KR102132625B1 - 과속 피해 방지 풍력 발전기 - Google Patents

과속 피해 방지 풍력 발전기 Download PDF

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KR102132625B1
KR102132625B1 KR1020190050874A KR20190050874A KR102132625B1 KR 102132625 B1 KR102132625 B1 KR 102132625B1 KR 1020190050874 A KR1020190050874 A KR 1020190050874A KR 20190050874 A KR20190050874 A KR 20190050874A KR 102132625 B1 KR102132625 B1 KR 102132625B1
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오정훈
송승호
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광운대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 풍력 발전부에서 전달되는 전압의 기울기를 측정하여 과전압을 예측하고, 기울기 값에 따라 저항을 통해 에너지를 소모하여 풍력 제어부의 전기적 손상을 미리 방지하는 과속 피해 방지 풍력 발전기를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 이루기 위해 본 발명의 과속 피해 방지 풍력 발전기는 블레이드 의해 발전이 일어나는 발전부, 상기 발전부의 교류 전류를 직류 전류로 전환하는 정류부, 상기 직류 전류를 부하 또는 배터리로 전달하는 컨버터부, 상기 정류부와 상기 컨버터부 사이에 형성되는 DC 링크 캐패시터 및 상기 정류부와 상기 DC 링크 캐패시터 사이에 형성되고, 선택적으로 작동하며 상기 직류 전류를 소모하는 다이나믹 브레이킹 회로부를 포함하는 전력 변환부 및 상기 DC 링크 캐패시터의 전압을 측정하고, 상기 다이나믹 브레이킹 회로부를 제어하여 상기 DC 링크 캐패시터의 전압이 기 지정된 값 이하로 유지되도록 하는 제어부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

과속 피해 방지 풍력 발전기{Prevent overspeed wind power generator}
본 발명은 과속 피해 방지 풍력 발전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 강풍 등에 의한 블레이드의 과속으로, 과전압 발생되어 전자기기가 파손되는 것을 방지하는 과속 피해 방지 풍력 발전기에 관한 것이다.
풍력 발전기는 바람에 의한 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하여 발전하는 장치로서, 풍력 발전기는 크게 블레이드에 의해 발전하는 발전부, 발전 에너지를 변환하는 전력 변환부, 발전 에너지를 저장하는 배터리로 구성될 수 있다. 블레이드는 바람에 의해 회전되어 풍력 에너지를 기계적인 에너지로 변환시키며, 블레이드에서 발생한 회전 에너지는 발전부를 통해 전기 에너지로 전환되고, 발전부의 전류가 전력 변환부로 전달된다. 전력 변환부는 발전부의 전류를 직류 또는 교류로 변환할 수 있고, 부하 또는 배터리로 전달하여 에너지가 저장되거나 소모될 수 있다.
블레이드는 바람의 속도에 의해 회전 속도가 변화하므로, 태풍 또는 강풍이 부는 경우, 블레이드가 과도하게 높은 속도로 회전하게 된다. 블레이드가 과도하게 높은 속도로 회전하면, 풍력 발전기의 전기적인 구성에 손상 또는 고장을 발생시킬 수 있다.
따라서, 기존에는 전력 전환부 내부에 있는 스위칭 소자를 켬으로써 외부 연결한 저항을 통해 입력되는 에너지의 정격 초과 부분을 열 에너지로 소모하는 방법으로 강풍에 대비했으며, 그 실시예는 다음과 같다.
대한민국 등록특허공보 제10-1847991호를 참조하면, 도 1에 도시된 것과 같이 종래의 풍력발전기 강풍발전모드의 제어 방법은 강풍이 불지 않는 평상시에는 풍력발전기의 제동장치가 작동하지 않고 풍력발전전압이 풍력발전기 배터리의 충전에 사용되는 일반발전모드가 풍력발전기에 적용(S1)되고, 강풍이나 돌풍 등이 불 경우에 풍속이 증가함에 따라서 풍속에 정비례하는 풍력발전전압이 150V를 초과(S2)하면, 풍력발전기를 제동하는 다이내믹 브레이크가 작동하는 제1강풍발전모드가 실시되며 다른 작동 명령이 추가되지 않으면 10분간 제1강풍발전모드가 유지되는 타이머가 작동(S3)하고, 풍력발전전압이 160V를 초과(S4)하면 다이내믹 브레이크의 작동이 중지되고 다이내믹 브레이크보다 강한 제동력을 지니는 라인 쇼트 브레이크가 작동하는 제2강풍발전모드가 실시되어 10분간 제2강풍발전모드가 유지되는 타이머가 작동(S5)하고, 풍속이 감소하여 풍력발전전압이 70V 미만이 되면(S6), 상기 제1강풍발전모드의 10분 타이머 및 제2강풍발전모드의 10분 타이머가 해제(S7)되고, 전체 제어 방법 적용의 과정 중 임의의 시점부터 10분간의 구간을 관측하였을 때 제1강풍발전모드가 5회 이상 실시되었거나, 제2강풍발전모드가 3회 이상 실시되었다면(S8), 다이내믹 브레이크와 라인 쇼트 브레이크가 동시에 작동하여 풍력발전기를 제동하는 제3강풍발전모드가 실시되어 30분간 해제 명령이 입력되어도 이를 무시하고 제3강풍발전모드를 유지하는 강제타이머가 작동(S9)하는 단계를 포함한다.
그러나, 종래의 풍력발전기 강풍발전모드의 제어 방법은 현재 측정되는 풍력발전전압이 기준 전압을 넘는 경우에 다이내믹 브레이크를 작동하기 때문에, 다이내믹 브레이크가 작동하기 전까지는 기준 전압을 넘는 풍력발전전압이 제어부에 걸리게 되어, 제어부의 손상이 불가피하다는 문제가 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1847991호 (등록일자 2018.04.05.)
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 풍력 발전부에서 전달되는 전압의 기울기를 측정하여 과전압을 예측하고, 기울기 값에 따라 저항을 통해 에너지를 소모하여 풍력 제어부의 전기적 손상을 미리 방지하는 과속 피해 방지 풍력 발전기를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 과속 피해 방지 풍력 발전기는 블레이드 의해 발전이 일어나는 발전부, 상기 발전부의 교류 전류를 직류 전류로 전환하는 정류부, 상기 직류 전류를 부하 또는 배터리로 전달하는 컨버터부, 상기 정류부와 상기 컨버터부 사이에 형성되는 DC 링크 캐패시터 및 상기 정류부와 상기 DC 링크 캐패시터 사이에 형성되고, 선택적으로 작동하며 상기 직류 전류를 소모하는 다이나믹 브레이킹 회로부를 포함하는 전력 변환부 및 상기 DC 링크 캐패시터의 전압을 측정하고, 상기 다이나믹 브레이킹 회로부를 제어하여 상기 DC 링크 캐패시터의 전압이 기 지정된 값 이하로 유지되도록 하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 일정 시간 이전의 상기 DC 링크 캐패시터의 전압과 현재 측정된 상기 DC 링크 캐패시터의 전압을 이용하여 전압 변화율을 계산하고, 상기 전압 변화율을 이용하여 일정 시간 이후에 상기 DC 링크 캐패시터로 전달될 예상 전압을 계산하여, 상기 예상 전압이 기 저장된 한계 전압을 초과하는 경우, 상기 다이나믹 브레이킹 회로부를 작동시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 과속 피해 방지 풍력 발전기는 블레이드 의해 발전이 일어나는 발전부, 상기 발전부의 교류 전류를 직류 전류로 전환하는 정류부, 상기 직류 전류를 부하 또는 배터리로 전달하는 컨버터부, 상기 정류부와 상기 컨버터부 사이에 형성되는 DC 링크 캐패시터 및 상기 정류부와 상기 DC 링크 캐패시터 사이에 형성되고, 선택적으로 작동하며 상기 직류 전류를 소모하는 다이나믹 브레이킹 회로부를 포함하는 전력 변환부 및 상기 DC 링크 캐패시터의 전압을 측정하고, 상기 다이나믹 브레이킹 회로부를 제어하여 상기 DC 링크 캐패시터의 전압이 기 지정된 값 이하로 유지되도록 하는 제어부;를 포함하고, 상기 제어부는 일정 시간 범위 동안의 상기 DC 링크 캐패시터의 평균 전압과 현재 측정된 상기 DC 링크 캐패시터의 전압을 이용하여 전압 변화율을 계산하고, 상기 전압 변화율을 이용하여 일정 시간 이후에 상기 DC 링크 캐패시터로 전달될 예상 전압을 계산하여, 상기 예상 전압이 기 저장된 한계 전압을 초과하는 경우, 상기 다이나믹 브레이킹 회로부를 작동시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
삭제
삭제
삭제
삭제
더 나아가, 상기 평균 전압은 이동 평균을 적용하여, 평균의 시작점이 이동하며 일정 시간 범위의 전압들의 평균이 적용되는 것을 특징으로 할 수 있다.
더 나아가, 상기 예상 전압은 상기 전압 변화율과 일정 시간을 곱한 값에 상기 현재 전압을 더하여 계산하는 하기의 [계산식 1]을 적용하여 계산되는 것을 특징으로 할 수 있다.
[계산식 1]
Ve = Vdc +
Figure 112019044747493-pat00001
Vdc * tx
Ve 예상 전압 Vdc 현재 전압
Figure 112019044747493-pat00002
Vdc 전압 변화율 tx 일정 시간
더 나아가, 상기 예상 전압은 상기 전압 변화율과 일정 시간 및 기 저장된 가중치를 곱한 값을 상기 현재 전압에 더하여 계산하는 하기의 [계산식 2]를 적용하여 계산되는 것을 특징으로 할 수 있다.
[계산식 2]
Ve = Vdc + *
Figure 112019044747493-pat00003
Vdc * tx * K
Ve 예상 전압 Vdc 현재 전압
Figure 112019044747493-pat00004
Vdc 전압 변화율 tx 일정 시간 K 가중치
더 나아가, 상기 가중치는 상기 발전부의 회전 관성 모멘트에 기초하여 설정되는 것을 특징으로 할 수 있다.
더 나아가, 상기 가중치는 상기 발전부의 작동 상태에 의한 상기 제어부의 작동 기록을 기초로 하여 설정 값이 변경되는 것을 특징으로 할 수 있다.
더 나아가, 상기 예상 전압은 상기 전압 변화율과 일정 시간을 곱한 값에 상기 현재 전압을 더하고, 상기 부하에 의해 소모되는 부하 전압을 감하여 계산하는 하기의 [계산식 3]을 적용하여 계산되는 것을 특징으로 할 수 있다.
[계산식 3]
Ve = Vdc +
Figure 112019044747493-pat00005
Vdc * tx - Vl
Ve 예상 전압 Vdc 현재 전압
Figure 112020065378140-pat00006
Vdc 전압 변화율 tx 일정 시간 K 가중치 Vl 부하 전압
더 나아가, 상기 다이나믹 브레이킹 회로부는 상기 직류 전류를 열 에너지로 소모하는 다이나믹 브레이킹 저항 및 상기 제어부에 의해 제어되는 다이나믹 브레이킹 스위치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 과속 피해 방지 풍력 발전기는 발전부에서 전력 변환부로 전달되는 전압 변화량을 계산하여 일정 시간 이후 전력 변환부로 전달될 전압 값을 예측하여, 다이나믹 브레이킹 회로를 작동시킴으로 과전압에 의한 전력 변환부의 손상을 미리 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 풍력발전기 강풍발전모드의 제어 방법 순서도
도 2는 본 발명의 과속 피해 방지 풍력 발전기 구성 회로도
도 3은 본 발명의 과속 피해 방지 풍력 발전기 확대 회로도
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 과속 피해 방지 풍력 발전기 작동 그래프
도 5는 본 발명의 본 발명의 다른 실시예에 따른 과속 피해 방지 풍력 발전기 작동 그래프
도 6은 본 발명의 과속 피해 방지 풍력 발전기 부하 연결 회로도
도 7은 본 발명의 과속 피해 방지 풍력 발전기 제어 순서도
이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 과속 피해 방지 풍력 발전기(100)는, 블레이드 의해 발전이 일어나는 발전부(200), 상기 발전부(200)의 교류 전류를 직류 전류로 전환하는 정류부(310), 상기 직류 전류를 부하(600) 또는 배터리(400)로 전달하는 컨버터부(320), 상기 정류부(310)와 상기 컨버터부(320) 사이에 형성되는 DC 링크 캐패시터(330) 및 상기 정류부(310)와 상기 DC 링크 캐패시터(330) 사이에 형성되고, 선택적으로 작동하며 상기 직류 전류를 소모하는 다이나믹 브레이킹 회로부(340)를 포함하는 전력 변환부(300) 및 상기 DC 링크 캐패시터(330)의 전압을 측정하고, 상기 다이나믹 브레이킹 회로부(340)를 제어하여 상기 DC 링크 캐패시터(330)의 전압이 기 지정된 값 이하로 유지되도록 하는 제어부(500)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 발전부(200)는 바람에 의해 상기 블레이드가 회전하며 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하는 구성으로, 상기 블레이드에는 풍력 발전을 위해 적용되는 다양한 크기와 형태가 적용될 수 있으며, 상기 발전부(200)는 고유의 회전 관성 모멘트를 가지며, 발전된 에너지를 상기 교류 전류 형태로 상기 전력 변환부(300)에 전달한다.
상기 정류부(310)는 상기 발전부(200)에서 전달된 상기 교류 전류를 상기 직류 전류로 변환하여 상기 DC 링크 캐패시터(330)로 전달하는 구성이고, 상기 컨버터부(320)는 상기 직류 전류를 상기 부하(600) 또는 상기 배터리(400)로 전달하는 구성이다.
상기 부하(600)는 본 발명의 과속 피해 방지 풍력 발전기(100)에 포함되지 않는 구성이나, 본 발명의 피해 방지 풍력 발전기와 연결되어, 본 발명의 피해 방지 풍력 발전기에서 생성하고, 변환 및 저장한 전기 에너지를 소모할 수 있다.
상기 배터리(400)는 상기 발전부(200)에서 발전된 전기 에너지가 상기 전력 변환부(300)를 통과하여 저장되는 구성으로, 상기 배터리(400)에 저장된 전기 에너지가 상기 부하(600)에 의해 소모될 수 있다.
상기 부하(600)는 상기 배터리(400)에 저장된 전기 에너지를 소모할 수도 있고, 상기 전력 변환부(300)로부터 직접 전기 에너지를 전달받아 전기 에너지를 소모할 수 있다.
상기 DC 링크 캐패시터(330)는 상기 정류부(310)를 통해 상기 직류 전류를 전달받는 구성이고, 상기 다이나믹 브레이킹 회로부(340)는 상기 제어부(500)에 제어를 통해 상기 DC 링크 캐패시터(330)의 전압이 기 지정된 값 이하로 유지되도록 선택적으로 작동하며 상기 직류 전류를 소모하는 구성이다.
상기 제어부(500)는 상기 DC 링크 캐패시터(330)의 전압을 측정하고, 상기 다이나믹 브레이킹 회로부(340)의 작동을 제어하는 구성으로, 상기 DC 링크 캐패시터(330)의 전압이 기 지정된 값 이하로 유지되도록 하여, 상기 전력 변환부(300)에 과전압이 걸려 상기 전력 변환부(300)가 손상되는 것을 방지한다.
도 3을 참조하면, 상기 다이나믹 브레이킹 회로부(340)는 상기 직류 전류를 열 에너지로 소모하는 다이나믹 브레이킹 저항(341) 및 상기 제어부(500)에 의해 제어되는 다이나믹 브레이킹 스위치(342)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 다이나믹 브레이킹 저항(341)은 설계에 따라 저항의 크기가 달라질 수 있고, 그 개수 또한 설치 환경에 따라 추가될 수 있다.
상기 다이나믹 브레이킹 스위치(342)는 상기 제어부(500)의 제어를 받아 On/Off되는 구성으로, 상기 다이나믹 브레이킹 스위치(342)가 On일 경우, 상기 직류 전류의 일부가 상기 다이나믹 브레이킹 저항(341)에 의해 열 에너지로 소모되고, 상기 다이나믹 브레이킹 스위치(342)가 Off일 경우, 상기 직류 전류는 전부 상기 DC 링크 캐패시터(330)로 전달된다.
상기 제어부(500)는 상기 DC 링크 캐패시터(330)의 현재 전압(Vdc)이 기 저장된 한계 전압(Vp)을 초과하는 경우, 상기 다이나믹 브레이킹 회로부(340)를 작동시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 한계 전압(Vp)은 상기 전력 변환부(300)의 안정된 작동을 위한 전압 범위의 최대 값으로, 상기 현재 전압(Vdc)이 상기 한계 전압(Vp)을 넘어서면, 상기 전력 변환부(300)가 상기 발전부(200)에서 발전한 에너지를 소모하지 못하게 되어 상기 전력 변환부(300)에 손상을 일으키는 문제가 발생할 수 있다.
상기 다이나믹 브레이킹 회로부(340)가 상기 다이나믹 브레이킹 저항(341)과 상기 다이나믹 브레이킹 스위치(342)로 구성되는 경우, 상기 제어부(500)는 상기 DC 링크 캐패시터(330)의 현재 전압(Vdc)이 상기 한계 전압(Vp)을 초과하는 경우, 상기 다이나믹 브레이킹 스위치(342)를 On하여 상기 정류부(310)에서 나오는 상기 직류 전류의 일부를 상기 다이나믹 브레이킹 저항(341)에 전달하여 열 에너지로 소모할 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 제어부(500)는 일정 시간 이전의 상기 DC 링크 캐패시터(330)의 전압과 현재 측정된 상기 DC 링크 캐패시터(330)의 전압을 이용하여 전압 변화율(
Figure 112019044747493-pat00007
Vdc)을 계산하고, 상기 전압 변화율(
Figure 112019044747493-pat00008
Vdcc)을 이용하여 일정 시간 이후에 상기 DC 링크 캐패시터(330)로 전달될 예상 전압(Ve)을 계산하여, 상기 예상 전압(Ve)이 기 저장된 한계 전압(Vp)을 초과하는 경우, 상기 다이나믹 브레이킹 회로부(340)를 작동시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 예상 전압(Ve)은, 상기 전압 변화율(
Figure 112019044747493-pat00009
Vdc)과 일정 시간을 곱한 값에 상기 현재 전압(Vdc)을 더하여 계산하는 하기의 [계산식 1]을 적용하여 계산되는 것을 특징으로 할 수 있다.
[계산식 1]
Ve = Vdc + *
Figure 112019044747493-pat00010
Vdc * tx
상기의 [계산식 1]의 일정 시간은 도 4의 현재 시간(t8)에서 일정 시간 이전(7t)을 뺀 값으로,
tx = t8 - t7
을 말한다.
일정 시간 이전(t7)부터 현재 시간(t8)까지의 상기 전압 변화율(
Figure 112019044747493-pat00011
Vdc)을 구하는 방법을 설명하면, 일정 시간 이전(t7)에서의 전압 값과 현재 시간(t8)에서의 전압 값 및 일정 시간 이전(t7)부터 현재 시간(t8)까지 걸린 시간을 이용하여 구할 수 있다. 그러나, 상기 전압 변화율(*
Figure 112019044747493-pat00012
Vdc)을 구하는 방법은 이에 한정 되지 않으며, 다양한 방법이 적용될 수 있다.
도 4의 Line 1 내지 Line 2는 일정 시간 이전(t7)과 현재 시간(t8)를 통해 구한 상기 전압 변화율(
Figure 112019044747493-pat00013
Vdc)을 통해 구한 일정 시간 이후(t9)의 상기 예상 전압(Ve)이 상기 한계 전압(Vp)을 초과하지 않는 경우를 나타낸 것으로, 이때에는 상기 제어부(500)가 상기 다이나믹 브레이킹 회로부(340)를 작동시키지 않고, 상기 정류부(310)의 상기 직류 전류가 전부 상기 DC 링크 캐패시터(330)로 전달된다.
그러나, 도 4의 Line 2는 일정 시간 이전(t9)과 현재 시간(t10)을 통해 구한 상기 전압 변화율(
Figure 112019044747493-pat00014
Vdc)을 통해 계산한 일정 시간 이후(t11)의 상기 예상 전압(Ve)이 상기 한계 전압(Vp)을 초과하여, 상기 제어부(500)가 상기 다이나믹 브레이킹 회로부(340)를 작동시켜, 상기 다이나믹 브레이킹 회로부(340)에서 상기 정류부(310)의 상기 직류 전류 일부를 소모하고, 나머지 상기 직류 전류는 상기 DC 링크 캐패시터(330)로 전달하게 되어, Line 2가 Line 2’같이 변하게 된다.
또한, 도 4의 Line 4는 일정 시간 이전(t7)과 현재 시간(t8)을 통해 구한 상기 전압 변화율(
Figure 112019044747493-pat00015
Vdc)을 통해 계산한 일정 시간 이후(t9)의 상기 예상 전압(Ve)이 상기 한계 전압(Vp)을 초과하는 경우를 나타낸 것으로, 이때 상기 제어부(500)가 상기 다이나믹 브레이킹 회로부(340)를 작동시켜, 상기 다이나믹 브레이킹 회로부(340)에서 상기 정류부(310)의 상기 직류 전류 일부를 소모하고, 나머지 상기 직류 전류는 상기 DC 링크 캐패시터(330)로 전달하게 되어, Line 4가 Line 4’같이 변하게 된다.
이때, 상기 예상 전압(Ve)은, 상기 전압 변화율(
Figure 112019044747493-pat00016
Vdc)과 일정 시간 및 기 저장된 가중치(K)를 곱한 값에 상기 현재 전압(Vdc)을 더하여 계산하는 하기의 [계산식 2]를 적용하여 계산되는 것을 특징으로 할 수 있다.
[계산식 2]
Ve = Vdc +
Figure 112019044747493-pat00017
Vdc * tx * K
도 4의 Line 3은 일정 시간 이전(t7)과 현재 시간(t8)를 통해 구한 상기 전압 변화율(
Figure 112019044747493-pat00018
Vdc)을 통해 구한 일정 시간 이후(t9)의 상기 예상 전압(Ve)이 상기 한계 전압(Vp)을 초과하지 않지만, 상기 전압 변화율(
Figure 112019044747493-pat00019
Vdc)에 상기 가중치(K)가 적용되어 계산된 상기 예상 전압(Ve)이 상기 한계 전압(Vp)을 초과하는 경우를 나타낸 것으로, 이때에도 상기 제어부(500)가 상기 다이나믹 브레이킹 회로부(340)를 작동시켜, 상기 다이나믹 브레이킹 회로부(340)에서 상기 정류부(310)의 상기 직류 전류 일부를 소모하고, 나머지 상기 직류 전류는 상기 DC 링크 캐패시터(330)로 전달하게 되어, Line 3이 Line 3’와 같이 변하게 된다.
상기 가중치(K)를 적용하게 되면, Line 3과 같이 일정 시간 이후 보다 더 지난 시간(t10)에서의 상기 현재 전압(Vdc)이 상기 한계 전압(Vp)을 초과하기 전에, 상기 제어부(500)가 상기 다이나믹 브레이킹 회로부(340)를 작동시켜, 상기 전력 변환부(300)가 손상되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 제어부(500)와 상기 다이나믹 브레이킹 회로부(340)의 제어에 있어서, 상기 현재 전압(Vdc)이 상기 한계 전압(Vp)을 초과 한 이후에 상기 다이나믹 브레이킹 회로부(340)가 작동되면, 상기 현재 전압(Vdc)이 상기 한계 전압(Vp)을 초과한 시간만큼 상기 전력 변환부(300)가 큰 에너지를 전달받게 되어 상기 전력 변환부(300)에 손상이 발생할 수 있으나, 상기 가중치(K)를 이용하여, 상기 현재 전압(Vdc)이 상기 한계 전압(Vp)을 초과하지 않더라도, 상기 다이나믹 브레이킹 회로부(340)를 작동시켜, 상기 전력 변환부(300)가 큰 에너지를 전달받게 되어, 상기 전력 변환부(300)에 손상이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 시스템 특성에 전기적 신호의 지연과 같은 지연 요소에 의해 상기 다이나믹 브레이킹 회로부(340)가 작동 되더라도 상기 발전부(200)에서 전달되는 에너지가 바로 소모되지 않는 경우가 발생할 수 있다. 따라서, 상기 가중치(K)가 적용되지 않은 상기 예상 전압(Ve)이 상기 한계 전압(Vp)을 초과하지 않더라도, 상기 전압 변화율(*?*Vdc)에 상기 가중치(K)를 적용함으로써 상기 다이나믹 브레이킹 회로부(340)를 작동시켜, 상기 다이나믹 브레이킹 회로부(340)가 미리 상기 직류 전류를 소모할 수 있도록 하는 효과가 있다.
상기 가중치(K)는 상기 발전부(200)의 회전 관성 모멘트에 기초하여 설정되는 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 가중치(K)는 상기 발전부(200)의 회전 관성 모멘트와 비례하여 설정될 수 있다.
더욱 상세하게 설명하면, 상기 발전부(200)의 회전 관성 모멘트가 큰 경우, 상기 발전부(200)가 강풍에 의해 과속으로 회전할 때, 회전이 더 오래 지속되기 때문에, 상기 가중치(K)를 높게 하여, 상기 전압 변화율(
Figure 112019044747493-pat00020
Vdc)이 동일할 경우에도 더 빠르게 상기 다이나믹 브레이킹 회로부(340)를 작동시킨다.
또한, 상기 발전부(200)의 회전 관성 모멘트가 작은 경우, 상기 발전부(200)가 강풍에 의해 과속으로 회전할 때, 회전이 지속되는 시간이 줄어들기 때문에, 상기 가중치(K)를 작게 하여, 상기 전압 변화율(
Figure 112019044747493-pat00021
Vdc)이 동일할 경우에도 더 느리게 상기 다이나믹 브레이킹 회로부(340)를 작동시킨다.
또한, 상기 가중치(K)는 상기 발전부(200)의 작동 상태에 의한 상기 전력 제어부(500)의 작동 기록을 기초로 하여 설정 값이 변경되는 것을 특징으로 할 수 있다.
즉, 상기 제어부(500)에 저장된 상기 현재 전압(Vdc)에 따른 상기 다이나믹 브레이킹 회로부(340)의 작동을 분석하여 상기 다이나믹 브레이킹 회로부(340)가 더 빠르게 작동해야 한다고 판단되는 경우, 상기 가중치(K)는 기존에 설정되어 있는 값보다 작게 재설정 될 수 있으며, 상기 다이나믹 브레이킹 회로부(340)가 더 늦게 작동해야 한다고 판단되는 경우, 상기 가중치(K)는 기존에 설정되어 있는 값보다 크게 재설정 될 수 있다.
상기 다이나믹 브레이킹 회로부(340)가 빠르게 작동하는 경우, 상기 발전부(200)에서 생성된 에너지가 상기 다이나믹 브레이킹 회로부(340)를 통해 소모되므로, 상기 전력 변환부(300)의 효율이 낮아질 수 있고, 상기 다이나믹 브레이킹 회로부(340)가 늦게 작동하는 경우, 상기 전력 변환부(300) 내부 구성의 손실이 발생하게 되므로, 상기 가중치(K)는 상기 발전부(200)의 작동 상태와 상기 전력 변환부(300)의 작동 상태를 고려하여 조정되는 것이 바람직하다.
도 5를 참조하면, 상기 제어부(500)는 일정 시간 범위 동안의 상기 DC 링크 캐패시터(330)의 평균 전압과 현재 측정된 상기 DC 링크 캐패시터(330)의 전압을 이용하여 전압 변화율(
Figure 112019044747493-pat00022
Vdc)을 계산하고, 상기 전압 변화율(
Figure 112019044747493-pat00023
Vdc)을 이용하여 일정 시간 이후에 상기 DC 링크 캐패시터(330)로 전달될 예상 전압(Ve)을 계산하여, 상기 예상 전압(Ve)이 기 저장된 한계 전압(Vp)을 초과하는 경우, 상기 다이나믹 브레이킹 회로부(340)를 작동시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 전압 변화율(
Figure 112019044747493-pat00024
Vdc)은 도 5의 a1 내지 a3와 같이, 일정 시간 범위 동안 상기 DC 링크 캐패시터(330)에 걸린 전압들의 상기 평균 전압과 상기 현재 전압(Vdc)을 이용하여 계산되고, 상기 전압 변화율(
Figure 112019044747493-pat00025
Vdc)을 적용하여 상기 예상 전압(Ve)을 계산할 수 있다.
도 5의 a1을 참고하여, 일정 시간 범위(t1~t4)부터 현재 시간(t5)까지의 상기 전압 변화율(
Figure 112019044747493-pat00026
Vdc)을 구하는 방법을 설명하면, 일정 시간 범위(t1~t4)에서의 전압 값들의 평균인 상기 평균 전압과 현재 시간(t5)에서의 현재 전압(Vdc) 및 일정 시간(t4)부터 현재 시간(t5)까지 걸린 시간을 이용하여 구할 수 있다. 그러나, 상기 전압 변화율(
Figure 112019044747493-pat00027
Vdc)을 구하는 방법은 이에 한정되지 않으며, 다양한 방법이 적용될 수 있다.
또한, 상기 평균 전압은 이동 평균을 적용하여, 평균의 시작점이 이동하며 일정 시간 범위의 전압들의 평균이 적용되는 것을 특징으로 할 수 있다.
즉, 현재 시간이 t5에서 t6으로 변경되면, 일정 시간 범위도 t1~t4 에서 t2~t5로 변경될 수 있고, 현재 시간이 t6에서 t7로 변경되면, 일정 시간 범위도 t2~t5에서 t3~t6으로 변경된다.
상기와 같이 이동 평균이 적용된 상기 평균 전압을 이용하면 더욱 안정적이고 정확하게 상기 전압 변화율(
Figure 112019044747493-pat00028
Vdc)을 계산할 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 예상 전압(Ve)은, 상기 전압 변화율(
Figure 112019044747493-pat00029
Vdc)과 일정 시간을 곱한 값에 상기 현재 전압(Vdc)을 더하고, 상기 부하(600)에 의해 소모되는 부하 전압(Vl)을 감하여 계산하는 하기의 [계산식 3]을 적용하여 계산되는 것을 특징으로 할 수 있다.
[계산식 3]
Ve = Vdc +
Figure 112019044747493-pat00030
Vdc * tx - Vl
도 6과 같이, 본 발명의 과속 피해 방지 풍력 발전기(100)에 상기 부하(600)가 연결되어, 상기 전력 변환부(300) 또는 상기 배터리(400)의 전기 에너지가 상기 부하(600)로 빠져나가는 경우, 상기 제어부(500)는 상기 부하(600)로 빠져나가는 상기 부하 전압(Vl)을 고려하여 상기 예상 전압(Ve)을 계산하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제어부(500)가 상기 예상 전압(Ve)를 계산할 때, 상기 부하 전압(V1)과 상기 가중치(K)를 동시에 고려 할 수 있으며, 그 식은 하기의 [계산식 4]을 적용할 수 있다.
[계산식 4]
Ve = Vdc +
Figure 112019044747493-pat00031
Vdc * tx * K - Vl
도 7을 참조하여, 본 발명의 과속 피해 방지 풍력 발전기(100)의 제어 방법을 설명하면, 상기 제어부(500)는 상기 DC 링크 캐패시터(330)의 전압을 측정하고, 측정된 상기 현재 전압(Vdc)이 상기 한계 전압(Vp)을 초과하는 경우, 상기 다이나믹 브레이킹 회로부(340)를 작동시키고, 상기 현재 전압(Vdc)이 상기 한계 전압(Vp)을 초과하지 않는 경우, 상기 전압 변화율(
Figure 112019044747493-pat00032
Vdc)을 계산한다. 상기 제어부(500)는 계산된 상기 전압 변화율(
Figure 112019044747493-pat00033
Vdc)을 통해 상기 예상 전압(Ve)을 계산하고, 상기 예상 전압(Ve)이 상기 한계 전압(Vp)을 초과하는 경우, 상기 다이나믹 브레이킹 회로부(340)를 작동시키고, 상기 예상 전압(Ve)이 상기 한계 전압(Vp)을 초과하지 않는 경우, 상기 전력 변환부(300)의 상태를 유지한다.
상기 다이나믹 브레이킹 회로부(340)가 상기 다이나믹 브레이킹 저항(341)과 상기 다이나믹 브레이킹 스위치(342)로 구성되는 경우, 상기 다이나믹 브레이킹 회로부(340)의 작동은 상기 다이나믹 브레이킹 스위치(342)의 On/Off 동작을 지칭 할 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100 : 과속 피해 방지 풍력 발전기
200 : 발전부
300 : 전력 변환부 310 : 정류부
320 : 컨버터부 330 : DC 링크 캐패시터
340 : 다이나믹 브레이킹 회로부 341 : 다이나믹 브레이킹 저항
342 : 다이나믹 브레이킹 스위치
400 : 배터리
500 : 제어부
600 : 부하
Vdc : 현재 전압 Ve : 예상 전압
Figure 112019044747493-pat00034
Vdc : 전압 변화율 Vp : 한계 전압
K : 가중치 Vl : 부하 전압

Claims (12)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 블레이드 의해 발전이 일어나는 발전부;
    상기 발전부의 교류 전류를 직류 전류로 전환하는 정류부, 상기 직류 전류를 부하 또는 배터리로 전달하는 컨버터부, 상기 정류부와 상기 컨버터부 사이에 형성되는 DC 링크 캐패시터 및 상기 정류부와 상기 DC 링크 캐패시터 사이에 형성되고, 선택적으로 작동하며 상기 직류 전류를 소모하는 다이나믹 브레이킹 회로부를 포함하는 전력 변환부; 및
    상기 DC 링크 캐패시터의 전압을 측정하고, 상기 다이나믹 브레이킹 회로부를 제어하여 상기 DC 링크 캐패시터의 전압이 기 지정된 값 이하로 유지되도록 하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제어부는,
    일정 시간 이전의 상기 DC 링크 캐패시터의 전압과 현재 측정된 상기 DC 링크 캐패시터의 전압을 이용하여 전압 변화율을 계산하고, 상기 전압 변화율을 이용하여 일정 시간 이후에 상기 DC 링크 캐패시터로 전달될 예상 전압을 계산하여, 상기 예상 전압이 기 저장된 한계 전압을 초과하는 경우, 상기 다이나믹 브레이킹 회로부를 작동시키는 것을 특징으로 하는 과속 피해 방지 풍력 발전기.
  5. 블레이드 의해 발전이 일어나는 발전부;
    상기 발전부의 교류 전류를 직류 전류로 전환하는 정류부, 상기 직류 전류를 부하 또는 배터리로 전달하는 컨버터부, 상기 정류부와 상기 컨버터부 사이에 형성되는 DC 링크 캐패시터 및 상기 정류부와 상기 DC 링크 캐패시터 사이에 형성되고, 선택적으로 작동하며 상기 직류 전류를 소모하는 다이나믹 브레이킹 회로부를 포함하는 전력 변환부; 및
    상기 DC 링크 캐패시터의 전압을 측정하고, 상기 다이나믹 브레이킹 회로부를 제어하여 상기 DC 링크 캐패시터의 전압이 기 지정된 값 이하로 유지되도록 하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제어부는,
    일정 시간 범위 동안의 상기 DC 링크 캐패시터의 평균 전압과 현재 측정된 상기 DC 링크 캐패시터의 전압을 이용하여 전압 변화율을 계산하고, 상기 전압 변화율을 이용하여 일정 시간 이후에 상기 DC 링크 캐패시터로 전달될 예상 전압을 계산하여, 상기 예상 전압이 기 저장된 한계 전압을 초과하는 경우, 상기 다이나믹 브레이킹 회로부를 작동시키는 것을 특징으로 하는 과속 피해 방지 풍력 발전기.
  6. 제 5항에 있어서 상기 평균 전압은,
    이동 평균을 적용하여, 평균의 시작점이 이동하며 일정 시간 범위의 전압들의 평균이 적용되는 것을 특징으로 하는 과속 피해 방지 풍력 발전기.
  7. 제 4항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서 상기 예상 전압은,
    상기 전압 변화율과 일정 시간을 곱한 값에 상기 현재 전압을 더하여 계산하는 하기의 [계산식 1]을 적용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 과속 피해 방지 풍력 발전기.
    [계산식 1]
    Ve = Vdc +
    Figure 112019044747493-pat00035
    Vdc * tx
    Ve 예상 전압 Vdc 현재 전압
    Figure 112019044747493-pat00036
    Vdc 전압 변화율 tx 일정 시간
  8. 제 7항에 있어서 상기 예상 전압은,
    상기 전압 변화율과 일정 시간 및 기 저장된 가중치를 곱한 값을 상기 현재 전압에 더하여 계산하는 하기의 [계산식 2]를 적용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 과속 피해 방지 풍력 발전기.
    [계산식 2]
    Ve = Vdc +
    Figure 112019044747493-pat00037
    Vdc * tx * K
    Ve 예상 전압 Vdc 현재 전압
    Figure 112019044747493-pat00038
    Vdc 전압 변화율 tx 일정 시간 K 가중치
  9. 제 8항에 있어서 상기 가중치는,
    상기 발전부의 회전 관성 모멘트에 기초하여 설정되는 것을 특징으로 하는 과속 피해 방지 풍력 발전기.
  10. 제 8항에 있어서 상기 가중치는,
    상기 발전부의 작동 상태에 의한 상기 제어부의 작동 기록을 기초로 하여 설정 값이 변경되는 것을 특징으로 하는 과속 피해 방지 풍력 발전기.
  11. 제 7항에 있어서 상기 예상 전압은,
    상기 전압 변화율과 일정 시간을 곱한 값에 상기 현재 전압을 더하고, 상기 부하에 의해 소모되는 부하 전압을 감하여 계산하는 하기의 [계산식 3]을 적용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 과속 피해 방지 풍력 발전기.
    [계산식 3]
    Ve = Vdc +
    Figure 112020065378140-pat00039
    Vdc * tx - Vl
    Ve 예상 전압 Vdc 현재 전압
    Figure 112020065378140-pat00040
    Vdc 전압 변화율 tx 일정 시간 K 가중치 Vl 부하 전압
  12. 제 4항 또는 제 5항에 있어서 상기 다이나믹 브레이킹 회로부는,
    상기 직류 전류를 열 에너지로 소모하는 다이나믹 브레이킹 저항; 및
    상기 제어부에 의해 제어되는 다이나믹 브레이킹 스위치;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 과속 피해 방지 풍력 발전기.
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