Vpccs와 거기에서 측정된 전압 VPCCI의 차이는 이러한 PI-전압 부분(54)의 입력을 형성한다. 활성 무효 전력 Qw는 이제 조절 무효 전력 QR과 측정된 무효 전력 Qi의 차이의 결과이다. 무효 전력 스위치(56)로 PI-전압 조절 부분(54)의 출력부에 연결되기 때문에, 미리 정해진 무효 전력 Qs는 활성화되지 않는다.
이제 PI-전압 조절 부분(44)에 의해, 실질적으로 이로써 무효 전력이 미리 정해지는 것이 달성되고, 이러한 무효 전력은 네트워크 접속점에서 측정된 전압과 미리 정해진 전압 사이의 전압 편차에 의존한다. PI-전압 부분(54)의 적분 부분은 네트워크 접속점에서 미리 정해진 전압의 고정적인 정확도를 달성하기 위해 제공된다.
따라서 단독 네트워크에서 자체 기동 모드로부터 부하 모드로, 및 그 반대로 전환을 위해, 가상 임피던스의 적응이 수행된다. 이는, 눈에 띄는 부하 없이 작동 중에, 안정성을 보장하기 위해, 가상의 자기 휠 전압과 측정된 단자 전압 사이의 차이의 더 큰 저역 통과 필터링이 필요할 수 있기 때문에 제안된다.
가상 임피던스의 적응은 도 6에 도시된다. 자체 기동 모드로부터 부하 모드로 전환 시 적응은 유효- 및/또는 무효 전력에 관련될 수 있는 컨버터의 측정된 출력 전력에 기초하거나, 대안으로서 측정된 출력 전력 구배 dP/dt 및/또는 dQ/dt에 기초하며, 도 6에서 조건 1 또는 조건 C1으로서 표시된다. 이 경우 가상 임피던스 Zs의 유도성 성분 Ls가 변경되고, 이러한 변경은 최대 구배에 의해 제한되며, 상기 구배는 레이트 리미터(rate limiter)로서 지칭될 수 있다.
부하 모드로부터 자체 기동 모드로 전이 시 부하 임피던스는 훨씬 더 커진다. 전이 동안 설정값 전류는 변경되지 않기 때문에, 이는 단자 전압의 일시적인 상당한 증가를 야기한다. 도 6에 조건 2 또는 조건 C2으로서 표시된, 가상 자기 휠 전압과 측정된 단자 전압의 진폭들 사이의 차이가 특정한 한계를 초과하면, 조절의 가상 임피던스가 변경된다.
이와 관련하여 도 6은 도 4 및 도 5의 구조들의 가상 임피던스 Zv의 전환을 도시하며, 따라서 상기 가상 임피던스 Zv의 값은 역으로 승산기(60)에서 차동 전압 UDV와 곱해져, 설정 전류 Iabe가 얻어진다. 3상 설정 전류 Iabe는 3상 특성으로 인해 설정 전류라고도 할 수 있고, 즉 위상당 하나의 전류를 갖는다. 다른 3상 변수에도 동일하게 적용된다.
ZS라고도 할 수 있는 가상 임피던스 ZV는 유도성 부분 LS와 저항 부분 RS로 구성되며, 이들 변수는 임피던스 블록(62)에 대한 입력을 형성하며, 상기 블록에서 상기 2개의 성분이 결합되고, 추가 계산을 위해 임피던스의 역이 형성되어 출력된다.
도시된 실시예에 따라 유도성 부분 Ls가 변경되고, 이 경우 저항 부분 Rs는 변경되지 않은 채로 유지된다. 그러나 상기 부분은 기본적으로 변경될 수도 있다.
유도성 부분 Ls의 변경 또는 설정은 특히, 자체 기동 모드가 존재하는지 또는 부하 모드가 존재하는지에 의존한다. 따라서 이러한 작동 모드에 따라서 모드 스위치(64)를 이용하여, 2개의 유도성 부분들 사이에서, 즉 자체 기동 모드를 위한 유도성 성분 Lsi와 부하 모드를 위한 유도성 부분 Ls2 사이에서 전환될 수 있다. 이를 위해 2개의 조건 C1 및 C2가 모드 스위치(64)에 입력된다. 작동 중에 이러한 전환이 수행될 수 있지만, 가상 인덕턴스 Zv 또는 Zs의 변화는 갑작스럽지 않게 이루어져야 하므로, 이러한 변화가 최대 기울기를 갖는 램프로서 전달되거나 또는 최대 기울기를 갖는 에지로 제한되도록 하는 구배 블록(66)이 제공된다. 그러한 점에서 이러한 최대 기울기는 값에 따라 제한된다. 따라서 증가와 감소가 모두 제한된다. 따라서 모드 스위치(64)에서 유도성 성분들의 2개의 값 사이에서 전환되어 모드 스위치(64)의 출력이 점프이면, 구배 블록(66)의 출력은 램프이다.
결과적으로, 가상 임피던스 Zv 또는 Zs는 점진적으로 변화하고, 따라서 이러한 변화는 작동 중에 이루어질 수 있고, 승산기(60)에 의해 설정 전류 Iabc에 직접 작용한다.
특히 자체 기동 모드에서, 2개의 유도성 성분 Lsi 및 Ls2 사이에서 전환될 뿐만 아니라, 모드 스위치(64)의 각각의 스위치 위치에 따라 유효한 유도성 성분이 변경되는 것도 고려된다. 이러한 변경도 구배 블록(66)에 의해 최대 구배로, 즉 최대 에지 경사도로 제한될 수 있다.
이어서 도 7은 네트워크 접속점에서 측정된 전압 VPCC의 필터링을 설명한다. 측정된 전압은 여기에서 Vpcc'라고 하는 한편, 필터링된 결과는 전압 Vpcc이다. 측정된 전압 Vpcc는 변환 블록(70)에 입력되고, 상기 블록은 이러한 3상 전압을 q-성분과 d-성분을 갖는 기본적으로 공개된 표현으로 변환한다. 변환은 d/q-변환이라고도 하며, 예를 들어 단지-변환으로도 공개된 동일한 변환과 관련된다. 이러한 변환은 3상 변수, 즉 3개의 위상의 전압을 축 d와 q를 가진 2축 좌표계로 변환한다. 예를 들어 설명하기 위해 q-블록(72)은 q-성분을 포함하고 d-블록(74)은 d-성분을 포함한다. 이러한 2개의 성분이 필터링되지 않은 전압 신호 Vpcc에도 속한다는 것을 명확히 하기 위해, 대시 표시된 변수, 즉 q' 및 d'로 표시된다. 이들은 각각 필터 블록, 즉 q-필터 블록(76)과 d-필터 블록(78)에 포함된다. 2개의 필터 블록(76 및 78)은 동일하지만 상이할 수도 있다. 도 7에 제안된 구조는 각각 2개의 동일하게 파라미터화된 1차 선형 필터, 즉 각각 하나의 PT1-요소 또는 PT1-필터를 사용한다. 따라서 2개의 성분 q' 및 d'은 1차 저역 통과 필터에 의해 제공되고, 그 결과는 각각 필터링된 성분 q 또는 d이다. 이러한 필터링된 성분 q 및 d는 그 후에 재변환 블록(80)에 제공되고, 3상 시스템으로 재변환된다. 결과는, 특히 도 4 및 5에서 출력 합산기(10)에 제공되는 필터링된 3상 전압 Vpcc이다.
도 8은 전압 진폭 U를 초 단위의 시간에 걸쳐 볼트로 나타낸 2개의 전압 다이어그램을 도시한다. 따라서 도시된 전압은 실질적으로 각각 20ms 주기의 정현파 파형을 갖는 전압 및 따라서 50Hz 신호의 전압을 나타낸다.
도 8의 상부도에 네트워크 접속점에서 기록된 하나의 위상의 전압 V'1,pcc가 도시된다. 이것은 따라서 도 7의 변환 블록(70)의 입력부에서 3상 전압 Vpcc의 위상에 대응한다. 도 8의 결과는 시뮬레이션 결과임에 유의해야 한다. 전압의 표시를 위해 일부는 문자 U가 일부는 문자 V가 사용되고, 이로 인해 어떠한 기술적 차이를 나타내는 것이 아니라는 사실이 참조된다.
이로써 도 8의 상부 다이어그램은 심한 잡음을 갖는 것을 알 수 있는 필터링되지 않은 전압을 도시한다.
상부 다이어그램과 동일한 시간축을 갖는 도 8의 하부 다이어그램에는 2개의 필터링된 전압이 도시된다. 전압 V1,PCC는 상부 다이어그램의 필터링되지 않은 전압 V'1,PCC에 대한 필터링된 곡선을 도시하며, 상기 곡선은 도 7에 따른 필터링의 결과이다. 이로써 전압 V1,PCC는 도 7의 재변환 블록(80)의 출력부에서 도 8의 상부 다이어그램에 대응하는 3상 전압 신호 VPCC의 위상이다. 3개의 모든 위상이 도 8의 상부 다이어그램에서와 같은 파형을 가지며, 3상 전압 신호가 도 7의 변환 블록(70)에 입력되면, 도 7의 재변환 블록(80)의 출력부에서 3상 전압 신호가 얻어지고, 상기 전압 신호로부터 3개의 모든 위상은 예컨대 도 8의 하부 도면에 따른 파형 Vi,PCC를 갖는다. 필터링되지 않은 전압 V'1,PCC 및 필터링된 전압 V1,PCC는 동일한 위상과 관련된다.
필터링되지 않은 전압 V'1,PCC와 대응하는 필터링된 전압 V1,PCC 사이에 실제로 위상 변이가 나타나지 않는 것을 알 수 있다.
필터링을 위해, 도 7에 따라 2개의 필터 블록(76, 78)의 경우에 동일한 이득, 즉 1 및 동일한 시상수, 즉 10 밀리초를 갖는 PT1-요소가 사용되었다.
비교로서 상부 도면의 동일한 잡음 신호 V'1,PCC는 2개의 필터 블록(76 및 78)과 동일하게 파라미터화된 PT1-필터를 통해 직접 필터링되었다. PT1-필터를 이용한 이러한 직접 필터링의 결과는 하부 다이어그램에 점선으로 표시되고, VPTIR로 지칭된다. PT1-필터의 이득의 조정에 의해 확실하게 조정될 수 있는 감소한 진폭 외에도 거의 90도의 위상 변이를 명확하게 볼 수 있다. 이것은 실제로 PT1-필터에 의해 공개된 위상 거동도 반영한다.
이로써, 3상 신호에 따라 의도대로 조정될 뿐만 아니라, 특히 정현파 신호가 예상된다는 사실도 고려하는 제안된 필터링은 매우 양호한 필터 결과를 제공하는 것을 알 수 있다. 특히, 위상 정확도가 강조되어야 한다. 내부적으로 사용되는 PT1-필터를 사용하면 유사한 필터 품질, 즉 유사한 잡음 억제를 갖는 직접 필터링은 큰 위상 변이 또는 큰 위상 지연으로만 가능할 것이다. 대안으로서, 특히 위상 지연의 문제를 줄이기 위해, 훨씬 더 복잡한 특히 고차 필터가 사용될 수 있다. 그러나 이러한 필터는 훨씬 더 복잡하게 설계되어야 하고, 예상되는 잡음 거동에 대해 매우 정확하게 조정되어야 하며, 필터링될 신호의 변화, 특히 중첩된 간섭 변수에 대해 덜 강건할 수 있다.
이로써 강한 네트워크는 물론 약한 네트워크에 대해, 네트워크 작동 시 컨버터의 전력 조절 및 단독 네트워크 작동 시 자체 기동 가능한 컨버터가 제안된다. 이 경우 단독 네트워크 작동 시 전압- 및 주파수 조절도 제안되었다.
원칙적으로, 조절 방법은 다양한 일차 에너지 형태, 예를 들어 풍력 발전 설비, 축전지, 플라이 휠 및 기타 형태와 함께 이용하기에 적합하다. 또한, 예를 들어 무정전 전원 공급 장치(UPS)에서처럼 설비 공급 네트워크의 자체 제어식 구조도 가능하다.
따라서 컨버터로 동기 기계를 에뮬레이트하는 방법이 제공된다. 이것은 또한 다음의 사실에 기초한다. 동기 기계 에뮬레이션은 전력 전자 장치에 기반한 에너지 공급 시스템에 안내될 수 있는, 전력 전자 장치에 의해 제어되는 부하 및 발전기 유닛의 관여의 증가와 관련해서 특히 중요하다. 이러한 시스템은 네트워크 불안정성을 야기하는데, 그 이유는 예를 들어 네트워크 주파수 변화 시, 종래의 발전소 발전기의 관성 토크 또는 저장된 회전 에너지는 더 이상 이용 가능하지 않지만 목표한 조절 전략에 의해 에뮬레이트될 수 있기 때문이다. 이로써 이는 가상의 동기 기계의 적절한 파라미터화 시 주파수와 관련된 다양한 현상, 예를 들어 대형 발전소 또는 HVDC 라인의 고장 후 주파수 붕괴에 긍정적으로 작용한다. 주파수 변화도 관련이 있을 수 있다.
전력 공급 네트워크의 손실 후, 특히 통합 네트워크의 손실 후, 단독 네트워크 시스템의 형성은 자체 기동성에 의해 달성될 수 있으며, 상기 시스템에서 네트워크 전압과 주파수는 컨버터에 의해 미리 정해질 수 있다.
전류 제한을 간단하게 구현하기 위한 전류 조절식 컨버터를 이용한 동기 기계의 기본 방정식의 사용이 가능해진다.
자체 기동 시 그리고 무부하 작동으로부터 단독 네트워크 작동으로 및 역으로 전환 시 네트워크 형성을 위한 방법의 이용이 우선된다.
또한, 정현파 설정 전류를 생성하기 위해, 방정식(10)에 표시된 바와 같이 전압의 순간값이 사용되는 것이 제안된다. 컨버터의 측정된 단자 전압은 정현파가 아니며 많은 고조파를 포함할 수 있으므로, 설정값 전류의 계산 시 문제가 발생할 수 있으며 바람직하지 않은 경우 불안정성을 초래할 수 있다. abc 좌표계와 달리, qd 성분의 단자 전압의 필터링 프로세스는, 정상 상태에서 진폭과 위상 변이를 보상할 필요 없이, 작은 필터 시상수로 개선된 전압 품질을 제공한다.
방정식(9)에 따른 가상 임피던스는 작동 모드에 따라 적응적으로 조정되어, 적어도 실시예에 따라 조절 안정성이 보장된다.
특히, 하기 특성들을 갖는 전류 조절식 컨버터의 안정적인 작동도 이루어질 수 있다:
접속된 부하 없이 컨버터 단자에 전압을 인가함으로써 자체 기동.
선택 가능한 설정값으로 전압 및 주파수를 제어하면서 부하로 단독 작동으로 전환
기존 네트워크와 동기화 및 네트워크 주파수 및 전압에 따라 유효- 및 무효 전력의 신속한 조절.
매우 작은 단락비에서도 네트워크 작동.
다음 문헌이 특히 참조된다:
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Claims (18)
- 특히 풍력 발전 설비에 의해, 인버터를 사용하여, 네트워크 접속점에서 3상 전력 공급 네트워크에 전력을 공급하기 위한 방법으로서,
- 특히 상기 네트워크 접속점에서 전력 네트워크 전압을 검출하는 단계,
- 동기 기계(synchronous machine)의 거동을 에뮬레이트(emulate)하는 기계 모델을 사용하여 가상 발전기 전압을 결정하는 단계,
- 상기 가상 발전기 전압과의 비교를 위해 상기 검출된 전력 네트워크 전압을 준비하는 단계;
- 상기 가상 발전기 전압에 따라 그리고 비교를 위해 준비된 상기 전력 네트워크 전압에 따라 공급 전류를 위한 기본값으로서 설정 전류를 미리 정하는 단계; 및
- 상기 설정 전류에 따라 상기 공급 전류를 생성하고 상기 생성된 공급 전류를 상기 네트워크 접속점에서 상기 전력 공급 네트워크에 공급하는 단계
를 포함하고,
상기 가상 발전기 전압과의 비교를 위해 상기 검출된 전력 네트워크 전압을 준비하는 단계는 상기 검출된 전력 네트워크 전압을 공간 벡터 표현으로 변환하는 단계를 포함하는 것인, 3상 전력 공급 네트워크에 전력을 공급하기 위한 방법. - 제 1 항에 있어서, 상기 검출된 전력 네트워크 전압을 공간 벡터 표현으로 변환하는 단계는 d/q-변환인 것을 특징으로 하는, 3상 전력 공급 네트워크에 전력을 공급하기 위한 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 전력 네트워크 전압이 변환된 공간 벡터 표현의 상기 전력 네트워크 전압은 필터링된 후에 재변환되어, 상기 가상 발전기 전압에 따라 그리고 상기 재변환된 전력 네트워크 전압에 따라 상기 설정 전류가 미리 정해지는 것을 특징으로 하는, 3상 전력 공급 네트워크에 전력을 공급하기 위한 방법.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기계 모델은 고정자와 회전자를 구비한 가상의 동기 기계에 기초하며, 발전기 전압의 결정을 위해,
- 회전자의 가상 회전 각도(θ),
- 회전자의 가상 회전 속도(ω),
- 가상 여자기 전압,
- 가상 고정자 전류,
- 회전자의 가상 관성 토크(J),
- 회전자의 가상 토크(Te), 및
- 회전자의 가상 마찰(Dp)
을 포함하는 목록 중 하나, 복수, 또는 모든 변수를 사용하는 것인, 3상 전력 공급 네트워크에 전력을 공급하기 위한 방법. - 제 4 항에 있어서,
- 상기 생성된 공급 전류는 가상 고정자 전류로서 사용되며, 추가로 또는 대안으로
- 상기 가상 관성 토크(J)가 설정 가능한 것을 특징으로 하는, 3상 전력 공급 네트워크에 전력을 공급하기 위한 방법. - 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 가상 관성 토크(J)는 네트워크 상태 또는 네트워크 특성에 따라 설정되는 것을 특징으로 하는, 3상 전력 공급 네트워크에 전력을 공급하기 위한 방법.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 설정 전류를 미리 정하기 위해 가상 임피던스가 고려되고, 상기 가상 임피던스는 상기 기계 모델 또는 가상의 동기 기계의 출력부와 상기 네트워크 접속점 사이의 임피던스로서 고려되며, 상기 가상 임피던스의 크기는 가변적인 것을 특징으로 하는, 3상 전력 공급 네트워크에 전력을 공급하기 위한 방법.
- 제 7 항에 있어서, 상기 가상 임피던스는,
- 상기 전력 공급 네트워크의 정상 상태에서 공급되는지, 또는
- 상기 전력 공급 네트워크가 중단되거나 고장난 후, 상기 전력 공급 네트워크가 정상 작동점으로 작동되어야 하는 복구 모드에서 공급되는지에
따라 선택되는 것을 특징으로 하는, 3상 전력 공급 네트워크에 전력을 공급하기 위한 방법. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기계 모델에서
- 가상 회전 속도와 기준 회전 속도 사이의 속도 차이가 형성되고,
- 상기 가상 회전 속도 또는 미리 정해진 주파수의 필터링된 값이 상기 기준 회전 속도로서 사용되고,
- 보조 토크에 대한 차동 회전 속도 이득을 통해 차동 회전 속도가 계산되고,
- 상기 보조 토크는 합산점(summing point)을 통해 상기 기계 모델의 가상 관성 토크에 작용하여, 상기 가상 회전 속도를 상기 기준 회전 속도로 조절할 수 있으며, 바람직하게는
- 상기 기계 모델을 상기 전력 공급 네트워크와 동기화하기 위해 상기 차동 회전 속도가 0으로 설정되는 것을 특징으로 하는, 3상 전력 공급 네트워크에 전력을 공급하기 위한 방법. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
- 상기 기계 모델을 상기 전력 공급 네트워크와 동기화하기 위해
- 설정 전력이 값 0을 가지며,
- 내부 가상 발전기 전압 및/또는 하나의 또는 특정 가상 토크(Te)의 계산을 위해 계산 모델이 사용되고,
계산을 위한 상기 계산 모델은,
- 상기 회전자의 하나의 또는 특정 가상 회전 각도(θ),
- 상기 회전자의 하나의 또는 특정 가상 회전 속도(ω),
- 하나의 또는 특정 가상 여자기 전압, 및
- 상기 공급 전류 또는 상기 설정 전류,
를 포함하는 목록 중 하나, 복수, 또는 모든 변수를 사용하고, 이 경우
특히, 상기 전력 공급 네트워크의 주파수는 검출되지 않는 것을 특징으로 하는, 3상 전력 공급 네트워크에 전력을 공급하기 위한 방법. - 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
- 하나의 또는 특정 가상 여자기 전압은 적어도
- 미리 정해진 무효 전력(reactive power) 그리고 선택적으로
- 상기 네트워크 접속점에서 미리 정해진 전력 네트워크 전압에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는, 3상 전력 공급 네트워크에 전력을 공급하기 위한 방법. - 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기계 모델의 전기 변수는, 특히 d/q 변환에 따라 공간 벡터 표현으로 계산되는 것을 특징으로 하는, 3상 전력 공급 네트워크에 전력을 공급하기 위한 방법.
- 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공급 전류는 허용 오차 대역(tolerance band) 방법에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는, 3상 전력 공급 네트워크에 전력을 공급하기 위한 방법.
- 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
단독 네트워크(island network) 작동 시, 상기 인버터가 네트워크 주파수를 미리 정하면,
- 가상 회전 속도(ω)는, 특히 상기 기계 모델에서 작용하는 하나의 또는 특정 보조 토크가 가상 회전 속도 및 미리 정해진 네트워크 주파수 사이의 차이에 따라서 조절되도록, 미리 정해진 네트워크 주파수에 의존하고, 및/또는
- 가상 여자기 전압은,
- 특히 상기 가상 여자기 전압이 의존하는 보조 무효 전력값이, 상기 전력 공급 네트워크의 미리 정해진 전압과 상기 전력 공급 네트워크의 검출된 전압 사이의 차이에 따라서 조절되도록, 상기 미리 정해진 전압 및 상기 검출된 전압에 의존하는 것을 특징으로 하는, 3상 전력 공급 네트워크에 전력을 공급하기 위한 방법. - 제 14 항에 있어서, 단독 네트워크 작동 시
- 상기 보조 토크는 PI-조절기에 의해 조절되고,
- 상기 가상 회전 속도는 특히 상기 보조 토크와 가상 전기 토크 사이의 차이로서 차동 토크를 적분 시상수(1/J)에 대해 적분함으로써 얻어지고, 및/또는
- 상기 보조 무효 전력값은 PI-조절기에 의해 조절되며,
- 상기 가상 여자기 전압은 특히 보조 무효 전력과 검출된 무효 전력의 차이로서 차동 무효 전력을 적분 시상수(G)에 대해 적분함으로써 얻어지는 것을 특징으로 하는, 3상 전력 공급 네트워크에 전력을 공급하기 위한 방법. - 네트워크 접속점에서 3상 전력 공급 네트워크에 전력을 공급하기 위한 풍력 발전 설비로서,
- 공급 전류를 생성하기 위한 인버터;
- 특히 상기 네트워크 접속점에서 전력 네트워크 전압을 검출하기 위한 검출 수단; 및
- 상기 공급을 제어하기 위한 제어 장치
를 포함하고, 상기 제어 장치는
- 동기 기계의 거동을 에뮬레이트하는 기계 모델을 사용하여 가상 발전기 전압을 결정하는 단계;
- 상기 가상 발전기 전압과의 비교를 위해 상기 검출된 전력 네트워크 전압을 준비하는 단계; 및
- 상기 가상 발전기 전압에 따라 그리고 비교를 위해 준비된 상기 전력 네트워크 전압에 따라 상기 공급 전류를 위한 기본값으로서 설정 전류를 미리 정하는 단계
를 포함하는 방법을 수행하기 위해 준비되고,
- 상기 인버터는, 상기 설정 전류에 따라 상기 공급 전류를 생성하도록 그리고 상기 생성된 공급 전류를 상기 네트워크 접속점에서 상기 3상 전력 공급 네트워크에 공급하도록 준비되며,
상기 가상 발전기 전압과의 비교를 위해 상기 검출된 전력 네트워크 전압을 준비하는 단계는 상기 검출된 전력 네트워크 전압을 공간 벡터 표현으로 변환하는 단계를 포함하는 것인, 풍력 발전 설비. - 제 16 항에 있어서, 상기 풍력 발전 설비, 특히 제어 장치는, 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하도록 준비되는 것을 특징으로 하는, 풍력 발전 설비.
- 복수의 풍력 발전 설비를 포함하는 풍력 발전 단지(wind farm)로서,
- 제 16 항 또는 제 17 항에 따른 풍력 발전 설비가 사용되고 그리고/또는
- 단지 공급 장치, 특히 단지 인버터가 제공되며, 상기 단지 공급 장치는 네트워크 접속점에 접속되며, 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하도록 준비되는 것인, 풍력 발전 단지.
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