KR20140112929A - Doubly fed induction generator wind power generating system - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a DFIG wind power generation system comprising: blades; a drive train having a shaft coupled with the blades and a gear box coupled to the shaft; a converter part having an AC/DC converter and a DC/DC converter; and an output variation compensation control part calculating a damping torque to be applied to the drive train, calculating a compensation current using the size of the calculated damping torque, and transmitting a current compensation control signal corresponding to the calculated compensation current to the converter part.

Description

ＤＦＩＧ 풍력발전 시스템{DOUBLY FED INDUCTION GENERATOR WIND POWER GENERATING SYSTEM}{DOUBLY FED INDUCTION GENERATOR WIND POWER GENERATING SYSTEM}

본 발명은 DFIG 풍력발전 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기어박스(gear box)의 댐핑(damping)을 위한 토크로 인한 출력 변동을 보상한 DFIG 풍력발전 시스템의 출력 제어 기법에 관한 것이다.The present invention relates to a DFIG wind power generation system, and more particularly, to an output control technique of a DFIG wind power generation system that compensates for output fluctuations due to torque for damping a gear box.

최근 들어 신-재생 에너지를 이용한 발전시스템의 증가로 계통의 안정성 및 출력품질에 관한 규제가 강화되고 있다. In recent years, regulations on system stability and output quality have been strengthened due to the increase in power generation systems using new and renewable energy.

풍력발전 시스템의 경우 바람에너지의 3제곱에 비례하는 에너지를 출력하며 난류의 성분으로 인해 원천적으로 출력의 변동이 심한 편이다.In the case of a wind power system, the output is proportional to the third power of the wind energy, and the fluctuation of the output is intrinsically due to the component of the turbulence.

도 1은 종래 기술에 따른 DFIG 풍력발전 시스템의 구성도이다.1 is a configuration diagram of a conventional DFIG wind power generation system.

도 1에 도시된 바와 같이 종래 기술에 따른 DFIG(Doubly Fed Induction Generator) 풍력발전 시스템은, 발전기의 회전자를 위한 양방향 전력 전달을 위하여 AC/DC/AC 컨버터(130)가 발전기의 회전자와 3상 그리드(grid) 사이에 연결되며, 시스템 제어부(140)가 블레이드(110)의 전력을 제어하기 위하여 회전자 측 및 그리드 측의 컨버터를 위한 전압 명령 신호를 전달한다.As shown in FIG. 1, a conventional double fed induction generator (DFIG) wind power generation system includes an AC / DC / AC converter 130 and a rotor 3 of a generator for transmitting bidirectional power for a rotor of a generator. And the system control unit 140 transmits a voltage command signal for the converter on the rotor side and the grid side to control the power of the blade 110. [

풍력발전 시스템의 기어박스 샤프트(shaft)는 관성이 매우 큰 블레이드(110)와 상대적으로 매우 작은 발전기의 회전속도 차이로 인해 기계적인 진동이 발생한다.The gearbox shaft of the wind turbine system generates mechanical vibration due to the difference in rotation speed of the relatively small generator relative to the blade 110 having a very high inertia.

계통과 발전기의 고정자가 직접적으로 연계되어 있는 DFIG(Doubly-fed Induction Generator) 풍력발전 시스템의 경우, 기어박스(120)의 하중을 감소시키기 위하여 필연적으로 추가해야 하는 댐핑(Damping) 토크로 인해 고정자에서 출력되는 유효전력에는 진동이 발생한다.In the case of a double-fed induction generator (DFIG) wind turbine system in which the system and the stator of the generator are directly connected, the damping torque, which is inevitably added to reduce the load of the gear box 120, Vibration occurs in the output of the active power.

진동은 전기 품질과도 관련이 있을 뿐만 아니라, 기어박스(120)의 수명과도 관련이 있기 때문에, 일반적인 풍력발전 시스템의 경우 샤프트(shaft)의 진동을 감소시키기 위하여 발전기에 반력 댐핑(damping) 토크를 추가하여 낼 수 있도록 구성한다. Since vibration is related not only to electrical quality but also to the service life of the gear box 120, in order to reduce vibration of a shaft in a general wind power generation system, a reaction force damping torque To be added.

그러나, 종래 기술에 따른 DFIG 풍력발전 시스템의 경우 댐핑(damping) 토크가 고정자로 출력되는 전력에 영향을 주는 문제점이 발생하였다.However, in the case of the DFIG wind power generation system according to the related art, there is a problem that the damping torque affects the power output to the stator.

본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, DFIG(Doubly-fed Induction Generator) 풍력발전 시스템의 계통연계 지점에서 드라이브 트레인(drive train)의 댐핑 (damping) 토크로 인한 출력 변동을 보상하고자 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to compensate the output fluctuation due to a damping torque of a drive train at a grid connection point of a double-fed induction generator (DFIG) .

전술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 DFIG 풍력발전 시스템은, 블레이드; 상기 블레이드와 결합되는 축과, 상기 축에 결합되는 기어 박스를 포함하는 드라이브 트레인; 교류/직류 컨버터와 직류/교류 컨버터를 포함하는 컨버터부; 및 상기 드라이브 트레인에 인가할 댐핑(damping) 토크를 계산하고, 상기 계산된 댐핑 토크 크기를 이용해 보상 전류를 계산하여, 상기 계산된 보상 전류에 상응한 전류 보상 제어 신호를 상기 컨버터부로 전송하는 출력 변동 보상 제어부;를 포함하여 구성된다.According to an aspect of the present invention, there is provided a DFIG wind power generation system including: a blade; A drive train including a shaft coupled to the blade and a gear box coupled to the shaft; A converter unit including an AC / DC converter and a DC / AC converter; And calculating a damping torque to be applied to the drive train, calculating a compensation current using the calculated damping torque magnitude, and outputting a current compensation control signal corresponding to the calculated compensation current to the converter section, And a compensation control unit.

본 발명의 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 보상 제어부는, 상기 드라이브 트레인에 인가할 댐핑(damping) 토크를 계산하여, 상기 계산 결과에 따른 제어 신호를 전송하는 시스템 제어부; 상기 시스템 제어부로부터 상기 제어 신호을 수신하여, 상기 제어 명령에 따라 고정자의 출력 진동을 제어하는 출력 진동 제어신호를 상기 교류/직류 컨버터로 전송하는 RSC 제어부; 상기 계산된 댐핑(damping) 토크 크기를 이용해 보상 전류를 계산하는 댐핑 전류 계산부; 및 상기 댐핑 전류 계산부에서 계산된 보상 전류를 값을 이용하여 상기 직류/교류 컨버터에 전류 보상 제어 신호를 전송하는 LSC 제어부;를 포함하여 구성된다.According to another embodiment of the present invention, the compensation controller includes: a system controller for calculating a damping torque to be applied to the drive train and transmitting a control signal according to the calculation result; An RSC control unit for receiving the control signal from the system control unit and transmitting an output vibration control signal for controlling the output vibration of the stator according to the control command to the AC / DC converter; A damping current calculation unit for calculating a compensation current using the calculated damping torque magnitude; And an LSC controller for transmitting a current compensation control signal to the DC / AC converter using the compensation current calculated by the damping current calculator.

본 발명의 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 시스템 제어부는 하기의 수학식 1을 이용하여 댐핑 토크를 계산한다.According to another embodiment of the present invention, the system controller calculates a damping torque using the following equation (1).

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

이때, Tdamp는 댐핑 토크, P는 고정자의 극수, λds는 고정자 d축 자속, iqs는 고정자 q축 전류, λqs는 고정자 q축 자속, ids는 고정자 d축 전류이다.In this case, Tdamp is the damping torque, P is the pole number of the stator, λds is the stator d axis flux, iqs is the stator q axis current, λqs is the stator q axis flux, and ids is the stator d axis current.

본 발명의 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 댐핑 전류 계산부 하기의 수학식 2를 이용하여 상기 보상 전류를 계산한다.According to another embodiment of the present invention, the damping current calculation unit calculates the compensation current using Equation (2) below.

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure pat00002
Figure pat00002

이때, iq는 보상 전류, λds는 고정자 d축 자속, P는 고정자의 극수, Tdamp는 댐핑 토크이다.Where iq is the compensation current, lds is the stator d axis flux, P is the poles of the stator, and Tdamp is the damping torque.

본 발명에 따르면 DFIG(Doubly-fed Induction Generator) 풍력발전 시스템의 계통연계 지점에서 드라이브 트레인(drive train)의 댐핑(damping) 토크로 인한 출력 변동을 보상할 수 있다.According to the present invention, it is possible to compensate for an output fluctuation due to a damping torque of a drive train at a grid connection point of a double-fed induction generator ("DFIG") wind power generation system.

도 1은 종래 기술에 따른 DFIG 풍력발전 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 DFIG 풍력발전 시스템을 도시한 도면이다.1 is a configuration diagram of a conventional DFIG wind power generation system.
2 is a diagram illustrating a DFIG wind power generation system according to an embodiment of the present invention.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 본 발명의 일실시예에 대해서 상세히 설명한다. 다만, 실시형태를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail to avoid unnecessarily obscuring the subject matter of the present invention. In addition, the size of each component in the drawings may be exaggerated for the sake of explanation and does not mean a size actually applied.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 DFIG 풍력발전 시스템을 도시한 도면이다.2 is a diagram illustrating a DFIG wind power generation system according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 DFIG 풍력발전 시스템을 설명하기로 한다.Referring to FIG. 2, a DFIG wind power generation system according to an embodiment of the present invention will be described.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 DFIG(Doubly-fed Induction Generator) 풍력발전 시스템은, 블레이드(210), 드라이브 트레인(230), 컨버터부(240) 및 출력 변동 보상 제어부(250)를 포함하여 구성된다.2, a double-fed induction generator (DFIG) wind power generation system according to an embodiment of the present invention includes a blade 210, a drive train 230, a converter unit 240, (250).

드라이브 트레인(230)은 상기 블레이드(210)와 결합되는 축(225)과 상기 축(225)에 결합되는 기어 박스(220)를 포함하여 구성된다.The drive train 230 includes a shaft 225 coupled with the blade 210 and a gear box 220 coupled to the shaft 225.

컨버터부(240)는 교류/직류 컨버터(241)와 직류/교류 컨버터부(242)를 포함하여 구성된다.The converter unit 240 includes an AC / DC converter 241 and a DC / AC converter unit 242.

출력 변동 보상 제어부(250)는 상기 드라이브 트레인(230)에 인가할 댐핑(damping) 토크를 계산하고, 상기 계산된 댐핑 토크 크기를 이용해 보상 전류를 계산하여, 상기 계산된 보상 전류에 상응한 전류 보상 제어 신호를 상기 컨버터부(242)로 전송한다.The output variation compensation control unit 250 calculates a damping torque to be applied to the drive train 230, calculates a compensation current using the calculated damping torque magnitude, and outputs a current compensation corresponding to the calculated compensation current And transmits the control signal to the converter unit 242.

보다 상세하게 설명하면, 출력 변동 보상 제어부(250)는 시스템 제어부(System Controller: 251), RSC 제어부(Rotor Side Converter Controller: 252), 댐핑 전류 계산부(Damping Current Calculation: 253) 및 LSC 제어부(Line Side Converter: 254)를 포함하여 구성된다.More specifically, the output variation compensation control unit 250 includes a system controller 251, an RSC controller 252, a damping current calculator 253, and an LSC controller Side Converter: 254).

시스템 제어부(System Controller: 251)는 상기 드라이브 트레인(230)에 인가할 댐핑(damping) 토크를 계산하여, 상기 계산 결과에 따른 제어 신호를 전송한다.The system controller 251 calculates a damping torque to be applied to the drive train 230 and transmits a control signal according to the calculation result.

시스템 제어부(251)는 하기의 수학식 1을 이용하여 댐핑 토크를 계산한다.
The system controller 251 calculates the damping torque using the following equation (1).

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00003

Figure pat00003

이때, Tdamp는 댐핑 토크, P는 고정자의 극수, λds는 고정자 d축 자속, iqs는 고정자 q축 전류, λqs는 고정자 q축 자속, ids는 고정자 d축 전류이다.In this case, Tdamp is the damping torque, P is the pole number of the stator, λds is the stator d axis flux, iqs is the stator q axis current, λqs is the stator q axis flux, and ids is the stator d axis current.

RSC 제어부(Rotor Side Converter Controller: 252)는 상기 시스템 제어부로(251)부터 상기 제어 신호을 수신하여, 상기 제어 명령에 따라 고정자의 출력 진동을 제어하는 출력 진동 제어신호를 상기 교류/직류 컨버터(241)로 전송한다.The RSC control unit 252 receives the control signal from the system control unit 251 and outputs an output vibration control signal for controlling the output vibration of the stator according to the control command to the AC / DC converter 241, Lt; / RTI >

댐핑 전류 계산부(Damping Current Calculation: 253)는 상기 계산된 댐핑(damping) 토크 크기를 이용해 보상 전류를 계산한다.The damping current calculation unit 253 calculates a compensation current using the calculated damping torque magnitude.

댐핑 전류 계산부(253)는 하기의 수학식 2를 이용하여 상기 보상 전류를 계산한다.
The damping current calculator 253 calculates the compensation current using the following equation (2).

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure pat00004

Figure pat00004

이때, iq는 보상 전류, λds는 고정자 d축 자속, P는 고정자의 극수, Tdamp는 댐핑 토크이다.Where iq is the compensation current, lds is the stator d axis flux, P is the poles of the stator, and Tdamp is the damping torque.

댐핑 토크(Tdamp)를 이용해 보상해야 하는 전류의 크기를 계산할 수 있으며, 고정자의 q축 자속은 0으로 제어되므로 보상하고자 하는 전류의 크기를 계산할 수 있다.The magnitude of the current to be compensated can be calculated using the damping torque (Tdamp), and the magnitude of the current to be compensated can be calculated since the q-axis magnetic flux of the stator is controlled to be zero.

LSC 제어부(Line Side Converter: 254)는 상기 댐핑 전류 계산부(253)에서 계산된 보상 전류를 값을 이용하여 상기 직류/교류 컨버터(242)에 전류 보상 제어 신호를 전송한다.The LSC controller 254 transmits a current compensation control signal to the DC / AC converter 242 using the compensation current calculated by the damping current calculator 253.

하기의 수학식 3은 DFIF 풍력발전 시스템에서의 고정자로의 출력(Ps)을 계산하기 위한 식이다.
Equation (3) below is an equation for calculating the output Ps to the stator in the DFIF wind power generation system.

[수학식 3] &Quot; (3) "

Figure pat00005

Figure pat00005

이때, Vds는 고정자의 d축 전압, ids는 고정자의 d축 전류, Vqs는 고정자의 q축 전압, iqs는 고정자의 q축 전류이다.In this case, Vds is the d-axis voltage of the stator, ids is the d-axis current of the stator, Vqs is the q-axis voltage of the stator, and iqs is the q-axis current of the stator.

본 발명에 따른 DFIF 풍력발전 시스템에 의하면, 상기의 댐핑 전류 계산부(253)의 전류 보상 신호에 의하여 고정자로의 출력을 보상하여 출력 품질을 향상시킬 수 있다.According to the DFIF wind power generation system according to the present invention, the output to the stator can be compensated by the current compensation signal of the damping current calculation unit 253 to improve the output quality.

전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 전술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.In the foregoing detailed description of the present invention, specific examples have been described. However, various modifications are possible within the scope of the present invention. The technical spirit of the present invention should not be limited to the above-described embodiments of the present invention, but should be determined by the claims and equivalents thereof.

210: 블레이드
220: 기어박스
225: 축
230: 드라이브 트레인
240: 컨버터부
241: 교류/직류 컨버터
242: 직류/교류 컨버터부
250: 출력 변동 보상 제어부
251: 시스템 제어부
252: RSC 제어부
253: 댐핑 전류 계산부
254: LSC 제어부210: blade
220: Gearbox
225: Axis
230: Drive Train
240: converter section
241: AC / DC converter
242: DC / AC converter section
250: Output fluctuation compensation control section
251:
252: RSC control section
253: Damping current calculation unit
254: LSC control section

Claims (4)

블레이드;
상기 블레이드와 결합되는 축과, 상기 축에 결합되는 기어 박스를 포함하는 드라이브 트레인;
교류/직류 컨버터와 직류/교류 컨버터를 포함하는 컨버터부; 및
상기 드라이브 트레인에 인가할 댐핑(damping) 토크를 계산하고, 상기 계산된 댐핑 토크 크기를 이용해 보상 전류를 계산하여, 상기 계산된 보상 전류에 상응한 전류 보상 제어 신호를 상기 컨버터부로 전송하는 출력 변동 보상 제어부;
를 포함하는 DFIG 풍력발전 시스템.blade;
A drive train including a shaft coupled to the blade and a gear box coupled to the shaft;
A converter unit including an AC / DC converter and a DC / AC converter; And
Calculating a damping torque to be applied to the drive train, calculating a compensation current using the calculated damping torque magnitude, and outputting a current compensation control signal corresponding to the calculated compensation current to the converter section, A control unit;
DFIG wind power generation system. 청구항 1에 있어서,
상기 보상 제어부는,
상기 드라이브 트레인에 인가할 댐핑(damping) 토크를 계산하여, 상기 계산 결과에 따른 제어 신호를 전송하는 시스템 제어부;
상기 시스템 제어부로부터 상기 제어 신호을 수신하여, 상기 제어 명령에 따라 고정자의 출력 진동을 제어하는 출력 진동 제어신호를 상기 교류/직류 컨버터로 전송하는 RSC 제어부;
상기 계산된 댐핑(damping) 토크 크기를 이용해 보상 전류를 계산하는 댐핑 전류 계산부; 및
상기 댐핑 전류 계산부에서 계산된 보상 전류를 값을 이용하여 상기 직류/교류 컨버터에 전류 보상 제어 신호를 전송하는 LSC 제어부;
를 포함하는 DFIG 풍력발전 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the compensation control unit comprises:
A system controller for calculating a damping torque to be applied to the drive train and transmitting a control signal according to the calculation result;
An RSC control unit for receiving the control signal from the system control unit and transmitting an output vibration control signal for controlling the output vibration of the stator according to the control command to the AC / DC converter;
A damping current calculation unit for calculating a compensation current using the calculated damping torque magnitude; And
An LSC controller for transmitting a current compensation control signal to the DC / AC converter using the compensation current calculated by the damping current calculator;
DFIG wind power generation system. 청구항 2에 있어서,
상기 시스템 제어부는,
하기의 수학식 1을 이용하여 댐핑 토크를 계산하는 DFIG 풍력발전 시스템.
[수학식 1]
Figure pat00006


(이때, Tdamp는 댐핑 토크, P는 고정자의 극수, λds는 고정자 d축 자속, iqs는 고정자 q축 전류, λqs는 고정자 q축 자속, ids는 고정자 d축 전류임.)The method of claim 2,
The system control unit includes:
A DFIG wind power generation system for calculating a damping torque using the following equation (1).
[Equation 1]
Figure pat00006


(Where Tdamp is the damping torque, P is the poles of the stator, λds is the stator d axis flux, iqs is the stator q axis current, λqs is the stator q axis flux, and ids is the stator d axis current). 청구항 2에 있어서,
상기 댐핑 전류 계산부,
하기의 수학식 2를 이용하여 상기 보상 전류를 계산하는 DFIF 풍력발전 시스템.
[수학식 2]
Figure pat00007


(이때, iq는 보상 전류, λds는 고정자 d축 자속, P는 고정자의 극수, Tdamp는 댐핑 토크임.)
The method of claim 2,
The damping current calculation unit,
The DFIF wind power generation system calculates the compensation current using Equation (2) below.
&Quot; (2) "
Figure pat00007


(Where iq is the compensation current, lds is the stator d axis flux, P is the poles of the stator, and Tdamp is the damping torque).
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