KR20120018293A - 가변 회전 속력으로 구동되며 일정 출력 주파수를 갖는 전기 에너지 발생 장치, 특히, 풍력 발전 장치 - Google Patents

가변 회전 속력으로 구동되며 일정 출력 주파수를 갖는 전기 에너지 발생 장치, 특히, 풍력 발전 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 로터(1)로 연결되어 있는 드라이브 샤프트, 발전기(8), 및 3개의 드라이브 및 출력이 구비된 차동 변속기(11 내지 13)를 포함하는 에너지 발생 장치, 특히 풍력 발전 장치에 관한 것이다. 제 1 드라이브가 드라이브 샤프트로 연결되며, 하나의 출력이 발전기(8)로 연결되고, 제 2 드라이브가 전기적 차동 드라이브(6, 14)로 연결되며, 상기 전기적 차동 드라이브(6, 14)는 주파수 변환기(7, 15) 및 DC 중간 회로(18)를 통해 네트워크(10)로 연결되며, 주파수 변환기(7, 15)는 DC 중간 회로(18)에서 전기 에너지 저장소(20)를 가진다.

Description

가변 회전 속력으로 구동되며 일정 출력 주파수를 갖는 전기 에너지 발생 장치, 특히, 풍력 발전 장치{ELECTRICAL ENERGY GENERATING INSTALLATION DRIVEN AT VARIABLE ROTATIONAL SPEEDS, WITH A CONSTANT OUTPUT FREQUENCY, ESPECIALLY A WIND POWER INSTALLATION}
본 발명은, 로터(rotor)로 연결되는 드라이브 샤프트(drive shaft)와, 발전기와, 3개의 드라이브 및 출력을 갖는 차동 변속기를 포함하는 에너지 발생 장치, 구체적으로는 풍력 발전 장치에 관한 것이며, 제 1 드라이브가 상기 드라이브 샤프트로 연결되며, 하나의 출력이 발전기로 연결되고, 제 2 드라이브가 전기적 차동 드라이브로 연결되며, 상기 차동 드라이브는 주파수 변환기를 통해 네트워크로 연결된다.
본 발명은 또한, 전기적 차동 드라이브가 구비된 차동 변속기를 포함하는 에너지 발생 장치, 특히, 풍력 발전 장치를 동작시키기 위한 방법에 관한 것이기도 하며, 상기 전기적 차동 드라이브는 DC 중간 회로를 포함하는 주파수 변환기를 통해 네트워크로 연결되어 있다.
풍력 발전 장치는 전기 발생 장치로서 점점 더 중요해 지고 있다. 이러한 이유로, 바람에 의한 발전의 퍼센트율이 증가하고 있다. 이는 한편으로는, 현재 품질에 관한 (특히 네트워크에서의 전압 강하 동안, 풍력 발전 장치의 무효 전류 제어 및 거동에 관한) 새로운 표준을 야기하며, 다른 한편으로는, 여전히 큰 풍력 발전 장치로의 동향을 야기한다. 동시에, 해상 풍력 발전 장치로의 동향이 인식될 수 있는데, 이는 5MW의 설치 동력(installed power)의 장치 크기를 필요로 한다. 해변가에 위치하는 풍력 발전 장치는 기반시설 및 유지보수에 높은 비용이 들기 때문에, 본원에서, 중전압 동기 발전기(medium-voltage synchronous generator)를 사용하는 발전 장치의 효율과 제조비용 모두 특별히 중요한 의미를 가진다.
WO2004/109157 A1에, 복수의 병렬 차동 단(differential stage) 및 복수의 스위칭가능한 클러치(switchable clutch)를 이용한 복합적인 수정압식(hydrostatic) “다경로(multipath)” 개념이 공개되어 있으며, 이로써, 개별 경로들 간 스위칭이 가능해진다. 나타난 기술적 설계를 이용해, 동력 및 이에 따른 수력 손실이 감소될 수 있다. 그러나 한 가지 큰 단점은 전체 유닛의 복잡한 구조이다. 이 경우, 네트워크로 공급되는 전기 에너지는 차동 시스템에 의해 구동되는 동기 발전기로부터만 온다.
EP 1283359 A1은, 주파수 변환기를 통해 (네트워크-연결형 동기 발전기에 기계적으로 연결되어 있는) 전기식 기계를 구동하는 전기적 차동 드라이브를 포함하는 1-단 및 다중-단 차동 변속기를 공개한다. 이 예에서, 네트워크로 공급되는 전기 에너지는 차동 시스템에 의해 구동되는 동기 발전기로부터만 온다.
WO2006/010190 A1에, 동기 발전기와 병렬 연결된 네트워크로 연결되어 있는 주파수 변환기를 갖는 전기적 차동 드라이브가 구비된 풍력 발전 장치의 구동 라인이 공개되어 있다.
이들 기술적 설계가, 중전압 동기 발전기가 네트워크로 직접 연결되는 것을 가능하게 하지만, 공지된 실시예의 단점은, 공지 기술에 따르는 전기적 차동 드라이브를 포함하는 차동 시스템이 네트워크의 순간전압강하(voltage dip)를 신뢰할만하게 보상할 수 없다는 것이다.
본 발명의 목적은 앞서 언급된 단점을 가능한 피하는 것이다.
본 발명의 목적은, 주파수 변환기가 DC 중간 회로에서 전기 에너지 저장소를 갖는 본 발명에 따르는 앞서 언급된 유형의 에너지 발생 장치에 의해 이뤄진다.
본 발명의 목적은, 순간전압강하, 또는 전력 오류, 또는 네트워크의 과전압의 경우에, 주파수 변환기의 DC 중간 회로 내 전기 에너지 저장소를 이용해 차동 드라이브에 전기 에너지가 공급되는, 본 발명에 따르는 앞서 언급된 유형의 방법에 의해 이뤄진다.
본 발명의 목적은, 순간전압강하, 또는 전력 오류, 또는 네트워크의 과전압의 경우, 차동 드라이브가 전기 에너지를 주파수 변환기의 DC 중간 회로 내 전기 에너지 저장소로 공급하는 본 발명에 따르는 앞서 언급된 유형의 방법에 의해 이뤄진다.
네트워크 전압 오류의 시간 동안, 에너지 저장소에 의해 간단한 방식으로, 차동 드라이브가 발전기의 속력을 네트워크 전압과 동기시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예들은 종속 청구항들의 주제이다.
본 발명의 바람직한 실시예들은 첨부된 도면을 참고하여, 이하에서 상세히 기재된다.
도 1은 종래 기술에 따르는 5MW의 풍력 발전 장치에 있어서, 전력 곡선, 로터 속력, 및 최종 특성, 가령, 주속비 및 파워 계수를 도시한다.
도 2는 종래 기술에 따르는 전기적 차동 드라이브를 포함하는 차동 변속기의 원리를 도시한다.
도 3은 종래 기술에 따르는, 풍속에 대한 전기적 차동 드라이버의 속력 및 파워의 비를 도시한다.
도 4는 종래의 풍력단지의 연결된 파워 그리드(power grid)를 도시한다.
도 5는 도 2에 따르는 차동 시스템을 포함하는 풍력 발전 장치로 구성된 연결된 파워 그리드(power grid)를 도시한다.
도 6은 무효 전류 설정값 변화에 따른 설정될 무효 전류의 시간에 대한 거동을 도시한다.
도 7은 풍력 발전 장치의 결합된 무효 전류 제어를 위한 한 가지 가능한 제어 다이어그램을 도시한다.
도 8은 본 발명에 따르는 결합된 무효 전류 제어를 위한 한 가지 가능한 제어 다이어그램을 도시한다.
도 9는 주파수 변환기에 의한 무효 전류 보상을 이용하는 풍력 발전 장치의 성능 상승에서, 설정될 무효 전류를 도시한다.
도 10은 LVRT에서 차동 드라이브의 전력 수요량에 대한 한 가지 예를 도시한다.
도 11은 본 발명에 따르는 중간 회로 저장소를 포함하는 전기적 차동 드라이브를 도시한다.
도 12는 중전압 동기 발전기의 통상의 전기적 고조파를 도시한다.
도 13은 주파수 변환기를 이용한 능동 고조파 필터링의 한 가지 가능한 원리를 도시한다.
도 14는 주파수 변환기의 능동 고조파 필터링을 이용한, 중전압 동기 발전기의 전기적 고조파를 도시한다.
풍력 발전 장치의 로터(rotor)의 출력은 다음의 공식으로부터 계산된다:
로터 출력 = 로터 면적 * 파워 계수 * 풍속3 * 공기 밀도/2
파워 계수(power coefficient)는 풍력 발전 장치의 로터의 주속비(풍속에 대한 블레이드 팁(blade tip) 속력의 비)에 따라 달라진다. 풍력 발전 장치의 로터는, 발전 중에 주속비(대부분의 경우 7 내지 9)를 바탕으로 하는 최적 파워 계수를 얻도록 설계된다. 이러한 이유로, 풍력 발전 장치가 부분 부하(partial load) 범위에서 동작할 때, 이에 대응하는 낮은 속력이 설정되어, 최적의 공기 역학적 효율이 보장될 수 있다.
도 1은 특정 로터 속력 범위에서, 로터 출력에 대한 비, 로터 속력, 주속비 및 파워 계수, 그리고 최적 주속비 8.0 내지 8.5를 나타낸다. 도표에 따르면, 주속비가 자신의 최적 값 8.0 내지 8.5에서 벗어나자마자, 파워 계수가 하락하고, 이에 따라서 앞서 언급된 공식에 의해, 로터의 공기역학적 특성에 따르는 로터 출력이 감소됨을 알 수 있다.
도 2는 차동 단(differential stage)(3)(11 내지 13)과 매칭 변속 단(4)과 전기적 차동 드라이브(6)로 구성된 풍력 발전 장치의 차동 시스템의 한 가지 가능한 원리를 도시한다. 메인 변속기(2)를 위한 드라이브 샤프트(9) 상에 놓인 풍력 발전 장치의 로터(1)는 메인 변속기(2)를 구동한다. 상기 메인 변속기(2)는, 2개의 유성 단(planetary stage)과 하나의 평기어(spur wheel)를 갖는 3-단 변속기(3-stage transmission)이다. 메인 변속기(2)와 발전기(8) 사이에 차동 단(3)이 위치하며, 상기 차동 단(3)은 자신의 유성 캐리어(12)를 통해 메인 변속기(2)에 의해 구동된다. 발전기(8)(바람직하게는 개별적으로 여자되는 중전압 동기 발전기)가 차동 단(3)의 링 기어(ring gear)(13)로 연결되며, 상기 링 기어(13)에 의해 구동된다. 차동 단(3)의 피니언(pinion)(11)이 차동 드라이브(6)로 연결된다. 차동 드라이브(6)의 속력은, 한편으로는 로터(1)의 변속에서, 발전기(8)의 정속(constant speed)을 보장하도록, 다른 한편으로는, 풍력 발전 장치의 완전한 드라이브 라인에서 토크를 제어하도록, 제어될 수 있다. 도시된 경우에서, 차동 드라이브(6)를 위한 입력 속력을 증가시키기 위해, 차동 단(3)과 차동 드라이버(6) 사이에서, 평기어 단의 형태로 된 매칭 변속 단(4)을 필요로 하는 2-단 차동 변속기가 선택된다. 차동 단(3)과 매칭 변속 단(4)은 따라서, 2-단 차동 변속기를 형성한다. 차동 드라이브는 3상 a.c. 기계(three-phase a.c. machine)이며, 발전기(8)에 병렬 연결된 주파수 변환기(7) 및 변압기(5)를 통해 네트워크(10)로 연결되어 있다.
차동 변속기에 대한 속력 공식은 다음과 같다:
속력발전기 = x * 속력로터 + y * 속력차동드라이브
여기서, 발전기 속력(속력발전기)은 상수이고, 인자 x 및 y는 메인 변속기와 차동 변속기의 선택된 변속 비로부터 얻어질 수 있다.
우세 바람(prevailing wind)과 로터의 공기역학적 효율에 의해, 로터에 걸리는 토크가 결정된다. 로터 샤프트에 걸리는 토크와 차동 드라이브에 걸리는 토크 간의 비는 일정하며, 이에 따라서, 차동 드라이브에 의해 드라이브 라인에서의 토크가 제어될 수 있다. 차동 드라이브의 토크 공식은 다음과 같다:
토크차동드라이브 = 토크로터 * y/x
여기서, 크기 인자 y/x는 차동 드라이브의 필수 설계 토크의 측정치이다.
차동 드라이브의 출력은, 로터의 기본 속력(base speed)에 대한 퍼센트율 편차와 로터 출력의 곱에 실질적으로 비례하며, 여기서 기본 속력은, 차동 드라이브가 정지 상태일 때(즉, 0인 속력을 가질 때)의 풍력 발전 장치의 로터의 속력이다. 따라서 더 큰 속력 범위는 본질적으로, 이에 대응하는 차동 드라이브의 큰 크기를 요구한다.
도 3은, 예를 들어, 종래 기술에 따른 차동 단에 대한 속력 및 동력 비를 도시한다. 주파수-고정형 파워 그리드로의 연결 때문에, 발전기 속력은 일정하다. 차동 드라이브를 잘 이용할 수 있도록, 이 드라이브는 기본 속력보다 더 작은 범위에서 모터로서 동작되고, 기본 속력보다 더 큰 범위에서 발전기로서 동작된다. 이는 모터 범위에서는 차동 단으로 공급되는 전력, 그리고 발전기 범위에서는 차동 단으로부터 얻어지는 전력을 야기한다. 전기적 차동 드라이브의 경우, 이러한 전력이 네트워크로부터 얻어지거나, 상기 네트워크로 공급되는 것이 바람직하다. 발전기 전력과 차동 드라이브의 전력의 총합이, 네트워크로 전달되는, 전기적 차동 드라이브를 갖는 풍력 발전 장치를 위한 총 전력을 도출한다.
도 4는 종래의 방식으로 구축된 복수의 풍력 발전 장치를 연결하는 풍력단지 네트워크를 도시한다. 간단히 나타내기 위해, 단 3개의 풍력 발전 장치만 도시되었지만, 풍력단지의 크기에 따라서, 풍력단지 네트워크에, 가령, 최대 100개 또는 그 이상의 풍력 발전 장치가 연결될 수 있다. 가령, 690VAC의 정격 전압을 갖는 저전압 실시예에서(이른바 2-공급 3상 a.c. 기계(double-fed three-phase a.c. machine), 또는 풀 스케일 전력 변환기를 포함하는 3상 a.c. 기계가 구비된 대부분의 경우에서, 몇 개의 풍력 발전 장치가 장치 변압기를 통해 가령 20㎸의 전압 레벨을 갖는 모선(busbar)으로 급전한다. 일반적으로 전력 공급 회사의 네트워크로의 전달 사이트(transfer site)인 네트워크 급전점(feed point)의 상류에, 풍력단지 변압기가 연결되어 있어서, 풍력단지의 중전압을 네트워크 전압(가령, 110㎸)까지로 높인다. 이러한 네트워크 급전점에 대해, 무효 전류 인자(reactive current factor)와 전압 항등성(voltage constancy)을 참조하면, 충족되어야 할 가이드라인이 존재하며, 이러한 가이드라인은 대부분의 경우 전력 공급 회사에 의해 규정된다. 점점 더 엄격해지는 전류 품질과 관련된 표준을 충족하기 위해, 무효 전류를 네트워크 내로 제공하고, 네트워크로부터 무효 전류를 취함으로써 네트워크 급전점에서의 전압을 지정 한계치 내로 유지하는 동적 무효 전류 보상 시스템이 중전압 측에 구현되는 것이 점점 증가하고 있다.
도 5는 차동 시스템을 이용해 복수의 풍력 발전 장치를 연결하는 한 가지 대안적 풍력단지 네트워크를 도시한다. 간단히 나타내기 위해, 그룹당 단 3개의 풍력 발전 장치만 도시되었다. 예를 들어 정격 전압이 10㎸인 중전압 실시예(이른바 개별적으로 여자되며 병렬 연결된 동기 발전기와 전기적 차동 장치가 구비된 경우, 예를 들어, 도 2에 도시된 것)에서, 복수의 풍력 발전 장치는, 모선으로 급전하고, (풍력단지가 매우 큰 경우) 모선으로부터, 그룹 변압기를 통해, 가령 30㎸의 전압 레벨을 갖는 또 다른 모선으로 급전한다. 네트워크 급전점의 상류에, 풍력단지 변압기가 연결되어 있으며, 풍력단지의 중전압을 가령 110㎸의 네트워크 전압으로 높인다. 이 예시에서, 네트워크로 전달되는 전압을 특정 경계 값 내로 유지하도록 설계된 동적 무효 전류 보상 시스템이 역시 구현된다.
풍력 발전 장치의 유의미한 성능 상승(performance leap)은 주로 돌풍이나 네트워크 오류로 인한 것이며, 이는 종래 기술의 풍력 발전 장치에 의해서는 자동으로 보상될 수 없는 매우 동적인 프로세스이다. 본원에서는, 각각의 개별적인 풍력 발전 장치의 정전압 제어만 다루지 않는다. 이에 더 나아가서, 이미 언급된 동적 무효 전류 보상 시스템에 의해 무효 전류 부분이 전달되지 않는 정도까지, 라인과 변압기로 구성된 하향 풍력단지 네트워크는, 급전점에서의 풍력 발전 장치의 전력 변동으로부터 초래된 전압 변동을 보상하기 위해, 풍력 발전 장치로부터 전달될 무효 전류 부분을 필요로 한다. 풍력 발전 방치에 의해 전달되는 이러한 무효 전류 부분은, 풍력단지 네트워크의 임피던스 및 네트워크로 전달될 전기 출력에 크게 좌우되고, 이들 파라미터들로부터 수학적으로 계산될 수 있다. 이는, 하나의 바람직한 실시예에서, 각각의 개별 풍력 발전 장치의 제어부가 가령, 전력 변동에 의해 야기된 풍력단지 네트워크의 보상을 위해, 전력 변동으로 인해 필요한 무효 전류 부분을 계산하고, 이를 풍력 발전 장치의 무효 전류 제어를 위한 수요로서 풍력 발전 장치의 무효 전류 제어부로 전달할 수 있음 의미한다. 또는, 중앙 제어 유닛이 풍력단지 네트워크를 위해 필요한 이러한 무효 전류 수요를 계산할 수 있으며, 이를, 필요에 따라 정의된 분배 키(무효 전류 설정값)에 따라, 개별 풍력 발전 장치에게로 전달할 수 있다. 그렇다면, 중앙 제어 유닛은 네트워크 급전점 근방에 위치하며, 측정된 풍력단지 출력 및/또는 측정된 네트워크 전압으로부터, 정전압을 위해 필요한 무효 전류 수요를 계산하는 것이 바람직하다.
예를 들어 발열력 발전소(caloric power plant)와 비교되는 재생식 에너지 발생 장치의 대부분, 가령, 풍력 발전 장치는 드라이브 에너지의 무작위적 축적(돌풍)의 결과로서, 단기간에 유의미한 성능 상승이 발생한다는 단점을 가진다. 이 때문에, 재생식 에너지 발생 장치에 있어서 동적 무효 전류 보상의 주제가 특히 중요해 진다.
풍력단지 네트워크의 역학을 개선하기 위한 또 다른 가능성은, 풍속을 바람직하게는 개별적으로 설치된 바람 측정용 마스트에서 측정하는 것이며, 이러한 목적으로, 대안적으로 하나 이상의 풍력 발전 장치에서의 바람 측정치가 사용될 수 있다. 풍력 발전 장치의 전달되는 출력은, 무작위적으로 설정될 풍속에 따라 더 긴, 또는 더 짧은 주 딜레이를 갖고 변화하기 때문에, 풍력 발전 장치의 예상 전달 전력은, 측정된 풍속 변화로부터 추론될 수 있다. 따라서 후속 절차로, 네트워크 급전점에서의 정전압을 위한 무효 전류 수요가 미리 계산될 수 있으며, 따라서 주어진 측정치에 의해 딜레이가 가장 잘 보상되고, 시간 상수를 제어한다.
도 6은 개별적으로 여자되는 동기 발전기의 설정 단계에서의 통상적인 거동-전달될 무효 전류의 변화를 도시한다. 시점 1.0에서, 무효 전류 수요가 0A에서 40A로 변화되며, 이는 동기 발전기의 여자기 전압의 즉각적인 증가를 야기한다. 무효 전류가 40A이라는 요구량까지 조정될 때까지, 약 6초가 걸린다. 설정될 무효 전류에 따라 발전기 전압이 변한다.
도 7은 시점 1.0에서, 정격 출력의 60%에서 100%로의 풍력 발전 장치의 유의미한 성능 상승에 대한 유사한 도면을 도시한다. 무효 전류가 다시 0A의 본래의 설정값까지 조정될 때까지, 여자기(exciter)는 약 5초를 필요로 한다. 또한, 설정될 무효 전류에 따라 발전기 전압이 발진한다.
이와 관련하여, 여자기 전압을 최적으로 매칭하면, 특정 환경에서, 추가적인 개선이 이뤄질 수 있다. 그러나 도 6과 도 7에 도시된 거동은 계속 높아져 가는 전류 품질에 대한 수요를 충족시키기에 충분하지 않다. 이러한 이유로, 동적 무효 전류 보상과 관련된 개선을 이루는 것이 필요하다.
수정압식(hydrostatic) 또는 수동압식(hydrodynamic) 차동 드라이브와 비교되는, 도 2에 따르는 전기적 차동 드라이브의 한 가지 중요한 속성은, 차동 드라이브(6)로부터, 주파수 변환기(7)를 통해, 네트워크로 흐르는 직접 전력의 흐름이다. 이들 주파수 변환기는, 네트워크로 전달되고, 네트워크로부터 수신되는 무효 전력이 자유롭게 조정될 수 있는 이른바 IGBT 변환기인 것이 바람직하다. 이를 위해, 가령, 자유롭게 프로그래밍 가능한 제어부를 이용해, 다양한 제어 방법이 구현될 수 있으며, 또는 선택사항으로서 동작 동안에도, 풍력 발전 장치의 변하는 주변 상태 및/또는 동작 상태에 매칭될 수 있다. 짧은 시간 동안 무효 전류(가령, 최대, 주파수 변환기의 정격 전류까지, 또는 주파수 변환기의 감소된 클럭 주파수에 대해서는 심지어 정격 전류 이상까지도)를 네트워크로 제공하거나, 무효 전류를 네트워크로부터 얻을 수 있는 매우 동적인 주파수 변환기가 사용되는 것이 바람직하다. 이러한 방식으로, 개별적으로 여자되는 동기 발전기의 주요한 단점이 보상될 수 있다.
도 8은 이러한 수요를 만족시키는 제어 방법을 도시한다. 근본적으로, 풍력단지에 있어서, 무효 전류 설정값은, 가령 외부 제어부에 의해 상수 또는 변수로서 입력된다고 특정될 수 있다. 이러한 무효 전류 설정값은, 예를 들어, 개별 풍력 발전 장치로의 고정 또는 가변 분배 키에 따라 더 높은 차원의 풍력단지 제어 유닛에 의해, 이른바 "무효 전류 WKA"(고정 파라미터 또는 변수)라고 특정될 수 있다. 이와 관련하여, 모든 풍력 발전 장치에 대해 모두 동일한 것이 바람직한(그러나 반드시 동일할 필요는 없는) 값이 정의된다. 무효 전류 부분, 즉, 다음의 풍력단지 네트워크의 필요한 보상을 위해 요구되는 "풍력단지 네트워크 보상을 위한 무효 전류"가 이러한 "무효 전류 WKA"에 추가될 수 있다. "무효 전류 설정값"이 2개의 값의 합으로부터 얻어질 수 있다. 이 "무효 전류 설정값"이 "PI 제어기 무효 전류 설정값 발전기"로 전달된다. 도 8은 PI 제어기를 도시하며, 여기서, 그 밖의 다른 제어기 유형이 또한 사용 가능하다. "PI 제어기 무효 전류-설정값 발전기"는, 비교적 긴 시간 상수, 즉, 사이클 시간(이 경우, 무효 전류 값이 변화하는 사이클 시간)을 갖고 동작하지만, 발전기의 큰 전력 용량 때문에, 큰 크기의 무효 전류를 지속적으로 전달할 수 있다. 비교기가 “무효 전류 설정값”에 “실제 무효 전류”를 비교한다. 덧붙여, 짧은 시간 내에, 비교적 저전력의 주파수 변환기(7)(도 2)가 “무효 전류 설정값”에 따라 빠진 무효 전력을 전달하거나 네트워크의 과량의 무효 전류에서 무효 전력을 수신한다. “PI 제어기 무효 전류-설정값 변환기”에 의해 주파수 변환기(7)로부터 전달될 무효 전류가 계산된다. 2개의 제어 회로는, 발전기 및 주파수 변환기를 위한 가능한 무효 전류를 제한하는 이른바 “한류기(limiter)”를 갖는 것이 바람직하다.
도 9는 이러한 제어 방법의 효과를 도시한다. “무효 전류 변환기”는 도 7에 도시된 “무효 전류 발생기”의 시간 거동에 중첩된다. 여기서 주파수 변환기는 50ms 내에 전류를 0에서 정격 전류까지로 조정할 수 있음이 가정된다. 이러한 짧은 시간 상수, 즉, 이 경우, 무효 전류 값이 변할 수 있는 사이클 시간을 이용해, 주파수 변환기는 “무효 전류 발생기”의 원치 않은 편차를 비교적 신속하게 등화(equalize)할 수 있으며, 이 결과로서, “무효 전류 설정값”으로부터의 최대 편차가, 앞서 언급된 17A가 아닌, 단 3A가 된다. 따라서 “WKA[wind power installation, 풍력 발전 장치] 전압”의 하나 이상의 변동만 검출될 수 있다.
주파수 변환기에 의한, “무효 전류 발전기”의 더 정확한, 적어도 더 빠른 보상이 이뤄질 수 있다. 주파수 변환기에 의해 무효 전류 보상을 위한 시간이, 풍력 발전 장치 제어부의 전력/토크 점프 명령의 결과로 변경된 무효 전류 수요가 추론되고, 네트워크 임피던스와 전송 전력을 기초로 하는 수학적 모델을 이용해 무효 전류 제어부에서 변경된 무효 전류 수요가 특정되는 정도까지로 단축된다.
앞서, 전기적 차동 드라이브를 이용한 무효 전류 제어와 관련해 기재된 수단에 추가로, 일반적으로 요구되는 전류의 고품질의 측면에서, 고려될 수 있는 본 발명의 또 하나의 중요한 양태가 있다. 이는 네트워크 전압 오류를 갖는 풍력 발전 장치가 네트워크 상에 여전히 남아 있어야 하는 경우이다. 일반적으로 이 속성은 다양한 안내서(가령, E.ON network)에서 정확히 규정된 저전압 보상(LVRT: Low-Voltage-Ride-Through), 또는 고전압 보상(HVRT: High-Voltage-Ride-Through)이라고 지칭된다. 최악의 경우에서, 네트워크 급전점에서 0V의 순간전압강하(voltage dip)가 있는 LVRT 이벤트 동안, 또는 과전압이 있는 HVRT 이벤트 동안에도, 앞서 언급한 바와 같이, 풍력 발전 장치는 네트워크 상에 남아 있어야 한다. 이는, 발전기(8)(도 2)의 속력이, 전압이 회복될 때(즉, 전압이 정격 값으로 회복될 때) 발전기(8)가 네트워크와 동기될 때까지, 일정하게 유지되어야 함을 의미한다. 덧붙여, 특정 환경에서, 가령, 이른바 서지 방지기(surge diverter)가 충분한 보호를 제공하지 않을 경우, HVRT 이벤트 동안 주파수 변환기가 감당할 수 없는 서지(surge)로부터 보호되기 위해 네트워크로부터 빠질 수 있다.
5MW의 풍력 발전 장치에 있어서, 도 10은 시점 0에서 네트워크 전압이 500ms 동안 0까지 강하하는 일례적 LVRT 이벤트 동안의 차동 드라이브의 전력 특성을 도시한다. 도 2의 실시예를 참조하여 차동 드라이브(6)가 약 300㎾의 전력을 전달하는 LVRT 이벤트의 시작 부분 후에, 전력은 매우 짧은 시간 동안 0㎾까지로 강하된다. 그 후, 차동 드라이브(6)가 최대 300㎾의 전력을 수신한다. 이 경우, 네트워크 공급은 전혀, 또는 거의 없으며, 차동 드라이브(6)는 필요한 속력/토크 제어를 유지할 수 없고, 풍력 발전 장치의 로터(1)가 발전기(8)가 연결해제(pull out)되게 하며, 이에 따라, 발전기(8)는 전압이 회복될 때 네트워크와 동기화될 수 있기 위해 요구되는 속력을 더 이상 유지할 수 없다. 이 예는 차동 드라이브(6)의 출력의 시간 거동의 단 한 가지 예를 나타낸 것이다. 무작위적인 바람 상태와, 풍력 발전 장치의 로터(1) 또는 차동 장치(6)의 LVRT 이벤트의 시작 시점에서의 우세한 속력/전력에 따라서, 물론 차동 드라이브(6)가 처음 순간에 전력을 수신해야 하는 경우가 발생할 수 있다.
발전기(8)가 연결해제되는 것을 방지하기 위해, 도 11은 본 발명에 따라 다음의 구성을 갖는 전기적 차동 드라이브를 도시한다. 차동 드라이브(14)는, 모터-측 IGBT 브리지(16) 및 네트워크-측 IGBT 브리지(17)와 커패시터-지원 DC 중간 회로(18)로 구성되는 주파수 변환기(15)로 연결된다. 변압기(19)에 의해, 주파수 변환기(15)의 전압이 발전기 전압에 매칭된다. 중간 회로 저장소(20)가 바람직하게는 DC 중간 회로(18)로 연결되는 커패시터(21)를 가진다. 대안적으로, 예를 들어 배터리가 사용될 수도 있다. 커패시터(21)는, 풍력 발전 장치에서 로터 블레이드 조정 시스템용 에너지 저장소로서 이미 널리 사용되고 있는 이른바 수퍼캡(supercap)인 것이 바람직하다. 커패시터(21)의 사용될 필요 커패시턴스는, 네트워크 분열 동안 차동 드라이브를 구동시키기 위해 필요한 에너지들의 합으로부터 계산된다. 본원에서, 중간 회로 저장소(20)는 에너지 전달과 에너지 저장을 모두 수행해야 하는 것으로 간주되어야 하지만, 어느 요구사항이 우선적으로 적용되어야 하는지는 알려지지 않는다. 즉, 중간 회로 저장소(20)는 부분적으로 충전되는 것이 바람직한데, 이 상태에서 최대 필요한 공급기 볼륨 및 최대 필요한 저장 볼륨과 관련하여 충분한 용량을 갖도록 한다.
도 10에 따르는 예시로부터, 초기 약 10kJ의 차동 드라이브 에너지 생산량이 있고, 뒤 이어 약 50kJ의 에너지 수요량이 있음을 알 수 있다. 결과적으로, 생산량 레벨/수요량 레벨이 평평화되거나, 어찌됐든 LVRT 이벤트가 총 500ms 후에 종료된다. 즉, 100kJ용으로 설계된 중간 회로 저장소(20)는 약 50kJ로 선-충전(precharge)되어야 할 것이다.
최적화를 위해, 중간 회로 저장소(20)의 선-충전은, 풍력 발전 장치의 동작 상태에 따라 이뤄질 수 있다. 풍력 발전 장치에서 기본 속력 이하의 속력에서 차동 드라이브는 모터로서 동작하기 때문에, 이러한 동작 범위에서, 에너지는 중간 회로 저장소(20)로부터 수신되는 것이 우선시 된다. 이는 중간 회로 저장소(20)가 최대 전달량인 에너지 수요량에 따라 충전되어야 함을 의미한다. 역으로, 풍력 발전 장치에서, 기본 속도 이상의 속도에서 차동 드라이브는 발전기로서 동작하며, 이는 도 10에 따라 수신을 위해 변하도록 차동 드라이브가 우선, 중간 회로를 충전함을 의미한다. 이 경우, 따라서 선-충전이 덜 이뤄질 수 있으며, 이를 통해, 중간 회로 저장소(20)의 최대 필요한 저장 볼륨이 감소될 수 있다. 즉, 도 10에 따라, 중간 회로 저장소로부터 이용 가능한 충분한 에너지를 만들기 위해, 상기 중간 회로 저장소는 약 40kJ로 선-충전되어야 한다. 차동 드라이브에 의해, 총 수요에서 여전히 부족한 10kJ이 LVRT 이벤트의 시작 부분에서 충전된다.
기본적으로, 최소 필수 저장 에너지가 풍력 발전 장치의 정격 출력과 관련되기 때문에, 최적화 변형예에서, 중간 회로 저장소(20)에 대한 최소 요구량인 저장 에너지가 약 8kJ/MW-(풍력 발전 장치의 정격 출력)를 이용해 정의되거나, 충분한 예약분을 포함하여 약 12kJ/MW-(풍력 발전 장치의 정격 출력)를 이용해 정의될 수 있다. 반대로 말하자면, 먼저 설명된 설계 변형을 위해, 적어도 20kJ/MW-(풍력 발전 장치의 정격 출력)가 필요하다.
덧붙여, 많은 경우에서, LVRT 이벤트가 최대 150ms 동안 지속되는 것이 고려되는 경우, 필요한 저장 에너지가, 앞서 언급된 최소 필요한 저장 에너지 8kJ/MW-(풍력 발전 장치의 정격 출력)의 약 1/3, 즉, 약 2.5kJ/MW-(풍력 발전 장치의 정격 출력)으로 감소된다.
중간 회로 저장소에 커패시터가 구비된 경우, 커패시터는 공식:
에너지[J] = 커패시턴스[F]*전압[V]2/2
에 따라 설계될 수 있다.
여기서, 주파수 변환기의 DC 중간 회로의 전압은 일반적으로 전압 상한 SpO=1,150V 내지 전압 하한 SpU=900V로 변동될 수 있다. 즉, 이 경우에서 최대 이용 가능한 저장 에너지는 공식:
이용 가능한 저장 에너지 = 커패시턴스 * (SpO2-SpU2)/2
장치의 정상적인 동작 중에, 즉, LVRT 이벤트나 HVRT 이벤트가 발생하지 않는 경우, 장치의 동작 상태에 따라 중간 회로 저장소(20)는 이용 가능한 저장 에너지의 20% 내지 80%로 충전될 것인데, 이러한 충전 상태에 대하여, 모든 알 수 있는 동작 상태를 위한 충분한 커패시턴스가 존재하기 때문이다.
덧붙이자면, 본원에서, 전체적으로 훨씬 더 작은, 커패시터-지원 DC 중간 회로(18)의 커패시터 패키지가, 중간 회로 저장소(20)로 대체될 수 있다.
또한 에너지 저장소는, 중간 회로 저장소(20)의 앞서 언급된 기능뿐 아니라, 동시에 풍력 발전 장치의 다른 기술적 수단(가령, 로터 블레이드 조정 시스템)에게 전력을 공급하기 위한 에너지 저장소의 기능까지 수행할 수 있도록 충분히 크게 설계된 중간 회로 저장소(20)로서 사용될 수도 있다.
주파수 변환기(15)는 중간 회로 저장소(20)의 적정 충전을 위해 필요한 제어부를 가진다. 이러한 목적을 위해, 중간 회로 저장소(20)의 전압이 측정되는 것이 바람직하다. 대안적으로, 중간 회로 저장소(20)는 별도의 충전 수단에 의해 충전될 수 있다.
최적 전류 품질을 목적으로, 개별적으로 여자되는 동기 발전기의 고조파를 주제로서 다루겠다. 도 12는 개별적으로 여자되는 동기 기계의 통상의 고조파 스펙트럼을 도시한다. 여기서, 특히, 3, 5, 7 및 13차 고조파가 있다. 예를 들어, 풀 스케일 전력 변환기를 갖는 풍력 발전 장치에 비교할 때, 상기 고조파들이 비교적 높으며, 적정 수단에 의해 감소될 수 있다. 이들 고조파의 크기를 감소하기 위한 한 가지 가능성은, 이른바 로터의 틸팅(tilting) 및/또는 로터와 스테이터의 쇼트-피칭(short pitching)에 의해 대응하는 동기 발전기의 기계적 설계를 얻는 것이다. 그러나 이들 수단은, 높은 제품 비용과 관련되거나, 기술적 전제조건의 부재(不在) 때문에 가능한 공급기의 이용 가능성을 제한한다.
이에 추가로, 최적 전류 품질을 목적으로, 개별적으로 여자되는 동기 발전기의 고조파가 여전히 주제로서 다뤄질 수 있다. 도 12는 개별적으로 여자되는 동기 기계의 통상의 고조파 스펙트럼을 도시한다. 여기서, 특히, 3, 5, 7 및 13차 고조파가 있다. 예를 들어, 풀 스케일 전력 변환기를 갖는 풍력 발전 장치에 비교할 때, 상기 고조파들이 비교적 높으며, 적정 수단에 의해 감소될 수 있다. 이들 고조파의 크기를 감소하기 위한 한 가지 가능성은, 이른바 로터의 틸팅(tilting) 및/또는 로터와 스테이터의 쇼트-피칭(short pitching)에 의해 대응하는 동기 발전기의 기계적 설계를 얻는 것이다. 그러나 이들 수단은, 높은 제품 비용과 관련되거나, 기술적 전제조건이 없기 때문에 가능한 공급기의 이용 가능성을 제한한다.
따라서 동기 발전기의 고조파의 능동적 필터링을 위해 기존의 주파수 변환기(7)가 사용된다. 도 13은 공지된 방법, 즉, 좌표계의 변환, 필터, 제어기, 한류기, 연결해제/예선회(prerotation) 및 좌표계의 역 변환의 스테이지를 이용하는 이른바 주파수 영역 기법을 도시한다. 따라서 주파수 변환기에 의해 고조파 전류를 생성하는 것이 가능하며, 상기 전류는 측정된 전류와 상이 반대이며, 따라서 네트워크 전류에서 고조파가 선택적으로 보상될 수 있다.
발전기의 고조파에 추가로, 네트워크에 그 밖의 다른 고조파, 예를 들어 주파수 변환기 자체로부터 기원하는 고조파, 또는 그 밖의 다른 방식으로 형성되며, 마찬가지로 전류 품질을 감소시키는 고조파가 존재할 수 있다. 네트워크 전압을 측정함으로써, 능동적 필터링에서 모든 고조파가 검출되고 고려될 수 있다.
도 14는 필터링된 3, 5, 7 및 13차 고조파를 갖는, 실질적으로 개선된 고조파 스펙트럼을 도시한다. 개선의 품질은 이른바, 주파수 변환기의 클럭 주파수에 따라 달라지며, 더 높은 클럭 주파수에서 더 우수한 결과가 얻어진다.
마찬가지로, 앞서 기재된 실시예들은 기술적으로 유사한 적용예에서 구현될 수 있다. 이는 강과 바다의 수류를 이용하는 수력전기 발전소 등에 적용된다. 이 적용예에서, 풍력 발전 장치에서와 동일한 기본 전제조건, 특히 가변 유속이 적용된다. 이 경우에서 드라이브 샤프트가, 수류의 매질(가령, 물)에 의해 구동되는 시스템에 의해 직접 또는 간접적으로 구동된다. 결과적으로, 드라이브 샤프트는 차동 변속기를 직접 또는 간접적으로 구동한다.

Claims (15)

  1. 로터(1)로 연결되어 있는 드라이브 샤프트, 발전기(8), 및 3개의 드라이브 및 출력이 구비된 차동 변속기(11 내지 13)를 포함하는 에너지 발생 장치, 특히 풍력 발전 장치에 있어서, 제 1 드라이브가 드라이브 샤프트로 연결되며, 하나의 출력이 발전기(8)로 연결되고, 제 2 드라이브가 전기적 차동 드라이브(6, 14)로 연결되며, 상기 전기적 차동 드라이브(6, 14)는 주파수 변환기(7, 15) 및 DC 중간 회로(18)를 통해 네트워크(10)로 연결되며,
    주파수 변환기(7, 15)는 DC 중간 회로(18)에서 전기 에너지 저장소(20)를 갖는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전기 에너지 저장소(20)는 DC 중간 회로(18)와 병렬로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 전기 에너지 저장소(20)는 하나 이상의 커패시터(21)를 갖는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 에너지 저장소(20)는 하나 이상의 배터리를 갖는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 에너지 저장소(20)는 주파수 변환기(15)에 의해 충전 가능한 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 에너지 저장소(20)는 별도의 충전 시스템에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 에너지 저장소(20)는, 공식
    저장 에너지 = 커패시턴스*(SpO2 - SpU2)/2
    에 따라 계산되는 가용 저장 에너지를 가지며, 여기서, SpO는 전압 상한이고, SpU는 전압 하한인 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 전기 에너지 저장소(20)의 가용 저장 커패시턴스는, 2.5kJ/MW(풍력 발전 장치의 정격 출력)이며, 바람직하게는 8kJMW(풍력 발전 장치의 정격 출력) 이상이고, 더 바람직하게는 12kJMW(풍력 발전 장치의 정격 출력) 이상인 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 에너지 발생 장치의 정규 동작에서 상기 전기 에너지 저장소(20)가 20% 내지 80%로 충전되는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 에너지 저장소(20)는 에너지 발생 장치의 타 기술적 시스템, 가령, 로터 블레이드 조정 시스템에 전력을 공급하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 주파수 변환기(7, 15)의 무효 전류가 제어 가능한 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 주파수 변환기(7, 15)는, 에너지 발생 장치의 고조파, 특히, 발전기(8)의 고조파를 능동 필터링(active filtering)하도록 제어 가능한 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치.
  13. 전기적 차동 드라이브(6, 14)를 포함하는 차동 변속기(11 내지 13)를 포함하는 에너지 발생 장치, 특히, 풍력 발전 장치를 동작시키기 위한 방법에 있어서, 상기 전기적 차동 드라이브(6, 14)는 주파수 변환기(7, 15)를 통해 DC 중간 회로(18)와 네트워크(10)로 연결되며, 순간전압강하(voltage dip), 또는 전력 오류, 또는 네트워크(10)의 과전압의 경우, 주파수 변환기(7, 15)의 DC 중간 회로(18) 내 전기 에너지 저장소(20)에 의해, 상기 전기적 차동 드라이브(6, 14)에 전기 에너지가 공급되는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치를 동작시키기 위한 방법.
  14. 전기적 차동 드라이브(6, 14)를 포함하는 차동 변속기(11 내지 13)를 포함하는 에너지 발생 장치, 특히, 풍력 발전 장치를 동작시키기 위한 방법에 있어서, 상기 전기적 차동 드라이브(6, 14)는 주파수 변환기(7, 15)를 통해 DC 중간 회로(18)와 네트워크(10)로 연결되며, 순간전압강하(voltage dip), 또는 전력 오류, 또는 네트워크(10)의 과전압의 경우, 상기 전기적 차동 드라이브(6, 14)는 주파수 변환기(7, 15)의 DC 중간 회로(18) 내 전기 에너지 저장소(20)로 전기 에너지를 공급하는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치를 동작시키기 위한 방법.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서, 중간 회로 저장소(20)가 풍력 발전 장치의 동작 상태에 따라 충전되는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 장치를 동작시키기 위한 방법.
KR1020117024618A 2009-04-20 2010-04-20 가변 회전 속력으로 구동되며 일정 출력 주파수를 갖는 전기 에너지 발생 장치, 특히, 풍력 발전 장치 KR20120018293A (ko)

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