[논문]HVRT 기능 요구조건을 만족하는 Type 4 풍력 발전기의 효율적인 직류단 전압 설계

백승혁; 김성민

doi:10.7471/ikeee.2021.25.2.399

HVRT 기능 요구조건을 만족하는 Type 4 풍력 발전기의 효율적인 직류단 전압 설계
The efficient DC-link voltage design of the Type 4 wind turbine that satisfies HVRT function requirements 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.25 no.2, 2021년, pp.399 - 407

백승혁 (Dept. of Electronics Engineering, Hanyang University, ERICA Campus) , 김성민 (Dept. of Electronics Engineering, Hanyang University, ERICA Campus)

초록
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본 논문에서는 계통망 사업자의 High Voltage Ride-Through(HVRT) 기능 요구조건을 만족하며, 정상상태에서의 손실을 최소화할 수 있는 Type 4 풍력발전기의 직류단 전압 설계 방법을 제안한다. 대용량 해상 풍력 발전에 사용되는 Type 4 풍력발전기는 전력 계통과 연계된 컨버터와 풍력 발전기와 연계된 컨버터가 직류단을 공유하는 Back-to-Back 컨버터 형태이다. Type 4 풍력발전기에서 HVRT 조건인 계통 고전압 사고가 발생한 경우 사고 전압 크기에 비해 직류단 전압이 부족하다면 과변조로 인해 계통측 컨버터의 전류 제어기가 원활하게 동작되지 못한다. 따라서 HVRT 기능을 만족하기 위해서는 고전압 사고의 전압 크기를 기준으로 직류단 전압을 설계해야 한다. 그러나 직류단 전압의 크기의 증가는 정상상태에서의 컨버터 손실 증가를 야기하므로, 직류단 전압을 크게 설계하였을 때 증가될 손실에 대한 고려가 포함되어야 한다. 본 논문에서는 사고 전압의 크기와 발생 손실이 고려된 직류단 전압을 설계하는 방법에 대해 설명하고, 제안하는 설계 방법의 타당성을 2MVA급 Type 4 풍력발전기의 PSCAD 모델 기반 HVRT 기능 시뮬레이션을 통해 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes the DC-link voltage design method of Type 4 wind turbine that minimizes power loss and satisfies the High Voltage Ride Through(HVRT) function requirements of the transmission system operator. The Type 4 wind turbine used for large-capacity offshore wind turbine consists of the Back-to-Back converter in which the converter linked to the power grid and the inverter linked to the wind turbine share the DC-link. When the grid high voltage fault occurs in the Type 4 wind turbine, if the DC-link voltage is insufficient compared to the fault voltage level, the current controller of the grid-side converter can't operate smoothly due to over modulation. Therefore, to satisfy the HVRT function, the DC-link voltage should be designed based on the voltage level of high voltage fault. However, steady-state switching losses increase further as the DC-link voltage increases. Therefore, the considerations should be included for the loss to be increased when the DC-link voltage is designed significantly. In this paper, the design method for the DC-link voltage considered the fault voltage level and the loss is explained, and the validity of the proposed design method is verified through the HVRT function simulation based on the PSCAD model of the 2MVA Type 4 wind turbine.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. WECC Type4 wind turbine and general control structure of Type4 wind turbine. 그림 1. WECC Type 4 풍력발전기와 Type 4 풍력발전기의 일반적인 제어 구조
그림 Fig. 2. LVRT/HVRT requirements in grid codes. 그림 2. 계통연계규정에서 LVRT/HVRT 요구조건
그림 Fig. 3. Additional reactive current injection requirements when the voltage drop or rise. 그림 3. 전압 변동에 따른 추가적인 무효전류 주입 조건
표 Table 1. Simulation parameters. 표 1. 시뮬레이션 파라미터
그림 Fig. 4. High voltage fault(1.3[pu]) simulation results in case of Vdc = 1185[V]. 그림 4. 고전압 사고(1.3[pu]) 시뮬레이션 결과 (Vdc = 1185[V]인 경우)
그림 Fig. 5. High voltage fault(1.3[pu]) simulation results in case of Vdc = 1540[V]. 그림 5. 고전압 사고(1.3[pu]) 시뮬레이션 결과 (Vdc = 1540[V]인 경우)
그림 Fig. 6. Switching loss simulation results. 그림 6. 스위칭 손실 시뮬레이션 결과
그림 Fig. 7. The circuit diagram of 3-Phase converter with R-L load. 그림 7. R-L 부하를 포함하는 3상 컨버터의 회로도
그림 Fig. 8. High voltage fault(1.3[pu]) simulation results in case of Vdc = 1403[V]. 그림 8. 고전압 사고(1.3[pu]) 시뮬레이션 결과 (Vdc = 1403V]인 경우)
그림 Fig. 9. DC-Link voltage versus the reactive current injection. 그림 9. 무효전류 주입 크기에 대한 직류단 전압
그림 Fig. 10. High voltage fault(1.3[pu]) simulation results In case of Vdc = 1185[V](Injecting reactive current 1.55 [pu]). 그림 10. 고전압 사고(1.3[pu]) 시뮬레이션 결과 (Vdc = 1185[V]인 경우, 무효전류 1.55[pu] 주입)
표 Table 2. Comparison of simulation results. 표 2. 시뮬레이션 결과 비교

참고문헌 (8)

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