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KR20080077161A - 전력 변환기 - Google Patents

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KR20080077161A
KR20080077161A KR1020087013954A KR20087013954A KR20080077161A KR 20080077161 A KR20080077161 A KR 20080077161A KR 1020087013954 A KR1020087013954 A KR 1020087013954A KR 20087013954 A KR20087013954 A KR 20087013954A KR 20080077161 A KR20080077161 A KR 20080077161A
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KR
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KR1020087013954A
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로드니 존스
헨리크 스티스달
폴 브라이언 브로건
에릭 그론달
Original Assignee
컨버팀 엘티디.
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Publication date
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Abstract

본 발명은 가변 주파수에 따라 가변 전압을 공급하는 발전기를 고정된 공칭 전압과 고정된 공칭 주파수에서 동작하는 공급 네트워크에 연결하는데 사용될 수 있고, 공급 네트워크 장애와 과도상태의 조건 동안 전력 변환기가 공급 네트워크에 연결된 상태를 유지하면서 제어를 유지할 수 있게 한 특징들을 포함하는 전력 변환기를 제공한다. 전력 변환기는 발전기(4)의 고정자에 전기적으로 연결된 발전기 브리지(10)와 네트워크 브리지(14)를 포함한다. 직류 링크(12)는 발전기 브리지(10)와 네트워크 브리지(14) 사이에 연결된다. 네트워크 단자가 구비된 필터는 네트워크 브리지(14)와 공급 네트워크 사이에 연결된다. 제1컨트롤러(18)가 발전기 브리지(14)의 반도체 전력 스위칭 장치의 동작을 제어하기 위해 제공된다. 이와 유사하게, 제2컨트롤러(46)가 네트워크 브리지(14)의 반도체 전력 스위칭 장치의 동작을 제어하기 위해 제공된다. 제1컨트롤러(18)는 직류 링크 전압 요구 신호(VDC_GEN*)에 대응하는 직류 링크 전압의 희망 레벨을 달성하도록 네트워크 브리지(10)의 반도체 전력 스위칭 장치를 제어하기 위하여, 희망 직류 링크 전압을 나타내는 직류 링크 전압 요구 신호(VDC_GEN*)를 이용한다. 제2컨트롤러(46)는 전력 및 전압 요구 신호(P* 및 VTURB*)에 대응하는 전력과 전압의 희망 레벨을 달성하도록 네트워크 브리지(14)의 반도체 전력 스위칭 장치를 제어하기 위하여, 네트워크 브리지(14)를 통하여 직류 링크(12)에서 공급 네트워크로 전달되는 전력의 레벨을 나타내는 전력 요구 신호(P*)와, 필터(16)의 네트워크 단자들에서 달성하려는 전압을 나타내는 전압 요구 신호(VTURB*)를 이용한다.
Figure P1020087013954
전력 변환기, 발전기, 풍력 터빈, 풍력기지

Description

전력 변환기{POWER CONVERTERS}
본 발명은 전력 변환기들에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가변 주파수에 따라 가변 전압을 공급하는 발전기를 고정된 공칭 전압과 고정된 공칭 주파수에서 동작하는 전력망이나 공급 네트워크에 연결하는데 사용될 수 있는 전력 변환기에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 네트워크 장애와 과도상태의 조건 동안 전력 변환기가 공급 네트워크에 연결된 상태를 유지하면서 제어를 유지할 수 있게 한 특징을 포함한다. 상기 전력 변환기는 특히 풍력 터빈(wind turbines)에 이용되는 것이 적합하지만, 그에 한정되는 것은 아니다.
발전기의 회전자를 직접 또는 변속장치(gearbox)에 의해 구동하는 풍력 터빈을 이용하여 풍력 에너지를 전기적인 에너지로 변환할 수 있다. 발전기의 고정자 단자(“고정자 전압”)에서 생성된 교류 주파수는 상기 회전자의 회전 속도에 직접적으로 비례한다. 또한, 상기 발전기 단자에서의 전압은 속도와의 상관관계 및 발전기의 특정 형태에 의존하는 플럭스 레벨에 따라 변한다. 최적의 에너지 획득을 위해, 상기 풍력 터빈의 출력 샤프트(output shaft)에서의 회전 속도는 터빈 날개를 구동하는 풍속에 따라 변할 것이다. 높은 풍속에서의 에너지 획득을 제한하기 위해, 출력 샤프트의 회전 속도는 상기 터빈 날개의 피치를 변경하는 것에 의해 조 절된다. 발전기의 가변 전압과 주파수를 전력 네트워크(power network)의 일정한 공칭 전압과 주파수에 정합(matching)하는 것은 전력 변환기를 이용하여 달성될 수 있다.
미국 특허 5,083,039는 풍력 터빈의 회전 샤프트가 교류 유도성 발전기의 회전자를 구동하는데 이용되는 가변 속도 풍력 터빈(variable speed wind turbine)에 대하여 설명하고 있다. 전력 변환기는 발전기 출력을 전력 네트워크에 연결하는데 이용된다. 상기 전력 변환기는 발전기의 각 위상에서 고정자 전기량(stator electrical quantities)을 제어하는 능동 반도체 전력 스위칭 장치를 포함한다. 토크 명령 장치(torque command device)는 희망 토크를 나타내는 토크 요구 신호(torque demand signal)를 유도하기 위해 이용된다. 발전기 컨트롤러는 자속 기준 제어(field orientation control)하에서 동작하고, 회전자계 좌표(rotation field coordinates)에서 회전자속계(rotor flux field)에 수직한 토크를 나타내는 희망 직교 축 전류(quadrature axis current)를 정의하기 위해 상기 토크 요구 신호에 반응한다. 이때 상기 능동 반도체 전력 스위칭 장치는 상기 희망 직교 축 전류에 대응하는 고정자 전기량을 생산하기 위해 펄스 폭 변조 회로(pulse width modulation circuit)를 이용하는 발전기 컨트롤러에 의해 제어된다. 인버터 컨트롤러는 역률 제어 신호에 의해 지정된 각도에서 앞서거나 뒤지는 전류를 갖는 출력 전류를 다중 위상 교류 전력(multi-phase ac power)에 공급하기 위해 조정한다. 이러한 배치에서, 공급이 급강하하는 동안 네트워크 전압의 손실은 직류 링크 전압(dc link voltage)의 제어 손실을 야기한다. 그 결과, 네트워크 코드에 의해 요 구되는 전압 공급 기능을 위해 필수적인 리액티브 전류를 제어하는 능력도 손실된다.
미국 특허 5,225,712는 상술한 원리를 모드 스위치의 기능으로서 리액티브 전력 제어나 역률 각도 제어를 포함하도록 확장한다. 이와 유사한 방법으로, 미국 특허 5,225,712의 인버터 브리지 컨트롤러 구성(inverter bridge controller scheme)은 직류 링크 전압을 조정하는 것만을 신뢰할 수 있게 한다. 그러므로 두 구성 모두 네트워크 전압이 손실되는 상황 동안, 즉 전압 급강하 동안에 직류 링크 전압 제어와 리액티브 전류를 제어하는 능력도 손실되는 불편함을 겪게 된다.
발명의 요약
본 발명은 가변 주파수에서 가변 전압을 제공하는 발전기를 고정된 공칭 전압과 고정된 공칭 주파수에서 동작하는 공급 네트워크에 연결하는데 이용될 수 있는 전력 변환기를 제공함으로써 상술한 문제점들과 불편한 점들을 적어도 감소시킬 수 있는 것을 목적으로 하며, 상기 전력 변환기는:
발전기의 고정자에 전기적으로 연결되고, 복수개의 반도체 전력 스위칭 장치를 포함하는 제1능동 정류기/인버터;
복수개의 반도체 전력 스위칭 장치를 포함하는 제2능동 정류기/인버터;
상기 제1능동 정류기/인버터와 상기 제2능동 정류기/인버터 간에 연결된 직류 링크;
상기 제2능동 정류기/인버터와 공급 네트워크 간에 연결되고, 네트워크 단자들을 포함하는 필터;
상기 제1능동 정류기/인버터를 제어하는 제1컨트롤러; 및
상기 제2능동 정류기/인버터를 제어하는 제2컨트롤러를 포함하며;
상기 제1컨트롤러는 직류 링크 전압 요구 신호에 대응하는 직류 링크 전압의 희망 레벨을 달성하도록 상기 제1능동 정류기/인버터의 반도체 전력 스위칭 장치를 제어하기 위하여, 희망 직류 링크 전압을 나타내는 직류 링크 전압 요구 신호를 이용하고;
상기 제2컨트롤러는 전력 요구 신호와 전압 요구 신호에 대응하는 전력과 전압의 희망 레벨을 달성하도록 상기 제2능동 정류기/인버터의 반도체 전력 스위칭 장치를 제어하기 위하여, 상기 제2능동 정류기/인버터를 통하여 상기 직류 링크로부터 공급 네트워크에 전달되는 전력의 레벨을 나타내는 전력 요구 신호와, 상기 필터의 네트워크 단자들에서 달성하려는 전압을 나타내는 전압 요구 신호를 이용하도록 구성된다.
상기 전력 변환기는 정상적으로 동작하는 조건 동안 발전기를 공급 네트워크에 연결할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 공급 네트워크 전압이 망 장애(grid faults)나 공급 네트워크에서의 과도 상태로 인하여 변동하는 상황에서도 동작하게 할 수 있는 특징을 포함한다. 보다 상세하게는 상기 제2컨트롤러는 상기 공급 네트워크 전압이 정상 조건으로부터 벗어날 때 상기 제2능동 정류기/인버터로부터 출력될 수 있는 전력의 한계를 결정하기 위해 상기 공급 네트워크 전압의 측정을 이용할 수 있고, 또한, 상기 공급 네트워크 전압이 정상 조건으로부터 벗어날 때 상기 공급 네트워크에 전압의 유지를 제공하기 위해 상기 제2능동 정류기/인버터로부터 공급될 전류의 레벨을 결정하기 위해 상기 공급 네트워크 전압의 측정을 이용할 수 있다.
상기 발전기는 선형 발전기나 회전 발전기 등 적절한 타입으로 구성될 수 있다. 실시예에서는 영구 자석이나 통상적인 계자 권선 또는 초전도성 계자 권선(field windings)과 같은 적합한 수단에 의해 여기되는 유도식 발전기나 동기식 발전기를 포함할 것이다. 회전 발전기의 경우, 고정자는 예를 들어, 풍력 터빈, 조력 터빈(tidal turbine), 수력 터빈(hydro-turbine), 증기 터빈 엔진(steam turbine engine), 디젤 엔진 또는 가스 터빈 엔진과 같은 터빈이나 원동기의 출력 샤프트에 연결되거나, 그에 의해 구동될 수 있다. 선형 발전기는 에를 들어, 파력 발전기와 같이 본래 왕복운동에 이로운 응용장치에 이용될 수 있다.
상기 제1컨트롤러는 발전기에서 달성되어야 할 플럭스의 희망 레벨을 나타내는 플럭스 요구 신호(flux demand signal)를 이용하고, 이 신호를 상기 제1능동 정류기/인버터를 위한 직류 축 전류 요구 신호(direct axis current demand signal)로 변환하는 것이 바람직하다. 이때 상기 제1컨트롤러는 제1능동 정류기/인버터에서의 희망 직류 축 전류(desired direct axis current)를 달성하는 고정자의 전기량을 생산하도록, 상기 제1능동 정류기/인버터의 반도체 전력 스위칭 장치의 동작을 제어하기 위해 상기 직류 축 전류 요구 신호를 이용할 수 있다. 여기서 상기 용어 “고정자 전기량”은 다상 발전기(multi-phase generator)에서의 개개의 상전압 크기, 개개의 상전류 크기, 위상 및 주파수 중 어느 것 하나 그리고 모두를 나타내는 것으로 사용된다.
상기 제1능동 정류기/인버터의 반도체 전력 스위칭 장치의 동작은 통상적인 펄스 폭 변조 방식에 따라 유도된 게이트 구동 제어 신호(gate drive control signals)를 이용하여 제어될 수 있다. 펄스 폭 변조 방식의 다양한 형태들이 고려될 수 있음은 쉽게 알 수 있을 것이다. 2-레벨 전압원 인버터(two-level voltage source inverter)가 구비된 본 발명의 바람직한 측면에서 고정 주파수 펄스 폭 변조 방식(fixed frequency pulse width modulation)이 다음과 같이 실행될 수 있을 것이다. 디지털 프로세서에서, 직류 축 전압 신호와 직교 축 전압 신호의 조합으로부터 결정된 출력 전압 요구 조건은, 능동 정류기/인버터에서 주어진 위상에 적용된 출력 전압에서의 각도 값에 의해 결정된 강화된 3중 사인 파형(triplen enhanced sine waveform)의 값에 의해 곱해진다. 강화된 3중 사인 파형은 주어진 직류 링크 전압에서 상기 능동 정류기/인버터 블록의 교류 단자에서 도달될 수 있는 출력 전압을 최대화하기 위해 이용된다. 합성 신호는 상기 능동 정류기/인버터의 그 다음 위상에서 상부 반도체 전력 스위칭 장치와 하부 반도체 전력 스위칭 장치의 특정한 스위칭 타임을 결정하기 위해 고정된 주파수에서 연속적인 삼각 파형과 비교된다. 주지의 스위칭 지연을 극복하고, 상부 및 하부 반도체 전력 스위칭 장치의 동시 전도를 방지하기 위해, 귀선 기간(blanking periods)이 상기 상부 반도체 전력 스위칭 장치가 턴 오프되는 것과 상기 하부 반도체 전력 스위칭 장치가 턴 온되는 것 사이의 특정 스위칭 타임에 부과될 수 있다. 귀선 기간이 상기 하부 반도체 전력 스위칭 장치가 턴 오프되는 것과 상기 상부 반도체 전력 스위칭 장치가 턴 온되는 것 사이에 부과되는 것도 유사하다. 이와 같은 과정이 상기 능동 정류기/인버터의 각 위상에 대하여 반복된다.
상기 제1컨트롤러는 발전기의 하나 또는 그 이상의 특징들과 관련하여 플럭스 요구 신호를 직류 전류 축 요구 신호(direct current axis demand signal)로 변환하는 것이 바람직하다. 상기 특징들은 발전기 등가 회로 요소들(parameters) 및/또는 정격 전류, 정격 전압, 정격 속도, 정격 전력 및 정격 주파수와 같은 명판 데이터(nameplate data)와, 자화 곡선(magnetisation curve)과 같은 데이터를 포함할 수도 있다. 상기 자화 곡선은 발전기에서의 고정자 플럭스와 그것을 이루기 위해 필요한 직류 축 전류 사이의 관계를 제공한다. 일반적으로 발전기에 대한 자화 곡선은 일정한 플럭스 레벨에 이르기까지는 고정자 플럭스와 직류 축 전류 사이에 선형적인 관계를 보여줄 것이다. 그러나, 이러한 일정 레벨의 범위를 넘어서는 플럭스의 조그만 증가가 직류 축 전류에서의 더 큰 증가를 요구할 것이다. 이러한 비선형적인 영역은 발전기의 자기회로를 형성하기 위해 이용되는 철의 포화와 관련된다. 상기 자화 곡선은 발전기의 제조 동안의 테스트 과정으로부터, 또는 발전기 커미셔닝 단계 동안(during the commissioning step) 실행된 전류 주사 실험(current injection tests)에 의해 유도될 수 있다. 그러한 전류 주사 실험은 전력 변환기/발전기 조합에서의 일상적인 셀프-커미셔닝(self-commissioning)의 일부로서 자동적으로 정해질 수 있다.
상기 제1컨트롤러는 제1능동 정류기/인버터에서의 직교 축 전류 요구 신호를 결정하기 위해 희망 직류 링크 전압을 나타내는 직류 링크 전압 요구 신호(dc link voltage demand signal)와 직류 링크 전압 피드백 신호(dc link feedback signal)를 비교하는 것이 바람직하다. 이때 상기 제1컨트롤러는 상기 제1능동 정류기/인버터에서의 희망 직교 축 전류를 달성하는 고정자의 전기량을 생성하기 위해, 제1능동 정류기/인버터의 반도체 전력 스위칭 장치를 제어할 수 있다.
상기 제2컨트롤러는 우세한 공급 네트워크 전압 조건에 따라 변하는 제어 신호를 상기 제1컨트롤러로 공급할 수 있다. 이것은 직류 링크 전류 요구 신호를 결정하기 위해 상기 제1컨트롤러가 희망 직류 링크 전압을 나타내는 직류 링크 전압 요구 신호를 직류 링크 전압 피드백 신호와 비교하고, 제한된 직류 링크 전류 요구 신호를 결정하기 위해 상기 제2컨트롤러로부터의 제어 신호를 이용하여 상기 직류 링크 전류 요구 신호를 제한한다. 이때, 상기 제한된 직류 링크 전류 요구 신호는 상기 제1능동 정류기/인버터를 위한 직교 축 전류 요구 신호를 결정하기 위해 상기 제1컨트롤러에 의해 이용될 수 있다.
이의 대안으로, 상기 제2컨트롤러는 우세한 공급 네트워크의 전압 조건에 따라 변하는 제어 신호 및/또는 전력 요구 신호를 상기 제1컨트롤러로 공급할 수 있다. 이것은 상기 제1컨트롤러의 직류 링크 전압 컨트롤러가 직류 링크 전류 요구 신호를 결정할 수 있도록, 상기 제어 신호에 더해지는 출력 신호를 제공하기 위해 희망 직류 링크 전압을 나타내는 직류 링크 전압 요구 신호를 상기 직류 링크 전압 피드백 신호와 비교할 수 있다. 이때, 상기 직류 전류 요구 신호는 상기 제1능동 정류기/인버터를 위한 상기 직교 축 전류 요구 신호를 결정하기 위해 이용될 수 있다.
상기 제2컨트롤러는 상기 직류 링크에서 상기 제2능동 정류기/인버터를 통하여 공급 네트워크로 전달되는 전력의 레벨을 나타내는 전력 요구 신호를 상기 제2능동 정류기/인버터를 위한 직교 축 전류 요구 신호(quadrature axis current demand signal)로 변환하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 제2컨트롤러는 상기 제2능동 정류기/인버터를 위한 희망 직교 축 전류를 달성할 수 있는 필터/공급 네트워크 전기량을 생상하기 위해 상기 제2능동 정류기/인버터의 반도체 전력 스위칭 장치를 제어할 수 있다. 여기서, 용어 “필터/공급 네트워크 전기량”은 다상 능동 정류기/인버터 시스템에서의 개개의 상전압 크기, 개개의 상전류 크기, 위상 및 주파수 중 어느 것 하나 그리고 모두를 나타내는 것으로 사용된다. 용어 “다상”은 일반적으로 3상을 나타내지만, 다른 개수의 위상들을 포함할 수도 있다. 또한, 상기 제2능동 정류기/인버터의 반도체 전력 스위칭 장치의 동작은 통상적인 펄스 폭 변조 방식에 따라 유도되는 게이트 구동 제어 신호(gate drive control signals)를 이용하여 제어될 수도 있다.
상기 전력 요구 신호는 상기 필터의 네트워크 단자에서의 전압으로부터 유도된 신호에 의해 상기 전력 요구 신호를 나눔으로써 상기 직교 축 전류 요구 신호로 변환될 수 있다. 이 신호는 상기 필터의 네트워크 측에서 측정된 3상 전압으로부터 유도되는 교류 전압의 직교 축 성분인 것이 바람직하다. 이의 대안으로, 상기 전력 요구 신호는 상기 필터의 네트워크 단자에서의 전압으로부터 유도된 신호의 여과된 버전(filtered version)에 의해 상기 전력 요구 신호를 나눔으로써 상기 직교 축 전류 요구 신호로 변환될 수 있다.
상기 제2컨트롤러는 희망 직류 링크 전압을 나타내는 다음 직류 링크 전압 요구 신호(a further dc link voltage demand signal)를 이용하고, 무제한의 직교 축 전류 요구 신호를 결정하기 위해 상기 다음 직류 링크 전압 요구 신호를 상기 직류 링크 전압 피드백 신호와 비교한다. 이때 상기 무제한의 직교 축 전류 요구 신호는 상기 제2능동 정류기/인버터를 위한 직교 축 전류 요구 신호를 결정하기 위해 제한될 수 있다. 상기 무제한의 직교 축 전류 요구 신호는 결국 상기 전력 요구 신호로부터 유도되는 것이 바람직한 제한 신호(limiting signal)에 의해 결정된 값으로 제한될 수 있다.
상기 무제한의 직교 축 전류 요구 신호는, 다음의 신호들로부터 유도된: 즉, 발전기 전력을 나타내는 신호, 상기 필터의 네트워크 단자에서 측정된 전압 피드백 신호 및 우세한 공급 네트워크 전압 조건에 따라 변하는 이득 신호로부터 유도된 직교 축 전류 피드포워드 신호에 더해질 수 있다.
상기 발전기 전력을 나타내는 신호는 상기 제1컨트롤러에서 상기 제2컨트롤러로 공급될 수 있다. 이의 대안으로, 상기 발전기 전력을 나타내는 신호에서 상기 제1컨트롤러의 직류 링크 전압 컨트롤러에 있는 PI 컨트롤러의 출력을 뺀 것이 상기 제2컨트롤러로 공급될 수 있고, 공급 네트워크 전압이 급강하하는 상황 동안에만 상기 제2컨트롤러에 의해 이용된다.
상기 제2컨트롤러는 상기 전력 요구 신호로부터 유도된 제한 신호를 우세한 공급 네트워크 전압 조건에 따라 조정할 수 있다. 예를 들어 공급 네트워크 장애나 과도 상태 조건 동안, 상기 제한 신호는 공급 네트워크에서 정상 전압 조건으로부터의 이탈에 반응하여 상기 제2컨트롤러에 의해 수정될 수 있다. 이것은 전압 및/또는 주파수의 유지와 같은 공급 네트워크 이용 요구조건(supply network utility requirements)을 만족시키기 위해 상기 공급 네트워크로 전달되는 전력의 변경을 야기할 것이다.
상기 직류 링크는 커패시터를 포함할 수 있다. 이 경우 상기 전력 변환기는 상기 커패시터에서 흐르는 전류를 측정하고 출력 신호를 공급하기 위한 전류 센서를 더 포함할 수 있다. 상기 제1능동 정류기/인버터에 대한 직류 링크 전류 요구 신호를 결정하기 위해 상기 제1컨트롤러에 있는 직류 링크 전압 컨트롤러의 출력에 더해지는 암시된(inferred signal) 신호를 공급하도록, 상기 전류 센서의 출력 신호가 상기 발전기 전력을 나타내는 신호로부터 유도된 신호에서 차감될 수 있다. 이의 대안으로, 상기 제1능동 정류기/인버터에 대한 직류 링크 전류 요구 신호를 결정하기 위해 상기 제1컨트롤러에 있는 직류 링크 전압 컨트롤러의 출력에 더해지고 여과되는 신호를 공급하도록, 상기 전류 센서의 출력 신호가 상기 발전기 전력을 나타내는 신호로부터 유도된 신호에서 차감될 수 있다.
이의 대안으로, 상기 직류 링크 전압을 측정하고 직류 링크 전압 피드백 신호를 제공하기 위한 전압 센서가 더 포함될 수 있다. 또한, 상기 직류 링크 전압 피드백 신호의 변화율을 측정하기 위한 수단도 제공될 수 있다. 상기 직류 링크 전압 피드백 신호가 제1문턱전압보다 크고, 상기 직류 링크 전압 피드백 신호의 변화율이 제2문턱전압보다 클 때, 상기 제1컨트롤러의 직류 링크 전압 컨트롤러에 있는 PI 컨트롤러의 적분 값이 미리 결정된 요인에 의해 수정될 수 있다.
공급 네트워크 전압이 급강하하는 상황 동안, 상기 제2능동 정류기/인버터를 위한 직교 축 전류 축 요구 신호가, 우세한 공급 네트워크 전압 조건의 함수로서 수정된 상기 제2능동 정류기/인버터의 전력 제한 정격(power limit rating)에서 유도된 신호의 슬루우 레이트 제한 버전(slew rate limited version)으로부터 유도될 수 있다.
상기 제2컨트롤러는 상기 제2능동 정류기/인버터를 위한 직류 축 전류 요구 신호를 결정하기 위해, 상기 필터의 네트워크 단자에서 달성하려는 전압의 레벨을 나타내는 전압 요구 신호와 상기 필터의 네트워크 단자에서 측정된 전압 피드백 신호를 비교하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 제2컨트롤러는 상기 제2능동 정류기/인버터를 위한 희망 직류 축 전류를 달성하는 필터/공급 네트워크 전기량을 생산하도록, 상기 제2능동 정류기/인버터의 반도체 전력 스위칭 장치를 제어할 수 있다.
상기 제2컨트롤러는 우세한 공급 네트워크 전압 조건에 따라 상기 직류 축 전류 요구 신호를 수정할 수 있다.
상기 제2컨트롤러는 상기 필터의 네트워크 단자에서 달성하려는 전압의 레벨을 나타내는 전압 요구 신호와 상기 직류 축 전류 요구 신호로부터 유도된 신호에 따라 상기 필터의 네트워크 단자에서 측정된 전압 피드백 신호 사이의 차이로부터 발생된 오차 신호를 수정할 수 있다. 상기 직류 축 전류 요구 신호로부터 유도된 신호에 따라 상기 오차 신호를 수정하는 목적은, 특정 공급 네트워크에 연결된 다수의 발전기들 사이에 전류를 공유하는데 기여할 수 있는 특성을 실현할 수 있다는 것이다.
상기 전력 변환기는 상기 발전기 이동부의 속도를 나타내는 속도 신호를 유도하기 위한 속도 센서를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다(즉, 회전식 발전기의 경우에는 회전자이고 선형 발전기의 경우에는 병진기(translator)). 그러나, 몇몇 경우에 상기 속도 센서는 속도 신호를 유도하기 위해 상기 제1능동 정류기/인버터의 내부 신호를 이용하는 속도 관측 시스템으로 대체될 수 있다. 이때, 상기 속도 신호(상기 속도 센서나 속도 관측 시스템으로부터 유도된)는 전력 요구 신호와 속도에 관한 룩업 테이블을 기준으로 하여 상기 전력 요구 신호를 유도하기 위해 이용될 수 있다. 상기 룩업 테이블은 PI 컨트롤러에 결합될 수 있다. 상기 속도 신호는 필터 함수에 의해 수정되는 것이 바람직하다. 또한 상기 속도 신호는 전체 전력 요구 신호를 제공하기 위해 상기 룩업 테이블을 기준으로 유도된 전력 요구 신호에 더해지는 제동 항목(damping term)을 공급하도록, 제2필터 함수에 의해 수정되고 이득이 곱해질 수 있다. 상기 필터 함수는 적용 가능하다면, 어떤 샤프트(shaft)나 구동 트레인(drive train) 공진을 줄이기 위해 독립적으로 또는 함께 이용될 수 있다.
또한, 본 발명은 병렬 연결부분(parallel connection)에 의해, 고정된 공칭 전압과 고정된 공칭 주파수에서 동작하는 공급 네트워크에 함께 병렬로 연결된 위에서 설명한 다수의 전력 변환기들을 포함하는 배치를 제공한다. 각 전력 변환기에 있는 필터의 네트워크 단자에서 달성하려는 전압을 나타내는 전압 요구 신호는 최상위 전압 요구 신호와, 상기 병렬 연결부분이 공급 네트워크에 연결되는 포인트에서 측정된 최상위 전압 피드백 신호의 비교로부터 유도되는 것이 바람직하다.
각 개개의 전력 변환기는 관련된 필터와 병렬 연결부분 사이에 전기적으로 연결된 승압형 변압기를 더 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 배치는 상기 병렬 연결부분과 공급 네트워크 사이에 전기적으로 연결된 승압형 변압기를 더 포함할 수 있다. 상기 최상위 전압 피드백 신호는 상기 병렬 연결부분과 공급 네트워크 사이에 전기적으로 연결된 승압형 변압기의 공급 네트워크 측 또는 병렬 연결부분 측 중 어느 하나에서 측정될 수 있다. 상기 승압형 변압기의 공급 네트워크 측에서 상기 최상위 전압 피드백 신호를 측정하는 이점은 상기 병렬 연결부분에서의 측정이 상기 승압형 변압기를 가로지르는 조정에 영향받기 쉽다는 것이다.
상기 전력 변환기는 풍력 터빈에 이용되기 적합하다. 그러므로 본 발명은 고정자와 회전자가 구비된 발전기, 상기 발전기의 회전자를 회전시키기 위한 하나 또는 다수의 터빈 날개를 포함하는 터빈 어셈블리, 및 위에서 설명한 전력 변환기를 포함하여 구성되는 풍력 터빈을 제공한다. 상기 터빈 어셈블리는 발전기의 고정자를 구성요소로 할 수 있다. 이의 대안으로, 상기 터빈의 하나 또는 다수의 날개(3개의 날개가 일반적이다)는 회전할 수 있는 샤프트에 설치되고, 상기 발전기의 회전축은 상기 회전할 수 있는 샤프트에 결합된다. 상기 발전기의 회전자는 상기 회전할 수 있는 샤프트에 직접 또는 변속장치를 통하여 간접적으로 결합될 수 있다.
다수의 풍력 터빈들은 풍력기지를 형성하기 위해 함께 연결될 수 있다. 그러므로, 본 발명은 고정된 공칭 전압과 고정된 공칭 주파수에서 동작하는 공급 네트워크와, 위에서 설명한 다수의 풍력 터빈들을 포함하여 구성되는 풍력기지를 더 제공한다. 다수의 풍력 터빈에 있는 각각의 전력 변환기들은 병렬 연결부분에 의해 상기 공급 네트워크에 함께 병렬로 연결되고, 각 전력 변환기에 있는 필터의 네트워크 단자에서 달성하려는 전압을 나타내는 전압 요구 신호는 최상위 전압 요구 신호와, 상기 병렬 연결부분이 공급 네트워크에 연결되는 포인트에서 측정된 최상위 전압 피드백 신호의 비교로부터 유도된다.
각 개개의 풍력 터빈은 관련된 전력 변환기의 필터와 상기 병렬 연결부분 사이에 전기적으로 연결된 승압형 변압기를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 풍력기지는 상기 병렬 연결부분과 공급 네트워크 사이에 전기적으로 연결된 승압형 변압기를 더 포함하여 구성될 수도 있다. 상기 최상위 전압 피드백 신호는 상기 병렬 연결부분과 공급 네트워크 사이에 전기적으로 연결된 승압형 변압기의 공급 네트워크 측이나 병렬 연결부분 중 어느 하나에서 측정될 수 있다.
또한, 본 발명은 가변 주파수에서 가변 전압을 공급하는 발전기를 고정된 공칭 전압과 고정된 공칭 주파수에서 동작하는 공급 네트워크에 연결하여 사용할 수 있는 전력 변환기의 구동 방법을 제공하며, 이때 상기 전력 변환기는:
발전기의 고정자에 전기적으로 연결되고, 다수의 반도체 전력 스위칭 장치를 포함하는 제1능동 정류기/인버터;
다수의 반도체 전력 스위칭 장치를 포함하는 제2능동 정류기/인버터;
상기 제1능동 정류기/인버터와 상기 제2능동 정류기/인버터 간에 연결된 직류 링크;
상기 제2능동 정류기/인버터와 공급 네트워크 간에 연결되고, 네트워크 단자들을 포함하는 필터;
상기 제1능동 정류기/인버터를 제어하는 제1컨트롤러; 및
상기 제2능동 정류기/인버터를 제어하는 제2컨트롤러를 포함하여 구성되며;
상기 전력 변환기의 구동 방법은:
상기 제1컨트롤러가 직류 링크 전압 요구 신호에 대응하는 직류 링크 전압의 희망 레벨을 달성하도록 상기 제1능동 정류기/인버터의 반도체 전력 스위칭 장치를 제어하기 위하여, 희망 직류 링크 전압을 나타내는 직류 링크 전압 요구 신호를 이용하는 단계; 및
상기 제2컨트롤러가 전력 요구 신호와 전압 요구 신호에 대응하는 전력과 전압의 희망 레벨을 달성하도록 상기 제2능동 정류기/인버터의 반도체 전력 스위칭 장치를 제어하기 위하여, 상기 직류 링크에서 상기 제2능동 정류기/인버터를 통하여 상기 공급 네트워크로 전달되는 전력의 레벨을 나타내는 전력 요구 신호와, 상기 필터의 네트워크 단자들에서 달성하려는 전압을 나타내는 전압 요구 신호를 이용하는 단계를 포함하여 구성된다.
상기 방법은 아래에서 설명되는 단계들을 더 포함할 수 있다.
상기 제2컨트롤러는 상기 공급 네트워크 전압이 정상 조건에서 벗어날 때, 상기 제2능동 정류기/인버터에서 이출(exported)될 수 있는 전력의 한계를 결정하기 위해 상기 공급 네트워크 전압의 측정값을 이용할 수 있다.
상기 제2컨트롤러는 상기 공급 네트워크 전압이 정상 조건에서 벗어날 때, 상기 공급 네트워크에 전압 유지를 제공하도록 상기 제2능동 정류기/인버터로부터 공급될 전류의 레벨을 결정하기 위해 상기 공급 네트워크 전압의 측정값을 이용할 수 있다.
상기 제1컨트롤러는 상기 발전기에서 달성하려는 플럭스의 희망 레벨을 나타내는 플럭스 요구 신호를 이용하고, 상기 플럭스 요구 신호를 상기 제1능동 정류기/인버터를 위한 직류 축 전류 요구 신호로 변환하며, 상기 제1능동 정류기/인버터를 위한 희망 직류 축 전류를 달성하는 고정자 전기량을 생산하도록 상기 제1능동 정류기/인버터의 반도체 전력 스위칭 장치를 제어할 수 있다. 상기 플럭스 요구 신호를 상기 직류 전류 축 요구 신호로 변환하는 단계는 상기 발전기의 하나 또는 그 이상의 특징들을 기준으로 실행될 수 있다.
상기 제1컨트롤러는 상기 제1능동 정류기/인버터를 위한 직교 축 전류 요구 신호를 결정하기 위해 희망 직류 링크 전압을 나타내는 직류 링크 전압 요구 신호를 직류 링크 전압 피드백 신호와 비교하고, 상기 제1능동 정류기/인버터를 위한 희망 직교 축 전류를 달성할 수 있는 고정자 전기량을 생산하도록 상기 제1능동 정류기/인버터의 반도체 전력 스위칭 장치를 제어할 수 있다.
상기 제2컨트롤러는 공급 네트워크 전압이 급강하하는 상황 동안, 우세한 공급 네트워크의 전압 조건에 따라 변하는 제어 신호를 상기 제1컨트롤러로 공급할 수 있다. 상기 제1컨트롤러는 직류 링크 전류 요구 신호를 결정하기 위해 희망 직류 링크 전압을 나타내는 직류 링크 전압 요구 신호를 상기 직류 링크 전압 피드백 신호와 비교하고, 제한된 직류 링크 전류 요구 신호를 결정하기 위해 상기 제2컨트롤러로부터의 상기 제어 신호를 이용하여 직류 링크 전류 요구 신호를 제한할 수 있다. 이때, 상기 제1컨트롤러는 상기 제1능동 정류기/인버터를 위한 직교 축 전류 요구 신호를 결정하기 위해 상기 제한된 직류 링크 전류 요구 신호를 이용할 수 있으며, 그 결과 상기 공급 네트워크 전압이 급강하하는 상황 동안 상기 공급 네트워크로부터 당겨지는 전력이 없게 된다.
이의 대안으로, 상기 제2컨트롤러는 우세한 공급 네트워크의 전압 조건에 따라 변하는 제어 신호 및/또는 전력 요구 신호를 상기 제1컨트롤러로 공급할 수 있다. 이때, 상기 제1컨트롤러의 직류 링크 전압 컨트롤러는 직류 링크 전류 요구 신호를 결정하기 위해 상기 제어 신호에 더해지는 출력 신호를 제공하도록, 희망 직류 링크 전압을 나타내는 상기 직류 링크 전압 요구 신호를 상기 직류 링크 전압 피드백 신호와 비교할 수 있다. 이때, 상기 직류 링크 전류 요구 신호는 상기 제1능동 정류기/인버터를 위한 직교 축 전류 요구 신호를 결정하기 위해 이용될 수 있다.
상기 제2컨트롤러는 상기 직류 링크에서 상기 제2능동 정류기/인버터를 통하여 상기 공급 네트워크로 전달된 전력의 레벨을 나타내는 전력 요구 신호를 상기 제2능동 정류기/인버터를 위한 직교 축 전류 요구 신호로 변환하고, 상기 제2능동 정류기/인버터를 위한 희망 직교 축 전류를 달성할 수 있는 필터/공급 네트워크 전기량을 생산하도록 상기 제2능동 정류기/인버터의 반도체 전력 스위칭 장치를 제어할 수 있다.
상기 전력 요구 신호를 상기 직교 축 전류 요구 신호로 변환하는 단계는, 상기 전력 요구 신호를 상기 필터의 네트워크 단자에서의 전압으로부터 유도된 신호로 나눔으로써 수행될 수 있다. 이의 대안으로, 상기 전력 요구 신호를 상기 필터의 네트워크 단자에서의 전압으로부터 유도된 신호의 여과된 버전(filtered version)으로 나눔으로써, 상기 전력 요구 신호는 상기 직교 축 전류 요구 신호로 변환될 수 있다.
상기 제2컨트롤러는 희망 직류 링크 전압을 나타내는 다음 직류 링크 전압 요구 신호를 이용하고, 무제한의 직교 축 전류 요구 신호를 결정하기 위해 상기 다음 직류 링크 전압 요구 신호를 상기 직류 링크 전압 피드백 신호와 비교하며, 상기 전력 변환기의 구동시와 정상적인 동작 조건 동안 상기 제2능동 정류기/인버터를 위한 직교 축 전류 요구 신호를 결정하도록, 상기 전력 요구 신호로부터 유도되는 제한 신호에 의해 결정된 값으로 상기 무제한의 직교 축 전류 요구 신호를 제한할 수 있다.
상기 전력 변환기의 구동 방법은 상기 무제한의 직교 축 전류 요구 신호를 다음 신호들(발전기 전력을 나타내는 신호, 상기 필터의 네트워크 단자에서 측정된 전압 피드백 신호, 및 우세한 공급 네트워크 전압 조건에 따라 변하는 이득 신호)로부터 유도되는 직교 축 전류 피드포워드 신호에 더하는 단계를 더 포함하여 구성될 수 있다.
상기 발전기 전력을 나타내는 신호는 상기 제1컨트롤러에서 상기 제2컨트롤러로 공급될 수 있다. 이의 대안으로, 상기 발전기 전력을 나타내는 신호에서 상기 제1컨트롤러의 직류 링크 전압 컨트롤러에 있는 PI 컨트롤러의 출력을 뺀 것이 상기 제2컨트롤러로 공급될 수 있고, 그 신호는 공급 네트워크 전압이 급강하하는 상황 동안에만 상기 제2컨트롤러에 의해 이용된다.
상기 제2컨트롤러는 상기 전력 요구 신호로부터 유도된 제한 신호를 공급 네트워크 전압이 급강하하는 상황에서의 우세한 공급 네트워크 전압 조건에 따라 조정할 수 있다. 공급 네트워크 급강하 상황과 관련한 설명에서의 용어 “급강하(dip)”의 이용은, 대칭적이거나 비대칭적인 네트워크 장애 조건에 의한 결과, 상기 공급 네트워크 전압이 정상적인 값 아래로 감소되는 상황을 나타낸다.
상기 직류 링크는 커패시터를 포함하고, 상기 전력 변환기는 상기 커패시터에서 흐르는 전류를 측정하고 출력 신호를 공급하기 위한 전류 센서를 더 포함할 수 있다. 이 경우 상기 제1능동 정류기/인버터에 대한 직류 링크 전류 요구 신호를 결정하기 위해 상기 제1컨트롤러에 있는 직류 링크 전압 컨트롤러의 출력에 더해지는 암시된 신호를 공급하도록, 상기 전류 센서의 출력 신호가 상기 발전기 전력을 나타내는 신호로부터 유도된 신호에서 빼지는 단계를 더 포함하여 구성될 수 있다. 이의 대안으로, 상기 전력 변환기의 구동 방법은 상기 제1능동 정류기/인버터에 대한 직류 링크 전류 요구 신호를 결정하기 위해 상기 제1컨트롤러에 있는 직류 링크 전압 컨트롤러의 출력에 더해지고 여과되는 신호를 공급하도록, 상기 전류 센서의 출력 신호가 상기 발전기 전력을 나타내는 신호로부터 유도된 신호에서 빼지는 단계를 더 포함하여 구성될 수 있다.
이의 대안으로, 상기 전력 변환기는 상기 직류 링크 전압을 측정하고 직류 링크 전압 피드백 신호를 제공하기 위한 전압 센서와, 상기 직류 링크 전압 피드백 신호의 변화율을 측정하기 위한 수단을 더 포함하여 구성될 수 있다. 이 경우 상기 전력 변환기의 구동 방법은 직류 링크 전압 피드백 신호가 제1문턱전압보다 크고, 직류 링크 전압 피드백 신호의 변화율이 제2문턱전압보다 클 때, 상기 제1컨트롤러의 직류 링크 전압 컨트롤러에 있는 PI 컨트롤러의 적분 값이 미리 결정된 요인에 의해 수정되는 단계를 더 포함하여 구성될 수 있다.
공급 네트워크 전압이 급강하하는 상황에서, 상기 제2능동 정류기/인버터를 위한 직교 축 전류 축 요구 신호가, 우세한 공급 네트워크 전압 조건의 함수로서 수정되는 상기 제2능동 정류기/인버터의 전력 제한 정격(power limit rating)으로부터 유도된 신호의 슬루우 레이트 제한된 버전으로부터 유도될 수 있다.
상기 제2컨트롤러는 상기 제2능동 정류기/인버터를 위한 직류 축 전류 요구 신호를 결정하기 위해 상기 필터(16)의 네트워크 단자에서 달성하려는 전압의 레벨을 나타내는 전압 요구 신호와 상기 필터의 네트워크 단자에서 측정된 전압 피드백 신호를 비교하고, 상기 제2능동 정류기/인버터를 위한 희망 직류 축 전류를 달성하는 필터/공급 네트워크 전기량을 생산하기 위해 상기 제2능동 정류기/인버터의 반도체 전력 스위칭 장치를 제어할 수 있다.
상기 제2컨트롤러는 우세한 공급 네트워크 전압 조건에 따라 상기 직류 축 전류 요구 신호를 수정할 수 있다.
상기 제2컨트롤러는 상기 필터의 네트워크 단자에서 달성하려는 전압의 레벨을 나타내는 전압 요구 신호와, 상기 직류 축 전류 요구 신호로부터 유도된 신호에 따라 상기 필터의 네트워크 단자에서 측정된 전압 피드백 신호 사이의 차이로부터 발생된 오차 신호를 수정할 수 있다.
상기 발전기 이동부의 속도를 나타내는 속도 신호가 유도되고, 상기 전력 요구 신호를 유도하기 위해 이용될 수 있다. 상기 속도 신호는 어떤 샤프트나 구동 트레인 공진(any shaft or drive train resonance)의 감소를 제공하기 위해서도 이용될 수 있는 하나 또는 그 이상의 필터 함수에 의해 수정될 수 있다.
상기 전력 요구 신호는 상기 수정된 속도 신호가 룩업 테이블의 포인터나 수학적인 함수가 계산되는 값을 형성하는 경우에, 룩업 테이블이나 수학적인 함수로부터 유도될 수 있다. 또한, 상기 전력 요구 신호는 상기 속도 신호의 여과된 버전으로부터 유도된 신호와 함께 합산될 수 있다.
또한, 본 발명은 병렬 연결부분에 의해 고정된 공칭 전압과 고정된 공칭 주파수에서 동작하는 공급 네트워크에 병렬로 함께 연결된 위에서 설명한 다수의 전력 변환기들의 구동 방법을 제공하며, 이러한 전력 변환기들의 구동 방법은 각 전력 변환기에 있는 필터의 네트워크 단자에서 달성하려는 전압을 나타내는 전압 요구 신호를 최상위 전압 요구 신호와, 상기 병렬 연결부분이 공급 네트워크에 연결되는 포인트에서 측정된 최상위 전압 피드백 신호의 비교로부터 유도하는 단계를 포함하여 구성된다. 또한, 상기 전력 변환기의 구동 방법은 상기 최상위 전압 피드백 신호가 상기 병렬 연결부분과 공급 네트워크 사이에 전기적으로 연결된 승압형 변압기의 공급 네트워크 측 또는 병렬 연결부분 측 중 어느 하나에서 측정되는 단계를 더 포함하여 구성된다.
또한, 본 발명은, 가변 주파수에서 가변 전압을 제공하고 고정자와 회전자가 구비된 발전기와, 상기 발전기의 회전자를 회전시키기 위한 적어도 하나의 날개를 포함하는 터빈 어셈블리, 및 상기 발전기를 고정된 공칭 전압과 고정된 공칭 주파수에서 동작하는 공급 네트워크에 연결하는 전력 변환기를 포함하여 구성되는 풍력 터빈의 구동 방법을 제공하며, 이때 상기 전력 변환기는:
발전기의 고정자에 전기적으로 연결되고, 다수의 반도체 전력 스위칭 장치를 포함하는 제1능동 정류기/인버터;
다수의 반도체 전력 스위칭 장치를 포함하는 제2능동 정류기/인버터;
상기 제1능동 정류기/인버터와 상기 제2능동 정류기/인버터 간에 연결된 직류 링크;
상기 제2능동 정류기/인버터와 공급 네트워크 간에 연결되고, 네트워크 단자들을 포함하는 필터;
상기 제1능동 정류기/인버터를 제어하는 제1컨트롤러; 및
상기 제2능동 정류기/인버터를 제어하는 제2컨트롤러를 포함하며;
풍속의 변경에 대응하여 상기 풍력 터빈을 구동하는 방법은:
직류 링크 전압을 변경시키기 위해, 상기 제2능동 정류기/인버터가 상기 직류 링크에서 이출되는 전력의 레벨을 희망 레벨로부터 변경시키도록 제어하는 단계; 및
상기 직류 링크 전압을 희망 레벨로 복원하기 위해, 상기 제1능동 정류기/인버터가 상기 발전기에서 발전기 브리지를 통하여 상기 직류 링크로 충분한 전류를 이입시키도록 제어하는 단계를 포함하여 구성된다.
도 1은 본 발명에 따라 가변 속도 발전기를 구동하는 풍력 터빈과 고정된 주 파수를 갖는 전력 네트워크 사이를 연결하는 전력 변환기가 어떻게 이용되는가를 나타내는 개략도.
도 2는 도 1의 발전기 브리지(능동 정류기)에 대한 직류 링크 제어를 보다 상세하게 나타내는 개략도.
도 3은 도 1의 발전기 브리지(능동 정류기)에 대한 전류 제어를 보다 상세하게 나타내는 개략도.
도 4는 도 1의 네트워크 브리지(인버터)에 대한 전력 제어를 보다 상세하게 나타내는 개략도.
도 5는 도 1의 네트워크 브리지(인버터)에 대한 전류 제어를 보다 상세하게 나타내는 개략도.
도 6은 본 발명에 따른 다수의 전력 변환기들이 풍력기지를 형성하기 위해 어떻게 공급 네트워크에 함께 병렬로 연결될 수 있는가를 나타내는 개략도.
도 7은 전체적인 풍력기지 전압 제어를 나타내는 개략도.
도 8은 본 발명에 따른 제1대안 전력 변환기가 가변 속도 발전기를 구동하는 풍력 터빈과 고정된 주파수를 갖는 전력 네트워크 사이를 연결하는데 어떻게 이용되는가를 나타내는 개략도.
도 9는 도 8의 발전기 브리지(능동 정류기)에 대한 직류 링크 전압과 종속 전류 제어를 보다 상세하게 나타내는 개략도.
도 10은 도 8의 네트워크 브리지(인버터)에 대한 전력 제어, 네트워크 전압 제어 및 종속 전류 제어를 보다 상세하게 나타내는 개략도.
도 11은 본 발명에 따른 제2대안 전력 변환기가 가변 속도 발전기를 구동하는 풍력 터빈과 고정된 주파수를 갖는 전력 네트워크 사이를 연결하는데 어떻게 이용되는가를 나타내는 개략도.
도 12는 도 11의 발전기 브리지(능동 정류기)에 대한 직류 링크 제어의 제1옵션을 보다 상세하게 나타내는 개략도.
도 13은 도 11의 네트워크 브리지(인버터)에 대한 전력 제어를 보다 상세하게 나타내는 개략도.
도 14는 도 11의 발전기 브리지(능동 정류기)에 대한 직류 링크 제어의 제2옵션을 보다 상세하게 나타내는 개략도.
전력 변환기 토폴로지( topology )
전력 변환기의 기본 토폴로지는 도 1을 참조하여 설명될 것이다.
전력 변환기는 가변 속도 교류 유도성 발전기(4)를 구동하는 풍력 터빈(2)과 고정된 공칭 주파수의 전력 네트워크(NETWORK로 표시됨)를 연결하는데 이용된다. 상기 풍력 터빈은 일반적으로 회전축에 설치되고, 발전기(4)에서의 풍력 에너지 획득을 최적화 및/또는 제한하기 위하여 피치 액츄에이터(pitch actuator)에 의해 그 피치가 조절될 수 있는 3개의 풍력 날개들(wind blades)(하나의 터빈 날개 또는 2개의 터빈 날개 또는 3개 이상의 터빈 날개들도 가능하다)을 포함한다. 변속장치(8)는 회전축을 가변 속도 발전기(4)의 회전자에 연결하는데 이용된다. 경우에 따라, 상기 회전축은 상기 가변 속도 발전기의 회전자에 직접 연결될 수도 있다. 이것은 회전자의 회전속도가 풍속의 함수에 따라 변하고, 그에 따라 발전기(4)의 고정자에서 생성된 전압의 주파수(“고정자 주파수”)가 넓은 범위에 걸쳐 변하게 된다는 것을 의미한다. 도 1의 전체 도면에 의해 표현된 것처럼, 다수의 풍력 터빈들이 풍력기지(wind farm)를 정의하기 위해 함께 연결될 수 있다.
상기 발전기(4)의 단자들은 정상 동작 상태에서 직류 링크(dc link)(12)에 전력을 공급하는 능동 정류기로 동작하는 3상 발전기 브리지(10)의 교류 단자에 연결된다. 상기 발전기 브리지(10)는 펄스 폭 변조 방식(pulse width modulation strategy)을 이용하여 충분히 제어되고 조절되는 일련의 반도체 전력 스위칭 장치가 구비된 통상적인 3상 2레벨 토폴로지(three-phase two-level topology)를 갖는다. 그러나, 실제로 상기 발전기 브리지(10)는 3레벨 중성점 제한형 토폴로지(three-level neutral point clamped topology)나 멀티레벨 토폴로지(예를 들어, 포치-메이나드 배열(Foch-Maynard arrangement))처럼 적합한 토폴로지를 구비할 수 있다. 상기 반도체 전력 스위칭 장치를 제어하는데 사용되는 게이트 구동 명령 신호(gate drive command signal)의 유도는 아래에서 보다 상세히 설명된다.
상기 발전기 브리지(10)의 직류 출력 전압은, 정상 동작 상태에서 인버터로 동작하는 네트워크 브리지(14)의 직류 단자들에 공급된다. 상기 직류 출력 전압을 위한 주된 제어는 상기 발전기 브리지(10)를 제어함으로써 이루어진다. 상기 네트워크 브리지(14)는 상기 발전기 브리지(10)와 유사하게 펄스 폭 변조 방식을 이용하여 충분히 제어되고 조절되는 일련의 반도체 전력 스위칭 장치가 구비된 3상 2레벨 토폴로지를 갖는다. 그러나, 실제로 상기 네트워크 브리지(14)는 상기 발전기 브리지(10)에 대하여 상술한 바와 같이 적합한 토폴로지를 구비할 수 있다. 상기 네트워크 브리지(14)는 두 가지의 주된 목적, 즉, 능동 전력과 네트워크 전압을 달성하도록 제어된다. 이러한 제어가 어떻게 이루어지는가에 대한 상세한 설명은 이하에서 상술한다.
여기서 설명하는 바와 같이, 능동 정류(active rectification)(발전기 브리지(10)의 주된 동작 모드임)는 3상 발전기 브리지의 교류 단자에서 직류 링크로의 에너지의 변환이고, 인버전(inversion)(네트워크 브리지(14)의 주된 동작 모드임)은 3상 네트워크 브리지의 직류 링크에서 그것의 교류 단자로의 에너지의 변환이다. 그러나, 상기 발전기 브리지(10)가 인버터로서 동작하고, 상기 네트워크 브리지(14)가 능동 정류기로서 동작할 필요가 있거나 그와 같이 동작하는 것이 바람직할 경우에는 시간이 필요하다는 것을 쉽게 알게 될 것이다. 예를 들어, 시동을 거는 동안에는, 네트워크 브리지(14)는 공급 네트워크에서 직류 링크(12)로 전력을 공급하기 위한 능동 정류기로서 동작할 것이다. 네트워크 전압의 급강하가 발생되는 경우에, 상기 발전기 브리지(10)는 직류 링크(12)의 전압을 제어하기 위해 요구되는 능동 정류기 모드 또는 인버터 모드 중 어느 하나로서 동작할 것이다. 상기 발전기 브리지(10)와 네트워크 브리지(14)를 위한 컨트롤러들(즉, 이하에서 보다 자세히 설명될 발전기 브리지 컨트롤러(18)와 네트워크 브리지 컨트롤러(46))의 작동은 네트워크 전압이 급강하하는 경우와 동등하게 되며, 그 결과 전력은 상기 공급 네트워크로부터 유도되지 않지만, 파라메타(parameterisation)와 전압 급강하 레벨을 조건으로 하여, 전력 변환기는 상기 공급 네트워크에 계속 전력을 공급할 수 있게 된다.
또한, 풍력 터빈이 아주 낮은 속도에서 동작할 때, 발전기(4)가 전동모드에서 동작하는 것을 유지함 목적으로 하는 것은 유익할 수 있다. 이 경우, 전력은 능동 정류기로서 동작하는 네트워크 브리지(14)와 인버터로서 동작하는 발전기 브리지(10)를 통하여 상기 공급 네트워크에서 발전기(4)로 공급될 수 있다.
상기 네트워크 브리지(14)의 교류 출력 전압은 인덕터(16)(및 가능한 다른 필터들)에 의해 여과되고, 승압형 변압기(step-up transformer)를 경유하여 고정된 공칭 주파수의 전력 네트워크로 공급된다. 상기 전력 네트워크에 신뢰할 만한 연결을 제공하고, 다양한 동작 조건과 비동작 조건에 대하여 상기 전력 네트워크로부터 발전기 시스템을 고립시키기(isolate) 위해 보호 개폐기(protective switchgear) (미도시)가 포함될 수 있다.
풍력기지 토폴로지(wind farm topology)
위에서 간략히 설명한 것처럼, 도 1의 전체 도면에 의해 표현된 바와 같이 다수의 풍력 터빈들이 풍력기지(wind farm)를 정의하기 위해 함께 연결될 수 있다. 이는 도 6에서 다수의 전력 변환기들(1a 내지 1d)이 병렬 연결부분(72)에 의해 고정된 공칭 주파수 공급 네트워크(네트워크로 표시됨)에 연결된 것으로 개략적으로 나타나 있다. 각 전력 변환기(1a 내지 1d)는 필터(16a 내지 16d)와 승압형 변압기(6a 내지 6d)를 포함한다. 또한, 추가적인 풍력기지 승압형 변압기(wind farm step-up transformer)(74)가 상기 병렬 연결부분(72)과 공급 네트워크 사이에 제공 된다. 도 6은 도 7을 참조하여 아래에서 보다 상세히 설명될 풍력기지 전압 피드백 신호(wind farm voltage feedback signal)가 상기 풍력기지 승압형 변압기(74)의 병렬 연결부분 측(WINDFARM VOLTAGE FEEDBACK A로 표시됨)이나 공급 네트워크 측(WINDFARM VOLTAGE FEEDBACK B로 표시됨)에서 어떻게 측정될 수 있는가를 보여준다. 상기 병렬 연결부분 측에서의 측정은 상기 승압형 변압기를 통해 조정되기 쉬우므로, 상기 풍력기지 승압형 변압기(74)의 공급 네트워크 측에서 최상위(top-level) 전압 피드백 신호를 측정하는 것이 유익하다. 그러므로, 측정이 상기 공급 네트워크 측에서 이루어진다면 이러한 조정 결과가 제거된다. 이의 대안으로, 상기 공급 네트워크 측에서의 풍력기지 전압 피드백 신호의 측정값은 상기 병렬 연결부분 측에서의 풍력기지 전압 피드백 신호의 측정값과, 상기 풍력기지 승압형 변압기(74)의 특성, 및 상기 풍력기지 승압형 변압기를 통한 전류의 크기와 각도를 이용하여 계산될 수 있다.
발전기 브리지 제어
이제 상기 발전기 브리지(10)의 제어가 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명될 것이다.
발전기 브리지 컨트롤러(18)는 직류 링크 전압 요구 신호(VDC_GEN*)와, 상기 직류 링크 전압을 나타내는 전압 피드백 신호(VDC_FB)를 수신한다. 상기 직류 링크 전압 요구 신호(VDC_GEN*)에서 상기 전압 피드백 신호(VDC_FB)를 빼고, 그 차이는 우세한 동작 조건을 만족하기 위해 상기 직류 링크(12)에서 흐르도록 요구되는 유효 전류(effective current)인 직류 링크 전류 요구 신호(IDC_GEN*)를 공급하기 위한 가변 정수 이득(variable integral gain)(Ki)과 비례 이득(Kp)을 갖는 PI 컨트롤러(20) 입력으로 공급된다. 이때 이러한 직류 링크 전류 요구 신호(IDC_GEN*)는 IDC_GEN*_LIM 신호를 형성하기 위해 네트워크 브리지 컨트롤러(46)(아래에서 설명함)로부터 공급되는 IDC_LIM 신호에 의해 망 장애(grid fault) 조건동안 제한된다. 제한된 직류 링크 전류 요구 신호(IDC_GEN*_LIM)를 발전기 상전류와 관련된 직교 축 전류 요구 신호(IQ_GEN*)로 변환하기 위해, 상기 제한된 직류 링크 전류 요구 신호(IDC_GEN*_LIM)는 상기 전압 피드백 신호(VDC_FB)에 의해 먼저 곱해져서 전력 신호(POWER_GEN)를 공급한다. 이때 상기 전력 신호(POWER_GEN)는 IQ_GEN* 계산 함수 블록(92)에서 다음 공식을 적용하여 직교 축 전류 요구 신호(IQ_GEN*)로 변환된다:
Figure 112008041378566-PCT00001
이때, VD_FF는 도 2의 전류 컨트롤러(26) 내부에서의 직류 전압(direct voltage)의 피드포워드 성분(feedforward component)이고, ID_GEN*은 포화 특성함수 블록(saturation characteristic function block)(32)으로부터 공급되는 직류 축 요구 전류(direct axis demand current)이며, VQ_FF는 전류 컨트롤러(26) 내부에서의 직교 축 전압(quadrature axis voltage)의 피드포워드 성분이다.
직교 축 전류 요구 신호(IQ_GEN*)는 발전기 특성의 논 브레이크아웃 영역 내에서(within the non-breakout region) 발전기와 네트워크 브리지의 전압 정격과 전류 정격을 유지하기 위한 제한 함수(limit function)에 의해 억제된다. 이 제한은 장치 등가회로 파라메타, 구동 정격 파라메타 및 요구되는 동작속도 범위에 기초하여 함수 블록(functional block)(22)에 내장된 룩업 테이블(look-up table)을 만들기 위한 오프라인(off-line) 계산에 의해 결정된다. 그렇게 만들어진 룩업 테이블은, 전력 변환기가 동작하는 동안, 회전자 속도 피드백 신호(N)(또는 관측된 회전자 속도 신호)를 갖고 그것에 접근하고, 그렇게 만들어진 신호를 직교 축 전류 요구 신호(IQ_GEN*)에 대한 제한 함수 블록(24)의 제한 값으로 간주함으로써 이용하게 된다. 이렇게 만들어진 제한된 직교 축 전류 요구 신호(IQ_GEN*_LIM)는 전류 컨트롤러(26)(아래에서 보다 상세히 설명함)로 공급된다. 또한, 상기 제한된 직교 축 전류 요구 신호(IQ_GEN*_LIM)는, 발전기에서 직류 링크(12)로 흘러가는 필요한 전력을 달성하기 위해 상기 발전기(4)에 적용되는 슬립 주파수(WS)를 결정하는데 이용된다. 상기 슬립 주파수(WS)는 다음의 함수를 이용하여 결정된다:
Figure 112008041378566-PCT00002
이때, RR은 회전자 저항, LM은 자계 인덕턴스, Φ*는 발전기 플럭스 요구 신호이고, LR은 회전자 누설 인덕턴스이다.
슬립 주파수(WS)를 적분(integrating)하여 슬립 각도(slip angle)인 출력 θS를 제공한다. 속도 관측기(28)로부터의 출력을 적분(integrating)하여 관측된 회전자 각도인 θR을 제공한다. (관측기 함수(28)는 증분 인코더(incremental encoder)나 이와 유사한 장치를 이용하는 것에 의해 회전자 위치를 직접 측정함으로써 대체될 수 있다.) 이때, 회전자 플럭스 각도(θ0)는 상기 슬립 각도(θS)와 회전자 각도(θR)를 더함으로써 결정될 수 있다. 상기 회전자 플럭스 각도(θ0)는 직류 축 전압(VD)과 직교 축 전압(VQ)의 결합이 펄스 폭 변조 발전기(30)에 의해 발전기(4)의 고정자 단자에 적용되는 각도이다. 이것은 아래에서 보다 상세히 설명된다. 동기식 발전기에서 슬립 주파수를 정의하고 적분하는 단계가 요구되지 않음을 주목할 필요가 있다.
발전기 플럭스 요구 신호(generator flux demand signal)(Φ*)(상수 또는 요구되는 시스템 특성에 의존하는 변수가 될 수 있다)는 발전기 자계 인덕턴스의 포화 특성을 포함하는 함수 블록(32)에 적용된다. 상기 포화 특성은 발전기가 작동하게 될 때 직접 측정되거나, 발전기에 대한 공장 실험 결과로부터 추출된 데이터에 의해 결정된다. 포화 특성 함수 블록(saturation characteristic function block)(32)의 출력은 자화 전류 신호이고, 전류 컨트롤러(26)에 적용되는 직류 축 전류 요구 신호(ID_GEN*)가 된다. 동기식 발전기에서, 상기 직류 축 전류 요구 신호는 속도와 부하 조건 각각에 대한 발전기 단자 전압의 요구조건들에 의해 결정된다. 상기 직류 축 전류 요구 신호를 동기식 발전기에 맞춤으로써, 각 동작 조건에 대한 단자 전압과 전체 발전기 효율을 최적화할 수 있도록 발전기 브리지(10)의 작동에 의해 여자(excitation)가 조정될 수 있다.
상기 발전기 브리지(10)에 대한 전류 컨트롤러(26)는 두 개의 조정기(regulators), 즉, 직류 축 전류에서 동작하는 것과, 직교 축 전류에서 동작하는 것을 포함한다. 결국, 상기 전류 컨트롤러(26)는 회전자 플럭스 각도에 정렬된 동기식 기준 프레임에서 동작한다. 도 3은 상기 발전기 브리지(10)의 전체적인 직류 및 직교 축 전류 조정기를 보여준다.
상기 제한된 직교 축 전류 요구 신호(IQ_GEN*_LIM)와 직류 축 전류 요구 신호(ID_GEN*) 이외에, 상기 전류 컨트롤러(26)는 발전기 상전류(IU, IV 및 IW)의 측정으로부터 유도된 직교 축 전류 피드백 신호(IQ_GEN)와 직류 축 전류 피드백 신호(ID_GEN)도 공급받는다. 정지된 기준 프레임에서의 3상 성분을 동기식 기준 프레임에서의 직류/직교 성분으로 변환(conversion)하는 것은 결합된 클라크/파크 변환 블록(Clarke/Park transform block)(34)을 이용하여 이루어질 수 있다. 변환(transform)은 상기 변환(conversion)을 위한 회전자 플럭스 각도(θ0)를 이용한 다. 또한 도 3으로부터 상기 전류 컨트롤러(26)가, 발전기 플럭스 요구 신호(Φ*)(상수 또는 요구되는 시스템 특성에 의존하는 변수가 될 수 있다)와 발전기 고정자 주파수(W0)와 같은 추가적인 신호들을 수신함을 알 수 있을 것이다. 상기 고정자 주파수(W0)는 슬립 주파수와 회전자 주파수의 합으로부터 계산된다. 회전자 주파수는 관측된 회전자 속도와 발전기의 폴 넘버(pole number)로부터 유도된다.
상기 전류 컨트롤러(26)는 상기 직류 축 전류 요구 신호(ID_GEN*)를 직류 축 전류 피드백 신호(ID_GEN)와 비교하고, 제한된 직교 축 전류 요구 신호(IQ_GEN*_LIM)를 직교 축 전류 피드백 신호(IQ_GEN)와 비교하며, 그 결론적인 오차를 독립된 PI 컨트롤러에 적용함으로써 동작한다. 이때 상기 PI 컨트롤러에서의 출력은, 직류 및 직교 축 각각에 대한 전체 출력 전압(VD_GEN*, VQ_GEN*)을 생성하기 위해 전류 요구와 장치 파라메타의 곱으로부터 유도된 교차 결합 신호(cross-coupling signals)에 더해진다. 상기 교차 결합 항(term)은 도 3에서 도시되어 있고, 정상 상태에서 발전기(4)에 대한 표준 전압 방정식을 모방(emulate)한다. 상기 교차 결합 항을 참조하면, δLS는 발전기 고정자의 누설 인덕턴스이고, RS는 발전기 고정자의 저항이다.
상기 전류 컨트롤러(26)로부터의 최종 전압 출력(VD_GEN*, VQ_GEN*)은 좌표 변환기(co-ordinate converter)(38)를 이용하여 직각 좌표계(Cartesian co- ordinates)에서 극 좌표계(polar coordinates)로 변환된다. 전체 전압 크기(V_GEN*)는 방정식:
Figure 112008041378566-PCT00003
에 따라 계산되고, 게이트 구동 명령 신호 컨트롤러(gate drive command signal controller)(36)로 공급된다. 전체 전압 크기(V_GEN*)와 직교 축 전압(VQ_GEN*) 사이의 각도는 θ_GEN이고, 이것은 다음과 같이 VD_GEN*/VQ_GEN*의 역탄젠트로부터 계산된다:
Figure 112008041378566-PCT00004
상기 전체 전압 크기(V_GEN*)와 직교 축 전압(VQ_GEN*) 사이의 각도(θ_GEN)는, 상기 발전기(4)의 고정자 단자에 부여(impressed)될 수 있는 전체 전압의 각도를 결정하기 위해 상기 고정자 플럭스 각도(θ0)에 더해진다.
발전기 브리지(10)의 개별적인 신호들(UU, UL, VU, VL, WU 및 WL)을 초래하는 3상(U, V 및 W)에 대한 개별적인 상부(upper)(U) 및 하부(lower)(L) 게이트 구동 명령 신호들은, 전체 전압 크기(V_GEN*), 각도 θ_GEN과 θ0의 합, 및 펄스 폭 변조 주파수를 이용하여 펄스 폭 변조(PWM) 발전기(30)에서 계산된다. 또한 직류 링크 전압 피드백 신호(VDC_FB)가 이러한 펄스 폭 변조(PWM) 계산에 하나의 요인으로 포함된다. 상기 발전기 브리지(10)와 네트워크 브리지(14)를 위해 각각 독립적인 컨트롤러들이 이용될 때, 상기 직류 링크 전압 피드백 신호(VDC_FB)는 독립적으로 유도될 수 있다. 이것은 상기 발전기 브리지(10)와 네트워크 브리지(14)가 물리적으로 서로 떨어져 있고, 각 브리지의 직류 링크 커패시턴스 사이에 상당한 인덕턴스가 존재할 때 특히 필요하다. 독립적으로 유도된 직류 링크 전압 피드백 신호가 각 브리지에 공급되는 상황에서, 다음과 같은 치환(substitution)이 이루어질 수 있음은 쉽게 알 수 있을 것이다:
Figure 112008041378566-PCT00005
또한, 상기 전류 컨트롤러(26)도 발전기 전력(POWER_FF)을 나타내는 전력 피드포워드 신호를 생산할 수 있으며, 그 신호는 다음과 같이 계산된다:
Figure 112008041378566-PCT00006
이것은 네트워크 브리지 컨트롤러(46)에 피드백 신호로서 사용된다.
네트워크 브리지 제어
네트워크 브리지(14)의 제어는 이제 도 1 및 도 4 내지 도 7을 참조하여 설명될 것이다. 상기 제어는 전압 제어 방식(voltage control scheme)에 근거하며, 위에서 설명한 통상적인 전력 변환기에 이용되는 역률 각도(power factor angle) 제어 방식 및 무효전력(reactive power) 제어 방식과는 다르다.
상기 전압 제어 방식은 두 개의 제어 레벨을 포함한다. 도 7을 참조하면, 첫 번째는 풍력기지 레벨에서 정의되고, 일반적으로 풍력기지를 제어하는 공익 회사(utility company)에 의해 설정된 풍력기지 전압 요구 신호에 반응한다. 이러한 풍력기지 전압 요구 신호는 풍력기지 전압 피드백 신호와 비교되고, 풍력기지에 있는 모든 풍력 터빈(T1 내지 TN)으로 전송되는 터빈 전압 요구 신호(VTURB*)를 정의하기 위해 이 두 신호들의 오차는 비례 적분 제어기(proportional plus integral controller)(40)로 전달된다. 제어의 두 번째 레벨은 상기 터빈 전압 요구 신호(VTURB*)에 응답하여 자신의 출력 전압을 조정하기 위해 개별적인 풍력 터빈들 각각에 적용된다.
도 4를 참조하면, 풍력기지의 풍력 터빈들 각각에 있어서, 상기 터빈 전압 요구 신호(VTURB*)는 합산 노드(summing node)에서 인덕터(16)의 네트워크 측에서 측정된 3개의 상전압으로부터 유도된 직교 축 전압 종속 피드백 신호(quadrature axis voltage subordinate feedback signal)(VQ_NET)(아래에서 설명함)와 비교된다. 이 두 신호들 사이의 차이는 제한 블록(limitation block)(66)을 경유하여 아래에서 보다 상세하게 설명될 전류 컨트롤러(58)로 공급되는 무효 전류 요구 신호(reactive current demand signal)(ID_NET*)를 형성하기 위해 PI 컨트롤러(44)로 공급된다.
또한, 상기 무효 전류 요구 신호(ID_NET*)는 전압 차이 신호를 더 조정하기 위해 비례 이득 컨트롤러(proportional gain controller)(48)를 통하여 상기 합산 노드(42)로 다시 공급된다. 이것은 드룹 특성(droop characteristic)을 제공하는데 도움이 되며, 그 결과 다수의 풍력 터빈들이 다른 연결 임피던스를 통하여 풍력기지 변압기에 병렬로 함께 연결되었을 때, 각 풍력 터빈 사이에 공유하는 무효 전류가 더 안정된다. 드룹 이득(droop gain)은 풍력 터빈들 사이에 적절한 전류 균형을 제공하고, 정격 한계를 지키기 위해 네트워크 배치의 위치(site)에 의존하여 조정될 수 있다. 네트워크 전압 강하 상황에 대하여 아래에서 설명되는 것처럼, 제한들이 상기 직류 및 직교 축 전류 요구 신호(ID_NET*, IQ_NET*) 각각에 적용된다.
상기 전압 제어 방식은 다음과 같이 네트워크 브리지 컨트롤러(46)에 집적된다. 상기 네트워크 브리지 컨트롤러(46)는 다섯 개의 주된 입력 신호들과 일곱 개의 주된 피드백 신호들을 갖으며, 네트워크 브리지(14)에 있는 반도체 전력 스위칭 장치의 동작을 제어하는 게이트 구동 명령 신호를 유도하기 위해 이 신호들을 이용한다.
상기 입력 신호들은 네트워크 브리지를 위한 직류 링크 전압 요구 신호(VDC_NET*), 전력 이출 요구 신호(power export demand signal)(P*), 터빈 전압 요구 신호(VTURB*), 구동 전류 정격을 정의하는 파라메타(DRIVE RATING) 및 발전기 브리지 컨트롤러(18)로부터 공급되고 발전기 전력을 나타내는 전력 피드포워드 신호(POWER_FF)를 포함한다. 상기 피드백 신호들은 3개의 상 전압 측정값들(VRY, VYB 및 VBR)(상기 네트워크 브리지(14)에서 네트워크로 전력을 공급하는 소위 레드(R), 옐로우(Y) 및 블루(B) 출력 라인들을 가로지르는 전압 측정값들), 3개의 상 전류 측정값들(IR, IY 및 IB), 및 직류 링크 전압을 나타내는 전압 피드백 신호(VDC_FB)를 포함한다. 상기 피드백 신호들은 직류 및 직교축에서 네트워크 브리지(14)에 대한 다음의 전압 및 전류 종속 피드백 신호들(VD_NET, VQ_NET, ID_NET 및 IQ_NET)을 유도하기 위해 이용된다. 그에 더하여, 빠른 전력 감소와 망 장애(grid fault) 조건 동안 컨트롤러들 사이의 공동 제어가 가능하도록, 제어 신호(IDC_LIM)가 상기 네트워크 브리지 컨트롤러(46)에서 발전기 브리지 컨트롤러(18)로 전달된다. 그러한 망 장애 조건 동안, 공급 네트워크에서 능동 전력을 끌어오지 않고 요구되는 공급 네트워크 전압의 유지와 전력 이출 요구조건을 달성하기 위하여, 상기 직류 링크 전압 제어가 상기 네트워크와 발전기 브리지 사이에 분산된다.
함수 블록(68)은 네트워크 전압 각도의 측정값인 신호(θMAIN)를 유도하기 위해, 위상 고정 루프(phase locked loop)(PLL) 시스템을 통합시킨다.
상기 직류 링크 전압 요구 신호(VDC_NET*)는 단지 구동시(start-up) 요구조건을 만족시키고, 바람이 없는 조건동안 네트워크에의 연결을 유지하며, 망 장애 조건동안 발전기 브리지 컨트롤러(18)와 네트워크 브리지 컨트롤러(46) 사이에서 직류 링크 전압의 신속한 공동 제어를 가능하게 하는 데에만 필요하게 된다. 동작 하는 동안, 전압 피드백 신호(VDC_FB)는 직류 링크 전압 요구 신호(VDC_NET*)에서 차감되고, 신호 VDC_PI_IQ_NET*를 결정하기 위해 그 결과가 PI 컨트롤러(50)에 적용된다. 순간적인 발전기 전력을 이출(export)하기 위해 요구되는 직교 축 네트워크 전류를 나타내는 신호(IQ_FF)는 함수 블록(71)에서 전력 피드포워드 신호(POWER_FF), 상기 네트워크 전압(VQ_NET)을 나타내는 신호, 및 제한 블록(66)의 출력인 이득 신호(PFF_GAIN)로부터 계산된다. 이것은 무제한의 신호(IQ_NET*)를 생성하기 위해 상기 신호 VDC_PI_IQ_NET*에 더해진다. 이렇게 만들어진 신호는 P*/VQ_NET나 네트워크 전압 급강하 조건으로부터 유도된 제한 중 더 작은 것에 의해 유도되는 제한 함수(제한 함수 블록(52))에 의해 억제된다.
도 1을 참조하면, 회전자 속도 피드백 신호(N)는 속도 센서(54)로부터(또는 대신 관측된 회전자 속도 신호로부터) 유도되고, 제1필터 속도 신호(N′)와 제2필터 속도 신호(N′2)를 공급하기 위해 여과된다. 상기 제2필터 속도 신호(N′2)는 제동 이득(damping gain)(KD)에 의해 샤프트 공진에 대한 제동(damping)을 제공한다. 상기 제1필터 속도 신호(N′)는 전력 요구와 필터 신호(filtered signal)에 대하여 미리 계산된 룩업 테이블(56)의 포인터를 제공한다. 상기 룩업 테이블은 PI 컨트롤러와 결합될 수 있다. 이렇게 만들어진 전력 이출 요구 신호(P*), 즉 제동과 룩업 테이블 전력 요구 신호의 합은 도 1에 도시된 것처럼 네트워크 브리지 컨트롤 러(46)에 적용된다. 보다 상세하게는, 상기 전력 이출 요구 신호(P*)가 정상 동작 조건하에서 직교 축 전류 요구 신호(IQ_NET*)에 대한 제한 신호가 되기 위해 상기 직교 축 전압 종속 피드백 신호(VQ_NET)에 의해 나누어진다. 이와 달리, 상기 전력 이출 요구 신호(P*)를 인덕터(16)의 네트워크 단자에서의 전압으로부터 유도된 직교 축 전압 종속 피드백 신호(VQ_NET)의 여과된 버전에 의해 나눔으로써, 상기 전력 이출 요구 신호(P*)가 상기 직교 축 전류 요구 신호(IQ_NET*)로 변환될 수 있다.
제한된 직교 전류 요구조건 신호(IQ_NET*_LIM)(이는 상기 제한 함수 블록(52)의 출력임)는 전류 컨트롤러(58)의 입력이 된다. 상기 네트워크 브리지(14)에 대한 전류 컨트롤러(58)는 두 개의 조정기(regulator), 즉, 직류 축 전류에서 동작하는 것과, 직교 축 전류에서 동작하는 것을 포함한다. 결국, 상기 전류 컨트롤러(58)는 직교 축 네트워크 전압(VQ_NET)에 정렬된 동기식 기준 프레임에서 동작한다. 도 5는 상기 네트워크 브리지(14)의 전체적인 직류 및 직교 전류 축 전류 조정기를 보여준다.
상기 제한된 직교 축 전류 요구 신호(IQ_NET*_LIM)와 제한된 직류 축 전류 요구 신호(ID_NET*_LIM)(이는 상기 제한 블록(66)의 출력임) 이외에, 상기 전류 컨트롤러(58)는 네트워크 브리지 상전류(IR, IY 및 IB)의 측정으로부터 유도된 직교 축 전류 피드백 신호(IQ_NET)와 직류 축 전류 피드백 신호(ID_NET)도 공급받는다. 정지된 기준 프레임에서의 3상 성분을 동기식 기준 프레임에서의 직류/직교 성분으로 변환(conversion)하는 것은 결합된 클라크/파크 변환 블록(Clarke/Park transform block)(70)을 이용하여 이루어질 수 있다. 변환(transform)은 상기 변환(conversion)을 위한 네트워크 전압 각도(θMAINS)를 이용한다.
상기 전류 컨트롤러(58)는 상기 제한된 직류 축 전류 요구 신호(ID_NET*_LIM)를 직류 축 전류 피드백 신호(ID_NET)와 비교하고, 상기 제한된 직교 축 전류 요구 신호(IQ_NET*_LIM)를 직교 축 전류 피드백 신호(IQ_NET)와 비교하며, 그 결론적인 오차(errors)를 독립된 PI 컨트롤러에 적용함으로써 동작한다. 이때 상기 PI 컨트롤러에서의 출력은, 직류 및 직교 축 각각에 대한 전체 출력 전압(VD_NET*, VQ_NET*)을 생성하기 위한 전류 요구(current demands)와 네트워크 측 회로 임피던스 값의 곱으로부터 유도된 교차 결합 신호(cross-coupling signals)에 더해진다. 상기 교차 결합 항(term)은 도 5에서 도시되어 있고, 정상 상태에서 전체 네트워크 회로에 대한 표준 전압 방정식을 모방(emulate)한다. 상기 교차 결하 항을 참조하면, LN은 네트워크 필터 인덕턴스이고, WN은 네트워크 전압 파형의 주파수이다.
상기 전류 컨트롤러(58)로부터의 최종 전압 출력(VD_NET*, VQ_NET*)은 좌표 변환기(co-ordinate converter)(64)를 이용하여 직각 좌표계(Cartesian)에서 극 좌표계(polar coordinates)로 변환된다. 전체 전압 크기(V_NET*)는 방정식:
Figure 112008041378566-PCT00007
에 따라 계산되고, 게이트 구동 명령 신호 컨트롤러(gate drive command signal controller)(62)로 공급된다. 전체 전압 크기(V_NET*)와 직교 축 전압(VQ_NET*) 사이의 각도는 θ_NET이고, 이것은 다음과 같이 VD_NET*/VQ_NET*의 역탄젠트로부터 계산된다:
Figure 112008041378566-PCT00008
상기 전체 전압 크기(V_NET*)와 직교 축 전압(VQ_NET*) 사이의 각도(θ_NET)는, 상기 네트워크 브리지(14)에 의해 전체 네트워크 측 회로에 부여(impressed)될 수 있는 전체 전압의 각도를 결정하기 위해 상기 네트워크 전압 각도(θMAINS)에 더해진다.
네트워크 브리지(14)의 개별적인 신호들(RU, RL, YU, YL, BU 및 BL)을 초래하는 3상(R, Y 및 B)에 대한 개별적인 상부(U) 및 하부(L) 게이트 구동 명령 신호들은, 전체 전압 크기(V_NET*), 각도 θ_NET과 θMAINS의 합, 및 펄스 폭 변조 주파수를 이용하여 펄스 폭 변조(PWM) 발전기(60)에서 계산된다. 또한 직류 링크 전압 피드백 신호(VDC_FB)가 이러한 펄스 폭 변조(PWM) 계산에 하나의 요인으로 포함된다. 상기 네트워크 브리지(14)와 발전기 브리지(10)를 위해 각각 독립적인 컨트롤 러들이 이용될 때, 상기 직류 링크 전압 피드백 신호(VDC_FB)는 독립적으로 유도될 수 있다. 이것은 상기 발전기 브리지(10)와 네트워크 브리지(14)가 물리적으로 서로 떨어져 있고, 각 브리지의 직류 링크 커패시턴스 사이에 상당한 인덕턴스가 존재할 때 특히 필요하다. 독립적으로 유도된 직류 링크 전압 피드백 신호가 각 브리지에 공급되는 상황에서, 다음과 같은 치환(substitution)이 이루어질 수 있음은 쉽게 알 수 있을 것이다:
Figure 112008041378566-PCT00009
네트워크 전압 급강하가 발생되는 상황에서, 상기 제한 블록(66)은 그 단자 제한에 기초하여 상기 네트워크 브리지(14)로부터 이용할 수 있는 전류를 직교축과 직류축에 각각 할당하도록 계산하고, 또한 최대 발전기 직류 링크 전류(IDC_LIM)를 계산한다. 상기 네트워크 브리지 컨트롤러(46)에서 발전기 브리지 컨트롤러(18)로 공급되는 신호(IDC_LIM)는 상기 발전기 브리지(10)에 의해 중간의 직류 링크(12)로 공급될 수 있는 전류의 레벨을 신속히 설정하는데 이용된다.
다른 요구조건들이 유효 또는 무효전류 출력(active or reactive current output)에 대한 우선권과 급강하 크기의 함수로서 요구되는 무효전류의 퍼센티지를 주면서 다양한 네트워크 코드 안에 존재한다. 다시 말하면, 전력 변환기의 행동은 다른 나라들이나 지역들에서 동작하기 위해 어떻게 파라메타로 나타내지는가에 의존한다.
결국, 발전기(4)로부터 흐르는 전력을 직접 제어함으로써 네트워크 전압이 급강하하는 동안 직류 링크(12)의 제어를 유지하기 때문에, 상기 전력 변환기의 동작은 위에서 설명된 통상적인 전력 변환기들의 동작과는 근본적으로 다르다. 네트워크 전압이 급강하하는 동안 상기 직류 링크 전압의 제어가 유지됨으로써, 상기 네트워크 브리지(14)로부터 요구되는 무효전류 출력이 전력 네트워크의 전압 유지 조건들을 만족하도록 유지할 수 있게 된다.
네트워크 전압이 급강하하는 동안, 네트워크 브리지 직류 링크 전압 컨트롤러(PI 컨트롤러(50)와 선행하는 합산 노드의 결합)는 상기 전력 변환기 시스템의 마스터(master)가 되고, 전력 제한 신호와 직류 링크 전류 제한 신호 모두를 상기 네트워크 전압 급강하의 크기에 기초하여, 상기 네트워크 브리지(14)와 발전기 브리지(10) 모두에 각각 할당한다.
상기 직류 링크(12)로부터의 전력의 이출(export)은 상기 네트워크 브리지(14)에 적용되는 전력 기준(power referencing)에 의해 결정된다. 더 많은 전력이 상기 직류 링크(12)로부터(방전시키기 위해) 이출됨에 따라, 상기 발전기 브리지(10)는 상기 직류 링크를 다시 채우기 위해 상기 발전기로부터 더 많은 전력을 취하도록 그에 반응할 것이다. 이것은 발전기 브리지에 적용되는 토크 요구의 결과로서 직류 링크 전압을 증가시키기 위해 직류 링크로 전력이 전달되는 통상적인 4 쿼드런트 전력 변환기들(four quadrant power converters)과 간접적으로 대조된다. 이때 네트워크로의 전력 이출은 직류 링크 전압이 네트워크 브리지 전압 요구를 초과할 때 네트워크 브리지 컨트롤러의 동작에 의해 결정된다.
전력 변환기의 동작
상술한 전력 변환기 토폴로지에서 가능한 한 가지 동작 방법(operational implementation)은 다음과 같다. 구동 초기(start-up)에, 상기 직류 링크 전압 요구 신호(VDC_NET*)는 1050볼트로 설정된다. 상기 네트워크 브리지(14)에 있는 반도체 전력 스위칭 장치는 활성화되고, 상기 네트워크 브리지 컨트롤러(46)의 제어 하에서 상기 직류 링크 전압을 1050볼트에 이르게 한다. 이것은 거의 항상 공급 네트워크에서 직류 링크(12)로의 전력의 유입을 요구하며, 그에 따라 직교 축 전류 요구 출력 신호(IQ_NET*)는 이러한 구동 초기 조건에서 직류 링크로 전력이 공급되게 할 것이다.
이와 동시에, 상기 발전기 브리지 전력 컨트롤러(18)에 적용되는 직류 링크 전압 요구 신호(VDC_GEN*)는 1100볼트로 설정된다.
바람이 불고 풍력 터빈(2)이 회전하고 있다고 가정하면, 발전기 브리지(10)가 활성화될 때, 상기 발전기 브리지는 우세한 속도 조건동안 발전기(4)에서 필요한 자계 플럭스를 달성하기 위해 상기 직류 축 전류(ID_GEN)를 제어할 것이고, 상기 직교 축 전류(IQ_GEN)는 발전기 브리지(10)의 제어 하에서 직류 링크 전압이 목적한 1100볼트에 이르도록 조정될 것이다.
상기 직류 링크 전압이 목표한 1100볼트에 도달하기 위해 증가함에 따라, 그 것은 네트워크 브리지(14)에 대한 직류 링크 전압 요구 신호(VDC_NET*)를 초과할 것이다. 결국, 상기 전압 피드백 신호(VDC_FB)에서 상기 직류 링크 전압 요구 신호(VDC_NET*)를 뺄 때 상기 네트워크 브리지 컨트롤러(46)에 의해 유도된 오차 신호가 작용할 것이며, 그에 따라 이러한 전력 전달의 크기가 전력 이출 요구 신호(P*)로부터 유도된 신호에 의해 제한(제한 함수 블록(52))되면서, 전력이 상기 직류 링크(12)에서 상기 공급 네트워크로 전달된다. 상기 속도 센서 신호(N)는 제1필터 속도 신호(N′)와 제2필터 속도 신호(N′2)를 공급하기 위해 여과된다. 상기 제2필터 속도 신호(N′2)에 적용되는 제동 이득(damping gain)(KD)은 터빈 구동 트레인에서 샤프트 공진에 대한 제동을 제공한다. 상기 제1필터 속도 신호(N′)는 전력 이출 요구 신호(P*)와 제1필터 속도 신호(N′)에 대하여 미리 계산된 룩업 테이블(56)의 포인터로서 이용된다. 상기 룩업 테이블(56)로부터 유도된 전력 이출 요구 신호(P*)는 네트워크 브리지(14)에 대한 전력 컨트롤러(46)에 적용된다. 상기 적용된 전력 이출 요구 신호(P*)는, 상기 네트워크 브리지(14)에 대한 직류 링크 전압 요구 신호(VDC_NET*)로부터 유도된 상기 직교 축 전류 요구 출력 신호(IQ_NET*)에 적용하기 위한 제한 신호를 얻기 위해 우세한 직교 축 네트워크 전압(VQ_NET)에 의해 나누어진다.
네트워크 전압이 급강하하는 경우, 정격 출력 전력(VA)을 상기 네트워크 브 리지 컨트롤러(46)의 유효 및 무효 축(active and reactive axes)에 할당하는 것은 상기 풍력 터빈이 어떻게 파라메타로 나타내지는가에 대한 특정 네트워크 코드의 요구 조건에 따라 결정될 것이다. 겉보기 전력 제한(Apparent Power Limit)은 네트워크 전압 피드백 회로에 의해 측정된 우세한 전압(V_NET)과, 네트워크 인버터 오버로드 전류 정격(I_OVERLOAD)으로부터 계산된다. 보다 상세하게는 다음과 같다:
Figure 112008041378566-PCT00010
도 4에서, 입력 DRIVE RATING은 상술한 방정식에서 I_OVERLOAD와 등가이다.
상기 전력 변환기는 풍속의 변화에 적응하기 위해 동적인 방식으로 동작한다. 예를 들어, 풍속이 증가할 경우 상기 풍력 터빈(2)의 회전 속도도 증가할 것이고, 그에 따라 증가된 전력 이출 요구 신호(P*)가 상기 네트워크 브리지 컨트롤러(46)에 제공된다. 상기 네트워크 브리지 컨트롤러(46)는 상기 네트워크 브리지(14)가 더 많은 전력을 상기 직류 링크(12)에서 공급 네트워크로 이출(export)하게 한다. 상기 공급 네트워크로 이출되는 전력의 양이 증가하는 것은 상기 직류 링크 전압의 강하를 야기한다. 상기 발전기 브리지 컨트롤러(18)는, 새로운 정상 상태에 도달할 때까지 더 많은 전류를 상기 직류 링크(12)에 공급하기 위해 상기 발전기 브리지(10)가 발전기(4)로부터 더 많은 전력을 끌어오도록 상기 직류 링크 전압 컨트롤러(76)(상기 PI 컨트롤러와 선행하는 합산 노드를 포함)가 작동함으로써, 상기 직류 링크 전압에서의 이러한 전압 강하(drop)에 반응한다(즉, 새로운 정상상태는 상기네트워크 브리지(14)에서 상기 공급 네트워크로 공급되는 전력의 양이 상 기 발전기(4)에서 발전기 브리지(10)로 공급되는 전력의 양과 같게 되는 것임). 이러한 정상 상태에서, 상기 직류 링크 전압은 상기 직류 링크 전압 요구 신호(VDC_GEN*)와 일치하게 된다. 풍속이 감소하는 경우, 반대의 제어 작용이 발생하게 된다.
풍속이 증가하는 같은 조건 동안, 미국 특허 5,083,039호에서 설명된 전력 변환기는 발전기 토크를 증가시키고, 그에 따라 발전기에서 발전기 브리지를 통하여 직류 링크로 흐르는 전력을 증가시키기 위해 발전기 브리지 컨트롤러에 공급되는 토크 요구 신호를 조정한다. 이것은 상기 직류 링크 전압에서의 증가를 야기한다. 이때, 네트워크 브리지 컨트롤러는, 공급 네트워크로 이출되는 전력의 양을 증가시키고 그에 따라 상기 직류 링크 전압을 기준 값으로 다시 낮추도록 직류 링크 전압 컨트롤러가 작동함으로써, 상기 직류 링크 전압에서의 증가에 반응한다.
그러므로 미국 특허 5,083,039호는 풍속의 증가에 반응하여 더 많은 전력의 흐름이 상기 전력 변환기를 통해 발전기에서 직류 링크로 “밀리고(pushed)”, 두 번째 반응은 전력이 상기 직류 링크에서 공급 네트워크로 상기 네트워크 브리지를 통해 이출(export)되는 상황을 설명한다. 그러나 본 발명의 전력 변환기는 반대의 방식으로 동작하며, 그 결과 풍속의 증가에 반응하여, 더 많은 전력이 상기 네트워크 브리지(14)에 의해 직류 링크 밖으로 “당겨지고(pulled)”, 두 번째 반응은 상기 직류 링크에 더 많은 전류를 달성하기 위해 전력이 상기 발전기(4)에서 직류 링크로 발전기 브리지(10)를 통하여 이입(import)하는 것이다.
대안 전력 변환기 토폴로지들
두 개의 다른 대안(alternative) 전력 변환기 배치의 기본 토폴로지들이 도 8 내지 도 14를 참조하여 설명될 것이다. 대안 전력 변환기들은 도 1의 전력 변환기와 아주 유사하고, 동일한 부분들에는 같은 참조번호들이 주어진다. 상기 대안 전력 변환기들의 토폴로지 목적은 도 1의 전력 변환기에서 하나 또는 세 개까지의 특징, 즉 (ⅰ) 네트워크 브리지(14)에 대한 직류 링크 전압 요구 신호(VDC_NET*)와 그에 관련된 전압 피드백 신호(VDC_FB)와 PI 컨트롤러(50), (ⅱ) 네트워크 브리지 컨트롤러(46)에서 공급되고 망 장애 조건 동안 직류 링크 전류 요구 신호(IDC_GEN*)을 제한하기 위해 이용되는 신호(IDC_LIM), 및 (ⅲ) 전류 컨트롤러(26)에 의해 생성되는 전력 피드포워드 신호(POWER_FF)를 제거하는 것이다.
제1대안 전력 변환기 토폴로지는 단지 네트워크 브리지(14)에 대한 직류 링크 전압 요구 신호(VDC_NET*), 그에 관련된 전압 피드백 신호(VDC_FB) 및 PI 컨트롤러(50)만을 제거한다. 또한, 상기 신호(IDC_LIM)를 새로운 피드포워드 신호(IDC_FF)로 대체함으로써 그 신호의 작용을 조정한다. 조정된 전력 피드포워드 신호(POWER_FF′)는 능동적인(active) 상태를 유지하지만, 공급 네트워크 전압이 급강하하는 상황 동안 네트워크 브리지 컨트롤러(46)에 의해서만 이용된다. 이 경우에만, 상기 조정된 전력 피드포워드 신호(POWER_FF′)는 다른 곳에서 직류 링크 전압 컨트롤러(76)의 PI 컨트롤러(20)에서의 음의 출력으로 설명된 표준 전력 피드 포워드 신호(POWER_FF)로부터 계산된다. 이것은 도 9에 도시된다. 상기 조정된 전력 피드포워드 신호(POWER_FF′)는, 공급 네트워크 전압이 급강하하는 상황 동안 이용되는 제한된 직교 축 전류 요구 신호(IQ_NET*_LIM)를 계산하기 위해, 공급 네트워크 전압이 급강하하는 상황 동안 네트워크 브리지(14)의 IQ 용량에 관련된 신호(IQ_CAPACITY로 표시됨), 전력 제한(POWER_LIMIT), 및 우세한 네트워크 전압(VQ_NET)의 크기와 관련된 신호와 함께 네트워크 브리지 컨트롤러(46)에서 이용된다. 상기 신호(IQ_NET*_LIM)에 대한 표준 소스(normal source)는 이 상황에서 무시된다.
네트워크 브리지에 대한 직류 링크 전압 요구 신호(VDC_NET*)가 제거된 토폴로지들에서, 네트워크 브리지(14)는 네트워크 전압을 이용하여 전류가 통할 수 있게(energised) 된다. 상기 직류 링크 전압은 네트워크 전압(즉, 네트워크 브리지(14)의 교류 단자에서의 선간 전압)인 공칭
Figure 112008041378566-PCT00011
의 정류된 값에 의해 결정된다. 이것은 발전기 브리지 컨트롤러(18)와 네트워크 브리지 컨트롤러(46)에 대한 마이크로프로세서와 같은 보조 회로와, 발전기 브리지(10)와 네트워크 브리지(14)에 대한 게이트 구동 전력으로부터 유도될 수 있는 직류 전력 공급량을 정한다. 이때 직류 링크 전압은 발전기(4)의 플럭싱(fluxing)을 공급하고, 그것을 통제할 수 있게 한다.
바람이 풀고 풍력 터빈(2)이 회전한다고 가정하면, 발전기(4)는 상기 직류 링크(12)에 전력을 공급하기 시작하고, 직류 링크 전압 요구 신호(VDC_GEN*)와 같은 직류 링크 전압을 이룰 것이다.
제1대안 전력 변환기 배치의 기본 토폴로지는 이제 도 8 내지 도 10을 참조하여 설명될 것이다. 이러한 배치에서 상기 발전기 브리지 컨트롤러(18)의 직류 링크 전압 컨트롤러(76)는 모든 동작 조건동안 활성화를 유지할 것이다. 정상 상태 조건에서, 상기 직류 링크 전압 컨트롤러(76)의 PI 컨트롤러(20) 내에서의 적분항의 동작은 상기 네트워크 브리지 컨트롤러(46)로부터 피드포워드 신호(IDC_FF)를 포함함으로써 최소화된다. 공급 네트워크 전압이 급강하하는 상황에서, 상기 피드포워드 신호(IDC_FF)는 상기 공급 네트워크 전압의 변경에 대응하여 발전기 브리지(14)에 의해 공급되어야 하는 직류 전류의 양에 대한 정보를 제공한다. 상기 신호(IDC_FF)는 기능 블록(90)에서 계산된다. 이러한 특징들을 포함함으로써, 공급 네트워크가 급강하하는 상황 동안 상기 직류 링크 전압에서의 변동이 최소화된다. 또한, 상기 직류 링크 전압 컨트롤러(76)의 PI 컨트롤러(20) 내에서의 적분 항에 의해 요구되는 동작이 최소화되고, 그러므로 실제 직류 링크 전압에서는 적분 값을 정상 상태 동작에 도달할 수 있는 올바른 값으로 증가시키거나 감소시키기 위해 훨씬 더 적은 일탈(deviation)이 요구된다.
제2대안 전력 변환기 배치의 기본 토폴로지는 이제 도 11 내지 도 14를 참조하여 설명될 것이다. 이러한 배치에서 네트워크 브리지 컨트롤러(46)의 직류 링크 전압은 위에서 설명한 것과 같은 방법으로 제거된다.
상기 제2대안 전력 변환기 배치에서 발전기 브리지(10)에 대한 직류 링크 제어를 위한 제1옵션은 이제 도 11 및 도 12을 참조하여 설명될 것이다. 도 1의 전력 변환기에서 신호(IDC_LIM)의 목적은 우세한 네트워크 전압 조건과 전력 처리 레벨(power throughput levels)에 대한 중요한 정보를 발전기 브리지 컨트롤러(18)에 전달하는 것이다. 이것은 공급 네트워크 전압이 급강하 하는 상황 동안에 전력 처리 능력이 심각하게 제한될 때에 특히 중요하다. 상기 대안 전력 변환기에서, 상기 신호(IDC_LIM)는 발전기 브리지 컨트롤러(18)에 의해서만 이용되는 암시된 신호(inferred signal)(IDC_NET′)에 의해 대체된다.
상기 암시된 신호(IDC_NET′)는 다음 방정식에 의해 상기 발전기 브리지 컨트롤러(18)가 이용할 수 있는 정보로부터 계산된다:
Figure 112008041378566-PCT00012
상기 제2대안 전력 변환기에서, 상기 발전기 전력 신호(POWER_FF)는 도 3에 도시된 것처럼 다음 방정식을 이용하여 발전기 브리지 컨트롤러(26)의 전류 컨트롤러(26)로부터 유도된다:
Figure 112008041378566-PCT00013
그러나, 상기 발전기 전력 신호(POWER_FF)는 상기 네트워크 브리지 컨트롤러(46)에 공급되지 않고, 상기 발전기 브리지 컨트롤러(18)에 의해서만 상기 암시 된 신호(IDC_NET′)의 유도에 이용된다. (여기서 POWER_FF는 도 2에서 도시된 제1 배치의 POWER_FF와 동일하게 유도된다. 표시 POWER_FF는 이 상세한 설명에서의 일치를 위해 동일하게 유지되지만, 이 경우에 상기 신호는 문자적인 전력 피드포워드 신호는 아니다.) 상기 암시된 신호(IDC_NET′)는 상기 네트워크 브리지(14)가 공급 네트워크로 이출하는 유효한 직류 전류(effective dc current)를 나타내기 위해 이용되지만, 이 신호는 상기 발전기 브리지(10)의 조건들로부터 계산된다.
발전기 전력 신호(POWER_FF)를 전압 피드백 신호(VDC_FB)로 나누면 발전기 브리지(10)에서 직류 링크(12)로 공급되는 유효한 직류 전류(effective dc current)를 제공한다.
상기 직류 링크(12)에 있는 벌크 커패시터(82)의 전류 충전(또는 방전)의 측정은, 작은 커패시터(78)를 상기 벌크 커패시터에 병렬로 더하고, 전류 센서(80)를 이용하여 상기 작은 커패시터에서의 전류를 측정하고, 상기 작은 커패시터의 커패시턴스와 직류 링크(12)의 전체 커패시턴스의 비율과 관련된 요소에 의해 측정된 전류를 다시 스케일링(re-scaling)함으로써 이루어진다. 전류 신호(I_CAP)의 부호는 상기 벌크 커패시터(82)가 충전되었을 때는 양(positive)이고, 방전되었을 때는 음(negative)이다. 상기 벌크 커패시터(82)에서 흐르는 전류는 스위칭된 파형이기 때문에, 전체 펄스 폭 변조(PWM) 주기에 걸쳐서 전류를 집적할 필요가 있다.
상기 암시된 신호(IDC_NET′)는 도 12에 도시된 합산 노드에서 직류 링크 전압 컨트롤러(76)의 출력에 더해진다.
공급 네트워크 전압이 급강하하는 상황이 발생할 때, 첫 번째 경우에 상기 발전기 브리지(10)는 상기 네트워크 브리지(14)가 더 이상 전의 비율로 상기 공급 네트워크에 전력을 이출할 수 없음을 알지 못한다. 상기 발전기(4)로부터 이입(imported)된 전류와 상기 공급 네트워크로 이출되는 전류 사이의 잉여 전류는 상기 벌크 커패시터(82)를 충전하고, 상기 전류 신호(I_CAP)로부터 유도된 벌크 커패시터 충전 전류의 증가 신호로 보이게 된다. 이때 상기 신호(IDC_NET′)는 다시 계산되고, 상기 직류 링크 전압 컨트롤러(76)의 출력에 더해지는 신호를 수정하며, 그에 따라, 상기 공급 네트워크 전압이 급강하하는 상황 동안 상기 발전기(4)로부터 이입되고 있는 실제 전력을 조정한다.
상기 발전기 브리지(10)와 네트워크 브리지(14)의 벌크 직류 링크 커패시턴스가 상당한 거리만큼 떨어져 있는 상황에서, 상기 두 개의 분리된 벌크 커패시터들 사이에 공진을 야기하는 브리지간 인덕턴스(inter-bridge inductance)가 존재할 수 있다. 이 경우에, 상기 작은 커패시터(78)는 상기 분리된 벌크 커패시터들의 커패시턴스와 브리지간 인덕턴스의 결합과 같은 공진 주파수를 이룰 수 있도록 선택된 두 개의 커패시터들과 인덕터의 네트워크에 의해 대체될 수 있다. 이때, 전류는 작은 커패시터들 모두에서 흐르는 전류로서 측정되며, 그 결과 그들 사이의 어떠한 공진도 측정과정에서 상쇄된다.
네트워크 브리지(14)를 위한 전력 제어가 이제 도 13을 참조하여 보다 상세히 설명될 것이다.
IQ_CAPACITY는 구동 정격 파라메타들과 우세한 네트워크 전압(VQ_NET)에 관련 있는 신호이다. 상기 발전기 브리지(10)와 발전기 브리지 컨트롤러(18) 모두는 동작 조건의 변경에 대한 유한한 응답 시간을 가짐을 알 수 있을 것이다. 상기 네트워크 브리지 컨트롤러(46)에서 이것을 고려하기 위해, 신호(IQ_CAPACITY)는 공급 네트워크 전압이 급강하하는 상황 동안에만 적용되는 제한된 직교 축 전류 요구 신호(IQ_NET*_LIM)를 생성하도록 슬루우 레이트(slew rate)가 제한된다. 상기 슬루우 레이트 제한(slew rate limit)이 조정된 결과, 상기 제한된 직교 축 전류 요구(IQ_NET*_LIM)는 상기 발전기 브리지(10)에서 전력이 감소되는 것과 같은 비율로 감소하게 된다. 공급 네트워크 전압이 급강하하는 상황 동안 발생되는 직류 링크 전압의 방해가 최소화될 때, 상기 슬루우 레이트 제한은 정확하게 조정된다.
스위치(84)는 DIP_DETECT=1 일 때(즉, 공급 네트워크 전압이 급강하하는 상황이 특정한 네트워크 전압 조건과 네트워크 브리지 컨트롤러(46)의 파라메타화(parameterisation)를 기준으로 제한 블록(86)에 의해 나타나도록 결정될 때), 슬루우 레이트 제한 함수로부터 출력을 취한다. 그렇지 않으면, 정상 동작 상황에서 DIP_DETECT=0 일 때, 상기 직교 축 전류 요구 신호(IQ_NET*)는 우세한(prevailing) 네트워크 전압(VQ_NET)과 도 12에 도시된 것처럼 구동 파라메타들에 의해 결정된 궁극적인 전력 제한(POWER_LIMIT)으로부터 유도된다. 상기 직교 축 전류 요구 신호(IQ_NET*)는 전력 이출 요구 신호(P*)와 우세한 네트워크 전압(VQ_NET)에 의해 결정되는 클램프 함수(clamp function)에 의해 제한된다. DIP_DETECT=0 일 때, 상기 클램프 함수의 출력은 상기 직교 축 전류 요구 신 호(IQ_NET*_LIM)로서 상기 전류 컨트롤러(58)에 적용된다.
상기 제한 블록(86)은 공급 네트워크 전압이 급강하하는 상황에서 제한된 직류 축 전류 요구 신호(ID_NET*_LIM)를 상기 전류 컨트롤러(58)에 공급한다. 정상적인 동작 상황에서, 상기 직류 축 전류 요구 신호(ID_NET*)는 제한된 직류 축 전류 요구 신호(ID_NET*_LIM)로서 상기 전류 컨트롤러(58)에 직접 공급된다.
상기 제2대안 전력 변환기 배치에서 발전기 브리지(10)에 대한 직류 링크 제어를 위한 제2옵션은 이제 도 11 및 도 14를 참조하여 설명될 것이다.
만약에 상기 전력 변환기가 예를 들어, 최대 용량에서 동작한다면, 상기 직류 링크 전압 컨트롤러(76)의 PI 컨트롤러(20)에서의 적분은 상당한 값을 가질 것이다. 어떠한 다른 제어 특징들이 없고, 네트워크 공급 전압이 급강하하는 경우에, 직류 링크 전압 오차는 상기 적분 값을 방전하거나 재설정하기 위해 발생될 것이다. 그러한 직류 링크 전압의 오차는 유한한 하드웨어 전압의 제한 때문에 발생되는 직류 링크 과전압 트립(dc link over-voltage trip)의 위험을 갖는 과도상태의 양의 전압이 될 것이다.
공급 네트워크 전압이 급강하하는 상황 동안, 상기 직류 링크 전압을 나타내는 전압 피드백 신호(VDC_FB)의 변화율(dVDC_FB/dt로 표현됨)은 상기 전력 변환기의 정상적인 동작 동안 겪게 되는 것보다 훨씬 더 크게 될 것이다. 만약 변화율(dVDC_FB/dt)이 문턱전압(threshold)보다 더 크다면, 무엇인가 전력을 이출하도 록 상기 네트워크 브리지(14)의 능력에 영향을 미쳤고, 아마도 그 경우 상기 네트워크 전압이 감소될 것임이 추론될 수 있다.
도 14에서 도시된 직류 링크 제어를 위한 제2옵션은, 만약 전압 피드백 신호(VDC_FB)가 제1문턱전압(VDC_FB_THRESHOLD)보다 더 크고, 변화율(dVDC_FB/dt)이 제2문턱전압(dVDC_FB/dt_THRESHOLD)보다 더 크다면, 상기 PI 컨트롤러(20)에서의 적분 값이 상기 발전기 브리지 컨트롤러(18)의 파라메타화에 의해 결정되는 값인 1보다 작은 값에 의해 곱해지는 결정에 기초하게 된다.
만약 이러한 문턱전압 요구조건들이 계속 초과하게 된다면, 동일한 직류 링크 제어 동작이 연속적인 펄스 폭 변조(PWM) 스캔들(scans)에 적용되어(즉, 단일의 펄스 폭 변조(PWM) 스캔은 제어 프로그램의 1회 반복을 나타낸다), 그 결과 상기 PI 컨트롤러(20)에서의 적분 값이 연속적으로 감소하게 된다.
두 개의 문턱전압 파라메타들은 풍력 터빈의 특성, 정상 동작 동안 예상되는 변화율(dVDC_FB/dt)과, 망 장애의 경우에 예상되는 변화율(dVDC_FB/dt)의 최대값에 대한 지식에 기초한다. 정상 동작 동안 예상되는 변화율(dVDC_FB/dt)의 최대값은 직류 링크 커패시턴스와 구동 파라메타들에 대한 지식으로 계산될 수 있다.
대안 전력 변환기의 동작
도 11 내지 도 14에 도시된 대안 전력 변환기 토폴로지에서 가능한 한 가지 동작 방법(operational implementation)은 다음과 같다. 구동 초기(start-up)에, 상기 직류 링크 전압이 도 11에 도시된 변압기(6)로부터 적절하게 미리 충전된 회 로(pre-charge circuit)(미도시)에 의해 정해진다. 이 시점에서 상기 네트워크 브리지(14)에 있는 반도체 전력 스위칭 장치는 불활성화 상태를 유지한다.
상기 발전기 브리지 전력 컨트롤러(18)에 적용되는 직류 링크 전압 요구 신호(VDC_GEN*)는 1100볼트로 설정된다.
바람이 불고 풍력 터빈(2)이 회전하고 있다고 가정하면, 발전기 브리지(10)가 활성화될 때, 상기 발전기 브리지는 우세한 속도 조건동안(for the prevailing speed condition) 발전기(4)에서 필요한 자계 플럭스를 달성하기 위해 직류 축 전류(ID_GEN)를 제어할 것이고, 상기 직교 축 전류(IQ_GEN)는 발전기 브리지(10)의 제어 하에서 직류 링크 전압이 목적한 1100볼트에 이르도록 조정될 것이다.
전력 이출 요구 신호(P*)는 0으로 설정되고, 터빈 네트워크 전압 컨트롤러(88)(그리고 더욱 상세하게는 PI 컨트롤러(44))의 출력은 0으로 클램프(clamped)된다. 이 시점에서 상기 네트워크 브리지(14)에 있는 반도체 전력 스위칭 장치는 활성화된다.
상기 네트워크 브리지(14)의 교류 단자에서 보이는 공급 네트워크 전압이 정상적인 제한 내에 있는 정상 모드의 동작에서, 다음의 제어 동작이 실행된다. 속도 센서 신호(N)가 제1필터 속도 신호(N′)와 제2필터 속도 신호(N′2)를 공급하기 위해 여과된다. 상기 제2필터 속도 신호(N′2)에 적용되는 제동 이득(damping gain)(KD)은 터빈 구동 트레인에서 샤프트 공진에 대한 제동을 제공한다. 상기 제1필터 속도 신호(N′)는 전력 이출 요구 신호(P*)와 제1필터 속도 신호(N′)에 대하 여 미리 계산된 룩업 테이블(56)의 포인터로서 이용된다. 상기 룩업 테이블(56)로부터 유도된 전력 이출 요구 신호(P*)는 네트워크 브리지(14)에 대한 전력 컨트롤러(46)에 적용된다. 상기 적용된 전력 이출 요구 신호(P*)는 제한 신호를 얻기 위해 우세한 직교 축 네트워크 전압(VQ_NET)에 의해 나누어진다. 이 제한 신호는 직교 축 전류 요구 신호(IQ_NET*_LIM)를 형성하기 위해 클램프 함수(clamp function)를 거쳐서 상기 직교 축 전류 요구 신호(IQ_NET*)에 적용된다.
이러한 동작 모드에서 상기 직교 축 전류 요구 신호(IQ_NET*)는 상기 전력 이출 요구 신호(P*)로부터 유도될 수 있는 최대값보다 더 큰 값으로 설정되어, 그 결과 위에서 설명한 제동 함수가 활성화 상태를 유지하게 한다.
공급 네트워크 전압이 급강하하는 경우, 정격 출력 전력(VA)을 상기 네트워크 브리지 컨트롤러(46)의 유효 및 무효 축(active and reactive axes)에 할당하는 것은 상기 풍력 터빈이 어떻게 파라메타로 나타내지는가에 대한 특정 네트워크 코드의 요구 조건에 따라 결정될 것이다.
전력 변환기 토폴로지의 실제적인 실행
상기 전력 변환기 토폴로지 배치는 다음과 같이 실행될 수 있다. 상기 발전기 브리지(10)와 네트워크 브리지(14)는 각각 적합한 전력 평가(power rating)를 갖는 MV3000 수냉식 DELTA 인버터 모듈을 이용하여 구현될 수 있다. 이것은 결과적으로 1100V의 직류 링크 전압을 갖는 690V 교류 네트워크에서 동작하기에 적합한 IGBT-기반 전압원 인버터 모듈이다. 상기 발전기 브리지 컨트롤러(18)와 네트워크 브리지 컨트롤러(46)는 MV3000 DELTA 컨트롤러를 이용하여 각각 구현될 수 있다. 이것은 상술한 전력 제어 방식(power control scheme)을 실현하기 위해 필요한 기능들이 통합되어 있는 펌웨어인, 마이크로프로세서 기반의 전자식 컨트롤러이다. 상기 마이크로프로세서는, 때로는 “스캔 타임”이라고 불리는, 컨트롤러의 펄스 폭 변조(PWM) 주파수와 관련된 고정된 시간을 기반으로 동작한다. 이러한 모든 제품들은 본 출원인인 컨버팀 엘티디(by Converteam Ltd of Boughton Road, Rugby, Warwickshire, CV21 1BU)에 의해 공급된다.
전력 변환기 토폴로지의 가능한 변경
만약 상기 유도식 발전기(4)가 영구 자석이나 권선 필드 동기식 발전기(wound field synchronous generator)로 대체 된다면, 위에서 설명된 제안된 전력 변환기가 유사한 방법으로 배열될 수 있다. 권선 필드 동기식 발전기가 이용되는 상황에서, 발전기에 부가되는 필드 여자 입력(field excitation input)은 일반적으로 메인 플럭스에 0으로 설정된 직류 축 고정자 전류 요구 신호를 공급하는데 이용될 것이다. 하이 다이나믹(high dynamic) 및/또는 필드 약화(field weakening) 상황에서, 상기 직류 축 고정자 전류 요구 신호는 보다 신속하게 발전기에서의 플럭스를 조정하도록 0보다는 다른 값으로 설정될 수 있다. 일반적으로, 발전기는 3 상 장치가 될 것이지만, 다른 위상의 숫자들도 이용될 수 있다. 또한, 상기 전력 변환기는 위에서 설명된 2-레벨 인버터 배치 대신에 멀티-레벨 인버터들을 갖고 동작하도록 배치될 수 있다.
위에서 설명된 컨트롤러 배치는, 상기 발전기 브리지 컨트롤러(18)에서 네트워크 브리지 컨트롤러(46)로 전달되거나, 그 반대로 전달되는(vice versa) 제어신호들에 의해 공동으로 작용하게 되는 두 개의 독립적인 컨트롤러들을 제공한다. 하나의 물리적인 컨트롤러에 상기 컨트롤러들의 기능을 통합하는 것도 마찬가지로 적합하다. 이와 유사하게, 전력 변환기의 실제적인 구현이 편리하다면, 상기 기능들이 2개 이상의 컨트롤러들에 걸쳐서 분산될 수도 있다.
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
본 발명은 가변 주파수에 따라 가변 전압을 공급하는 발전기를 고정된 공칭 전압과 고정된 공칭 주파수에서 동작하는 공급 네트워크에 연결하는데 사용될 수 있다. 그에 따라, 공급 네트워크 장애와 과도상태의 조건 동안 전력 변환기가 공급 네트워크에 연결된 상태를 유지하면서 제어를 유지할 수 있는 장점이 있다.

Claims (70)

  1. 발전기(4)의 고정자에 전기적으로 연결되고, 다수의 반도체 전력 스위칭 장치를 포함하는 제1능동 정류기/인버터(10);
    다수의 반도체 전력 스위칭 장치를 포함하는 제2능동 정류기/인버터(14);
    상기 제1능동 정류기/인버터(10)와 상기 제2능동 정류기/인버터(14) 간에 연결된 직류 링크(12);
    상기 제2능동 정류기/인버터(14)와 공급 네트워크(NETWORK) 간에 연결되고, 네트워크 단자들을 포함하는 필터(16);
    상기 제1능동 정류기/인버터(10)를 제어하는 제1컨트롤러(18); 및
    상기 제2능동 정류기/인버터(14)를 제어하는 제2컨트롤러(46)를 포함하며;
    상기 제1컨트롤러(18)는 직류 링크 전압 요구 신호(VDC_GEN*)에 대응하는 직류 링크 전압의 희망 레벨을 달성하도록 상기 제1능동 정류기/인버터(10)의 반도체 전력 스위칭 장치를 제어하기 위하여, 희망 직류 링크 전압을 나타내는 직류 링크 전압 요구 신호(VDC_GEN*)를 이용하고;
    상기 제2컨트롤러(46)는 전력 요구 신호(P*)와 전압 요구 신호(VTURB*)에 대응하는 전력과 전압의 희망 레벨을 달성하도록 상기 제2능동 정류기/인버터(14)의 반도체 전력 스위칭 장치를 제어하기 위하여, 상기 제2능동 정류기/인버터(14)를 통하여 상기 직류 링크(12)로부터 공급 네트워크(NETWORK)에 전달되는 전력의 레벨 을 나타내는 전력 요구 신호(P*)와, 상기 필터(16)의 네트워크 단자들에서 달성하려는 전압을 나타내는 전압 요구 신호(VTURB*)를 이용하며;
    가변 주파수에서 가변 전압을 공급하는 발전기를 고정된 공칭 전압과 고정된 공칭 주파수에서 동작하는 공급 네트워크(NETWORK)에 연결하여 사용할 수 있게 한 전력 변환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1컨트롤러(18)는 상기 발전기(4)에서 달성하고자 하는 플럭스의 희망 레벨을 나타내는 플럭스 요구 신호(Φ*)를 이용하고, 상기 플럭스 요구 신호(Φ*)를 상기 제1능동 정류기/인버터(10)를 위한 직류 축 전류 요구 신호(ID_GEN*)로 변환하며, 상기 제1능동 정류기/인버터(10)를 위한 희망 직류 축 전류를 달성할 수 있는 고정자 전기량을 생산하도록 상기 제1능동 정류기/인버터(10)의 반도체 전력 스위칭 장치를 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1컨트롤러(18)는 상기 발전기의 하나 또는 그 이상의 특징(32)들을 기준으로 상기 플럭스 요구 신호(Φ*)를 상기 직류 전류 축 요구 신호(ID_GEN*)로 변환하는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  4. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1컨트롤러(18)는 상기 제1능동 정류기/인버터(10)를 위한 직교 축 전류 요구 신호(IQ_GEN*)를 결정하기 위해 희망 직류 링크 전압을 나타내는 직류 링크 전압 요구 신호(VDC_GEN*)를 직류 링크 전압 피드백 신호(VDC_FB)와 비교하고, 상기 제1능동 정류기/인버터(10)를 위한 희망 직교 축 전류를 달성할 수 있는 고정자 전기량을 생산하도록 상기 제1능동 정류기/인버터(10)의 반도체 전력 스위칭 장치를 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2컨트롤러(46)는 우세한 공급 네트워크의 전압 조건에 따라(in accordance with) 변하는 제어 신호(IDC_LIM)를 상기 제1컨트롤러(18)로 공급하고,
    상기 제1컨트롤러(18)는 직류 링크 전류 요구 신호(IDC_GEN*)를 결정하기 위해 희망 직류 링크 전압을 나타내는 직류 링크 전압 요구 신호(VDC_GEN*)를 상기 직류 링크 전압 피드백 신호(VDC_FB)와 비교하고, 제한된 직류 링크 전류 요구 신호(IDC_GEN*_LIM)를 결정하기 위해 상기 제2컨트롤러(46)로부터의 제어 신호(IDC_LIM)를 이용하여 직류 링크 전류 요구 신호(IDC_GEN*)를 제한하며, 상기 제1 능동 정류기/인버터(10)를 위한 직교 축 전류 요구 신호(IQ_GEN*)를 결정하기 위해 상기 제한된 직류 링크 전류 요구 신호(IDC_GEN*_LIM)를 이용하는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제2컨트롤러(46)는 우세한 공급 네트워크의 전압 조건에 따라 변하는 제어 신호(IDC_FF) 및/또는 전력 요구 신호(P*)를 상기 제1컨트롤러(18)로 공급하고,
    상기 제1컨트롤러(18)의 직류 링크 전압 컨트롤러(76)는, 상기 제1능동 정류기/인버터(10)를 위한 상기 직교 축 전류 요구 신호(IQ_GEN*)를 결정하기 위해 이용되는 직류 링크 전류 요구 신호(IDC_GEN*)를 결정하도록, 상기 제어 신호(IDC_FF)에 더해지는 출력 신호를 제공하기 위해 희망 직류 링크 전압을 나타내는 상기 직류 링크 전압 요구 신호(VDC_GEN*)를 상기 직류 링크 전압 피드백 신호(VDC_FB)와 비교하는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  7. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2컨트롤러(46)는 상기 직류 링크(12)에서 상기 제2능동 정류기/인버터(14) 를 통하여 공급 네트워크(NETWORK)로 전달된 전력의 레벨을 나타내는 전력 요구 신호(P*)를 상기 제2능동 정류기/인버터(14)를 위한 직교 축 전류 요구 신호(IQ_NET*_LIM)로 변환하고, 상기 제2능동 정류기/인버터(14)를 위한 희망 직교 축 전류를 달성할 수 있는 필터/공급 네트워크 전기량을 생산하도록 상기 제2능동 정류기/인버터(14)의 반도체 전력 스위칭 장치를 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전력 요구 신호(P*)를 상기 필터(16)의 네트워크 단자에서의 전압으로부터 유도된 신호(VQ_NET)로 나눔으로써, 상기 전력 요구 신호(P*)가 상기 직교 축 전류 요구 신호(IQ_NET*_LIM)로 변환되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 전력 요구 신호(P*)를 상기 필터(16)의 네트워크 단자에서의 전압으로부터 유도된 신호의 여과된 버전(filtered version)로 의해 나눔으로써, 상기 전력 요구 신호(P*)가 상기 직교 축 전류 요구 신호(IQ_NET*_LIM)로 변환되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2컨트롤러(46)는 희망 직류 링크 전압을 나타내는 다음(further) 직류 링크 전압 요구 신호(VDC_NET*)를 이용하고, 무제한의 직교 축 전류 요구 신호(VDC_PI_IQ_NET*)를 결정하기 위해 상기 다음 직류 링크 전압 요구 신호(VDC_NET*)를 상기 직류 링크 전압 피드백 신호(VDC_FB)와 비교하며, 상기 무제한의 직교 축 전류 요구 신호(VDC_PI_IQ_NET*)를 상기 제2능동 정류기/인버터(14)를 위한 직교 축 전류 요구 신호(IQ_NET*_LIM)를 결정하도록 상기 전력 요구 신호(P*)로부터 유도된 제한 신호(52)에 의해 결정된 값으로 제한하는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 무제한의 직교 축 전류 요구 신호(VDC_PI_IQ_NET*)는, (ⅰ) 발전기 전력(POWER_FF)을 나타내는 신호, (ⅱ) 상기 필터(16)의 네트워크 단자에서 측정된 전압 피드백 신호(VQ_NET) 및 (ⅲ) 우세한 공급 네트워크 전압 조건에 따라 변하는 이득 신호(PFF_GAIN)로부터 유도된 직교 축 전류 피드포워드 신호(IQ_FF)에 더해지는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 발전기 전력(POWER_FF)을 나타내는 신호는 상기 제1컨트롤러(18)로부터 상기 제2컨트롤러(46)로 공급되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 발전기 전력(POWER_FF)을 나타내는 신호에서 상기 제1컨트롤러(18)의 직류 링크 전압 컨트롤러(76)에 있는 PI 컨트롤러(20)의 출력을 뺀 것은 상기 제2컨트롤러(46)로 공급되고, 공급 네트워크 전압이 급강하하는 상황 동안에만 상기 제2컨트롤러(46)에 의해 이용되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  14. 제10항 내지 제12항에 있어서,
    상기 제2컨트롤러(46)는 상기 전력 요구 신호(P*)로부터 유도된 제한 신호를 우세한 공급 네트워크 전압 조건에 따라 조정하는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  15. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 직류 링크(12)는 커패시터(82)를 포함하고, 상기 전력 변환기는 상기 커패시터(82)에서 흐르는 전류를 측정하고 출력 신호를 공급하기 위한 전류 센 서(80)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1능동 정류기/인버터(10)에 대한 직류 링크 전류 요구 신호(ID_GEN*)를 결정하기 위해 상기 제1컨트롤러(18)에 있는 직류 링크 전압 컨트롤러(76)의 출력에 더해지는 신호(IDC_NET′)를 공급하도록, 상기 전류 센서(80)의 출력 신호가 상기 발전기 전력(POWER_FF)을 나타내는 신호로부터 유도된 신호에서 빼지는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 제1능동 정류기/인버터(10)에 대한 직류 링크 전류 요구 신호(ID_GEN*)를 결정하기 위해 상기 제1컨트롤러(18)에 있는 직류 링크 전압 컨트롤러(76)의 출력에 더해지고 여과되는 신호(IDC_NET′)를 공급하도록, 상기 전류 센서(80)의 출력 신호가 상기 발전기 전력(POWER_FF)을 나타내는 신호로부터 유도된 신호에서 빼지는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  18. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 직류 링크 전압을 측정하고 직류 링크 전압 피드백 신호(VDC_FB)를 제공하기 위한 전압 센서와, 상기 직류 링크 전압 피드백 신호(VDC_FB)의 변화율을 측정하기 위한 수단을 더 포함하며,
    상기 직류 링크 전압 피드백 신호(VDC_FB)가 제1문턱전압(VDC_FB_THRESHOLD)보다 크고, 상기 직류 링크 전압 피드백 신호(VDC_FB)의 변화율이 제2문턱전압(dVDC_FB/dt_THRESHOLD)보다 클 때, 상기 제1컨트롤러(18)의 직류 링크 전압 컨트롤러(76)에 있는 PI 컨트롤러(20)의 적분 값이 미리 결정된 요인에 의해 수정되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  19. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    공급 네트워크 전압이 급강하하는 상황 동안, 상기 제2능동 정류기/인버터(14)를 위한 직교 축 전류 축 요구 신호(IQ_NET*_LIM)가 우세한 공급 네트워크 전압 조건의 함수로서 수정된 상기 제2능동 정류기/인버터(14)의 전력 제한 정격(power limit rating)으로부터 유도되는 슬루우 레이트 제한된 버전의 신호(IQ_CAPACITY)로부터 유도되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  20. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2컨트롤러(46)는 상기 제2능동 정류기/인버터(14)를 위한 직류 축 전류 요구 신호(ID_NET*)를 결정하기 위해, 상기 필터(16)의 네트워크 단자에서 달성하려는 전압의 레벨을 나타내는 전압 요구 신호(VTURB*)와 상기 필터(16)의 네트워크 단자에서 측정된 전압 피드백 신호(VQ_NET)를 비교하고,
    상기 제2능동 정류기/인버터(14)를 위한 희망 직류 축 전류를 달성하는 필터/공급 네트워크 전기량을 생산하도록 상기 제2능동 정류기/인버터의 반도체 전력 스위칭 장치를 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 제2컨트롤러(46)는 우세한 공급 네트워크 전압 조건에 따라 상기 직류 축 전류 요구 신호(ID_NET*)를 수정하는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  22. 제20항 또는 제21항에 있어서,
    상기 제2컨트롤러(46)는, 상기 필터(16)의 네트워크 단자에서 달성하려는 전압의 레벨을 나타내는 전압 요구 신호(VTURB*)와 상기 직류 축 전류 요구 신호(ID_NET*)로부터 유도된 신호에 따라 상기 필터(16)의 네트워크 단자에서 측정된 전압 피드백 신호(VQ_NET) 사이의 차이로부터 발생된 오차 신호를 수정하는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  23. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발전기(4) 이동부의 속도를 나타내는 속도 신호(N)를 유도하기 위한 속도 센서(54) 또는 속도 관측기를 더 포함하고, 상기 속도 신호(N)는 상기 전력 요 구 신호(P*)를 유도하기 위해 이용되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 전력 요구 신호(P*)는 룩업 테이블(56)이나 수학적인 함수로부터 유도되고, 상기 속도 신호(N)는 상기 룩업 테이블(56)의 포인터나 상기 수학적인 함수가 계산되는 값을 형성하는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  25. 제23항에 있어서,
    상기 속도 신호(N)는 필터 함수에 의해 수정되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 전력 요구 신호(P*)는 룩업 테이블(56)이나 수학적인 함수로부터 유도되고, 상기 수정된 속도 신호(N′)는 상기 룩업 테이블(56)의 포인터나 상기 수학적인 함수가 계산되는 값을 형성하는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  27. 제23항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전력 요구 신호(P*)는 상기 속도 신호(N)의 여과된 버전(filtered version)으로부터 유도된 신호와 함께 합산되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  28. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 따른 다수의 전력 변환기들(1a 내지 1d)이 병렬 연결부분(72)에 의해 고정된 공칭 전압과 고정된 공칭 주파수에서 동작하는 공급 네트워크(NETWORK)에 함께 병렬로 연결되고, 각 전력 변환기에 있는 필터(16)의 네트워크 단자에서 달성하려는 전압을 나타내는 전압 요구 신호(VTURB*)는 최상위 전압 요구 신호(WIND FARM VOLTAGE REFERENCE)와, 상기 병렬 연결부분(72)이 공급 네트워크(NETWORK)에 연결되는 포인트에서 측정된 최상위 전압 피드백 신호(WIND FARM VOLTAGE FEEDBACK)의 비교로부터 유도되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기의 배치.
  29. 제28항에 있어서,
    각 개개의 전력 변환기(1a 내지 1d)는 관련된 필터(16a 내지 16d)와 병렬 연결부분(72) 사이에 전기적으로 연결된 승압형 변압기(6a 내지 6d)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환기의 배치.
  30. 제28항 또는 제29항에 있어서,
    상기 병렬 연결부분(72)과 공급 네트워크(NETWORK) 사이에 전기적으로 연결된 승압형 변압기(74)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기의 배치.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 최상위 전압 피드백 신호(WIND FARM VOLTAGE FEEDBACK B)는 상기 병렬 연결부분(72)과 공급 네트워크(NETWORK) 사이에 전기적으로 연결된 승압형 변압기(74)의 공급 네트워크 측에서 측정되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기의 배치.
  32. 제30항에 있어서,
    상기 최상위 전압 피드백 신호(WIND FARM VOLTAGE FEEDBACK A)는 상기 병렬 연결부분(72)과 공급 네트워크(NETWORK) 사이에 전기적으로 연결된 승압형 변압기(74)의 병렬 연결부분 측에서 측정되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기의 배치.
  33. 고정자와 회전자가 구비된 발전기(4);
    상기 발전기(4)의 회전자를 회전시키기 위한 적어도 하나의 날개를 포함하는 터빈 어셈블리(2); 및
    제1항 내지 제27항 중 어느 한 항에 따른 전력 변환기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈.
  34. 고정된 공칭 전압과 고정된 공칭 주파수에서 동작하는 공급 네트워크(NETWORK); 및
    제33항에 따른 다수의 풍력 터빈들을 포함하여 구성되고;
    다수의 풍력 터빈에 있는 각각의 전력 변환기들(1a 내지 1d)은 병렬 연결부분(72)에 의해 상기 공급 네트워크(NETWORK)에 함께 병렬로 연결되고, 각 전력 변환기(1a 내지 1d)에 있는 필터(16)의 네트워크 단자에서 달성하려는 전압을 나타내는 전압 요구 신호(VTURB*)는 최상위 전압 요구 신호(WIND FARM VOLTAGE REFERENCE)와, 상기 병렬 연결부분(72)이 공급 네트워크(NETWORK)에 연결되는 포인트에서 측정된 최상위 전압 피드백 신호(WIND FARM VOLTAGE FEEDBACK)의 비교로부터 유도되는 것을 특징으로 하는 풍력기지.
  35. 제34항에 있어서,
    각 개개의 전력 변환기(1a 내지 1d)는 관련된 필터(16a 내지 16d)와 병렬 연결부분(72) 사이에 전기적으로 연결된 승압형 변압기(6a 내지 6d)를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력기지.
  36. 제34항 또는 제35항에 있어서,
    상기 병렬 연결부분(72)과 공급 네트워크(NETWORK) 사이에 전기적으로 연결된 승압형 변압기(74)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 풍력기지.
  37. 제36항에 있어서,
    상기 최상위 전압 피드백 신호(WIND FARM VOLTAGE FEEDBACK B)는 상기 병렬 연결부분(72)과 공급 네트워크(NETWORK) 사이에 전기적으로 연결된 승압형 변압기(74)의 공급 네트워크 측에서 측정되는 것을 특징으로 하는 풍력기지.
  38. 제36항에 있어서,
    상기 최상위 전압 피드백 신호(WIND FARM VOLTAGE FEEDBACK A)는 상기 병렬 연결부분(72)과 공급 네트워크(NETWORK) 사이에 전기적으로 연결된 승압형 변압기(74)의 병렬 연결부분 측에서 측정되는 것을 특징으로 하는 풍력기지.
  39. 발전기(4)의 고정자에 전기적으로 연결되고, 다수의 반도체 전력 스위칭 장치를 포함하는 제1능동 정류기/인버터(10);
    다수의 반도체 전력 스위칭 장치를 포함하는 제2능동 정류기/인버터(14);
    상기 제1능동 정류기/인버터(10)와 상기 제2능동 정류기/인버터(14) 간에 연결된 직류 링크(12);
    상기 제2능동 정류기/인버터(14)와 공급 네트워크(NETWORK) 간에 연결되고, 네트워크 단자들을 포함하는 필터(16);
    상기 제1능동 정류기/인버터(10)를 제어하는 제1컨트롤러(18); 및
    상기 제2능동 정류기/인버터(14)를 제어하는 제2컨트롤러(46)를 포함하는 전력 변환기를 구동할 때:
    상기 제1컨트롤러(18)가 직류 링크 전압 요구 신호(VDC_GEN*)에 대응하는 직류 링크 전압의 희망 레벨을 달성하도록 상기 제1능동 정류기/인버터(10)의 반도체 전력 스위칭 장치를 제어하기 위하여, 희망 직류 링크 전압을 나타내는 직류 링크 전압 요구 신호(VDC_GEN*)를 이용하는 단계; 및
    상기 제2컨트롤러(46)가 전력 요구 신호(P*)와 전압 요구 신호(VTURB*)에 대응하는 전력과 전압의 희망 레벨을 달성하도록 상기 제2능동 정류기/인버터(14)의 반도체 전력 스위칭 장치를 제어하기 위하여, 상기 직류 링크(12)에서 상기 제2능동 정류기/인버터(14)를 통하여 상기 공급 네트워크(NETWORK)로 전달되는 전력의 레벨을 나타내는 전력 요구 신호(P*)와, 상기 필터(16)의 네트워크 단자들에서 달성하려는 전압을 나타내는 전압 요구 신호(VTURB*)를 이용하는 단계를 포함하여;
    가변 주파수에서 가변 전압을 공급하는 발전기(4)를 고정된 공칭 전압과 고정된 공칭 주파수에서 동작하는 공급 네트워크(NETWORK)에 연결하여 사용할 수 있게 한 전력 변환기의 구동 방법.
  40. 제39항에 있어서,
    상기 공급 네트워크 전압이 정상 조건에서 벗어날 때, 상기 제2컨트롤러(46)가 상기 제2능동 정류기/인버터(14)에서 이출될 수 있는 전력의 한계를 결정하기 위해 상기 공급 네트워크 전압(VQ_NET)의 측정값을 이용하는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기의 구동 방법.
  41. 제39항 또는 제40항에 있어서,
    상기 공급 네트워크 전압이 정상 조건에서 벗어날 때, 상기 제2컨트롤러(46)가 상기 공급 네트워크에 전압 유지를 제공하도록 상기 제2능동 정류기/인버터(14)로부터 공급되어질 전류의 레벨을 결정하기 위해 상기 공급 네트워크 전압(VQ_NET)의 측정값을 이용하는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기의 구동 방법.
  42. 제39항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1컨트롤러(18)는 상기 발전기(4)에서 달성하려는 플럭스의 희망 레벨을 나타내는 플럭스 요구 신호(Φ*)를 이용하고, 상기 플럭스 요구 신호(Φ*)를 상기 제1능동 정류기/인버터(10)를 위한 직류 축 전류 요구 신호(ID_GEN*)로 변환하며, 상기 제1능동 정류기/인버터(10)를 위한 희망 직류 축 전류를 달성하는 고정자 전기량을 생산하도록 상기 제1능동 정류기/인버터(10)의 반도체 전력 스위칭 장치를 제어하는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기의 구동 방법.
  43. 제42항에 있어서,
    상기 플럭스 요구 신호(Φ*)를 상기 직류 전류 축 요구 신호(ID_GEN*)로 변환하는 단계는 상기 발전기의 하나 또는 그 이상의 특징(21)들을 기준으로 실행되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기의 구동 방법.
  44. 제39항 내지 제43항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1컨트롤러(18)가 상기 제1능동 정류기/인버터(10)를 위한 직교 축 전류 요구 신호(IQ_GEN*)를 결정하기 위해 희망 직류 링크 전압을 나타내는 직류 링크 전압 요구 신호(VDC_GEN*)를 직류 링크 전압 피드백 신호(VDC_FB)와 비교하고, 상기 제1능동 정류기/인버터(10)를 위한 희망 직교 축 전류를 달성할 수 있는 고정자 전기량을 생산하도록 상기 제1능동 정류기/인버터(10)의 반도체 전력 스위칭 장치를 제어하는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기의 구동 방법.
  45. 제44항에 있어서,
    공급 네트워크 전압이 급강하하는 상황 동안, 상기 제2컨트롤러(46)가 우세한 공급 네트워크의 전압 조건에 따라 변하는 제어 신호(IDC_LIM)를 상기 제1컨트롤러(18)로 공급하는 단계; 및
    상기 제1컨트롤러(18)가 직류 링크 전류 요구 신호(IDC_GEN*)를 결정하기 위 해 희망 직류 링크 전압을 나타내는 직류 링크 전압 요구 신호(VD_GEN*)를 상기 직류 링크 전압 피드백 신호(VDC_FB)와 비교하고, 제한된 직류 링크 전류 요구 신호(IDC_GEN*_LIM)를 결정하기 위해 상기 제2컨트롤러(46)로부터의 상기 제어 신호(IDC_LIM)를 이용하여 직류 링크 전류 요구 신호(IDC_GEN*)를 제한하며, 상기 공급 네트워크 전압이 급강하하는 상황 동안 상기 공급 네트워크로부터 당겨지는 전력이 없도록 상기 제1능동 정류기/인버터(10)를 위한 직교 축 전류 요구 신호(IQ_GEN*)를 결정하기 위해 상기 제한된 직류 링크 전류 요구 신호(IDC_GEN*_LIM)를 이용하는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기의 구동 방법.
  46. 제44항에 있어서,
    상기 제2컨트롤러(46)가 우세한 공급 네트워크의 전압 조건에 따라 변하는 제어 신호(IDC_LIM) 및/또는 전력 요구 신호를 상기 제1컨트롤러(18)로 공급하고,
    상기 제1컨트롤러(18)의 직류 링크 전압 컨트롤러(76)가 상기 제1능동 정류기/인버터(10)를 위한 상기 직교 축 전류 요구 신호(IQ_GEN*)를 결정하기 위해 이용되는 직류 링크 전류 요구 신호(IDC_GEN*)를 결정하도록, 상기 제어 신호(IDC_FF)에 더해지는 출력 신호를 제공하기 위한 희망 직류 링크 전압을 나타내는 상기 직류 링크 전압 요구 신호(VDC_GEN*)를 상기 직류 링크 전압 피드백 신호(VDC_FB)와 비교하는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기의 구동 방법.
  47. 제44항 내지 제46항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2컨트롤러(46)가 상기 직류 링크(12)에서 상기 제2능동 정류기/인버터(14)를 통하여 상기 공급 네트워크(NETWORK)로 전달된 전력의 레벨을 나타내는 전력 요구 신호(P*)를 상기 제2능동 정류기/인버터(14)를 위한 직교 축 전류 요구 신호(IQ_NET*_LIM)로 변환하고, 상기 제2능동 정류기/인버터(14)를 위한 희망 직교 축 전류를 달성할 수 있는 필터/공급 네트워크 전기량을 생산하도록 상기 제2능동 정류기/인버터(14)의 반도체 전력 스위칭 장치를 제어하는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기의 구동 방법.
  48. 제47항에 있어서,
    상기 전력 요구 신호(P*)를 상기 직교 축 전류 요구 신호(IQ_NET*_LIM)로 변환하는 단계는, 상기 전력 요구 신호(P*)를 상기 필터(16)의 네트워크 단자에서의 전압으로부터 유도된 신호(VQ_NET)로 나눔으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기의 구동 방법.
  49. 제48항에 있어서,
    상기 전력 요구 신호(P*)를 상기 직교 축 전류 요구 신호(IQ_NET*_LIM)로 변환하는 단계는, 상기 전력 요구 신호(P*)를 상기 필터(16)의 네트워크 단자에서의 전압으로부터 유도된 신호의 여과된 버전(filtered version)으로 의해 나눔으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기의 구동 방법.
  50. 제47항 내지 제49항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2컨트롤러(46)가 희망 직류 링크 전압을 나타내는 다음(further) 직류 링크 전압 요구 신호(VDC_NET*)를 이용하고, 무제한의 직교 축 전류 요구 신호(VDC_PI_IQ_NET*)를 결정하기 위해 상기 다음 직류 링크 전압 요구 신호(VDC_NET*)를 상기 직류 링크 전압 피드백 신호(VDC_FB)와 비교하며, 상기 전력 변환기의 구동시와 정상 동작 조건 동안 상기 제2능동 정류기/인버터(14)를 위한 직교 축 전류 요구 신호(IQ_NET*_LIM)를 결정하도록 상기 전력 요구 신호(P*)로부터 유도된 제한 신호(52)에 의해 결정된 값으로 상기 무제한의 직교 축 전류 요구 신호(VDC_PI_IQ_NET*)를 제한하는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기의 구동 방법.
  51. 제50항에 있어서,
    상기 무제한의 직교 축 전류 요구 신호(VDC_PI_IQ_NET*)가, (ⅰ) 발전기 전력(POWER_FF)을 나타내는 신호, (ⅱ) 상기 필터(16)의 네트워크 단자에서 측정된 전압 피드백 신호(VQ_NET) 및 (ⅲ) 우세한 공급 네트워크 전압 조건에 따라 변하는 이득 신호(PFF_GAIN)로부터 유도된 직교 축 전류 피드포워드 신호(IQ_FF)에 더해지는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기의 구동 방법.
  52. 제51항에 있어서,
    상기 발전기 전력(POWER_FF)을 나타내는 신호는 상기 제1컨트롤러(18)에서 상기 제2컨트롤러(46)로 공급되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기의 구동 방법.
  53. 제51항에 있어서,
    상기 발전기 전력(POWER_FF)을 나타내는 신호에서 상기 제1컨트롤러(18)의 직류 링크 전압 컨트롤러(76)에 있는 PI 컨트롤러(20)의 출력을 뺀 것이 상기 제2컨트롤러(46)로 공급되고, 공급 네트워크 전압이 급강하하는 상황 동안 상기 제2컨트롤러(46)에 의해 이용되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기의 구동 방법.
  54. 제50항 내지 제53항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2컨트롤러(46)가 상기 전력 요구 신호(P*)로부터 유도된 제한 신호를 공급 네트워크 전압이 급강하하는 상황에서의 우세한 공급 네트워크 전압 조건에 따라 조정하는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기의 구동 방법.
  55. 제39항 내지 제54항 중 어느 한에 있어서,
    상기 직류 링크(12)는 커패시터(82)를 포함하고 상기 전력 변환기는 상기 커패시터(82)에서 흐르는 전류를 측정하고 출력 신호를 공급하기 위한 전류 센서(80)를 더 포함하여 구성되며, 상기 제1능동 정류기/인버터(10)에 대한 직류 링크 전류 요구 신호(ID_GEN*)를 결정하기 위해 상기 제1컨트롤러(18)에 있는 직류 링크 전압 컨트롤러(76)의 출력에 더해지는 신호(IDC_NET′)를 공급하도록, 상기 전류 센서(80)의 출력 신호가 상기 발전기 전력(POWER_FF)을 나타내는 신호로부터 유도된 신호에서 빼지는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기의 구동 방법.
  56. 제39항 내지 제54항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 직류 링크(12)는 커패시터(82)를 포함하고 상기 전력 변환기는 상기 커패시터(82)에서 흐르는 전류를 측정하고 출력 신호를 공급하기 위한 전류 센서(80)를 더 포함하여 구성되며, 상기 제1능동 정류기/인버터(10)에 대한 직류 링크 전류 요구 신호(ID_GEN*)를 결정하기 위해 상기 제1컨트롤러(18)에 있는 직류 링크 전압 컨트롤러(76)의 출력에 더해지고 여과되는 신호(IDC_NET′)를 공급하도록, 상기 전류 센서(80)의 출력 신호가 상기 발전기 전력(POWER_FF)을 나타내는 신호로부터 유도된 신호에서 빼지는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기의 구동 방법.
  57. 제39항 내지 제54항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 직류 링크 전압을 측정하고 직류 링크 전압 피드백 신호(VDC_FB)를 제공하기 위한 전압 센서와, 상기 직류 링크 전압 피드백 신호(VDC_FB)의 변화율을 측정하기 위한 수단을 더 포함하며, 상기 직류 링크 전압 피드백 신호(VDC_FB)가 제1문턱전압(VDC_FB_THRESHOLD)보다 크고, 상기 직류 링크 전압 피드백 신호(VDC_FB)의 변화율이 제2문턱전압(dVDC_FB/dt_THRESHOLD)보다 클 때, 상기 제1컨트롤러(18)의 직류 링크 전압 컨트롤러(76)에 있는 PI 컨트롤러(20)의 적분 값이 미리 결정된 요인에 의해 수정되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환기의 구동 방법.
  58. 제39항 내지 제57항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2능동 정류기/인버터(14)를 위한 직교 축 전류 축 요구 신호(IQ_NET*_LIM)를, 공급 네트워크 전압이 급강하하는 상황에서 우세한 공급 네트워크 전압 조건의 함수로서 수정된 상기 제2능동 정류기/인버터(14)의 전력 제한 정 격(power limit rating)으로부터 유도되는 슬루우 레이트 제한된 버전의 신호(IQ_CAPACITY)로부터 유도하는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기의 구동 방법.
  59. 제39항 내지 제58항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2컨트롤러(46)가 상기 제2능동 정류기/인버터(14)를 위한 직류 축 전류 요구 신호(ID_NET*)를 결정하기 위해 상기 필터(16)의 네트워크 단자에서 달성하려는 전압의 레벨을 나타내는 전압 요구 신호(VTURB*)와 상기 필터(16)의 네트워크 단자에서 측정된 전압 피드백 신호(VQ_NET)를 비교하고, 상기 제2능동 정류기/인버터(14)를 위한 희망 직류 축 전류를 달성하는 필터/공급 네트워크 전기량을 생산하기 위해 상기 제2능동 정류기/인버터의 반도체 전력 스위칭 장치를 제어하는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기의 구동 방법.
  60. 제58항에 있어서,
    상기 제2컨트롤러(46)가 우세한 공급 네트워크 전압 조건에 따라 상기 직류 축 전류 요구 신호(ID_NET*)를 수정하는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기의 구동 방법.
  61. 제59항 또는 제60항에 있어서,
    상기 제2컨트롤러(46)가 상기 필터(16)의 네트워크 단자에서 달성하려는 전압의 레벨을 나타내는 전압 요구 신호(VTURB*)와 상기 직류 축 전류 요구 신호(ID_NET*)로부터 유도된 신호에 따라 상기 필터(16)의 네트워크 단자에서 측정된 전압 피드백 신호(VQ_NET) 사이의 차이로부터 발생된 오차 신호를 수정하는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기의 구동 방법.
  62. 제39항 내지 제61항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발전기(4) 이동부의 속도를 나타내는 속도 신호(N)를 유도하고, 상기 전력 요구 신호(P*)를 유도하기 위해 상기 속도 신호(N)를 이용하는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기의 구동 방법.
  63. 제61항에 있어서,
    상기 속도 신호(N)가 룩업 테이블(56)의 포인터나 수학적인 함수가 계산되는 값을 형성하는 경우에, 상기 전력 요구 신호(P*)가 룩업 테이블(56)이나 수학적인 함수로부터 유도되는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기의 구동 방법.
  64. 제62항에 있어서,
    상기 속도 신호(N)가 필터 함수에 의해 수정되는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기의 구동 방법.
  65. 제64항에 있어서,
    상기 수정된 속도 신호(N′)가 룩업 테이블(56)의 포인터나 수학적인 함수가 계산되는 값을 형성하는 경우에, 상기 전력 요구 신호(P*)가 룩업 테이블(56)이나 수학적인 함수로부터 유도되는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기의 구동 방법.
  66. 제62항 내지 제64항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전력 요구 신호(P*)가 상기 속도 신호의 여과된 버전으로부터 유도된 신호와 함께 합산되는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기의 구동 방법.
  67. 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 따른 다수의 전력 변환기들(1a 내지 1d)이 병렬 연결부분(72)에 의해 고정된 공칭 전압과 고정된 공칭 주파수에서 동작하는 공급 네트워크(NETWORK)에 함께 병렬로 연결되고,
    각 전력 변환기(1a 내지 1d)에 있는 필터의 네트워크 단자에서 달성하려는 전압을 나타내는 전압 요구 신호(VTURB*)를 최상위 전압 요구 신호(WIND FARM VOLTAGE REFERENCE)와 상기 병렬 연결부분(72)이 공급 네트워크(NETWORK)에 연결되는 포인트에서 측정된 최상위 전압 피드백 신호(WIND FARM VOLTAGE FEEDBACK)의 비교로부터 유도하는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기의 구동 방법.
  68. 제67항에 있어서,
    상기 최상위 전압 피드백 신호(WIND FARM VOLTAGE FEEDBACK B)가 상기 병렬 연결부분(72)과 공급 네트워크(NETWORK) 사이에 전기적으로 연결된 승압형 변압기(74)의 공급 네트워크 측에서 측정되는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기의 구동 방법.
  69. 제67항에 있어서,
    상기 최상위 전압 피드백 신호(WIND FARM VOLTAGE FEEDBACK A)가 상기 병렬 연결부분(72)과 공급 네트워크(NETWORK) 사이에 전기적으로 연결된 승압형 변압기(74)의 병렬 연결부분 측에서 측정되는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기의 구동 방법.
  70. 가변 주파수에서 가변 전압을 제공하고 고정자와 회전자가 구비된 발전기(4)와, 상기 발전기(4)의 회전자를 회전시키기 위한 적어도 하나의 날개를 포함하는 터빈 어셈블리(2); 및 상기 발전기(4)를 고정된 공칭 전압과 고정된 공칭 주파수에 서 동작하는 공급 네트워크(NETWORK)에 연결하는 전력 변환기를 포함하여 구성되는 풍력 터빈에서, 상기 전력 변환기는:
    발전기(4)의 고정자에 전기적으로 연결되고, 다수의 반도체 전력 스위칭 장치를 포함하는 제1능동 정류기/인버터(10);
    다수의 반도체 전력 스위칭 장치를 포함하는 제2능동 정류기/인버터(14);
    상기 제1능동 정류기/인버터(10)와 상기 제2능동 정류기/인버터(14) 간에 연결된 직류 링크(12);
    상기 제2능동 정류기/인버터(14)와 공급 네트워크(NETWORK) 간에 연결되고, 네트워크 단자들을 포함하는 필터(16);
    상기 제1능동 정류기/인버터(10)를 제어하는 제1컨트롤러(18); 및
    상기 제2능동 정류기/인버터(14)를 제어하는 제2컨트롤러(46)를 포함하며;
    풍속의 변경에 대응하여 풍력 터빈을 구동할 때:
    직류 링크 전압을 변경시키기 위해, 상기 제2능동 정류기/인버터(14)가 상기 직류 링크(12)에서 이출되는 전력의 레벨을 희망 레벨로부터 변경시키도록 제어하는 단계; 및
    상기 직류 링크 전압을 희망 레벨로 복원하기 위해, 상기 제1능동 정류기/인버터(10)가 상기 발전기(4)에서 발전기 브리지(10)를 통하여 상기 직류 링크(12)로 충분한 전류를 이입시키도록 제어하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈의 구동 방법.
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