KR102040604B1 - 풍력발전 시스템을 위한 전력 품질 시험 장치 및 방법, 그리고 이를 이용하는 시스템 - Google Patents

풍력발전 시스템을 위한 전력 품질 시험 장치 및 방법, 그리고 이를 이용하는 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 계통과 다른 전력 주파수를 갖는 풍력발전 시스템에서 생산한 전력에 대한 전력 품질 시험을 수행할 수 있도록 하는 풍력발전 시스템의 전력 품질 시험 장치에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 계통의 전력 주파수를 전력 품질 시험 대상인 풍력발전 시스템에서 생산되는 전력의 주파수와 동일하게 변환하는 모의 계통부; 및 상기 모의 계통부를 통해 상기 풍력발전 시스템에서 생산하는 전력과 동일한 전력 주파수를 갖는 모의 계통 환경이 만들어지면, 상기 풍력발전 시스템에서 생산되는 전력에 대한 품질을 측정하는 전력 품질 측정부를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
이에 따라, 본 발명은 풍력발전 시스템에서 생산하는 전력과 동일한 전력 주파수를 갖는 모의 계통 환경을 만들어 계통과 다른 전력 주파수를 갖는 풍력 발전 시스템의 전력 품질 시험을 수행할 수 있게 된다.

Description

풍력발전 시스템을 위한 전력 품질 시험 장치 및 방법, 그리고 이를 이용하는 시스템{POWER QUALITY TEST APPARATUS AND METHOD FOR WIND POWER GENERATION SYSTEM, AND SYSTEM USING THE SAME}
본 발명은 풍력발전 시스템의 전력 품질 시험 장치에 관한 것으로서, 특히 계통과 다른 전력 주파수를 갖는 풍력발전 시스템에서 생산한 전력에 대한 전력 품질 시험을 풍력발전 인증에서 요구되는 기준에 맞게 수행할 수 있도록 하는 풍력발전 시스템의 전력 품질 시험 장치에 관한 것이다.
최근 전력 수요의 급증에 따라 전력 인프라의 확충이 매우 중요한 문제로 부각되고 있다. 전력 수요의 증가는 전기를 사용하는 가정용 생활기기의 증가와 함께 상가, 공장용 전력 부하의 증가에 따른 것이다. 이러한 전력 수요의 경우 특정 계절, 특정 시간대에 사용되는 전력 부하가 급격하게 증가하면서 상시 대기전력의 부족분을 초래하고, 정전과 같은 사고 발생의 원인이 된다. 이러한 문제의 발생 방지를 위해 전력 인프라를 확충하고 사용을 제한하는 등의 다양한 시도가 이루어지고 있다.
이를 해소하기 위한 방안 중 하나로 태양광, 풍력, 파력, 지열발전, 메탄가스를 이용한 화력발전 등과 같은 대체에너지 또는 천연의 청정에너지를 이용한 방법이 주목받고 있다. 특히 자연 바람에 의해 얻을 수 있는 풍력 에너지에 대한 관심이 증가하고 있다.
자연 바람에 의해 풍력 에너지를 얻는 풍력발전 시스템은 다양한 형태의 풍차를 이용하여 바람의 운동 에너지를 기계적 에너지로 변환하고, 기계적 에너지로 발전기를 구동하여 전력을 얻어내는 시스템으로, 환경 친화적이고, 무한정의 자원을 이용하는 등 여러 가지 이점이 많은 신 재생에너지원이라 할 수 있다.
이러한, 풍력발전 시스템은 일반적으로 풍력발전기를 대규모 병렬 연계하는 대규모 단지를 조성하여 전력을 생산하고, 이를 전력계통에 연계하여 운영한다.
전술한 바와 같이, 전력계통에 연계하여 운영되는 풍력발전 시스템은 해당 주파수 계통에 대한 전력품질 시험을 인증규격에 따라 수행해야 해당 주파수 국가에 풍력발전 시스템을 설치 또는 판매할 수 있다.
한편, 우리나라를 비롯하여 미국, 캐나다 등에서는 1초 동안에 파형의 방향이 60회 변화는 60Hz의 전력 주파수를 사용하고, 영국, 독일 등 유럽에서는 50Hz의 전력 주파수를 주로 사용한다.
이와 같이, 각 나라마다 하나의 전력 주파수를 이용(일본은 제외)하여 계통을 운영하는 데, 60Hz의 전력 주파수를 사용하고 있는 국가(예를 들어, 우리나라)에서는 60Hz의 전력을 생산하는 풍력발전 시스템에 대해서만 전력 품질을 시험할 수 있다. 즉, 종래에는 60Hz의 전력 주파수를 사용하고 있는 국가에서 50Hz의 전력을 생산하는 풍력발전 시스템의 전력 품질을 시험하고자 하는 경우, 계통과 풍력발전 시스템의 전력 주파수가 서로 일치하지 않아 50Hz의 전력을 생산하는 풍력발전 시스템의 전력 품질을 시험할 수 없게 된다. 마찬가지로 50Hz의 전력 주파수를 사용하고 있는 국가(예를 들어, 독일)에서 60Hz의 전력을 생산하는 풍력발전 시스템의 전력 품질을 시험하고자 하는 경우, 계통과 풍력발전 시스템의 전력 주파수가 서로 일치하지 않아 60Hz의 전력을 생산하는 풍력발전 시스템의 전력 품질을 시험할 수 없게 된다.
이에 따라, 종래에는 60Hz의 전력 주파수를 사용하고 있는 국가에서 50Hz의 전력을 생산하는 풍력발전 시스템의 전력 품질 시험을 수행하고자 하는 경우, 50Hz를 사용하는 국가에 시제품을 설치하여 전력 품질 시험을 수행해야 하는 번거로운 문제점이 있다.
한국공개특허공보 제10-2011-0112680호
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 풍력발전 시스템의 전력 주파수가 계통과 다른 경우, 계통의 전력 주파수를 풍력발전 시스템에서 생산하는 전력과 동일한 전력 주파수로 변환함으로써, 풍력발전 시스템에서 생산하는 전력과 동일한 전력 주파수를 갖는 모의 계통 환경을 만들어 계통과 다른 전력 주파수를 갖는 풍력발전 시스템의 전력 품질 시험을 수행할 수 있도록 하는 풍력발전 시스템의 전력 품질 시험 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전 시스템의 전력 품질 시험 장치는, 계통의 전력 주파수를 전력 품질 시험 대상인 풍력발전 시스템에서 생산되는 전력의 주파수와 동일하게 변환하는 모의 계통부; 및 상기 모의 계통부를 통해 상기 풍력발전 시스템에서 생산하는 전력과 동일한 전력 주파수를 갖는 모의 계통 환경이 만들어지면, 상기 풍력발전 시스템에서 생산되는 전력에 대한 품질을 측정하는 전력 품질 측정부를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명의 풍력발전 시스템의 전력 품질 시험 장치에 따르면, 풍력발전 시스템에서 생산하는 전력과 동일한 전력 주파수를 갖는 모의 계통 환경을 만들어 계통과 다른 전력 주파수를 갖는 풍력 발전 시스템의 전력 품질 시험을 수행할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템의 전력 품질 시험 장치의 구성을 개략적으로 보인 도면.
도 2는 제1안에 따른 모의 계통부를 포함하는 풍력 발전 시스템의 전력 품질 시험 장치의 구성을 개략적으로 보인 도면.
도 3은 제2안에 따른 모의 계통부를 포함하는 풍력 발전 시스템의 전력 품질 시험 장치의 구성을 개략적으로 보인 도면.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 풍력발전 시스템의 전력 품질 시험 장치에 대해서 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 풍력 발전 시스템의 전력 품질 시험 장치를 설명하기에 앞서, 본 발명에 적용되는 풍력발전 시스템에서 생산되는 전력과 계통의 전력 주파수는 서로 다름을 밝힌다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템의 전력 품질 시험 장치의 구성을 개략적으로 보인 도면이다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 본 발명에 따른 풍력 발전 시스템의 전력 품질 시험 장치는 모의 계통부(30), 전력 품질 측정부(20)를 포함하여 이루어진다.
이와 같은 구성에 있어서, 모의 계통부(30)는 계통(40)의 전력 주파수를 전력 품질 시험 대상인 풍력발전 시스템(10)에서 생산되는 전력의 주파수와 동일하게 변환하여, 인증규격에서 요구하는 계통의 요구조건을 만족하도록 풍력발전 시스템(10)에서 생산하는 전력과 동일한 전력 주파수를 갖는 모의 계통 환경을 만든다.
이와 같이, 모의 계통부(30)를 통해 풍력발전 시스템(10)에서 생산하는 전력과 동일한 전력 주파수를 갖는 모의 계통 환경을 만듦으로써, 전력 품질 측정부(20)에서 계통(40)과 다른 전력 주파수를 갖는 풍력발전 시스템(10)의 전력 품질 즉, 풍력발전 시스템(10)의 운전에 따라 출력되는 전력에 대한 모의 계통부(30)의 영향성을 측정할 수 있게 된다.
예를 들어, 계통(40)에서 운영되는 전력의 주파수가 60Hz이고, 전력 품질 시험 대상인 풍력발전 시스템(10)에서 생산하는 전력의 주파수가 50Hz인 경우, 모의 계통부(30)는 계통(40)의 전력 주파수(60Hz)를 풍력발전 시스템(10)에서 생산되는 전력의 주파수(50Hz)와 동일하게 50Hz로 변환한다. 그리고, 계통(40)에서 운영되는 전력의 주파수가 50Hz이고, 풍력발전 시스템(10)에서 생산하는 전력의 주파수가 60Hz인 경우, 모의 계통부(30)는 계통(40)의 전력 주파수(50Hz)를 풍력발전 시스템(10)에서 생산되는 전력의 주파수(60Hz)와 동일하게 60Hz로 변환한다.
전술한, 모의 계통부(30)는 계통(40)의 전력을 주파수만 변환하고, 그외 전압 및 전류에는 영향을 주지 않도록 하는 것이 바람직하다.
전력 품질 측정부(20)는 모의 계통부(30)를 통해 풍력발전 시스템(10)에서 생산하는 전력과 동일한 전력 주파수를 갖는 모의 계통 환경이 만들어지면, 풍력발전 시스템(10)의 운전에 따른 모의 계통부(30)의 영향성 즉, 전력 품질에 대해 측정한다.
도 1에서, 풍력발전 시스템(10)은 바람의 운동 에너지를 기계적 에너지로 변환하고, 기계적 에너지로 발전기를 구동하여 전력을 얻어내는 시스템이다.
그리고, 계통(40)은 풍력발전 시스템(10)이 연계된 전력 계통을 의미한다.
도면기호 T/R은 트랜스포머(Transformer)로, 트랜스포머(T/R)는 전자기 유도 현상을 이용하여 교류의 전압이나 전류의 값을 변화시킨다.
도 2는 제1안에 따른 모의 계통부를 포함하는 풍력 발전 시스템의 전력 품질 시험 장치의 구성을 개략적으로 보인 도면이다.
도 2에 도시하는 바와 같이, 제1안에 따른 모의 계통부(30)는 AC-DC 컨버터(31)와 DC-AC 인버터(33)를 포함하여 이루어진다.
이와 같은 구성에 있어서, AC-DC 컨버터(31)는 계통(40)에서 운영되는 교류(AC) 전력을 직류(DC) 전력으로 변환하여 출력한다.
예를 들어, 계통(40)에서 운영되는 전력의 주파수가 50Hz인 경우, AC-DC 컨버터(31)는 계통(40)에서 운영되는 50Hz의 전력 주파수를 갖는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 출력한다. 그리고, 계통(40)에서 운영되는 전력의 주파수가 60Hz인 경우, 계통(40)에서 운영되는 60Hz의 전력 주파수를 갖는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 출력한다.
DC-AC 인버터(33)는 AC-DC 컨버터(31)에서 변환된 직류 전력을 전력 품질 시험 대상인 풍력발전 시스템(10)에서 생산하는 전력과 동일한 전력 주파수를 갖는 교류 전력으로 변환한다.
예를 들어, 전력 품질 시험 대상인 풍력발전 시스템(10)에서 생산하는 전력의 주파수가 60Hz인 경우, DC-AC 인버터(33)는 AC-DC 컨버터(31)에서 직류로 변환된 전력을 풍력발전 시스템(10)에서 생산하는 전력과 동일한 전력 주파수를 갖는 60Hz의 교류 전력으로 변환한다. 그리고, 풍력발전 시스템(10)에서 생산하는 전력의 주파수가 50Hz인 경우, DC-AC 인버터(33)는 AC-DC 컨버터(31)에서 직류로 변환된 전력을 풍력발전 시스템(10)에서 생산하는 전력과 동일한 전력 주파수를 갖는 50Hz의 교류 전력으로 변환한다.
도 3은 제2안에 따른 모의 계통부를 포함하는 풍력 발전 시스템의 전력 품질 시험 장치의 구성을 개략적으로 보인 도면이다.
도 3에 도시하는 바와 같이, 제2안에 따른 모의 계통부(30)는 모터(35)와 발전기(37)를 포함하여 이루어진다.
이와 같은 구성에 있어서, 모터(35)는 계통(40)에서 운영되는 50Hz의 전력 주파수를 갖는 교류 전력 또는 60Hz의 전력 주파수를 갖는 교류 전력에 의해 구동되어 동력을 발생한다.
예를 들어, 계통(40)에서 운영되는 전력의 주파수가 50Hz인 경우, 모터(35)는 50Hz의 전력 주파수를 갖는 교류 전력에 의해 구동되어 동력을 발생하고, 계통(40)에서 운영되는 전력의 주파수가 60Hz인 경우에는, 60Hz의 전력 주파수를 갖는 교류 전력에 의해 구동되어 동력을 발생한다.
발전기(37)는 모터(35)에 축 연결되어 모터(35)로부터 전달받은 동력으로 풍력발전 시스템(10)에서 생산하는 전력과 동일한 전력 주파수를 갖는 교류 전력을 생산한다.
예를 들어, 풍력발전 시스템(10)에서 생산하는 전력의 주파수가 60Hz인 경우, 발전기(37)는 모터(35)로부터 전달받은 동력으로 풍력발전 시스템(10)에서 생산하는 전력과 동일한 전력 주파수인 60Hz의 교류 전력을 생산한다. 그리고, 풍력발전 시스템(10)에서 생산하는 전력의 주파수가 50Hz인 경우, 발전기(37)는 모터(35)로부터 전달받은 동력으로 풍력발전 시스템(10)에서 생산하는 전력과 동일한 전력 주파수인 50Hz의 교류 전력을 생산한다.
본 발명의 풍력발전 시스템의 전력 품질 시험 장치는 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.
10. 풍력발전 시스템, 20. 전력 품질 측정부,
30. 모의 계통부, 31. AC-DC 컨버터,
33. DC-AC 인버터, 35. 모터,
37. 발전기, 40. 계통

Claims (10)

  1. 풍력발전 시스템을 위한 전력 품질 시험 장치로서,
    계통의 전력 주파수를 전력 품질 시험 대상인 풍력발전 시스템에 의해 생산되는 전력의 주파수와 동일하게 변환하여, 상기 풍력발전 시스템에 의해 생산되는 전력의 주파수와 동일한 전력 주파수를 가지는 모의 계통 환경을 생성하는 모의 계통부; 및
    상기 모의 계통 환경에서 상기 풍력발전 시스템에 의해 생산되는 전력에 대한 품질을 측정하는 전력 품질 측정부
    를 포함하며,
    상기 모의 계통부는,
    상기 계통에서 운영되는 전력 주파수를 갖는 교류 전력에 의해 구동되어 동력을 발생시키는 모터; 및
    상기 모터로부터 전달받은 동력을 이용해, 상기 풍력발전 시스템에 의해 생산되는 전력의 주파수와 동일한 전력 주파수를 갖는 교류 전력을 생산하는 발전기를 포함하는
    전력 품질 시험 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 모터와 상기 발전기는 축 연결을 통해 연결되는
    전력 품질 시험 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 계통에서 운영되는 전력의 주파수는 50Hz 및 60Hz 중 하나인
    전력 품질 시험 장치.
  6. 전력 품질 시험 장치가 계통의 전력 주파수와 다른 전력 주파수를 가지는 풍력발전 시스템의 전력 품질을 시험하는 방법으로서,
    계통의 전력 주파수를 풍력발전 시스템에 의해 생산되는 전력의 주파수와 동일하게 변환하여, 상기 풍력발전 시스템에 의해 생산되는 전력의 주파수와 동일한 전력 주파수를 가지는 모의 계통 환경을 생성하는 단계; 및
    상기 모의 계통 환경에서, 상기 풍력발전 시스템에 의해 생산되는 전력에 대한 품질을 측정하는 단계
    를 포함하며,
    상기 모의 계통 환경을 생성하는 단계는,
    상기 계통에서 운영되는 전력 주파수를 가지는 교류 전력에 의해 구동되는 모터를 통해 동력을 발생시키는 단계; 및
    상기 동력을 이용해, 상기 풍력발전 시스템에 의해 생산되는 전력의 주파수와 동일한 전력 주파수를 갖는 교류 전력을 발전기를 통해 생산하는 단계를 포함하는
    전력 품질 시험 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 모의 계통 환경을 생성하는 단계는,
    상기 계통에서 운영되는 전력의 주파수, 전압, 및 전류 중에서 주파수만을 변환하는 단계를 포함하는
    전력 품질 시험 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 바람의 운동 에너지로부터 변환된 기계적 에너지를 이용해, 계통의 전력 주파수와 다른 주파수를 가지는 제1 전력을 생산하는 풍력발전 시스템; 및
    상기 계통의 전력 주파수를 상기 제1 전력의 주파수와 동일하게 변환하여 상기 제1 전력의 주파수와 동일한 전력 주파수를 가지는 모의 계통 환경을 생성하고, 상기 모의 계통 환경에서 상기 제1 전력에 대한 품질을 측정하는 전력 품질 시험 장치
    를 포함하며,
    상기 전력 품질 시험 장치는
    상기 계통에서 운영되는 전력 주파수를 갖는 교류 전력에 의해 구동되어 동력을 발생시키는 모터와, 상기 모터로부터 전달받은 동력을 이용해, 상기 풍력발전 시스템에 의해 생산되는 전력의 주파수와 동일한 전력 주파수를 갖는 교류 전력을 생산하는 발전기를 포함하는 모의 계통부를 포함하는
    시스템.
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