KR101302022B1 - 풍력 발전 시스템 및 그 운전 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력 발전 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템은, 적어도 하나의 풍력 터빈을 포함하는 복수의 풍력 터빈 그룹, 풍력 터빈 그룹들의 출력을 각각 상이하게 제어하는 제어 시스템을 포함하며, 상기 풍력 터빈의 동작을 정지시키는 경우, 상기 풍력 터빈 그룹에 따라 순차적으로 정지시킨다. 이에 의해, 풍력 터빈 발전의 최대 제한 풍속이 발생하여 풍력 터빈의 동작이 중지되더라도, 출력의 저하 속도를 최대한 단축시켜서 그리드에 연결된 예비 발전기의 동작 시간을 확보할 수 있다.

Description

풍력 발전 시스템 및 그 운전 제어 방법{Wind power generation system and controlling method of driving the same}

본 발명은 풍력 발전 시스템 및 그 운전 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 바람의 방향을 기준으로 풍력 터빈의 출력 크기를 조절할 수 있는 풍력 발전 시스템 및 그 운전 제어 방법에 관한 것이다.

풍력으로 구동되는 풍력 터빈을 사용하는 전력 발생은 바람이 순조롭게 공급되는 영역에서 사용가능하고, 로컬 전력 전송 시스템(grid)내로 바람에 의해 발생된 전력을 추가시킬 수 있다. 그러나, 풍력 터빈은 바람 상태에 따라 변동하는 비교적 불안정한 전력원이고, 그리드 내로 불안정성을 미치는 것을 회피하기 위해서는 적절하게 인터페이스 되어야 한다. 풍력 발전 기지(wind farm)는 돌풍이나 난기류 때문에 중요 전송 시스템의 전압 및 주파수에 불안정성을 야기할 수 있다.

따라서, 전송 시스템의 안정성을 유지하기 위해서, 화력발전, 복합화력발전 등 연료에 의한 연소(fuel-fired) 혹은 써멀(thermal) 발전기 등의 예비 발전기의 동작으로 풍력 발전의 불안정성을 보상한다.

다만, 돌풍 등으로 인하여 급작스럽게 풍력 터빈의 출력이 저하될 경우, 그리드에 연결된 예비 발전기의 동작 시간 확보가 어려운 문제점이 있다.

특허문헌 1은 불안정한 전력원의 전력 출력과 전력 전송라인간의 전력인터페이스에서, 불안전한 전력원의 전력출력이 정상 출력 레벨을 초과할 경우에는 과잉 전력 출력을 저장하고, 정상 출력 레벨 미만인 경우 저장된 에너지를 방출하여 감소된 전력 출력을 보상하는 것에 관한 발명이 개시되어 있다. 특허문헌 1은 전력 발생이 증가하는 동안에는 과잉 전력을 저장하고, 바람의 변동에 의해 전력 발생이 감소하는 동안에는 저장된 에너지를 방출한다는 데에 특징이 있다. 따라서, 전력 발생이 감소함에 따라 발생하는 문제점을 저장된 에너지를 방출함으로써 해결한다.

특허문헌 1 : 한국등록특허 제1041300호(2011.06.14.공고)

본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는, 풍력 터빈의 출력 저하 속도를 최소화시켜, 예비 발전기의 동작시간을 확보할 수 있는 풍력 발전 시스템 및 그 운전 제어 방법을 제공하는 것이다.

상술한 과제를 해결하기 위한 실시예에 따른 풍력 발전 시스템은, 적어도 하나의 풍력 터빈을 포함하는 복수의 풍력 터빈 그룹; 및 상기 풍력 터빈 그룹들의 출력을 각각 상이하게 제어하는 제어 시스템을 포함하며, 상기 풍력 터빈의 동작을 정지시키는 경우, 상기 풍력 터빈 그룹에 따라 순차적으로 정지시킨다.

상기 풍력 터빈 그룹은, 바람이 불어오는 방향을 기준으로 상기 바람을 가장 먼저 접하는 풍력 터빈으로 구성된 제1 그룹을 포함하며, 상기 제어 시스템은, 상기 제1 그룹을 구성하는 풍력 터빈의 출력을 다른 풍력 터빈의 출력보다 작게 설정할 수 있다.

상기 풍력 터빈 그룹은 상기 제1 그룹보다 바람이 불어오는 방향을 기준으로 먼 순서대로 배치된 풍력 터빈으로 구성되는 제2 그룹 및 제3 그룹을 포함하며, 상기 제어 시스템은, 상기 제2 그룹을 구성하는 풍력 터빈의 출력을 상기 제1 그룹을 구성하는 풍력 터빈의 출력보다 크고, 상기 제3 그룹을 구성하는 풍력 터빈의 출력보다 작게 설정할 수 있다.

상기 제어 시스템은, 상기 제1 그룹을 구성하는 풍력 터빈의 동작을 정지시키고, 그 다음 상기 제2 그룹 및 제3 그룹을 구성하는 풍력 터빈의 동작을 순차적으로 정지시킬 수 있다.

상기 풍력 터빈의 동작이 정지된 경우 전력을 출력하는 분산전원부를 더 포함하고, 상기 제어 시스템은, 상기 제1 그룹을 구성하는 풍력 터빈의 동작이 정지되는 경우, 상기 분산 전원부를 동작시킬 수 있다.

상기 제어 시스템은, 상기 풍력 터빈 중 바람이 불어오는 방향을 기준으로 가장 멀리 배치된 풍력 터빈으로 구성된 풍력 터빈 그룹의 출력을 가장 크게 설정할 수 있다.

상술한 과제를 해결하기 위한 실시예에 따른 풍력 발전 시스템의 운전 제어 방법은, 바람이 불어오는 방향을 기준으로 적어도 하나의 풍력 터빈을 포함하는 복수의 풍력 터빈 그룹을 설정하는 단계; 및 상기 풍력 터빈의 동작을 정지시키는 경우, 상기 풍력 터빈 그룹에 따라 순차적으로 정지시키는 단계를 포함한다.

바람이 불어오는 방향을 기준으로 상기 바람을 먼저 접하는 순서대로 배치된 풍력 터빈으로 구성되는 제1 그룹, 제2 그룹 및 제3 그룹을 설정하는 단계; 및 상기 제2 그룹을 구성하는 풍력 터빈의 출력이 상기 제1 그룹을 구성하는 풍력 터빈의 출력보다 크고, 상기 제3 그룹을 구성하는 풍력 터빈의 출력보다 작게 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 그룹을 구성하는 풍력 터빈의 동작을 정지시키고, 그 다음 상기 제2 그룹 및 제3 그룹을 구성하는 풍력 터빈의 동작을 순차적으로 정지시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 풍력 터빈 발전의 최대 제한 풍속이 발생하여 풍력 터빈의 동작이 중지되더라도, 출력의 저하 속도를 최대한 단축시켜서 그리드에 연결된 예비 발전기의 동작 시간을 확보할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 예비 발전기의 동작 시간을 확보함으로써, 그리드를 안정화 시킬 수 있다.

도 1a 내지 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템을 간략히 도시한다.
도 2a 내지 도2c는 본 발명의 실시예에 따른 풍력 터빈 그룹별 출력을 나타내는 그래프이다.
도 3a 내지 도 3b는 시간에 따른 풍력 발전 시스템의 출력의 변화를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템을 간략히 도시한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전 시스템의 운전 제어 방법을 도시한 순서도이다.

본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태들로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되지 않는다.

본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 특정한 개시 형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.

제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템을 간략히 도시한다.

도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템(1)은, 제1 그룹(10), 제2 그룹(20), 및 제3 그룹(30)을 포함할 수 있다.

제1 그룹(10)은 바람(wind)이 불어오는 방향에 따라 바람을 가장 먼저 접하는 풍력 터빈들(10')을 포함한다.

제2 그룹(20)은 바람이 불어오는 방향에 대하여 제1 그룹(10)의 풍력 터빈들(10')보다 안쪽에 배치되는 풍력 터빈들(20')을 포함한다.

제3 그룹(30)은 바람이 불어오는 방향에 대하여 제2 그룹(20)보다 안쪽에 배치되는 풍력 터빈들(30')을 포함한다.

모든 풍력 터빈들(10', 20', 30')은 각각 서로 연결되어 그리드(Grid)로 전력을 출력한다.

도면의 위쪽을 북쪽으로 가정하고, 도 1a를 참조하면, 풍력 발전 시스템(1)에 부는 바람은 북동풍으로, 바람을 가장 먼저 접하게 되는 제1 그룹(10)의 풍력 터빈들(10')은 최대로 출력이 가능한 크기보다 작은 전력을 출력하도록 설정된다.

또한, 제2 그룹(20)의 풍력 터빈들(20')은 제1 그룹(10)을 구성하는 풍력 터빈들(10')의 출력 전력보다는 더 큰 전력을 출력한다.

제3 그룹(30)의 풍력 터빈들(30')은 제2 그룹(20)을 구성하는 풍력 터빈들(20')보다는 더 큰 전력을 출력한다. 바람직하게는 제3 그룹(30)의 풍력 터빈들(30')은 출력 가능한 최대 전력을 출력할 수 있다.

또한, 도면에 한정되지 않고, 풍력 발전 시스템(1)을 구성하는 풍력 터빈의 개수나, 바람의 세기, 바람의 방향에 따라, 도면에 도시된 세 개의 그룹보다 더 많은 그룹으로 풍력 터빈들을 나눌 수 있다. 즉, 제3 그룹보다 더 안쪽에 배치된 풍력 터빈들이 제4, 내지 제N 그룹(N은 자연수)을 형성할 수 있다.

각 그룹에는 적어도 하나의 풍력 터빈이 포함될 수 있다.

도 1b를 참조하면, 풍력 발전 시스템(1)에 부는 바람은 남서풍으로, 바람을 가장 먼저 접하게 되는 제1 그룹(10)의 풍력 터빈들(10')은 실제 가능한 크기의 출력 전력보다 작은 크기의 전력을 출력할 수 있다. 예를 들어, 실제 출력이 가능한 크기를 100%라고 할 경우, 제1 그룹(10)의 풍력 터빈들(10')이 출력할 수 있는 전력은 70% 정도로 제어될 수 있다.

다만, 이러한 수치는 한정되지 않는다. 즉, 이러한 수치는 전체 풍력 발전 시스템(1)을 구성하는 풍력 터빈들의 수에 따라 상이할 수 있다. 또한, 제1 그룹(10)의 풍력 터빈들(10')이 출력할 수 있는 전력의 크기는 전체 풍력 발전 시스템(1)을 구성하는 풍력 터빈들이 출력해야 하는 전력의 크기에 따라서도 상이할 수 있다. 이는 후술할 제어 시스템을 이용하여 제어할 수 있다.

또한, 제2 그룹(20)의 풍력 터빈들(20')은 제1 그룹(10)을 구성하는 풍력 터빈들(10')의 출력 전력보다 큰 전력을 출력한다. 예를 들어, 실제 출력이 가능한 크기를 100%라고 할 경우, 제2 그룹(20)의 풍력 터빈들(20')이 출력할 수 있는 전력은 80%~90% 정도로 제어될 수 있다.

제3 그룹(30)의 풍력 터빈들(30')은 제2 그룹(20)을 구성하는 풍력 터빈들(20')보다 큰 전력을 출력한다. 바람직하게는 제3 그룹(30)의 풍력 터빈들(30')은 출력 가능한 최대 전력을 출력할 수 있다.

또한, 도면에 한정되지 않고, 풍력 발전 시스템(1)을 구성하는 풍력 터빈의 개수나, 바람의 세기, 바람의 방향에 따라, 도면에 도시된 세 개의 그룹보다 더 많은 그룹으로 풍력 터빈들을 나눌 수 있다. 즉, 제3 그룹보다 더 안쪽에 배치된 풍력 터빈들이 제4, 5...N(N은 자연수) 그룹을 형성할 수 있다.

각 그룹에는 적어도 하나의 풍력 터빈이 포함될 수 있다.

도 2a 내지 도2c는 본 발명의 실시예에 따른 풍력 터빈 그룹별 출력을 나타내는 그래프이다.

도 2a는 제1 그룹의 시간에 따른 전력의 출력량을 그래프로 도시하고 있다. 제1 그룹(10)을 구성하는 풍력 터빈들(10')이 출력 가능한 최대 전력의 크기를 최대 출력('Possible Power')으로 도시한다. 제1 그룹(10)을 구성하는 풍력 터빈들(10')이 실제로 출력하는 전력의 크기는 실제 출력('Real Power')으로 도시하고 있다.

즉, 제1 그룹(10)을 구성하는 풍력 터빈들(10')이 실제로 출력하는 전력의 크기는 출력 가능한 전력의 크기보다 작다.

도 2a에 도시한 최대 출력('Possible Power')과 실제 출력('Real Power')의 크기는 본 발명의 일 예일 뿐 도면에 한정되지 않는다. 즉, 최대 출력('Possible Power')은 풍력 터빈들의 최대 전력 생산 능력이나, 주변의 환경, 혹은 요구되는 전력에 따라 상이할 수 있다. 또한, 실제 출력('Real Power')도 최대 출력('Possible Power')에 비해 작기만 하면 되고, 그 크기는 일정할 수도, 혹은 시간에 따라 유동적으로 설정될 수 있다.

도 2b는 제2 그룹의 시간에 따른 전력의 출력량을 그래프로 도시하고 있다. 제2 그룹(20)을 구성하는 풍력 터빈들(20')이 출력 가능한 최대 전력의 크기를 최대 출력('Possible Power')으로 도시한다. 제2 그룹(20)을 구성하는 풍력 터빈들(20')이 실제로 출력하는 전력의 크기는 실제 출력('Real Power')으로 도시하고 있다.

즉, 제2 그룹(20)을 구성하는 풍력 터빈들(20')이 실제로 출력하는 전력의 크기는 출력 가능한 전력의 크기보다 작거나 같다. 또한, 제2 그룹(20)을 구성하는 풍력 터빈들(20')이 실제로 출력하는 전력의 크기는 도 2a에 도시된 제1 그룹의 실제 출력('Real Power')과 비교하여 더 크다.

즉, 제2 그룹(20)을 구성하는 풍력 터빈들(20')이 실제로 출력하는 전력의 크기는 최대 출력('Possible Power')보다는 작거나 같되, 제1 그룹(10)을 구성하는 풍력 터빈들(10')이 실제로 출력하는 전력의 크기보다는 크거나 같게 설정될 수 있다.

도 2b에 도시한 최대 출력('Possible Power')과 실제 출력('Real Power')의 크기는 본 발명의 일 예일 뿐 도면에 한정되지 않는다. 즉, 최대 출력('Possible Power')은 풍력 터빈들의 전력 생산 능력이나, 주변의 환경, 혹은 요구되는 전력에 따라 상이할 수 있다. 또한, 실제 출력('Real Power')도 최대 출력('Possible Power')에 비해 작거나 같기만 하면 되고, 그 크기는 일정할 수도, 혹은 시간에 따라 유동적으로 설정될 수 있다.

도 2c는 제3 그룹의 시간에 따른 전력의 출력량을 그래프로 도시하고 있다. 제3 그룹(30)을 구성하는 풍력 터빈들(30')이 출력 가능한 최대 전력의 크기를 최대 출력('Possible Power')으로 도시한다. 제3 그룹(30)을 구성하는 풍력 터빈들(30')이 실제로 출력하는 전력의 크기는 실제 출력('Real Power')으로 도시하고 있다.

제3 그룹(30)을 구성하는 풍력 터빈들(30')이 실제로 출력하는 전력의 크기는 출력 가능한 전력의 크기와 동일 할 수 있다. 이는 전체 풍력 발전 시스템을 구성하는 풍력 터빈을 제1 그룹(10), 제2 그룹(20), 및 제3 그룹(30)으로 나눈 경우에 한정된다. 따라서, 풍력 발전 시스템(1)의 풍력 터빈들을 얼마나 많은 그룹으로 나눌 것인가에 따라 그룹별 풍력 터빈이 실제로 출력하는 전력의 크기가 결정될 수 있다.

일 예로, 풍력 터빈 그룹이 제1 내지 제5 그룹으로 나뉘어져 있는 경우를 설명하면, 바람이 불어오는 방향으로부터 가장 가까운 쪽의 풍력 터빈들을 제1 그룹으로 지정하고, 먼 쪽으로 갈수록 제2 그룹, 제3 그룹, 제4 그룹, 및 제5 그룹으로 지정할 수 있다. 제1 그룹 내지 제5 그룹의 실제 출력은 제1 그룹에서 제5 그룹으로 갈수록 커지도록 설정한다.

즉, 상술한 바와 같이, 몇 개의 그룹으로 나뉘어 지는지 여부에 따라, 각 그룹에 속하는 풍력 터빈들이 출력하는 전력의 양은 상이하게 설정될 수 있다.

그 중에서도 바람이 불어오는 방향에 배치되는 풍력 터빈 그룹의 출력 전력 크기가 가장 작고, 바람이 불어오는 방향에서 가장 먼 쪽에 배치되는 풍력 터빈 그룹을 구성하는 풍력 터빈들의 출력 전력의 크기는 풍력 터빈에서 출력 가능한 최대 크기와 동일하게 설정될 수 있다. 풍력 터빈의 출력 크기를 제어하는 방법은 블레이드의 피치를 제어하는 방법과 토크를 제어하는 방법이 있다.

도 2c에 도시한 최대 출력('Possible Power')과 실제 출력('Real Power')의 크기는 본 발명의 일 예일 뿐 도면에 한정되지 않는다. 즉, 최대 출력('Possible Power')은 풍력 터빈들의 전력 생산 능력이나, 주변의 환경, 혹은 요구되는 전력에 따라 상이할 수 있다. 또한, 실제 출력('Real Power')도 최대 출력('Possible Power')에 비해 작기만 하면 되고, 그 크기는 일정할 수도, 혹은 시간에 따라 유동적으로 설정될 수 있다.

도 3a 내지 도 3b는 시간에 따른 풍력 발전 시스템의 출력의 변화를 도시한 그래프이다.

구체적으로 도 3b는 본 발명의 실시예의 효과에 따른 개선된 출력의 변화를 도시하고 있다. 본 발명에 따른 개선이 있기 전에 전체 풍력 발전 시스템의 출력 변화를 나타낸 도면이 도 3a이다.

그리드 요구 전력('Grid Necessity Power')은 현재 그리드 상에 연결되어 있는 부하들에서 요구하는 전력량을 말한다. 그리고 그리드 실제 전력('Grid actual Power')은 현재 그리드의 실제 전력량을 말한다. 풍력 발전 기지('Wind Farm')는 풍력 발전 시스템에서 출력되는 전력량을 나타내며, 써멀 전력('Thermal Power')의 경우, 풍력 발전을 제외한 화력발전, 복합화력발전 등 연료에 의한 연소(fuel-fired) 혹은 써멀(thermal) 발전기 등에서 출력되는 예비 발전기의 전력량을 나타낸다.

도 3a의 경우, 풍력 터빈(wind turbine)의 가동이 중지되면(shutdown start) 풍력 발전 기지(Wind Farm)에서 출력되는 전력량이 감소하기 시작한다.

그리고 화력발전, 복합화력발전 등 연료에 의한 연소(fuel-fired) 혹은 써멀(thermal) 발전기 등의 동작이 시작된다. 그러나, 풍력 발전 시스템(1)에서 출력되는 전력량이 현저히 감소하여 그리드의 실제 전력량은 감소하게 된다. 따라서, 그리드에서 필요로 하는 전력량에 도달하지 못하는 구간의 크기가 매우 넓다.

그러나 도 3b에서 도시한 실시예를 참조하면, 풍력 터빈의 동작이 정지되면, 도 3a와 비교하여 실제 그리드(grid)에 출력되는 전력량의 감소가 더 완만하다.

도 1a 및 도 1b를 참조하여 설명하면, 바람을 가장 먼저 접하게 되는 최외곽의 풍력 터빈들로 구성된 제1 그룹(10)의 경우, 가능한 출력량보다 더 적은 크기의 전력을 출력하도록 설정되어 있다. 그렇기 때문에 풍력 터빈의 동작이 정지 되어도, 출력되는 전력량의 차이가 더 작으므로, 변화의 기울기가 더 작을 수 있다.

바람은 차례로 제2 그룹(20)과 제3 그룹(30)을 통해 전달된다. 다만, 제2 그룹(20)을 구성하는 풍력 터빈들(20')은 제1 그룹(10)을 구성하는 풍력 터빈들(10')의 동작이 정지되었음을 센싱하여 그 때부터 출력되는 전력량을 계속 줄인다. 또한, 제3 그룹(30)을 구성하는 풍력 터빈들(30')은 제1 그룹(10) 및 제2 그룹(20)을 구성하는 풍력 터빈들(10', 20')의 동작이 정지되었음을 감지하여, 출력되는 전력량을 감소시킬 수 있다. 즉, 제1 그룹(10), 제2 그룹(20), 제3 그룹(30)을 구성하는 풍력 터빈들(10', 20', 30')은 소정 시간의 간격을 두고 순차적으로 동작이 정지된다.

따라서, 돌풍, 난기류 등에 의해 풍력 터빈의 동작이 중지되어도, 그리드에 출력되는 전력량이 감소되는 기울기를 완만하게 할 수 있다.

이는, 풍력 발전 시스템(1)을 통한 출력 전력의 크기가 완만하게 감소하고, 화력 발전 시스템 등, 예비 분산 전원들의 동작시간을 확보할 수 있다.

따라서 그리드에서 실제로 필요로 하는 전력량과 실제로 공급되는 그리드 전력량의 차이를 줄일 수 있으므로, 부하의 안정적 운영이 가능해질 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템을 간략히 도시한 블록도이다.

본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전 시스템(1)은, 풍력 터빈(110), 발전기(120), 제어시스템(130), 풍향 측정기(140), 및 분산 전원부(150)를 포함할 수 있다.

풍력 터빈(110)은 바람에 의해 회전하며 발전기(120)와 연결된다. 도 4에 도시된 풍력 터빈(110)은 도 1에 도시된 제1 내지 제N 그룹(N은 자연수)을 구성하는 풍력 터빈들(10', 20', 30')일 수 있다.

발전기(120)는 기계적인 에너지를 전기 에너지로 변환한다.

도 1a 및 도 4를 참조하여 설명하면, 제어시스템(130)은, 제1 그룹(10)을 구성하는 풍력 터빈들(10')의 동작이 정지되는 경우, 다른 풍력 터빈 그룹(20, 30)의 풍력 터빈들(20', 30')의 동작을 순차적으로 정지시킬 수 있다.

또한, 제어 시스템(130)은, 제1 그룹(10)을 구성하는 풍력 터빈들(10')의 동작이 정지되는 경우, 분산 전원부(150)를 동작시킬 수 있다.

제어 시스템(130)은, 풍력 터빈들 중 바람이 불어오는 방향을 기준으로 가장 멀리 배치된 풍력 터빈으로 구성된 풍력 터빈 그룹의 출력을 다른 풍력 터빈 그룹의 출력에 비교하여 가장 크게 설정할 수 있다. 즉, 도 1a 및 도 1b를 참조하여 설명하면 제어 시스템(130)은, 제3 그룹(30)을 구성하는 풍력 터빈들(30')의 출력을 가장 크게 설정할 수 있다.

제어 시스템(130)은, 복수의 풍력 터빈 그룹 중 바람이 불어오는 방향에서 가장 먼 부분에 위치한 풍력 터빈 그룹을 구성하는 풍력 터빈의 출력을 해당 풍력 터빈이 출력할 수 있는 가장 큰 값과 동일하게 출력하도록 제어할 수 있다.

또한, 제어 시스템(130)은, 풍력 터빈 시스템(1)으로 불어오는 바람의 방향을 측정하여, 측정된 풍향에 따라, 각각의 풍력 터빈 그룹을 구성하는 풍력 터빈을 변경할 수 있다. 도 1a 및 도 1b를 참조하면 도 1a의 경우 바람은 북동풍이며, 도 1b의 경우 남서풍이므로, 이에 따라 각각 제1 그룹(10), 제2 그룹(20) 및 제3 그룹(30)을 구성하는 풍력 터빈들이 상이하다. 제어 시스템(130)은 바람의 방향에 따라 바람이 불어오는 쪽에서부터 먼 곳의 풍력 터빈들을 각각 그룹으로 설정할 수 있다.

제어 시스템(130)은, 바람이 불어오는 쪽에서 가장 가까운 제1 그룹(10)을 구성하는 풍력 터빈들(10')의 출력을 다른 풍력 터빈들(20', 30')에 비하여 가장 작게 설정할 수 있다.

풍향 측정기(140)는, 풍력 발전 시스템(1)으로 불어오는 바람의 방향을 측정할 수 있다. 풍향 측정기(140)는, 측정된 풍향에 관한 정보를 제어 시스템(130)으로 전달할 수 있다.

분산 전원부(150)는, 다른 발전기들을 포함할 수 있다. 이들 발전기의 동력은 화력 발전, 복합 화력 발전 등일 수 있다.

즉, 화력발전, 복합화력발전 등 연료에 의한 연소(fuel-fired) 혹은 써멀(thermal) 발전기 등, 안정적으로 전력을 출력할 수 있는 발전기 일 수 있다.

이러한 분산 전원부(150)는, 돌풍 혹은 난기류 등에 의해 풍력 터빈(10', 20', 30')의 동작이 정지될 경우, 전력이 불안정하게 공급되는 것을 방지할 수 있다.

제어 시스템(130)은, 분산 전원부(150)를 제어하여 돌풍 혹은 난기류 등에 의하여 풍력 터빈(10', 20', 30')의 동작이 정지되면, 분산 전원부(150)를 동작시킬 수 있다.

제어 시스템(130)은 풍력 터빈 그룹들(10, 20, 30)에서 출력되는 전력을 상이하게 제어할 수 있다. 제어 시스템(130)은 풍력 터빈(10', 20', 30')의 동작이 정지되면, 전체 풍력 발전 시스템(1)이 출력하는 전력을 유지하기 위하여 분산 전원부(150)를 동작시킬 수 있다. 풍력 터빈(110)의 동작이 정지되면, 풍력 발전 시스템(1)에서 출력되는 전력량은 감소하게 된다. 따라서, 풍력 터빈 그룹(10, 20, 30)을 구성하는 풍력 터빈(10', 20', 30')들의 정상 동작시 발전량에 따라 풍력 터빈(10', 20', 30')들의 동작이 정지되었을 때 감소되는 비율은 상이할 수 있다.

예를 들어, 풍력 터빈(110)에서 출력되는 전력량이 10인 경우와 7인 경우 중 풍력 터빈의 동작이 정지되어 전력량이 0으로 감소되는 기울기는 7인 경우가 더 작다. 따라서, 제어 시스템(130)은 풍력 터빈(110)의 정상 동작시 출력되는 전력량을 줄여, 풍력 터빈(110)이 정지되었을 때, 감소되는 전력량의 기울기를 더 완만하게 제어할 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전 시스템의 운전 제어 방법을 도시한 순서도이다.

도 1, 도 4 및 도 5를 참조하면, 제어 시스템(130)은 각각 적어도 하나의 풍력 터빈을 포함하는 복수의 풍력 터빈 그룹 중에서 바람이 불어오는 방향을 기준으로 바람을 가장 먼저 접하는 풍력 터빈을 포함하는 제1 그룹을 설정할 수 있다(S501). 제어 시스템(130)은 제1 그룹보다 바람이 불어오는 방향을 기준으로 멀리 배치된 풍력 터빈들 순으로 구성되는 제2 그룹 및 제3 그룹을 설정할 수 있다(S503). 제어 시스템(130)은 제1 그룹(10)을 구성하는 풍력 터빈(10')의 출력을 다른 풍력 터빈의 출력보다 작게 설정할 수 있다(S505). 즉, 최외곽에 배치된 풍력 터빈을 포함하는 제1 그룹에 속한 풍력 터빈 외의 다른 풍력 터빈은 위치에 따라 제2 내지 제N 그룹(N은 2이상의 자연수)으로 구성할 수 있다.

제어 시스템(130)은, 제2 그룹(20)을 구성하는 풍력 터빈(20')의 출력이 제1 그룹(10)을 구성하는 풍력 터빈(10')의 출력보다 크고, 제3 그룹(30)을 구성하는 풍력 터빈(30')의 출력보다 작게 설정할 수 있다(S507).

제어 시스템(130)은, 풍향을 측정하여, 측정된 풍향에 따라, 각각의 풍력 터빈 그룹(10, 20, 30)을 구성하는 풍력 터빈들(10', 20', 30')을 변경할 수 있다.

제어 시스템(130)은 예를 들어, 제1 그룹(10)의 실제 출력("real power")을 최대 출력("possible power")에 비해 70%의 크기로 설정하며, 제2 그룹(20)의 실제 출력을 최대 출력에 비해 80 내지 90%의 크기로 설정하고, 제3 그룹(30)의 실제 출력을 최대 출력과 동일하게 설정할 수 있다.

다만, 상술한 수치는 이에 한정되지 않는다. 즉, 이러한 수치는 전체 풍력 발전 시스템(1)을 구성하는 풍력 터빈들(10', 20', 30')의 수에 따라 상이할 수 있다. 또한, 제1 그룹(10)의 풍력 터빈들(10')이 출력할 수 있는 전력의 크기는 전체 풍력 발전 시스템(1)을 구성하는 풍력 터빈들이 출력해야 하는 전력의 크기에 따라서도 상이할 수 있다.

제어 시스템(130)은 풍력 발전 시스템(1)에 불어오는 돌풍 또는 난기류 등을 감지하면(S509), 제1 그룹(10)을 구성하는 풍력 터빈(10')의 동작을 가장 먼저 정지시킬 수 있다(S511).

또한, 제어 시스템(130)은 풍력 터빈들의 동작이 정지되는 경우 분산 전원부(150)의 분산 전원 발전기를 동작시켜 그리드에 공급되는 전력이 일정하도록 제어할 수 있다(S513).

제어 시스템(130)은 제1 그룹(10)을 구성하는 풍력 터빈(10')의 동작이 정지된 후, 제2 내지 제 N 그룹을 구성하는 풍력 터빈들의 동작이 소정의 시간 간격을 두고 순차적으로 정지되도록 제어할 수 있다(S515).

이상에서는 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

1 : 풍력 발전 시스템 10 : 제1 그룹
20 : 제2 그룹 30 : 제3 그룹
110 : 풍력 터빈 120 : 발전기
130 : 제어 시스템 140 : 풍향 측정기
150 : 분산 전원부

Claims (9)

1. 적어도 하나의 풍력 터빈을 포함하는 복수의 풍력 터빈 그룹; 및
   상기 풍력 터빈 그룹들의 출력을 바람이 불어오는 방향에 따라 각각 상이하게 제어하는 제어 시스템을 포함하며,
   상기 풍력 터빈의 동작을 정지시키는 경우, 상기 풍력 터빈 그룹에 따라 순차적으로 정지시키는 풍력 발전 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 풍력 터빈 그룹은,
   바람이 불어오는 방향을 기준으로 상기 바람을 가장 먼저 접하는 풍력 터빈으로 구성된 제1 그룹을 포함하며,
   상기 제어 시스템은,
   상기 제1 그룹을 구성하는 풍력 터빈의 출력을 다른 풍력 터빈의 출력보다 작게 설정하는 풍력 발전 시스템.
3. 제2항에 있어서, 상기 풍력 터빈 그룹은
   상기 제1 그룹보다 바람이 불어오는 방향을 기준으로 먼 순서대로 배치된 풍력 터빈으로 구성되는 제2 그룹 및 제3 그룹을 포함하며,
   상기 제어 시스템은,
   상기 제2 그룹을 구성하는 풍력 터빈의 출력을 상기 제1 그룹을 구성하는 풍력 터빈의 출력보다 크고, 상기 제3 그룹을 구성하는 풍력 터빈의 출력보다 작게 설정하는 풍력 발전 시스템.
4. 제 3항에 있어서, 상기 제어 시스템은,
   상기 제1 그룹을 구성하는 풍력 터빈의 동작을 정지시키고, 그 다음 상기 제2 그룹 및 제3 그룹을 구성하는 풍력 터빈의 동작을 순차적으로 정지시키는 풍력 발전 시스템.
5. 제 2항에 있어서,
   상기 풍력 터빈의 동작이 정지된 경우, 전력을 출력하는 분산전원부를 더 포함하고,
   상기 제어 시스템은,
   상기 제1 그룹을 구성하는 풍력 터빈의 동작이 정지되는 경우, 상기 분산 전원부를 동작시키는 풍력 발전 시스템.
6. 제1항에 있어서, 상기 제어 시스템은,
   상기 풍력 터빈 중 바람이 불어오는 방향을 기준으로 가장 멀리 배치된 풍력 터빈으로 구성된 풍력 터빈 그룹의 출력을 가장 크게 설정하는 풍력 발전 시스템.
7. 바람이 불어오는 방향을 기준으로 적어도 하나의 풍력 터빈을 포함하는 복수의 풍력 터빈 그룹을 설정하는 단계; 및
   상기 풍력 터빈의 동작을 정지시키는 경우, 상기 풍력 터빈 그룹 및 바람이 불어오는 방향에 따라 순차적으로 정지시키는 단계를 포함하는 풍력 발전 시스템의 운전 제어 방법.
8. 제7항에 있어서,
   바람이 불어오는 방향을 기준으로 상기 바람을 먼저 접하는 순서대로 배치된 풍력 터빈으로 구성되는 제1 그룹, 제2 그룹 및 제3 그룹을 설정하는 단계; 및
   상기 제2 그룹을 구성하는 풍력 터빈의 출력이 상기 제1 그룹을 구성하는 풍력 터빈의 출력보다 크고, 상기 제3 그룹을 구성하는 풍력 터빈의 출력보다 작게 설정하는 단계를 더 포함하는 풍력 발전 시스템의 운전 제어 방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 제1 그룹을 구성하는 풍력 터빈의 동작을 정지시키고, 그 다음 상기 제2 그룹 및 제3 그룹을 구성하는 풍력 터빈의 동작을 순차적으로 정지시키는 단계를 더 포함하는 풍력 발전 시스템의 운전 제어 방법.

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