KR101487153B1 - 다중 발전기 풍력 터빈 및 작동 방법 - Google Patents

다중 발전기 풍력 터빈 및 작동 방법 Download PDF

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폴 에이치.에프. 머스울크
나올 나예프
닐 제이. 니콜슨
그레고르 페스트카
제임스 엘. 잔트지
브렌트 에이. 카메론
크레이그 더블유. 해리스
제이슨 피. 비티
마틴 퀘컨스테트
핑 첸
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Abstract

풍력 터빈 및 그 작동 방법은 다양한 파라미터에 기초하여 터빈의 작동을 제어하기 위해 제어기 및 복수의 발전기를 사용한다. 복수의 발전기는 각각 터빈의 전체 전력 용량보다 작고, 제어기는 로터의 속도에 기초하여 더 많은 발전기를 추가하거나 발전기를 제거한다. 제어기는 풍력 터빈이 작동중일 때 연속적으로 회전하는 발전기를 로딩(load) 및 언로딩(unload)한다.

Description

다중 발전기 풍력 터빈 및 작동 방법{MULTIPLE GENERATOR WIND TURBINE AND METHOD OF OPERATION}
본 발명은 풍력 터빈 및 그 작동 방법에 관한 것으로, 풍력 터빈은 변속 로터 및 복수의 발전기를 갖고, 풍력 터빈은 더 높은 속도에서 더 많은 발전기를 추가하고 더 낮은 속도에서 발전기를 정지(shut down)하도록 제어기에 의해 제어된다.
풍속이 변화함에도 불구하고 기어 박스에 의해 로터의 속도가 실질적으로 일정한 풍력 터빈을 사용하는 것은 공지되어 있다. 그러나 기어 박스는 고가이며, 너무 빨리 고장나서 기어 박스가 교체되거나 수리될 때 풍력 터빈에 대한 비가동 시간을 발생시키는 것으로 알려져 왔다. 일부 종래의 풍력 터빈은 블레이드 상에 제동 시스템을 가져서, 바람 조건(wind conditions)의 변화에도 불구하고 블레이드를 실질적으로 일정한 속도로 유지시킨다. 그러나 제동 시스템은 종종 마모되어 교체를 필요로 한다. 또한, 제동 시스템은, 일정한 속도를 유지하도록 제동 시스템을 작동시키기 위해 소모되는 에너지로 인하여, 풍력 터빈을 작동시키는 비효과적인 방법이 될 수 있다. 실질적으로 일정한 속도로 터빈을 작동시키는 것을 돕기 위해 요(yaw) 제어 및 피치(pitch) 제어가 풍력 터빈에서 사용되는 것으로 또한 공 지되어 있다. 실질적으로 일정한 속도로 종래의 터빈을 작동시키는 목적은 터빈의 출력부에서 AC 전류를 발생시킬 수 있도록 하는 것이며, AC 전류는 출력 전력이 그리드(grid)로 전달될 수 있도록 하는 주파수를 갖는다.
본 발명의 목적은 설계 레벨(design levels) 이상의 토크 및 설계 레벨 이상의 토크의 변화율이 획득되지 않도록 기구를 통해 전달되는 토크를 관리하는 풍력 터빈 구동 시스템을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 제어기를 구비한 복수의 발전기 및 변속 로터를 갖는 풍력 터빈을 제공하는 것이며, 이때 제어기는 풍력 터빈에 관한 다양한 파라미터를 모니터링함으로써 결정되는 바와 같은 풍속 및 풍향의 변화에 응답하여 발전기를 동작시키고(activate) 비-동작(de-activate)시키기 위한 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 복수의 발전기와 함께 풍력 터빈의 요 및 피치를 제어하는 것이며, 복수의 발전기는 마찰 결합된 기계적 구동 부품을 이용하여 광범위한 전력 발생을 허용하고, 구동 부품은 토크가 규정된(level) 레벨을 초과할 때 부품들 사이의 미끄러짐에 의해 토크 피크(torque peaks)가 방지되도록 할 것이다. 본 발명의 다른 목적은 풍력 터빈을 정지시키기 위해 극한의 기상 조건에서 제동 시스템을 사용함으로써 풍력 터빈의 속도를 제어하는 것이다.
풍력 터빈은 로터 상에 장착되는 복수의 블레이드를 포함하고, 상기 로터는 회전 가능한 샤프트를 가지며, 상기 회전 가능한 샤프트로부터 외부로 구동륜이 연장한다. 구동륜은 상기 블레이드가 회전할 때 상기 샤프트 및 로터와 함께 회전하며, 상기 로터는 넓은 속도 범위를 갖는다. 복수의 휘일은 상기 구동륜과 연속적으로 회전 가능하게 접촉하며, 상기 휘일은 에너지를 발생시키기 위해 복수의 발전기를 구동시키도록 연결된다. 터빈은 피치, 요 및 브레이크의 그룹으로부터 선택되는 둘 이상을 포함하는 상기 블레이드의 속도를 제어하기 위한 다수의(various) 수단을 갖는다. 제어기는 상기 피치, 요 및 브레이크 중 둘 이상을 제어하고 상기 블레이드의 속도에 관한 파라미터를 모니터링하면서, 상기 블레이드의 속도에 기초하여 발전중인 상기 발전기의 개수를 상기 발전기의 전체 개수와 0 사이에서 제어하도록 연결된다.
풍력 터빈은 로터 상에 장착되는 복수의 블레이드를 포함하고, 상기 로터는 회전 가능한 샤프트를 가지며, 상기 샤프트로부터 외부로 구동륜이 연장한다. 구동륜은 상기 블레이드가 회전할 때 상기 로터 및 샤프트와 함께 회전하며, 상기 로터는 넓은 속도 범위를 갖는다. 복수의 휘일은 상기 구동륜과 연속적으로 회전 가능하게 접촉한다. 상기 휘일은 전기를 발생시키기 위해 복수의 발전기를 구동시키도록 연결된다. 상기 풍력 터빈은 기어박스를 갖지 않으며 그리드에 동기화될 수 있는 발전기들로부터 전력을 발생시키기 위해 변속으로 작동한다.
풍력 터빈 작동 방법은 로터를 형성하도록 허브(hub) 상에 장착되는 복수의 블레이드를 사용한다. 상기 로터는 샤프트 상에 장착되며, 상기 샤프트 상에는 구동륜을 갖는다. 복수의 휘일이 상기 구동륜과 회전 가능하게 접촉하며, 상기 휘일은 전기를 발생시키기 위해 복수의 발전기를 구동시키도록 연결된다. 상기 터빈은 피치 제어기, 요 제어기 및 브레이크의 그룹으로부터 선택되는 둘 이상을 포함하는 상기 로터의 속도를 제어하기 위한 다수의 수단을 갖는다. 제어기는 상기 로터의 속도에 기초하여 발전중인 발전기의 개수를 제어하도록 연결된다. 상기 방법은 풍속, 풍향, 로터 속도, 요 방향, 브레이크와 피치 중 하나, 발전기의 개수, 현재 발전중인 발전기의 개수 및 로터 샤프트의 토크를 모니터링하도록 상기 제어기를 프로그래밍하는 단계를 포함한다. 시동을 시작하는 단계를 포함하며, 상기 제어기는 평균 풍속이 미리 결정된 최소 기간에 걸쳐서 작동 범위 이내일 때 가속하도록 상기 로터를 해제한다. 상기 로터가 요구되는 최소 속도에 도달할 때, 상기 제어기는 제 1 발전기 상에 부하를 가하고, 상기 제어기는, 상기 로터 샤프트의 토크 곱하기(times) 동작중인 발전기의 개수에 의해 나눠지는 발전기의 전체 개수가 추가의 발전기를 단계적으로 도입(phasing in)하기 위해 미리 결정된 최소 토크보다 더 클 때, 상이한 발전기들을 단계적으로 도입한다. 상기 제어기는, 상기 로터 샤프트의 토크 곱하기 동작중인 발전기들의 개수에 의해 나눠지는 발전기 전체 개수가 하나의 발전기를 단계적으로 정지(phasing out)시키기 위해 요구되는 미리 결정된 최소 토크보다 작을 때, 하나의 발전기를 단계적으로 정지시킨다. 상기 제어기는 상기 로터 샤프트의 토크 및 발전중인 발전기의 개수에 따라 요구되는 바대로 발전기를 단계적으로 도입 및 정지시킨다. 상기 제어기는 상기 로터 샤프트의 상기 토크가 하나의 발전기를 작동시키기도록 하는 미리 결정된 최소값 이하일 때, 마지막으로 동작중인 발전기를 단계적으로 정지시키고, 상기 로터 및 발전기를 중지(stop)시킨다. 상기 제어기는, 미리 결정된 시간에 걸쳐서 평균 풍속이 미리 결정된 최대 풍속보다 클 때, 상기 로터를 중지시키고 모든 발전기를 단계적으로 정지시키며, 상기 제어기는 상기 풍속이 상기 작동 범위 내에서 증가할 때 추가의 발전기 상에 부하를 가하고, 상기 풍속이 상기 작동 범위 내에서 감소할 때 추가의 발전기로부터 부하를 제거한다. 상기 제어기는 하나의 발전기를 작동시키는데 요구되는 최소 로터 속도로부터 모든 발전기를 작동시키는데 요구되는 최대 로터 속도까지의 넓은 범위에서 에너지를 발생시키도록 각각의 풍력 터빈을 작동시킨다. 상기 제어기는, 상기 로터가 최소 평균 로터 속도로 회전중일 때 상기 복수의 발전기 중 하나의 발전기를 발전시키고, 상기 로터가 최대 로터 속도로 회전중일 때 상기 복수의 발전기 중 몇몇 발전기를 발전시키도록 연결된다. 상기 제어기는, 상기 로터의 평균 속도가 미리 결정된 시간 동안 상기 작동 범위에 속하지 않을 때, 상기 터빈을 정지시키도록 프로그래밍되고 연결된다. 상기 로터의 평균 속도는 1분 이상의 시간동안 결정되고, 상기 제어기는 상기 로터의 평균 속도가 상기 작동 범위에 속하지 않을 때마다 상기 터빈을 정지시키도록 연결된다.
로터를 형성하도록 허브 상에 장착되는 복수의 블레이드를 갖는 풍력 터빈을 작동시키는 방법이 제공된다. 상기 로터는 샤프트상에 장착되며 상기 샤프트는 그 위에 구동륜을 갖는다. 복수의 휘일은 상기 구동륜과 회전 가능하게 접촉한다. 상기 휘일은 전기를 발생시키기 위해 복수의 발전기를 구동시키도록 연결되고, 상기 터빈은 상기 로터의 속도를 제어하는 다수의 수단을 갖는다. 상기 방법은 풍속, 풍향 및 상기 구동륜의 속도에 관한 몇몇 파라미터를 모니터링하도록 상기 제어기를 연결하는 단계, 상기 제어기를 요, 피치, 브레이크 및 하나 또는 그보다 많은 파라미터의 변화에 응답하여 발전중인 발전기의 개수 중 하나 이상(one or more)을 조정하도록 연결하는 단계, 상기 구동륜의 속도를 제어하고 상기 구동륜의 속도가 각각 증가하고 감소할 때 발전중인 발전기의 개수를 증가시키고 감소시키기 위해, 요, 피치 및 브레이크 중 임의의 2개를 조정하도록 상기 제어기를 프로그래밍하는 단계를 포함한다. 일 실시예에서, 상기 제어기는 전력 전자 제어기일 수 있다.
로터를 형성하도록 허브상에 장착되는 복수의 블레이드를 포함하는 풍력 터빈 작동 방법이 제공된다. 상기 로터는 샤프트 상에 장착되고, 상기 샤프트는 그 위에 구동륜을 갖는다. 복수의 휘일은 상기 구동륜과 회전 가능하게 접촉하고, 상기 휘일은 전기를 발생시키기 위해 복수의 발전기를 구동시키도록 연결된다. 상기 터빈은 상기 로터의 속도를 제어하기 위한 다수의 수단을 갖고, 상기 발전기는 모터로서 상기 발전기를 작동시키기 위해 전기 공급원에 연결된다. 상기 방법은, 풍속, 풍향 및 상기 구동륜의 속도에 관한 몇몇 파라미터를 모니터링하도록 상기 제어기를 연결하는 단계, 요, 피치, 브레이크, 발전기 토크 수요량(torque demand) 및 하나 또는 그보다 많은 파라미터의 변화에 응답하여 발전중인 발전기의 개수 중 하나 이상(one or more)을 조정하도록 상기 제어기를 연결하는 단계, 풍속이 상기 블레이드를 회전시키기에 충분하지만 상기 블레이드의 회전을 시작하는데 요구되는 힘을 극복하기에 불충분할 때를 결정하도록 상기 제어기를 프로그래밍하는 단계를 포함한다. 상기 제어기는 그 후 상기 터빈이 작동 속도 범위에 도달할 때까지 상기 블레이드의 회전을 개시하기 위해 상기 발전기에 전기를 공급하고, 모터로서 상기 발전기를 작동시킨다.
로터를 형성하도록 허브 상에 장착되는 복수의 블레이드를 포함하는 풍력 터빈 작동 방법이 제공된다. 상기 로터는 샤프트 상에 장착되고, 상기 샤프트는 그 위에 구동륜을 갖는다. 복수의 휘일은 상기 구동륜과 회전 가능하게 접촉하고, 상기 휘일은 전기를 발생시키기 위해 복수의 발전기를 구동시키도록 연결되며, 상기 발전기는 150% 까지의 토크 수요량으로 작동할 수 있다. 상기 터빈은 로터의 속도를 제어하기 위한 다수의 수단을 갖고, 상기 터빈은 풍속, 풍향 및 상기 구동륜의 속도에 관한 몇몇 파라미터를 모니터링하도록 제어기를 갖는다. 상기 방법은 상기 터빈이 중지됐을 때 상기 토크 수요량을 불연속으로 하고 상기 터빈을 중지시기 위해 150% 까지의 토크 수요량을 이용하여 전기 브레이크로서 상기 발전기를 사용하도록 상기 제어기를 프로그래밍하는 단계를 포함한다.
로터를 형성하도록 허브상에 장착되는 복수의 블레이드를 포함하는 풍력 터빈 작동 방법이 제공된다. 상기 로터는 샤프트 상에 장착되고, 상기 샤프트는 그 위에 구동륜을 갖는다. 복수의 휘일은 상기 구동륜과 회전 가능하게 접촉하고, 상기 휘일은 전기를 발생시키기 위해 복수의 발전기를 구동시키도록 연결된다. 상기 터빈은 로터의 속도를 제어하기 위한 다수의 수단을 갖고, 상기 터빈은 풍속, 풍향 및 상기 구동륜의 속도에 관한 몇몇 파라미터를 모니터링하도록 제어기를 갖는다. 상기 방법은 최대 작동 속도 이상으로 상기 로터의 속도를 증가시킬 돌풍을 극복하기 위해 정격 부하(rated load)보다 높은 토크 수요량으로 상기 발전기를 사용하도록 상기 제어기를 프로그래밍하는 단계를 포함한다.
도 1은 전방으로부터 볼 때 풍력 터빈의 구동 시스템의 일부의 부분 사시도이고,
도 2는 후방으로부터 볼 때 풍력 터빈의 구동 시스템의 부분 사시도이며,
도 3은 풍력 터빈 구동 시스템의 개략적인 측면도이며,
도 4는 마찰 구동륜의 사시도이며,
도 5는 구동륜과 접촉하는 회전 가능한 타이어를 도시하는 마찰 구동륜의 측면도이며,
도 6은 타이어 캐리어(tire carrier)의 사시도이며,
도 7은 풍력 에너지(wind energy)를 교류 전류를 변환하도록 하는 전력 전자 기기(power electronics)의 개략적 블록도이며,
도 8은 슈미트 커플링(schmidt coupling)의 사시도이다.
도 1 및 도 2에서, 풍력 터빈의(도 1 및 도 2에 도시되지 않은) 구동 시스템(2)은 베어링(6, 8) 내에 회전 가능하게 장착되는 샤프트(4)를 갖는다. 베어링(6, 8)은 주 프레임(12)의 바닥(10)에 장착된다. 샤프트(4)는 구동륜(14)을 가지며, 구동륜은 샤프트로부터 외부로 연장하며, 구동륜(14)은 샤프트(4)와 회전한다. 구동륜(14)은 그 원주 둘레에서 연장하는 트랙(16)을 가지며, 트랙(16)은 바람직하게 상기 샤프트의 종축에 대해 평행한 내부 표면을 갖는다. 상기 트랙과 연속적으로 접촉하도록 회전 가능하게 장착되는 복수의 휘일(18)이 존재하며, 휘일은 상기 트랙이 회전할 때 회전한다. 바람직하게, 휘일은 상기 트랙과 마찰 접촉한다. 휘일(18)은 각각 발전기(22)에 연결되는 기계적 구동기(20)를 갖는다. 바람직하게 복수의 발전기(22)가 존재하며, 보다 바람직하게는 각각의 휘일(18)에 대해 하나의 발전기(22)가 존재한다. 도 1 및 도 2에는 4개의 휘일(18), 4개의 구동 기구(20) 및 4개의 발전기(22)가 존재하며, 이들 중 단 3개가 도 1에 도시되어 있다. 바람직하게, 발전기는 전기 발전기이며, 각각의 발전기는 온/오프 스위치를 갖고, 온/오프 스위치는 각각의 발전기가 전기를 발전시키도록 하거나 각각의 발전기가 다른 발전기와 독립적으로 전기를 발생시키는 것을 방지하도록 제어기에 의해 제어될 수 있다. 휘일(18)은 트랙(16)과 연속적으로 접촉하기 때문에, 휘일(18) 및 각각의 휘일(18)에 대한 구동 기구(20)는 트랙(16)이 회전할 때 회전할 것이다. 4개 의 구동 기구는 각각 유니버셜 조인트(21)(도 2 참조)를 포함한다. 발전기는 트랙이 회전할 때 또한 회전할 것이지만, 온/오프 스위치는 원하는 바대로 각각의 발전기를 로딩 또는 언로딩되도록 한다. 휘일, 구동 기구 및 발전기의 개수는 도 1 및 도 2에 도시된 개수보다 더 많거나 더 적도록 변화할 수 있다. 구동륜(14)은 상기 블레이드의 직경보다 상당히 작은 직경을 갖는다.
바람직하게, 발전기는 발전기를 냉각시키도록 연결되는 발전기 열 교환기(24)를 갖는 영구 자석 수냉식 발전기(permanent magnet water cooled generators)이다. 주 프레임(12) 아래에는 요 베어링(25)이 위치된다. 트랙(16)이 바람직하지만, 휘일이 구동륜(14)의 다른 부분과 접촉하도록 배향되어, 트랙(16)이 제거될 수 있다.
브레이크 디스크(26)는 샤프트(4)로부터 외부로 연장한다. 브레이크 디스크(26)는 주 프레임(12)의 각 측면에 하나씩 있는 2개의 브레이크 캘리퍼스(28) 사이에서 연장한다. 브레이크 캘리퍼스(28) 및 브레이크 디스크(26)는 (도 1 및 도 2에 도시되지 않은) 제어기에 연결되는 브레이크 시스템을 형성한다. 발전기 및 특히 각각의 발전기의 온/오프 스위치는 또한 (도 1 및 도 2에 도시되지 않은) 제어기에 연결된다. 구동 시스템(2)은 (그 일부만이 도시된) 바닥판(31)을 갖는 나셀(nacelle; 29) 내에 장착된다.
도 3에는 본 발명의 구동 시스템 및 풍력 터빈의 다른 실시예의 개략도가 도시된다. 풍력 터빈(30)은 베어링(6, 8) 내에 장착되는 회전 가능한 샤프트(4) 상에 장착되는 블레이드를 갖는다. 바람직하게, 베어링(6)은 스러스트 베어링이다. 풍력 터빈(30)은 나셀 구조물(36)을 지지하는 요 베어링(25)을 갖는 탑(34) 상에 장착된다. 탑은 지면(40)에 장착되는 토대(38)에 지지된다. 브레이크 디스크(26)는 (도 3에 도시되지 않은) 브레이크 캘리퍼스에 의해 느려진다. 구동륜(14)은 그 원주로부터 외부로 연장하는 트랙(16)을 갖는다. 4개의 휘일(18), 기계적 구동기(20) 및 발전기(22) 중 하나씩만이 도 3에 도시된다. 바람직하게 구동 기구는 슈미트 커플링(Schmidt coupling)을 포함한다. 슈미트 커플링은 휘일에 의해 구동된 샤프트가 발전기의 샤프트와의 정렬로부터 벗어날 때(out of) 발전기를 구동시키도록 한다. 타이어 캐리어(44) 상의 헬리콘 스프링(42)은 트랙(16)이 구동륜(14)과 회전할 때 휘일(18)이 트랙(16)과의 접촉을 유지하도록 보장한다. 발전기(22)는 각각 케이블링(46)에 의해 전력 전자기기(48)에 연결되며, 전력 전자기기는 다양한 파라미터를 모니터링하고 시스템을 제어하는 하나 또는 그보다 많은 제어기를 포함한다. 유니버셜 조인트 또는 등속(Constant Velocity; CV) 샤프트가 슈미트 커플링 대신 사용될 수 있다. 슈미트 커플링은 발전기의 입력 샤프트와 휘일의 출력 샤프트 상의 2개의 x로 나타내어진다.
도 4에는 구동륜(14) 및 트랙(16)의 사시도가 도시된다. 도 5에는 트랙(16)과 접촉하는 4개의 휘일(18)을 갖는 구동륜(14)의 측면도가 도시된다. 휘일(18)은 휘일 캐리어(44) 내에 회전 가능하게 장착된다. 도 6은 휘일 캐리어(44)의 사시도이다. 휘일 캐리어는 휘일 캐리어(44)를 트랙(도 6에 미도시)과 견고한 접촉으로 유지하도록 도시되는 배향으로 스프링 마운팅(도 6에 미도시)에 의해 아래로 회전된다(turned).
도 7은 풍력이 로터를 회전시키고, 로터가 샤프트(4)를 또한 회전시키는 시스템의 전력 전자기기의 개략적 블록도이다. 샤프트(4)는 영구 자석 3상 발전기(permanent magnet three phase generator)를 간접적으로 구동시키며, 3상 발전기는 제어된 정류기(rectifier)로 전력 출력을 보낸다. 제어된 정류기는 DC 라인 전압(line voltage)을 제어하고, 정류기로부터의 출력은 제어된 인버터(inverter)로 전달된다. 제어된 인버터는 출력이 그리드에 연결되는 경우 출력 전압, 주파수 및 전력을 제어한다. 제어된 인버터로부터의 출력은 원하는 바에 따라 60 헤르츠의 3상 전압 또는 50 헤르츠의 3상 전압이 요구된다.
도 8에는 3개의 디스크(52)를 갖는 슈미트 커플링(50)의 사시도가 도시되며, 3개의 디스크는 피봇 링크(54)에 의해 일 단부에서 입력 샤프트(56)와 타단부에서 출력 샤프트(58)와 연결된다. 슈미트 커플링은 통상적이며, 2개의 샤프트가 정렬을 벗어날 때 및 2개의 샤프트가 서로 정렬될 때 입력 샤프트가 출력 샤프트를 구동시키도록 한다. 본 발명에 따르면, 휘일은 바람직하게 그 위에 타이어를 갖고, 타이어는 사용에 따라 마모된다. 따라서, 휘일로부터 슈미트 커플링에 대한 입력 샤프트의 정렬은 시간에 따라 변화할 것이다. 슈미트 커플링은 정렬의 변화를 자동으로 조정하여 발전기를 구동시키도록 연결되는 출력 샤프트를 구동시킬 것이다. 정렬의 변화를 조정하도록 발전기의 입력 샤프트에 휘일로부터의 출력 샤프트를 결합시키는 다른 수단이 존재한다. 휘일은 스프링, 공압(pneumatics) 및/또는 유압(hydraulics)을 사용하여 트랙에 압력을 가하도록 조정 가능한 부하 기구(loading mechasnism)를 사용하여 장착된다.
각각의 풍력 터빈은 최적의 팁 속도 비(tip speed ratio)를 갖도록 설계되며, 제어기는 바람직하게 3 m/s 내지 25 m/s 범위의 풍속에 대해 및 보다 바람직하게는 4 m/s 내지 25 m/s의 풍속으로부터 실질적으로 최적의 팁 속도 비로 풍력 터빈을 작동시키도록 연결되고 프로그래밍된다. 팁 속도 비는 풍속으로 나눠지는 블레이드의 팁 속도와 동일하다. 발전기는 전기를 발전하지 않는 유형일 수 있지만, 전기 발전기가 바람직하다.
풍력 터빈 구동 시스템은, 설계 레벨 이상의 토크 및 설계 레벨 이상의 토크의 변화율을 얻지 않도록, 기구를 통해 전달되는 토크를 관리한다. 토크 관리를 얻기 위해 다수의 특징이 사용될 것이다. 이들 특징을 다음을 포함한다.:
변속 로터 및 발전기의 작동은 풍력 에너지가 회전하는 부품에 저장되도록 한다. 현대식 풍력 터빈에 대해, 회전식 블레이드는 주 회전 관성(major rotating inertia)을 나타낸다. 돌풍으로부터의 에너지가 회전하는 블레이드의 운동 에너지에 일시적으로 저장되도록 함으로써, 기계적 구동 트레인(drive train)에 나타나는 토크의 변화가 감소된다. 풍력 터빈이 정지되는 시간에 걸쳐서 평균 풍속에 대한 상한이 존재한다. 그러나 가변하는 속도의 장치에 대해 이러한 수단에 의한 에너지 저장은 거의 순간적일 수 있다.
풍력 터빈 블레이드의 피치 제어는 블레이드의 피치 각도(pitch angle)의 최적화가 풍속의 변화를 수용하여 이러한 속도에서 최적의 전력을 수집한다. 피치 제어는 또한 풍속이 증가할 때 로터의 전력 성능(power capability)의 감소를 허용한다. 피치 제어는 비교적 신속하다. 그러나 피치 제어가 반응할 수 있는 것보다 더 빠르게 돌풍이 일어날 수 있다. 피치 제어가 페이스를 유지할 수 있는 것보다 더 빠르게 풍속이 변화하는 돌풍 간격동안, 다른 제어가 설계 레벨을 유지하도록 토크를 관리한다. 관성 에너지 저장은 부조화(mismatch) 중에 돌풍으로부터의 모든 초과 전력이 관성력에 저장되도록 하기에 충분하다.
전력 전자기기(PE)는 그리드에 동기화된 전력(위치에 따라 선택적으로 60 Hz 또는 50 Hz)을 전달하면서 시스템을 변속 발전으로 작동하게 한다. 전력 전자기기(PE)는 발전기를 또한 추가의 발전기를 갖는 그리드에 동기화되도록 한다. 또한, 전력 전자기기(PE)는 발전기 상의 부하 (및 백 토크(back torque))를 제어함으로써 기계적 구동 시스템상의 토크를 관리하는 것을 돕는다. 전력 전자기기(PE)는 매우 빠르며, 예를 들면 약간의 주기(60 Hz에 대해 16 ms/주기) 내에서 반응할 수 있다. 전력 전자기기(PE) 제어는 풍력 터빈 장치의 현재 상태(그 관성, 피치 설정 및 풍속)를 인지하고, 풍력 터빈에서 토크를 제어하도록 돕기 위해 전력 생산(electrical power production)을 제어한다.
복수의 소형 발전기는 비교적 높은 효율로 광범위한 전기 전력 생산을 허용한다. 예를 들면, 각각의 250 KW의 용량을 갖는 6개의 발전기를 갖춘 1.5 MW 풍력 터빈은, 그 최대 효율점이기도 한 최대 정격 전력(full rated power)에서 작용중인 단일한 발전기를 이용하여 느린 풍력에서 250 KW 전력 레벨로 작동할 수 있다. 풍속이 증가할 때, 추가의 발전기가 사용되게 되어 넓은 풍속 범위에 걸쳐서 전체적으로 높은 발전 효율을 유지한다. 평균 풍속이 증가할 때 추가의 발전기를 온라인이 되게하는 것은 기계적 구동기에 나타나는 평균 토크의 관리를 돕는다. 풍속이 감소할 때, 최소 개수의 발전기가 시간에 걸친 평균 풍속에 대응하여 바람직하게 발전중이도록, 하나 또는 그보다 많은 발전기가 발전상태로부터 제거된다.
트랙과 접촉하여 회전중인 휘일을 갖는 마찰 결합 구동기는 토크가 규정된 레벨을 초과할 때 마찰 부품 사이의 미끄러짐에 의해 토크 피크(torque peaks)가 방지되도록 한다. 기계적 동력은 휘일이 트랙 상에서 미끄러지기 때문에 미끄러짐 중에 마찰 가열에 의해 분산된다. 이는 효율의 손실을 나타내지만, 또한 안전 제한(safety limit)을 나타낸다. 상기 제어들에 의해 관리되지 않는 토크로부터 구동된 돌풍은 미끄러짐이 일어날 때의 마찰 가열에 의해 분산된다. 이러한 안전 스템은 순간적이지만 큰 토크의 과부하가 일어나지 않으면 발생하지 않는다. 마찰 안전 특성은 통상의 제어 특징으로서 사용되지 않는데, 이는 에너지 분산, 마찰 부품의 관련된 마모 및 효율의 손실 때문이다. 또한, 이러한 특징은 각각의 유닛의 발전 설비를 독립적으로 작동하게 하며(독립적인 부하 경로); 따라서 발전 설비의 하나의 유닛(예를 들면, 하나의 발전기)은 발전 설비의 다른 유닛의 가용성에 영향을 미치지 않고 작동하지 않을 수 있다(fail).
구동 시스템은 바람직하게 단순한 기계적 구동 트레인이며, 기계적 구동 트레인은 요구되는 최종 토크 한계(ultimate torque limitation)를 제공하도록 마찰 기계 동력 전달 부품을 일체화하고; 바람직하게 복수의 영구 자석 발전기는 비교적 느린 속도, 변속 작동 및 높은 발전기 효율(다른 유형의 전기 발전기, 예를 들면 유도, 즉 마찰 기계 동력 전달에 의해 또는 소형 기어 박스를 통해 이중 공급되어 간접 구동됨)을 허용하며; 그리고 기계적 구동 트레인은 발생된 가변 교류 전류를 조종하고 풍력 터빈 구동 트레인 토크를 관리하도록 전력 전자기기를 일체화한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 시스템은 바람직하게 하기의 시스템 및 부품을 갖는다.
- 풍력 터빈 드라이브
- 주 샤프트 및 베어링
- 마찰 구동 기계 부품
- 구동륜
- 타이어
- 타이어 캐리어
- 타이어 부하 기구
- 타이어 대 발전기 링크
- 주 브레이크(브레이크 유압 제어 시스템 포함)
- 발전기 및 발전기 냉각 시스템
- 전력 전자기기
- 제어 시스템
- 데이터 획득 시스템
- WT 시스템의 균형:
- 로터(적용 가능한 경우 팁 브레이크(tip brakes) 및 피치 시스템 포함)
- 요 시스템(요 베어링, 브레이크, 모터 및 제어기 포함)
- 나셀(바닥판, 지브 크레인(jib crane), 접근 플랫폼 및 엔클로저(enclosure) 포함)
- 탑 및 토대
- 전기 시스템(모터 제어 센터, UPS, 주 차단(main disconnect) 및 그리드에 대한 연결 포함)
풍력 터빈에 변형이 이루어질 수 있다. 예를 들면, 마찰 구동륜은 도 2에 도시된 바와 같이 나셀의 내부에 위치된 전기 발전기를 갖는 마찰 구동기(예를 들면, 휘일)과 로터의 바로 뒤에 위치될 수 있다. 이러한 배치는 요구되는 베어링의 개수를 줄일 것이며, 브레이크 시스템은 주 샤프트의 후방 단부(back end) 상에 장착될 것이다.
마찰 구동기의 개수는 전기 발전기의 요구 조건(specifications) 및 요구되는 정격 전력(rated power)을 충족시키기 위해 증가되거나 감소될 수 있다.
주 샤프트 및 베어링은 로터에 대한 지지를 제공하고 로터로부터 기계적 구동기의 나머지로 토크를 전달한다. 주 샤프트는 또한 주 브레이크 디스크 및 캘리퍼스로부터 로터 및 구동륜과 같은 회전 부품으로의 토크 경로를 제공한다.
주 브레이크는 로터 및 구동 트레인을 정지시키고 고정시키도록 제공된다. 브레이크 시스템은 바람직하게 전력 발생 부품상에 제동 영향을 감소시키기 위해 저속 샤프트(4) 상에 위치된다. 브레이크 시스템은 전력 발생 부품의 고속 샤프트 상에 설치될 수 있지만, 이는 제동중에 전력 발생 부품을 토크 행정(torque excursions)에 노출시킬 것이다.
주 브레이크는 임의의 작동가능하지 않은(non-operatonal) 바람 조건 하에서(예를 들면, 작동 가능한(operational) 풍속은 한 모델에서 4 내지 25 m/s, 다른 모델에서 2m/s 내지 50 m/s, 및 또 다른 모델에서 3 내지 25 m/s이다.) 및 임의의 발전기 고장 조건 하에서 수 초 내에 로터를 정지시킬 것이다. 임의의 비상시에, 브레이크 시스템은 터빈을 안전 중지(safe stop)시키도록 작동될 것이다. 몇 개의 비상 정지 버튼이 제공되어서, 비상시 또는 터빈을 정비중일 때 작업자/근무 요원이 풍력 터빈을 안전하게 중지시키도록 한다.
이러한 설계는 주 브레이크에 대해 유압으로 해제되고 스프링 작동되는 시스템을 사용한다. 그러나 다른 유형의 브레이크 시스템, 예를 들면 유압식, 공압식, 기계식, 또는 전기식 브레이크가 사용될 수 있다. 이러한 접근은, 요구된 제동을 제공하고 주 브레이크 시스템에 의해 풍력 터빈 시동 전력 공급원 상에 요구되는 필요 조건을 최소화하도록 선택되었다.
주 브레이크용 유압 시스템은 시스템 압력을 유지하고 풍력 터빈이 대기중일 때 시스템이 가압되도록 보장하기 위해 펌프 및 축압기(accumulator)를 포함한다. 브레이크는 제어 전력의 손실 또는 유압 압력(hydraulic pressure)의 손실에 따라 폐쇄하도록 스프링 로딩될 것이다. 유압 시스템 내의 솔레노이드밸브의 작동은 유압력이 브레이크를 해제시키도록 할 것이다. 분리된 제어 밸브가 제공될 것이다. 제어 밸브 위치를 제어함으로써, 시스템의 유압력 및 그에 따른 브레이크 압력(및 브레이크에 의해 분산된 에너지)이 변화될 수 있다. 브레이크 시스템은 전력 발생 부품에 제공되는 에너지를 제어하기 위한 수단으로서 사용될 수 있다.
브레이크 디스크는 주 샤프트 상에 위치된다. 유지 보수의 관점에서, 구동륜의 외부에 브레이크 디스크를 위치시키는 것이 바람직할 것이며, 이는 유지 보수를 위해 브레이크 디스크를 용이하게 제거할 수 있기 때문이다. 전술한 바와 같이, 브레이크 시스템은 고속 샤프트 상에 위치될 수도 있다. 브레이크 캘리퍼스 및 유압 작동 시스템은 나셀 바닥판으로부터 지지될 것이다.
마찰 구동기는 풍력 터빈의 주 샤프트에 의해 직접 구동된 레이스 트랙(racetrack) 또는 구동륜을 사용한다. 구동륜은 그에 따라 풍력 터빈 로터와 동일한 속도로 회전한다. 구동륜은 타이어가 트랙의 내면 및 외면 모두 또는 트랙의 외면상에서 구르는 상이한 배치를 갖도록 설계될 수 있다. 또한, 타이어가 트랙에 수직하게 구르고 샤프트(4)의 종축에 대해 평행한 트랙이 요구되지 않도록 구동륜이 설계되도록 할 수 있다. 구동륜은 탄소강, 스테인리스 스틸, 또는 임의의 적합한 공학용 재료로 제조된다. 구동륜은 금속 부분으로부터 단접으로, 주물로서 제조되거나 섬유 강화 복합재에 있어서와 같이 보강되도록 설계될 수 있다. 타이어는 구동륜 상에서 움직인다. 구동륜과 타이어의 결합은 회전 속도 증가를 얻을 수 있는 크기로 만들어지며, 회전 속도 증가는 로터에 대한 풍력 터빈의 속도를 전기 발전기에 대한 것에 비해 증가시키도록 요구된다. 휘일은 바람직하게 타이어이지만, 트랙 내의 적합한 개구에 끼워지는 스프로켓을 갖는 휘일을 포함한 다른 휘일 디자인이 사용될 수 있다. 스프로켓을 갖는 휘일이 사용될 때, 미끄러짐이 일어나지 않을 것이며, 특정 조건하에서의 미끄러짐이 바람직하다.
타이어는 구동륜으로부터 발전기로 전력을 전달하는데 사용된다. 마찰을 이 용하는 다른 수단이 금속 휘일과 같이 구동륜으로부터 발전기로 전력을 전달하는데 사용될 수 있다. 마찰 결합은 구동륜과 '타이어들' 사이에 존재한다. 타이어는 많은 바퀴가 달리고 전력이 공급되는 차량에 마찰 구동 결합을 제공하는데 사용된다.
타이어는 극도의 토크 부하(타이어와 구동륜 사이의 마찰 계수의 몇 배인(times) 타이어의 정상 부하를 초과하는 토크 부하)하에서 옆으로 미끄러질 것이다(skid). 옆으로 미끄러짐(skidding)은 전복 조건이다. 옆으로 미끄러짐은 극심한 과부하 조건을 제외하면 예상되지 않는다. 발전기 부하를 제어함으로써, 옆으로 미끄러짐 사상 후에 회전(rolling)이 복구될 수 있다. 옆으로 미끄러지는 동안, 약간의 타이어 마모가 예상되지만, 타이어의 파손은 예상되지 않는다. 타이어는 바람직하게 중실형(즉, 공기가 없는) 타이어(solid tires)이다.
타이어는 "타이어 캐리어" 내에 고정되며, 타이어 캐리어는 타이어 정렬을 유지하고 타이어 차축(axle)에 지지를 제공한다. 캐리어는 타이어 휠 샤프트, 그 베어링(베어링 중 하나는 샤프트를 적소에 지지하도록 하는 스러스트 베어링이어야 한다), 및 스프링 소켓(도 5 참조)을 지지할 것이다.
타이어 캐리어는 더 큰 토크를 전달하도록 요구되는 경우, 하나 보다 많은 타이어를 지지하도록 설계될 수 있다. 타이어 캐리어는 접촉점으로부터 위로 회전하도록 힌지될(hinged up-rotation) 것이며, 부하에 반응하는 구조물에 의해 나셀 바닥판에 대해 지지될 것이다. 대안적으로, 타이어 캐리어는 2개의 타이어 사이에 구동륜을 핀칭(pinching)함으로써 C-클램프의 형태로 사용될 수 있으며, 2개의 타 이어 중 하나는 내부 트랙 상에서 회전하고 다른 하나는 외부 트랙 상에서 회전한다.
타이어가 파손되고 유지보수를 위해 휘일의 수축을 허용할 경우, 수축 및 이동 제한 링크(retraction and travel limit link)가 휘일의 이동을 제한할 것이다. 타이어 캐리어는 타이어가 타이어 마모, 계절적인 온도 변화로 인한 열 증가, 및 구동륜의 제조 공차를 감안하여 구동륜과의 접촉을 유지할 수 있도록 충분한 이동을 허용할 것이다.
타이어는 구동륜과 맞물리며 항상 로딩된다. 전력 전자기기는 항상 구동륜과 맞물리는 타이어를 이용하여 온/오프 스위치를 제어함으로써 발전기를 로딩 또는 언로딩하는데 사용된다. 이는 단지 타이어가 각각의 전기 발전기에 전력을 제공하도록 요구되는 때에 타이어가 맞물렸을 경우, 구동륜과 타이어 사이의 최초 접촉중에 발생할 수 있는 타이어의 옆으로 미끄러짐을 배제한다.
타이어 로딩 기구(tire loading mechanism)는 정상 작동중에 볼 수 있는 바와 같은 조건 범위인 동안 타이어 상에 적절한 부하를 유지하는 것을 보장한다.
열 팽창의 충격, 타이어 마모, 구동륜 마모, 및 유효한 타이어 부하에 대한 구동륜 편향이 바람직하게 모두 고려된다. 또한, 전술한 바와 같이, 로딩 기구는 작동중에 볼 수 있는 바와 같은 마찰 계수의 범위에 대해 감안하도록 충분한 여유를 제공하여야 한다. 로딩 기구는 로딩 기구의 빈번한 조정이 요구되지 않도록 설계된다.
발전기는 바람직하게 타이어 회전 속도로 타이어 샤프트에 의해 직접적으로 구동된다. (발전기에 의해 요구되는 것에 비해 속도를 증가시키기 위해 발전기 샤프트와 타이어 샤프트 사이에 소형 기어 박스를 사용할 수 있지만, 소형 발전기의 사용은 허용되지 않는다.) 그러나 발전기는 나셀 바닥판에 고정되지만(anchored), 휘일의 샤프트와 타이어는 구동륜 중심에 대해 방사상으로 자유로이 이동하여야 한다. (타이어는 구동륜의 마모, 열 팽창, 타이어 마모 등을 감안하면서 구동륜과의 요구되는 접촉력을 유지하기 위해 방사상으로 자유로이 이동하여야 한다.)
예로서, 유체 냉각된 4개의 영구 자석(PM) 발전기(공기 냉각, 유도, 및 이중 공급 유도(doubly fed induction)되는 영구 자석과 같이 다른 유형의 전기 발전기가 사용될 수도 있다. 또한, 사용되는 발전기의 개수는 풍력 터빈에 요구되는 정격 전기 전력에 따라 이 예시에 대해 특정된 것보다 많거나 적을 수 있다.)가 마찰 구동기의 타이어에 의해 직접 구동된 주 샤프트 둘레에 배열되었다. 유체 냉각된 영구 자석 발전기가 바람직한데, 이는 이들 발전기가 공기 냉각된 영구 자석 발전기보다 더 작고 덜 비싸기 때문이다.
발전기는 풍력 터빈 조건이 미리 결정된 작동 범위 이내이면 언제든지 항상 회전하는데, 이는 마찰 구동 타이어가 항상 맞물려있기 때문이다. 그러나 발전기는 항상 로딩되지 않는다. 오히려 전력 전자기기 시스템은 이용 가능한 풍력과 일치하며 구동 트레인 상의 토크를 관리하도록 발전기를 로딩시킬 것이다. 구동륜은 발전기가 로딩될 때 변화하는 토크 및 일정한 방사상 부하를 받을 것이다.
복수의 소형 발전기는 비작동 상태에 있는 임시 발전기를 포함하여 광범위한 작동에 걸쳐서 비교적 높은 효율을 제공한다. 대형 발전기는 광범위한 작동에 걸 쳐서 우수한 효율성을 갖지만, 이들은 풍력 터빈의 최대 전력을 조종하는 규모로 만들어질 때 단일한 고장점(a single point of failure)을 나타낸다. 복수의 소형 발전기의 사용은 임의의 단일한 고장의 결과를 단일한 발전기가 나타내는 최대 전력의 이러한 작은 부분(fraction)으로 감소시킴으로써 작동 신뢰도를 제공한다. 풍력발전단지는 다수의 풍력 터빈을 사용함으로써 설비 고장에 대해 이러한 보호를 받는다. 구동 시스템은 복수의 발전기를 하나의 나셀 내에 일체화시킴으로써 대리 기능성(redundancy)을 얻는다. 복수의 소형 발전기는 바람직하게 설계 범위 내의 모든 풍속에 대해 단지 이들의 최대 전력에서 또는 이에 근접해서 작동하도록 제어된다. 이는 발전기가 이들의 최대 효율점에서 또는 그에 근접하여 작동될 것임을 의미한다.
유체 냉각되는 발전기는 발전기의 비효율성으로 인해 손실된 전력을 제거하고 분산시키기 위해 냉각제 서브 시스템(cooler subsystem)을 필요로 한다.
냉각제 서브 시스템은 단일한 루프(single loop)와 결합된 시스템이며, 각각의 발전기에 대해 개별적인 냉각제 시스템이 아니다. 나셀 커버(미도시)는 냉각제 시스템에 대한 방열(heat dissipation)을 지지하는데 필요한 환기를 제공한다. 낮은 설계 온도에 대해서는, 프로필렌 글리콜과 냉각수의 유체가 사용되어 결빙을 방지한다.
유체 냉각되는 시스템은 발전기의 비효율성으로 인해 발생된 열을 제거하도록 열 교환기를 필요로 하고, 유체를 이동시키도록 펌프를 필요로 하며, 적절한 작동을 보장하도록 단순한 제어 및 연동(interlocks)을 필요로 한다. 공기 냉각된 영구자석(PM), 유도, 또는 이중 공급되는 발전기를 사용하는 경우, 냉각 시스템의 사용이 배제될 수 있다. 나셀 커버는 발전기 비효율성으로 인해 손실된 전력을 분산시키기 위해 필요한 환기를 제공하도록 설계되어야 한다.
전력 전자기기 시스템은 하기의 성능을 제공하도록 사용된다.:
- 발전기 토크 및 속도를 제어한다; 발전기 부하의 제어는 구동 트레인 상의 발전기 백 토크가 관리되도록 한다.
- 발전기에 의해 제공된 가변 주파수 전력을 그리드 전력으로 동기화된 60 Hz의 AC로 변환한다. 그리고,
- 발전기에 의해 제공된 무효 전력(reactive power)을 제어한다.
- 전력 전자기기는 각각의 발전기로부터의 출력을 별도로 제어하거나, 임의의 개수의 발전기를 함께 제어하도록 제공된다.
전력 전자기기(PE)는 몇몇 분리된 요소(도 5 참조); 정류기, DC 링크 및 인버터로 이루어진다. 정류기는 발전기에 의해 발생된 가변 AC 전압을 DC 전압(즉, DC 링크 전압)으로 변환한다. DC 링크는 일정한 DC 전압을 인버터에 제공한다. 인버터는 그리드로 동기화되거나 절연 버스(isolated bus)로 공급될 수 있는 60 Hz의 3φ의 전압(또는 전류)을 생성한다.
제어 시스템은 나셀에 장착되는 PLC I/O 패널 및 DAS 패널, 탑의 기부에 장착되는 구동 제어 패널, 및 위치 제어 건축물(site control building) 내의 시각화 컴퓨터(visualization computer)를 포함한다. PLC I/O 패널은 고정된 속도의 모터에 대한 모터 시동장치와 함께 풍력 터빈을 제어하는데 요구되는 모든 입/출 력(I/O)을 포함하는 것이다. 구동 패널은 주 VAC 도입 전력(incoming power) 및 Sinamics 구동 라인-업(drive line-up)을 포함할 것이다. 표준 데스크톱 PC가 무선 이더넷 링크를 통해 제어 시스템의 작동을 원격으로 제어/모니터링하도록 PLC 및 데이터 획득 컴퓨터에 장착된다. 바람직하게 HMI(인간 기계 인터페이스; Human Machine Interface) 컴퓨터에 대한 원격 데스크톱 기능은 컴퓨터, 포켓 PC 또는 스마트 폰, 또는 권한이 있는 요원에 의한 다른 전자 접근 장치로부터 인터넷을 통한 완전 원격 접근(full remote access)을 허용하도록 활성화될 것이다. 바람직하게 하드 와이어드 방화벽(hard wired firewall)은 유효한 가상의 개인 네트워크(Virtual Private Network; VPN) 로그인을 이용하여 네트워크에 기록된(logged) 자에게 이더넷 네트워크에 대한 접근을 제한할 것이다.
영구자석(PM) 발전기 토크 및 속도 - 영구자석(PM) 발전기에 의해 발생된 전압의 주파수는 발전기 속도에 직접적으로 비례한다. 발전기 속도는 풍력 터빈 전력과 발전기 상의 전기적 부하 모두에 좌우된다. 정상 상태(steady state)에서, 마찰 구동기로부터 발전기에 제공되는 토크는 발전기에 의해 제공되는 백 토크와 동일하다(즉, 풍력 터빈을 구동시키는데 사용 가능한 전력은 발전기에 의해 시스템으로부터 추출되는 전력과 동일하다.) 그러나 바람 또는 부하 과도현상(transients) 중에, 이들 토크는 균형을 이루지 않을 것이며, 풍력 터빈의 회전 속도는 변화할 것이다.
예를 들면, 풍력 터빈이 50%의 부하에서 작동중이고 풍속이 증가하는 경우, 풍력 터빈 및 발전기 속도는 증가하기 시작할 것이다. 이용 가능한 더 큰 풍력이 존재하기 때문에, 전력 전자기기(PE)는 그리드에 추가 전력을 제공하도록 반응할 것이며, 풍력 터빈 속도는 안정을 유지할 것이다. 전력 전자기기(PE)가 시스템을 균형 이루게 하는 비율을 제어함으로써, 전력 전자기기(PE) 시스템은 풍력 터빈 구동 시스템에 나타나는 토크 행정을 관리할 수 있다.
주파수, 전압 및 무효 전력 제어 - 영구자석(PM) 발전기에 의해 발생되는 전압은 발전기 속도 및 전기 부하 모두에 좌우된다. 따라서, 바람 또는 부하 과도현상중에, 발전기 출력 전압의 크기는 또한 변화할 것이다. 변화하는 발전기 전압 및 주파수를 설명하기 위해, 제어된 정류기는 변화하는 AC 전압을 일정한 DC 전압(즉, DC 링크)으로 변환하는데 사용된다. DC 링크는 제어된 인버터에 전압을 제공한다.
인버터는 전력 그리드 또는 절연 전력 시스템에 제어된 60 Hz의 3상 전압을 제공한다. 전력 전자기기(PE)에 대한 전체 제어 방안은 유닛이 전기 그리드(즉, 무한 버스(infinite bus)) 또는 근거리, 절연(또는 격리) 전력 시스템에 전력을 제공하는지 여부에 좌우될 것이다. 전기 그리드와 평행을 이룰 때, 전력 전자기기(PE)는 그리드에 제공되는 실제적인 무효 전력을 제어할 수 있다. 그리드에 제공되는 실제적인 전력(real power)은 발전기에 의해 발전되는 전기 부하(즉, 토크)를 결정할 것이다.
풍력 터빈이 절연된 전력 시스템상에서 작동될 때(즉, 풍력 터빈이 전력을 시스템에 제공하는 유일한 발전기일 때), 전력 전자기기(PE) 제어기는 시스템상의 부하에 의해 요구된 전력을 따르면서 버스 전압(bus voltage) 및 주파수를 유지하 여야 한다. 전력 전자기기(PE)는 부하에 의해 요구되는 전력을 직접적으로 제어할 수 없기 때문에, 다른 제어 요소가 필요된다. 풍력 터빈의 기계적 제어기는 바람으로부터 흡수되는 전력을 제어하는데 또한 사용될 수 있다(피치, 요, 또는 주 브레이크). 다른 부하 제어기가 필요하거나 바람직할 수도 있다. 예를 들면, 바람이 갑자기 강하게 불거나 전기 시스템 부하가 갑자기 변화하는 경우(예를 들면, 상당한 전기 부하가 작동하는 경우), 초과 전력을 "내보내기 위해" 저항성 부하 뱅크(resistive load bank)를 가질 필요가 있을 수 있다. 마찬가지로, 전기 시스템 부하가 이용 가능한 풍력을 넘어 증가하는 경우, 부하 발산 제어(load shedding control)에 대한 요구가 존재할 수 있다.
주요 전력 전자기기(PE) 하드웨어의 설계가 하기에 제공된다.
정류기 - 정류기는 재생식 피드백 액티브 프론트 엔드(Active Front End; AFE)를 포함하고, 재생식 피드백 액티브 프론트 엔드는 특히 높은 라인 공급 품질(line supply quality)을 보장하는, 자가 정류되고(self-commutated) 능동적으로 제어되는 라인 컨버터(line converter)이다.
액티브 프론트 엔드는 특히 풍력 터빈에 대해 상당한 이익을 제공하는 특별한 구조이다. 액티브 프론트 엔드(AFE)는 임의의 고조파(harmonics)가 거의 없는 라인 친화적인 싸인파 전류를 발생시킨다. 이는 지능형 스위칭 특징 및 일체형 청정 전력 필터(Clean Power filter)를 결합함으로서 이루어진다. 또한, 액티브 프론트 엔드(AFE) 스위칭 원리는 라인 공급 전압 변동이 능동적으로 보상되고 높은 제어 동적 성능(control dynamic performance)을 발생시키도록 한다.
액티브 프론트 엔드(AFE)는, 역률(power factor)이 라인측 컨버터에 의해 영향을 받을 수 있도록, 유도 무효 전력(inductive reactive power)이 발생되도록 허용한다.
인버터 정류 장애(inverter commutation faults)는 액티브 프론트 엔드(AFE)의 자가 정류 모드로 인해 발전중일 때 일어날 수 없다.
DC 링크 - 완전 디지털 전압 DC 링크 구동 인버터는 높은 정밀도로 작동하고, 신뢰성이 있으며, 효율적이다.
인버터 - 인버터 유닛은 45 내지 10,000 KW, 460, 575, 또는 690 VAC 작동에 대해 사용 한도가 정해지며(rated), 낮은 손실 전력의 절연게이트양극성트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistors: IGBT's) 및 마이크로프로세서 제어 벡터 조정기(microprocessor controlled vector regulators)를 갖춘다. 인버터는 발전기 제어 및 보호 기능을 제공할 것이다. (발전기는 인코더, 및 RPM 피드백, 열 측정과 과부하 보호를 위한 열 센서를 구비할 수 있다.)
풍력 터빈은 하기의 제어 서브 시스템을 구비한다.:
- 정상 작동 제어(시동, 작동 및 정지)
- 안전 시스템(예를 들면, 비상 정지, 유지 보수 접근을 위한 시스템 연동)
- 요 제어, 및
- 피치 제어.
바람직하게 제어 시스템에는, 격리된 적용(islanded applications)을 위한 풍력 터빈의 시동을 지지하기에 충분한 용량으로 비상 공급용 전력 공급 원(uninterruptible power supply: UPS)으로부터의 전력이 제공된다. 비상 공급용 전력 공급원(UPS)은 또한 전력 품질의 변화로 인한 중단(disruptions)으로부터 제어 시스템을 보호할 것이다.
제어 시스템은 바람직하게 선택된 시스템 파라미터를 모니터링하고 기록할 수 있는 능력을 포함한다. 그러나 시스템 파라미터의 모니터링을 교번시키는 것(alternating)은 데이터 획득 시스템(DAS)에 의해 조종될 것이다.
시동 순서 - 풍력 터빈은 그리드 연결되거나 절연된 전력 시스템에서 작동하도록 설계된다. 시동 순서는 양쪽 적용이 하나의 순서로 조절될 수 있도록 설계된다.
풍력 터빈은 하기와 같이 풍속이 바람직하게 4 m/s 내지 25 m/s일 때 시동하도록 하게 될 것이다.:
- 요 제어 시스템을 작동시키고 로터 상의 브레이크를 해제한다.
- 풍속에 대응하는 전력 위치로 블레이드를 회전시키도록 피치 기구를 작동시킨다.
- 로터 속도가 터빈의 최소 작동 속도보다 클 때까지 대기한 후 발전을 시작한다.
- 측정된 풍속에 따라, 1 내지 n개의 발전기가 조절된 토크 제어 방안에 따라 온라인상에 오게될 것이다(n은 발전기의 임의의 개수일 수 있으며, 예를 들면, 1.5 MW WT는 각각이 250 KW의 정격 전력을 갖는 6개의 발전기를 사용할 수 있다). 최소로 사용되는 오프라인 발전기는 발전기가 시간에 걸쳐서 동등하게 사용되는 것 을 보장하도록 각 단계에서 사용될 것이다. 이에 대한 유일한 예외는 온라인이 된 제 2 발전기가 제 1 발전기와 항상 정반대일 것이라는 점이다.
- 액티브 프론트 엔드(AFE)는 조절된 주파수 및 전압에서 AC 전력 시스템으로 재생하기 시작한다.
- 발전이 시작된 10초 후에, 수냉식 전기 발전기가 사용되는 경우 냉각제 펌프가 시동된다.
- 바람직하게 풍속의 작동 범위는 미리 결정된 기간에 걸친 평균 풍속에 기초한다.
정상 작동 제어 - 정상 작동중에, 이용 가능한 운동 에너지가 풍력 터빈으로부터 변화할 때, 모든 발전기는 온라인/오프라인이 된다. 발전기는 최소 속력 증가(speed up)로부터 돌풍중에 어떤 허용된 과속을 갖는 최대 속도(최소 및 최대 속도는 로터 크기 및 디자인에 기초하여 결정될 것이다)로 작동한다. 토크는 고무 휘일(타이어)이 구동륜 상에서 미끄러지지 않도록 조절된다. 휘일은 갑작스럽고 극심한 돌풍중에 미끄러질 수 있지만, 이는 발전기에 가해진 토크를 조절하는 단순한 대체 방법이다. 유압 펌프, 발전기 냉각 시스템 펌프 및 냉각기 팬과 같은 보조 시스템이 풍력 터빈의 작동에 의해 요구되는 바에 따라 사용되게 된다.
정지 순서 - 정상 작동중에 평균 10분 동안 풍속이 25 m/s보다 크거나 4 m/s 미만일 때, 풍력 터빈은 정지될 것이다. 피치 기구는 바람으로부터 수집된 에너지가 최소로 감소될 위치로 블레이드를 회전시킬 것이다. 브레이크가 적용되고 액티브 프론트 엔드(AFE)는 발전을 중지한다. 주 구동 접촉기는 정산 중지중에 폐쇄상태로 유지된다. 냉각제 시스템, 유압 펌프, 및 요 모터는 정지 순서의 시작시 또한 중지된다.
발전기 제어 - 전술한 바와 같이, 전력 전자기기 시스템은 발전기 부하 및 속도의 제어를 제공한다. 시스템은 과도현상중에 구동 트레인 상의 토크를 관리하고, 발전기 부하를 이용 가능한 풍력에 맞춘다. 주 구동 접촉기는 정상 정지동안 폐쇄상태로 유지되지만, 비상 정지동안 또는 그리드 연결 장애가 발생한 때에는 개방된다.
하기의 안전 작동은 기계 고장, 과도한 바람, 또는 다른 작동 상태의 경우 안전한 작동 및 정지을 보장하도록 하는 설계로 제공될 수 있다.:
- 주 브레이크의 수동 맞물림
- 원심력으로 작동되는 공기 역학적 로터 팁 브레이크
- 요 제동
- 풍속이 잔존하는 동안 풍향 외부의 요
- 바람으로부터의 전력 추출을 감소 또는 배제하도록 피치 시스템 작동
- 다음 중 어느 것에 따른 주 브레이크의 자동 맞물림:
- AC 전력의 손실
- 로터 과속
- 주 그리드(또는 부하 뱅크) 작동(trip)
- 과도한 진동
- 정상 작동 범위 이상의 풍속(평균 10분)
- 비효율적으로 생각되는 요 제어(요 부조화가 한계를 초과한다)
- 재설정된 요 회전(요가 내부 케이블을 감아 올렸으며 이들 케이블은 풀릴 필요가 있다.)
- 적은 냉각제(발전기 냉각제 레벨)
- (유압으로 해제되는 브레이크를 위한) 적은 유압 유체
주 브레이크 제어의 안전 양태는 다음과 같다. 주 브레이크의 원격의 수동 적용이 요구된다. 브레이크는 제어 스테이션으로부터, 기부의 탑 내부로부터, 및 탑 상부의 출구 도어에서 적용될 수 있어야 한다. 점검 기술자가 나셀에서 또는 나셀 가까이에서 작업하기 전에 브레이크가 적용되지 않은 경우, 기술자가 안전함을 느낄 수 있음을 보장하도록 규정이 요구된다. 주 브레이크의 자동 작동은 상기에 지시된 바와 같은 몇몇 고장 조건 중 어느 것에 의해 촉발될 것이다.
요 구동 기구는 나셀을 바람속으로 돌리는데 사용된다. 요 구동기는 요 구동기의 AC 기어 모터의 높은 기어비를 통해 요 브레이크로서 기능하거나, 분리된 요 브레이크 시스템이 바람속으로 지향된 터빈 나셀을 유지하는데 필요한 제동력을 제공하는데 사용될 수 있다.
나셀의 배향 및 바람의 방향이 바람직하게 측정되고 추적된다. 이들 사이의 부조화는 10분의 평균 진행하는 풍향에서 10°이내로 제어된다(5초 마다 견본을 뽑았다).
내부 케이블의 감김(wind-up)을 방지하기 위해, 나셀은 중립 위치로부터 양방향으로 1080°회전되도록 (3번의 전체 회전) 허용된다. 바람이 일관된 방식으로 방향을 변경하고 감김이 일어나는 경우, 풍력 터빈은 정지할 것이며, 요 시스템은 해제 방향으로 조화 위치(match position)에 접근할 것이며, 최종 위치는 중립 위치의 ±180°이내이어야 한다. 그 후에만 풍력 터빈이 사용(service)으로 다시 되돌려질 수 있다.
"요 유지보수 위치 포트" 및 "우현(Starboard)" 리미트 스위치가 현재 모델의 풍력 터빈에서 유지보수 목적을 위해 나셀을 배향시키는데 사용된다. 이들 모델이 선택될 때, 요 모터는 원하는 리미트 스위치에 도달될 때까지 해제 방향으로 이동할 것이다. 탑의 유지보수 도어가 개방되면, 요 제어는 완전히 불능이 될 것이다.
(소프트웨어에 기초한) 폐쇄 루프 제어기가 사용되어 미리 정해진 작동 곡선에 따라 터빈의 작동 상태를 유지하기 위해 자동으로 터빈의 작동 상태를 조정하며, 이러한 제어는 다음을 포함할 것이다.:
- 최적의 피치 각도를 제공하는 자유 흐름 풍속을 조절하여 최적의 전력을 전달하도록 블레이드 피치를 제어
- 정격된 풍속보다 더 큰 바람의 정격 레벨로 터빈의 전력 출력을 조절하도록 블레이드 피치를 제어
- 터빈의 시동 또는 정지중에 미리 결정된 속도 램프(speed ramp)를 따르도록 블레이드 피치를 제어
- 발전된 전력이 발전기의 전기적 로딩 및 언로딩에 의한 가변 풍속을 조절하는 상태에서, 증가 수단 또는 감소 수단을 제공하는 전자 회로를 사용하여 발전 기의 로딩을 제어
데이터 샘플링 - 데이터 획득 시스템은 풍력 터빈 제어 시스템 및 구동 작동 파라미터를 읽고 기록할 것이다. 데이터는 상태의 변화에 따라 연속적으로 샘플링되고 기록된다.
이 시스템은 기계가 샘플링되고 데이터가 기록되는 주파수를 선택하도록 작업자에게 능력을 준다. 일반적으로, 데이터는 1초 간격까지에서 기록될 것이다(추정 데이터 부하는 하루당 50 MB 또는 해당 20 GB이다). 또한, 시스템은 선택된 파라미터를 훨씬 높은 주파수에서 기록할 수 있는 능력을 가질 것이다.
데이터 전달(Date Transfer) - 데이터 획득 시스템은 공학 팀에 데이터를 전달하기 위해 고속 데이터 전달 성능(브로드밴드 또는 무선 DSL)을 갖는다. 데이터 프로그램은 데이터를 근거리에 저장하며, 데이터를 매일 전달한다. 데이터 링크 파손이 일어난 경우 아직 전달되지 않은 모든 데이터를 저장하도록 준비된다.
또한, 데이터 프로그램은 모든 중요한 파라미터가 실시간에 가깝게(in near real time) 모니터링되도록 하는 성능을 가질 것이다.
데이터 및 모니터링 - 기본 공학적 툴(예를 들면, 스프레드시트(spreadsheets) 또는 다른 데이터 디스플레이)은 풍력 터빈을 모니터링하고 작동중에 데이터 획득 시스템(DAS)에 의해 제공되는 데이터를 해석하는데 사용하도록 제공된다.
전력 공급원 - 데이터 획득 시스템(DAS)은 풍력 터빈 작동(trip)에 따라 데이터가 저장되도록 하기에 충분한 용량을 갖는 비상용 전력 공급원으로부터의 전력 을 제공받는다. 데이터 획득 시스템(DAS)은 전력 품질의 변화로 인한 중단(disruptions)으로부터 제어 시스템을 보호한다.
바람직하게 풍력 터빈에 제공되고 바람직하게 제어 시스템 또는 데이터 획득 시스템(DAS)을 이용해 모니터링되는 계기에 의한 관측(instrumentation)의 목록이 하기에 제공된다.
- 기상
- 풍속
- 풍향
- 상대 습도
- 대기 온도
- 기압(barometric pressure)
- 강수량
- 풍력 터빈
- 피치 각도
- (중립 요 위치에 대한)요 각도(± 3의 전체 회전)
- 로터 속도
- 타이어 속도(nx)
- 타이어 부하(부하 셀)(nx)
- 타이어 온도(nx)
- 주 브레이크 해제 압력
- 구동륜 진동
- 발전기 샤프트 진동(nx)
- 로터 진동
- 요 브레이크 위치
- 탑 진동(진동식 센서)
- 나셀 내부 온도
- 전력
- 개별적인 발전기 온도(nx)
- 개별적인 발전기 전압(nx)
- 개별적인 발전기 전류(nx)
- 전력 전자기기 전압 아웃(nx)
- 전력 전자기기(PE) 무효 전력 요인 또는 전류(nx)
- 전력 전자기기(PE) 주파수(nx)
- 전력 전자기기(PE) 중간 전압(DC)(nx)
- 전력
- VARS - 변수?
- 그리드
- 냉각제
- 유동
- 레벨
- 온도
- 압력
- 브레이크 용액(hydrualics)
- 압력
- 레벨
- 온도
이때, 'n'은 특정 부품에 대한 개수이다.
최대 중량의 나셀에서 현장 교체가능한 부품을 들어올리고, 내리고 이동시킬 수 있는 크레인이 나셀 내부에 제공된다. 영구자석(PM) 발전기 또는 구동륜 트랙이 확인된 최대 중량의 부품이다. 리프트 범위는 지면으로부터 나셀내의 부품의 위치까지이다. 수직 리프트는 탑 기부 상의 허브의 높이와 거의 비슷할 것이다.
크레인은 수동으로 또는 전기적으로 작동될 수 있다. 전기 작동은 휴대용 발전기 또는 근거리 그리드(local grid)와 같은 외부 전력이 없으면 불가능한데, 이는 풍력 터빈이 작동중이지 않을 때 전반적인 현장 전력(general site power)이 이용가능하지 않기 때문이다(크레인은 풍력 터빈이 작동중일 때 사용될 수 없다).
탑은 풍력 터빈의 높이 및 지지를 제공한다. 탑은 또한 다양한 제어 전력 전자기기, 데이터 획득 시스템(DAS) 및 전기 시스템에 대한 차폐물 및 모니터링을 제공한다. 탑의 기부의 내경은 전력 전자기기(PE), 제어 패널, 데이터 획득 시스템(DAS), 및 탑 내의 모터 제어 센터의 설치에 충분하다.
토대(foundation)는 강화 콘크리트, 표토 가중 구조물(soil overburden weighted structure)일 것이다. 이는 모든 잔존하는 풍속에 대해 풍력 터빈으로 전달되는 모멘트 및 힘과 반작용할 것이다.
풍속이 블레이드를 회전시키는데 요구되는 초기 관성을 극복하기에 불충분할 때, 느린 바람 조건으로 풍력 터빈을 시동시키기 위해 전기가 발전기로 공급될 수 있고, 제어기가 모터로서 발전기를 작동시키도록 프로그래밍될 수 있다. 풍속이 블레이드의 회전을 시작하도록 요구되는 힘을 넘기에 불충분하지만 기계적 수단에 의해 회전이 시작된 후에는 블레이드를 계속 회전시키기에 충분한 적은 바람 조건에서, 회전을 시작하는데 전기를 사용함으로써 이익이 얻어진다. 회전이 시작되고 로터(및 블레이드)가 정상 작동 범위 이내인 속도로 회전한 후, 제어기는 발전기를 모터로서 작동시키도록 발전기에 공급되는 전기를 차단하며, 블레이드를 계속 회전하도록 유지시키고 발전기를 통해 전기를 발전시키는 풍력 에너지에 의해 동력이 공급되는 발전기로서 발전기가 다시 사용될 수 있다. 바람이 모터로서 발전기를 사용함으로써 시작되는 회전에 후속하는 풍력 터빈의 작동을 유지하기에 충분하지 않은 경우, 터빈은 발전기로의 전기가 제어기에 의해 차단될 때 회전을 단순히 멈출 것이다. 예를 들면, 2 메가와트 풍력 터빈은 4 m/s의 풍속에서 모터 모드에 들어가지 않고 자가 시동할 수 있으며, 이러한 풍속은 블레이드의 회전을 시작하는데 요구되는 초기 관성을 극복하도록 바람으로부터 충분한 에너지를 제공한다. 풍속이 3 m/s인 경우, 이 풍속은 블레이드의 회전을 시작하기에 충분하지 않지만, 블레이드가 이미 회전중인 경우에는 회전을 유지하기에 충분하고, 그 후 모터로서 작동하는 발전기를 사용하여 블레이드의 회전이 시작될 때, 3 m/s의 풍속은 발전기에 공급되는 전기가 차단된 후에 블레이드의 회전을 유지하기에 충분할 것이며, 풍속이 이러한 속도로, 또는 이러한 속도보다 높은 속도로 계속되는 한, 블레이드는 계속 회전할 것이며 발전기를 통해 전기를 발전시킬 것이다. 이 방법은 다른 경우에 가능한 것보다 낮은 풍속에서 터빈이 전기를 발생시키도록 한다.
발전기는 발전기로 설계되는 150%까지의 토크 수요량을 이용하여 전기적 제동(electrical break)으로 사용될 수 있다. 제어기는 발전기가 회전하는 것을 멈추게 하도록 프로그래밍될 수 있으며, 또한 로터가 회전하는 것을 멈추게 할 것이다. 토크 수요량은 터빈을 정지시키기 위해 수초동안 단지 가해질 필요가 있다. 제어기는 로터 속도가 0일 때 토크 수요를 제거할 것이다. 전기적 제동은 주 브레이크가 고장인 경우 터빈에 다른 안전 특징을 부가한다. 예를 들면, 2 메가와트 풍력 터빈에 대해, 전기 발전기는 2 메가와트에 대해 정격되고, 블레이드는 또한 2 메가와트의 전력을 전달하도록 설계된다. 단기간 동안 발전기에 150%의 토크 수요량을 가함으로써, 터빈의 제동 성능은 3 메가와트로 증가할 것이며, 이는 터빈이 회전하는 것을 멈추는데 적합하다.
다른 실시예에서, 발전기는 터빈의 정상 작동 범위를 넘어서 발생하는 돌풍을 조절하기 위해 발전기의 정격 부하보다 높은 부하에서 작동하도록 설계될 수 있다. 예를 들면, 발전기는 로터 속도를 제어하고 일시적으로 터빈의 정상 속도 범위 이상인 풍속에 의해 야기되는 과속을 방지하기 위해, 정격 부하의 120% 이상의 토크 수요량을 견디도록 설계될 수 있다. 제어기는 로터 속도가 미리 결정된 설정값을 초과하거나, 로터 속도의 상승(ramp-up) 비율이 미리 결정된 설정값을 초과할 때, 전기 발전기로부터 120%의 토크 수요량을 허용하도록 프로그래밍된다. 토크 수요량은 수 초동안만 적용되며, 제어기는 로터 속도를 추적할 것이다. 전기 발전기를 구동하는 임의의 타이어가 미끄러짐을 겪으면, 토크 수요량은 제어기에 의해 절반으로 감소될 것이다. 예를 들면, 2 메가와트의 풍력 터빈은 피치 기구를 갖추고 있으며, 피치 기구는 바람으로부터 추출된 전력의 양을 제어하는 풍력 자유 흐름 속도(wind free stream speed)에 대응하도록 블레이드 각도를 조정할 것이다. 돌풍은 예고 없이 발생할 수 있으며, 풍속은 피치 시스템이 반응할 수 있는 것보다 더 빠르게 증가할 수 있다. 2 메가와트의 풍력 터빈은 돌풍을 극복하기 위해 단기간 동안 2.4 메가와트(120%의 토크 수요량)까지 작동할 수 있는 성능을 가져서, 피치 기구의 반응에 대한 시간을 허용할 것이다. 또 다른 실시예에서, 전기 발전기는 돌풍을 조절하기 위해 단기간 동안 150%의 토크 수요량을 이용하여 작동하도록 설계될 수 있을 것이다.
도 3은 개략도이다. 실제 터빈의 블레이드는 트랙의 직경보다 훨씬 큰 직경으로 블레이드의 팁을 통하는 원주를 갖는다.

Claims (38)

  1. 로터 상에 장착되는 복수의 블레이드를 포함하는 풍력 터빈으로서,
    상기 로터는 회전 가능한 샤프트를 갖고, 상기 샤프트로부터 외부로 구동륜이 연장하며,
    상기 구동륜은 상기 블레이드가 풍속에 응답하여 회전할 때 상기 로터 및 상기 샤프트와 함께 회전하며,
    상기 로터는 넓은 속도 범위를 가지며,
    복수의 휘일이 상기 구동륜과 연속적으로 회전 가능하게 접촉하며,
    상기 복수의 휘일은 에너지를 발생시키기 위해 복수의 발전기를 구동시키도록 연결되며,
    상기 터빈은 피치, 요(yaw) 및 브레이크의 그룹으로부터 선택되는 둘 이상을 포함하는, 상기 블레이드의 속도를 제어하기 위한 다수의 수단을 갖고,
    상기 피치, 요 및 브레이크 중 둘 이상을 제어하고 상기 블레이드의 속도에 관한 파라미터를 모니터링하면서, 상기 블레이드의 속도에 기초하여 발전중인 상기 발전기의 개수를 상기 발전기의 전체 개수와 0 사이에서 제어하도록 제어기가 연결되며,
    상기 제어기는 상기 회전 가능한 샤프트의 토크에 기초하여 발전중인 발전기의 개수를 추가하거나 제거하도록 프로그래밍되는
    풍력 터빈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 각각의 발전기를 켜고 끔으로써 발전중인 상기 발전기의 개수를 제어하도록 연결되며,
    상기 제어기는 풍속, 풍향, 요 위치, 피치 위치, 블레이드 속도, 로터 속도 및 시간을 포함하는 몇몇 파라미터를 모니터링하도록 연결되는
    풍력 터빈.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 구동륜은 그 원주 둘레에 트랙을 갖고, 상기 휘일은 상기 트랙과 접촉하는
    풍력 터빈.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 트랙은 상기 샤프트의 종축에 평행한 내부 표면을 갖는
    풍력 터빈.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어기는, 발전중인 발전기의 각각의 개수에 대해 각각 미리 결정된 레벨 이상 및 이하의 작동 범위 내에서 로터 속도가 각각 증가하고 감소할 때, 발전중인 발전기를 추가 또는 제거하도록 연결되는
    풍력 터빈.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 로터가 최소 평균 로터 속도(a minimum average rotor speed)로 회전중일 때 상기 복수의 발전기 중 하나의 발전기를 발전시키고, 상기 로터가 최대 로터 속도로 회전중일 때 상기 복수의 발전기 중 몇몇 발전기를 발전시키도록 연결되는
    풍력 터빈.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어기는, 로터의 평균 속도가 미리 결정된 시간동안 상기 작동 범위에 속하지 않을 때, 상기 터빈을 정지시키도록 프로그래밍되고 연결되는
    풍력 터빈.
  8. 제 5 항에 있어서,
    로터의 평균 속도는 1분 이상의 시간동안 결정되고, 상기 제어기는 상기 로터의 평균 속도가 상기 작동 범위에 속하지 않을 때마다 상기 터빈을 정지시키도록 연결되는
    풍력 터빈.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 풍력 터빈은 최적의 팁 속도 비(tip speed ratio)를 갖고, 상기 제어기는 5 m/s 내지 25 m/s 범위의 풍속에 대해 실질적으로 상기 최적의 팁 속도 비로 상기 풍력 터빈을 작동시키도록 프로그래밍되고 연결되는
    풍력 터빈.
  10. 제 5 항에 있어서,
    4개 이상의 발전기가 제공되며, 상기 4개 이상의 발전기는 상기 제어기가 상기 발전기를 개별적으로 켜고 끌 수 있게 하고 상기 로터의 평균 속도에 기초하여 발전 모드(generating mode)에서 임의의 개수의 발전기를 작동시키도록 연결되는
    풍력 터빈.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 발전기는 전기를 발전시키는
    풍력 터빈.
  12. 제 1 항에 있어서,
    각각의 발전기는 실질적으로 상기 풍력 터빈의 최대 출력 미만인 규모(size)를 갖고, 상기 복수의 발전기는 상기 터빈의 최대 전력 출력을 처리할 수 있는 전체 규모를 갖는
    풍력 터빈.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 프로그래밍 가능한 로직 제어기인
    풍력 터빈.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 전력 전자 제어기이며, 상기 전력 전자 제어기는 모니터링되는 파라미터의 변화를 탐지하는 수 초 내에 피치, 요 및 브레이크 중 하나 이상을 조정할 수 있는
    풍력 터빈.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 전자 제어기인
    풍력 터빈.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는:
    (a) 발전기 토크 및 속도를 관리;
    (b) 각각의 발전기의 부하를 제어하고 상기 터빈의 구동 트레인 상의 발전기 백 토크(back torque)를 관리;
    (c) 상기 발전기에 의해 제공되는 가변 주파수 전력을 그리드 전력(grid power)으로 동기화되는 60 Hz의 AC로 변환;
    (d) 상기 발전기에 의해 제공되는 무효 전력(reactive power)을 제어;
    (e) 각각의 발전기로부터의 출력을 제어;
    (f) 임의의 개수의 발전기 모두로부터의 출력을 제어; 중 하나 이상이 가능한 전력 전자 시스템인
    풍력 터빈.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는:
    (a) 발전기 토크 및 속도를 관리;
    (b) 각각의 발전기의 부하를 제어하고 상기 터빈의 구동 트레인 상의 발전기 백 토크(back torque)를 관리;
    (c) 상기 발전기에 의해 제공되는 가변 주파수 전력을 그리드 전력(grid power)으로 동기화되는 60 Hz의 AC로 변환;
    (d) 상기 발전기에 의해 제공되는 무효 전력(reactive power)을 제어;
    (e) 각각의 발전기로부터의 출력을 제어;
    (f) 임의의 개수의 발전기 모두로부터의 출력을 제어;가 가능한 전력 전자 시스템인
    풍력 터빈.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 전력 전자 제어기는 정류기(rectifier), DC 링크 및 인버터를 포함하고, 상기 정류기는 상기 발전기에 의해 발생된 가변 AC 전압을 DC 전압으로 변환하도록 연결되며, 상기 DC 링크는 상기 인버터에 정상 DC 전압(steady DC voltage)을 제공하도록 연결되고, 상기 인버터는 그리드에 동기화되거나 절연 버스(isolated bus)로 공급될 수 있는 주파수의 3상 전압 또는 전류를 생성하는
    풍력 터빈.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 전류는 60 Hz의 AC 및 50 Hz의 AC 중 하나인
    풍력 터빈.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 터빈의 작동 파라미터 및 바람과 날씨 조건을 획득하고 기록하기 위한 데이터 획득 시스템(data acquisition system)이 제공되는
    풍력 터빈.
  21. 로터상에 장착되는 복수의 블레이드를 포함하는 풍력 터빈으로서,
    상기 로터는 회전 가능한 샤프트를 갖고, 상기 샤프트로부터 외부로 구동륜이 연장하며,
    상기 구동륜은 상기 블레이드가 회전할 때 상기 로터 및 상기 샤프트와 함께 회전하고,
    상기 로터는 풍속에 기초한 넓은 속도 범위를 가지며,
    복수의 휘일이 상기 구동륜과 연속적으로 회전 가능하게 접촉하고,
    상기 복수의 휘일은 전기를 발생시키기 위해 복수의 발전기를 구동시키도록 연결되며,
    상기 풍력 터빈은 기어박스 없이 가변 속도에서 작동하여서 상기 발전기로부터 전력을 발생시키며 상기 발전기는 그리드에 동기화되는 것이 가능하고,
    제어기가 상기 회전 가능한 샤프트의 토크에 기초하여 발전중인 발전기의 개수를 추가하거나 제거하도록 프로그래밍되는
    풍력 터빈.
  22. 풍력 터빈 작동 방법으로서,
    상기 풍력 터빈은 로터를 형성하도록 허브(hub) 상에 장착되는 복수의 블레 이드를 포함하고,
    상기 로터는 샤프트상에 장착되며 상기 샤프트 상에는 구동륜을 갖고,
    복수의 휘일이 상기 구동륜과 회전 가능하게 접촉하며,
    상기 휘일은 전기를 발생시키기 위해 복수의 발전기를 구동시키도록 연결되고,
    상기 터빈은 피치 제어, 요 제어 및 브레이크의 그룹으로부터 선택되는 둘 이상을 포함하는, 상기 로터의 속도를 제어하기 위한 다수의 수단을 가지며,
    상기 로터의 속도에 기초하여 발전중인 발전기의 개수를 제어하도록 제어기가 연결되고,
    상기 방법은,
    풍속, 풍향, 로터 속도, 요 방향, 브레이크와 피치 중 하나, 발전기의 개수, 현재 발전중인 발전기의 개수, 로터 샤프트의 토크를 모니터링하도록 상기 제어기를 프로그래밍하는 단계를 포함하고,
    상기 방법은 시동을 시작하는 단계를 포함하며,
    상기 제어기는 평균 풍속이 미리 결정된 최소 기간에 걸쳐서 작동 범위 이내일 때 가속하도록 상기 로터를 해제하고, 상기 로터가 요구되는 최소 속도에 도달할 때, 상기 제어기는 제 1 발전기 상에 부하를 가하며,
    상기 제어기는, 상기 로터 샤프트의 토크 곱하기(times) 동작중인 발전기의 개수에 의해 나눠지는 발전기의 전체 개수가 추가의 발전기를 단계적으로 도입(phasing in)하기 위해 미리 결정된 최소 토크보다 클 때, 추가의 발전기를 단계 적으로 도입하고,
    상기 제어기는, 상기 로터 샤프트의 토크 곱하기(times) 동작중인 발전기의 개수에 의해 나눠지는 발전기의 전체 개수가 하나의 발전기를 단계적으로 정지(phasing out)시키기 위해 요구되는 미리 결정된 최소 토크보다 작을 때, 하나의 발전기를 단계적으로 정지시키며,
    상기 제어기는, 상기 로터 샤프트의 토크 및 발전중인 발전기의 개수에 따라 요구되는 바대로 발전기를 단계적으로 도입 및 정지시키고,
    상기 제어기는 상기 로터 샤프트의 상기 토크가 하나의 발전기를 작동시키도록 하는 미리 결정된 최소값 이하일 때 마지막으로 동작중인 발전기를 단계적으로 정지시키고, 상기 로터 및 발전기를 중지(stop)시키며,
    상기 제어기는, 미리 결정된 시간에 걸친 평균 풍속이 미리 결정된 최대 풍속보다 클 때, 상기 로터를 중지시키고 모든 발전기를 단계적으로 정지시키며,
    상기 제어기는 상기 풍속이 상기 작동 범위 내에서 증가할 때 추가의 발전기에 부하를 가하고, 상기 풍속이 상기 작동 범위 내에서 감소할 때 추가의 발전기로부터 부하를 제거하며,
    상기 제어기는 하나의 발전기를 작동시키는데 요구되는 최소 로터 속도로부터 모든 발전기를 작동시키는데 요구되는 최대 로터 속도까지 넓은 범위에서 에너지를 발생시키도록 상기 풍력 터빈을 작동시키는
    풍력 터빈 작동 방법.
  23. 풍력 터빈 작동 방법으로서,
    상기 풍력 터빈은 로터를 형성하도록 허브 상에 장착되는 복수의 블레이드를 포함하고,
    상기 로터는 샤프트상에 장착되며,
    상기 샤프트는 그 위에 구동륜을 갖고,
    복수의 휘일이 상기 구동륜과 회전 가능하게 접촉하며,
    상기 휘일은 전기를 발생시키기 위해 복수의 발전기를 구동시키도록 연결되고,
    상기 터빈은 상기 로터의 속도를 제어하기 위한 다수의 수단을 가지며,
    상기 방법은,
    풍속, 풍향 및 상기 구동륜의 속도에 관한 몇몇 파라미터를 모니터링하도록 제어기를 연결하는 단계,
    요, 피치, 브레이크 중 하나 이상(one or more)을 조정하고 하나 또는 그보다 많은 상기 파라미터의 변화에 응답하여 발전중인 발전기의 개수를 조정하도록 상기 제어기를 프로그래밍하는 단계,
    상기 구동륜의 속도를 제어하기 위해 요, 피치 및 브레이크 중 임의의 2개를 조정하도록 상기 제어기를 프로그래밍하는 단계, 및
    상기 구동륜의 속도가 각각 증가하고 감소할 때, 상기 증가 또는 감소를 보장하기에 충분한 양만큼 발전중인 발전기의 개수를 증가시키고 감소시키도록 상기 제어기를 프로그래밍하는 단계를 포함하는
    풍력 터빈 작동 방법.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 샤프트로부터 요구되는 복수의(a multiple of) 토크 곱하기 현재 발전중인 발전기의 개수에 의해 나눠지는 발전기의 전체 개수가 미리 결정된 토크의 설정점 값(set point value)의 95%보다 클 때, 하나의 추가의 발전기를 발전시키도록 상기 제어기를 연결하고 프로그래밍하는 단계를 포함하며,
    상기 샤프트로부터 요구되는 토크 곱하기 발전중인 발전기의 개수에 의해 나눠지는 발전기의 전체 개수가 상기 미리 결정된 토크의 설정점 값의 90% 미만일 때, 발전중인 발전기로부터 하나의 발전기가 제거되는
    풍력 터빈 작동 방법.
  25. 제 22 항에 있어서,
    회전하는 블레이드 내에 운동 에너지를 일시적으로 저장하도록 상기 터빈을 작동시키는 단계를 포함하는
    풍력 터빈 작동 방법.
  26. 제 22 항에 있어서,
    상기 제어기는 전력 전자기기 시스템이며,
    상기 방법은 그리드로 동기화된 전력을 전달하면서 변속 발전기를 이용하여 상기 터빈을 작동시키는 단계를 포함하는
    풍력 터빈 작동 방법.
  27. 제 22 항에 있어서,
    상기 풍력 터빈의 작동 범위 내에서 가능한 많은 전력을 발생시키도록 바람 조건에 기초하여 가능한 가장 높은 속도 비율로 상기 풍력 터빈을 작동시키기 위해, 상기 로터의 속도를 증가시키도록 상기 요 및 피치를 제어하는 단계를 포함하는
    풍력 터빈 작동 방법.
  28. 제 22 항에 있어서,
    상기 방법은 넓은 범위에 걸친 가변 속도로 상기 풍력 터빈을 작동시키는 단계를 포함하고,
    상기 발전기는 주파수가 변하는 AC 전류를 발생시키며, 상기 AC 전류를 실질적으로 일정한 주파수에서 최종 결과 AC 전류(final product AC current)에 연결시 키도록 전력 전자기기를 사용하며, 상기 최종 결과 AC 전류를 그리드에 공급하는
    풍력 터빈 작동 방법.
  29. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 블레이드의 직경보다 상당히 작은 직경을 갖는 구동륜을 포함하는
    풍력 터빈.
  30. 풍력 터빈 작동 방법으로서,
    상기 풍력 터빈은 로터를 형성하도록 허브 상에 장착되는 복수의 블레이드를 포함하고,
    상기 로터는 샤프트상에 장착되며,
    상기 샤프트는 그 위에 구동륜을 갖고,
    복수의 휘일이 상기 구동륜과 회전 가능하게 접촉하며,
    상기 휘일은 전기를 발생시키기 위해 복수의 발전기를 구동시키도록 연결되고,
    상기 터빈은 상기 로터의 속도를 제어하기 위한 다수의 수단을 가지며,
    상기 발전기는 모터로서 상기 발전기를 작동시키기 위해 전기 공급원에 연결되며,
    상기 방법은,
    (a) 풍속, 풍향 및 상기 구동륜의 속도에 관한 몇몇 파라미터를 모니터링하도록 제어기를 연결하고, 요, 피치, 브레이크, 발전기 토크 수요량(torque demand) 중 하나 이상(one or more)을 조정하고 하나 또는 그보다 많은 상기 파라미터의 변화에 응답하여 발전중인 발전기의 개수를 조정하도록 상기 제어기를 연결하는 단계,
    (b) 상기 풍속이 상기 블레이드를 회전시키기에 충분하지만, 상기 블레이드의 회전을 시작하도록 요구되는 힘을 극복하기에 불충분할 때를 결정하도록 상기 제어기를 프로그래밍하는 단계를 포함하고,
    상기 제어기는 그 후 상기 발전기에 전기를 공급하고 상기 터빈이 작동 속도 범위에 도달할 때까지 상기 블레이드의 회전을 시작하도록 모터로서 상기 발전기를 작동시키는
    풍력 터빈 작동 방법.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 모터를 정지시키는 단계, 및
    상기 터빈이 작동 속도 범위에 도달할 때 상기 터빈의 회전으로부터 전기를 발전시키도록 발전기로서 상기 발전기를 사용하는 단계를 포함하는
    풍력 터빈 작동 방법.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 터빈을 중지시키기 위해 150%까지의 토크 수요량을 이용하여 전기 브레이크로서 상기 발전기를 사용하도록 상기 제어기를 프로그래밍하는 단계, 및
    상기 터빈이 중지될 때 상기 토크 수요량을 불연속으로 하는 단계를 포함하는
    풍력 터빈 작동 방법.
  33. 제 30 항에 있어서,
    단기간에 걸쳐서 정격 부하의 120% 이상의 토크 수요량을 이용하여 돌풍을 극복하기 위해, 상기 발전기가 상기 정격 부하보다 높은 부하에서 사용되도록 상기 제어기를 프로그래밍하는 단계를 포함하는
    풍력 터빈 작동 방법.
  34. 제 33 항에 있어서,
    고속 돌풍중에 단기간 동안 상기 정격 부하에 비해 150%의 토크 수요량까지에서 상기 발전기를 작동시키도록 상기 제어기를 프로그래밍하는 단계는 포함하는
    풍력 터빈 작동 방법.
  35. 풍력 터빈 작동 방법으로서,
    상기 풍력 터빈은 로터를 형성하도록 허브 상에 장착되는 복수의 블레이드를 포함하고,
    상기 로터는 샤프트상에 장착되며
    상기 샤프트는 그 위에 구동륜을 갖고,
    복수의 휘일이 상기 구동륜과 회전 가능하게 접촉하며,
    상기 휘일은 전기를 발생시키기 위해 복수의 발전기를 구동시키도록 연결되고,
    상기 발전기는 150% 까지의 토크 수요량으로 작동할 수 있으며,
    상기 터빈은 상기 로터의 속도를 제어하기 위한 다수의 수단을 갖고,
    상기 터빈은 풍속, 풍향 및 상기 구동륜의 속도에 관한 몇몇 파라미터를 모니터링하도록 제어기를 가지며,
    상기 방법은,
    상기 터빈을 중지시키도록 150% 까지의 토크 수요량을 이용하여 전기 브레이크로서 상기 발전기를 사용하여서, 상기 터빈이 중지됐을 때, 상기 토크 수요량을 불연속으로 하도록 상기 제어기를 프로그래밍하는 단계를 포함하는
    풍력 터빈 작동 방법
  36. 풍력 터빈 작동 방법으로서,
    상기 풍력 터빈은 로터를 형성하도록 허브 상에 장착되는 복수의 블레이드를 포함하고,
    상기 로터는 샤프트상에 장착되며
    상기 샤프트는 그 위에 구동륜을 갖고,
    복수의 휘일이 상기 구동륜과 회전 가능하게 접촉하며,
    상기 휘일은 전기를 발생시키기 위해 복수의 발전기를 구동시키도록 연결되고,
    상기 발전기는 정격 부하보다 높은 부하에서 작동할 수 있으며,
    상기 터빈은 상기 로터의 속도를 제어하기 위한 다수의 수단을 갖고,
    상기 터빈은 풍속, 풍향 및 상기 구동륜의 속도에 관한 몇몇 파라미터를 모니터링하도록 제어기를 가지며,
    상기 방법은,
    최대 작동 속도 이상으로 상기 로터의 속도를 증가시킬 돌풍을 극복하기 위해 정격 부하보다 높은 부하에서의 토크 수요량으로 상기 발전기를 사용하도록 상기 제어기를 프로그래밍하는 단계를 포함하는
    풍력 터빈 작동 방법.
  37. 제 36 항에 있어서,
    상기 발전기를 120%의 토크 수요량까지 상기 정격 부하보다 높은 부하에서 작동시키도록 상기 제어기를 프로그래밍하는 단계를 포함하는
    풍력 터빈 작동 방법.
  38. 제 36 항에 있어서,
    상기 발전기를 150%의 토크 수요량까지 정격 부하보다 높은 부하에서 작동시키도록 상기 제어기를 프로그래밍하는 단계를 포함하는
    풍력 터빈 작동 방법.
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