KR20110133607A

KR20110133607A - 에너지 생산 설비 특히 풍력발전소

Info

Publication number: KR20110133607A
Application number: KR1020117023864A
Authority: KR
Inventors: 제랄드 헤헨베르거
Original assignee: 제랄드 헤헨베르거
Priority date: 2009-03-26
Filing date: 2010-03-25
Publication date: 2011-12-13
Also published as: CN102365456B; US20120014797A1; ES2440553T3; CA2755995A1; BRPI1009815A2; DK2411668T3; CN102365456A; AT508053A1; EP2411668B1; EP2411668A2; AU2010228104A1; WO2010108209A2; WO2010108209A3

Abstract

본 발명은 로터(1)에 연결된 구동 샤프트, 발전기(8), 3개의 구동장치와 출력부들을 가진 차동 기어(11 내지 13)를 포함하는 에너지 생산 설비 특히 풍력발전소에 관한 것이다. 제 1 구동장치가 상기 구동 샤프트에 연결되고, 하나의 출력부가 상기 발전기(8)에 연결되며, 제 2 구동장치가 전기식 차동 구동장치(6)에 연결된다. 상기 전기식 차동 구동장치(6)의 최대 질량 관성 모멘트는 J_DA _, _max = (J_R/S_ges ²) * f_A인데, 여기서, f_A≤0.2이고, J_R은 상기 로터(1)의 질량 관성 모멘트이며 S_ges는 상기 로터(1)의 속도 범위에 대한 상기 차동 구동장치(6)의 속도 변위의 비율인 속도 분포이다.

Description

에너지 생산 설비 특히 풍력발전소{ENERGY PRODUCTION PLANT, IN PARTICULAR WIND POWER STATION}

본 발명은 로터에 연결된 구동 샤프트, 발전기, 3개의 구동장치와 출력부들을 가진 차동 기어를 포함하는 에너지 생산 설비 특히 풍력발전소에 관한 것으로서, 제 1 구동장치가 상기 구동 샤프트에 연결되고, 하나의 출력부가 상기 발전기에 연결되며, 제 2 구동장치가 전기식 차동 구동장치에 연결된다.

풍력발전소는 동력 발생 설비로서 그 중요성이 점점 더 늘어나고 있다. 이에 따라, 전체 동력 중 바람에 의해 생성되는 동력 비율이 지속적으로 증가하고 있다. 이는 한편으로는 현재의 동력 품질에 대해 새로운 표준을 세우고 다른 한편으로는 규모가 더 큰 풍력발전소로의 트렌드를 형성한다. 이와 동시에, 근해(offshore)에 세우는 풍력발전소에 대한 트렌드에서는, 5 MW 이상의 설정 동력을 가진 발전소 규모를 요구한다. 근해 영역에서 풍력발전소의 운행 또는 정비 및 인프라스트럭쳐(infrastructure)에 대한 높은 비용으로 인해, 중간 전압 동기식 발전기(medium voltage synchronous generator)의 사용과 관련하여 발전소의 생산 비용과 효율은 특별한 중요성을 가진다.

WO2004/109157 A1호는 몇몇 평행 차동 단(differential stage)과 몇몇 전환식 클러치(switchable clutch)를 이용하여 그 결과 개별 경로 간에 전환가능한 복잡한 수력학식 다중경로(hydrostatic multipath) 개념을 보여주고 있다. 예시되어 있는 디자인을 사용하면, 동력 및 이에 따른 수력학적 손실(hydrostatic loss)이 줄어들 수 있다. 하지만, 주된 단점 중 하나는 전체 유닛의 구조가 복잡하다는 점이다. 더구나, 개별 단들 사이에서 전환할 때 풍력발전소를 제어하는 데 문제가 생긴다.

EP 1283359 A1호는 전기식 차동 구동장치(electrical differential drive)를 가진 다단 차동 기어와 1단 차동 기어를 보여주고 있는데, 상기 1단 차동 기어는 높은 공칭 속도(nominal speed)를 가지며 이러한 디자인의 결과로서, 로터 샤프트에 대해 현저하게 높은 질량 관성 모멘트를 가진 입력 샤프트(input shaft) 주위로 동축구성 방식으로(coaxially) 위치된 특정의 3상 기계장치(3-phase machien)를 가진다. 대안으로, 차동 기어의 입력 샤프트에 대해 평행하게 나란히 정렬된 고속의 표준형 3상 기계장치를 가진 다단 차동 기어가 제안된다.

이러한 디자인들로 인해, 중간 전압 동기식 발전기를 그리드(grid)에 직접 연결할 수 있지만(즉 주파수 변환기(frequency converter)를 사용하지 않고도 연결할 수 있음), 반면, 공지된 구체예들의 단점으로는, 차동 구동장치의 높은 손실이 존재하며, 이 문제점을 해결하기 위해, 복잡한 메커니즘 또는 특정 전기식 기계장치 구조가 필요하여 이에 따라 비용이 증가한다는 것이다. 일반적으로는, 가령, 예를 들어, 차동 구동장치의 크기 및 최적의 조절과 같은 비용과 관련된 범주는 적절하게 고려되지 못하였다.

본 발명의 목적은 위에서 언급한 단점들을 해결하고, 차동 구동장치(differential drive)의 전체 크기를 최소로 하면서도 가능한 최저 비용의 에너지 생산 설비(energy production plant)를 제조하는 데 있다.

상기 목적은 본 발명에 따라 구현되는데, 전기식 차동 구동장치(electricaldifferential drive)의 최대 질량 관성 모멘트가 J_DA _, _max = (J_R/S_ges ²) * f_A이며, 여기서, f_A≤0.2이고, J_R은 상기 로터(1)의 질량 관성 모멘트이며 S_ges는 상기 로터의 속도 범위에 대한 상기 차동 구동장치의 속도 변위의 비율인 속도 분포(speed distribution)이다.

이런 방식으로, 매우 컴팩트하고 효율적인 구조의 에너지 생산 설비가 가능하며, 이러한 에너지 생산 설비를 이용하면, 에너지 생산 설비 특히 풍력발전소의 컨트롤 엔지니어링(control engineering) 형태들이 최적으로 해결된다.

본 발명의 바람직한 구체예들은 또 다른 종속항들의 주제를 구성한다.

본 발명의 바람직한 구체예들은 첨부된 도면들을 참조하여 밑에서 상세하게 기술된다.

종래 기술에 따른 5 MW 풍력발전소에 대해, 도 1은 동력 곡선, 로터 속도 및 주속비(tip speed ratio)와 동력계수(power coefficient)와 같은 관련 특성들을 보여주는 도면이다.
도 2는 종래 기술에 따른 전기식 차동 구동장치를 가진 차동 기어의 원리를 도시한 도면이다.
도 3은 종래 기술에 따른 펌프/모터 조합을 가진 수력학식(hydrostatic) 차동 구동장치의 원리를 도시한 도면이다.
도 4는 풍력발전소의 로터에 대한 속도비와 이에 따른 차동 구동장치에 대한 최대 입력 토크 M_max를 도시한 도면이다.
종래 기술에 따른 예에 의해, 도 5는 풍속에 걸쳐 전기식 차동 구동장치의 속도비 및 동력비를 도시한 도면이다.
도 6은 2개의 상이한 작동 모드에서 부분 하중 범위와 공칭 하중 범위에 있는 차동 구동장치의 토크/속도 특성을 도시한 도면이다.
도 7은 애플리케이션 인자 f_A = 0.2에 대해 차동 구동장치의 최대 허용 질량 관성 모멘트를 도시하고 본 발명에 따른 차동 구동장치와 종래 기술에 따른 고-동력학적 서보 구동장치(highly dynamic servo drive)의 공칭 토크에 대한 통상적인 질량 관성 모멘트 비율을 비교한 도면이다.
도 8은 풍력발전소의 조절 행태(control behavior)에 대한 토크 특성의 경사(slope)와 차동 구동장치의 질량 관성 모멘트의 효과를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명에 관해 차동 단(differential stage)의 가능한 하나의 변형예를 도시한 도면이다.
도 10은 스텝구성식 유성 기어(stepped planetary gear)를 가진 본 발명에 따른 차동 단의 한 변형예를 도시한 도면이다.

풍력발전소 로터의 출력(output)은 다음의 식으로부터 계산되는데:

로터 출력 = 로터 면적 * 동력계수 * 풍속³ * 공기 밀도/2

여기서, 동력계수(power coefficient)는 풍력발전소 로터의 주속비(tip speed ratio)(풍속에 대한 블레이드 팁 속도비(tip speed ratio)와 같음)에 좌우된다. 풍력발전소의 로터는 개발과정에서 구현되어야 하는 주속비(대부분의 경우, 7 내지 9 사이의 값임)에 따라 최적의 동력계수를 위해 설계된다. 이런 이유로, 풍력발전소가 부분 하중(partial load) 범위에서 작동하는 동안, 이에 상응하여 최적의 공기역학적 효율을 구현하기 위해 저속이 설정될 수 있다.

도 1은 로터 출력에 대한 비율들, 주어진 로터의 최대 속도 범위에 대한 로터 속도, 주속비 및 동력계수와 8.0-8.5의 최적의 주속비를 도시한 도면이다. 이 도면으로부터, 주속비가 주속비의 최적값인 8.0-8.5를 벗어나자마자(deviate), 동력계수가 내려가며 따라서 위에서 언급한 공식에 의해 로터 출력은 로터의 공기역학적 특성에 따라 감소되는 것은 명백하다.

도 2는 차단 단(differential stage)(3 및 11 내지 13), 매칭 기어 단(matching gear stage)(4) 및 전기식 차동 구동장치(electrical differential drive)(6)로 구성된 풍력발전소용 차동 시스템(differential system)의 가능한 하나의 원리를 도시한 도면이다. 메인 기어(main gear)(2)의 구동 샤프트 위에 위치된 풍력발전소의 로터(1)는 상기 메인 기어(2)를 구동시킨다. 상기 메인 기어(2)는 2개의 유성 기어 단과 하나의 스퍼 기어(spur gear) 단을 가진 3단 기어이다. 메인 기어(2)와 발전기(8) 사이에, 차동 단(3)의 유성 기어 캐리어(12)를 거쳐 메인 기어(2)에 의해 구동되는 차동 단(3)이 있다. 발전기(8), 바람직하게는, 필요 시에, 20 kV보다 더 큰 공칭 전압(nominal voltage)을 가질 수 있는 개별 여기 방식의(separately excited) 동기식 발전기(synchronous generator)가 차동 단(3)의 링 기어(13)에 연결되고 이 링 기어(13)에 의해 구동된다. 차동 단(3)의 피니언(11)이 차동 구동장치(6)에 연결된다.

차동 단(6)의 속도는, 한편으로는, 순서대로(in order) 조절되어 로터(1)의 가변 속도에서 발전기(8)의 균일 속도를 보장하며, 다른 한편으로는, 풍력발전소의 전체 구동 라인(drive line)에서 토크를 조절할 수 있게 한다. 도시되어 있는 구체예에서, 차동 구동장치(6)에 대한 입력 속도를 증가시키기 위하여, 차동 단(3)과 차동 구동장치(6) 사이에서 스퍼 기어 단의 형태인 매칭 기어 단(4)을 필요로 하는 2단 차동 기어가 선택된다. 따라서, 차동 단(3)과 매칭 기어 단(4)은 2단 차동 기어를 형성한다. 차동 구동장치는 트랜스포머(5)와 주파수 변환기(frequency converter)(7)를 통해 그리드(grid)에 연결되는 3상 기계장치(3-phase machine)이다. 대안으로, 도 3에 도시된 것과 같이, 차동 구동장치는 예를 들어 수력학식 펌프/모터 조합장치(9)로서 제조될 수 있다. 이 경우, 제 2 펌프가 매칭 기어 단(10)을 통해 발전기(8)의 구동 샤프트에 연결되는 것이 바람직하다.

차동 기어에 대한 속도방정식은 다음과 같은데:

속도_발전기 = x * 속도_로터 + y * 속도_차동 _구동장치

여기서, 발전기 속도는 일정하며 인자(x 및 y)는 메인 기어와 차동 기어의 선택된 기어 변속비(gear transmission ratio)로부터 유도될 수 있다.

로터에 가해지는 토크는 주된 바람과 로터의 공기역학적 효율에 의해 결정된다. 로터 샤프트에 가해지는 토크와 차동 구동장치에 가해지는 토크 사이의 비율은 일정하며, 그 결과, 구동 라인 내의 토크는 차동 구동장치에 의해 조절될 수 있다. 차동 구동장치에 대한 토크 방정식은 다음과 같은데:

토크_차동 _구동장치 = 토크_로터 * y/x

여기서, 크기 인자(y/x)는 차동 구동장치에 대한 요구 설계 토크(necessary design torque) 측정값이다.

차동 구동장치의 출력은 차동 구동장치의 기본 속도(base speed)로부터 로터 속도의 속도 편차(speed deviation) 백분율과 로터 출력을 곱한 값에 실질적으로 비례한다. 이에 따라, 큰 속도 범위는 반드시 이에 상응하게 차동 구동장치의 큰 수치를 필요로 한다. 차동 단을 가진 전기식 및 수력학식 차동 구동장치에서, 기본 속도는 차동 구동장치가 정지되어 있는 즉 속도가 0일 때의 로터 속도이다.

도 4는 종래 기술에 따라 예컨대 다양한 속도 범위를 도시하고 있다. 로터의 -/+ 공칭 속도 범위는 로터의 기본 속도로부터의 속도 편차 백분율로 정의되며, 차동 구동장치의 공칭 속도(-...모터로서의 속도 및 +...발전기로서의 속도)는 전계 감쇠(field attenuation) 없이도 구현될 수 있다. 전기식 3상 기계장치의 경우에서 차동 구동장치의 공칭 속도(n)는 공칭 속도(M_n) 또는 공칭 동력(P_n)을 연속적으로 전달할 수 있는 최대 속도로 정의된다.

예를 들어 유압식 축류 피스톤 펌프(hydraulic axial piston pump)와 같은 수력학식 구동장치의 경우, 차동 구동장치의 공칭 속도는 차동 구동장치가 최대 토크(T_max)를 가진 차동 구동장치가 최대 연속 동력(P₀ _max)을 전달할 수 있는 속도이다. 여기서, 상기 펌프의 공칭 압력(ρ_N)과 공칭 크기(NG) 또는 변위 체적(V_g _max)이 최대 토크(T_max)를 결정한다.

공칭 출력 범위에서, 풍력발전소의 로터는 n_rated과 n_min 사이의 부분 하중 범위에 있는 한계값(n_max) 및 한계값(n_min _- _maxP) 사이의 평균 속도(n_rated)로 회전하는데, 상기 예에서는 80%의 전계 감쇠로 구현될 수 있다. 이에 따라, 하중 감소 없이 구현될 수 있는 한계값(n_max)과 (n_min _- _maxP)사이의 조절 속도 범위는, 돌풍(wind gust)에 대해 상쇄할 수 있게 하기 위해 크게 선택되어야 한다. 속도 범위의 크기는 바람의 돌풍과 풍력발전소의 로터의 질량 관성 및 소위 피치 시스템(pitch system)(로터 블레이드 조절 시스템)의 동력학적 특성(dynamics)에 좌우되며, 통상 약 -/+ 5%이다. 도시되어 있는 예에서, -/+ 6%의 조절 속도 범위가 차동 구동장치들을 사용하여 매우 센 돌풍을 상쇄하기 위해 이에 상응하는 예비값(reserve)을 가지도록 선택되었다. 하지만, 이보다 큰 조절 속도 범위를 위해, 매우 비활성적인(inert) 피치 시스템을 가진 풍력발전소도 설계될 수 있다. 상기 조절 속도 범위에서, 풍력발전소는 공칭 출력을 산출해야 하는데 이는 즉, 이 경우 차동 구동장치에 최대 토크가 가해진다는 의미이다. 이는, 상기 속도 범위에서, 차동 구동장치가 공칭 토크를 전달할 수 있기 때문에 로터의 -/+ 공칭 속도 범위가 거의 동일해야 한다는 것을 의미한다.

여기서, 작은 로터 속도 범위에서, 기본 속도는 n_min _- _maxP보다 크기 때문에, 차동 구동장치는 속도가 0과 같은 공칭 토크를 전달할 수 있어야 한다. 하지만, 차동 구동장치가 전기식이든 또는 유압식이든 간에, 차동 구동장치는 0과 같도록 설계된 속도에 대해서 공칭 토크보다 현저히 작은 소위 정적 토크(static torque)로 설계되나 상기 토크는 이에 상응하게 디자인에서 초과수치화(overdimensioning) 함으로써 상쇄될 수 있다. 하지만, 최대 설계 토크(maximum design torque)가 차동 구동장치를 위한 수치화 인자(dimensioning factor)이기 때문에, 이러한 이유로 인해, 작은 속도 범위는 차동 구동장치의 크기에 대해 단지 제한적인 크기로 긍정적인 효과를 미친다. 또한, 이는 공칭 속도 범위에 따라 최대로 전달되어야 하는 차동 구동장치의 토크를 구성하는 곡선 M_max에서 볼 수 있다. 이는 공칭 하중 범위에 있는 일정한 동력 커트롤을 가지며, 최대 정적 트랜스미션 비율 i_0z = -6을 가진 단일-단(single-stage) 차동 기어 및 1500 min^-1의 동기 속도(synchronous speed)를 가진 4-폴(pole) 동기식 발전기를 사용하는 것에 따른다.

도 5는 종래 기술에 따른 차동 단에 대한 속도 또는 동력비의 예를 도시하고 있다. 발전기, 바람직하게는 개별 여기 방식의 중간 전압 동기식 발전기(medium voltage synchronous generator)의 속도는 주파수-고정식 파워 그리드(frequency-fixed power grid)에 대한 연결로 인해 일정하다. 이에 상응하게 상기 차동 구동장치를 잘 사용할 수 있도록 하기 위하여, 상기 구동장치는 기본 속도보다 다 작은 속도 범위에서는 모터로서 작동하고 기본 속도보다 더 큰 영역에서는 발전기로서 작용한다. 이에 따라, 모터 범위에서는 차동 단 내로 동력이 공급되고 발전기 범위에서는 차동 단으로부터 동력이 제거된다. 전기식 차동 구동장치의 경우, 상기 동력은 그리드로부터 제거되거나 또는 그리드 내로 공급되는 것이 바람직하다. 유압식 차동 구동장치의 경우에서는, 상기 동력은 발전기 샤프트로부터 제거되거나 또는 발전기 샤프트에 공급되는 것이 바람직하다. 발전기 동력과 차동 구동장치 동력의 합은, 전기식 차동 구동장치를 가진 풍력발전소용 그리드 내로 전달된 총 동력을 형성한다.

전기식 및 수력학식 차동 구동장치를 위한 한 가지 실질적인 이점은 토크 및/또는 속도를 아무 제한 없이 자유롭게 조절할 수 있다는 점이다. 따라서, 예를 들어, 프로그래밍된 컨트롤에 의해, 상이한 조절 방법들이 실시될 수 있거나 또는 풍력발전소 작동 동안 필요 시마다 주변 또는 작동 상태를 변경시키기 위해 선택적으로 일치될 수 있다.

도 6은 -/+ 15%의 공칭 속도 범위의 차동 구동장치를 가진 풍력발전소에 대한 로터 속도에 따른 로터 토크 특성들을 보여주는 도면이다. 여기서, 상이한 작동 영역 또는 작동 방법들이 도시되어 있다. 점선은 풍력발전소의 부분 하중 범위에 있는 비율을 보여준다. 파선은 공칭 하중 범위에 있는 일정한 동력 조절에 대하여 통상 종래 기술에 따른 특성 값을 보여준다. 본 발명에 따른 세 번째 선은 소위 점진적 토크 조절부(progressive torque control)에 대한 토크를 보여준다. 여기서, 공칭 하중 범위에 대해서, 로터 속도와 함께 발생된 로터 토크의 특성 값이 설정되고 예시되어 있는 예에서 m = 5%의 토크 경사(torque slope)를 가진다. 토크 경사(m)를 위한 값은 조절 속도 범위의 최대 로터 속도와 로터 공칭 속도 사이의 로터 토크의 경사 백분율(percentage slope)로부터 계산된다. 완전성을 위해서, 토크 경사에 대한 그 외의 다른 선택적인 특성값이 설정될 수 있다는 점을 언급할 수 있으며, 작동 중에 있는 작동 상태 및/또는 주변 상태에 꼭 맞을 수 있다. -/+ 15%보다 큰 공칭 속도 범위에서는, 예를 들어 m = 3%와 같은 감소된 토크 경사가 우수한 결과를 가져오고, 매우 작은 공칭 속도 범위에서는 m = 10%의 토크 경사가 바람직할 수 있다.

차동 구동장치에 대해서, 로터 토크와 차동 구동장치에 가해지는 토크 사이의 일정한 비율이 존재하기 때문에, 상기 차동 구동장치에 대해, 로터에 대해서도 똑같은 상태가 적용된다. 언뜻 보기에는, 최대 요구 토크에 관해, 공칭 하중 범위에 있는 2가지 타입의 조절 사이에는 현저한 차이점이 없는 것처럼 보인다. 도 6에서, 수직선이 10.9 min^-1에 삽입되어 로터의 기본 속도를 나타낸다. 하지만, 차동 구동장치가 전기식이든 또는 그 외의 경우 유압식이든 간에, 위에서 이미 언급한 것과 같이, 차동 구동장치는, 0과 같은 속도에서, 공칭 토크보다 훨씬 더 작은 정적 토크를 생성할 수 있다. 속도가 0인 영역에서 공칭 토크를 전달할 수 있도록 하기 위하여, 따라서, 차동 구동장치는 대략 25%만큼 초과수치화되어야 한다. 상기 값은 0인 속도로부터 차동 구동장치의 속도의 증가하는 거리와 함께 감소한다. 이는, 도 6에 따라 도시되어 있는 경우에서, 조절 속도 범위에 있는 최소 로터 속도에 대한 차동 구동장치의 요구 설계 토크가 요구 구동 토크보다 대략 10% 더 커야함을 의미한다. 하지만, 예시되어 있는 예에서, 총 조절 속도 범위에 걸친 토크 경사가 조절 속도 범위의 코너 지점들에 대한 차동 구동장치에 대해 10% (-/+ 5%)이기 때문에, 요구 설계 토크는 똑같다.

이와는 반대로, 예시되어 있는 -/+ 6%의 조절 속도와 일정한 동력을 가진 공칭 하중 조절에 대해서는, 차동 구동장치에 필요한 설계 토크는 점진적 토크 조절부에 대해서보다 대략 11% 더 높다. 이는, 차동 구동장치에 대해서 상대적으로 큰 질량 관성 모멘트와 비용이 증가되어, 구현할 수 있는 조절 동력학적 특성에 대해서 주된 단점이 된다.

공칭 속도 범위가 더 작아질 때 예시된 효과는 증폭되며, 대략 -/+ 12.5%의 공칭 속도 범위에서 최대 효과가 나타난다. -/+ 20%보다 큰 공칭 속도 범위에 대해서, 이에 관해서는 하나 이상의 이점이 인식되기가 어렵다.

점진적 토크 조절부의 또 다른 이점은 패시브 토크 댐핑(passive torque damping)의 효과가 나타난다는 점이다. 풍력발전소는 동력학적으로 매우 복잡한 기계장치이다. 이에 따라, 구동 라인에서, 서로 다른 주파수가 연속적으로 여기되고(excited) 전체 풍력발전소의 하중(loading)과 현재의 품질(quality)에 나쁜 영향을 끼친다. 종래 기술에 따르면, 예를 들어, 다음과 같이 작용하는 소위 액티브 구동 라인 댐핑(active drive line damping)을 실시하는 것은 통상적이다. 구동 라인에서, 토크 및/또는 속도가 측정된다. 그 뒤, 측정 신호(measurement signal)가 필터링되어(filtered), 원치 않는 진동(oscillation)에 반대로 작용하는(counteract) 이에 상응하는 값이 토크 설정점(torque setpoint) 위에 중첩된다(superimposed). 이런 이유에 필요한 추가적인 토크는 이 영역에서 통상 최대 공칭 토크의 약 5%이다. 이 지점에서, 액티브 구동 라인 댐핑 대신에 점진적으로 토크 조절이 실행되면, 공칭 하중 조절에 비해 균일한 동력과 댐핑되는 효과를 가지는 것으로 도시된다. 이는 돌풍에 의해 야기된 토크 변동(torque fluctuation)과 속도에 대한 상쇄와 함께 적용된다.

이와 관련하여, 도 7은 위에서와 유사하게 중요한 영향을 보여준다. 기본적으로, 풍력발전소의 조절 행태(control behavior)는 속도 분포 s_ges에 상당히 연관되며 이에 따라 로터의 질량 관성 모멘트 J_R과 차동 구동장치 J_DA의 비율과 연관된다.

속도 분포 s_ges는 풍력발전소의 로터의 속도 범위에 대한 차동 구동장치의 속도 범위의 비율(속도 분포 s_ges = 속도 범위 차동 구동장치/속도 범위 로터)이며, 상기 속도 범위들은 로터 속도 n_min 및 n_max (도 4와 비교)와 이에 따른 차동 구동장치의 속도에 의해 결정된다. 한편으로는, 속도 분포 s_ges가 로터와 차동 구동장치 사이의 트랜스미션 비율에 대한 측정값이고 다른 한편으로는 상기 트랜스미션 비율을 가진 로터에 대한 차동 구동장치의 질량 관성 모멘트가 제곱이 되기 때문에, (전기식 차동 구동장치를 가진 풍력발전소의 우수한 조절 행태에 대해) 차동 구동장치에 대한 최대 허용 질량 관성 모멘트(J_DA _{, 최대})는 다음과 같이 계산되는데:

J_DA _{, max} = (J_R/S_ges ²) * f_A

여기서, f_A는 풍력발전소의 조절 행태에 대한 측정값인 애플리케이션 인자이다. 도 7에 있는 다이어그램은 애플리케이션 f_A = 0.20일 때를 기초로 하고 있으며, (도 8에 비해) 조절 행태에 대해 우수한 결과가 구현되었다. 기본적으로, f_A가 점점 더 작아질 때마다 애플리케이션 인자 f_A < 대략 0.15일 때, 여전히 우수한 결과가 구현될 수 있으며, 차동 구동장치의 로터의 질량이 감소할 때 추가되는 비용이 필요하게 된다.

서로 다른 구동장치 변형예(1000 min^-1, 1250 min^-1, 및 1500 min^-1의 차동 구동장치의 공칭 속도, -/+ 10%, 15% 및 20%의 로터 속도 범위, 및 3 MW와 5 MW의 풍력발전소 공칭 동력)와 f_A = 0.20에 대해서, 도 7은 차동 구동장치의 최대 허용 질량 관성 모멘트 J_DA _, _max 와 J_DA _, _max/M_nom _,의 비율을 보여주는데, 여기서 M_nom은 차동 구동장치의 요구 공칭 토크이다. 또한, 도 7은 종래 기술에 다른 통상적인 서보 구동장치의 공칭 토크에 대한 일반적인 질량 관성 모멘트 비율("J_DA/M_nom의 일반 비율")을 도시하고 있다. 풍력발전소의 상대적으로 우수한 조절 행태에 대한 차동 구동장치는 종래의 서보 구동장치에서 발견될 수 있는 것보다 더 작은 J_DA/M_nom비율을 수반하는 것을 알 수 있다.

도 8은 예를 들어 돌풍으로 인한 풍력발전소의 "갑작스런 동력 변화" 후에 속도/조절 행태에 가해지는 차동 구동장치의 질량 관성 모멘트와 서로 다른 토크 경사(m = 0% 및 m = 5%)의 영향을 보여준다. 따라서 f_A = 0.20이고 m = 0% 의 J_DA _{, max} = J_R/s_ges ²) * f_A를 가진 풍력발전소의 갑작스런 동력 변화로 인해, 차동 구동장치의 속도는 초기 대략 15 min^-1의 진폭(amplitude)으로 요동치기 시작하고 (즉, 이 경우, 대략 1.6%의 평균 속도가 구현되고) 상기 진폭은 서서히 작아진다. f_A = 0.20 및 m = 5% 즉 패시브 토크 댐핑으로, 명백하게 개선된다. 처음에 구현된 진폭은 대략 10 min^-1이며 급격하게 감소된다. 게다가, f_A 가 0.15로 감소되면, 초기 진폭은 대략 5 min^-1 (즉 이때 구현된 평균 속도의 대략 0.6%)이며, 이 또한 급격하게 감소된다. 예를 들어, 애플리케이션 인자 f_A = 0.10가 추가로 감소되면, 매우 동적인 애플리케이션을 위해 필요하도록 추가로 개선되지만, 이미 위에서 언급한 것과 같이, 차동 구동장치의 로터를 위한 생산비용이 매우 올라간다. 기본적으로, f_A = 0.15 및 m = 5%를 가진 발전소 형상은 표준 애플리케이션을 위해 충분히 우수한 결과를 구현할 수 있다.

또한, 공칭 하중 범위에서 균일한 동력을 가진 종래 기술에 따라 통상적인 조절에 비해 양의(positive) 동력 경사(power slope)로 인해, 토크 댐핑과 차동 구동장치의 전체 크기에 대해서도 개선되지만, 양의 토크 경사보다는 작아야 한다. 여기서, 공칭 하중 범위에 대해서는, 로터 속도와 함께 증가되는 로터 출력 특성이 구현된다. 이 경우, 조절 속도 범위의 최대 로터 속도와 공칭 로터 속도 사이의 로터 출력 경사의 백분율로부터, 동력 곡선의 특성 값이 계산된다.

도 9는 차동 단의 하나의 가능한 변형예를 도시한다. 로터(1)는 메인 기어(2)를 구동시키고, 메인 기어(2)는 유성 기어 캐리어(12)를 통해 차동 단(11 내지 13)을 구동시킨다. 발전기(8)는 링 기어(13)에 연결되어 있으며 피니언(11)은 차동 구동장치(6)에 연결되어 있다. 차동 기어는 1단 기어이며 차동 구동장치(6)는 메인 기어(20의 출력 샤프트와 발전기(8)의 구동 샤프트에 대해 동축 배열(coaxial arrangement) 상태에 있다. 발전기(8)에 대해서, 차동 구동장치가 차동 기어로부터 멀어지도록 향하는 발전기(8)의 한 측면에 위치될 수 있게 하는 중공 샤프트(hollow shaft)가 있다. 이런 방식으로, 차동 단은 발전기(8)에 링크연결된(linked) 개별 조립체(separate assembly)이며, 바람직하게는 커플링(coupling)(14)과 브레이크(15)를 통해 메인 기어(2)에 연결되는 것이 바람직하다. 피니언(11)과 차동 구동장치(6) 사이의 연결 샤프트(16)는 예를 들어 유리 섬유 및/또는 탄소 섬유를 가진 섬유 복합 샤프트와 같이 특히 작은 질량 관성 모멘트를 가진 비틀림 방향으로 강한(torsionally-stiff) 변형예로 제조되는 것이 바람직할 수 있다.

예시되어 있는 동축구성의 1단 구체예의 실질적인 이점으로는, (a) 차동 기어가 기계적으로 단순하고 컴팩트하게 구성되며, (b) 이에 따라 차동 기어의 효율이 높고, (c) 차동 기어의 상대적으로 낮은 트랜스미션 비율로 인해 로터(1)에 대해 차동 구동장치(6)의 질량 관성 모멘트가 상대적으로 작다. 게다가, 차동 기어는 개별 조립체로서 제작될 수 있으며 메인 기어와 무관하게 작동되고 실행될 수 있다. 물론, 차동 구동장치(6)는 수력학식 구동장치(hydrostatic drive)로 대체될 수 있지만, 이를 위해, 수력학식 차동 구동장치와 상호작용하는 제 2 펌프 요소(pump element)가 바람직하게는 발전기(8)에 연결된 기어 출력 샤프트에 의해 구동되어야 한다.

하지만, 도 4로부터 토크 라인 M_max가 조사되며, 이에 관해, 다음의 제한 사항이 인식될 수 있다. 단일-단 차동 기어를 사용할 때, 차동 구동장치의 속도와 이에 따라 차동 구동장치에 대한 요구 토크는 자유로이 선택될 수 없지만, 그에 따라 발전기의 동기 속도와 유성 기어 단의 정적 트랜스미션 비율(i_0z)을 구현할 수 있다. 다른 한편으로, 정적 트랜스미션 비율을 사용하면, 하나의 유성 기어 단의 최소로 구현가능한 직경과 그에 따라 상기 유성 기어 단의 제조 비용이 올라간다. 요약하면, 종래의 단일-단 유성 기어와 작은 공칭 속도 범위를 가진 차동 시스템들에 대해, 차동 구동장치를 위해 가능한 최대로 작은 공칭 토크를 구현하기 위하여 이에 상응하게 정적 트랜스미션 비율이 높게 선택되어야 한다. 하지만, 이는 트랜스미션 비율이 메인 기어를 위해 바람직하지 못하게 높아지며, 그 결과 낮은 공칭 로터 속도와 고속의 동기식 발전기, 메인 기어를 위해 최대 3 기어 단을 가진 디자인을 가진 풍력발전소가 우수한 효과와 함께 구현될 수 있다.

도 10은 본 발명에 따라 스텝구성식 유성 기어(stepped planetary gear)를 가진 차동 단이 변형예를 도시하고 있다. 이미 도 9에 도시된 것과 같이, 여기서, 차동 구동장치(6)도 연결 샤프트(16)를 통해 피니언(11)에 의해 구동된다. 상기 피니언(11)은 상기 연결 샤프트(16)를 통해 소위 발전기(20)의 "ND 단부(end)" 영역에 단순하게 장착되는 것이 바람직하지만, 연결 샤프트도 예를 들어 발전기 샤프트 내에 있는 2개의 베어링 위에 장착될 수 있다. 동기식 발전기는 링 기어(13)에 의해 구동되는 최종 중공 샤프트를 가진 로터(17)와 스테이터(stator)(18)로 구성된다. 유성 기어 캐리어(12), 바람직하게는 3개의 유성 기어 캐리어(12) 내에 장착된 유성 기어들은 소위 스텝구성식 유성 기어(19)이다. 이들은 각각의 경우에서 상이한 직경을 가지고 바람직하게는 상이한 치형(tooth) 기하학적 형태를 가지며 토크가 유지되는 방식으로(torque-proof manner) 연결된 2개의 기어들로 구성된다. 예시되어 있는 예에서 링 기어(13)는 직경이 더 작은 스텝구성식 유성 기어(19)의 기어와 맞물려 있으며, 피니언(11)은 상기 스텝구성식 유성 기어(19)의 제 2 기어와 맞물려 있다. 피니언(11)을 통해서가 아니라 링 기어(13)를 통해 훨씬 더 큰 토크가 전달되어야 하기 때문에, 링 기어(13)의 치형 폭은 피니언(11)의 치형 폭보다 훨씬 더 크다. 또한, 스텝구성식 유성 기어(19)의 치형 폭도 이에 따라 형성된다. 소음 감소를 위해, 차동 기어의 치형 시스템은 슬랜트식 치형 시스템(slanted tooth system)으로서 제조될 수 있다. 치형 시스템의 부분들의 지지부(support)에 의해 수용되어야 하는(accomodated) 축방향 힘들은, 슬랜트 위치의 개별적으로 선택된 각도에 좌우되어, 스텝구성식 유성 기어(19)들의 2개의 기어를 가진 치형 시스템의 맞은편 위치에 의해 감소될 수 있다. 스텝구성식 유성 기어의 치형 시스템의 부분들의 개별 슬랜트 각도는 스텝구성식 유성 기어의 지지부에 더 이상 축방향 힘들이 작용하지 않도록 선택되는 것이 바람직하다.

스텝구성식 유성 기어를 이용함으로써, 효율을 결정하는 치형 맞물림 부분(tooth engagement)의 개수를 증가시키지 않고도, 차동 구동장치의 공칭 속도를 선택하기 위해 또 다른 자유도(degree of freedom)가 존재한다. 이런 방식으로, 유성 기어 단의 링 기어의 속도(발전기 속도와 같음)와 리브(rib)의 속도 사이의 기본 트랜스미션 비율이 감소될 수 있으며, 이에 따라 메인 하중(main load)을 지탱하는 차동 기어의 부분이 훨씬 더 작게 형성될 수 있으며, 차동 구동장치의 공칭 속도가 바람직하지 못한 영역으로 전환되지(shifted) 않고서도 더욱 경제적이 된다.

하기 표는 5 MW의 공칭 동력을 가진 풍력발전소의 차동 시스템을 위한 스텝구성식 유성 기어를 가진 유성 기어 단에 연결된 종래의 유성 기어 단에 대한 기술적 변수들을 보여준다. 예시되어 있는 예에서, 두 변형예 모두 m = 5 및 -/+ 15%의 공칭 속도 범위를 가진 점진적 토크 조절부(progressive torque control)를 가진다. 상기 예는 차동 단의 공칭 토크와 링 기어의 직경과 같이 비용을 결정하는 인자들에 대해 스텝구성식 유성 기어를 가진 변형예들의 이점을 보여주고 있다.

5MW의 공칭 동력을 가진 풍력발전소의 차동 시스템을 위한 스텝구성식 유성 기어를 가진 유성 기어 단에 연결된 종래의 유성 기어 단에 대한 기술적 변수

기술적 변수	종래 기술의 유성 기어 단	스텝구성식 유성 기어	편차
공칭 로터 출력[kW]	5,500	5,500	0%
공칭 로터 속도[min^-1]	11.8	11.8	0%
최소 로터 속도[min^-1]	7.9	7.9	0%
발전기 속도[min^-1]	1,000	1,000	0%
공칭 속도 차동 구동장치[min^-1]	900	1,500	67%
공칭 토크 차동 구동장치[kNm]	8.5	5.1	-40%
주 정적 트랜스미션 비율 차동 단[-]	6.0	4.7	-22%
최소 요구 링 기어 직경[mm]	500	350	-30%
요구 트랜스미션 비율 메인 기어[-]	78.8	83.6	6%
유성 기어 캐리어의 공칭 속도[min^-1]	930	986	6%

여기서, 점진적 토크 조절부와 스텝구성식 유성 기어를 가진 차동 기어로부터의 이점에 의하면, 균일한 동력을 가진 공칭 하중 조절부와 종래 기술의 유성 기어 단을 가진 발전소에 비해, 차동 구동장치에 대해 대략 40% 낮은 요구 공칭 토크가 있다는 점이다.

다른 한편으로는, 스텝구성식 유성 기어를 가진 단일-단 차동 기어로 인해, 차동 구동장치의 공칭 속도가 더 빨라지고, 이에 따라, 차동 구동장치에 대한 요구 공칭 토크가 낮아지게 할 수 있으나, 다른 한편으로는, 속도 분포(s_ges)를 증가시킨다. 여기서, s_ges 는 J_DA _, _max,를 위한 계산 식에 삽입하면, 차동 구동장치의 표준 설계의 경우 질량 관성 모멘트가 기본적으로 공칭 토크에 다소 비례하지만, 질량 관성 모멘트 J_DA _, _max에 대해 차동 구동장치를 설계하기 위해서는, 풍력발전소의 허용가능한 조절 행태를 위해, 가능한 최대로 작은 애플리케이션 인자 f_A를 고려해야 한다.

Claims

로터(1)에 연결된 구동 샤프트, 발전기(8), 3개의 구동장치(drive)와 출력부(output)들을 가진 차동 기어(11 내지 13)를 포함하는 에너지 생산 설비 특히 풍력발전소로서, 제 1 구동장치가 상기 구동 샤프트에 연결되고, 하나의 출력부가 상기 발전기(8)에 연결되며, 제 2 구동장치가 전기식 차동 구동장치(6)에 연결되는 에너지 생산 설비에 있어서,
상기 전기식 차동 구동장치(6)의 최대 질량 관성 모멘트는 J_DA _, _max = (J_R/S_ges ²) * f_A인데, 여기서, f_A≤0.2이고, J_R은 상기 로터(1)의 질량 관성 모멘트이며 S_ges는 상기 로터(1)의 속도 범위에 대한 상기 차동 구동장치(6)의 속도 변위의 비율인 속도 분포인 에너지 생산 설비.
제 1 항에 있어서,
f_A≤0.15인 것을 특징으로 하는 에너지 생산 설비.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
f_A≤0.1인 것을 특징으로 하는 에너지 생산 설비.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
전기식 기계장치(6)는 3상 기계장치인 것을 특징으로 하는 에너지 생산 설비.
제 4 항에 있어서,
상기 전기식 기계장치(6)는 영구자석 여기방식의(permanent magnetic excited) 동기식 3상 기계장치인 것을 특징으로 하는 에너지 생산 설비.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 차동 구동장치의 공칭 속도는 ≥1000 min^-1, 바람직하게는, ≥1250 min^-1, 및 더 바람직하게는, ≥1500 min^-1인 것을 특징으로 하는 에너지 생산 설비.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 구동 샤프트는 풍력발전소의 로터 샤프트인 것을 특징으로 하는 에너지 생산 설비.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 차동 구동장치(6)와 피니언(11) 사이의 연결 샤프트(16)가 섬유 복합 샤프트로 제조되는 것을 특징으로 하는 에너지 생산 설비.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 차동 기어(11 내지 13)는 유성 기어 시스템인 것을 특징으로 하는 에너지 생산 설비.
제 9 항에 있어서,
상기 유성 기어 시스템은 각각 2개의 기어를 가진 유성 기어(19)를 포함하는데, 이 2개의 기어들은 서로 토크가 유지되는 방식으로(torque-proof manner) 연결되고 상이한 피치 원 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 에너지 생산 설비.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
공칭 하중 범위를 위한 로터 출력의 한 특성에 따르면, 로터 속도를 가진 경사(slope)를 가지는데, 이 경사 값은 조절 속도 범위의 최대 로터 속도와 공칭 로터 속도 사이의 로터 출력의 경사 백분율(percentage slope)로부터 계산되는 것을 특징으로 하는 에너지 생산 설비.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
공칭 하중 범위를 위한 로터 토크의 한 특성에 따르면, 로터 속도를 가진 경사를 가지는데, 이 경사 값은 조절 속도 범위의 최대 로터 속도와 공칭 로터 속도 사이의 로터 토크의 경사 백분율로부터 계산되는 것을 특징으로 하는 에너지 생산 설비.
제 12 항에 있어서,
상기 로터 토크의 경사 값은 3% 이상, 바람직하게는 5% 이상, 더 바람직하게는 10% 이상인 것을 특징으로 하는 에너지 생산 설비.