KR102477291B1 - 전력 저장 유닛을 사용하여 그리드 손실 동안 풍력 터빈을 작동하는 방법 - Google Patents

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투시타 아베야세케라
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가다 알리 디아 힐라위
라우리츠 기브스코프 요르겐센
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Abstract

본 발명은 그리드 손실 동안 전력 소비 유닛들의 그룹에 전력을 공급하기 위해, 재충전 가능한 배터리와 같은 전력 저장 유닛을 사용하여 풍력 터빈을 작동시키는 방법에 관한 것이다. 상기 풍력 터빈은 적어도 제1 그룹 및 제2 그룹으로 그룹화되는 다수의 전력 소비 유닛들, 발전기를 전기 그리드에 연결하기 위한 제1 전기 변환기 및 발전기를 전력 저장 유닛에 연결하기 위한 제2 전기 변환기를 포함한다. 그리드 손실의 발생을 검출하면, 상기 발전기는 제1 그룹의 전력 소비 유닛들을 작동시키기 위해 전력 저장 유닛의 충분한 전력을 보장하도록 작동된다.

Description

전력 저장 유닛을 사용하여 그리드 손실 동안 풍력 터빈을 작동하는 방법
본 발명은 그리드 손실 동안 전력 소비 유닛들의 그룹에 전력을 공급하기 위해 전력 저장소를 사용하여 풍력 터빈을 동작시키는 것에 관한 것이다.
풍력 단지(wind park)라고도 하는 풍력 발전소는 전형적으로 여러 풍력 터빈들을 포함하며, 이들의 생성 출력은 국가 또는 지역 유틸리티 그리드 전기 시스템(또는 단순히 그리드)에 전력을 공급하기 위해 네트워킹된다. 풍력 터빈은 전용 전원 공급 장치가 필요한 수많은 제어 유닛들, 스위칭 장비, 냉각 시스템들, 조명 시스템들, 액추에이터들 및 유압 시스템들을 포함하는 복잡한 전기 시스템들을 포함한다. 이 전원 공급 장치는 풍력 터빈 설비의 일부를 형성하는 변압기 변전소를 통해 그리드 전기 시스템으로부터 공급된다. 이러한 전원 공급 장치를 "내부 전원 공급 장치 그리드"라고 할 수 있으며, 그것의 역할은 전력 생성의 높은 가용성을 보장하기 위해 중전압 전원 공급 장치를 관리하여 풍력 발전소 내의 전력 소비 단위 형태의 풍력 터빈 및 보조 장비에 분배하는 것이다.
풍력 터빈이 그리드와의 연결을 잃는 소위 그리드 손실의 경우, 풍력 터빈의 전기 시스템도 그 전력을 잃는다. 이러한 전력 손실로 인한 문제를 완화하기 위해, 풍력 발전소에 보조 전원 공급 장치를 장착하는 것이 알려져 있다. 이것은 배터리 기반 시스템의 형태를 취하거나 디젤 발전기를 기반으로 할 수 있다. 예를 들어, US2013/0175801은 해상 풍력 발전 단지에서 디젤 발전기가 백업 전원 공급 장치로 사용되는 시스템을 설명한다.
백업 공급 시스템은 풍력 발전소의 터빈의 일부 요소들이 그리드 전력 중단 시에도 작동 상태를 유지하도록 보장할 수 있다.
US2011/0291416은 발전기와 전기 그리드를 브리징하는 메인 컨버터의 DC 링크로부터 그리드 손실 동안 에너지 저장소가 충전되는 풍력 터빈 시스템을 기술한다. 이것은 그리드 손실 중에 메인 컨버터를 작동시키는 것을 필요로 한다.
본 발명은 이러한 배경에 대하여 고안된 것이다.
그리드 손실 상황에서, 그리드 손실 동안 적어도 한 그룹의 전력 소비 유닛들에 전력을 공급하여 특정 레벨의 기능성을 보장하기 위해 바람을 이용할 수 있는 풍력 터빈을 달성하는 것이 유리할 것이다.
이에 따라, 제1 양상에서, 그리드 손실 동안 풍력 터빈을 작동시키는 방법으로서, 상기 풍력 터빈은 다수의 피치-조정 가능한 로터 블레이드들을 갖는 로터를 포함하며, 상기 로터는 발전기를 구동시키도록 배치되고, 상기 풍력 터빈은 :
전력 저장 유닛;
제1 그룹의 전력 소비 유닛들 및 제2 그룹의 전력 소비 유닛들로 그룹화되는 다수의 전력 소비 유닛들로서, 상기 제1 그룹의 전력 소비 유닛들은 상기 전력 저장 유닛에 의해 전력을 공급받는, 다수의 전력 소비 유닛들;
상기 발전기를 상기 전기 그리드에 연결하기 위한 제1 전기 변환기; 및
상기 발전기를 상기 전력 저장 유닛에 연결하기 위한 제2 전기 변환기를 더 포함하며,
상기 방법은 :
그리드 손실의 발생을 검출하는 단계; 및
그리드 손실의 발생시, 상기 제1 전기 변환기를 상기 발전기로부터 분리하고 상기 제2 전기 변환기를 상기 발전기에 연결하는 단계로서, 상기 발전기는 감소된 회전 속도로 작동되는, 단계를 더 포함하는, 방법이 제공된다.
전력 소비 유닛 그룹을 작동시키기에 충분한 전력을 확보함으로써, 중요하거나 중대한 전력 소비 유닛들을 그리드 손실 동안 계속 작동시킬 수 있다. 그리드 손실 동안 발전기의 에너지를 변환할 수 있는 전용 제2 전기 변환기에 전력을 공급함으로써, 장기적인 그리드 손실에도 터빈의 작동이 보장될 수 있다. 제1 전력 소비 유닛 그룹 및 제2 전력 소비 유닛 그룹은 또한 제1 보조 유닛 그룹 및 제2 보조 유닛 그룹, 또는 제1 보조 시스템 및 제2 보조 시스템으로도 지칭될 수 있다.
그리드 손실이 발생할 경우 제1 전기 변환기인 메인 변환기를 분리하고 대신에 제2 전기 변환기인 보조 변환기를 연결하는 것이 유리하다. 왜냐하면, 보조 변환기는 훨씬 적은 전력 정격을 처리하기 위한 컴포넌트들로 치수를 정할 수 있으며(dimensioned), 따라서 메인 변환기에 전력을 공급하기 위한 에너지가 필요하지 않기 때문에 전기 에너지를 생성할 필요성이 적다. 이러한 방식으로, 저장 유닛을 재충전하지 않고 작동하는 상황에서, 메인 변환기에 전력을 공급할 필요가 없기 때문에 터빈은 바람 없이 더 긴 기간을 견딜 수 있을 것이다.
또한, 제1 전력 소비 유닛 그룹/전력 저장 유닛에 전력을 공급하기 위해 보조 변환기를 사용함으로써, 메인 변환기는 그리드와의 연결을 위해 조정될 수 있으며, 제1 전력 소비 유닛 그룹/전력 저장 유닛에 전력을 공급하는 관점에서 수정이 필요하지 않다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 또한 기존 터빈들의 용이한 개장(retrofit)을 지원하다. 왜냐하면 기존 메인 변환기에 대한 변경이 필요하지 않기 때문이다.
전력 저장 유닛은 배터리, 수퍼-캡형 저장 유닛, 또는 다른 전력 저장 유닛들일 수 있다. 이러한 전력 저장 유닛들은 제한된 용량을 가질 것이며, 유리하게는 그리드 손실 동안 관련 전력 소비 유닛들에만 전원이 공급되어 전력 저장 유닛의 전력 소모를 줄여야 한다. 제1 그룹의 전력 소비 유닛들은 피치 액추에이터, 기어박스 및/또는 베어링의 윤활 장비, 요 액추에이터 및 제어 유닛 중 적어도 하나를 포함하도록 선택될 수 있다. 터빈 설계, 전력 저장 용량에 따라 다소의 전력 소비 유닛들이 제1 전력 소비 유닛 그룹에 포함될 수 있다. 예를 들어, 제1 전력 소비 유닛 그룹은 또한 선택된 제습기 및 선택된 히터를 포함할 수 있다. 선택된 제1 전력 소비 유닛 그룹은 또한 예를 들어 전압 레벨, 센서 판독값, 그리드 손실 기간 또는 다른 요인들에 따라 그리드 손실 동안 상호교환될 수 있다. 또한, 로터 속도 센서, 풍속 센서, 그리드 센서와 같은 다양한 센서들이 제1 전력 소비 유닛 그룹에 포함될 수도 있다. 풍속은 또한 제어 유닛에서 구현되는 추정기에 의해 결정된 추정 풍속으로서 획득될 수 있다.
그리드 손실 동안, 발전기는 제1 그룹의 전력 소비 유닛들을 작동시키기 위해 상기 전력 저장 유닛의 충분한 전력을 보장하도록 감소된 속도로 작동될 수 있다. 발전기가 감속된 속도로 작동하는 것은 정지하기 위해 발전기 속도를 감소시키는 것뿐만 아니라, 예를 들어 터빈을 유휴 모드로 작동시키고 로터가 천천히 회전되게 함으로써, 발전기를 낮은 로터 속도로 작동시키는 것을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 제2 전기 변환기는 발전기의 회전이 정지를 위해 감소되는 시점에서 발전기에 연결된다. 이와 관련하여, 정지는 완전 정지일 수 있지만, 또한 발전기 단자들에서 전력이 생성되지 않거나 실질적으로 생성되지 않는 낮은 레벨에서의 로터의 약간의 움직임을 포함할 수 있다. 발전기를 저속으로 작동시키는 것은 천천히 회전하는 발전기의 속도를, 상기 제2 전기 변환기가 상기 제1 그룹의 전력 소비 유닛들에 전력을 공급하기 위해 주어진 전력 레벨을 제공하기에 충분한 속도로 설정하는 것을 포함한다. 이러한 전력 레벨은 로터가 정지되는 하나 이상의 기간들 그리고 로터가 낮은 회전 속도(유휴)로 작동되는 하나 이상의 기간들을 이용하여 획득될 수 있다. 유휴 작동하는 터빈은 풍력 터빈의 중요 컴포넌트들에 백업 전원을 제공할 수 있다. 터빈을 낮은 로터 속도로 작동시키는 것은 자체 전원 공급 동작 모드로 터빈을 작동시키는 것으로 지칭될 수 있다. 일 실시예에서, 발전기는 로터 속도 임계값보다 낮은 속도로 회전하도록 작동된다. 로터 속도 임계값은 50%, 25%, 10%, 5% 또는 다른 적절한 속도 임계값과 같이, 정격 속도보다 낮을 수 있다. 따라서, 발전기는 50% 이하, 25% 이하, 10% 이하, 5% 이하 또는 정격 로터 속도 이하의 다른 적절한 속도와 같이, 감소된 회전 속도로 작동될 수 있다.
실시예들에서, 제2 그룹의 전력 소비 유닛들은 그리드 손실 동안 전력을 공급받지 않는다.
제1 그룹의 전력 소비 유닛들 및 제2 그룹의 전력 소비 유닛들은 DC 연결 유닛 또는 AC 연결 유닛일 수 있다. 실시예들에서, 제1 그룹의 전력 소비 유닛들 및 제2 그룹의 전력 소비 유닛들은 별도의 내부 전력 공급 그리드 상에 연결될 수 있다. 따라서, 제1 그룹의 전력 소비 유닛들은 제1 내부 전력 공급 그리드에 연결될 수 있으며, 그리고 제2 그룹의 전력 소비 유닛들은 제2 내부 전력 공급 그리드에 연결될 수 있다. 실시예에서, 제1 그룹의 전력 소비 유닛들은 내부 DC 전력 공급 그리드에 연결된 DC 연결 유닛들인 반면, 제2 그룹의 전력 소비 유닛들은 내부 AC 전력 공급 그리드에 연결된 AC 연결 유닛들일 수 있다.
제1 전기 변환기는 발전기를 전기 그리드에 연결하기 위한 "정상" 변환기이며, 상기 제1 전기 변환기는 풀-스케일 변환기와 같은 주파수 변환기일 수 있다. 제2 전기 변환기는 일 실시예에서 발전기를 전력 저장 유닛에 연결하는 별도의 전용 변환기이다. 실시예들에서, 제2 전기 변환기는 그리드 손실의 발생을 검출할 때 발전기에 선택적으로 연결된다. 이에 더하여, 제1 변환기는 그리드 손실 동안 선택적으로 분리될 수 있다.
발전기는 임의의 유형의 발전기일 수 있지만, 영구 자석 기반 발전기를 사용하는 것이 유리할 수 있다. 왜냐하면 이것들은 그리드 손실 동안 전기장 유도 전류가 생성될 필요가 없기 때문이다.
전력 저장 유닛은 전기 전력 저장 유닛일 수 있다. 일 실시예에서, 전력 저장 유닛은 재충전 가능한 전력 저장 유닛이다. 제2 전기 변환기의 상기 발전기로의 선택적 연결은 또한 재충전 가능한 전력 저장 유닛의 전압 레벨이 제1 전압 임계값 미만인 것을 검출하는 것을 추가로 조건으로 할 수 있다. 이러한 방식으로, 전력 저장 유닛의 전력 레벨이 충분히 높은 한, 전력 저장 유닛으로부터 전력이 인출될 수 있으며, 그리고 전압 레벨이 임계값 미만인 경우에만 전력 저장 유닛이 재충전된다.
실시예들에서, 전력 저장 유닛의 전력 용량은 1 kWh 내지 100 kWh, 예를 들어 50 kWh 내지 80 kWh의 범위에 있다. 특정 용량은 특정 터빈 설계를 기반으로 한다.
상기 제2 전기 변환기의 상기 발전기로의 선택적 연결은 또한 상기 발전기의 출력 전압 레벨의 검출을 조건으로 할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 제2 전기 변환기는 상기 발전기의 출력 전압 레벨이 제1 출력 임계값 미만임을 검출시에 상기 발전기로부터 분리되며, 그리고 상기 발전기의 출력 전압 레벨이 제2 출력 임계값을 초과함을 검출시에 상기 발전기에 연결되며, 이 때, 상기 제2 출력 임계값은 상기 제1 출력 임계값보다 크다. 상기 제2 전기 변환기가 상기 발전기에 연결되는 동안, 전기 부하로부터 부과된 토크로 인해 로터가 느려진다. 출력 전압이 특정 임계값 미만일 때, 부과된 토크로 인해 발전기가 너무 느려질 위험이 있을 수 있다. 출력 전압이 상기 제2 출력 임계값 이상으로 증가되는 것을 검출하면, 상기 제2 전기 변환기는 다시 연결될 수 있다. 출력 전압이 제1 출력 임계값보다 큰 제2 출력 임계값을 초과할 때까지 제2 전기 변환기가 연결되지 않도록 함으로써, 제2 전기 변환기가 지속적으로 스위칭-인/아웃되지 않도록 하는 히스테리시스가 부과된다.
발전기는 로터에 의해 구동되며, 따라서, 발전기의 회전 속도(발전기 속도)는 풍속에 의해 영향을 받는다. 로터 블레이드들의 피치를 조정함으로써, 발전기 속도가 제어될 수 있다. 이를 달성하기 위해, 제어된 폐루프 속도가 제어 유닛에서 구현될 수 있다. 폐루프 속도 제어기는, 예를 들어 PID, PI 또는 유사한 유형의 제어기를 사용하여, 세트포인트 로터 속도를 달성하기 위해 로터 블레이드들의 피치를 조정하도록 구현된다. 따라서, 그리드 손실 동안, 피치-조정 가능한 로터 블레이드들을 조정함으로써 발전기 속도가 제어될 수 있다.
일 실시예에서, 발전기 속도는 속도 범위 내에 있도록 제어된다. 발전기 속도를 특정 세트포인트값이 아닌, 범위 내에 있도록 제어함으로써, 피치 활동(pitch activity)이 감소될 수 있다.
실시예들에서, 제어는 또한 풍속 검출 또는 풍속 추정에 기초할 수 있으며, 여기서 피치 각도는 풍속에 의존하여 설정된다. 이는 예를 들어 피드 포워드 제어기에서 룩업 테이블을 사용하여 수행될 수 있으며, 여기서 풍속이 검출되고 이에 따라 피치 각도가 설정된다.
실시예들에서, 로터 속도는 정격 로터 속도의 5 % 내지 25 %, 예를 들어 10 % 내지 15 %가 되도록 제어된다. 로터 속도는 주어진 세트포인트 값을 중심으로 특정 범위 내에(예를 들어 10 % ± 15 % 이내) 있도록 제어될 수 있다. 일반적으로, 로터 속도는 이러한 언급된 속도 범위 내에서 세트포인트 값 또는 세트포인트 범위에 의해 제어될 수 있다. 특정 타겟 로터 속도(범위)는 제2 전기 변환기의 설계를 포함하여, 터빈 설계에 의존할 수 있다. 실시예에서, 이러한 로터 속도로, 발전기의 출력 전력은 50 V AC 및 100 V AC일 수 있다.
발전기로부터의 감소된 전력 출력은 제2 전기 변환기에 의해 전력 저장 유닛에 적합한 입력 레벨로 부스팅될 수 있다. 이러한 입력 레벨은 400 V AC를 포함하여 300 V AC 내지 600 V AC 범위에 있을 수 있다.
실시예들에서, 제2 전기 변환기는 AC/AC 부스트 변환기와 같은 주파수 변환기일 수 있으며, 가변 전압 및 주파수 입력으로부터 일정한 전압 및 주파수 AC 출력을 제공하도록 구성된다. 주파수 입력은 일반적으로 5 Hz 내지 15 Hz일 수 있으며, 예를 들어 10 Hz일 수 있다.
실시예들에서, 제2 전기 변환기는 발전기의 단일 3상 권선에 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 그리드 손실 동안 상기 피치-조정 가능한 로터 블레이드들은 정상 모드 작동에 비해 피치 각도 조정이 느린 감소 모드로 작동된다.
피치 조정 가능한 로터 블레이드들을 감소 모드로 작동시킴으로써, 피치를 작동시키는데 필요한 전력 소비도 감소될 수 있다. 유압 피치 시스템의 경우, 감소 모드는 유압 시스템의 일부만 가압하도록 유압 시스템이 감소되는 모드뿐만 아니라 유출이 감소되는 모드일 수 있다. 전기 피치 시스템의 경우, 감소 모드는 전압 레벨이 피치 액추에이터의 정상 전압 레벨보다 낮은 모드, 또는 특정 전기 부하가 스위치-오프되는 모드일 수 있다.
일 실시예에서, 유압 시스템은 선택적으로 폐쇄될 수 있는 하나 이상의 체크 밸브들을 포함한다. 체크 밸브들은 피치가 조절되지 않는 기간 동안 선택적으로 폐쇄되고, 그리고 피치가 조절되는 기간 동안 선택적으로 개방되도록 작동될 수 있다. 체크 밸브가 닫히면 유압 펌프가 꺼질 수 있다.
선택된 체크 밸브를 닫으면, 유압 시스템의 유출이 제거되거나 제한될 수 있다. 피치 액추에이터의 작동 중에는, 특정 유출이 필요할 수 있으며, 그리고 유압 시스템의 정상적인 작동을 보장하기 위해 제어 가능한 체크 밸브가 열릴 수 있다.
제어식 체크 밸브를 사용하여 그리드 손실 동안 유압 시스템의 일부를 차단할 수도 있다.
발전기를 작동시키기 위한 요구 사항은 단지 발전기를 대략적인 회전 속도로 작동시키기 위한 것일 수 있기 때문에, 느린 피치 조정으로 충분할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 재충전 가능한 전력 저장 유닛의 전압 레벨이 제2 전압 임계값 이하임을 검출할 때, 상기 로터의 회전을 정지시키고 상기 제어 유닛의 슬립 모드에 진입된다.
일 실시예에서, 슬립 모드에 있는 동안, 풍속은 고정된 시간 간격으로 검출될 수 있으며, 풍속 제어기는, 유휴 모드 동작 또는 정상 모드 동작이 지원될 수 있는지 평가하기 위해, 아마도 부분적 저전력 소비 모드에서, 웨이크업되도록 프로그래밍된다.
시간 간격은 고정된 사전 프로그래밍된 시간 간격일 수 있다. 그러나, 실시예들에서, 시간 간격은 슬립 모드에 진입하기 전에 SCADA 시스템으로부터 획득된 일기 예보 정보에 기초할 수 있다. 일기 예보에 기초한 시간 간격에 기초함으로써, 전력 저장 유닛으로부터의 불필요한 에너지 소모가 회피될 수 있다. SCADA 시스템으로부터 획득된 일기 예보 정보는 또한 전압 레벨에 대한 적절한 임계값을 설정하는데 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 그리드 손실의 발생을 검출하면, 로터의 회전이 정지되고, 그리고 전력 저장 유닛의 전압 레벨이 제1 임계값을 초과하는 동안, 제1 그룹의 전력 소비 유닛들은 전력 저장 유닛에 의해 전력을 공급받는다. 따라서, 전력 저장 유닛은 정상 전력 백업으로서 기능한다. 전력 저장 유닛의 전압 레벨이 제1 전압 임계값 미만임을 검출하면, 자체 전력 공급 동작이 개시되며, 발전기는 제1 그룹의 전력 소비 유닛들을 작동시키기 위해 전력 저장 유닛의 충분한 전력을 보장하도록 작동된다.
그리드가 복구되면, 터빈은 정상 모드 작동으로 돌아간다.
일 실시예에서, 발전기는 감소된 회전 속도로 유휴 작동 모드에서 작동된다. 이러한 유휴 모드에서, 제2 전기 변환기는 에너지 저장 유닛에 전력을 전달할 수 있으며, 그리고 또한 예를 들어 제2 그룹의 전력 소비 유닛들에 전력을 공급할 수 있다.
특히, 제1 전기 변환기 및 제2 전기 변환기는 제어 가능한 스위치들에 의해 발전기에 연결될 수 있으며, 상기 방법은 상기 제1 전기 변환기 또는 상기 제2 전기 변환기를 상기 발전기에 선택적으로 연결하기 위해 제어 가능한 스위치들을 작동시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제2 전기 변환기는 다양한 방식으로 구현될 수 있고, 그리고, 예를 들어 그리드 레벨 전압에서, DC 전기 출력 및/또는 AC 전기 출력을 생성하도록 구성될 수 있다. 특히, 제2 전기 변환기는 DC 전기 출력 및 AC 전기 출력 모두를 생성하도록 구성될 수 있다. 특히, 제2 전기 변환기는 제2 그룹의 전력 소비 유닛들에 전력을 공급하기 위해 AC 전력을 생성하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 제2 전기 변환기는 AC 부스팅 회로 및/또는 DC 부스팅 회로를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 제2 전기 변환기는 정류 회로에 이어 DC-DC 부스팅 회로를 포함한다.
바람직하게는, 제1 전기 변환기인 메인 컨버터는 풍력 터빈의 정격 전력을 처리하도록 치수 설정되는 반면, 상기 제2 전기 변환기는 상기 풍력 터빈의 정격 전력의 10 % 미만, 예를 들어 1 % 미만을 처리하도록 치수 설정된다. 따라서, 제2 전기 변환기는 요구되는 제한된 전력 취급으로 인해, 보다 비싸고 보다 효율적인 컴포넌트들로 구현될 수 있다.
발전기는 영구 자석 발전기인 것이 바람직할 수 있다. 왜냐하면, 이러한 발전기는, 전기 그리드 연결 없이, 특히 일 실시예에서 AC 및/또는 DC 부스팅 회로를 포함하는 제2 전기 변환기를 사용하여, 유휴 동작 모드에서 제2 전기 변환기에 의해 포획하기 위한 전력을 여전히 생성할 수 있기 때문이다.
추가 양상에서, 본 발명은 컴퓨터 프로그램 제품에 관한 것이다. 이는 컴퓨터 판독 가능 저장 매체상에 제공될 수 있으며, 그리고 통신 네트워크로부터 다운로드될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 제품은 예를 들어 제어기 형태의 데이터 처리 시스템으로 하여금 명령이 데이터 처리 시스템에 로딩될 때 명령을 수행하게 하기 위해 명령을 포함한다.
일반적으로, 제어기는 하나 이상의 프로세서들, 입/출력 인터페이스(들) 및 프로세서에 의해 실행될 수 있는 명령들을 저장할 수 있는 메모리를 포함하는 기능 유닛들 중 하나 또는 이들의 집합일 수 있다.
추가 양상에서, 본 발명은 풍력 터빈에 관한 것으로, 상기 풍력 터빈은 :
발전기;
다수의 피치-조정 가능한 로터 블레이드들을 갖는 로터로서, 상기 로터는 발전기를 구동시키도록 배치되는, 로터;
전력 저장 유닛;
제1 그룹의 전력 소비 유닛들 및 제2 그룹의 전력 소비 유닛들로 그룹화되는 다수의 전력 소비 유닛들로서, 상기 제1 전력 소비 유닛 그룹은 상기 전력 저장 유닛에 의해 전력을 공급받는, 다수의 전력 소비 유닛들;
상기 발전기를 상기 전기 그리드에 연결하기 위한 제1 전기 변환기;
상기 발전기를 상기 전력 저장 유닛에 연결하기 위한 제2 전기 변환기;
상기 전기 그리드의 전기 상태를 검출하기 위한 그리드 센서;
그리드 손실의 발생을 검출하고, 그리드 손실의 발생을 검출하면, 상기 제1 전기 변환기를 상기 발전기로부터 분리하고, 상기 제2 전기 변환기를 상기 발전기에 연결하고, 그리고 상기 발전기를 감소된 회전 속도로 작동시키도록 구성된 데이터 처리 시스템을 포함한다.
일반적으로, 본 발명의 다양한 양상들은 본 발명의 범위 내에서 가능한 임의의 방식으로 결합 및 조합될 수 있다. 본 발명의 이러한 그리고 다른 양상들, 특징들 및/또는 이점들은 이하에서 설명되는 실시예들로부터 명백해지며 그리고 그 실시예들을 참조하여 설명될 것이다.
본 발명의 실시예들은 도면을 참조하여 단지 예로서 설명될 것이다.
도 1은 나셀 하우징 내부의 예시적인 요소들과 함께 풍력 터빈의 요소들의 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 2는 제2 전기 변환기를 포함하는 실시예를 포함하여, 본 발명의 실시예의 요소들을 개략적으로 도시한다.
도 3은 제2 전기 변환기의 동작 사이클의 예를 도시한다.
도 4는 풍속에 따른 피치 각도 설정의 예를 도시한다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 풍력 터빈의 작동 흐름도를 도시한다.
도 1은 나셀 하우징(3) 내부의 예시적인 요소들과 함께 풍력 터빈(1)의 요소들의 실시예를 개략적으로 도시한다. 풍력 터빈은 발전기(2)를 구동하기 위해 기계적으로 연결된 피치-조절 가능한 로터 블레이드(6)를 포함한다. 발전기(2)는 제1 전기 변환기 및 제2 전기 변환기를 포함하는 전기 컴포넌트들(4)에 연결된다. 또한, 다수의 전력 소비 유닛들(7)이 개략적으로 도시되어 있다. 도시되지는 않았지만, 풍력 터빈은 기어 박스뿐만 아니라, 추가적인 전기 및 기계 컴포넌트들을 옵션으로 포함할 수 있다.
전력 소비 유닛들 중 하나는 제어 유닛(5)이다. 제어 유닛은 프로세서 및 메모리를 갖는 적어도 하나의 중앙 제어기를 포함하는, 다수의 요소들을 더 포함할 수 있으며, 이로써, 프로세서는 메모리에 저장된 명령들에 기초하여 컴퓨팅 태스크를 실행할 수 있다. 제어 유닛은 단일 엔티티로서 도시되어 있지만, 실시예들에서, 위치 및 기능 모두에 있어서 분산될 수 있다. 정상 작동에서, 풍력 터빈 제어기는 풍력 터빈이 요청된 전력 출력 레벨을 생성하도록 보장한다. 이것은 (제1) 변환기의 피치 각도 및/또는 전력 추출을 조정함으로써 획득된다.
도 2는 본 발명의 실시예의 요소들을 개략적으로 도시한다.
이 도면은 다수의 피치-조절 가능한 로터 블레이드(6)를 갖는 로터(20)를 도시하며, 상기 로터는 발전기(G)를 구동하도록 배열된다. 풍력 터빈은 전력 저장 유닛(21)을 더 포함하고, 다수의 전력 소비 유닛들(7)은 적어도 제1 그룹(22)의 전력 소비 유닛들 및 제2 그룹(23)의 전력 소비 유닛들로 그룹화된다. 상기 제1 그룹의 전력 소비 유닛들은 전력 저장 유닛(21)에 의해 전력을 공급받는다. 도시된 실시예에서, 제2 그룹은 전기 그리드(24)에 의해 전력을 공급받는다. 전기 컴포넌트들(4)은 발전기(G)를 전기 그리드(24)에 연결하기 위한 제1 전기 변환기(25)를 포함한다. 이러한 전기 변환기는 일반적으로 DC 링크에 의해 연결된 기계측 변환기(MSC) 및 그리드 측 변환기(GSC)를 포함한다. 제1 전기 변환기 외에, 제2 전기 변환기(26)도 도시되어 있다. 제2 전기 변환기(26)는 발전기(G)를 전력 저장 유닛(21)에 연결한다.
도 2는 그리드의 상태를 검출할 수 있는 그리드 검출기(27)를 추가로 도시한다. 제어 유닛(5)은 그리드 손실의 발생을 검출할 때, 발전기가 전력 저장 유닛의 충분한 전력을 보장하도록 작동하여 제1 그룹의 전력 소비 유닛들을 작동시키도록 구현된다.
제어 유닛(5)에 더하여, 제1 그룹(22)의 전력 소비 유닛들은 피치 액추에이터, 베어링 윤활 장비, 요 액추에이터(yaw actuator), 선택된 제습기 및 선택된 히터, 선택된 유압 펌프, 제어 가능한 체크 밸브를 더 포함할 수 있다.
제2 그룹(23)의 전력 소비 유닛들은 리프트, 조명, 냉각, 난방, 환기, 유압 펌프 등을 위한 전원 공급 장치들과 같은 유닛들을 포함할 수 있다.
전력 저장 유닛(21)은 일반적으로 DC 전력을 출력하고, 그리고 제1 그룹의 전력 소비 유닛들은 일반적으로 DC로 구동되는 유닛들인 반면, 제2 그룹의 전력 소비 유닛들은 AC로 구동되는 유닛들일 수 있다. 적어도 도시된 실시예에서, 제2 그룹의 전력 소비 유닛들은 적절한 변압기 장비(미도시)를 통해 그리드 연결된다. 이에 따라, 전력 저장 유닛은 AC 입력 및 DC 출력을 포함할 수 있다. 전력 저장 유닛은 재충전 가능한 배터리일 수 있으며, 여기서, AC 입력은 배터리 충전기(200)에 대한 입력이다. 전력 저장 유닛은 다수의 재충전 가능한 배터리 셀들(201)을 포함할 수 있다.
도시된 실시예에서, 그리드 손실시, 제1 그룹의 전력 소비 유닛들은 전력 저장 유닛에 의해 전력을 공급받는 반면, 제2 그룹의 전력 소비 유닛들은 전력을 공급받지 않는다.
도시된 실시예에서, 제2 전기 변환기는 스위치(28)를 통해 발전기에 연결되어, 그리드 손실의 발생을 검출할 때 제2 전기 변환기가 발전기에 선택적으로 연결될 수 있다. 발전기 및/또는 변환기의 유형에 따라, 그리드 손실 동안 제1 전기 변환기를 선택적으로 분리할 수 있는 것이 유리할 수 있다. 이는 스위치(29)에 의해 수행될 수 있다.
제2 전기 변환기는 가변 전압 및 주파수 입력으로부터 일정한 전압 및 주파수 AC 출력을 제공하도록 구성된 AC/AC 부스트 변환기일 수 있다. AC/AC 부스트 변환기는 예를 들어 감소된 속도의 회전 발생기로부터의 10 Hz에서의 64 V AC 입력을 전력 저장 유닛에 적합한 400 V AC 출력으로 변환하도록 구성될 수 있다. 이와 관련하여, AC/AC부스트 변환기는 전압 및 주파수 모두에서 특정 입력 범위를 수용하도록 구성될 수 있다.
도시된 전력 저장 유닛은 재충전 가능한 전력 저장 유닛이고, 이 경우, 제2 전기 변환기(26)의 출력은 전력 저장 유닛을 재충전하기 위해 사용되며, 이는 제1 그룹의 전력 소비 유닛들의 동력 공급으로부터 소모된다.
일 실시예에서, 제2 전기 변환기의 발전기로의 선택적인 연결은 재충전 가능한 전력 저장 유닛의 전압 레벨이 제1 전압 임계값 미만인 것을 검출하는 경우를 추가로 조건으로 한다. 전력 저장 유닛의 충전은 미세 충전에 의해 획득될 수 있다.
일 실시예에서, 발전기의 출력 전압 레벨이 모니터링되어, 발전기 출력이 특정 레벨 이상인 경우에만 제2 전기 변환기가 발전기에 연결되게 한다.
정상 작동 동안, 즉 그리드가 존재할 때, 제2 전기 변환기(26)는 분리되고 전력 저장소(21)는 그리드를 통해 충전된다. 이와 관련하여, 그리드(24) 및 전력 저장소(21) 사이에 2 개의 스위치들이 연결된다. 또한, 이러한 충전을 가능하게 하기 위해 그리드와 전력 저장소 사이에 추가 전기 장비가 삽입될 수 있다. 이러한 추가 장비는 도시되어 있지 않지만, 당업자는 적절한 장비를 선택할 수 있는 능력이 있다.
도 3은 제2 전기 변환기의 동작 사이클의 예를 도시하며, 이는 제2 전기 변환기가 발전기의 출력 전압 레벨이 제1 출력 임계값(OT1) 아래일 때 분리되고 발전기의 출력 전압 레벨이 제2 임계값(OT2)을 초과할 때 연결되는 것을 도시한다.
그리드 손실 동안, 피치-조정 가능한 로터 블레이드들을 조정하여 발전기 속도가 제어된다. 풍속에 따른 피치 각도 설정의 예가 도 4에 나와 있다.
일 실시예에서, 자체 전원 공급 모드(self-powering mode)가 개시될 때 풍속이 측정되거나 추정된다. 여기서, 초기 피치 각도는 도 4에 도시된 바와 같이 미리 정의된 피치 각도에 따라 설정된다. 그리드 손실이 계속됨에 따라, 피치 각도는, 속도가 적절한 레벨에서 또는 적절한 범위 내로(일반적으로, 공칭 로터 속도의 약 10 % 정도로) 유지되도록, 발전기의 속도 제어를 통해 제어될 수 있다. 도 4에 도시된 그래프는 전형적으로 제어 유닛에서 룩업 테이블로서 구현될 수 있다. 대안적 실시예에서, 로터 속도는 모니터링되지 않는다. 대신에, 피치 각도는 풍속에 따라 설정된다. 제2 전기 변환기가 속도 및 주파수의 큰 변화를 수용할 수 있다면, 발전기의 속도 제어가 필요하지 않을 수 있다.
본 발명의 실시예들은 제1 그룹의 전력 소비 유닛들이 강풍 상황에서도 계속 작동하게 할 수 있다. 특정 풍속 이상에서는 터빈을 차단할 필요가 있을 수 있지만, 바람이 너무 세서 로터가 완전히 정지될 필요가 있는 기간은 일반적으로 전력 저장 유닛이 제1 그룹의 전력 소비 유닛들의 작동을 지원할 수 있는 시간보다 짧다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 풍력 터빈의 작동 흐름도를 도시한다.
정상 모드 작동(50)에서, 그리드는 모니터링되고, 예를 들어 그리드 검출기(27)를 사용하여, 그리드 손실을 검출할 때(51), 터빈 로터는 초기에 정지되며(52), 이는 로터 블레이드들을 페더링(feathering)함으로써, 즉 블레이드를 일반적으로 약 90 도의 페더링 위치로 회전시킴으로써 수행된다. 터빈이 정지될 때, 전력 저장 유닛(21)의 전압 레벨은 일반적으로 공칭 레벨에 있어서, 일반적으로 수 시간동안 제1 그룹의 전력 소비 요소들의 전력 공급을 가능하게 한다. 오프 그리드 상황에서는, 그리드는 연속적으로 모니터링되어(53), 그리드 가용성에 따라 정상 작동이 재개될 수 잇다. 동시에, 전력 저장 유닛의 전압 레벨도 모니터링된다(54). 전력 저장 유닛의 전압 레벨이 제1 전압 임계값을 초과하는 동안, 터빈은 정지된 상태를 유지하고, 제1 그룹의 전력 소비 유닛들은 전력 저장 유닛에 의해 계속 전력을 공급받는다. 전력 저장 유닛의 전압 레벨이 제1 전압 임계값 아래에 도달하는 것을 검출하면, 제1 그룹의 전력 소비 유닛들을 작동시키기 위해 전력 저장 유닛의 충분한 전력을 보장하도록 발전기를 감속된 속도로 작동시키는 자체 전원 공급 모드로 진입된다(55).
바람의 에너지가 전력 저장 유닛을 미세 충전하기에 충분한 한, 자체 전원 공급 모드가 유지될 수 있다. 풍속이 지속적으로 일정 수준 이상일 필요는 없지만, 전력 저장 유닛의 전압 레벨을 최소 임계값인 제2 전압 임계값 이상으로 유지하기 위해서는 적어도 충분한 바람의 기간들이 존재해야 한다.
재충전 가능 전력 저장 유닛의 전압 레벨이 제2 전압 임계값 아래로 떨어지는 것을 검출하면, 로터의 회전이 정지되고, 터빈의 슬립 모드(sleep mode)로 진입된다.
슬립 모드 작동(57)에서, 일 실시예에서, 로터를 정지시키는 것에 더하여, 제1 그룹의 전력 소비 유닛들, 또는 적어도 상기 제1 그룹의 전력 소비 유닛들의 서브-그룹은 전력 저장 유닛으로부터 분리되고, 웨이크업 회로에만 전력이 공급된다. 웨이크업 회로는 풍속을 검출하고 그 풍속을 풍속 임계값과 비교하기 위해, 설정된 시간 간격으로, 제어 유닛(5) 또는 제어 유닛(5)의 일부를 깨우는 단순한 타이머 회로일 수 있으며, 풍속이 제2 풍속 임계값을 초과하는 것을 검출하면, 슬립 모드가 종료될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 풍속은 또한 슬립 모드 동안 연속적으로 모니터링될 수 있고, 그리고 풍속이 충분히 높은 것을 검출하면, 자체 전원 공급 모드가 재진입된다. 웨이크업 회로는 풍속이 안정되는 것을 보장하기 위해, 풍속이 장기간 동안 풍속 임계값 이상이 되는 것을 보장하도록 설정될 수 있다.
그리드가 복원되면 정상 모드가 재개되는 반면, 그리드가 여전히 작동하지 않으면, 자체 전원 공급 모드가 시작된다.
일 실시예에서, 웨이크업 회로에 대한 대안으로서, 터빈은 또한, 예를 들어 SCADA 시스템을 통해, 수동 재시작을 위해 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 그리드 손실의 검출시 터빈이 자체 전원 공급 모드(55)에 바로 진입하도록 단계 52 및 54가 생략될 수 있다.
실시예들에서, 전력 저장 유닛의 방전 속도는 예를 들어 제어 시스템에 대한 모니터링 모듈에 의해 또는 SCADA 시스템의 데이터 연결을 통해 모니터링될 수 있다. 에너지 저장 기기의 급격한 방전의 경우, 서비스 직원에게 모바일 재충전을 알릴 수 있다. 일반적으로, 전력 저장 유닛의 충전 레벨의 상태는 서비스 직원이 문제가 있는 상황에 반응할 수 있도록 유휴 모드 동안 서비스 직원에게, 예를 들어 SCADA를 통해, 전달될 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들은 단지 예시의 목적으로 설명되었고, 첨부된 청구범위에 정의된 본 발명의 범위를 제한하지는 않는다.

Claims (23)

  1. 전기 그리드의 손실 동안 풍력 터빈을 작동시키는 방법으로서,
    상기 풍력 터빈은 다수의 피치-조정 가능한 로터 블레이드들을 갖는 로터를 포함하며,
    상기 로터는 발전기를 구동시키도록 배치되고,
    상기 풍력 터빈은 :
    전력 저장 유닛;
    제1 그룹의 전력 소비 유닛들 및 제2 그룹의 전력 소비 유닛들로 그룹화되는 다수의 전력 소비 유닛들로서, 상기 제1 그룹의 전력 소비 유닛들은 상기 전력 저장 유닛에 의해 전력을 공급받는, 다수의 전력 소비 유닛들;
    상기 발전기를 상기 전기 그리드에 연결하기 위한 제1 전기 변환기; 및
    상기 발전기를 상기 전력 저장 유닛에 연결하기 위한 제2 전기 변환기를 더 포함하며,
    상기 방법은 :
    그리드 손실의 발생을 검출하는 단계; 및
    그리드 손실의 발생시, 상기 제1 전기 변환기를 상기 발전기로부터 분리하고 상기 제2 전기 변환기를 상기 발전기에 연결하는 단계로서, 상기 발전기는 감소된 회전 속도로 작동되는, 단계를 더 포함하며,
    그리드 손실 동안 상기 피치-조정 가능한 로터 블레이드들은 정상 모드 작동에 비해 피치 각도 조정이 느린 감소 모드로 작동되는, 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 그룹의 전력 소비 유닛들은 피치 액추에이터, 베어링 윤활 장비, 요 액추에이터(yaw actuator) 및 제어 유닛 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 그룹의 전력 소비 유닛들은 그리드 손실 동안 전력을 공급받지 않는, 방법.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 전력 저장 유닛은 재충전 가능한 전력 저장 유닛이며,
    상기 제2 전기 변환기는 상기 재충전 가능한 전력 저장 유닛의 전압 레벨이 제1 전압 임계값 미만임을 검출할 때 상기 발전기에 연결되는, 방법.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 전기 변환기는 상기 발전기의 출력 전압 레벨이 제1 출력 임계값 미만임을 검출시에 상기 발전기로부터 분리되며, 그리고 상기 발전기의 출력 전압 레벨이 제2 출력 임계값을 초과함을 검출시에 상기 발전기에 연결되고,
    상기 제2 출력 임계값은 상기 제1 출력 임계값보다 큰, 방법.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    그리드 손실 동안, 발전기 속도는 상기 피치-조정 가능한 로터 블레이드들을 조정함으로써 제어되는, 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    발전기 속도는 속도 범위 내에 있도록 제어되는, 방법.
  8. 삭제
  9. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 풍력 터빈은 상기 피치-조정 가능한 로터 블레이드들에 유압 펌프를 연결하기 위한 유압 시스템을 더 포함하며,
    상기 유압 시스템은 상기 피치-조정 가능한 로터 블레이드가 조절되지 않는 기간 동안 선택적으로 폐쇄되는 하나 이상의 체크 밸브들을 포함하는, 방법.
  10. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 전력 저장 유닛의 전압 레벨이 제2 전압 임계값 이하임을 검출할 때, 상기 로터의 회전을 정지시키고 제어 유닛의 슬립 모드에 진입하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    풍속을 검출하고, 상기 풍속을 풍속 임계값과 비교하고, 상기 풍속이 풍속 임계값을 초과하는 것을 검출할 때, 상기 로터의 회전을 시작하고 상기 제어 유닛의 슬립 모드를 종료하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  12. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    그리드 손실의 발생을 검출하면, 상기 로터의 회전을 정지시키기 위해 상기 발전기의 속도를 감소시키며, 그리고 상기 전력 저장 유닛의 전압 레벨이 제1 전압 임계값 이상일 동안, 상기 전력 저장 유닛에 의해 상기 제1 그룹의 전력 소비 유닛들에 전력을 공급하고; 그리고 상기 전력 저장 유닛의 전압 레벨이 상기 제1 전압 임계값 미만임을 검출하면, 상기 전력 저장 유닛의 충분한 전력을 보장하여 상기 제1 그룹의 전력 소비 유닛들을 작동시키기 위해 상기 발전기를 작동시키는 단계를 포함하는, 방법.
  13. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 발전기는 그리드 손실 동안 감소된 회전 속도로 유휴 작동 모드로 작동되는, 방법.
  14. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 전기 변환기 또는 상기 제2 전기 변환기를 상기 발전기에 선택적으로 연결하기 위해 제어 가능한 스위치들을 작동시키는 단계를 포함하는, 방법.
  15. 청구항 12에 있어서,
    상기 제2 전기 변환기는 상기 발전기의 회전이 정지를 위해 감소되는 시점에 상기 발전기에 연결되는, 방법.
  16. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 전기 변환기는 상기 제2 그룹의 전력 소비 유닛들에 전력을 공급하기 위해 AC 전력을 생성하도록 더 구성되는, 방법.
  17. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 전기 변환기는 AC 부스팅 회로를 포함하는, 방법.
  18. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 전기 변환기는 DC 부스팅 회로를 포함하는, 방법.
  19. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 전기 변환기는 정류 회로에 이어 DC-DC 부스팅 회로를 포함하는, 방법.
  20. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 전기 변환기는 상기 풍력 터빈의 정격 전력을 처리하도록 치수 설정되는 반면, 상기 제2 전기 변환기는 상기 풍력 터빈의 정격 전력의 10 % 미만을 처리하도록 치수 설정되는, 방법.
  21. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 발전기는 영구 자석 발전기인, 방법.
  22. 데이터 처리 시스템상에서 실행될 때 풍력 터빈을 제어하도록 구성되는 소프트웨어 코드를 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품으로서,
    상기 컴퓨터 프로그램 제품은 청구항 1 또는 청구항 2의 방법을 수행하도록 구성되는, 컴퓨터 프로그램 제품.
  23. 풍력 터빈으로서,
    발전기;
    다수의 피치-조정 가능한 로터 블레이드들을 갖는 로터로서, 상기 로터는 발전기를 구동시키도록 배치되는, 로터;
    전력 저장 유닛;
    제1 그룹의 전력 소비 유닛들 및 제2 그룹의 전력 소비 유닛들로 그룹화되는 다수의 전력 소비 유닛들로서, 상기 제1 그룹의 전력 소비 유닛들은 상기 전력 저장 유닛에 의해 전력을 공급받는, 다수의 전력 소비 유닛들;
    상기 발전기를 전기 그리드에 연결하기 위한 제1 전기 변환기;
    상기 발전기를 상기 전력 저장 유닛에 연결하기 위한 제2 전기 변환기;
    상기 전기 그리드의 전기 상태를 검출하기 위한 그리드 센서;
    그리드 손실의 발생을 검출하고, 그리드 손실의 발생을 검출하면, 상기 제1 전기 변환기를 상기 발전기로부터 분리하고, 상기 제2 전기 변환기를 상기 발전기에 연결하고, 상기 발전기를 감소된 회전 속도로 작동시키고, 그리고 그리드 손실 동안 상기 피치-조정 가능한 로터 블레이드들을 정상 모드 작동에 비해 피치 각도 조정이 느린 감소 모드로 작동시키도록 구성된 데이터 처리 시스템을 포함하는, 풍력 터빈.









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