KR20040012762A - 풍력 터빈의 운전 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 본 발명은 배전망(electrical grid), 특히 배전망에 연결된 부하에 전력을 공급하기 위하여, 로터에 의해 구동되는 발전기를 구비하는 풍력 터빈을 운전하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 목적은 유효 전력의 출력이 변동하는 경우에서도, 풍력 터빈이 없는 경우와 비교하여, 배전망에서의 소정의 지점에서 전압의 바람직하지 않은 변동을 감소시키고 또한 적어도 큰 영향을 미치지 않을 정도로 미세하게 증가시킬 수 있는 풍력 터빈의 운전 방법과, 풍력 터빈 및/또는 풍력 발전 단지를 제공하는 것이다.
발전기를 구비하고, 로터에 의해 구동되며, 전력을 배전망, 특히 접속된 부하에 공급하기 위한 풍력 터빈을 운전하는 방법에 있어서, 위상각 φ가 상기 배전망에서 측정된 적어도 하나의 측정값에 따라 변화하는 것을 특징으로 한다.

Description

풍력 터빈의 운전 방법{METHOD FOR OPERATING A WIND ENERGY PLANT}
풍력에너지로부터 전기에너지를 발생시키는 공지의 풍력 터빈에서는 전기 부하, 종종 배전망과 병렬로 운전이 이루어진다. 풍력 터빈을 운전하는 동안 발전기에 의해 공급되는 전기적 유효 전력(electrical non-reactive power)은 그 시점의 풍속에 따라 달라질 수 있다. 그 결과, 배전망 전압, 예컨대 전원이 당시의 풍속에 따라 변동하게 되는 상황이 생길 수 있다.
그러나, 발생된 전력이 배전망, 예컨대 공공(公共) 배전망으로 공급되는 경우 배전망 전압이 변동될 수 있지만, 이러한 전압의 변동은 접속된 부하가 신뢰성 있게 운전되어야 하는 경우 매우 제한적으로만 허용될 것이다.
공급용 배전망에서 배전망 전압에 대한 기준값으로부터, 예컨대 중간 정도의고전압 정도로 크게 벗어나는 것은, 예를 들어 실제값이 소정의 임계값을 초과하거나 미달하는 경우 스테핑 트랜스포머(stepping transformer) 등의 스위칭 장치를 구동시킴으로써 보상(補償)이 가능하다. 이에 의하면, 배전망 전압은 미리 정해진 허용 한계 내에서 실질적으로 일정하게 유지된다.
본 발명은 배전망(配電網: electrical grid), 특히 이 배전망에 연결된 부하(load)에 전력을 공급하기 위하여, 로터에 의해 구동되는 발전기를 구비하는 풍력 터빈을 운전하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 또한, 풍력 터빈, 특히 상기 언급한 방법을 구현하기 위한 풍력 터빈으로서, 로터와 이 로터에 연결되어 배전망과 적어도 2개의 풍력 터빈을 갖는 풍력 발전 단지(wind farm)로 전력을 공급하는 풍력 터빈에 관한 것이다.
도1은 배전망에 전력을 공급하는 풍력 터빈을 나타내는 개략도이다.
도2는 풍력 터빈을 구동시키는 본 발명에 따른 제어 장치이다.
도3은 배전망 전압과 위상각간의 관계를 나타내는 도면이다.
도4는 도2에 도시된 조정장치의 주요부품을 나타내는 도면이다.
도5는 복수개의 풍력 터빈을 위한, 배전망 상태에 의존하는 공통 또는 개별의 조정 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다.
본 발명의 목적은 유효 전력의 출력이 변동하는 경우에서도, 풍력 터빈이 없는 경우와 비교하여, 배전망에서의 소정의 지점에서 전압의 바람직하지 않은 변동을 감소시키고 또한 적어도 큰 영향을 미치지 않을 정도로 미세하게 증가시킬 수 있는 풍력 터빈의 운전 방법과, 풍력 터빈 및/또는 풍력 발전 단지를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 풍력 터빈으로부터 공급되는 전기적 전력 출력의 위상각 φ가 배전망에서 측정된 적어도 하나의 전압에 따라 변화하는 상기 언급한 종류의 방법에 의해 달성된다.
상기 언급한 종류의 풍력 터빈에 있어서, 본 발명의 목적은 본 발명의 방법을 실행할 수 있는 장치에 의해 달성된다.
상기 언급한 종류의 풍력 발전 단지에 있어서, 본 발명의 목적은 풍력 발전 단지의 개별적으로 제어가 가능한 구획 부분마다 본 발명의 방법을 실행할 수 있는 적어도 하나의 장치와 전압 검출 장치를 구비하는 풍력 발전 단지에 의해 달성된다.
본 발명은 부하 또는 배전망의 전압에 따라 공급되는 전력의 위상각을 변경함으로써, 부하에 공급되는 전압, 특히 배전망의 전압에 있어서의 바람직하지 않은 전압 변동을 방지한다. 이것은 풍력 터빈에 의해 공급되는 유효 전력 및/또는 부하에 의해 배전망에서 인가되는 전력의 변화로부터 생기는 어떠한 바람직하지 않은 전압 변동이라도 보상을 하는 것이다.
전압을 배전망의 적어도 하나의 미리 정해진 지점에서 실질적으로 일정하게 유지하는 방식으로 위상각을 변화시키는 것이 특히 바람직하다. 필요한 파라미터값을 결정하기 위해서는 배전망의 적어도 하나의 지점에서 전압을 측정하여야 한다.
특히, 상기 지점은 인가지점과 다를 수 있다. 상기 방식으로 전압을 측정하고 풍력 터빈에 의해 공급되는 전력의 위상각을 적절하게 변경함으로써, 전력 송출의 신속한 반응과 효율적인 조정이 가능하게 된다.
본 발명의 일 실시예로서, 위상각 φ에 대한 설정값이 미리 정해진 파라미터값으로부터 유도된다. 상기 파라미터값은 미리 정해진 특성군이, 설정될 위상각의 유도가 허용되는 이산값으로 포함된 표로서 제공되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예로서, 전압의 변동이 미리 정해진 임계값을 초과하는 경우, 조정(調整) 시스템에 의해 배전망에서 스테핑 트랜스포머 등의 스위칭 장치를 구동시켜 전압을 허용 범위 내로 직접 또는 간접으로 조정하는 것이 가능하다. 이와 유사하게 그리고 추가적으로, 위상각은 미리 정해진 기간 동안 일정값, 바람직하게는 제로(0) 등의 평균값으로 설정됨으로써, 위상각을 적절하게 조정하여 발생의 우려가 있는 어떠한 전압 변동에 대해서도 보상이 가능하게 된다.
본 발명의 일 실시예로서, 전압 측정 및 위상각의 조정은 배전망의 전기적으로 구분된 부분에서 개별적으로 수행될 수 있는데, 이는 이러한 전기적으로 구분된 부분에서의 전압을 실질적으로 일정하게 유지하는 방식으로 각각의 구분된 부분을 조정함으로써 되는 것이다.
본 발명에 따른 풍력 터빈은 마이크로프로세서를 갖는 조정 장치를 구비하여 풍력 터빈을 디지털로 조정할 수 있다는 이점이 있다.
상기 언급한 풍력 발전 단지는 이 풍력 발전 단지의 개별적으로 제어 가능한 각각의 부분에 대해, 전압 측정 장치와 본 발명에 따른 방법을 수행할 수 있는 장치를 제공함으로써, 전력 배전망의 각각의 부분에서 전압을 실질적으로 일정하게 유지하는 방식으로, 배전망의 전기적 비접속 부분이 개별적으로 조정될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명을 풍력 터빈을 운전하는 방법의 실시 형태에 대하여 도면을참조하여 설명한다.
도1에 개략적으로 도시된 바와 같이, 로터(4)를 구비하는 풍력 터빈(2)은, 예컨대 공공(公共) 배전망 등의 전기 배전망(6)에 접속되어 있다. 이 배전망에 복수개의 전기 부하(8)가 접속되어 있다. 도1에는 도시되어 있지 않은 풍력 터빈(2)의 전기 발전기는, 먼저 이 발전기에서 생성되는 교류(AD)를 정류(整流)하고, 다음으로 이 정류한 전류를 배전망 주파수에 대응하는 주파수를 갖는 교류로 변환시키는 전기적 제어 및 조정 장치(electric control and regulation device)(10)에 접속되어 있다. 전기적 제어 및 조정 장치(10)는 본 발명에 따른 조정 장치를 구비한다.
배전망(6)에서의 임의의 지점(22)에 조정 장치(10)로 각각의 파라미터값으로 하는 전압 검출 장치(22)가 제공될 수 있다.
도2는 본 발명에 따른 조정 장치를 나타낸다. 개략적으로 도시된 로터(4)는 발전기(12)에 연결되고, 이 발전기(12)는 풍속에 의존하는 전력량을 제공한다. 발전기(12)에서 생성되는 교류전압은 먼저 정류되고 다음으로 배전망 주파수에 대응하는 주파수의 교류전압으로 변환된다.
배전망(6) 내의 위치(22)에 있어서의 배전망 전압은 전압 검출기(도시하지 않음)에 의해 측정된다. 이 측정된 배전망 전압에 기초하여, 경우에 따라서는 도4에 도시된 마이크로프로세서에 의해, 최적의 위상각 φ가 산출된다.
다음으로, 배전망 전압(U)은 조정장치에 의해 바람직한 값(Uref)으로 조정된다. 이 위상각을 변화시킴으로써, 발전기(12)에 의해 배전망(6)으로 송출되는 전력이 조정된다.
도3은 배전망에서의 전압과 위상각간의 관계를 나타낸다. 배전망에서의 전압이, 전압(Umin)과 전압(Umax)의 사이값인 기준값(Uref)으로부터 벗어나는 경우, 위상각 φ는 도식에서의 전력곡선에 따라, 유도성 또는 용량성 유효 전력이 배전망에 공급되는 방식으로, 편차의 극성에 의해, 변화하게 됨으로써, 전압 측정지점(도1의 22)에서의 전압을 안정화시키게 된다.
도4는 도1에서의 제어 및 조정 장치(10)의 주요 부분을 나타낸다. 이 제어 및 조정 장치(10)는 정류기(16)를 포함하며, 이 정류기에서 발전기로부터 생성되는 교류가 정류된다. 이 정류기(16)에 주파수 변환기(18)가 접속되어, 먼저 정류된 직류를 교류로 변환하고, 이 교류는 회선(L1, L2, L3)을 통해 3상 교류로서 배전망(6)에 공급된다.
주파수 변환기(18)는 완전한 조정 장치의 일부를 구성하는 마이크로프로세서 (20)에 의해 제어된다. 이 마이크로프로세서(20)는 주파수 변환기(18)에 접속되어 제어를 수행한다. 마이크로프로세서(20)에 대한 입력 파라미터는 현재의 배전망 전압(U), 발전기의 전력(P), 배전망의 전력 기준값(Uref) 및 전력 구배(dP/dt) 이다. 배전망으로 송출되는 전류는 본 발명에 따라 마이크로프로세서(20)에서 변경된다.
도5에서 2개의 풍력 터빈(2)은 풍력 발전 단지의 예로서 도시되어 있다. 복수개의 풍력 터빈에 대한 예시가 될 수 있는 이러한 풍력 터빈(2)은 각각 조정 장치(10)에 할당된다. 배전망(6, 7)에서의 미리 정해진 지점(22, 27)에서, 조정 장치(10)는 전압을 측정하고, 이 값을 회선(25, 26)을 통해 각각의 할당된 조정 장치(10)로 전송한다.
배전망에서의 부분(6, 7)은 스위칭 장치(23)를 통해 서로 접속이 가능하고, 또한 서로 분리되는 것도 가능하다. 상기 스위칭 장치(23)에 병렬로 스위칭 장치(24)가 제공되는데, 이 스위칭 장치(24)에 의해 2개의 조정 장치(10)가 스위칭 장치(23)의 상태에 따라 서로 접속되거나 분리될 수 있게 된다.
따라서, 배전망에서의 2개의 부분(6, 7)이 서로 접속된다면, 2개의 조정 장치(10)도 서로 접속되어, 전체 배전망은 단일 개체로 되며, 전체 풍력 발전 단지로부터 개체로서 전력이 공급되고, 풍력 발전 설비 그 자체는 측정 지점(22, 27)에서의 전압에 따라 개체로서 조정된다.
배전망에서의 2개의 부분(6, 7)이 스위칭 장치(23)에 의해 분리되는 경우, 조정 장치(10)도, 배전망의 하나의 부분이 측정지점(22)으로부터 회선(25)을 통해 조정 장치(10)에 의해 모니터링 되는 방식으로 서로 분리되고, 이에 따라 풍력 발전 단지의 할당된 부분이 조정되며, 배전망의 다른 부분은 조정 장치(10)에 의해 회선(26)을 통해 측정 지점(27)으로부터 모니터링 된다. 여기서 조정 장치는 배전망의 부분(7)에서의 전압을 안정시키기 위해 풍력 발전 단지의 다른 부분이 조정된다.
분할하는 배전망 부분을 더 추가로 분할해도 그 수를 2개로 한정할 필요는없다. 이러한 배전망 부분의 추가 분할은 단일의 배전망 부분에 할당되는 단일 풍력 터빈까지 확장될 수 있다.
상술한 조정 시스템이, 배전망에 이미 포함되어 있는 스위칭 장치(스테핑 트랜스포머)에 비해 배전망 파라미터의 측정에 있어서 상이한 허용 범위를 나타내는 경우에, 2개의 장치(조정기, 스위칭 장치)가 스테핑 트랜스포머 등에서의 일종의 "핑퐁"(ping-pong) 효과가 발생하는 방식으로 서로 영향을 미침으로써, 상술한 본 발명에 따른 조정 방법이 제어되는 방식으로 배전망에서의 전압을 변경하게 된다. 이러한 방식으로 조정 시스템이 제어를 수행하기 때문에, 배전망에서의 전압은 스테핑 트랜스포머가 구동되는 방식으로 변화된다.
이러한 바람직하지 않은 "핑퐁" 효과를 방지하기 위하여, 스위칭 장치(예컨대, 스테핑 트랜스포머)로부터의 측정 결과가 본 발명의 추가 실시예로서 본 발명에 따른 조정 장치에 대한 입력 신호로서 제공될 수 있다. 이 실시예에 의하면 측정 결과가 정확성이 부족하다는 단점이 있을 수 있지만, 구성 요소들이 상호간에 계속해서 영향을 미치는 위험을 방지할 수 있어 본 발명의 목적을 달성하게 된다.
본 명세서에 설명되고 있는 위상각은 풍력 터빈의 발전기로부터 배전망으로 공급되는 전력의 전압 및 전류간의 각이다. 이 위상각이 0°이면 유효 전력만 공급된다. 위상각이 0°가 아니면, 유효 전력에 추가하여 무효 전력(reactive power)의 일부도 공급되고, 이에 의하여 위상각의 변동이 반드시 겉보기 전력에서의 증가 또는 감소를 의미하는 것이라기보다는, 총 겉보기 전력도 일정하지만 설정되는 위상각에 따른 무효 및 유효 전력 변동의 각각의 비율을 갖는다.
상기 언급한 바와 같이, 본 발명의 목적은 배전망에서의 소정의 지점에서 바람직하지 않은 전압 변동을 감소시키거나, 풍력 터빈이 동작 중일 때 전압 변동이 적어도 영향을 미치지 않은 정도로 증가시키는 것이다. 이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 풍력 터빈(또는 풍력 발전 단지)으로부터 송출되는 전력의 위상각이, 전압 변동을 보상하기 위하여 적절하게 변경될 수 있다.
풍력 터빈에 접속되며, 배전망에 일반적으로 구비되는 장치가 본질적으로 동일한 기능을 수행한다. 스테핑 트랜스포머가 스위칭 동작에 의한 전력 송출율을 변화시키는 능력에 의해, 적어도 배전망에서의 전압(또는 적어도 변환기의 2차측에서의 전압)은 유사하게 영향받는다. 그러나, 스테핑 트랜스포머의 스위칭 단계에 대응하는 단계만이 가능하다.
이러한 스테핑 트랜스포머는 일반적으로 배전망 전압을 측정하는 수단을 갖는다. 이러한 전압이 미리 정해진 임계값을 초과하거나, 그 아래로 떨어지게 되면, 스테핑 트랜스포머에 의한 스위칭 동작이 트리거 되고, 배전망 전압은 미리 정해진 허용 가능한 변동의 범위 내가 된다.
본 발명에 따른 풍력 터빈 또는 변환 장치는 배전망에서의 전압을 적절한 측정 수단으로 모니터링하고, 배전망에서의 전압이 소정의 허용 범위를 유지하도록 한다. 이들 허용 범위는 완벽하게 일치하지는 않는 것이 명백하기 때문에, 풍력 터빈과 스테핑 트랜스포머가 서로 반대로 작용하는데, 스테핑 트랜스포머는 단계적으로 상승 및 하강을 교대로 하고, 풍력 터빈은 전압을 증가 및 감소시키는 상황이 발생할 수 있다. 이에 의하여 배전망 전압의 안정화에 허용될 수 없는 정도의 열화가 생기는 것을 용이하게 알 수 있을 것이다.
상기의 영향을 방지하기 위하여, 본 발명은, 먼저 풍력 터빈에 대해 측정된 변수로서 교환되는 전압이 배전망의 인가 지점이 아닌 다른 지점에서 측정되고, 다음으로 조정 시스템이 배전망에서 스위칭 장치를 직접 또는 간접으로 구동시킨다. 상기 배전망에서의 인가 지점이 아닌 다른 지점은 스테핑 트랜스포머가 될 수 있으며, 변환 장치는 스테핑 트랜스포머와 동일한 전압값으로 제어된다.
먼저, 스테핑 트랜스포머와 변환 장치가 서로 상이한 허용값을 갖는 것을 피한다. 다음으로, 풍력 터빈은 무효 전력을 배전망으로 적절하게 인가시킴으로써 스테핑 트랜스포머에서의 스위칭 동작을 특정적으로 트리거할 수 있거나(간접 구동) 또는 제어선을 통해 스위칭 동작을 발생시킬 수 있다(직접 구동).
네트워크 운용자의 관점에서 보면, 풍력 터빈이 스테핑 트랜스포머의 다른 쪽으로 전송될 무효 전력을 발생시키는 것도 바람직할 것이다. 그러나, 인가되는 무효 전력은 항상 배전망 전력에서의 변경을 일으키므로, 스테핑 트랜스포머를 간접적으로 구동시킬 것이며, 이것은 바람직하지 않으며 따라서 역효과가 난다.

Claims (10)

  1. 발전기를 구비하고, 로터에 의해 구동되며, 전력을 배전망, 특히 배전망에 연결된 부하에 공급하기 위한 풍력 터빈을 운전하는 방법에 있어서,
    위상각 φ가 상기 배전망에서 측정된 적어도 하나의 측정값에 따라 변화하는 것
    을 특징으로 하는 풍력 터빈 운전 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 위상각 φ는 상기 배전망에서의 적어도 하나의 미리 정해진 지점에서 전압이 실질적으로 변하지 않게 유지되도록 변경되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 운전 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전압은 상기 배전망에서의 적어도 하나의 미리 정해진 지점(22, 27)에서 측정되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 운전 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어, 상기 전압은 인가 지점과 상이한 지점(22, 27)에서 측정되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 운전 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 위상각 φ에 대해 설정되는 값은 미리 정해진 파라미터값으로부터 유도되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 운전 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 조정 시스템은 상기 배전망의 스위칭 장치를 직접 또는 간접으로 구동시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 운전 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 대응하는 전압 측정 및 조정은 위상각 φ에 기초하여 전력 배전망의 부분들에 대해 개별적으로 수행될 수 있는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 운전 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 풍력 터빈 운전방법을 수행하기 위한 장치(10)를 구비하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하기 위한 장치(10)와, 풍력 발전 단지의 각각 개별적으로 제어 가능한 부분을 위한 전용의 전압 검출 장치(22, 27)를 구비하는 것을 특징으로 하는 적어도 2개의 풍력 터빈을 갖는 풍력 발전 단지.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 시스템에 있어서,
    전압이 미리 정해진 기준값을 획득할 때까지, 위상각이 배전망에서 측정된적어도 하나의 전압에 따라 용량성 또는 유도성으로 변경되는 것
    을 특징으로 하는 시스템.
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