KR101633189B1 - 회전형 고정자를 포함하는 이중여자 유도형 발전기 - Google Patents

회전형 고정자를 포함하는 이중여자 유도형 발전기 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 회전형 고정자를 포함하는 이중여자 유도형 발전기는, 회전형 고정자에 의하여 둘러싸인 회전자; 회전자와 연결된 적어도 하나의 제 1 슬립링 및 제 1 브러쉬; 적어도 하나의 제 1 브러쉬와 연결된 컨버터부; 및 컨버터부, 전동기, 전동기 구동부, 적어도 하나의 제 2 슬립링 및 제 2 브러쉬와 연결된 회전형 고정자를 포함하고, 회전자는 풍력발전기의 블레이드와 연결될 수 있다.

Description

회전형 고정자를 포함하는 이중여자 유도형 발전기{THE DOUBLY-FED INDUCTION GENERATOR INCLUDING A ROTATING STATOR}
본 발명은 회전형 고정자를 포함하는 이중여자 유도형 발전기에 관한 것이다.
풍력발전기에 대한 연구는 풍력발전기 시장에 비약적인 증가로 활발하게 진행되고 있다. 예를 들어, 영구자석 동기발전기(PMSG, Permanent Magnet Synchronous Generator)를 이용한 백투백(Back to Back) 컨버터 방식의 풍력발전시스템이 근래에 들어 활용 범위가 넓어지고 있다. 하지만 이러한 풍력발전시스템을 대용량화하기 위해서는 대용량 자석재료의 사용으로 인한 비용 증가의 문제와 대용량의 백투백 컨버터가 필요하다는 단점으로 인하여 중소용량의 풍력발전기에 적용되고 있는 실정이다. 이러한 한계를 극복하기 위해 근래에 들어서는 대한민국 공개특허공보 제10-2014-0112929호(발명의 명칭: DFIG 풍력발전 시스템, 공개일자: 2014.9.24) 등 대용량 이중여자 방식의 유도 발전기에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 유도 발전기는 구조가 매우 간단하고 견실하여 유지보수의 비용이 적어 해안 또는 해상에 설치될 수밖에 없는 대용량 풍력발전기에 매우 적합할 수 있다. 그러나 이중여자 방식의 유도 발전기의 사용 시 수반될 수 있는 증속기어에 대한 연구는 증속기어 사용으로 인한 제어성능 저감을 보상하기 위한 연구가 진행되고 있을 뿐, 증속기어가 제거된 유도발전기의 구성에 대해서는 연구의 진행이 전무한 상황이다.
증속형 기어박스와 이중여자 방식의 유도형 발전기(DFIG, Doubly-Fed Induction Generator)로 구성되는 기존의 대용량 풍력발전기의 구성에서, 본 발명의 일 실시예로서 증속형 기어박스를 제거하고, DFIG의 고정자(Stator)를 회전형으로 제작하여 고정자의 속도를 제어함으로써 증속형 기어박스가 제거된 풍력발전기의 구성이 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예로서, 회전형 고정자를 포함하는 이중여자 유도형 발전기가 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 다른 이중여자 유도형 발전기는, 회전형 고정자에 의하여 둘러싸인 회전자, 회전자와 연결된 적어도 하나의 제 1 슬립링 및 제 1 브러쉬, 적어도 하나의 제 1 브러쉬와 연결된 컨버터부 및 컨버터부, 전동기, 전동기 구동부, 적어도 하나의 제 2 슬립링 및 제 2 브러쉬와 연결된 회전형 고정자를 포함하고, 회전자는 풍력발전기의 블레이드와 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터부는 2레벨컨버터, 사이클로컨버터, 멀티레벨컨버터, 매트릭스컨버터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터부는 회전자측 인버터부 고정자측 인버터부를 포함하고, 회전자측 인버터부는 회전자에 주입되는 전원의 크기 및 주파수 제어를 통하여 이중여자 유도형 발전기의 발전량과 무효전력을 제어하고, 고정자측 인버터부는 계통과 회전자측 인버터 사이의 무효전력과 유효전력을 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전동기는 블레이드의 회전 속도에 따라 소정의 회전속도를 갖도록 회전형 고정자를 회전시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전동기 구동부는 계통전압 주파수 검출부, 회전자 회전속도 검출부, 회전자 입력주파수 검출부 및 전동기 속도 제어부를 포함하고, 전동기 속도 제어부는 이중여자 유도형 발전기의 출력전압이 계통 주파수와 일치하도록 회전형 고정자의 기계적인 속도를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라 증속형 기어박스를 제거하고, 회전자의 회전속도에 상응하여 지정된 주파수로 회전하는 고정자(Stator)를 사용함으로써 제작 비용을 감소시키고, 유지 보수를 용이하게 할 수 있는 이중여자 유도형 풍력발전기를 설계할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전형 고정자를 포함하는 이중여자 유도형 발전기의 개략도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터부를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동기 구동부를 도시한다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
근래들어, 대용량 풍력발전기의 주류를 이루고 있는 이중여자 유도형 발전기(DFIG)를 적용한 풍력발전시스템에서는 풍력발전기의 블레이드의 회전속도를 증속하여 발전기에 연결해주기 위한 기어박스의 사용이 요구된다. 그러나 증속용 기어박스의 사용은 풍력발전시스템의 제작 비용의 증가와 함께 고장의 주요 원인이 되어 유지 보수에 있어 큰 문제점으로 대두되고 있다.
본 발명의 일 실시예에서와 같이 DFIG를 사용하는 풍력발전시스템에서 증속용 기어박스를 제거하고, 회전자의 회전속도에 상응하여 지정된 주파수로 회전하는 고정자를 사용한다면, 풍력발전시스템의 제작 비용을 감소시키고 유지 보수를 보다 용이하게 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예와 같은 이중여자 유도형 발전기의 구성은 현재 생산되는 이중여자 방식의 유도형 발전기가 적용된 대용량 풍력발전기 분야에 있어 새롭게 제안된 방식으로서, 대용량 풍력발전기로의 적용 범위가 비약적으로 확대될 것이고, 유지 보수의 용이성 및 우수한 전력품질로 인하여 본 발명의 활용 범위는 폭발적으로 증가할 것이다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전형 고정자를 포함하는 이중여자 유도형 발전기(1000)의 개략도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 회전형 고정자를 포함하는 이중여자 유도형 발전기(1000)는, 회전형 고정자에 의하여 둘러싸인 회전자(100),회전자(100)와 연결된 적어도 하나의 제 1 슬립링(110) 및 제 1 브러쉬(120), 적어도 하나의 제 1 브러쉬(120)와 연결된 컨버터부(200) 및 컨버터부(200), 전동기(300), 전동기 구동부(400), 적어도 하나의 제 2 슬립링(510) 및 제 2 브러쉬(520)와 연결된 회전형 고정자(500)를 포함하고, 회전자(100)는 풍력발전기의 블레이드(600)와 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 적어도 하나의 제 1 브러쉬(120)는 컨버터부(200)의 출력을 회전자(100)에 전달하기 위한 것으로, 제 1 슬립링(110)과의 기계적인 접촉을 통하여 컨버터부(200)의 출력을 회전자(100)로 전달할 수 있다. 이와 유사하게, 적어도 하나의 제 2 브러쉬(520)는 제 2 슬립링(510)과의 기계적인 접촉을 통하여 발전기의 출력을 계통으로 전달할 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터부(200)를 도시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터부(200)는 백투백(Back to Back) 컨버터부로 지칭될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터부(200)는 2레벨컨버터, 사이클로컨버터, 멀티레벨컨버터, 매트릭스컨버터 중 적어도 하나일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터부(200)는 회전자측 인버터부(210) 고정자측 인버터부(220)를 포함할 수 있다. 회전자측 인버터부(210)는 회전자(100)에 주입되는 전원의 크기 및 주파수 제어를 통하여 이중여자 유도형 발전기(1000)의 발전량과 무효전력을 제어할 수 있다. 또한, 고정자측 인버터부(220)는 계통과 회전자측 인버터 사이의 무효전력과 유효전력을 제어할 수 있다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터부(200)의 예시적인 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동기 구동부(400)를 도시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전동기(300)는 블레이드(600)의 회전 속도에 따라 소정의 회전속도를 갖도록 회전형 고정자(500)를 회전시킬 수 있다. 다시 말해서, 본 발명의 일 실시예에 따른 전동기(300)는 회전자의 회전 속도에 대하여 지정된 주파수로 고정자를 회전시킬 수 있다. 전동기(300)의 동작은 후술된 전동기 구동부(400)에 의하여 제어될 수 있다. 지정된 주파수의 범위는 통상 계통에서 사용되는 주파수를 의미한다. 예를 들어, 한국은 60Hz의 전원 계통을 사용하고, 일본은 50Hz의 전원 계통을 사용한다. 따라서, 발전기의 회전 속도, 컨버터부(200)에서 회전자(100)로 주입되는 전원의 주파수 및 계통 전압의 주파수에 따라 고정자(500)의 회전 속도를 제어하여 계통과 연결된 발전기의 출력이 계통 주파수와 같도록 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전동기 구동부(400)는 계통전압 주파수 검출부(410), 회전자 회전속도 검출부(420), 회전자 입력주파수 검출부(430) 및 전동기 속도 제어부(440)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 계통전압 주파수 검출부(410)는 계통의 전압주파수를 검출 할 수 있다. 또한, 회전자 회전속도 검출부(420)는 회전자(100)의 기계적인 속도를 검출할 수 있다. 회전자 입력주파수 검출부(430)는 회전자(100)에 주입되는 전원의 주파수를 검출할 수 있다. 또한, 전동기 속도 제어부(440)는 이중여자 유도형 발전기(1000)의 출력 전압이 계통 주파수와 일치하도록 회전형 고정자(500)의 기계적인 속도를 제어할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1000: 이중여자 유도형 발전기
100: 회전자
110: 제 1 슬립링
120: 제 1 브러쉬
200: 컨버터부
210: 회전자측 인버터부
220: 고정자측 인버터부
300: 전동기
400: 전동기 구동부
410: 계통 전압주파수 검출부
420: 회전자 회전속도 검출부
430: 회전자 입력주파수 검출부
440: 전동기 속도 제어부
500: 고정자
510: 제 2 슬립링
520: 제 2 브러쉬
600: 블레이드

Claims (5)

  1. 회전형 고정자를 포함하는 이중여자 유도형 발전기에 있어서,
    상기 회전형 고정자에 의하여 둘러싸인 회전자;
    상기 회전자와 연결된 적어도 하나의 제 1 슬립링;
    상기 회전자와 연결되어 컨버터부의 출력을 상기 회전자에 전달하는 적어도 하나의 제 1 브러쉬;
    상기 적어도 하나의 제 1 브러쉬및 전동기 구동부와 연결되고, 회전자측 인버터부 및 고정자측 인버터부를 포함하는 상기 컨버터부; 및
    상기 컨버터부, 전동기, 전동기 구동부, 적어도 하나의 제 2 슬립링 및 제 2 브러쉬와 연결된 상기 회전형 고정자를 포함하고,
    상기 회전자는 풍력발전기의 블레이드와 연결되며,
    상기 회전자측 인버터부는 상기 회전자에 주입되는 전원의 크기 및 주파수 제어를 통하여 상기 이중여자 유도형 발전기의 발전량과 무효전력을 제어하고,
    상기 고정자측 인버터부는 계통과 회전자측 인버터 사이의 무효전력과 유효전력을 제어하는 것을 특징으로 하는 이중여자 유도형 발전기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 컨버터부는 2레벨컨버터, 사이클로컨버터, 멀티레벨컨버터, 매트릭스컨버터 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 이중여자 유도형 발전기.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전동기는 상기 블레이드의 회전 속도에 따라 소정의 회전속도를 갖도록 상기 회전형 고정자를 회전시키는 것을 특징으로 하는 이중여자 유도형 발전기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전동기 구동부는 계통전압 주파수 검출부, 회전자 회전속도 검출부, 회전자 입력주파수 검출부 및 전동기 속도 제어부를 포함하고,
    상기 전동기 속도 제어부는 상기 이중여자 유도형 발전기의 출력전압이 계통 주파수와 일치하도록 상기 회전형 고정자의 기계적인 속도를 제어하는 것을 특징으로 하는 이중여자 유도형 발전기.
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