KR20100114387A - 선택적 발전방식을 사용하는 풍력 발전기 및 그의 발전 제어방법 - Google Patents

선택적 발전방식을 사용하는 풍력 발전기 및 그의 발전 제어방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20100114387A
KR20100114387A KR1020090032892A KR20090032892A KR20100114387A KR 20100114387 A KR20100114387 A KR 20100114387A KR 1020090032892 A KR1020090032892 A KR 1020090032892A KR 20090032892 A KR20090032892 A KR 20090032892A KR 20100114387 A KR20100114387 A KR 20100114387A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
generator
power
synchronous
cage induction
synchronous generator
Prior art date
Application number
KR1020090032892A
Other languages
English (en)
Inventor
강윤종
서인영
Original Assignee
주식회사 효성
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 효성 filed Critical 주식회사 효성
Priority to KR1020090032892A priority Critical patent/KR20100114387A/ko
Publication of KR20100114387A publication Critical patent/KR20100114387A/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/0272—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor by measures acting on the electrical generator
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D9/00—Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/20—Wind motors characterised by the driven apparatus
    • F03D9/25—Wind motors characterised by the driven apparatus the apparatus being an electrical generator
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/20—Rotors
    • F05B2240/21—Rotors for wind turbines
    • F05B2240/221—Rotors for wind turbines with horizontal axis
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/76—Power conversion electric or electronic aspects

Abstract

본 발명은 선택적 발전방식을 사용하는 풍력발전기 및 그의 발전 제어방법에 관한 것이다. 본 발명의 풍력발전기에는 동기발전기(112)와 농형유도발전기(114)가 하나의 발전단으로 제공된다. 상기 동기발전기(112)와 계통(Grid) 사이에는 백-투-백 컨버터(122)가 구비된 전력변환기(120)가 구비된다. 상기 농형유도발전기(114)와 계통(Grid) 사이에는 상기 농형유도발전기(114)의 발전전력을 계통에 공급하도록 온/오프 동작하는 계통연계스위치(130)가 설치된다. 상기 동기발전기(112)와 농형유도발전기(114)의 발전 지령치를 결정하는 상위제어기(150)와, 상기 상위제어기(150)로부터 전달받은 발전 지령치에 대한 발전량을 상기 계통에 공급하도록 상기 동기발전기(112)만을 구동시키거나 상기 동기발전기(112)와 농형유도발전기(114)를 함께 구동시키도록 제어하는 제어부(140)가 구비된다. 즉 본 발명은 바람이 부는 초기 또는 상기 농형유도발전기(114)의 회전자가 동기속도 이하에서는 상기 동기발전기(112)의 발전전력만이 계통에 공급되고, 동기속도를 넘어서면 동기발전기(112)와 농형유도발전기(114)가 동시에 구동되면서 발전전력이 계통에 공급되는 것이다. 그리고, 본 발명은 어느 하나의 발전기 및 발전기 측에서 장애가 발생하면 나머지 발전기의 발전전력이 계통에 공급되게 할 수도 있다. 이와 같은 본 발명에 따르면, 풍력발전기의 시스템 제어가 용이하게 되고, 안정되게 발전전력을 계속 공급할 수 있으며, 다양한 풍량에서 발전이 가능한 이점이 있다.
풍력발전기, 동기발전기, 농형유도발전기, 전력변환기

Description

선택적 발전방식을 사용하는 풍력 발전기 및 그의 발전 제어방법{POWER GENERATION USING A SELECTIVE GENERATOR TYPE AND METHOD FOR GENERATOR CONTROLLING THEREOF}
본 발명은 풍력 발전기에 관한 것으로, 특히 동기발전방식 또는/및 농형유도발전방식에 의해 발전을 하는 풍력발전기 및 그의 발전 제어방법에 관한 것이다.
주지된 바와 같이 풍력발전기는 바람이 가진 에너지를 회전력으로 변환시켜주는 로터(Rotor; 노즈콘과 허브로 구성), 회전력을 전기에너지로 변환시켜 주는 나셀(Nacelle; 기어박스, 발전기, 전력변환기, 제어장치 포함), 풍력발전기를 지탱해주는 타워(Tower)로 구성된다. 상기 허브에는 다수의 블레이드가 장착된다.
상기 풍력발전기는 먼저 공기의 운동에너지를 허브에 장착된 블레이드가 제공받아 로터가 회전되고, 상기 로터가 회전하면 회전축을 통해 기어박스와 발전기가 회전하게 된다. 그러면 전력변환기는 발전기의 운동 에너지를 전기적 에너지로 변환시키고, 이를 계통(Grid)에 공급하게 된다.
이와 같은 풍력발전기의 풍력발전은 아래와 같이 여러 가지 방식이 있다.
첫 번째는, 이중여자 유도발전 방식이다. 이 방식은 권선형 유도발전기가 기 어박스를 통해 회전하면, 발전기의 고정자에 자속 또는 전압이 발생하도록 회전자에 전류를 인가하여 계통단 전압과 동기화를 시켜 계통 연계를 한다. 계통연계가 된 후에는 전력변환기를 통해 회전자 전류를 제어하여 발전기의 토크 제어와 역률 제어를 하는 방식이다.
두 번째는, 동기발전 방식이다. 이 방식은 동기 발전기가 회전하여 발생하는 전기에너지를 전력변환기를 통해 AC-DC-AC 변환하고 이를 계통에 공급하는 방식이다.
세 번째는, 농형 유도발전 방식이다. 이 방식은 동기속도 이전은 전동기로서 동작하며 동기속도 이상이 되면 발전기로서 동작하는 방식이다. 이 방식에는 전력변환기가 필요하지 않고 계통과 연결해주는 장치만 있으면 발전이 가능하다. 참고로 상기 동기속도는 미리 정해진 값으로서 발전기의 회전자가 이 속도를 넘어섰을 때 로터의 속도가 자기장의 회전속도보다 빨라지게 되는데, 이때 회전자에 강한 전류가 유도되는 성질을 이용하고 있는 것이다.
하지만 상기한 발전 방식에는 다음과 같은 문제점이 있다.
우선 이중여자 유도발전 방식은 발전기의 회전자 전류를 제어하여 발전기의 토크 제어와 역률 제어를 하고 있기 때문에, 발전 전력에 고조파 성분이 많이 포함되어 있고, 회전자 전류에 의해 발전량이 조절되고 있어 역률에 대한 응답성이 느리다. 따라서 이러한 방식으로 풍력발전 단지를 구현할 경우에는 무효전력보상장치(STATCOM)가 필요하다.
그리고 동기발전기 방식은 전력변환기가 회전운동을 전기적 에너지로 변환하 고 있어 전력변환기의 크기가 크고 무게가 무거워서 상기 이중여자 유도발전 방식보다 전체 설계비용이 비싸다는 단점이 있다. 아울러 동기발전기에서 발전하는 모든 전력은 스위칭 노이즈를 포함하고 있는 단점이 있다.
그리고 농형 유도발전기 방식은 역률 제어가 되지 않고, 동기속도 이상에서만 발전이 가능하기 때문에 발전하는 이용할 수 있는 풍량의 폭이 크지 않다. 이에 바람이 많이 불지 않는 곳에서는 적당하지 않다. 또 발전량을 보고 블레이드를 제어하고 있어 상황에 따른 응답성이 늦어지므로 효율적인 제어가 어렵고, 아울러 모든 제어를 블레이드에만 의존해야 하므로 블레이드 제어기에 부담이 커질 수밖에 없다.
한편, 풍력발전은 그 풍력발전기가 설치되는 장소나 특징 등에 따라 상기한 발전 방식 중 어느 하나의 발전 방식으로만 발전이 수행되고 있다. 그렇기 때문에, 하나의 발전방식으로만 발전할 경우 그 발전방식이 가지는 장점뿐만 아니라 단점까지도 모두 포함하고 있어, 특정한 경우에는 발전 효율이 저하될 수 있는 등의 문제가 있다. 예컨대, 발전 제어가 쉬운 발전방식인 경우에도 설계 비용이 증가하거나 또는 각종 노이즈를 포함하게 되어 발전 효율이 저하되는 문제가 있고, 또한 특정 지역에 설치하기 위해 무게가 가벼운 발전기의 발전방식인 경우, 이는 발전 제어가 다소 복잡하거나 안정적이지 못하는 등의 문제가 있었던 것이다. 결국 최적의 풍력발전시스템을 제공하지 못하고 있다.
따라서 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 상이한 발전방식을 하나의 발전시스템으로 구성하여 제어가 쉬우면서도 보다 안정적이고 향상된 전력품질을 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 로터의 회전축에 연결되는 동기발전기 및 농형유도발전기; 상기 동기발전기와 계통(Grid) 사이에 설치되는 전력변환기; 상기 농형유도발전기와 계통(Grid) 사이에 설치되어 상기 농형유도발전기의 발전전력을 계통에 공급하도록 공급경로를 제공하는 계통연계스위치; 상기 동기발전기와 농형유도발전기의 발전 지령치를 결정하는 상위제어기; 그리고, 상기 동기발전기만을 구동시키거나 상기 동기발전기와 농형유도발전기를 함께 구동시켜 상기 상위제어기로부터 전달받은 발전 지령치에 대한 발전량을 상기 계통에 공급하도록 제어하는 제어부;를 포함하여 구성된다.
상기 전력변환기는, 상기 동기발전기에서 발생하는 전력을 상기 계통에서 사용 가능한 전력으로 변환하는 백-투-백 컨버터(back-to-back converter) 및 상기 동기발전기의 동작상태를 감지하는 센서;를 포함하되, 상기 제어부가 더 포함되어 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 동기발전기 및 농형유도발전기 측의 고장 상태를 감시하고, 상기 발전 지령치와 상기 감시에 따른 발전기 상태를 파악하여 상기 계통연 계스위치를 조작하는 기능을 포함한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 동기발전기와 농형유도발전기가 혼용된 풍력시스템에서, 발전 초기에는 동기발전기만을 구동시켜 발전전력을 계통에 공급하는 단계; 그리고, 상기 동기발전기의 발전전력을 공급하고 있다가 상기 농형유도발전기가 발전기로서 동작하는 동기속도 이상이 되면, 상기 농형유도발전기를 구동시켜 동기발전기와 함께 발전전력을 계통에 공급하는 단계;를 포함하여 이루어진다.
상기 동기발전기와 농형유도발전기의 동작상태를 판단하는 단계; 상기 판단결과 어느 하나의 발전기 또는 발전기측에서 고장이 발생하면 다른 발전기만 구동시켜 발전전력을 상기 계통에 공급하게 하는 단계;를 더 포함한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 바람의 양에 따라 동기발전기와 농형유도발전기의 발전 지령치를 결정하는 결정단계; 상기 결정된 발전 지령치에 따라 상기 동기발전기와 농형유도발전기의 발전량을 각각 조절하는 조절단계; 상기 조절된 발전량에 기초하여 상기 동기발전기와 농형유도발전기 중 적어도 하나의 발전기의 구동을 제어하는 제어단계; 그리고, 상기 구동되는 발전기로부터 발전된 전력을 계통에 공급하는 공급단계;를 포함하여 이루어진다.
상기 제어단계에서, 발전 초기 또는 상기 농형유도발전기가 발전기로 구동할 수 있는 동기속도 이전까지는 상기 동기발전기만 구동하여 발전전력을 계통에 공급하고, 상기 동기속도 이상이 되면 상기 농형유도발전기와 동기발전기의 발전전력을 각각 계통에 공급하도록 한다.
상기 발전 지령치에 기초하여 우선 상기 농형유도발전기의 발전전력이 상기 계통에 공급되게 하고, 부족한 발전전력은 상기 동기발전기로부터 공급되게 한다.
상기 동기발전기가 상기 발전 지령치에 의해 발전하게 되는 전체 발전량 및 역률을 제어하게 된다.
본 발명에서는 농형유도발전기와 동기발전기를 혼용하여 풍력발전을 하고 있는데, 특히 농형유도발전기의 회전자가 미리 정해진 동기속도 이하이면 동기발전기에 의해 발전된 전력을 계통에 공급되게 하고, 동기속도를 넘어서면 농형유도발전기 및 동기발전기에 의해 발전된 전력을 계통에 공급되게 하고 있다. 이에 따라 전체 발전량에 비해 동기발전기의 발전전력만을 변환하고 있어 전력변환기의 크기와 무게를 종래보다 작게 설계할 수 있고, 전력변환기의 제어가 용이하게 되는 효과가 있다.
또 동기발전기나 농형유도발전기 중 하나에 이상이 발생하여도 계속 발전이 가능하기 때문에 안정되게 발전전력을 계통에 공급할 수 있어 전력품질이 향상되게 된다.
또 종래 풍력시스템의 한 형태로서 농형유도발전 방식은 블레이드로만 시스템을 제어하고 있어 상황에 따른 응답성이 느려 제어가 비효율적이지만, 본 발명은 전력변환기와 블레이드를 함께 이용하여 시스템을 제어할 수 있다.
또 종래 풍력시스템에서 이중여자 유도발전은 동기속도의 ±30% 내에서 발전이 가능하고, 농형유도발전은 동기속도 이상에서만 발전이 가능하고, 동기발전은 저속에서부터 동기속도까지 발전이 가능하기 때문에, 종래에는 각 발전기마다 이용 할 수 있는 풍량이 제한적이었지만, 본 발명은 회전자 속도가 저속에서는 동기발전방식으로 발전할 수 있고 동기속도 이상에서는 농형유도발전과 동기발전 방식으로 함께 발전할 수 있어 다양한 풍량에서 발전이 가능한 효과가 있다.
이하에서는 상기한 바와 같은 본 발명에 의한 선택적 발전방식을 사용하는 풍력발전기 및 그의 발전 제어방법의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 1에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 풍력발전기의 구성도가 도시되어 있다.
도 1을 살펴보면, 풍력발전기는 지면에서 적정 높이로 고정되게 설치되는 타워(101) 상단에 회전 가능하게 설치되는 베이스 프레임(102)이 있는데, 그 베이스 프레임(102)에 발전유닛(110)이 구성된다. 상기 발전유닛(110)은 발전 초기부터 발전하는 동기발전기(112)와, 동기속도 이상이 되었을 경우 계통연계를 하여 상기 동기발전기(112)와 함께 발전하는 농형유도발전기(114)로 구성된다. 상기 발전유닛(110)은 바람의 힘으로 회전하는 로터(103)의 회전축(104)과 연결되어 회전하게 된다.
상기 동기발전기(112)와 연결되는 전력변환기(120)가 구비된다. 상기 전력변환기(120)는 상기 동기발전기(112)에서 생산된 전력을 계통에서 사용가능하게 AC-DC-AC 변환을 수행하는 백-투-백 컨버터(back-to-back converter)(122)를 구비한다. 상기 전력변환기(120)의 출력은 계통과 직접 연결된다.
상기 농형유도발전기(114)와 계통 사이에는 계통연계스위치(130)가 연결된다. 상기 계통연계스위치(130)는 동기발전기(112)만 동작하는 경우에는 상기 동기발전기(112)의 발전전력만이 계통에 공급되게 오프(개방) 상태이고, 농형유도발전기(114)가 동작하는 경우에는 농형유도발전기(114)의 발전전력이 계통에 공급되게 온(닫힘) 상태가 되게 동작한다. 상기 농형유도발전기(114)가 동작하는 경우에는 상기 동기발전기(112)도 함께 동작한다.
상기 동기발전기(112)와 농형유도발전기(114)의 발전량을 각각 조절하여 그 구동을 제어하는 제어부(140)가 구비된다. 상기 제어부(140)는 후술하는 상위제어기로부터 전달받은 상기 발전유닛(110)의 발전량 지령치에 의해 제어동작을 수행한다. 상기 제어부(140)는 동기발전기(112)만 동작이 필요한 경우에는 상기 계통연계스위치(130)를 오프(개방)시키고, 농형유도발전기(114)와 동기발전기(112)의 동작이 모두 필요한 경우에는 상기 계통연계스위치(130)를 온(닫힘)시키는 것이다. 여기서 상기 제어부(140)는 상기 전력변환기(120)의 내부에 구성되는 것이 좋다. 그러나 반드시 상기 전력변환기(120) 내부에 함께 구성하지 않아도 된다. 즉 상기 상위제어기의 발전량 지령치에 따라 상기 동기발전기(112)와 농형유도발전기(114)의 구동을 제어할 수 있기만 하면 된다. 그리고 상기 제어부(140)는 상기 동기발전기(112)와 농형유도발전기(114)가 함께 구동될 경우 상기 농형유도발전기(114)의 발전전력을 우선하여 상기 계통에 공급되게 하고, 상기 동기발전기(112)에서는 부족한 발전전력만을 계통에 공급되게 제어한다. 이와 반대로 상기 동기발전기(112)의 발전전력을 우선하여 상기 계통에 공급되게 하고, 상기 농 형유도발전기(114)의 회전속도에 의존하여 발전된 발전전력을 계통에 공급되게 할 수도 있다. 또한 상기 동기발전기(112)와 농형유도발전기(114)가 상위제어기에 의해 미리 정해진 각각의 발전량만큼만 발전되게 할 수도 있다.
상기 제어부(140)에 상기 발전량 지령치를 제공하는 상위제어기(150)가 구비된다. 상기 상위제어기(150)는 바람의 양에 따라 상기 발전유닛(110)의 발전량 지령치를 결정하는 역할을 수행한다. 상기 상위제어기(150)는 복 수개의 풍력발전기(100)와 대응되게 설치되어, 각각의 풍력발전기에 발전량 지령치를 전달할 수 있다. 상기 상위제어기와 풍력발전기 상호간은 유선 또는 무선으로 연결 가능하다.
이와 같은 구성을 갖는 풍력발전기의 발전방법을 도 2를 참조하여 설명한다. 도 2에는 본 발명의 실시 예에 따라 풍력발전기의 발전과정을 보인 흐름도가 도시되어 있다.
먼저, 풍력발전기의 로터(103)가 회전하여 바람이 가진 에너지를 회전력으로 변환시켜주게 되면, 회전축(104)을 통해 상기 발전유닛(110)의 회전자가 회전하게 된다. 상기 회전자는, 풍력발전기(100)를 초기 구동시키거나 보수/점검을 위해 일시 정지시킨 후 다시 구동시키기 시작하여 가속하는 시점에서는 저속으로 회전하게 된다(s100).
그와 같이 초기 구동하여 가속하는 시점 또는 상기 농형유도발전기(114)의 회전자가 미리 정해진 동기속도 이하인 시점에서는, 상기 제어부(140)는 동기발전기(112)만 동작하도록 하고 농형유도발전기(114)는 동작하지 않게 제어한다(s110). 이는 상기 농형유도발전기(114)가 상기 동기속도 이하에서 동작하게 되면, 상기 농형유도발전기(114)는 전동기로서 동작하게 되어 에너지를 소비하기 때문이다.
상기 동기발전기(112)만 회전하게 되면, 상기 동기발전기(112)에서 발생하는 전기에너지는 전력변환기(120)로 전달된다. 상기 전력변환기(120)의 백-투-백 컨버터(back-to-back converter)(122)는 상기 전달받은 전기에너지를 AC-DC로 변환하고 다시 계통에서 사용할 수 있도록 AC로 변환하여 계통에 전달하게 된다(s120).
그러다가 상기 농형유도발전기(114)의 회전자가 미리 정해진 동기속도 이상이 되면(s130), 상기 제어부(140)는 상기 농형유도발전기(114)와 동기발전기(112)가 동시에 동작되게 제어한다(s140). 이때 상기 계통연계스위치(130)는 상기 제어부(140)에 의해 온(닫힘)상태가 되어야 한다. 상기 계통연계스위치(130)가 온 될 때에는 스위치 조작에 따라 발생할 수 있는 서지(surge)를 최소화하도록 하는 것이 요구된다.
그러면 상기 동기발전기(112)와 농형유도발전기(114)로부터 발전된 전력은 계통에 함께 공급되게 된다(s150).
한편 상기 동기발전기(112)와 농형유도발전기(114)의 발전전력은 다음과 같은 방식으로 계통에 공급이 가능하다. 도 3을 참조하여 설명한다.
도 3의 제 160 단계에서와 같이 상기 동기발전기(112)와 농형유도발전기(114)가 함께 구동된 상태가 되면, 제170 단계에서 상위제어기(150)는 바람의 양에 따라 상기 동기발전기(112)와 농형유도발전기(114)에서 발전해야할 발전량 지령치, 즉 토크지령치 또는 파워지령치를 결정한다. 그리고 제 180 단계에 서 상기 제어부(150)가 동기발전기(112)와 농형유도발전기(114)의 구동상태를 제어하게 된다. 상기 구동상태 제어는 3가지 방식이 제안 가능하다.
먼저 제 190 단계에서와 같이 상기 제어부(140)가 상기 발전량 지령치에 따라 상기 동기발전기(112)와 농형유도발전기(114)가 발전할 발전량을 조절하여 발전전력을 계통에 공급할 수 있다. 즉 상기 제어부(140)가 상기 발전량 지령치 대비 상기 동기발전기(112)는 몇 %의 전력을 발전하고 상기 농형유도발전기(114)는 몇 %의 전력을 발전하도록 제어하는 것이다. 그와 같이 미리 조절된 발전량에 따라 상기 동기발전기(112)와 농형유도발전기(114)가 발전하고, 그에 따른 발전전력이 계통에 공급된다.
다음으로 제 200 단계에서와 같이 상기 농형유도발전기(114)의 발전전력이 계통에 우선하여 공급된 후에 상기 동기발전기(112)의 발전전력이 계통에 공급되게 할 수도 있다. 이는 상기 계통에 공급되어야 할 발전량이 상기 농형유도발전기(114)로 충분하지 못할 경우에 동기발전기(112)의 발전전력을 계통에 공급하는 것이다. 이때, 상기 계통에 공급되어야 할 발전량이 상기 농형유도발전기(114)로 충분할 경우도 발생할 수 있다. 이 경우에는 상기 동기발전기(112)에서 생산된 발전전력은 미도시하고 있는 저장장치에 저장하도록 한다.
다음으로 제 210 단계에서와 같이 상기 동기발전기(112)의 발전전력이 계통에 우선하여 공급된 후에 상기 농형유도발전기(114)의 발전전력이 계통에 공급되게 할 수도 있다. 즉 상기 상위제어기(150)가 결정한 발전량에 대해 동기발전기(112)가 발전하여 우선하여 발전전력을 계통에 공급하고, 나머지 발전전력은 상기 농형 유도발전기(114)가 공급하도록 하는 것이다. 이때 상기 농형유도발전기(114)는 회전속도에 의존하여 발전이 되고 특별히 제어가 되지는 않는다. 이때에도 잉여 발전전력은 저장장치에 저장할 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이 동기발전기(112)와 농형유도발전기(114)가 함께 구동될 경우 상기 동기발전기(112)가 전체 발전량 제어와 역률 제어를 수행하게 된다.
한편, 본 발명의 실시 예는 어느 하나의 발전기 또는 발전기가 위치하고 있는 부분에서 고장이 발생하더라도 정상상태인 다른 발전기에 의해 발전전력을 계통에 계속하여 공급할 수도 있다. 즉, 풍력발전기(100)에서 발생하는 고장은 발전기 자체의 고장일수도 있지만, 대부분 풍력발전기(100) 내부의 결선이 불량하거나 전력변환기 자체가 고장난 경우이다. 이럴 경우 해당 발전기의 발전전력이 계통에 공급되지 않도록 해야한다.
우선, 농형유도발전기(114)나 그 농형유도발전기(114)가 위치한 곳에서 고장이 발생한 경우이다. 일반적으로 상기 제어부(140)는 상기 농형유도발전기(114)의 파워(power)를 감시하는 기능이 있다. 그렇기 때문에, 상기 농형유도발전기(114)가 발전전력이 계통에 완전하게 공급되지 않음이 감시되면, 상기 제어부(140)가 상기 농형유도발전기(114) 또는 농형유도발전기(114)와 계통간의 결선 등에 고장이 발생한 것으로 판단할 수 있다.
따라서 상기 제어부(140)는 상기 계통연계스위치(130)를 오프(개방)시켜서 상기 농형유도발전기(114)와 계통을 서로 분리시킨다.
다음, 동기발전기(112)나 그 동기발전기(112)가 위치한 곳에서 고장이 발생할 경우이다. 일반적으로 상기 동기발전기(112)는 모든 전력선이 상기 전력변환기(120)와 연결되어 있다. 그리고 상기 전력변환기(120)에는 각종 센서가 구비되어 있다. 상기 센서는 상기 동기발전기(112)의 전압, 전류, 속도 등을 측정하는 역할을 한다.
그렇기 때문에, 상기 제어부(140)는 상기 센서가 감지한 값이 미리 셋팅된 기준값과 다를 경우에는 상기 동기발전기(112) 또는 동기발전기(112)와 전력변환기(120) 사이의 결선에 이상이 있거나, 또는 전력변환기(120)가 고장난 것으로 판단한다. 이럴 경우에는 상기 제어부(140)는 상기 전력변환기(120)의 동작을 멈추도록 하여 상기 동기발전기(112)의 발전전력이 계통에 공급되지 않게 한다.
이상 살펴본 바와 같이 본 실시 예는 풍력발전기에 동기발전기와 농형유도발전기를 혼용하여 설계하고, 초기 구동시에는 동기발전기만이 구동되게 하여 발전전력이 계통에 공급하고, 이후 농형유도발전기의 회전자가 동기속도를 넘어서면 상기 농형유도발전기와 동기발전기를 동시에 구동되게 하여 그 두 발전기로부터 발전된 전력을 계통에 공급하고 있음을 알 수 있다.
본 발명의 권리범위는 위에서 설명된 실시 예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 풍력발전기의 구성도
도 2는 본 발명의 실시 예에 따라 풍력발전기의 발전과정을 보인 흐름도
도 3은 도 2의 발전과정 중 동기발전기와 농형유도발전기의 발전전력을 계통에 공급하는 상세 흐름도
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
112 : 동기발전기 114 : 농형유도발전기
120 : 전력변환기 122 : 백-투-백 컨버터
130 : 계통연계스위치 140 : 제어부
150 : 상위제어기

Claims (9)

  1. 로터의 회전축에 연결되는 동기발전기 및 농형유도발전기;
    상기 동기발전기와 계통(Grid) 사이에 설치되는 전력변환기;
    상기 농형유도발전기와 계통(Grid) 사이에 설치되어 상기 농형유도발전기의 발전전력을 계통에 공급하도록 공급경로를 제공하는 계통연계스위치;
    상기 동기발전기와 농형유도발전기의 발전 지령치를 결정하는 상위제어기; 그리고,
    상기 동기발전기만을 구동시키거나 상기 동기발전기와 농형유도발전기를 함께 구동시켜 상기 상위제어기로부터 전달받은 발전 지령치에 대한 발전량을 상기 계통에 공급하도록 제어하는 제어부;를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 선택적 발전방식을 사용하는 풍력발전기.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 전력변환기는,
    상기 동기발전기에서 발생하는 전력을 상기 계통에서 사용 가능한 전력으로 변환하는 백-투-백 컨버터(back-to-back converter) 및 상기 동기발전기의 동작상태를 감지하는 센서;를 포함하되,
    상기 제어부가 더 포함되어 구성될 수 있음을 특징으로 하는 선택적 발전방식을 사용하는 풍력발전기.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 동기발전기 및 농형유도발전기 측의 고장 상태를 감시하고, 상기 발전 지령치와 상기 감시에 따른 발전기 상태를 파악하여 상기 계통연계스위치를 조작하는 기능을 포함함을 특징으로 하는 선택적 발전방식을 사용하는 풍력발전기.
  4. 동기발전기와 농형유도발전기가 혼용된 풍력시스템에서, 발전 초기에는 동기발전기만을 구동시켜 발전전력을 계통에 공급하는 단계; 그리고,
    상기 동기발전기의 발전전력을 공급하고 있다가 상기 농형유도발전기가 발전기로서 동작하는 동기속도 이상이 되면, 상기 농형유도발전기를 구동시켜 동기발전기와 함께 발전전력을 계통에 공급하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 발전 제어방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 동기발전기와 농형유도발전기의 동작상태를 판단하는 단계;
    상기 판단결과 어느 하나의 발전기 또는 발전기측에서 고장이 발생하면 다른 발전기만 구동시켜 발전전력을 상기 계통에 공급하게 하는 단계;를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 발전 제어방법.
  6. 바람의 양에 따라 동기발전기와 농형유도발전기의 발전 지령치를 결정하는 결정단계;
    상기 결정된 발전 지령치에 따라 상기 동기발전기와 농형유도발전기의 발전량을 각각 조절하는 조절단계;
    상기 조절된 발전량에 기초하여 상기 동기발전기와 농형유도발전기 중 적어도 하나의 발전기의 구동을 제어하는 제어단계; 그리고,
    상기 구동되는 발전기로부터 발전된 전력을 계통에 공급하는 공급단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 발전 제어방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제어단계에서, 발전 초기 또는 상기 농형유도발전기가 발전기로 구동할 수 있는 동기속도 이전까지는 상기 동기발전기만 구동하여 발전전력을 계통에 공급하고, 상기 동기속도 이상이 되면 상기 농형유도발전기와 동기발전기의 발전전력을 각각 계통에 공급하도록 하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 발전 제어방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 발전 지령치에 기초하여 우선 상기 농형유도발전기의 발전전력이 상기 계통에 공급되게 하고, 부족한 발전전력은 상기 동기발전기로부터 공급되게 하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 발전 제어방법.
  9. 제 6항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 동기발전기가 상기 발전 지령치에 의해 발전하게 되는 전체 발전량 및 역률을 제어하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 발전 제어방법.
KR1020090032892A 2009-04-15 2009-04-15 선택적 발전방식을 사용하는 풍력 발전기 및 그의 발전 제어방법 KR20100114387A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090032892A KR20100114387A (ko) 2009-04-15 2009-04-15 선택적 발전방식을 사용하는 풍력 발전기 및 그의 발전 제어방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090032892A KR20100114387A (ko) 2009-04-15 2009-04-15 선택적 발전방식을 사용하는 풍력 발전기 및 그의 발전 제어방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20100114387A true KR20100114387A (ko) 2010-10-25

Family

ID=43133599

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020090032892A KR20100114387A (ko) 2009-04-15 2009-04-15 선택적 발전방식을 사용하는 풍력 발전기 및 그의 발전 제어방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20100114387A (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101525104B1 (ko) * 2013-11-08 2015-06-01 삼성중공업 주식회사 풍력 터빈의 기계적 상태를 고려한 풍력 발전 단지의 출력 관리 시스템 및 방법
KR20220076281A (ko) * 2020-11-30 2022-06-08 영남대학교 산학협력단 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101525104B1 (ko) * 2013-11-08 2015-06-01 삼성중공업 주식회사 풍력 터빈의 기계적 상태를 고려한 풍력 발전 단지의 출력 관리 시스템 및 방법
KR20220076281A (ko) * 2020-11-30 2022-06-08 영남대학교 산학협력단 농형 유도발전기 풍력 터빈 시스템

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10243352B2 (en) Battery-supported braking system for a wind turbine
US9941687B2 (en) Methods for operating wind turbine system having dynamic brake
US20110142634A1 (en) Overspeed protection system and method
EP2653720B1 (en) Wind turbine with a primary and a secondary generator and method of operating such wind turbine
WO2011016278A1 (ja) 風力発電装置、風力発電装置の制御方法、風力発電システム及び風力発電システムの制御方法
US8084892B2 (en) Power supply device and method
JP5836401B2 (ja) 風力発電システム
EP2587609A1 (en) Power supply device and method
US11448188B2 (en) Power converter control and operation
US10186996B1 (en) Methods for operating electrical power systems
CN113700605A (zh) 控制风力涡轮以保护风力涡轮免于异常操作的系统和方法
US10790770B2 (en) Methods for operating electrical power systems
KR20100114387A (ko) 선택적 발전방식을 사용하는 풍력 발전기 및 그의 발전 제어방법
CN113541180A (zh) 用于控制风力涡轮机转换器的系统和方法
US10975847B1 (en) System and method for farm-level control of transient power boost during frequency events
US11394324B2 (en) Selective crowbar response for a power converter to mitigate device failure
US11967824B2 (en) Adaptive gain control for a reactive power regulator of an inverter-based resource
US11901735B2 (en) System and method for reducing instability in reactive power command of an inverter-based resource

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
NORF Unpaid initial registration fee