KR101398400B1

KR101398400B1 - 시변 드룹 기반 풍력발전기의 관성 제어 방법

Info

Publication number: KR101398400B1
Application number: KR1020140026606A
Authority: KR
Inventors: 강용철; 이혜원; 황민
Original assignee: 전북대학교산학협력단
Priority date: 2014-03-06
Filing date: 2014-03-06
Publication date: 2014-05-27
Anticipated expiration: 2034-03-06
Also published as: US8922043B1; JP5664889B1; JP2015171315A

Abstract

이 발명은 시변 드룹 기반 풍력발전기의 관성 제어 방법에 관한 것으로서, 이 발명의 일 실시예에 따르면, 전력 계통의 정격 주파수 값과 실제 주파수 값을 획득하는 단계, 실제 주파수 값과 정격 주파수 값의 편차를 산출하는 단계, 실제 주파수의 변화율을 산출하는 단계, 변화율을 이용하여 드룹 계수(R_variant)를 획득하는 단계 및 산출된 편차와 드룹 계수(R_variant)에 근거하여 풍력발전기를 제어하는 단계를 포함하는 시변 드룹 기반 풍력발전기의 관성 제어 방법이 제공된다.

Description

시변 드룹 기반 풍력발전기의 관성 제어 방법{TIME-VARIANT DROOP BASED INERTIAL CONTROL METHOD FOR WIND POWER PLANT}

이 발명은 풍력발전기의 관성 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전력 계통에서 변화하는 실제 주파수의 변화율에 근거하여 산출되는 드룹 계수(R_variant)를 이용하여 외란에 대한 회복 능력을 향상시킬 수 있는 시변 드룹 기반 풍력발전기의 관성 제어 방법에 관한 것이다.

전력 계통에서 발전기 탈락이나 부하 증가와 같은 외란이 발생하게 되면, 전기에너지가 부족하므로 전력망의 주파수는 감소한다. 일 예로 국내에서는 주파수가 59Hz가 되면 발전기의 연쇄적인 탈락을 방지하기 위해 저주파수 부하차단(Under frequency load shedding, UFLS) 계전기가 작동하여 6%의 부하를 차단시키고, 매 0.2Hz 감소시, 추가로 6%의 부하를 탈락시킨다. 따라서 외란 발생 이후 전력망의 최저 주파수는 계통의 신뢰도를 결정짓는 중요한 기준이 되고, 부하 차단을 방지하기 위해서는 전력망의 주파수가 59Hz 이하가 되지 않도록 해야 한다.

현재 풍력발전용으로 주로 사용되는 풍력발전기 중 일부는 풍속에 따라 최대출력을 내기 위해 회전자 속도를 제어하는 최대출력추종(Maximum power point tracking, MPPT) 제어를 수행한다. 이러한 최대출력추종 제어는 전력망 주파수의 변동이 고려되지 않은 상태에서 수행되므로, 전력망에 외란이 발생하는 경우에 주파수 하락이 커지게 된다. 이를 방지하기 위해 풍력발전기의 주파수 제어 기능이 필요하다.

종래, 풍력발전기를 이용하여 전력망의 주파수 회복 능력을 향상시키기 위한 방법들이 제안되었는 바, 그 중 하나로서 풍력발전기의 최대출력추종 제어 수행을 위한 출력의 기준값에 전력망의 주파수 변화율(Rate of change of frequency) 루프에 의해서 생성된 기준값을 더하는 방식을 들 수 있다. 이 방식은 외란이 발생하면 풍력발전기의 회전자에 저장되어 있는 에너지를 일시적으로 방출함으로써, 전력 계통의 주파수 하락을 억제하는데 기여할 수 있으나, 외란 발생 후 시간이 경과함에 따라 주파수 회복에 대한 기여도가 감소하는 한계가 있었다.

한편, 대부분의 경우 외란 발생 이후에 운전 중인 동기기의 관성 응답과 드룹 제어에 의해 방출하는 전력의 양이 탈락된 발전기의 용량보다 크다. 그러므로 주파수는 하락 이후에 반등하게 되고 주파수 변화율의 부호가 반대가 된다. 따라서 이 방식은 주파수 반등 이전까지는 주파수 회복에 기여를 하지만, 주파수가 반등된 이후에는 반대가 된 주파수 변화율의 부호로 인하여 풍력단지의 출력이 감소하게 되고 그 결과 주파수 회복에 대한 기여도가 감소하는 문제가 여전히 남아있었다.

전술한 문제를 해결하기 위한 종래기술로서 특허문헌 1이 개시된 바 있다. 특허문헌 1에 따르면 외란 발생시 보다 신속하게 주파수를 회복하고 전력망에 많은 전력을 제공하는 효과가 있으나, 주파수에 고조파가 존재하는 경우에는 주파수에 대한 미분(또는 변화율) 연산 시에 이러한 고조파로 인하여 풍력발전기의 제어에 악영향을 미치는 노이즈가 증폭된다는 문제점이 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-1318124호: 풍력발전단지의 관성 제어 방법(2013.10.16)

이 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 이 발명의 실시예들에 따르면, 전력 계통에 대한 외란 발생시 신속하게 주파수를 회복하고 전력 계통에 많은 전력을 제공할 수 있는 풍력발전기의 제어 방법을 제공하는 데에 있다.

또한, 전력 계통에서 변화하는 실제 주파수의 변화율을 이에 매칭된 드룹 계수(R_variant)로 변환함으로써, 실제 주파수에 포함된 고조파로 인하여 변화율 연산 시 증폭되는 노이즈로 인한 악영향을 차단하고자 한다.

이 발명의 일 측면에 의하면, 전력 계통의 정격 주파수 값과 실제 주파수 값을 획득하는 단계, 상기 실제 주파수 값과 상기 정격 주파수 값의 편차를 산출하는 단계, 상기 실제 주파수의 변화율을 산출하는 단계, 상기 변화율을 이용하여 드룹 계수(R_variant)를 획득하는 단계 및 상기 산출된 편차와 드룹 계수(R_variant)에 근거하여 풍력발전기를 제어하는 단계를 포함하는, 시변 드룹 기반 풍력발전기의 관성 제어 방법이 제공된다.

또한, 상기 드룹 계수(R_variant) 획득 단계 이전에, 룩업테이블을 생성하는 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 룩업테이블은 복수의 시간 구간 별로 인덱스가 할당되고, 상기 각 인덱스 마다 서로 다른 드룹 계수(R_variant)가 매칭되며, 상기 복수의 구간 중 어느 하나의 구간에 속하는 값이 인덱스로 입력되면 상기 입력된 인덱스에 매칭되는 드룹 계수(R_variant)를 출력할 수 있다.

또한, 상기 드룹 계수(R_variant) 획득 단계는 상기 변화율을 상기 룩업테이블의 인덱스로 입력하는 단계 및 상기 룩업테이블로부터 상기 변화율에 해당하는 인덱스에 매칭된 드룹 계수(R_variant)를 획득하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 룩업테이블은 상대적으로 작은 값이 할당된 인덱스에 매칭된 드룹 계수(R_variant) 보다 상대적으로 큰 값이 할당된 인덱스에 매칭된 드룹 계수(R_variant)가 더 큰 값을 갖는 것으로 미리 저장될 수 있다.

또한, 상기 제어 단계는 최대출력추종(Maximum power Point Tracking, MPPT) 제어를 이용하여 제1 유효전력 기준값을 산출하는 단계, 상기 산출된 편차와 드룹 계수(R_variant)에 근거하여 전력 지령값을 산출하는 단계, 상기 제1 유효전력 기준값과 전력 지령값을 합산하여 제2 유효전력 기준값을 산출하는 단계 및 상기 제2 유효전력 기준값을 풍력발전기 측으로 전달하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 풍력발전기의 회전자 컨버터 컨트롤러는 상기 제2 유효전력 기준값에 근거하여 풍력발전기로부터 전력 계통으로의 출력을 조절할 수 있다.

이 발명의 실시예에 따르면, 전력 계통에 대한 외란 발생시 신속하게 주파수를 회복하고 전력 계통에 많은 전력을 제공할 수 있는 풍력발전기의 제어 방법을 제공할 수 있다.

또한, 전력 계통에 대한 외란 발생 시에 시간에 따라 변화하는 실제 주파수의 변화율을 이용함으로써, 외란에 대한 주파수 회복 성능을 개선할 수 있다.

또한, 전력 계통에서 변화하는 실제 주파수의 변화율을 이에 매칭된 드룹 계수(R_variant)로 변환함으로써, 풍력발전기에 대한 보다 정밀한 주파수 제어를 가능케하고, 실제 주파수에 포함된 고조파로 인하여 변화율 연산 시 증폭되는 노이즈로 인한 악영향을 차단할 수 있다.

도 1은 이 발명의 일 실시예에 따른 시변 드룹 기반 풍력발전기의 관성 제어 방법의 각 단계를 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 2는 이 발명의 실시예에 따른 룩업테이블의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 제1 룩업테이블에 따른 실제 주파수의 변화율과 드룹 계수(R_variant)의 관계를 그래프로 도시한 것이다.
도 4a 내지 도 4c는 이 발명의 다른 실시예에 따라 실제 주파수의 변화 추이를 반영하여 드룹 계수(R_variant)를 산출하는 일 예를 도시한 도면이다.
도 5는 도 1에 도시된 실시예에 따른 관성 제어 방법을 제어 루프 형태로 나타낸 것이다.
도 6은 이 발명의 실시예를 시뮬레이션하기 위한 풍력발전단지의 모형을 나타낸 모식도이다.
도 7a 내지 도 7c는 도 6에 따른 시뮬레이션에 대한 실행 결과를 나타낸 그래프이다.

이 명세서에서 개시되는 실시예들은 이 발명의 범위를 한정하는 것으로 해석되거나 이용되지 않아야 할 것이다. 이 분야의 통상의 기술자에게 이 명세서의 실시예를 포함한 설명은 다양한 응용을 갖는다는 것이 당연하다. 따라서, 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상, 임의의 실시예는 이 발명을 보다 잘 설명하기 위한 예시적인 것이며 이 발명의 범위가 실시예들로 한정되는 것을 의도하지 않는다. 또한, 이 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 이 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 이 발명의 실시예를 더욱 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 이 발명의 일 실시예에 따른 시변 드룹 기반 풍력발전기의 관성 제어 방법의 각 단계를 개략적으로 나타낸 순서도이다.

도 1을 참조하면, 이 발명의 시변 드룹 기반 풍력발전기의 관성 제어 방법은 전력 계통의 정격 주파수(f_nom) 값과 실제 주파수(f_sys) 값을 획득하는 단계(S510), 실제 주파수(f_sys) 값과 정격 주파수(f_nom) 값의 편차를 산출하는 단계(S520), 실제 주파수(f_sys)의 변화율을 산출하는 단계(S530), 산출된 변화율을 이용하여 드룹 계수(R_variant를 획득하는 단계(S540) 및 산출된 편차와 드룹 계수(R_variant)에 근거하여 풍력발전기를 제어하는 단계(S550)를 포함한다.

전력 계통의 정격 주파수(f_nom)는 풍력발전기 또는 풍력발전단지로부터 급전되는 교류 전원의 지정된 주파수로서 일정한 값이고, 실제 주파수(f_sys)는 풍력발전기 내에 부착된 센서 또는 풍력발전기를 모니터링하는 중앙 제어 장치 등을 통해 획득되는 주파수로서 외란 등에 의해 변화하는 값이다.

다음으로, 전력 계통의 실제 주파수(f_sys) 값과 정격 주파수(f_nom) 값의 편차를 산출한다. 구체적으로, 실제 주파수(f_sys)의 값에서 정격 주파수(f_nom)의 값을 빼서 실제 주파수(f_sys)가 정격 주파수(f_nom)와 어느 정도의 차이를 갖는지 수치로 환산하는 것이다. 즉, 외란이 커질수록 실제 주파수(f_sys) 값과 정격 주파수(f_nom) 값의 편차도 커지게 되므로, 산출된 편차의 크기에 근거하여 외란의 정도를 판단할 수 있다. 이 경우, 산출된 편차가 양(+)의 부호 또는 음(-)의 부호일 수 있음은 당연하다.

외란 발생 시 주파수 변화율은 아래 수학식 1에 따라 연산된다.

[수학식 1]

상기 수학식 1에서 t₁, t₂는 전력 계통에서 실제 주파수(f_sys)를 측정한 시간이고, f_sys(t₁) 및 f_sys(t₂)는 각각 t₁ 및 t₂에서 측정된 실제 주파수(f_sys) 값이다. 이때, 실제 주파수(f_sys)를 측정하는 시간 간격이 좁을수록 외란에 대하여 보다 신속하게 반응할 수 있다는 장점이 있다.

실제 주파수(f_sys)를 소정 간격의 시간 마다 측정한 후 수학식 1을 통해 실제 주파수(f_sys)에 대한 변화율이 산출되면, 산출된 변화율을 이용하여 드룹 계수(R_variant)를 획득한다. 여기서, 드룹(droop) 계수(R_variant)는 풍력발전기에 대한 주파수 제어를 수행하기 위해 풍력발전기에 대한 제어 블록에 추가된 변화율 루프의 제어 이득(gain)이다.

도 2는 이 발명의 실시예에 따른 제1 룩업테이블의 일 예를 나타낸 도면이고, 도 3은 도 2의 제1 룩업테이블에 따른 실제 주파수(f_sys)의 변화율과 드룹 계수(R_variant)의 관계를 그래프로 도시한 것이다.

실제 주파수(f_sys)의 변화율은 제1 룩업테이블에 입력되면 드룹 계수(R_variant)로 변환된다. 여기서, 룩업테이블이란 적어도 하나 이상의 인덱스 및 상기 인덱스에 매칭되는 출력값이 저장된 데이터 배열이다. 즉, 룩업테이블은 인덱스와 결과값이 미리 매칭되어 저장된 메모리 집합 또는 데이터 구조라고 할 수 있다.

룩업테이블을 이용하여 드룹 계수(R_variant)를 산출하기 위해서, 상기 드룹 계수(R_variant) 획득 단계 이전에 룩업테이블을 미리 연산 또는 제작하여 생성한 후 저장할 수 있다(S500).

이러한, 제1 룩업테이블은 복수의 시간 구간 별로 인덱스가 할당되고, 각 인덱스 마다 서로 다른 드룹 계수(R_variant)가 매칭되며, 복수의 구간 중 어느 하나의 구간에 속하는 값이 인덱스로 입력되면 상기 입력된 인덱스에 매칭되는 드룹 계수(R_variant)를 출력한다. 즉, 드룹 계수(R_variant) 획득 단계는 실제 주파수(f_sys)의 변화율을 제1 룩업테이블의 인덱스로 입력하는 단계 및 제1 룩업테이블로부터 상기 변화율에 해당하는 인덱스에 매칭된 드룹 계수(R_variant)를 획득하는 단계를 포함할 수 있다.

드룹 계수(R_variant)를 획득하는 단계는 실제 주파수의 시간당 변화율이 음(-)의 방향으로 커질수록 풍력발전기가 더 큰 출력을 내보낼 수 있도록 하기 위해서 더 큰 드룹 계수(R_variant)를 획득할 수 있다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 실제 주파수(f_sys)의 변화율의 크기가 제1 구간(-1 미만)에 속하는 경우 드룹 계수(R_variant)는 0.01로 일정하게 출력되고, 실제 주파수(f_sys)의 변화율의 크기가 제2 구간(-1이상 -0.2미만)에 속하는 범위에서 증가할수록 드룹 계수(R_variant)는 0.01부터 0.035까지 순차적으로 증가하여 출력되며, 실제 주파수(f_sys)의 변화율의 크기가 제3 구간(-0.2이상 -0.005이하) 사이에 속하는 범위에서 증가할수록 드룹 계수(R_variant)는 0.035부터 0.08까지 순차적으로 증가하여 출력되고, 실제 주파수(f_sys)의 변화율의 크기가 제4 구간(0.005이상 1이하) 사이에 속하는 범위에서 증가하는 경우 드룹 계수(R_variant)는 0.08부터 0.1까지 증가하여 출력되며, 실제 주파수(f_sys)의 변화율의 크기가 제5 구간(1이상)에 속하는 경우 드룹 계수(R_variant)는 0.1로 일정하게 출력된다. 실제 주파수(f_sys)의 변화율과 드룹 계수(R_variant)는 양의 상관관계를 갖을 수 있다.

특허문헌 1에 개시된 바와 같이 드룹 계수는 풍력발전기에서 부하로 방출 가능한 에너지(또는 방출해야하는 에너지)에 반비례할 수 있으므로, 실제 주파수(f_sys)의 시간당 변화율이 음(-)의 방향으로 커질수록 더 작은 값의 드룹 계수를 획득하여 풍력발전기가 더 큰 출력을 생성하고, 이로써 전력 계통의 주파수 하락을 보다 신속히 억제할 수 있도록 제어할 수 있다.

실제 주파수(f_sys)의 변화율의 크기가 증가할수록 룩업테이블로부터 출력되는 드룹 계수(R_variant)의 크기 또한 증가할 수 있고, 결국 외란의 정도가 반영된 시변(time-variant) 관성 제어가 가능하다는 장점이 있다.

또한, 실제 주파수(f_sys)의 변화율의 크기가 음(-) 또는 양(+)으로 기 설정된 범위를 벗어나는 각각의 경우(예, 도 2의 구간 1 및 구간 5)에는 드룹 계수(Rv_variant)가 하한(예, 0.01) 및 상한(예, 0.1)에 의해 일정하게 출력된다. 이에 따라, 실제 주파수(f_sys)에 대한 변화율 연산 시에 실제 주파수(f_sys)에 포함된 고조파에 의해 노이즈가 증폭되었던 종래기술의 문제점을 해소하면서도 실제 주파수(f_sys)의 변화율에 관한 데이터를 풍력발전기에 대한 관성 제어 시에 활용하여 외란에 대한 회복 능력을 확보할 수 있다는 장점이 있다.

드룹 계수(R_variant) 획득 단계에서 드룹 계수(R_variant)가 획득되면 상기 산출된 편차와 드룹 계수(R_variant)에 근거하여 풍력발전기를 제어하는 단계가 수행된다.

한편, 이 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 드룹 계수(R_variant) 획득 단계는 임의의 측정 시간에서 실제 주파수(f_sys)의 변화율이 동일한 경우에도 그 이전의 측정 시간에 측정된 실제 주파수(f_sys)의 변화율을 추가적으로 반영함으로써, 서로 다른 값을 갖는 드룹 계수(R_variant)를 산출할 수 있다. 도 4a 내지 도 4c는 이 발명의 다른 실시예에 따라 서로 다른 측정 시간에서의 실제 주파수(f_sys)의 변화 추이를 반영하여 드룹 계수(R_variant)를 산출하는 일 예를 도시한 도면이다.

도 4a 및 도 4b를 참조하면, 서로 다른 측정 시간인 t₄ 및 t₄'에서 각각 측정된 실제 주파수(f_sys)의 변화율 값이 'D'로 서로 동일한 경우를 가정할 수 있다.

구체적으로 도 4a를 살펴보면, 측정 시간 t₃에서 측정된 실제 주파수(f_sys)의 변화율 값이 'A'이고, 다음 측정 시간인 t₄에서 'D'로 변경되었음을 확인할 수 있다. 또한, 도 4b를 살펴보면 측정 시간 t₃'에서 측정된 실제 주파수(f_sys)의 변화율 값이 'C'이고, 다음 측정 시간인 t₄'에서 'D'로 변경되었음을 확인할 수 있다.

도 4c에는 이 발명의 일 실시예에 따라 실제 주파수(f_sys)의 변화율 추이가 반영된 드룹 계수(R_variant)를 출력할 수 있는 제2 룩업테이블이 도시되어 있다. 도 4c를 참조하면, 제2 룩업테이블은 도 4a에서와 같이 현재의 변화율 값인 'D' 및 이전 측정 시간에서의 변화율 값인 'A'를 인덱스로 하여 'X'를 드룹 계수(R_variant)로 출력한다. 또한, 제2 룩업테이블은 도 4b에서와 같이 현재의 변화율 값인 'D' 및 이전 측정 시간에서의 변화율 값인 'C'를 인덱스로 하여 'Z'를 드룹 계수(R_variant)로 출력한다.

즉, 도 2 및 도 3을 참조하여 전술한 실시예에서는 임의의 두 시간에서 측정된 실제 주파수(f_sys)의 변화율이 동일한 경우에는 항상 동일한 드룹 계수(R_variant)만을 확득할 수 있는 데에 반하여, 도 4를 참조하여 설명한 실시예에서는 이전의 측정 시간에서 측정된 변화율 값까지 반영하여 드룹 계수(R_variant)를 도출하므로, 임의의 두 측정 시간에서 측정된 변화율이 동일하더라도 이전 측정 시간에서 측정된 실제 변화율이 서로 상이하면 도출되는 드룹 계수(R_variant)가 상이할 수 있다.

이에 따라, 도 4를 참조하여 전술한 실시예는 전력 계통에 대한 외란에 대하여 더욱 정밀한 주파수 제어를 가능하게 하는 장점이 있다. 한편, 도 4를 참조하여 전술한 실시예에서는 연속된 2개의 측정 시간을 반영하여 드룹 계수(R_variant)를 획득하는 과정을 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니고 연속된 3개 이상의 측정 시간을 반영하여 드룹 계수(R_variant)를 획득할 수 있는 것으로 이해되어야 한다.

도 5는 도 1에 도시된 실시예에 따른 시변 드룹 기반 풍력발전기의 관성 제어 방법을 루프 형태로 나타낸 것이다.

도 5를 참조하면, 실제 주파수(f_sys)의 값을 수신한 후 그 변화율을 연산하고, 연산된 변화율에 근거하여 드룹 계수(R_variant)를 획득하는 루프(loop)가 하단에 추가되어 있음을 확인할 수 있으며, 이는 앞서 도 1을 통해 설명한 이 발명의 실시예를 표현한 것이다. 도 3의 상단의 P₀는 풍력발전기의 최대출력추종(Maximum power Point Tracking, MPPT) 제어를 수행 또는 풍력발전기의 유효전력을 제어하기 위한 기준값이다.

또한, 도 5를 참조하면, 풍력발전기 제어 단계는 최대출력추종(Maximum power Point Tracking, MPPT)을 이용하여 제1 유효전력 기준값(P₀)을 산출하는 단계, 상기 산출된 편차와 드룹 계수(R_variant)에 근거하여 전력 지령값(P_add)을 산출하는 단계, 제1 유효전력 기준값(P₀)과 전력 지령값(P_add)을 합산하여 제2 유효전력 기준값(P_ref)을 산출하는 단계 및 제2 유효전력 기준값(P_ref)을 풍력발전기 측으로 전달하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 풍력발전기의 회전자 컨버터 컨트롤러는 제2 유효전력 기준값(P_ref)을 수신하여 풍력발전기로부터 전력 계통으로 출력되는 전력량을 조절할 수 있다.

도 6은 이 발명의 실시예를 시뮬레이션하기 위한 풍력발전단지의 모형을 나타낸 모식도이다.

이 발명의 일 실시예에 따른 성능을 검증하기 위하여 EMTP-RV 시뮬레이터를 사용하여 모의 계통을 구성하였다. 도 4는 5기의 동기발전기와 풍력발전단지로 구성된 모의 계통을 나타낸다. 동기 발전기는 150 MVA 3기, 200 MVA 2기로 구성되고 5 MVA DFIG로 구성된 100 MVA의 풍력발전단지가 계통에 연계되어 있다. 풍력발전기는 총 20대이다. 전체 발전용량은 950 MVA이고 부하에서 소비하는 유효전력은 600 MW이다.

도 7은 도 6에 따른 시뮬레이션에 대한 실행 결과를 나타낸 그래프이다. 구체적으로, 도 7a는 하나 이상의 풍력발전기로 이루어진 풍력단지가 관성제어를 수행하기 위한 시간에 따른 회전자 속도 추이를 나타낸 것이고, 도 7b는 하나 이상의 풍력발전기로 이루어진 풍력단지가 전력 계통에 대한 주파수 회복에 기여하기 위해 시간에 따라 추가적으로 생성하는 출력 추이를 나타낸 것이며, 도 7c는 전력망에 외란 발생시 주파수 변화를 시간에 따라 나타낸 추이를 나타낸 것이다.

도 7a 내지 도 7c에서 적색 실선은 이 발명의 실시예에 따른 실제 주파수(f_sys)에 대한 회복 능력 특성을 나타낸 것이고, 녹색 점선은 종래 기술에 따라 실제 주파수(f_sys)의 시간당 변화율 루프와 실제 주파수(f_sys)의 변화율에 비례하는 기준값을 생성하는 루프를 적용한 경우의 실제 주파수(f_sys)에 대한 회복 능력 특성을 나타낸 것이며, 청색 파선은 다른 종래 기술에 따라 풍력발전기에 대한 주파수 제어를 실시하지 않고 최대출력추종(Maximum power Point Tracking, MPPT) 제어에 따른 제어만을 수행한 경우의 실제 주파수(f_sys)에 대한 회복 능력 특성을 나타낸 것이다.

도 7a 내지 도 7c를 통해 적색 실선으로 도시된 이 발명의 실시예가 녹색 점선 및 청색 파선으로 도시된 대조군에 비해 전력 계통에 대한 외란 발생 시 주파수 하락 초기에 회전자의 속도를 크게 변화시켜(도 7a 참조) 부하에 더 많은 전력을 공급하여(도 7b 참조) 전력 계통의 주파수 감소에 대한 회복 기여도를 높임으로써, 전력 계통의 주파수 최저점이 높아지는 것(도 7c 참조)을 확인할 수 있다.

즉, 도 7a 내지 도 7c를 통해 이 발명의 실시예가 종래기술에 따른 대조군에 비해 전력 계통에 대한 외란 발생 시에 풍력단지가 전력 계통에 많은 전력을 공급하여 보다 신속하게 주파수 최저점을 높이는 것을 확인할 수 있다.

결국, 이 발명에 따를 경우 시스템의 주파수가 종래에 비하여 덜 낮추어지도록, 바꿔 말하면 외란이 발생하더라도 풍력발전기가 탈락되지 않도록 제어할 수 있으며, 회전자를 가동시켜 부하에 에너지를 공급한 이후에도 빠른 시간 안에 정상 상태로 되돌아 올 수 있다는 점이 시뮬레이션을 통해 밝혀졌다.

한편, 전술한 실제 주파수(f_sys), 정격 주파수(f_nom), 드룹 계수(R_variant), 제1 유효전력 기준값(P₀), 전력 지령값(P_add), 제2 유효전력 기준값(P_ref) 및 룩업 테이블에 대한 연산 동작은 데이터 처리 및 데이터 저장 기능이 구비된 적어도 하나 이상의 컴퓨터 프로세서 또는 서버 등을 이용하여 수행할 수 있다.

위에서 설명된 이 발명의 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 이들에 의하여 이 발명이 한정되는 것은 아니다. 또한, 이 발명에 대한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정 및 변경을 가할 수 있을 것이며, 이러한 수정 및 변경은 이 발명의 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

R_variant: 드룹 계수
f_nom: 정격 주파수
f_sys: 실제 주파수
P₀: 제1 유효전력 기준값
P_add: 전력 지령값
P_ref: 제2 유효전력 기준값

Claims

전력 계통의 정격 주파수 값과 실제 주파수 값을 획득하는 단계;
상기 실제 주파수 값과 상기 정격 주파수 값의 편차를 산출하는 단계;
상기 실제 주파수의 변화율을 산출하는 단계;
상기 변화율을 이용하여 드룹 계수를 획득하는 단계; 및
상기 산출된 편차와 드룹 계수에 근거하여 풍력발전기를 제어하는 단계;
를 포함하는, 시변 드룹 기반 풍력발전기의 관성 제어 방법
제1항에 있어서,
상기 드룹 계수 획득 단계 이전에,
룩업테이블을 생성하는 단계;
를 더 포함하고,
상기 룩업테이블은 복수의 시간 구간 별로 인덱스가 할당되고, 상기 각 인덱스 마다 서로 다른 드룹 계수가 매칭되며, 상기 복수의 구간 중 어느 하나의 구간에 속하는 값이 인덱스로 입력되면 상기 입력된 인덱스에 매칭되는 드룹 계수를 출력하는, 시변 드룹 기반 풍력발전기의 관성 제어 방법
제2항에 있어서,
상기 드룹 계수 획득 단계는,
상기 변화율을 상기 룩업테이블의 인덱스로 입력하는 단계; 및
상기 룩업테이블로부터 상기 변화율에 해당하는 인덱스에 매칭된 드룹 계수를 획득하는 단계;
를 포함하는, 시변 드룹 기반 풍력발전기의 관성 제어 방법
제2항에 있어서,
상기 룩업테이블은,
상대적으로 작은 값이 할당된 인덱스에 매칭된 드룹 계수 보다 상대적으로 큰 값이 할당된 인덱스에 매칭된 드룹 계수가 더 큰 값을 갖는 것으로 미리 저장되는, 시변 드룹 기반 풍력발전기의 관성 제어 방법
제1항에 있어서,
상기 제어 단계는,
최대출력추종 제어를 이용하여 제1 유효전력 기준값을 산출하는 단계;
상기 산출된 편차와 드룹 계수에 근거하여 전력 지령값을 산출하는 단계;
상기 제1 유효전력 기준값과 전력 지령값을 합산하여 제2 유효전력 기준값을 산출하는 단계; 및
상기 제2 유효전력 기준값을 풍력발전기 측으로 전달하는 단계;
를 포함하는, 시변 드룹 기반 풍력발전기의 관성 제어 방법
제5항에 있어서,
상기 풍력발전기의 회전자 컨버터 컨트롤러는,
상기 상기 제2 유효전력 기준값에 근거하여 풍력발전기로부터 전력 계통으로의 출력을 조절하는, 시변 드룹 기반 풍력발전기의 관성 제어 방법