KR101642619B1 - 풍력 에너지 설비의 작동 방법 - Google Patents

풍력 에너지 설비의 작동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 선택적으로 제 1 또는 제 2 작동 모드로 작동되는 풍력 에너지 설비의 작동 방법에 관한 것이다. 제 1 작동 모드에서 풍력 에너지 설비는 탁월풍과 풍력 에너지 설비의 설계에 따라 되도록 많은 전력을 생성하고, 제 2 작동 모드에서는 제 1 작동 모드에서보다 적은 전력을 생성하고, 이 경우 제 1 작동 모드에서 풍력 에너지 설비는 제 1 조절 파라미터 세트에 의해 그리고 제 2 작동 모드에서는 제 1 조절 파라미터 세트와 다른 제 2 조절 파라미터 세트에 의해 제어되고, 풍력 에너지 설비가 제 2 작동 모드에서 작동되는 경우, 제 1 조절 파라미터 세트를 이용해서 최대로 생성 가능한 전력 또는 상기 최대로 생성 가능한 전력과 제 2 작동 모드에서 실제로 생성된 전력 사이의 차이인 차동 전력이 제 2 조절 파라미터 세트에 의존해서 결정되고, 및/또는 제 2 조절 파라미터 세트는 소정의 전력 축소에 의존해서 선택된다.

Description

풍력 에너지 설비의 작동 방법{METHOD FOR OPERATING A WIND TURBINE}
본 발명은 풍력 에너지 설비의 작동 방법, 풍력 에너지 설비 및 다수의 풍력 에너지 설비를 포함하는 풍력 발전소에 관한 것이다.
풍력 에너지 설비 및 이러한 풍력 에너지 설비의 작동 방법은 충분히 공개되어 있다. 도 1은 예시적으로 나셀과 제너레이터를 구비한 타워를 포함하는 풍력 에너지 설비를 도시한다. 제너레이터로 전류를 발생시키기 위해, 나셀은 풍력에 의해 작동하는 로터 블레이드를 가진 로터를 포함한다.
일반적으로 풍력 에너지 설비는 풍력으로부터 얻은 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하여 간단하게 전기망 또는 회로망이라고도 할 수 있는 전기 회로망에 전류로 공급하는데 이용된다. 최근에 풍력 에너지 설비들이 설치되어, 전기망을 지원하는데 이용할 수 있게 되었다. 특히 인버터에 의해 전류 공급을 실시하는 풍력 에너지 설비는 회로망 내의 변화에 매우 신속하게 반응할 수 있는 능력을 특징으로 한다.
회로망 지원은 회로망 내의 각각의 상황에 따라서 예를 들어, 특히 회로망에서 단기간의 에너지 공급 과잉이 이루지는 경우에, 풍력 에너지 설비 - 또는 상응하게 다수의 풍력 에너지 설비를 포함하는 풍력 발전소 - 는 회로망으로 긍곱할 전력을 줄이는 것을 의미한다. 반대로 단기간의 에너지 공급 부족, 즉 특히 소비 전력, 즉 인출되는 전력의 단기간의, 특히 갑작스러운 증가가 예상될 때에도 풍력 에너지 설비 또는 풍력 발전소는 추가 전력을 매우 단기간에 전기 회로망에 공급할 수 있다. 이는 예를 들어, 이러한 예상이 풍력 에너지 설비 또는 전체 풍력 발전소가 축소된 전력으로 작동됨으로써, 즉 예상되는 사건이 발생하기 전에 해당 풍력 에너지 설비의 설계 및 탁월풍에 따라 가능한 것보다 적은 전력을 회로망에 공급함으로써 가능하다.
회로망의 지원을 위한 최초의 제안은 예컨대 공개공보 DE 100 22 974 호에 제안되었다. 이에 따르면, 공급되는 전력을 회로망 내 전력의 공급 과잉 또는 공급 부족에 대한 지표일 수 있는 회로망 내 주파수에 의존해서 축소하는 것이 제안되었다. 그러나 이러한 전력 감소는, 전력 감소로 인해 탁월풍에서 이용할 수 있는 것보다 적은 전력이 회로망에 공급되는 단점을 갖는다. 다시 말해서, 전력이 허비된다. 풍력 에너지 설비 사업자들은 이러한 허비되는 전력에 대한 비용을 배상받거나 적어도 상응하는 보상을 받기를 거듭 요구한다. 예를 들어 독일에서 2000년 발효된 재생 에너지법(EEG)에 따라 회로망 사업자들은 풍력 에너지 설비와 같은 재생 에너지원으로부터 이용할 수 있는 전력에 대해 배상할 의무를 갖게 되었다.
따라서 회로망 사업자들은 너무 많은 배상을 하려고 하지 않고, 풍력 에너지 설비 사업자들은 너무 적은 배상을 받으려 하지 않기 때문에, 풍력 에너지 설비에서, 가용 전력을 정확히 결정해야 하는 문제가 생긴다. 탁월풍으로부터 이용할 수 있는 것보다 적은 전력을 회로망에 공급하는 풍력 에너지 설비는 축소되어 작동된다. 따라서 축소되어 작동되는 풍력 에너지 설비의 경우, 그 만큼의 전력이 현재 탁월풍에서 얻어지는 최적의 작동점은 가상 작동점이다.
기본적으로 각각의 풍속에 최적의 작동점이 할당될 수 있다. 그러나 이는 풍속의 정확한 측정을 전제로 하고, 이는 다양한 이유에서 이론적인, 적어도 매우 부정확한 방법이다. 최근의 풍력 에너지 설비는 대형 로터 직경을 갖는다. 예를 들어 Enecron의 E126은 126 m의 로터 직경을 갖는다. 로터는 대략 10,000 qm(㎡)의 면적을 포함한다. 이러한 10,000 qm에서는 - 돌풍 및 시간에 따른 풍속의 다른 변화는 제외하더라도 - 실질적으로 균일한 풍속이 존재하지 않는다. 동시에 126 m의 로터 직경은 126 m에 의해 포함되는 영역의 고도차도 의미한다. 따라서 해당 풍력 에너지 설비의 가용 전력을 결정하기 위한 풍속 측정의 이용은, 부적절한 것은 아니지만 적어도 문제가 된다. 137의 나셀 높이의 경우에 회전자가 작용하는 고도차는 74 - 200 m이다. 기본적으로 풍력 에너지 설비의 로터는 관련 속도를 검출하기에 적합한 유일한 수단이다.
일반적으로 DE 103 00 733 B3호, EP 2 275 674 A2호, DE 100 22 974 A1호 및 DE 10 2010 026 299 A1호가 참조된다.
본 발명의 과제는 전술한 적어도 하나의 문제점을 처리하는 것, 특히 해결하는 것이다.
상기 과제는 특히 가능한 한 정확하고 확실하게 차동 전력, 즉 실제로 생성된 전력과 상황에 따라 최대로 생성 가능한 전력 사이의 차동 전력을 준수, 취급 및/또는 검출하기 위한 방법에 의해 해결된다. 생성된 전력 또는 최대로 생성 가능한 전력이란 특히 공급을 위해 풍력 에너지 설비로부터 공급되고 또는 공급될 수 있는 전력이다. 적어도 대안적인 해결 방법이 제시된다.
본 발명에 따라 청구항 제 1 항에 따른 방법이 제안된다. 이에 따라서 풍력으로부터 전력을 생성하기 위한 풍력 에너지 설비의 작동 방법이 제안되고, 이 경우 풍력 에너지 설비는 선택적으로 제 1 작동 모드 또는 제 2 작동 모드로 작동되고, 즉 2개의 모드로 작동될 수 있다. 제 1 작동 모드는 풍력 에너지 설비가 탁월풍과 풍력 에너지 설비의 설계에 따라 되도록 많은 전기 에너지 또는 전력을 생성하는 작동 모드이다. 엄밀히는, 에너지는 자연적으로 생성되지 않고 변환될 수만 있다. 그러나 실제로 이러한 변환을 에너지 생성이라고 한다. 제 2 작동 모드는 풍력 에너지 설비가 제 1 작동 모드에서보다 적은 전력을 생성하는 작동 모드이다.
제 1 작동 모드로 풍력 에너지 설비를 작동하기 위해 제 1 조절 파라미터 세트가 기본이 되고, 제 2 작동 모드에서는 상응하게 제 2 조절 파라미터 세트가 기본이 된다. 따라서, 상기 제 1 또는 제 2 조절 파라미터 세트는 각각 풍력 에너지 설비를 풍속에 의존해서 제어하는데 이용된다. 예를 들어 각각의 작동 파라미터 세트에 작동 특성곡선이 기록된다. 작동 파라미터 세트에 따라 풍력 에너지 설비가 풍속에 의존해서 작동된다는 것은, 반드시 - 그것이 가능하더라도 - 이를 위해 풍속이 측정되어야 한다는 것을 의미하는 것은 아니다. 오히려 풍속은 통상적으로 풍력 에너지 설비의 반응에 의해 검출되고 또는 내내 관련된다. 작동 거동의 상기 예시적인 작동 특성곡선에 의해 풍력 에너지 설비에 풍속이 종종 관련될 수는 있지만, 대개 풍속은 그럼에도 불구하고 값으로 공지되지 않거나 또는 적어도 공지되지 않아도 될 수 있다.
풍력 에너지 설비가 제 2 작동 모드에서, 즉 축소된 전력으로 작동되는 경우, 제 1 조절 파라미터 세트를 이용해서 최대로 생성 가능한 전력 또는 최대로 생성 가능한 전력과 실제 생성된 축소된 전력 사이의 차이로서 차동 전력이 결정된다. 이러한 결정은 제 2 조절 파라미터 세트에 의존해서 이루어진다. 즉, 제 2 조절 파라미터 세트는 특히 현재 설비 거동, 즉 예를 들어 조절되는 로터 회전속도 및/또는 조절되는 생성된 전력을 추가로 고려하여 결정된다. 특히 이러한 결정에 현재 풍속은 관여하지 않거나 또는 영향을 줄 정도로 관여하지 않는다.
추가로 또는 대안으로서 제 2 조절 파라미터 세트는 소정의 전력 축소에 의존해서 선택되고, 즉 풍력 에너지 설비에 의해 생성될 전력은 상기 전력 축소만큼 풍력 에너지 설비에 의해 현재 최대로 생성 가능한 전력에 비해 축소되어야 한다. 이 경우 기본적으로 동일한 사상, 즉 선택된 제 2 조절 파라미터 세트는 정보, 특히 최대로 생성 가능한 전력과 비교해서 생성 가능한 전력에 관한 정확한 정보를 반영한다는 사실에 기초한다.
이러한 점에서, 제 1 및 제 2 작동 모드가 구분되고, 확정된 파라미터 세트는 일반적으로 항상 관련된 풍력 에너지 설비의 제 1 작동 모드의 기초가 된다는 사실에도 주목해야 한다. 바람직하게 변동 가능하거나 또는 선택 가능한 다른 조절 파라미터 세트는 제 2 작동 모드의 기초가 된다. 따라서 예를 들어 제 2 조절 파라미터 세트는, 전력이 최대로 생성 가능한 전력에 비해 상대값, 예를 들어 10% 또는 절대값, 예를 들어 200 kW만큼 축소되는 조절 파라미터 세트이다. 따라서 상이한 전력 축소를 위해 절대 또는 상대 또는 다른 방식으로 사전 설정된 상이한 조절 파라미터 세트들이 이용될 수 있다.
예를 들어 제 2 조절 파라미터 세트로서 생성된 전력이 최대로 생성 가능한 전력보다 300 kW 작은 조절 파라미터가 사용되는 경우에, 선택된 제 2 조절 파라미터 세트에 따라 차동 전력은 300 kW이고, 즉 현재 300 kW에 대해 상응하는 배상이 요구될 수 있다는 것이 명백하다. 물론, 이는 설비가 예를 든 300 kW로 작동될 수 있고, 즉 제 2 작동 모드에서 전력이 생성되기에 충분한 풍력이 존재하는 것을 전제로 한다. 이는 또한 안전 정지 및 다른 정지도 당연히 함께 고려되어야 한다.
예컨대 최대 전력보다 예를 들어 20%의 낮은 상대적 차동 전력이 관련된 조절 파라미터 세트가 기본이 되는 경우에, 차동 전력은 변경될 수 있고, 생성된 전력을 고려해서 결정되어야 한다. 이러한 예시적인 제 2 조절 파라미터 세트에서 풍력 에너지 설비가 800 kW를 생성하면, 최대 생성 가능한 전력은 1 MW이다.
바람직하게 방법은, 제 2 조절 파라미터 세트에는 탁월풍 및 풍력 에너지 설비의 설계에 따라 제 1 조절 파라미터 세트를 이용해서 최대로 생성 가능한 전력이 관련되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 제 1 및/또는 제 2 파라미터 세트에 제 1 또는 제 2 작동 특성곡선이 할당되고 또는 파라미터 세트는 이러한 작동 특성곡선, 특히 회전속도 전력 특성곡선을 제시한다.
회전속도 전력 특성곡선에 의한 풍력 에너지 설비의 조절은 특히 부분 부하 범위, 즉 탁월풍속에 따라서 풍력 에너지 설비에 맞게 설정된 정격 전력이 생성될 수 없는 범위와 관련된다. 본 출원에서 일반적으로 전제되는, 설정 가능한 로터 블레이드 각도를 갖는 회전속도 가변 풍력 에너지 설비의 경우, 부분 부하 범위에서는 대개 정해진 로터 블레이드 각도가 설정된다. 풍력 에너지 설비는 풍력과 설정된 로터 블레이드 각도에 따라 회전되고, 상기 회전속도가 검출된다. 저장된 회전속도 전력 특성곡선에 따라 상기 회전속도에 관련된 전력이 설정된다. 이러한 설정 및 제시된 전력은 상응하게 제너레이터에 의해 로터를 제동하므로, 상기 전력은 로터 회전속도에 영향을 미친다. 예를 들어 로터 회전속도가 계속 증가하면, 전력도 로터 회전속도가 더 이상 증가하지 않는 작동점이 찾아질 때까지 계속 증가한다. 이는 회전속도 및 전력에 의해 결정된 작동점에 상응하고, 저장된 회전속도 전력 특성곡선에서 다시 발견된다. 이러한 방식으로 기본적으로 연속해서 작동점이 조절되고, 경우에 따라서 변경되는 풍속이 트래킹된다. 상기 방법은 풍속의 명확한 측정을 필요로 하지 않고, 회전속도의 검출과 이로 인해 또한 자연적으로 검출되는 전력의 설정에 의해서만 기능한다.
바람직하게는 이러한 또는 다른 적합한 풍력 에너지 설비 제어를 위해 제 1 조절 파라미터 세트는 제 1 로터 블레이드 각도를 기반으로 하고, 제 2 조절 파라미터 세트는 제 2 로터 블레이드 각도를 기반으로 하며, 상응하게 조절된다. 가변적일 수도 있고 또는 상이한 제 2 조절 파라미터 세트들에 대해서도 상이할 수 있는 제 2 로터 블레이드 각도는 풍력으로부터 제 1 로터 블레이드 각도보다 작은 전력 수율을 가능하게 한다는 가정 하에, 이와 관련해서 전력 축소가 달성될 수 있다. 바람직하게 제 2 조절 파라미터 세트의 로터 블레이드 각도는 작은 CP-값을 갖는다. 바람직하게 풍력 에너지 설비는 제 2 작동 모드에서 더 낮은 효율로 작동된다. 제 2 작동 모드에서 생성된 전력 대 인출된 전력의 비율은 낮아지거나 또는 작아진다. 이는 예를 들어 낮은 또는 작은 CP-값을 갖는 로터 블레이드 각도를 이용함으로써 달성될 수 있다.
바람직하게는 제 2 조절 파라미터에 관련되고 제 1 조절 파라미터 세트를 이용해서 생성 가능한 전력은 전체 또는 부분적으로 비교 측정, 보간 및/또는 외삽에 의해 사전에 검출된다. 특히 설비 거동의 측정은 제 1 조절 파라미터 세트 및 제 2 조절 파라미터 세트를 이용해서 이루어진다. 이는 예를 들어, 풍력 에너지 설비가 동일한 풍력 조건에서 제 1 및 제 2 조절 파라미터 세트에 의해 연속해서 작동되도록 이루어질 수 있으므로, 이로 인해 관련성 밝혀질 수 있다. 이는 정확성과 안전성을 높이기 위해 반복될 수 있고, 다양한 풍력 조건에서 상응하게 실행되고, 마찬가지로 반복될 수 있다. 중간값들은 보간 또는 외삽될 수 있다.
다른 또는 보완적인 변형예는, CP-값을 로터 블레이드 각도 설정시마다 정확하게 검출하고 또는 결과되는 설비 거동을 추가로 정확히 검출하는 것이다. 따라서 예를 들어 비교를 통해 제 1 조절 파라미터 세트의 로터 블레이드 각도의 CP-값들은 제 2 조절 파라미터 세트에 따른 CP-값 또는 CP-값들과 관련시킬 수 있다. CP-값은 - 간단히 말해서 - 로터 블레이드의 효율이고, 이 경우 상기 효율과 CP-값은 로터 블레이드 각도에 의존한다. 제 1 및 제 2 조절 파라미터 세트 사이의 전력의 특정 관련성을 얻기 위해, 제 2 조절 파라미터의 로터 블레이드 각도는 - 부분 부하 범위와 관련되더라도 - 일정하지 않은 것이 바람직할 수 있다. 따라서 예를 들어 제 1 조절 파라미터 세트는 일정한, 즉 최적의 로터 블레이드 각도를 이용하는 부분 부하 범위의 제 1 작동 모드를 위해 제공될 수 있고, 제 2 조절 파라미터 세트는 가변 로터 블레이드 각도를 이용하는 제 2 작동 모드를 위해 제공될 수 있다. 따라서 제 2 조절 파라미터 세트의 로터 블레이드 각도는 풍속에 따라 변경될 수 있고, 따라서 이 경우에도 상기 풍속의 측정을 반드시 하지 않아도 된다.
바람직하게 특히 부분 부하 작동에서 풍력 에너지 설비의 거동은 하나 이상의 로터 블레이드 각도에 의존해서 측정된다. 바람직하게 이로써 하나 이상의 조절 파라미터 세트, 특히 회전속도 전력 특성곡선이 가능한 제 2 조절 파라미터 세트로서 설정된다. 상기 제 2 조절 파라미터 세트는 소정의 요구에 따라, 특히 소정의 전력 축소에 따라 선택될 수 있다.
실시예에 따라, 로터 블레이드 각도의 적절한 변경에 의해 부분 부하 범위에서 CP-값을 예정된 값 또는 예정된 다른 방식으로 줄이고, 그에 상응하는 로터 블레이드 각도 또는 그에 상응하는 로터 블레이드 각도 특성을 기록하는 것이 제안된다. 따라서 부분 부하 범위에서도 예를 들어 작아진 CP-값에 풍속에 의존하는 로터 블레이드 각도 특성이 기록되어 기본으로 설정될 수 있다. 기록된 이러한 로터 블레이드 각도 또는 로터 블레이드 각도 특성곡선은 관련된, 축소된 작동점의 최소 로터 블레이드 각도로서 간주될 수도 있다.
전술한 전력 축소는 특히 부분 부하 범위에서 효율적이고 바람직한데, 그 이유는 이 경우 최대로 생성 가능한 전력에 관한 복잡한 정보들이 얻어질 수 있기 때문이다. 마찬가지로 전부하 범위에서도 바람직한 적용 가능성이 제공된다. 특히 축소되어 작동되는 풍력 에너지 설비에서, 현재 작동이 제 2 작동 모드에서 이루어지는 경우 상기 풍력 에너지 설비가 전부하 범위에서 제 1 작동 모드로 작동될지 여부는 검출될 수 없다. 일반적으로 설비의 작동에 의해 비로소, 상기 설비가 전부하 작동 상태인지 또는 풍력 에너지 설비가 전부하 작동으로 작동될 수 있는 범위에 탁월풍이 존재하는지 여부가 검출된다.
또한, 풍력으로부터 전력을 생성하기 위한 풍력 에너지 설비가 제안되고, 이 경우 풍력 에너지 설비는 전술한 실시예들 중 하나에 따른 본 발명에 따른 방법으로 작동되도록 준비된다. 특히 풍력 에너지 설비는 전술한 실시예들 중 하나에 따른 적어도 하나의 방법이 실행되는 마이크로컨트롤러 또는 다른 컴퓨터 유닛을 포함한다. 바람직하게 각각의 풍력 에너지 설비에 설치 지역에 따라서 상이한 파라미터 세트가 지정되거나 또는 현장에서 산출될 수 있다. 특히 조절 파라미터 세트들은 예를 들어 상이한 설치 장소에 설치된 실질적으로 동일한 구조의 풍력 에너지 설비에서 상이할 수 있다. 따라서 특히 공기 밀도 및/또는 습도가 설비 거동에 영향을 미치고, 경우에 따라서 상이한 작동 모드들의 상호 비율에 영향을 미칠 수 있다.
또한, 다수의 풍력 에너지 설비를 포함하는 풍력 발전소가 제안되고, 상기 풍력 발전소는 적어도 하나의 전술한 풍력 에너지 설비를 포함하고, 바람직하게는 다수의 상기 풍력 에너지 설비를 포함하고, 특히 상기 풍력 에너지 설비로만 구성된다. 이로써 상당한 규모의 공급 전력 및 상당한 규모의 조절 전력이 제공될 수 있고, 이 경우 가능한 차동 전력이 계산될 수 있다.
바람직하게 발전소의 풍력 에너지 설비의 조절 파라미터 세트들은 서로 관련되므로, 예를 들어 풍력 에너지 설비의 설비 거동으로부터, 특히 출력된 전력으로부터 그리고 거기에서 사용된 조절 파라미터 세트의 정보로부터 다른 풍력 에너지 설비의 최대로 생성된 전력이 추론될 수 있다.
하기에서 본 발명은 실시예를 참고로 첨부된 도면과 관련해서 예시적으로 설명된다.
도 1은 풍력 에너지 설비의 사시도이다.
도 2는 일시적으로 축소된 전력의 개략적인 전력 시간 다이어그램이다.
도 3은 시간에 따라 해당 전력과 풍속의 변화를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 상이한 로터 블레이드 각도에 따라 상이한 CP-값들에 대한 전력과 풍속의 관계를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 상이한 로터 블레이드 각도에 대해 가능한 두 개의 전력 변화를 풍속에 따라서 도시한 도면이다.
하기에서 동일한 도면부호 또는 동일한 변수 기호는 상이한 특정 작동 상태에 포함될 수 있고, 기본적으로 동일한 부재, 물리적 변수 또는 설정과 관련된다.
도 1은 본 발명에 따른 방법이 실행되는 기본적으로 공개된 풍력 에너지 설비를 도시한다. 로터 블레이드는 그 로터 블레이드 각도를 조절할 수 있다.
도 2는 풍력 에너지 설비에 의해 최대로 생성될 전력을 정해진 값만큼 축소하는 기본 요구를 개략적으로 바람직하게 도시한다. 즉, 실선은 풍력 에너지 설비에 의해 최대 전력이 생성되는 제 1 작동 모드 동안 전력(P1)을 도시하고, 다시 말해서 상기 전력은 탁월풍 조건에 따라 형성될 수 있다. 이는 하기에서 정격 전력이라고도 할 수 있다. 전력 특성곡선은 파선으로 P2로 표시되어 도시되고, 상기 전력 특성곡선은 풍력 에너지 설비의 제 2 작동 모드를 나타내고, 상기 제 2 작동 모드에서 상기 풍력 에너지 설비는 도 2에 예시적으로 10%로 나타낸 축소된 값으로 작동된다. 이는 시점(t1)부터 이루어진다. P1과 P2 사이의 이러한 차동 전력은, 풍력 에너지 설비가 제 2 작동 모드에서 전력(P2 )으로 작동되는 경우에, 상기 차동 전력을 예컨대 보상할 수 있거나 또는 예비 설정하기 위해 결정될 수 있다.
도 3은 실제 조건에서 일반적으로 일정한 풍속 및 일정한 전력이 전제되지 않을 수 있는 것을 설명한다. 여기에서 풍속(VW)은 시간(t)에 따라 기재된다. 문제점을 설명하기 위해 풍속(VW)은 고도에 따라 변한다.
전력 특성곡선은 P1으로 표시되고, 이것은 해당 풍력 에너지 설비로 탁월풍(VW)에 의해 얼마나 많은 전력이 최대로 생성 가능한지를 나타낸다. 기본적으로 풍속과 그로부터 생성 가능한 전력 사이의 입방 관계(cubic relationship)가 형성된다. 이러한 비선형 관계는 도 3에 도시된다. 또한, 도 3은 문제점을 설명하기 위해 전력 변화(P1)를 개략적으로만 도시한다. 시점(t1)에 최대로 생성 가능한 전력(P1)이 전력(P2)으로 축소된다. 실행된 축소는 ΔP로 표시된다.
도 3은 풍력이 변동하고 그에 따라 출력 전력이 변동하는 경우에 차동 전력을 결정하는 것이 어려운 것을 설명한다.
해결 방법으로서, 부분 부하 범위에서도 상이한 로터 블레이드 각도, 즉 α1, α2 및 α3를 설정하는 것이 제안된다. 도 4는 풍속 및 로터 블레이드 각도의 선택에 따른 생성 가능한 전력의 상이한 레벨을 설명하고, 이 경우에도 로터 블레이드 각도(α1, α2 및 α3)가 예시적으로 도시된다. 따라서 각각의 로터 블레이드 각도에 상이한 CP-값이 기재된다. 로터 블레이드 각도(α1)에 대해 CP-값은 CP1 = 100%, 즉 최대로 달성 가능한 CP-값이 적용된다. 그와 달리 로터 블레이드 각도(α2)는 약간 변경되고, 약간 감소한 CP-값, 즉 CP2 = 90%를 갖고, 따라서 대략 90%의CP2는 여기에서 기본으로 설정된 CP1의 값보다 작다. 예시적으로 기재된 다른 곡선의 경우 로터 블레이드 각도(α3)에 대해 CP3 = 40%가 주어진다.
도 4는 설정된 로터 블레이드 각도에 따라 풍속에 의존하는 상이한 전력이 달성될 수 있는 것 뿐만 아니라, 항상 기본적으로 공개된 관련성이 전제될 수 있는 것을 설명한다. 경우에 따라서 이러한 관련성은 특정 설비를 위해서만 결정되어야 한다. 물론, 이 경우에도 풍속이 상이한 장소 및 상이한 시간에 대해 동일하지 않은 것을 고려하면, 약간의 편차가 발생할 수 있다.
그러나 전력을 풍속에 따라 다양한 로터 블레이드 각도에 대해 매우 양호하게 할당할 수 있다. 따라서 예를 들어 α2의 로터 블레이드 각도일 때 전력으로부터 로터 블레이드 각도를 α1로 설정한 상황에서 생성 가능한 전력이 추론될 수 있다.
적절한 실행이 도 5에서 설명되고, 상기 도면은 풍속에 의존하는 2개의 가능한 전력 특성곡선을 도시한다. 2개의 특성곡선, 즉 로터 블레이드 각도(α1)와 로터 블레이드 각도(α2)에 지정된 특성곡선들은 풍력 에너지 설비가 작동 시작되는 풍속(VWEin)에서 시작되고, 상기 풍속은 부분 부하 범위의 시작을 나타낸다. 2개의 전력 특성곡선은 정격 풍속(VWN)까지 증가하고, 상기 풍속은 부분 부하 범위의 종료를 나타내고, 따라서 상기 부분 부하 범위는 VWEin과 VWN 사이에 놓인다. 2개의 특성곡선의 선형 추이만이 나타난다. α2에 대한 전력 특성곡선은 제 2 작동 모드에 해당하고, 상기 특성곡선에서 풍력 에너지 설비는 축소되어 작동된다. 로터 블레이드 각도(α1)에 대한 특성곡선은 비축소 작동이라고 한다. 도시된 예에서 전부하 범위 동안, 즉 VWN 이상의 풍속에서 거의 일정하고, 부분 부하 범위 동안은 관련 전력에 비례하는 차동 전력(ΔP)이 기재된다.
도 5는 설정된 로터 블레이드 각도에 따라서 2개의 특성곡선이 형성될 수 있는 것을 설명한다. 상기 특성곡선들은 풍속에 따라서 기재되고, 근거에 대해 공개되어 있다. 전력점이 예를 들어 로터 블레이드 각도(α2)에 관한 특성곡선에 설정되면, 다른 특성곡선의 상응하는 작동점이 결정될 수 있는데, 그 이유는 2개의 특성곡선들이 공개되어 있기 때문이다. 예를 들어, 이 경우 로터 블레이드 각도(α2)의 사용 시 작동점(B2)이 기재되고, 로터 블레이드 각도(α1)의 사용 시 특성곡선의 상응하는 작동점(B1)이 기재된다. 즉, 작동점(B2)이 설정되면, 작동점(B1) 및 최대로 생성 가능한 전력이 직접 결정될 수 있고 또는 특성곡선으로부터 추론될 수 있다. 풍속(VW)에 따라서 설명하더라도, 근거가 되는 풍속의 명확한 정보 또는 명칭은 불필요하다. 풍속의 정보 없이 작동점(B2)이 설정되고, 작동점(B1)이 결정될 수 있고, 또한 그로부터 직접 차동 전력(ΔP)이 형성된다.
따라서 바람직하게 회로망 사업자의 요구에 응답해서, 즉 실제 공급된 유효 전력의 백분율의 유효 전력을 보유할 수 있고, 상기 유효 전력은 임계적인 회로망 상황에서, 특히 저주파수일 때 회로망 지원을 위해 다시 방출될 수 있다. 보완적으로 하기에서 예를 들어 더 설명된다.
실제 공급 전력에 따라서 유효 전력을 보유하는 것은, 부분 부하 범위의 풍력 에너지 설비에서는 어렵다. 설비의 제한에 의해 설비의 공기 역학적 상태가 변경되고, 이는 실제 풍속의 검출 및 그로 인해 가능한 공급 전력을 경우에 따라서 거의 불가능하게 만든다.
설비, 즉 풍력 에너지 설비의 효율의 인위적으로 의도하여 제어된 저하에 의해, 부분 부하 작동에서도 설비 레벨 및 풍력 발전소 레벨의 유효 보유 전력이 달성되고, 경우에 따라서는 보장될 수 있다. 정격 부하 작동 시 최대 전력의 제한에 의해 캡핑(capping), 즉 예비 전력의 제공이 이루어진다.
스카다(SCADA)-시스템에 의해 중앙 제어식으로 발전소 전체가 보유 전력으로 작동될 수 있다. 예비 전력의 방출은 예를 들어 회로망 주파수에 설정될 수 있고, 따라서 그것에 의해 결정될 수 있다. 회로망 주파수는 기본적으로 회로망 내 어디에서나 동일하고, 위협적인 저주파수는 전기 공급망의 약화를 신호화한다.
부분 부하 범위에서 효율 저하는 최소 블레이드 각도의 의도한 설정에 의해, 즉 부분 부하 범위에서 로터 블레이드 각도의 의도한 설정에 의해 달성된다. 설비 모델마다 또는 직렬 설비의 경우에는 블레이드 프로파일마다, 경우에 따라서 개별 설비마다 한 번씩 최소 블레이드 각도를 위한 회전속도 의존 특성곡선이 조사되고, 상기 특성곡선은 관련된 백분율의 보유 전력을 반영한다. 이러한 보유 전력은 이와 관련해서 최대로 생성 가능한 전력과 보유 전력의 제공 시 축소된 전력 사이의 차동 전력으로 파악될 수 있고 또는 차동 전력이라고 할 수 있다.
제안된 해결 방법은 이와 관련해서도 저렴하게 이용될 수 있는데, 그 이유는 경우에 따라서 한 번의 소프트웨어 비용만을 필요로 할 수 있기 때문이다.
그 동안 거의 모든 회로망 사업자들은, 설비가 전력 변동이 이루어지는 회로망 내의 주파수 변동에 자동으로 반응하거나 또는 반응할 수 있도록 요구하고 있다. 회로망 사업자들의 요구는 매우 다양할 수 있기 때문에, 다수의 새로운 파라미터를 도입하는 것이 필요할 수 있고, 상기 파라미터는 예를 들어 또는 부분적으로 설비 디스플레이에서만 조정될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 프로그램의 사용 시 먼저 다수의 회로망 사업자의 요구를 충족하는 주파수에 따른 전력 조절 장치의 초기화가 자동으로 한 번 실행될 수 있다. 그러나, 각각의 설비에서 회로망 사업자와 협업 시 설정들이 회로망 사업자의 요구에 부합하는지 여부를 확인하는 것이 필요할 수 있다.
설비의 디스플레이에서, 주파수 조절 장치를 스위치 온 및 오프할 수 있다. 상기 장치가 스위치 온 되면, 설비는 주파수 편차에 동적으로 반응해야 하는지 또는 정적으로 반응해야 하는지 선택될 수 있다.
동적 조절 시 사전 설정된 주파수를 초과할 경우 설비의 전력은 정해진 구배로 - 즉 예를 들어 초 당 정해진 백분율 값으로 - 감소하고 또는 주파수가 다시 한계값 미만으로 감소하면 다시 증가한다.
정적 조절 시 전력은, 어느 정도의 주파수 한계와 그와 관련된 어느 정도의 전력이 설정되어 있는지에 따라 주파수에 비례해서 조절된다.
몇몇 회로망 사업자는 소위 "리턴 주파수"를 요구한다. 상기 리턴 주파수는 일반적으로 정격 주파수보다 약간만 높다. 이러한 리턴 주파수는, 주파수 증가 시 설비가 전력을 축소하게만 한다. 주파수가 다시 리턴 주파수 아래로 감소하는 경우에, 전력은 다시 증가하다. 리턴 주파수가 상한 조절 주파수보다 높게 설정되는 경우에, 상기 리턴 주파수는 효과가 없다.
또한, 주파수 조절 장치가 정상적인 설비 전력에 따라서 작동해야 하는지 또는 현재 설비 전력에 따라서 작동해야 하는지가 설정될 수 있다. 기준점으로서 정격 전력이 선택되는 경우에, 주파수에 의존하는 전력 조절의 모든 설정값은 상기 전력과 관련된다. 즉, 설비가 예를 들어 51 Hz에서 50% 전력을 더 만들어야 하는 경우에, 이것은 2 MV의 정격 전력에서 1,000 kW의 P-MAX(f)에 상응할 수 있다. 그러나 설비가 약한 풍력으로 인해 500 kW로만 가동하는 경우에, 이는 설비 전력에 작용할 수 없을 것이고 따라서 설비는 주파수 조절을 지원할 수 없을 것이다.
기준점으로서 현재 설비 전력을 선택하면, 주파수 조절이 시작되는 순간에 설비 전력은 100%-값으로 저장된다. 계속해서 주파수의 증가 시 P-MAX(f)는 상기 값과 관련된다. 즉, 설비는 상기 예에서 51 Hz에서 250 kW만 만들 수 있고 따라서 풍력 제공과 무관하게 회로망 주파수의 안정화를 지원하게 될 것이다.
주파수 조절의 핵심은 소위, 이미 설명된 보유 전력이다. 이 경우 설비는 정격 주파수의 범위에서 축소된 전력으로 작동된다. 이는 정격 풍력에서 P-MAX의 제한에 의해 이루어진다. 부분 부하 작동 시 설비는 요구되는 예비 조절을 실행하는 블레이드 각도로 작동된다. 블레이드 각도로부터 예비 조절이 추론될 수 있다. 현재 회로망 주파수가 예를 들어 49.5 Hz의 특정 값 아래로 감소하는 경우에, 설비는 자동으로 전력을 증가시키고, 회로망 주파수를 지원하다. 상기 보유 전력은 드물게 사용되는 옵션이다. 설비가 항상 전력을 보유해야 하는 경우에, 이것은 상황에 따라서 높은 수율 손실을 의미한다. 발전소 조절의 활성화 시 보유 전력은 발전소 컴퓨터에 의해서도 사전 설정될 수 있다.

Claims (9)

  1. 풍력으로부터 전력을 생성하기 위한 풍력 에너지 설비의 작동 방법으로서, 상기 풍력 에너지 설비는 선택적으로 제 1 또는 제 2 작동 모드로 작동되고,
    상기 풍력 에너지 설비는 제 1 작동 모드에서 탁월풍과 풍력 에너지 설비의 설계에 따라 되도록 많은 전력을 생성하고,
    상기 풍력 에너지 설비는 제 2 작동 모드에서 제 1 작동 모드에서보다 적은 전력을 생성하고,
    풍력 에너지 설비는 제 1 작동 모드에서 제 1 조절 파라미터 세트에 의해 그리고 제 2 작동 모드에서는 제 1 조절 파라미터 세트와 다른 제 2 조절 파라미터 세트에 의해 제어되고, 상기 제 1 조절 파라미터 세트는 제 1 작동 특성곡선을 제 1 회전속도 전력 특성곡선으로서 제시하며, 상기 제 2 조절 파라미터 세트는 제 2 작동 특성곡선을 제 2 회전속도 전력 특성곡선으로서 제시하고, 로터의 회전속도가 측정되며,
    상기 풍력 에너지 설비가 제 2 작동 모드에서 작동되는 경우, 전력은 측정된 상기 로터의 회전속도 및 상기 제 2 회전속도 전력 특성곡선에 기초하여 생성되되, 제 1 조절 파라미터 세트를 이용해서 최대로 생성 가능한 전력 또는 상기 최대로 생성 가능한 전력과 제 2 작동 모드에서 실제로 생성되는 전력 사이의 차이인 차동 전력이 제 2 조절 파라미터 세트에 의존해서 결정되고,
    상기 제 2 조절 파라미터 세트는 요구되는 전력 축소에 의존해서 선택되므로, 상기 풍력 에너지 설비에 의해 생성될 전력은 풍력 에너지 설비에 의해 제 1 작동 모드에서 최대로 생성 가능한 전력에 비해 상기 전력 축소 만큼 작아야 하는 것을 특징으로 하는 풍력 에너지 설비의 작동 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 조절 파라미터 세트에 각각 탁월풍 및 풍력 에너지 설비의 설계에 따라 제 1 조절 파라미터 세트를 이용해서 최대로 생성 가능한 전력이 관련되는 것을 특징으로 하는 풍력 에너지 설비의 작동 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 풍력 에너지 설비는 조절 가능한 로터 블레이드 각도를 갖는 로터 블레이드를 포함하고, 풍속이 정격 풍속보다 낮은 부분 부하 범위에 대해 제 1 조절 파라미터 세트는 제 2 조절 파라미터 세트와 다른 로터 블레이드 각도를 기반으로 하는 것을 특징으로 하는 풍력 에너지 설비의 작동 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 조절 파라미터 세트는 풍력 에너지 설비가 제 2 작동 모드에서 제 1 작동 모드보다 낮은 효율로 작동되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 풍력 에너지 설비의 작동 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 제 2 조절 파라미터 세트는 제 1 조절 파라미터 세트보다 작은 cp-값을 갖는 로터 블레이드 각도를 기반으로 하는 것을 특징으로 하는 풍력 에너지 설비의 작동 방법.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 조절 파라미터 세트에 관련되고 상기 제 1 조절 파라미터 세트를 이용해서 생성 가능한 전력은 전체 또는 부분적으로 비교 측정, 보간 또는 외삽에 의해 사전에 검출되는 것을 특징으로 하는 풍력 에너지 설비의 작동 방법.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 부분 부하 작동에서 풍력 에너지 설비의 거동은 하나 이상의 로터 블레이드 각도에 의존해서 측정되고, 이로써 회전속도 전력 특성곡선을 포함한 하나 이상의 조절 파라미터 세트가 가능한 제 2 조절 파라미터 세트로서 설정되는 것을 특징으로 하는 풍력 에너지 설비의 작동 방법.
  8. 풍력으로부터 전력을 생성하기 위한 풍력 에너지 설비로서, 상기 풍력 에너지 설비는 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 풍력 에너지 설비의 작동 방법으로 작동될 수 있도록 준비되고, 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 적어도 하나의 풍력 에너지 설비의 작동 방법이 실행되는 마이크로컨트롤러를 포함하는 풍력 에너지 설비.
  9. 제 8 항에 따른 다수의 풍력 에너지 설비를 포함하는 풍력 발전소.
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