KR101588142B1 - 풍력 발전기에서 미주 전류를 방지하기 위한 배열 및 방법 - Google Patents

풍력 발전기에서 미주 전류를 방지하기 위한 배열 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 풍력 발전기에서 미주 전류를 방지하기 위한 방법 및 배열에 관한 것이다. 전기적 분리된 부차 측(3), 전기 전도체(5, 6)을 통하여 절연 전력원의 부차 측에 연결되는 전기 부하(8) 및 풍력 발전기의 미주 전류에 민감한 기계 컴포넌트(7)를 포함하는 절연 전력원(1)이 개시된다. 절연 전력원은 미주 전류에 민감한 기계 컴포넌트의 1차 측에 위치하고 부하는 미주 전류에 민감한 기계 컴포넌트의 2차 측에 위치한다. 전기 전도체는 2차 측에서 공통 접지 전위(10)에 연결된다.

Description

풍력 발전기에서 미주 전류를 방지하기 위한 배열 및 방법 {ARRANGEMENT AND METHOD FOR AVOIDING STRAY CURRENTS IN WIND POWER PLANTS}
본 발명은 풍력 발전기에서의 미주 전류(stray currents)를 방지하기 위한 배열과 이에 상응하는 방법에 관한 것이다.
복잡한 전력 네트워크에서 고장 전류(fault currents) 또는 미주 전류를 거의 완벽하게 방지할 수는 없다. 전자장치의 절연 결함으로 인해 예를 들어 전자 필터에서 미주 전류로써 발생되거나 또는 고장 전류로써 발생될 수 있다. 중성점 또는 중성선이 접지되는 접지 전력 네트워크(grounded power network)를 사용하는 시스템은 고장 전류 발생의 특별히 높은 위험을 갖는다. 네트워크와 접지 사이의 저항을 낮추기 위해서 일반적으로 전력원(power source)에 가깝게 네트워크와 접지 사이의 연결이 제공된다. 고장 전류는 전위 균등 시스템(potential equalization system)을 통해 전력원으로 되돌아 올 수 있다. 시설의 모든 통전 부분들이 전위 균등 시스템에 포함되어야만 하므로, 이러한 전도성 컴포넌트들을 통하여 고장 또는 미주 전류가 흐르는 것은 불가피한 일이다. 시설들의 특별한 구조로 인하여, 고장 또는 미주 전류는 또한 베어링 또는 다른 기계 소자를 통해 흐를 수 있어 이러한 미주 전류에 민감한 기계 부품에 손상을 일으키게 된다. 다른 위험은 미주 전류에 의해 발생되는 구조물 부분들의 전기화학적 부식에 있다. 기계 부품에서 손상을 방지할 수 있는 하나의 가능성은 전력 네트워크를 절연화된 IT-네트워크로 실행하는 것이다. 그러나, IT-네트워크는 고장 전류가 발생되지 않기 때문에 첫 번째 절연 에러가 보통 발견되지 않은 채로 남아 있다. 첫 번째 절연 에러의 경우, 접지 전위가 고장 전압과 동등하여 위험한 상황이 발생될 수 있다. 오직 두 번째 절연 에러가 예를 들어 퓨즈와 같은 보호 소자를 작동시킬 수도 있다. 첫 번째 절연 에러를 감지하기 위해서, 비용이 많이 들며 복잡한 절연 에러 감지 시스템을 실행해야만 한다.
두 번째 가능성은 네트워크를 국지적으로 제한된 네트워크로 실행하는 것이다. 이것은 고장 전류가 제한된 영역 안에서만 발생되도록 한다. 고장 전류는 여전히 완벽하게 제거되지 않지만, 민감한 기계 컴포넌트를 통하는 전류들이 시설의 적절한 레이아웃 또는 배열을 통하여 방지될 수 있다. 그러나, 이것은 하부시스템의 실행을 필요로 한다. 따라서 전력원이 하부시스템에 가깝게 배열된다. 만일 분리된 접지 네트워크에 의해 전력원이 공급되면, 고장 전류는 여전히 발생할 수 있다.
세 번째 가능성은 기계 부품에 병렬되는 특별한 전류 경로를 제공하는 것이다. 이것은 일반적으로 미끄럼 접촉에 의해 형성된다. 그러나 기계 부품 대신에 미끄럼 접촉을 통해 흐를 수도 있는 고장 전류의 양은 임피던스의 비율에 의존한다. 연구들에 의해 기계 부품의 임피던스가 때때로 낮아 고장 전류가 여전히 기계 부품을 통해 흐를 수 있다는 것을 밝혀졌다.
풍력 발전기에서 기계 부품을 통해 흐르는 미주 전류를 방지하기 위한 하나의 시도를 WO 2007/107158 A1로부터 확인할 수 있다. 이 해결책은 풍력 발전기의 구동축의 양쪽에 2개의 접지 연결(하나는 단지 AC 전류 경로를 제공한다)을 설치하는 것이다.
본 발명의 목적은 종래의 해결책보다 덜 복잡하고 더욱 신뢰성 있는, 풍력 발전기에서 미주 전류를 방지하기 위한 어셈블리 또는 배열 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 양태에서, 풍력 발전기의 미주 전류를 방지하기 위한 어셈블리 또는 배열이 제공된다. 어셈블리/배열은 전기적 분리된(galvanic decoupled) 부차 측(secondary side)을 갖는 절연 전력원(insulating power source)을 포함한다. 부차 측은 또한 절연 전력원(때때로 또한 플로팅 출력(floating output)으로 언급됨)의 출력이다. 절연 전력원의 부차 측에 연결된 전기부하가 존재한다. 절연 전력원의 부차 측과 전기부하 사이에 전기 전도체가 존재한다. 풍력 발전기의 미주 전류에 민감한 기계 컴포넌트를 우회하도록 전기 전도체가 배열된다. 절연 전력원은 미주 전류에 민감한 기계 컴포넌트의 1차 측(first side)에 위치한다. 부하는 미주 전류에 민감한 기계 컴포넌트의 2차 측(second side)에 위치한다. 전기 전도체는 2차 측에서 공통 접지 전위에 커플(또는 연결)된다. 절연 전력원은 주 측(primary side)을 갖는다. 주 측은 또한 1차 측에서 공통 접지 전위에 커플(또는 연결)된다. 1차 측 공통 접지 전위와 2차 측 공통 접지 전위는 풍력 발전기의 모든 전기적 전도성 부품들이 연결되는 풍력 발전기의 동일한 접지 전위일 수 있다. 본 발명의 이러한 양태는 놀랍게도 고장 전류가 오직 전기 전도체를 통하여 전력원으로 돌아 오도록 한다. 미주 전류에 민감한 풍력 발전기의 컴포넌트를 통해 흐르는 미주 전류가 방지된다.
절연 전력원은 절연 전력원의 부차 측에 절연화된 (전기적 분리된) 출력을 제공하기 위하여 절연 변압기(insulating transformer)일 수 있거나 절연 변압기를 포함할 수 있다. 절연 변압기의 주 측은 외부 전력망에 커플될 수 있다. 외부 전력망은 접지될 수 있다.
1차 측이 풍력 발전기의 나셀(nacelle) 내의 어느 위치일 수도 있다. 바람직하게는, 1차 측은 풍력 발전기의 비회전 부품(part)이다. 2차 측은 또한 풍력 발전기의 허브(hub) 내에 위치할 수 있다. 특히, 2차 측은 풍력 발전기의 회전 부품 내에 위치할 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 부하는 또한 풍력 발전기의 피치 드라이브(pitch drive)일 수 있다. 현대의 풍력 에너지 발전기는 로터에 가해지는(apply) 공기력을 변화시킴으로써 파워 및 로터 속도를 제어한다. 일반적으로, 이것은 로터 블레이드의 피치를 변화시켜 실행된다. 일반적으로, 피치 드라이브는 적절한 기어, 예를 들어 고 기어비를 갖는 유성 기어에 마운트되는 전기 모터를 포함한다. 유성 기어의 종동 (출력) 축에 마운트된 드라이브 베벨(drive bevel)은 일반적으로 로터 블레이드에 고정된 치아형 링(tooth ring) 또는 환상 기어에 맞물린다.
만일 절연 전력원이 풍력 발전기의 회전 부품(예를 들어 허브) 내에 배열되지 않는다면 특별한 장점이 된다. 나셀 및 더 넓은 공간 내 더 나은 환경 조건으로 인해 나셀은 절연 전력원에 대한 적합한 위치이다. 더욱이, 나셀에서의 접근성이 허브보다 뛰어나다.
2차 측에서 접지 전위는 1차 측을 위해 사용되는 것과 동일한 접지 전위이다. 이것은 모든 부품들, 또한 2차 측에 전도체가 연결되는 부품들이 동일한 접지 전위에 커플되는 것을 의미한다. 그러나, 이러한 상황에서도 전류는 풍력 발전기의 미주 전류에 민감한 부품, 예를 들어 허브의 베어링을 통해 흐르는 것 대신에 전기 전도체를 통해 흐른다.
절연 전력원은 부차 측에 AC 또는 DC 공급 전압을 제공할 수도 있다.
본 발명은 또한 나셀 내에 배열된 절연 전력원을 포함하는 풍력 발전기를 제공한다. 전기 부하는 또한 허브 내에 배열될 수 있다. 전기 부하는 풍력 발전기 블레이드를 구동하기 위한 하나 이상의 피치 드라이브일 수도 있다. 절연 전력원은 또한 미주 전류에 민감한 기계 부품의 1차 측에 배열될 수도 있다. 미주 전류에 민감한 기계 부품은 풍력 발전기의 회전 부품과 비-회전 부품 사이의 기계 부품일 수 있다. 미주 전류에 민감한 기계 부품은 풍력 발전기 허브의 베어링일 수 있다. 전기 부하, 즉 피치 드라이브는 또한 2차 측에 위치할 수 있다. 이러한 2차 측은 회전하는 허브에 있을 수 있다. 절연 전력원과 전기 부하는 전기 전도체를 통하여 연결된다. 전기 전도체는 전기 케이블 및 하나 이상의 미끄럼 접촉을 포함할 수도 있다. 전기 전도체는 미주 전류에 민감한 기계 부품을 (전기적으로) 우회한다. 접지 연결은 또한 전기 전도체(전도체들 중 하나, 즉 접지 연결)와 2차 측 사이에 제공된다. 공통 접지와 전기 전도체 사이의 이러한 전기적 연결은 유리하게 전기 부하(피치 드라이브)에 가까울 수도 있다.
더욱이, 본 발명은 본 발명의 양태들에 부합되게 구성된 풍력 발전기들을 포함하는 풍력 단지를 제공한다.
본 발명은 또한 풍력 발전기의 미주 전류를 방지하기 위한 방법을 제공한다. 절연 전력원은 풍력 발전기 내의 제1 위치에 배열될 수도 있다. 전기 부하는 풍력 발전기 내의 제2 위치에 제공될 수도 있다. 제1 위치 및 제2 위치는 미주 전류에 민감한 기계 부품, 예를 들어 베어링의 맞은 편에 위치할 수도 있다. 이것은 풍력 발전기의 회전 부품과 비-회전 부품 사이의 베어링일 수 있다. 미주 전류에 민감한 기계 부품은 풍력 발전기 허브의 베어링일 수 있다. 절연 전력원(또한 플로팅 출력으로 언급됨)의 부차 측은 또한 전기 전도체를 통하여 전기 부하에 연결될 수도 있다. 이것은 케이블 및 미끄럼 접촉을 사용하여 미주 전류에 민감한 기계 부품을 우회하여 실행될 수도 있다. 끝으로, 2차 측에 접지 연결을 제공하기 위하여 전기 전도체가 2차 측에 연결될 수도 있다. 다른 접지 연결은 절연 전력원의 주 측에 제공될 수도 있다. 1차 측에서(나셀에서) 접지 전위와 2차 측에서(허브 내 또는 더욱 구체적으로 허브 끝단 내) 접지 전위는 풍력 발전기의 모든 전기적 전도성 부품들이 연결되는 동일한 공통 접지 전위일 수도 있다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 아래 설명으로부터 본 발명의 더 많은 양태들과 특징들이 여기에 설명된다.
도 1은 본 발명의 실시예의 간략한 배선도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 양태에 따르는 배열을 구비한 풍력 발전기의 단면도를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예의 간략한 배선도를 나타낸다. 전력원(13)과 절연 변압기(12)가 위치한다. 절연 변압기(12) 단독, 또는 전력원(13)과 조합되어 절연 전력원(1)으로 언급된다. 전력원(13)은 접지 연결(11)에 접지되어 있다. 전력원(13)은 외부 전력망일 수 있다. 절연 변압기(12)는 주 측(2) 및 부차 측(3)을 갖는다. 주 측(2)은 부차 측(3) 으로부터 전기적 분리되어 있다. 주 측(2)은 전력원(13)에 연결된다. 전기 전도체(4)는 절연 변압기(12)의 부차 측(3)에 연결된다. 전기 전도체(4)는 2개의 전기 전도체 또는 케이블(5, 6)을 포함한다. 미끄럼 접촉(17, 18)은 각각 케이블(5, 6)을 위해 제공된다. 이것은 풍력 발전기의 회전 부품과 비-회전 부품을 전도체(4)에 의해 전기적으로 연결하기 위해 필요할 수 있다. 전기 전도체(4)는 미주 전류에 민감한 기계 디바이스(7)를 우회한다. 미주 전류에 민감한 이러한 기계 디바이스는 베어링일 수도 있고, 보다 구체적으로는 본 실시예의 허브(HUB)(9)의 베어링일 수도 있다. 전기 부하(8)은 미주 전류에 민감한 기계 디바이스(7)의 2차 측에 배열된다. 2차 측은 풍력 발전기의 허브(9) 내에 위치한다. 전기 부하(8)는 풍력 발전기의 블레이드를 구동하기 위한 하나 이상의 피치 드라이브일 수 있다. 전기 전도체들 중 하나(이 실시예에서 전기 전도체(6))가 2차 측(2차 측은 회전하는 측, 즉 허브(9)이다)에 공통 접지(10)에 연결된다. 더욱이, 절연 전력원(1)의 주 측(2)은 또한 접지 연결(11)을 통하여 공통 접지에 연결된다. 공통 접지 노드들(10, 11)은 동일한 공통 접지 전위를 갖는다. 이것은 풍력 발전기의 전기적 전도성 부품들이 연결되는 공통 접지다. 절연 전력원(1)은 1차 측에 위치하고, 1차 측은 이 실시예에서 풍력 발전기의 나셀(NACELLE)(21)이다.
고장 전류 IF는 또한 전기 부하(8)로부터 접지를 향하여 흘러 갈 수도 있다. 절연 전력원(1), 전기 부하(8), 케이블들(5, 6) 및 접지 연결들(11, 10)의 배열로 인해, 고장 전류 IF는 미주 전류에 민감한 디바이스(7) 통하여 흐르는 것 대신에 절연 전력원(1)로 되돌아 온다. 미주 또는 고장 전류는 오직 전기 전도체(4) (예를 들어 케이블(6))만을 통하여 흐르고 미주 전류에 민감한 디바이스(7)을 통하여 흐르지 않는다. 더욱이, 고장 전류 IF는 전기 부하(8)로 되돌아 오지 않는다. 고장 전류 IF는 절연 전력원(1)으로 다시 흘러 가고, 더욱 구체적으로, 고장 전류 IF는 전도체(6)을 통하여 변압기(12)의 부차 측으로 다시 흘러 간다. 다시 말해, 본 발명의 이 실시예에서, 전류회로는 폐(close) 회로이다. 전기 부하(8)에서 완벽한 단락회로인 경우에 있어, 전류는 전도체(5)에 함께 배열될 수 있는 과전류 보호 디바이스(미도시)를 작동시키게 된다.
전류가 과전류 보호 디바이스를 작동시키지 못하는 불완전한 폐회로 상황을 감지하고 방지하기 위해서, 고장 전류 감지기(23)(예를 들어 잔류-전류-동작 보호 디바이스(residual-current-operated protective device) [축약하여 RCD])는 전도체(6)의 접지 연결(10)과 부하(8) 사이에 배열될 수 있다.
다소 변형된 실시예에서, 절연 전력원(1)은 전기절연 DC 전력 공급 팩일 수도 있다. 부차 측(3)에서의 전압은 정류된 DC 전압이다(도 1에서 정류기는 미도시). 케이블(5, 6)은 또한 +24V DC(케이블 (5)) 및 상응하는 24V DC GND(케이블 (6))를 제공할 수 있다. 케이블(5, 6)은 미끄럼 접촉을 통해 허브(9)로 연결된다. 오직 허브(9) 안에서, 케이블(6) (24V DC GND)은 접지에 연결된다. 고장 전류는 오직 케이블(6) (24V DC GND 연결)을 통해 절연 전력원(1)으로 돌아오고, 더욱 구체적으로 절연 변압기(12)의 부차 측으로 돌아온다.
도2는 본 발명의 양태들에 부합되도록 배열 및 준비되는 풍력 발전기(100)의 단면도를 나타낸다. 풍력 발전기(100)은 타워(TOWER)(15)에 마운트되는 나셀(21), 허브(9) 및 블레이드(14)을 포함하며, 블레이드는 허브(9)에 연결된다. 블레이드(14)의 피치를 조절하기 위해서 블레이드(14)는 중심축 주위에서 회전될 수 있다. 몇몇의 피치 드라이브(8, 81, 82, 83)가 나타나 있으며, 블레이드의 피치 조절을 실행하기 위해 구성된다. 피치 드라이브(8, 81, 82 83)은 전기 모터들이다. 이것들은 전력원(1)에 대한 전기 부하를 나타낸다. 전력원(1)은 AC 전력원(13), 전기절연 변압기(12) 및 정류기(미도시)를 포함하는 절연 전력원이다. 24V DC 전압은 절연 전력원(1)의 출력(OUT)에 제공된다. 이러한 공급 전압은 피치 드라이브(8, 81, 82, 83) 중 하나에 제공된다.
피치 드라이브(8)은 피치 드라이브(8)과 유사한 방식으로 연결 또는 공급될 수 있는 모든 피치 드라이브(8, 81, 82, 83)에 대한 단지 하나의 예에 해당된다. 도 2에 보여진 것 보다 더 많은 피치 드라이브가 있을 수도 있다. 케이블(5, 6)은 절연 전력원(1)의 출력에 연결된다. 절연 전력원의 주 측은 접지(11)에 연결된다. 이 접지 전위는 나셀의 전기적 전도성 부품들의 공통 접지 전위이다. 도 1의 도면부호 22로 표시되는 외부 전력망 또는 외부 전력 네트워크에 의해 절연 전력원을 위한 전력이 공급될 수 있다. 전력망 또는 전력 네트워크로의 연결은 전력원(13) 및 접지 연결(11)에 의해 나타난다. 전도체(4)는 미끄럼 접촉(17, 18)에 의하여 허브의 베어링(7)을 통해 연결된다. 허브(9) 내에서, 케이블(5, 6)이 피치 드라이브(8)에 연결된다. 접지 연결(10)이 있고, 여기에 케이블(6) (절연 전력원의 부차 측의 접지)이 연결된다. 접지 연결(10)의 전위는 허브(9)의 모든 전기적 전도성 부품들의 공통 접지 전위이다.
본 발명의 이러한 실시예의 주요한 이점들 중의 하나는 절연 전력원(1)의 위치에 있다. 특히, 전기절연 변압기(12)가 나셀 내에 존재할 수 있어, 유지보수 동안 접근이 용이하고 회전에 상관이 없게 된다.
특정한 실시예들을 참조하여 본 발명에 대해 설명했지만, 본 발명이 이러한 실시예들에 국한되는 것이 아니며 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술을 가진 자에 의한 추후의 더 많은 대안들도 이하의 청구범위 내에 포함된다.

Claims (8)

  1. 풍력 발전기에서 미주 전류(stray current)를 방지하기 위한 배열로서, 전기적 분리된 부차 측(secondary side)을 갖는 절연 전력원(insulating power source), 전기 전도체를 통하여 상기 절연 전력원의 부차 측에 연결된 전기 부하 및 풍력 발전기의 미주 전류에 민감한 기계 컴포넌트를 포함하고, 상기 절연 전력원은 상기 미주 전류에 민감한 기계 컴포넌트의 1차 측(first side)에 위치하고 상기 부하는 상기 미주 전류에 민감한 기계 컴포넌트의 2차 측(second side)에 위치하며, 상기 전기 전도체가 상기 2차 측에서 공통 접지 전위에 연결되는 것을 특징으로 하는 배열.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 절연 전력원은 상기 부차 측으로부터 전기적 분리된 주 측(primary side)을 갖고, 상기 주 측은 상기 1차 측에서 공통 접지 전위에 연결되는 것을 특징으로 하는 배열.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 주 측이 상기 풍력 발전기의 나셀(nacelle) 내에 있고 상기 2차 측이 상기 풍력 발전기의 허브(hub) 내에 있는 것을 특징으로 하는 배열.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전기 부하는 풍력 발전기의 블레이드의 피치를 조절하기 위한 피치 드라이브이고, 상기 미주 전류에 민감한 기계 컴포넌트는 풍력 발전기의 베어링인 것을 특징으로 하는 배열.
  5. 제1항에 따른 배열을 포함하는 풍력 발전기.
  6. 제5항에 따른 풍력 발전기들을 포함하는 풍력 단지.
  7. 풍력 발전기에서 미주 전류를 방지하기 위한 방법으로서, 풍력 발전기의 제1 위치에 절연 전력원을 배열하는 단계, 풍력 발전기의 제2 위치에 전기 부하를 배열하는 단계, 상기 제1 위치 및 제2 위치는 상기 풍력 발전기의 미주 전류에 민감한 기계 컴포넌트의 맞은 편에 위치함, 상기 절연 전력원의 전기적 분리된 부차 측을 전기 전도체를 통하여 상기 전기 부하에 연결하는 단계, 상기 전기 전도체를 상기 미주 전류에 민감한 기계 컴포넌트의 2차 측의 공통 접지 전위에 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 절연 전력원의 주 측을 상기 미주 전류에 민감한 기계 컴포넌트의 1차 측의 공통 접지 전위에 연결하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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