이중식전기기계

Doubly-fed electric machine

이중으로 공급되는 전기 기계 또한 전기 모터 또는 전기 발전기로서, 전기장 자석 권선과 전기자 권선이 기계 외부의 장비에 별도로 연결되어 있다.

조정 가능한 주파수 AC 전원을 전기장 권선에 공급함으로써 자기장이 회전하도록 만들어 모터 또는 발전기 속도에 변화를 줄 수 있다. 예를 들어 풍력 터빈에 사용되는 발전기에 유용하다.[1] DFIG 기반 풍력 터빈은 능동형 및 반응형 전력을 제어하는 유연성과 능력 때문에 거의 가장 흥미로운 풍력 터빈 기술이다.[2][3]

소개

풍력 터빈을 위한 이중 공급 발전기.

이중 공급 전기 발전기는 AC 전기 발전기와 유사하지만, 자연 동기 속도보다 약간 위 또는 아래 속도로 작동할 수 있는 추가 기능을 가지고 있다. 이것은 풍속이 갑자기 변할 수 있기 때문에 대형 가변속 풍력 터빈에 유용하다. 돌풍이 풍력발전기에 부딪히면 날개가 속도를 높이려 하지만 동기식 발전기는 전력망 속도에 맞춰 잠겨 속도를 낼 수 없다. 그래서 전력 그리드가 뒤로 밀리면서 허브, 기어박스, 발전기에서 큰 힘이 발생한다. 이것은 메커니즘의 마모와 손상을 야기한다. 돌풍에 맞았을 때 터빈이 즉시 속도를 낼 수 있도록 허용하면, 돌풍에서 나오는 동력이 여전히 유용한 전기로 전환되면서 스트레스가 더 낮아진다.

풍력 터빈 속도를 변화시키는 한 가지 방법은 발전기가 생성하는 주파수를 모두 받아들여 DC로 변환한 다음 인버터를 사용하여 원하는 출력 주파수에서 AC로 변환하는 것이다. 이것은 작은 집과 농장 풍력 터빈에 흔히 있는 일이다. 그러나 메가와트급 풍력 터빈에 필요한 인버터는 크고 비싸다.

이중 공급 발전기는 이 문제에 대한 또 다른 해결책이다. DC로 공급되는 통상적인 전기장 권선과 발생된 전기가 나오는 전기자 권선 대신, 3상 권선 2개가 있는데, 정지 1개와 회전 1개가 모두 발전기 외부의 장비와 별도로 연결되어 있다. 따라서, 이중으로 공급되는 용어는 이런 종류의 기계에 사용된다.

하나의 권선은 출력에 직접 연결되며, 원하는 그리드 주파수에서 3상 AC 전원을 생산한다. 다른 권선(일반적으로 필드라고 하지만 여기서는 두 권선이 모두 출력될 수 있음)은 가변 주파수에서 3상 AC 전원에 연결된다. 이 입력 전력은 터빈 속도 변화를 보상하기 위해 주파수와 위상에서 조정된다.[4]

주파수 및 위상을 조정하려면 AC-DC-AC 변환기가 필요하다. 이것은 보통 매우 큰 IGBT 반도체로 만들어진다. 컨버터는 양방향이며 어느 방향으로든 동력을 전달할 수 있다. 동력은 출력 권선뿐만 아니라 이 권선으로부터도 흐를 수 있다.[5]

역사

1888년 니콜라 테슬라가 발명한 로터와 스테이터에 각각 멀티파이스 권선 세트가 달린 상처형 로터 유도 모터에서 유래한 것으로,[6] 이중으로 공급되는 전기기계의 로터 권선 세트는 출발을 위한 멀티파이스 슬립 링을 통해 일련의 저항기에 연결된다. 그러나 슬립파워는 저항기에서 상실되었다. 따라서 슬립파워를 회수하여 가변속 운전의 효율을 높이는 방법이 개발되었다. Kramer(또는 Kraemer) 드라이브에서 로터는 슬립 링 머신의 축에 연결된 DC 머신을 공급하는 AC 및 DC 머신 세트에 연결되었다.[7] 따라서 슬립 전력은 기계적 동력으로 반환되었고 드라이브는 DC 기계의 흥분 전류에 의해 제어될 수 있었다. 크래머 드라이브의 단점은 추가 순환 전원에 대처하기 위해 기계들이 과다하게 충전되어야 한다는 것이다. 이러한 단점은 모터 제너레이터 세트에 의해 슬립 전력이 AC 그리드에 다시 공급되는 Scherbius 드라이브에서 수정되었다.[8][9]

로터 공급에 사용되는 회전 기계는 무겁고 비쌌다. 이러한 측면에서 개선된 점은 로터가 처음에는 수은 아크 기반 장치에 의해, 나중에는 반도체 다이오드 및 사이리스터로 구성된 정류기 인버터 세트에 연결된 정적 스커비우스 구동력이었다. 정류기를 사용하는 계획에서 동력 흐름은 제어되지 않은 정류기 때문에 로터 밖으로만 가능했다. 더구나 모터로서의 서브동기식 조작만이 가능했다.

정적 주파수 변환기를 사용하는 또 다른 개념은 로터와 AC 그리드 사이에 사이클로콘버터가 연결되어 있었다. 사이클로콘버는 양방향으로 전원을 공급할 수 있으므로 기계는 준동기식 및 과동기식 속도를 모두 실행할 수 있다. 대형 사이클로콘버터가 제어하고 이중으로 공급되는 기계는 단상 발전기 급식을 실행하는 데 사용되어 왔다. 유럽의 16+2⁄3 Hz 철도 그리드.[10] 사이클로콘버터 동력 기계는 또한 펌핑된 저장 공장에서 터빈을 작동시킬 수 있다.[11]

오늘날 최대 수십 메가와트까지 애플리케이션에 사용되는 주파수 교환기는 2개의 백 투 백 커넥티드 IGBT 인버터로 구성되어 있다.

유지보수가 필요한 슬립 링을 없애기 위해 브러시리스 개념도 여러 개 개발됐다.

이중식 유도 발전기

풍력 터빈에 널리 사용되는 발전 원리인 이중 공급 유도 발전기(DFIG). 다회성 감김 로터가 있는 유도 발전기와 로터 권선에 접근할 수 있는 브러시가 있는 다회성 슬립 링 어셈블리를 기반으로 한다. 다층 슬립 링 조립은 피할 수 있지만 효율성과 비용, 크기에 문제가 있다. 더 좋은 대안은 브러시 없는 상처로터 두 배로 먹인 전기 기계다.[12]

풍력 터빈에 연결된 이중 급유 유도 발전기의 원리

DFIG의 원리는 스테이터 권선이 그리드에 연결되고 로터 권선은 로터와 그리드 전류를 모두 제어하는 슬립 링과 백투백 전압 소스 컨버터를 통해 컨버터에 연결된다는 것이다. 따라서 로터 주파수는 그리드 주파수(50 또는 60Hz)와 자유롭게 다를 수 있다. 변환기를 사용하여 로터 전류를 제어함으로써 발전기의 회전 속도와 독립적으로 스테이터로부터 그리드에 공급되는 활성 및 반응 전력을 조정할 수 있다. 사용되는 제어 원리는 2축 전류 벡터 컨트롤 또는 직접 토크 컨트롤(DTC)이다.[13] DTC는 특히 제너레이터에서 높은 반응성 전류가 필요한 경우 전류 벡터 컨트롤보다 안정성이 우수한 것으로 나타났다.[14]

이중으로 공급된 발전기 로터는 일반적으로 스테이터의 2-3배 회전수로 감긴다. 이는 로터 전압이 더 높고 전류가 각각 더 낮다는 것을 의미한다. 따라서 동기 속도 주변의 일반적인 ±30%의 작동 속도 범위에서 변환기의 정격 전류는 그에 따라 낮아져 변환기의 비용이 낮아진다. 단점은 정격 로터 전압보다 높기 때문에 작동 속도 범위 밖에서 제어된 작동이 불가능하다는 것이다. 또한 그리드 장애(특히 3상 및 2상 전압 강하)로 인한 과도 전압도 확대된다. 높은 로터 전압(및 이러한 전압에서 발생하는 고전류)이 컨버터의 절연 게이트 양극성 트랜지스터와 다이오드를 파괴하는 것을 방지하기 위해 보호 회로(크로바라고 함)를 사용한다.[15]

과도한 전류 또는 전압이 감지될 경우, 지렛대는 작은 저항을 통해 로터 권선을 단락시킨다. 가능한 한 신속하게 작업을 계속할 수 있으려면 능동식 지렛대를[16] 사용해야 한다. 능동형 쇠지렛대는 제어된 방식으로 로터 단락을 제거할 수 있으므로 나머지 전압이 공칭 전압의 15% 이상을 유지할 때 그리드 교란이 시작된 후 20~60ms 후에만 로터 측면 변환기를 시작할 수 있다. 그러므로 나머지 전압 강하 동안에 그리드에 반응 전류를 발생시킬 수 있으며, 이러한 방법으로 그리드가 고장으로부터 복구되도록 도울 수 있다. 영전압 통과의 경우, 그렇지 않으면 반응 전류가 주입되어야 하는 위상 각도를 알 수 없기 때문에 딥이 끝날 때까지 기다리는 것이 일반적이다.[17]

요약하자면, 이중 급유 유도 기계는 상처 로터가 이중 급유된 전기 기계로서 풍력 적용에서 기존의 유도 기계에 비해 몇 가지 장점을 가지고 있다. 첫째로, 로터 회로는 동력 전자 장치 변환기에 의해 제어되므로 유도 발전기는 반응 전력을 수출입할 수 있다. 이는 전력 시스템 안정성에 중요한 영향을 미치며 심각한 전압 장애(저전압 승차, LVRT) 시 기계가 그리드를 지지할 수 있도록 한다.[15] 둘째, 로터 전압과 전류를 제어하면 풍력 터빈 속도가 변화하는 동안 유도 기계가 그리드와 동기화된 상태를 유지할 수 있다. 가변속 풍력 터빈은 특히 가벼운 바람 조건에서 고정 속도 풍력 터빈보다 가용 풍력 자원을 더 효율적으로 활용한다. 셋째, 일반적으로 25~30%인 기계적 동력의 일부만 변환기를 통해 그리드에 공급되고 나머지는 스테이터에서 직접 그리드에 공급되기 때문에 다른 가변 속도 솔루션과 비교할 때 변환기의 비용이 낮다. DFIG의 효율성은 같은 이유로 매우 좋다.

참조

  1. ^ "Generators for wind turbines Standard slip ring generator series for doubly-fed concept from 1.5-3.5 MW" (PDF). ABB. 2014. Retrieved April 24, 2018.
  2. ^ M. J. Harandi, S. G. Liasi and M. T. Bina, "Compensating Stator Transient Flux during Symmetric and Asymmetric Faults using Virtual Flux based on Demagnetizing Current in DFIG Wind Turbines," 2019 International Power System Conference (PSC), Tehran, Iran, 2019, pp. 181-187, doi:10.1109/PSC49016.2019.9081565.
  3. ^ M. 니라울라와 L. Maharjan, 2018년 제5회 친환경 에너지 및 응용 국제 심포지엄, "다이오드 수정 출력을 사용한 독립형 DFIG의 가변 스테이터 주파수 제어"
  4. ^ S. MÜLLER; S.; et al. (2002). "Doubly Fed Induction Generator Systems for Wind Turbines" (PDF). IEEE Industry Applications Magazine. IEEE. 8 (3): 26–33. doi:10.1109/2943.999610.
  5. ^ L. Wei, R. J. Kerkman, R. A. Lucaszewski, H. Lu, Z. 위안, "Doubly Fed Inducation Generator 풍력 발전기에 사용되는 IGBT 전력 사이클 기능 분석", 2010 IEEE 에너지 전환 회의 및 박람회, 애틀랜타, GA, 2010, 페이지 3076-3083, doi:10.1109/ECE.2010.5618396.
  6. ^ "Power electronics - Engineering and Technology History Wiki". ethw.org.
  7. ^ Lionhard, W.: 전기 드라이브 제어. 2월 2일. 1996년 스프링거 420쪽 ISBN 3-540-5938-2.
  8. ^ Shively, E. K.; Whitlow, Geo. S. (1932). "Automatic Control for Variable Ratio Frequency Converters". Transactions of the American Institute of Electrical Engineers. 51: 121–127. doi:10.1109/T-AIEE.1932.5056029. S2CID 51636516.
  9. ^ Liwschitz, M. M.; Kilgore, L. A. (1942). "A Study of the Modified Kramer or Asynchronous-Synchronous Cascade Variable-Speed Drive". Transactions of the American Institute of Electrical Engineers. 61 (5): 255–260. doi:10.1109/T-AIEE.1942.5058524. S2CID 51642497.
  10. ^ Pfeiffer, A.; Scheidl, W.; Eitzmann, M.; Larsen, E. (1997). "Modern rotary converters for railway applications". Proceedings of the 1997 IEEE/ASME Joint Railroad Conference. pp. 29–33. doi:10.1109/RRCON.1997.581349. ISBN 0-7803-3854-5. S2CID 110505314.
  11. ^ A. Bocquel, Janning: 펌프 저장 플랜트 적용을 위한 4*300 MW 가변 속도 드라이브. EPE Conference 2003, 툴루즈.
  12. ^ "Overview of research and development status of brushless doubly-fed machine system". Chinese Journal of Electrical Engineering. Chinese Society for Electrical Engineering. 2 (2). December 2016.
  13. ^ 미국 특허 6,448,735
  14. ^ Niiranen, Jouko (2008). "About the active and reactive power measurements in unsymmetrical voltage dip ride-through testing". Wind Energy. 11 (1): 121–131. Bibcode:2008WiEn...11..121N. doi:10.1002/we.254.
  15. ^ a b M. J. Harandi, S. Ghaseminejad Liasi, E. Nikravesh and M. T. Bina, "An Improved Control Strategy for DFIG Low Voltage Ride-Through Using Optimal Demagnetizing method," 2019 10th International Power Electronics, Drive Systems and Technologies Conference (PEDSTC), Shiraz, Iran, 2019, pp. 464-469, doi:10.1109/PEDSTC.2019.8697267.
  16. ^ 능동적 지렛대: 예를 들어 미국 특허 7,164,562
  17. ^ Seman, Slavomir; Niiranen, Jouko; Virtanen, Reijo; Matsinen, Jari-Pekka (2008). "Low voltage ride-through analysis of 2 MW DFIG wind turbine - grid code compliance validations". 2008 IEEE Power and Energy Society General Meeting - Conversion and Delivery of Electrical Energy in the 21st Century. pp. 1–6. doi:10.1109/PES.2008.4596687. ISBN 978-1-4244-1905-0. S2CID 41973249.

외부 링크