KR101368778B1 - 배터리 부스터를 이용한 풍력 발전 시스템의 피치 제어 백업 장치 - Google Patents

배터리 부스터를 이용한 풍력 발전 시스템의 피치 제어 백업 장치 Download PDF

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Abstract

배터리 부스터를 이용한 풍력 발전 시스템의 피치 제어 백업 장치가 개시된다. 풍력 발전 시스템의 블레이드 각도를 조절하는 모터의 구동을 제어하는 피치 제어 백업 장치는, 배터리의 전압을 부스트하는 배터리 부스터; 상기 모터의 구동을 제어하는 모터측 인버터; 및 상기 배터리 부스터와 상기 모터측 인버터 사이에 연결되며 상기 모터의 구동을 위한 에너지를 저장하는 직류단 커패시터를 포함하되, 상기 모터측 인버터가 고장난 경우 상기 모터와 상기 모터측 인버터의 연결을 해제하고 상기 배터리 부스터와 상기 모터를 연결할 수 있다.

Description

배터리 부스터를 이용한 풍력 발전 시스템의 피치 제어 백업 장치{Pitch control backup device of wind power generating system using battery booster}
본 발명은 배터리 부스터를 이용한 풍력 발전 시스템의 피치 제어 백업 장치에 관한 것이다.
최근 차세대 동력원으로 각광받고 있는 풍력 발전은 전세계적으로 그 규모와 시장성이 증가하고 있다. 일반적으로 풍력 발전은 풍력 터빈을 이용하여, 바람을 전기 에너지로 바꾸어 생산하는 발전 방식으로, 풍력이 전력망에서 차지하는 비중이 커지면서 차세대 동력원으로서 중요한 역할을 하고 있다.
도 1은 일반적인 풍력 발전 시스템을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 풍력 발전 시스템(1)은 기본적으로 바람이 가진 에너지를 블레이드(10)가 기계 에너지로 전환하고, 발전기(20)가 블레이드(10)에 의해 전환된 기계 에너지를 전기 에너지로 전환한다. 전력변환장치(30)는 발전기(20)와 계통(grid)(50) 사이에 백투백(back-to-back) 형태로 연결되어 있다. 전력변환장치(30)와 계통(50) 사이에는 변압기(40)가 연결되어 있을 수 있으며, 전력변환장치(30)는 제어부(60)에 의해 그 동작이 제어(예를 들어, 전력변환장치의 초기 투입)된다.
이러한 풍력 발전 시스템(1)은 바람의 세기가 충분히 커지면 블레이드(10)의 각을 조절하여 바람이 가지고 있는 에너지를 기계 에너지로 바꾸게 된다. 반대로 바람의 세기가 너무 작거나 혹은 너무 클 경우에도 블레이드(10)의 각도를 조절하여 바람이 가지고 있는 에너지를 풍력 발전 시스템(1)이 받지 않도록 제어하기도 한다. 이처럼 바람이 가진 에너지를 풍력 발전 시스템(1)이 받아들여서 발전을 수행하거나 받아들이지 않도록 하는 것은 블레이드(10)의 각도에 의해 좌우되며, 블레이드(10)의 각도는 별도의 구동부(70)에 의해 조절된다.
블레이드(10)의 각도를 조절하는 구동부(70)에는 예를 들어 유압 등을 이용한 기계적인 방식 혹은 전력변환장치를 이용한 전기적인 방식이 적용될 수 있다. 최근에는 제어의 용이성 및 가격, 부피의 경제성을 위해 전력변환장치를 이용한 전기적인 방식이 많이 이용되고 있다.
도 2는 바람에 따른 블레이드의 각도 조절을 설명하기 위한 도면이다.
도 2의 (a) 및 (b)에는 블레이드(10a, 10b)의 각도가 90도 및 0도인 경우가 각각 도시되어 있다. 블레이드(10a, 10b)의 각도가 90도인 경우에는 바람의 힘을 받지 않으며, 각도가 0도인 경우에는 바람의 힘을 모두 받게 되는 것으로 예시되어 있다.
도 2에서는 설명의 편의를 위해 블레이드(10a, 10b)의 개수가 2개인 경우가 도시되어 있으나, 이는 일 실시예에 불과하며, 일반적으로 블레이드의 개수는 3개일 수 있으며, 각 블레이드를 별도의 전력변환장치로 제어하는 것이 일반적이다. 이 때 블레이드에 연결된 구동부(예를 들어, 모터)를 전력변환장치가 제어하여 블레이드가 허브(11)의 회전축에 수직하게 회전하면서 원하는 위치까지 회전할 수 있다.
바람의 세기가 매우 커서 발전을 중지해야 할 경우 블레이드의 각도를 바람의 힘을 받지 않도록 90도 위치(도 2의 (a) 참조)로 돌려놓지 않을 경우 블레이드가 바람의 힘을 계속 받게 되어 기계적인 방법 등을 통해 브레이크를 잡지 않는 한 과속도에 의해 블레이드 뿐만 아니라 풍력 발전 시스템 전체에 큰 손상을 가져다 줄 수 있다. 기계적으로 브레이크를 잡는다 하더라도 타워 전체에 엄청난 요동을 일으킬만큼 위험한 상황이 될 수도 있다. 따라서, 계통 전원이 공급되지 않더라도 언제나 블레이드(10a, 10b)의 각도 조절이 가능해야 할 것이다.
블레이드(10a, 10b)의 각도만 제어하는 별개의 전력변환장치(예를 들어, 인버터)는 실제 계통 전원이 사고 등에 의해 공급되지 않더라도 시스템 안전을 위해 블레이드 각도 제어가 가능하도록 하는 별도의 배터리를 이용한 백업 시스템을 가지고 있다.
도 3은 백업 시스템을 가지고 있는 블레이드 각도 조절용 모터를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 블레이드 각도 조절용 모터(75)는 블레이드를 회전시켜 그 각도를 조절함으로써 바람의 받는 양을 조절할 수 있다. 기본적으로 블레이드 각도 조절용 모터(75)는 3상 정류부(140) 및 모터측 인버터(130)를 통해 계통 전원(55)에 연결되어 있어 계통 전원(55)에 의해 구동된다. 또한, 배터리(110)에 연결된 배터리측 컨버터(120) 및 모터측 인버터(130)를 통해 계통 사고가 발생한 경우 이를 백업하는 백업 시스템도 갖추고 있다. 여기서, 배터리측 컨버터(120)는 DC/DC 컨버터이며, 모터측 인버터(130)은 DC/AC 인버터이다.
하지만, 모터측 인버터(130)가 고장나게 되면, 전술한 백업 시스템도 제 역할을 할 수가 없게 되어 상당히 위험한 상황을 연출할 수도 있다. 앞서 설명한 것과 같이 바람의 세기가 매우 강한 상황에서 풍력 발전 시스템이 발전을 하지 않고 정지해야 함에도 불구하고 블레이드의 각도 조절이 되지 않아 바람의 에너지를 최대로 받고 있는 상황이 된다면 이는 매우 위험한 상황에 놓이게 되는 것이다. 하지만, 도 3에 도시된 것과 같은 기존의 백업 시스템은 블레이드 각도 조절용 모터(75)를 제어하는 모터측 인버터(130)의 고장에 대해서는 별도의 대응 장치가 없는 단점이 있다.
최근에는 3개의 블레이드에 각각 블레이드의 각도를 제어할 수 있도록 하여 3개 중 1개가 고장이 나더라도 나머지 2개는 정상적으로 각도 조절을 하여 큰 사고를 방지하도록 하고 있다. 하지만, 1개가 고장이 난 경우에도 위험한 상황이 될 수 있으며, 2개 이상이 고장난다면 매우 위험한 상황이 연출될 수 있기 때문에, 어떠한 경우에도 블레이드의 각도 조절이 가능하도록 대비할 필요가 있다.
한국공개특허공보 제10-2010-0011594호에는 풍력 발전 시스템의 제어를 위한 전원 공급 방법이 개시되어 있다. 컨버터와 인버터 사이에 DC 링크를 구비하는 전력 변환기, 풍력 발전 시스템을 제어하기 위한 시스템 제어부(피치 제어부 포함), 정상 상태에서는 계통 전원을 시스템 제어부에 전달하고 계통 저전압 시에는 DC 링크의 전압을 시스템 제어부로 전달하는 절환부를 포함하고 있지만, 여전히 도 3에 도시된 것과 같이 모터측 인버터가 고장난 경우에 대한 대처에 대해서는 별도의 대응이 불가능한 문제점이 있다.
한국공개특허공보 제10-2010-0011594호
본 발명은 블레이드 각도 조절용 인버터가 고장난 경우 인버터를 바이패스하고 배터리 전압을 부스트(boost)하기 위한 DC/DC 컨버터를 이용하여 블레이드 각도를 안전한 위치까지 제어하는 것이 가능한 배터리 부스터를 이용한 풍력 발전 시스템의 피치 제어 백업 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 실시간으로 DC/DC 컨버터와 인버터의 회로 구성을 변경하여 최단 시간 안에 블레이드 각도를 안전한 위치까지 제어할 수 있으며, 계통 전원이 공급되지 않는 상황에서도 인버터 직류단에 기존에 사용되던 배터리를 다이오드를 통해 연결하는 것이 가능한 배터리 부스터를 이용한 풍력 발전 시스템의 피치 제어 백업 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 풍력 발전 시스템의 블레이드 각도를 조절하는 모터의 구동을 제어하는 피치 제어 백업 장치로서, 배터리의 전압을 부스트하는 배터리 부스터; 상기 모터의 구동을 제어하는 모터측 인버터; 및 상기 배터리 부스터와 상기 모터측 인버터 사이에 연결되며 상기 모터의 구동을 위한 에너지를 저장하는 직류단 커패시터를 포함하되, 상기 모터측 인버터가 고장난 경우 상기 모터와 상기 모터측 인버터의 연결을 해제하고 상기 배터리 부스터와 상기 모터를 연결하는 피치 제어 백업 장치가 제공된다.
상기 배터리 부스터는, 상기 배터리에 연결되며, 서로 병렬 연결되는 3개의 인덕터와; 전력반도체 스위치 및 다이오드를 포함하는 스위칭 모듈 2개가 직렬 연결된 3개의 스위칭 모듈 쌍이 병렬 연결되며, 후단에 상기 직류단 커패시터가 연결된 배터리측 컨버터; 상기 3개의 인덕터와 상기 배터리측 컨버터의 전단 사이의 연결을 수립하거나 해제하는 인덕터 차단기; 및 상기 배터리측 컨버터의 전단과 상기 모터 사이의 연결을 수립하거나 해제하는 부스터 차단기를 포함할 수 있다.
상기 모터측 인버터는 전력반도체 스위치 및 다이오드를 포함하는 스위칭 모듈 2개가 직렬 연결된 3개의 스위칭 모듈 쌍이 병렬 연결되어 있으며, 상기 모터측 인버터와 상기 모터 사이의 연결을 수립하거나 해제하는 인버터 차단기를 포함할 수 있다.
상기 모터측 인버터가 정상 동작할 때에는 상기 인버터 차단기와 상기 인덕터 차단기가 온(ON)되고 상기 부스터 차단기가 오프(OFF)되며, 상기 모터측 인버터가 고장난 경우에는 상기 인버터 차단기와 상기 인덕터 차단기가 오프(OFF)되고 상기 부스터 차단기가 온(ON)될 수 있다.
상기 직류단 커패시터에는 3상 정류부를 통해 계통 전원이 연결되어 있어 상기 계통 전원에 의해 상기 직류단 커패시터가 충전될 수 있다.
상기 직류단 커패시터에는 다이오드를 통해 상기 배터리가 연결되어 있되, 상기 다이오드와 상기 직류단 커패시터 사이에 배터리 차단기가 배치되어 있으며, 상기 계통 전원이 공급되지 않는 경우 상기 배터리 차단기가 온(ON)되어 상기 배터리와 상기 직류단 커패시터를 연결할 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 블레이드 각도 조절용 인버터가 고장난 경우 인버터를 바이패스하고 배터리 전압을 부스트하기 위한 DC/DC 컨버터를 이용하여 블레이드 각도를 안전한 위치까지 제어하는 것이 가능한 효과가 있다.
또한, 실시간으로 DC/DC 컨버터와 인버터의 회로 구성을 변경하여 최단 시간 안에 블레이드 각도를 안전한 위치까지 제어할 수 있으며, 계통 전원이 공급되지 않는 상황에서도 인버터 직류단에 기존에 사용되던 배터리를 다이오드를 통해 연결하는 것이 가능한 효과가 있다.
도 1은 일반적인 풍력 발전 시스템을 나타낸 도면,
도 2는 바람에 따른 블레이드의 각도 조절을 설명하기 위한 도면,
도 3은 백업 시스템을 가지고 있는 블레이드 각도 조절용 모터를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 부스터를 이용한 풍력 발전 시스템의 피치 제어 백업 장치의 구성 블록도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 부스터를 이용한 풍력 발전 시스템의 피치 제어 백업 장치의 구성 회도로,
도 6은 계통 전원으로부터 에너지를 공급받는 피치 제어 백업 장치의 회로 구성도,
도 7은 배터리로부터 에너지를 공급받는 피치 제어 백업 장치의 회로 구성도.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
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.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 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 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 명세서에 기재된 "…부" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 부스터를 이용한 풍력 발전 시스템의 피치 제어 백업 장치의 구성 블록도이다.
도 4를 참조하면, 계통 전원(55)이 공급되지 않을 경우(예를 들어, 계통 사고 발생 등) 배터리(110)를 이용하는 백업 장치가 도시되어 있다. 피치 제어 백업 장치에서 블레이드 각도 조절용 모터(75)를 동작시켜 블레이드 각도를 조절하기 위해서는 2개의 전력변환장치(배터리측 컨버터(120) 및 모터측 인버터(130))를 거쳐야 한다.
배터리측 컨버터(120)는 배터리(110)의 낮은 전압을 전력변환장치 사이의 직류단 전압 레벨과 비슷하도록 높여 주는 배터리 부스터이고, 모터측 인버터(130)는 계통 전원(55)을 정류한 직류 전압 또는 배터리(110)에서 부스팅된 전압을 교류 전압으로 변환하여 블레이드 각도 조절용 모터(75)를 회전시킨다(① 참조). 즉, 배터리측 컨버터(120)는 DC/DC 컨버터로서 기능하고, 모터측 인버터(130)는 DC/AC 인버터로서 기능한다.
배터리측 컨버터(120)와 모터측 인버터(130)는 그 회로 구성이 본질적으로 크게 다르지 않아 구조상의 일부 변경을 통해 서로 호환되도록 할 수 있다. 즉, 본 실시예에 따르면, 블레이드 각도 조절을 위한 모터측 인버터(130)가 고장나는 경우에도, 배터리 전압을 부스트해주는 DC/DC 컨버터의 역할을 수행하는 배터리측 컨버터(120)를 DC/AC 인버터로 기능하도록 하여 블레이드 각도 조절용 모터(75)에 연결함(② 참조)으로써 블레이드 각도 조절용 모터(75)를 구동할 수 있게 된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 부스터를 이용한 풍력 발전 시스템의 피치 제어 백업 장치의 구성 회도로이다.
본 실시예에 따른 배터리 부스터를 이용한 풍력 발전 시스템의 피치 제어 백업 장치는 배터리 부스터(배터리측 컨버터)가 정상 상태(모터측 인버터가 고장나지 않은 경우)에서는 DC/DC 컨버터로 기능하다가 비상 상태(모터측 인버터가 고장난 경우)에서는 DC/AC 컨버터로 기능하도록 하여 언제든지 블레이드 각도 조절용 모터를 구동할 수 있는 것을 특징으로 한다.
도 5를 참조하면, 배터리 부스터를 이용한 풍력 발전 시스템의 피치 제어 백업 장치(200)는 배터리(110), 배터리 부스터(220), 직류단 커패시터(240), 모터측 인버터(130), 인버터 차단기(232), 인덕터 차단기(234), 부스터 차단기(236)를 포함한다. 본 명세서에서 구동 대상이 되는 블레이드 각도 조절용 모터(75)는 예를 들어 3상 교류 모터인 것을 가정하여 설명하기로 한다.
배터리 부스터(220)는 배터리(110)의 낮은 전압을 인덕터(225)(코일(L))와 배터리측 컨버터(210)를 이용하여 원하는 크기의 출력 전압으로 부스트 해줄 수 있는 DC/DC 컨버터이다. 배터리측 컨버터(210)는 전력반도체 스위치(212) 및 다이오드(214)를 포함한다.
여기서, 배터리측 컨버터(210)는 전력반도체 스위치 하나와 다이오드 하나만으로 구성할 수도 있으나, 전력반도체 스위치의 스위칭 동작으로 인한 전류 맥동으로 인해 배터리(110) 측의 과열 또는 수명 저하가 발생하는 것을 방지하기 위해 도 5에 도시된 것과 같이 다수 개의 전력반도체 스위치(212) 및 다이오드(214)를 병렬 구성할 수도 있다. 전력반도체 스위치(212) 및 다이오드(214)로 이루어지는 스위칭 모듈은 2개가 직렬 연결되어 스위칭 모듈 쌍을 구성한다. 스위칭 모듈 쌍 3개가 병렬 연결되어 3상 전력을 변환할 수 있게 된다. 이 같은 병렬 구성의 경우 스위칭 신호 간의 적절한 위상 천이 운전을 통해 전체 맥동 전류를 현저히 낮출 수 있어 인덕터(225)의 크기를 줄일 수 있으며, 배터리(110)의 수명을 향상시킬 수 있고, 발열도 줄일 수 있는 장점이 있다.
또한, 3상의 경우 단일 모듈에 비해 3상 전력반도체 모듈이 대량 생산에 유리하여 가격 상승이 그리 크지는 않다. 또한, 단일 모듈을 사용했을 때보다 코일의 크기를 현저하게 줄일 수 있어 전체 시스템 크기를 줄일 수 있는 장점이 있다.
모터측 인버터(130)는 블레이드 각도를 조절하기 위한, 즉 블레이드 각도 조절용 모터(75)를 구동하기 위한 DC/AC 인버터이다. 모터측 인버터(130)는 직류단 커패시터(Cdc)(240)를 중심으로 하여 전력반도체 스위치(132) 및 다이오드(134)가 배터리측 컨버터(210)의 전력반도체 스위치(212) 및 다이오드(214)와 대칭되는 구조로 연결되어 있을 수 있다.
본 실시예에서, 모터측 인버터(130)가 고장난 경우, 즉 비상 상태에서는 모터측 인버터(130)는 인버터 차단기(232)를 이용하여 차단하고, 배터리 부스터(220)의 구성을 변경하여 블레이드 각도 조절용 모터(75)에 연결할 수 있다.
즉, 배터리 전압을 부스터하기 위한 배터리측 컨버터(210)와 인덕터(225) 사이의 연결 구조를 인덕터 차단기(234)를 이용하여 차단하고, 곧바로 부스터 차단기(236)를 이용하여 배터리측 컨버터(210)를 블레이드 각도 조절용 모터(75)로 연결할 수 있다. 이러한 연결 구조를 가지게 되면, 배터리측 컨버터(210)는 더이상 배터리(110)를 제어하지 않고 블레이드 각도 조절용 모터(75)를 제어하게 된다.
실시간으로 회로 구성을 변경하기 위해서는 연결 절환부로서 기능하는 3개의 차단기(인버터 차단기(232), 인덕터 차단기(234), 부스터 차단기(236))가 필요하게 된다. 여기서, 차단기는 예를 들어 3상 스위치일 수 있다.
본 실시예에서 모터측 인버터(130)가 고장나지 않은 정상 상태에서는 인버터 차단기(232) 및 인덕터 차단기(234)가 온(ON)되고 부스터 차단기(236)가 오프(OFF)되어 도 4의 ① 연결 구조를 가지게 된다. 차단기는 온(ON) 상태에서는 양측을 전기적으로 연결하고, 오프(OFF) 상태에서는 양측의 연결을 차단하는 것으로 가정한다.
또한, 모터측 인버터(130)가 고장난 비상 상태에서는 인버터 차단기(232) 및 인덕터 차단기(234)가 오프(OFF)되고 부스터 차단기(236)가 온(ON)되어 도 4의 ② 연결 구조를 가지게 된다. 도 4의 ② 연결 구조를 가지는 경우의 차단기 동작이 도 5에서 화살표로 도시되어 있다.
또한, 본 실시예에서 연결 구조만을 변경하는 것이 아니라 배터리측 컨버터(210)의 동작 제어 알고리즘도 변경되어야 할 것이다. 정상 상태에서는 배터리 전압을 직류단 전압으로 부스트 해주던 제어 방법에서 블레이드 각도 조절을 위한 제어 방법으로 순시적인 동작 제어 알고리즘의 변경도 함께 수반되어야 한다.
본 실시예에서, 배터리측 컨버터(210)가 블레이드 각도 조절용으로 기능할 때에 직류단 커패시터(240)에 모터 구동을 위한 에너지가 공급되어야 하는데, 계통 전원으로부터 공급받는 경우와 배터리로부터 공급받는 경우가 있을 수 있다. 이하에서는 관련 도면을 참조하여 이에 대해 설명하기로 한다.
도 6은 계통 전원으로부터 에너지를 공급받는 피치 제어 백업 장치의 회로 구성도이다.
도 6을 참조하면, 직류단 커패시터(240)에 계통 전원(55) 및 3상 정류부(140)가 연결되어 있어, 블레이드 각도 조절용 모터(75)를 구동하기 위한 에너지를 계통 전원(55)이 3상 정류부(140)를 통해 직류단 커패시터(240)에 공급하고 있다. 여기서, 3상 정류부(140)는 직렬 연결된 2개의 다이오드(140) 3쌍이 병렬 연결되어 있어 3상 교류 전력인 계통 전원(55)을 정류한다.
직류단 커패시터(240)에 저장된 에너지는 배터리측 컨버터(210)가 DC/AC 인버터로 기능하여 블레이드 각도 조절용 모터(75)로 전달하며, 본래의 모터측 인버터(130)는 모터로의 연결이 차단되어 있다.
이처럼 하드웨어적 연결 구성이 변경되면, 본래의 모터측 인버터(130)는 그 연결이 해제되어 정지 상태가 되며, 배터리 전압을 부스트 하던 배터리측 컨버터(210)는 그 제어 방법을 순시적으로 블레이드 각도 조절용으로 변경해 주어야 한다.
배터리 부스터(220)의 하드웨어 구조는 배터리(110)에 연결되어 있는 인덕터(225)만을 분리하면 모터측 인버터(130)와 동일하므로, 그 연결 구성이 변경된 배터리측 컨버터(210)에서의 블레이드 각도 조절용 제어 방법은 모터측 인버터(130)에서 사용하는 방법과 동일하게 기존 제어 알고리즘을 변경없이 그대로 사용할 수 있다. 그 소프트웨어 모듈을 배터리 전압 부스트 제어 소프트웨어 내에 내장시켜 두고, 필요에 따라 연결 구성이 변경되었을 때 시퀀스 변경을 통해 이용할 수 있을 것이다.
도 7은 배터리로부터 에너지를 공급받는 피치 제어 백업 장치의 회로 구성도이다.
앞서 도 6에서는 계통 전원(55)이 원활히 공급되는 상황을 가정하였으나, 최악의 경우 계통 전원(55)이 공급되지 않는 상황(예를 들어, 계통 사고가 발생한 경우)에 처할 수도 있다.
이 경우에는 도 7에 도시된 것과 같이 직류단 커패시터(240)에 다이오드(250)를 통해 배터리(110)를 직접 연결함으로써, 계통 전원(55)과 모터측 인버터(130)가 동시에 고장이 난 상황에서도 최악의 사고를 방지하기 위해 블레이드의 각도를 안전한 위치로 조절할 수 있게 된다.
여기서, 다이오드(250)를 통한 배터리(110)와 직류단 커패시터(240) 사이에는 배터리 차단기(255)가 배치되어 있어, 배터리 차단기(255)의 온/오프(ON/OFF) 제어에 의해 배터리(110)와 직류단 커패시터(240) 사이의 연결이 수립되거나 해제될 수 있다.
또한, 이 경우 배터리(110)의 전압이 부스트 되지 않고 바로 다이오드(250)를 통해 직류단 커패시터(240)에 연결되므로, 블레이드 각도 조절용 모터(75)의 속도를 정상 상태와 같이 빠르게 조절할 수는 없지만, 천천히 움직이더라도 안전한 위치까지 움직이게 하기에는 충분한 효과가 있다.
상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1: 풍력 발전 시스템 10: 블레이드
20: 발전기 30: 전력변환장치
40: 변압기 50: 계통
60: 제어부 70: 구동부
55: 계통 전원 75: 블레이드 각도 조절용 모터
110: 배터리 120: 배터리측 컨버터
130: 모터측 인버터 140: 3상 정류부
200: 피치 제어 백업 장치 210: 배터리측 컨버터
220: 배터리 부스터 225: 인덕터
232: 인버터 차단기 234: 인덕터 차단기
236: 부스터 차단기 240: 직류단 커패시터
250: 다이오드 255: 배터리 차단기

Claims (6)

  1. 풍력 발전 시스템의 블레이드 각도를 조절하는 모터의 구동을 제어하는 피치 제어 백업 장치로서,
    배터리의 전압을 부스트(boost)하는 배터리 부스터;
    상기 모터의 구동을 제어하는 모터측 인버터; 및
    상기 배터리 부스터와 상기 모터측 인버터 사이에 연결되며 상기 모터의 구동을 위한 에너지를 저장하는 직류단 커패시터를 포함하되,
    상기 모터측 인버터가 고장난 경우 상기 모터와 상기 모터측 인버터의 연결을 해제하고 상기 배터리 부스터와 상기 모터를 연결하는 피치 제어 백업 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 부스터는,
    상기 배터리에 연결되며, 서로 병렬 연결되는 3개의 인덕터와;
    전력반도체 스위치 및 다이오드를 포함하는 스위칭 모듈 2개가 직렬 연결된 3개의 스위칭 모듈 쌍이 병렬 연결되며, 후단에 상기 직류단 커패시터가 연결된 배터리측 컨버터;
    상기 3개의 인덕터와 상기 배터리측 컨버터의 전단 사이의 연결을 수립하거나 해제하는 인덕터 차단기; 및
    상기 배터리측 컨버터의 전단과 상기 모터 사이의 연결을 수립하거나 해제하는 부스터 차단기를 포함하는 피치 제어 백업 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 모터측 인버터는 전력반도체 스위치 및 다이오드를 포함하는 스위칭 모듈 2개가 직렬 연결된 3개의 스위칭 모듈 쌍이 병렬 연결되어 있으며,
    상기 모터측 인버터와 상기 모터 사이의 연결을 수립하거나 해제하는 인버터 차단기를 포함하는 피치 제어 백업 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 모터측 인버터가 정상 동작할 때에는 상기 인버터 차단기와 상기 인덕터 차단기가 온(ON)되고 상기 부스터 차단기가 오프(OFF)되며, 상기 모터측 인버터가 고장난 경우에는 상기 인버터 차단기와 상기 인덕터 차단기가 오프(OFF)되고 상기 부스터 차단기가 온(ON)되는 피치 제어 백업 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 직류단 커패시터에는 3상 정류부를 통해 계통 전원이 연결되어 있어 상기 계통 전원에 의해 상기 직류단 커패시터가 충전되는 피치 제어 백업 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 직류단 커패시터에는 다이오드를 통해 상기 배터리가 연결되어 있되,
    상기 다이오드와 상기 직류단 커패시터 사이에 배터리 차단기가 배치되어 있으며,
    상기 계통 전원이 공급되지 않는 경우 상기 배터리 차단기가 온(ON)되어 상기 배터리와 상기 직류단 커패시터를 연결하는 피치 제어 백업 장치.
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