KR101134960B1 - 풍력 발전 장치 - Google Patents

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KR101134960B1
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신지 아리나가
다카토시 마츠시타
츠요시 와카사
마사아키 시바타
아키라 야스기
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미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
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Abstract

가동률 향상을 도모하는 것을 목적으로 한다. 발전기와 전력 계통을 잇는 전력선에 제 1 스위치를 형성함과 함께, 발전기와 제 1 스위치 사이의 전력선에 원격 조작에 의해 개폐할 수 있는 제 2 스위치를 형성한다. 제 2 스위치는, 저전압 사상에 흐르는 전류를 허용하면서, 발전기의 서멀 설정에 의한 전류값을 초과하지 않는 범위에서 그 내전류 성능이 정해져 있고, 제 1 스위치는, 제 2 스위치의 내전류 성능보다 우수하고, 또한, 발전기의 서멀 설정을 초과하지 않는 범위에서 그 내전류 성능이 정해져 있다.

Description

풍력 발전 장치{AEROGENERATOR SYSTEM}
본 발명은 풍력 발전 장치에 관한 것이다.
풍차의 운전 제어에 있어서, 계통 전압이 정전 등의 발생에 의해 저하된 경우에는, 풍차와 전력 계통의 접속을 신속하게 절단하여 과전류에 의한 발전기 등의 손상을 회피한다는 운용이 채용되고 있다. 반대로, 예를 들어, LVRT (Low voltage ride-through) 에서 요구되는 전압 저하 패턴 등과 같은 저전압 사상 (事象) 이 발생한 경우에는, 풍차와 전력 계통의 접속을 유지하여 풍차의 운전을 계속해서 실시할 필요가 있다.
미국 특허 제6921985호 명세서
그런데, 상기 서술한 저전압 사상보다 큰 전압의 강하가 발생한 경우, 발전기 전류가 과대해져, 계통 전압의 저하가 검출되기 전에 발전기와 전력 계통을 접속하는 전력 계통 사이에 장착되어 있는 서킷 브레이커가 해열 (解列) 상태가 될 가능성이 있다.
서킷 브레이커가 해열 상태가 되면, 재기동을 위해 작업원이 풍차가 있는 곳까지 방문하여, 수동으로 서킷 브레이커를 클로우즈시키는 작업이 필요하다. 따라서, 재기동까지 상당한 시간을 필요로 하여 가동률이 악화된다고 하는 문제가 있었다.
본 발명은, 상기 문제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로 가동률의 향상을 도모할 수 있는 풍력 발전 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은 이하의 수단을 채용한다.
본 발명은, 발전기와, 발전기와 전력 계통을 잇는 전력선에 형성되는 제 1 스위치와, 상기 발전기와 상기 제 1 스위치 사이의 전력선에 형성되고, 원격 조작에 의해 개폐할 수 있는 제 2 스위치를 구비하고, 상기 제 2 스위치는, 저전압 사상에 흐르는 전류를 허용하면서, 상기 발전기의 서멀 설정에 의한 전류값을 초과하지 않는 범위의 내전류 성능을 갖고, 상기 제 1 스위치는, 상기 제 2 스위치의 내전류 성능보다 우수하고, 또한, 상기 발전기의 서멀 설정을 초과하지 않는 범위의 내전류 성능을 갖고 있는 풍력 발전 장치를 제공한다.
이와 같이, 제 2 스위치 및 제 1 스위치는, 저전압 사상에 의한 전압의 강하에서 기인되는 과전류의 발생에 견딜 수 있는 내전류 성능을 갖고 있다. 따라서, 저전압 사상이 발생했다고 하더라도 해열되지 않고, 발전기와 전력 계통의 접속 상태를 유지할 수 있게 된다. 또, 저전압 사상에 흐르는 과전류보다 큰 전류가 흐른 경우에는, 제 1 스위치보다 먼저 제 2 스위치가 해열 상태가 되므로, 제 1 스위치가 해열되는 것을 회피할 수 있게 된다. 또, 제 2 스위치는 원격 조작 에 의한 개폐가 가능하게 되어 있으므로, 해열 후에 있어서도, 용이하게 온 상태로 할 수 있게 된다.
제 1 스위치의 내전류 성능이 제 2 스위치의 내전류 성능보다 우수하다는 것은, 예를 들어, 제 1 스위치의 전류 허용값이 제 2 스위치의 전류 허용값보다 크게 설정되어 있는 것을 말한다.
상기 풍력 발전 장치에 있어서, 상기 제 2 스위치는, 기동 조건을 만족했을 경우에, 상기 발전기와 상기 전력 계통을 접속하기 위해서 사용되는 스위치이어도 된다.
상기 풍력 발전 장치에 있어서, 상기 저전압 사상은, 예를 들어, 백 ms 이상 수백 ms 미만의 범위에 걸쳐 전압이 0 V 가 되고, 또한, 전압의 강하로부터 복귀까지 수 초를 필요로 하는 사상이다.
예를 들어, 상기 저전압 사상은, LVRT 에서 요구되는 전압 저하 패턴이다.
본 발명에 의하면, 가동률 향상을 도모할 수 있다는 효과를 발휘한다.
도 1 은 본 발명의 일 실시형태에 관련된 풍력 발전 장치의 전체 구성을 나타낸 도면이다.
도 2 는 도 1 에 나타낸 풍력 발전 장치의 구성을 보다 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 3 은 발전기 및 그 주변의 구성의 일례를 나타낸 블록도이다.
도 4 는 LVRT 에서 요구되는 전압 저하 패턴의 일례를 나타낸 도면이다.
도 5 는 도 4 에 나타내는 전압 저하 패턴이 발생했을 때의 발전기의 출력 전압을 시뮬레이션에 의해 해석했을 때의 해석 결과를 나타낸 도면이다.
도 6 은 도 4 에 나타내는 전압 저하 패턴이 발생했을 때의 발전기의 출력 전류를 시뮬레이션에 의해 해석했을 때의 해석 결과를 나타낸 도면이다.
도 7 은 도 6 에 나타낸 발전기의 출력 전류를 정격 전류와의 비로 나타내고, 또한, 시간축을 확대하여 표시한 도면이다.
도 8 은 본 발명의 일 실시형태에 관련된 마그네트 콘택터, 서킷 브레이커, 및 발전기의 서멀 설정의 관계의 일례를 나타낸 도면이다.
이하에, 본 발명에 관련된 풍력 발전 장치의 일 실시형태에 대해, 도면을 참조하여 설명한다.
도 1 은 본 실시형태에 관련된 풍력 발전 장치의 전체 구성을 나타낸 블록도이다. 풍력 발전 장치 (1) 는 도 1 에 나타내는 바와 같이, 타워 (2) 와 타워 (2) 의 상단에 형성된 나셀 (3) 을 구비하고 있다. 나셀 (3) 은, 요 (yaw) 방향으로 선회할 수 있고, 나셀 선회 기구 (4) 에 의해 원하는 방향으로 향해진다. 나셀 (3) 에는 발전기 (5) 와 기어 (6) 가 탑재되어 있다. 발전기 (5) 의 로터는 기어 (6) 를 통하여 풍차 로터 (7) 에 접합되어 있다.
풍차 로터 (7) 는 블레이드 (8) 와, 블레이드 (8) 를 지지하는 허브 (9) 를 구비하고 있다. 블레이드 (8) 는 그 피치 (pitch) 각이 가변이도록 형성되어 있다. 상세하게는, 도 2 에 나타내고 있는 바와 같이, 허브 (9) 에는 블레이드 (8) 를 구동하는 유압 실린더 (11) 와, 유압 실린더 (11) 에 유압을 공급하는 서보 밸브 (12) 가 수용되어 있다. 서보 밸브 (12) 의 개도에 의해 유압 실린더 (11) 에 공급되는 유압이 제어되고, 이로써, 블레이드 (8) 가 원하는 피치각으로 제어된다.
도 1 로 돌아와, 나셀 (3) 에는 추가로, 풍속 풍향계 (10) 가 형성되어 있다. 풍속 풍향계 (10) 는 풍속과 풍향을 측정한다. 나셀 (3) 은 풍속 풍향계 (10) 에 의해 측정된 풍속과 풍향에 응답하여 선회된다.
도 3 은, 발전기 (5) 및 그 주변의 구성의 일례를 나타내는 블록도이다. 본 실시형태의 발전기 (5) 는, 발전기 (5) 가 발생하는 전력이 스테이터 코일 및 로터 코일의 양방으로부터 전력 계통 (13) 으로 출력할 수 있도록 구성되어 있다. 구체적으로는, 발전기 (5) 는, 그 스테이터 코일이 전력 계통 (13) 에 직접 접속되고, 로터 코일이 AC-DC-AC 컨버터 (17) 를 통하여 전력 계통 (13) 에 접속되어 있다.
AC-DC-AC 컨버터 (17) 는, 능동 정류기 (14), DC 버스 (15), 및 인버터 (16) 로 구성되어 있고, 로터 코일로부터 수취한 교류 전력을 전력 계통 (13) 의 주파수에 적합한 교류 전력으로 변환한다. 능동 정류기 (14) 는, 로터 코일에 발생된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하고, 그 직류 전력을 DC 버스 (15) 로 출력한다. 인버터 (16) 는, DC 버스 (15) 로부터 수취한 직류 전력을 전력 계통 (13) 과 동일한 주파수의 교류 전력으로 변환하고, 그 교류 전력을 출력한다.
AC-DC-AC 컨버터 (17) 는, 전력 계통 (13) 으로부터 수취한 교류 전력을 로터 코일의 주파수에 적합한 교류 전력으로 변환하는 기능도 갖고 있고, 풍력 발전 장치 (1) 의 운전의 상황에 따라서는 로터 코일을 여기하기 위해서도 사용된다. 이 경우, 인버터 (16) 는, 교류 전력을 직류 전력으로 변환하고, 그 직류 전력을 DC 버스 (15) 로 출력한다. 능동 정류기 (14) 는, DC 버스 (15) 로부터 수취한 직류 전력을 로터 코일의 주파수에 적합한 교류 전력으로 변환하고, 그 교류 전력을 발전기 (5) 의 로터 코일에 공급한다.
전압/전류 센서 (20) 는, 발전기 (5) 를 전력 계통 (13) 에 접속하는 전력선에 형성되어 있고, 발전기 (5) 의 출력 전압 (V) 과 출력 전류 (I) 를 측정한다.
컨버터 구동 제어 장치 (21) 는, 유효 전력 지령 (P*), 무효 전력 지령 (Q*) 에 응답하여 출력하는 유효 전력 (P) 과 무효 전력 (Q) 을 제어할 수 있도록, 능동 정류기 (14) 및 인버터 (16) 의 파워 트랜지스터의 온 오프를 제어한다. 구체적으로는, 컨버터 구동 제어 장치 (21) 는, 전압/전류 센서 (20) 에 의해 측정된 출력 전압 (V) 및 출력 전류 (I) 로부터, 유효 전력 (P) 과 무효 전력 (Q) 을 산출한다. 또한, 컨버터 구동 제어 장치 (21) 는 유효 전력 (P) 과 유효 전력 지령 (P*) 의 차, 및 무효 전력 (Q) 과 무효 전력 지령 (Q*) 의 차에 응답하여 PWM 제어를 실시하여 PWM 신호를 생성하고, 생성된 PWM 신호를 능동 정류기 (14) 및 인버터 (16) 에 공급한다. 이로써, 유효 전력 (P) 과 무효 전력 (Q) 이 제어된다.
피치 제어 장치 (22) 는, 주 제어 장치 (19) 로부터 반송되는 피치 지령 (β*) 에 응답하여, 블레이드 (8) 의 피치각 (β) 을 제어한다. 블레이드 (8) 의 피치각 (β) 은 피치 지령 (β*) 에 일치하도록 제어된다.
요 제어 장치 (23) 는, 주 제어 장치 (19) 로부터 반송되는 요 지령에 응답하여, 나셀 선회 기구 (4) 를 제어한다. 나셀 (3) 은, 요 지령에 의해 지시된 방향으로 향해진다.
또, 전력선에 있어서 상기 전압/전류 센서보다 하류측에는, AC/DC 컨버터 (24) 가 접속되어 있다. 이 AC/DC 컨버터 (24) 는, 전력선을 통하여 전력 계통 (13) 으로부터 수취한 교류 전력으로부터 직류 전력을 생성하고, 그 직류 전력을 풍력 발전 장치 (1) 의 제어계, 특히, 블레이드 (8) 의 피치각 (β) 을 제어하기 위해서 사용되는 서보 밸브 (12) (도 2 참조), 주 제어 장치 (19), 및 피치 제어 장치 (22) 에 공급한다.
또한, 서보 밸브 (12) (도 2 참조), 주 제어 장치 (19), 및 피치 제어 장치 (22) 에 안정적으로 직류 전력을 공급하기 위해서, 풍력 발전 장치 (1) 에는 충전 장치 (27) 와, 비상용 배터리 (28) 를 구비한 무정전 전원 시스템 (26) 이 형성되어 있다.
예를 들어, LVRT 의 요구에 의해, 비록 계통 전압 (Vgrid) 이 저하된 경우라도, 발전기 (5) 가 전력 계통 (13) 에 접속된 상태가 유지될 필요가 있다. 이것을 위해서는, 전력 계통 (13) 의 전압이 저하된 경우라도 블레이드 (8) 의 피치각이 적절히 제어되고, 이로써 발전기 (5) 의 회전수가 원하는 값으로 유지될 필요가 있다. 이와 같은 요구를 만족하기 위해서, 계통 전압 (Vgrid) 이 소정의 전압까지 저하된 경우, 무정전 전원 시스템 (26) 이 스위치 (25) 에 의해 서보 밸브 (12), 주 제어 장치 (19), 및 피치 제어 장치 (22) 에 접속되고, 비상용 배터리 (28) 로부터 서보 밸브 (12), 주 제어 장치 (19), 및 피치 제어 장치 (22) 에 전력이 공급된다. 이로써, 블레이드 (8) 의 피치각의 제어가 유지된다. 비상용 배터리 (28) 는 충전 장치 (27) 에 접속되어 있다. 충전 장치 (27) 는, AC/DC 컨버터 (24) 로부터 공급되는 직류 전력에 의해 비상용 배터리 (28) 를 충전한다.
또, 추가로, 발전기 (5) 와 전력 계통 (13) 을 잇는 전력선에는, 서킷 브레이커 (제 1 스위치) (30) 가 형성되어 있다. 구체적으로는, 서킷 브레이커 (30) 는 풍차가 구비하는 모든 구성 요소 중에서, 전력 계통 (13) 에 가장 가까운 위치에 형성된다.
또, 발전기 (5) 와 서킷 브레이커 (30) 사이의 전력선에는, 마그네트 콘택터 (제 2 스위치) (40) 가 형성되어 있다. 구체적으로는, 마그네트 콘택터 (40) 는 풍차가 구비하는 모든 구성 요소 중에서, 상기 서킷 브레이커 (30) 다음으로 전력 계통 (13) 에 가까운 위치에 형성되어 있다.
서킷 브레이커 (30), 마그네트 콘택터 (40) 는, 타워 (2) 의 하방에 배치되어 있는 연계반 (連系盤) (도시하지 않음) 중에 배치되어 있다.
마그네트 콘택터 (40) 는, 발전기 (5) 의 출력이 기동 조건을 만족했을 경우에, 발전기 (5) 와 전력 계통 (13) 을 접속하기 위해서 사용되는 스위치로서, 원격 조작에 의한 개폐가 가능한 구성으로 되어 있다.
서킷 브레이커 (30) 는, 과전류에 의한 발전기 (5) 등의 손상을 회피하기 위해서 형성되어 있는 릴레이로서, 원격에서 조작하는 것이 불가능한 구성으로 되어 있다. 따라서, 한 번 해열 상태가 된 경우에는, 작업원이 수동으로 직접적으로 클로우즈 상태로 할 필요가 있다.
다음으로, 본 발명의 특징 부분인 상기 서킷 브레이커 (30) 및 마그네트 콘택터 (40) 의 내전류 성능에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
마그네트 콘택터 (40) 는, 저전압 사상에 흐르는 전류를 허용하면서, 발전기 (5) 의 서멀 설정에 의한 전류값을 초과하지 않는 범위의 내전류 성능을 갖고 있다. 서킷 브레이커 (30) 는, 마그네트 콘택터 (40) 의 내전류 성능보다 우수하고, 또한, 발전기 (5) 의 서멀 설정을 초과하지 않는 범위의 내전류 성능을 갖고 있다.
저전압 사상이란, 예를 들어, 백 ms 이상 수백 ms 미만의 범위에 걸쳐 전압이 0 V 가 되고, 또한, 전압의 강하에서 복귀까지 수 초를 요하는 사상을 말한다. 이 저전압 사상으로서 예를 들어, LVRT 에서 요구되는 전압 저하 패턴을 일례로서 들 수 있다.
도 4 에 LVRT 에서 요구되는 전압 저하 패턴의 일례를 나타낸다. 도 4 에 나타내는 전압 저하 패턴에서는, 먼저, 계통 전압 (Vgrid) 이 순간적으로 0 V 로 강하되어, 이 상태가 150 ms 유지되고, 그 후 서서히 전압이 회복하여, 전압의 순시 저하 시점으로부터 약 4 s 만에 계통 전압 (Vgrid) 이 회복된다. 이와 같이 계통 전압 (Vgrid) 이 변화한 경우에, 발전기 (5) 의 출력 전압 (V) 및 출력 전류 (I) 가 어떻게 변화하는지 시뮬레이션 해석을 실시하였다.
그 결과를 도 5 및 도 6 에 나타낸다. 도 5 는 발전기 (5) 의 출력 전압 (V) 의 변화를, 도 6 은 발전기 (5) 의 출력 전류 (I) 의 변화를 나타내고 있다. 도 5 에 나타내는 발전기 (5) 의 출력 전압 (V) 은, 도 4 에 나타내는 계통 전압 (Vgrid) 과 거의 동일한 변화를 보이고 있다. 도 6 에 나타내는 발전기 (5) 의 출력 전류 (I) 는, 계통 전압 (Vgrid) 의 순시 저하에 따라서, 과전류가 순간적으로 흐르고, 그 후, 정격 전류에 걸치도록 변동하여, 계통 전압 (Vgrid) 이 회복되고 나서 약 수백 ms 후에 안정된다.
도 7 은, 도 6 에 나타낸 발전기 (5) 의 출력 전류 (I) 를 정격 전류와의 비로 나타내고, 추가로, 시간축 (가로축) 을 확대하여 표시한 것이다. 도 7 에서는, 1/60 s 마다 발전기 (5) 의 출력 전류 (I) 의 실효값을 계산하고 있기 때문에, 전류값이 계단 형상으로 나타나고 있다. 도 7 에 나타내는 바와 같이, 도 4 에 나타낸 전압 저하 패턴의 저전압 사상이 발생한 경우에는, 최대로 5.5 배 정도의 전류가 1/60 초간 흐르는 것을 알 수 있다.
따라서, 도 4 에 나타내는 전압 저하 패턴에 대응하기 위해서는, 적어도 정격에 대해 5.5 배의 과전류가 흐른 경우라도 해열되지 않을 정도의 내전류 성능을 마그네트 콘택터 (40) 가 갖고 있을 필요가 있다.
또한, 도 4 에 나타낸 저전압 사상의 전압 저하 패턴은 어디까지나 일례로서, 마그네트 콘택터 (40) 는 예를 들어, LVRT 의 요구에 의한 전압 저하 패턴을 모두 극복하는 내전압 성능을 가질 필요가 있다.
다음으로, 도 8 에 마그네트 콘택터, 서킷 브레이커, 및 발전기의 서멀 설정의 관계의 일례를 나타낸다. 도 8 에 있어서, 가로축은 발전기 (5) 의 정격 전류에 대한 배율을, 세로축은 허용 시간을 각각 나타내고 있다.
도 8 에 나타내는 바와 같이, 마그네트 콘택터 (40) 의 최대 허용 전류는, 서킷 브레이커 (30) 에 비하여 낮게 설정되어 있고, 또한, 서킷 브레이커 (30) 및 마그네트 콘택터 (40) 의 최대 허용 전류는 서멀 설정의 범위 내로 되어 있다.
이상 설명해 온 바와 같이, 본 실시형태에 관련된 풍력 발전 장치 (1) 에 의하면, 마그네트 콘택터 (40) 및 서킷 브레이커 (30) 는, 저전압 사상에 의한 전압의 강하에서 기인되는 과전류의 발생에 견딜 수 있는 내전류 성능을 갖고 있으므로, 저전압 사상이 발생했다고 하더라도 해열되지 않고, 발전기 (5) 와 전력 계통 (13) 의 접속 상태를 유지할 수 있게 된다.
또, 저전압 사상의 발생시에 흐르는 과전류보다 큰 전류가 흐른 경우에는, 서킷 브레이커 (30) 보다 먼저 마그네트 콘택터 (40) 가 해열 상태가 되므로, 서킷 브레이커 (30) 가 해열되는 것을 회피할 수 있게 된다. 여기에서, 마그네트 콘택터 (40) 는 원격 조작에 의한 개폐를 할 수 있게 되어 있으므로, 해열 후에 있어서도 용이하게 온 상태로 할 수 있게 된다. 따라서, 저전압 사상의 발생시에 흐르는 과전류보다 큰 전류가 흐른 경우라도, 원격지에서 마그네트 콘택터 (40) 를 재차 닫힌 상태로 하는 것만으로, 풍력 발전 장치 (1) 의 기동을 실시하게 할 수 있게 된다. 요컨대, 풍력 발전 장치 (1) 의 재기동시에, 작업원이 풍차까지 방문하여 수동으로 서킷 브레이커 (30) 를 클로우즈 상태로 하는 수고를 생략할 수 있다. 이로써, 풍력 발전 장치 (1) 를 신속하게 재기동 가능한 상태로 할 수 있어, 가동률을 향상시킬 수 있게 된다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대해 도면을 참조하여 상세히 서술해 왔는데, 구체적 구성은 이 실시형태에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위의 설계 변경 등도 포함된다
1 풍력 발전 장치
5 발전기
30 서킷 브레이커
40 마그네트 콘택터

Claims (4)

  1. 발전기와,
    발전기와 전력 계통을 잇는 전력선에 형성되는 제 1 스위치와,
    상기 발전기와 상기 제 1 스위치 사이의 전력선에 형성되고, 원격 조작에 의해 개폐할 수 있는 제 2 스위치를 구비하고,
    상기 제 2 스위치는, 저전압 사상 (事象) 에 흐르는 전류를 허용하면서, 상기 발전기의 서멀 설정에 의한 전류값을 초과하지 않는 범위의 내전류 성능을 갖고,
    상기 제 1 스위치의 내전류 성능의 범위는, 상기 제 2 스위치의 내전류 성능의 범위보다 크고, 또한, 상기 발전기의 서멀 설정에 의한 전류값을 초과하지 않는 범위인, 풍력 발전 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 스위치는, 기동 조건을 만족했을 경우에, 상기 발전기와 상기 전력 계통을 접속하기 위해서 사용되는, 풍력 발전 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 저전압 사상은, 백 ms 이상 수백 ms 미만의 범위에 걸쳐 전압이 0 V 가 되고, 또한, 전압의 강하로부터 복귀까지 수 초를 필요로 하는 사상인, 풍력 발전 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 저전압 사상은, LVRT (Low voltage ride-through) 에서 요구되는 전압 저하 패턴인, 풍력 발전 장치.
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