KR101211114B1 - 풍력발전기의 저전압수용운전 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 풍력발전기의 저전압수용운전 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 양방향 전력변환장치 및 에너지저장장치를 이용하여 풍력발전기의 계통 저전압수용운전이 용이하게 이루어질 수 있고, 풍력발전 품질 향상을 도모할 수 있도록 한 풍력발전기의 저전압수용운전 장치 및 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 새로운 풍력발전기(소) 뿐만 아니라, 기존에 설치되어 있는 풍력발전기(소)에 대해 에너지저장장치의 방전능력을 이용하여 계통의 저전압수용 운전 요구를 해결하여, 경계적이면서 효율적인 저전압수용운전 장치를 제공하고자 한 것으로서, 계통에 연결된 풍력발전기에서 발생한 전기를 충전 및 방전할 수 있는 양방향 전력변환장치를 포함하는 에너지저장장치를 설치하여 운영함으로서, 계통에 일정수준 이하의 저전압 발생시 풍력발전기(소)에 요구되는 저전압보상운전(LVRT: Low Voltage Ride Through) 기능을 충족시킬 수 있고, 풍력발전에서 나오는 전력품질을 극대화시킬 수 있도록 한 풍력발전기의 저전압수용운전 장치 및 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

풍력발전기의 저전압수용운전 장치 및 방법{Device and method for low voltage ride through of wind generator}
본 발명은 풍력발전기의 저전압수용운전 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 양방향 전력변환장치 및 에너지저장장치를 이용하여 풍력발전기의 계통 저전압수용운전이 용이하게 이루어질 수 있고, 풍력발전 품질 향상을 도모할 수 있도록 한 풍력발전기의 저전압수용운전 장치 및 방법에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, 화석연료의 고갈, 지구온난화 등의 대책으로 신재생 에너지에 대한 수요가 꾸준하게 증가하고 있고, 그 중에서도 현재 세계적으로 풍력 발전은 그 설치 용량이 급증하고 있으며, 이는 계통에서 풍력 발전이 차지하는 전력량 또한 급격하게 증가하는 것을 의미한다.
그러나, 자연은 인간이 원하는 것을, 원하는 만큼, 인간이 원할 때 공급해 주지 않으며, 자연의 변화에 따라 발전량은 급격하게 변동하고 이는 전력계통 전체에 악영향을 주게 된다.
또한, 풍력 발전이 전력계통에서 점차 차지하는 비중의 증가는 계통의 외란에 대해 발전을 멈추는 것이 아니라, 계통에 협조하는 역할을 수행하도록 요구하며, 이에 이미 많은 나라에서는 풍력 발전소에 대해 계통연계규정(Grid Code)을 만들어 법제화하고 있다.
특히, 저전압수용운전(LVRT)은 계통에서 순간적인 저전압 상태가 발생하더라도, 소정의 시간 이내에는 풍력발전을 계통으로부터 떼어내지 않고 계속 연결된 상태를 유지하며, 계통이 순간 저전압 상태에서 회복되는 시점에서 소정의 전력을 계통으로 보내어 계통 회복에 기여하는 동작을 수행하도록 하는 것이다.
보다 상세하게는, 계통의 순간 저전압 발생시 풍력발전기(소)에 요구되는 저전압수용운전(LVRT) 기능을 예시한 도 1을 참조하면, 저전압수용운전 기능은 계통의 순간 저전압이 정상상태의 계통전압 20% 수준까지는 0.625초 동안 동작하고, 최대 3초 동안 정상상태의 계통전압이 90% 이상 회복될 경우 계통연계 상태를 계속 유지해야 하는 능력을 말한다.
종래에 알려진 저전압수용운전(LVRT) 방법은 감소된 속도/부하에서의 운전법(Operation at reduced speed/load), 가변 dc 버스 및 고전류로 동작되도록 정격 출력이 낮추어진 컨버터 사용(Use of derated converters to operate with more variable dc bus and higher currents), dc 버스에 커패시터 추가(Additional capacitors on the dc bus), 액티브 크로우바(Active crowbar) 사용, 에너지 배출법(Energy discharge), 제너레이터에 인가된 토크 값을 임의대로 변경하는 방법 등이 적용되어 왔으며, 이들 방법에서는 기본적으로 풍력발전기를 가동시키며 발전량을 줄이거나 발전된 에너지는 저항 등의 부하를 통해 소비하거나 등의 개념을 복합적으로 사용한 것이다.
그러나, 상기한 종래의 저전압수용운전 방법은 근본적으로 풍력 발전기를 멈추지 않고 대응하는 방법으로 인해 매우 복잡한 구조를 가지게 되며, 기존에 설치되어 있는 풍력발전기에 대해서는 기계적 또는 전기적 개조를 필요로 하는 문제점이 있다.
또한, 종래의 저전압수용운전 방법으로서, 풍력발전기를 멈추지 않고 발전된 에너지의 일부만을 계통으로 보내고, 나머지는 에너지저장장치(ESS)에 저장하는 방법이 적용될 수 있지만, 에너지저장장치 특성상 일시적 충전이라 하더라도 충전부를 풍력발전 용량에 맞추어야 하므로, 결국 에너지저장장치(ESS) 용량을 키워야 하는 등 비용적, 기술적 한계를 가지고 있다.
한편, 이중여자 발전기를 사용하는 풍력발전기에서 안정적인 계통투입을 위해서는 계통연계 전/후의 풍력발전기 인덕턴스 변환에 따른 전류제어기 이득값이 중요한 역할을 한다.
이중여자방식(DFIG : Double Fed Induction Generation)을 이용하는 풍력발전기는 회전자 전류제어를 함으로써, 고정자의 전압을 제어하고, 제어된 고정자 전압은 계통과 연계된다.
풍력발전기가 계통과 연계되는 순간 발전기의 내부 파라미터값이 변동하게 되며, 이는 계통 투입전 발전기 파라미터에 근거한 MSC(Machine Side Converter)측 전류제어기 이득값에 영향을 미쳐서 전류제어가 불안전하게 되는 원인이 되거나, 전류제어 응답성을 낮추는 요인이 되며, 뿐만아니라 계통(Grid)에 의해 발생된 저전압수용운전(LVRT: Low Voltage Ride Through)에 의해 회전자의 전류제어가 불안정하게 됨에 따라 MSC측 전류제어도 불안정하게 되어 장비의 소손이 야기된다.
참고로, 저전압수용운전(LVRT)의 원인은 계통에서 지락사고가 발생하여 계통의 급격한 전압강하가 발생되는 것에 기인한다.
이중여자방식(DFIG : Double Fed Induction Generation)을 이용하는 풍력발전기는 첨부한 도 7에 도시된 바와 같이, 풍력발전기의 출력단이 계통에 연계 TR로 연결된다.
이때, 계통에 이상이 발생하여 급격한 전압강하가 발생하게 되면, 이중여자방식(DFIG) 제너레이터의 고정자 전압이 급격하게 강하되어, 풍력발전기에서는 고정자 전압을 정상상태로 만들기 위하여 회전자의 회전속도를 증가시키게 되고, 그에 따라 잉여 에너지가 발생하게 되며, 이에 잉여 에너지는 MSC 및 DC-링크단의 전압 상승을 초래하게 된다.
따라서, 잉여 에너지를 처리하기 위한 추가적인 제어 방법들이 필요하게 되며, 그 중 계통 전압에 따른 발전기의 토크를 제어하여 발전기 출력을 줄여주는 방법이 공개특허 10-2009-53009(2009.05.27)에 개시되어 있고, DC-링크단의 액티브 크로우바(active croebar)를 이용하여 해결하는 방법이 공개특허 10-2008-90006(2008.10.08)에 개시되어 있다.
그러나, 발전기의 토크를 제어하여 발전기 출력을 줄이는 방법은 피치 제어를 통해 발전기의 출력을 줄이는 방법이 가장 효과적일 수 있으나, 저전압수용운전과 같이 수백[ms]의 짧은 저전압에 대한 피치의 물리적인 응답속도가 너무 느리다는 단점이 있다.
또한, 상기 액티브 크로우바를 이용한 방법은 크로우바가 발생된 잉여에너지를 제어할 수 있을 만큼 충분한 에너지 제어가 가능하여야 하나, 전력제어 반도체가 에너지 제어 한계에 의하여 소손되는 경우가 발생되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 감안하여 연구된 결과물로서, 계통에 일정수준 이하의 저전압 발생시 풍력발전기의 발전은 멈추고 동시에 전력변환장치 및 에너지저장장치(ESS)를 이용하여 전력을 계통쪽으로 공급함으로서, 계통에서 풍력 발전기(소)에 요구하는 저전압수용운전(LVRT) 규정을 만족시킬 수 있도록 한 풍력발전기(소)의 저전압수용운전 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 계통에 일정수준 이하의 저전압 발생이 없는 저전압수용운전(LVRT) 상황이 아닌 경우에도 전력변환장치(PCS) 및 에너지저장장치(ESS)를 이용하여 풍력발전 에너지의 충전 및 방전 제어가 이루어질 수 있도록 함으로써, 풍력발전의 출력변동을 완화시켜줄 수 있고, 풍력발전에서 요구하는 무효전력을 공급해줌으로서 풍력발전 품질 향상에 기여할 수 있도록 한 점에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기 운전 장치는 계통 저전압수용운전을 위한 것으로서, 회전 가능한 축에 장착되어 바람으로부터 회전에너지를 생산하는 블레이드와; 블레이드의 회전에너지로부터 전력을 생산하는 제너레이터와; 제너레이터에서 생산된 전력을 풍력발전기와 연계된 계통에 공급하기에 적절한 형태의 전력으로 변환하는 전력컨버터와; 에너지저장장치의 전력을 임의대로 충방전하기 위해 설치 위치에 따라 DC/DC 또는 AC/DC 양방향 컨버터를 포함하는 전력변환장치와; 전력변환장치와 연결되어 계통의 전압이 일정 수준 이하로 하강될 때 계통에 전력을 공급하는 에너지저장장치; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기 운전 방법은 계통 저전압수용운전을 위한 것으로서, 계통의 전압이 일정 수준 이하로 하강되면, 최초 하강된 제1시점에서 풍력발전기의 발전 작동을 중단시키는 동시에 에너지저장장치로부터 계통으로의 전력 공급이 인가되는 단계와; 상기 제1시점부터 계통의 전압이 상승을 시작하는 시점인 제2시점까지 에너지저장장치로부터 계통으로의 전력공급을 준비하는 단계와; 계통의 전압이 정상적으로 복구되는 시점인 제3시점까지 에너지저장장치로부터 계통으로 전력공급을 시작하여 전력공급량을 증가시키는 단계와; 계통의 전압이 정상상태로 돌아왔는지를 모니터링하여, 계통의 전압이 정상상태로 돌아온 것으로 판정되면 풍력 발전기가 재가동되는 단계와; 풍력발전기의 발전에 따른 출력이 정상 수준에 도달하는 제4시점까지 에너지저장장치에서 계통으로 전력 공급이 지속되는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력발전기 운전 장치는 계통 저전압수용운전을 위한 것으로서, 회전축에 장착되어 바람으로부터 회전에너지를 생산하는 블레이드와, 블레이드의 회전에너지로부터 전력을 생산하는 제너레이터와, 제너레이터에서 생산된 전력을 계통에 공급하기에 적절한 형태의 전력으로 변환하는 전력컨버터를 포함하는 풍력발전기 운전 장치에 있어서, 상기 풍력발전기의 전력컨버터와 계통 간에 메인스위치를 설치하고, 전력컨버터와 메인스위치 사이에 제1에너지저장장치를 제1스위치에 의하여 연결하는 동시에 메인스위치와 계통 사이에 제2에너지저장장치를 제2스위치에 의하여 연결하여서 된 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력발전기 운전 방법은 계통 저전압수용운전을 위한 것으로서, 계통의 전압이 소정크기 이하로 하강하면, 계통과 풍력발전기 간에 설치된 메인스위치의 개방과 동시에 풍력발전기의 발전 동작을 중단시키는 단계와; 제2스위치가 온으로 작동하여, 제2에너지저장장치의 전력이 저전압수용운전 기간 동안 계통으로 공급되는 단계와; 계통 전압이 정상상태에 도달하면, 풍력발전기를 재가동시키기 위하여 제1스위치를 온으로 유지시켜 재가동에 따른 무효전력이 제1에너지저장장치에서 풍력발전기로 공급되는 단계와; 풍력발전기의 발전에 따른 출력이 정상 수준에 도달하게 되면 메인스위치를 온시키고, 제2스위치를 오프시키는 단계와; 계통의 전압이 안정화되어 제1스위치까지 풍력발전기단으로부터 완전히 오프되면 제1에너지저장장치와 제2에너지저장장치는 전력품질 안정화를 위한 동작을 구현하는 것을 특징으로 한다.
의견 : 위의 밑줄친 부분의 의미는 후속과정인지 아니면 다른 의미인지를 설명해주시기 바랍니다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 풍력 발전기(소)가 연계된 계통에서 일정수준 이하의 저전압 발생시 풍력발전기의 발전 작동을 중단시키고, 전력변환장치(PCS)를 포함한 에너지저장장치(ESS)를 이용하여 전력을 계통쪽으로 공급함으로서 계통에서 풍력 발전기(소)에 요구하는 저전압수용운전(LVRT) 기능을 만족시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전력변환장치(PCS)를 포함한 에너지저장장치(ESS)는 새로운 풍력발전기 뿐 아니라 기존에 설치되어 있는 풍력발전기에도 적용 가능한 장점이 있다.
특히, 본 발명은 에너지저장장치(ESS)의 방전 능력을 활용하기 때문에 에너지저장장치(ESS) 용량을 대폭 줄일 수 있다.
도 1은 계통에 순간 저전압 발생시에 풍력발전기(소)에 요구되는 저전압수용운전(LVRT) 기능을 예시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치(PCS)를 포함한 에너지저장장치(ESS)를 개별 장치로 풍력 발전기와 계통 사이 설치하는 예를 설명하는 블록도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치(PCS)를 포함한 에너지저장장치(ESS)를 풍력발전기에 포함되어 있는 전력컨버터 내부에 설치하는 블록도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치(PCS)를 포함한 에너지저장장치(ESS)가 포함된 풍력발전기의 상세도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 전력변환장치(PCS)를 포함한 에너지저장장치에서 전력을 계통으로 방전하는 방법을 설명하기 위한 그래프,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 전력변환장치(PCS)가 에너지저장장치를 통하여 계통으로 전력을 공급해야하는 지령을 인가받는 방법의 흐름도,
도 7은 이중여자방식을 이용하는 풍력발전기를 나타내는 개략도,
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력발전기의 저전압수용운전 장치의 일례를 나타내는 개략도,
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력발전기의 저전압수용운전 장치의 구성중, 메인스위치의 개방에 따른 제1스위치(B1) 및 제2스위치(B2)의 동작과, 시간축에 대한 제1 및 제2에너지저장장치(ESS-1,ESS-2)의 충방전 특성을 나타내는 도면,
도 10는 본 발명의 다른 실시예에 따른 저전압수용 운전 방법을 설명하는 순서도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 풍력발전기의 저전압수용운전(LVRT) 방법은, 계통에 일정 수준 이하의 저전압 발생시 풍력발전기 또는 풍력발전소는 계통 연계를 유지하면서 일정 시간동안 계속 발전 상태를 유지하도록 규정하는 기존의 개념에 초점을 맞춘 것이 아니라, 계통에 일정 수준 이하의 저전압 발생시 계통연계는 유지하되 풍력발전기는 멈추고 풍력발전 대신 에너지저장장치(ESS)를 이용하여 계통에 전력을 공급함으로서, 계통의 저전압수용운전(LVRT) 요구를 만족시킬 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.
또한, 본 발명은 새로운 풍력발전기(소) 뿐만 아니라, 기존에 설치되어 있는 풍력발전기(소)에 대해 적용이 가능한 계통 저전압수용운전 장치를 제공하고자 한 것으로서, 계통에 연결된 풍력발전기(소)에서 발생한 전기를 충전 및 방전할 수 있는 양방향 전력변환장치(PCS:Power Conversion System)를 포함하는 에너지저장장치를 계통과 풍력발전소 사이에 설치하여 운영함으로서, 계통에 일정수준 이하의 저전압 발생시 풍력발전기(소)에 요구되는 저전압보상운전(LVRT: Low Voltage Ride Through) 기능을 충족시킬 수 있고, 풍력발전에서 나오는 전력품질을 극대화시킬 수 있도록 한 점에 또 다른 주안점이 있다.
이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기의 계통 저전압수용운전 장치는 첨부한 도 4의 블록도에 나타낸 바와 같이, 회전 가능한 축에 장착되어 바람으로부터 회전에너지를 생산하는 블레이드(12)와, 블레이드(12)의 회전에너지로부터 전력을 생산하는 제너레이터(14)와, 제너레이터(14)에서 생산된 전력을 풍력발전기(10)와 연계된 계통(30)에 공급하기에 적절한 형태의 전력으로 변환하는 전력컨버터(16)와, 에너지저장장치에 전력을 임의대로 충방전하기 위해 설치 위치에 따라 DC/DC 또는 AC/DC 양방향 컨버터를 포함하는 전력변환장치(22, PCS:Power Conversion System)와, 전력변환장치(22)와 연결되는 에너지저장장치(20, ESS:Energy Storage System)를 포함하여 구성된다.
상기 제너레이터(14)는 블레이드(12)의 회전 에너지로부터 전력을 생산하는 바, 그 생산되는 전력은 AC 형태이나, 계통에 직접 공급되기에는 부적합하며, 이에 상기 전력컨버터(16)는 제너레이터(14)에서 생산된 전력을 풍력발전기(10)와 연계된 계통(30)에 공급하기에 적절한 형태의 전력으로 변환하게 된다.
즉, 상기 전력컨버터(16)는 첨부한 도 3에 도시된 바와 같이, 제너레이터(14)에서 생산된 AC 전력을 DC로 변환하는 AC/DC 컨버터(24)와, 이를 다시 상기 계통에 공급하기에 적절한 AC 전력으로 변환하는 DC/AC 인버터(26)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전력컨버터(16)는 풍력발전기의 특성에 따라 고정속도방식(Fixed Speed Type)에는 포함되지 않고, 이중여자방식(DFIG : Double Fed Induction Generation)에는 해당 풍력발전기 용량의 30% 정도에 해당하는 전력컨버터 용량 만 로터(Rotor) 부분에 연결되며, 직접구동방식(WRSG:Wound Rotor Synchronous Generator & PMSG:Permanent Magnetic Synchronous Generator)에는 풍력발전기 용량 100%를 처리할 수 있는 전력컨버터 용량이 포함된다.
상기 전력변환장치(22, PCS:Power Conversion System)는 에너지저장장치(20)에 전력을 임의대로 충방전하기 위해 그 설치 위치에 따라 DC/DC 또는 AC/DC 양방향 컨버터를 포함한다.
이러한 양방향 전력변환장치(PCS : Power Conversion System)는 계통이 일정수준 이하의 저전압 상태가 되어 풍력발전기(소)의 전력 생산이 중단될 때, 저전압수용운전(LVRT) 기능을 수행하기 위하여 에너지저장장치(20)로부터 계통(30)으로 전력을 공급하도록 하는 지령을 인가받아서, 에너지저장장치(20)로부터 계통으로 전력을 적절히 공급하는 제어를 하게 된다.
즉, 후술하는 바와 같이 상기 전력변환장치(22, PCS : Power Conversion System)는 계통의 전압이 소정 크기 이하로 하강하는 제1시점에서 에너지저장장치(20)에 저장된 전력을 계통으로 공급하도록 인가받고, 계통 전압이 상승하기 시작하는 시점인 제2시점까지 전력공급을 준비하며, 또한 계통의 전압이 상승을 시작하여 정상상태로 복구되는 시점인 제3시점까지 에너지저장장치(20)로부터의 전력을 공급하기 시작하여 공급 전력을 증가시키고, 제3시점 이후 계통의 전압이 정상상태로 돌아온 상태에서 풍력발전기(10)가 재가동하여 정상적으로 복구되는 제4시점까지 에너지저장장치(20)의 전력을 계통(30)으로 계속 공급하는 역할을 하게 된다.
이때, 상기 전력변환장치(22, PCS:Power Conversion System)를 포함한 에너지저장장치(20, ESS:Energy Storage System)는 전력컨버터를 배제한 채, 도 2에서 보는 바와 같이 별도의 개별 장치로 구비되어, 풍력 발전기(10)와 계통(30) 사이에 설치될 수 있다.
다시 말해서, 전력변환장치(22)를 갖는 에너지저장장치(20)를 기존 전력컨버터내에 조합시키는 경우에는 그 개조 작업 및 비용이 매우 많이 들기 때문에, 별도의 개조작업없이 전력변환장치(22)를 갖는 에너지저장장치(20)를 전력컨버터(16)와 계통(30) 사이에 바로 연결하는 것이 바람직하다.
또는, 상기 전력변환장치(22, PCS:Power Conversion System)를 포함한 에너지저장장치(20, ESS:Energy Storage System)는 도 3에서 보듯이, 풍력 발전기(10)에 포함되어 있는 전력컨버터(16)의 내부에 설치될 수 있다.
즉, 상기 전력변환장치(22)를 갖는 에너지저장장치(20)를 새로운 풍력발전기 설비에 설치할 경우, 전력변환장치(22)를 갖는 에너지저장장치(20)를 전력컨버터(16)에 직접 조합시켜 전력컨버터와 함께 설치하게 되며, 이에 전력변환장치(22)의 입력단에 에너지저장장치(20)가 연결된 상태에서 전력변환장치(22) 출력단이 전력컨버터(16)의 AC/DC 컨버터(24) 및 DC/AC 인버터(26) 사이에 연결된다.
또한, 상기 전력컨버터(16) 내부의 AC/DC컨버터(24) 및 DC/AC인버터(26)의 각 DC단에 전력변환장치의 기능을 부가시킨 경우, 별도의 전력변환장치 없이 전력컨버터(16)의 AC/DC 컨버터(24) 및 DC/AC 인버터(26) 사이에 에너지저장장치(20)만이 연결될 수 있고, 이 에너지저장장치만으로도 본 발명에 따른 풍력발전기의 계통 저전압수용운전을 구현할 수 있다.
한편, 상기 에너지저장장치(20)는 계통의 저전압수용운전(LVRT) 요구상황에 언제든지 대응하기 위하여 항상 일정 수준 이상의 에너지를 저장하고 있어야 하고, 추가적으로 풍력발전 에너지의 충전 및 방전 제어를 통한 풍력발전 품질향상 목표수준을 고려하여 전체적인 용량을 산출하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 에너지저장장치(20)에는 자체적으로 안전관리, 온도관리, 충전상태(SOC: State Of Charge)관리, 통신기능 등을 위한 일종의 제어수단인 배터리 관리 시스템(BMS:Battery Management System)이 포함 연결된다.
바람직하게는, 상기 에너지저장장치(20)는 순간적으로 빠른 시간내의 방전을 통하여 계통측에 전력을 공급할 수 있도록 높은 방전능력을 갖는 것으로 채택하되, 리튬이온배터리(Li-ion), 리튬인산철배터리(LiFePO4), 리튬망간산화물배터리(LiMn2O4), 리튬코발트산화물배터리(Lithum Cobalt Oxide), 리튬폴리머배터리(Li-ion Polymer), 리튬에어배터리, 니켈수소배터리(Ni-MH), 니켈카드늄배터리(Ni-Cd), NaS 배터리 및 슈퍼캐퍼시터 중에서 한 가지 이상을 선택 사용할 수 있다.
여기서, 상기한 본 발명의 계통 저전압수용운전 장치를 기반으로 이루어지는 저전압수용운전 방법 즉, 에너지저장장치로부터 계통으로 전력을 공급하도록 하는 지령을 전력변환장치에 인가하여 이루어지는 저전압수용운전 방법을 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 6은 에너지저장장치로부터 계통으로 전력을 공급하도록 하는 지령을 전력변환장치에 인가하는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방법을 나타내는 흐름도이고, 도 5는 에너지저장장치로부터 계통으로 전력을 공급하도록 하는 지령을 전력변환장치에 인가하는 방법을 설명하기 위한 LVRT 참고도 및 에너지 방전량을 표시한 참고도이다.
일단, 계통에 일정수준 이하의 저전압 상항이 아닌 정상 상태에서 전력변환장치(PCS)는 LVRT 기능 이외에 이미 부여받은 풍력품질 안정화 임무를 수행하기 위하여 에너지저장장치에 에너지를 충전하고 방전하는 지령을 수시로 인가받고 수행한다.
이렇게 계통의 정상 상태에서, 계통에 저전압 상황이 발생하였는지 판단하기 위하여 계통의 전압이 소정크기 이하로 하강하는지를 지속적으로 모니터링하는 단계(S101)가 진행된다.
본 발명의 이해를 돕기 위하여, 계통의 전압이 소정 크기 이하로 하강하는 시점을 제1시점이라 하기로 한다.
상기 계통(30)의 전압이 소정크기 이하로 하강하면, 풍력발전기 정지 알고리즘에 의거 풍력발전이 정지되고(S102), 이와 동시에 에너지저장장치(20)의 방전이 인가된다(S103).
즉, 전력변환장치(22)는 방전을 인가받고 에너지저장장치(20)로부터 계통(30)으로 전력이 공급하기 위한 준비를 시작한다.
보다 상세하게는, 계통 전압의 변화 및 에너지저장장치의 방전량을 비교한 도 5를 참조하면, 계통(30)의 전압이 소정 크기 이하로 하강하는 시점 즉, 제1시점은 t0에 해당하는 바, 이 t0에서 계통의 전압이 Va로 하강하였음을 알 수 있으며, 따라서 전력변환장치(22)는 계통(30)의 전압상태를 모니터링하면서 에너지저장장치(20)로부터 계통(30)으로 전력을 공급할 준비를 하게 된다.
이렇게, 상기 에너지저장장치(20)로부터 계통(30)에 전력을 공급하도록 지령이 전력변환장치(22)에 인가됨에 따라, 에너지저장장치(20)로부터 계통(30)에 전력이 공급되도록 준비과정을 거쳐야 하며, 도 5에서 보듯이 계통의 전압이 상승하는 시점(제2시점이라 하기로 한다)인 t1 까지 에너지저장장치로부터 계통에 전력 공급준비가 완료되어야 한다.
다음으로, 계통(30)의 전압이 상승하기 시작하는지 지속적으로 모니터링하는 단계가 진행된다(S104).
모니터링 결과, 계통(30)의 전압이 상승하기 시작하면, 에너지저장장치(20)로부터 계통(30)으로 전력공급을 시작하여, 도 5에서 보듯이 계통의 전압이 정상적으로 복구되는 시점(제3시점이라 하기로 한다)인 t2까지 에너지저장장치의 방전량 즉, 에너지저장장치(20)로부터 계통(30)으로 공급되는 전력공급량을 증가시킨다(S105).
이때, 상기 제3시점은 계통(30)의 전압이 저전압 이전의 정상상태가 100%이면 그 보다 다소 낮은 전압(Vb) 수준에 도달하면 계통의 전압이 정상상태로 복구되는 시점으로 판단하게 된다.
따라서, 제2시점인 t1과 제3시점인 t2 사이 구간에서는 소정의 시간동안 계통전압 샘플링이 주기적으로 반복되는 바, 이를 통해 계통 전압이 회복되는 기울기를 구하고 그 기울기에 비례하여 에너지저장장치에서의 방전량을 증가하게 되며, 풍력발전기(소) 재가동 준비에 활용할 수 있도록 제3시점(t2)에 도달하는 시간을 예측할 수 있다.
위와 같이 에너지저장장치(20)의 방전이 지속되어 계통(30)의 전압이 정상상태로 돌아왔는지를 모니터링하여(S106), 계통(30)의 전압이 정상상태로 돌아온 것으로 판정되면 풍력발전기(10)가 재가동된다(S107).
또한, 풍력발전기(10)가 재가동됨과 더불어, 풍력발전에 따른 출력이 정상 수준에 도달할 때까지, 즉 계통에 정상적으로 전력을 공급하게 되는 시점(제4시점이라 하기로 한다)까지 에너지저장장치(20)에서 계통(30)으로 전력 공급이 지속된다(S108).
이때, 에너지저장장치(20)로부터 계통(30)으로 지속적인 전력 공급이 이루어질 때, 계통으로 공급되는 전력값은 풍력발전기(10)가 재가동되어 발생시키는 전력값과 비슷한 수준으로 유지시키는 것이 바람직하고, 그 이유는 계통의 전압이 정상적으로 복구되고 풍력발전기(10)가 재가동하여 전력을 생산 공급하게 되는 순간에 에너지저장장치(20)로부터 방전되는 값과 풍력발전기(10)에서 공급되는 전력 값의 불균형에 따른 충격을 완화하기 위함이다.
도 6에서 보듯이, 제3시점(t2)에서 제4시점(t3) 구간은 풍력발전기(10)가 재가동하여 정상적으로 전력을 생산하는데 걸리는 시간이며, 이때 제3시점(t2)~제4시점(t3)의 사이 구간에서는 에너지저장장치(20)가 많은 전력을 방전하게 되므로, 그 사이 구간 범위를 좁히는 것이 에너지저장장치 용량을 줄이는 데 효과적이고, 또한 풍력발전기(소)가 재가동할 때 소비하는 무효전력을 에너지저장장치로부터 공급할 수 있다.
최종적으로, 풍력발전기(10)가 재가동되어 정상적으로 전력을 생산 공급하는지를 판단하여(S109), 전력을 정상적으로 생산 공급하는 경우에는 에너지저장장치(20)의 방전 즉, 에너지저장장치(20)의 전력공급을 중단함(S110)에 따라, 상기한 저전압수용운전(LVRT) 대응이 종료된다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 풍력 발전기가 연계된 계통에서 일정수준 이하의 저전압 발생시 풍력발전기의 발전 작동을 중단시키고, 전력변환장치(22, PCS)를 포함한 에너지저장장치(20, ESS)를 이용하여 전력을 계통쪽으로 공급함으로서, 계통에서 풍력 발전기(소)에 요구하는 저전압수용운전(LVRT) 기능을 충분히 만족시킬 수 있고, 또한 에너지저장장치(ESS)의 방전 능력을 활용하기 때문에 에너지저장장치(ESS) 용량을 대폭 줄일 수 있다.
특히, 본 발명의 경우 순간 방전능력이 좋은 에너지저장장치(20)를 사용하여, 순간적으로 빠른 시간내에 많은 량의 방전을 통하여 계통측에 전력을 공급할 수 있도록 함으로써, 에너지저장장치(20)의 용량을 더욱 줄일 수 있다.
이하, 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력발전기의 저전압수용운전 장치 및 방법을 살펴보기로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력발전기의 저전압수용운전 장치는 인터록 구조의 에너지 저장장치(ESS : Energy Storage System)를 이용하여 저전압수용운전을 해결하고자 한 점에 주안점이 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력발전기의 저전압수용운전 장치를 나타내는 첨부한 도 8을 참조하면, 풍력발전기(10)의 전력컨버터(16)와 계통(30) 사이에 인터록 구조의 스위치(개폐기)에 의하여 이중의 에너지저장장치가 연결된다.
즉, 풍력발전기(10)의 전력컨버터(16)와 계통(30) 간에 메인스위치(A1)가 설치되고, 전력컨버터(16)와 메인스위치(A1) 사이에 제1에너지저장장치(ESS-1)가 제1스위치(B1)에 의하여 연결되며, 메인스위치(A1)와 계통(30) 사이에 제2에너지저장장치(ESS-2)가 제2스위치(B2)에 의하여 연결된다.
이렇게 메인스위치(A1)와 제1스위치(B1)와 제2스위치(B2)는 서로 인터록 구조를 이루며 배열된다.
이러한 상태에서, 계통(Grid)에 이상이 생겨 급격한 전압강하가 발생하면, 상기 메인스위치(A1)는 오프되고, 제1스위치(B1)는 풍력발전기 단에 연결되는 동시에 제2스위치(B2)는 계통단에 각각 독립적으로 연결되는 상태가 된다.
여기서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력발전기의 저전압수용운전 방법을 첨부한 도 9 및 도 10을 참조로 설명하면 다음과 같다.
도 9는 메인스위치의 개방에 따른 제1스위치(B1) 및 제2스위치(B2)의 동작과, 시간축에 대한 제1 및 제2에너지저장장치(ESS-1,ESS-2)의 충방전 특성을 나타내는 도면이고, 도 10는 본 발명의 다른 실시예에 따른 저전압수용 운전 방법을 설명하는 순서도이다.
먼저, 계통(30)에 저전압 상황이 발생하였는지 판단하기 위하여 계통의 전압이 소정크기 이하로 하강하는지를 지속적으로 모니터링하는 단계(S201)가 진행된다.
상기 계통(30)의 전압이 소정크기 이하로 하강하면, 계통과 풍력발전기 간에 설치된 메인스위치(A1)가 개방(오프)된다(S202).
이와 동시에, 상기 메인스위치(A1)가 개방된 상태에서, 제2스위치(B2)에 의하여 계통단에 연계된 제2에너지저장장치(ESS-2)는 방전특성을 가지도록 하여, 메인스위치(A1) 개방에 따른 계통상의 풍력발전기의 이탈이 없는 것처럼 보이기 위하여 제2에너지저장장치(ESS-2)는 가상의 풍력발전기가 되어 계통상에 전력을 저전압수용운전 기간 동안 공급하게 된다.
즉, 상기 메인스위치(A1)가 개방된 상태에서, 온(ON) 상태인 제2스위치(B2)를 통하여 제2에너지저장장치(ESS-2)로부터의 전력이 저전압수용운전 기간 동안 계통으로 공급된다(S204).
본 발명에 따르면, 계통(30) 상의 순간적인 전압 강하로 인한 이상이 해결된 후에 풍력발전기(10)가 재가동될 때, 제1스위치(B1)가 온 상태에서 제1에너지저장장치(ESS-1)에서 풍력발전기(10)로 재가동에 필요한 무효전력을 공급하게 되며, 풍력발전기(10)가 정상적으로 가동되면, 풍력발전기(10)와 계통(30)을 정상적으로 연계시키기 위하여 메인스위치(A1)가 온(ON)된다.
이때, 제1스위치(B1)가 온으로 유지되는 동시에 제2스위치(B2)의 개방이 순차적으로 진행되어 제1 및 제2에너지 저장장치(ESS-1,ESS-2)의 충방전 동작이 지속적으로 이루어지게 된다.
즉, 계통(30)의 전압이 상승하기 시작하는지를 모니터링하여(S205), 계통 전압이 상승하기 시작한 것으로 판정되더라도 제1에너지저장장치(ESS-1)에는 방전 대기 상태가 되고(S206), 제2에너지저장장치(ESS-2)로부터 계통(30)으로 방전이 지속된다(S207).
다음으로, 계통(30)의 전압이 정상상태에 도달하였는지를 모니터링하여(S208), 정상상태에 도달한 것으로 판정되면, 메인스위치(A1)를 온시키고, 동시에 제1스위치(B1)를 온으로 유지시키는 동시에 제2스위치(B2)를 오프시키게 된다.
따라서, 계통(30) 상의 순간적인 전압 강하로 인한 이상이 해결된 후에 풍력발전기(10)가 재가동될 때, 제1스위치(B1)가 온 상태에서 제1에너지저장장치(ESS-1)는 풍력발전기(10)쪽으로 재가동에 필요한 무효전력이 공급하는 방전을 하고(S209), 이와 동시에 제2에너지공급장치(ESS-2)의 방전이 지속되면서(S210) 계통(30)의 전압이 안정화됨과 더불어 무효전력에 의하여 풍력발전기(10)가 정상적으로 가동되면(S211), 풍력발전기(10)와 계통(30)을 정상적으로 연계시키기 위하여 메인스위치(A1)가 온(ON)된다(S212).
이때, 계통(30)의 전압이 안정적인 상태로 유지되고, 일정 시간이 경과한 후 메인스위치(A1)을 온(ON)시키는 동시에 제2스위치(B2)를 개방(오프)하여, 풍력발전기(10)와 계통(30)이 동기화되지 않는 상태에서 강제적인 계통 연계를 시킴으로써, 순간적인 역조류가 발생하게 되는데, 이때 지속적으로 충전을 수행하는 제1에너지저장장치(ESS-1)가 일정의 버퍼 역할을 수행하게 되고, 일정 시간 경과후에는 계통(30) 상에 풍력발전기(10)만이 연결되어 전력을 공급하는 상태가 된다.
즉, 상기 메인스위치(A1)을 온시키는 동시에 제2스위치(B2)를 오프함에 따라, 풍력발전기(10)와 계통(30)이 순간적으로 연계되어, 계통(30)의 전력이 풍력발전기(10)로 흐르는 역조류가 발생하게 되는 바, 이때 제1에너지저장장치(ESS-1)에서 역조류를 버퍼시키게 된다.
한편, 풍력발전기(10)의 발전을 위한 풍향 및 풍속이 원하는 수준으로 유지되지 않을 경우에도, 메인스위치(A1)를 온으로 유지시켜 풍력발전기(10)와 계통(30)을 연계시킨 상태에서 제1스위치(B1)를 온시켜서 제1에너지저장장치(ESS-1)로부터 풍력발전기쪽으로 일정 수준의 무효전력이 공급되도록 함으로써, 풍력발전기(10)의 발전 효율 향상을 도모할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 풍력 발전기(소)가 연계된 계통에서 일정수준 이하의 저전압 발생시 메인스위치(A1)와 제1 및 제2스위치(B1,B2)의 스위칭 제어를 통하여, 제1 및 제2에너지저장장치(ESS-1,ESS-2)의 충방전이 이루어지도록 함으로써, 계통에서 풍력 발전기(소)에 요구하는 저전압수용운전(LVRT) 기능을 충분히 만족시킬 수 있고, 또한 저전압수용운전(LVRT)이 완전히 완료된 후, 평상시에는 에너지저장장치들을 전력품질 향상을 위한 용도로 사용할 수 있다.
10 : 풍력발전기
12 : 블레이드
14 : 제너레이터
16 : 전력컨버터
20 : 에너지저장장치
22 : 전력변환장치
24 : AC/DC 컨버터
26 : DC/AC 인버터
30 : 계통
A1 : 메인스위치
B1 ; 제1스위치
B2 : 제2스위치
C1 : 제3스위치
ESS-1 : 제1에너지저장장치
ESS-2 : 제2에너지저장장치

Claims (12)

  1. 회전축에 장착되어 바람으로부터 회전에너지를 생산하는 블레이드(12)와, 블레이드(12)의 회전에너지로부터 전력을 생산하는 제너레이터(14)와, 제너레이터(14)에서 생산된 전력을 계통(30)에 공급하기에 적절한 형태의 전력으로 변환하는 전력컨버터(16)를 포함하는 풍력발전기 또는 전력컨버터(16)를 포함하지 않는 풍력발전기의 저전압수용운전 장치에 있어서,
    상기 제너레이터(14)와 계통(30) 사이에 전력변환장치(22)를 갖는 에너지저장장치(20)를 설치하되, 에너지저장장치의 전력을 임의대로 충방전하기 위하여 DC/DC 또는 AC/DC 양방향 컨버터를 포함하는 전력변환장치(22)를 제너레이터(14)와 계통(30) 사이에 연결하고, 상기 전력변환장치(22)에 계통(30)의 전압이 일정 수준 이하로 하강될 때 풍력발전기의 작동 정지후 계통(30)에 전력을 공급하기 위한 에너지저장장치(20)를 연결하여서 된 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 저전압수용운전 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전력변환장치(22)를 갖는 에너지저장장치(20)를 전력컨버터(16)의 AC/DC 컨버터(24) 및 DC/AC 인버터(26) 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 저전압수용운전 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 전력컨버터(16) 내부의 AC/DC컨버터(24) 및 DC/AC인버터(26)의 각 DC단에 전력변환장치의 기능을 부가시킨 경우, 전력컨버터(16)의 AC/DC 컨버터(24) 및 DC/AC 인버터(26) 사이에 에너지저장장치(20)만이 연결되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 저전압수용운전 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전력변환장치(22)를 갖는 에너지저장장치(20)를 이미 시공된 기존 풍력발전기 설비에 설치할 경우, 전력변환장치(22)에 에너지저장장치(20)가 연결된 상태에서 전력변환장치(22)가 전력컨버터(16)와 계통(30) 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 저전압수용운전 장치.
  5. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 에너지저장장치(20)는 방전능력이 우수한 기능을 갖는 에너지저장장치로 채택된 것으로서, 리튬이온배터리(Li-ion), 리튬인산철배터리(LiFePO4), 리튬망간산화물배터리(LiMn2O4), 리튬코발트산화물배터리(Lithum Cobalt Oxide), 리튬폴리머배터리(Li-ion Polymer), 리튬에어배터리, 니켈수소배터리(Ni-MH), 니켈카드늄배터리(Ni-Cd), NaS 배터리 및 슈퍼캐퍼시터 중에서 어느 하나 이상으로 채택된 것임을 특징으로 하는 풍력발전기의 저전압수용운전 장치.
  6. 계통(30)의 전압이 일정 수준 이하로 하강되면, 최초 하강된 제1시점에서 풍력발전기(10)의 발전 작동을 중단시키는 동시에 에너지저장장치(20)로부터 계통(30)으로의 전력 공급이 인가되는 단계와;
    상기 제1시점부터 계통(30)의 전압이 상승을 시작하는 시점인 제2시점까지 에너지저장장치(20)로부터 계통(30)으로의 전력공급을 준비하는 단계와;
    계통(30)의 전압이 상승을 시작하여 정상적으로 복구되는 시점인 제3시점까지 에너지저장장치(20)로부터 계통(30)으로 전력공급을 시작하여 공급되는 전력공급량을 증가시키는 단계와;
    계통(30)의 전압이 정상상태로 돌아왔는지를 모니터링하여, 계통(30)의 전압이 정상상태로 돌아온 것으로 판정되면 풍력발전기(10)가 재가동되는 단계와;
    풍력발전기(10)의 발전에 따른 출력이 정상 수준에 도달하는 제4시점까지 에너지저장장치(20)에서 계통(30)으로 전력 공급이 지속되는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 저전압수용운전 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 에너지저장장치(20)로부터 계통(30)으로의 전력 공급 개시가 계통의 전압이 일정수준 이하로 하강하는 제1시점에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 저전압수용운전 방법.
  8. 회전축에 장착되어 바람으로부터 회전에너지를 생산하는 블레이드(12)와, 블레이드(12)의 회전에너지로부터 전력을 생산하는 제너레이터(14)와, 제너레이터(14)에서 생산된 전력을 계통(30)에 공급하기에 적절한 형태의 전력으로 변환하는 전력컨버터(16)를 포함하는 풍력발전기 또는 전력컨버터(16)를 포함하지 않는 풍력발전기의 저전압수용운전 장치에 있어서,
    상기 풍력발전기(10)의 전력컨버터(16)와 계통(30) 간에 계통(30)의 전압이 일정 수준 이하로 하강될 때 개방되는 메인스위치(A1)를 설치하고, 풍력발전기(10)의 작동 중지후 재가동될 때 무효전력을 공급하도록 전력컨버터(16)와 메인스위치(A1) 사이에 제1에너지저장장치(ESS-1)를 제1스위치(B1)에 의하여 연결하는 동시에 메인스위치(A1)와 계통(30) 사이에 계통(30)의 전압이 일정 수준 이하로 하강될 때 계통(30)에 전력을 공급하기 위한 제2에너지저장장치(ESS-2)를 제2스위치(B2)에 의하여 연결하여서 된 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 저전압수용운전 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 및 제2에너지저장장치(ESS-1,ESS-2)는 방전 능력이 우수한 기능을 갖는 에너지저장장치로 채택된 것으로서, 리튬이온배터리(Li-ion), 리튬인산철배터리(LiFePO4), 리튬망간산화물배터리(LiMn2O4), 리튬코발트산화물배터리(Lithum Cobalt Oxide), 리튬폴리머배터리(Li-ion Polymer), 리튬에어배터리, 니켈수소배터리(Ni-MH), 니켈카드늄배터리(Ni-Cd), NaS 배터리 및 슈퍼캐퍼시터 중에서 어느 하나 이상으로 채택된 것임을 특징으로 하는 풍력발전기의 저전압수용운전 장치.
  10. 계통(30)의 전압이 소정크기 이하로 하강하면, 계통(30)과 풍력발전기(10) 간에 설치된 메인스위치(A1)가 개방되는 동시에 풍력발전기는 발전 동작을 멈추는 단계와;
    제2스위치(B2)가 온(ON)으로 작동하여, 제2에너지저장장치(ESS-2)의 전력이 저전압수용운전 기간 동안 계통(30)으로 공급되는 단계와;
    계통(30)의 전압이 정상상태에 도달하면, 풍력발전기를 재가동시키기 위하여 제1스위치(B1)의 온 상태로 유지시켜 풍력발전기의 재가동을 위한 무효전력이 제1에너지저장장치(ESS-1)에서 풍력발전기(10)로 공급되는 단계와;
    풍력발전기의 발전에 따른 출력이 정상수준에 도달하면 메인스위치(A1)를 온시키는 동시에 제2스위치(B2)를 오프시키는 단계와;
    계통(30)의 전압이 안정화되면, 제1스위치(B1)까지 풍력발전기단으로부터 오프되는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 저전압수용운전 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 메인스위치(A1)을 온시키는 동시에 제2스위치(B2)를 오프하여, 풍력발전기(10)와 계통(30)이 순간적인 연계가 될 때, 계통(30)의 전력이 풍력발전기(10)로 흐르는 역조류를 제1에너지저장장치(ESS-1)에서 버퍼시키는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 저전압수용운전 방법.
  12. 청구항 10에 있어서,
    풍력발전기(10)의 발전을 위한 풍향 및 풍속이 원하는 수준으로 유지되지 않을 경우, 풍력발전기(10)와 계통(30)을 연계시킨 상태에서 제1스위치(B1)를 온시켜서 제1에너지저장장치(ESS-1)로부터 풍력발전기(10)쪽으로 일정 수준의 무효전력이 공급되도록 한 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 저전압수용운전 방법.
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