KR20050054824A - 속력 가이던스, 파워 충격 감소와 단기 에너지 저장을갖는 유체 흐름 파워 엔진을 위한 드라이브 라인 - Google Patents

속력 가이던스, 파워 충격 감소와 단기 에너지 저장을갖는 유체 흐름 파워 엔진을 위한 드라이브 라인 Download PDF

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Abstract

드라이브 라인의 제어 방식은 풍력 또는 수력 기계로부터의 또는 다른 유동 파워 기계로부터의 파워 입력에 의해서 적어도 직접적으로 구동되고, 출력축이 적어도 직접적으로 전기적 발전기를 구동하여, 출력축이 입력축의 속력보다 높은 속력으로 회전하는 드라이브 라인의 제어 방식에 있어서, 상기 발전기는 본질적으로 일정한 그리드 주파수로 특징지워지는 전기 그리드와 연결되고, 상기 드라이브 라인은 파워-분배기 트랜스미션 그리고 유체역학적 서보-변환기를 갖고, 상기 파워-분배기 트랜스미션은 두 개의 파워 가지들을 포함하고, 상기 유체역학적 서보-변환기는 펌프 휠, 터빈 휠, 그리고 조절가능한 반응 부재를 포함하고, 상기 드라이브 라인의 입력축을 통해서 파워는 상기 파워-분배기 트랜스미션 안으로 적어도 직접적으로 급송되고, 상기 파워-분배기 트랜스미션의 제 1 파워 가지는 적어도 상기 드라이브 라인의 출력축에 파워를 적어도 직접적으로 전달하고, 상기 유체역학적 서보-변환기의 펌프 휠은 상기 라이브 라인의 출력축에 적어도 직접적으로 연결되고, 상기 유체역학적 서보-변환기의 상기 터빈 휠은 상기 파워-분배기 트랜스미션의 제 2 파워 가지와 적어도 직접적으로 연결되고 상기 파워-분배기 트랜스미션으로 플로우-백 파워를 생성하고, 상기 파워-분배기 트랜시미션과 상기 유체역학적 서보-변환기의 조합은 최적의 파워 속력 가이던스에서 파워 입력의 특성들과 동일한 특성들로 대개 특징지워지며, 상기 드라이브 라인의 입력축의 속력이 특정 문턱 수준을 넘어선다면, 상기 드라이브 라인의 입력축에 의해서 모아진 모멘트의 함수인 중간의 속력으로 상기 드라이브 라인의 입력축이 표시되는 방식으로 상기 유체역학적 서보-변환기의 반응 부재가 설정될 것을 특징으로 한다.

Description

속력 가이던스, 파워 충격 감소와 단기 에너지 저장을 갖는 유체 흐름 파워 엔진을 위한 드라이브 라인{DRIVE LINE FOR FLUID FLOW POWER ENGINE WITH SPEED GUIDANCE, POWER IMPACT REDUCTION AND SHORT-TERM ENERGY STORAGE}
본 발명은 풍력 또는 수력 기계와 같은 유체 흐름 파워 엔진으로부터 파워를 모아 이를 전기적 발전기로 전달하고 속력 가이던스, 파워 충격 감소와 단기 에너지 저장 부재로 특징지워지는 드라이브 라인에 관한 것이다.
풍력 그리고 수력과 같은 천연 자원들을 이용하며 전기적 발전기(generator)의 구동(drive)을 위한 유체 흐름 엔진(fluid flow engine)들은 출력 전달(output transfer)의 측면에서 드라이브 라인(drive line)에 관해 특별한 요구사항들을 갖는다. 많이 변동하는 출력 산출이 드라이브 라인의 입력축(input shaft)에서의 일시적 흐름 프로세스 안에서 이용 가능하다는 것은 전형적이다. 또한, 유체 흐름 매개(fluid flow medium)의 운동 에너지의 풍력 모터 또는 수력 터빈과 같은 파워 인테이크(power intake)의 운동 에너지로의 에너지 변환 중에서의 역학(dynamics)과 특성들을 둘러싼 특정한 문제들도 고려되어야 한다.
특정 흐름파워 입력 부재의 결합 구조(geometry)와 디자인(design)에, 다시금, 종속적인 파워 인테이크를 위한 빠른 런 카운트(rapid-run count)에 따라서 예를 들어 공기 그리고 물과 같은 가용한 매개(medium present)의 특정 흐름 속력 최적 회전 속력/회전 모멘트 양을 분배하는 출력 변환을 위한 시스템 고유의 특징이 유체 흐름 엔진들을 위한 드라이브 라인의 입력축 상에 존재한다.
드라이브 라인이 전기적 에너지를 전력 공급 그리드(electrical power supply grid)로 급송(feed)하는 전기적 발전기를 구동하는 경우라면, 네트워크 주파수(network frequency)가 일정한 수준(level)을 잘 설명한다는 것이 고려되어야 한다. 네트워크 주파수 내에서의 변동(fluctuation)들은 이것의 디멘젼(dimension)이 네트워크 자체로부터 직접적으로 도출되기 때문에 매우 적은 정도로 존재한다.
앞서 기술한 드라이브 라인의 요구 사항들은 풍력 플랜트(wind power plant)의 경우에 특히 존재한다. 여기서 가변의 파워 입력은 풍력 엔진에 의해서 받아들여지고, 게다가 풍력 회전자는 공기 흐름으로부터 최적의 기계 에너지를 밖으로 추출할 수 있도록 하기 위해 풍속에 종속적인 특정 회전 속력(revolution speed)으로 특징지워져야만 한다. 따라서, 이하에서는 풍력 플랜트를 예로 사용하여 파워 충격 감소 및 단기 에너지 저장을 갖는 속력이 유도된 드라이브 라인을 둘러싼 문제들에 대해서 설명될 것이다.
우선, 만약 풍력 플랜트의 드라이브 라인과 관련되어 만들어진 요구 사항들이 발전기 측면으로부터 고려된다면, 전기적 발전기의 그리드 상으로의 연결을 위한 최초의 해결책은 전체 드라이브 라인과 그로 인하여 풍력 회전자도 고정된 속력으로 설계하는 것일 것이다. 비동기식 발전기(non-synchronous generator)들이 사용될 때 그러한 고정된 속력의 풍력 플랜트들은 컨디셔널 슬립(conditional slip)의 원칙들에 기초한 전기적 엔진과 같이 전력 공급 그리드의 전압에 단순한 형태와 방식으로 연결될 수 있다. 이에 의하여 윈드 회전자(wind rotor) 상의 트랜스미션(transmission)에 의해 속력 일정성(speed constancy)이 드라이브 라인으로 전해지고, 따라서 변하는 풍속들에서 윈드 회전자가 그것의 최적 파워 출력에서 이동하지 않는다. 고정된 속력의 풍력 플랜트들의, 종종 전형적인 바람 조건들을 갖는 경우인, 특이한 단점은, 특히 부분적으로 로드(load)될 때, 그들이 제한된 효율을 가기고 작동될 수 있을 뿐이라는 것이다.
만약 풍력 플랜트가 일반적으로 그리고 특별히 부분적인 로딩(loading)의 범위에서, 가변의 속력들로 작동된다면, 가변적이거나 일정한 출력 속력을 가지고 드라이브 라인을 설계하는 가능성이 나타난다. 따라서, 양자의 경우에, 일시적으로 변하는 운동량(momentum) 때문에 파워 출력 역시 일시적으로 변할 수 있다.
첫 번째 경우는 원하는 주파수를 가지고 발전기를 움직이거나, 개별적으로, 존재하는 그리드 주파수의 차이에 보상(compensation)들을 제공하고 그로 인해 가변 속력의 발전기를 가능하게 만드는 주파수 변환기(frequency converter)들의 풍력 플랜트 내에서의 사용으로 이끈다. 그러나 이 형식화(formulation)는 우리를 여기에서 설명되는 일(task)로부터 동떨어지게 이끌고 특히 조절 및 제어 회로(circuit)들의 복잡성, 주파수 변환기내의 윈드 회전자의 포물선 특징들을 도해하기의 어려움, 주파수 변환기에 의해 정의된 발전기 특징 곡선의 가파름, 높은 주변적 부담들(environmental burden)의 경우에 조작상의 신뢰도(operational reliability)의 낮은 수준, 예를 들어 낮은 고조파 로딩(low harmonic loading) 그리고 리액티브 볼트-암페어(reactive volt-ampere)들의 생산과 같은 극히 정교한 수단에 의해서만 조정될 수 있는 그리드 내로의 급송의 질(grid feed-in quality)과 같은 어려움들을 준다.
두 번째 경우는 다시 말해 풍력 플랜트의 가변의 회전자 속력을 주파수 변환기 없이 일정한 발전기 속력과 연결시키는 것으로서 가변의 입력 속력과 일정한 출력 속력을 갖는 가변적인 파워의 전달을 위한 드라이브 라인의 여기서 설명되는 토픽을 나타낸다. 이 문제에 대한 알려진 해결책들은, 특히 풍력 플랜트를 위해, 기계적인 파워를 가지들로 나누는데 사용되는 오버레이 전달장치를 배치한다. 가변의 속력 풍력 플랜트들의 경우에, 이에 기초되고 발전기 주파수를 일정한 수준으로 유지하기 위하여 사용되는 두 가지 경우가 알려져 있다.
첫 번째 시스템에서는 입력 파워가 큰 발전기뿐만 아니라 작은 서보-모터사이에 오버레이 트랜스미션(overlay transmission)을 통해서 분배됨으로 인해 일반적으로 입력 파워의 대략 30%가 서보-모터로 이어지는 경우이다. 발전기는 고정된 속력에서 그리드와 연결되거나 기계적으로 발전기와 일체화된 보조 발전기를 통해 급송된다. 발전기 속력을 안정시키기 위해서 서보-모터는 변화하는 주파수를 가지고 발전기처럼 또는 모터처럼 작동된다. 이 종류의 시스템에서, 조절된 주파수의 발전기들에서와 같은 동일한 문제들이 존재한다.
유체 정역학적으로 작동하는 두 번째 시스템에서는 전기 서보-모터 대신에 수력 모터들과 펌프들이 사용된다. 여기서도 역시 어려운 조절 특성과 특히 뚜렷한 비선형(non-liner)의 특징들뿐만 아니라 응답 그리고 관련된 데드 주기(relevant dead period)들의 늦음의 문제들이 나타난다. 게다가 수력 시스템 구성 요소들은 그들의 정교한 설계 때문에 단점을 가진다.
전기적 발전기로의 연결을 위한 유체 흐름 엔진들을 위한 드라이브 라인을 위한 앞서 설명된 요구들과 더불어, 특히 풍력 발전기와 관련하여 파열적(disruptive)이라고 지각될 수 있는 노이즈 발달을 규정된 수준까지 감소시키기 위해 회전자 날개들의 팁(tip)들이 특정 속력을 넘어서지 않는 특색이 나타난다. 풍력 회전자들의 지름에 따라서 그들의 회전 속력을 특정 최대 양에 한정하거나, 개별적으로 특정한 속력 문턱은 넘어서 윈드-로딩에 따라서, 예를 들어 온쇼어(onshore) 또는 오프쇼어(offshore)인지의 각각의 위치에 따른 비록 변화할 수 있는 특정 최대 수준을, 가능한 한 근접하게, 초과하지 않는 속력 시퀀스를 규정하는 것이 필요하다. 이 조건을 실행하기 위하여, 발전기 상에 그것의 주파수에 의해서 원하는 속력을 표시하고 그로 인해 풍력 회전자의 속력을 한정하는 발전기 상의 주파수 변환기가 사용될 수 있다. 그러나 이는 그것의 단점 모두들과 함께 앞에서 설명된 해결책의 사용을 필요로 한다.
주파수 변환기들을 사용할 때, 드라이브 라인에 의해 이어진 토크의 변화를 통해 실질적으로 일정하게 유지된 풍력 모터의 속력에서는 가변의 파워, 즉 공기 흐름의 가용한 운동 에너지에 종속적인 파워를 발전기 상으로 또한 이어줄 수 있다는 가능성이 나타난다.
그러나 지금까지 전개되어온 변환기 기술(technology)로 말미암아, 규정된 노미널 곡선을 따르는 단지 고정된 속력 가이드(guide)만이 얻어질 수 있고 그로 인해 바람 흐름에서 단기 변동에 반응하는 것이 특히 가능하지 않다는 것은 단점적이다.
결과적으로, 일진의 돌풍에 기인한 로딩 충격들은 단기 속력 변화에 의해서 보상될 수 없고, 따라서, 발전기 그리고 기계적 구조물들에 직접적으로 영향을 준다. 이것은 특히 그것과 연결된 풍력 플랜트의 작동 주기 그리고 로딩 축적에 관해서 단점으로 여겨진다.
따라서, 본 발명은 회전자 속력 정격 흐름 진행(rotor speed nominal flow progression)의 모든 워크 포인트에서 자기-조절의 특성이 활성화되고 그로 인하여 단기 에너지 저장 그리고 파워 충격 감소를 달성할 수 있는 드라이브 라인 제어 방식을 제공하는 것이다.
본 발명의 기초에서의 일(task)은 유체 흐름 엔진들을 위한, 구체적으로는 풍력 그리고 수력 엔진들을 위한 속력 가이던스(guidance)를 고려한 드라이브 라인을 보이는 것이다. 이에 의해서, 한편으로는, 전기적 발전기의 구동을 위한 드라이브 라인의 구동 속력은 그리드로부터의 표시에 의해 일정하게 유지될 것이고, 또 한편으로는 입력축 상의 속력은 들어가지는 운동량에 종속적인 특정 노미널 시퀀스나 결정된 일정 수준에 한정될 것이다. 특히, 풀 로딩의 조작상의 조건들하에서, 드라이브 라인의 입력측의 속력이 제한되는 동안, 드라이브 라인은 반응에서의 충분한 유연함 또는, 개별적으로, 오버로딩 동안의 에너지의 단기 저장에 효과적이고, 이와 함께, 특히, 드라이브 라인의 입력 상의 단기 파워 변동들에의 의존(subjection)을 완화하고, 또한 이들을 이용하는 것이 가능한 능력에 의해서 특징지워질 것이다.
이 문제에 해결을 제공하기 위해서 발명자는 요구사항들에 따르는 드라이브 라인은 유체역학 서보 토크 변환기와 함께의 파워 분배 트랜스미션의 조합으로 이루어져 구성되어야 한다는 것을 처음으로 깨달았다.
파워 분배 전달 장치의 입력축은, 그렇게 하는 동안, 적어도 풍력 플랜트에서는 예를 들어 풍력 회전자이고 수력 발전소에서는 적당한 터빈인 유체 흐름 엔진의 파워 입력과 연결되어야 한다. 파워 입력과 파워 분배 트랜스미션의 입구 사이의 가능한 매개의 요소들로서 예를 들어 트랜스미션 기어들이 배치될 수 있으나 고정된 일체적인 연결(coupling)도 역시 가능하다.
예를 들어 가변의 트랜스미션 비(transmission ratio)들을 갖는 유성 기어세트 트랜스미션(planetary gearset transmission)처럼 구성된 파워 분배 트랜스미션에서 만들어진 두 개의 파워 가지들이 있다. 첫 번째 파워 가지에서, 드라이브 라인의 출력축은 윈드 회전자로부터 제공된 기계적 파워로 구동되고, 그로 인해 이 출력축은 전기적 발전기와 적어도 직접적으로 일체로 연결된다. 이에 의하여 발전기 구동을 위한 출력축이 일정한 속력에서 시동하는 것이 필요하다. 이를 달성하기 위해 그것의 펌프 휠을 갖는 유체역학 변환기는 드라이브 라인의 출력축으로부터 적어도 직접적으로 구동되고, 따라서 출력축과 펌프 휠 사이에 직접적인 일체적인 연결이 존재한다. 이것의 선행조건은 입력축의 속력과 비교했을 때 다소 높은 속력을 갖는 파워 분배 트랜스미션 안에서 전달에 의해 출력축이 급송되는 것이다. 전기적 발전기를 위한 전형적인 속력은 예를 들어 1500U/min이다. 이것처럼 높은 회전 속력들을 가지고, 출력축 상에서, 더불어, 유체역학적 서보-변환기의 유효한 작동을 갖는 것은 가능하다.
풍력 플랜트가 움직이기 시작했을 때, 최초로는 출력축과 연결된 전기적 발전기가 그것의 노미널 속력 수준(nominal speed level)을 얻고 발전기와 연결된 전기 그리드와의 동기 현상(synchronization)이 초래될 때까지 드라이브 라인의 입력축 그리고 출력축이 가속한다. 그 후 얻어진 보통의 작동 조건에서, 그리드 주파수는 소정의 노미널 속력을 전기적 발전기, 그리고 그로 인한 드라이브 라인의 출력축 상에 표시한다.
유체역학 서보-변환기의 반응 부재의 위치와 독립적으로, 전형적인 환경하에서 가이드 날개(guide blase)들을 갖는 고정자(stator), 거기에서 펌프의 그리고 유체역학 서보-변환기의 터빈 휠 상으로 그것과 연결된 파워 트랜스퍼의 특유한 파워 입력이 발생한다. 이것은, 서보-변환기의 시스템 특성들 그리고 공기흐름에서부터 나와 풍력 회전자의 운동에너지로의 에너지 변환으로부터 나오는 시스템 고유의 특성들 때문에, 파워 분배 트랜스미션 그리고 유체역학 변환기의 반응 부재 내에서의 변환비들은, 일반적으로 뿐만 아니라 특히 풍력 터빈의 부분적인 로딩 범위에서 오버레이 트랜스미션과 관련하여 서보-변환기의 시스템 내의 고유의 조절 효과에 의해서, 드라이브 라인의 출력축 상에 표시된 일정한 발전기 속력을 갖는 입력축 상에의 풍력 회전자를 위한 최적의 입력 속력이 얻어질 수 있는 그런 방식으로 조절될 수 있다는 결과를 갖는다. 이것은 윈드 회전자 그리고 서보-변환기가, 유체 흐름 엔진들로서, 속력/파워 그리고 속력/모멘트의 동일 특성들 그리고, 그들의 시스템 행동의 일치로 말미암은 동일 특성들로 특징지워진다는 사실과 그리고 그러한 일치하는 행동 양식들이 요구된다는 사실을 포함한다.
드라이브 라인의 입력축 상의 회전 속력 제한(revolution speed limitation)에 이르기 위해서, 이제, 추후 단계에서, 변환기의 조절이 반응 부재들에 의해서, 유체역학적 서보-변환기 상의 변경된 속력 토크비가 그 자체를 조절하고, 더불어 그로 인해 풍력 회전자를 위한 본 발명과 같은 드라이브 라인의 입력축의 자기-조절을, 다시금, 이끄는 파워 분배기 트랜스미션내의 새로운 변환비가 특정 속력 토크비(speed torque ratio)로 되는 그런 방식으로 행해진다. 이 발명과 같은 과정 후, 포물선 특성들의 신중한 이동 그리고 그로 인한 드라이브 라인 내의 유체역학적 서보-변환기의 재-조절에 의해서 특정 선택된 회전 속력은 취할 수 있으나 공기흐름의 최적의 파워는 실질적으로 이용할 수 없는 풍력 회전자를 위한 커진 카운터 운동량(exaggerated counter momentum)이 만들어질 수 있다.
상기 과정으로 파워 회전자의 회전 속력이 노이즈의 발생에 임계적인(critical) 문턱 속력 영역의 아래 수준으로 유지시키는 것이 성공적으로 이루어질 수 있다. 이와 다르게로는, 풍력 회전자안에서 특정 속력이 초과될 때, 특정한 맞추어진 속력 제한 곡선은 풍력 회전자에 그 스스로를 가하는 공기흐름으로부터의 운동량에만 오로지 종속적인 것에 세트(set)한다. 그러한 풍력 회전자 상에 표시된 속력 시??스는 예를 들어 분명하게 기울어짐, 다소 일정함으로 선택될 수 있고, 또한 게다가, 풍력의 증가와 함께, 본 발명과 같은 드라이브 라인의 시스템 안에서의 고유의 유연함이 부수적으로 지지하는 속력에서의 특정 증가를 허용하는 것이 가능하다. 출력축 그리고 파워 역류로부터 파워 분배기 트랜스미션상으로의 픽-오프(pick-off)를 갖는 유체역학적 서보-변환기와 파워-분배기 트랜스미션을 갖는 드라이브 라인은 기계적인 트랜스미션 구성요소들의 공동작용에 의해서 포물선 흐름 진행을 매우 유사하게 닮은 특징들을 갖는 풍력 회전자의 최적의 픽-업 특징(optimal pick-up characteristics)들이 드라이브라인에 의해서 도해(map)되는 그러한 방식으로 설계된다. 드라이브 라인 내에서의 그러한 조절 가능성을 위해 가변의 파워 입력, 최적 속력을 따른 파워 입력으로의 윈드 회전자의 가이던스(guidance)뿐만 아니라 일정한 발전기 속력이 유체역학적 서보-변환기의 반응 부재의 원칙적으로 변하지 않는 조절을 위해 이루어진다.
이하에서, 즉, 파워를 파워-분배기 트랜스미션에 역으로 흐르게 하는 유체역학적 변환기에서 설명될 수 있는, 단지 설계에 종속적인, 드라이브 라인의 출력 속력의 자기-조절로 이끄는 이 효과는, 더불어, 포물선 특성으로 특징지워질 수 있다. 유체역학적 서보-변환기가 반응 부재의 이동에 의해서 재-조정될 때, 드라이브 라인의 전달 동작은, 다시금, 공기 흐름 속력에 종속하는 것이 통과될 수 있고, 또한 포물선 특성을 가지는 새로운 속력-토크 특성 곡선에 재배치된다.
소정의 속력 문턱을 넘는 일정한 속력의 예를 위해, 풍력 회전자의 특정 속력의 세팅을 위해서, 유체역학적 서보-변환기의 반응 구성 요소를 통한 특정 조절 그리고 결과적으로 특정 새로운 워크 포인트를 선택하는 것이 필요하다. 이 경우를 기초하여, 각각의 선택된 워크 포인트가 대략적으로 포물선 특성의 곡선 상에 놓여지는 장점이 나타나고 따라서 일진의 돌풍에 의해서 일어날 수 있는 파워 입력에서의 단기 변동들을 위해 전술한 드라이브 라인의 자기-조절 특성은 각 경우에서 선택된 워크 포인트를 포착한다. 한편으로 이는 일진의 돌풍으로부터의 전기적 발전기 그리고 드라이브라인의 전체 메커니즘(mechanism)으로의 충격을 완화하도록 이끈다.
다른 한편으로 일진의 돌풍의 영향 하에 드라이브 라인의 입력 속력이 어느 정도까지 가속되는 것이 가능하고, 그로 인해 윈드 회전자와 드라이브 라인의 가속을 위해 드라이브 라인에서의 운동량 증가의 감소로 이끌고 전기적 발전기에서 에너지 생산의 단기 변동 영역을 감소시키는 파워 입력이 나타나고, 그로 인해서 돌풍의 소멸 후에 그것의 입력 속력과 관련하여 드라이브 라인은 그것의 자기-조절 특성들 때문에 다시 한번 선택된 워크 포인트로 돌아가고 현존하는 추가적인 운동 에너지를 윈드 회전자 그리고 드라이브 라인으로부터 발전기로 넘긴다.
본 발명에 따르는 방식은 설명도들을 참조로 보다 정확하게 기술된다. 첨부된 도면들은 그 해당 부분에서 상세하게 설명된다.
풍력 플랜트의 회전자 파워 PR은 풍속 VW과 하기의 관계에 있다.
PR=KCp(VW5WR5β)VW 3
여기서 K는 예를 들어 날개 형상뿐만 아니라 서로 응축된 공기의 밀도 같은 다양한 상수들과 관련있다. 더욱이 CP는 차례로 설명되듯이 소위 피치 각 β인 회전자 날개들의 각 위치, 회전자 속력 WR 그리고 풍속 VW에 종속적인 파워 계수와 관련있다. 이 파워 계수는 풍속들 VW의 증가와 함께 더 큰 회전자 속력들 WR5로 이동하는 총체적인 최대값에 의해서 특징지워진다.
도 2는 다양한 풍속들을 고려한 풍력 회전자의 유효한 파워의 설명을 통하여 이러한 관계를 보여준다. 18m/s, 16m/s, 14m/s, 12m/s, 8m/s의 풍속들을 위한 일정한 회전자 날개 위치에서 70m의 직경을 같은 풍력 회전자에 의한 공기흐름으로부터 취해진 파워를 예시적으로 보여주는 곡선들(통과하게 이어 그어진 곡선들)의 배열이 여기서 설명되어진다.
특징은 풍속의 증가와 함께하는 더 높은 수준들에서의 최적의 회전자 속력의 이동이다. 각각의 경우에서 파워 최대값들은 역시 포물선으로 나타내어지는 곡선 상에 위치한다. 최적의 파워 입력의 이 곡선을 따라 유도하는 속력은 이후에서 본 발명과 같은 드라이브 라인의 입력축을 유도하기 위한 최적의 파워 속력으로 나타내어진다. 이러한 방식으로 가변의 속력 장치는 최적의 파워 계수들에서의 각각의 경우에 가용한 풍속들에 종속적으로 작동될 수 있다. 부분적 로딩에서의 가변의 속력 작동과 더불어, 특정 노미널 파워들을 위해서 전형적으로 설계된 풍력 플랜트들은 각각의 경우에 풀 로딩에서 이루어질 수 있고 거기서 유지되는 노미널 속력과 연관된다.
도 2로부터 묘사된 바와 같이 곡선들의 점 찍힌 배열을 살펴봄으로서 풍력 회전자의 토크가 가시화 될 수 있다. 토크 흐름 진행들은 묘사된 바와 같이 각각의 경우에서 풍속에 종속적인 파워들에 할당된다. 즉, 모든 토크에 당해 풍속에서의 최대 토크를 나타내지는 않지만 그러나 오히려 다른 값을 나타내는 최적의 파워 속력이 속하고 이에 관해서는 도 2의 굵게 표시된 속력 입력 곡선을 참조하라. 풍력 회전자에 안으로 가해진 토크로, 전기적 발전기는 본 발명과 같은 드라이브 라인을 통해서 시동된다. 동기식의 발전기를 위한 토크/속력 비가 그 안에서 설명되는 도 2로부터, 드라이브 라인의 구동 축 상에 표시된 50㎐의 그리드 주파수를 위해, 다양하고 다른 전달된 토크들을 위해, 이 예에서 출력-측 1500rpm의 일정한 속력이 지정되었고 유지될 수 있었을 것이라는 것을 명백하게 알 수 있다. 만약 동기식 발전기 대신에, 비동기식 발전기가 사용된다면, 선형 계 내에서의 작동 중에, 대체로 일정한 수준로 드라이브 라인의 구동축의 속력이 특징지워질 그런 급경사의 토크/속력 비로부터 출력이 나올 수 있기 때문에, 상기 상황은 그 자체가 상기 환경에 적당하다는 증명할 것이다.
도 1은 회전자(rotor; 3)를 갖는 입력축이 적어도 직접적으로 풍력 기계(wind power machine)의 회전자(3)와 연결된 본 발명(1)에 따른 드라이브 라인(drive line)의 가능한 디자인 설계를 보여준다. 제시된 경우에서, 일정한 트랜스미션 비(transmission ratio)를 갖는 트랜스미션 기어(transmission gear; 4)는 풍력 기계의 고정자(3)와 입력축(2)의 사이에 위치한다. 여기서 설명되는 증명예에서, 유성 기어 트랜스미션(planetary gear transmission; 6)이 구동축(1)의 파워-분배기 트랜스미션(power-distributor transmission; 5)으로 사용됨으로서 입력축(input shaft; 2)은 유성 기어 트랜스미션(6)과 연결된다. 파워-분배기 트랜스미션에서, 이제 두 개의 파워 가지들(power branches)이 존재하고, 제 1 파워 가지(7)는 파워를 선 휠(sun wheel; 9)을 통해 드라이브 라인 출력축(output shaft; 10)에 전달한다. 이 출력축(10)은 적어도 직접적으로 전기적 발전기(electrical generator; 11)에 에너지를 주고 유체역학적 서보-변환기(hydrodynamic servo-converter; 12)와 유효하게 연결된다. 이와 더불어, 출력축(10)은 유체역학 서보-변환기(12)의 펌프 휠(pump wheel; 13)과 적어도 직접적으로 연결된다. 반응 부재(reaction member; 15)로서, 터빈 휠(turbine wheel; 14)상으로 파워 흐름이 세트될 수 있도록 하는 포지셔닝 블레이드(positioning blades)들을 갖는 고정자가 유체역학적 변환기(12)내에서 사용된다. 그것으로서는 파워-분배기 트랜스미션(5)에 그것의 효과를 미치고 그로 인해 속도 양(velocity ration)에 영향을 주는 제 2 의 고정된 유성 기어 세트(16)를 통하여 다시 한번 전달되는 파워 플로우-백(power flow-back)이 터빈 휠(14)을 통해 순차로 발생한다. 이는 파워 백-플로우(power back-flow)를 다루는 파워-분배기 트랜스미션의 제 2 파워 가지(18)를 설명한다.
본 발명과 같은 드라이브 라인은 이제 설계 조건에서, 파워-분배기 트랜스미션 내에서의 기계적 트랜스퍼들의 선택에 의해서뿐만 아니라 변환기의 디멘션닝에 의해서, 최적 파워 인테이크의 포물선 특성 곡선이 풍력 회전자(3)에 의해서 에뮬레이트(emulate)되는 그러한 방식으로 형성된다. 이를 위한 출발의 포인트는 모든 풍속을 위해 공기 흐름으로부터 나오는 최대 파워 인테이크를 위한 이상적인 회전자 속력이 가해질 수 있다는 것이다. 이러한 포인트에서, 도 2 상의 이전의 진술에 참조가 되어진다. 더불은 조건으로, 동시에, 전기적 발전기를 위한 드라이브 라인의 일정한 출력 속력 역시 지정된다. 제시된 경우에서 이는 1500rpm에 있다. 예를 들어 외부 휠 그리고 태양 휠과 같은 파워-분배기 트랜스미션의 트랜시미션 구성 요소들의 필요한 순환 속력들은 부분적인 로딩 범위내에서 각각의 풍속을 위한 이러한 상세사항들을 고려하여 이제 만들어질 수 있다. 이 문제와 관련하여, 드라이브 라인은 주로 유체역학적 서보-변환기(12)의 반응 부재(15)의 일정한 위치를 위한 포물선 파워 인테이크 특성들을 에뮬레이트(emulate)해야 한다는 것이 고려되어야 한다.
도 3은 파워를 전달하는 각각의 가지 내의 이것들 뿐만 아니라 드라이브 라인으로 그들 자신을 세팅한 속력들을 설명한다. 각각 개개의 경우에, 곡선 A는 출력축(10)의 속력을 나타내고, 곡선 B는 유체역학적 서보-변환기(12)의 터빈 휠(14)의 속력을 나타내고, 곡선 C는 입력축(2)의 속력을 나타내고, 곡선 D는 파워-분배기(5)의 외부 휠(7)의 속력을 타나낸다. 파워 흐름을 위해서, 곡선 E는 풍력 회전자로부터 취해진 파워를 설명하고, 곡선 F는 태양 휠(9)상의 파워이고, 곡선 G는 드라이브 라인에 의해서 전달된 파워이고, 곡선 H는 유체역학적 변환기(12)로부터 파워-분배기 트랜스미션(5)상으로 제 2 파워 가지(18)를 통해 역으로 흐르는 파워를 나타낸다.
도 4는 제시된 경우에서 고정자의 유체역학적 서보-변환기의 반응 부재의 세팅 뿐만 아니라 이 실시예를 위한 파워 흐름을 다시 한번 보여준다. 파워 흐름 곡선들 E, F, G 및 H는 도 3의 그것들을 나타낸다. 드라이브 라인의 특성들에 의해서 에뮬레이트(emulate)될 수 있는 상기 포물선을 따르는 최적의 파워 인테이크에서, 가이드 날개 위치의 영구적으로 평탄한 수준으로, 설명된 부분적 로딩 범위 전체에 걸쳐 작동하는 것이 가능하다라는 것을 알 수 있다. 이 세팅은, 이하, 유체역학적 변환기의 조정된 세팅이라고 나타내진다. 따라서 동시적으로 변화가능한, 최적의 윈드 회전자 속력에서 전기적 발전기의 급송을 위한 드라이브 라인의 출력 속력의 일정한 수준을 얻기 위해서 반응 부재의 조절이 필요하지 않다. 이와 함께, 다만 변환기의 디멘션닝에 의해서뿐만 아니라 파워-분배기 트랜스미션의 구성 요소들의 전달 디멘션닝에 의해서 파워 인테이크를 특징짓는 상기 포물선의 가파른 정도가 세트될 수 있다는 점이 지적되어야 한다. 본 발명과 같은 드라이브 라인의 이 특성은 이하 자기조절이라 불려진다.
도 5는 이제 특정 속력 문턱 범위를 넘는 풍력 회전자 상에 특정 노미널 속력을 표시하기 위해서 그리고, 특히, 심지어 이 속력 문턱을 넘어서라도 그것을 일정한 속력으로 유지시키기 위해서 유체역학적 서보-변환기의 재-조정으로 인해서 상기 최적의 파워 입력 포물선이 남겨지는 경우를 설명한다. 설명된 곡선들의 배열은 고정자 위치들의 변화를 나타낸다(H=0.25-1.0). 제시된 경우에서, 유체역학적 서보-변환기는 H=0.25인 고정자 위치에 조정된다.
상기 실시예에서 15.5rpm에 있는 문턱 속력보다 낮은 속력들은 상기 이상적 파워 인테이크 곡선을 따른다. 이는 바람 흐름으로부터의 최적의 파워 인테이크에서 풍력 터빈의 속력 가이던스(guidance)의 이전에 설명된 위치를 나타내고, 따라서 동시적으로 드라이브 라인의 출력축 상으로의 전기적 발전기의 요구되는 일정한 속력은 고수된다.
15.5rpm의 제시된 경우에서, 문턱 속력을 넘어서, 상기 라인 드라이브는, 유체역학적 서보-변환기의 반응 부재의 이동으로 인해, 윈드 회전자의 전체 시스템 그리고 드라이브 라인이 새로운 파워 인테이크 포물선 상의 새로운 워크 포인트 안에 정렬되는 그러한 방식으로 세트될 수 있다. 이에 의해서, 드라이브 라인의 출력 속력 그리고 그로 인한 전기적 발전기의 속력은 계속하여 일정하게 남는다.
도 5로부터 유체역학적 서보-변환기의 재-조절에 의해서 다양한 다른 워크 포인트들이 선택될 수 있는 것을 알 수 있다. 이는 속력이 이러한 방식으로 제한될 가장 단순한 경우들 안에서 풍력 터빈의 속력을 위한 세팅을 만드는 가능성을 열지만 게다가 풍력 터빈을 통해 얻어진 토크에 종속적인 곡선을 따르는 풍력 터빈의 원하는 속력을 위한 워크 포인트들 세트하는 것이 또한 가능하다. 이러한 식으로 특히 드라이브 라인의 유연함(softness)을 풍력 플랜트의 풀 로딩 작동(full-loading operation)의 한계에 적합시키는 것이 가능하다.
변환기의 재-조정에 의해서 세트된 각각의 워크 포인트의 주위에서, 다시금, 변하는 풍속들에서 통과되는 상기의 포물선 파워 인테이크 특성이 나타난다. 이 상황은 도 5에서 설명된다. 이에 의해서, 특정 워크 포인트의 세팅은 느리게 즉, 수분의 범위 안에서 행해지고 중간의 풍속들에 종속적이라는 것이 고려되어야 한다. 드라이브 라인의 시스템 특성들에 의해서 각각의 경우에 보상될 이 워크 포인트 주위의 가능한 변동들은 특히 바람 프로파일에서 나타날 것 같은 일진의 돌풍으로부터의 변동들과 같은 단기 효과들이다. 변동의 폭은 워크 포인트에서 원하는 속력의 ㅁ30％ 보다 적은 어떤 것도 초과해서는 안되고, 바람직하게는 ㅁ10％이고 구체적으로는 ㅁ5％이다.
풍력 발전 터빈의 속력 문턱을 초과해서의 본 발명과 같은 과정(procedure)에 의해서 그렇지 않으면 파워 분배 전달장치 그리고 유체역학 서보-변환기를 수반한 파워 인테이크의 특성들에 적합한 기계적으로 유체역학적인 드라이브 라인의 재조정에 의해서, 노이즈 발달의 제한 상에서 높은 유연성과 드라이브 라인의 자기-조절 특성과 함께, 부분적 로딩 및 다른 작동적인 포인트들 사이의 교차 동안, 풍력 터빈의 실링 오프(sealing off)와 속력의 제한을 결합시키는 것이 성공적으로 가능하다.
구체적으로, 후자는, 도 6에서 나타내진 바와 같이, 변환기에 의해서 제어되는 전기적 발전기가 드라이브 라인의 파워 테이크-오프 측(power take-off side)상으로 발생시키는 운동량(momentum)에 의해서 일진의 돌풍이 실링 오프(sealing off)를 갖는 시스템들과 대비적으로 일어날 때의 이점(advantage)이다.
도 6에서는 상대적인 풍속의 보내짐(remit)을 통한 일시적인 흐름 진행(flow progression)에서 일진의 돌풍의 발생(occurrence)이 개별적으로 보여진다. 반응으로, 완전히 고정된 설계를 갖는 시스템과 본 발명과 같은 과정에 따라 제어되는 드라이브 라인을 갖는 시스템 사이에서 비교가 만들어진다. 고정된 설계 시스템은 일진의 돌풍으로부터 발생하고 풍력 터빈(곡선 1에 따른 토크 흐름 진행을 참조하라.)에 충격을 가하는 추가적인 운동량의 충격을 완화시켜야 하지만, 반면에 본 발명과 같은 시스템은 단지 워크 포인트를 파워 인테이크 포물선을 따라 남기고, 일진의 돌풍의 결과로, 특정 속력(곡선 Ⅳ) 상승 그리고 그로 인해 윈드 회전자와 트랜스미션의 관성능률(moment of inertia)로 말미암은 추가적인 파워 인테이크 또한 나타나고, 그로 인해 드라이브 라인의 설계를 위해 오버로딩(overloading)의 경우들을 실질적으로 감소시키는 드라이브 라인의 실질적인 운동량의 감소(곡선 Ⅱ)를 증명해 준다. 따라서 본 발명과 같은 드라이브 라인은 파워 충격 감소(power impact reduction)에 의해서 그 자체로서 두드러지는 특징을 나타낸다. 일진의 돌풍 뒤에, 풍력 회전자의 속력은 워크 포인트들의 세팅의 자기조절 효과 때문에 다시 한번 고르게 되고, 윈드 회전자와 드라이브 라인에 추가적으로 존재하는 운동 에너지들은 발전기 상으로 통과된다. 이와 대비적으로, 일진의 돌풍이 일어날 때 고정된 시스템은 어떤 추가적인 파워도 취하지 않는다. 오버로딩 경우들의 수준에서의 감소 때문에 풍력 플랜트의 수명을 관리할 수 있는 이점을 특이하게 갖는 본 발명과 같은 시스템은 실질적으로 더 유연하게 반응한다는 것이 명확하게 보여질 수 있다. 이 효과는 기계적으로 유체역학적인 드라이브 라인의 짧은 에너지 저장에 기인한다.
도 7a에서 보여지는 것과 같은 전형적인 바람 프로파일을 출발의 포인트로서 여기면, 대략 전기적으로 제어되는 최신식 시스템 Ⅱ를 본 발명과 같은 드라이브 라인 Ⅰ과 비교하는 것이 가능하다. 도 7b는 회전자 속력들의 흐름 진행을 보여주고 본 발명과 같은 드라이브 라인 Ⅰ이 더 낮은 속력 편향(deplection)으로 특징지워짐을 보여준다. 게다가 도 7c로부터, 전기적으로 제어된 시스템과 대비적으로, 발전기 속력은 일정한 수준으로 실질적인 정도까지 유지될 수 있다는 것이 보여질 수 있다. 이와 더불어, 도 7d는 본 발명과 같은 드라이브 라인 Ⅰ을 가지고 파워 충격들을 파워 그 자체로 변환하고 그로 인해 분명하게 더 부드러운 토크 흐름 진행을 이루는 것이 가능하다는 것을 보여준다.
도 8은 풍력 플랜트를 위한 드라이브 라인에 관한 다양한 다른 제어 요구사항들을 개략한다(포물선, 제한된 노이즈 그리고 파워 충격 감소와 함께로 단기 에너지 저장). 특정 문턱 속력보다 높은 속력에서 풍력 회전자의 노이즈 발달의 제한을 위한 윈드 회전자의 최적의 파워 속력 가이던스는 포기되고 드라이브 라인의 입력축의 속력은 더 가파른 흐름 진행 곡선을 따라 유도된다. 본 발명 같은 드라이브 라인의 중요한 장점은 이 회전자 속력 정격 흐름 진행(rotor speed nominal flow progression)의 모든 워크 포인트에서 자기-조절의 특성이 활성화되고 그로 인하여 단기 에너지 저장 그리고 파워 충격 감소가 달성된다는 것이다.
특정 문턱 속력보다 높은 속력에서 풍력 회전자의 노이즈 발달의 제한을 위한 윈드 회전자의 최적의 파워 속력 가이던스는 포기되고 드라이브 라인의 입력축의 속력은 더 가파른 흐름 진행 곡선을 따라 유도된다. 본 발명 같은 드라이브 라인의 중요한 장점은 이 회전자 속력 정격 흐름 진행(rotor speed nominal flow progression)의 모든 워크 포인트에서 자기-조절의 특성이 활성화되고 그로 인하여 단기 에너지 저장 그리고 파워 충격 감소가 달성된다는 것이다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 출력측 상에 서보-변환기를 갖는 파워-분배기 풍력 플랜트의 본 발명에 따른 개략적인 도이다.
도 2는 풍력 플랜트 상의 최적 포인트에서의 유효한 파워 흐름을 개략적으로 나타낸다.
도 3은 윈드 터빈 속력에 종속적으로 기계적-유체역학적 드라이브 라인의 각각의 가지들의 속력들 및 파워 흐름들을 설명한다.
도 4는 윈드 터빈 속력에 종속적으로 기계적-유체역학적 드라이브 라인의 반응 부재의 세팅들과 파워 흐름들을 설명한다.
도 5는 특정 속력 문턱 범위를 넘는 속력에서 윈드 터빈의 특정 노미널 속력을 갖는 워크 포인트의 세팅을 보여준다.
도 6은 오버레이 트랜스미션과 서보-변환기에 의해서 고정된 속력 및 가변의 속력 작동에서 유도된 윈드 터빈 속력을 갖는 풍력 플랜트 상으로 일진의 돌풍이 미치는 영향을 나타낸다.
도 7a부터 7d는 출력측 상에 서보-변환기를 갖는 파워-분배기 풍력 플랜트 그리고 일정한 트랜스미션 기어링(gearing) 그리고 주파수 변환기들을 갖는 풍력 플랜트들의 현존하는 솔루션(solution)에 의해서 드라이브 라인 안에서의 토크 임프린트(torque imprint)의 비교를 보여준다.
도 8은 풍력 플랜트들을 위한 드라이브 라인에서 만들어진 조절 요구사항들을 나타낸다.
- 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 -
2 : 입력축 3 : 회전자
4 : 트랜스미션 기어 5 : 파워-분배기 트랜스미션
6 : 유성 기어 트랜스미션 7 : 제 1 파워 가지
9 : 태양 휠 10 : 출력축
11 : 전기적 발전기 12 : 유체역학적 서보-변환기
13 : 펌프 휠 14 : 터빈 휠
15 : 반응 부재 16 : 고정된 유성 기어 세트
17 : 외부 휠 18 : 제 2 파워 가지

Claims (8)

  1. 풍력 또는 수력 기계로부터의 또는 다른 유동 파워 기계로부터의 파워 입력에 의해서 적어도 직접적으로 구동되고, 출력축이 적어도 직접적으로 전기적 발전기를 구동하여, 출력축이 입력축의 속력보다 높은 속력으로 회전하는 드라이브 라인의 제어 방식에 있어서,
    상기 발전기는 본질적으로 일정한 그리드 주파수로 특징지워지는 전기 그리드와 연결되고;
    상기 드라이브 라인은 파워-분배기 트랜스미션 그리고 유체역학적 서보-변환기를 갖고;
    상기 파워-분배기 트랜스미션은 두 개의 파워 가지들을 포함하고;
    상기 유체역학적 서보-변환기는 펌프 휠, 터빈 휠, 그리고 조절가능한 반응 부재를 포함하고;
    상기 드라이브 라인의 입력축을 통해서 파워는 상기 파워-분배기 트랜스미션 안으로 적어도 직접적으로 급송되고;
    상기 파워-분배기 트랜스미션의 제 1 파워 가지는 적어도 상기 드라이브 라인의 출력축에 파워를 적어도 직접적으로 전달하고;
    상기 유체역학적 서보-변환기의 펌프 휠은 상기 라이브 라인의 출력축에 적어도 직접적으로 연결되고;
    상기 유체역학적 서보-변환기의 상기 터빈 휠은 상기 파워-분배기 트랜스미션의 제 2 파워 가지와 적어도 직접적으로 연결되고 상기 파워-분배기 트랜스미션으로 플로우-백 파워를 생성하고;
    상기 파워-분배기 트랜시미션과 상기 유체역학적 서보-변환기의 조합은 최적의 파워 속력 가이던스에서 파워 입력의 특성들과 동일한 특성들로 대개 특징지워지고; 및
    상기 드라이브 라인의 입력축의 속력이 특정 문턱 수준을 넘어선다면, 상기 드라이브 라인의 입력축에 의해서 모아진 모멘트의 함수인 중간의 속력으로 상기 드라이브 라인의 입력축이 표시되는 방식으로 상기 유체역학적 서보-변환기의 반응 부재가 설정된 것을 특징으로 하는 드라이브 라인의 제어 방식.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 드라이브 라인의 상기 입력축의 상기 속력을 위한 상기 문턱 범위는 상기 윈드 파워 회전자가 특정 노이즈 수준을 넘지 않는 방식으로 선택되는 것을 특징으로 하는 드라이브 라인의 제어 방식.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 드라이브 라인의 상기 입력축의 상기 속력은 특정 문턱 수준 영역을 넘어서 본질적으로 일정한 것을 특징으로 하는 드라이브 라인의 제어 방식.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 드라이브 라인의 상기 출력축은 본질적으로 일정한 속력에서 회전하는 것을 특징으로 하는 드라이브 라인의 제어 방식.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 풍력 터빈과 상기 풍력 터빈에 의해서 구동되는 상기 드라이브 라인은 파워 입력에서 동일한 속력 민감도를 본질적으로 나타내는 것을 특징으로 하는 드라이브 라인의 제어 방식.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 문턱 수준 범위는 사이즈면에서 변하는 것으로 정의될 수 있는 것을 특징으로 하는 것을 드라이브 라인의 제어 방식.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 시스템 내의 단기 에너지 저장 특성들 그리고 변하는 유연함들은 상기 문턱 수준 영역의 설정으로 인해 정의되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 드라이브 라인의 제어 방식.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 모든 워크 포인트에는 상기 윈드 회전자를 위한 포물선의 유동 진행이 존재하는 것을 특징으로 하는 드라이브 라인의 제어 방식.
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