KR102590813B1 - 풍력 발전기 및 그의 동작 방법 - Google Patents

풍력 발전기 및 그의 동작 방법 Download PDF

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KR102590813B1 KR1020230065150A KR20230065150A KR102590813B1 KR 102590813 B1 KR102590813 B1 KR 102590813B1 KR 1020230065150 A KR1020230065150 A KR 1020230065150A KR 20230065150 A KR20230065150 A KR 20230065150A KR 102590813 B1 KR102590813 B1 KR 102590813B1
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소지훈
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제주대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 풍력 발전기 및 그의 동작 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 계통 연계점(Point of Common Coupling: PCC)에서 측정되는 주파수(이하, 계통 주파수)가 공칭 주파수(nominal frequency)가 이하인 경우 최대전력점추적(Maximum Power Point Tracking: MPPT) 모드로 상기 풍력 발전기를 구동하는 단계; 상기 MPPT 모드로 구동하는 도중 상기 계통 주파수가 상기 공칭 주파수를 초과하는 경우 디-로딩(de-loading) 모드로 전환하는 단계; 및 상기 디-로딩 모드로 구동하는 도중 상기 계통 주파수가 기 설정된 기준 주파수를 초과하는 경우 상기 풍력 발전기에 의해 전력이 소비되는 모터링(motoring) 모드로 전환하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

풍력 발전기 및 그의 동작 방법{WIND POWER GENERATOR AND METHOD FOR OPERATING THEREOF}
본 발명은 풍력 발전기 및 그의 동작 방법에 관한 것이다.
기후 위기가 커짐에 따라, 탄소 중립 정책을 시행하는 나라들이 증가하고 있다. 이에 친환경 에너지(또는 신재생 에너지)에 대한 보급이 가속화되고 있다. 예를 들어, 바람 에너지(wind energy)를 전기 에너지로 변환하는 풍력 발전에 대한 관심이 증가하고 있다.
하지만, 풍력 발전 시설(예: 풍력 에너지 변환 시스템(Wind Energy Conversion System: WECS))의 규모가 커짐에 따라 전력 계통(power grid)의 불안정성이 증가하고 있다. 예를 들어, 최근에는 풍력 발전기의 대용량화 및 급격하게 증가하는 보급률로 인하여, 풍력 발전기의 출력 제한(curtailment)에 대한 문제가 대두되고 있다. 상기 출력 제한은 풍력 발전기에 의해 공급되는 전력이 전력 계통에서 소모되는 전력보다 큰 경우 풍력 발전기의 출력을 의도적으로 제한(예: 감소)하는 것을 의미한다. 한편, 풍력 발전에 의해 공급되는 전력이 소모 전력보다 과도하게 많은 경우(예: 초과 발전) 풍력 에너지 변환 시스템은 풍력 발전기의 기동을 중단(이하, 기동 정지)하기도 한다.
상기 풍력 발전기가 기동 정지되는 경우 풍력 에너지 변환 시스템은 초과 발전이 해소된 후 전력 계통에 전력을 재공급하기 위해 풍력 발전기를 재기동하고, 전력 계통과의 연계 절차를 재수행해야 한다. 따라서, 풍력 발전기는 초과 발전이 해소되더라도 즉각적으로 전력 계통에 전력을 공급할 수 없다. 다시 말해, 종래의 풍력 발전기는 전력 공급의 유연성(flexibility)을 가지지 못한다.
상기 문제를 해소하기 위해, 에너지 저장장치 (Energy Storage System: ESS)에 풍력 발전기의 초과 전력을 저장하거나, 또는 수요반응 (Demand Response, DR) 예측을 통해 전력 수급의 균형을 유지하는 방안들이 제안되었다. 하지만, 제안된 방안들은 풍력 발전 시스템 자체적으로 초과 발전에 대응하는 방안이 아니다. 또한, 제안된 방안들은 제약(예: 신재생 에너지의 확대에 따른 ESS 증설, DR 참여에 관한 규제 등)이 존재하여, 상기 문제를 해결할 수 있는 근본적인 방안이 될 수 없다. 이에, 초과 발전 시에도 풍력 발전기의 기동을 중지시키지 않고 풍력 발전기의 출력를 유연하게 제어할 수 있는 방안이 요구되고 있다.
본 발명의 목적은, 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 운전 모드의 전환을 통해 초과 발전과 기동 중지를 완화할 수 있는 풍력 발전기 및 그의 동작 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 초과 발전 시 풍력 발전기를 전력을 생산하는 발전 모드에서 전력을 소비하는 모터링(motoring) 모드로 전환할 수 있는 풍력 발전기 및 그의 동작 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력 발전기의 동작 방법은 계통 연계점(Point of Common Coupling: PCC)에서 측정되는 주파수(이하, 계통 주파수)가 공칭 주파수(nominal frequency)가 이하인 경우 최대전력점추적(Maximum Power Point Tracking: MPPT) 모드로 상기 풍력 발전기를 구동하는 단계; 상기 MPPT 모드로 구동하는 도중 상기 계통 주파수가 상기 공칭 주파수를 초과하는 경우 디-로딩(de-loading) 모드로 전환하는 단계; 및 상기 디-로딩 모드로 구동하는 도중 상기 계통 주파수가 기 설정된 기준 주파수를 초과하는 경우 상기 풍력 발전기에 의해 전력이 소비되는 모터링(motoring) 모드로 전환하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법은 상기 모터링 모드로 구동하는 도중 상기 계통 주파수가 상기 기준 주파수 이하로 낮아지는 경우 상기 디-로딩 모드로 재전환하는 단계; 및 상기 디-로딩 모드로 구동하는 도중 상기 계통 주파수가 상기 공칭 주파수 이하로 낮아지는 경우 상기 MPPT 모드로 재전환하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 디-로딩 모드로 전환하는 단계는 상기 풍력 발전기의 회전 속도 및 피치 각 중 적어도 하나를 조정하여 상기 풍력 발전기의 출력 전력을 감소하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 모터링 모드로 전환하는 단계는 상기 디-로딩 모드로 구동하는 도중 상기 계통 주파수가 상기 기준 주파수를 초과하는 경우 주속비를 상한 주속비까지 증가시켜 상기 풍력 발전기의 회전 속도를 가속하는 단계; 상기 회전 속도를 가속한 후 상기 계통 주파수가 상기 기준 주파수 이하로 감소하는 경우 상기 주속비를 최적 주속비로 복구하고, 상기 풍력 발전기의 운전 모드를 재결정하는 단계; 및 상기 회전 속도를 가속한 후 상기 계통 주파수가 상기 기준 주파수 이하로 감소하지 않는 경우 상기 모터링 모드로 전환하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 모터링 모드로 전환하는 단계는 상기 계통 주파수와 상기 공칭 주파수의 편차에 따라 결정되는 피치 각에 기 설정된 상승 보상값을 적용하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 MPPT 모드로 재전환하는 단계는 상기 풍력 발전기의 피치 각에 기 설정된 하강 보상값을 적용하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력 발전기는 바람 에너지를 기계 에너지로 변환하는 풍력 터빈; 상기 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기; 상기 전기 에너지의 출력을 제어하는 전력 변환 모듈; 및 상기 풍력 터빈, 상기 발전기, 및 상기 전력 변환 모듈을 제어하는 제어 모듈을 포함하고, 상기 제어 모듈은 계통 연계점(Point of Common Coupling: PCC)에서 측정되는 주파수(이하, 계통 주파수)가 공칭 주파수(nominal frequency)가 이하인 경우 최대전력점추적(Maximum Power Point Tracking: MPPT) 모드로 상기 풍력 발전기를 구동하고, 상기 MPPT 모드로 구동하는 도중 상기 계통 주파수가 상기 공칭 주파수를 초과하는 경우 디-로딩(de-loading) 모드로 전환하고, 상기 디-로딩 모드로 구동하는 도중 상기 계통 주파수가 기 설정된 기준 주파수를 초과하는 경우 상기 풍력 발전기에 의해 전력이 소비되는 모터링(motoring) 모드로 전환할 수 있다.
상기 제어 모듈은 상기 모터링 모드로 구동하는 도중 상기 계통 주파수가 상기 기준 주파수 이하로 낮아지는 경우 상기 디-로딩 모드로 재전환하고, 및 상기 디-로딩 모드로 구동하는 도중 상기 계통 주파수가 상기 공칭 주파수 이하로 낮아지는 경우 상기 MPPT 모드로 재전환할 수 있다.
상기 제어 모듈은 상기 디-로딩 모드로 전환 시 상기 풍력 발전기의 회전 속도 및 피치 각 중 적어도 하나를 조정하여 상기 풍력 발전기의 출력 전력을 감소할 수 있다.
상기 제어 모듈은 상기 디-로딩 모드로 구동하는 도중 상기 계통 주파수가 상기 기준 주파수를 초과하는 경우 주속비를 상한 주속비까지 증가시켜 상기 풍력 발전기의 회전 속도를 가속하고, 상기 회전 속도를 가속한 후 상기 계통 주파수가 상기 기준 주파수 이하로 감소하는 경우 상기 주속비를 최적 주속비로 복구하고, 상기 풍력 발전기의 운전 모드를 재결정하고; 및 상기 회전 속도를 가속한 후 상기 계통 주파수가 상기 기준 주파수 이하로 감소하지 않는 경우 상기 모터링 모드로 전환할 수 있다.
상기 제어 모듈은 상기 모터링 모드로 전환 시 상기 계통 주파수와 상기 공칭 주파수의 편차에 따라 결정되는 피치 각에 기 설정된 상승 보상값을 적용하고, 상기 MPPT 모드로 재전환 시 상기 계통 주파수와 상기 공칭 주파수의 편차에 따라 결정되는 피치 각에 기 설정된 하강 보상값을 적용할 수 있다.
상기 전력 변환 모듈은 양방향으로 전력 전송이 가능한 백투백 변환기(back-to-back convertor)를 포함할 수 있다.
상기 제어 모듈은 상기 풍력 터빈의 피치 각을 제어하는 피치 제어기를 포함하고, 상기 피치 제어기는 상기 계통 주파수와 상기 공칭 주파수의 편차를 계산하는 감산기; 상기 편차에 따라 상기 풍력 터빈의 피치 각을 조절하는 피치각 보상부; 상기 피치 각의 상승 속도 또는 하강 속도를 증가하는 전향 보상값을 생성하는 전향 신호 생성기; 상기 피치각 보상부의 출력과 상기 전향 보상값을 합산하는 합산기; 및 상기 합산기의 출력에 따라 상기 풍향 터빈의 피치 각을 제어하는 피치 액츄에이터를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 풍력 발전기의 동작 방법은 상기 풍력 발전기가 바람 에너지를 변환하여 전력을 생산하는 발전 모드로 구동하는 도중 계통 연계점에서 측정되는 주파수(이하, 계통 주파수)가 기 설정된 기준 주파수를 초과하는지 확인하는 단계; 및 상기 계통 주파수가 상기 기준 주파수를 초과하는 경우 상기 풍력 발전기가 전력을 소비하는 모터링(motoring) 모드로 전환하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명은 초과 발전 시 풍력 발전기의 기동을 중지하지 않고, 전력을 소비하는 모터링(motoring) 모드로 전환하여 발전량을 제한하는 동시에 계통 전력을 통해 풍력 터빈의 회전을 유지할 수 있다. 이와 같이, 본 발명은 초과 발전 시 풍력 발전기의 기동을 중지하지 않아 초과 발전의 해제 시 풍력 발전기를 발전 모드(예: MPPT 모드 또는 De-loading 모드)로 즉각적으로 전환할 수 있어 풍력 발전기를 유연하게 활용할 수 있다.
또한, 본 발명은 계통 주파수의 변화를 통해 운전 모드를 제어함에 따라, 운영자의 개입없이, 풍력 발전기 자체적으로 운전 모드를 제어할 수 있다. 또한, 본 발명은 초과 전력을 흡수/저장하기 위한 별도의 설비(예: 에너지 저장 장치)를 요구하지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력 발전 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력 발전 시스템의 피치 제어기의 구성을 도시한 도면이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력 발전 시스템의 주속비와 피치각에 따른 전력 계수의 변화를 도시한 도면이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력 발전 시스템의 풍속별 출력 특성을 도시한 도면이다.
도 3c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력 발전 시스템의 MPPT 곡선 및 디-로딩 모드 곡선을 도시한 도면이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력 발전기의 동작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력 발전기의 운전 모드 별 출력 전력의 변화를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력 발전 시스템의 계통 주파수, 피치 각, 회전 속도, 및 출력 전력의 변화를 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 이하에서 동일한 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 소자, 구성요소 및/또는 섹션들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자, 구성요소 및/또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자, 구성요소 또는 섹션들을 다른 소자, 구성요소 또는 섹션들과 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자, 제1 구성요소 또는 제1 섹션은 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자, 제2 구성요소 또는 제2 섹션일 수도 있음은 물론이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "이루어지다(made of)"는 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력 발전 시스템의 구성을 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력 발전 시스템의 피치 제어기의 구성을 도시한 도면이고, 도 3a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력 발전 시스템의 주속비와 피치각에 따른 전력 계수의 변화를 도시한 도면이고, 도 3b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력 발전 시스템의 풍속별 출력 특성을 도시한 도면이며, 도 3c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력 발전 시스템의 MPPT 곡선 및 디-로딩 모드 곡선을 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 3c를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력 발전 시스템(100)은 풍력 터빈(또는 풍력 터빈 로터)(110), 발전기(120), 전력 변환 모듈(130), 제어 모듈(140), 위상 고정 루프(150), 및 전력 계통(160)을 포함할 수 있다.
풍력 터빈(110)은 블레이드의 회전을 통해 바람 에너지를 기계 에너지로 변환할 수 있다. 바람 에너지는 기계 에너지로 100 % 변환될 수 없다. 예를 들어, 풍력 터빈(110)에 의해 변환되는 기계적 출력(PM)은 아래의 <식 1>과 같다.
[W] …………………… <식 1>
상기 <식 1>에서, " ", "A", "v", 및 "Cp"는 각각 공기밀도, 회전 단면적, 풍속, 및 전력 계수(power coefficient)를 의미한다. 상기 전력 계수(Cp)는 바람 에너지를 변환하여 얻을 수 있는 기계적 출력(PM)의 비율을 의미하며, 이론적인 최대값은 0.593이다.
상기 기계적 출력(PM)은, 아래의 <식 2>와 같이, 기계적 토크(TM)로 변환될 수 있다.
[Nm] …………………… <식 2>
상기 <식 2>에서, "wr"은 회전 속도를 의미한다.
발전기(120)는 풍력 터빈(110)에 의해 변환된 기계 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있다. 발전기(120)는, 아래의 <식 3>과 같이, 기계적 토크(TM)을 전기적 토크(TE)로 변환할 수 있다.
[Nm] …………………… <식 3>
상기 <식 3>에서, "p", "λr", 및 "iq"는 각각 극 쌍수, 쇄교 자속, q축 전류를 의미한다.
발전기(120)는, 이에 한정되지는 않지만, 영구 자석 동기 머신(Permanent Magnet Synchronous Machine: PMSM)(또는 영구 자석 동기 발전기(Permanent Magnet Synchronous Generator: PMSG))일 수 있다.
발전기(120)는, 도 3a에 도시된 바와 같이, 전력 계수(Cp)가 음수인 영역(301)과 양수인 영역(302) 모두에서 동작할 수 있다. 상기 전력 계수(Cp)가 음수인 영역(301)은 풍력발전시스템(100)이 전력을 소비하는 영역을 의미하고, 전력 계수(Cp)가 양수인 영역(302)은 풍력발전시스템(100)이 전력을 생산하여 전력 계통으로 생산된 전력을 전송하는 영역을 의미한다. 즉, 상기 발전기(120)는 운전 모드에 따라 에너지를 소모하는 전동기로 동작할 수 있다. 예를 들어, 발전기(120)는 모터링 모드 시 전동기로 동작할 수 있다. 여기서, 상기 운전 모드에 대한 설명은 후술하기로 한다.
전력 변환 모듈(130)은 발전기(120)에 의해 변환된 전기 에너지의 출력을 제어할 수 있다. 전력 변환 모듈(130)은 양방향 전력 전송이 가능한 백투백 변환기(back-to-back convertor)일 수 있다. 예를 들어, 전력 변환 모듈(130)은 발전기(120) 측의 제1 변환기(131), DC 링크(133), 및 계통 측의 제2 변환기(135)를 포함할 수 있다. 상기 제1 변환기(131)와 제2 변환기(135) 사이에 DC 링크(133)가 위치하여, 제1 변환기(131) 및 제2 변환기(135)는 유효 전력 및 무효 전력을 개별적(독립적)으로 제어할 수 있다. 예를 들어, 제1 변환기(131)는 제1 제어기(143)의 제어에 따라 풍력 터빈(110)의 출력 전력 및 풍력 터빈(110)의 회전 속도를 제어할 수 있다. 또한, 제2 변환기(135)는 제2 제어기(145)의 제어에 따라 DC 링크(133)의 직류 전압(Vdc)을 일정하게 유지하고, 역률(power factor)을 유지할 수 있다.
제어 모듈(140)은 풍력 발전 시스템(100)의 동작을 제어할 수 있다. 제어 모듈(140)은 계통 연계점(Point of common coupling: PCC)에서 측정되는 주파수(이하, 계통 주파수(fgrid))에 기초하여, 풍력 발전 시스템(100)의 운전 모드(또는 동작 모드)를 제어할 수 있다. 상기 운전 모드는 최대전력점추적(Maximum Power Point Tracking: MPPT) 모드, 디-로딩(De-loading) 모드 및 모터링(motoring) 모드를 포함할 수 있다.
상기 최대전력점추적(MPPT) 모드는 피치 각(β)을 최소(또는 최적값)로 유지하며, 풍속별 최대 전력을 생산할 수 있는 속도로 풍력 터빈(110)의 회전 속도를 제어할 수 있다. 즉, MPPT 모드는 주속비(Tip Speed Rate: TSR)(λ)가 최적이 되도록 풍력 터빈(110)의 회전 속도를 제어한다.
최적 주속비(λopt)는, 아래의 <식 4>와 같이, 풍력 터빈(110)의 블레이드 끝단의 회전 속도(wrated)와 풍속(Vrated)의 비율이다.
…………… <식 4>
상기 <식 4>에서 "R"은 블레이드의 반경을 의미한다. 즉, MPPT 모드 동안 기준 회전 속도( )는, 아래의 <식 5>와 같이, 최적의 주속비(λopt)를 만족하도록 풍속(V)의 변화에 따라 변경되어야 한다.
…………… <식 5>
상기 <식 4> 및 <식 5>를 <식 1>에 대입하면, 최대 출력(Pmppt) 및 최적의 MPPT 계수(kopt)는 아래의 <식 6> 및 <식 7>와 같을 수 있다.
………………… <식 6>
………… <식 7>
한편, 도 3b를 참조하면, 각 회전 속도에 따른 최대전력점들(303)이 존재함을 알 수 있다. 즉, MPPT 모드는 풍력 발전 시스템(100)이 최대전력점들(303)을 연결한 곡선을 따라 동작하도록 회전 속도 및 피치 각을 제어할(예: 피치 각은 최적값을 유지한 상태에서 풍속별 최적의 속도로 풍력 터빈(110)을 회전시킬) 수 있다.
상기 디-로딩(De-loading) 모드는 회전 속도 또는 피치 각을 조정하여 풍력발전 시스템(100)의 출력을 조절(예: 감소)할 수 있다. 예를 들어, 디-로딩 모드는 회전 속도를 최적의 회전 속도보다 감속하거나 가속하여 풍력발전 시스템(100)의 출력을 감소할 수 있다. 일반적으로, 디-로딩 모드는 회전 속도를 가속하여 출력의 감소와 함께 기계 에너지를 확보한다.
회전 속도를 제어하는 디-로딩 모드 시 풍력발전 시스템의 출력(Pde)은 아래의 <식 8> 및 <식 9>와 같을 수 있다.
………… <식 8>
………… <식 9>
상기 <식 8>의 디-로딩 비율(d%)은 전력 계통 운영자의 요구에 따라 설정된다. 또한, <식 9>의 디-로딩 계수(Kde)는 MPPT 계수(kopt)에서 출력감소분에 해당하는 주속비를 고려하여 계산될 수 있다. 즉, 회전 속도를 제어하여 출력을 제어하는 경우의 디-로딩 계수(Kde_w)는 아래의 <식 10>과 같이 표현될 수 있다.
…………… <식 10>
한편, 디-로딩 모드는 피치 각을 제어(예: 피치 각을 상향)하여 풍력발전 시스템(100)의 출력을 제어할 수 있다. 피치 각을 제어하여 출력을 제어하는 경우의 디-로딩 계수(Kde_β)는, 아래의 <식 11>과 같이 표현될 수 있다
…………… <식 11>
한편, 도 3c를 참조하면, 회전 속도를 제어하는 방식(304) 및 피치 각을 제어하는 방식(305) 모두 풍력 발전 시스템(100)의 동작점을 이동시켜 출력을 제어(감소)함을 알 수 있다.
상기 모터링(motoring) 모드는 전력을 소비할 수 있다. 예를 들어, 모터링 모드는 발전기(120)를 전동기(motor)로 동작시켜 전력을 소비할 수 있다. 즉, 모터링 모드는 피치 각 및/또는 주속비를 조절하여 전력 계수(Cp)가 음수인 영역(도 3a의 301)에서 발전기(120)가 동작하도록 할 수 있다. 이에 반하여, 종래의 풍력발전 시스템은 전력 계통의 상황 및 풍속에 따라 최대전력추적 모드, 정격출력 모드, 디-로딩 모드 중 하나의 모드로 동작한다. 따라서, 종래의 풍력발전 시스템에서 전력 계수(Cp)는 항상 양의 영역에 위치한다.
제어 모듈(140)은 피치 제어기(141), 제1 제어기(143), 및 제2 제어기(145)를 포함할 수 있다. 피치 제어기(141)는 풍력 터빈(110)의 피치 각(β)을 제어할 수 있다. 상기 피치 각(β)은 "0"도 내지 "90"도 범위를 가질 수 있다.
피치 제어기(141)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 감산기(41), 피치 각 보상부(43), 전향(feed-forward) 신호 생성기(45), 합산기(47), 및 피치 액츄에이터(49)를 포함할 수 있다.
감산기(41)는 계통 주파수(fgrid)와 정격 주파수(또는 공칭 주파수(nominal frequency))(fnom)(예: 60 Hz)의 차를 피치 각 보상부(43)로 전송할 수 있다. 피치 각 보상부(43)는 계통 주파수(fgrid)와 정격 주파수(fnom)가 동일해지도록 피치 각(β)을 조절할 수 있다. 예를 들어, 피치 각 보상부(43)는 상기 차가 없거나 음의 값을 가지면(즉, 계통 주파수(fgrid)가 정격 주파수(fnom) 이하이면), 피치 각(β)을 "0"도로 유지할 수 있다. 이때, 제어 모듈(140)은 운전 모드를 MPPT 모드로 결정한다. 한편, 상기 차가 양의 값을 가지면(즉, 계통 주파수(fgrid)가 정격 주파수(fnom) 보다 크면), 피치 각 보상부(43)는 피치 각(β)을 증가시킬 수 있다. 이때, 제어 모듈(140)은 운전 모드를 디-로딩 모드로 전환한다.
한편, 디-로딩 모드로 동작 중 계통 주파수(fgrid)가 정격 주파수(fnom) 이하로 감소하면, 피치 각 보상부(43)에 의해 피치 각(β)이 감소하고, 제어 모듈(140)은 운전 모드를 MPPT 모드로 재전환한다. 반면에, 디-로딩 모드로 동작 중임에도 불구하고 계통 주파수(fgrid)가 상승하여 기 설정된 기준 주파수(fc)를 초과하면, 제어 모듈(140)은 기준 주속비(TSR)를 상한 주속비(TSRup)까지 증가시켜 풍력 터빈(110)을 가속할 수 있다. 이후, 계통 주파수(fgrid)가 기준 주파수(fc) 이하로 감소하면, 제어 모듈(140)은 기준 주속비를 최적 주속비(λopt)로 복구하고, 운전 모드를 재결정한다. 하지만, 풍력 터빈(110)의 가속 후에도 계통 주파수(fgrid)가 기준 주파수(fc)보다 큰 경우 제어 모듈(140)은 운전 모드를 모터링 모드로 전환한다.
전향(feed-forward) 신호 생성기(45)는, 피치 각(β)을 빠르게 증가 또는 감소하기 위해, 운전 모드가 모터링 모드로 전환될 때 또는 MPPT 모드로 재전환(복원)될 때 활성화되어, 전향 보상값(βff)을 출력한다. 전향 보상값(βff)은 운전 모드가 모터링 모드로 전환될 때 피치 각(β)을 빠르게 증가시키기 위한 상승 보상값(βup) 및 운전 모드가 MPPT 모드로 재전환될 때, 피치 각(β)을 빠르게 감소시키기 위한 하강 보상값(βdown)을 포함할 수 있다. 상승 보상값(βup)은 <식 1>에서 주속비(TSR)가 상한 주속비(TSRup)이고, 전력 계수(Cp)가 "0"이 되는 값(예: "20"도)으로 설정될 수 있다. 이때, 하강 보상값(βdown)은 상승 보상값(βup)을 상쇄하기 위한 값(예: "-20"도)으로 설정될 수 있다.
전향(feed-forward) 신호 생성기(45)는, 모드 전환이 완료되면, 비활성화된다. 이때, 전향 보상값(βff)은 "0"이 된다.
합산기(47)는 피치 각 보상부(43) 및 전향 신호 생성기(45)의 출력을 합산할 수 있다. 피치 액츄에이터(49)는 풍력 터빈(110)이 합산기(47)의 출력에 따른 피치 각(β)을 가지도록 제어할 수 있다. 이때, 피치 액츄에이터(49)는 풍력 터빈을 변화하는데 걸리는 지연시간, 초당 피치율 변화를 제한하는 변화율, 최대 피치각을 나타내는 상한, 및 최소 피치각을 나타내는 하한 등을 고려하여 피치각을 변화시킬 수 있다.
한편, 도시하지는 않았지만, 피치 제어기(141)는 정격 풍속 이상에서 풍력 발전기의 출력이 정격 출력을 유지할 수 있도록 기준 피치각을 조정하는 정격 출력 제어기(미도시)를 더 포함할 수 있다.
제1 제어기(143)는 제1 변환부(131)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 제1 제어기(143)는 제1 변환부(131)의 전력 및 풍력 터빈(110)의 회전 속도를 제어할 수 있다. 제2 제어기(145)는 DC 링크(133) 및 제2 변환부(135)를 제어할 수 있다.
위상 고정 루프(150)는 계통 주파수(fgrid) 및 위상 각(θg)을 검출할 수 있다. 예를 들어, 위상 고정 루프(150)는 계통 연계점(Point of common coupling: PCC)(예: 인덕터(Lg)의 후단)의 전압(Vgabc)에 기초하여 계통 주파수(fgrid) 및 위상 각(θg)을 생성하고, 계통 주파수(fgrid) 및 위상 각(θg)을 제어 모듈(140)로 전송할 수 있다.
전력 계통(160)은 생산 전력을 수송 및/또는 분배하는 전기 설비(예: 송전선로, 변전소 등)을 포함할 수 있다.
도 4a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력 발전기의 동작 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 4b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력 발전기의 운전 모드 별 출력 전력의 변화를 도시한 도면이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력 발전기의 동작 방법은, S401 단계에서, 풍력 발전기를 MPPT 모드로 동작시킬 수 있다. 여기서, 상기 MPPT 모드는 도 3b를 참조하여 상세히 설명된 바, 설명을 생략하기로 한다.
상기 방법은, S403 단계에서, 계통 주파수(fgrid)가 공칭 주파수(fnom)를 초과하는지 확인할 수 있다. 상기 S403 단계의 확인 결과, 계통 주파수(fgrid)가 공칭 주파수(fnom)를 초과하지 않는 경우 상기 방법은 S401 단계를 유지할 수 있다. 반면에, 상기 S403 단계의 확인 결과, 상기 계통 주파수(fgrid)가 공칭 주파수(fnom)를 초과하는 경우 상기 방법은, S405 단계에서, 풍력 발전기의 운전 모드를 MPPT 모드에서 디-로딩 모드로 전환할 수 있다. 여기서, 상기 디-로딩 모드는 도 3c를 참조하여 상세히 설명된 바, 설명을 생략하기로 한다.
상기 디-로딩 모드로 전환이 완료된 후, 상기 방법은, S407 단계에서, 계통 주파수(fgrid)가 공칭 주파수(fnom) 이하로 감소하는지 확인할 수 있다. 상기 S407 단계의 확인 결과, 계통 주파수(fgrid)가 공칭 주파수(fnom) 이하로 감소하는 경우 상기 방법은 S401 단계로 복귀할 수 있다. 즉, 상기 방법은 운전 모드를 디-로딩 모드에서 MPPT 모드로 다시 전환할 수 있다 반면에, 상기 S407 단계의 확인 결과, 상기 계통 주파수(fgrid)가 공칭 주파수(fnom) 이하로 감소하지 않는 경우 상기 방법은, S409 단계에서, 계통 주파수(fgrid)가 기준 주파수(fc)를 초과하는지 확인할 수 있다.
상기 S409 단계의 확인 결과, 계통 주파수(fgrid)가 기준 주파수(fc)를 초과하지 않는 경우 상기 방법은 S405 단계로 복귀할 수 있다. 즉, 상기 방법은 디-로딩 모드를 유지할 수 있다. 반면에, 상기 S409 단계의 확인 결과, 계통 주파수(fgrid)가 기준 주파수(fc)를 초과하는 경우 상기 방법은, S411 단계에서, 운전 모드를 디-로딩 모드에서 모터링 모드로 전환할 수 있다. 여기서, 상기 모터링 모드는 도 3a를 참조하여 상세히 설명된 바, 설명을 생략하기로 한다.
어떤 실시 예에 따르면, 상기 방법은 S409 단계의 확인 결과 계통 주파수(fgrid)가 기준 주파수(fc)를 초과하는 경우 주속비를 상한 주속비까지 상승시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 이후, 상기 방법은 계통 주파수(fgrid)가 기준 주파수(fc) 이하로 감소하는지 재확인하고, 계통 주파수(fgrid)가 기준 주파수(fc) 이하로 감소하는 경우 최적 주속비로 복구하고 운전 모드를 재결정할 수 있다. 반면에, 계통 주파수(fgrid)가 기준 주파수(fc) 이하로 감소하지 않는 경우 상기 방법은 S411 단계로 진행할 수 있다.
상기 모터링 모드로 전환이 완료된 후, 상기 방법은, S413 단계에서, 계통 주파수(fgrid)가 기준 주파수(fc) 이하로 감소하는지 확인할 수 있다. 상기 S413 단계의 확인 결과 계통 주파수(fgrid)가 기준 주파수(fc) 이하로 감소하지 않는 경우 상기 방법은 S411 단계를 유지할 수 있다. 즉, 상기 방법은 모터링 모드를 유지할 수 있다. 반면에, 상기 S413 단계의 확인 결과 계통 주파수(fgrid)가 기준 주파수(fc) 이하로 감소하는 경우 상기 방법은 S405 단계로 복귀할 수 있다. 즉, 상기 방법은 운전 모드를 디-로딩 모드로 전환할 수 있다.
상술한 S401 내지 S413 단계들은 풍력 발전기의 구동이 중지 될때까지 반복될 수 있다. 즉, 풍력 발전기는 계통 주파수의 변화에 따라 운전 모드를 전환할 수 있다. 한편, 풍력 발전 시스템의 출력 전력은, 도 4b에 도시된 바와 같이, 운전 모드에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, MPPT 모드는 출력 계수가 양의 값을 가지고, 풍속에 따라 최대 전력을 출력한다. 디-로딩 모드는 출력 계수가 양의 값을 가지고, MPPT 모드에 비하여 전력을 감소하여 출력한다. 모터링 모드는 출력 계수가 음의 값을 가진다. 즉, 모터링 모드는 전력을 소비할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력 발전 시스템의 계통 주파수, 피치 각, 회전 속도, 및 출력 전력의 변화를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력 발전 시스템은, 식별 부호 510의 도면과 같이, 디-로딩 모드로 동작 중 약 1초부터 부하가 감소함에 따라 계통 주파수가 서서히 증가하여 약 2.5초에 기준 주파수(fc)인 "60.036"Hz에 도달한다. 일정 시간이 경과한 후에도 계통 주파수가 기준 주파수(fc)를 상회함에 따라 최적 속도로 회전하던 풍력 터빈이 상한 주속비(TSRup)까지 가속된다. 즉, 회전 속도(wr)가, 식별 부호 520의 도면과 같이, 약 3초에 증가한다. 이는 상기 회전 속도의 가속으로 인하여 풍력 발전 시스템의 출력이 줄어들더라도, 지속적인 부하 감소에 의해 초과 전력이 지속적으로 생산됨에 따라 주파수 상승이 유지되기 때문이다.
또한, 식별 부호 530의 도면과 같이, 상승 보상값(βup)이 피치 제어기에 추가되고, 디-로딩 모드로 동작하던 풍력 발전 시스템은 운전 모드를 모터링 모드로 전환을 시작한다. 상기 모터링 모드로의 전환이 완료되는 약 3.7초에 전향 보상값은 다시 "0"로 복구되고, 약 4.2초에 주속비와 피치각은 모두 최대치가 된다. 이때, 풍력 발전 시스템은 모터링 모드로 동작함에 따라 초과 생산된 전력들을 흡수하여 주파수 상승을 방지한다. 그 결과 약 5초에 계통 주파수는 최대치 약 60.13 Hz에 도달한 후 하락하기 시작해 약 6.37초에 기준 주파수인"60.036"Hz까지 하락한다. 이후, 계통 주파수가 일정 시간동안 기준 주파수인"60.036"Hz 미만을 유지함에 따라 주속비는 최적 주속비로 복귀한다. 이때, 회전속도는, 주속비에 종속되기 때문에, 최적 회전 속도로 감속된다. 또한, 피치제어기는 초과 발전이 해소되었다고 판단하여 운전모드를 전환하기 위해 피치 각을 하향시킨다. 즉, 약 5초부터 증가하기 시작한 부하에 의해 계통 주파수가 약 7.16초에 기준 주파수 이하로 감소하면, 풍력 발전 시스템은 주파수 드랍을 완화하기위해 약 7.77초에 운전 모드를 모터링 모드에서 디-로딩 모드로 전환한다.
디-로딩 모드로 운전모드가 전환되면 풍력발전 시스템은 전력 생산을 재개한다. 이후 풍력발전 시스템은 공칭 주파수 이하의 계통 주파수를 감지하여 출력 전력을 증가할 수 있다. 예를 들어, 디-로딩 모드로 전환된 후 출력 전력의 증가에도 불구하고 계통 주파수가 계속 하락하는 경우 풍력 발전 시스템은 운전 모드를 MPPT 모드로 전환한다. 이때, 빠른 운전 모드의 전환을 위해, 약 9.2초에 피치제어기에 하강 보상값(βdown)이 추가된다. 하강 보상값(βdown)이 추가됨에 따라 피치 각이 빠르게 감소하여 약 10.5초에 피치 각이 "0"이 되고, 약 12.3초까지 MPPT 모드로 동작한다.
한편, 식별 부호 540 도면의 풍력 발전 시스템의 출력 전력의 변화를 참조하면, 약 2초에 전력이 수요보다 많이 생산되어 계통 주파수가 상승함을 알 수 있다. 계통 주파수가 상승함에 따라 풍력발전 시스템의 출력이 서서히 감소하며, 초과 생산된 전력들을 흡수(소비)하기 위해 풍력발전 시스템은 약 3.7 내지 7.77초 구간에서 모터링 모드로 동작한다. 한편, 약 5초부터 부하가 상승함에 따라 계통 주파수가 하락하기 시작하여 약 6.37초에 기준 주파수인 60.036Hz 이하로 감소한다. 이후, 일정 시간동안 계통 주파수의 감소가 유지됨에 따라 풍력 발전 시스템은 약 7.78초에 디-로딩 모드로 운전 모드를 전환하여 전력을 생산한다.
이상과 같이 본 발명의 도시된 실시 예를 참고하여 설명하고 있으나, 이는 예시적인 것들에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 요지 및 범위에 벗어나지 않으면서도 다양한 변형, 변경 및 균등한 타 실시 예들이 가능하다는 것을 명백하게 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적인 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (14)

  1. 풍력 발전기의 동작 방법에 있어서,
    계통 연계점(Point of Common Coupling: PCC)에서 측정되는 주파수(이하, 계통 주파수)가 공칭 주파수(nominal frequency)가 이하인 경우 최대전력점추적(Maximum Power Point Tracking: MPPT) 모드로 상기 풍력 발전기를 구동하는 단계;
    상기 MPPT 모드로 구동하는 도중 상기 계통 주파수가 상기 공칭 주파수를 초과하는 경우 디-로딩(de-loading) 모드로 전환하는 단계; 및
    상기 디-로딩 모드로 구동하는 도중 상기 계통 주파수가 기 설정된 기준 주파수를 초과하는 경우 상기 풍력 발전기에 의해 전력이 소비되는 모터링(motoring) 모드로 전환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 모터링 모드로 구동하는 도중 상기 계통 주파수가 상기 기준 주파수 이하로 낮아지는 경우 상기 디-로딩 모드로 재전환하는 단계; 및
    상기 디-로딩 모드로 구동하는 도중 상기 계통 주파수가 상기 공칭 주파수 이하로 낮아지는 경우 상기 MPPT 모드로 재전환하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 디-로딩 모드로 전환하는 단계는
    상기 풍력 발전기의 회전 속도 및 피치 각 중 적어도 하나를 조정하여 상기 풍력 발전기의 출력 전력을 감소하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 모터링 모드로 전환하는 단계는
    상기 디-로딩 모드로 구동하는 도중 상기 계통 주파수가 상기 기준 주파수를 초과하는 경우 주속비를 상한 주속비까지 증가시켜 상기 풍력 발전기의 회전 속도를 가속하는 단계;
    상기 회전 속도를 가속한 후 상기 계통 주파수가 상기 기준 주파수 이하로 감소하는 경우 상기 주속비를 최적 주속비로 복구하고, 상기 풍력 발전기의 운전 모드를 재결정하는 단계; 및
    상기 회전 속도를 가속한 후 상기 계통 주파수가 상기 기준 주파수 이하로 감소하지 않는 경우 상기 모터링 모드로 전환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 모터링 모드로 전환하는 단계는
    상기 계통 주파수와 상기 공칭 주파수의 편차에 따라 결정되는 피치 각에 기 설정된 상승 보상값을 적용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 MPPT 모드로 재전환하는 단계는
    상기 풍력 발전기의 피치 각에 기 설정된 하강 보상값을 적용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 풍력 발전기에 있어서,
    바람 에너지를 기계 에너지로 변환하는 풍력 터빈;
    상기 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기;
    상기 전기 에너지의 출력을 제어하는 전력 변환 모듈; 및
    상기 풍력 터빈, 상기 발전기, 및 상기 전력 변환 모듈을 제어하는 제어 모듈을 포함하고,
    상기 제어 모듈은
    계통 연계점(Point of Common Coupling: PCC)에서 측정되는 주파수(이하, 계통 주파수)가 공칭 주파수(nominal frequency)가 이하인 경우 최대전력점추적(Maximum Power Point Tracking: MPPT) 모드로 상기 풍력 발전기를 구동하고,
    상기 MPPT 모드로 구동하는 도중 상기 계통 주파수가 상기 공칭 주파수를 초과하는 경우 디-로딩(de-loading) 모드로 전환하고,
    상기 디-로딩 모드로 구동하는 도중 상기 계통 주파수가 기 설정된 기준 주파수를 초과하는 경우 상기 풍력 발전기에 의해 전력이 소비되는 모터링(motoring) 모드로 전환하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어 모듈은
    상기 모터링 모드로 구동하는 도중 상기 계통 주파수가 상기 기준 주파수 이하로 낮아지는 경우 상기 디-로딩 모드로 재전환하고, 및
    상기 디-로딩 모드로 구동하는 도중 상기 계통 주파수가 상기 공칭 주파수 이하로 낮아지는 경우 상기 MPPT 모드로 재전환하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어 모듈은
    상기 디-로딩 모드로 전환 시 상기 풍력 발전기의 회전 속도 및 피치 각 중 적어도 하나를 조정하여 상기 풍력 발전기의 출력 전력을 감소하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어 모듈은
    상기 디-로딩 모드로 구동하는 도중 상기 계통 주파수가 상기 기준 주파수를 초과하는 경우 주속비를 상한 주속비까지 증가시켜 상기 풍력 발전기의 회전 속도를 가속하고,
    상기 회전 속도를 가속한 후 상기 계통 주파수가 상기 기준 주파수 이하로 감소하는 경우 상기 주속비를 최적 주속비로 복구하고, 상기 풍력 발전기의 운전 모드를 재결정하고; 및
    상기 회전 속도를 가속한 후 상기 계통 주파수가 상기 기준 주파수 이하로 감소하지 않는 경우 상기 모터링 모드로 전환하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어 모듈은
    상기 모터링 모드로 전환 시 상기 계통 주파수와 상기 공칭 주파수의 편차에 따라 결정되는 피치 각에 기 설정된 상승 보상값을 적용하고,
    상기 MPPT 모드로 재전환 시 상기 계통 주파수와 상기 공칭 주파수의 편차에 따라 결정되는 피치 각에 기 설정된 하강 보상값을 적용하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 전력 변환 모듈은
    양방향으로 전력 전송이 가능한 백투백 변환기(back-to-back convertor)를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
  13. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어 모듈은
    상기 풍력 터빈의 피치 각을 제어하는 피치 제어기를 포함하고,
    상기 피치 제어기는
    상기 계통 주파수와 상기 공칭 주파수의 편차를 계산하는 감산기;
    상기 편차에 따라 상기 풍력 터빈의 피치 각을 조절하는 피치각 보상부;
    상기 피치 각의 상승 속도 또는 하강 속도를 증가하는 전향 보상값을 생성하는 전향 신호 생성기;
    상기 피치각 보상부의 출력과 상기 전향 보상값을 합산하는 합산기; 및
    상기 합산기의 출력에 따라 상기 풍력 터빈의 피치 각을 제어하는 피치 액츄에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
  14. 풍력 발전기의 동작 방법에 있어서,
    상기 풍력 발전기가 바람 에너지를 변환하여 전력을 생산하는 발전 모드로 구동하는 도중 계통 연계점에서 측정되는 주파수(이하, 계통 주파수)가 기 설정된 기준 주파수를 초과하는지 확인하는 단계; 및
    상기 계통 주파수가 상기 기준 주파수를 초과하는 경우 상기 풍력 발전기가 전력을 소비하는 모터링(motoring) 모드로 전환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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