KR100604431B1 - 로터에 비접촉 전력전송수단을 구비한 풍력발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제너레이터 로터와 제너레이터 스테이터를 포함하는 제너레이터, 로터블레이드를 가지며 제너레이터 로터에 연결되어 있는 로터유닛, 풍력발전기의 비회전부(non-rotating part)로부터 로터유닛으로 전력을 전송하기 위한 전력전송수단을 구비하여 정현파 교류 전압을 발생시키는 풍력발전기에 관한 것이다. 슬립링을 사용하여 전력을 전송할 때 발생하는 마모, 소음, 과도하게 낮은 효율 등의 불이익 때문에 본 발명에서는 로터유닛으로 접촉없이 전력을 전송하기 위해 스테이터는 풍력발전기의 비회전부에, 로터는 회전부에 가지는 비동기식 장치를 구비하는 전력전송수단이 제안된다.

Description

로터에 비접촉 전력전송수단을 구비한 풍력발전기{Wind Power Station With Contactless Power Transmitting Means In The Rotor}

본 발명은 제너레이터 로터와 제너레이터 스테이터(stator)를 포함하는 제너레이터, 로터블레이드를 가지며 제너레이터 로터에 연결되어 있는 로터유닛, 풍력발전기의 비회전부(non-rotating part)로부터 로터유닛으로 전력을 전송하기 위한 전력전송수단을 구비하여 정현파 교류 전압을 발생시키는 풍력발전기에 관한 것이다.

풍력발전기의 경우에는 비회전부로부터 회전부로 전력을 전송하는 것이 여러 가지 이유에서 필요하게 된다. 예를 들면, 전자기적으로 여기되는 동기식 제너레이터(electromagnetically excited synchronous generator)의 경우에는 폴휠(pole wheel)을 위한 여기전류로서, 또한 로터블레이드 조절을 위해 전력을 필요로 하는 모터에 사용하기 위해 직류전류가 필요하다. 요즈음 이러한 전력은 슬립링(slip rings)을 이용하여 발전기의 비회전부로부터 회전부로 전송된다. 그러나 슬립링은 마찰로 인한 손실이 발생하므로 효율이 저하되고 소음이 크며, 특히 마모가 잘 되어 수시로 정비하거나 교체해야 하는 등의 단점이 있다. 게다가 그러한 슬립링에서는 전기적 플래쉬오버(flash-over)도 발생할 수 있다. 이 플래쉬오버는 작동시간이 길어질수록 입자의 마모 때문에 더욱 심해진다.
DE 198 01 803 A1에서는 고정 스테이터와 회전 로터를 구비한 전기회전장치를 제공한다. 이 경우 스테이터와 로터는 각각 변압 권선을 가지는데 이 권선은 변압기를 형성하게 되고 또한 교류전류를 사용하여 동작하도록 설계된다. 변압권선에 의해 전원공급망으로부터 유입되는 3상전류가 풍력발전기의 회전부로 보내질 수 있고, 다시 풍력발전기의 스테이터에 배치된 3상 전류 제너레이터 권선으로 여기(excitation)를 위해 유입된다.
US No 5 770 909 에서는 그 제너레이터의 전력이 상세하게는 0에서 수천 RPM의 회전속도에 따라 모든 운행조건에 맞게 최적화되는, 전기적으로 운행되는 차량을 위한 동기식 장치에 대해 설명하고 있다.

따라서 본 발명의 목적은 풍력발전기의 비회전부에서 회전부로 전력을 전송하는 향상된 방법을 제공하기 위함이다.

본 발명과 관련하여, 본 명세서의 도입부에서 설명한 풍력발전기부터 시작하자면, 상기 목적은 전력전송수단이 전력을 접촉없이 회전부로 전송하기 위해 스테이터는 풍력발전기의 비회전부에, 로터는 회전부에 가지는 비동기식 장치를 구비하고, 풍력발전소의 비회전부에는 상기 비동기식 장치의 스테이터에 공급하기 위한 주기적인 전압펄스를 가지도록 교류전압을 발생시키는 인버터가 구비됨으로써 달성된다.

이러한 관점에서, 본 발명은 마찰로 인한 기계적 문제를 전력의 비접촉전송(contactless transmission)으로 극복할 수 있다는 점에 착안한 것이다. 이를 위한 쉬운 방법은 본 발명에 따라 로터는 풍력발전기의 회전부, 바람직하게는 회전허브(rotating hub)에 연결되고, 스테이터는 풍력발전기의 비회전부, 즉 장치 캐리어에 연결되는 비동기식 장치로 나타내어 질 수 있다. 로터와 회전하는 스테이터의 장(field) 간의 상대적 움직임에 의해 로터 권선에 전기장이 유도되고 결국 로터 권선에 전압이 발생된다. 이러한 상황에서 비동기식 장치는 제너레이터 모드로 동작한다. 로터권선에 유도되는 교류전압은 풍력발전기의 회전부에서 다른 용도로 사용하기 위해 적절한 수단을 통해 더 가공처리될 수 있다.

전력의 비접촉전송을 위해서 본 발명에 의해 제안되는 장치는 손실도 훨씬 적고 마모도 없다. 발생되는 소음도 기존 슬립링과 비교하여 현격하게 줄어든다.

본 발명의 유리한 구성은 종속항에서 제시한다. 본 발명은 바람직하게는 전자기적으로 여기되는 동기식 제너레이터에 있어서 비동기식 장치에 의해 전송된 전력에서 동기식 제너레이터의 로터를 위한 여기전류로 사용할 직류전류를 끌어내기 위해 사용된다. 상기의 목적을 위해 바람직하게는 풍력발전기의 회전부에 적절한 정류기가 제공되며, 나아가 예를 들면 고조파의 범위에서 동기식 장치의 폴휠에 의한 반작용을 상쇄시키기 위해 LC 필터가 입력측에 연결될 수 있다.

본 발명의 더욱 유리한 구성에서는 풍력발전기의 로터유닛 상의 다른 유닛들에게 전력을 제공하기 위해 직류전압 또는 직류전류를 발생시킬 수 있는 최소한 하나 이상의 정류기가 더 제공된다. 예를 들면, 각 로터 유닛 블레이드들의 블레이드 각도 조절을 위해 직류전압을 공급받는 전기 모터들이 있을 수 있다.

바람직하게는, 전력전송을 목적으로 본 발명에 따라 제공되는 비동기식 장치의 스테이터에 공급하기 위한 교류전압을 발생시키는 인버터가 풍력 발전기의 비회전부에 구비될 수 있다. 상기 인버터는 바람직하게는 약 400 내지 600Hz의 주파수를 갖는 교류전압을 발생시킨다. 유리하게는, 제너레이터 로터의 여기전류 조정은 인버터를 통해 회전속도와 제너레이터의 전력에 영향을 받게 할 수도 있다. 자세히 말하면, 비동기식 제너레이터의 폴휠에 쓰이는 여기전류의 크기는 인버터로 유리하게 조정할 수 있는 것이다.

풍력발전기의 로터유닛 내의 여러 가지 목적을 위해 공급되는 직류전압은 가 능한 한 일정하게 유지되어야 한다. 이를 위해 정류기에 부가하여, 정류기의 출력전압을 평평하게 하는(smoothes) 캐패시터 역시 제공될 수 있다. 반복적으로 상기 캐패시터를 피크값(peak value)까지 충전하기 위해 인버터가 주기적으로 전압 펄스를 발생시키도록 할 수 있다. 동시에 캐패시터는 충분한 전력공급을 위한 중간저장장치 역할을 하며, 전류공급 실패시에도 최소한 긴급 조절의 역할을 한다.

비동기식 장치가 유리하게 400 내지 600Hz로 작동하고 있고 1차권선과 2차권선 사이에 공기층이 있기 때문에, 비동기식 장치는 매우 높은 무효전류(reactive current)를 필요로 한다. 본 발명에 있어서 이러한 무효전류는 비동기식 장치의 스테이터 입력측에, 스테이터로 유입되는 전류의 무효전류값을 조절하기 위한 LC 필터를 연결함으로써 공급할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 해결방안을 도시한 회로도이고,

도 2는 비동기식 장치에 공급하기 위한 인버터의 전압을 보여주는 도면이다.

도 1에서는 본 발명에 따라 풍력발전기의 비회전부로부터 회전부로 비접촉 전력전송을 위한 해결방안을 보여준다. 상기의 목적을 위해 우선적으로 400 내지 600Hz, 바람직하게는 500Hz의 주파수를 갖는 교류전압을 발생시키기 위한 인버터(1)가 제공된다. 인버터(1)와 비동기식 장치(4)의 스테이터(5)를 연결하는 선로에 는 단락제한 리액터(2)와 LC 필터(3)이 스타 회로 구성(star circuit configuration)으로 연결되어 제공된다. 인버터(1)에 의해 발생되고 리액터 초크(2)에 의해 평평해진 교류전압은 비동기식 장치(4)의 비회전 스테이터(5)로 흘러들어간다. 스테이터 권선에서 회전하는 스테이터 장(field)으로 인해 로터와 스테이터 장의 상대적인 움직임에 의해서 로터(6)의 2차권선에 전기장이 유도되고 결국 스테이터 권선에 전압이 발생한다.

회전 스테이터(6)는 풍력발전기의 허브에 기계적으로 연결되어 있다. 따라서 전력은 정지부, 즉 풍력발전기의 장치 캐리어로부터 접촉없이 회전부, 즉 로터 유닛 헤드로 전송된다.

한편 로터(6)에 유도되는 교류전압은 이 전압을 정류하는 정류기(8) 및 풍력발전기의 전자기적으로 여기되는 동기식 제너레이터로 유입된다.

정류기(8)는 따라서 유도성 부하를 가지며 폴휠(7)에서의 전압은 실효값(effective root-mean-square)이 된다. 바람직하게는 인버터(1)는 정류기(8) 출력단의 실효전압에 의해 폴휠(7)을 위한 직류전류가 원하는 값을 가지고 흐르게 함으로써 출력전압을 조정한다. 이러한 상황에서 폴휠(7)의 높은 인덕턴스는 전류를 평평하게 하고 정류기(8) 출력전압의 굴곡을 없앤다. 만약 인버터(1)가 짧은 시간동안 높은 전압을 생산한다면, 그 후에 더 낮은 전압이 생산될 때 폴휠(7)의 인덕턴스에 의해 보정된다. 이렇게 하여 비동기식 장치(4)와 정류기(8)가 결합하여 폴휠(7)을 위한 조정된 직류전류를 생산하는 것이 가능해진다. 이러한 경우에 폴휠(7)을 위한 여기전류는 인버터(1)에 의해 회전속도와 동기식 제너레이터 전력에 의존 하여 조정되어야 한다.

로터(6)에 유도된 교류전류는 풍력발전기의 회전부에서 다른 목적으로도 사용될 수 있다. 예를 들면 로터 블레이드 조절 유닛(10)은 직류전압을 필요로 한다. 그러한 직류전압은 로터(6)의 교류전압으로부터 정류기(11)에 의해 발생된다. 이 직류전압은 피크값 정류와 관련하여 로터(6)의 출력전압의 크기에 의존하게 된다.

캐패시터(12)는 언제나 충전되어 있다. 이러한 측면에서 캐패시터(12)의 용량은 전류의 저장량이 로터 블레이드 조절 유닛(10)을 구동하기에 충분하여 전력 이상시에도 안전하게 풍력발전기의 비상 셧다운을 이행하고 로터 블레이드의 회전을 최소로 줄일 수 있어야 한다.

비동기식 장치의 모습을 하고 있는 전송기(4)는 접촉없이 전력을 풍력발전기의 회전부로 보내고, 한편 제너레이터의 폴휠에는 직류전류를 공급하며 로터 블레이드 조절 유닛과 같은 다른 전기적 유닛에도 직류전류를 공급한다. 이를 위해 인버터(1)는 주기적으로 전압펄스를 발생시켜 캐패시터(12)를 반복하여 피크값까지 충전시킨다. 인버터(1)의 출력전압으로 본 그러한 전압형태가 도 2에 나와있다. 캐패시터(12)를 원하는 전압까지 충전시키기 위한 주기적인 전압펄스 P가 선명히 나타난다. 그러나 또한 그러한 피크값은 요구되지 않으며 캐패시터는 그러한 피크값 없이도 블레이드 조절 수단을 구동시키기 위한 충분히 높은 전압까지 충전될 수 있다는 것이 알려졌다.

비동기식 장치(4)는 바람직하게는 약 500Hz의 주파수로 동작하고 1차권선과 2차권선 사이에 공기층이 있다. 상기의 두가지 조건을 충족하려면 매우 높은 값의 무효전류가 필요하다. LC 필터(3)은 그러한 높은 무효전류를 생산하기 위한 것이다. 정류기(8)의 출력측에 연결된 폴휠(7) 역시 매우 높은 무효전류를 요구한다. 무효전류는 일부분 기본 진동파와 예를 들면 5,7,11,13고조파 등의 고조파로 구성된다. 저항과 인덕터가 병렬연결된 회로가 캐패시터와 직렬연결되어 형성된 브랜치(branch) 세 개가 성상으로 연결된(star-connected) LC 필터(9)는 그러한 무효전력을 전송하기 위한 것이다. 전체적인 전력전송의 효율은 두 필터(3,9)에 의해 현격히 향상된다.

본 발명에 의한 해결수단은 따라서 풍력발전기의 비회전부에서 회전부로 여러 가지 목적을 위해 접촉없이 전력을 전송하는 방법을 제공한다. 따라서 마모도 없으며 소음발생도 일어나지 않는다.

Claims (8)

1. 제너레이터 로터와 제너레이터 스테이터를 포함하는 제너레이터와, 상기 제너레이터 로터에 연결되어 있는 로터 블레이드를 가지는 로터 유닛, 전력을 풍력발전기의 비회전부에서 상기 로터 유닛으로 전송하기 위한 전력전송수단을 구비하여 정현파 교류 전압을 발생하기 위한 풍력발전기에 있어서,

   전력을 접촉없이 상기 로터 유닛으로 보내기 위해 상기 전력전송수단은 스테이터(5)가 풍력발전기의 비회전부에 위치하고 로터(6)가 로터유닛에 위치하는 비동기식 장치(4)를 구비하고 상기 풍력발전기의 비회전부에는 상기 비동기식 장치(4)의 스테이터(5)에 공급하기 위한 주기적인 전압펄스를 갖는 교류전압을 발생시키는 인버터(1)를 구비하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 제너레이터는 전자기적으로 여기되는 동기식 제너레이터이고, 상기 로터유닛에는 상기 비동기식 장치(4)의 로터로 전송되는 전력을 상기 제너레이터의 로터에 여기전류로서 유입하기 위한 직류전류로 바꾸는 정류기(8)가 제공되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
3. 제 2항에 있어서,

   무효전류를 조절하기 위한 필터가 상기 정류기(8)의 입력측에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 비동기식 장치의 로터로 전송되는 전력을 특히 상기 로터블레이드 조절 유닛(1)에 공급하기 위하여 직류전압으로 바꾸기 위한 정류기(11)가 상기 로터에 제공되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 인버터(1)는 회전속도와 제너레이터의 전력에 의존하여 상기 제너레이터 로터의 여기전류를 조정하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
6. 제 1항 내지 제 5항에 있어서,

   상기 비동기식 장치(4)의 스테이터(5) 입력측에는 상기 스테이터로 유입되는 전류의 무효전류를 조절하기 위한 LC(3)필터가 연결되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
7. 삭제
8. 삭제

Images